(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】ステータコア１２と間隙Ｇを介して配置されるロータ１６と備え、間隙Ｇ内において液冷媒と気体とが二相流となるように液冷媒供給量のみを制御する構成とする。【選択図】図１
2016082659.tif 000002
【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るロータと、を備える回転電機であって、前記ギャップ内において液冷媒と気体とが二相流となるように液冷媒供給量のみを制御す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、
前記ギャップに対して、
【数１】
2016082659.tif 000009
ｗ：ロータ幅、δ：ギャップ幅、Ｎ：回転数、Ｒ：ロータ半径、
を満たす流量Ｑの範囲で二相流となるように液冷媒を供給する冷却構造を有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、
前記ギャップに対して、
【数２】
2016082659.tif 000010
ｗ：ロータ幅、δ：ギャップ幅、Ｎ：回転数、Ｒ：ロータ半径、ν：動粘度、
を満たす流量Ｑの範囲で液冷媒を供給する冷却構造を有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、
前記ステータ又は前記ロータに設けられた液冷媒供給口から前記ギャップへ液冷媒を供給する液冷媒供給手段と、
前記ロータの回転数Ｎを検出する回転検出手段と、
前記回転検出手段で検出された回転数Ｎに応じて前記液冷媒供給量を調整する流量調整手段と、
を備えることを特徴とする回転電機。
【請求項５】
請求項４に記載の回転電機であって、
前記液冷媒の温度Ｔを検出する温度検出手段を備え、
前記流量調整手段は、さらに前記温度検出手段で検出された温度Ｔに応じて前記液冷媒供給量を調整することを特徴とする回転電機。
【請求項６】
請求項４又は５に記載の回転電機であって、
前記液冷媒供給手段は、電動ポンプを含み、
前記流量調整手段は、前記回転数Ｎに応じて前記電動ポンプへの入力電力を制御することで前記液冷媒供給量を調整することを特徴とする回転電機。
【請求項７】
請求項４又は５に記載の回転電機であって、
前記液冷媒供給手段は、前記ロータの回転に応じて動作するメカニカルポンプを含み、前記メカニカルポンプによって前記回転数Ｎに応じて液冷媒の前記液冷媒供給量を調整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、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１）。
【０００４】
また、ロータの回転に伴ってオイル溜まりのオイルを掻き上げてステータとロータとのギャップにオイルを供給する構成において、ステータとロータの少なくとも一方に軸方向に延びかつギャップに開口する小凹溝を形成した構成が開示されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２５０２４８号公報
【特許文献２】特開２００１−３７１２９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、ステータとロータと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。
【０００７】
また、掻き上げられたオイルをステータとロータとのギャップに供給して満たす方法においてステータやロータに小凹溝を形成すると、回転電機の磁場に乱れを生じさせ、回転電機の出力が低下するおそれがある。また、小凹溝を設けることによって回転電機の機械的な強度が低下する可能性もある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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るロータと、を備える回転電機であって、前記ギャップ内において液冷媒と気体とが二相流となるように液冷媒供給量のみを制御することを特徴とする回転電機である。
【０００９】
ここで、前記ギャップに対して、
【数１】
2016082659.tif 000003
ｗ：ロータ幅、δ：ギャップ幅、Ｎ：回転数、Ｒ：ロータ半径、を満たす流量Ｑの範囲で二相流となるように液冷媒を供給する冷却構造を有することが好適である。
【００１０】
また、前記ギャップに対して、
【数２】
2016082659.tif 000004
ｗ：ロータ幅、δ：ギャップ幅、Ｎ：回転数、Ｒ：ロータ半径、ν：動粘度、を満たす流量Ｑの範囲で液冷媒を供給する冷却構造を有することが好適である。
【００１１】
また、前記ステータ又は前記ロータに設けられた液冷媒供給口から前記ギャップへ液冷媒を供給する液冷媒供給手段と、前記ロータの回転数Ｎを検出する回転検出手段と、前記回転検出手段で検出された回転数Ｎに応じて前記液冷媒供給量を調整する流量調整手段と、を備えることが好適である。
【００１２】
また、前記液冷媒の温度Ｔを検出する温度検出手段を備え、前記流量調整手段は、さらに前記温度検出手段で検出された温度Ｔに応じて前記液冷媒供給量を調整することが好適である。
