JP7483928B2 - 回転子、回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、回転子およびこれを用いた回転電機に関する。

近年、自動車等に搭載されて用いられるモータでは、高出力に伴ってコイルの冷却要求が厳しくなっている。コイルの冷却に関して、下記特許文献１の技術が知られている。特許文献１には、回転軸が挿入された回転コアと、ケーシングに固定された固定コアと、前記回転コアの両端部に備えられるエンドプレートとを備え、前記回転コアと前記固定コアとの少なくとも一方のコアは、電流の変化により磁極変化させるように構成されており、前記両コアの少なくとも他方のコアは、永久磁石により磁極を有するように構成されており、前記エンドプレートには、溝が形成されてこのエンドプレートの壁面と前記回転コアの端面との軸方向での間に設けられる冷媒通路と、該冷媒通路に連通された冷媒を供給する供給孔と、該冷媒通路に連通された冷媒を排出する第１排出孔とを備える、電動機の冷却構造が開示されている。この電動機の冷却構造において、前記エンドプレートには、前記冷媒通路の外周側に周状に排出溝が設けられ、該排出溝には、該排出溝から冷媒を前記冷媒通路の外周側から排出させる第２排出孔が設けられている。

日本国特開２０１１－１４２７８８号公報

特許文献１の冷却構造では、回転軸とエンドプレートにそれぞれ設けられた冷媒流路を連通させることで、回転軸からエンドプレートを通じて固定子のコイルに冷媒が供給されるようになっている。そのため、モータ組立時には回転軸とエンドプレートの位置合わせを正確に行う必要があり、これらの部品の加工精度や組立精度に対する要求が厳しい。したがって、モータの製造工数が増加し、高コスト化につながるという課題がある。

本発明の一態様による回転電機の回転子は、回転子コアと、当該回転子を支持する中空状のシャフトと、前記回転子の回転軸方向の端部に配置され、前記回転子コアとの間に冷媒が流れる流路を形成するエンドプレートと、を備え、前記エンドプレートは、前記シャフトと接触する複数のリブを有し、前記流路は、当該複数のリブ間に形成される冷媒流入部と、当該冷媒流入部と前記エンドプレートの外周面との間を連通する冷媒流出部と、を有し、前記シャフトには、前記冷媒流入部と当該シャフトの内側とを連通する冷媒供給孔が形成され、前記冷媒流入部の最内径側の周方向の長さが、前記冷媒供給孔の周方向の長さよりも大きく、前記エンドプレートは、前記エンドプレートを軸方向に貫通する複数の穴部と、前記複数のリブが形成されて前記シャフトが貫通する貫通孔と、を有しており、前記複数のリブは、前記穴部と前記貫通孔の中心とを結んだ仮想線上にそれぞれ配置される。
本発明の他の態様による回転電機の回転子は、回転子コアと、当該回転子を支持する中空状のシャフトと、前記回転子の回転軸方向の端部に配置され、前記回転子コアとの間に冷媒が流れる流路を形成するエンドプレートと、を備え、前記エンドプレートは、前記シャフトと接触する複数のリブを有し、前記流路は、当該複数のリブ間に形成される冷媒流入部と、当該冷媒流入部と前記エンドプレートの外周面との間を連通する冷媒流出部と、を有し、前記シャフトには、前記冷媒流入部と当該シャフトの内側とを連通する冷媒供給孔が形成され、前記冷媒流入部の最内径側の周方向の長さが、前記冷媒供給孔の周方向の長さよりも大きく、前記エンドプレートは、前記シャフトと接する面に周方向の全周にわたって環状に形成された壁部を有し、前記壁部は軸方向の長さが前記リブの軸方向長さよりも小さく形成される。
本発明による回転電機は、上記の回転電機の回転子と、前記回転子の外側に所定の隙間を介して配置される固定子と、を備える。

本発明によれば、高いコイル冷却性能を有しつつ、低コスト化を実現可能な回転子および回転電機を提供できる。

本発明の一実施形態に係る回転電機の構成を示す概略断面図。 エンドプレートの外観および構造を示す図。 エンドプレートにおけるリブと穴部の位置関係を説明する図。 エンドプレートの冷媒流入部とシャフトの冷媒供給孔との位置関係を説明する図。

以下、本発明の一実施形態について図面を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る回転電機の構成を示す概略断面図である。図１に示す回転電機１００は、回転子１、固定子２およびケース４を備え、回転子１に含まれるシャフト３０を回転軸として回転駆動する。回転電機１００は、例えば自動車の駆動用モータとして用いられ、シャフト３０や不図示のギヤボックス等を介して、回転トルクを自動車の駆動輪へ出力する。図１では、シャフト３０の中心軸を通る断面に沿って回転電機１００を切断した場合に、回転電機１００が有する上記の各構成要素の位置関係の概略を示している。なお、回転電機１００は自動車の駆動用モータに限らず、他の用途のものであってもよい。

