JP7192941B1

JP7192941B1 - 回転電機

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Publication number: JP7192941B1
Application number: JP2021154029A
Authority: JP
Inventors: 拓植松
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2021-09-22
Filing date: 2021-09-22
Publication date: 2022-12-20
Anticipated expiration: 2041-09-22
Also published as: JP2023045544A; CN118020237A; WO2023047875A1

Abstract

【課題】ロータシャフト内にオイルを供給することなく、コイル内周にオイルを噴射できる回転電機を提供する。【解決手段】回転電機は、ロータと、回転軸に沿ってロータを貫通し、軸受に軸支されるシャフトと、ロータを内側に収容するとともに、内周側にコイルが巻回される円筒状のステータと、ロータの軸方向端面に取り付けられるロータカバーと、軸受にオイルを供給する流路を有する筐体と、を備える。ロータカバーは、シャフトとの間に同心状の隙間を形成し、軸受からのオイルを隙間で受けるオイル受け部を有する。オイル受け部は、隙間に導かれたオイルをコイルの内周に向けて遠心力で噴射する噴射口を有する。【選択図】図６

Description

本発明は、回転電機に関する。

従来から、ステータコアに巻回されたコイルの冷却効率を高めるために、ステータのコイルエンド部に冷却油を接触させて冷却する冷却構造を備えた回転電機が知られている。

この種の冷却構造を備えた回転電機では、回転電機の軸方向端部の上側からそれぞれコイルエンド部に対して下向きに冷却油が噴射される。冷却油はコイルエンド部と接触すると熱を奪い、コイルエンド部の外周に沿って下側のオイルパンに向けて流れる。

回転電機の上側から冷却油を噴射する場合、一般的にコイルエンド部の内周側には冷却油が直接供給されず、熱交換後に跳ね返ったオイルやハウジング内のオイルミストなどで間接的に冷却されるにすぎない。そのため、上記の構成では、コイルエンド部の内周側でのオイルによる冷却効果は限定的であり、当該冷却効果を高めるためには全体的な冷却油の供給量を増加させる必要が生じてしまう。

また、例えば特許文献１、２のように、ロータシャフトの内部に軸方向に沿って給油路を形成し、ロータシャフトからの冷却油を遠心力でコイルの内側に噴射する冷却構造も提案されている。

特開２０１１－１０４８９号公報特開２００７－１５９３２５号公報

しかし、特許文献１、２のようにロータシャフト内からオイルを噴射する冷却構造では、シャフト内にオイルを送り出すために冷却油の圧力をポンプで十分に高める必要があり、また回転するシャフトに対してオイルを送出する部分でのオイルシールも必要となる。そのため、冷却構造のコストが増加してしまう。また、特許文献１、２では、ロータシャフトが中空構造になるためロータシャフトの剛性も低下しうる。

本発明は、上記の状況に鑑みてなされたものであって、ロータシャフト内にオイルを供給することなく、コイル内周にオイルを噴射できる回転電機を提供する。

本発明の一態様の回転電機は、ロータと、回転軸に沿ってロータを貫通し、軸受に軸支されるシャフトと、ロータを内側に収容するとともに、内周側にコイルが巻回される円筒状のステータと、ロータの軸方向端面に取り付けられるロータカバーと、軸受にオイルを供給する流路を有する筐体と、を備える。ロータカバーは、シャフトとの間に同心状の隙間を形成し、軸受からのオイルを隙間で受けるオイル受け部を有する。オイル受け部は、隙間に導かれたオイルをコイルの内周に向けて遠心力で噴射する噴射口を有する。

上記の一態様の回転電機において、シャフトは、隙間の内側で径方向に突出し、オイル受け部にオイルを送出する送出部を有していてもよい。

上記の一態様の回転電機において、ロータカバーは、オイル受け部よりも外周側にオイル案内部を有していてもよい。オイル案内部は、噴射口から噴射されたオイルを反射する傾斜面を含み、オイルによるコイルの冷却位置を調整してもよい。
また、ロータカバーは金属で形成されるとともに、ロータの軸方向端面を覆ってもよい。そして、ロータの軸方向端面は、ロータカバーのオイル案内部を介してオイルで冷却されてもよい。

