(57)【要約】【課題】簡単な構造によってロータの温度を効率よく下げることのできる冷却機構を有した回転電機を提供する。【解決手段】回転電機１は、シャフト２１の回転軸線Ａに沿う方向に延びる永久磁石２３を回転子鉄心２２の外周寄りに内蔵配置したロータ２を備える。そして、回転子鉄心２２は、シャフト２１の両端側に積層して配置された複数の第１の鋼板２２１と、積層された第１の鋼板２２１よりもシャフト２１の中央側に積層して配置された複数の第２の鋼板２２２とを備える。第１の鋼板２２１は、シャフト２１寄りに設けられる第１の孔２０１およびシャフト２１の半径方向に永久磁石２３から第１の孔２０１までの間に設けられる第２の孔２０２を有する。第２の鋼板２２２は、第１の孔２０１を第２の孔２０２に連通する第３の孔２０３を有する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シャフトの回転軸線に沿う方向に延びる永久磁石を回転子鉄心の外周寄りに内蔵配置したロータを備える回転電機であって、
前記回転子鉄心は、
前記シャフト寄りに設けられる第１の孔および前記シャフトの半径方向に前記永久磁石から前記第１の孔までの間に設けられる第２の孔を有し、前記シャフトの両端側に積層して配置された複数の第１の鋼板と、
前記第１の孔を前記第２の孔に連通する第３の孔を有し、積層された前記第１の鋼板よりも前記シャフトの中央側に積層して配置された複数の第２の鋼板と、を備える
ことを特徴とする回転電機。
【請求項２】
前記第１の孔は、前記第２の孔に対して前記ロータの回転方向にずれて配置される
ことを特徴とする請求項１に記載された回転電機。
【請求項３】
前記シャフトの片側に前記第１の鋼板を積層した部分の長さ及び前記第２の鋼板を積層した部分の長さは、前記ロータの回転軸線に方向へ前記回転子鉄心の３分の１の長さを有している
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された回転電機。
【請求項４】
前記回転子鉄心は、積層された前記第２の鋼板の間に、前記第３の孔どうしの連通を少なくとも遮る第３の鋼板をさらに備える
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載された回転電機。
【請求項５】
前記第１の孔及び前記第２の孔は、前記ロータの回転方向に等配に複数ずつ設けられ、前記第１の孔は、前記第２の孔どうしの間の回転角度となる位置に配置される
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載された回転電機。
【請求項６】
前記第２の鋼板は、前記第３の孔が前記第１の孔を前記ロータの第１の回転方向に下流側の前記第２の孔に連通させる第１の配置のものと、前記第３の孔が前記第１の孔を前記ロータの第２の回転方向に下流側の前記第２の孔に連通させる第２の配置のものと、を含む
ことを特徴とする請求項５に記載された回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石が組み込まれたロータの冷却機構を備える回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石が組み込まれたロータと、このロータの外周を囲いコイルが捲回されたステータとを、ケーシングに収納した回転電機がある。回転電機は、コイルに通電されると、ステータが励磁され、ロータを回転させるトルクを発生する。また、ロータには永久磁石が組み込まれているので、外部から供給されるトルクによってロータが回転されると、ステータに磁場の変化を与え、コイルに電流を発生させる。
【０００３】
