JP5887870B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機に関し、特に回転電機の冷却構造の改良に関する。

回転電機は、ロータシャフトと、ロータシャフトに固定されたロータと、ロータの周囲に配置されるステータとを有する。ステータは、コイルを有し、このコイルに電流が流れることにより回転磁界が発生する。この回転磁界とロータとの間に働く電磁的作用により、ロータが回転する。

一般的に、回転電機は、この回転電機の駆動により発熱する。回転電機が永久磁石型回転電機である場合、ロータに設けられる永久磁石またはステータのコイルエンドが発熱する。これらが発熱して温度が上昇すると、回転電機の運転効率が低下してしまう。そこで、冷媒により回転電機を冷却する例がある。

下記特許文献１には、ロータとステータの間のギャップに冷却用流体を供給し、回転電機を冷却する冷却装置が開示されている。この文献のロータの表面には、ギャップに滞留する冷却用媒体を外部に排出するための溝が形成されている。この溝による冷却媒体の排出促進により、回転電機の駆動時、上記ギャップ内の冷却用流体が攪拌されることによる動力損失を抑制している。

下記特許文献２には、固定子と回転子のギャップに冷却媒体を流し込んで回転電機を冷却する構造が開示されている。この文献においても、回転子の回転に伴うギャップ内の冷却媒体による摩擦損失を低減するため、回転子の表面に、ギャップ内の冷却媒体を強制的に排出するらせん状の溝が形成されている。

下記特許文献３には、ロータとステータの間のオイルによる引きずりトルク損失を低減するため、ロータが、筒部表面に軸方向に伸びて形成された凹溝を有することが記載されている。

特開２０１１−１２５０９０号公報 特開２００２−０５８２０７号公報 特開２００１−０３７１２９号公報

従来の回転電機においては、ロータの筒部外周面に形成された冷却媒体排出用の溝により、ロータとステータの間のエアギャップに滞留する冷却媒体に起因する動力損失を低減することができる。

ところで、低温時に回転電機を使用する場合、冷却媒体の粘度が常温時に比べ高くなるので、動力損失が増加するとともに、冷却媒体の流体速度が低下して冷却効率が低下してしまうという問題がある。上述のような冷却媒体排出用の溝により動力損失の低減を図ることが考えられるが、冷却媒体の温度が上昇しない限り、依然として流体速度の増加は見込めず、冷却効率は低下したままである。

本発明の目的は、簡易な構成により、早期に冷却媒体の暖機を行い、回転電機の冷却効率の向上を図ることができる回転電機を提供することにある。

本発明は、高温時に低粘度となり低温時に高粘度となる潤滑油が流れる流路を有するロータシャフトと、ロータシャフトに固定されたロータと、ロータの周囲にエアギャップを介して配置されたステータと、を備える回転電機において、ロータは、軸線方向の両端に設けられたエンドプレートを有し、ロータシャフトの流路は、エンドプレートの端面に潤滑油を供給し、前記端面は、径方向の外側では径方向の内側よりもロータ内側へ湾曲する湾曲部を有することを特徴とする。

また、前記端面に形成される湾曲は、軸線を含む断面において、Ｓ字形状であることが好適である。

また、ロータは、エアギャップに滞留する潤滑油を外部へ排出する溝を有し、前記溝は、前記端面を伝って導入される潤滑油を反対側のエンドプレートの方に導くように筒部外周面に形成されたらせん部を有することが好適である。

本発明の回転電機によれば、簡易な構成により、早期に冷却媒体の暖機を行い、回転電機の冷却効率の向上を図ることができる。

本実施形態の回転電機の構成を示す図である。 図１のＡ部を拡大して示す図である。

以下、本発明に係る回転電機の実施形態について、図を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る回転電機の構成を示す図であり、図２は、図１のＡ部を拡大して示す図である。本実施形態においては、原動機として自動車に搭載される回転電機を例に挙げ、この構成について説明する。しかし、本発明はこの構成に限定されず、寒冷地や周囲の温度が低い状況のなかで使用される回転電機にも適用することができる。なお、これらの図の左側が車両の前方であり、右側が車両の後方である。

回転電機１０は、車両の原動機である。回転電機１０は、ロータシャフト１２に固定されるロータ１４と、ロータ１４を囲うように回転電機１０のケース（図示せず）に固定されたステータ１６とを有する。

