JP6430570B2

JP6430570B2 - インホイールモータ

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Publication number: JP6430570B2
Application number: JP2017060756A
Authority: JP
Inventors: 智宣勝田
Original assignee: Okayama Prefectural Government
Current assignee: Okayama Prefectural Government
Priority date: 2017-03-27
Filing date: 2017-03-27
Publication date: 2018-11-28
Anticipated expiration: 2037-03-27
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Description

本発明は、車輪にモータを組み込んだインホイールモータ車両の車輪の駆動用のアウタロータ型のインホイールモータに関する。

近年、電気自動車の開発が進められており、モータ駆動の電気自動車は、エンジン駆動のガソリン自動車と比較すると静粛性が高い。特に電気自動車の停止時にはガソリン自動車のようなアイドリングがないため、非常に静かである。他方、モータは回転子に配置された磁石と巻線を施された固定子の歯とが引き合う作用と反発し合う作用とが繰り返し起こることによって回転し、これらの作用によってトルク脈動が生じる。

このトルク脈動は、振動となり最終的には音になるため、静粛性を阻害する要因となる。トルク脈動は、電流を印可しない無負荷時にはコギングトルクと呼ばれ、固定子形状や配置された磁石数やその形状、固定子の歯数やその形状によって決まる固有の値である。つまり、一旦仕様が定まった後は、コギングトルクを小さくすることはできない。このため、いかにしてコギングトルクを小さくするかがモータの磁界設計・解析の課題であった。

一般的に、大きなトルクが必要となるモータは、コギングトルクも大きくなる傾向にあるため、大トルク小コギングトルクを実現するのは困難であった。しかしながら、大トルクが必要となるダイレクトドライブ式のインホイールモータにおいて、コギングトルクが大きいと、そのトルク脈動に起因する振動もダイレクトにホイールに伝わるため、コギングトルクをより小さくすることが不可欠となる。

下記特許文献１には、モータを分数溝方式とし、固定子又は回転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、コギングトルクをほぼゼロにすることが出来るモータが提案されている。

特開２０１３−１７６２０２号公報

特許文献１のモータの実施例では、磁極の数が２０で溝の数（歯の数）は２４であり、この構成では、磁極の数と溝の数の最小公倍数は１２０であり、最大公約数は４となる。最小公倍数が大きいほど、振動が少なくコギングトルクが小さくなり、最大公約数が大きいほど、巻線の回路の並列数を増やせるので、巻線の電流を小さくでき発熱抑制を図ることができる。前記特許文献１の構成では、最小公倍数を大きくできコギングトルクを小さくできるが、最大公約数が小さく巻線の電流が大きくなり、発熱抑制を図るには不利な構成であった。同構成では、巻線を太くすることにより、巻線の電流を小さくして発熱抑制を図ることはできるが、この場合は巻線を成形しにくいという問題があった。

本発明は、前記のような従来の問題を解決するものであり、製造や実用において不利にならない範囲でコギングトルクの低減に有利になるインホイールモータ車両の車輪の駆動用のアウタロータ型のインホイールモータを提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明のインホイールモータは、車輪にモータを組み込んだインホイールモータ車両の車輪の駆動用のアウタロータ型のインホイールモータであって、複数の永久磁石が内周面に沿って固定された表面磁石型の回転子と、前記永久磁石を前記回転子に固定するための楔状の突起と、前記回転子の内側に配置され、外周部に歯と溝とが交互に形成された固定子とを備え、前記永久磁石の数が３２個で前記溝の数が２４個であり、前記回転子の回転軸と直交する方向における前記永久磁石の断面形状は、両端側に磁束の集中を避けるための面取りがされており、前記固定子側が凸形状であることを特徴とする。

前記本発明における永久磁石数:溝数=３２:２４の分数溝の構造は、コギングトルクの低減と巻線の成形性を損なうことなく発熱抑制を図ることを両立できる構造であることに加え、インバータ周波数を低く抑えて制御容易であり、かつ溝の余白を十分確保でき、コイルの製造や発熱の影響の点においても不利にならない構造であり、製造や実用において不利にならない範囲でコギングトルクの低減に有利な構造であり、インホイールモータ車両の車輪の駆動用のアウタロータ型のインホイールモータに適している。

前記本発明のインホイールモータにおいては、前記永久磁石の半幅をＭｗ（ｍｍ）、前記歯の半幅をＴｗ（ｍｍ）、前記回転子の内径の半径をＲｉ（ｍｍ）、前記回転子の回転軸と直交する方向における前記永久磁石の断面形状において、前記楔状の突起と前記永久磁石との接点における前記永久磁石の接線と前記永久磁石の前記回転子側の底辺とのなす角度をＭａとすると、下記数１を満足することが好ましい。

前記本発明の好ましい構成によれば、前記数１を満足するように、Ｍｗ、Ｔｗ、Ｒi及びＭａを設定すれば、コギングトルクを所定の基準値以下に低減できるアウタロータ型インホイールモータが得られる。

前記本発明のインホイールモータにおいては、前記楔状の突起は、前記回転子と一体に成形されていることが好ましい。この構成によれば、楔状の突起と回転子との組み立て誤差を無くすことができ、回転子内径Ｒｉ及び磁石角度Ｍａの精度が確保される。加えて、楔状の突起に永久磁石が高精度に位置決めされるので、楔状の突起と永久磁石との組立誤差が少なくなり、前記数１を実機で正確に再現するのに有効になる。

