JP6760117B2

JP6760117B2 - 電動モータ

Info

Publication number: JP6760117B2
Application number: JP2017017230A
Authority: JP
Inventors: 桑原　優; 優桑原
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2017-02-02
Filing date: 2017-02-02
Publication date: 2020-09-23
Anticipated expiration: 2037-02-02
Also published as: JP2018125990A

Description

本発明は、永久磁石を用いた電動モータに関する。

特許文献１では、円筒形の磁石ハウジングと円筒形の保持スリーブとの間に永久磁石を保持した状態で、ロータシャフトの周囲に永久磁石を配置した電動モータが開示されている。この電動モータでは、ロータシャフトを磁石ハウジングに嵌め込む際の嵌め代（「締め代」とも呼ぶ）によって、保持スリーブから永久磁石に対して先行荷重が印加される。この先行荷重は、ロータの回転時の遠心力に対して永久磁石を保持する働きを有する。なお、永久磁石の内周側に設けられる磁石ハウジングを「内周側スリ−ブ」とも呼び、永久磁石の外周側に設けられる保持スリーブを「外周側スリーブ」とも呼ぶ。

特開２０１５−１１９６２８号公報

高速で回転する電動モータの場合に、遠心力による永久磁石の破損を防止するために、ロータシャフトと内周側スリーブの締め代を大きくしたいという要望がある。しかしながら、従来は、内周側スリーブの外周面と永久磁石の内周面がいずれも円筒形状に形成されていたので、締め代を大きくすると、嵌め込み後に内周側スリーブの外周面と永久磁石の内周面の形状に不整合が生じてしまい、永久磁石に大きな曲げ応力が発生して破損してしまうという問題があった。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

本発明の一形態によれば、ステータ（１２０）とロータ（１４０，１４０Ａ）とを備えた電動モータ（１００）が提供される。この電動モータにおいて、前記ロータは、ロータシャフト（１５０）と、前記ロータシャフトの外周側に設けられたＮ個（Ｎは４以上の偶数）の永久磁石（１６２，１６２Ａ）と、前記Ｎ個の永久磁石の内周に設けられた内周側スリーブ（１６４，１６４Ａ）と、前記Ｎ個の永久磁石の外周に設けられた外周側スリーブ（１６６）と、を備える。前記内周側スリーブは、前記Ｎ個の永久磁石が取り付けられるＮ個の取付面（１６５，１６５Ａ）を有し、前記ロータシャフトの中心軸（Ｃ）に垂直な断面における各取付面の形状が、前記中心軸を中心とする円弧と異なる形状を有するように構成されており、前記ロータシャフトの中心軸に垂直な断面における前記内周側スリーブの内面（１６４ｉ）の形状と前記ロータシャフトの外面（１５０ｏ）の形状が、前記中心軸を中心とする円弧と異なる形状をそれぞれ有する。

この形態の電動モータによれば、ロータシャフトの中心軸に垂直な断面における各取付面の形状が、ロータシャフトの中心軸を中心とする円弧と異なる形状を有するように構成されているので、ロータシャフトと内周側スリーブの締め代を大きくした場合にも、永久磁石に生じる曲げ応力を緩和することができ、永久磁石の破損を抑制できる。換言すれば、永久磁石の破損を抑制しつつ、ロータシャフトと内周側スリーブの締め代を大きくすることが可能である。

第１実施形態としての電動モータの構成を示す説明図。第１実施形態のロータの斜視図。第１実施形態のロータの断面図。磁石アッセンブリとロータシャフトの組み立て前の状態を示す説明図。磁石アッセンブリとロータシャフトを組み立てる様子を示す説明図。組立後のロータシャフトと磁石アッセンブリに働く力を示す説明図。円筒状の内周側スリーブを用いた比較例を示す説明図。第２実施形態のロータの断面図。

Ａ．第１実施形態：
図１に示すように、第１実施形態の電動モータ１００は、モータケース１１０と、ステータ１２０と、ロータ１４０と、軸受け１７０とを備える。ステータ１２０は、モータケース１１０内に収容されており、複数の電磁コイル１２４と、図示しないステータコアとを有する。ロータ１４０は、ステータ１２０の内側にギャップを介して配置されており、モータケース１１０の両端に設けられた軸受け１７０によって支持されている。

