JP7205171B2 - 回転機のロータ - Google Patents

Description

本発明は、回転機のロータに関する。

従来より、回転機として、インナーロータ型モータの一種であり、ロータ内部に永久磁石が埋め込まれたＩＰＭモータが知られている。たとえば下記特許文献１には、ロータに設けられた磁石用孔に永久磁石を収容するとともに永久磁石の周囲を熱伝導性に優れた接着材で充たして、永久磁石の冷却性を高める技術が開示されている。

特開２００６－２１４４号公報

ＩＰＭモータのステータは、駆動中におけるコイルの銅損やステータの鉄損により発熱してロータよりも高温になり、ステータにおいて生じた熱がロータに伝わりやすい。永久磁石の周囲が熱伝導性に優れた接着材で充たされている場合には、ステータの熱が高い効率でロータの磁石用孔に収容された永久磁石に伝わり、温度上昇により永久磁石の磁力が低下する現象（熱減磁）が生じやすくなる。

本発明は、永久磁石の熱減磁の抑制が図られた回転機のロータを提供することを目的とする。

本発明の一形態に係る回転機のロータは、シャフトと該シャフトを囲むように複数の永久磁石が取り付けられるロータコアとを有するロータと、該ロータの外周に配置された複数のコイルを有するステータとを備える回転機のロータであって、シャフトに対して直交する断面において、ロータの径方向に沿う方向において互いに対向する第１内側面および第２内側面を有し、第１内側面がロータの径方向内側に位置するとともに第２内側面がロータの径方向外側に位置する、磁石用孔と、磁石用孔の第１内側面と第２内側面との間に収容され、第１内側面に対向する第１面および第２内側面に対向する第２面を有する永久磁石と、永久磁石の第１面と磁石用孔の第１内側面との間に位置する第１の熱伝導層と、永久磁石の第２面と磁石用孔の第２内側面との間に位置し、かつ、第１の熱伝導層の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する第２の熱伝導層とを備える。

上記回転機のロータにおいては、永久磁石の第２面と磁石用孔の第２内側面との間（すなわち永久磁石のステータ側）に位置する第２の熱伝導層が、永久磁石の第１面と磁石用孔の第１内側面との間（すなわち永久磁石のシャフト側）に位置する第１の熱伝導層の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有するため、ステータにおいて生じた熱がロータに伝わったときであってもロータコアから永久磁石への伝熱が抑制される。したがって、上記回転機のロータでは、永久磁石の温度上昇を抑制することができ、温度上昇に伴う永久磁石の熱減磁のリスクを抑制することができる。

他の形態に係る回転機のロータにおいては、第１の熱伝導層がフィラーを含む樹脂で構成され、かつ、第２の熱伝導層がフィラーを含まない樹脂で構成されている。

他の形態に係る回転機のロータにおいては、第１の熱伝導層がフィラーを含む樹脂で構成され、かつ、第２の熱伝導層が複数の空孔を含む樹脂で構成されている。

他の形態に係る回転機のロータにおいては、第１の熱伝導層がフィラーを含む樹脂で構成され、かつ、第２の熱伝導層が空気層である。

他の形態に係る回転機のロータにおいては、第１の熱伝導層が樹脂で構成され、かつ、第２の熱伝導層が複数の空孔を含む樹脂で構成されている。

他の形態に係る回転機のロータにおいては、第１の熱伝導層が樹脂で構成され、かつ、第２の熱伝導層が空気層である。

他の形態に係る回転機のロータにおいては、第１の熱伝導層が複数の空孔を含む樹脂で構成され、かつ、第２の熱伝導層が空気層である。

他の形態に係る回転機のロータにおいては、永久磁石が複数の磁石片が積層された積層構造を有し、隣り合う磁石片の間に介在する第３の熱伝導層をさらに備える。

他の形態に係る回転機のロータにおいては、磁石用孔の第２内側面と永久磁石の第２面とが第２の熱伝導層を介して接する第２の領域の面積が、磁石用孔の第１内側面と永久磁石の第１面とが第１の熱伝導層を介して接する第１の領域の面積より狭い。

