JP6345918B2 - アキシャルギャップモータ - Google Patents

Description

本発明は、電動モータに関し、より詳細には、車両のホイール内に設置できる、軸方向の寸法が小さい、アキシャルギャップモータに関する。

化石燃料の高騰に伴い、ハイブリッド車および電気自動車が注目されている。特にインホイール型アキシャルギャップモータを車輪内に組み込んだＥＶ車両は、複雑で、大重量の変速機を必要としないことから、スペースの有効活用、コストの低減および軽量化が可能となる。かかるインホイール型アキシャルギャップモータを使用できる車両として、近距離移動を目的とし、１人乗り、または２人乗りの、いわゆるシティーコミュータと称される小型車両が注目されている。これまで、シティーコミュータを含むＥＶ車に使用されるインホイール型駆動モータには、高い性能が要求されるため、高価なレアアースを使用する稀土類磁石が使用されている。

しかしながら、最近レアアースの価格が高騰し、その入手が困難になったため、稀土類磁石のかわりに、安価で、入手の容易なフェライト磁石を用いたＥＶ用インホイールモータを使用することが検討されている。フェライト磁石の残留磁束密度は、稀土類磁石と比較し、３０％程度低いことから、トルクの低下が問題となる。このため、（１）トルクの増加と軸方向の薄型化を期待できるアキシャルギャップモータ型構造を採用すると共に、（２）回転子内部に永久磁石を実装した（ＳＰＭ）型とすることでトルクを最大にすると共に固定子コア内での鉄損を低減し、（３）モータ内部の空間を有効活用するために、固定子内部に減速ギアを組み込んだ、５ｋＷサイズのモータ構造を、試作し、その作動特性について鋭実験研究を重ねた。更に出力を増大すべく、１０ｋＷサイズのモータ（１６極１８スロット）を試作し、作動特性を測定したところ、５ｋＷでは顕在化しなかった、回転子内部での渦電流損が大きくなるといった問題が生じることが判明した。

よって、本発明の目的は、渦電流損の少ない電動モータ、特にアキシャルギャップモータを提供することにある。

上記課題は、非磁性で導電性材料で形成された円盤状の支持部材およびこの支持部材のハブ部と外周部との間にて等ピッチ角で円周方向に隔置された複数の永久磁石セグメントを有し、出力シャフトとともに回転可能にこの出力シャフトに固定された回転子と、前記回転子の少なくとも一方の側で、前記回転子に対し所定ギャップを残して前記回転子に対して対向的に配置された固定子とを備え、前記固定子の外周部には回転磁界を発生するための複数の界磁巻線スロットが円周方向に等ピッチ角で隔置されているアキシャルギャップモータにおいて、
前記永久磁石セグメントの間にあり、前記永久磁石セグメントからわずかに離間した位置から内側にある、前記支持部材の材料が前記永久磁石セグメントと厚み方向に重複するように切り欠かれた、何も充填されていないか、または、非導電性材料が充填されている切り欠き部分が設けられ、
前記切り欠き部分の各々の平面形状は、底部が前記ハブ部近傍に位置し、斜辺が前記磁石セグメントの側面と略平行であり、先端が支持部材の外周縁部近傍に位置する、略三角形となっていることを特徴とするアキシャルギャップモータによって解決される。

前記支持部材の材料の切り欠き部分の各々を、前記支持部材の少なくとも一方の側を厚み方向に薄くした凹部とすることができる。

前記支持部材の材料の切り欠き部分の各々を、前記支持部材を厚さ方向に貫通する貫通孔にすることができる。

前記支持部材の材料の切り欠き部分の各々に、非導電性材料を充填できる。

前記非導電性材料は、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂を含む、熱硬化性樹脂を含むことができる。

本発明によれば、固定子の間に配置された回転子の支持部材で生じる、渦電流損を低減できる。

従来のアキシャルギャップモータの一例を示す分解斜視略図である。 本発明に係わるアキシャルギャップモータの回転子を構成する支持部材とそれにはめ込まれる複数の永久磁石セグメントとを示す斜視略図である。 永久磁石セグメントと永久磁石セグメントの間に形成された切り欠き部分の配置を示す支持部材の部分斜視図である。 永久磁石セグメントのスキュー角と渦電流損との関係を示すグラフである。 本発明に係わるアキシャルギャップモータと支持部材に切り欠き部分を設けない従来のアキシャルギャップモータの性能の差を示すシミュレーションの結果を示す表である。

以下、添付図面を参照し、本発明の一実施形態について説明するが、この実施例は、単に発明を説明するためのものにすぎず、本発明は、この実施例だけに限定されるものではない。

まず、図１を参照する。ここには従来のアキシャルギャップモータが示されている。このアキシャルギャップモータは、図示していない出力シャフトと共に回転するよう固定された回転子１０とこの回転子１０の両側にて所定のギャップを残して回転子１０に対向的に配置された固定子２０、２２とから主に構成されている。

図１では、図示されていない出力シャフトが接続された減速機３０が固定子２０の内側空間に配置され、他方の固定子２２の内側空間にレゾルバ４０が配置され、回転子１０の回転位置を検出できるようになっている。固定子２０、２２は、適当な手段を介し、本アキシャルギャップモータのハウジング（図示せず）に取り付けられている。このような配置により、軸方向の寸法が小さくなり、アキシャルギャップモータをＥＶ用車輪内にインホイールモータとして設置することがより容易となっている。

