JP7266180B2

JP7266180B2 - ロータ及びそれを備えたモータ

Info

Publication number: JP7266180B2
Application number: JP2019092466A
Authority: JP
Inventors: 尚人宮脇; 猛前川; 康司鎌田
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2019-05-15
Filing date: 2019-05-15
Publication date: 2023-04-28
Anticipated expiration: 2039-05-15
Also published as: EP3972089A4; US20220255380A1; CN113812064A; EP3972089A1; WO2020230507A1; JP2020188611A

Description

本発明は、ロータ及びそれを備えたモータに関する。

従来、モータの応答性向上が求められており、これに対応した技術が種々提案されている。

例えば、特許文献１～３には、ロータバックヨークに肉抜き構造を設けることにより、ロータバックヨークの質量及びロータのイナーシャを低減して、モータの応答性を向上させる構成が提案されている。

特開２００７－１４１７８号公報特許第３６７７７５２号公報特許第６０２２０７７号公報

ところで、近年、車両のブレーキ制御等の用途において、モータの応答性をさらに向上させる要請が高まってきており、これに応じてロータのイナーシャをさらに低減させる必要が生じてきている。

本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、その目的は、イナーシャが低減されたロータ及びそれを備えたモータを提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明に係るロータは、所定の軸線回りに回転可能に設けられたシャフトと、軸心に貫通孔を有し、前記シャフトが前記貫通孔に挿通されて前記シャフトに回転一体に連結されたロータバックヨークと、前記ロータバックヨークの外周面に固着され、前記ロータバックヨークの外周方向である周方向に沿って互いに異なる極性の磁極が交互に配置された磁石と、を備えたロータであって、前記ロータバックヨークは、その内周面から前記ロータバックヨークの半径方向である径方向の外側に向かって延びるように、かつ前記周方向に所定の間隔をあけて設けられた複数の第１切り欠き部を有し、前記複数の第１切り欠き部のそれぞれは、前記軸線と平行な方向に沿って前記ロータバックヨークの一端面から該一端面と対向する他端面まで延び、前記軸線と平行な方向から見て、前記ロータバックヨークの軸心と前記磁極の中心とを通る仮想線上に前記第１切り欠き部が設けられていることを特徴とする。

この構成によれば、ロータバックヨークの質量を低減して、ロータのイナーシャを低減できる。

本発明に係るモータは、前記ロータと、前記ロータバックヨークと前記径方向の外側に所定の間隔をあけて設けられたステータと、を少なくとも備えたことを特徴とする。

この構成によれば、ロータバックヨークの質量、ひいてはロータのイナーシャが低減できるため、高い応答性を有するモータを実現することができる。

本発明のロータによれば、ロータバックヨークの質量を低減して、ロータのイナーシャを低減できる。また、本発明のモータによれば、高い応答性を有するモータを実現することができる。

本発明の実施形態１に係るモータの断面模式図である。ロータの断面模式図である。ロータ及びステータでの磁束の流れを示す断面模式図である。変形例に係るロータバックヨークの部分斜視図である。本発明の実施形態２に係るロータの断面模式図である。別のロータの断面模式図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。

（実施形態）
［モータの構成］
図１は、本実施形態に係るモータの断面模式図をそれぞれ示す。なお、図１は、モータ１００の構造を模式的に図示しているものであって、実際の形状や寸法とは異なっている。

図１に示すように、モータ１００は、モータケース１０とブラケット２０とロータ３０とステータ８０と軸受９１，９２とを備えている。なお、以降の説明において、ロータ３０の半径方向を径方向と、ロータ３０の外周方向を周方向と、ロータ３０に設けられたシャフト５０の延びる方向を軸方向と、それぞれ呼ぶことがある。また、軸方向に延びるシャフト５０の中心線を回転軸線または単に軸線と呼ぶことがある。軸方向は軸線と平行な方向に相当する。また、径方向において、ロータバックヨーク４０の軸心側を径方向内側または単に内側と呼び、ステータ８０が配設された側を径方向外側または単に外側と呼ぶことがある。

モータケース１０は、両端が開口された有底筒状の金属部材であり、内部にロータ３０とステータ８０とが収容され、モータケース１０の開口をそれぞれ覆うようにブラケット２０が設けられている。