本発明によれば、永久磁石の熱減磁の抑制が図られた回転機のロータが提供される。

本発明の一実施形態に係るＩＰＭモータを示した概略断面図である。 図１に示したロータの要部拡大図である。 図２に示したロータにおける磁石配置の一態様を示した図である。 異なる態様の磁石配置を示した図である。 異なる態様の磁石配置を示した図である。 異なる態様の磁石配置を示した図である。 異なる態様の磁石配置を示した図である。 異なる態様の磁石配置を示した図である。 異なる態様の磁石配置を示した図である。 異なる態様の磁石配置を示した図である。 異なる態様の磁石配置を示した図である。

以下、図面を参照して種々の実施形態および実施例について説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１に、実施形態に係る回転機であるＩＰＭモータ１を示す。図１では、ＩＰＭモータ１の回転軸Ｐに直交する断面を示している。ＩＰＭモータ１は、ロータ１０とステータ２０とを有し、ステータ２０の内側にロータ１０が位置するインナーロータ型のモータである。ＩＰＭモータ１は、本実施形態では４極２４スロットの構成を有する。

ロータ１０は、シャフト１２とロータコア１４とを備えて構成されている。

シャフト１２は、円柱状の形状を有し、図１の紙面に垂直な方向に延びている。シャフト１２は、たとえばステンレス等によって構成されている。シャフト１２は、ロータコア１４から露出する放熱部分（たとえば端部）を有しており、放熱部分から絶えず熱を放出することができる構成を有している。

ロータコア１４は、円筒状の形状を有し、内側に軸孔１４ａを有する。シャフト１２は、ロータコア１４の軸孔１４ａに嵌め込まれており、ロータコア１４とシャフト１２とは回転軸Ｐ周りに一体的に回転する。ロータコア１４は、たとえば積層鋼板によって構成されている。

ロータコア１４は、複数（本実施形態では４つ）の磁石用孔１６を有する。磁石用孔１６は、回転軸Ｐに関して均等な角度間隔（本実施形態では９０度間隔）で配置されている。各磁石用孔１６は、図１および図２に示す断面において、ロータ１０の回転軸Ｐを通る直線Ｌの方向（すなわちロータ１０の径方向）に対して直交する磁石収容部１７を有し、直線Ｌに対して線対称の形状を有する。図１および図２に示す断面において、磁石収容部１７は実質的に均一な幅を有しており、磁石収容部１７では磁石用孔１６の内側面１６ａ、１６ｂが直線Ｌの延在方向において対面している。以下、説明の便宜上、磁石収容部１７における磁石用孔１６の内側面１６ａ、１６ｂのうち、ロータ１０の径方向内側（すなわちシャフト１２側）の内側面を第１内側面１６ａと称し、ロータ１０の径方向外側（すなわちステータ２０側）の内側面を第２内側面１６ｂと称す。

各磁石用孔１６の磁石収容部１７には永久磁石３０が収容されている。本実施形態では、永久磁石３０はネオジム磁石等の希土類磁石である。また、本実施形態では、永久磁石３０は直方体形状を有する。永久磁石３０は、磁石用孔１６の第１内側面１６ａに対面する第１面３０ａおよび第２内側面１６ｂに対面する第２面３０ｂを有する。第１面３０ａおよび第２面３０ｂはいずれも、平滑面であり、ロータコア１４には直接接していない。永久磁石３０は、一つの磁石体であってもよく、図２の破線で示したような複数の磁石片３２が磁石収容部１７の延在方向に沿って積層された磁石体であってもよい。永久磁石３０の寸法は磁石収容部１７の寸法よりわずかに小さく設計され得る。永久磁石３０の寸法が磁石収容部１７の寸法に比べて顕著に小さい場合には磁石収容部１７内における磁石占有率が低下し、永久磁石３０の寸法が磁石収容部１７の寸法と同一である場合には永久磁石３０を磁石用孔１６に収容するときの作業性が低下する。

