JP2025520902A - 内部ロータモータ - Google Patents

Abstract

本出願は、ステータ組立体とステータ組立体内に回転可能に配置されたロータ組立体とを含む内部ロータモータを開示し、ステータ組立体は、ステータハウジング、ステータハウジングの内壁に配置されるマグネット、及びブラシを含み、マグネットは、ステータハウジングに対して静止した磁界を形成し、ロータ組立体は、コアと、コアに挿入された回転シャフトとコアの周りに巻かれたコイルとを含み、スリップリングが回転シャフトにスリーブ接続され、スリップリングはコイルに電気的に接続され、ブラシの一端がスリップリングに当接しており、他端が外部交流電源を電気的に接続するように構成されており、本出願で記載される内部ロータモータは、既存のブラシレスモータに匹敵する性能を達成しながら、既存のブラシ付きモータと同等のコストを維持することができる。加えて、内部ロータモータは、全体的に単純な構造を有し、製造が容易であり、幅広い市場展望を有する。
【選択図】図４

Description

本出願は、モータ技術の分野に関し、特に内部ロータモータに関する。

モータは、互いに相対的に回転するステータ及びロータからなる。ステータとロータの位置関係に基づいて、モータは、内部ロータモータと外部ロータモータの２つの主要なタイプに分けることができる。内部ロータモータは、回転速度が速いなどの特徴を有し、日常生活及び工業生産において広く使用されている。

内部ロータモータは、電流整流の方法に基づいて、ブラシ付きモータとブラシレスモータの２つのタイプに分けることができる。ブラシ付きモータは機械的整流を用い、始動が迅速、制動がタイムリー、及び制御回路がシンプル等の特徴を有する。しかしながら、ブラシと整流子の間の摩擦により電気火花が容易に発生する可能性があり、ブラシの寿命に影響するだけでなく、ＮＶＨ（騒音、振動、ハーシュネス）及びＥＭＣ（電磁両立性）を含む一連の問題を引き起こす。ブラシレスモータは、電子整流を利用しており、高効率、低騒音、及び長寿命等の利点をもたらす。しかしながら、内部ロータサイズが制限され、同サイズのブラシ付きモータと同等の出力トルクを得るためには、ネオジム－鉄－ボロン磁石のような強力な磁気材料を使用する必要があり、モータのコストが大幅に増大する。

この点を踏まえて、モータ性能及びコストに配慮した内部ロータモータが提供される。

ステータ組立体とステータ組立体内に回転可能に配置されたロータ組立体とを備える内部ロータモータであって、ステータ組立体は、ステータハウジング、ステータハウジングの内壁に配置されるマグネット、及びブラシを備え、マグネットは、ステータ組立体に対して静止した磁界を形成し、ロータ組立体は、コアと、コアに挿入された回転シャフトと、コアの周りに巻かれたコイルとを備え、回転シャフトにはスリップリングがスリーブ接続され、スリップリングは、コイルに電気的に接続されており、ブラシの一端はスリップリングに当接しており、ブラシの他端は外部交流電源を電気的に接続するように構成されている。

幾つかの実施形態において、コイルに電力が供給されたときに形成される磁場軸は、マグネットによって形成される磁場軸に対して相対的に静止している。

幾つかの実施形態において、スリップリングは、少なくとも２つの相互に絶縁された導電性リングを備え、ブラシは、少なくとも２つの相互に絶縁されたカーボンブラシを備え、各カーボンブラシは、導電性リングの１つに当接する。

幾つかの実施形態において、コイルは多相コイルであり、導電性リングの数は多相コイルの相の数以上であり、各相コイルは導電性リングの１つに電気的に接続されている。

幾つかの実施形態において、コイルは単相コイルであり、導電性リングの数及びカーボンブラシの数は２つであり、２つの導電性リングは、コイルのヘッドエンド及びテールエンドそれぞれに接続される。

幾つかの実施形態において、少なくとも２つの導電性リングは、回転シャフトの軸方向に沿って間隔を置いて配置され、又は少なくとも２つの導電性リングは、回転シャフトの半径方向に沿って間隔を置いて配置される。

幾つかの実施形態において、マグネットは、電磁石又は永久磁石であり、ステータハウジングの周方向に沿って間隔を置いて配置される。

幾つかの実施形態において、ブラシは、端部キャップ上に配置され、端部キャップは、ステータハウジングの軸方向側部をカバーし、端部キャップの中心には、ロータ組立体の回転を支持する軸受が設けられている。

