JP6934977B1 - 回転電機 - Google Patents

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Abstract

【課題】端板の剛性を維持しつつ、端板に回転子鉄心を冷却する冷却媒体流路の役割を持たせ、回転子の冷却性を向上させる。【解決手段】回転子10の回転子鉄心2には、軸方向に貫通する放熱用貫通孔50が設けられ、回転子鉄心2の軸方向の端面に接して配置された端板3には、回転子鉄心2の端面と接する側の面に、軸方向に掘り下げられ、径方向外側に開放された溝部4が設けられ、隣り合う溝部4の間にはファン形成部4aが設けられる。永久磁石5の軸方向の端面が溝部4に露出されると共に、永久磁石5の軸方向に沿った側面部が放熱用貫通孔50に露出され、溝部4と放熱用貫通孔50が連通されて冷却媒体流路を構成する。回転子10の正転に伴って端板3がファンとして機能し、連通された放熱用貫通孔50と溝部4に冷却媒体の流れが生じる。【選択図】図2

Description

本願は回転電機に関するものである。
従来の回転電機として、回転子の内側に永久磁石が埋め込まれたIPM(Interior Permanent Magnet)モータが知られている。この種の回転子には、回転時の回転子鉄心内の永久磁石の軸方向への移動防止および飛散防止の目的で端板が備えられる。そして、永久磁石および固定子コイルの冷却のために、端板にフィンを設ける場合がある。
特開2010-252598号公報 特許第6017101号公報 特開2003-250248号公報
特許文献1に開示されたモータでは、回転子を構成する端板にフィンを設け、端板の正転時、フィンの作用により径方向外側に向けて風を発生させ、永久磁石等から端板に伝わった熱を放熱していた。この冷却方法にあっては、永久磁石等の熱が端板を介して間接的に放熱されるため、回転子の冷却性は限定的であった。
なお、端板を介した放熱方法を採用した場合、ステンレス製の端板に磁石を近接配置させることで熱伝導性を向上させることはできるが、端板には渦電流が発生するため、モータ動作の効率が低下するという問題があった。
特許文献2には、回転子鉄心の端面から突出した永久磁石を磁石保持部に保持し、永久磁石に直接的に冷却媒体を接触させる技術が開示されている。しかし、磁石保持部は、軸の周囲から放射状に広がる傘の骨に似た形状であり、冷却媒体流路となる開口部が広く設けられたために従来の端板として求められる剛性が不足しており、端板による固定が必要な場合があった。
特許文献3には、回転子の両端に配置された端板にそれぞれファンが形成され、ファンによって生じる気流が回転子と固定子との間に軸に沿って送られる技術が開示されている。しかし、永久磁石は冷却媒体に直接的に接することがなく、回転子の冷却性が限定的な構成であった。
本願は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、回転子の端板の剛性を維持しつつ、より一層回転子の冷却性を向上させることが可能な回転電機を提供することを目的とする。
本願に係わる回転電機は、 固定子と回転子とを備え、上記回転子は、シャフトに固定された回転子鉄心、上記回転子鉄心に軸方向に沿って収容された磁石、上記回転子鉄心の軸方向の端面に接して配置された端板を有し、上記回転子鉄心には、軸方向に貫通する放熱用貫通孔が設けられ、上記端板には、上記回転子鉄心の上記端面と接する側の面に、軸方向に掘り下げられ、径方向外側に開放された溝部が、径方向において上記放熱用貫通孔に重なる位置から上記端板の外周端にかけて設けられ、上記磁石の軸方向の端面が上記溝部に露出されると共に、上記磁石の一方向に長い端面形状の長手方向の両端部に上記放熱用貫通孔が配設され、上記磁石の軸方向に沿った側面部が上記放熱用貫通孔に露出され、上記溝部と上記放熱用貫通孔が連通されてなる流路に冷却媒体の気体が流されることを特徴とするものである。
本願の回転電機によれば、回転子の端板に軸方向に掘り下げた溝部設け、この溝部を冷却媒体流路およびファンとして機能させることで、端板の剛性を維持しつつ、冷却性を向上させることが可能となる。
実施の形態1による回転電機の回転子の軸方向に沿った断面図である。 図1のA−A線における矢視図である。 実施の形態1の永久磁石の収容状態を示す平面図である。 実施の形態1の端板の斜視図である。 実施の形態1による回転電機の要部拡大断面図である。 実施の形態2による回転電機の軸方向に沿った断面図である。 実施の形態2の回転子の軸方向における一方の端面を示す平面図である。
実施の形態1.
