JP7016784B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機に関する。

近年の回転電機の大型化に伴って、磁極部の発熱による回転電機の性能の低下が無視できなくなっており、ロータの磁極部を効率的に冷却する方法が模索されている。一方で、ステータのコイルも発熱するため、ステータのコイルも冷却する必要がある。

特許文献１、２には、冷媒流路が形成されたローシャフトと、ロータコアと、磁極部と、該ロータコアの両端面に配置される一対の端面板と、を備える回転電機のロータが記載されている。そしてこのロータでは、ロータシャフトの冷媒流路から両方の端面板にそれぞれ冷媒を供給する。一方の端面板に供給された冷媒は、ロータコアの内部に形成された貫通孔を介して、他方の端面板から排出する。また、他方の端面板に供給された冷媒は、ロータコアの内部に形成された他の貫通孔を介して、一方の端面板から排出することが記載されている。これにより、ロータコアを内部から冷却しながら、ロータに対向するステータの両側のコイルエンドを冷却することができる。

特開平９－１８２３７４号公報 特開平９－１８２３７５号公報

しかしながら、特許文献１、２に記載の回転電機のロータでは、ロータシャフトの冷媒流路から一方の端面側と他方の端面側とに均等に冷媒を供給することが難しく、流量配分を適切にコントロールすることができなかった。また、ロータシャフトの一方の端面側と他方の端面側との２箇所に冷媒流路から径方向に延びる冷媒供給路を加工する必要があり、加工費がかさむ要因となる。

本発明は、ロータの磁極部をロータコアの内部から冷却できるとともに、ロータコアから排出される冷媒を利用してステータのコイルを適切に冷却可能な回転電機を提供する。

本発明は、
ロータと、該ロータの径方向外側に配置されるステータと、を備え、
前記ロータは、
内部に冷媒流路が設けられたロータシャフトと、
前記ロータシャフトが挿通するロータシャフト孔と、周方向に沿って設けられた複数の磁石挿入孔と、軸方向に貫通する複数のコア貫通孔と、を有するロータコアと、
前記磁石挿入孔に挿入された磁石によって構成される複数の磁極部と、
前記ロータコアの軸方向一端側に配置される第１エンドプレートと、
前記ロータコアの軸方向他端側に配置される第２エンドプレートと、を備え、
前記ステータは、
前記第１エンドプレートの径方向外側に位置する第１コイルエンドと、
前記第２エンドプレートの径方向外側に位置する第２コイルエンドと、を有する、回転電機であって、
前記第１エンドプレートは、
複数の第１冷媒排出孔と、
前記冷媒流路に連通するとともに前記複数の第１冷媒排出孔に連通する複数の第１溝部と、
前記冷媒流路に連通するとともに前記複数のコア貫通孔に連通する複数の第２溝部と、を有し、
前記第２エンドプレートは、
前記冷媒流路に直接的に連通せずに、前記複数のコア貫通孔及び前記複数の第２溝部を介して前記冷媒流路に連通する複数の第２冷媒排出孔を有し、
前記複数の第１溝部と前記複数の第２溝部は、周方向に一つずつ交互に配置されている。

本発明によれば、ロータの磁極部をロータコアの内部から冷却できるとともに、ロータコアから排出される冷媒を利用してステータのコイルを適切に冷却できる。

本発明の一実施形態の回転電機の斜視図である。 第１エンドプレートの一部を切り欠いて示す、第１実施形態の回転電機のロータの正面図である。 第２エンドプレートの一部を切り欠いて示す、第１実施形態の回転電機のロータの背面図である。 図２及び図３のＡ－Ａ線断面図である。 図２及び図３のＢ－Ｂ線断面図である。 第１エンドプレートの内側面を示す図である。

以下、本発明の一実施形態の回転電機について、添付図面に基づいて説明する。
回転電機５０は、図１に示すように、ロータ５１と、ロータ５１の外径側に僅かな隙間を介して対向するように配置されたステータ５２と、を備える、所謂インナーロータ型の回転電機である。

