WO2022265009A1 - 回転電機用ケース、及び回転電機 - Google Patents

Abstract

回転電機用ケースは、中空状の本体と、本体の内周部と外周部との間に設けられ、本体の軸方向の一方の端部から他方の端部へ向かって冷媒を通す流路と、を備える。そして、本体の内径が、本体の軸方向において一定であり、かつ本体の内周部から外周部までの寸法が、流路の上流側より下流側の方が大きい。

Description

回転電機用ケース、及び回転電機

　本発明の実施形態は、回転電機用ケース、及び回転電機に関する。

　従来、電動機や発電機等の回転電機において、回転電機の駆動による過剰な発熱を防止するために、固定子の外側のケース内部に設けられた流路に水などの冷媒を流通させる構造が知られている。そして、冷媒によってケースを冷却することにより固定子を外側から冷却することで、回転電機の過熱が抑制される。

　このような回転電機の水冷構成においては、流路の流入側から流出側へ行くほど流路を流れる冷媒の温度が上昇し、冷却効果が不均一な状態となる場合がある。この場合、固定子の温度が不均一となる事態を招くおそれがある。

特開２０１２－０６５３９４号公報

　そこで、本発明の実施形態は、冷却効果が不均一になるのを抑制することができる回転電機用のケース、及び回転電機を提供する。

　実施形態の回転電機用ケースは、中空状の本体と、前記本体の内周部と外周部との間に設けられ、前記本体の軸方向の一方の端部から他方の端部へ向かって冷媒を通す流路と、を備え、前記本体の内径が、前記本体の軸方向において一定であり、かつ前記本体の前記内周部から前記外周部までの寸法が、前記流路の上流側より下流側の方が大きい。

　実施形態の回転電機は、上記回転電機用ケースと、前記回転電機用ケースの内側に固定される固定子と、前記固定子に対して隙間を介して回転可能に設けられる回転子と、を備える。

第１実施形態による回転電機の一例について外観を示す斜視図 第１実施形態による回転電機の一例について内部構成を示す断面図 第１実施形態による回転電機の一例についてケース内部における本体と流路との位置関係を示す図 第１実施形態による回転電機の一例について流路の一例を示す平面図 従来構成によるケース内部における流路の位置関係の一例を拡大して示す断面図 第１実施形態による回転電機の一例についてケースの構成の他の例を示す斜視図 第１実施形態による回転電機の一例についてケース内部における本体と流路との位置関係の他の例を拡大して示す断面図 第２実施形態による回転電機の一例について隣接する流路同士の中心間距離の関係を拡大して示す断面図

　以下、複数の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、複数の実施形態において実質的に同一の要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

　（第１実施形態）
　図１及び図２に示す実施形態の回転電機１は、固定子１１、回転子１２、シャフト１３、及びケース２０を備えている。なお、以下の説明では、回転電機の中心軸Ｏに対して平行な方向を軸方向と称する。中心軸Ｏを中心に回転子１２を回転させたとき、回転子１２の外周面の進行方向を周方向と称する。中心軸Ｏに対して直交する方向を径方向と称する。

　固定子１１は、ケース２０の内側に固定されている。固定子１１は、固定子鉄心１１１と、固定子巻線１１２と、を有している。固定子鉄心１１１は、例えば円筒状に構成され、円板形状の電磁鋼板を複数枚積層して形成されている。固定子巻線１１２は、固定子鉄心１１１に巻かれている。固定子巻線１１２は、図示しない電源ユニットと電気的に接続されており、電源ユニットから駆動電流が供給される。

　回転子１２は、固定子１１の内側に設けられ、固定子１１に対して隙間を介して回転可能に設けられている。すなわち、本実施形態では、回転電機１は、例えばインナーロータ型の回転電機として構成されている。回転子１２は、回転子鉄心１２１と、貫通孔１２２と、を有している。回転子鉄心１２１は、例えば円板形状の電磁鋼板を複数枚積層して形成されている。また、回転子鉄心１２１には、図示しない永久磁石が埋設されている。貫通孔１２２は、回転子１２の中心部に設けられており、シャフト１３が挿通される。

　シャフト１３は、例えば円柱状に構成され、貫通孔１２２を貫通している。シャフト１３は、回転子鉄心１２１と焼き嵌めや圧入等により嵌め合わされることによって回転子鉄心１２１に固定されている。シャフト１３は、回転子１２の回転に伴って回転子１２と一体的に回転する。

　シャフト１３は、例えば一方の端部がケース２０外方へ、この場合、図２の紙面左側へ突出している。そして、シャフト１３のうちケース２０の外方へ突出した部分に負荷が接続される。本実施形態では、シャフト１３の両端部のうち、負荷が接続される側の端部を負荷側と称し、負荷が接続されない側の端部を反負荷側と称することがある。図２の例では、シャフト１３において紙面左側が負荷側となり、紙面右側が反負荷側となる。

