特開 2024-61145 回転子および回転電機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024061145

(43)【公開日】2024-05-07

(54)【発明の名称】回転子および回転電機

(51)【国際特許分類】

   H02K 1/276 20220101AFI20240425BHJP

【ＦＩ】

H02K1/276

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022168887

(22)【出願日】2022-10-21

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(71)【出願人】

【識別番号】598076591

【氏名又は名称】東芝インフラシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001092

【氏名又は名称】弁理士法人サクラ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】成田 匡伸

(72)【発明者】

【氏名】青木 一男

【テーマコード（参考）】

5H622

【Ｆターム（参考）】

5H622AA06

5H622CA03

5H622CA07

5H622CA10

5H622CB05

5H622PP09

(57)【要約】

【課題】回転子の磁石を効率的に冷却して出力効率の低下を抑えること。
【解決手段】実施形態に係る回転子は、軸方向に延びた回転子鉄心と、回転子鉄心の回転軸の垂直断面において、回転子鉄心の外周面に沿って軸方向に形成された永久磁石収納孔と、永久磁石収納孔に収納された永久磁石と、垂直断面において、永久磁石収納孔における前記回転子鉄心の径方向内側に永久磁石収納孔に沿って該永久磁石収納孔と連通して形成され、永久磁石を冷却する冷媒を封入可能な冷媒流路と、永久磁石収納孔内において、永久磁石収納孔の内壁面及び永久磁石の表面の間に配設され、永久磁石を内壁面に密着させるシートと、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

軸方向に延びた回転子鉄心と、
前記回転子鉄心の回転軸の垂直断面において、前記回転子鉄心の外周面に沿って前記軸方向に形成された永久磁石収納孔と、
前記永久磁石収納孔に収納された永久磁石と、
前記垂直断面において、前記永久磁石収納孔における前記回転子鉄心の径方向内側に前記永久磁石収納孔に沿って該永久磁石収納孔と連通して形成され、前記永久磁石を冷却する冷媒を封入可能な冷媒流路と、
前記永久磁石収納孔内において、前記永久磁石収納孔の内壁面及び前記永久磁石の表面の間に配設され、前記永久磁石を前記内壁面に密着させるシートと
を備えた回転子。

【請求項2】

前記永久磁石は、板状の形状を具備し、
前記シートは、前記永久磁石の主面のうち、前記回転子の回転方向における後段側の主面上に配設されたこと
を特徴とする請求項１記載の回転子。

【請求項3】

前記永久磁石は、複数の永久磁石部を具備し、
前記シートは、さらに前記複数の永久磁石部間に配設されたこと
を特徴とする請求項１記載の回転子。

【請求項4】

前記永久磁石は、板状の形状を具備し、
前記シートは、前記永久磁石の主面上に配設されたこと
を特徴とする請求項１記載の回転子。

【請求項5】

前記回転子鉄心は、積層された複数の電磁鋼板と、前記積層された複数の電磁鋼板の両端面に配設された端板とからなり、
前記シートは、さらに、前記永久磁石の端面と前記端板との間に配設されたこと
を特徴とする請求項１記載の回転子。

【請求項6】

前記シートは、前記永久磁石の全表面に配設されたこと
を特徴とする請求項１記載の回転子。

【請求項7】

前記シートは、発泡性を具備することを特徴とする請求項１記載の回転子。

【請求項8】

請求項１ないし７のいずれか１項に記載の回転子と、
前記回転子の周面と対向配置された固定子と
を具備した回転電機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、回転子および回転電機に関する。

【背景技術】

【0002】

永久磁石を回転子内に配設した回転電機では、その運転時に回転子内の磁石が発熱して損失が発生する。すなわち、磁石の発熱に起因して出力効率が低下することが知られている。

【0003】

出力効率の高い回転電機を実現するためには、回転子の磁石を効率的に冷却することが重要である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開2021-100353