【００１３】
また、前記液冷媒供給手段は、電動ポンプを含み、前記流量調整手段は、前記回転数Ｎに応じて前記電動ポンプへの入力電力を制御することで前記液冷媒供給量を調整することが好適である。
【００１４】
また、前記液冷媒供給手段は、前記ロータの回転に応じて動作するメカニカルポンプを含み、前記メカニカルポンプによって前記回転数Ｎに応じて液冷媒の前記液冷媒供給量を調整することが好適である。
【発明の効果】
【００１５】
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】
【００１６】
【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】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４】冷媒温度による冷却性能の違いを示す図である。
【図５】間隙内における冷媒（オイル）の状態を説明する図である。
【図６】間隙内への冷媒（オイル）の供給量Ｑを説明するための図である。
【図７】レイノルズ数と見かけボイド率との関係を示す図である。
【図８】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９】変形例２における回転電機の構成を示す正断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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、ロータ軸冷媒流路２０、ロータ内冷媒流路２２、回転数センサ２４、温度センサ２６、ポンプ２８及び流量調整部３０を含んで構成される。
【００１８】
ケース１０は、回転電機１００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。
【００１９】
ロータ軸１８には、ロータ軸冷媒流路２０が形成される。ロータ軸冷媒流路２０は、冷媒の流路であり、ロータ軸１８の軸方向に沿ってロータ１６の内部に向かって通ずるように設けられる。ロータ内冷媒流路２２は、ロータ１６内に冷媒の流路として形成される。ロータ内冷媒流路２２は、ロータ軸冷媒流路２０と連通して形成され、ロータ１６の外周面に向けて、冷媒がステータコア１２とロータ１６との間隙Ｇに供給されるように設けられる。
【００２０】
ロータ内冷媒流路２２は、単数のみならず、複数設けてもよい。ロータ内冷媒流路２２は、例えば図１及び図２に示すように、ロータ軸冷媒流路２０からロータ１６の外周面に向けて放射状に設けられる。ロータ内冷媒流路２２は、ロータ軸冷媒流路２０の端部に連通させてもよいし、ロータ軸冷媒流路２０の途中に連通させてもよい。例えば、ロータ１６の軸方向に沿って複数の箇所から間隙Ｇに向けて複数のロータ内冷媒流路２２を設けてもよい。このとき、ロータ内冷媒流路２２をロータ１６の軸方向の中心位置近傍に設けることが好適である。ロータ内冷媒流路２２をロータ１６の軸方向の中心位置近傍に設けることによって、間隙Ｇに供給された冷媒をロータ１６の両端へ向けて均等に流すことができ、冷却の均等性を担保することができる。
【００２１】
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。
【００２２】
回転数センサ２４は、ロータ１６のロータ軸１８の近傍に設けられ、ロータ軸１８の単位時間当たりの回転数Ｎ［ｒｐｍ］を測定する。回転数センサ２４で検出された回転数Ｎは、流量調整部３０に入力される。温度センサ２６は、冷媒（オイル）の供給路に設けられ、冷媒（オイル）の温度Ｔを測定する。温度センサ２６で検出された温度Ｔは、流量調整部３０に入力される。
【００２３】
ポンプ２８は、間隙Ｇから排出されてケース１０のオイルパン（図示しない）に溜められた冷媒（オイル）を吸い上げて、冷媒（オイル）に圧力を与えてロータ軸冷媒流路２０へ吐出する。冷媒（オイル）は、ロータ軸冷媒流路２０を介してロータ内冷媒流路２２へ流通し、ロータ１６の回転と共にロータ内冷媒流路２２を通じてロータ１６の外周面、すなわちステータコア１２とロータ１６との間隙Ｇへ供給される。本実施の形態では、ポンプ２８は、電動ポンプとすることが好適である。ポンプ２８によって間隙Ｇへ供給された冷媒（オイル）は周辺の空気と混合され、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）は再びオイルパンに戻される。
【００２４】
流量調整部３０は、回転数センサ２４から回転数Ｎ及び温度センサ２６から温度Ｔを受けて、これらの少なくとも１つに基づいて冷媒（オイル）の供給流量を制御する。流量調整部３０による制御については後述する。
【００２５】
図３は、ロータ１６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３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。
【００２６】
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。
【００２７】
