JP5502421B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石形の回転子を備えた回転電機に関する。

永久磁石形の回転子を備えた回転電機は、固定子とその界磁空間に配置された回転子とから構成され、回転子は、中空状の回転子軸と、外周に永久磁石が配置された回転子鉄心とから構成され、固定子は、固定子鉄心と、該固定子鉄心に巻装された固定子巻線とから構成されている。

油（冷却液体）が循環する冷却回路は、回転子鉄心に形成されて永久磁石の径方向内側を軸方向に貫通する軸方向油路と、該油路に油を供給する供給手段とから構成され、該供給手段から回転子軸内に供給される油は、遠心力で回転子軸内に形成された油路から回転子鉄心に形成された軸方向油路に供給されて回転子鉄心を冷却することにより永久磁石を冷却し、その後、固定子巻線の端部（コイルエンド）に供給されてその端部を冷却することにより固定子巻線全体を冷却するとしている（例えば、特許文献１参照）。

特開平９−１８２３７４号公報

しかしながら、上記構成では、冷却用の油は、回転子鉄心に形成された軸方向油路を流れた後に、コイルエンドに供給される。このため、軸方向油路から噴出された油がコイルエンドに充分に供給されるか否か不明であり、また、供給されたとしても、軸方向油路によって温められた油がコイルエンドに供給されるため、コイルエンド、延いては固定子巻線全体を充分に冷却することができなかった。

本発明は、上記問題を解消するため、回転子鉄心に配設された永久磁石と固定子鉄心に巻装された固定子巻線との両方を効果的に冷却可能な回転電機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の回転電機は、機枠と、この機枠の内周部に固定され、固定子巻線を有する固定子と、この固定子の界磁空間に配設された永久磁石形の回転子とを具備してなり、前記回転子は、電磁鋼板を積層してなる回転子鉄心と、この前記回転子鉄心の軸方向の両端面に配置された端板と、これらの端板及び回転子鉄心の中央部に挿通固定され、両端部が軸受を介して前記機枠に支持された中空状の回転子軸と、この回転子軸に設けられ、該回転子軸内にその反負荷側の端部から供給された冷却液体を回転遠心力により前記回転子鉄心内面に噴射させる回転子鉄心用噴射孔部と、前記回転子軸と前記端板の外面とに設けられ、前記回転子軸内に供給された冷却液体を回転遠心力により前記端板の外周側に案内して前記固定子巻線の端部に向け飛散させる案内路と、を備えて構成され、前記回転子軸は、負荷側の端部が中実状に形成され、前記回転子軸の反負荷側の端部内周には、段部が形成されていて、この段部と前記機枠に設けられた冷却液体投入用の投入口部とで該反負荷側の端部側の軸受に臨む空隙路が形成されていることを特徴とする（請求項１の発明）。

上記手段によれば、回転子軸に形成された回転子鉄心用噴射孔部から回転軸の回転遠心力により回転子鉄心に噴射される冷却液体が永久磁石を冷却し、回転子鉄心の軸方向の両端面に配置された端板の外周側を案内された冷却液体が固定子巻線の端部を冷却するため、永久磁石と固定子巻線との両方を効率良く冷却することができる。

本発明の第１実施例を示す回転電機の縦断側面図 端板の拡大正面図 図１に示す回転電機の右端部上半部の拡大図 本発明の第２実施例を示す図１相当図 本発明の第３実施例を示す端板の縦断側面図

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１実施例について、図１乃至図３を参照しながら説明する。
図１に示すように、本実施例の回転電機は、その外郭を形成する有底円筒状の機枠１と、この機枠１の一部をなすべくその開口部１ａを閉塞する蓋板２と、機枠１の内周部に圧入固定されている固定子３と、固定子３の内周部にあって界磁空間に回転自在に配置された永久磁石形の回転子４とを備える。

回転子４は、電磁鋼板（例えば、珪素鋼板）をプレス機により打抜き形成した円環状の多数枚の鉄心抜板を積層してなる回転子鉄心５を有する。回転子鉄心５の外周部には、複数個の永久磁石（磁極）６（図１中１個のみ図示）が等角度を存して埋設されている。そして、回転子鉄心５の軸方向の両端面には、図２に示す円環状の端板７、８が配置されている。回転子軸９は中空状をなすもので、その一方の端部たる反負荷側の端部(図１中左端部)の外周には、鍔部１０が一体に形成されている。

