JP2020137350A - アキシャルギャップモータ - Google Patents

Abstract

【課題】高回転時に発生する逆起電力を抑制することのできるアキシャルギャップモータを提供する。【解決手段】ロータは、当該ロータの回転軸を中心に複数の磁性体が環状に配置されたロータ部を複数備える。複数のロータ部には、第１のロータ部と、第１のロータ部の外側又は内側に配置された第２のロータ部と、が含まれる。第２のロータ部に配置された磁性体は、ステータに対して作用する磁力が第１のロータ部に配置された磁性体よりも弱くなるように構成された磁性体である。ステータは、第１のロータ部と対向するように複数のコイルが環状に配置される第１のステータ部と、第２のロータ部と対向するように複数のコイルが環状に配置される第２のステータ部と、を備える。第１のステータ部に配置されたコイルへの通電経路と、第２のステータ部に配置されたコイルへの通電経路と、は独立している。【選択図】図４

Description

本開示は、アキシャルギャップモータに関する。

回転軸方向において間隙を持って対向するように配置されたステータとロータとを備えるアキシャルギャップモータが知られている。
例えば、特許文献１には、ロータに永久磁石が周方向に複数配置され、ステータにコイルが周方向に複数配置されたアキシャルギャップモータが開示されている。このアキシャルギャップモータでは、通電されることによりコイルに発生する磁場と、永久磁石の磁場と、が互いに影響を及ぼし合うことにより、ロータがステータに対して回転する。

特開２００９−２１９１９４号公報

しかしながら、上述したアキシャルギャップモータでは、ロータが回転することにより、ロータの永久磁石の磁束に起因して、ステータのコイルに逆起電力が発生する。この逆起電力は、ロータの回転が増加するに伴い増大する。このため、高回転時に回転力の損失が生じ、アキシャルギャップモータの出力効率が低下するという問題があった。

本開示の一局面は、高回転時に発生する逆起電力を抑制することのできるアキシャルギャップモータを提供することを目的としている。

本開示の一態様は、アキシャルギャップモータであって、ステータと、ロータと、を備える。ロータは、ステータに対して回転可能に設けられる。また、ロータは、当該ロータの回転軸を中心に複数の磁性体が環状に配置されたロータ部を複数備え、複数のロータ部には、第１のロータ部と、第１のロータ部の外側又は内側に配置された第２のロータ部と、が含まれる。第２のロータ部に配置された磁性体は、ステータに対して作用する磁力が第１のロータ部に配置された磁性体よりも弱くなるように構成された磁性体である。ステータは、第１のステータ部と、第２のステータ部と、を備える。第１のステータ部は、第１のロータ部と対向するように複数のコイルが環状に配置される。第２のステータ部は、第２のロータ部と対向するように複数のコイルが環状に配置される。第１のステータ部に配置されたコイルへの通電経路と、第２のステータ部に配置されたコイルへの通電経路と、は独立している。

このような構成では、第１のステータ部に配置されたコイルが通電されると、第１のロータ部が用いられた回転制御が行われる。また、第２のステータ部に配置されたコイルが通電されると、第２のロータ部が用いられた回転制御が行われる。したがって、例えば高回転時には第２のステータ部に配置されたコイルにのみ通電されるように制御することで、高回転時に発生する逆起電力を抑制することができる。

本開示の一態様では、第１のロータ部は、第２のロータ部の外側に配置されてもよい。このような構成によれば、第１のステータ部に配置されたコイルが通電されることにより生じるトルクを高くすることができる。

本開示の一態様では、第１のロータ部に配置された磁性体として永久磁石が用いられ、第２のロータ部に配置された磁性体として軟磁性体が用いられてもよい。これにより、第２のロータ部に配置された磁性体として永久磁石が用いられる構成と比較して、第２のステータ部に配置されたコイルにのみ通電された状態で発生する逆起電力を一層抑制することができる。

本開示の一態様では、ロータとステータとの間には、第１のロータ部に配置された磁性体と第２のステータ部に配置されたコイルとの間で磁場を遮るための遮蔽部を有してもよい。これにより、第１のロータ部に配置された磁性体の磁場が、第２のステータ部に配置されたコイルへ影響することを抑制することができる。

本開示の一態様では、ロータは、複数のロータ部として、第１のロータ部及び第２のロータ部のみを備えてもよい。このような構成によれば、３つ以上のロータ部を備える構成と比較して、簡易な構成とすることができる。

