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特開2024-93358アキシャルギャップ型回転電機およびドローン
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024093358
(43)【公開日】2024-07-09
(54)【発明の名称】アキシャルギャップ型回転電機およびドローン
(51)【国際特許分類】
   H02K 1/2795 20220101AFI20240702BHJP
【FI】
H02K1/2795
【審査請求】未請求
【請求項の数】3
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2022209680
(22)【出願日】2022-12-27
(71)【出願人】
【識別番号】000006105
【氏名又は名称】株式会社明電舎
(74)【代理人】
【識別番号】100114775
【弁理士】
【氏名又は名称】高岡 亮一
(74)【代理人】
【識別番号】100121511
【弁理士】
【氏名又は名称】小田 直
(74)【代理人】
【識別番号】100116001
【弁理士】
【氏名又は名称】森 俊秀
(74)【代理人】
【識別番号】100208580
【弁理士】
【氏名又は名称】三好 玲奈
(72)【発明者】
【氏名】高橋 慎矢
(72)【発明者】
【氏名】太田 智
【テーマコード(参考)】
5H622
【Fターム(参考)】
5H622AA06
5H622CA02
5H622CA06
5H622CA10
5H622QB01
(57)【要約】
【課題】ロータを軽量化しつつロータの放熱性を向上できるアキシャルギャップ型回転電機を提供する。
【解決手段】アキシャルギャップ型回転電機は、ステータと、ステータと軸方向に対向するロータと、を備える。ロータは、ハルバッハ配列で周方向に周期的に配置された複数の磁石と、ステータと対向する第1の面に複数の磁石が固定された円盤状のロータ本体部と、を有する。ロータ本体部は、第1の面と反対側の第2の面に、径方向に延びる複数のリブが放射状に形成される。複数のリブは、ハルバッハ配列された磁石のうちステータへの吸引力が最も高い磁石と重なる位置に配置される。
【選択図】図3

【特許請求の範囲】
【請求項1】
ステータと、
前記ステータと軸方向に対向するロータと、を備え、
前記ロータは、
ハルバッハ配列で周方向に周期的に配置された複数の磁石と、
前記ステータと対向する第1の面に複数の前記磁石が固定された円盤状のロータ本体と、を有し、
前記ロータ本体は、前記第1の面と反対側の第2の面に、径方向に延びる複数のリブが
放射状に形成され、
前記複数のリブは、ハルバッハ配列された前記磁石のうち前記ステータへの吸引力が最も高い磁石と重なる位置に配置される
アキシャルギャップ型回転電機。
【請求項2】
前記磁石は、前記ロータ本体の前記第2の面に熱的に接続された状態で固定されている
請求項1に記載のアキシャルギャップ型回転電機。
【請求項3】
請求項1または請求項2に記載のアキシャルギャップ型回転電機を備えるドローン。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、アキシャルギャップ型回転電機およびドローンに関する。
【背景技術】
【0002】
従来から、回転電機の軸方向にエアギャップを介してステータおよびロータを対向配置したアキシャルギャップ型回転電機が知られている。この種のアキシャルギャップ型回転電機に関しては、ロータの磁石をハルバッハ配列で配置した構成も提案されている(例えば、特許文献1参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2019-33578号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
例えば、アキシャルギャップ型回転電機の用途の一つとして、ドローン(Drone)などの無人航空機の回転翼を駆動させるモータへの適用が検討されている。アキシャルギャップ型回転電機をドローンに搭載する場合、ドローンの飛行性能を向上させるためには軽量化を図ることが好ましい。
【0005】
また、回転電機のロータには、ステータの鎖交磁束との電磁誘導で発熱が発生する。そのため、この種のアキシャルギャップ型回転電機においてロータの放熱性を向上させることも求められている。
【0006】
本発明は、上記の状況に鑑みてなされたものであって、ロータを軽量化しつつロータの放熱性を向上できるアキシャルギャップ型回転電機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の一態様のアキシャルギャップ型回転電機は、ステータと、ステータと軸方向に対向するロータと、を備える。ロータは、ハルバッハ配列で周方向に周期的に配置された複数の磁石と、ステータと対向する第1の面に複数の磁石が固定された円盤状のロータ本体部と、を有する。ロータ本体部は、第1の面と反対側の第2の面に、径方向に延びる複数のリブが放射状に形成される。複数のリブは、ハルバッハ配列された磁石のうちステータへの吸引力が最も高い磁石と重なる位置に配置される。
