JP2009081953A

JP2009081953A - 回転電機

Info

Publication number: JP2009081953A
Application number: JP2007249723A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Murakami; 聡村上
Original assignee: Aisin AW Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Aisin AW Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-09-26
Filing date: 2007-09-26
Publication date: 2009-04-16

Abstract

【課題】液体状の冷媒を用いてロータを冷却する回転電機であって、回転シャフトおよびロータの冷却を図ることができるコンパクトな回転電機を提供する。
【解決手段】回転電機は、液体状の冷媒が流れる油路１５０が形成された回転シャフト１４０と、ロータコア１２１の中心軸方向Ｏに位置する両端面のうち、一方の端面に設けられたエンドプレート１３１、およびロータコア１２１の他方の端面に設けられたマグネットプレート１３０を含むロータ１２０と、ステータとを備え、油路１５０は、回転シャフト１４０とロータコア１２１とに間に形成された軸方向油路１５１と、エンドプレート１３１とマグネットプレート１３０との少なくとも一方に形成され、軸方向油路１５１に接続された、冷媒を排出可能な排出路とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機に関し、特にロータおよびコイルエンドの冷却を図ることができる回転電機に関する。

従来からロータの冷却が図られた回転電機が各種提案されている。たとえば、実開昭６０−２４１５４号公報に記載された回転電機は、回転軸と、この回転軸に固定され３つの鉄心ブロックを回転軸の軸方向に間隔を隔てて複数配置されて形成された回転子とを備えている。そして、回転軸の表面のうち、中央に配置された鉄心ブロックの内周面と対向する部分には、ネジ溝が形成されている。さらに、回転軸には、軸心穴と、この軸心穴およびネジ溝に接続された流体通路孔とが形成されている。そして、軸心穴、流体通路孔およびネジ溝をとおった冷却用冷媒が、鉄心ブロック間に形成された冷却用流体通路を通って、回転子を冷却する。

実開昭４９−４５３０４号公報に記載された回転電機は、外周面にスパイラル状の冷却溝が形成された回転軸と、この回転軸に固定され、コイルが装着されたロータコイルとを備えている。さらに、この回転電機は、ロータコアの端面に設けられた端板から突出すると共に、ロータコイルのコイルエンドを覆うように形成されたエンドキャップが設けられている。

そして、このエンドキャップ内には、端板に設けられ、ロータコイルのコイルエンドに冷却媒体を案内する冷却油分配器が設けられており、ロータコイルのコイルエンドに向けて冷却媒体が吹付けられている。

実開昭６１−８８４６８号公報に記載された回転電機は、外周に形成されたスパイラル形状の溝が形成された回転軸と、このスパイラル形状の溝部を覆い、軸方向スパイラル流路を形成すると共に回転軸外周に固着されたスリーブと、このスリーブの外周に嵌合固着された回転子と、回転電機内の空気を軸方向スパイラル流路に導く径方向通気孔とを備えている。この回転電機においては、オイルミストやエアで回転軸やロータを冷却している。

特開２００１−９５２０５号公報に記載された回転電機においては、ロータとステータとのエアギャップには、冷媒ガスを供給し、ステータのコイルエンドには、冷媒液を流して、それぞれ冷却することとしている。

特開昭６２−４４０４４号公報に記載された主軸駆動モータにおいては、外周面がテーパ状とされた主軸に、テーパスリーブを介して装着されたロータと、このロータに対応するステータとを備えており、テーパスリーブの外周面には、スパイラル溝が形成されている。この主軸駆動モータは、ハウジング内に収容されており、このハウジングには、エア供給口が形成されている。そして、エア供給口から供給されたエアは、ロータとステータとの隙間およびスパイラル溝を通って、ロータやステータを冷却する。
実開昭６０−２４１５４号公報実開昭４９−４５３０４号公報実開昭６１−８８４６８号公報特開２００１−９５２０５号公報特開昭６２−４４０４４号公報

実開昭６０−２４１５４号公報に記載された回転電機においては、中央に配置されたブロックと、両端部側に設けられたブロックとの間に隙間を形成して、流体通路孔を形成する必要があり、回転電機の中心軸方向の長さが長くなるという問題があった。

そして、実開昭４９−４５３０４号公報に記載された回転電機においても、端板から中心軸方向に突出するコイルプレートが設けられており、回転電機の中心軸方向の長さが長くなるという問題があった。

