JP6272526B1 - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、固定子巻線、回転子に装着された永久磁石などを効率よく冷却できる回転電機を得る。【解決手段】回転軸１１の軸方向の一端が冷媒貯留部８の内部に挿入され、軸方向流路２０が回転軸１１の軸方向一端から他端側に軸中心線に沿って形成され、冷媒溜まり部２２が第１端板１５の回転子鉄心１２と接する面を凹ませて環状に形成され、径方向流路２１が第１端板１５の軸方向の装着位置で、軸方向流路２０に対して直交して接続されて回転軸１１の外周面に開口し、冷媒溜まり部２２と直接接続され、絞り栓２３が径方向流路２１の出口側に装着されている。【選択図】図２

Description

この発明は、例えば電動機、発電機などの回転電機に関し、特に、回転子に装着された永久磁石の冷却構造に関するものである。

従来の回転電機では、回転軸の一端部より他端部近傍まで軸中心線に沿って設けられた第１の流路と、他端部近傍において第１の流路に設定される接続部で、第１の流路に対して略直交して接続され、回転軸の外周側に向かって開放された第２の流路と、を備え、第２の流路の流路断面積が、回転軸の外周側に向かって増大するように構成されていた（例えば、特許文献１参照）。

特許第６０３２０５６号公報

従来の回転電機では、第２の流路の流路断面積が径方向外方に向かって漸次増大しているので、回転軸の回転が高速となるにつれて、第２の流路からの冷媒の放出量が増大し、第１の流路から第２の流路への冷媒の供給、すなわち第１の流路への冷媒の吸い込みが追いつかなくなる。このように、回転子の高速回転領域では、第１の流路への冷媒の吸い込み量が少なくなり、固定子巻線、回転子に装着された永久磁石などを効率よく冷却できなくなるという課題があった。

この発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、固定子巻線、回転子に装着された永久磁石などを効率よく冷却できる回転電機を得ることを目的とする。

この発明による回転電機は、ハウジングと、上記ハウジングに保持された固定子と、上記ハウジングに回転可能に保持された回転軸に固着されて、上記固定子内に上記固定子と同軸に配設された回転子と、を備え、上記回転子は、上記回転軸に装着され、複数の磁石収納穴が、それぞれ、穴方向を軸方向として、軸方向の一端から他端に至るように形成されて、周方向に配列されている回転子鉄心と、上記複数の磁石収納穴のそれぞれに収納されている永久磁石と、上記回転子鉄心の軸方向の一端面に接する状態に上記回転軸に装着されて、上記複数の磁石収納穴を覆っている第１端板と、を備え、上記回転軸の軸方向の一端が内部に挿入されている冷媒貯留部と、上記回転軸の軸方向の一端から他端側に軸中心線に沿って形成された軸方向流路と、上記第１端板の上記回転子鉄心と接する面を凹ませて上記回転軸を取り囲む環状に形成され、上記複数の磁石収納穴の少なくとも１つが接続される冷媒溜まり部と、上記第１端板の軸方向の装着位置で、上記軸方向流路に対して直交して接続されて上記回転軸の外周面に開口し、上記冷媒溜まり部と直接、または上記第１端板の上記回転子鉄心と接する面を凹ませて形成された径方向に延びる連通路を介して接続される、少なくとも１つの径方向流路と、上記軸方向流路から上記冷媒溜まり部に至る流路のなかの少なくとも１つの流路の一部に形成された、流路断面積を縮小する絞り部と、を有する。

この発明によれば、回転子の回数の上昇とともに、冷媒貯留部から軸方向流路への冷媒の吸い込み量が増加し、固定子巻線、回転子に装着された永久磁石などを効率よく冷却できる。

この発明の実施の形態１に係る回転電機を示す断面図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機の要部を示す断面図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機における冷媒の吸い込み量と回転子の回転数との関係を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る回転電機の要部を示す断面図である。 この発明の実施の形態３に係る回転電機の要部を示す断面図である。 この発明の実施の形態４に係る回転電機の要部を示す断面図である。 この発明の実施の形態５に係る回転電機における冷媒の吸い込み量と回転子の回転数との関係を示す図である。

以下、本発明による回転電機の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る回転電機を示す断面図、図２はこの発明の実施の形態１に係る回転電機の要部を示す断面図である。なお、図１および図２において、Ａは回転軸の軸中心線である。

図１および図２において、回転電機１００は、ハウジング１と、ハウジング１内に配設された固定子２と、軸受５を介してハウジング１に回転可能に支持された回転軸１１に固着されて、固定子２の内周側に同軸に配設された回転子１０と、を備える。

