WO2024053058A1

WO2024053058A1 - 回転電機

Info

Publication number: WO2024053058A1
Application number: PCT/JP2022/033753
Authority: WO
Inventors: 英明後藤; 雄弥大金; 章人戸谷
Original assignee: 日立Astemo株式会社
Priority date: 2022-09-08
Filing date: 2022-09-08
Publication date: 2024-03-14

Abstract

複数の電磁鋼板が積層して構成される回転子コアと、当該回転子コアを支持するシャフトと、を有する回転子と、前記回転子の径方向外側に、所定の空間であるエアギャップを介して前記回転子と対向する固定子と、前記回転子および前記固定子を収納するハウジングと、を備える回転電機であって、前記ハウジングは、前記回転子および前記固定子との間に空気流路を形成し、前記シャフトは、前記空気流路と連通するシャフト流路を有し、前記回転子は、前記シャフトに接続され、かつ前記シャフトの回転と同期するポンプと、前記シャフト流路と前記エアギャップとを連通する径方向流路と、を有する。

Description

回転電機

　本発明は、回転電機に関する。

　回転電機の製造において、高出力密度化・低グレード磁石の活用を実現するための手段の一つとして、回転電機を冷却する技術の一つである直接油冷構造が採用されている。直接油冷構造は、モータハウジング内に冷却油が排出されるが、そうすると、ロータとステータとの間のエアギャップに冷却油が侵入し、撹拌損失が発生し、モータ効率が低下する。そこで、エアギャップへの冷却油の侵入を抑制して、高冷却性能と高効率を両立する回転電機の開発が求められている。

　特許文献１に記載の回転電機は、ロータ２の両側の端板２Ｂ、２Ｃの外周にファン１６、１７を設け、一方のファン１６は空間１２ＡよりギャップＧ内へ空気を送り、他方のファン１７はギャップＧからロータ２側方の空間１２Ｂに空気を排出することで、モータが回転することによりロータ内に設けた穴に生じるポンプ効果により差圧を生じさせる構成を有していることが開示されている。

特開２００３－２５０２４８号公報

　特許文献１の技術では、ギャップへの冷却油の浸入を抑制して撹拌損失を低減しているが、単純直線流路において冷却油浸入抑制に必要な圧力を生むには、モータの回転が低・中速域では撹拌損の低減効果が期待できず、モータの高速回転が必要である。そのため、モータの高速回転時には、冷却油の流量が多くなるため、ポンプ損失が大きくなる課題が生じる。

　これを鑑みて本発明は、モータ回転速度の低速域から高速域にかけて、エアギャップでの冷却油の撹拌損失が生じることを抑制する回転電機を提供することが目的である。

　エアギャップでの冷却油の撹拌損失が生じることを抑制する回転電機を提供できる。

本発明の一実施形態に係る、回転電機の構成図本発明の一実施形態に係る、ハウジング内の空気流路についての説明図ハウジング内の油路についての説明図第１変形例本発明の一実施形態に係る、ポンプの構成図第２、第３変形例第４変形例

　以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の記載および図面は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施する事が可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。

　図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。

（本発明の一実施形態と全体構成）
　（図１）
　回転電機１は、複数の電磁鋼板が積層して構成される回転子コア２と、当該回転子コア２を支持するシャフト６と、を有する回転子と、回転子コア２の径方向外側に、所定の空間であるエアギャップ８を介して回転子と対向する固定子３（固定子コア３）と、回転子および固定子３を収納するハウジング４と、を備えている。図示していないが、回転電機１の外部には、シャフト６と接続するギアが設けられている。以下では、ギア側を図面左側、反ギア側を図面右側として説明に用いる。

　ハウジング４は、回転子および固定子３との間に空気流路４ａを有している。空気流路４ａは、ハウジング４の上部から反ギア側へ連通するように流路が形成されている。シャフト６は、この空気流路４ａと連通するシャフト流路６ａを有しており、シャフト６の反ギア側から空気１０を取り込むように流す構成になっている。また、回転子は、シャフト６に接続しかつシャフトの回転と同期するポンプ７と、シャフト流路６ａとエアギャップ８とを連通する径方向流路２ａと、を有している。なお、図１では、ポンプ７は複数の電磁鋼板同士の間に挟まれて配置されている例を示している。

　ポンプ７は、シャフト６に接続されることでモータ回転と共に回転し、遠心力を発生させることができる。これにより、エアギャップ８とそれ以外のハウジング４の内部との間に差圧を発生させ、エアギャップ８への冷却油の浸入抑制に必要な圧力が得られるため、撹拌損を低減させる効果を得られる。また、このようなポンプ７を配置することで、高速域だけでなく低速域も含んだ広い速度域において、エアギャップ８への冷却油の浸入抑制が可能になり、かつ高速域でのポンプ損失を少なくすることができる。

