JP3749098B2

JP3749098B2 - 回転電機の回転子

Info

Publication number: JP3749098B2
Application number: JP2000254286A
Authority: JP
Inventors: 良夫橋立; 和人堺; 政憲新; 則雄高橋
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2000-08-24
Filing date: 2000-08-24
Publication date: 2006-02-22
Anticipated expiration: 2020-08-24
Also published as: JP2002078291A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石を用いた回転電機の回転子に関し、特に冷却技術の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
永久磁石を用いた回転電機を駆動部として用いた主電動機について、車両に搭載された場合を例に挙げて説明する。
【０００３】
近年、車両に搭載される主電動機は、ランニングコストの低減や低騒音化の要求に応えるべく、その駆動部を外部に露出した開放型よりも、フレームやシェル等によりその駆動部を完全に覆うようにしたいわゆる全閉型電動機が主流となってきている。この傾向は、車両に限られたものではなく、電機自動車やハイブリッドカーに搭載される主電動機についても、同様の要求から駆動部全体あるいはその一部をフレーム等で覆う全閉型に移行しつつある。
【０００４】
ところで、このように主電動機の駆動部をフレーム等で覆った場合には、その駆動部を構成する固定子と回転子とにより発生する熱がフレーム内に滞留することとなり、フレームや主電動機を高温化し、主電動機の性能を著しく低下させることにもなる。このため現在では、ハウジングの外壁にその表面積を増やすためのフィンを多数設けたり、固定子とフレームとの間に冷却ジャケットを設け、この冷却ジャケットに冷媒を通すことにより、フレームや主電動機を冷却するようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、最近にあって、回転電機は高出力化、小型化の傾向が進み、発熱密度が増大してきたため、ますます高温化の傾向にある。このため、さらなる冷却性能の向上が求められている。特に、永久磁石を用いた回転電機の場合は、減磁の問題から永久磁石の設けられた回転子の温度上昇を防止するとともに、絶縁物の使用上限温度の規制から固定子に収納された電機子コイルの温度上昇を防止する必要がある。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、回転電機の冷却性能を向上させ得る回転電機の回転子を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る回転電機の回転子の第１の特徴としては、軸方向に複数の空洞部が設けられ、この空洞部への磁束漏れを防ぐための永久磁石が軸方向に設けられた回転子鉄心と、この回転子鉄心の両側面を押さえるための押え板とを有する回転電機の回転子において、前記押え板に前記回転子鉄心の空洞部に対応する開口部を設けたことにある。また、前記空洞部と開口部により形成される空洞に仕切り板を設け、その端部を回転子の側面からはみ出すようにしたことにある。
【０００８】
本発明にあっては、押え板に回転子鉄心の空洞部に対応する開口部を設けたことで、回転電機が駆動して回転子が回転したときに、開口部を介して空洞部に空気が流れるようにしている。
【０００９】
また、空洞部と開口部により形成される空洞に回転子の側面からはみ出すように仕切り板を設けたことで、空洞部への空気の流れが良好になるようにしている。
【００１０】
本発明に係る回転電機の回転子の第２の特徴としては、前記押え板は、前記回転子鉄心に接触する面に放射状の切り欠き部が設けられたことにある。また、前記押え板は、その径方向に放射状の貫通孔が設けられたことにある。
【００１１】
本発明にあっては、押え板の回転子鉄心に接触する面に放射状の切り欠き部を設け、あるいは押え板の径方向に放射状の貫通孔を設けたことで、回転子鉄心が回転したときに、この切り欠き部や貫通孔を介して回転子鉄心の空洞部に空気が流れるようにするとともに、いわゆる遠心ファン効果により機内空気が径方向にも流れるようにして、固定子に収納された電機子コイルの端部を冷却できるようにしている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１３】
［第１の実施の形態］
図１は、本実施の形態における回転電機の構成を示す径方向矢視図である。図２は、図１における半径方向のＡ−Ａ部分に沿った断面を示す半体横断面図であり、図３は、図２における半径方向のＢ−Ｂ部分に沿った断面を示す径方向断面図である。
【００１４】
