JP3979389B2 - 電動機のロータ冷却構造 - Google Patents

Description

本発明は、半径方向にステータとロータが対向して配置されるラジアルギャップ電動機のロータ冷却構造、または、回転軸に沿ってステータとディスクロータとが対向して配置されるアキシャルギャップ電動機のロータ冷却構造に関するものである。

従来から、電動機のロータを冷媒により冷却することがおこなわれ、例えば特許文献１に記載されているように、半径方向にステータとロータが対向して配置されるラジアルギャップ電動機において、ロータと回転軸との間に流入口から流出口に向けてその外径を徐々に大きくしてなるコーン形状の面間流路を形成して、その面間流路に冷媒を流し込んで、ロータの遠心力を利用して流入口から流出口に向けて冷媒を流して、ロータの冷却を行うロータ冷却構造が提案されている。

また、回転軸に沿ってステータとディスクロータとが対向して配置されるアキシャルギャップ電動機においても、ディスクロータに凹面状の冷却面を形成し、回転軸から連絡通路を経由して冷媒を供給して、ロータの遠心力を利用して冷却面の半径方向内方から外方に向けて冷媒を流してロータを冷却する、ロータ冷却構造が提案されている。
これらのいずれの構造においても、冷媒はロータの遠心力により冷却面に押付けられて、所望の厚みを持つ液膜流れとなり、高い冷却性能を得ることができる。
特開２００３−２１９６０７号公報

しかしながら、上述したロータ冷却構造においては、高速回転時において、冷却面上を流れる冷媒は、その強力な遠心力により、冷却面に押付けられるとともに、冷却面上からの流出量が増えるため、液膜の厚さが非常に薄くなり、その結果、液膜が崩れたり、途切れたりして、液膜流れが不安定となり、冷却性能が低下してしまうという問題点があった。また、このような場合に、液膜の厚さを確保するために冷媒の流入量を増加させると、ロータの動力損失を増大させてしまうという問題点もあった。

以下に、液膜厚さが薄くなると冷却性能が低下するメカニズムを、補足説明する。
一般に菅路内の液膜流れの理論液膜厚さｄ（ｍ）は、その流速ｕ（ｍ／ｓ）、ロータの回転角速度ω（ｒａｄ／ｓ）、および流量ｑ（Ｌ／ｍｉｎ）を用いて数１により表わされる。

さらに、流速ｕ（ｍ／ｓ）、密度ρ（ｋｇ／ｃｍ^３）、粘性係数μ（Ｐａ／ｓ）および相当直径Ｄｅ（＝４×流路断面積×流路濡れぶち長さ）から、数２に示すように、レイノルズ数Ｒｅが求まる。

相当直径Ｄｅは数３により求めるが、その際、液膜は図９の菅路断面に示す斜線部分を流れているが、流路形状としては、外径Ｒ、内径Ｒ−２ｄにより囲繞されるドーナツ形状を取る。

こうして求めたレイノルズ数Ｒｅが、Ｒｅ＜２３００であれば、液膜流れは層流と判定し、２３００＜Ｒｅであれば、液膜流れは乱流と判定する。
次にヌッセルト数Ｎｕを求めるが、液膜流れが層流であれば、Ｎｕは一意的に定まり、液膜流れが乱流であれば、Ｎｕは該当する算出式（詳細は省略）を用いて求める。
こうして求めたヌッセルト数Ｎｕと、前記相当直径Ｄｅ、冷媒の熱伝達度κ（Ｗ／ｍ／Ｋ）を数４に代入して、冷媒の熱伝達係数Ｋ（Ｗ／ｍ^２／Ｋ）を算出することができる。