実開昭６１−８８４６８号公報および特開昭６２−４４０４４号公報に記載された主軸駆動モータにおいては、エアを用いて回転軸やロータを冷却しており、液冷媒を用いて冷却する場合と比較して、冷却効率が悪く、ロータおよび回転軸を良好に冷却し難くなっている。

特開２００１−９５２０５号公報に記載された回転電機においては、凝縮機や圧縮機等を要し、回転電機のコンパクト化が図りにくくなっている。

特開昭６２−４４０４４号公報に記載された主軸駆動モータにおいては、エアを用いて回転軸やロータを冷却しており、液冷媒を用いて冷却する場合と比較して、冷却効率が悪く、ロータおよび回転軸を良好に冷却し難くなっている。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、液体状の冷媒を用いてロータを冷却する回転電機であって、回転シャフトおよびロータの冷却を図ることができるコンパクトな回転電機を提供することである。

本発明に係る回転電機は、回転可能に支持され、液体状の冷媒が流れる冷却路が形成された回転シャフトと、回転シャフトに固設された筒状のロータコア、該ロータコアの中心軸方向に位置する両端面のうち、一方の端面に設けられた第１エンドプレート、およびロータコアの他方の端面に設けられた第２エンドプレートを含むロータと、ロータの周囲を取り囲むように配置されたステータコアおよび該ステータコアに巻回されたコイルを含むステータとを備える。そして、上記冷却路は、回転シャフトとロータコアとに間に形成されたロータ冷却路と、第１エンドプレートと第２エンドプレートとの少なくとも一方に形成され、ロータ冷却路に接続された、冷媒を排出可能な排出路とを含む。好ましくは、上記ロータ冷却路は、回転シャフトの周面上に螺旋状に形成された溝部と、該溝部を覆うように配置されたロータコアとによって規定される。好ましくは、上記排出路は、第１エンドプレートに形成された第１排出路と、第２エンドプレートに形成された第２排出路と有し、第１排出路のロータコアの一方の端面側が開口され、第２排出路がロータの他方の端面側が開口される。好ましくは、上記第１排出路は、冷媒を排出可能な第１排出口を含み、第２排出路は、冷媒を排出可能な第２排出口を含み、第１排出口と第２排出口とが、中心軸に沿う方向に整列される。好ましくは、上記コイルは、中心軸方向に位置するステータの両端面に設けられた第１および第２コイルエンドを含み、第１排出口は、第１コイルエンドに対して、ステータの径方向内方側に位置し、第２排出口は、第２コイルエンドに対して、ステータの径方向内方側に位置する。そして、上記第１排出路のロータの径方向外方側の端部は閉塞され、第１排出口は中心軸方向に向けて開口し、第２排出路のロータの径方向外方側の端部は閉塞され、第２排出口は中心軸方向に向けて開口する。

本発明に係る回転電機によれば、液体状の冷媒を用いることで、ロータおよび回転シャフトの冷却効率の向上を図ることができると共に、回転電機の中心軸方向のコンパクト化を図ることができる。

本発明の実施の形態に係る回転電機について、図１から図３を用いて説明する。
なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本発明にとって必ずしも必須のものではない。

図１は、本発明の実施の形態に係る回転電機１００の断面図であり、図２は、回転電機１００の分解斜視図である。さらに、図３は、図１に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線におけるロータ１２０の断面図である。図１に示すように、回転電機１００は、回転中心軸Ｏを中心に回転可能に支持された回転シャフト１４０と、この回転シャフト１４０に固設されたロータ１２０と、このロータ１２０の外周側に設けられ、ロータ１２０の周囲を取り囲むように形成された環状のステータ１７０とを備えている。

ロータ１２０は、回転シャフト１４０に固設され、複数の電磁鋼板を積層して、円筒状に形成されたロータコア１２１と、回転中心軸Ｏ方向に配列するロータコア１２１の一方の端面に設けられたマグネットプレート（第１エンドプレート）１３０と、他方の端面に設けられたエンドプレート１３１とを備えている。さらに、ロータ１２０は、ロータコア１２１に形成され、回転中心軸Ｏ方向に延びる磁石挿入孔１２６内に挿入され、樹脂１２３によって固定された永久磁石１２２とを備えている。

