JP3841240B2

JP3841240B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP3841240B2
Application number: JP19581097A
Authority: JP
Inventors: 彰久小久保; 勝也石井; 瀬口　　正弘; 裕章梶浦
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1997-07-22
Filing date: 1997-07-22
Publication date: 2006-11-01
Anticipated expiration: 2017-07-22
Also published as: JPH1141861A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単ロータ形式又は二重ロータ形式などの回転電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特願平３−５０８７８３号公報は、ステータおよびロータが格納されているハウジングの内部空間に気液二相冷媒を循環させる単ロータ形式の電動機を開示している。
同公報には、外部の冷媒をステータ内のロ−タ収容空間に出入させるために、周壁部に設けた注入口及び帰還口を通じてそれを行う周壁部経由冷媒出入方式と、固定軸に設けた注入口及び帰還口を通じてそれを行う固定軸経由冷媒出入方式とが開示されている。
【０００３】
また、特願平９−５６０１０号公報や同２３５０９号公報は、内側のインナーロ−タと、外側のステータと、電磁的にトルク授受する二重ロータ形式の回転電機を開示している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した二重ロータ形式の回転電機は、ローターコイルを有するインナーロータがアウターロ−タにより囲包され、更にその外周側にステータが装備される構成を有するので、両ロータの構造や軸受け構造が複雑化し、特に外側のアウター軸受けが径大化して、その摩擦発熱が増大するという問題があった。なお、これは、アウター回転軸の外周面の周速が原理的に増大するためである。すなわち、この種の二重ロータ形式の回転電機では、原理的に構造が複雑化するために冷却流体の流れが悪くなって冷却がどうしても不十分となり易いにも関らず、軸受け部分の冷却の必要性はかえって増大するという矛盾を内包していた。
【０００５】
そこで、この二重ロータ形式の回転電機に、上述した気液二相冷媒を循環させて潜熱冷却（沸騰冷却）の利用により、少ない冷却流体流量で大きな冷却効果を奏する案が考えられる。
しかしながら、このような気液二相冷媒による冷却を採用するためには、シール部材によりロ−タ収容空間を密閉せねばならないが、二重ロータ形式の回転電機では上述したように外側のアウター回転軸の周速が増大するため、このアウター回転軸の外周をシールするアウターシール部材の摩耗が増大するという問題があった。
【０００６】
そこで、気液二相冷媒からなる冷却流体にオイルを混入することにより、これら軸受けやシール部材を潤滑することが考えられるが、気液二相冷媒に含まれるオイルミストは、上記周壁部経由冷媒出入方式ではハウジングの内壁面やステータ表面やステータコイル表面などに付着して流下する割合が大きく、末端の軸受けやシール部材の潤滑に回ることが少ないという問題があった。また、上記固定軸経由冷媒出入方式では、ハウジング内部に吹き出されたオイルはその遠心力にハウジング内周面などに吹き飛ばされてしまい、その結果、再び回転軸の帰還口に回帰することが難しく、ハウジングの底部に滞留してしまうという問題があった。
