回転電機の冷却構造
【課題】回転電機の冷却構造において、ロータシャフトの内部に冷却液を流通させる構成において、ロータコアとロータシャフトとの間での熱伝達効率を向上させつつ、ロータコアでの応力集中を有効に抑制することである。
【解決手段】回転電機冷却構造は、永久磁石３２を有するロータコア３０と、ロータコア３０に凸部５２により圧入するロータシャフト１６とを有する。ロータシャフト１６の内部に軸側冷媒通路である中間通路を設ける。ロータシャフト１６の凹部５４とロータコア３０の内周面とにより、中間通路と通じるシャフトコア間冷媒通路６０を形成する。ロータコア３０の外周面において、永久磁石３２との径方向距離が最小となる磁石近接部Ｐ１，Ｐ２・・・と、凸部５２において、ロータコア３０の内周面に圧入される部分とは、周方向にずれて配置する。
【解決手段】回転電機冷却構造は、永久磁石３２を有するロータコア３０と、ロータコア３０に凸部５２により圧入するロータシャフト１６とを有する。ロータシャフト１６の内部に軸側冷媒通路である中間通路を設ける。ロータシャフト１６の凹部５４とロータコア３０の内周面とにより、中間通路と通じるシャフトコア間冷媒通路６０を形成する。ロータコア３０の外周面において、永久磁石３２との径方向距離が最小となる磁石近接部Ｐ１，Ｐ２・・・と、凸部５２において、ロータコア３０の内周面に圧入される部分とは、周方向にずれて配置する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転可能に設けられるロータシャフトと、ロータコアと、ロータコアの内部に埋め込まれた永久磁石と、ロータコアの外径側に対向配置されるステータとを備える回転電機の冷却構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から知られている、車両用電動機等の回転電機として、ロータシャフトの外径側に固定されたロータと、ロータの外径側に対向配置されたステータとを備える構成がある。また、ロータは、ロータコアと、ロータコアの内部に埋め込まれた複数の永久磁石とにより構成する場合がある。このような回転電機では、使用時にロータやステータが発熱したり、永久磁石が高温で減磁する等のためにロータやステータを冷却することが行われている。例えば、ロータシャフトの内部に軸側冷媒通路を形成し、軸側冷媒通路に冷媒である冷却液（例えば冷却油）を供給することにより、ロータやステータを冷却する、いわゆる軸心冷却構造とすることが考えられる。軸心冷却構造では、ロータ及びステータの両方を冷却しやすくなる。
【０００３】
例えば、特許文献１では、回転軸の外径側に設けられたロータと、ロータの外径側に対向配置されたステータとを備え、回転軸の内部に軸方向に伸びる給油路を形成したモータの冷却構造が記載されている。また、回転軸の外周にコア支持体部を介してロータコアを取り付けており、ロータコアを構成する複数枚の鋼板の一部の隣り合う鋼板間に隙間を設けている。この隙間と給油路とを連通する連通路を、回転軸にコア支持体部にわたって設けている。このため、冷却油は、給油路から連通路を介して隙間に流れ込み、外径側に飛ばされ、ステータに当たるので、ロータ及びステータが冷却されるとされている。
【０００４】
また、特許文献２には、ロータシャフトに設けられた軸方向油路から、コアに形成されて軸方向に貫通する軸方向油路に油が供給されてロータを冷却し、その後ロータの両側に設けられたプレートの油孔からステータの両端のコイルエンドに油が吹きかけられ、コイルエンドを冷却する冷却回路が形成されている。
【０００５】
また、特許文献３には、シャフトの軸方向に中心孔が設けられるとともに、シャフトのステータコイルエンドの位置に、中心孔に接続された貫通孔が設けられる電動機が記載されている。中心孔に流入した冷却液は、貫通孔からステータコイルエンドに向かって吹き飛ばされるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−２６３６９６号公報
【特許文献２】特開平９−１８２３７４号公報
【特許文献３】特開２００１−９５２０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の特許文献１に記載された構成では、ロータコアに永久磁石を埋め込む場合に、ロータコアの永久磁石よりも外周側部分に厚さの小さい部分が形成される可能性があるが、回転軸またはコア支持体部の外周面に凸部が形成されていると、組み付け時にロータコアの害周面と永久磁石との距離が小さい部分に応力が集中して、ロータコアの外周面が変形する可能性がないとはいえない。ロータコアの外周面はステータと大綱するもので、その形状精度の悪化は回転電機の性能を低下させる原因となる。これに対して、ロータコアと、その内側に嵌合させる部材とを隙間ばめ等で組み付けて、ロータコアの外周部の応力集中を抑制することも考えられる。ただし、この場合には、ロータコアと、回転軸等、その内側に嵌合させる部材との間での熱伝達率が低下して、ロータコアの冷却効率が低下する可能性がある。このため、ロータコアとその内側の部材との間での熱伝達率を向上させつつ、ロータコアでの応力集中を有効に抑制することが望まれている。また、ロータコアと、その内側に嵌合させる部材とを嵌合部の全周にわたって密接させるように圧入することも考えられるが、この場合には組み付け性が困難になる。
【０００８】
特許文献２，３に記載された構成の場合も、同様に、ロータコアとロータシャフトとの間での熱伝達効率を向上させつつ、ロータコアでの応力集中を有効に抑制する面から改良の余地がある。
【０００９】
