JP2013099222A - ロータおよび回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】電磁鋼板の転積により構成されたロータコアに対する、軸芯冷却構造のロータシャフトによる冷却性能を向上させることができるロータを提供する。
【解決手段】回転電機のロータ１４は、電磁鋼板を転積して構成され、中央にシャフト穴３０を有するロータコア１５と、ロータコア１５のシャフト穴３０に挿入固定され、冷却媒体が流れる通路３２を内部に有するロータシャフト２８とを備える。ロータコア１５のシャフト穴３０の内周とロータシャフト２８の外周面との接触状態を少なくとも軸方向に関して一様にする切削加工またはブローチ加工をロータコア１５のシャフト穴内周に施している。
【選択図】図５

Description

本発明は、磁性板材を転積して構成されたロータコアを含むロータに係り、特に、ロータシャフトに供給される冷却媒体によってロータコアを冷却するロータおよびこれを備えた回転電機に関する。

従来、永久磁石を内蔵したロータを備える回転電機が知られている。このような回転電機では、ロータの鉄損等に起因してロータコアの温度が上昇すると永久磁石の不可逆的な減磁を生じてトルク出力が低下するおそれがあるため、ロータシャフトからロータコアへと冷却媒体（例えば冷却油など）を供給して冷却することが行われている。

例えば、特開２００９−５５７３７号公報（特許文献１）には、ロータコアの周方向に冷媒が満遍なく供給されるロータおよびこれを含む回転電機が開示されている。このロータにおいてロータコアは第１電磁鋼板と第２電磁鋼板とを軸方向に積層して構成され、第１電磁鋼板は冷媒通路を構成する孔部を有し、第２電磁鋼板は第１電磁鋼板の孔部に対して周方向にずれた位置に形成されるとともに冷媒通路を構成する孔部を有することが記載されている。

また、特開２００７−１０４８７８号公報（特許文献２）には、複数枚の電磁鋼板を積層してなるステータコアにおいて、積層された電磁鋼板の間に面粗さによって形成される隙間部分に、空気よりも熱伝導率の大きい絶縁性物質（例えば絶縁性オイル）を充填することが記載されている。

さらに、特開２００２−１９９６３２号公報（特許文献３）には、冷却媒体を供給して冷却する構成のものではないが、鋼板を積層してなるロータコアとロータシャフトとが直接接触しない構造とし、ロータコアとロータシャフトとの間に熱伝導率の高い材料を充填して、ロータコアで発生した熱をロータシャフトへ逃がすことが記載されている。

特開２００９−５５７３７号公報 特開２００７−１０４８７８号公報 特開２００２−１９９６３２号公報

ところで、電磁鋼板を積層して構成されるロータコアをロータシャフト上に固定してなるロータにおいて、ロータシャフトから冷却媒体をロータコアに供給するのではなく、ロータシャフト内の冷媒通路に冷却媒体に流して、ロータコアからロータシャフトへと伝わる熱を上記冷媒通路中の冷却媒体に放熱することによって、ロータコアの冷却を行うことがある。この場合、ロータコアに形成されたシャフト穴の内周部とロータシャフトの外周面とが隙間なく接触していることがロータコアの冷却性能を向上させるうえで重要となる。

しかしながら、それぞれ打ち抜き加工された環状の電磁鋼板を周方向位置をずらしながら積層する、いわゆる転積によって一体のロータコアが形成される場合、積層ばらつきによってロータコアのシャフト穴内周とロータシャフトとの間に微小な隙間が生じ、ロータシャフト内を流れる冷却媒体によるロータコアの冷却性能を低下させる原因となる。

本発明の目的は、電磁鋼板の転積により構成されたロータコアに対する、軸芯冷却構造のロータシャフトによる冷却性能を向上させることができるロータおよびこれを備えた回転電機を提供することである。

