JP2009136075A - アウターロータモータ - Google Patents

Abstract

【課題】 モータ自体の大きさを変えずに、トルクを向上を図ることができるアウターロータモータを提供する。
【解決手段】 ステータ２と、当該ステータ２の外側を周方向に回転する円筒状のロータ３からなるアウターロータモータ１であって、前記ステータ２は、所定間隔ごとに放射状に配設された複数本のティース４と、当該ティース４に巻回されて形成されたコイル５とからなり、前記ロータ３には、当該ロータ３の軸方向に貫通して平板形状の永久磁石からなるマグネット６が埋設され、当該マグネット６は、前記ロータ３の周方向に所定間隔ごとに配設され、前記ロータ３には、前記ロータ３の軸方向に貫通する貫通孔７が形成され、当該貫通孔７は、前記マグネット６の前記ロータ３に対する周方向両端の側面に沿って、前記マグネット６ごとに形成される。
【選択図】 図１

Description

この発明は、アウターロータモータ、より詳しくは、永久磁石が回転子の中に埋め込まれるＩＰＭアウターロータモータに関するものである。

環境保全の観点から、電気自動車の研究が行われている。電気自動車は、電池を動力源とし、モータを動力とするため、騒音が少なく、ＣＯ_２等の排気ガスも排出されない。しかしながら、実際に自動車として走行するためには、モータにおける駆動性能の向上を図る必要がある。すなわち、モータのトルクを向上させる必要がある。これにより、電気自動車自体の価値が高まり、電気自動車の普及促進に寄与することができる。さらに、駆動力の伝達ロスを減らすために、ホイール内にモータを収容したインホイールモータとする場合には、モータを大型化させずにトルクの向上を図る必要がある。

一方で、電気自動車におけるダイレクト駆動方式のインホイールモータとして用いることができるアウターロータモータが特許文献１に開示されている。このアウターロータモータは、ロータ内周面において、永久磁石とロータコアが交互に配置されるものである。これはすなわち、マグネットをロータの表面に貼り付けるＳＰＭ(Surface Permanent Magnet)のアウターロータモータを示している。しかしながら、トルクの向上という観点からは、マグネットトルク以外にも、リラクタンストルクも利用できるほうが好ましい。したがって、このような場合は、マグネットがロータに埋設されるＩＰＭ(Interior Permanent Magnet)のアウターロータモータを用いるほうが好ましい。

特開２００２−２３３１２２号公報

この発明は、上記従来技術を考慮したものであって、モータ自体の大きさを変えずに、トルクを向上を図ることができるアウターロータモータを提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、請求項１の発明では、ステータと、当該ステータの外側を周方向に回転する円筒状のロータからなるアウターロータモータであって、前記ステータは、所定間隔ごとに放射状に配設された複数本のティースと、当該ティースに巻回されて形成されたコイルとからなり、前記ロータには、当該ロータの軸方向に貫通して平板形状の永久磁石からなるマグネットが埋設され、当該マグネットは、前記ロータの周方向に所定間隔ごとに配設され、前記ロータには、前記ロータの軸方向に貫通する貫通孔が形成され、当該貫通孔は、前記マグネットの前記ロータに対する周方向両端の側面に沿って、前記マグネットごとに形成されることを特徴とするアウターロータモータを提供する。

また、請求項２の発明では、前記貫通孔の前記ロータ外側面側の面は、前記マグネットの前記ロータ外側面側の面である外側面と面一又はこれより外側に形成されることを特徴としている。

また、請求項３の発明によれば、前記貫通孔の前記マグネット側の面は、前記マグネットの側面と面一であり、前記マグネットの側面から前記ステータ方向に延長して形成され、前記貫通孔の前記ステータ側の面は、前記マグネットと前記ロータ内側面との最も近接した距離と略同一であることを特徴としている。

また、請求項４の発明では、前記ティースが１８本であり、前記マグネットが１２個であり、前記ロータ外径が３００ｍｍであり、前記ロータ内径が２５５ｍｍであり、前記ステータ外径が２５３．４ｍｍであり、前記貫通孔の前記ステータ側の側面と前記ロータ内側面との距離は０．８ｍｍであり、前記貫通孔と隣り合う貫通孔との距離は１ｍｍであり、前記マグネットの厚みは５ｍｍであり、前記貫通孔の前記ロータ外側面側の面は、前記マグネットの外側面と面一であることを特徴としている。

