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JP2016054608A - 回転電機のロータ - Google Patents

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JP2016054608A JP2014179437A JP2014179437A JP2016054608A JP 2016054608 A JP2016054608 A JP 2016054608A JP 2014179437 A JP2014179437 A JP 2014179437A JP 2014179437 A JP2014179437 A JP 2014179437A JP 2016054608 A JP2016054608 A JP 2016054608A
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Abstract

【課題】ロータの磁石の冷却性能を向上させつつ引き摺り損失を低減する。
【解決手段】冷媒流出路43が軸方向においてロータコア21の中央位置の1面だけに形成されていることで、ロータ20とステータ10間の空隙Gにおける冷却油の軸方向流れは中央位置から両端部へ向かう軸方向外側だけの流れとなり、冷却油の滞留による引き摺り損失を低減することができる。そして、ロータコア21の軸方向両端部間を軸方向に延びる第1及び第2磁石冷却路41a,41b,42a,42bに冷却油を流すことで、永久磁石22a,22bを軸方向全体に渡って冷却することができる。
【選択図】図2

Description

本発明は、回転電機のロータに関し、特にその冷却構造に関する。
下記特許文献1の回転電機のロータでは、ロータシャフト内からの冷却油をロータコア内に形成した複数の冷却油路に供給することで磁石の冷却を行い、冷却油をロータ外周面とステータ間の空隙へ排出している。
特開2006−67777号公報 特開2008−228522号公報 特開2008−228523号公報 特開2013−13182号公報
特許文献1では、複数の冷却油路のそれぞれが磁石の冷却に寄与するものの、ロータ外周面とステータ間の空隙への冷却油路出口が軸方向において複数箇所に形成され、冷却油が軸方向の複数箇所から空隙へ流出する。軸方向において冷却油路出口間に挟まれた領域では、冷却油が干渉し滞留しやすくなる。その結果、空隙に滞留する冷却油がロータの回転抵抗となって引き摺り損失が増加する。
本発明は、ロータ磁石の冷却性能を向上させつつ引き摺り損失を低減することを目的とする。
本発明に係る回転電機のロータは、上述した目的を達成するために以下の手段を採った。
本発明に係る回転電機のロータは、内周側にロータシャフトが固定され、外周側にステータが空隙を空けて対向配置される回転電機のロータであって、ロータコアと、軸方向に沿ってロータコアに配設された磁石とを備え、ロータコアには、ロータシャフト内に形成された軸内冷媒路から液体冷媒が流入する冷媒流入路と、冷媒流入路から液体冷媒が供給され、軸方向に延びる磁石冷却路と、磁石冷却路からの液体冷媒をステータとの間の空隙へ流出させるための冷媒流出路と、が形成され、ロータコアにおいて、冷媒流出路が形成されている軸方向位置は、軸方向略中央位置の1面であることを要旨とする。
本発明の一態様では、磁石冷却路は、冷媒流入路に連通し、軸方向に延びる第1磁石冷却路と、冷媒流出路に連通し、軸方向に延びる第2磁石冷却路と、を有し、第1磁石冷却路と第2磁石冷却路が連通路を介して連通し、連通路の軸方向位置が、冷媒流入路の軸方向位置及び冷媒流出路の軸方向位置より軸方向外側であることが好適である。
本発明の一態様では、ロータコアにおいて、冷媒流入路が形成されている軸方向位置は、軸方向略中央位置の1面であることが好適である。
本発明の一態様では、第2磁石冷却路の径方向位置が、第1磁石冷却路の径方向位置より径方向外側であることが好適である。
本発明の一態様では、ロータコアにおいては、貫通孔が形成された第1コアプレートが軸方向に複数積層され、積層された複数の第1コアプレートにおいて、軸方向に繋がる複数の貫通孔により磁石冷却路が形成されることが好適である。
