JP2022070634A - 回転電機用ロータ - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機の冷却効率を向上させる。【解決手段】回転電機用ロータであるロータ４０は、ロータシャフト４１と、ロータコア４２と、ロータコア４２の磁石４２Ａ孔内に配置された磁石４９とを備える。ロータコア４２には、冷却油が供給される供給口６２Ａと、該ロータコア４２の軸方向における一端面に開口した排出口６４Ａとを有する冷却油路６１が設けられている。冷却油路６１は、供給口６２Ａを有していて磁石孔４２Ａに接続された第１油路６２と、磁石孔４２Ａの内周面及び磁石４９の外周面によって区画形成されていて第１油路６２が接続された第２油路６３とを含む。第２油路６３は、排出口６４Ａを構成する排出部６４を有していて、第１油路６２が接続されている接続部６５の流路断面積よりも、排出部６４の流路断面積の方が小さい。【選択図】図３

Description

本発明は、回転電機用ロータに関する。

特許文献１に記載の回転電機用ロータは、外周側にステータが配置された状態で回転電機のケース内に収容されている。回転電機用ロータは、ロータシャフトと、ロータシャフトに固定されたロータコアと、ロータコアの磁石孔内に配置された磁石とを有している。ロータコアの内部には、冷却油が供給される冷却油路が形成されている。冷却油路には、ロータシャフト内に形成されている供給通路を通じて冷却油が供給される。冷却油路は、ロータコアにおいて、ロータシャフトの軸方向における一端面に排出口を有している。こうした回転電機では、ロータに供給された冷却油は、ロータシャフト及びロータコアを順に流れた後、ロータコアの上記一端面から排出される。ロータは回転していることから、ロータコアから排出された冷却油は遠心力によって一端面上を外周側へ流れ、ステータに向けて飛散する。ステータに付着した冷却油は、ステータを伝って流れ落ちてケースの下方へと集められる。ケースの下方に集まった冷却油は、ケースの外へと排出されてラジエータで放熱した後、再度ロータへ供給される。このように特許文献１に記載の回転電機では、冷却油を循環させることで各部の冷却を行っている。

特開２０１７－２００３３３号公報

特許文献１に記載の回転電機では、ロータからステータへ冷却油を供給した後、ステータを伝わせて冷却油をケース下方へと流すようにしている。ロータ及びステータは熱源であることから、冷却油は受熱して高温となった状態でケース下方へ集められてラジエータへ排出されることとなる。ラジエータにおいて放熱される熱量には限界があることから、循環する冷却油の温度を十分に低下させることができるとは言い切れない。特許文献１に記載の回転電機用ロータでは、この点については考慮されておらず、改善の余地がある。

上記課題を解決するための回転電機用ロータは、ロータシャフトと、該ロータシャフトの軸方向に沿って貫通した磁石孔を有していて前記ロータシャフトに固定されたロータコアと、前記ロータコアの前記磁石孔内に配置された磁石とを備える回転電機用ロータであって、前記ロータコアには、冷却油が供給される供給口と、該ロータコアの前記軸方向における一端面に開口した排出口とを有する冷却油路が設けられ、前記冷却油路は、前記供給口を有していて前記磁石孔に接続された第１油路と、前記磁石孔の内周面及び前記磁石の外周面によって区画形成されていて前記第１油路が接続された第２油路とを含み、前記第２油路は、前記排出口を構成する排出部を有していて、前記第１油路が接続されている接続部の流路断面積よりも、前記排出部の流路断面積の方が小さい。

ロータコアの冷却油路に供給された冷却油は、第１油路及び第２油路を順に流れてロータコアから排出される。上記構成では、第２油路において、第１油路と接続される接続部の流路断面積よりも冷却油を排出する排出部の流路断面積を小さくしている。流路断面積が小さくなることで、第２油路の排出部を流れる冷却油の速度は上昇する。そのため、第２油路に供給されたときの冷却油の速度よりも第２油路から排出されるときの冷却油の速度の方が速くなる。このように、ロータコアから排出される冷却油の流速を上げることで、ロータシャフトの軸方向へ噴出させた状態で冷却油を排出することが可能になる。こうした構成の回転電機用ロータを回転電機のケースに組付けることで、ロータからケースに向けて軸方向に冷却油を噴出させることが可能になる。こうした場合、回転電機において他の部位に比して比較的低温であるケースを伝わせて冷却油を循環させることができるため、冷却油の放熱性が向上する。したがって、上記構成によれば、循環する冷却油の温度を低く保つことに貢献でき、回転電機の冷却効率を向上させることが可能になる。