［ロータ］
第１実施形態のロータ５１は、図２～図５に示すように、ロータシャフト１０と、ロータシャフト１０に軸支されるロータコア２０と、複数の磁極部３０と、ロータコア２０の軸方向一端側に配置される第１エンドプレート４０ａと、ロータコア２０の軸方向他端側に配置される第２エンドプレート４０ｂと、を備える。

ロータシャフト１０には、その内部に冷媒が流通する冷媒流路１１が形成される。冷媒流路１１は、ロータシャフト１０の内部で軸方向に延びており、冷媒が外部から供給可能に構成される。冷媒としては、例えば、ＡＴＦ（Automatic Transmission Fluid）が用いられる。冷媒流路１１は、回転電機５０を収容する不図示のハウジングに形成された循環経路に接続される。

［ロータコア］
ロータコア２０は、例えば、プレス加工により形成した複数の電磁鋼板を軸方向に積層して、カシメや接着等の接合により構成される。

ロータコア２０は、ロータシャフト１０が挿通するロータシャフト孔２１と、ロータコア２０の外周部に設けられる複数の磁極部３０と、を備える。

複数の磁極部３０は、ステータ５２と対向するように周方向に沿って等間隔に形成される。各磁極部３０は、径方向内側に凸のＶ字状に配置された２つの磁石挿入孔２４に挿入される２つの磁石３１で構成されている。磁石３１は、例えばネオジム磁石等の永久磁石である。なお、磁極部３０は、径方向内側に向かって凸状に配置された３つの磁石挿入孔に配置される３つの磁石で構成されていてもよく、１つの平板磁石又は円弧磁石から構成されていてもよい。

ロータコア２０には、正面視で略円形状を有し、軸方向に貫通するコア貫通孔２５が複数設けられている。コア貫通孔２５は、隣り合う磁極部３０間に設けられ、磁極部３０の最内径部３０ａよりも径方向外側に位置している。

［エンドプレート］
第１エンドプレート４０ａは、図２、図４～図６に示すように、ロータコア２０の軸方向一端側の端面に対向して配置される。第１エンドプレート４０ａの中央にはロータシャフト１０を挿通する挿通孔４１が形成され、第１エンドプレート４０ａの外周部には複数の第１冷媒排出孔４２ａが周方向に等間隔で形成される。第１冷媒排出孔４２ａは、各磁極部３０の周方向中心であって、磁極部３０よりも僅かに径方向内側に位置している。

また、第１エンドプレート４０ａの内側面には、挿通孔４１の内径側角部にロータシャフト１０に形成された冷媒供給路１２と連通する環状の冷媒溜まり部４３と、冷媒溜まり部４３を介して冷媒供給路１２に連通するとともに第１冷媒排出孔４２ａに連通する複数の第１溝部４４と、冷媒溜まり部４３を介して冷媒供給路１２に連通するとともにコア貫通孔２５に連通する複数の第２溝部４５とが、形成される。

第１溝部４４は、第１冷媒排出孔４２ａと同数設けられ、冷媒溜まり部４３から第１冷媒排出孔４２ａに向かって径方向に一直線上に延設される。第２溝部４５は、コア貫通孔２５と同数設けられ、冷媒溜まり部４３からコア貫通孔２５に向かって径方向に一直線上に延設される。第１溝部４４及び第２溝部４５は、周方向に交互に等間隔で配置されている。これにより、冷媒溜まり部４３から第１溝部４４及び第２溝部４５にバランスよく冷媒を供給することができる。

第２エンドプレート４０ｂは、ロータコア２０の軸方向他端側の端面に対向して配置される。第２エンドプレート４０ｂの中央にはロータシャフト１０を挿通する挿通孔４１が形成され、第２エンドプレート４０ｂの外周部には複数の第２冷媒排出孔４２ｂが周方向に等間隔で形成される。第２冷媒排出孔４２ｂは、隣り合う磁極部３０間に設けられたコア貫通孔２５と同数設けられ、コア貫通孔２５に連通する。なお、第２冷媒排出孔４２ｂは、冷媒流路１１に直接的に連通せずに、コア貫通孔２５及び該コア貫通孔２５に連通する第２溝部４５を介して冷媒流路１１に連通する。したがって、ロータシャフト１０には第１エンドプレート４０ａ側にのみ第１エンドプレート４０ａの第１溝部４４及び第２溝部４５に連通する冷媒供給路１２を加工すればよく、ロータシャフト１０の加工を容易にでき、加工費の増加を抑制できる。