前記永久磁石は、前記面取りの位置よりも端部側において、前記楔状の突起と係合していることが好ましい。この構成によれば、楔状の突起が固定子に向かって迫り出さないので、隣接する永久磁石同士で楔状の突起を通じて発生する短絡を少なくすることに有利になる。トルクは、固定子と永久磁石との間の磁力のやり取りによって、両者が引き合ったり、反発し合ったりすることによって得られる回転力であるので、前記構成により短絡が少なくなれば、トルク低下防止に有利になる。

本発明によれば、永久磁石数:溝数=３２:２４の分数溝の構造を採用したことにより、製造や実用において不利にならない範囲でコギングトルクの低減に有利になるインホイールモータ車両の車輪の駆動用のアウタロータ型のインホイールモータを実現できる。

本発明の一実施形態に係るインホイールモータの近傍を示す外観図。図１に示したインホイールモータの内部構造を示す断面図。図２におけるカバーの外周面近傍の拡大図。本発明の一実施形態に係るインホイールモータの分解斜視図。本発明の一実施形態に係るインホイールモータのモータ構造の要部を示す平面図。図５のＡ部の拡大図。図６のＢ部の拡大図。溝の余白を説明するための固定子の部分拡大図。コギングトルクを説明する図。磁石幅Ｍｗが所定の値のときのそれぞれにおいて、回転子内径Ｒｉを変化させたときのコギングトルクＴとβの変化を表した図。歯幅Ｔｗが所定の値のときのそれぞれにおいて、回転子内径Ｒｉを変化させたときのコギングトルクＴとβの変化を表した図。回転子内径Ｒｉが所定の値のときのそれぞれにおいて、歯幅Ｔｗを変化させたときのコギングトルクＴとβの変化を表した図。磁石厚みＭｔが所定の値のときのそれぞれにおいて、回転子内径Ｒｉを変化させたときのコギングトルクＴとβの変化を表した図。磁石角度Ｍａが所定の値のときのそれぞれにおいて、回転子内径Ｒｉを変化させたときのコギングトルクＴとβの変化を表した図。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。本実施形態は、車輪にモータを組み込んだインホイールモータ車両の車輪の駆動用のアウタロータ型のインホイールモータに関するものである。インホイールモータ車両は例えば電気自動車であるが、これに限るものではなく、ガソリンエンジンで発電しモータを駆動するものであってもよい。図１は、本発明の一実施形態に係るインホイールモータ１の近傍を示す外観図である。図示の便宜のため、ホイール（車輪）２は断面状態で図示しており、ホイール２に取り付けられるタイヤの図示は省略している。インホイールモータ１は、電気自動車のホイール２の内側に内蔵して用いられ、図１は電気自動車の１輪部分を示している。

図１において、インホイールモータ１は車両懸架装置３に取り付けられている。車両懸架装置３を構成する上下一対のアッパーアーム４とロアアーム５との間に、ショックアブソーバ６が固定されており、ショックアブソーバ６にはこれを取り巻くようにコイルばね７が取り付けられている。

インホイールモータ１は、モータケース１０を備えている。モータケース１０の内部に、モータ構造が内蔵されている。図２及び図３を参照しながら、モータ構造について説明する。図２は、図１に示したインホイールモータ１の内部構造を示す断面図である。図示の便宜のため、部分的に簡略化して図示している。図３は、図２におけるカバー１０の外周面近傍の拡大図である。図４は、インホイールモータ１の分解斜視図である。以下、図２〜図４を参照しながらインホイールモータ１の内部構造について説明する。

図２は、インホイールモータ１にホイール２を装着した状態を図示しているが、インホイールモータ１にホイール２を装着する前に、ケース１０はハブユニット１１に固定されている。図２では、ボルト１２がハブユニット１１のフランジ部、ケース１０及びホイール２を挿通しており、ボルト１２はナット（図示せず）により締め付けられる。このことにより、インホイールモータ１にホイール２が一体に固定される。

図４おいて、ケース１０の内周面に溝１３が形成され、円環状の回転子１４に凸部１６が形成されている。永久磁石１５は回転子１４の内周面側に固定される。回転子１４は、凸部１６がケース１０の溝１３に嵌合した状態で、ケース１０に収納される。この状態で、図３に示したように、ロータクランプ２０及びダストシール２１がねじ２２によりケース１０に固定され、回転子１４がスペーサ１８及びスペーサ１９で挟まれた状態でケース１０の内周面側に固定される。

図４に示したハブユニット１１の貫通孔２３には、ブレーキシャフト２４が挿通する。図２の状態ではブレーキシャフト２４はハブユニット１１に固定されており、ブレーキシャフト１１には、ボルト２５及びナット（図示せず）により、ブレーキディスク２６（図２参照）が固定される。以上の構成によれば、ハブユニット１１、ケース１０、回転子１４、ブレーキシャフト２４及びブレーキディスク２６が一体構造になっており、この一体構造物にホイール２が固定される。

本実施形態のインホイールモータ１は、アウターロータ型であり、アウターロータである回転子１４が回転する。前記の一体構造によれば、回転子１４の回転と一体に同速度でケース１０、ハブユニット１１のうち軸受（図示せず）の内径側、ブレーキシャフト２４及びブレーキディスク２６が回転し、これらと一体のホイール２が回転する。