回転電機の概略構成を示す断面図。 図１の２－２線に沿った断面図。 図２の３－３線に沿った断面図。 ロータコアを軸方向から見たときの磁石孔の構成を示す模式図。 回転電機のケース内における冷却油の移動態様を模式的に示す断面図。 回転電機用ロータの他の例の構成を模式的に示す断面図。

回転電機用ロータの一実施形態について、図１～図５を参照して説明する。
まず、図１及び図２を参照して、本実施形態の回転電機用ロータを備える回転電機１０の構成を説明する。図１に示すように、回転電機１０は、ケース２０を有している。ケース２０は、例えばアルミニウムによって構成されている。ケース２０は、円筒状の周壁２１と、該周壁２１の一端（図１の右端）に設けられた円環形状の第１端壁２２と、周壁２１の他端（図１の左端）に設けられた円環形状の第２端壁２３とを有している。また、ケース２０は、第１端壁２２の内周縁から外方（図１の右方）に突出した形状の第１フランジ壁２４を有している。第１フランジ壁２４は、先端部が開口した円筒状に形成されている。ケース２０には、第２端壁２３の内周縁から外方（図１の左方）に突出した形状の第２フランジ壁２５が設けられている。第２フランジ壁２５の先端には、円板状の連結壁２６が連結されている。

ケース２０の内部には、ステータ３０が収容されている。ステータ３０は、磁性体である電磁鋼板を複数枚積層して円環柱状に構成されたステータコア３１を有している。
図２に示すように、ステータコア３１は、円環状に形成されているヨーク３１Ａと、該ヨーク３１Ａの内周面から径方向内側に突出した形状の複数のティース３１Ｂとを有している。ヨーク３１Ａの外周面は、ケース２０における周壁２１の内周面に固定されている。これにより、ケース２０にステータ３０が固定されている。ティース３１Ｂは、径方向内側の先端部分が部分的に拡幅されている。隣り合うティース３１Ｂとヨーク３１Ａとによってスロット３１Ｃが区画されている。ステータ３０は、ステータコア３１のスロット３１Ｃに巻かれたコイル３２を有している。図１に示すように、コイル３２は、ステータコア３１の積層方向における両端部がステータコア３１よりも突出している。

本実施形態の回転電機用ロータとしてのロータ４０は、ケース２０内においてステータ３０の内周側に配置されている。ロータ４０は、ステータコア３１の積層方向に延びるロータシャフト４１を有している。以下では、ロータシャフト４１の中心軸Ｌの延びる方向を単に軸方向という。

ロータシャフト４１は、一端部が第１フランジ壁２４の内域を通じて外方まで延びている。ロータシャフト４１の他端部は、第２フランジ壁２５の内域に配置されている。ロータシャフト４１は、第１端壁２２の内周面に固定された第１軸受け５０と、第２端壁２３の内周面に固定された第２軸受け５１とを介してケース２０に回転自在に軸支されている。ロータ４０は、ロータシャフト４１の外周面に固定された円環柱形状をなすロータコア４２を備えている。ロータコア４２は、磁性体である電磁鋼板を複数枚積層した積層体４３と、該積層体４３の積層方向における両端に配置された一対のエンドプレート４８とによって構成されている。エンドプレート４８は、例えば鉄を主成分とする金属によって構成されている。

図２及び図３に示すように、ロータコア４２には、ロータシャフト４１の軸方向に沿って貫通した磁石孔４２Ａが設けられている。すなわち、磁石孔４２Ａは、ロータコア４２の積層体４３を構成する電磁鋼板とエンドプレート４８との各々に孔を形成することで構成されている。これらの孔が互いに連通するように、電磁鋼板やエンドプレート４８が積層されている。

