JP7249176B2 - モータ用筐体 - Google Patents

Description

本発明は、モータからの低周波の磁界漏洩を抑制するためのモータ用筐体に関する。

電気自動車やハイブリッド自動車などの車両の駆動用モータからは、低周波の磁界が発生することが知られている。現状では、車室内の磁界強度は十分に低いレベルであるが、今後、駆動用モータの出力向上のために電流が増加し、磁界強度も大きくなることが予想される。そのため、低周波の磁界漏洩を抑制する方法が検討されている。

特許文献１には、ケースの外周に切り欠きを設け、その切り欠きから駆動基板の一部をケース外にはみ出させたモータにおいて、そのはみ出した駆動基板を金属製のシールドケースで覆う構造が記載されている。このような構造により、モータ全体をシールド材で覆うよりも小型化できることが記載されている。

特許文献２には、高周波の磁界漏洩を抑制する磁気シールド構造が記載されている。磁気シールド構造は、誘電体からなるケースの内面および外面の少なくとも一方の少なくとも一部に、金属めっきを施したものである。

特開２００８－２７１７０１号公報 特開２０１７－５４７５７号公報

発明者らは、電磁界シミュレーションによって漏洩磁界を測定評価した。その結果、車両の駆動用モータからの漏洩磁界の周波数は１ｋＨｚ以下の低周波であることがわかった。一般に車両の駆動用モータはアルミニウムの筐体により覆われているが、漏洩磁界の周波数が低いため、従来の筐体では十分に漏洩磁界を抑制できないことがわかった。

特許文献１では、ケースからはみ出した駆動基板以外の部分については、従来のモータと同様にケースにより覆われているのみであり、低周波の磁界漏洩は十分に抑制することができない。

また、特許文献２では、金属めっきの厚さは数１０μｍ程度であることから、モータから発生する低周波の磁界漏洩を抑制することができない。

また、モータ全体を厚い金属で覆うことにより磁界漏洩を抑制することが考えられるが、重量が重くなってしまい、車両の駆動用モータに対しては不適である。

そこで本発明の目的は、モータの重量を抑えつつ、低周波の磁界漏洩を抑制することが可能なモータ用筐体を提供することである。

本発明は、モータのステータとロータとを覆うモータ用筐体であって、ステータは、スロットを有したステータコアと、スロットを通して巻かれたコイルとを有し、コイルがステータコアの両端からはみ出した部分である２つのコイルエンド部を有し、モータ用筐体は、ステータおよびロータを内包する非磁性体からなる第１筐体と、２つのコイルエンド部のうち一方を覆う磁性体からなる第２筐体と、第２筐体と分離して離間し、２つのコイルエンド部のうち他方を覆う磁性体からなる第３筐体と、を有し、第２筐体および第３筐体は、第１筐体の外側に設けられており、第２筐体および第３筐体は、モータの径方向から見て、ステータコアとオーバーラップするように設けられている、ことを特徴とするモータ用筐体である。

第２筐体および第３筐体は、第１筐体の外側に設けられていることが好ましい。第１筐体内にステータやロータ以外のもの、たとえばステータの冷却装置、などを配置する際に、第２筐体および第３筐体を第１筐体の内側に配置する場合に比べて配置の自由度が大きくなるためである。

第２筐体および第３筐体は、第１筐体との間隔が１０ｍｍ以下であることが好ましい。低周波の磁界の漏洩抑制効果をより高めることができる。特に、第２筐体および第３筐体を第１筐体と接するように設けることが好ましい。

第２筐体および第３筐体は、モータの軸方向および径方向のいずれから見ても、コイルエンド部を覆うように設けられていることが好ましい。低周波の磁界の漏洩抑制効果をより高めることができる。

第２筐体および第３筐体は、スリットが設けられていてもよい。スリットを設けることで、筐体の振動の周波数を調整することができる。特に、スリットの長手方向がモータの軸方向と平行になるように設けるとよい。スリットを設けることによる磁界漏洩の抑制効果の悪化を少なくできる。

第２筐体および第３筐体は、モータの径方向から見て、ステータコアとオーバーラップするように設けられていることが好ましい。低周波の磁界の漏洩抑制効果をより高めることができる。

本発明によれば、モータの重量を抑えつつ、低周波の磁界漏洩を抑制することができる。

実施例１のモータの構成を示した図。 モータから発生する低周波磁界を示した図。 変形例のモータの構成を示した図。 第１筐体１２との接続部の構造を示した図。 変形例のモータの構成を示した図。 変形例のモータの構成を示した図。 変形例のモータの構成を示した図。 磁界強度の低減量に付いて示したグラフ。 磁界強度の低減量に付いて示したグラフ。

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

図１は、実施例１のモータの構成を示した図である。図１（ａ）は、モータを回転軸方向から見た上面図であり、図１（ｂ）は回転軸に垂直な方向から見た側面図であり、図１（ｃ）はモータの断面図である。モータは三相交流モータであり、図１のように、ステータ１０と、ロータ１１と、第１筐体１２と、第２筐体１３と、第３筐体１４と、で構成されている。図１（ａ）、（ｂ）においては、第１筐体１２を透過して内部構造が見えるように模式的に示している。

ステータ１０は、ステータコア１５とコイル１６により構成されている。ステータコア１５は肉厚の円筒状であり、その円筒の軸方向に貫通するスロット１７が円周方向に等間隔で複数設けられている。ステータコア１５は、たとえば積層鋼板からなる。コイル１６は、スロット１７を通して分布巻きされており、ステータコア１５の両端からはみ出した部分を有する。このはみ出した２つの部分をコイルエンド部１８Ａ、１８Ｂと呼ぶ。なお、コイル１６の巻き方は分布巻きに限らず、集中巻きでもよい。

