特許 7544871 端板を備える回転子及び電動機

(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】

(24)【登録日】2024-08-26

(45)【発行日】2024-09-03

(54)【発明の名称】端板を備える回転子及び電動機

(51)【国際特許分類】

   H02K 1/278 20220101AFI20240827BHJP

【ＦＩ】

H02K1/278

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2022576674

(86)(22)【出願日】2022-01-17

(86)【国際出願番号】 JP2022001428

(87)【国際公開番号】W WO2022158426

(87)【国際公開日】2022-07-28

【審査請求日】2023-08-09

(31)【優先権主張番号】P 2021008934

(32)【優先日】2021-01-22

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】390008235

【氏名又は名称】ファナック株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100123582

【弁理士】

【氏名又は名称】三橋 真二

(74)【代理人】

【識別番号】100112357

【弁理士】

【氏名又は名称】廣瀬 繁樹

(72)【発明者】

【氏名】山田 泰生

【審査官】保田 亨介

(56)【参考文献】

【文献】中国特許出願公開第１０７８８７９９５（ＣＮ，Ａ）

【文献】特開２００７－２５２０７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０７２９７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０１４３００（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｋ１／１７

１／２７－１／２７９８

１５／０３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転軸の周りに回転するロータコアと、
前記ロータコアの表面に取り付けられた複数の磁石と、
前記ロータコアの、前記回転軸の軸方向についての両側の端面を挟むように配置されるとともに、磁性を有する材料から形成された２つの端板と、を備え、
前記２つの端板の少なくとも一方の端板の外周部は、前記軸方向にみたときに、前記磁石の各々を部分的に覆う凹部と、前記ロータコアの径方向について前記凹部より大きい寸法を有するとともに、前記複数の磁石の間に位置する凸部とを有する、回転子。

【請求項2】

前記ロータコアは、前記複数の磁石の間に、該磁石の側面に係止するとともに前記磁石が取り付けられている部分よりも前記径方向に大きい寸法を有する係止部を有し、前記凸部は前記軸方向にみたときに前記係止部を少なくとも部分的に覆うように構成されている、請求項１に記載の回転子。

【請求項3】

前記少なくとも一方の端板は、その厚さ方向について突出するとともに前記ロータコア又はその係止部の軸方向端部に当接する隆起部を有する、請求項１又は２に記載の回転子。

【請求項4】

前記少なくとも一方の端板は、その全面に亘って同一の厚さを有する、請求項１又は２に記載の回転子。

【請求項5】

請求項１～４のいずれか１項に記載の回転子と、
前記回転子が内部に配置される固定子と、を備える、電動機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ロータコアの端面に配置される端板を備える回転子、及び該回転子を備える電動機に関する。

【背景技術】

【0002】

電動機は、回転軸の周りに回転する回転子と、回転子の周りに配置された固定子とを備える。回転子は、回転軸に沿って延びるシャフトと、シャフトに固定されたロータコアと、ロータコアに固定された磁石とを含む。

【0003】

従来技術に係る回転子の構造として、ロータコアの回転軸の延びる方向の両側の端面を挟むように端板が配置されるものが知られている（例えば特許文献１－３を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１３－０２７２５８号公報

【文献】国際公開第２０１１／０４０２４７号

【文献】特開２０１７－００５８７１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ロータコアに固定されている複数の磁石は、例えば、外側の表面の磁極が交互にＮ極およびＳ極になるように配置される。電動機が効率良く回転するためには、１つの磁石の外側の表面のＮ極から出た磁束は、固定子のステータコアを通って、他の磁石のＳ極に向かうことが好ましい。すなわち、磁力線は、１つの磁石の外側の表面からステータコアを介して他の磁石の表面に向かうことが好ましい。

【0006】

ロータコアの軸方向両側に端板を配置する構造では、該端板はロータコアに固定されている磁石の端面に接触するか、或いは磁石に対して僅かな隙間を開けて配置される。ここで端板が磁性を有する材料にて形成されている場合は、１つの磁石のＮ極から延びる磁力線が端板を通って同一の磁石のＳ極に向かうため、該磁石のＮ極及びＳ極にて磁力線のループが形成され、磁束が漏れてしまうという問題がある。磁束が漏れると、電動機が発生するトルクに寄与する磁力が低減する。さらに、端板を通る磁力線のループが形成されるために、端板が発熱して鉄損が生じる場合もある。

