JP6397867B2 - 回転電機 - Google Patents

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Description

本発明は、輸送機関等に搭載可能な回転電機に関する。
近年、駆動源として回転電機が用いられるハイブリッド車両やＥＶ車両において、回転電機の性能に大きな影響を及ぼす永久磁石の温度上昇及びコイルの温度上昇が問題となっており、効率的に冷却することが課題となっている。
特許文献１に記載の駆動装置では、ギヤによってかき上げられた冷媒を受け入れるキャッチタンクからの冷媒を端面板の内側に形成された冷媒通路を介して永久磁石及びコイルに供給することが記載されている。また、端面板の内側に形成された冷媒通路に冷媒を供給するに当たり、端面板を支持するロータシャフトの鍔部に切欠部を形成し、この切欠部から端面板の供給口に冷媒を供給することが記載されている。
また、特許文献２に記載の回転電機では、端面板の外側に冷媒吐出装置を配置し、オイルポンプの吐出圧力によりロータシャフト内の冷媒流路を通る冷媒を、端面板の冷媒吐出孔を介して冷媒吐出装置に供給し、冷媒吐出装置からコイルに供給することが記載されている。
特許第５３６９６３４号公報 特許第５７５１１０５号公報
しかしながら、特許文献１に記載の構成では、ギヤによって冷媒を掻き上げるためキャッチタンクが必要でありハウジング形状が複雑になるとともに、ロータシャフトの形状が複雑になる。
また、特許文献２に記載の構成では、永久磁石を十分に冷却することができず、また、軸心給油のためロータシャフトの形状が複雑になるとともにオイルポンプ及び冷媒吐出装置が別途必要であった。
本発明の目的は、簡易な構成で永久磁石及びコイルを効率よく冷却可能な回転電機を提供することである。
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、
ロータコア（例えば、後述の実施形態のロータコア２１）と、該ロータコアに配置される複数の永久磁石（例えば、後述の実施形態の永久磁石２２）と、該ロータコアの端面に内側面（例えば、後述の実施形態の内側面２３ａ）が接触するように配置される少なくとも１つの端面板（例えば、後述の実施形態の端面板２３）と、を有するロータ（例えば、後述の実施形態のロータ２０）と、
ステータコア（例えば、後述の実施形態のステータコア３１）と、該ステータコアに配置されるコイル（例えば、後述の実施形態のコイル３２）と、を有し、該ロータの外周側に前記ロータと対向するように配置されるステータ（例えば、後述の実施形態のステータ３０）と、
前記ロータ及び前記ステータを収容し、内部に液体を貯留する貯留部（例えば、後述の実施形態の貯留部５１）を有するケース（例えば、後述の実施形態のケース５０）と、を備え、
前記ロータの一部が前記貯留部に浸漬する、回転電機（例えば、後述の実施形態の回転電機１０）であって、
前記端面板には、外側面（例えば、後述の実施形態の外側面２３ｂ）に径方向に延びる液体ガイド孔（例えば、後述の実施形態の液体ガイド孔２３ｆ）が設けられており、
前記液体ガイド孔は、外周面（例えば、後述の実施形態の外周面２３ｄ）から径方向内側に延び、
前記液体ガイド孔は、周方向に隣り合う前記永久磁石間を径方向に延びるように配置されることを特徴とする。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、
前記ロータコアは、前記永久磁石を収容する永久磁石収容部（例えば、後述の実施形態の磁石収容孔２１ｂ）と、該永久磁石収容部の内周側に肉抜き部（例えば、後述の実施形態の肉抜き孔２１ｃ）を有し、
前記液体ガイド孔は、前記肉抜き部と連通することを特徴とする。
また、請求項３に記載の発明では、
ロータコア（例えば、後述の実施形態のロータコア２１）と、該ロータコアに配置される複数の永久磁石（例えば、後述の実施形態の永久磁石２２）と、該ロータコアの端面に内側面（例えば、後述の実施形態の内側面２３ａ）が接触するように配置される少なくとも１つの端面板（例えば、後述の実施形態の端面板２３）と、を有するロータ（例えば、後述の実施形態のロータ２０）と、
