JP6581949B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、電動車両などに搭載される回転電機に関する。

ハイブリッド車、電気自動車などの電動車両に搭載される走行用の回転電機は、通常、ロータコアに永久磁石を配置して構成されるロータと、ステータコアにコイルを巻回して構成され、ロータの外周側にロータと対向するように配置されるステータと、ロータの内周側にロータと一体回転するように取り付けられるロータシャフトと、を備える。

この種の回転電機では、回転駆動時にロータの永久磁石やステータのコイルエンド部が発熱し、発熱による性能の低下や部品の劣化が生じる虞があるので、これらの発熱箇所を冷却する冷却手段が必要となる。例えば、特許文献１〜３には、ロータシャフトの内部に軸方向に延びる冷媒流路を有し、該冷媒流路の一端側から冷媒を導入する回転電機が示されている。さらに、特許文献２、３に示される回転電機は、ロータシャフトに流出孔を有し、冷媒流路に導入された冷媒を流出孔を介してロータの永久磁石やステータのコイルエンド部に供給することで、発熱箇所の冷却効率を高めている。

特開２００４−１２９４０７号公報 特開２０１２−９５３８１号公報 特開２０１４−９２２１６号公報

しかしながら、特許文献２、３に示される回転電機では、ロータの永久磁石に対する冷媒の供給量と、ステータのコイルエンド部に対する冷媒の供給量との比率が、回転電機の回転速度に拘らず略一定であり、回転電機の回転速度に応じて該比率を調節することが困難であった。例えば、低速回転時には、銅損による発熱を抑制するためにステータのコイルエンド部を積極的に冷却し、高速回転時には、鉄損による発熱を抑制するためにロータの永久磁石を積極的に冷却したいという要求があっても、その実現が困難であった。

本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ロータの永久磁石に対する冷媒の供給量と、ステータのコイルエンド部に対する冷媒の供給量との比率を回転電機の回転速度に応じて調節可能な回転電機を提供することにある。

上記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永久磁石（例えば、後述の実施形態の永久磁石２２）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、該ステータコアに巻回されるコイル（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、
前記ロータの内周側に前記ロータと一体回転するように取り付けられ、内部に軸方向に延びる冷媒流路（例えば、後述の実施形態の冷媒流路４１）が形成されたロータシャフト（例えば、後述の実施形態のロータシャフト４０）と、を備える回転電機（例えば、後述の実施形態の回転電機１、１Ｂ）であって、
前記ロータシャフトは、前記永久磁石に冷媒（例えば、後述の実施形態の冷媒Ｃ）を供給する第１流出孔（例えば、後述の実施形態の第１流出孔４３）と、前記冷媒の流れ方向において前記第１流出孔の下流側に設けられ、前記コイルのコイルエンド部（例えば、後述の実施形態のコイルエンド部３２ａ）に前記冷媒を供給する第２流出孔（例えば、後述の実施形態の第２流出孔４４）と、前記冷媒の流れ方向下流側に向かって縮径する縮径部（例えば、後述の実施形態の縮径部４６）と、を備え、
前記第１流出孔は、前記縮径部に設けられている。

請求項２に記載の発明は、
請求項１に記載の回転電機であって、
前記縮径部は、前記ロータシャフトの回転速度に伴う遠心摩擦力（例えば、後述の実施形態の遠心摩擦力Ｆ１）の増加に応じて、前記冷媒を前記第１流出孔から前記永久磁石に向けて積極的に流出させる。

請求項３に記載の発明は、
請求項１又は２に記載の回転電機であって、
前記縮径部は、縮径開始点（例えば、後述の実施形態の縮径開始点４６ａ）から縮径終了点（例えば、後述の実施形態の縮径終了点４６ｂ）に亘って徐々に縮径し、
前記第１流出孔は、軸方向において該縮径開始点と該縮径終了点との間、且つ、周方向において少なくとも２つ以上設けられている。

請求項４に記載の発明は、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電機であって、
前記第１流出孔は、前記ロータコアの内周面と対向する位置に形成されている。