したがって、冷媒流路１１を流れる冷媒は、冷媒供給路１２から冷媒溜まり部４３に導入され、冷媒溜まり部４３から第１溝部４４及び第２溝部４５に導入される。第１エンドプレート４０ａと、冷媒流路１１から延びる冷媒供給路１２との接続部には、環状の冷媒溜まり部４３が設けられることで、冷媒溜まり部４３から第１溝部４４及び第２溝部４５へ全周に亘って安定して冷媒が供給される。また、冷媒溜まり部４３は第１エンドプレート４０ａと冷媒流路１１から延びる冷媒供給路１２との接続部、即ちロータ５１の内径側に設けられるので、回転バランスが崩れるのを抑制することができる。

第１溝部４４に導入された冷媒は、図４中Ｔ１で示すように第１溝部４４を介して第１エンドプレート４０ａの第１冷媒排出孔４２ａに供給され、第１冷媒排出孔４２ａから排出される。

第２溝部４５に導入された冷媒は、図５中Ｔ２で示すように第２溝部４５を介してロータコア２０のコア貫通孔２５に供給され、コア貫通孔２５を軸方向において一方側（第１エンドプレート４０ａ側）から他方側（第２エンドプレート４０ｂ側）に向かって軸方向に流れる。その後、冷媒が第２エンドプレート４０ｂの第２冷媒排出孔４２ｂに供給され、第２冷媒排出孔４２ｂから排出される。

［ステータ］
ステータ５２は、ステータコア９１と、ステータコア９１に形成された複数のスロットに巻回されるコイル９２と、を備える。コイル９２は、ステータコア９１の一端面９１ａ側から軸方向に突出する第１コイルエンド９８ａと、ステータコア９１の他端面９１ｂ側から軸方向に突出する第２コイルエンド９８ｂと、を備える。第１コイルエンド９８ａは、第１エンドプレート４０ａの径方向外側に位置するとともに、第２コイルエンド９８ｂは、第２エンドプレート４０ｂの径方向外側に位置する。したがって、第１コイルエンド９８ａの第１冷媒排出孔４２ａから排出された冷媒は、第１コイルエンド９８ａに供給され、第２エンドプレート４０ｂの第２冷媒排出孔４２ｂから排出された冷媒は、第２コイルエンド９８ｂに供給される。

［冷却作用］
次に、回転電機５０の冷却作用について説明する。

本実施形態の回転電機５０では、不図示の冷媒ポンプにより圧送された冷媒が、循環経路を介してロータシャフト１０に供給される。冷媒流路１１に供給された冷媒は、ロータシャフト１０を径方向に貫通する冷媒供給路１２に供給される。

冷媒供給路１２の冷媒は、冷媒に作用する遠心力により、第１エンドプレート４０ａの冷媒溜まり部４３に導入され、冷媒溜まり部４３から第１溝部４４及び第２溝部４５に導入される。

第１溝部４４に導入された冷媒は、図４中Ｔ１で示すように、第１溝部４４通って第１エンドプレート４０ａの第１冷媒排出孔４２ａから排出され、第１コイルエンド９８ａに供給される。第２溝部４５に導入された冷媒は、図５中Ｔ２で示すように、第２溝部４５を介してロータコア２０のコア貫通孔２５に供給され、コア貫通孔２５を軸方向において一方側（第１エンドプレート４０ａ側）から他方側（第２エンドプレート４０ｂ側）に向かって流れる。コア貫通孔２５を通過した冷媒は、第２エンドプレート４０ｂの第２冷媒排出孔４２ｂから排出され、第２コイルエンド９８ｂに供給される。これにより、ロータコア２０から排出される冷媒を利用してステータ５２のコイル９２、特にステータコア９１の両側の第１コイルエンド９８ａ及び第２コイルエンド９８ｂを冷却することができる。