　空気流路４ａ内を空気が循環することにより、連通するシャフト流路６ａおよび径方向流路２ａを介してエアギャップ８からハウジング４内に向かう気流が発生する。このようにすることで、空気流路４ａ、シャフト流路６ａ、径方向流路２ａ内に侵入した冷却油を撹拌させて、エアギャップ８内への冷却油の浸入を抑制できる。たしかに、回転電機１のモータ回転数が上がると撹拌損も増加するが、風量が増加することで結果として撹拌損が低減できるため、回転電機１の冷却効率の向上、モータ効率の向上が実現する。

　なお、ポンプ７の位置について、回転子に設ける場合は、エアギャップ８の長さの範囲内のどの位置に配置してもよい。また、ポンプ７は、電磁鋼板を積層して形成されるか、樹脂および圧粉磁心を混合して形成されていてもよい。ポンプ７は、樹脂および圧粉磁心を混合して形成されることで、単純な金属の塊で製作した場合の固定子の界磁による損失発生を回避する。

　径方向流路２ａは、回転子コア２の軸方向中央に形成される。シャフト流路６ａは、軸方向においてシャフト６の端部から径方向流路２ａの位置まで形成される。これにより、シャフト６の反ギア側からエアギャップ８まで空気が連通して流れる流路になっている。また、径方向流路２ａは、回転子コア２の軸方向中央の位置に形成されることで、エアギャップ８の両端に向かう空気の流れを最小の流路で発生させ、エアギャップ８への冷却油侵入を抑制できる。

　ハウジング４の内部には、空気流路４ａに連通し、かつハウジング４において径方向外部側に形成される複数の流路穴１２が形成されている。この複数の流路穴１２のうち、回転電機１の外部に設けられるギアに近い側に形成される第１流路穴１２ａ、ギアに対して第１流路穴１２ａよりも遠い側に形成される第２流路穴１２ｂとする。第１流路穴１２ａと第２流路穴１２ｂは、大きさが異なる。図面上では、第２流路穴１２ｂが第１流路穴１２ａよりも大きく形成されている。このように、エアギャップ８を通る空気量がギア側と反ギア側で一致する様に穴の大きさを調整してそれぞれの空気流路４ａの長さを考慮することで、圧損が管理されている。

（図２）
　空気の流れ１０は、前述したポンプ７の回転によって生まれる差圧によって発生する。図に示すように、ハウジング４内を循環する空気は、まず流路穴１２ａ，１２ｂからハウジング４の上部に形成されている空気流路４ａに流入し、反ギア側に連通する空気流路４ａを経由してシャフト流路６ａに流入する。シャフト流路６ａに流入した空気１０は、径方向流路２ａを経由して回転子と固定子３の間のエアギャップ８に流入する。このような空気１０の循環があることで、エアギャップ８内への冷却油の浸入を抑制でき、空気流路４ａやエアギャップ８に冷却用の油が残存する従来の課題を解消できる。

　なお、図示していないが、ハウジング４は、空気流路４ａに流入した冷却油をシャフト流路６ａよりも前の段階でハウジング４内に戻すために、冷却油流路を形成していてもよい。これにより、空気流路４ａ内の残存する冷却油による空気流量の低下を抑制する。また、空気流路４ａの入口は、シャフト６の側面や、回転子コア２に形成されていてもよい。空気流路４ａの入口をシャフト６の側面に設けた場合は、シャフト６の端部に設けた場合に比べて、ハウジング４の構造を単純化でき、回転電機１のコスト及びサイズを削減できる。また、空気流路４ａの入口を回転子コア２に設けた場合は、回転子コア２を冷却する冷却油の残存を低減させることができる。

（図３）
　シャフト６は、ギア側にシャフト油路９を有している。シャフト油路９は、回転子コア２が有する油路と連通している。つまり、ギア側から供給される冷却油を流すシャフト油路９と空気流路４ａと連通するシャフト流路６ａを同一のシャフト６内に両立している。シャフト油路９および回転子コア２を通る冷却油は、回転子コア２を出た後に重力に従って、ハウジング４の下部に形成されるオイルパン４ｂの方向に流れていく。オイルパン４ｂは空気流路４ａの一部でもあるため、冷却油は空気の循環による押し出しによって、ハウジング４の外部に冷却油が排出される。このようにして、ギア側から反ギア側まで回転電機１の油冷が行われる。このようにすることで、回転電機１において磁界が回転している部分の大きい発熱損失を低減できる。