本願の実施の形態1による回転電機について、図1から図5を用いて説明する。図1は回転子10の軸方向に沿った断面図である。図2は図1のA−A線に沿った軸方向に垂直な断面を矢印方向から観察した矢視図である。図3(a)および図3(b)は、回転子鉄心2に収容された永久磁石5の収容状態を示す平面図である。図4は溝部4が穿たれた端板3の斜視図である。図5は、回転子10の軸方向に沿った要部拡大断面図であり、溝部4によって構成される冷媒流路を冷却媒体が通過する状態を示している。
回転電機は、固定子と、その固定子の内部に配置される回転子10によって構成される。図1に示すように、この回転子10は、シャフト1、そのシャフト1に固定され、磁性材が積層された略円筒形状の回転子鉄心2、回転子鉄心2の軸方向端部に配置された端板3、回転子鉄心2の内部に埋め込まれた永久磁石5を主構成部として備えている。回転子鉄心2に圧入されたシャフト1は、ベアリングを介してハウジングに固定され、ハウジング内において回転子10が回転自在に支持されている。なお、端板3を回転子鉄心2の端面に当接させるように押さえる固定部材として押さえプレート7が設けられている。
回転子10において、構成部材である永久磁石5、回転子鉄心2は、回転電機駆動時に熱を発生させる。永久磁石5は温度上昇にともなって減磁を起こし、磁束が減少ことでトルク低下を引き起こす。永久磁石5において発生する熱は、従来は回転子鉄心2を介して回転子鉄心2の外周面または端板を熱伝導するなどして放熱されていたが、その放熱効果は限定的であった。そこで本願では回転子10の端板3に溝加工を施すだけで費用をかけずに冷却性を向上させることが可能な構造について提案をする。
実施の形態1による回転電機の回転子10は、図1に示すように、端板3の溝部4が設けられた面部が回転子鉄心2の軸方向の両端面に接するように配設された構成である。端板3は、回転子鉄心2の軸方向の端面を覆う盤状に設けられ、その平面形状はシャフト1の外周を一定幅で取り巻く環状となっている。例えば、端板3の溝部4が設けられていない側の面部は従来の端板と同形状に形成されている。
回転子鉄心2の内部には軸方向に沿って永久磁石5が収容されている。例えば永久磁石5は長方形の端面が軸方向に延在する形状、つまり直方体に形成されるが、端面形状は様々に変形させることができ、側面部を曲線的に形成することも可能であることは言うまでもない。
端板3は、回転子鉄心2の端面と接する側の面に、軸方向に沿って掘り下げられた溝部4が設けられている。その溝部4は、端板3を軸方向に貫通しない深さとなるように浅く穿たれ、その平面形状は端板3の径方向外側に開放されるように開口形状が調整され、回転子10の正転時、端板3はファンとして機能する。
この端板3は溝部4の開口によって一部の厚みが小さくなっているが、上述したように平面形状を従来と同様(回転子鉄心2の端面を覆う形状)に保つことができ、軸方向における厚みを大幅に増すことなく、端板3自体の剛性(強度)を確保することが可能となっている。
さらに、回転子鉄心2の内部には、永久磁石5から離間すると共に平行に延びて軸方向を貫通する軸方向貫通部6と、永久磁石5の側面部を露出させる放熱用貫通孔50が設けられている。
放熱用貫通孔50は、図1には示されていないが、例えば図1の永久磁石5の手前側および奥行側に開口されており、永久磁石5の一方向に長い端面形状の長手方向の両端部に配設されている。
また、図2に示すように、端板の3の溝部4は、永久磁石5、放熱用貫通孔50および軸方向貫通部6と軸方向から視て重なる位置に配置されている。そして、端板3の回転子鉄心2に対向する面側には溝部4が複数(例えば8個)、等間隔に設けられ、隣り合う溝部4に挟まれた部分がファン形成部4aを構成しており、周方向に溝部4とファン形成部4aが交互に並んだ状態となっている。
図2の溝部4の平面形状は、例えば径方向内側から径方向外側に開口幅が広がる扇型に近似することができ、溝部4のU字型またはV字型の輪郭に沿って、その輪郭の内側に複数(例えば3個)の永久磁石5が間隔をあけて配設されている。
