JP7289717B2

JP7289717B2 - 回転電機

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Publication number: JP7289717B2
Application number: JP2019090810A
Authority: JP
Inventors: 斉士桂; 太一北村; 賢司北田
Original assignee: Exedy Corp
Current assignee: Exedy Corp
Priority date: 2019-05-13
Filing date: 2019-05-13
Publication date: 2023-06-12
Anticipated expiration: 2039-05-13
Also published as: US20200366139A1; JP2020188561A; CN111934493A; US11368059B2

Description

本発明は、回転電機に関する。

従来、シャフトと、前記シャフトと一体回転する磁極を備えた回転子と、前記回転子の外側に対向配置された固定子と、前記シャフトを回転自在に支持し、前記回転子および前記固定子を収納するブラケットと、前記ブラケットに固定され、内周面が空隙を介して前記回転子と対向し、前記回転子および前記固定子とともに磁気回路を形成する継鉄部と、前記継鉄部のうち外径が他の部分より小さい薄肉部の外周面と係合するボビンと、前記ボビンに巻回され、磁束を発生させる界磁コイルと、前記薄肉部に接合され、前記ボビンを軸方向に保持する保持材とを備えた回転電機が公知である（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２－２４４８０６号公報

前記従来の回転電機では、回転子から固定子に効率よく磁束を流す構成については考慮されてない。

本発明は、回転子から固定子に効率よく磁束を流して、トルクを向上させることが可能な回転電機を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するための手段として、以下のように構成する。すなわち、本発明の１つの態様によれば、非回転部材と、前記非回転部材に固定された固定子と、前記非回転部材に固定され、前記固定子の内径側に配置され、界磁コイル鉄心に巻線を巻回した界磁コイルと、前記固定子および前記界磁コイルの間に回転可能に配置された回転子とを備え、前記回転子の前記固定子に対向する部分における前記回転子の回転軸に対する径方向の寸法が、前記回転子の回転軸の延在方向の一端と前記延在方向の一端とは異なる部分とで異なっている、回転電機を提供する。

前記態様の回転電機によれば、回転子の固定子に対向する部分における径方向の寸法が、回転子の回転軸の延在方向の一端と回転子の回転軸の延在方向の一端とは異なる部分とで異なっている。このような構成により、回転子から固定子に効率よく磁束を流して、回転電機のトルクを向上させることができる。

本実施形態に係る回転電機の部分破断斜視図である。図１のハウジングを示す部分破断斜視図である。図１の界磁コイル鉄心を示す部分破断斜視図である。図１の回転子を示す部分破断斜視図である。他の実施形態に係る回転電機の部分破断斜視図である。他の実施形態に係る回転電機の部分破断斜視図である。他の実施形態に係る回転子の部分破断斜視図である。他の実施形態に係る回転子の部分破断斜視図である。他の実施形態に係る回転子の部分破断斜視図である。他の実施形態に係る回転子および界磁コイル鉄心の部分破断斜視図である。他の実施形態に係る界磁コイル鉄心の部分破断斜視図である。他の実施形態に係る回転電機の模式図である。

以下、本発明に係る実施形態を添付図面に従って説明する。なお、以下の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物、あるいは、その用途を制限することを意図するものではない。

本発明の回転電機は、ＨＥＶ（ハイブリッド電気自動車）、ＥＶ（電気自動車）、その他電動機を構成として含む機器に適用できる。本実施形態では、一例としてＥＶ（電気自動車）用の回転電機について説明する。

図１は、本実施形態に係る回転電機の部分破断斜視図である。この回転電機は、非回転部材の一例のハウジング１と、ハウジング１の外周面を覆うジャケット２と、ハウジング１内に設けられる、固定子３、界磁コイル鉄心４及び回転子５とを備え、回転子５が、界磁コイル鉄心４のまわりをハウジング１、固定子３及び界磁コイル鉄心４に対して回転するように構成されている。

