(57)【要約】【課題】回転電機に用いた際、ロータコアおよび回転シャフトの強度低下ならびにモータ出力の低下がなく、コストアップもなく、コイルエンドへの冷媒路を確保することができるロータコアを提供する。【解決手段】回転シャフト６Ａが貫通される貫通孔９を有する円環状のロータコア４は、回転シャフト６Ａの外周面に設けられたキー溝６ｄと嵌合するよう貫通孔９の内周面から突出したキー部４ｂを備え、キー部４ｂをキー溝６ｄに嵌合した状態で軸方向に冷媒路８が形成されるよう、キー部４ｂに冷媒路用溝７を設けた構成を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転シャフトが貫通される貫通孔を有する円環状のロータコアであって、
前記回転シャフトの外周面に設けられたキー溝と嵌合するよう前記貫通孔の内周面から突出したキー部を備え、
前記キー部を前記キー溝に嵌合した状態で軸方向に冷媒路が形成されるよう、前記キー部に冷媒路用溝を設けたことを特徴とするロータコア。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電機に用いられるロータコアに関し、特にロータコアのキー部を回転シャフトのキー溝に嵌め合わせることにより回転シャフトに固定されるロータコアに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、回転電機に用いられるロータコアとして、コイルを有するステータの径方向内側でロータ軸芯周りに回転可能に支持され、周方向に複数の永久磁石が配設されたものが知られている。このようなロータコアは、例えばハイブリッド車両や電動車両の駆動源として多用されている回転電機の構成要素として用いられている。
【０００３】
このようなロータコアを用いた回転電機は、磁界を発生されるべくステータを構成するコイルに電流を流すと、ジュール熱の発生により当該コイルの温度が上昇する。このコイルの温度の上昇は、コイル自体の電気抵抗を上昇させてエネルギ損失を一層増大させる。
【０００４】
また、ロータが回転するのに伴って永久磁石に渦電流が発生し、当該渦電流に起因するジュール熱により永久磁石の温度が上昇する。この永久磁石の温度上昇は、不可逆な熱減磁を招来して永久磁石自体の磁気特性を低下させる。
【０００５】
よって、回転電機の磁気特性の低下を抑えるためには、冷却によってコイルや永久磁石の温度上昇を効率的に抑制することが求められる。
【０００６】
コイルや永久磁石の冷却を行うための回転電機の構造としては、ロータ軸から供給される冷媒により永久磁石を冷却するとともに、永久磁石を冷却した後の冷媒によりコイルエンド部を冷却する構造が従来から知られている。
【０００７】
例えば、軸方向に積層され、ロータコアを構成する第１電磁鋼板と第２電磁鋼板において、第１電磁鋼板に冷媒通路を構成する孔部を設け、第２電磁鋼板に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設けたロータが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
また、永久磁石を冷却した後の冷媒がロータ内を径方向内側に流通する冷媒帰還路と、冷媒帰還路の径方向内側の端部に連通し、径方向でロータ軸に近接した位置に設けられた、ロータからコイルエンド部に向けて冷媒が噴出される冷媒噴出口と、を備える回転電機が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００９】
特許文献１、２に開示された発明は、いずれも、ロータコア本体部に孔をあけ、冷媒路とするものである。
【００１０】
また、タービン発電機用として、回転子鉄心と保持環との間に設けられる、内部に通風孔を有する別部材のキーが開示されている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００９−５５７３７号公報
