WO2022181282A1 - 回転子及びこれを備えた外周駆動ファン - Google Patents

Abstract

永久磁石を回転子コアの外周面に接近させてモータとしての性能を高めるとともに、磁石スロットの強度を確保することができる回転子を提供する。回転軸線を中心とする外周面（１３）と、回転軸線を中心として円周方向に配列された複数の磁石スロット（１２）と、を有する回転子コア（１１）と、各磁石スロット（１２）に挿入された永久磁石（１６）と、を備え、外周面（１３）から磁石スロット（１２）までの半径方向に沿った回転子コア（１１）の最も薄い部分の厚さをｔ、磁石スロット（１２）の円周方向に沿った長さをＬとしたとき、２≦Ｌ／ｔ≦１０とされている。

Description

回転子及びこれを備えた外周駆動ファン

　本開示は、回転子及びこれを備えた外周駆動ファンに関する。

　例えば特許文献１に示すような内部磁石モータ（ＩＰＭモータ、ＩＰＭ：Ｉｎｔｅｒｉｏｒ　Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ）においては、回転子コアに埋め込まれた磁石の質量によって回転子コアに対して遠心力が作用する。

　特に、外周駆動モータにおいては、回転子コア及びそれに埋め込まれた磁石が回転軸線から離れた位置にあるので、より遠心力が作用しやすい。このため、回転子コアの強度を確保するために、遠心力が作用する回転子コアの半径方向外側の肉厚を大きくしなければならない。

特開２０１２－１００４２４号公報

　しかしながら、肉厚を大きくすると、回転子コアに埋め込まれた磁石と回転子の外周側に設けられた固定子との距離が離れてしまい、更には、固定子に臨む磁石の面積を大きく取ることができず、磁石が発生させる磁束が減少して、電磁気的作用が低下してしまう。したがって、遠心力が作用する回転子コアの半径方向外側の肉厚を、強度と性能の観点から適切に設定する必要がある。

　本開示は、このような事情に鑑みてなされたものであって、永久磁石を回転子コアの外周面に接近させてモータとしての性能を高めるとともに、磁石スロットの強度を確保することができる。

　上記課題を解決するために、本開示の回転子及びこれを備えた外周駆動ファンは以下の手段を採用する。
　すなわち、本開示の一態様に係る回転子は、回転軸線を中心とする外周面と、前記回転軸線を中心として円周方向に配列された複数の磁石スロットと、を有する回転子コアと、各前記磁石スロットに挿入された永久磁石と、を備え、前記外周面から前記磁石スロットまでの半径方向に沿った前記回転子コアの最も薄い部分の厚さをｔ、前記磁石スロットの前記円周方向に沿った長さをＬとしたとき、２≦Ｌ／ｔ≦１０とされている。

　また、本開示の一態様に係る外周駆動ファンは、上記の回転子と、前記回転軸線を中心に前記半径方向に延在する複数の羽根を有しているファン部と、を備え、前記回転子は、前記回転軸線を中心とする環状とされ、前記ファン部は、前記回転子の内周側に設けられているとともに、前記羽根の先端が前記回転子の内周面に接続されている。

　本開示によれば、永久磁石を回転子コアの外周面に接近させてモータとしての性能を高めるとともに、磁石スロットの強度を確保することができる。

本開示の一実施形態に係る外周駆動ファンの斜視図である。 本開示の一実施形態に係る外周駆動ファンにおいてダクトの図示を省略した平面図である。 回転子の横断面図である。 回転子の斜視断面図である。 回転子の各所寸法を記載した図である。 回転子の横断面図である。 回転子の横断面図である。 他の形態に係る回転子の横断面図である。

　以下、本開示の一実施形態に係る回転子及びこれを備えた外周駆動ファンについて図面を参照して説明する。

　なお、以下では、外周駆動ファンに適用された回転子を例にして説明するが、本実施形態の回転子は、例えば外周駆動モータや内部磁石モータにも適用できる。

［外周駆動ファンの構成］
　外周駆動ファン１は、ファン部２０が回転軸線Ｘ周りに回転することで気流を発生させる装置である。
　図１に示すように、外周駆動ファン１は、回転子１０、ファン部２０、固定子３０及びダクト４０を備えている。