請求項５に記載の発明は、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電機であって、
前記第１流出孔は、前記ロータコアの軸方向端面に配置されるエンドプレート（例えば、後述の実施形態のエンドプレート２３）の内周面と対向する位置に形成されている。

請求項６に記載の発明は、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の回転電機であって、
前記第２流出孔は、前記コイルエンド部と対向する位置に形成されている。

請求項１の発明によれば、ロータシャフトは、永久磁石に冷媒を供給する第１流出孔と、冷媒の流れ方向において第１流出孔の下流側に設けられ、コイルのコイルエンド部に冷媒を供給する第２流出孔と、冷媒の流れ方向下流側に向かって縮径する縮径部と、を備え、第１流出孔は、縮径部に設けられているので、ロータシャフトの回転速度に応じた遠心摩擦力の増減に基づいて、縮径部が冷媒流路における冷媒の流れを変化させることにより、第１流出孔を介した永久磁石に対する冷媒の供給量と、第２流出孔を介したコイルエンド部に対する冷媒の供給量との比率を調節することが可能になる。

請求項２の発明によれば、縮径部は、ロータシャフトの回転速度に伴う遠心摩擦力の増加に応じて、冷媒を第１流出孔から永久磁石に向けて積極的に流出させるので、低速回転時には、銅損によるコイルの発熱を抑制でき、高速回転時には鉄損による永久磁石の発熱を抑制できる。

請求項３の発明によれば、縮径部は、縮径開始点から縮径終了点に亘って徐々に縮径し、第１流出孔は、軸方向において該縮径開始点と該縮径終了点との間、且つ、周方向において少なくとも２つ以上設けられているので、ロータシャフトの回転速度に伴う遠心摩擦力の増減に応じて、第１流出孔から永久磁石に供給される冷媒の量をスムーズに変化させることができる。

請求項４の発明によれば、第１流出孔は、ロータコアの内周面と対向する位置に形成されているので、ロータコア内を介して永久磁石に冷媒を供給できる。

請求項５の発明によれば、第１流出孔は、ロータコアの軸方向端面に配置されるエンドプレートの内周面と対向する位置に形成されているので、エンドプレートに沿って永久磁石に冷媒を供給できる。

請求項６の発明によれば、第２流出孔は、コイルエンド部と対向する位置に形成されているので、コイルエンド部に対して冷媒を効率良く供給できる。

本発明の第１実施形態に係る回転電機における低速回転時の冷却作用を示す概略断面図である。 本発明の第１実施形態に係る回転電機における高速回転時の冷却作用を示す概略断面図である。 図１及び図２の縮径部及び第１流出孔を示すロータシャフトの要部拡大断面図である。 図３のロータシャフトのＡ−Ａ（Ｂ−Ｂ）線断面図である。 本発明の第２実施形態に係る回転電機の概略断面図である。

以下、本発明の回転電機の各実施形態を、添付図面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、本実施形態の回転電機１は、ロータ２０と、ロータ２０の外周側にロータ２０と対向するように配置されるステータ３０と、ロータ２０の内周側にロータ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、を備える。

［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、を備える。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、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、また、ロータコア２１の外周側には、複数の磁石挿入孔２１ｂが形成されている。複数の磁石挿入孔２１ｂは、ロータコア２１を軸方向に貫通し、且つ周方向に所定の間隔で形成されている。

なお、ロータコア２１の内部には、後述する冷媒Ｃの流路となる内部流路が存在している。この内部流路は、ロータコア２１に形成されたシャフト挿入孔２１ａ及び磁石挿入孔２１ｂに連通しており、シャフト挿入孔２１ａ内からロータコア２１の内部流路に冷媒Ｃを供給すると、供給された冷媒Ｃがロータコア２１の内部流路を通って永久磁石２２を冷却するとともに、冷却後の冷媒Ｃがロータコア２１の軸方向端面から排出される。

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の磁石挿入孔２１ｂに取り付けられる。永久磁石２２は、回転電機１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。特に、鉄損による発熱量が大きくなる高速回転時に積極的に冷却することが好ましい。

［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、を備える。ステータコア３１は、プレス抜きされた複数枚の珪素鋼板を軸方向に積層して構成され、その径方向内側には、複数のティース３３が形成され、さらに隣接するティース間に複数のスロット（図示せず）を備える。複数のスロットは、ステータコア３１を軸方向に貫通し、且つ周方向に所定の間隔で形成されている。

