JP2016103936A - アウターロータ型可変界磁式モータ - Google Patents
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Abstract
Description
一般に、前者は直径が大きく偏平型のモータ形状、後者はペンシル型の細いモータ形状のものが多い。電気自動車を例にとると、前者は坂道を重い荷物を積んで登る車の動力として好都合なモータ特性である。しかし、変速機等がなければ、負荷が軽い平坦な道路でも、スピードが上がらない。
また、後者は平坦な道を高速で走る車の動力として好都合なモータ特性である。しかし、こちらも変速機等がなければ、急な坂道を登る際や急加速をする際など車の推進力が不足する。
通常、ブラシ付きDCモータの界磁は永久磁石で構成される。しかし、図17で示すように界磁を電磁石式にして電機子コイル101と界磁コイル102を直列に接続すると、回転速度の上昇にともなって自動的に可変界磁(弱め界磁)する機能をもたせることができる。電機子コイル101と界磁コイル102を直列に接続するこの方式のモータを、直巻きモータと言う。この他に、電機子コイル101と界磁コイル102を並列に接続する分巻きモータや、界磁コイルの一方だけを直列に接続し、残る一方を電機子コイルと並列に接続した複巻きモータと呼ばれるモータがある。また、電機子コイルと界磁コイルを独立して接続する他励磁式のモータもある。ここでは、図17の直巻きモータについて説明する。
図17に示す直巻きモータにはブラシ103や整流子104があるため、経時変化(摩耗や劣化)が大きい。また、図17に示す直巻きモータは、回転速度の上昇によって自動的に弱め界磁する方式である。
またさらに、特許文献1の可変界磁モータは、インナーロータ型でIPM(埋込磁石型)のため、モータ重量当たりのトルクは小さい。一般に、インナーロータ型のモータは高速回転、低トルク特性のものが多い。インナーロータ型のモータはトルクを大きくするために減速機を使うか、ロータとステータの直径を大きくする必要がある。
このように、特許文献1の可変界磁モータは、カムとカムフォロアが中心軸付近にあるためカムの周長が短く、変位量(リフト量)を大きくできない。変位量(リフト量)が大きいと、圧力角が大きくなりカムフォロア(特許文献1では、ピン)に過大な力が加わるため、ピンとカムが著しく摩耗する。
特許文献3、特許文献6、特許文献7、特許文献8、特許文献4等はステータを動かす構造のため電線が屈曲疲労し破断することがある。
前記アウターロータの前記モータ軸方向のスライド運動は、外側ロータ本体に設けられたカム面と、前記モータ軸と平行に配置された弾発機構によりモータ軸方向にスライドする内側ロータ本体の軸方向位置を制御することにある。
前記内側ロータ本体に、前記外側ロータ本体のカムのカム面に沿って移動する前記カムフォロアを複数個配置したことにある。
前記カム面形状は、前記モータ軸方向に谷を設けた略V字形状としたことにある。
前記カム面形状は、前記モータ軸方向に谷を設けた略V字形状の最上点に、前記カムフォロアを係止するストッパ構造を設けたことにある。
アウターロータ型は、ヨーク(磁路)の内側に磁石を直接設置(接着)するSPM(表面磁石型)構造でも、磁石に加わる遠心力が外側(ヨーク側)に向くので、高速回転時にも遠心力による磁石の脱落がない。その点、SPM(表面磁石型)のインナーロータ型は、脱落防止用リングが磁石の外側に必要となる。
電気自動車や電動バイク等の動力源として、低回転速度で高トルク特性から高回転速度で低トルク特性へと負荷トルクの大きさに合わせて自動的に、しかも無段階に特性を変える可変界磁機能をもつ電動モータを提供することができる。
図1は、ブラシレスモータに適用した正逆回転方向ともに負荷トルクの大きさに合わせて自動的に可変界磁する開放型のアウターロータ型可変界磁式モータの構造を示したものである。図2は図1のアウターロータ型可変界磁式モータのカムとカムフォロアの作用によって内側ロータ本体が移動した状態を示す図である。図1は、モータ軸が受ける負荷トルクの大きさが最大トルクの25%程度以下の時のステータに対する内側ロータ本体と外側ロータ本体との位置関係、自動車では4速状態の位置を示している。また、図2は、モータ軸が受ける負荷トルクの大きさが最大トルクの100%程度以上の時のステータに対する内側ロータ本体と外側ロータ本体との位置関係、自動車では1速状態の位置を示している。