　図１及び図２に示すように、回転子１０は、回転軸線Ｘを中心とした円環状の部材である。回転子１０は、回転子コア１１及び永久磁石１６を有している。回転子コア１１には永久磁石１６が埋め込まれており、これによって一体化された回転子１０が構成されている。回転子１０の詳細な構成については後述する。

　ファン部２０は、円環状の回転子１０の内周側に設けられている。ファン部２０は、ハブ２１及び複数枚の羽根２２を有している。

　ハブ２１は、回転軸線Ｘ上に位置する柱状の部材であり、ファン部２０の回転中心となる部材である。

　羽根２２は、基端がハブ２１に接続されるとともに半径方向に延在する部材である。複数の羽根２２は、回転軸線Ｘを中心として円周方向に沿って等角度間隔に設けられている。羽根２２は、先端が回転子１０の内周面１４に接続されている。これによって、回転子１０とファン部２０とが一体に構成されている。
　ここで、「半径方向」及び「円周方向」とは、回転軸線Ｘに対するものである（以下、同じ）。

　固定子３０は、ダクト４０の内周側において回転軸線Ｘを中心とした円周方向に並べられた複数の固定子コア及び各固定子コアに巻回されたコイルを有している。固定子３０は、電流によって磁力が発生するように構成されている。固定子３０は、ダクト４０に固定されている。固定子３０は、半径方向において、回転子１０の外周面１３と所定隙間をもって対向するように設けられている。

　図１に示すように、ダクト４０は、回転軸線Ｘ方向を中心とする両端開口の円筒状の部材である。ダクト４０は、回転子１０と一体化されたファン部２０及び固定子３０を内周側に収容している。

　以上のように構成された外周駆動ファン１は、例えば移動機器の推進用ファンに適用されて好適である。

［回転子の詳細な構成について］
　図３及び図４に示すように、回転子１０は、回転軸線Ｘを中心とした円環状の部材である。回転子１０は、回転子コア１１及び永久磁石１６を有している。

　回転子コア１１は、複数の電磁鋼板が回転軸線Ｘ方向に積層されるとともにそれらの電磁鋼板が一体化されることで構成されている。
　回転子コア１１には、磁石スロット１２が形成されている。磁石スロット１２は、回転軸線Ｘ方向に回転子コア１１（電磁鋼板）を貫通する穴である。磁石スロット１２は、回転軸線Ｘを中心にして円周方向に沿って所定角度間隔で設けられている。所定角度間隔は、例えば等角度間隔である。

　磁石スロット１２は、回転軸線Ｘに直交する断面において、略四角形をなしている。略四角形を構成する４辺のうち円周方向で対向する２辺は、半径方向に沿って直線状に延びている。一方、半径方向で対向する２辺は、外周面１３に平行な円弧状でもよいし、直線状でもよい。

　磁石スロット１２の各所の寸法は次の通りである。
　すなわち、図５に示すように、回転子コア１１の外周面１３から磁石スロット１２までの半径方向に沿った厚さがｔ、円周方向に沿った長さがＬ、磁石スロット１２の半径方向に沿った幅がＨ、円周方向に沿った磁石スロット間の幅（磁石スロット間にある回転子コア１１の厚さ）がｗである。なお、厚さｔは、外周面１３から磁石スロット１２までの最も薄い部分の厚さである。
　なお、図５は、円周方向と半径方向とを直交座標で表示している。すなわち、図５は、円環状の回転子１０を直線状に展開した図である。

