JP6733403B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本明細書は、回転電機に関する技術を開示する。

回転電機としては、電気エネルギを回転の運動エネルギに変換する電動機と、回転の運動エネルギを電気エネルギに変換する発電機と、電動機および発電機の両方として機能する電気機器とが知られている。一形態における回転電機は、回転可能に支持されたロータシャフトと、ロータシャフトの外周に設けられたロータと、ロータの径方向外側に対向するステータコアと、ステータコアに巻き付いたステータコイルとを備える。

特許文献１，２には、回転電機においてステータコイルを冷媒によって冷却する技術について開示されている。特許文献１には、ロータシャフトに設けられたエンドプレートの凹部にロータシャフトの外部から冷媒を供給し、遠心力によってロータシャフトの径方向外側へと冷媒を飛散させる技術が開示されている。特許文献２には、ロータシャフトの内側から外側へと冷媒を噴射する技術が開示されている。

国際公開第２０１３／０８０２７５号明細書 特開２０１３−１３２１５１号公報

特許文献１，２の技術では、ステータコイルを効果的に冷却することについて改善の余地があった。

本明細書が開示する回転電機の一形態は、ロータシャフトと、ロータと、ステータコアと、ステータコイルと、固定部とを備える。ロータシャフトは、回転可能に支持されている。ロータは、ロータシャフトと共に回転可能にロータシャフトの外周に設けられている。ステータコアは、ロータの径方向外側に対向する。ステータコイルは、ロータシャフトの軸方向においてステータコアから突出する状態でステータコアに巻き付いている。固定部は、ロータに隣接した状態でロータシャフトの外周に設けられている。固定部は、ロータをロータシャフトに固定する。固定部は、軸方向においてロータに向かうにつれて外径が大きくなる拡径部を有する。固定部は、拡径部を小径側の部位と大径側の部位とに分断する段部であって径方向外側へ突出している段部と、段部を貫通しており拡径部の小径側の部位と大径側の部位を連通する複数の貫通孔を有する。そして、ロータシャフトを伝って拡径部の小径側に冷媒が供給される。

上記形態の回転電機によれば、小径側の部位における冷媒を段部において飛散させることができる。さらに、小径側の部位から貫通孔を通過して大径側の部位へ移動した冷媒を飛散させることができる。ステータコイルへと冷媒を飛散させる位置を段部によって調整できる。その結果、ステータコイルを効果的に冷却できる。拡径部のロータの側の端に、径方向外側に突出する別の段部が設けられていてもよい。小径側の部位から貫通孔を通過して大径側の部位へ移動した冷媒を別の段部において飛散させることができる。これによって、ステータコイルへと冷媒を飛散させる位置を段部および別の段部によって調整できる。また、別の段部における冷媒の飛散量を、貫通孔の大きさおよび個数の少なくとも一方によって調整できる。

第１実施形態における回転電機の概略構成を示す説明図である。 ロータシャフトの詳細構成を示す説明図である。 カシメナットを示す説明図である。 回転電機における冷媒の挙動を示す説明図である。 カシメナットの拡径部における各部の速度を示す説明図である。 カシメナットの拡径部から冷媒が飛散する様子を示す説明図である。 第２実施形態におけるカシメナットを示す説明図である。 第３実施形態におけるカシメナットを示す説明図である。

図１は、第１実施形態における回転電機１０の概略構成を示す説明図である。本実施形態では、回転電機１０は、電動機および発電機の両方として機能する装置である。回転電機１０は、車両（図示しない）に搭載され、車両を駆動する駆動力を発生させるとともに、車両で使用する電力を生成する。他の実施形態では、回転電機１０は、電動機および発電機の一方として機能する装置であってもよい。