図２に示すように、ロータ１４０は、ロータシャフト１５０と、ロータシャフト１５０の外周に設けられた磁石アッセンブリ１６０とを有する。磁石アッセンブリ１６０は、複数の永久磁石１６２と、永久磁石１６２の内周に設けられた内周側スリーブ１６４と、永久磁石１６２の外周に設けられた外周側スリーブ１６６とを有する。ロータシャフト１５０は、その中心にある円柱部１５４と、円柱部１５４の外側に設けられた磁石設置部１５２とを有する。本実施形態では、磁石設置部１５２は、六角柱形状を有している。但し、磁石設置部１５２の形状としては、これ以外の種々の形状を採用可能である。

永久磁石１６２の個数Ｎ（すなわち、電動モータ１００の極数）は、４以上の偶数とすることが好ましい。本実施形態では、Ｎ＝６である。なお、個々の永久磁石１６２は、通常はロータシャフト１５０の中心軸Ｃから外側に向かう方向（放射方向）に沿って磁化されており、また、隣接する永久磁石１６２の磁化方向は互いに逆向きである。なお、永久磁石１６２の個数と極数は必ずしも一致しない。例えば、６個の永久磁石１６２を用いた場合に、隣接する３個の永久磁石１６２をＮ極とし、他の３個の永久磁石１６２をＳ極とすれば、電動モータ１００の極数は２となる。

内周側スリーブ１６４と外周側スリーブ１６６は、Ｎ個の永久磁石１６２を内周側及び外周側から保持する機能を有する。内周側スリーブ１６４は、例えば鉄系金属部材などの磁性材で形成されることが好ましい。一方、外周側スリーブ１６６は、例えば繊維強化樹脂材料で形成されることが好ましい。繊維強化樹脂材料としては、例えば炭素繊維強化樹脂材料（ＣＦＲＰ）を使用することが可能である。但し、スリーブ１６４，１６６の材料としては、これら以外の任意の材料を利用可能である。外周側スリーブ１６６は、ロータシャフト１５０が高速に回転する際に、永久磁石１６２が破損することを防止する保護部材として機能する。外周側スリーブ１６６は、また、仮に永久磁石１６２が破損した場合にその破片が飛散することを防止する機能も有する。

図３は、ロータシャフト１５０の中心軸Ｃに垂直な断面におけるロータ１４０の構造を示している。この断面において、ロータシャフト１５０の外面１５０ｏ（すなわち、磁石設置部１５２の外面）は、正六角形形状を有している。また、内周側スリーブ１６４の内面１６４ｉは、ロータシャフト１５０の外面１５０ｏに接しており、正六角形形状を有している。この例から理解できるように、ロータシャフト１５０の外面１５０ｏの形状は、永久磁石１６２の数Ｎに応じて、正Ｎ角形とすることができる。内周側スリーブ１６４の外面１６４ｏも、正Ｎ角形形状を有している。なお、図３の例では、内周側スリーブ１６４の厚みは一様である。内周側スリーブ１６４の外面１６４ｏには、Ｎ個の永久磁石１６２が取り付けられている。内周側スリーブ１６４の外面１６４ｏのうち、個々の永久磁石１６２が取り付けられる部分を取付面１６５と呼ぶ。取付面１６５は、永久磁石１６２の個数Ｎ（ここでは、Ｎ＝６）と同じ個数存在する。なお、本実施形態において、個々の取付面１６５は単一の平面である。

永久磁石１６２の内面１６２ｉは、内周側スリーブ１６４の取付面１６５と接している。従って、この例では、永久磁石１６２の内面１６２ｉは単一の平面である。永久磁石１６２は、例えば接着剤を用いて内周側スリーブ１６４の取付面１６５に固定される。永久磁石１６２の外面１６２ｏは、ロータシャフト１５０の中心軸Ｃを中心とした円弧形状を有している。従って、Ｎ個の永久磁石１６２の全体の外周形状は、円形となる。

なお、第１実施形態では、ロータシャフト１５０の外面１５０ｏ（磁石設置部１５２の外面）は、平面で構成されている。同様に、内周側スリーブ１６４の内面１６４ｉと外面１６４ｏもそれぞれ平面で構成されており、永久磁石１６２の内面１６２ｉも平面で構成されている。

図４は、磁石アッセンブリ１６０とロータシャフト１５０とを組み立てる前の状態を示している。室温では、ロータシャフト１５０の外寸法Ｄ１５０は、内周側スリーブ１６４の内寸法Ｄ１６４よりも大きい。なお、本実施形態では、ロータシャフト１５０の外面１５０ｏは正六角形なので、その外寸法Ｄ１５０は、正六角形の対向する辺同士の距離に相当する。内周側スリーブ１６４の内寸法Ｄ１６４も同様である。

