JP6852575B2 - 電動機用ロータ、電動機用ロータを備える電動機 - Google Patents

Description

本開示は、電動機用ロータに関し、特には、永久磁石型電動機用ロータに関する。

従来より、永久磁石がロータに埋め込まれた電動機が知られている。電動機の動作や性能に影響するロータの発熱を抑制するために、ロータのエンドプレートに溝を形成し、この溝に冷媒を供給する技術が知られている（例えば、特許文献１）。

特開２０１１−１４２７８８号公報

しかし、特許文献１に記載の技術を用いた場合、ロータの端面のみを冷却することとなるため、ロータの冷却効率としては十分では無かった。また、特許文献１に記載の技術を用いた場合、ロータの外部から冷媒を供給する構造が必要となるため、ロータを備える電動機として、構造が複雑となる虞があった。このため、ロータを冷却する他の技術が望まれていた。

本発明は、上述の課題を解決するためになされた発明であり、以下の形態として実現することが可能である。

本発明の一形態によれば、電動機用ロータ（１００、２００、３００、４００、５００）が提供される。この電動機用ロータは、ロータコア（１０、１０Ｄ）と、軸方向における前記ロータコアの両方の端面に、それぞれ設けられた端板（２０）と、前記ロータコア内において、前記軸方向に沿って配された永久磁石（４０、４０Ｄ）とを備え、前記永久磁石は、前記軸方向に沿った孔（４５）を有し、前記孔には、前記永久磁石よりも熱伝導性が良い熱伝導部材（５０、５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄ）が配されており、前記熱伝導部材は、少なくとも一方の前記端板と接しており、前記熱伝導部材は、前記ロータコア内において連続していない非接続部分（５２、５２Ｂ、５２Ｃ）を備える。

この形態の電動機用ロータによれば、ロータコア内の熱を、熱伝導部材を介して熱伝導部材と接する端板からロータの外部に放出することができる。また、熱伝送部材は、ロータコア内において連続していない非接続部分を備えるため、熱伝導部材を介して循環電流が発生することによる発熱を抑制できる。

第１実施形態におけるロータの模式図。 図１の２−２線で切断したロータの断面図。 図２の３−３線で切断したロータの断面図。 ロータからロータコアを取り除いた状態を示す説明図。 ロータからロータコアを取り除いた状態を示す斜視図。 熱伝導部材が非接続部分を備えない場合を示す図。 第２実施形態のロータからロータコアを取り除いた状態を示す説明図。 第２実施形態のロータからロータコアを取り除いた状態を示す斜視図。 第３実施形態のロータからロータコアを取り除いた状態を示す説明図。 第３実施形態のロータからロータコアを取り除いた状態を示す斜視図。 第４実施形態のロータからロータコアを取り除いた状態を示す説明図。 第４実施形態のロータからロータコアを取り除いた状態を示す斜視図。 変形例のロータの断面図。 ロータを備える電動機を示す説明図。 冷媒を用いて放熱を行う態様を示す説明図。

Ａ．第１実施形態
図１から図５に示すように、第１実施形態に係るロータ１００は、電動機用ロータであり、ロータ１００内部に永久磁石が埋め込まれた同期モータ（ＩＰＭＳＭ：Interior Permanent Magnet Synchronous Motor）に用いるロータである。ロータ１００は、ロータコア１０と、端板２０と、永久磁石４０と、熱伝導部材５０と、を備える。ロータ１００は、その中心から軸方向に沿って出力軸３０を挿通するための出力軸孔１００ａを備える。

本実施形態において、ロータコア１０は、円盤状の金属板を、ロータ１００の軸方向ＡＸ（以下、単に「軸方向」とも呼ぶ）に複数積層させた積層鉄心構造を採用している。ロータコア１０には、軸方向ＡＸに延びるスリット１５が複数設けられている。本実施形態におけるロータ１００は、Ｖ字磁石配置ロータである。このため、スリット１５は、軸方向ＡＸから見たときに、永久磁石４０がＶ字に配置できるように、一対のスリットがＶ字状となるように形成されている。本実施形態では、ロータコア１０は、この一対のスリットを６対備える。なお、スリット１５は、ロータコア１０を軸方向ＡＸに貫通する孔である。

端板２０は、軸方向ＡＸにおけるロータコア１０の外側に配置されている。本実施形態では、端板２０は、軸方向ＡＸにおけるロータコア１０の両方の端面１０ａ、１０ｂに、それぞれ設けられている。図において、ロータコア１０の端面１０ａ側に設けられた端板２０を、端板２０ａとし、ロータコア１０の端面１０ｂ側に設けられた端板２０を、端板２０ｂとする。本実施形態では、端板２０は、金属により形成されている。

ロータコア１０のスリット１５の内部には、永久磁石４０がそれぞれ埋め込まれている。永久磁石４０として、例えば、フェライト磁石や希土類磁石を用いることができる。永久磁石４０は、スリット１５内に挿入されているだけでもよく、接着剤によりロータコア１０に固定されていてもよい。

