(57)【要約】【課題】ロータでの損失を低減しつつ、効果的な冷却を行うことが可能な回転電機を提供する。【解決手段】ステータと、ステータに対して間隙（ギャップ）Ｇを介して配置されたロータ１６と、を備え、間隙（ギャップ）に対して間欠的に液冷媒を供給することによって、液冷媒と気体との気液二相流を形成する冷媒供給装置を備える回転電機１００とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータと、前記ステータに対してギャップを介して配置されたロータと、を備える回転電機であって、
前記ギャップに対して間欠的に液冷媒を供給することによって、液冷媒と気体との気液二相流を形成する冷媒供給装置を備えることを特徴とする回転電機。
【請求項２】
請求項１に記載の回転電機であって、
前記冷媒供給装置は、孔が設けられた回転する複数のディスクを備え、
前記孔の長さにより液冷媒の供給時間割合、及び、前記孔の数により液冷媒の供給周波数を制御することを特徴とする回転電機。
【請求項３】
請求項１に記載の回転電機であって、
前記冷媒供給装置は、前記ロータの回転軸と同軸にされた冷媒流路を構成するシャフトを備え、
前記シャフトに設けられた液冷媒の供給開口部の長さにより液冷媒の供給時間割合、及び、前記供給開口部の数により液冷媒の供給周波数を制御することを特徴とする回転電機。
【請求項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、
液冷媒の供給時間割合を０．０５以上０．９以下の範囲とすることを特徴とする回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却構造を有する回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転電機に用いられる磁石は高温状態で使用されると減磁されて出力が低下する問題があり、それを抑制するためには磁石に重希土類等を添加することが必要とされている。重希土類等の添加量を低減するためには、回転電機のステータやロータを効率的に冷却する構造が必要とされている。
【０００３】
そこで、ロータの外周とロータ内周との間に区画形成された冷媒通路を設け、その冷媒通路にロータの軸内を経由して冷媒を供給する構成を備えた回転電機が開示されている（特許文献１）。また、ロータの回転軸方向に延びる磁石挿入孔に永久磁石が挿入固定されており、永久磁石の内周側面に対して磁石挿入孔に沿って冷媒を供給する冷媒通路が設けられた構成を備えた回転電機が開示されている（特許文献２）。
【０００４】
また、回転電機のステータとロータとの間の環状のギャップ内にギャップの軸方向開口端に向かう気流を発生させ、回転電機のケースに溜められた冷却オイルを掻き上げて飛散させて冷却を行う構成が開示されている（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−１６５４８８号公報
【特許文献２】特開２００２−３４５１８８号公報
【特許文献３】特開２００３−２５０２４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、ロータの軸方向の両端に形成される流路では磁石の端面のみが冷却であり、磁石の熱伝導率が小さいことにより、磁石内の温度分布が大きくなるだけであり、磁石の軸方向中心付近の冷却の効果は小さい。
【０００７】
また、流路に冷媒を流す場合、冷却効果を高めるためには冷媒の流速を高くすることが必要である。その際、磁石に対する伝熱面積を確保するためには流路断面積を大きくすることが必要であり、磁石の数だけ流路を設けると、大量の冷媒を供給することが必須となる。一般的な回転電機では、冷媒の流量は１０Ｌ／ｍｉｎ程度であり、この程度の流量で冷却効果を向上させることは困難である。一方、冷媒の流速を上げるには、大容量の冷媒タンクと高出力のポンプが必要であり、圧力損失も増加することから回転電機全体としての損失増加につながる。