【０００７】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、冷却性、潤滑性に優れた回転電機を提供することをその第一の課題とし、特に、シール部材の摩耗や軸受けの発熱、摩耗の良好な抑止が果たしつつ、冷却性を向上した二重ロータ形式の回転電機を提供することを、その第二の課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の回転電機によれば、外部の冷却流体供給部から回転軸の穴を通じてハウジング内のロ−タ収容空間にオイル含有冷媒を吹き出す。特に、この構成では、ロ−タを支承する軸受けと、その外側のシール部材との間にオイル含有冷媒を吹き出し、吹き出したオイル含有冷媒を、軸受けを通じて上記ロ−タ収容空間に導入し、ロ−タ収容空間から再び冷却流体供給部に戻す。
【０００９】
このようにすれば、冷却性、潤滑性に優れた回転電機を実現することができる。
以下、更に詳しく説明すると、オイル含有冷媒は回転軸を通じてハウジング内に導入された後、軸受けの軸方向外側に設けられるハウジング内部気密用のシール部材と上記軸受けとの間に開口された噴出口からハウジング内部に吹き出される。したがって、オイル含有冷媒に当初、豊かに含まれるオイルはまず軸受け及びシール部材に真っ先に接触して、それらを良好に潤滑することができる。更に、その後、オイル含有冷媒は軸受けを通じて軸受けよりも軸方向内側のロ−タ収容空間に導入されるので、軸受けはオイル含有冷媒中にまだ十分含まれるオイルにより良好に潤滑される。更に、オイル含有冷媒はこれら軸受けやシール部材の冷却も十分に行い、その後、ややオイル分が減少した冷媒がロ−タ収容空間中でロ−タ及びステータを冷却する。
【００１０】
請求項１記載の構成は、上記回転軸経由冷媒出入方式の冷却技術を二重ロータ形式の回転電機に適用した点を更なる特徴としている。
詳しく説明すると、インナー回転軸からインナー側の軸受けとシール部材との間に吹き出されたオイル含有冷媒は、アウター回転軸の貫通孔を通じてアウター側の軸受けとシール部材との間に吹き出され、更に、アウター側の軸受けを通じてロ−タ収容空間に吹き込まれる。
【００１１】
このようにすれば、上記効果に加えて更に、アウター回転軸から吹き出すまだオイル成分に富む冷媒により良好にアウター側の軸受け及びシール部材を潤滑し、冷却することができる。特に、アウター側の軸受け及びシール部材の内径は径大であって、面積が大きいので、この効果は大きい。アウター軸受け及びインナー軸受けの外周面に付着したオイルはシール効果向上も実現する。
【００１２】
請求項２記載の構成によれば請求項１記載の回転電機において更に、外部の冷却流体供給部に冷却流体を帰還させるための冷却流体帰還口は、ハウジングの周壁下部に開口される。
このようにすれば、オイル成分も良好に帰還させて再び、上記シール部材と軸受けとの間に吹き出させることができ、都合が良い。更に、冷却流体はロ−タ収容空間内にて回転軸やロ−タの回転により遠心方向に付勢されるので、吹き出された含有冷媒はオイルを伴ってハウジングの周壁内周面に付着し、不要なオイルの循環に有効である。また、上記した冷却流体の遠心付勢は冷却流体の循環のための動力としての機能も果たすことができる。
【００１３】
この構成では、ハウジングの周壁部底部から外部の冷却流体供給部に冷却流体を帰還させるので、帰還する冷却流体はその密度が小さくても容易に帰還することができ、しかも帰還に際して、ハウジングの周壁部底部に滞留するオイルを随伴してそれを行うので、好都合となる。
請求項３記載の構成によれば請求項１又は２記載の回転電機において更に、ロ−タと軸受けとの間に位置して回転軸から冷却流体が直接噴出口からロ−タ収容空間に直接噴出される。