【0007】

そこで従来技術においては、ロータコアを挟む端板を、ステンレスやアルミニウム等の磁性を有しない材料で作製することがある。しかしながら、ステンレスやアルミニウムは、鉄等の磁性材料よりも高価であり、その結果、回転子や該回転子を有する電動機も高価になるという問題があった。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示の一態様は、回転軸の周りに回転するロータコアと、前記ロータコアの表面に取り付けられた複数の磁石と、前記ロータコアの、前記回転軸の軸方向についての両側の端面を挟むように配置されるとともに、磁性を有する材料から形成された２つの端板と、を備え、前記２つの端板の少なくとも一方の外周部は、前記軸方向にみたときに、前記磁石の各々を部分的に覆う凹部と、前記ロータコアの径方向について前記凹部より大きい寸法を有するとともに、前記複数の磁石の間に位置する凸部とを有する、回転子である。

【0009】

本開示の他の態様は、上記一態様に係る回転子と、前記回転子が内部に配置される固定子と、を備える、電動機である。

【発明の効果】

【0010】

本開示によれば、回転子の端板の外周部に凹凸を設けることにより、該端板が磁性を有するにも関わらず、端板における磁束の漏れを効果的に抑制することができるので、回転子及び電動機の低コスト化と、電動機の高性能化との双方を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】一実施形態に係る電動機の軸方向断面図である。

【図2】第１実施例に係る回転子の斜視図である。

【図3】図２の回転子の分解斜視図である。

【図4】図２のロータコアの部分拡大図である。

【図5】図４において端板を配置した部分拡大図である。

【図6】図５の端板周りの磁束の向きを示す図である。

【図7】ロータコアが電磁鋼板の積層体であることを示す概略図である。

【図8】図７のロータコアが破損する例を説明する図である。

【図9】第２実施例に係る回転子の分解斜視図である。

【図10】図９の回転子の概略側面図である。

【図11】第３実施例に係る回転子の端板の第１面を示す斜視図である。

【図12】図１１の端板の第２面を示す斜視図である。

【図13】第３実施例における端板とロータコアとの位置関係を示す概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

（第１実施例）
図１は、好適な実施形態に係る回転子を備える電動機（回転電機）１０の概略構成を示す軸方向断面図である。電動機１０は、回転軸線１２周りに回転する回転子１４と、回転子１４が内部に配置される固定子１６とを備える。回転子１４は、軸線１２周りに回転する略円柱状のシャフト１８を有し、シャフト１８は軸受２０、２２によって回転可能に支持されている。固定子１６は、例えば、シャフト１８の軸方向に複数の電磁鋼板を積層して成るステータコアと、該ステータコアに支持され、周方向に沿って配置される複数のコイル（図示せず）とを含む。図示例では、固定子１６はハウジング２４に固定され、軸受２０、２２はハウジング２４に支持されている。

【0013】

図２及び図３はそれぞれ、回転子１４の斜視図及び分解斜視図である。回転子１４は、シャフト１８に固定された略円筒形状のロータコア２６と、ロータコア２６に支持された複数の磁石２８と、ロータコア２６の軸方向両側の端面を挟むように配置され、かつ鉄等の磁性を有する材料から形成された２つの端板３０を有する。ロータコア２６とシャフト１８との結合形態としては、例えば焼き嵌めが挙げられる。端板３０は例えば、端板３０に形成された孔３２とロータコア２６に形成された孔３４の双方を貫通するボルト等の締結具３６によって、ロータコア２６に結合可能である。

【0014】

ロータコア２６は、磁性を有する単一の部材により形成され、例えば鉄を主成分とする部材を切削することにより形成可能である。しかしロータコアの構造はこれに限られず、例えば、複数の電磁鋼板を軸方向に積層してなる積層体として形成されてもよい（後述する図７参照）。

