JP2018026977A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機のロータコアを効率よく冷却する。【解決手段】ロータコア５は、複数枚の電磁鋼板の積層体であり、その内部にコア内冷媒流路２３が形成されている。シャフト４はロータコア５を貫通している。シャフト４の内部に、コア内冷媒流路２３に連通するシャフト内冷媒流路２１が形成されている。シャフト４の表面に、シャフト４と電磁鋼板より軟質な軟性金属３４がコーティングされている。シャフト４が、軟性金属３４を介して、ロータコア５に密着している。【選択図】図１

Description

本明細書では、ロータを備える回転電機（モータと発電機を含む）を開示する。

特許文献１と２に、ロータに冷媒流路を形成した回転電機が開示されている。ロータはシャフトとロータコアを備えており、シャフト内冷媒流路とコア内冷媒流路が連通している。特許文献１の技術では、シャフト内を移動した冷媒がロータコアを通過してロータコアとステータ間の間隙に放出される。特許文献１の技術では、ロータとステータを収容するケース内に冷媒が充填されている。特許文献２の技術では、シャフト内を移動した冷媒がロータコア外周面の内側を通過してからシャフト内に戻される。シャフトには、冷媒導入流路と冷媒排出流路が形成されている。特許文献２の技術では、ロータとステータを収容するケース内に冷媒が充填されていない。本明細書では、ロータとステータを収容するケース内に冷媒が充填されている場合と充填されていない場合の双方に有効な技術を開示する。

特開２０１４−２３０４０８号公報 特開２００８−２１９９６０号公報

ロータコアは、打ち抜き加工した電磁鋼板を積層することで形成される。打ち抜き加工した電磁鋼板は、ロータコアの外形を規定する輪郭とロータコアの内形（シャフト貫通孔となる）を規定する輪郭を備えており、さらには磁石通過孔を形成する輪郭が形成されていることもある。打ち抜き加工した電磁鋼板を積層した状態でシャフトを挿入する。シャフトの挿入に先だって、シャフト貫通孔となる各電磁鋼板の内側輪郭が、全部の電磁鋼板について揃った位置関係で積層することは難しい。打ち抜き加工した電磁鋼板の一枚一枚には微妙な形状のばらつきが存在することもあり、ロータコアの内周面がシャフトの延出方向に沿って凸凹することが避けられない。

ロータコアの外形を規定する輪郭または磁石通過孔を規定する輪郭を位置決めの基準にして積層する場合は、ロータコアの内周面がシャフトの延出方向に沿って凸凹する現象が顕在化する。電磁鋼板の積層時に、打ち抜き加工した電磁鋼板を、その面内で回転させてから積層する場合がある。あるいは、電磁鋼板を複数枚積層したブロックを、上記のように回転させてから積層する場合がある。この場合も、ロータコアの内周面がシャフトの延出方向に沿って凸凹する現象が顕在化する。

電磁鋼板の内径＜シャフトの外径の関係とし、電磁鋼板の中心貫通孔にシャフトを圧入すれば、電磁鋼板の内周とシャフトの外周が密着する。しかしながら、電磁鋼板の内径とシャフトの外径の差を大きくすると、圧入荷重が大きくなり、シャフトが損傷するといった問題がある。ロータコアの内周面がシャフトの延出方向に沿って凸凹となっている場合、シャフトを圧入してロータコアの内周面にシャフトの外周面を密着させる手法には限界がある。現状の技術では、ロータコアの内周面とシャフトの外周面を密着させることが難しい。シャフト内冷媒流路からコア内冷媒流路に冷媒を送り込む技術では、ロータコアの内周面とシャフトの外周面との間に冷媒が漏れ出てしまう問題が生じている。

ロータコアの内周面とシャフトの外周面との間に冷媒が漏れてしまうと、必要な部位に必要な量の冷媒を送り出せない。特許文献１の場合、ロータコアとステータ間の間隙を通過する冷媒量が減少し、特許文献２の場合、ロータコアの外周面の内側を通過する冷媒量が減少する。その結果、冷却するべき部材を効率よく冷却することができない。本明細書では、ロータコアの内周面とシャフトの外周面との間に冷媒が漏れない技術を開示する。

