JP5598704B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、軸心回りで回転自在に支持され磁石を備えたロータ本体と、ロータ本体の径方向外側に配置されたステータと、同磁石の温度を判定する温度判定機構とを備えた回転電機に関する。

この種の回転電機に関連する先行技術文献情報として下記に示す特許文献１がある。この特許文献１に記された回転電機では、ロータの内部に配置された磁石に沿って磁石冷却用オイル流通路が設けられており、回転電機の駆動時にはポンプによって同磁石冷却用オイル流通路に冷却オイルが供給される。遠心力によって磁石冷却用オイル流通路から放出される冷却後の冷却オイルの温度を測定する温度センサが温度判定機構として設けられており、この温度センサによって得られた推定磁石温度が限界温度を超えると冷却オイルの供給量を増やす構成とされている。

特開２００８−１７８２４３号公報（００３５段落、図１）

しかし、特許文献１に記された回転電機では、磁石の温度の上昇が直ぐに精度良く冷却オイルの温度変化に反映され難いため、実際の磁石の温度変化の検出に時間的な遅れが生じ易い、温度変化の検出精度が十分に高くないなどの問題があった。また、冷却オイルを用いない形態の回転電機には適用できないという問題もあった。

そこで、本発明の目的は、上に例示した従来技術による回転電機が与える課題に鑑み、磁石の温度変化を迅速に、精度良く検出することが可能な回転電機を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、上に例示した従来技術による回転電機が与える課題に鑑み、冷却オイルを用いない形態の回転電機においても磁石の温度を判定することが可能な回転電機を提供することにある。

本発明による回転電機の第１の特徴構成は、
軸心回りで回転自在に支持され、磁石を備えたロータ本体と、
前記ロータ本体の径方向外側に配置されたステータと、
前記ロータ本体の端面に設けられ、前記ロータ本体の温度変化に基づいて変位する温度感応部と、
前記温度感応部の変位量を判定する判定手段と、を備え、
前記判定手段が前記温度感応部までの前記軸心方向に関する間隔を測定するギャップセンサによって構成され、
前記ギャップセンサによる測定結果に対する前記ロータ本体のガタツキによる外乱を除去する補正機構が設けられている点にある。

本発明の第１の特徴構成による回転電機では、磁石を冷却したオイルの温度から磁石温度を推定する構成ではなく、ロータ本体に設けられた温度感応部の変位量に基づいて磁石の温度変化を判定できるので、磁石の温度を迅速に、精度良く検出することが可能となる。また、同じ理由から冷却オイルを用いない形態の回転電機においても磁石の温度を検出することが可能となる。

また、本構成であれば、温度感応部をロータ本体の外周面に設置した構成に比して回転電機を径方向においてコンパクト化し易いため有利である。

さらに、本構成であれば、ロータ本体に幾らかのガタツキが存在する場合にも、その影響を補正機構によって除去できるため、磁石の温度変化を精度良く検出することが可能となる。

本発明の他の特徴構成は、前記補正機構が前記ロータ本体を挟んで前記判定手段と対向する位置に配置された第２のギャップセンサを含む点にある。

本構成であれば、前記ロータ本体の軸心方向に関する変位によるガタツキを第２のギャップセンサによって検出し、その検出結果を温度感応部材と対に設けられた第１のギャップセンサによる間隔測定結果に反映させることで、少なくともロータ本体の軸心方向に関するガタツキの影響を除去し、より精度の高い温度判定が可能となる。

回転電機の破断側面図である。 回転電機の要部を示す破断断面図である。 回転電機の別実施形態を示す破断断面図である。 回転電機のさらに別の実施形態を示す破断断面図である。

以下に本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。
本発明に係る回転電機について、図１および図２に示す電動モータ（回転電機の一例）を例として説明する。図１に示す電動モータ１Ａは永久磁石型モータであり、ハイブリッド車や電気自動車の駆動源として利用可能なものである。電動モータ１Ａは、回転軸４０によってケース３０に軸心Ｘ回りで軸支されるロータ本体１０と、ロータ本体１０の径方向外側に配置され、ケース３０に固定されるステータ２０とを備えて構成される。ケース３０は、図１において左側部分を構成する第１ケース部材３０ａと、右側部分を構成する第２ケース部材３０ｂとを接合して構成される。尚、回転軸４０を外力によって駆動するように構成すれば、本回転電機を発電機として機能させることも可能である。

