JP7078360B2

JP7078360B2 - ロータコア

Info

Publication number: JP7078360B2
Application number: JP2017125580A
Authority: JP
Inventors: 義忠山岸
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-06-27
Filing date: 2017-06-27
Publication date: 2022-05-31
Anticipated expiration: 2037-06-27
Also published as: JP2019009946A; US20180375395A1; CN109149825A; CN109149825B; US11005324B2

Description

本発明は、回転電機のロータコア、特に冷却通路の構成に関する。

電動機や発電機などの回転電機は、ステータとロータを有し、外部からの電力供給によってロータを回転させて動力を出力し、外部からの動力によってロータを回転させることで発電電力を出力する。永久磁石モータでは、ロータに複数の永久磁石を配置して、複数の極を形成し、ステータに電力を供給して回転磁界を形成して、ロータを回転させる。

また、ロータコアは電磁鋼板を多数積層して構成されることも多く、永久磁石モータでは、各電磁鋼板に開口を設け、積層する複数の電磁鋼板の開口の位置を合致させて積層することで、軸方向に伸びる永久磁石挿入孔を形成している。

さらに、モータはその駆動の際に発熱する。電気自動車、ハイブリッド車などの駆動用モータでは、その発熱量は大きく、例えばオイルを冷媒として循環してステータ、ロータを冷却する。

特許文献１では、ロータの駆動軸内の冷却通路を介し、ロータコア内に設けた冷却通路にオイルを供給している。特許文献１では、電磁鋼板を積層したロータコアの一方の端面から他方の端面までロータコアの軸方向に貫通する冷却通路を設けることが示されている。このような冷却通路にオイルを流通することでロータコア全体を冷却することができる。

特開２０１５－２７１７３号公報

ここで、ロータコアを効果的に冷却するためには、オイルとロータコアにおける熱交換の効率（冷却効率）を上昇して冷却媒体側に移動する熱量をなるべく大きくしたいという要求がある。

本発明は、冷却媒体側への熱の移動量を大きくし、冷却効率を上昇することを目的とする。

本発明に係るロータコアは、複数の電磁鋼板が軸方向に積層されているロータコアであって、前記複数の電磁鋼板の開口が位置合わせされることで形成される軸方向に伸びる冷却通路であって、第１の通路と、第２の通路と、第３の通路を含み、前記第１の通路は、軸方向の中央部に冷却媒体の入口を有し、前記第１の通路の軸方向の一端側の端部に前記第２の通路の軸方向の一端側の端部が連通し、前記第１の通路の軸方向の他端側の端部に前記第３の通路の軸方向の他端側の端部が連通し、前記第２の通路の軸方向の他端側の端部が、前記ロータコアにおける冷却媒体の第１の出口になっており、前記第３の通路の軸方向の一端側の端部が、前記ロータコアにおける冷却媒体の第２の出口になっており、前記第２の通路は、軸方向から見て前記第１の通路に対し周方向の一方側に位置し、前記第３の通路は、軸方向から見て前記第１の通路に対し周方向の他方側に位置する。

また、前記複数の電磁鋼板は、前記第１の通路、前記第２の通路および前記第３の通路の開口を個別に有する中間鋼板と、前記第１の通路と、前記第２の通路または前記第３の通路を連通する連通部の開口を有する端部鋼板と、を含み、積層された前記複数の電磁鋼板の軸方向の一端側および他端側にエンドプレートが配置され、各エンドプレートが前記第２の通路および前記第３の通路の出口のいずれか一方に対応する開口を有するとよい。

また、前記入口を有する第１の通路に比べ、前記出口を有する第２および第３の通路の方が径方向外側に位置するとよい。

本発明によれば、冷却通路の長さがロータコアの軸方向長さより長くなり、冷却媒体側への熱の移動量を大きくし、冷却効率を上昇することができる。

ロータコアの構成を示す（ａ）正面図、（ｂ）側面図である。図１（ｂ）におけるＡ－Ａ断面を示す図である。図１（ｂ）におけるＢ－Ｂ断面を示す図である。図２におけるＣ－Ｅで示すエンドプレート、電磁鋼板に設けられた冷却通路の一部構成を示す図である。図２におけるＦ－Ｉで示す電磁鋼板、エンドプレートの一部構成を示す図である。冷却通路の他の構成を示す図である。他の実施形態に係る図１（ｂ）におけるＢ－Ｂ断面を示す図である。さらに他の実施形態に係る図１（ｂ）におけるＢ－Ｂ断面を示す図である。実施形態に係るロータコアを使用したモータの構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。なお、本発明は、ここに記載される実施形態に限定されるものではない。

