JP2010213412A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成でステータ収容室の冷媒がロータ収容室に漏れるのを防止することができる回転電機を提供する。
【解決手段】ステータ１１と、ステータ１１の内周側にエアギャップを介して配置され回転自在なロータ１２と、ステータ１１とロータ１２を収容するハウジング１３と、を備えた回転電機１０であって、エアギャップＳには、ステータ１１を収容するステータ収容室２０とロータ１２を収容するロータ収容室３０を分割する隔壁部材１７が設けられ、ステータ収容室２０には、外部からハウジング内部に冷媒を導入する導入口導入口１３１ａと、ハウジング内部から外部に冷媒を導出する導出口１３１ｂが設けられ、隔壁部材１７は軸方向両端部がハウジング１３に液密に支持される。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機、特にステータを冷却する冷却構造を備えた回転電機に関する。

従来、ステータを冷却する冷却構造を備えた回転電機として、例えば特許文献１に記載の回転電機が知られている。この回転電機２００は、図８及び図９に示すように、スロット２０１とティース２０２が内周面に交互に形成されたステータコア２０３にコイル２０４が装着されたステータ２０５と、ステータ２０５の内周部に配置され回転自在なロータ２０６と、ステータ２０５とロータ２０６を収容するハウジング２０７と、を備えて構成されている。

また、ステータ２０５を冷却する構造として、スロット２０１の開口部付近にスロット２０１を閉塞するプレート２０８を配置するとともに、プレート２０８とステータコア２０３の内周側及び外周側に金型を配置しそこに樹脂を充填することでステータ２０５の両端とハウジング２０７の側壁部２１２、２１２間に隔壁２０９、２０９を形成し、ハウジング２０７内をステータ２０５を収容するステータ収容室２１０とロータ２０６を収容するロータ収容室２１１に分割している。
そして、ステータ収容室２１０に形成された導入口２１３からハウジング２０７内に冷却用の冷媒を導入し、導出口２１４から冷媒を外部に導出し、ステータ２０５を冷却することが記載されている。

特開２００３−６１２８５号公報

しかしながら特許文献１に記載の回転電機２００は、ステータコア２０３を磁性板を積層した積層構造とした場合に、ステータ収容室２１０に導入された冷媒が積層間の隙間からロータ収容室２１１に漏れるおそれがあった。漏れた冷媒がロータ２０６に付着すると機械損失が増加し、また、ロータ収容室２１１から外部へ冷媒を排出しようとすると別途、排出機構が必要になるなどの問題があった。
また、プレート２０８の両端の隔壁２０９、２０９は、金型を用いて樹脂を充填して形成されるため構造が複雑であるとともに、製造工程も複雑であった。

本発明は、上記した事情に鑑みてなされたもので、その目的は、簡易な構成でステータ収容室の冷媒がロータ収容室に漏れるのを防止することができる回転電機を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、
スロット（例えば、後述の実施形態におけるスロット１１２）とティース（例えば、後述の実施形態におけるティース１１１）が内周面に交互に形成されたステータコア（例えば、後述の実施形態におけるステータコア１１０）にコイル（例えば、後述の実施形態におけるコイル１１４）が装着されたステータ（例えば、後述の実施形態におけるステータ１１）と、前記ステータの内周側にエアギャップ（例えば、後述の実施形態におけるエアギャップＳ）を介して配置され回転自在なロータ（例えば、後述の実施形態におけるロータ１２）と、前記ステータと前記ロータを収容するハウジング（例えば、後述の実施形態におけるハウジング１３）と、を備えた回転電機（例えば、後述の実施形態における回転電機１０、１０Ａ）であって、
前記エアギャップには、前記ステータを収容するステータ収容室（例えば、後述の実施形態におけるステータ収容室２０）と前記ロータを収容するロータ収容室（例えば、後述の実施形態におけるロータ収容室３０）を分割する隔壁部材（例えば、後述の実施形態における隔壁部材１７）が設けられ、
前記ステータ収容室には、外部からハウジング内部に冷媒を導入する導入口（例えば、後述の実施形態における導入口１３１ａ）と、前記ハウジング内部から外部に冷媒を導出する導出口（例えば、後述の実施形態における導出口１３１ｂ）が設けられ、
前記隔壁部材は、軸方向両端部が前記ハウジングに液密に支持される、
ことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明の構成に加えて、
前記ハウジングには、前記隔壁部材の軸方向両側に、且つ、内径側に前記隔壁部材を支持する環状支持部（例えば、後述の実施形態における環状支持部１３３）が設けられ、
前記隔壁部材の内周面が、シール部材（例えば、後述の実施形態におけるＯリング１８）を介して前記環状支持部に支持される、
ことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明の構成に加えて、
前記隔壁部材は、非磁性及び非導電性材料にて形成されている、
ことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明の構成に加えて、
前記隔壁部材は、繊維を捲回して形成された繊維強化プラスチックからなる、
ことを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明の構成に加えて、
前記繊維の巻回方向が、前記隔壁部材の中心線に対し傾斜する、
ことを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の発明の構成に加えて、
前記隔壁部材は、前記ステータのティース先端面（例えば、後述の実施形態におけるティース先端面１１１ａ）にインロー嵌合する、
ことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、ステータ収容室とロータ収容室を分割する隔壁が１つの円筒状の隔壁部材から構成され、隔壁部材はハウジングに液密に支持されるため簡易な構成で、ステータ収容室の冷媒がロータ収容室に漏れるのを防止することができる。これにより、冷媒がロータに付着することによる機械損失を低減することができ効率を向上させることができる。また、ロータ収容室から冷媒を外部へ排出する排出機構を設ける必要がないので回転電機を小型化することができる。
さらにステータ収容室とロータ収容室を分割する隔壁が１つの隔壁部材から構成されるので、冷媒による径方向外側からの圧力に対して強度を確保することができる。これにより、ステータ収容室の圧力が高くなっても隔壁部材の破壊や変形によるロータ収容室への冷媒漏れを回避することができるため、冷媒流量を増やして冷却性能を向上させることができる。

