JP6508863B1 - アウターロータ型モータおよび電気自動車 - Google Patents

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Abstract

【課題】高トルクであってコギングトルクを低減させたアウターロータ型モータと、このモータを備えた電気自動車を提供する。【解決手段】アウターロータ型モータ100は、環状の固定子ヨーク11の径方向外側に放射状に複数の歯12を有する固定子コアと、歯12に卷回された固定子巻線13とを有する固定子10と、複数の磁石21を備えた回転子20とを備えている。回転子20の極数をP、歯12の歯数をNとした場合、2N/3Pが整数ではなく、歯12の周方向表面の幅が歯のピッチのほぼ1/2とし、歯12の周方向表面の端部に面取り部を設けている。また、磁石21の周方向幅が、磁石21のピッチの90〜95%であり、磁石21の外周面と内周面とが円弧状に形成されており、磁石21の内周面が固定子10側に突出し、外周面の曲率が前記内周面の曲率よりも大きい。【選択図】図1

Description

本発明は、アウターロータ型モータおよび電気自動車に関する。
近年、地球温暖化、エネルギー枯渇、大気汚染などの問題に対応するために、電気自動車を普及させる動きが高まっている。これまでの電気自動車は、車体の上に駆動モータを搭載するオンボード型の装置が主流であったが、駆動モータをホイール内に取り付けるインホイールモータが提案されている。このインホイールモータは、従来のギアや駆動軸などによるエネルギー損失がないため、駆動効率の向上と航続距離の向上が期待できる。
インホイールモータとしては、永久磁石回転子を用いたアウターロータ型モータが提案されており、回転に伴うコギングトルクを小さくすることが望まれる。アウターロータ型モータでコギングを小さく抑える方法としては、例えば、特許文献1に、永久磁石(以下、「磁石」ともいう。)の径方向の厚さを正弦波状にすることによって、回転子の磁石と固定子の歯(突極)との磁気的吸引力によって発生するコギングトルクを小さくすることが開示されている。
特表平11−500897号公報
大きなモータトルクを得るために、例えば、ネオジム磁石などの強力な磁石を用いる必要があるが、所定の形状の磁石を得るためには、焼結後の磁石に切断加工や研磨加工を行い、製品寸法に仕上げることが必要となる。しかし、磁石の径方向の幅を正弦波状に加工することは難しく、磁石の加工の点からは、よりシンプルな形状が望ましい。また、特許文献1に開示されたモータでは、磁石の1極当たりに対向する固定子の歯を2以上の整数個としているため、回転に伴うコギングトルクが大きくなるおそれがある。また、高トルクと低コギングを実現する構成については開示されていない。
コギングトルクを小さくするためには、回転子磁石あるいは固定子磁極をスキューさせる方法が考えられるが、出力トルクの低下を招くといった課題がある。また、スキューに伴いモータ構成部材の形状が複雑になるため、製造が難しくなり、モータ構成部材の価格の上昇を招くといった課題がある。
本発明は、これらの実情に鑑みてなされたものであり、モータを分数溝形式とし、磁石の形状を簡単にするとともに、固定子の歯の対ピッチ幅および磁石の対ピッチ幅をそれぞれ特定の関係にすることにより、高トルクであってコギングトルクを低減させたアウターロータ型モータを提供すること、および、このアウターロータ型モータを備えた電気自動車を提供することをその目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の第1の技術手段は、環状の固定子ヨークの径方向外側に放射状に複数の歯を有する固定子コアと、前記歯に卷回された固定子巻線とを有する固定子と、環状の回転子ヨークの内面に前記歯と空隙を挟んで対向する複数の永久磁石を有する回転子と、を備えたアウターロータ型モータであって、各前記永久磁石は径方向に着磁されており、前記回転子の極数をPとし、前記歯の数をNとした場合に、2N/3Pが整数ではなく、前記歯の周方向表面の幅が前記歯のピッチのほぼ1/2であり、前記歯の前記周方向表面の端部に面取り部が設けられ、前記永久磁石の周方向幅が、前記永久磁石のピッチの90〜95%であり、前記永久磁石の外周面と内周面とが円弧状に形成されており、前記永久磁石の前記内周面が前記固定子側に突出し、前記外周面の曲率が前記内周面の曲率よりも大きいことを特徴とするものである。