これらの図においては、略円筒形状の固定子１とその円筒内側に配置された略円柱形状の回転子４とにより回転電機が構成される。固定子１と回転子４とは、その中心部分で回転軸９を共有し、固定子１の内周と回転子４の外周との間に空隙３を有する構造となっている。
【００１５】
固定子１は、その本体部分となる固定子鉄心２０と、固定子鉄心２０の側面に軸方向へ向けて設けられたスロットに収納された電機子コイル２とを有する構成である。
【００１６】
回転子４は、略円柱形状の軟鋼Ｓ４５Ｃなどの磁性材料により形成され、もしくは薄圧円柱形状の珪素鋼板などの磁性材料を積層することにより形成される回転子鉄心６と、回転軸９を回転子鉄心６と共有し、回転子鉄心６の両側面を押さえるためにボルト締めや溶接等により固定された押え板８とを有する構成である。
【００１７】
回転子鉄心６には、回転軸９を中心とする４つの扇形の空洞部５を軸方向に貫通させて設けてある。この４つの空洞部５により、回転子鉄心６には４つの磁極部分２１が形成され、いわゆる４極型回転子を構成するようになっている。また、回転子鉄心６には、空洞部５への磁束漏れを防止するとともに磁気的な凹凸を形成するため、４つの扇形のそれぞれの端面近傍の８箇所に永久磁石７が軸方向に沿って埋め込まれている。
【００１８】
なお、永久磁石の素材としては、例えばＮｄＦｅＢ磁石等のような高磁気エネルギ積の希土類磁石を使用することにより、従来の永久磁石よりも高トルクを効果的に得ることができる。
【００１９】
図４（ａ）は押え板８の構成を示す径方向矢視図、同図（ｂ）は径方向のＣ−Ｃ部分に沿った断面を示す縦断面図である。
【００２０】
押え板８には、回転子鉄心６に設けられた空洞部５に対応する位置４箇所に空洞部５と同様の扇形の開口部４０が設けられている。
【００２１】
なお、同図においては、４つの空洞部５の全てに対応して４つの開口部４０を設けた構成を示してあるが、必ずしも空洞部５の全てに対応して開口部４０を設ける必要はなく、空洞部５を塞ぐ個所があったとしても構わない。
【００２２】
これら空洞部５および開口部４０により形成された４つの空洞のそれぞれの中央部には、回転子４の軸方向の長さよりも長い仕切り板１０が軸方向に沿って配置される。これにより、仕切り板１０は、図２に示すようにその両側に回転子４の外側へはみ出した部分１１を有することとなる。
【００２３】
したがって、本実施の形態によれば、回転子鉄心６の両側面に固定した押え板８に回転子鉄心６の空洞部５に対応する開口部４０を設けるとともに、空洞部５および開口部４０により形成された各空洞に回転子４の軸方向の長さよりも長い仕切り板１０をそれぞれ配置したことで、回転電機が駆動して回転子４が回転したときに、仕切り板１０から開口部４０を介して空洞部５に空気が流れるようになるので、回転子を冷却することができるとともに、回転電機内の空気温度の平均化を図ることができ、もって回転電機の冷却性能を向上させることができる。
【００２４】
なお、回転子４の４つの空洞の全てに仕切り板１０を挿入することは必ずしも必要なく、適当な間隔をおいて配置するようにしてもよい。
【００２５】
［第２の実施の形態］
上記第１の実施の形態における仕切り板１０の形状や配置については、様々な変形が考えられる。以下、その変形例について説明する。なお、図１乃至４と同一符号には同一の符号を付すこととし、ここでは説明を省略する。
【００２６】
図５は、本実施の形態における回転子４の構成を示す半体横断面図であり、その特徴としては、仕切り板１０の上部中央に上切り欠き部１２を設けるとともに、左右下部に下切り欠き部１３を設けたことにある。もちろん、切り欠き部は、上部又は下部のいずれか一方にだけ設けることとしてもよいし、それぞれの数を変更することとしてもよい。
【００２７】
図６は、上切り欠き部１２を設けたときの空洞部５における空気の流れを示す図である。このように、回転子４が回転方向３０に向かって回転したときに、仕切り板１０でしきられた空洞部５の一方の側から他方の側へ、空気が流れ方向３１に沿って流れるようになる。
【００２８】
図７は、下切り欠き部１３を設けたときの空洞部５における空気の流れを示す図である。このように、回転子４が回転方向３０に向かって回転したときに、空気が流れ方向３２に沿って流れるようになる。
【００２９】
図８は、回転子４の別の構成を示す半体横断面図であり、その特徴としては、仕切り板１０の中央部に軸方向に沿って開口部１４を設けたことにある。この構成によっても、空洞部５の一方の側から他方の側へ空気が流れるようになる。
【００３０】
図９は、回転子４のさらに別の構成を示す半体横断面図であり、その特徴としては、仕切り板１０に代えて、長さの短い２枚の仕切り板１５ａ，１５ｂを回転子側面の一方および他方にそれぞれはみだし部１１を有するように配置し、軸方向の中央部分に仕切り板の存在しない空間を設けて、図８の開口部１４に相当する部分を広げるようにしたことにある。
【００３１】
図１０は、図９の仕切り板１５ａ，１５ｂの変形を示す図であり、仕切り板１５ａ，１５ｂの上部にそれぞれ上切り欠き部１２を設けた構成を示している。