こうして計算した熱伝達係数Ｋの理論値Ｋｌと理論液膜厚さｄの関係を、図１０および図１１に、熱伝達係数の実験値Ｋｅと比較して示す。図１０は５０００ｒｐｍにおける値を示し、図１１は１００００ｒｐｍにおける値を示す。図中の凡例の数値は流量ｑ（Ｌ／ｍｉｎ）を示し、流量誤差は最大±０．５（Ｌ／ｍｉｎ）とする。
図１０、図１１に示すように、熱伝達係数の理論値Ｋｌは液膜厚さｄが小さくなれば大きくなるが、実験値Ｋｅは、液膜厚さｄが小さくなるほど小さくなっている。このため、液膜厚さｄが小さくなれば熱伝達係数も小さくなり、冷却性能は低下する。この傾向は回転数が高い場合により顕著である。

本発明の目的は、上述した課題を解消して、液膜流れを利用してロータを冷却するロータ冷却構造において、高速回転時においても、液膜の厚みを確保し、かつ、ロータの動力損失を増大させずに、高い冷却性能を確保することができるロータ冷却構造を提供することにある。

請求項１に係る電動機のロータ冷却構造は、回転軸に対向し、遠心力により冷媒が押付けられる冷却面を有し、軸中心部から供給された冷媒が、その冷却面に沿って流れるロータ冷却構造であって、冷媒が排出される前記冷却面の端部が小径化されている、あるいは、冷媒が排出される前記冷却面の端部に環状の突起が設けられていることを特徴とする。

請求項２に係る電動機のロータ冷却構造は、回転軸に対向し、遠心力により冷媒が押付けられる冷却面を有し、軸中心部から供給された冷媒が、その冷却面に沿って流れるロータ冷却構造であって、前記冷却面の冷媒の流れ方向に沿う溝が設けられており、冷媒が排出される溝の端部において、前記溝の深さが浅くなっていることを特徴とする。

請求項３に係る電動機のロータ冷却構造は、請求項１もしくは２に係るロータ冷却構造において、冷媒を油としたことを特徴とする。

請求項１に係る電動機のロータ冷却構造によれば、前記小径部または前記環状の突起により、冷却面上の冷媒をあたかもダムのように堰き止めて、冷媒の流出量を制限して、高速回転時に液膜に強力な遠心力がかかる場合でも、冷却面上の冷媒量を確保して、冷媒の液膜厚さを所望の厚みとして、高い冷却性能を確保することができる。このことにより、高速回転時において、冷媒の液膜厚みを確保するために、冷媒の流入量を増やす必要がなくなり、ロータの動力損失が増大することをも抑制することができる。

請求項２に係る電動機のロータ冷却構造によれば、ロータの冷却面の、冷媒の流れ方向に沿って設けた溝の、流出側の端部の深さを浅くすることにより、冷却面上の溝の冷媒をあたかもダムのように堰き止めて、冷媒の流出量を制限して、高速回転時に液膜に強力な遠心力がかかる場合でも、冷却面上の冷媒量を確保して、冷媒の液膜厚さを所望の厚みとして、高い冷却性能を確保することができる。このことにより、高速回転時において、冷媒の液膜厚みを確保するために、冷媒の流入量を増やす必要がなくなり、ロータの動力損失が増大することをも抑制することができる。さらに、溝と溝とを隔てるあぜがロータの放熱面積を増やすフィンの役割を果たすので、極低速回転時あるいは停止時においても、高い冷却性能を得ることができる。

請求項３に係る電動機のロータ冷却構造によれば、冷媒としての油に、軸受等を潤滑する役割を持たせることができるため、電動機全体を小型化するとともに、コストダウンをも図ることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明に係るロータ冷却構造の一実施形態を示す、ラジアルギャップ電動機の略式断面図である。
このラジアルギャップ電動機は、回転軸１に連結したロータ２と、ロータ２の外周側に配設したステータ３と、ステータ３の外周側に連結されて前記回転軸１の一方を軸受４およびシール５を介して支持するフロントケース６と、フロントケース６に連結されて、軸受７およびシール８を介して前記回転軸１の他方を支持するカバー９とからなり、ロータ２の内周面と回転軸１の外周面との間に面間流路１０を形成し、ロータ２の内周面を回転軸１に対向する冷却面１１として、回転軸１の他方端から、回転軸の中心軸線上に延在してロータ２のほぼ中央よりも少し軸受４側で終了する軸心流路１２を設け、前記面間流路１０と軸心流路１２を連通する一以上の冷媒供給路１３を設け、冷媒が排出される前記冷却面１１の回転軸１の中心軸線方向両端を、小径化して、小径部１４とする。（請求項１に相当）