【0008】
上記の磁石は、ロータ本体の第2の面に熱的に接続されていてもよい。
また、本発明の他の態様のドローンは、上記のアキシャルギャップ型回転電機を備える。
【発明の効果】
【0009】
本発明の一態様によれば、ロータを軽量化しつつロータの放熱性を向上できるアキシャルギャップ型回転電機を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
図1】本実施形態のドローンの構成例を示す図である。
図2】駆動部のモータの構成例を示す図である。
図3】(a)はロータを外側面からみた図であり、(b)はロータをステータと対向する内側面からみた図である。
図4図3(a)のA-A線断面図である。
図5】ロータの磁石の配置例を示す図である。
図6】各磁石の磁化方向を示す図である。
図7】磁石に作用する電磁力の例を示す図である。
図8】ロータの回転時におけるロータ本体の強度解析例を示すグラフである。
図9】ロータの回転時におけるロータ本体の強度解析例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
実施形態では説明を分かり易くするため、本発明の主要部以外の構造や要素については、簡略化または省略して説明する。また、図面において、同じ要素には同じ符号を付す。なお、図面に示す各要素の形状、寸法などは模式的に示したもので、実際の形状、寸法などを示すものではない。
【0012】
以下、本実施形態のアキシャルギャップ型回転電機について説明する。本実施形態のアキシャルギャップ型回転電機は、ドローンの駆動部に適用されるモータである。
【0013】
図1は、本実施形態のドローンの構成例を示す図である。図1に示すドローン100は、一般的にマルチコプターと称される無人航空機であって、遠隔操作または自動操縦により飛行可能である。
【0014】
ドローン100は、制御部やバッテリー等を内蔵した本体部10と、それぞれ本体部10に取り付けられた4組の駆動部20を有する。本体部10は、例えばカメラ11を内蔵していてもよい。駆動部20は、例えば、平面視において90°ずつ間隔をあけて本体部10の四方に配置される。駆動部20の構成はいずれも共通であるので、以下の説明では代表して1つの駆動部20の構成を説明し、他の駆動部との重複説明はいずれも省略する。
【0015】
駆動部20は、回転翼21と、アーム部22と、モータ23と、脚部24と、リブ部25とを備えている。回転翼21は、固定ピッチのプロペラであり、モータ23の駆動により回転して揚力(鉛直方向上向きの推力)を生じさせる。また、回転翼21は、モータ23の回転速度の制御で揚力を調整することができる。
【0016】
アーム部22は、本体部10から水平方向に延びている。アーム部22の一端は本体部10に接続され、アーム部22の他端側にはモータ23が取り付けられている。
【0017】
また、モータ23の下側には、脚部24が取り付けられている。脚部24は、アーム部22に対して直交して上下方向に延びており、ドローン100が接地しているときには地面と接触してドローン100を支持する。また、アーム部22と脚部24には、斜め方向に延びるリブ部25が接続されている。
【0018】
図2は、駆動部20のモータ23の構成例を示す図である。モータ23は、いわゆるアキシャルギャップモータであり、シャフト31と、ロータ32と、ステータ33と、モータ23の要素を収容するケーシング34と、を有する。
【0019】
シャフト31は、図2の上下方向に延び、ケーシング34に配置された軸受(不図示)によって回転可能に軸支されている。シャフト31の一方側(図2の上側)には回転翼21が固定されている。
【0020】
ステータ33は、シャフト31の外周側に同心状に配置され、シャフト31の軸方向において一対のロータ32の間に位置する筒状体である。ステータ33は、シャフト31およびロータ32と僅かなギャップを隔てて配置されている。
【0021】
ステータ33は、シャフト31を中心にステータ33の周方向に環状に配置された複数のコイルユニット35と、各々のコイルユニット35を収容する円筒状のステータケース36とを有する。各々のコイルユニット35は、台形状のステータコア35aの外周にコイル35bを巻回して構成される。
【0022】
ステータコア35aは、例えば複数の電磁鋼板を軸方向に積層して形成され、径方向内側より径方向外側が幅広となるようにステータ33に配置される。また、コイル35bの巻回方向は、軸方向と交差する方向(水平方向)である。上記のコイル35bの電流制御によりステータ33の磁界を順番に切り替えることで、後述するロータ32の磁界に対する吸引力または反発力がステータ33に発生する。これにより、シャフト31およびロータ32が回転駆動する。