アキシャルギャップモータを模式的に示す斜視図である。 回転軸と垂直な平面を切断面とするロータの断面図である。 回転軸と垂直な平面を切断面とするステータの断面図である。 回転軸を含む平面を切断面とするアキシャルギャップモータの断面図である。 モータ制御システムの構成を示すブロック図である。 ２種類の回転制御モードのトルク特性を示すグラフである。 他の実施形態の遮蔽部を示す拡大断面図である。

以下、本開示の例示的な実施形態について図面を参照しながら説明する。
［１．アキシャルギャップモータの構成］
図１に示すアキシャルギャップモータ１００は、ステータ１と、ロータ２と、ロータ軸３と、を備える。

ステータ１は、円盤状に形成され、ロータ軸３が貫通する貫通孔４を中心部に有している。
ロータ２は、円盤状に形成され、その中心を貫通するロータ軸３に固定されている。ロータ２及びロータ軸３は、ステータ１に対して回転可能に設けられている。

ステータ１及びロータ２は、ロータ２の回転軸Ａの方向において間隙５を持って対向するように配置されている。
図２に示すように、ロータ２は、回転軸Ａを中心に複数の磁性体が環状に配置されたロータ部を２つ備える。本実施形態では、ロータ２は、２つのロータ部として、第１のロータ部２１と、第２のロータ部２２と、を備える。

第１のロータ部２１は、第２のロータ部２２の外側に配置されている。第１のロータ部２１には、磁性体として永久磁石２１１が配置されている。具体的には、第１のロータ部２１では、回転軸Ａ方向にＮ極とＳ極が配置され、周方向において隣り合う永久磁石２１１が互いに逆の極性となるように、Ｎ極とＳ極とが等間隔で交互に配置されている。

第２のロータ部２２には、磁性体として軟磁性体２２１が配置されている。本実施形態では、軟磁性体２２１として鉄が用いられている。
図３に示すように、ステータ１は、回転軸Ａを中心に複数のコイルが環状に配置されたステータ部を２つ備える。具体的には、ステータ部には、回転軸Ａを中心に複数の磁心が環状に配置されており、各磁心の周囲にコイルが巻かれている。なお、本実施形態では、磁心として鉄が用いられている。

本実施形態では、ステータ１は、２つのステータ部として、第１のステータ部１１と、第２のステータ部１２と、を備える。第１のステータ部１１は、第１のロータ部２１と対向するように配置される。第２のステータ部１２は、第２のロータ部２２と対向するように配置される。

第１のステータ部１１は、第２のステータ部１２の外側に配置されている。第１のステータ部１１には、複数のコイル１１１が環状に配置されている。以下、第１のステータ部１１に配置されたコイル１１１を第１のコイル１１１という。第２のステータ部１２にも同様に、複数のコイル１２１が環状に配置されている。以下、第２のステータ部１２に配置されたコイル１２１を第２のコイル１２１という。なお、詳細は後述するが、第１のコイル１１１への通電経路と、第２のコイル１２１への通電経路と、は独立している。

図４に示すように、ステータ１とロータ２との間に形成される間隙５は、永久磁石２１１と第２のコイル１２１との間で磁場を遮るための遮蔽部５３を有する。
遮蔽部５３は、ステータ１におけるロータ２と対向する側の面に形成された第１の段部１３と、ロータ２におけるステータ１と対向する側の面に形成された第２の段部２３と、により形成される。第１の段部１３は、第１のステータ部１１と第２のステータ部１２との間において、第２のステータ部１２側が第１のステータ部１１側よりも凹んだ部分である。第２の段部２３は、第１のロータ部２１と第２のロータ部２２との間において、第２のロータ部２２側が第１のロータ部２１側よりもステップ状に突出した部分である。第１の段部１３及び第２の段部２３は、回転軸Ａを中心とする円に沿って全周に形成されている。

［２．モータ制御システム］
上述したアキシャルギャップモータ１００は、図５に示すように、例えば車両に搭載されるモータ制御システム５００に用いられる。本実施形態では、アキシャルギャップモータ１００は、車両の走行用駆動源として、車両の駆動輪を回転させるように構成されている。モータ制御システム５００は、アキシャルギャップモータ１００、インバータ２００、位置センサ３００及び制御装置４００を備える。

インバータ２００は、図示しないバッテリから供給される直流電力を三相電流に変換し、第１のステータ部１１及び第２のステータ部１２のそれぞれに独立して供給する電力変換装置である。

位置センサ３００は、ステータ１に対するロータ２の相対的な回転位置を検出するセンサである。
制御装置４００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有する周知のマイクロコンピュータを中心に構成される。制御装置４００は、位置センサ３００から取得した回転位置を表す信号に基づいてインバータ２００を制御することにより、アキシャルギャップモータ１００の駆動を制御する。