いずれの場合も、ステータ及びロータを構成するそれぞれの鉄心は、磁場の作用を受けて内部に渦電流を生じ発熱する。また、コイルに通電してロータを回転させる場合もロータが回転してコイルに電流を発生させる場合もコイルに電流が流れるため、コイルも発熱する。温度が上がると、回転電機の出力が低下するため、これらを冷却する必要がある。ロータは、回転することによって周囲の空気と熱伝達されるので冷却されやすい。ステータは、ケーシングに固定されているので、ウォータージャケットや放熱フィンをケーシングに設けて冷却されることがある。
【０００４】
特許文献１に記載された回転電動機は、自動車の内燃機関に設けられる過給機を内燃機関が低速回転である場合に駆動するために設けられる。したがって、この回転電動機は、排気ガスによって高温に曝されるため、電動機としての効率が低下しないように、ロータの軸受部に供給されるオイルを利用して永久磁石の冷却を行う。そのために、特許文献１に記載された回転電動機は、ロータの中に設けられた収容空間と、オイルをロータの収容空間の中に吸い込む吸入口と、収容空間のオイルをロータとステータとの間に噴射する噴出口と、を有している。
【０００５】
特許文献２に記載された回転電機によれば、ロータのシャフトの中に形成された供給孔へポンプで潤滑油等の冷媒を送り、シャフトの径方向へ貫通した吐出口からステータへ冷媒を供給する。ステータに供給された冷媒は、ステータのスロットに装着された導電体を冷却するとともにさらに外径方向へ移動してステータの外周側に沿って流通する。冷媒としてエアを供給して導電体を冷却してもよいことが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−６７４６６号公報
【特許文献２】特開２０１３−２０７９３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、電気自動車やハイブリッド自動車に適用される回転電機は、駆動用モータとして設けられるだけでなく、制動時には回生エネルギーを生み出す発電機としても利用される。そのため、特許文献１のように潤滑油を冷媒に使用する場合、潤滑油の劣化とともに粘性が高くなりロータの回転抵抗となるため、駆動用モータとしての効率だけでなく減速中の回生エネルギーを生み出す効率も低下してしまう。また、特許文献２のように冷媒としてエアを供給する場合、回転抵抗は軽減されるが、ロータのシャフトの中にエアを供給するための機構が必要である。ロータは、回転することで冷却されやすくなるが、積極的に冷却する構造を有していないため、車両が減速し停止した場合には、ロータの内部に発生した熱がこもってしまう。特許文献２では、冷媒がロータのシャフトの中を通る構造を有しているが、磁石の近傍を直接冷却できるものではない。
【０００８】
そこで、本発明は、簡単な構造によってロータの温度を効率よく下げることのできる冷却機構を有した回転電機を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る一実施形態の回転電機は、シャフトの回転軸線に沿う方向に延びる永久磁石を回転子鉄心の外周寄りに内蔵配置したロータを備える。そして、回転子鉄心は、シャフトの両端側に積層して配置された複数の第１の鋼板とシャフトの中央側に積層して配置された複数の第２の鋼板とを備える。第１の鋼板は、シャフト寄りに設けられる第１の孔およびシャフトの半径方向に永久磁石から第１の孔までの間に設けられる第２の孔を有する。第２の鋼板は、第１の孔を第２の孔に連通する第３の孔を有する。
【００１０】
このとき、第１の孔は、第２の孔に対してロータの回転方向にずれて配置される。また、シャフトの片側に第１の鋼板を積層した部分の長さ及び第２の鋼板を積層した部分の長さは、ロータの回転軸線方向に回転子鉄心の３分の１の長さをそれぞれ有している。また、回転子鉄心は、積層された第２の鋼板の間に、第３の孔どうしの連通を少なくとも遮る第３の鋼板をさらに備える。
【００１１】
