JP2021087285A - 電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータと界磁ヨークとの間の空隙にオイルや異物が入り込むことを抑制すること。【解決手段】ロータ２と、ステータコア３１およびステータコイル３２を有するステータ３と、ロータ２の軸方向両端側に配置された界磁ヨーク４と、円環状のボビン６を介して界磁ヨーク４の内側円筒部４ｂに巻き回された界磁コイル５と、を備え、ステータコイル３２は、オイルによって冷却され、内側円筒部４ｂは、界磁ヨーク４の径方向内側の部分がロータ２の軸方向端面２３に向けて軸方向内側に延びた形状に形成されている電動機１であって、ボビン６は、ステータコイル３２のコイルエンド部３２ａの径方向内側において、内側円筒部４ｂよりも軸方向内側に延びている突出部６ｄを有する。【選択図】図２

Description

本発明は、電動機に関する。

特許文献１には、ロータの軸方向両端側に界磁ヨークが配置された電動機が開示されている。この電動機では、界磁ヨークの径方向内側の部分がロータの軸方向端面に向けて軸方向内側に延びている構造を有し、界磁コイルにより生じた磁束が界磁ヨークとロータとの間を軸方向に流れるように構成されている。

特開２０１２−１５７１８２号公報

特許文献１に記載の構成では、ロータが回転しても界磁ヨークは回転しないので、ロータと界磁ヨークとの間に空隙を設ける必要がある。この空隙は磁路（界磁コイルによって生じる磁束が流れる経路）でもあるため、ある程度狭くなるように形成されている。そのため、冷却用のオイルをステータコイルに供給すると、ロータと界磁ヨークとの間の空隙にオイルや異物が入り込んでしまい、ロータの回転時に引き摺り抵抗が大きくなる虞がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、ロータと界磁ヨークとの間の空隙にオイルや異物が入り込むことを抑制することができる電動機を提供することを目的とする。

本発明は、回転軸に固定されたロータと、前記ロータの外周側に配置されたステータコアと、前記ステータコアの内周部に形成されたステータティースに巻き回されたステータコイルとを有するステータと、前記ロータの軸方向両端側に配置された界磁ヨークと、円環状のボビンを介して前記界磁ヨークの内側円筒部に巻き回された界磁コイルと、を備え、前記ステータコイルは、オイルによって冷却され、前記内側円筒部は、前記界磁ヨークの径方向内側の部分が前記ロータの軸方向端面に向けて軸方向内側に延びた形状に形成されている電動機であって、前記ボビンは、前記ステータコイルのコイルエンド部の径方向内側において、前記内側円筒部よりも軸方向内側に延びている突出部を有することを特徴とする。

本発明では、ステータコイルのコイルエンド部の径方向内側において、ボビンの突出部が界磁ヨークの内側円筒部よりも軸方向内側に延びている。そのため、ボビンの突出部とステータコアとを当接させ、あるいはその間の空隙を狭くすることができる。これにより、冷却用のオイルをステータコイルに供給しても、ボビンの突出部によって、界磁ヨークの内側円筒部とロータの軸方向端面との間の空隙にオイルが流れ込むことを抑制できる。その結果、界磁ヨークの内側円筒部とロータの軸方向端面との間の空隙にオイルや異物が入り込んで、ロータの回転時に引き摺り抵抗が大きくなることを抑制することができる。

図１は、実施形態の電動機の構造を模式的に示す断面図である。 図２は、冷却用のオイルの流れを説明するための断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態における電動機について具体的に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。

図１は、実施形態の電動機を模式的に示す断面図である。図２は、冷却用のオイルの流れを説明するための断面図である。なお、図２に示す矢印は、界磁ヨーク内に供給された冷却用のオイルの流れを例示したものである。

電動機１は、ロータ２と、ステータ３と、界磁ヨーク４と、界磁コイル５と、ボビン６と、回転軸７と、を備える。この電動機１は界磁ヨーク４と界磁コイル５とからなる可変界磁機構を備えた可変界磁モータである。

