JP2007060745A - 誘導子型モータおよびそれを備えた車両 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】軸線回りの内周側と外周側とで互いに逆極性となる同心円状の磁極が軸線方向の両側に励磁される界磁コイル26を有する界磁側固定子13と、界磁側固定子13の軸線方向の両側に一側端面が対向配置される一対の回転子12、14と、各回転子12、14の他端面に対向配置されて軸線回りの周方向に交互に逆極性が励磁される複数の電機子コイル20、34、38、39を有する一対の電機子側固定子11、15とを備え、回転子12、14には一端面22b、31bが界磁コイル26の外周側に対向すると共に他端面22a、31aが電機子コイル20、34、38、39に対向する第1誘導子22、31と、一端面23b、30bが界磁コイル26の内周側に対向すると共に他端面23a、30aが電機子コイル20、34、38、39に対向する第2誘導子23、31とが周方向に交互に配置されている。
【選択図】図1
Description
また、界磁巻線5で発生する磁束はブラケット2との対向側である外周側の磁極しか利用されておらず、回転軸1側の内周に発生する磁極はトルクに寄与しないため、N極・S極の片側しか利用されず非効率となる問題がある。
図12に示すように、四輪の夫々のタイヤホイール内に1軸モータMを内蔵する所謂インホイールモータも現れているが、モータ数が多くなるため車両重量およびコストが増大する。また、トルクを稼ぐためにモータMと車輪との間に減速機Gを介設するため、減速機Gのギアで発生する伝達ロス(モータ出力の約1〜3%のロス)も存在する。
前記駆動軸の軸線回りの内周側と外周側とで互いに逆極性となる同心円状の磁極が軸線方向の両側に励磁される界磁体を有する界磁側固定子と、
前記界磁側固定子の軸線方向の両側にそれぞれ一側端面が対向して配置されると共に、前記駆動軸に中心軸穴が固定される一対の回転子と、
前記各回転子の他端面にそれぞれ対向して配置される一対の電機子側固定子とを備え、
前記一対の電機子側固定子は、前記駆動軸の軸線回りの周方向に交互に逆極性が励磁される複数の電機子コイルを有し、
前記両側の電機子側固定子と中央の界磁側固定子との間に配置された前記一対の回転子には、それぞれ一端面が前記界磁体の外周側に対向すると共に他端面が前記電機子コイルに対向する磁性体からなる第1誘導子と、一端面が前記界磁体の内周側に対向すると共に他端面が前記電機子コイルに対向する磁性体からなる第2誘導子とが、周方向に交互に配置されていることを特徴とする誘導子型モータを提供している。
さらに、界磁体と電機子コイルとの両方が固定子に取り付けられるので、コイルへの給電にスリップリング等の摺接部材を用いる必要がなくなり、構造を簡素化できると共に、スリップリング等での接触摩耗による低寿命化の問題や給電不安定の問題も解消することが可能となる。
また、界磁体で生じる磁束は界磁側固定子の両側に磁極を発生させるが、界磁側固定子の両側に回転子および電機子側固定子を配置しているので界磁をトルク発生に無駄なく有効利用できる。かつ、一対の回転子を回転駆動させるための界磁側固定子を1つで共用化しているので、部品点数の削減および小型化を図ることができる。しかも、後述するように界磁体に超電導材を用いた場合には、高価な超電導材を共用化できコストダウンを図ることもできる。
前記第1誘導子の一端面は前記界磁コイルの外周側に対向すると共に、前記第2誘導子の一端面は前記界磁コイルの内周側に対向し、かつ、前記第1誘導子および前記第2誘導子の他端面は同一円周上に配置していると好ましい。
さらに、前記第1誘導子および前記第2誘導子の一端面は前記界磁コイルに沿った円弧状としていると好ましい。
