JP4816522B2 - 回転電機およびその回転子 - Google Patents

Description

本発明は、複数の電磁鋼板を積層することにより構成されるコアを備える回転子、およびそのような回転子を備える回転電機に係わる。

モータを冷却するための構造として様々な形態が提案されている。例えば、特許文献１には、以下のような回転電機の冷却構造が開示されている。
回転子コアは、複数の円盤形状の電磁鋼板を積層することにより構成されている。各電磁鋼板には、図８に示すように、その中心から外周端に達する切欠が形成されている。これらの電磁鋼板は、９０度ずつ位相をずらしながら積層される。これにより、回転子コアは、放射状に延びる冷却油路を具備することになる。そして、モータを冷却するための冷却油は、回転子シャフトの内部に形成されている油路を介して供給される。この冷却油は、回転子が回転したときの遠心力で、回転子コアに形成されている上述の冷却油路を通ってその回転子と固定子との間の隙間にまで流れる。これにより、回転子（および、固定子）が冷却される。
特開２００６−６７７７７号公報

モータのトルクを増大させる技術として、マグネットトルクに加えてリラクタンストルクを利用する構成が知られている。リラクタンストルクは、図８に示すように、回転子コアを構成する電磁鋼板を通過する磁束を発生させることで効率的に得られる。

しかしながら、特許文献１に記載の冷却構造においては、冷却油路を構成するための切欠が、各電磁鋼板の中心領域からその外周端に達するように形成されている。このため、その切欠によって磁束の通過経路上にエアギャップ形成されることになり、リラクタンストルクの発生効率が低下してしまう。また、各電磁鋼板の中心領域からその外周端に達する切欠が形成されているので、各電磁鋼板の強度が低下するおそれがある。

なお、この問題は、モータに限定されるものではなく、回転電機（モータおよび発電機等を含む）において広く生じ得るものである。
本発明の課題は、冷却構造を備える回転電機においてリラクタンストルクを効率的に発生させることである。

本発明の回転電機の回転子は、電磁鋼板を積層することにより構成される回転子コア、回転子シャフト、前記回転子コアに設けられた永久磁石を備え、互いに隣接する複数の電磁鋼板にそれぞれ形成されているスリットを連通させることにより、前記回転電機のｑ軸方向において前記回転子シャフトから前記回転子コアの外周端に至る冷媒流路が形成されている。また、前記回転子シャフトは、その軸方向に冷媒を流すシャフト内流路を備えると共に、そのシャフト内流路を介して流れる冷媒を前記回転子コアに形成される前記冷媒流路に導く冷媒通過孔を備える。

上記構成の回転電機において、電磁鋼板に形成されるスリットは、回転子コア内において磁束に対してエアギャップとなる。ところが、これらのスリットを連通することにより得られる冷媒流路は、回転電機のｑ軸方向に延びるように形成される。このため、ｄ軸励磁時には、固定子のコイルにより生成される磁束は、その冷媒流路を通過しない。すなわち、ｄ軸励磁時に磁気抵抗の小さい磁路が形成される。よって、回転電機にこの回転子を用いれば、リラクタンストルクを効率的に発生させることができる。

上記回転電機の回転子において、前記電磁鋼板の径方向における前記スリットの長さを、中心側に形成されるスリットよりも外周側に形成されるスリットの方が短くするようにしてもよい。あるいは、電磁鋼板の外周端を切り欠くことにより形成されるスリットの径方向における長さを、電磁鋼板の外周端に達していないスリットよりも短くするようにしてもよい。このような構造を導入すれば、スリットを形成することに起因する強度の低下を抑えることができる。

前記冷媒流路は、前記回転子シャフトに達するスリットが形成された電磁鋼板、前記回転子シャフトおよび外周端のいずれにも達していないスリットが形成された電磁鋼板、前記外周端に達するスリットが形成された電磁鋼板を隣接させて積層することにより形成されるようにしてもよい。また、前記冷媒流路は、前記回転子の極数と同じ本数設けられるようにしてもよい。

本発明の他の態様の回転電機の回転子は、電磁鋼板を積層することにより構成される回転子コア、前記回転子コアを回転可能に支持する回転子シャフト、前記回転子コアに設けられた永久磁石を備え、互いに隣接する複数の電磁鋼板にそれぞれ形成されているスリットを連通させることにより、ｄ軸励磁時に前記回転電機の固定子のコイルにより生成される磁束に対してフラックスバリアとして作用する冷媒流路が形成されている。