ハウジング１は、図２に示すように、有底筒状のハウジング本体６と、このハウジング本体６の一端側開口部を覆う蓋体（図示せず）とで構成されている。ハウジング本体６の他端側の壁部７の中央には段付き凹部８が形成されている。段付き凹部８の中心には貫通穴９が形成されている。壁部７の内面側には、段付き凹部８によってガイド部１０が形成されている。ガイド部１０は、段付き形状で、先端側から第１凸部１０ａ、第２凸部１０ｂ及び第３凸部１０ｃで構成されている。壁部７の外端面には、段付き凹部８の周囲の内径側環状リブ１１ａと、外周縁の外径側環状リブ１１ｂと、径方向に延び、内径側環状リブ１１ａと外径側環状リブ１１ｂとを接続する複数の直線リブ１１ｃとが形成されている。また、ハウジング本体６の外周面には全周に亘って環状溝１２が形成されている。

ジャケット２は、図１に示すように、ハウジング１の外周面を覆う円筒状に形成されている。ジャケット２は、ハウジング１の環状溝１２を覆って熱交換媒体の一例としての冷却水を流動させる冷却水路１３を区画する。ジャケット２には、冷却水路１３に連通する複数の連通穴（図示せず）が形成され、これら連通穴を介して冷却水路１３で冷却水を流動できるように構成されている。

固定子３は、固定子コア１４とコイル１５を備える。固定子コア１４は、複数の電磁鋼板を積層することにより得られる。固定子コア１４は、電磁鋼板の積層方向が界磁コイル鉄心４の軸方向に合致するようにしてハウジング１に取り付けられている。コイル１５は、固定子コア１４にその軸方向の両端部からはみ出すように巻回されている。

界磁コイル鉄心４は、図３に示すように、界磁コイル鉄心本体１６、界磁コイル鉄心鍔部１７及び界磁コイル１８を備える。界磁コイル鉄心本体１６は、鉄心部１９と鍔部２０で構成されている。鍔部２０の端面中央には円形状の位置決め凹部２１が形成されている。位置決め凹部２１の中心には流動穴２２が形成されている。流動穴２２は、鉄心部１９の長手方向の中央位置を超えて延び、先端近傍に到達している。また鍔部２０の端面外周側には環状凸部２３が形成されている。界磁コイル鉄心鍔部１７は鉄心部１９の先端に固定されている。界磁コイル１８は、鍔部２０との間に形成されるコイル巻回部に巻回されている。

界磁コイル鉄心４は、その界磁コイル鉄心鍔部１７をハウジング１の壁部７の内面に形成したガイド部１０に固定されている。すなわち、界磁コイル鉄心鍔部１７の位置決め凹部２１にはガイド部１０の第１凸部１０ａが嵌合し、環状凸部２３にはガイド部１０の第２凸部１０ｂが嵌合している。これにより、界磁コイル鉄心４は、ハウジング１に対していわゆる片持ち状態で支持される。この状態で、ハウジング１の貫通穴９と、界磁コイル鉄心４の流動穴２２とが連通する。流動穴２２には、貫通穴９を介して、流動穴２２よりも小さい外径寸法を有するパイプ２４が挿入されている。これにより、パイプ２４の中心穴（第１流路）を介して流動穴２２内に冷却水を供給すると、この冷却水は、パイプ２４の中心穴を通って流動穴２２の底部まで到達し、流動穴２２とパイプ２４の間に形成される環状通路２５（第２流路）を貫通穴９側まで流動した後、流動穴２２の外部に排出されることになる。なお、環状凸部２３と第２凸部１０ｂとが嵌合することにより、第２凸部１０ｂの外周部分に環状につながった溝が形成されている。この溝にはベアリング２６が配置されている。

回転子５は、図４に示すように、第１回転子部２７と第２回転子部２８を備え、界磁コイル鉄心４の外周側で、固定子３および界磁コイル鉄心４に対して回転可能に支持されている。

第１回転子部２７は、第１環状部２９を備える。第１環状部２９からは、この第１環状部２９よりも小径の筒部３０が突出している。第１環状部２９は、ベアリング２６を介してハウジング１のガイド部１０に回転可能に支持されている。また、第１環状部２９からは、筒部３０とは反対側に複数の第１延在部３１が突出している。第１延在部３１は、第１環状部２９の周方向に所定ピッチで形成され、隣接する２つの第１延在部３１の間は第１逃がし部３２となっている。第１回転子部２７は磁性材料で構成され、界磁コイル１８の巻線への通電により例えばＳ極となる。

