JP5751794B2

JP5751794B2 - 電気式乗物のための牽引モータ

Info

Publication number: JP5751794B2
Application number: JP2010229050A
Authority: JP
Inventors: フェンキンルイ; ジンゾウチャン; ヤンリン
Original assignee: ジョンソンエレクトリックソシエテアノニム
Priority date: 2009-09-18
Filing date: 2010-09-21
Publication date: 2015-07-22
Anticipated expiration: 2030-09-21
Also published as: US9178395B2; CN102025248A; JP2011067089A; DE102010045777B4; DE102010045777A1; CN102025248B; US20110068652A1

Description

本発明は、電気モータに係り、より詳細には、電気式乗物のための牽引モータに係る。電気駆動式乗物とも称される電気式乗物（ＥＶ）は、１つ以上の電気モータを推進に使用する乗物である。電気式乗物は、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、電車、電気ボート、電動自転車、等を含む。

電気式乗物の牽引モータとして同期モータが広く使用されている。乗物を駆動するために電気的エネルギーが牽引モータにより機械的エネルギーへと変換される。ハイブリッド電気式乗物では、他の形式のエネルギーを、牽引モータにより使用するために電気的エネルギーに変換することができる。

しかしながら、慣習的な牽引モータは、ノイズがあり、効率が低い。それ故、改良された牽引モータが要望される。

従って、１つの態様において、本発明は、電気式乗物のための牽引モータであって、固定子と、固定子に回転可能に装着された回転子とを備え、回転子は、回転子コアと、回転子コアに固定された磁石とを備え、回転子コアは、磁石により形成された２Ｐ個の回転子極を有し、Ｐは、１より大きな整数であり、固定子は、Ｓ個の歯を有する固定子コアと、歯に巻かれた界磁巻線とを備え、Ｓは、３・ｍ・Ｐに等しく、ｍは、相の数であり、各相の界磁巻線は、Ｐ個の巻線ユニットより成り、各巻線ユニットは、直列に接続された第１コイル及び第２コイルを含み、第１コイルは、第２コイルに比してコイルピッチが大きく且つ巻回数が多くされた、牽引モータを提供する。

好ましくは、各巻線ユニットについて、第１コイルの中心は、固定子の半径方向に第２コイルの中心に重畳する。

好ましくは、各巻線ユニットについて、第１コイルの巻回数は、第２コイルの巻回数の２倍である。

好ましくは、各巻線ユニットについて、第１コイルのコイルピッチは、第２コイルのコイルピッチより２つの歯だけ大きい。

好ましくは、Ｐ＝４、Ｓ＝３６、及びｍ＝３である。

好ましくは、各相は、４つの巻線ユニットを備え、それら４つの巻線ユニットは、１つの直列岐路として；又は直列に接続された２つの巻線ユニットを各々含む２つの並列岐路として；或いは１つの巻線ユニットを各々含む４つの並列岐路として；電気的に接続される。

好ましくは、磁石は、回転子コアへ軸方向に挿入される。

好ましくは、固定子と回転子コアとの間にはエアギャップがあり、２つの隣接する回転子極の中心に対応する部分におけるエアギャップの半径方向厚みは、各回転子極の中心に対応する部分におけるエアギャップの半径方向厚みより大きい。

好ましくは、各回転子極は、回転子コアの半径により実質的に二分される１つの磁石片；又は回転子コアの“Ｖ”断面を形成し、この“Ｖ”が回転子コアの半径により実質的に二分されるような２つの磁石片；又は回転子コアの“Ｕ”断面を形成し、この“Ｕ”が回転子コアの半径により実質的に二分されるような３つの磁石片；又は回転子コアの三角形断面を形成し、この三角形が回転子コアの半径により実質的に二分されるような３つの磁石片；或いは回転子の“Ｗ”断面を形成し、この“Ｗ”が回転子コアの半径によって二分されるような４つの磁石片；により形成される。