各永久磁石４０は、主たる着磁方向がロータ１００の径方向（以下、単に「径方向」とも呼ぶ）に沿って配されている。軸方向ＡＸから見たときにＶ字状となる一対のスリットに埋め込まれている２つの永久磁石４０は、主たる着磁方向が同じとなるように着磁されている。また、一対のスリットに埋め込まれた永久磁石４０は、ロータ１００の円周方向において隣り合う一対のスリットに埋め込まれた永久磁石４０と、主たる着磁方向が互いに反対方向となるように着磁されている。

図３に示すように、永久磁石４０は、軸方向ＡＸに沿った孔４５を備える。本実施形態では、図２に示すように、永久磁石４０は、それぞれ１つずつ孔を備えるが、それぞれ２つ以上ずつ孔を備えてもよい。また、孔４５は、軸方向ＡＸにおいてロータコア１０を貫通しているが、貫通していなくてもよい。

永久磁石４０の孔４５には、永久磁石よりも熱伝導性が良い熱伝導部材５０が配されている。熱伝導部材５０は、非磁性体により形成されていることが好ましく、熱伝導部材５０の材料としては、例えば、銅や、アルミニウムや、チタンが挙げられる。本実施形態では、熱伝導部材５０は、銅により形成されている。

図４の領域Ｔに示すように、熱伝導部材５０は、ロータコア１０内において連続していない非接続部分５２を備える。本実施形態では、非接続部分５２は、軸方向ＡＸにおいて、両方の端板２０ａ、２０ｂから等しい距離に設けられている。本実施形態では、非接続部分５２は、空隙となっている。しかし、非接続部分５２を樹脂材などで満たすことにより、熱伝導部材５０を非接続部分５２において絶縁してもよい。また、非接続部分５２の部分を空隙とせずに、永久磁石４０が配されていてもよい。つまり、永久磁石４０の孔４５は、貫通しておらず、非接続部分５２において孔４５が繋がっていなくてもよい。

また、熱伝導部材５０は、少なくとも一方の端板２０と接している。本実施形態では、図５に示すように、熱伝導部材５０は、両方の端板２０ａ、２０ｂと接しており、軸方向ＡＸにおける熱伝導部材５０の外側の端は、端板２０に埋め込まれている。このように熱伝導部材５０の一部が端板２０に埋め込まれていることにより、ロータ１００を組み立てる際に、永久磁石４０が備えられたロータコア１０に、熱伝導部材５０が備えられた端板２０を取り付けられるため、ロータ１００の製造が容易となる。ここで、端板２０と熱伝導部材５０との接合方法としては、例えば、圧入や、隙間嵌め、溶接、加締めを用いることができる。

本実施形態のロータ１００は、熱伝導部材５０を備えることにより、ロータコア１０内の熱を効率的に放出することができる。つまり、ロータコア１０内の熱は、熱伝導部材５０を介して熱伝導部材５０と接し、熱伝導部材５０よりも放熱面積の大きな端板２０から、ロータ１００外部へ放出される。

また、図４に示すように、熱伝導部材５０は、ロータコア１０内において連続していない非接続部分５２を備える。一方、図６に示すように、熱伝導部材５０Ｚが非接続部分５２を備えない場合、熱伝導部材５０Ｚを介して一方の端板２０ａと他方の端板２０ｂとが電気的に接続されることとなる。ここで、一対のスリットに埋め込まれた永久磁石４０は、ロータ１００の円周方向において隣り合う一対のスリットに埋め込まれた永久磁石４０と、主たる着磁方向が互いに反対方向となるように着磁されている。このため、循環電流が発生する。この結果として、ロータコア１０が発熱することとなり、また、発熱に起因して永久磁石４０が減磁する虞がある。しかし、本実施形態では、図４に示すように、熱伝導部材５０は非接続部分５２を備える。このため、循環電流が発生することを抑制でき、この結果として、ロータコア１０の発熱を抑制できるとともに、永久磁石４０の減磁を抑制できる。

また、本実施形態の非接続部分５２は、軸方向ＡＸにおいて、両方の端板２０ａ、２０ｂから等しい距離に設けられている。このため、ロータコア１０内の熱が、熱伝導部材５０を介して熱伝導部材５０と接する端板２０を通って、ロータ１００外部へ放出される際、両方の端板２０ａ、２０ｂから均等に放熱されるため、効率的な放熱が可能となる。

また、本実施形態のロータ１００は、冷媒をロータ１００内に供給する方法ではなく、熱伝導部材５０により放熱がなされる。このため、本実施形態のロータ１００は、冷媒をロータ１００内に供給する場合に必要とされる複雑な冷媒を供給する構造を必要としないため、製造が容易である。また、本実施形態のロータ１００は、ロータ１００が回転していない状態においても、熱伝導部材５０を介して端板２０から放熱がなされる。