図１には、相互に直交するＸＹＺ軸が図示されている。図１のＸＹＺ軸におけるＸ軸Ｙ軸は、水平方向に延びた座標軸である。図１のＸＹＺ軸におけるＺ軸は、重力方向の下方から上方に向かう座標軸である。回転電機１０の回転中心ＡＲは、Ｙ軸に平行である。図１には、回転中心ＡＲを通るとともにＹＺ平面に平行な平面で、回転電機１０の主要な構成要素を切断した断面が図示されている。回転電機１０は、筐体１１０と、ロータシャフト１３０と、ロータ１４０と、ステータ１５０と、カシメナット１６０と、冷媒循環機構１８０とを備える。

回転電機１０の筐体１１０は、ロータ１４０およびステータ１５０を収容する。筐体１１０は、供給口１１６と、排出口１１８とを有する。筐体１１０の供給口１１６は、ロータシャフト１３０より重力方向上方（＋Ｚ軸方向）に設けられた貫通孔である。供給口１１６は、冷媒循環機構１８０から供給される冷媒を筐体１１０の内部へと導入する。筐体１１０の排出口１１８は、ステータ１５０より重力方向下方（−Ｚ軸方向）に設けられた貫通孔である。排出口１１８は、筐体１１０の内部から外部へと冷媒を排出する。

回転電機１０のロータシャフト１３０は、回転中心ＡＲを中心として回転可能に支持された軸である。ロータシャフト１３０は、軸受１２１および軸受１２２を介して筐体１１０に支持されている。軸受１２１は、ロータシャフト１３０における−Ｙ軸方向側に設けられ、軸受１２２は、ロータシャフト１３０における＋Ｙ軸方向側に設けられている。

ロータシャフト１３０は、Ｙ軸方向に延びた貫通孔１３２を有する筒状を成す。貫通孔１３２は、ロータシャフト１３０との間で動力を伝達する動力伝達軸（図示しない）と嵌め合い可能に構成されている。

図２は、ロータシャフト１３０の詳細構成を示す説明図である。図２には、ロータシャフト１３０を＋Ｙ軸方向から見た外観と、ロータシャフト１３０の軸である回転中心ＡＲを通る平面でロータシャフト１３０を切断した断面Ｆ２−Ｆ２とが図示されている。

ロータシャフト１３０は、貫通孔１３２の他、端部１３１と、軸受部１３３と、ロータ保持部１３４と、ロータ固定部１３６と、軸受部１３８と、端部１３９とを有する。回転電機１０に組み込まれた状態において、ロータシャフト１３０の端部１３１は、−Ｙ軸方向側に位置し、ロータシャフト１３０の端部１３９は、＋Ｙ軸方向側に位置する。回転電機１０に組み込まれた状態において、ロータシャフト１３０の軸受部１３３は、軸受１２１に嵌まり合い、ロータシャフト１３０の軸受部１３８は、軸受１２２に嵌まり合う。

ロータシャフト１３０のロータ保持部１３４は、軸受部１３３と軸受部１３８との間に位置する円筒状の部位である。回転電機１０に組み込まれた状態において、ロータ保持部１３４は、ロータ１４０に挿入された状態でロータ１４０を保持する。ロータ保持部１３４に保持されるロータ１４０は、ロータ固定部１３６とカシメナット１６０との間に挟まれることによってロータシャフト１３０に固定される。

ロータシャフト１３０のロータ固定部１３６は、ロータ保持部１３４と軸受部１３８との間に位置し、ロータ保持部１３４より大きな外径を有する部位である。ロータ固定部１３６は、ロータシャフト１３０に一体的に形成されている。回転電機１０に組み込まれた状態において、ロータ固定部１３６は、ロータ１４０のエンドプレート１４９に隣接した状態で、ロータ１４０をロータシャフト１３０に固定する固定部である。回転電機１０に組み込まれた状態において、ロータ固定部１３６は、ステータコイル１５４の径方向内側に位置する。回転電機１０に組み込まれた状態において、ロータ固定部１３６は、回転中心ＡＲに平行なロータシャフト１３０の軸方向（Ｙ軸方向）においてロータ１４０に向かうにつれて外径が大きくなる拡径部を構成する。このようなロータ固定部１３６は、ロータシャフト１３０の軸（回転中心ＡＲ）に長軸ＬＡ１が一致する楕円体ＳＰ１の表面に沿うように湾曲している。楕円体ＳＰ１の短軸ＳＡ１は、ロータシャフト１３０の軸（回転中心ＡＲ）に直交する。