第２回転子部２８は、第２環状部３３を備える。第２環状部３３は、固定子５および界磁コイル１８に対して回転可能に支持されている。第２環状部３３からは、この第２環状部３３よりも小径の台座部３４が突出している。台座部３４の中央からは回転軸部３５が突出している。回転軸部３５の回転力が図示しない被駆動部へと伝達される。また、第２環状部３３からは、台座部３４とは反対側に、複数の第２延在部３６が突出している。第２延在部３６は、第２環状部３３の周方向に所定ピッチで形成され、隣接する２つの第２延在部３６の間は第２逃がし部３７となっている。第２回転子部２８は磁性材料で構成され、界磁コイル１８の巻線への通電により例えばＮ極となる。

第１回転子部２７と第２回転子部２８は、第１回転子部２７の第１延在部３１を第２回転子部２８の第２逃がし部３７に、第２回転子部２８の第２延在部３６を第１回転子部２７の第１逃がし部３２にそれぞれ位置させた状態で、電気的に絶縁された位置決めピン３８によって互いに連結される。これにより、第１回転子部２７と第２回転子部２８とは、周方向及び軸方向への位置ずれが防止され、第１延在部３１と第２延在部３６とで筒状部３９が形成される。

前記構成の回転電機では、図示しないインバータからコイル１５に通電して回転子５を電気的に回転させることにより回転軸部３５を介して被駆動部を駆動する。このとき、コイル１５への通電によりコイル１５自体が発熱する。そこで、ハウジング１とジャケット２とで形成された冷却水路１３に冷却水を供給する。供給された冷却水は冷却水路１３を流動し、ハウジング１の外周面から内部の熱を吸収する。また、パイプ２４を介して界磁コイル鉄心４の流動穴２２に冷却水を供給する。供給された冷却水は、流動穴２２とパイプ２４との間に形成される環状通路２５を流動して界磁コイル鉄心４を介して界磁コイル１８の熱を吸収する。

このように、前記実施形態に係る回転電機によれば、ハウジング１とジャケット２の間の冷却水路１３だけでなく、界磁コイル鉄心４内にも冷却水を供給することにより、内側からも冷却できるようにしている。したがって、界磁コイル１８を有する界磁コイル鉄心４を回転子５の内径側に配置した構成であるにも拘わらず、界磁コイル１８から発生する熱を効果的に除去し、良好な駆動状態を確保できる。

なお、本発明は、前記実施形態に記載された構成に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。

前記実施形態では、水冷式としたが、油冷式等の他の熱交換媒体を利用した冷却方式としてもよい。

前記実施形態では回転子５の筒状部３９は、ほぼ均一厚さの円筒状に形成したが、その一部を、薄肉としたり、あるいは、厚肉としたりしてもよい。

図５では、各回転子部２７の固定子３に対向する面（すなわち、第１回転子部２７の外周面および第２回転子部２８の外周面）に、回転子５の回転軸に対する周方向の全周に延びる溝部４０（第１環状部２９側のみ図示）がそれぞれ形成されている。各溝部４０は、一例として、断面略四角形状で、略一定の幅および深さを有している。第１回転子部２７の溝部４０は、第１延在部３１の回転子５の回転軸の延在方向における第２回転子部２８の第２環状部３３から遠い方の一端に設けられている。また、第２回転子部２８の溝部４０は、第２延在部３６の第１回転子部２７の第１環状部２９から遠い方の一端に設けられている。この溝部４０により、固定子３に対向する部分の回転子５の回転軸の延在方向の一端における回転子５の回転軸に対する径方向の寸法と、固定子３に対向する部分の回転子５の回転軸の延在方向の一端とは異なる部分（例えば、中央）における径方向の寸法とが異なっている。このような構成により、溝部４０を有していない回転電機と比較して、固定子３の中央部から回転子５に向かう部分に磁束を集中させることができる。その結果、回転子５から固定子３に効率よく磁束を流して、回転子５の回転状態を安定させつつ、回転電機のトルクを向上させることができる。

