JP6260468B2

JP6260468B2 - モータコアおよびモータの駆動システム

Info

Publication number: JP6260468B2
Application number: JP2014130517A
Authority: JP
Inventors: 洋介黒崎; 脇坂　岳顕; 岳顕脇坂
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2014-06-25
Filing date: 2014-06-25
Publication date: 2018-01-17
Anticipated expiration: 2034-06-25
Also published as: JP2016010260A

Description

本発明は、低速大トルクから高速低トルクまで幅広い範囲で用いられるモータのモータコアおよびそのモータコアを用いたモータの駆動システムに関するものである。

ハイブリッドカーや電気自動車用として用いられる駆動用モータは、発進時や登坂時等の低速大トルクから、高速道路走行時等の高速低トルクまで、幅広い範囲で駆動される。

低速領域では、モータの鉄損は比較的小さいが、トルクや出力を上げるために、多極化、高電流密度が求められる。一方、高速領域では、高トルクは必要ないが、多極モータの場合、励磁周波数（∝モータ回転数×極数）が上がることによりモータの鉄損が増す。これにより、磁石モータであれば発熱による磁石の減磁が問題となるだけではなく、ステータ巻線の逆起電力（∝周波数×磁束×巻線数）が高くなり、これが電源の起電力を超えると励磁できなくなる。

このような問題に対し、例えば特許文献１に、高速回転時には低速回転時よりも通電する巻線を減少させて、鉄損の低減を図る回転電機が開示されている。

また、特許文献２には、高保磁力磁石と低保磁力磁石とを組み合わせて、磁石の磁束を可変とする可変磁束ドライブシステムが開示されている。

特開２０１２−２４４７２６号公報特開２０１２−５５１６４号公報

ところが、特許文献１の場合、巻線の切り替えを行うために制御系が複雑になり、コストアップになる。また、特許文献２の場合にも、制御系がコストアップになるうえ、磁石磁束を変化させるための界磁電流が必要となるため、銅損が増加する懸念がある。

また、モータコアの製造コストには、電磁鋼板、巻線、磁石、制御素子が大きく影響しているが、その中でも特に、電磁鋼板は、０．２〜０．３５ｍｍ厚のものを１００枚以上も打ち抜き、積層、固定して製造するために、製造コストが高くなっている。そのため、モータの性能や効率を追求する一方で、モータコアには低コスト化の要求も高い。

本発明は、低速大トルクから高速低トルクまでを効率よく駆動するとともに、低コストで製造できるモータのモータコアおよびそのモータコアを用いたモータの駆動システムを提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、鋼管からなるコアバックと、巻線が巻かれた複数のティースとを備え、前記ティースは、前記コアバック内に固定される固定式ティースと、前記コアバックの外側および内側に抜き差し可能な可動式ティースとを有することを特徴とする、モータコアを提供する。

前記コアバックは、フェライト系またはマルテンサイト系の鋼管で形成されていることが好ましい。また、前記固定式ティースは、モータ稼働時のロータの回転中心に対して点対称に配置されることが好ましい。

前記コアバックの側面に、巻線が巻かれた前記可動式ティースが通過可能な開口を有し、前記可動式ティースは、巻線が巻かれた状態で抜き差しされてもよい。

また、本発明は、上記のモータコアを用いたモータの駆動システムであって、モータの回転速度を検出する回転速度検出器と、前記回転速度検出器が検出した回転速度に応じて前記可動式ティースの位置を制御する制御装置を備え、前記回転速度検出器が検出した回転速度が、予め設定した基準値未満のときには、前記可動式ティースが前記コアバック内に収容され、前記回転速度検出器が検出した回転速度が、前記基準値以上のときには、前記可動式ティースが前記コアバックの外側に抜き取られることを特徴とする、モータの駆動システムを提供する。

本発明によれば、可動式ティースの抜き差しによって、モータのスロット数を容易に切り替えられるので、高速駆動時および低速駆動時のいずれの場合も鉄損を低減し、効率よく駆動することができる。また、磁性材料の鋼管でコアバックを構成したことにより、低コストで製造できる。