【０００８】
また、ステータとロータ間のギャップ内に一方向の空気流れを形成して冷却効果及び冷媒の排出性を高める方法では、ギャップ内を軸方向に流れる空気の流量を多くする必要がある。そのためには、空気を供給するためのファンの翼形状を大きくする必要があり、回転によって生ずる空気抵抗が増加する問題がある。また、ロータが低回転の時は空気速度が速くならないため、空気の流れによる効果は期待できない。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の１つの態様は、ステータと、前記ステータに対してギャップを介して配置されたロータと、を備える回転電機であって、前記ギャップに対して間欠的に液冷媒を供給することによって、液冷媒と気体との気液二相流を形成する冷媒供給装置を備えることを特徴とする回転電機である。
【００１０】
ここで、前記冷媒供給装置は、孔が設けられた回転する複数のディスクを備え、前記孔の長さにより液冷媒の供給時間割合、及び、前記孔の数により液冷媒の供給周波数を制御することが好適である。
【００１１】
また、前記冷媒供給装置は、前記ロータの回転軸と同軸にされた冷媒流路を構成するシャフトを備え、前記シャフトに設けられた液冷媒の供給開口部の長さにより液冷媒の供給時間割合、及び、前記供給開口部の数により液冷媒の供給周波数を制御することが好適である。
【００１２】
また、液冷媒の供給時間割合を０．０５以上０．９以下の範囲とすることが好適である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ロータでの損失を低減しつつ、効果的な冷却を行うことが可能な回転電機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態における回転電機の構成を示す側断面図である。
【図２】本発明の実施の形態における回転電機の構成を示す正断面図である。
【図３】本発明の実施の形態における冷媒供給部の構成を示す斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態における回転ディスクの構成を示す正面図である。
【図５】本発明の実施の形態における冷媒供給部の作用を説明する図である。
【図６】ロータの径方向の位置とロータでの損失との関係を示す図である。
【図７】冷媒の種類、冷媒温度による冷却性能の違いを示す図である。
【図８】オイル（冷媒）のボイド率と引き摺りトルクとの関係を示す図である。
【図９】ボイド率とオイル温度上昇の関係を示す図である。
【図１０】オイル（冷媒）の供給時間割合を説明する図である。
【図１１】ロータ回転数（オイル連続注入時及びオイル間欠注入時）とボイド率との関係を示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態における冷媒供給部の構成の別例を示す図である。
【図１３】オイル（冷媒）の供給周波数とボイド率との関係を示す図である。
【図１４】変形例１における回転電機の構成を示す側断面図である。
【図１５】変形例１における冷媒供給部の構成を示す正断面図である。
【図１６】変形例１における冷媒供給部の作用を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の実施の形態における回転電機１００は、図１の側断面図及び図２の正断面図に示すように、ケース１０、ステータコア（ステータ）１２、ステータコイル１４、ロータ１６、ロータ軸１８、冷媒流路２０、オイルポンプ２２、オイル流路ディスク２４（２４ａ，２４ｂ）及び回転ディスク２６を含んで構成される。オイル流路ディスク２４（２４ａ，２４ｂ）及び回転ディスク２６は、冷媒供給装置の一部を構成する。