図示左側の回転軸受2は、モータ本体1に対しモータ軸4を回転だけの1自由度で支える。右側の回転軸受3は、モータ軸4を半径方向にだけ支える。同軸受3は内輪をモータ軸4外周面に摺動可能に配置し、外輪を滑り軸受10の内面側に隙間を置いて組み付けられている。このため、同軸受3は、後述する内側ロータ本体72のスライド運動に伴って、モータ軸方向に可動する。滑り軸受10は右側の回転軸受3の外輪を、隙間をもって摺動可能に支持している。
前記回転軸受2と前記回転軸受3との間には、軸方向に対して付勢力を付与する弾発機構としての複数のコイルバネ11が前記モータ軸4の周囲に円周方向に一定間隔を置いて配置されている。前記コイルバネ11は、図3に示すように前記円筒部1aの内面に配置された一対の円板状のバネ座12に両端部が係止されている。前記一対のバネ座12は前記回転軸受2と前記回転軸受3の間に対向して配置されており、円周方向に一定間隔で配置された前記コイルバネ11の両端部を支持している。前記回転軸受3側に配置されたバネ座12は、回転軸受3の摺動とともに軸方向に摺動可能に配置されている。
このカム73のカム面73aは、略V字形状に形成した谷の底部73bの最下点73Aから両側に徐々に上がる傾斜部73cを形成し、谷の上部73dの最上点73Bでは互いに向かい合う方向の略半円を描くように湾曲したストッパ部73eを形成している。
一方、前記内側ロータ本体72の外周部円筒部72aには、径方向のカムフォロア軸74が正三角形を形成するように各頂点位置に装着されており、このカムフォロア軸74には前記カム面73aに沿って転動して移動するカムフォロア75がそれぞれ装着されている。前記内側ロータ本体72の中心側基端部72bは、リング状の回転滑り軸受76に装着されており、この回転滑り軸受76は軸線上に、前記モータ軸4が挿通されて回転かつ摺動可能に支持されている。この回転滑り軸受76は、図1に示すように右側回転軸受3の内輪右側面と滑り接触し、モータ軸4とは回転と滑り接触する。
14は、前記ステータ5のステータ極歯51a相互間に配設された回転位置検出用磁気センサであり、この回転位置検出用磁気センサ14は、ステータ5に対する内側ロータ本体72の回転方向の位置を検出する。内側ロータ本体72のモータ軸方向の位置は検出しない。図1および図2に示すように、内側ロータ本体72がモータ軸方向にスライドしても、全域においてステータ5に対する内側ロータ本体72の回転方向の位置を検出することができる。15は前記回転軸受2,3間にできた空気室の体積変化に伴う圧力変動を、大気に逃がし緩和するための通気口である。
前記磁石6は、図4に示すように、ヨーク(磁路)63の内側に設置されており、半径方向に着磁されている。前記ヨーク63は、内側ロータ本体72の内側に設置されている。表面磁石型のアウターロータ型の磁石は、インナーロータ型の磁石に比べて、遠心力等で脱落することが少ないので脱落防止リングは不要なことが多い。このことから、磁石6はステータコア51に半径方向に、より接近できる。このため、発生する最大トルクも大きくなる。
前記内側ロータ本体72の内側に、磁石6とヨーク(磁路)63を、外周にはカムフォロア75を一定間隔で3個設置する。前記内側ロータ本体72は、図1および図2に示すように、コイルバネ11とバネ座12によって中心付近を同図の右方向に押される。前述のように、3組のカム73とカムフォロア75は、モータを正面から見て正三角形に配置する。
このことにより、内側ロータ本体72は三脚が安定して立つように、外側ロータ本体71(3か所のカム面)に支えられて安定して回転とスライドの相対運動をする。内側ロータ本体72の半径方向の位置決めを、図1と図4に示すようにモータ軸4に隙間をもたせて嵌合した回転滑り軸受3によって行う。
内側ロータ本体72は、モータ軸4(外側ロータ本体71と一体になっている)が受ける負荷トルクの大きさによって、外側ロータ本体71との相対的な回転方向の位置が変わる。この時、外側ロータ本体71と内側ロータ本体72に設けたカム73とカムフォロア75の作用によって内側ロータ本体72は、外側ロータ本体71に対してモータ軸方向の位置も変わる。
図1の例では、モータ軸4が受ける負荷トルクの大きさが最大トルクの25%程度以下の時に、内側ロータ本体72は外側ロータ本体71に最も接近した状態にある。図6から図9にも、負荷トルクが25%程度以下から100%以上のトルクを受ける時のステータコア51に対する相対的な磁石6の位置として示す。図6から図9では、最も高速の4速状態(図6参照)から3速状態(図7参照)、2速状態(図8参照)から1速状態(図9参照)と、4段階の状態を示している。この場合、内側ロータ本体72はモータ軸4に加わる負荷トルクの大きさによってモータの軸方向に無段階にスライドしているので、磁石6とステータコア51の重なり代が無段階に変わる。この4段階の時の、誘導起電圧を図10〜図13に示している。このことにより、モータは無段階で自動的に可変界磁する。
