JP2013038994A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】中空のロータ軸の中空部を貫通する入力軸を更に有し、入力軸内の流路を通して冷却液が送られる回転電機において、ロータ軸からコイルに向けて吐出される冷却液の圧力損失を低減する。
【解決手段】ロータ軸２４には、コイルに向けて冷却液を送り出す第１および第２径方向流路６０，６２が設けられている。ロータ軸２４の中空部を貫通する入力軸２６の、ロータの回転軸線方向において径方向流路６０，６２と同じ位置に、連通流路５６，５８が設けられる。入力軸２６内の内側流路５０を流れる冷却液は、連通流路５６，５８を通って外側流路５２に、さらに径方向流路６０，６２を通ってコイルに向けて吐出される。外側流路５２を流れる経路が短く、圧力損失が小さくなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転電機に関し、特にその冷却に係る構造に関する。

電気エネルギを回転の運動エネルギに変換する電動機、回転の運動エネルギを電気エネルギに変換する発電機、さらに電動機と発電機どちらにも機能する電気機器が知られている。以下において、これらの電気機器を回転電機と記す。

液体により冷却を行う回転電機が知られている（下記特許文献１参照）。下記特許文献１に記載された回転電機では、中空のロータ軸の中空部分により冷却液を送り、ロータ軸に径方向にあけられた案内孔を介して冷却液をステータのコイルに向けて吐出し、コイルを冷却している。

特開２０１０−４５８９４号公報

中空のロータ軸の中空部を貫通する内側軸を更に有し、内側軸内の流路を通して冷却液が送られる回転電機において、ロータ軸からコイルに向けて冷却液を吐出するためには、ロータ軸と内側軸の径方向の隙間を介して、冷却液を送る必要がある。このロータ軸と内側軸の隙間を流れる際の圧力損失が大きいという問題がある。

本発明は、前記の圧力損失の低減を目的とする。

本発明の回転電機は、中空のロータ軸と、ロータ軸の中空部を貫通する内側軸とを有する。内側軸の内部には、ロータの回転軸線方向に沿って延びて冷却液が流れる内側流路が設けられ、ロータ軸と内側軸の径方向の隙間にも冷却液が流れる。この隙間を外側流路と呼ぶ。内側流路から外側流路に冷却液を送るために、内側軸にはこれらの流路を連通する連通流路が形成される。さらに、外側流路からステータのコイルに向けて冷却液を送るためにロータ軸に、当該ロータ軸の内周面と外周面を連通する径方向流路が形成される。径方向流路は、ロータのコア端部近傍に形成される。この位置は、ステータに配置されたコイルのコイルエンド部分の内側に相当し、ここから送出された冷却液は、コイルエンド部分に向かう。連通流路は、ロータの回転軸線方向において、径方向流路と同じ位置に設けられる。これにより、内側流路から径方向流路に流れる流体の、外側流路を流れる流路長を短くする。

内側流路から径方向流路に流れる流体の、外側流路を流れる流路長が短くされたことにより、圧力損失が低減される。

回転電機を含む動力装置の概略構成図である。 本実施形態の回転電機の回転軸線を含む断面図である。 ロータの軸線方向から見た状態を示す図である。

以下、本発明の実施形態を、図面に従って説明する。図１は、二重に配置された軸を有する動力装置１０の一例を模式的に表す図である。動力装置１０は、回転電機１２の他に他の原動機１４を有する。他の原動機１４は、例えば内燃機関等の熱機関であってもよく、また回転電機であってもよい。更には、複数の原動機を組み合わせたものであってもよい。

回転電機１２は、ロータ１６とステータ１８を含む。ステータ１８は、巻装されたコイル２０を含み、コイル２０に外部より電力を供給することにより、ステータ１８の内側に回転する磁界が形成される。ロータ１６は、軸受２２に支持される中空のロータ軸２４を有し、このロータ軸２４を中心軸として回転可能となっている。ロータ１６は、ステータ１８により形成された回転磁界と磁気結合し、回転する。以降、ロータ軸２４の中心軸線をロータの回転軸線と記す。

他の原動機１４の動力が入力される入力軸２６は、ロータ軸２４の中空部を貫通し、ロータ軸２４の内側に位置する。入力軸２６とロータ軸２４は二重の軸を構成し、それぞれの軸の一端が共通の出力統合装置３０に結合されている。出力統合装置３０は、回転電機１２と他の原動機１４の動力を統合し、出力軸２８より出力する。出力統合装置３０は、例えば回転電機１２からの出力を減速する減速機を含んでよく、回転電機１２の減速された出力と、他の原動機１４の出力とを統合する。また、出力統合装置３０はクラッチを含んでよく、回転電機１２または他の原動機１４の出力を選択的に出力軸２８と結合し、両方の原動機の出力を出力軸２８に送り出す状態と、一方の原動機の出力のみ出力軸に送り出す状態とを選択可能とする。さらに、出力統合装置３０は、変速機を含んでもよく、例えば、回転電機１２の出力を２値の変速比で出力軸２８に接続可能とする。

