JP6380803B2

JP6380803B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP6380803B2
Application number: JP2015010415A
Authority: JP
Inventors: 武雄前川; 啓次近藤; 将由山本; 佐藤　卓; 卓佐藤; 知志眞貝
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2015-01-22
Filing date: 2015-01-22
Publication date: 2018-08-29
Anticipated expiration: 2035-01-22
Also published as: JP2016135078A

Description

本発明は、ステータのコイルエンドを冷却するように構成したロータを備えた回転電機に関する。

通電によるＤＣ銅損や漏れ磁束によるＡＣ銅損により温度上昇する回転電機のステータ巻線は冷却する必要がある。そのため、ロータの外周底面より高い位置に貯留されロータの回転で掻き揚げられたオイルを巻線のコイルエンドに掛けることによって冷却する掻き揚げ方式が安価な冷却法として用いられている。

しかしながら、この掻き揚げ方式には、オイルのつれ回りによる撹拌損失が存在し、それによって回転電機の効率が低下する。この問題を解決する技術として、例えば、特許文献１が開示されている。

特許文献１の技術は、回転可能に設けたシャフト内に導入されたオイルを、外周上に凹又は凸形状のマイクロバブル発生部を有するロータの回転によりマイクロバブルを発生させつつ、ロータの回転で発生する遠心力によりロータの外周に配置されたステータ側に供給して回転電機を冷却するものである。このマイクロバブルは、ロータとステータとの間隙で発生する引き摺りトルクを抑制させることができる。

特開２０１２−１６５４８８号公報

しかしながら、特許文献１の技術には、ロータ外周を凹又は凸形状に形成したものをマイクロバブル発生部となすので、ロータコアの磁気回路が狭小又は歪曲に変化して回転電機としての性能が低下するという問題がある。

本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、ロータの磁気回路を変化させることなく冷却オイルに気泡を含ませて効率向上を図ることができる回転電機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、ハウジング（２）に固定され端面に突出するコイルエンド（１５）を有するステータコア（４）でなるステータ（３）と、回転軸方向にコアシートを積層してなり前記ステータの内孔面と間隙（Ｇ）をもって対向し回転可能となるよう前記ハウジングに軸支されるロータコア（６）及び前記ロータコアの両端面を挟持する一対のロータ側板（７ｅ）を有するロータ（５）とを備える回転電機（１）において、各前記ロータ側板のいずれか一方又は双方は、環状でなり、その内周面（１９）に設けた空気入口（９ｅ）と、その外周面に設けた空気出口（１０ｅ）とが連通して形成される空気通路（８ｅ）を備え、前記ハウジングは、少なくとも前記ロータコアの外周底面が浸かるようにオイル（ＣＬ）を貯留し、前記空気通路が形成された前記ロータ側板は、前記空気通路外側の外側部が前記ロータコアの外周径より大きくなっており、前記外側部の外周端部に、前記空気通路を遮るように前記ロータコア側に屈曲して前記空気出口を前記ロータコア側へ向ける屈曲部（１３）を有していることを特徴とする。
この構成によれば、各ロータ側板（７ｅ）のいずれか一方又は双方は、環状でなり、その内周面（１９）に設けた空気入口（９ｅ）と、その外周面に設けた空気出口（１０ｅ）とが連通して形成される空気通路（８ｅ）を備え、ハウジング（２）は、少なくともロータコア（６）の外周底面が浸かるようにオイル（ＣＬ）を貯留する。よって、空気入口（９ｅ）から空気通路（８ｅ）へ進入した空気が空気出口（１０ｅ）からオイル（ＣＬ）中に噴出して生成された気泡（Ｂ）を含んだオイル（ＣＬ）は、温度上昇したコイルエンド（１５）を冷却するとともに、ロータコア（６）とステータ（３）との間隙に浸入して、オイル（ＣＬ）によってロータコア（６）に発生する引き摺り損を、気泡（Ｂ）による空気潤滑の働きで低減させ回転電機（１）の効率を向上させるという優れた効果を奏する。また、この構成によれば、空気通路（８ｅ）が形成されたロータ側板（７ｅ）は、空気通路外側の外側部がロータコアの外周径より大きくなっており、外側部の外周端部に、空気通路を遮るようにロータコア側に屈曲して空気出口（１０ｅ）をロータコア側へ向ける屈曲部（１３）を有している。よって、空気出口（１０ｅ）から噴出する空気は、ロータコアとステータコアとの間隙へオイルに混ざって容易に浸入するので、ロータコアに発生する引き摺り損は、豊富な気泡による空気潤滑の働きでより効果的に低減される。