コイル３２は、各ティース３３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１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。特に、コイルエンド部３２ａは、銅損による発熱量が大きくなる低速回転時に積極的に冷却することが好ましい。

［ロータシャフト］
ロータシャフト４０は、ロータコア２１のシャフト挿入孔２１ａに一体回転するように取り付けられる。ロータシャフト４０の内部には、軸方向に延びる冷媒流路４１が形成され、その一端側に形成される冷媒導入口４２から冷媒Ｃが導入される。本実施形態の冷媒Ｃは、潤滑油（ＡＴＦ：Automatic transmission fluid）であり、ギヤの掻き上げ等により冷媒流路４１に送り込まれる。

ロータシャフト４０は、冷媒流路４１内の冷媒Ｃを永久磁石２２に供給する第１流出孔４３と、冷媒流路４１内の冷媒Ｃをコイルエンド部３２ａに供給する第２流出孔４４と、冷媒流路４１の他端側を塞ぐ蓋部４５と、を備える。

第１流出孔４３は、冷媒流路４１における冷媒Ｃの流れ方向上流側（冷媒導入口４２側）で、且つ、ロータコア２１の内周面と径方向に対向する位置に形成されている。本実施形態の第１流出孔４３は、図４に示すように、ロータシャフト４０の周壁を径方向に貫通するように、周方向に所定の間隔で複数（例えば、４個）形成されている。このような第１流出孔４３によれば、冷媒流路４１内の冷媒Ｃをロータシャフト４０の回転に伴う遠心力でロータコア２１の内周面に向けて流出させ、前述したロータコア２１の内部流路を介して永久磁石２２を冷却することが可能になる。

第２流出孔４４は、冷媒流路４１における冷媒Ｃの流れ方向において第１流出孔４３の下流側で、且つ、コイルエンド部３２ａと径方向に対向する位置に形成されている。本実施形態の第２流出孔４４は、図４に示すように、ロータシャフト４０の周壁を径方向に貫通するように、周方向に所定の間隔で複数（例えば、４個）形成されている。このような第２流出孔４４によれば、冷媒流路４１内の冷媒Ｃをロータシャフト４０の回転に伴う遠心力でコイルエンド部３２ａに向けて流出させ、コイルエンド部３２ａを冷却することが可能になる。

図１〜３に示すように、ロータシャフト４０の冷媒流路４１内には、冷媒Ｃの流れ方向下流側に向かって縮径する縮径部４６が形成されている。本実施形態の縮径部４６は、図３に示す断面視において、縮径開始点４６ａから縮径終了点４６ｂに亘って直線的に縮径する傾斜面であるが、縮径開始点４６ａから縮径終了点４６ｂに亘って徐々に縮径する面であれば、直線的に縮径する傾斜面だけでなく、湾曲的に縮径する湾曲面（湾曲凸面、湾曲凹面を含む）であってもよい。

縮径部４６は、ロータシャフト４０の回転速度に応じた遠心摩擦力の増減に基づいて、冷媒流路４１における冷媒Ｃの流れを変化させる。なお、遠心摩擦力は、ロータシャフト４０の回転に応じてロータシャフト４０の内周面と冷媒Ｃとの間に生じる摩擦力であり、摩擦係数をμ、冷媒Ｃの質量をｍ、ロータシャフト４０の内径をｒ、ロータシャフト４０の角速度をωとしたとき、遠心摩擦力Ｆ１は、下記（１）式で求められる。
Ｆ１＝μｍｒω^２ （１）

つまり、冷媒Ｃが冷媒流路４１内を進む力（以下、軸内推進力と呼ぶ。）をＦ２とすると、下記の関係式（２）が成立するとき、すなわち、ロータシャフト４０の回転速度が低速で、遠心摩擦力Ｆ１が小さいとき、冷媒Ｃは縮径部４６を越えやすい。