回転電機１２および出力統合装置３０の回転部分を支持する軸受等には、オイルポンプ３２から潤滑油が供給される。オイルポンプ３２から送り出された潤滑油は、入力軸２６内に形成された流路を介して送られ、動力装置１０の各部に供給される。潤滑油は、動力装置内の液圧クラッチ等を作動させる作動流体としても利用されることがある。また、潤滑油は、動力装置１０の各部の冷却を行う冷却液としての作用も有する。以下の説明においては、潤滑油の作用のうち着目する作用が冷却作用であるので、潤滑油を冷却液と記して説明する。

図２は、回転電機１２の回転軸線を含む断面を示す図である。回転電機１２は、ケース３４に収められ、ステータ１８はケース３４に固定されている。ステータ１８は、電磁鋼板をロータの回転軸線方向に積層して形成されたステータコア３６を含む。ステータコア３６は、円筒と、円筒内周面から突出し、周方向に配列される複数の歯を有する。この歯に導線が巻回されてコイル２０が形成される。ロータの回転軸線方向において、ステータコア３６からはみ出したコイルの部分がコイルエンド部分である。

ロータ１６は、電磁鋼板がロータの回転軸線方向に積層された略円柱形状のロータコア３８を有し、ロータコア３８の回転軸線方向の両端には、ロータコア３８を挟むようにエンドプレート４０，４１が配置される。エンドプレート４０，４１は、略円板形状であり、ロータコア３８と共に一つの円柱体を構成する。ロータコア３８およびエンドプレート４０，４１の中心を中空のロータ軸２４が貫いている。ロータ軸２４にはフランジ４２が設けられ、ここにエンドプレート４０が当接している。ロータコア３８の他方の端においては、かしめリング４４が設けられている。かしめリング４４をロータ軸２４にかしめることにより、ロータコア３８と２枚のエンドプレート４０，４１をロータ軸２４に対して固定する。ロータコア３８とロータ軸２４は、一体となって回転する。

ロータコア３８内には、永久磁石（不図示）が埋め込まれている。この永久磁石がステータ１８により形成される回転磁界と磁気結合し、ロータ１６が回転する。ロータ軸２４は、軸受２２、例えばボール軸受等の転がり軸受を介してケース３４に回転可能に支持される。ロータ軸２４は、図中右端において延長軸４６とスプライン結合し、延長軸４６によりロータ１６の回転が出力統合装置３０に送り出される。

ロータ軸２４の中空部には、中空部を貫通するように入力軸２６が配置される。入力軸２６は軸受４８、例えばニードル軸受を介してロータ軸２４に支持される。ロータ軸２４と入力軸２６は共通の回転軸線を有するように、つまり同軸に配置することができる。

入力軸２６内には、その回転軸線の方向に沿って貫通孔があけられ、これが冷却液（潤滑油）の流路５０となって、動力装置１０内の必要な部分に供給される。二重に配置されたロータ軸２４と入力軸２６の間には、環状の隙間が形成され、この空間も冷却液の流路５２となる。流路５０と流路５２は入力軸２６に仕切られ、入力軸２６の内側に流路５０が、外側に流路５２が配置される。以下、流路５０を内側流路５０、流路５２を外側流路５２と記して説明する。内側流路５０から外側流路５２に冷却液を流すために、入力軸２６には、入力軸の内周面と外周面に両端が開口し、これらを連通する連通流路５４，５６，５８が形成されている。この回転電機１２においては、連通流路５４，５６，５８は、回転軸線方向において３箇所に設けられている。第１連通流路５４は、ロータの回転軸線方向においてロータコア３８の中央部分に設けられる。第２，第３連通流路５６，５８は、回転軸線方向においてロータコア３８の端部付近に対応して設けられている。第２，第３連通流路５６，５８の位置については、後でもう一度説明する。

第１連通流路５４は、内側流路５０と外側流路５２を連通し、冷却液は内側流路５０から第１連通流路５４を通って外側流路５２に流れる。外側流路５２に送られた冷却液はロータコア３８を内側から冷やし、ロータコア３８に内蔵される永久磁石の温度も低下させる。第１連通流路５４は、一つ設けてもよく、周方向に二つ以上設けてもよい。

ロータ軸２４の、ロータコア３８の端部近傍に、ロータ軸２４の内周面と外周面に両端が開口し、これらを連通する径方向流路６０，６２が設けられている。外側流路５２内の冷却液は、ロータ１６の回転に伴う遠心力によって、径方向流路６０，６２を介してロータ軸２４の外側に送り出され、コイル２０のコイルエンド部分に掛かり、コイルを冷却する。径方向流路６０，６２が、コイルエンド部分に囲まれる部分に配置されることにより、送り出される冷却液はコイルエンド部分に掛かる。しかし、図示するように、コイルエンド部分に囲まれる範囲には、軸受等の部品が配置され、径方向流路６０，６２を配置するスペースが限られる。この回転電機１２においては、ロータ軸線方向におけるエンドプレート４０，４１が配置される位置またはこれに隣接して径方向流路６０，６２が設けられている。特に、図中左側の径方向流路（以下、第１径方向流路）６０は、フランジ４２の位置に設けられている。図３に示すように、フランジ４２には、径方向流路６０の周方向位置と同じ位置に切り欠き６４が形成されており、第１径方向流路６０から送り出された冷却液は、切り欠き６４を通って、コイルエンド部分に向かう。また、フランジに切り欠き６４を設ける代わりに、第１径方向流路６０をフランジ４２内部に延長して設けるようにすることもできる。第１径方向流路６０は、一つ設けてもよく、周方向に二つ以上設けてもよい。図３に示す例は、周方向に等間隔で二つを設けた例である。

