特許 5995764 温度計測機能を備えているロータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5995764

(24)【登録日】2016年9月2日

(45)【発行日】2016年9月21日

(54)【発明の名称】温度計測機能を備えているロータ

(51)【国際特許分類】

   H02K 11/25 20160101AFI20160908BHJP

【ＦＩ】

   H02K11/25

【請求項の数】1

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2013-65969(P2013-65969)

(22)【出願日】2013年3月27日

(65)【公開番号】特開2014-193007(P2014-193007A)

(43)【公開日】2014年10月6日

【審査請求日】2015年12月16日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(73)【特許権者】

【識別番号】000001247

【氏名又は名称】株式会社ジェイテクト

(74)【代理人】

【識別番号】110000110

【氏名又は名称】特許業務法人快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】山下 真彦

(72)【発明者】

【氏名】水野 健太朗

(72)【発明者】

【氏名】橋本 昭二

(72)【発明者】

【氏名】中井 英雄

(72)【発明者】

【氏名】瀬川 雅也

(72)【発明者】

【氏名】稲山 博英

(72)【発明者】

【氏名】西 幸二

【審査官】 槻木澤 昌司

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭６３−１２４７４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２４７０８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭６２−０７８０７２（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開平０７−２９８５５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−１７５３８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／０２７３１２１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００９−１８９２３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−２０４４２６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｋ １１／２５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

モータのステータコイルで囲まれている空間に収容して用いるロータであり、
ステータコイルに対して回転可能に支持される略円柱形のロータコアと、ロータコアの外周面に固定されている複数個の永久磁石を備えており、
前記ロータコアに、少なくとも１個の永久磁石の輪郭に沿って輪郭の内側を延びる溝が形成されており、
前記溝に、発電コイルと、発電コイルに接続されている電子部品が収容されており、
前記電子部品が、発電コイルから供給される電力を駆動電力に変換する電源回路と、電源回路からの電力で駆動される温度センサ回路と、電源回路からの電力で駆動されるとともに温度センサ回路の計測値を無線で発信する発信回路を搭載していることを特徴とするロータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書では、モータのステータコイルで囲まれている空間内において回転可能に支持され、ステータコイルへの通電を制御することで生成される回転磁場によって回転するロータに関する技術を開示する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１に、温度計測機能を備えているロータが開示されている。ロータは、ロータコアと、ロータコアに固定されている永久磁石を備えている。ロータコアは、ステータコイルに対して回転可能に支持されており、略円柱形をしている。複数個の永久磁石が用いられ、複数個の永久磁石がロータコアの外周面に固定されている。ステータコイルへの通電を制御することで回転磁場が生成され、その回転磁場によってロータが回転する。

【0003】

ステータコイルに通電してロータを回転させるとロータが発熱し、ロータ温度が上昇する。永久磁石は、所定温度以上に昇温すると減磁または消磁するために、モータのトルクが減少する。ロータ温度を計測する必要がある。

【0004】

特許文献１の技術では、ロータに温度センサ付ＲＦＩＤタグを設ける。ここでいう温度センサ付ＲＦＩＤタグは、発電コイルと、発電コイルが発電する電力を駆動電力に変換する電源回路と、電源回路からの電力で駆動される温度センサ回路と、電源回路からの電力で駆動されるとともに温度センサ回路による計測値を無線で発信する発信回路を搭載している。ロータに発電コイルを固定しておくと、ステータコイルで囲まれている空間内でロータが回転するのに伴って発電コイルを通過する磁束強度が変化し、その磁束強度の変化によって発電コイルが発電する。

【0005】

上記技術によると、温度計測のための電力をロータ外から供給する電力線も必要とされなければ、計測値をロータ外に伝達する信号線も必要とされない。回転するロータに結線することなくロータ温度を計測することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００９−２４７０８４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

特許文献１の技術によって、原理的には回転するロータに結線することなくロータ温度を計測することが可能となるが、その技術を実施化するのは難しい。
ロータは、ステータコイルで生成される回転磁場に追従して回転する。すなわち、磁場とロータの関係は、基本的には一定である。従って、発電コイルを通過する磁束強度も基本的には一定である。実際には、ステータコイルに対する回転角度に依存して発電コイルを通過する磁束強度は変化するが、その変化量は小さい。磁束強度の小さな変化を利用して発電するためには、ロータに対する発電コイルの取り付け姿勢が重要である。また、発信回路がロータ外に開放された位置に配置されていないと、電波がロータ外に到達せず、ロータ外で受信することができない。さらにロータは高速で回転し、強い遠心力が作用する。強い遠心力が作用するロータに、発電コイルと温度センサ回路と発信回路のそれぞれを、それぞれが機能を発揮するように搭載するのは難しい。特許文献１の技術では、温度センサ付ＲＦＩＤタグの設置位置を例示しているに過ぎず、発電コイルの配置方法については開示がない。仮に、図示されている温度センサ付ＲＦＩＤタグ内に発電コイルが収容されているとすると、その発電コイルでは小さすぎ、ロータ温度を計測して無線発信するのに必要な電力を発電することができない。

