JP2013055799A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機のロータの回転軸が水平方向に対して傾斜した場合でも、ステータまたはロータを安定して冷却する。
【解決手段】同軸に配置され、動力を伝達する動力シャフト５１が貫通する中空形状のロータシャフト２１を備えるモータジェネレータ１００において、動力シャフト５１は内部に軸方向に延びる中心孔５２と、中心孔５２から半径方向に延びて動力シャフト５１の外面５１ｂに達する貫通孔５３とを含み、動力シャフト５１の外面５１ｂとロータシャフト２１の内面２１ａとの間には隙間２１ｄが成形され、ロータシャフト２１の内面２１ａの貫通孔５３に対向する位置の近傍に貫通孔５３から流出して隙間２１ｄの軸方向の両側に向かう冷媒の各流量の割合が所定の値になるように冷媒を分流する冷媒分流器３１を配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機の冷却構造に関する。

モータやモータジェネレータのような回転電機では、運転中にステータのコイルエンド等の温度が上昇するのでコイルエンドを冷却することが必要となる。このため、ロータシャフトの内部に冷却油を供給する中空部と、この中空部とロータのエンドプレートの内部とを連通する連通孔とを設け、冷却油をロータシャフトの中空部からエンドプレートの中の空間に送り、エンドプレート端部に設けた噴出孔からステータのコイルエンド冷却油を吹きつけてコイルエンドを冷却する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、回転電機ではロータシャフトを中空形状とし、その中に車輪を駆動する駆動シャフトを通す構造をとる場合がある。この場合、駆動シャフトの外面とロータシャフトの内面との隙間を冷却油の供給路とし、この供給路から連通孔を通してロータコアの内部の冷却油流路に冷却油を流してロータコアを冷却する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１０−４５８９４号公報 特開２００７−２２８６６９号公報

ところで、回転電機のステータは、軸方向の両端にコイルエンドが形成されている。このため、特許文献１に記載された従来技術では、ロータの中空部の冷却流路から軸方向の両端のロータエンドプレートに冷却油を導き、各端のコイルエンドの冷却油噴出孔からステータ両端の各コイルエンドに冷却油を吹き付けるようにして、各コイルエンドの冷却を行う。この場合、冷却油は、ロータの一端側から中空部に流入するので、中空部の圧力損失によって冷却油の流入端側のコイルエンドに吹き付けられる冷却油の流量が反対側のコイルエンドに吹き付けられる冷却油の流量よりも大きくなってしまい、各コイルエンドに吹き付けられる冷却油の流量が不均一となってしまうという問題があった。

また、電動車両等の移動機械に搭載される回転電機のように、車両の走行状態によってロータの回転軸が水平に対して傾斜するような場合がある。例えば、冷却油流入側端が低くなるようにロータの回転軸が傾斜した場合には、冷却油流入側端の冷却油の圧力が高くなるので冷却油流入端側のコイルエンドに吹き掛けられる冷却油の流量は多くなり、逆に反対側のコイルエンドに吹き付けられる冷却油の流量は低下し、各コイルエンドに吹き付けられる冷却油の流量に偏差が生じてしまう。反対に、冷却油流入側端が高くなるようにロータの回転軸が傾斜した場合には、静圧差によって冷却油流入側端の冷却油の圧力が低下し、反対端の冷却油の圧力が高くなることから、冷却油流入側のコイルエンドに吹き付けられる冷却油の流量は低下し、反対側のコイルエンドに吹き付けられる冷却油の流量が大きくなり、やはり、各コイルエンドに吹き付けられる冷却油の流量に偏差が生じてしまう。このように、ロータの回転軸が水平に対して傾斜すると各端のコイルエンドに吹き付けられる冷却油の流量が変化してしまい、コイルエンドの冷却が不安定となってしまうという問題があった。

