(57)【要約】【課題】ロータの基本形状をほぼ変更することなく、風損を低減することが可能な電動モータの提供にある。【解決手段】内周面から径方向内側に向かって突出する複数のティースおよび複数のティースにそれぞれ巻回されたコイルを有するステータと、外周面にて放射状に配置された複数の突極２３を有するロータ１２と、を備え、突極２３は、ロータ１２の回転方向側の面である上流面２５と、ロータ１２の回転方向の反対側の面である下流面２６と、を備え、一方の突極２３における上流面２５と他方の突極における下流面２６との間に空間部を形成し、下流面２６に凹部としての複数のディンプル２８を設けた。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内周面から径方向内側に向かって突出する複数のティースおよび前記複数のティースにそれぞれ巻回されたコイルを有するステータと、
外周面にて放射状に配置された複数の突極を有するロータと、を備え、
前記突極は、
前記ロータの回転方向側の面である上流面と、
前記ロータの回転方向の反対側の面である下流面と、を備え、
前記上流面又は前記下流面に凹部を設けたことを特徴とする電動モータ。
【請求項２】
前記下流面に設けた凹部はディンプルであり、
前記下流面は複数の前記ディンプルを有することを特徴とする請求項１記載の電動モータ。
【請求項３】
互いに隣り合う前記ディンプル間の距離は等しいことを特徴とする請求項２記載の電動モータ。
【請求項４】
前記上流面に設けた凹部は、前記ロータの軸方向に延在する溝であり、
前記上流面にて山と谷が交互に連続するように複数の前記溝が配設されていることを特徴とする請求項１記載の電動モータ。
【請求項５】
前記上流面の径方向外側寄り領域に前記凹部を設けたことを特徴とする請求項４記載の電動モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電動モータに関し、特に、突極を有する回転子を備えた電動モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
電動モータの従来技術としては、例えば、特許文献１に開示された２相リラクタンスモータが知られている。特許文献１に開示された２相リラクタンスモータでは、回転子の少なくとも１つの磁極突起を回転方向側に外周側から内周側に向かって滑らかに変化する流面突出部を設けて非対称な形状としている。流面突出部を含む非対称な形状の磁極突起は、固定子の磁極突起の隣り合う２つに常にまたがって対向する。特許文献１に開示された２相リラクタンスモータによれば、回転子の回転方向側に流面突出部を設けているため、回転子の回転駆動による空気抵抗を減少することができ、風損の小さな２相リラクタンスモータが実現できるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２６６５７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示された２相リラクタンスモータでは、回転駆動時において、回転子（ロータ）の磁極突起の回転方向側と反対側の面付近にカルマン渦が発生し、十分に風損を低減できないという問題がある。また、磁極突起の回転方向側において外周側から内周側に向かって滑らかに変化する流面突出部を設けているため、回転子の磁極突起の形状を著しく変更する必要がある。
【０００５】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、ロータの基本形状をほぼ変更することなく、風損を低減することが可能な電動モータの提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、本発明は、内周面から径方向内側に向かって突出する複数のティースおよび前記複数のティースにそれぞれ巻回されたコイルを有するステータと、外周面にて放射状に配置された複数の突極を有するロータと、を備え、前記突極は、前記ロータの回転方向側の面である上流面と、前記ロータの回転方向の反対側の面である下流面と、を備え、前記上流面又は前記下流面に凹部を設けたことを特徴とする。
【０００７】
本発明では、ロータが回転し、上流面又は下流面を突極間に形成された空間部の空気が通過するとき、凹部によって上流面又は下流面を通る空気の流れが制御され、カルマン渦が生じにくくなる。その結果、ロータの回転時において空間部や突極付近におけるカルマン渦の発生が低減され、風損が抑制される。また、上流面又は下流面に凹部を設けるだけであるため、ロータの基本形状を著しく変更することなく、風損を低減することができる。