第2の技術手段は、第1の技術手段において、前記回転子の極数を20、前記歯の数を24としたことを特徴とするものである。
第3の技術手段は、第1または第2の技術手段において、前記永久磁石の周方向両端面がそれぞれ平面をなし、該両端面のなす角が前記永久磁石の前記外周面の中心角よりも大きく形成されており、前記回転子ヨークの内周面に、前記永久磁石の前記周方向両端面に当接する突起部を設けたことを特徴とするものである。
第4の技術手段は、電気自動車であって、第1から第3のいずれか1の技術手段のアウターロータ型モータが、車輪のホイールに設けられ、前記車輪が前記アウターロータ型モータによって直接駆動されることを特徴とするものである。
本発明によれば、簡単な形状の磁石を用いることにより、高トルクであってコギングトルクが小さいアウターロータ型モータ、および、このアウターロータ型モータを備えた電気自動車を提供することが可能になる。
本発明の実施形態に係るアウターロータ型モータの固定子と回転子を示す断面図である。 図1の一部拡大図である。 固定子の歯のピッチと回転子の磁石のピッチを説明するための図である。 シミュレーションに用いたアウターロータ型モータの基本形の固定子と回転子を示す図である。 図4に示すアウターロータ型モータの基本形において、磁石の周方向幅を変えた際の出力トルクのシミュレーション結果を示す図である。 アウターロータ型モータの基本形、改良形、実施例の出力トルクとコギングトルクを比較した図である。 本発明の一実施形態に係るアウターロータ型モータを電気自動車のインホイールモータとして備えた際の模式的な断面図である。
以下、図面を参照しながら、本発明のアウターロータ型モータおよび電気自動車に係る好適な実施形態について説明する。以下の説明において、異なる図面においても同じ符号を付した構成は同様のものであるとして、その説明を省略する場合がある。なお、本発明はこれらの実施形態での例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された事項の範囲内および均等の範囲内におけるすべての変更を含む。また、複数の実施形態について組み合わせが可能である限り、本発明は任意の実施形態を組み合わせたものを含む。
図1は、本発明の実施形態に係るアウターロータ型モータの固定子と回転子を示す断面図であり、図2は、図1の一部拡大図である。また、図3は、固定子の歯のピッチと回転子の磁石のピッチを説明するための図であり、固定子10の歯12の歯ピッチθ1、固定子10の周方向表面の幅θ2、回転子20の磁極ピッチθ3、および、磁石21の周方向幅θ4の関係を示している。
本実施形態のアウターロータ型モータ100は、固定子10と回転子20を有する三相の永久磁石式同期モータである。固定子10は、環状の固定子ヨーク11の径方向外側に放射状に複数の歯12を形成した固定子コアと、この固定子コアの歯12に卷回された固定子巻線13とを備えている。また、回転子20は、環状の回転子ヨーク22とこの回転子ヨーク22の内周面に固定した複数の磁石21を有しており、固定子10の歯12と磁石21とは0.6〜1.0mmの空隙を挟んで対向している。
アウターロータ型モータ100は、コギングトルクを小さくするために、回転子20の磁極の数を磁極数Pとし、固定子10の歯12の数を歯数Nとしたときに、2N/3Pが整数とならないような分数溝モータとして構成されている。本実施形態では、20個の磁石21と24個の歯12を備えている。1つの磁石21が径方向に着磁されて1磁極を構成することから、本実施形態では、回転子20の磁極数Pが20、固定子の歯数Nが24のモータとなっている。コギングトルクは、通電していないモータにおいて、回転子の磁極と固定子の歯との間の磁気的な吸引力に起因するものであり、磁極数Pと歯数Nの関係がコギングトルクに大きく影響している。固定子10の各歯12には、U,V,W相の三相の固定子巻線13が所定の結線で卷回されている。固定子コアは、渦電流損を小さくするために電磁鋼板の積層体から構成されている。