本発明は、回転電機のロータの回転軸が水平方向に対して傾斜した場合でも、ステータまたはロータを安定して冷却することを目的とする。

本発明の回転電機は、同軸に配置され、動力を伝達する動力シャフトが貫通する中空形状のロータシャフトを備える回転電機であって、前記動力シャフトは、内部に軸方向に延びる第１冷媒流路と、前記第１冷媒流路から半径方向に延びて前記動力シャフトの外面に達する第２冷媒流路とを含み、前記動力シャフトの外面と前記ロータシャフトの内面との間の隙間は、軸方向に延びる第３冷媒流路を成形し、前記ロータシャフトの内面の前記第２冷媒流路に対向する位置の近傍に配置され、前記第２冷媒流路から流出して前記第３冷媒流路内の軸方向の両側に向かう冷媒の各流量の割合が所定の値になるように冷媒を分流する冷媒分流器を備えること、を特徴とする。

本発明の回転電機において、前記冷媒分流器は、前記第２冷媒流路に対向する位置の軸方向両側にそれぞれ配置され、前記ロータシャフトの内面から外面に向かって凹んだ凹部と前記ロータシャフトの内面の前記第２冷媒流路に対向する位置に配置され、前記各凹部の間を仕切る仕切り壁と、を有すること、としても好適である。

本発明の回転電機において、前記各凹部は、前記ロータシャフトの各端に向かうにつれて浅くなっていること、としても好適である。

本発明の回転電機において、前記仕切り壁は、周方向に連続又は断続した円環板状で、
前記仕切り壁近傍の前記各凹部表面は円筒面で、前記仕切り壁の軸方向側の側面は、前記各凹部表面に対して略直角であること、としても好適である。

本発明の回転電機において、前記ロータシャフトの外周に固定されたロータコアと、
前記ロータコアの外周に配置されるステータコアと、前記ステータコアの軸方向両端面に配置されるコイルエンドと、前記ロータシャフトの内面から前記ロータシャフトの軸方向両端近傍の各外面に連通し、前記第３冷媒流路から前記各コイルエンドに向かって冷媒を噴出させる複数の第４冷媒流路と、を備え、前記第２冷媒流路は、前記ロータコアの軸方向の中央に配置されていること、としても好適である。

本発明は、回転電機のロータ回転軸が水平方向に対して傾斜した場合でも、ステータまたはロータを安定して冷却することができるという効果を奏する。

本発明の実施形態における回転電機の断面図である。 本発明の実施形態における回転電機の冷媒分流器近傍の冷媒の流れを示す説明図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図１に示す様に、本発明の実施形態の回転電機であるモータジェネレータ１００は、ケーシング１０と、ケーシング１０の内面に固定されたステータ４０と、ステータ４０の内周側に配置され、ケーシング１０に回転自在に支持されるロータ２０とを備えている。ステータ４０は、薄い電磁鋼板を積層し、内周側に複数のスロットを備えるステータコア４１と、ステータコア４１の各スロットに巻回されたコイルがステータコア４１の軸方向の両端面からそれぞれ突出した第１、第２コイルエンド４２，４３とを備えている。ロータ２０は、中空形状のロータシャフト２１と、薄い電磁鋼板を積層し、ロータシャフト２１の外面２１ｂに固定されたロータコア２２と、ロータコア２２を軸方向に両側から挟みこむ第１、第２エンドプレート２３，２４とを備えている。ロータシャフト２１の第１、第２端部２１ｅ，２１ｆは、ケーシング１０の第１端板１１、第２端板１２にそれぞれ取り付けられた第１、第２ボールベアリング１３，１４によって回転軸８１の周りに回転自在にケーシング１０に取り付けられている。また、ステータコア４１とロータコア２２とは中心軸８２に対して軸方向に対象に配置されている。換言すると、中心軸８２は、ステータコア４１、ロータコア２２の軸方向の中央の位置を示す線である。

ロータシャフト２１の中心の中空部分２１ｃには、動力を伝達する動力シャフト５１がロータ２０と同軸に設けられている。動力シャフト５１は、例えば、エンジン或いは他のモータジェネレータ等の動力出力装置の出力（動力）を伝達するものであってもよいし、モータジェネレータ１００の出力を同軸に配置された減速機（図示せず）によって減速した出力を伝達するものであってもよい。動力シャフト５１は、冷媒が回転軸８１の方向に流れる第１冷媒流路である中心孔５２を備えている。

