JP6095267B2 - 三相永久磁石式同期モータ - Google Patents
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Description
この発明は、電気自動車の駆動用モータ等においてズムーズな回転が得られる好適な三相永久磁石式の同期モータに関するものである。
三相の永久磁石式同期モータにおいては、回転子の磁極の数をＰ、固定子の溝の数をＮとした場合、２Ｎ／３Ｐが整数であるモータが一般的に使用されている。しかし、この種のモータではコギングトルクが大きいという問題がある。そこで、このコギングトルクを低減するため、２Ｎ／３Ｐが整数でない分数溝モータとし、磁極の数Ｐと溝の数Ｎとの組み合わせを特定することによりコギングトルクを低減する技術が提案されている。
例えば、特許文献１には、磁極の数をＰ、溝の数をＮとしたとき、Ｎ／Ｐを、１＜Ｎ／Ｐ≦１．２にすることにより、コギングトルクを低減できることが示されている。
また、特許文献２には、磁極の数をＰ、溝の数をＮとしたとき、溝数Ｎを
Ｎ＝３×〔Ｐ／２−ＩＮＴ（Ｐ／１０）〕にすることにより、コギングトルクを低減できることが示されている。但し、ＩＮＴ（Ｐ／１０）はＰを１０で除した商の整数部の値を示す。
Ｎ＝３×〔Ｐ／２−ＩＮＴ（Ｐ／１０）〕にすることにより、コギングトルクを低減できることが示されている。但し、ＩＮＴ（Ｐ／１０）はＰを１０で除した商の整数部の値を示す。
前記特許文献１及び２には、モータを分数溝形式とし、磁極の数と溝の数とを所定の関係にすることにより、モータのコギングトルクが低減することが示されているが、磁極の数と溝の数を所定の関係にすることのみによっては、コギングトルクを十分に小さくすることはできない。
そこで、この発明はこれらの従来技術を改善すべく、永久磁石式の同期モータにおいて、モータを分数溝形式とするとともに、固定子又は回転子の溝ピッチと溝の幅（歯の幅）との関係を特定の関係にすることにより、コギングトルクを著しく低減させる、三相永久磁石式同期モータを提供するものである。
請求項１の発明は、回転子の磁極の数をＰとし、固定子の溝の数をＮとしたときの分数２Ｎ／３Ｐが整数でない、アウターロータ方式の三相の永久磁石式同期モータにおいて、前記回転子の磁極の数を２０、前記固定子の溝の数を２４とし、回転子の磁極の面に空隙を介して対面する固定子の歯の周方向の歯幅を固定子の溝ピッチの１／２にし、前記回転子の、前記固定子に対向する面に溝を設けて嵌め込まれる永久磁石の形状は、前記固定子の歯と対向する面と当該永久磁石の外周面の形状を夫々外側に湾曲したものとし、前記永久磁石の外側の湾曲面を形成する円弧の両端と当該円弧の中心点とが形成する角度は、当該永久磁石の内側の湾曲面を形成する円弧の両端と前記中心点とが形成する角度よりも大きく設け、前記回転子において、隣接する前記永久磁石同士の間に前記固定子に対向して凹部を設け、前記回転子の極ピッチに対する永久磁石の幅の割合を２／３とした三相永久磁石式同期モータとした。
また、請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記固定子の歯先の両側角部に曲がり面を施した、三相永久磁石式同期モータとした。
また、請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、前記固定子の歯の半径方向の断面を、歯先部から歯元部まで略等しくするか、歯先部に比して歯元部を大きくし、コイルを予め巻き付けた巻き線ユニットを歯先部から装着可能にした、三相永久磁石式同期モータとした。
また、請求項４の発明は、請求項１〜３の何れかの発明において、前記三相永久磁石式モータは電気自動車用の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、モータを分数溝方式とし、固定子の周方向の歯先幅を、溝ピッチの１／２にすることにより、コギングトルクをゼロにすることが出来る。また、特に請求項３は、さらに、固定子の歯の断面を歯先部から歯元部まで略均一にするか又は歯先部に比して歯元部を大きくしているため、予めコイルが組み立てられた巻き線ユニットを歯先から装着可能にしているので、巻き線作業が容易になり、また、溝内の巻き線の占有率を高くすることができる。