また、請求項５の発明では、電気自動車のインホイールモータとして用いられることを特徴としている。

請求項１の発明によれば、ＩＰＭのアウターロータモータにおいて、マグネットの両側面にロータを軸方向に貫通する貫通孔が形成される。この貫通孔は空気層により、磁気抵抗が高いので、磁束が通りにくい。このため、磁束がこの貫通孔を回り込んで磁路が長くなり、リラクタンストルクが増加し、モータ全体としてのトルクを向上させることができる。このように、ロータに貫通孔を設けるだけで、モータ自体の大きさを変えることなく、トルクの向上を図ることができる。この貫通孔は、マグネットの内側面よりもステータ方向に突出して形成されるので、磁路をさらに長くすることができ、トルクのさらなる向上を図ることができる。

請求項２の発明によれば、貫通孔のロータ外側面側の面が、マグネットの外側面よりも内側に形成されることに比べて、磁束が回り込む磁路を長く形成することができ、トルクの向上を図ることができる。貫通孔のロータ外側面側の面をマグネットの外側面と面一とすれば、マグネット外側面よりも外側に形成することに比べ、マグネット外側のロータ面積を広く確保できるので、磁束が飽和することはなく、トルクを最大限に向上させるための最適な形状を得ることができる。

請求項３の発明によれば、貫通孔のステータ側の面が、マグネットとロータ内側面との最も近接した部分、すなわち狭絡部と略同一の距離を保って形成されるため、さらに磁束が回り込む磁路を長く形成することができ、さらなるトルクの向上を図ることができる。

請求項４の発明によれば、１８スロットの１２ポールで所定寸法のアウターロータモータの場合、トルクが最大限に向上する。

請求項５の発明によれば、モータ本体の大きさを変化させずにトルクの向上を図ることができるので、電気自動車のインホイールモータとして十分に利用できる。

図１はこの発明に係るアウターロータモータの概略正面図である。

図示したように、この発明に係るアウターロータモータ１は、ステータ（固定子）２と、ステータ２の外側を周方向に回転する円筒状のロータ（回転子）３で構成される。ステータ２は、所定間隔ごとに放射状に配設された複数本のティース４と、ティース４に巻回されて形成されたコイル５からなる。ロータ３には、ロータ３の軸方向に貫通する平板形状の永久磁石からなるマグネット６が埋設される。すなわち、ＩＰＭのモータである。このように、マグネット６を平板形状の直角磁場プレス成形材とすることにより、磁束密度を高くすることができ、トルクの向上に寄与することができる。マグネット６は、ロータ３の周方向に所定間隔ごとに配設される。ティース４及びロータ３は、磁性材料で構成され、例えば電磁鋼板たる珪素鋼板で形成される。マグネット６としては、ネオジム磁石を用いることが好ましい。

各マグネット６のロータ３に対する周方向両端の側面６ａには貫通孔７が形成される。この貫通孔７は、ロータ３を軸方向に貫通して設けられる。この貫通孔７は、空気層により、磁気抵抗が高いので、磁束が通りにくい。このため、磁束がこの貫通孔７を回り込んで磁路が長くなり、リラクタンストルクが増加し、モータ全体としてのトルクを向上させることができる。すなわち磁束短絡を防止する。このように、ロータ３の電磁鋼板（珪素鋼板）に貫通孔７を設けるだけで、モータ自体の大きさを変えることなく、トルクの向上を図ることができる。また、貫通孔７は、マグネット６のロータ３に対する内側面側の面である内側面６ｂよりもステータ２方向に突出して形成される。これにより、磁路をさらに長くすることができ、トルクのさらなる向上を図ることができる。