ここで、回転子軸９に回転子鉄心５、端板７及び８を組み込み固定する手順について述べる。まず、回転子軸９に一方の端板７をその他方の端部（図１中右端部）側から嵌め込んで鍔部１０に当接するまで移動させる。次に、回転子軸９に回転子鉄心５を嵌め込んでその左端面が端板７に当接するまで移動させる。そして、回転子軸９の右端部に他方の端板８を嵌め込んだ後、回転子軸９に締結部材、例えばナット１１を螺合させて締め付け、以て、回転子４の組立を完了する。

なお、図示はしないが、回転子軸９の外周面に等角度を存して２本のキーが軸方向に一体に延設形成されている。端板７、８及び回転子鉄心５の中央部には回転子軸９と略同じ大きさの貫通孔が形成され、この貫通孔の内周面に該キーに対応するキー溝が形成されており、該キーと該キー溝が係合されて、回転子軸９と端板７、８及び回転子鉄心５とが一体に回転する。

回転子軸９は、機枠１の内部に位置する中空部と外部（負荷側）に位置する中実部とから構成されている。該中空部はその一端（図１中左側）が開口されており後述する冷却液体が、該開口から該中空部に注入される。なお、回転子軸９の中実部端部の外周面には、スプライン１８が施されており、回転子軸９と図示しない負荷装置との連結（嵌合）に用いられる。

さて、端板７、８において回転子鉄心５の軸方向の左右両端面と接する面の反対側の面（外面）には、図２に示すように、内周７ａ、８ａから外周７ｂ、８ｂ側に延びる断面矩形凹状の２つの溝７ｃ、８ｃが等角度たる１８０度の角度を存して形成されている。該溝７ｃ、８ｃの外周７ｂ、８ｂ側の開口は周方向に拡がり、断面矩形凹状の扇形開口部７ｄ、８ｄが形成されている。

回転子軸９には、その中空部内を前記各２つの溝７ｃ、８ｃに連通させる各２つの導入孔９ａ、９ｂが形成されている。従って、前記溝７ｃ、８ｃ及び導入孔９ａ、９ｂは、回転子軸９の中空部を端板７、８の外周側に連通させる案内路１２ａ、１２ｂを構成する。また、回転子軸９の外周部には、導入孔９ａと導入孔９ｂとの略中間部に位置して回転子軸９の中空部内と連通する回転子鉄心用噴射孔部９ｃが等角度を存して２個形成されている。

固定子３は、円環状の多数枚の電磁鋼板を積層してなる固定子鉄心１３と、この固定子鉄心１３の図示しないスロット内にスロット絶縁紙１４を介して収納して巻装された固定子巻線１５とを備えている。なお、スロット絶縁紙１４の径方向の開口部には、楔絶縁紙（図示せず）が配置されている。そして、回転子４は、固定子３の界磁空間に配置されて、その回転子軸９の両端が後述する軸受１６ａ、１６ｂに支承されるようになっており、以て、永久磁石形の回転電機が構成される。

機枠１の閉塞端部の中央部には回転子軸９が貫通する貫通孔１ｂが形成されている。この貫通孔１ｂと回転子軸９との隙間には、後述する冷却液体が機枠１外に漏出するのを防止するためのシール材１７が装着されている。貫通孔１ｂより機枠１の軸方向内側には軸受１６ａが装着されている。軸受１６ａと貫通孔１ｂとの間に位置する回転子軸９の外周部には、回転子軸９の中空部内と連通する軸受用噴射孔部９ｄが等角度を存して２個形成されている。

機枠１の開口部１ａには、この開口部１ａを閉塞する蓋板２が、複数本のボルト２４（図１中２本のみ示す）により固定されている。蓋板２の中央部には、後述する冷却液体の投入用の投入口部１９が形成されている。投入口部１９は、蓋板２の裏側（機枠１側）にあって、その開口外周部に軸方向に突設した円環状の突設部２０が一体に形成されている。蓋板２の裏側には、該突設部２０より軸方向内側には軸受１６ｂが装着され、軸受１６ｂは、軸受１６ａとともに回転子軸９の中空部の両端部を回転自在に支持している。