固定子２は、円環状の固定子鉄心３と、固定子鉄心３に装着された固定子巻線４と、を備える。

回転子１０は、回転軸１１と、電磁鋼板を積層して構成され、その軸心位置を挿通する回転軸１１に固着された回転子鉄心１２と、磁極を構成する永久磁石１３と、とを備える。磁石収納穴１４が、それぞれ、穴方向を回転軸１１の軸方向と平行として、回転子鉄心１２の外周部に軸方向の一端から他端に至るように形成されて、周方向に等角ピッチで複数配設されている。永久磁石１３は、磁石収納穴１４のそれぞれに収納され、接着剤などにより固定されている。

第１端板１５および第２端板１６が、軸方向の両側から回転軸１１に圧入などにより装着、固定され、回転子鉄心１２の回転軸１１からの抜けを防止している。第１端板１５は、回転子鉄心１２より小径で、磁石収納穴１４を覆う円板状に作製されている。第２端板１６は、磁石収納穴１４を露出させる大きさの円板状に作製されている。

回転軸１１には、軸方向流路２０が、回転軸１１の軸心位置に、軸方向一端から第１端板１５の装着位置に至るまで軸中心線Ａに沿って形成されている。径方向流路２１が、それぞれ、第１端板１５の装着位置で、軸方向流路２０の底部から分岐して径方向外方に延びて回転軸１１の外周面に開口するように形成されて、周方向に等角ピッチで４本配設されている。なお、軸方向流路２０は、軸中心線Ａに沿って、軸方向一端から第１端板１５の装着位置を超えて形成されてもよい。

冷媒溜まり部２２が、第１端板１５の回転子鉄心１２に相対する面を環状に凹ませて形成されている。径方向流路２１は冷媒溜まり部２２に直接接続されている。磁石収納穴１４が、冷媒溜まり部２２内に開口している。円筒状の絞り栓２３が、径方向流路２１の外周側端部に圧入、固定されている。

ハウジング１内の鉛直方向の上部には、冷媒分配部６が配設されている、冷媒分配部６の軸方向の一端側と他端側には、開口６ａ，６ｂが形成されている。冷媒流入ポート７から冷媒分配部６内に流入した冷媒としての冷却油は、開口６ａ，６ｂからハウジング１内に排出される。カバー２７が、回転子鉄心１２の軸方向の一端側のハウジング１の部位に取り付けられている。冷媒貯留部８が、ハウジング１とカバー２７とにより形成される。この冷媒貯留部８は、回転子鉄心１２の軸方向の一端側に、かつ回転軸１１の軸心位置に位置している。そして、回転軸１１の軸方向の一端部が、冷媒貯留部８内に挿入されている。さらに、ガイド部材９が、ハウジング１の回転子鉄心１２の軸方向の一端面と相対する内壁面と、回転子鉄心１２と、の間に配設され、開口６ａから排出された冷却油を冷媒貯留部８に案内する。

このように構成された回転電機１００においては、冷却油が、冷媒流入ポート７から冷媒分配部６に供給される。冷媒分配部６に供給された冷却油は、開口６ａ，６ｂからハウジング１内に排出される。開口６ａから排出された冷却油は、ガイド部材９に受けられ、ガイド部材９に案内されて冷媒貯留部８に貯留される。冷媒貯留部８に貯留された冷媒は、軸方向流路２０を通って径方向流路２１のそれぞれに流入する。

ここで、回転電機１００が駆動されると、回転子１０が回転軸１１を回転中心として回転する。回転子１０の回転により、径方向流路２１の冷却油に遠心力が作用し、冷却油が冷媒溜まり部２２内に流出する。これにより、径方向流路２１内に負圧が発生し、冷却油が冷媒貯留部８から軸方向流路２０を介して径方向流路２１に流入する。このように、冷却油が冷媒貯留部８から軸方向流路２０に順次供給され、軸方向流路２０、径方向流路２１および冷媒溜まり部２２を通って磁石収納穴１４の一端側に流入し、磁石収納穴１４の他端からハウジング１内に放出される冷媒流通路が形成される。

このように構成された冷却機構では、冷媒分配部６内に流入した冷媒が開口６ｂからハウジング１内の軸方向他側に排出される。この開口６ｂから排出された冷媒が、軸方向他側に配設された軸受５に浴びせられ、この軸受５での発熱が放熱される。
冷媒が冷媒貯留部８から軸方向流路２０および径方向流路２１を流通することで、軸方向一端側の軸受５での発熱が放熱される。また、磁石収納穴１４内を流通する冷媒により、永久磁石１３での発熱が放熱される。さらに、磁石収納穴１４の他端からハウジング１内に排出された冷却油は、回転子１０の回転により、径方向外方に飛散し、固定子巻線４のコイルエンドに浴びせられ、固定子巻線４での発熱が放熱される。