本明細書で開示する回転電機は、ロータコアと、ロータコアを貫通するシャフトを備えている。ロータコアは、複数枚の電磁鋼板を積層した積層体であり、その内部にコア内冷媒流路が形成されている。シャフトの内部に、シャフト内冷媒流路が形成されている。コア内冷媒流路とシャフト内冷媒流路は連通している。シャフトの表面に、シャフトと電磁鋼板より軟質な軟性金属がコーティングされており、シャフトが軟性金属を介してロータコアに密着している。

上記構成によると、シャフトの表面にコーティングされている軟性金属が、シャフトと電磁鋼板より軟質であるので、ロータコアの内周面にフィットする形状に変形し、ロータコアに密着する。このため、シャフトとロータコアとの隙間が軟性金属によって埋められ、シャフトとロータコアの界面に冷媒が漏れることが抑制される。そのため、ロータコア内を流れる冷媒の流量が確保され、必要な部位を必要なだけ冷却することができる。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は、以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例のモータの縦断面図である。 図１のII−II線に沿ったロータの断面図である。 図１の破線IIIの領域の拡大図である。 シャフトをめっき加工する工程を説明するための図である。 シャフトに冷媒流路を形成する工程を説明するための図である。 シャフトをロータコアに圧入する工程を説明するための図である。

図面を参照して実施例のモータ２の構造を説明する。図１は、モータ２の縦断面図（ロータ３の軸線ＣＬを含む断面図）であり、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿ったロータ３の断面図である。モータ２は、ケース３１内に収められたロータ３とステータ１２を備える。ロータ３は、ロータコア５と、ロータコア５を貫通するシャフト４とを備える。ロータコア５には、複数個の永久磁石（図２参照）７が固定されている。ステータ１２は、電磁鋼板を積層したステータコア１３とステータコイル１４を備える。モータ２は、ＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）モータである。

ロータ３の構造について説明する。ロータ３は、シャフト４とロータコア５を備える。ロータコア５は、円筒形状であり、軸線ＣＬに沿って延びる中心貫通孔を有する。その中心貫通孔にシャフト４が貫通している。シャフト４は、軸線ＣＬに沿ってロータコア５を貫通し、ロータコア５の両端から突出している。シャフト４の両端は、軸受３３によってケース３１に支持されている。後記するように、ケース３１内には、冷媒となる潤滑油が充填されている。符号３２は、ケース３１と回転するシャフト４との間を封止するシール材である。シャフト４は、硬い金属（例えばステンレス鋼、炭素鋼、クロムモリブデン鋼等）で形成されている。シャフト４の表面は、シャフト４とロータコア５のいずれよりも軟質な軟性金属３４（例えば鉛、アルミニウム、銅、ニッケル等）がコーティングされている。

ロータコア５は、複数枚の円板状電磁鋼板を積層した積層体である。各電磁鋼板の表面は絶縁コーティングされており、隣接する電磁鋼板とは絶縁されている。ロータコア５が相互に絶縁された電磁鋼板の積層体で作られていることにより、磁力が通過するときに発生するうず電流を抑制することができる。ロータコア５の両端にはエンドプレート６が配置され、軸線ＣＬ方向の両端の外側からナット１５、１６で締め付けられている。

図２に示すように、ロータコア５の外周面の内側に、８組の永久磁石７が固定されている。各永久磁石７は、軸線ＣＬと平行に延びている。モータ２を運転すると、磁石７が発熱する。磁石７を冷却するために、ロータコア５の内部に、８本のコア内冷媒流路２３，２４が形成されている。図１では、８本のコア内冷媒流路２３，２４のうちの２本が図示され、図２では、８本のコア内冷媒流路２３，２４のうちの１本にのみ、参照番号２３，２４が付されている。