磁石アッセンブリ１６０は、内周側スリーブ１６４の外周にあるＮ個の取付面１６５にそれぞれ永久磁石１６２を取付けて固定し、それらを外周側スリーブ１６６の中に嵌め込むことによって組み立てられる。この組立には、焼き嵌めや、冷し嵌め、圧入などの組立方法が利用される。なお、典型的な繊維強化樹脂材料は熱膨張係数が小さいので、外周側スリーブ１６６を繊維強化樹脂材料で形成した場合には、冷し嵌めを利用することが好ましい。冷し嵌めを行う場合には、永久磁石１６２が取り付けられた内周側スリーブ１６４を冷却してその外寸法を小さくした状態で、外周側スリーブ１６６の内部に挿入する。

図５に示すように、ロータシャフト１５０は、磁石アッセンブリ１６０の内部に嵌め込まれる。このときのロータシャフト１５０と内周側スリーブ１６４の締め代は、室温における両者の寸法Ｄ１５０，Ｄ１６４（図４）の差の半分であり、（Ｄ１５０−Ｄ１６４）／２で与えられる。ロータシャフト１５０と磁石アッセンブリ１６０の組立には、焼き嵌めや、冷し嵌め、圧入等の組立方法が利用される。なお、前述したように、典型的な繊維強化樹脂材料は熱膨張係数が小さいので、外周側スリーブ１６６を繊維強化樹脂材料で形成した場合には、冷し嵌めを利用することが好ましい。冷し嵌めでは、ロータシャフト１５０を冷却してその外寸法Ｄ１５０を小さくした状態で、内周側スリーブ１６４の内部に挿入する。ロータシャフト１５０を内周側スリーブ１６４（すなわち、磁石アッセンブリ１６０）に挿入した後は、ロータシャフト１５０が室温になると、ロータシャフト１５０が熱膨張してその外寸法Ｄ１５０が内周側スリーブ１６４の内寸法Ｄ１６４よりも大きくなる。この結果、ロータシャフト１５０と磁石アッセンブリ１６０との間に、締め代に応じた応力が発生する。

図６は、組立後のロータシャフト１５０と磁石アッセンブリ１６０との間に働く力を示している。磁石アッセンブリ１６０は、ロータシャフト１５０によって外側に押し広げられた状態となる。ロータシャフト１５０と内周側スリーブ１６４の間には、締め代の大きさに応じた応力Ｆ１が発生する。この応力Ｆ１の一部は、内周側スリーブ１６４から永久磁石１６２に向けた外側向きの応力Ｆ２となる。また、外周側スリーブ１６６から永久磁石１６２に対しては、内側向きの応力Ｆ３が発生する。この結果、永久磁石１６２は、これらの応力Ｆ２，Ｆ３によって挟持される。本実施形態では、内周側スリーブ１６４の取付面１６５が平面になっているので、締め代により発生する応力Ｆ２，Ｆ３によって、永久磁石１６２に大きな曲げ応力が掛かることが無い。従って、ロータシャフト１５０と内周側スリーブ１６４の締め代を大きくした場合にも、永久磁石１６２に生じる曲げ応力を緩和することができ、永久磁石１６２の破損を抑制できる。

図７には、円筒状の内周側スリーブ１６４ｃを用いた比較例を示している。この比較例において、磁石アッセンブリ１６０ｃは、円筒状の内周側スリーブ１６４ｃと、円筒状の外周側スリーブ１６６ｃとの間に、複数の永久磁石１６２ｃを挟持した構造を有する。この磁石アッセンブリ１６０ｃの中に、円柱状のロータシャフト１５０ｃを嵌め込むと、磁石アッセンブリ１６０ｃは、ロータシャフト１５０ｃによって外側に押し広げられる。このとき、内周側スリーブ１６４ｃの外面と永久磁石１６２ｃの内面は何れも円筒形状を有しているので、磁石アッセンブリ１６０ｃが押し広げられると、内周側スリーブ１６４ｃの外面と永久磁石１６２ｃの内面との間に不整合が生じる。この結果、個々の永久磁石１６２ｃは、その両端点ＥＰ１，ＥＰ２において、内周側スリーブ１６４ｃと接した状態となる。一方、永久磁石１６２ｃの外周の中央には、外周側スリーブ１６６ｃから内側に応力ＦＴが働くので、この応力ＦＴによって永久磁石１６２の端点ＥＰ１，ＥＰ２の間に大きな曲げ応力が発生する。従って、ロータシャフト１５０ｃと内周側スリーブ１６４ｃの締め代を大きくした場合には、永久磁石１６２ｃに生じる曲げ応力が過大となって、永久磁石１６２が破損してしまう可能性がある。

