JP2008125234A - 電動モータ - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石を備えたロータを使用した電動モータにおいて、弱め界磁制御が不要であり、かつ、渦電流による発熱を防止可能な電動モータを提供することを目的とする。
【解決手段】電動モータ１は、ロータ２０、ステータ３０、および回転軸４０を収容するハウジング１０と、ステータ３０の内側に配置され、かつ、軸方向に移動可能に構成されている、永久磁石を備えたロータ２０と、ステータ３０と、ロータ２０と連動して回転し、ハウジング１０を貫通する回転軸４０と、空気流を利用して、ロータ２０を軸方向に移動させると共に、ハウジング１０内を冷却する移動・冷却機構とを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電動モータに関し、詳細には、永久磁石を備えたロータを使用した電動モータに関する。

永久磁石を備えたロータを使用した電動モータは、高出力かつ高効率であるため、広く車両等に利用されている。かかる永久磁石を備えたロータを使用した電動モータの運転可能条件は、誘起電圧と電動モータにおける電圧降下（コイルに電流が流れることによる低下）との和がインバータから電動モータに出力される出力可能電圧以下となることである。電動モータでは、ロータに設けられている永久磁石が発生する磁束と、電動モータの回転角速度とによって誘起起電力（誘起電圧）が決定される。すなわち、電動モータの回転角速度が上昇すると、電動モータの誘起電圧が比例して上昇する。誘起電圧が支配的になると、電動モータに流せる電流が少なくなる。電動モータにおけるトルクは電流に比例するため、誘起電圧が支配的になる高回転領域では、高トルク出力運転が困難であった。

これを解消するため、弱め界磁制御によって高回転領域を広げる手段を用いた電動モータがある。しかしながら、弱め界磁制御では、回転角速度に比例して上昇する誘起起電力に応じて弱め界磁制御用電流を上昇させる必要があるため、高回転領域において電動モータの効率が低下してしまうという問題がある。

例えば、特許文献１では、弱め界磁制御を用いることなく高回転領域（高トルク出力運転が可能な高回転領域）を広げられる電動モータが提案されている。同文献の電動モータでは、複数の移動体は、ロータの半径方向へ移動可能に構成されている。円筒部の内側に設けられた弾性体は、ロータの半径方向の外側から内側へ向けて移動体を付勢する。出力軸の端部の外周には複数の平面形状の傾斜面が形成されており、移動体には平面形状のカム面が傾斜面と摺接可能に形成されている。モータハウジングの端壁と出力軸の端面との間に介在された圧縮バネは、出力軸をその軸方向へ付勢しており、傾斜面とカム面とが圧縮バネのバネ力によって接合されている。ロータの回転に伴って移動体に作用する遠心力が弾性体による予荷重を上回ると、ロータの全体がその軸方向へ移動する。

特開２００６−１３６１２６号公報

電動モータの高速回転領域では、永久磁石に発生する渦電流により永久磁石が発熱し、この状態で、ステータコイルからの逆磁界を受けると永久磁石減磁が生ずるという問題がある。上記特許文献１では、渦電流による発熱について何ら考慮されていない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、永久磁石を備えたロータを使用した電動モータにおいて、弱め界磁制御が不要であり、かつ、渦電流による発熱を防止可能な電動モータを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、ステータと、永久磁石を備えたロータと、前記ロータと連動して回転する回転軸と、前記ステータ、前記ロータ、および前記回転軸を収容するハウジングと、空気流を利用して、前記ロータを軸方向に移動させると共に、前記ハウジング内を冷却する移動・冷却機構と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記移動・冷却機構は、高速回転領域では、低速回転領域に比して、前記ロータを前記ステータと対向する面積が小さくなる位置に移動させることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記移動・冷却機構は、前記ロータを前記軸方向の一方の方向に付勢する第１の付勢手段と、前記ロータと連結しており、当該ロータと共に回転し、前記ロータを前記軸方向の他方の方向に付勢すると共に、前記ハウジング内を冷却するインペラと、を含むことが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記移動・冷却機構は、前記回転軸の両端側に連結し、前記ハウジング内で前記軸方向の他方の方向に流れる空気流を生成し、前記インペラの前記ロータに対する付勢力を促進する共に、前記ハウジング内を冷却するファンを含むことが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記移動・冷却機構は、前記ハウジングの両端側にそれぞれ接続された一対のパイプと、前記一対のパイプ間に設けられた熱交換器とを備え、前記一対のパイプ、前記熱交換器、および前記ハウジングとで空気循環閉空間路を形成し、前記ファンは、前記熱交換器で冷却された空気を前記空気循環閉空間路で循環させることが望ましい。

