JP7135522B2

JP7135522B2 - 回転電機

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Publication number: JP7135522B2
Application number: JP2018133388A
Authority: JP
Inventors: 秀明宮園
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-07-13
Filing date: 2018-07-13
Publication date: 2022-09-13
Anticipated expiration: 2038-07-13
Also published as: CN110718978B; DE102019209582A1; JP2020014285A; CN110718978A; US10958121B2; US20200021155A1

Description

本発明は、回転電機に関し、特にロータの冷却構造に関する。

電気エネルギを回転の運動エネルギに変換する電動機、回転の運動エネルギを電気エネルギに変換する発電機、さらに電動機と発電機どちらにも機能する電気機器が知られている。以下において、これらの電気機器を総称して回転電機と記す。

下記特許文献１には、オイルにより冷却を行うモータが開示されている。オイルは、第１の油路（９１）と第２の油路（９２）を通ってモータ（２）に供給される。第１の油路（９１）は、中空のシャフト（２１）を含み、オイルは、シャフト（２１）を介してロータコア（２４）内のコア貫通孔（２４ｅ）に供給される。第２の油路（９２）は、オイルをモータ（２）の上方に設けられたリザーバ（９８）に供給する。オイルは、リザーバ（９８）からステータ（３０）のコイルエンド（３１ａ）に供給される。なお、（）内の符号は、下記特許文献１で用いられた符号であり、本願の実施形態の説明で用いられる符号とは関連しない。

特開２０１８－２７００３号公報

回転電機の構造、特に回転電機の出力軸およびその周辺の構造のため、オイル等の冷却液を出力軸を介してロータ内部に供給することができない場合がある。

本発明は、回転電機の出力軸を介さずにロータ内部に冷却液を供給することを目的とする。

本発明に係る回転電機は、ケースと、ケースに回転軸線周りに回転可能に支持されたロータとを備える。この回転電機は、ロータの端面に隣接して位置し、冷却液を溜める冷却液溜めを有する。冷却液溜めは、ロータ端面によって規定される第１側面と、ロータ端面に対向するケースの内壁面によって規定される第２側面と、ロータ端面とケース内壁面の間にロータの回転軸線周りに周方向に延びる周壁によって規定される周面とにより形成される。周壁は、ケース内壁面に立設され回転軸線周りを周方向に延びるケース側周壁と、ロータ端面に立設され回転軸線周りを全周にわたって延びるロータ側周壁とを含む。さらに、この回転電機は、ロータを前記回転軸線に沿う方向に延びて貫通する冷却液流路を有する。冷却液流路の一端は、冷却液溜めに対して開口するように配置される。

冷却液溜めから冷却液が冷却液流路に流れ、内部からロータを冷却することができる。

ロータ側周壁は、ケース側周壁より半径方向外側に位置し、ロータ側周壁の先端縁には半径方向内側に向けて延び、先端がケース側周壁の外側表面に隣接する内向きフランジを有するものとできる。ロータ側周壁とケース側周壁の隙間を狭くすることができ、冷却液を溜めやすくなる。
また、ケース側周壁は、前記回転軸線を中心とする周の下側部分に配置され、上方に開いた円弧形状とすることができる。ケース側周壁は、ロータの回転方向において、後方の端が前方の端より高い位置となるように配置されるものとすることができる。

ロータは、回転軸線に沿う方向に積層されてロータコアを形成するロータコア鋼板と、積層されたロータコア鋼板の両端に位置するコア端板とを含むものとでき、冷却液溜め側のコア端板に、冷却液流路の一部となる端板冷却孔を形成することができ、ロータコア鋼板のそれぞれに、冷却液流路の一部となり、端板冷却孔よりも半径方向外側にずれて位置するコア鋼板冷却孔を形成することができる。

端板冷却孔とコア鋼板冷却孔を半径方向にずらすことにより冷却液流路内に傾斜した部分を作り出すことができる。そして、ロータの回転による遠心力が傾斜した部分の冷却液に作用し、冷却液経路内の流れが促進される。

