JP4715028B2

JP4715028B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP4715028B2
Application number: JP2001143114A
Authority: JP
Inventors: 雄太郎金子; 眞一郎北田; 俊雄菊池; 孝恒吉
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-05-14
Filing date: 2001-05-14
Publication date: 2011-07-06
Anticipated expiration: 2021-05-14
Also published as: JP2002345188A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は永久磁石式の同期電動機など、回転電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
永久磁石式同期電動機の回転子の冷却性能を高めるものとして、特開平１１−２０６０６３号公報に示すような永久磁石式同期電動機がある。
【０００３】
これは図７に示すように、同期電動機の回転子１の回転子鉄心３に、回転軸４を中心とする、同一円周上に複数の永久磁石２を等間隔で配置し、この永久磁石２を挿入配置する磁石挿入孔５の断面を永久磁石２の断面よりもわずかに大きく設定しておき、回転子１が回転したときに働く遠心力により永久磁石２が回転外方に移動したときにできる隙間５ａに冷媒を流し、永久磁石２を直接的に冷却するようにしたものである。
【０００４】
永久磁石２は内部の渦電流による自己発熱と、固定子巻線の温度上昇に基づく熱伝達とにより温度が上昇すると性能が低下するので、永久磁石２を直接的に冷却することにより、このような問題を回避している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
回転子１に配置される永久磁石２の周囲に空隙があると、永久磁石２から固定子に向かう磁束の流れに対して空隙が大きな抵抗となり、電動機の出力、トルクが低下するが、上記した冷媒を流す隙間５ａは永久磁石２の内周側にあり、固定子側である永久磁石２の外周側には空隙が無いために、出力やトルクの低下を阻止できる。
【０００６】
しかし反面、永久磁石２の全幅に沿って均一な厚みをもつ内周側の隙間５ａが回転子鉄心３の内部の磁束流れを阻害する抵抗となり、永久磁石２の磁力が弱められるため、上記外周側の空隙ほどではなくとも、これによる電動機の出力、トルクの低下は否めない。
【０００７】
本発明はこのような問題を解決することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、固定子の内側に間隙をもって配置される回転子を備え、回転子の回転子鉄心に設けた回転子軸方向に延びる磁石挿入孔に永久磁石が挿入固定されている回転電機において、前記回転子の回転中心に対して、前記永久磁石の外周側面が前記磁石挿入孔に密着し、永久磁石の内周側面には磁石挿入孔に沿って冷媒が導かれる冷却通路が形成され、前記冷却通路は、前記磁石挿入孔から延びる複数の溝で形成され、前記複数の溝のうち、中央部の溝ほど深く、かつ、端部の溝ほど浅くなるように構成される。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明において、前記冷却通路が回転子の端面に開口し、回転子の一部が、回転電機のケースの内部空間に貯留した冷媒に浸されている。
【００１０】
第３の発明は、第２の発明において、前記回転子の側面には前記冷却通路の開口部位の近傍に冷媒を攪拌する部材が設けられている。
【００１１】
第４の発明は、第１の発明において、前記回転子の回転軸に冷媒を導く通路を貫通形成し、この通路を前記冷却通路に接続し、外部からの冷媒を冷却通路に導くようにする。