本発明によれば、ステータと、永久磁石を備えたロータと、前記ロータと連動して回転する回転軸と、前記ステータ、前記ロータ、および前記回転軸を収容するハウジングと、空気流を利用して、前記ロータを軸方向に移動させると共に、前記ハウジング内を冷却する移動・冷却機構を備えているので、弱め界磁制御が不要であり、かつ、渦電流による発熱を防止可能な電動モータを提供することが可能となるという効果を奏する。

以下に、この発明の最良の形態を、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるものまたは実質的に同一のものが含まれる。

（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る永久磁石モータの軸方向の概略断面構成図（低速回転時）、図２は、本発明の実施の形態に係る永久磁石モータの軸方向の概略断面構成図（高速回転時）、図３は、図１のＡ−Ａ断面図を示している。

図１において、電動モータ１は、ロータ（回転子）２０、ステータ（固定子）３０、および回転軸（シャフト）４０を収容するハウジング１０と、ステータ３０の内側に配置され、かつ、軸方向に移動可能に構成されている、永久磁石を備えたロータ２０と、ステータ３０と、ロータ２０と連動して回転し、ハウジング１０を貫通する回転軸（シャフト）４０と、空気流を利用して、ロータ２０を軸方向に移動させると共に、ハウジング１０内を冷却する移動・冷却機構とを備えている。

ハウジング１０の周壁内周面にはステータ３０が固定されており、このステータ３０は、ステータ本体３１にステータコイル３２が巻回されて構成されている。ステータ３０の径方向内側には、ロータ２０および回転軸４０が回転自在に収容されている。また、ハウジング１０のリア側の端面には、冷却空気の吸込口となる複数の開口部１１が周方向に形成されており、また、そのフロント側の端面には、冷却空気の排出口となる複数の開口部１２が周方向に形成されている。

回転軸４０は、その両端側（リア側およびフロント側）がベアリング４２、４３を介してハウジング１０に回転自在に支承されている。また、回転軸４０には、図１および図３に示すように、ロータ２０が軸方向に移動するためのガイドおよび回転軸４０の周方向の動作を規制して、ロータ２０と共に回転させるための凹部（キー溝）４０ａが形成されている。

ベアリング４２には、リング形状を呈するスペーサ４５が固定されている。回転軸４０の外周方向には、第１の付勢手段であるスプリング５０が配されており、このスプリング５０の一端側は、スペーサ４５に固定されており、その他端側は、ロータ２０に当接してロータ２０を軸方向のリア方向（一方の方向）に付勢している。

ロータ２０は、図１および図３に示すように、断面視リング形状を呈しており、その内周側に配置されたインペラ２１、およびフランジ２２を介して、回転軸４０に連結している。ロータ２０は、永久磁石ロータで構成されており、電磁鋼板（コア）２０ａに、径方向外側に周方向に沿って、複数の永久磁石２０ｂが埋め込まれて構成されている。周方向に隣接する２つの永久磁石２０ｂの極性は反対となっている。なお、ここでは、埋込磁石型の永久磁石ロータを使用することとしたが、表面磁石型の永久磁石ロータを使用することにしてもよい。

インペラ２１は、ロータ２０およびフランジ２２に固定されており、ロータ２０と共に回転し、その揚力（フロント方向に移動しようとする力）によりロータ２０を軸方向のフロント方向（他方の方向）に付勢すると共に、その回転により発生する風により、ハウジング１０内を冷却する。インペラ２１は、回転速度が大きくなると、その揚力が大きくなり、ロータ２０を軸方向のフロント方向に付勢する力が大きくなるとともに発生する風が大きくなる。なお、インペラ２１の形状は、回転によりフロント方向に揚力を生じるものであれば如何なるものとしてもよい。

フランジ２２は、ロータ２０およびインペラ２１を回転軸４０に連結する。また、フランジ２２には、図１および図３に示すように、軸方向に沿ってその内周壁に、回転軸４０の凹部４０ａと係合する凸部２２ａが形成されている。

ロータ２０、インペラ２１、およびフランジ２２は、フランジ２２の凸部２２ａが回転軸４０の凹部４０ａに案内されて、軸方向に移動可能に構成されている。また、フランジ２２の凸部２２ａが回転軸４０の凹部４０ａを介して、回転軸４０の周方向の動作を規制し、ロータ２０は、回転軸４０を連動させて回転させる。