好ましくは、回転子極の磁石の配列体を二分する半径は、その回転子極の中心に対応する。

好ましくは、各回転子極は、２つ以上の磁石片により形成され、それら磁石片は、回転子コアと一体的に形成されるブリッジ部分により分離される。

好ましくは、回転子コアには複数の軸方向に延びる穴が形成され、これらの穴は、回転子コアの中心の周りに配置される。

以下、添付図面を参照し、本発明の好ましい実施形態を一例として説明する。２つ以上の図に現れる同じ構造物、要素又は部品は、一般的に、それらが現れる全ての図において同じ参照番号で示す。図示されたコンポーネント及び特徴部の寸法は、一般的に、表現の便宜上及び明瞭化のために選択されたものであって、必ずしも正しいスケールで示されていない。

本発明の好ましい実施形態による同期モータの固定子コア及び回転子コアを示す図である。図１の部分拡大図である。同期モータの１つの相の界磁巻線を示す図である。同期モータの全ての界磁巻線を示す図である。同期モータの逆起電力（逆ＥＭＦ）のグラフである。同期モータの高調波のグラフである。同期モータのコギングトルクのグラフである。本発明の別の実施形態によるモータの固定子コア及び回転子コアを示す図である。図８のモータの１つの相の界磁巻線を示す図である。本発明の第３の実施形態によるモータの固定子コア及び回転子コアを示す図である。図１０のモータの１つの相の界磁巻線を示す図である。回転子磁石の異なる配列を示すモータの固定子コア及び回転子コアを示す図である。回転子磁石の別の配列を示すモータの固定子コア及び回転子コアを示す図である。回転子磁石の別の配列を示すモータの固定子コア及び回転子コアを示す図である。回転子磁石の更に別の配列を示すモータの固定子コア及び回転子コアを示す図である。

本発明の好ましい実施形態による同期モータが図１から４に示されている。同期モータは、永久磁石回転子と、３相巻線固定子とを有する。同期モータは、好ましくは、電気式乗物の牽引システムに使用されて、電気的エネルギーを牽引モータとして機械的エネルギーに変換するか、又は機械的エネルギーを発電機として電気的エネルギーに変化する。

このモータは、固定子と、固定子に回転可能に装着された回転子とを備えている。図１及び２は、固定子コア及び回転子コアを示す。回転子は、シャフト（図示せず）、シャフトに固定された回転子コア３０、及び回転子コア３０に固定された複数の磁石３４を備えている。これらの磁石により８個の回転子極が形成され、各回転子極は、磁石３４の対により形成される。特許請求の範囲を含む本明細書において、回転子極対の数を表すのにＰが使用される。この実施形態では、２Ｐが８に等しく、従って、Ｐは４に等しい。

磁石３４は、回転子コアの対応装着穴３３内に配設される。磁石は、回転子の軸方向に装着穴へ挿入される。磁石３４の１６個の断片があり、磁石３４の各対が１つの回転子極を形成する。磁石３４の各対は、回転子の“Ｖ”断面を形成する。この“Ｖ”は、回転子の半径によって実質的に二分される。この半径は、好ましくは、回転子極の中心に対応する半径である。図２に明瞭に示されるように、１つの回転子極を形成する２つの磁石３４は、回転子コア３０と一体的に形成されたブリッジ部分３２により分離される。Ｖの開口は、固定子コア４０を向いている。ブリッジ部分３２は、２つの磁石３４が互いにクラッシュするのを防止する。ブリッジ部分３２は、半径方向に延びて、Ｖ内にコア部分３１を接続し、コア部分３１が遠心力で変形するのを防止する。

更に、回転子コア３０には複数の軸方向に延びる穴３５が形成される。これらの穴３５は、互いに離間され、回転子コア３０の中心の周りに配置される。これらの穴３５は、回転子コア３０の重量を減少する。又、これらの穴３５は、回転子の放熱性を改善する。