ステータ２０は、ロータ１０の外周を囲むように設けられた円筒状部材である。ステータ２０の内周側には、複数（本実施形態では２４個）のコイル２２が配置されている。複数のコイル２２は、回転軸Ｐに関して均等な角度間隔（本実施形態では１５度間隔）で配置されている。図示しないインバータ回路等から複数のコイル２２に交流電圧が印加されると、ステータ２０の内周側に回転磁界が発生する。

次に、ロータコア１４の磁石用孔１６内における永久磁石３０の配置について、図３を参照しつつ説明する。

図３に示すように、永久磁石３０の第１面３０ａと磁石用孔１６の第１内側面１６ａとの間に、第１の熱伝導層４１が位置している。第１の熱伝導層４１は、たとえばフィラー含有樹脂によって構成されている。フィラー含有樹脂は、たとえばエポキシ樹脂等の樹脂に、アルミナや窒化アルミ等のフィラーが分散された構成を有する。フィラーは、永久磁石３０の第１面３０ａと磁石用孔１６の第１内側面１６ａとの対面方向に配向され得る。第１の熱伝導層４１は、たとえば第１面３０ａにフィラー含有樹脂が塗布された永久磁石３０を磁石用孔１６に入れて、永久磁石３０の第１面３０ａと磁石用孔１６の第１内側面１６ａとの間をフィラー含有樹脂で充たし、必要に応じて硬化処理することで形成される。

また、永久磁石３０の第２面３０ｂと磁石用孔１６の第２内側面１６ｂとの間に、第２の熱伝導層４２が位置している。第２の熱伝導層４２は、たとえばエポキシ樹脂等の樹脂で構成されており、上記フィラーを含まない。第２の熱伝導層４２は、たとえば第２面３０ｂに樹脂が塗布された永久磁石３０を磁石用孔１６に入れて、永久磁石３０の第２面３０ｂと磁石用孔１６の第２内側面１６ｂとの間を樹脂で充たし、必要に応じて硬化処理することで形成される。

第１の熱伝導層４１は、高い熱伝導率を有するフィラーを含むため、第１の熱伝導層４１および第２の熱伝導層４２の樹脂成分がたとえ同一であっても、第１の熱伝導層４１全体としては第２の熱伝導層４２の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する。すなわち、永久磁石３０の第１面３０ａ側に、熱伝導率が相対的に高い第１の熱伝導層４１が位置しており、永久磁石３０の第２面３０ｂ側に、熱伝導率が相対的に低い第２の熱伝導層４２が位置している。

続いて、ＩＰＭモータ１の駆動時における発熱および伝熱について説明する。

ＩＰＭモータ１を駆動するときは、ステータ２０のコイル２２に交流電圧を印加して、ステータ２０の内周側に回転磁界を発生させる。すると、ロータ１０に埋め込まれた各永久磁石３０が回転磁界に引っ張られて、その磁気吸引力によってロータ１０が回転軸Ｐ周りに回転する。このとき、コイル２２への交流電圧の印加により、コイル２２には巻線抵抗による発熱が生じ、ステータ２０の温度が高くなる。

一方、ロータ１０は、コイル２２が設けられておらず、かつ、シャフト１２が放熱できる構成を有するため、ロータ１０の温度はステータ２０の温度よりも低い。そのため、ステータ２０の熱の少なくとも一部がロータ１０に伝わる。ステータ２０の熱は、ロータコア１４の外周側から内周側に向かい、さらにシャフト１２に向かう。

このとき、永久磁石３０のステータ２０側（すなわち第２面３０ｂ側）には、熱伝導率が低い第２の熱伝導層４２が位置しているため、第２の熱伝導層４２によりロータコア１４から永久磁石３０への伝熱が抑制される。

一方、永久磁石３０のシャフト１２側（すなわち第１面３０ａ側）には、熱伝導率が高い第１の熱伝導層４１が位置しているため、ロータコア１４から永久磁石３０に伝わった熱は、永久磁石３０のシャフト１２側から放熱される。