回転子１は、回転子コア１０、エンドプレート２０およびシャフト３０を有する。回転子コア１０およびエンドプレート２０は、シャフト３０に取り付けられ、シャフト３０とともに回転駆動する。回転子コア１０は、不図示の永久磁石や巻線等の磁界発生要素を有しており、これを用いて周囲に磁界を発生する。エンドプレート２０は、回転子コア１０の軸方向の両端部にそれぞれ隣接して配置される。回転子コア１０とエンドプレート２０には、径方向の中心部に貫通孔がそれぞれ形成されており、これらの貫通孔をシャフト３０が貫通することで、回転子コア１０およびエンドプレート２０がシャフト３０に取り付けられる。

固定子２は、回転子１の外側に所定の隙間５を介して配置されており、固定子コア４０および複数の固定子コイル５０を有する。固定子コア４０には、軸方向に沿って形成された不図示のスロットが周方向に複数並べて配置され、各スロット内に一層または複数層の固定子コイル５０が挿入されることで固定子２が構成される。各固定子コイル５０は、固定子コア４０の両端部に形成されたコイルエンド部において互いに接続されるとともに、不図示のインバータ装置と接続される。このインバータ装置から供給される交流電流が各固定子コイル５０に流れることで、固定子２において回転磁界が発生し、回転子１の磁界との間で反発力や吸引力を生じることにより、回転子１が回転駆動する。

シャフト３０は、中空状の形状を有しており、その内部に絶縁性の冷媒（例えば油など）が流れている。回転子１において、エンドプレート２０には、径方向に沿って延伸する複数の冷媒流出部２１が設けられている。各冷媒流出部２１は、シャフト３０に形成された冷媒供給孔３１と連通するように配置され、シャフト３０の内部から冷媒供給孔３１を介して供給される冷媒を固定子２の近傍に放出する。これにより、固定子２において固定子コイル５０の熱が冷媒によって吸熱され、固定子コイル５０が冷却されるようになっている。

ケース４は、回転子１および固定子２の周囲を覆って配置され、ベアリング６を介してシャフト３０と接している。これにより、ケース４内が密閉され、冷媒がケース４の外部に漏れ出るのを防止している。なお、シャフト３０の冷媒供給孔３１からエンドプレート２０の冷媒流出部２１を通って固定子２の近傍に放出された冷媒は、固定子コイル５０の熱を吸熱した後、ケース４に設けられた不図示の排出口より排出される。

図２は、エンドプレート２０の外観および構造を示す図である。図２において、（ａ）はエンドプレート２０を回転子コア１０側から見たときの正面図を示し、（ｂ）はエンドプレート２０の斜視図を示し、（ｃ）はエンドプレート２０の断面図を示している。なお、（ｃ）の断面図では、（ａ）に示したＡ－Ａ’線での断面を示している。

エンドプレート２０は、前述の冷媒流出部２１に加えて、冷媒流入部２２、リブ２３および穴部２４をそれぞれ複数ずつ有している。リブ２３は、エンドプレート２０の貫通孔の内壁に沿って、周方向に所定の間隔を空けてそれぞれ形成されている。リブ２３は、貫通孔を貫通するシャフト３０（図１参照）にそれぞれ接触し、シャフト３０との間で摩擦力を発生する。

冷媒流入部２２は、互いに周方向に隣接するリブ２３とリブ２３の間におけるエンドプレート２０の貫通孔の内壁の一部を、径方向の外側に向かって凹ませることで形成された部分である。冷媒流入部２２の外周部には冷媒流出部２１がそれぞれ連結されている。これにより、冷媒流入部２２とエンドプレート２０の外周面との間が冷媒流出部２１によって連通されている。したがって、冷媒流入部２２と冷媒流出部２１により、回転子コア１０とエンドプレート２０との間に冷媒が流れる流路を形成することができる。

ここで、図２（ｃ）に示すように、冷媒流出部２１の軸方向の長さＤ１は、冷媒流入部２２の軸方向の長さＤ２よりも小さく形成されている。すなわち、冷媒流出部２１の断面積は、冷媒流入部２２の断面積よりも小さくなっている。これにより、シャフト３０に形成された冷媒供給孔３１（図１参照）から供給される冷媒が冷媒流入部２２を介して冷媒流出部２１へ流出する際に、冷媒の流速を上昇させることができる。その結果、前述のように冷媒流出部２１から固定子２の近傍に放出される冷媒の勢い（動圧）を増大させ、固定子コイル５０の冷却を効率的に行うことができる。

