JP2004032957A - 電動機構造 - Google Patents

Abstract

【課題】発生トルクを大きくする。
【解決手段】モータケース１にステータ２を取り付け、ステータ２にモータ巻線４を設け、モータケース１にベアリングを介してシャフト５を回転可能に取り付け、シャフト５に略円柱状のロータ６を設け、ロータ６の内部外周に沿って複数の永久磁石７を設け、ステータ２をロータ６の外周と所定の間隔を隔てて設け、ロータ６の外周の永久磁石７に対応する部分に凹部９を設け、凹部９内に磁性体からなる円柱状の回転体１０を設け、回転体１０のロータ６の回転軸方向の寸法を永久磁石７のロータ６の回転軸方向の寸法以上とし、回転体１０の両端部の径を中央部の径よりも大きくし、ロータ６とステータ２との間に回転体１０の回転抵抗を低減するオイル（図示せず）を充填する。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はロータとステータとを備えた電動機構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電動機においては、モータケースにステータを取り付け、モータケースに回転可能にロータを取り付け、ロータとステータとの間にある程度の間隔（エアギャップ）を設けている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような電動機においては、ロータとステータとの間の間隔を小さくすれば発生トルクを大きくすることができるが、ロータとステータとの間の間隔を小さくしすぎると、製造バラツキのためにロータとステータとが接触することがあり、この場合にはロータの回転が妨げられるから、製造バラツキを考慮したときには、ロータとステータとの間の間隔を大きめに設定しなければならず、このため発生トルクが小さくなる。
【０００４】
本発明は上述の課題を解決するためになされたもので、発生トルクが大きい電動機構造を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明においては、ロータとステータとの間に、上記ロータと上記ステータとに略接触するとともに、上記ロータの回転に伴って回転可能な磁性体からなる回転体を設ける。
【０００６】
【発明の効果】
本発明に係る電動機構造においては、鎖交磁束数が多くなるから、発生トルクが大きくなる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る電動機構造を示す正断面図、図２は図１に示した電動機構造を示す側断面図、図３は図１の一部拡大断面図である。図に示すように、モータケース１にステータ２を取り付け、ステータ２にモータ巻線（マグネットワイヤ）４を設け、ステータ２の開スロット部にティース部の段差を埋めるための磁性体または非磁性体からなる挿入材１２を挿入し、モータケース１にベアリング１１を介してシャフト５を回転可能に取り付け、シャフト５に略円柱状のロータ６を設け、ロータ６の内部外周に沿って複数の永久磁石７を設け、ステータ２の内周とロータ６の外周との間に所定の間隔を設けている。また、ロータ６の外周の永久磁石７に対応する部分に凹部９を設け、凹部９内に磁性体からなる円柱状の回転体１０を設けている。すなわち、ロータ６とステータ２との間に、ロータ６とステータ２とに略接触するとともに、ロータ６の回転に伴ってロータ６の回転軸方向を軸として回転可能な磁性体からなる回転体１０を設けている。また、回転体１０を永久磁石７に対応して設けている。また、ロータ６の外周には、回転体１０の少なくとも一部を収納することによって、回転体１０のロータ６の外周に沿う方向への移動を規制するとともに、ロータ６の回転軸方向を軸として回転可能に支持する凹部９を設けている。また、回転体１０のロータ６の回転軸方向（図２紙面左右方向）の寸法は、永久磁石７のロータ６の回転軸方向の寸法以上であり、回転体１０の両端部の径は中央部の径よりも大きい。また、ロータ６とステータ２との間に、回転体１０の回転抵抗を低減するオイル（潤滑剤、図示せず）を充填している。また、シャフト５に回転センサ８を設けている。なお、この実施の形態は請求項１〜５、７、８に対応している。
【０００８】
図４は図１〜３に示した構造の電動機の制御装置を示す図である。図に示すように、バッテリ２１とモータ巻線４との間にスイッチング手段２３を設け、スイッチング手段２３を制御する制御回路２４を設けている。
【０００９】
この電動機構造においては、ロータ６とステータ２との間に、ロータ６とステータ２とに略接触するとともに、ロータ６の回転に伴ってロータ６の回転軸方向を軸として回転可能な磁性体からなる回転体１０を設けているから、鎖交磁束数が多くなるので、発生トルクが大きくなる。すなわち、電動機構造の極対数をＰｎ、鎖交磁束数をφａ、ｄ軸インダクタンスをＬｄ、ｑ軸インダクタンスをＬｑ、ｄ軸電流をＩｄ、ｑ軸電流をＩｑとすると、発生トルクＴは次式で表される。