固定子10の歯12はほぼ直方体状であり、図3に示す固定子10の歯12の周方向表面の幅θ2は、歯12に卷回できる固定子巻線13の量に関係している。すなわち、歯12と歯12の間のスロットに収納できるコイル辺の量は歯12の周方向表面の幅θ2によって決まる。歯12の周方向表面の幅θ2が小さい場合は、固定子巻線13の量を多くできるが、固定子巻線13に大電流を流した場合には、歯12が磁気飽和を起こすため出力トルクは上がらない。また、歯12の周方向表面の幅θ2が大きい場合は、固定子巻線13の量が少なくなるため、必要な起磁力を得ることができない。シミュレーションからは、歯12の周方向表面の幅θ2を歯12の歯ピッチθ1のほぼ1/2にすることで、最大の出力トルクを得ることが知られている。また、歯12の歯ピッチθ1に対する歯の周方向表面の幅θ2の比を50%±5%の範囲内にしておけば、出力トルクが大きく低下させずに実用的な範囲でのトルクを得ることができる。本発明では、ほぼ1/2とは50%±5%の範囲内を示すものである。
回転子20の回転子ヨーク22の内周面には、所定の磁極ピッチθ3で形成した固定用の突起部23が形成されており、この突起部23間に20個の磁石21が挿入され固定されている。磁石21としては、例えば、磁束密度が高く磁力の大きなネオジム磁石の積層体が用いられる。磁石21の形状は、図2に示すように、固定子10の歯12に対向する内周面21aと回転子ヨーク22に当接する外周面21bを有しており、ともに円弧状であって、内周面21aは固定子10側に突出している。磁石21の外周面21bは回転子ヨーク22に当接しているため、外周面21bの曲率は回転子ヨーク22の内周面の曲率に等しい。また、外周面21bの曲率が内周面21aの曲率よりも大きく、磁石21の中央部分での厚さと周方向幅θ4を確保する点から、外周面21bの曲率は内周面21aの曲率の1.4〜1.6倍であることが望ましい。このように、本実施形態の磁石21は、内周面21aと外周面21bとがともに単純な円弧状であるため、磁石形状の加工が容易となる。このため、磁石の価格を下げることができ、アウターロータ型モータの価格を下げることができる。
磁石21を回転子ヨーク22の内周面に位置決め固定するために、図2に示すように、磁石21は周方向の端面21cがそれぞれ平面状に加工されており、2つの端面21cのなす角β(2つの端面21cを延長した交点O’に対して2つの端面21cがなす角)が磁石21の外周面21bの中心角α(モータの中心Oに対して外周面21bの両端がなす角)よりも小さく形成されている。そして、回転子ヨーク22には、磁石21の周方向の両端面21cに当接する突起部23が設けられている。磁石21は、回転子ヨーク22の軸方向から装着可能であり、磁石21の温度がキュリー温度を超えて磁力を失うなどの異常事態が発生したとしても、固定子10側に脱落することがない。なお、磁石21の周方向の位置決め固定の機能を果たす突起部23の周方向幅は、回転子20の磁極ピッチθ3に対して5%程度が必要である。
次に、磁石21の周方向幅とアウターロータ型モータの出力トルクの関係についてのシミュレーション結果について説明する。シミュレーションには、株式会社JSOLが提供する電磁界解析ソフトであるJMAGを使用した。図4は、シミュレーションに用いたアウターロータ型モータの基本形の固定子と回転子を示す図であり、図5は、図4に示すアウターロータ型モータの基本形において、磁石の周方向幅を変えた際の出力トルクのシミュレーション結果を示す図である。図4に示すアウターロータ型モータ101は、回転子の磁極数Pが20、固定子10の歯12の歯数Nが24であり、磁石21の形状が内周面と外周面が同心円上に形成されている。すなわち、磁石21の径方向厚さは一定となっている。また、歯12の周方向表面の幅θ2を歯12の歯ピッチθ1の1/2にしている。
