JP2013055775A - 回転電機のロータ構造 - Google Patents

Abstract

【課題】鋼板積層体からなるロータコアを含む軸芯冷却構造の回転電機において、ロータの冷却性能を強化しながら、ロータとステータとの間への冷却媒体の漏出を低減する。
【解決手段】回転電機の冷却構造は、冷媒供給路３２を内部に有するとともに冷媒供給路３２から冷却油をシャフト外部に供給する冷媒供給口３４を有するロータシャフト２８と、ロータシャフト２８に固定されてロータシャフトと共に回転する積層鋼板体からなるロータコア１５と、ロータコア１５の内周部に設けられて冷媒供給口３４から供給される冷却油を軸方向へと流す冷媒流路４０と、ロータコア１５の内部であって冷媒流路４０の径方向外側に形成され、冷媒流路４０から積層鋼板間に染み入った冷却油を捕捉する冷媒捕捉路と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転電機のロータ構造に係り、特に、軸芯冷却によりロータおよびステータコイルを冷却する回転電機のロータ構造に関する。

従来、例えば特開２０１０−２６３６９６号公報（特許文献１）には、軸芯冷却構造を採用したモータが開示されている。このモータは、ステータコイル、および環状に配列または形成されたステータコアを有するステータと、ステータコアの内周側に位置してステータに対し回転自在となるロータとで構成される。ロータは、ロータ回転軸の外周にコア支持体部を介してロータコアを取り付けてなる。ロータコアは複数枚の鋼板を軸方向に積層状に並べたものであり、一部の隣合う鋼板間に隙間を設けてある。そして、ロータ回転軸の内部に軸方向に延びる冷却油用の給油路を設け、この給油路と隙間とを連通する連通路を、ロータ回転軸にコア支持体部にわたって設けているものである。これにより、ロータおよびステータで発生する熱を効率的に奪うことができ、モータ内部の冷却効果を高めることができる、と記載されている。

特開２０１０−２６３６９６号公報

上記特許文献１のモータでは、ロータ回転軸の給油路からロータコアに供給された冷却油をロータコア中に形成した隙間を介して径方向外側、すなわちロータとステータとの間のギャップに向けて積極的に流す構成としている。このようにすると、上記ギャップに流れ込んだ冷却油がロータの回転抵抗となってモータの出力低下を来たすことにつながる。

本発明の目的は、ロータシャフトから鋼板積層体からなるロータコアに冷却媒体を供給してロータ等を冷却可能な回転電機において、ロータとステータとの間への冷却媒体の漏出を低減できる回転電機のロータ構造を提供することである。

本発明に係る回転電機のロータ構造は、冷媒供給路を内部に有するとともに該冷媒供給路から冷却媒体をシャフト外部に供給する冷媒供給口を有するロータシャフトと、前記ロータシャフトに固定されて前記ロータシャフトと共に回転する積層鋼板体からなるロータコアと、前記ロータコアの内周部に設けられ前記ロータシャフトの冷媒供給口から供給される冷却媒体を軸方向へと流す冷媒流路と、前記ロータコアの内部であって前記冷媒流路の径方向外側に形成され、前記冷媒流路から積層鋼板間に染み入った冷却媒体を捕捉する冷媒捕捉路と、を備える。

本発明に係る回転電機のロータ構造において、前記冷媒捕捉路は、軸方向に延伸して形成されて前記ロータコアの軸方向両端に開口する貫通孔として形成されているのが好ましい。

この場合、前記ロータコアに軸方向端面に圧接された状態で前記ロータシャフトに固定されたエンドプレートを更に備え、該エンドプレートは、前記冷媒流路に連通する第１冷媒吐出口と、前記冷媒捕捉路に連通するが前記冷媒流路には連通しない第２冷媒吐出口とを有してもよい。

また、本発明に係る回転電機の冷却構造において、前記ロータコアの外周部には永久磁石を配置してなる磁極が周方向に間隔を置いて複数設けられており、前記冷媒流路および前記冷媒捕捉路は前記磁極間を通る径方向であるｑ軸方向に並んで形成されていてもよい。