（第１変形例）
（図４）
　空気流路４ａは、例えば、溶接で固定子コア３を作成している限り溝１３はできてしまうことから、固定子コア３が有する位置だし溝や溶接溝などの溝１３によって形成されていてもよい。これにより、ハウジング４に設ける空気流路４ａを少ない部品で構成でき、回転電機１のコスト及びサイズを削減できる。

（図５）
　ポンプ７の構成について説明する。ポンプ７は、複数の油路穴７ｃを有する羽根車形状の鋼板７ｂを、複数の油路穴７ｃを有する２枚の円形状の鋼板７ａで挟んで形成される。このように、ポンプ７は３種類の電磁鋼板を積層して羽根車形状にすることで、鉄損が生じず、かつ安価に作成できる。なお、ポンプ７は小型化を目的としてシャフト６と一体で回転するものであれば、後述の図６で図示するように、回転子コア２の径方向外部側に設けてもよく、ポンプ７を磁気回路外に設置する場合は、そもそも鉄損が生じる恐れが無いため、プレスで作成できる。なお、ポンプ７は、１つの回転電機１に対して、１つ設けるだけで遠心の役割を果たすことはできるが、複数のポンプ７を設ける構成であってもよい。

（第２、第３変形例）
（図６）
　ポンプ７は前述したように、磁気回路に影響がない位置に搭載してもよく、例えば図６（ａ）に示すように、シャフト６の反ギア側の端部にポンプ７を設けて、空気流路４ａからシャフト流路６ａに空気を導入してもよい。また、図示していないが、回転子コア２に設ける端板の代わりにポンプ７を設けて、回転子コア２の側面から循環空気を導入してもよい。

　また、回転電機１の回転が逆回転のときの対応として、図６（ｂ）に示すように、吐出方向の異なるポンプ７をそれぞれ回転軸上にそれぞれ設ける。この場合、空気が２つのポンプ７間で循環するのを防ぐために、空気流路４ａ上において２つのポンプ７の間の位置に逆流防止弁を設けてもよい。このように、互いに逆回転するポンプ７を設けることで、車のバック走行において最高速であっても、回転電機１内の空気の流れ１０の変化に対応でき、同様に、低速域から高速域に至るまで撹拌損を低減できる。

（第４変形例）
（図７）
　固定子コア３は、ステータ冷却流路１４を有している。これは、ポンプ７を回転子に設けた場合に、ポンプ７および回転子コア２の径方向流路２ａに対応する固定子３の磁気回路部分が無駄になってしまうため、このポンプ７の位置に対応し磁気回路部を削減し、代わりに第２空気流路としてステータ冷却流路１４を設けた。これにより、固定子コア３および固定子コア３に挿入されたコイルに対して空気１０を流すことで固定子を冷却できる。

　また、固定子コア３は、挿入しているコイルやその形状を維持したまま空気１０が通るように、例えば、異なる孔の形状を有した積層鋼板をそれぞれずらして重ねることでステータ冷却流路１４を形成する。

　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１は、複数の電磁鋼板が積層して構成される回転子コア２と、当該回転子コア２を支持するシャフト６と、を有する回転子と、回転子の径方向外側に、所定の空間であるエアギャップ８を介して回転子と対向する固定子と、回転子および固定子を収納するハウジング４と、を備える。ハウジング４は、回転子および固定子との間に空気流路４ａを形成し、シャフト６は、空気流路４ａと連通するシャフト流路６ａを有する。回転子は、シャフト６に接続され、かつシャフト６の回転と同期するポンプ７と、シャフト流路６ａとエアギャップ８とを連通する径方向流路２ａと、を有する。このようにしたことで、エアギャップでの冷却油の撹拌損失が生じることを抑制する回転電機を提供できる。

（２）ポンプ７は、複数の電磁鋼板同士の間に挟まれて配置される。このようにしたことで、エアギャップ８とそれ以外の部分との差圧を生じさせ、撹拌損を低減させる。

（３）シャフト流路６ａは、軸方向においてシャフト６の端部から径方向流路２ａの位置まで形成される。このようにしたことで、回転子を経由してエアギャップ８に空気１０を送ることで、冷却油の撹拌損失を低減できる。

（４）径方向流路２ａは、回転子コア２の軸方向中央の位置に形成される。このようにしたことで、エアギャップ８の両端に向かう空気の流れを最小の流路で発生させ、エアギャップ８への冷却油侵入を抑制できる。