【０００８】
また、上記の電動モータにおいて、前記下流面に設けた凹部はディンプルであり、前記下流面は複数の前記ディンプルを有する構成としてもよい。
この場合、下流面を空気が通過すると、複数のディンプルにより乱流境界層が下流面の表面に発生する。下流面の表面に発生する乱流境界層は、層流境界層と比較して下流面から剥離し難く、下流面付近におけるカルマン渦の発生が従来よりも抑制され、風損を抑制することができる。
【０００９】
また、上記の電動モータにおいて、互いに隣り合う前記ディンプル間の距離は等しい構成としてもよい。
この場合、複数のディンプルが互いに等距離を保って下流面に配設されているので、下流面において乱流境界層が一様に形成され易い。その結果、乱流境界層は下流面からより剥離し難くなり、より風損を抑制することができる。
【００１０】
また、上記の電動モータにおいて、前記上流面に設けた凹部は、前記ロータの軸方向に延在する溝であり、前記上流面にて山と谷が交互に連続するように複数の前記溝が配設されている構成としてもよい。
この場合、上流面を空気が通過するとき、空気は溝により整流作用を受けて、軸方向へ案内され、上流面における空気の径方向への流れが抑制される。このため、上流面付近におけるカルマン渦の発生が抑制され、風損を抑制することができる。
【００１１】
また、上記の電動モータにおいて、前記上流面の径方向外側寄り領域に前記凹部を設けた構成であってもよい。
この場合、凹部を上流面の径方向外側寄りに設けることにより、上流面付近におけるカルマン渦の発生が抑制され、風損を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ロータの基本形状をほぼ変更することなく、風損を低減することが可能な電動モータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る電動モータの概略断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る電動モータのロータの斜視図である。
【図３】ロータの下流面におけるディンプルを示す拡大図である。
【図４】（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る電動モータの作用を模式的に説明する説明図であり、（ｂ）は比較例の作用を模式的に説明する説明図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る電動モータの概略断面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る電動モータのロータの斜視図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る電動モータのロータの要部正面図である。
【図８】（ａ）は本発明の第２の実施形態に係る電動モータの作用を模式的に説明する説明図であり、（ｂ）は比較例の作用を模式的に説明する説明図である。
【図９】第２の実施形態の変形例に係る電動モータのロータの要部正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態に係る電動モータとしてのスイッチドリラクタンス（ＳＲ）モータについて図面を参照して説明する。
【００１５】
図１に示すように、リラクタンスモータは、ステータ１１およびロータ１２を備えている。ステータ１１は円筒状のステータ本体部１３と、ステータ本体部１３の内周面１４から径方向内側へ向けて突出する複数のティース１５とを備えている。本実施形態では、６個のティース１５がステータ本体部１３において放射状に配置されている。ステータ本体部１３とティース１５は一体形成されている。ティース１５はロータ１２と対向する先端部１６を備えている。周方向に隣り合うティース１５間には、スロット１７が形成されている。スロット１７にはティース１５に巻回されるコイル１８が収容されている。ティース１５とコイル１８との間には、絶縁性のスロット絶縁材（図示せず）が介在されている。ステータ１１は複数枚の電磁鋼板を積層することにより形成されている。
【００１６】
ロータ１２は、円柱状のロータ本体部２０と、ロータ本体部２０に設けたシャフト２１と、ロータ本体部２０の外周面２２から径方向外側へ突出する複数の突極２３と、を備える。シャフト２１は、ロータ本体部２０の中心に挿通され、ロータ本体部２０に固定されている。シャフト２１の両端は、ロータ本体部２０の軸方向の両端面からそれぞれ突出している。突出するシャフト２１の端部付近は、軸受（図示せず）により回転可能に支持されている。