具体的には、制御装置４００は、アキシャルギャップモータ１００の駆動開始後、回転位置を表す信号に基づき算出されたロータ２の単位時間当たりの回転数が所定の回転数未満であると判定した場合、第１のステータ部１１にのみ電流が供給されるようにインバータ２００を制御する。これにより、第１のコイル１１１が通電され、第１のコイル１１１に発生する磁場の極と、永久磁石２１１の磁極と、の吸引及び反発によるマグネットトルクによって、ロータ２が回転する。つまり、ロータ２の単位時間当たりの回転数が所定の回転数未満の間は、第１のロータ部２１を用いた周知の三相交流モータの制御方法により回転制御が行われる。

一方、制御装置４００は、ロータ２の単位時間当たりの回転数が所定の回転数以上であると判定した場合、電流の供給を第１のステータ部１１から第２のステータ部１２へ切り替え、第２のステータ部１２にのみ電流が供給されるようにインバータ２００を制御する。これにより、第２のコイル１２１が通電され、第２のコイル１２１に発生する磁場の極と、軟磁性体２２１の極と、の吸引によるリラクタンストルクによって、ロータ２が回転する。つまり、ロータ２の単位時間当たりの回転数が所定の回転数に達してからは、第２のロータ部２２を用いた周知のスイッチトリラクタンスモータの制御方法により回転制御が行われる。

なお、電流の供給を第２のステータ部１２から第１のステータ部１１へ切り替える場合の回転数の閾値は、電流の供給を第１のステータ部１１から第２のステータ部１２へ切り替える場合の回転数の閾値よりも低い値が用いられてもよい。

［３．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（３ａ）本実施形態では、アキシャルギャップモータ１００が、第１のコイル１１１にのみ通電される第１の回転制御モード、及び、第２のコイル１２１にのみ通電される第２の回転制御モード、の２種類の回転制御モードで回転制御可能に構成されている。そして、低回転時には第１の回転制御モードで回転制御が行われる。一方、高回転時には第２の回転制御モードで回転制御が行われる。したがって、低回転時のトルクを高くしつつ、高回転時の逆起電力を抑制することで高い回転数を実現することができる。

この効果について図６を用いて説明する。図６には、第１の回転制御モードでのトルク特性Ｂ１と、第２の回転制御モードでのトルク特性Ｂ２と、が示されている。第２の回転制御モードでは、第１の回転制御モードと比較して、逆起電力の発生が抑制されるため、より高い回転数が実現される。本実施形態では、ロータ２の単位時間当たりの回転数が回転数ｋ１未満である場合、第１の回転制御モードで回転制御が行われる。したがって、第２の回転制御モードで回転制御が行われる構成と比較して、低回転時に生じるトルクを高くすることができる。また、ロータ２の単位時間当たりの回転数が回転数ｋ１以上である場合、第２の回転制御モードで回転制御が行われる。したがって、第１の回転制御モードで回転制御が行われる構成と比較して、高い回転数を実現することができる。なお、第１の回転制御モードと第２の回転制御モードとを切り替える基準となる切替回転数は回転数ｋ１以外であってもよい。例えば、回転数ｋ１以上回転数ｋ２未満の範囲において効率等の観点で好ましい切替回転数が設定されてもよい。

（３ｂ）本実施形態では、第１のロータ部２１は、第２のロータ部２２の外側に配置される。したがって、第１のコイル１１１が通電されることにより生じるトルクを高くすることができる。

（３ｃ）本実施形態では、第１のロータ部２１に配置された磁性体として永久磁石２１１が用いられ、第２のロータ部２２に配置された磁性体として軟磁性体２２１が用いられる。これにより、第２のロータ部２２に配置された磁性体として永久磁石が用いられる構成と比較して、第２のコイル１２１にのみ通電された状態で発生する逆起電力を一層抑制することができる。

（３ｄ）本実施形態では、間隙５が、永久磁石２１１と第２のコイル１２１との間で磁場を遮るための遮蔽部５３を有する。具体的には、間隙５における永久磁石２１１近傍の部分と第２のコイル１２１近傍の部分とが直線的に連通した形状とならないように構成されている。このため、間隙５が遮蔽部５３を有しない構成と比較して、永久磁石２１１の磁場が第２のコイル１２１へ影響することを抑制することができる。したがって、第２の回転制御モードにおいて永久磁石２１１の磁束に起因して第２のコイル１２１に発生する逆起電力を一層抑制することができる。

（３ｅ）本実施形態では、ロータ２は、複数のロータ部として、第１のロータ部２１及び第２のロータ部２２のみを備える。したがって、３つ以上のロータ部を備える構成と比較して、簡易な構成とすることができる。

