JP6638135B2

JP6638135B2 - 電動機

Info

Publication number: JP6638135B2
Application number: JP2016123901A
Authority: JP
Inventors: 慎吾相馬
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2016-06-22
Filing date: 2016-06-22
Publication date: 2020-01-29
Anticipated expiration: 2036-06-22
Also published as: US10693330B2; US20170373550A1; CN107528398B; CN107528398A; JP2017229159A

Description

本発明は、電動機に関する。

従来、分布巻により形成された複数の巻線相を有するステータと、複数の磁極を有し、かつ前記ステータに向い合う外周を有するロータとを備え、前記ロータの外周には溝が形成されており、前記溝のうち、外周表面からの深さが最も深い底点とロータの中心とを結ぶ直線は、その底点に最も近い磁極の中心線に対して４０°以上４４°未満の電気角度をなす、電動機が知られている。

特開２００４−３２８９５６号公報特開２００２−２５２９４７号公報

しかしながら、上記電動機では、騒音の抑制程度が低い場合があった。
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、騒音を効果的に抑制することができる電動機を提供することを目的の一つとする。

請求項１記載の発明は、永久磁石（３４）を含むロータ（３０）と、前記ロータを囲む環状に形成され、前記ロータ側に向かって突出する複数のティース部（１４）を有するステータコア（１２）と、を備え、前記ロータの外周には、前記ロータの軸方向に直交する断面において、前記ロータの径方向に窪んだ溝部（４０）が形成され、前記ロータの軸方向に直交する断面において、前記溝部の底点（４２）と前記ロータの中心（Ｐ）とを結んだ一の仮想線（ＩＬ３）と、前記底点に最も近い磁極中心と前記ロータの中心とを結んだ他の仮想線（ＩＬ４）と、により形成される角度は、電気角９０度を１０割とした場合において３割から４割７分以下の角度であり、前記ティース部は、先端部において前記ロータの周方向に沿って両側に突出し、巻き回されるコイルを保持するステータ突出部（１６）を有し、前記ステータ突出部は、前記径方向の外側から前記径方向の内側に向かって前記ロータの周方向に関する幅が狭くなっており、前記ステータ突出部は、第１面と第２面と第３面とにより形成され、前記第１面は前記先端部において前記周方向に沿って延出する面であり、前記第２面は前記第１面よりも前記径方向の外側の位置で前記周方向に沿って延出し、前記第１面よりも前記周方向に突出し、前記第３面は前記第１面の前記周方向の端部と前記第２面の前記周方向の端部とを接続させる面であり、前記溝部の底点から前記ロータの外周に向かう一方の辺の長さは、前記ロータの外周表面から前記底点までの深さの４倍から６倍の範囲内であり、前記溝部は、Ｖ字に形成され、前記Ｖ字の周方向の幅Ｃに対する、前記ティース部と前記ステータ突出部とを含む周方向の幅Ｂの比であるＢ／Ｃが、２．１２５以上から２．５５以下の範囲内である電動機（１）である。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の電動機であって、前記軸方向に直交する断面において、前記ティース部の周方向の中心と前記ロータの中心とを結んだ仮想線と直交する仮想線と、前記ステータ突出部の側面に接する接線とがなす外角が５０度以上９０未満である。

請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の電動機であって、前記ティース部の周方向の幅Ａに対する、前記ティース部と前記ステータ突出部とを含む周方向の幅Ｂの比であるＢ／Ａが、１．２５以上から１．３５以下の範囲内である。

請求項１〜３記載の発明によれば、騒音を効果的に抑制することができる電動機を提供することができる。

電動機１の回転軸５０の軸心に対して直交する平面における電動機１の断面図である。電動機１の断面におけるティース部１４を拡大した図である。突出部１６を詳細に説明するための断面図である。幅Ａおよび幅Ｂについて説明するための断面図である。図１で示した領域Ｘの拡大図である。図５で示した領域Ｘ１の拡大図である。基点間長さＲＬを説明するための図である。角度θと、平均トルクと、トルクリプルとの関係を示す図である。溝部４０の深さＤと、平均トルクと、トルクリプルとの関係を示す図である。溝面４４の長さと、平均トルクと、トルクリプルとの関係を示す図である。第３仮想線Ｌ３と第４仮想線Ｌ４とのなす角の角度θ１と、平均トルクと、トルクリプルとの関係を示す図である。幅Ｂと、基点間長さＲＬとの比を変化させた場合における平均トルクに対するトルクリプルの傾向を示す図である。６次成分の室内音を示す図である。

