JP2020141468A

JP2020141468A - 回転電機のロータ

Info

Publication number: JP2020141468A
Application number: JP2019034934A
Authority: JP
Inventors: 宏金原; Hiroshi Kanehara
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-02-27
Filing date: 2019-02-27
Publication date: 2020-09-03

Abstract

【課題】磁石の冷却効率が向上した回転電機のロータを提供する。【解決手段】回転電機のロータは、磁石と、前記磁石を収容する収容孔と、前記磁石を冷却する冷却媒体を前記収容孔に導入する流路とが設けられたロータコアと、前記収容孔内の前記磁石の周囲の隙間を埋める多孔質体とを有し、前記多孔質体には、前記多孔質体の孔径より大きな径を有し、前記流路から導入された前記冷却媒体が流れる貫通孔が設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機のロータに関する。

回転電機のロータコアの挿入孔には磁石が挿入されている。ロータの回転により磁石が昇温して消磁することを抑制するため、磁石の挿入孔には、磁石を冷却する冷却油が流れる。磁石の冷却に関し、例えば特許文献１には、磁石の冷却効率を高めるため、挿入孔内の間隙に、冷却油が流れる多孔質層を挿入したロータが記載されている。

特開２０１９−９８６６号公報

しかし、冷却油の粘度は、例えば寒冷地などの低温環境では高くなり、また、流量が多いときも高くなる。このため、多孔質層の孔が小さいほど、冷却油の圧力損失が増加して、冷却油が多孔質層を流れにくくなり、効率的に磁石を冷却できないおそれがある。

そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、磁石の冷却効率が向上した回転電機のロータを提供することを目的とする。

本発明の回転電機のロータは、磁石と、前記磁石を収容する収容孔と、前記磁石を冷却する冷却媒体を前記収容孔に導入する流路とが設けられたロータコアと、前記収容孔内の前記磁石の周囲の隙間を埋める多孔質体とを有し、前記多孔質体には、前記多孔質体の孔径より大きな径を有し、前記流路から導入された前記冷却媒体が流れる貫通孔が設けられている。

本発明によれば、回転電機のロータにおいて磁石の冷却効率を向上することができる。

回転電機の一例を示す断面図である。回転電機のロータの一例を示す部分的な断面図である。図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。回転電機の他の例を示す断面図である。多孔質体の製造方法の一例を示す工程図である。不織布の積層工程の様子を示す図である。不織布を分断する打ち抜き加工の例を示す図である。葉脈形状の貫通孔が形成された不織布の一例を示す図である。

図１は、回転電機１の一例を示す断面図である。図１は、回転電機１の回転軸Ｌを含む平面に沿った断面図である。回転電機１の用途としては、例えば自動車の駆動が挙げられるが、これに限定されない。

また、図２は、回転電機１のロータ２の一例を示す部分的な断面図である。図２は、回転軸Ｌに対して垂直な面に沿った断面図である。

回転電機１は、ロータ２と、ステータ１０とを有する。ロータ２は、回転軸Ｌに沿って延びるシャフト１２と、中心部を挿通するシャフト１２に固定されたロータコア１４とを有する。

ロータコア１４は、例えば回転軸Ｌに沿って積層された複数枚の電磁鋼板１６である。ロータコア１４の内部には、磁石２２をそれぞれ収容する複数の収容孔２０が設けられている。なお、収容孔２０の形状に限定はない。

ステータ１０には、電流が流れるコイルが含まれる。ステータ１０が発生する磁力は、電流の制御により変化し、ロータコア１４の磁石２２に作用する。これにより、ロータ２は回転軸Ｌを中心として回転する。

磁石２２はロータ２の回転に伴って発熱する。このため、磁石２２の収容孔２０には、磁石２２を冷却する冷却油が流れる。なお、冷却油は、磁石２２を冷却する冷却媒体の一例であるが、冷却媒体としては他の流体が用いられてもよい。

冷却油は、供給路２８、導入路３０、導出路３２、及び接続路３１を流れる。供給路２８は、シャフト１２内に設けられ、回転軸Ｌに沿って延び、一端が収容孔２０側に曲がっている。
導入路３０、導出路３２、及び接続路３１は、ロータコア１４内に設けられている。導入路３０は、各供給路２８の出口から収容孔２０の上部の入口２０ａに向けて延びる。導出路３２は、収容孔２０の下部の出口２０ｂからステータ１０側に向けて延びる。接続路３１は、２つの収容孔２０を接続する。

冷却油は、外部から供給路２８に流入し、供給路２８から導入路３０を流れて入口２０ａから収容孔２０に導入される。なお、導出路３２は、冷却油を収容孔２０に導入する流路の一例である。

収容孔２０内には多孔質体２４が設けられている。多孔質体２４は、収容孔２０内の周囲の隙間を埋めるように設けられている。これにより磁石２２は収容孔２０内に固定される。冷却油は、多孔質体２４内を流れることにより磁石２２を冷却する。冷却により昇温した冷却油は、収容孔２０の下部の出口２０ｂから導出路３２または接続路３１に流出する。

