WO2022065470A1 - ロータ及びモータ - Google Patents

Abstract

ロータ（３）は、ステータコア（４）の内側に周方向に並んで配置されるロータコアピース（７）と、ロータコアピース（７）を軸方向の両側から挟むエンドプレート（９）と、を備え、ロータコアピース（７）は、固定部材が挿通される孔部（７４）と、孔部（７４）より径方向外側に配置されたフラックスバリア（７３）と、を有する。

Description

ロータ及びモータ

　本開示は、ロータ及びモータに関する。

　固定子（ステータ）と、複数の磁性セグメントを埋め込んだ回転子（ロータ）と、固定子に施された固定子巻線（コイル）とを備えたモータが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６－２４６５７１号公報

　セグメント型のロータは、１つのロータコアピースの内部でステータからの磁束を通過させる。これにより、高トルクが要求される用途では、ロータコアピースが磁気飽和し、ボルトなどの固定部材を含む支持部材及び他のロータコアピースへ磁束が漏れることがある。漏れた磁束によって支持部材では渦電流損失が生じ、損失が増加する。そこで、磁性材料の支持部材を使用せず固定するために、特許文献１に記載の技術のように、楔形のような取り付け部をロータに形成し、取り付け部を非磁性導電性の材料で構成されたホルダに圧入などで挿入して固定する。しかし、高トルクが要求されるモータでは、大電流を通電し、コイルによる磁束が増加するため、従来のホルダの形状では損失が増加する。

　本開示は、損失を低減して、平均トルクを向上することを目的とする。

　本開示に従えば、ステータコアの内側に周方向に並んで配置されるロータコアピースと、前記ロータコアピースを軸方向の両側から挟むエンドプレートと、を備え、前記ロータコアピースは、固定部材が挿通される孔部と、前記孔部より径方向外側に配置されたフラックスバリアと、を有するロータが提供される。

　本開示に従えば、ステータコアと、上記ロータとを備えるモータが提供される。

　本開示によれば、損失を低減して、平均トルクを向上することができる。

図１は、第１実施形態に係るモータを模式的に示す図である。 図２は、第１実施形態に係るロータを模式的に示す平面図である。 図３は、第１実施形態に係るロータコアピースを模式的に示す平面図である。 図４は、第１実施形態に係るロータコアピースを模式的に示す斜視図である。 図５は、第１実施形態に係るロータの分解斜視図である。 図６は、第１実施形態に係るロータの斜視図であり、エンドプレートを組み付けた状態を示す図である。 図７は、第２実施形態に係るロータコアピースを模式的に示す平面図である。 図８は、第２実施形態に係るロータの一例の斜視図であり、エンドプレートを組み付けた状態を示す図である。 図９は、第２実施形態に係るロータの他の例の斜視図であり、エンドプレートを組み付けた状態を示す図である。 図１０は、第３実施形態に係るロータコアピースを模式的に示す平面図である。 図１１は、第３実施形態に係るロータを模式的に示す平面図である。 図１２は、第３実施形態に係るロータの分解斜視図である。 図１３は、第３実施形態に係るロータの斜視図であり、エンドプレートを組み付けた状態を示す図である。 図１４は、第４実施形態に係るロータコアピースを模式的に示す平面図である。 図１５は、従来のロータコアピースを模式的に示す平面図である。

　以下、本開示に係る実施形態について図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されない。以下で説明する実施形態の構成要素は、適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。

［第１実施形態］
＜モータ＞
　図１は、第１実施形態に係るモータ１を模式的に示す図である。本実施形態において、モータ１は、３相のセグメント型スイッチトリラクタンスモータである。モータ１は、円筒形状のステータ２と、ステータ２の内側に配置されたロータ３とを備える。ステータ２は、円筒形状のステータコア４と、ステータコア４に支持されるコイル５とを有する。コイル５は、Ｕ相コイル５Ｕと、Ｖ相コイル５Ｖと、Ｗ相コイル５Ｗとを含む。コイル５には、図示しない電源から電流が供給される。ステータ２の内周面とロータ３の外周面とは間隔を空けて対向する。ロータ３は、ステータコア４と対向可能に配置される。ロータ３は、回転軸ＡＸを中心に回転する。ロータ３の回転軸ＡＸとステータ２の中心軸とは同一である。ロータ３は、シャフト８を介して対象物Ｅに接続される。対象物Ｅは、例えば、建設機械の一種であるハイブリッドショベルに搭載されるエンジンである。モータ１は、エンジンにより駆動される発電機として機能する。