【特許文献２】特開２０１０−２３９７９９号公報
【特許文献３】特開２００９−１３６０６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、特に、外径も内径も大きく、偏平なモータでは、特許文献１、２の如く、ロータコア本体部（外径側）に軸方向へ冷媒路として孔をあけると、駆動時の遠心力によって生じる応力に対するロータコアの強度低下や、磁束と冷媒路の位置が重なることによる磁気特性の悪化に起因したモータ出力の低下を引き起こす可能性があるため、ロータコア本体部に冷媒路を形成するのが困難であった。
【００１３】
また、回転シャフト（特に肉厚が薄いフランジ型）内に冷媒路を設けると、回転シャフトの強度低下を引き起こす可能性が大きいため、シャフトに冷媒路を形成するのが困難であった。かかる強度低下を避けるため、回転シャフトを肉厚化することが考えられるが、この肉厚化により回転シャフト母材の増加による製造コストアップやモータ出力の低下に繋がるおそれがあった。
【００１４】
また、特許文献３の如く、孔を有する別部材のキーを用いると、別部材を加工するための製造コストアップや製造工程が煩雑となる。
【００１５】
本発明は、上述のような従来の問題に鑑みてなされたもので、回転電機に用いた際、ロータコアおよび回転シャフトの強度低下ならびにモータ出力の低下がなく、コストアップもなく、コイルエンドへの冷媒路を確保することができるロータコアを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明に係るロータコアは、上記目的達成のため、（１）回転シャフトが貫通される貫通孔を有する円環状のロータコアであって、前記回転シャフトの外周面に設けられたキー溝と嵌合するよう前記貫通孔の内周面から突出したキー部を備え、前記キー部を前記キー溝に嵌合した状態で軸方向に冷媒路が形成されるよう、前記キー部に冷媒路用溝を設けた構成を有する。
【００１７】
この構成により、本発明に係るロータコアは、回転シャフトのキー溝に嵌合するキー部に冷媒路用溝を設けた。このため、キー部をキー溝に嵌合した際には、キー部に対応するキー溝の対向面と冷媒路用溝とにより軸方向に冷媒路を形成することができる。したがって、ロータコアの形状、特にキー部のプレスを変更するだけで必要な冷媒路を確保することができ、コストアップを防止することができる。
【００１８】
また、本発明に係るロータコアは、ロータコア自体に冷媒路用の孔を設ける場合と比較して、キー部が貫通孔の内周面から突出しているので、磁束が多く通る位置を避けて冷媒路を設けることができる。したがって、磁束と冷媒路の位置が重なることによる磁気特性の悪化に起因したモータ出力の低下を防止することができる。さらに、ロータコア自体に冷媒路用の孔を設ける必要がないので、ロータコア自体の強度低下を防止することができる。
【００１９】
また、本発明に係るロータコアは、回転シャフトに冷媒路用の孔を設ける等の余分な加工をすることなくコイルエンド等を冷却する冷媒路を形成することができる。これにより、回転シャフトの強度低下や冷媒路形成のための肉厚化等による製造コストアップやモータ出力の低下を防止することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、回転電機に用いた際、ロータコアおよび回転シャフトの強度低下ならびにモータ出力の低下がなく、コストアップもなく、コイルエンドへの冷媒路を確保することができるロータコアを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態に係るロータコアの周方向の一部断面図である。
【図２】回転シャフトが貫通孔に挿入された、本発明の実施の形態に係るロータコアの周方向の一部断面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るロータコアを用いた回転電機の軸方向断面図である。
