JP5370008B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

この発明は、回転電機に関し、より特定的には、ロータコアとエンドプレートとの間に冷媒を供給する構造の回転電機に関するものである。

従来、回転電機は、たとえば特開２００２−５８２０７号公報（特許文献１）に開示されている。

特開２００２−５８２０７号公報

特許文献１では、ロータの側面に螺旋状の溝を設け、この溝に冷媒を流す構造が開示されている。

従来の技術では、ロータコア内に埋め込まれた磁石を十分に冷却することができないという問題があった。

そこで、この発明は上述のような問題点を解決するためになされたものであり、ロータコアを十分に冷却することが可能な構造の回転電機を提供することを目的とする。

この発明に従った回転電機は、冷媒通路を内部に有するロータシャフトと、ロータシャフトを中心に回転するロータコアと、ロータコアの周面に対向したステータと、ロータコアの端面と対向して設置されるエンドプレートとを備え、回転において生じる遠心力によって冷媒をロータシャフトからロータコアの端面とエンドプレートとの間の空間へ供給する回転電機であって、ロータコアの端面に凹凸を形成し、その凹凸とエンドプレートとにより冷媒流路が形成されている。回転電機では、ロータコア端面に設けられた凹凸構造のうち少なくとも凸部はロータコアに磁石を接合するための部材により形成される。

このように構成された回転電機では、簡単な構成で冷媒流路を形成することができる。

好ましくは、凹凸構造を形成する磁石接合部材の一部と、ロータコアの端面の一部とが嵌り合う構造である。

好ましくは、凹凸構造の凹部は少なくとも永久磁石が配置された部位に設けられており、永久磁石とロータシャフトの冷媒供給口との間を冷媒が流通可能となるように繋がっている。

好ましくは、ロータコアの端面の磁石配置部より外周に設けた突起とエンドプレートの端部が径方向において屈曲または湾曲した面で接触している。

この発明の実施の形態１に従ったロータが用いられる車両の駆動部分の電気回路を示す図である。 この発明の実施の形態１に従った回転電機におけるロータの構造を説明するための正面図である。 図２中のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿って見た、実施の形態１に従った回転電機のロータを示す断面図である。 図３中の矢印ＩＶで示す方向から見た、この発明に従った回転電機のロータで用いられるエンドプレートの正面図である。 この発明の実施の形態２に従った回転電機のロータの構造を示す正面図である。 図５中のＶＩ−ＶＩ線に沿って見た、この発明の実施の形態２に従ったロータの断面図である。 図６中のＶＩＩで囲んだ部分におけるアンカー部の構造を拡大して示す図である。

（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１に従ったロータが用いられる車両の駆動部分の電気回路を示す図である。図１では、この発明に従った車輌に搭載される回転電機を駆動させるための電気回路をしている。図１を参照して、ＰＣＵ（パワーコントロールユニット）２７００は、コンバータ２７１０と、インバータ２７２０と、制御装置２７３０と、コンデンサＣ１，Ｃ２と、電源ラインＰＬ１〜ＰＬ３と、出力ライン２７４０Ｕ，２７４０Ｖ，２７４０Ｗとを含む。コンバータ２７１０は、バッテリ３０００とインバータ２７２０の間に接続され、インバータ２７２０は、出力ライン２７４０Ｕ，２７４０Ｖ，２７４０Ｗを介して回転電機２２００と接続される。

コンバータ２７１０に接続されるバッテリ３０００は、たとえばニッケル水素やリチウムイオン等の二次電池である。バッテリ３０００は、発生した直流電圧をコンバータ２７１０に供給し、また、コンバータ２７１０から受ける直流電圧によって充電される。

コンバータ２７１０は、パワートランジスタＱ１，Ｑ２とダイオードＤ１，Ｄ２と、リアクトルＬとからなる。パワートランジスタＱ１，Ｑ２は、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間
に直列に接続され、制御装置２７３０からの制御信号をベースに受取る。ダイオードＤ１，Ｄ２は、それぞれパワートランジスタＱ１，Ｑ２のエミッタ側からコレクタ側へ電流を流すようにパワートランジスタＱ１，Ｑ２のコレクタ−エミッタ間にそれぞれ接続される。リアクトルＬは、バッテリ３０００の正極と接続される電源ラインＰＬ１に一端が接続され、パワートランジスタＱ１，Ｑ２の接続点に他端が接続される。

