JP2005012891A - アキシャル型永久磁石モータ - Google Patents

Abstract

【課題】アキシャル型永久磁石モータのロータ、特に永久磁石の冷却を効率よく行う。
【解決手段】ロータ３０の磁極を構成する永久磁石３４の間に、空気などの流体が流れる空気流路３６を形成する。空気流路３６は、ロータ３０の半径方向にほぼ沿って設けられて、ロータが回転することによって、流路内の流体に遠心力が作用して、流体の流れが形成される。これによりロータの内部の、より発熱体である永久磁石の近くで冷却が行われ発生した熱を速やかに排除し、またロータの放熱面積が増加することにより効率よく冷却が行われる。
【選択図】 図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ステータの磁極とロータの永久磁石が回転軸に平行な向きに対向配置されたアキシャル型永久磁石モータに関し、特に、そのロータの冷却に関する。
【０００２】
【従来の技術】
永久磁石を用いた永久磁石モータが知られているが、永久磁石は１度ある温度以上になると以後磁力を失うため、高温とならないように配慮が必要である。例えば、下記特許文献１には、ロータとステータの周囲に、冷却用の流体を循環させるモータが示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−２４３６１７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述の公報のモータの場合、相対的に移動するロータとステータの狭い隙間の間に流体が侵入するため、流体に剪断力が働き、損失が大きくなる。また、流体はロータの周囲に接しているのみで、効率よく冷却することができない。
【０００５】
本発明は、アキシャル型永久磁石モータの、ロータに配置された永久磁石を効率よく冷却することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のアキシャル型永久磁石モータは、ロータの内部であって、永久磁石の間に永久磁石から熱を除き、運び去る除熱手段を配置する。除熱手段は、空気、液体などの流体を流す流路とすることができる。また、永久磁石は、１極を一体の磁石で構成することもでき、また１極を複数の磁石で構成することもできる。複数の磁石で１極を構成する場合、その複数の磁石間にも除熱手段を設けることができる。
【０００７】
また、除熱手段は、ロータが回転したときの遠心力を利用して、熱の移動を促進するようにできる。例えば、磁石の間を通過した空気を遠心力を利用してロータの外周より排出することにより、流量をより多くすることができ、効率の良い冷却を行うことができる。
【０００８】
また、除熱手段は、内部に冷媒を封入したヒートパイプとすることができる。冷媒は、潜熱により熱の移動を担い、永久磁石から効率よく吸熱することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。図１および図２は、アキシャル型永久磁石モータ１０の基本構成を示す図である。ケーシング１２に回動可能に支持されたシャフト１４にロータ１６が固定されている。ロータ１６は、略円板形状であり、その内部には、永久磁石１８が周方向に配列されている。永久磁石１８は、ロータ１６内に完全に埋設されてもよく、また表面がロータ１６の表面の一部となるように配置されてもよい。一方、ケーシング１２の内側には、略環状のコア２０が、円板状のロータの表裏よりこれを挟むように配置されている。コア２０のロータに対向する面にはティース２２が突出して設けられており、さらにティース２２には、導線が巻かれてコイル２４が形成され、磁極が構成される。これらのコア２０、コイル２４によりステータが形成される。このように、アキシャル型永久磁石モータ１０は、ステータの磁極とロータの永久磁石が、モータ回転軸に平行な方向において対向するように配置される。コイル２４に順次電流を流すことによりティース２２が磁化し、回転磁界が形成される。ロータ１６の永久磁石１８が前記回転磁界と相互作用して、ロータ１６が回転し、動力を得ることができる。以上のアキシャル型永久磁石モータの基本構成は、以下の述べる各実施形態に共通するものである。
【００１０】