動力シャフト５１は、ロータコア２２の軸方向の中央（中心軸８２の位置）に配置され、動力シャフト５１の内面５１ａ或いは中心孔５２の表面から動力シャフト５１の外面５１ｂに向かって延びる貫通孔５３を備えている。貫通孔５３は、第１冷媒流路である中心孔５２と、動力シャフト５１の外面５１ｂとロータシャフト２１の内面２１ａとの間の隙間２１ｄとを連通する第２冷媒流路である。また、動力シャフト５１の外面５１ｂとロータシャフト２１の内面２１ａとの間の隙間２１ｄは第３冷媒流路である。

図１に示す様に、ロータシャフト２１の内面２１ａのロータコア２２の軸方向の中央（中心軸８２の位置）に設けられた貫通孔５３（第２冷媒流路）に対向する位置には、冷媒分流器３１が設けられている。冷媒分流器３１は、貫通孔５３（第２冷媒流路）に対向する位置（中心軸８２の位置）の軸方向両側にそれぞれ配置され、ロータシャフト２１の各端部２１ｅ，２１ｆ近傍の内面２１ａから外面２１ｂに向かって凹んだ第１、第２凹部３７，３８と、ロータシャフト２１の内面２１ａの貫通孔５３（第２冷媒流路）に対向する位置（中心軸８２の位置）に配置され、各凹部３７，３８の間を仕切る仕切り壁３２と、を含んでいる。仕切り壁３２は、周方向に連続又は断続した円環板状であり、その内周面は、各凹部３７，３８以外のロータシャフト２１の各端部２１ｅ，２１ｆ近傍の内面２１ａと同一面となっている。また、各凹部３７，３８は、それぞれ仕切り壁３２に接続する第１、第２円筒面３３，３４と、各円筒面３３，３４からロータシャフト２１の第１端部２１ｅ、第２端部２１ｆに向かって内径が小さくなる第１、第２テーパ面３５，３６とを備えている。つまり、各凹部３７，３８は、仕切り壁３２の近傍からロータシャフト２１の各端部２１ｅ，２１ｆに向かうにつれてロータシャフト２１の各端部２１ｅ，２１ｆ近傍の内面２１ａからの凹みが浅くなるように構成されている。また、仕切り壁３２のロータシャフト２１の第１端部２１ｅ側の第１側面３２ａと第２端部２１ｆ側の第２側面３２ｂとは、それぞれ、各円筒面３３，３４に対して直角となっている。また、本実施形態では、各凹部３７，３８の各円筒面３３，３４と、各テーパ面３５，３６はそれぞれ同一の内径、長さとなっている。

ロータ２０の第１、第２エンドプレート２３，２４は、その内面に半径方向に延びる半径方向孔２７，２８と、各半径方向孔２７，２８からそれぞれロータシャフト２１の第１端部２１ｅ、第２端部２１ｆに向かって軸方向に延びる第１、第２冷媒吹き出し孔２９，３０とを備えている。また、ロータシャフト２１の各半径方向孔２７，２８に対向する位置には、それぞれ各半径方向孔２７，２８に連通する第１、第２貫通孔２５，２６が設けられている。各貫通孔２５，２６と、各半径方向孔２７，２８と、各冷媒吹き出し孔２９，３０とは、それぞれ第４冷媒流路を構成する。

以上、説明したように構成されている本実施形態のモータジェネレータ１００の冷媒の流れについて説明する。図１の矢印６０に示す様に、冷媒は動力シャフト５１の第１端側から中心孔５２（第１冷媒流路）に流入する。中心孔５２に流入した冷媒は、図１の矢印６１，６２に示す様に動力シャフト５１の貫通孔５３（第２冷媒流路）から動力シャフト５１の外面５１ｂとロータシャフト２１の内面２１ａとの間の隙間２１ｄ（第３冷媒流路）に向かって半径方向に流れ出す。