この場合、前記冷媒捕捉路は、径方向外側に頂角部が向いた略三角形状の断面形状を有する空間として形成されていてもよい。

本発明に係る回転電機のロータ構造によれば、ロータコア内部に設けた冷媒流路から冷却媒体が、回転するロータの遠心力によって積層鋼板間に染み入った場合にも、冷媒捕捉路によって捕捉されることでロータ外周面まで達してステータとの間のギャップ部に漏出するのを低減できる。これにより、ロータの冷却性能を強化しながら、冷却媒体がロータとステータとの間のギャップ部に漏出してロータの回転抵抗となるのを抑制できる。

本発明の一実施形態であるロータ構造を含む回転電機の軸方向断面図である。 図１におけるロータの拡大断面図である。 図２におけるＡ−Ａ断面図である。 図２におけるＢ−Ｂ断面図である。 図２におけるＣ部拡大図である。

以下に、本発明に係る実施の形態（以下、実施形態という）について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。また、以下において複数の実施形態や変形例などが含まれる場合、それらの特徴部分を適宜に組み合わせて用いることは当初から想定されている。

図１は、本実施形態のロータ構造を含む回転電機１０の軸方向に沿った断面図である。図１に示すように、回転電機１０は、ステータ１２とロータ１４とを備える。ステータ１２とロータ１４との間には、径方向のギャップ部Ｇが設けられている。

ステータ１２は、筒状をなす磁性体からなるステータコア１３と、このステータコア１３の内周部に突設された複数のティース部の周囲に巻装されたステータコイル１６とからなっている。ステータコア１３は、例えば、それぞれ略円環状に打ち抜き加工された多数枚の電磁鋼板を軸方向に積層して、カシメ等により一体に連結して構成されている。ただし、ステータコア１３は、圧粉磁心からなる複数の分割コアを円環状に配列して円筒ケースで外周から締結することによって構成されてもよい。

ステータコイル１６は、上記ティース部間に挿入および配置されたスロット内部分（図示せず）と、ステータコア１３の軸方向端面から外側へ突出するコイルエンド部１６ａ，１６ｂとを含む。各コイルエンド部１６ａ，１６ｂは、軸方向から見たときに略円環状をなして形成されている。

ステータコア１３およびステータコイル１６からなるステータ１２は、ハウジング２０内に収容されている。ハウジング２０は、有底円筒部２２と、この有底円筒部２２の一端開口部を覆って取り付けられるカバー部２４とを有する。ステータ１２は、ハウジング２０の有底円筒部２２の内周面上に例えば圧入等の方法によって固定されている。ハウジング２０において、有底円筒部２２の円板状をなす底部２３、および、カバー部２４には、軸受部材２６がそれぞれ取り付けられている。

ステータコア１３の内周側に配置されたロータ１４は、筒状の磁性体からなるロータコア１５と、ロータコア１５の中心を貫通して軸方向に延伸するロータシャフト２８とを含む。ロータコア１５は、例えば、それぞれ略円板状に打ち抜き加工された多数枚の電磁鋼板を軸方向に積層して、カシメ等により一体に連結して構成されている。また、ロータコア１５は、ステータコア１３と略同じ軸方向長さを有しており、軸方向端面同士が略面一に配置されている。

ロータシャフト２８の一端部は、カバー部２４に取り付けた軸受部材２６によって回転可能に支持された状態で、ハウジング２０内で終端している。一方、ロータシャフト２８の他端部は、有底円筒部２２の底部２３に取り付けた軸受部材２６によって回転可能に支持された状態で、ハウジング２０の外部へ延伸している。

図２は、図１におけるロータ１４の拡大断面図であり、図３は図２におけるＡ−Ａ断面図である。鋼板積層体であるロータコア１５は、例えば圧入によってロータシャフト２８の外周面上に外嵌されて固定されている。あるいは、ロータコア１５は、軸方向両側または片側においてロータシャフト２８上にカシメ固定される固定部材（図示せず）によって、ロータシャフト２８に対する軸方向位置が固定されてもよい。

なお、ロータコア１５の中心に形成されたシャフト穴３０の縁部に凸状のキーを形成し、ロータシャフト２８の外周面に軸方向へ延伸して形成されたキー溝に嵌合することによって、ロータシャフト２８に対するロータコア１５の周方向位置が固定されていてもよい。

