JP6848715B2 - 回転電機のロータ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機のロータに関し、特にその冷却構造に関する。

下記特許文献１には、電磁鋼板の積層によって形成されたロータコアに、磁石がモールド材（モールド樹脂）によって固定された回転電機のロータが開示されている。この技術では、冷却油の通路がロータ中に設けられており、冷却油は、電磁鋼板やモールド材を介して、磁石を冷却している。

下記特許文献２には、ロータの温度上昇を防ぐため、ロータの永久磁石の内側に多孔質円筒部材を配置し、多孔質円筒部材に空気を流す冷却ファンを備えた発電機が開示されている。

下記特許文献３には、ロータコアを囲うモールド樹脂が飛散しないように、複数の磁石コアブロックのうち、軸方向両端に配置される２つの磁石コアブロックにおいて、磁石が露出する側の端面がロータの軸方向両端の端面を形成するように複数の磁石コアブロックを一体化させる技術が開示されている。

特開２０１５−０５３８３１号公報 特開平１０−２４８１８６号公報 特開２０１７−０２２８５４号公報

一般に、高速回転するロータでは磁石に発熱が起こり、温度が非常に高くなった場合には、磁石の消磁が起こるため、磁石の冷却が課題となる。しかし、上記特許文献１，３の技術のように、磁石をモールド樹脂で固定する場合には、磁石が熱伝導率の低い樹脂（例えばエポキシ樹脂は約０．２１Ｗ／ｍＫ）と接しているため、樹脂が無い場合と比較して、磁石の冷却が難しくなる。また、上記特許文献１では、冷却油の通路を設けているが、磁石は電磁鋼板やモールド樹脂を介して間接的に冷却されるにすぎない。上記特許文献２では、ロータの多孔質円筒部材に空気を流しているが、空気は熱伝導率が低く（約０．０２４１Ｗ／ｍＫ）、しかも磁石は多孔質円筒部材の外側に配置されているため、磁石の冷却効率を向上させる余地がある。

また、上記特許文献１，３の技術のように、回転電機のロータにおいて、磁石をモールド樹脂で固定する場合には、磁石が高温化した際に樹脂がガラス転移点に達して溶け出し、毛細管現象や、遠心力の作用などにより、積層した電磁鋼板の隙間（例えば数μｍ）から排出されやすくなる。遠心力の作用は、回転中心からの距離（ｒ）と、回転角速度（ω）の２乗との積に比例するため、ｒが大きくなる大型のモータや、ωが大きくなる高速回転時には排出の作用が高まる。

本発明は、磁石の冷却効率の高い回転電機のロータを実現すること目的とする。

本発明にかかる回転電機のロータは、電磁鋼板の積層により形成され、磁石挿入孔と、前記磁石挿入孔に連結され冷却流体が流される通路と、が設けられたロータコアと、前記磁石挿入孔に挿入された磁石と、前記磁石と前記磁石挿入孔との間隙に挿入された多孔質ガラス、多孔質セラミック、多孔質金属の少なくとも１つと結着材とを含むモールド樹脂から前記結着材を除去した多孔質固定層と、を備え、前記多孔質固定層は、前記磁石を前記磁石挿入孔に固定し、内部に前記通路を流れる前記冷却流体の少なくとも一部が流される。

多孔質固定層は、磁石挿入孔に挿入された磁石を固定する部材であり、ロータの高速回転時の遠心力にも耐える強度を有している。多孔質固定層は、磁石が挿入された磁石挿入孔の隙間の一部または全部に、溶融されたモールド樹脂を充填し、固着後に、結着材を溶かして除去することで形成することができる。モールド樹脂は、多孔質ガラス、多孔質セラミック、多孔質金属の少なくとも１つから選ばれる多孔質部材と、結着材とを含んでおり、結着材が除去された後は、多孔質部材が残されて、磁石を磁石挿入孔に固定することになる。こうして形成された多孔質固定層は、内部に連通した空洞を有しており、流体を流し込むことができる。

ロータには、冷却流体が流れる通路が設けられている。冷却流体は、空気などの気体でもよいし、油などの液体であってもよいが、熱伝導率が比較的高い流体であることが好ましい。通路は、例えば、通路用に孔をあけた電磁鋼板を積層することでロータコア内部に形成される。通路は、磁石挿入孔に連結して形成されており、冷却流体は、通路から磁石挿入孔に流れ込み、その一部または全部が多孔質固定層内部を流れたうえで、典型的には別の通路を通じて磁石挿入孔から排出される。これにより、冷却流体を多孔質固定層の内部において磁石に接触または近接して流すことが可能になるため、磁石は効果的に冷却される。また、多孔質固定層自体も冷却流体によって冷却されるため、溶融する可能性が低下し、電磁鋼板の隙間などから排出される可能性が低減される。