回転子軸９の中空部開口端部内周には、内径が他部より径大となる段部２１が形成され、該段部２１の内周部に投入口部１９の突設部２０が配置され、該段部２１と該突設部２０との間の間隙は、回転子軸９の中空部内部と連通し軸受１６ｂに臨む空隙路２２を形成する。蓋板２の下部には、機枠１の下部に溜まった冷却液体を外部に排出するための排出口部２３が形成されている。

次に、本実施例の作用につき説明する。
本実施例の永久磁石形の回転電機は、例えば、電気自動車（ハイブリッドカーを含む）の駆動電動機として用いられるもので、高速回転で運転されるようになっており、運転中は、機枠１内に貯留された冷却液体たる冷却油は、図示しないポンプにより排出口部２３から汲み上げられ、図示しない例えばラジエータで冷却された後、投入口部１９より回転子軸９の中空部内に供給される循環経路を流通するようになっている。

固定子３の固定子巻線１５に通電されて回転子４が回転すると、回転子軸９の中空部内に供給された冷却油が、回転遠心力により回転子鉄心用噴射孔部９ｃから回転子鉄心５の内面に噴射される。噴射された該冷却油は、回転遠心力により電磁鋼板が積層してなる回転子鉄心５の内部に生じる隙間に浸透し、回転子鉄心５の外周部に埋設されている永久磁石６を直接冷却し、また、回転子鉄心５を冷却することにより間接的に永久磁石６を冷却する。

一方、固定子３の固定子巻線１５に通電されて回転子４が回転すると、回転子軸９の中空部内に供給された冷却油は、回転遠心力により案内路１２ａ及び１２ｂに案内される。具体的には、冷却油は、導入孔９ａ及び９ｂから端板７及び８の溝７ｃ及び８ｃ内に導入され、更に、溝７ｃ及び８ｃに案内され扇形開口部７ｄ及び８ｄより固定子巻線１５の端部（コイルエンド）１５ａに向けて噴射飛散される。即ち、該冷却油は、扇形開口部７ｄ及び８ｄにより回転子４の回転周方向に拡がりながらコイルエンド１５ａへ向かって飛散される。このため、冷却油は、運転中は常に広範囲に飛散されるためコイルエンド１５ａを均一に冷却することが可能である。

図３に示すように、固定子鉄心１３の図示しないスロットに挿入されたスロット絶縁紙１４は、固定子鉄心１３の軸方向右側端面より軸方向外方に寸法Ａだけ突出している。回転子鉄心５の軸方向右側端面は、固定子鉄心１３の軸方向右側端面より軸方向外方に寸法Ｂ（本実施例では２〜３ミリ）だけ突出している。回転子鉄心５の軸方向右側端面から端板８の溝８ｃの底部までの距離は寸法Ｃである。寸法Ｂと寸法Ｃとの和は、寸法Ａより大きくなるように設定されている（（Ｂ＋Ｃ）>Ａ）。

従って、スロット絶縁紙１４の軸方向右側端部から端板８の溝８ｃの底部までの軸方向距離は寸法（Ｂ−Ａ＋Ｃ）となり正の値となる（（Ｂ−Ａ＋Ｃ）>０）。このため、端板８の溝８ｃの底部は、軸方向のコイルエンド１５ａの存する範囲内に位置することとなり、案内路１２ｂから噴射飛散された冷却油が、端板８の溝８ｃの底部から該寸法（Ｂ−Ａ＋Ｃ）を越えて軸方向内側に飛散されてスロット絶縁紙１４に衝突するようなことはない。従って、衝突により絶縁紙１４を摩耗、損傷させるというようなことはなく、スロット絶縁紙１４の摩耗、損傷による固定子巻線１５の絶縁を低下させることはない。

なお、回転電機の左端部についても、図示はしないが、上述した回転電機の右端部と同様の寸法構成となっている。即ち、スロット絶縁紙１４は、固定子鉄心１３の軸方向左側端面より寸法Ａだけ突出している。回転子鉄心５の軸方向左側端面は、固定子鉄心１３の軸方向左側端面より寸法Ｂ（本実施例では約２〜３ミリ）だけ突出している。固定子鉄心１３の軸方向左側端面から端板７の溝７ｃの底部までの距離は寸法Ｃである。寸法Ｂと寸法Ｃとの和は、寸法Ａより大きくなるように設定されている（（Ｂ＋Ｃ）>Ａ）。