幾つかの実施形態において、ステータハウジングの他方の軸方向側部にはカバーキャップが設けられ、カバーキャップの中心には、ロータ組立体の回転を支持する別の軸受が設けられている。

幾つかの実施形態において、接続端子は端部キャップの外側部から突出し、ブラシの他端に電気的に接続され、接続端子は、外部交流電源を接続するように構成される。

先行技術と比較して、本出願の内部ロータモータは、モータの外側でステータ組立体上に位置付けられたマグネットを特徴として備え、低コストで弱い磁性材料を使用することができ、モータのコストを効果的に低減することができる。更に、スリップリング及びブラシは電気的に接続されるのみであり、転流機能を有していないことにより、機械的転流により発生する電気火花を回避し、ＮＶＨ及びＥＭＣに関する問題を改善することができる。その結果、本出願の内部ロータモータは、既存のブラシ付きモータと同等のコストを維持しながら、既存のブラシレスモータに匹敵する性能を達成することができる。更に、内部ロータモータは、全体構造が単純で、製造が容易であり、幅広い市場展望を有する。

本出願の一実施形態よる、内部ロータモータの構造概略図である。 図１に示す内部ロータモータの分解図である。 図２に示す内部ロータモータの別角度の図である。 図１に示す内部ロータモータの軸方向断面図である。 本出願の内部ロータモータのコイルの回路概略図である。

本出願の理解を容易にするために、関連する添付図面を参照しながら、以下でより包括的な説明が提供される。図面は、本出願の１又は２以上の実施形態を例示的に示しており、本出願にて開示される技術的解決策の理解をより正確且つ徹底したものにする。しかしながら、本出願は、様々な形態で実施することができ、以下に記載される実施形態に限定されるものではないことを理解されたい。

本出願の添付図面において、同じ又は類似の参照数字は、同じ又は類似の構成要素に対応する。本出願において、「上」、「下」、「左」及び「右」等の用語は、図面に示される向き又は位置に基づく位置関係又は方向関係を示すのに使用されることを理解されたい。これらの用語は、単に本出願の説明の便宜上のもので、説明を簡略化するためのものであり、言及されるデバイス又は要素が特定の向きを有しなければならないこと、又は特定の向きで構成されて動作されなければならないことを示すものではなく、又は示唆するものではない。従って、図面において位置関係を説明するために使用されている用語は、単に説明のためのものであり、本特許を限定するものとして理解されるべきではない。前述の用語の具体的な意味は、具体的な状況に基づいて当業者は理解することができる。

本出願は、内部ロータモータを提供し、図１～３は、本出願の具体的な実施形態を示している。内部ロータモータは、ステータ組立体１０と、ステータ組立体１０内に回転可能に配置されたロータ組立体３０とを含む。

図３及び図４を参照すると、ステータ組立体１０は、ステータハウジング１２と、ステータハウジング１２の内壁面に取り付けられるマグネット１４とを含む。マグネット１４は、ステータハウジング１２の周方向に沿って均一な間隔で配置されており、隣接するマグネット１４は反対の極性を有する。具体的には、隣接する２つのマグネット１４において、一方がＮ極である半径方向内端部と、Ｓ極である半径方向外端部とを有する場合、他方は、Ｓ極である半径方向内端部とＮ極である半径方向外端部とを有することになり、ステータ組立体１０は、周方向に交互にＮ極及びＳ極を形成し、ステータハウジング１２に対して静止したステータ磁界を形成する。マグネット１４は、モータの外側部に配置され、好ましくはフェライト等の弱磁性材料から作られた永久磁石である。フェライト材料は、主に酸化鉄及び他の鉄族又は希土類酸化物から構成され、渦電流損失が低く、低コストである等の利点を提供する。

コストなどの要因を考慮することなく、マグネット１４は、ネオジム－鉄－ボロンなどの強力な磁性材料から作られた永久磁石とすることもでき、或いは、マグネット１４はまた、通電時に安定した磁場を発生する電磁石とすることができることを理解されたい。