また、エンドプレート２０には、シャフト３０と接する面に、複数のリブ２３同士をつなぐように形成された環状の壁部２５が、軸方向に冷媒流入部２２と隣接して配置されている。すなわち、冷媒流入部２２は、軸方向の一端側が壁部２５に隣接して配置されている。この壁部２５は、エンドプレート２０の貫通孔の内壁に沿って、周方向の全周にわたって形成されている。

壁部２５は、リブ２３と同様に、貫通孔を貫通するシャフト３０にそれぞれ接触してシャフト３０との間で摩擦力を発生する。すなわち、リブ２３および壁部２５によってシャフト３０とエンドプレート２０との間で位置決めが行われ、エンドプレート２０がシャフト３０に支持されるようになっている。
ここで、仮にリブ２３が形成されない構成の場合、エンドプレート２０を安定的にシャフト３０に位置決めするためには、壁部２５の軸方向の長さ（長さＤ５）を大きくする必要がある。この場合、エンドプレート２０の重量が増加してしまうこととなる。
本実施形態では、リブ２３及び壁部２５により、エンドプレート２０を安定的にシャフト３０に位置決めすることができる。したがって、リブ２３を設けずに壁部２５だけでエンドプレート２０の位置決めを行う場合と比べて、壁部２５の厚さ（長さＤ５）を薄くすることができるため、エンドプレート２０の軽量化を図ることができる。
ここで、図２（ｃ）に示されるように、壁部２５の軸方向の長さＤ５は、リブ２３の軸方向の長さＤ３よりも小さく形成される構成としてもよい。これにより、より壁部２５の厚さ（長さＤ５）を薄くすることができるため、更なるエンドプレート２０の軽量化を図ることができる。

穴部２４は、エンドプレート２０を軸方向に貫通する穴であり、貫通孔の周囲に配置されている。なお、エンドプレート２０において、リブ２３と穴部２４は、以下で説明するように所定の位置関係に従って配置されている。

図３は、エンドプレート２０におけるリブ２３と穴部２４の位置関係を説明する図である。図３では、図２（ａ）と同様に、エンドプレート２０を回転子コア１０側から見たときの正面図を示している。また、エンドプレート２０に形成された４つのリブ２３を互いに区別するため、図３では各リブに異なる符号２３ａ～２３ｄをそれぞれ付している。また、リブ２３ａ～２３ｄからそれぞれ最も近い穴部２４を、穴部２４ａ～２４ｄとして示している。

ここで、図３に示すように、穴部２４ａの中心と、貫通孔を間に挟んで穴部２４ａと対向する位置にある穴部２４ｂの中心とを通る直線を、仮想線２５ａとして定義する。同様に、穴部２４ｃの中心と、貫通孔を間に挟んで穴部２４ｃと対向する位置にある穴部２４ｄの中心とを通る直線を、仮想線２５ｃとして定義する。これらの仮想線２５ａ，２５ｃは、貫通孔の中心Ｏをそれぞれ通り、中心Ｏ上で交差する。また、仮想線２５ａはリブ２３ａ，２３ｂを通り、仮想線２５ｃはリブ２３ｃ，２３ｄを通っている。

穴部２４ａ～２４ｄとリブ２３ａ～２３ｄとは、以上説明したような位置関係を有している。換言すると、リブ２３ａ～２３ｄは、穴部２４ａ～２４ｄとエンドプレート２０の貫通孔の中心Ｏとを結んだ仮想線２５ａ，２５ｃ上にそれぞれ配置されている。これにより、回転電機１００の組立工程において作業者がエンドプレート２０にシャフト３０をはめ込む際に、穴部２４ａ～２４ｄの位置を参考にして、シャフト３０の冷媒供給孔３１とエンドプレート２０の冷媒流入部２２との位置合わせを作業者が容易に行うことができるようになっている。すなわち、エンドプレート２０が回転子コア１０の軸方向端部に取り付けられた状態では、リブ２３や冷媒流入部２２が回転子コア１０側に位置しているため、作業者はこれらの位置を目視で確認することができない。しかしながら、リブ２３ａ～２３ｄと穴部２４ａ～２４ｄとが上記の位置関係にあるため、作業者は穴部２４ａ～２４ｄと冷媒供給孔３１の位置が周方向で互いに重ならないようにして、エンドプレート２０および回転子コア１０の貫通孔にシャフト３０を挿入して固定すればよい。これにより、専用の位置合わせ治具等を用いなくても、リブ２３ａ～２３ｄが冷媒供給孔３１の上に配置されるのを防止して、冷媒供給孔３１と冷媒流入部２２を確実に連通させることができる。