冷却油は、接続路３１から他の収容孔２０に導入される。また、冷却油は、導出路３２からロータコア１４とステータ１０の隙間１８に排出される。冷却油の排出にはロータ２の回転により生ずる遠心力が利用される。

多孔質体２４は、収容孔２０内の冷却油の通路として機能する。多孔質体２４としては、例えばポリエーテルイミド（ＰＥＩ）及びガラス強化繊維の混合物が挙げられる。ポリエーテルイミドは、ガラス転移点温度が高く、ロータ２の回転時の高温環境（例えば２００℃）にも耐えられるため、多孔質体２４の素材として好適である。なお、ロータ２の回転時の温度が低い場合、多孔質体２４の素材としては、樹脂やセラミックなどの他の絶縁体が用いられてもよい。なお、多孔質体２４のフィラーとしては、ガラス繊維、またはアルミなどの非磁性金属、ＢＮ、ＣａＦなどのセラミックが素材として用いられる。

冷却油は、多孔質体２４の孔を流れて磁石２２の表面に接触するため、磁石２２を直接的に冷却することができる。また、多孔質体２４は、収容孔２０内の磁石２２の周囲の隙間を埋めるように設けられるため、磁石２２を全体的に冷却することができる。

しかし、冷却油の粘度は、例えば寒冷地などの低温環境では高くなり、また、流量が多いときも高くなる。また、多孔質体２４の孔径は、例えば５０〜５００（μｍｍ）などと小さい。このため、冷却油の粘度が増加すると、冷却油の圧力損失が増加して、冷却油が多孔質層を流れにくくなり、効率的に磁石２２を冷却できないおそれがある。

そこで、多孔質体２４には、上記の孔径よりも大きな径を有し、導入路３０から導入された冷却油が流れる貫通孔３３が設けられている。貫通孔３３は多孔質体２４の孔（以下、「細孔」と表記）より径が大きいため、冷却油は貫通孔３３を細孔より早く流れ、冷却油の圧力損失が低減される。貫通孔３３の径は、例えば０．１〜数（ｍｍ）とする。

貫通孔３３は、一例として、一端が収容孔２０の入口２０ａに直接的に接続され、他端が収容孔２０の出口２０ｂに直接的に接続されている。このため、冷却油は、導入路３０または接続路３１から低抵抗で貫通孔３３に流れ込み、貫通孔３３から低抵抗で導出路３２または接続路３１に流れる。

したがって、この構成によると、冷却油の圧力損失が好適に低減される。もっとも、冷却油の流量及び圧力損失の設計によっては、貫通孔３３が入口２０ａ及び出口２０ｂに必ずしも直接的に接続される必要はない。

図３は、図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。貫通孔３３は、一例として、入口２０ａから回転軸Ｌの方向に曲がり、収容孔２０の下部で磁石２２の周囲を回って出口２０ｂまで延びる。

貫通孔３３により収容孔２０内には冷却油の早い流れが局所的に生ずるため、冷却油の圧力損失が低減される。また、多孔質体２４の細孔には冷却油が低速で流れるため、磁石２２の表面の広範囲を直接的に冷却することが可能である。よって、本実施例によると、磁石２２の冷却効率を向上することができる

（他の実施例）
図４は、回転電機１の他の例を示す断面図である。図４において、図１と共通する構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。

上記の例において、冷却油はステータ１０側の導出路３２から排出されたが、本例において、冷却油は、シャフト１２ａ側の導出路３２ａから排出される。シャフト１２ａ内には、冷却油の排出のための排出路３２ｂが追加で設けられている。

排出路３２ｂの一端は、収容孔２０内の多孔質体２４に設けられた貫通孔３３ａの出口２０ｄに接続されている。排出路３２ｂは、出口２０ｄから回転軸Ｌの方向に曲がり回転軸Ｌに沿って延びるようにシャフト１２ａ内に形成されている。冷却油は、排出路３２ｂを流れてシャフト１２ａの下部から排出される。

貫通孔３３ａは、上記の例の貫通孔３３と同様に、多孔質体２４の細孔の径よりも大きな径を有し、導入路３０から導入された冷却油が流れる。導入路３０の一端は貫通孔３３ａの入口２０ｃと接続されている。

貫通孔３３ａは、入口２０ｃから回転軸Ｌの方向に曲がり回転軸Ｌに沿って収容孔２０内を下方に延びる。貫通孔３３ａは、収容孔２０内の下部で曲がって出口２０ｄに接続されている。なお、貫通孔３３ａは、上述したように、収容孔２０の入口２０ｃ及び出口２０ｄに必ずしも直接的に接続される必要はない。

