(57)【要約】【課題】ロータが回転する際にロータに生じる磁束密度の変化を利用して発電するコイルと、ロータ温度を計測して無線で送信する電子部品を組み合わせると、ロータに結線せずにロータ温度を直接的に計測することができるが、コイルと電子部品をロータに実際に搭載するのは難しい。【解決手段】外周面に永久磁石を固定する略円柱形のロータコアに、各々の永久磁石の端部と当接して永久磁石の位置を規制する位置決め凸部を形成する。発電コイルと電子部品を搭載している計測ユニットを位置決め凸部に固定する。磁束が強い位置に発電コイルが配置され、効果的に発電する。【選択図】図１
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【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されるロータであり、
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と、計測ユニットを備えており、
前記ロータコアに、各々の永久磁石の端部に当接して、前記ロータコアに対する各々の永久磁石の位置を規制する位置決め凸部が形成されており、
前記計測ユニットは、前記位置決め凸部に固定されており、１個の永久磁石の周囲に巻回された発電コイルと、発電コイルに接続されている電子部品を備えており、
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せ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おり、永久磁石の端部に当接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】
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せ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、その技術を実用化するのは難しい。
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。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は難しい。
【０００８】
本明細書では、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発電コイル等の部材を、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、複数個の永久磁石と、少なくとも一つの計測ユニットを備えている。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用いられ、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、各々の永久磁石の端部と当接して、ロータコアに対する各々の永久磁石の位置を規制する位置決め凸部が形成されている。計測ユニットは、位置決め凸部に固定されている。計測ユニットは、１個の永久磁石の周囲に巻回された発電コイルと、発電コイルに接続されている電子部品を備えている。その電子部品は、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せ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おり、永久磁石の端部に当接している。
【０００９】
上記によると、発電コイルで形成されるループ、すなわち発電に寄与する磁束の通過範囲が永久磁石の大きさにほぼ等しい。また位置決め凸部はロータの外周面から突出しており、その位置決め凸部に計測ユニットを固定するために、発電コイルとステータ間の距離が近く、磁束の強度が高い位置に発電コイルを位置させることができる。これらにより、発電コイルによって必要電力を発電することができる。電子部品は、ロータ外に開放されている位置に配置されており、発信回路から発信された電波がロータ外に達する。ロータ外で計測値を受信することができる。計測ユニットを位置決め凸部に固定するために、永久磁石の端面のうちの半径方向外側の部分に電子部品を当接させることができ、温度を計測する必要性がもっとも高い位置の温度を計測することができる。
【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】電子部品の回路構成を示す図。
【図３】計測ユニットの平面図。
【図４】図４とは別の計測ユニットの平面図。
【図５】図１のロータの平面図。
【図６】図５のVI−VI線断面図とその一部拡大図。
【図７】実施例と参考例を対比した図。
【図８】第２実施例の図６に対応する図。
【図９】第２実施例の計測ユニットの平面図。
【図１０】第３実施例の図６に対応する図。
【図１１】第３実施例の計測ユニットの平面図。
【図１２】第４実施例の図６に対応する図。
【図１３】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配置されている。
（特徴２）温度センサが、永久磁石の周方向の端部の表面近傍に配置されている。
（特徴３）発電コイルが、永久磁石の裏面よりも表面に近い位置に配置されている。
（特徴４）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５）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６）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７）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８）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１、図６等に示すように、ロータコア３０の外周面上には、永久磁石１１，１２，１３，１４の周方向の端面に当接してロータコア３０に対する永久磁石１１，１２，１３，１４の周方向の位置を決める凸部３１ａ，３２ａ，３３ａ，３４ａ，３１ｂ，３２ｂ，３３ｂ，３４ｂが形成されている。凸部３１ａ，３１ｂは周方向の位置が同じである。凸部３２ａ，３２ｂと、凸部３３ａ，３３ｂと、凸部３４ａ，３４ｂについても同様である。凸部３１ａ，３２ａ，３３ａ，３４ａの軸方向の位置は同じである。凸部３１ｂ，３２ｂ，３３ｂ，３４ｂについても同様である。凸部３１ａ，３２ａ，３３ａ，３４ａ，３１ｂ，３２ｂ，３３ｂ，３４ｂの高さは、永久磁石１１，１２，１３，１４の厚みよりも低く、凸部３１ａ，３２ａ，３３ａ，３４ａ，３１ｂ，３２ｂ，３３ｂ，３４ｂの頂面は、永久磁石１１，１２，１３，１４によって形成される外周面より窪んでいる。凸部３１ａ，３２ａ，３３ａ，３４ａ，３１ｂ，３２ｂ，３３ｂ，３４ｂの頂面は、ロータコア３０の外周面の半径より大きく、永久磁石１１，１２，１３，１４の外周面の半径より小さな半径の円柱外周面の一部で形成されている。
【００１３】
