JP2009136076A

JP2009136076A - アウターロータモータ

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Publication number: JP2009136076A
Application number: JP2007309199A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Shimizu; 浩清水; Tadashi Takano; 正高野; Osamu Shimizu; 修清水
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-11-29
Filing date: 2007-11-29
Publication date: 2009-06-18
Anticipated expiration: 2027-11-29
Also published as: JP5479676B2

Abstract

【課題】簡単な構造で、加工が必要のない平板形状のマグネットを用いて、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。
【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、前記ロータ３には、当該ロータ３を軸方向に貫通するＶ字マグネット６が埋設され、当該Ｖ字マグネット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Ｖ字マグネット６は、２個の平板形状の永久磁石であるマグネット６ｄ，６ｅからなり、当該マグネット６ｄ，６ｅの側面の前記ロータ３の内周側である内側縁２１がそれぞれ接して形成され、前記マグネット６ｄ，６ｅの間には、非磁性材料が介在され、前記マグネット６ｄ，６ｅは、前記ロータ３の内周に対する接線と平行となるように配設される。
【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。

この点、特許文献１の実施の形態３では、マグネットを山形形状（くの字形状）としたＩＰＭのアウターロータが開示されている。しかしながら、マグネットをくの字に曲げることは加工が面倒であり、また着磁作業も困難である。

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、簡単な構造で、加工が必要のない平板形状のマグネットを用いて、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、当該ロータを軸方向に貫通するＶ字マグネットが埋設され、当該Ｖ字マグネットは、前記ロータの周方向に所定間隔ごとに配設され、前記Ｖ字マグネットは、２個の平板形状の永久磁石であるマグネットからなり、当該マグネットの側面の前記ロータ内周側である内側縁がそれぞれ接して形成され、前記マグネットの間には、非磁性材料が介在され、前記マグネットは、前記ロータの内周に対する接線と平行となるように配設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。

請求項２の発明では、前記Ｖ字マグネットの前記ステータの中心に対する電気角が、１４４°〜１７４°であることを特徴としている。

請求項３の発明では、前記非磁性材料は中空又は中実の棒状の楔ピンであり、前記マグネットの間に介在されることを特徴としている。

請求項４の発明では、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Ｖ字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Ｖ字マグネットごとに形成されることを特徴としている。

請求項５の発明では、前記マグネットの厚みをｔ、前記ロータの厚みをｔ０としたときに、０．２５＜ｔ／ｔ０＜０．４であることを特徴としている。

請求項６の発明では、前記ティースが１８本であり、前記Ｖ字マグネットが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Ｖ字マグネットの前記ロータに対する周方向両端の側面の前記ロータ内周面側の内側縁と前記ロータ内側面との距離は０．８ｍｍであり、前記マグネットの厚みは８．０ｍｍであり、前記電気角が１６８°であることを特徴としている。

請求項７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の発明では、ＩＰＭのアウターロータモータにおいて、マグネットがＶ字形状であるため、珪素鋼板からなるロータにおけるマグネット外側部分が増加し、磁気飽和が緩和され、マグネットトルクを増加させることができる。また、Ｖ字マグネットを構成する各マグネットがロータ内周に対する接線と平行となるように配設されるので、Ｖ字マグネットの両側面のロータ内側面側の内側縁とロータ内周との間である狭絡部が最も小さくなるような配置とすることができる。したがって、マグネットトルクを有効に向上させることができる。また、Ｖ字マグネットの両端を延長するように各マグネットの長さを長くしても、ロータにおけるマグネット外側部分の断面積が変わらないため、さらにマグネットトルクを向上させることができる。さらに、マグネット外側部分の断面積の減少を最小限に抑えてマグネット自体を厚くすることができるので、さらなるマグネットトルクの向上が期待できる。また、Ｖ字マグネットは、２枚の平板状のマグネットの一側縁のみを接して形成されるので、マグネットの加工の必要がなく、着磁作業も容易である。

請求項２の発明によれば、電気角を１４４°〜１７４°とすることにより、配設されるＶ字マグネットの数に左右されることなく、比較的大きなマグネットトルクを得ることができる。

請求項３の発明によれば、平板状のマグネットをロータに埋設し、その間に楔ピンを打ち込むだけの簡単な作業でＶ字マグネットを形成することができる。

請求項４の発明によれば、ＩＰＭのアウターロータモータにおいて、Ｖ字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。

請求項５の発明によれば、所定磁石厚とすることにより、モータのトルクの向上が実現できる。

請求項６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７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Ｖ字マグネット６が埋設される。すなわち、ＩＰＭのモータである。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。

Ｖ字マグネット６は、２枚の平板形状のマグネット６ｄ及び６ｅで構成される。このように、マグネット６ｄ，６ｅとして平板形状の直角磁場プレス成形材を用いることにより、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。Ｖ字マグネット６は、ロータ３の周方向に所定間隔ごとに配設される。マグネット６ｄ及び６ｅは、互いに対向する側面のロータ３の内周側である内側縁２１がそれぞれ接して形成される。マグネット６ｄ，６ｅは、前記ロータの内周に対する接線と平行となるように配設される。マグネット６ｄ，６ｅとしては、ネオジム磁石を用いることが好ましい。

