JP5772415B2

JP5772415B2 - 回転電機のロータ構造

Info

Publication number: JP5772415B2
Application number: JP2011195779A
Authority: JP
Inventors: 孝頼榊原
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-09-08
Filing date: 2011-09-08
Publication date: 2015-09-02
Anticipated expiration: 2031-09-08
Also published as: JP2013059193A

Description

本発明は、回転電機のロータ構造に係り、特に、軸芯冷却によりロータおよびステータコイルを冷却する回転電機のロータ構造に関する。

従来、例えば特開２０１０−２６３６９６号公報（特許文献１）には、軸芯冷却構造を採用したモータが開示されている。このモータは、ステータコイル、および環状に配列または形成されたステータコアを有するステータと、ステータコアの内周側に位置してステータに対し回転自在となるロータとで構成される。ロータは、ロータ回転軸の外周にコア支持体部を介してロータコアを取り付けてなる。ロータコアは複数枚の鋼板を軸方向に積層状に並べたものであり、一部の隣合う鋼板間に隙間を設けてある。そして、ロータ回転軸の内部に軸方向に延びる冷却油用の給油路を設け、この給油路と隙間とを連通する連通路を、ロータ回転軸にコア支持体部にわたって設けているものである。これにより、ロータおよびステータで発生する熱を効率的に奪うことができ、モータ内部の冷却効果を高めることができる、と記載されている。

特開２０１０−２６３６９６号公報

上記特許文献１のモータでは、ロータ回転軸の給油路からロータコアに供給された冷却油をロータコア中に形成した隙間を介して径方向外側、すなわちロータとステータとの間のギャップに向けて積極的に流す構成としている。このようにすると、上記ギャップに流れ込んだ冷却油がロータの回転抵抗となってモータの出力低下を来たすことにつながる。

本発明の目的は、ロータシャフトから鋼板積層体からなるロータコアに冷却媒体を供給してロータ等を冷却可能な回転電機において、ロータとステータとの間への冷却媒体の漏出を低減できる回転電機のロータ構造を提供することである。

本発明に係る回転電機のロータ構造は、冷媒供給路を内部に有するとともに該冷媒供給路から冷却媒体をシャフト外部に供給する冷媒供給口を有するロータシャフトと、前記ロータシャフトに固定されて前記ロータシャフトと共に回転する鋼板積層体からなるロータコアと、前記ロータコアの軸方向両側において前記ロータコアの端面に対して固定される第１および第２エンドプレートと、前記ロータコアの内周部に設けられ前記ロータシャフトの冷媒供給口から供給される冷却媒体を軸方向へと流す冷媒流路と、前記第１および第２エンドプレートの少なくとも一方に形成され、前記冷媒流路の端部開口部に挿入されて前記ロータコアに対する前記エンドプレートの周方向位置を決める突起と、を備える。そして、前記冷媒供給口は前記ロータコアの軸方向端部近傍において前記冷媒流路に臨んで配置されており、前記冷媒流路の端部開口部に挿入された前記突起は、前記冷媒供給口に対して径方向外側に対向して設けられる。

本発明に係る回転電機のロータ構造において、前記突起は、前記冷媒供給口からの冷媒の流れ方向を前記冷媒流路の延伸方向に沿うように誘導するガイド面として形成されているのが好ましい。

また、本発明に係る回転電機のロータ構造において、前記冷却流路の一端部に連通して冷却媒体をロータ外部に吐出する冷媒吐出口が前記第１エンドプレートに形成され、前記冷媒流路の他端開口部に挿入される突起が前記第２エンドプレートに形成されてもよい。

本発明に係る回転電機のロータ構造によれば、冷媒流路の他端開口部に挿入された突起がロータシャフトの冷媒供給口に対向して配置されていることで、冷媒供給口を介して冷媒流路に流れ込む冷媒の圧力（特に動圧）が鋼板積層体に直接的に作用するのを阻止できる。これにより、冷媒が積層鋼板間に浸み込んで遠心力により径方向外側へと流れてロータとステータとの間のギャップに漏出するのを低減することができ、ロータの回転抵抗となるのを抑制できる。加えて、第２エンドプレートに形成された突起がロータコアの冷媒流路の他端開口部に挿入されて係止されているため、ロータコアに対する第２エンドプレートの回り止め機能を強化することができる。

本発明の一実施形態であるロータ構造を含む回転電機の軸方向断面図である。図１におけるロータの拡大断面図である。図２におけるＡ−Ａ断面図である。図２におけるＢ−Ｂ断面図である。図２におけるＣ−Ｃ断面図である。図２におけるＤ部拡大図である。変形例を示す図６と同様の図である。