前記駆動軸の軸線回りの周方向に交互に逆極性となる磁極が軸線方向の両側に励磁される複数の界磁体を有する界磁側固定子と、
前記界磁側固定子の軸線方向の両側にそれぞれ一側端面が対向して配置されると共に、前記駆動軸に中心軸穴が固定される一対の回転子と、
前記各回転子の他端面にそれぞれ対向して配置されると共に、前記駆動軸の軸線回りの円環状に導体線が巻回された電機子コイルを有する一対の電機子側固定子とを備え、
前記両側の電機子側固定子と中央の界磁側固定子との間に配置された前記一対の回転子には、それぞれ一端面が前記界磁体に対向すると共に他端面が前記電機子コイルの外周側に対向する磁性体からなる第1誘導子と、一端面が前記界磁体に対向すると共に他端面が前記電機子コイルの内周側に対向する磁性体からなる第2誘導子とが、周方向に交互に配置されていることを特徴とする誘導子型モータを提供している。
さらに、前記界磁体は導体線を巻回した界磁コイルとしていると好ましい。
前記構成とすると、界磁コイルに通電した場合に、界磁コイルの外周側あるいは内周側のいずれか一方にN極が発生し、いずれか他方にS極が発生することになり、N極とS極とを同心円上に発生させることが可能となる。よって、1つの界磁コイルだけで第1誘導子および第2誘導子により複数極の界磁を発生させることができ、コイル巻回作業が簡素化でき製造効率が向上する。
前記他方の回転子に固定されて前記第1駆動軸に対して独立して回転する第2駆動軸とを備えていると好ましい。
即ち、前記構成のように多段化することで、界磁が強化されて出力トルクの増大を図ることができる。また、前記のように多段化されたモータでは、ヨークの役目を少なくとも両端の固定子に持たせればよく、単純にモータを複数連結するよりもヨークを低減することが可能となり、鉄損低減および漏れ磁束低減を図ることが可能となる。
そこで、界磁体および電機子コイルの一方あるいは両方を超電導材で形成することで、発熱の心配がなく大電流を給電することが可能となり、発生する磁束を大幅に強化できる。よって、漏れ磁束が発生したとしても磁束全体が増加しているために出力に寄与する磁束も増大し、高出力化を図ることができる。また、超電導化を図ることで大電流密度が得られるため、界磁体および電機子コイルを小さくすることができ、モータを小型軽量化できる。なお、超電導材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を用いると好適である。ただし、界磁体として超電導バルク磁石を用いてもよい。
前記構成とすると、圧粉磁性体は金型による成形が容易であり加工性に優れると共に、磁気特性が等方的となる利点がある。また、圧粉磁性体は、磁性粉末を絶縁樹脂で結合し、あるいは、被膜で覆った磁性粉末を絶縁樹脂で結合した構成とすることで、個々の磁性粉末の間が樹脂で絶縁され、一般の軟磁性材料よりも渦電流損失が低減されて磁気特性に優れる磁心が得られ、コイルの磁束を強化することができる。
即ち、各誘導子の断面積を互いに同一にすることで、電機子コイルとの間で発生する吸引力/反発力が一定となり、回転子の回転バランスを安定化することができる。また、誘導子の断面積を一端から他端まで均一にすることで、界磁体で発生して各誘導子に導入された磁束が誘導子内で飽和しにくくなり、電機子コイル側に効率良く磁束を導くことができる。
前記第1駆動軸を第1車輪に接続していると共に、前記第2駆動軸を第2車輪に接続していることを特徴とする車両を提供している。
即ち、従来のインホイールモータの場合は減速機を介設してトルクを向上させていたが、モータの超電導化を行うことでトルクが増大するため、減速機なしのダイレクトドライブで車両を駆動することができ、重量低減、スペース増と共に動力伝達率の向上を図ることができる。
また、第3の発明によれば、ディファレンシャルギア等による動力伝達ロスを無くしつつ、1台のモータで2つの車輪に異なる回転数を与えることができると共に、車載モータ数の低減および車両の小型軽量化にも貢献する。