Ｆ２＞Ｆ１ （２）
また、下記の関係式（３）が成立するとき、すなわち、ロータシャフト４０の回転速度が高速で、遠心摩擦力Ｆ１が大きいとき、冷媒Ｃは縮径部４６を越えづらい。
Ｆ２＜Ｆ１ （３）

図３に示すように、縮径部４６は、冷媒流路４１における冷媒Ｃの流れ方向上流側に配置され、第１流出孔４３は、軸方向において縮径部４６の縮径開始点４６ａと縮径終了点４６ｂとの間に配置されている。このような配置構成によれば、ロータシャフト４０の回転速度が低速で、遠心摩擦力Ｆ１が小さいときは、冷媒Ｃが縮径部４６を越えて第２流出孔４４から積極的に流出する一方、ロータシャフト４０の回転速度が高速で、遠心摩擦力Ｆ１が大きいときは、冷媒Ｃが縮径部４６を越えずに第１流出孔４３から積極的に流出する、というロータシャフト４０の回転速度に応じた流出先の選択的な切り分けが可能になる。なお、縮径部４６の勾配や縮径量は、第１流出孔４３への冷媒Ｃの供給量と、第２流出孔４４への冷媒Ｃの供給量との比率に基づいて調節される。

［冷却作用］
つぎに、本実施形態に係る回転電機１の冷却作用について、図１及び図２を参照して説明する。

回転電機１の回転駆動時には、冷媒導入口４２からロータシャフト４０内の冷媒流路４１に冷媒Ｃが導入されている。図１に示すように、ロータシャフト４０の回転速度が低速のときは、遠心摩擦力Ｆ１が小さいため、多くの冷媒Ｃが縮径部４６を越え、第２流出孔４４側に流れる。つまり、永久磁石２２に向けて第１流出孔４３から流出する冷媒Ｃの量に比べ、コイルエンド部３２ａに向けて第２流出孔４４から流出する冷媒Ｃの量が多くなる。したがって、銅損によりコイルエンド部３２ａが発熱しやすい低速回転時には、第２流出孔４４から多くの冷媒Ｃを流出させ、コイルエンド部３２ａを積極的に冷却することが可能になる。

また、図２に示すように、ロータシャフト４０の回転速度が高速のときは、遠心摩擦力Ｆ１が大きいため、縮径部４６を越えられない多くの冷媒Ｃが第１流出孔４３から流出する。つまり、コイルエンド部３２ａに向けて第２流出孔４４から流出する冷媒Ｃの量に比べ、永久磁石２２に向けて第１流出孔４３から流出する冷媒Ｃの量が多くなる。したがって、鉄損により永久磁石２２が発熱しやすい高速回転時には、第１流出孔４３から多くの冷媒Ｃを流出させ、永久磁石２２を積極的に冷却することが可能になる。

以上説明したように、本実施形態の回転電機１によれば、ロータシャフト４０は、永久磁石２２に冷媒Ｃを供給する第１流出孔４３と、冷媒Ｃの流れ方向において第１流出孔４３の下流側に設けられ、コイル３２のコイルエンド部３２ａに冷媒Ｃを供給する第２流出孔４４と、冷媒Ｃの流れ方向下流側に向かって縮径する縮径部４６と、を備え、第１流出孔４３は、縮径部４６に設けられているので、ロータシャフト４０の回転速度に応じた遠心摩擦力Ｆ１の増減に基づいて、縮径部４６が冷媒流路４１における冷媒Ｃの流れを変化させることにより、第１流出孔４３を介した永久磁石２２に対する冷媒Ｃの供給量と、第２流出孔４４を介したコイルエンド部３２ａに対する冷媒の供給量との比率を調節することが可能になる。

また、縮径部４６は、ロータシャフト４０の回転速度に伴う遠心摩擦力Ｆ１の増加に応じて、冷媒Ｃを第１流出孔４３から永久磁石２２に向けて積極的に流出させるので、低速回転時には銅損によるコイル３２の発熱を抑制でき、高速回転時には鉄損による永久磁石２２の発熱を抑制できる。