以下に、本発明に係る実施の形態（以下、実施形態という）について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。また、以下において複数の実施形態や変形例などが含まれる場合、それらの特徴部分を適宜に組み合わせて用いることは当初から想定されている。

図１は、本実施形態のロータ構造を含む回転電機１０の軸方向に沿った断面図である。図１に示すように、回転電機１０は、ステータ１２とロータ１４とを備える。ステータ１２とロータ１４との間には、径方向のギャップ部Ｇが設けられている。

ステータ１２は、筒状をなす磁性体からなるステータコア１３と、このステータコア１３の内周部に突設された複数のティース部の周囲に巻装されたステータコイル１６とからなっている。ステータコア１３は、例えば、それぞれ略円環状に打ち抜き加工された多数枚の電磁鋼板を軸方向に積層して、カシメ等により一体に連結して構成されている。ただし、ステータコア１３は、圧粉磁心からなる複数の分割コアを円環状に配列して円筒ケースで外周から締結することによって構成されてもよい。

ステータコイル１６は、上記ティース部間に挿入および配置されたスロット内部分（図示せず）と、ステータコア１３の軸方向端面から外側へ突出するコイルエンド部１６ａ，１６ｂとを含む。各コイルエンド部１６ａ，１６ｂは、軸方向から見たときに略円環状をなして形成されている。

ステータコア１３およびステータコイル１６からなるステータ１２は、ハウジング２０内に収容されている。ハウジング２０は、有底円筒部２２と、この有底円筒部２２の一端開口部を覆って取り付けられるカバー部２４とを有する。ステータ１２は、ハウジング２０の有底円筒部２２の内周面上に例えば圧入等の方法によって固定されている。ハウジング２０において、有底円筒部２２の円板状をなす底部２３、および、カバー部２４には、軸受部材２６がそれぞれ取り付けられている。

ステータコア１３の内周側に配置されたロータ１４は、筒状の磁性体からなるロータコア１５と、ロータコア１５の中心を貫通して軸方向に延伸するロータシャフト２８とを備える。ロータコア１５は、例えば、それぞれ略円板状に打ち抜き加工された多数枚の電磁鋼板を軸方向に積層して、カシメ等により一体に連結して構成されている。また、ロータコア１５は、ステータコア１３と略同じ軸方向長さを有しており、軸方向端面同士が略面一に配置されている。

ロータシャフト２８の一端部は、カバー部２４に取り付けた軸受部材２６によって回転可能に支持された状態で、ハウジング２０内で終端している。一方、ロータシャフト２８の他端部は、有底円筒部２２の底部２３に取り付けた軸受部材２６によって回転可能に支持された状態で、ハウジング２０の外部へ延伸している。

図２は、図１におけるロータ１４の拡大断面図であり、図３は図２におけるＡ−Ａ断面図である。鋼板積層体であるロータコア１５は、例えば圧入によってロータシャフト２８の外周面上に外嵌されて固定されている。あるいは、ロータコア１５は、軸方向両側または片側においてロータシャフト２８上にカシメ固定される固定部材（図示せず）によって、ロータシャフト２８に対する軸方向位置が固定されてもよい。

なお、ロータコア１５の中心に形成されたシャフト穴３０の縁部に凸状のキーを形成し、ロータシャフト２８の外周面に軸方向へ延伸して形成されたキー溝に嵌合することによって、ロータシャフト２８に対するロータコア１５の周方向位置が固定されていてもよい。

また、ロータコア１５には、外周面近傍の内部に複数の永久磁石３６が埋設されている。永久磁石３６は、周方向に均等な配置で設けられるとともに、ロータコア１５とほぼ同じ軸方向長さを有している。本実施形態では、扁平長方形状断面を有する８つの永久磁石３６が埋設された例を示すが、これに限定されるものではなく、６個、１２個等の他の数であってもよい。また、１つの磁極に２つの永久磁石が略Ｖ字状をなして埋設されていてもよい。

ロータシャフト２８の中心には、冷媒供給路３２が軸方向に延伸して形成されている。冷媒供給路３２は、ロータシャフト２８の他端側において開口しており、この開口部から図示しないオイルポンプおよびオイルクーラ等を介して冷却媒体が供給されるようになっている。本実施形態では、冷却媒体として冷却油（例えばＡＴＦ等）が好適に用いられる。以下においては、冷却媒体が冷却油であるものとして説明するが、これに限定されるものではなく、ロータコア１５およびステータコイル１６に対して好適な冷却性能を発揮し得る冷却流体であれば他の冷却媒体が用いられてもよい。また、ロータシャフト２８内の冷媒供給路３２は、ロータコア１５への冷媒供給機能だけを目的とするのであれば、冷媒供給口３４に到達したところで終端していてもよい。