（ロータ本体の構成）
ロータ本体１０は複数の電磁鋼板１８を積層させて構成されるが、プレス加工により各電磁鋼板１８に円周方向に等間隔に打ち抜き穴を設けることで、ロータ本体１０の円周方向には等間隔に複数の冷媒流路１０ａが形成されている。永久磁石１１は、それぞれの冷媒流路１０ａの径方向外側に接着固定されている。冷却油が冷媒流路１０ａを流れて排出口１０ｂから排出される間に、永久磁石１１の熱が冷媒によって回収されることにより、永久磁石１１が高温により減磁することが抑制される。

回転軸４０は、ケース３０に設けられた一対のベアリング３１を介してケース３０に軸支される。回転軸４０は内部空間４０ａを有する円筒状に構成されている。第１ケース部材３０ａの内面と対向する回転軸４０の一端は閉鎖されているが、回転軸４０の他端には、やはり円筒状の出力軸４１が同心状に固定されている。また、回転軸４０の出力軸４１よりもロータ本体１０寄りの箇所には、軸心Ｘを挟んで向き合う一対の冷媒供給口４０ｂが径方向に貫通形成されている。
冷却油は、電動式のポンプＰによってオイルパン７０から出力軸４１の内部空間４１ａを経て回転軸４０の内部空間４０ａに進入し、内部空間４０ａを満たした後に、冷媒供給口４０ｂから冷媒流路１０ａに導かれる。

（冷媒案内部材の構成）
回転軸４０の外周には、概して皿状の冷媒案内部材６０が固定されている。冷媒案内部材６０は、最も小径の第１フランジ部６０ａと、第１フランジ部６０ａの外周部からロータ本体１０側に垂直に延出された第１ボス部６０ｂと、第１ボス部６０ｂのロータ本体１０側の端部から概して径方向外向きに延出された第２フランジ部６０ｃと、第２フランジ部６０ｃの外周部からロータ本体１０側に垂直に延出された第２ボス部６０ｄとを有する。冷媒案内部材６０は、一対の冷媒供給口４０ｂと複数の冷媒流路１０ａの開口とを同時に覆う状態で回転軸４０に外嵌設置されている。

冷媒案内部材６０の第２フランジ部６０ｃの内径側の端部には、第１ボス部６０ｂの内面よりも内径側に突出した環状の堰部６０ｐが形成されている。この堰部６０ｐの第１ボス部６０ｂ寄りの端面と、第１ボス部６０ｂの内周面と、第１フランジ部６０ａの第１ボス部６０ｂ寄りの端面とが協働して、回転軸４０を介して供給される冷却油を回転軸４０の径方向外側に周方向に沿って留める環状の溜まり部６１を形成している。溜まり部６１は、ロータ本体１０の回転による遠心力に基づいて所定量の冷却油を環状に留め、その後、堰部６０ｐから溢れた冷媒を複数の冷媒流路１０ａに均等分配することができる。

回転軸４０の内部空間４０ａから、冷媒供給口４０ｂを介して径方向外向きに排出された冷却油は、溜まり部６１内で一旦環状に保持され、次に溜まり部６１から溢れた冷却油が、遠心力によりロータ本体１０の端面と第２フランジ部６０ｃの内面との間の円板状の流路を経て、冷媒流路１０ａに供給される。冷却油は溜まり部６１で一定の厚さを備えた環状に保持された後に、環状の堰部６０ｐを越えた冷却油が、遠心力により径方向外向きに送り出されるので、８つの冷媒流路１０ａに対してほぼ均等に分配される。
永久磁石１１は冷媒流路１０ａの径方向外側に配置されているので、ロータ本体１０の回転時に冷却油に遠心力が作用すると、冷媒案内部材６０によって導入された冷却油が永久磁石１１に接しながら流れ、永久磁石１１が効率的に冷却される。

