JP6268750B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、冷却構造を有する回転電機に関する。

ロータ及びステータを有する回転機において、ロータの回転によって加熱された回転機を冷却する冷却構造が設けられる。

ロータ軸に同軸に配置され、積層された電磁鋼板で構成されるロータ鉄心と、ロータ鉄心を軸方向両側から圧縮保持し、かつロータ鉄心とロータ軸との間のトルク伝達を行うべく、ロータ軸に固着されたエンドプレートと、ロータ軸外周とロータ鉄心内周との間に区画された冷却通路と、この冷却通路にロータ軸内を経由して冷媒を導入する通路と、を備えた回転機が開示されている（特許文献１）。

ステータの内側に間隙を持って配置されるロータを備え、ロータ鉄心に設けたロータ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機において、ロータの回転中心に対して永久磁石の外周側面が磁石挿入孔に密着し、永久磁石の内側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、この冷却通路の断面形状は回転中心に向けて頂点をもつ凸形状を有する回転機が開示されている（特許文献２）。

ケースに収納されたステータと、ステータの内周面に間隙を介して外周面が対面するロータとを備え、ロータとステータとの間の間隙内に軸方向開口端部に向かう気流を発生させる気流発生装置を備えた回転機が開示されている（特許文献３）。

特開２０１２−１６５４８８号公報 特開２００２−３４５１８８号公報 特開２００３−２５０２４８号公報

ところで、冷却の際にロータの軸方向両端に形成される冷媒流路だけでは磁石端面のみの冷却となり、磁石の熱伝導率が小さいことからも、磁石の温度分布が大きくなるだけであり、軸方向中心部の冷却には効果が小さい。

流路に冷媒を流す場合、冷却性能を十分に確保するためには流路内での冷媒の流速の向上が必要となる。その際、磁石に対する伝熱面積を確保するにはある程度の流路断面積が必要であり、また磁石の数だけの流路が必要となる。その結果、冷媒の供給量が膨大となる。一方で回転機における冷媒の流量は通常１０Ｌ／ｍｉｎ程度であるから、この程度の流量で冷却効果を十分に得ることが困難である。

また、空気の気流を用いた冷却では十分な冷却効果を得ることができない。

本発明は、ステータと、前記ステータに対して相対的に回転するロータと、を備える回転電機であって、前記ステータと前記ロータとの間の間隙にオイルと空気とを同時に供給して前記間隙を冷媒流路としたことを特徴とする回転電機である。

ここで、前記間隙において、前記オイルと前記空気とを気・液二相流とすることが好適である。

また、前記ロータに接続されたロータシャフトの中心を通る流路を介して、前記間隙にオイルを供給するオイル供給路と、前記ステータ側から前記間隙に空気を供給する空気供給路と、を備えることが好適である。

また、前記ロータに接続されたロータシャフトの中心を通る流路を介して、前記間隙に空気を供給する空気供給路と、前記ステータ側から前記間隙にオイルを供給するオイル供給路と、を備えることが好適である。

また、前記オイル供給路は、前記間隙に繋がる複数の流路を有することが好適である。

また、前記間隙にノズル噴射によりオイルを供給するオイル供給路と、前記ステータ側から前記間隙に空気を供給する空気供給路と、を備えることが好適である。

また、前記ロータの軸方向の端部に前記オイルを貯蔵するオイル貯蔵部を備え、前記オイルを前記オイル貯蔵部から前記間隙へ供給することが好適である。

また、前記空気供給路は、前記間隙に繋がる複数の流路を有することが好適である。

また、前記オイルと前記空気とのボイド率（空気体積／（オイル体積＋空気体積））が０．０５以上０．９以下であることが好適である。

また、前記ロータの温度を測定する温度センサを備え、前記温度センサで検出された温度に応じて前記間隙への前記オイル及び前記空気の少なくとも一方の供給量を制御することが好適である。

本発明によれば、ロータでの損失を低減しつつ、効果的な冷却を行うことが可能な回転機を提供することができる。

本発明の実施の形態における回転機の構成を示す側断面図である。 本発明の実施の形態における回転機の構成を示す正断面図である。 本発明の実施の形態における回転機の構成の別例を示す側断面図である。 本発明の実施の形態における循環システムの構成を示す図である。 ロータの径方向の位置とロータでの損失との関係を示す図である。 冷媒温度による冷却性能の違いを示す図である。 本発明の実施の形態における温度センサを用いた制御を説明する図である。 変形例１における回転機の構成を示す側断面図である。 変形例２における回転機の構成を示す側断面図である。