ロータ３０は、モータケース１０の内部に収容されており、ロータバックヨーク４０にシャフト５０が挿通されている。また、ロータバックヨーク４０には、その外周面に周方向に沿って複数の磁石６０が配置されており、互いに隣り合う磁石６０は磁極の極性が異なっている。シャフト５０の一方の端部は、ブラケット２０を貫通して、モータケース１０の外部に突出するように設けられている。ロータ３０及びロータ３０の各部品の構造等については後で詳述する。

ステータ８０は、モータケース１０の内部に収容され、かつロータ３０の径方向外側にロータ３０と所定の間隔をあけて設けられている。ステータ８０は、モータケース１０の内周面に固定されたヨーク８１と、ヨーク８１の周方向に沿って所定の間隔をあけて設けられた複数の突極８２（図３参照）と、複数の突極８２のそれぞれに巻回された複数のコイル８３とで構成されている。

軸受９１，９２はモータケース１０の内部にそれぞれ取付けられ、シャフト５０を回転軸線回りに回転可能に支持している。

以上説明したように、図１に示すモータ１００は磁石６０がロータバックヨーク４０の外周面に配置された、いわゆるＳＰＭ（Surface Permanent Magnet）モータである、
モータ１００は、以下のように動作する。図示しない電源接続部を通じて、互いに電気角で１２０°の位相差を有する３相の電流がそれぞれ複数のコイル８３に供給されてステータ８０が励磁され、回転磁界が発生する。この回転磁界と、ロータ３０に設けられた磁石６０が発生する磁界とが相互作用して、ロータ３０に回転トルクが発生し、シャフト５０が軸受９１，９２に支持されて回転軸線回りに回転する。

［ロータの構成］
図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線での断面模式図を示し、軸方向と直交する断面でのロータの模式図に相当する。また、図３は、ロータ及びステータにおける磁束の流れを模式的に示し、（ａ）図は、比較のためのロータ３０及びステータ８０を、（ｂ）図は、本実施形態に係るロータ３０及びステータ８０をそれぞれ示している。なお、図３は、図２と同様に軸方向と直交する断面を示している。また、説明を分かりやすくするために、図３においてシャフト５０の図示を省略している。

図２に示すように、ロータ３０はシャフト５０とロータバックヨーク４０と複数の磁石６０とを有しており、シャフト５０は回転軸線回りに回転可能に設けられた、いわゆる中空シャフトである。

ロータバックヨーク４０は、軸心に貫通孔４２を有し、シャフト５０が貫通孔４２に挿通されてシャフト５０に回転一体に連結されている。ロータバックヨーク４０は、環状に形成された所定形状の複数の電磁鋼板を軸方向に積層して構成される。また、ロータバックヨーク４０は、その内周面から径方向外側に向かって延びるように、かつ周方向に所定の間隔をあけて設けられた複数の第１切り欠き部４１を有している。なお、ロータバックヨーク４０の貫通孔４２にシャフト５０に圧入されることで、ロータバックヨーク４０はシャフト５０に回転一体に連結される。

軸方向から見て、回転軸線と磁石６０の中心、つまり磁極の中心とを通る仮想線上に第１切り欠き部４１が設けられている。また、複数の第１切り欠き部４１のそれぞれは、軸方向に沿ってロータバックヨーク４０の一端面からこれと対向する他端面まで延びて設けられている。

なお、ロータバックヨーク４０は、所定の形状を有する複数の電磁鋼板（図示せず）が軸方向に積層された複数の分割バックヨーク４４（図４参照）を周方向に接続することで構成されている。また、複数の磁石６０はそれぞれ、周方向に所定の間隔をあけてロータバックヨーク４０の外周面に配置されるとともに、樹脂モールド部７０に覆われて、当該外周面に固着されている。