上記の一態様の回転電機において、筐体は、コイルの上側からオイルを散布するオイル散布部と、オイル散布部にオイルを供給する給油路と、をさらに有していてもよい。また、流路は、給油路から分岐したオイルを供給してもよい。

本発明の一態様によれば、ロータシャフト内にオイルを供給することなく、コイル内周にオイルを噴射できる。

本実施形態の回転電機の一例を示す斜視図である図１のＡ－Ａ線断面図である。負荷側のハウジングカバーを外した状態の回転電機の正面図である。負荷側のハウジングカバーの内面側を示す図である。ロータカバーの切断斜視図である。図２における負荷側の軸受近傍の拡大図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
実施形態では説明を分かり易くするため、本発明の主要部以外の構造や要素については、簡略化または省略して説明する。また、図面において、同じ要素には同じ符号を付す。なお、図面に示す各要素の形状、寸法などは模式的に示したもので、実際の形状、寸法などを示すものではない。

図面においては、適宜３次元直交座標系としてＸＹＺ座標系を示す。ＸＹＺ座標系において、Ｚ方向は回転軸と平行な方向とする。Ｘ方向は、Ｚ方向と直交する方向であって、図２の紙面垂直方向に対応する。Ｙ方向は、Ｘ方向とＺ方向との両方と直交する方向であって、図２の上下方向に対応する。また、図面において、必要に応じて回転電機の回転軸を符号ＡＸで示す。なお、以下の説明では、回転軸ＡＸを中心とする周方向を単に周方向と称し、回転軸ＡＸを中心とする径方向を単に径方向と称する。

図１は、本実施形態の回転電機１の一例を示す斜視図である。図２は、図１のＡ－Ａ線断面図である。図３は、負荷側のハウジングカバー６を外した状態の回転電機１の正面図である。図４は、負荷側のハウジングカバー６の内面側を示す図である。

本実施形態の回転電機１は、インナーロータ型モータであって、ロータ２と、シャフト３と、ステータ４とを備えている。ロータ２、シャフト３およびステータ４は、ハウジング本体５およびハウジングカバー６を有する筐体に収容されている。なお、ハウジング本体５およびハウジングカバー６はいずれも鋳造で製造される。

ロータ２は、例えば磁石埋込型または表面磁石型のロータである。ロータ２の鉄心は、電磁鋼板等を軸方向に複数積層して形成される。また、ロータ２の中心には、回転軸ＡＸに沿って鉄心を貫通するようにシャフト３が嵌入されている。また、ロータ２の軸方向両端には、それぞれエンドプレート１１ａ，１１ｂとロータカバー１２ａ，１２ｂが取り付けられる。

シャフト３は、ロータ２の鉄心から反負荷側（図２の右側）に露出している部位にフランジ部３ｃと、第１のテーパー領域３ａとを有する。また、シャフト３は、ロータ２の鉄心から負荷側（図２の左側）に露出している部位に第２のテーパー領域３ｂを有する。

シャフト３のフランジ部３ｃはシャフト３の径方向に環状に突出し、反負荷側のエンドプレート１１ａと当接する。また、シャフト３の第１のテーパー領域３ａは、フランジ部３ｃの反負荷側の面から軸方向に沿って形成され、ロータ２から離れるにつれて縮径して反負荷側に先細となるテーパー形状をなしている。また、シャフト３の第２のテーパー領域３ｂは、ロータ２から離れるにつれて縮径して負荷側に先細となるテーパー形状をなしている。テーパー領域３ａ，３ｂは送出部の一例である。