　以下の説明において、回転軸ＡＸと平行な方向を軸方向という。軸方向における一方側を軸方向一方側といい、軸方向一方側の反対側を軸方向他方側という。また、回転軸ＡＸの周囲を周回する方向を周方向という。周方向おける回転方向の一方側を周方向一方側といい、周方向一方側の反対側を周方向他方側という。さらに、回転軸ＡＸの放射方向を径方向という。径方向において中心軸ＡＸから離れる方向側を径方向外側といい、径方向外側の反対側を径方向内側という。

＜ロータ＞
　図２は、第１実施形態に係るロータ３を模式的に示す平面図である。図３は、第１実施形態に係るロータコアピース７を模式的に示す平面図である。図４は、第１実施形態に係るロータコアピース７を模式的に示す斜視図である。図５は、第１実施形態に係るロータ３の分解斜視図である。図６は、第１実施形態に係るロータ３の斜視図であり、エンドプレート９を組み付けた状態を示す図である。図２に示すように、ロータ３は、ロータホルダ（ホルダ）６と、ロータホルダ６に保持されるロータコアピース７とを有する。ロータホルダ６は、例えば、アルミニウム、ステンレス及び合成樹脂などの非磁性体の材料で形成される。ロータコアピース７は、例えば、鉄などの磁性体の材料で形成される。

　複数のロータホルダ６は、ロータ３の周方向に等間隔で配置される。ロータホルダ６は、ロータコアピース７と同じ数が配置されている。本実施形態では、ロータ３には、周方向に１６個のロータホルダ６が配置されている。ロータホルダ６の形状及び寸法は同一である。ロータホルダ６は、ロータコアピース７の径方向内側を保持する。ロータ３の回転時に、周方向に並んで配置された複数のロータホルダ６の径方向外側が描く軌跡を、ロータホルダ６の外径という。周方向に並んで配置された複数のロータホルダ６の径方向内側を、ロータホルダ６の内径という。ロータホルダ６は、円弧形状のベース部６１と、ロータコアピース７を保持するホルダ部６２とを有する。ホルダ部６２は、ベース部６１から径方向外側に突出して形成されている。ロータホルダ６は、全体がホルダ部６２と同じ高さを有している場合に比べて、体積が削減されている。

　図２に示すように、ロータ３の回転軸ＡＸの中心点Ｐ０からロータホルダ６の周縁部のうち最も径方向外側の点Ｐ１までの距離をＲ１とする。ロータコアピース７の孔部７４の周縁部のうち最も径方向内側の点をＰ２、最も径方向外側の点をＰ３とする。中心点Ｐ１から点Ｐ２までの距離をＲ２とする。中心点Ｐ１から点Ｐ３までの距離をＲ３とする。Ｒ１は、ホルダ部６２の外径、言い換えると、ロータホルダ６の外径である。本実施形態では、Ｒ１は、Ｒ２より大きく、Ｒ３より小さい。

　ホルダ部６２は、外周側の周縁部に凹部６３が設けられている。凹部６３には、ロータコアピース７の凸部７２が嵌合し、ロータコアピース７の位置を決める。本実施形態では、凹部６３は、軸方向視において径方向外側から内側に向かって広がるテーパ形状に形成されている。凹部６３は、ロータ３の回転時に生じる遠心力によって、嵌合されたロータコアピース７の凸部７２が抜け落ちないように構成されている。