図３〜５は、本実施形態のアキシャル型永久磁石モータのロータ３０およびシャフト３２の概略構成を示す図である。図３は軸を含む断面図、図４は軸に直交する断面図、図５は詳細構造を示す図である。このロータ３０を前述した基本構成のロータ１６と置き換えることで、本実施形態のアキシャル型永久磁石モータとなる。
【００１１】
シャフト３２は中空軸であり、ロータ３０には埋設され、一つの磁極を構成する永久磁石３４の間に、空気流路３６が形成されている。ロータ３０の回転により空気流路３６内の空気は遠心力でロータ３０の外周から排出される。一方、中空のシャフト３２より空気が吸い込まれて空気流路３６に空気が供給される。これにより、ロータ３０の内部から冷却が行われる。
【００１２】
図５は、空気流路３６の詳細な構造が示されている。空気流路３６は、図４にも示されるように概略放射状に配置される。空気流路３６の空気の入口側、すなわち内周側は回転方向（図５中矢印Ｒで表示）の前向きに屈曲しており、一方、出口側、すなわち外周側は回転方向後ろ向きに屈曲している。また、空気流路３６の、出口付近で屈曲している部分は、流れの方向にその流路断面積が徐々に拡大している。さらに、ここには、流れの方向に沿って延び、流路３６を回転方向の前後に分割するフィン３８が設けられている。以上のように、図５に示した空気流路３６の詳細構成により、空気を効率よく流して送り出すことができる。また、空気流路３６の入口、出口付近の屈曲、出口付近における流路の拡大、フィンのいずれかを単独で、または任意のいくつかを組み合わせた構成を採ることもできる。また、これらの構成を採用せず、単に放射状に直線の流路を設けることもできる。
【００１３】
図６〜８は、他の実施形態のアキシャル型永久磁石モータ４０の構造を示す図である。本実施形態のロータおよびシャフトは、図３〜５を用いて説明したロータ３０、シャフト３２およびその変形例を用いることができる。また、ステータの構成は、図１に示す基本構成と同様とすることができる。この実施の形態で特徴的なことは、ケーシング４１の構成である。ケーシング４１の、ロータ３０の外周に対向する位置には、ロータ３０の外周から排出された空気を導くための導風路４２が設けられている。導風路４２は、ロータ３０の回転方向に徐々に断面積が拡大するように形成され、空気を排気口４４に導く。また、空気の流れに直交する断面において、導風路４２の角部を円弧状に形成し、流れの損失を防止する。排気口４４は、ほこり、異物等の進入を防止するために、上方以外の方向に向けられる。また、より効果的に異物進入を防止するために、シャッタ４６が設けられ、モータの運転を停止しているときには閉じられる。また、シャッタ４６は、ロータ３０より送出されて、導風路４２を流れてきた空気により、開くように構成することができる。
【００１４】
図９〜１１は、実施形態の変形例の概略構成を示す図である。図９は、図６〜８に示したアキシャル型永久磁石モータ４０の構成に加えて、送風ファン４８を設けたものである。中空のシャフト３２の両端に送風ファン４８を設け、空気をシャフト３２内に送り込む。送り込まれた空気は、ロータ３０内に空気流路３６を通ってロータ３０外周より送り出される。また、空気の流路において、シャフト３２内からロータ３０内へ移行する部分の角（図中Ｒで示す）に丸みを与えることもできる。
【００１５】
図１０は、シャフトとロータ内の空気の流路の変形例を示す図である。図１０（ａ）の構成では、ロータ３０に対して片側が中空で、もう一方が中実なシャフト５０が用いられている。冷却用の空気は、シャフト５０の中空の側から入り、ロータ３０の内部の空気流路を通って、ロータ３０の外周より排出される。図１０（ｂ）の構成では、ロータ３０に対して、シャフト５２の右側と左側はしきり５４で区切られている。シャフト５２の右側、左側から導入された空気が、それぞれロータ３０の半周分に供給される。
【００１６】
図１１は、ロータの空気流路の構成の変形例を示す図である。図４に示される空気流路３６は、永久磁石３４の間の部分でほぼ直線状で、入口近く、および出口近くで屈曲する形状であったが、図１１の二つの例は、入口から出口に向けて滑らかに曲線を描く空気流路５６，５８を有するロータ６０，６２の例である。空気流路を曲げるために、永久磁石６４，６６の形が非対称となっている。また、図１１（ｂ）においては、さらに空気流路５８内に、フィン６８，７０が設けられている。フィン６８は出口付近に設けられ、フィン７０は出口付近から永久磁石６６の間の流路まで延びて設けられている。
【００１７】