ロータ１４は、ロータシャフト１２と同心の円筒状の磁性体であり、例えば積層鋼板を軸線方向１８に積層して構成される。そして、ロータ１４は、この積層された積層鋼板の両端、すなわち軸線方向１８の両端に設けられたエンドプレート２０を有する。積層鋼板には軸線方向に延びる孔が形成され、この孔に永久磁石（図示せず）が配置される。なお、永久磁石は、積層鋼板の内部ではなく、積層鋼板の外周に配置することもできる。

ロータシャフト１２は、ケースに設けられる軸受（図示せず）により回転可能に支持される。ロータシャフト１２は、後述するが、軸線方向１８に延びる孔が形成された中空軸である。軸線方向１８は、図１に示されるように、車両進行方向と同一方向である。しかし、本発明はこの構成に限定されず、軸線方向１８が車両進行方向に対して交差する方向であってもよい。

ステータ１６は、ロータ１４の周囲にエアギャップ２２を空けて配置される。ステータ１６には、このステータ１６の内周側に突出し、周方向に所定の間隔を空けて配置される磁極（図示せず）を有する。この磁極の間の空間であるスロット（図示せず）には、導線を磁極に巻きつけて形成されるコイル２４が配置される。図１には、ステータ１６の両端において、スロット間を橋渡しするコイル２４、すなわちコイルエンドが示される。このコイル２４の通電により、ステータ１６に回転磁界が発生し、この回転磁界に吸引される力が、永久磁石を有するロータ１４に発生して、ロータ１４が回転する。

一般的に、回転電機は、この回転電機の駆動により発熱する。回転電機が永久磁石型回転電機である場合、ロータに設けられる永久磁石、又はステータのコイルが発熱する。これらが発熱して温度が上昇すると、回転電機の運転効率が低下してしまう。この運転効率の低下を防ぐために、本実施形態の車両においては、冷却媒体、例えば潤滑油（ＡＴＦ）により回転電機１０を冷却している。以下に、その冷却構造について説明する。

ケースには、冷却媒体を循環させるポンプ（図示せず）が収容される。このポンプは、ロータシャフト１２の回転と同期して廻る構成となっている。なお、本発明はこの構成に限定されず、ポンプが専用モータにより駆動する電動ポンプであってもよい。

ロータシャフト１２には、上述したように、その内部に軸線方向１８に沿って孔が形成される。この孔は、ポンプから送り出された冷却媒体が流れる流路２６である。流路２６は、径方向に分岐してロータシャフト１２の外周面に延びる分岐路２６ａを含む。分岐路２６ａは、各エンドプレート２０の端面２０ａに冷却媒体が供給されるようにそれぞれ形成される。なお、図１における分岐路２６ａの数は、１つのエンドプレート２０につき１本であるが、この数は一例であって、本発明は分岐路２６ａの数１個に限定されない。分岐路２６ａは、同一円周上の周方向に間隔を空けて複数設けることが好適である。この構成により、冷却媒体の流量が多くなるので、回転電機１０に対する冷却性能の向上を図ることができる。

本実施形態におけるエンドプレート２０の端面２０ａの構成について説明する。端面２０ａは、図２に示されるように、径方向の外側では径方向の内側よりもロータ１４内側へ湾曲するように形成される。

このような端面２０ａの形状により、常温時よりも粘性が高い低温の冷却媒体のみが、表面張力によって端面２０ａに沿って外周端まで伝わり、ロータ１４とステータ１６間のエアギャップ２２に導入され、そこでの引き摺り摩擦によって暖機することができる。

一方、低温時より粘性が低い常温以上の冷却媒体は、表面張力が低温時より低下するので、端面２０ａの外周端まで伝わる前に径方向外側に向かって飛散する。具体的には、冷却媒体は、湾曲２８のところで径方向外側に向かって飛散する。これにより、冷却媒体の飛散方向に位置するコイルエンド２４が効果的に冷却される。

エンドプレート２０の端面２０ａに形成される湾曲２８は、径方向の外側に向かうにつれて徐々にロータ内側へ向かうように形成されることが好適である。具体的には、湾曲２８は、軸線１８を含む断面において、Ｓ字形状であることが好適である。この形状により、低温時の冷却媒体は、エアギャップへと効果的に導くことができ、低温以上の冷却媒体は、コイルエンド２４へと効果的に導くことができる。