このコンバータ２７１０は、リアクトルＬを用いてバッテリ３０００から受ける直流電圧を昇圧し、その昇圧した昇圧電圧を電源ラインＰＬ２に供給する。また、コンバータ２７１０は、インバータ２７２０から受ける直流電圧を降圧してバッテリ３０００を充電する。

インバータ２７２０は、Ｕ相アーム２７５０Ｕ、Ｖ相アーム２７５０ＶおよびＷ相アーム２７５０Ｗからなる。各相アームは、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間に並列に接続される。Ｕ相アーム２７５０Ｕは、直列に接続されたパワートランジスタＱ３，Ｑ４を含み、Ｖ相アーム２７５０Ｖは、直列に接続されたパワートランジスタＱ５，Ｑ６を含み、Ｗ相アーム２７５０Ｗは、直列に接続されたパワートランジスタＱ７，Ｑ８を含む。ダイオードＤ３〜Ｄ８は、それぞれパワートランジスタＱ３〜Ｑ８のエミッタ側からコレクタ側へ電流を流すようにパワートランジスタＱ３〜Ｑ８のコレクタ−エミッタ間にそれぞれ接続される。そして、各相アームにおける各パワートランジスタの接続点は、出力ライン２７４０Ｕ，２７４０Ｖ，２７４０Ｗを介してモータジェネレータとしての回転電機２２００の各相コイルの反中性点側にそれぞれ接続されている。

インバータ２７２０は、制御装置２７３０からの制御信号に基づいて、電源ラインＰＬ２から受ける直流電圧を交流電圧に変換して回転電機２２００へ出力する。また、インバータ２７２０は、回転電機２２００によって発電された交流電圧を直流電圧に整流して電源ラインＰＬ２に供給する。

コンデンサＣ１は、電源ラインＰＬ１，ＰＬ３間に接続され、電源ラインＰＬ１の電圧レベルを平滑化する。また、コンデンサＣ２は、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間に接続され、電源ラインＰＬ２の電圧レベルを平滑化する。

制御装置２７３０は、モータトルク指令値、回転電機２２００の各相電流値、およびインバータ２７２０の入力電圧に基づいて回転電機２２００の各相コイル電圧を演算し、その演算結果に基づいてパワートランジスタＱ３〜Ｑ８をオン／オフするＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を生成してインバータ２７２０へ出力する。

また、制御装置２７３０は、上述したモータトルク指令値およびモータ回転数に基づいてインバータ２７２０の入力電圧を最適化するためのパワートランジスタＱ１，Ｑ２のデューティ比を演算し、その演算結果に基づいてパワートランジスタＱ１，Ｑ２をオン／オフするＰＷＭ信号を生成してコンバータ２７１０へ出力する。

さらに、制御装置２７３０は、回転電機２２００によって発電された交流電力を直流電力に変換してバッテリ３０００を充電するため、コンバータ２７１０およびインバータ２７２０におけるパワートランジスタＱ１〜Ｑ８のスイッチング動作を制御する。

ＰＣＵ２７００においては、コンバータ２７１０は、制御装置２７３０からの制御信号に基づいて、バッテリ３０００から受ける直流電圧を昇圧して電源ラインＰＬ２に供給する。そして、インバータ２７２０は、コンデンサＣ２によって平滑化された直流電圧を電源ラインＰＬ２から受け、その受けた直流電圧を交流電圧に変換して回転電機２２００へ出力する。

また、インバータ２７２０は、回転電機２２００の回生動作によって発電された交流電圧を直流電圧に変換して電源ラインＰＬ２へ出力する。そして、コンバータ２７１０は、コンデンサＣ２によって平滑化された直流電圧を電源ラインＰＬ２から受け、その受けた直流電圧を降圧してバッテリ３０００を充電する。