ロータ２は、円筒状のロータコア２１と、ロータコア２１の内部に埋め込まれた永久磁石２２とを有する。ロータコア２１は円環状の電磁鋼板を軸方向に積層して構成された円筒状の磁性体である。また、ロータ２は回転軸７に固定されており、回転軸７と一体回転する。ロータコア２１の内周部には回転軸７が挿通されている。回転軸７はロータ軸であり、電動機１の出力軸として機能する。

永久磁石２２は、ロータコア２１の周方向に等間隔を空けて複数配置されている。永久磁石２２の径方向位置はロータコア２１の外周面に近い位置となる。また、永久磁石２２はロータコア２１の内部を軸方向に沿って延在している。永久磁石２２の軸方向端面はロータ２の軸方向端面２３と同一平面上に配置される。

ステータ３は、環状のステータコア３１と、ステータコア３１の内周部に形成されたステータティースに巻き回されたステータコイル３２とを有する。ステータコア３１は環状の電磁鋼板を軸方向に積層して構成された筒状の磁性体である。このステータコア３１はロータ２の外周側に配置されている。ステータコア３１の内周部には、径方向内側に突出するステータティースが設けられている。ステータティースの先端部はロータコア２１に向けて突出している。ステータティースとロータコア２１との間には径方向の空隙（エアギャップ）が設けられている。

ステータコイル３２は、Ｕ相コイル、Ｖ相コイル、およびＷ相コイルを含む三相コイルにより構成されている。ステータコイル３２は交流電流（三相交流）が流れることにより回転磁界を生じる。つまり、電動機１は、回転磁界を発生させるステータコイル３２と、界磁磁界を発生させる界磁コイル５とを備える可変界磁モータである。また、電動機１には、図示しないインバータが電気的に接続されている。このインバータに含まれるスイッチング素子によって、ステータコイル３２に流す電流を制御することができる。通電時にステータコイル３２が発熱するため、電動機１では、冷却用のオイルによってステータコイル３２を冷却するように構成されている。

界磁ヨーク４は、界磁コイル５に通電することにより生じる界磁磁束を通すための部材である。界磁コイル５は、界磁電流を流すことにより界磁磁束を生じるものである。ボビン６は、絶縁体により構成された円環状の部材であり、界磁コイル５が巻き回された状態で保持する。図１に示すように、界磁ヨーク４はロータ２の軸方向両端側に配置されている。また、界磁コイル５はボビン６を介して界磁ヨーク４の内側円筒部４ｂに巻き回されている。そして、界磁ヨーク４、界磁コイル５、およびボビン６は軸方向両側に一対に配置されている。

図１に示すように、界磁ヨーク４は、軸方向一方側からロータ２およびステータ３と対向する位置に配置された第１界磁ヨーク４１と、軸方向他方側からロータ２およびステータ３と対向する位置に配置された第２界磁ヨーク４２とを有する。第１界磁ヨーク４１と第２界磁ヨーク４２とは一対の磁性体であり、周方向に沿った円環状に形成されている。この一対の界磁ヨーク４１，４２に軸方向両側から挟まれるようにしてステータコア３１が配置されている。すなわち、第１界磁ヨーク４１および第２界磁ヨーク４２はステータコア３１と軸方向に接触している。また、第１界磁ヨーク４１には第１ボビン６１が装着され、第２界磁ヨーク４２には第２ボビン６２が装着されている。界磁コイル５は、第１ボビン６１を介して第１界磁ヨーク４１の内側円筒部４ｂに巻き回された第１界磁コイル５１と、第２ボビン６２を介して第２界磁ヨーク４２の内側円筒部４ｂに巻き回された第２界磁コイル５２とを有する。ボビン６は、第１界磁コイル５１が巻き回された状態で第１界磁ヨーク４１に装着された第１ボビン６１と、第２界磁コイル５２が巻き回された状態で第２界磁ヨーク４２に装着された第２ボビン６２とを有する。