本発明の一態様では、ロータコアにおいては、冷媒流出路が形成された第2コアプレートの軸方向両側を第1コアプレートで挟んでいることが好適である。
本発明によれば、ロータとステータ間の空隙における冷却油の滞留を防止することができ、ロータ回転時の引き摺り損失を低減することができる。そして、ロータの磁石を軸方向全体に渡って冷却することができ、磁石の冷却性能を向上させることができる。
本発明の実施形態に係るロータ20の構成例を示す横断面図である。 図1のX−X線に相当する回転電機の断面図である。 第1コアプレート31の構成例を示す図である。 第2コアプレート32の構成例を示す図である。 第3コアプレート33の構成例を示す図である。 第4コアプレート34の構成例を示す図である。 冷媒流出路43を軸方向において複数面に形成した場合における冷却油の流れを説明する図である。
以下、本発明を実施するための形態(以下実施形態という)を図面に従って説明する。
図1〜6は、本発明の実施形態に係るロータ20を備える回転電機の概略構成を示す図である。図1はロータ20の横断面図を示し、図2は図1のX−X線に相当する回転電機の断面図を示し、図3〜6はロータコア21を構成するコアプレート31〜34の構成例を示す。図1,3〜6では、周方向に関してロータ20の構成の一部を図示しているが、図示を省略している残りの部分の構成は、図示している部分と同様の構成である。
回転電機において、ロータ20の外周側にはステータ10が配置され、ロータ20とステータ10が径方向に空隙(磁気的ギャップ)Gを空けて対向配置されている。ステータ10は、ステータコア11と、ステータコア11に配設されたコイル12とを含む。ロータ20は、ロータコア21と、周方向に互いに間隔をおいて(等間隔で)ロータコア21に配設された複数の磁極22とを含む。ロータコア21の内周側にはシャフト嵌合穴30が軸方向に沿って形成され、ロータシャフト16がシャフト嵌合穴30に例えば圧入等により嵌められることで、ロータシャフト16がロータ20に固定される。ロータシャフト16はベアリング(図示せず)等を介してケース(図示せず)に回転自在に支持され、ロータ20がロータシャフト16とともにステータ10に対し回転自在となっている。
複数の磁極22の各々においては、磁石挿入孔23a,23bがロータコア21に軸方向に沿って形成され、永久磁石22a,22bが磁石挿入孔23a,23bに軸方向に沿って挿入されていることでロータコア21内に埋設されている。一対の永久磁石22a,22bにより1つの磁極22が構成される。図1の例では、永久磁石22a,22bの磁化方向が径方向に対し周方向に傾斜し、周方向において磁極22の両端部が中央部より径方向外側に位置するように、永久磁石22a,22bがV字状に配置されている。ただし、永久磁石22a,22b(磁石挿入孔23a,23b)の形状はV字状以外であってもよい。ロータ20において、図1に示すように、各磁極22の周方向中央位置(V字の谷位置)を通る磁石磁束の方向をd軸(磁束軸)とし、周方向に隣接する磁極22間の位置(d軸と電気角で90°ずれた位置)をq軸(トルク軸)とする。
ロータシャフト16及びロータコア21には、ロータ20及びステータ10を冷却するための液体冷媒が通る冷媒流路が形成されている。冷媒流路は、ロータシャフト16内に形成された軸内冷媒路17と、ロータコア21内に形成されたコア内冷媒路とに大別される。軸内冷媒路17は、ロータシャフト16の軸心を通る穴である。軸内冷媒路17は、図2に示すように、ロータシャフト16の一端から、ロータシャフト16のほぼ中央まで延びた後、径方向に分岐し、ロータコア21の内周端まで延びる。
コア内冷媒路は、冷媒流入路40と第1磁石冷却路41a,41bと第2磁石冷却路42a,42bと連通路44a,44bと冷媒流出路43とを有する。冷媒流入路40は、ロータコア21の内周端から磁極22(永久磁石22a,22b)より内周側の位置まで径方向に延びて形成され、冷媒流入路40の径方向内側端部が軸内冷媒路17に連通する。図1の例では、複数(磁極22と同数)の冷媒流入路40が周方向に互いに間隔をおいて(等間隔で)形成され、各冷媒流入路40の周方向位置が各磁極22の中央位置に相当する。つまり、各冷媒流入路40がd軸に沿って延びている。