さらに、図2に示すように、回転子鉄心2に埋設された永久磁石5の近傍には、永久磁石5および放熱用貫通孔50と接しない位置に軸方向貫通部6が開口されている。軸方向貫通部6は、永久磁石5の一方向に長い端面形状の長手方向に位置する側面部に対向する位置に開口されている。軸方向貫通部6は端板3の溝部4に連通され、冷却媒体流路の一部を構成している。
永久磁石5は、例えば希土類からなり、図3(a)に示すように、それぞれ回転子鉄心2に設けられた収容孔50aに収容されて固定されている。この永久磁石5の収容孔50a内における回転子鉄心2への固定は、永久磁石5の外周面と収容孔50aの内周面の両者が接する面部に接着剤52を塗布し凝固させることにより行うことができる。
図3(a)に示すように、永久磁石5を収容する収容孔50aは、端面形状が長方形である永久磁石5の長手方向両端に位置する側面部において、放熱用貫通孔50と連通した状態となっている。言い換えれば、回転子鉄心2の軸方向に開口された一つの貫通孔の内部スペースが、永久磁石5を収納する収容孔50aと、永久磁石5の側面部を露出させる放熱用貫通孔50とに軸方向に沿って区分けされている。収容孔50aに収容された永久磁石5の両側面部には、放熱用貫通孔50に突き出した、永久磁石5の側面部に接する突起部51が設けられ、収容孔50aからの永久磁石5の周方向等への移動を抑制している。
なお、図3(a)に示したように、回転子鉄心2の収容孔50aへの永久磁石5の接着剤52による固定は、永久磁石5の両側面(長手方向に位置する二つの側面部)を接着剤52によって収容孔50aの内壁面に接着することにより行ってもよいが、図3(b)に変形例を示すように、永久磁石5の片側の側面部のみに接着剤52を塗布して収容孔50aの内壁面に固定し、反対側の接着されていない軸方向に沿った一つの側面部は収容孔50aに露出させることも可能である。その場合、収容孔50aの内壁面と永久磁石5との間に生じる隙間を放熱用貫通孔50と同様に冷却媒体流路の一部として機能させることができ、永久磁石5の放熱をより促進させることが可能となる。
さらに、図4に端板3の斜視図を示すように、溝部4は例えば所定の深さに掘り下げられた凹部により構成される。この形状の端板3は回転子10の一端または両端に配置することができる。そして、ファン形成部4aが、モータの回転動作時に、溝部4から径方向外側に冷却媒体を流すようにその形状を調整されることで、端板3は遠心ファンとして機能する。
なお、ファン形成部4aの形状については、ファン機能の向上のために、圧力がかかる面部を適切な曲面形状に成形するなどの調整が可能であることは言うまでもない。
図1に例示したように、永久磁石5の端面は回転子鉄心2の端面と同じ高さに設けられている。そのため、本願の回転電機の回転子10は、図2の溝部4に露出された回転子鉄心2の端面構造から分かるように、永久磁石5の軸方向の端面が端板3に穿たれた溝部4に露出されると共に、放熱用貫通孔50が溝部4に連通され、永久磁石5の軸方向に沿った側面部が、回転子鉄心2の内部において放熱用貫通孔50に露出され、さらに、永久磁石5および放熱用貫通孔50と接しない回転子鉄心2の内部の位置において軸方向に貫通する軸方向貫通部6が溝部4に連通されるという特徴を持っている。
少なくとも回転子10の軸方向の一端に本願の端板3を配設した構造とすることで、溝部4を冷却媒体流路として用いることが可能となり、回転子鉄心2の放熱用貫通孔50、軸方向貫通部6等に連通した放熱性のよい放熱経路を得ることができ、端板3のファン形成部4aの作用により、正転時、冷却媒体を径方向に流動させることができる。
ここで、回転子10の軸方向の両端に本願の端板3を配置する場合、各々の端板3の溝部4の開口形状(ファン形成部4aの形状に依存する)の大きさまたは形状を異ならせること、あるいは開口数を異ならせることで、両者間に圧力差が生じるように構成することができる。その場合、冷却媒体は、回転子10の外部から一方の溝部4に径方向内側に向かって吸引され、放熱用貫通孔50および軸方向貫通部6等の流路を軸方向に通過し、別の溝部4から径方向外側に向かって排出される。