これによれば、ロータ２の冷却面１１の、冷媒の流出側の両端部を、前記小径部１４とすることにより、軸心流路１２から冷媒供給路１３をへて供給されて、冷却面１１上をその内周側から該周側に向けて液膜となって流れる冷媒を、あたかもダムのように堰き止めて、冷媒の冷却面１１からの流出量を制限することができる。これにより、高速回転時に液膜に強力な遠心力がかかる場合でも、冷却面１１上の冷媒量を確保して、冷媒の液膜厚さを所望の厚みとして、高い冷却性能を確保することができる。このことにより、冷媒の液膜厚みを確保するために、冷媒の流入量を増やす必要がなくなり、ロータ２の動力損失が増大することをも抑制することができる。

図２は図１に示す電動機のロータおよび回転軸を拡大して示す略式断面図である。
ロータ２の内周面と回転軸１の外周面との間に面間流路１０を形成し、ロータ２の内周面を回転軸１に対向する冷却面１１として、回転軸１の他方端から、回転軸の中心軸線上に延在してロータ２のほぼ中央よりも少し軸受４側で終了する軸心流路１２を設け、前記面間流路１０と軸心流路１２を連通する一以上の冷媒供給路１３を設け、冷媒が排出される前記冷却面１１の回転軸１の中心軸線方向両端を、小径化して、小径部１４としている。

図３は、図２に示すロータと回転軸との嵌合形態と、嵌合部および前記小径部の形成形態を示す略式断面図である。
図３（ａ）は、図２のロータのＡＡ断面を示し、図３（ｂ）はロータの製作途中をその中心軸線を含んで示す。
まず、円環柱状の部材の内周面の両端部に、中心軸線方向に延びる二条の凸部からなる回転軸の嵌合部１５を周方向に四箇所、ブリーチなどの工法により設け、その後、図３（ｂ）の中心軸線を含む断面図に示すような、Ｌ字型の機械加工工具１０１により、前記円環柱状の部材の内周面を機械加工して冷却面１１を形成するとともに、前記円環柱状の部材の両端部の内周面は切削することなく小径部１４を形成する。

図４は、図２に示すロータと回転軸との他の嵌合形態と、嵌合部および前記小径部の形成形態を示す略式断面図である。
図４（ａ）は、図２のロータのＡＡ断面を示し、図４（ｂ）はロータの製作途中をその中心軸線を含んで示す。
まず、円環柱状の部材の内周面に、中心軸線方向に延びる二条の凸部からなる回転軸の嵌合部１６を、その軸線方向全体に亘って、周方向に四箇所、ブリーチなどの工法により設ける。その後、図４（ｂ）の中心軸線を含む断面図に示すように、円環柱状の部材の内周面の両端部を機械加工して大径部１７を設ける。その後図示しない回転軸を嵌合部１６に嵌め合わせて、最後にリング１８を前記大径部１７に嵌合して、小径部１９を形成する。
小径部の形成方法として上記二つの方法を示したが、もちろんこれらに限られるものではない。

図５は、本発明に係るラジアルギャップ電動機の他の実施の形態を示す略式断面図である。
図５（ａ）は、図２のロータの中心軸線に垂直な平面内の断面を示し、図５（ｂ）はロータの中心軸線を含む平面内の断面矢視を示す。
まず、円環柱状の部材の内周面に、中心軸線方向に延びる複数条の溝２０を、その軸線方向全体に亘って、ブリーチなどの工法により設け、その後、図５（ｂ）の中心軸線を含む断面図に示すように、前記溝２０の溝底をその中心軸線方向の両端部を残して機械加工して冷却面２１を設け、両端部を浅溝部２２とする。
ここでも溝の形成方法は、上記の方法に限られるものではない。