また、ロータシャフト２８には、冷媒供給路３２に連通する冷媒供給口３４が径方向に延伸して形成されて、ロータシャフト２８の外周面に開口している。本実施形態では、２本の冷媒供給口３４が径方向に対向する位置に形成されている例を示す。ただし、冷媒供給口は、１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。複数の冷媒供給口３４を設ける場合、周方向に均等配置で設けるのが冷却性能を周方向に一様し且つ冷却性能を向上させる上で好ましい。

一方、ロータコア１５の内周部には、冷媒流路４０が軸方向に延伸して形成されている。より詳しくは、ロータコア１５のシャフト穴３０の縁部に矩形断面を有する溝が形成されており、この溝の内径側がロータシャフト２８の外周面によって閉じられることにより、冷媒流路４０が形成されている。そして、冷媒流路４０の軸方向両端部は、ロータコア１５の軸方向端面においてそれぞれ開口して形成されている。

本実施形態では、ロータシャフト２８の冷媒供給口３４に対応して２つの冷媒流路４０が径方向に対向する位置に形成されている。また、ロータシャフト２８の冷媒供給口３４は、ロータコア１５の端部近傍において冷媒流路４０に連通している。これにより、ロータシャフト２８の冷媒供給口３４からロータコア１５の冷媒流路４０に供給された冷却油は、図２中の矢印Ｅで示すように軸方向に沿って流れるように構成されている。

図２に示すように、本実施形態のロータ１４は、さらに、ロータコア１５に軸方向両側に配置されたエンドプレート４２，４４を含む。エンドプレート４２，４４は、ロータコア１５とほぼ同一の外径を有する円板状をなし、その中心にロータシャフト２８が貫通して設けられている。

エンドプレート４２，４４は、非磁性材料（例えば、アルミニウム、アルミ合金等）から形成されるのが好ましい。これにより、永久磁石３６の軸方向端部における磁束の短絡又は漏れを有効に抑制することができる。また、エンドプレート４２，４４は、ロータコア１５からの永久磁石３６の軸方向への飛び出しを防止する機能も有する。

各エンドプレート４２，４４は、図示しないカシメ部材によってロータコア１５の軸方向端面に圧接された状態で固定されている。これによりロータシャフト２８に対するエンドプレート４２，４４の軸方向位置が決められている。また、各エンドプレート４２，４４は、ロータコア１５と同様に、ロータシャフト２８に対して圧入されるか又はキーとキー溝の凹凸嵌合によって、周方向位置が決められている。

図４は、図２におけるＢ−Ｂ断面図であり、軸方向の一端側に設けられたエンドプレート（第１エンドプレート）４２を平面視状態で示している。

エンドプレート４２は、ロータシャフト２８が挿入されるシャフト穴４６の周囲に円形凹状の段部４８が形成されている。そして、この段部４８の外径側には、２つの冷媒吐出口５０が径方向において対向する位置に形成されている。なお、冷媒吐出口５０もまた、２つの限定されるものではなく、周方向に均等な配置で３つ以上の冷媒吐出口が形成されてもよい。

図２に示すように、エンドプレート４２がロータコア１５の一方側端面に取り付けられたとき、ロータコア１５に形成された冷媒流路４０の一端開口部に連通する。これにより、冷媒流路４０を流れてきた冷却油が冷媒吐出口５０からロータ外部へと吐出されるようになっている。

図５は、図２におけるＣ−Ｃ断面図である。また、図６は、図２におけるＤ部拡大図である。軸方向の他端側に設けられるエンドプレート（第２エンドプレート）４４は、ロータシャフト２８が貫通するシャフト穴５２を有する。そして、シャフト穴５２の縁部近傍であってロータコア１５の軸方向端面に圧接される表面には、突起５４が立設されている。本実施形態では、２つの冷媒流路４０に対応して、２つの突起５４が径方向に対向する位置に形成されている。

上記突起５４は、エンドプレート４４がロータコア１５に対して取り付けられたときに冷媒流路４０の他端側開口部に挿入（または圧入）される大きさに形成されている。具体的には、本実施このように突起５４がロータコア１５の冷媒流路４０の端部開口部に挿入されて係止されることで、ロータコア１５に対してエンドプレート４４が回転するのを規制することができる。これにより、エンドプレート４４のロータシャフト２８の周方向位置を決めるキーが磨耗または破損等した場合でも、エンドプレート４４の回り止め機能を補強または強化することができる。