このようなアウターロータモータ１を基本構造として、トルクの向上に最適な形状を検討した。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、比較例のアウターロータモータ１は、平板形状のマグネット６ｆを埋設した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はこの発明に係るアウターロータモータの一部断面拡大図である。

（Ａ）に示すように、実施例のアウターロータモータ１は、Ｖ字マグネット６をロータ３に埋設したものである。Ｖ字マグネット６は、２枚の平板形状のマグネット６ｄ，６ｅの互いに対向する側面のロータ３の内周側である内側縁２１をそれぞれ接して形成される。（Ｂ）は（Ａ）のＰ部拡大図である。マグネット６ｅの側面内側縁とロータ３の内側面との間（狭絡部Ａ）の幅Ｂは近いほうが好ましい。Ｖ字マグネット６の外側のロータ３の断面積が広く取れるので、磁気飽和が緩和され、マグネットトルクを増加させることができるからである。また、マグネット６ｄ，６ｅの間には、非磁性材料からなる楔ピン２２が介在される。このような構成とすれば、平板状のマグネット６ｄ、６ｅをロータ３に埋設し、その間に楔ピン２２を打ち込むだけの簡単な作業でＶ字マグネット６を形成することができる。

実施例１のアウターロータ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、Ｖ字マグネット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Ｂは０．８ｍｍである。マグネット６ｄ、６ｅの厚みは６ｍｍである。また、Ｖ字マグネット６の電気角は１４４°である。なお、共通事項については、比較例１においても同様の値である。

このように、Ｖ字マグネット６のようにマグネットをＶ字構成とすれば、珪素鋼板からなるロータ３におけるマグネット外側部分が増加し、磁気飽和が緩和され、マグネットトルクを増加させることができる。また、Ｖ字マグネット６の両端を延長するように各マグネット６ｄ、６ｅの長さを長くしても、ロータ３におけるＶ字マグネット外側部分の断面積が変わらないため、さらにマグネットトルクを向上させることができる。さらに、Ｖ字マグネット外側部分の断面積の減少を最小限に抑えてマグネット自体を厚くすることができるので、さらなるマグネットトルクの向上が期待できる。また、Ｖ字マグネット６は、２枚の平板状のマグネット６ｄ，６ｅの一側縁のみを接して形成されるので、Ｖ字形成のためのマグネットの加工の必要がなく、着磁作業も容易である。

実施例１のアウターロータモータ１の解析結果を表２に示す。

表が示すように、比較例に比べ、トルクが向上している。トルクリップルが増加し、波高値も増加しているが、トルク向上の観点からは、Ｖ字マグネットが有効であることが分かる。

実施例２は、実施例１のアウターロータモータ１において、狭絡部Ａの幅Ｂを１．０ｍｍにした。それ以外は実施例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３に示す。

実施例１と同様に、比較例に比べ、トルクが向上している。波高値も減少しているが、トルクリップルが増加している。トルクの向上という観点からすると、実施例１のほうが優れていることが分かった。

実施例３は、実施例１のアウターロータモータ１において、Ｖ字マグネット６のステータ２の中心に対する電気角を１５０°とした。なお、実験に用いたアウターロータモータ１は１８スロット１２ポールであるため、機械角でいえば２５°である。それ以外は実施例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４に示す。

実施例４は、実施例１のアウターロータモータ１において、Ｖ字マグネット６のステータ２の中心に対する電気角を１６２°とした。なお、実験に用いたアウターロータモータ１は１８スロット１２ポールであるため、機械角でいえば２７°である。それ以外は実施例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５に示す。

実施例５は、実施例１のアウターロータモータ１において、Ｖ字マグネット６のステータ２の中心に対する電気角を１６８°とした。なお、実験に用いたアウターロータモータ１は１８スロット１２ポールであるため、機械角でいえば２８°である。それ以外は実施例１と同様である。

実施例５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６は、実施例１のアウターロータモータ１において、Ｖ字マグネット６のステータ２の中心に対する電気角を１７４°とした。なお、実験に用いたアウターロータモータ１は１８スロット１２ポールであるため、機械角でいえば２９°である。それ以外は実施例１と同様である。

実施例６のアウターロータモータ１の解析結果を表７に示す。

実施例３〜６では、いずれも比較例よりもトルクが向上し、波高値も減少している。トルクリップルも、実施例３以外では減少している。また、いずれも実施例１よりもトルクが向上していることから、電気角を広げたほうがトルクが向上することが分かる。総合的に見ると、実施例５が良好な値を示している。

図４は貫通孔を形成した実施例７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７では、Ｖ字マグネット６のロータ３に対する周方向両端の側面に貫通孔７を形成した。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、Ｖ字マグネット６によるマグネットトルクに加え、リラクタンストルクの増加も図ることができるので、総合的なトルクの向上を図ることができる。なお、Ｖ字形状のみでのトルクの向上は、実施例５が良好であったことから、実施例７は、実施例５を基本構造としている。すなわち、Ｖ字マグネット６の電気角は１６８°である。その他の構成も、実施例５と同様である。