【００１０】
Ｔ＝Ｐｎ（φａ・Ｉｑ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）・Ｉｄ・Ｉｑ）
この式から明らかなように、鎖交磁束数φａが多くなると、発生トルクＴが大きくなる。そして、図５に示すように、ロータ６とステータ２との間の間隔が小さいほど鎖交磁束数φａが多くなる。しかるに、図６に示すように、ロータ６とステータ２との間に、ロータ６とステータ２とに略接触する回転体１０を設けたときには、鎖交磁束数φａが多くなる。このため、図７に示すように、従来の電動機の磁束密度（破線で示す）と比較して最大磁束密度が大きくなる。したがって、図８に示すように、従来の電動機の発生トルク（破線で示す）と比較して、最大発生トルクが大きくなる（斜線で示した領域）。また、回転体１０を永久磁石７に対応して設けているから、確実に永久磁石７を通る鎖交磁束数φａを多くすることができる。また、ロータ６の外周には、回転体１０の少なくとも一部を収納することによって、回転体１０のロータ６の外周に沿う方向への移動を規制するとともに、ロータ６の回転軸方向を軸として回転可能に支持する凹部９を設けているから、回転体１０が永久磁石７の近傍からロータ６の外周に沿う方向へ移動することがないので、確実に永久磁石７を通る鎖交磁束数φａを多くすることができる。また、回転体１０のロータ６の回転軸方向の寸法は、永久磁石７のロータ６の回転軸方向の寸法以上であるから、確実に永久磁石７を通る鎖交磁束数φａを多くすることができる。また、ロータ６とステータ２との間に、回転体１０の回転抵抗を低減するオイル（液体）を充填しているから、電動機の回転によって発生した熱を冷却することができ、しかも回転体１０がロータ６およびステータ２と接触することによって発生する回転抵抗を低減することができるので、高速回転を行なうことができる。また、スイッチング手段２３のスイッチング素子の電流容量を増やすことなく、高トルク運転をすることができるから、低コストで発生トルクを大きくすることができる。
【００１１】
なお、ＳＰＭ（Ｓｅｇｍｅｎｔ　Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ）電動機に比べてマグネットトルクの他にリラクタンストルクも多く利用するような設計の電動機であるＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ　Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ）電動機においては、よりロータ６とステータ２との間の間隔を狭く設計することが求められているから、ＩＰＭ電動機構造に本発明を適用するのが有効である。
【００１２】
図９は本発明に係る他の電動機構造の一部を示す図である。図に示すように、永久磁石７に対応して３個（複数個）の回転体１０を設けている。そして、他の構成は図１〜図３に示した電動機構造の構成と同様である。なお、この実施の形態は請求項１〜５、７、８に対応している。
【００１３】
この電動機構造においては、回転体１０に磁束が集中して磁束飽和に陥るのを防止することができるから、確実に永久磁石７を通る鎖交磁束数φａを多くすることができる。
【００１４】
なお、ロータ６の外径、永久磁石７の極数等によって１個の永久磁石７当たりの回転体１０の数を決定する。
【００１５】
図１０は本発明に係る他の電動機構造の一部を示す図である。図に示すように、ステータ３１のバックヨーク部３２の内周部に溝３４を設け、ティース部３３の外側部を溝３４内に挿入している。すなわち、ステータ３１は、それぞれ別体のバックヨーク部３２とティース部３３とからなり、ティース部３３はバックヨーク部３２の内周側に保持され、ティース部３３はバックヨーク部３２の半径方向に移動可能に保持されている。そして、他の構成は図１〜図３に示した電動機構造の構成と同様である。なお、この実施の形態は請求項１〜８に対応している。
【００１６】
この電動機構造においては、ロータ６が熱により膨張した場合であっても、ティース部３３がバックヨーク部３２の外周方向に移動して、膨張を吸収することができる。
【００１７】
