JP2009095147A - 可変界磁モータ - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な装置構成で応答性良くモータ特性を変更することができる可変界磁モータを提供する。
【解決手段】 可変界磁モータＭは、ロータ１０に対して移動可能に設けられたステータ２０と、ステータ２０を変位させるステータ移動手段３０とを備え、ステータ移動手段３０は、一端がステータ２０に連結されたワイヤ３１と、ワイヤ３１の他端を変位させる巻き取り部材３５と、巻き取り部材３５を回転させるための駆動力発生手段３６を有し、巻き取り部材３５は、巻き取り部材３５の回転角の増加に応じてワイヤ３１巻き取り量を減少させるべく、巻き取り部材３５の巻き取り半径が回転角の増加に応じて減少するようにした。また、巻き取り部材３５の回転に対して、モータ回転速度の変化率が一定となるようにステータ２０を移動させるべく、各回転角における巻き取り半径が調節されているようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、可変界磁モータに関するものであり、詳しくは、可変界磁を行う可変機構部にワイヤを利用した牽引装置を用いた可変界磁モータに関するものである。

近年、モータの界磁を調整できるようにし、使用状況に応じた適切な回転数及びトルクが得られるようにした可変界磁モータが電気自動車に用いられている。一般的に可変界磁モータは、ステータ及びロータの一方が他方に対して移動可能に設けられ、可変機構部がステータ及びロータの相対位置を変化させることによって、ステータとロータとの対向面積を変化させて両面を通過する磁束を変化させ、モータの回転数−トルク特性を変化させる。ステータ及びロータに作用する磁束が大きくなるとモータは高トルクが得られるようになり、磁束が小さくなると回転数を上昇させることができるようになる。

このような可変界磁モータには、ステータをロータに対して回転軸方向に移動可能とし、ステータに可変機構部としてのステータ移動手段が設けられているものがある（例えば特許文献１参照）。ステータ移動手段には、アクチュエータの回転運動を送りねじを介してステータに伝えて移動させるものや（例えば特許文献２参照）、アクチュエータの回転運動、あるいは手動操作（人力）による牽引力を、ワイヤを介してステータに伝えて移動させるものがある（例えば特許文献３参照）。特に、ワイヤを利用するステータ移動手段は、ワイヤに軸線方向力を与える駆動源をモータから離間させて任意の位置に配置させることができるため、電気自動車等に組み付ける際に広範なレイアウトが可能となる。
特開平５−３００７１２号 特願２００６−３３２９８５号 特願２００７−１００６１３号

ところで、モータの回転数−トルク特性は、ステータ及びロータに作用する磁束によって変化するが、磁束はステータ及びロータの対向面積と比例関係に変化しない。磁束は、磁束密度と磁束が通過する面積の積で得られるが、ステータ及びロータの対向面積が大きい状態では、ステータをロータに対して所定量変位させ、対向面積を減少させてもマグネット端部より発生するフリンジング磁束のため、磁束は対向面積減少量に対して比例関係に減少しない。これに対して、ステータ及びロータの対向面積が最大時の半分以下となった状態では、ステータを対向面積が減少する方向に微小量変位させると、比例関係にある場合の変化量以上に大きく磁束が減少する。

このようなステータの変位量（対向面積の変化量）とモータの回転数−トルク特性（磁束）との変化との不一致は、操作に対する応答の不一致を生じさせ、操作性が悪いという問題がある。また、ステータが変位するほどステータ及びロータ間に作用する有効磁束は減少するが、磁束におけるステータの変位方向成分は大きくなるため、ステータを変位させるために必要となる力は、所定の位置まで増加する。そのため、ステータ位置に応じてステータ移動手段の出力を制御をすることが必要となり、また高出力を得るために装置が大型化するという問題がある。