図３に示すように、ロータコア１５には、外周面近傍の内部に複数の永久磁石３６が埋設されている。永久磁石３６は、周方向に均等な配置で設けられるとともに、ロータコア１５とほぼ同じ軸方向長さを有している。また、各永久磁石３６は、ロータ１４における磁極３７を構成しており、磁極３７間を通る径方向がｑ軸方向となっている。本実施形態では、扁平長方形状断面を有する８つの永久磁石３６が埋設された例を示すが、これに限定されるものではなく、６個、１２個等の他の数であってもよい。また、１つの磁極に２つの永久磁石が略Ｖ字状をなして埋設されていてもよい。

ロータシャフト２８の中心には、冷媒供給路３２が軸方向に延伸して形成されている。冷媒供給路３２は、ロータシャフト２８の他端側において開口しており、この開口部から図示しないオイルポンプおよびオイルクーラ等を介して冷却媒体が供給されるようになっている。本実施形態では、冷却媒体として冷却油（例えばＡＴＦ等）が好適に用いられる。以下においては、冷却媒体が冷却油であるものとして説明するが、これに限定されるものではなく、ロータコア１５およびステータコイル１６に対して好適な冷却性能を発揮し得る冷却流体であれば他の冷却媒体が用いられてもよい。また、ロータシャフト２８内の冷媒供給路３２は、ロータコア１５への冷媒供給機能だけを目的とするのであれば、冷媒供給口３４に到達したところで終端していてもよい。

ロータシャフト２８においてロータコア１５の軸方向中央に対応する位置には、冷媒供給路３２に連通する冷媒供給口３４が径方向に延伸して形成されて、ロータシャフト２８の外周面に開口している。本実施形態では、２本の冷媒供給口３４が径方向に対向する位置に形成されている例を示す。ただし、冷媒供給口は、１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。複数の冷媒供給口３４を設ける場合、周方向に均等配置で設けるのが冷却性能を周方向に一様し且つ冷却性能を向上させる上で好ましい。

一方、ロータコア１５の内周部には、冷媒流路４０が軸方向に延伸して形成されている。より詳しくは、ロータコア１５のシャフト穴３０の縁部に矩形断面を有する溝が形成されており、この溝の内径側がロータシャフト２８の外周面によって閉じられることにより、冷媒流路４０が形成されている。そして、冷媒流路４０の軸方向両端部は、ロータコア１５の軸方向端面においてそれぞれ開口して形成されている。

本実施形態では、ロータシャフト２８の冷媒供給口３４に対応して２つの冷媒流路４０が径方向に対向する位置に形成されている。また、ロータシャフト２８の冷媒供給口３４は、ロータコア１５の軸方向中央位置において冷媒流路４０に連通している。これにより、ロータシャフト２８の冷媒供給口３４からロータコア１５の冷媒流路４０に供給された冷却油は、軸方向両側に分かれた後に軸方向へと流れるように構成されている。

ロータコア１５の内部であって冷媒流路４０の径方向外側には、冷媒捕捉路４１が形成されている。この冷媒捕捉路４１は、回転するロータ１４の遠心力によって冷媒流路４０から積層鋼板間に染み入った冷却油を捕捉する機能を有する。これにより、積層鋼板間に染み入った冷却油が更に径方向外側へと進んでロータ１４とステータ１２との間のギャップ部Ｇへと漏出するのを抑制することができる。本実施形態では、２つの冷媒流路４０に対応して、２つの冷媒捕捉路４１が径方向に対向する位置に設けられている。

冷媒捕捉路４１は、ロータコア１５内を軸方向にわたって延伸して貫通孔として形成され、軸方向両側においてそれぞれ開口している。また、冷媒捕捉路４１は、冷媒流路４０に対してｑ軸方向に近接して並んで形成されている。また、冷媒流路４０は、略三角状の断面形状を有する空間として形成されており、その頂角部４１ａが径方向外側に向いた姿勢で形成されている。このように冷媒捕捉路４１を冷媒流路４０の径方向外側に近接して設けることで、上記のように染み出た冷却油の捕捉を良好に行うことができる。また、略三角状の空間をなす冷媒捕捉路４１を頂角部４１ａが径方向外側へ向けて形成してあることで、磁極３７における磁路領域（すなわち永久磁石３６の径方向内側領域）をできるだけ侵食しないようにしてロータ１４の磁気特性に与える影響を抑制することができる。

ただし、冷媒捕捉路４１の形状は、上記のような略三角形状の断面を有する貫通孔に限定されるものではなく、例えば、冷媒流路４０と同等か少し広い周方向幅を有する矩形状などの断面形状を有する貫通孔として形成されてもよい。