【図４】本発明の実施の形態に係るロータコアを用いた回転電機の周方向断面図である。
【図５】本発明の実施の形態に係るロータコアを用いた回転電機の変形例の軸方向断面図である。
【図６】従来のロータコアの周方向の一部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
一般に、外径と内径が大きく、偏平な回転電機（いわゆるモータ）に用いられるロータコアは径方向の肉厚が薄くなり、ロータコア本体部に孔をあけたとき、遠心力によって生じる応力に対する強度低下や磁気特性の悪化によるモータ出力の低下の影響を受けやすい。また、フランジ型の回転シャフトはロータコアとの接合部に係る回転シャフトの肉厚が薄いので、特に強度低下の影響を受けやすく、仮に強度低下を避けるため、回転シャフトを肉厚化すると、シャフト母材の増加による製造コストアップやモータ出力の低下に繋がるおそれがある。
【００２３】
従って、本発明に係るロータコアは、ロータコア本体部に孔をあけたとき、より強度低下やモータ出力低下の影響を受けやすく、外径と内径が大きく、かつ偏平な回転電機に使用する場合、または回転シャフトに孔をあけたとき、より強度低下の影響を受けやすいフランジ型の回転シャフトを用いた回転電機に使用する場合に特に有用であるが、それ以外の回転電機にも使用することができる。
【００２４】
本発明のロータコアを用いた回転電機の用途は、特に制限はないが、特に車両用回転電機に用いられる。
【００２５】
ロータコアは、通常、複数枚の電磁鋼板を積層して構成される。ロータコアは、分割コアであっても構わない。
【００２６】
ロータコアのキー部と回転シャフトのキー溝は、軸方向へ連続して形成され、キー部は凸状であり、キー溝は凹状に形成されている。ロータコアのキー部の本数と、回転シャフトのキー溝の本数は、特に制限はない。１つのキー部における冷媒路用溝の本数は、特に制限はない。例えば、１つのキー部に２以上の冷媒路用溝を形成することが可能である。
【００２７】
冷媒路用溝は、キー部の表面上に形成される。冷媒路用溝の位置は、軸方向に連続的に形成されれば、特に制限はない。凸状のキー部の先端平面部および側面平面部の一方または両方に形成することができる。
【００２８】
一般に、トラック・バス用回転電機は、エンジン車と共通の車体を使用することが多く、回転電機には既存の機構に組み込める構造が要求される。また、商用車は荷物スペースを広く確保するため、駆動ユニットの搭載スペースが少なく、一方、回転電機は車両の重量に見合った大トルクが要求される。これらの使用条件から回転電機は偏平形状のものが用いられる。
【００２９】
本発明に係るロータコアを用いた回転電機を載せる車種および回転電機の形状は、特に制限はない。なお、一般に偏平な回転電機としては、外径／長さが９以上のものが用いられ、さらに外径／長さが１０以上、１２以上、１２以上１６以下のものが用いられる。
【００３０】
以下、図１〜図６を参照して、本発明の実施の形態に係るロータコアを具体的に説明する。
【００３１】
図１に示すとおり、回転電機１のロータコア４は、円環状であって、回転シャフトが貫通される貫通孔９が設けられている。そして、回転電機１（図３参照）のロータコア４は、永久磁石５を含むロータコア本体部４ａと、貫通孔９の内周面から突出したキー部４ｂとを含んで構成されている。キー部４ｂは、回転シャフトの外周面に設けられたキー溝と嵌合するようになっている。
【００３２】
ロータコア４には、ロータコア４のキー部４ｂと回転シャフトのキー溝に嵌合した状態で軸方向に冷媒路が形成されるよう、キー部４ｂに冷媒路用溝７が設けられている。キー部４ｂは、内周面から突出した凸状であり、複数枚の電磁鋼板を積層することにより軸方向へ連続的に形成されている。そして、キー部４ｂは、軸方向に先端平面部４ｃと両側の側面平面部４ｄから構成されている。先端平面部４ｃには、冷媒路用溝７が、複数枚の電磁鋼板を積層することにより軸方向に連続的に設けられている。
【００３３】