この構成においては、回転子コア内に形成される冷媒流路は、ｄ軸励磁時に回転電機の固定子のコイルにより生成される磁束に対してフラックスバリアとして作用する。したがって、この構成においても、ｄ軸励磁時に磁気抵抗の小さい磁路が形成され、リラクタンストルクを効率的に発生させることができる。

なお、本発明は、上述の回転子を備える回転電機にも適用可能である。

本発明によれば、冷却構造を備える回転電機においてリラクタンストルクを効率的に発生させることができる。

図１は、本発明に係わる回転電機の冷却構造を示す図である。ここでは、冷媒が流れる経路を示すために、回転電機の内部の構造が模式的に描かれている。なお、以下の実施例では、回転電機の一例として永久磁石同期モータについて説明をする。

図１において、回転子１は、回転子コア２および回転子コア２を回転可能に支持する回転子シャフト３を含んで構成される。回転子コア２は、複数の電磁鋼板を積層することによって構成されている。各電磁鋼板は、円盤形状であり、例えば、ケイ素電磁鋼板等である。回転子シャフト３は、回転子１の回転軸として回転子コア２に固定されている。固定子１１は、回転磁界を発生させるためのコイルを備えている。なお、回転子１と固定子１１との間には、ギャップＧが設けられている。

上記構成の永久磁石同期モータにおいて、回転子１（及び、固定子１１）を冷却するための冷却液体（以下、冷媒）は、回転子シャフト３を介して供給される。なお、回転子シャフト３は、中空構造であり、その中空構造を利用した通路（シャフト内流路）を介して冷媒を流すことができる。冷媒は、特に限定されるものではないが、例えば、冷却オイルである。また、回転子シャフト３は、シャフト内流路を介して流れる冷媒を回転子コア２に導くための冷媒通過孔を備えている。他方、回転子コア２の内部には、後で詳しく説明するが、回転子シャフト３から回転子コア２の外周端に至る冷媒流路が形成されている。ここで、この冷媒流路は、回転子シャフト３が備える冷媒通過孔に接続されている。したがって、回転子１が回転すると、回転子シャフト３に供給される冷媒は、遠心力により回転子シャフト３の冷媒通過孔から放射され、回転子コア２に形成されている冷媒流路を通ってギャップＧに流れる。

このように、回転子コア２の内部に形成された冷媒流路に冷媒を流すことにより、回転子コア２が冷却される。また、この冷媒は、回転子コア２と固定子１１との間のギャップＧにまで流れるので、固定子１１（および、固定子１１のコイルエンド）も冷却することができる。なお、ギャップＧに到達した冷媒は、不図示の循環メカニズムにより、再び回転子シャフト３に供給される。

次に、回転子コア２を構成する電磁鋼板について説明する。回転子コア２は、上述したように、複数の電磁鋼板を積層することによって構成される。そして、回転子コア２は、この実施例では、図２（ａ）〜図２（ｃ）に示す３種類の電磁鋼板２Ａ〜２Ｃを含んで構成される。

各電磁鋼板２Ａ〜２Ｃには、それぞれ、回転子シャフト３を収容するためのシャフト収容孔４および永久磁石を収容するための磁石収容孔５が形成されている。磁石収容孔５は、この実施例では、各電磁鋼板に４つずつ形成されている。４つの磁石収容孔５は、互いに９０度ずつ位相をシフトさせた位置に形成されている。なお、磁石収容孔５の形状は、この実施例では、直線状（すなわち、棒状）である。

電磁鋼板２Ａには、スリット６ａ〜６ｄが形成されている。スリット６ａ〜６ｄは、それぞれ、一方の端部がシャフト収容孔４に達しており、他方の端部は径方向に延びている。また、電磁鋼板２Ｂには、スリット７ａ〜７ｄが形成されている。スリット７ａ〜７ｄは、それぞれ、放射状に延びるように形成されているが、シャフト収容孔４および外周端のいずれにも達していない。さらに、電磁鋼板２Ｃには、スリット８ａ〜８ｄが形成されている。スリット８ａ〜８ｄは、それぞれ、一方の端部が外周端に達しており、他方の端部は中心方向に延びている。