本発明は上記の課題を鑑みなされたものであって、操作量に対してモータの回転数特性を直線状に変化させることができ、かつ各ステータ位置に応じた適切な駆動力をステータに加えることができるステータ移動手段を有する可変界磁モータを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、第１の発明は、ロータと、前記ロータに対して同軸をなし、かつ前記ロータの回転軸の軸線方向に変位自在に設けられたステータと、前記ステータを前記軸線方向に変位させるステータ移動手段とを有し、前記ステータ移動手段は、前記ステータに一端が連結されたワイヤと、前記ワイヤを介して前記ステータを前記軸線方向に変位させるべく前記ワイヤの他端側を巻き取る巻き取り部材と、前記巻き取り部材を回転させるべく、前記巻き取り部材と結合して設けられた駆動力発生手段とを有し、前記巻き取り部材は、前記巻き取り部材の回転角の増加に応じて単位回転量当たりのワイヤ巻き取り量を減少させるべく、前記巻き取り部材の巻き取り半径が前記回転角の増加に応じて減少するように設けられていることを特徴とする。ここで、巻き取り半径とは、巻き取り部材の回転軸と、巻き取り部材と巻き取られていないワイヤとの接点との距離をいう。

第２の発明は、第１の発明において、前記巻き取り部材は、前記巻き取り部材の回転に対して、磁束の変化に応じた前記モータの回転速度の変化率が一定となるように前記ステータを移動させるべく、各回転角における前記巻き取り半径が調節されていることを特徴とする。ここでの前記モータの回転速度は、ステータ及びロータ間に作用する磁束以外の条件を一定とした場合の回転速度をいう。

第３の発明は、第１の発明において、前記巻き取り部材は、円形の全周またはその一部からなる外周部分を有し、前記巻き取り部材の中心から偏倚した位置を回転軸とすることを特徴とする。

第１の発明により、巻き取り部材の巻き取り半径は、ステータのロータに対する変位量が大きくなるほど小さくなるため、ステータのロータからの変位量に応じて増加するステータの引抜きに対する抵抗力に対応してステータ移動手段による牽引力を増加させることができる。第２の発明によると、ドラムの回転に対するモータの回転速度の変化率を一定とすることができ、モータの操作性を向上させることができる。第３の発明によると、簡潔なドラム構造から上記の第１および第２の発明の効果を達成することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

図１は、第１実施形態に係る可変界磁モータの断面図である。図２は、実施形態に係る可変界磁モータのステータが移動した後を示す断面図である。図３は、図１中のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。図４は、実施形態に係るモータのステータに作用する磁束を示すグラフである。図５は、実施形態に係るモータのステータに作用する回転軸の軸線方向に加わる力を示すグラフである。図６は、第２実施形態に係る可変界磁モータの断面図である。図７は、モータにおける磁束とモータ回転速度との関係を示すグラフである。図８は、第２実施形態に係るモータのドラム回転角と有効磁束との関係を示すグラフである。図９は、第２実施形態に係るモータのドラム回転角とステータ引抜き量との関係を示すグラフである。図１０は、第２実施形態に係るモータのドラム回転角とモータ回転速度との関係を示すグラフである。

＜第１実施形態の構成＞
以下、本発明を電気自動車に適用した第１実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１に示すように、第１実施形態に係る可変界磁モータＭは、アウターロータ型のモータであり、電気自動車のインホイールモータとして車体本体のナックル１に固定され電気自動車の車輪の一部を構成する。まず、車体本体に設けられたナックル１に、ステータ支持構造体としてのステータベース２が固定されている。

ステータベース２は、モータＭの回転軸の軸線Ａと同軸に配置された円筒形状を有する円筒形部材３と、円筒形部材３の外面より円筒形部材３の半径方向外側に突出した３本の第１突出部材４と、軸線Ａ方向において第１突出部材と所定の間隔をあけて、円筒形部材３の外面より軸線Ａの径方向に突出した３本の第２突出部材５とにより構成されている。３本の第１突出部材４は、同一周内に互いに１２０°ずつ角度を空けて配置されている。第２突出部材５も第１突出部材４と同様に、３本のそれぞれが周方向に１２０°ずつ角度を空けて配置されている。また、第１及び第２突出部材４、５の基部はそれぞれ、構造の剛性を向上させるために、円筒形部材３の周方向に外面に沿って連結されている。なお、突出部材４，５の本数は任意に変更しても良く、また突出部材を円筒形部材３の周方向に沿って全て連結させ、第１及び第２突出部材を２枚の円盤状の突出部材としても良い。