図２に示すように、磁石孔４２Ａは、ロータコア４２の外周側において周方向に並んで複数配置されている。なお、本実施形態では、ロータコア４２に、該ロータコア４２の外周側が開いたＶ字状をなすように配置された一対の磁石孔４２Ａを、周方向に間隔を開けて８つ設けた場合を例示している。図２に示すロータシャフト４１の軸方向と直交する断面において、磁石孔４２Ａの内周面は、互いに対向して平行に延びる一対の内側面４２Ｂと、一対の内側面４２Ｂを繋ぐ一対の湾曲内面４２Ｃとによって構成されている。磁石孔４２Ａ内には、磁石４９が配置されている。

磁石４９は、断面が長方形の棒状に形成されている。磁石４９は、断面の長手方向に延びる長辺の長さが磁石孔４２Ａの一対の内側面４２Ｂの長さと略同一であり、断面の短手方向に延びる短辺の長さが磁石孔４２Ａの一対の内側面４２Ｂの間隔よりも若干短い。磁石４９は、長辺と磁石孔４２Ａの一対の内側面４２Ｂとの隙間に配置された図示しない固定部材を介してロータコア４２に固定されている。固定部材は、公知の接着シートや熱膨張シートを採用できる。上記一対の磁石孔４２Ａに配置された磁石４９によって、ロータコア４２の１つの磁極が形成されている。上述したように一対の磁石孔４２Ａは周方向に８つ並んで設けられていることから、本実施形態のロータコア４２には８つの磁極が形成されている。

図３に示すように、磁石４９の軸方向における長さは、ロータコア４２の積層体４３の軸方向における長さよりも短い。すなわち、軸方向において、磁石４９は磁石孔４２Ａよりも短い。ロータコア４２の積層体４３を構成する電磁鋼板のうち磁石４９が配置されていない電磁鋼板を排出側電磁鋼板４４といい、磁石４９が配置されている電磁鋼板を磁石収容電磁鋼板４７という。

排出側電磁鋼板４４は、積層体４３において上記軸方向における両端部に２枚ずつ設けられている。２枚の排出側電磁鋼板４４のうち磁石４９に近い側に位置する電磁鋼板を第１排出電磁鋼板４５といい、磁石４９に遠い側に位置する電磁鋼板を第２排出電磁鋼板４６という。磁石収容電磁鋼板４７は、磁石孔４２Ａを構成する第１構成孔４７Ａの径が同一である。

一方で、図４に示すように、排出側電磁鋼板４４は、磁石孔４２Ａを構成する第２構成孔４４Ａが磁石収容電磁鋼板４７の第１構成孔４７Ａに比して小さい。第２構成孔４４Ａは、第１排出電磁鋼板４５において磁石孔４２Ａを構成する第２１構成孔４５Ａと第２排出電磁鋼板４６において磁石孔４２Ａを構成する第２２構成孔４６Ａとを有する。

すなわち、図４に二点鎖線で示す磁石収容電磁鋼板４７の第１構成孔４７Ａに対して、図４に一点鎖線で示す第１排出電磁鋼板４５の第２１構成孔４５Ａは小さい。また、図４に一点鎖線で示す第１排出電磁鋼板４５の第２１構成孔４５Ａに対して、図４に破線で示す第２排出電磁鋼板４６の第２２構成孔４６Ａは小さい。なお、本実施形態では、第２構成孔４４Ａの一対の内側面４２Ｂの間隔を短くすることによって、第２構成孔４４Ａを第１構成孔４７Ａに比して小さくするとともに、第２２構成孔４６Ａを第２１構成孔４５Ａに比して小さくしている。

なお、図４に実線で示すエンドプレート４８の磁石孔４２Ａを構成する第３構成孔４８Ａは、図４に破線で示す第２排出電磁鋼板４６の第２構成孔４４Ａよりも小さい。エンドプレート４８の第３構成孔４８Ａは、第２排出電磁鋼板４６の第２構成孔４４Ａにおける一対の内側面４２Ｂの中央部に配置されている。このように、磁石孔４２Ａは、磁石４９から遠い位置に行くほど孔径、すなわち流路断面積が小さくなっている。なお、磁石孔４２Ａの孔径とは、一対の内側面４２Ｂの間隔である。磁石孔４２Ａの孔径として一対の湾曲内面４２Ｃの頂点の間隔を採用してもよい。