一方、図６で説明したように、第１実施形態では、内周側スリーブ１６４の取付面１６５が平面になっているので、ロータシャフト１５０と内周側スリーブ１６４の締め代を大きくした場合にも、永久磁石１６２に生じる曲げ応力を緩和することができ、永久磁石１６２の破損を抑制できる。換言すれば、永久磁石１６２の破損を抑制しつつ、ロータシャフト１５０と内周側スリーブ１６４の締め代を大きくすることが可能である。このような効果を得るためには、内周側スリーブ１６４の取付面１６５が平面になっている必要は無いが、ロータシャフト１５０の中心軸Ｃに垂直な断面における内周側スリーブ１６４の各取付面１６５の形状が、中心軸Ｃを中心とする円弧と異なる形状を有するように構成されていることが好ましい。特に、第１実施形態では、内周側スリーブ１６４の取付面１６５が平面を含むように形成されているので、このような破損抑制効果を高めることができる。

なお、永久磁石１６２の破損抑制効果を更に高めるためには、更に、ロータシャフト１５０の中心軸Ｃに垂直な断面における内周側スリーブ１６４の内面１６４ｉの形状とロータシャフト１５０の外面１５０ｏの形状も、中心軸Ｃを中心とする円弧と異なる形状を有するように形成されていることが好ましい。特に、第１実施形態では、内周側スリーブ１６４の内面１６４ｉとロータシャフト１５０の外面１５０ｏがそれぞれ平面を含むように形成されているので、内周側スリーブ１６４の取付面１６５の平面度を上げることができ、上述した破損抑制効果を一層高めることが可能である。

Ｂ．第２実施形態：
図８に示すように、第２実施形態の電動モータは、ロータ１４０Ａの内周側スリーブ１６６Ａ及び永久磁石１６２Ａの構造が第１実施形態と異なり、他の構造は第１実施形態と同じである。なお、第１実施形態と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。

第２実施形態の内周側スリーブ１６４Ａは、ロータシャフト１５０の中心軸Ｃに垂直な断面において、永久磁石１６２Ａが取り付けられる取付面１６５Ａが、一つの平面でなく、ゼロで無い角度を成す２つの平面で形成された形状（山型形状）を有する。図８の例では、内周側スリーブ１６４Ａの外面１６４Ａｏの形状は、２Ｎ角形（Ｎ＝６）である。また、内周側スリーブ１６４Ａの内面１６４Ａｉの形状は、第１実施形態と同様に、正Ｎ角形（Ｎ＝６）である。永久磁石１６２Ａの内面１６２Ａｉは、取付面１６５Ａに整合する谷状の形状を有している。なお、永久磁石１６２Ａの外面１６２Ａｏは、第１実施形態と同様に、中心軸Ｃを中心とする円弧状の形状を有する。

このような内周側スリーブ１６４Ａの取付面１６５Ａの形状は、中心軸Ｃを中心とする円弧と異なる形状の一種である。また、この取付面１６５Ａは、平面を含む点でも第１実施形態の取付面１６５と共通する。このような取付面１６５Ａを有する内周側スリーブ１６４Ａを用いることによっても、第１実施形態と同様に、永久磁石１６２に生じる曲げ応力を緩和することができ、永久磁石１６２の破損を抑制できる。但し、第１実施形態のように、取付面１６５の全体が１つの平面で構成されている方が、永久磁石１６２に生じる曲げ応力をより緩和することができる点で好ましい。

なお、第２実施形態の取付面１６５Ａは、ロータシャフト１５０の中心軸Ｃを中心とする円弧よりも平坦な形状の一種である。ここで、「ロータシャフト１５０の中心軸Ｃを中心とする円弧よりも平坦な形状」か否かは、以下のように判定することができる。まず、取付面１６５Ａの中心点Ｐ１６５と、ロータシャフト１５０の中心軸Ｃを結ぶ線分ＣＬを想定し、また、取付面１６５Ａの中心点Ｐ１６５を通り線分ＣＬに垂直な直線ＴＬ１６５を想定する。そして、取付面１６５Ａ上の各点と直線ＴＬ１６５との間の距離（線分ＣＬの方向に測った距離）の絶対値の平均値（以下、「平均距離」と呼ぶ）を計算する。一方、ロータシャフト１５０の中心軸Ｃを中心とし、取付面１６５Ａの中心点Ｐ１６５を通る円弧を想定し、この円弧上の各点と直線ＴＬ１６５との間の平均距離を同様に計算する。この際、円弧の角度は、中心軸Ｃから１つの取付面１６５Ａを見込む角度（図８の例では６０度）と同一とする。なお、「取付面１６５Ａ上の各点」とは、図８において、取付面１６５Ａの線上に設定される複数の点のそれぞれを意味する。これらの複数の点の位置は、任意に設定可能であるが一定間隔で設定することが好ましい。「（中心点Ｐ１６５を通る）円弧上の各点」も同様である。このように計算された２つの平均距離のうち、取付面１６５Ａに関して得られた平均距離の方が小さい場合には、取付面１６５Ａが、ロータシャフト１５０の中心軸Ｃを中心とする円弧よりも平坦な形状を有するものと判定できる。

