JP2007116807A

JP2007116807A - 立型モータ／ジェネレータ

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Publication number: JP2007116807A
Application number: JP2005304754A
Authority: JP
Inventors: Kiyoharu Nakao; 清春中尾
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2005-10-19
Filing date: 2005-10-19
Publication date: 2007-05-10

Abstract

【課題】永久磁石をロータの外周部に配設した立型モータにおいて、効率よく永久磁石の冷却が行える立型モータを提供する。
【解決手段】モータケース２内部に配設固定したステータ３の内側に、ロータ軸７を介してロータ４を配設する。ロータ４は積層した複数の磁性鋼板１０から構成され、ロータ４の外周部には、周方向に沿って等間隔に永久磁石５を配設する。永久磁石５の内側面に接触して貯油部１１を形成し、給油部１６のノズル１７ｂから貯油部１１内に注入した冷却用油により、永久磁石５の内側面を直接冷却する。ロータ４の回転による遠心力で貯油部１１内の冷却用油は、積層された磁性鋼板１０間の隙間部より外側に飛散させ、飛散した油をモータ下部に油溜部１３に溜める。油溜部１３と給油部１６とは連通流路２１を介して接続し、冷却用油２８の循環を行える。
【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石をロータの外周部に配設した立型モータにおいて、永久磁石の冷却を行う立型モータ／ジェネレータに関するものである。

近年のハイブリッドカーの発展は著しい。ハイブリットカーの多くは、エンジン回転を利用してモータとジェネレータとの機能に使い分けて、エンジンの動力と電力源のアシストを行っている。一般に永久磁石を組み込んだモータ構造が使われており、このモータ構造では、永久磁石がロータの回転中に渦電流等によって発熱して、温度が上昇する。永久磁石の温度が上昇すると永久磁石が減磁しやすくなる。永久磁石が減磁すると、モータに加わる負荷を大きくしたときモータ出力に余裕がなくなる。このため永久磁石が高温とならないように配慮することが求められている。永久磁石をロータに組み込んだモータにおいて、永久磁石に対する冷却を行えるモータが各種提案されている。

永久磁石の冷却を行えるモータとして、例えば特開２００５−１２８９１号公報（特許文献１）には、空冷又は冷却用の液体を用いて冷却を行うアキシャル型永久磁石モータが提案され、また例えば特開２００３−１８７７５号公報（特許文献２）には、空冷による冷却を行う永久磁石形モータ等が開示されている。

特許文献１に記載されたアキシャル型永久磁石モータを従来例１として、図８〜図１０に示す。図８に示すように、中空軸のロータ軸５０にはロータ５１が固定され、ロータ５１には、ロータ軸５０と平行な磁力線を発生する永久磁石５５（図９参照）が周方向に複数個配置されている。ロータ５１を間にして、ロータ５１の両側には一対のステータ５２が対向して配置されている。一対のステータ５２はそれぞれステータコア５３、コイル５４を備えている。コイル５４が励磁されると、ロータ５１の周方向に沿って回転磁界が発生し、回転磁界に応じてロータ５１を回転させる。

図９に示すように、ロータ５１の磁極を構成する永久磁石５５の間には、空気が流れる空気流路５６が形成されている。空気流路５６は、ロータ軸５０の中空路と連通し、ロータ５１の半径方向に沿って形成されている。ロータ５１の回転による遠心力によって、ロータ軸５０の中空路から空気流路５６に供給された空気がロータ５１の外側に排出される。この空気の流れによって、ロータ５１の内部、特に発熱体である永久磁石５５の近くでの冷却が行われ、発生した熱を速やかに外部に排出することができる。

また、図１０では、２極分の構成を示している。１極を構成する永久磁石５９が複数個に分割されており、複数の永久磁石５９の間には流路６１が形成されている。永久磁石５９は、１極ごとに非磁性材料からなる一つのケース６０に納められ、外部に液体が流出しないように構成されている。