また、第１突出部材４のそれぞれと、対応する第２突出部材５のそれぞれとが、軸線Ａと平行に配置され、第１突出部材４及び第２突出部材５は、ガイドシャフト６によって連結されている。ガイドシャフト６は、軸線に沿って対峙する第１及び第２突出部材４，５に設けられた対応する孔に圧入されて固定されている。そのため、ガイドシャフト６もまた、軸線Ａに対して平行となっている。また、ステータベース２は、後述するステータ移動手段としてのワイヤ式牽引装置３０を固定支持する支持突出部材８を、第１突出部材４と同一周内に更に有する。

ステータベース２の円筒形部材３の円筒内壁には、一対の軸受７ａ・７ｂを介してモータＭの回転軸となるシャフト１１が回転自在に軸支されている。また、シャフト１１には、有底円筒形状を有するロータ本体１２が、円筒が開放する側を車体のナックル１側に向け、かつロータ本体１２の底部の中心で固定されて、モータＭのロータ１０が構成されている。ロータ１０の外周部には、ホイールを介して電気自動車の駆動輪Ｗが取り付けられている。また、ロータ本体１２の側壁１３の内周面には、周方向に沿ってＮ・Ｓ極を並べた複数のマグネット１４が配設されている。

また、ロータ１０のマグネット１４に相対するようにステータ２０が、ステータベース２に支持されている。ステータ２０は、マグネット１４に相対する複数個のステータコア２１と、軸線Ａと同軸に設けられた円環状の環状部材２２とから構成され、複数個のステータコア２１は環状部材２２の外周側に固定支持されている。ステータコア２１は、例えば軸線Ａ方向に積層させられた鋼板から構成され、電機子コイル２３によって巻回されている。ステータ２０は、環状部材２２に備えられた例えばボールブッシュである３個のブッシュ２４を介して３本のガイドシャフト６に摺動可能に支持されている。

このためステータ２０は、モータＭ内で軸線Ａ方向に沿って、移動することが可能になる。ステータ２０は、図１に示すように、ステータコア２１とマグネット１４の対向面積が最も大きくなる位置（以下、初期位置という）から、図２に示すように、対向面積が最大時の半分となる位置（以下、移動後位置という）まで移動することができる。

また、モータＭには、ステータ移動手段としてのワイヤ式牽引装置３０が備えられている。ワイヤ式牽引装置３０は、一端がステータ２０と一体の環状部材２２に連結されたワイヤと、ワイヤの他端を牽引するための牽引装置３３とにより構成されている。なお、牽引装置３３はワイヤを延長し、モータＭから離間した車体本体に設けても良い。牽引装置３３は、ケーシング３４と、ケーシング３４内に回転可能に支持されている巻き取り部材としてのドラム３５と、ケーシングの外壁に取り付けられたアクチュエータ３６とから構成されている。

ワイヤは、インナーケーブル３１と、インナーケーブル３１を外装し、保護及び支持するアウターケース３２とによって構成されている。インナーケーブル３１は、アウターケース３２内をアウターケース３２にガイドされて移動することができる。アウターケース３２は、一端がステータベース２の支持突出部材８に貫通して固定され、他端が牽引装置３３のケーシング３４に固定されている。インナーケーブル３１は、支持突出部材８を貫通して、一端が環状部材２２に連結され、他端が牽引装置３３の可動部であるドラム３５に固定されている。インナーケーブル３１及びアウターケース３２は、例えば自動二輪車や自転車のブレーキ用ケーブルとして一般的に使用されているものであって良い。