回転シャフト１４０は、軸部１４１から回転シャフト１４０の径方向に向けて張り出し、ロータ１２０を支持する台１４２と、ロータ１２０が固着される大径部１４３と、この大径部１４３に対して台１４２と反対側に位置する軸部１４４とを備えている。この回転シャフト１４０には、液体状の冷却油が流れる油路（冷却路）１５０が形成されている。

ロータ１２０のマグネットプレート１３０は、台１４２上に載置されている。エンドプレート１３１は、固定部材１４５によってロータコア１２１に向けて押圧され、ロータ１２０が、台１４２と固定部材１４５とによって挟まれ、回転シャフト１４０に固定されている。

油路１５０は、冷却油が流れる軸方向油路１５１と、大径部１４３の回転中心軸Ｏ方向中央部に形成され、軸方向油路１５１から回転シャフト１４０の径方向外方に向けて延びる径方向油路１５２と、大径部１４３の外周面に形成されたロータ冷却路１５５とを備えている。

軸方向油路１５１の一方の端部は、図示されないオイルポンプに接続されており、オイルポンプから順次冷却油が供給されている。

ロータ冷却路１５５は、大径部１４３の外周面上に形成され、回転中心軸Ｏ方向に向かうにしたがって、大径部１４３の周方向に延び、螺旋状に形成された溝部１５４と、大径部１４３に固設されたロータコア１２１の内周面とによって形成されている。

マグネットプレート１３０は、非磁性材料から構成されており、平板円環状に形成されており、台１４２上に載置されている。マグネットプレート１３０は、台１４２よりも大径に形成されており、径方向外方に向けて延びる切欠部１６１が形成されている。

このマグネットプレート１３０には、マグネットプレート１３０の内周面のうち、ロータ冷却路１５５の一方の端部が位置する部分からロータ１２０の径方向外方に向けて延びる切欠部１６１が形成されている。

この切欠部１６１は、マグネットプレート１３０の外周縁部より径方向内方側に位置しており、この切欠部１６１に対して径方向外方側には、マグネットプレート１３０の径方向外方側に位置する切欠部１６１の先端部を規定する壁部１６２が形成されている。

さらに、この切欠部１６１は、台１４２の外周縁部よりもロータ１２０の径方向外方側にまで延びており、この切欠部１６１のうち、台１４２よりも径方向外方側に位置する部分は、外方に開口しており、冷却油が排出される開口部（第１排出口）１６４とされている。このように、マグネットプレート１３０の切欠部１６１と台１４２とロータコア１２１とによって、ロータ冷却路１５５に連通し、冷却油が排出される排出路１６６が形成されている。この排出路１６６の径方向外方側の端部は、閉塞されており、開口部１６４は、回転中心軸Ｏ方向にむけて開口している。

エンドプレート１３１は、平板環状に形成されている。エンドプレート１３１には、エンドプレート１３１の内周面のうち、ロータ冷却路１５５の他方の端部が位置する部分からロータ１２０の径方向外方に向けて延びる切欠部１６０が形成されている。

この切欠部１６０は、エンドプレート１３１の外周縁部より、エンドプレート１３１の径方向内方側に形成されており、切欠部１６０に対してエンドプレート１３１の径方向外方側には、切欠部１６０の径方向外方側の端部を規定する壁部１６３が形成されている。

さらに、切欠部１６０は、固定部材１４５の外周縁部よりも、ロータ１２０の径方向外方側にまで延びている。そして、この切欠部１６０のうち、固定部材１４５よりも径方向外方側に位置する部分は、外方に向けて開口しており、冷却油が排出される開口部（第２開口部）１６５とされている。このエンドプレート１３１の切欠部１６０と、固定部材１４５と、ロータコア１２１とによって上記のようにロータ冷却路１５５に連通し、冷却油が排出される排出路１６７が規定されている。この排出路１６７の径方向外方側の端部は閉塞されており、開口部１６５は、回転中心軸Ｏ方向に向けて開口している。

そして、ロータ１２０の回転時に、軸方向油路１５１内に供給された冷却油は、径方向油路１５２から開口部開口部１５３を通って、ロータ冷却路１５５内に入り込む。

この際、回転シャフト１４０内に配設された軸方向油路１５１および径方向油路１５２内を冷却油が流れることで、回転シャフト１４０が冷却される。そして、ロータ冷却路１５５内を入り込んだ冷却油は、ロータ冷却路１５５の両端部に向けて流れる。