図３に示すように、ロータ４０には、冷却油が流れる供給通路６０と冷却油路６１とが設けられている。供給通路６０は、ロータシャフト４１の内部に形成されている。供給通路６０は、ロータシャフト４１内において軸方向に延びる主通路６０Ａと、該主通路６０Ａの先端から径方向に延びる複数の分岐通路６０Ｂとを有している。

冷却油路６１は、分岐通路６０Ｂに対応して周方向に複数設けられている。各冷却油路６１の構成は同様である。冷却油路６１は、分岐通路６０Ｂに連通している第１油路６２を有している。第１油路６２は、ロータコア４２の内周面に開口する供給口６２Ａを有している。供給口６２Ａは、分岐通路６０Ｂと連通しており、分岐通路６０Ｂから冷却油が供給される。第１油路６２は、径方向に延びて磁石孔４２Ａに接続されている。第１油路６２は、ロータコア４２を構成する積層体４３の内、積層方向における中央に位置する２枚の磁石収容電磁鋼板４７に形成されたスリットによって構成されている。スリットは、磁石収容電磁鋼板４７においてロータシャフト４１に固定されている内周縁から第１構成孔４７Ａまで切り欠かれた形状に形成されている。

冷却油路６１は、第１油路６２が接続された第２油路６３を有している。第２油路６３は、磁石孔４２Ａの内周面及び磁石４９の外周面によって区画形成されている。すなわち、ロータシャフト４１の軸方向と直交する断面で見たときに、磁石孔４２Ａを構成する一対の湾曲内面４２Ｃと磁石孔４２Ａの短辺とによって囲まれる領域が第２油路６３の流路断面となる。第２油路６３において、第１油路６２が接続されている中央部分を接続部６５という。

第２油路６３は、ロータコア４２において軸方向の両端面に開口した排出口６４Ａを有する排出部６４を備えている。排出部６４は、排出側電磁鋼板４４とエンドプレート４８とによって構成されている。排出口６４Ａは、エンドプレート４８に形成されている。上述したように排出側電磁鋼板４４に形成された第２構成孔４４Ａとエンドプレート４８に形成されている第３構成孔４８Ａにおいては、磁石４９から遠い位置ほど、すなわち排出口６４Ａに近い位置ほど小さくなるように設けられている。これにより、第２油路６３は、接続部６５の流路断面積よりも、排出部６４、特に排出口６４Ａの流路断面積の方が小さくなっている。

図１に示すように、回転電機１０のケース２０の下方には、回転電機１０に供給された冷却油が溜まる。この冷却油にステータコア３１の一部が浸っている。ケース２０の下方に溜まった冷却油を排出するために、周壁２１の下方には排液口２１Ａが設けられている。排液口２１Ａは、ラジエータ７０に繋がっている。排液口２１Ａからラジエータ７０へ流れた冷却油は、該ラジエータ７０において空気との熱交換によって放熱した後、オイルパン７５へ戻される。オイルパン７５に戻された冷却油は、オイルポンプ８０によって汲み上げられてロータシャフト４１の主通路６０Ａへと供給される。主通路６０Ａへ供給された冷却油は、分岐通路６０Ｂから第１油路６２及び第２油路６３を順に流れてロータシャフト４１、ロータコア４２、及び磁石４９を冷却した後、排出口６４Ａから排出される。なお、第２油路６３は、磁石４９の外周面によって構成されていることから、磁石４９と冷却油とが直接接触することとなり、磁石４９が好適に冷却される。

次に、本実施形態の作用及び効果について説明する。
（１）本実施形態では、第２油路６３において、第１油路６２と接続される接続部６５の流路断面積よりも冷却油を排出する排出部６４の流路断面積を小さくしている。流路断面積が小さくなることで、第２油路６３の排出部６４を流れる冷却油の速度は上昇する。そのため、第２油路６３に供給されたときの冷却油の速度よりも第２油路６３から排出されるときの冷却油の速度の方が速くなる。