　図４に示すように、永久磁石１６は、各磁石スロット１２に挿入されている。永久磁石１６は、磁力の向きが円周方向に沿って入れ替わるように配置されている。
　磁力の向きを円周方向に沿って入れ替える方法としては、磁力の方向が異なる永久磁石１６を円周方向に沿って交互に配置する方法がある。
　また、必ずしも磁力の方向が異なる永久磁石１６を交互に配置しなくてもよく、図６に示すように、同一方向に磁化された永久磁石１６を連続的に配置したまとまりの単位によって磁力の向きを円周方向に沿って入れ替えてもよい。この場合、１つの磁石スロット１２に挿入される永久磁石１６の質量を低減することができる。ただし、１つあたりの永久磁石１６の質量を低減することで幅ｗを小さくすることができるので、永久磁石１６の総体積は変わらない。つまり、モータとしての性能は維持されたままとなる。
　また、図７に示すように、ハルバッハ配列に基づく配置でもよい。この場合、外周面１３側に磁場を集中させることができる。

　以上のように構成された回転子１０は、永久磁石１６と固定子３０との距離が小さいほど、電磁気的作用の低下が抑制されてモータとしての性能が向上する。また、上記の各寸法において、厚さｔを薄くすることで、固定子３０に臨む永久磁石１６の面積を大きく取ることができ、モータ性能が向上する。このため、厚さｔを可能な限り薄くすることが好ましい。しかしながら、厚さｔを小さくし過ぎた場合、磁石スロット１２に挿入された永久磁石１６の質量によって発生する遠心力に起因して回転子コア１１が損傷する可能性がある。このため、厚さｔを所定の寸法値に設定した場合、その厚さｔとされた回転子コア１１でも耐え得るような永久磁石１６の質量を設定しなければならない。

　ここで、永久磁石１６の質量は、永久磁石１６の寸法に依存する。さらに、永久磁石１６の寸法は、磁石スロット１２の寸法よりも小さい寸法とされる。このため、磁石スロット１２の寸法を適切に設定することで、永久磁石１６が最大限取り得る質量を設定できる。

　そこで、本実施形態においては、Ｌ／ｔ≦１０とすることとした。これによって、厚さｔを可能な限り薄くすることで永久磁石１６を回転子コア１１の外周面１３に接近させてモータとしての性能を高めるとともに、Ｌ／ｔ≦１０とすることで磁石スロット１２の強度を確保することにした。
　また、２≦Ｌ／ｔとすることで、永久磁石１６の寸法が過剰に小さくなることを回避して、磁石としての性能を確保することにした。

　なお、一例として、１０≦Ｌ／ｗ≦３０、１≦Ｌ／Ｈ≦４、２≦Ｈ／ｔ≦４とされる。

　図４に示すように、応力が集中する磁石スロット１２の角部１５には、フィレットを設けてもよい。この場合、永久磁石１６には面取り加工が施され、角部１５と干渉しないように構成されている。
　なお、全ての角部１５にフィレットを設ける必要はなく、遠心力が作用する半径方向の外側に位置する角部１５にのみフィレットを設けてもよい。

　フィレットの半径をＲとしたとき、０．１０≦Ｒ／Ｌ≦０．１５とすることが好ましい。これによって、角部１５への応力集中を抑制しつつ、過剰に永久磁石１６の寸法が小さくなることを回避している。

　なお、回転子１０が内部磁石モータに適用される場合、回転子１０は円環状ではなく円筒状としてもよい（図８参照）。

　本実施形態によれば、以下の効果を奏する。
　外周面１３から磁石スロット１２までの半径方向に沿った回転子コア１１の最も薄い部分の厚さをｔ、磁石スロット１２の円周方向に沿った幅をＬとしたとき、２≦Ｌ／ｔ≦１０とされているので、厚さｔに対して長さＬが適切に設定された回転子１０を提供できる。このため、厚さｔを可能な限り薄くした場合における長さＬを適切に設定できる。このとき、自ずと永久磁石１６の最大寸法、ひいては最大質量が決定されるので、永久磁石１６の質量によって発生する遠心力に起因した磁石スロット１２の損傷を回避できる。このように、厚さｔを可能な限り薄くすることで永久磁石１６を回転子コア１１の外周面１３に接近させてモータとしての性能を高めるとともに、Ｌ／ｔ≦１０とすることで磁石スロット１２の強度を確保することができる。
　また、２≦Ｌ／ｔとすることで永久磁石１６の寸法が過剰に小さくなることを回避して、磁石としての性能を確保することができる。