固定子は、固定子コア４０及び界磁巻線（１つの相の界磁巻線のみを示す図３を参照）を備えている。固定子コア４０は、ヨーク４１と、ヨーク４１から内方に延びる複数の歯４２とを備えている。歯４２の周りに界磁巻線が巻かれる。固定子コア４０と回転子コア３０との間にはエアギャップ４５があり、回転子が固定子内で回転できるようになっている。この実施形態では、各回転子極の中心に対応する部分４６におけるエアギャップの半径方向厚みは、隣接する回転子極間の中心又は周囲方向中間点に対応する部分４７におけるエアギャップの半径方向厚みより小さい。好ましくは、固定子コア４０の歯４２の極面は、円筒の周囲面に実質的に収容され、そして回転子コア３０は、回転子極の中心（部分４６）の半径が、回転子極間の中間点（部分４７）より大きくなっている。以下に詳細に説明する可変厚みエアギャップを使用することにより、コギングトルク及び逆起電力（逆ＥＭＦ）が改善される。

固定子コア４０は、３６個の歯４２と、２つの隣接する歯４２によって各々形成された３６個の巻線スロットとを備えている。請求の範囲を含む本明細書では、Ｓは、固定子の歯の数を表すのに使用され（これは、巻線スロットの数に等しい）、そしてｍは、相数を表す。Ｓは、式Ｓ＝３・ｍ・Ｐを満足し、Ｐは、１より大きな整数で、回転子極対の数を表し、そしてｍは、相数を表す。この実施形態では、Ｐが４であり、ｍが３である。

１つの相の界磁巻線が図３に示されている。この相について、界磁巻線は、Ｐ個の巻線ユニット５１〜５４を含む。Ｐ個の巻線ユニットは、固定子コア４０の周囲方向に沿って配列され、互いに重畳しない。各巻線ユニットは、第１コイル及び第２コイルを含む。第１コイルのコイルピッチは、第２コイルのコイルピッチより大きい。例えば、巻線ユニット５１は、直列に接続された第１コイル５１ａ及び第２コイル５１ｂを含む。巻線スロット又は歯で測定される第１コイル５１ａのコイルピッチは、５であり、第２コイル５１ｂのコイルピッチは、３である。即ち、第１コイル５１ａのコイルピッチは、第２コイルのコイルピッチより２つの歯だけ大きい。第１コイルの中心は、少なくとも固定子の半径方向に第２コイル５１ｂの中心に重畳する。換言すれば、第１コイル５１ａの中心及び第２コイルの中心は、同じ歯又は同じ巻線スロットに位置される。他の巻線ユニット５２、５３及び５４は、巻線ユニット５１と同様である。

各巻線ユニットについて、第１コイルは、巻回数が第２コイルより多い。好ましくは、第１コイルの巻回数は、第２コイルの巻回数の２倍である。この実施形態では、モータは、３つの相を含み、各相は、４つの巻線ユニットを含み、これら４つの巻線ユニットは、２つの並列岐路として電気的に接続され、各並列岐路は、直列に接続された２つの巻線ユニットを含む。例えば、巻線ユニット５１及び２２は、並列岐路の１つとして直列に接続され、巻線ユニット５３及び５４は、他の並列岐路として直列に接続される。或いは又、各相について、４つの巻線ユニットは、１つの直列岐路として又は４つの並列岐路として電気的に接続することができる。

図４は、固定子の全界磁巻線を示す。図４において、縦線は、歯４２を表し、３６個の巻線スロットがＳ１〜Ｓ３６として各々表される。界磁巻線は、３つの相に分割され、各相は、Ｐ個の巻線ユニットを含む（この例では、Ｐ＝４）。

より詳細には、第１の相は、４つの巻線ユニット５１〜５４を含み、各巻線ユニットは、大きなコイルピッチをもつ第１のコイルと、小さなコイルピッチをもつ第２のコイルとを含む。各巻線ユニットについて、第１コイルの中心は、第２コイルの中心に整列され、第１コイル及び第２コイルは、同心的巻線と称される。巻線ユニット５１及び５２は、電気的に直列に接続され、そして２つの巻線ユニット５１及び５２は、２つの端子Ａ１及びＸ２を有する。同様に、巻線ユニット５３及び５４は、電気的に直列に接続され、そして２つの巻線ユニット５３及び５４は、２つの端子Ａ２及びＸ２を有する。端子Ａ１及びＡ２が一緒に接続されると共に、端子Ｘ１及びＸ２が一緒に接続されて、２つの並列岐路を形成する。

