JP2006149007A - 固定子ヨークおよびラジアルギャップ型モータ - Google Patents

Abstract

【課題】モータ内のコイルで発生する磁束の利用効率が向上するヨーク形状を提供する。
【解決手段】ラジアルギャップ型モータ１０に用いられ、内周面１３ａを断面多角形状とすると共に内周面１３ａの平面部１３ａ−１をコイル取付部としている中空状の磁性体からなる固定子ヨーク１３であって、外周面１３ｂを内周面１３ａと略相似形状の断面多角形状として径方向の断面肉厚Ｔを均一化している。
【選択図】図１

Description

本発明は、固定子ヨークおよびラジアルギャップ型モータに関し、詳しくは、ラジアルギャップ型モータの固定子ヨークの内周面を断面多角形状とした場合におけるヨーク形状の最適化に関するものである。

近年、ガソリン等の化石燃料の枯渇や排気ガスによる環境悪化を改善すべく、電気エネルギーによりモータを駆動して走行する電気自動車やハイブリッド自動車の開発が進められている。この場合、常電導モータを使用した場合には、電気抵抗による銅損が発生して低効率となると共に通電電流に限界があるために高出力化が困難となる問題がある。そこで、特開平６−６９０７号公報に開示されているように、超電導モータを採用すれば、超電導コイルでの銅損がなくなり高効率になると共に小型化および高出力化を図ることが可能となる。

超電導線をモータ内のコイルに用いれば、従来の銅線に比較してコイル内の電流密度を１桁以上多く通電することが可能なため、それに比例して発生する磁束密度も増大することとなる。モータでは磁束が通る磁路として一般に珪素鋼板からなるヨークを設けているが、超電導線を用いることで磁束が増大すると、磁路を確保するためにヨークの厚みも増加させる必要が生じる。即ち、ヨークにおける磁路の確保が十分でないと、ヨーク内の磁場が飽和して鉄損が増加するため、モータの出力トルクが低下して効率が悪化する問題が生じる。また、固定子ヨーク内の磁場が飽和すると、モータ外部に漏れ磁場が発生するため、モータ近辺の電子機器等の動作に悪影響を与える恐れもある。
特開平６−６９０７号公報

本発明は、前記問題に鑑みてなされたもので、モータ内のコイルで発生する磁束の利用効率が向上するヨーク形状を提供することを課題としている。

前記課題を解決するため、本発明は第１に、ラジアルギャップ型モータに用いられ、内周面を断面多角形状とすると共に該内周面の平面部をコイル取付部としている中空状の磁性体からなる固定子ヨークであって、
外周面を前記内周面と略相似形状の断面多角形状として、断面肉厚を均一化していることを特徴とする固定子ヨークを提供している。

ラジアルギャップ型モータの固定子ヨークの内周面をコイル取付上の理由等により断面多角形状とした場合には、外周面を従来通りの断面円形状にするとヨークの径方向断面の肉厚が不均一となり、特に、内周面の頂点において断面肉厚が薄肉となる。そうすると、この薄肉部において磁場が飽和して磁路の確保が不十分となると共に鉄損が増加し易くなるため、コイルで発生する磁束の利用効率が悪化してモータの出力トルクが低下することが考えられる。
そこで、前記構成のように、固定子ヨークの外周面を内周面と略相似形状の断面多角形状とすれば、固定子ヨークの断面肉厚を均一化することができる。断面肉厚が均一となれば、前記頂点においても断面肉厚が保たれて磁路を十分に確保することができ、コイルで発生する磁束の利用効率が向上してモータの出力トルクの低下を防止することが可能となる。さらに、固定子ヨーク内での磁路が確保されることで、モータ外部への漏れ磁場の発生が低減されて、モータ近辺の電子機器の誤動作等を防止することができる。
また、外周面が断面円形状の場合に内周面の各頂点に対応する部位で十分な肉厚を確保すると、頂点以外の部分が余分に厚肉となるが、外周面も相似形状の多角形状とすることで全周にわたり必要十分なヨーク厚のみで形成でき、固定子ヨークの重量、体積とも低減することが可能となる。

前記多角形状の内周面および外周面の各頂点にアールを設けていると好ましい。

即ち、固定子ヨークの外周面を多角形状とすることでその頂点がエッジとなると取扱上の観点等から好ましくない場合に、外周面の頂点にアールを設けて丸めることが考えられるが、その際に内周面の頂点も同様にアールとすることで、頂点における断面肉厚を他の部位の断面肉厚と均一に保つことが可能となり、磁路を十分に確保することができる。