本発明に係る回転電機のロータは、電磁鋼板を転積して構成され、中央にシャフト穴を有するロータコアと、前記ロータコアのシャフト穴に挿入固定され、冷却媒体が流れる通路を内部に有するロータシャフトと、を備え、前記ロータコアのシャフト穴の内周と前記ロータシャフトの外周面との接触状態を少なくとも軸方向に関して一様にする加工を前記転積後のロータコアのシャフト穴内周に施したものである。

本発明に係る回転電機のロータにおいて、前記シャフト穴内周の加工は、前記シャフト穴の円筒状内周面の真円度を向上させる切削加工であってもよい。この切削加工は、ブローチ加工であることが好ましい。

また、本発明に係る回転電機のロータにおいて、前記シャフト穴内周の加工は、前記シャフト穴の内周に周方向間隔をおいて複数の溝部を形成するブローチ加工または打ち抜き加工であり、前記ロータコアが前記ロータシャフトに締り嵌めされることにより前記複数の溝部間に形成される凸部が前記ロータシャフトの外周面に圧接されてもよい。

さらに、本発明に係る回転電機のロータにおいて、前記シャフト穴内周の加工は、前記ロータコアのシャフト穴内周と前記ロータシャフトの外周面との間に前記電磁鋼板の転積による積層ばらつきで生じた隙間に、空気よりも熱導電率が高い充填材を充填する加工であってもよい。

この場合、本発明に係る回転電機のロータにおいて、前記ロータコアには永久磁石が埋設されており、前記充填材は、前記永久磁石を固定するモールド樹脂の注入と同時に前記隙間に充填されてもよい。

本発明の別態様である回転電機は、上記いずれかの構成を有するロータを備えたものである。

本発明に係る回転電機のロータ、および、これを備えた回転電機によれば、ロータコアのシャフト穴の内周とロータシャフトの外周面との接触状態を少なくとも軸方向に関して一様にする加工を前記転積後のロータコアの内周に施しているので、電磁鋼板の転積による積層ばらつきによってロータコアとロータシャフトとの間に生じている隙間部分でロータコアからロータシャフトへの熱伝導性が低下するのを改善できる。したがって、電磁鋼板が転積されてなるロータの軸芯冷却構造による冷却性能を向上させることができる。

本発明の一実施形態であるロータを含む回転電機の軸方向断面図である。 図１におけるロータの軸方向断面図である。 ロータコアの軸方向端面を示す図である。 電磁鋼板の転積による積層ばらつきによってロータコアとロータシャフトとの間に隙間に生じている様子を示す拡大断面図である。 ロータコアのシャフト穴内周に切削加工を施した様子を示すロータコアの部分断面図である。 ロータコアのシャフト穴の内周縁部にブローチ加工により複数の溝を形成した様子を示す、図３と同様の図である。 ロータコアとロータシャフトとの間の隙間に熱伝導率が高い充填材を充填加工した様子を示す図である。

以下に、本発明に係る実施の形態（以下、実施形態という）について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。また、以下において複数の実施形態や変形例などが含まれる場合、それらの特徴部分を適宜に組み合わせて用いることは当初から想定されている。

図１は、本実施形態のロータ構造を含む回転電機１０の軸方向に沿った断面図である。図１に示すように、回転電機１０は、ステータ１２とロータ１４とを備える。ステータ１２とロータ１４との間には、両者を非接触とするための径方向のギャップＧが設けられている。

ステータ１２は、筒状をなす磁性体からなるステータコア１３と、このステータコア１３の内周部に突設された複数のティース部の周囲に巻装されたステータコイル１６とからなっている。ステータコア１３は、例えば、それぞれ略円環状に打ち抜き加工された多数枚の電磁鋼板を軸方向に積層して、カシメ等により一体に連結して構成されている。ただし、ステータコア１３は、圧粉磁心からなる複数の分割コアを円環状に配列して円筒ケースで外周から締結することによって構成されてもよい。