【特許文献2】特開2020-141552

【特許文献3】特開2018-67978

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

従来の回転子、回転電機は、回転子に設けられた磁石の発熱に起因して出力効率が低下するという問題があった。本発明は、かかる課題を解決するためになされたもので、回転子の磁石を効率的に冷却して出力効率の低下を抑えることのできる回転子、回転電機を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上述の目的を達成するため、本発明の実施形態に係る回転子は、軸方向に延びた回転子鉄心と、回転子鉄心の回転軸の垂直断面において、回転子鉄心の外周面に沿って軸方向に形成された永久磁石収納孔と、永久磁石収納孔に収納された永久磁石と、垂直断面において、永久磁石収納孔における前記回転子鉄心の径方向内側に永久磁石収納孔に沿って該永久磁石収納孔と連通して形成され、永久磁石を冷却する冷媒を封入可能な冷媒流路と、永久磁石収納孔内において、永久磁石収納孔の内壁面及び永久磁石の表面の間に配設され、永久磁石を内壁面に密着させるシートと、を備える。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】第１実施形態に係る回転電機の構成を示す断面図である。

【図2】第１実施形態に係る回転子の断面の一部を拡大した拡大図である。

【図3】第１実施形態に係る回転子の断面（A-A断面）を示す断面図である。

【図4】第２実施形態に係る回転子の断面の一部を拡大した拡大図である。

【図5】第２実施形態に係る回転子の断面（B-B断面）を示す断面図である。

【図6】第３実施形態に係る回転子の断面（A-A断面）を示す断面図である。

【図7】第４実施形態に係る回転子の断面（B-B断面）を示す断面図である。

【図8】第５実施形態に係る回転子の断面の一部を拡大した拡大図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る回転子および回転電機について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。

【0009】

（第１実施形態）
図１は、実施形態に係る回転電機１の構成を示す断面図である。

【0010】

回転電機１は、回転軸方向に延びたロータシャフト１１０、同じく回転軸方向に延びロータシャフト１１０の径方向外側に取り付けられた円筒状の回転子鉄心１２０、および複数の永久磁石１３０（１３１）を有する埋め込み磁石型の回転子１００と、回転子鉄心１２０の径方向外側に、ギャップ空間を介して回転子鉄心１２０を囲むように配された円筒状の固定子１０と、ロータシャフト１１０を回転可能に支持する２つの軸受（図示せず）とを備える。図１は、ロータシャフト１１０の回転軸に垂直な断面（以下、「垂直断面」）を示す。

【0011】

回転子鉄心１２０は、複数の電磁鋼板１２０ａを回転軸方向に積層して形成される。積層された電磁鋼板１２０ａの回転軸方向の両端には端板（図示せず）が配設される。電磁鋼板１２０ａそれぞれには、ロータシャフト１１０が貫通するための打ち抜き孔や、永久磁石１３０（１３１）が貫通するための打ち抜き孔などが形成されている。これらの打ち抜き孔は、電磁鋼板１２０ａが積層されることによって貫通孔をなす。なお、図１では、回転子鉄心１２０が電磁鋼板１２０ａからなる場合を例にとって示しているが、これに限定されず、ロータシャフトと回転子鉄心が一体の塊状型の回転子についても適用可能である。

【0012】

回転子鉄心１２０には、永久磁石１３０，１３１を収納するための、軸方向に延びた一対の永久磁石収納孔１２２，１２３が、回転子鉄心１２０の周方向に沿って複数形成されている。一対の永久磁石収納孔１２２，１２３は、回転子１００における磁極に対応する。永久磁石収納孔１２２，１２３は、回転子鉄心１２０の回転軸方向に沿って形成される。複数の電磁鋼板１２０ａに形成された打ち抜き孔は、複数の電磁鋼板１２０ａが積層されることにより、回転子鉄心１２０の回転軸方向に延びた永久磁石収納孔１２２（１２３）が形成される。