図２及び図３の両方を参照すると、ロータ組立体３０は、コア３２と、コア３２に挿入される回転シャフト３４と、コア３２に巻かれたコイル３６とを含む。コア３２は、スタックされたケイ素鋼板で作ることができ、シャフト３４にスリーブ接続されるヨーク部とヨーク部から半径方向外側に延びる歯とを含む。回転シャフト３４は、コア３２のヨーク部に固定的に挿入され、両端部がコア３２の外側に延びて出力を外部に伝達する。コイル３６は、歯の各々の周りに巻かれ、隣接する歯が、周方向に間隔を置いて配置されて、コイル３６を巻回するための巻回スロット３７を形成する。コイル３６は、好ましくは三相コイル（Ｕ、Ｖ、Ｗ）を使用し、各相コイル３６は、並列又は直列に接続された複数のコイルからなることができる。図５には、異なる相コイル３６が異なるインラインタイプで示されており、例えば、破線はＵ相コイルを表し、点線はＶ相コイルを表し、実線はＷ相コイルを表している。

図２に示すように、ロータ組立体３０はまた、シャフト３４上にスリーブ接続されたスリップリング３８を含む。ステータ組立体１０は更に、スリップリング３８に対応するブラシ１６を含み、ブラシ１６はスリップリング３８に当接する。内部ロータモータが回転すると、スリップリング３８はシャフト３４と同軸に回転する。回転プロセス中、ブラシ１６は、スリップリング３８に連続的に当接してスリップリング３８と協働し、外部電源がコイル３６に電力を供給できるようにする。

スリップリング３８は、互いに電気的に絶縁された少なくとも２つの導電性リング３８１を備えるが、ブラシ１６は、互いに電気的に絶縁された少なくとも２つのカーボンブラシ１６１を備え、各カーボンブラシ１６１は、導電性リング３８１の１つに当接する。少なくとも２つの導電性リング３８１は、図２～図４に示すように、シャフト３４の軸線方向に沿って、軸線方向に間隔を隔てて配置することができる。少なくとも２つのカーボンブラシ１６１は、モータの軸方向に高低差を生じさせ、各カーボンブラシ１６１の内側端部は、導電性リング３８１の一方の半径方向外面に当接し、導電性を有する。なくとも２つのカーボンブラシ１６１は、軸方向に整列させるか又は軸方向に交互に配置することができる。少なくとも２つの導電性リング３８１の直径は、同じであっても異なっていてもよい。幾つかの実施形態において、少なくとも２つの導電性リング３８１は、シャフト３４の半径方向に沿って配置することもでき、例えば、半径方向に間隔を置いて配置された少なくとも２つの同心リングとすることができる。これに対応して、ブラシ１６は、軸方向においてスリップリング３８と整列させることができ、例えば、コア３２から離れた又はコア３２の方を向いたスリップリング３８の軸方向側に配置される。各カーボンブラシ１６１は、導電性リング３８１の一方の端面に当接し、電気伝導を実現する。少なくとも２つのカーボンブラシ１６１は、径方向に並んで配置されるか、又は径方向にずらして配置される。

スリップリング３８はまた、シャフト３４上の任意の適切な位置に取り付けることができることにも留意すべきである。ブラシ１６及びスリップリング３８をモータの同じ側に配置することにより、外部電源との電気接続部が容易になる。幾つかの実施形態において、スリップリング３８の導電性リング３８１はまた、シャフト３４の両側に配置することができ、それに応じてブラシ１６の各カーボンブラシ１６１もモータの両側に配置することができる。少なくとも２つの導電性リング３８１及び少なくとも２つのカーボンブラシ１６１の配置及び位置に関して、本出願は特定の制限を加えない。各導電性リング３８１が互いに絶縁され、各カーボンブラシ１６１が互いに絶縁され、及び各カーボンブラシ１６１が導電性リング３８１に当接して導電性を達成できるような配置であれば、何れも本出願の保護範囲内である。

本出願の実施形態において、コイル３６に電力が供給されたときに形成される磁場軸は、マグネット１４によって形成される磁場軸に対して相対的に静止している。好ましくは、コイル３６と外部電源との間には転流回路も接続されている。整流回路は、コイル３６に流れる電流の位相を制御して、ロータ及びステータの磁場軸を相対的に静止させる。整流回路はモータ内部の制御回路基板に内蔵することができ、整流回路はモータの外部制御回路とすることもできる。