ここで、ロータ冷却路１５５は、ロータコア１２１の内表面と、回転シャフト１４０に形成された溝部１５４とによって形成されているため、冷却油がロータ冷却路１５５内を通ることで、回転シャフト１４０およびロータコア１２１が冷却される。

特に、ロータ冷却路１５５は、上記のように螺旋状に延びており、冷却油が回転シャフト１４０およびロータコア１２１と接触する接触面積が広く確保されており、良好に、回転シャフト１４０とロータコア１２１とを冷却することができる。

ここで、開口部１５３は、ロータコア１２１の回転中心軸Ｏ方向中央部に形成されており、ロータコア１２１のうち、まず、回転中心軸Ｏ方向中央部に位置する部分が冷却される。その一方で、一般に、ロータコア１２１の温度は、回転中心軸Ｏ方向中央部に向かうにしたがって、高くなりやすくなっており、上記のように、ロータコア１２１の軸方向中央部側から積極的に冷却することで、ロータコア１２１および永久磁石１２２における回転中心軸Ｏ方向の温度分布のばらつきを低減することができる。

ここで、開口部１５３は、開口部１５３と、ロータ冷却路１５５の一方の端部までの距離と、ロータ冷却路１５５の他方の端部との距離が実質的に等しい部分に配置されており、一方の端部側に向けて流れる冷却油量と、他方の端部に向けて流れる冷却油量とに大きな差が生じることを抑制することができる。これにより、ロータコア１２１および回転シャフト１４０を回転中心軸Ｏ方向に略均一に冷却することができる。

そして、開口部１５３とロータ冷却路１５５の一方の端部に位置する部分と、開口部１５３からロータ冷却路１５５の他方の端部に位置する部分とは、いずれも、回転シャフト１４０の周囲を一周しており、回転シャフト１４０を周方向および軸方向に亘って、１４０およびロータコア１２１を冷却することができる。

さらに、開口部１６５と開口部１６４とは、互いに回転中心軸Ｏ方向に配列している。これにより、冷却油が開口部１６５から排出することにより、ロータ１２０が受ける反力の径方向成分と、冷却油が開口部１６４から排出することによりロータ１２０が受ける反力の径方向成分は、同一方向となる。これにより、ロータ１２０が反力によって傾斜することを抑制することができ、回転電機１００の駆動時においても、ロータ１２０が振動することを抑制することができる。

そして、ロータ冷却路１５５の端部に達した冷却油は、切欠部１６０および切欠部１６１を通って、開口部壁部１６２および開口部１６５から排出され、冷却油が切欠部１６０および切欠部１６１を通る際に、エンドプレート１３１およびマグネットプレート１３０を冷却する。さらに、切欠部１６１および切欠部１６０は、ロータコア１２１の端面に開口しており、排出路１６６および排出路１６７を流通する冷却油は、ロータコア１２１の端面をも冷却する。

この際、永久磁石１２２の両端部は、永久磁石１２２の延在方向中央部と比較して、磁束密度が高くなり、温度も高くなる。

その一方で、本実施の形態においては、上記のようにロータコア１２１の端面が冷却されるので、ロータコア１２１を介して、永久磁石１２２の端部をも良好に冷却することができる。

ここで、開口部１６４および開口部１６５は、ステータコア１７１の軸方向端面に位置するコイル１７２のコイルエンド１７３に対して、ステータ１７０の径方向内方に位置している。このため、開口部１６４および開口部１６５から排出された冷却油は、その後、コイルエンド１７３に吹付けられ、コイルエンド１７３を冷却することができる。

なお、冷却油が開口部１６４および開口部１６５から排出される際には、壁部１６２および壁部１６３に衝突し、その後、コイルエンド１７３に吹付けられるため、コイルエンド１７３の表面に形成された絶縁被膜が損傷することを抑制することができる。

さらに、壁部１６３および壁部１６２は、ロータコア１２１の端面から回転中心軸Ｏ方向に向けて突出しており、開口部１６５および開口部１６４は、回転中心軸Ｏ方向に向けて開口している。

このため、開口部１６５および開口部１６４から吐出された冷却油は、ロータ１２０の径方向外方に向かうにしたがって、ロータ１２０の軸方向端面から離れるように進み、開口部１６５および開口部１６４から排出された冷却油が、ステータ１７０とロータ１２０とのエアギャップ内に入り込むことが抑制されている。このため、エアギャップ内に冷却油が入り込むことで、冷却油の粘性等により、ロータ１２０の回転抵抗が高くなることを抑制することができる。さらに、開口部１６５および開口部１６４から吐出された冷却油がコイルエンド１７３に吹付けられる速度を低減することができ、コイルエンド１７３の表面に形成された絶縁被膜が剥離することを抑制することができる。