【００１２】
第５の発明は、固定子と回転子を備え、回転子の回転子鉄心に設けた回転子軸方向に延びる磁石挿入孔に永久磁石が挿入固定されている回転電機において、前記永久磁石の固定子側の面が前記磁石挿入孔に密着し、反対側の面には磁石挿入孔に沿って冷媒が導かれる冷却通路が形成され、前記冷却通路は、前記磁石挿入孔から延びる複数の溝で形成され、前記複数の溝のうち、中央部の溝ほど深く、かつ、端部の溝ほど浅くなるように構成される。
【００１６】
【作用・効果】
第１の発明では、永久磁石の内周面側を冷媒により直接的に冷却することができ、永久磁石の温度上昇による性能低下を防ぐ一方、永久磁石の内周側面に形成される冷却通路が磁石挿入孔から延びる複数の溝で形成され、複数の溝のうち、中央部の溝ほど深く、かつ、端部の溝ほど浅くなるように構成されるため、Ｌｑ／Ｌｄ比を高めることで、リラクタンストルクを増加させ、冷却通路を設けたことによる磁石トルクの減少分を補償し、回転電機としての総合的な出力、トルクの減少を抑制できる。
【００１７】
第２の発明では、回転子が冷媒に浸っているため、冷却通路に容易に冷媒を流すことができ、冷却系の構成が簡略化できる。
【００１８】
第３の発明では、回転子の回転により冷媒が攪拌され、効率よく冷却通路に冷媒を導くことができる。
【００１９】
第４の発明では、回転子の内部を冷媒が流れ、外部に漏れることがなく、このため効率のよい冷却が可能となり、また回転子の回転抵抗とならず、機械効率も低下することがない。
【００２０】
第５の発明では、固定子の外側に回転子が配置されている回転電機であっても、第１の発明と同じような作用、効果を生じる。
【００２４】
【実施の形態】
以下本発明の同期電動機に適用した実施の形態について図面にしたがって説明する。
【００２５】
図１に示す第１の実施形態において、この図には電動機の回転子１１のみが示され、回転子１１の外周側に配置される固定子は省略されている。
【００２６】
回転子１１を構成する回転子鉄心１３には、回転軸１４を中心とする同一円周上に等間隔で複数の永久磁石１２が配設されている。この例では８個の永久磁石１２が、隣接する磁極が互いに相違するように配置される。
【００２７】
永久磁石１２は回転子鉄心１３に設けた、回転子軸方向に延びる磁石挿入孔１６に挿入固定される。
【００２８】
ここで、磁石挿入孔１６の断面形状は、回転軸１４を中心にして、永久磁石１２の外周側では永久磁石１２に密着するようにその外面と同一な平面１６ａに形成されるが、その内周側は冷媒を流す冷却通路１５となるように回転軸１４に向けて凸となる略三角の山形の傾斜面１６ｂが形成される。
【００２９】
つまり、冷却通路１５の断面は、その基部が永久磁石１２の円周方向の幅よりも小さく、かつ回転軸１４の軸心に向けて頂部をもつ三角形に形成される。
【００３０】
このように冷却通路１５を形成することで、回転子１１のＬｑ／Ｌｄ比、すなわち回転子ｑ軸方向のインダクタンス（Ｌｑ）と、ｄ軸方向のインダクタンス（Ｌｄ）との比を高めることができ、永久磁石１２の内周側に設けた冷却通路１５による空隙のため、永久磁石１２によるトルクが減少しても、リラクタンストルクが増加するため電動機としての出力、トルクの低下は防止できる。
【００３１】
永久磁石１２は接着剤を塗布した状態で磁石挿入孔１６に挿入することで固定されるが、このとき冷却通路１５の冷媒と接触する面には接着剤を塗布せず、冷却効率の低下を防いでいる。
【００３２】
なおこの場合、永久磁石１２の内周側に冷却通路１５があるため、接着剤を外周面側に塗布した永久磁石１２を磁石挿入孔１６に挿入したのち、冷却通路１５に治具などを挿入して永久磁石１２を外周側に向けて強く押し付けることが可能で、その状態で接着剤を固化させれば接着剤層を極めて薄くできる。この接着剤層は磁気回路的には空隙と等価なため、とくに回転子１１の外周側に空隙があると、永久磁石２から固定子に向かう磁束の流れに対して空隙が大きな抵抗となり、電動機の出力、トルクを低下させる原因となるが、接着剤層が薄くなることでこのような問題も極力回避できる。