図２を再び参照すると、本実施形態のロータ１４は、さらに、ロータコア１５に軸方向両側に配置された２つのエンドプレート４２を含む。エンドプレート４２は、ロータコア１５とほぼ同一の外径を有する円板状をなし、その中心にロータシャフト２８が貫通して設けられている。

エンドプレート４２は、非磁性材料（例えば、アルミニウム、アルミ合金等）から形成されるのが好ましい。これにより、永久磁石３６の軸方向端部における磁束の短絡又は漏れを有効に抑制することができる。また、エンドプレート４２は、ロータコア１５からの永久磁石３６の軸方向への飛び出しを防止する機能も有する。

エンドプレート４２は、図示しないカシメ部材によってロータコア１５の軸方向端面に圧接された状態で固定される。これによりロータシャフト２８に対するエンドプレート４２の軸方向位置が決められている。また、エンドプレート４２は、ロータコア１５と同様に、ロータシャフト２８に対して圧入されるか又はキーとキー溝の凹凸嵌合によって、周方向位置が決められている。

図４は、図２におけるＢ−Ｂ断面図であり、エンドプレート４２の側面が示されている。また、図５は、図２におけるＣ部の拡大図である。

エンドプレート４２の中央には、ロータシャフト２８が挿入されるシャフト穴４６が形成されている。そして、シャフト穴４６の縁部に近接する位置に、第１冷媒吐出口５０および第２冷媒吐出口５１が径方向に並んで形成されている。第１冷媒吐出口５０は、冷媒流路４０の開口端部に連通している。第１冷媒吐出口５０は、冷媒流路４０を流れてきた冷却油をロータ外部へ吐出する貫通孔である。また、本実施形態では、第１冷媒吐出口５０は、軸方向に対して例えば約４５°程度の傾きをもってエンドプレート４２を貫通するように形成されている。

これに対し、第２冷媒吐出口５１は、冷媒捕捉路４１の開口端部に連通するが、冷媒流路４０には連通しないように形成されている。第２冷媒吐出口５１は、冷媒捕捉路４１で補足されて軸方向に流れてきた冷却油をロータ外部に放出するための貫通孔である。本実施形態では、第２冷媒吐出口５１は、略三角状断面をなす冷媒捕捉路４１の頂角部４１ａに対応する位置で軸方向に沿ってエンドプレート４２を貫通するように形成されている。

次に、上記構成からなる回転電機１０における冷却動作について説明する。

ロータシャフト２８の他端部から、オイルポンプにより圧送された冷却油が冷媒供給路３２に供給される。冷媒供給路３２に供給された冷却油は、軸方向に流れて冷媒供給口３４からロータコア１５内の冷媒流路４０へと供給される。

このとき、上記のように冷媒供給口３４から冷媒流路４０に流れ込んだ冷却油は、軸方向両側へ分かれてエンドプレート４２に向かって軸方向端部側へと流れる。この過程において冷却油は、ロータコア１５から熱を奪って効率よく冷却する。

そして、冷却油は、エンドプレート４２に達して第１冷媒吐出口５０からロータ外部に吐出される。そうすると、回転するロータ１４の遠心力によって冷却油が液滴状またはミスト状になって径方向外側へ飛び散る。これにより、径方向外側に位置するコイルエンド部１６ａ，１６ｂに冷却油がかかり、通電により発熱するコイルエンド部１６ａ，１６ｂから熱を奪ってステータコイル１６を冷却する。

一方、ロータシャフト２８の冷媒供給口３４からロータコア１５内の冷媒流路４０に流れ込んだ冷却油の一部は、供給油圧および遠心力の作用によってロータコア１５を構成する積層鋼板間に染み入って径方向外側へと流れることがある。しかし、本実施形態におけるロータ構造では、冷媒流路４０の径方向外側に冷媒捕捉路４１が近接して設けられているため、上記のように冷媒流路４０から積層鋼板間に染み入った冷却油は冷媒捕捉路４１内に流れ込む。このとき、冷媒流路４０内とは異なり冷媒捕捉路４１内では冷却油の供給圧力から解放されていること及び冷媒捕捉路４１へ流入する冷却油が少量であることから、冷媒捕捉路４１に流れ込んだ冷却油は更に積層鋼板間には染み入りにくく冷媒捕捉路４１内で捕捉および回収されることになる。