請求項２の発明によれば、ステータ収容室に冷媒が供給されると冷媒により隔壁部材の外周面に液圧が作用するが、シール部材は隔壁部材の内周面と当接するので、冷媒の液圧がシール部材をつぶす方向に作用するため、シール性を向上させることができる。

請求項３の発明によれば、隔壁部材は、非磁性及び非導電性材料にて形成されているので、隔壁部材をステータとロータとの間に配置しても回転磁界の阻害及び渦電流に基づく発熱を防止することができる。

請求項４の発明によれば、繊維を捲回して形成された繊維強化プラスチックからなるので、隔壁部材を高強度にすることができる。これにより冷媒流量を増やして冷却性能を向上させることができる。

請求項５の発明によれば、繊維の巻線方向を隔壁部材の中心線に対して傾斜させることでより隔壁部材の強度を向上させることができる。

請求項６の発明によれば、隔壁部材をティース先端面にインロー嵌合することにより、隔壁部材の一部が外径側に変形しようとしてもティース先端面で支持されるので、ステータ収容室の圧力が高くなっても隔壁部材の破壊や変形によるロータ収容室への冷媒漏れを回避することができるため、冷媒流量を増やして冷却性能を向上させることができる。

本発明に係る回転電機の一実施形態の軸方向断面図であり、図２のＩ−Ｉ線断面図である。 図１に示す回転電機の軸直交方向断面図である。 図１に示す回転電機における隔壁部材の変形モードを説明する軸方向断面図である。 耐圧試験に用いた歪ゲージを取り付けた隔壁部材の斜視図である。 耐圧試験装置を示す図であり、（ａ）は耐圧試験装置の軸直交方向断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。 耐圧試験装置における隔壁部材の変形を示す図である。 変形例に係る回転電機の軸直交方向断面図である。 特許文献１に記載の回転電機の軸方向断面図である。 特許文献１に記載の回転電機のステータの軸直交方向の部分断面図である。

以下、本発明に係る回転電機の各実施形態について、添付図面に基づいて詳細に説明する。

本実施の形態による回転電機１０は、例えば図１及び図２に示すように、ステータ１１と、ステータ１１の内周側にエアギャップＳを介して対向配置されたロータ１２と、ステータ１１とロータ１２を収容するハウジング１３と、を備えて構成されている。

ハウジング１３は、円筒状の円筒壁部１３１と、円筒壁部１３１の両側をＯリング１４、１４を介して液密に閉塞した側壁部１３２、１３２と、側壁部１３２、１３２の軸方向内側に接合され円筒壁部１３１より小径で軸方向長さの短い環状支持部１３３と、から構成されている。円筒壁部１３１には、外部からハウジング内部へ冷媒を導入する導入口１３１ａが穿設されるとともにハウジング内部から外部へ冷媒を導出する導出口１３１ｂが穿設されている。そして、円筒壁部１３１の内周面には、ステータ１１が固定されている。

ステータ１１は、内径側に所定の間隔で突出する複数のティース１１１が設けられてティース１１１とスロット１１２が周方向に交互に形成されたステータコア１１０と、ステータコア１１０の各ティース１１１に巻回されたコイル１１４とから構成されている。ステータコア１１０は、複数層の電磁鋼板が積層されて構成されている。

