JP2013539348A - 冷却促進用の内設型ブリッジ部を備えた磁気回転子 - Google Patents

Abstract

回転電動機構造の固定子に対して回転するように軸上に取付可能な、流体フローインピーダンスを減少させ、回転電動機の冷却を向上させた回転子構造。回転子構造は、複数の磁石内装部を備えた多層積層回転子を形成するため接合され一体となった複数の薄板を有する。各薄板は、軸を内装可能な開口を囲む中実中心部と、中実中心部から概ね径方向外側に向かって延在する複数のスポーク部と、隣合うスポーク部の間に設けられた複数のリブ部と、複数のスポーク部と複数のリブ部を互いに接続させた複数のブリッジ部を備える。複数のブリッジ部のうち少なくとも幾つかを薄板の外縁から中実中心部側に内設して、流体フローインピーダンスを減少させ、かつ回転電動機の冷却を向上させた。

Description

（関連出願の相互参照）
本出願に関連する米国特許出願は、２０１０年９月２７日に出願された米国仮出願番号第６１／３８６，８１１号に対して、米国特許法第１１９条（ｅ）に基づいて優先権を主張しており、その全開示内容が参照により包含されている。

本発明は、熱伝達の向上のために、電動機（モータ）の回転子（ロータ）と固定子（ステータ）の間でエアや他の流体の流れを増大させた回転子構成を有する埋込型永久磁石同期電動機（IPMSM: interior permanent magnet synchronous motor）に関する。

特許文献１には、鉄製スリーブによって囲まれた鋼製軸を含む電動機が開示されており、この鉄製スリーブ上には４つの永久磁石が取付られている。この電動機は、帯状部材を用いて回転子構造を囲むことで、磁石を定位置に保持している。電動機の巻線から電動機のハウジングに向かう熱を伝達させるために、電動機の各固定子のスロット内に熱用突起部（ヒートスパイク）を付加している。

特許文献２には、回転子軸を有するステッピングモータが開示されており、この回転子軸には前方と後方の回転子部分が取付けられている。このステッピングモータは、アルミニウム製ハウジングとアルミニウム製エンドベルを用いて、電動機内に生じた熱をフェースプレート内に伝道させることで、性能の向上を図っている。

図１を参照すると、公知の埋込型永久磁石（IPM: interior permanent magnet）回転子の薄板１０を平面図で示しているが、回転子の外縁（円周縁）１３に複数の窪み（凹部）１２が備えられている。図１に示した回転子の薄板は、単一層の埋込型永久磁石回転子の薄板である。磁石内装用の空隙又は開口１４と１６、１８と２０、２２と２４、及び２６と２８からなる複数の対において、これらの隣合う対の間に窪み１２が一つづつ配置されている。また、これら複数の対において、各対をなす磁石内装用の空隙又は開口の夫々は、回転子の薄板の材料からなる細長いブリッジ部３０によって他の空隙又は開口から隔てられている。操作中、これら空隙又は開口内に永久磁石（図示せず）を取り付けて、固定子の極（ポール）の周りに配置された巻線と協働させて、回転子の薄板１０を固定子の内部で回転可能にしている。軸用開口３２内には回転子軸（図示せず）を内装可能にして、回転子が回転運動を行えるようにしている。

オバートンによる特許文献１とトラゴ等による特許文献２の全開示内容は、双方とも本発明の非本質的な主題に関するもので、本明細書に包含される。

米国特許第５，０５１，６３４号明細書 米国特許出願公開第２００８／００３０１０８号

本発明では、埋込型永久磁石同期電動機（IPMSM）は、各極の複数の磁性層の間と複数の極の間に、回転子の外縁から内設された複数のブリッジ部を備える。回転子の外縁から内側に複数のブリッジ部を設けることで、エアギャップ領域の断面領域を増大させて、この断面領域によりファンから送られるエアフローを増やして、巻線と回転子からエアフローに向かう熱伝導を向上させ、これによって、電動機の冷却を一層効果的にさせるようにする。

本発明は、流体フローインピーダンスを減少させ、かつ回転電動機の冷却を向上させた回転子構造を、回転電動機構造の固定子に対して回転するように軸上に取付可能にする。回転子構造は、複数の磁石内装部を備えた多層積層回転子を形成するために、接合され一体となった複数の薄板を有する。複数の薄板の各々は、軸を内装可能な開口を囲む中実中心部と、この中実中心部から概ね径方向外側に向かって延在する複数のスポーク部と、隣合うスポーク部の間に設けられた複数のリブ部と、複数のスポーク部と複数のリブ部を互いに接続させた複数のブリッジ部とを有する。複数のブリッジ部のうち少なくとも幾つかを薄板の外縁から中実中心部側に内設して、流体フローインピーダンスを減少させ、かつ回転電動機の冷却を向上させた。回転子構造の一構成では、薄板の各々は、薄板の外縁に流体が流れる流通路であって、複数のスポーク部の間の中央に配置される流通路を備える。一方、他の構成では、薄板の各々は、薄板の外縁に中央磁極端であって、複数のスポーク部の間の中央に配置される中央磁極端を備える。