図５に実線の矢印で示すように、こうしてロータコア４２から排出される冷却油の流速を上げることで、ロータシャフト４１の軸方向へ噴出させた状態でロータコア４２から冷却油を排出することが可能になる。なお、ロータ４０が回転しているときには遠心力が作用することから、ケース２０に向かうほど径方向外側に位置するように冷却油は噴出される。

ロータコア４２から排出された冷却油は、回転電機１０において他の部位に比して比較的低温であるケース２０に到達して付着する。その後、図５に一点鎖線の矢印で示すように、冷却油は自重でケース２０を伝って下方へ移動する。こうしてケース２０を伝うときには、冷却油からケース２０へと熱が移動するため、冷却油から放熱させることができる。そのため、図５に二点鎖線の矢印で示す比較例のように、ロータコア４２からステータ３０へ冷却油を飛散させた後に、ステータ３０を伝わせてケース２０の下方へと冷却油を移動させる構成に比べて、ケース２０下方に溜まる冷却油の温度を低下させることが可能になる。そして、こうした冷却油をラジエータ７０において再度放熱させた後に循環させることができるため、循環する冷却油の温度を低く保つことに貢献できる。したがって、回転電機１０の冷却効率を向上させることが可能になる。

（２）本実施形態では、第２油路６３の排出部６４を、２枚の排出側電磁鋼板４４及びエンドプレート４８によって構成した。そして、排出部６４において磁石孔４２Ａを構成する第２構成孔４４Ａ及び第３構成孔４８Ａの大きさを排出口６４Ａ側ほど徐々に小さくなるように形成した。このように排出部６４の流路断面積を徐々に小さくすることで、流路断面積が小さくなることに起因する第２油路６３の圧力損失の増大を抑えることが可能になる。したがって、第２油路６３の排出部６４を流れる冷却油の流速をより一層高めることができるため、冷却効率を一層向上させることが可能になる。

本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・上記実施形態では、２枚の排出側電磁鋼板４４及びエンドプレート４８を用いて、排出部６４において排出口６４Ａ側ほど徐々に流路断面積が小さくなる構成を実現した。こうした構成は他の方法によって実現することも可能である。例えば、図６に示す構成を採用してもよい。なお、図６では、エンドプレートのみによって上述した構成を実現している点が上記実施形態と異なっている。

図６に示すように、ロータコア９０は、磁性体である電磁鋼板を複数枚積層した積層体９１と、該積層体９１の積層方向における両端に配置された一対のエンドプレート９２とによって構成されている。積層体９１を構成する各電磁鋼板は、磁石孔４２Ａを構成する孔の形状は全て同一である。エンドプレート９２において磁石孔４２Ａを構成する第３構成孔９３は、磁石４９から離れるほど縮径されたテーパ部９３Ａと、該テーパ部９３Ａに接続されて排出口９４Ａを構成する出口部９３Ｂとからなる。出口部９３Ｂの流路断面積は、接続部６５の流路断面積よりも小さい。こうした構成では、エンドプレート９２によって第２油路６３の排出部９４が構成されており、この排出部９４では、テーパ部９３Ａによって排出口９４Ａ側ほど徐々に流路断面積が小さくなっている。こうした構成であっても、上記（２）と同様の作用効果を得ることができる。

・上記実施形態において、排出部６４，９４において排出口６４Ａ，９４Ａ側ほど徐々に流路断面積が小さくなる構成は必ずしも必須ではない。例えば、上記実施形態において、第１排出電磁鋼板４５及び第２排出電磁鋼板４６の第２構成孔４４Ａを、磁石収容電磁鋼板４７の第１構成孔４７Ａと同じ大きさとし、エンドプレート４８に形成された第３構成孔４８Ａによってのみ流路断面積を小さくする構成としてもよい。

・上記実施形態では、エンドプレート４８に設けられた第３構成孔４８Ａが、第２排出電磁鋼板４６の第２２構成孔４６Ａにおける一対の内側面４２Ｂの内域の中央部に配置されるように、エンドプレート４８と第２排出電磁鋼板４６とを積層して磁石孔４２Ａを構成した。こうした構成は適宜変更が可能である。例えば、エンドプレート４８に設けられた第３構成孔４８Ａが、第２排出電磁鋼板４６の第２２構成孔４６Ａにおける湾曲内面４２Ｃの内域と重なる位置となるようにこれらを積層してもよい。また、第１排出電磁鋼板４５及び第２排出電磁鋼板４６に設けられる第２構成孔４４Ａを、磁石収容電磁鋼板４７に設けられた第１構成孔４７Ａの湾曲内面４２Ｃの内域と重なる領域のみに形成してもよい。この場合には、第１排出電磁鋼板４５及び第２電磁鋼板において一対の湾曲内面４２Ｃの内域と重なる領域の内、少なくとも一方の領域に第２構成孔４４Ａを設ければよい。