ステータコア（例えば、後述の実施形態のステータコア３１）と、該ステータコアに配置されるコイル（例えば、後述の実施形態のコイル３２）と、を有し、該ロータの外周側に前記ロータと対向するように配置されるステータ（例えば、後述の実施形態のステータ３０）と、
前記ロータ及び前記ステータを収容し、内部に液体を貯留する貯留部（例えば、後述の実施形態の貯留部５１）を有するケース（例えば、後述の実施形態のケース５０）と、を備え、
前記ロータの一部が前記貯留部に浸漬する、回転電機（例えば、後述の実施形態の回転電機１０）であって、
前記端面板には、外側面（例えば、後述の実施形態の外側面２３ｂ）に径方向に延びる液体ガイド溝（例えば、後述の実施形態の液体ガイド溝２３ｃ）が設けられており、
前記ロータコアは、前記永久磁石を収容する永久磁石収容部（例えば、後述の実施形態の磁石収容孔２１ｂ）と、該永久磁石収容部の内周側に肉抜き部（例えば、後述の実施形態の肉抜き孔２１ｃ）を有し、
前記液体ガイド溝は、前記肉抜き部と連通する貫通孔（例えば、後述の実施形態の貫通孔２３ｇ）を有することを特徴とする。
また、請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の発明において、
前記液体ガイド溝は、外周面（例えば、後述の実施形態の外周面２３ｄ）から径方向内側に延びることを特徴とする。
また、請求項５に記載の発明では、請求項１〜４のいずれか１項に記載の発明において、
前記コイルは、前記ステータコアの軸方向一方側の端面から突出するコイルエンド部（例えば、後述の実施形態のコイルエンド部３２ａ）を有し、
前記液体ガイド溝又は前記液体ガイド孔と前記コイルエンド部とは、軸方向にオーバーラップすることを特徴とする。
また、請求項６に記載の発明では、請求項１〜５のいずれか１項に記載の発明において、
前記液体ガイド溝又は前記液体ガイド孔は、周方向において等間隔に複数設けられていることを特徴とする。
請求項１に記載の発明によれば、ロータの一部が貯留部に浸漬しているので、ロータコアに配置された複数の永久磁石が貯留部に貯留した液体によって冷却される。また、ロータの回転によって貯留部に貯留した液体が端面板の液体ガイド孔に貯められ、遠心力により飛散することでロータの外周側に位置するコイルが冷却される。これにより、オイルポンプ等の駆動力を用いずとも永久磁石とコイルの両方を冷却できる。
さらに、低速回転時は貯留部の液面が高いため永久磁石を積極的に冷却でき、高速回転時は貯留部の液面が下がるとともに飛散する液体が増えるため、コイルを積極的に冷却できる。
また、液体ガイド孔は、外周面から径方向内側に延びるので、液体ガイド孔に溜まった液体をコイルに向かって遠心力で容易に飛散させることができる。
さらに、貫通孔は周方向に隣り合う永久磁石間を径方向に延びるように配置されるので、永久磁石の抜け止めという端面板の機能を阻害することがない。
請求項２に記載の発明によれば、端面板の液体ガイド孔がロータコアの肉抜き部と連通することで、液体ガイド孔から供給される液体がロータコアの内部に供給されるので、ロータコアの内部から永久磁石を冷却することができる。
請求項３に記載の発明によれば、ロータの一部が貯留部に浸漬しているので、ロータコアに配置された複数の永久磁石が貯留部に貯留した液体によって冷却される。また、ロータの回転によって貯留部に貯留した液体が端面板の液体ガイド溝に貯められ、遠心力により飛散することでロータの外周側に位置するコイルが冷却される。これにより、オイルポンプ等の駆動力を用いずとも永久磁石とコイルの両方を冷却できる。
さらに、低速回転時は貯留部の液面が高いため永久磁石を積極的に冷却でき、高速回転時は貯留部の液面が下がるとともに飛散する液体が増えるため、コイルを積極的に冷却できる。
また、端面板の液体ガイド溝に形成された貫通孔がロータコアの肉抜き部と連通することで、貫通孔から供給される液体がロータコアの内部に供給されるので、ロータコアの内部から永久磁石を冷却することができる。