つぎに、絞り栓２３による効果について説明する。ここで、軸方向流路２０、径方向流路２１および絞り栓２３は、それぞれ、一定の流路断面積を有している。そして、冷媒溜まり部２２の流路断面積をＳ１、軸方向流路２０の流路断面積をＳ２、径方向流路２１の流路断面積をＳ３、絞り栓２３の流路断面積をＳ４としたときに、Ｓ１＞Ｓ２＞Ｓ３＞Ｓ４となっている。また、全ての径方向流路２１に絞り栓２３が装着されている。絞り栓２３が絞り部となる。

本回転電機１００において、回転子１０の回転数を上昇して、冷媒貯留部８から軸方向流路２０への冷媒の吸い込み量を測定した結果を図３に示す。図３はこの発明の実施の形態１に係る回転電機における冷媒の吸い込み量と回転子の回転数との関係を示す図である。なお、図３において、Ｃ１は実施の形態１における冷媒の吸い込み量を示し、Ｃ２は比較例による冷媒の吸い込み量を示している。比較例による回転電機は、絞り栓２３が径方向流路２１のそれぞれに装着されていない点を除いて、回転電機１００と同様に構成されている。

図３のＣ１で示されるように、実施の形態１では、回転子１０の回転数が上昇するとともに、冷媒の吸い込み量が上昇した。一方、比較例では、図３のＣ２に示されるように、回転子１０の回転数が上昇するとともに、冷媒の吸い込み量が上昇し、回転子１０の回転数がＲ２を超えると、冷媒の吸い込み量が低下し、回転子の回転数がＲ３を超えると、冷媒の吸い込み量がほぼ一定となった。このように、回転子１０の回転数が高い領域では、絞り栓２３を装着した方が、冷媒の吸い込み量が多くなり、永久磁石１３や固定子巻線４を効率よく冷却できることがわかった。

これは、比較例では、回転数が低い領域では、径方向流路２１の出口側での圧力の低下がなく、回転数が上昇するにしたがい、冷媒の吸い込み量が増加する。しかし、回転数がＲ２を超えると、軸方向流路２０を介しての径方向流路２１への供給量が径方向流路２１から冷媒溜まり部２２への流出量に追いつかなくなり、径方向流路２１の出口側での圧力が低下し、冷媒の吸い込み量が低下したものと推考される。
実施の形態１では、絞り栓２３により、径方向流路２１の出口側の流路断面積が小さく設定されている。そこで、回転子１０の回転数が上昇しても、径方向流路２１の出口側での圧力の低下が抑制されるので、回転子１０の回転数が上昇するほど、冷媒の吸い込む量が多くなったものと推考される。

このように、実施の形態１によれば、径方向流路２１の出口側に絞り栓２３が装着され、径方向流路２１の流路断面積が出口側で小さくなっている。これにより、回転子１０の回転数が上昇するほど、冷媒の吸い込む量が多くなるので、永久磁石１３を効率よく冷却でき、永久磁石１３の温度上昇を抑制できる。そこで、永久磁石１３の熱減磁を防止するために、耐熱性に優れた磁石材料を用いる必要がない。すなわち、磁石材料のグレードを下げることができ、低コスト化が図られる。
回転子１０を回転させることで、冷媒貯留部８内の冷却油を軸方向流路２０に吸い込ませることができるので、外部ポンプなどの動力が不要となり、低コスト化が図られる。
絞り栓２３を径方向流路２１に挿入して、絞り部を構成している。そこで、径方向流路２１を一定の流路断面積に形成できるので、回転軸１１の加工が容易となる。

実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２に係る回転電機の要部を示す断面図である。

図４において、冷媒溜まり部２２が、第１端板１５の回転子鉄心１２に相対する面に、径方向流路２１から径方向に離間して環状に形成されている。連通路２４が、通路方向を径方向として、第１端板１５の回転子鉄心１２に相対する面に、径方向流路２１のそれぞれと冷媒溜まり部２２とを連通するように形成されている。そして、連通路２４が、径方向流路２１の流路断面積より小さい流路断面積に形成されており、絞り部を構成する。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。

実施の形態２では、連通路２４の流路断面積が径方向流路２１の流路断面積より小さくなっており、軸方向流路２０から冷媒溜まり部２２に至る冷媒流路の一部が狭められている。これにより、回転子１０の回転数が上昇しても、径方向流路２１の出口側での圧力の低下が抑制される。したがって、実施の形態２においても、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。
実施の形態２によれば、絞り栓２３が不要となるので、部品点数が削減され、低コスト化が図られる。