図１１は本発明に係る他の電動機構造を示す正面図、図１２は図１１に示した電動機構造を示す側断面図である。図に示すように、ステータ４１の内周と略円柱状のロータ４２の外周との間に所定の間隔を設け、ロータ４２の外周に凹部４３を設け、凹部４３内に磁性体からなる円柱状の回転体４５を設けている。すなわち、ロータ４２とステータ４１との間に、ロータ４２とステータ４１とに略接触するとともに、ロータ４２の回転に伴ってロータ４２の回転軸方向を軸として回転可能な磁性体からなる回転体４４を設けている。また、ロータ４２の外周には、回転体４４の少なくとも一部を収納することによって、回転体４４のロータ４２の外周に沿う方向への移動を規制するとともに、ロータ４２の回転軸方向を軸として回転可能に支持する凹部４３を設けている。また、回転体４４の一方端部に中央部の径よりも大きい径大部４５を設け、回転体４４の他方端部に雄ネジ（図示せず）を設け、この雄ネジにナット４６を螺合し、回転体４４の他方端部に中央部の径よりも大きい径大部（ナット４６）が形成されている。また、ロータ４２にシャフト４７を取り付け、ロータ４２の中心線とシャフト４７の中心線とが一致している。なお、ステータ４１にモータ巻線（図示せず）を設け、またロータ４２の内部外周に沿って回転体４４に対応して複数の永久磁石（図示せず）を設けており、回転体４４のロータ４２の回転軸方向（図１２紙面左右方向）の寸法は、永久磁石のロータ４２の回転軸方向の寸法以上である。また、ロータ４２とステータ４１との間に、回転体４４の回転抵抗を低減するオイル（図示せず）を充填している。なお、この実施の形態は請求項１〜５、７、８に対応している。
【００１８】
この電動機構造においては、回転体４４の両端部に径大部４５、ナット４６（径大部）を設けているから、回転体４４がステータ４１、ロータ４２から抜けることがなく、またロータ４２とステータ４１との間に回転体４４を設けているから、ステータ４１とロータ４２とがシャフト４７の中心線を中心として相対的に回転可能である。このため、ステータケース、ベアリングが不要となるので、製造コストを低減することができる。また、ステータケースにベアリングを介してロータを取り付け、ステータをロータの外周と所定の間隔を隔てて設けたときには、シャフトなしでは電動機としての構造が成立しないから、シャフトが他の機能部品たとえばエンジンと共有されるハイブリッド車などでは、組立て工程まで電動機の検査をすることができず、あるいは一旦ロータとステータとを仮組して電動機の検査をしたのちに、ロータとステータとを分解する必要がある。これに対して、図１１、図１２に示した電動機構造では、電動機を組付けたままでエンジンとの組付けが可能であるので、電動機の検査を行なう際に、従来のようにステータとロータとを仮組して検査後に分解する必要がなく、生産性を維持しかつ電動機の検査を行なうことが可能である。また、強力な磁力を有する永久磁石を持ったロータをステータと組んで工場に納品することができるから、物流面でも作業性が向上する。
【００１９】
図１３は本発明に係る他の電動機構造を示す断面図である。図に示すように、モータケース５１にステータ５２を取り付け、ステータ５２にモータ巻線（図示せず）を設け、モータケース５１にベアリング５４を介してシャフト５３を回転可能に取り付け、シャフト５３に略円板状のロータ５５を設け、ロータ５５の側部に複数の永久磁石（図示せず）を設け、ステータ５２をロータ５５の側部と所定の間隔を隔てて設けている。また、ロータ５５の外周の永久磁石に対応する部分に凹部５８を設け、凹部５８内に磁性体からなる円柱状の回転体５７を設けている。すなわち、ロータ５５とステータ５２との間に、ロータ５５とステータ５２とに略接触するとともに、ロータ５５の回転に伴ってロータ５５の半径方向（回転軸方向と直角な方向）を軸として回転可能な磁性体からなる回転体５７を設けている。また、回転体５７を永久磁石に対応して設けている。また、ロータ５５の側部には、回転体５７の少なくとも一部を収納することによって、回転体５７のロータ５５の側部に沿う方向への移動を規制するとともに、ロータ５５の半径方向を軸として回転可能に支持する凹部５８を設けている。また、回転体５７の両端部の径は中央部の径よりも大きい。また、ロータ５５とステータ５２との間に、回転体５７の回転抵抗を低減するオイル（図示せず）を充填している。また、シャフト５３に回転センサ５６を設けている。なお、この実施の形態は請求項１、７、８に対応している。
【００２０】
この電動機構造においては、ロータ５５とステータ５２との間に、ロータ５５とステータ５２とに略接触するとともに、ロータ５５の回転に伴ってロータ５５の半径方向を軸として回転可能な磁性体からなる回転体５７を設けているから、鎖交磁束数が多くなるので、発生トルクが大きくなる。また、ロータ５５の側部には、回転体５７の少なくとも一部を収納することによって、回転体５７のロータ５５の外周に沿う方向への移動を規制するとともに、ロータ５５の半径方向を軸として回転可能に支持する凹部５８を設けているから、回転体５７が永久磁石の近傍からロータ５５の側部に沿う方向へ移動することがないので、確実に永久磁石を通る鎖交磁束数φａを多くすることができる。また、ロータ５５とステータ５２との間に、回転体５７の回転抵抗を低減するオイル（液体）を充填しているから、電動機の回転によって発生した熱を冷却することができ、しかも回転体５７がロータ５５およびステータ５２と接触することによって発生する回転抵抗を低減することができる。なお、ロータ５５をシャフト５３とともに移動可能とすれば、ロータ５５が熱により膨張した場合であっても、ロータ５５、シャフト５３が移動して、膨張を吸収することができる。