本発明の目的は、回転電機の冷却構造において、ロータシャフトの内部に冷却液を流通させる構成において、ロータコアとロータシャフトとの間での熱伝達効率を向上させつつ、ロータコアでの応力集中を有効に抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る回転電機の冷却構造は、回転可能に設けられるロータシャフトと、前記ロータシャフトの外径側に固定されたロータコアと、前記ロータコアの内部に埋め込まれた永久磁石と、前記ロータコアの外径側に対向配置されるステータとを備え、前記ロータシャフトの内部に設けられた軸側冷媒通路に冷却液を流通させる回転電機の冷却構造であって、前記ロータシャフトは、外周面の周方向複数個所で軸方向に伸びて形成され、径方向に突出する凸部と、外周面の前記凸部に対し周方向に隣り合うように形成された凹部とを含み、前記ロータシャフトは、前記凸部が前記ロータコアの内周面に圧入されることにより、前記ロータコアに固定されており、前記凹部と前記ロータコアの内周面とにより形成され、前記軸側冷媒通路と通じるシャフトコア間冷媒通路を含み、前記ロータコアの外周面において、前記永久磁石との間の径方向の距離が最小となる部分と、前記凸部において、前記ロータコアの内周面に圧入される部分とは、周方向にずれて配置されていることを特徴とする回転電機の冷却構造である。
【００１１】
また、本発明に係る回転電機の冷却構造において、好ましくは、前記ロータコアの軸方向両側に前記ロータコアを挟むように配置された一対のエンドプレートを備え、前記各エンドプレートは、外側に冷却液を噴出させるプレート側冷媒通路を含み、前記各エンドプレートに設けられた前記プレート側冷媒通路同士は、前記シャフトコア間冷媒通路を介して連通している。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る回転電機の冷却構造によれば、ロータシャフトの凸部がロータコアの内周面に圧入され、ロータコアの外周面において、永久磁石との間の径方向の距離が最小となる部分と、凸部において、ロータコアの内周面に圧入される部分とは、周方向にずれて配置されているので、ロータシャフトの内部に冷却液を流通させる構成において、ロータコアとロータシャフトとの間での熱伝達効率を向上させつつ、ロータコアでの応力集中を有効に抑制することができる。しかも、凸部と隣り合う凹部とロータコアの内周面とにより、ロータシャフトの内部の軸側冷媒通路と通じるシャフトコア間冷媒通路が形成されるので、ロータコアとロータシャフトとの間での熱伝達効率をより向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る実施形態の回転電機の冷却構造の部分断面図である。
【図２】図１からロータシャフトとロータとを取り出して示す図である。
【図３】図２からロータシャフトのみを取り出して示す図である。
【図４】図３のロータシャフトのＡ−Ａ半部断面図である。
【図５】図３のロータシャフトをロータコアに圧入をした状態を示す、周方向一部の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下において、図１〜５を用いて本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態の回転電機の冷却構造は、例えば電気自動車や、燃料電池車や、エンジン及びモータを車両の駆動源として搭載するハイブリッド車両を駆動する走行用のモータとして、または、発電機として、または、その両方の機能を有するモータジェネレータとして使用する回転電機に適用する。例えば、回転電機をモータジェネレータとして使用する場合、主として発電機として使用する第１モータジェネレータ（ＭＧ１）でも、主として走行用モータとして使用する第２モータジェネレータ（ＭＧ２）でも、いずれでも本実施形態の回転電機冷却構造を適用できる。
【００１５】
図１は、本実施形態の回転電機の冷却構造の部分断面図である。図１に示すように、回転電機冷却構造は、回転電機１０を備える。回転電機１０は、ケーシング１４に軸受により回転可能に支持されたロータシャフト１６と、ロータシャフト１６の中間部の外径側に固定されたロータ１８と、ロータ１８の外径側にエアギャップを介して対向配置されたステータ２０とを備える。ステータ２０は、ケーシング１４の内周面に固定されている。このような回転電機冷却構造は、いわゆる軸心冷却構造で、冷媒であり、冷却液であるＡＴＦ等の油により、ロータ１８とステータ２０とを冷却している。
【００１６】
ステータ２０は、複数の電磁鋼板を軸方向に積層することにより構成され、積層体等の磁性材により形成されるステータコア２４と、ステータコア２４の内周面の周方向複数個所に径方向に突出形成されたティース２６と、ティース２６に巻装された複数相（例えば３相の）のステータコイル２８とを含む。ステータコイル２８において、ステータコア２４の軸方向両側面よりも外側に突出する部分により、一対のコイルエンド２９が形成されている。ステータコア２４は、ケーシング１４の内面に固定されている。複数相のステータコイル２８は、集中巻きまたは分布巻きでステータコア２４に巻装されている。
【００１７】
ケーシング１４は、ステータ２０とロータ１８とを収容している。ロータ１８は、複数の電磁鋼板を軸方向に積層することにより構成される積層体等の磁性材により形成される略円筒状のロータコア３０と、ロータコア３０の内部の周方向複数個所に埋め込まれた永久磁石３２とを含む。永久磁石３２は、周方向（「周方向」とは特に断らない限り、ロータの径方向をいう。本明細書全体及び特許請求の範囲で同じとする。）に隣り合う２つを１組として、各組で、２つの永久磁石３２がＶ字形に径方向外側に広がるように配置されている。すなわち、ロータコア３０に軸方向に貫通する複数の磁石孔が形成されており、各永久磁石３２は各磁石孔に挿入されている。また、各永久磁石３２は、径方向（「径方向」とは特に断らない限り、ロータの径方向をいう。本明細書全体及び特許請求の範囲で同じとする。）に対し傾斜する方向に着磁されている。各組で永久磁石３２の径方向に関する着磁方向は略同じとしている。永久磁石３２がこのようにロータコア３０に配置されるので、ロータコア３０の外周面の周方向複数個所（例えば図５の点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４で示す周方向複数個所）に、永久磁石３２とロータコア３０の外周面との間の径方向の距離が最小となる、磁石近接部が配置される。また、各磁石近接部Ｐ１，Ｐ２・・・に対応するロータコア３０の外周部の周方向の肉厚が最小となる複数個所に、ブリッジ部３４が形成されている。