本発明にかかる回転電機のロータによれば、磁石の周囲に設けられた多孔質固定層に冷却流体が流れるため、磁石の冷却効率が高まる。

本発明の実施形態にかかる回転電機１の垂直断面図である。 本発明の実施形態にかかるロータの部分的な水平断面図である。 本発明の実施形態にかかる多孔質部材の構造の一例（トラス構造）を例示する図である。 本発明の実施形態にかかる多孔質部材の構造の一例（体心格子構造）を例示する図である。 本発明の実施形態にかかる多孔質部材の構造の一例（面心格子構造）を例示する図である。 本発明の実施形態にかかる多孔質部材の構造の一例（六方晶構造）を例示する図である。 本発明の実施形態にかかる多孔質部材の構造の一例（密な不定形構造）を例示する図である。 本発明の実施形態にかかる多孔質部材の構造の一例（疎な不定形構造）を例示する図である。

以下に、本発明の実施形態について説明する。ここに示す実施形態は、本発明に基づいて実施可能となる形態を例示するものであり、本発明は、これ以外の形態でも実施可能である。

図１および図２は、本実施形態例にかかる回転電機１の概略構成を示す図である。図１は、回転軸を含む垂直断面図であり、図２は回転軸に直交する断面でロータを切った水平断面図であり、ロータの１／４（９０度）を図示している。回転電機１は、ステータ１０と、ロータシャフト１２と、ロータ１４を備えている。ロータ１４は、電磁鋼板１６、１８が積層されて形成されたロータコアを備える。ロータコア内部には、磁石挿入孔２０や、孔２１が設けられている。磁石挿入孔２０には、磁石２２が挿入され、磁石２２の周囲には、絶縁性をもつ多孔質ガラスからなる多孔質固定層２４が設けられている。

ロータシャフト１２及びロータ１４には、冷却流体としての冷却油が流される冷却通路２６が設けられている。冷却通路２６は、ロータシャフト１２に設けられた冷却通路２８と、ロータ１４において電磁鋼板の孔を利用して形成された冷却通路３０と、磁石挿入孔２０内の多孔質固定層２４内に形成された冷却通路と、電磁鋼板の孔を利用して形成され、二つの磁石挿入孔２０の冷却通路間を結ぶ冷却通路３１と、電磁鋼板の孔を利用して、磁石挿入孔２０からロータ１４とステータ１０の隙間空間に繋げられる冷却通路３２が連結して形成されている。

続いて、回転電機１の動作の概略を説明する。回転電機１では、ステータ１０における磁場形成を制御することで、ロータ１４が磁力を受け、これによりロータ１４及びロータシャフト１２が回転する。回転するロータ１４では、渦電流などに起因して発熱が起こり、磁石２２が高温化する。一方、冷却通路２６には、相対的に温度の低い冷却油が流される。冷却油は、ロータシャフト１２の冷却通路２８からロータ１４の冷却通路３０を通じて、磁石挿入孔２０に至る。そして、磁石挿入孔２０では、充填されている多孔質固定層２４の内部を通過して、磁石２２に接触し、あるいは、磁石２２の近傍を流れながら、磁石２２が発する熱を吸収し、磁石２２を冷却する。こうして温度が上昇した冷却油は、冷却通路３２を経由してステータ１０側の隙間に排出される。また、冷却通路３１を経由してさらに他の磁石挿入孔２０に送られたうえで、冷却通路３２を経由して排出されるルートも設けられている。

ここで、ロータ１４において、冷却通路を設けるバリエーションの例について説明する。図１に示した例では、磁石２２に対して、図面上側から図面下側に向かって、冷却油が流れるように冷却通路を構成した。この場合には、磁石挿入孔２０に流れ込んだ冷却油が排出されるためには、磁石挿入孔２０の全体を一方向に流れる（図の上から下に縦断する）ことになるため、流れがシンプルになり、着実に磁石２２全体を冷却できると考えられる。しかし、例えば、磁石挿入孔２０の複数の箇所に冷却油が流れ込むようにしてもよいし、磁石挿入孔２０の複数の箇所から冷却油が流れ出すようにしてもよい。また、冷却油は、必要な程度の冷却を行うことができるのであれば、必ずしも磁石挿入孔２０や多孔質固定層２４の全体を流れなくてもよく、その一部のみを流れるように冷却通路を形成してもよい。