（５）ハウジング４は、空気流路４ａに流入した冷却油をハウジング４内に戻すための冷却油流路を有する。このようにしたことで、空気流路４ａ内の残存する冷却油による空気流量の低下を抑制する。

（６）空気流路４ａに連通し、ハウジング４において径方向外部側に形成される複数の流路穴１２のうち、回転電機１の外部に設けられるギアに近い側に形成される第１流路穴１２ａと、ギアに対して第１流路穴１２ａよりも遠い側に形成される第２流路穴１２ｂとは、大きさが異なる。このようにしたことで、それぞれの流路穴１２ａ、１２ｂからシャフト流路６ａまでの空気流路４ａの長さを考慮して、圧損を管理できる。

（７）空気流路４ａは、固定子が有する位置だし溝、もしくは溶接溝によって形成される。このようにしたことで、ハウジング４に設ける空気流路４ａを少ない部品で構成でき、回転電機１のコスト及びサイズを削減できる。

（８）ポンプ７は、電磁鋼板を積層して形成されるか、樹脂および圧粉磁心を混合して形成される。このようにしたことで、単純な金属の塊で製作した場合の固定子の界磁による損失発生を回避する。

（９）空気流路４ａの入口は、シャフト６の側面または回転子コア２に形成される。このようにしたことで、エアギャップ８の両端に向かう空気の流れを最小の流路で発生させ、エアギャップ８への冷却油侵入を抑制できる。

（１０）固定子は、ポンプ７および径方向流路２ａの位置に対応して形成される第２径方向流路１４を有する。固定子コア３および固定子コア３に挿入されたコイルに対して空気１０を流すことで固定子を冷却できる。

　なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や他の構成を組み合わせることができる。また本発明は、上記の実施形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。

１　回転電機
２　回転子コア
　２ａ　径方向流路
３　固定子コア
４　ハウジング
　４ａ　空気流路
　４ｂ　オイルパン
５　コイルエンド
６　シャフト
　６ａ　シャフト流路
７　ポンプ
　７ａ　円形状の鋼板
　７ｂ　羽根車形状の鋼板
　７ｃ　油路穴
８　エアギャップ
９　シャフト油路
１０　空気（の流れ）
１１　冷却油（の流れ）
１２ａ、１２ｂ　流路穴
１３　溝
１４　ステータ冷却流路（第２径方向流路）

Claims

　複数の電磁鋼板が積層して構成される回転子コアと、当該回転子コアを支持するシャフトと、を有する回転子と、
　前記回転子の径方向外側に、所定の空間であるエアギャップを介して前記回転子と対向する固定子と、
　前記回転子および前記固定子を収納するハウジングと、を備える回転電機であって、
　前記ハウジングは、前記回転子および前記固定子との間に空気流路を形成し、
　前記シャフトは、前記空気流路と連通するシャフト流路を有し、
　前記回転子は、前記シャフトに接続され、かつ前記シャフトの回転と同期するポンプと、前記シャフト流路と前記エアギャップとを連通する径方向流路と、を有する
　回転電機。
　請求項１に記載の回転電機であって、
　前記ポンプは、複数の前記電磁鋼板同士の間に挟まれて配置される
　回転電機。
　請求項１に記載の回転電機であって、
　前記シャフト流路は、軸方向において前記シャフトの端部から前記径方向流路の位置まで形成される
　回転電機。
　請求項１に記載の回転電機であって、
　前記径方向流路は、前記回転子コアの軸方向中央の位置に形成される
　回転電機。
　請求項１に記載の回転電機であって、
　前記ハウジングは、前記空気流路に流入した冷却油を前記ハウジング内に戻すための冷却油流路を有する
　回転電機。
　請求項１に記載の回転電機であって、
　前記空気流路に連通し、前記ハウジングにおいて径方向外部側に形成される複数の流路穴のうち、前記回転電機の外部に設けられるギアに近い側に形成される第１流路穴と、前記ギアに対して前記第１流路穴よりも遠い側に形成される第２流路穴とは、大きさが異なる
　回転電機。
　請求項１に記載の回転電機であって、
　前記空気流路は、前記固定子が有する位置だし溝、もしくは溶接溝によって形成される
　回転電機。
　請求項１に記載の回転電機であって、
　前記ポンプは、前記電磁鋼板を積層して形成されるか、樹脂および圧粉磁心を混合して形成される
　回転電機。
　請求項１に記載の回転電機であって、
　前記空気流路の入口は、前記シャフトの側面または前記回転子コアに形成される
　回転電機。
　請求項１に記載の回転電機であって、
　前記固定子は、前記ポンプおよび前記径方向流路の位置に対応して形成される第２径方向流路を有する
　回転電機。