【0023】
ステータケース36は中空であり、ステータケース36の内側にはコイルユニット35の周囲に冷却用のオイル(冷媒)の流路が形成される。また、ステータケース36の側面には、オイルの流入口37と流出口38がそれぞれ形成されている。なお、流入口37と流出口38の位置は、互いに対向する位置(軸中心に対して180°の位置)に形成されているが、これに限られることはない。
【0024】
モータ23のステータ33には、流入口37からオイルが導入される。オイルはステータケース36内を流れてコイルユニット35から熱を奪い、流出口38からモータ23の外側に排出される。これにより、オイルの流れによってステータ33のコイルユニット35を冷却することができる。なお、流出口38から排出されるオイルは、モータ23の外部で冷却された後、流入口37から導入されてモータ23内を循環する。
【0025】
ロータ32は、所定間隔を隔てて対向配置された一対の円盤で構成され、各ロータ32の中心にはシャフト31が挿通されて固定されている。これにより、ロータ32はシャフト31とともに回転する。
【0026】
図3(a)はロータ32を外側面からみた図であり、図3(b)はロータ32をステータ33と対向する内側面からみた図である。図4は、図3(a)のA-A線断面図である。なお、ロータ32の外側面は第2の面の一例であり、ロータ32の内側面は第1の面の一例である。
【0027】
各々のロータ32は、円盤状のロータ本体40と、ロータ本体40に固定された複数の磁石41とを有している。各磁石41は、例えばフェライト磁石や希土類磁石などの永久磁石で構成されている。また、ロータ本体40は、シャフト31に固定された筒状の取付基部39に軸方向外側から取り付けられ、取付基部39に対してボルト46で固定されている。
【0028】
複数の磁石41は、ロータ本体40においてステータ33と対向する内側面に固定される。なお、各々の磁石41は、伝熱性を有する接着剤等によりロータ本体40と熱的に接続された状態で固定されている。
【0029】
図5は、ロータ32の磁石41の配置例を示す図である。図6は、各磁石41の磁化方向を示す図である。図6では、磁石41の磁化方向を矢印で示している。また、図6では、上側がステータ33側に対応し、下側がロータ本体40に臨む面に対応する。また、図5および図6では、ロータ32の磁石41の一部である磁石41a~磁石41kまでを部分的に示す。
【0030】
本実施形態において、ロータ32の磁石41は、ロータ32の周方向に沿ってハルバッハ配列で周期的に配置されている。具体的には、図6に示すように、各磁石41の磁極の向き(磁化方向)が径方向と直交する平面内で90°ずつ順に回転するように、ロータ本体40の周方向に磁石41a~41kの順で固定されている。上記のように、磁石41がハルバッハ配列で配置されることで、本実施形態のロータ本体40には、磁束を通して磁気回路を形成する鉄心としての機能は要求されない。また、磁石41a~41kはそれぞれ磁化方向が異なるため、ロータ32の周方向においてステータ33側で発生する電磁力は磁石41ごとにそれぞれ相違している。
【0031】
図7は、磁石41a~41kに作用する電磁力の例を示す図である。図7に示す磁石41の磁化方向は図6と同様である。また、図7での電磁力は、ステータ33側から磁石41側への向きを正として表記する。図7に示すように、本実施形態では、磁石41a~41kのうち、ステータ33側への磁気的な吸引力は磁石41hにおいて最も大きくなる。
【0032】
一方、ロータ32の回転時には、回転による遠心力とステータ33側への磁気的な吸引力との合力がロータ本体40に作用する。そのため、ロータ本体40の仕様として、定格回転速度下で磁石41がステータ33に磁気的に吸引された場合に塑性変形せず、かつステータ33とロータ32の間に所定のギャップを保持できる強度が要求される。
【0033】
図8図9は、ロータ32の回転時におけるロータ本体40の強度解析例を示すグラフである。図8は、ロータ本体40の厚さと、磁石41のギャップ方向への最大変位量との対応関係例を示している。図8の横軸はロータ本体40の厚さ[mm]を示し、図8の縦軸はロータ本体40および磁石41のギャップ方向への最大変位量[%]を示している。最大変位量は、ステータ33とロータ32のギャップで正規化した値を示している。図8からは、ロータ本体40の厚さが1mmのときには上記のギャップ方向への最大変位量は200%を下回り、ロータ本体40の厚さが2mmのときに上記のギャップ方向への最大変位量は100%を下回ることが分かる。
【0034】
また、図9は、ロータ本体40の厚さと、最大ミーゼス応力値との対応関係例を示している。図9の横軸はロータ本体40の厚さ[mm]を示し、図6の縦軸はスカラー量である最大ミーゼス応力値を示している。図9からは、ロータ本体40の厚さが1mmのときには上記の最大ミーゼス応力値は50.0を上回るが、ロータ本体40の厚さが2mmのときに上記のミーゼス応力値は50.0にほぼ近づくことが分かる。
