JP2014147191A - 永久磁石式アウターロータ同期モータ - Google Patents

Abstract

【課題】コギングトルクを効果的に低減し、かつ、モータの出力トルクの低下が少ない非磁性体の厚さを求めると共に、スキューの各段部及び非磁性体の位置決めを容易にする位置決め機構を有する。
【解決手段】コイル８を巻回した複数のティース７から成るステータ６と、永久磁石５を埋設したアウターロータ２とを有し、当該アウターロータ２のアウターロータコア４を複数の段部に分割して構成した永久磁石式アウターロータにおいて、前記複数の段部を、位置決め機構により各段部間を周方向に所定のピッチで位置決めすると共に、各段部間に非磁性体１１を介在させ、その非磁性体１１の厚さを、ステータ６の外周面とアウターロータ２内周面とのギャップの２．５倍から４．２倍の間に設定した。
【選択図】 図１

Description

この発明は、電気自動車の駆動用モータ等に好適な永久磁石式アウターロータ同期モータに関するものである。

永久磁石式の同期モータではコギングトルクを低減するため、複数段のスキューを施すことが、例えば、特許文献１に開示されている。また、更に、スキューの効果を高めるために、スキューの各段間に非磁性体を介在させる技術が、本出願人が出願した特願２０１１−１６７３６５号に示されている。

コギングトルクには、複数の高次の高調波数が含まれているため、それらの高調波の内、コギングトルクへの影響の大きい高調波周波数に注目し、その周波数のコギングトルクを低減するため、２段〜６段のスキューを施すことが行われてきた。しかし、前記の特許出願、特願２０１１−１６７３６５号でも記載した通り、スキューを施した段部間で磁極が相互干渉を起こし、その干渉によって各段部の磁力にアンバランスが生じると共に、位相にも変位が生じるという問題がある。そのため、スキューの各段部間に非磁性体を介在させ、段部間の相互干渉をなくすことを提案してきた。

特開２００８−２２８３９０号公報

ところで、コギングトルクを低減するには、非磁性体の厚さを厚くすることが効果的であるが、非磁性体を厚くすると、ロータコアの内の磁極の占める幅が実質的に減少し、モータの出力トルクを低下させるという問題が生じる。

そこでこの発明はこれらの従来技術を改善すべく、永久磁石式のアウターロータ同期モータにおいて、コギングトルクを効果的に低減し、かつ、モータの出力トルクの低下が少ない非磁性体の厚さを求めると共に、スキューの各段部及び非磁性体の位置決めを容易にする位置決め機構を有する永久磁石式アウターロータ同期モータを提供することを目的とするものである。

請求項１の発明は、コイルを巻回した複数のティースから成るステータと、永久磁石を埋設したアウターロータとを有し、当該アウターロータのロータコアを複数の段部に分割してスキューを施した構成にした永久磁石式アウターロータにおいて、前記複数の段部を、位置決め機構により各段部間を周方向に所定のピッチで位置決めすると共に、各段部間に非磁性体を介在させ、その非磁性体の厚さを、ステータ外周面とアウターロータ内周面とのギャップの２．５倍から４．２倍の間に設定した、永久磁石式アウターロータ同期モータとした。

また、請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記永久磁石の極数を１２とし、前記ステータのティース数を１８とすると共に、その極数及びティース数の最小公倍数で決まる基本波に４段スキューを施した、永久磁石式アウターロータ同期モータとした。

また、請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、前記位置決め機構を、前記モータヨークの内周面に前記所定のピッチで形成した溝と、前記ロータコアの各段部の外周部に形成され、当該溝に嵌合する突起とによって構成した、永久磁石式アウターロータ同期モータとした。

また、請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかの発明において、前記永久磁石式アウターロータ同期モータは、電気自動車の車輪を駆動するインホイールモータであるものとした。

請求項１〜４の発明によれば、非磁性体の厚さをステータ外周面とロータ内周面のギャップの２．５倍から４．２倍の範囲にすることにより、コギングトルクを効果的に低減することができると共に、モータの出力トルクの低下を小さく抑えることができ、特に、電気自動車のインホイールモータのコギング対策として効果的である。