図１に示すように、ロータコア３０の温度を計測してロータ２の外部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。計測ユニット２１は、永久磁石１１の輪郭形状に一致する開口が形成されている枠部を備えている。回転軸４１，４２に沿って延びる部分の枠は、永久磁石１１と１２の間隔と、永久磁石１１と１４の間隔に嵌まり込む太さに形成されており、計測ユニット２１を永久磁石１１の周囲を一巡する位置に挿入することができる。さらに計測ユニット２１の厚みは、永久磁石１１，１２，１３，１４の厚みと凸部３１ａ，３２ａ，３３ａ，３４ａ，３１ｂ，３２ｂ，３３ｂ，３４ｂの高さの差よりも薄く、計測ユニット２１を永久磁石１１と１２の間隔と永久磁石１１と１４の間隔に嵌め込むと、計測ユニット２１の表面は、永久磁石１１，１２，１３，１４によって形成される外周面より沈み込む。図１では、計測ユニット２１を永久磁石１１の周囲を一巡する位置に嵌め込む前の状態を示している。
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。
【００１４】
図３は、計測ユニット２１を示し、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を実装することで形成されている。電子部品６１は発電コイル５１に接続されている。
図２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せる温度センサ回路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５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平面図であり、図６(ａ)は、図５のVI−VI線断面図である。発電コイル５１は、永久磁石１１と１２の間隔と永久磁石１１と１４の間隔に嵌め込まれている。計測ユニット２１は、凸部３１ａ，３１ｂ，３４ａ，３４ｂの頂面に強固に固定されている。図６（ｂ）は、凸部３１ａと、フレキシブル基板７１と発電コイル５１と電子部品６１の関係を示している。フレキシブル基板７１は湾曲した状態で永久磁石１１と１２の間隔に収容され、その弾性力によって電子部品６１を永久磁石１１の周方向の端面に押し付けている。
図７の（ａ）は、位置決め用凸部３１ａ，３２ａ，３３ａ，３４ａ，３１ｂ，３２ｂ，３３ｂ，３４ｂが形成されている場合を示し、図７の（ｂ）は、位置決め用凸部が形成されていない場合を示している。位置決め用凸部が形成されていない場合は、電子部品６１が永久磁石１１に周方向の端面の裏面近傍に当接する。位置決め用凸部３１ａ，３２ａ，３３ａ，３４ａ，３１ｂ，３２ｂ，３３ｂ，３４ｂが形成されていると、その高さによって、電子部品６１が永久磁石１１に周方向の端面の表面近傍に当接する。
本実施例によると、電子部品６１は永久磁石１１の周方向の端面の表面近傍に密着し、永久磁石１１の周方向の端面の表面近傍の温度を計測する。永久磁石の周方向の端面の表面近傍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格に講じることが可能となる。
また、位置決め用凸部３１ａ，３２ａ，３３ａ，３４ａ，３１ｂ，３２ｂ，３３ｂ，３４ｂが形成されていると、その高さによって、発電コイル５１が永久磁石１１の表面側に配置される。凸部が形成されていないと、発電コイル５１が永久磁石１１に裏面側に配置される。永久磁石の裏面側と表面側を比較すると、表面側の磁束強度が裏面側よりも高い。位置決め用凸部３１ａ，３２ａ，３３ａ，３４ａ，３１ｂ，３２ｂ，３３ｂ，３４ｂを利用すると、磁束強度が高い位置に発電コイルを配置することができ、効率的に発電することができる。
【００１６】
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通過磁束の強度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はロータ２の外部に連通する位置に配置されており、電子部品６１から発信された電波をロータの外側で受信ができる。第１実施例によって、ロータ内外間に亘る配線を設けることなく、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。
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。
計測ユニット２１は、図４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巻いて発電コイル５１とする。
【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８、９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。
この実施例では、図９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。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１０と図１１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１１に示すように、永久磁石１１の周囲に巻回される発電コイル５１と、永久磁石１３の周囲に巻回される発電コイル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１０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に生じる起電力の向きが揃い、そ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の周囲に巻回される発電コイル５２と、永久磁石１４の周囲に巻回される発電コイル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に生じる起電力の向きが揃い、そ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１２と図１３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の輪郭の周囲に巻回される発電コイル５１と、永久磁石１２の周囲に巻回される発電コイル５２と、永久磁石１３の周囲に巻回される発電コイル５３と、永久磁石１４の周囲に巻回される発電コイル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】
以上、本実施例について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。例えば、上記では永久磁石の周方向の端部に当接して周方向の位置を決める実施例を示したが、回転軸方向の端部に当接する凸部に計測ユニットを固定することもできるし、周方向の端部と回転軸方向の端部に当接する凸部に計測ユニットを固定することもできる。あるいは、永久磁石が周方向にも回転軸方向にも延びる端部を備えていることがあり、その端部に当接する凸部に計測ユニットを固定してもよい。
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
３１ａ，３２ａ，３３ａ，３４ａ，３１ｂ，３２ｂ，３３ｂ，３４ｂ：凸部
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】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2014183606.tif 000012
【図１１】
2014183606.tif 000013
【図１２】
2014183606.tif 000014
【図１３】
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