実施の形態３．
図５はこの発明の実施の形態３に係る回転電機の要部を示す断面図である。

図５において、大径部２５が各径方向流路２１の出口側に形成されている。絞り栓２３が大径部２５に圧入、固定されている。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。

実施の形態３では、絞り栓２３が径方向流路２１の出口側に配設されているので、径方向流路２１の出口側の流路断面積が小さくなる。したがって、実施の形態３においても、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。
実施の形態３によれば、絞り栓２３が径方向流路２１の出口側に形成された大径部２５に圧入、固定されている。そこで、大径部２５の加工精度を高めことで、絞り栓２３を大径部２５の底部に突き当たるまで挿入することで、絞り栓２３を所定の位置に高精度に設置できる。このように、絞り栓２３の設置位置の管理が不要となり、組立性を向上させることができる。また、絞り栓２３の固定力が消失しても、絞り栓２３が径方向流路２１内を軸心方向に移動することがなく、信頼性が向上される。

なお、上記実施の形態１，３では、絞り栓が径方向流路に圧入固定されているが、絞り栓は径方向流路に挿入されて接着剤により固定されてもよい。

実施の形態４．
図６はこの発明の実施の形態４に係る回転電機の要部を示す断面図である。

図６において、冷媒溜まり部２２が、第１端板１５の回転子鉄心１２に相対する面に、径方向流路２１から径方向に離間して環状に形成されている。連通路２４が、通路方向を径方向として、第１端板１５の回転子鉄心１２に相対する面に、径方向流路２１のそれぞれと冷媒溜まり部２２とを連通するように形成されている。突起２６が各連通路２４の内壁面に形成されている。ここで、連通路２４の流路断面積は、径方向流路２１の流路断面積以上となっている。突起２６の形成部における流路断面積が、径方向流路２１の流路断面積より小さくなっており、絞り部を構成する。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。

実施の形態４では、突起２６の形成部分の流路断面積が径方向流路２１の流路断面積より小さくなっており、軸方向流路２０から冷媒溜まり部２２に至る冷媒流路の一部が狭められている。したがって、実施の形態４においても、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。
実施の形態４によれば、絞り栓２３が不要となるので、部品点数が削減され、低コスト化が図られる。

実施の形態５．
上記実施の形態１では、絞り栓２３が４つの径方向流路２１のそれぞれに装着されているが、実施の形態６では、絞り栓２３が３つの径方向流路２１のそれぞれに装着されている。
なお、他の構成は、実施の形態１と同様に構成されている。

このように構成された回転電機において、回転子１０の回転数を上昇して、冷媒貯留部８から軸方向流路２０への冷媒の吸い込み量を測定した結果を図７に示す。図７はこの発明の実施の形態５に係る回転電機における冷媒の吸い込み量と回転子の回転数との関係を示す図である。なお、図７において、Ｃ１は実施の形態１における冷媒の吸い込み量を示し、Ｃ３は実施の形態５における冷媒の吸い込み量を示している。

図７のＣ３で示されるように、実施の形態５では、回転子１０の回転数が上昇するとともに、冷媒の吸い込み量が上昇し、回転子１０の回転数がＲ４を超えると、冷媒の吸い込み量が低下し、回転子の回転数がＲ５を超えると、冷媒の吸い込み量が上昇した。

これは、回転数が低い領域では、絞り栓２３が装着されていない径方向流路２１から冷媒溜まり部２２への冷却油の放出量が、絞り栓２３が装着されている径方向流路２１から冷媒溜まり部２２への冷却油の放出量より多くなっている。すなわち、絞り栓２３が装着されていない径方向流路２１が存在することで、４本の径方向流路２１から冷媒溜まり部２２への冷却油の放出量が、実施の形態１より多くなる。そこで、実施の形態５では、冷却油の放出量の増大に追従して、軸方向流路２０への冷却油の吸い込み量が増大し、実施の形態１に比べて、多くなったものと推考される。

そして、回転数がＲ４を超えると、絞り栓２３が装着されていない径方向流路２１への冷媒の供給量が、当該径方向流路２１から冷媒溜まり部２２への流出量に追いつかなくなり、径方向流路２１の出口側での圧力が低下し、軸方向流路２０への冷媒の吸い込み量が低下したものと推考される。さらに、回転数がＲ５を超えると、絞り栓２３が装着されていない径方向流路２１への冷却油の供給量と絞り栓２３が装着されている径方向流路２１への冷却油の供給量とが同等となる。そこで、回転数の上昇とともに、冷媒の吸い込み量が、実施の形態１による冷媒の吸い込み量に近づくように上昇したものと推考される。