請求項４に記載の発明によれば、液体ガイド溝は、外周面から径方向内側に延びるので、液体ガイド溝に溜まった液体をコイルに向かって遠心力で容易に飛散させることができる。
請求項５に記載の発明によれば、液体ガイド溝又は液体ガイド孔とコイルエンド部が軸方向にオーバーラップするので、端面板から飛散した液体をコイルエンド部に供給できる。
請求項６に記載の発明によれば、液体ガイド溝又は液体ガイド孔が周方向において等間隔に複数設けられていることで、ロータの回転中は継続的に液体をコイルに供給することができる。
本発明の一実施形態に係る回転電機の断面図である。 ロータコアの側面図である。 （ａ）は端面板の側面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。 ロータの側面図である。 （ａ）は低速回転時における回転電機の要部側面図であり、（ｂ）は高速回転時における回転電機の要部側面図である。 （ａ）は第１変形例の端面板の側面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。 （ａ）は第２変形例の端面板の側面図であり、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。 第２変形例のロータの側面図である。 （ａ）は第３変形例の端面板の側面図であり、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ線断面図であり、（ｃ）は（ａ）のＥ−Ｅ線断面図である。 第３変形例のロータの側面図である。
以下、本発明の回転電機の一実施形態を、図１〜図５に基づいて説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
［回転電機］
図１に示すように、本実施形態に係る回転電機１０は、ロータ２０と、ロータ２０の外周側に僅かな隙間を介して対向配置されるステータ３０と、ロータ２０の内周部にロータ２０と一体回転するように取り付けられるロータシャフト４０と、ロータ２０及びステータ３０を収容し、ロータシャフト４０を回転自在に支持するケース５０と、を備える、いわゆるインナーロータ型の回転電機である。
［ケース］
ケース５０は、略円筒形状を有し、内周部にステータ３０が固定されている。ケース５０の下部は、液体（例えば、潤滑油）を貯留する貯留部５１となっている。
［ステータ］
ステータ３０は、ステータコア３１と、該ステータコア３１に巻回されるコイル３２と、を有する。ステータコア３１は、プレス抜きされた複数枚の鋼板を軸方向に積層して構成される。ステータコア３１の内周部には、複数のティースが形成され、隣接するティース間に区画形成される複数のスロットは、ステータコア３１を軸方向に貫通し、且つ周方向に等間隔に配置されている。
コイル３２は、各ティースに巻回され、コイルエンド部３２ａがステータコア３１の軸方向両端面から突出している。コイル３２は、回転電機１０の回転駆動時に発熱するので、発熱による性能の低下や部品の劣化を回避するために冷却する必要がある。
［ロータ］
ロータ２０は、ロータコア２１と、該ロータコア２１に配置される複数の永久磁石２２と、ロータコア２１の両端面に固定される一対の端面板２３と、を有する。ロータコア２１は、軸方向に積層された複数の鋼板によって構成される。ロータコア２１の中心部には、シャフト挿入孔２１ａがロータコア２１を軸方向に貫通して形成され、ロータコア２１の外周部には、複数の磁石収容孔２１ｂがロータコア２１を軸方向に貫通して形成されている。図２も参照して、磁石収容孔２１ｂは２つを一組として、合計８組の磁石収容孔２１ｂが周方向に等間隔に形成されている。ロータコア２１には、さらに径方向においてシャフト挿入孔２１ａと磁石収容孔２１ｂとの間に、ロータコア２１を軸方向に貫通する複数の肉抜き孔２１ｃが周方向に等間隔に形成されている。
永久磁石２２は、希土類磁石を用いて構成され、ロータコア２１の磁石収容孔２１ｂに取り付けられる。永久磁石２２は、回転電機１０の回転駆動時に発熱するので、発熱による性能の低下や部品の劣化を回避するために冷却する必要がある。