各スリット（６ａ〜６ｄ、７ａ〜７ｄ、８ａ〜８ｄ）は、それぞれ、磁石収容孔５が形成されていない方向に放射状に延びるように形成されている。また、電磁鋼板２Ａ、２Ｂは、それらを重ね合わせたときにスリット６ａ〜６ｄの径方向側の端部およびスリット７ａ〜７ｄの中心側の端部がそれぞれ互いに連通するように形成されている。同様に、電磁鋼板２Ｂ、２Ｃは、それらを重ね合わせたときにスリット７ａ〜７ｄの径方向側の端部およびスリット８ａ〜８ｄの中心側の端部がそれぞれ互いに連通するように形成されている。

上記構造の電磁鋼板を積層することにより回転子コア２が形成される。このとき、各電磁鋼板のシャフト収容孔４に回転子シャフト３が収容され、各磁石収容孔５にそれぞれ対応する永久磁石が収容される。収容される永久磁石は、特に限定されるものではないが、例えば、フェライト系磁石であってもよいし、希土類系磁石であってもよい。なお、回転子コア２は、電磁鋼板２Ａ〜２Ｃの他に、スリットの形成されていない電磁鋼板を含んで構成するようにしてもよい。

図３は、回転子１の断面を示す図である。なお、この断面は、図２に示す電磁鋼板２Ａ〜２Ｃを積層した状態におけるＸ−Ｙ面を示している。
多数の電磁鋼板を積層することにより回転子コア２を構成する際、少なくともその一部の層において、電磁鋼板２Ａ、２Ｂ、２Ｃがその順番で並べられる。このとき、回転子１は、回転子シャフト３が備える冷媒通過孔９が電磁鋼板２Ａのスリット６ａ〜６ｄ（図３では、６ａ、６ｃ）に連通するように構成される。また、電磁鋼板２Ａ、２Ｂを互いに隣接させて積層することにより、電磁鋼板２Ａに形成されているスリット６ａは、電磁鋼板２Ｂに形成されているスリット７ａに連通する。同様に、電磁鋼板２Ｂ、２Ｃを互いに隣接させて積層することにより、電磁鋼板２Ｂに形成されているスリット７ａは、電磁鋼板２Ｃに形成されているスリット８ａに連通する。したがって、回転子シャフト３に冷媒を供給すると、その冷媒は、回転子１を回転させたときの遠心力により、冷媒通過孔９、スリット６ａ、７ａ、８ａを介して回転子コア２の外周領域に達するように流れる。すなわち、回転子コア２の内部にスリット６ａ、７ａ、８ａから構成される冷媒流路が形成されることになる。なお、この冷媒流路は、スリット６ｂ〜６ｄ、７ｂ〜７ｄ、８ｂ〜８ｄによっても同様に形成される。つまり冷媒流路は、回転子１の極数と同じ本数設けられている。

上記構成において、電磁鋼板２Ａの上側に積層される電磁鋼板２Ｄ、および電磁鋼板２Ｃの下側に積層される電磁鋼板２Ｅとしては、特に限定されるものではないが、スリットの形成されていない電磁鋼板を使用するようにしてもよい。また、電磁鋼板２Ａ、２Ｂ、２Ｃは、回転子コア２を形成する際に、それぞれ複数枚ずつ重ね合わせた状態で積層するようにしてもよい。なお、各電磁鋼板の厚さは、特に限定されるものではないが、例えば、0.2〜1.0mm程度である。

図４は、回転子１の構造を示す図である。図４において、回転子コア２は、上述したように、複数の電磁鋼板を積層することによって構成されている。また、冷媒流路２１は、電磁鋼板２Ａ〜２Ｃに形成されているスリット６ａ〜６ｄ、７ａ〜７ｄ、８ａ〜８ｄをそれぞれ連通させることにより設けられる。さらに、永久磁石２２は、各電磁鋼板に形成されている磁石収容孔に収容されている。

上記構成の回転子１において、冷媒流路２１は、回転子シャフト３から放射状に延びて回転子コア２の外周端に至るように形成されている。ここで、ｄｑ座標系を考えると、冷媒流路２１は、回転電機のｑ軸方向に形成されている。

図５は、リラクタンンストルクについて説明する図である。リラクタンンストルクは、回転電機が突極性を有することに起因して発生するトルクであり、その大きさは回転子の位置によるインダクタンスの変化の割合に比例する。