「全体構成」
図１（ａ）、（ｂ）にロータコア１０の概略構成を示す。図１（ａ）は軸と直交する方向からみた正面図であり、図１（ｂ）は軸方向から見た側面図である。ロータコア１０は、ドーナツ状の電磁鋼板１２を軸方向に多数積層するとともに、その両端に一対のエンドプレート１４が配置されて構成される。電磁鋼板１２は、打ち抜き加工などにより複数の開口(回転軸用、磁石挿入用、冷却通路用)が形成されている。また、この例では、エンドプレート１４は、電磁鋼板１２とほぼ同一形状で肉厚となっている。そして、電磁鋼板１２およびエンドプレート１４の中心部の開口には回転軸１６が挿通され、電磁鋼板１２およびエンドプレート１４から構成されるロータコア１０が回転軸１６の周囲に、焼きバメ、カシメなどの手法で固定される。なお、エンドプレート１４は、磁性体で構成してもよいし、非磁性体で構成してもよい。

また、エンドプレート１４の形状は、電磁鋼板１２の積層体に挿入される磁石の軸方向の飛び出しを抑制できればどのような形状でもよい。図１（ｂ）に破線で示すように、電磁鋼板１２の周辺側には、磁石挿入用の開口と冷却通路用の開口が周方向に所定の間隔で形成され、電磁鋼板１２が積層する際に開口が位置合わせされ、軸方向に伸びる磁石挿入孔１８、冷却通路２２が形成されている。なお、磁石挿入孔１８には、磁石が挿入され、ロータコア１０に複数の極が形成される。また、１枚の電磁鋼板１２においては、磁石挿入用の開口、冷却通路用の開口であり、電磁鋼板１２が積層されて軸方向に伸びる磁石挿入孔１８、冷却通路２２が形成されるのであるが、以下においてはこれら開口も磁石挿入孔１８、冷却通路２２と称する。

図２には、図１（ｂ）のＡ－Ａ断面が示してある。Ａ－Ａ断面は、回転軸１６の中心軸を通る面における断面であり、この例では、磁石挿入用の開口は通らず、冷却通路用の開口を通る位置の断面である。また、図２においては、回転軸１６のロータコア１０の径方向内側に位置する部分の断面も模式的に示してある。

このように、電磁鋼板１２における冷却通路用の開口の位置が一致することで、ロータコア１０中に軸方向に伸びる冷却通路２２が形成されている。また、回転軸１６内には、軸内通路２４が形成されている。軸内通路２４のロータコア１０の軸方向の中央に当たる部分には、軸内通路２４から径方向に伸びる径方向通路２６が形成されている。この例において、径方向通路２６は軸内通路２４に接続される部分は１つの通路であるが、その後軸方向に分岐し、軸方向に離隔した２箇所で径方向に伸び冷却通路２２と接続され、ここが冷却通路２２の入口２２ｈとなっている。なお、軸内通路２４は、回転軸１６の端部で外部の冷却媒体（オイル）の供給源と接続されている。

図３には、図１（ｂ）、図２におけるＢ－Ｂ断面を示す。このＢ－Ｂ断面は、ロータコア１０の上部を軸と平行な面で切り取った冷却通路２２の平面断面図である。

このように、冷却通路２２は、中央の通路２２ａと周方向の両側に位置する通路２２ｂ，２２ｃの合計３つの通路に区画されている。

中央の通路２２ａの中央部付近には、２つの径方向通路２６が開口してオイルの入口２２ｈが形成されている。また、中央の通路２２ａの軸方向の一端部には、隣接する一方側の通路２２ｂとの連通部２２ｄが設けられ、中央の通路２２ａの軸方向の他端部には、隣接する他方側の通路２２ｃとの連通部２２ｅが設けられている。また、通路２２ｂの連通部２２ｄと反対側の端部のエンドプレート１４には出口２２ｆが設けられ、通路２２ｃの連通部２２ｅと反対側の端部のエンドプレート１４には、出口２２ｇが設けられている。従って、径方向通路２６から流入した冷媒（オイル）は、中央の通路２２ａを軸方向の両端側に流れ、連通部２２ｄ，２２ｅで折り返し、通路２２ｂ、２２ｃを軸方向反対側に流れ、エンドプレート１４の出口２２ｆ，２２ｇから流出する。出口２２ｆ，２２ｇから流出したオイルは周辺に向けて放出され、重力により下方に落下し収集回収される。