エンドプレート１１ａ，１１ｂは、中央部にシャフト３を挿通する穴が開口され、ロータ２よりも小径のリング状の部材である。反負荷側に配置されるエンドプレート１１ａは、シャフト３のフランジ部３ｃとロータ２との間に介在し、ロータ２の反負荷側の軸方向端面（第１の端面）と密着する。また、負荷側（図２の左側）に配置されるエンドプレート１１ｂは、ロータ２の負荷側の軸方向端面（第２の端面）と密着する。エンドプレート１１ａ，１１ｂは、軸方向の両側からロータ２を押さえ付け、積層鋼板で構成されたロータ２の鉄心を保持する機能を担う。

反負荷側に配置されるロータカバー１２ａは、エンドプレート１１ａとロータ２の第１の端面を外側から覆い、第１の端面に密着してロータ２に固定される。また、負荷側に配置されるロータカバー１２ｂは、エンドプレート１１ｂとロータ２の第２の端面を外側から覆い、第２の端面に密着してロータ２に固定される。なお、ロータカバー１２ａ，１２ｂの詳細な構成については後述する。

ステータ４は、円筒状のステータコアを有し、僅かなエアギャップを隔ててロータ２を内側に収容する。ステータ４の内周には軸方向に沿って複数のスロット（不図示）が形成され、スロットにはコイルが巻回されている。コイルのコイルエンド部７は、ステータ４の軸方向両端においてそれぞれステータ４から張り出し、周方向に環状をなしている。

回転電機１においては、コイルの電流制御によりステータ４の磁界を順番に切り替えることで、ロータ２の磁界との吸引力または反発力が生じる。これにより、ロータ２およびシャフト３が回転し、回転電機１が駆動する。このとき、通電によってコイルは発熱する。また、電磁誘導によってロータ２に収容されている永久磁石も熱を帯びる。

回転電機１のハウジング本体５は、軸方向の両側が開口した円筒状の空間を有する筐体である。ハウジング本体５の円筒状の空間内には、シャフト３が嵌入されたロータ２と、ステータ４が同心状に配置される。ステータ４はハウジング本体５の内周に嵌合され、ハウジング本体５はステータ４の外周面を覆うように取り付けられる。

ハウジング本体５の軸方向の両側には、ハウジングカバー６がそれぞれ取り付けられる。これにより、ハウジング本体５の両側の開口はハウジングカバー６でそれぞれ塞がれる。また、各々のハウジングカバー６にはそれぞれ軸受８が設けられ、シャフト３は、ハウジングカバー６の軸受８により回転可能に軸支される。なお、シャフト３の負荷側の端部は、ハウジングカバー６を貫通して外側に突出している。

また、ハウジング本体５は、コイルエンド部７を油冷するための給油路１３を有する。給油路１３は、オイルクーラおよびオイルポンプ（いずれも不図示）を経由した冷却油が流れる油路であって、冷却油を受けるオイル入口１４と接続されている。給油路１３は、ステータ４よりも図２中上側に配置されている。給油路１３は、ハウジング本体５内で軸方向に延び、両側がハウジングカバー６で塞がれる。また、給油路１３の端部は、第１流路１５と第２流路１６に接続されている。なお、第１流路１５および第２流路１６は、回転電機１の負荷側および反負荷側にそれぞれ形成され、両者の構成はほぼ同様である。

第１流路１５は、給油路１３から分岐して周方向に延びる流路であって、流路には複数の孔が下向きに開口されている。第１流路１５の各々の孔は、コイルエンド部７の外周面に臨む位置でハウジング本体５の内部空間と連通する。第１流路１５は、オイル散布部の一例であって、給油路１３からの冷却油をコイルエンド部に上側から散布する機能を担う。

第２流路１６は、ハウジングカバー６を介して軸受８にオイルを供給する流路である。第２流路１６は、ハウジングカバー６に形成された溝部１７と、給油路１３と溝部１７をつなぐ連絡孔１８を有する。