図２に示した例では、ロータシャフト１２側からステータ１０側へ向かうように冷却通路を形成した。この場合には、高速回転するロータ１４に働く遠心力を利用して冷却油を排出できるため、冷却油の流れが円滑になる。さらに図２の例では、冷却通路を分岐させ、ある磁石挿入孔２０から別の磁石挿入孔２０に向かう冷却通路３１も設けている。この場合には、全体として、ロータシャフト１２から磁石挿入孔２０に向かう冷却通路３０の本数を少なくすることができる利点がある。

また、図１、図２の例では、多孔質固定層２４は、磁石挿入孔２０の隙間空間全体を占めるように設けられている。このため、磁石挿入孔２０内に入った冷却油は、必然的に多孔質固定層２４内を通過することになる。これに対し、磁石挿入孔２０に、多孔質固定層２４が設けられている部分と設けられていない部分がある場合には、冷却油は多孔質固定層２４が設けられていない部分を流れやすいため、磁石２２の近傍を流れる冷却油の流量が低下する可能性がある。しかし、全体として必要な冷却が行われるのであれば、このような形態をとることも可能である。

いずれにせよ、冷却通路は、冷却油が磁石２２を必要なレベルまで冷却することができるように設けられればよく、高速回転時におけるロータの強度確保なども勘案したうえで、そのルート配置、断面積サイズなどを適宜設計すればよい。一般的には、冷却油による冷却効率が高まる場合には、冷却通路を小さくすることが可能であり、高速回転時におけるロータの強度を確保することが容易となる。

次に、ロータ１４の製造方法について説明する。ロータ１４のロータコアは、磁石挿入孔２０や孔２１などを設けた所定の形状に打ち抜かれた電磁鋼板を積層して形成される。そして、磁石挿入孔２０には、磁石２２が挿入される。そして、磁石２２を磁石挿入孔２０に固定するため、磁石挿入孔２０の隙間に、強度部材のフィラーとなる多孔質部材と、溶融した結着材とを混合したモールド樹脂を射出し、隙間に充填し、隙間の形状にモールド成形する。そして、その後、加熱により、または酸性や塩基性などの薬剤を利用して、結着材を溶かして除去することで、多孔質部材が残り、磁石を固定する多孔質固定層を形成することができる。多孔質固定層における多孔質形状を着実に形成する観点からは、結着材は、十分に除去されることが好ましい。しかし、多孔質固定層に冷却流体が必要量流れ込むことが可能となる程度に除去されていれば、結着材の一部が多孔質固定層に残っている状態となってもよく、除去に要する手間や時間も考慮して、除去量を決定することができる。

多孔質部材は様々に選択可能であり、例えば、耐熱性を有する非磁性体とすることができる。また、絶縁性をもつ物質とすることができる。多孔質部材を構成する素材としては、ガラスや、ガラス以外のセラミックなど、ガラスを含む全てのセラミックを挙げることができる。表１は、セラミックの種類とその具体例について例示したものである。こうした種類や具体例の中から、コストや、使用環境における強度を勘案して、素材を選択することができる。

また、多孔質部材として金属を採用することも可能である。金属を採用した場合には、電磁鋼板と磁石とが通電して渦損が発生してしまうが、セラミックよりも熱伝導率が高い（例えばガラスの熱伝導率は１Ｗ／ｍＫ程度、金属は数１０〜数百Ｗ／ｍＫ程度）ため、冷却を優先的に考えた場合には、金属部材を採用してもよい。

多孔質部材の多孔質の構造も、様々なものを採用することができる。例えば、強度が高い点や、孔が大きく冷却油を通しやすいという点では、規則正しい定形構造の一つであるトラス構造を用いることができる。図３は、トラス構造の概略を示す図である。しかし、冷却油が流れ、かつ、磁石を固定できるのであれば、他の定形構造であっても構わない。図４から図６には、他の定形構造の例を示した。図４は、体心格子を示す図であり、図５は面心格子を示す図であり、図６は六方晶を示す図である。

また、強度があまり高くなくてもよい場合では、不定形な構造を採用してもよい。不定形な構造であっても、部材の密度を調整して強度を高めることも可能である。図７と図８には、不定形構造の例を示した。図７は、密度が高い不定形構造を示す図であり、図８は、密度が低い不定形構造を示す図である。多孔質部材の強度が高い場合、磁石挿入孔をロータにおけるステータに近い側に配置し、その部分における電磁鋼板のステータ側への厚さが薄くなっても、多孔質固定層とあわせて全体としてロータの強度が確保できるため、磁石配置の設計自由度が高まり、効率のよい回転電機を製造することが可能となる。こうした構造をもつ多孔質固定層を形成するためには、当該構造をもつ多孔質部材を利用してモールド樹脂を作製し、上述のようにしてモールド成形を行い、結着材を除去すればよい。