　ケース２０は、本体２１及び流路３０を有している。本体２１は、例えばアルミニウム合金製であって、軸方向の両端部２１１、２１２が開口した中空状に構成されている。本体２１は、固定子１１及び回転子１２を内部に収容可能な大きさに設定されている。この場合、本体２１の内周部２１３には、固定子１１が焼き嵌めや圧入等により固定されている。また、本体２１の軸方向の中心は、回転子１２の中心軸Ｏと一致している。

　図２に示すように、本体２１の内径は、本体２１の軸方向において一定に設定されている。つまり、本体２１の内径は、本体２１の軸方向の一方の端部２１１から他方の端部２１２に至るまで変化しない。一方、本体２１の外径は、本体２１の軸方向において異なっている。つまり、本体２１の外径は、本体２１の軸方向の一方の端部２１１から他方の端部２１２に至るまで変化している。

　具体的には、本体２１の外周部２１４は、本体２１の軸方向の一方の端部２１１から他方の端部２１２へ向かうほど本体２１の軸方向の中心軸Ｏから離れるように形成されている。すなわち、本体２１は、シャフト１３の軸方向の一方の端部側から他方の端部側へ向かって広がる円錐台の中心を内径が一定の円筒形状で貫いた形状、いわゆる円錐筒状に形成されている。つまり、本実施形態の場合、本体２１は、例えば負荷側から反負荷側へ向かって広がる円錐筒状に形成されている。

　これにより、本体２１の外周部２１４は、本体２１の軸方向の一方の端部２１１から他方の端部２１２へ向かって本体２１の径方向の外側へ傾斜して形成されている。したがって、図２に示すように、本体２１の内周部２１３から外周部２１４までの寸法Ｓ１は、本体２１の軸方向の一方の端部２１１から他方の端部２１２へ向かって徐々に大きくなっている。寸法Ｓ１は、本体２１の軸方向の任意の点における本体２１の厚み寸法を示す変数を意味する。

　流路３０は、図２に示すように、本体２１の内周部２１３と外周部２１４との間に形成されている。流路３０は、水や油等の冷媒を通すためのものである。流路３０は、本体２１の軸方向の一方の端部２１１から他方の端部２１２へ向かって延びており、途中で分岐しない１本の流路で構成されている。すなわち、本体２１の軸方向の一方の端部２１１が流路３０の上流側であり、他方の端部２１２が流路３０の下流側となる。

　流路３０は、図３及び図４に示すように、例えば中心軸Ｏを中心とした螺旋状に形成されている。この場合、図２に示すように、本体２１の中心軸Ｏに沿った平面で切断した切断面を見た場合に、隣接する流路３０同士の中心間距離Ｌが本体２１の軸方向に沿った方向において等間隔で配置されている。すなわち、隣接する流路３０同士の中心間距離Ｌは、流路３０の上流側と下流側とにおいて等間隔である。

　また、本体２１の外周部２１４は、上述したように、中心軸Ｏに対して、本体２１の軸方向の一方の端部２１１から他方の端部２１２へ向かって本体２１の径方向外側に傾斜している。このため、本体２１の内周部２１３から外周部２１４までの寸法Ｓ１は、流路３０の上流側より下流側の方が大きい設定となっている。そして、図２に示すように、本体２１の中心軸Ｏを通る平面で切断した切断面を見た場合に、各流路３０の本体２１の外周部２１４に対向した部分から本体２１の外周部２１４までの寸法Ｓ２は、流路３０の上流側より下流側の方が大きい設定となっている。

　図２等に示すように、流路３０の断面形状は円形に構成することができるが、矩形や多角形等の他の形状としても良い。また、流路３０の断面積は、流路３０の上流側と下流側とで一定としているが、上流側に対して下流側の断面積が小さい設定としても良い。更に、流路３０は、螺旋状の構成に限らず、本体２１の軸方向の一方の端部２１１から他方の端部２１２へ向かって軸方向に沿って蛇行しながら形成された構成であっても良いし、これに限られない。

　流路３０は、入口３１及び出口３２を有する。入口３１及び出口３２は、本体２１の内部と外部とを連通している。入口３１及び出口３２は、図２及び図３に示すように、本体２１の軸方向に沿って、本体２１の内周部２１３と外周部２１４との間に形成されている。入口３１は、本体２１の一方の端部２１１側に形成され、出口３２は、本体２１の他方の端部２１２側に形成されている。つまり、入口３１は、流路３０の上流に形成され、出口３２は、流路３０の下流に形成されている。そして、入口３１と出口３２とは、互いに本体２１の軸方向において反対方向を向いている。