ここで、上記のように構成された油路１５０を形成するには、たとえば、軸方向油路１５１が形成された軸部の表面にエンドミル等の工具を用いてロータ冷却路１５５を形成する。この際、ロータ冷却路１５５は、螺旋状とされており、エンドミルによって容易に形成することができる。その後、径方向油路１５２を形成する。そして、ロータ１２０を回転シャフト１４０装着することで、容易に油路１５０を形成することができる。

さらに、ロータコア１２１を構成する電磁鋼板には、溝部等を形成する必要がなく、容易にロータコア１２１を形成することができ、さらに、ロータ１２０を回転シャフト１４０に装着する際に、溝部１５４との位置合わせ等を行う必要もなく、容易にロータ１２０を回転シャフト１４０に装着させることができる。このように、本実施の形態に係る回転電機１００は、容易に製造することができる。

以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。さらに、上記数値などは、例示であり、上記数値および範囲にかぎられない。

本発明は、回転電機に適用することができ、特に、回転シャフト、ロータおよびコイルエンドの冷却が図られた回転電機に好適である。

本発明の実施の形態に係る回転電機の断面図である。回転電機の分解斜視図である。ロータの平面図である。

符号の説明

１００回転電機、１２０ロータ、１２１ロータコア、１２２永久磁石、１２３樹脂、１２６磁石挿入孔、１３０マグネットプレート、１３１エンドプレート、１４０回転シャフト、１４１軸部、１４２台、１４３大径部、１４４軸部、１４５固定部材、１５０油路、１５１軸方向油路、１５２径方向油路、１５３開口部、１５４溝部、１５５ロータ冷却路、１６０，１６１切欠部、１６２，１６３壁部、１６４，１６５開口部、１７０ステータ、１７１ステータコア、１７２コイル、Ｏ回転中心軸。

Claims

回転可能に支持され、液体状の冷媒が流れる冷却路が形成された回転シャフトと、
前記回転シャフトに固設された筒状のロータコア、該ロータコアの中心軸方向に位置する両端面のうち、一方の端面に設けられた第１エンドプレート、および前記ロータコアの他方の端面に設けられた第２エンドプレートを含むロータと、
前記ロータの周囲を取り囲むように配置されたステータコアおよび該ステータコアに巻回されたコイルを含むステータとを備え、
前記冷却路は、前記回転シャフトと前記ロータコアとに間に形成されたロータ冷却路と、前記第１エンドプレートと前記第２エンドプレートとの少なくとも一方に形成され、前記ロータ冷却路に接続された、前記冷媒を排出可能な排出路と、を含む、回転電機。
前記ロータ冷却路は、前記回転シャフトの周面上に螺旋状に形成された溝部と、該溝部を覆うように配置された前記ロータコアとによって規定された、請求項１に記載の回転電機。
前記排出路は、前記第１エンドプレートに形成された第１排出路と、前記第２エンドプレートに形成された第２排出路と有し、
前記第１排出路の前記ロータコアの一方の端面側が開口され、前記第２排出路が前記ロータの他方の端面側が開口された、請求項１または請求項２に記載の回転電機。
前記第１排出路は、前記冷媒を排出可能な第１排出口を含み、前記第２排出路は、前記冷媒を排出可能な第２排出口を含み、
前記第１排出口と前記第２排出口とが、前記中心軸に沿う方向に整列された、請求項３に記載の回転電機。
前記コイルは、前記中心軸方向に位置する前記ステータの両端面に設けられた第１および第２コイルエンドを含み、前記第１排出口は、前記第１コイルエンドに対して、前記ステータの径方向内方側に位置し、前記第２排出口は、前記第２コイルエンドに対して、前記ステータの径方向内方側に位置し、
前記第１排出路の前記ロータの径方向外方側の端部は閉塞され、前記第１排出口は前記中心軸方向に向けて開口し、
前記第２排出路の前記ロータの径方向外方側の端部は閉塞され、前記第２排出口は前記中心軸方向に向けて開口する、請求項４に記載の回転電機。