なお、図３に示すように、エンドプレート２０には、リブ２３ａ～２３ｄと対応する位置にそれぞれ配置された穴部２４ａ～２４ｄ以外にも、貫通孔の周囲に穴部２４が形成されている。回転子コア１０に取り付けられる面と反対側からエンドプレート２０を見た場合、これらの穴部２４は互いに区別することができない。しかしながら、このように穴部２４を区別できなくても、作業者は上記の作業により、冷媒供給孔３１と冷媒流入部２２を確実に連通させることが可能となる。すなわち、全ての穴部２４と冷媒供給孔３１の位置が周方向で互いに重ならないようにシャフト３０を取り付けることで、リブ２３ａ～２３ｄが冷媒供給孔３１の上に配置されるのを防止することができる。

図４は、エンドプレート２０の冷媒流入部２２とシャフト３０の冷媒供給孔３１との位置関係を説明する図である。エンドプレート２０は、図３で説明したような位置合わせにより、冷媒供給孔３１と冷媒流入部２２が連通された状態で、貫通孔にシャフト３０が挿入されて取り付けられる。これにより、冷媒供給孔３１によって冷媒流入部２２とシャフト３０の内側とが連通され、シャフト３０の内部に流れる冷媒を冷媒供給孔３１から冷媒流入部２２に供給することができるようになる。

このとき、冷媒流入部２２と冷媒供給孔３１との位置関係は、例えば図４に示すようになっている。具体的には、冷媒流入部２２の最内径側の周方向の長さをＬ１、冷媒供給孔３１の周方向の長さをＬ２とそれぞれ定義すると、Ｌ１＞Ｌ２の関係となっている。すなわち、冷媒流入部２２の最内径側の周方向の長さＬ１は、シャフト３０に形成された冷媒供給孔３１の周方向の長さＬ２よりも大きい。これにより、冷媒供給孔３１は冷媒流入部２２に対して（Ｌ１―Ｌ２）の範囲内で周方向の位置ずれが許容されるため、組立時の冷媒流入部２２と冷媒供給孔３１の位置合わせを容易にしている。

特許文献１のような従来の構造では、Ｌ１＝Ｌ２となっており、冷媒流入部２２と冷媒供給孔３１をずれなく連通させるためには、これらの位置を周方向で正確に一致させる必要がある。したがって、エンドプレート２０やシャフト３０に対して要求される加工公差や組立公差が厳しく、冷媒流入部２２の切削加工等による高精度な加工や、治具等を用いた高精度な組立作業が必要であるため、高コスト化につながっていた。一方、本実施形態の構造では、上記のようにＬ１＞Ｌ２とすることで、冷媒流入部２２と冷媒供給孔３１の位置合わせを容易にしている。その結果、エンドプレート２０やシャフト３０に対する加工公差や組立公差が従来よりも緩和され、回転電機１００の製造に要する工数を低減して低コスト化を実現できる。

以上説明した本発明の一実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。

（１）回転電機１００の回転子１は、回転子コア１０と、回転子１を支持する中空状のシャフト３０と、回転子１の回転軸方向の端部に配置され、回転子コア１０との間に冷媒が流れる流路を形成するエンドプレート２０とを備える。エンドプレート２０は、シャフト３０と接触する複数のリブ２３を有し、エンドプレート２０によって形成される流路は、複数のリブ２３間に形成される冷媒流入部２２と、冷媒流入部２２とエンドプレート２０の外周面との間を連通する冷媒流出部２１と、を有する。シャフト３０には、冷媒流入部２２とシャフト３０の内側とを連通する冷媒供給孔３１が形成され、冷媒流入部２２の最内径側の周方向の長さＬ１が、冷媒供給孔３１の周方向の長さＬ２よりも大きい。このようにしたので、高いコイル冷却性能を有しつつ、低コスト化を実現可能な回転電機の回転子を提供できる。

（２）冷媒流出部２１の軸方向の長さＤ１は、冷媒流入部２２の軸方向の長さＤ２よりも小さい。このようにしたので、冷媒流出部２１から固定子２の近傍に放出される冷媒の勢いを増大させ、固定子コイル５０の冷却を効率的に行うことができる。