【００１６】
ケース１０は、回転電機１００の回転体等の構成要素を収納し、機械的に保持する。ステータコア１２は、円筒状の磁性体である。ステータコア１２は、ステータコイル１４を収納するスロットを有する。ステータコイル１４は、ステータコア１２のスロットに収納され、電流が流されることによりロータ１６に対して磁界を発生させる。ロータ１６は、円柱状の磁性体であり、ステータコア１２の内周面と間隙（ギャップ）Ｇを介して外周面が対向するように配置される。ロータ１６には、軸方向に延びる磁石挿入孔に永久磁石が挿入固定される。ロータ１６は、ステータコイル１４からの磁界を受けて、ステータコア１２内にて回転させられる。ロータ１６は、回転軸であるロータ軸１８に接続され、ロータ軸１８によって回転力が回転電機１００の外部へ伝達される。
【００１７】
ステータコア１２には、冷媒流路２０が形成される。冷媒流路２０は、冷媒の流路であり、ステータコア１２の外周部から間隙Ｇに向けて通ずるように設けられる。冷媒流路２０は、ステータコア１２とロータ１６との間隙Ｇに液冷媒を供給するための流路として用いられる。
【００１８】
冷媒流路２０は、単数のみならず、複数設けてもよい。冷媒流路２０は、例えば図１及び図２に示すように、ステータコア１２の外周部から間隙Ｇに向けて等角度に複数設けてもよい。
【００１９】
冷媒は、液体であれば特に限定されるものではなく、オイル、水等とすることができる。ただし、電気的絶縁保持のためにオイルとすることが好適である。オイルは、例えば、鉱物油（ナフテン系、パラフィン系等）、部分合成油、合成油（ＰＡＯ等）とするとよい。
【００２０】
本実施の形態では、冷媒はオイルポンプ２２からオイル流路ディスク２４及び回転ディスク２６を介して冷媒流路２０へ供給される。オイルポンプ２２は、冷媒に圧力を与えて出力する。
【００２１】
オイル流路ディスク２４（２４ａ，２４ｂ）及び回転ディスク２６は、図３に示すように、それぞれ円盤状の部材であり、オイル流路ディスク２４ａとオイル流路ディスク２４ｂとの間に回転ディスク２６が挟み込まれた構成とされる。回転ディスク２６は、オイル流路ディスク２４（２４ａ，２４ｂ）と同軸に配置され、オイル流路ディスク２４（２４ａ，２４ｂ）に対して相対的に回転可能とされる。例えば、回転ディスク２６をロータ軸１８に固定し、オイル流路ディスク２４（２４ａ，２４ｂ）をケース１０に固定することによって、回転ディスク２６をオイル流路ディスク２４（２４ａ，２４ｂ）に対して相対的に回転可能とすることができる。
【００２２】
オイル流路ディスク２４（２４ａ，２４ｂ）は、それぞれ表裏面を貫くオイル流路孔２８（２８ａ，２８ｂ）を備える。オイル流路孔２８（２８ａ，２８ｂ）は、オイル流路ディスク２４（２４ａ，２４ｂ）の中心軸から外れた位置に設けられる。また、回転ディスク２６も表裏面を貫くオイル流路孔３０を備える。オイル流路孔３０は、回転ディスク２６の中心軸から外れた位置に配置され、オイル流路ディスク２４（２４ａ，２ｂ）に設けられたオイル流路孔２８（２８ａ，２８ｂ）と同じだけ中心軸から半径ｒだけ離れた位置に設けられる。また、オイル流路孔３０は、図３及び図４の正面図に示すように、回転ディスク２６の中心軸から半径ｒの円周方向に沿って長孔形状に形成される。
【００２３】