【００１４】
このようにすれば、ロ−タ及びステータの発熱量が大きくても、シール部材および軸受けに必要なオイル量を補給するためのオイル含有冷媒を除く、他のオイル含有冷媒を直接、ロ−タ収容空間に供給できるので、オイル含有冷媒循環経路の流体損失を低減してロ−タ及びステータの冷却性を向上することができる。
請求項４記載の構成によれば請求項２および３記載の回転電機において更に、冷却流体帰還口はロ−タを挟んで直接噴出口と反対側に開口される。このようにすれば、直接噴出口からロ−タ収容空間に噴出された冷却流体はロ−タ収容空間中を軸方向に流れて冷却流体帰還口に達するので、ロ−タ及びステータの冷却性が向上する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
外部の冷却流体供給部としては、回転電機を蒸発器とする冷凍サイクル装置が好適であるが、冷却流体供給部を冷却流体ガスの圧縮、凝縮を伴わない、加圧、冷却手段で構成することも可能である。
本発明の好適な態様を以下の実施例を参照して詳細に説明する。
【００１６】
【実施例】
本発明を適用した二重ロータ形式の車両用回転電機の実施例を図１に示す。
（冷凍サイクルの構成及び動作）
この車両用回転電機は、電気自動車の駆動装置であって、モータ−１を蒸発器とする冷凍サイクル装置となっている、２は冷媒蓄液用のアキュムレ−タ、４はコンプレッサ、５はコンデンサ、６はコンデンサ冷却用のファン、７は膨張弁、８は膨張弁７の開度制御用の感温筒である。
【００１７】
上記各機器を冷媒配管で閉回路接続して冷凍サイクル装置が構成され、周知のように、コンプレッサ４で圧縮された冷媒ガスはコンデンサ５で凝縮され、膨張弁７で断熱膨張され、気液二相冷媒となってモ−タ−１に導入され、モ−タ−１を冷却してアキュムレ−タ２で気液分離されて、コンプレッサ４に帰還する。９はオイル戻し穴であって、このオイル戻し穴９から冷媒ガス配管に流入したオイルは冷媒ガスとともにコンプレッサ４に吸引される。
【００１８】
上記冷媒サイクル装置における蒸発器以外の部分は車両搭載のエアコン装置と共用することができる。
（モ−タの基本構成及び動作）
モ−タ−１は、径内側の第１ロ−タ１０、径外側の第２ロ−タ２０及びステータ３０をもつ二重ロータ構造を備えており、ステータ３０はハウジング４０の内周面に固定されている。円筒状の第２ロ−タ２０の外周面はステータ３０の内周面に微小ギャップを隔てて対面しており、円筒状の第２ロータ２０の外周面は第１ロ−タ１０の内周面に微小ギャップを隔てて対面している。
【００１９】
ステータ３０は、ステータコアに三相のステータコイルを巻装してなり、このステータコイルには図示しないインバ−タ装置から三相交流電圧が印加されている。第１ロータ１０も、ロ−タ−コアに三相のロ−タコイルを巻装してなり、このロ−タコイルにはスリップリング５０を通じて図示しないインバ−タ装置から三相交流電圧が印加されている。第２ロ−タ２０は、円筒状の継鉄の内、外周に円筒状の永久磁石をそれぞれ装着してなり、外周側の上記永久磁石はステータ３０と電磁相互作用を行ってトルクを授受し、内側側の上記永久磁石は第１ロ−タ１０と電磁相互作用を行ってトルクを授受する。たとえば、第１ロ−タ１０はエンジンに結合され、第２ロ−タ２０は車輪に結合され、走向負荷が大きい場合には第２ロ−タ２０は第１ロ−タ１０及びステータ３０から電磁付勢され、所定の軽負荷時には第２ロ−タ２０は第１ロ−タ１０のみから電磁付勢され、更に場合によっては、第２ロ−タ２０は第１ロ−タ１０から電磁付勢されて第１ロ−タ１０に発電を生じさせるなどの種々の動作モ−ドが切り替えて実行される。６０は第１ロ−タ１０の回転角度を検出する角度センサであり、７０は第２ロ−タ２０の回転角度を検出する角度センサである。角度センサ６０、７０が検出した両ロ−タ１０、２０の角度は図示しないコントロ−ラに入力され、コントロ−ラはこれら入力信号に基づいて両インバ−タ装置を制御し、上記各動作モ−ドなどを遂行するが、これらの回転制御自体はこの実施例の要旨ではないので説明を省略する。