ステータコイル１６は、上記ティース部間に挿入および配置されたスロット内部分（図示せず）と、ステータコア１３の軸方向端面から外側へ突出するコイルエンド部１６ａ，１６ｂとを含む。各コイルエンド部１６ａ，１６ｂは、軸方向から見たときに略円環状をなして形成されている。

ステータコア１３およびステータコイル１６からなるステータ１２は、ハウジング２０内に収容されている。ハウジング２０は、有底円筒部２２と、この有底円筒部２２の一端開口部を覆って取り付けられるカバー部２４とを有する。ハウジング２０の有底円筒部２２は、例えば圧入、焼嵌め等の方法によってステータコア１３の外周面上に固定される。ハウジング２０において、有底円筒部２２の円板状をなす底部２３、および、カバー部２４には、軸受部材２６がそれぞれ取り付けられている。

ステータコア１３の内周側に配置されたロータ１４は、筒状の磁性体からなるロータコア１５と、ロータコア１５の中心を貫通して軸方向に延伸するロータシャフト２８とを含む。ロータコア１５は、それぞれ略円板状に打ち抜き加工された多数枚の電磁鋼板を転積しながら積層して、カシメ等により一体に連結して構成されている。また、ロータコア１５は、ステータコア１３と略同じ軸方向長さを有しており、軸方向端面同士が略面一に配置されている。

ロータシャフト２８の両端部は、ハウジング２０の有底円筒部２２およびカバー部２４にそれぞれ固定された軸受部材２６によって回転可能に支持された状態で、ハウジング２０の外部へ延伸している。ロータシャフト２８の内部には、その回転中心軸に沿って延伸する冷媒通路３２（図２参照）が形成されている。

ロータシャフト２８の一端部から供給される冷却媒体が、ロータシャフト２８の冷媒通路３２を流れて、ロータシャフト２８の他端部から排出されるようになっている。冷却媒体には、例えばＡＴＦ等の冷却油が好適に使用される。以後、冷却媒体が冷却油であるものとして説明するが、ロータコア１５を含むロータ１４に対して良好な冷却性能を発揮し得る冷却流体であれば他の冷却媒体が用いられてもよい。冷却油は、図示しないオイルポンプおよびオイルクーラ等を介してロータシャフト２８に循環供給されるようになっている。

図２は、図１におけるロータ１４の軸方向断面図であり、図３はロータコア１５の軸方向端面を示す図である。

図２および図３に示すように、電磁鋼板を転積して構成されるロータコア１５は、略円筒形状をなし、その中心にシャフト穴３０が貫通形成されている。シャフト穴３０の内周部には、２つのキー部３３が径方向に対向して突設されている。これに対応してロータシャフト２８の外周面には、図示しないキー溝が軸方向に延伸して形成されている。これにより、ロータコア１５のシャフト穴３０にロータシャフト２８が挿入されてキー部３３がキー溝に嵌合することにより、ロータシャフト２８に対するロータコア１５の周方向位置が決められるようになっている。

なお、本実施形態ではキー部３３とキー溝の嵌合によってロータシャフト２８上のロータコア１５の周方向位置が決められるものとして説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、ロータコア１５が焼嵌め、圧入等によって固定されることでロータシャフト２８上の周方向位置が決められてもよい。この場合、ロータコア１５のシャフト穴３０にキー部を形成する必要はなくなるが、キー嵌合と焼嵌め等とを組み合わせて用いてもよい。これにより、ロータシャフト２８に対するロータコア１５の連結強度がより強化され、トルク伝達性能が向上する利点がある。

図２に示すように、ロータ１４は、さらに、ロータコア１５に軸方向両側に配置された２つのエンドプレート４２を含む。エンドプレート４２は、ロータコア１５とほぼ同一の外径を有する円板状をなし、その中心にロータシャフト２８が貫通して設けられている。