図1は第1実施形態の誘導子型モータ10を示す。
誘導子型モータ10はアキシャルギャップ構造であり、電機子側固定子11、回転子12、界磁側固定子13、回転子14、電機子側固定子15の順番に並設し、一方の回転子12に第1駆動軸16を固定すると共に、他方の回転子14には第2駆動軸17を固定している。電機子側固定子11、15および界磁側固定子13は設置面Gに固定すると共に第1駆動軸16および第2駆動軸17と空隙をあけている。
ヨーク24は、中心穴24bに第1駆動軸16の先端を支持する第1軸受部27と第2駆動軸17の先端を支持する第2軸受部28とを左右に内蔵していると共に、軸受部27、28を中心として円環状に凹設された取付穴24aを形成している。断熱冷媒容器25には液体窒素を循環させた状態で界磁コイル26を収容しており、その断熱冷媒容器25を取付穴24aに埋設している。即ち、界磁コイル26の中空部にはヨーク24と一体である磁心が配置されることになる。
回転子12は、円盤形状で非磁性材料からなり第1駆動軸16の固定用の中心軸穴21aを有する支持部21と、中心軸穴21aを中心として点対称位置に埋設された一対のN極誘導子22(第1誘導子)と、N極誘導子22から90°回転した位置に埋設された一対のS極誘導子23(第2誘導子)とを備えている。N極誘導子22およびS極誘導子23は、電機子側固定子11と対向する扇形状の他端面22a、23aをそれぞれ同一円上の等間隔に配置すると共に互いに同一面積としている。
S極誘導子23の一端面23bは、界磁コイル26のS極発生位置に対向するように配置され、例えばS極誘導子23の一端面23bは、図5(C)に示すように、界磁コイル26の内周側に対向配置される円弧状としている。
電機子側固定子11は、図1(A)(B)および図4に示すように、設置面Gに固定された磁性体からなるヨーク18と、ヨーク18に埋設された真空断熱構造の断熱冷媒容器19と、断熱冷媒容器19に収容された超電導材からなる巻線である電機子コイル20とを備えている。ヨーク18は、中央に第1駆動軸16の外径より大きく穿設された遊嵌穴18bと、遊嵌穴18bを中心として周方向に等間隔に穿設された4つの取付溝18aとを備えている。即ち、取付溝18aは内側対向面から凹設されて外側面には貫通していない。断熱冷媒容器19には液体窒素を循環させた状態で電機子コイル20を収容していると共に電機子コイル20の中空部には磁性体からなるフラックスコレクタ部18c(磁心部)を配置している。内部に電機子コイル20を収容した4つの断熱冷媒容器19を各コイル取付溝18aにそれぞれ埋設している。
なお、ヨーク18は、磁性粉末(鉄粉等)を絶縁樹脂でプレス結合して加熱処理を施した圧粉磁性体、あるいは、被膜(燐酸化合物被膜等)で覆った磁性粉末(鉄粉等)を絶縁樹脂で結合して加熱処理を施した圧粉磁性体としている。また、電機子コイル20を形成する超電導材としては、ビスマス系やイットリウム系等の超電導材を用いている。
界磁コイル26に直流を給電すると、界磁コイル26の軸線方向左側において外周側にN極が発生すると共に内周側にS極が発生する。すると、図5(A)(B)に示すように、N極側の磁束が一端面22bよりN極誘導子27内に導入され、他端面22aにN極磁束が現れる。また、図5(A)(C)に示すように、S極側の磁束は一端面23bよりS極誘導子23内に導入され、他端面23aにS極磁束が現れる。ここで、各誘導子22、23の一端面22b、23bは界磁コイル26の内外周に沿った同心円上に配置されているので、回転子12、14が回転してもN極誘導子22の他端面22aには常にN極が現れ、S極誘導子23の他端面23aには常にS極が現れることとなる。
