JP7507716B2 - 電動機用ロータ、及び電動機 - Google Patents

Description

本開示は、電動機用ロータ、及び電動機に関する。

電動機（モータ）の一種として、円筒状の磁石を回転子の表面に装着したものが知られている。この種のモータでは、高回転時の遠心力で磁石が破損することを防ぐために、当該磁石の外周側にインコネルやチタンで形成された保持リング（保持体）が取り付けられる（例えば下記特許文献１参照）。

特開２００１－３３９８８６号公報

しかしながら、保持体は導電体である金属で形成されていることから、ステータとの間で発生する磁束の変化によって保持体の表面に渦電流が形成されてしまう。渦電流が発生すると電動機としての損失につながる虞がある。

本開示は上記課題を解決するためになされたものであって、渦電流の発生がさらに抑制された電動機用ロータ、及び電動機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本開示に係る電動機用ロータは、軸線に沿って延びる回転子と、金属から形成されて、前記回転子を外周側から保持する保持体と、を備え、前記保持体は、前記回転子の外周面を環状に囲うとともに前記軸線方向に間隔をあけて配置された複数の環状部材と、隣り合う前記環状部材の間で、これら環状部材を接続するように周方向に複数が配列された接続部材と、を有し、各前記接続部材は、前記軸線方向に向かうにしたがって周方向に向かって延びるように前記軸線に対して傾斜し、互いに隣接する一対の前記接続部材は、前記軸線方向一方側から他方側に向かうに従って周方向に離間するように延びていることで、前記環状部材と互いに隣接する一対の前記接続部材が、径方向から見て三角形状をなしている。

本開示によれば、渦電流の発生がさらに抑制された電動機用ロータ、及び電動機を提供することができる。

本開示の第一実施形態に係る電動機の構成を示す断面図である。 本開示の第一実施形態に係る電動機用ロータの構成を示す斜視図である。 本開示の第一実施形態に係る保持体の構成を示す拡大斜視図である。 本開示の第一実施形態に係る電動機の要部拡大断面図である。 本開示の第一実施形態に係る保持体の要部拡大図である。 本開示の第一実施形態に係る保持体の表面における渦電流の経路を示す説明図である。 本開示の第二実施形態に係る電動機用ロータの構成を示す斜視図である。 本開示の第二実施形態に係る保持体の変形例を示す斜視図である。

＜第一実施形態＞
（電動機の構成）
以下、本開示の第一実施形態に係る電動機１００について、図１から図６を参照して説明する。図１に示すように、電動機１００は、ロータ１（電動機用ロータ）と、ステータ２と、を備えている。ロータ１は、軸線Ｏに沿って延びる円柱状をなしている。ステータ２は、このロータ１を外周側から覆う筒状をなしている。ロータ１はステータ２の内周側で軸線Ｏ回りに回転可能とされている。

（ロータの構成）
ロータ１は、回転子１ａと、保持体１２と、を有している。回転子１ａは、シャフト１０と、磁石１１と、を有している。シャフト１０は、軸線Ｏに沿って延びている。磁石１１は、このシャフト１０を外周側から覆う円筒状をなしている。磁石１１は、例えばフェライト磁石やネオジム磁石によって一体に形成されている。

保持体１２は、上記の磁石１１がシャフト１０から飛散することを防ぐために設けられている。保持体１２は、磁石１１を外周側から覆う円筒状をなしている。図２と図３に示すように、保持体１２はトラス状をなしている。より具体的には図３に示すように、保持体１２は、環状部材１２ａと、接続部材１２ｂと、支持部材１２ｃと、を有している。

環状部材１２ａは、回転子１ａの外周面を囲うとともに軸線Ｏを中心とする円環状をなしている。また、このような環状部材１２ａが軸線Ｏ方向に間隔をあけて複数配置されている。接続部材１２ｂは、隣り合う一対の環状部材１２ａ同士を接続し、周方向に間隔をあけて複数配列されている。具体的にはそれぞれの接続部材１２ｂは、軸線Ｏ方向一方側から他方側に向かうに従って周方向に延びることで、軸線Ｏに対して傾斜している。

また、本実施形態では、互いに隣り合う一対の接続部材１２ｂは、軸線Ｏ方向一方側から他方側に向かうに従って互いに周方向に離間するように延びている。軸線Ｏに対する接続部材１２ｂがなす角度θ２（図５参照）は、０°～４５°の範囲内とされる。例えばθ２が０°である場合とは、本実施形態とは異なり、接続部材１２ｂが軸線Ｏ方向に延びている場合を指している。また、詳しくは後述するが、このθ２の値は、ステータ２のスロット間角度θ１との関係において、θ２＞１／２θ１を満たしている。

