JP6318056B2 - 回転電機のハウジング、およびこれを備えた回転電機 - Google Patents
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Description
本発明は回転電機のハウジング、およびこれを備えた回転電機に関する。
ハイブリット電気自動車（ＨＥＶ）や電気自動車（ＥＶ）において、回転電機は駆動用内燃機関の補助原動機や駆動用の主原動機等に使用される。
このような回転電機に用いられるハウジングには、トルク反力や固定子に働く振動による慣性力に対する固定子のすべり防止と固定子導体の発熱を機外や冷却液に放熱・伝熱することが要求される。
従来の回転電機のハウジング構造としては、略円筒のセンターハウジングと、その開口部を塞ぐフロントハウジングとリアハウジングで構成される構造が知られている。このようなハウジング構造を用いる回転電機の構成としては、センターハウジングは内径側に焼嵌めや圧入により締結された固定子を有し、固定子は電磁鋼板を積層した固定子鉄心と、固定子鉄心に設けられた１箇所以上のスロットに固定子コイルを巻装して成形され、固定子の内径側には所定のギャップを設けて回転可能に保持された回転子を有し、回転子は電磁鋼板を積層したに回転子鉄心と、回転子鉄心に設けられた１箇所以上のスロットに焼嵌めや圧入あるいは接着で締結され固定子導体と、内径側に焼嵌めや圧入により締結された回転子軸により成形され、回転子軸はフロントハウジングとリアハウジングに設けられた軸受を介して回転可能に保持され、フロントハウジング側で保持される軸の突出部が動力を伝達する構成が知られている。固定子の外周部がセンターハウジング内周部と全周域で接触締結することにより、トルク反力や固定子に働く振動による慣性力に対して固定子のすべりが発生しない強固な締結が可能となる。また、固定子外周部が全面でセンターハウジング内周と接触させることにより、固定子導体で発した熱のセンタ−ハウジングへの伝熱面積を最大化可能となる。
近年、特に電気自動車用の回転電機には高出力化の技術要求が高い。高出力化を行うためには、固定子積厚の増加や電流量の増加が有効である。ただし、固定子積厚の増加は回転電機構造を大型化させる。従来、センターハウジングと固定子は焼嵌めや圧入による締結方法が一般的であったが、積厚増加によるモータ構造大型化により、焼嵌め時間の増加による生産効率の低減や焼嵌め設備大型化の懸念がある。また、固定子積厚増加に伴う圧入距離の増加により必要圧入力が増加し、圧入設備の大型化が必要となる。回転電機の電流増加は固定子導体の発熱量を増加させるため、回転電機冷却には冷却液や油による強制冷却が必要となる。
このような課題を解決するために、センターハウジンングを積厚方向に二分割構造し、分割したセンタ−ハウジング構造の一部に勘合するテーパ部を設け、固定子と二分割センターハウジング構造を圧入する構造が提案されている（例えば、特許文献１）。また、固定子導体の発熱量増加に対して冷却液による回転電機の強制冷却を行うために、センタ−ハウジング内部に冷却液の流路を設けた構造（例えば、特許文献２）やセンタ−ハウジングの外周面に冷却液の流路を凹ませて設け、円筒状のカバーを外筒としてセンタ−ハウジングの外周に設置して冷却液による強制冷却を行う構造（例えば、特許文献３）が提案されている。
特許文献１のような構成では、二分割センターハウジング製造時のテーパ角度の加工公差により、テーパ勘合部の締結力が十分に発生せず、トルク反力や振動による慣性力に対して固定子のすべりを発生せずに固定することが出来ない可能性がある。また、必要な締結力を発生させるために、テーパ締め代を加工公差に対して増加させると、ハウジング外周部の周方向応力が増加するため、場合によってはハウジング強度確保のために板厚を径方向に増加させる必要があり、回転電機の大型化につながる。
特許文献２のような構成では、冷却液流路をセンターハウジングの内部に成形するため、その製造には、砂や樹脂により構成された中子で流路を成形したダイカスト等の鋳造で生産する必要がある。従って、センターハウジングの製造費が高くなることが懸念される。