第１の孔及び第２の孔は、ロータの回転方向に等配に複数ずつ設けられ、第１の孔は第２の孔どうしの間の回転角度となる位置に配置する。このとき、第２の鋼板は、第３の孔が第１の孔をロータの第１の回転方向に下流側の第２の孔に連通させる第１の配置のものと、第３の孔が第１の孔をロータの第２の回転方向に下流側の第２の孔に連通させる第２の配置のものとを含む。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る回転電機によれば、シャフト寄りに設けられる第１の孔からケーシング内の気体をロータの端部から回転軸線に沿う方向へ吸込み、中央部に設けられた第３の孔を介して第２の孔から排出する。回転子鉄心は、第１の鋼板及び第２の鋼板の２種類の部材によって構成されており、簡単な構造でロータの内部にケーシング内の気体を循環させることができる。
【００１３】
また、第１の孔が第２の孔に対してロータの回転方向にずれて配置される発明の回転電機によれば、ロータが回転するときの遠心力によって、気体の流れが促進されやすくなる。また、シャフトの片側に第１の鋼板を積層した部分の長さ及び第２の鋼板を積層した部分の長さをロータの回転軸線方向に回転子鉄心の３分の１の長さにそれぞれ設ける発明の回転電機によれば、回転子鉄心の端部の第１の孔から吸い込まれた気体が中央側の第３の孔で折り返し第２の孔へ排出されやすい。
【００１４】
積層された第２の鋼板の間に、第３の孔どうしの連通を少なくとも遮る第３の鋼板を回転子鉄心がさらに備える発明の回転電機によれば、第１の孔から吸い込んだ気体を吸い込んだ側と同じ側の第２の孔から排出する。気体の流れが偏らず冷却効率が平均化される。
【００１５】
第１の孔及び第２の孔がロータの回転方向に等配に複数ずつ設けられ、第２の孔どうしの間の回転角度となる位置に第１の孔が配置される発明の回転電機によれば、第１の鋼板が裏返しても同じ形状になるので、回転子鉄心を組み立てる際の作業性が向上する。そして、第３の孔が第１の孔をロータの第１の回転方向に下流側の第２の孔に連通させる第１の配置のものと、第３の孔が第１の孔をロータの第２の回転方向に下流側の第２の孔に連通させる第２の配置のものとを、第２の鋼板が含む発明の回転電機によれば、第１の回転方向にロータが回転される場合においては、第１の配置の第２の鋼板の第３の孔を介して第１の孔から第２の孔へ気体が循環され、第２の回転方向にロータが回転される場合においては、第２の配置の第２の鋼板の第３の孔を介して第１の孔から第２の孔へ気体が循環される。つまり、車両等に搭載されて、前進走行するためにロータが回転する方向を第１の回転方向とすると、第２の回転方向に回転される場合、すなわち後進走行するためにロータが逆転される場合にも、気体が第１の孔から第２の孔へ流れやすい。したがって、どちらにロータが回転しても、循環されるケーシング内の気体によって、回転子鉄心は、効率よく冷却される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る第１の実施形態の回転電機のロータの回転軸線に沿う断面図。
【図２】図１中のＦ２−Ｆ２線に沿うロータの断面図。
【図３】図１中のＦ３−Ｆ３線に沿うロータの断面図。
【図４】図１のロータを冷却する気体の流れを模式的に示す断面図。
【図５】本発明に係る第２の実施形態の回転電機のロータを冷却する気体の流れを模式的に示す断面図。
【図６】本発明に係る第３の実施形態の回転電機のロータの中間部分の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明に係る第１の実施形態の回転電機について、図１から図４を参照して説明する。図１に示す回転電機１は、電気自動車やハイブリッド自動車などの車両の駆動用モータとして採用される回転電機であって、供給される電流の向きによって第１の回転方向および第２の回転方向、すなわち正転及び逆転のいずれの回転方向にも駆動力を発生させるモータとして機能するとともに、車両の制動時には回生エネルギーとして電力を発生する発電機としても機能する。この回転電機１は、ロータ２とステータ３とケーシング４とを備える。
【００１８】