本発明は第２に、ラジアルギャップ型モータに用いられ、内周面を断面多角形状とすると共に該内周面の平面部をコイル取付部としている中空状の磁性体からなる固定子ヨークであって、
外周面を断面円形状としていると共に、前記多角形状の内周面の頂点と対応する部分では軸線方向の端面に膨出部を設け、前記内周面の平面部分における肉厚量と、頂点部分における肉厚量とを均一化していることを特徴とする固定子ヨークを提供している。

前記構成とすると、固定子ヨークの外周面が断面円形状で内周面が断面多角形状であるので、内周面の頂点における径方向の断面肉厚が薄肉となるが、固定子ヨークの軸線方向の端面において前記頂点に対応する位置に膨出部を形成しているので、該膨出部で磁路を確保することができ、コイルで発生する磁束の利用効率が向上してモータの出力トルクの低下を防止することが可能となる。また、固定子ヨーク内での磁路が確保されることで、モータ外部への漏れ磁場の発生が低減されて、モータ近辺の電子機器の誤動作等を防止することができる。さらに、固定子ヨークの軸線方向の端面側はもともとコイルエンドが位置するスペースであるので、前記端面の部分的な厚肉化を行ってもスペース効率を低下させない利点がある。
なお、前記頂点とは、隣接する平面部同士の交点だけでなく、該交点を含む領域で断面肉厚が減少している部分を指す。

絶縁コーティングされた粉末磁性体を用いて加圧成形により形成されていることが好ましい。

例えば、従来のように多数枚の珪素鋼板を軸線方向に積層することで固定子ヨークを形成すると、軸線方向に肉厚を部分的に変化させるのが難しくなる。しかし、絶縁コーティングされた粉末磁性体を用いて加圧成形により形成すれば、多様な形状に対応可能であるので、前記のような固定子ヨークの軸線方向の端面において部分的に膨出部を設けた形状を容易に形成することができ、特に、前記膨出部を滑らかな膨らみとするような形状も問題なく形成することができる。また、個々の粉末磁性体は表面を絶縁コーティングしているため、一般の軟磁性材料よりも鉄損（渦電流損失）が低減され、磁気特性に優れるという利点がある。

本発明は、前記固定子ヨークの内周面の平面部に、超電導線で形成されたレーストラックコイルを取り付けた固定子を設け、該固定子の中空部に回転子を配置していることを特徴とするラジアルギャップ型モータを提供している。

レーストラックコイルは、帯状導体をその厚さ方向を径方向として径方向に重ねて巻回されたコイルであり、全体として平面状となるものである。したがって、前記構成のように固定子ヨークの内周面を断面多角形状とすることで内周面に平面部が形成されるので、平面状のレーストラックコイルを容易に取り付けることができる。

また、レーストラックコイルを超電導線で形成することにより、電流密度を大幅に向上させることができ、モータトルクを高出力化することができる。さらに、超電導線を用いることでレーストラックコイルから発生する磁束密度が増大するが、前述したように固定子ヨークの磁路確保が適切になされているので、発生磁束の利用効率の高いモータを実現することができる。なお、超電導線の材料としては、ビスマス系やイットリウム系等の高温超電導材等を用いると好適である。

以上の説明より明らかなように、第１の発明によれば、固定子ヨークの外周面を内周面と略相似形状の断面多角形状として径方向の断面肉厚を均一化することで、内周面の頂点においてもヨーク肉厚が保たれて磁路を確保することができ、高効率なモータを提供することができる。また、固定子ヨーク内で磁路が確保されることで、モータ外部への漏れ磁場の発生も低減することができる。
第２の発明によれば、固定子ヨークの外周面が断面円形状で内周面が断面多角形状であっても、固定子ヨークの軸線方向の端面において前記頂点に対応する位置に膨出部を形成しているので、該膨出部で磁路を確保することができ、高効率なモータを提供することができる。また、固定子ヨークの軸線方向の端面側はもともとコイルエンドが位置するスペースであるので、前記端面の部分的な厚肉化を行ってもスペース効率を低下させることもない。

本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１乃至図３は第１実施形態を示す。
本実施形態のラジアルギャップ型モータ１０は、図１および図２に示すように、固定子１１と、該固定子１１の中空部に回転自在に配置された回転子１２とを備えている。
固定子１１は、鉄粉に樹脂で絶縁コーティングを施した粉末磁性体を用いてプレス成形（加圧成形）された固定子ヨーク１３と、固定子ヨーク１３の内周面１３ａに取り付けられた超電導線からなる超電導レーストラックコイル１４（電機子コイル）と、固定子ヨーク１３の外面を被覆する真空状の第１断熱層１５とを備えている。