第２流路１６の溝部１７は、ハウジングカバー６の内面側に形成され、図２、図４に示すように、給油路１３から軸受８にかけて回転電機１の径方向に沿って上下に延びている。図４では、負荷側のハウジングカバー６の溝部１７を示すが、反負荷側のハウジングカバー６の溝部１７も負荷側と同様に構成される。

第２流路１６の連絡孔１８は、ハウジングカバー６において給油路１３の端部から軸方向に対して下側に傾いて形成され、溝部１７の上端と連通している。これにより、給油路１３からの冷却油の一部は、第２流路１６の連絡孔１８および溝部１７を経て軸受８に供給される。

また、ハウジング本体５の底面近傍は、コイルエンド部７と熱交換されたオイルが貯留されるオイルパンとして機能する。ハウジング本体５にはオイルパンに貯留されたオイルを吸い出すオイル出口１９が設けられている。ハウジング本体５のオイル出口１９は、オイルポンプと接続されている。

また、本実施形態のロータカバー１２ａ，１２ｂは、軸受８に供給されたオイルをシャフト３側からコイルエンド部７の内周に向けて遠心力で散布できる。以下、ロータカバー１２ａ，１２ｂによるオイル散布について説明する。以下、ロータカバー１２ａ，１２ｂに共通する事項を説明するときにはロータカバー１２とも表記する。

図５は、ロータカバー１２の切断斜視図である。図６は、図２における負荷側の軸受近傍の拡大図である。

ロータカバー１２は、金属製の円板状部材であって、カバー本体２１と、オイル受け部２２と、オイル案内部２３とを有する。ロータカバー１２のカバー本体２１は、中央部にシャフト３を挿通可能な開口部を有し、ロータ２の外径に対応する寸法の円板状である。カバー本体２１の正面はハウジングカバー６の内面に臨み、カバー本体２１の背面はエンドプレートとロータ２の軸方向端面に臨む。カバー本体２１は、ロータ２の軸方向端面を覆うことでロータ２に挿入された永久磁石が脱落することを抑制する機能を担う。

オイル受け部２２は、カバー本体２１の内周側の外縁に環状に形成されており、シャフト３の外周面との間に形成される隙間で軸受８からのオイルを受ける機能を担う。オイル受け部２２は、回転電機１の軸方向においてカバー本体２１の正面よりも突出するともに、ロータカバー１２の正面側から背面側に向かうにつれて内周面が拡径してゆくテーパー形状をなしている。

オイル受け部２２は、シャフト３のテーパー領域に対して同心状に配置され、当該テーパー領域を外側から覆う。図２、図６に示すように、ロータカバー１２ｂのオイル受け部２２は、シャフト３の第２のテーパー領域３ｂと対応する位置に配置される。同様に、図２に示すように、ロータカバー１２ａのオイル受け部２２は、シャフト３の第１のテーパー領域３ａと対応する位置に配置される。

オイル受け部２２の内径はシャフト３の外径よりも大きく設定されており、シャフト３の周囲にはオイル受け部２２との間に同心状の隙間が形成される。また、ロータカバー１２は、軸方向においてオイル受け部２２の先端が軸受８と対向するようにロータ２に取り付けられる。

また、オイル受け部２２には、オイル受け部２２を径方向に連通するオイル噴射口２４が少なくとも１以上形成されている。オイル噴射口２４は、例えば、周方向に一定間隔（例えば４５度間隔）を空けてオイル受け部２２に複数形成されている。なお、オイル受け部２２におけるオイル噴射口２４の数や配置間隔は適宜変更できる。

オイル案内部２３は、カバー本体２１の正面外周側に環状に形成されている。オイル案内部２３は、テーパー状の傾斜面を有し、オイル噴射口２４から噴射されたオイルを傾斜面で反射してコイルエンド部７に導く機能を担う。図５では、カバー本体２１の正面に対して傾斜面の外周側が立ち上がる形状のオイル案内部２３を示している。しかし、オイル案内部２３の形状は上記に限定されることなく、例えば、カバー本体２１の正面から外周側に向けて下る形状の傾斜面を形成してもよい。