上記目的を達成するためになされた請求項３に記載の発明は、ハウジング（２）に固定され端面に突出するコイルエンド（１５）を有するステータコア（４）でなるステータ（３）と、回転軸方向にコアシートを積層してなり前記ステータの内孔面と間隙（Ｇ）をもって対向し回転可能となるよう前記ハウジングに軸支されるロータコア（６）及び前記ロータコアの両端面を挟持する一対のロータ側板（７ｆ）を有するロータ（５）とを備える回転電機（１）において、各前記ロータ側板のいずれか一方又は双方は、環状でなり、その内周面（１９）に設けた空気入口（９ａ〜９ｄ）と、その外周面に設けた空気出口（１０ａ〜１０ｄ）とが連通して形成される空気通路（８ａ〜８ｄ）と、前記内周面に立設した衝立（１４）とを備え、前記ハウジングは、少なくとも前記ロータコアの外周底面が浸かるようにオイル（ＣＬ）を貯留することを特徴とする。
この構成によれば、各ロータ側板（７ｆ）のいずれか一方又は双方は、環状でなり、その内周面（１９）に設けた空気入口（９ａ〜９ｄ）と、その外周面に設けた空気出口（１０ａ〜１０ｄ）とが連通して形成される空気通路（８ａ〜８ｄ）を備え、ハウジング（２）は、少なくともロータコア（６）の外周底面が浸かるようにオイル（ＣＬ）を貯留する。よって、空気入口（９ａ〜９ｄ）から空気通路（８ａ〜８ｅ）へ進入した空気が空気出口（１０ａ〜１０ｅ）からオイル（ＣＬ）中に噴出して生成された気泡（Ｂ）を含んだオイル（ＣＬ）は、温度上昇したコイルエンド（１５）を冷却するとともに、ロータコア（６）とステータ（３）との間隙に浸入して、オイル（ＣＬ）によってロータコア（６）に発生する引き摺り損を、気泡（Ｂ）による空気潤滑の働きで低減させ回転電機（１）の効率を向上させるという優れた効果を奏する。また、この構成によればロータ側板（７ｆ）の内周面に立設された衝立（１４）を備えている。よって、停滞する空気を衝立で止め回転圧力を加えることで空気出口側への排出量が多くなり、それにより発生した多量の気泡がロータコアとステータコアとの間隙により多く浸入するので、ロータコアに発生する引き摺り損は、多くの気泡による空気潤滑の働きで低減される。

本発明に係る回転電機の構成を模式的に示す縦断面図である。図１に記載されたロータの端面（側面）を拡大して第一参考態様の空気通路を示す側面図である。図２のIII−III矢視により第一参考態様の空気通路断面を示す横断面図である。図１に記載された第一参考態様のロータ側板を示す斜視図である。図２の変形態様として第二参考態様の空気通路を示す側面図である。第二参考態様のロータ側板を示す斜視図である。図２の変形態様として第三参考態様の空気通路を示す側面図である。第三参考態様のロータ側板を示す斜視図である。ロータの端面を拡大して第四参考態様の空気通路を示す側面図である。ロータの端部を拡大して第四参考態様の空気通路を示す縦断面図である。ロータの端部を拡大して第一実施態様の空気通路を示す縦断面図である。ロータの端面を拡大して第二実施態様としての衝立を示す側面図である。第二実施態様のロータ側板を示す斜視図である。

以下、参考形態、及び、本発明を具体化した各実施形態について、図面を参照しつつ説明する。但し、本明細書中の全図において相互に対応する部分又は同様な機能を有する部分には同一符号を付し、重複部分においては後述での説明を適宜省略する。

図１に示す本発明の参考形態に係る回転電機１は、車両などに多用される電動機又は発電機を対象としたものである。回転電機１は、ステータ３とロータ５とを備える。

図１に示すように、ステータ３は、円筒状のステータコア４と、その内周面１９に刻設したスロット１７に卷回された巻線１６とからなり、液密に構成されたハウジング２の内周部に固定されている。銅線などでなる巻線１６は、ステータコア４の端面から突出して折り返されコイルエンド１５を形成する。ステータコア４は磁性体で形成され、例えば珪素鋼の薄板でなる電磁鋼板をロータ５の回転軸方向に積層して形成される。

