JP5751105B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、ステータがロータの外周側にてロータと対向配置された回転電機に関し、特に、そのステータの冷却に関する。

回転電機において、ロータシャフト内を通る冷媒用オイルをロータ回転時の遠心力によって流動させることで、ステータやロータを冷却する技術が知られている。例えば下記特許文献１では、ロータシャフト内に冷媒用オイルを流通させる油通路が形成されるとともに、その油通路に連通する油路がロータの軸線方向での少なくとも一方の端部に設けられたエンドプレートを貫通して形成されており、その油路の開口端に、ロータの回転数が高回転数ほど開口端から流出する冷媒用オイルの流動抵抗を低下させるように、遠心力によってロータの半径方向で外側に変形する弾性部材が設けられている。ロータの低回転時には、弾性部材に作用する遠心力が小さく直管状態を維持し、冷媒用オイルは、ロータの回転数に応じて遠心力を受けているのに対して、弾性部材からの流出方向はロータの軸線方向であることで、弾性部材での冷媒用オイルの流動抵抗が大きくなる。一方、ロータの高回転時には、弾性部材に作用する遠心力が大きくなり、その先端側がロータの半径方向で外側に弾性的に撓むことで、弾性部材から冷媒用オイルが流出しやすくなり、弾性部材での冷媒用オイルの流動抵抗が小さくなる。これによって、ロータの高回転時に、冷媒用オイルの流量が増大し、冷媒用オイルが持ち去る熱量が多くなる。

特開２０１１−８７４３４号公報 特開２０１１−１２２７１１号公報

特許文献１では、ロータ回転時の遠心力によって弾性部材から吐出する冷媒用オイルをステータ（例えばステータコイル）へ供給することで、ステータの冷却を行うことが可能となる。しかし、その場合において、例えばロータに高負荷がかかる等してロータの回転がロックしたときは、弾性部材から冷媒用オイルが一定方向（鉛直下方向）にのみ吐出され、ステータを均一に冷却することが困難となる。その結果、ステータの冷却性能が低下し、ステータの温度にばらつきが発生する。

本発明に係る回転電機は、ロータの回転軸内を通る冷媒をステータへ供給してステータの冷却を行う場合に、ロータの回転がロックしたときであってもステータの冷却性能を向上させることを目的とする。

本発明に係る回転電機は、上述した目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明に係る回転電機は、回転軸とともに回転するロータと、ロータの外周側にてロータと対向配置されたステータと、回転軸に形成された冷媒流路から供給された冷媒をステータへ向けて吐出する冷媒吐出口を有し、回転軸及びロータに対し相対回転可能な冷媒吐出装置と、を備え、冷媒吐出装置は、冷媒吐出口から吐出する冷媒の流速がロータ周方向の接線に平行な方向の速度成分を有するように、冷媒吐出口から冷媒を吐出することで、回転軸及びロータに対し相対回転することを要旨とする。

本発明の一態様では、冷媒吐出装置は、冷媒吐出口から冷媒をロータ周方向の接線に平行な方向に吐出することで、回転軸及びロータに対し相対回転することが好適である。

本発明の一態様では、冷媒吐出装置は、冷媒吐出口を複数有し、複数の冷媒吐出口がロータ周方向に関して互いに間隔をおいて配置され、冷媒吐出装置は、各冷媒吐出口から吐出する冷媒の流速がいずれもロータ周速方向の速度成分を有する、または各冷媒吐出口から吐出する冷媒の流速がいずれもロータ周速方向と逆方向の速度成分を有するように、各冷媒吐出口から冷媒を吐出することで、回転軸及びロータに対し相対回転することが好適である。

本発明の一態様では、冷媒吐出装置は、ロータの回転軸方向外側端にて回転軸に回転自在に支持されていることが好適である。

本発明によれば、冷媒吐出口からステータへ冷媒を供給しつつ、冷媒吐出口からの冷媒の吐出力の反動を利用して、冷媒吐出装置を回転軸及びロータに対し冷媒の吐出方向と逆方向に相対回転させることができる。したがって、ロータの回転がロックしたときであっても、ステータにおける冷媒の供給される周方向位置を冷媒吐出装置の回転に応じて変化させることができ、ステータの冷却性能を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る回転電機の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る回転電機の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る回転電機の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る回転電機の概略構成を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。