図１２，１３は、ロータとシャフトの運転時の温度分布の解析結果を示す図である。図１２は、８極のモータの１極分７２を解析対象としており、図（ａ）は、外周面７２ａと内周面７２ｂのみが冷却された場合、図（ｂ）は、外周面７２ａ、内周面７２ｂに加え側面７２ｃも冷却される場合の温度分布を示している。図１３は、永久磁石の１極の中心線に沿った温度分布を示し、白丸が図１２（ａ）に対応し、黒丸が図１２（ｂ）に対応する。側面７２ｃを冷却することにより、ロータ全体で温度を低下させることができ、解析結果によれば最大で、温度が４３％低下している。
【００１８】
以上、図３〜１１を用いて説明した実施形態および変形例は、冷却用の媒体が空気であったが、他の気体、他の流体であってもよい。また、上述したロータの流路は、内周側と外周側の端のみで開放した流路となっており、遠心力が、効率よく流路内の空気の流れを形成する構成となっている。
【００１９】
図１４および図１５は、複数の永久磁石により一つの極を構成する例を示す図である。図１４の上下方向がロータの半径方向であり、図１５は、図１４に示すＡＡ線断面図である。図１４には、アキシャル型永久磁石モータの１極を構成する永久磁石が示されており、この例においては、４個の永久磁石７４より１極が構成されている。各永久磁石７４の間には隙間が設けられており、この隙間が空気などの流体が流れる流路７６となる。これにより、流体との接触面積をより大きくすることができ、冷却能力を高めることができる。また、流路７６をほぼ半径方向に配置することにより、ロータの回転による遠心力によって、流路７６内の流体を外周に向けて送るようにできる。
【００２０】
図１６も、モータの１極を複数の永久磁石７８または永久磁石８０で構成する例である。図（ａ）は、１極を複数の永久磁石７８に分けた線、すなわち流路８２がロータの半径方向に直交する方向に配置される。図（ｂ）は、複数の永久磁石８０に分ける流路８４が、半径方向に対して斜めに配置される。流路を斜めに配置することにより、ロータの回転による遠心力により流路８４内の流体が一方の開放端に向けて送られる。
【００２１】
図１６の二つの例では、流路８２，８４は、略直線状であったが、曲線状であってもよい。この場合、流路の両端がロータの同一円周上にないようにすることにより、図１６（ｂ）の場合と同様に、遠心力を利用して流路内の流体を送ることができる。
【００２２】
図１７および図１８は、液体を用いて冷却を行うアキシャル型永久磁石モータのロータの構成を示す図である。図１７は２極分の構成を示し、図１８は１極の詳細構成を示す図である。本実施形態のロータ８６の永久磁石７４は、図１４と同様に１極を構成する磁石を複数個に分割されたものである。複数の永久磁石７４の間には流路７６が形成されている。また、永久磁石７４は、１極ごとに一つのケース８８に納められ、液体が外部に流出しないようにしている。ケース８８は、非磁性材料によりなる。また、モータのシャフト９０は、二重管となっており、内側の内管９２からケース８８内に流体が供給され、ケース８８からの流体が外側の外管９４を通じて回収される。図１８に詳細に示されるように、４個の永久磁石７４からなる１極の磁石と、これを納めるケース８８の間には隙間が設けられている。また、隣接するケース８８の間には、ケース８８から流出する液体をシャフトの外管９４に戻す戻り流路９６が設けられている。ケース８８の内周側の頂点付近には、シャフトの内管９２からの液体を受け入れるケース入口９８が設けられ、ケース８８の隣接するケースに対向する面のほぼ中央には、流体が流出するケース出口１００が設けられている。永久磁石７４とケース８８の間に設けられた流路のケース入口９８、出口１００の中間部分には、入口から入った流体が直接出口に向かわないように流れを止めるプラグ１０２が設けられている。
【００２３】
ケース入口９８から流入した液体は、ケース８８と永久磁石７４の間を通り、さらに流路７６を通ってロータ８６の外周側に向かう。そして、ロータの外周側のケース８８と永久磁石７４の間の流路を通って出口１００に向かい、戻り流路９６を通って外管９４に達する。この間、流体は、永久磁石７４の冷却を行う。なお、シャフトの内管９２と外管９４には、液体を循環させるためのポンプ、および熱せられた液体を冷却して供給するための放熱器が接続されている。
【００２４】