図６では、第１回転子部２７の第１延在部３１及び第２回転子部２８の第２延在部３６の内面が、先端に向かうに従って徐々に外径側に肉厚が除変する湾曲面３５ａで構成されている。言い換えると、回転子５の各回転子部２７、２８が、固定子３に対向する部分において、界磁コイル鉄心４に対向し、かつ、回転子５の回転軸の延在方向の一端から中央に向かうに従って界磁コイル鉄心４から離れるように傾斜する傾斜面５１を有している。各傾斜面５１は、第１回転子部２７の第１延在部３１および第２回転子部２８の第２延在部３６の各々における界磁コイル鉄心４に対向して配置され、回転子５の回転軸に対する径方向でかつ界磁コイル鉄心４から離れる方向に湾曲している。つまり、第１延在部３１及び第２延在部３６の肉厚を基部側で厚く、先端に向かうに従って徐々に薄くなるようにしている。この傾斜面５１により、固定子３に対向する部分の回転子５の回転軸の延在方向の一端における回転子５の回転軸に対する径方向の寸法と、固定子３に対向する部分の回転子５の回転軸の延在方向の一端とは異なる部分（例えば、中央）における径方向の寸法とが異なっている。このように構成することで、傾斜面５１を有していない回転電機と比較して、第２延在部３６の固定子３に対向する部分で、ほぼ均一な磁束分布を得ることができるようにしている。その結果、回転子５から固定子３に効率よく磁束を流して、回転電機のトルクを向上させることができる。

この場合、界磁コイル鉄心４の鉄心部１９に巻回する界磁コイル１８が、回転子５の傾斜面５１に沿って延びる径方向の外縁を有するのが好ましい。図６では、界磁コイル１８は、一例として、段付き形状、すなわち、径方向の外縁が回転子５の回転軸の延在方向において中央から両端に向かうに従って径方向において界磁コイル鉄心４に接近する階段状を有している。ここでは、界磁コイル１８を、複数の階段状を成すように巻回することで、全体としてラグビーボール状または楕円形状または紡錘形状とし、第１延在部３１及び第２延在部３６の内面形状に沿うように形成している。これにより、回転子５の内側のスペースを有効利用して、界磁コイル１８の有効断面積を大きくすることができる。また、界磁コイル１８の巻き数を多くすることができるので、図１の回転電機と比較して、回転子５の回転軸の延在方向における界磁コイル１８の巻回長さを短くすることができる。その結果、界磁コイル鉄心４を回転子５の回転軸の延在方向に短くして、回転子５の回転軸の延在方向において回転電機を小型化することができる。なお、界磁コイル１８の外縁が、階段状ではなく、直線状あるいは湾曲状であっても、同様の効果を得ることができる。

前記実施形態では、パイプ２４および環状通路２５で構成された流路を設けているが、この流路は、省略することができる。すなわち、本発明は、流路が設けられていない回転電機にも適用できる。

また、例えば、図１２に示すように、界磁コイル１８が、回転子５の回転軸の延在方向における固定子３の両端にそれぞれ設けられた回転電機にも適用できる。なお、図１２では、回転子５の回転軸を一点鎖線で示している。

前記実施形態では、第１回転子部２７と第２回転子部２８を位置決めピン３８で連結するようにしたが、次のように構成してもよい。

図７では、第１回転子部２７と第２回転子部２８の間に、非磁性材料で構成された第１中間部材４１が配置されている。詳しくは、第１中間部材４１は、第１延在部３１と第２延在部３６の周方向の隙間を埋めるようにして配置されている。第１延在部３１と第２延在部３６には、幅方向の中心に、先端から基部側に向かって溝３６ａ（第１延在部３１側は図示せず）が形成されている。第１中間部材４１の両側面には、幅方向の中心に長手方向に延び、この溝に嵌合する突条部４１ａがそれぞれ形成されている。溝３６ａ及び突条部４１ａは、断面矩形状であってもよいが、断面Ｔ字形とすることにより端面側からスライドさせて係合させる構成とすれば、径方向への位置ずれを確実に防止できる点で好ましい。

図８では、第１回転子部２７と第２回転子部２８の間に、永久磁石で構成された第１中間部材４１が配置されている。

図９では、さらに、第１延在部３１の先端と第２逃がし部３７の間、及び、第２延在部３６の先端と第１逃がし部３２の間に、永久磁石で構成された第２中間部材４２が配置されている。また、第２中間部材４２も、前記第１中間部材４１と同様に非磁性体で構成することも可能である。この場合も、前記第１中間部材４１と同様に、第１回転子部２７と第２回転子部２８に溝を形成する一方、第２中間部材４２に突条部を形成して両者を嵌合するようにすればよい。これにより、回転子５の周方向には第１中間部材４１によって、回転子５の軸方向には第２中間部材４２によってそれぞれ位置ずれが防止される。