第１界磁コイル５１に界磁電流を流すと、第１界磁コイル５１は、第１界磁ヨーク４１を経由してステータ３およびロータ２を流れる界磁磁束を発生させる。一方、第２界磁コイル５２に界磁電流を流すと、第２界磁コイル５２は、第２界磁ヨーク４２を経由してステータ３およびロータ２を流れる界磁磁束を発生させる。電動機１では、制御装置によって、界磁コイル５に通電される界磁電流が制御され、界磁磁束の発生が制御される。例えば、制御装置は、電動機１の動作点に応じて、界磁コイル５への通電を制御し、ロータ２とステータ３との間の径方向の空隙を通る磁束量を制御する。

なお、第１界磁ヨーク４１と第２界磁ヨーク４２とは対をなす部材であるため、形状としては同じである。そのため、第１界磁ヨーク４１と第２界磁ヨーク４２とを特に区別しない場合には、界磁ヨーク４と記載する。同様に、第１ボビン６１と第２ボビン６２とは対をなす部材であり、形状が同じであるため、第１ボビン６１と第２ボビン６２とを特に区別しない場合には、ボビン６と記載する。また、第１界磁コイル５１と第２界磁コイル５２とを特に区別しない場合にも、界磁コイル５と記載する。以下、界磁ヨーク４とボビン６との構造について、より詳細に説明する。

詳細には、界磁ヨーク４は、環状の円板部４ａと、内側円筒部４ｂと、外側円筒部４ｃとを有する。円板部４ａと内側円筒部４ｂと外側円筒部４ｃとは一体に形成されている。

円板部４ａは、ロータコア２１およびステータコア３１と軸方向に対向する平板部であり、周方向に沿った円環状に形成されている。この円板部４ａは界磁コイル５に通電することにより生じる界磁磁束を径方向に流すためのものである。

内側円筒部４ｂは、円板部４ａの径方向内側の部分が軸方向内側に向けて延びている形状に形成された部位である。内側円筒部４ｂはステータコイル３２のコイルエンド部３２ａの径方向内側に配置されている。内側円筒部４ｂの内周は、回転軸７から離れた位置に配置されている。内側円筒部４ｂの外周にボビン６が装着される。界磁コイル５はボビン６を介して界磁ヨーク４の内側円筒部４ｂに円環状に巻き回されている。この内側円筒部４ｂは、界磁コイル５に通電することにより生じる界磁磁束をロータコア２１の軸方向端面２３と繋がるように軸方向に流すためのものである。そのため、内側円筒部４ｂの軸方向内側の端部４ｄは、ロータコア２１の軸方向端面２３と軸方向に対向する位置に配置されている。この端部４ｄは、ロータ２と非接触であり、ロータコア２１の軸方向端面２３から所定距離だけ離間した位置に配置されている。内側円筒部４ｂの内径および外径は、ロータコア２１の内径よりも径方向外側、かつ永久磁石２２が配置された径方向位置よりも径方向内側に設定されている。すなわち、端部４ｄは永久磁石２２とは軸方向に対向しない位置に配置されている。

外側円筒部４ｃは、円板部４ａの径方向外側の部分が軸方向内側に向けて延びている形状に形成された部位である。外側円筒部４ｃはステータコイル３２のコイルエンド部３２ａの径方向外側に配置されている。この外側円筒部４ｃは、界磁コイル５に通電することにより生じる界磁磁束をステータコア３１に繋ぐように軸方向に流すためのものである。そのため、外側円筒部４ｃの軸方向内側の端部４ｅは、ステータコア３１の軸方向端面３１ａと接触している。この端部４ｅが接触している部分はステータコイル３２のコイルエンド部３２ａよりも径方向外側に位置する。

また、外側円筒部４ｃには、冷却用のオイルをステータコイル３２のコイルエンド部３２ａに供給するための貫通孔４ｆが設けられている。貫通孔４ｆは、外側円筒部４ｃを径方向に貫通する孔であり、コイルエンド部３２ａの上方に配置されている。界磁ヨーク４は固定部材であるため、コイルエンド部３２ａの上方に貫通孔４ｆを設けることが可能である。

