WO2022250037A1 - 電動モーターのローター - Google Patents

Abstract

ローター１は、電動モーターの回転中心軸方向に延設され、前記回転中心軸まわりに回転可能に支持される。ローター１は、その外周部において、前記回転中心軸方向に平行にそれぞれ延びる磁極であるＮ極及びＳ極が、ローター１の周方向に交互に形成されるように、ローター１の外周部に配置された複数の永久磁石２１、２２と、前記各永久磁石の外周面のうち、前記回転中心軸方向における両端部を除く中間部に対面配置された外周コア３０と、ローター１の前記回転中心軸方向における両端部に配置された一対の端末コア４０と、を備える。外周コア３０及び端末コア４０が磁性体で構成され、且つ端末コア４０の最大透磁率が、外周コア３０の最大透磁率以下である。

Description

電動モーターのローター

　本発明は、電動モーターのローターに関する。

　例えば、下記特許文献１乃至特許文献３には、電動モーターのローター（以下、単に「ローター」と称呼する。）が記載されている。このローターは、ローターコア及び複数の永久磁石を備える。ローターコアは、略円形の電磁鋼板（鉄心片）を積層して形成された円柱状の部材である。ローターコアには、複数の永久磁石をそれぞれ収容（埋設）するための複数の孔部が設けられている。これらの孔部は、ローターコアの一端面から他端面へ貫通している。これらの孔部は、ローターコアの周方向に等間隔に配置されている。

　永久磁石は、電動モーターの回転中心軸の延設方向に対して平行に延びる平板状（棒状）の部材である。永久磁石は、その板厚方向に磁化されている。すなわち、永久磁石の表面がＮ極であり、裏面がＳ極である。永久磁石は、ローターコアの孔部内に配置されている。これにより、複数の磁極（Ｎ極及びＳ極）がローターコアの周方向に等間隔に形成される。ローターコアにおける、各永久磁石の周囲の所定の位置に、漏れ磁束を低減するための複数の空隙（スリット）が設けられている。

国際公開第２０１５／１６６５３２号 特開２００７―３３００２７号公報 特開２０１８―１１７４８８号公報

　上記従来のローターにおいて、永久磁石の配置位置、永久磁石の数、空隙の位置（磁路）などを最適化することにより、電動モーターのトルクの向上を図っている。

　本発明の目的は、電動モーターの平均トルク（ローターが１回転する間のトルクの平均値）を従来より向上可能なローターを提供することにある。

　上記目的を達成するために、本発明に係る電動モーターのローターは、電動モーターの回転中心軸方向に延設され、前記回転中心軸まわりに回転可能に支持される。前記ローターは、その外周部において、前記回転中心軸方向に平行にそれぞれ延びる磁極であるＮ極及びＳ極が、前記ローターの周方向に交互に形成されるように配置された複数の永久磁石と、前記各永久磁石の外周面のうち、前記回転中心軸方向における両端部を除く中間部に対面配置された外周コアと、前記ローターの前記回転中心軸方向における両端部に配置された一対の端末コアと、を備える。前記外周コア及び前記端末コアが磁性体で構成され、且つ前記端末コアの最大透磁率が、前記外周コアの最大透磁率以下である。

　本発明の一態様に係る電動モーターのローターにおいて、隣接する前記外周コアが接続部を介して互いに接続されている。

　本発明の他の態様に係る電動モーターのローターにおいて、前記接続部の最大透磁率が、前記外周コアの最大透磁率以下である。

　本発明の他の態様に係る電動モーターのローターにおいて、前記回転中心軸方向に延設され、前記回転中心軸のまわりに回転可能に支持される中心コアを備え、前記複数の永久磁石が、前記中心コアの外周面に配置され、前記一対の端末コアが、前記中心コアの前記回転中心軸方向における両端部に配置される。

　本発明の他の態様に係る電動モーターのローターにおいて、前記端末コアは、前記ローターの外周部の周方向における、複数の前記永久磁石の位置を規定する位置決め部を有する。