すなわち、上述したロータ１０では、ステータ２０からの熱が永久磁石３０に伝わりづらく、かつ、永久磁石３０の熱が放出されやすい構成となっており、永久磁石３０の温度上昇が抑制されている。

もし仮に、第１の熱伝導層４１の熱伝導率と第２の熱伝導層４２の熱伝導率とが同程度に高い場合（たとえば、第１の熱伝導層４１および第２の熱伝導層４２のいずれもフィラー含有樹脂で構成されている場合）、ステータ２０側からの熱が第２の熱伝導層４２を介して高い効率で永久磁石３０に伝わるため、永久磁石３０の温度上昇を十分に抑制することは困難である。

上述したロータ１０では、第１の熱伝導層４１および第２の熱伝導層４２により永久磁石３０の伝熱が抑制されることで、温度上昇に伴う永久磁石３０の熱減磁が抑制されている。特に、永久磁石３０がネオジム磁石である場合には熱減磁が生じやすいため、第１の熱伝導層４１および第２の熱伝導層４２による永久磁石３０の温度上昇の抑制が有効である。

なお、第１の熱伝導層４１および第２の熱伝導層４２は、第２の熱伝導層４２の熱伝導率が第１の熱伝導層４１の熱伝導率よりも低い関係となっていれば、上述した態様に限らない。

たとえば、第１の熱伝導層４１の構成材料と第２の熱伝導層４２の構成材料との組み合わせは、樹脂とフィラー含有樹脂との組み合わせに限らず、様々な組み合わせが可能である。微細な複数の空孔を含む発泡樹脂は、空孔を含まない非発泡性の樹脂に比べて低い熱伝導率を有するため、第２の熱伝導層４２の構成材料として有用である。すなわち、第１の熱伝導層４１が空孔を含まない非発泡性の樹脂またはフィラー含有樹脂で構成し、第２の熱伝導層４２を発泡樹脂で構成することで、第２の熱伝導層４２の熱伝導率が第１の熱伝導層４１の熱伝導率よりも低くなる。

また、永久磁石３０の第１面３０ａおよび第２面３０ｂは、平滑面ではなく、図４に示すように所定の表面粗さを有していてもよい。この場合、第１面３０ａの表面粗さと第２面３０ｂの表面粗さとは、同じであってもよく異なっていてもよい。また、第１面３０ａおよび第２面３０ｂの少なくとも一方が、部分的にロータコア１４に直接接していてもよい。永久磁石３０とロータコア１４とが直接する部分では伝熱性が高くなるため、たとえば第１面３０ａがロータコア１４に直接接するように永久磁石３０を配置することで、永久磁石３０のシャフト１２側への放熱性が高めることができる。第１面３０ａおよび第２面３０ｂの両方が部分的にロータコア１４に直接接している場合には、第１面３０ａがロータコア１４に直接接する総面積を第２面３０ｂがロータコア１４に直接接する総面積より大きくすることで、ステータ２０側からの吸熱よりもシャフト１２側への放熱のほうが優勢となるため、永久磁石３０の温度上昇を効果的に抑制することができる。

また、永久磁石３０が、複数の磁石片３２が積層された積層構造を有する場合、図５に示すように、積層方向において隣り合う磁石片３２の間に第３の熱伝導層４３を介在させてもよい。第３の熱伝導層４３は、たとえばエポキシ樹脂等の樹脂で構成することができ、高い熱伝導率を得るためにフィラー含有樹脂で構成することもできる。第３の熱伝導層４３の熱伝導率は、第２の熱伝導層４２の熱伝導率と同じであってもよく、第２の熱伝導層４２の熱伝導率より高くてもよい。第３の熱伝導層４３の熱伝導率が第１の熱伝導層４１の熱伝導率と同程度に高い場合には、永久磁石３０の熱を第３の熱伝導層４３を介してシャフト１２側から放出することができる。さらに、図６に示すように、永久磁石３０が略台形状の断面を有し、磁石用孔１６の第２内側面１６ｂと永久磁石３０の第２面３０ｂとが第２の熱伝導層４２を介して接する第２の領域Ａ２の面積が、磁石用孔１６の第１内側面１６ａと永久磁石３０の第１面３０ａとが第１の熱伝導層４１を介して接する第１の領域Ａ１の面積より狭くなっていてもよい。この場合、ステータ２０側からの吸熱よりもシャフト１２側への放熱のほうがより優勢となるため、永久磁石３０の温度上昇をより効果的に抑制することができる。なお、磁石用孔１６の第２内側面１６ｂと永久磁石３０との間に空隙が形成されていてもよい。