図１に示すとおり、ロータコア４は、その内部に、周方向に分散配置されて軸方向に延びる、空洞部からなる複数の磁石挿入部（図示せず）を有しており、複数の永久磁石５は、２つ一組の磁石挿入部（図示せず）にそれぞれ軸方向に挿入され、Ｖ字状に固定されている。各永久磁石５は、ロータコア４の周方向に沿ってステータコアに対する磁界の向きが交互に反対になるように配置されている。すなわち、ロータコア４の径方向外側から見て、ロータコア４の周方向に沿ってＮ極とＳ極とが互いに現れるように各永久磁石５が配置されている。
【００３４】
図２は、図１のロータコア４の貫通孔９に、回転シャフト６Ａが挿入され、回転シャフト６Ａの外周面に設けられたキー溝６ｄと、ロータコア４の貫通孔９の内周面から突出したキー部４ｂが嵌め合うことにより、ロータコア４と回転シャフト６Ａが固定された状態を示している。回転シャフト６Ａは円筒状であり、後述するロータコア接合部６ｃがロータコア４と接合する。
【００３５】
ロータコア４のキー部４ｂに設けられた冷媒路用溝７は、キー部４ｂをキー溝６ｄに嵌合した状態で軸方向に形成される冷媒路８の一部を構成する。回転シャフト６Ａのキー溝６ｄは、凹状であり、軸方向へ連続的に形成されている。冷媒路８は、回転シャフト６Ａのキー溝６ｄとロータコア４のキー部４ｂを嵌め合わせた状態で、キー部４ｂに対向するキー溝６ｄの対向面６ｅと冷媒路用溝７とにより、軸方向へ連続的に形成される。
【００３６】
キー部４ｂに対向するキー溝６ｄの対向面６ｅとは、キー溝６ｄにキー部４ｂを嵌め合わせた際、キー部４ｂの表面と対向する、キー溝６ｄの表面を指す。したがって、冷媒路８は、冷媒路用溝７と対向面６ｅのみから構成される。
【００３７】
図２に示すとおり、本実施の形態に係るロータコア４は、回転電機に用いた際、回転シャフト６Ａに余分な加工をすることなく、コイルエンドに冷媒を誘導することができる回転電機１を得ることができるため、非常に有用である。そして、最も高温になる図３に示すコイルエンド３ａの温度を下げるとともに、ロータコア４および永久磁石５の温度も下げることが可能である。さらに、別部材を必要としないので、コストアップはなく、製造工程が煩雑になることもない。
【００３８】
図３および図４に示すとおり、本実施の形態に係るロータコア４は、永久磁石５を有し、コイル３が巻かれたステータコア２と、回転シャフト６Ａと共に、回転電機１を構成する。ロータコア４は、ステータコア２内（径方向内側）に回転可能に配置され、より詳しくは、軸方向両側の軸受を介して、ステータコア２に回転可能に支持されている。回転シャフト６Ａは、キー溝６ｄとキー部４ｂを嵌め合わせた状態でロータコア４に固定されている。Ａは、回転シャフト６Ａ（シャフト本体部６ａ）の内側にある中空部を示している。図３のＢ（一点鎖線）は、回転軸線を示している。それぞれのコイル３のうち、ステータコア２の軸方向両側に突出する部分がコイルエンド３ａとされる。
【００３９】
図３に示すとおり、回転シャフト６Ａは、シャフト本体部６ａ、ウェブ部６ｂ、ロータコア接合部６ｃ、キー溝６ｄより構成された、いわゆるフランジ型の回転シャフトである。シャフト本体部６ａは、略円筒状であり、内部の中空部Ａには、冷媒が通るシャフト内冷媒路（図示せず）が形成されている。ロータコア接合部６ｃはロータコア４と接合される部分を指し、ウェブ部６ｂはシャフト本体部６ａとロータコア接合部６ｃ（いわゆるフランジ部）をつなぐ部分を指す。シャフト本体部６ａとロータコア接合部６ｃとの間（ウェブ部６ｂ付近の空間）には、他の部材を配置することができ、これにより回転電機１を含む駆動ユニットの軸長を短くすることができる。
【００４０】
図４に示すとおり、ロータコア４には回転シャフト６Ａが貫通される貫通孔９の内周面から突出したキー部４ｂが径方向対向位置に２つあり、回転シャフト６Ａには回転シャフト６Ａの外周面に設けられたキー溝６ｄがキー部４ｂと対応する位置に２つあるため、回転シャフト６Ａのキー溝６ｄとロータコア４のキー部４ｂを嵌め合わせることにより、径方向対向位置に２つの冷媒路８が形成される。