図中右側の第２径方向流路６２の外側の開口は、エンドプレート４１の内径に対向して位置する。エンドプレート４１には、径方向に延びて穿たれた径方向溝６６が設けられている。第２径方向流路６２と径方向溝６６は、周方向において同一の位置に配置される。これにより第２径方向流路６２の外側の開口と周方向溝６６の内側の端が対向し、第２径方向流路６２から送り出された冷却液が周方向溝６６に受け入れられ、周方向溝６６を通ってコイルエンド部分に向かう。周方向溝６６の外側の端は、溝の深さが径方向外側に向けて徐々に浅くなる斜面を形成するようにでき、送り出される冷却液の向きを滑らかに変えるようにできる。図中左側のエンドプレート４０にも、同様の径方向溝を設けることができ、この径方向溝の内周端と第１径方向流路６０の外側の開口とが対向するように配置された場合、フランジ４２の切り欠き６６を設けないように、またフランジ内に径方向流路を形成しないようにできる。

外側流路５２の流路断面積が内側流路５０のそれよりも小さい場合には、第１連絡流路５４を介して第１および第２径方向流路６０，６２に冷却液を送るとすると、外側流路５２において大きな圧力損失が生じる。第１および径方向流路６０，６２への冷却液の流路が短くなるように、特に外側流路５２内の流路が短くなるように、第２および第３連通流路５６，５８の位置を定めることができる。

第２連通流路５６の位置は、ロータの回転軸線方向において、第１径方向流路６０と同じ位置とすることができる。第２連通流路５６の外側の開口と、第１径方向流路６０の内側の開口の少なくとも一部が重なるような配置とすることが望ましい。ロータ軸２４と入力軸２６は相対速度をもって回転し、第２連通流路５６と第１径方向流路６０が周方向において同じ位置となったとき、両者の開口の少なくとも一部が対向した配置となる。冷却液は、内側流路５０から第２連通流路５６を通って外側流路５２に送られ、外側流路５２から第１径方向流路６０を通って、コイル、特にコイルエンド部分に向けて吐出される。

第３連絡流路５８の位置は、ロータの回転軸線方向において、第２径方向流路６２と同じ位置とすることができる。第３連通流路５８の外側の開口と、第２径方向流路６２の内側の開口の少なくとも一部が重なるような配置とすることが望ましい。第３連通流路５８と第２径方向流路６２が周方向において同じ位置となったとき、両者の開口の少なくとも一部が対向した配置となる。冷却液は、内側流路５０から第３連通流路５６を通って外側流路５２に送られ、外側流路５２から第１径方向流路６０を通って、コイル、特にコイルエンド部分に向けて吐出される。

第１および第２径方向流路６０，６２の一方のみ設けることも可能である。この場合、第２および第３連通路５６，５８について、設けられた第１または第２径方向流路６０，６２に対応する方にのみ設けるようにできる。

第２および第３連通流路５６，５８と、第１および第２径方向流路６０，６２がそれぞれロータの回転軸線方向において同じ位置に配置されることで、冷却液が外側流路５２を流れる距離が短くなり、その分圧力損失が低減される。

１２ 回転電機、１６ ロータ、１８ ステータ、２０ コイル、２４ ロータ軸、２６ 入力軸（内側軸）、３８ ロータコア、４０，４１ エンドプレート、４２ フランジ、４４ かしめリング、５０ 内側流路、５２ 外側流路、５４ 第１連通流路、５６ 第２連通流路、５８ 第３連通流路、６０ 第１径方向流路、６２ 第２径方向流路。

Claims (1)

1. ロータコアと、ロータコアと一体に回転する中空のロータ軸を有するロータと、
   コイルを有し、ロータの外側に配置されるステータと、
   ロータ軸の中空部を貫通する内側軸と、
   を含む回転電機であって、
   内側軸は、当該内側軸の内部においてロータの回転軸線方向に沿って延びて冷却液が流れる内側流路を有し、
   ロータ軸と内側軸の径方向の隙間が冷却液が流れる外側流路となり、
   ロータ軸は、ロータコアの端部近傍に、ロータ軸の内周面と外周面を連通する径方向流路を有し、
   内側軸は更に、ロータの回転軸線方向において前記径方向流路と同じ位置に、内側流路と外側流路を連通する連通流路を有し、
   内側流路、連通流路、外側流路および径方向流路を流れた冷却液がステータのコイルに向けて吐出される、
   回転電機。

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