JP2014064433A - 回転電機のロータ軸 - Google Patents

Abstract

【課題】中空軸の内側部分を冷却液の流路として利用し、径方向の貫通孔から冷却液を送出する回転電機のロータ軸において、貫通孔から送出される冷却液が途切れないようにする。
【解決手段】中空軸であるロータ軸１８の内壁面４２に、螺旋形状の誘導溝４４を設ける。ロータ軸１８が回転することにより、冷却液が誘導溝４４から力を受け、貫通孔４０の位置に向けて送られる。貫通孔４０の周囲に冷却液が供給されることにより、貫通孔４０から送出される冷却液が途切れないようになる。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機のロータ軸に関し、特に冷却液を流すロータ軸の構造に関する。

電気エネルギを回転の運動エネルギに変換する電動機、回転の運動エネルギを電気エネルギに変換する発電機、さらに電動機と発電機どちらにも機能する電気機器が知られている。以下において、これらの電気機器を回転電機と記す。回転電機は、同軸に配置されて相対的に回転する二つの部材を有する。通常は、一方が固定され、他方が回転する。固定された部材（ステータ）にコイルを配置し、このコイルに交流電力を供給することにより回転する磁界を形成する。この磁界との相互作用により他方の部材（ロータ）が回転する。

ロータは、ステータが形成する回転磁界と相互作用するロータコアと、このロータコアを回転可能に支持するロータ軸を有する。ロータ軸は、ロータコアと一体となって回転し、ロータ回転を外部に伝達する出力軸として機能する。

回転電機は、ステータに配置されたコイルや、ロータに配置された永久磁石などの発熱源を有し、これらを冷却する必要がある。下記特許文献１では、ロータ軸を中空軸とし、これを冷却液を送る流路として利用する技術が記載されている。ロータ軸の所定位置に径方向の貫通孔があけられ、この貫通孔から冷却液が送出されて、冷却対象となる部分へと冷却液が送られる（例えば、段落００２２，００２３参照）。

また、下記特許文献２には、中空のロータ軸の内壁面に軸線方向に延びる溝を設け、この溝の底面に勾配をつけて冷却液を送る技術が記載されている（段落００６６−００７０、図６参照）。

特開２０１１−２５４５７８号公報 特開２０１０−１４２０９０号公報

上記特許文献１のように、径方向の貫通孔を介して冷却液を送出する場合、冷却液は、径方向の貫通孔の近傍では、この貫通孔に向かい、ここから送り出されるが、貫通孔から離れた位置では、冷却液が貫通孔に向けてうまく流れないことがあった。貫通孔に向かう流れが形成されないと、貫通孔から十分に冷却液を送出することができない場合がある。貫通孔へと流れなかった冷却液は、他の部分に多く流れ、その部分での無駄な供給過多が生じる。

本発明は、中空のロータ軸の内側に供給された冷却液を、ロータ軸に形成された径方向の貫通孔に誘導することを目的とする。

本発明の回転電機のロータ軸は、中空軸であり、ロータ軸の内側と外側を繋ぐ貫通流路を有している。ロータ軸には、更にその内壁面に、螺旋状に延びる誘導溝が形成されている。中空のロータ軸の内側空間に供給された冷却液は、ロータ軸の回転によって螺旋の誘導溝から力を受け、貫通流路に向う流れが形成される。

誘導溝により冷却液を貫通流路に向け強制的に送ることで、貫通流路から送出される冷却液の流量を確保することができる。

本実施形態の回転電機の概略構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態を、図面に従って説明する。図１は、本実施形態の回転電機１０の概略構成を示す断面図である。回転電機１０は、略円柱または円板形状のロータ１２と、ロータ１２の周囲を囲むように配置された略円筒または円環形状のステータ１４を有する。以下において、ロータ１２およびステータ１４の形状は、簡単のために円柱および円筒と記す。ロータ１２の円柱とステータ１４の円筒とは同心に配置されている。

ロータ１２は、円板形状の電磁鋼板を積層して形成された円筒形状のロータコア１６と、ロータコア１６の中心を貫通するロータ軸１８を有する。ロータコア１６とロータ軸１８とを固定するため、ロータ軸１８に沿った方向において、ロータコア１６がかしめ部材２０とエンドプレート２２で両側から挟まれるようにして、ロータ軸１８に一体固定されている。ロータ１２は、ロータ軸１８を軸として回転する。