Ｂ．第２実施形態
図７及び図８に示すように、第２実施形態のロータ２００は、第１実施形態のロータ１００と比較して、熱伝導部材５０Ａが異なるが、それ以外は同じである。第２実施形態の熱伝導部材５０Ａは、接している端板２０を貫通している。このようにすることにより、第２実施形態のロータ２００によれば、端板２０から露出した熱伝導部材５０Ａの部分においても放熱できる。

また、第２実施形態の熱伝導部材５０Ａは、端板２０から軸方向ＡＸに突出する突出部５４を備える。このようにすることにより、第２実施形態のロータ２００によれば、電動機の使用時において、ロータ２００が回転することにより、突出部５４から効率的に放熱できる。

Ｃ．第３の実施形態
図９及び図１０に示すように、第３実施形態のロータ３００は、第１実施形態のロータ１００と比較して、熱伝導部材５０Ｂが異なるが、それ以外は同じである。第３実施形態の熱伝導部材５０Ｂは、端板２０ｂと接するが端板２０ａとは接していない。つまり、第３実施形態の熱伝導部材５０Ｂは、ロータコア１０内において連続していない非接続部分５２Ｂを端板２０ａ近傍に備える。このような態様においても、ロータコア１０内の熱を効率的に放出することができる。

Ｄ．第４の実施形態
図１１及び図１２に示すように、第４実施形態のロータ４００は、第１実施形態のロータ１００と比較して、熱伝導部材５０Ｃが異なるが、それ以外は同じである。第４実施形態の熱伝導部材５０Ｃは、熱伝導部材５０Ｃが配された永久磁石４０のＮ極側に非接続部分５２Ｃを備える。このような態様においても、ロータコア１０内の熱を効率的に放出することができる。なお、熱伝導部材５０Ｃとして、熱伝導部材５０Ｃが配された永久磁石４０のＳ極側に非接続部分５２Ｃを備えてもよい。また、熱伝導部材５０Ｃの非接続部分５２Ｃは、ロータ１００の円周方向において隣り合う非接続部分５２Ｃと、軸方向ＡＸにおいて反対方向となるように配されてもよい。

Ｅ．変形例
Ｅ１．変形例１
本実施形態では、ロータとして、Ｖ字磁石配置ロータを用いたが、これに限られず、例えば、図１３に示すように、ロータコア１０Ｄに平板形状の永久磁石４０Ｄを配置したロータ５００を用いてもよく、１つの永久磁石４０Ｄに対して２つの熱伝導部材５０Ｄを配置してもよい。

Ｅ２．変形例２
図１３に示すように、第１実施形態のロータ１００を備える電動機は、電機子巻線７５を備えるステータ７０と、ロータ１００とステータ７０とを覆うモータケース８０と、を備える。第１実施形態では、熱伝導部材５０を用いて放熱を行うが、さらに、冷媒を用いてもよい。例えば、図１４に示すように、モータケース８０内において、矢印で示すように、ポンプ９０により送り出され、熱交換器９２により冷却された冷媒が、ロータ１００の端板２０へ噴射される構造としてもよい。

本発明は、上述の実施形態および変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する本実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０、１０Ｄ…ロータコア、１０ａ、１０ｂ…端面、１５…スリット、２０、２０ａ、２０ｂ…端板、３０…出力軸、４０、４０Ｄ…永久磁石、４５…孔、５０、５０Ａ〜５０Ｄ、５０Ｚ…熱伝導部材、５２、５２Ｂ、５２Ｃ…非接続部分、５４…突出部、７０…ステータ、７５…電機子巻線、９０…ポンプ、９２…熱交換器、１００、２００、３００、４００、５００…ロータ、１００ａ…出力軸孔、ＡＸ…軸方向、Ｔ…領域

Claims (4)

1. 電動機用ロータ（１００、２００、３００、４００、５００）であって、
   ロータコア（１０、１０Ｄ）と、
   軸方向における前記ロータコアの両方の端面に、それぞれ設けられた端板（２０）と、
   前記ロータコア内において、前記軸方向に沿って配された永久磁石（４０、４０Ｄ）とを備え、
   前記永久磁石は、前記軸方向に沿った孔（４５）を有し、
   前記孔には、前記永久磁石よりも熱伝導性が良い熱伝導部材（５０、５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄ）が配されており、
   前記熱伝導部材は、少なくとも一方の前記端板と接しており、
   前記熱伝導部材は、前記ロータコア内において連続していない非接続部分（５２、５２Ｂ、５２Ｃ）を備える、電動機用ロータ。
2. 請求項１に記載の電動機用ロータ（２００）であって、
   前記熱伝導部材（５０Ａ）は、接している前記端板を貫通している、電動機用ロータ。
3. 請求項２に記載の電動機用ロータであって、
   前記熱伝導部材は、前記端板から前記軸方向に突出する突出部（５４）を備える、電動機用ロータ。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の電動機用ロータを備える電動機。

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