JP2023150550A - ロータ - Google Patents

Abstract

【課題】鎖交磁束の低減による損失を抑制するためのロータの構成に関する技術を提供する。【解決手段】 ロータは、回転軸を有するシャフトと、シャフトの周囲を覆っているロータコアと、ロータコアの外面に配置されており、板状を有している４つの磁石と、ロータコア及び磁石を被覆する被覆部材と、を備える。シャフトの径方向に沿う磁石の厚さをｔ、シャフトの周方向に沿う磁石の幅をｗとしたときに、ｔ／ｗ＝０．２３±０．０１の関係を満たす。【選択図】図４

Description

本明細書に開示する技術は、ロータに関する。

特許文献１には、電動モータに用いられるロータが開示されている。ロータは、シャフトと、シャフトの周囲を覆っているロータコアと、ロータコアの外面に配置された板状の４つの磁石と、を備える。

特開２０１０－８１７７６号公報

電動モータでは、周方向に配置された複数のコイルに順に電流を流して磁界を変化させることにより、ロータが回転する。このとき、磁石から生じる磁束は、コイルが巻回されたティースを通る。しかしながら、磁束の一部は、ティースを通ることなく（すなわち、モータの動作に寄与せずに）漏洩する場合がある。これにより、実効的な磁束（鎖交磁束）が低減し、エネルギー損失が増大し得る。本明細書では、鎖交磁束の低減によるエネルギー損失を抑制するためのロータの構成に関する技術を提供する。

本明細書が開示するロータは、回転軸を有するシャフトと、前記シャフトの周囲を覆っているロータコアと、前記ロータコアの外面に配置されており、板状を有している４つの磁石と、前記ロータコア及び前記磁石を被覆する被覆部材と、を備える。前記シャフトの径方向に沿う前記磁石の厚さをｔ、前記シャフトの周方向に沿う前記磁石の幅をｗとしたときに、ｔ／ｗ＝０．２３±０．０１の関係を満たす。

本発明者は、磁石の厚さｔと幅ｗの関係が上記の関係を満たす場合、鎖交磁束が最大化されることを見出した。したがって、上記のロータでは、鎖交磁束の低減によるエネルギー損失が抑制され、モータを高効率で動作させることができる。

前記ロータコアは、前記回転軸に直交する横断面が、平行な第１の一対の辺と、前記第１の一対の辺に直交する平行な第２の一対の辺と、を少なくとも有する略多角形状を有してもよい。前記磁石は、前記第１の一対の辺及び前記第２の一対の辺の外面のそれぞれに配置されてもよい。前記４つの磁石の前記幅方向の中心位置が、それぞれ前記第１の一対の辺の中点及び前記第２の一対の辺の中点に重なっていてもよい。ロータを製造する際には、ロータの外径や被覆部材の厚みを確保するために、磁石の寸法に制限が課される。上記の構成では、磁石の幅方向の中心位置を、第１の一対の辺の中点又は第２の一対の辺の中点に重なるように配置することで、制限された空間内で磁石の体積を最大化することができる。

なお、本明細書でいう「略多角形」は、２つの辺の接続部分が角部を形成しているものに限られず、２つの辺が曲面により接続されている態様（すなわち、角丸多角形）を含む。また、「多角形」は、２つの辺の接続部分が凸形状を有しているものに限られず、いわゆる凹多角形を含む。

燃料ポンプ概略構成を示す縦断面図。 図１のＩＩ－ＩＩ線におけるロータ及びステータを示す断面図。 ロータの一部の構成を示す分解斜視図。 図２の一部を拡大した断面図。 所定の制約外径を有するロータにおいて、磁石の形状を様々に変化させた態様を示す図。 他の所定の制約外径を有するロータにおいて、磁石の形状を様々に変化させた態様を示す図。 他の所定の制約外径を有するロータにおいて、磁石の形状を様々に変化させた態様を示す図。 図５～図７に示すロータを用いたモータにおける、磁石の形状と無負荷回転数との関係を示すグラフ。