この発明は、回転子又は固定子の磁極の数をＰとし、固定子又は回転子の溝の数をＮとしたときの分数２Ｎ／３Ｐが整数でない、三相の永久磁石式同期モータにおいて、回転子又は固定子の磁極の面に空隙を介して対面する固定子又は回転子の歯の周方向の歯幅を固定子又は回転子の溝ピッチの略１／２にした三相の永久磁石式同期モータとした。
これにより、コギングトルクを著しく低減することが出来る。
以下、この発明の実施例１を図に基づいて説明する。当該アウターロータ式モータ１は、略円形の固定子２と当該固定子２の外側を周方向に回転する円筒状の回転子３から構成されている。前記回転子３は内面に多数の永久磁石４を備え、その永久磁石４に対面して、前記固定子２の外周の所定間隔ごとに放射状に配設された複数本の歯５が配置されている。また、前記隣接する歯５の間には溝６が形成されている。
そして、前記回転子３の磁極の数は２０であり、固定子２の前記溝６の数は２４である。従って、回転子３の磁極の数Ｐ、固定子２の溝の数Ｎとした場合、２Ｎ／３Ｐは０．８となり、分数溝となっている。また、固定子２の歯５の半径方向の断面は、歯先部から歯元部まで同大同形の方形となっている。また、図示は省略したが、前記固定子２の各歯５の外周にはコイルが巻き回される。
図２は、回転子３の永久磁石４の幅Ｌ１、極ピッチＬ２と固定子２の歯５の歯幅Ｌ３及び溝６の溝ピッチＬ４の関係を示す。極ピッチＬ２に対する磁石幅Ｌ１の割合は０．６〜０．８程度にするのが一般的であるが、後述の解析に際しては、極ピッチＬ２に対する磁石幅Ｌ１を２／３としている。また、前記歯５の歯幅Ｌ３に対する溝ピッチＬ４の割合は、概ね２倍となっている。
そして、回転子３側の磁石起磁力（Ａ）、固定子２の磁気サセプタンス（λ）、両者を掛け合わせた磁束密度（Ｂ）、これを２乗して磁気エネルギー分布（Ｄ＝Ｂ２）となる。そして、全周でＤを積分して総磁気エネルギー量（Ｑｍ）、回転子３の回転方向の変異（ｘ）、電磁力（Ｆ）とすると、電磁力（Ｆ）の計算アルゴリズムは以下となる。
そして、数理解析ソフト（商品名「マスマティカ」）を用いて解析した結果を図３に示す。図３は溝ピッチＬ４に対する歯幅Ｌ３を変えてコギングトルクの最大値の動きを見たものである。
磁極の数は２０、溝の数（歯の数）を２４とした場合のシミュレーション結果では、歯幅Ｌ３／溝ピッチＬ４＝１／２のときにコギングトルクは実質ゼロとなる。なお、磁極の数、溝の数及び磁極数と溝数の関係を変更した場合にも、同様の傾向が示された。
また、この発明では、図１に示すように、各歯５の歯先部５ａから両側に突出したウイングを取り去っている。この様な歯先部５ａから歯元部５ｂまで断面形状が等しいか、歯先部５ａから歯元部５ｂに行くにしたがって徐々に断面形状が大きくなっている場合は、図４に示すように、予めボビン２３にコイル２４を巻き付けた巻き線ユニット２５を多数製作し、これを固定子２の各歯５に、先端から挿入することにより、コイルの巻き付けが容易にできる。
この巻き線ユニット２５のコイル２４の外側を巻き紙で固定するとか、或いは、コイル２４を接着剤で固定するなどして公知の方法でボビン２３に巻き付けたコイル２４が崩れないようにする。また、各歯５に巻き線ユニット２５を装着した後は、歯５に適宜固定し、コイル２４を相互に結線する。
また、上記の構成では、固定子２の外部でフライア等を用いてコイル２４を巻くので、従来のノズル空間を考慮することなく潤沢に巻くことができ、かつ、矩形断面の導体などもコイルに活用できる。試算では、磁極数２０、溝の数２４個の場合、ノズル方式でのコイル巻きに比べ、１．５倍のコイルの収納が可能である。
また、歯５に巻き線ユニット２５を装着した後は、図５に示すように、歯５の先端部に溝部２６を設け、また、巻き線ユニット２５のボビンの先端に前記溝部２６に嵌合する突部２７を設け、歯５に巻き線ユニット２５を係止し、溝６から飛び出さないようにすることが出来る。また、歯先部５ａの周方向先端部には、高周波のトルクノイズを防止するため、また、巻き線ユニット２５の挿入を容易にするため、アールを付けることが望ましいた。