【0015】

複数の磁石２８は、ロータコア２６の外周面に配置され、図示例では板状に形成された永久磁石である。複数の磁石２８は、周方向に沿って一定の間隔にて配置されており、磁石の個数は回転子１４の極数に依存する。回転子１４の極数に応じて、任意の個数の磁石２８をロータコア２６に接着剤等により固定することができる。図示のように回転子１４は、ロータコア２６の表面に複数の磁石２８を配置してなる表面磁石型（ＳＰＭタイプ）の回転子である。

【0016】

磁石２８の各々は、ロータコア２６の軸方向についての一端から他端まで延び、その軸方向長さは、ロータコア２６の長さ以下になるように形成されている。また複数の磁石２８は、周方向に沿ってＮ極とＳ極とを繰り返すように配置されている。

【0017】

図４に示すように、ロータコア２６は任意に、磁石２８を位置決めするための係止部３８を有してもよく、具体的には係止部３８は、複数の磁石２８の間に、該磁石の側面に係止するとともに磁石２８が取り付けられている部分よりも径方向に大きい寸法を有する。図３の例では係止部３８は、ロータコア２６の外周面に形成され、ロータコア２６の軸方向についての一端から他端まで延びる突条である。係止部３８は、磁石２８の側面に当接するように構成され、これにより各磁石２８はロータコア２６上に正確に位置決め・固定することが可能となる。

【0018】

図５は、端板３０及び磁石２８の位置関係を示す拡大図である。端板３０の各々は、ロータコア２６の径方向断面に対応する略円環形状を有し、端板３０の外周部は、軸方向にみたときに、磁石２８の各々を部分的に覆う凹部４０と、複数の磁石２８の間に位置するとともに、径方向について凹部４０より大きい寸法を有する凸部４２とを有する。

【0019】

図６は、端板３０周りの主たる磁束の向きを説明する図である。上述のように、端板３０のような磁性材料が磁石２８の端面に当接又は近接していると、磁石２８の磁束が漏れる場合がある。ここで矢印４４で示すように、各磁石２８の周方向中央部は磁束が比較的大きいので、磁束漏れによるモータ特性への悪影響が大きい。そこで本実施例では、軸方向にみたときに、磁石２８の周方向中央部を含む領域に対しては端板３０の凹部４０を近接又は当接させることで、磁石２８との接触面積を狭くして磁束の漏れ量を抑制している。

【0020】

一方、各磁石２８の周方向端部における磁束は、矢印４６で示すように本来的に隣の磁石とショートしやすく、電動機のトルクに対する寄与が少ない。そこで本実施例では、軸方向にみたときに、複数の磁石２８の間、すなわち磁石２８の周方向端部を含む領域に対しては端板３０の凸部４２を近接又は当接させることで、磁石２８との接触面積を大きくして、磁束の漏れ量を抑制よりも、ロータコア２６の破損等の防止を優先している。

【0021】

図７及び図８は、ロータコア２６の破損の具体例として、ロータコア２６が、複数の電磁鋼板５０を軸線１２の方向に積層してなる積層体である場合を説明する。ロータコア２６を含む電動機１０の運転中は、図８に示すようにロータコア２６内を通る径方向内向きの磁束５２が互いに反発して、コアが開く（電磁鋼板５０同士が互いに剥離する）ような力が発生する。よって電動機１０を長期に亘り稼働するような場合、ロータコア２６が破損する虞がある。

【0022】

そこで本実施例では、図５に示したように、各磁石２８の端部では端板３０の凸部４２でロータコア２６を押さえることにより、図８のようなロータコア２６の破損を防止している。なおロータコア２６が係止部３８（図４）を有する場合には、軸方向にみたときに係止部３８を少なくとも部分的に（好ましくは全体を）端板３０の凸部４２で押さえる（図５）ことにより、図８に示したような破損をより効果的に防止することができる。