図２に示す様に、貫通孔５３から半径方向に流れ出した冷媒は、仕切り壁３２の頂面３２ｃに当たって、図２の矢印６３，６４に示す様に、ロータシャフト２１の第１端部２１ｅ、第２端部２１ｆに向かう流れに分流される。そして、冷媒は、図２に示す矢印６５，６６のように第１凹部３７、第２凹部３８の各円筒面３３，３４の表面近傍に沿ってそれぞれロータシャフト２１の第１端部２１ｅ，第２端部２１ｆの方向に流れていく。そして、冷媒は、各円筒面３３，３４に続く各テーパ面３５，３６の表面に沿ってロータシャフト２１の第１端部２１ｅ、第２端部２１ｆに向かって流れてから、動力シャフト５１の外面５１ｂとロータシャフト２１の各端部２１ｅ，２１ｆ近傍の内面２１ａとの間の第１、第２隙間５４，５５に流れていく。

図１に示す様に、冷媒は、各隙間５４，５５をそれぞれロータシャフト２１の第１端部２１ｅ、第２端部２１ｆに向かって流れ、ロータシャフト２１の第１、第２貫通孔２５，２６に達すると、各貫通孔２５，２６を通って半径方向に流れる。そして、冷媒は、各貫通孔２５，２６から第１、第２エンドプレート２３，２４の各半径方向孔２７，２８を通って各冷媒吹き出し孔２９，３０からロータシャフト２１の外面に吹き出す。各冷媒吹き出し孔２９，３０から吹き出した冷媒は、遠心力によって半径方向に向かって飛散し、各コイルエンド４２，４３に吹き付けられ、各コイルエンド４２，４３を冷却する。

本実施形態では、図２に示す様に、貫通孔５３から流出した冷媒が各端部２１ｅ，２１ｆ近傍の各隙間５４，５５よりも流路面積の大きい各凹部３７，３８の各円筒面３３，３４の部分に流れ込み、軸方向に向かう流速が一旦低下した後、各凹部３７，３８の各テーパ部３５，３６によってそれぞれ第１端部２１ｅ、第２端部２１ｆに向かって軸方向の流速を早めながら各端部２１ｅ，２１ｆ近傍の各隙間５４，５５に流れていくので、第１端部２１ｅ、第２端部２１ｆにそれぞれ流れる冷媒の流量の割合を所定の値に保持することができる。本実施形態のように、貫通孔５３、仕切り壁３２をロータコア２２の中心軸８２の位置（ロータコア２２の軸方向中央部）に配置し、各凹部３７，３８の各円筒面３３，３４と、各テーパ面３５，３６とをそれぞれ同一の内径、長さとした場合、第１端部２１ｅ、第２端部２１ｆに向かう冷媒の流量はそれぞれ等しい流量となり、各コイルエンド４２，４３を均等に冷却することができる。

また、各凹部３７，３８と仕切り壁３２によって第１隙間５４と第２隙間５５との間の冷媒の流通を遮断することができるので、図２に示す矢印７１，７２のように、第１凹部３７から第２凹部３８に向かう流れ、或いは逆に第２凹部３８から第１凹部３７に向かう冷媒の流れを遮断することができる。このため、ロータシャフト２１の回転軸８１が水平面に対して傾斜した場合であっても、第１端部２１ｅ、第２端部２１ｆに向かう冷媒の流量が変化せず、冷媒の流量を安定させ、各コイルエンド４２，４３を安定して冷却することができる。特に、仕切り壁３２の各側面３２ａ，３２ｂが各凹部３７，３８の各円筒面３３，３４に対して直角となっているので、冷媒が仕切り壁３２を越えて反対側の各凹部３７，３８に流れ込むことを抑制することができ、確実に第１端部２１ｅ、第２端部２１ｆに向かう冷媒の流量の割合を所定の値に安定させることができる。更に、仕切り壁３２を設けることによりロータシャフト２１の内面積が増加し、ロータシャフト２１の冷却が促進される。