図5の横軸は磁石21の外周面側の周方向幅θ4を磁極ピッチθ3に対する比(θ4/θ3)で示しており、縦軸はアウターロータ型モータ101の出力トルクを示している。図5に示すように、出力トルクは、磁石21の周方向幅の対磁極ピッチ比が80%から92%の間は単調増加しており、92%を超えると減少傾向がみられる。そして、対磁極ピッチ比が90%から95%の範囲で、概ね最大トルク(最大トルクの99.9%以上)を得ることができることを示している。したがって、アウターロータ型モータ101で最大トルクを得るためには、磁石21の周方向幅θ4を磁極ピッチθ3の90〜95%にすればよい。また、磁石21の周方向幅θ4を磁極ピッチθ3が95%以下であれば、本実施形態に係るアウターロータ型モータ100において、回転子ヨーク22に磁石21の位置決め固定用の突起部23を設けるに当たっても支障がない。なお、回転子20の磁石21の重量を考慮した場合、磁石21の周方向幅θ4は短い方が軽量かつ安価となるため、対磁極ピッチ比が95%よりも90%の方が望ましい。
次に、アウターロータ型モータ101のコギングトルクについて説明する。モータの出力トルクとコギングトルクの関係について、種々のケースでシミュレーションを行った。図6は、アウターロータ型モータの基本形、改良形、実施例の出力トルクとコギングトルクを比較した図である。
シミュレーションに用いた基本形のアウターロータ型モータ101は、図4で説明したものと同等であり、回転子の磁極数Pが20、固定子10の歯数Nが24であり、歯12の周方向表面の幅θ2を歯12の歯ピッチθ1の1/2にしている。また、磁石21の周方向幅の対磁極ピッチ比(θ4/θ3)を90%とした。この場合、基本形のアウターロータ型モータ101の出力トルクは667Nm、コギングトルクは5.4Nmであったが、図6では、出力トルクとコギングトルクの大きさはそれぞれ1.0に正規化して表している。
基本形のアウターロータ型モータ101に対して、図6の2列目に示す改良型のアウターロータ型モータ102は、固定子10の歯12の周方向表面の端部になだらかな曲線状の面取り部Rを設けている。改良形のアウターロータ型モータ102では、出力トルクは基本形に比べて0.98となり、コギングトルクは0.61まで低下した。しかし、改良型のアウターロータ型モータ102を電気自動車に搭載した場合、モータに電流が印力されない場合、すなわち慣性運転時に発生するコギングトルの値が依然として大きく、より小さくすることが望まれる。
図6の3列目で実施例として示したアウターロータ型モータ100は、本実施形態に係るアウターロータ型モータ100である。実施例のアウターロータ型モータ100は、改良型のアウターロータ型モータ102の磁石21を、内周面との形状を円弧上にし、固定子側に突出させたものであり、外周面の曲率が内周面の曲率よりも大きいなっている。実施例のアウターロータ型モータ100では、出力トルクは基本形に比べて0.87となったものの、コギングトルクは約1/9の0.11まで低下した。コギングトルクの大きさは0.6Nmであり、出力トルクの略1/1000まで小さくすることができる。したがって、出力トルクの減少は基本形に比べて13%程度あるものの、コギングトルクは大幅に減少させることができるため、電気自動車用のモータに適している。なお、本シミュレーションでは、磁石21の周方向幅の対磁極ピッチ比を90%としたが、対磁極ピッチ比を95%にした場合も、本シミュレーションと同じ傾向の結果が得られた。
以上から、本実施形態のアウターロータ型モータ100は、磁石21の周方向幅を対磁極ピッチ比で90〜95%と大きくし、かつ、磁石21の内周面と外周面をシンプルな磁石形状とすることにより、高トルクを維持しつつコギングトルクを大幅に低減させることが可能となるという相乗効果を奏するものである。
次に、本発明のアウターロータ型モータを電気自動車に適用した場合について説明する。図7は、本発明の一実施形態に係るアウターロータ型モータを電気自動車のインホイールモータとして備えた際の模式的な断面図である。車両のホイールやタイヤは図示しておらず、全体を簡略化して示している。
インホイールモータ200は、電気自動車の車輪のホイールの内側に内蔵され、車輪の軸と同一軸上に配置される。図7に示すように、インホイールモータ200は、ハブシャフト30を有しており、ホイール取り付け面から突出するホイール取り付け用ハブボルトによって、図示しないホイールがハブシャフト30に取り付けられる。ハブシャフト30は、軸受31を介して軸受支持部材40に対して回転可能に軸支される。軸受支持部材40は、図示しない電気自動車の車体側の足回りフレーム部品であるナックルにボルトによって固定される。これによって、インホイールモータ200が図示しない車体側に取り付けられ、ハブシャフト30は、車体に対して回転可能となる。