冷媒流出路43は、磁極22より内周側の位置からロータコア21の外周端まで径方向に延びて形成され、冷媒流出路43の径方向外側端部がロータ20とステータ10間の空隙Gに連通する。図1の例では、複数(磁極22と同数)の冷媒流出路43が周方向に互いに間隔をおいて(等間隔で)形成され、各冷媒流出路43の周方向位置が周方向に隣接する磁極22間の位置に相当する。つまり、各冷媒流出路43は、q軸に沿って延びており、冷媒流入路40に対し周方向にずれて形成されている。
第1及び第2磁石冷却路41a,42aは、永久磁石22aと対応して同数設けられ、永久磁石22aより内周側の位置に形成されている。第1及び第2磁石冷却路41a,42aは永久磁石22aと平行に軸方向に沿って延びており、軸方向及び永久磁石22aの磁化方向と垂直な永久磁石22aの幅方向において第1磁石冷却路41aと第2磁石冷却路42aが互いに間隔を空けて配置されている。第1磁石冷却路41aは第2磁石冷却路42aよりd軸に近い側に配置され、第1磁石冷却路41aの径方向位置が第2磁石冷却路42aの径方向位置より径方向内側となる。同様に、第1及び第2磁石冷却路41b,42bも、永久磁石22bより内周側の位置で永久磁石22bと平行に軸方向に沿って延びている。軸方向及び永久磁石22bの磁化方向と垂直な永久磁石22bの幅方向において第1磁石冷却路41bと第2磁石冷却路42bが互いに間隔を空けて配置され、第1磁石冷却路41bが第2磁石冷却路42bよりd軸に近い側に配置され、第1磁石冷却路41bの径方向位置が第2磁石冷却路42bの径方向位置より径方向内側となる。
連通路44aは、永久磁石22aと対応して同数設けられ、永久磁石22aより内周側の位置に形成されている。連通路44aの径方向位置は、第1磁石冷却路41aの径方向位置と第2磁石冷却路42aの径方向位置と一部重なる位置である。同様に、連通路44bも永久磁石22aより内周側の位置に形成され、連通路44bの径方向位置が第1磁石冷却路41bの径方向位置と第2磁石冷却路42bの径方向位置と一部重なる位置である。
図2に示すように、第1磁石冷却路41a,41bの軸方向内側端部は冷媒流入路40の径方向外側端部に連通する。第2磁石冷却路42a,42bの軸方向内側端部は冷媒流出路43の径方向内側端部に連通する。第1磁石冷却路41aの軸方向外側端部は連通路44aに連通し、第2磁石冷却路42aの軸方向外側端部も連通路44aに連通する。これによって、第1磁石冷却路41aと第2磁石冷却路42aが連通路44aを介して連通する。同様に、第1及び第2磁石冷却路41b,42bの軸方向外側端部が連通路44bに連通することで、第1磁石冷却路41bと第2磁石冷却路42bが連通路44bを介して連通する。
ロータコア21は、図3〜6に示すような複数種類のコアプレート(電磁鋼板)31〜34を軸方向に積層して構成される。磁石挿入孔23a,23bは、すべてのコアプレート31〜34に形成されている。第1コアプレート31においては、図3に示すように、第1及び第2貫通孔51a,52aが磁石挿入孔23aより内周側の位置に形成され、第1及び第2貫通孔51b,52bが磁石挿入孔23bより内周側の位置に形成されている。図3の例では、第1及び第2貫通孔51a,52aは、永久磁石22aの幅方向を長手方向とするスリット形状であり、第1及び第2貫通孔51b,52bは、永久磁石22bの幅方向を長手方向とするスリット形状である。軸方向に積層された複数の第1コアプレート31において、複数の第1貫通孔51aが軸方向に繋がることで第1磁石冷却路41aが形成され、複数の第2貫通孔52aが軸方向に繋がることで第2磁石冷却路42aが形成される。同様に、複数の第1貫通孔51bが軸方向に繋がることで第1磁石冷却路41bが形成され、複数の第2貫通孔52bが軸方向に繋がることで第2磁石冷却路42bが形成される。第1コアプレート31には、冷媒流入路40と連通路44a,44bと冷媒流出路43は形成されていない。