貫通孔４ｆには、図示しないオイル供給パイプから冷却用のオイルが供給される。例えば、オイル供給パイプがステータ３および界磁ヨーク４の上方に配置されおり、このオイル供給パイプから供給されるオイルが貫通孔４ｆの上方開口部に流入する。上方開口部（入口）から貫通孔４ｆに流入したオイルは重力で下方へ流れる。そして、貫通孔４ｆ内を通過したオイルが貫通孔４ｆの下方開口部（出口）から滴下してコイルエンド部３２ａに供給される。コイルエンド部３２ａに供給されたオイルは、ステータコイル３２を冷却後、コイルエンド部３２ａの下方に位置する界磁コイル５へと流れることが可能である。つまり、電動機１では、コイルエンド部３２ａに供給されたオイルを用いて界磁コイル５を冷却することができる。さらに、電動機１では、ボビン６によって、冷却用のオイルが界磁ヨーク４の内側円筒部４ｂの端部４ｄとロータ２の軸方向端面２３との間の空隙に流れ込むことを抑制するように構成されている。

ボビン６は、円筒状の巻胴部６ａと、外側フランジ部６ｂと、内側フランジ部６ｃと、突出部６ｄと、を有する。巻胴部６ａと外側フランジ部６ｂと内側フランジ部６ｃと突出部６ｄとは一体に形成されている。また、ボビン６では、内側フランジ部６ｃと突出部６ｄとによって、オイルが内側円筒部４ｂとロータ２との間の空隙に流れ込むことを抑制する。

巻胴部６ａは、外周に界磁コイル５が巻き回された状態で、界磁ヨーク４の内側円筒部４ｂに装着されている。巻胴部６ａの内周部分が内側円筒部４ｂの外周部分に嵌合している。

外側フランジ部６ｂは、巻胴部６ａの軸方向外側の部分から径方向外側に向けて径方向に沿って延びている。この外側フランジ部６ｂは環状の平板部であり、界磁コイル５が巻き回された径方向高さと同程度の高さに形成されている。また、外側フランジ部６ｂは界磁ヨーク４の円板部４ａに当接している。

内側フランジ部６ｃは、巻胴部６ａの軸方向内側の部分から径方向外側に向けて径方向に沿って延びている。この内側フランジ部６ｃは環状の平板部であり、界磁コイル５が巻き回された径方向高さよりも高い位置まで延びている。図２に示す例では、内側フランジ部６ｃはロータコア２１の外径よりも径方向外側まで延びている。また、内側フランジ部６ｃは外側フランジ部６ｂよりもロータ２およびステータ３に近い位置に配置されている。この内側フランジ部６ｃはロータコア２１の軸方向端面２３と対向した位置に配置されている。

突出部６ｄは、円環状の板部であり、内側フランジ部６ｃの径方向外側の部分から軸方向内側に向けて突出している。図２に示す例では、突出部６ｄは、内側フランジ部６ｃから軸方向内側かつ径方向外側に向けて延びており、内側フランジ部６ｃに対して傾斜した形状に形成されている。内側フランジ部６ｃと突出部６ｄとは、ステータコイル３２のコイルエンド部３２ａの径方向内側に配置されている。そして、突出部６ｄの軸方向内側の端部６ｅは、ステータコイル３２の径方向内側において、ステータコア３１の軸方向端面３１ａに接触している。

コイルエンド部３２ａの径方向内側において、突出部６ｄの端部６ｅがステータコア３１の軸方向端面３１ａと接触していることにより、コイルエンド部３２ａから滴下してオイルが内側円筒部４ｂの端部４ｄとロータコア２１の軸方向端面２３との間の空隙に流れ込むことを抑制することができる。また、突出部６ｄが端部６ｅから内側フランジ部６ｃに向けて径方向内側に傾斜していることにより、突出部６ｄで受けたオイルを界磁コイル５に流すことができる。これにより、オイルを効率的に界磁コイル５に供給することができる。また、上方に位置する界磁コイル５に供給されたオイルは、重力により界磁コイル５を周方向に沿って流れ、下方に位置する界磁コイル５へと供給される。そして、下方に位置する部分の外側円筒部４ｃには、オイルを排出するための貫通孔が設けられている（いずれも図示せず）。