図１，２は本発明の実施形態に係る回転電機の概略構成を示す図であり、図１は回転軸１３の軸線方向（以下回転軸方向とする）と直交する方向から見た内部構成の概略を示し、図２は回転軸方向から見た内部構成の概略を示す。回転電機は、回転が固定されたステータ１２と、ステータ１２に対し相対回転可能なロータ１４と、を備え、ステータ１２がロータ１４の外周側に配置され、回転軸方向と直交する径方向においてステータ１２とロータ１４が所定の微小空隙を空けて対向配置されている。

ロータ１４は、回転軸１３に固定されたロータコア３１と、ロータコア３１にその周方向に沿って配設された複数の永久磁石３２と、ロータコア３１の回転軸方向外側端（両端）に設けられ、回転軸方向においてロータコア３１を挟み付ける一対のエンドプレート３３と、を含む。ステータ１２は、ステータコア２１と、ステータコア２１にその周方向に沿って配設された複数相（例えば３相）のステータコイル２２と、を含む。ステータコア２１には、径方向内側へ（ロータ１４へ向けて）突出する複数のティース２３が周方向に沿って互いに間隔をおいて（等間隔で）配列されており、各ティース２３間にスロットが形成されている。ステータコイル２２がティース２３間のスロットを通ってティース２３に巻装されることで、ステータ１２に磁極が構成される。ステータコイル２２は、回転軸方向に関してステータコア２１（ティース２３）より外側（両側）に張り出した部分であるコイルエンド部２２ａを有し、コイルエンド部２２ａが回転軸方向に関してロータ１４より外側（両側）に張り出している。

回転電機では、ステータコイル２２に交流電流を流すことで、周方向に回転する回転磁界がステータ１２に形成される。そして、ステータ１２に発生した回転磁界とロータ１４の永久磁石３２で発生した界磁束との電磁気相互作用（吸引及び反発作用）により、ロータ１４にトルク（磁石トルク）を作用させてロータ１４を回転軸１３とともに回転駆動することができる。このように、回転電機を、ステータコイル２２への供給電力を利用してロータ１４に動力を発生させる電動機として機能させることができる。一方、回転電機を、ロータ１４の動力を利用してステータコイル２２に電力を発生させる発電機として機能させることもできる。また、ロータ１４は、永久磁石３２が設けられた構成に限られるものではなく、例えばコイルが設けられた構成や、磁気抵抗の変化によりリラクタンストルクを利用する構成であってもよい。

本実施形態では、冷媒用オイルによりステータ１２（主としてステータコイル２２）の冷却を行うために、冷媒吐出装置４２がロータ１４（エンドプレート３３）の回転軸方向外側端に設けられている。図１に示す例では、冷媒吐出装置４２をロータ１４の回転軸方向両端に設けているが、冷媒吐出装置４２をロータ１４の回転軸方向片端だけに設けることも可能である。以下、冷媒吐出装置４２の構成例について説明する。

冷媒吐出装置４２は、ロータ周方向に関して互いに間隔をおいて（等間隔で）配置された複数（図２に示す例では４つ）の冷媒吐出管４４と、各冷媒吐出管４４内の冷媒流路４５へ冷媒用オイルを導くための環状の冷媒分配管４６とを含んで構成され、ステータコイル２２のコイルエンド部２２ａの内周側に配置されている。各冷媒吐出管４４のロータ径方向中心側の端部が冷媒分配管４６に接続されていることで、各冷媒吐出管４４内の冷媒流路４５が冷媒分配管４６内の冷媒流路４７と連通する。各冷媒吐出管４４（冷媒流路４５）のロータ径方向外側の端部は、外部に開口しており、冷媒用オイルを吐出する冷媒吐出口４８として機能する。冷媒吐出装置４２の冷媒分配管４６がベアリング４１を介して回転軸１３に回転自在に支持されていることで、冷媒吐出装置４２（各冷媒吐出管４４及び冷媒分配管４６）は回転軸１３及びロータ１４に対し相対回転可能である。なお、回転電機をハイブリッド車両の動力源として用いる場合は、冷媒用オイルとして例えばＡＴＦ（Automatic Transmission Fluid）を用いることも可能である。