図２は、この発明の実施の形態１に従った回転電機におけるロータの構造を説明するための正面図である。図３は、図２中のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿って見た、実施の形態１に従った回転電機のロータを示す断面図である。

図２および図３を参照して、回転電機２２００を構成するロータ２２５０は、電磁鋼板により構成されるロータコア２２３０と、ロータコア２２３０に設けられた貫通穴２２３５と、貫通穴２２３５に埋込まれる永久磁石２２４０と、永久磁石２２４０を貫通穴２２３５に固定するための樹脂２２３８とを有する。ロータコア２２３０はロータシャフト２２１０に嵌合しており、ロータシャフト２２１０とともに回転する。

ロータコア２２３０には、軸方向に貫通するような貫通穴２２３５が設けられており、貫通穴２２３５には、円周方向に対して傾斜するような形状の永久磁石２２４０が嵌め合わせられている。永久磁石２２４０の数は特に限定されるものでなく、図２より多い、または少ない永久磁石２２４０を用いてもよい。

貫通穴２２３５の幅は永久磁石２２４０の周方向の幅よりも大きい。そのため、永久磁石２２４０が貫通穴２２３５内で周方向に移動することを防止するためにモールド用の樹脂２２３８により、貫通穴２２３５内で永久磁石２２４０が位置決めされている。

ロータコア２２３０の外周部には、傾斜面２２３１と平坦面２２３２とにより構成されるロータコア側シール構造２２３３が位置している。ロータコア側シール構造２２３３は、樹脂２２３８と同じ材料で構成されている。すなわち、永久磁石２２４０を固定するための樹脂２２３８を貫通穴２２３５へ流し込むのと同様に、ロータコア２２３０の端部にロータコア側シール構造２２３３を形成する。

回転電機２２００は、冷媒流路を内部に備えるロータシャフト２２１０と、ロータシャフト２２１０を中心に回転するロータ２２５０と、ロータ２２５０の周面に対向するステータ２２７０と、ロータ２２５０の端面と対向して設置されるエンドプレート２２２０とを備える。回転によって生じる遠心力により冷媒がロータシャフト２２１０から、ロータコア２２３０とエンドプレート２２２０との間の空間へ供給される。ロータコア２２３０端面に凹凸構造としてのロータコア側凸部２２６０を形成し、このロータコア側凸部２２６０とエンドプレート２２２０とにより冷媒流路２２６２が形成されている。

ロータコア側凸部２２６０は、永久磁石２２４０をモールドする樹脂２２３８により構成されている。冷媒流路２２６２は、永久磁石２２４０の端面に位置している。ロータコア２２３０の端面に位置するロータコア側シール構造２２３３と、エンドプレート２２２０の端面に位置するエンドプレート側シール構造２２２３とは、径方向において屈曲または湾曲した面で接触する構造とされている。

冷媒流路２２６２はロータコア側凸部２２６０に沿って鉤型に設けられている。具体的には、ロータシャフト２２１０から外周方向へ延びるように形成され、その後は円周方向に延びるように構成されている。円周方向に延びる冷媒流路２２６２内を冷媒（オイル）が流れることにより、冷媒が永久磁石２２４０と接触し、永久磁石２２４０の熱を放散させることができる。

冷媒流路２２６２を流れる冷媒を撹拌するためのフィン２２６１がロータコア側凸部２２６０に設けられている。なお、フィン２２６１は必ずしも設ける必要はない。

図３を参照して、ロータ２２５０の中心部には、所定の方向に延びるロータシャフト２２１０が設けられている。ロータシャフト２２１０の中心部には穴２２１１が設けられており、ロータシャフト２２１０は中空構造である。中空構造のロータシャフト２２１０の穴２２１１にはオイルが供給される。このオイルがオイル通路２２１２を通って外周側へ供給される。このオイル通路２２１２を通って外周へ供給されるオイルは遠心力により外周側へ加速される。