従って、スロット絶縁紙１４の軸方向左側端部から端板７の溝７ｃの底部までの距離は寸法（Ｂ−Ａ＋Ｃ）となり正の値となる（（Ｂ−Ａ＋Ｃ）>０）。このため、端板７の溝７ｃの底部は、軸方向のコイルエンド１５ａの存する範囲内に位置することとなり、案内路１２ａから噴射飛散された冷却油が、端板７の溝７ｃの底部から該寸法（Ｂ−Ａ＋Ｃ）を越えて軸方向内側に飛散されスロット絶縁紙１４に衝突してこれらを摩耗、損傷させるというようなことはなく、スロット絶縁紙１４の摩耗、損傷による固定子巻線１５の絶縁を低下させることはない。

また、固定子３の固定子巻線１５に通電されて回転子４が回転すると、回転子軸９の中空部内に供給された冷却油が、回転遠心力により軸受用噴射孔部９ｄから軸受１６ａに噴射飛散される。このことにより、軸受１６ａに充分な潤滑油を与えることができ、軸受１６ａの摩耗、焼き付き等の損傷を防止することができる。

尚、固定側の蓋板２の投入口部１９を回転側の回転子軸９とは非連結状態にあるので、投入口部１９から回転子軸９の中空部内に供給された冷却油は、両者の間の隙間から外方に流出して回転子軸９の中空部内に充分に供給されなくなる虞がある。しかしながら、本実施例では、投入口部１９の突設部２０と回転子軸９の段部２１とで形成される空隙路２２が、回転子軸９の回転にともなって空気流を生じてラビリンスシールを形成するようになり、従って、冷却油が不用意に外部に流出することはない。

但し、回転子軸９の中空部内に冷却油が充満した場合には、前述したラビリンスシール効果はなくなり、冷却油は空隙路２２を経て軸受１６ｂに至り、これを冷却して外方に流出する。

このような本実施例によれば、固定子３の固定子巻線１５に通電されて回転子４が回転すると、回転子軸９の中空部内に供給された冷却油は、回転遠心力により回転子軸９の導入孔９ａ及び９ｂから案内路１２ａ及び１２ｂに案内されコイルエンド１５ａへ向かって飛散され、コイルエンド１５ａ延いては固定子巻線１５全体を冷却することができる。この場合、回転子鉄心用噴射孔部９ｃからも冷却油が噴射され、該冷却油は、回転子鉄心５内に生じた隙間に浸透して永久磁石６をも冷却する。従って、従来とは異なり、永久磁石６と固定子巻線１５との両方を効率良く冷却することができる。

上記実施例に対し、図４及び図５は、本発明の第２及び第３実施例を示すもので、上記第１実施例と実質的に同一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる点につき説明する。

（第２の実施形態）
以下、本発明の第２実施例について図４を参照しながら説明する。
本実施例は、機枠１に代わる機枠３１は、下部に矩形容器状の油溜まり３３を下方に延設形成した点において、上記第１実施例の構成と異なる。

図４に示すように、本実施例の回転電機は、その外郭を形成する有底円筒状の機枠３１と、この機枠３１の開口部３１ａを閉塞する蓋板３２と、機枠３１の内周部に圧入固定されている固定子３と、固定子３の内周部にあって界磁空間に回転自在に配設された永久磁石形の回転子４とを備える。

油溜まり３３は、機枠３１の下部であって固定子３の下側に配設されている。蓋板３２は、その中央部に回転子軸９の中空部に連通する投入口部３４が形成され、その下部には油溜まり３３に溜まった冷却油を外部に排出するための排出口部３５が形成されている。

油溜まり３３に貯留された所定量の冷却油は、図示しないポンプにより排出口部３５から汲み上げられ、例えばラジエータで冷却された後、投入口部３４より機枠１内に注入される。該冷却油は、その後、回転子軸９の中空部内に供給され、回転遠心力により回転子軸９から噴射された冷却油は再び油溜まり３３に貯留される。

このような本実施例によれば、上記した第１実施例と同様の効果を得ることができ、更に以下の効果を得ることができる。
機枠３１の下部には、油溜まり３３が形成されているので、回転子軸９から機枠３１内に噴射された冷却油は、最終的には油溜まり３３に流下貯留されるようになり、従って、循環経路に円滑に吸入されて流通するようになる。