図４において、固定子（鉄心）３０にコイル３１が巻回されている。コイル３１のコイル線はバスバーリング３７の外周部に結線される。図４に示したモータサポート３２とモータベース３３とで固定子３０を支持する支持体３４を構成する。図２の状態では、モータサポート３２及びモータベース３３の外周面と固定子３０の内周面とが嵌合し、固定子３０はモータサポート３２及びモータベース３３で構成される支持体３４に固定されている。図４に示したように、モータベース３３にはボルト４０が一体になっており、ボルト４０はシールプレート４１を挿通する。図２の状態では、ボルト４０（図２では図示せず）はナックル８を挿通しており、ナット（図示せず）に締め付けられる。このことにより、固定子３０は支持体３４を介してナックル８に固定される。

したがって、固定子３０及びこれと一体の支持体３４及びシールプレート４１は、回転しない固定部である。図２の状態では、支持体３４及びシールプレート４１はハブユニット１１に固定されている。前記のとおり、ハブユニット１１は、ホイール２の回転と一体に回転する。しかし、ハブユニット１１は軸受（図示せず）が内蔵されているので、ホイール２の取付け側が回転しても、支持体３４及びシールプレート４１の取付け側は固定状態となる。図３において、永久磁石１５が一体になった回転子１４とコイル３１が巻回された固定子３０との間には隙間Ｔが形成されている。コイル３１に通電されると、永久磁石１５と一体の回転子１４が回転する。

以下、インホイールモータ１のモータ構造について具体的に説明する。図５は本実施形態に係るインホイールモータ１のモータ構造の要部を示す平面図である。図６は図５のＡ部の拡大図であり、図７は図６はＢ部の拡大図である。図５において、回転子１４は表面磁石型であり、複数の永久磁石１５が回転子１４の内周面に沿って固定されている。より具体的には、図６及び図７に示したように、永久磁石１５は回転子１４と一体の楔状の突起４２により、回転子１４に固定されている。図５において、回転子１４の内側には固定子３０が配置されており、固定子３０の外周部には歯３５と溝３６とが交互に形成されている。

図６においては、永久磁石１５は回転子１４の回転軸と直交する方向における断面形状を示している。永久磁石１５は固定子３０側が凸形状であり、両端側に磁束の集中を避けるための面取り４３がされている。図７に示したように、永久磁石１５は、面取り４３の位置よりも端部側の係合部４４において、楔状の突起４２と係合している。係合部４４は直線でも曲線でもよい。楔状の突起４２と係合部４４とは接点４６において接しており、接線４７は接点４６における接線である。

以上、インホイールモータ１の構成の概要を説明したが、電気自動車等のインホイールモータ車両（以下、「電気自動車等」という。）の車輪の駆動用のアウタロータ型のインホイールモータにおいては、ホイール内にモータを内蔵しているため、防振構造が取りにくいことや、ダイレクトドライブの場合、モータのトルク脈動に起因する振動もダイレクトに車体に伝わるため、コギングトルクをより小さくすることが求められる。本願発明者は、コギングトルクの低減を図るために、永久磁石の数と溝の数に着目した。

永久磁石の数と溝の数の組み合わせのことをスロットコンビネーションという場合があるが、本実施形態では単に構造という。例えば、永久磁石１５の数が３２個で溝３６の数が２４個の組み合わせについては、永久磁石数:溝数=３２:２４の構造という。また、永久磁石数及び溝数に関し、数ではなく比のことをいうときは比であることを明記する。

永久磁石数と溝数との比が２：３である構造は、整数溝と呼ばれ、それ以外は分数溝と呼ばれる。コギングトルクは、永久磁石数と溝数の最小公倍数が大きいほど小さくなる傾向にある。例えば、永久磁石数:溝数=１６:２４の整数溝の構造では、永久磁石数と溝数の最小公倍数は４８であるのに対し、永久磁石数:溝数=２０:２４の分数溝の構造では１２０となり、分数溝の構造は整数溝の構造に比べコギングトルクが小さくなる。

他方、分数溝の構造は、巻線方向が同一方向でなくなり複雑化することと、巻線の並列回路数を多くできないことがデメリットとなる。すなわち、モータに流れる総電流を並列回路数で割った値が、コイルに流れる電流値となるので、並列回路数を多くできないと、コイルに流れる電流が大きくなり、その抵抗による発熱が大きくなる。発熱を抑えるためには、コイル径を太くしてコイルの断面積を大きくしたり、線径の細いコイルを２、３本同時に巻線する方法もあるが、いずれも巻線を成形しにくいという問題があった。

並列回路数は、永久磁石数と溝数の最大公約数で決まり、最大公約数が大きいほど並列回路数を多くできる。永久磁石数と溝数の最大公約数は、永久磁石数:溝数=１６：２４の構造が８であるのに対し、永久磁石数:溝数=２０:２４の構造は４となり、永久磁石数:溝数=２０:２４の構造は、永久磁石数:溝数=１６：２４の構造に比べ、コギングトルクの低減には有利であるが巻線の成形性を損なうことなく発熱抑制を図ることには不利になる。すなわち、前記の構造はいずれも、コギングトルクの低減と巻線の成形性を損なうことなく発熱抑制を図ることを両立できる構造ではなかった。