このようにオイル流路孔２８（２８ａ，２８ｂ）及びオイル流路孔３０を備えたオイル流路ディスク２４（２４ａ，２４ｂ）及び回転ディスク２６を組み合わせることによって、冷媒を間欠的に冷媒流路２０へ供給することができる。すなわち、オイル流路ディスク２４ａのオイル流路孔２８ａとオイル流路ディスク２４ｂのオイル流路孔２８ｂとが重なり合い、さらにオイル流路孔２８ａ，２８ｂと回転ディスク２６のオイル流路孔３０とが重なり合うように組み合わせる。このような状態において、回転電機１００のロータ１６の回転に伴ってロータ軸１８が回転すると回転ディスク２６もその中心軸を回転中心として回転し、図５（ａ）のように、オイル流路孔２８ａ、オイル流路孔３０及びオイル流路孔２８ｂが重なり合って貫通した状態と、図５（ｂ）のように、オイル流路孔２８ａ、オイル流路孔３０及びオイル流路孔２８ｂが重なり合わずに貫通していない状態と、が間欠的に繰り返される。
【００２４】
オイル流路ディスク２４ａのオイル流路孔２８ａにオイルポンプ２２からオイル（冷媒）を供給する流路を接続し、オイル流路ディスク２４ｂのオイル流路孔２８ｂに冷媒流路２０へ繋がる流路を接続することによって、図５（ａ）のような貫通状態ではオイル流路孔２８ａ、オイル流路孔３０及びオイル流路孔２８ｂを介して冷媒流路２０へオイル（冷媒）が供給される。一方、図５（ｂ）のような非貫通状態では、回転ディスク２６によって流路が遮断され、冷媒流路２０へオイル（冷媒）が供給されない。
【００２５】
このように、ロータ１６の回転に伴って冷媒流路２０を介して間隙Ｇへオイル（冷媒）が間欠的に供給される。このとき、間隙Ｇへ供給されたオイル（冷媒）と間隙Ｇ周辺から供給される空気と混合され、気体と液体の２相流が生成され、回転電機１００と冷媒の間で熱交換が行われて間隙Ｇを通じて排出される。回転電機１００から排出された冷媒（オイル）はケース１０下部のオイルパンに戻され、オイルポンプ２２を用いて再び供給される。
【００２６】
図６は、ロータ１６の径方向の位置とロータ１６での損失との関係を示す図である。図６からも明らかなように、ロータ損失の多くは、ロータ１６のコア内での損失であり、その分布はロータ１６の外周部に集中している。ロータ１６の磁石の温度上昇の原因は、ロータ１６の外周面からの加熱が主要因である。
【００２７】
本実施の形態における回転電機１００では、ロータ１６の磁石の加熱源となっているロータ１６の外周面に直接触れる間隙Ｇを冷媒の流路としている。これにより、加熱源に最も近い位置において冷媒と効率的に熱交換することができる。すなわち、他の部位から間接的に冷却する方法に比べて、冷媒の流量を増やすことなく、効果的に冷却を行うことができる。特に、間隙Ｇでは、ステータコア１２側とロータ１６側との間で大きな速度勾配を持つため、流路に同流量の冷媒を単純に流す場合と比べて数十倍の熱伝達率が得られる。
【００２８】
図７は、冷媒温度による冷却性能の違いを示す図である。図７から明らかなように、冷媒として空気を用いたときよりオイルを用いたときの方が磁石の温度は低くなっており、空気よりオイルの方が熱容量及び熱伝達率で冷却特性が良い。
【００２９】
一方、オイルのような液体は空気のような気体に対して粘度が高い。したがって、オイルを冷媒としてステータコア１２とロータ１６との間隙Ｇに供給した場合、ロータ１６の回転による引き摺り損失が発生する。本実施の形態における回転電機１００では、冷媒を供給する際にオイルと空気とを混合して２相流として間隙Ｇに供給することによって、オイルのみを供給した場合に比べて引き摺り損失を低減することができる。その一方で、空気よりも冷却特性が良いオイルを混合させているので、回転電機１００に対する冷却能力を高めることができる。
【００３０】
図８は、オイル（冷媒）のボイド率と引き摺りトルクとの関係を示す図である。また、図９は、ボイド率とオイル温度上昇の関係を示す図である。ここで、ボイド率は、空気体積／（空気体積＋オイル体積）で表わされる値である。図８及び図９から理解されるように、オイル（冷媒）のボイド率が高いほどロータ１６に対する引き摺りトルクは低下するが、その反面、オイル（冷媒）の温度上昇が大きくなる。したがって、引き摺りトルクによる損失を低下させると共に、オイル（冷媒）の温度上昇に伴う冷却性能の低下を抑制するために適切なボイド率の範囲が存在する。