　また、図２に示すように、本体２１の中心軸Ｏを通る平面で切断した切断面を見た場合に、入口３１と出口３２とは、本体２１の中心軸Ｏに平行な同一軸線上に配置されている。なお、入口３１及び出口３２は、本体２１の外周部２１４であって、本体２１の径方向外側へ向かって設けられていても良い。

　入口３１は、流路３０へ冷媒が流入する部分である。一方、出口３２は、流路３０から冷媒が流出する部分である。この場合、入口３１及び出口３２は、図示しない配管やホース等が接続される。これら配管やホース等から入口３１に冷媒が供給され、その冷媒は入口３１から流路３０に流入する。そして、流路３０内に流入した冷媒は、回転電機１０の駆動によって発熱した固定子１１から本体２１に伝達された熱を奪いながら流路３０を通過した後に、出口３２から本体２１の外部に排出される。

　ここで、本体２１は、例えば鋳造により製造される。このとき、例えばステンレス等の鋼製のパイプ状であって、流路３０と同一形状に製造したものを予め製造された本体２１に鋳込み、本体２１と一体化することで、流路３０を本体２１内部に形成できる。また、流路３０は、流路３０と同一形状に予め製造された図示しない中子等を用いて本体２１内部に形成することも考えられるが、これに限られない。

　以上説明した実施形態によれば、回転電機用ケース２０は、中空状の本体２１と、流路３０と、を備える。流路３０は、本体２１の内周部２１３と外周部２１４との間に設けられ、本体２１の軸方向の一方の端部２１１から他方の端部２１２へ向かって冷媒を通す。そして、本体２１の内径が、本体２１の軸方向において一定である。

　ここで、図５に示すように、例えば本体２１の内周部２１３から外周部２１４までの寸法Ｓ１つまり本体２１の肉厚が、流路３０の上流側と下流側とにおいて一定である場合、流路３０を流れる冷媒は、流路３０の上流側から下流側に行くにつれて温度が徐々に上昇した状態となる。このため、流路３０の下流側では上流側よりも冷却効率が低下してしまい、その結果、流路３０の上流側と下流側とにおいて、冷却効果が不均一な状態を招くおそれがある。

　そこで、本実施形態では、本体２１の内周部２１３から外周部２１４までの寸法Ｓ１が、流路３０の上流側より下流側の方が大きい。更に、本体２１の内部には流路３０以外の空洞が存在しない。そのため、寸法Ｓ１に比例して本体２１の熱容量を確保することができる。これによれば、本体２１の内周部２１３から外周部２１４までの寸法Ｓ１つまり本体２１の肉厚を流路３０の上流側より下流側の方を大きくすることで、冷媒の流出側の本体２１の熱容量を冷媒の流入側に対して大きくすることができる。

　これにより、冷媒の流出側において冷媒から本体２１への熱移動をし易くすることができる。そのため、冷媒が流入側から流出側へ行くほど温度上昇してしまうことを抑制できる。よって、冷媒の流出側での冷却効率の低下を抑制することができ、結果として、冷却効果が不均一になるのを抑制することができる。

　また、本体２１の内周部２１３から外周部２１４までの寸法Ｓ１は、本体２１の軸方向の一方の端部２１１から他方の端部２１２へ向かって徐々に大きくなっている。これによれば、本体２１の軸方向の一方の端部２１１から他方の端部２１２における冷媒の温度勾配を緩やかにすることによって、冷却効果の不均一をより精度良く解消することができる。

　更に、回転電機用ケース２０は、入口３１及び出口３２を更に備える。入口３１は、本体２１の軸方向の一方の端部２１１側に設けられ、流路３０へ冷媒が流入する部分である。出口３２は、本体２１の軸方向の他方の端部２１２側に設けられ、流路３０から冷媒が流出する部分である。そして、入口３１と出口３２とは、本体２１の中心軸Ｏに平行な同一軸線上に配置される。

　これによれば、入口３１と出口３２とを本体２１の中心軸Ｏに平行な同一軸線上に配置することで、入口３１や出口３２に接続される配管等の引き回しを簡略化して、ケース２０の組立性を向上することができる。

　また、ケース２０は、図６及び図７に示すように、本体２１の外周部２１４の一部が本体２１の軸方向に沿って段差状に突出する構成にできる。この場合、図６及び図７の例では、本体２１は、薄肉部４１と、厚肉部４２と、を有する。薄肉部４１は、本体２１の軸方向の一方の端部２１１側に配置されている。図７に示すように、薄肉部４１の肉厚ｔ１は、流路３０の径よりも２倍程度大きい寸法で設定されている。