ロータ軸５０は、二重管から構成され、内側の内管６２からケース６０内に冷却用の流体を供給することができる。ケース６０内に供給された流体は、永久磁石５５の冷却を行った後、出口６５から矢印に示すように戻り流路６４を通って外管６３に戻される。ロータ軸５０の内管６２と外管６３とは、液体を循環させるためのポンプ、及び熱せられた液体を冷却して供給するための放熱器が接続されている。

特許文献２に記載された永久磁石形モータを本発明における従来例２として、図１１に永久磁石形モータの縦断面図を示している。図１１に示すように、下部が通気可能に形成されたモータケース７１の内面には、ステータ７２が固定されている。ステータ７２は、鉄心７３に巻線７４を巻装して構成されている。鉄心７３は多数の磁性鋼板７３ａを積層して構成されており、また、鉄心７３には通風用の孔７３ｂが形成されている。

モータケース７１の上部には、通気可能に構成された軸受け板７６が設けられている。ステータ７２の内方には、ロータ軸７８に嵌着されたロータ７７が回転自在に配設されている。ロータ軸７８の下端部及び上部は、それぞれ軸受７９により支承されている。また、ロータ軸７８の上端部は、軸受７９から上方へ突出して形成され、突出部分にはファン８０が取着されている。モータケース７１には、ファン８０を囲繞するようにファンケース８１が取り付けられている。

ロータ７７は、鉄心８２とロータマグネット８５とを有する構成となっている。鉄心８２は、多数の磁性鋼板８３を回転方向へ僅かづつずらしながら積層した構成となっている。各磁性鋼板８３には、周方向に４つの円弧状をなす図示せぬマグネット用孔、複数の矩形形状の冷却用孔８４が形成されている。マグネット用孔には、永久磁石からなるロータマグネット８５が配設されている。

磁気センサ７５によりロータ位置検出用マグネット８６における磁極の回転位置を検出して、ロータマグネット８５の回転位置を検出できる。磁気センサ７５による検出に基づいて、ステータ７２の巻線７４に対する転流タイミングを決定することができる。転流タイミングで巻線７４に交流電流を流すことによって、ロータ７７を回転させることができる。

ロータ７７の回転により、ファン８０が回転し、空気が矢印で示すように、ステータ７２に形成した通風用の孔７３ｂ及びロータ７７に形成した冷却用孔８４を通ることができる。ファン８０から供給された空気によって、モータが冷却される。また、ロータ７７の回転によって、冷却用孔８４はその上部で空気を掻き込むように作用する。これによって、空気は冷却用孔８４を通ってファン８０側から他方向へ流れやすくなり、ファン８０による送風を助長することができる。
特開２００５−１２８９１号公報特開２００３−１８７７５号公報

特許文献１に記載されているようなアキシャル型永久磁石モータでは、中空のロータ軸５０を用いて、冷却用の空気又は流体を供給しなければならない。特に、冷却用の流体を供給するためには、永久磁石５９をケース６０内に収納しておかなければならない。また、冷却用の流体を供給するためには、ロータ軸５０を二重管で構成しておかなければならなかった。

このため、中空形状のロータ軸５０の強度が低下し、ロータ５１を高速回転させることが難しかった。ロータ５１を高速回転させるためには、中空のロータ軸５０の肉厚を厚くして強度を高めたり、高度の高い特殊な材料でロータ軸を構成しなければならず、ロータ軸５０の重量増大、ロータ軸のコストアップ等を招いていた。

また、扁平型のロータ５１内に空気流路５６、或いは内部に流体流路を設けたケース６０及び戻り流路６４等を形成しなければならない。このため、回転慣性モーメントに耐え得るようにロータ５１を構成しておかなければならず、ロータ５１の重量の増大や高強度の材料を使用することに伴うコストアップ、加工の困難性等を招いてしまう問題があった。

更に、ロータ軸５０からロータ５１内に供給した空気を外部に排出するため、図８に示すようにロータ５１が外部に露呈した構成となっていた。このため、モータ内にゴミ等が侵入しやすく、モータの故障の原因ともなっていた。