図６は本発明に係るロータ冷却構造の他の実施形態を示す、アキシャルギャップ電動機のロータ冷却構造の略式断面図である。
このアキシャルギャップ電動機は、図６に示すように、回転軸３１に連結したディスク状のロータ３２と、ロータ３２にロータの中心軸線に沿って対向するステータ３３と、ステータ３３の外周側に連結されて前記回転軸３１の一方を軸受３４およびシール３５を介して支持するフロントケース３６と、フロントケース３６に連結されて、軸受３７を介して前記回転軸３１の他方を支持するリアケース３８と、シール３９を介して軸受３７を密閉するカバー４０とからなり、ロータ３２のステータと対向しない面に曲面状の回転軸３１に対向する冷却面４１を形成し、回転軸３１の他方端から、回転軸の中心軸線上に延在してロータ３２の冷却面４１よりも少し軸受３４側で終了する軸心流路４２を設け、前記冷却面４１の内径側と軸心流路４２を連通する一以上の冷媒供給路４３を設け、冷媒が排出される前記冷却面４１の外周側端に、円環状の突起４４を設ける。（請求項１に相当）

これによれば、ロータ３２の冷却面４１の、冷媒の流出側の両端部に、前記円環状の突起４４を設けることにより、軸心流路４２から冷媒供給路４３をへて供給されて、冷却面４１上に液膜となって流れる冷媒をあたかもダムのように堰き止めることができ、冷媒の冷却面４１からの流出量を制限して、高速回転時に液膜に強力な遠心力がかかる場合でも、冷却面４１上の冷媒量を確保することにより、冷媒の液膜厚さを所望の厚みとして、高い冷却性能を確保することができる。特にこのようなアキシャルギャップ型の電動機のロータでは、冷却面４１上の冷媒に作用する遠心力は外周側に向かうにしたがって大きくなるため、図１に示すようなラジアルギャップ型の電動機に比べて、突起４４を設けることによる冷媒の液膜厚さを保持する効果はさらに顕著である。このことにより、冷媒の液膜厚みを確保するために、冷媒の流入量を増やす必要がなくなり、ロータ３２の動力損失が増大することをも抑制することができる。
ここではロータの冷却面を、ステータと反対側に設けたが、ステータと対向する面に設けてもよいし、それらの両面に設けてもよい。
また、冷却面は、一般的な機械加工により容易に製作できるものである。

図７は、本発明に係るロータ冷却構造の他の実施形態を示す模式図である。
図６では、ロータ３２の冷却面４１は曲面状としたが、図７に示すように、テーパ形状としても良い。これによっても前記作用効果を得ることができる。
図８は、本発明に係るロータ冷却構造のさらに他の実施形態を示す模式図である。
図８（ａ）は、冷却面をロータの中心軸線方から見て示す平面図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）のＢ−Ｂ断面矢視図である。
図８（ａ）（ｂ）に示すロータは、冷却面４１に放射状に延びる溝４５を設け、隣り合う溝４５間に平面形状でほぼ扇形状をなすあぜ部４６を形成し、さらに、溝４５の外周側端に浅溝部４７を設けたものである。（請求項２に相当）
これによっても前記作用効果を得ることができ、さらに、あぜ部４６がロータの放熱面積を増やすフィンの役割を果たすので、極低速回転時あるいは停止時においても、高い冷却性能を得ることができる。