図１９および図２０は、永久磁石７４を納めたケース８８の作成方法の説明図である。ケース８８は、上ケース８８ａと下ケース８８ｂからなり、図１９に示すように、これらにより永久磁石７４を挟むようにして接合して、ケース８８を得る。上ケース８８ａ、下ケース８８ｂの永久磁石７４に対向する面には、永久磁石７４の位置合わせ、およびケース接合後、液体の流路７６のシールを行う突起１０４が設けられている。突起１０４は、図２０（ａ）に示すように、隣合う永久磁石７４の間に位置して、これらの磁石の間に流路７６を確実に形成するよう機能する。永久磁石７４の固定および、流路のシールが確実に行えるのであれば、突起１０４は、図２０（ｂ）に示すように、設けなくともよい。また、図２０（ｃ）に示すように、磁石７４の上面側、下面側に段付きの突出部１０６を設け、この突出部の段付き部とケース８８ａ，８８ｂによりＯリング１０８を挟み込み、流路７６のシールを行う構成とすることもできる。
【００２５】
以上、図１７〜図２０を用いて説明した液体を用いた冷却を行うロータによれば、冷却用の液体がロータ内にのみ循環される。したがって、ロータとステータの狭い間隙に冷却用の液体が侵入せず、ロータの回転に伴う引きずり抵抗を生じさせない。また、冷却用の液体をシャフトの内管９２から供給し、外管９４へ回収するようにしたことで、内管と外管の半径の差による遠心力の差を冷却用の送液に用いることができる。
【００２６】
図２１および図２２は、ヒートパイプを除熱手段として利用した冷却構造を有するアキシャル型永久磁石モータのロータ１１０の実施の形態を示している。ロータ１１０は、図２に示したロータ１６と同様、略円板形状を有し、周方向に複数の永久磁石１１２が配列されている。ロータ１１０はシャフト１１４に固定され、これを軸にして回転する。また、シャフト１１４と同軸に円筒形状のスリーブ１１６が設けられている。１極を構成する永久磁石１１２の間の部分には、ヒートパイプ１１８が、ほぼ半径方向に沿って配置され、その一端は、シャフト１１４とスリーブ１１６の間の空間に達している。この空間には、ヒートパイプ１１８を冷却する流体が流れる。この流体によりヒートパイプ１１８が冷却され、内部の冷媒が液相となる。液相となった冷媒は、ロータ１１０の回転による遠心力を受けてヒートパイプ１１８のロータ外周側の端に送られ、ここで気化する。このとき、気化潜熱により、永久磁石１１２などヒートパイプ１１８の周囲を冷却する。気相となった冷媒は、遠心力により外へ向けて送られる液相の冷媒に排除されるようにして、ロータの内周側へと送られ、これによって、ロータ１１０内で発生した熱が、スリーブ内を流れる冷却用流体に移動し、ロータより排除される。
【００２７】
ヒートパイプ１１８は、ロータ１１０の内部に納めるように配置することもできるが、図示するように、内周側で屈曲させて略Ｌ字形とし、ロータ１１０より突出させて、冷却用流体に直接触れるように構成することもできる。この屈曲した部分は、シャフト１１４の軸線に対して斜めになるようにすることができ、図示するように屈曲角度θを９０°未満とすることが好ましい。９０°未満の角度で屈曲されることにより、この部分において液相となったヒートパイプ内の冷媒は、遠心力によりロータ外周側へと送られる。また、ヒートパイプ１１８と冷却用流体の接触面積を増加させるために、ヒートパイプ１１８の表面にフィンを設けることもできる。
【００２８】
ヒートパイプ１１８は、あらかじめ冷媒を封入したパイプを、ロータに埋め込むようにしているが、ロータの部材に穴を開けておき、この穴より奪気し、冷媒を封入してヒートパイプと同等の除熱手段を形成することもできる。
【００２９】
図２３は、ヒートパイプの配置に関する変形例である。図２３（ａ）に示すロータ１２０においては、１極を構成する永久磁石１２２の中にヒートパイプ１２４を貫通させている。また、複数の永久磁石より１極の磁極を構成し、この永久磁石の間に、ヒートパイプを配置することもできる。このように、発熱体である永久磁石のより近くで吸熱を行うことにより、より効率的な冷却を行うことができる。さらに、図２１のように、隣の極の間と、１極を構成する磁石の間と双方にヒートパイプを配置することもできる。また、図２３（ｂ）に示すロータ１２６においては、ヒートパイプ１２８を半径方向よりやや傾けて配置している。前述した半径方向にほぼ一致した配置に限らず、このように傾けて配置することも可能であり、ロータの強度部材との兼ね合いにより、その配置を決定する。