【００１８】
また、ロータコア３０の軸方向両側に一対の円板状のエンドプレート３６が配置されており、一対のエンドプレート３６によりロータコア３０が軸方向両側から挟持されている。
【００１９】
また、ロータシャフト１６の内側に内側軸部材３８が挿入されており、内側軸部材３８に冷却油を流す軸方向通路４０と、軸方向通路４０に通じる径方向通路４２とが形成されている。内側軸部材３８の中間部外周面とロータシャフト１６の中間部内周面との間に軸側冷媒通路である中間通路４４が形成されており、中間通路４４は、径方向通路４２の径方向外端に接続することで、径方向通路４２に連通している。
【００２０】
図２、図３に示すように、ロータシャフト１６は、一端部（図２、図３の左端部）外周面にフランジ４６が形成され、中心部に軸方向に貫通する貫通孔４８が形成されている。図１に示すようにロータシャフト１６の内側に内側軸部材３８が配置された状態で、貫通孔４８の中間部内周面と内側軸部材３８の外周面とにより上記の中間通路４４が形成される。また、ロータシャフト１６の他端部（図２の右端部）の周方向１個所または複数個所に、軸方向に対し傾斜した傾斜孔５０が形成されている。傾斜孔５０は、中間通路４４と連通している。なお、傾斜孔５０は、ロータシャフト１６の径方向に沿って設けた径方向孔とすることもできる。
【００２１】
また、図４に示すように、ロータシャフト１６の外周面の周方向複数個所に軸方向に伸びて、径方向に突出する凸部５２が形成されている。各凸部５２の先端は、例えば図４に示すような断面円弧形としている。このため、ロータシャフト１６の外周面で周方向に隣り合う凸部５２同士の間に複数の凹部５４が形成されている。上記の傾斜孔５０（図２）の径方向外端は上記の凹部５４の底部に開口している。そして、図２に示すように、ロータコア３０の内周面にロータシャフト１６の各凸部５２（図４）が圧入されることにより、ロータシャフト１６はロータコア３０に固定されている。また、ロータシャフト１６のフランジ４６と、ロータシャフト１６の他端部に結合固定した断面略Ｌ字形のフランジ部材５６との間で、一対のエンドプレート３６とロータコア３０とを軸方向両側から挟んでいる。
【００２２】
また、各エンドプレート３６の軸方向外側に向いた側面の内周寄り部分に例えば放射状のプレート側冷媒通路５８が形成されている。図５に示すように、ロータコア３０の内周面にロータシャフト１６の各凸部５２を圧入した状態で、凹部５４とロータコア３０の内周面とに仕切られる部分により複数のシャフトコア間冷媒通路６０が形成される。各シャフトコア間冷媒通路６０は、傾斜孔５０（図２）を介して中間通路４４（図１）と通じている。また、一対のエンドプレート３６の片側（図２の右側）のエンドプレート３６に形成されたプレート側冷媒通路５８と、傾斜孔５０とが連通しており、一対のエンドプレート３６の他側（図２の左側）のエンドプレート３６に形成されたプレート側冷媒通路５８が、シャフトコア間冷媒通路６０と連通している。このため、各エンドプレート３６に設けられたプレート側冷媒通路５８同士は、シャフトコア間冷媒通路６０を介して連通している。また、各プレート側冷媒通路５８は、外側に冷却油を噴出させる。
【００２３】
なお、図５に示す例では、ロータコア３０の外周面の周方向複数個所に凹溝６２が形成されているが、凹溝６２を省略して、ロータコア３０の外周面を単なる円筒面とすることもできる。
【００２４】
また、図１の例では、各コイルエンド２９を含むステータ２０の軸方向長さを、各エンドプレート３６を含むロータ１８の軸方向長さよりも大きくしている。また、各エンドプレート３６のプレート側冷媒通路５８から外側に噴出された冷却油が各コイルエンド２９に向け飛ばされるようにしている。
【００２５】
さらに、図５に示すように、ロータコア３０の外周面において、永久磁石３２との間の径方向の距離が最小となる磁石近接部Ｐ１，Ｐ２・・・と、ロータシャフト１６に設けられた各凸部５２において、ロータコア３０の内周面に圧入される部分とは、周方向にずれて配置されるようにしている。例えば、図５のように矢印α１、α２で、ロータシャフト１６の凸部５２において、ロータコア３０の内周面に圧入される部分の周方向範囲を規定した場合に、周方向範囲α１、α２は、いずれも磁石近接部Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４・・・と周方向にずれるように、ロータコア３０にロータシャフト１６が組み付けられている。
【００２６】
このような回転電機１０では、複数相のステータコイル２８に複数相の交流電流を流すことで、ステータ２０に回転磁界を生じさせ、ロータ１８をロータシャフト１６とともに回転させることができる。
【００２７】
このような回転電機冷却構造では、図１に示すように、図示しないポンプ等により構成される冷却油供給装置から、内側軸部材３８の軸方向通路４０に冷却油が供給されると、その冷却油は、径方向通路４２を介して中間通路４４に供給され、中間通路４４から傾斜孔５０を通じて片側（図１の右側）のエンドプレート３６のプレート側冷媒通路５８に送られる。そして、冷却油は、このプレート側冷媒通路５８から、ロータ１８の回転による遠心力の作用により、片側（図１の右側）のコイルエンド２９（図１）に向け外径側に飛ばされる。