・上記実施形態では、ロータコア４２の軸方向における両端面に排出口６４Ａを設けた構成を例示したが、排出口６４Ａを軸方向における一端面に形成してもよい。すなわち、一方のエンドプレート４８に排出口６４Ａを形成し、他方のエンドプレート４８に排出口６４Ａを形成しない構成としてもよい。

・上記実施形態において、エンドプレート４８を省略することも可能である。この場合には、ロータコア４２を構成する電磁鋼板のうち、軸方向における端部に位置する電磁鋼板によって排出口６４Ａが構成される。

・上記実施形態では、冷却油路６１の第１油路６２は、供給口６２Ａから磁石孔４２Ａを径方向に直線的に繋ぐ構成とした。こうした構成は適宜変更が可能である。例えば、第１油路６２を供給口６２Ａから分岐させて軸方向における複数箇所で磁石孔４２Ａに接続する構成としてもよい。この構成では、第２油路６３は、複数の接続部６５を含む。そのため、こうした構成では、複数の接続部６５の流路断面積の総和よりも排出口６４Ａの流路断面積を小さくしてもよいし、複数の接続部６５のうち何れか１つの流路断面積よりも排出口６４Ａの流路断面積を小さくしてもよい。これらの構成であっても、上記（１）と同様の作用効果を得ることは可能である。

１０…回転電機
２０…ケース
２１…周壁
２１Ａ…排液口
２２…第１端壁
２３…第２端壁
２４…第１フランジ壁
２５…第２フランジ壁
２６…連結壁
３０…ステータ
３１…ステータコア
３１Ａ…ヨーク
３１Ｂ…ティース
３１Ｃ…スロット
３２…コイル
４０…ロータ
４１…ロータシャフト
４２…ロータコア
４２Ａ…磁石孔
４２Ｂ…内側面
４２Ｃ…湾曲内面
４３…積層体
４４…排出側電磁鋼板
４４Ａ…第２構成孔
４５…第１排出電磁鋼板
４５Ａ…第２１構成孔
４６…第２排出電磁鋼板
４６Ａ…第２２構成孔
４７…磁石収容電磁鋼板
４７Ａ…第１構成孔
４８…エンドプレート
４８Ａ…第３構成孔
４９…磁石
５０…第１軸受け
５１…第２軸受け
６０…供給通路
６０Ａ…主通路
６０Ｂ…分岐通路
６１…冷却油路
６２…第１油路
６２Ａ…供給口
６３…第２油路
６４…排出部
６４Ａ…排出口
６５…接続部
７０…ラジエータ
７５…オイルパン
８０…オイルポンプ
９０…ロータコア
９１…積層体
９２…エンドプレート
９３…第３構成孔
９３Ａ…テーパ部
９３Ｂ…出口部
９４…排出部
９４Ａ…排出口

Claims (1)

1. ロータシャフトと、該ロータシャフトの軸方向に沿って貫通した磁石孔を有していて前記ロータシャフトに固定されたロータコアと、前記ロータコアの前記磁石孔内に配置された磁石とを備える回転電機用ロータであって、
   前記ロータコアには、冷却油が供給される供給口と、該ロータコアの前記軸方向における一端面に開口した排出口とを有する冷却油路が設けられ、
   前記冷却油路は、前記供給口を有していて前記磁石孔に接続された第１油路と、前記磁石孔の内周面及び前記磁石の外周面によって区画形成されていて前記第１油路が接続された第２油路とを含み、
   前記第２油路は、前記排出口を構成する排出部を有していて、前記第１油路が接続されている接続部の流路断面積よりも、前記排出部の流路断面積の方が小さい回転電機用ロータ。

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