【００３０】
以上、図２１〜２３に示したヒートパイプを除熱手段として構成においては、冷却用の液体は、スリーブ内のみを流れ、ロータとステータの狭い隙間に侵入することがない。よって、この部分の引きずり抵抗が発生しない。
【図面の簡単な説明】
【図１】アキシャル型永久磁石モータの基本的な構造を示す回転軸を含む断面図である。
【図２】アキシャル型永久磁石モータの基本的な構造を示す回転軸に直交する断面図である。
【図３】本実施形態のモータのロータの構造を示す回転軸を含む断面図である。
【図４】図３のロータの回転軸に直交する断面図である。
【図５】図３のロータの空気流路の詳細構造を示す断面図である。
【図６】本実施形態のモータのケーシングの構造を示す回転軸を含む断面図である。
【図７】図６のケーシングの回転軸に直交する断面図である。
【図８】図６のケーシングの外観図である。
【図９】本実施形態のモータの変形例を示す図である。
【図１０】本実施形態のロータおよびシャフトの変形例を示す図である。
【図１１】本実施形態のロータの変形例を示す図である。
【図１２】永久磁石の温度分布を示す図であり、側面を冷却したときの効果を示す図である。
【図１３】図１２の温度分布を、磁石の中心部分のロータ半径方向に沿って表した図である。
【図１４】他の実施形態のモータの永久磁石の構成を示す図である。
【図１５】図１４の永久磁石のＡＡ線断面図である。
【図１６】永久磁石の構成の変形例を示す図である。
【図１７】さらに他の実施形態のモータのロータの構成を示す図である。
【図１８】図１７に示すロータの詳細構造を示す図である。
【図１９】図１７に示すロータの組立方法の例を示す図である。
【図２０】図１７に示すロータの断面、特に流路７６の形成に係る説明図である。
【図２１】さらに他の実施形態のモータのロータの構成を示す回転軸に直交する断面図である。
【図２２】図２１のロータの回転軸を含む断面図である。
【図２３】ヒートパイプの配置に関する変形例を示す図である。
【符号の説明】
３０ ロータ、３２ シャフト、３４ 永久磁石、３６ 空気流路、４１ ケーシング、４２ 導風路、７４ 永久磁石、７６ 流路、８８ ケース、 ９０シャフト、９２ 内管、９４ 外管、１１０ ロータ、１１２ 永久磁石、１１４ シャフト、１１８ ヒートパイプ。

Claims (8)

1. ステータの磁極とロータの永久磁石を回転軸に平行な向きに対向配置したアキシャル型永久磁石モータであって、
   ロータ内部の、前記永久磁石の間に除熱手段を配置したアキシャル型永久磁石モータ。
2. 請求項１に記載のアキシャル型永久磁石モータであって、前記除熱手段は、前記ロータの回転に伴って作用する遠心力により移動する流体を利用するものである、アキシャル型永久磁石モータ。
3. 請求項１または２に記載のアキシャル型永久磁石モータであって、前記除熱手段は、永久磁石の間に設けられ、空気が流れる空気流路である、アキシャル型永久磁石モータ。
4. 請求項３に記載のアキシャル型永久磁石モータであって、前記空気流路はロータ外周に開口を有し、ここから空気を排出する、アキシャル型永久磁石モータ。
5. 請求項１または２に記載のアキシャル型永久磁石モータであって、前記除熱手段は、永久磁石の間に設けられ、液体が流れる液体流路である、アキシャル型永久磁石モータ。
6. 請求項５に記載のアキシャル型永久磁石モータであって、
   前記液体流路は、当該モータのシャフト内の流路から供給される前記液体を、ロータ内を循環させて再び前記シャフト内の他の流路に戻すものであり、
   前記流体をシャフト内の流路に戻す位置は、前記液体をシャフト内の流路から受け入れる位置より半径方向外側にある、
   アキシャル型永久磁石モータ。
7. 請求項１または２に記載のアキシャル型永久磁石モータであって、前記除熱手段は、潜熱により熱の移動を担う冷媒を封入したヒートパイプである、アキシャル型永久磁石モータ。
8. 請求項７に記載のアキシャル型永久磁石モータであって、
   当該モータのシャフトは中空であって、その内部を流体が流れ、
   前記ヒートパイプは、一端が前記永久磁石近傍に、他端が前記シャフト内部に位置し、シャフト内部の部分が折り曲げられ、全体として略Ｌ字形を形成している、
   アキシャル型永久磁石モータ。

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