さらに、N極誘導子22およびS極誘導子23の断面積は一端面22b、23bから一端面22a、23aまで一定としているので、誘導子22、23内で磁束が飽和しにくく、電機子コイル20、38側に効率良く磁束を導くことができる。
また、N極誘導子22の断面積とS極誘導子21の断面積とは同一であるので、電機子コイル20、38との間で発生する吸引力/反発力が一定となり、回転子12、14の回転バランスが安定化する。
車両C(電気自動車)は、図7に示すように、バッテリー41と、バッテリー41からの直流電流を所定電圧の交流に変換する2つのインバータ42、43と、バッテリー41およびインバータ42、43から供給される電力により駆動される誘導子型モータ10とを備えている。誘導子型モータ10の第1駆動軸16には左車輪44を直結接続している一方、第2駆動軸17には右車輪45を直結接続している。なお、界磁側固定子13の界磁コイル26には直流電流を給電し、電機子側固定子11、15には交流電流を給電している。
第1実施形態との相違点は、回転子53、54および界磁側固定子55、56を両側に追加して多段状としている点である。
一対の電機子側固定子51、52は互いに対称形状であり、設置面Gに固定された非磁性体からなる支持部57、61と、支持部57、61に埋設された円環状の真空断熱構造の断熱冷媒容器59、63と、断熱冷媒容器59、63に収容された超電導材からなる巻線である電機子コイル58、62とを備えている。支持部57、61は、中央に第1駆動軸16および第2駆動軸17の外径より大きく穿設された遊嵌穴57a、61aと、遊嵌穴57a、61aを中心として周方向に等間隔に穿設された4つの取付穴57b、61bとを備えている。取付穴57b、61bにそれぞれ埋設された断熱冷媒容器59、63には液体窒素を循環させた状態で電機子コイル58、62を収容していると共に、電機子コイル58、62および断熱冷媒容器59、63の中空部には磁性体からなるフラックスコレクタ60、64を配置している。
断熱冷媒容器25、59、62、70、73には断熱配管を介して液体窒素タンク36が接続され、液体窒素を冷媒として循環している。
なお、支持部57、61は、FRPやステンレス等の非磁性材料で形成している。また、ヨーク24、68、71や誘導子22、30、65、67やフラックスコレクタ60、64は、パーメンダー、珪素鋼板、鉄、パーマロイ等の磁性体で形成している。
第1実施形態との相違点は、界磁側固定子80の界磁コイル85を周方向に等間隔に4つ配置していると共に、電機子側固定子81、82の電機子コイル91、94は軸線回りに巻回して配置している点である。
断熱冷媒容器84、90、93には断熱配管を介して液体窒素タンク36が接続され、液体窒素を冷媒として循環している。
なお、回転子12、14の構造は第1実施形態と同様であるので、同一符号を付して説明を省略する。
11、15 界磁側固定子
12、14 回転子
15 電機子側固定子
16 第1駆動軸
17 第2駆動軸
19、25、33 真空断熱容器
20、34、38、39 電機子コイル
22、31 N極誘導子(第1誘導子)
23、30 S極誘導子(第2誘導子)
26 界磁コイル
Claims (14)
- 界磁体と電機子コイルとを駆動軸の軸線方向に空隙をあけて対向配置するアキシャルギャップ構造のモータであって、
前記駆動軸の軸線回りの内周側と外周側とで互いに逆極性となる同心円状の磁極が軸線方向の両側に励磁される界磁体を有する界磁側固定子と、
前記界磁側固定子の軸線方向の両側にそれぞれ一側端面が対向して配置されると共に、前記駆動軸に中心軸穴が固定される一対の回転子と、
前記各回転子の他端面にそれぞれ対向して配置される一対の電機子側固定子とを備え、
前記一対の電機子側固定子は、前記駆動軸の軸線回りの周方向に交互に逆極性が励磁される複数の電機子コイルを有し、