このように、この例では、オイルは、ロータコア１０内をその軸方向距離の約３倍の距離流れることになる。従って、オイルとロータコア１０との熱交換を十分に行い、ロータコア１０を効果的に冷却することが可能となる。特に、磁石挿入孔１８に挿入される磁石に向いている冷却通路２２の面積（通路２２ａ，２２ｂ，２２ｃを合わせた面積）が大きく、磁石からの熱を効果的にオイルに移動させることが可能となる。

図４、図５には、エンドプレート１４、電磁鋼板１２の周辺側の一部の構成が模式的に示されている。なお、各図は、図２における左方向から見た図である。

図４（Ｃ）には、図２においてＣで示すエンドプレート１４が示されている。このように、エンドプレート１４には、通路２２ｂに対応する部分のみに出口２２ｆを有する。図においては、磁石挿入孔１８の位置を破線で示してある。また、冷却通路２２に該当する部分を砂地で示してある。

図４（Ｄ）には、図２においてＤで示す電磁鋼板１２（端部鋼板）が示されている。このように、エンドプレート１４に隣接する部分の電磁鋼板１２には、通路２２ａ，２２ｂ，２２ｃと連通部２２ｅに対応する部分が開口している。ここで、連通部２２ｅは、通路２２ａ，２２ｃを連通する部分であるが、図において点線で示してある。通路２２ａと通路２２ｂは分離されており、一方、通路２２ａからのオイルは連通部２２ｅを介し、通路２２ｃに流入する。

図４（Ｅ）には、図２においてＥで示す電磁鋼板１２（中間鋼板）が示されている。このように、連通部２２ｅより内側の電磁鋼板１２には、通路２２ａ，２２ｂ，２２ｃに対応する部分が３つの分離された個別の開口として形成されている。

図５（Ｆ）には、図２においてＦで示す電磁鋼板１２（中間鋼板）が示されている。このように、通路２２ａに径方向通路２６が接続される部分では、通路２２ａが径方向内側に伸びるような形で径方向通路２６が接続されている。

図５（Ｇ）には、図２においてＧで示す電磁鋼板１２（中間鋼板）が示されている。このように、３つの分離された通路２２ａ，２２ｂ，２２ｃが個別に形成され、径方向の内側に中央の通路２２ａから離れて径方向通路２６に接続する通路と軸内通路２４の一部が形成されている。

図５（Ｈ）には、図２においてＨで示す電磁鋼板１２（端部鋼板）が示されている。この図は、図４（Ｄ）と軸方向の反対側の部分を示しており、通路２２ａ，２２ｂを連通する連通部２２ｄを示している。通路２２ａと通路２２ｃは分離されており、通路２２ａからのオイルは連通部２２ｄを介し、通路２２ｂに流入する。

図５（Ｉ）には、図２においてＩで示すエンドプレート１４が示されている。図４（Ｃ）と軸方向の反対側の部分を示しており、通路２２ｃに対応する部分のみに出口２２ｇを有する。

このような構成によって、図３に示すように、中央の通路２２ａの中央部付近の２箇所の入口２２ｈに流入したオイルが軸方向の両側に向けて流れ、端部に形成された連通部２２ｄ，２２ｅで隣接する通路２２ｂ，２２ｃに流入し、出口２２ｆ，２２ｇから流出する。

また、下流側の通路２２ｂ，２２ｃは、中央の通路２２ａと比較して径方向外側に位置する。従って、遠心力が作用して、オイルが下流側の通路を移動し易くなっている。

図６（Ｄ）、（Ｈ）には、図４（Ｄ）、図５（Ｈ）に対応する部分の変形例を示してある。この例では、連通部２２ｄ，２２ｅが形成されている部分の中央の通路２２ａが、径方向外側（図において破線で示す上側の領域）に拡大している。これによっても、冷却通路２２の下流側が径方向外側に位置するため、オイルの移動に遠心力を利用することができる。なお、冷却通路２２を徐々に外側に位置させてもよいが、この場合には電磁鋼板１２を多数種類用意しなければならず、上記実施形態の方が製作上有利である。

また、上記実施形態では、冷却通路２２に対応する開口を基本的に１つの形状としておき、その開口を部分的に埋めて開口を狭めるという構成を採っている。従って、電磁鋼板１２の設計、加工が容易になっている。