第2コアプレート32には、図4に示すように、複数の冷媒流入路(スロット)40と複数の冷媒流出路(スロット)43が形成され、第1貫通孔51a,51b(第1磁石冷却路41a,41b)、第2貫通孔52a,52b(第2磁石冷却路42a,42b)、及び連通路44a,44bは形成されていない。図4の例では、冷媒流入路40の径方向外側端部は、第1磁石冷却路41a,41bに繋がるよう周方向に広がった形状となっており、冷媒流出路43の径方向内側端部は、第2磁石冷却路42a,42bに繋がるよう周方向に広がった形状となっている。
第3コアプレート33には、図5に示すように、複数の連通路(連通孔)44a,44bが形成され、冷媒流入路40、冷媒流出路43、第1貫通孔51a,51b、及び第2貫通孔52a,52bは形成されていない。図5の例では、連通孔44aは、永久磁石22aの幅方向を長手方向とするスリット形状であり、連通孔44bは、永久磁石22bの幅方向を長手方向とするスリット形状である。また、第4コアプレート34には、図6に示すように、冷媒流入路40、冷媒流出路43、第1貫通孔51a,51b、第2貫通孔52a,52b、及び連通路44a,44bは形成されていない。
ロータコア21においては、図2に示すように、軸方向の一方側から他方側へ、第4コアプレート34、第3コアプレート33、複数の第1コアプレート31、第2コアプレート32、複数の第1コアプレート31、第3コアプレート33、第4コアプレート34の順に積層されている。第2コアプレート32はロータコア21の軸方向中央位置に配置され、軸方向中央位置の第2コアプレート32を挟んで、複数の第1コアプレート31、第3コアプレート33、及び第4コアプレート34が対称に積層されている。
ロータコア21においては、第2コアプレート32が積層された軸方向位置は、軸方向中央位置の1面(1箇所)だけである。つまり、冷媒流出路43は周方向に複数設けられているが、その軸方向位置はロータコア21の軸方向中央位置の1面(1箇所)だけである。同様に、冷媒流入路40も周方向に複数設けられているが、その軸方向位置はロータコア21の軸方向中央位置の1面(1箇所)だけである。
第2コアプレート32の軸方向一方側及び他方側(軸方向両側)には複数の第1コアプレート31が積層され、軸方向において第2コアプレート32の両側を第1コアプレート31で挟んでいる。その際には、第2コアプレート32の冷媒流入路40と最も軸方向内側の第1コアプレート31の第1貫通孔51a,51bが軸方向に繋がり、第2コアプレート32の冷媒流出路43と最も軸方向内側の第1コアプレート31の第2貫通孔52a,52bが軸方向に繋がる。そして、第1磁石冷却路41a,41bが冷媒流入路40の軸方向両側に形成され、第2磁石冷却路42a,42bが冷媒流出路43の軸方向両側に形成される。
積層された第1コアプレート31の軸方向外側には第3コアプレート33が積み重ねられ、軸方向において第3コアプレート33と第2コアプレート32間に複数の第1コアプレート31を挟んでいる。その際には、第3コアプレート33の連通路44aと最も軸方向外側の第1コアプレート31の第1及び第2貫通孔51a,52aが軸方向に繋がり、第3コアプレート33の連通路44bと最も軸方向外側の第1コアプレート31の第1及び第2貫通孔51b,52bが軸方向に繋がる。連通路44a,44bの軸方向位置は、冷媒流入路40の軸方向位置及び冷媒流出路43の軸方向位置より軸方向外側であり、軸方向において、冷媒流入路40と連通路44a,44b間に第1磁石冷却路41a,41bが形成され、冷媒流出路43と連通路44a,44b間に第2磁石冷却路42a,42bが形成される。第3コアプレート33の軸方向外側には第4コアプレート34が積み重ねられ、軸方向において第4コアプレート34が最も外側に位置する。連通路44a,44bはロータコア21の軸方向両端部に形成される。