このように構成されたロータ３０を有するモータ１００において、ステータ８０に設けられた所定のコイル８３に電流を流すと、図３に示すように、ステータ８０及びロータ３０のそれぞれに磁束が流れる。このとき、図３の（ａ）図に示すように、互いに隣り合う磁石６０の間に位置するロータバックヨーク４０では、磁束密度が高くなる一方、ロータバックヨーク４０の軸心と磁石６０の中心（磁極の中心）とを通る仮想線上では磁束密度が低くなっている。従って、前述したように、回転軸線と磁石６０の中心（磁極の中心）とを通る仮想線上に第１切り欠き部４１を設けることで、図３の（ｂ）図に示すように、磁石６０と接するロータバックヨーク４０の外周部４０ａ（図４参照）には磁束の飽和を生じない磁路が形成される。

このようにすることで、本実施形態のモータ１００は、図３の（ａ）図に示すロータ３０を有するモータ１００とトルクがほぼ同じとなった。

［効果等］
以上説明したように、本実施形態に係るロータ３０は、回転軸線（軸線）回りに回転可能に設けられたシャフト５０と、軸心に貫通孔４２を有し、シャフト５０が貫通孔４２に挿通されてシャフト５０に回転一体に連結されたロータバックヨーク４０と、ロータバックヨーク４０の外周面に固着され周方向に沿って互いに異なる極性の磁極が交互に配置された磁石６０と、を備えている。

ロータバックヨーク４０は、その内周面から径方向外側に向かって延びるように、かつ周方向に所定の間隔をあけて設けられた複数の第１切り欠き部４１を有している。複数の第１切り欠き部４１のそれぞれは、軸方向に沿ってロータバックヨーク４０の一端面からこれと対向する他端面まで延びている。

ロータ３０をこのように構成することで、ロータバックヨーク４０の質量を低減して、ロータ３０のイナーシャを低減できる。このことにより、モータ１００の応答性を高めることができる。特に、ブレーキ制御に用いられるモータ１００において、速度－トルク（Ｓ－Ｔ）特性の全域に亘って、モータ１００の応答性を高める必要があるが、本実施形態によれば、この要求を満足することができる。

また、ロータ３０のイナーシャを低減するために、ロータバックヨーク４０の外径とシャフト５０の直径とが近くなるようにロータ３０の設計がなされる場合がある。しかし、このような場合、特許文献１～３に開示された従来の構成では、シャフト５０を囲むようにロータバックヨーク４０を残す必要があり、肉抜き部を大きくすることが難しく、ロータバックヨーク４０の質量を十分に低減できなかった。

一方、本実施形態によれば、シャフト５０の内周面に到達するように第１切り欠き部４１を設けることで、ロータバックヨーク４０の質量を容易に低減することができる。また、外周部４０ａを残しつつロータバックヨーク４０の内周面に到るように第１切り欠き部４１を設けているため、ロータ３０のイナーシャを低減しつつ、モータ１００のトルクの低下を抑制することができる。

また、ロータバックヨーク４０の外径とシャフト５０の直径との間に一定以上の差が設けられる場合も、本実施形態のロータ３０は有用である、前述したように、ロータバックヨーク４０を電磁鋼板が積層された分割バックヨーク４４を周方向に接続して構成する場合、本実施形態によれば、電磁鋼板の各々の形状を同じにできるため、ロータバックヨーク４０の設計及び組立が容易となる。なお、ロータバックヨーク４０の強度は、第１切り欠き部４１の周方向の幅を適切に設定することで確保できる。

また、軸方向に沿ってロータバックヨーク４０の一端面から他端面まで延びるように第１切り欠き部４１を形成することで、ロータバックヨーク４０の質量をより低減できる。

磁石６０と接するロータバックヨーク４０の外周部４０ａは、磁束の飽和を生じない磁路を有しているのが好ましい。

このようにすることで、ロータ３０で発生する磁束を有効に利用でき、モータ１００のトルクの低下を抑制できる。

また、回転軸線と平行な方向、つまり、軸方向から見て、ロータバックヨーク４０の軸心と磁石６０の磁極の中心とを通る仮想線上に第１切り欠き部４１がそれぞれ設けられているのが好ましい。

このようにすることで、磁石６０と接するロータバックヨーク４０の外周部４０ａに磁束の飽和を生じない磁路を形成することができ、ロータ３０で発生する磁束を有効に利用でき、モータ１００のトルクの低下を抑制できる。