本例の貫通孔３３ａによると、上記の例と同様に収容孔２０内に冷却油の流れが局所的に早い部分を生成するため、冷却油の圧力損失が低減される。また、冷却油は多孔質体２４の細孔を低速で流れることにより磁石２２の広範囲を直接的に冷却することができる。

（多孔質体２４の製造方法）
次に多孔質体２４の製造方法を述べる。本例では、多孔質体２４の素材として不織布を用いるが、これに限定されない。

図５は、多孔質体２４の製造方法の一例を示す工程図である。また、図６は、不織布４０〜４３の積層工程の様子を示す図である。

まず、複数枚の不織布４０〜４３のうち、一部の不織布４１，４２を打ち抜き加工することにより切り欠き４１０，４２０を形成する（工程Ｓｔ１）。切り欠き４１０，４２０は、一例として細長い山形状を有するが、これに限定されない。

次に、各不織布４０〜４３を積層する（工程Ｓｔ２）。切り欠き４１０，４２０が形成された不織布４１，４２は、切り欠き４１０，４２０の向きを８０度相違させた状態で互いに隣接して積層される。また、不織布４１，４２には、切り欠き４１０，４２０のない不織布４０，４３がそれぞれ隣接して積層される。これにより、切り欠き４１０，４２０は積層方向の上下から不織布４０，４３により挟まれるため、切り欠き４１０，４２０は一連の貫通孔３３，３３ａを構成する。

次に、積層された不織布４０〜４３を加圧するとともに加熱する（工程Ｓｔ３）。これにより、不織布４０〜４３は積層体４として一体化される。

次に、積層体４をロータコア１４の収容孔２０内に挿入する（工程Ｓｔ４）。このとき、積層体４は、収容孔２０及び収容孔２０内の磁石２２の形状に合わせて適宜に変形される。

次に、収容孔２０内の積層体４を再加熱する（工程Ｓｔ５）。積層体４は、加熱により膨張して多孔質体２４となり、収容孔２０内の磁石２２の周囲の隙間を埋める。このように、多孔質体２４は製造される。

本例の製造方法によると、不織布４１，４２を複数片に分断することなく打ち抜き加工するため、不織布４０〜４３の積層工程が容易である。また、本例では２枚の不織布４１，４２の切り欠き４１０，４２０から貫通孔３３，３３ａが形成されるが、以下のように１枚の不織布を複数片に分断して貫通孔３３，３３ａを形成することもできる。

図７は、不織布４４を分断する打ち抜き加工の例を示す図である。不織布４４は、上記の製造工程において不織布４１，４２に代えて用いられる。

不織布４４は、工程Ｓｔ１において中央部を直線状に切断されることにより２つの片４４ａ，４４ｂに分断される。各片４４ａ，４４ｂの間の切断部分の隙間４４０は貫通孔３３，３３ａとして機能する。

本例では、上記の例と比べると、積層の工程Ｓｔ２において、不織布４４の各片４４ａ，４４ｂをそれぞれ所定位置に配置する手間が生ずるが、１枚の不織布４４から貫通孔３３，３３ａが形成されるため、積層体４の積層数を低減することが可能である。

また、貫通孔３３，３３ａの大きさ及び形状は、冷却油の流速及び流量に応じて決定されるため、限定されず、例えば以下のように葉脈形状の貫通孔が形成されてもよい。

図８は、葉脈形状の貫通孔３３ｂが形成された不織布４５の一例を示す図である。不織布４５は、上記の製造工程において不織布４１，４２に代えて用いられる。

不織布４５には、打ち抜き加工により葉脈に類似する切り抜き５０〜５２が形成されている。切り抜き５０は、不織布４５の下端から真っ直ぐに上端近傍まで延びる。切り抜き５１は、切り抜き５０より幅が狭く、切り抜き５０の両側から斜めに延びる。切り抜き５２は、切り抜き５１より幅が狭く、切り抜き５１の両側から略垂直に延びる。

この構成によると、切り抜き５０から複数の切り抜き５１が延び、さらに各切り抜き５１から複数の切り抜き５２が延びるため、葉脈形状の貫通孔３３ｂの形成が可能である。なお、切り抜き５０〜５２は不織布４５を分断しない。

葉脈形状の貫通孔３３ｂによると、冷却油が上記の貫通孔３３，３３ｂよりも多孔質体２４の広範囲に早い流速で流れ込むため、冷却油の圧力損失が好適に低減される。

上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。

１回転電機
２ロータ
１４ロータコア
２０収容孔
２２磁石
２４多孔質体
３０導入路（流路）
３３，３３ａ，３３ｂ貫通孔

Claims

磁石と、
前記磁石を収容する収容孔と、前記磁石を冷却する冷却媒体を前記収容孔に導入する流路とが設けられたロータコアと、
前記収容孔内の前記磁石の周囲の隙間を埋める多孔質体とを有し、
前記多孔質体には、前記多孔質体の孔径より大きな径を有し、前記流路から導入された前記冷却媒体が流れる貫通孔が設けられていることを特徴とする回転電機のロータ。