回転電機の出力軸を介してロータ内部に冷却液を供給できない場合であっても、ロータ端面からロータ内部に冷却液を供給することができる。

本実施形態の回転電機の断面を示す模式図である。ロータを示す斜視図である。ロータの端面を示す図である。ケースの一部であるエンドカバーを示す斜視図である。エンドカバーの軸受保持部周辺を示す図である。冷却液溜めの構造を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。図１は、本実施形態の回転電機１０の要部構成を模式的に示す断面図である。回転電機１０は、回転軸線Ｌを中心として回転可能に支持されたロータ１２と、ロータ１２を囲むように配置されたステータ１４を備える。ロータ１２およびステータ１４はケース１６内に収められ、ロータ１２は、ケース１６に回転可能に支持され、ステータ１４はケース１６に固定されている。回転電機１０は、設置されたとき、または使用されるとき、回転軸線Ｌが水平になるように配置される。以下、回転軸線Ｌに沿う方向を軸線方向、回転軸線Ｌ周囲を周回する方向を周方向、回転軸線Ｌに直交する方向を半径方向と記す。

ステータ１４は、全体として円筒形状を有し、かつ円筒内周に周方向に間隔をあけて配列された複数のティースを有するステータコア１８と、ティースに巻回されたコイル２０を含む。ステータ１４は、所定の形状に形成された多数の電磁鋼板を回転軸線Ｌに沿う方向に積層して形成されている。図１において、コイル２０は、ステータ１４の軸線方向における端面から突出した部分、いわゆるコイルエンド２２のみが現れている。コイルに所定の交流電流を流すことより、ステータ１４の円筒内側の空間に回転磁界が形成される。

ロータ１２は、略円柱形状のロータコア２４と、ロータコア２４を、その円柱の中心線に沿って貫くロータシャフト２６を含む。ロータコア２４は、所定の形状に形成された多数の電磁鋼板を回転軸線Ｌに沿う方向に積層して形成されている。ロータコア２４を形成する電磁鋼板をロータコア鋼板と記す。ロータシャフト２６は、その中心線が回転軸線Ｌに一致するように、軸受を介してケース１６に支持される。ロータコア２４は、軸線方向の両端からコア端板２８，３０に挟持されている。コア端板２８を第１コア端板２８、コア端板３０を第２コア端板３０と記す。ロータ１２は、ステータ１４により形成される回転磁界と相互作用して回転軸線Ｌを中心として回転する。

ロータコア２４とロータシャフト２６は、互いに結合されており、一体となって回転軸線Ｌ周りに回転可能である。ロータシャフト２６は中空軸であり、その内部空間には、この空間を貫く伝動シャフト３２が配置されている。伝動シャフト３２も、ケース１６に軸受を介して回転可能に支持されており、さらに、図１が示す範囲の右外側でロータシャフト２６と結合されている。伝動シャフト３２の左端には、他のシャフトまたは駆動対象と結合するための軸継手３４が設けられている。

ロータ１２には、周方向に複数の冷却液流路３６が軸線方向に沿う方向に延びて配置されている。冷却液流路３６は、ロータコア２４を形成する各ロータコア鋼板にあけられた孔（以下、コア鋼板冷却孔３８）と、第１および第２コア端板２８，３０にあけられた孔４０，４２が連なることにより形成される。第１コア端板２８の孔４０を第１端板冷却孔４０と記す、第２コア端板３０の孔４２を第２端板冷却孔４２と記す。

ケース１６は、ステータ１４の周囲を囲むケース本体４４と、ケース本体４４の開口端を覆うエンドカバー４６を含む。エンドカバー４６は、ロータシャフト２６および伝動シャフト３２を支持する軸受を保持する軸受保持部４８を有する。

図２はロータ１２を示す斜視図であり、図３はロータ１２の、エンドカバー４６側の端面を示す図である。ロータコア２４のエンドカバー４６側の端に隣接して第１コア端板２８が位置している。第１コア端板２８は、中心にロータシャフト２６が通る孔があけられた円環板状の基板部５０と、基板部５０に立設された円環形状の周壁であるロータ側周壁５２を含む。基板部５０のエンドカバー４６に対向する面がロータ１２の端面であり、ロータ側周壁５２は、この端面の外側に立設し、回転軸線Ｌの周りを全周にわたって延びる壁である。前述の第１端板冷却孔４０は、ロータ側周壁５２の内側に隣接して基板部５０にあけられている。