【００２８】
また、傾斜孔５８を通じてシャフトコア間冷媒通路６０に図２の矢印β方向に送られた冷却油は、他側（図１の左側）のエンドプレート３６のプレート側冷媒通路５８に送られ、ロータ１８の回転による遠心力の作用により、他側（図１の左側）のコイルエンド２９（図１）に向け外径側に飛ばされる。このため、ロータコア３０及び永久磁石３２とステータ２０（図１）に設けたコイルエンド２９とが冷却される。
【００２９】
このような回転電機冷却構造によれば、ロータシャフト１６の各凸部５２がロータコア３０の内周面に圧入されているので、ロータコア３０にロータシャフト１６を全周で隙間ばめで嵌合する場合と異なり、ロータコア３０とロータシャフト１６との間での熱伝達効率を向上させることができる。また、ロータコア３０の外周面において、永久磁石３２との間の径方向の距離が最小となる磁石近接部Ｐ１，Ｐ２・・・と、各凸部５２において、ロータコア３０の内周面に圧入される部分とは、周方向にずれて配置されている。このため、ロータシャフト１６の凸部５２がロータコア３０に圧入されるのにもかかわらず、ロータコア３０での応力集中を有効に抑制することができる。したがって、ロータシャフト１６の内部に冷却油を流通させる構成において、ロータコア３０とロータシャフト１６との間での熱伝達効率を向上させつつ、ロータコア３０での応力集中を有効に抑制することができる。すなわち、ロータコア３０に対するロータシャフト１６の組み付け作業の際に、ロータコア３０の外周部の肉厚が最小となるブリッジ部３４に過度な応力が集中することを防止できる。
【００３０】
これに対して、例えば図５に二点鎖線γで示す位置に凸部が形成されると、凸部のロータコア３０の内周面に圧入される部分と磁石近接部Ｐ２とが周方向で一致するように、ロータコア３０にロータシャフト１６が組み付けられる。このため、組み付け時にロータコア３０の磁石近接部Ｐ２近傍、すなわちブリッジ部３４近傍に高い応力集中が発生する可能性がある。本実施形態によれば、このような不都合を防止できる。
【００３１】
しかも、各凸部５２と隣り合う複数の凹部５４とロータコア３０の内周面とにより、ロータシャフト１６の内部の中間通路４４と通じるシャフトコア間冷媒通路６０が形成されている。このため、シャフトコア間冷媒通路６０が単なる空間となる場合と異なり、ロータコア３０とロータシャフト１６との間での熱伝達効率をより向上させることができる。なお、ロータシャフト１６の外周面の凸部５２と凹部５４とはローレット加工等により形成してもよい。
【００３２】
さらに、ロータシャフト１６の外周面の全周部分をロータコア３０の内周面に圧入等、しまり嵌めにより嵌合する場合と異なり、本実施形態では、圧入に要する力を小さくできるので、ロータ１８及びロータシャフト１６の組み付け性の向上を図れる。
【００３３】
なお、一対のエンドプレート３６の一方または両方のエンドプレート３６を省略した場合でも、ロータシャフト１６の外周面に、シャフトコア間冷媒通路６０と連通する溝部を形成し、溝部をコイルエンド２９に対向させる等により、溝部から噴出させた冷却油がコイルエンド２９に向け外径側に飛ばされるようにすることもできる。また、本実施形態では、ロータシャフト１６の内側に内側軸部材３８を配置しているが、内側軸部材３８を省略して、ロータシャフト１６の貫通孔４８により形成される軸側冷媒通路に冷却油を供給し、ロータ１８及びステータ２０を冷却することもできる。
【００３４】
また、ロータコア３０は、複数の鋼板を積層してなる積層体により構成する以外に、磁性粉末を加圧成形してなる圧粉磁心により構成することもできる。また、冷却液として、油以外、例えば冷却水等を用いることもできる。また、永久磁石はロータコア３０にＶ字形に配置する構成に限定するものではなく、例えば、ロータコアの中心軸を中心とする同心円上の複数個所に永久磁石を配置することもできる。
【符号の説明】
【００３５】
１０ 回転電機、１４ ケーシング、１６ ロータシャフト、１８ ロータ、２０ ステータ、２２ コイルエンド、２４ ステータコア、２６ ティース、２８ ステータコイル、２９ コイルエンド、３０ ロータコア、３２ 永久磁石、３４ ブリッジ部、３６ エンドプレート、３８ 内側軸部材、４０ 軸方向通路、４２ 径方向通路、４４ 中間通路、４６ フランジ、４８ 貫通孔、５０ 傾斜孔、５２ 凸部、５４ 凹部、５６ フランジ部材、５８ プレート側冷媒通路、６０ シャフトコア間冷媒通路、６２ 凹溝。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転可能に設けられるロータシャフトと、ロータコアと、ロータコアの内部に埋め込まれた永久磁石と、ロータコアの外径側に対向配置されるステータとを備える回転電機の冷却構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から知られている、車両用電動機等の回転電機として、ロータシャフトの外径側に固定されたロータと、ロータの外径側に対向配置されたステータとを備える構成がある。また、ロータは、ロータコアと、ロータコアの内部に埋め込まれた複数の永久磁石とにより構成する場合がある。このような回転電機では、使用時にロータやステータが発熱したり、永久磁石が高温で減磁する等のためにロータやステータを冷却することが行われている。例えば、ロータシャフトの内部に軸側冷媒通路を形成し、軸側冷媒通路に冷媒である冷却液（例えば冷却油）を供給することにより、ロータやステータを冷却する、いわゆる軸心冷却構造とすることが考えられる。軸心冷却構造では、ロータ及びステータの両方を冷却しやすくなる。
【０００３】