以上説明した通り、実施形態によれば、コイルエンド部３２ａの下方において、ボビン６の突出部６ｄが軸方向内側に向けて延びているため、上方から流れてきたオイルがボビン６を伝い流れることで、ロータコア２１の軸方向端面２３と界磁ヨーク４の内側円筒部４ｂの端部４ｄとの間の空隙にオイルが流れ込むことを抑制できる。これにより、ロータ２と内側円筒部４ｂとの間の空隙に流れ込むオイルの量が少なくなり、ロータ２の回転時に生じる引き摺り抵抗と小さくすることができる。そのため、オイルによる冷却性能を確保しつつ、引き摺り損失を低減させることができる。

また、突出部６ｄの端部６ｅがロータコア２１の外径よりも径方向外側に位置するため、ロータコア２１とステータコア３１のステータティースとの間の径方向空隙にオイルや異物が入り込むことを抑制することもできる。さらに、このボビン６によって、回転軸７と界磁ヨーク４の内側円筒部４ｂとの間の径方向空隙にオイルや異物が入り込むことも抑制することができる。

なお、電動機１は、上述した一対の界磁ヨーク４１，４２に加えて、ステータコア３１の外周側に配置された第３界磁ヨークを備える構造であってもよい。また、外側円筒部４ｃに設けられる貫通孔４ｆは、コイルエンド部３２ａの上方に位置すればよく、その開口部の大きさや形状は特に限定されない。さらに、貫通孔４ｆは、端部４ｅの一部を径方向に切り欠いた切欠き部によって構成されてもよい。

また、突出部６ｄは、軸方向に沿って水平に延びる円筒状に形成されてもよい。さらに、突出部６ｄの端部６ｅは、界磁ヨーク４の内側円筒部４ｂの端部４ｄよりも軸方向内側に位置していればよく、必ずしもステータコア３１の軸方向端面３１ａに接触していなくてもよい。つまり、突出部６ｄの端部６ｅとステータコア３１の軸方向端面３１ａとの間の径方向距離が、内側円筒部４ｂの端部４ｄとロータコア２１の軸方向端面２３との間の空隙よりも狭く（短く）なるように形成されていればよい。相対的に軸方向距離が狭くなることにより、突出部６ｄとステータコア３１との間を通過できるオイル流量を減らすことができる。この軸方向距離がゼロの場合に端部６ｅがステータコア３１の軸方向端面３１ａに接触していることになる。この場合、端部６ｅは、ステータコア３１の内径からステータコイル３２のコイルエンド部３２ａの内径まで径方向位置に配置されることが望ましい。

１ 電動機
２ ロータ
３ ステータ
４ 界磁ヨーク
４ａ 円板部
４ｂ 内側円筒部
４ｃ 外側円筒部
４ｄ，４ｅ 端部
４ｆ 貫通孔
５ 界磁コイル
６ ボビン
６ａ 巻胴部
６ｂ 外側フランジ部
６ｃ 内側フランジ部
６ｄ 突出部
６ｅ 端部
２１ ロータコア
２３ 軸方向端面
３１ ステータコア
３２ ステータコイル
３２ａ コイルエンド部

Claims (1)

1. 回転軸に固定されたロータと、
   前記ロータの外周側に配置されたステータコアと、前記ステータコアの内周部に形成されたステータティースに巻き回されたステータコイルとを有するステータと、
   前記ロータの軸方向両端側に配置された界磁ヨークと、
   円環状のボビンを介して前記界磁ヨークの内側円筒部に巻き回された界磁コイルと、
   を備え、
   前記ステータコイルは、オイルによって冷却され、
   前記内側円筒部は、前記界磁ヨークの径方向内側の部分が前記ロータの軸方向端面に向けて軸方向内側に延びた形状に形成されている電動機であって、
   前記ボビンは、前記ステータコイルのコイルエンド部の径方向内側において、前記内側円筒部よりも軸方向内側に延びている突出部を有する
   ことを特徴とする電動機。

Images