（３）エンドプレート２０は、エンドプレート２０を軸方向に貫通する穴部２４ａ～２４ｄと、リブ２３ａ～２３ｄが形成されてシャフト３０が貫通する貫通孔と、を有している。リブ２３ａ～２３ｄは、穴部２４ａ～２４ｄと貫通孔の中心Ｏとを結んだ仮想線２５ａ，２５ｃ上にそれぞれ配置される。このようにしたので、作業者がエンドプレート２０にシャフト３をはめ込む際に、穴部２４ａ～２４ｄの位置を参考にして、シャフト３の冷媒供給孔３１とエンドプレート２０の冷媒流入部２２との位置合わせを作業者が容易に行うことができる。

（４）エンドプレート２０は、シャフト３０と接する面に周方向の全周にわたって環状に形成された壁部２５を有する。壁部２５は、軸方向の長さＤ５がリブ２３の軸方向長さＤ３よりも小さく形成されるようにしてもよい。このようにすれば、エンドプレート２０の軽量化を図ることができる。

（５）冷媒流入部２２は、軸方向の一端側が壁部２５に隣接して配置される。このようにしたので、冷媒供給孔３１から冷媒流入部２２へ流入した冷媒がエンドプレート２０の外に漏れ出るのを防ぎ、冷媒流出部２１を介して固定子２の近傍へ冷媒を確実に放出させることができる。

（６）回転電機１００は、回転子１と、回転子１の外側に所定の隙間５を介して配置される固定子２とを備える。このようにしたので、高いコイル冷却性能を有しつつ、低コスト化を実現可能な回転電機１００を提供できる。

なお、以上説明した実施形態や各種変形例はあくまで一例であり、発明の特徴が損なわれない限り、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。例えば、エンドプレート２０における冷媒流出部２１、冷媒流入部２２、リブ２３および穴部２４の個数は、それぞれ上記の実施形態で説明したものに限定されず、任意の個数とすることができる。さらに、上記では種々の実施形態や変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

１…回転子、２…固定子、４…ケース、５…隙間、６…ベアリング、１０…回転子コア、２０…エンドプレート、２１…冷媒流出部、２２…冷媒流入部、２３…リブ、２４…穴部、２５…壁部、３０…シャフト、４０…固定子コア、５０…固定子コイル、１００…回転電機

Claims (5)

1. 回転電機の回転子であって、
   回転子コアと、
   当該回転子を支持する中空状のシャフトと、
   前記回転子の回転軸方向の端部に配置され、前記回転子コアとの間に冷媒が流れる流路を形成するエンドプレートと、を備え、
   前記エンドプレートは、前記シャフトと接触する複数のリブを有し、
   前記流路は、当該複数のリブ間に形成される冷媒流入部と、当該冷媒流入部と前記エンドプレートの外周面との間を連通する冷媒流出部と、を有し、
   前記シャフトには、前記冷媒流入部と当該シャフトの内側とを連通する冷媒供給孔が形成され、
   前記冷媒流入部の最内径側の周方向の長さが、前記冷媒供給孔の周方向の長さよりも大きく、
   前記エンドプレートは、前記エンドプレートを軸方向に貫通する複数の穴部と、前記複数のリブが形成されて前記シャフトが貫通する貫通孔と、を有しており、
   前記複数のリブは、前記穴部と前記貫通孔の中心とを結んだ仮想線上にそれぞれ配置される回転電機の回転子。
2. 回転電機の回転子であって、
   回転子コアと、
   当該回転子を支持する中空状のシャフトと、
   前記回転子の回転軸方向の端部に配置され、前記回転子コアとの間に冷媒が流れる流路を形成するエンドプレートと、を備え、
   前記エンドプレートは、前記シャフトと接触する複数のリブを有し、
   前記流路は、当該複数のリブ間に形成される冷媒流入部と、当該冷媒流入部と前記エンドプレートの外周面との間を連通する冷媒流出部と、を有し、
   前記シャフトには、前記冷媒流入部と当該シャフトの内側とを連通する冷媒供給孔が形成され、
   前記冷媒流入部の最内径側の周方向の長さが、前記冷媒供給孔の周方向の長さよりも大きく、
   前記エンドプレートは、前記シャフトと接する面に周方向の全周にわたって環状に形成された壁部を有し、
   前記壁部は軸方向の長さが前記リブの軸方向長さよりも小さく形成される回転電機の回転子。
3. 請求項１または２に記載の回転電機の回転子であって、
   前記冷媒流出部の軸方向の長さは、前記冷媒流入部の軸方向の長さよりも小さい回転電機の回転子。
4. 請求項２に記載の回転電機の回転子であって、
   前記冷媒流入部は、軸方向の一端側が前記壁部に隣接して配置される回転電機の回転子。
5. 請求項１または２に記載の回転電機の回転子と、
   前記回転子の外側に所定の隙間を介して配置される固定子と、を備える回転電機。