JP6654902B2

JP6654902B2 - 回転電動機

Info

Publication number: JP6654902B2
Application number: JP2016001498A
Authority: JP
Inventors: 祐介牧野
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2016-01-07
Filing date: 2016-01-07
Publication date: 2020-02-26
Anticipated expiration: 2036-01-07
Also published as: WO2017119431A1; JP2017123725A; CN107852045A; EP3402041A1; US20180309333A1; US10432048B2; EP3402041B1; EP3402041A4; CN107852045B

Description

この発明は、例えば、車両駆動用に適用される回転電動機に関し、コギングトルクの低減を図ると共に駆動トルクの低下を抑制する回転電動機に関する。

コギングトルクの低減を目的として、例えば、段スキューを施したロータ構造（特許文献１）、および多段スキューを施したロータ構造（特許文献２）等が提案されている。
その他、鉄損およびトルクリップル、無負荷誘起電圧中の高調波含有率を低減するためのロータ構造（特許文献３）が提案されている。

特許第４００３４１６号公報特開２００４−２４８４２２号公報特許第４４９００４７号公報

ロータあるいはステータにスキューを施す効果としては、ロータの永久磁石とステータの間に働く磁気吸引力に起因するトルクの脈動（コギングトルク）を減らすことが挙げられる。しかし、スキュー角が大きい程、駆動トルクが低下してしまうという課題がある。

特許文献１では、３６０°を磁極数とスロット数の最小公倍数で割り算した角度の２分の１、つまり、コギングトルクの機械角周期の２分の１のスキュー角としている。この手法では、コギングトルクの低減は可能であるが、駆動トルクの低下を抑制することができない。

前記特許文献１が２段スキューであるのに対し、特許文献２では、スキュー角θ＝３６０°／（磁極数とスロット数の最小公倍数×ｎ）（ｎは段数）とすることで、多段スキューによるコギングトルクの低減を提案している。しかし、駆動トルクの低下を抑制する点では十分とは言えない。
特許文献３では、トルクリップルの低減および無負荷誘起電圧中の高調波含有率を低減するものであり、ロータにスキューを施した場合の駆動トルクの低下を抑制することについては考慮していない。

この発明の目的は、コギングトルクの低減を図ると共に、駆動トルクが低下することを抑制することができる回転電動機を提供することである。

この発明の回転電動機は、ステータコイルおよび環状に設けられたステータコアを含むステータと、前記ステータコアの内周側に位置して前記ステータに対し回転自在となるロータとを備え、このロータは、ロータ回転軸の外周にコア支持体部を介して設けられたロータコアを有し、このロータコアは、円周方向に沿って複数組の永久磁石が設けられた複数の磁極を有する回転電動機において、
前記ロータコアは、互いに軸方向に並び同心に配置され且つ位相が定められた角度だけずれた複数のロータコア分割体を有し、各ロータコア分割体における外周部に、前記各磁極の中心に対し円周方向に互いに離隔して配置される一対の溝部が設けられたことを特徴とする。
前記定められた角度は、複数のロータコア分割体の機械的な相対角度である。この機械的な角度は「機械角」と称される。前記定められた角度は、試験およびシミュレーションのいずれか一方または両方の結果により定められる。

ロータの永久磁石とステータとの間に働く磁気吸引力に起因してコギングトルクが発生する。この構成によると、軸方向に並び同心に配置される複数のロータコア分割体が、互いに位相をずらして配置されている、つまりロータにスキューが施されている。このため、コギングトルクの低減を図ることができる。このようにロータにスキューを施した場合においても、各ロータコア分割体における外周部に前記一対の溝部が設けられたため、コギングトルクの電気角周期を、見かけ上、ロータにスキューを施さないときに発生するコギングトルクの電気角周期の半分にすることができる。

これにより、ロータにスキューを施し、且つ、各ロータコア分割体の外周部に溝部が設けられない場合よりも、最適な（コギングトルクを低減する効果が高い）スキュー角を小さくすることができる。スキュー角が大きくなる程駆動トルクは小さくなるため、前記のように最適なスキュー角を小さくすることで、回転電動機の駆動トルクが低下することを抑制することができる。

前記一対の溝部は、前記各磁極の中心に対し対称に配置されても良い。前記一対の溝部が「対称」とは、一対の溝部の形状自体が対称であるうえ、これら溝部の各磁極の中心からの角度が互いに逆向きの同一角度に配置されることと同義である。この場合、コギングトルクの低減を図ると共に、駆動トルクが低下することを抑制することができる効果がより確実に得られる。