図１の説明に戻り、回転電機１０の説明を続ける。回転電機１０のロータ１４０は、ロータシャフト１３０と共に回転可能にロータシャフト１３０の外周に設けられている。ロータ１４０は、ロータコア１４２と、永久磁石１４４と、エンドプレート１４８，１４９とを備える。ロータ１４０のロータコア１４２は、円筒状を成す磁性体である。ロータ１４０の永久磁石１４４は、ロータコア１４２に埋め込まれている。ロータ１４０のエンドプレート１４８は、円板状を成し、ロータコア１４２の−Ｙ軸方向側に隣接した状態でエンドプレート１４９との間にロータコア１４２を挟む。ロータ１４０のエンドプレート１４９は、円板状を成し、ロータコア１４２の＋Ｙ軸方向側に隣接した状態でエンドプレート１４８との間にロータコア１４２を挟む。

回転電機１０のステータ１５０は、ステータコア１５２と、ステータコイル１５４とを備える。ステータ１５０のステータコア１５２は、ロータ１４０の径方向外側に対向する磁性体である。ステータコア１５２は、筐体１１０に固定されている。ステータ１５０のステータコイル１５４は、ロータシャフト１３０の軸方向（Ｙ軸方向）においてステータコア１５２から突出する状態でステータコア１５２に巻き付けられている。ステータコイル１５４は、ステータコア１５２から＋Ｙ軸方向および−Ｙ軸方向の両方に突出する状態でステータコア１５２に巻き付けられている。

回転電機１０のカシメナット１６０は、ロータ１４０のエンドプレート１４８に隣接した状態でロータシャフト１３０の外周に設けられ、ロータ１４０をロータシャフト１３０に固定する固定部である。カシメナット１６０は、ロータシャフト１３０のロータ固定部１３６との間にロータ１４０を挟む状態で、ロータシャフト１３０に対して、かしめられている。カシメナット１６０は、ロータシャフト１３０に組み付けられた部材である。カシメナット１６０は、環状を成す。

図３は、カシメナット１６０を示す説明図である。図３には、カシメナット１６０を−Ｙ軸方向から見た外観と、ロータシャフト１３０の軸である回転中心ＡＲを通る平面でカシメナット１６０を切断した断面Ｆ３−Ｆ３とが図示されている。

カシメナット１６０は、端部１６１と、拡径部１６２と、貫通孔１６６と、端部１６９とを有する。回転電機１０に組み込まれた状態において、カシメナット１６０の端部１６１は、−Ｙ軸方向側に位置する。回転電機１０に組み込まれた状態において、カシメナット１６０の貫通孔１６６は、ロータシャフト１３０に嵌まり合う。回転電機１０に組み込まれた状態において、カシメナット１６０の端部１６９は、＋Ｙ軸方向側に位置するとともに、ロータ１４０のエンドプレート１４８に隣接する。

回転電機１０に組み込まれた状態において、カシメナット１６０の拡径部１６２は、ステータコイル１５４の径方向内側に位置する。回転電機１０に組み込まれた状態において、拡径部１６２は、回転中心ＡＲに平行なロータシャフト１３０の軸方向（Ｙ軸方向）に沿ってロータ１４０に向かうにつれて外径が大きくなる。このような拡径部１６２は、ロータシャフト１３０の軸（回転中心ＡＲ）に長軸ＬＡ２が一致する楕円体ＳＰ２の表面に沿うように湾曲している。楕円体ＳＰ２の短軸ＳＡ２は、ロータシャフト１３０の軸（回転中心ＡＲ）に直交する。