特許文献３では特許文献２と異なり、流路がセンターハウジング外周部に成形されるため、製造には好適である。しかし、流路のカバーとなる外筒はセンターハウジンの外周に設置と冷却液の気密のみを行っているため、固定子の外力に対する固定はセンターハウジングと固定子間の締結力のみで行っている。そのため、積厚増加時のセンターハウジングと固定子の締結には上記した締結作業に関する問題が発生する。
そこで、本発明は、二段階圧入の各圧入工程における圧入力を低減でき、且つ、高冷却効果を持つ回転電機のハウジング、およびこれを備えた回転電機を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、内径側に固定子を圧入可能なように構成され、外径側表面に内筒側テーパ面を有する内筒と、前記内筒側テーパ面と嵌合する外筒側テーパ面を内径側に有する外筒と、を備え、前記内筒の軸方向端部に前端板と後端板とが設けられ、前記外筒の軸方向長さが、前記固定子の軸方向長さに前記内筒側テーパ面及び前記外筒側テーパ面の加工公差による最小位置ずれ量と最大位置ずれ量とを加えた長さであり、前記最小位置ずれ量と前記最大位置ずれ量とを加えた長さの前記外筒の軸方向端部と、前記前端板及び後端板の前記外筒側の面との間をそれぞれ０ｍｍ以上としたことを特徴とする。
本発明によれば、二段階圧入の各圧入工程における圧入力を低減でき、且つ、高冷却効果を持つ回転電機のハウジング、およびこれを備えた回転電機を提供することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。
なお、以下の説明では、回転電機の一例として、ハイブリッド電気自動車の駆動に用いられる電動機を用いる。ただし、本発明はハイブリッド電気自動車の駆動用以外の回転電機に適用することも可能である。例えば、電気自動車の駆動用以外の回転電機、その他自動車の回転電機、その他輸送機械、産業機械、インフラ機器、医療機器、生活家電、検査・分析機器の回転電機などに用いることも可能である。
なお、以下の説明では、回転電機の一例として、ハイブリッド電気自動車の駆動に用いられる電動機を用いる。ただし、本発明はハイブリッド電気自動車の駆動用以外の回転電機に適用することも可能である。例えば、電気自動車の駆動用以外の回転電機、その他自動車の回転電機、その他輸送機械、産業機械、インフラ機器、医療機器、生活家電、検査・分析機器の回転電機などに用いることも可能である。
また、以下の説明において、「軸方向」は回転電機の回転軸に沿った方向（図面におけるＸ軸の方向）を指す。周方向は回転電機の回転方向に沿った方向を指す。「径方向」は回転電機の回転軸を中心としたときの動径方向（半径方向）を指す。「内周側」は径方向内側（内径側）を指し、「外周側」はその逆方向、すなわち径方向外側（外径側）を指す。
実施例１について図１から図７を用いて説明する。
ハウジング内筒１０と、その同心円上でハウジング内筒１０の外周部に圧入により締結されるハウジング外筒１１と、ハウジング内筒１０の開口部を塞ぐフロントハウジング１２とリアハウジング１３を有する。フロントハウジング１２とリアハウジング１３はハウジング内筒１０に焼嵌め、圧入、ボルト、接着、溶接、かしめ、リベット等で締結される。
なお、フロントハウジング１２はハウジング内筒１０にダイキャスト等の鋳造で一体製造されても良い。
ハウジング内筒１１は内径側に固定子２０を有する。固定子２０はハウジング内筒１０に設けられたストッパ１００に接触することで軸方向に位置決めする。固定子２０の内径側には、固定子２０と所定のギャップを有し、回転可能に保持された回転子３０を有する。回転子３１には焼嵌めや圧入で締結される回転子軸３１を有する。回転子軸３１はフロントハウジング１２とリアハウジング１３に締結された軸受５０により回転可能に保持される。固定子２０は、電磁鋼板を積層して成形される固定子鉄芯を有し、固定子鉄芯に設けられた１つ以上のスロットに固定子コイルを巻装する。
ハウジング内筒１１の外径側とハウジング外筒１２の内径側には、固定子２０の積厚ｌ200の範囲内で勘合するテーパ面を設けている。ハウジング内筒１０には固定子２０の積厚ｌ200の範囲内でのみテーパ面を設けているが、ハウジング外筒１１は内径全域にテーパ面を設けている。テーパはフロントハウジング１２からリアハウジング１３に向かって径が増加するように設ける。