複数枚の電磁鋼板を積層したロータコア５の軸線ＣＬ方向のほぼ中央に位置する電磁鋼板には、図２に示すように、中心貫通孔からロータコア５の半径方向外側に向けて放射状に伸びる８本の溝が形成されている。８本の溝が形成されている電磁鋼板に対して、図１の左右で接する電磁鋼板には、溝が形成されておらず、その溝を左右方向から閉じる。８本の溝のそれぞれが、放射状に延びるコア内冷媒流路２３となる。図２に示すように、放射状に延びるコア内冷媒流路２３の夫々の先端は、磁石７の内側の位置に達している。磁石７の内側には、軸線ＣＬ方向に伸びるコア内冷媒流路２４が形成されている。放射状に延びるコア内冷媒流路２３の夫々の先端は、軸線ＣＬ方向に延びるコア内冷媒流路２４の夫々に連通している。ロータコア５を構成する全部の電磁鋼板には、磁石７の内側を軸線ＣＬ方向に伸びるコア内冷媒流路２４を形成する孔が打ち抜き加工されている。軸線ＣＬ方向に伸びるコア内冷媒流路２４は、ロータコア５の両端でケース３１内に開放されている。コア内冷媒流路２３，２４を通過した冷媒は、開口２５からケース３１内に放出される。ケース３１内は、冷媒となる潤滑油で充填されている。潤滑油は、ステータコイル１４と永久磁石７の間を延びる磁束密度を低下させない。

シャフト４の内部には、シャフト内冷媒流路２１が形成されている。シャフト内冷媒流路２１の一端には、図５によく示される８個の連通孔２２が形成されており、各連通孔２２は各コア内冷媒流路２３に連通している。シャフト内冷媒流路２１の他端は、ロータリージョイント１７と流路２０を介してポンプ１８に通じている。ロータリージョイント１７は、回転しているシャフト４の内側の流路２１へシャフト４の外側から流体を送り込む継手である。本実施例では、ポンプ１８がケース３１内に収容されている。

ポンプ１８から送り出される冷媒の流れについて説明する。本実施例では、ケース３１に封止されている潤滑油が冷媒として用いられる。ポンプ１８が、ケース３１内の潤滑油を流路２０に送り出す。潤滑油は、ポンプ１８の圧送力、及び、ロータコア５が回転することによる遠心力により、シャフト内冷媒流路２１からコア内冷媒流路２３へ流れ、コア内冷媒流路２４に沿って磁石７の内側を流れ、最後はロータコア５の両端の開口２５からケース３１内へと放出される。図１の流路２０，２１，２３，２４に描かれている矢印が潤滑油の流れを表している。

ロータコア５の横断面の構造について詳しく説明する。図２は、図１のII−II線に沿ったロータコア５の断面図である。図２によく表れているように、ロータコア５には、８組の永久磁石７が、ロータコアの周方向に等間隔に配置されている。磁石７は、２個一対で１組の磁極を構成する、例えば、符号７ａが、１組の磁石を示しており、符号７ｂが他の１組の磁石を示している。１組の磁石７ａ（７ｂ）は、その長手方向が軸線ＣＬに平行となるようにロータコア５に埋設されているとともに、ロータコア５の半径方向に山型となるように埋設されている。別言すれば、１組の磁石７ａ（７ｂ）は、軸線ＣＬから遠い側で両者の間隔が狭く、軸線ＣＬに近い側で両者の間隔が広くなるようにロータコア５に埋設されている。軸線ＣＬの方向（図２のＺ軸方向）からみたときに、山型に配置された一組の磁石７ａ（７ｂ）の内側にコア内冷媒流路２４を位置している。

図１に示した破線IIIの範囲の拡大図を図３に示す。図３には、シャフト４、ロータコア５、及び、軟性金属３４が中心に描かれている。ロータコア５の内周面５ｂは、以下で説明する要因によって、シャフト４の延出方向（Ｚ軸方向）に沿って凹凸している。

ロータコア５を構成する各電磁鋼板は、シャフト４が貫通するためのシャフト貫通孔と、磁石７を固定する磁石通過孔と、外形等が打ち抜き加工によって形成される。電磁鋼板を個別に打ち抜き加工するため、各孔を電磁鋼板上の同じ位置に正確に形成することは極めて難しい。また剛性の高い磁石７が磁石通過孔を通過するように、磁石通過孔を規定する輪郭を基準にして電磁鋼板を積層する必要があり、ロータコア５の内周面５ｂがシャフト４の延出方向に沿って凸凹する現象が生じる。