【0008】

本明細書では、発電コイル等のロータ温度を計測して計測値を電波で発信するのに必要な部材を、ロータに搭載する技術を開示する。
本明細書で開示するロータは、ロータコアと複数個の永久磁石を備えている。ロータコアは、ステータコイルに対して回転可能に支持された状態で使用され、略円柱形である。ロータコアの外周面に複数個の永久磁石が固定されている。ロータコアには、少なくとも１個の永久磁石の輪郭に沿って輪郭の内側を延びる溝が形成されており、その溝に、発電コイルと、発電コイルに接続されている電子部品が収容されている。その電子部品に、発電コイルから供給される電力を駆動電力に変換する電源回路と、電源回路からの電力で駆動される温度センサ回路と、電源回路からの電力で駆動されるとともに温度センサ回路の計測値を無線で発信する発信回路が搭載されている。ロータはステータコイルで囲まれている空間に収容された状態で用いられる。

【0009】

上記によると、発電コイルの磁束通過面積が永久磁石の大きさにほぼ等しく、必要電力を発電できる大きさが確保される。しかも、発電コイルと電子部品の外側が永久磁石によって覆われており、発電コイルに強い遠心力が作用しても発電コイル等が飛散するといったことがない。さらに、発信回路は、ロータ外に連通している溝内に収容されており、発信回路から発信された電波が溝を介してロータ外に達する。ロータ外で計測値を受信することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】第１実施例のロータの分解斜視図。

【図2】図１のロータの平面図。

【図3】図２のIII−III線断面図。

【図4】図２のIV−IV線断面図。

【図5】計測ユニットの平面図。

【図6】計測ユニットがロータコアの溝に収容されている状態の平面図。

【図7】計測ユニットがロータコアの溝に収容されている状態での図４に対応する図。

【図8】溝とフレキシブル基板と電子部品と発電コイルの関係を示す図。

【図9】電子部品の回路構成を示す図。

【図10】計測ユニットの平面図。

【図11】図１０とは別の計測ユニットの平面図。

【図12】第２実施例のロータの分解斜視図。

【図13】第２実施例の図７に対応する図。

【図14】第２実施例の計測ユニットの平面図。

【図15】第３実施例の図７に対応する図。

【図16】第３実施例の計測ユニットの平面図。

【図17】第４実施例の図７に対応する図。

【図18】第４実施例の計測ユニットの平面図。

【発明を実施するための形態】

【0011】

下記に説明する実施例の特徴を列記する。
（特徴１）温度センサが、永久磁石の輪郭近傍に接近している。
（特徴２）温度センサが、永久磁石の周方向の端部に接近している。
（特徴３）発電コイルと電子部品がフレキシブル基板に実装されている。
（特徴４）１枚のフレキシブル基板に、複数個の発電コイルと１個の電子部品が実装されている。
（特徴５）１枚のフレキシブル基板に、複数個の発電コイルと複数個の電子部品が実装されている。
（特徴６）１個の永久磁石に、１個の発電コイルと１個の電子部品が配置されている。
（特徴７）複数個の永久磁石に対して、複数個の発電コイルと１個の電子部品が配置されている。複数個の発電コイルは、起電力の向きが揃う向きで直列接続されている。

【実施例】

【0012】

図１において、参照番号２はロータを示し、参照番号３０はロータコアを示し、ロータコア３０に回転軸４１，４２が固定されている。ロータコア３０は略円柱状であり、その外周面に４枚の永久磁石１１，１２，１３，１４が固定されている。図では、1枚の永久磁石１１がロータコア３０に固定される前の状態を示している。
本実施例では、ロータコア３０の温度を計測してロータ外に無線送信する計測ユニット２１がロータに固定されている。ロータコア３０には、計測ユニット２１を収容する溝３１が形成されている。溝３１は、ロータコア３０の外周面を軸方向に延びる溝３１ｂと３１ｄと、ロータコア３０の軸方向の端部において溝３１ｂと３１ｄの間を周方向に延びる溝３１ａ，３１ｃで形成されている。溝３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄによって、一巡する溝３１が形成されている。その溝３１に計測ユニット２１が収容された状態で、永久磁石１１がロータコア３０に固定される。溝３１は、永久磁石１１の輪郭に沿って延びている。正確にいうと、溝３１は、永久磁石１１の輪郭の内側を延びている。永久磁石１１をロータコア３０の外周面に固定すると、計測ユニット２１と溝３１は永久磁石１１によって覆われる。
周知のように、ロータ２はモータのステータコイルで囲まれた空間に収容され、回転軸４１，４２がモータケースに対して回転可能に支持される。ロータ２は、モータのステータコイルで囲まれた空間内で回転可能に支持される。
図２は、図１の状態のコア２を平面視した図を示しており、図３は図２のIII―III線断面を示し、図４は図２のIV−IV線断面を示している。なお、図２から図４では計測ユニット２１の図示を省略している。