（ステータの構成）
ステータ２０は、ロータ本体１０と同様に、複数の電磁鋼板を積層させて構成される。ステータ２０にはコイル２１が配置され、コイル２１に通電を行うことにより、ステータ２０に磁界が発生し、永久磁石１１を備えたロータが回転する。コイル２１には絶縁紙や絶縁皮膜が設けられており、複数の導線を束ねるために結束糸が用いられている。ステータ２０から突出したコイルエンド２１ａにおいては、上記絶縁紙、絶縁皮膜、結束糸等が外部に曝されているため、高速の冷却油が衝突するとこれらが破損する虞がある。

（冷媒規制部材の構成）
そこで、ロータ本体１０の両端面のうち、冷媒案内部材６０と反対側の面には、コイルエンド２１ａを高速の冷却油から保護するための冷媒規制部材５０が取り付けられている。冷媒規制部材５０は、円板状の底部５０ａと、底部５０ａの外周から軸心Ｘとほぼ平行に電磁鋼板１８から離間する方向に延出された壁部５０ｂとを有する皿状に構成されている。冷媒規制部材５０は、回転軸４０に外嵌され、ナット５１によってロータ本体１０の端面に押付け固定される。底部５０ａの各冷媒流路１０ａと対応する位置には冷媒排出孔５０ｄが形成されている。冷却油の円滑な排出を図るために、冷媒排出孔５０ｄの外径側の内面は、永久磁石１１の内径側の面とほぼ一致するように構成されている。

ロータ本体１０の電磁鋼板１８の抜け止め手段として、回転軸４０の外周の一部には一つの環状の固定フランジ部４０ｄが一体的に突出形成されている。冷媒案内部材６０は、回転軸４０の外周面の一部に形成された雄ネジ部に螺合固定されている。この螺合固定に基づいて、冷媒案内部材６０の第２ボス部６０ｄがロータ本体１０の電磁鋼板１８を冷媒規制部材５０に対して押付け付勢している。

規制部材５０の壁部５０ａの先端５０ｂは、コイルエンド２１ａの先端２１ｂよりも先端側に突出するように構成されている。従って、壁部５０ａの先端５０ｂから遠心力により径方向外側に排出される冷却油が、コイルエンド２１ａと衝突することを防止できる。その結果、コイルエンド２１ａの絶縁紙、絶縁皮膜、結束糸等の損傷が回避される。

（フィンの構成）
また、ケース部材３０の内周面のうち冷却油が衝突する領域には、径方向内側に突出するフィン３２を設けてある。永久磁石１１を冷却して昇温した冷却油がロータ本体１０から排出された後、フィン３２と接触することにより、フィン３２を介した熱交換が促進され、冷却油の放熱を効率的に行うことができる。フィン３２に衝突し、運動エネルギーを消失するとともに冷却された冷却油が、ケース部材３０の内面を伝ってステータ２０やコイル２１に供給されることにより、これらの部材を破損することなく、効率的に冷却を行うことができる。尚、フィン３２の形状は図１、２に示したものに限らず、内周面から斜めに突出したものでもよいし、複数のフィン３２が必ずしも同一形状である必要はない。

（温度判定機構の構成）
ロータ本体１０の左右の端面の最外径箇所付近には、ロータ本体１０の温度変化に基づいて変位する温度感応部２が設けられており、第１ケース部材３０ａと第２ケース部材３０ｂとの内面には各温度感応部２の変位量を非接触で判定するためのギャップセンサ５（判定手段の一例）が設けられている。温度感応部２とギャップセンサ５とは、互いに協働して、モータ駆動中における永久磁石１１の温度を判定する温度判定機構を構成する。

より具体的には、一対のシリンダ部材３がロータ本体１０の最も外側の２枚の電磁鋼板１８に溶接などによって固定されており、各シリンダ部材３の内面に対して金属製のピストン部材４が摺動自在に収納されている。シリンダ部材３の内部には一定容積の空気が封止されており、ロータ本体１０の最外径箇所の温度変化と連動するこの封止空気の体積変化（膨張または収縮）に基づいてピストン部材４が軸心Ｘに沿って出入りする。同ピストン部材４の先端に設けられた大径円板状のヘッド部４ａが温度感応部２を構成する。ロータ本体１０の両端面部位のうちでシリンダ部材３が固定された箇所の温度は、ほぼ永久磁石１１の温度と一致するので、ピストン部材４のヘッド部４ａの位置に基づいて永久磁石１１の温度を判定することができる。