また、本実施形態のロータ１４は、その筒部外周面に溝３０が形成される。溝３０は、端面２０ａを伝って導入される冷却媒体を反対側（図中の車両前方側）のエンドプレート２０の方に導くように筒部外周面にらせん状に形成される。すなわち、本実施形態では、溝３０は、車両後方から前方に向けて、ロータ１４の回転方向とは逆周りにらせん状に形成される。この構成により、ロータ１４の回転時、エアギャップ２２に滞留する冷却媒体は、溝３０を通ってエアギャップ２２の外部へと効率的に排出することができる。

次に、上記構成の作用を、回転電機１０の動作とともに図２を用いて説明する。まず、冷却媒体が高温時の場合について説明する。この場合、冷却媒体は低粘度である。流路２６から端面２０ａに供給される冷却媒体は、図２の矢印１のルートを通る。すなわち、端面２０ａに沿って外周端に向かうにつれて、冷却媒体に働く遠心力は大きくなり、その力が表面張力より大きくなると、端面２０ａであって、ロータ１４内側へと湾曲する領域から離れ径方向外側へと飛散する。そして、飛散した冷却媒体は、コイル２４を冷却する。

続いて、冷却媒体が高温より低い中温時の場合について説明する。この場合、冷却媒体は高粘度より粘度が低い中粘度である。流路２６から端面２０ａに供給される冷却媒体は、図２の矢印２のルートを通る。すなわち、端面２０ａに沿って外周端に向かうにつれて、冷却媒体に働く遠心力は大きくなり、その力が表面張力より大きくなると、端面２０ａから離れ径方向外側へと飛散する。この飛散する地点は、上記高温時よりも径方向外側の湾曲２８領域である。そして、飛散した冷却媒体は、コイル２４を冷却する。

最後に、冷却媒体が中温より低い低温時の場合について説明する。この場合、冷却媒体は中粘度より粘度が高い低粘度である。流路２６から端面２０ａに供給される冷却媒体は、図２の矢印３のルートを通る。すなわち、端面２０ａに沿って外周端に向かうにつれて、上述のように冷却媒体に働く遠心力は大きくなる。しかし、端面２０ａの外周端まで表面張力が遠心力より大きいので、冷却媒体は、そのまま端面２０ａの湾曲２８の領域を伝い、エアギャップ２２へ導かれる。そして、冷却媒体は、エアギャップ２２内で暖気され、溝３０によりエアギャップ２２から排出される。

本実施形態の回転電機１０によれば、低温状態の冷却媒体を効率よく暖機することができ、結果として回転電機１０の冷却効率の向上を図ることができる。

本実施形態においては、湾曲２８が、図２に示されるように、車両後方側のエンドプレート２０の端面２０ａに形成される場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されず、どちらか一方のエンドプレート２０の端面２０ａに形成されればよく、車両前方側であってもよい。この場合、ロータ１４の溝３０は、エアギャップ２２に滞留する冷却媒体を車両後方側に向かって排出するように形成される。

本実施形態においては、回転電機１０が永久磁石型モータである場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されず、回転電機１０が、他の種類、例えば誘導巻線型またはリラクタンス型であってもよい。

１０ 回転電機、１２ ロータシャフト、１４ ロータ、１６ ステータ、１８ 軸線方向、２０ エンドプレート、２２ エアギャップ、２４ コイル、２６ 流路、２８ 湾曲、３０ 溝。

Claims (3)

1. 高温時に低粘度となり低温時に高粘度となる潤滑油が流れる流路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たロータと、
   前記ロータの周囲にエアギャップを介して配置されたステータと、
   を備える回転電機において、
   前記ロータは、軸線方向の両端に設けられたエンドプレートを有し、
   前記ロータシャフトの流路は、前記エンドプレートの端面に前記潤滑油を供給し、
   前記端面は、径方向の外側では径方向の内側よりもロータ内側へ湾曲する湾曲部を有する、
   ことを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記端面に形成される湾曲は、軸線を含む断面において、Ｓ字形状である、
   ことを特徴とする回転電機。
3. 請求項１または２に記載の回転電機において、
   前記ロータは、前記エアギャップに滞留する前記潤滑油を外部へ排出する溝を有し、
   前記溝は、前記端面を伝って導入される前記潤滑油を反対側の前記エンドプレートの方に導くように筒部外周面に形成されたらせん部を有する、
   ことを特徴とする回転電機。

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