【００３２】
図１１は、図９の仕切り板１５ａ，１５ｂの別の変形を示す図であり、回転子４から外側にはみ出した部分１９の径方向の大きさを空洞部５や開口部４０よりも大きくした構成を示している。
【００３３】
図１２，１３は、回転子４のさらに別の構成を示す半体横断面図であり、その特徴としては、仕切り板１６ａを回転子４の側面の一方の側にだけはみだし部１１を有するように配置するとともに、この仕切り板１６ａに隣接する仕切り板１６ｂを回転子４の側面の他方の側にだけはみだし部１１を有するように配置するようにして、はみだし部１１が回転子側面の一方と他方とで空洞ごとに交互に形成されるようにしたことにある。この構成により、はみだし部１１から空洞部５に入り込んだ空気が、はみだし部１１のない方へスムーズに流れるようになる。
【００３４】
図１４は、図１２の仕切り板１６ａの変形を示す図であり、仕切り板１６ａに上切り欠き部１２と下切り欠き１３を設けた構成を示している。
【００３５】
図１５は、図１２の仕切り板１６ａの別の変形を示す図であり、仕切り板１６ａに開口部１４を設けた構成を示している。
【００３６】
図１６，１７は、仕切り板の配置を示す空洞部５の径方向断面図である。仕切り板１０，１５，１６は、先に説明したように図１６に示す扇形の中央部１７に配置されるようにしてもよいし、図１７に示すように扇形の端面に接する部分１８に配置されるようにしてもよい。
【００３７】
したがって、本実施の形態によれば、仕切り板の形状や配置をそれぞれ上記のように構成することにより、空洞部５への空気の流れをより良好なものとすることができ、もって回転電機の冷却性能を向上させることができる。
【００３８】
[第３の実施の形態]
上記第１，２の実施の形態における押え板８の構成については、様々な変形が考えられる。以下、その変形例について説明する。なお、押え板８に開口部４０を設けるとともに、回転子鉄心６の空洞部５に仕切り板１０，１５，１６を配置することは、上記実施の形態と同様であるので、ここでは説明を省略する。
【００３９】
図１８（ａ）は、本実施の形態における押え板２８の構成を示す径方向矢視図であり、同図（ｂ）は、径方向のＤ−Ｄ部分に沿った断面を示す縦断面図である。同図の押え板２８は、回転子鉄心６に接触する面に４つの切り欠き部２３が放射状に設けられている。
【００４０】
図１９（ａ）は、押え板２８の別の構成を示す径方向矢視図であり、同図（ｂ）は、径方向のＤ−Ｄ部分に沿った断面を示す縦断面図である。同図の押え板３８は、径方向に４つの貫通孔２４が放射状に設けられている。
【００４１】
これらの押え板２８，３８を回転子鉄心６の両側面に固定することで、回転子鉄心６が回転したときに、切り欠き部２３や貫通孔２４も回転することとなり、回転子鉄心６の空洞部５に空気が流れるようなるので、回転子４を冷却することができる。また、いわゆる遠心ファン効果により機内空気が径方向に流れるので、固定子１に設けられた電機子コイル２の端部を冷却することができ、もって回転電機の冷却性能を向上させることができる。
【００４２】
図２０（ａ）は、押え板２８のさらに別の構成を示す径方向矢視図であり、同図（ｂ）は、径方向のＤ−Ｄ部分に沿った断面を示す縦断面図である。同図の押え板４８は、回転子鉄心６に接触する面の反対面に、径方向に４つの突起部２５が放射状に設けられている。また、回転子鉄心６に接触する面には、図１８と同様に切り欠き部２３が設けられている。
【００４３】
この押え板４８を回転子鉄心６の両側面に固定することで、回転子鉄心６が回転したときに、突起部２５が回転することとなり、回転子鉄心６の空洞部５に空気が流れるようなるので、回転子４を冷却することができる。
【００４４】
なお、切り欠き部２３を設ける代わりに、同図（ｃ）に示すように貫通孔２４を設けることとしてもよい。かかる場合にも上記と同様の効果を奏することができる。
【００４５】
したがって、本実施の形態によれば、押え板を上記のように構成することにより、空洞部５への空気の流れをより良好なものとすることができ、また、回転子コイル２を冷却することができ、もって回転電機の冷却性能を向上させることができる。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る回転電機の回転子によれば、押え板に回転子鉄心の空洞部に対応する開口部を設けたことで、回転電機が駆動して回転子が回転したときに、開口部を介して空洞部に空気が流れるので、回転子を冷却することができる。
【００４７】
また、空洞部と開口部により形成される空洞に回転子の側面からはみ出すように仕切り板を設けたことで、空洞部への空気の流れが良好になるので、回転子をより冷却することができ、もって回転電機の冷却性能を向上させることができる。
【００４８】