特許文献２に記載された永久磁石形モータにおいても、モータケース７１の下部が通気可能に形成されており、また、ファン８０への空気取り入れ口がファンケース８１に形成されているので、モータ内にゴミ等が侵入しやすく、モータの故障の原因ともなっていた。更に、ステータ７２及びロータ７７を冷却するために、ロータ軸７８の上端部を延設してファン８０を配設しておかなければならず、モータの大型化を招いていた。

ロータ７７に対する主な冷却は、ロータ７７に形成した冷却用孔８４に空気を通すことによって行っている。このため、発熱体である永久磁石としてのロータマグネット８５全体を直接冷却させることができず、永久磁石に対する冷却効率が悪かった。また、冷却効率を高めるために、冷却用孔８４を多数形成することができるが、冷却用孔８４を多数形成することによってロータ７７の強度が低下し、また、ロータ７７の回転バランスが崩れ偏心回転を行ってしまう問題があった。

本発明は、前述のごとき従来の問題点を解消すべくなされたものであり、永久磁石をロータの外周部に配設した立型モータにおいて、簡単な構成をもって永久磁石の冷却を効率よく行うことを可能にした立型モータを提供することにある。

上記課題は本発明により効率的に達成することができる。
即ち、複数の磁性鋼板を積層して構成したロータの外周部に複数の永久磁石を、前記ロータの周方向に沿って配設した立型モータ／ジェネレータにおいて、本発明の基本構成である、前記積層した磁性鋼板に、前記永久磁石の冷却用油を貯める貯油部を形成している。

また、本発明では、請求項２及び３に記載しているとおり、前記貯油部の形成部位と形成態様を特定することが望ましく、更に、本発明では請求項４に記載したように、前記貯油部に冷却用油を供給する給油部を特定位置に設けることができる。更にまた、本発明では請求項５に記載しているように、前記冷却用油を前記給油部と貯油部との間でモータ／ジェネレータのケーシングの内外を積極的に循環させるようにするとよい。

本発明では、永久磁石を冷却用油によって冷却することができるので、永久磁石の発熱を十分に抑えることができ、立型モータからの出力に余裕を持たせることができる。また、永久磁石を小さく構成して、高いトルクを立型モータから出力させることができる。

更に、永久磁石を直接冷却用油で冷却することにより、永久磁石に対する冷却効率を高めることができる。このため、低温で用いた方が高いエネルギー密度で使用できるネオジ磁石のような強力な磁石を用いることができる。ネオジ磁石は、ネオジム（Ｎｄ）・鉄（Ｆｅ）・ボロン（Ｂ）を主成分とした粉末冶金による焼結製品によって形成することができる。

また、ロータの回転に伴う遠心力で貯油部内の前記冷却用油を、前記永久磁石の周囲を通り積層した磁性鋼板間の隙間部より外側に飛散させることにより、永久磁石の冷却とロータの冷却とを効率よく行わせることができる。更に、磁性鋼板間の隙間部より外側に飛散した油をモータ下部の油溜部に貯め、油溜部に貯めた油を循環させて貯油部上方の給油部から供給することによって、冷却用油の有効利用を図ることができる。油溜部に連通した排出口と前記給油部との間に熱交換器等を配することにより、冷却用油による冷却効率を更に向上させることができる。

本発明に係る立型モータ／ジェネレータ（以下、単に立型モータという。）の好適な実施の形態について、添付図面に基づいて以下において具体的に説明する。本発明の立型モータの構成としては、以下で説明する形状、配置構成以外にも本発明の課題を解決することができる形状、配置構成であれば、それらの形状、配置構成を採用することができるものである。このため、本発明は、以下に説明する実施例に限定されるものではなく、多様な変更が可能である。

図１には、本発明の実施形態に係わる立型モータの縦断面図を示し、図２には、図１のＩＩ−ＩＩ断面図を示している。水冷ジャケット構造のモータケース２は、上蓋部２ａ、及び底板部２ｃをそれぞれ固定した側壁部２ｂによって構成され、側壁部２ｂ内の周方向には図２に示すように円弧状の冷却流路２０が複数形成されている。各冷却流路２０は連通して配設され、外部に配設した冷却装置、タンク、冷却流体供給用ポンプ等に接続している。