永久磁石３０は、図７に示すように、複数の磁石片３２がロータ１０の径方向に沿って積層された磁石体であってもよい。このとき、積層方向において隣り合う磁石片３２の間に第３の熱伝導層４３を介在させてもよい。また、積層方向において隣り合う磁石片３２において、下段の磁石片３２の幅寸法が上段の磁石片３２の幅寸法より狭くなっていてもよい。この場合、永久磁石３０は略台形状の断面を有し、磁石用孔１６の第２内側面１６ｂと永久磁石３０の第２面３０ｂとが第２の熱伝導層４２を介して接する第２の領域Ａ２の面積が、磁石用孔１６の第１内側面１６ａと永久磁石３０の第１面３０ａとが第１の熱伝導層４１を介して接する第１の領域Ａ１の面積より狭くなる。それにより、ステータ２０側からの吸熱よりもシャフト１２側への放熱のほうがより優勢となり、永久磁石３０の温度上昇をより効果的に抑制することができる。なお、磁石用孔１６の第２内側面１６ｂと永久磁石３０との間には空隙が形成されていてもよい。

図８に示すように、磁石用孔１６の第２内側面１６ｂが部分的に突出する態様でも、磁石用孔１６の第２内側面１６ｂと永久磁石３０の第２面３０ｂとが第２の熱伝導層４２を介して接する第２の領域Ａ２の面積が、磁石用孔１６の第１内側面１６ａと永久磁石３０の第１面３０ａとが第１の熱伝導層４１を介して接する第１の領域Ａ１の面積より狭くなる。それにより、ステータ２０側からの吸熱よりもシャフト１２側への放熱のほうがより優勢となり、永久磁石３０の温度上昇をより効果的に抑制することができる。

さらに、第２の熱伝導層４２は、図９に示すように、空気層４２Ａであってもよい。この場合、永久磁石３０の第２面３０ｂと磁石用孔１６の第２内側面１６ｂとの間には介在物が存在しない。空気層４２Ａの熱伝導率は極めて低く、空気層４２Ａの高い断熱性により、ステータ２０側からの伝熱を効果的に抑制することができる。第２の熱伝導層４２が空気層４２Ａである場合には、第１の熱伝導層４１を樹脂、フィラー含有樹脂および発泡樹脂のいずれで構成しても、第２の熱伝導層４２の熱伝導率が第１の熱伝導層４１の熱伝導率よりも低くなる。

なお、永久磁石３０の磁石用孔１６内における位置安定性を高めるために、図１０に示すように、永久磁石３０の第２面３０ｂの一部がロータコア１４に直接接するように永久磁石３０を配置してもよい。図１０に示した態様では、永久磁石３０は第２面３０ｂが第２内側面１６ｂに向かって凸となる形状（弓なり）を有している。図１１に示した態様では、永久磁石３０は、第２面３０ｂが第２内側面１６ｂに向かって凸となり、かつ、第１面３０ａも第２内側面１６ｂに向かって凸となるＵ字状断面（馬蹄形断面）を有している。この場合、磁石用孔１６の第１内側面１６ａと永久磁石３０の第１面３０ａとが第１の熱伝導層４１を介して接する領域の面積の拡大が図られ、シャフト１２側への放熱がより優勢になる。