以下、図面を参照し、本発明の電動機の実施形態について説明する。
以下、必要に応じてＸＹＺ座標を用いて説明する。

図１は、電動機（モータ）１の回転軸５０の軸心に対して直交する平面における電動機１の断面図である。以下、特段区別しない場合は、電動機（モータ）１の回転軸５０の軸心に対して直交する平面における断面として説明する。電動機１は、例えば永久磁石型モータである。電動機１は、例えば、二輪や三輪、四輪等の自動車に搭載される。この自動車は、電動機１、および走行駆動力を出力する複数の駆動源として、例えばエンジン（内燃機関）とを備えた（例えば小型の）ハイブリッド自動車等である。このハイブリッド自動車は、例えば電動機１により出力された動力を用いて走行する。

電動機１はステータ１０と、ロータ３０とを備える。ロータ３０は、入出力軸である回転軸５０に固定的に接続されている。

ステータ１０は、複数のティース部１４を含む円筒状のステータ鉄心１２を備える。ステータ鉄心１２（ステータコア）は、ロータ３０を囲む環状に形成されている。ステータ鉄心１２には、径方向に関する内側（ロータ３０側）に突出する複数のティース部１４が一定間隔で設けられている。

各ティース部１４は、略矩形柱の形状を有する。複数のティース部１４は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相に対応するものが、例えば同数ずつ設けられる。例えば、本実施形態では、１８個のティース部１４を有する。ステータ１０は、他装置から供給された電流によって、ロータ３０が回転するための回転磁界を発生させる。

ロータ３０は、ステータ１０の内側に配置される。ロータ３０は、ステータ１０により発生された回転磁界を受けて回転する。ロータ３０は、円筒状または多角形柱状に形成される。ロータ３０には、軸心回りの方向に互いに等間隔で磁石挿入孔３２が設けられる。
磁石挿入孔３２は、周方向に分割された、一対の磁石挿入孔片３３ａと、磁石挿入孔片３３ｂとを含む。この磁石挿入孔片３３ａ、３３ｂには、永久磁石３４が取り付けられている。互いに周方向に隣り合う磁石挿入孔片３３ａと磁石挿入孔片３３ｂとの外周面は、１８０度未満の角度をなすように、断面略Ｖ字形状とされている。

図２は、電動機１の断面におけるティース部１４を拡大した図である。ティース部１４には、巻き回されるコイルを保持する突出部１６が設けられる。突出部１６は、先端部（径方向に関する内側）においてロータ３０の周方向に沿って両側に突出する。図中の点線で囲われた領域が、突出部１６Ｒまたは突出部１６Ｌに対応する。突出部１６は、例えば、ティース部１４と同じ素材で一体に形成される。

突出部１６は、径方向の外側から径方向の内側に向かってロータ３０の周方向に関する幅が狭くなっている。図３は、突出部１６を詳細に説明するための断面図である。突出部１６は、第１面Ｌ１、第２面Ｌ２、および第３面Ｌ３（突出部の側面）を有する。第１面Ｌ１は、ティース部１４の基部１８の先端部において周方向に沿って延びた面である。第２面Ｌ２は、第１面Ｌ１より径方向の外側の位置で周方向に沿って延びた面である。第３面Ｌ３は、第１面Ｌ１と第２面Ｌ２とを接続させる面である。

基部１８の周方向の中心Ｐと、ロータ３０の中心Ｃとを結んだ線を第１仮想線ＩＬ１とする。この第１仮想線ＩＬ１と直交する線を第２仮想線ＩＬ２とする。第２仮想線ＩＬ２と、第３面Ｌ３に接する接線ＴＬ１とがなす外角の角度θは５０度以上９０未満である。

また、ティース部１４の基部１８の幅Ａに対する、ティース部１４とステータ突出部１６とを含む幅Ｂの比であるＢ／Ａは、１．２５から１．３５の範囲内である。図４は、幅Ａおよび幅Ｂについて説明するための断面図である。基部１８の幅Ａは、ティース部１４の基部１８の周方向の幅である。また、幅Ｂは、ティース部１４とティース部１４の周方向に存在する２つの突出部１６を含む最大幅である。より具体的には、幅Ｂは、第２面Ｌ２と第３面Ｌ３との交線の位置Ｐ１およびＰ２を結んだ長さである。