さらに、押え板の回転子鉄心に接触する面に放射状の切り欠き部を設け、あるいは押え板の径方向に放射状の貫通孔を設けたことで、この切り欠き部や貫通孔を介して空洞部に空気が流れるとともに、いわゆる遠心ファン効果により機内空気が径方向にも流れるので、固定子に収納された電機子コイルの端部を冷却することができ、もって回転電機の冷却性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態における回転電機の構成を示す径方向矢視図である。
【図２】図１における半径方向のＡ−Ａ部分に沿った断面を示す半体横断面図である。
【図３】図２における半径方向のＢ−Ｂ部分に沿った断面を示す径方向断面図である。
【図４】図４（ａ）は、押え板８の構成を示す径方向矢視図であり、同図（ｂ）は、径方向のＣ−Ｃ部分に沿った断面を示す縦断面図である。
【図５】第２の実施の形態における回転子４の構成を示す半体横断面図である。
【図６】上切り欠き部１２を設けたときの空洞部５における空気の流れを示す図である。
【図７】下切り欠き部１３を設けたときの空洞部５における空気の流れを示す図である。
【図８】回転子４の別の構成を示す半体横断面図である。
【図９】回転子４のさらに別の構成を示す半体横断面図である。
【図１０】図９の仕切り板１５ａ，１５ｂの変形を示す図である。
【図１１】図９の仕切り板１５ａ，１５ｂの別の変形を示す図である。
【図１２】回転子４のさらに別の構成を示す半体横断面図である。
【図１３】回転子４のさらに別の構成を示す半体横断面図である。
【図１４】図１２の仕切り板１６ａの変形を示す図である。
【図１５】図１２の仕切り板１６ａの別の変形を示す図である。
【図１６】仕切り板の配置を示す空洞部５の径方向断面図である。
【図１７】仕切り板の別の配置を示す空洞部５の径方向断面図である。
【図１８】図１８（ａ）は、第３の実施の形態における押え板２８の構成を示す径方向矢視図であり、同図（ｂ）は、Ｄ−Ｄ部分に沿った断面を示す縦断面図である。
【図１９】図１９（ａ）は、押え板２８の別の構成を示す径方向矢視図であり、同図（ｂ）は、径方向のＤ−Ｄ部分に沿った断面を示す縦断面図である。
【図２０】図２０（ａ）は、押え板２８のさらに別の構成を示す径方向矢視図であり、同図（ｂ）は、径方向のＤ−Ｄ部分に沿った断面を示す縦断面図であり、同図（ｃ）は、さらに別の構成を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１固定子
２電動子コイル
３空隙
４回転子
５空洞部
６回転子鉄心
７永久磁石
８，２８，３８，４８押え板
９回転軸
１０，１５，１６仕切り板
１１はみだし部
１２上切り欠き部
１３下切り欠き部
１４開口部
１７扇形の中央部分
１８扇形の端面に接する部分
１９拡大はみだし部
２０固定子鉄心
２１磁極部
２３切り欠き部
２４貫通孔
２５突起部
３０回転方向
３１，３２流れ方向
４０開口部

Claims

軸方向に複数の空洞部が設けられ、この空洞部への磁束漏れを防ぐための永久磁石が軸方向に設けられた回転子鉄心と、この回転子鉄心の両側面を押さえるための押え板とを有する回転電機の回転子において、
前記押え板に前記回転子鉄心の空洞部に対応する開口部を設けるとともに、前記空洞部と開口部により形成される空洞に仕切り板を設け、その端部を回転子の側面からはみ出すようにしたことを特徴とする回転電機の回転子。
前記仕切り板は、回転子の軸方向の長さよりも長く形成されたものであって、回転子の両側面からはみ出すように配置されたことを特徴とする請求項１記載の回転電機の回転子。
前記仕切り板は、回転子側面の一方用および他方用の２枚の仕切り板により形成されたものであって、各仕切り板が各側面からそれぞれはみ出すように配置されたことを特徴とする請求項１記載の回転電機の回転子。
前記仕切り板は、回転子からはみ出す位置が回転子側面の一方と他方とで前記空洞ごとに交互に配置されたことを特徴とする請求項１記載の回転電機の回転子。
前記仕切り板は、径方向断面の前記空洞の中央部を仕切るように配置されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の回転電機の回転子。
前記仕切り板は、外周側又は内周側の少なくともいずれか一方に軸方向に沿った切り欠き部が設けられたことを特徴とする請求項１乃至５のいすれかに記載の回転電機の回転子。
前記仕切り板は、軸方向に沿った開口部が設けられたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の回転電機の回転子。
前記仕切り板は、前記空洞の端位置に接触するように配置されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の回転電機の回転子。
前記押え板は、前記回転子鉄心に接触する面に複数の切り欠き部が放射状に設けられたことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の回転電機の回転子。
前記押え板は、その径方向に複数の貫通孔が放射状に設けられたことを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の回転電機の回転子。