　本発明のローターにおいて、永久磁石の長手方向における中間部に、磁性体としての外周コアが取り付けられている。そのため、ローターの外周面の長手方向における中間部に磁束が集中する。以下、この磁束を「第１磁束」と称呼する。言い換えれば、ローターの長手方向における両端面側への磁束漏れが低減される。永久磁石からローターの両端側へ向かう磁束（漏れ磁束（以下、「第２磁束」と称呼する。））も存在するが、これらの磁束は、磁性体としての端末コアに集中する（短絡する）。すなわち、第２磁束は、ローターの周方向へ向かうのではなく、ローターの径方向へ向かう傾向にある（図６を参照。）。

　ここで、本発明に係るローターが適用された電動モーターにおいて、第１磁束の作用によりローターに生じる第１トルクと、第２磁束の作用によりローターに生じる第２トルクとの変化の態様が異なる（図７を参照。）。具体的には、第１トルクが減少する過程において、第２トルクが増大し、第１トルクが増大する過程において、第２トルクが減少する。よって、本発明に係るローターを採用した電動モーターにおいて、ローターに生じるトルク（第１トルクと第２トルクの合計）の変動が小さく、従来のローターを採用した電動モーターに比べて、平均トルクが向上する。

本発明の一実施形態に係るローターの斜視図である。 図１のローターの分解斜視図である。 本発明の変形例に係るローターの斜視図である。 図３のローターの分解斜視図である。 電磁鋼板及びダストコアに印可される磁界と磁束密度との関係の例を示すグラフである。 端末コアにおける磁力線の方向を示す図である。 トルクの変動を示すグラフである。 本発明のローターを採用した電動モーターの平均トルクの向上率を示す第１の表である。 本発明のローターを採用した電動モーターの平均トルクの向上率を示す第２の表である。 本発明のローターを採用した電動モーターの平均トルクの向上率を示す第３の表である。 本発明のローターを採用した電動モーターの平均トルクの向上率を示す第４の表である。 永久磁石と外周コア（本体部）との位置関係を示す正面図である。 端末コアの外周部の一部を切り欠いた例を示す正面図である。 各部の寸法を示す表である。

（概略）
　以下、本発明の一実施形態に係る「電動モーターのローター１」（以下、単に「ローター１」と称呼する。）について説明する。ここで、ローター１が適用された電動モーターの構成について簡単に説明しておく。電動モーターは、ステーターを備える。ステーターは、円筒状の部品である。ステーターの内周面には、複数のティースが形成されている。これらのティースは、ステーターの周方向に等間隔に配置されている。各ティースには、コイルが組み付けられている。すなわち、ティースに電線が巻きつけられている。

　ローター１は、円柱状の部品である。ステーターの内部に、ローター１が収容されている。ローター１とステーターとが同軸配置されている。ローター１は、その回転中心軸方向に対して平行にそれぞれ延びる複数の磁極（Ｎ極及びＳ極）を有する。これらの磁極は、ローター１の周方向に等間隔に配置されている。本実施形態では、ローター１は、８個の磁極（４個のＮ極及び４個のＳ極）を備える。これらのＮ極及びＳ極が、ローター１の周方向に交互に配置されている。ステーターの複数のコイルに、所定の順に電力が供給される。これにより、ローター１がステーターに対して回転する。

（構成）
　つぎに、ローター１の構成について説明する。ローター１は、図１に示すように、中心コア１０、複数の永久磁石２０（４個の永久磁石２１及び４個の永久磁石２２）、外周コア３０、及び一対の端末コア４０，４０を備える。

　中心コア１０は、図２に示すように、円柱状の部品である。中心コア１０は、複数の円板状の鉄心片１１を積層した積層体である。鉄心片１１は、電磁鋼板（母材）を打ち抜いて形成される。

　鉄心片１１の中心部には、打ち抜き孔ＰＨ１が形成されている。打ち抜き孔ＰＨ１は円形を呈する。鉄心片１１が積層された状態において、前記打ち抜き孔ＰＨ１が連通している。すなわち、中心コア１０の中心部には、その長手方向（中心軸の延設方向）における一端面から他端面へ貫通する貫通孔ＴＨ１が形成されている。この貫通孔ＴＨ１に、図示しないシャフト（電動モーターの出力軸）が挿入されて固定される。