ロータ２は、シャフト２１と回転子鉄心２２と永久磁石２３とを備える。シャフト２１の両端部は、それぞれベアリング５を介してケーシング４に支持されている。回転子鉄心２２は、シャフト２１の回転軸線Ａに沿う方向に、図２に示す第１の鋼板２２１と図３に示す第２の鋼板２２２とを、磁性鋼板として多数積層して構成される。永久磁石２３は、シャフト２１の回転軸線Ａに沿う方向に延びており、図２及び図３に示すように回転子鉄心２２の外周寄りに設けられる装填孔２３１に組み込まれている。
【００１９】
ステータ３は、図１に示すように回転子鉄心２２に対してわずかに隙間を有した状態で、ロータ２の外周を囲う環状に形成された固定子鉄心３１を有しており、回転軸線Ａを中心とする周方向に、等配に配置された多数の磁極３２と、この磁極３２の間を通して捲回される導電体のコイル３３とを有している。コイル３３は、ケーシング４の外に引き出される電力線３４に端子３５を介して接続される。また、コイル３３の温度を計測する温度センサ３６が固定子鉄心３１の端部から露出したコイル３３に取り付けられる。
【００２０】
ケーシング４は、ロータ２及びステータ３を囲って形成され、ステータ３の外周面に密接する外周壁４１を有している。ケーシング４は、ステータ３を取り囲むように、外周壁４１の中にウォータージャケット４２を有している。ウォータージャケット４２には、別途設けられたポンプによって、冷却水Ｗが循環される。ステータ３は、ウォータージャケット４２によって冷却される。
【００２１】
また、この回転電機１は、ケーシング４内部の気体Ｇを流通させる循環流路２０をロータ２の回転子鉄心２２に有している。循環流路２０は、第１の鋼板２２１に形成される第１の孔２０１及び第２の孔２０２と、第２の鋼板２２２に形成される第３の孔２０３とで構成される。図２に示すように、第１の孔２０１は、シャフト２１寄りに設けられ、ロータ２の回転方向に等配に複数、本実施形態の場合、８個配置されている。第２の孔２０２は、シャフト２１の半径方向に永久磁石２３から第１の孔２０１までの間に設けられ、ロータ２の回転方向に等配に複数、本実施形態の場合、第１の孔２０１と同じく８個配置される。第３の孔２０３は、第１の孔２０１を第２の孔２０２に連通させるように配置される。
【００２２】
このとき、第１の孔２０１は、第２の孔２０２に対してロータ２の回転方向に対してずれた位置に配置される。第１の実施形態において、第１の孔２０１は、ロータ２の第１の回転方向Ｍ、車両の駆動モータとして利用される場合は前進方向に相当する主要な回転方向となる正転方向に、第２の孔２０２よりも上流側に配置される。すなわち第２の孔２０２は、第１の孔２０１よりも下流側に配置される。したがって、この実施形態では、第３の孔２０３は、図３に示すように第１の孔２０１を第１の回転方向Ｍに下流側の第２の孔２０２に連通させる。
【００２３】
さらに、図２に示すように、第１の孔２０１の位置は、ロータ２の回転方向に第２の孔２０２どうしの間の回転角度となる位置、本実施形態ではちょうど中間の回転角度の位置に配置される。したがって、第１の鋼板２２１は、裏返しても第１の孔２０１と第２の孔２０２の配置が合致する。また、図２に示すように、第１の孔２０１の開口面積よりも第２の孔２０２の開口面積のほうが大きい。
【００２４】
第１の孔２０１及び第２の孔２０２が形成された第１の鋼板２２１は、図４に示すようにシャフト２１の両端側にそれぞれ積層して配置され、第３の孔２０３が形成された第２の鋼板２２２は、積層された第１の鋼板２２１よりもシャフト２１の中央側に積層して配置される。このとき、本実施形態では、シャフト２１の回転軸線Ａに沿う方向へ、シャフト２１の片側に第１の鋼板２２１を積層した部分の長さ及びシャフト２１の中央部分に第２の鋼板２２２を積層した長さは、それぞれ回転子鉄心２２の３分の１の長さに設けられている。第１の鋼板２２１と第２の鋼板２２２をそれぞれ積層する量は、回転子鉄心２２の長さ、半径、回転速度、回転電機１の定格運転時における回転子鉄心２２の発熱量、第１の孔２０１及び第２の孔２０２の開口面積等、条件に応じて適宜調整される。