また、コア貫通孔２５は、磁極部３０の近傍に配置されるため、冷媒がコア貫通孔２５を軸方向において一方側（第１エンドプレート４０ａ側）から他方側（第２エンドプレート４０ｂ側）に向かって軸方向に流れる際に、磁極部３０と熱交換することで、耐熱性能の観点から優先的に冷却したい磁石３１を効果的に冷却することができる。

本実施形態によれば、ロータシャフト１０の冷媒供給路１２から供給される冷媒を２経路、即ち、第１溝部４４から第１冷媒排出孔４２ａを介して第１コイルエンド９８ａに冷媒を供給する第１冷媒供給経路６０（図中、矢印Ｔ１で示す経路）と、第２溝部４５からコア貫通孔２５及び第２冷媒排出孔４２ｂを介して第２コイルエンド９８ｂに冷媒を供給する第２冷媒供給経路７０（図中、矢印Ｔ２で示す経路）と、に分配することができる。これにより、ステータ５２の両側の第１コイルエンド９８ａ及び第２コイルエンド９８ｂを冷却することができる。また、コア貫通孔２５を通る冷媒によりロータ５１の磁極部３０を内部から冷却することができる。

また、第１冷媒供給経路６０と第２冷媒供給経路７０とが独立しているので、第１冷媒供給経路６０を流れる冷媒と第２冷媒供給経路７０を流れる冷媒とが混じり合うことがなく、冷媒溜まり部４３にて分配された冷媒をそのまま第１コイルエンド９８ａ及び第２コイルエンド９８ｂに供給することができる。

なお、第１コイルエンド９８ａ及び第２コイルエンド９８ｂに供給する冷媒の量は、同じでもよく、異なっていてもよい。第１コイルエンド９８ａ及び第２コイルエンド９８ｂに供給する冷媒の量を変えるためには、第１溝部４４及び第２溝部４５の溝幅を変えてもよく、第１溝部４４及び第２溝部４５の深さを変えてもよく、第１溝部４４及び第２溝部４５の溝幅及び深さを変えてもよい。

例えば、第２冷媒供給経路７０を流れる冷媒は、磁極部３０と熱交換した後に、第２コイルエンド９８ｂに供給されるので、第１コイルエンド９８ａに供給される第１冷媒供給経路６０の冷媒よりも温度が高いことが想定される。そのため、第１溝部４４よりも第２溝部４５に流れる冷媒量を増やすことで、第１コイルエンド９８ａ及び第２コイルエンド９８ｂの温度を近づけることができる。

なお、前述した実施形態は、適宜、変形、改良、等が可能である。
例えば、第１冷媒排出孔４２ａ、第２冷媒排出孔４２ｂ、コア貫通孔２５の数、位置、及び形状は適宜変更することができる。また、第１溝部４４及び第２溝部４５の数、位置、及び形状も適宜変更することができる。

本明細書には少なくとも以下の事項が記載されている。なお、括弧内には、上記した実施形態において対応する構成要素等を示しているが、これに限定されるものではない。

（１） ロータ（ロータ５１）と、該ロータの径方向外側に配置されるステータ（ステータ５２）と、を備え、
前記ロータは、
内部に冷媒流路（冷媒流路１１）が設けられたロータシャフト（ロータシャフト１０）と、
前記ロータシャフトが挿通するロータシャフト孔（ロータシャフト孔２１）と、周方向に沿って設けられた複数の磁石挿入孔（磁石挿入孔２４）と、軸方向に貫通するコア貫通孔（コア貫通孔２５）と、を有するロータコア（ロータコア２０）と、
前記磁石挿入孔に挿入された磁石（磁石３１）によって構成される複数の磁極部（磁極部３０）と、
前記ロータコアの軸方向一端側に配置される第１エンドプレート（第１エンドプレート４０ａ）と、
前記ロータコアの軸方向他端側に配置される第２エンドプレート（第２エンドプレート４０ｂ）と、を備え、
前記ステータは、
前記第１エンドプレートの径方向外側に位置する第１コイルエンド（第１コイルエンド９８ａ）と、
前記第２エンドプレートの径方向外側に位置する第２コイルエンド（第２コイルエンド９８ｂ）と、を有する、回転電機（回転電機５０）であって、
前記第１エンドプレートは、
第１冷媒排出孔（第１冷媒排出孔４２ａ）と、
前記冷媒流路に連通するとともに前記第１冷媒排出孔に連通する第１溝部（第１溝部４４）と、
前記冷媒流路に連通するとともに前記コア貫通孔に連通する第２溝部（第２溝部４５）と、を有し、
前記第２エンドプレートは、
前記冷媒流路に直接的に連通せずに、前記コア貫通孔及び前記第２溝部を介して前記冷媒流路に連通する第２冷媒排出孔（第２冷媒排出孔４２ｂ）を有する、回転電機。

