回転電機のロータ
【課題】ロータが高速回転した場合であってもロータの軸方向端部とプレートとの間からの冷媒の漏洩を抑制する。
【解決手段】ロータ１０の回転軸４０に設けられ、軸心に沿う方向に貫通して冷媒を流通させる第１流路Ｒ１と、回転軸４０の壁面を貫通し、第１流路Ｒ１と連通する第２流路Ｒ２と、ロータ１０の軸方向端部１０ｔに当接するプレート６０と、プレート６０と軸方向端部１０ｔとの間に形成され、第２流路Ｒ２と連通する第３流路Ｒ３と、ロータ１０が回転する際の遠心力に応じて軸方向端部１０ｔとプレート６０との当接圧力を増加させる圧力増加機構３とを備える。
【解決手段】ロータ１０の回転軸４０に設けられ、軸心に沿う方向に貫通して冷媒を流通させる第１流路Ｒ１と、回転軸４０の壁面を貫通し、第１流路Ｒ１と連通する第２流路Ｒ２と、ロータ１０の軸方向端部１０ｔに当接するプレート６０と、プレート６０と軸方向端部１０ｔとの間に形成され、第２流路Ｒ２と連通する第３流路Ｒ３と、ロータ１０が回転する際の遠心力に応じて軸方向端部１０ｔとプレート６０との当接圧力を増加させる圧力増加機構３とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電機を冷却するための冷媒を流通させる流路が形成された回転電機のロータに関する。
【背景技術】
【０００２】
代表的な交流の回転電機（交流モータ）として、誘導モータと永久磁石同期モータとが知られている。永久磁石同期モータは、ロータに組み込まれた永久磁石により界磁を得ることから界磁生成のために電気エネルギーを必要とせず、エネルギー効率が良いことから需要が拡大している。永久磁石同期モータは、ロータへの永久磁石の組み込み方によって表面磁石型と埋込磁石型とに大別できる。埋込磁石型は、回転時の遠心力により磁石が脱落する可能性が低く高速回転に対応でき、界磁が突極性を有することからリラクタンストルクを利用することもできるので高速回転用途において積極的に採用されている。ところで、永久磁石は熱などによってその磁力が低下してしまう減磁という現象を生じることがある。特に埋込磁石型の同期モータは永久磁石がロータの内部にあり、表面磁石型に比べて放熱性においては不利なため、しばしばオイルなどの冷却媒体（冷媒）を用いてロータ及び永久磁石が冷却される。
【０００３】
特開２００９−７１９２３号公報（特許文献１）には、冷媒としてオイルを用いたモータの冷却構造が開示されている。ロータコア４に設けられた冷却油通路１３には、油溜り１５からポンプ３０によりオイルが供給される。冷却油通路１３は、ロータコア４内において永久磁石９の内径側に隣接して軸方向にロータコア４を貫通して設けられている。永久磁石９は、冷却油通路１３を流れるオイルによって冷却される（符号は特許文献１のもの。図１、図４、第３３段落、第３８段落等参照。）
【０００４】
特開２００１−１６８２６号公報（特許文献２）には、ロータシャフト３０に冷却油供給手段から供給されるオイルの経路となる中空部３０ａが形成されたロータ１０が開示されている。中空部３０ａには、ロータ１０の径方向に形成された第１の油路４０が連通される。第１の油路４０は、ロータ１０の表面側において回転方向に沿って形成された第２の油路５０に連通される。第２の油路５０は、ロータ１０の軸方向に沿って形成された第３の油路６０に連通される。第１の油路４０はロータ１０の軸方向中央付近に形成されており、中空部３０ａ、第１の油路４０、第２の油路５０、第３の油路６０を経て、オイルはロータ１０の軸方向の端部に導かれる。第２の油路５０及び第３の油路６０は、永久磁石１４をロータコア１２に装着することによって形成されるので、第２の油路５０及び第３の油路６０を流通するオイルは、永久磁石１４を良好に冷却する（符号は特許文献２のもの。図１、図２、第２２〜２５段落等参照。尚、図２における符号５０及び６０は誤記により逆に付されたものと解される。）。
【０００５】
特許文献２では、ロータシャフトの中空部からロータの径方向外側へオイルを流通させる第１の油路が、ロータの軸方向の中央付近に形成されている。しかし、このような油路はロータの軸方向の端部に設けられてもよい。その際、ロータの軸方向の端部には、特許文献１に符号１１で示されるようなプレートが設置される。そして、特許文献２の第２の油路及び第３の油路のように永久磁石を冷却するための油路に効率良くオイルを流通させるためには、ロータの軸方向の端部における軸方向端部とプレートとが適正にシールされることが好ましい。しかし、ロータが高速回転すると、オイルなどの冷媒に作用する遠心力も強くなり、シールの効果が低下して、冷媒が漏れる可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−７１９２３号公報
【特許文献２】特開２００１−１６８２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、ロータが高速回転した場合であってもロータの軸方向端部とプレートとの間からの冷媒の漏洩を抑制することが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題に鑑みた本発明に係る回転電機のロータの特徴構成は、当該ロータの回転軸に設けられ、当該回転軸の軸心に沿う方向に貫通して冷媒を流通させる第１流路と、前記第１流路の流路壁となる前記回転軸の壁面を当該ロータの径方向に沿って貫通し、前記第１流路と連通する第２流路と、前記回転軸に沿う方向における当該ロータの端部である軸方向端部に当接するプレートと、当該プレートと前記軸方向端部との間に形成され、前記第２流路と連通する第３流路と、当該ロータが回転する際の遠心力に応じて前記軸方向端部と前記プレートとの当接圧力を増加させる圧力増加機構と、を備える点にある。
【０００９】
本構成に係るロータは、ロータが回転する際の遠心力に応じてロータの軸方向端部とプレートとの当接圧力を増加させる圧力増加機構を備える。このため、ロータが高速回転した場合に強くなる遠心力に応じて圧力増加機構により軸方向端部とプレートとの当接圧力が大きくなる。軸方向端部とプレートとの間には第３流路が形成されるが、軸方向端部とプレートとの当接圧力が大きくなることにより、ロータが高速回転した場合であっても第３流路からの冷媒の漏洩が抑制される。
【００１０】
本発明に係る回転電機のロータの前記圧力増加機構は、当該ロータが回転する際の遠心力を前記回転軸に沿う方向の力に変換する方向変換機構を有すると好適である。軸方向端部とプレートとを回転軸の軸方向で当接させる構造は簡潔な構造である。但し、ロータの軸方向端部とプレートとの当接圧力を増加させるためには、回転軸の軸方向に沿った力を増加させる必要がある。一方、ロータの回転によって生じる遠心力は、回転軸の軸方向に直交する方向（ロータの径方向）の力である。従って、方向変換機構によってロータが回転する際の遠心力を回転軸に沿った方向の力に変換すると、遠心力に応じて軸方向端部とプレートとの当接圧力を増加させることができる。
【００１１】
本発明に係る回転電機のロータは、前記プレートが、前記回転軸に固定される固定部と、前記回転軸を中心として当該ロータの径方向に広がる底面部と、前記底面部から当該ロータの前記軸方向端部に向けて立ち上がり先端部が前記軸方向端部に当接する側壁部とを有して形成され、前記圧力増加機構が、前記遠心力により変形する前記側壁部を含んで構成されると好適である。この構成によれば、高速回転による遠心力による変形が抑制される強度でプレートを構成すると共に、プレートの一部である側壁部を遠心力により変形する強度で構成できる。その結果、プレート全体としての強度を確保しつつ、遠心力に応じて軸方向端部とプレートとの当接圧力を増加させることができる。
【００１２】
本発明に係る回転電機のロータは、前記プレートが、前記回転軸に固定される固定部と、前記回転軸を中心として当該ロータの径方向に広がる底面部と、前記底面部から当該ロータの前記軸方向端部に向けて立ち上がり先端部が前記軸方向端部に当接する側壁部とを有して形成され、前記圧力増加機構が、前記固定部において固定され、前記遠心力により全体が変形する前記プレートを含んで構成されると好適である。この構成によれば、遠心力に応じたプレート全体の変形によって軸方向端部とプレートとの当接圧力を増加させるので、プレートの構造を簡潔にすることができる。
【００１３】