次に図２を参照し、本発明について説明する。図に示されたアキシャルギャップモータは、下記のように回転子１０が従来のアキシャルギャップモータの回転子と異なっている。回転子１０は、出力シャフト（図示せず）に固定され、複数の永久磁石セグメント１１を支持する円盤状の支持部材１２を含み、この支持部材１２は、中心のハブ部１３と、複数の磁石セグメント１１が固定された外周部１４とから成る、いわゆるコアレス回転子形状となっており、非磁性体、例えばステンレススチールから構成されている。

図２および図３に明瞭に示されるように回転子１０の支持部材１２の外周部１４には複数の永久磁石セグメント１１が円周方向に等しい回転角で隔置されている。この永久磁石セグメント１１は、高価な稀土類を含まないフェライト磁石から構成されている。これら磁石セグメント１１は、図２に示されるよう、磁石セグメント１１と同じ形状となるよう支持部材１２に形成された取り付け孔１６に嵌合され、固定されている。固定方法として、焼き嵌め、接着剤を用いた接着方法、電気スポット溶接などを使用できる。

トルクリップルおよびコギングトルク低減のため、磁石セグメント１１の側面には、所定のスキュー角（中心軸から延びる放射状軸に対する磁石セグメントの側面の角度）が付けられ、平面形状が、略三角形となっている。このため、本発明を実施しない場合、支持部材１２には、磁石セグメント１１の間に位置する略三角形状をした部分が形成される。これら略三角形状をした部分は、支持部材１２のハブ部１３から外周部１４に沿って移動するにつれ幅が狭くなっており、回転子２０，２２から生じる磁界内を移動するため、この部分で渦電流が生じていた。すなわち、図４のグラフに示すように、スキュー角が増加するにつれ、渦電流も増加していた。

図２および図３に示されるように、本発明によれば、磁石セグメント１１の間にて支持部材１２には、磁石セグメント１１の側面から若干内側にて側面と平行にハブ部１３から支持部材１２の外周縁部近くまで斜辺が延びる、全体に略三角形状をした切り欠き部分１８が設けられている。この切り欠き部分１８は、磁石セグメント１１と厚み方向に重複するように設けられており、支持部材１２を軸方向に貫通する貫通孔でもよいし、軸方向に貫通しない凹部でもよい。いずれにせよ、磁石セグメント１１の間で渦電流が生じない程度に支持部材１２の材料が除去されていればよい。このような材料除去によって生じた切り欠き部分１８には、支持部材１２の強度低下を補償するために、非導電性および耐熱性のある樹脂、例えば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂等を充填することが好ましい。

このように、支持部材１２の材料を減少させることにより、磁石セグメント１１の間の支持部材１２の材料内で生じていた渦電流を低減できる。実際に１６極２４スロットの１０ｋＷ出力のモータにおいて、支持部材１２に貫通孔１８を設けない場合と設けた場合とにおける渦電流損を比較したところ、前者において渦電流損は、５３．８１Wであったのに対し、後者では渦電流損は、２７．２８Wとなった。すなわち、貫通孔１８を設けたことにより、渦電流損は、ほぼ半減した。

また、図５に示されるようなシミュレーションを行った結果、渦電流損が減少することも判明している。このような回転子１０の支持部材１２に生じていた渦電流損の低減は、解決の困難な回転子１０の冷却の課題も軽減できる。

回転子１０の両側に所定のギャップを残して配置される各固定子２０、２２には、磁石セグメント１１と対向するよう複数のスロットおよびそれらの間のスロットが円周方向に等ピッチ角に隔置されているが、アキシャルギャップモータの固定子の構造は、当業者には周知であるので、その説明は省略する。

１０ 回転子
１１ 磁石セグメント
１２ 支持部材
１３ ハブ部
１４ 外周部
１６ 取り付け孔
１８ 切り欠き部分（貫通孔）
２０、２２ 回転子

Claims (4)

1. 非磁性で導電性材料で形成された円盤状の支持部材およびこの支持部材のハブ部と外周部との間にて等ピッチ角で円周方向に隔置された複数の永久磁石セグメントを有し、出力シャフトとともに回転可能にこの出力シャフトに固定された回転子と、前記回転子の少なくとも一方の側で、前記回転子に対し所定ギャップを残して前記回転子に対して対向的に配置された固定子とを備え、前記固定子の外周部には回転磁界を発生するための複数の界磁巻線スロットが円周方向に等ピッチ角で隔置されているアキシャルギャップモータにおいて、
   前記永久磁石セグメントの間にあり、前記永久磁石セグメントからわずかに離間した位置から内側にある、前記支持部材の材料が前記永久磁石セグメントと厚み方向に重複するように切り欠かれた、何も充填されていないか、または、非導電性材料が充填されている切り欠き部分が設けられ、
   前記切り欠き部分の各々の平面形状は、底部が前記ハブ部近傍に位置し、斜辺が前記磁石セグメントの側面と略平行であり、先端が支持部材の外周縁部近傍に位置する、略三角形となっていることを特徴とする、
   アキシャルギャップモータ。
2. 前記支持部材の材料の切り欠き部分の各々が、前記支持部材の少なくとも一方の側を厚み方向に薄くした凹部である、請求項１のアキシャルギャップモータ。
3. 前記支持部材の材料の切り欠き部分の各々が、前記支持部材を厚さ方向に貫通する貫通孔である、請求項１のアキシャルギャップモータ。
4. 前記非導電性材料が、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂を含む、熱硬化性樹脂を含む、請求項１のアキシャルギャップモータ。

Images