【００３１】
ここで、ボイド率を適切な範囲にするためには、オイル（冷媒）の供給時間割合（デューティ比）を０．０５以上０．９以下にすることが好適である。特に好ましくは、オイル（冷媒）の供給時間割合（デューティ比）を０．１以上０．５以下とするとよい。ここで、供給時間割合（デューティ比）は、図１０に示すように、オイル（冷媒）の供給時間（ｔｏｉｌ）／｛オイル（冷媒）の供給時間＋供給休止時間｝（Ｔ）で表わされる。
【００３２】
なお、供給時間割合（デューティ比）は、図４に示すように、回転ディスク２６の周方向の全周（Ｌ１＋Ｌ２）と周方向に沿ったオイル流路孔３０の長さＬ１との比Ｌ１／（Ｌ１＋Ｌ２）で設定することができる。すなわち、Ｌ１／（Ｌ１＋Ｌ２）を０．０５以上０．９以下とすることが好適である。これは、オイル流路孔３０が複数の領域に分割されている場合であっても同様である。
【００３３】
これによって、図１１に示すように、同一のロータ１６の回転数においてオイル（冷媒）を連続的に供給した場合に比べてオイル（冷媒）を間欠的に供給した場合の方がボイド率を高めることができる。そして、適切なボイド率でオイルと空気とを混合して２相流として間隙Ｇに供給することができ、引き摺り損失を低減させると共に、冷却能力を高めることができる。
【００３４】
また、オイル（冷媒）の供給周波数（送油周波数）も変更することができる。具体的には、オイル流路孔２８（２８ａ，２８ｂ）及びオイル流路孔３０の数を変更することによりオイル（冷媒）の供給周波数を変えることができる。例えば、図１２（ａ）に示すように、回転ディスク２６にオイル流路孔３０を２つ設けることによってオイル（冷媒）の供給周波数を２倍にすることができる。また、図１２（ｂ）に示すように、オイル流路ディスク２４（２４ａ，２４ｂ）にオイル流路孔２８（２８ａ，２８ｂ）を２つずつ設けることによってオイル（冷媒）の供給周波数を２倍にすることができる。
【００３５】
オイル（冷媒）の供給周波数を調整することによって、図１３に示すように、同じ供給時間割合（デューティ比）であってもボイド率を調整することができる。なお、オイル（冷媒）の供給周波数を高くすることによって、間隙Ｇへのオイル（冷媒）の供給量の時間的な変動を小さくし、ボイド率が時間的にふらつくことを抑制することができる。
【００３６】
なお、オイル（冷媒）の供給量はオイル流路孔２８（２８ａ，２８ｂ）及びオイル流路孔３０の大きさによって調整することができる。すなわち、オイル流路孔２８（２８ａ，２８ｂ）及びオイル流路孔３０の径を小さくすればオイル（冷媒）の供給量は減少し、径を大きくすればオイル（冷媒）の供給量は増加する。
【００３７】
また、ロータ１６内に温度センサ（図示しない）を設け、温度センサでロータ１６の温度を測定し、温度センサの出力を受けてオイルポンプ２２を制御する構成としてもよい。例えば、温度センサから出力される温度が高くなるほど、オイルポンプ２２の出力を高め、回転電機１００へのオイル（冷媒）の供給量を増加させればよい。なお、温度センサは、回転電機１００の温度を直接又は間接に測定できればよく、ロータ１６内に設ける構成に限定されない。例えば、温度センサは、オイルパンに設けてオイル（冷媒）の温度から回転電機１００の温度を間接的に測定する構成としてもよい。
【００３８】
＜変形例１＞
上記実施の形態では、オイル流路ディスク２４（２４ａ，２４ｂ）及び回転ディスク２６との組み合わせによってオイル（冷媒）の供給を制御する構成したが、これに限定されるものではない。
【００３９】
本変形例における回転電機１０２は、図１４に示すように、ロータ軸４０及びシャフト４２に形成されたロータ軸孔４０ａ及びシャフト孔４２ａ，４２ｂを介してオイル（冷媒）を供給する構成とされている。ラインＡ−Ａに沿ったロータ軸４０及びシャフト４２の断面図を図１５に示す。