ロータ５は、円柱状のロータコア６とその両端面に固着されロータコア６を挟持する環状のロータ側板７ａとを有し、ロータコア６の回転軸に固定されたシャフト１２及びベアリング１１によってステータコア４の内孔面と間隙Ｇをもって対向し回転可能となるようにハウジング２に軸支されている。ロータコア６は磁性体で形成され、例えば珪素鋼の薄板でなるコアシートとしての電磁鋼板を回転軸方向に積層して形成される。ロータコア６の外周には、ステータコア４の積層厚に応じた適宜な間隔で貼り付け又は埋め込み等の手段により磁石が設けられている。

オイルＣＬは、少なくともロータコア６の外周底面が浸かり、ロータコア６のシャフト１２が浸からないような範囲内でハウジング２の底部に貯留されている。オイルＣＬは、絶縁性の冷媒であればその種類は問わず、トランスミッションオイル、エンジンオイル、油圧制御オイルなどが利用され得る。

（第一参考態様）
図１及び図２に示すように、ロータコア６の両端面に固着される各ロータ側板７ａのいずれか一方又は双方は環状でなり、その内周面１９に設けた空気入口９ａと、その外周面に設けた空気出口１０ａとを連通させる単一な断面積の空気通路８ａを備える。但し、図１は各ロータ側板７ａの双方に空気通路８ａを備えた例を示す。ロータ側板７ａの中心開口と内周面１９との間には、段差部１８が設けられている。空気通路８ａは、図３及び図４に示すように、ロータ側板７ａのロータコア６端面との当接面に刻設された溝とロータコア６端面とにより形成される。溝は矩形（図３、４に示す）又は半円などの任意の断面形状で形成される。但し、空気通路は、ロータ側板７ａの内周面１９と外周面とでなる環状部を空気入口と空気出口との間で貫通する貫通孔で形成されるものであってもよい。いずれにしても、空気通路８ａは、図２では四本設けられるように図示するが、回転軸側とロータ外周面側を結ぶように設けられるものであれば本数の如何を問わない。また、空気通路８ａの幅、深さ又は直径などの寸法は、適宜に設定されるものであり、各空気通路８ａは同一の寸法・形状をなすとともに、空気入口９ａ及び空気出口１０ａは同一の開口面積を有する。尚、ロータ側板７ａの空気通路８ａは、一体のロータ側板７ａに形成したものとして説明したが、分割された部品を組み合わせて構成したロータ側板に形成したものであってもよい。

このように構成することにより、図１及び図２に示すように、ロータ側板７ａの中心開口とシャフト１２との間から進入した空気は、段差部１８の空間を経由して空気入口９ａから空気通路８ａへ進入し、ロータ５の回転による遠心力で空気出口１０ａ方向に搬送され、オイルＣＬに没した空気出口１０ａからオイルＣＬ中に噴出して気泡Ｂとなる。この気泡Ｂを含んだオイルＣＬは、ロータ側板７aの外側端面部および空気出口１０aの凹み部で回転方向に掻き揚げられコイルエンド１５に流動又は噴射して温度上昇した巻線１６を冷却するとともに、ロータコア６とステータコア４との間隙Ｇに浸入する。このとき、オイルＣＬによってロータコア６に発生する引き摺り損は、気泡Ｂによる空気潤滑の働きで低減されるのである。

（第二参考態様）
図５及び図６に示すように、空気通路８ｂは、ロータ側板７ｂの内周面１９の空気入口９ｂに、内周面１９の接線方向であってロータ５の回転方向（矢印で図示）とは逆方向となるよう直線状に設けられている。その他の事項は、第一参考態様と同様である。但し、空気出口１０ｂの開口面積は、空気入口９ｂの開口面積と同一とは限らない。

このように構成することにより、気泡ＢをオイルＣＬに容易且つ円滑に噴射させることができる。

（第三参考態様）
図７及び図８に示すように、空気通路８ｃは、ロータ側板７ｃの内周面１９の空気入口９ｃに、内周面１９の接線方向であってロータ５の回転方向（矢印で図示）とは逆方向となるよう円弧を描く風車状に設けられている。その他の事項は、第一参考態様と同様である。但し、空気出口１０ｃの開口面積は、空気入口９ｃの開口面積と同一とは限らない。

（第四参考態様）
図９及び図１０に示すように、空気通路８ｄは、第一参考態様における空気通路８ａの変形態様となるものである。空気通路８ｄは、空気入口９ｄから空気出口１０ｄまで直交断面積が滑らかに減少するように形成されている。この構成は、空気通路８ｄの断面形状が矩形の場合、ロータ側板７ｄの溝の両側壁をテーパー状とし（図９に示す）、溝の深さをテーパー状とする（図１０に示す）ことで実現できる。但し、前記手段のいずれか一方のみを実施することもできる。そのため、空気通路８ｄの空気出口１０ｄ側の直交断面積は、空気通路８ｄの空気入口９ｄ側の直交断面積より小さくなっている。また、空気出口１０ｄの開口面積は、空気入口９ｄの開口面積より小さくなっている。その他の事項は、第一参考態様と同様である。