側壁部２ｂの内周面には、ステータ３が固定されている。図２に示すようにステータ３の内周面側には、周方向に等間隔でステータコア３ａが突設形成されている、各ステータコア３ａの周面には、３本のコイル３ｂが常法に従って順次巻装される。３本のコイル３ｂによって、３相の立型モータ１が構成されている。上述した水冷ジャケット構造のモータケース２によって、ステータコア３ａの発熱とコイル３ｂの発熱とを吸収することができる。また、コイル３ｂとしては３本のコイルを用いた構成とする代わりに、５本のコイルを用いて５相の立型モータ１を構成する等、適宜数のコイル本数を設定することができる。

図２で示した構成は８極１２スロットの立型モータ１を例に挙げて図示している。しかし、本発明は、図２に示したような８極１２スロットの集中巻きに限定されるものではなく、どのような極数やスロット数の立型モータ１であっても、本発明を有効に適用することができる。

ステータ３の内方には、ロータ４が回転自在設けられている。ロータ４を固定したロータ軸７の両端部は、一対の軸受２５によって支承されている。一対の軸受２５はそれぞれ支持板１８、１９に支持されている。一方の軸受２５を支持した支持板１８は上蓋部２ａに固定され、支持板１８の外周面と側壁部２ｂの内周面との間にはＯリング２７が配設している。また、他方の軸受２５を支持した支持板１９は底板部２ｃに固定され、支持板１９の外周面と側壁部２ｂの内周面との間にはＯリング２７が配設している。

また、ロータ軸７の下端部は軸受２５より延設され、外部にロータ４の回転を取り出すことができる。ロータ軸７の下端部側における軸受２５と近接した部位と底板部２ｃに形成した開口孔との間は、オイルシール２６が配設されている。オイルシール２７、一対のＯリング２７とのよって、上蓋部２ａと側壁部２ｂとの間及び底板部２ｃと側壁部２ｂとの間で液密状態を構成することができる。

図４に示すようにロータ４は、複数枚の磁性鋼板１０を積層した構成となっている。各磁性鋼板１０には、略Ｔ字状の孔２３が周方向に等間隔で形成されている。各磁性鋼板１０を積層したとき、各孔２３は永久磁石５を配設する配設孔２３ａ、及び後述する冷却用油２８を貯める貯油部１１を構成する孔２３ｂから構成されている。図１、図２に示すように、配設孔２３ａには永久磁石５を配設することができる。

これにより永久磁石５は、ロータ４の外周部の周方向に沿って等間隔で配設される。ステータ３のコイル３ｂが励磁されることにより、ロータ４に配設した永久磁石５が励磁されたコイル３ｂに順次吸引され、ロータ４を回転させることができる。
尚、ロータ４に配設した永久磁石５は、固形形状の永久磁石を配設孔２３ａに挿入した構成とすることも、磁性粉末を混入させたプラスチックを溶融状態で配設孔２３ａ内に充填し、固化させた構成とすることもできる。

また図４に示すように、各磁性鋼板１０にはロータ軸７を嵌合する嵌合孔２４が形成され、積層した各磁性鋼板１０の嵌合孔２４にロータ軸７を嵌合することができる。これにより、図１に示すように、ステータ３内にロータ４を配設することができる。図１に示すように、ロータ４の底部にはエンドプレート６が取り付けられ、孔２３ｂから構成された空洞部の底部を塞いで貯油部１１を構成している。

モータケース２内のステータ３及びロータ４の上部には、ステータ３におけるコイル３ｂの冷却及び貯油部１１への冷却用油の注入を行う給油部１６が設けられている。給油部１６に形成した複数のノズル１７ａによって、ステータ３の各コイル３ｂに冷却用油２８を散布することができる。また、給油部１６に形成した複数のノズル１７ｂによって、ロータ４に形成した貯油部１１に冷却用油を注入することができる。これにより、貯油部１１に注入した冷却用油によって、永久磁石５の内側面を直接冷却することができる。