冷媒捕捉路４１に流れ込んだ冷却油は、軸方向に流れてエンドプレート４２の第２冷媒吐出口５１からロータ外部に流出する。そうすると、回転するロータ１４の遠心力によって冷却油が液滴状またはミスト状になって径方向外側へ飛び散ってコイルエンド部１６ａ，１６ｂにかかり、冷媒流路４０を介して第１冷媒吐出口５０から噴出された冷却油と相俟ってステータコイル１６の冷却に用いられる。

ステータコイル１６の冷却より更に昇温した冷却油は、ハウジング２０の下部に形成された図示しない冷媒排出口からオイルポンプの吸引作用によって引き抜かれて排出され、オイルクーラにて放熱して降温した後に、再び冷媒供給路３２へと循環供給されることになる。

上述したように本実施形態のロータ構造を含む回転電機１０によれば、ロータコア１５の内部に設けた冷媒流路４０から冷却油が、回転するロータの遠心力によって積層鋼板間に染み入った場合にも、冷媒捕捉路４１によって捕捉されるので、引き続き積層鋼板間を流れてロータ外周面まで達することによりステータ１２との間のギャップ部Ｇに漏出するのを低減できる。これにより、ロータ１４の冷却性能を強化しながら、冷却油がロータ１４とステータ１２との間のギャップ部Ｇに漏出してロータ１４の回転抵抗となるのを抑制できる。

なお、本発明に係るロータ構造は、上述した実施形態およびその変形例に限定されるものではなく、種々の改良および変更が可能である。

例えば、上記実施形態においては、ロータコア１５の軸方向両側にエンドプレート４２を配設したロータ構造について説明したが、エンドプレートが設けられていないロータに本発明が適用されてもよい。この場合、冷媒流路および冷媒捕捉路の開口端部から直に冷却油が放出され、遠心力によって径方向外側へ飛び散ってコイルエンド部に供給されることになる。

１０ 回転電機、１２ ステータ、１３ ステータコア、１４ ロータ、１５ ロータコア、１６ ステータコイル、１６ａ，１６ｂ コイルエンド部、２０ ハウジング、２２ 有底円筒部、２３ 底部、２４ カバー部、２６ 軸受部材、２８ ロータシャフト、３０ シャフト穴、３２ 冷媒供給路、３４，３５ 冷媒供給口、３６ 永久磁石、３７ 磁極、４０ 冷媒流路、４１ 冷媒捕捉路、４２ エンドプレート、４６ シャフト穴、５０ 第１冷媒吐出口、５１ 第２冷媒吐出口。

Claims (5)

1. 冷媒供給路を内部に有するとともに該冷媒供給路から冷却媒体をシャフト外部に供給する冷媒供給口を有するロータシャフトと、
   前記ロータシャフトに固定されて前記ロータシャフトと共に回転する積層鋼板体からなるロータコアと、
   前記ロータコアの内周部に設けられ前記ロータシャフトの冷媒供給口から供給される冷却媒体を軸方向へと流す冷媒流路と、
   前記ロータコアの内部であって前記冷媒流路の径方向外側に形成され、前記冷媒流路から積層鋼板間に染み入った冷却媒体を捕捉する冷媒捕捉路と、を備える
   回転電機のロータ構造。
2. 請求項１に記載の回転電機のロータ構造において、
   前記冷媒捕捉路は、軸方向に延伸して形成されて前記ロータコアの軸方向両端に開口する貫通孔として形成されている、回転電機のロータ構造。
3. 請求項２に記載の回転電機のロータ構造において、
   前記ロータコアに軸方向端面に圧接された状態で前記ロータシャフトに固定されたエンドプレートを更に備え、該エンドプレートは、前記冷媒流路に連通する第１冷媒吐出口と、前記冷媒捕捉路に連通するが前記冷媒流路には連通しない第２冷媒吐出口とを有する、回転電機のロータ構造。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転電機のロータ構造において、
   前記ロータコアの外周部には永久磁石を配置してなる磁極が周方向に間隔を置いて複数設けられており、前記冷媒流路および前記冷媒捕捉路は前記磁極間を通る径方向であるｑ軸方向に並んで形成されている、回転電機のロータ構造。
5. 請求項４に記載の回転電機のロータ構造において、
   前記冷媒捕捉路は、径方向外側に頂角部が向いた略三角形状の断面形状を有する空間として形成されている、回転電機のロータ構造。

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