好適な構造の一つでは、ブリッジ部はすべて、略円周方向に延在する。薄板の各々は、径方向に延在する複数のブリッジ部をさらに備えて、中実中心部と複数のリブ部を互いに接続させてもよい。リブ部とスポーク部の縁に突起部を区画して、突起部と外側のブリッジ部の間に磁石素子を適切に位置決めすることができる。

図１は、公知の埋込型永久磁石回転子の薄板を示す平面図である。 図２は、本発明の実施形態の一つに係る埋込型永久磁石回転子の薄板を示す平面図である。 図３は、本発明の他の実施形態に係る埋込型永久磁石回転子の薄板の一部を示す平面図である。

本発明に係る回転子の生産に用いられる薄板（薄板層）４０を、図２の平面図で示している。当該技術における通常の知識を有する者であれば、図２に示した薄板４０は、多層積層回転子４４を生産するために、接合されて一体にされ、積層体を構成する複数（例えば、５０）の薄板のうち、一番端の薄板であることを理解できるであろう。薄板は、鋼や他の適切な材料からなる板材を打ち抜き加工することにより得ることができる。図１に示した公知な構造と同様に、回転子４４の軸用開口４２内に回転子軸（図示せず）を内装可能にして、回転子が回転運動を行えるようにしている。

薄板４０の各々は、図示しているように、回転子軸用の開口４２が設けられた中実中心部４６と、この中実中心部４６から径方向外側に向かって延在する複数のスポーク部４８とを備えた、単一の、一体構造を有することができる。隣合うスポーク部４８の間には、入れ子状に複数のリブ部５０を設けている。すべてのリブ部５０とすべてのスポーク部４８は、外側では、略円周方向に延在する複数のブリッジ部５２により互いに接続され、かつ内側では、略径方向に延在する複数のブリッジ部５４により互いに接続されており、これによって、各回転子の薄板４０は、全体として、一つの一体の構成要素となっている。図２を参照すると、６つのスポーク部４８を、６０度の間隔で、図示するように配置しているが、異なる数のスポーク部を用いることは可能である。すべてのスポーク部４８とすべてのリブ部５０の向かい合う縁上には、突起部５６が適当な位置に区画されている。これら突起部は、永久磁石素子（図示せず）を適切に位置決めするように機能し、突起部５６と外側のブリッジ部５２の間に定められた磁石内装部６０内に永久磁石素子を内装可能にしている。

回転子４４は、このように多層ＩＰＭ（埋込型永久磁石）回転子として形成されており、複数の外側のブリッジ部５２を回転子４４の外縁（円周縁）から内側に内設している。薄板の材料からなるこれらブリッジ部５２は、多層ＩＰＭの設計では慣例的なように、回転子の外縁にではなく、むしろ回転子４４の中実中心部４６に向かって内側に内設されている。このように複数のブリッジ部５２を内設することによって複数の凹部６４を設けて、回転子の外縁側の断面領域を明らかに大きくさせているが、この領域は、冷却用エアや他の流体が内部で流動可能となっているエアギャップや他の流体用ギャップと隣接する。この領域は、ファンを取付けた軸から送られる流体フロー用に、インピーダンスをより低めた流通路を提供し、これによって、電動機のうち最も高温部となる電動機の巻線の冷却を向上させている。回転子４４の外縁から内側に複数の外側のブリッジ部５２を設けることは、換言すると、エアギャップ領域の断面領域を大きくして、これによってファン（図示せず）からのエアフローを増大させて、巻線と回転子からエアフローに向かう熱伝達を向上させ、従って、電動機の冷却を一層効果的にする。エアは、勿論、すべての磁石内装部６０と径方向に延在するすべてのブリッジ部５４の間に残存する流通路６６を通っても流れる。

図２に示している回転子４４の薄板の各々は、中央磁極端７０を備えている。一方、中央磁極端７０を備えずに、中央磁極端７０が備えられていた場所に、回転子の外縁に流体（エア）が流れる流通路となる部位を備えることは可能である。すべての中央磁極端７０は、薄板の他の部位と一体形成されており、発生する平均トルクを増大させると同時に、トルクの変動、つまりトルク“リップル”を最小にすることを目的として備えられている。図３を参照すると、同様に構成された多層積層回転子４４’の一部が示されているが、この他の実施形態では、上記中央磁極端７０によって流体の流れが妨げられない外側のエアフロー流通路８０を備えたことが示されている。複数の薄板４４’を用いて構成される回転子の場合、トルクリップルの大きさが幾分より大きく、あるいは平均トルクが低くなったり、又は両方に相当するかもしれないが、冷却特性がより優れたものである。

上記した開示内容は、単に本発明を例示するために示されたものであり、本発明を限定することを意図したものではない。当該技術における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術思想と要旨内で、開示した実施形態に対して修正を行うことが可能であり、従って、本発明には、最終的に権利主張される発明の範囲内の全てのものが含まれることを理解されたい。