【0013】

図５は、計測ユニット２１を示し、発電コイル５１と、発電コイル５１に接続されている電子部品６１で構成されている。発電コイル５１は、一本の導電線が複数回巻かれて構成されており、その導電線の両端に電子部品６１が接続されている。発電コイル５１は、溝３１に収容された状態で導電線が永久磁石の輪郭に沿って巻回される形状に形成されている。また、電子部品６１は、溝３１ｂ内に収容される位置と大きさに設定されている。
図１１に示すように、フレキシブル基板７１上にプリント配線して発電コイル５１を形成し、フレキシブル基板７１に電子部品６１を実装することで、計測ユニット２１を形成することができる。図７は、計測ユニット２１をロータ２に組み込んだ状態における図４に対応する図である。図８は、フレキシブル基板７１と発電コイル５１と電子部品６１と溝３１ｂと永久磁石１１の関係を示している。フレキシブル基板７１は湾曲した状態で溝３１ｂ内に収容され、その弾性力によって電子部品６１を永久磁石１１の内面に押し付けている。

【0014】

図９は、電子部品６１が備えている回路構成を示している。電子部品６１は、発電コイル５１から供給される電力を駆動電力に変換する電源回路８１と、電源回路８１からの電力で駆動される温度センサ回路８２と、電源回路８１からの電力で駆動されるとともに温度センサ回路８２の計測値を無線で発信する発信回路８３と発信アンテナ８４を搭載している。

【0015】

図８に示されているように、電子部品６１は永久磁石１１の周方向の端部に密着し、永久磁石１１の周方向の端部の温度を計測する。永久磁石の周方向の端部は最も昇温し易い箇所であり、その箇所の温度を計測できると、昇温防止のための措置を適確に講じることが可能となる。
発電コイル５１の磁束通過面積は、永久磁石１１の面積にほぼ等しく、ロータコア３０の円筒部分の外周面積のほぼ１／４に及んでいる。発電コイル５１の有効発電面積が広く、ロータ２が回転することによって生じる発電コイル５１を通過する磁束強度の変化によって必要な電力を確保することができる。
また、電子部品６１が収容されている溝３１ｂは、ロータ２の外部に連通しており、電子部品６１から発信された電波をロータ２の外側で受信することができる。第１実施例によって、ロータ外から配線することなく、ロータ温度を計測して無線で発信することが可能となる。
計測ユニット２１は、図１０に示すものであってもよい。この場合は、フレキシブル基板を用いない。細いマグネットワイヤを複数回にわたって巻回して発電コイル５１とする。

【0016】

発電コイル５１の大きさは、１個の永久磁石の大きさにほぼ等しいのが好ましい。周知のように、発電電圧ｖの大きさは、電磁誘導の法則によって、下記のものとなる。
ｖ＝−ｎ×（ΔＢ／Δｔ）×Ｓ
ここで、ｎはコイルの巻数であり、ΔＢ／Δｔは磁束密度の時間変化であり、Ｓはコイルの面積である。
上記式より、発電電圧ｖとコイル面積Ｓが比例することがわかり、発電電圧を高めるためにはコイル面積を大きくするのが有効であることがわかる。しかしながら、発電コイルの大きさが１個の永久磁石よりも大きくなると、その発電コイルが隣接する永久磁石にもかかることになる。ところが、隣接する永久磁石の極性は反対方向であり、磁束を打ち消しあう方向であることから、1個の発電コイルが隣接する永久磁石にまでかかると、その発電コイルを通過する磁束がかえって減少してしまう。その結果、発電電圧が低下してしまう。発電コイルが1個の永久磁石の大きさにほぼ等しい場合に、最も効率的に発電することができる。

