JP2011155750A - 永久磁石型電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石型電動機には、通常、断面円形のロータが採用されており、このようなロータは、毎対磁石間の磁石ステータティースとロータの間の空隙における磁束分布が急変しやすく、トルクリップル増大してしまう問題があった。
【解決手段】複数のティースに巻線を施されたステータと、ステータの内側に配置されロータであって、複数極分からなり、毎極分に一対の磁石がステータに向けて略Ｖ字形に埋め込まれ形成されるものと、を備え、前記ロータの各極分は、そのステータ対向面が、ロータの最大半径Ｒｒから所定長を差し引い後の長さを半径Ｒａとした円弧の断面形状となっていることを特徴とする永久磁石型電動機。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動自動車等用の電動機に関するものであり、特に回転子に永久磁石を用いた電動機に関するものである。

従来より、電気自動車、電動スクータ等の車両駆動用の電動機においては、トルク向上という課題がある。特に、電気自動車、ハイブリッド車などに用いる車輪用電動機（インホイールモータ）は、小型軽量で高トルクが得られることが要求されている。

この部分の改善の先行技術としては、特許文献１（特開２００２−２３３１２２号）があり、これは、永久磁石がロータコアに所定間隔を有して形成された複数の凹部内に設けられており、ロータにおけるステータと対向する内面に、ロータの回転方向において永久磁石とロータコアが交互に配置されるアウターロータ式車用電動機というものである。この先行技術には、ロータ鉄心内に矩形磁石をＶ字形に埋め込むことが記載されており、これにより、磁石量の増加と共に磁気的な突極性を確保し、マグネットトルクに加えてリラクタンストルクも利用して、トルク向上の効果を実現している。

特開２００２−２３３１２２号公報

しかしながら、この先行技術においては、ロータの断面形状が円形であるので、ステータのティース面とロータ間の空隙の大きさが一定値である。そのため、このような永久磁石とロータコアが交互に配置される構造の場合は、上述空隙における磁束分布が急変し、トルクリップルが大きく生じる虞が有る。

本発明の永久磁石型電動機は、上記問題を解決するために、複数のティースに巻線を施されたステータと、ステータの内側に配置されロータであって、複数極分を有する鉄心からなり、それぞれの極分に一対の磁石がステータに向けてＶ字形に埋め込まれ形成されているものと、を備え、ロータの各極分は、そのステータ対向面が、ロータの最大半径Ｒｒから所定長を差し引いた後の長さを半径Ｒａとした円弧の断面形状となっていることを特徴とする。

本発明の永久磁石型電動機によれは、トルク向上（トルクＴｍ＝Ｔｍｇｎ＋Ｔｒｌｃ）が、ロータとステータ間の磁束分布急変によるトルクリップル増大の問題（トルクリップル率Ｒｐ＝（Ｔｍａｘ−Ｔｍｉｎ）／Ｔａｖｇ×１００％）を抑制しつつ実現できる。

ロータの各極分は上述のように円弧形状であるので、ロータ外周全体は花弁状となっている。ロータのステータ対向面の円弧形状について、最大半径Ｒａとロータの最大半径Ｒｒの比が０．３３〜０．５０の範囲内にあることが好ましい。

また、磁石の埋め込み角度θは、トルクとトルクリップル両方に影響し、トルク向上とトルクリップル低減を両立する観点から、１２．５°≦θｍ≦３０°を満たすことが好ましく、特にθを２０°〜２５°にすることが好ましい。

そのほか、鉄心各極分間の磁束が短絡することを防止する為に、各極分の間に、非磁性の絶縁材を配置することが好ましい。また、磁石間の磁束短絡を防止する為に、Ｖ字形に配置される二個の磁石間にも非磁性の絶縁材又は空隙を設けることが好ましい。

本発明の永久磁石型電動機は、モータのサイズや重量の増大を抑制しつつ高トルク化できるため、インホイールモータとしての使用が好適であり、各種の車両、特に、電動スクーター、電気自動車、ハイブリッド自動車、四輪あるいはそれ以上の多輪駆動車両等に好適に搭載することができる。

本発明によれば、永久磁石をロータ内にＶ字形に配置する構造を採用し、トルクを向上させた一方、ロータ鉄心における各極分を花弁状に配置することにより、ステータ（固定子）とロータ（回転子）の間の空隙における磁束分布変化を緩和し、トルクリップルを低減することができ、高トルクかつ円滑な回転トルクを得られるという効果がある。