実施例７のアウターロータモータ１の解析結果を表８に示す。

表が示すように、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、トルクリップル及び波高値も良好な値を示すことが分かる。特に、進角を３０°与えると、その効果は顕著に表れる。

実施例８のアウターロータモータ１は、実施例７のアウターロータモータにおいて、マグネット６ｄ，６ｅの厚みを６．５ｍｍにしたものである。その他の構成は実施例７と同様である。

実施例８のアウターロータモータ１の解析結果を表９に示す。

実施例９のアウターロータモータ１は、実施例７のアウターロータモータにおいて、マグネット６ｄ，６ｅの厚みを７．０ｍｍにしたものである。その他の構成は実施例７と同様である。

実施例９のアウターロータモータ１の解析結果を表１０に示す。

実施例１０のアウターロータモータ１は、実施例７のアウターロータモータにおいて、マグネット６ｄ，６ｅの厚みを７．５ｍｍにしたものである。その他の構成は実施例７と同様である。

実施例１０のアウターロータモータ１の解析結果を表１１に示す。

実施例１１のアウターロータモータ１は、実施例７のアウターロータモータにおいて、マグネット６ｄ，６ｅの厚みを８．０ｍｍにしたものである。その他の構成は実施例７と同様である。

実施例１１のアウターロータモータ１の解析結果を表１２に示す。

実施例１２のアウターロータモータ１は、実施例７のアウターロータモータにおいて、マグネット６ｄ，６ｅの厚みを９．０ｍｍにしたものである。その他の構成は実施例７と同様である。

実施例１２のアウターロータモータ１の解析結果を表１３に示す。

実施例８から１２では、いずれも比較例よりトルク、トルクリップル、波高値の値が良好である。その中でも、マグネット厚８．０ｍｍの実施例１１が最も良好である。

図５はマグネット厚とトルクの関係を示すグラフ図である。

グラフが示すように、実施例７（マグネット厚６．０ｍｍ）〜実施例１２（マグネット厚９．０ｍｍ）まで順にトルクの値を見てみると、いずれも比較例よりもトルクが向上していることが分かる。この関係は、マグネットの厚みをｔ、ロータの厚みをｔ０としたときに、およそ０．２５＜ｔ／ｔ０＜０．４の領域でトルクの向上が見込まれることを示している。

以上からすると、進角を与えない状態では、実施例１１が最もトルクが向上し、トルクリップル、波高値ともに良好な値を得ている。すなわち、ティース４が１８本であり、Ｖ字マグネット６が１２個であり、ロータ３の外径が３００ｍｍであり、ロータ３の内径が２５５ｍｍであり、ステータ２の外径が２５３．４ｍｍであり、Ｖ字マグネット６のロータ３に対する周方向両端の側面のロータ３の内周面側の内側縁とロータ３の内側面との距離（狭絡部Ａにおける幅Ｂ）は０．８ｍｍであり、マグネット６ｄ，６ｅの厚みは８．０ｍｍであり、電気角が１６８°であるアウターロータモータ１が最も好ましいといえる。

図６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。比較例のアウターロータモータの一部断面拡大図である。この発明に係るアウターロータモータの一部断面拡大図である。貫通孔を形成した実施例７のアウターロータモータの一部断面拡大図である。マグネット厚とトルクの関係を示すグラフ図である。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：Ｖ字マグネット、６ｄ：マグネット、６ｅ：マグネット、６ｆ：マグネット、７：貫通孔、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、２１：内側縁、２２：楔ピン、２３：ナックル、２４：ベアリング

Claims

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、当該ロータを軸方向に貫通するＶ字マグネットが埋設され、
当該Ｖ字マグネットは、前記ロータの周方向に所定間隔ごとに配設され、
前記Ｖ字マグネットは、２個の平板形状の永久磁石であるマグネットからなり、当該マグネットの側面の前記ロータ内周側である内側縁がそれぞれ接して形成され、
前記マグネットの間には、非磁性材料が介在され、
前記マグネットは、前記ロータの内周に対する接線と平行となるように配設されることを特徴とするアウターロータモータ。
前記Ｖ字マグネットの前記ステータの中心に対する電気角が、１４４°〜１７４°であ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。
前記非磁性材料は中空又は中実の棒状の楔ピンであり、前記マグネットの間に介在され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。
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Ｖ字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Ｖ字マグネットごとに形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のアウターロータモータ。
前記マグネットの厚みをｔ、前記ロータの厚みをｔ０としたときに、０．２５＜ｔ／ｔ０＜０．４であ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。
前記ティースが１８本であり、前記Ｖ字マグネットが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Ｖ字マグネットの前記ロータに対する周方向両端の側面の前記ロータ内周面側の内側縁と前記ロータ内側面との距離は０．８ｍｍであり、前記マグネットの厚みは８．０ｍｍであり、前記電気角が１６８°であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のアウターロータモータ。
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１〜６のいずれかに記載のアウターロータモータ。