また、上記突起５４は、図６に示すように、ロータコア１５の軸方向奥側へ向かって先細りとなるテーパ形状に形成されており、傾斜したガイド面５５がロータシャフト２８に形成された冷媒供給口３４に対して径方向外側で対向するように配置される。これにより、冷媒供給口３４から冷媒流路４０へと流れ込んだ冷却油の流れ方向を、突起５４のガイド面５５によって冷媒流路４０の延伸方向である軸方向へと向けるように誘導することができ、冷媒流路４０へ供給される冷却油の圧力損失を有効に低減することができる。ここで、ガイド面５５は、上記のような冷却油誘導機能を果たす限りにおいて、平面でなくても湾曲面として形成されてもよい。

また、このように突起５４が冷媒供給口３４に径方向外側で対向して設けられることで、冷媒供給口３４から冷媒流路４０へと供給される冷却油の圧力、特に動圧がロータコア１５の端部領域１５ａに直接的に作用するのを阻止することができる。これにより、上記端部領域１５ａを構成する積層鋼板間に冷却油が入り込むのを抑制することができる。

ロータコア１５を構成する電磁鋼板間はほとんど隙間なく密着した状態に構成されているが、上記のような冷却油の動圧が直接的に作用すると、その領域から積層鋼板間に冷却油が入り込むことがある。そうすると、積層鋼板間に入り込んだ冷却油が、回転するロータ１４の遠心力によってロータ外径側へと進み、ロータ外周面からステータ１２との間のギャップ部Ｇへ漏出すると、ロータ１４の回転抵抗となって回転電機１０の出力損失を生じさせることになる。これに対し、本実施形態の回転電機１０ではそのようなギャップ部Ｇへの冷却油の漏出を低減でき、ロータ１４の回転抵抗となるのを抑制することができる。

次に、上記構成からなる回転電機１０における冷却動作について説明する。

ロータシャフト２８の他端部から、オイルポンプにより圧送された冷却油が冷媒供給路３２に供給される。冷媒供給路３２に供給された冷却油は、軸方向に流れて冷媒供給口３４からロータコア１５内の冷媒流路４０へと供給される。このとき、上記のように冷媒供給口３４から冷媒流路４０に流れ込んで冷却油は、エンドプレート４４に設けた突起５４によって流れ方向が軸方向に誘導されるとともにロータコア１５の端部領域１５ａにおいて積層鋼板間へ染み入るのが抑制される。

冷媒流路４０内において冷却油は、軸方向に沿ってロータコア１５の一端側、すなわちエンドプレート４２側へ流れる。この過程において冷却油は、ロータコア１５から熱を奪って効率よく冷却する。

冷媒流路４０の一端開口部からエンドプレート４２の段部４８内へ流れ込んだ冷却油は、冷媒吐出口５０をロータ外部へ流れ出る。そうすると、回転するロータ１４の遠心力によって冷却油が液滴状またはミスト状になって径方向外側へ飛び散る。これにより、径方向外側に位置するコイルエンド部１６ａに冷却油がかかり、通電により発熱するコイルエンド部１６ａから熱を奪ってステータコイル１６を冷却する。

ステータコイル１６により更に昇温した冷却油は、ハウジング２０の下部に形成された図示しない冷媒排出口からオイルポンプの吸引作用によって引き抜かれて排出され、オイルクーラにて放熱して降温した後に、再び冷媒供給路３２へと循環供給されることになる。

上述したように本実施形態のロータ構造を含む回転電機１０によれば、エンドプレート４４に形成された突起５４がロータコア１５の冷媒流路４０の他端開口部に挿入されて係止されているため、ロータコア１５に対するエンドプレート４４の回り止め機能を強化することができる。また、冷媒流路４０の他端開口部に挿入された突起５４がロータシャフト２８の冷媒供給口３４に対向して配置されていることで、冷媒供給口３４を介して冷媒流路４０に流れ込む冷却油の圧力（特に動圧）がロータコア１５の端部領域１５ａにおける鋼板積層部分に直接的に作用するのを阻止できる。これにより、冷却油が積層鋼板間に浸み込んで遠心力により径方向外側へと流れてロータとステータとの間のギャップに漏出するのを低減することができ、ロータの回転抵抗となるのを抑制できる。