前記定められた角度に前記磁極の数を乗じたスキュー角が、コギングトルクの電気角周期の４分の１に設定されている。この場合、最もコギングトルクが小さく且つ駆動トルクの低下が少ない。

前記各溝部における最深点が、前記各磁極を成す前記永久磁石における円周方向の両端と、前記ロータにおける回転中心とでなす角度θａの範囲内に設けられ、且つ、前記各溝部における最深点につき、前記永久磁石における円周方向の両端からの角度θｂは、コギングトルクが規定値以下となる電気角で３°以上５°未満であっても良い。
前記規定値は、試験およびシミュレーションのいずれか一方または両方の結果により定められる。
この構成によると、各溝部を前記の角度範囲にすることで、コギングトルクを確実に規定値以下にすることができる。

この発明の回転電動機は、ステータコイルおよび環状に設けられたステータコアを含むステータと、前記ステータコアの内周側に位置して前記ステータに対し回転自在となるロータとを備え、このロータは、ロータ回転軸の外周にコア支持体部を介して設けられたロータコアを有し、このロータコアは、円周方向に沿って複数組の永久磁石が設けられた複数の磁極を有する回転電動機において、前記ロータコアは、互いに軸方向に並び同心に配置され且つ位相が定められた角度だけずれた複数のロータコア分割体を有し、前記定められた角度に前記磁極の数を乗じたスキュー角が、コギングトルクの電気角周期の４分の１に設定され、各ロータコア分割体における外周部に、前記各磁極の中心に対し円周方向に互いに離隔して配置される一対の溝部が設けられた。このため、コギングトルクの低減を図ると共に、駆動トルクが低下することを抑制することができる。

この発明の実施形態に係る回転電動機の断面図である。同回転電動機のロータコアの段スキュー等を示す図である。同回転電動機のロータコア、永久磁石、溝部の位置関係を示す断面図である。同回転電動機のコギングトルクの波形を示す図である。同回転電動機のスキュー角とコギングトルクとの関係を示す図である。同回転電動機の溝の最深点の位置とコギングトルクとの関係を示す図である。同回転電動機のスキュー角と駆動トルクとの関係を示す図である。参考提案例に係る回転電動機において、ロータコアに段スキューを施さないときに発生するコギングトルクの波形を示す図である。参考提案例に係る回転電動機において、ロータの外周部に溝を設けないときの、スキュー角とコギングトルクとの関係を示す図である。

この発明の実施形態に係る回転電動機を図１ないし図７と共に説明する。この回転電動機は、例えば、自動車の駆動用に適用される。この電動機を自動車に取り付けた状態で自動車の車幅方向の外側寄りとなる側をアウトボード側と呼び、自動車の車幅方向の中央寄りとなる側をインボード側と呼ぶ。

図１は、この回転電動機の断面図であり、図２のＩ−Ｉ線断面図である。図１に示すように、回転電動機は、ハウジング１と、ステータ２と、ロータ３とを有する。この回転電動機は、ハウジング１内に固定したステータ２と、ロータ３との間に環状隙間δを設けたいわゆるラジアルギャップ型のＩＰＭモータ（埋込磁石型同期モータ）である。

図２に示すように、例えば円筒状のハウジング１内に、ステータ２と、ロータ３の大部分が設けられる。ハウジング１の軸方向一端部および他端部に図示外の軸受が設けられ、これら軸受は同心に配置される。ハウジング１に設けられた前記軸受に、ロータ３のロータ回転軸４が回転自在に支持されている。このロータ回転軸４のアウトボード側端はハウジング１より軸方向に突出して図示外の減速機等に連結される。

図１に示すように、ステータ２は、軟質磁性材料から成るステータコア２ａと、このステータコア２ａに巻回されたステータコイル２ｂとを有する。ステータコア２ａは、外周面が断面円形とされた環状で、このステータコア２ａの内周面に内径側に突出する複数（この例では「４８」個）のティース５が円周方向に並んで形成されている。ステータコイル２ｂは、各ティース５に巻回されている。ステータコイル２ｂの巻線型式は例えば分布巻線である。ハウジング１の内周面にステータコア２ａの外周面が嵌合固定される。