冷媒吐出装置４２へ冷媒用オイルを供給するために、回転軸１３には冷媒流路４９が軸線方向に沿って形成されており、オイルポンプ５０から吐出した冷媒用オイルが回転軸１３内の冷媒流路４９へ供給される。図１では、オイルポンプ５０から回転軸１３内の冷媒流路４９へ冷媒用オイルを供給するための具体的構成の図示を省略しているが、周知の構成で実現可能である。図３に示すように、エンドプレート３３には、複数（図３に示す例では４つ）の冷媒吐出穴５２がロータ周方向に関して互いに間隔をおいて（等間隔で）形成されている。エンドプレート３３の各冷媒吐出穴５２がロータコア３１内の冷媒流路５１を介して回転軸１３内の冷媒流路４９と連通していることで、図１の矢印Ａに示すように、冷媒流路４９に供給された冷媒用オイルが冷媒流路５１を通って各冷媒吐出穴５２から流出する。

図４に示すように、冷媒分配管４６には、冷媒流路４７と連通する冷媒流入口５３が回転軸方向に関してエンドプレート３３の各冷媒吐出穴５２と対向して形成されている。エンドプレート３３の各冷媒吐出穴５２と冷媒分配管４６の冷媒流入口５３との間の相対回転部位には、冷媒用オイルが外部へ漏出せず各冷媒吐出穴５２から冷媒流入口５３へ流れるように液密にシールする環状のシールリング（シール部材）５４，５６が設けられている。シールリング５４は各冷媒吐出穴５２及び冷媒流入口５３より内周側の位置に装着されており、シールリング５６は各冷媒吐出穴５２及び冷媒流入口５３より外周側の位置に装着されている。このシールリング５４，５６によって、ロータ１４（エンドプレート３３）に対する冷媒吐出装置４２（冷媒分配管４６）の相対回転を許容しつつ、エンドプレート３３の各冷媒吐出穴５２と冷媒分配管４６の冷媒流入口５３との連通部分のシールを行うことが可能となり、図４の矢印Ｆに示すように、冷媒用オイルがエンドプレート３３の各冷媒吐出穴５２から冷媒分配管４６の冷媒流入口５３を通って冷媒流路４７に供給され、さらに各冷媒吐出管４４内の冷媒流路４５へ分配される。

図２に示すように、各冷媒吐出管４４（冷媒流路４５）の軸線４４ａは、ロータ径方向中心側の端部がロータ径方向に一致し、ロータ径方向中心側からロータ径方向外側へ延びるにつれてロータ径方向に対しロータ周方向へ離れるように傾斜しており、ロータ径方向外側の端部がロータ周方向の接線に平行である。これによって、図２の矢印Ｂに示すように、ロータ周方向に関して互いに間隔をおいて（等間隔で）配置された複数の冷媒吐出口４８（冷媒吐出管４４のロータ径方向外側の端部）の各々から冷媒用オイルがロータ周方向の接線に平行な方向に噴出する。その際には、各冷媒吐出管４４の軸線４４ａをいずれもロータ径方向中心側からロータ径方向外側へ延びるにつれてロータ径方向に対しロータ回転時の周速方向（以下ロータ周速方向とする）と逆方向へ傾斜させて、各冷媒吐出口４８の軸線４４ａをロータ周速方向と逆方向にすることで、各冷媒吐出口４８から冷媒用オイルをいずれもロータ周速方向と逆方向に吐出することが可能である。あるいは、各冷媒吐出管４４の軸線４４ａをいずれもロータ径方向中心側からロータ径方向外側へ延びるにつれてロータ径方向に対しロータ周速方向へ傾斜させて、各冷媒吐出口４８の軸線４４ａをロータ周速方向にすることで、各冷媒吐出口４８から冷媒用オイルをいずれもロータ周速方向に吐出することも可能である。なお、ロータ１４の回転方向を図２の矢印Ｄに示す方向とすると、ロータ回転時の周速方向（ロータ周速方向）は図２の矢印Ｅに示す方向で表される。