貫通孔７の形状を変更させて、トルクの向上に最適な貫通孔７の形状を検討した。その結果を以下に示す。

まずは、比較例の解析を行った。図２は比較例１のアウターロータモータの一部断面拡大図である。

図示したように、比較例１のアウターロータモータ１は、通常のＩＰＭのアウターロータモータである。これを用いてトルク特性等の解析を行った結果を表１に示す。表において、「進角」とはコイル電流をスイッチングするタイミングであり、電流の位相を進めることである。表１では進角を変化させた解析は行っていない。この進角は、ブラシレスモーターであればトルク制御インバータに通電タイミングの指令を与えるコントローラが制御する。「Ｔｍｉｎ」は計測中の最小トルクの値であり、「Ｔｍａｘ」は最大トルクの値である。「変化量」はトルクリップルを示し、モータが回転しているときのトルクのむらである。モータ回転時の騒音に関係する値であり、この値は低いほうが好ましい。「Ｔａｖｅ」は計測中のトルクの平均値であり、この平均値で、トルクの性能を評価している。また、「Ｖｐｅａｋ」は電圧波高値である。電源電圧を波高値が超えた場合はそれを出力できないため、波高値は小さいほうが好ましい。なお、電流は全て４５０Ａとしている。

図３は比較例２のアウターロータモータの一部断面拡大図である。

図示したように、比較例２のアウターロータモータ１では、貫通孔７を設けている。貫通孔７のステータ側の面７ｂは、隣り合うマグネット６の側面６ａの下縁同士を結ぶ直線上に形成される。貫通孔７のロータ外側面側の面７ｃは、隣り合うマグネット６の側面６ａの上縁同士を結ぶ直線上に形成される。貫通孔７が形成されるマグネット６側の面７ａは、マグネット６の側面６ａと同一である。貫通孔７の隣り合う貫通孔７と対向する面７ｄは、隣り合う貫通孔７の対向面７ｄと平行に形成される。このような貫通孔７を形成したアウターロータモータ１を用いてトルク特性等の解析を行った結果を表２に示す。

このように、貫通孔７を設けただけで、トルクの向上を図ることができている。しかしながら、この値では、電気自動車に用いるには不十分である。

図４はこの発明に係る実施例１のアウターロータモータの一部断面拡大図である。

図示したように、実施例１のアウターロータモータ１は、貫通孔７のステータ側の面７ｂが、マグネット６の内側面６ｂよりもステータ２方向に突出して形成される。この内面７ｂがロータ３の内側面と最も近接する位置における距離は、マグネット６がロータ３の内側面と最も近接する位置（狭絡部Ａ）における距離と同じとした。貫通孔７のロータ外側面側の面７ｃは、隣り合うマグネット６の側面６ａの上縁同士を結ぶ直線上に形成される。貫通孔７が形成されるマグネット６側の面７ａは、マグネット６の側面６ａと同一である。貫通孔７の隣り合う貫通孔７と対向する面７ｄは、隣り合う貫通孔７の対向面７ｄと平行に形成される。

実際に実験に用いたアウターロータ１の具体的な構造、寸法等は以下のとおりである。ティース４が１８本であり、マグネット６が１２個の１８スロット１２ポールのブラシレスＤＣモータを使用し、ロータ３の外径が３００ｍｍであり、ロータ３内径が２５５ｍｍである。また、ステータ２の外径は２５３．４ｍｍである。狭絡部Ａの幅は０．８ｍｍ、すなわち貫通孔７の内面７ｂのロータ３の内側面と最も近接する位置における距離も０．８ｍｍである。隣り合う貫通孔７の対向面７ｄ同士の距離は１ｍｍである。マグネット６の厚みは５ｍｍである。なお、この値は、比較例１，２においても同様である。

実施例１のアウターロータモータ１の解析結果を表３に示す。

表が示すように、比較例１，２に比べ、トルクが向上し、トルクリップルが低減し、波高値も良好な値を示している。この結果は、進角を与えることによってさらに顕著に表れる。特に、進角２５°で結果は良好となっている。

図５はこの発明に係る実施例２のアウターロータモータの一部断面拡大図である。

図示したように、実施例２のアウターロータモータ１は、実施例１のアウターロータモータ１の貫通孔７の外面７ｃを外側に広げたものである。すなわち、貫通孔７のロータ外側面側の面７ｃは、マグネット６の外側面６ｃと面一に形成される。その他の貫通孔７を形成する面７ａ，７ｂ，７ｄは、実施例１の貫通孔７と同様である。また、実際に実験に用いたアウターロータ１の具体的な構造、寸法等は実施例１と同様である。

実施例２のアウターロータモータ１の解析結果を表４に示す。

実施例１と同様に、比較例１，２に比べ、トルクが向上し、トルクリップルが低減し、波高値も良好な値を示している。この結果は、進角を与えることによってさらに顕著に表れる。特に、進角２０°で結果は良好となっている。