なお、回転子鉄心2を挟んで軸方向に離間して配置された二つの端板3を、いずれも遠心ファンとした場合、回転子鉄心2の冷却媒体流路に外部から冷却媒体を送る経路(図示せず)を設けることで、二つの端板3の溝部4を介して効率よく冷却媒体を径方向外側へ排出することが可能となることは言うまでもない。
ここで、図1に示す構成においては、回転子鉄心2を挟んで軸方向に離間した2つの端板3が、溝部4同士が対向する配置となるように配設された例を示しているが、溝部4が設けられた端板3は、回転子鉄心2の軸方向の一方の端面側にのみ配設し、他方の端面側には通常形状の端板(溝部4が設けられていない)を配設することも可能である。その場合、回転子鉄心2の他方の端面側に配置した別の端板には、回転子鉄心2の軸方向に沿って開口された冷媒流路を外部と連通させるための開口部等を設けることで、冷却媒体の一定方向の流れを確保することができる。
回転子10の正転時の冷却媒体の流れを図5に模式的に示すように、端板3が遠心ファンとして機能する場合、回転子鉄心2内部の永久磁石5にて発生した熱は、各貫通孔内を矢印の方向に流れる冷却媒体に伝わり、この冷却媒体が溝部4へ流され、回転子10から外部に排出されることによって放熱することができる。図5の例では、回転子鉄心2の冷却媒体流路の一部である軸方向貫通部6のみを示しているが、永久磁石5の図示しない手前側、奥行側に放熱用貫通孔50が設けられており、放熱用貫通孔50には永久磁石5の側面部が露出されている。この放熱用貫通孔50において、永久磁石5に直接的に冷却媒体が接触するため放熱性がよい。また、永久磁石5に端板3が直接的に接触していない構成であるため、端板3での渦損低減の効果も得られる。
さらに、端板3の溝部4およびファン形成部4aよりなる遠心ファンにより発生した冷却媒体の流れ(風)が、回転子鉄心2の外周側に配置される固定子と固定子鉄心、巻線等の構成部に当たることによって、固定子を構成する各構成部の冷却を促進できるという効果を得ることができる。
なお、本実施の形態1の構成では、永久磁石5は、回転子鉄心2に対して接着剤52により固定保持されており、ファン形成部4aが設けられた端板3は永久磁石5に対して隙間(溝部4の内部空間)を空けて配設されていることから、本構成の端板3は一般的な端板のように永久磁石5を回転子鉄心2の内部に押しとどめる固定の機能は備えていない。しかし、本願の端板3は、片面に溝加工が施されたもので、盤状の形状が維持された十分な剛性を持つ構造体であり、永久磁石5が収容孔50aから飛び出したとしても、端板3の端面にて永久磁石5の移動を規制することができ、外部への永久磁石5の飛散を防止する機能は維持している。そして、本構成の端板3は一般的な端板とは異なり、冷却媒体流路およびファンの機能を併せ持つという特有の効果を奏する。
また、本実施の形態1の端板3を、非磁性の材料によって構成することで、渦電流損低減の効果が得られる。
さらに、図、図4等に示すように、端板3の内周面には径方向内側に突き出した突起状の回り止め部3aが形成され、この回り止め部3aをシャフト1に嵌合させることで端板3の周方向へ移動を規制している。
また、図1、図5等に示すように、押さえプレート7が端板3の軸方向外側の端面に接して配置され、シャフト1に強く圧入されることによって固定されている。この押さえプレート7は、例えばシャフト1と共通の材質よりなる鉄系材料で構成することができ、その場合、シャフト1と押さえプレート7との間で熱膨張率に差が無くなり、モータの動作時における温度変化に対して歪等を生じ難いという効果が得られる。

なお、上述の例では、端板3を非磁性の材料で構成し、鉄系材料で構成される押さえプレート7によりシャフト1に固定することについて説明したが、端板3を磁性材料、例えばシャフト1と共通の鉄系材料によって構成することも可能である。シャフト1と端板3とを共通材料、例えば鉄によって形成し、シャフト1に端板3を圧入するなどして直接的に固定する構成とした場合、構成部材から押さえプレート7を省略することができ、コスト低減につなげることができる。
ここで、端板3を鉄系材料で構成した場合には鉄損の増加が懸念されるが、端板3に設けられた溝部4によって端板3と永久磁石5の間に隙間が生じるため、渦損低減の顕著な効果が得られ、鉄損増加の影響を補うことができる。
実施の形態2.