コイル３６は、多相コイル又は単相コイルであり、これに対応して、外部電源は、多相又は単相交流電源等の交流電源である。コイル３６が多相コイルである場合、導電性リング３８１の数は、多相コイルの相の数以上であり、各相コイル３６は、導電性リング３８１の１つに電気的に接続される。従って、各相コイル３６は、１つの導電性リング３８１及び導電性リング３８１に当接するカーボンブラシ１６１を介して外部電源に接続することができる。導電性リング３８１の数は、好ましくは、多相コイルの相数と等しい。コイル３６が単相コイルの場合、導電性リング３８１の数及びカーボンブラシ１６１の数は共に２つである。２つの導電性リング３８１は、単相コイルのヘッド端部及び後尾端部それぞれに接続されている。従って、単相コイルの両端は、１つの導電性リング３８１及び導電性リング３８１に当接するカーボンブラシ１６１を介して外部電源に接続することができる。

幾つかの実施形態において、ブラシ１６は、ステータハウジング１２の一方の軸方向側部をカバーする端部キャップ１８の内側に固定して配置されている。少なくとも２つの接続端子１８１は、端部キャップ１８の外側部から突出しており、少なくとも２つのブラシ１６１の外側端部に電気的に接続されている。少なくとも２つの接続端子１８１は、外部交流電源に接続するために使用される。好ましくは、ステータハウジング１２の他方の軸方向側部はカバーキャップ１９で覆われ、カバーキャップ１９及び端部キャップ１８の中心はそれぞれ、軸受３９を取り付けるための軸受座部を形成する。シャフト３４の２つの端部はそれぞれ、軸受３９に挿入され、軸受３９はシャフト３４を支持し、ロータ組立体３０が円滑に回転することを可能にする。

以下、図２～図４に示すように、本出願の内部ロータモータを説明するために三相コイルを例に挙げて説明する。採用されたスリップリング３８は、３つの導電性リング３８１を有し、ブラシ１６は、３つのカーボンブラシ１６１を有する。内部ロータモータが始動すると、３つのカーボンブラシ１６１と３つの集電リング３８１との協働により、３相交流電流がロータ組立体３０の３相コイル３６に導通される。交流電流は、正弦波、矩形波などの形態とすることができる。各相コイル３６の電流は、１２０度の位相差を生じさせることにより、回転磁界を発生させ、ロータ組立体３０をステータ組立体１０に対して連続的に回転させる。ロータ組立体３０の回転中、カーボンブラシ１６１は導電性リング３８１と導電性を維持し、電気接続部として機能する。ロータ組立体３０のコイル３６は、４相、５相など、任意の相数に構成できることを理解されたい。この場合、導電性リング３８１及びカーボンブラシ１６１の数は、コイル３６の相数に応じて調整され、各導電性リング３８１は、１相のコイル３６を外部電源に接続する。なお、本出願の実施形態においては、三相コイルを例に説明するが、この構成に限定されるものではない。

本出願の内部ロータモータは、スリップリング３８及びブラシ１６を用いてコイル３６に交流電源を導入するものであり、ロータ組立体３０がモータの中心に配置され、通電コイル３６を備えている。ステータ組立体１０は、モータの外側部に配置され、マグネット１４を含み、全体の構造は従来のブラシ付き直流モータと同様である。マグネット１４はモータの外側部の近くに配置されるため、サイズを大きくすることができ、及び使用される材料は弱磁性材料とすることができる。既存のブラシレスモータのロータに一般的に必要とされる強磁性材料と比較して、モータのコストを効果的に低減することができる。コイル３６はロータ組立体３０のコア３２に巻かれ、及び既存のブラシ付きモータで一般的に使用されているフライワインディング法を利用することができる。従来のブラシレスモータで使用されているニードル巻線及びセグメント巻線方式と比較して、この方式はより簡単で高速であるため、モータコストを更に低減することができる。

本出願において、スリップリング３８及びブラシ１６が協働して、電流整流を必要とせずに電流を導電させ、既存のブラシ付きモータと比較して、電気火花の発生を効果的に回避することができる。これは、ブラシ１６の寿命及び電磁両立性（ＥＭＣ）の改善につながる。更に、既存のブラシ付きモータでブラシ１６が整流子から離れる際に発生する跳ね返りも回避できるため、この影響から生じる騒音、振動、ハーシュネス（ＮＶＨ）などの問題も低減できる。更に、本出願発明は、機械式整流子に代わる電子式整流子を導入し、トルク脈動を効果的に低減し、及びＮＶＨを更に低下させる。まとめると、本出願の内部ロータモータは、既存のブラシ付きモータと同等のコストを維持しながら、既存のブラシレスモータに匹敵する性能を達成することができ、モータの性能及びコストのバランスを効果的にとることができるため、電気車両に使用される４８Ｖモータなどの小型モータに特に適している。