これら環状部材１２ａ、及び接続部材１２ｂは、内周側から支持部材１２ｃによって支持されている。支持部材１２ｃもトラス状をなしている。このような保持体１２は、ＡＭ造形法（Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｕｔｕｒｉｎｇ造形法）を用いて、金属材料を積層造形することで全体として一体に形成されている。なお、積層造形する際の積層方向は軸線Ｏ方向であることが望ましい。

（ステータの構成）
次いで、ステータ２の構成について図１と図４を参照して説明する。ステータ２は、ステータコア２１と、ティース２２と、コイル２３と、を有している。ステータコア２１は、ロータ１を外周側から覆う円筒状をなしている。なお、詳しく図示しないが、ステータコア２１は薄板状の鋼板を軸線Ｏ方向に複数積層することで全体として円筒状に形成されている。ステータコア２１の内周面には複数のティース２２が設けられている。ティース２２は、ステータコア２１から径方向内側に向かって突出するとともに、周方向に間隔をあけて複数配列されている。各ティース２２にはコイル２３が取り付けられている。コイル２３は、銅線をティース２２の周囲に複数回にわたって巻回することで形成されている。これらコイル２３に通電することで磁界が発生し、ロータ１の磁石１１との間で電磁力が発生する。この電磁力によってロータ１はステータ２の内周側で回転することが可能とされている。

なお、図４に示すように、互いに隣り合う一対のティース２２同士の間の角度をθ１とする。このとき、上述のように接続部材１２ｂが軸線Ｏに対してなす角度θ２は、このθ１の値に基づいて決定される。

（作用効果）
続いて、電動機１００の動作について説明する。電動機１００を動作させるに当たってはまずコイル２３に電流を供給する。これにより、コイル２３の周囲に磁界が形成される。この磁界と、ロータ１の磁石１１による磁界との相互作用によってロータ１に対して軸線Ｏの周方向に向かう電磁力が与えられる。その結果、ロータ１が軸線Ｏ回りに回転する。

ここで、この種の電動機１００では、高回転時の遠心力で磁石１１が破損することを防ぐために、当該磁石１１の外周側に保持体１２が取り付けられている。保持体１２が例えば無垢の金属部材で形成されている場合、ステータ２との間で発生する磁束の変化によって保持体１２の表面に渦電流が形成されてしまう。渦電流が発生すると電動機１００としての損失につながる虞がある。

そこで、本実施形態では上述のように保持体１２がトラス状をなしている。具体的には、上記構成によれば、保持体１２の表面形状が、環状部材１２ａと接続部材１２ｂとによって形成されたトラス状をなす。これにより、図６に示すように、磁束の変化によって生じる渦電流の経路を当該トラスに沿う形状（三角形状の経路）に限定することができる。つまり、保持体１２の表面が平坦面状である場合に比べて渦電流を局在化させ、さらにその大きさを小さく抑えることができる。また、保持体１２がトラス状をなしていることから、当該保持体１２の構造強度を高めることもできる。その結果、電動機１００をより安定的かつ効率的に運転することが可能となる。

さらに、本実施形態では、接続部材１２ｂは、軸線Ｏ方向に向かうにしたがって周方向に向かって延びるように軸線Ｏに対して傾斜している。

上記構成によれば、接続部材１２ｂが軸線Ｏに対して傾斜するように延びていることから、渦電流の等方性が小さくなる。その結果、渦電流による損失をさらに低減することができる。一方で、例えば接続部材１２ｂが軸線Ｏに対して傾斜していない場合、渦電流の経路が矩形状となり、複数の経路の渦電流が重畳された結果、さらに大きな渦電流が発生してしまう虞がある。しかしながら、上記構成によれば、三角形状の経路が互いに独立しているため、このような大きな渦電流が発生する可能性を低減することができる。

加えて、本実施形態では、互いに隣接する一対の接続部材１２ｂは、軸線Ｏ方向一方側から他方側に向かうに従って周方向に離間するように延びている。

上記構成によれば、渦電流の等方性をさらに小さくすることができるとともに、保持体１２の強度をさらに高めることができる。

また、本実施形態では、互いに隣り合うティース２３同士の間の角度をθ１とし、接続部材１２ｂが軸線Ｏに対してなす角度をθ２としたとき、θ２＞１／２θ１を満たす。

上記構成によれば、ティース２３同士の間の角度θ１（つまり、スロットピッチ）に対して、接続部材１２ｂが軸線Ｏに対してなす角度θ２が最適化される。これにより、接続部材１２ｂを流れる渦電流をさらに低減することができる。