なお、テーパはリアハウジングからフロントハウジングに向かって設けても良い。ハウジング内筒１０外径において、固定子２０の積厚ｌ200範囲外はテーパ面を設けず、外径はハウジング外筒１１と締結した時にハウジング外筒１１の内径と接触しないことが好ましい。
なお、ハウジング内筒１０は外径全周にテーパ面を設けて、ハウジング外筒１１のテーパ面と接しても良く、ハウジング外筒１１のテーパ面は内径固定子２０の積厚ｌ200の長さ以上のみテーパを設けても良い。
固定子２０とハウジング内筒１０の締結力は、組付け前の状態で、ハウジング内筒１０の内径ｄ100に対して固定子２０の外径ｄ201が小さくなるようにハウジング内筒１０の内径に締め代を設け、締結面に所定の面圧を発生させる。ハウジング内筒１０とハウジング外筒１１の締結力は組付け前、または、固定子２０をハウジング内筒１０に圧入後の状態で、テーパ勘合する位置のハウジング内筒１０の外径がハウジング外筒１１の内径に対して大きくなるように締め代を設け、締結面に所定の接触面圧を発生させる。このとき、ハウジング内筒１０の外径に設けた締め代はハウジング内筒１０の内径に設けた締め代以上とする。ハウジング内筒１０とハウジング外筒１１の締結に必要な圧入力は、テーパにより、固定子２０とハウジング内筒１０の締結に必要な圧入力に対して減少する。従って、固定子２０の外力に対する固定に必要な締結力は固定子２０とハウジング内筒１０の圧入により、必要値の一部を発生させ、ハウジング内筒とハウジング外筒のテーパ圧入により、残りの必要値を発生させて行う。
圧入力は接触面圧に比例するため、本実施例のように１回の工程で発生させる面圧を減少させ、複数回の圧入工程を行うことにより、各工程の必要圧入力を減少でき、積厚増加による圧入力の増加を防止可能となる。固定子２０とハウジング内筒１０の圧入は、固定子２０には固定子導線が巻装されているため、ハウジング内筒１０を治具等で軸方向に固定し、固定子２０を圧入方向２０ｐの方向に、ストッパ１００に接触するまで行うことが好ましい。
なお、ストッパ１００をハウジング内筒１０に設けずに治具等で代用しても良く、所定の変位量を圧入しても良い。また、図６のように、ストッパ１００はリアハウジング１３側に設けても良い。本実施例は固定子２０を軸方向に治具等で固定して、ハウジング内筒１０を圧入方向１０ｐに圧入することを排除しない。
固定子２０圧入後のハウジング内筒１０とハウジング外筒２０のテーパ圧入は、固定子２０を保持したハウジング内筒１０の質量を考慮し、ハウジング内筒２０を軸方向に固定して、ハウジング外筒１１を圧入方向１１ｐｐにテーパ圧入することが好ましい。また、テーパ圧入はハウジング外筒１１の軸方向の全域がハウジング内筒１０の外周に位置する範囲で、軸方向に所定の圧入力が発生するまで行うことが好ましく、所定の変位を圧入しても良い。
なお、本実施例はハウジング外筒１１を軸方向に治具等で固定して、固定子２０を保持したハウジング内筒１０を圧入方向１０ｐｐに圧入することを排除しない。
ハウジング外筒１１の軸方向の長さｌ110は固定子２０の積厚ｌ200にハウジング内筒１０とハウジング外筒１１製作時に発生する加工公差の最大値ｌ111と最小値ｌ112を合計した長さ以上とし、ハウジング内筒１０の軸方向の長さｌ100は外筒軸方向の長さｌ110に加工公差の最大値ｌ111とｌ112を合計した長さｌ101を両端に加えた長さ以上とすることが好ましい。ハウジング内筒１０とハウジング外筒１１はテーパの角度公差により勘合に誤差が生じ、ハウジング内筒１０とハウジング外筒１１間に発生する面圧がばらつき、必要な面圧値を発生出来ない可能性がある。このような誤差が生じた場合においても、ハウジング内筒１０とハウジング外筒１１の軸方向の長さをｌ100とｌ110を前述の設定とすることにより、所定のテーパ圧入力まで圧入し、加工公差による勘合不具合を緩和することにより、固定子２０の外周部にハウジング外筒１１が必ず位置し、ハウジング内筒１０とハウジング外筒１１の接触面圧を所定の値以上を発生させつつ、固定子２０の固定に必要な面圧を固定子２０のハウジング内筒１０との接触面全域に発生させることが可能となる。
所定の面圧が発生可能となる位置に圧入されたハウジング外筒１１はリアハウジング１３側の端部とリアハウジング１３の外周で軸方向に１箇所以上、軸方向にボルト４０で，ｌ101は０ｍｍ以上の隙間を残して位置を固定される。なお、ハウジング内筒１０とハウジング外筒１１の締結は、圧入に代わり、ボルト４０に所定のトルクを負荷してハウジング外筒１１を締め上げて締結しても良い。また、ハウジング外筒１１の外径に一つ以上のフランジ、リブ、突起部等を設けても良い。