なお、本出願は上記の実施形態に限定されるものではない。本出願の創造的精神に基づいて、当業者は他の改変を行うことができ、本出願の創造的精神に従って行われるそのような改変はすべて、本出願で請求される保護範囲に含まれるべきである。

１０ ステータ組立体
１２ ステータハウジング
１４ マグネット
３２ コア
３６ コイル
３８ スリップリング
１６１ カーボンブラシ
３８１ 導電性リング

スリップリング３８はまた、シャフト３４上の任意の適切な位置に取り付けることができることにも留意すべきである。ブラシ１６及びスリップリング３８をモータの同じ側に配置することにより、外部電源との電気接続部が容易になる。幾つかの実施形態において、スリップリング３８の導電性リング３８１はまた、シャフト３４の両側に配置することができ、それに応じてブラシ１６の各カーボンブラシ１６１もモータの両側に配置することができる。少なくとも２つの導電性リング３８１及び少なくとも２つのカーボンブラシ１６１の配置及び位置に関して、本出願は特定の制限を加えない。導電性リング３８１を互いに絶縁し、カーボンブラシ１６１を互いに絶縁し、カーボンブラシ１６１が導電性リング３８１に当接して導電性を達成できるような何れかの配置は、本出願の保護範囲内にある。

Claims (10)

1. ステータ組立体と前記ステータ組立体内に回転可能に配置されたロータ組立体とを備える内部ロータモータであって、前記ステータ組立体は、ステータハウジング、前記ステータハウジングの内壁に配置されるマグネット、及びブラシを備え、前記マグネットは、前記ステータ組立体に対して静止した磁界を形成し、前記ロータ組立体は、コアと、前記コアに挿入された回転シャフトと、前記コアの周りに巻かれたコイルとを備え、前記回転シャフトにはスリップリングがスリーブ接続され、前記スリップリングは、前記コイルに電気的に接続されており、前記ブラシの一端は前記スリップリングに当接しており、前記ブラシの他端は外部交流電源を電気的に接続するように構成されている、ことを特徴とする内部ロータモータ。
2. コイルに電力が供給されたときに形成される磁場軸は、前記マグネットによって形成される磁場軸に対して相対的に静止している、ことを特徴とする請求項１に記載の内部ロータモータ。
3. 前記スリップリングは、少なくとも２つの相互に絶縁された導電性リングを備え、前記ブラシは、少なくとも２つの相互に絶縁されたカーボンブラシを備え、前記各カーボンブラシは、前記導電性リングの１つに当接している、ことを特徴とする請求項１に記載の内部ロータモータ。
4. 前記コイルは多相コイルであり、前記導電性リングの数は、前記多相コイルの相の数以上であり、前記各相コイルは前記導電性リングの１つに電気的に接続されている、ことを特徴とする請求項３に記載の内部ロータモータ。
5. 前記コイルは単相コイルであり、前記導電性リングの数及び前記カーボンブラシの数は２つであり、前記２つの導電性リングは、前記コイルのヘッド端部及び後尾端部それぞれに接続されている、ことを特徴とする請求項３に記載の内部ロータモータ。
6. 前記少なくとも２つの導電性リングは、前記回転シャフトの軸方向に沿って間隔を置いて配置され、又は前記少なくとも２つの導電性リングは、前記回転シャフトの半径方向に沿って間隔を置いて配置されている、ことを特徴とする請求項３に記載の内部ロータモータ。
7. 前記マグネットは、電磁石又は永久磁石であり、前記ステータハウジングの周方向に沿って間隔を置いて配置されている、ことを特徴とする請求項１～６の何れか１項に記載の内部ロータモータ。
8. 前記ブラシ付きモータは、端部キャップ上に配置され、前記端部キャップは、前記ステータハウジングの軸方向側部をカバーし、前記端部キャップの中心には、前記ロータ組立体の回転を支持する軸受が設けられている、ことを特徴とする請求項１～６の何れか１項に記載の内部ロータモータ。
9. 前記ステータハウジングの他方の軸方向側面には、カバーキャップが設けられ、前記カバーキャップの中心には、前記ロータ組立体の回転を支持する別の軸受が設けられている、ことを特徴とする請求項８に記載の内部ロータモータ。
10. 接続端子が前記端部キャップの外側部から突出し、前記ブラシの他端に電気的に接続され、前記接続端子は、前記外部交流電源を接続するように構成されている、ことを特徴とする請求項８に記載の内部ロータモータ。

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