【００４１】
図３および図４に示すとおり、本実施の形態に係るロータコア４は、回転電機１に用いたとき、ロータコア本体部４ａや回転シャフト６Ａにあるロータコア接合部６ｃの内部に孔をあけることなく、コイルエンドを冷却するのに最適な冷媒路８を形成することができる。
【００４２】
次に、図２〜図４（主として図３）を参照して回転電機１における冷媒路８を用いた冷却構造について説明する。
【００４３】
まず、冷媒導入路１０、冷媒路８および冷媒排出路１１について説明する。冷媒導入路１０、冷媒路８および冷媒排出路１１は、それぞれ連通している。冷媒導入路１０は、回転シャフト６Ａのロータコア接合部６ｃに径方向に設けられた孔である。冷媒排出路１１は、ロータコア接合部６ｃに設けられた溝と、それに対応するロータコア４の対向面とで構成されている。
【００４４】
回転シャフト６Ａにある冷媒導入路１０は径方向両側で開口しており、径方向内側の開口は冷媒の導入口であり、径方向外側の開口は冷媒路８の軸方向略中間付近で、冷媒路８と連通している。
【００４５】
前述した冷媒路８は軸方向両側で開口しており、一方はロータコア４および回転シャフト６Ａ外へ向かって開口し、他方は冷媒排出路１１の径方向内側の開口と連通している。
【００４６】
次に、冷媒の流れについて説明する。冷媒供給源（図示せず）から回転電機１に供給された冷媒（例えば、ＡＴＦ）は、例えば、冷媒導入路１０の径方向内側の開口付近に滴下され、または前記開口付近に貯留され、次いで遠心力により、前記開口から冷媒導入路１０へ導入される。
【００４７】
冷媒導入路１０へ導入された冷媒は、遠心力により径方向外側に向かって流通する。そして、径方向外側の開口を通り、冷媒路８に流入する。
【００４８】
冷媒路８に流入した冷媒は、遠心力に起因する油圧（遠心油圧）によって、軸方向両側に向かって流通する。その際、冷媒とロータコア４との間での熱交換によりロータコア４が冷却される。ロータコア４が冷却されると、ロータコア４と永久磁石５との間での熱交換により永久磁石５が冷却される。このようにして冷媒がロータコア４を冷却することにより、永久磁石５が間接的に冷却される。
【００４９】
その後、軸方向一方の開口へ向かった冷媒は、その開口から、軸方向一方のコイルエンド３ａに向かって噴出する。一方、軸方向他方の開口へ向かった冷媒は、その開口を通り、冷媒排出路１１に流入する。
【００５０】
冷媒排出路１１に流入した冷媒は、遠心力および前述した遠心油圧によって、径方向外側に向かって流通する。そして、径方向外側の開口から、軸方向他方のコイルエンド３ａに向かって噴出する。
【００５１】
冷媒がコイルエンド３ａに到達すると、冷媒とコイルエンド３ａを構成する導体との間での熱交換によりコイルエンド３ａが冷却される。
【００５２】
以上のように、本実施の形態に係るロータコア４は、回転シャフト６Ａのキー溝６ｄに嵌合するキー部４ｂに冷媒路用溝７を設けた。このため、キー部４ｂをキー溝６ｄに嵌合した際には、キー部４ｂに対応するキー溝６ｄの対向面６ｅと冷媒路用溝７とにより軸方向に冷媒路８を形成することができる。したがって、ロータコア４の形状、特にキー部４ｂのプレスを変更するだけで必要な冷媒路８を確保することができ、コストアップを防止することができる。
【００５３】
また、本実施の形態に係るロータコア４は、ロータコア４自体に冷媒路用の孔を設ける場合と比較して、キー部４ｂが貫通孔９の内周面から突出しているので、磁束が多く通る位置を避けて冷媒路８を設けることができる。したがって、磁束と冷媒路の位置が重なることによる磁気特性の悪化に起因したモータ出力の低下を防止することができる。さらに、ロータコア４自体に冷媒路用の孔を設ける必要がないので、ロータコア４自体の強度低下を防止することができる。
【００５４】
また、本実施の形態に係るロータコア４は、回転シャフト６Ａに冷媒路用の孔を設ける等の余分な加工をすることなくコイルエンド等を冷却する冷媒路８を形成することができる。これにより、回転シャフト６Ａの強度低下や冷媒路形成のための肉厚化等による製造コストアップやモータ出力の低下を防止することができる。