本願発明者は、永久磁石数と溝数との比が４:３の分数溝の構造は、永久磁石数と溝数の最小公倍数大きくすることと、永久磁石数と溝数の最大公約数を大きくすることの両方を満足できる構造であることに着眼し、この構造はコギングトルクの低減と並列回路数を多くして発熱抑制を図ること、すなわち、巻線の成形性を損なうことなく発熱抑制を図ることを両立できる構造であることを見出した。その上で、次のとおり、電気自動車等の車輪の駆動用のアウタロータ型のインホイールモータに適した永久磁石数と溝数について検討した。

永久磁石数を多くして多極化すれば、極ピッチが小さくなるので、コギングトルクが小さくなることが知られている。一方、インバータ周波数ｆ（Ｈｚ）は、モータ回転数をＮ（ｒｐｍ）、永久磁石数をＰとすると、下記式（１）で表される。
式（１）ｆ＝（Ｎ／６０）×（Ｐ／２）
式（１）によれば、永久磁石数が多くなると、インバータ周波数が大きくなり、モータ制御が難しくなるので、極数を多くすることは望ましくない。量産電気自動車やハイブリッド自動車等のオンボードモータには、８極４８溝の構造がよく採られ、この場合の減速比は例えば８．１９３８である。この例においてホイール径が１６インチで、タイヤ外径が６００ｍｍ（タイヤ外径６３２ｍｍの２０５/５５Ｒ１６のタイヤにおいて、車両重量によりタイヤ外径が５％圧縮されたた場合。）とすると、時速１２０ｋｍのときは、モータ回転数が８７００ｒｐｍとなり、インバータ周波数は５８０Ｈｚと大きな値となる。

これに対し、アウタロータ型インホイールモータのようにダイレクトドライブのインホイールモータの場合、ギヤ比は１となるため、同じ時速１２０ｋｍの場合、ホイール径が１６インチでタイヤ外径が前記の例と同じ６００ｍｍであれば、モータ回転数は８７００ｒｐｍよりも大幅に低くなるので、これに伴いインバータ周波数も低くなり、オンボードモータに比べ十分に制御可能な周波数となる。すなわち、アウタロータ型インホイールモータのようにダイレクトドライブのインホイールモータは、オンボードモータに比べ永久磁石数を多くする余地がある。

他方、モータ設計においては、溝の余白に対する配慮が必要になる。溝の余白とは、溝面積のうち、コイル以外の面積部分のことである。図８に固定子５０の部分拡大図を示している。固定子５０の歯５３にコイル５１が巻回されており、隣接するコイル５１間の空間が溝の余白５２である。これに対し、占積率とは、溝面積のうちコイル５１の面積が占める割合である。

図８において、コイル５１の巻数を増やして出力トルクを増加させたり、コイル５１の線径を太くすることにより、電流を流した際のコイル５１からの発熱を抑制できるため、この点においては占積率は高いほど望ましい。しかしながら、占積率を高くするとコイル５１の面積が増えるため、溝の余白５２が少なくなる。

コイル５１の製造においては、巻線機を用い巻線機が備えるニードルの先端から排出させたコイル５１を固定子５０の歯５３に巻回する。溝の余白５２が少ないと、コイルとニードルの干渉が生じ易くなり、ニードルを溝へ挿入することが困難になり、また予め巻回したコイル５１を歯５３に差し込む場合は、コイル５１を溝への挿入することが困難になる。また、溝の余白５２が少くなると、電流を流した際のコイル５１の発熱の影響をコイル５１間で互いに受けることになる。

よって、溝の余白５２が少ないことは、コイル５１の製造（特に巻線の自動化）の点において不利になり、コイル５１間の発熱の影響の点においても不利になるため、溝の余白５２は多い方が望ましい。この点、モータサイズ、歯と溝の割合(ピッチ)及び占積率が同一の条件下では、溝の余白５２は、溝数に比例して小さくなる。このため、溝数を多くし過ぎると、溝の余白５２が小さくなり過ぎるため、溝数を適度に抑えることが望ましい。

前記の検討の結果、本願発明者は、永久磁石数と溝数との比が４:３の分数溝の構造は、コギングトルクの低減と巻線の成形性を損なうことなく発熱抑制を図ることを両立できる構造であることを見出し、その上でアウタロータ型インホイールモータのようにダイレクトドライブのインホイールモータは、オンボードモータに比べ永久磁石数を多くする余地があることに着眼した。そして、永久磁石数と溝数との比が４:３の分数溝において、永久磁石数を順次多くした構造について、インホイールモータに適した構造を見出すべく検討を行った。以下、下記表１を参照しながら具体的に説明する。

下記表１に、永久磁石数と溝数の組み合わせを変えた５種類の構造について、それぞれ、最小公倍数、最大公約数、インバータ周波数及び溝の余白を示した。溝の余白は、番号１の構造における溝の余白を１としたときの比率で示した。インバータ周波数は、ホイール径が１5インチで、タイヤ外径が５４５ｍｍ（タイヤ外径５７４ｍｍの１７５/５５Ｒ１５のタイヤにおいて、車両重量によりタイヤ外径が５％圧縮されたた場合。）で、時速１２０ｋｍのときとした。