ロータシャフト16内の軸内冷媒路17には、液体冷媒としての冷却油が供給される。ロータ回転時の遠心力によって、軸内冷媒路17内の冷却油はロータコア21の軸方向中央位置の冷媒流入路40に流入する。冷媒流入路40に流入した冷却油は、冷媒流入路40の軸方向両側に形成された第1磁石冷却路41a,41bに供給され、図2の矢印aに示すように、第1磁石冷却路41a,41b内を軸方向外側へ流れる。さらに、第1磁石冷却路41a,41b内の冷却油は、ロータコア21の軸方向両端部の連通路44a,44bを通って第2磁石冷却路42a,42bに流入し、図2の矢印bに示すように、第2磁石冷却路42a,42b内を軸方向内側へ流れる。第1磁石冷却路41a,41b及び第2磁石冷却路42a,42b内を冷却油が軸方向に往復して流れることで、永久磁石22a,22bの冷却が行われる。第2磁石冷却路42a,42b内の冷却油は、冷媒流出路43に向かって軸方向内側へ流れ、図2の矢印cに示すように、ロータコア21の軸方向中央位置の冷媒流出路43を通ってロータ20とステータ10間の空隙Gへ放出される。冷却油が空隙G内を流れることで、ロータコア21の外周面及びステータ10(コイル12)の冷却も行うことができる。空隙G内の冷却油は、空隙Gの軸方向両端部から外部へ排出される。
ここで、冷媒流出路43が軸方向において複数箇所に形成され、冷却油が軸方向の複数箇所から空隙Gへ流出する場合を考えると、図7の矢印dに示すように、軸方向に隣接する冷媒流出路43間に挟まれた領域では、各冷媒流出路43からの冷却油の軸方向流れが互いに干渉することで、冷却油が滞留しやすくなって空隙Gの軸方向両端部からの排出が阻害される。その結果、空隙Gに滞留する冷却油がロータの回転抵抗となって引き摺り損失が増加する。
これに対して本実施形態では、冷媒流出路43が軸方向においてロータコア21の中央位置の1面(1箇所)だけに形成され、冷却油がロータコア21の軸方向中央位置の1面(1箇所)だけから空隙Gへ流出する。これによって、空隙Gにおける冷却油の軸方向流れは、図2の矢印cに示すように、中央位置から両端部へ向かう軸方向外側だけの流れとなり、冷却油の軸方向流れの干渉を防止することができる。そのため、冷却油が空隙Gに滞留することなく、空隙Gの軸方向両端部から外部へ速やかに排出することができる。その結果、ロータ回転時の引き摺り損失を低減することができる。
そして、ロータコア21の軸方向両端部間を軸方向に延びる第1及び第2磁石冷却路41a,41b,42a,42bに冷却油を流すことで、永久磁石22a,22bを軸方向全体に渡って冷却することができ、永久磁石22a,22bの冷却性能を向上させることができる。その際に、冷却油は第2磁石冷却路42a,42b内に滞留することなく、図2の矢印bに示すように軸方向両端部の連通路44a,44bから軸方向中央部の冷媒流出路43へ向けて軸方向内側に速やかに流れる。さらに、冷媒流入路40が軸方向においてロータコア21の中央位置の1面(1箇所)だけに形成され、冷却油がロータコア21の軸方向中央位置の1面(1箇所)だけから第1磁石冷却路41a,41bに流入する。これによって、冷却油は第1磁石冷却路41a,41b内に滞留することなく、図2の矢印aに示すように軸方向中央部の冷媒流入路40から軸方向両端部の連通路44a,44bへ向けて軸方向外側に速やかに流れる。
さらに、図2の矢印a,bに示すように、第1磁石冷却路41a,41b及び第2磁石冷却路42a,42b内を冷却油が軸方向に往復して流れることで、永久磁石22a,22bの冷却性能をより向上させることができる。その際には、冷媒流出路43に連通する第2磁石冷却路42a,42bの径方向位置を冷媒流入路40に連通する第1磁石冷却路41a,41bの径方向位置より径方向外側にすることで、ロータ回転時の遠心力により冷却油を効率よく流すことができる。
また、図3,4に示すように、冷媒流入路40、第1磁石冷却路41a,41b、第2磁石冷却路42a,42b、及び冷媒流出路43がd軸磁路Ld及びq軸磁路Lqを阻害することもないため、d軸磁路Ld及びq軸磁路Lqの磁気抵抗を低く抑えることができる。その結果、マグネットトルク及びリラクタンストルクの双方を有効に活用することができ、ロータ20のトルクを有効に増加させることができる。
以上の実施形態では、第2コアプレート32をロータコア21の軸方向中央位置に配置し、冷媒流出路43をロータコア21の軸方向中央位置に形成するものとした。ただし、本実施形態では、軸方向において、第2コアプレート32をロータコア21の中央位置から若干ずらした位置に配置し、冷媒流出路43をロータコア21の中央位置から若干ずらした位置に形成することも可能である。その場合でも、空隙Gにおける冷却油の軸方向流れの干渉を防止することが可能である。