　また、磁石スロット１２の角部１５にはフィレットが設けられているので、角部１５への応力集中を抑制できる。
　なお、半径方向の外側に位置する角部１５にのみフィレットを設けてもよい。これによって、永久磁石１６の質量によって発生する遠心力が特に作用しやすい半径方向の外側に位置する角部１５への応力集中を抑制できる。

　また、フィレットの半径をＲとしたとき、０．１０≦Ｒ／Ｌ≦０．１５とされているので、角部１５への応力集中を抑制しつつ、永久磁石１６の寸法が過剰に小さくなることを回避できる。

　また、同一方向に磁化された永久磁石１６が円周方向に沿って連続的に配置された部分を有しているので、複数の永久磁石１６のまとまりの単位で磁力の向きを円周方向に沿って入れ替えることができる。これによって、１つの磁石スロット１２に挿入される永久磁石１６の質量を低減しつつ、モータとしての性能を確保することができる。

　以上の通り説明した本実施形態は、例えば以下のように把握される。
　すなわち、本開示の一態様に係る回転子（１０）は、回転軸線（Ｘ）を中心とする外周面（１３）と、前記回転軸線を中心として円周方向に配列された複数の磁石スロット（１２）と、を有する回転子コア（１１）と、各前記磁石スロットに挿入された永久磁石（１６）と、を備え、前記外周面から前記磁石スロットまでの半径方向に沿った前記回転子コアの最も薄い部分の厚さをｔ、前記磁石スロットの前記円周方向に沿った長さをＬとしたとき、２≦Ｌ／ｔ≦１０とされている。

　本態様に係る回転子によれば、回転軸線を中心とする外周面と、回転軸線を中心として円周方向に配列された複数の磁石スロットと、を有する回転子コアと、各磁石スロットに挿入された永久磁石と、を備え、外周面から磁石スロットまでの半径方向に沿った回転子コアの最も薄い部分の厚さをｔ、磁石スロットの円周方向に沿った幅をＬとしたとき、２≦Ｌ／ｔ≦１０とされているので、厚さｔに対して長さＬが適切に設定された回転子を提供できる。このため、厚さｔを可能な限り薄くした場合における長さＬを適切に設定できる。このとき、自ずと永久磁石の最大寸法、ひいては最大質量が決定されるので、永久磁石の質量によって発生する遠心力に起因した磁石スロットの損傷を回避できる。このように、厚さｔを可能な限り薄くすることで永久磁石を回転子コアの外周面に接近させてモータとしての性能を高めるとともに、Ｌ／ｔ≦１０とすることで磁石スロットの強度を確保することができる。
　また、２≦Ｌ／ｔとすることで永久磁石１６の寸法が過剰に小さくなることを回避して、磁石としての性能を確保することができる。

　また、本開示の一態様に係る回転子において、前記磁石スロットは、前記半径方向に沿った２辺を有する略四角形とされ、角部（１５）にフィレットが設けられている。

　本態様に係る回転子によれば、磁石スロットは、半径方向に沿った２辺を有する略四角形とされ、角部にフィレットが設けられているので、角部への応力集中を抑制できる。

　また、本開示の一態様に係る回転子において、前記磁石スロットは、前記半径方向の外側に位置する前記角部にのみ前記フィレットが設けられている。

　本態様に係る回転子によれば、磁石スロットは、前記半径方向の外側に位置する角部にのみフィレットが設けられているので、永久磁石の質量によって発生する遠心力が特に作用しやすい半径方向の外側に位置する角部への応力集中を抑制できる。