図１の説明に戻り、回転電機１０の説明を続ける。回転電機１０の冷媒循環機構１８０は、ステータコイル１５４を冷却する冷媒を循環させる機構である。冷媒循環機構１８０は、供給配管１８２と、回収配管１８４と、ポンプ１８６とを備える。冷媒循環機構１８０の供給配管１８２は、筐体１１０の供給口１１６に冷媒を供給する配管である。冷媒循環機構１８０の回収配管１８４は、筐体１１０の排出口１１８から排出される冷媒を回収する配管である。冷媒循環機構１８０のポンプ１８６は、回収配管１８４を通じて回収される冷媒を供給配管１８２へと送り出す。冷媒はオイルである。

図４は、回転電機１０における冷媒ＣＭの挙動を示す説明図である。回転電機１０における冷媒ＣＭは、供給配管１８２から筐体１１０の供給口１１６へと供給された後、重力によって筐体１１０の内側を伝ってロータシャフト１３０へと流れる（図４の矢印ｆ１）。ロータシャフト１３０へと流れた冷媒ＣＭの少なくとも一部は、冷媒ＣＭに作用する表面張力および摩擦力によってロータシャフト１３０上に留まる。これによって、ロータシャフト１３０からカシメナット１６０の拡径部１６２の小径側（−Ｙ軸方向側）に冷媒ＣＭが供給される。冷媒循環機構１８０は、拡径部１６２の小径側が冷媒ＣＭに浸かる状態となるように、冷媒ＣＭを供給口１１６へと供給する。

ロータシャフト１３０の回転により、冷媒ＣＭには遠心力が作用し、冷媒ＣＭは、拡径部１６２の小径側から大径側へ移動する（図４の矢印ｆ２）。

拡径部１６２の小径側から大径側へ移動した冷媒ＣＭは、さらに、遠心力によって拡径部１６２からステータコイル１５４へと飛散する（図４の矢印ｆ３）。ステータコイル１５４へと飛散した冷媒ＣＭは、筐体１１０の内部を巡った後、筐体１１０の排出口１１８から最終的に排出される。

図５は、カシメナット１６０の拡径部１６２における各部の速度を示す説明図である。拡径部１６２における小径側の部位Ａ１は、回転中心ＡＲから半径Ｒ１の位置にある。拡径部１６２における大径側の部位Ａ２は、回転中心ＡＲから、半径Ｒ１より大きな半径Ｒ２の位置にある。ロータシャフト１３０の角速度をＷとするとき、部位Ａ１における速度Ｖ１は、Ｖ１＝Ｒ１・Ｗとなり、部位Ａ２における速度Ｖ２は、Ｖ２＝Ｒ２・Ｗとなる。そして、Ｒ１＜Ｒ２であることから、速度Ｖ１と速度Ｖ２との関係は、Ｖ１＜Ｖ２となる。

部位Ａ１における冷媒ＣＭの流速がＶ１であるとともに、部位Ａ２における冷媒ＣＭの流速がＶ２であると考えると、部位Ａ１と部位Ａ２で冷媒ＣＭに速度差が発生する。冷媒ＣＭは粘性流体であるが、境界層の外では非粘性流体として扱うことができ、ベルヌーイの定理が適用できる。部位Ａ１と部位Ａ２で、ベルヌーイの定理により次の関係式が成り立つ。

（１／２）・ｐ・Ｖ１^２＋ｐ・ｇ・ｚ＋Ｐ１＝一定
（１／２）・ｐ・Ｖ２^２＋ｐ・ｇ・ｚ＋Ｐ２＝一定
ｐ：冷媒ＣＭの密度、ｇ：重力加速度、ｚ：冷媒ＣＭの重力方向の位置
Ｐ１：部位Ａ１における気圧、Ｐ２：部位Ａ２における気圧