【0017】

（第２実施例）
第１実施例では、４個ある永久磁石１１，１２，１３，１４のうちの１個の永久磁石１１に対してのみ計測ユニット２１を配置する。
第２実施例では、図１２、１３に例示するように、それぞれの永久磁石に計測ユニットを配置する。すなわち、永久磁石１１に計測ユニット２１を配置し、永久磁石１２に計測ユニット２２を配置し、永久磁石１３に計測ユニット２３を配置し、永久磁石１４に計測ユニット２４を配置する。このために、永久磁石１１の輪郭に沿って輪郭の内側を延びる溝３１を形成し、溝３１に計測ユニット２１を収容する。永久磁石１２の輪郭に沿って輪郭の内側を延びる溝３２を形成し、溝３２に計測ユニット２２を収容する。永久磁石１３の輪郭に沿って輪郭の内側を延びる溝３３を形成し、溝３３に計測ユニット２３を収容する。永久磁石１４の輪郭に沿って輪郭の内側を延びる溝３４を形成し、溝３４に計測ユニット２４を収容する。この実施例では、永久磁石１１の温度を電子部品６１で計測して発信する。永久磁石１２の温度を電子部品６２で計測して発信する。永久磁石１３の温度を電子部品６３で計測して発信する。永久磁石１４の温度を電子部品６４で計測して発信する。永久磁石毎の温度を計測することができる。
この実施例では、図１４に示すように、１枚のフレキシブル基板７０上に、発電コイル５１と電子部品６１の組と、発電コイル５２と電子部品６２の組と、発電コイル５３と電子部品６３の組と、発電コイル５４と電子部品６４の組を形成することができる。１枚のフレキシブル基板７０を利用すると、計測ユニット２１，２２，２３，２４が製造し易く、ロータコア３０に取り付け易い。

【0018】

（第３実施例）
本実施例では、図１５と図１６に示すように、永久磁石１１の温度を電子部品６１で計測して発信し、永久磁石１２の温度を電子部品６２で計測して発信する。本実施例では、図１６に示すように、永久磁石１１に輪郭の内側を延びる発電コイル５１と、永久磁石１３の輪郭の内側を延びる発電コイル５３を、配線５６で直列に接続し、発電コイル５１，５３の合計発電電圧を電子部品６１に供給する。発電コイル５１，５３は同じ方向に巻かれている。永久磁石１１と永久磁石１３は同じ極性であることから（図１５に示す場合は、外面側がＮ極で内面側がＳ極の極性となっている）、発電コイル５１，５３が同じ方向に巻かれていると、発電コイル５１，５３の合計発電電圧が電子部品６１に供給される。同様に、永久磁石１２の輪郭の内側を延びる発電コイル５２と、永久磁石１４の輪郭の内側を延びる発電コイル５４を、配線５５で直列に接続し、発電コイル５２，５４の合計発電電圧を電子部品６２に供給する。発電コイル５２，５４は同じ方向に巻かれている。永久磁石１２と永久磁石１４は同じ極性であることから（永久磁石１１，１３とは逆の極性である）、発電コイル５２，５４が同じ方向に巻かれていると、発電コイル５２，５４の合計発電電圧が電子部品６２に供給される。本実施例でも、１枚の共通基板７０上に、発電コイル５１、５２，５３，５４をプリント配線し、電子部品６１、６２を実装する。

【0019】

（第４実施例）
本実施例では、図１７と図１８に示すように、永久磁石１１の温度を電子部品６１で計測して発信する。本実施例では、永久磁石１１の輪郭の内側を延びる発電コイル５１と、永久磁石１２の輪郭の内側を延びる発電コイル５２と、永久磁石１３の輪郭の内側を延びる発電コイル５３と、永久磁石１４の輪郭の内側を延びる発電コイル５４を直列に接続し、発電コイル５１，５２，５３，５４の合計発電電圧を電子部品６１に供給する。永久磁石１１と永久磁石１３は同じ極性であり、永久磁石１２と永久磁石１４は同じ極性であり、永久磁石１１，１３と永久磁石１２，１４は逆の極性であることから、発電コイル５１と発電コイル５３は同じ方向に巻かれており、発電コイル５２と発電コイル５４は同じ方向に巻かれており、発電コイル５１，５３と発電コイル５２，５４は逆方向に巻かれている。上記のように接続されていると、発電コイル５１，５２，５３，５４に生じる起電力の向きが揃い、発電コイル５１，５２，５３，５４の合計発電電圧が電子部品６１に供給される。本実施例でも、１枚の共通基板７０上に、発電コイル５１、５２，５３，５４をプリント配線し、電子部品６１を実装する。

【0020】

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

【符号の説明】

【0021】

２：ロータ
１１，１２，１３，１４：永久磁石
２１，２２，２３，２４：計測ユニット
３０：ロータコア
３１，３２，３３，３４：溝
４１，４２：回転軸
５１，５２，５３，５４：発電コイル
６１，６２，６３，６４：電子部品
７０，７１：フレキシブル基板
８１：電源回路
８２：温度センサ回路
８３：発信回路
８４：発信アンテナ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】