ハウジング内筒１０とハウジング外筒１１は、軽量化と伝熱性能を考慮し、アルミ系材料による切削、鋳造、または鍛造により製造することが好ましい。また、ハウジング内筒１０とハウジング外筒１１を構成する他の材料としては、鉄鋼材料、ＳＵＳ、銅、炭素繊維樹脂、ガラス繊維樹脂材料等が考えられる。
実施例２について図８から図１１を用いて説明する。ただし、実施例１と同様の構成については説明を省略する。
本実施例では、ハウジング内筒１０の外径に、テーパ面の一部分を内径側に凹ませて、冷却液の周方向流路１５１，１５２，１５３と流路壁１４１，１４２，１４３，１４４が設けられる。ハウジング外筒１１と流路壁１４１，１４２，１４３，１４４はテーパ締結され、固定子２０とハウジング内筒１０に固定力となる接触面圧の一部を発生させる。
周方向流路１５１，１５２，１５３は、固定子２０の外周に帯状に３段で形成されている。周方向流路１５１と１５２は軸方向に接続流路１６１で接続され、周方向流路１５２と１５３は接続流路１６２で軸方向に接続される。冷却液は周方向流路１５１の端部に位置した流入口１７１から周方向流路に流れ込み、周方向流路と接続流に沿って流れ、周方向流路１５３の端部に位置する流出口１７２から外部に放出される。周方向流路１５１，１５２，１５３のそれぞれの軸方向幅ｌ151，ｌ152，ｌ153、は加工・製造性の面から全て同一となっていることが好適である。
ハウジング外筒１１とテーパ締結し、固定子２０とハウジング内筒１０に固定力となる接触面圧を発生させる流路壁１４１，１４２，１４３，１４４の軸方向幅ｌ141，ｌ142，ｌ143，ｌ144、は、固定子２０とハウジング内筒１０の締結力の局所的な偏りを防止するため、同一となっていることが好ましい。
なお、これらの「同一」という言葉は、設計上、製造上の、公差やばらつきを排除するものではない。
冷却液の気密はハウジング内筒１０の外周に溝を凹ませてもうけて配置したＯリング１０ａで行う。また、Ｏリング１０ａに代えて、ハウジング内筒１０とハウジング外筒１１の両端部をガスケット等で埋めて気密を行っても良い。冷却液の気密が不要な場合、Ｏリング１０ａやガスケット等は省略可能である。
ハウジング外筒１１の軸方向の長さｌ110はＯリング１０ａのフロントハウジング１２側端部とリアハウジング１３側の端部との距離ｌ113のハウジング内筒１０とハウジング外筒１１製作時に発生する加工公差の最大値ｌ111と最小値ｌ112を合計した長さ以上とし、ハウジング内筒１０の軸方向の長さｌ100は外筒軸方向の長さｌ110に加工公差の最大値ｌ111とｌ112を合計した長さｌ101を両端に加えた長さ以上とすることが好ましい。このようにすれば、ハウジング内筒１０とハウジング外筒１１はテーパの角度公差により勘合に誤差が生じて軸方向にハウジング外筒１１が位置ずれを生じた場合においても、流路壁１４１，１４２，１４３，１４４に所定の接触面圧を発生させつつ、ハウジング１１は軸方向の２つのＯリング１０ａ上に位置することが可能となる。
周方向流路１５１，１５２，１５３は、ハウジング内筒１０とハウジング外筒１１のテーパ圧入により、所定の接触面圧が発生可能であり、ハウジング外筒の周方向応力が構成材料の０．２％耐力または降伏点以下であれば、３段らせん状ではなく、３段以下でも４段以上でも良い。加えて、周方向流路１５１，１５２，１５３は、軸方向に独立して設け、接続流路１６１，１６２により接続させなくても良い。その場合、周方向流路はＣ字形状となり、流入口１７１と流出口１７２は各周方向流路端部に設けることとなる。さらに、周方向流路は、軸方向に延伸し、端部で周方向に蛇行する形状でも良い。
なお、本実施例は冷却液流路に空気やオイル等冷却液流等冷却液以外の何らかの流体が流れても良い。周方向流路や接続流路にいずれかの場所にハウジング外筒１１の内筒と接触する突起、リブを一つ以上設けても良い。
実施例３について図３と図１２を用いて説明する。ただし、実施例１と同様の構成については説明を省略する。