以上の実施形態では、冷媒流入路40を第2コアプレート32に形成してロータコア21の軸方向中央位置に形成するものとした。ただし、本実施形態では、軸方向において第2コアプレート32に隣接する第1コアプレート31に冷媒流入路40を形成する等して、軸方向において冷媒流入路40をロータコア21の中央位置から若干ずらした位置に形成することも可能である。
以上の実施形態では、ロータコア21(第1コアプレート31)に磁石冷却路として第1磁石冷却路41a,41b及び第2磁石冷却路42a,42bを形成し、第1磁石冷却路41a,41b及び第2磁石冷却路42a,42b内に冷却油を軸方向に往復させて流すものとした。ただし、本実施形態では、磁石冷却路41a,41b及び連通路44a,44bを省略することも可能であり、冷却油を軸方向に往復させないことも可能である。その場合の構成例としては、軸内冷媒路17及び磁石冷却路42a,42bに連通する冷媒流入路40を第3コアプレート33(ロータコア21の軸方向両端部)に形成する。ロータコア21の軸方向両端部の冷媒流入路40に流入した冷却油は、磁石冷却路42a,42bを内を軸方向内側へ流れ、ロータコア21の軸方向中央位置の冷媒流出路43を通ってロータ20とステータ10間の空隙Gへ放出される。
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
10 ステータ、11 ステータコア、12 コイル、16 ロータシャフト、17 軸内冷媒路、20 ロータ、21 ロータコア、22 磁極、22a,22b 永久磁石、23a,23b 磁石挿入孔、30 シャフト嵌合穴、31 第1コアプレート、32 第2コアプレート、33 第3コアプレート、34 第4コアプレート、40 冷媒流入路、41a,41b 第1磁石冷却路、42a,42b 第2磁石冷却路、43 冷媒流出路、44a,44b 連通路、51a,51b 第1貫通孔、52a,52b 第2貫通孔、G 空隙。

Claims (6)

  1. 内周側にロータシャフトが固定され、外周側にステータが空隙を空けて対向配置される回転電機のロータであって、
    ロータコアと、軸方向に沿ってロータコアに配設された磁石とを備え、
    ロータコアには、
    ロータシャフト内に形成された軸内冷媒路から液体冷媒が流入する冷媒流入路と、
    冷媒流入路から液体冷媒が供給され、軸方向に延びる磁石冷却路と、
    磁石冷却路からの液体冷媒をステータとの間の空隙へ流出させるための冷媒流出路と、
    が形成され、
    ロータコアにおいて、冷媒流出路が形成されている軸方向位置は、軸方向略中央位置の1面である、回転電機のロータ。
  2. 請求項1に記載の回転電機のロータであって、
    磁石冷却路は、
    冷媒流入路に連通し、軸方向に延びる第1磁石冷却路と、
    冷媒流出路に連通し、軸方向に延びる第2磁石冷却路と、
    を有し、
    第1磁石冷却路と第2磁石冷却路が連通路を介して連通し、
    連通路の軸方向位置が、冷媒流入路の軸方向位置及び冷媒流出路の軸方向位置より軸方向外側である、回転電機のロータ。
  3. 請求項2に記載の回転電機のロータであって、
    ロータコアにおいて、冷媒流入路が形成されている軸方向位置は、軸方向略中央位置の1面である、回転電機のロータ。
  4. 請求項2または3に記載の回転電機のロータであって、
    第2磁石冷却路の径方向位置が、第1磁石冷却路の径方向位置より径方向外側である、回転電機のロータ。
  5. 請求項1〜4のいずれか1に記載の回転電機のロータであって、
    ロータコアにおいては、貫通孔が形成された第1コアプレートが軸方向に複数積層され、
    積層された複数の第1コアプレートにおいて、軸方向に繋がる複数の貫通孔により磁石冷却路が形成される、回転電機のロータ。
  6. 請求項5に記載の回転電機のロータであって、
    ロータコアにおいては、冷媒流出路が形成された第2コアプレートの軸方向両側を第1コアプレートで挟んでいる、回転電機のロータ。
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