固定子ヨーク１３は、内周面１３ａを断面六角形状とすると共に外周面１３ｂも相似形状の断面六角形状としており、外周面１３ｂの頂点１３ｂ−１は内周面１３ａの頂点１３ａ−１と中心点とを結ぶ放射線Ｌ上に配置することで、固定子ヨーク１３の径方向の肉厚Ｔを全周で一定としている。内周面１３ａの平面部１３ａ−２は超電導レーストラックコイル１４を取り付けるためのコイル取付部としている。また、外周面１３ｂの頂点１３ｂ−１は取扱上の理由からエッジをなくすために縮径方向にアールを設けて丸めており、それに伴って内周面１３ａの頂点１３ａ−１も同様にアール形状としている。

固定子１１の内面と回転子１２の外面との間のギャップ空間は、超電導レーストラックコイル１４を極低温に冷却する冷媒を流通させる冷却部２８としている。固定子ヨーク１３および第１断熱層１５には、液体水素や液体窒素等の冷媒を供給する第１冷媒流路１８および該冷媒を排出する第２冷媒流路１９を冷却部２８に接続する連通孔１６、１７を設けている。即ち、第１冷媒流路１８から供給される冷媒が冷却部２８内を流通することで超電導レーストラックコイル１４を冷却し、昇温した冷媒が第２冷媒流路１９から外部に排出される構成としている。

超電導レーストラックコイル１４は、図３（Ａ）（Ｂ）に示すように、１本の帯状の超電導線３０を、その厚さ方向を径方向として外周側から内周側へと重ねて平板状に巻回し、最内周の中間部３０ｃで上段に移って内周側から外周側へと重ねて巻回して形成された平面状のコイルである。超電導レーストラックコイル１４は、超電導線３０の一端を電流入力部３０ａとすると共に、他端を電流出力部３０ｂとしている。なお、超電導線３０としては、ビスマス系やイットリウム系等の高温超電導材が好適に用いられる。

回転子１２は、前記粉末磁性体を用いて円柱状に形成された回転子ヨーク２０の中心に回転軸２２を貫通固定し、該回転軸２２は軸受２６を介して固定子１１の外部に延出している。また、回転軸２２の内部には中空状のヒートパイプである第２冷媒流路２５を軸受２７を介して挿入しており、第２冷媒流路２５には液体水素や液体窒素等の冷媒を通している。回転子ヨーク２０には、超電導材を巻き回した超電導コイル２１（界磁コイル）あるいは永久磁石を取り付け、回転子１２の最外面は真空状の第２断熱層２３で被覆している。なお、超電導コイル２１を構成する超電導線としては、ビスマス系やイットリウム系等の高温超電導材が好適に用いられる。

前記ラジアルギャップ型モータ１０の固定子ヨーク１３は、内周面１３ａと外周面１３ｂの両方を断面六角形状としているが、ここで、比較例として固定子ヨークの内周面が断面六角形状で外周面は断面円形状のままとした例を考えてみる。

図５は、固定子ヨーク１の内周面を断面六角形状として平面部にコイル２を取り付けていると共に外周面を断面円形状とし、固定子ヨーク１の中心側にコイル４を設けた回転子３を配置しているモータの上半分の断面図を示し、磁束密度の等高線図を表示している。
図５に示すモータは、固定子側のコイル２を電機子として三相交流を給電するものであり、各相を１２０°づつずらして交流を通電することで、回転磁場を発生させている。即ち、図５は１タイミングでの磁束密度分布を取り出したものであり、この磁束密度分布は時間と共に周方向に移動（回転）していくことになる。

図５中のＡ箇所やＢ箇所では、固定子ヨーク１の肉厚が薄く磁路が狭いために磁束密度が高くなっており、外部に漏れ磁場Ｃが発生している。一方、固定子ヨーク１の肉厚が厚いＤ箇所では、磁路が比較的十分であるので磁束密度はそれほど高くない。
即ち、固定子ヨーク１の外周面を従来どおり断面円形状にしていると固定子ヨーク１の内周面の頂点において肉厚が薄肉となり、この薄肉部において磁場が飽和して磁路の確保が不十分となって鉄損が増加し易くなるため、モータの出力トルクが低下する。