同様に、第２の相は、別の４つの巻線ユニットを含む。４つの巻線ユニットは、２つの並列岐路として電気的に接続され、並列岐路の１つは、端子Ｂ１及びＹ１を有し、そして他の並列岐路は、端子Ｂ２及びＹ２を有し、ここで、端子Ｂ１及びＢ２が一緒に接続されると共に、端子Ｙ１及びＹ２が一緒に接続される。

第３の相は、別の４つの巻線ユニットを含み、４つの巻線ユニットは、２つの並列な岐路として接続される。１つの岐路は、端子Ｃ１及びＺ１を有し、他の岐路は、端子Ｃ２及びＺ２を有し、ここで、端子Ｃ１及びＣ２が一緒に接続されると共に、端子Ｚ１及びＺ２が一緒に接続される。

この実施形態では、端子Ｘ１及びＸ２、Ｙ１及びＹ２、Ｚ１及びＺ２は、スター点又は中性点として一緒に接続される。これは、スター接続として知られている。或いは又、３つの相をデルタ構成で接続することもできる。

図４に示すように、３６個の巻線スロットＳ１〜Ｓ３６のうち、ある巻線スロットは、巻線ユニットの第１コイルを、巻線スロットごとに１コイルづつ、受け入れるだけであるが、他の巻線スロットは、巻線ユニットの第２コイルを、巻線スロットごとに２コイルづつ、受け入れ、２つの第２コイルは、異なる相に属する。より詳細には、巻線スロットの第１セットＳ１、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ９、Ｓ１０、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１５、Ｓ１６、Ｓ１８、Ｓ１９、Ｓ２１、Ｓ２２、Ｓ２４、Ｓ２５、Ｓ２７、Ｓ２８、Ｓ３０、Ｓ３１、Ｓ３３、Ｓ３４及びＳ３６は、第１のコイルを受け入れるだけであり、各巻線スロットは、１つの第１コイルを受け入れるだけである。巻線スロットの第２セットＳ２、Ｓ５、Ｓ８、Ｓ１１、Ｓ１４、Ｓ１７、Ｓ２０、Ｓ２３、Ｓ２６、Ｓ２９、Ｓ３２及びＳ３５は、第２コイルを受け入れ、各巻線スロットは、同じ相でない第２コイルの２つを受け入れる。好ましくは、２つの第２コイルを分離するために巻線スロットの第２セットには絶縁部材が配置される。

図５は、モータの逆ＥＭＦを示すグラフである。逆ＥＭＦは、図５の曲線で表され、この曲線は、正弦波曲線に類似している。この技術で知られているように、逆ＥＭＦ曲線が正弦波に近い場合には、ノイズ及び高調波が少ない。即ち、本発明の好ましい実施形態による同期モータは、低ノイズ及び高調波である。

図６は、高調波の分布を示す。図６に示すように、一次の高調波成分（基本周波数に対応する）を除いて、他の次数の高調波成分が著しく減少される。更に、９次、１０次、等の幾つかの次数の高調波成分は、０に近い。それ故、振動及びノイズが減少され、効率が改善される。

図７は、モータのコギングトルクを示す。モータは、３６個の歯４２と、４対の回転子極とを含む。回転子が９０°（機械的角度）回転するとき、コギングトルクに対して１８個のサイクルが生じる。換言すれば、コギングトルクのサイクルが短く、周波数が高い。それ故、振幅が減少され、ノイズが減少される。