（燃料ポンプの構成）
図１を用いて、燃料ポンプ１０について説明する。燃料ポンプ１０は、例えば、自動車等の車両に搭載される燃料タンク内に配置される。燃料ポンプ１０は、モータ部２０と、ポンプ部４０と、を備える。

ポンプ部４０は、燃料ポンプ１０の下端に配置される。ポンプ部４０は、ケーシング４２とインペラ４６を備える。ケーシング４２は、インペラ４６を収容する空間と、その空間に連通する吸入口４４を備える。インペラ４６は、ケーシング４２内の空間に回転自在に収容されている。

ポンプ部４０の上方には、モータ部２０が配置されている。モータ部２０は、三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）モータである。モータ部２０は、ブラシレスモータである。モータ部２０は、ステータ３０とロータ５０を備える。ステータ３０は、ステータコア３２と、６個のコイル３８と、樹脂層３９と、端子３７を備える。図２に示すように、ステータコア３２は、ヨーク３４と、６個のティース３６を備える。ヨーク３４は、ステータ３０の外周面を構成する円管形状を有する。各ティース３６は、ヨーク３４の内周面から、ヨーク３４の円管形状の中心軸ＣＬに向かって突出している。各ティース３６は、先端（すなわち、ヨーク３４とは反対側の端）において、ロータ５０の回転方向に延びている。

図１に示すように、ステータコア３２には、樹脂製のボビン３３を介して、６個のコイル３８が配置されている。各コイル３８は、対応するティース３６のそれぞれに巻回されている。コイル３８は、端子３７を介して、外部の電源に接続される。ステータ３０は、ステータコア３２の外周面を除いて、樹脂層３９で被覆されている。樹脂層３９は、燃料を吐出する吐出口１２を有する。

（ロータの構成）
ステータ３０の内側には、ロータ５０が配置されている。図２に示すように、ロータ５０は、シャフト５２と、ロータコア５４と、磁石５６と、被覆部材５８を備える。

シャフト５２は、マルテンサイト系のステンレス鋼により構成されている。シャフト５２は、他の磁性体材料又は非磁性体材料により構成されてもよい。シャフト５２は、中心軸ＣＬと一致する回転軸ＣＬを有しており、回転軸ＣＬに沿って延びる円筒形状を有している。なお、回転軸ＣＬと中心軸ＣＬとは一致するため、以下では、どちらの用語も用いられる。シャフト５２は、回転軸ＣＬを中心に回転する。図１に示すように、シャフト５２の下端には、インペラ４６が嵌合されている。シャフト５２は、インペラ４６の上方において、ケーシング４２にベアリングを介して回転可能に支持されている。これにより、シャフト５２は、ステータ３０に対して回転可能に配置される。

図２に示すように、シャフト５２の周囲には、ロータコア５４が配置されている。ロータコア５４は、図２に示す断面で見たときに、略正方形状を有している。すなわち、ロータコア５４の断面は、平行な一対の辺５４ａと、一対の辺５４ａに直交する平行な一対の辺５４ｂとにより画定されている。辺５４ａと辺５４ｂとは、曲面により接続されている。

一対の辺５４ａ及び一対の辺５４ｂの外面のそれぞれには、磁石５６が配置されている。すなわち、ロータコア５４の外面には、４つの磁石５６が配置されている。各磁石５６は、シャフト５２の周方向において、間隔を空けて配置されている。図３に示すように、各磁石５６は、板状（直方体形状）を有している。各磁石５６は、回転軸ＣＬに対して平行に延びるように配置されている。各磁石５６は、回転軸ＣＬ方向において、ロータコア５４と同等の長さを有している。各磁石５６の形状は互いに略等しく、各磁石５６は、回転軸ＣＬに対して回転対称に配置されている。

