JP2021121144A - 回転電機のロータ - Google Patents

Abstract

【課題】ロータコアの外周面からステータに向けて冷却液を流出させる流量と軸方向に延びる磁石冷却用の通路を流れてロータコアの軸方向端面から流出させる流量との配分の変動を抑制する。【解決手段】ロータシャフト３には、ロータシャフト３の軸方向端面からロータシャフト３の外周面に設けられた第１開口３１及び第２開口３２まで冷却液が流れるシャフト内冷却液通路３３が形成され、ロータコア４には、ロータコア４を軸方向に貫通し内部に永久磁石が挿入された磁石挿入孔４１と、第１開口３１からロータコア４の外周面まで径方向に貫通し磁石挿入孔４１とはロータコア４内で接続しないように独立して設けられたロータコア内冷却液通路４２と、が形成され、エンドプレート５とロータコア４との間には、第２開口３２から磁石挿入孔４１まで冷却液が流れる磁石冷却用通路５１が形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、冷却液が流れる通路を備える回転電機のロータに関する。

特許文献１には、回転軸となるロータシャフトとロータシャフトが中心を貫通するロータコアとを備える回転電機のロータが開示されている。ロータシャフト内には、冷却液が流れるシャフト内冷却液通路が形成されている。ロータコア内には、冷却液をシャフト内冷却液通路から流入させてロータコアの外周面からステータの内周面に向けて冷却液を流出させるロータコア内冷却液通路と、ロータコア内冷却液通路から軸方向に延びて磁石挿入孔と平行に冷却液が流れるように設けられた磁石冷却用の通路が形成されている。

また、特許文献２には、特許文献１と同様に、回転軸となるロータシャフトとロータシャフトが中心を貫通するロータコアとを備え、ロータシャフト内にシャフト内冷却液通路が形成されている回転電機のロータが開示されている。このロータのロータコア内には、シャフト内冷却液通路から径方向に延びてロータコアの外周面まで到達するロータコア内冷却液通路が形成され、更にロータコア内冷却液通路から軸方向に分岐してロータコアの軸方向端面まで到達する磁石冷却用の通路が形成されている。

特開２０１６−０５４６０８号公報 特開２０１６−０９６６１１号公報

しかし、特許文献２に示すように、径方向に延びるロータコア内冷却液通路から、軸方向に延びる磁石冷却用の通路を分岐するロータでは、以下の問題がある。すなわち、ロータの回転速度やシャフト内冷却液通路に流入させる冷却液の単位時間当たりの流量など回転電機の運転条件や動作環境の変化によって、ロータコア内冷却液通路を流れる冷却液に作用する遠心力やロータコア内冷却液通路を冷却液が径方向に流れる流速が変動する。すると、その影響により、ロータコアの外周面から冷却液を流出させる流量と磁石冷却用の通路を流れてロータコアの軸方向端面から流出させる流量との配分が変動し、ステータコアのティースに巻回されたコイルとロータコアの磁石挿入孔に挿入された永久磁石とを狙い通りに冷却する冷却性能を確保することが困難となる可能性がある。

また、特許文献１及び２に示すように、ロータコアを軸方向に貫通し内部に永久磁石が挿入される磁石挿入孔とは別に、ロータコア内に磁石挿入孔と平行に磁石冷却用の通路が形成されるロータでは、以下の問題もある。すなわち、永久磁石を冷却液で直に冷却することができず、ロータコア製造時に磁石挿入孔とは別に磁石冷却用の通路を形成する加工が必要となり、ロータコアの強度も低下する。

そこで、本発明は、回転電機の運転条件や動作環境の変化によって生じるロータコアの外周面から冷却液を流出させる流量と磁石冷却用の通路を流れてロータコアの軸方向端面から流出させる流量との配分の変動を抑制することと、冷却液を永久磁石に沿って流して永久磁石を直に冷却することを可能として、ロータコア製造時の加工工数を減らすと共にロータコアの強度の低下を抑制することを目的とする。