　永久磁石２０は、中心コア１０の中心軸（回転中心軸）の延設方向に対して平行に延設された幅の狭い板状の部品である。永久磁石２０は、中心コア１０の外周面に沿うように湾曲している。すなわち、永久磁石２０の板厚方向における一方の面が凸面であり、他方の面が凹面である。永久磁石２０は、その板厚方向に磁化されている。すなわち、永久磁石２１の凸面側がＮ極であり、凹面側がＳ極である。一方、永久磁石２２の凸面側がＳ極であり、凹面側がＮ極である。中心コア１０の外周面において、その周方向に、永久磁石２１及び永久磁石２２が交互に配置されている。これにより、中心コア１０の外周面に、上記のような８個の磁極（４個のＮ極及び４個のＳ極）が配置される。

　外周コア３０は、永久磁石２１，２２の表面（凸面）に対面配置される複数の板状の本体部３１と、隣接する本体部３１，３１を接続する接続部３２を有する。本体部３１は、磁性体で構成され、接続部３２は、非磁性体で構成されている。本体部３１は、例えば、中心コア１０と同一の電磁鋼板から構成されている。接続部３２は、例えば、合成樹脂材（例えば、ポリフェニレンサルファイド樹脂材（Ｐｏｌｙ　Ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ　Ｓｕｌｆｉｄｅ　Ｒｅｓｉｎ））から構成されている。本体部３１は、中心コア１０の中心軸に対して平行に延設されている。本体部３１の長さＬｃは、永久磁石２１，２２の長さＬｍよりも短い（図１２を参照。）。本体部３１の幅Ｗｃは、永久磁石２１，２２の幅Ｗｍよりも狭い。本体部３１は、永久磁石２１，２２の凸面に沿うように湾曲形成されている。本体部３１は、永久磁石２１，２２の中央部に対面配置（接着）されている。すなわち、永久磁石２１，２２の長手方向における中間部が外周コア３０で覆われていて、永久磁石２１，２２の長手方向における両端部が露出している。なお、上記の例では、隣接する本体部３１が接続部３２を介して接続されている。すなわち、外周コア３０は、リング状を呈している。なお、本体部３１と接続部３２とが別々の部品として形成され、それらが接続されるとよい。また、電磁鋼板からなるリング状の部品の一部（接続部３２に相当する部分）にレーザー光を照射して、当該部位を改質して非磁性化してもよい。また、図３及び図４に示したように、接続部３２が省略され、各本体部３１が永久磁石２１，２２の表面に接着されてもよい。

　端末コア４０は、円板状の部品である。端末コア４０の外径は、中心コア１０の外径より大きい。端末コア４０の中心部には、貫通孔ＴＨ２が設けられている。貫通孔ＴＨ２の内径は、貫通孔ＴＨ１の内径と同一である。端末コア４０，４０は、中心コア１０の長手方向における両端面にそれぞれ取り付けられる。端末コア４０，４０と中心コア１０とが同軸配置される。

　端末コア４０，４０の一方の面の外周縁部に複数（８個）の凸部４１が設けられている。これらの凸部４１が、端末コア４０の周方向に等間隔に配置されている。一方の端末コア４０の凸部４１と他方の端末コア４０の凸部４１とが対向するように、端末コア４０，４０が中心コア１０の両端面にそれぞれ接着されている。端末コア４０の周方向に隣接する２つの凸部４１の間に、永久磁石２１（２２）の端部が配置されている。すなわち、凸部４１は、永久磁石２１（２２）の位置決め部（位置ずれ防止部）として機能する。

　端末コア４０は、ダストコア（又は電磁鋼板）から構成されている。端末コア４０の最大透磁率は、外周コア３０の本体部３１の最大透磁率（図５に示した、「磁界と磁束密度との関係を表すグラフの傾きの最大値）以下である。