ロータ１２は、回転軸１５と一体に回転可能なロータコア１２０と、ロータコア１２０内に周方向に等間隔に配置された不図示の永久磁石とから構成されている。回転軸１５はハウジング１３の側壁部１３２、１３２に軸受１６、１６を介して回転自在に支持されており、ロータコア１２０はステータコア１１０により与えられる回転磁束に対して反力を生じて回転軸１５と一体に回転可能となっている。

ここで、本実施形態の回転電機１０は、ステータ１１の内周面とロータ１２の外周面間に形成されたエアギャップＳに１つの円筒状の隔壁部材１７が設けられ、隔壁部材１７の両端部の内周面がＯリング１８、１８を介してハウジング１３の環状支持部１３３、１３３に支持されている。隔壁部材１７は、非磁性及び非導電性材料、例えば、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）、樹脂、セラミックなどから構成され、軸方向で対向するハウジング１３の側壁部１３２、１３２間距離と略等しい軸方向長さを有し、厚さ（径方向長さ）は所定の強度を確保できるようにエアギャップＳより短い厚さに設定されている。なお、繊維強化プラスチックにより隔壁部材１７を形成する場合には、繊維の巻角度をその中心線に対し所定の角度だけ傾斜させることにより剛性を向上させることができる。

また、隔壁部材１７の外周面はティース１１１の内周面であるティース先端面１１１ａとインロー嵌合している。このように構成された隔壁部材１７は、ステータ１１を収容するステータ収容室２０とロータ１２を収容するロータ収容室３０とにハウジング１３内を分割する隔壁として機能し、隔壁部材１７の内周面と環状支持部１３３、１３３間に設けられたＯリング１８、１８によりステータ収容室２０がロータ収容室３０から液密に隔離されている。

そして、ハウジング１３の円筒壁部１３１に形成された導入口１３１ａから絶縁性の冷媒が供給され、ステータ収容室２０が冷媒で充填されることによりステータ１１が冷却される。このとき円筒状の隔壁部材１７の変形モードは、図３に示すように両端支持の分布荷重曲げとなる。

以上、説明したように本実施形態の回転電機１０によれば、ステータ収容室２０とロータ収容室３０を分割する隔壁が１つの円筒状の隔壁部材１７から構成され、隔壁部材１７はハウジング１３に液密に支持されるため簡易な構成で、ステータ収容室２０の冷媒がロータ収容室３０に漏れるのを防止することができる。これにより、冷媒がロータ１２に付着することによる機械損失を低減することができ効率を向上させることができる。また、ロータ収容室３０から冷媒を外部へ排出する排出機構を設ける必要がないので回転電機１０を小型化することができる。
さらにステータ収容室２０とロータ収容室３０を分割する隔壁が１つの隔壁部材１７から構成されるので、冷媒による径方向外側からの圧力に対して強度を確保することができる。これにより、ステータ収容室２０の圧力が高くなっても隔壁の破壊や変形によるロータ収容室３０への冷媒漏れを回避することができるため、冷媒流量を増やして冷却性能を向上させることができる。

また、本実施形態の回転電機１０によれば、ステータ収容室２０に冷媒が供給されると冷媒により隔壁部材１７の外周面に液圧が作用するが、Ｏリング１８、１８が隔壁部材１７の内周面と当接するので、冷媒の液圧がＯリング１８、１８をつぶす方向に作用するため、シール性を向上させることができる。

また、本実施形態の回転電機１０によれば、非磁性及び非導電性材料にて形成されているので、隔壁部材１７をステータ１１とロータ１２との間に配置しても回転磁界の阻害及び渦電流に基づく発熱を防止することができる。

また、本実施形態の回転電機１０によれば、繊維を捲回して形成された繊維強化プラスチックからなるので、隔壁部材１７を高強度にすることができる。これにより冷媒流量を増やして冷却性能を向上させることができる。

また、本実施形態の回転電機１０によれば、繊維の巻線方向を隔壁部材１７の中心線に対して傾斜させることでより隔壁部材１７の強度を向上させることができる。

次に、図４〜図６を参照して円筒状の隔壁部材の耐圧試験について説明する。
図４に示すように、試験用サンプルとして円筒状の隔壁部材Ｓａを用意し、隔壁部材Ｓａの軸方向両側に周方向に等間隔で４つの歪ゲージ（Ａ〜Ｄ，Ｅ〜Ｈ）を貼り付けた。試験装置４０は、隔壁部材Ｓａより大径の円筒部４１と該円筒部４１の内周面から突出し周方向等間隔に設けられた突出部４２を有する円筒状部材４３と、軸方向両端に設けられ互いに対向する軸部材４４、４４と、を備え、内部に冷媒を供給可能に構成されている。そして、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように試験装置４０に隔壁部材Ｓａを装着し、隔壁部材Ｓａの外周面をティースに相当する突出部４２にインロー嵌合させるとともに、隔壁部材Ｓａの内周面をＯリング４５、４５により液密にして軸方向両端の軸部材４４、４４に固定した。このように隔壁部材Ｓａを試験装置４０に装着し、隔壁部材Ｓａの外周側の空間に冷媒を供給し、隔壁部材Ｓａの歪を調べた。