本発明に係る回転電機のロータは、ステータの径方向内側に配置され、回転軸となるロータシャフトと、前記ロータシャフトが中心を貫通するロータコアと、前記ロータコアの軸方向端面に取り付けられて前記ロータシャフトが貫通するエンドプレートと、を備える回転電機のロータであって、前記ロータシャフトには、前記ロータシャフトの軸方向端面から前記ロータシャフトの外周面に設けられた第１開口及び第２開口まで冷却液が流れるシャフト内冷却液通路が形成され、前記ロータコアには、前記ロータコアを軸方向に貫通し内部に永久磁石が挿入された磁石挿入孔と、前記第１開口から前記ロータコアの外周面まで径方向に貫通し前記磁石挿入孔とは前記ロータコア内で接続しないように独立して設けられたロータコア内冷却液通路と、が形成され、前記エンドプレートと前記ロータコアとの間には、前記第２開口から前記磁石挿入孔まで前記冷却液が流れる磁石冷却用通路が形成されていること、を特徴とする。

本発明は、シャフト内冷却液通路の第１開口からロータコアの外周面までロータコアを径方向に貫通するロータコア内冷却液通路が磁石挿入孔とはロータコア内で接続しないように独立して設けられており、磁石挿入孔及びロータコア内冷却液通路がそれぞれ独立して流量の大きいシャフト内冷却液通路に連通しているため、回転電機の運転条件や動作環境の変化によって生じるロータコアの外周面から冷却液を流出させる流量と磁石冷却用の通路を流れてロータコアの軸方向端面から流出させる流量との配分の変動を抑制することができる。

また、本発明は、内部に永久磁石が挿入された磁石挿入孔に冷却液を流入させるため、冷却液を永久磁石に沿って流して永久磁石を直に冷却することを可能としており、更に、磁石挿入孔とは別に磁石冷却用の通路をロータコア内に形成する必要がないため、ロータコア製造時の加工工数を減らすと共にロータコアの強度の低下を抑制することができる。

本実施形態の回転電機の断面図である。 本実施形態の回転電機のロータの図１におけるＡ−Ａ線断面図である。 本実施形態の回転電機のロータの図１におけるＢ−Ｂ線断面図である。 図１に示す回転電機のステータコアの１つのティースを示す斜視図である。 比較例１の回転電機の断面図である。

以下、図面を参照しながら、本開示の実施形態の回転電機１０のロータ１について説明する。図１に示すように、回転電機１０は、ステータ２と、ステータ２の径方向内側に隙間を空けて同軸配置されたロータ１を備える。ロータ１は、ロータ１の回転軸となるロータシャフト３と、ロータシャフト３が中心を貫通する略円筒形状のロータコア４と、ロータコア４の軸方向端面に取り付けられて中心をロータシャフト３が貫通する２枚のエンドプレート５，６を備える。ロータコア４は、複数の略円板形状の電磁鋼板を軸方向に積層して形成されている。

図２及び図３に示すように、ロータコア４の外周面近傍には１６個の永久磁石７が配置されている。回転電機１０では、径方向外側に向けて開いたＶ字を形成する２個の永久磁石７で１つの磁極が形成されている。そのため、ロータ１の磁極の数は８である。

図１に示すように、ステータ２は、ステータコア２１とコイル２２を備える。図４に示すように、ステータコア２１は、略円環形状のヨーク２３と、ヨーク２３の内周面から径方向内側に突出した複数のティース２４を備える。ティース２４は、ヨーク２３の内周面に、周方向に沿って間隔を空けて配列されている。周方向に隣接するティース２４の間の空間をスロットと呼ぶ。図１に示すように、コイル２２はティース２４に巻回されている。ステータコア２１は、所定の形状に加工した電磁鋼板を軸方向に積層して形成されている。

図４に示すように、ステータコア２１のティース２４は軸方向に２つに分割されており、分割された部分をティースセグメント２４Ａ及びティースセグメント２４Ｂとする。ティースセグメント２４Ａとティースセグメント２４Ｂとの間にはステータコア内冷却液通路２５が形成されている。図１及び図４に示すように、ステータコア内冷却液通路２５は、ステータコア２１のヨーク２３も径方向に貫通しステータコア２１の外周面まで到達している。

図１に示すように、ロータシャフト３は中空シャフトであって、ロータシャフト３の中空空間は、一方の軸方向端面は開口しているが、他方の軸方向端面は栓８によって塞がれている。そして、図１、図２及び図３に示すように、ロータシャフト３には、ロータシャフト３の一方の軸方向端面からロータシャフト３の外周面に設けられた第１開口３１及び第２開口３２まで冷却液が流れるシャフト内冷却液通路３３が形成されている。第１開口３１は、ロータシャフト３の軸方向中央部に８箇所、周方向に並ぶように形成されている。第２開口３２は、ロータコア４の一方の軸方向端面に向けて開口しており、８箇所の第２開口３２が周方向に並ぶように形成されている。