図１のＩＩＩ―ＩＩＩ断面図である図３に示すように、給油部１６は側壁部３ｂの内周面に沿って環状に配設されており、各ノズル１７ａはステータ３の各コイル３ｂと対応した位置に形成されている。また、各ノズル１７ｂは各貯油部１１と対応した周上の位置に形成されている。
尚、図１では、給油部１６が側壁部３ｂに配設された例を示しているが、給油部１６を上蓋部２ａに取り付けた支持板１８に配設した構成とすることもできる。

モータケース２内の下部には、給油部１６から供給した冷却用油２８を溜める油溜部１３が形成されている。油溜部１３は排出口１４と連通し、排出口１４は連通流路２１を介して給油部１６と連通している。連通流路２１内には、油溜部１３内の油を給油部１６に供給するための油圧ポンプ２２が配設されている。図１では、例示していないが、連通流路２１内に放熱器等の冷却装置を配設しておくこともできる。

油溜部１３内に貯留される冷却用油の量としては、油溜部１３内に貯留される冷却用油がロータ４の端面に接触してロータ４の回転の妨げにならない程度の量となるように、設定しておくことが望ましい。

次に、各貯油部１１に注入した冷却用油による、永久磁石５の冷却について図５〜図７を用いて説明する。図５は、紙面に対して反時計回りにロータ４が回転しているときにおける、ロータ４の要部平面図である。図６は、冷却用油の流れを説明するロータ４の要部平面図であり、図７は、同じく冷却用油の流れを説明するロータ４の要部縦断面図である。

図５に示すように、貯油部１１内に注入された冷却用油２８には、ロータ４の回転によってロータ４の回転方向とは反対側に変位するように遠心力が作用している。ロータ４の回転に伴う遠心力が作用している冷却用油２８は、図６、図７の矢印で示すように、永久磁石５の周面を通り、積層した磁性鋼板間の隙間を通ってロータ４の外部に飛散する。
ロータ４から飛散した冷却用油は、ロータ４及び永久磁石５の熱を奪うことによって温度が上昇する。ところで、ステータコア３ａ，コイル３ｂは給油部１６から供給された冷却用油２８及び側壁部２内を流れる冷却液によって冷却されている。このため、ロータ４から外部に飛散した温度の上昇した油が、ステータコア３ａ，コイル３ｂに付着しても、ステータコア３ａ，コイル３ｂが熱的な影響を受けるほど大きく加熱されることはない。また、ロータ４から飛散してステータコア３ａ，コイル３ｂに付着した油は、給油部１６からコイル３ｂに供給された冷却用油と共に油溜部１３内に落下して溜められる。

油溜部１３内に溜められた冷却用油２８は、油圧ポンプ２２の作動によって排出口１４から連通流路２１内に導入される。連通流路２１内に導入された冷却用油は、必要に応じて配設された冷却装置を通って冷却される。あるいは、連通流路２１内を流れている間に連通流路２１によって冷却される。冷却した冷却用油は、連通流路２１を通って給油部１６に供給される。尚、冷却用油２８の循環を円滑に行うため、即ち、モータケース２内の圧力が高圧とならないようにするため、モータケース２における給油部１６よりも上方部位に図示せぬ呼吸孔を形成しておくこともできる。

ロータ４の低速回転時に、給油部１６のノズル１７ｂから貯油部１１に冷却用油２８を注入することができる。通常、立型モータ１は、正転と逆転とを繰り返して使用されるので、必ず低速回転状態、あるいは停止状態となるタイミングが存在する。常時、給油部１６のノズル１７ｂから冷却用油１８が注がれているので、ロータ４の低速回転時あるいは停止時には必ず貯油部１１に冷却用油２８を貯めることができる。