以下、本実施形態の回転電機１におけるオイルの流れについて説明する。
回転電機１において、ハウジング本体５のオイルパンに貯留されたオイルは、オイルポンプの駆動によりオイル出口１９から吸い出され、オイルクーラで冷却される。オイルクーラで冷却されたオイルは、オイル入口１４からハウジング本体５の上側に位置する給油路１３に送出される。給油路１３においてオイルは軸方向の一方側（反負荷側）と他方側（負荷側）に流れるが、以下の説明では、給油路１３の負荷側に向けて流れるオイルについて説明し、反負荷側に向けて流れるオイルに関する重複説明は省略する。

給油路１３の負荷側に流れるオイルは、給油路１３の端部で第１流路１５および第２流路１６にそれぞれ分岐する。第１流路１５に流入したオイルは、コイルエンド部７に上側から散布され、コイルエンド部７の外周を左回り方向と右回り方向の両側から下側にむけて流れる。このとき、コイルエンド部７に接触したオイルが熱を奪うことで、コイルエンド部７が外周側から冷却される。

一方、第２流路１６に流入したオイルは、図６に矢印で示すように、連絡孔１８および溝部１７を経て軸受８に導かれる。そして、軸受８に対しては、ハウジングカバー６と軸受８の間から第２流路１６を経由したオイルが供給され、軸受８の潤滑が確保される。

また、図６に矢印で示すように、ハウジングカバー６と軸受８の間から軸受８に供給されたオイルは例えば軸受８内を通ってロータ２側に到達し、その後にシャフト３を伝ってシャフト３とオイル受け部２２の間に形成された隙間に流れ込む。ここで、回転電機１の駆動時にロータ２およびシャフト３は回転しているため、シャフト３とオイル受け部２２の隙間に流れ込んだオイルには遠心力が作用する。また、シャフト３とオイル受け部２２の隙間に流れ込んだオイルは、径方向に突出するシャフト３のテーパー領域によって径方向外側に向けて掻き出されて送出される。

上記の作用により、隙間に流れ込んだオイルはオイル受け部２２の内周面に向けて移動し、遠心力によりオイル噴射口２４から噴射される。オイル噴射口２４から噴射されたオイルは、カバー本体２１のオイル案内部２３で反射してからコイルエンド部７の内周に接触する。そして、コイルエンド部７に接触したオイルが熱を奪うことで、コイルエンド部７が内周側からも冷却される。

ここで、コイルエンド部７に対するオイル噴射口２４の位置はロータ２の回転に伴って周方向に変化するため、オイル噴射口２４からのオイルはコイルエンド部７の内周全体に噴射される。また、オイル噴射口２４からのオイルがオイル案内部２３で一度反射することで、コイルエンド部７の内周でオイルの当たる位置（冷却位置）は傾斜面の角度に応じて所望の位置に調整される。また、オイル案内部２３との接触でオイルが拡散することで、コイルエンド部７の内周のより広い範囲にオイルを接触させることができる。

また、ロータ２に収容された永久磁石は、ロータ２の軸方向端面に密着する金属製のロータカバー１２と熱的に接続される。ロータカバー１２は、オイル受け部２２でのオイルとの接触に加え、オイル案内部２３にオイルが当たることでもオイルで冷却されるので、これによりロータ２の永久磁石も軸方向端部側から冷却されうる。

なお、コイルエンド部７に上側から散布されるオイルと、コイルエンド部７の内周に噴射された後に滴下するオイルは、いずれもオイルパンに還流して貯留される。そして、オイルパンのオイルは、オイルポンプの駆動によってオイルクーラに向けて再び送出される。