ここで、絞り栓２３を装着する径方向流路２１の個数を変えることで、吸い込み量の変曲点における回転数Ｒ４、Ｒ５が変わることが確認された。

このように、実施の形態５によれば、特定の回転数のときに、冷媒の吸い込み量が最大となるように、絞り栓２３が装着される径方向流路２１の個数を調節することができる。すなわち、特定の回転数のときに、固定子巻線４、永久磁石１３などを効果的に冷却することができるように回転電機を構成することはできる。

なお、上記実施の形態５では、実施の形態１における回転電機を用いて説明しているが、他の実施の形態による回転電機に用いても，同様の効果が得られる。

また、上記各実施の形態では、冷媒溜まり部に接続する磁石収納穴の個数について特定していないが、必ずしも全ての磁石収納穴を冷媒溜まり部に接続する必要はなく、例えば、周方向の配列されている磁石収納穴を１つおきに冷媒溜まり部に接続してもよい。
また、上記各実施の形態では、４つの径方向流路を形成しているが、径方向流路の個数は４つ限定されず、冷却性能を考慮して、径方向流路の個数を適宜設定すればよい。

１ ハウジング、２ 固定子、８ 冷媒貯留部、９ ガイド部材、１０ 回転子、１１ 回転軸、１２ 回転子鉄心、１３ 永久磁石、１４ 磁石収納穴、１５ 第１端板、２０ 軸方向流路、２１ 径方向流路、２２ 冷媒溜まり部、２３ 絞り栓（絞り部）、２４ 連通路、２５ 大径部、２６ 突起（絞り部）。

Claims (9)

1. ハウジングと、
   上記ハウジングに保持された固定子と、
   上記ハウジングに回転可能に保持された回転軸に固着されて、上記固定子内に上記固定子と同軸に配設された回転子と、を備え、
   上記回転子は、上記回転軸に装着され、複数の磁石収納穴が、それぞれ、穴方向を軸方向として、軸方向の一端から他端に至るように形成されて、周方向に配列されている回転子鉄心と、上記複数の磁石収納穴のそれぞれに収納されている永久磁石と、上記回転子鉄心の軸方向の一端面に接する状態に上記回転軸に装着されて、上記複数の磁石収納穴を覆っている第１端板と、を備える回転電機において、
   上記回転軸の軸方向の一端が内部に挿入されている冷媒貯留部と、
   上記回転軸の軸方向の一端から他端側に軸中心線に沿って形成された軸方向流路と、
   上記第１端板の上記回転子鉄心と接する面を凹ませて上記回転軸を取り囲む環状に形成され、上記複数の磁石収納穴の少なくとも１つが接続される冷媒溜まり部と、
   上記第１端板の軸方向の装着位置で、上記軸方向流路に対して直交して接続されて上記回転軸の外周面に開口し、上記冷媒溜まり部と直接、または上記第１端板の上記回転子鉄心と接する面を凹ませて形成された径方向に延びる連通路を介して接続される、少なくとも１つの径方向流路と、
   上記軸方向流路から上記冷媒溜まり部に至る流路のなかの少なくとも１つの流路の一部に形成された、流路断面積を縮小する絞り部と、を有する回転電機。
2. 上記絞り部は、筒状の絞り栓を上記径方向流路に装着して構成されている請求項１記載の回転電機。
3. 大径部が、上記径方向流路の開口側に形成されており、
   上記絞り栓が、上記大径部に装着されている請求項２記載の回転電機。
4. 上記絞り栓は、上記径方向流路に圧入固定されている請求項２又は請求項３記載の回転電機。
5. 上記絞り栓は、上記径方向流路に接着固定されている請求項２又は請求項３記載の回転電機。
6. 上記絞り部は、上記連通路の上記径方向流路から上記冷媒溜まり部に至る領域の流路断面積を、上記径方向流路の流路断面積より小さくして構成されている請求項１記載の回転電機。
7. 上記絞り部は、上記連通路の上記径方向流路から上記冷媒溜まり部に至る領域の一部の流路断面積を、上記径方向流路の流路断面積より小さくして構成されている請求項１記載の回転電機。
8. 上記絞り部は、上記軸方向流路から上記冷媒溜まり部に至る流路のなかの少なくとも１つの流路を除く流路に形成されている請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の回転電機。
9. 上記冷媒貯留部より鉛直上方の位置から上記ハウジング内に供給された冷媒を上記冷媒貯留部に案内するガイド部材を備える請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の回転電機。

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