【0013】

永久磁石１３０，１３１は、回転子１００の磁極に対応し、永久磁石収納孔１２２，１２３それぞれに収納される。各磁極に対応する一対の永久磁石１３０，１３１は、径方向外側になるに従って周方向の間隔が広くなるように配置される。図１に示す例では、永久磁石１３０，１３１は、回転子鉄心１２０の径方向内側に向けて凸のＶ字配置に配設されているが、この形態には限定されない。回転子１００の径方向外側になるに従って永久磁石１３０，１３１の周方向の間隔が広くなるように配置されていれば、他の形態を採っていても構わない。なお、永久磁石１３０，１３１は平板状形状を有している。

【0014】

対をなす永久磁石１３０，１３１は、回転子鉄心１２０の円周面に沿って同様の形態で複数組配設される。図１に示す例では、合計８組の永久磁石１３０，１３１が配設されている。

【0015】

永久磁石１３０が収容された永久磁石収納孔１２２における回転子鉄心１２０の径方向内側の端部近傍には、冷媒流路１５０が形成されている。同様に、永久磁石１３１が収容された永久磁石収納孔１２３における回転子鉄心１２０の径方向内側の端部近傍には、冷媒流路１５１が形成されている。

【0016】

冷媒経路１５０，１５１は、永久磁石収納孔１２２，１２３と並行配置され、冷媒を封入可能な空間を形成している。冷媒流路１５０，１５１は、永久磁石収納孔１２２，１２３と連通しており、冷媒流路１５０，１５１を通る冷媒は永久磁石１３０，１３１を冷却することができる。

【0017】

図２は、図１に示す回転子鉄心１２０の径方向内側に向けて凸のＶ字配置された一対の永久磁石１３０，１３１を拡大して示す。図２に示すように、永久磁石収納孔１２２は、シート１６０と永久磁石１３０を収容する。

【0018】

シート１６０は、板状に形成された永久磁石１３０における回転子鉄心１２０の回転軸に垂直な断面において一方の長辺に沿って配設されている。すなわち、板状に形成された永久磁石１３０の主面のうち、一方の面に配設されている。永久磁石１３０は板状に形成されており、図２に示すように、その回転子鉄心１２０の回転軸に垂直な断面には、永久磁石１３０の主面をなす一対の長辺が存在する。この二つの長辺のうち、回転子１００の回転方向Ｘに対して後段側の長辺（主面）に沿ってシート１６０が配設される。

【0019】

同様に、永久磁石収納孔１２３は、シート１６１と永久磁石１３１を収容する。シート１６１は、板状に形成された永久磁石１３１の断面において一方の長辺に沿って配設されている。すなわち、板状に形成された永久磁石１３１の主面のうち、一方の面に配設されている。永久磁石１３１は板状に形成されており、図２に示すように、その回転子鉄心１２０の回転軸に垂直な断面には、一対の長辺が存在する。この二つの長辺のうち、回転子１００の回転方向Ｘに対して後段側の長辺（主面）に沿ってシート１６１が配設される。他の組の永久磁石についても同様である。

【0020】

図３は、図２におけるＡ－Ａ断面を示す。すなわち、図３は、板状の永久磁石１３０を回転子１００の回転軸に沿った断面を示している。図３に示すように、複数の電磁鋼板１２０ａが積層されて円筒状の回転子鉄心１２０を形成しており、その両端には端版１２４，１２６が配設されている。図３に示す例では、永久磁石１３０は、一つの永久磁石収納孔１２２に複数の永久磁石１３０ａ，１３０ｂを含んでいる。すなわち、永久磁石１３０は、複数の磁石に分割され永久磁石収納孔１２２に収容されている。

【0021】

図３に示すように、永久磁石１３０（１３０ａ，１３０ｂ）の回転子１００の回転軸に垂直な断面における一方の長辺（主面）には、シート１６０が配設されている。また、永久磁石１３０ａ及び１３０ｂの間にも、シート１６０ａが配設されている。すなわち、永久磁石１３０（１３０ａ，１３０ｂ）は、その隙間と回転子１００の回転方向の後段の主面にシートが配設されている。