以上、説明した実施形態は、貫通孔５３、仕切り壁３２をロータコア２２の中心軸８２の位置（ロータコア２２の軸方向中央部）に配置して、第１端部２１ｅ、第２端部２１ｆに向かう冷媒の流量をそれぞれ等しい流量とすることとして説明したが、第１端部２１ｅと第２端部２１ｆに向かう冷媒の流量の割合を均等ではなく、いずれか一方の割合を大きく或いは小さくしたい場合には、貫通孔５３、仕切り壁３２をロータコア２２の中心軸８２の位置からずらした位置に配置するようにしてもよいし、貫通孔５３、仕切り壁３２をロータコア２２の中心軸８２の位置（ロータコア２２の軸方向中央部）に配置し、各円筒面３３，３４、各テーパ面３５，３６の内径を第１端部２１ｅ側と第２端部側で異ならせるように構成しても良いし、仕切り壁３２をいずれかの円筒面３３，３４に対して斜めに配置するようにしてもよい。

１０ ケーシング、１１，１２ 端板、１３，１４ ボールベアリング、２０ ロータ、２１ ロータシャフト、２１ａ，５１ａ 内面、２１ｂ，５１ｂ 外面、２１ｃ 中空部分、２１ｄ，５４，５５ 隙間、２１ｅ 第１端部、２１ｆ 第２端部、２２ ロータコア、２３，２４ エンドプレート、２５，２６，５３ 貫通孔、２７，２８ 半径方向孔、２９，３０ 冷媒吹き出し孔、３１ 冷媒分流器、３２ 仕切り壁、３２ａ，３２ｂ 側面、３２ｃ 頂面、３３，３４ 円筒面、３５，３６ テーパ面、３７，３８ 凹部、４０ ステータ、４１ ステータコア、４２，４３ コイルエンド、５１ 動力シャフト、５２ 中心孔、８１ 回転軸、８２ 中心軸、１００ モータジェネレータ。

Claims (5)

1. 同軸に配置され、動力を伝達する動力シャフトが貫通する中空形状のロータシャフトを備える回転電機であって、
   前記動力シャフトは、内部に軸方向に延びる第１冷媒流路と、前記第１冷媒流路から半径方向に延びて前記動力シャフトの外面に達する第２冷媒流路とを含み、
   前記動力シャフトの外面と前記ロータシャフトの内面との間の隙間は、軸方向に延びる第３冷媒流路を成形し、
   前記ロータシャフトの内面の前記第２冷媒流路に対向する位置の近傍に配置され、前記第２冷媒流路から流出して前記第３冷媒流路内の軸方向の両側に向かう冷媒の各流量の割合が所定の値になるように冷媒を分流する冷媒分流器を備えること、
   を特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機であって、
   前記冷媒分流器は、前記第２冷媒流路に対向する位置の軸方向両側にそれぞれ配置され、前記ロータシャフトの内面から外面に向かって凹んだ凹部と
   前記ロータシャフトの内面の前記第２冷媒流路に対向する位置に配置され、前記各凹部の間を仕切る仕切り壁と、を有すること、
   を特徴とする回転電機。
3. 請求項２に記載の回転電機であって、
   前記各凹部は、前記ロータシャフトの各端に向かうにつれて浅くなっていること、
   を特徴とする回転電機。
4. 請求項２または３に記載の回転電機であって、
   前記仕切り壁は、周方向に連続又は断続した円環板状で、
   前記仕切り壁近傍の前記各凹部表面は円筒面で、
   前記仕切り壁の軸方向側の側面は、前記各凹部表面に対して略直角であること、
   を特徴とする回転電機。
5. 請求項２から４のいずれか１項に記載の回転電機であって、
   前記ロータシャフトの外周に固定されたロータコアと、
   前記ロータコアの外周に配置されるステータコアと、
   前記ステータコアの軸方向両端面に配置される各コイルエンドと、
   前記ロータシャフトの内面から前記ロータシャフトの軸方向両端近傍の各外面に連通し、前記第３冷媒流路から前記各コイルエンドに向かって冷媒を噴出させる複数の第４冷媒流路と、を備え、
   前記第２冷媒流路は、前記ロータコアの軸方向の中央に配置されていること、
   を特徴とする回転電機。

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