ロータコア１６の外周面または外周面に近い部分に永久磁石２４が配置されている。永久磁石２４は、所定間隔で周方向に配列される。この回転電機１０では、積層される電磁鋼板の一枚一枚の所定の位置に孔を形成し、電磁鋼板を積層したときに、前記の形成された孔が永久磁石２４を収容する収容部を構成するようにしている。この収容部に永久磁石２４を挿入し、ロータコア１６に永久磁石２４が固定配置される。

ロータコア１６の永久磁石２４の径方向内側の位置には、冷却液が流れる流路２６が形成されている。この流路２６は、永久磁石２４の表面に冷却液が直接接するように設けられても、またロータコア１６を構成する部材を介して永久磁石２４と隣り合うように設けられてもよい。いずれにしても、流路２６は、永久磁石２４に隣接して配置される。以下、流路２６を、永久磁石２４に隣接配置されているという意味で、隣接流路２６と記す。隣接流路２６は、前述の永久磁石の収容部と同様、電磁鋼板の一枚一枚の所定の位置に孔をあけ、電磁鋼板が積層されたときに、孔が連なることにより形成される。隣接流路２６は、ロータコア１６の回転軸線方向における両端面に開口している。しかし、一方のみに開口するようにしてもよい。隣接流路２６への冷却液の供給は、ロータ軸１８から、エンドプレート２２内に設けられたエンドプレート内流路２８、およびロータコア１６内に設けられたコア内流路３０を介して行われる。エンドプレート内流路２８は、エンドプレート２２内に半径方向に延びて形成される。コア内流路３０の一端は、エンドプレート内流路２８に開口し、他端は隣接流路２６に対し、その中央、つまり軸線方向における中央位置に開口している。

ロータ軸１８は中空軸であり、一端がプラグ３２により塞がれている。また、ロータ軸１８は、ロータコア１６に対して互いに反対側に配置された２個の軸受３４により、不図示のケースに回転可能に支持されている。中空のロータ軸１８の内側の空間には、この空間内に冷却液を供給する供給パイプ３６が挿入されている。供給パイプ３６の先端部の側面には、１つまたは複数の供給孔３８が設けられている。供給パイプ３６には、不図示のポンプから冷却液が送られ、冷却液は供給孔３８から吐出されて、ロータ軸１８の内側の空間に供給される。

ロータ軸１８には、その内側と外側を繋ぐ径方向に延びる貫通孔４０が一つまたは複数設けられている。この貫通孔４０を通って、ロータ軸１８の内側から外側へ冷却液が供給される。つまり、貫通孔４０は、冷却液の流路となる。ロータ軸１８の内壁面４２には、螺旋状の溝４４が形成されている。溝４４は、後述するように、ロータ軸１８内の冷却液を貫通孔４０に向けて誘導する機能を有する。以降、溝４４を誘導溝４４と記す。誘導溝４４の螺旋の向きは、貫通孔４０の位置を境に逆向きとなっている。

ステータ１４は、円筒の内周面に、周方向に沿って配列されたティースを有するステータコア４６と、ティースに巻装されたステータコイル４８を有する。ステータコア４６は、完成時のステータコアの断面形状と同じ形状を有する電磁鋼板を積層して形成される。ステータコア４６のティースに導線を巻き付けてコイル４８が形成される。これによりティースが磁極となる。コイル４８のステータコア４６の端面から出た部分は、コイルエンドと呼ばれている。

供給パイプ３６により、ロータ軸１８の内側の空間に冷却液が供給される。供給される位置は、供給孔３８の位置により定まり、回転電機１０においては、ロータコア１６に対応する部分に供給される。供給孔３８から吐出されたとき、冷却液は、径方向外側に向かう。このとき、冷却液の流れは周方向の成分を有さない。冷却液は、内壁面４２に達すると、ロータ軸１８の回転によって、内壁面４２に引きずられて周回を始める。冷却液は、すぐには内壁面４２と同じ速度に達しないので、内壁面４２との間に相対速度が生じる。この相対速度により、冷却液は誘導溝４４から力を受けて、ロータ軸１８の軸線方向に沿って移動する。この移動の向きが貫通孔４０に向かう向きとなるように、誘導溝４４の螺旋の向きが決定されている。