図６に耐圧試験の結果を示す。
図６に示すように、油圧がかかっていないときには略真円断面（図６（ａ）参照）を有する隔壁部材Ｓａが、油圧を上げていくことで次第に変形する過程が観測された。油圧が比較的低い状態では、図６（ｂ）に示すように４箇所の歪ゲージには全て圧縮応力が作用しており、次第に油圧を上げていくと、図６（ｃ）に示すように一箇所で引張応力が作用した。そして、さらに油圧を上げることで図６（ｄ）に示すように、図６（ｃ）における引張応力発生部から隔壁部材Ｓａが破損した。
この耐圧試験結果から、隔壁部材Ｓａに外圧を作用させると、ある圧力で１ヶ所に引張応力が発生し、さらに外圧を上げることで引張応力発生部から隔壁部材Ｓａが破損することがわかった。
なお、隔壁部材Ｓａの外周面を突出部４２にインロー嵌合させない場合についても同様の試験を行なったが、インロー嵌合させる場合に比べて低圧で隔壁部材Ｓａが破損することが確認できた。

ここで、本実施形態の回転電機１０は、隔壁部材１７の外周面がティース先端面１１１ａにインロー嵌合するため、隔壁部材１７の一部に引張応力が作用し外径側に変形しようとしても隔壁部材１７がティース先端面１１１ａに支持される。従って、ステータ収容室２０の圧力が高くなっても隔壁部材１７の外径方向への変形を均等に抑止でき、隔壁部材１７の破壊や変形によるロータ収容室３０への冷媒漏れを回避することができるため、冷媒流量を増やして冷却性能を向上させることができる。

なお、本発明は、上記実施形態に例示したものに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。

例えば、上記実施形態では隔壁部材１７をティース先端面１１１ａにインロー嵌合させたが、所定の液圧以下で使用するならば、隔壁部材１７をティース先端面１１１ａにインロー嵌合させる必要はなく、図７の変形例に係る回転電機１０Ａのように、隔壁部材１７の外周面とティース先端面１１１ａとの間に所定の隙間を設けてもよい。これにより、隔壁部材１７の外径寸法を厳密に管理する必要はなく隔壁部材１７の製造を容易にすることができる。

１０、１０Ａ 回転電機
１１ ステータ
１１０ ステータコア
１１１ ティース
１１１ａ ティース先端面
１１２ スロット
１１４ コイル
１２ ロータ
１３ ハウジング
１３１ａ 導入口
１３１ｂ 導出口
１３３ 環状支持部
１７ 隔壁部材
１８ Ｏリング（シール部材）
２０ ステータ収容室
３０ ロータ収容室
Ｓ エアギャップ

Claims (6)

1. スロットとティースが内周面に交互に形成されたステータコアにコイルが装着されたステータと、前記ステータの内周側にエアギャップを介して配置され回転自在なロータと、前記ステータと前記ロータを収容するハウジングと、を備えた回転電機であって、
   前記エアギャップには、前記ステータを収容するステータ収容室と前記ロータを収容するロータ収容室を分割する隔壁部材が設けられ、
   前記ステータ収容室には、外部からハウジング内部に冷媒を導入する導入口と、前記ハウジング内部から外部に冷媒を導出する導出口が設けられ、
   前記隔壁部材は、軸方向両端部が前記ハウジングに液密に支持される、
   ことを特徴とする回転電機。
2. 前記ハウジングには、前記隔壁部材の軸方向両側に、且つ、内径側に前記隔壁部材を支持する環状支持部が設けられ、
   前記隔壁部材の内周面が、シール部材を介して前記環状支持部に支持される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記隔壁部材は、非磁性及び非導電性材料にて形成されている、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機。
4. 前記隔壁部材は、繊維を捲回して形成された繊維強化プラスチックからなる、
   ことを特徴とする請求項３に記載の回転電機。
5. 前記繊維の巻回方向が、前記隔壁部材の中心線に対し傾斜する、
   ことを特徴とする請求項４に記載の回転電機。
6. 前記隔壁部材は、前記ステータのティース先端面にインロー嵌合する、
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の回転電機。

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