ｄ軸励磁時は、図５（ａ）に示すように、固定子コイルにより発生する磁束（フラックス）は、冷媒流路２１および永久磁石２２を通過する。ここで、冷媒流路２１は、エアギャップに相当する。また、永久磁石の透磁率は、真空中の透磁率とほぼ等しいので、永久磁石２１も磁気的にはエアギャップと等値である。すなわち、ｄ軸励磁時は、磁路の磁気抵抗が大きい。

ｑ軸励磁時は、図５（ｂ）に示すように、冷媒流路２１によるエアギャップがフラックスバリアとして作用するので、固定子コイルにより発生する磁束は、エアギャップのない透磁率の高い領域を通過する。すなわち、ｑ軸励磁時は、磁路の磁気抵抗が小さい。

したがって、実施形態の回転電機においては、回転子１の位置によるインダクタンスの変化の割合が大きくなり、リラクタンンストルクが大きくなる。すなわち、実施形態の回転電機は、冷却構造を実現するための冷媒流路２１を利用してリラクタンストルクを効率的に発生させることができるので、モータ効率が向上する。

＜スリットの長さ＞
回転子コア２を構成する電磁鋼板２Ａ〜２Ｃには、上述したように、スリット６ａ〜６ｄ、７ａ〜７ｄ、８ａ〜８ｄが形成されている。ここで、電磁鋼板にスリットを形成すると、一般に、その強度が低下する。特に、外周側は遠心力が大きくなるので、外周に近い領域には強度を確保する必要がある。このため、実施形態の回転子１においては、図２に示すように、外周端に達するように形成されるスリット８ａ〜８ｃの径方向における長さを、他のスリット６ａ〜６ｄおよび７ａ〜７ｄの長さよりも短くしている。或いは、他の実施形態として、図６に示すように、シャフト収容孔４に達しているスリット６の長さＬ１、シャフト収容孔４および外周端のいずれにも達していないスリット７の長さＬ２、外周端に達しているスリット８の長さＬ３の関係が「Ｌ１＞Ｌ２＞Ｌ３」を満たすようにしてもよい。

これらの形態を導入すれば、各電磁鋼板の強度の低下を最小限に抑えながら、回転電機の冷却構造を実現することができる。
＜永久磁石の形状＞
上述した実施例では、回転子１をその回転軸に垂直な面で切断したときの永久磁石２２の形状は直線状（棒状）であるが、本発明はこれに限定されるものではない。永久磁石２２は、例えば、図７（ａ）示すようなハの字形状（Ｖ字形状）、図７（ｂ）に示すようなコの字形状、図７（ｃ）に示すような円弧形状であってもよい。これらの構成においては、冷媒流路２１と永久磁石２２との間の距離が小さいので、永久磁石２２を効率よく冷却することができる。なお、永久磁石は、一般に、その温度が上昇すると磁気特性が低下するので、永久磁石２２を効率よく冷却することは、回転電機の効率の向上に寄与する。

また、上述の実施例では、埋込み磁石構造について説明したが、本発明は、図７（ｄ）に示す表面磁石構造にも適用可能である。ここで、実施形態の冷却構造においては、冷媒流路２１を介して流れる冷媒は、回転子１と固定子１１との間のギャップに導かれる。このため、表面磁石構造の回転電機の場合、冷媒が永久磁石２２に直接的に接触するので、その冷却効率が高くなる。

＜その他の実施形態＞
（１）冷媒流路は、１層だけ設けるようにしてもよいし、２層以上に設けるようにしてもよい。

（２）回転電機の構成は、４極に限定されるものではなく、他の極数であってもよい。
（３）１層当たりの冷媒流路の本数は、回転電機の回転子の極数に応じて、適宜変更することが可能である。

（４）上述の実施例では、スリット形状の異なる３種類の電磁鋼板を積層することで冷媒流路を形成しているが、スリット形状の異なる２種類の電磁鋼板を積層することで冷媒流路を形成してもよいし、スリット形状の異なる４種類以上の電磁鋼板を積層することで冷媒流路を形成してもよい。