また、図６は、この発明の歯の形状の実施例２を示すものである。図に示す通り、アウターロータの永久磁石４に対面する歯５´の歯先部５ａ´の幅を溝ピッチの１／２とし、当該歯５´の歯先部５ａ´以外の部分の歯幅を大きくしたものであり、他の構成は実施例１と同じである。
この実施例２の場合も、分数溝の採用及びアウターロータを利用して前記巻き線ユニット２５を各歯５に差し込むことが出来る。分数溝ゆえに歯頭（ウイング）がなくても磁束利用率は保持できる。また、積極的に歯幅を調整して脈動トルクを低減することが出来る。
次に、この発明の三相永久磁石式同期モータを電気自動車のインホイールモータとして適用した時の概略構成図を図７に示す。
図示したように、固定子２とその外側の回転子３から成るアウターロータ式モータ１は、略円筒形状のリム８とディスク９から成るホイール１０内に収容されている。ホイール１０のディスク９は、シャフト１１の端部に備わるフランジ１２にボルト１３により固定されている。フランジ１２はボルト１４によりモータ１の外側を被うモータカバー１５と固定されている。
従って、回転子３が回転することにより、その回転はモータカバー１５、フランジ１２、ホイール１０の順に伝えられ、リム８に取り付けられたタイヤ１６が回転する。固定子２は、その内側のインナーフレーム１７に固定されており、インナーフレーム１７とシャフト１１の間にはベアリング１８が介在されている。インナーフレーム１７は、ボルト１９によりナックル２０に固定される。また、ディスクキャリパー２１が前記ボルト１９により前記ナックル２０に固定され、前記シャフト１１の外周に固定されたブレーキディスク２２を把持自在となっている。
なお、上記実施例ではアウターロータ式モータの例を示したが、この発明は、インナーロータ式モータにも適用できるものである。
１ アウターロータ式モータ ２ 固定子
３ 回転子 ４ 永久磁石
５ 歯 ５ａ 歯先部
５ｂ 歯元部 ５´ 歯
５ａ´ 歯先部 ６ 溝
８ リム ９ ディスク
１０ ホイール １１ シャフト
１２ フランジ １３ ボルト
１４ ボルト １５ モータカバー
１６ タイヤ １７ インナーフレーム
１８ ベアリング １９ ボルト
２０ ナックル ２１ ディスクキャリパー
２２ ブレーキディスク ２３ ボビン
２４ コイル ２５ 巻き線ユニット
２６ 溝部 ２７ 突部
３ 回転子 ４ 永久磁石
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２２ ブレーキディスク ２３ ボビン
２４ コイル ２５ 巻き線ユニット
２６ 溝部 ２７ 突部
Claims (4)
- 回転子の磁極の数をＰとし、固定子の溝の数をＮとしたときの分数２Ｎ／３Ｐが整数でない、アウターロータ方式の三相の永久磁石式同期モータにおいて、
前記回転子の磁極の数を２０、前記固定子の溝の数を２４とし、
回転子の磁極の面に空隙を介して対面する固定子の歯の周方向の歯幅を固定子の溝ピッチの１／２にし、
前記回転子の、前記固定子に対向する面に溝を設けて嵌め込まれる永久磁石の形状は、前記固定子の歯と対向する面と当該永久磁石の外周面の形状を夫々外側に湾曲したものとし、前記永久磁石の外側の湾曲面を形成する円弧の両端と当該円弧の中心点とが形成する角度は、当該永久磁石の内側の湾曲面を形成する円弧の両端と前記中心点とが形成する角度よりも大きく設け、
前記回転子において、隣接する前記永久磁石同士の間に前記固定子に対向して凹部を設け、
前記回転子の極ピッチに対する永久磁石の幅の割合を２／３としたことを特徴とする、三相永久磁石式同期モータ。 - 前記固定子の歯先の両側角部に曲がり面を施したことを特徴とする、請求項１に記載の三相永久磁石式同期モータ。
- 前記固定子の歯の半径方向の断面を、歯先部から歯元部まで略等しくするか、歯先部に比して歯元部を大きくし、コイルを予め巻き付けた巻き線ユニットを歯先部から装着可能にしたことを特徴とする、請求項１又は２に記載の三相永久磁石式同期モータ。
- 前記三相永久磁石式モータは電気自動車用の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の何れかに記載の三相永久磁石式同期モータ。
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