ロータ軸１８の内側の、貫通孔４０の周辺の冷却液は、ロータ軸１８の回転による遠心力を受け、貫通孔４０を通ってロータ軸１８の外側へ送られる。貫通孔４０のロータ軸外側面の開口は、回転軸線方向においてエンドプレート２２が配置された位置に設けられ、周方向においてエンドプレート内流路２８の一端の位置と一致するように設けられている。これにより、冷却液は、貫通孔４０からエンドプレート内流路２８に送り出される。冷却液は、エンドプレート内流路２８を遠心力により半径方向外側に流れ、外側の端部付近から、コア内流路３０に流入する。更に、コア内流路３０を流れて隣接流路２６に達する。冷却液は、隣接流路２６内で２方向（図１中では左右方向）に分かれ、それぞれロータコア１６の端面の開口に向かい、この開口から流出する。

ロータ軸１８の内壁面４２に設けられた誘導溝４４により、冷却液が貫通孔４０近傍に向けて送られることで、貫通孔４０付近の冷却液が減少しないようにしている。これにより、貫通孔４０にて送られる冷却液に空気が噛み込むことを抑制することができ、安定してロータコア１６内部に冷却液を送ることができる。また、ロータ軸１８の貫通孔４０から遠い位置に冷却液が過剰に滞留することを抑えることができる。冷却液が過剰に滞留することにより、想定していない箇所からロータ軸の外に冷却液が漏出することがあるが、これも抑止することができる。

回転電機１０において、貫通孔４０から送出された冷却液は、隣接流路２６に向かい、ロータコア１６、特に永久磁石２４を冷却する。しかし、冷却液が、貫通孔４０からステータコイル４８、特にそのコイルエンドに向けて直接吐出されるようにしてもよい。このために、貫通孔４０を、図示する位置よりロータコア１６から離れた位置とし、エンドプレート２２とずらして配置することも好適である。

隣接流路２６内の冷却液の流れは、一端から他端に向かう１方向の流れとすることができる。例えば、隣接流路２６の一端（図１において左端）を、エンドプレート内流路２８の外側の端と対向させ、エンドプレート内流路２８からの冷却液を直接受け入れるようにできる。受け入れられた冷却液は、隣接流路２６内を他端に向けて（図１において右向き）流れ、他端より流出する。

誘導溝４４は、１条でも、２条以上でもよい。また、位置によりピッチを変えてもよく、溝幅を変えてもよい。誘導溝４４は、ロータ軸の内壁面４２に刻設、つまり削り込んで形成することができる。また、螺旋状に巻かれた線条部材または帯状部材をロータ軸１８の内部に挿入して、この部材の間の部分が溝となるようにしてもよい。さらに、内周面に溝が形成された円筒形状のスリーブを、ロータ軸１８に挿入するようにしてもよい。

冷却液は、軸受などの潤滑を行う潤滑油と兼用することができる。また、回転電機が従来の自動変速機のように油圧アクチュエータを駆動する作動油と潤滑油を兼用する機器内に配置される場合、この兼用される流体を冷却液として用いることができる。

回転電機１０は、上述の埋込磁石型回転電機に限らず、表面磁石型回転電機、また永久磁石を用いないものなど、他の種類の回転電機にも本発明を適用することができる。

１０ 回転電機、１２ ロータ、１４ ステータ、１６ ロータコア、１８ ロータ軸、２２ エンドプレート、２４ 永久磁石、３６ 供給パイプ、３８ 供給孔、４０貫通孔（貫通流路）、４２ 内壁面、４４ 誘導溝。

Claims (1)

1. 回転電機のロータコアを支持するロータ軸であって、
   ロータ軸は中空軸であって、ロータ軸の内側と外側を繋ぎ、ロータ軸の内側に供給された冷却液を外側に送出するための貫通流路を有し、
   ロータ軸の内壁面には、貫通流路へ向かう冷却液の流れを形成するための、螺旋状に延びる誘導溝が形成されている、
   ロータ軸。

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