（５）固定子の巻線方法は、集中巻きであってもよいし、分布巻きであってもよい。
（６）上述の実施例や図７に示す各変形例では、回転子の１極あたりｑ軸のフラックスパスが冷媒流路２１と永久磁石２２の間の１層であるが、永久磁石を１極当り複数層設けて、ｑ軸のフラックスパスが複数になるようにしてもよい。

（７）上述の実施例では、電磁鋼板２Ａ、２Ｂ、２Ｃそれぞれ、スリット６ａ〜６ｄ、７ａ〜７ｄ、８ａ〜８ｄが設けられているが、この構成に限らない。同じ電磁鋼板に、径方向に位置の異なるスリットを設けてもよい。例えば、電磁鋼板２Ａにスリット６ａ〜６ｄと、径方向に位置の異なるスリット８ａ〜８ｄを設け、電磁鋼板２Ａと電磁鋼板２Ｂによって冷媒流路２１を形成するようにしてもよい。

（８）上述の実施例では冷媒流路２１は枝分かれしていないが、回転子の径方向外側へ枝分かれするようにスリットを設けてもよい。
（９）冷媒流路２１は、回転子の軸方向から見た場合に直線状に限らず、曲がっていてもよい。また、必ずしもｑ軸上に形成される必要はなく、ｄ軸励磁時に固定子のコイルにより生成される磁束に対してフラックスバリアとして作用するように形成されていればよい。

本発明に係わる回転電機の冷却構造を示す模式図である。 （ａ）〜（ｃ）は、回転子コアを構成する電磁鋼板の構造を示す図である。 回転子の断面を示す図である。 回転子の構造を示す図である。 （ａ）及び（ｂ）は、実施形態の回転電機におけるリラクタンンストルクについて説明する図である。 回転子コアを構成する電磁鋼板の変形例を示す図である。 （ａ）〜（ｄ）は、回転子が備える永久磁石の形状の変形例を示す図である。 特許文献１に記載の回転電機の特徴を説明する図である。

符号の説明

１ 回転子
２ 回転子コア
２Ａ〜２Ｃ 電磁鋼板
３ 回転子シャフト
４ シャフト収容孔
５ 磁石収容孔
６、６ａ〜６ｄ スリット
７、７ａ〜７ｄ スリット
８、８ａ〜８ｄ スリット
９ 冷媒通過孔
１１ 固定子
２１ 冷媒流路
２２ 永久磁石

Claims (7)

1. 電磁鋼板を積層することにより構成される回転子コア、回転子シャフト、前記回転子コアに設けられた永久磁石を備える回転電機の回転子であって、
   互いに隣接する複数の電磁鋼板にそれぞれ形成されているスリットを連通させることにより、前記回転電機のｑ軸方向において前記回転子シャフトから前記回転子コアの外周端に至る冷媒流路が形成され、
   前記回転子シャフトは、その軸方向に冷媒を流すシャフト内流路を備えると共に、そのシャフト内流路を介して流れる冷媒を前記回転子コアに形成される前記冷媒流路に導く冷媒通過孔を備える
   ことを特徴とする回転電機の回転子。
2. 前記電磁鋼板の径方向における前記スリットの長さは、中心側に形成されるスリットよりも外周側に形成されるスリットの方が短い
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機の回転子。
3. 前記電磁鋼板の外周端を切り欠くことにより形成されるスリットの径方向における長さは、前記電磁鋼板の外周端に達していないスリットよりも短い
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機の回転子。
4. 前記冷媒流路は、前記回転子シャフトに達するスリットが形成された電磁鋼板、前記回転子シャフトおよび外周端のいずれにも達していないスリットが形成された電磁鋼板、前記外周端に達するスリットが形成された電磁鋼板を隣接させて積層することにより形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機の回転子。
5. 前記冷媒流路は前記回転子の極数と同じ本数設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機の回転子。
6. 電磁鋼板を積層することにより構成される回転子コア、前記回転子コアを回転可能に支持する回転子シャフト、前記回転子コアに設けられた永久磁石を備える回転電機の回転子であって、
   互いに隣接する複数の電磁鋼板にそれぞれ形成されているスリットを連通させることにより、ｄ軸励磁時に前記回転電機の固定子のコイルにより生成される磁束に対してフラックスバリアとして作用する冷媒流路が形成されている
   ことを特徴とする回転電機の回転子。
7. 固定子および請求項１〜６のいずれか１項に記載の回転子を備える回転電機。
   

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