図１、図２及び図３に示すように、ロータコア４には、ロータコア４を軸方向に貫通する１６箇所の磁石挿入孔４１が形成されており、それぞれの磁石挿入孔４１には、軸方向に延びる永久磁石７が１本ずつ挿入されている。図２及び図３に示すように、磁石挿入孔４１の断面積は永久磁石７の断面積よりも大きく、永久磁石７の両端にはフラックスバリア４１Ａとしてロータコア４を軸方向に貫通する空間が形成されている。このフラックスバリア４１Ａの空間は、磁石磁束が隣の磁極に流れるのを防ぎ、磁力を効率よくトルクに変換することを目的として設けられている。

また、図１及び図２に示すように、ロータコア４の一方の軸方向端面とエンドプレート５との間には、第２開口３２から磁石挿入孔４１まで冷却液が流れる８つの磁石冷却用通路５１が形成されている。磁石冷却用通路５１は、第２開口３２からエンドプレート５内を径方向外側に向かって延びており、１つの磁石冷却用通路５１にそれぞれ２つの磁石挿入孔４１が連通している。そして、ロータコア４の他方の軸方向端面に取り付けられているエンドプレート６には、磁石挿入孔４１のフラックスバリア４１Ａの空間と連通しエンドプレート６を軸方向に貫通するように３２個の磁石冷却液排出路６１が形成されている。そのため、シャフト内冷却液通路３３から第２開口３２へ流れ出た冷却液は、磁石冷却用通路５１を経由して、ロータコア４の一方の軸方向端面から磁石挿入孔４１のフラックスバリア４１Ａの空間に流入し、ロータコア４の他方の軸方向端面に到達してエンドプレート６の磁石冷却液排出路６１から排出される。

図１及び図３に示すように、ロータコア４には、第１開口３１からロータコア４の外周面まで径方向に貫通し、磁石挿入孔４１とはロータコア４内で接続しないように独立して設けられた８本のロータコア内冷却液通路４２が形成されている。そのため、シャフト内冷却液通路３３から第１開口３１へ流れ出た冷却液は、ロータコア内冷却液通路４２を径方向外側に向かって流れてロータ１の外周面からステータ２の内周面に向かって流出する。

ロータコア内冷却液通路４２を流れてロータ１の外周面から冷却液を流出する位置は、ロータ１の回転に伴って移動する。そのため、ロータ１を回転させると、ロータ１の外周面からステータ２の内周面に向けて、円周に沿って満遍なく冷却液が流出する。そして、ロータ１の外周面から流出した冷却液の一部がステータ２のスロット内に入りコイル２２を冷却し、その他の一部はステータコア内冷却液通路２５に入る。ステータコア内冷却液通路２５に入った冷却液は、後から送り込まれてくる冷却液に押されて径方向外側に向かって流れてステータ２の外周面から吐き出される。ステータコア内冷却液通路２５は、ステータコア２１のスロット内に配置されたコイル２２に向けて開放している。そのため、ステータコア内冷却液通路２５を流れる冷却液はコイル２２に接触し、コイル２２を効率よく冷却することができる。

本実施形態の回転電機１０のロータ１では、既に述べたように、ロータコア４を径方向に貫通するロータコア内冷却液通路４２が磁石挿入孔４１とはロータコア４内で接続しないように独立して設けられている。そして、図１、図２及び図３に示すように、磁石挿入孔４１及びロータコア内冷却液通路４２がそれぞれ独立して流量の大きいシャフト内冷却液通路３３に連通している。そのため、ロータコア内冷却液通路４２を流れる冷却液に作用する遠心力やロータコア内冷却液通路４２を冷却液が径方向に流れる流速が変化しても、それらの変化により磁石挿入孔４１のフラックスバリア４１Ａを冷却液が流れる流量へ与える影響は小さい。したがって、本実施形態の回転電機１０のロータ１では、ロータ１の回転速度やシャフト内冷却液通路３３に流入させる冷却液の単位時間当たりの流量など回転電機１０の運転条件や動作環境の変化によって生じるロータコア４の外周面から冷却液を流出させる流量と磁石挿入孔４１のフラックスバリア４１Ａを流れてロータコア４の軸方向端面から流出させる流量との配分の変動を抑制することができる。