以上、本開示の第一実施形態について説明した。なお、本開示の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、上記第一実施形態では、シャフト１０の外周面に円筒状の磁石１１が設けられている例について説明した。しかしながら、磁石１１の態様は上記に限定されず、シャフト１０の内部に複数の磁石が埋め込まれた埋め込み型の回転子にも上記第一実施形態で説明した保持体１２を適用することが可能である。

＜第二実施形態＞
次に、本開示の第二実施形態について、図７を参照して説明する。なお、上記第一実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図７に示すように、本実施形態では、保持体１２の構成は第一実施形態と同様である。一方で、本実施形態では、環状部材１２ａと接続部材１２ｂとによって形成される空隙に小磁石１３が充填されている。このような小磁石１３が全ての空隙にそれぞれ１つずつ充填されている。なお、小磁石１３を形成するに当たっては、上述のＡＭ造形法による積層造形を二種の異なる金属材料で実行する方法や、ボンド磁石を空隙に充填した後に着磁して小磁石１３とする方法などが考えられる。

上記構成によれば、小磁石１３が空隙に充填されていることでロータ１とステータ２との間で生じる電磁力が強化される。その結果、電動機１００のトルクを向上させることができる。特に、保持体１２の空隙に周期的かつ万遍なく小磁石１３が配列されていることから、周方向の全域にわたって均一に電磁力が強化され、電動機１００を高トルクのもとでより安定的に運転することが可能となる。

以上、本開示の第二実施形態について説明した。なお、本開示の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、上記の各実施形態に共通する変形例として、図８に示す構成を採ることも可能である。同図の例では、筒状をなす保持体１２の内周面１２ｓは回転子１ａ（磁石１１）に当接する円筒面状をなしている。つまり、保持体１２の外周面の近傍のみがトラス状をなしている一方で、内周面１２ｓは連続する面状をなしている。

ここで、保持体は回転子に対して焼き嵌め等によって固定されることが一般的である。上記構成によれば、保持体１２の内周面１２ｓが円筒面状をなしていることから、回転子１ａに対して均一に面接触させることができる。これにより、ロータ１の構造強度をさらに高めることができる。

また、図８の例では、保持体１２の軸線Ｏ方向を向く端面１２ｔは、軸線Ｏに直交する面内に広がる平坦面状をなしている。

ここで、保持体１２の軸線Ｏ方向を向く端面１２ｔでは渦電流が発生しにくいことが知られている。そこで、上記の各実施形態とは異なり、上記構成のように当該端面１２ｔを平坦面状とすることで、渦電流低減効果に対する影響を与えることなく、保持体１２の構造強度を高めることが可能となる。

＜付記＞
各実施形態に記載の電動機用ロータ（ロータ１）、及び電動機１００は、例えば以下のように把握される。

（１）第１の態様に係る電動機用ロータは、軸線Ｏに沿って延びる回転子１ａと、金属から形成されて、前記回転子１ａを外周側から保持する保持体１２と、を備え、前記保持体１２は、前記回転子１ａの外周面を環状に囲うとともに前記軸線Ｏ方向に間隔をあけて配置された複数の環状部材１２ａと、隣り合う前記環状部材１２ａの間で、これら環状部材１２ａを接続するように周方向に複数が配列された接続部材１２ｂと、を有する。

上記構成によれば、保持体１２の表面形状が、環状部材１２ａと接続部材１２ｂとによって形成されたトラス状をなす。これにより、磁束の変化によって生じる渦電流の経路を当該トラスに沿う形状に限定することができる。つまり、保持体１２の表面が平坦面状である場合に比べて渦電流を小さく抑えることができる。また、トラス状をなしていることから、保持体１２の構造強度を高めることもできる。

（２）第２の態様に係る電動機用ロータでは、各前記接続部材１２ｂは、前記軸線Ｏ方向に向かうにしたがって周方向に向かって延びるように前記軸線Ｏに対して傾斜している。

上記構成によれば、接続部材１２ｂが軸線Ｏに対して傾斜するように延びていることから、渦電流の等方性が小さくなる。その結果、渦電流による損失をさらに低減することができる。

（３）第３の態様に係る電動機用ロータでは、互いに隣接する一対の前記接続部材１２ｂは、前記軸線Ｏ方向一方側から他方側に向かうに従って周方向に離間するように延びている。