本発明に係る回転電機のロータは、前記プレートが、前記回転軸に固定される固定部と、前記回転軸を中心として当該ロータの径方向に広がる底面部と、前記底面部から当該ロータの前記軸方向端部に向けて立ち上がり先端部が前記軸方向端部に当接する側壁部とを有して形成され、前記側壁部の前記先端部が、前記回転軸に直交する方向における前記側壁部の断面積よりも狭い接触面積で前記軸方向端部に当接すると好適である。同じ力が印加されても、接触面積が小さいほど単位面積当たりの力は強くなる。従って、側壁部の断面積よりも狭い接触面積で側壁部の先端部とロータの軸方向端部とが当接すると、単位面積当たりの当接圧力が強くなる。当然ながら、遠心力に応じて増加される当接圧力の単位面積当たりの増分も大きくなるので、ロータが高速回転した場合であってもロータの軸方向端部とプレートとの間からの冷媒の漏洩を抑制することができる。
【００１４】
本発明に係る回転電機のロータは、前記軸方向端部の前記プレートと当接する位置に弾性部材が備えられると好適である。プレートと弾性部材とが当接した際、当接圧力によって弾性部材が弾性変形するので、プレートと軸方向端部とが密着する。その結果、プレートと軸方向端部とが当接する隙間から冷媒が漏洩することが抑制される。ロータの回転に伴う遠心力に応じて増減する当接圧力の増減は弾性部材によって吸収されるので、ロータの回転速度に大きく依存されることなくプレートと軸方向端部とが密着する。従って、ロータの回転速度に拘わらず、プレートと軸方向端部とが当接する隙間から冷媒が漏洩することが抑制される。当然ながら、ロータが高速で回転した際には弾性部材を介してプレートと軸方向端部とが強く密着するので冷媒の漏洩が良好に抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】回転電機の断面図
【図２】ロータの分解斜視図
【図３】圧力増加機構の例１を断面図により模式的に示す図
【図４】圧力増加機構の例２を断面図により模式的に示す図
【図５】圧力増加機構の例３を断面図により模式的に示す図
【図６】圧力増加機構の例４を断面図により模式的に示す図
【図７】圧力増加機構の例５における先端部の形状例１を模式的に示す図
【図８】圧力増加機構の例５における先端部の形状例２を模式的に示す図
【図９】圧力増加機構の例５における先端部の形状例３を模式的に示す図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係るロータ１０を含む回転電機１の断面図である。回転電機１は、永久磁石埋込型の同期機（IPM : interior permanent magnet synchronous motor）である。回転電機１は、状況に応じて力行動作してモータとして機能し、又は回生動作してジェネレータとして機能する。以下、回転電機１をモータ１と称して説明する。図１に示すように、モータ１は、シャフト（回転軸）４０によってケース３０に軸支されるロータ１０と、ロータ１０の径方向外側に配置され、ケース３０に固定されるステータ２０とを備えて構成される。ケース３０は、図１において左側部分を構成するモータケース３０ａと、右側部分を構成するモータカバー３０ｂとを接合して構成される。
【００１７】
ロータ１０は、図２に示すように、プレス加工により円周方向に等間隔に複数の打ち抜き穴が形成された複数の電磁鋼板を積層させて構成される。本実施形態では、四角形の一辺が半円状となった形状（論理積（AND）を示す論理記号のような形状）の抜き打ち孔が形成されている。図２に示すように、シャフト４０側の辺が半円状に形成される。このような電磁鋼板の積層により、ロータ１０の円周方向には、シャフト４０の軸心に沿う方向にロータ１０を貫通する貫通孔１０ａが形成される。貫通孔１０ａには、抜き打ち孔の半円部分に対向する辺の側に沿って、板状の永久磁石１１が設置される。つまり、永久磁石１１は、図１及び図２に示すように、それぞれの貫通孔１０ａの径方向外側に配置されて、ロータ１０に接着固定される。
【００１８】
詳細は後述するが、貫通孔１０ａは、さらにロータ１０及び永久磁石１１を冷却する冷媒を流通させる冷媒用流路として機能する。図１に破線により示すように、貫通孔１０ａを流通する冷媒により、永久磁石１１の熱が回収され、永久磁石１１が高温により減磁することが抑制される。本実施形態においては、永久磁石１１が冷媒用流路である貫通孔１０ａの径方向外側に配置されている。従って、ロータ１０が回転し、冷媒に遠心力が作用すると、冷媒は永久磁石１１に接するように流れる。その結果、永久磁石１１は効率的に冷却される。但し、電磁鋼板を介して熱伝導させることが可能であるから、永久磁石１１の配置はこれに限定されるものではない。例えば、冷却用流路である貫通孔１０ａとは別に設けた空間に永久磁石１１が配置されてもよい。
【００１９】
ステータ２０も、ロータ１０と同様に、複数の電磁鋼板を積層させて構成される。ステータ２０の鉄心には多相交流（例えば３相）に対応した複数相のコイル２１が巻かれている。不図示のインバータを介して各コイル２１を通電することにより、ステータ２０に回転磁界が生成され、永久磁石１１を備えたロータ１０が回転する。鉄心に巻かれた複数の導線を束ねるために結束糸が用いられ、隣接相との絶縁を確保するために導線には絶縁紙や絶縁皮膜が設けられている。図１に示すように、シャフト４０の軸方向には、ステータ２０からコイルエンド２１ａが突出する。
【００２０】
シャフト４０は、ケース３０に設けられた一対のベアリング３１を介してケース３０に軸支される。シャフト４０は、軸心に沿った内部空間４０ａを有する円筒状に構成される。シャフト４０の一端には、シャフト４０と同心軸を有する入出力軸４１が接続され、シャフト４０と一体に回転する。入出力軸４１は、モータ１が力行動作する際には、電気エネルギーより生成された機械エネルギーを駆動系に出力する出力軸となり、モータ１が回生動作する際には、電気エネルギーを生成するモータ１（ジェネレータ）に駆動系からの機械エネルギーを入力する入力軸となる。シャフト４０と同様に、入出力軸４１も軸心に沿った内部空間４１ａを有して円筒状に構成される。尚、シャフト４０と入出力軸４１とは一部材として構成されてもよい。不図示のポンプにより、モータ１を冷却する冷媒が、入出力軸４１の内部空間４１ａを経由して、シャフト４０の内部空間４０ａに導入される。冷媒は、例えば冷却油（オイル）である。シャフト４０の内部空間４０ａ及び入出力軸４１の内部空間４１ａは、冷媒用流路を構成する（後述する第１流路Ｒ１）。
【００２１】
図１及び図２に示すように、シャフト４０には、内部空間４０ａとシャフト４０の外周面とを連通する連通孔４０ｂが、シャフト４０の周方向に複数形成されている。本実施形態では、シャフト４０の強度を確保するために対向する位置に２ケ所の連通孔４０ｂが設けられる。連通孔４０ｂは、ロータ１０がシャフト４０に組み付けられた状態において、ロータ１０の一方の軸方向端部１０ｔよりも軸方向で外側（出力軸４１側）となる位置に形成される。これにより、シャフト４０の内部空間４０ａに導入された冷媒は、連通孔４０ｂを介してロータ１０の径方向に流通可能となる。従って、連通孔４０ｂは、冷媒用流路を構成する。後述するように、連通孔４０ｂは、第１流路Ｒ１の流路壁となるシャフト４０の壁面をロータ１０の径方向に沿って貫通し、第１流路Ｒ１と連通する第２流路Ｒ２を構成する。
【００２２】
図１に示すように、ロータ１０の２つの軸方向端部１０ｓ，１０ｔには、それぞれ下部プレート５０及び上部プレート６０が備えられる。ここで、上部及び下部とは、入出力軸４１から見て近い側を上部、遠い側を下部と便宜的に称するものであり、必ずしもモータ１の使用形態や設置形態に基づく呼称ではない。即ち、ロータ１０の出力軸４１側の軸方向端部１０ｔには、上部プレート６０が備えられ、反対側の軸方向端部１０ｓには、下部プレート５０が備えられる。
【００２３】
上部プレート６０は、シャフト４０に固定される固定部６１と、ロータ１０へ取り付けられた状態においてシャフト４０を中心としてロータ１０の径方向に広がる底面部６２と、底面部６２から軸方向端部１０ｔに向けて立ち上がる側壁部６３とを有して構成される。シャフト４０の外周面の一部にはねじ山が形成されている。固定部６１にはこのねじ山と係合するねじ山が形成されており、ねじを締め付けることにより上部プレート６０はロータ１０及びシャフト４０に対して固定される。側壁部６３の先端部６３ｔは、上部プレート６０がロータ１０へ取り付けられた状態において軸方向端部１０ｔに当接する。上部プレート６０がロータ１０に取り付けられた状態で、上部プレート６０の底面部６２とロータ１０の軸方向端部１０ｔとの間には所定のロータ対向空間６０ａが形成される。後述するように、軸方向端部１０ｔと上部プレート６０との間に形成されるロータ対向空間６０ａは、冷媒が流通する冷媒用流路を構成する（第３流路Ｒ３）。従って、側壁部６３の先端部６３ｔと軸方向端部１０ｔとは、当接された部分から冷媒が漏れないように、充分にシール可能な当接圧力で当接される。
【００２４】