【0022】

シート１６０，１６０ａは、永久磁石１３０（１３０ａ，１３０ｂ）を永久磁石収納孔１２２，１２３内の所定位置に固定する作用をする。したがって、シート１６０，１６０ａは、永久磁石１３０，１３１の主面及び対応する永久磁石収納孔１２２，１２３の内壁面に密着する機能を持つことが望ましい。

【0023】

この実施形態では、永久磁石１３０，１３１の径方向内側の端部近傍に形成された冷媒流路１５０，１５１に冷媒が封入される。冷媒流路１５０，１５１と永久磁石収納孔１２２，１２３は連通しているから、永久磁石１３０，１３１の周囲は冷媒が満たされることになる。これにより、永久磁石１３０の冷却を可能にする。

【0024】

回転子鉄心１２０が電磁鋼板１２０ａの積層体からなる場合、回転子１２０の回転による遠心力により、永久磁石１３０，１３１と永久磁石収納孔１２２，１２３の内壁面との間を介して冷媒が回転子鉄心１２０の外周面に漏れ出す可能性がある。この実施形態のシート１６０，１６０ａは、永久磁石１３０，１３１における回転子１００の回転方向の後段側の主面と、対応する永久磁石収納孔１２２，１２３の内壁面との間に配設されるので、冷媒流路１５０，１５１に封入された冷媒が、回転子１００の回転によって生ずる遠心力で回転子１００の外周面から漏出することを防止することができる。

【0025】

この実施形態によれば、冷却材が漏れやすい永久磁石１３０，１３１の周囲、特に回転子１００の回転方向後段側の面にシート１６０を備えたので、冷媒の漏出に起因する回転電機１の出力効率の低下を抑えることができる。

【0026】

シート１６０，１６０ａは、密着性に加えて発泡性を具備してもよい。シート１６０，１６０ａが発泡性を具備すると、回転電機１の運転によって永久磁石１３０，１３１が発熱した場合にシート１６０，１６０ａが膨張して永久磁石１３０，１３１と永久磁石収納孔１２２，１２３の壁面の密着性を高めることができ、冷媒の漏出をより抑えることが可能になる。

【0027】

（第２実施形態）
次に、図４及び５を参照して、第２実施形態に係る回転電機について説明する。この実施形態は、第１実施形態とはシートの配置が異なるものである。以下の説明において、第１実施形態と共通する要素に共通の符号を付して示し、重複する説明を省略する。

【0028】

図４は、第２実施形態における、回転子鉄心１２０の径方向内側に向けて凸のＶ字配置された一対の永久磁石１３０，１３１を拡大して示す。図４に示すように、永久磁石収納孔１２２ａは、シート１６０及び永久磁石１３０に加えてシート１６０ｂを収容する。

【0029】

シート１６０及び１６０ｂは、板状に形成された永久磁石１３０の断面において二つ長辺に沿って配設されている。永久磁石１３０は板状に形成されており、図４に示すように、その回転子鉄心１２０の回転軸に垂直な断面には、一対の長辺（主面）が存在する。この二つの長辺（主面）のうち、両方の長辺（主面）に沿ってシート１６０及び１６０ｂが配設される。

【0030】

同様に、永久磁石収納孔１２３ａは、シート１６１及び永久磁石１３１に加えてシート１６１ｂを収容する。シート１６１及び１６１ｂは、板状に形成された永久磁石１３１の断面において両方の長辺（主面）に沿って配設されている。永久磁石１３１は板状に形成されており、図４に示すように、その回転子鉄心１２０の回転軸に垂直な断面には、一対の長辺（主面）が存在する。この二つの長辺（主面）のうち、両方の長辺（主面）に沿ってシート１６１及び１６１ｂが配設される。他の組の永久磁石についても同様である。

【0031】

図５は、図４におけるＢ－Ｂ断面を示す。すなわち、図５は、板状の永久磁石１３０を回転子１００の回転軸に沿った断面を示している。図５に示すように、複数の電磁鋼板１２０ａが積層されて円筒状の回転子鉄心１２０を形成しており、その両端には端版１２４，１２６が配設されている。図５に示す例では、永久磁石１３０は、一つの永久磁石収納孔１２２内において複数の永久磁石１３０ａ，１３０ｂを含んでいる。すなわち、永久磁石１３０は、複数の磁石に分割され永久磁石収納孔１２２に収容されている。