第１の実施形態に係る永久磁石型電動機のロータとステータ形状を示す断面図である 図１に示す永久磁石型電動機のロータ鉄心の一極分を示す拡大図である。 図１に示す永久磁石型電動機の磁石埋めこみ角度の最大値θｍと最小値θcの関係を示す説明図である。 図１に示す永久磁石型電動機の電機子電流Ｉａ、誘電起電力Ｅａ、位相進み角βの関係を示す曲線図である。 図１に示す永久磁石型電動機の磁石埋めこみ角度θと最大トルクＴｍの関係を示す曲線図である。 図１に示す永久磁石型電動機の磁石埋めこみ角度θとリップル率Ｒｐの関係を示す曲線図である。 図１に示す永久磁石型電動機の円弧半径Ｒａと前記円形半径Ｒｒの比が０．５である場合のトルクリップル率Ｒｐの変化を示す折線図である 図１に示す永久磁石型電動機の円弧半径Ｒａと前記円形半径Ｒｒの比が０．５８である場合のトルクリップル率Ｒｐの変化を示す折線図である。 図１に示す永久磁石型電動機の円弧半径Raと前記円形半径Ｒｒの比が０．６７である場合のトルクリップル率Ｒｐの変化を示す折線図である。 比較例として、ロータ鉄心が円形である永久磁石型電動機のトルクリップル率Ｒｐの変化を示す折線図である。

まず、図１〜３を参照しながら、本実施形態に係るインナーロータ式インホイールモータ１０００（以下、モータ１０００と略称する）のステータおよびロータ構造を説明する。

図１は、モータ１０００の断面構造を示している。モータケース１０の内側にステータ１００が固定され、ステータ１００の内側に中空ロータ１５０が回転自在に配置されている。中空ロータの内側には図示しない減速機や軸受等が組み込まれている。

ステータ１００は、磁束経路としてのヨークとティース、および励磁用電流経路としてのＵ相コイル１０３、Ｖ相コイル１０４、Ｗ相コイル１０５より構成されている。ティース面１０６は、空隙１０７を介して、ステータ対向面１５９と対向している。本実施形態では、コイルの巻線方式について限定しないが、モータ１０００のステータコイルエンド長を短縮する目的で、集中巻方式を採用している。

鉄心１５１は、積層された珪素鋼板により形成されており、１４極分（磁石の極数Ｐ＝１４）に分けられ、その外周は花弁状となっている。毎極分には、長方体状の二個の永久磁石が、Ｖ字形の配置となるように鉄心に埋め込まれており、一対となっている。一対となる永久磁石１５２、１５３は、同一方向で着磁されており、ほかの永久磁石対も同一方向で着磁されている。但し、隣接した永久磁石対同士の着磁方向は反対方向となっている。

毎極分の永久磁石がＶ字形に配置されることにより、磁石量の増加とともに、磁気的な突極性の増加もできるので、トルクを向上できる。永久磁石１５２、１５３から出た磁束は、フラックスバリア１５６，１５７の間に囲まれたステータ対向面１５９から、空隙１０７を介してティース１０２へと流れていく。

図２には、鉄心の一極分２００の断面を示す。鉄心２００のステータ対向面１５９の断面形状は、鉄心の中心点からステータ対向面２１０までの最大半径Ｒｒから、所定長Ｄｆを差し引いた後の長さＲａ（即ち、Ｒａ＝Ｒｒ−Ｄｆ）を半径とした円弧形状となっている。

このように、ロータ中心軸Ｏｒから距離Ｄｆだけ引いたＯａを中心とし、半径Ｒａの円弧でステータ対向面２１０を形成すると、フラックスバリア２１１，２１２からステータ対向面１５９への磁束分布変化が緩和され、トルクリップルを低減することができる。さらに、磁束の遷移領域に面取り２１３，２１４を施すことで、磁束変化を緩和する効果を高めることができる。

本実施形態では、鉄心２００のステータ対向面２１０の断面形状は、円弧半径Ｒａと最大半径Ｒｒの比例が０．３３≦Ｒａ/Ｒｒ≦０．５０の関係を満たす円弧であることが好ましい。