【００２１】
なお、上述実施の形態においては、ロータ６、４２、５５とステータ２、４１、５２との間にオイルを充填したが、ロータとステータとの間に他の液体を充填してもよい。また、上述実施の形態においては、インナーロータ型の電動機構造について説明したが、本発明はアウターロータ型の電動機構造にも適用することができる。また、上述実施の形態においては、磁石として永久磁石７を用いたが、他の磁石を用いてもよい。また、上述実施の形態においては、円柱状の回転体１０、４４、５７を用いたが、回転体１０、４４、５７の代わりに球状の回転体を用いてもよい。また、上述実施の形態においては、ロータ６、４２の外周に凹部９、４３を設けたが、ステータの内周に凹部を設けてもよい。また、図１３に示した実施の形態においては、ロータ５５の側部に凹部５８を設けたが、ステータの側部に凹部を設けてもよい。また、上述実施の形態においては、開スロット部を有するステータ２を設けた場合について説明したが、閉スロット部を有するステータを設けた場合にも本発明を適用することができ、この場合には挿入材を設けなくともステータの内周面が平坦になる。また、上述実施の形態においては、回転体４４の端部に雄ネジを設け、この雄ネジにナット４６を螺合したが、回転体の端部に径大部を形成する部材を溶接、カシメなどにより取り付けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電動機構造を示す正断面図である。
【図２】図１に示した電動機構造を示す側断面図である。
【図３】図１の一部拡大断面図である。
【図４】図１〜３に示した構造の電動機の制御装置を示す図である。
【図５】ロータとステータとの間の間隔と鎖交磁束数との関係を示すグラフである。
【図６】図３の一部拡大断面図である。
【図７】ロータの電気角と磁束密度との関係を示すグラフである。
【図８】電動機の回転数と発生トルクとの関係を示すグラフである。
【図９】本発明に係る他の電動機構造の一部を示す図である。
【図１０】本発明に係る他の電動機構造の一部を示す図である。
【図１１】本発明に係る他の電動機構造を示す一部切断正面図である。
【図１２】図１１に示した電動機構造を示す側断面図である。
【図１３】本発明に係る他の電動機構造を示す断面図である。
【符号の説明】
２…ステータ
６…ロータ
７…永久磁石
９…凹部
１０…回転体
３１…ステータ
３２…バックヨーク部
３３…ティース部
４１…ステータ
４２…ロータ
４３…凹部
４４…回転体
５２…ステータ
５５…ロータ
５７…回転体
５８…凹部

Claims (8)

1. ロータと、上記ロータに設けられた磁石と、上記ロータと所定の間隔を隔てて設けられたステータとを備えた電動機において、
   上記ロータと上記ステータとの間に、上記ロータと上記ステータとに略接触するとともに、上記ロータの回転に伴って回転可能な磁性体からなる回転体を設けたことを特徴とする電動機構造。
2. 略円柱状のロータと、上記ロータの内部外周に沿って設けられた磁石と、上記ロータの外周と所定の間隔を隔てて設けられたステータとを備えた電動機において、
   上記ロータと上記ステータとの間に、上記ロータと上記ステータとに略接触するとともに、上記ロータの回転に伴って上記ロータの回転軸方向を軸として回転可能な磁性体からなる回転体を設けたことを特徴とする電動機構造。
3. 上記回転体は、上記磁石に対応して設けられたことを特徴とする請求項２に記載の電動機構造。
4. 上記ロータの外周には、上記回転体の少なくとも一部を収納することによって、上記回転体の上記ロータ外周に沿う方向への移動を規制するとともに、上記ロータの回転軸方向を軸として回転可能に支持する凹部が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の電動機構造。
5. 上記回転体の上記ロータの回転軸方向の寸法は、上記磁石の上記ロータの回転軸方向の寸法以上であることを特徴とする請求項４に記載の電動機構造。
6. 上記ステータは、それぞれ別体のバックヨーク部とティース部とからなり、上記ティース部は上記バックヨーク部の内周側に保持され、上記ティース部は上記バックヨーク部の半径方向に移動可能に保持されたことを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の電動機構造。
7. 上記ロータと上記ステータとの間に液体が充填されたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の電動機構造。
8. 上記ロータと上記ステータとの間に充填された液体は、上記回転体の回転抵抗を低減する潤滑剤であることを特徴とする請求項７に記載の電動機構造。

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