図５は、図１で示した領域Ｘの拡大図である。ロータの外周壁３６には、ロータ３０の径方向に窪んだ複数の溝部４０が形成されている。溝部４０は、最も深い底点４２とロータ３０の中心Ｃとを結んだ第３仮想線ＩＬ３と、底点４２に最も近い磁極中心とロータ３０の中心とを結んだ第４仮想線ＩＬ４とにより形成される角度θ１が、電気角９０度を１０割とした場合の３割（２７度）から４割７分（４２．３度）程度の間に設定される。電動機１の極が６極対である場合、電気角として、３割から４割７分の角度は、機械角で５度から７度程度である。電動機１の極が８極対である場合、電気角として、３割から４割７分の角度は、機械角で３．７５度から５．２５度程度である。また、角度θ１は、電気角９０度を１０割とした場合の３割（２７度）から４割５分（３９．６度）程度の間に設定されてもよい。

図６は、図５で示した領域Ｘ１の拡大図である。溝部４０は、底点４２を中心として周方向に２つの溝面４４ａ、および４４ｂが形成される。外周壁３６と溝面４４ａとの間には基点４６ａが設けられ、外周壁３６と溝面４４ｂとの間には基点４６ｂが設けられる。
以下、溝面４４ａおよび４４ｂを区別しない場合は、溝面４４といい、基点４６ａおよび基点４６ｂを区別しない場合は、基点４６という。

溝面４４は、外周壁３６に接する基点４６と、底点４２とを接続させる面である。外周壁３６に接する溝部４０の２つの基点（４６ａ、４６ｂ）とを、外周壁３６の曲率と同じ曲率で仮想的に結んだ線を外周壁仮想線ＩＬ５とする。第３仮想線ＩＬ３において、底点４２から外周壁仮想線ＩＬ５までの長さが溝部４０の深さＤである。溝面４４ａ、または溝面４４ｂの長さをａから１．２ａの間の長さとした場合、深さＤは０．３ａから０．４ａの間の深さとされる。「ａ」は、任意の自然数である。

また、基点４６ａと基点４６ｂとを直線で結んだ長さ（基点間長さ）と、図４で説明した幅Ｂとの比である「幅Ｂ／基点間長さ」は、２．１２５以上、且つ２．５５以下に設定される。図７は、基点間長さＲＬを説明するための図である。「基点間長さ」は、「Ｖ字の周方向の幅Ｃ」の一例である。

図８は、角度θと、平均トルクと、トルクリプルとの関係を示す図である。第２仮想線ＩＬ２と、第３面Ｌ３に接する接線ＴＬ１との角度θを、９０度、７０度、５０度に設定して場合のトルクリプルの変位について説明する。横軸は電動機１が出力する平均トルクを示し、縦軸はトルクリプルを示している。図８（Ａ）は、（電気的回転周波数の）６次成分のトルクリプルに対する結果を示している。図８（Ｂ）は、１２次成分のトルクリプルに対する結果を示している。図８（Ｃ）は、１８次成分のトルクリプルに対する結果を示している。

例えば、図８（Ａ）に示すように、平均トルクが小さいとき（図中、Ａ１）、角度θを５０度、または７０度に設定した場合の６次成分のトルクリプルは、角度θを９０度に設定した場合のトルクリプルに比して抑制される。また、例えば、図８（Ｂ）に示すように、平均トルクが中程度から大きいとき（図中、Ａ２）、角度θを５０度、または７０度に設定した場合の１２次成分のトルクリプルは、角度θを９０度に設定した場合のトルクリプルに比して抑制される。また、例えば、図８（Ｃ）に示すように、平均トルクが小さいとき（図中、Ａ３）、角度θを５０度、または７０度に設定した場合の１８次成分のトルクリプルは、角度θを９０度に設定した場合のトルクリプルに比して抑制される。

このように、角度θを９０度未満に設定することで、角度θを９０度以上に設定した場合に比して、トルクリプルを抑制させることができる。

図９は、溝部４０の深さＤと、平均トルクと、トルクリプルとの関係を示す図である。
図示する例では、溝部４０の深さＤを３．５ｍｍ、２ｍｍ、および１ｍｍに設定した場合の平均トルクに対するトルクリプルを示している。図示する例では、溝部４０の底点４２をＶ字型に設定し、このＶ字の位置をθ１として、機械角６．４度（電気角３８．４度）に設定している。

図９は、６次成分のトルクリプルに対する結果を示している。横軸は電動機１が出力する平均トルクを示し、縦軸はトルクリプルを示している。図示するように、平均トルクが小さいとき（図中、Ａ４）、深さＤが３．５ｍｍに比して、２ｍｍまたは１ｍｍの場合のトルクリプルが小さい。このように、溝部４０の深さＤを浅くすることにより、６次成分のトルクリプルを抑制させることができる。