前述のようにコイルバネ11は、外側ロータ本体71の外周部に設置したカム73に、内側ロータ本体72の外周に設置したカムフォロア75を押し付ける。コイルバネ11の力は、図1に示すように、コイルバネ11、右側のバネ座12、右側の回転軸受3の内輪、回転滑り軸受76、内側ロータ本体72、カムフォロア75、カム73、外側ロータ本体71、モータ軸4、左側の回転軸受2の右側の軸止め輪22、左側のバネ座12と伝わり、力はコイルバネ11に戻っている(力は閉じている)。このようにコイルバネ11の力は、モータ軸4の回転を支える両回転軸受2,3に対しスラスト力として働かないので、コイルバネ11の力は直接にはモータ軸4の回転負荷抵抗にはならない。図3に示すように、コイルバネ11はモータ軸4の周りに複数本(図3では、6本の例を示す)並べて設置する。コイルバネ11を複数本に分けることにより、バネ加重を分担することができ、コイルバネ11の線径を小さくできる。図1に示すように密着長さが小さい場合でも、個々のコイルバネ11の巻数を多くすることができるため、より広い範囲でバネ定数を設定できる。また、コイルバネ11を設置する空間の利用効率も上がる。コイルバネ11は両端をバネ座12に設けた座グリ穴によって支持される。コイルバネ11の力はバネ座12でまとめられ、モータ軸4に近い部分に設けた突起(座)により、モータ軸4に近い部分で次部品に伝えることができる。
図1に示すように、ステータ5とアウターロータ7との間に生じる回転磁界によりアウターロータ7が回転し、モータ軸4に直結している外側ロータ本体71の回転がモータ軸4に伝わり、モータ軸4に組み付けられた負荷が駆動される。負荷が自動車であれば、モータ軸4の回転が車輪に伝わり、走行が開始される。アウターロータ7は内側ロータ本体72の回転がカム73とカムフォロア75を介して外側ロータ本体71に伝わり、モータ軸4が駆動される。
モータ軸4に負荷が加わると、モータ軸4に直結している外側ロータ本体71と、回転滑り軸受76に取り付けられている内側ロータ本体72との間に、回転に伴うずれが生じ、内側ロータ本体72のカムフォロア75が外側ロータ本体71のカム73のカム面73aに沿って回動して内側ロータ本体72を軸方向に移動させる。内側ロータ本体72は、コイルバネ11の付勢力に抗して図6から図9へと順次移動する。この時の誘導起電圧の波形を図10から図13に示している。
このように、図6から図9に示すように、コイルバネ11とカム73とカムフォロア75によってステータコア51と磁石6との相対的な重なり代を変えることにより、誘導起電圧定数(トルク定数)を変え、モータの特性(図16のT−N線の傾き)を変えている。
こうして、図1に示された、コイルバネ11とカム73とカムフォロア75によって、正、逆回転方向ともに、負荷トルクの大きさに合わせて自動的に可変界磁する(変速する)アウターロータ型ブラシレスモータの機能と構造を形成することができる。
モータ軸4を支持する回転軸受2,3に、前述のコイルバネ11によるスラスト荷重は加わらない。このことにより、可変界磁機能を付加したことによる回転抵抗の増加はない。
内側ロータ本体72のイナーシャ(慣性モーメント)が小さいため、起動時の可変界磁機能の立ち上がりが早い。このことにより、モータ起動時に、もしモータ軸4に加わる負荷トルクが大きく外側ロータ本体71の回転の立ち上がりが遅れても、可変界磁効果がより早く表れるためトルク定数がより急速に大きくなり、モータ軸4の立ち上がりが早くなる。
内側ロータ本体72だけがモータの内側でモータ軸方向にスライドするため、モータの全長は変化しない。
ステータコア51部、基板8、磁石6とヨーク(磁路)等を樹脂により被覆またはモールドすることにより防滴など耐環境性が向上する。
外側ロータ本体71と内側ロータ本体72を設けることで、いわゆる可変界磁機能をアウターロータ7とステータ5の(モータ軸方向の)重なり代を変える方法で実現しながら、ステータ5も外側ロータ本体71も(モータ軸方向に)移動させていない。
モータ軸4、コイルバネ11、滑り軸受10、ステータコア51、内側ロータ本体72の回転位置検出用磁気センサ14、磁石6、ヨーク(磁路)63、カムフォロア75、カム73等、機能部品を半径方向に重ねて配置することで偏平で高トルクなアウターロータ型ブラシレスモータ構造を実現している。