このように構成することにより、広い空気入口９ｄから進入した空気は、先細りの空気通路８ｄ内で効果的に圧縮されオイルＣＬに没した狭い空気出口１０ｄからオイルＣＬ中に噴出して緻密な気泡Ｂとなる。この緻密な気泡Ｂを含んだオイルＣＬは、ロータコア６とステータコア４との間隙Ｇに浸入し易いので、ロータコア６に発生する引き摺り損は、緻密な気泡Ｂによる空気潤滑の働きでより低減されるのである。

（第一実施態様）
図１１に示すように、空気通路８ｅは、ロータ側板７ｅの環状部に設けた貫通孔である。空気通路８ｅのロータ側板７ｅ内周面１９には空気入口９ｅが開口している。ロータ側板７ｅのロータコア６との当接面と空気通路８ｅとの間のロータ側板部材の外周径は、ロータコア６の外周径より小さくなっている。ロータ側板７ｅの空気通路８ｅ外側の外側部外周はロータコア６の外周径より突出量Ｈだけ大きくなっており、外側部の端部には空気通路８ｅを遮るようにロータコア６側に屈曲して空気出口１０ｅをロータコア６側へ向ける屈曲部１３が設けられている。空気出口１０ｅは、上述したロータ側板部材の外周端部と屈曲部１３の内側面とで形成される。この屈曲部１３の内側面は、ロータコア６の外径より突出量Ｈ分大きくなっている。尚、屈曲部１３は、各ロータ側板７ｅの一方にのみ設けられるようにすることが好ましい。

このように構成することにより、空気出口１０ｅから噴出する空気は、ロータコア６とステータコア４との間隙ＧへオイルＣＬに混ざって容易に浸入するので、ロータコア６に発生する引き摺り損は、豊富な気泡Ｂによる空気潤滑の働きでより効果的に低減されるのである。

（第二実施態様）
図１２及び図１３に示すように、第二実施態様は、第二参考態様の変形態様として説明するが、他のいずれの参考形態及び実施態様のものにも適用することができる。

衝立１４は、長方形の板部材であり、その短辺端面がロータ側板７ｆ内周面１９に固着され、その長辺側面が段差部１８に固着されてそれぞれに跨って立設されたものである。但し、衝立１４の長辺側面は、必ずしも段差部１８に固着される必要はない。衝立１４の短辺端面が内周面１９に固着される位置は、内周面１９における空気入口９ｂの回転方向側後方であることが好ましい。衝立１４の短辺寸法は段差の高さと同一になっている。衝立１４長辺のロータ側板７ｆ内周面１９からの立設方向は、回転軸方向であることが好ましく、そのように図示したが、回転方向側や反回転方向側であってもよい。

このように構成することにより、段差部１８内で停滞する空気を衝立１４で止め回転圧力を加えることで空気出口１０ｂ側への排出量が多くなり、それにより発生した多量の気泡Ｂがロータコア６とステータコア４との間隙Ｇにより多く浸入するので、ロータコア６に発生する引き摺り損は、多くの気泡Ｂによる空気潤滑の働きで低減されるのである。

以上詳述したことから明らかなように、本実施形態の回転電機１は、各ロータ側板７ａ〜７ｆのいずれか一方又は双方が、環状でなり、その内周面１９に設けた空気入口９ａ〜９ｅと、その外周面に設けた空気出口１０ａ〜１０ｅとが連通して形成される空気通路８ａ〜８ｅを備え、ハウジング２が、少なくともロータコア６の外周底面が浸かるようにオイルＣＬを貯留する。

そのため、空気入口９ａ〜９ｅから空気通路８ａ〜８ｅへ進入した空気の空気出口１０ａ〜１０ｅからオイルＣＬ中に噴出して生成された気泡Ｂを含んだオイルＣＬは、温度上昇したコイルエンド１５を冷却するとともに、ロータコア６とステータコア４との間隙に浸入して、オイルＣＬによってロータコア６に発生する引き摺り損を、気泡Ｂによる空気潤滑の働きで低減させて回転電機１の効率を向上させるという優れた効果を奏する。