上述の実施の形態1においては、回転子10の軸方向の少なくとも一端に端板3を配設し、端板3に浅く設けた溝部4を回転子鉄心2に開口した冷却媒体流路となる開口部に連通させて冷却性を向上させることについて説明した。この実施の形態2では、回転子10の軸方向の一端と他端とで端板の構成を異ならせることで、冷却媒体の流れる方向を規制し、冷却性をより一層向上させることについて説明する。
この実施の形態2の回転電機について図6および図7を用いて説明する。図6に回転子10の正転時の冷却媒体の流れを矢印で示すように、回転電機の回転子10は、回転子鉄心2の軸方向の一端に冷却媒体を吸気する端板30を配置するとともに、回転子鉄心2の軸方向の他端に冷却媒体を排出する端板31(別の端板)を配置した構成である。
この回転子10は、回転子鉄心2の上下の端面に、互いに異なる冷却媒体流路を持つ端板30、31を配設した点に特徴がある。図6の例では、冷却媒体は、端板30の溝部4から径方向内側に吸気され、回転子鉄心2内の冷却媒体流路(軸方向貫通部6を例示)を軸方向下向きに通過して、端板31の溝部4から径方向外側に排出されるとともに、追加的に開口された開口部31aから軸方向下向きに排出されることを模式的に表している。
回転子鉄心2を挟んで軸方向に離間した端板30、31の形状の相違により、回転子10が正転することで二つの端板30、31内に圧力差が生じ、回転子鉄心2の冷却媒体流路内に冷却媒体が一方向に絶え間なく流れ、その流れが逆流することはなく、永久磁石5等において生じた熱を直接的にかつ効率的に放熱することが可能となる。
端板30、31の冷却媒体流路の形状を異ならせる方法としては、上述のように、片方の端板31に対して追加的に軸方向に貫通する開口部31aを設ける方法がある。この開口部31aの開口領域は、図7に示すように、端板31の平面内のごく一部に限られており、端板31は十分な剛性を維持している。
また、図7に溝部4の一つの輪郭を破線で示したように、開口部31aと溝部4とは軸方向に重なっており、互いに連通している。ここで、開口部31aと永久磁石5の端面とが軸方向に重ならない配置とすることにより、永久磁石5の端面を端板31にて覆うことができ、永久磁石5の飛散防止の効果が得られる。
その他、冷却媒体流路の両端に圧力差をつけるためには、例えば上端面の端板30と下端面の端板31の間で、溝部4の形状、大きさに差を設けること、溝部4およびファン形成部4aの個数に差を設けることも有効である。
また、回転子鉄心2の一方の端面にのみ溝部4を設けた端板30を配置し、他方の端面には端板を設けない(端板を省略した)構成とするなどの方法がある。この場合、端板作成に要する部材費用等の削減が可能となり、また、軸方向における回転電機の小型化に有効である。
また、回転子鉄心2の他方の端面への端板の配置自体を省略するのではなく、他方の端面には溝部4の形成を省略した基本構造の端板を配設し、放熱用貫通孔50、軸方向貫通部6等の流路の内部に冷却媒体が流れるように、基本構造の端板に、放熱用貫通孔50、軸方向貫通部6等に連通する開口部を設ける構成とすることも有効である。
このように、端板30、31において冷却媒体流路の形状を異ならせることで、回転子鉄心2の軸方向に伸びる冷却媒体流路の両端部において圧力差を得、一定方向に流れる冷却媒体の流れを発生させることができ、放熱性をより一層向上させることが可能となる。
本開示は、例示的な実施の形態が記載されているが、実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合が含まれるものとする。