また、請求項１及び３の発明では、アウターロータコアの複数の段部を位置決めできると共に、各段部を同形状に共通化することができるので、製造及び組み立てが容易となる。

この発明の実施の形態例１の永久磁石式アウターロータ同期モータの概略断面図である。 この発明の実施の形態例１の永久磁石式アウターロータ同期モータのアウターロータのみの、図１のアーア矢視の断面図である。 この発明の実施の形態例１の永久磁石式アウターロータ同期モータのアウターロータコアの磁極配置を示す模擬図である。 この発明の実施の形態例１の永久磁石式アウターロータ同期モータのアウターロータコアの４段スキューの非磁性体の厚さを変更させた場合におけるコギングトルクの減少の割合と出力トルクの変化の状態を示すグラフ図である。 この発明の実施例１の永久磁石式アウターロータ同期モータのモータヨークの斜視図である。 この発明の実施の形態例１の永久磁石式アウターロータ同期モータのアウターロータコアの位置決め突起を示す平面図である。 この発明の実施の形態例１の永久磁石式アウターロータ同期モータの非磁性体の位置決め突起を示す平面図である。

（実施の形態例１）
以下、この発明の実施の形態例１を図１〜図６に基づいて説明する。実施の形態例１の永久磁石式アウターロータモータ１は、図１に示すように、内側に位置するステータ６と、当該ステータ６の外周部に配置されたアウターロータ２から成る。

前記アウターロータ２は、モータヨーク３とその内側に装着されたアウターロータコア４を備え、当該アウターロータコア４には、１２極のＶ字型の永久磁石５が埋設されている。

前記ステータ６は、１８個のティース７を有し、それぞれのティース７には、コイル８が巻回され、これらのコイル８に３相の電流が図示されていないインバータより供給される。なお、ステータ６の外周面とアウターロータ２の内周面との間には、ギャップδが形成されている。

図２は永久磁石式アウターロータモータ１のアウターロータ２を、図１のアーア矢視で切った断面図である。

アウターロータ２のモータヨーク３は、ボルト１０により回転軸９に連結されており、アウターロータ２の回転が回転軸９に伝達される。モータヨーク３の内部に装着されたアウターロータコア４は、４段スキューを構成するため、第１段部４ａ、第２段部４ｂ、第３段部４ｃ及び第４段部４ｄの四つのブロックに分割され、それぞれのブロック間に、アルミニウム、合成樹脂等からなる非磁性体１１ａ、１１ｂ、１１ｃを介在させている。

なお、アウターロータコア４の全幅（全厚さ）をＬｃ、各非磁性体１１の厚さをＬｇとするとし、スキューの段数をＮとすると、磁極の実質的幅は、
Ｌｃ−（Ｎ−１）×Ｌｇ
となり、（Ｎ−１）×Ｌｇ分、磁力が低下することになる。

図３は、アウターロータコア４の第１段部４ａから第４段部４ｄの磁極配置を示す模擬図である。本実施の形態例１では、極数を１２、ティース数を１８としているため、１回転当たりのコギングトルクの基本周波数は１２と１８の最小公倍数である３６となる。 従って、４段スキューの場合は、第１段部４ａ、第２段部４ｂ、第３段部４ｃ、第４段部４ｄをそれぞれ電気角で９０度ずらす必要がある。これを機械角に直すと、２．５度ずつずらす必要がある。

ところで、第１段部４ａと第２段部４ｂとの間には非磁性体１１ａが介在するが、第１段部４ａのＳ極の左端のＡ部は第２段部４ｂのＮ極の右端のＢ部と対峙することになり、非磁性体１１ａが十分に厚い場合は問題ないが、Ａ部とＢ部のＳ・Ｎ極間で磁束が流れることになり、ステータに流れる磁束がその分減少し、これにより各段部で磁束及び位相にずれを生じる。

このことは、第２段部４ｂのＣ部と第３段部４ｃのＤ部との間、第３段部４ｃのＥ部と第４段部４ｄのＦ部との間でも生じる。従って、各段部の磁束を等しくし、その位相を電気角で９０度ずつ正確にずらすためには、非磁性体１１を厚くすることが好ましい。一方、非磁性体１１を厚くすると、その分、実質磁極幅が減少し、出力トルクが低下するという関係になる。

図４は、非磁性体１１の厚さを変更させた場合におけるコギングトルクの減少の割合と、出力トルクの変化の状態を示すグラフ図である。

今、アウターロータ２の内径を２５４ｍｍ、アウターロータコア４の全幅をＬｃ＝８５ｍｍ、ステータ６の外周面とアウターロータ２の内周面のギャップをδ＝０．８ｍｍとし、非磁性体１１の厚さをギャップδの０倍から７．２５倍に変化させた場合のコギングトルクの変化及びモータ出力トルクの低下を数理解析ソフトを用いて解析した。その結果を、図４に示す。

なお、コギングトルクの割合は、非磁性体１１の厚さを０とした場合を１として、その割合を求め、また、出力トルクの低下割合は、非磁性体１１の厚さを０とした場合を基準にし、その値からどれだけ低下するかで示した。