本発明の実施の形態における回転機１００は、図１の側断面図及び図２の正断面図に示すように、ケース１０、ステータコア１２、ステータコイル１４、ロータ１６、ロータ軸１８、ロータ軸冷媒流路２０、ロータ内冷媒流路２２、空気供給口２４及び空気流路２６を含んで構成される。

ケース１０は、回転機１００の構成要素を収納し、機械的に保持する。ステータコア１２は、円筒状の磁性体である。ステータコア１２は、ステータコイル１４を収納するスロットを有する。ステータコイル１４は、ステータコア１２のスロットに収納され、電流が流されることによりロータ１６に対して磁界を発生させる。ロータ１６は、円柱状の磁性体であり、ステータコア１２の内周面と間隙Ｇを介して外周面が対向するように配置される。ロータ１６には、軸方向に延びる磁石挿入孔に永久磁石が挿入固定される。ロータ１６は、ステータコイル１４からの磁界を受けて、ステータコア１２内にて回転させられる。ロータ１６は、回転軸であるロータ軸１８に接続され、ロータ軸１８によって回転力が回転機１００の外部へ伝達される。

ロータ軸１８には、ロータ軸冷媒流路２０が形成される。ロータ軸冷媒流路２０は、冷媒の流路であり、ロータ軸１８の軸方向に沿ってロータ１６の内部に向かって通ずるように設けられる。ロータ内冷媒流路２２は、ロータ１６内に冷媒の流路として形成される。ロータ内冷媒流路２２は、ロータ軸冷媒流路２０と連通して形成され、ロータ１６の外周面に向けて、冷媒がステータコア１２とロータ１６との間隙Ｇに供給されるように設けられる。

ロータ内冷媒流路２２は、単数のみならず、複数設けてもよい。ロータ内冷媒流路２２は、例えば図１及び図２に示すように、ロータ軸冷媒流路２０からロータ１６の外周面に向けて放射状に設けられる。ロータ内冷媒流路２２は、ロータ軸冷媒流路２０の端部に連通させてもよいし、ロータ軸冷媒流路２０の途中に連通させてもよい。例えば、図３の側断面図に示すように、ロータ１６の軸方向に沿ってロータ軸冷媒流路２０の複数の箇所からロータ内冷媒流路２２を設けてもよい。このとき、ロータ内冷媒流路２２をロータ１６の軸方向の中心位置近傍に設けることが好適である。ロータ内冷媒流路２２をロータ１６の軸方向の中心位置近傍に設けることによって、間隙Ｇに供給された冷媒をロータ１６の両端へ向けて均等に流すことができ、冷却の均等性を担保することができる。

冷媒は、液体であれば特に限定されるものではなく、オイル、水等とすることができる。ただし、電気的絶縁保持のためにオイルとすることが好適である。オイルは、例えば、鉱物油（ナフテン系、パラフィン系等）、部分合成油、合成油（ＰＡＯ等）とするとよい。

空気供給口２４は、回転機１００に対して冷却に利用される空気を供給するための供給元となる経路である。空気流路２６は、ステータコア１２に形成される空気の流路である。空気流路２６は、空気供給口２４に連通して空気供給口２４からステータコア１２とロータ１６との間隙Ｇまで設けられる。空気供給口２４から供給された空気は空気供給口２４を通って間隙Ｇへ導入される。なお、本実施の形態では、空気を適用したが、冷却に使用できる気体であればよく、例えば、窒素等としてもよい。

図４は、回転機１００に適した冷媒の循環システム２００の構成を示す図である。循環システム２００は、トランスアスクル３０内に構成され、ディファレンシャルギア３２、オイルポンプ３４、熱交換器３６、オイルパン３８及び空気ポンプ４０を含んで構成される。

オイルパン３８に溜められた冷媒（オイル）はディファレンシャルギア３２に設けられたオイルポンプ３４によって吸い上げられ、熱交換器３６により冷却された後に回転機１００に供給される。回転機１００に供給された冷媒は、ロータ軸冷媒流路２０を介してロータ内冷媒流路２２へ流通し、ロータ１６の回転と共にロータ内冷媒流路２２を通じてロータ１６の外周面、すなわちステータコア１２とロータ１６との間隙Ｇへ供給される。一方、空気ポンプ４０からは空気供給口２４に空気が導入され、ステータコア１２の空気流路２６を通じて間隙Ｇへ供給される。