また、シャフト５０を中空構造とすることで、シャフト５０の質量を低減でき、ロータ３０のイナーシャをさらに低減できる。このことにより、モータ１００の応答性をより高めることができる。なお、シャフト５０の強度、言い換えると、シャフト５０の材質や中空率はモータ１００の仕様や負荷等に応じて適宜決められる。

本実施形態に係るモータは、ロータ３０と、ロータバックヨーク４０と径方向外側に所定の間隔をあけて設けられたステータ８０と、を少なくとも備えている。

本実施形態によれば、ロータバックヨーク４０の質量、ひいてはロータ３０のイナーシャが低減できるため、高い応答性を有するＳＰＭモータを実現することができる。

＜変形例＞
図４は、本変形例に係るロータバックヨークの部分斜視図を示し、（ａ）図は、本変形例に係るロータバックヨークを、（ｂ）図は、実施形態１に係るロータバックヨークをそれぞれ示している。なお、図４において、実施形態１と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

図４の（ａ）図に示すように、本変形例に係る構成は、ロータバックヨーク４０の内周面に、軸方向に沿って所定の間隔をあけて複数の第２切り欠き部４４が設けられている点で実施形態１に示す構成、つまり、図４の（ｂ）図に示す構成と異なる。

本変形例によれば、ロータバックヨーク４０の質量、ひいてはロータ３０のイナーシャをさらに低減できる。例えば、図３の（ａ）図に示すロータバックヨーク４０を図１に示すモータ１００に適用することで、実施形態１に示す場合に比べて、ロータバックヨーク４０の質量を約４％、ロータ３０のイナーシャを約３％低減することができた。

（実施形態２）
図５は、本実施形態に係るロータの断面模式図を示し、（ａ）図は全体図を、（ｂ）図は（ａ）図における破線で囲まれた部分の拡大図をそれぞれ示す。なお、図５において、実施形態１と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

図５に示すように、本実施形態に係る構成は、以下の点で実施形態１に示す構成と異なる。まず、シャフト５０に、周方向に沿って所定の間隔をあけて複数の歯部５１が設けられている。歯部５１は、シャフト５０を外周面から切り欠くことで形成されており、歯部５１の歯先はシャフト５０の外周面に相当する。次に、歯部５１と第１切り欠き部４１とが互いにインボリュート嵌合している。具体的には、互いに隣り合う２つの歯部５１と１つの第１切り欠き部４１とが互いにインボリュート嵌合している。

また、歯部５１の歯面と第１切り欠き部４１の側面、いわば、第１切り欠き部４１の歯面とは歯面合わせがなされて、２つの歯部５１と１つの第１切り欠き部４１とが互いにインボリュート嵌合するように、それぞれ形状が設定されている。また、ロータ３０の内周面と歯部５１の歯元とは所定の間隔をあけて配置され、歯部５１の歯先と第１切り欠き部４１の底面とは同様に所定の間隔をあけて配置されている。

本実施形態によれば、実施形態１に示す構成に対して、ロータ３０のイナーシャをさらに低減して、モータ１００の応答性を向上させることができる。具体的には、シャフト５０の肉厚を部分的に薄くすることで、シャフト５０自体の質量を低減し、ロータ３０のイナーシャをさらに低減できる。

また、歯部５１と第１切り欠き部４１とを互いにインボリュート嵌合させることで、シャフト５０とロータバックヨーク４０との結合力を高められ、モータ１００の回転時にロータバックヨーク４０が空転するのを防止し、モータ１００のトルク低下を抑制できる。

また、歯部５１の歯面と第１切り欠き部４１の側面とが互いに歯面合わせされているため、シャフト５０及びロータバックヨーク４０の形状管理が容易となる。

なお、本実施形態では、互いに隣り合う２つの歯部５１と１つの第１切り欠き部４１とが互いにインボリュート嵌合した例を示したが、特にこれに限定されない。互いに隣り合う３つ以上の歯部５１と１つの第１切り欠き部４１とが互いにインボリュート嵌合するようにしてもよい。また、図６に示すようにロータ３０を構成してもよい。

図６は、本実施形態に係る別のロータの断面模式図を示し、（ａ）図は全体図を、（ｂ）図は（ａ）図における破線で囲まれた部分の拡大図をそれぞれ示す。なお、図６において、実施形態１と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

