JP6190910B1

JP6190910B1 - 回転電機

Info

Publication number: JP6190910B1
Application number: JP2016065015A
Authority: JP
Inventors: 幸孝坂田; 宏一尾島; 井上　正哉; 正哉井上; 勝成高木; 直司村上
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-03-29
Filing date: 2016-03-29
Publication date: 2017-08-30
Anticipated expiration: 2036-03-29
Also published as: CN107240985A; CN107240985B; JP2017184351A

Abstract

【課題】コアに冷却液を流して永久磁石を冷却する回転電機において、簡便な方法で効率的な冷却を可能とした構造を提供する。【解決手段】ハウジングと、ハウジングに回転可能に支持されたシャフトと、シャフトに固定されたボスと、ボスの外周面に取付けられたロータコアおよび永久磁石と、前記ロータコアの両端面に取付けられたエンドプレートと、前記ボスの円筒部端面に配置され、前記シャフトの外周部と前記ボスの円筒部内周面とともに空間を形成するガイドプレートとを備え、前記シャフトに軸端から上記空間と連通する貫通油路穴を設けるとともに、前記エンドプレートの内周面に前記ロータコアと前記永久磁石との間隙に連通する油路溝を設け、かつ、前記ボスに前記空間と前記油路溝とを連通する貫通油路穴を設けるようにした。【選択図】図１

Description

この発明は、回転電機におけるロータの冷却構造に関するものである。

従来の回転電機における冷却装置として、例えば、特許文献１に示されるように、シャフトとこのシャフトを補強するボスなどの複数の部品を組み合わせてロータ軸を構成したものにおいて、シャフトの軸芯部とシャフトおよびボスの締結部とにそれぞれ冷却油路を設け、この冷却油路を通して冷却油を供給し、ロータおよびステータなどを冷却するものが知られている。

特許第５４４８５５９号公報

しかしながら、上述の特許文献１に示された冷却装置では、シャフト軸芯部の穴からシャフトとボスの締結部を連通し、ボス外周面まで到達させる貫通穴を設けてロータの油路を形成しているため、ボスのような円筒部品において径方向に長い穴を加工することが難しく、生産コストが高くなるという問題があった。
また、シャフトとボスの締結部に連通する油路を設けているため、各部品の寸法精度・組付け精度によって締結部での油路径にばらつきを生じる恐れがあり、製品間で油量が一定とならずロータの冷却性にばらつきが発生するという問題があった。
さらに、ロータを効率よく冷却するためには、ロータの熱源である永久磁石を冷却することが好ましいが、油路が長いため、永久磁石に供給される冷却液は、ボスやロータコアと熱交換してしまった後の高温化したものとなり、冷却が不十分となる問題があった。

また、油路の長さは圧損の増大を招くため、冷却に必要な油量を確保するためには油路径の大径化が必要であり、各部品の大型化によるコスト増および重量増となる問題があった。
さらに、上述の特許文献１に示された冷却装置では、ロータコアの間にスペーサを設け、ロータの回転による遠心力を利用して冷却液を広げ、ステータコアにも油を飛ばしてステータも冷却するように構成しているが、スペーサの厚みだけ出力が下がることになるため、必要な出力を得るにはモータを大型化しなければいけない問題があった。加えて、ロータから飛ばされた冷却液は、ロータとステータの空隙に入り込み、ロータ回転時にせん断されることによって発熱してしまうため、冷却液が熱源となる問題もある。
また、ハイブリッド自動車や電気自動車などにおける回転電機では、エンジンの燃費効率が悪い低回転域での高トルクが望まれるが、ロータの回転による遠心力を利用する場合、ロータの冷却性は、回転数に依存することになるため、低回転域では冷却液の供給が不十分となり出力不足になる問題がある。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、ロータで発生した熱を簡素な構成で効率的に冷却させることを目的としている。