図６はこの発明に係る実施例３のアウターロータモータの一部断面拡大図である。

図示したように、実施例３のアウターロータモータ１は、実施例２のアウターロータモータ１の貫通孔７の内面７ｂを狭絡部と略同一の距離を保って形成したものである。すなわち、貫通孔７のステータ側の面７ｂとロータ内側面との距離は、狭絡部Ａにおけるマグネット６の内側面６ｂとロータ３の内側面との距離と略同一の距離を保って形成される。また、これに伴い、貫通孔７のマグネット６側の面７ａは、マグネット６の側面６ａと面一で、ステータ方向に延長して形成される。その他の貫通孔７を形成する面７ｃ，７ｄは、実施例２の貫通孔７と同様である。また、実際に実験に用いたアウターロータ１の具体的な構造、寸法等は実施例１と同様である。

実施例３のアウターロータモータ１の解析結果を表５に示す。

実施例１，２と同様に、比較例１，２に比べ、トルクが向上し、トルクリップルが低減し、波高値も良好な値を示している。この結果は、進角を与えることによってさらに顕著に表れる。特に、進角２０°で結果は良好となっている。

図７はこの発明に係る実施例４のアウターロータモータの一部断面拡大図である。

図示したように、実施例４のアウターロータモータ１は、実施例３のアウターロータモータ１の貫通孔７の外面７ｃをさらに外方に広げたものである。すなわち、貫通孔７のロータ外側面側の面７ｃは、マグネット６の外側面６ｃよりも外側に形成される。その他の貫通孔７を形成する面７ａ，７ｂ，７ｄは、実施例３の貫通孔７と同様である。また、実際に実験に用いたアウターロータ１の具体的な構造、寸法等は実施例１と同様である。

実施例４のアウターロータモータ１の解析結果を表６に示す。

実施例１，２，３と同様に、比較例１，２に比べ、トルクが向上し、トルクリップルが低減し、波高値も良好な値を示している。

図８は比較例及び実施例のトルク、波高値、トルクリップルを示すグラフ図である。なお、グラフは、表１〜表６における進角０°での解析結果をグラフにしている。

トルクに着目すると、実施例３が最も高いトルク値を得ている。トルクリップルに着目すると、実施例４が最もよい結果となっている。波高値に着目すると、実施例４が最もよい結果となっている。以上からすると、貫通孔７の内面７ｂは、狭絡部Ａと略同じ距離を保った位置に形成したほうが好ましいといえる。また、進角０°の結果から見れば実施例４が総合的に優れているように思えるが、進角を考慮すると、実施例３のほうが好ましく、トルクの向上の観点からいえば、やはり実施例３のほうが電気自動車のインホイールモータとして用いるには好ましい。

図９は実施例３の貫通孔周辺の磁力線を示す概略図であり、図１０は実施例４の貫通孔周辺の磁力線を示す概略図であり、図１１は比較例１の貫通孔周辺の磁力線を示す概略図である。なお、以下の説明において符号は図１を参照するものとする。

図示したように、比較例１に比べ、実施例３，４の磁力線は貫通孔７，７間を通らずに、さらに回り込んでいる。これは、貫通孔７の磁気抵抗が高いので、磁束が通りにくいためである。したがって、貫通孔７の磁気抵抗をさらに高めるような非磁性体を貫通孔７に埋設してもよい。この磁路が長くなることにより、リラクタンストルクが増加し、結果的にトルクが増加したと考えられる。ロータ３を形成する珪素鋼板において、磁束が飽和してしまうと、トルクが低下するため、貫通孔７の外側の珪素鋼板部分を広く確保することができる形状が好ましい。したがって、実施例４よりも実施例３の貫通孔の形状のほうが、トルクの向上の観点から好ましいといえる。

図１２はこの発明に係るアウターロータモータを電気自動車のインホイールモータとして適用したときの概略図である。

図示したように、ステータ２とその外側のロータ３からなるアウターロータモータ１は、略円筒状のリム８とディスク９からなるホイール１０内に収容される。ホイール１０のディスク９は、シャフト１１の端部に備わるフランジ１２にボルト１３により固定される。フランジ１２は、ボルト１４によりモータ１の外側を覆うモータカバー１５と固定される。したがって、ロータ３が回転することにより、その回転はモータカバー１５、フランジ１２、ホイール１０の順に伝えられ、リム８に取り付けられたタイヤ１６が回転する。ステータ２は、その内側のインナーフレーム１７にネジ１８で固定される。インナーフレーム１７とシャフト１１の間には、ベアリング２４が介装される。インナーフレーム１７の端部は、ナックル２３に固定される。ナックル２３は、ボールジョイント１９を介して、アッパーアーム２０と接続される。アッパーアーム２０は、サスペンション（図示省略）及び車体に懸架される。