【００２５】
以上のように構成された回転電機１によれば、ロータ２が回転することによって第３の孔２０３の内部の気体Ｇに遠心力が作用し、半径方向に外側へ気体Ｇが偏る。その結果、第１の孔２０１と第３の孔２０３との接続部近傍が減圧され、第２の孔２０２と第３の孔２０３との接続部近傍が加圧される。また、回転軸線Ａに対して半径方向に外径側のほうが回転子鉄心２２の表面（この場合は端面）の気体Ｇの流速が速いので、回転子鉄心２２の端面において第１の孔２０１の近傍よりも第２の孔２０２の近傍のほうが減圧され、気体Ｇが第２の孔２０２から回転子鉄心２２の外へ吸い出される。
【００２６】
したがって、図４に示すようにこの回転電機１において、ケーシング４の中の気体Ｇは、シャフト２１の回転中心に近い第１の孔２０１から吸い込まれ、回転軸線Ａに沿う方向に中央部分に位置する第３の孔２０３で折り返されて、または反対側の第１の孔２０１から吸い込まれた気体Ｇと混合されて、回転子鉄心２２の両端側に向かって第２の孔２０２から排出される。このように、ケーシング４内の気体Ｇは、第１の孔２０１から吸い込まれ第２の孔２０２から排出されるように回転子鉄心２２に設けられた循環流路２０を気体Ｇが流れるので、磁場の変化によって回転子鉄心２２の内部に発生する熱を放出することができる。このとき、第１の孔２０１よりも第２の孔２０２のほうが、第１の回転方向Ｍに下流側に位置しているので、第１の回転方向Ｍを正転方向としてこの回転電機１が車両等に搭載されて前進走行する場合には、気体Ｇが循環されやすい。さらに、第２の孔２０２の開口面積のほうが第１の孔２０１の開口面積よりも大きいので、回転子鉄心２２の端面における第１の孔２０１と第２の孔２０２の圧力差がさらに大きくなり、循環流路２０を流れる気体Ｇの流速が上がり、流量が増える。
【００２７】
なお、ロータ２の循環流路２０に流されるケーシング４内の気体Ｇとして、空気が使用されるが、窒素や二酸化炭素、ヘリウムあるいはアルゴンなどの不活性ガスでケーシング４内をパージして、これらが循環流路２０に流れるようにしてもよい。
【００２８】
本発明に係る第２の実施形態の回転電機１について、図５を参照して説明する。第２の実施形態の回転電機１の構成のうち第１の実施形態の回転電機１の構成と同じ機能を有する構成は、以下の説明及び図面において同じ符号を付し、詳細な説明は第１の実施形態の対応する記載及び図面を参酌する。
【００２９】
図５に示すように、第２の実施形態の回転電機１において、回転子鉄心２２は、積層された第２の鋼板２２２の間に、第３の孔どうしの連通を少なくとも遮る第３の鋼板２２３を備える。言い換えると、回転子鉄心２２は、積層された第２の鋼板２２２の第３の孔２０３を回転軸線Ａに沿う方向のほぼ中央の位置で、遠心孔２０３内における回転軸線Ａに沿う方向の気体Ｇの流れを塞ぐ第３の鋼板２２３を備える。つまりこの第３の鋼板２２３は、永久磁石２３を差し込む装填孔２３１のみ有している。なお、第３の孔２０３において回転軸線Ａに沿う方向に気体Ｇの流動を抑制できればよいので、第３の鋼板２２３に気密性を求めない。また、回転軸線Ａに沿う方向に永久磁石２３が第３の鋼板２２３の位置で分かれていても回転電機１としての出力に影響がなければ、第３の鋼板２２３は、装填孔２３１も塞がれた円板であってもよい。この他の構成は、第１の実施形態の回転電機１と同じであるので、図１から図３とともに対応する記載を参酌する。
【００３０】
上述のように設けられた回転電機１によれば、回転子鉄心２２の両端の第１の孔２０１から吸い込まれた気体Ｇは、回転軸線Ａに沿う方向に中央部分に位置する第３の孔２０３で混ざり合うことなく、それぞれ吸い込まれた側と同じ側の端部の第２の孔２０２から排出される。第３の鋼板２２３によって第３の孔２０３が中央で仕切られていることで、ケーシング４の内部で気体Ｇが偏らないようにすることができる。