この発明に係る回転電機は、ハウジングと、このハウジングに軸受を介して回転可能に支持されたシャフトと、このシャフトに固定されたボスと、このボスの円筒部外周面に取付けられたロータコアと、このロータコアの外周に間隙を有して取付けられた永久磁石と、前記ロータコアの両端面に取付けられた一対のエンドプレートと、前記ボスの円筒部端面に配置され、前記シャフトの外周部と前記ボスの円筒部内周面とともに空間を形成するガイドプレートとを備え、前記シャフトに軸端から前記空間と連通する貫通油路穴を設けるとともに、前記エンドプレートの内周面に前記ロータコアと前記永久磁石との間隙に連通する油路溝を設け、かつ、前記ボスに前記空間と前記油路溝とを連通する貫通油路穴を設けたことを特徴とするものである。

この発明による回転電機によれば、シャフトとボスとからなるロータ軸の油路長さを短くすることが可能となるため、ロータ軸の加工を容易にすることができる。
また、シャフトの貫通油路穴とボスの貫通油路穴とを対向位置に設ける必要がなく、さらに、エンドプレートの内周端面に溝加工を施して油路溝を形成するため、溝形状の自由度が高く、ボスの貫通油路穴に対し、寸法精度・組付け精度を考慮した開口部を容易に備えることができ、この結果、油路径のバラツキが小さく、簡便な方法で安定した冷却性を得ることができる。

この発明の実施の形態１に係る回転電機の概略構成を示す断面図である。図１におけるロータ内の冷却液の流れを説明するための断面図である。図２におけるＢ−Ｂ線に沿ったボスとエンドプレートを示す要部断面図である。この発明の実施の形態１に係る回転電機における冷却液の他の流れを説明するための断面図である。この発明の実施の形態２に係る回転電機における概略構成を示す断面図である。図５におけるガイドプレートの概略構成を示す斜視図である。この発明の実施の形態２に係る回転電機における冷却液の流れを説明するための断面図である。

実施の形態１
以下、この発明を実施の形態１である図１〜図３を参照して説明する。
なお、各図中、同一符号は、同一あるいは相当部分を示すものとする。

図１は、この発明の実施の形態１に係る回転電機の概略構成を示す断面図である。
このような回転電機は、電動機または発電機としての機能を有しており、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車などに搭載されている。

図1において、回転電機１は、一対の椀状の部材２ａ、２ｂを突き合わせて形成されたハウジング２と、このハウジング２内に円周状に配置されたステータ２０と、ステータ２０との間に一定の空隙を介して、ハウジング２に回転可能に配置されたロータ１０とを備えて構成されている。
ここで、ステータ２０は、円環状のステータコア２１と、ステータコア２１の両端面に組み付けられたインシュレータ２２と、インシュレータ２２を介してステータコア２１に巻回されたステータコイル２３と、ステータコア２１の両端面にステータコイル２３のコイルエンド２３ａを覆うよう配置されたコイルエンドカバー２４とを備えている。

一方、ロータ１０は、ハウジング２内に取付けられた軸受３を介して回転可能に支持されたシャフト１１と、このシャフト１１を補強するためシャフト１１に固定された支持部および円筒部を有するボス１２と、このボス１２の外周に取付けられたロータコア１３と、このロータコア１３の外周に配置された磁極を構成する永久磁石１４と、ボス１２の外周部に嵌合され、ロータコア１３および永久磁石１４を固定するための一対のエンドプレート１５、１６及び挟持部材１７とを備えている。

また、ボス１２の内周側側端部に当接して配置されたガイドプレート１８を備え、このガイドプレート１８、シャフト１１の外周部とボス１２の内周部、シャフト１１とボス１２の締結部によってロータ１０内に空間Ａを形成している。さらに、シャフト１１には、一端から軸方向に設けられた軸方向穴と、この軸方向穴から径方向に延長され、空間Ａに連通する径方向穴とからなる貫通油路穴１１ａが形成されている。また、ボス１２には、空間Ａに連通する複数の貫通油路穴１２ａが設けられており、さらに、一方のエンドプレート１５には、ロータコア１３とロータコア１３の外周部に配置された永久磁石１４との間隙に連通可能な複数の油路溝１５ａが形成されている。