エンドプレート４２は、非磁性材料（例えば、アルミニウム、アルミ合金、セラミック、樹脂等）から形成されるのが好ましい。これにより、永久磁石３６ａ，３６ｂの軸方向端部における磁束の短絡又は漏れを有効に抑制することができる。また、エンドプレート４２は、ロータコア１５からの永久磁石３６ａ，３６ｂの軸方向への飛び出しを防止する機能も有する。

軸方向両側のエンドプレート４２は、例えば円環状の金属部材である固定部材３１がロータシャフト２８上にカシメ、溶接等によって固定されることにより、ロータコア１５を軸方向に圧接した状態に挟持して固定される。これによりロータシャフト２８に対するロータコア１５およびエンドプレート４２およびの軸方向位置が決められている。また、エンドプレート４２は、ロータコア１５と同様に、内周穴縁部に形成されたキー部（図示せず）がロータシャフト２８のキー溝に嵌合することによってロータシャフト２８に対する周方向位置が決められてもよい。

なお、上記ではロータコア１５およびエンドプレート４２の軸方向両側を固定部材３１で固定するものと説明したが、これに限定されるものではなく、ロータシャフト２８の外周にフランジ部を突設してエンドプレートの端面を当り止めすることにより軸方向一方側の位置決めを行ってもよい。

図３に示すように、ロータコア１５には、複数の磁極３４が周方向に間隔を置いて設けられている。本実施形態では、８つの磁極３４が周方向に等間隔で設けられている例を示す。そして、周方向に隣接する２つの磁極３４で１つの磁極対（例えばＮ極とＳ極）が構成され、合計４磁極対が含まれている。

各磁極３４には、２つの永久磁石３６ａ，３６ｂがそれぞれ埋設されている。永久磁石３６ａ，３６ｂ、ロータコア１５とほぼ同じ軸方向長さを有している。また、永久磁石３６ａ，３６ｂは、ロータコア１５の外周側へ向かって広がる略Ｖ字状をなして配置されている。

永久磁石３６ａ，３６ｂは、ロータコア１５に予め形成されている磁石挿入穴に軸方向から挿入された後、磁石挿入穴に連通するポケット部３８にモールド樹脂を充填することによってロータコア１５に固定されている。図３においてモールド樹脂が充填されている部分を濃く示している。

また、ロータコア１５は、それぞれ軸方向に貫通する孔としての空隙部４０を有している。空隙部４０は、周方向において磁極３４間に対応する内周側領域であってシャフト穴３０の近傍に形成されている。本実施形態では、８つの空隙部４０が周方向に等間隔で形成されている例を示す。これらの空隙部４０は、ロータコア１５を軽量化する、磁極３４の内周側に略円弧状のｑ軸磁路領域を形成する等の役割を果たす。

図４は、電磁鋼板の転積による積層ばらつきによってロータコア１５のシャフト穴３０の内周とロータシャフト２８の外周面との間に隙間が生じている様子を示す拡大断面図である。

ロータコア１５をロータシャフト２８上に固定してなる本実施形態のロータ１４では、ロータシャフト２８内の冷媒通路３２に冷却油を流して、ロータコア１５からロータシャフト２８へと伝わる熱を冷媒通路３２中の冷却油に渡すことによってロータコア１５を冷却する、いわゆる軸芯冷却構造を採用する。

しかし、鋼板積層体からなるロータコア１５では、それぞれ打ち抜き加工された電磁鋼板を転積しながら軸方向に積層して構成されるため、積層ばらつきによってロータコア１５のシャフト穴３０の内周部とロータシャフト２８との接触度合いが軸方向において一様ではなく、シャフト穴３０の内周部とロータシャフト２８との間に微小隙間４４が形成されることがある。そうすると、熱伝導率が低い空気層が介在することによりロータコア１５からロータシャフト２８への伝熱が阻害され、ロータコア１５の冷却性能を低下させる原因となる。