例えば、特許文献１では、回転軸の外径側に設けられたロータと、ロータの外径側に対向配置されたステータとを備え、回転軸の内部に軸方向に伸びる給油路を形成したモータの冷却構造が記載されている。また、回転軸の外周にコア支持体部を介してロータコアを取り付けており、ロータコアを構成する複数枚の鋼板の一部の隣り合う鋼板間に隙間を設けている。この隙間と給油路とを連通する連通路を、回転軸にコア支持体部にわたって設けている。このため、冷却油は、給油路から連通路を介して隙間に流れ込み、外径側に飛ばされ、ステータに当たるので、ロータ及びステータが冷却されるとされている。
【０００４】
また、特許文献２には、ロータシャフトに設けられた軸方向油路から、コアに形成されて軸方向に貫通する軸方向油路に油が供給されてロータを冷却し、その後ロータの両側に設けられたプレートの油孔からステータの両端のコイルエンドに油が吹きかけられ、コイルエンドを冷却する冷却回路が形成されている。
【０００５】
また、特許文献３には、シャフトの軸方向に中心孔が設けられるとともに、シャフトのステータコイルエンドの位置に、中心孔に接続された貫通孔が設けられる電動機が記載されている。中心孔に流入した冷却液は、貫通孔からステータコイルエンドに向かって吹き飛ばされるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−２６３６９６号公報
【特許文献２】特開平９−１８２３７４号公報
【特許文献３】特開２００１−９５２０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の特許文献１に記載された構成では、ロータコアに永久磁石を埋め込む場合に、ロータコアの永久磁石よりも外周側部分に厚さの小さい部分が形成される可能性があるが、回転軸またはコア支持体部の外周面に凸部が形成されていると、組み付け時にロータコアの害周面と永久磁石との距離が小さい部分に応力が集中して、ロータコアの外周面が変形する可能性がないとはいえない。ロータコアの外周面はステータと大綱するもので、その形状精度の悪化は回転電機の性能を低下させる原因となる。これに対して、ロータコアと、その内側に嵌合させる部材とを隙間ばめ等で組み付けて、ロータコアの外周部の応力集中を抑制することも考えられる。ただし、この場合には、ロータコアと、回転軸等、その内側に嵌合させる部材との間での熱伝達率が低下して、ロータコアの冷却効率が低下する可能性がある。このため、ロータコアとその内側の部材との間での熱伝達率を向上させつつ、ロータコアでの応力集中を有効に抑制することが望まれている。また、ロータコアと、その内側に嵌合させる部材とを嵌合部の全周にわたって密接させるように圧入することも考えられるが、この場合には組み付け性が困難になる。
【０００８】
特許文献２，３に記載された構成の場合も、同様に、ロータコアとロータシャフトとの間での熱伝達効率を向上させつつ、ロータコアでの応力集中を有効に抑制する面から改良の余地がある。
【０００９】
本発明の目的は、回転電機の冷却構造において、ロータシャフトの内部に冷却液を流通させる構成において、ロータコアとロータシャフトとの間での熱伝達効率を向上させつつ、ロータコアでの応力集中を有効に抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る回転電機の冷却構造は、回転可能に設けられるロータシャフトと、前記ロータシャフトの外径側に固定されたロータコアと、前記ロータコアの内部に埋め込まれた永久磁石と、前記ロータコアの外径側に対向配置されるステータとを備え、前記ロータシャフトの内部に設けられた軸側冷媒通路に冷却液を流通させる回転電機の冷却構造であって、前記ロータシャフトは、外周面の周方向複数個所で軸方向に伸びて形成され、径方向に突出する凸部と、外周面の前記凸部に対し周方向に隣り合うように形成された凹部とを含み、前記ロータシャフトは、前記凸部が前記ロータコアの内周面に圧入されることにより、前記ロータコアに固定されており、前記凹部と前記ロータコアの内周面とにより形成され、前記軸側冷媒通路と通じるシャフトコア間冷媒通路を含み、前記ロータコアの外周面において、前記永久磁石との間の径方向の距離が最小となる部分と、前記凸部において、前記ロータコアの内周面に圧入される部分とは、周方向にずれて配置されていることを特徴とする回転電機の冷却構造である。
【００１１】
また、本発明に係る回転電機の冷却構造において、好ましくは、前記ロータコアの軸方向両側に前記ロータコアを挟むように配置された一対のエンドプレートを備え、前記各エンドプレートは、外側に冷却液を噴出させるプレート側冷媒通路を含み、前記各エンドプレートに設けられた前記プレート側冷媒通路同士は、前記シャフトコア間冷媒通路を介して連通している。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る回転電機の冷却構造によれば、ロータシャフトの凸部がロータコアの内周面に圧入され、ロータコアの外周面において、永久磁石との間の径方向の距離が最小となる部分と、凸部において、ロータコアの内周面に圧入される部分とは、周方向にずれて配置されているので、ロータシャフトの内部に冷却液を流通させる構成において、ロータコアとロータシャフトとの間での熱伝達効率を向上させつつ、ロータコアでの応力集中を有効に抑制することができる。しかも、凸部と隣り合う凹部とロータコアの内周面とにより、ロータシャフトの内部の軸側冷媒通路と通じるシャフトコア間冷媒通路が形成されるので、ロータコアとロータシャフトとの間での熱伝達効率をより向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る実施形態の回転電機の冷却構造の部分断面図である。
【図２】図１からロータシャフトとロータとを取り出して示す図である。