【００２０】
（モ−タの軸支構造の詳細構成）
次に、モ−タ−１の支軸構造を詳細に説明する。
ハウジング４０は、フロントフレ−ム４１と、フロントフレ−ム４１の後端開口を閉鎖するエンドフレ−ム４２と、エンドフレ−ム４２に嵌合して内部にスリップリング収容空間を形成するエンドカバ−４３とからなる。
【００２１】
フロントフレ−ム４１の前端壁内周には、アウタ−軸受け１０１が嵌入され、アウタ−軸受け１０１はフランジ状のアウタ−回転軸１０２の径小な軸部を回転自在に支承している。アウタ−回転軸１０２の後端は、第２ロ−タ２００の前端に固定されている。同様に、フロントフレ−ム４１の後端壁内周には、アウタ−軸受け１０３が嵌入され、アウタ−軸受け１０３はフランジ状のアウタ−回転軸１０４の径小な軸部を回転自在に支承している。アウタ−回転軸１０４の前端は、第２ロ−タ２００の後端に固定されている。
【００２２】
アウタ−回転軸１０２の上記軸部の内周には、インナ−軸受け２０１が嵌入され、インナ−軸受け２０１はインナ−回転軸２０２を回転自在に支承している。インナ−回転軸２０２には第１ロ−タ１０が嵌着、固定されている。同様に、アウタ−回転軸１０４の上記軸部の内周には、インナ−軸受け２０３が嵌入され、インナ−軸受け２０３はインナ−回転軸２０２を回転自在に支承している。
【００２３】
なお、第２ロ−タ２０は径大であるので、アウタ−回転軸１０２、１０４は、上述したようにフランジ形状をもち、それらの円盤部外周側に第２ロ−タ２０の前、後端が固定される構造となっている。
フロントフレ−ム４１の端壁外側にはカバ−４４が固定され、カバ−４４にはアウタ−軸受け１０１の前方に位置してアウタ−シ−ル部材１１０が嵌入され、アウタ−シ−ル部材１１０の内周はアウタ−回転軸１０２の上記筒部の外周に摺接している。同様に、エンドフレ−ム４２の後端部にはカバ−４５が固定され、カバ−４５にはアウタ−軸受け１０３及びインナ−軸受け２０３の後方に位置してシ−ル部材１１１が嵌入され、シ−ル部材１１１の内周はアウタ−回転軸１０４の上記筒部の外周に摺接している。更に、エンドカバ−４３の後端にはカバ−４６が固定され、カバ−４６にはシ−ル部材１１２が嵌入され、シ−ル部材１１２の内周は回転軸２０２の外周に摺接している。アウタ−回転軸１０２の筒部内周には、インナ−軸受け２０１の前方に位置してインナ−シ−ル部材２１０が嵌入され、インナ−シ−ル部材２１０の内周はインナ−回転軸２０２の外周に摺接している。
【００２４】
シ−ル部材１１０はアウタ−回転軸１０２の外周に沿っての冷媒漏れを抑止し、シ−ル部材２１０、１１１はインナ−回転軸１０２の外周に沿っての冷媒漏れを抑止する。
（モ−タ内の冷媒流路の詳細構成）
エンドカバ−４３の後端壁中央部には開口が形成され、この開口には膨張弁７から伸びる冷媒配管が接続されている。
【００２５】
インナ−回転軸２０２には、その後端面から軸方向前方に伸びる長穴３００と、長穴３００から径方向に貫通する噴出口３０１〜３０３が形成されている。噴出口３０１は、インナ−軸受け２０１とインナ−シ−ル部材２１０との間に形成され、噴出口３０２は、インナ−軸受け２０３の直前方に形成され、噴出口３０３は、インナ−軸受け２０３の直後方に形成されている。
【００２６】