図２に示すように、ロータ３は、ステータコア２ａの内周側に配置されている。ロータ３は、ステータコア２ａの内周に環状隙間δを介して設けられるロータコア６と、コア支持体部７と、ロータ回転軸４とを有する。ロータコア６は、ロータ回転軸４の外周にコア支持体部７を介して設けられている。コア支持体部７により、コータコア６とロータ回転軸４とが一体に回転するように結合されている。

図１に示すように、ロータコア６は、円周方向に沿って複数組の永久磁石８が設けられた複数（この例では磁極数「８」）の磁極を有する。複数組の永久磁石８は、ロータコア６に内蔵され、円周方向一定間隔おきに配列される。この永久磁石８には、例えば、ネオジウム系磁石が用いられている。各組の永久磁石８をロータ軸心に垂直な平面で切断して見た場合、円周方向に隣り合う永久磁石８，８が断面Ｖ字状に向き合うように配列される。これにより所望の大きさのリラクタンストルクを発生し得る。

図２に示すように、ロータコア６は、複数（この例では２つ）のロータコア分割体６ａを有する。これらロータコア分割体６ａは、互いに位相をずらした定められた角度θｓで軸方向に並び同心に配置される。ここで軸方向一方のロータコア分割体６ａを第１のロータコア分割体６ａと称し、軸方向他方のロータコア分割体６ａを第２のロータコア分割体６ａと称する。前記定められた角度θｓは、第１，第２のロータコア分割体６ａ，６ａの機械的な相対角度である。この機械的な相対角度は「機械角」と称される。

このような第１，第２のロータコア分割体６ａ，６ａが位相差θｓをもって配置されたロータコア６は、２段スキューを施したロータコア６と言う。前記定められた角度θｓは、試験およびシミュレーションのいずれか一方または両方の結果により定められる。第１，第２のロータコア分割体６ａ，６ａには、両者を位相差θｓをもって図示外のボルト等により連結するため、図１に示すように、軸方向の貫通孔９が円周方向一定間隔おきに複数形成されている。

図３は、この回転電動機のロータコア６、永久磁石８、溝部１０の位置関係を示す断面図である。同図３の実線は第１のロータコア分割体６ａを示し、同図３の破線は第２のロータ分割体６ａを示す。第１のロータコア分割体６ａにおける各磁極の中心Ｌ１と、第２のロータコア分割体６ａにおける各磁極の中心Ｌ２とが位相差θｓをもって第１，第２のロータコア分割体６ａ，６ａが同心に連結されている。各磁極の中心Ｌ１，Ｌ２とは、各組の永久磁石８をロータ軸心Ｌ３に垂直な平面で切断して見た場合において、断面Ｖ字状で円周方向に隣り合う永久磁石の中間点と、ロータ軸心つまりロータ３の回転中心Ｌ３とを結ぶ線である。

各ロータコア分割体６ａ，６ａにおける外周部に、各磁極の中心Ｌ１，Ｌ２に対し円周方向に互いに離隔して配置される一対の溝部１０，１０が設けられている。一対の溝部１０，１０は、各磁極の中心Ｌ１，Ｌ２に対し対称に配置される。前記一対の溝部１０，１０が「対称」とは、一対の溝部１０，１０の形状自体が対称であるうえ、これら溝部１０，１０の各磁極の中心Ｌ１，Ｌ２からの角度が互いに逆向きの同一角度に配置されることと同義である。

各溝部１０は、ロータコア分割体６ａの外周部において、円形を成す他の部分よりも半径方向内方に略Ｖ字状に凹むように形成されている。また各溝部１０は、図２に示すように軸方向に沿って延びる。前述のように第１，第２のロータコア分割体６ａ，６ａが位相差θｓをもって配置されていることから、軸方向に隣り合う第１，第２のロータコア分割体６ａ，６ａの溝部１０、１０も位相差θｓがある。

図３に示すように、各溝部１０における最深点Ｐ１は角度θａの範囲内に設けられる。前記角度θａは、各磁極を成す永久磁石８，８における円周方向の外周側の両端Ｐ２，Ｐ２と、ロータ３における回転中心Ｌ３とでなす角度であり「極弧角」とも称される。各溝部１０の最深点Ｐ１につき、永久磁石８における円周方向の両端Ｐ２からの角度θｂは、コギングトルクが規定値以下となる電気角で３°以上５°未満である。またロータコア分割体６ａの外周面６ａａに対する最深点Ｐ１の半径方向の深さｈが深い程、コギングトルクが増加する傾向があるため、最深点Ｐ１の半径方向の深さｈは０．５ｍｍ以下にするのが好ましい。例えば、最深点Ｐ１の半径方向の深さＨは０．３ｍｍ〜０．４ｍｍに設定されている。但し、この例に限定されるものではない。