【図３】図２からロータシャフトのみを取り出して示す図である。
【図４】図３のロータシャフトのＡ−Ａ半部断面図である。
【図５】図３のロータシャフトをロータコアに圧入をした状態を示す、周方向一部の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下において、図１〜５を用いて本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態の回転電機の冷却構造は、例えば電気自動車や、燃料電池車や、エンジン及びモータを車両の駆動源として搭載するハイブリッド車両を駆動する走行用のモータとして、または、発電機として、または、その両方の機能を有するモータジェネレータとして使用する回転電機に適用する。例えば、回転電機をモータジェネレータとして使用する場合、主として発電機として使用する第１モータジェネレータ（ＭＧ１）でも、主として走行用モータとして使用する第２モータジェネレータ（ＭＧ２）でも、いずれでも本実施形態の回転電機冷却構造を適用できる。
【００１５】
図１は、本実施形態の回転電機の冷却構造の部分断面図である。図１に示すように、回転電機冷却構造は、回転電機１０を備える。回転電機１０は、ケーシング１４に軸受により回転可能に支持されたロータシャフト１６と、ロータシャフト１６の中間部の外径側に固定されたロータ１８と、ロータ１８の外径側にエアギャップを介して対向配置されたステータ２０とを備える。ステータ２０は、ケーシング１４の内周面に固定されている。このような回転電機冷却構造は、いわゆる軸心冷却構造で、冷媒であり、冷却液であるＡＴＦ等の油により、ロータ１８とステータ２０とを冷却している。
【００１６】
ステータ２０は、複数の電磁鋼板を軸方向に積層することにより構成され、積層体等の磁性材により形成されるステータコア２４と、ステータコア２４の内周面の周方向複数個所に径方向に突出形成されたティース２６と、ティース２６に巻装された複数相（例えば３相の）のステータコイル２８とを含む。ステータコイル２８において、ステータコア２４の軸方向両側面よりも外側に突出する部分により、一対のコイルエンド２９が形成されている。ステータコア２４は、ケーシング１４の内面に固定されている。複数相のステータコイル２８は、集中巻きまたは分布巻きでステータコア２４に巻装されている。
【００１７】
ケーシング１４は、ステータ２０とロータ１８とを収容している。ロータ１８は、複数の電磁鋼板を軸方向に積層することにより構成される積層体等の磁性材により形成される略円筒状のロータコア３０と、ロータコア３０の内部の周方向複数個所に埋め込まれた永久磁石３２とを含む。永久磁石３２は、周方向（「周方向」とは特に断らない限り、ロータの径方向をいう。本明細書全体及び特許請求の範囲で同じとする。）に隣り合う２つを１組として、各組で、２つの永久磁石３２がＶ字形に径方向外側に広がるように配置されている。すなわち、ロータコア３０に軸方向に貫通する複数の磁石孔が形成されており、各永久磁石３２は各磁石孔に挿入されている。また、各永久磁石３２は、径方向（「径方向」とは特に断らない限り、ロータの径方向をいう。本明細書全体及び特許請求の範囲で同じとする。）に対し傾斜する方向に着磁されている。各組で永久磁石３２の径方向に関する着磁方向は略同じとしている。永久磁石３２がこのようにロータコア３０に配置されるので、ロータコア３０の外周面の周方向複数個所（例えば図５の点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４で示す周方向複数個所）に、永久磁石３２とロータコア３０の外周面との間の径方向の距離が最小となる、磁石近接部が配置される。また、各磁石近接部Ｐ１，Ｐ２・・・に対応するロータコア３０の外周部の周方向の肉厚が最小となる複数個所に、ブリッジ部３４が形成されている。
【００１８】
また、ロータコア３０の軸方向両側に一対の円板状のエンドプレート３６が配置されており、一対のエンドプレート３６によりロータコア３０が軸方向両側から挟持されている。
【００１９】
また、ロータシャフト１６の内側に内側軸部材３８が挿入されており、内側軸部材３８に冷却油を流す軸方向通路４０と、軸方向通路４０に通じる径方向通路４２とが形成されている。内側軸部材３８の中間部外周面とロータシャフト１６の中間部内周面との間に軸側冷媒通路である中間通路４４が形成されており、中間通路４４は、径方向通路４２の径方向外端に接続することで、径方向通路４２に連通している。
【００２０】
図２、図３に示すように、ロータシャフト１６は、一端部（図２、図３の左端部）外周面にフランジ４６が形成され、中心部に軸方向に貫通する貫通孔４８が形成されている。図１に示すようにロータシャフト１６の内側に内側軸部材３８が配置された状態で、貫通孔４８の中間部内周面と内側軸部材３８の外周面とにより上記の中間通路４４が形成される。また、ロータシャフト１６の他端部（図２の右端部）の周方向１個所または複数個所に、軸方向に対し傾斜した傾斜孔５０が形成されている。傾斜孔５０は、中間通路４４と連通している。なお、傾斜孔５０は、ロータシャフト１６の径方向に沿って設けた径方向孔とすることもできる。
【００２１】
また、図４に示すように、ロータシャフト１６の外周面の周方向複数個所に軸方向に伸びて、径方向に突出する凸部５２が形成されている。各凸部５２の先端は、例えば図４に示すような断面円弧形としている。このため、ロータシャフト１６の外周面で周方向に隣り合う凸部５２同士の間に複数の凹部５４が形成されている。上記の傾斜孔５０（図２）の径方向外端は上記の凹部５４の底部に開口している。そして、図２に示すように、ロータコア３０の内周面にロータシャフト１６の各凸部５２（図４）が圧入されることにより、ロータシャフト１６はロータコア３０に固定されている。また、ロータシャフト１６のフランジ４６と、ロータシャフト１６の他端部に結合固定した断面略Ｌ字形のフランジ部材５６との間で、一対のエンドプレート３６とロータコア３０とを軸方向両側から挟んでいる。