オイルポンプ５０の吐出圧力により回転軸１３内の冷媒流路４９に供給された冷媒用オイルは、ロータコア３１内の冷媒流路５１、エンドプレート３３の各冷媒吐出穴５２、及び冷媒分配管４６の冷媒流入口５３と冷媒流路４７を通って各冷媒吐出管４４の冷媒流路４５に供給され、各冷媒吐出口４８から各冷媒吐出管４４の外周側に配置されたステータ１２（ステータコイル２２のコイルエンド部２２ａ）へ向けて噴出する。各冷媒吐出口４８からステータコイル２２のコイルエンド部２２ａに冷媒用オイルが供給されることで、ステータ１２（主としてステータコイル２２）の冷却を行うことができる。さらに、図２の矢印Ｂに示すように、各冷媒吐出口４８から冷媒用オイルがロータ周方向の接線に平行な方向（ロータ周速方向またはその逆方向）に噴出する力の反動で、図２の矢印Ｃに示すように、冷媒吐出装置４２（各冷媒吐出管４４及び冷媒分配管４６）が回転軸１３及びロータ１４に対して冷媒用オイルの吐出方向と逆方向に相対回転する。これによって、ロータ１４の回転が停止（ロック）したときであっても、ステータコイル２２（コイルエンド部２２ａ）における冷媒用オイルの供給される周方向位置が冷媒吐出装置４２の回転に応じて変化するため、ステータコイル２２（コイルエンド部２２ａ）を冷媒用オイルにより均一に冷却することが可能となる。なお、オイルポンプ５０は、ロータ１４の回転がロックしたときであっても、冷媒用オイルの圧力を冷媒吐出装置４２へ供給して各冷媒吐出口４８から吐出できるように、例えば、回転電機とは別に設けられた動力源により回転駆動される。

ここで、回転軸１３内の冷媒流路４９を通る冷媒用オイルをロータ回転時の遠心力によってステータ１２（コイルエンド部２２ａ）へ供給する場合を考えると、例えばロータ１４に高負荷がかかる等してロータ１４の回転がロックしたときは、冷媒用オイルが一定方向（鉛直下方向）にしか吐出されず、ステータ１２（コイルエンド部２２ａ）を均一に冷却することが困難となる。これに対して本実施形態では、各冷媒吐出口４８からステータ１２（コイルエンド部２２ａ）へ冷媒用オイルを供給しつつ、各冷媒吐出口４８からの冷媒用オイルの噴出力の反動を利用して、冷媒吐出装置４２を回転軸１３及びロータ１４に対して冷媒用オイルの噴出方向と逆方向に相対回転させることができる。したがって、例えばロータ１４に高負荷がかかる等してロータ１４の回転がロックしたときであっても、ステータ１２（コイルエンド部２２ａ）における冷媒用オイルの供給される周方向位置を冷媒吐出装置４２の回転によって変化させることができ、ステータ１２（コイルエンド部２２ａ）の全周に渡って冷媒用オイルを満遍なく供給することができるため、ステータ１２（コイルエンド部２２ａ）を冷媒用オイルにより均一に冷却することができる。その結果、ステータ１２（コイルエンド部２２ａ）の冷却性能を向上させることができ、ステータ１２（コイルエンド部２２ａ）の温度のばらつきを低減することができる。例えば回転電機を車両の動力源として用いる場合において、急な坂道でロータ１４の回転がロックするような状況であっても、ステータ１２（コイルエンド部２２ａ）を冷媒用オイルにより均一に冷却することができる。