ところでコギングトルクは、ロータの永久磁石とステータの間に働く磁気吸引力に起因して発生し、コギングトルクの機械角周期は３６０°／（磁極数とスロット数の最小公倍数）となる。コギングトルクの電気角周期では、３６０×磁極数／（磁極数とスロット数の最小公倍数）となる。
本実施形態では、磁極数が「８」、スロット数が「４８」であるので、これら磁極数とスロット数の最小公倍数は「４８」となる。

図８は、参考提案例に係る回転電動機において、ロータコアに段スキューを施さないときに発生するコギングトルクの波形を示す図である。同図に示すように、ロータコアに段スキューを施さないときに発生するコギングトルクの電気角周期は３０°となる。
この場合にコギングトルクを抑制し得る最適なスキュー角（電気角）は、図９に示すように、コギングトルクの電気角周期の２分の１である電気角で１５°となる。

これに対し本実施形態に係る回転電動機では、図３に示すように、各ロータ分割体６ａにおける外周部に一対の溝部１０，１０を設けることにより、図４に示すように、コギングトルクの周期を見かけ上電気角で１５°とすることができる。この場合のコギングトルクを抑制し得る最適なスキュー角は、図５に示すように、コギングトルクの電気角周期の４分の１である電気角で７．５°とすることができる。

本実施形態の回転電動機は、コギングトルクを抑制し得る最適なスキュー角を、参考提案例よりも小さくすることができる。図７に示すように、スキュー角が大きくなる程駆動トルクは小さくなるため、前記のようにスキュー角を小さくすることで、ロータコアに段スキューを施すことによる駆動トルクの低下を抑制できる。

図３および図７に示すように、各溝部１０の最深点Ｐ１は、極弧角θａの範囲内にあり、各溝部１０の最深点Ｐ１につき、永久磁石８における円周方向の両端Ｐ２からの角度θｂは、コギングトルクが規定値以下となる電気角で３°以上５°未満であれば、コギングトルクを確実に規定値以下にすることができる。
一対の溝部１０，１０は、前記各磁極の中心Ｌ１，Ｌ２に対し対称に配置されているため、コギングトルクの低減を図ると共に、駆動トルクが低下することを抑制することができる効果がより確実に得られる。

他の実施形態について説明する。
・本実施形態では２段スキューのロータで説明しているが、多段スキューとしても良い。但し、２段スキューが最も駆動トルクの低下を抑制する効果が大きいので、好ましい。
・ステータコイルの巻線型式は集中巻線であっても良い。
・断面Ｖ字状以外の永久磁石をロータコアに配置しても良い。

以上、実施形態に基づいてこの発明を実施するための形態を説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

２…ステータ
２ａ…ステータコア
２ｂ…ステータコイル
３…ロータ
４…ロータ回転軸
６…ロータコア
６ａ…第１，第２のロータコア分割体
７…コア支持体部
８…永久磁石
１０…溝部
Ｐ１…最深点

Claims

ステータコイルおよび環状に設けられたステータコアを含むステータと、前記ステータコアの内周側に位置して前記ステータに対し回転自在となるロータとを備え、このロータは、ロータ回転軸の外周にコア支持体部を介して設けられたロータコアを有し、このロータコアは、円周方向に沿って複数組の永久磁石が設けられた複数の磁極を有する回転電動機において、
前記ロータコアは、互いに軸方向に並び同心に配置され且つ位相が定められた角度だけずれた複数のロータコア分割体を有し、前記定められた角度に前記磁極の数を乗じたスキュー角が、コギングトルクの電気角周期の４分の１に設定され、各ロータコア分割体における外周部に、前記各磁極の中心に対し円周方向に互いに離隔して配置される一対の溝部が設けられたことを特徴とする回転電動機。
請求項１に記載の回転電動機において、前記一対の溝部は、前記各磁極の中心に対し対称に配置される回転電動機。
請求項１または請求項２に記載の回転電動機において、前記各溝部における最深点が、前記各磁極を成す前記永久磁石における円周方向の両端と、前記ロータにおける回転中心とでなす角度θａの範囲内に設けられ、且つ、前記各溝部における最深点につき、前記永久磁石における円周方向の両端からの角度θｂは、コギングトルクが規定値以下となる電気角で３°以上５°未満である回転電動機。