底面部６２とシャフト４０との間には、シャフト対向空間６０ｂが設けられている。当該空間６０ｂはシャフト４０の連通孔４０ｂに連通する。従って、シャフト対向空間６０ｂは、シャフト４０の連通孔４０ｂ（第２流路Ｒ２）を介してシャフト４０の内部空間４０ａ（第１流路Ｒ１）と連通する。また、シャフト対向空間６０ｂは、ロータ対向空間６０ａとも連通する。上述したように、本実施形態では、シャフト４０の強度を確保するために対向する２ケ所の位置にのみ連通孔４０ｂが設けられる。従って、シャフト対向空間６０ｂの容積を連通孔４０ｂ（第２流路Ｒ２）よりも大きくして、シャフト対向空間６０ｂに冷媒を溜めることができるように構成すると好適である。ロータ対向空間６０ａと同様に、シャフト対向空間６０ｂも冷媒用流路を構成する（第３流路Ｒ３）。
【００２５】
即ち、不図示のポンプにより、入出力軸４１の内部空間４１ａ、シャフト４０の内部空間４０ａ、連通孔４０ｂ、シャフト対向空間６０ｂ、ロータ対向空間６０ａを経由して、モータ１を冷却する冷媒が、ロータ１０の貫通孔１０ａに導かれる。ここで、出力軸４１の内部空間４１ａ及びシャフト４０の内部空間４０ａは第１流路Ｒ１に相当し、シャフト４０の連通孔４０ｂは第２流路Ｒ２に相当する。また、シャフト対向空間６０ｂ及びロータ対向空間６０ａ、又は少なくともロータ対向空間６０ａは第３流路Ｒ３に相当する。本実施形態において、第３流路Ｒ３は、ロータ１０の一方の軸方向端部１０ｔと、当該軸方向端部１０ｔに当接する上部プレート６０を流路壁として形成される。また、本実施形態では、上部プレート６０が固定されるシャフト４０の外壁も流路壁として機能する。尚、図１に示した流路の構成は、一例であり、本発明は当該構成に限定されるものではない。例えば、シャフト対向空間６０ｂが設けられることなく、シャフト４０の内部空間４０ａとロータ対向空間６０ａとを直接連通する位置に連通孔４０ｂが設けられてもよい。
【００２６】
下部プレート５０は、側壁部５３と底面部５２とを有する皿状に構成され、底面部５２をロータ１０の他方の軸方向端部１０ｓに当接させて取り付けられる。シャフト４０の外周面の一部にはねじ山が形成されている。このねじ山と係合するナット５１を締め付けることにより、下部プレート５０はロータ１０及びシャフト４０に対して固定される。底面部５２には、ロータ１０に取り付けられた状態においてロータ１０の貫通孔１０ａと連通して底面部５２を貫通する貫通孔５０ｂが形成される。ロータ１０の貫通孔１０ａを流通する冷媒は、当該貫通孔５０ｂを流通して、ロータ１０を軸心方向に通り抜ける。
【００２７】
貫通孔５０ｂをロータ１０の貫通孔１０ａに対して径方向外側寄りに形成すると、遠心力により径方向外側に沿って流れる冷媒が貫通孔５０ｂから排出され易くなる。一方、貫通孔５０ｂをロータ１０の貫通孔１０ａに対して径方向内側寄りに形成すると、一定量以上の冷媒がロータ１０の貫通孔１０ａに溜まってから、冷媒が貫通孔５０ｂから排出される。従って、ロータ１０の貫通孔１０ａ内の冷媒が時間をかけて永久磁石１１の熱を回収できるので、冷却効率の向上が期待できる。即ち、貫通孔５０ｂが形成される径方向の位置は、モータ１が使用される条件やポンプの吐出能力等に応じて適宜設定可能である。
【００２８】
本実施形態において、下部プレート５０の側壁部５３の先端部５３ｔは、コイルエンド２１ａの先端部２１ｂよりもシャフト４０の軸方向に突出するように構成されている。又、側壁部５３の内周面は、底面部５２から先端部５３ｔに向かって内径が大きくなるようにテーパー状に構成されている。ロータ１０が回転した際に、先端部５３ｔから遠心力により径方向外側に排出される冷媒は、テーパーに沿って滑らかに誘導される。また、先端部５３ｔがコイルエンド２１ａの先端部２１ｂよりも突出しているため、先端部５３ｔから放出された冷媒はコイルエンド２１ａに直接に衝突することなく、コイルエンド２１ａに噴霧される。従って、コイルエンド２１ａの絶縁紙、絶縁皮膜、結束糸等への冷媒の衝突によるこれらの劣化が抑制される。
【００２９】
尚、図１に示すように、先端部５３ｔから遠心力により径方向外側に排出される冷媒が衝突するケース３０の内周面領域に、例えば径方向内側に突出するフィン３２を設けてもよい。永久磁石１１などを冷却して昇温された冷媒がロータ１０から排出された後、フィン３２を介した熱交換が促進され、冷媒の放熱を効率的に行うことができる。又、フィン３２に衝突し、運動エネルギーを消失するとともに冷却された冷媒が、ケース３０の内面を伝ってステータ２０やコイル２１に供給され、衝撃力が緩和された状態で冷却を行うことも可能となる。
【００３０】
以上、説明したように、不図示のポンプから供給される冷媒は、入出力軸４１の内部空間４１ａ、シャフト４０の内部空間４０ａ、シャフト４０の連通孔４０ｂ、上部プレート６０により形成されるシャフト対向空間６０ｂ及びロータ対向空間６０ａ、ロータ１０の貫通孔１０ａ、下部プレート５０の貫通孔５０ｂを経て、ロータ１０及び永久磁石１１を冷却し、下部プレート５０の側壁部５３を伝ってケース３０内に排出される。ところで、第３流路Ｒ３を構成するロータ対向空間６０ａでは、冷媒の流通方向がロータ１０の径方向である。従って、ロータ１０が高速回転する場合には、回転に伴う遠心力により流通方向へ向かう冷媒の圧力が高くなる。ロータ対向空間６０ａにおける冷媒の流通方向の先端は、上部プレート６０の側壁部６３の先端部６３ｔとロータ１０の軸方向端部１０ｔとが当接する当接部である。ロータ１０の回転に伴う遠心力が強くなると、当該当接部における冷媒の圧力も高くなる。先端部６３ｔと軸方向端部１０ｔとは冷媒が漏れないように、充分にシール可能な当接圧力で当接されている。しかし、ロータ１０が高速回転した場合には、遠心力も強くなり冷媒の圧力も大きくなるので、シール性能が低下する可能性がある。そこで、ロータ１０には、ロータ１０が回転する際の遠心力に応じて軸方向端部１０ｔと上部プレート６０の軸方向端部１０ｔとの当接圧力を増加させる圧力増加機構３が設けられる。
【００３１】
〔例１〕
圧力増加機構３は、種々の形態により実現可能であり、以下、複数の形態について具体例を挙げて説明する。はじめに、図１〜図３に基づいて圧力増加機構３の第１の例（例１）について説明する。図１及び図３に示すように、上部プレート６０の底面部６２からロータ１０の方向へ立ち上がる側壁部６３は、底面部６２を挟んで反対側に延長される。延長された側壁部６３の先端部分には底面部６２からロータ１０までの側壁部６３の質量よりも大きい質量を有する重り６５が設けられる。ロータ１０が回転すると、遠心力により重り６５がロータ１０の径方向外側に向かって変位する（図１、図３に示すＡ方向。）。側壁部６３の先端部６３ｔは、ロータ１０の軸方向端部１０ｔに当接しているから、当接している先端部６３ｔを支点としてシャフト４０の軸方向の力が生じる（図３に示すＢ方向。）。即ち、先端部６３ｔと軸方向端部１０ｔとの当接圧力が増加される。
【００３２】
このように、重り６５を備え、ロータ１０の回転により生じる遠心力によって変形して、ロータ１０の軸方向端部１０ｔと上部プレート６０との当接圧力を増加させる側壁部６３は、本発明の圧力増加機構３に相当する。この際、ロータ１０の径方向に沿った方向Ａの力である遠心力は、シャフト４０に沿う方向Ｂの力に変換される。従って、例１において圧力増加機構３は、ロータ１０の径方向に沿った方向Ａの遠心力をシャフト４０に沿う方向Ｂの力に変換する方向変換機構を備えているということができる。尚、ロータ１０が回転していないとき、ロータ１０の軸方向端部１０ｔと上部プレート６０の側壁部６３の先端部６３ｔとは面接触により冷媒をシール可能な当接圧力で当接されていればよい。ロータ１０が回転し、遠心力により側壁部６３が変形すれば、シャフト４０に直交する方向における側壁部６３の断面積よりも狭い接触面積で先端部６３ｔがロータ１０の軸方向端部１０ｔに当接するようになる。接触面積が狭いほど、単位面積当たりの接触圧力が大きくなるので遠心力に応じて当接圧力も増大する。
【００３３】
〔例２〕
次に、図４に基づいて圧力増加機構３の第２の例（例２）について説明する。図４に示すように、ロータ１０の軸方向端部１０ｔにおいて、上部プレート６０の側壁部６３の先端部６３ｔと当接する部位に、弾性部材１０ｇを設けると好適である。遠心力に応じて増加される当接圧力を弾性部材１０ｇにより良好に受け止めることができ、シール性能が向上する。尚、図４においては、便宜的に例１に対応する圧力増加機構３において弾性部材１０ｇを設ける例を示したが、当然ながら以下に示す例３以降の形態においても弾性部材１０ｇを設けることが可能であることは言うまでもない。
【００３４】
〔例３〕