図１及び図３に示すように、牽引装置３３のドラム３５は、半円形状をなし、円周部にはインナーケーブル３１を巻き取る際にインナーケーブル３１をガイドするための溝３７が形成されている。インナーケーブル３１の前記他端は、ドラム３５の円周部の端部に形成された繋止部３８に固定されている。ドラム３５は、回転角が大きくなるほど巻き取り半径が小さくなるように、ドラム３５の半円を形成する円の中心から偏倚した位置であって、繋止部３８とは中心に対して相反する側の所定の位置をドラム３５の回転軸としてドラムシャフト３９が固定されている。ドラムシャフト３９は、ケーシング３４によって回転可能に軸支されている。また、ドラムシャフト３９にはウォームホイールを構成するホイール歯車４０が同軸に設けられ、ケーシング３４に固定されたアクチュエータ３６の回転軸に設けられたウォーム４１と噛み合っている。図１に示すように、ステータ２０が初期位置にあるとき、ドラム３５は巻き取り半径が最も大きくなるように配置され、このときのドラム３５の回転角を０度とする。

このように構成することで、例えば運転者の操作に応じてモータ制御回路（図示しない）から出力される信号を受けてアクチュエータ３６が回転し、その回転力がウォーム４１及びホイール歯車４０を介して減速されてドラム３５に伝わり、ドラム３５が回転しインナーケーブル３１を巻き取り、ステータ２０を牽引することができる。ドラム３５は回転角が０乃至９０度の範囲で回転し、図２に示すように、回転角が９０度（最大回転角）のときにステータ２０は移動後位置に位置する。

＜第１実施形態の作用効果＞
図４に示すように、ステータコア２１とマグネット１４との間に作用する磁束は、ステータ２０のロータ１０からの引抜き量（引抜き割合）に応じて磁束減少率が増加するため直線的に減少しない。図４では、ステータ２０の引抜き量をステータコア２１とマグネット１４との対向面積が最も大きくなる初期位置をステータの引抜き割合が０％とし、ステータコア２１がマグネット１４に完全に相対しなくなる位置を引抜き割合が１００％として、ステータ２０が初期位置にあるときの磁束を１００％として、初期位置からの磁束変化を表している。本実施形態では、ステータ２０の移動後位置は５０％に相当する。

ステータ２０の引抜きに対する抵抗力、つまりステータ２０をロータ１０側へと引っ張る力（磁力）は、磁束の軸線Ａ方向成分に比例して変化する。磁束の軸線Ａ方向成分は、ステータ２０が初期位置より変位するほど磁束の向きが傾くため大きくなるが、ステータコア２１及びマグネット１４間に作用する磁束量は図４に示すように減少する。そのため、図５に示すように、ステータ２０の引抜きに必要となる力（以下、引抜き力という）は、ステータ２０の引抜き割合に応じてある程度までは増加するが、その後減少する。引抜き力は、おおよそステータコア２１の引抜き割合が約５０％の位置が最大となる。

第１実施形態では、ドラム３５の回転角が大きくなるほど巻き取り半径が小さくなるように、ドラム３５の回転軸は中心より偏倚しているため、ドラム３５の回転角が大きくなるほど、単位回転角当たりのインナーケーブル３１の巻き取り半径は減少し、インナーケーブル３１を牽引する力は増加する。そのため、アクチュエータ３６の負荷量を一定に維持しつつ、引抜き力の増加に応じてインナーケーブル３１の牽引力を増加させることができる。そのため、アクチュエータ３６を低出力のものへと小型化することができる。また、図４に示すようにステータ２０の引抜きが進むほど磁束の変化率は大きくなるため、単位回転角当たりのインナーケーブル３１の巻き取り量を減少させることで、回転角に対する磁束変化率の変化を小さくすることができ、操作に対する応答がおおよそ一致するようになる。

また、ドラム３５は、半円形状で回転軸を偏倚させただけの簡潔な構造であるため、ドラム形状及びドラムシャフトの配設に伴う製造工程における加工が容易であり、製造コストを低減することができる。