【００３３】
電動機の回転により、回転子１１の永久磁石１２は、永久磁石内を流れる渦電流による自己発熱と、固定子巻線の発熱による熱伝達により温度上昇し、この温度上昇により磁力が弱まり、電動機の出力、トルクが減少したり、あるいは温度によっては永久減磁が起こると初期性能を維持できないことがある。
【００３４】
しかし、上記のように永久磁石１２の内周側には冷却通路１５が形成され、ここに絶縁油などの冷媒を流すことで、永久磁石１２を効率よく冷却することができ、その温度上昇を効果的に抑制することが可能となる。なお、冷却通路１５への冷媒の供給は、具体的には、後で説明する図４、図６などの方法による。
【００３５】
次に図２の実施形態を説明する。
【００３６】
これは冷却通路１５の基部を永久磁石１２の円周方向の幅と同一に拡幅し、冷媒の永久磁石１２との接触面積を大きくして、永久磁石１２の冷却効率をさらに高めるようにしたものである。
【００３７】
なお、磁石挿入孔１６の山形の傾斜面１６ｂについては、その傾斜角度が図１よりも小さく設定される。
【００３８】
図３の実施形態は、永久磁石１２の内周側において、磁石挿入孔１６から互いに平行で奥行きの異なる複数の溝１６ｃを設け、かつ各溝１６ｃの頂点を結んでいくと山形の傾斜面となるようにし、これら溝１６ｃにより冷却通路１５を形成したものである。
【００３９】
この場合には、複数の溝１６ｃで冷却通路１５を形成することで、上記したＬｑ／Ｌｄ比をさらに高めることができ、その分だけ出力トルクの減少を抑制することが可能となる。また、永久磁石１２は磁石挿入孔１６の内周側でも支持されるので、永久磁石１２の保持がそれだけ確実になる。
【００４０】
さらに図４の実施形態を説明する。
【００４１】
図４は電動機の全体的な断面図であり、回転子１１の軸方向両側にはエンドプレート２１が配置され、エンドプレート２１は回転軸１４に溶接など固定され、回転子鉄心１３を圧縮状態で挟み込んで保持し、回転子１１に発生する回転トルクを回転子鉄心１３からエンドプレート２１へと互いの接触摩擦力により伝達し、さらに回転軸１４へと伝えるようになっている。
【００４２】
回転子１１の回転軸１４はケース２０に対して、その貫通部分に配置した軸受（図示せず）を介して回転自在に支持される。回転子１１の外周側には所定の間隙をもって固定子１７が配置され、この固定子１７はコイル１８が巻回された状態で、ケース２０の内面に固定支持される。
【００４３】
ケース２０の内部は、基本的には回転子１１、固定子１７を除いて、密閉された内部空間２３が形成され、この内部空間２３にはケース２０の一方の側面上方に設けた導入口２４ａから冷媒が供給され、かつこの冷媒はケース２０の他方の側面下方に設けた排出口２４ｂから排出される。
【００４４】
前記エンドプレート２１には回転子１１に設けた永久磁石１２の冷却通路１５と対応する位置に貫通孔２２が設けられ、これにより冷却通路１５は回転子１１の外部と接続している。
【００４５】
ケース２０の内部空間２３には、常時所定量の冷媒が溜められるように、冷媒の供給量が調整され、これにより回転子１１の回転に伴い各冷却通路１５にはこの貯留冷媒がエンドプレート２１の貫通孔２２を介して導かれ、永久磁石１２の冷却を行うようになっている。
【００４６】
とくにこの場合には、回転子１１の一部が冷媒に浸されているので、永久磁石１２とともに回転子鉄心１３の冷却も効果的に行える。
【００４７】
また、図５の実施形態は、図４の実施形態において、回転子１１の側面のエンドプレート２１に、貫通孔２２の外側近傍でかつ回転方向の後側にフィン２５を設け、回転子１１が回転したときにフィン２５により内部空間２３に貯留した冷媒を積極的に掻き込み、冷却通路１５への冷媒の流れを向上させるようにしたものである。
【００４８】
このようにすると、さらに効率よく永久磁石１２の冷却を行うことができる。