ロータコア２２３０は、板状の電磁鋼板を複数枚軸方向に積層することで構成されている。各々の電磁鋼板に穴が設けられ、この穴が複数連なって貫通穴２２３５を構成している。貫通穴２２３５内には永久磁石２２４０が挿入されており、図３では示さない樹脂により貫通穴２２３５内に永久磁石２２４０が固定されている。

ロータシャフト２２１０の外周面に設けられたロータコア２２３０のスラスト端面（アキシャル端面）にはロータコア側シール構造２２３３が設けられている。ロータコア側シール構造２２３３は、永久磁石２２４０よりも外周側に位置している。平坦面２２３２と傾斜面２２３１により構成されるロータコア側シール構造２２３３において、この実施の形態では、１つの山がロータコア側シール構造２２３３を構成している。ロータコア側シール構造２２３３の断面は図３では矩形状に形成されているが、ロータコア側シール構造２２３３を構成する凹凸はなだらかな曲線状であってもよい。またロータコア側シール構造２２３３の平坦面２２３２および傾斜面２２３１を構成するそれぞれの凹凸は、必ずしも樹脂で形成される必要はない。すなわち、仮に樹脂で構成する場合であっても、図２で示す、永久磁石２２４０を貫通穴２２３５に固定するための樹脂２２３８と同一の樹脂を用いる必要はなく、違う材料の樹脂を用いてもよい。また、樹脂ではなく、ゴムなどでロータコア側シール構造２２３３を構成してもよい。

さらに、金属でロータコア側シール構造２２３３を構成してもよい。具体的には、ロータコア２２３０を構成する電磁鋼板のうち、最も端部に位置する電磁鋼板の一部を加工することによってロータコア側シール構造２２３３を構成してもよい。

ロータコア２２３０を構成する複数の電磁鋼板を付勢するためにエンドプレート２２２０が設けられる。エンドプレート２２２０はロータシャフト２２１０に嵌め合わされてロータシャフト２２１０にかしめられる。そのとき、エンドプレート２２２０は、オイル通路２２１２の出口を防がないように、ロータコア２２３０と一定の間隔をあけて位置決めされる。エンドプレート２２２０の外周側の端部には、エンドプレート側シール構造２２２３が設けられている。エンドプレート側シール構造２２２３は、平坦面２２２２と傾斜面２２２１とにより構成される屈曲構造であり、ロータコア側シール構造２２３３に嵌合する。なお、エンドプレート側シール構造２２２３は、図３で示すような矩形である必要はなく、なだらかな曲線によりエンドプレート側シール構造２２２３が構成されていてもよい。また、エンドプレート側シール構造２２２３を構成する凹凸の数は、凹部または凸部が少なくとも１つあればよい。

ロータコア側シール構造２２３３にエンドプレート側シール構造２２２３が嵌まり合う。

ロータコア側シール構造２２３３とエンドプレート側シール構造２２２３との間の界面は屈曲した構造であるため、接触面積が広くなっている。その結果、この界面から外周部へ向かって冷媒としてのオイル２２１３が漏れることを防止できる。

図４は、図３中の矢印ＩＶで示す方向から見た、この発明に従った回転電機のロータで用いられるエンドプレートの正面図である。図４を参照して、エンドプレート２２２０の外周端部には、円弧形状になるようにエンドプレート側シール構造２２２３が配置されている。なお、この実施の形態では、エンドプレート側シール構造２２２３を円弧形状にしているが、必ずしもこの形状に構成される必要はなく、多角形状のエンドプレート側シール構造２２２３を採用してもよい。

すなわち、実施の形態１に従った回転電機２２００は、冷媒通路としてのオイル通路２２１２を内部に有するロータシャフト２２１０と、ロータシャフト２２１０を中心に回転するロータ２２５０と、ロータ２２５０の周面に対向したステータ２２７０と、ロータ２２５０の端面と隙間を設けて設置されるエンドプレート２２２０とを備える。回転において生じる遠心力によって冷媒をロータシャフト２２１０からロータコア２２３０の端面とエンドプレート２２２０との間の空間へ供給する。ロータコア２２３０の端面に凹凸としてのロータコア側凸部２２６０を形成し、その凹凸とエンドプレート２２２０とにより冷媒流路２２６２が形成されている。