表１によれば、番号１は最小公倍数が小さくコギングトルクの低減には不利であり、番号２は最大公約数が小さく巻線の成形性を損なうことなく発熱抑制を図ることには不利である。これに対し、番号３〜番号５は、いずれも永久磁石数と溝数の比率が４：３であり、最小公倍数及び最大公約数が共に大きく、コギングトルクの低減と巻線の成形性を損なうことなく発熱抑制を図ることを両立できる構成であることが理解できる。また、番号３〜番号５は、いずれもインバータ周波数が十分小さな値に収まっている。

より具体的には、番号３〜番号５は、この順に永久磁石数が多く、永久磁石数が多いほど、最小公倍数及び最大公約数が共に大きくなっている。このため、コギングトルクの低減と巻線の成形性を損なうことなく発熱抑制を図ることを両立できることに関しては、番号５が最も適している。

しかしながら、番号５は溝数が多く溝の余白の比率が１を割るため、コイルの製造及びコイル間の発熱の影響の点において不利になる。他方、番号４は番号５に比べ溝数が少なく余白の比率が１を維持しており、番号５の不利を解消している。すなわち、番号４は製造や実用において不利にならない範囲でコギングトルクの低減に有利な構造であることが理解できる。

以上の検討の結果、永久磁石数:溝数=３２:２４の分数溝の構造は、コギングトルクの低減と巻線の成形性を損なうことなく発熱抑制を図ることを両立できる構造であることに加え、インバータ周波数を低く抑えて制御容易であり、かつ溝の余白を十分確保でき、コイルの製造やコイル間の発熱の影響の点においても不利にならない構造であることが見出された。すなわち、本願発明者は、永久磁石数:溝数=３２:２４の分数溝の構造は、製造や実用において不利にならない範囲でコギングトルクの低減に有利な構造であり、インホイールモータ車両の車輪の駆動用のアウタロータ型のインホイールモータに適した構造であることを見出した。

本願発明者はさらに研究を重ね、コギングトルクの低減に関し、モータ原理に立ち帰り検討を加えた。この点、図５においてモータは回転子１４と固定子３０が引き合ったり、反発し合ったりすることによってトルク脈動が発生するが、これは磁力のやり取りがあるからこそ生じる現象である。すなわち、コギングトルクの低減には、いかにしてその磁力を滑らかに変化させるか、また、そのやり取りのための磁路をどのように形成するかが非常に重要になる。

磁力のやり取りに関し、図５において固定子３０側ではコイル（図５では図示せず）が巻回された歯３５の歯幅部分が唯一の磁路であり、回転子１４とのやり取りする対向部そのものである。一方、回転子１４側では磁力の発生源である永久磁石１５が磁力のやり取りの役割を担っている。具体的には、永久磁石１５の磁石幅と固定子３０との対向形状が、最終的に磁力を滑らかに変化させるか否かの要素になる。また、永久磁石１５の端部の傾斜角度は、相反する磁極を持った隣接する永久磁石１５間の磁力の変化に影響する。

さらに、図６のように永久磁石１５を回転子１４と一体の楔状の突起４２で固定した場合、楔状の突起４２は相反する磁極を持った隣接する永久磁石１５同士の短絡の程度を決めるための磁路となる。また、固定子３０と回転子１４との磁力のやり取りに関し、楔状の突起４２は隣の永久磁石１５に滑らかに磁力を伝える橋渡し的な役目も担っている。他方、楔状の突起４２の頂部は回転子３０の内径の起点となり、回転子３０の内径は楔状の突起４２の高さと直接関係する。

以上のような観点から、本願発明者は、モータ構造において歯幅、磁石幅、回転子内径及び磁石端部の傾斜角度は、コギングトルクの低減に関し関連性が高いと考え、膨大な解析を実施し、前記実施形態の各構成に加え、所定の条件を満足すれば、コギングトルクを所定の基準値以下に低減できることを見出した。具体的には、図６において、永久磁石１５の磁石幅（半幅）をＭｗ（ｍｍ）、歯３５の歯幅（半幅）をＴｗ（ｍｍ）、回転子１４の回転子内径（半径）をＲｉ（ｍｍ）、図７において、楔状の突起４２と永久磁石１５との接点４６における永久磁石１５の接線４７と、永久磁石１５の回転転子１４側の底辺とのなす角度を磁石角度Ｍａ（度）とすると、下記数２を満足することにより、コギングトルクを所定の基準値（本実施形態では１．５（Ｎｍ））以下に低減できることを見出した。

説明の便宜のため、数２における数式を下記数３のようにβとする。

図９にコギングトルクを説明する図を示している。本図に示したように、コギングトルクは、周期的に変化する波形で表わされ、この波形の振幅Ｔがコギングトルクの値である。例えば、１．５（Ｎｍ）のコギングトルクというときは、振幅Ｔが１．５（Ｎｍ）である。

図１０は、歯幅Ｔｗを８．６５ｍｍ、磁石厚みＭｔを３．５ｍｍ、磁石角度Ｍａを７５度で固定し、磁石幅Ｍｗが１２．４０ｍｍ、１２．５０ｍｍ、１２．６０ｍｍのときのそれぞれにおいて、回転子内径Ｒｉ（ｍｍ）を変化させたときのコギングトルクＴ（Ｎｍ）とβ（数３）の変化を表したものである。図１０の解析結果の対象としたモータは、図５〜図７に示したモータ構造を有しており、永久磁石数:溝数=３２:２４の分数溝の構造を有するものである。このことは、以下の図１１〜１４においても同じである。

