JP2004343915A - 電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】最も発熱量の多いロータ（回転子）の回転軸方向の中央部付近を効果的に冷却し、冷却効率を向上させる。
【解決手段】電動機１のロータ４を、回転軸となるシャフト８と、シャフト８の略中央部に固定されたリング部９と、このリング部９を挟んで回転軸方向の両側に配置された一対のロータコア部１０とから構成する。一対のロータコア部１０には複数の風孔１５を貫通形成すると共に、リング部９の外周面に凹部１２を形成して、これら風孔１５と凹部１２とを連通させて、冷却風通路とする。そして、風孔１５の開口位置からシャフトまでの距離Ｌ１に比べて凹部１２の開口位置からシャフトまでの距離Ｌ２が大となるようにし、これらの間に圧力差を生じさせて、ロータ４の回転時に風孔１５内に導入された冷却風が凹部１２に向かって流れてロータ４の中央部付近に集中するようにする。
【選択図】 図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転子と固定子とを備える電動機に関し、特に回転子を冷却するための冷却構造の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、内部に永久磁石が配設されたロータ（回転子）と、このロータの外周に位置するように巻回された巻線を有するステータ（固定子）とを備え、ステータの巻線に電流を流すことでロータの永久磁石と反発、吸引する力を生じさせ、その力を利用してロータを回転させる電動機が知られている。このような構成の電動機では、作動時に、ロータ内部の永久磁石が発熱してロータの温度が上昇するため、ロータを冷却するための冷却構造を設けることが望まれる。
【０００３】
以上のような電動機の冷却構造としては、例えば、ロータのコアとなる部分に回転軸に対して傾斜させた風孔を貫通形成し、ロータ回転時にこの風孔の両開口近傍における気体流に圧力差を生じさせるようにして、この圧力差を利用して風孔の一方の開口から他方の開口へと冷却風を通過させることで、ロータを冷却するようにしたものが提案されている（例えば、特許文献１参照。）
【０００４】
【特許文献１】
実開平６−４８３５５号
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電動機の作動時における永久磁石の発熱量は、ロータの回転軸方向の中央部付近が最も多くなるため、この部分で効果的にロータを冷却することが望まれるが、上述した特許文献１に記載されているように、ロータのコアとなる部分に貫通形成された風孔の一方の開口部から他方の開口部に冷却風を通過させるだけでは、ロータの回転軸方向の中央部付近を十分に冷却することが難しく、満足のいく冷却効率が得られないといった問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は、最も発熱量の多いロータ（回転子）の回転軸方向の中央部付近を効果的に冷却することが可能な冷却構造を備えた電動機を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る電動機は、内部に永久磁石が配設されてケーシングに対して回転可能に取り付けられた回転子と、回転子外周に位置するように巻回された巻線を有しケーシングに固定された固定子とを備えるものであり、回転子が、回転軸となるシャフトと、このシャフトの略中央部に固定された円盤状のリングと、複数の薄板が積層されてなり、リングを挟んで回転軸方向の両側に配置された一対の積層体とを有している。そして、一対の積層体には、それぞれ回転軸方向に沿って複数の風孔が貫通形成されていると共に、リングには、その外周面に前記積層体に形成された風孔と連通する複数の凹部が形成され、風孔の開口位置からシャフトまでの距離に比べて、凹部の開口位置からシャフトまでの距離が大とされていることを特徴としている。
【０００８】
このような構成を有する本発明に係る電動機では、回転子の回転に伴って、積層体に形成された風孔の開口位置近傍と、リング外周面に形成された凹部の開口位置近傍との間に圧力差が発生する。このとき、積層体に形成された風孔とリング外周面に形成された凹部とが連通しているため、風孔の開口部から積層体内部へと冷却風が流入し、この冷却風が風孔を通ってシャフトの略中央部に固定されたリング側へと流れて、このリング外周面に形成された凹部の開口部から流出し、回転子が冷却されることになる。
【０００９】
【発明の効果】
本発明に係る電動機によれば、積層体内部に流入した冷却風がシャフトの略中央部に向かって流れ、この部分に冷却風が集中することになるので、最も発熱量の多い回転子の回転軸方向の中央部付近を効果的に冷却することができ、冷却効率を向上させることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る電動機の具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１１】
本発明を適用した電動機の全体構成を図１に断面図で示す。この図１に示す電動機１は、図１に示すように、ケーシング２と、内部に永久磁石３が配設されてケーシング２に対して回転可能に取り付けられたロータ（回転子）４と、このロータ４の外周に位置するように巻回されたコイル巻線５を有してケーシング２に固定されたステータ（固定子）６とを備えている。そして、この電動機１は、ステータ６に設けられたコイル巻線５に電流を流すことによって、ステータ６とロータ４との間、具体的にはこのロータ４の内部に配された永久磁石３との間に反発、吸引する力を生じさせ、この反発・吸引力を利用してロータ４を回転させる構成となっている。