上記関係式においてＶ１＜Ｖ２であることから、Ｐ１＜Ｐ２となる。言い換えると、大径側の部位Ａ２における気圧Ｐ２は、小径側の部位Ａ１における気圧Ｐ１と比較して負圧となる。この負圧も、拡径部１６２の小径側から大径側への冷媒ＣＭの移動を促進する。

冷媒が粘性抵抗を有することから、拡径部１６２の形状としては、図３に示すように楕円体が好ましい。

図６は、カシメナット１６０の拡径部１６２から冷媒ＣＭが飛散する様子を示す説明図である。図６に示す例では、ロータシャフト１３０の回転方向ＤＲは、−Ｙ軸方向から見て右回りである。拡径部１６２における部位のうち部位Ａａ，Ａｂは、回転方向ＤＲが重力方向下方（−Ｚ軸方向）を向く部位である。拡径部１６２における部位のうち部位Ａｃ，Ａｄは、回転方向ＤＲが重力方向下方（−Ｚ軸方向）とは逆方向を向く部位である。拡径部１６２における冷媒ＣＭには、重力方向下方（−Ｚ軸方向）に重力が作用するため、部位Ａａ，Ａｂにおける冷媒ＣＭの流速は、部位Ａｃ，Ａｄにおける冷媒ＣＭの流速より速くなる。その結果、部位Ａａ，Ａｂから飛散する冷媒ＣＭの飛散量は、部位Ａｃ，Ａｄから飛散する冷媒ＣＭの飛散量より増加する。この傾向は、ロータシャフト１３０の回転速度が低くなるほど顕著となり、ロータシャフト１３０の回転速度が高くなるほど小さくなる。

以上説明した第１実施形態の回転電機１０によれば、遠心力によってロータシャフト１３０から楕円体形状の拡径部１６２を伝ってステータコイル１５４へと冷媒ＣＭを飛散させることができる。それゆえ、ロータシャフト１３０からステータコイル１５４へと供給される冷媒ＣＭの供給量を増加できる。その結果、ステータコイル１５４を効果的に冷却できる。

第１実施形態の回転電機１０において、ロータシャフト１３０のロータ固定部１３６の小径側に冷媒ＣＭが供給される構成であってもよい。これによって、遠心力によってロータシャフト１３０から楕円体形状のロータ固定部１３６を伝ってステータコイル１５４へと冷媒ＣＭを飛散させることができる。それゆえ、ロータシャフト１３０からステータコイル１５４へと供給される冷媒ＣＭの供給量を増加できる。その結果、ステータコイル１５４を効果的に冷却できる。

図７は、第２実施形態におけるカシメナット１６０Ａを示す説明図である。第２実施形態の回転電機１０は、カシメナット１６０に代えてカシメナット１６０Ａを備える点を除き、第１実施形態と同様である。第２実施形態のカシメナット１６０Ａは、段部１６８を有する点を除き、第１実施形態のカシメナット１６０と同様である。カシメナット１６０Ａの段部１６８は、拡径部１６２より大きな外径を有し、拡径部１６２と端部１６９との間に拡径部１６２に対して段差を形成する。第２実施形態の回転電機１０によれば、拡径部１６２の小径側から大径側へ移動した冷媒ＣＭを段部１６８において飛散させることができる（図７の矢印ｆ４）。これによって、ステータコイル１５４へと冷媒ＣＭを飛散させる位置を段部１６８によって調整できる。

図８は、第３実施形態におけるカシメナット１６０Ｂを示す説明図である。図８には、カシメナット１６０Ｂを−Ｙ軸方向から見た外観と、ロータシャフト１３０の軸である回転中心ＡＲを通る平面でカシメナット１６０Ｂを切断した断面Ｆ８−Ｆ８とが図示されている。第３実施形態の回転電機１０は、カシメナット１６０に代えてカシメナット１６０Ｂを備える点を除き、第１実施形態と同様である。