【００１７】
本実施形態では、４個の突極２３がロータ本体部２０において放射状に配置されている。ロータ１２におけるロータ本体部２０および突極２３は、複数枚の電磁鋼板をシャフト２１の軸方向に積層することにより形成されている。
【００１８】
突極２３は、径方向外側の先端部２４と、ロータ１２の回転方向側となる上流面２５と、回転方向の反対側の面である下流面２６とを備えている。上流面２５はロータ１２の回転方向の前方を臨む面であり、下流面２６は回転方向の後方を臨む面となっている。上流面２５および下流面２６は互いに平行な面である。一方の突極２３における上流面２５と一方の突極２３と隣となる他方の突極２３における下流面２６との間に空間部２７が形成されている。空間部２７は、一方の突極２３の上流面２５、他方の突極２３の下流面２６および上流面２５と下流面２６との間の外周面２２により形成される空間である。つまり、空間部２７は、突極２３間に形成されている空間である。なお、上流とはロータ１２に対して相対的な空気の流れにおける上流を上流側とし、上流側よりも下流を下流側とする。
【００１９】
本実施形態では、下流面２６には凹部が設けられている。凹部は、図２に示すように、平面視円形のディンプル２８であり、ディンプル２８は凹曲面の窪みを有している。下流面２６にわたって複数のディンプル２８が配設されている。ロータ１２は電磁鋼板の積層により形成されるが、ディンプル２８に対応するように複数種の電磁鋼板の打ち抜き型を準備して、複数種の打ち抜き型により複数種の電磁鋼板が製作される。製作された複数種の電磁鋼板を予め決められた順番で積層することにより、平面視円形で凹曲面のディンプル２８を有するロータ１２が得られる。
【００２０】
複数のディンプル２８は、ロータ１２の回転時の空間部２７における下流面２６付近でのカルマン渦の発生を抑制するために設けている。ディンプル２８の直径や深さは、ロータ１２の回転数（ｒｐｍ）を考慮して設定されているが、リラクタンスモータにおける風損はロータ１２の回転数の三乗に比例する関係が認められるためである。本実施形態のロータ１２は約１０万〜２０万ｒｐｍと高回転となる。下流面２６にわたって配設される複数のディンプル２８は、ディンプル２８付近に微小な渦を発生させ、下流面２６の表面に層流境界層よりも剥離し難い乱流境界層を形成する。
【００２１】
図３に示すように、互いに隣り合うディンプル２８の中心Ｐ間の距離は等しい。下流面２６において互いに隣り合うディンプル２８の中心Ｐ間の距離を等しくすることにより、下流面２６の表面に乱流境界層が一様に形成され易くする。ディンプル２８の中心Ｐ間の距離は、ディンプル２８の直径や深さ、下流面２６における空気の流れ等の諸条件に基づいて設定される。
【００２２】
次に、本実施形態に係るリラクタンスモータの作用について説明する。
リラクタンスモータが駆動されると、図１、図４（ａ）に示すようにロータ１２は回転方向を示す矢印Ｒへ向けて回転する。ロータ１２は高回転（１０万〜２０万ｒｐｍ）で回転される。空気が粘性流体であることから、ロータ１２の高回転時には、空間部２７における下流面２６付近は、突極２３の先端部２４付近と比較して低圧となるため、先端部２４の空気が下流面２６の下流側から空間部２７へ回り込む。空間部２７へ回り込んだ空気は下流面２６を径方向内側から径方向外側へ向けて通過する。
【００２３】
下流面２６の表面において複数のディンプル２８を空気が通過することにより、ディンプル２８により微小な渦が下流面２６付近に発生する。ディンプル２８による微小な渦の発生により、図４（ａ）に示すように、下流面２６付近には乱流境界層Ｌが形成される。乱流境界層Ｌは乱流による空気層であり、層流の空気層である層流境界層と比較して剥離し難い性質を有することが知られている。
【００２４】
因みに、図４（ｂ）に示す比較例では、下流面２６にディンプル２８が設けられていないロータ５０を用いている。図４（ｂ）の比較例では、ディンプル２８の無い下流面２６（説明の便宜上、符号を共通とする）において層流境界層の剥離が下流面２６の径方向内側に近い位置（剥離点Ｑ）から始まる。層流境界層の剥離によってカルマン渦Ｖが下流面２６付近において著しく発生し、ロータ５０の空気抵抗が増大する。一方、図４（ａ）では、下流面２６における乱流境界層Ｌの剥離は層流境界層の剥離と比べて遅れるため、下流面２６付近におけるカルマン渦Ｖの発生は抑制される。カルマン渦Ｖの抑制によりロータ１２の空気抵抗が低減され、風損が抑制される。
【００２５】
本実施形態のリラクタンスモータは以下の作用効果を奏する。