【００１２】
ロータ４は、ケーシング２にベアリング７を介して支持された回転軸となるシャフト８と、このシャフト８の略中央部に固定されるリング部９と、このリング部９を挟んで回転軸方向の両側に配設される一対のロータコア部（積層体）１０とから構成されている。そして、ロータコア部１０の内部からリング部９の内部に亘って、回転軸方向に沿って上述した永久磁石３が挿入されている。
【００１３】
リング部９は、例えばアルミニウム等の熱伝導率の高い材料（ロータコア部１０に比べて熱伝導率が高い材料）が円盤状に成形されてなるものである。このリング部９の円形形状の両端面には、図２に示すように、その中央部に位置して、シャフト挿入口１１ａを有する取付部１１がそれぞれ立設されている。これら取付部１１は、例えばリング部９と同じ材料を用いてリング部９と一体に成形されている。そして、リング部９は、当該リング部９がシャフト９の略中央部に位置するように、取付部１１のシャフト挿入口１１ａにシャフト９が圧入されることで、シャフト８に固定される。
【００１４】
また、リング部９の外周面には、後述するロータコア部１０に貫通形成された風孔１５と連通する複数の凹部１２が形成されている。これら凹部１２は、例えばリング９の外周面の一部を回転軸方向に沿った溝状に削ることで形成され、リング部９とロータコア部１０とが組み合わされたときに、底面側の一部でロータコア部１０に貫通形成された風孔１５と連通するようになっている。更に、リング部９の円形形状の両端面には、上述した永久磁石３の一方の端部が挿入される磁石挿入用凹部１３がそれぞれ形成されている。
【００１５】
ロータコア部１０は、例えばケイ素綱板等の磁性体薄板が複数枚積層されてなるものである。このロータコア部１０には、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、その中央部に位置して、リング部９に一体形成された取付部１１が挿入される貫通孔１０ａが穿設されている。また、この貫通孔１０ａを中心にその周囲を囲むようにして、上述した永久磁石３が挿入される複数の磁石挿入孔１４が貫通形成されている。これら複数の磁石挿入孔１４は、リング部９とロータコア部１０とが組み合わされたときに、リング部９に形成された磁石挿入用凹部１３と連通して一体の凹部を構成するように、磁石挿入用凹部１３に対応した位置にそれぞれ形成されている。
【００１６】
また、これら複数の磁石挿入孔１４は、全体形状が上述した永久磁石１０の外径形状と略同形状となるように形成されるが、図３（ｂ）に示すように、その幅方向の両端の一部が幅方向に拡幅して形成されており、この拡幅部が、リング部９の外周面に形成された複数の凹部１２と連通する風孔１５として構成される。すなわち、ロータコア部１０には、リング部９の外周面に形成された複数の凹部１２と連通する複数の風孔１５が、磁石挿入孔１４の幅方向の両端部に位置して、磁石挿入孔１４と一体の孔として貫通形成されている。
【００１７】
このような構成のロータコア部１０は、シャフト８に固定されたリング部９を挟んで回転軸方向の両側にそれぞれ配置されて、ロータ４として組み立てられる。具体的には、一対のロータコア部１０の中央部に穿設された貫通孔１０ａに、リング部９と一体形成された取付部１１がそれぞれ挿入されることで、一対のロータコア部１０がリング部９の円形形状の両端面に当接した状態で、リング部９を挟んで回転軸方向の両側にそれぞれ配置される。このとき、一対のロータコア部１０に形成された磁石挿入孔１４とリング部９の両端面に形成された磁石挿入用凹部１３とが連通して、永久磁石３が装着される一体の凹部が構成されると共に、一対のロータコア部１０に形成された風孔１５とリング部９の外周面に形成された凹部１２とが連通して、一連の冷却風通路が構成される。
【００１８】
永久磁石３は、ロータコア部１０の磁石挿入孔１４内に挿入されて固定される。この永久磁石３は、ロータコア部１０の厚みよりも長い薄板状に形成されており、その先端側がロータコア部１０の一方側面側、具体的にはリング部９側の側面から突出して、このロータコア部１０から突出した部分がリング部９に形成された磁石挿入用凹部１３内に収容される。
【００１９】
以上のようなロータ４の組立の状態を図４に示す。このロータ４では、先ず、リング部９と一体形成された取付部１１のシャフト挿入孔８ａにシャフト８が圧入されることで、リング部９がシャフト８に固定される。このとき、リング部９は、シャフト８の略中央部に固定される。次に、一対のロータコア部１０に形成された磁石挿入孔１４と、リング部９の両端面に形成された磁石挿入用凹部１３との位置を合わせた状態で、一対のロータコア部１０の貫通孔１０ａに取付部１１がそれぞれ挿入され、ロータコア部１０がリング部９の両端面に当接するまで圧入されて固定される。そして、上述したように、シャフト８、リング部９及び一対のロータコア部１０を組み立てた後に、ロータコア部１０の磁石挿入孔１４の開口から永久磁石３が挿入され、この永久磁石３が先端部をリング部９に形成された磁石挿入用凹部１３内に収容させた状態で固定される。
【００２０】