続いて、図５に基づいて圧力増加機構３の第３の例（例３）について説明する。上記、例１及び例２においては、圧力増加機構３が、ロータ１０の径方向に沿った方向Ａの遠心力をシャフト４０に沿う方向Ｂの力に変換する方向変換機構を備えて構成される場合を例示した。しかし、圧力増加機構は、そのような方向変換機構を備えることなく構成されてもよい。図５に示すように、ロータ１０の軸方向端部１０ｔに、軸方向に突出した突出部１０ｆが設けられる。ロータ１０の回転に伴う遠心力により、上部プレート６０の側壁部６３がロータ１０の径方向に変位すると、側壁部６３の径方向外側の側面と突出部１０ｆの径方向内側の側面とが当接する。遠心力により側壁部６３の側面が突出部１０ｆの側面に押しつけられるので、ロータ１０の軸方向端部１０ｔと上部プレート６０との当接圧力が増加される。
【００３５】
この際、側壁部６３の近傍が変形するだけでもよいし、底面部６２も含めて上部プレート６０が全体的に変形してもよい。つまり、圧力増加機構３は、例１や例２と同様に、遠心力により変形する側壁部６３を含んで構成されれば充分であるし、構造によっては、固定部６１においてシャフト４０に固定され、遠心力によって全体が変形する上部プレート６０を含んで構成されてもよい。また、突出部１０ｆは、図５に示すように上部プレート６０の側壁部６３に対してロータ１０の径方向外側に設けられる形態に限定されるものではない。側壁部６３の先端部６３ｔに嵌合孔を設け、当該嵌合孔と突出部１０ｆとを嵌合させる構造であってもよい。ロータ１０の回転に伴う遠心力により、側壁部６３の嵌合孔の径方向内側の側面と、突出部１０ｆの径方向内側の側面とが強く当接され、ロータ１０の軸方向端部１０ｔと上部プレート６０との当接圧力が増加される。また、突出部１０ｆが設けられる位置には関係なく、突出部１０ｆと上部プレート６０とが当接する位置に例２と同様に弾性部材が設けられてもよい。
【００３６】
〔例４〕
次に、図６に基づいて圧力増加機構３の第４の例（例４）について説明する。上述した例１〜例３においては、上部プレート６０の全体又は一部がロータ１０の回転に伴う遠心力によって変形する場合を例示した。しかし、上部プレート６０の一部が遠心力により移動することによって当接圧力を増加させるような構成でもよい。具体的には、図６に示すように、例えば側面部６３の先端部６３ｔが遠心力により矢印Ｃ方向に変位して（移動して）、当接圧力を増加させるような構成でもよい。当然ながら、このような構造を備えると共に例２において例示したような弾性部材１０ｇが備えられてもよい。また、このような構造を備えると共に例３において例示した突出部１０ｆが備えられてもよい。さらに、このような構造を備えると共に弾性部材１０ｇ及び突出部１０ｆの双方が備えられる構成であってもよい。
【００３７】
〔例５〕
次に、図７〜図９に基づいて圧力増加機構３の第５の例（例５）について説明する。上述したように、上部プレート６０の側壁部６３の先端部６３ｔは、シャフト４０に直交する方向における側壁部６３の断面積よりも狭い接触面積で軸方向端部１０ｔに当接すると好適である。同じ力が印加されても、接触面積が小さいほど単位面積当たりの力は強くなる。従って、側壁部６３の断面積よりも狭い接触面積で側壁部６３の先端部６３ｔとロータ１０の軸方向端部１０ｔとが当接すると、単位面積当たりの当接圧力を強くすることができる。当然ながら、遠心力に応じて圧力増加機構３により増強される当接圧力も有効に作用することになる。先端部６３ｔの形状は、図１〜図６に例示した形状に限定されることなく、当接圧力を強くすることが可能な種々の形態を採り得ることができる。
【００３８】
例５においては、そのような先端部６３ｔの形状を例示する。図７は、例５における第１の形状例（形状例１）を示す図である。図７に示すように、先端部６３ｔの形状は、揺動自在な取り合い形状とすることができる。図８は、例５における第２の形状例（形状例２）を示す図である。図８に示すように、先端部６３ｔの形状は鋭利な形状とすることもできる。図９は、例５における第３の形状例（形状例３）を示す図である。図９に示すように、先端部６３ｔの形状は櫛歯形状とすることもできる。また、このような種々の先端形状において、例２に示したように、ロータ１０の軸方向端部１０ｔに弾性部材１０ｇを設けると好適である。
【００３９】
〔例６〕
例えば、上記例１及び例２においては、側壁部６３が遠心力により変形する場合を例示した。しかし、シャフト４０に沿った方向Ａの遠心力をロータ１０の径方向Ｂの力に変換するために変形する上部プレート６０の部位は側壁部６３には限定されない。例えば、固定部６１を支点として底面部６２を含む上部プレート６０の全体が揺動することによって当接圧力が増加されてもよい。
【００４０】
〔その他の適用例〕
図１〜図９を用いて説明した各例においては、埋込磁石型の同期モータに本発明を適用する場合を例示した。しかし、上述したように、必ずしも永久磁石１１に直接冷媒が触れる構造である必要はなく、ロータ１０の電磁鋼板を介して永久磁石１１の熱交換が実施されてもよい。例えば、永久磁石１１がロータ１０の表面に設置され、ロータ１０の内部を貫通する流路を流れる冷媒と電磁鋼板を介して熱交換してもよい。従って、本発明は、埋込磁石型の同期モータへの適用に限定されることなく、表面磁石型の同期モータに適用されることを妨げられるものではない。
【００４１】
また、図１〜図９を用いて説明した各例においては、ポンプが設置される側、つまり第１流路Ｒ１の上流側において第２流路Ｒ２が形成されて、冷媒がロータ１０の径方向に導かれる形態を例示した。しかし、この構成に限定されることなく、第１流路Ｒ１の下流側において第２流路Ｒ２が形成されて、冷媒がロータ１０の径方向に導かれてもよい。具体的には、図１において上部プレート６０と下部プレート５０との配置が逆となり、第２流路Ｒ２となるシャフトの貫通孔４０ｂが、図示左側に形成されてもよい。
【００４２】
以上、多様な例を挙げて説明したように、本発明によれば、ロータが高速回転した場合であってもロータの軸方向端部とプレートとの間からの冷媒の漏洩を抑制することが可能となる。
【符号の説明】
【００４３】
１：モータ（回転電機）
３：圧力増加機構
１０：ロータ
１０ｇ：弾性部材
１０ｔ：軸方向端部
４０：シャフト（回転軸）
４０a：回転軸の軸心に沿う方向に貫通して冷媒を流通させる内部空間
４０ｂ：第１流路の流路壁となる回転軸の壁面を貫通する貫通孔
６０：上部プレート（プレート）
６１：固定部
６２：底面部
６３：側壁部
６３ｔ：先端部
Ａ：遠心力の働く方向
Ｂ：回転軸に沿う方向
Ｒ１：第１流路
Ｒ２：第２流路
Ｒ３：第３流路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電機を冷却するための冷媒を流通させる流路が形成された回転電機のロータに関する。
【背景技術】
【０００２】
代表的な交流の回転電機（交流モータ）として、誘導モータと永久磁石同期モータとが知られている。永久磁石同期モータは、ロータに組み込まれた永久磁石により界磁を得ることから界磁生成のために電気エネルギーを必要とせず、エネルギー効率が良いことから需要が拡大している。永久磁石同期モータは、ロータへの永久磁石の組み込み方によって表面磁石型と埋込磁石型とに大別できる。埋込磁石型は、回転時の遠心力により磁石が脱落する可能性が低く高速回転に対応でき、界磁が突極性を有することからリラクタンストルクを利用することもできるので高速回転用途において積極的に採用されている。ところで、永久磁石は熱などによってその磁力が低下してしまう減磁という現象を生じることがある。特に埋込磁石型の同期モータは永久磁石がロータの内部にあり、表面磁石型に比べて放熱性においては不利なため、しばしばオイルなどの冷却媒体（冷媒）を用いてロータ及び永久磁石が冷却される。
【０００３】
特開２００９−７１９２３号公報（特許文献１）には、冷媒としてオイルを用いたモータの冷却構造が開示されている。ロータコア４に設けられた冷却油通路１３には、油溜り１５からポンプ３０によりオイルが供給される。冷却油通路１３は、ロータコア４内において永久磁石９の内径側に隣接して軸方向にロータコア４を貫通して設けられている。永久磁石９は、冷却油通路１３を流れるオイルによって冷却される（符号は特許文献１のもの。図１、図４、第３３段落、第３８段落等参照。）
【０００４】
特開２００１−１６８２６号公報（特許文献２）には、ロータシャフト３０に冷却油供給手段から供給されるオイルの経路となる中空部３０ａが形成されたロータ１０が開示されている。中空部３０ａには、ロータ１０の径方向に形成された第１の油路４０が連通される。第１の油路４０は、ロータ１０の表面側において回転方向に沿って形成された第２の油路５０に連通される。第２の油路５０は、ロータ１０の軸方向に沿って形成された第３の油路６０に連通される。第１の油路４０はロータ１０の軸方向中央付近に形成されており、中空部３０ａ、第１の油路４０、第２の油路５０、第３の油路６０を経て、オイルはロータ１０の軸方向の端部に導かれる。第２の油路５０及び第３の油路６０は、永久磁石１４をロータコア１２に装着することによって形成されるので、第２の油路５０及び第３の油路６０を流通するオイルは、永久磁石１４を良好に冷却する（符号は特許文献２のもの。図１、図２、第２２〜２５段落等参照。尚、図２における符号５０及び６０は誤記により逆に付されたものと解される。）。