このように構成されるロータ２０は、スプリング５０により軸方向のリア方向（一方の方向）に付勢されると共に、インペラ２１により軸方向のフロント方向（他方の方向）に付勢されており、ベクトル的にバランスする軸方向位置に移動する。

さらに、ハウジング１０の両端面には、一対のパイプ７０ａ、７０ｂが設けられている。パイプ７０ａ、７０ｂ内には、回転軸４０の両端に連結したファン６０ａ、６０ｂがそれぞれ設けられており、このパイプ７０ａ、７０ｂには、空気を冷却する熱交換器８０が接続されている。ハウジング１０、パイプ７０ａ、７０ｂ、および熱交換器８０は、密閉された構造となっており、空気循環閉空間路を形成する。

ファン６０ａ、６０ｂは、ハウジング１０のフロント方向に空気流を生成して、ハウジング１０内を冷却すると共に、インペラ２１の揚力を促進させる。空気循環閉空間路では、熱交換器８０で冷却された空気が、パイプ７０ｂを通り、ファン６０ｂにより開口部１２を介して、ハウジング１０内部に供給されて、ハウジング１０内（ロータ２０、ステータ２０、および回転軸４０）を冷却し、この空気は、ファン６０ａにより開口部１２から排出され、パイプ７０ａを介して熱交換器８０に供給されて再び冷却された後、ハウジング１０内に供給される。このようにして、冷却された空気が、空気循環閉空間路を循環する。

上記構成の電動モータ１の動作を説明する。不図示の電気回路によりステータ３０のステータコイル３２が通電すると、ロータ２０、インペラ２１、回転軸４０、およびファン６０ａ、６０ｂは回転を開始する。低速回転時には、ファン６０ａ、６０ｂによる空気流の速度およびインペラ２１の揚力は小さい。この場合、図１に示すように、ロータ２０に対するスプリング５０のリア方向への付勢力が、インペラ２１の回転によるフロント方向への付勢力よりも大きく、ロータ２０、インペラ２１、およびフランジ２２は移動しない。これにより、ロータ２０は、ステータ３０との対向面積が大きく、磁石磁束量を増大することができる。

他方、高速回転時には、ファン６０ａ、６０ｂによる空気流の速度およびインペラ２１の揚力は大きくなる。この場合、図２に示すように、ロータ２０に対するインペラ２１によるフロント方向への付勢力が増大して、ロータ２０、インペラ２１、およびフランジ２２をフロント方向へスプリング５０の付勢力に抗して移動させる。この結果、ロータ２０のステータ３０との対向面積が減少し、磁石磁束量を減少させ、ステータコイル３２の誘起電圧が小さくなる。これにより、高速回転時に減磁機能を奏する電動モータを実現することができ、弱め界磁制御が不要となる。

以上説明したように、本実施の形態に係る電動モータ１によれば、ステータ３０と、永久磁石２５を備えたロータ２０と、ロータ２０と連動して回転する回転軸４０と、ステータ３０、ロータ２０、および回転軸４０を収容するハウジング１０と、空気流を利用して、ロータ２０を軸方向に移動させると共に、ハウジング１０内を冷却する移動・冷却機構と、を備えているので、弱め界磁制御を行わなくても、高速回転時に、ロータ２０を、空気流を利用して軸方向に移動させることにより、磁石磁束量を減少させて減磁作用を奏することができ、また、ロータ２０を空気流で冷却することができ、弱め界磁制御を不要とし、かつ、渦電流による発熱を防止することが可能となる。

また、本実施の形態の電動モータ１によれば、移動・冷却機構は、高速回転領域では、低速回転領域に比して、ロータ２０をステータ３０と対向する面積が小さくなる位置に移動させることとしたので、高速回転領域で磁石磁束量を減少させることが可能となる。

また、本実施の形態に係る電動モータ１によれば、移動・冷却機構は、ロータ２０を軸方向の一方の方向に付勢する第１の付勢手段（スプリング５０）と、ロータ２０と連結しし当該ロータ２０と共に回転し、ロータ２０を軸方向の他方の方向に付勢すると共に、ハウジング内を冷却するインペラ２１を備えているので、ロータ２０に対するスプリング５０の付勢力とインペラ２１による付勢力とがベクトル的にバランスする軸方向位置にロータ２０を移動することが可能となる。