【００５５】
なお、本実施の形態では、ロータコア４を用いた回転電機１において、回転シャフトとしてフランジ型の回転シャフト６Ａを用いた例について説明したが、これに限らず、回転シャフトとして以下の変形例に示す回転シャフトを用いても構わない。すなわち、図５に示す変形例では、回転電機１のステータコア２、ロータコア４の構成は、図３および図４と同様であるが、回転シャフト６Ｂの基本形状が、図３および図４と異なる。具体的には、回転シャフト６Ｂは、ウェブ部を有さず、シャフト本体部６ａとロータコア接合部６ｃが一体に形成された、いわゆる丸棒型の回転シャフトである。Ｂ（一点鎖線）は、回転軸線を示している。ロータコア４は、軸方向両端にあるエンドプレート１２により固定されている。
【００５６】
回転シャフト６Ｂであっても、図２および図４と同様に、冷媒路８は、回転シャフト６Ｂのキー溝６ｄとロータコア４のキー部４ｂを嵌め合わせた状態で、キー部４ｂに対向するキー溝６ｄの対向面６ｅと冷媒路用溝７とにより、軸方向へ連続的に形成される。従って、こうした変形例であっても、上述した本実施例の形態と同様の効果を得ることができる。
【００５７】
なお、図５に示す例では、図示を省略しているが、例えば、本実施の形態と同様、冷媒導入路１０、冷媒排出路１１を設けることで冷媒路８を用いた冷却構造を実現可能である。
【００５８】
図３および図４の回転シャフト６Ａのロータコア４に接する部分（ロータコア接合部６ｃ）の肉厚は、一般に、図５の回転シャフト６Ｂのロータコア４に接する部分（ロータコア接合部６ｃ＋シャフト本体部６ａ）と比して、薄くなる。よって、回転シャフトに孔をあけた場合の強度低下の影響は、図５の回転シャフト６Ｂと比して、図３および図４の回転シャフト６Ａの方が受けやすい。従って、本発明の実施の形態に係る回転電機としては、フランジ型の回転シャフト６Ａを用いた回転電機に特に有用である。
【００５９】
図６に示したとおり、従来の回転電機のロータコアが、本実施の形態に係る回転電機１のロータコア４（図１参照）と異なる点は、キー部５４ｂに冷媒路用溝を設けていない点である。よって、従来の回転電機のロータコアを、図２の如く、回転シャフト６Ａと嵌め合わせても、冷媒路８は形成されない。
【００６０】
従って、図１および図６からわかるとおり、本実施の形態に係るロータコア４は、従来のロータコア（図６参照）のプレス形状を変更するだけで冷媒路８を確保できるため、コストアップがなく、コストが変わらない、という利点がある。
【００６１】
また、従来はキーとは別にロータコア本体部に冷媒路を設けていたが、これがロータコアの強度低下や磁気特性の悪化に起因したモータ出力の低下の引き起こす原因となっていた。これに対して、本実施の形態に係るロータコア４は、強度や磁気特性に影響のない箇所に冷媒路８を設けたので、従来のようなロータコアの強度低下や磁気特性の悪化に起因したモータ出力の低下を防止することが可能となる。
【００６２】
以上説明したように、本発明に係るロータコアは、回転電機に用いた際、ロータコアおよび回転シャフトの強度低下ならびにモータ出力の低下がなく、コストアップもなく、コイルエンドへの冷媒路を確保することができ、ロータコアのキー部を回転シャフトのキー溝に嵌め合わせることにより回転シャフトに固定されるロータコアに有用である。
【符号の説明】
【００６３】
４  ロータコア
４ｂ  キー部
６Ａ、６Ｂ  回転シャフト
６ｄ  キー溝
７  冷媒路用溝
８  冷媒路
９  貫通孔
【図１】
2013146163.tif 000003
【図２】
2013146163.tif 000004
【図３】
2013146163.tif 000005
【図４】
2013146163.tif 000006
【図５】
2013146163.tif 000007
【図６】
2013146163.tif 000008