間隙Ｇへ供給された冷媒（オイル）と空気とは混合され、気体と液体の２相流が生成され、回転機１００と冷媒の間で熱交換が行われて間隙Ｇを通じて排出される。回転機１００から排出された冷媒（オイル）は再びオイルパン３８に戻される。

図５は、ロータ１６の径方向の位置とロータでの損失との関係を示す図である。図５からも明らかなように、ロータ損失の多くは、ロータ１６のコア内での損失であり、その分布はロータ１６の外周部に集中している。ロータ１６の磁石の温度上昇の原因は、ロータ１６の外周面からの加熱が主要因である。

本実施の形態における回転機１００では、ロータ１６の磁石の加熱源となっているロータ１６の外周面に直接触れる間隙Ｇを冷媒の流路としている。これにより、加熱源に最も近い位置において冷媒と効率的に熱交換することができる。すなわち、他の部位から間接的に冷却する方法に比べて、冷媒の流量を増やすことなく、効果的に冷却を行うことができる。

特に、間隙Ｇでは、ステータコア１２側とロータ１６側との間で大きな速度勾配を持つため、流路に同流量の冷媒を単純に流す場合と比べて数十倍の熱伝達率が得られる。

図６は、冷媒温度による冷却性能の違いを示す図である。図６から明らかなように、冷媒として空気を用いたときよりオイルを用いたときの方が磁石の温度は低くなっており、空気よりオイルの方が熱容量及び熱伝達率で冷却特性が良い。一方、オイルのような液体は空気のような気体に対して粘度が高い。したがって、オイルを冷媒としてステータコア１２とロータ１６との間隙Ｇに供給した場合、ロータ１６の回転による引き摺り損失が発生する。

本実施の形態における回転機１００では、冷媒を供給する際にオイルと空気とを混合して２相流として間隙Ｇに供給することによって、オイルのみを供給した場合に比べて引き摺り損失を低減することができる。その一方で、空気よりも冷却特性が良いオイルを混合させているので、回転機１００に対する冷却能力を高めることができる。

ここで、ボイド率＝空気体積／（空気体積＋オイル体積）を０．０５以上０．９以下とすることが好適である。特に好ましくは、ボイド率を０．１以上０．５以下とするとよい。このようなボイド率の範囲とすることによって、ロータ１６に対する引き摺り損失を低減しつつ、冷却効果を高めることができる。

また、空気流路２６の流路径（内径）は、ロータ内冷媒流路２２の流路径（内径）よりも小さくすることが好ましい。これにより、オイルと空気とを混合して２相流とした際にオイル内の空気の気泡を小さくすることができ、冷媒全体の均一性を高め、引き摺り損失を低減でき、冷却効果を均一かつ高くすることができる。特に、空気流路２６の流路径（内径）は、１ｍｍ以下とすることが好ましい。

また、図７に示すように、ロータ１６内に温度センサ５０を設け、温度センサ５０でロータ１６の温度を測定し、制御装置３００にて温度センサ５０の出力を受けてオイルポンプ３４や空気ポンプ４０を制御する構成としてもよい。例えば、温度センサ５０から出力される温度が高くなるほど、オイルポンプ３４の出力を高め、回転機１００への冷媒（オイル）の供給量を増加させればよい。また、例えば、温度センサ５０から出力される温度が高くなるほど、オイルポンプ３４及び空気ポンプ４０の出力を高め、回転機１００への冷媒（オイル）及び空気の全体供給量を増加させればよい。

なお、温度センサ５０は、回転機１００の温度を直接又は間接に測定できればよく、ロータ１６内に設ける構成に限定されない。例えば、温度センサ５０は、オイルパン３８に設けて冷媒（オイル）の温度から回転機１００の温度を間接的に測定する構成としてもよい。

＜変形例１＞
変形例１における回転機１０２は、図８の側断面図に示すように、ケース１０、ステータコア１２、ステータコイル１４、ロータ１６、ロータ軸１８、ロータ軸冷媒流路２０、空気供給口２４、空気流路２６及び冷媒貯蔵部５２を含んで構成される。本変形例において、回転機１００と同様の構成には同一の符号を付して説明を省略する。