以上のように、本実施形態の回転電機１では、オイル受け部２２を有するロータカバー１２がロータ２に取り付けられる。オイル受け部２２はシャフト３との間に同心状の隙間を形成し、軸受８からのオイルを隙間で受ける。また、隙間に導かれたオイルは、オイル受け部２２のオイル噴射口２４からコイルの内周に向けて遠心力で噴射される。これにより、本実施形態の回転電機１では、コイルの内周側をオイルで冷却することができる。

また、本実施形態の構成では、軸受８に供給されたオイルをオイル受け部２２とシャフト３の隙間で受け、オイル噴射口２４から遠心力で噴射する。本実施形態では、シャフト内にオイルの流路を設けずに済むため、冷却構造のコストを抑制することができ、またシャフトの剛性低下を生じさせることもない。

本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改良並びに設計の変更を行ってもよい。

上記実施形態では、回転電機１の一例としてモータの構成例を説明したが、本発明の回転電機は、油冷型の発電機に適用することも可能である。

また、上記実施形態では、送出部としてシャフト３にテーパー領域を形成し、ロータカバー１２のオイル受け部２２と対向させる構成例を説明したが、送出部の構成は上記に限定されない。例えば、シャフト３の周方向に一以上の突起を形成し、軸受８からのオイルを突起で掻き上げてオイル受け部２２に送出してもよい。また、シャフト３側にテーパーや突起を形成せずに、軸受８からのオイルを遠心力でオイル受け部２２に移動させてもよい。

また、上記実施形態では、オイル噴射口２４からのオイルをオイル案内部２３の傾斜面で反射させる構成例を説明したが、ロータカバー１２にはオイル案内部２３を必ずしも設けなくてもよい。また、軸方向への傾きが異なる複数のオイル噴射口２４をオイル受け部２２に形成し、オイル案内部２３にオイルを反射させる流れと、コイルエンド部７にオイルを直接噴射する流れを生じさせてもよい。

加えて、今回開示された実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１…回転電機、２…ロータ、３…シャフト、３ａ，３ｂ…テーパー領域、４…ステータ、５…ハウジング本体、６…ハウジングカバー、７…コイルエンド部、８…軸受、１２，１２ａ，１２ｂ…ロータカバー、１３…給油路、１５…第１流路、１６…第２流路、１７…溝部、１８…連絡孔、２１…カバー本体、２２…オイル受け部、２３…オイル案内部、２４…オイル噴射口

Claims

ロータと、
回転軸に沿って前記ロータを貫通し、軸受に軸支されるシャフトと、
前記ロータを内側に収容するとともに、内周側にコイルが巻回される円筒状のステータと、
前記ロータの軸方向端面に取り付けられるロータカバーと、
前記軸受にオイルを供給する流路を有する筐体と、を備え、
前記ロータカバーは、前記シャフトとの間に同心状の隙間を形成し、前記軸受からの前記オイルを前記隙間で受けるオイル受け部を有し、
前記オイル受け部は、前記隙間に導かれたオイルを前記コイルの内周に向けて遠心力で噴射する噴射口を有する
ことを特徴とする回転電機。
前記シャフトは、前記隙間の内側で径方向に突出し、前記オイル受け部に前記オイルを送出する送出部を有する
請求項１に記載の回転電機。
前記ロータカバーは、前記オイル受け部よりも外周側にオイル案内部を有し、
前記オイル案内部は、前記噴射口から噴射された前記オイルを反射する傾斜面を含み、前記オイルによる前記コイルの冷却位置を調整する
請求項１または請求項２に記載の回転電機。
前記ロータカバーは金属で形成されるとともに、前記ロータの前記軸方向端面を覆い、
前記ロータの前記軸方向端面は、前記ロータカバーを介して前記オイルで冷却される
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の回転電機。
前記筐体は、前記コイルの上側から前記オイルを散布するオイル散布部と、前記オイル散布部に前記オイルを供給する給油路と、をさらに有し、
前記流路は、前記給油路から分岐した前記オイルを供給する
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の回転電機。