ロータ２０の下部は、ケース５０に設けられた貯留部５１に浸漬した状態で、ロータシャフト４０に回転自在に支持されている。したがって、ロータコア２１の磁石収容孔２１ｂに取り付けられた複数の永久磁石２２のいずれかは、回転電機１０の回転駆動時であっても貯留部５１に浸漬している。
［端面板］
ロータコア２１の両端面に固定される端面板２３は、ロータコア２１を構成する鋼板と同一形状の円環形状を有し、内側面２３ａがロータコア２１の端面に接触して磁石収容孔２１ｂに固定された永久磁石２２の抜け止め機能を果たしている。
端面板２３の中心部には、シャフト挿入孔２３ｅが端面板２３を軸方向に貫通して形成されている。
図３及び図４に示すように、端面板２３の外側面２３ｂには、複数の液体ガイド溝２３ｃが周方向において等間隔に、且つ、径方向に延びるように設けられている。液体ガイド溝２３ｃは、端面板２３の外側面２３ｂから窪んだ断面矩形状の凹溝であり、コイルエンド部３２ａと軸方向にオーバーラップするように配置されている。即ち、図１において左側の端面板２３の液体ガイド溝２３ｃはロータコア２１の左端面から突出するコイルエンド部３２ａと軸方向にオーバーラップし、右側の端面板２３の液体ガイド溝２３ｃはロータコア２１の右端面から突出するコイルエンド部３２ａと軸方向にオーバーラップする。
本実施形態では、８本の液体ガイド溝２３ｃが端面板２３の外周面２３ｄからロータコア２１に形成された配置された肉抜き孔２１ｃと交差しない位置まで直線状に延びるように形成されており、各液体ガイド溝２３ｃに沿って内周側まで延ばした仮想線がロータコア２１の軸心と一致するように配置されている。
［作用］
次にこのように構成された回転電機１０の冷却作用について図５を参照しながら説明する。図５（ａ）はロータ２０の低速回転時の模式図であり、図５（ｂ）はロータ２０の高速回転時の模式図である。図５中、符号Ｌは貯留部５１の液面である。
ロータ２０の低速回転時には、ロータ２０の下部がケース５０に設けられた貯留部５１に浸漬しているので、ロータ２０の回転中、永久磁石２２はロータコア２１の外周面及び端面板２３を介して冷却される。また、ロータ２０の下部の外周側に位置するステータ３０の下部は、貯留部５１に常時浸漬しているので、液中に浸漬しているコイル３２も常時冷却されている。
一方、貯留部５１の液面より上方に位置するコイル３２は貯留部５１から露出するため高温になりやすいが、ロータ２０の回転により端面板２３も回転するため、液体ガイド溝２３ｃに溜まった液体がロータ２０の回転に伴う遠心力により飛散し、ロータ２０の外周側に位置するステータ３０も飛散した液体によって冷却される。したがって、貯留部５１の液面より上方に位置するコイル３２も飛散した液体によって冷却される。
ロータ２０の高速回転時も同様に、ロータ２０の下部及びステータ３０の下部がケース５０に設けられた貯留部５１に浸漬しているので、ロータ２０の回転中、永久磁石２２はロータコア２１の外周面及び端面板２３を介して冷却されるとともに、液中に浸漬しているコイル３２も常時冷却されている。また、ロータ２０の回転により端面板２３も回転するため、液体ガイド溝２３ｃに溜まった液体がロータ２０の回転に伴う遠心力により飛散するため、貯留部５１の液面より上方に位置するコイル３２も飛散した液体によって冷却される。
液体ガイド溝２３ｃはコイルエンド部３２ａと軸方向にオーバーラップするように配置されているので、飛散した液体は主としてコイル３２のコイルエンド部３２ａに供給される。従って、コイル３２は軸方向両側から冷却されるため効率よく冷却され得る。
ロータ２０の低速回転時と高速回転時を比較すると、高速回転時の方が液体の飛散量が増すため、貯留部５１の液面Ｌより上方に位置するコイル３２への液体供給量が増大し、コイル３２を積極的に冷却できる。一方で、高速回転時には飛散量の増加に伴って貯留部５１の液面が低下するため、低速回転時の方がロータコア２１を介した永久磁石２２を積極的に冷却できる。即ち、本実施形態によれば、ロータ２０の回転数によって液体の飛散量が調整される。なお、液体の飛散量は、液体ガイド溝２３ｃの数や形状、溝の深さによっても調整することができる。