【0035】
図8図9からは、ロータ本体40においてステータ33側への磁気的な吸引力が最も大きい部位では、最大許容変位と最大ミーゼス応力値の基準を満たすために2mm以上の厚さが必要となることが分かる。しかし、上記のように、ロータ32の周方向におけるステータ33側への磁気的な吸引力は磁石41a~41kでばらつく。そのため、ロータ本体40の厚さは周方向に均一でなくてもよく、ステータ33側への磁気的な吸引力が最も大きい部位(磁石41hの位置)で上記の条件を満たせば足りる。かかる観点から、本実施形態では、ロータ本体40の外側面(内側面との反対の面)にリブ42を形成し、ロータ本体40の補強を行っている。
【0036】
本実施形態では、ロータ本体40の外側面には、内径側端部から外径側端部にかけて径方向に延びるリブ42が放射状に複数形成されている。ロータ本体40のリブ42は、ロータ本体40と一体に形成されている。また、各リブ42は、ハルバッハ配列で磁気的な吸引力が最も大きい磁石41hの位置と周方向に位相が重なるように配置される。各リブ42の幅は、例えば、磁石41hの範囲よりもリブ42が広くなる寸法とすることが好ましいが、ロータ本体40の強度を確保できる範囲で磁石41hの範囲よりも幅狭であってもよい。
【0037】
また、ロータ本体40においてリブ42が形成された第1部位の厚さt1は、ロータ本体でリブ42の形成されていない第2部位の厚さt2よりも大きい。例えば、第1部位の厚さt1は、最大許容変位と最大ミーゼス応力値の基準を満たす2mm以上の厚さである。また、第2部位の厚さt2は、例えば、第1部位の1/4以下の厚さ(例えば、0.5mm)とすることができる。
【0038】
上記の構成により、ロータ本体40の第2部位が第1部位と比べて薄くなる分、ロータ本体40の重量が軽くなる。したがって、周方向の磁石41間で磁気的な吸引力に不均衡がある場合において、ロータ32に要求される強度を満たしつつロータ32の軽量化を行うことができる。
【0039】
また、ロータ本体40の外側面にはリブ42が形成されているため、本実施形態のロータ本体40の外側面は、ロータ本体40が平坦な場合と比べて表面積が大きい。そのため、本実施形態では、ステータ33の鎖交磁束との電磁誘導で生じる磁石41の熱を、磁石41と熱的に接続されたロータ本体40の外側面から効率的に放熱できる。これにより、モータ23の性能をより向上させることができる。
【0040】
以上のように、本実施形態のモータ23は、ステータ33と、ステータ33と軸方向に対向するロータ32と、を備える。ロータ32は、ハルバッハ配列で周方向に周期的に配置された複数の磁石41と、ステータ33と対向する第1の面に複数の磁石が固定された円盤状のロータ本体40と、を有する。ロータ本体40は、第1の面と反対側の第2の面に、径方向に延びる複数のリブ42が放射状に形成される。複数のリブ42は、ハルバッハ配列された磁石41のうちステータ33への吸引力が最も高い磁石41hと重なる位置に配置される。
本実施形態のロータ32では、ステータ33への吸引力が最も高い磁石41hと重なる位置にリブ42を配置することで、最大許容変位と最大ミーゼス応力値の基準を満たす強度を確保できる。また、本実施形態では、ロータ本体40でリブ42の形成されていない第2部位の厚さt2が少なくなることで、ロータ32を軽量化することができる。さらに、リブ42の形成によりロータ本体40の外側面の表面積が増加し、ロータ32において磁石41からの放熱性を向上させることができる。
【0041】
本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改良並びに設計の変更を行ってもよい。
【0042】
本実施形態では、ロータ本体40の外側面において、ステータ33への吸引力が最も高い磁石41hと重なる位置にリブ42を周期的に形成した例を説明した。しかし、ロータ本体40のリブ42は、上記の磁石41hの位置以外にさらに追加されていてもよい。
【0043】
また、本実施形態のアキシャルギャップ型回転電機の構成は、ドローン100に適用されるものに限定されず、例えば、EV,HEV,PHEV,FCV等の電動車両の動力源として適用されるものであってもよい。
【0044】
例えば、上記実施形態では、4組の駆動部20を備えるドローン100を例示して説明したが、ドローン100が備える駆動部20の数は4以外であってもよい。
【0045】
加えて、今回開示された実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【0046】
10…本体部、20…駆動部、21…回転翼、23…モータ、31…シャフト、32…ロータ、33…ステータ、40…ロータ本体、41…磁石、42…リブ、100…ドローン

図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9