図４はエンドカバー４６のケース内側を示す斜視図であり、図５はエンドカバー４６の軸受保持部４８を回転軸線Ｌに沿う方向に視た図である。エンドカバー４６のケース内側の表面であるケース内壁面５４は、軸受保持部４８を含む。軸受保持部４８のロータ１２に対向する面には、回転軸線Ｌの周りを周方向に延びるケース側周壁５６が立設されている。ケース側周壁５６は、円弧形状であって、回転電機１０を設置したとき、ロータシャフト２６の下側において、ロータシャフト２６を囲むように設けられる。また、ケース側周壁５６は、ロータ１２の回転方向Ａにおいて後方の端５６ｒが前方の端５６ｆより高い位置となるように設けられている。この回転電機１０では、ケース側周壁５６は、中心角１８０°の円弧形状、つまり半円形である。

図１から分かるように、ロータ側周壁５２とケース側周壁５６は近接して配置され、その隙間は狭くされている。この隙間は、可動部分の潤滑と発熱部分の冷却を行うオイルの通過を抑制する程度に狭くされている。以下において、オイルを冷却液と記す。前述のように、ロータ側周壁５２とケース側周壁５６の隙間を狭め、冷却液の流れを抑制することで、ケース１６内の上部に送られその後流れ落ちる冷却液を受けて溜める冷却液溜め５８を、ロータ１２とケース１６の間の部分に形成することができる。ロータ１２内に設けられた冷却液流路３６は、エンドカバー４６側の端において、冷却液溜め５８に対して開口するように配置されている。

図６は、ロータ１２の端面とケースの内壁面が対向する部分、特にロータ側周壁５２とケース側周壁５６の周囲部分の拡大断面図である。ロータ側周壁５２は、ケース側周壁５６の半径方向外側に位置し、ロータ側周壁５２とケース側周壁５６の先端部同士は半径方向において隣接している。ロータ側周壁５２の先端縁には、半径方向内側に延びる内向きフランジ６０が全周にわたって設けられている。機械加工を行うなどして、内向きフランジ６０の先端の寸法精度を高めることにより、ケース側周壁５６との隙間を狭くすることができ、冷却液を効率良く溜めることができる。

冷却液溜め５８は、互いに対向するロータ１２の端面とケース１６の内壁面により規定される第１および第２側面と、ロータ側周壁５２およびケース側周壁５６により規定される周面によって形成される。第１側面は、ロータ１２の端面、具体的には、第１コア端板２８の基板部５０の、軸線方向においてケース１６と対向する面のうちロータ側周壁５２の内側部分により規定される。第２側面は、ケース内壁面５４（図４参照）のうち、ケース側周壁５６の内側の弓形の部分により規定される。特に、この実施形態においては、第２側面は半円形である。周面は、ケース側周壁５６の内周面５６ａ、先端縁面５６ｂおよび内向きフランジ６０より先端側の外周面５６ｃと、ロータ側周壁５２の内周面５２ａと、内向きフランジ６０の内側側面６０ａとにより規定される。

冷却液流路３６の一部である第１端板冷却孔４０は、ロータ側周壁５２よりも半径方向内側に、ロータ側周壁５２に隣接して形成されている。第１端板冷却孔４０と共に冷却液流路３６を形成するコア鋼板冷却孔３８および第２端板冷却孔４２は、第１端板冷却孔４０と重なり部分を維持しつつ、第１端板冷却孔４０より半径方向外側にずれて形成されている。これにより第１端板冷却孔４０とコア鋼板冷却孔３８が隣接する部分で傾斜が形成される。ロータ１２が回転するとき、この傾斜部分にある冷却液に作用する遠心力が、この冷却液を傾斜に沿って下らせる（半径方向外側に向かわせる）駆動力として作用する。この駆動力によって、冷却液溜め５８からロータコア２４を貫いて反対側のロータ１２の端面へ向かう冷却液の流れが促進される。

回転電機１０では、ケース１６内の下部に溜まった冷却液がポンプ（不図示）によって上部に送られ、発熱するコイル２０、特にコイルエンド２２に掛けられて、これらを冷却する。また、この冷却液は軸受の潤滑も行う。コイルエンド２２を通った冷却液の一部は、冷却液溜め５８に受けられて、ここに溜まる。また、ロータ１２またはロータ１２と共に回転する構成により、冷却液はかき上げられ、このかき上げられた冷却液の一部も冷却液溜め５８に受けられる。各冷却液流路３６の冷却液溜め５８側の開口は、ロータ１２の回転に伴って断続的に冷却液溜め５８に没する。冷却液流路３６の開口が冷却液溜め５８に対して開口したとき、冷却液が冷却液溜め５８から冷却液流路３６を通って、反対側の端面に流れ、この過程でロータコア２４を内部から冷却する。