【０００５】
特許文献２では、ロータシャフトの中空部からロータの径方向外側へオイルを流通させる第１の油路が、ロータの軸方向の中央付近に形成されている。しかし、このような油路はロータの軸方向の端部に設けられてもよい。その際、ロータの軸方向の端部には、特許文献１に符号１１で示されるようなプレートが設置される。そして、特許文献２の第２の油路及び第３の油路のように永久磁石を冷却するための油路に効率良くオイルを流通させるためには、ロータの軸方向の端部における軸方向端部とプレートとが適正にシールされることが好ましい。しかし、ロータが高速回転すると、オイルなどの冷媒に作用する遠心力も強くなり、シールの効果が低下して、冷媒が漏れる可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−７１９２３号公報
【特許文献２】特開２００１−１６８２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、ロータが高速回転した場合であってもロータの軸方向端部とプレートとの間からの冷媒の漏洩を抑制することが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題に鑑みた本発明に係る回転電機のロータの特徴構成は、当該ロータの回転軸に設けられ、当該回転軸の軸心に沿う方向に貫通して冷媒を流通させる第１流路と、前記第１流路の流路壁となる前記回転軸の壁面を当該ロータの径方向に沿って貫通し、前記第１流路と連通する第２流路と、前記回転軸に沿う方向における当該ロータの端部である軸方向端部に当接するプレートと、当該プレートと前記軸方向端部との間に形成され、前記第２流路と連通する第３流路と、当該ロータが回転する際の遠心力に応じて前記軸方向端部と前記プレートとの当接圧力を増加させる圧力増加機構と、を備える点にある。
【０００９】
本構成に係るロータは、ロータが回転する際の遠心力に応じてロータの軸方向端部とプレートとの当接圧力を増加させる圧力増加機構を備える。このため、ロータが高速回転した場合に強くなる遠心力に応じて圧力増加機構により軸方向端部とプレートとの当接圧力が大きくなる。軸方向端部とプレートとの間には第３流路が形成されるが、軸方向端部とプレートとの当接圧力が大きくなることにより、ロータが高速回転した場合であっても第３流路からの冷媒の漏洩が抑制される。
【００１０】
本発明に係る回転電機のロータの前記圧力増加機構は、当該ロータが回転する際の遠心力を前記回転軸に沿う方向の力に変換する方向変換機構を有すると好適である。軸方向端部とプレートとを回転軸の軸方向で当接させる構造は簡潔な構造である。但し、ロータの軸方向端部とプレートとの当接圧力を増加させるためには、回転軸の軸方向に沿った力を増加させる必要がある。一方、ロータの回転によって生じる遠心力は、回転軸の軸方向に直交する方向（ロータの径方向）の力である。従って、方向変換機構によってロータが回転する際の遠心力を回転軸に沿った方向の力に変換すると、遠心力に応じて軸方向端部とプレートとの当接圧力を増加させることができる。
【００１１】
本発明に係る回転電機のロータは、前記プレートが、前記回転軸に固定される固定部と、前記回転軸を中心として当該ロータの径方向に広がる底面部と、前記底面部から当該ロータの前記軸方向端部に向けて立ち上がり先端部が前記軸方向端部に当接する側壁部とを有して形成され、前記圧力増加機構が、前記遠心力により変形する前記側壁部を含んで構成されると好適である。この構成によれば、高速回転による遠心力による変形が抑制される強度でプレートを構成すると共に、プレートの一部である側壁部を遠心力により変形する強度で構成できる。その結果、プレート全体としての強度を確保しつつ、遠心力に応じて軸方向端部とプレートとの当接圧力を増加させることができる。
【００１２】
本発明に係る回転電機のロータは、前記プレートが、前記回転軸に固定される固定部と、前記回転軸を中心として当該ロータの径方向に広がる底面部と、前記底面部から当該ロータの前記軸方向端部に向けて立ち上がり先端部が前記軸方向端部に当接する側壁部とを有して形成され、前記圧力増加機構が、前記固定部において固定され、前記遠心力により全体が変形する前記プレートを含んで構成されると好適である。この構成によれば、遠心力に応じたプレート全体の変形によって軸方向端部とプレートとの当接圧力を増加させるので、プレートの構造を簡潔にすることができる。
【００１３】
本発明に係る回転電機のロータは、前記プレートが、前記回転軸に固定される固定部と、前記回転軸を中心として当該ロータの径方向に広がる底面部と、前記底面部から当該ロータの前記軸方向端部に向けて立ち上がり先端部が前記軸方向端部に当接する側壁部とを有して形成され、前記側壁部の前記先端部が、前記回転軸に直交する方向における前記側壁部の断面積よりも狭い接触面積で前記軸方向端部に当接すると好適である。同じ力が印加されても、接触面積が小さいほど単位面積当たりの力は強くなる。従って、側壁部の断面積よりも狭い接触面積で側壁部の先端部とロータの軸方向端部とが当接すると、単位面積当たりの当接圧力が強くなる。当然ながら、遠心力に応じて増加される当接圧力の単位面積当たりの増分も大きくなるので、ロータが高速回転した場合であってもロータの軸方向端部とプレートとの間からの冷媒の漏洩を抑制することができる。
【００１４】
本発明に係る回転電機のロータは、前記軸方向端部の前記プレートと当接する位置に弾性部材が備えられると好適である。プレートと弾性部材とが当接した際、当接圧力によって弾性部材が弾性変形するので、プレートと軸方向端部とが密着する。その結果、プレートと軸方向端部とが当接する隙間から冷媒が漏洩することが抑制される。ロータの回転に伴う遠心力に応じて増減する当接圧力の増減は弾性部材によって吸収されるので、ロータの回転速度に大きく依存されることなくプレートと軸方向端部とが密着する。従って、ロータの回転速度に拘わらず、プレートと軸方向端部とが当接する隙間から冷媒が漏洩することが抑制される。当然ながら、ロータが高速で回転した際には弾性部材を介してプレートと軸方向端部とが強く密着するので冷媒の漏洩が良好に抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】回転電機の断面図
【図２】ロータの分解斜視図
【図３】圧力増加機構の例１を断面図により模式的に示す図
【図４】圧力増加機構の例２を断面図により模式的に示す図
【図５】圧力増加機構の例３を断面図により模式的に示す図
【図６】圧力増加機構の例４を断面図により模式的に示す図
【図７】圧力増加機構の例５における先端部の形状例１を模式的に示す図
【図８】圧力増加機構の例５における先端部の形状例２を模式的に示す図
【図９】圧力増加機構の例５における先端部の形状例３を模式的に示す図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係るロータ１０を含む回転電機１の断面図である。回転電機１は、永久磁石埋込型の同期機（IPM : interior permanent magnet synchronous motor）である。回転電機１は、状況に応じて力行動作してモータとして機能し、又は回生動作してジェネレータとして機能する。以下、回転電機１をモータ１と称して説明する。図１に示すように、モータ１は、シャフト（回転軸）４０によってケース３０に軸支されるロータ１０と、ロータ１０の径方向外側に配置され、ケース３０に固定されるステータ２０とを備えて構成される。ケース３０は、図１において左側部分を構成するモータケース３０ａと、右側部分を構成するモータカバー３０ｂとを接合して構成される。
【００１７】
ロータ１０は、図２に示すように、プレス加工により円周方向に等間隔に複数の打ち抜き穴が形成された複数の電磁鋼板を積層させて構成される。本実施形態では、四角形の一辺が半円状となった形状（論理積（AND）を示す論理記号のような形状）の抜き打ち孔が形成されている。図２に示すように、シャフト４０側の辺が半円状に形成される。このような電磁鋼板の積層により、ロータ１０の円周方向には、シャフト４０の軸心に沿う方向にロータ１０を貫通する貫通孔１０ａが形成される。貫通孔１０ａには、抜き打ち孔の半円部分に対向する辺の側に沿って、板状の永久磁石１１が設置される。つまり、永久磁石１１は、図１及び図２に示すように、それぞれの貫通孔１０ａの径方向外側に配置されて、ロータ１０に接着固定される。