【0032】

図５に示すように、永久磁石１３０（１３０ａ，１３０ｂ）の両方の長辺（主面）には、シート１６０及び１６０ｂが配設されている。また、永久磁石１３０ａ及び１３０ｂの間にも、シート１６０ａが配設されている。

【0033】

シート１６０，１６０ａ，１６０ｂは、永久磁石１３０（１３０ａ，１３０ｂ）を永久磁石収納孔１２２内の所定位置に固定する作用をする。したがって、シート１６０，１６０ａ、１６０ｂは、永久磁石１３０，１３１及び回転子鉄心１２０に密着する機能を持つことが望ましい。シート１６０，１６０ａ、１６０ｂは、発泡性を有してもよい。

【0034】

この実施形態のシート１６０，１６０ａ，１６０ｂは、永久磁石１３０，１３１における回転子１００の回転方向の前後段両方の面と、永久磁石１３０ａ，１３０ｂの間に配設されるので、冷媒流路１５０に封入された冷媒が、回転子１００の回転によって生ずる遠心力で回転子１００の外周面から漏出することを防止することができる。特に、冷媒が漏れやすい永久磁石１３０の長辺（主面）にシート１６０，１６０ｂを備えたので、冷媒の漏出に起因する回転電機１の出力効率の低下を抑えることができる。

【0035】

（第３実施形態）
次に、図６を参照して、第３実施形態に係る回転電機について説明する。この実施形態は、第１実施形態におけるシートの配置を変更したものである。以下の説明において、第１実施形態と共通する要素に共通の符号を付して示し、重複する説明を省略する。

【0036】

図６は、図２におけるＡ－Ａ断面を示す。すなわち、図６は、板状の永久磁石１３０を回転子１００の回転軸に沿った断面を示している。図６に示すように、複数の電磁鋼板１２０ａが積層されて円筒状の回転子鉄心１２０を形成しており、その両端には端版１２４，１２６が配設されている。図６に示す例では、永久磁石１３０は複数の永久磁石１３０ａ，１３０ｂを含んでいる。すなわち、永久磁石１３０は、複数の磁石に分割され永久磁石収納孔１２２に収容されている。

【0037】

図６に示すように、永久磁石１３０（１３０ａ，１３０ｂ）の回転子１００の回転軸に垂直な断面における一方の長辺（主面）には、シート１６０が配設されている。また、永久磁石１３０ａ及び１３０ｂの間にも、シート１６０ａが配設されている。すなわち、永久磁石１３０（１３０ａ，１３０ｂ）は、その隙間と回転子１００の回転方向の後段にシートが配設されている。

【0038】

さらに、この実施形態では、永久磁石１３０ａの端部と端板１２６との間、永久磁石１３０ｂの端部と端板１２４との間にも、シート１６０ｃ及び１６０ｄが配設されている。

【0039】

シート１６０，１６０ａ，１６０ｃ，１６０ｄは、永久磁石１３０（１３０ａ，１３０ｂ）を永久磁石収納孔１２２内の所定位置に固定する作用をする。したがって、シート１６０，１６０ａ，１６０ｃ，１６０ｄは、永久磁石１３０，１３１及び回転子鉄心１２０に密着する機能を持つことが望ましい。

【0040】

この実施形態のシート１６０，１６０ａ，１６０ｃ，１６０ｄは、永久磁石１３０，１３１における回転子１００の回転方向の後段側の面と、永久磁石１３０、１３１との間と、永久磁石１３０ａ，１３０ｂと端板１２６、１２４の間に配設されるので、冷媒流路１５０，１５１に封入された冷媒が、回転子１００の回転によって生ずる遠心力で回転子１００の外周面から漏出することを防止することができる。