４０ 薄板
４２ 開口
４４ 回転子
４６ 中心部
４８ スポーク部
５０ リブ部
５２ 略円周方向に延在するブリッジ部
５４ 略径方向に延在するブリッジ部
５６ 突起部
６０ 磁石内装部
７０ 中央磁極端
８０ 外側のエアフロー流通路

Claims (20)

1. 複数の磁石内装部を備えた多層積層回転子を形成するために接合され一体となった複数の薄板を有する回転電動機構造の固定子に対して回転するように軸上に取付可能な回転子構造であって、前記複数の薄板の各々は、
   前記軸を内装可能な開口を囲む中実中心部と、
   前記中実中心部から概ね径方向外側に向かって延在する複数のスポーク部と、
   隣合う前記スポーク部の間に設けられた複数のリブ部と、
   前記複数のスポーク部と前記複数のリブ部を互いに接続させた複数のブリッジ部を備え、
   前記複数のブリッジ部のうち少なくとも幾つかを前記薄板の外縁から前記中実中心部側に内設して、流体フローインピーダンスを減少させ、かつ前記回転電動機の冷却を向上させたことを特徴とする回転子構造。
2. 前記薄板の各々は、前記薄板の外縁に流体が流れる流通路であって、前記複数のスポーク部の間の中央に配置される流通路を備えたことを特徴とする請求項１に記載の回転子構造。
3. 前記薄板の各々は、前記薄板の外縁に中央磁極端であって、前記複数のスポーク部の間の中央に配置される中央磁極端を備えたことを特徴とする請求項１に記載の回転子構造。
4. 前記複数のブリッジ部は、略円周方向に延在することを特徴とする請求項１に記載の回転子構造。
5. 前記薄板の各々は、径方向に延在する複数のブリッジ部をさらに備えて、前記中実中心部と前記複数のリブ部を互いに接続させたことを特徴とする請求項４に記載の回転子構造。
6. 前記リブ部と前記スポーク部の縁には、突起部が区画されており、該突起部と外側の前記ブリッジ部の間に磁石素子を位置決めすることを特徴とする請求項１に記載の回転子構造。
7. 前記薄板の各々は、前記スポーク部を少なくとも６つ備えたことを特徴とする請求項１に記載の回転子構造。
8. 前記複数のブリッジ部の各々を前記薄板の外縁から内側に内設したことを特徴とする請求項１に記載の回転子構造。
9. 前記複数のブリッジ部は、略円周方向に延在することを特徴とする請求項２に記載の回転子構造。
10. 前記複数のブリッジ部は、略円周方向に延在することを特徴とする請求項３に記載の回転子構造。
11. 薄板であって、回転電動機構造の固定子に対して回転するように軸上に取付可能な回転子構造を構成するために、他の複数の薄板と共に用いることができ、前記他の複数の薄板と接合され一体とすることで、複数の磁石内装部を備えた多層積層回転子を形成し、
    前記軸を内装可能な開口を囲む中実中心部と、
    前記中実中心部から概ね径方向外側に向かって延在する複数のスポーク部と、
    隣合う前記スポーク部の間に設けられた複数のリブ部と、
    前記複数のスポーク部と前記複数のリブ部を互いに接続させた複数のブリッジ部を備え、
    前記複数のブリッジ部のうち少なくとも幾つかを前記薄板の外縁から前記中実中心部側に内設して、流体フローインピーダンスを減少させ、かつ前記回転電動機の冷却を向上させたことを特徴とする薄板。
12. 前記薄板は、前記薄板の外縁に流体が流れる流通路であって、前記複数のスポーク部の間の中央に配置される流通路を備えたことを特徴とする請求項１１に記載の薄板。
13. 前記薄板は、前記薄板の外縁に中央磁極端であって、前記複数のスポーク部の間の中央に配置される中央磁極端を備えたことを特徴とする請求項１１に記載の薄板。
14. 前記複数のブリッジ部は、略円周方向に延在することを特徴とする請求項１１に記載の薄板。
15. 前記薄板は、径方向に延在する複数のブリッジ部をさらに備えて、前記中実中心部と前記複数のリブ部を互いに接続させたことを特徴とする請求項１４に記載の薄板。
16. 前記リブ部と前記スポーク部の縁には、突起部が区画されており、該突起部と外側の前記ブリッジ部の間に磁石素子を位置決めすることを特徴とする請求項１１に記載の薄板。
17. 前記薄板は、前記スポーク部を少なくとも６つ備えたことを特徴とする請求項１１に記載の薄板。
18. 前記複数のブリッジ部の各々を前記薄板の外縁から内側に内設したことを特徴とする請求項１１に記載の薄板。
19. 前記複数のブリッジ部は、略円周方向に延在することを特徴とする請求項１２に記載の薄板。
20. 前記複数のブリッジ部は、略円周方向に延在することを特徴とする請求項１３に記載の薄板。

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