ギャップセンサ５は、温度感応部２を構成するピストン部材４のヘッド部４ａまでの軸心Ｘと平行な方向に関する間隔を非接触で測定する。ギャップセンサ５は、渦電流式のギャップセンサによって構成することができる。渦電流式のギャップセンサ５は、ヘッド部４ａと向き合うようにケース部材３０ａ、３０ｂに取り付けられた渦電流式のセンサ部６ａ，６ｂおよびセンサアンプ７を備えている。センサ部６ａ，６ｂは磁界発生手段としてのコイル（不図示）を有している。センサアンプ７は、センサ部６ａ，６ｂの出力信号を増幅する増幅回路（不図示）と、センサ部６ａ，６ｂのコイルに高周波の交流励磁電流を供給する駆動回路（不図示）とを有する。

交流励磁電流を供給されたコイルは、軸心Ｘと平行な方向に磁束を発生し、磁界を形成する。ロータ本体１０の回転によって、センサ部６のコイルが発生する磁界をピストン部材４のヘッド部４ａが通過すると、ヘッド部４ａには、コイルが発生する磁界を打ち消す渦電流が発生する。このヘッド部４ａに発生する渦電流により、コイルの発生する磁界の強さが変化すると、センサ部６ａ，６ｂのコイルに流れる電流値が変化するので、ロータ本体１０の回転によってヘッド部４ａがセンサ部６と近づいたり離れたりすると、ギャップセンサのセンサアンプ７からは所定の波形の検出信号が出力される。すなわち、ヘッド部４ａの回転位置がセンサ部６ａ，６ｂに最接近した位置となる毎に検出信号中にピーク値が現われる。このピーク値はセンサ部６ａ，６ｂからヘッド部４ａまでの距離に応じて変化する。

ＥＣＵ１００には、各センサ部６ａ，６ｂの検出信号中に現われるピーク値の単位時間当たりの平均値を判定するピーク値判定処理部９１と、ピーク値判定処理部９１によって判定された２つのセンサ部６ａ，６ｂから得られた２つの波形の各ピーク値から、ピーク値の算術平均値を算出する平均化処理部９２（補正機構の一例）と、平均化処理部９２によって算出されたピーク値の平均値に基づいて永久磁石１１の温度を判定する温度判定部９３と、温度判定部９３によって判定された温度が永久磁石１１の減磁開始温度に近付くとロータ本体１０の過熱を警告する警告信号を発するモータ停止警告部９４とが備えられている。ＥＣＵ１００には、検出信号のピーク値と永久磁石１１の温度との関係を示すＬＵＴ９５が格納されており、温度判定部９３はこのＬＵＴ９５の参照に基づいて永久磁石１１の温度を判定する。

もしも、ロータ本体１０がケース部材３０に対して軸心Ｘ方向でのガタツキを含む場合、温度感応部２を構成するヘッド部４ａの位置も軸心Ｘ方向でガタツキを生じるため、永久磁石１１の温度判定結果に同ガタツキによる外乱が生じる場合がある。この電動モータ１Ａでは、２つの温度感応部２がロータ本体１０の互いに対向する端面に設けてあり、各温度感応部２の変位を各別のセンサ部６によって検出し、両センサ部６ａ，６ｂの検出結果の算術平均値に基づいて永久磁石１１の温度を判定するので、この算術平均によってガタツキによる外乱が除去される。

〔別実施形態〕
〈１〉図３に例示するダイアフラム式の温度感応部を設けてもよい。図３に示す電動モータ１Ｂでは、ロータ本体１０の最も外側の２枚の電磁鋼板１８に金属製の密閉容器７３が固定されている。密閉容器７３の軸心方向外側に位置する薄い蓋部７４はダイアフラムを構成し、ロータ本体１０から伝達される熱によって密閉容器７３の内部に封止された空気が膨張すると軸心方向に変形する。蓋部７４に設けられた金属製円板状のヘッド部７４ａ（温度感応部の一例）の変位を上記実施形態と同様のセンサ部６ａ，６ｂによって検出する構成となっている。