この発明に係るアウターロータモータの概略正面図である。 この発明に係る比較例１のアウターロータモータの一部断面拡大図である。 この発明に係る比較例２のアウターロータモータの一部断面拡大図である。 この発明に係る実施例１のアウターロータモータの一部断面拡大図である。 この発明に係る実施例２のアウターロータモータの一部断面拡大図である。 この発明に係る実施例３のアウターロータモータの一部断面拡大図である。 この発明に係る実施例４のアウターロータモータの一部断面拡大図である。 比較例及び実施例のトルク、波高値、トルクリップルを示すグラフ図である。 実施例３の貫通孔周辺の磁力線を示す概略図である。 実施例４の貫通孔周辺の磁力線を示す概略図である。 比較例１の貫通孔周辺の磁力線を示す概略図である。 この発明に係るアウターロータモータを電気自動車のインホイールモータとして適用したときの概略図である。

符号の説明

１：アウターロータモータ、２：ステータ、３：ロータ、４：ティース、５：コイル、６：マグネット、６ａ：マグネット側面、６ｂ：マグネット内側面、６ｃ：マグネット外側面、７：貫通孔、７ａ：貫通孔のマグネット側の側面、７ｂ：貫通孔の内面、７ｃ：貫通孔の外面、７ｄ：貫通孔の隣り合う貫通孔との対向面、８：リム、９：ディスク、１０：ホイール、１１：シャフト、１２：フランジ、１３：ボルト、１４：ボルト、１５：モータカバー、１６：タイヤ、１７：インナーフレーム、１８：ネジ、１９：ボールジョイント、２０：アッパーアーム、２３：ナックル、２４：ベアリング

Claims (5)

1. ステータと、
   当該ステータの外側を周方向に回転する円筒状のロータからなるアウターロータモータであって、
   前記ステータは、所定間隔ごとに放射状に配設された複数本のティースと、当該ティースに巻回されて形成されたコイルとからなり、
   前記ロータには、当該ロータの軸方向に貫通する平板形状の永久磁石からなるマグネットが埋設され、
   当該マグネットは、前記ロータの周方向に所定間隔ごとに配設され、
   前記ロータには、前記ロータの軸方向に貫通する貫通孔が形成され、
   当該貫通孔は、前記マグネットの前記ロータに対する周方向両端の側面に沿って、前記マグネットごとに形成され、
   前記貫通孔は、前記マグネットの前記ロータ内側面側の面である内側面よりも前記ステータ方向に突出して形成されることを特徴とするアウターロータモータ。
2. 前記貫通孔の前記ロータ外側面側の面は、前記マグネットの前記ロータ外側面側の面である外側面と面一又はこれより外側に形成されることを特徴とする請求項１に記載のアウターロータモータ。
3. 前記貫通孔の前記マグネット側の面は、前記マグネットの側面と面一であり、前記マグネットの側面から前記ステータ方向に延長して形成され、前記貫通孔の前記ステータ側の面は、前記マグネットと前記ロータ内側面との最も近接した距離と略同一であることを特徴とする請求項１又は２に記載のアウターロータモータ。
4. 前記ティースが１８本であり、前記マグネットが１２個であり、前記ロータ外径が３００ｍｍであり、前記ロータ内径が２５５ｍｍであり、前記ステータ外径が２５３．４ｍｍであり、前記貫通孔の前記ステータ側の側面と前記ロータ内側面との距離は０．８ｍｍであり、前記貫通孔と隣り合う貫通孔との距離は１ｍｍであり、前記マグネットの厚みは５ｍｍであり、前記貫通孔の前記ロータ外側面側の面は、前記マグネットの外側面と面一であることを特徴とする請求項３に記載のアウターロータモータ。
5. 電気自動車のインホイールモータとして用いられることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のアウターロータモータ。