(57)【要約】【課題】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高めるとともにロータコアとロータシャフトとの間でのトルク伝達性能を向上させる。【解決手段】回転電機のロータ１４は、磁性板材１８を積層して構成されるロータコア１５と、ロータコア１５のシャフト穴３０に固定され、冷却油が流れる冷媒通路３２を内部に有するロータシャフト２８と、互いにトルク伝達を行うロータコア１５のシャフト穴３０内周部とロータシャフト２８外周面との間において磁性板材１８の積層ばらつきによって生じている隙間ｇに充填されて磁性板材１８のロータシャフト２８に対する連結強度を高める充填材４４とを備える。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性板材を積層して構成されるロータコアと、
前記ロータコアのシャフト穴に固定され、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、
互いにトルク伝達を行う前記ロータコアのシャフト穴内周部と前記ロータシャフト外周面との間において前記磁性板材の積層ばらつきによって生じている隙間に充填されて前記磁性板材の前記ロータシャフトに対する連結強度を高める充填材と、
を備える回転電機のロータ。
【請求項２】
請求項１に記載の回転電機のロータにおいて、
前記充填材は、空気よりも熱伝導率が高いジェルまたは接着剤からなることを特徴とする回転電機のロータ。
【請求項３】
請求項１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、前記永久磁石を固定するモールド樹脂の注入と同時に前記充填材が前記モールド樹脂によって充填形成されることを特徴とする回転電機のロータ。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のロータを備える、回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁性板材を積層して形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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−５５７３７号公報
【特許文献２】特開２００７−１０４８７８号公報
【特許文献３】特開２００２−１９９６３２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を流して、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密に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。
【０００８】
しかしながら、鋼板積層体からなるロータコアでは、それぞれ打ち抜き加工された電磁鋼板を軸方向に積層して形成されるため、積層ばらつきによってロータコアのシャフト穴内周部とロータシャフトとの接触度合いが各鋼板について異なっており、その結果、シャフト穴内周部とロータシャフトとの間に形成される微小隙間によって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っていた。
【０００９】
ここで上記特許文献３に記載の回転子は、冷却媒体によりロータコアを冷却するものではなく、しかも、ロータコアとロータシャフトとがトルク伝達を行う必要がない構造としているので、鋼板の積層ばらつきによって生じる微小隙間によるトルク伝達性能の低下に対して解決策を与えるものではない。
【００１０】
本発明の目的は、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高めるとともにロータコアとロータシャフトとの間でのトルク伝達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。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る回転電機のロータは、磁性板材を積層して構成されるロータコアと、前記ロータコアのシャフト穴に固定され、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、互いにトルク伝達を行う前記ロータコアのシャフト穴内周部と前記ロータシャフト外周面との間において前記磁性板材の積層ばらつきによって生じている隙間に充填されて前記磁性板材の前記ロータシャフトに対する連結強度を高める充填材と、を備えるものである。
【００１２】
本発明に係る回転電機のロータにおいて、前記充填材は、空気よりも熱伝導率が高いジェルまたは接着剤からなってもよい。
【００１３】
また、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、前記永久磁石を固定するモールド樹脂の注入と同時に前記充填材が前記モールド樹脂によって充填形成されてもよい。
【００１４】
本発明の別の態様である回転電機は、上記いずれかの構成のロータを備えるものである。
【発明の効果】
【００１５】
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、上記充填材を介してロータコアからロータシャフトへと効率よく伝熱可能となり、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向上させることができる。また、上記充填材によってロータコアを構成する各磁性板材のロータシャフトに対する連結強度が増すことで、ロータコアからロータシャフトへのトルク伝達性能を強化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】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２】図１におけるロータの軸方向断面図である。
【図３】ロータコアの軸方向端面を示す図である。
【図４】積層ばらつきによってロータコアを構成する電磁鋼板とロータシャフトとの間に生じている微小隙間に充填材が充填されている様子を示す拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
【００１８】
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部Ｇが設けられている。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
図２および図３に示すように、磁性板材である電磁鋼板を積層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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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は、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。
【００３４】
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にモールド樹脂材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材が充填されている部分を黒塗り部で示している。
【００３５】
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。
【００３６】
図４は、積層ばらつきによってロータコア１５を構成する電磁鋼板１８とロータシャフト２８との間に生じている隙間に充填材が充填されている様子を示す拡大断面図である。
【００３７】
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、いわゆる軸芯油冷構造を採用する。
【００３８】
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１８を軸方向に積層して形成されるため、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との接触度合いが各電磁鋼板１８について異なっていて、そのためにシャフト穴３０の内周部とロータシャフト２８との間に微小隙間ｇ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。
【００３９】
これに対し、本実施形態のロータ１４では、上記微小隙間ｇに充填材４４を充填して軸芯油冷構造のロータの冷却性能を改善することとしている。すなわち、ロータコア１５の内周部とロータシャフト２８の外周面との微小隙間ｇに充填材４４を充填して空気層を排除している。充填材４４には、空気よりも熱伝導率が高いジェルまたは接着剤が好適に用いられる。これにより、充填材４４を介してロータコア１５からロータシャフト２８へと効率よく伝熱可能となり、ロータシャフト２８内を流れる冷却油によるロータコア１５の冷却性能を向上させることができる。
【００４０】
また、充填材４４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１８とロータシャフト２８とを接着固定する機能を果たす。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。
【００４１】
さらに、上記充填材４４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ｇに充填されて形成されるようにしてもよい。このようにすれば、充填材４４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。
【００４２】
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、特許請求の範囲に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。
【００４３】
例えば、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。
【００４４】
また、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。
【符号の説明】
【００４５】
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、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  充填材、Ｇ  ギャップ部、ｇ  微小隙間。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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