図１０は、溝面４４の長さと、平均トルクと、トルクリプルとの関係を示す図である。図示する例では、溝面４４の長さを６ｍｍ、８ｍｍ、１０ｍｍ、および１２ｍｍに設定した場合の平均トルクに対するトルクリプルを示している。溝部４０の深さは２ｍｍであり、他の条件は図９と同様である。図１０（Ａ）は、６次成分のトルクリプルに対する結果を示している。図１０（Ｂ）は、１８次成分のトルクリプルに対する結果を示している。

例えば、図１０（Ａ）に示すように、平均トルクが大きいとき（図中、Ａ５）、溝面４４の長さを８ｍｍ、１０ｍｍ、または１２ｍｍに設定した場合の６次成分のトルクリプルは、溝面４４の長さを６ｍｍに設定した場合のトルクリプルに比して抑制される。また、例えば、図１０（Ｂ）に示すように、平均トルクが小さいとき（図中、Ａ６）、溝面４４の長さを８ｍｍ、１０ｍｍ、または１２ｍｍに設定した場合の１８次成分のトルクリプルは、溝面４４の長さを６ｍｍに設定した場合のトルクリプルに比して抑制される。

このように溝面４４の長さを長くすることにより、トルクリプルを抑制させることができる。特に、平均トルクが小さいときの１８次成分のトルクリプルが抑制される。

図１１は、第３仮想線ＩＬ３と第４仮想線ＩＬ４とのなす角の角度θ１と、平均トルクと、トルクリプルとの関係を示す図である。図示する例では、角度θ１を６度（３６度）、６．４度（３８．４度）、および７度（４２度）に設定した場合の平均トルクに対するトルクリプルを示している。なお、カッコ外は機械角を示し、カッコ内は電気角を示している。溝部４０の深さは２ｍｍであり、他の条件は図９と同様である。図１１（Ａ）は、６次成分のトルクリプルに対する結果を示している。図１１（Ｂ）は、１２次成分のトルクリプルに対する結果を示している。図１１（Ｃ）は、１８次成分のトルクリプルに対する結果を示している。

例えば、図１１（Ａ）から（Ｃ）に示すように、平均トルクが小さいとき（図中、Ａ７からＡ９）、角度θ１を６．４度、または７度に設定した場合のトルクリプルは、角度θ１を６度に設定した場合のトルクリプルに比して抑制される。また、角度θ１は、７度に設定された場合、６．４度に設定された場合に比して好適である。

例えば、電動機１が搭載されたハイブリッド車両において、電動機１により出力された動力によりハイブリット車両が、停車した状態から発進する場合、基本次数のトルクリプルが抑制されることが求められる。本実施形態では、図１２（Ａ）に示すように、角度θ１を７度に設定すると、平均トルクが小さいとき、基本次数である６次成分のトルクリプルを抑制させることができる。この場合、ハイブリッド車両は、振動性および騒音性に優れた車両となる。

図１２は、幅Ｂと、基点間長さＲＬとの比を変化させた場合における平均トルクに対するトルクリプルの傾向を示す図である。図示する例は、６次成分のトルクリプルに対する結果である。横軸は平均トルクを示し、縦軸はトルクリプルを示している。図１２（Ａ）は、平均トルク０から中程度（例えば３０Ｎ／ｍ）の平均トルクが低い領域に対するトルクリプルの変化を示す図である。図１２（Ｂ）は、平均トルクが高い領域（例えば８０から１１０Ｎ／ｍ）の平均トルクに対するトルクリプルの変化を示す図である。

平均トルクが低い領域において、「幅Ｂ／基点間長さＲＬ」が２．１２５、または２．５５である場合、「幅Ｂ／基点間長さＲＬ」が４．２５である場合に比して、トルクリプルが抑制される。更に「幅Ｂ／基点間長さＲＬ」が２．５５である場合、「幅Ｂ／基点間長さＲＬ」が２．１２５である場合に比して、トルクリプルが抑制される。また、平均トルクが高い領域において、「幅Ｂ／基点間長さＲＬ」が２．１２５、または２．５５である場合、「幅Ｂ／基点間長さＲＬ」が３．２または４．２５である場合に比して、トルクリプルが抑制される。

このように、平均トルクが低い領域では、「幅Ｂ／基点間長さＲＬ」が２．２５である場合が好適であり、平均トルクが高い領域では、「幅Ｂ／基点間長さＲＬ」が２．１２５または２．２５である場合が好適である。