冷媒貯蔵部５２は、ロータ１６の端部に、ロータ１６の端部及びステータコア１２とロータ１６との間隙Ｇを覆うように設けられる。冷媒貯蔵部５２にはロータ軸冷媒流路２０から冷媒が供給され、冷媒貯蔵部５２を介して冷媒が間隙Ｇへと供給される。一方、空気は、空気供給口２４からステータコア１２の空気流路２６を通じて間隙Ｇへ供給される。本変形例では、このようにして冷媒と空気との２相流が形成され、間隙Ｇを通って冷却が行われる。

＜変形例２＞
変形例２における回転機１０４は、図９の側断面図に示すように、ケース１０、ステータコア１２、ステータコイル１４、ロータ１６、ロータ軸１８、空気供給口２４、空気流路２６及び冷媒ノズル５４を含んで構成される。本変形例において、回転機１００と同様の構成には同一の符号を付して説明を省略する。

冷媒ノズル５４は、ステータコア１２とロータ１６との間隙Ｇにノズル孔が向けられるように設けられる。冷媒は、冷媒ノズル５４から間隙Ｇへ噴射されて供給される。一方、空気は、空気供給口２４からステータコア１２の空気流路２６を通じて間隙Ｇへ供給される。本変形例では、このようにして冷媒と空気との２相流が形成され、間隙Ｇを通って冷却が行われる。

上記変形例１及び２の構成によっても、上記実施の形態と同様に、ロータでの損失を低減しつつ、効果的な冷却を行うことができる。

なお、冷媒を供給するためのロータ軸冷媒流路２０及びロータ内冷媒流路２２、冷媒貯蔵部５２、冷媒ノズル５４と、空気を供給するための空気供給口２４及び空気流路２６と、を入れ替えた構成としてもよい。すなわち、上記実施の形態、変形例１及び２において冷媒を供給するための手段において空気を供給し、空気を供給するための手段において冷媒を供給する構成としてもよい。

また、上記実施の形態、変形例１及び２では、間隙Ｇに対して冷媒と空気とを別々に供給する構成としたが、混合後に供給する構成としてもよい。

１０ ケース、１２ ステータコア、１４ ステータコイル、１６ ロータ、１８ ロータ軸、２０ ロータ軸冷媒流路、２２ ロータ内冷媒流路、２４ 空気供給口、２６ 空気流路、３０ トランスアスクル、３２ ディファレンシャルギア、３４ オイルポンプ、３６ 熱交換器、３８ オイルパン、４０ 空気ポンプ、５０ 温度センサ、５２ 冷媒貯蔵部、５４ 冷媒ノズル、１００、１０２、１０４ 回転機、２００ 循環システム、３００ 制御装置。

Claims (7)

1. ステータと、前記ステータに対して相対的に回転するロータと、
   前記ロータに接続されたロータシャフトの中心を通る流路を介して、前記ステータと前記ロータとの間の間隙にオイルを供給するオイル供給路と、
   前記ステータ側から前記間隙に空気を供給する空気供給路と、
   を備える回転電機であって、
   前記空気供給路の流路径は、前記オイル供給路の流路径より小さく、前記間隙にオイルと空気とを同時に供給して前記間隙を冷媒流路とした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、
   前記間隙において、前記オイルと前記空気とを気・液二相流とすることを特徴とする回転電機。
3. 請求項１又は２に記載の回転電機であって、
   前記オイル供給路は、前記間隙に繋がる複数の流路を有することを特徴とする回転電機。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電機であって、
   前記ロータの軸方向の端部に前記オイルを貯蔵するオイル貯蔵部を備え、
   前記オイルを前記オイル貯蔵部から前記間隙へ供給することを特徴とする回転電機。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の回転電機であって、
   前記空気供給路は、前記間隙に繋がる複数の流路を有することを特長とする回転電機。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の回転電機であって、
   前記オイルと前記空気とのボイド率（空気体積／（オイル体積＋空気体積））が０．０５以上０．９以下であることを特徴とする回転電機。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の回転電機であって、
   前記ロータの温度を測定する温度センサを備え、
   前記温度センサで検出された温度に応じて前記間隙への前記オイル及び前記空気の少なくとも一方の供給量を制御することを特徴とする回転電機。

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