ロータコア５４及び各磁石５６は、被覆部材５８によって被覆されている。被覆部材５８は、円柱形状を有している。被覆部材５８の中心には、シャフト５２が貫通している。被覆部材５８は、ロータコア５４の外面及び各磁石５６の外面に固定されている。被覆部材５８の中心軸は、回転軸ＣＬに一致している。なお、被覆部材５８は、磁石５６の上下端の少なくとも一方を覆っていなくてもよい。この場合、磁石５６の上下端の少なくとも一方は、被覆部材５８から露出していてもよい。被覆部材５８は、例えば、樹脂により構成されている。ロータ５０は、シャフト５２、ロータコア５４、及び磁石５６を成形型に配置する、いわゆるモールド成形によって、被覆部材５８を成形することにより作成される。

図４に示すように、シャフト５２の周方向に沿う磁石の幅をｗ、シャフト５２の径方向に沿う磁石の厚さをｔとしたときに、ｔ／ｗ＝０．２３±０．０１の関係を満たすように、磁石５６が配置されている。

また、磁石５６の幅方向の中心位置Ｐが、辺５４ａの中点Ｍに重なるように、磁石５６が配置されている。図示していないが、他の磁石５６についても、その幅方向の中心位置が、辺５４ａの中点又は辺５４ｂの中点に重なるように配置されている。

上述したように、ロータコア５４及び磁石５６は、円柱形状の被覆部材５８によって覆われる。ロータコア５４及び磁石５６の表面全体を被覆部材５８により覆うためには、図４に示すように、ロータコア５４の外周縁及び磁石５６の外周縁が、ロータ５０の外径（すなわち、被覆部材５８の外径）よりも内周側に位置する必要がある。すなわち、ロータ５０の構成においては、磁石５６を配置可能な範囲としての制約外径６０が存在する。

そこで、図５～図８に示すように、３種類の異なる制約外径６０を有するロータ５０について、磁石５６の厚さｔ及び幅ｗを様々に変化させたときのモータの無負荷回転数を算出することで、制約外径６０による鎖交磁束の変化、及び、磁石５６の形状による鎖交磁束の変化について検討した。

図５は、制約外径６０が小さいロータにおいて、磁石の形状を様々に変化させた態様を示している。図６は、図５よりも制約外径６０が大きいロータにおいて、磁石の形状を様々に変化させた態様を示している。図７は、図５及び図６よりも制約外径６０が大きい（制約外径６０がロータ５０の外径（被覆部材５８の外径）と略等しい）ロータにおいて、磁石の形状を様々に変化させた態様を示している。図５では、Ａ１からＡ８に向かうにつれて、磁石５６の厚さｔが大きくなり、磁石５６の幅ｗが小さくなっている。すなわち、Ａ１からＡ８に向かうにつれて、ｔ／ｗが大きくなっている。図６及び図７についても同様である。

図８は、図５～図７に示すロータそれぞれを用いたモータにおける、ｔ／ｗと無負荷回転数との関係を示している。図８のグラフ中に示す参照符号は、図５～図７に示すロータの参照符号に対応している。モータの無負荷回転数は、鎖交磁束の大きさと相関している。具体的には、モータの無負荷回転数が小さいほど、鎖交磁束が大きい。まず、図８に示すように、ロータ５０の制約外径６０が大きくなるほど、モータの無負荷回転数が小さくなることがわかった。制約外径６０の大きさによって、配置可能な磁石５６の体積は異なる。このため、制約外径６０が大きいほど、磁石５６の磁力が大きくなり、結果として鎖交磁束に差異が生じたものと考えられる。一方で、図８に示すように、モータの無負荷回転数は、制約外径６０によらず、ｔ／ｗ＝０．２３のときに最小となることがわかった。すなわち、制約外径６０によらず、ｔ／ｗ＝０．２３のときに鎖交磁束が最大となることがわかった。

以上に説明した通り、本実施例では、磁石５６の厚さｔと幅ｗとの間に、ｔ／ｗ＝０．２３の関係が成立するように、磁石５６が構成されている。これにより、モータの鎖交磁束を最大化し、エネルギー損失を低減することができる。