前記両側の電機子側固定子と中央の界磁側固定子との間に配置された前記一対の回転子には、それぞれ一端面が前記界磁体の外周側に対向すると共に他端面が前記電機子コイルに対向する磁性体からなる第1誘導子と、一端面が前記界磁体の内周側に対向すると共に他端面が前記電機子コイルに対向する磁性体からなる第2誘導子とが、周方向に交互に配置されていることを特徴とする誘導子型モータ。 - 前記界磁体は軸線回りの円環状に導体線が巻回された界磁コイルとし、
前記第1誘導子の一端面は前記界磁コイルの外周側に対向すると共に、前記第2誘導子の一端面は前記界磁コイルの内周側に対向し、かつ、前記第1誘導子および前記第2誘導子の他端面は同一円周上に配置している請求項1に記載の誘導子型モータ。 - 前記第1誘導子および前記第2誘導子の一端面は前記界磁コイルに沿った円弧状としている請求項2に記載の誘導子型モータ。
- 界磁体と電機子コイルとを駆動軸の軸線方向に空隙をあけて対向配置するアキシャルギャップ構造のモータであって、
前記駆動軸の軸線回りの周方向に交互に逆極性となる磁極が軸線方向の両側に励磁される複数の界磁体を有する界磁側固定子と、
前記界磁側固定子の軸線方向の両側にそれぞれ一側端面が対向して配置されると共に、前記駆動軸に中心軸穴が固定される一対の回転子と、
前記各回転子の他端面にそれぞれ対向して配置されると共に、前記駆動軸の軸線回りの円環状に導体線が巻回された電機子コイルを有する一対の電機子側固定子とを備え、
前記両側の電機子側固定子と中央の界磁側固定子との間に配置された前記一対の回転子には、それぞれ一端面が前記界磁体に対向すると共に他端面が前記電機子コイルの外周側に対向する磁性体からなる第1誘導子と、一端面が前記界磁体に対向すると共に他端面が前記電機子コイルの内周側に対向する磁性体からなる第2誘導子とが、周方向に交互に配置されていることを特徴とする誘導子型モータ。 - 前記第1誘導子および前記第2誘導子の他端面は前記電機子コイルに沿った円弧状としている請求項4に記載の誘導子型モータ。
- 前記界磁体は導体線が巻回された界磁コイルとしている請求項4または請求項5に記載の誘導子型モータ。
- 前記一方の回転子に固定される第1駆動軸と、
前記他方の回転子に固定されて前記第1駆動軸に対して独立して回転する第2駆動軸とを備えている請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の誘導子型モータ。 - 前記電機子側固定子の軸線方向の外側にさらに前記回転子および前記界磁側固定子を配置している請求項1乃至請求項7のいずれか1項に記載の誘導子型モータ。
- 前記界磁体および前記電機子コイルの少なくとも一方を超電導材で形成している請求項1乃至請求項8のいずれか1項に記載の誘導子型モータ。
- 前記界磁コイルあるいは/および前記電機子コイルの中空部に配置される磁心は圧粉磁性体で形成している請求項2、請求項3、請求項6乃至請求項9のいずれか1項に記載の誘導子型モータ。
- 前記第1誘導子および前記第2誘導子は圧粉磁性体で形成されている請求項1乃至請求項10のいずれか1項に記載の誘導子型モータ。
- 前記第1誘導子と前記第2誘導子の断面積は互いに同一とし、かつ、断面積は一端から他端まで一定としている請求項1乃至請求項11のいずれか1項に記載の誘導子型モータ。
- 請求項1乃至請求項12のいずれか1項に記載の誘導子型モータを搭載した車両であって、
前記第1駆動軸を第1車輪に接続していると共に、前記第2駆動軸を第2車輪に接続していることを特徴とする車両。 - 前記第1駆動軸は第1車輪に直結接続していると共に、前記第2駆動軸は第2車輪に直結接続している請求項13に記載の車両。
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