（１）ロータ１２が回転し、下流面２６を空間部２７の空気が通過するとき、複数のディンプル２８によって生じる微小な渦により乱流境界層Ｌが下流面２６の表面に形成される。乱流境界層Ｌは層流境界層と比べて剥離し難い。その結果、ロータ１２の回転時において空間部２７におけるカルマン渦Ｖの発生が低減され、風損が抑制される。また、下流面２６に複数のディンプル２８を設けるだけであるため、ロータ１２の基本形状を著しく変更することなく、風損を抑制することができる。
【００２６】
（２）互いに隣り合う複数のディンプル２８が等距離を保って下流面２６に配設されているので、下流面２６において乱流境界層Ｌが一様に形成され易い。下流面２６において乱流境界層Ｌが一様に形成されるほど、乱流境界層Ｌは下流面２６からより剥離し難くなる。よって、より風損を抑制することができる。
【００２７】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係るリラクタンスモータについて説明する。本実施形態の電動モータは突極の上流面に凹部を設ける点で、第１の実施形態と異なる。本実施形態では、第１の実施形態と同じ構成については、第１の実施形態の説明を援用し、符号を共通して用いる。
【００２８】
図５に示すリラクタンスモータのロータ１２は、円柱状のロータ本体部３０と、ロータ本体部３０に設けたシャフト２１と、ロータ本体部３０の外周面３２から径方向外側へ突出する複数の突極３３と、を備える。シャフト２１は、ロータ本体部３０の中心に挿通され、ロータ本体部３０に固定されている。シャフト２１の両端は、ロータ本体部３０の軸方向の両端面からそれぞれ突出している。突出するシャフト２１の端部付近は、軸受（図示せず）により回転可能に支持されている。
【００２９】
本実施形態では、４個の突極３３がロータ本体部３０において放射状に配置されている。ロータ１２におけるロータ本体部３０および突極３３は、複数枚の電磁鋼板をシャフト２１の軸方向に積層することにより形成されている。
【００３０】
突極３３は、径方向外側の先端部３４と、ロータ１２の回転方向側となる上流面３５と、回転方向の反対側の面である下流面３６とを備えている。上流面３５はロータ１２の回転方向の前方を臨む面であり、下流面３６は回転方向の後方を臨む面となっている。上流面３５および下流面３６は互いに平行な面である。一方の突極３３における上流面３５と一方の突極３３と隣となる他方の突極３３における下流面３６との間に空間部３７が形成されている。空間部３７は、一方の突極３３の上流面３５、他方の突極３３の下流面３６および上流面３５と下流面３６との間の外周面３２により形成される空間である。つまり、空間部３７は突極３３間に形成されている空間である。
【００３１】
本実施形態では、上流面３５には凹部が設けられている。凹部は、図６に示すように、溝３８であり、溝３８は突極３３においてロータ１２の両端面に達するように軸方向に延在する。溝３８の断面はＶ字状である。図７に示すように、上流面３５にて山３９と谷４０が交互に連続するように複数の溝３８が径方向に並んで配設されている。本実施形態では、溝３８の断面がＶ字状であるため、互いに連続する山３９と谷４０は鋸歯状となり、上流面３５にてセレーションを形成する。複数の溝３８は、ロータ１２の回転時において空間部３７における上流面３５付近での空気層の剥離によるカルマン渦の発生を抑制するために設けている。溝３８の直径や深さは、ロータ１２の回転数（ｒｐｍ）を考慮して設定されている。上流面３５に配設される複数の溝３８は、空気を軸方向へ案内する整流作用により上流面３５の表面にて径方向の空気の流れを妨げる。
【００３２】
本実施形態のリラクタンスモータが駆動されると、図８（ａ）に示すようにロータ１２は回転方向を示す矢印Ｒへ向けて回転する。ロータ１２の回転は高回転（１０万〜２０万ｒｐｍ）となるが、このとき、先端部３４を通過した周方向へ流れる空気は上流面３５へ向かう。上流面３５へ向かう空気は、溝３８の整流作用によって軸方向へ案内され、ロータ１２の両端面から下流へ向けて流れる。従って、溝３８付近では径方向へ案内される空気が殆ど存在せず、径方向へ案内される空気によるカルマン渦Ｖの発生は殆ど無い。特に、上流面３５において外周面３２から先端部３４へ向かうほど空気の流れが速くなるため、先端部３４に近い溝３８ほど空気に対する整流作用は大きい。
【００３３】
因みに、図８（ｂ）に示す比較例は上流面３５に溝３８が設けられていないロータ５０を用いている。図８（ｂ）の比較例では、溝３８の無い上流面３５（説明の便宜上、符号を共通とする）では上流面３５に当たる空気が径方向に移動し、カルマン渦Ｖを形成する。カルマン渦Ｖはロータ５０の空気抵抗を増大させる。