また、ハウジング２には、外部ポンプから圧送された冷却液を導入、排出するための注入口および排出口（いずれも図示せず）と、注入口から注入された冷却液をステータ２０の両端まで送るための油路７と、油路７から送られてきた冷却液５をコイルエンド２３ａもしくはコイルエンドカバー２４の内壁に向けて噴射するための複数の噴射孔７ａと、軸受３に向けて冷却液５を噴射させる複数の噴射孔７ｂと、シャフト１１に設けた貫通油路穴１１ａに冷却液を供給するための油路７ｃ（油路７との連結部分は図示せず）とが形成されている。

次に、上述のように構成された回転電機１の冷却作用について説明する。
まず、自動車などのエンジンが起動されると、外部ポンプおよび回転電機１が動作し、外部ポンプにより油路７、噴射孔７ａ，７ｂ，７ｃを通して回転電機１内部に冷却液が圧送される。この油路７、噴射孔７ａ，７ｂ，７ｃを通して供給された冷却液は、シャフト１１の貫通油路穴１１ａから空間Ａに放出され、ロータ１０が回転している場合、ロータ１０の遠心力により、また、ロータ１０が極低回転もしくは回転していない場合、自重によってボス１２の内周面に集められる。この際、図２に示すように、ボス１２の端面に設けたガイドプレート１８が堰の役割を果たし、ボス１２の内周面に形成された空間Ａに冷却液（図中点線で示す）を溜めておき、軸方向への流出を抑制することができる。

また、空間Ａに溜められた冷却液は、ボス１２の貫通油路穴１２ａと、この貫通油路穴１２ａと連通するエンドプレート１５に設けられた油路溝１５ａを介して図２における矢印で示すように、ロータコア１３と永久磁石１４との間隙に供給されることになる。これにより、熱交換を最小限に抑えた冷却液を永久磁石１４に供給することができ、より効率的なロータ１０の冷却を実現することができる。
なお、図３は、図２におけるＢ−Ｂ線に沿ったボスとエンドプレートの要部断面を示している。

ここで、シャフト１１とボス１２とからなるロータ軸に形成された油路は、空間Ａに連通するシャフト１１の貫通油路穴１１ａと、空間Ａから永久磁石１４側に連通するボス１２の貫通油路穴１２ａのみとすることができる。この結果、シャフト１１とボス１２の油路長さを短くすることが可能となるため、ロータ軸の加工を容易にすることができる。
また、シャフト１１の貫通油路穴１１ａとボス１２の貫通油路穴１２ａとを相対向した位置に設ける必要がなく、さらに、エンドプレート１５の内周端面に溝加工を施して油路溝１５ａを形成するため、溝形状の自由度が高く、ボス１２の貫通油路穴１２ａに対し、寸法精度・組付け精度を考慮した開口部を容易に設けることができる。したがって、油路径のバラツキが小さく、簡便な方法で安定した冷却性を得ることが可能となる。

また、ボス１２の内周面から永久磁石１４までの油路を短くすることができるため、冷却液の圧力損失が小さくなり、ガイドプレート１８で冷却液を溜めて置くことによって、ロータ軸の極低回転における僅かな遠心力でも十分に冷却液を永久磁石１４にまで供給することができ、かつ、ロータ軸が回転していない場合でも、冷却液の自重によって供給が行われ、ロータ１０の冷却を加速させることができる。

加えて、ガイドプレート１８が放熱ファンの役割を果たし、ロータ１０が回転することによってガイドプレート１８が空冷され、ガイドプレート１８と接する冷却液も間接的に冷却されることになり、より温度の低い冷却液を永久磁石１４に供給することができ、より効率的なロータ１０の冷却が実現できる。

次に、このような実施の形態１における他の冷却作用について図４に基づいて説明する。
実施の形態１においては、図４に示すように、軸受３を支持するハウジング２の軸受部２ｃにおける軸方向端面をハウジング部材２ａの内壁部に対し、突出するように構成している。