【００１８】
詳細は後述するが、貫通孔１０ａは、さらにロータ１０及び永久磁石１１を冷却する冷媒を流通させる冷媒用流路として機能する。図１に破線により示すように、貫通孔１０ａを流通する冷媒により、永久磁石１１の熱が回収され、永久磁石１１が高温により減磁することが抑制される。本実施形態においては、永久磁石１１が冷媒用流路である貫通孔１０ａの径方向外側に配置されている。従って、ロータ１０が回転し、冷媒に遠心力が作用すると、冷媒は永久磁石１１に接するように流れる。その結果、永久磁石１１は効率的に冷却される。但し、電磁鋼板を介して熱伝導させることが可能であるから、永久磁石１１の配置はこれに限定されるものではない。例えば、冷却用流路である貫通孔１０ａとは別に設けた空間に永久磁石１１が配置されてもよい。
【００１９】
ステータ２０も、ロータ１０と同様に、複数の電磁鋼板を積層させて構成される。ステータ２０の鉄心には多相交流（例えば３相）に対応した複数相のコイル２１が巻かれている。不図示のインバータを介して各コイル２１を通電することにより、ステータ２０に回転磁界が生成され、永久磁石１１を備えたロータ１０が回転する。鉄心に巻かれた複数の導線を束ねるために結束糸が用いられ、隣接相との絶縁を確保するために導線には絶縁紙や絶縁皮膜が設けられている。図１に示すように、シャフト４０の軸方向には、ステータ２０からコイルエンド２１ａが突出する。
【００２０】
シャフト４０は、ケース３０に設けられた一対のベアリング３１を介してケース３０に軸支される。シャフト４０は、軸心に沿った内部空間４０ａを有する円筒状に構成される。シャフト４０の一端には、シャフト４０と同心軸を有する入出力軸４１が接続され、シャフト４０と一体に回転する。入出力軸４１は、モータ１が力行動作する際には、電気エネルギーより生成された機械エネルギーを駆動系に出力する出力軸となり、モータ１が回生動作する際には、電気エネルギーを生成するモータ１（ジェネレータ）に駆動系からの機械エネルギーを入力する入力軸となる。シャフト４０と同様に、入出力軸４１も軸心に沿った内部空間４１ａを有して円筒状に構成される。尚、シャフト４０と入出力軸４１とは一部材として構成されてもよい。不図示のポンプにより、モータ１を冷却する冷媒が、入出力軸４１の内部空間４１ａを経由して、シャフト４０の内部空間４０ａに導入される。冷媒は、例えば冷却油（オイル）である。シャフト４０の内部空間４０ａ及び入出力軸４１の内部空間４１ａは、冷媒用流路を構成する（後述する第１流路Ｒ１）。
【００２１】
図１及び図２に示すように、シャフト４０には、内部空間４０ａとシャフト４０の外周面とを連通する連通孔４０ｂが、シャフト４０の周方向に複数形成されている。本実施形態では、シャフト４０の強度を確保するために対向する位置に２ケ所の連通孔４０ｂが設けられる。連通孔４０ｂは、ロータ１０がシャフト４０に組み付けられた状態において、ロータ１０の一方の軸方向端部１０ｔよりも軸方向で外側（出力軸４１側）となる位置に形成される。これにより、シャフト４０の内部空間４０ａに導入された冷媒は、連通孔４０ｂを介してロータ１０の径方向に流通可能となる。従って、連通孔４０ｂは、冷媒用流路を構成する。後述するように、連通孔４０ｂは、第１流路Ｒ１の流路壁となるシャフト４０の壁面をロータ１０の径方向に沿って貫通し、第１流路Ｒ１と連通する第２流路Ｒ２を構成する。
【００２２】
図１に示すように、ロータ１０の２つの軸方向端部１０ｓ，１０ｔには、それぞれ下部プレート５０及び上部プレート６０が備えられる。ここで、上部及び下部とは、入出力軸４１から見て近い側を上部、遠い側を下部と便宜的に称するものであり、必ずしもモータ１の使用形態や設置形態に基づく呼称ではない。即ち、ロータ１０の出力軸４１側の軸方向端部１０ｔには、上部プレート６０が備えられ、反対側の軸方向端部１０ｓには、下部プレート５０が備えられる。
【００２３】
上部プレート６０は、シャフト４０に固定される固定部６１と、ロータ１０へ取り付けられた状態においてシャフト４０を中心としてロータ１０の径方向に広がる底面部６２と、底面部６２から軸方向端部１０ｔに向けて立ち上がる側壁部６３とを有して構成される。シャフト４０の外周面の一部にはねじ山が形成されている。固定部６１にはこのねじ山と係合するねじ山が形成されており、ねじを締め付けることにより上部プレート６０はロータ１０及びシャフト４０に対して固定される。側壁部６３の先端部６３ｔは、上部プレート６０がロータ１０へ取り付けられた状態において軸方向端部１０ｔに当接する。上部プレート６０がロータ１０に取り付けられた状態で、上部プレート６０の底面部６２とロータ１０の軸方向端部１０ｔとの間には所定のロータ対向空間６０ａが形成される。後述するように、軸方向端部１０ｔと上部プレート６０との間に形成されるロータ対向空間６０ａは、冷媒が流通する冷媒用流路を構成する（第３流路Ｒ３）。従って、側壁部６３の先端部６３ｔと軸方向端部１０ｔとは、当接された部分から冷媒が漏れないように、充分にシール可能な当接圧力で当接される。
【００２４】
底面部６２とシャフト４０との間には、シャフト対向空間６０ｂが設けられている。当該空間６０ｂはシャフト４０の連通孔４０ｂに連通する。従って、シャフト対向空間６０ｂは、シャフト４０の連通孔４０ｂ（第２流路Ｒ２）を介してシャフト４０の内部空間４０ａ（第１流路Ｒ１）と連通する。また、シャフト対向空間６０ｂは、ロータ対向空間６０ａとも連通する。上述したように、本実施形態では、シャフト４０の強度を確保するために対向する２ケ所の位置にのみ連通孔４０ｂが設けられる。従って、シャフト対向空間６０ｂの容積を連通孔４０ｂ（第２流路Ｒ２）よりも大きくして、シャフト対向空間６０ｂに冷媒を溜めることができるように構成すると好適である。ロータ対向空間６０ａと同様に、シャフト対向空間６０ｂも冷媒用流路を構成する（第３流路Ｒ３）。
【００２５】
即ち、不図示のポンプにより、入出力軸４１の内部空間４１ａ、シャフト４０の内部空間４０ａ、連通孔４０ｂ、シャフト対向空間６０ｂ、ロータ対向空間６０ａを経由して、モータ１を冷却する冷媒が、ロータ１０の貫通孔１０ａに導かれる。ここで、出力軸４１の内部空間４１ａ及びシャフト４０の内部空間４０ａは第１流路Ｒ１に相当し、シャフト４０の連通孔４０ｂは第２流路Ｒ２に相当する。また、シャフト対向空間６０ｂ及びロータ対向空間６０ａ、又は少なくともロータ対向空間６０ａは第３流路Ｒ３に相当する。本実施形態において、第３流路Ｒ３は、ロータ１０の一方の軸方向端部１０ｔと、当該軸方向端部１０ｔに当接する上部プレート６０を流路壁として形成される。また、本実施形態では、上部プレート６０が固定されるシャフト４０の外壁も流路壁として機能する。尚、図１に示した流路の構成は、一例であり、本発明は当該構成に限定されるものではない。例えば、シャフト対向空間６０ｂが設けられることなく、シャフト４０の内部空間４０ａとロータ対向空間６０ａとを直接連通する位置に連通孔４０ｂが設けられてもよい。
【００２６】
下部プレート５０は、側壁部５３と底面部５２とを有する皿状に構成され、底面部５２をロータ１０の他方の軸方向端部１０ｓに当接させて取り付けられる。シャフト４０の外周面の一部にはねじ山が形成されている。このねじ山と係合するナット５１を締め付けることにより、下部プレート５０はロータ１０及びシャフト４０に対して固定される。底面部５２には、ロータ１０に取り付けられた状態においてロータ１０の貫通孔１０ａと連通して底面部５２を貫通する貫通孔５０ｂが形成される。ロータ１０の貫通孔１０ａを流通する冷媒は、当該貫通孔５０ｂを流通して、ロータ１０を軸心方向に通り抜ける。
【００２７】
貫通孔５０ｂをロータ１０の貫通孔１０ａに対して径方向外側寄りに形成すると、遠心力により径方向外側に沿って流れる冷媒が貫通孔５０ｂから排出され易くなる。一方、貫通孔５０ｂをロータ１０の貫通孔１０ａに対して径方向内側寄りに形成すると、一定量以上の冷媒がロータ１０の貫通孔１０ａに溜まってから、冷媒が貫通孔５０ｂから排出される。従って、ロータ１０の貫通孔１０ａ内の冷媒が時間をかけて永久磁石１１の熱を回収できるので、冷却効率の向上が期待できる。即ち、貫通孔５０ｂが形成される径方向の位置は、モータ１が使用される条件やポンプの吐出能力等に応じて適宜設定可能である。
【００２８】