　（作用及び効果）
　上記のように、永久磁石２１，２２の長手方向における中間部に、磁性体としての外周コア３０の本体部３１が取り付けられている。そのため、ローター１の外周面の長手方向における中間部に磁束が集中する。以下、この磁束を「第１磁束」と称呼する。言い換えれば、ローター１の長手方向における両端面側への磁束漏れが低減される。永久磁石２１，２２からローター１の両端側へ向かう磁束（漏れ磁束（以下、「第２磁束」と称呼する。））も存在するが、これらの磁束は、磁性体としての端末コア４０，４０に集中する（短絡する）。すなわち、図６に示したように、第２磁束は、ローター１の周方向θへ向かうのではなく、端末コア４０の全周に亘り、ローター１の径方向Ｒへ向かう傾向にある。

　ここで、ローター１が適用された電動モーターにおいて、第１磁束の作用によりローター１に生じる第１トルクＴ１と、第２磁束の作用によりローター１に生じる第２トルクＴ２との変化（ローター１の回転角度と第１トルクＴ１及び第２トルクＴ２との関係）をコンピューターシミュレーションした結果を図７に示す。同図に示したように、第１トルクＴ１と第２トルクＴ２の変化の態様が異なっている。具体的には、第１トルクＴ１が減少する過程において、第２トルクＴ２が増大し、第１トルクＴ１が増大する過程において、第２トルクＴ２が減少する。なお、永久磁石２１の端部と永久磁石２２の端部の間に凸部４１が設けられることにより、このような作用が得られる。よって、ローター１を採用した電動モーターにおいて、ローター１に生じるトルク（第１トルクＴ１と第２トルクＴ２との合計）の変動が小さく、従来のローターを採用した電動モーターに比べて、平均トルクＴｍが向上する。

　また、従来のローターにおいて、ローターコアを構成する鉄心片を積層する際、打ち抜き孔、スリットなどの位置を揃える必要がある。これらの部位の位置ずれは、電動モーターのトルクを低下させる要因になるため、ローターコアの高い製造精度が求められる。これに対し、本実施形態において、中心コア１０を構成する鉄心片１１は、従来の鉄心片に比べて、その形状（打ち抜き孔の数）が単純であるので、中心コア１０を製造し易い。

（実施例）
　つぎに、従来のローターＸを採用した電動モーターの平均トルクＴｍと、本発明の実施例に係るローターＹ１，Ｙ２を採用した電動モーターの平均トルクＴｍとの比較結果（平均トルクＴｍの向上率（コンピューターシミュレーション結果））を図８に示す。加えて、ローターＸを採用し電動モーターの平均トルクＴｍと、本発明の比較例に係るローターＺ１、Ｚ２を採用した電動モーターの平均トルクＴｍとの比較結果を、同図に併記した。

　なお、ローターＸは、上記従来のローターと同様に、電磁鋼板の積層体としてのローターコアを有する。このローターコアの外周縁部に設けられた孔部内に永久磁石が配置されている。ローターＸのローターコアを構成する電磁鋼板として、ＪＩＳ　Ｃ　２５５２－１９８６における「５０Ａ６００」を採用している。

　ローターＹ１，Ｙ２の外周コア３０において、隣接する本体部３１が接続部３２を介して接続されておらず、各本体部３１が永久磁石２１，２２の表面に接着されている。つまり、永久磁石２１，２２の間（磁極間及びその外方）が空隙である。さらに、ローターＹ１の端末コア４０，４０は、本体部３１と同一の電磁鋼板から構成されている。ローターＹ１の本体部３１及び端末コア４０を構成する電磁鋼板として、「５０Ａ６００」を採用している。