噴出口３０４は、アウタ−回転軸１０２に形成される貫通孔であって、インナ−軸受け２０１とインナ−シ−ル部材２１０との間の内周側空間と、アウタ−軸受け１０１とアウタ−シ−ル部材１１０との間の外周側空間とを連通している。噴出口３０５は、アウタ−回転軸１０４に形成される貫通孔であって、インナ−軸受け２０３より後方に位置するアウタ−回転軸１０４の内周側空間と、アウタ−軸受け１０３より後方に位置するアウタ−回転軸１０４の外周側空間とを連通している。
【００２７】
更に、アウタ−回転軸１０２の円盤部には両ロ−タ１０、２０間のギャップに面して貫通孔３０６が形成されている。同様に、アウタ−回転軸１０４の円盤部には、貫通孔３０７が形成されている。なお、この実施例において、各軸受けは転動軸受けであり、その隙間を軸方向へ冷媒が容易に通過する構造となっている。一方、シ−ル部材としては、公知の各種のものを採用することができる。
【００２８】
（モ−タ内の冷媒流れの説明）
膨張弁７を出たミスト状のオイルを含有する気液二相冷媒は、エンドカバ−４３の開口４００からインナ−回転軸２０２の先細の長穴３００に流入し、噴出口３０１〜３０３から噴出する。
ロ−タ−前方における冷媒流れを図３を参照して説明する。
【００２９】
噴出口３０１からインナ−軸受け２０１とインナ−シ−ル部材２１０との間に吹き出したオイル含有冷媒は、インナ−軸受け２０１とインナ−シ−ル部材２１０とを潤滑し、冷却する。その後、オイル含有冷媒の一部はインナ−軸受け２０１を後方へ貫通した後、第１ロ−タ１０やアウタ−回転軸１０２の回転に付勢されて遠心方向に流れる。このとき、第１ロ−タ１０、第２ロ−タ２０及びステータ３０の前端部が冷却される。残りのオイル含有冷媒は、噴出口３０４からアウタ−軸受け１０１とアウタ−シ−ル部材１１０との間に吹き出し、これらアウタ−軸受け１０１及びアウタ−シ−ル部材１１０を潤滑、冷却しつつ、アウタ−回転軸１０２の回転に付勢されて遠心方向に流れる。最終的に、フロントハウジング４１の周壁前端最下位位置に開口された冷媒出口５００からアキュムレ−タ２に帰還する。
【００３０】
ロ−タ−後方における冷媒流れを図４を参照して説明する。
噴出口３０２から吹き出したオイル含有冷媒は、アウタ−回転軸１０４や両ロ−タ１０、２０の後端面に付勢されつつ遠心方向に流れ、この時、これらロ−タ１０、２０やステータ３０を冷却する。次に、噴出口３０３からインナ−軸受け２０３の直後に吹き出したオイル含有冷媒の一部はインナ−軸受け２０３を潤滑、冷却しつつ、インナ−軸受け２０３を貫通してから、噴出口３０２から吹き出したオイル含有冷媒に混ざる。
【００３１】
また、噴出口３０３からインナ−軸受け２０３の直後に吹き出したオイル含有冷媒の残部は噴出口３０５から、アウタ−軸受け１０３の直後に吹き出し、アウタ−軸受け１０３やシ−ル部材１１１を潤滑、冷却した後、アウタ−軸受け１０３を貫通してから、噴出口３０２から吹き出したオイル含有冷媒に混ざる。
これら噴出口３０２、３０３から吹き出したオイル含有冷媒は、第２ロ−タ２０と第１ロ−タ１０やステータ３０との間のギャップの後端からこれらギャップ内を軸方向前方へ流れ、これら第１ロ−タ１０、第２ロ−タ２０及びステータ３０を冷却しつつ、冷媒出口５００に集まり、最終的にアキュムレ−タ２に帰還する。
【００３２】
（変形態様）
第１ロ−タ１０や第２ロ−タ２０の後端面に遠心羽根を設ければ、更にオイル含有冷媒の流れを加速することができ、冷却性を向上することができる。
また、第１ロ−タ１０や第２ロ−タ２０の前端面に径内方向へオイル含有冷媒を付勢する求心羽根を設ければ、更にオイル含有冷媒の流れを加速することができ、冷却性を向上することができる。
【００３３】
（実施例の効果）