次に、ロータ４が所望の回転数以上で回転すると、図５〜図７を用いて説明したように、貯油部１１に貯めた冷却用油２８は遠心力を受けてステータ３側に移動しようとする。ロータ４は磁性鋼板１０からなる積層構造であるので、永久磁石５と接触していた冷却用油２８は隣接する磁性鋼板１０間の隙間を通って、ロータ４の外部に飛び出していく。このとき、冷却用油２８は永久磁石５の脇を通っていくので、永久磁石５で発生している熱も一緒に流し出してくれる。

このように、本発明では正転と逆転とを繰り返えして運転される立型モータにおいて、永久磁石５に対する非常に大きな冷却効果を達成することができる。

本発明は、本発明の技術思想を適用することができる装置等に対しては、本発明の技術思想を適用することができる。

立型モータの縦断面図である。（実施例１）図１のＩＩ−ＩＩ断面図である。（実施例１）図１のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。（実施例１）ロータの斜視図である。（実施例１）ロータの要部平面図である。（実施例１）冷却用油の流れを説明するロータの要部平面図である。（実施例１）冷却用油の流れを説明するロータの要部縦断面図である。（実施例１）アキシャル型永久磁石モータの基本構成を示す断面図である。（従来例１）ロータの回転軸に直交する断面図である。（従来例１）ロータの回転軸に直交する断面で切った要部断面図である。（従来例１）永久磁石形モータの縦断面図である。（従来例２）

符号の説明

１立型モータ
２モータケース
２ａ上蓋部
２ｂ側壁部
２ｃ底板部
３ステータ
３ａステータコア
３ｂコイル
４ロータ
５永久磁石
６エンドプレート
７ロータ軸
１０磁性鋼板
１１貯油部
１３油溜部
１４排出口
１６給油部
１７ａ，１７ｂノズル
１８，１９支持板
２０冷却流路（モータケース内）
２１連通流路（排出口と給油部との）
２２油圧ポンプ
２３略Ｔ字状の孔
２３ａ配設孔（永久磁石収納用の）
２３ｂ孔（貯油部形成用孔）
２４嵌合孔（ロータ軸嵌合用の）
２５軸受
２６オイルシール
２７Ｏリング
２８冷却用油
５０ロータ軸
５１ロータ
５２ステータ
５３ステータコア
５４コイル
５５永久磁石
５６空気流路
５９永久磁石
６０ケース
６１流路
６２内管
６３外管
６４戻り流路
６５出口
７１モータケース
７２ステータ
７３鉄心
７３ａ磁性鋼板
７３ｂ孔
７４巻線
７５磁気センサ
７６軸受板
７７ロータ
７８ロータ軸
７９軸受
８０ファン
８１ファンケース
８２鉄心
８３磁性鋼板
８４冷却用孔
８５ロータマグネット
８６ロータ位置検出用マグネット

Claims

ロータ軸が垂直に配され、複数の磁性鋼板を積層して構成したロータの外周部に複数の永久磁石を、前記ロータの周方向に沿って配設した立型モータであって、
前記積層した磁性鋼板に、前記永久磁石の冷却用油を一時的に貯める貯油部が形成されてなること特徴とする立型モータ／ジェネレータ。
前記貯油部が前記永久磁石に対応して複数形成され、同永久磁石の一部表面に接触して形成されてなることを特徴とする請求項１記載の立型モータ／ジェネレータ。
前記貯油部が各永久磁石の一部表面に接触してロータの周方向に連続して形成されてなることを特徴とする請求項１記載の立型モータ／ジェネレータ。
前記貯油部の上方に位置するモータケースには、前記冷却用油を供給する給油部が配設されてなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の立型モータ／ジェネレータ。
モータケースの底部に、ロータの回転に伴う遠心力で前記貯油部内から積層された前記磁性鋼板間の隙間部から外側に飛散する油と前記給油部から供給されて流下する油とを溜める排油口を有する油溜部が形成され、前記油溜部の前記排油口と前記給油部とが接続されてなることを特徴とする請求項４記載の立型モータ／ジェネレータ。