本発明に係るロータは、上述した実施形態に限らず、様々に変形することができる。

たとえば、回転機は、ＩＰＭモータ等のモータであり、モータの極数やスロット数は、適宜増減することができる。

永久磁石は、シャフトに対して直交する断面において、ロータの径方向に対して交差する方向に延びていればよく、必ずしもロータの径方向に対して直交する方向に延びる必要はない。また、シャフトに対して直交する断面における永久磁石の断面形状は、直線状に限らず、凸状または凹状であってもよい。

１…ＩＰＭモータ、１０…ロータ、１２…シャフト、１４…ロータコア、１６…磁石用孔、１６ａ…第１内側面、１６ｂ…第２内側面、２０…ステータ、２２…コイル、３０…永久磁石、３０ａ…第１面、３０ｂ…第２面、４１…第１の熱伝導層、４２…第２の熱伝導層、４２Ａ…空気層、４３…第３の熱伝導層。

Claims (4)

1. シャフトと該シャフトを囲むように複数の永久磁石が取り付けられるロータコアとを有するロータと、該ロータの外周に配置された複数のコイルを有するステータとを備える回転機のロータであって、
   前記ロータのシャフトに対して直交する断面において、
   前記ロータの径方向に沿う方向において互いに対向する第１内側面および第２内側面を有し、前記第１内側面が前記ロータの径方向内側に位置するとともに前記第２内側面が前記ロータの径方向外側に位置する、磁石用孔と、
   前記磁石用孔の前記第１内側面と前記第２内側面との間に収容され、前記第１内側面に対向する第１面および前記第２内側面に対向する第２面を有する永久磁石と、
   前記永久磁石の前記第１面と前記磁石用孔の前記第１内側面との間に位置し、樹脂で構成された第１の熱伝導層と、
   前記永久磁石の前記第２面と前記磁石用孔の前記第２内側面との間に位置し、かつ、前記第１の熱伝導層を構成する樹脂の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する樹脂で構成された第２の熱伝導層と
   を備え、
   前記第１の熱伝導層を構成する樹脂がフィラーを含み、かつ、前記第２の熱伝導層を構成する樹脂がフィラーを含まない、回転機のロータ。
2. シャフトと該シャフトを囲むように複数の永久磁石が取り付けられるロータコアとを有するロータと、該ロータの外周に配置された複数のコイルを有するステータとを備える回転機のロータであって、
   前記ロータのシャフトに対して直交する断面において、
   前記ロータの径方向に沿う方向において互いに対向する第１内側面および第２内側面を有し、前記第１内側面が前記ロータの径方向内側に位置するとともに前記第２内側面が前記ロータの径方向外側に位置する、磁石用孔と、
   前記磁石用孔の前記第１内側面と前記第２内側面との間に収容され、前記第１内側面に対向する第１面および前記第２内側面に対向する第２面を有する永久磁石と、
   前記永久磁石の前記第１面と前記磁石用孔の前記第１内側面との間に位置し、樹脂で構成された第１の熱伝導層と、
   前記永久磁石の前記第２面と前記磁石用孔の前記第２内側面との間に位置し、かつ、前記第１の熱伝導層を構成する樹脂の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する樹脂で構成された第２の熱伝導層と
   を備え、
   前記第１の熱伝導層を構成する樹脂がフィラーを含み、かつ、前記第２の熱伝導層を構成する樹脂が複数の空孔を含む、回転機のロータ。
3. 前記永久磁石が複数の磁石片が積層された積層構造を有し、
   隣り合う前記磁石片の間に介在する第３の熱伝導層をさらに備える、請求項１または２に記載の回転機のロータ。
4. 前記磁石用孔の前記第２内側面と前記永久磁石の前記第２面とが前記第２の熱伝導層を介して接する第２の領域の面積が、前記磁石用孔の前記第１内側面と前記永久磁石の前記第１面とが前記第１の熱伝導層を介して接する第１の領域の面積より狭い、請求項１～３のいずれか一項に記載の回転機のロータ。

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