本発明は、このような問題を解決するもので以下のような利点がある。即ち、第１実施形態のラジアルギャップ型モータ１０によれば、固定子ヨーク１３の外周面１３ｂを内周面１３ａと略相似形状の断面六角形状とすれば、固定子ヨーク１３の肉厚を均一化することができる。このように断面肉厚が均一となれば、頂点１３ａ−１においても局所的に薄肉となることなく磁路を十分に確保することができ、超電導レーストラックコイル１４で発生する磁束の利用効率が向上し、出力トルクの低下を防止できる。また、固定子ヨーク１３内での磁路が確保されることで、ステータ１１外部への漏れ磁場の発生が低減されて、モータ１０近辺の電子機器等の誤動作を防止できる。
なお、前述した実施形態は固定子１１側を電機子とする構成を説明しているが、固定子側を界磁とする構成としても、この固定子ヨーク形状の最適化はそのまま適用できる。

図４は第２実施形態を示す。
本実施形態のラジアルギャップ型モータの固定子ヨーク４０は、内周面４０ａを断面六角形状とすると共に外周面４０ｂを断面円形状としている。内周面４０ａの平面部４０ａ−２はコイル取付部としている。
固定子ヨーク４０の軸線方向の端面４０ｃ、４０ｄには、内周面４０ａの６つの頂点４０ａ−１に対応する位置に滑らかな膨らみとなる膨出部４０ｃ−１、４０ｄ−１をそれぞれ設けている。

前記構成とすると、固定子ヨーク４０の外周面４０ｂが断面円形状であるので、内周面４０ａの頂点４０ａ−１における径方向の断面肉厚が薄肉となるが、固定子ヨーク４０の軸線方向の端面４０ｃ、４０ｄにおいて頂点４０ａ−１に対応する位置に膨出部４０ｃ−１、４０ｄ−１を形成しているので、膨出部４０ｃ−１、４０ｄ−１で磁路を確保することができ、モータ内のコイルで発生する磁束の利用効率が向上し、出力トルクの低下を防止できる。また、固定子ヨーク４０内での磁路が確保されることで、モータ外部への漏れ磁場の発生が低減されて、モータ近辺の電子機器の誤動作を防止できる。さらには、固定子ヨーク４０の軸線方向の端面４０ｃ、４０ｄ側はもともとコイルエンドが位置するスペースであるので、端面４０ｃ、４０ｄの部分的な厚肉化を行ってもスペース効率が低下しない利点もある。なお、他の構成は第１実施形態と同様であるため説明を省略する。

本発明にかかる第１実施形態のラジアルギャップ型モータの断面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 （Ａ）はレーストラックコイルの斜視図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。 第２実施形態の固定子ヨークの斜視図である。 磁束密度の等高線図である。

符号の説明

１０ ラジアルギャップ型モータ
１１ 固定子
１２ 回転子
１３、４０ 固定子ヨーク
１３ａ、４０ａ 内周面
１３ａ−１、４０ａ−１ 頂点
１３ａ−２、４０ａ−２ 平面部
１３ｂ、４０ｂ 外周面
１３ｂ−１ 頂点
１４ 超電導レーストラックコイル
１５ 第１断熱層
２０ 回転子ヨーク
２１ 超電導コイル
２２ 回転軸
２３ 第２断熱層
３０ 超電導線
４０ｃ、４０ｄ 端面
４０ｃ−１、４０ｄ−１ 膨出部
Ｌ 放射線
Ｔ 肉厚

Claims (5)

1. ラジアルギャップ型モータに用いられ、内周面を断面多角形状とすると共に該内周面の平面部をコイル取付部としている中空状の磁性体からなる固定子ヨークであって、
   外周面を前記内周面と略相似形状の断面多角形状として、断面肉厚を均一化していることを特徴とする固定子ヨーク。
2. 前記多角形状の内周面および外周面の各頂点にアールを設けている請求項１に記載の固定子ヨーク
3. ラジアルギャップ型モータに用いられ、内周面を断面多角形状とすると共に該内周面の平面部をコイル取付部としている中空状の磁性体からなる固定子ヨークであって、
   外周面を断面円形状としていると共に、前記多角形状の内周面の頂点と対応する部分では軸線方向の端面に膨出部を設け、前記内周面の平面部分における肉厚量と、頂点部分における肉厚量とを均一化していることを特徴とする固定子ヨーク。
4. 絶縁コーティングされた粉末磁性体を用いて加圧成形により形成されている請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の固定子ヨーク。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の固定子ヨークの内周面の平面部に、超電導線で形成されたレーストラックコイルを取り付けた固定子を設け、該固定子の中空部に回転子を配置していることを特徴とするラジアルギャップ型モータ。