図１０では、回転子５の内径側に補強リング４３が配置されている。補強リング４３は、中空の円筒状で、両端開口縁から長手方向に延びる複数のスリット４４がそれぞれ形成されている。補強リング４３の一端側では、第１回転子部２７の各第１延在部３１にそれぞれ対応する位置に形成され、他端側では、第２回転子部２８の各第２延在部３６にそれぞれ対応する位置に形成されている。各第１延在部３１及び各第２延在部３６には、各スリット４４に係合する断面Ｔ字形の突条部３６ｂ（第１延在部３１側は図示せず）がそれぞれ形成されている。図１０の構成によれば、図９に示すような第１中間部材４１や第２中間部材４２を不要としても、回転子５の回転強度を向上しつつ、第１回転子部２７と第２回転子部２８を位置決めすることができる。

前記実施形態では、界磁コイル鉄心４の鉄心部１９の中心に流動穴２２を形成するようにしたが、この流動穴２２は次のように構成することもできる。

図１１では、鉄心部１９の外周側の同一円周上に複数の流動穴４５が形成されている。各流動穴４５は鉄心部１９の両端に貫通している。界磁コイル鉄心鍔部１７には、前記複数の流動穴４５が連通する溝４６が形成されている。この構成により、鉄心部１９の一端側からいずれかの流動穴４５から流入した熱交換媒体は、他端側へと流動した後、溝４６を流動して残る他の流動穴４５のいずれかを介して一端側へと流動する。これによれば、鉄心部１９の外周側での冷却が可能となり、中心部に設ける場合に比べてより一層冷却効果を発揮させることができる。

本発明は、例えば、ＨＥＶ（ハイブリッド電気自動車）、ＥＶ（電気自動車）、その他電動機を構成として含む機器に適用できる。

１…ハウジング
２…ジャケット
３…固定子
４…界磁コイル鉄心
５…回転子
６…ハウジング本体
７…壁部
８…段付き凹部
９…貫通穴
１０…ガイド部
１１…リブ
１２…環状溝
１３…冷却水路
１４…固定子コア
１５…コイル
１６…界磁コイル鉄心本体
１７…界磁コイル鉄心鍔部
１８…界磁コイル
１９…鉄心部
２０…鍔部
２１…位置決め凹部
２２…流動穴
２３…環状凸部
２４…パイプ（流路）
２５…環状通路（流路）
２６…ベアリング
２７…第１回転子部
２８…第２回転子部
２９…第１環状部
３０…筒部
３１…第１延在部
３２…第１逃がし部
３３…第２環状部
３４…台座部
３５…回転軸部
３６…第２延在部
３７…第２逃がし部
３８…位置決めピン
３９…筒状部
４０…溝部
４１…第１中間部材
４２…第２中間部材
４３…補強リング
４４…スリット
４５…流動穴
４６…溝
５１…傾斜面

Claims

非回転部材と、
前記非回転部材に固定された固定子と、
前記非回転部材に固定され、前記固定子の内径側に配置され、界磁コイル鉄心に巻線を巻回した界磁コイルと、
前記固定子および前記界磁コイルの間に回転可能に配置された回転子と
を備え、
前記回転子は、
前記固定子に対向する部分において、前記回転子の回転軸の延在方向の一端と前記延在方向の一端とは異なる部分とで、異なる前記回転子の回転軸に対する径方向の寸法を有し、
前記回転子が、
前記部分において、前記界磁コイル鉄心に対向し、かつ、前記延在方向の一端から前記延在方向の中央に向かうに従って前記界磁コイル鉄心から離れるように傾斜する傾斜面を有し、
前記傾斜面により、前記部分の前記延在方向の一端における前記径方向の寸法と、前記部分の前記延在方向の一端とは異なる部分における前記径方向の寸法とが異なっており、
前記界磁コイルが、
前記回転子の前記傾斜面に沿って延びる前記径方向の外縁を有し、全ての前記径方向に隣接する前記巻線が接触している、回転電機。