　厚肉部４２は、本体２１の軸方向の他方の端部２１２側に配置されている。つまり、厚肉部４２は、薄肉部４１よりも流路３０の下流側に配置されている。厚肉部４２は、図７に示すように、薄肉部４１と同一の内径で構成されており、本体２１の軸方向に対して略直角に径方向外側に延びて形成されている。そして、厚肉部４２の肉厚ｔ２は、薄肉部４１の肉厚ｔ１と異なる寸法で設定されている。この場合、厚肉部４２の肉厚ｔ２は、薄肉部４１の肉厚ｔ１より大きい寸法で設定されている。また、厚肉部４２の軸方向の長さは、薄肉部４１の軸方向の長さと同じであっても良いし、異なっていても良く、ケース２０に要求される冷却性能に応じて任意に設定することができる。

　これによっても、本体２１の肉厚が流路３０の上流側より下流側の方が大きくなるため、冷媒の流出側の本体２１の熱容量を冷媒の流入側に対して大きくすることができる。よって、冷媒が流入側から流出側へ行くほど温度上昇してしまうことを抑制できる。これにより、冷却効果が不均一になるのを抑制することができる。

　（第２実施形態）
　次に、第２実施形態について図８を参照して説明する。この第２実施形態の構成は、本体２１の中心軸Ｏを通る平面で切断した切断面を見た場合に、隣接する流路３０同士の中心間距離が上記第１実施形態と異なる。具体的には、上記第１実施形態において、本体２１の中心軸Ｏを通る平面で切断した切断面を見た場合に、隣接する流路３０同士の中心間距離Ｌは、上流側と下流側とにおいて等間隔に設定することができる。

　一方、本実施形態において、本体２１の中心軸Ｏを通る平面で切断した切断面を見た場合に、隣接する流路３０同士の中心間距離は下流へ行くに従って小さくなっている。つまり、図８に示すように、上流側における隣接する流路３０同士の中心間距離Ｌ１は、下流側の中心間距離Ｌ２より大きい。したがって、本体２１の断面積に対する流路３０の断面積は、本体２１の軸方向の一方の端部２１１側よりも他方の端部２１２側の方が大きな割合を占める。

　これによれば、本体２１の内周部２１３側において固定子１１等から伝達される熱に冷媒が接触する面積を、上流側よりも下流側の方が大きくできる。これにより、上流側に比べて冷媒の温度が上昇する傾向にある下流側において、熱交換が行われる面積を大きくすることができ、その結果、冷却効果が不均一になるのを一層抑制することができる。

　本実施形態では、図８に示すように、上流側と下流側とにおいて本体２１の肉厚が一定つまり変化しない構成を開示したが、これに限らず、上記第１実施形態と同様に、本体２１の肉厚が上流側より下流側の方が大きい構成としても良い。これにより、冷却効果が不均一になるのをより効果的に抑制することができる。

　以上、本発明の複数の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

Claims (5)

1. 　中空状の本体と、
   　前記本体の内周部と外周部との間に設けられ、前記本体の軸方向の一方の端部から他方の端部へ向かって冷媒を通す流路と、を備え、
   　前記本体の内径が、前記本体の軸方向において一定であり、かつ前記本体の前記内周部から前記外周部までの寸法が、前記流路の上流側より下流側の方が大きい、
   　回転電機用ケース。
2. 　中空状の本体と、
   　前記本体の内周部と外周部との間に螺旋状に形成され、前記本体の軸方向の一方の端部から他方の端部へ向かって冷媒を通す流路と、を備え、
   　前記本体の中心軸を通る平面で切断した切断面を見た場合に、隣接する前記流路同士の中心間距離が前記流路の下流へ行くに従って小さくなっている、
   　回転電機用ケース。
3. 　前記本体の前記内周部から前記外周部までの寸法は、前記本体の軸方向の一方の端部から他方の端部へ向かって徐々に大きくなっている、
   　請求項１又は２に記載の回転電機用ケース。
4. 　前記本体の軸方向の一方の端部側に設けられ、前記流路へ冷媒が流入する入口と、
   　前記本体の軸方向の他方の端部側に設けられ、前記流路から冷媒が流出する出口と、を更に備え、
   　前記入口と前記出口とは、前記本体の中心軸に平行な同一軸線上に配置される、
   　請求項１から３のいずれか一項に記載の回転電機用ケース。
5. 　請求項１から４のいずれか一項に記載の回転電機用ケースと、
   　前記回転電機用ケースの内側に固定される固定子と、
   　前記固定子に対して隙間を介して回転可能に設けられる回転子と、を備える、
   　回転電機。

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