【００４９】
なお、エンドプレート２１にフィン２５を設ける代わりにエンドプレート２１の一部を削って同等の攪拌効果をもたらすこともできる。また、この他のポンプ、スクリュウ、インペラなどの手段により冷媒を冷却通路１５に循環させるようにしてもよい。
【００５０】
次に図６の実施形態を説明すると、これは冷媒を冷却通路１５に導くための通路を回転軸１４の内部に形成し、ケース２０の内部空間２３は冷媒が流れることのない単なる空間にしてある。
【００５１】
このため、回転軸１４の軸心には上流側通路２６ａと、下流側通路２６ｂが形成され、これらと冷却通路１５の両端部を連通するようにエンドプレート２１には半径方向に延びる分岐通路２６ｃがそれぞれ形成される。
【００５２】
上流側通路２６ａから導入された冷媒は、分岐通路２６ｃにより冷却通路１５の一方端に流入し、その下流側へと永久磁石１２を冷却しながら流れ、さらに分岐通路２６ｃより下流側通路２６ｂへと流れ出る。
【００５３】
この場合には、内部空間２３に冷媒が無く、回転子１１と固定子１７の間の冷媒によるフリクショントルクが発生しないため、回転子１１の機械損失がそれだけ小さくなる。また、冷却通路１５を含めて冷却系が閉回路となるので、永久磁石１２の冷却のための設計が容易となる。
【００５４】
上記実施の形態では本発明を電動機に適用した例を示したが、発電機についても同様に適用できることは明白である。また、永久磁石の断面は長方形に限らず、円弧型、蒲鉾型などの形状が採用可能である。
【００５５】
また、固定子の外側に円筒状の回転子が同心的に配置される回転電機にも本発明を適用することができる。
【００５６】
本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で当業者がなしうる、さまざまな変更、改良が含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の回転子の断面図である。
【図２】第２の実施形態の回転子の一部を示す断面図である。
【図３】第３の実施形態の回転子の一部を示す断面図である。
【図４】第４の実施形態を示す電動機の断面図である。
【図５】第５の実施形態の回転子側面図である。
【図６】第６の実施形態の電動機の断面図である。
【図７】従来例の一部の断面図である。
【符号の説明】
１１回転子
１２永久磁石
１３回転子鉄心
１４回転軸
１５冷却通路
１６磁石挿入孔
１６ａ平面
１６ｂ傾斜面

Claims

固定子の内側に間隙をもって配置される回転子を備え、回転子の回転子鉄心に設けた回転子軸方向に延びる磁石挿入孔に永久磁石が挿入固定されている回転電機において、
前記回転子の回転中心に対して、前記永久磁石の外周側面が前記磁石挿入孔に密着し、永久磁石の内周側面には磁石挿入孔に沿って冷媒が導かれる冷却通路が形成され、前記冷却通路は、前記磁石挿入孔から延びる複数の溝で形成され、前記複数の溝のうち、中央部の溝ほど深く、かつ、端部の溝ほど浅くなるように構成されることを特徴とする回転電機。
前記冷却通路が回転子の端面に開口し、回転子の一部が、回転電機のケースの内部空間に貯留した冷媒に浸されている請求項１に記載の回転電機。
前記回転子の側面には前記冷却通路の開口部位の近傍に冷媒を攪拌する部材が設けられている請求項２に記載の回転電機。
前記回転子の回転軸に冷媒を導く通路を貫通形成し、この通路を前記冷却通路に接続し、外部からの冷媒を冷却通路に導くようにした請求項１に記載の回転電機。
固定子と回転子を備え、回転子の回転子鉄心に設けた回転子軸方向に延びる磁石挿入孔に永久磁石が挿入固定されている回転電機において、
前記永久磁石の固定子側の面が前記磁石挿入孔に密着し、反対側の面には磁石挿入孔に沿って冷媒が導かれる冷却通路が形成され、前記冷却通路は、前記磁石挿入孔から延びる複数の溝で形成され、前記複数の溝のうち、中央部の溝ほど深く、かつ、端部の溝ほど浅くなるように構成されることを特徴とする回転電機。