さらに、電磁鋼板の積層時に、電磁鋼板を複数枚積層したブロックを、その面内で回転させてから積層する技術が普及している。この転積技術では、孔の形状や配置に応じた角度（本実施例では例えば４５°、９０°、１８０°）だけ回転させてから積層する。電磁鋼板を転積することによっても、ロータコア５の内周面５ｂがシャフト４の延出方向に沿って凸凹する現象が顕著となる。

本実施例では、シャフト４の表面に、軟性金属３４がコーティングされている。シャフト４の挿入前において、軟性金属３４の厚みを考慮したシャフト４の外径＞シャフト貫通孔の径となるように調整されている。そのため、シャフト貫通孔にシャフト４を圧入する際に、軟性金属３４は、シャフトと内周面５ｂによって、シャフト４の径方向に沿って潰される。その結果、シャフト４は、軟性金属３４を介して、ロータコア５に密着する。このようにシャフト４とロータコア５との隙間が軟性金属３４で埋まるので、シャフト４とロータコア５の界面から冷媒が漏れることが抑制される。これにより、ロータコア５を効率よく冷却することができる。

また、本実施例のモータ２によると、ロータコア５は、軟性金属３４を介して、シャフト４に密着し、磁石７からシャフト４に効率的に伝熱することができる。さらに、ロータコア５を、軟性金属３４を介して、シャフト４に安定して固定することができる。

図４〜図６は、本実施例のモータ２の製造方法を説明するための図である。ここでは、特にシャフト４を、軟性金属３４を介して、ロータコア５に密着させるための工程について説明し、他の工程については公知であるため説明を省略する。図４では、シャフト４がめっき加工されることによって、軟性金属３４でコーティングされる。その際、軟性金属３４の厚みを考慮したシャフト４の外径＞シャフト貫通孔の径となるように、軟性金属３４の厚みが調整される。図５では、ドリル加工によってシャフト４上にシャフト内冷媒流路２１が形成される。またシャフト内冷媒流路２１の一端に連通する８個の連通孔２２を放射状に形成する。図６では、磁石７を挿入したロータコア５にシャフト４を圧入する。上述したように、軟性金属３４がシャフト４の径方向に沿って潰されることによって、シャフト４が、軟性金属３４を介して、ロータコア５に密着する。

本明細書の技術は、モータ２のみならず、発電機にも適用可能である。即ち、発電機のシャフトの表面を軟性金属でコーティングし、そのシャフトを軟性金属を介して発電機のロータコアに密着させる場合にも有効である。
上記した実施例では、ポンプ１８がケース３１内に配置されている。ポンプはケース外に配置してもよい。上記実施例では、ケース３１内に潤滑油が充填されている。これに対し、コア内冷媒流路を通過した冷媒をシャフトに戻し、ケース外に排出してもよい。ケース内がドライなタイプに、本技術を適用することもできる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：モータ
３：ロータ
４：シャフト
５：ロータコア
５ｂ：内周面
６：エンドプレート
７（７ａ、７ｂ）：磁石
１２：ステータ
１３：ステータコア
１４：ステータコイル
１５、１６：ナット
１７：ロータリージョイント
１８：ポンプ
２０：流路
２１：シャフト内冷媒流路
２２：連通孔
２３：コア内冷媒流路（放射状に延びる部分）
２４：コア内冷媒通路（軸線方向に伸びる部分）
２５：開口
３１：ケース
３２：シール材
３３：軸受
３４：軟性金属
ＣＬ：軸線

Claims (1)

1. ロータコアと、そのロータコアを貫通するシャフトを備えており、
   前記ロータコアは、複数枚の電磁鋼板の積層体であり、その内部にコア内冷媒流路が形成されており、
   前記シャフトの内部に、前記コア内冷媒流路に連通するシャフト内冷媒流路が形成されており、
   前記シャフトの表面に、前記シャフトと前記電磁鋼板より軟質な軟性金属がコーティングされており、
   前記シャフトが、前記軟性金属を介して、前記ロータコアに密着していることを特徴とする回転電機。

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