　また、本開示の一態様に係る回転子において、前記フィレットの半径をＲとしたとき、０．１０≦Ｒ／Ｌ≦０．１５とされている。

　本態様に係る回転子によれば、フィレットの半径をＲとしたとき、０．１０≦Ｒ／Ｌ≦０．１５とされているので、角部への応力集中を抑制しつつ、永久磁石の寸法が過剰に小さくなることを回避できる。

　また、本開示の一態様に係る回転子は、同一方向に磁化された永久磁石が円周方向に沿って連続的に配置された部分を有している。

　本態様に係る回転子によれば、同一方向に磁化された永久磁石が円周方向に沿って連続的に配置された部分を有しているので、複数の永久磁石のまとまりの単位で磁力の向きを円周方向に沿って入れ替えることができる。これによって、１つの磁石スロットに挿入される永久磁石の質量を低減しつつ、モータとしての性能を確保することができる。

　また、本開示の一態様に係る外周駆動ファン（１）は、上記の回転子と、前記回転軸線を中心に前記半径方向に延在する複数の羽根（２２）を有しているファン部（２０）と、を備え、前記回転子は、前記回転軸線を中心とする環状とされ、前記ファン部は、前記回転子の内周側に設けられているとともに、前記羽根の先端が前記回転子の内周面に接続されている。

　本態様に係る外周駆動ファンは、上記の回転子と、回転軸線を中心に半径方向に延在する複数の羽根を有しているファン部と、を備え、回転子は、回転軸線を中心とする環状とされ、ファン部は、回転子の内周側に設けられているとともに、羽根の先端が回転子の内周面に接続されているので、回転子に遠心力が作用しやすい構造である外周駆動ファンにおいて、厚さｔを可能な限り薄くすることで永久磁石を回転子コアの外周面に接近させてモータとしての性能を高めるとともに、Ｌ／ｔ≦１０とすることで磁石スロットの強度を確保することができる。
　また、２≦Ｌ／ｔとすることで永久磁石１６の寸法が過剰に小さくなることを回避して、磁石としての性能を確保することができる。

１　　外周駆動ファン
１０　回転子
１１　回転子コア
１２　磁石スロット
１３　外周面
１４　内周面
１５　角部
１６　永久磁石
２０　ファン部
２１　ハブ
２２　羽根
３０　固定子
４０　ダクト
Ｘ　　回転軸線

Claims (6)

1. 　回転軸線を中心とする外周面と、前記回転軸線を中心として円周方向に配列された複数の磁石スロットと、を有する回転子コアと、
   　各前記磁石スロットに挿入された永久磁石と、
   を備え、
   　前記外周面から前記磁石スロットまでの半径方向に沿った前記回転子コアの最も薄い部分の厚さをｔ、前記磁石スロットの前記円周方向に沿った長さをＬとしたとき、２≦Ｌ／ｔ≦１０とされている回転子。
2. 　前記磁石スロットは、前記半径方向に沿った２辺を有する略四角形とされ、角部にフィレットが設けられている請求項１に記載の回転子。
3. 　前記磁石スロットは、前記半径方向の外側に位置する前記角部にのみ前記フィレットが設けられている請求項２に記載の回転子。
4. 　前記フィレットの半径をＲとしたとき、０．１０≦Ｒ／Ｌ≦０．１５とされている請求項２又は３に記載の回転子。
5. 　同一方向に磁化された前記永久磁石が前記円周方向に沿って連続的に配置された部分を有している請求項１から４のいずれかに記載の回転子。
6. 　請求項１から５のいずれかに記載の回転子と、
   　前記回転軸線を中心に前記半径方向に延在する複数の羽根を有しているファン部と、
   を備え、
   　前記回転子は、前記回転軸線を中心とする環状とされ、
   　前記ファン部は、前記回転子の内周側に設けられているとともに、前記羽根の先端が前記回転子の内周面に接続されている外周駆動ファン。

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