多孔質部材は、一般的には、樹脂に比べてガラス転移点または融点が高い。このため、磁石が高温化した場合にも、比較的形状の維持が容易であり、軟化により電磁鋼板の隙間などからロータ外部に排出される現象が起こりにくい。また、多孔質固定層には冷却油が流され、多孔質固定層自体も冷却されるため、軟化が起こりにくくなる。

モールド樹脂の作成時に、多孔質部材とともに混合される結着材も、様々に選択することが可能である。表２には、結着材の候補となる樹脂の例と、そのガラス転移点温度を示した。樹脂は、例えば、モールド成形後における除去が容易であるとの観点から選ぶことができる。また、結着材としては、融点、沸点、ガラス転移点などが低い樹脂以外の材料（例えば黄リン、ヨウ素など）を用いることも可能である。

本実施形態例にかかる回転電機１の用途は特段限定されるものではなく、例えば、電気自動車の駆動の用途など、回転電機を必要とする分野において広く利用可能である。

１ 回転電機、１０ ステータ、１２ ロータシャフト、１４ ロータ、１６ 電磁鋼板、１８ 電磁鋼板、２０ 磁石挿入孔、２１ 孔、２２ 磁石、２４ 多孔質固定層、２６ 冷却通路、２８ 冷却通路、３０ 冷却通路、３１ 冷却通路、３２ 冷却通路。

Claims (6)

1. 電磁鋼板の積層により形成され、磁石挿入孔と、前記磁石挿入孔に連結され冷却流体が流される通路と、が設けられたロータコアと、
   前記磁石挿入孔に挿入された磁石と、
   前記磁石と前記磁石挿入孔との間隙に挿入された多孔質ガラス、多孔質セラミック、多孔質金属の少なくとも１つと結着材とを含むモールド樹脂から前記結着材を除去した多孔質固定層と、を備え、
   前記多孔質固定層は、前記磁石を前記磁石挿入孔に固定し、内部に前記通路を流れる前記冷却流体の少なくとも一部が流されること、
   を特徴とする回転電機のロータ。
2. 請求項１に記載の回転電機のロータであって、
   前記多孔質固定層は、前記磁石と前記磁石挿入孔との間の隙間に充填された前記モールド樹脂から前記結着材を除去したもので、内部に前記冷却流体が流れる連通した空洞を有していること、
   を特徴とする回転電機のロータ。
3. 請求項２に記載の回転電機のロータであって、
   前記多孔質固定層は、前記磁石と接触しており、前記冷却流体は前記磁石と接触しながら流れること、
   を特徴とする回転電機のロータ。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の回転電機のロータであって
   前記ロータコアに設けられた前記通路は、ロータシャフトに設けられた第１の流路と、前記第１の流路に連通し、積層された電磁鋼板の中に設けられて前記磁石挿入孔の中の前記多孔質固定層に延びる第２の流路と、前記磁石挿入孔の前記多孔質固定層に連通し、積層された電磁鋼板の中に設けられて前記ロータコアの外周面に延びる第３の流路とを含み、
   前記通路は、前記第１の流路に流入した冷却流体を前記ロータコアの前記外周面から外部に排出させること、
   を特徴とする回転電機のロータ。
5. 請求項４に記載の回転電機のロータであって、
   積層された電磁鋼板の中に設けられ、前記磁石挿入孔の前記多孔質固定層と他の前記磁石挿入孔の他の前記多孔質固定層との間を連通する第４の流路を含むこと、
   を特徴とする回転電機のロータ。
6. 回転電機のロータの製造方法であって、
   電磁鋼板を積層して、磁石挿入孔と、前記磁石挿入孔に連結され冷却流体が流される通路とが配置されたロータコアを形成する工程と、
   前記磁石挿入孔に磁石を挿入する工程と、
   前記磁石と前記磁石挿入孔との間の隙間に多孔質ガラス、多孔質セラミック、多孔質金属の少なくとも１つと結着材とを含むモールド樹脂を充填する工程と、
   充填された前記モールド樹脂から前記結着材を除去し、前記磁石を前記磁石挿入孔に固定すると共に、内部に前記通路と連通した空洞を有する多孔質固定層を形成する工程と、
   を含む回転電機のロータの製造方法。

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