　複数のロータコアピース７は、ロータ３の周方向に等間隔で並んで配置される。ロータコアピース７は、ステータコア４に対向可能に配置される。本実施形態では、ロータ３には、周方向に１６個のロータコアピース７が配置されている。ロータコアピース７の形状及び寸法は同一である。本実施形態では、ロータコアピース７は、軸方向視において盃形状に形成されている。ロータ３の回転時に、周方向に並んで配置された複数のロータコアピース７の径方向外側が描く軌跡を、ロータコアピース７の外径という。ロータ３の回転時に、周方向に並んで配置された複数のロータコアピース７の径方向内側が描く軌跡を、ロータコアピース７の内径という。ロータコアピース７は、ロータ３の極として機能する。ロータ３の極数は、ロータコアピース７の数である。本実施形態では、ロータ３の極数は、１６極である。

　図３、図４に示すように、ロータコアピース７は、軸方向視において扇形状の本体部７１と、本体部７１の径方向内側に配置された凸部７２とを有する。本体部７１は、ステータ２との間で磁束を通過させる。本体部７１は、径方向内側にフラックスバリア７３が形成されている。

　凸部７２は、ロータホルダ６のホルダ部６２によって保持される。より詳しくは、凸部７２は、ホルダ部６２の凹部６３に嵌合し、ロータコアピース７の位置を決める。凸部７２は、軸方向視において楔形状、言い換えると、テーパ形状に形成されている。本実施形態では、凸部７２は、軸方向視において径方向外側から内側に向かって広がるテーパ形状に形成されている。凸部７２は、ロータ３の回転時に生じる遠心力によって、嵌合されたロータホルダ６のホルダ部６２の凹部６３から抜け落ちないように構成されている。

　ロータコアピース７は、孔部７４より径方向外側に配置されたフラックスバリア７３を有する。フラックスバリア７３は、コイル５による磁束が径方向内側に漏れることを規制する。フラックスバリア７３は、孔部７４より径方向外側に配置されている。フラックスバリア７３は、本体部７１を軸方向に貫通する開口である。本実施形態では、フラックスバリア７３は、軸方向視において周方向に長い長孔である。フラックスバリア７３の形状はこれに限定されない。フラックスバリア７３には、必要とされる強度に応じて、中央部にブリッジを設けてもよい。フラックスバリア７３は、複数設けられてもよい。

　ロータコアピース７は、エンドプレート９に固定するための固定部材が挿通される孔部７４を有する。孔部７４は、フラックスバリア７３より径方向内側に配置されている。本実施形態では、孔部７４は、本体部７１と凸部７２とにまたがって配置されている。孔部７４は、軸方向に貫通した貫通孔である。孔部７４は、ロータコアピース７を後述するエンドプレート９に固定するための固定部材が挿通される。ロータコアピース７は、固定部材によって、エンドプレート９に固定される。

　固定部材は、例えば、ボルトまたはシャフトである。本実施形態では、固定部材は、中実の軸部を有する。固定部材の外周面には雄ねじが形成されている。本実施形態では、固定部材は、ボルト１０である。

　ロータコアピース７は、ロータホルダ６に嵌合して位置決めされる。嵌合したロータホルダ６とロータコアピース７とは、図５、図６に示すように、一対のエンドプレート９によって軸方向の両側が挟まれる。言い換えると、一対のエンドプレート９の間に、ロータホルダ６とロータコアピース７とが挟まれる。一対のエンドプレート９は、ロータ３を軸方向の両側から挟む。

　図５に示すように、エンドプレート９は、円環形状に形成されている。エンドプレート９は、円環形状の本体部９１を有する。本体部９１の外径は、ロータコアピース７の外径と同程度である。本体部９１の内径は、ロータホルダ６の内径と同程度である。本体部９１には、周方向に等間隔で孔部９２が形成されている。孔部９２には、固定部材であるボルト１０の軸部が挿通可能である。孔部９２の数は、ロータコアピース７の数と同じである。

　図５に示すように、一対のエンドプレート９の間に、ロータホルダ６にロータコアピース７を組み付けた状態で配置する。本実施形態では、１６個のロータホルダ６及びロータコアピース７は、周方向に並んで配置されている。一対のエンドプレート９の孔部９２と、ロータコアピース７の孔部７４とを重ねた状態で、ボルト１０を挿通し、雌ねじが形成されている部品に締結する。雌ねじが形成されている部品は、例えば、ナット１１である。このようにして、ロータ３が組み付けられる。図６に示すように、ロータ３は、一対のエンドプレート９の間に、ロータホルダ６及びロータコアピース７がボルト１０によって固定されている。