【0041】

なお、この実施形態において、永久磁石１３０ａの端部と端板１２６との間、永久磁石１３０ｂの端部と端板１２４との間に配設されるシート１６０ｃ，１６０ｄは、発泡性を有するシートであることがより好ましい。かかる構成により、永久磁石の端面と端板との間の隙間を効果的に埋めることができる。シート１６０，１６０ａ，１６０ｃ，１６０ｄの全てが発泡性を有してもよい。

【0042】

（第４実施形態）
次に、図７を参照して、第４実施形態に係る回転電機について説明する。この実施形態は、第２実施形態におけるシートの配置をさらに変更したものである。以下の説明において、第２実施形態と共通する要素に共通の符号を付して示し、重複する説明を省略する。

【0043】

図７は、図４におけるＢ－Ｂ断面を示す。すなわち、図７は、板状の永久磁石１３０を回転子１００の回転軸に沿った断面を示している。図７に示すように、複数の電磁鋼板１２０ａが積層されて円筒状の回転子鉄心１２０を形成しており、その両端には端版１２４，１２６が配設されている。図７に示す例では、永久磁石１３０は複数の永久磁石１３０ａ，１３０ｂを含んでいる。すなわち、永久磁石１３０は、複数の磁石に分割され永久磁石収納孔１２２に収容されている。

【0044】

図７に示すように、永久磁石１３０（１３０ａ，１３０ｂ）の両方の長辺（主面）には、シート１６０及び１６０ｂが配設されている。また、永久磁石１３０ａ及び１３０ｂの間にも、シート１６０ａが配設されている。

【0045】

さらに、この実施形態では、永久磁石１３０ａの端部と端板１２６との間、永久磁石１３０ｂの端部と端板１２４との間にも、シート１６０ｃ及び１６０ｄが配設されている。

【0046】

シート１６０，１６０ａ，１６０ｂ，１６０ｃ，１６０ｄは、永久磁石１３０（１３０ａ，１３０ｂ）を永久磁石収納孔１２２内の所定位置に固定する作用をする。したがって、シート１６０，１６０ａ，１６０ｂ，１６０ｃ，１６０ｄは、永久磁石１３０，１３１及び回転子鉄心１２０に密着する機能を持つことが望ましい。

【0047】

この実施形態のシート１６０，１６０ａ，１６０ｂ，１６０ｃ，１６０ｄは、永久磁石１３０における回転子１００の回転方向の後段側の主面と、永久磁石１３０ａ，１３０ｂの間と、永久磁石１３０ａ，１３０ｂと端板１２６、１２４の間に配設されるので、冷媒流路１５０に封入された冷媒が、回転子１００の回転によって生ずる遠心力で回転子１００の外周面から漏出することを防止することができる。

【0048】

この実施形態においても、永久磁石１３０ａの端部と端板１２６との間、永久磁石１３０ｂの端部と端板１２４との間に配設されるシート１６０ｃ，１６０ｄは、発泡性を有するシートであることがより好ましい。かかる構成により、永久磁石の端面と端板との間の隙間を効果的に埋めることができる。シート１６０，１６０ａ，１６０ｃ，１６０ｄの全てが発泡性を有してもよい。

【0049】

（第５実施形態）
次に、図８を参照して、第５実施形態に係る回転電機について説明する。この実施形態は、永久磁石１３０ａ，１３０ｂの全ての面にシート１６０～１６０ｆを配設したものである。かかる構成においても、冷媒流路１５０，１５１に封入された冷媒が、回転子１００の回転によって生ずる遠心力で回転子１００の外周面から漏出することを防止することができる。また、シート１６０～１６０ｆの全てが発泡性を有してもよい。

【0050】

以上、本発明の実施形態を説明したが、実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。さらに、実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【符号の説明】

【0051】

１…回転電機、１０…固定子、１１…固定子鉄心、１００…回転子、１１０…ロータシャフト、１２０…回転子鉄心、１２２，１２３…永久磁石収納孔、１３０，１３１…永久磁石、１５０，１５１…冷媒流路、１６０，１６１…シート。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】