その結果、コギングトルクは非磁性体の厚さを増せば増すほど低下するが、出力トルクも低下する。そのため、実用範囲としては、コギングトルクが１／２以下、出力トルクの低下率が１０％以下であることから、非磁性体１１の厚さはギャップδの２．５倍から４．２倍以下が適正範囲である。

また、図５は、この実施の形態例１のモータヨーク３の斜視図でり、アウターロータコア４の各段部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄをそれぞれ所定の角度（機械角で２．５度）ずらせてモータヨーク３の内面に配置するための位置決め機構の形状を示す。

４段スキューの場合、機械角が２．５度ピッチになるので、２．５度ずつずらした位置に、軸方向に延びる位置決め溝４１、４２、４３、４４がモータヨーク３の内周面に設けられている。なお、図５には表していないが、位置決め溝４１〜４４は、モータヨークの内周、円周方向に１２０度ずつずらして合計３箇所に設けられている。なお、これらの溝は断面Ｖ字型、Ｕ字型、或いは半円形等に形成される。

また、例えば、６段スキューの場合は、溝間のピッチが１．３３度毎となり、各溝のピッチが近づき過ぎる場合には、例えば、第１段部、第３段部及び第５段部を第１グループとして、位置決め溝６１、６３、６５を設け、この位置から電気角で３６０度（機械角で１０度）ずらして、第２段部、第４段部及び第６段部の位置決め溝６２、６４、６６を第２グループとして設けることもできる。

また、図６は前記モータヨーク３に装着するアウターロータコア４の平面図を示し、アウターロータコア４の各段部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄには、その外周にそれぞれ１２０度ピッチで、突起７０が設けられており、これらの突起７０をモータヨーク４の内周面に設けた前記位置決め溝４１、４２、４３、４４に嵌合することにより、各段部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄを所定の角度に簡単にずらして配置することができる。

また、図６に示すように、非磁性体１１にもその外周面に１２０度ピッチで突起８０が設けられており、同様に前記モータヨーク４の内周面の位置決め溝に前記突起８０を嵌めることにより位置決めが出来る。ただし、この非磁性体１１は必ずしも円周方向位置を正確に位置決めする必要がなく、ガタつきを防止することが目的である。

この実施の形態例１の永久磁石式アウターロータ同期モータは、電気自動車の車輪を駆動するインホイールモータに適している。

１ 永久磁石式アウターロータモータ
２ アウターロータ
３ モータヨーク ４ アウターロータコア
４ａ 第１段部 ４ｂ 第２段部
４ｃ 第３段部 ４ｄ 第４段部
５ 永久磁石 ６ ステータ
７ ティース ８ コイル
δ ステータ外周面とアウターロータ内周面とのギャップ
９ 回転軸 １０ ボルト
１１ 非磁性体 １１ａ 非磁性体
１１ｂ 非磁性体 １１ｃ 非磁性体
４１ 第１段部位置決め溝 ４２ 第２段部位置決め溝
４３ 第３段部位置決め溝 ４４ 第４段部位置決め溝
６１ 第１段部位置決め溝 ６２ 第２段部位置決め溝
６３ 第３段部位置決め溝 ６４ 第４段部位置決め溝
６５ 第５段部位置決め溝 ６６ 第６段部位置決め溝
７０ 突起 ８０ 突起
Ｌｃ アウターロータコアの全幅 Ｌｇ 非磁性体の厚さ

Claims (4)

1. コイルを巻回した複数のティースから成るステータと、永久磁石を埋設したアウターロータとを有し、当該アウターロータのロータコアを複数の段部に分割してスキューを施した構成にした永久磁石式アウターロータにおいて、
   前記複数の段部を、位置決め機構により各段部間を周方向に所定のピッチで位置決めすると共に、各段部間に非磁性体を介在させ、
   その非磁性体の厚さを、ステータ外周面とアウターロータ内周面とのギャップの２．５倍から４．２倍の間に設定したことを特徴とする、永久磁石式アウターロータ同期モータ。
2. 前記永久磁石の極数を１２とし、前記ステータのティース数を１８とすると共に、その極数及びティース数の最小公倍数で決まる基本波に４段スキューを施したことを特徴とする、請求項１に記載の永久磁石式アウターロータ同期モータ。
3. 前記位置決め機構を、前記モータヨークの内周面に前記所定のピッチで形成した溝と、前記ロータコアの各段部の外周部に形成され、当該溝に嵌合する突起とによって構成したことを特徴とする、請求項１又は２に記載の永久磁石式アウターロータ同期モータ。
4. 前記永久磁石式アウターロータ同期モータは、電気自動車の車輪を駆動するインホイールモータであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の永久磁石式アウターロータ同期モータ。