このように組み立てられたロータ４では、ロータコア部１０に形成された風孔１５が、リング部９の外周面に形成された凹部１２と、当該リング部９の底面側の一部にて連通する。そして、これら風孔１５と凹部１２とが連通することで、ロータ４の側面から中央部に亘って貫通する冷却風通路が構成される。このような冷却風通路においては、図５に示すように、ロータ４の端部に位置するロータコア部１０の側面における風孔１５の開口位置からシャフト８までの距離Ｌ１に比べて、ロータ４の中央に位置するリング部９の外周面に形成された凹部１２の開口位置からシャフト８までの距離Ｌ２が大きくなっている。したがって、電動機１の作動時におけるロータ４の回転の遠心力によって、風孔１５開口位置と凹部１２の開放位置との間に圧力差が発生し、風孔１５の開口位置に負圧が生じる。そして、このような圧力差によって、風孔１５内を図５中矢印Ａ１，Ａ２で示すように、ロータ４の側面側、すなわちロータコア部１０の側面における風孔１５の開口位置から、ロータ４の中央側、すなわちリング部１９に形成された凹部１２側へと向かって冷却風が流れる。このように、電動機１では、風孔１５内に流入した冷却風がロータ４の中央部に集中するため、もっとも発熱量の多いロータ４の回転軸方向中央部を効率良く冷却することができ、電動機１における冷却効率を向上させることができる。
【００２１】
また、電動機１にあっては、ロータコア部１０において風孔１５が磁石挿入孔１４の両端の一部を幅方向に拡幅することで形成されている。このように、風孔１５が磁石挿入孔１４と一体に形成されているため、風孔１５内を流れる冷却風によって、発熱源である永久磁石３が直接冷却されることになり、より電動機１における冷却効率を向上させることができる。また、風孔１５を上述したように磁石挿入孔１４の幅方向の両端部に設けることによって、風孔１５が、図６に破線で示すような永久磁石３の幅方向端部における磁気短絡を防止するフラックスバリアとしても作用し、永久磁石３の磁気短絡を防止することができるようになる。
【００２２】
さらに、電動機１では、シャフト８の略中央部、すなわちロータ４の中央部に固定されたリング部９がロータコア部１０よりも熱伝導率の高い材料により形成されているため、冷却風が集中するロータ４の中央部に発熱による熱が効果的に伝達されることになり、放熱効率を更に良好なものとすることができる。
【００２３】
なお、本実施形態においては、上述したように、リング部９に取付部１１を一体形成して、シャフト８を取付部１１のシャフト挿入孔１１ａに圧入することで、リング部９がシャフト８に対して確実に固定されるようにしているが、例えばリング部９の厚み寸法を充分に確保し得るような場合には、取付部１１を省略してリング部９にシャフト挿入孔を形成し、このシャフト挿入孔にシャフト８を圧入することで、リング部９にシャフト８を直接固定するような構成としてもよい。
【００２４】
また、本実施形態では、シャフト８とリング部９とを別体としているが、シャフト８をリング部９と同様に熱伝導率の良い材料で形成する場合には、シャフト８とリング部９とを一体とする構成としてもよい。
【００２５】
この他、本発明は上述した構成例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した電動機を示す縦断面図である。
【図２】前記電動機のロータを構成するリング部を示す斜視図である。
【図３】前記電動機のロータを構成するロータコア部を示す図であり、（ａ）はロータコア部の斜視図、（ｂ）はロータコア部の正面図である。
【図４】前記電動機のロータを組み立てる様子を示す分解斜視図である。
【図５】前記電動機のロータを模式的に示す縦断面図である。
【図６】前記ロータコア部に形成された風孔がフラックスバリアとして機能する様子を説明する模式図である。
【符号の説明】
１ 電動機
２ ケーシング
３ 永久磁石
４ ロータ
５ コイル巻線
６ ステータ
８ シャフト
９ リング部
１０ ロータコア部（積層体）
１２ 凹部
１４ 磁石挿入孔
１５ 風孔

Claims (4)

1. 内部に永久磁石が配設されてケーシングに対して回転可能に取り付けられた回転子と、前記回転子外周に位置するように巻回された巻線を有し前記ケーシングに固定された固定子とを備える電動機において、
   前記回転子が、
   回転軸となるシャフトと、
   前記シャフトの略中央部に固定された円盤状のリングと、
   複数の薄板が積層されてなり、前記リングを挟んで回転軸方向の両側に配置された一対の積層体とを有し、
   前記一対の積層体には、それぞれ回転軸方向に沿って複数の風孔が貫通形成されていると共に、
   前記リングには、その外周面に前記積層体に形成された風孔と連通する複数の凹部が形成され、
   前記風孔の開口位置から前記シャフトまでの距離に比べて、前記凹部の開口位置から前記シャフトまでの距離が大とされていること
   を特徴とする電動機。
2. 前記風孔は、前記永久磁石が挿入される磁石挿入孔と一体に、前記積層体に貫通形成されていること
   を特徴とする請求項１に記載の電動機。
3. 前記風孔は、前記磁石挿入孔の幅方向の両端部に位置して、前記積層体に貫通形成されていること
   を特徴とする請求項２に記載の電動機。
4. 前記リングは、前記積層体に比べて熱伝導率が高い材料で形成されていること
   を特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の電動機。

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