そこで、本実施形態のロータ１４では、転積後にロータコア１５のシャフト穴３０に加工を施すことによってシャフト穴３０の内周とロータシャフトの外周面との接触状態を少なくとも軸方向に関して一様にし、これにより電磁鋼板の転積による積層ばらつきによってロータコア１５とロータシャフト２８との間に生じている隙間部分で熱伝導性が低下するのを改善することとした。次に、ロータコア１５のシャフト穴３０についての加工について説明する。

本実施形態の第１の態様では、図５に示すように、ロータコア１５のシャフト穴３０は、電磁鋼板を転積して一体に構成されたロータコア１５のシャフト穴３０の円筒状内周について、積層ばらつきを解消してキー部３３を除く穴縁部の真円度を高くするように切削加工している。この切削加工には、例えばブローチ加工が好適であるが、これ以外の切削加工が用いられてもよい。このように切削加工することでシャフト穴３０の内周をロータシャフト２８の外周に軸方向および周方向に関して隙間なく接触した状態とすることができる。したがって、軸芯油冷構造のロータシャフト２８によるロータコア１５の冷却性能を向上させることができる。なお、このような切削加工を施すことを考慮して、各電磁鋼板にそれぞれ打ち抜き加工されるシャフト穴をロータシャフト２８よりも若干小径に形成しておいてもよい。

また、本実施形態の第２の態様では、図６に示すように、ロータコア１５のシャフト穴３０の内周縁部にブローチ加工により複数の溝部３１ａを形成し、そして、ロータコア１５を締り嵌め、圧入等によってロータシャフト２８上に固定するようにした。これにより、シャフト穴３０の内周に形成された複数の溝部３１ａ間に位置する凸部３１ｂをロータシャフト２８の外周面上に軸方向にわたって一様に圧接させることができ、電磁鋼板の積層ばらつきによるロータコア１５とロータシャフト２８との間の隙間によって熱伝導性が低下するのを改善することができる。したがって、軸芯油冷構造のロータシャフト２８によるロータコア１５の冷却性能を向上させることができる。また、この態様によれば、ロータコア１５とロータシャフト２８間のトルク伝達がキー部３３だけに集中することなくシャフト穴３０の全周で分担でき、トルク伝達性能が向上する利点がある。また、この態様によれば、ロータコア１５をロータシャフト２８に圧入により固定する場合の圧入荷重を低減でき、かつ、圧入後にロータシャフト２８からロータコア１５に作用する径方向外側の押圧力を緩和してロータコア１５の変形を抑制できる利点もある。なお、上記においてはブローチ加工により溝部３１ａを形成するものとして説明したが、これに限定されるものではなく、ロータコア１５を構成する各電磁鋼板の打ち抜き加工時に溝部３１ａが形成されてもよい。

さらに、本実施形態の第３の態様では、図７に示すように、ロータコア１５とロータシャフト２８との間の隙間４４に空気よりも熱伝導率が高い充填材４６を充填する加工を施している。これにより、電磁鋼板の積層ばらつきによるロータコア１５とロータシャフト２８との間の隙間によって熱伝導性が低下するのを改善できる。したがって、したがって、軸芯油冷構造のロータシャフト２８によるロータコア１５の冷却性能を向上させることができる。

なお、この態様の充填加工は、ロータコア１５のシャフト穴３０の内周を軸方向および周方向に関して直接に又は充填材を介して間接に接触させる加工であるといえる。また、充填材の充填加工は、シャフト挿入前に例えば接着剤等の充填材４６をシャフト穴３０の内周またはロータシャフト２８の外周面に塗付しておくことにより実施されてもよい。

上記第３の態様において充填材４６は、硬化することによってロータコア１５を構成する各電磁鋼板とロータシャフト２８とを接着固定する機能を果たしてもよい。これにより、ロータシャフト２８に対するロータコア１５の連結強度が増すことで、ロータコア１５のシャフト穴３０においてキー部３３以外の内周部全体についてもロータシャフト２８に対するトルク伝達部として有効に機能させることができる。したがって、ロータコア１５からロータシャフト２８へのトルク伝達性能を強化することができる。勿論、このことは、キー部とキー溝の嵌合を有しない連結状態（例えば焼嵌め、圧入等）でロータコア１５がロータシャフト２８に固定される場合には、特に有効である。