線１０１は磁石幅Ｍｗが１２．４０ｍｍのときに、回転子内径Ｒｉ（ｍｍ）を変化させたときのコギングトルクＴ（Ｎｍ）の変化を表しており、線２０１は、磁石幅Ｍｗが同じ１２．４０ｍｍのときに、βの変化を表したものである。同様に、線１０２、線２０２は、ぞれぞれ磁石幅Ｍｗが１２．５０ｍｍのときの、コギングトルクＴ（Ｎｍ）の変化、βの変化を表しており、線１０３、線２０３は、ぞれぞれ磁石幅Ｍｗが１２．６０ｍｍのときの、コギングトルクＴ（Ｎｍ）の変化、βの変化を表している。線１００は線１００上ではβの値が９２６であるこを表している（図１１〜１４においても同じ。）。

線１０１では、Ａ１点においてコギングトルクＴが最小値となり、このときのβの値は線２０１のＢ１点の値となる。同様に、線１０２では、Ａ２点においてコギングトルクＴが最小値となり、このときのβの値は線２０２のＢ２点の値となり、線１０３では、Ａ３点においてコギングトルクＴが最小値となり、このときのβの値は線２０３のＢ３点の値となる。Ｂ１点、Ｂ２点及びＢ３点はいずれも、線１００上又は線１００に近接しており、各点におけるβの値はいずれも９２６又はその近接値である。

線１０１〜線１０３において、コギングトルクＴが最小値となる点Ａ１〜Ａ３では、当該最小値は１．５（Ｎｍ）を十分下回っており、当該設定におけるβの値は９２６又はその近接値である。また、線１０１〜線１０３において、最小値に対し所定の値だけ前後した範囲内においても、コギングトルクＴは依然として１．５（Ｎｍ）を十分下回っている。

図１１は、磁石厚みＭｔを３．５ｍｍ、磁石幅Ｍｗを１２．５０ｍｍ、磁石角度Ｍａを７５度で固定し、歯幅Ｔｗを８．６０ｍｍ、８．６５ｍｍ、８．７０ｍｍ、８．８０ｍｍのときのそれぞれにおいて、回転子内径Ｒｉ（ｍｍ）を変化させたときのコギングトルクＴ（Ｎｍ）とβの変化を表したものである。

線１０４は歯幅Ｔｗが８．６０ｍｍのときに、回転子内径Ｒｉ（ｍｍ）を変化させたときのコギングトルクＴ（Ｎｍ）の変化を表しており、線２０４は、歯幅Ｔｗが同じ８．６０ｍｍのときに、βの変化を表したものである。同様に、線１０５、線２０５は、ぞれぞれ歯幅Ｔｗが８．６５ｍｍのときの、コギングトルクＴ（Ｎｍ）の変化、βの変化を表しており、線１０６、線２０６は、ぞれぞれ歯幅Ｔｗが８．７０ｍｍのときの、コギングトルクＴ（Ｎｍ）の変化、βの変化を表しており、線１０７、線２０７は、ぞれぞれ歯幅Ｔｗが８．８０ｍｍのときの、コギングトルクＴ（Ｎｍ）の変化、βの変化を表している。

線１０４では、Ｃ１点においてコギングトルクＴが最小値となり、このときのβの値は線２０４のＤ１点の値となる。同様に、線１０５では、Ｃ２点においてコギングトルクＴが最小値となり、このときのβの値は線２０５のＤ２点の値となり、線１０６では、Ｃ３点においてコギングトルクＴが最小値となり、このときのβの値は線２０６のＤ３点の値となり、線１０７では、Ｃ４点においてコギングトルクＴが最小値となり、このときのβの値は線２０７のＤ４点の値となる。Ｄ１点、Ｄ２点、Ｄ３点及びＤ４点はいずれも、線１００上又は線１００に近接しており、各点におけるβの値はいずれも９２６又はその近接値である。

線１０４〜線１０７において、コギングトルクＴが最小値となる点Ｃ１〜Ｃ４では、当該最小値は１．５（Ｎｍ）を十分下回っており、当該設定におけるβの値は９２６又はその近接値である。また、線１０４〜線１０７において、最小値に対し所定の値だけ前後した範囲内においても、コギングトルクＴは依然として１．５（Ｎｍ）を十分下回っている。

図１２は、磁石幅Ｍｗを１２．５０ｍｍ、磁石厚みＭｔを３．５ｍｍ、磁石角度Ｍａを７５度で固定し、回転子内径Ｒｉ（ｍｍ）を１３９．３ｍｍ、１３９．７ｍｍ、１４０．０５ｍｍのときのそれぞれにおいて、歯幅Ｔｗ（ｍｍ）を変化させたときのコギングトルクＴ（Ｎｍ）とβの変化を表したものである。

線１０８は回転子内径Ｒｉ（ｍｍ）が１３９．３ｍｍのときに、歯幅Ｔｗ（ｍｍ）を変化させたときのコギングトルクＴ（Ｎｍ）の変化を表しており、線２０８は、回転子内径Ｒｉ（ｍｍ）が同じ１３９．３ｍｍのときに、βの変化を表したものである。同様に、線１０９、線２０９は、ぞれぞれ回転子内径Ｒｉ（ｍｍ）が１３９．７ｍｍのときの、コギングトルクＴ（Ｎｍ）の変化、βの変化を表しており、線１１０、線２１０は、ぞれぞれ回転子内径Ｒｉ（ｍｍ）が１４０．０５ｍｍのときの、コギングトルクＴ（Ｎｍ）の変化、βの変化を表している。