以上説明したように、本実施形態によれば、ロータ２０の下部が貯留部５１に浸漬しているので、ロータコア２１に配置された永久磁石２２が貯留部５１に貯留した液体によって冷却される。また、ロータ２０の回転によって貯留部５１に貯留した液体が端面板２３の液体ガイド溝２３ｃに貯められ、遠心力により飛散することでロータ２０の外周側に位置するコイル３２が冷却される。これにより、オイルポンプ等の駆動力を用いずとも永久磁石２２とコイル３２の両方を冷却できる。
さらに、ロータ２０の低速回転時は貯留部５１の液面が高いため永久磁石２２を積極的に冷却でき、ロータ２０の高速回転時は貯留部５１の液面が下がるとともに飛散する液体が増えるため、コイル３２を積極的に冷却できる。
また、液体ガイド溝２３ｃが外周面２３ｄから径方向内側に延びるので、液体ガイド溝２３ｃに溜まった液体をコイル３２に向かって遠心力で容易に飛散させることができる。
また、液体ガイド溝２３ｃとコイルエンド部３２ａが軸方向にオーバーラップするので、端面板２３から飛散した液体をコイルエンド部３２ａに供給できる。
また、液体ガイド溝２３ｃが周方向において等間隔に複数設けられていることで、ロータ２０の回転中は継続的に液体をコイルに供給することができる。
続いて、本実施形態の回転電機１０の変形例について説明する。
＜第１変形例＞
第１変形例の回転電機１０は、図６に示すように、第１実施形態の端面板２３に液体ガイド溝２３ｃの代わりに内側面２３ａと外側面２３ｂとを貫通する液体ガイド孔２３ｆが設けられている。
液体ガイド孔２３ｆは、端面板２３の外周面２３ｄからロータコア２１に形成された配置された肉抜き孔２１ｃと交差しない位置まで直線状に延びるように形成されており、各液体ガイド孔２３ｆに沿って内周側まで延ばした仮想線がロータコア２１の軸心と一致するように配置されている。
端面板２３がロータコア２１の端面に固定されることで、ロータコア２１の外表面２１ｄと端面板２３の液体ガイド孔２３ｆとにより凹溝が形成され、本変形例の回転電機１０においても、ロータ２０の回転によって貯留部５１に貯留した液体が端面板２３の液体ガイド孔２３ｆに貯められ、遠心力により飛散することでロータ２０の外周側に位置するコイル３２が冷却される。
また、端面板２３に液体ガイド孔２３ｆを形成することで、貯留部５１の液体が端面板２３の液体ガイド孔２３ｆを通って直接ロータコア２１の端面と接触するので、永久磁石２２の冷却効率を高めることができる。
なお、液体ガイド孔２３ｆは周方向に隣り合う永久磁石２２間を径方向に延びるように配置されることが好ましい。これにより、永久磁石２２の抜け止めという端面板２３の本来の機能を阻害することがない。
＜第２変形例＞
第２変形例の回転電機１０は、図７及び図８に示すように、第１変形例の液体ガイド孔２３ｆが、端面板２３の外周面２３ｄからロータコア２１に形成された配置された肉抜き孔２１ｃを横切ってシャフト挿入孔２３ｅの近傍まで直線状に延びるように形成されている。
液体ガイド孔２３ｆは、ロータコア２１の肉抜き孔２１ｃを横切るように配置されることで、ロータコア２１の肉抜き孔２１ｃと連通する。したがって、第２変形例の回転電機１０においては、液体ガイド孔２３ｆによるコイル３２の冷却作用に加えて、ロータ２０の下部がケース５０に設けられた貯留部５１に浸漬している状態において、貯留部５１の液体が端面板２３の液体ガイド孔２３ｆを介してロータコア２１の内部（肉抜き孔２１ｃ）に入り込み、永久磁石２２をロータコア２１の内部からも冷却することができる。
＜第３変形例＞
第３変形例の回転電機１０は、図９及び図１０に示すように、第１実施形態の端面板２３に形成された液体ガイド溝２３ｃがロータコア２１に形成された配置された肉抜き孔２１ｃを横切ってシャフト挿入孔２３ｅの近傍まで直線状に延びるように形成されるとともに、肉抜き孔２１ｃとオーバーラップする位置に貫通孔２３ｇが形成されている。