＜第２実施形態の構成＞
以下、本発明を電気自動車に適用した第２実施形態について、図６乃至１０を参照しながら説明する。第２実施形態は、牽引装置４２及びその内部に設けられたドラム４３の形状においてのみ第１実施形態と異なる。その他の構成については、特に説明がない限り第１実施形態と同一符号が付されているものは同一構成を示す。

牽引装置４２は、ケーシング４４と、ケーシング４４内にドラムシャフト４５で回転可能に支持されている巻き取り部材としてのドラム４３と、ドラム４３に固定された操作レバー４６とから構成されている。牽引装置４２は、電気自動車の運転席に設けられ、運転者による操作レバー４６の傾動によって操作される。

ドラム４３の形状は、ドラム４３の回転角の変化に対して、モータＭの回転速度が一定の割合で変化するように、巻き取り半径が調整されて形成されている。つまり、モータＭの回転速度は、ステータコア２１及びマグネット１４間に作用する有効磁束に対して反比例の関係を有するため（図７）、ドラム４３の回転角の変化に対して、ステータコア２１及びマグネット１４間に作用する磁束が反比例の関係を有して変化するように巻き取り半径が調整されてドラム４３が形成されている（図８）。巻き取り面には、インナーケーブル３１を巻き取る際にガイドとなる溝４７が形成されている。またインナーケーブル３１は、巻き取り半径が最も大きくなる位置である繋止部４８でドラムに固定されている。図６に示すように、ステータ２０が初期位置あるときに、ドラム４３は、巻き取り半径が最も大きくなるように配置され、この状態のドラム回転角を０度とすると、この状態から回転角が大きくなるに従い、上記関係を満たすような変化率をもって巻き取り半径が小さくなるように配置されている。ドラム回転角は０度から９０度の範囲で回転し、ドラム回転角が９０度のときに（最大回転角）、ステータ引抜き量は５０％に相当する（移動後位置）。

＜第２実施形態の作用効果＞
以上のようにドラム４３を構成することで、図９に示すように、ドラム回転角に対してステータ２０は移動するようになる。図９中の直線１０１はドラムの巻き取り半径が一定であるドラムを使用した場合を表し、曲線２０１は第２実施形態を適用した場合を表している。ドラム４３及び巻き取り半径が一定であるドラムとも回転角が１８０度でステータ引抜き割合が１００％、つまりステータコア２１及びマグネット１４の対向面積が０がとなるようにドラムの大きさが調整されている。第２実施形態では、ドラム４３の巻き取り半径は、ドラム回転角の増加とともに小さくなるため、ドラム回転角の応じて単位回転角当たりのステータ２０の牽引量が低下し、曲線２０１のように回転角が大きくなるに従いステータ２０の移動は小さくなる。ドラム回転角が小さい領域で、曲線２０１の方が、直線１０１よりもステータの移動が大きい理由は、第２実施形態におけるドラム４３の巻き取り半径が、回転角が小さい領域において、大きく設定されているためである。

このようなドラム回転角とステータ２０の移動距離との関係から、ドラム回転角とモータＭの回転速度との関係は図１０に示されるようになる。図１０中の曲線１０２はドラムの巻き取り半径が一定であるドラムを使用した場合を表し、直線２０２は第２実施形態を適用した場合を表している。図４に示すように、ステータ２０の引抜き割合と磁束とは比例関係になく、引抜き割合が小さい領域では磁束の変化は小さく、引抜き割合が大きい領域では磁束の変化は大きいため、巻き取り半径が一定であるドラムを使用した場合には、図１０中の曲線１０２に示されるようにモータＭの回転速度は変化する。これに対して、第２実施形態では、図７中の曲線２０１に示されるようにステータ２０が移動するため、回転角の変化に対する磁束の変化量は一定の割合となり、図８中の直線２０２のようにモータＭの回転速度が変化するようになる。