上記構成によれば、渦電流の等方性をさらに小さくすることができるとともに、保持体１２の強度をさらに高めることができる。

（４）第４の態様に係る電動機用ロータでは、各前記接続部材１２ｂは、前記軸線Ｏ方向に延びている。

上記構成によれば、保持体１２の表面が平坦面状である場合に比べて渦電流を小さく抑えることができる。

（５）第５の態様に係る電動機用ロータでは、前記保持体１２の内周面１２ｓは前記回転子１ａに当接する円筒面状をなしている。

ここで、保持体１２は回転子１ａに対して焼き嵌め等によって固定されることが一般的である。上記構成によれば、保持体１２の内周面１２ｓが円筒面状をなしていることから、回転子１ａに対して容易に面接触させることができる。これにより、電動機用ロータの構造強度をさらに高めることができる。

（６）第６の態様に係る電動機用ロータでは、前記保持体１２の前記軸線Ｏ方向を向く端面１２ｔは前記軸線Ｏに直交する面内に広がる平坦面状をなしている。

ここで、保持体の軸線Ｏ方向を向く端面１２ｔでは渦電流が発生しにくいことが知られている。そこで、上記構成のように当該端面１２ｔを平坦面状とすることで、渦電流低減効果に対する影響を与えることなく、保持体１２の構造強度を高めることが可能となる。

（７）第７の態様に係る電動機用ロータでは、前記環状部材１２ａ、及び前記接続部材１２ｂによって形成される空隙に充填された小磁石１３をさらに有する。

上記構成によれば、小磁石１３が空隙に充填されていることで電動機用ロータとステータ２との間で生じる電磁力が強化される。その結果、電動機１００のトルクを向上させることができる。

（８）第８の態様に係る電動機１００は、上記いずれか一の態様に係る電動機用ロータと、該電動機用ロータを外周側から覆う筒状のステータコア２１、該ステータコア２１の内周面から径方向内側に突出するとともに周方向に間隔をあけて配列された複数のティース２２、及び該ティース２２に巻回されたコイル２３を有するステータ２と、を備える。

上記構成によれば、渦電流による損失が抑えられた高効率な電動機１００を提供することができる。

（８）第８の態様に係る電動機１００では、互いに隣り合う前記ティース２３同士の間の角度をθ１とし、前記接続部材１２ｂが前記軸線Ｏに対してなす角度をθ２としたとき、θ２＞１／２θ１を満たす。

上記構成によれば、ティース２３同士の間の角度θ１（つまり、スロットピッチ）に対して、接続部材１２ｂが軸線Ｏに対してなす角度θ２が最適化される。これにより、接続部材１２ｂを流れる渦電流をさらに低減することができる。

１００ 電動機
１ ロータ（電動機ロータ）
１ａ 回転子
２ ステータ
１０ シャフト
１１ 磁石
１２ 保持体
１２ａ 環状部材
１２ｂ 接続部材
１２ｃ 支持部材
１２ｓ 内周面
１２ｔ 端面
１３ 小磁石
２１ ステータコア
２２ ティース
２３ コイル
Ｏ 軸線

Claims (7)

1. 軸線に沿って延びる回転子と、
   金属から形成されて、前記回転子を外周側から保持する保持体と、
   を備え、
   前記保持体は、
   前記回転子の外周面を環状に囲うとともに前記軸線方向に間隔をあけて配置された複数の環状部材と、
   隣り合う前記環状部材の間で、これら環状部材を接続するように周方向に複数が配列された接続部材と、
   を有し、
   各前記接続部材は、前記軸線方向に向かうにしたがって周方向に向かって延びるように前記軸線に対して傾斜し、
   互いに隣接する一対の前記接続部材は、前記軸線方向一方側から他方側に向かうに従って周方向に離間するように延びていることで、前記環状部材と互いに隣接する一対の前記接続部材が、径方向から見て三角形状をなしている電動機用ロータ。
2. 各前記接続部材は、前記軸線方向に延びている請求項１に記載の電動機用ロータ。
3. 前記保持体の内周面は前記回転子に当接する円筒面状をなしている請求項１又は２に記載の電動機用ロータ。
4. 前記保持体の前記軸線方向を向く端面は前記軸線に直交する面内に広がる平坦面状をなしている請求項１から３のいずれか一項に記載の電動機用ロータ。
5. 前記環状部材、及び前記接続部材によって形成される空隙に充填された小磁石をさらに有する請求項１から４のいずれか一項に記載の電動機用ロータ。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の電動機用ロータと、
   該電動機用ロータを外周側から覆う筒状のステータコア、該ステータコアの内周面から径方向内側に突出するとともに周方向に間隔をあけて配列された複数のティース、及び該ティースに巻回されたコイルを有するステータと、
   を備える電動機。
7. 互いに隣り合う前記ティース同士の間の角度をθ１とし、前記接続部材が前記軸線に対してなす角度をθ２としたとき、θ２＞（１／２）θ１を満たす請求項６に記載の電動機。

Images