本発明にかかるモータコアの一例を示す断面図である。図１に示すモータコアの外観斜視図である。可動式ティースの一例を示す断面図である。本発明にかかるモータコアを用いたモータの可動式ティースの位置を制御するシステムの例を示す構成図である。１２スロットの場合の固定式ティースと可動式ティースの配置例を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態を、図を参照して説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

本発明は、ハイブリッドカーや電気自動車等の駆動用モータとして用いられるモータのモータコアであり、集中巻型磁石モータ、あるいはスイッチドリラクタンスモータ（ＳＲＭ）に適用される。

図１は、本実施形態に係るモータコアの断面図である。モータコア１は、鋼管からなる円筒状のコアバック２と、複数のティース３を有する。

コアバック２は、磁性材料であるフェライトまたはマルテンサイト系の鋼管で成形される。鋼管を用いることにより、電磁鋼板などの薄板材を多数枚積層して円筒状に形成していた従来のコアバックと比較して、材料および製造コストを大幅に低減できる。

ティース３は、従来よりステータに使用されている電磁鋼板の積層体で成形される。図１の例では、ティース３はコアバック内に６個所備えられ、各ティース３は、モータ回転時の回転中心に対して点対称に、放射状に配置される。各ティース３には、巻線４が集中巻き方式で巻き付けられてコイルが形成される。

このように、高トルクを得るために重要なティース３は電磁鋼板の積層体とし、磁束密度に余裕のあるコアバック２は鋼管で製造することで、モータコア１の製造コストを大幅に下げることができる。

そして、本実施形態において、ティース３は、コアバック２内に固定される固定式ティース３ａと、コアバック２の外部および内部に抜き差し可能な可動式ティース３ｂとを有し、これらが交互に配置されている。

図２は、図１に示すモータコア１の外観の例を示す斜視図である。本実施形態では、コアバック２の側面に、巻線４が巻き付けられた状態の可動式ティース３ｂが通過可能な開口１１が設けられ、可動式ティース３ｂは、開口１１を介してコアバック２の内外に移動可能な構造になっている。可動式ティース３ｂがコアバック２の内部に収容されているときには、コアバック２の開口１１が蓋１２でふさがれる。または、可動式ティース３ｂが蓋１２と一体に成形され、可動式ティース３ｂがコアバック２の内部に収容されているときには、図３（ａ）に示すように、コアバック２の開口１１が蓋１２でふさがれた状態になり、可動式ティース３ｂがコアバック２の外側に抜き取られるときには、図３（ｂ）に示すように蓋１２とともに抜き取られるようにしてもよい。

そして、モータコア１の中心に、例えば強磁性の鉄芯で構成されたロータ、あるいは永久磁石を用いたロータが配置され、モータとして使用される。図４は、本発明のモータコア１を用いたモータの可動式ティース３ｂの位置を制御するシステムの例を示す構成図である。モータ２１は、モータ２１の回転を検出する回転速度検出器２２に接続され、回転速度検出器２２はモータ２１の制御装置２３に接続される。制御装置２３は、モータ２１の可動式ティース３ｂをコアバック２の外側または内側に移動させる機構を備えた移動装置２４に接続される。

なお、可動式ティース３ｂの配置は、モータ回転時のロータの回転中心に対して点対称となるようにすることが好ましい。つまり、固定式ティース３ａのみがコアバック２内に収容されているときに、偏心することなく回転できるようにする。例えば６スロットのモータの場合には、図１に示すように固定式ティース３ａと可動式ティース３ｂとを交互に配置するか、あるいは対向する１対または２対を可動式ティース３ｂとしてもよい。