また、上述したように、磁石５６の体積が大きくなるほど、鎖交磁束が大きくなる。本実施例では、磁石５６の幅方向の中心位置Ｐが、辺５４ａの中点Ｍと重なるように磁石５６が配置されている。したがって、制約外径６０内で磁石の体積を確保することができ、鎖交磁束を最大化することができる。

なお、図８のグラフでは、ｔ／ｗ＝０．２３を境界としてｔ／ｗが増減すると、モータの無負荷回転数が増大（すなわち、鎖交磁束が減少）している。ｔ／ｗが小さすぎる場合、磁石５６がステータ３０のティース３６に対向する位置において、磁石５６とティース３６との距離が大きくなるため、磁束が効率良くティース３６に入り難い。また、厚さｔが小さくなることにより、自己減磁作用が働き、磁石５６の磁力（換言すると、磁束）が低減する。このため、鎖交磁束が小さくなると考えられる。また、ｔ／ｗが大きすぎる場合、幅ｗが小さくなることにより、ティース３６に対向する磁石５６の面積が小さくなる。すなわち、磁束が生じる磁石５６の面積が小さくなる。このため、ロータ５０が効率良く回転することができず、鎖交磁束が小さくなると考えられる。

なお、実際の磁石５６の製造においては、例えば、磁石５６の切削加工における寸法公差が生じ得る。厚さｔの切削加工の寸法公差は約±０．０５（ｍｍ）であり、幅ｗの切削加工の寸法公差は約±０．０７（ｍｍ）であることが知られている。したがって、これらの寸法公差を考慮した場合の磁石５６の厚さｔと幅ｗの関係を算出する。例えば、ｔ＝１．５ｍｍ、ｗ＝６．５２ｍｍ（ｔ／ｗ＝０．２３）となる磁石５６を製造する状況を想定すると、寸法公差を踏まえた場合、ｔ／ｗの最小値は、厚さｔの最小値と幅ｗの最大値との比である１．４５／６．５９＝０．２２となり、ｔ／ｗの最大値は、厚さｔの最大値と幅ｗの最小値との比である１．５５／６．４５＝０．２４となる。すなわち、磁石５６の寸法公差を考慮すると、製造された磁石５６の厚さｔと幅ｗとの間に、ｔ／ｗ＝０．２３±０．０１の関係が成立すれば、鎖交磁束を最大化することができると言える。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。以下、上述した実施例の変形例を以下に列挙する。

上述した実施例では、ロータコア５４の断面が略正方形状を有していた。しかしながら、ロータコア５４の断面は、例えば、略八角形状等、他の多角形状を有していてもよい。また、ロータコア５４の断面は、例えば、いわゆる凹多角形状を有していてもよい。

また、上述した実施例では、磁石５６の幅方向の中心位置Ｐが、辺５４ａの中点Ｍに重なるように磁石５６が配置されていたが、中心位置Ｐと中点Ｍの位置は、一致していなくてもよい。

本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書又は図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

３０：ステータ
５０：ロータ
５２：シャフト
５４：ロータコア
５６：磁石

Claims (2)

1. 回転軸を有するシャフトと、
   前記シャフトの周囲を覆っているロータコアと、
   前記ロータコアの外面に配置されており、板状を有している４つの磁石と、
   前記ロータコア及び前記磁石を被覆する被覆部材と、
   を備え、
   前記シャフトの径方向に沿う前記磁石の厚さをｔ、前記シャフトの周方向に沿う前記磁石の幅をｗとしたときに、ｔ／ｗ＝０．２３±０．０１の関係を満たす、
   ロータ。
2. 請求項１に記載のロータであって、
   前記ロータコアは、前記回転軸に直交する横断面が、平行な第１の一対の辺と、前記第１の一対の辺に直交する平行な第２の一対の辺と、を少なくとも有する略多角形状を有しており、
   前記磁石は、前記第１の一対の辺及び前記第２の一対の辺の外面のそれぞれに配置されており、
   前記４つの磁石の前記幅方向の中心位置が、それぞれ前記第１の一対の辺の中点及び前記第２の一対の辺の中点に重なっている、ロータ。

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