＜作用＞
　ステータコア４に支持されたコイル５に電流が流れると、ロータ３が回転軸ＡＸを中心に回転する。ステータコア４に支持されたコイル５に電流が流れると、ステータ２のステータコア４とロータ３のロータコアピース７との間に磁束が生じる。ステータ２からの磁束は、ロータコアピース７においては、フラックスバリア７３より径方向内側へ磁束が漏れることが規制される。

　本実施形態では、ロータホルダ６は、全体がホルダ部６２と同じ高さを有している場合に比べて、体積が削減されている。これにより、本実施形態によれば、フラックスバリア７３より径方向内側へわずかに磁束が漏れた場合、ロータホルダ６の体積が低減されているため、ロータホルダにおける鉄損の発生を抑制できる。

＜効果＞
　以上説明したように、本実施形態では、ロータコアピース７には、孔部７４より径方向外側にフラックスバリア７３が配置されている。本実施形態によれば、フラックスバリア７３より径方向内側へ磁束が漏れることを規制できる。本実施形態は、フラックスバリア７３によって漏れ磁束が低減されることにより、平均トルクを向上できる。本実施形態は、ボルト１０などの固定部材において生じる渦電流損失を低減できる。

　本実施形態では、ロータコアピース７をボルト１０などの固定部材によってエンドプレート９に固定する。ロータホルダ６は、固定部材を挿通するための孔部を設けなくてよい。ロータホルダ６は、径方向の高さを低く抑えたベース部６１と、径方向の高さを有するホルダ部６２とを含む。このように、ロータホルダ６の外径を従来に比べて大幅に小さくできる。これにより、本実施形態は、ロータホルダ６で生じる渦電流損失を低減できる。

　このように、本実施形態によれば、損失を低減し、平均トルクを向上できる。

　図１５は、従来のロータコアピースを模式的に示す平面図である。図１５に示すように、ロータコアピース７Ｘは、軸方向視において扇形状の本体部７１Ｘと、本体部７１Ｘの径方向内側に配置された凸部７２Ｘとを有する。ロータホルダ６Ｘは、円筒形状の本体部６１Ｘを有する。本体部６１Ｘの外周面には、凸部７２Ｘと嵌合する凹部６３Ｘが形成されている。本体部６１Ｘには、凹部６３Ｘより径方向内側にボルト１０の軸部が挿通される孔部６４Ｘが形成されている。ロータホルダ６Ｘの内径は、ロータホルダ６の内径と同じである。ロータホルダ６Ｘの外径は、孔部６４Ｘの径と、凹部６３Ｘの深さとの合計より大きい。ロータホルダ６Ｘの外径は、図２に示すロータホルダ６の外径Ｒ１より大きい。これにより、ロータホルダ６Ｘの体積は、ロータホルダ６の体積より大きい。このため、従来のコアでは、ロータコアピース７Ｘからロータホルダ６Ｘへ磁束が漏れる。このように、従来のロータコアピース７Ｘ及びロータホルダ６Ｘを有する図示しないロータは、ロータコアピース７及びロータホルダ６を有するロータ３に比べて、損失が大きい。

［第２実施形態］
　図７は、第２実施形態に係るロータコアピース７を模式的に示す平面図である。図８は、第２実施形態に係るロータ３Ａの一例の斜視図であり、エンドプレート９を組み付けた状態を示す図である。図９は、第２実施形態に係るロータ３Ｂの他の例の斜視図であり、エンドプレート９を組み付けた状態を示す図である。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成要素については同一の符号を付し、その説明を簡略又は省略する。固定部材であるボルト１０Ａまたはシャフト１０Ｂが中空である点で、第一実施形態と異なる。