図１３は、６次成分の室内音を示す図である。図示する例は、電動機を車両に搭載し、車両が停車状態から加速した場合における音の強さを測定した結果である。図１３（Ａ）は、本実施形態の突出部１６および溝部４０を採用していない電動機の室内音を示す図である。図１３（Ｂ）は、本実施形態の突出部１６および溝部４０を採用した電動機１の室内音を示す図である。縦軸は周波数を示し、横軸は回転数を示している。また、音の強さ（デシベル）が濃淡で示されている。濃い部分ほど音が強く、明るい部分ほど音が弱いことを示している。図１３（Ａ）の領域Ａ１０は１２次成分の音の強さを示し、領域Ａ１１は６次成分の音の強さを示している。また、図１３（Ｂ）の領域Ａ１２は１２次成分の音の強さを示し、領域Ａ１３は６次成分の音の強さを示している。本実施形態の電動機１は、車両が停車状態から加速した場合において、６次成分の音の強さを抑制することができる。

以上説明した実施形態によれば、電動機１は、永久磁石を含むロータと、ロータを囲む環状に形成され、ロータ側に向かって突出する複数のティース部を有するステータコアと、を備え、ロータの外周には、ロータの軸方向に直交する断面において、ロータの径方向に窪んだ溝部が形成され、溝部の底点とロータの中心とを結んだ一の仮想線と、底点に最も近い磁極中心とロータの中心とを結んだ他の仮想線と、により形成される角度は、電気角９０度を１０割とした場合において３割から４割７分以下の角度であり、ティース部は、先端部においてロータの周方向に沿って両側に突出し、巻き回されるコイルを保持するテータ突出部を有し、ステータ突出部は、径方向の外側から径方向の内側に向かってロータの周方向に関する幅が狭くなっていることにより、騒音を効果的に抑制することができる。

以上、本発明を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形及び置換を加えることができる。

１‥電動機、１０…ステータ、１４…ティース部、１６…突出部、３０…ロータ、３４…永久磁石、３６…外周壁、４０…溝部、４２…底点、４４ａ、４４ｂ…溝面、Ｐ…ロータの中心、ＩＬ１…第１仮想線、ＩＬ２…第２仮想線、ＩＬ３…３仮想線、ＩＬ４…第４仮想線、Ｌ３…第３面

Claims

永久磁石を含むロータと、
前記ロータを囲む環状に形成され、前記ロータ側に向かって突出する複数のティース部を有するステータコアと、
を備え、
前記ロータの外周には、前記ロータの軸方向に直交する断面において、前記ロータの径方向に窪んだ溝部が形成され、
前記ロータの軸方向に直交する断面において、
前記溝部の底点と前記ロータの中心とを結んだ一の仮想線と、前記底点に最も近い磁極中心と前記ロータの中心とを結んだ他の仮想線と、により形成される角度は、電気角９０度を１０割とした場合において３割から４割７分以下の角度であり、
前記ティース部は、先端部において前記ロータの周方向に沿って両側に突出し、巻き回されるコイルを保持するステータ突出部を有し、
前記ステータ突出部は、前記径方向の外側から前記径方向の内側に向かって前記ロータの周方向に関する幅が狭くなっており、
前記ステータ突出部は、第１面と第２面と第３面とにより形成され、前記第１面は前記先端部において前記周方向に沿って延出する面であり、前記第２面は前記第１面よりも前記径方向の外側の位置で前記周方向に沿って延出し、前記第１面よりも前記周方向に突出し、前記第３面は前記第１面の前記周方向の端部と前記第２面の前記周方向の端部とを接続させる面であり、
前記溝部の底点から前記ロータの外周に向かう一方の辺の長さは、前記ロータの外周表面から前記底点までの深さの４倍から６倍の範囲内であり、
前記溝部は、Ｖ字に形成され、
前記Ｖ字の周方向の幅Ｃに対する、前記ティース部と前記ステータ突出部とを含む周方向の幅Ｂの比であるＢ／Ｃが、２．１２５以上から２．５５以下の範囲内である、
電動機。
前記軸方向に直交する断面において、前記ティース部の周方向の中心と前記ロータの中心とを結んだ仮想線と直交する仮想線と、前記ステータ突出部の側面に接する接線とがなす外角が５０度以上９０未満である、
請求項１に記載の電動機。
前記ティース部の周方向の幅Ａに対する、前記ティース部と前記ステータ突出部とを含む周方向の幅Ｂの比であるＢ／Ａが、１．２５以上から１．３５以下の範囲内である、
請求項１または２に記載の電動機。