図４は、冷媒温度による冷却性能の違いを示す図である。図４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。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。
【００２８】
本実施の形態における回転電機１００では、オイルと空気とを混合して間隙Ｇへ供給するのではなく、オイルのみを間隙Ｇに供給することによって、間隙Ｇの隙間から空気を巻き込んでオイルと空気とを混合して２相流とすることで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。
【００２９】
ここで、間隙Ｇに供給される冷媒（オイル）が少なすぎる場合、図５（ａ）に示すように、冷媒（オイル）がステータコア１２側とロータ１６側に分かれて流動する。そのため、ロータ１６の引き摺り損失は小さいが、冷媒（オイル）の撹拌効果が薄れて冷却効果も低くなる。一方、間隙Ｇに供給される冷媒（オイル）が多すぎる場合、図５（ｃ）に示すように、冷媒（オイル）が間隙Ｇ内に充満し、引き摺り損失が大きくなる。すなわち、図５（ｂ）に示すように、冷媒（オイル）と気体（空気）との混合の割合を示すボイド率＝空気体積／（空気体積＋オイル体積）には最適な範囲がある。
【００３０】
そこで、図６に示すように、ロータ半径Ｒ及びロータ幅ｗのロータ１６がステータコア１２に対してギャップ幅δで配置されている場合について考察する。ロータ半径Ｒ、ロータ幅ｗ及びギャップ幅δの矩形面が回転数Ｎで回転するときの周速の１／２を系内の平均流速とし、その流速で間隙Ｇが満たされるときの回転平均流量Ｑｒとレイノルズ数Ｒｅｒを以下の式で定義する。ただし、νは冷媒（オイル）の動粘度とする。
【数３】
2016082659.tif 000005
【００３１】
また、供給流量Ｑと回転平均流量Ｑｒから見かけボイド率αを以下のように定義する。
【数４】
2016082659.tif 000006
【００３２】
図７は、レイノルズ数Ｒｅｒと見かけボイド率αとの関係を示す図である。図７において、ロータ１６の引き摺り損失が小さく、かつ、冷媒（オイル）による冷却効果が高くなる供給流量Ｑの目標流量範囲の下限α１及び上限α２は以下の式で表わすことができる。
【数５】
2016082659.tif 000007
【００３３】
そこで、供給流量Ｑが以下の式で表わされる目標流量となるように制御することが好適である。このような供給流量Ｑの範囲とすることによって、ロータ１６に対する引き摺り損失を低減しつつ、冷却効果を高めることができる。
【数６】
2016082659.tif 000008
【００３４】
具体的には、回転数センサ２４からの回転数Ｎに応じて流量調整部３０によってポンプ２８への入力電力を制御して、数式（６）における供給流量Ｑとなるように調整することができる。また、温度センサ２６からの温度Ｔに応じて変化する動粘度νを考慮して回転数Ｎ及び温度Ｔに応じたレイノルズ数Ｒｅｒに基づいて数式（７）を用いて供給流量Ｑを調整してもよい。
【００３５】
なお、ポンプ２８は、電動ポンプに限定されるものではなく、ロータ１６の回転に応じて動作するメカニカルポンプとしてもよい。例えば、ロータ軸１８に連結されたカムによって、ポンプ２８から供給される冷媒（オイル）の供給流量Ｑが回転数Ｎに応じて数式（６）又は数式（７）を満たすような範囲となるように構成することができる。この場合、流量調整部３０は不要となる。
【００３６】
＜変形例１＞
上記実施の形態では、ロータ軸１８内にロータ軸冷媒流路２０を形成し、ロータ１６内のロータ内冷媒流路２２を介して間隙Ｇに冷媒（オイル）を供給する構成とした。ただし、これに限定されるものではなく、図８及び図９に示すように、ステータコア１２側から冷媒（オイル）を供給する構成を有する回転電機１０２としてもよい。
【００３７】
回転電機１０２では、ステータコア１２の外周と間隙Ｇとを繋ぐようにステータコア１２内にステータ内冷媒流路３２が形成されており、ポンプ２８からステータ内冷媒流路３２を介して冷媒（オイル）が間隙Ｇに供給される。
【００３８】
このような構成においても、上記実施の形態と同様に冷媒（オイル）の供給流量Ｑを制御することによってロータ１６に対する引き摺り損失を低減しつつ、冷却効果を高めることができる。
【符号の説明】
【００３９】
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  ロータ軸冷媒流路、２２  ロータ内冷媒流路、２４  回転数センサ、２６  温度センサ、２８  ポンプ、３０  流量調整部、３２  ステータ内冷媒流路、１００，１０２  回転電機。
【図１】
2016082659.tif 000011
【図２】
2016082659.tif 000012
【図５】
2016082659.tif 000013
【図６】
2016082659.tif 000014
【図７】
2016082659.tif 000015
【図８】
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【図９】
2016082659.tif 000017
【図３】
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【図４】
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