このように構成された回転電機２２００では、簡単な構成で冷媒流路２２６２を形成することができる。

（実施の形態２）
図５は、この発明の実施の形態２に従った回転電機のロータの構造を示す正面図である。図６は、図５中のＶＩ−ＶＩ線に沿って見た、この発明の実施の形態２に従ったロータの断面図である。図７は、図６中のＶＩＩで囲んだ部分におけるアンカー部の構造を拡大して示す図である。なお、図６中の矢印ＩＶで示す方向から見たエンドプレートの図は、図４で示される。

図５から図７を参照して、この発明の実施の形態２に従った回転電機で用いられるロータ２２５０では、ロータコア側凸部２２６０にアンカー部２２６５が設けられており、アンカー部２２６５がロータコア２２３０側へ入り込んでいる点で、実施の形態１に従った回転電機の構造と異なる。アンカー部２２６５は、１つのロータコア側凸部２２６０に１つ以上設けられる。なお、ロータコア側凸部２２６０のいずれの部分にアンカー部２２６５を設けてもよい。すなわち、ロータコア２２３０内にロータコア側凸部２２６０の一部が嵌り合う構造とされている。

上述の実施の形態では、ロータシャフト２２１０から供給された冷媒をロータコア側凸部２２６０に沿って冷媒流路２２６２に流すことにより、エンドプレート２２２０側の形状を単純形状とすることができ、低コスト化を図ることができる。また、冷媒の噴出経路をロータコア側凸部２２６０で複雑化することができる。さらに、ロータコア側凸部２２６０を設けることで、最も熱が発生する箇所を冷却することができる。さらに、ロータコア２２３０とエンドプレート２２２０との平面度の差を吸収することができる。また、直接射出および圧縮成形をすることができる。

さらに、極対数に応じて、ロータコア側凸部２２６０の構造を簡易に変更することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

２２００ 回転電機、２２１０ ロータシャフト、２２１１ 穴、２２１２ オイル通路、２２１３ オイル、２２２０ エンドプレート、２２２１ 傾斜面、２２２２ 平坦面、２２２３ エンドプレート側シール構造、２２３０ ロータコア、２２３３ ロータコア側シール構造、２２３５ 貫通穴、２２３８ 樹脂、２２４０ 永久磁石、２２５０ ロータ、２２６０ ロータコア側凸部、２２６１ フィン、２２６２ 冷媒流路、２２６５ アンカー部、２２７０ ステータ、２７１０ コンバータ、２７２０ インバータ、２７３０ 制御装置、２７４０Ｕ，２７４０Ｖ，２７４０Ｗ 出力ライン、３０００ バッテリ。

Claims (4)

1. 冷媒通路を内部に有するロータシャフトと、前記ロータシャフトを中心に回転するロータコアと、前記ロータコアの周面に対向したステータと、前記ロータコアの端面と対向して設置されるエンドプレートとを備え、
   回転において生じる遠心力によって冷媒を前記ロータシャフトから前記ロータコアの端面とエンドプレートとの間の空間へ供給する回転電機であって、
   前記ロータコアの端面に凹凸を形成し、その凹凸と前記エンドプレートとにより冷媒流路が形成されており、
   前記ロータコア端面に設けられた凹凸構造のうち少なくとも凸部は前記ロータコアに磁石を接合するための部材により形成される、回転電機。
2. 前記凹凸構造を形成する磁石接合部材の一部と、前記ロータコアの端面の一部とが嵌り合う構造である、請求項１に記載の回転電機。
3. 前記凹凸構造の凹部は少なくとも永久磁石が配置された部位に設けられており、前記永久磁石と前記ロータシャフトの冷媒供給口との間を冷媒が流通可能となるように繋がっている、請求項１または２に記載の回転電機。
4. 前記ロータコアの端面の磁石配置部より外周に設けた突起と前記エンドプレートの端部が径方向において屈曲または湾曲した面で接触している、請求項１から３のいずれか１項に記載の回転電機。

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