図６に示すように、１つの歯部５１と１つの第１切り欠き部４１とが互いにインボリュート嵌合するようにしてもよい。

なお、複数の歯部５１が１つの第１切り欠き部４１にインボリュート嵌合するようにロータ３０を構成することで、歯部５１の体積、ひいてはシャフト５０の質量をより大きく低減できる。このことにより、ロータ３０のイナーシャをより大きく低減できる。

（その他の実施形態）
なお、変形例を含む実施形態１，２に示す各構成要素を適宜組み合わせて、新たな実施形態とすることもできる。例えば、変形例に示す第２切り欠き部４４を実施形態２に示すロータバックヨーク４０に適用してもよい。また、ロータ３０のイナーシャに関してモータ１００の要求性能を満たしていれば、シャフト５０を中実構造としてもよい。

また、変形例を含む実施形態１，２において、複数の磁石６０がロータバックヨーク４０の外周面に固着された例を示したが、周方向に沿って互いに異なる磁極が交互に配置された環状の磁石６０が当該外周面に固着されていてもよい。

また、シャフト５０とロータバックヨーク４０との連結方法は、圧入に限られず、他の方法を用いてもよい。例えば、レーザ溶接により、シャフト５０とロータバックヨーク４０とを互いに接合するようにしてもよい。

本発明のロータは、ロータバックヨークの質量を低減して、ロータのイナーシャを低減でき、高い応答性を要するＳＰＭモータに適用する上で有用である。

１０モータケース
２０ブラケット
３０ロータ
４０ロータバックヨーク
４０ａ外周部
４１第１切り欠き部
４２貫通孔
４３第２切り欠き部
４４分割バックヨーク
５０シャフト
５１歯部
６０磁石
７０樹脂モールド部
８０ステータ
８１ヨーク
８２突極
８３コイル
９１，９２軸受
１００モータ

Claims

所定の軸線回りに回転可能に設けられたシャフトと、軸心に貫通孔を有し、前記シャフトが前記貫通孔に挿通されて前記シャフトに回転一体に連結されたロータバックヨークと、前記ロータバックヨークの外周面に固着され、前記ロータバックヨークの外周方向である周方向に沿って互いに異なる極性の磁極が交互に配置された磁石と、を備えたロータであって、
前記ロータバックヨークは、その内周面から前記ロータバックヨークの半径方向である径方向の外側に向かって延びるように、かつ前記周方向に所定の間隔をあけて設けられた複数の第１切り欠き部を有し、
前記複数の第１切り欠き部のそれぞれは、前記軸線と平行な方向に沿って前記ロータバックヨークの一端面から該一端面と対向する他端面まで延び、
前記軸線と平行な方向から見て、前記ロータバックヨークの軸心と前記磁極の中心とを通る仮想線上に前記第１切り欠き部が設けられていることを特徴とするロータ。
請求項１に記載のロータにおいて、
前記磁石は、前記周方向に所定の間隔をあけて複数設けられており、
互いに隣り合う磁石は互いに磁極が異なっていることを特徴とするロータ。
請求項１または２に記載のロータにおいて、
前記磁石と接する前記ロータバックヨークの外周部は、磁束の飽和を生じない磁路を有していることを特徴とするロータ。
請求項１ないし３のいずれか１項に記載のロータにおいて、
前記ロータバックヨークの内周面には、前記軸線と平行な方向に沿って所定の間隔をあけて複数の第２切り欠き部が設けられていることを特徴とするロータ。
請求項１ないし４のいずれか１項に記載のロータにおいて、
前記シャフトには、複数の歯部が前記周方向に沿って所定の間隔をあけて設けられており、
前記歯部と前記第１切り欠き部とが互いにインボリュート嵌合していることを特徴とするロータ。
請求項５に記載のロータにおいて、
互いに隣り合う複数の前記歯部と１つの前記第１切り欠き部とが互いにインボリュート嵌合していることを特徴とするロータ。
請求項１ないし６のいずれか１項に記載のロータと、
前記ロータバックヨークと前記径方向の外側に所定の間隔をあけて設けられたステータと、を少なくとも備えたことを特徴とするモータ。