（第３の実施形態）
以下、本発明の第３実施例について図５を参照しながら説明する。
本実施例は、回転子鉄心５の軸方向の両端面に、図５に示す円環状の端板４１、４２が配置されている。端板４１、４２は、第１実施例の端板７、８に相当するものであり、外径、内径、及び厚さは端板７、８と略同一である。

端板４１、４２の回転子鉄心５の軸方向の左右両端面と接する面の反対側の面部（外面）には、図５に示すように、内周４１ａ、４２ａから外周４１ｂ、４２ｂ側に延びる断面矩形凹状の２つの溝４１ｃ、４２ｃが等角度を存して形成されている。該溝４１ｃ、４２ｃの外周４１ｂ、４２ｂ側の開口は、第１実施例の端板７、８と同様に、周方向に拡がり断面矩形凹状の扇形開口部が形成されている（図示せず）。

溝４１ｃ、４２ｃの底部の肉厚は、内周４１ａ、４２ａ側では寸法Ｃとなり、第１実施例の端板７、８と同様であるが、外周４１ｂ、４２ｂ側へ向かうにつれ肉厚は厚くなるように形成されている。即ち、溝４１ｃ、４２ｃは軸方向外方に指向する傾斜状に形成されている。

このような本実施例によれば、上記した第１実施例と同様の効果を得ることができ、更に以下の効果を得ることができる。
端板４１、４２の扇形開口部から噴射飛散された冷却油は、回転周方向に拡がり、更に、軸方向外方へも拡がりながらコイルエンド１５ａへ向かって飛散される。このため、冷却油はコイルエンド１５ａの広範囲に亘って散布されるため、より効率良く固定子巻線１５を冷却することができる。

尚、本発明は上記した各実施形態に限定されるものではなく、本願発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更して実施できる。
例えば、第３実施例を第２実施例に適用してもよい。
上記した第１、及び第２実施例の端板７、８、及び端板４１、４２は、夫々等角度を存して２本の溝７ｃ、８ｃ、及び溝４１ｃ、４２ｃが形成されているが、これに限ることはなく、端板の外面に等角度を存して３本以上の溝が形成されてもよい。
上記実施例として示した電気自動車の回転電機としては、発電機兼用の駆動電動機として用いてもよく、更には電気自動車用に限らず、本発明は回転電機全般に適用可能である。

図面中、１、３１は機枠、３は固定子、４は回転子、５は回転子鉄心、６は永久磁石、７、８、４１、４２は端板、９は回転子軸、９ａ、９ｂは導入孔、９ｃは回転子鉄心用噴射孔部、９ｄは軸受用噴射孔部、１２ａ、１２ｂは案内路、１３は固定子鉄心、１５は固定子巻線、１５ａは端部、１６ａ、１６ｂは軸受、１９、３４は投入口部、２１は段部、及び２２は空隙路を示す。

Claims (2)

1. 機枠と、この機枠の内周部に固定され、固定子巻線を有する固定子と、この固定子の界磁空間に配設された永久磁石形の回転子とを具備してなり、
   前記回転子は、
   電磁鋼板を積層してなる回転子鉄心と、
   この前記回転子鉄心の軸方向の両端面に配置された端板と、
   これらの端板及び回転子鉄心の中央部に挿通固定され、両端部が軸受を介して前記機枠に支持された中空状の回転子軸と、
   この回転子軸に設けられ、該回転子軸内にその反負荷側の端部から供給された冷却液体を回転遠心力により前記回転子鉄心内面に噴射させる回転子鉄心用噴射孔部と、
   前記回転子軸と前記端板の外面とに設けられ、前記回転子軸内に供給された冷却液体を回転遠心力により前記端板の外周側に案内して前記固定子巻線の端部に向け飛散させる案内路と、
   を備えて構成され、
   前記回転子軸は、負荷側の端部が中実状に形成され、
   前記回転子軸の反負荷側の端部内周には、段部が形成されていて、この段部と前記機枠に設けられた冷却液体投入用の投入口部とで該反負荷側の端部側の軸受に臨む空隙路が形成されていることを特徴とする回転電機。
2. 回転子軸には、該回転子軸内に供給された冷却液体を回転遠心力により軸受に噴射させる軸受用噴射孔部が形成されていることを特徴とする請求項１記載の回転電機。

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