図７には、他の実施形態による、図１（ｂ）、図２におけるＢ－Ｂ断面を示す。この例では、５つの通路２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｉ，２２ｊが設けられている。通路２２ｉは、通路２２ｂの軸方向端部（連通部２２ｄと反対側の軸方向端部）に形成された連通部２２ｋを介し接続され、連通部２２ｋと反対側の端部に出口２２ｆを有する。通路２２ｊは、通路２２ｃの軸方向端部（連通部２２ｅと反対側の軸方向端部）に形成された連通部２２ｌを介し接続され、連通部２２ｌと反対側の端部に出口２２ｇを有する。

従って、入口２２ｈから通路２２ａに流入したオイルは、通路２２ａ，２２ｂ，２２ｉを通り、出口２２ｆから流出するとともに、通路２２ａ，２２ｃ，２２ｊを通り、出口２２ｇから流出する。

図８には、さらに他の実施形態による、図１（ｂ）、図２におけるＢ－Ｂ断面を示す。この例では、２つの通路２２ａ，２２ｂのみで構成している。入口２２ｈを通路２２ａの一方側の端部に設け、ここに通路２６を接続する。これによって、１往復の冷却通路２２ａ，２２ｂが形成できる。この場合、入口、出口の軸方向位置を、周方向において隣接する冷却通路２２において順次反転することでオイルをロータコア１０の両端から吐出できる。

図９には、実施形態に係るロータコア１０を使用するモータの構成を示してある。このように、ロータコア１０と、回転軸１６でロータ３０が形成され、ロータ３０の外側にロータ３０を取り囲むようにして円環状のステータ３２が配置される。そして、ロータ３０およびステータ３２は、ハウジング３４内に収容される。ステータ３２はハウジング３４に固定され、ロータ３０の回転軸１６は、ハウジング３４の一対の側壁を貫通し、ハウジング３４に設けられた軸受け３６に回転自在に支持される。また、ハウジング３４の底部に溜まったオイルはポンプ３８によって、回転軸１６内の軸内通路２４に供給される。そして、上述したようにして、ロータコア１０内を流れ、ハウジング３４内に放出され、循環する。もちろん、オイルタンクを別に設け、このオイルタンクを介しオイルをモータに循環してもよく、そのオイルを他の機器に循環してもよい。さらに、循環経路に冷却用の熱交換器を設けることも好適である。

１０ロータコア、１２電磁鋼板、１４エンドプレート、１６回転軸、１８磁石挿入孔、２２冷却通路、２２ａ，２２ｂ，２２ｃ通路、２２ｄ，２２ｅ連通部、２２ｆ，２２ｇ出口、２２ｈ入口、２４軸内通路、２６径方向通路、３０ロータ、３２ステータ、３４ハウジング、３８ポンプ。

Claims

複数の電磁鋼板が軸方向に積層されているロータコアであって、
前記複数の電磁鋼板の開口が位置合わせされることで形成される軸方向に伸びる冷却通路であって、第１の通路と、第２の通路と、第３の通路を含み、
前記第１の通路は、軸方向の中央部に冷却媒体の入口を有し、
前記第１の通路の軸方向の一端側の端部に前記第２の通路の軸方向の一端側の端部が連通し、
前記第１の通路の軸方向の他端側の端部に前記第３の通路の軸方向の他端側の端部が連通し、
前記第２の通路の軸方向の他端側の端部が、前記ロータコアにおける冷却媒体の第１の出口になっており、
前記第３の通路の軸方向の一端側の端部が、前記ロータコアにおける冷却媒体の第２の出口になっており、
前記第２の通路は、軸方向から見て前記第１の通路に対し周方向の一方側に位置し、前記第３の通路は、軸方向から見て前記第１の通路に対し周方向の他方側に位置する、
ロータコア。
請求項１に記載のロータコアであって、
前記複数の電磁鋼板は、
前記第１の通路、前記第２の通路および前記第３の通路の開口を個別に有する中間鋼板と、
前記第１の通路と、前記第２の通路または前記第３の通路を連通する連通部の開口を有する端部鋼板と、
を含み、
積層された前記複数の電磁鋼板の軸方向の一端側および他端側にエンドプレートが配置され、各エンドプレートが前記第２の通路および前記第３の通路の出口のいずれか一方に対応する開口を有する、
ロータコア。
請求項１または２に記載のロータコアであって、
前記入口を有する第１の通路に比べ、前記出口を有する第２および第３の通路の方が径方向外側に位置する、
ロータコア。