本実施形態において、下部プレート５０の側壁部５３の先端部５３ｔは、コイルエンド２１ａの先端部２１ｂよりもシャフト４０の軸方向に突出するように構成されている。又、側壁部５３の内周面は、底面部５２から先端部５３ｔに向かって内径が大きくなるようにテーパー状に構成されている。ロータ１０が回転した際に、先端部５３ｔから遠心力により径方向外側に排出される冷媒は、テーパーに沿って滑らかに誘導される。また、先端部５３ｔがコイルエンド２１ａの先端部２１ｂよりも突出しているため、先端部５３ｔから放出された冷媒はコイルエンド２１ａに直接に衝突することなく、コイルエンド２１ａに噴霧される。従って、コイルエンド２１ａの絶縁紙、絶縁皮膜、結束糸等への冷媒の衝突によるこれらの劣化が抑制される。
【００２９】
尚、図１に示すように、先端部５３ｔから遠心力により径方向外側に排出される冷媒が衝突するケース３０の内周面領域に、例えば径方向内側に突出するフィン３２を設けてもよい。永久磁石１１などを冷却して昇温された冷媒がロータ１０から排出された後、フィン３２を介した熱交換が促進され、冷媒の放熱を効率的に行うことができる。又、フィン３２に衝突し、運動エネルギーを消失するとともに冷却された冷媒が、ケース３０の内面を伝ってステータ２０やコイル２１に供給され、衝撃力が緩和された状態で冷却を行うことも可能となる。
【００３０】
以上、説明したように、不図示のポンプから供給される冷媒は、入出力軸４１の内部空間４１ａ、シャフト４０の内部空間４０ａ、シャフト４０の連通孔４０ｂ、上部プレート６０により形成されるシャフト対向空間６０ｂ及びロータ対向空間６０ａ、ロータ１０の貫通孔１０ａ、下部プレート５０の貫通孔５０ｂを経て、ロータ１０及び永久磁石１１を冷却し、下部プレート５０の側壁部５３を伝ってケース３０内に排出される。ところで、第３流路Ｒ３を構成するロータ対向空間６０ａでは、冷媒の流通方向がロータ１０の径方向である。従って、ロータ１０が高速回転する場合には、回転に伴う遠心力により流通方向へ向かう冷媒の圧力が高くなる。ロータ対向空間６０ａにおける冷媒の流通方向の先端は、上部プレート６０の側壁部６３の先端部６３ｔとロータ１０の軸方向端部１０ｔとが当接する当接部である。ロータ１０の回転に伴う遠心力が強くなると、当該当接部における冷媒の圧力も高くなる。先端部６３ｔと軸方向端部１０ｔとは冷媒が漏れないように、充分にシール可能な当接圧力で当接されている。しかし、ロータ１０が高速回転した場合には、遠心力も強くなり冷媒の圧力も大きくなるので、シール性能が低下する可能性がある。そこで、ロータ１０には、ロータ１０が回転する際の遠心力に応じて軸方向端部１０ｔと上部プレート６０の軸方向端部１０ｔとの当接圧力を増加させる圧力増加機構３が設けられる。
【００３１】
〔例１〕
圧力増加機構３は、種々の形態により実現可能であり、以下、複数の形態について具体例を挙げて説明する。はじめに、図１〜図３に基づいて圧力増加機構３の第１の例（例１）について説明する。図１及び図３に示すように、上部プレート６０の底面部６２からロータ１０の方向へ立ち上がる側壁部６３は、底面部６２を挟んで反対側に延長される。延長された側壁部６３の先端部分には底面部６２からロータ１０までの側壁部６３の質量よりも大きい質量を有する重り６５が設けられる。ロータ１０が回転すると、遠心力により重り６５がロータ１０の径方向外側に向かって変位する（図１、図３に示すＡ方向。）。側壁部６３の先端部６３ｔは、ロータ１０の軸方向端部１０ｔに当接しているから、当接している先端部６３ｔを支点としてシャフト４０の軸方向の力が生じる（図３に示すＢ方向。）。即ち、先端部６３ｔと軸方向端部１０ｔとの当接圧力が増加される。
【００３２】
このように、重り６５を備え、ロータ１０の回転により生じる遠心力によって変形して、ロータ１０の軸方向端部１０ｔと上部プレート６０との当接圧力を増加させる側壁部６３は、本発明の圧力増加機構３に相当する。この際、ロータ１０の径方向に沿った方向Ａの力である遠心力は、シャフト４０に沿う方向Ｂの力に変換される。従って、例１において圧力増加機構３は、ロータ１０の径方向に沿った方向Ａの遠心力をシャフト４０に沿う方向Ｂの力に変換する方向変換機構を備えているということができる。尚、ロータ１０が回転していないとき、ロータ１０の軸方向端部１０ｔと上部プレート６０の側壁部６３の先端部６３ｔとは面接触により冷媒をシール可能な当接圧力で当接されていればよい。ロータ１０が回転し、遠心力により側壁部６３が変形すれば、シャフト４０に直交する方向における側壁部６３の断面積よりも狭い接触面積で先端部６３ｔがロータ１０の軸方向端部１０ｔに当接するようになる。接触面積が狭いほど、単位面積当たりの接触圧力が大きくなるので遠心力に応じて当接圧力も増大する。
【００３３】
〔例２〕
次に、図４に基づいて圧力増加機構３の第２の例（例２）について説明する。図４に示すように、ロータ１０の軸方向端部１０ｔにおいて、上部プレート６０の側壁部６３の先端部６３ｔと当接する部位に、弾性部材１０ｇを設けると好適である。遠心力に応じて増加される当接圧力を弾性部材１０ｇにより良好に受け止めることができ、シール性能が向上する。尚、図４においては、便宜的に例１に対応する圧力増加機構３において弾性部材１０ｇを設ける例を示したが、当然ながら以下に示す例３以降の形態においても弾性部材１０ｇを設けることが可能であることは言うまでもない。
【００３４】
〔例３〕
続いて、図５に基づいて圧力増加機構３の第３の例（例３）について説明する。上記、例１及び例２においては、圧力増加機構３が、ロータ１０の径方向に沿った方向Ａの遠心力をシャフト４０に沿う方向Ｂの力に変換する方向変換機構を備えて構成される場合を例示した。しかし、圧力増加機構は、そのような方向変換機構を備えることなく構成されてもよい。図５に示すように、ロータ１０の軸方向端部１０ｔに、軸方向に突出した突出部１０ｆが設けられる。ロータ１０の回転に伴う遠心力により、上部プレート６０の側壁部６３がロータ１０の径方向に変位すると、側壁部６３の径方向外側の側面と突出部１０ｆの径方向内側の側面とが当接する。遠心力により側壁部６３の側面が突出部１０ｆの側面に押しつけられるので、ロータ１０の軸方向端部１０ｔと上部プレート６０との当接圧力が増加される。
【００３５】
この際、側壁部６３の近傍が変形するだけでもよいし、底面部６２も含めて上部プレート６０が全体的に変形してもよい。つまり、圧力増加機構３は、例１や例２と同様に、遠心力により変形する側壁部６３を含んで構成されれば充分であるし、構造によっては、固定部６１においてシャフト４０に固定され、遠心力によって全体が変形する上部プレート６０を含んで構成されてもよい。また、突出部１０ｆは、図５に示すように上部プレート６０の側壁部６３に対してロータ１０の径方向外側に設けられる形態に限定されるものではない。側壁部６３の先端部６３ｔに嵌合孔を設け、当該嵌合孔と突出部１０ｆとを嵌合させる構造であってもよい。ロータ１０の回転に伴う遠心力により、側壁部６３の嵌合孔の径方向内側の側面と、突出部１０ｆの径方向内側の側面とが強く当接され、ロータ１０の軸方向端部１０ｔと上部プレート６０との当接圧力が増加される。また、突出部１０ｆが設けられる位置には関係なく、突出部１０ｆと上部プレート６０とが当接する位置に例２と同様に弾性部材が設けられてもよい。
【００３６】
〔例４〕
次に、図６に基づいて圧力増加機構３の第４の例（例４）について説明する。上述した例１〜例３においては、上部プレート６０の全体又は一部がロータ１０の回転に伴う遠心力によって変形する場合を例示した。しかし、上部プレート６０の一部が遠心力により移動することによって当接圧力を増加させるような構成でもよい。具体的には、図６に示すように、例えば側面部６３の先端部６３ｔが遠心力により矢印Ｃ方向に変位して（移動して）、当接圧力を増加させるような構成でもよい。当然ながら、このような構造を備えると共に例２において例示したような弾性部材１０ｇが備えられてもよい。また、このような構造を備えると共に例３において例示した突出部１０ｆが備えられてもよい。さらに、このような構造を備えると共に弾性部材１０ｇ及び突出部１０ｆの双方が備えられる構成であってもよい。
【００３７】
〔例５〕
次に、図７〜図９に基づいて圧力増加機構３の第５の例（例５）について説明する。上述したように、上部プレート６０の側壁部６３の先端部６３ｔは、シャフト４０に直交する方向における側壁部６３の断面積よりも狭い接触面積で軸方向端部１０ｔに当接すると好適である。同じ力が印加されても、接触面積が小さいほど単位面積当たりの力は強くなる。従って、側壁部６３の断面積よりも狭い接触面積で側壁部６３の先端部６３ｔとロータ１０の軸方向端部１０ｔとが当接すると、単位面積当たりの当接圧力を強くすることができる。当然ながら、遠心力に応じて圧力増加機構３により増強される当接圧力も有効に作用することになる。先端部６３ｔの形状は、図１〜図６に例示した形状に限定されることなく、当接圧力を強くすることが可能な種々の形態を採り得ることができる。