以上の実施形態の説明では、冷媒吐出口４８の軸線４４ａがロータ周方向の接線に平行であり、冷媒吐出口４８から冷媒用オイルをロータ周方向の接線に平行な方向に吐出するものとした。ただし、本実施形態では、冷媒吐出口４８から吐出する冷媒用オイルの流速がロータ周方向の接線に平行な方向の速度成分を有する条件が成立する範囲内で、冷媒吐出口４８の軸線４４ａをロータ周方向の接線に対し傾斜させて、冷媒吐出口４８から冷媒用オイルをロータ周方向の接線に対し傾斜した方向に吐出することも可能である。その場合でも、冷媒吐出口４８からステータ１２（コイルエンド部２２ａ）へ冷媒用オイルを供給しつつ、冷媒吐出口４８からの冷媒用オイルの噴出力の反動を利用して、冷媒吐出装置４２を回転軸１３及びロータ１４に対して相対回転させることが可能である。その際には、各冷媒吐出口４８から吐出する冷媒用オイルの流速がいずれもロータ周速方向と逆方向の速度成分を有する条件が成立する範囲内で、各冷媒吐出口４８の軸線４４ａをロータ周速方向と逆方向に対し傾斜させて、各冷媒吐出口４８から冷媒用オイルをロータ周速方向と逆方向に対し傾斜した方向に吐出することが可能である。あるいは、各冷媒吐出口４８から吐出する冷媒用オイルの流速がいずれもロータ周速方向の速度成分を有する条件が成立する範囲内で、各冷媒吐出口４８の軸線４４ａをロータ周速方向に対し傾斜させて、各冷媒吐出口４８から冷媒用オイルをロータ周速方向に対し傾斜した方向に吐出することも可能である。ただし、冷媒吐出口４８からの冷媒用オイルの噴出力の反動を利用して、冷媒吐出装置４２を回転軸１３及びロータ１４に対して効率よく相対回転させるためには、冷媒吐出口４８から吐出する冷媒用オイルの流速は、ロータ周方向の接線に平行な方向（ロータ周速方向またはその逆方向）の速度成分が支配的であることが好ましく、ロータ径方向の速度成分及び回転軸方向の速度成分よりも十分大きいことが好ましい。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

１２ ステータ、１３ 回転軸、１４ ロータ、２１ ステータコア、２２ ステータコイル、２２ａ コイルエンド部、２３ ティース、３１ ロータコア、３２ 永久磁石、３３ エンドプレート、４１ ベアリング、４２ 冷媒吐出装置、４４ 冷媒吐出管、４５，４７，４９，５１ 冷媒流路、４６ 冷媒分配管、４８ 冷媒吐出口、５０ オイルポンプ、５２ 冷媒吐出穴、５３ 冷媒流入口、５４，５６ シールリング。

Claims (4)

1. 回転軸とともに回転するロータと、
   ロータの外周側にてロータと対向配置されたステータと、
   回転軸に形成された冷媒流路から供給された冷媒をステータへ向けて吐出する冷媒吐出口を有し、回転軸及びロータに対し相対回転可能な冷媒吐出装置と、
   を備え、
   冷媒吐出装置は、冷媒吐出口から吐出する冷媒の流速がロータ周方向の接線に平行な方向の速度成分を有するように、冷媒吐出口から冷媒を吐出することで、回転軸及びロータに対し相対回転する、回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機であって、
   冷媒吐出装置は、冷媒吐出口から冷媒をロータ周方向の接線に平行な方向に吐出することで、回転軸及びロータに対し相対回転する、回転電機。
3. 請求項１または２に記載の回転電機であって、
   冷媒吐出装置は、冷媒吐出口を複数有し、
   複数の冷媒吐出口がロータ周方向に関して互いに間隔をおいて配置され、
   冷媒吐出装置は、各冷媒吐出口から吐出する冷媒の流速がいずれもロータ周速方向の速度成分を有する、または各冷媒吐出口から吐出する冷媒の流速がいずれもロータ周速方向と逆方向の速度成分を有するように、各冷媒吐出口から冷媒を吐出することで、回転軸及びロータに対し相対回転する、回転電機。
4. 請求項１〜３のいずれか１に記載の回転電機であって、
   冷媒吐出装置は、ロータの回転軸方向外側端にて回転軸に回転自在に支持されている、回転電機。

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