【００２２】
また、各エンドプレート３６の軸方向外側に向いた側面の内周寄り部分に例えば放射状のプレート側冷媒通路５８が形成されている。図５に示すように、ロータコア３０の内周面にロータシャフト１６の各凸部５２を圧入した状態で、凹部５４とロータコア３０の内周面とに仕切られる部分により複数のシャフトコア間冷媒通路６０が形成される。各シャフトコア間冷媒通路６０は、傾斜孔５０（図２）を介して中間通路４４（図１）と通じている。また、一対のエンドプレート３６の片側（図２の右側）のエンドプレート３６に形成されたプレート側冷媒通路５８と、傾斜孔５０とが連通しており、一対のエンドプレート３６の他側（図２の左側）のエンドプレート３６に形成されたプレート側冷媒通路５８が、シャフトコア間冷媒通路６０と連通している。このため、各エンドプレート３６に設けられたプレート側冷媒通路５８同士は、シャフトコア間冷媒通路６０を介して連通している。また、各プレート側冷媒通路５８は、外側に冷却油を噴出させる。
【００２３】
なお、図５に示す例では、ロータコア３０の外周面の周方向複数個所に凹溝６２が形成されているが、凹溝６２を省略して、ロータコア３０の外周面を単なる円筒面とすることもできる。
【００２４】
また、図１の例では、各コイルエンド２９を含むステータ２０の軸方向長さを、各エンドプレート３６を含むロータ１８の軸方向長さよりも大きくしている。また、各エンドプレート３６のプレート側冷媒通路５８から外側に噴出された冷却油が各コイルエンド２９に向け飛ばされるようにしている。
【００２５】
さらに、図５に示すように、ロータコア３０の外周面において、永久磁石３２との間の径方向の距離が最小となる磁石近接部Ｐ１，Ｐ２・・・と、ロータシャフト１６に設けられた各凸部５２において、ロータコア３０の内周面に圧入される部分とは、周方向にずれて配置されるようにしている。例えば、図５のように矢印α１、α２で、ロータシャフト１６の凸部５２において、ロータコア３０の内周面に圧入される部分の周方向範囲を規定した場合に、周方向範囲α１、α２は、いずれも磁石近接部Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４・・・と周方向にずれるように、ロータコア３０にロータシャフト１６が組み付けられている。
【００２６】
このような回転電機１０では、複数相のステータコイル２８に複数相の交流電流を流すことで、ステータ２０に回転磁界を生じさせ、ロータ１８をロータシャフト１６とともに回転させることができる。
【００２７】
このような回転電機冷却構造では、図１に示すように、図示しないポンプ等により構成される冷却油供給装置から、内側軸部材３８の軸方向通路４０に冷却油が供給されると、その冷却油は、径方向通路４２を介して中間通路４４に供給され、中間通路４４から傾斜孔５０を通じて片側（図１の右側）のエンドプレート３６のプレート側冷媒通路５８に送られる。そして、冷却油は、このプレート側冷媒通路５８から、ロータ１８の回転による遠心力の作用により、片側（図１の右側）のコイルエンド２９（図１）に向け外径側に飛ばされる。
【００２８】
また、傾斜孔５８を通じてシャフトコア間冷媒通路６０に図２の矢印β方向に送られた冷却油は、他側（図１の左側）のエンドプレート３６のプレート側冷媒通路５８に送られ、ロータ１８の回転による遠心力の作用により、他側（図１の左側）のコイルエンド２９（図１）に向け外径側に飛ばされる。このため、ロータコア３０及び永久磁石３２とステータ２０（図１）に設けたコイルエンド２９とが冷却される。
【００２９】
このような回転電機冷却構造によれば、ロータシャフト１６の各凸部５２がロータコア３０の内周面に圧入されているので、ロータコア３０にロータシャフト１６を全周で隙間ばめで嵌合する場合と異なり、ロータコア３０とロータシャフト１６との間での熱伝達効率を向上させることができる。また、ロータコア３０の外周面において、永久磁石３２との間の径方向の距離が最小となる磁石近接部Ｐ１，Ｐ２・・・と、各凸部５２において、ロータコア３０の内周面に圧入される部分とは、周方向にずれて配置されている。このため、ロータシャフト１６の凸部５２がロータコア３０に圧入されるのにもかかわらず、ロータコア３０での応力集中を有効に抑制することができる。したがって、ロータシャフト１６の内部に冷却油を流通させる構成において、ロータコア３０とロータシャフト１６との間での熱伝達効率を向上させつつ、ロータコア３０での応力集中を有効に抑制することができる。すなわち、ロータコア３０に対するロータシャフト１６の組み付け作業の際に、ロータコア３０の外周部の肉厚が最小となるブリッジ部３４に過度な応力が集中することを防止できる。
【００３０】
これに対して、例えば図５に二点鎖線γで示す位置に凸部が形成されると、凸部のロータコア３０の内周面に圧入される部分と磁石近接部Ｐ２とが周方向で一致するように、ロータコア３０にロータシャフト１６が組み付けられる。このため、組み付け時にロータコア３０の磁石近接部Ｐ２近傍、すなわちブリッジ部３４近傍に高い応力集中が発生する可能性がある。本実施形態によれば、このような不都合を防止できる。
【００３１】
しかも、各凸部５２と隣り合う複数の凹部５４とロータコア３０の内周面とにより、ロータシャフト１６の内部の中間通路４４と通じるシャフトコア間冷媒通路６０が形成されている。このため、シャフトコア間冷媒通路６０が単なる空間となる場合と異なり、ロータコア３０とロータシャフト１６との間での熱伝達効率をより向上させることができる。なお、ロータシャフト１６の外周面の凸部５２と凹部５４とはローレット加工等により形成してもよい。
【００３２】