　固定部材は、ボルト１０Ａまたはシャフト１０Ｂである。ボルト１０Ａまたはシャフト１０Ｂは、中空の軸部を有する締結部材である。中空とは、軸部の中心部が空洞になっていることをいう。ロータコアピース７は、中空の軸部を有する固定部材によって、エンドプレート９に固定される。図８に示すロータ３Ａでは、中空のボルト１０Ａが使用されている。図９に示すロータ３Ｂでは、中空のシャフト１０Ｂが使用されている。

＜効果＞
　以上説明したように、本実施形態は、ボルト１０Ａまたはシャフト１０Ｂが中空である。本実施形態によれば、固定部材であるボルト１０Ａまたはシャフト１０Ｂにおける渦電流損失をより低減することができる。本実施形態によれば、損失を低減し、平均トルクを向上できる。

［第３実施形態］
　図１０は、第３実施形態に係るロータコアピース７Ｃを模式的に示す平面図である。図１１は、第３実施形態に係るロータ３Ｃを模式的に示す平面図である。図１２は、第３実施形態に係るロータ３Ｃの分解斜視図である。図１３は、第３実施形態に係るロータ３Ｃの斜視図であり、エンドプレート９を組み付けた状態を示す図である。ロータ３Ｃは、ロータコアピース７Ｃの孔部が複数配置されている点と、ロータホルダ６を備えていない点で、第一実施形態と異なる。

　ロータコアピース７Ｃは、軸方向視において扇形状の本体部７１と、本体部７１の径方向内側に配置された凸部７２Ｃとを有する。図１０に示すフラックスバリア７３Ｃは、図３に示すフラックスバリア７３より開口の面積が小さく図示している。例えば発生する磁束の大きさに応じて、フラックスバリア７３Ｃの大きさを変更してもよい。

　ロータコアピース７Ｃは、孔部７４Ｃと、孔部７５Ｃとを有する。孔部７４Ｃと孔部７５Ｃとは、フラックスバリア７３より径方向内側に配置されている。孔部７４Ｃと孔部７５Ｃとは、周方向に並んで配置される。本実施形態では、孔部７４Ｃと孔部７５Ｃとは、凸部７２Ｃに配置されている。孔部７４Ｃと孔部７５Ｃは、軸方向に貫通した貫通孔である。孔部７４Ｃと孔部７５Ｃには、ロータコアピース７Ｃをエンドプレート９に固定する固定部材が挿通される。図１１においては、固定部材１０Ｃは、中空の軸部を有する。ロータコアピース７Ｃは、複数の孔部である孔部７４Ｃと孔部７５Ｃとに挿通された複数の固定部材によって、エンドプレート９Ｃに固定される。

　ロータコアピース７Ｃは、孔部７４Ｃと孔部７５Ｃとを介して位置決めされた状態で固定される。これにより、ロータホルダ６を用いずに、ロータコアピース７Ｃが位置決めされた状態でエンドプレート９Ｃに固定される。

　エンドプレート９Ｃの本体部９１には、周方向に等間隔で孔部９２Ｃ及び孔部９３Ｃが形成されている。孔部９２Ｃ及び孔部９３Ｃには、固定部材１０Ｃが嵌合する。孔部９２Ｃ及び孔部９３Ｃの数は、ロータコアピース７Ｃの数と同じである。

＜効果＞
　以上説明したように、本実施形態は、ロータコアピース７Ｃを、孔部７４Ｃと孔部７５Ｃとに固定部材１０Ｃを挿通して固定する。本実施形態によれば、ロータホルダ６を用いずに、ロータコアピース７Ｃを位置決めした状態でエンドプレート９に固定できる。本実施形態では、ロータホルダ６で生じる渦電流損失を削減できる。本実施形態によれば、損失を低減し、平均トルクを向上できる。

　本実施形態では、固定部材として中空（中心が空洞）のボルトやシャフトを使用することで固定部材での鉄損の発生をさらに低減できる。本実施形態では、フラックスバリア７３の面積を小さくした場合でも、ロータコアピース７Ｃから漏れ磁束による渦電流損失を適切に規制できる。

［第４実施形態］
　図１４は、第４実施形態に係るロータコアピース７Ｄを模式的に示す平面図である。ロータコアピース７Ｄは、孔部７４Ｄと孔部７５Ｄとの配置が第三実施形態と異なる。