以上のように、第２実施形態においても、ロータシャフト１５０の中心軸Ｃに垂直な断面における内周側スリーブ１６４Ａの各取付面１６５Ａの形状が、中心軸Ｃを中心とする円弧と異なる形状を有するように構成されているので、永久磁石１６２Ａに生じる曲げ応力を緩和することができ、永久磁石１６２Ａの破損を抑制できる。

なお、図８の断面において、取付面１６５Ａは、その中心点Ｐ１６５を中心として左右対称の形状を有する。この点は、第１実施形態の取付面１６５も同様である。このように、取付面は、その中心点を中心として左右対称（すなわち、線分ＣＬに対して鏡面対称）の形状を有することが好ましい。

Ｃ．変形例
本発明は上述した実施形態やその変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

（１）上記各実施形態では、内周側スリーブの取付面１６５，１６５Ａは、平面を含む形状としたが、平面を含まない形状としてもよい。例えば、凸面や凹面等の曲面のみで取付面を構成してもよい。但し、取付面が平面を含む形状である場合には、取付面が平面を含まない場合に比べて永久磁石１６２に生じる曲げ応力を緩和する効果が大きい点で好ましい。

本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１００…電動モータ、１１０…モータケース、１２０…ステータ、１２４…電磁コイル、１４０，１４０Ａ…ロータ、１５０，１５０ｃ…ロータシャフト、１５０ｏ…ロータシャフトの外面、１５２…磁石設置部、１５４…円柱部、１６０，１６０ｃ…磁石アッセンブリ、１６２，１６２Ａ，１６２ｃ…永久磁石、１６２ｉ，１６２Ａｉ…永久磁石の内面、１６２ｏ…永久磁石の外面、１６４，１６４Ａ，１６４ｃ…内周側スリーブ、１６４ｏ，１６４Ａｏ…内周側スリーブの外面、１６４ｉ，１６４Ａｉ…内周側スリーブの内面、１６５，１６５Ａ…内周側スリーブの取付面、１６６，１６６ｃ…外周側スリーブ、１６６ｏ…外周側スリーブの外面、１７０…軸受け

Claims

ステータ（１２０）とロータ（１４０，１４０Ａ）とを備えた電動モータ（１００）であって、
前記ロータは、
ロータシャフト（１５０）と、
前記ロータシャフトの外周側に設けられたＮ個（Ｎは４以上の偶数）の永久磁石（１６２，１６２Ａ）と、
前記Ｎ個の永久磁石の内周に設けられた内周側スリーブ（１６４，１６４Ａ）と、
前記Ｎ個の永久磁石の外周に設けられた外周側スリーブ（１６６）と、
を備え、
前記内周側スリーブは、前記Ｎ個の永久磁石が取り付けられるＮ個の取付面（１６５，１６５Ａ）を有し、前記ロータシャフトの中心軸（Ｃ）に垂直な断面における各取付面の形状が、前記中心軸を中心とする円弧と異なる形状を有するように構成されており、
前記ロータシャフトの中心軸に垂直な断面における前記内周側スリーブの内面（１６４ｉ）の形状と前記ロータシャフトの外面（１５０ｏ）の形状が、前記中心軸を中心とする円弧と異なる形状をそれぞれ有する、電動モータ。
請求項１に記載の電動モータにおいて、
前記ロータシャフトの中心軸に垂直な断面における各取付面の形状が、前記中心軸を中心とする円弧よりも平坦な形状を有する、電動モータ。
請求項１又は２に記載の電動モータにおいて、
前記取付面（１６５，１６５Ａ）は、平面を含む、電動モータ。
請求項３に記載の電動モータにおいて、
前記ロータシャフトの中心軸に垂直な断面における前記内周側スリーブの外面（１６４ｏ，１６４Ａｏ）の形状が、正多角形である、電動モータ。
請求項１に記載の電動モータにおいて、
前記内周側スリーブの内面と前記ロータシャフトの外面が、それぞれ平面を含む、電動モータ。