〈２〉図２に例示するバイメタル式の温度感応部を設けてもよい。図４に示す電動モータ１Ｃでは、ロータ本体１０の最も外側の２枚の電磁鋼板１８に長尺状のバイメタル８３の基端部がネジなどで固定されている。ロータ本体１０の温度が上昇すると、その熱によってバイメタル８３が湾曲状に変形し、図で基端部よりも上方に位置するバイメタル８３の遊端部（温度感応部の一例）が軸心方向に変位する。同遊端部の変位を上記実施形態と同様のセンサ部６ａ，６ｂによって検出する構成となっている。バイメタル式の温度感応部に代えて、ロータ本体１０の温度上昇に基づいて可逆的に変形する形状記憶合金で構成された温度感応部を設けてもよい。

〈３〉渦電流式ギャップセンサの代わりに、静電容量式ギャップセンサ、或いは、超音波式ギャップセンサなどを用いてもよい。また、ＬＥＤなどの発光手段と、ＬＥＤから放射されて被測定面としての温度感応部の表面で反射された反射光を受光するフォトダイオードとを備えた反射光式ギャップセンサを用いてもよい。

〈４〉特に、バイメタルや形状記憶合金で温度感応部を構成する場合、温度感応部の変位量を判定する判定手段として、バイメタルや形状記憶合金の変形に応じて温度感応部が形成する音の波形やピーク値が変化することを利用して、同波形などを検出するマイクロフォンのような音響センサを判定手段として用いてもよい。

〈５〉温度感応部と判定手段とからなるセットはロータ本体１０の一方の端面にのみ設け、ロータ本体を挟んでその温度感応部と対向する位置に、最も外側の電磁鋼板１８の位置を非接触で検出する第２のギャップセンサ（補正機構の一例）を設けてもよい。この場合、第２のギャップセンサによって得られたロータ本体１０のガタツキ情報を、温度感応部の変位に関する検出結果に反映させる構成となる。

〈６〉特に、ロータ本体１０のガタツキが、ロータ本体１０の軸心Ｘ方向での移動を含まず、主にロータ本体１０の回転軸４０に対する不動の傾斜成分である場合などでは、補正機構として、始動時における温度感応部材または磁性体との距離をギャップ基準として採取し、高速回転時における温度検出値に補正値として反映させてもよい。

〈７〉ロータ本体のガタツキが無視できる程小さい構成の場合は必ずしも補正機構を設ける必要はない。

本発明は、軸心回りで回転自在に支持され磁石を備えたロータ本体と、ロータ本体の径方向外側に配置されたステータと、同磁石の温度を判定する温度判定機構とを備えた回転電機に適用することができる。

Ｘ 軸心
１ 電動モータ
２ 温度感応部
３ シリンダ部材（温度感応部）
４ ピストン部材（温度感応部）
４ａ ヘッド部
５ ギャップセンサ（判定手段）
１０ ロータ本体
１１ 永久磁石
２０ ステータ
９１ ピーク値判定処理部
９２ 平均化処理部（補正機構）
９３ 温度判定部
９４ モータ停止警告部

Claims (2)

1. 軸心回りで回転自在に支持され、磁石を備えたロータ本体と、
   前記ロータ本体の径方向外側に配置されたステータと、
   前記ロータ本体の端面に設けられ、前記ロータ本体の温度変化に基づいて変位する温度感応部と、
   前記温度感応部の変位量を判定する判定手段と、を備え、
   前記判定手段が前記温度感応部までの前記軸心方向に関する間隔を測定するギャップセンサによって構成され、
   前記ギャップセンサによる測定結果に対する前記ロータ本体のガタツキによる外乱を除去する補正機構が設けられている回転電機。
2. 前記補正機構が前記ロータ本体を挟んで前記判定手段と対向する位置に配置された第２のギャップセンサを含む請求項１に記載の回転電機。

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