なお、図２に示すように、ロータ鉄心２０１の中空軸半径Ｒｓｈの内径面とロータ最大半径Ｒｒの外径面とで囲まれた空間には、２つの長方形状開口がＶ字形に設けられており、長さＬｍ，幅Ｗｍ，高さＨｍの永久磁石２０２，２０３がそれぞれの開口に埋め込まれている。永久磁石２０２の中心線ａが、座標軸ｙと成す角度が埋め込み角度θｍである。

隣接する磁石対同士の磁束短絡を防止する為に、永久磁石２０２，２０３の端部には，幅Ｌａのフラックスバリア２０４と２０５をそれぞれ設けている。その他、同じ極分中の磁石同士の磁束短絡を防止する為、永久磁石２０２と永久磁石２０３の対向面の間にも、フラックスバリア２０６を設けている。フラックスバリア２０４，２０５，２０６は、磁束の通過を妨げるか遮断できるものであればよいので、たとえば、空隙や非磁性の絶縁材等であってもよい。また、鉄心外周部２０９のステータ対向面２１０の両端には、フラックスバリア２１１，２１２を設けており、すなわち、鉄心の各極分の間に、Ｖ字形の切り欠き部を備え、もしくはこの切り欠き部に非磁性の絶縁材を充填してもよい。

なお、磁石埋め込み角度θｍについて、本発明のロータは埋め込み型永久磁石を採用しているので、磁石埋め込み角度θｍが、表面磁石型（ＳＰＭ：Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）ロータの磁石表面貼り付け角度θｃより大きく（θｍ＞θｃ）設けることができる。θｍ＞θｃの条件で磁石を埋め込むと、磁石量がＳＰＭより多くなりマグネットトルクＴｍｇｎを増加する同時に、磁気的な突極性が増えることでリラクタンストルクＴｒｌｃを活用できる。即ち、トルクＴｍ＝Ｔｍｇｎ＋Ｔｒｌｃの関係式から、トルクＴｍを向上できることがわかる。

但し、磁石の埋め込み角度θｍを決める際、単なるトルク向上の観点から、埋め込み角度θｍを無制限に増大することはできない。なぜならば、埋め込み角度θｍが過大になると、ロータ鉄心１５１に磁石を収めることができなくなるからである。そこで、トルク向上且つ磁石収容可能の観点から、磁石の埋め込み角度θｍを１２．５°≦θｍ≦３０°にするのが好ましく、２０°≦θｍ≦２５°にすることが更に好ましい。

その他、フラックスバリア２０４，２０５の外側に、支持構造としての幅Ｌｇの鉄心縁部２０７，２０８を設けることにより、磁石を組み込んだ鉄心の構造安定性を高めることができる。

埋め込み角度θｍが１５°〜３０°の範囲にある場合、モータ１０００の最大トルクＴｍ（ｍａｘ）とθｍ、および最小リップル率Ｒｐ（ｍｉｎ）とθｍの関係は以下の通りとなる。

まず、回転速度Ｎｍ＝１２００ｒｐｍ，電機子電流振幅Ｉａ＝１４０Ａ，θｍ＝１５°の条件で、電機子電流Ｉａの誘導起電力Ｅａに対する位相進み角βを0〜８０°まで変化させ（Ｉａ、Ｅａとβの関係を図４に示している）、位相進み角βに対するトルクＴｍの変化を示す標準曲線図、および位相進み角βに対するトルクリップル率Ｒｐの変化を示す標準曲線図を描く。また、ほかの前提条件を変えず、上述したθｍ＝１５°の場合と同様に、θｍ＝２０°の場合およびθｍ＝３０°の場合の標準曲線図を夫々描く。

次に、上記の標準曲線図から、θｍ＝１５°の最大トルクＴｍ（ｍａｘ）および最小リップル率Ｒｐ（ｍｉｎ）の値を読み取る。θｍ＝２０°，θｍ＝３０°の場合の最大トルクＴｍ（ｍａｘ）および最小リップル率Ｒｐ（ｍｉｎ）の値も、同様にそれらの標準曲線図から読み取る。

最後に、読み取ったθｍ＝１５°およびθｍ＝２０°，θｍ＝３０°時の各最大トルクＴｍ（ｍａｘ）の値を用い、θｍに対する最大トルクＴｍ（ｍａｘ）変化の曲線図を描く（図５）。また、θｍ＝１５°およびθｍ＝２０°，θｍ＝３０°時の最小リップル率の値を用い、Ｒｐ（ｍｉｎ）とθｍの関係を示す曲線図を描く（図６）。