このように軸受部２ｃを突出させることにより、ハウジング部材２ａに構成された噴射孔７ｂから噴出した冷却液がハウジング部材２ａの内周壁を伝わった後、軸受部２ｃ近傍で軸受部２ｃの突出方向に流れを変えることができ、その後、軸受部２ｃの軸方向端面における冷却液の表面張力により、軸受部２ｃの端面に沿って軸受３に流れる流れＸと、軸受部２ｃの軸方向端面、ガイドプレート１８の端面およびシャフト１１によって形成される空間Ｃ内に流れる流れＹと、冷却液の自重により軸受部２ｃから落下する流れＺの３つの流れを形成することができる。
これにより、流れＸにより軸受３を潤滑させることができるとともに、流路Ｙ、Ｚにより空間Ｃ内に飛散した冷却液をガイドプレート１８に当接させることができるため、空冷により冷却されたガイドプレート１８を油冷でさらに冷却させることができる。したがって、ガイドプレート１８とボス１２内周部間に溜めた冷却液を冷却することができ、より効率的な冷却を行わせることが可能となる。

実施の形態２．
図５は、この発明の実施の形態２における回転電機の概略構造を示す断面図である。
上述の実施の形態１においては、ガイドプレート１８を略円盤状とし、軸受部２ｃの軸方向端面をボス１２から軸方向に離間した位置に配置しているが、実施の形態２では、図５、図６に示すように、ガイドプレート１８を略カップ状の形状とするとともに軸受３を支持するハウジング部材２ａの軸受部２ｃを突出させ、ガイドプレート１８の軸方向の面１８ａをボス１２の内周面および軸受部２ｃの外周面と間隙を持って対向するように構成している。

このように構成することによって、シャフト１１の貫通油路穴１１ａから放出された冷却液は、ボス１２の内周面と略カップ状のガイドプレート１８の軸方向面１８ａとの間の空間に溜まらせることができ、ガイドプレート１８と接する冷却液の表面積を大きくすることができる。したがって、ロータ１０が回転することによってガイドプレート１８を空冷させることが可能となり、これに伴って空間Ａに滞留した冷却液を冷却することができ、より効果的な冷却を行わせることができる。

また、図７に示すように、ガイドプレート１８の軸方向面１８ａを軸方向に突出した軸受部２ｃの外周面にオーバーラップさせることによって、流れＹによる冷却液だけでなく、軸受部２ｃより落下する流れＺの冷却液もガイドプレート１８に当接させることができるため、より多くの冷却液をガイドプレート１８の広い面と接触させることができ、冷却効果をさらに高めることが可能となる。

なお、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で適宜、変形、省略することが可能である。

１：回転電機、２：ハウジング、２ａ，２ｂ：ハウジング部材、
３：軸受、７：油路、７ａ，７ｂ：噴射孔、７ｃ：油路、
１０：ロータ、１１：シャフト、１１ａ：貫通油路穴
１２：ボス、１２ａ：貫通油路穴、１３：ロータコア、
１４：永久磁石、１５，１６エンドプレート、１５ａ：油路溝、
１７：挟持部材、１８：ガイドプレート、１８ａ：軸方向面、
２０：ステータ、２１：ステータコア、２２：インシュレータ、
２３：ステータコイル、２３a：コイルエンド、２４：コイルエンドカバー

Claims

ハウジングと、このハウジングに軸受を介して回転可能に支持されたシャフトと、このシャフトに固定されたボスと、このボスの円筒部外周面に取付けられたロータコアと、このロータコアの外周に間隙を有して取付けられた永久磁石と、前記ロータコアの両端面に取付けられた一対のエンドプレートと、前記ボスの円筒部端面に配置され、前記シャフトの外周部と前記ボスの円筒部内周面とともに空間を形成するガイドプレートとを備え、
前記シャフトに軸端から前記空間と連通する貫通油路穴を設けるとともに、前記エンドプレートの内周面に前記ロータコアと前記永久磁石との間隙に連通する油路溝を設け、かつ、前記ボスに前記空間と前記油路溝とを連通する貫通油路穴を設けたことを特徴とする回転電機。
前記ガイドプレートは略カップ状に形成したことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
前記ハウジングにおける前記軸受を支持する軸受部を軸方向に突出させ、前記ガイドプレートの軸方向の面を前記ボスの内周面および前記軸受部の外周面と空間を持って対向するように構成したことを特徴とする請求項２に記載の回転電機。