　一方、ローターＹ２の端末コア４０，４０は、ダストコアから構成されている。すなわち、ローターＹ１において、本体部３１と端末コア４０の最大透磁率は同一である。一方、ローターＹ２において、本体部３１の最大透磁率に比べて、端末コア４０の最大透磁率が小さい。ローターＹ２の本体部３１を構成する電磁鋼板として、ＪＩＳ　Ｃ　２５５２－１９８６における「５０Ａ６００」を採用している。ローターＹ２の端末コア４０は、ポリフェニレンサルファイド樹脂材（Ｐｏｌｙ　Ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ　Ｓｕｌｆｉｄｅ　Ｒｅｓｉｎ）に純鉄粉を含有させた射出成型体（ダストコア）である。当該ダストコアにおける純鉄粉の含有率（体積比）は約５０％である。

　ローターＺ１，Ｚ２において、外周コア３０の全体が、電磁鋼板（「５０Ａ６００」）から構成されている。すなわち、本体部３１のみならず、接続部３２も電磁鋼板（「５０Ａ６００」）から構成されている。そして、ローターＺ１の端末コア４０は、ローターＹ１と同様に、電磁鋼板（「５０Ａ６００」）から構成され、ローターＺ２の端末コア４０は、ローターＹ２と同様に、ダストコアから構成されている。

　同図に示したように、外周コア３０において、磁極間及びその外方に位置する部分が非磁性体であり、且つ端末コア４０の最大透磁率が本体部３１の最大透磁率以下であるローターＹ１，Ｙ２を採用した場合に、平均トルクＴｍを向上させることができた。さらに、端末コア４０の最大透磁率と本体部３１の最大透磁率とが同一であるローターＹ１を採用した場合に比べて、端末コア４０の最大透磁率が本体部３１の最大透磁率よりも小さいローターＹ２を採用した場合に、平均トルクＴｍをより大きく向上させることができた。一方、外周コア３０において、磁極間及びその外方に位置する部分が磁性体であるローターＺ１，Ｚ２において、平均トルクＴｍを向上させることができなかった。

　つぎに、本体部３１の各部の寸法（長さＬｃ及び幅Ｗｃ（図１２及び図１４を参照。））が異なるローターＹ１ａ乃至ローターＹ１ｅを採用した場合の平均トルクＴｍの向上率を図９に示す。なお、ローターＹ１ａ乃至ローターＹ１ｅは、図８に示したローターＹ１と同様に、それらの本体部３１及び端末コア４０が電磁鋼板から構成されている。また、ローターＹ２ａ乃至ローターＹ２ｅの本体部３１の長さＬｃ及び幅Ｗｃ、並びに永久磁石２１，２２の長さＬｍ及び幅Ｗｍは、図１４に示した通りである。なお、ローターＹ１ａ乃至ローターＹ１ｅの外周コア３０のうち、磁極間及びその外方に位置する部分は空隙である。

　つぎに、本体部３１の各部の寸法（長さＬｃ及び幅Ｗｃ（図１４を参照。））が異なるローターＹ２ａ及びローターＹ２ｂを採用した場合の平均トルクＴｍの向上率を図１０に示す。なお、ローターＹ２ａ及びローターＹ２ｂは、図８に示したローターＹ２と同様に、それらの本体部３１が電磁鋼板から構成され、端末コア４０がダストコアから構成されている。また、ローターＹ２ａ及びローターＹ２ｂの本体部３１の長さＬｃ及び幅Ｗｃ、並びに永久磁石２１，２２の長さＬｍ及び幅Ｗｍは、図１４に示した通りである。なお、ローターＹ２ａ及びローターＹ２ｂの外周コア３０のうち、磁極間及びその外方に位置する部分は空隙である。

　加えて、本体部３１が電磁鋼板から構成されるとともに端末コア４０がダストコアから構成され、且つ接続部３２が端末コア４０と同一のダストコアから構成されたローターＹＡを採用した場合の平均トルクＴｍの向上率を同図に示す。さらに、本体部３１及び端末コア４０が電磁鋼板から構成され、且つ本体部３１の長手方向における両端部が本体部３１と同一の電磁鋼板から構成された接続部３２によって接続されたローターＹＢを採用した場合の平均トルクＴｍの向上率を同図に示す。なお、ローターＹＡ，ＹＢの本体部３１の長さＬｃ及び幅Ｗｃ、並びに永久磁石２１，２２の長さＬｍ及び幅Ｗｍは、ローターＹ２ｂと同一である。