（１）によれば、第１エンドプレートの第２溝部から第２エンドプレートの第２冷媒排出孔に流れる途中でロータコアに形成されたコア貫通孔を通る冷媒により、ロータの磁極部が内部から冷却される。また、第１エンドプレートの第１冷媒排出孔から排出される冷媒により、ステータの第１コイルエンドが冷却されるとともに、第２エンドプレートの第２冷媒排出孔から排出される冷媒により、ステータの第２コイルエンドが冷却される。したがって、冷媒流路から供給される冷媒により、ロータの磁極部を内部から冷却することができるとともに、ステータの両側のコイルエンドを適切に冷却することができる。

また、第２冷媒排出孔は、冷媒流路に直接的に連通せずに、コア貫通孔及び第２溝部を介して冷媒流路に連通するので、ロータシャフトには第１エンドプレート側にのみ冷媒流路と第１エンドプレートの第１溝部及び第２溝部に連通する連通溝（冷媒供給路）を加工すればよい。したがって、ロータシャフトの加工を容易にでき、加工費の増加を抑制できる。

（２） （１）に記載の回転電機であって、
前記第１エンドプレートには、前記冷媒流路から延びる冷媒供給路（冷媒供給路１２）との接続部に、環状の冷媒溜まり部（冷媒溜まり部４３）が設けられ、
前記第１溝部及び前記第２溝部は、前記冷媒溜まり部を介して前記冷媒流路に連通する、回転電機。

（２）によれば、第１溝部及び第２溝部は、環状の冷媒溜まり部を介して冷媒流路に連通するので、全周に亘って冷媒溜まり部から第１溝部及び第２溝部へ安定して冷媒が供給される。
また、冷媒溜まり部は第１エンドプレートと冷媒流路から延びる冷媒供給路との接続部、即ちロータの内径側に設けられるので、回転バランスが崩れるのを抑制することができる。

（３） （２）に記載の回転電機であって、
前記第１溝部から前記第１冷媒排出孔を介して前記第１コイルエンドに冷媒を供給する第１冷媒供給経路（第１冷媒供給経路６０）と、前記第２溝部から前記コア貫通孔及び前記第２冷媒排出孔を介して前記第２コイルエンドに冷媒を供給する第２冷媒供給経路（第２冷媒供給経路７０）とは、独立している、回転電機。

（３）によれば、第１冷媒供給経路と第２冷媒供給経路とが独立しているので、第１冷媒供給経路を流れる冷媒と第２冷媒供給経路を流れる冷媒とが混じり合うことがなく、冷媒溜まり部にて分配された冷媒をそのまま第１コイルエンド及び第２コイルエンドに供給することができる。

（４） （１）～（３）のいずれかに記載の回転電機であって、
前記ロータコアには、複数の前記コア貫通孔が設けられ、
前記第１エンドプレートには、複数の前記第１冷媒排出孔と、該複数の第１冷媒排出孔に連通する複数の前記第１溝部と、前記複数のコア貫通孔に連通する複数の前記第２溝部と、が設けられ、
前記第２エンドプレートには、前記複数のコア貫通孔に連通する複数の前記第２冷媒排出孔が設けられ、
前記複数の第１溝部と前記複数の第２溝部は、周方向に交互に配置されている、回転電機。