さらに、ロータシャフト１６の外周面の全周部分をロータコア３０の内周面に圧入等、しまり嵌めにより嵌合する場合と異なり、本実施形態では、圧入に要する力を小さくできるので、ロータ１８及びロータシャフト１６の組み付け性の向上を図れる。
【００３３】
なお、一対のエンドプレート３６の一方または両方のエンドプレート３６を省略した場合でも、ロータシャフト１６の外周面に、シャフトコア間冷媒通路６０と連通する溝部を形成し、溝部をコイルエンド２９に対向させる等により、溝部から噴出させた冷却油がコイルエンド２９に向け外径側に飛ばされるようにすることもできる。また、本実施形態では、ロータシャフト１６の内側に内側軸部材３８を配置しているが、内側軸部材３８を省略して、ロータシャフト１６の貫通孔４８により形成される軸側冷媒通路に冷却油を供給し、ロータ１８及びステータ２０を冷却することもできる。
【００３４】
また、ロータコア３０は、複数の鋼板を積層してなる積層体により構成する以外に、磁性粉末を加圧成形してなる圧粉磁心により構成することもできる。また、冷却液として、油以外、例えば冷却水等を用いることもできる。また、永久磁石はロータコア３０にＶ字形に配置する構成に限定するものではなく、例えば、ロータコアの中心軸を中心とする同心円上の複数個所に永久磁石を配置することもできる。
【符号の説明】
【００３５】
１０ 回転電機、１４ ケーシング、１６ ロータシャフト、１８ ロータ、２０ ステータ、２２ コイルエンド、２４ ステータコア、２６ ティース、２８ ステータコイル、２９ コイルエンド、３０ ロータコア、３２ 永久磁石、３４ ブリッジ部、３６ エンドプレート、３８ 内側軸部材、４０ 軸方向通路、４２ 径方向通路、４４ 中間通路、４６ フランジ、４８ 貫通孔、５０ 傾斜孔、５２ 凸部、５４ 凹部、５６ フランジ部材、５８ プレート側冷媒通路、６０ シャフトコア間冷媒通路、６２ 凹溝。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転可能に設けられるロータシャフトと、
前記ロータシャフトの外径側に固定されたロータコアと、
前記ロータコアの内部に埋め込まれた永久磁石と、
前記ロータコアの外径側に対向配置されるステータとを備え、
前記ロータシャフトの内部に設けられた軸側冷媒通路に冷却液を流通させる回転電機の冷却構造であって、
前記ロータシャフトは、
外周面の周方向複数個所で軸方向に伸びて形成され、径方向に突出する凸部と、
外周面の前記凸部に対し周方向に隣り合うように形成された凹部とを含み、
前記ロータシャフトは、前記凸部が前記ロータコアの内周面に圧入されることにより、前記ロータコアに固定されており、
前記凹部と前記ロータコアの内周面とにより形成され、前記軸側冷媒通路と通じるシャフトコア間冷媒通路を含み、
前記ロータコアの外周面において、前記永久磁石との間の径方向の距離が最小となる部分と、前記凸部において、前記ロータコアの内周面に圧入される部分とは、周方向にずれて配置されていることを特徴とする回転電機の冷却構造。
【請求項２】
請求項１に記載の回転電機の冷却構造において、
前記ロータコアの軸方向両側に前記ロータコアを挟むように配置された一対のエンドプレートを備え、
前記各エンドプレートは、外側に冷却液を噴出させるプレート側冷媒通路を含み、
前記各エンドプレートに設けられた前記プレート側冷媒通路同士は、前記シャフトコア間冷媒通路を介して連通していることを特徴とする回転電機の冷却構造。
【請求項１】
回転可能に設けられるロータシャフトと、
前記ロータシャフトの外径側に固定されたロータコアと、
前記ロータコアの内部に埋め込まれた永久磁石と、
前記ロータコアの外径側に対向配置されるステータとを備え、
前記ロータシャフトの内部に設けられた軸側冷媒通路に冷却液を流通させる回転電機の冷却構造であって、
前記ロータシャフトは、
外周面の周方向複数個所で軸方向に伸びて形成され、径方向に突出する凸部と、
外周面の前記凸部に対し周方向に隣り合うように形成された凹部とを含み、
前記ロータシャフトは、前記凸部が前記ロータコアの内周面に圧入されることにより、前記ロータコアに固定されており、
前記凹部と前記ロータコアの内周面とにより形成され、前記軸側冷媒通路と通じるシャフトコア間冷媒通路を含み、
前記ロータコアの外周面において、前記永久磁石との間の径方向の距離が最小となる部分と、前記凸部において、前記ロータコアの内周面に圧入される部分とは、周方向にずれて配置されていることを特徴とする回転電機の冷却構造。
【請求項２】
請求項１に記載の回転電機の冷却構造において、
前記ロータコアの軸方向両側に前記ロータコアを挟むように配置された一対のエンドプレートを備え、
前記各エンドプレートは、外側に冷却液を噴出させるプレート側冷媒通路を含み、
前記各エンドプレートに設けられた前記プレート側冷媒通路同士は、前記シャフトコア間冷媒通路を介して連通していることを特徴とする回転電機の冷却構造。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−５１８０５（Ｐ２０１３−５１８０５Ａ）
【公開日】平成２５年３月１４日（２０１３．３．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８８１２７（Ｐ２０１１−１８８１２７）
【出願日】平成２３年８月３１日（２０１１．８．３１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月１４日（２０１３．３．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月３１日（２０１１．８．３１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]