また、本実施形態の回転電機１０のロータ１では、内部に永久磁石７が挿入された磁石挿入孔４１のフラックスバリア４１Ａに冷却液を流入させるため、冷却液を永久磁石７に沿って流して永久磁石７を直に冷却することを可能としている。このように本実施形態の回転電機１０のロータ１では、冷却液を永久磁石７に沿って流して永久磁石７を直に冷却するため、特許文献２に開示されているように磁石挿入孔とは別に磁石挿入孔と平行に磁石冷却用の通路をロータコア内に形成した形態と比較して、永久磁石７を冷却するために流れる冷却液の流量を低減させることができる。

また、本実施形態の回転電機１０のロータ１では、磁石挿入孔４１とは別に磁石冷却用の通路をロータコア４に形成する必要がないため、特許文献１及び２に開示されているように磁石挿入孔とは別に磁石挿入孔と平行に磁石冷却用の通路をロータコア内に形成した形態と比較して、ロータコア４製造時の加工工数を減らすと共にロータコア４の強度の低下を抑制することができる。

次に、本発明の効果について分かり易く説明するため、本実施形態の回転電機１０のロータ１とは形状が異なる比較例１の回転電機２０のロータ１ａについて、図５を参照しながら以下に述べる。回転電機２０は、ステータ２については本実施形態の回転電機１０と同一の構成を有するため、同一の符号を付して説明を省略する。また、比較例１の回転電機２０のロータ１ａにおいて、本実施形態の回転電機１０のロータ１と同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。

図５に示すように、比較例１の回転電機２０のロータ１ａでは、ロータシャフト３ａは中空シャフトであって、ロータシャフト３ａの中空空間は、一方の軸方向端面は開口しているが、他方の軸方向端面は栓８によって塞がれている。そして、ロータシャフト３ａには、ロータシャフト３ａの一方の軸方向端面からロータシャフト３ａの外周面に設けられた第１開口３１まで冷却液が流れるシャフト内冷却液通路３３ａが形成されている。

ロータ１ａのロータコア４ａには、ロータコア４ａを軸方向に貫通する１６箇所の磁石挿入孔４１が形成されており、それぞれの磁石挿入孔４１には、軸方向に延びる永久磁石７が１本ずつ挿入されている。また、ロータコア４ａには、第１開口３１からロータコア４ａの外周面まで径方向に貫通する８本のロータコア内冷却液通路４２ａが形成されている。そして、ロータコア内冷却液通路４２ａは、磁石挿入孔４１とロータコア４ａ内で連通している。つまり、径方向に延びるロータコア内冷却液通路４２ａは、軸方向に延びる磁石挿入孔４１にロータコア４ａ内で分岐している。また、ロータコア４ａの軸方向端面に取り付けられている２枚のエンドプレート６には、磁石挿入孔４１のフラックスバリア４１Ａの空間と連通しエンドプレート６を軸方向に貫通するようにそれぞれ３２個の磁石冷却液排出路６１が形成されている。

そのため、シャフト内冷却液通路３３ａから第１開口３１へ流れ出た冷却液は、ロータコア内冷却液通路４２ａを径方向外側に向かって流れて、一部がロータ１ａの外周面からステータ２の内周面に向かって流出し、その一部以外は磁石挿入孔４１のフラックスバリア４１Ａの空間に流入し、ロータコア４ａの軸方向端面に到達してエンドプレート６の磁石冷却液排出路６１から排出される。

このように比較例１の回転電機２０のロータ１ａでは、径方向に延びるロータコア内冷却液通路４２ａから軸方向に延びる磁石挿入孔４１にロータコア４ａ内で分岐している。そのため、ロータコア内冷却液通路４２ａを流れる冷却液に作用する遠心力やロータコア内冷却液通路４２ａを冷却液が径方向に流れる流速が変化すると、それらの変化により磁石挿入孔４１内を冷却液が流れる流量が変動する。また、ロータ１ａの回転速度やシャフト内冷却液通路３３ａに流入させる冷却液の単位時間当たりの流量など回転電機２０の運転条件や動作環境の変化によって、ロータコア内冷却液通路４２ａを流れる冷却液に作用する遠心力やロータコア内冷却液通路４２ａを冷却液が径方向に流れる流速が変動する。したがって、ロータ１ａの回転速度やシャフト内冷却液通路３３ａに流入させる冷却液の単位時間当たりの流量など回転電機２０の運転条件や動作環境の変化によって、ロータコア４ａの外周面から冷却液を流出させる流量と磁石挿入孔４１を流れてロータコア４ａの軸方向端面から流出させる流量との配分が変動し、コイル２２及び永久磁石７を狙い通りに冷却する冷却性能を確保することが困難となる可能性がある。