ハブシャフト30には、ロータケース24が固着されている。ロータケース24は、インホイールモータ200のホイール取り付け側の側面を覆う側面部24bとこの側面部24bから軸方向に延びる周縁部24aを有している。ロータケース24の周縁部24aの内周面には溝が形成されており、溝の内部には、図1に示したアウターロータ型モータ100の回転子ヨーク22が配置される。回転子ヨーク22の内周面には、複数の磁石21が環状に配置されて固定される。
磁石21の内周面側には、所定の空隙を挟んで、図1に示したアウターロータ型モータ100の固定子コアが配置されている。固定子コアは、環状の固定子ヨーク11とこの固定子ヨーク11から放射状に突出した複数の歯12を有している。歯12は、略直方体の形状に形成される。固定子コアの各歯12には、固定子巻線13を卷回したボビンが固定されている。固定子コアは、固定子取付部材14,15によって挟持され、軸受支持部材40に対して固定される。
軸受支持部材40には、回転子の回転位置を検出するための、例えば、レゾルバからなる回転子位置検出センサ50が設けられている。回転子位置検出センサ50からのロータ位置信号は、図示しないモータ駆動用のインバータの制御回路に送られる。インバータは回転子の位置に応じて直流電源をスイッチング素子によってスイッチングして、三相交流に変換し、電流供給線、配線バス等を通じて各固定子巻線13に電流を供給する。これにより、電気自動車のホイールは、インホイールモータ200の回転子と同じ回転速度でコギングトルクが少ない状態で回転する。
10…固定子、11…固定子ヨーク、12…歯、13…固定子巻線、14、15…固定子取付部材、20…回転子、21…磁石、21a…内周面、21b…外周面、21c…端面、22…回転子ヨーク、23…突起部、24…ロータケース、24a…側面部、24b…周縁部、30…ハブシャフト、31…軸受、40…軸受支持部材、50…回転子位置検出センサ、100〜102…アウターロータ型モータ、200…インホイールモータ。

Claims (4)

  1. 環状の固定子ヨークの径方向外側に放射状に複数の歯を有する固定子コアと、前記歯に卷回された固定子巻線とを有する固定子と、
    環状の回転子ヨークの内面に前記歯と空隙を挟んで対向する複数の永久磁石を有する回転子と、を備えたアウターロータ型モータであって、
    各前記永久磁石は径方向に着磁されており、
    前記回転子の極数をPとし、前記歯の数をNとした場合に、2N/3Pが整数ではなく、
    前記歯の周方向表面の幅が前記歯のピッチのほぼ1/2であり、前記歯の前記周方向表面の端部に面取り部が設けられ、
    前記永久磁石の周方向幅が、前記永久磁石のピッチの90〜95%であり、前記永久磁石の外周面と内周面とが円弧状に形成されており、前記永久磁石の前記内周面が前記固定子側に突出し、前記外周面の曲率が前記内周面の曲率よりも大きいことを特徴とするアウターロータ型モータ。
  2. 前記回転子の極数を20、前記歯の数を24としたことを特徴とする、請求項1に記載のアウターロータ型モータ。
  3. 前記永久磁石の周方向の両端面がそれぞれ平面をなし、該両端面のなす角が前記永久磁石の前記外周面の中心角よりも大きく形成されており、
    前記回転子ヨークの内周面に、前記永久磁石の前記周方向両端面に当接する突起部を設けたことを特徴とする、請求項1または2に記載のアウターロータ型モータ。
  4. 請求項1から3のいずれか1項に記載のアウターロータ型モータが、車輪のホイールに設けられ、前記車輪が前記アウターロータ型モータによって直接駆動されることを特徴とする電気自動車。
JP2018202107A 2018-10-26 2018-10-26 アウターロータ型モータおよび電気自動車 Active JP6508863B1 (ja)

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