さらに、例えば１２スロットの場合、固定式ティース３ａおよび可動式ティース３ｂの配置は、図５に示すパターンが考えられる。図５（ａ）は、可動式ティースと固定式ティースとが交互に配置される場合である。図５（ｂ）、（ｃ）は、連続する３スロットを１組として、１組当たり２スロットが可動式、１スロットが固定式とする場合と、１スロットが可動式、２スロットが固定式とする場合で、それぞれ同じ順序で４組配置したものである。図５（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）は、連続する４スロットを１組として、１組当たり３スロットが連続で可動式、１スロットが固定式とする場合と、２スロットが連続で可動式、２スロットが連続で固定式とする場合と、１スロットが可動式、３スロットが連続で固定式とする場合で、それぞれ同じ順序で３組配置したものである。図５（ｇ）、（ｈ）は、連続する６スロットを１組として、１組当たり５スロットが連続で可動式、１スロットが固定式とする場合と、１スロットが可動式、５スロットが連続で固定式とする場合で、それぞれ同じ順序で２組配置したものである。さらにまた、スロット数が１２スロットよりも多い場合にも、固定式ティース３ａを回転中心に対して点対称になるように配置すれば良く、スロット数により、固定式ティース３ａと可動式ティース３ｂの配置に関して、さまざまなパターンが可能である。

次に、上述のモータコアを用いたモータの駆動システムについて説明する。

本発明のモータコア１を用いたモータ２１が稼働する際には、回転速度検出器２２で検出された回転速度と、予め設定した回転速度の基準値とを比較して、可動式ティース３ｂの位置が制御される。すなわち、予め設定した回転速度の基準値ｎ_０と、回転速度検出器２２で検出された回転速度ｎ_１とを比較し、
ｎ_０＞ｎ_１
の場合、すなわちモータ２１が低速回転のときには、大トルクが必要となるため、制御装置２３の判定により可動式ティース３ｂをコアバック２の内部に収容させる。これにより、電流密度を上げてトルクを上げることができる。一方、
ｎ_０≦ｎ_１
の場合、すなわちモータ２１が高速回転のときには、大トルクは必要なく、制御装置２３から移動装置２４に信号が送られ、可動式ティース３ｂをコアバック２の外側まで引き抜く。これにより、励磁される部分を減らして鉄損を下げる。このように、モータ２１の回転速度に応じたトルク適正化のために、可動式ティース３ｂの抜き差しを行うことで、モータ２１のトータル効率を高めることができる。

本発明は、可動式ティース３ｂをコアバック２の外側または内側に抜き差しすることで、モータの低速回転時と高速回転時の電流密度を変化させ、高速回転時の鉄損を低減することができる。また、コアバック２を鋼管で成形することで、電磁鋼板などの薄板の抜き打ちおよび積層による製造コストを下げるうえ、一体打ち抜き型モータのように材料のロスもなく、材料歩留まりを上げることができる。したがって、低速時の大トルク領域から高速時の低トルク領域まで効率よく駆動できるモータを低コストで製造できる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、低速大トルクから高速低トルクまで幅広い範囲で駆動されるハイブリッドカーや電気自動車、産業用ロボット等の駆動用モータとして用いられる、集中巻型磁石モータあるいはスイッチドリラクタンスモータ（ＳＲＭ）等のモータコアに適用できる。

１モータコア
２コアバック
３ティース
３ａ固定式ティース
３ｂ可動式ティース
４巻線
２１モータ
２２回転速度検出器
２３制御装置
２４移動装置

Claims

鋼管からなるコアバックと、巻線が巻かれた複数のティースとを備え、
前記ティースは、前記コアバック内に固定される固定式ティースと、前記コアバックの外側および内側に抜き差し可能な可動式ティースとを有することを特徴とする、モータコア。
前記コアバックは、フェライト系またはマルテンサイト系の鋼管で形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のモータコア。
前記固定式ティースは、モータ稼働時のロータの回転中心に対して点対称に配置されることを特徴とする、請求項１または２のいずれか一項に記載のモータコア。
前記コアバックの側面に、巻線が巻かれた前記可動式ティースが通過可能な開口を有し、前記可動式ティースは、巻線が巻かれた状態で抜き差しされることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のモータコア。
請求項１〜４に記載のモータコアを用いたモータの駆動システムであって、
モータの回転速度を検出する回転速度検出器と、前記回転速度検出器が検出した回転速度に応じて前記可動式ティースの位置を制御する制御装置を備え、
前記回転速度検出器が検出した回転速度が、予め設定した基準値未満のときには、前記可動式ティースが前記コアバック内に収容され、前記回転速度検出器が検出した回転速度が、前記基準値以上のときには、前記可動式ティースが前記コアバックの外側に抜き取られることを特徴とする、モータの駆動システム。