【００４０】
ロータ軸４０は、ロータ１６の回転と共に回転するようにロータ１６に固定される。シャフト４２は、ロータ１６の回転軸と同軸かつロータ軸４０と共に回転しないようにロータ軸４０内に埋め込まれる。これによって、ロータ１６の回転と共にロータ軸４０がシャフト４２に対して相対的に回転可能となる。
【００４１】
また、ロータ軸４０には、半径方向に向けて放射状にロータ軸孔４０ａが形成される。本変形例では、ロータ軸孔４０ａが２つ形成されている。シャフト４２には、シャフト４２の一端から軸方向に沿ってロータ１６の内部に向かうシャフト孔４２ａと、シャフト孔４２ａから半径方向に扇状のシャフト孔４２ｂが形成される。シャフト孔４２ｂは、ロータ軸４０の軸方向においてロータ軸孔４０ａと重なる位置に形成される。
【００４２】
このようにロータ軸孔４０ａ及びシャフト孔４２ａ，４２ｂを備えたロータ軸４０及びシャフト４２を組み合わせることによって、冷媒を間欠的にロータ１６に設けられた冷媒流路４４へ供給することができる。すなわち、回転電機１０２のロータ１６の回転に伴ってロータ軸４０が回転するとロータ軸孔４０ａもその中心軸を回転中心として回転し、図１６（ａ）のように、ロータ軸孔４０ａとシャフト孔４２ｂとが重なり合って貫通した状態と、図１６（ｂ）のように、ロータ軸孔４０ａとシャフト孔４２ｂとが重なり合わずに貫通していない状態と、が間欠的に繰り返される。図１６（ａ）のような貫通状態ではロータ軸孔４０ａとシャフト孔４２ｂを介して冷媒流路４４へオイル（冷媒）が供給される。一方、図１６（ｂ）のような非貫通状態では、流路が遮断され、冷媒流路４４へオイル（冷媒）が供給されない。
【００４３】
したがって、回転電機１０２のような構成によっても、上記実施の形態における回転電機１００と同様にオイル（冷媒）と空気とが混合された２相流が生成されて間隙Ｇに供給される。
【００４４】
なお、回転電機１０２において供給時間割合（デューティ比）は、図１５に示すように、シャフト４２の周方向の全周（Ｌ１＋Ｌ２）と周方向に沿ったシャフト孔４２ｂの長さＬ１との比Ｌ１／（Ｌ１＋Ｌ２）で設定することができる。すなわち、Ｌ１／（Ｌ１＋Ｌ２）を０．０５以上０．９以下することが好適である。これは、シャフト孔４２ｂが複数の領域に分割されている場合であっても同様である。
【００４５】
また、オイル（冷媒）の供給周波数（送油周波数）も変更することができる。具体的には、ロータ軸孔４０ａ及びシャフト孔４２ｂの数を変更することによりオイル（冷媒）の供給周波数を変えることができる。
【００４６】
＜変形例２＞
なお、オイルポンプ２２からのオイル（冷媒）の出力を間欠的にすることによって、間隙Ｇにオイル（冷媒）を間欠的に供給するような構成としてもよい。例えば、ロータ１６の回転に伴ってカムを駆動し、カムの駆動に応じて間欠的にオイルポンプ２２の圧力が高くなるような構成とすることによって間隙Ｇにオイル（冷媒）を間欠的に供給することができる。
【符号の説明】
【００４７】
１０  ケース、１２  ステータコア、１４  ステータコイル、１６  ロータ、１８  ロータ軸、２０  冷媒流路、２２  オイルポンプ、２４（２４ａ，２４ｂ）  オイル流路ディスク、２６  回転ディスク、２８（２８ａ，２８ｂ）  オイル流路孔、３０  オイル流路孔、４０  ロータ軸、４０ａ  ロータ軸孔、４２  シャフト、４２ａ，４２ｂ  シャフト孔、４４  冷媒流路、１００，１０２  回転電機。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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