線１０８では、Ｅ１点においてコギングトルクＴが最小値となり、このときのβの値は線２０８のＦ１点の値となる。同様に、線１０９では、Ｅ２点においてコギングトルクＴが最小値となり、このときのβの値は線２０９のＦ２点の値となり、線１１０では、Ｅ３点においてコギングトルクＴが最小値となり、このときのβの値は線２１０のＦ３点の値となり、Ｆ１点、Ｆ２点及びＦ３点はいずれも、線１００上又は線１００に近接しており、各点におけるβの値はいずれも９２６又はその近接値である。

線１０８〜線１１０において、コギングトルクＴが最小値となる点Ｅ１〜Ｅ３では、当該最小値は１．５（Ｎｍ）を十分下回っており、当該設定におけるβの値は９２６又はその近接値である。また、線１０８〜線１１０において、最小値に対し所定の値だけ前後した範囲内においても、コギングトルクＴは依然として１．５（Ｎｍ）を十分下回っている。

図１３は、歯幅Ｔｗを８．６５ｍｍ、磁石幅Ｍｗを１２．５０ｍｍ、磁石角度Ｍａを７５度で固定し、磁石厚みＭｔが３．３ｍｍ、３．５ｍｍ、３．７ｍｍ、４．０ｍｍのときのそれぞれにおいて、回転子内径Ｒｉ（ｍｍ）を変化させたときのコギングトルクＴ（Ｎｍ）とβの変化を表したものである。

線１１１は磁石厚みＭｔが３．３ｍｍのときに、回転子内径Ｒｉ（ｍｍ）を変化させたときのコギングトルクＴ（Ｎｍ）の変化を表しており、線１１２は磁石厚みＭｔが３．５ｍｍのときに、回転子内径Ｒｉ（ｍｍ）を変化させたときのコギングトルクＴ（Ｎｍ）の変化を表しており、線１１３は磁石厚みＭｔが３．７ｍｍのときに、回転子内径Ｒｉ（ｍｍ）を変化させたときのコギングトルクＴ（Ｎｍ）の変化を表しており、線１１４は磁石厚みＭｔが４．０ｍｍのときに、回転子内径Ｒｉ（ｍｍ）を変化させたときのコギングトルクＴ（Ｎｍ）の変化を表している。

数２において、磁石厚みＭｔは変数でなく、図１３では歯幅Ｔｗ、磁石幅Ｍｗ及び磁石角度Ｍａが固定されているので、線１１１〜線１１４に対応するβの変化は１本の同じ線２１１で表される。

線１１１では、Ｇ１点においてコギングトルクＴが最小値となり、このときのβの値は線２１１のＨ１点の値となる。同様に、線１１２では、Ｇ２点においてコギングトルクＴが最小値となり、このときのβの値は線２１１のＨ２点の値となり、線１１３では、Ｇ３点においてコギングトルクＴが最小値となり、このときのβの値は線２１１のＨ３点の値となり、線１１４では、Ｇ４点においてコギングトルクＴが最小値となり、このときのβの値は線２１１のＨ４点の値となり、Ｈ１点、Ｈ２点、Ｈ３点及びＨ４点はいずれも、線１００上又は線１００に近接しており、各点におけるβの値はいずれも９２６又はその近接値である。

線１１１〜線１１４において、コギングトルクＴが最小値となる点Ｇ１〜Ｇ４では、当該最小値は１．５（Ｎｍ）を十分下回っており、当該設定におけるβの値は９２６又はその近接値である。また、線１１１〜線１１４において、最小値に対し所定の値だけ前後した範囲内においても、コギングトルクＴは依然として１．５（Ｎｍ）を十分下回っている。

また、線１１１〜線１１４は、数２において変数ではない磁石厚みＭｔを異ならせた場合の線であるが、図１３に示されたとおり、線１１１〜線１１４はそれぞれ同様の変化を示しており、磁石厚みＭｔはコギングトルクＴに対する影響度の小さい要素であることが理解できる。

図１４は、歯幅Ｔｗを８．６５ｍｍ、磁石幅Ｍｗを１２．５０ｍｍ、磁石厚みＭｔを３．５ｍｍで固定し、磁石角度Ｍａが７５度、８０度のときのそれぞれにおいて、回転子内径Ｒｉ（ｍｍ）を変化させたときのコギングトルクＴ（Ｎｍ）とβの変化を表したものである。

線１１５は磁石角度Ｍａが７５度のときに、回転子内径Ｒｉ（ｍｍ）を変化させたときのコギングトルクＴ（Ｎｍ）の変化を表しており、線２１５は磁石角度Ｍａが同じ７５度のときのβの変化を表したものである。同様に、線１１６、線２１６は、ぞれぞれ磁石角度Ｍａが８０度のときの、コギングトルクＴ（Ｎｍ）の変化、βの変化を表している。

線１１５では、Ｉ１点においてコギングトルクＴが最小値となり、このときのβの値は線２１５のＪ１点の値となる。同様に、線１１６では、Ｉ２点においてコギングトルクＴが最小値となり、このときのβの値は線２１６のＪ２点の値となる。Ｊ１点及びＪ２点はいずれも、線１００上又は線１００に近接しており、各点におけるβの値はいずれも９２６又はその近接値である。