　ロータコアピース７Ｄは、軸方向視において扇形状の本体部７１と、本体部７１の径方向内側に配置された凸部７２Ｄとを有する。ロータコアピース７Ｄは、孔部７４Ｄと、孔部７５Ｄとを有する。孔部７４Ｄと孔部７５Ｄとは、フラックスバリア７３より径方向内側に配置されている。孔部７４Ｄと孔部７５Ｄとは、径方向に並んで配置される。本実施形態では、孔部７４Ｄと孔部７５Ｄとは、凸部７２に配置されている。孔部７４Ｄと孔部７５Ｄは、軸方向に貫通した貫通孔である。

＜効果＞
　以上説明したように、本実施形態は、ロータホルダ６を用いずに、ロータコアピース７Ｄを位置決めした状態でエンドプレート９に固定できる。本実施形態によれば、損失を低減し、平均トルクを向上できる。

［変形例］
　上記では、ロータホルダ６は、周方向に分割されているものとして説明したがこれに限定されない。ロータホルダは、複数のロータホルダ６が一体に形成されていてもよい。この場合、ロータホルダは、円筒形状の本体部と、本体部の外周面に間隔を空けて設けられたホルダ部とを有する。

［その他の実施形態］
　上述の実施形態においては、モータ１は、ロータ３がステータコア４の内側に配置されるインナロータ型であることとしたがこれに限定されない。ロータ３は、ステータコア４に対向する位置に配置されていればよい。モータ１は、ロータ３がステータコア４の外側に配置されるアウタロータ型でもよいし、ロータ３がステータコア４の内側及び外側の両方に配置されるデュアルロータ型でもよいし、ロータ３がステータコア４の軸方向側に配置されるアキシャルギャップ型でもよい。

　上述の実施形態においては、モータ１がスイッチトリラクタンスモータ(Switched　Reluctance　Motor)であることとしたがこれに限定されない。モータ１は、シンクロナスリラクタンスモータ（Synchronous　Reluctance　Motor）でもよいし、フラックススイッチングモータ（Flux　Switching　Motor）でもよいし、永久磁石モータモータ（Permanent　Magnet　Motor）でもよいし、誘導モータ（Induction　Motor）でもよいし、アキシャルギャップモータでもよいし、リニアアクチュエータでもよい。

　上述の実施形態においては、モータ１は、３相モータであることとしたがこれに限定されない。モータ１は、４相以上の多相モータでもよい。

　１…モータ、２…ステータ、３…ロータ、４…ステータコア、５…コイル、６…ロータホルダ（ホルダ）、６１…ベース部、６２…ホルダ部、６３…凹部、７…ロータコアピース、７１…本体部、７２…凸部、７３…フラックスバリア、７４…孔部、８…シャフト、９…エンドプレート、９１…本体部、９２…孔部、１０…ボルト（固定部材）、ＡＸ…回転軸、Ｅ…対象物。

Claims (6)

1. 　ステータコアの内側に周方向に並んで配置されるロータコアピースと、
   　前記ロータコアピースを軸方向の両側から挟むエンドプレートと、
   　を備え、
   　前記ロータコアピースは、固定部材が挿通される孔部と、前記孔部より径方向外側に配置されたフラックスバリアと、を有する、
   　ロータ。
2. 　前記ロータコアピースの径方向内側を保持するホルダ、
   　を備える、
   　請求項１に記載のロータ。
3. 　前記孔部は、複数配置され、
   　前記ロータコアピースは、複数の前記孔部に挿通された複数の前記固定部材によって、前記エンドプレートに固定される、
   　請求項１に記載のロータ。
4. 　前記ロータコアピースは、中実の軸部を有する前記固定部材によって、前記エンドプレートに固定される、
   　請求項１から３のいずれか一項に記載のロータ。
5. 　前記ロータコアピースは、中空の軸部を有する前記固定部材によって、前記エンドプレートに固定される、
   　請求項１から３のいずれか一項に記載のロータ。
6. 　ステータコアと、
   　請求項１から５のいずれか一項に記載のロータと、
   　を備えるモータ。

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