解析の結果として、図５に示すように、最大トルクＴｍ（ｍａｘ）は、１５°≦θｍ≦３０°の範囲内で単調増加となる。また、図６によると、最小リップル率Ｒｐ（ｍｉｎ）は、１５°≦θｍ≦３０°において、θｍ＝２０°付近で最小値を取る。

従って、ロータの磁石埋め込み角度θｍとして、おおむねθｍ（ｍｉｍ）＝２０°に設定すると、十分なトルクを確保したうえで、トルクリップルを最大限に低減することができる。

次に、ロータ鉄心が花弁形状で、円弧半径Ｒａと最大半径Ｒｒが０．３３≦Ｒａ／Ｒｒ≦０．５０の関係を満たす（Ｄｆ／Ｒｒ＋Ｒａ／Ｒｒ＝１）本発明のロータ、および従来の円形ロータを採用した場合のリップル率低減効果の有無を確認する。

比較の方法としては、磁石の埋め込み角度θｍ（ｍｉｎ）＝２０°の本実施形態ロータ鉄心を用い、電機子電流の振幅Ｉａ（２０≦Ｉａ≦１４０Ａ）に対して，位相進み角βを０〜８０°の範囲で変化させ、リップル率Ｒｐの最大値Ｒｐ（ｍａｘ）と最小値Ｒｐ（ｍｉｎ）を解析により算出する。従来の円弧をつけない円形ロータ鉄心を用い、上述と同様にリップル率Ｒｐの最大値Ｒｐ（ｍａｘ）と最小値Ｒｐ（ｍｉｎ）を解析により算出する。

図７〜９には、本発明のロータのリップル率Ｒｐの最大値Ｒｐ（ｍａｘ）と最小値Ｒｐ（ｍｉｎ）を示し、図１０に示す従来の円形ロータのリップル率Ｒｐの最大値Ｒｐ（ｍａｘ）と最小値Ｒｐ（ｍｉｎ）を示している。本発明の花弁状鉄心と従来の円形鉄心を用いる場合と比べて、同じ振幅Ｉａの電機子電流に対応するＲｐ（ｍａｘ）とＲｐ（ｍｉｎ）の差（即ち、Ｒｐ（ｍａｘ）−Ｒｐ（ｍｉｎ））が小さい。

上記解析結果により、花弁形状を採用した本発明のロータ鉄心は、従来の円形ロータ鉄心と比べて、トルクリップル率を低減できることがわかる。

本発明の永久磁石型電動機は、インホイールモータとしての使用が好適であり、各種の車両、特に、電動スクーター、電気自動車、ハイブリッド自動車、四輪あるいはそれ以上の多輪駆動車両等に好適に搭載することできる。

１００ ステータ
１５０ ロータ
１５１ ロータ鉄心
１０１ ヨーク
１０２ ティース
１０３ Ｕ相コイル
１０４ Ｖ相コイル
１０５ Ｗ相コイル
１０６ ティース面
１０７ 空隙
１５２，１５３，１５４，１５５，２０２，２０３ 磁石
１５６，１５７，２０４，２０５，２０６，２１１，２１２ フラックスバリア
１５９，２１０ ステータ対向面
２０７，２０８ 鉄心縁部

Claims (6)

1. 複数のティースに巻線を施されたステータと、ステータの内側に配置されロータであって、複数極分からなり、毎極分に一対の磁石がステータに向けて略Ｖ字形に埋め込まれ形成されるものと、を備え、
   前記ロータの各極分は、そのステータ対向面が、ロータの最大半径Ｒｒから所定長を差し引いた後の長さを半径Ｒａとした円弧の断面形状となっていることを特徴とする永久磁石型電動機。
2. 前記円弧半径Ｒａと前記最大半径Ｒｒの比が０．３３〜０．５０の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型電動機。
3. 前記磁石の埋め込み角度θが１２．５°≦θｍ≦３０°を満たすことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の永久磁石型電動機。
4. 前記鉄心の花弁状極分の間には、絶縁部材が配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の永久磁石型電動機。
5. 前記鉄心において、毎対の前記磁石の間に、絶縁部材が配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の永久磁石型電動機。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の永久磁石型電動機をインホイールモータとして搭載していることを特徴とする電動車両。

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