［４．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。

（４ａ）上記実施形態では、第１のロータ部２１に永久磁石２１１が配置され、第２のロータ部２２に軟磁性体２２１が配置されている構成を例示したが、第２のロータ部２２に配置されている磁性体は軟磁性体２２１に限定されるものではない。例えば、第２のロータ部２２には、磁性体として、ステータ１に対して作用する磁力が永久磁石２１１よりも弱い永久磁石が配置されていてもよい。具体的には、例えば、第２のロータ部２２には、永久磁石２１１よりも発生する磁力自体が弱い永久磁石が配置されていてもよい。また例えば、第２のロータ部２２には、永久磁石２１１と同じ磁力を持つ永久磁石が、当該永久磁石の露出を永久磁石２１１よりも少なくすることなどによって、ステータ１に対して作用する磁力が弱くなるように配置されていてもよい。

（４ｂ）上記実施形態では、第１のステータ部１１及び第２のステータ部１２に対する電流の供給の切り替えが、ロータ２の単位時間当たりの回転数に基づき行われていたが、電流の供給の切り替えは、例えば出力効率に基づき行われるようにしてもよい。

（４ｃ）上記実施形態では、第１のステータ部１１にのみ電流が供給される又は第２のステータ部１２にのみ電流が供給されるようにインバータ２００が制御される構成を例示した。しかし、低回転時においては、第１のステータ部１１及び第２のステータ部１２の両方に電流が供給されるようにインバータ２００が制御されるように構成されていてもよい。

（４ｄ）上記実施形態では、遮蔽部５３は、第１の段部１３と第２の段部２３とにより形成されていたが、遮蔽部５３の形状はこれに限定されるものではない。例えば、図７に示すように、回転軸を含む平面を切断面とする断面形状がＵ字状の遮蔽部５４であってもよい。遮蔽部５４は、ステータ１におけるロータ２に対向する側の面に形成された突出部１４と、ロータ２におけるステータ１と対向する側の面に形成された凹み部２４と、により形成される。

（４ｅ）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。

１…ステータ、２…ロータ、３…ロータ軸、４…貫通孔、５…間隙、１１…第１のステータ部、１２…第２のステータ部、１３…第１の段部、１４…突出部、２１…第１のロータ部、２２…第２のロータ部、２３…第２の段部、２４…凹み部、５３，５４…遮蔽部、１００…アキシャルギャップモータ、１１１…第１のコイル、１２１…第２のコイル、２００…インバータ、２１１…永久磁石、２２１…軟磁性体、３００…位置センサ、４００…制御装置、５００…モータ制御システム、Ａ…回転軸、Ｂ１，Ｂ２…トルク特性。

Claims (5)

1. ステータと、
   前記ステータに対して回転可能に設けられたロータと、
   を備え、
   前記ロータは、当該ロータの回転軸を中心に複数の磁性体が環状に配置されたロータ部を複数備え、複数の前記ロータ部には、
   第１のロータ部と、
   前記第１のロータ部の外側又は内側に配置された第２のロータ部と、が含まれ、
   前記第２のロータ部に配置された磁性体は、前記ステータに対して作用する磁力が前記第１のロータ部に配置された磁性体よりも弱くなるように構成された磁性体であり、
   前記ステータは、
   前記第１のロータ部と対向するように複数のコイルが環状に配置された第１のステータ部と、
   前記第２のロータ部と対向するように複数のコイルが環状に配置された第２のステータ部と、を備え、
   前記第１のステータ部に配置されたコイルへの通電経路と、前記第２のステータ部に配置されたコイルへの通電経路と、が独立している、アキシャルギャップモータ。
2. 請求項１に記載のアキシャルギャップモータであって、
   前記第１のロータ部は、前記第２のロータ部の外側に配置される、アキシャルギャップモータ。
3. 請求項１又は請求項２に記載のアキシャルギャップモータであって、
   前記第１のロータ部に配置された磁性体として永久磁石が用いられ、前記第２のロータ部に配置された磁性体として軟磁性体が用いられる、アキシャルギャップモータ。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のアキシャルギャップモータであって、
   前記ロータと前記ステータとの間には、前記第１のロータ部に配置された磁性体と前記第２のステータ部に配置されたコイルとの間で磁場を遮るための遮蔽部を有する、アキシャルギャップモータ。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のアキシャルギャップモータであって、
   前記ロータは、複数の前記ロータ部として、前記第１のロータ部及び前記第２のロータ部のみを備える、アキシャルギャップモータ。

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