本実施例では、流路壁１４２と流路壁１４３の幅ｌ142とｌ143が、流路壁１４１と１４４の幅ｌ141とｌ144より大きく設定される。流路壁１４２と１４３と、ハウジング外筒１１との締め代は、流路壁１４１と１４４と、ハウジング外筒１１との締め代に対して大きく設定される。流路壁１４２と流路壁１４３でのテーパ圧入により、固定子２０とハウジング１０の固定に必要な接触面圧の大部分を発生させる。特に、流路壁１４４のリアハウジング１３側の外周に位置するハウジング外筒１１の外径が、応力が最大となる箇所である。流路壁１４２と１４３は流路壁１４４に対して外周に位置する外筒の板厚が厚く、流路壁１４２と流路壁１４３の軸方向幅ｌ142とｌ143を増加させ、端部に発生する接触面圧を低下させることにより、流路壁１４４に発生する周方向応を低減可能なため、外筒の板厚低減が可能となる。なお、周方向流路の１５１，１５２，１５３の幅，ｌ151，ｌ152，ｌ153は同一で製作することが好ましい。ただし、ここでいう「同一」は、設計上、製造上の、公差やばらつきを排除するものではない。
なお、流路幅１４１の幅ｌ141と締め代は１４４の幅ｌ144と締め代に対して大きく設定しても良い。
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
１０ ハウジング内筒
１１ ハウジング外筒
１２ フロントハウジング
１３ リアハウジング
２０ 固定子
３０ 回転子
３１ 回転子軸
４０ ボルト
５０ 軸受
１００ ストッパ
１４１，１４２，１４３，１４４ 流路壁
１５１，１５２，１５３ 周方向流路
１６１，１６２ 接続流路
１７１ 流入口
１７２ 流出口
１１ ハウジング外筒
１２ フロントハウジング
１３ リアハウジング
２０ 固定子
３０ 回転子
３１ 回転子軸
４０ ボルト
５０ 軸受
１００ ストッパ
１４１，１４２，１４３，１４４ 流路壁
１５１，１５２，１５３ 周方向流路
１６１，１６２ 接続流路
１７１ 流入口
１７２ 流出口
Claims (7)
- 内径側に固定子を圧入可能なように構成され、外径側表面に内筒側テーパ面を有する内筒と、
前記内筒側テーパ面と嵌合する外筒側テーパ面を内径側に有する外筒と、
を備え、
前記内筒の軸方向端部に前端板と後端板とが設けられ、
前記外筒の軸方向長さが、前記固定子の軸方向長さに前記内筒側テーパ面及び前記外筒側テーパ面の加工公差による最小位置ずれ量と最大位置ずれ量とを加えた長さであり、
前記最小位置ずれ量と前記最大位置ずれ量とを加えた長さの前記外筒の軸方向端部と、前記前端板及び後端板の前記外筒側の面との間をそれぞれ０ｍｍ以上とした回転電機のハウジング。 - 請求項１に記載の回転電機のハウジングにおいて、
前記内筒の内径は、前記固定子の外径より小さく、
組み付け後に互いに圧接する部分における、前記内筒の外径及び前記外筒の内径は、前記内筒と前記外筒を組み付ける前の状態で、前記外筒より前記内筒が大きく、
前記内筒の外径と前記外筒の内径との差が、前記内筒の内径と前記固定子の外径との差より大きい回転電機のハウジング。 - 請求項１に記載の回転電機のハウジングにおいて、
前記内筒には前記固定子の積厚の範囲内でのみテーパ面を設け、
前記外筒は内径の軸方向全域にテーパ面を設けた回転電機のハウジング。 - 請求項１乃至３のいずれかに記載の回転電機のハウジングにおいて、
前記内筒の外径側表面に、冷媒流路が形成された回転電機のハウジング。 - 請求項１乃至４のいずれかに記載の回転電機のハウジングにおいて、
前記固定子の軸方向端面を含む面に最も近い流路壁を端部流路壁、前記端部流路壁よりも前記固定子の軸方向中心側に位置する流路壁を中央部流路壁としたとき、
前記中央部流路壁の軸方向長さが、前記面と前記端部流路壁とにより規定される端部流路壁の軸方向長さより長く、前記中央部流路壁の外径側における前記内筒の外径と前記外筒の内径との差が、前記端部流路壁の外径側における前記内筒の外径と前記外筒の内径との差より大きい回転電機のハウジング。 - 請求項１乃至５のいずれかに記載の回転電機のハウジングにおいて、
ハウジングがアルミ材、鉄材、銅材、チタン材、樹脂材のいずれかで製作された回転電機のハウジング。 - 請求項１乃至６のいずれかに記載のハウジングを備えた回転電機。
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