第３実施形態のカシメナット１６０Ｂは、段部１６３と貫通孔１６４とを有する点を除き、第２実施形態のカシメナット１６０Ａと同様である。カシメナット１６０Ｂの段部１６３は、拡径部１６２を小径側の部位１６２ａと大径側の部位１６２ｂとに分断する段差を形成する。カシメナット１６０Ｂの貫通孔１６４は、段部１６３を貫通し、拡径部１６２における小径側の部位１６２ａと大径側の部位１６２ｂとを連結する。複数個の貫通孔１６４が、カシメナット１６０Ｂの周方向に沿って、段部１６３に設けられている。

第３実施形態の回転電機１０によれば、拡径部１６２における小径側の部位１６２ａにおける冷媒ＣＭを段部１６３において飛散させることができる（図８の矢印ｆ５）。さらに、小径側の部位１６２ａから貫通孔１６４を通過して大径側の部位１６２ｂへ移動した冷媒ＣＭを段部１６８において飛散させることができる（図８の矢印ｆ６）。これによって、ステータコイル１５４へと冷媒ＣＭを飛散させる位置を段部１６３および段部１６８によって調整できる。また、段部１６８における冷媒ＣＭの飛散量を、貫通孔１６４の大きさおよび個数の少なくとも一方によって調整できる。

他の実施形態において、第２実施形態および第３実施形態における構造の少なくとも一方をロータシャフト１３０のロータ固定部１３６に適用してもよい。これによって、ロータ固定部１３６において、ステータコイル１５４へと冷媒ＣＭを飛散させる位置を調整できる。

上述した実施形態の特徴を以下に述べる。拡径部を有する固定部は、ロータシャフトに一体的に形成された部分と、ロータシャフトに組み付けられた部材との少なくとも一方であってもよい。この形態によれば、拡径部を容易に構成できる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０…回転電機
１１０…筐体
１１６…供給口
１１８…排出口
１２１，１２２…軸受
１３０…ロータシャフト
１３１…端部
１３２…貫通孔
１３３…軸受部
１３４…ロータ保持部
１３６…ロータ固定部
１３８…軸受部
１３９…端部
１４０…ロータ
１４２…ロータコア
１４４…永久磁石
１４８，１４９…エンドプレート
１５０…ステータ
１５２…ステータコア
１５４…ステータコイル
１６０，１６０Ａ，１６０Ｂ…カシメナット
１６１…端部
１６２…拡径部
１６２ａ…小径側の部位
１６２ｂ…大径側の部位
１６３…段部
１６４…貫通孔
１６６…貫通孔
１６８…段部
１６９…端部
１８０…冷媒循環機構
１８２…供給配管
１８４…回収配管
１８６…ポンプ

Claims (3)

1. 回転可能に支持されたロータシャフトと、
   前記ロータシャフトと共に回転可能に前記ロータシャフトの外周に設けられたロータと、
   前記ロータの径方向外側に対向するステータコアと、
   前記ロータシャフトの軸方向において前記ステータコアから突出する状態で前記ステータコアに巻き付けられているステータコイルと、
   前記ロータに隣接した状態で前記ロータシャフトの外周に設けられ、前記ロータを前記ロータシャフトに固定する固定部と、
   を備える回転電機であって、
   前記固定部は、
   前記軸方向において前記ロータに向かうにつれて外径が大きくなる拡径部と、
   前記拡径部を小径側の部位と大径側の部位とに分断する段部であって径方向外側へ突出している段部と、
   前記段部を貫通しており、前記拡径部の前記小径側の部位と前記大径側の部位を連通する複数の貫通孔と、
   を備えており、
   前記ロータシャフトを伝って前記拡径部の小径側に冷媒が供給されることを特徴とする回転電機。
2. 前記拡径部の前記ロータの側の端に、径方向外側に突出する別の段部が設けられている、請求項１に記載の回転電機。
3. 前記拡径部が、前記ロータシャフトの軸に長軸が一致する楕円体の表面に沿うように湾曲している、請求項１または２に記載の回転電機。

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