【００３８】
例５においては、そのような先端部６３ｔの形状を例示する。図７は、例５における第１の形状例（形状例１）を示す図である。図７に示すように、先端部６３ｔの形状は、揺動自在な取り合い形状とすることができる。図８は、例５における第２の形状例（形状例２）を示す図である。図８に示すように、先端部６３ｔの形状は鋭利な形状とすることもできる。図９は、例５における第３の形状例（形状例３）を示す図である。図９に示すように、先端部６３ｔの形状は櫛歯形状とすることもできる。また、このような種々の先端形状において、例２に示したように、ロータ１０の軸方向端部１０ｔに弾性部材１０ｇを設けると好適である。
【００３９】
〔例６〕
例えば、上記例１及び例２においては、側壁部６３が遠心力により変形する場合を例示した。しかし、シャフト４０に沿った方向Ａの遠心力をロータ１０の径方向Ｂの力に変換するために変形する上部プレート６０の部位は側壁部６３には限定されない。例えば、固定部６１を支点として底面部６２を含む上部プレート６０の全体が揺動することによって当接圧力が増加されてもよい。
【００４０】
〔その他の適用例〕
図１〜図９を用いて説明した各例においては、埋込磁石型の同期モータに本発明を適用する場合を例示した。しかし、上述したように、必ずしも永久磁石１１に直接冷媒が触れる構造である必要はなく、ロータ１０の電磁鋼板を介して永久磁石１１の熱交換が実施されてもよい。例えば、永久磁石１１がロータ１０の表面に設置され、ロータ１０の内部を貫通する流路を流れる冷媒と電磁鋼板を介して熱交換してもよい。従って、本発明は、埋込磁石型の同期モータへの適用に限定されることなく、表面磁石型の同期モータに適用されることを妨げられるものではない。
【００４１】
また、図１〜図９を用いて説明した各例においては、ポンプが設置される側、つまり第１流路Ｒ１の上流側において第２流路Ｒ２が形成されて、冷媒がロータ１０の径方向に導かれる形態を例示した。しかし、この構成に限定されることなく、第１流路Ｒ１の下流側において第２流路Ｒ２が形成されて、冷媒がロータ１０の径方向に導かれてもよい。具体的には、図１において上部プレート６０と下部プレート５０との配置が逆となり、第２流路Ｒ２となるシャフトの貫通孔４０ｂが、図示左側に形成されてもよい。
【００４２】
以上、多様な例を挙げて説明したように、本発明によれば、ロータが高速回転した場合であってもロータの軸方向端部とプレートとの間からの冷媒の漏洩を抑制することが可能となる。
【符号の説明】
【００４３】
１：モータ（回転電機）
３：圧力増加機構
１０：ロータ
１０ｇ：弾性部材
１０ｔ：軸方向端部
４０：シャフト（回転軸）
４０a：回転軸の軸心に沿う方向に貫通して冷媒を流通させる内部空間
４０ｂ：第１流路の流路壁となる回転軸の壁面を貫通する貫通孔
６０：上部プレート（プレート）
６１：固定部
６２：底面部
６３：側壁部
６３ｔ：先端部
Ａ：遠心力の働く方向
Ｂ：回転軸に沿う方向
Ｒ１：第１流路
Ｒ２：第２流路
Ｒ３：第３流路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転電機のロータであって、
当該ロータの回転軸に設けられ、当該回転軸の軸心に沿う方向に貫通して冷媒を流通させる第１流路と、
前記第１流路の流路壁となる前記回転軸の壁面を当該ロータの径方向に沿って貫通し、前記第１流路と連通する第２流路と、
前記回転軸に沿う方向における当該ロータの端部である軸方向端部に当接するプレートと、
当該プレートと前記軸方向端部との間に形成され、前記第２流路と連通する第３流路と、
当該ロータが回転する際の遠心力に応じて前記軸方向端部と前記プレートとの当接圧力を増加させる圧力増加機構と、を備える回転電機のロータ。
【請求項２】
前記圧力増加機構は、当該ロータが回転する際の遠心力を前記回転軸に沿う方向の力に変換する方向変換機構を有する請求項１に記載の回転電機のロータ。
【請求項３】
前記プレートは、前記回転軸に固定される固定部と、前記回転軸を中心として当該ロータの径方向に広がる底面部と、前記底面部から当該ロータの前記軸方向端部に向けて立ち上がり先端部が前記軸方向端部に当接する側壁部とを有して形成され、
前記圧力増加機構は、前記遠心力により変形する前記側壁部を含んで構成される請求項１又は２に記載の回転電機のロータ。
【請求項４】
前記プレートは、前記回転軸に固定される固定部と、前記回転軸を中心として当該ロータの径方向に広がる底面部と、前記底面部から当該ロータの前記軸方向端部に向けて立ち上がり先端部が前記軸方向端部に当接する側壁部とを有して形成され、
前記圧力増加機構は、前記固定部において固定され、前記遠心力により全体が変形する前記プレートを含んで構成される請求項１又は２に記載の回転電機のロータ。
【請求項５】
前記プレートは、前記回転軸に固定される固定部と、前記回転軸を中心として当該ロータの径方向に広がる底面部と、前記底面部から当該ロータの前記軸方向端部に向けて立ち上がり先端部が前記軸方向端部に当接する側壁部とを有して形成され、
前記側壁部の前記先端部は、前記回転軸に直交する方向における前記側壁部の断面積よりも狭い接触面積で前記軸方向端部に当接する請求項１〜４の何れか一項に記載の回転電機のロータ。
【請求項６】
前記軸方向端部の前記プレートと当接する位置に弾性部材が備えられる請求項１〜５の何れか一項に記載の回転電機のロータ。
【請求項１】
回転電機のロータであって、
当該ロータの回転軸に設けられ、当該回転軸の軸心に沿う方向に貫通して冷媒を流通させる第１流路と、
前記第１流路の流路壁となる前記回転軸の壁面を当該ロータの径方向に沿って貫通し、前記第１流路と連通する第２流路と、
前記回転軸に沿う方向における当該ロータの端部である軸方向端部に当接するプレートと、
当該プレートと前記軸方向端部との間に形成され、前記第２流路と連通する第３流路と、
当該ロータが回転する際の遠心力に応じて前記軸方向端部と前記プレートとの当接圧力を増加させる圧力増加機構と、を備える回転電機のロータ。
【請求項２】
前記圧力増加機構は、当該ロータが回転する際の遠心力を前記回転軸に沿う方向の力に変換する方向変換機構を有する請求項１に記載の回転電機のロータ。
【請求項３】
前記プレートは、前記回転軸に固定される固定部と、前記回転軸を中心として当該ロータの径方向に広がる底面部と、前記底面部から当該ロータの前記軸方向端部に向けて立ち上がり先端部が前記軸方向端部に当接する側壁部とを有して形成され、
前記圧力増加機構は、前記遠心力により変形する前記側壁部を含んで構成される請求項１又は２に記載の回転電機のロータ。
【請求項４】
前記プレートは、前記回転軸に固定される固定部と、前記回転軸を中心として当該ロータの径方向に広がる底面部と、前記底面部から当該ロータの前記軸方向端部に向けて立ち上がり先端部が前記軸方向端部に当接する側壁部とを有して形成され、
前記圧力増加機構は、前記固定部において固定され、前記遠心力により全体が変形する前記プレートを含んで構成される請求項１又は２に記載の回転電機のロータ。
【請求項５】
前記プレートは、前記回転軸に固定される固定部と、前記回転軸を中心として当該ロータの径方向に広がる底面部と、前記底面部から当該ロータの前記軸方向端部に向けて立ち上がり先端部が前記軸方向端部に当接する側壁部とを有して形成され、
前記側壁部の前記先端部は、前記回転軸に直交する方向における前記側壁部の断面積よりも狭い接触面積で前記軸方向端部に当接する請求項１〜４の何れか一項に記載の回転電機のロータ。
【請求項６】
前記軸方向端部の前記プレートと当接する位置に弾性部材が備えられる請求項１〜５の何れか一項に記載の回転電機のロータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−２５４５７４（Ｐ２０１１−２５４５７４Ａ）
【公開日】平成２３年１２月１５日（２０１１．１２．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１２４７２５（Ｐ２０１０−１２４７２５）
【出願日】平成２２年５月３１日（２０１０．５．３１）
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月１５日（２０１１．１２．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月３１日（２０１０．５．３１）
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
【Ｆターム（参考）】
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