貫通孔２３ｇは、ロータコア２１の肉抜き孔２１ｃとオーバーラップする位置に配置されることで、ロータコア２１の肉抜き孔２１ｃと連通する。したがって、第３変形例の回転電機１０においては、液体ガイド溝２３ｃによるコイル３２の冷却作用に加えて、ロータ２０の下部がケース５０に設けられた貯留部５１に浸漬している状態において、貯留部５１の液体が端面板２３の貫通孔２３ｇを介してロータコア２１の内部（肉抜き孔２１ｃ）に入り込み、永久磁石２２をロータコア２１の内部からも冷却することができる。
尚、本発明は、前述した実施形態及び各変形例に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。
例えば、本発明による回転電機は、電動モータの他に、発電機や、電動モータ及び発電機として機能するモータジェネレータであってもよい。
また、液体ガイド溝２３ｃ及び液体ガイド孔２３ｆの数や形状、配置領域は適宜設定することができる。
１０ 回転電機
２０ ロータ
２１ ロータコア
２１ｂ 磁石収容孔
２１ｃ 肉抜き孔
２２ 永久磁石
２３ 端面板
２３ａ 内側面
２３ｂ 外側面
２３ｃ 液体ガイド溝
２３ｄ 外周面
２３ｆ 液体ガイド孔
２３ｇ 貫通孔
３０ ステータ
３１ ステータコア
３２ コイル
３２ａ コイルエンド部
５０ ケース
５１ 貯留部

Claims (6)

  1. ロータコアと、該ロータコアに配置される複数の永久磁石と、該ロータコアの端面に内側面が接触するように配置される少なくとも１つの端面板と、を有するロータと、
    ステータコアと、該ステータコアに配置されるコイルと、を有し、該ロータの外周側に前記ロータと対向するように配置されるステータと、
    前記ロータ及び前記ステータを収容し、内部に液体を貯留する貯留部を有するケースと、を備え、
    前記ロータの一部が前記貯留部に浸漬する、回転電機であって、
    前記端面板には、外側面に径方向に延びる液体ガイド孔が設けられており、
    前記液体ガイド孔は、外周面から径方向内側に延び、
    前記液体ガイド孔は、周方向に隣り合う前記永久磁石間を径方向に延びるように配置される、回転電機。
  2. 請求項１に記載の回転電機であって、
    前記ロータコアは、前記永久磁石を収容する永久磁石収容部と、該永久磁石収容部の内周側に肉抜き部を有し、
    前記液体ガイド孔は、前記肉抜き部と連通する、回転電機。
  3. ロータコアと、該ロータコアに配置される複数の永久磁石と、該ロータコアの端面に内側面が接触するように配置される少なくとも１つの端面板と、を有するロータと、
    ステータコアと、該ステータコアに配置されるコイルと、を有し、該ロータの外周側に前記ロータと対向するように配置されるステータと、
    前記ロータ及び前記ステータを収容し、内部に液体を貯留する貯留部を有するケースと、を備え、
    前記ロータの一部が前記貯留部に浸漬する、回転電機であって、
    前記端面板には、外側面に径方向に延びる液体ガイド溝が設けられており、
    前記ロータコアは、前記永久磁石を収容する永久磁石収容部と、該永久磁石収容部の内周側に肉抜き部を有し、
    前記液体ガイド溝は、前記肉抜き部と連通する貫通孔を有する、回転電機。
  4. 請求項３に記載の回転電機であって、
    前記液体ガイド溝は、外周面から径方向内側に延びる、回転電機。
  5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の回転電機であって、
    前記コイルは、前記ステータコアの軸方向一方側の端面から突出するコイルエンド部を有し、
    前記液体ガイド溝又は前記液体ガイド孔と前記コイルエンド部とは、軸方向にオーバーラップする、回転電機。
  6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の回転電機であって、
    前記液体ガイド溝又は前記液体ガイド孔は、周方向において等間隔に複数設けられている、回転電機。
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