また、縮径部４６は、縮径開始点４６ａから縮径終了点４６ｂに亘って徐々に縮径し、第１流出孔４３は、軸方向において該縮径開始点４６ａと該縮径終了点４６ｂとの間、且つ、周方向において少なくとも２つ設けられているので、ロータシャフト４０の回転速度に伴う遠心摩擦力Ｆ１の増減に応じて、第１流出孔４３から永久磁石２２に供給される冷媒Ｃの量をスムーズに変化させることができる。

また、第１流出孔４３は、ロータコア２１の内周面と対向する位置に形成されているので、ロータコア２１内を介して永久磁石２２に冷媒Ｃを供給できる。

また、第２流出孔４４は、コイルエンド部３２ａと対向する位置に形成されているので、コイルエンド部３２ａに対して冷媒Ｃを効率良く供給できる。

［他の実施形態］
つぎに、本発明の第２実施形態に係る回転電機１Ｂについて、図５を参照して説明する。ただし、前記実施形態と共通する構成については、前記実施形態の符号を用いることにより、前記実施形態の説明を援用する。

図５に示すように、第２実施形態の回転電機１Ｂは、ロータコア２１の軸方向端面に永久磁石２２を押さえるエンドプレート２３を備え、第１流出孔４３が一方（図５中、右側）のエンドプレート２３の内周面と対向する位置に形成され、第２流出孔４４が他方（図５中、左側）のエンドプレート２３の内周面と対向する位置に形成されている。このようにすると、第１流出孔４３から流出する冷媒Ｃをエンドプレート２３に沿って永久磁石２２に供給でき、第２流出孔４４から流出する冷媒Ｃをエンドプレート２３に沿ってコイルエンド部３２ａに供給できる。なお、他方のエンドプレート２３に板厚方向に貫通する貫通孔を設け、エンドプレート２３に沿って流れる冷媒Ｃを貫通孔からコイルエンド部３２ａに供給するようにしてもよい。

なお、本発明は、前述した実施形態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、冷媒Ｃは、ギヤの掻き上げ等による自然潤滑によって冷媒流路４１に送り込まれる場合に限らず、ポンプによる強制潤滑によって冷媒流路４１に送り込まれてもよい。

１、１Ｂ 回転電機
２０ ロータ
２１ ロータコア
２２ 永久磁石
２３ エンドプレート
３０ ステータ
３１ ステータコア
３２ コイル
３２ａ コイルエンド部
４０ ロータシャフト
４１ 冷媒流路
４３ 第１流出孔
４４ 第２流出孔
４６ 縮径部
４６ａ 縮径開始点
４６ｂ 縮径終了点
Ｃ 冷媒
Ｆ１ 遠心摩擦力

Claims (6)

1. ロータコアと、該ロータコアに配置される永久磁石と、を有するロータと、
   ステータコアと、該ステータコアに巻回されるコイルと、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、
   前記ロータの内周側に前記ロータと一体回転するように取り付けられ、内部に軸方向に延びる冷媒流路が形成されたロータシャフトと、を備える回転電機であって、
   前記ロータシャフトは、前記永久磁石に冷媒を供給する第１流出孔と、前記冷媒の流れ方向において前記第１流出孔の下流側に設けられ、前記コイルのコイルエンド部に前記冷媒を供給する第２流出孔と、前記冷媒の流れ方向下流側に向かって縮径する縮径部と、を備え、
   前記第１流出孔は、前記縮径部に設けられている、回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機であって、
   前記縮径部は、前記ロータシャフトの回転速度に伴う遠心摩擦力の増加に応じて、前記冷媒を前記第１流出孔から前記永久磁石に向けて積極的に流出させる、回転電機。
3. 請求項１又は２に記載の回転電機であって、
   前記縮径部は、縮径開始点から縮径終了点に亘って徐々に縮径し、
   前記第１流出孔は、軸方向において該縮径開始点と該縮径終了点との間、且つ、周方向において少なくとも２つ以上設けられている、回転電機。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電機であって、
   前記第１流出孔は、前記ロータコアの内周面と対向する位置に形成されている、回転電機。
5. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電機であって、
   前記第１流出孔は、前記ロータコアの軸方向端面に配置されるエンドプレートの内周面と対向する位置に形成されている、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、
   前記第２流出孔は、前記コイルエンド部と対向する位置に形成されている、回転電機。

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