また、上記充填材４６は、永久磁石３６ａ，３６ｂをロータコア１５に固定するモールド樹脂の注入と同時に同じモールド樹脂材が上記隙間４４に充填されるようにしてもよい。このようにすれば、充填材４６の充填工程を特別に設ける必要がなく、製造工数が増えることもない。

なお、本発明に係るロータは、上記実施形態およびその変形例に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載された事項の範囲内で種々の変更や改良が可能である。

例えば、第３の態様における充填材４６を第２の態様に組み合わせてもよい。すなわち、第２の態様においてブローチ加工によりシャフト穴３０の内周に形成された溝部３１ａに充填材４６を充填してもよい。これにより、ロータコア１５からロータシャフト２８への熱伝導性がさらに良好になり、軸芯油冷構造のロータシャフトによる冷却性能を一層向上させることができる。

また、上記実施形態では冷却油をロータシャフト２８内だけに流してロータコア１５を間接的に冷却するものとして説明したが、これに限定されるものではなく、冷却油をロータシャフトからロータコアへ供給してロータコアに冷却油を直接接触させて流すことによりロータコアを冷却するようにしてもよい。

さらに、冷却油をロータシャフトの外周面から直接に、または、エンドプレートおよびロータコアの少なくとも一方を介して吐出し、回転するロータの遠心力によって放射方向に飛び散らせることによってコイルエンド部の内周側に冷却油を掛けてコイルおよびステータを冷却するように構成してもよい。

１０ 回転電機、１２ ステータ、１３ ステータコア、１４ ロータ、１５ ロータコア、１６ ステータコイル、１６ａ，１６ｂ コイルエンド部、１８ 電磁鋼板、２０ ハウジング、２２ 有底円筒部、２３ 底部、２４ カバー部、２６ 軸受部材、２８ ロータシャフト、３０ シャフト穴、３１ 固定部材、３１ａ 溝部、３１ｂ 凸部、３２ 冷媒通路、３３ キー部、３４ 磁極、３６ａ，３６ｂ 永久磁石、３８ ポケット部、４０ 空隙部、４２ エンドプレート、４４ 隙間、４６ 充填材、Ｇ ギャップ。

Claims (6)

1. 電磁鋼板を転積して構成され、中央にシャフト穴を有するロータコアと、
   前記ロータコアのシャフト穴に挿入固定され、冷却媒体が流れる通路を内部に有するロータシャフトと、を備え、
   前記ロータコアのシャフト穴の内周と前記ロータシャフトの外周面との接触状態を少なくとも軸方向に関して一様にする加工を前記転積後のロータコアのシャフト穴内周に施している、
   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において、
   前記シャフト穴内周の加工は、前記シャフト穴の円筒状内周面の真円度を向上させる切削加工である、回転電機のロータ。
3. 請求項１に記載の回転電機のロータにおいて、
   前記シャフト穴内周の加工は、前記シャフト穴の内周に周方向間隔をおいて複数の溝部を形成するブローチ加工または打ち抜き加工であり、前記ロータコアが前記ロータシャフトに締り嵌めされることにより前記複数の溝部間に形成される凸部が前記ロータシャフトの外周面に圧接される、回転電機のロータ。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１に記載の回転電機のロータにおいて、
   前記シャフト穴内周の加工は、前記ロータコアのシャフト穴内周と前記ロータシャフトの外周面との間に前記電磁鋼板の転積による積層ばらつきで生じた隙間に、空気よりも熱導電率が高い充填材を充填する加工である、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において、
   前記ロータコアには永久磁石が埋設されており、前記充填材は、前記永久磁石を固定するモールド樹脂の注入と同時に前記隙間に充填される、回転電機のロータ。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１に記載のロータを備える、回転電機。

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