線１１５〜線１１６において、コギングトルクＴが最小値となる点Ｉ１〜Ｉ２では、当該最小値は１．５（Ｎｍ）を十分下回っており、当該設定におけるβの値は９２６又はその近接値である。また、線１１５〜線１１６において、最小値に対し所定の値だけ前後した範囲内においても、コギングトルクＴは依然として１．５（Ｎｍ）を十分下回っている。

以上、図１０〜図１４を参照しながら、解析結果について説明したが、コギングトルクＴが最小値となる設定では、当該最小値は１．５（Ｎｍ）を十分下回っており、当該設定におけるβの値は９２６又はその近接値である。したがって、（数３）において、Ｍｗ、Ｔｗ、Ｒi及びＭａをβの値が９２６又はその近接値となるように設定すれば、コギングトルクＴが１．５（Ｎｍ）を十分下回るアウタロータ型インホイールモータが得られる。

また、前記のとおり、図１０〜図１４において、最小値に対し所定の値だけ前後した範囲内においても、コギングトルクＴは依然として１．５（Ｎｍ）を十分下回っている。図１０〜図１４の解析結果によれば、βの値が９２０以上９３２以下であれば、コギングトルクＴは１．５（Ｎｍ）を十分下回っている。すなわち、（数２）を満足するように、Ｍｗ、Ｔｗ、Ｒi及びＭａを設定すれば、コギングトルクＴが１．５（Ｎｍ）を下回るアウタロータ型インホイールモータが得られる。

以上、コギングトルクの低減に関し、永久磁石数と溝数の組み合わせや数式を満足する構成の観点から説明したが、以下、より好ましい構成について説明する。前記のとおり、図７において、永久磁石１５は、面取り４３の位置よりも端部側の係合部４４において楔状の突起４２と係合している。この構成によれば、楔状の突起４２が固定子３０に向かって迫り出さないので、隣接する永久磁石１５同士で楔状の突起４２を通じて発生する短絡を少なくすることに有利になる。トルクは、固定子３０と永久磁石１５との間の磁力のやり取りによって、両者が引き合ったり、反発し合ったりすることによって得られる回転力であるので、前記構成により短絡が少なくなれば、トルク低下防止に有利になる。

さらに、図６及び図７において、楔状の突起４２は回転子１４から独立した部品ではなく、楔状の突起４２は回転子１４と一体に成形されている。具体的には、楔状の突起４２と回転子１４とが一体にプレス成形された電磁鋼板を積層して、楔状の突起４２が一体になった回転子１４が作られる。このため、楔状の突起４２と回転子１４との組み合わせ作業は不要であり、組み立て誤差を無くすことができる。楔状の突起４２は、数２における回転子内径Ｒｉ（図６参照）及び磁石角度Ｍａ（図７参照）を決定する構造物である。すなわち、楔状の突起４２の組み立て誤差がなければ、回転子内径Ｒｉ及び磁石角度Ｍａの精度が確保される。

加えて、楔状の突起４２が回転子１４と一体に成形されていると、楔状の突起４２に永久磁石１５が高精度に位置決めされるので、楔状の突起４２と永久磁石１５との組立誤差が少なくなり、解析結果を実機で正確に再現するのに有効である。特に、コギングトルクが１．５Ｎｍ未満になるような極めて繊細な領域になると、解析の再現が非常に重要になる。以上のように、楔状の突起４２が回転子１４と一体に成形されている構成は、コギングトルク低減に有利な構成である。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限るものではなく適宜変更した構成も含まれる。例えば前記実施形態のインホイールモータ１は一例であり、アウターロータ型の構造を変えない範囲で適宜変更してもよい。

１インホイールモータ
２ホイール
１４回転子
１５永久磁石
３０固定子
３１コイル
３５歯
３６溝
４２楔状の突起
４３面取り
４４係合部

Claims

車輪にモータを組み込んだインホイールモータ車両の車輪の駆動用のアウタロータ型のインホイールモータであって、
複数の永久磁石が内周面に沿って固定された表面磁石型の回転子と、
前記永久磁石を前記回転子に固定するための楔状の突起と、
前記回転子の内側に配置され、外周部に歯と溝とが交互に形成された固定子とを備え、
前記永久磁石の数が３２個で前記溝の数が２４個であり、
前記回転子の回転軸と直交する方向における前記永久磁石の断面形状は、両端側に磁束の集中を避けるための面取りがされており、前記固定子側が凸形状であることを特徴とするインホイールモータ。
前記永久磁石の半幅をＭｗ（ｍｍ）、前記歯の半幅をＴｗ（ｍｍ）、前記回転子の内径の半径をＲｉ（ｍｍ）、前記回転子の回転軸と直交する方向における前記永久磁石の断面形状において、前記楔状の突起と前記永久磁石との接点における前記永久磁石の接線と前記永久磁石の前記回転子側の底辺とのなす角度をＭａとすると、下記数１を満足する請求項１に記載のインホイールモータ。
前記楔状の突起は、前記回転子と一体に成形されている請求項２に記載のインホイールモータ。
前記永久磁石は、前記面取りの位置よりも端部側において、前記楔状の突起と係合している請求項１から３のいずれかに記載のインホイールモータ。