また、本実施の形態に係る電動モータ１によれば、移動・冷却機構は、回転軸４０の両端側に連結し、かつ、ハウジング１０内で軸方向の他方の方向に流れる空気流を生成し、インペラ２１のロータ２０に対する付勢力を促進させると共に、ハウジング１０内を冷却するファン６０ａ、６０ｂを含むこととしたので、インペラ２１のロータ２０に対する付勢力を大きくすることができ、また、ハウジング１０内をより冷却できることが可能となる。

また、本発明の好ましい態様によれば、移動・冷却機構は、ハウジング１０の両端側にそれぞれ接続された一対のパイプ７０ａ、７０ｂと、一対のパイプ７０ａ、７０ｂ間に設けられた熱交換器８０とを備え、一対のパイプパイプ７０ａ、７０ｂ、熱交換器８０、およびハウジング１０とで空気循環閉空間路を形成し、ファン６０ａ、６０ｂは、熱交換器８０で冷却された空気を空気循環閉空間路で循環させることとしたので、冷却された空気をハウジング１０内に効率良く供給することが可能となる。

なお、本実施の形態では、移動・冷却機構により、ステータ３０とロータ２０との相対的位置関係を変位させるために、ロータ２０を軸方向に移動させることとしたが、ロータ２０を回転軸４０に固定して、ロータ２０と共に回転軸４０を軸方向に移動させる構成としてもよい。

また、本実施の形態では、ファン６０ａ、６０ｂを回転軸４０に直接連結することとしたが、直接連結しないで、他の駆動源を使用してファン６０ａ、６０ｂを回転させることにしてもよい。また、ファン６０ａ、６０ｂをハウジング１０の外部に設けることとしたが、ハウジング１０内に設けることにしてもよい。

本発明に係る電動モータは、永久磁石を備えたロータを有する電動モータにおいて、弱め界磁制御が必要な電動モータに広く利用可能である。

本発明の実施の形態に係る電動モータの軸方向の概略断面図（低速回転時）である。 本発明の実施の形態に係る電動モータの軸方向の概略断面図（高速回転時）である。 図１のＡ−Ａ’断面図である。

符号の説明

１ 電動モータ
１０ ハウジング
１１、１２ 開口部
２０ ロータ
２０ａ 電磁鋼板（コア）
２０ｂ 永久磁石
２１ インペラ
２２ フランジ
２２ａ 凸部
３０ ステータ
３１ ステータ本体
３２ ステータコイル
４０ 回転軸（シャフト）
４０ａ 凹部（キー溝）
４２、４３ ベアリング
４５ スペーサ
５０ スプリング
６０ａ、６０ｂ ファン
７０ａ、７０ｂ パイプ
８０ 熱交換器

Claims (5)

1. ステータと、
   軸方向に移動可能に構成され、永久磁石を備えたロータと、
   前記ロータと連動して回転する回転軸と、
   前記ステータ、前記ロータ、および前記回転軸を収容するハウジングと、
   空気流を利用して、前記ロータを軸方向に移動させると共に、前記ハウジング内を冷却する移動・冷却機構と、
   を備えたことを特徴とする電動モータ。
2. 前記移動・冷却機構は、高速回転領域では、低速回転領域に比して、前記ロータを前記ステータと対向する面積が小さくなる位置に移動させることを特徴とする請求項１に記載の電動モータ。
3. 前記移動・冷却機構は、
   前記ロータを前記軸方向の一方の方向に付勢する第１の付勢手段と、
   前記ロータと連結し当該ロータと共に回転し、前記ロータを前記軸方向の他方の方向に付勢すると共に、前記ハウジング内を冷却するインペラと、
   を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電動モータ。
4. 前記移動・冷却機構は、
   前記回転軸の両端側に連結し、前記ハウジング内で前記軸方向の他方の方向に流れる空気流を生成し、前記インペラの前記ロータに対する付勢力を促進する共に、前記ハウジング内を冷却するファンを含むことを特徴とする請求項３に記載の電動モータ。
5. 前記移動・冷却機構は、
   前記ハウジングの両端側にそれぞれ接続された一対のパイプと、前記一対のパイプ間に設けられた熱交換器とを備え、
   前記一対のパイプ、前記熱交換器、および前記ハウジングとで空気循環閉空間路を形成し、前記ファンは、前記熱交換器で冷却された空気を前記空気循環閉空間路で循環させることを特徴とする請求項４に記載の電動モータ。

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