図８（ｃ）に示すロータは、図８（ａ）（ｂ）に示すロータの構成に加えて、前記あぜ部４６を覆う形状の円板４８を、中心軸３１に嵌合させて設ける。
前述したように、アキシャルギャップ型の電動機のロータでは、ロータの冷却面上の冷媒に作用する遠心力は、内周側から外周側に向かうにしたがって大きくなる。このため、冷媒に作用する遠心力よりも重力が大きくなる領域（ロータの回転角速度および半径方向位置で決まる）では、冷媒が冷却面から剥離するという不具合が生じる。
図８（ｃ）に示すように、円板４８を設けて、該円板４８と冷却面４１との間に隙間を形成することにより、冷媒に作用する遠心力が重力よりも大きくなる半径方向位置まで、冷媒を導くことができ、前記不具合を防止することができる。

なお上述したいずれの形態のロータ冷却構造においても、冷媒を油とすることが好ましい。（請求項３に相当）
これによれば、冷媒としての油に、軸受等を潤滑する役割を持たせることができるため、電動機全体を小型化するとともに、コストダウンをも図ることができる。

なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。

本発明の電動機のロータ冷却構造は、大容量の車載向けラジアルギャップ電動機およびアキシャルギャップ電動機に用いて好適なものであって、高速回転時においても高い冷却性能を得ることができるものである。

本発明に係るロータ冷却構造の一実施形態を示す、ラジアルギャップ電動機の略式断面図である。 図１に示す電動機のロータおよび回転軸を拡大して示す略式断面図である。 図２に示すロータと回転軸との嵌合形態と、嵌合部および前記小径部の形成形態を示す略式断面図である。 図２に示すロータと回転軸との他の嵌合形態と、嵌合部および前記小径部の形成形態を示す略式断面図である。 本発明に係るラジアルギャップ電動機の他の実施の形態を示す略式断面図である。 本発明に係るロータ冷却構造の他の実施形態を示す、アキシャルギャップ電動機のロータ冷却構造の略式断面図である。 本発明に係るロータ冷却構造の他の実施形態を示す模式図である。 本発明に係るロータ冷却構造のさらに他の実施形態を示す模式図である。 菅路断面内の液膜流れの相当直径を示す略式断面図である。 熱伝達係数Ｋの理論値Ｋｌと理論液膜厚さｄの関係を、熱伝達係数の実験値Ｋｅと比較して示すグラフである。 熱伝達係数Ｋの理論値Ｋｌと理論液膜厚さｄの関係を、熱伝達係数の実験値Ｋｅと比較して示すグラフである。

符号の説明

１ 回転軸
２ ロータ
３ ステータ
４ 軸受
５ シール
６ フロントケース
７ 軸受
８ シール
９ カバー
１０ 面間流路
１１ 冷却面
１２ 軸心流路
１３ 冷媒供給路
１４ 小径部
１５ 嵌合部
１６ 嵌合部
１７ 大径部
１８ リング
１９ 小径部
２０ 溝
２１ 冷却面
２２ 浅溝部
３１ 回転軸
３２ ロータ
３３ ステータ
３４ 軸受
３５ シール
３６ フロントケース
３８ 軸受
３９ シール
４０ カバー
４１ 冷却面
４２ 軸心流路
４３ 冷媒供給路
４４ 突起
４５ 溝
４６ あぜ部
４７ 浅溝部
４８ 円板

Claims (3)

1. 回転軸に対向し、遠心力により冷媒が押付けられる冷却面を有し、軸中心部から供給された冷媒が、その冷却面に沿って流れるロータ冷却構造であって、冷媒が排出される前記冷却面の端部が小径化されている、あるいは、冷媒が排出される前記冷却面の端部に環状の突起が設けられていることを特徴とする電動機のロータ冷却構造。
2. 回転軸に対向し、遠心力により冷媒が押付けられる冷却面を有し、軸中心部から供給された冷媒が、その冷却面に沿って流れるロータ冷却構造であって、前記冷却面の冷媒の流れ方向に沿う溝が設けられており、冷媒が排出される溝の端部において、前記溝の深さが浅くなっていることを特徴とする電動機のロータ冷却構造。
3. 冷媒が油であることを特徴とする、請求項１もしくは２に記載の電動機のロータ冷却構造。

Images