【００３１】
本発明に係る第３の実施形態の回転電機１について、図６を参照して説明する。第３の実施形態の回転電機１の構成のうち第１の実施形態の回転電機１の構成と同じ機能を有する構成は、以下の説明及び図面において同じ符号を付し、詳細な説明は第１の実施形態の対応する記載及び図面を参酌する。
【００３２】
図６は、回転軸線Ａに沿う方向に回転子鉄心２２のほぼ中央部分の位置の断面図である。図６に示すように、第３の実施形態の回転電機１において、回転子鉄心２２の中間部分に配置される第２の鋼板２２２は、第３の孔２０３が第１の孔２０１をロータ２の第１の回転方向Ｍにおいて、例えばこの回転電機１が車両に搭載されて駆動モータとして利用される場合にはその前進走行時の回転方向に相当する主要な回転方向となる正転方向において、下流側の第２の孔２０２に連通させる第１の配置Ｐ１と、第３の孔２０３が第２の孔２０１をロータ２の第１の回転方向Ｍとは逆方向の第２の回転方向Ｎにおいて、例えばこの回転電機１が車両に搭載される場合にはその後進走行時の回転方向に相当する逆転方向において、上流側の第２の孔２０２に連通させる第２の配置Ｐ２とを混在させた状態で配置される。
【００３３】
第２の配置Ｐ２の第２の鋼板２２２は、第１の配置Ｐ１の第２の鋼板２２２を裏返したものであるので、第２の鋼板２２２を第１の配置Ｐ１用と第２の配置Ｐ２用とに作り分ける必要はなく、組立工程において向きを変えて組み込むだけでよい。第２の鋼板２２２は、それぞれ複数ずつ重ねたものを第１の配置Ｐ１と第２の配置Ｐ２とに交互に配置してもよいし、１つずつ第１の配置Ｐ１と第２の配置Ｐ２とに交互に配置してもよい。この他の構成は、第１の実施形態の回転電機１と同じであるので、図１から図３とともに対応する記載を参酌する。
【００３４】
以上のように構成された第３の実施形態の回転電機１によれば、例えば車両が前進走行するときなどロータ２が主要な回転方向となる第１の回転方向Ｍに回転する場合、すなわち正転方向に回転する場合と同様に、車両が後進走行するときなどロータ２が逆転方向となる第２の回転方向Ｎに回転する場合にも、第２の配置Ｐ２の第２の鋼板２２２の第３の孔２０３が、第１の孔２０１をその時の回転方向（第２の回転方向Ｎ）の下流側の第２の孔２０２に連通する。この結果、ロータ２が第１の回転方向Ｍ及び第２の回転方向Ｎのいずれに回転しても、ケーシング４内の気体Ｇを利用してロータ２を同様に冷却することができる。ロータ２の回転方向がどちらか一方に偏りがある場合、その主要な回転方向を第１の回転方向Ｍとしてこれに対する反対方向を第２の回転方向Ｎとして、それぞれに回転される割合を、第１の配置Ｐ１にする第２の鋼板２２２の数と第２の配置Ｐ２にする第２の鋼板２２２の数の割合に反映させてもよい。
【００３５】
また、本発明の回転電機１について第１から第３の実施形態を示したが、例として提示したものであり、これらの実施形態に限定されることを意図していない。これらの実施形態は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更が可能である。例えば、第１から第３の実施形態の回転電機の各構成要素を互いに組み替えたり他の実施形態に追加したり部分的に応用して実施することも可能である。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００３６】
１…回転電機、２…ロータ、２１…シャフト、２２…回転子鉄心、２０１…第１の孔、２０２…第２の孔、２０３…第３の孔、２２１…第１の鋼板、２２２…第２の鋼板、２２３…第３の鋼板、２３…永久磁石、Ａ…回転軸線、Ｇ…気体、Ｐ１…第１の配置、Ｐ２…第２の配置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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