また、空気通路８ｄの空気出口１０ｄ側の直交断面積は、空気通路８ｄの空気入口９ｄ側の直交断面積より小さいので、空気入口９ｄから進入した空気は、先細りの空気通路８ｄ内で効果的に圧縮されオイルＣＬに没した狭い空気出口１０ｄからオイルＣＬ中に噴出して緻密な気泡Ｂとなる。この緻密な気泡Ｂを含んだオイルＣＬは、ロータコア６とステータコア４との間隙Ｇに浸入し易いので、ロータコア６に発生する引き摺り損は、緻密な気泡Ｂによる空気潤滑の働きでより低減される。

また、ロータ側板７ｅの空気通路８ｅ外側の外側部をロータコア６の外周径より大きくなし、外側部の外周端部に、空気通路８ｅを遮るようにロータコア６側に屈曲して空気出口１０ｅをロータコア６側へ向ける屈曲部１３を備える。そのため、空気出口１０ｅから噴出する空気は、ロータコア６とステータコア４との間隙ＧへオイルＣＬに伴って容易に浸入するので、ロータコア６に発生する引き摺り損は、豊富な気泡Ｂによる空気潤滑の働きでより効果的に低減される。

また、ロータ側板７ｆの内周面１９に立設した衝立１４を備えるので、空気入口９ｂへ供給する空気量が多くなり、それにより発生した多量の気泡Ｂがロータコア６とステータコア４との間隙Ｇにより多く浸入するため、ロータコア６に発生する引き摺り損は、多くの気泡Ｂによる空気潤滑の働きでより低減される。

なお、本発明は、当業者の知識に基づいて様々な変更、修正、改良等を加えた態様において実施され得るものを含む。また、前記変更等を加えた実施態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限りいずれも本発明の範囲内に含まれるものであることは言うまでもない。

１回転電機
２ハウジング
３ステータ
５ロータ
６ロータコア
７ａ〜７ｆロータ側板
８ａ〜８ｅ空気通路
９ａ〜９ｅ空気入口
１０ａ〜１０ｅ空気出口
１３屈曲部
１４衝立
１５コイルエンド
１９内周面
ＣＬオイル
Ｇ間隙

Claims

ハウジング（２）に固定され端面に突出するコイルエンド（１５）を有するステータコア（４）でなるステータ（３）と、回転軸方向にコアシートを積層してなり前記ステータの内孔面と間隙（Ｇ）をもって対向し回転可能となるよう前記ハウジングに軸支されるロータコア（６）及び前記ロータコアの両端面を挟持する一対のロータ側板（７ｅ）を有するロータ（５）とを備える回転電機（１）において、
各前記ロータ側板のいずれか一方又は双方は、環状でなり、その内周面（１９）に設けた空気入口（９ｅ）と、その外周面に設けた空気出口（１０ｅ）とが連通して形成される空気通路（８ｅ）を備え、
前記ハウジングは、少なくとも前記ロータコアの外周底面が浸かるようにオイル（ＣＬ）を貯留し、
前記空気通路が形成された前記ロータ側板は、前記空気通路外側の外側部が前記ロータコアの外周径より大きくなっており、前記外側部の外周端部に、前記空気通路を遮るように前記ロータコア側に屈曲して前記空気出口を前記ロータコア側へ向ける屈曲部（１３）を有していることを特徴とする回転電機。
前記ロータ側板（７ｆ）の前記内周面に立設した衝立（１４）を備えることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
ハウジング（２）に固定され端面に突出するコイルエンド（１５）を有するステータコア（４）でなるステータ（３）と、回転軸方向にコアシートを積層してなり前記ステータの内孔面と間隙（Ｇ）をもって対向し回転可能となるよう前記ハウジングに軸支されるロータコア（６）及び前記ロータコアの両端面を挟持する一対のロータ側板（７ｆ）を有するロータ（５）とを備える回転電機（１）において、
各前記ロータ側板のいずれか一方又は双方は、環状でなり、その内周面（１９）に設けた空気入口（９ａ〜９ｄ）と、その外周面に設けた空気出口（１０ａ〜１０ｄ）とが連通して形成される空気通路（８ａ〜８ｄ）と、前記内周面に立設した衝立（１４）とを備え、
前記ハウジングは、少なくとも前記ロータコアの外周底面が浸かるようにオイル（ＣＬ）を貯留することを特徴とする回転電機。
前記空気通路の前記空気出口側の直交断面積は、前記空気通路の前記空気入口（９ｄ）側の直交断面積より小さいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の回転電機。