これに対して、本実施形態の回転電機１０のロータ１では、既に述べたように、磁石挿入孔４１及びロータコア内冷却液通路４２がそれぞれ独立して流量の大きいシャフト内冷却液通路３３に連通している。そのため、本実施形態の回転電機１０のロータ１では、ロータ１の回転速度やシャフト内冷却液通路３３に流入させる冷却液の単位時間当たりの流量など回転電機１０の運転条件や動作環境の変化によって生じるロータコア４の外周面から冷却液を流出させる流量と軸方向に延びる磁石挿入孔４１のフラックスバリア４１Ａを流れる流量との配分の変動を抑制することができる。

また、比較例１の回転電機２０のロータ１ａは、径方向に延びるロータコア内冷却液通路４２ａから軸方向に延びる磁石挿入孔４１にロータコア４ａ内で分岐する構造を有するため、ロータ１ａの回転による遠心力で分岐部分の付近に応力集中し、回転電機２０を高い回転速度で使用するとロータコア４ａの強度が不足するおそれがある。

これに対して、本実施形態の回転電機１０のロータ１では、ロータコア４を径方向に貫通するロータコア内冷却液通路４２が磁石挿入孔４１とはロータコア４内で接続しないように独立して設けられており、ロータコア内冷却液通路４２はロータコア４内で分岐せず、応力集中する分岐部分が存在しないため、回転電機１０の高回転におけるロータコア４の強度不足を抑制することができる。

＜実施形態の補足＞
本開示の回転電機のロータは、上述した形態に限定されず、本開示の要旨の範囲内において種々の形態にて実施できる。例えば、永久磁石及び磁石挿入孔の数は１６以外であってもよい。また、ロータコア内冷却液通路の数は８以外であってもよい。また、磁石冷却用通路の数は８以外であってもよく、磁石冷却用通路の形状は他の形状であってもよい。また、ステータコア内冷却液通路は、全てのティースに形成されている必要はなく、ステータコア内冷却液通路の断面の形状は他の形状であってもよい。また、ロータコア及びステータコアは電磁鋼板を積層した構造でなくてもよく、例えば、圧粉磁心であってもよい。

１，１ａ ロータ、２ ステータ、３，３ａ ロータシャフト、４，４ａ ロータコア、５，６ エンドプレート、７ 永久磁石、８ 栓、１０，２０ 回転電機、２１ ステータコア、２２ コイル、２３ ヨーク、２４ ティース、２４Ａ，２４Ｂ ティースセグメント、２５ ステータコア内冷却液通路、３１ 第１開口、３２ 第２開口、３３，３３ａ シャフト内冷却液通路、４１ 磁石挿入孔、４１Ａ フラックスバリア、４２，４２ａ ロータコア内冷却液通路、５１ 磁石冷却用通路、６１ 磁石冷却液排出路。

Claims (1)

1. ステータの径方向内側に配置され、
   回転軸となるロータシャフトと、前記ロータシャフトが中心を貫通するロータコアと、前記ロータコアの軸方向端面に取り付けられて前記ロータシャフトが貫通するエンドプレートと、を備える回転電機のロータであって、
   前記ロータシャフトには、前記ロータシャフトの軸方向端面から前記ロータシャフトの外周面に設けられた第１開口及び第２開口まで冷却液が流れるシャフト内冷却液通路が形成され、
   前記ロータコアには、前記ロータコアを軸方向に貫通し内部に永久磁石が挿入された磁石挿入孔と、前記第１開口から前記ロータコアの外周面まで径方向に貫通し前記磁石挿入孔とは前記ロータコア内で接続しないように独立して設けられたロータコア内冷却液通路と、が形成され、
   前記エンドプレートと前記ロータコアとの間には、前記第２開口から前記磁石挿入孔まで前記冷却液が流れる磁石冷却用通路が形成されていること、を特徴とする回転電機のロータ。
   

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