図８は、本発明の第２の好ましい実施形態による同期モータの固定子コア及び回転子コアを示す。このモータも、３相ＡＣモータ（ｍ＝３）である。図９は、界磁巻線の１つの相を示す。このモータは、４つの極をもつ回転子を備え、各極は、永久磁石３４の対により形成される。又、このモータは、１８個の巻線スロットを有する固定子を備えている。即ち、相数ｍは、３であり、極対の数Ｐは、２であり、巻線スロットの数Ｓは、１８で、これは、３・ｍ・Ｐに等しい。この実施形態では、各相は、巻線ユニット６１及び６２のような２つの巻線ユニットを備え、そして巻線ユニット６１のような各巻線ユニットは、第１コイル６１ａ及び第２コイル６２ｂを含み、これらは、同心的巻線で、直列に接続される。固定子の歯の数で測定されるコイル６１のような第１コイルのコイルピッチは、５であり、コイル６１ｂのような第２コイルのコイルピッチは、３である。相ごとに、２つの巻線ユニットが直列に接続される。或いは又、相ごとに、２つの巻線ユニットは、２つの並列岐路として接続することもできる。

図１０は、第３の好ましい実施形態による別のモータを示す。このモータは、３相モータである。図１１は、界磁巻線の１つの相を示す。このモータは、２７個の巻線スロットを有する固定子と、６個の回転子極（極対数Ｐ＝３）を有する回転子とを備えている。各回転子極は、回転子コア３０の装着穴に軸方向に挿入された永久磁石３４の対により形成される。磁石の対は、回転子の“Ｖ”断面を形成する。各相は、３つの巻線ユニットを備え、巻線ユニット７１のような各巻線ユニットは、７１ａのような第１コイルと、７１ｂのような第２コイルとを備え、これらは、同心的な巻線で、直列に接続される。第１コイルのコイルピッチは５であり、第２コイルのコイルピッチは３である。相ごとに、巻線ユニット７１〜７３のような３つの巻線ユニットが直列に接続される。或いは又、３つの巻線ユニットを２つの並列岐路に接続して、一方の岐路が、直列に接続された２つの巻線ユニットを有し、他方の岐路が、１つの巻線ユニットしかもたないようにしてもよい。更に、各相の巻線ユニットは、並列岐路として接続されてもよい。

上述した実施形態のうち、各回転子極は、回転子コアに挿入される永久磁石の対により形成される。しかしながら、各回転子極は、磁石の１つの断片のみで形成することができる。好ましくは、磁石の１つの断片は、回転子の１つの半径で二分される。回転子極のこのような構成が、２７個の固定子歯をもつ固定子コア及び６個の回転子極（Ｐ＝３）をもつ回転子コアを示す図１２に示されている。

或いは又、各回転子極は、磁石の３つの断片により形成することができ、磁石の３つの断片は、回転子の“Ｕ”字型又は三角形断面を形成するのが好ましく、そして“Ｕ”又は三角形は、回転子の半径により二分される。図１３は、回転子極の磁石の三角形配列を示し、モータは、２７個の固定子歯（Ｓ＝２７）をもつ固定子と、６個の回転子極（Ｐ＝３）をもつ回転子とを有する。図１４は、回転子極の磁石の“Ｕ”字型配列を示し、モータは、１８個の歯（Ｓ＝１８）をもつ固定子と、４個の回転子極（Ｐ＝２）をもつ回転子とを有する。

或いは又、各回転子極は、磁石の４つの断片によって形成することができる。好ましくは、磁石の４つの断片は、回転子の“Ｗ”又は二重“Ｖ”断面を形成し、この“Ｗ”又は二重“Ｖ”は、回転子の１つの半径で二分される。図１５は、回転子極の磁石の“Ｗ”配列を示し、モータは、１８個の歯（Ｓ＝１８）をもつ固定子と、４個の回転子極（Ｐ＝２）をもつ回転子とを有する。

回転子極当たり１つの磁石は、幾つかの用途に対して満足な結果を生じるが、回転子極当たりより多くの磁石を使用して、突極比を増加することにより、出力トルク及びモータの効率を高くすることができる。突極比は、Ｌｄ／Ｌｑとして定義され、Ｌｄは、回転子極当たり複数の磁石を使用することにより増加される。しかしながら、極当たり複数の磁石を使用すると、モータのコストが高くなり、従って、コストと性能との間に商業的妥協を必要とする。