1 シャフト、 2 回転子鉄心、 3、30、31 端板、 3a 回り止め部、 4 溝部、 4a ファン形成部、 5 永久磁石、 6 軸方向貫通部、 7 押さえプレート、 10 回転子、 31a 開口部、 50 放熱用貫通孔、 50a 収容孔、 51 突起部、 52 接着剤

Claims (11)

  1. 固定子と回転子とを備え、
    上記回転子は、シャフトに固定された回転子鉄心、上記回転子鉄心に軸方向に沿って収容された磁石、上記回転子鉄心の軸方向の端面に接して配置された端板を有し、
    上記回転子鉄心には、軸方向に貫通する放熱用貫通孔が設けられ、
    上記端板には、上記回転子鉄心の上記端面と接する側の面に、軸方向に掘り下げられ、径方向外側に開放された溝部が、径方向において上記放熱用貫通孔に重なる位置から上記端板の外周端にかけて設けられ、
    上記磁石の軸方向の端面が上記溝部に露出されると共に、上記磁石の一方向に長い端面形状の長手方向の両端部に上記放熱用貫通孔が配設され、上記磁石の軸方向に沿った側面部が上記放熱用貫通孔に露出され、上記溝部と上記放熱用貫通孔が連通されてなる流路に冷却媒体の気体が流されることを特徴とする回転電機。
  2. 上記端板は、上記溝部が複数、周方向に設けられると共に、隣り合う上記溝部に挟まれたファン形成部を有し、上記ファン形成部は、上記回転子の正転時、冷却媒体を上記溝部から径方向外側に流す形状に設けられたことを特徴とする請求項1記載の回転電機。
  3. 上記溝部の平面形状は、径方向内側から径方向外側に開口幅が広がる扇型であり、複数の上記磁石は、上記扇型の輪郭に沿って、上記輪郭の内側に互いに間隔をあけて配設されたことを特徴とする請求項1または請求項2記載の回転電機。
  4. 上記磁石は上記回転子鉄心に開口された収容孔に収容され、上記回転子鉄心の上記収容孔に連通する上記放熱用貫通孔には、上記磁石の側面部に接する突起部が配設されたことを特徴とする請求項1から3のいずれか一項記載の回転電機。
  5. 上記磁石の軸方向に沿った一つの側面部が上記収容孔に露出されたことを特徴とする請求項4記載の回転電機。
  6. 上記回転子鉄心には、上記磁石および上記放熱用貫通孔と接しない位置において軸方向に貫通する軸方向貫通部が設けられ、上記軸方向貫通部は上記溝部に連通されたことを特徴とする請求項1から5のいずれか一項記載の回転電機。
  7. 上記軸方向貫通部は、上記磁石の一方向に長い端面形状の長手方向の面部に対向する位置に開口されていることを特徴とする請求項6記載の回転電機。
  8. 上記回転子は、上記回転子鉄心の軸方向の他方の端面に接して配置された別の端板を有し、上記別の端板には、上記放熱用貫通孔に連通する開口部が設けられていることを特徴とする請求項1から7のいずれか一項記載の回転電機。
  9. 上記回転子は、上記回転子鉄心の軸方向の他方の端面に接して配置された別の端板を有し、上記別の端板には、上記回転子鉄心の他方の上記端面と接する側の面部に、軸方向に掘り下げられ、径方向外側に開放された別の溝部が設けられ、
    上記端板の上記溝部と上記別の端板の上記別の溝部は異なる形状または異なる大きさに形成されたことを特徴とする請求項1から7のいずれか一項記載の回転電機。
  10. 上記端板は押さえプレートにより上記シャフトに固定され、上記端板は非磁性の材料で構成され、上記押さえプレートは鉄系材料で構成されたことを特徴とする請求項1から9のいずれか一項記載の回転電機。
  11. 上記磁石は、上記回転子鉄心に接着剤により固定されていることを特徴とする請求項1から10のいずれか一項記載の回転電機。
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