なお、本発明に係るロータ構造は、上述した実施形態およびその変形例に限定されるものではなく、種々の改良および変更が可能である。

例えば、エンドプレート４４に形成した突起５４は、冷媒流路４０の他端開口部に挿入されて係止されることができる形状および大きさであれば、ガイド面を有していなくてもよい。この場合でも、エンドプレート４４の回り止め機能を強化する作用効果を奏することができる。

また、上記においては突起５４に冷媒供給口３４に対向するガイド面５５を形成して冷却油の流れ方向を誘導するようにしたが、これに限定されるものではなく、突起５４の冷媒供給口対向面を軸方向に沿って延びる平面として形成してもよい。この場合でも、冷媒供給口３４から冷媒流路４０に流れ込む冷却油の動圧がロータコア１５の端部領域１５ａに直接的に作用するのを阻止することができ、積層鋼板間への冷却油の染み出し抑制効果を見込める。

また、上記実施形態においては、ステータコイル１６の軸方向一方側のコイルエンド部１６ａだけにロータ１４から冷却油を遠心力により供給して冷却するものとして説明したが、これに限定されるものではなく、例えば図７に示すように、ロータシャフト２８に別の冷媒供給口３５を設けるとともにエンドプレート４４に軸方向外側端面（すなわちロータコア１５とは反対側の表面）に連通する冷媒吐出路６０を形成し、これらの冷媒供給口３５および冷媒吐出路６０から冷却油を放出して、ロータ１４の遠心力によって軸方向他端側のコイルエンド部１６ｂに冷却油をかけるようにしてもよい。これにより、ステータコイル１６に対する冷却性能を向上させることができる。

また、上記実施形態では、エンドプレート４２に形成した冷媒吐出口５０から冷却油をロータ外部に吐出するようにしたが、エンドプレート４２に冷媒吐出口を設けることなく、冷媒供給路４０からロータシャフト２８内の冷媒供給路３２に還流させてもよい。この場合、エンドプレート４２にも突起を形成して冷媒流路４０の端部開口部に挿入すれば、エンドプレート４２の回り止め機能を強化することができる。

さらに、各エンドプレート４２，４４に冷媒吐出口５０および突起５４をそれぞれ設けてもよい。具体例としては、図２においてロータシャフト２８の回転中心軸を境界として上側部分をそのままとし、一方、下側部分を左右反転させた構成としてもよい。

１０回転電機、１２ステータ、１３ステータコア、１４ロータ、１５ロータコア、１５ａ端部領域、１６ステータコイル、１６ａ，１６ｂコイルエンド部、２０ハウジング、２２有底円筒部、２３底部、２４カバー部、２６軸受部材、２８ロータシャフト、３０シャフト穴、３２冷媒供給路、３４，３５冷媒供給口、３６永久磁石、４０冷媒流路、４２，４４エンドプレート、４６，５２シャフト穴、４８段部、５０冷媒吐出口、５４突起、５５ガイド面、６０冷媒吐出路。

Claims

冷媒供給路を内部に有するとともに該冷媒供給路から冷却媒体をシャフト外部に供給する冷媒供給口を有するロータシャフトと、
前記ロータシャフトに固定されて前記ロータシャフトと共に回転する鋼板積層体からなるロータコアと、
前記ロータコアの軸方向両側において前記ロータコアの端面に対して固定される第１および第２エンドプレートと、
前記ロータコアの内周部に設けられ前記ロータシャフトの冷媒供給口から供給される冷却媒体を軸方向へと流す冷媒流路と、
前記第１および第２エンドプレートの少なくとも一方に形成され、前記冷媒流路の端部開口部に挿入されて前記ロータコアに対する前記エンドプレートの周方向位置を決める突起と、を備え、
前記冷媒供給口は前記ロータコアの軸方向端部近傍において前記冷媒流路に臨んで配置されており、前記冷媒流路の端部開口部に挿入された前記突起は、前記冷媒供給口に対して径方向外側に対向して設けられる、
回転電機のロータ構造。
請求項１に記載の回転電機のロータ構造において、
前記突起は、前記冷媒供給口からの冷媒の流れ方向を前記冷媒流路の延伸方向に沿うように誘導するガイド面として形成されている、回転電機のロータ構造。
請求項１または２に記載の回転電機のロータ構造において、
前記冷却流路の一端部に連通して冷却媒体をロータ外部に吐出する冷媒吐出口が前記第１エンドプレートに形成され、前記冷媒流路の他端開口部に挿入される突起が前記第２エンドプレートに形成されている、回転電機のロータ構造。