【0023】

このように本実施例では、磁束漏れによるモータ特性への影響が大きい磁石中央部については端板３０の凹部４０で部分的に覆うことで端板との接触面積を小さくして磁束漏れを抑え、逆に磁束漏れによるモータ特性への影響が小さい磁石の周方向端部については端板３０の凸部４２で覆うことで端板との接触面積を大きくして、ロータコアの破損等を確実に防止している。また端板３０はその厚さ方向について同一寸法及び同一形状を有し得るので、容易に加工・製造することができ、回転子１４及び電動機１０の低コスト化につながる。

【0024】

（第２実施例）
図９及び図１０はそれぞれ、第２実施例に係るロータ１４ａの分解斜視図及び軸方向断面図を示す。なお第２実施例では、第１実施例と異なる点のみを説明し、第１実施例と同様でよい点については説明を省略する。

【0025】

第１実施例では、２つの端板３０がいずれも凹部４０及び凸部４２を有するが、第２実施例では一方の端板のみが第１実施例の端板３０と同一であり、他方の端板３０ａは凹部及び凸部を有さず、外周部が単純な円形形状を有する。よって端板３０ａは複雑な機械加工を用いずに低コストで製造可能であり、故に回転子１４ａ及び回転子１４ａを含む電動機も低コストで製造可能であるが、第２実施例でも、凹部４０及び凸部４２を有する端板３０によって、第１実施例と同様の作用効果が得られる。

【0026】

図１０は、回転子１４ａとシャフト１８との結合形態の一例を示す。第２実施例のように２つの端板の形状が異なる場合、シャフト１８は端板３０ａ側に取り付けられることが好ましい。具体的には、シャフト１８と端板３０ａは、ボルト等の締結具４８を、端板３０ａに形成されたネジ穴４９に螺合させることによって互いに結合可能である。

【0027】

（第３実施例）
図１１及び図１２はそれぞれ、第３実施例に係る端板３０ｂの表面及び裏面を示す。なお第３実施例では、第１実施例と異なる点のみを説明し、第１実施例と同様でよい点については説明を省略する。

【0028】

端板３０ｂは、第１実施例に係る端板３０が有するものと同様の凹部４０及び凸部４２に加え、ロータコア２６に面する第１面５４から隆起（突出）する隆起部５６を有する。また隆起部５６は、周方向について凸部４２と同じ位置、すなわち複数の磁石２８の間（ロータコア２６が突条３８を有する場合はその位置）に相当する位置に設けられる。

【0029】

隆起部５６は種々の方法で形成され得るが、例えばプレス成形によって容易に形成可能である。プレス成形を利用した場合、隆起部５６の裏側、すなわち端板３０ｂの第１面５４とは反対側の第２面５８において隆起部５６に対応する位置に窪み６０が形成される。

【0030】

図１３は、端板３０ｂとロータコア２６、磁石２８との配置関係を示す。第１面５４に隆起部５６があることにより、第１面５４が平面である場合に比べ、ロータコア２６に対する隆起部５６の面圧が大きくなり、ロータコア２６の軸方向端部をより強固に押さえることができる。またロータコア２６が突条３８を有する場合は、隆起部５６で突条３８の軸方向端部を押さえることで、さらに強固にロータコア２６を押さえることができる。なお隆起部５６を設けた部分はその裏側が窪み６０となっており、故に端板３０ｂは部分的に波形形状にすることができるので、段ボールのフルート部と同様の原理により、端板３０ｂの強度を高めることもできる。

【0031】

さらに、端板３０ｂが隆起部５６を有することによって、磁石２８と端板３０ｂの第１面５４との間には空隙６２が形成されるので、磁束漏れをより効果的に抑制することができる。

【符号の説明】

【0032】

１０ 電動機
１２ 回転軸線
１４、１４ａ 回転子
１６ 固定子
１８ シャフト
２０、２２ 軸受
２４ ハウジング
２６ ロータコア
２８ 磁石
３０、３０ａ、３０ｂ 端板
３２、３４ 孔
３６ ボルト
３８ 係止部
４０ 凹部
４２ 凸部
５０ 電磁鋼板
５６ 隆起部
６０ 窪み

【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】