図15の上半分は、図1と同一のモータ軸4が受ける負荷トルクの大きさが最大トルクの25%程度以下の時を表している。また、図15の下半分は、図2と同一のモータ軸4が受ける負荷トルクの大きさが100%以上のトルクを受ける時を表している。
モータ本体1は、モータ本体前部16とモータ本体後部17とで構成され、外周部に設けられた外周筒部16aと外周筒部17aをネジ18により締結して密封型モータが構成されている。モータ本体後部17には、中央部にボス部17bが設けられ、このボス部17b内に回転軸受32を配置して密封構造を作成している。
このように、密封型モータは、図1の開放型モータに比べて基本的な性能や機能は同等である上、モータ本体1を密封構造としていることから水や埃などに対して耐環境性が高い。
また、回生制動の際にも負荷トルク(この時は、制動トルク)の大きさに合わせて自動的に可変界磁する。このため、低速回転の状態でも回生電力をより効果的に回収できる。
また、外側ロータ本体71と内側ロータ本体72、ステータ5、バネ11、モータ軸4を径方向に配置して厚み部分を扁平型に形成しているので、起動時に高トルクが出る。しかも可変界磁することで高速回転もできる。
さらに、開放型のモータは、空冷の効果が高く、また、軽いので、重量当たりの出力を大きくできる。
一方、密封型のモータは、耐環境性が高いので、電気自動車や電動バイクのような、使用条件が厳しい場所で使用することができる。
また、可変界磁の際に、内側ロータ本体72だけがモータの内側でモータ軸方向にスライドすることから、可変界磁の際にも、モータの全長は変化しない。モータの重心の変化も少ない。
さらに、可変界磁の際に、ステータコイル53がモータ軸方向にスライド(可動)しないので、電線13が屈曲疲労しない。
またさらに、負荷トルクの大きさに合わせて自動的に可変界磁する機能をつくるためのバネ11の力は、ロータ7内で閉じている。すなわち、バネ11の力は、モータ軸4の回転を支える両回転軸受2,3に対しスラスト力として働かない。よって、バネ11の力はモータ軸4の直接の回転負荷抵抗にはならないため、モータの損失にはならない。
その他、本発明の技術的範囲を変更しない範囲内で適宜、変更して実施し得ることは言うまでもない。
1a 円筒部
2 回転軸受
3 回転軸受
4 モータ軸
5 ステータ
6 磁石
7 アウターロータ
8 基板
9 ネジ
10 滑り軸受
11 コイルバネ
12 バネ座
13 電線
14 回転位置検出用磁気センサ
15 通気口
16 モータ本体前部
17 モータ本体後部
18 ネジ
53 ステータコイル
63 ヨーク(磁路)
71 外側ロータ本体
72 内側ロータ本体
73 カム
74 カムフォロア軸
75 カムフォロア
76 回転滑り軸受
Claims (5)
- ステータに対して該ステータの径方向外側に配置されたアウターロータをモータ軸方向にスライド運動させて可変界磁を行うアウターロータ型可変界磁式モータにおいて、
前記アウターロータを、モータ軸方向にスライドする内側ロータ本体と、外側ロータ本体との分割構造とし、前記内側ロータ本体にカムフォロアを配置するとともに前記外側ロータ本体に軸方向のカム面を形成し、前記カムフォロアをモータ軸に加わる負荷に応じて前記カム面に沿って移動可能に構成し、前記アウターロータをステータに対して前記モータ軸方向に実質的にスライド運動させることを特徴とするアウターロータ型可変界磁式モータ。 - 前記アウターロータの前記モータ軸方向のスライド運動は、外側ロータ本体に設けられたカム面と、前記モータ軸と平行に配置された弾発機構によりモータ軸方向にスライドする内側ロータ本体の軸方向位置を制御することを特徴とする請求項1に記載のアウターロータ型可変界磁式モータ。
- 前記内側ロータ本体に、前記外側ロータ本体のカムのカム面に沿って移動する前記カムフォロアを複数個配置したことを特徴とする請求項1または2に記載のアウターロータ型可変界磁式モータ。
- 前記カム面形状は、前記モータ軸方向に谷を設けた略V字形状としたことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載のアウターロータ型可変界磁式モータ。
- 前記カム面形状は、前記モータ軸方向に谷を設けた略V字形状の最上点に、前記カムフォロアを係止するストッパ構造を設けたことを特徴とする請求項4に記載のアウターロータ型可変界磁式モータ。
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