（４）によれば、複数の第１溝部と複数の第２溝部が周方向に交互に配置されているので、第１溝部及び第２溝部にバランスよく冷媒を供給することができる。

（５） （１）～（４）のいずれかに記載の回転電機であって、
前記第１溝部と前記第２溝部とは、溝幅が異なる、回転電機。

（５）によれば、第１溝部と第２溝部とで溝幅を変えることで、第１コイルエンドと第２コイルエンドに供給する冷媒量を調整することができる。

（６） （１）～（５）のいずれかに記載の回転電機であって、
前記コア貫通孔は、前記複数の磁極部の最内径部（最内径部３０ａ）よりも径方向外側に位置する、回転電機。

（６）によれば、コア貫通孔を通る冷媒によって、発熱体である磁石を効果的に冷却することができる。

（７） （１）～（６）のいずれかに記載の回転電機であって、
前記コア貫通孔は、前記周方向で隣接する前記磁極部間に設けられている、回転電機。

（７）によれば、周方向で隣接する磁極部間にコア貫通孔を設けることで、１つのコア貫通孔で２つの磁極部を冷却することができ、コア貫通孔の加工工程を削減できる。

１０ ロータシャフト
１１ 冷媒流路
１２ 冷媒供給路
２０ ロータコア
２１ ロータシャフト孔
２４ 磁石挿入孔
２５ コア貫通孔
３０ 磁極部
３０ａ 最内径部
３１ 磁石
４０ａ 第１エンドプレート
４０ｂ 第２エンドプレート
４２ａ 第１冷媒排出孔
４２ｂ 第２冷媒排出孔
４３ 冷媒溜まり部
４４ 第１溝部
４５ 第２溝部
５０ 回転電機
５１ ロータ
５２ ステータ
６０ 第１冷媒供給経路
７０ 第２冷媒供給経路
９８ａ 第１コイルエンド
９８ｂ 第２コイルエンド

Claims (6)

1. ロータと、該ロータの径方向外側に配置されるステータと、を備え、
   前記ロータは、
   内部に冷媒流路が設けられたロータシャフトと、
   前記ロータシャフトが挿通するロータシャフト孔と、周方向に沿って設けられた複数の磁石挿入孔と、軸方向に貫通する複数のコア貫通孔と、を有するロータコアと、
   前記磁石挿入孔に挿入された磁石によって構成される複数の磁極部と、
   前記ロータコアの軸方向一端側に配置される第１エンドプレートと、
   前記ロータコアの軸方向他端側に配置される第２エンドプレートと、を備え、
   前記ステータは、
   前記第１エンドプレートの径方向外側に位置する第１コイルエンドと、
   前記第２エンドプレートの径方向外側に位置する第２コイルエンドと、を有する、回転電機であって、
   前記第１エンドプレートは、
   複数の第１冷媒排出孔と、
   前記冷媒流路に連通するとともに前記複数の第１冷媒排出孔に連通する複数の第１溝部と、
   前記冷媒流路に連通するとともに前記複数のコア貫通孔に連通する複数の第２溝部と、を有し、
   前記第２エンドプレートは、
   前記冷媒流路に直接的に連通せずに、前記複数のコア貫通孔及び前記複数の第２溝部を介して前記冷媒流路に連通する複数の第２冷媒排出孔を有し、
   前記複数の第１溝部と前記複数の第２溝部は、周方向に一つずつ交互に配置されている、回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機であって、
   前記第１エンドプレートには、前記冷媒流路から延びる冷媒供給路との接続部に、環状の冷媒溜まり部が設けられ、
   前記第１溝部及び前記第２溝部は、前記冷媒溜まり部を介して前記冷媒流路に連通する、回転電機。
3. 請求項２に記載の回転電機であって、
   前記第１溝部から前記第１冷媒排出孔を介して前記第１コイルエンドに冷媒を供給する第１冷媒供給経路と、前記第２溝部から前記コア貫通孔及び前記第２冷媒排出孔を介して前記第２コイルエンドに冷媒を供給する第２冷媒供給経路とは、独立している、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、
   前記第１溝部と前記第２溝部とは、溝幅が異なる、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、
   前記コア貫通孔は、前記複数の磁極部の最内径部よりも径方向外側に位置する、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、
   前記コア貫通孔は、前記周方向で隣接する前記磁極部間に設けられている、回転電機。

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