上述の実施例の構成によれば、冷却性、潤滑性に優れた回転電機を実現することができ、シ−ル部材の摩耗も少ないので、冷媒漏れも減少することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の車両用回転電機の一部を示す断面図である。
【図２】実施例の車両用回転電機の残部を示すブロック図である。
【図３】図１のロ−タ前方における冷媒流れを示す部分拡大軸方向断面図である。
【図４】図１のロ−タ後方における冷媒流れを示す部分拡大軸方向断面図である。
【符号の説明】
１はモ−タ、２はアキュムレ−タ（冷却流体供給部の一部）、４はコンプレッサ（冷却流体供給部の一部）、５はコンデンサ（冷却流体供給部の一部）、６は膨張弁（冷却流体供給部の一部）、
１０は第１ロ−タ（ロ−タ、インナ−ロ−タ）、２０は第２ロ−タ（ロ−タ、アウタ−ロ−タ）、３０はステータ３０、４１はフロントフレ−ム（ハウジングの一部）、４２はエンドフレ−ム（ハウジングの一部）、１０１はアウタ−軸受け（軸受け）、１０２はアウタ−回転軸（回転軸）、１０３はアウタ−軸受け（軸受け）、１０４はアウタ−回転軸（回転軸）、１１０はアウタ−シ−ル部材（シ−ル部材）、１１１はシ−ル部材、２０１はインナ−軸受け（軸受け）、２０２はインナ−回転軸（回転軸）、２０３はインナ−軸受け（軸受け）、２１０はインナ−シ−ル部材（シ−ル部材）、３０１〜３０５は噴出口、３０２は直接噴出口、５００は冷媒出口（冷却流体帰還口）。

Claims

ハウジングに内設されるステータと、前記ステータ内に冷却流体を噴出する噴出口を外周面に有する回転軸と、前記回転軸に固定されて前記ステータの径内側のロ−タ収容空間に収容されるロ−タと、前記ロ−タの軸方向両側に位置して前記回転軸を回転自在に支持する複数の軸受けと、前記軸受けの軸方向反ロ−タ側に位置して前記回転軸の外周面に摺接するシール部材と、前記回転軸に冷却流体を供給する冷却流体供給部とを備え、前記噴出口は、オイル含有冷媒から構成されて前記軸受けを通じて前記ロ−タ収容空間に送入される前記冷却流体を、前記軸受けと前記シール部材との間に噴出する回転電機において、
インナーロータをなす前記ロータと前記ステータとの間にそれぞれ所定間隙を隔てて配設されて前記ステータ及びインナーロータと電磁相互作用によるトルク授受を行う円筒状のアウターロ−タと、インナー軸受けをなす前記軸受けを通じてインナー回転軸をなす前記回転軸を支承するとともに前記アウターロ−タの両端を回転自在に支承するアウター回転軸と、前記ハウジングに支承されて前記アウター回転軸を回転自在に支承するアウター軸受けと、前記アウター軸受けの軸方向反アウターロ−タ側に位置して前記アウター回転軸の外周面に摺接するアウターシール部材と、前記アウター軸受けと前記アウターシール部材との間に位置して前記アウター回転軸に形成されたアウター噴出口とを備え、
前記アウター噴出口は、前記インナー軸受け及びアウター軸受けと前記インナーシール部材及びアウターシール部材との間に位置して貫設されて前記アウター軸受けを通じて前記冷却流体を前記ロ−タ収容空間に送入することを特徴とする回転電機。
請求項１記載の回転電機において、
前記ハウジングの周壁下部に開口されて前記冷却流体を前記冷却流体供給部に帰還させる冷却流体帰還口を有することを特徴とする回転電機。
請求項１又は２記載の回転電機において、
前記ロ−タと前記軸受けとの間に位置して前記回転軸に開口されて前記冷却流体を前記ロ−タ収容空間に直接噴出する直接噴出口を有することを特徴とする回転電機。
請求項２および３記載の回転電機において、
前記冷却流体帰還口は前記ロ−タを挟んで前記直接噴出口と反対側に開口されることを特徴とする回転電機。