本発明の説明及び特許請求の範囲において、動詞「備える(comprise)」、「含む(include)」、「収容する(contain)」及び「有する(have)」並びにその変化は、各々、ここに述べたアイテムの存在を特定するために包括的な意味で使用され、付加的なアイテムの存在を除外するものではない。

本発明は、１つ以上の好ましい実施形態を参照して説明したが、当業者であれば、種々の変更がなされ得ることが明らかであろう。それ故、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって決定されるものとする。

３０：回転子コア
３２：ブリッジ部分
３３：装着穴
３４：磁石
３５：軸方向に延びる穴
４０：固定子コア
４１：ヨーク
４２：歯
４５：エアギャップ
４６、４７：部分
５１〜５４：巻線ユニット
６１、６２：巻線ユニット
７１〜７３：巻線ユニット

Claims

固定子と、固定子に回転可能に装着された回転子とを備え、回転子は、回転子コアと、回転子コアに固定された磁石とを備え、回転子コアは、磁石により形成された２Ｐ個の回転子極を有し、Ｐは１より大きな整数である電気式乗物のための牽引モータにおいて、
前記固定子は、Ｓ個の歯を有する固定子コアと、前記歯に巻かれた界磁巻線とを備え、Ｓは、３・ｍ・Ｐに等しく、ｍは、相の数であり、
各相の界磁巻線は、Ｐ個の巻線ユニットより成り、各巻線ユニットは、直列に接続された第１コイル及び第２コイルを含み、第１コイルは、コイルピッチが第２コイルのコイルピッチより大きく、且つ巻回数が第２コイルの巻回数より多く、各巻線ユニットにおいて、第１コイルは、第２コイルとの間に他の巻線ユニットのコイルを介在させることなく、第２コイルに直接接続されている、
ことを特徴とする牽引モータ。
各巻線ユニットについて、前記第１コイルの中心は、固定子の半径方向に前記第２コイルの中心に重畳する、請求項１に記載の牽引モータ。
各巻線ユニットについて、前記第１コイルの巻回数は、前記第２コイルの巻回数の２倍である、請求項１又は２に記載の牽引モータ。
各巻線ユニットについて、前記第１コイルのコイルピッチは、前記第２コイルのコイルピッチより２つの歯だけ大きい、請求項１、２又は３に記載の牽引モータ。
Ｐ＝４、Ｓ＝３６及びｍ＝３である、請求項１から４のいずれかに記載の牽引モータ。
各相は、４つの巻線ユニットを備え、それら４つの巻線ユニットは、
直列に接続された２つの巻線ユニットを各々含む２つの並列岐路、或いは
１つの巻線ユニットを各々含む４つの並列岐路、
として電気的に接続される、請求項５に記載の牽引モータ。
前記磁石は、回転子コアへ軸方向に挿入される、請求項１から６のいずれかに記載の牽引モータ。
前記固定子と回転子コアとの間にはエアギャップがあり、２つの隣接する回転子極の中心に対応する部分における前記エアギャップの半径方向厚みは、各回転子極の中心に対応する部分における前記エアギャップの半径方向厚みより大きい、請求項１から７のいずれかに記載の牽引モータ。
各回転子極は、
回転子コアの半径により実質的に二分される１つの磁石片、又は
回転子コアの“Ｖ”断面を形成し、この“Ｖ”が回転子コアの半径により実質的に二分されるような２つの磁石片、又は
回転子コアの“Ｕ”断面を形成し、この“Ｕ”が回転子コアの半径により実質的に二分されるような３つの磁石片、又は
回転子コアの三角形断面を形成し、この三角形が回転子コアの半径により実質的に二分されるような３つの磁石片、或いは
回転子の“Ｗ”断面を形成し、この“Ｗ”が回転子コアの半径によって二分されるような４つの磁石片、
により形成される請求項１から８のいずれかに記載の牽引モータ。
各回転子極は、２つ以上の磁石片により形成され、それら磁石片は、前記回転子コアと一体的に形成されるブリッジ部分によって分離される、請求項１から９のいずれかに記載の牽引モータ。
前記巻線ユニットは、１つの直列岐路として電気的に接続される、請求項１から５のいずれかに記載の牽引モータ。