　上記の実施例において、端末コア４０は円板状を呈しているが、図１３に示したように、端末コア４０の外周部であって、永久磁石２１，２２の端面に対向する部分に円弧状の切り欠き部ＣＰを設けてもよい。このような端末コア４０を備えたローターＹＣ乃至ローターＹＧを採用した場合の平均トルクＴｍの向上率を図１１に示す。切り欠き部ＣＰの内周縁の半径Ｒｃ２及び中心角Ｘｍ、並びに端末コア４０の半径Ｒｃ１及び隣接する切り欠き部ＣＰの間に位置する扇形部分の中心角度Ｘｃは、図１４に示した通りである。ローターＹＣの外周コア３０及び端末コア４０の材質は、ローターＹ１ｃと同一である。ローターＹＤの外周コア３０及び端末コア４０の材質は、ローターＹＢと同一である。ローターＹＥの外周コア３０及び端末コア４０の材質は、ローターＹ２ｂと同一である。ローターＹＦの外周コア３０及び端末コア４０の材質は、ローターＹＡと同一である。ローターＹＧの外周コア３０及び端末コア４０の材質は、ローターＺ２と同一である。

　上記のように、永久磁石２１，２２の寸法に対する本体部３１の寸法を最適化することにより、第１トルクＴ１及び第２トルクＴ２のリップル（変動幅）を低減して、平均トルクＴｍを最大化することができる。なお、原則として、接続部３２の最大透磁率は本体部３１の最大透磁率より小さいことが好ましい。ただし、本体部３１と接続部３２の最大透磁率が同一であったとしても、端末コア４０の形状を工夫することにより、平均トルクＴｍを向上させることができる場合がある（図１１のローターＹＧを参照。）。

１…ローター、１０…中心コア、２１，２２…永久磁石、３０…外周コア、３１…本体部、３２…接続部、４０…端末コア、４１…凸部、ＣＰ…切り欠き部（位置決め部）、Ｔ１…第１トルク、Ｔ２…第２トルク、Ｔｍ…平均トルク

Claims (5)

1. 　電動モーターの回転中心軸方向に延設され、前記回転中心軸まわりに回転可能に支持される電動モーターのローターであって、
   　前記ローターの外周部において、前記回転中心軸方向に平行にそれぞれ延びる磁極であるＮ極及びＳ極が、前記ローターの周方向に交互に形成されるように配置された複数の永久磁石と、
   　前記各永久磁石の外周面のうち、前記回転中心軸方向における両端部を除く中間部に対面配置された外周コアと、
   　前記ローターの前記回転中心軸方向における両端部に配置された一対の端末コアと、
   を備え、
   　前記外周コア及び前記端末コアが磁性体で構成され、且つ前記端末コアの最大透磁率が、前記外周コアの最大透磁率以下である、
   　電動モーターのローター。
2. 　請求項１に記載の電動モーターのローターにおいて、
   　隣接する前記外周コアが接続部を介して互いに接続されている、
   　電動モーターのローター。
3. 　請求項２に記載の電動モーターのローターにおいて、
   　前記接続部の最大透磁率が、前記外周コアの最大透磁率以下である、
   　電動モーターのローター。
4. 　請求項１乃至請求項３のうちのいずれか１つに記載の電動モーターのローターにおいて、
   　前記回転中心軸方向に延設され、前記回転中心軸のまわりに回転可能に支持される中心コアを備え、
   　前記複数の永久磁石が、前記中心コアの外周面に配置され、
   　前記一対の端末コアが、前記中心コアの前記回転中心軸方向における両端部に配置された、
   　電動モーターのローター。
5. 　請求項１乃至請求項４のうちのいずれか１つに記載の電動モーターのローターにおいて、
   　前記端末コアは、前記ローターの外周部の周方向における、複数の前記永久磁石の位置を規定する位置決め部を有する、
   　電動モーターのローター。

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