【００３４】
さらに、図８（ａ）に示す本実施形態では、溝３８の軸方向の両端から周方向へ空気が流れ、周方向へ流れる空気は突極３３の軸方向の両端面に沿う。山３９および谷４０からそれぞれ周方向へ流れる空気はそれぞれ速度勾配が異なり、山３９および谷４０から周方向へ流れる空気には微小な渦が発生する。このため、突極３３の軸方向の端面には乱流境界層（図示せず）が形成される。突極３３の軸方向の端面における乱流境界層の剥離は層流境界層の剥離と比べて遅れるため、突極３３の軸方向の端面における空気層の剥離によるカルマン渦Ｖの発生は抑制される。カルマン渦Ｖの抑制によりロータ１２の空気抵抗がより低減され、さらに風損が抑制される。
【００３５】
本実施形態によれば、上流面３５を空気が通過するとき、空気は溝３８により整流作用を受けて、軸方向へ案内され、上流面３５における径方向の空気の流れが抑制される。このため、上流面３５付近におけるカルマン渦Ｖの発生が抑制される。カルマン渦Ｖの抑制によりロータ１２の空気抵抗が低減され、風損が抑制される。風損を低減することができる。また、突極３３の軸方向の端面には乱流境界層（図示せず）が形成されるため、突極３３の軸方向の端面における空気層の剥離によるカルマン渦Ｖの発生は抑制される。カルマン渦Ｖの抑制によりロータ１２の空気抵抗がより低減され、さらに風損を抑制することができる。さらに、複数の溝３８によりロータ１２の風切音といった騒音低減の効果も期待できる。また、軸方向にわたって溝３８が形成されるため、単一の電磁鋼板の積層によりロータ１２を形成することが可能であり、製作コストを抑制することができる。
【００３６】
なお、上記の実施形態は、本発明の一実施形態を示すものであり、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、下記のように発明の趣旨の範囲内で種々の変更が可能である。
【００３７】
○  上記の第１の実施形態では、凹部としての複数のディンプルが下流面に設けられ、互いに隣り合うディンプル間の距離は等しいとしたが、この限りではない。例えば、互いに隣り合うディンプル間の距離は異なってもよいし、あるいは、異なる距離と等しい距離とが共に存在するようにディンプルを上流面に配設してもよい。
○  上記の第１の実施形態では、凹部としてのディンプルは平面視円形であって凹曲面の窪みを有するとしたが、ディンプルは平面視円形以外であってもよい。ディンプルは、例えば、平面視四角形といった平面視多角形であってもよい。ロータは複数枚の電磁鋼板を積層して形成されるため、ディンプルを平面視四角形とする場合、複数のディンプルを配設した下流面を有するロータを製作し易くなる。また、ディンプルの窪みも凹曲面に限定されず、窪みの面は自由であり、孔径を一定した有底孔であってもよい。
○  上記の第２の実施形態では、凹部としての溝の断面をＶ字状とし、連続する山と谷が鋸歯状のセレーションを形成したが、この限りではない。溝の断面はＵ字状、円弧状、四角形、台形であってもよく、特に制限は受けない。また、溝の数についても特に制約を受けない。
○  上記の第２の実施形態では、上流面のほぼ全体にわたって複数の溝を配設したがこの限りではない。例えば、上流面において外周面から径方向に所定の範囲（例えば、突極の径方向の半分程度）であってもよい。具体的には、図９の第２の実施形態の変形例に示すように、上流面３５における径方向外側寄りの領域４１にのみ凹部としての複数の溝３８を設ければよい。
○  上記の実施形態では、ステータのティースを６個とし、ロータの突極を４個としたが、ステータのティースおよびロータの突極の数はこの限りではない。ティースおよび突極の数は、リラクタンスモータを構成するティースおよび突極の数であればよい。
【符号の説明】
【００３８】
１１  ステータ
１２、５０  ロータ
１５  ティース
１７  スロット
１８  コイル
２０、３０  ロータ本体部
２３、３３  突極
２５、３５  上流面
２６、３６  下流面
２７、３７  空間部
２８  ディンプル（凹部としての）
３８  溝（凹部としての）
３９  山
４０  谷
４１  領域
Ｆ  空気の流れ
Ｌ  乱流境界層
Ｐ  ディンプルの中心
Ｑ  剥離点
Ｒ  ロータの回転方向
Ｖ  カルマン渦
【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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