回転電機１０においては、ロータ側周壁５２とケース側周壁５６の一部が半径方向に対向するものとしたが、これに限らず、ロータ側周壁とケース側周壁の先端縁同士が対向するように配置してもよい。また、ロータ側周壁５２に設けられた内向きフランジ６０に替えて、ケース側周壁５６に外向きのフランジを設けることもできる。

回転電機１０のように、中空のロータシャフト２６内を伝動シャフト３２が貫通する同軸構造を採る場合、ロータシャフト２６を介してロータコア２４に冷却液を供給するのが難しい。この回転電機１０においては、ロータ１２の端面に対向して冷却液溜め５８を設けることにより、ここからロータコア２４の内部に冷却液を送ることができる。また、ロータシャフトに冷却液流路を設けない中実シャフト構造を採る場合にも、ロータの端面からロータコアの内部に冷却液を送ることができる。

１０回転電機、１２ロータ、１４ステータ、１６ケース、１８ステータコア、２０コイル、２２コイルエンド、２４ロータコア、２６ロータシャフト、２８第１コア端板、３０第２コア端板、３２伝動シャフト、３４軸継手、３６冷却液流路、３８コア鋼板冷却孔、４０第１端板冷却孔、４２第２端板冷却孔、４４ケース本体、４６エンドカバー、４８軸受保持部、５０基板部、５２ロータ側周壁、５４ケース内壁面、５６ケース側周壁、５８冷却液溜め、６０内向きフランジ。

Claims

ケースと、前記ケースに回転軸線周りに回転可能に支持されたロータとを備えた回転電機であって、
前記ロータのロータ端面に隣接して位置し、冷却液を溜める冷却液溜めであって、前記ロータ端面によって規定される第１側面と、前記ロータ端面に対向する前記ケースのケース内壁面によって規定される第２側面と、前記ケース内壁面に立設され前記回転軸線周りを周方向に延びるケース側周壁および前記ロータ端面に立設され前記回転軸線周りを全周にわたって延びるロータ側周壁によって規定される周面とによって形成される冷却液溜めと、
前記ロータを前記回転軸線に沿う方向に延びて貫通し、一端が前記冷却液溜めに対して開口するように配置され、前記冷却液が流れる冷却液流路と、
を有し、
前記ロータ側周壁は、前記ケース側周壁より半径方向外側に位置し、前記ロータ側周壁の先端縁には半径方向内側に向けて延び、先端が前記ケース側周壁の外側表面に隣接する内向きフランジを有する、回転電機。
ケースと、前記ケースに回転軸線周りに回転可能に支持されたロータとを備えた回転電機であって、
前記ロータのロータ端面に隣接して位置し、冷却液を溜める冷却液溜めであって、前記ロータ端面によって規定される第１側面と、前記ロータ端面に対向する前記ケースのケース内壁面によって規定される第２側面と、前記ケース内壁面に立設され前記回転軸線周りを周方向に延びるケース側周壁および前記ロータ端面に立設され前記回転軸線周りを全周にわたって延びるロータ側周壁によって規定される周面とによって形成される冷却液溜めと、
前記ロータを前記回転軸線に沿う方向に延びて貫通し、一端が前記冷却液溜めに対して開口するように配置され、前記冷却液が流れる冷却液流路と、
を有し、
前記ケース側周壁は、前記回転軸線を中心とする周の下側部分に配置され、上方に開いた円弧形状であり、
前記ロータ側周壁は、前記ケース側周壁より半径方向外側に位置し、前記ロータ側周壁の先端縁には半径方向内側に向けて延び、先端が前記ケース側周壁の外側表面に隣接する内向きフランジを有する、回転電機。
請求項２に記載の回転電機であって、前記ケース側周壁は、前記ロータの回転方向において、後方の端が前方の端より高い位置となるように配置されている。回転電機。
請求項１から３のいずれか１項に記載の回転電機であって、
前記ロータは、前記回転軸線に沿う方向に積層されてロータコアを形成するロータコア鋼板と、積層された前記ロータコア鋼板の両端に位置するコア端板と、を含み、
前記冷却液溜め側の前記コア端板には、前記冷却液流路の一部となる端板冷却孔が形成され、
前記ロータコア鋼板のそれぞれには、前記冷却液流路の一部となり、前記端板冷却孔よりも半径方向外側にずれて位置するコア鋼板冷却孔が形成されている、
回転電機。