図８の直線２０２に示されるように、ドラム回転角の変化に対してモータＭの回転速度が一定の変化率で変化するようになるため、操作に対する応答が一致し、操作及び制御が行い易くなる。第２実施形態のように、運転者による操作レバー４６のマニュアル操作によりドラム４３の回転角を設定する場合には、回転角とモータＭの回転速度が比例関係にあるため、操作レバーの操作量（傾動量）に対するモータ回転速度の変化量が一致し、自動車の変化に対する挙動を予想しやすくなり操作性が向上する。

また、第２実施形態においても第１実施形態と同様に、ドラム４３の回転角の増加と共に巻き取り半径は減少するため、レバー操作に必要な負荷量をほぼ一定に維持しつつ、ステータ２０の引抜きに応じた引抜き力に対応してインナーケーブル３１の牽引力を増加させることができる。また、手動による牽引装置４２は、ステータ２０を移動させるための電力を削減することができるため、特にソーラーカーレース等に使用される省エネルギー電気車両に有用である。

以上で具体的な実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、第２実施形態では、牽引装置にマニュアル操作可能なものを使用したが、代わりにアクチュエータを用いても良い。その他ドラムの形状等、本発明の主旨を逸脱しない範囲であれば適宜変更可能である。

本発明の可変界磁モータは、モータの回転数特性を制御性良く適切に変更することができるため、例えば電気自動車等の駆動用モータとして有用である。

第１実施形態に係る可変界磁モータの断面図である。 第１実施形態に係る可変界磁モータのステータが移動した後を示す断面図である。 図１中のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。 第１実施形態に係るモータのステータに作用する磁束を示すグラフである。 第１実施形態に係るモータのステータに作用する回転軸の軸線方向に加わる力を示すグラフである。 第２実施形態に係る可変界磁モータの断面図である。 モータにおける磁束とモータ回転速度との関係を示すグラフである。 第２実施形態に係るモータのドラム回転角と有効磁束との関係を示すグラフである。 第２実施形態に係るモータのドラム回転角とステータ引抜き量との関係を示すグラフである。 第２実施形態に係るモータのドラム回転角とモータ回転速度との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ ナックル
２ ステータベース
３ 円筒形部材
６ ガイドシャフト
１０ ロータ
１１ シャフト
１２ ロータ本体
１４ マグネット
２０ ステータ
２１ ステータコア
２２ 環状部材
３０ ワイヤ式牽引装置
３１ インナーケーブル
３２ アウターケース
３３，４２ 牽引装置
３５，４３ ドラム
３６ アクチュエータ
３８，４８ 繋止部
３９，４５ ドラムシャフト
Ａ 軸線
Ｍ 可変界磁モータ

Claims (3)

1. ロータと、
   前記ロータに対して同軸をなし、かつ前記ロータの回転軸の軸線方向に変位自在に設けられたステータと、
   前記ステータを前記軸線方向に変位させるステータ移動手段とを有し、
   前記ステータ移動手段は、
   前記ステータに一端が連結されたワイヤと、
   前記ワイヤを介して前記ステータを前記軸線方向に変位させるべく前記ワイヤの他端側を巻き取る巻き取り部材と、
   前記巻き取り部材を回転させるべく、前記巻き取り部材と結合して設けられた駆動力発生手段とを有し、
   前記巻き取り部材は、前記巻き取り部材の回転角の増加に応じて単位回転量当たりのワイヤ巻き取り量を減少させるべく、前記巻き取り部材の巻き取り半径が前記回転角の増加に応じて減少するように設けられていることを特徴とする可変界磁モータ。
2. 前記巻き取り部材は、前記巻き取り部材の回転に対して、磁束の変化に応じた前記モータの回転速度の変化率が一定となるように前記ステータを移動させるべく、各回転角における前記巻き取り半径が調節されていることを特徴とする請求項１に記載の可変界磁モータ。
3. 前記巻き取り部材は、円形の全周またはその一部からなる外周部分を有し、前記巻き取り部材の中心から偏倚した位置を回転軸とすることを特徴とする請求項１に記載の可変界磁モータ。

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