ロータ１１は、円柱状であり、ステータ１０の円筒内に同軸に配置されている。ロータ１１の厚さ（回転軸方向の長さ）は、ステータコア１５の厚さ（回転軸方向の長さ）と同一であり、ロータ１１の端面とステータコア１５の端面は、同一面となるように揃えられている。ロータ１１は、内部に磁石が埋め込まれた積層鋼板からなる。ステータ１０のコイル１６に電流を流すと回転磁界が発生し、これによりロータ１１は回転軸回りに回転する。ロータ１１の回転数は、コイル１６に流す電流の周波数に比例する。ロータ１１には図示しない軸が接続されている。

第１筐体１２は、中空の直方体であり、内部にステータ１０とロータ１１とを内包している。第１筐体１２は、アルミニウムからなる。アルミニウム以外にも、樹脂など非磁性体材料であれば任意でよい。非磁性体材料は、たとえば比透磁率が５以下の材料である。第１筐体１２の厚みは、たとえば１～１０ｍｍである。また、第１筐体１２は、３対の面のうち、１対の面がモータの軸に垂直となるように配置されている。その軸に垂直な２面のうち一方を上面１２ａ、他方を下面１２ｃとして、上面１２ａには孔１２ｄが設けられている。孔１２ｄは、ロータ１１に接続する軸を通すためのものである。なお、第１筐体１２の形状は、ステータ１０とロータ１１を内包可能な中空を有した形状であれば直方体に限らず任意であり、円筒状などであってもよい（図５参照）。また、第１筐体１２内に、発電用のモータを含めるようにしてもよい。

第２筐体１３および第３筐体１４は、低周波磁界の主たる発生箇所であるコイルエンド部１８Ａ、１８Ｂをそれぞれ覆い、モータからの低周波磁界の漏洩を抑制するために設けるものである。ここで低周波磁界とは、周波数が１ｋＨｚ以下の磁界である。

低周波磁界の主たる発生箇所がコイルエンド部１８Ａ、１８Ｂとなる理由について、図２を参照に説明する。図２中、ｚ軸方向がモータの軸方向、ｙ軸方向がモータの径方向を示している。図２のように、磁界はコイル１６の線回りにループ状に発生するが、ステータコア１５とロータ１１に挟まれた領域で発生した磁界は、ステータコア１５およびロータ１１の内部を通るため、ｙ軸方向には強い磁界を発生させない（図２中の実線で示したループ）。一方、ステータコア１５とロータ１１に挟まれていない領域で発生した磁界は、ステータコア１５とロータ１１を通らず、コイルエンド部１８Ａ、１８Ｂの周囲を回る。そのため、コイルエンド部１８Ａ、１８Ｂの近傍に強い磁界を発生させる（図２中の点線で示したループ）。

第２筐体１３は、第１筐体１２の内面に接合された鋼板である。図１のように、第２筐体１３は、第１筐体１２の内面のうち、上面１２ａ（回転軸に垂直な面のうち、コイルエンド部１８Ａ近傍の面）と、一方のコイルエンド部１８Ａ近傍の側面１２ｂに接合されている。上面１２ａについては、ロータ１１と同心で同一の直径の円形の孔１３ａが設けられた鋼板が接合されている。孔１３ａは、ロータに接続する軸（図示しない）を通すためのものである。また、側面１２ｂについては、側面から見てコイルエンド部１８Ａの領域を含む範囲に鋼板が接合されている。このようにして、第２筐体１３は、軸方向から見ても径方向から見ても、コイルエンド部１８Ａを覆うように設けられている。つまり、軸方向から見ても径方向から見ても、コイルエンド部１８Ａの領域は、第２筐体１３の領域内に収まるように設けられている。

第３筐体１４は、第１筐体１２の内面に接合され、第２筐体１３とは分離、離間して設けられた鋼板である。図１のように、第３筐体１４は、第１筐体１２の内面のうち、下面１２ｃ（回転軸に垂直な面のうち、コイルエンド部１８Ｂ近傍の面）と、一方のコイルエンド部１８Ｂ近傍の側面１２ｂに接合されている。下面１２ｃについては、全面に鋼板が接合されている。また、側面１２ｂについては、モータを側面から見てコイルエンド部１８Ｂの領域を含む範囲に鋼板が接合されていて、第２筐体１３とは間隔をあけて設けられている。このようにして、第２筐体１３は、軸方向から見ても径方向から見ても、コイルエンド部１８Ｂを覆うように設けられている。

第２筐体１３および第３筐体１４は、鋼板以外にも、磁性体材料であれば任意でよい。ここで、磁性体とは、比透磁率が第１筐体１２に比べて十分に大きな材料であり、たとえば比透磁率が１０以上の材料である。より具体的には、鉄、ニッケル、コバルト、それらを主成分とする合金（たとえばケイ素鋼）、フェライト、などを用いることができる。鋼板を用いる場合には、表面に亜鉛やニッケルなどのめっきを施してさびの防止を図ってもよい。比透磁率が高いほど低周波磁界の漏洩抑制効果は高くなるため、比透磁率は５０以上の材料が好ましい。

また、第２筐体１３および第３筐体１４は厚いほど低周波磁界の漏洩抑制効果は高くなる。そのため、第２筐体１３および第３筐体１４の厚みは０．５ｍｍ以上とすることが好ましい。ただし、あまり厚くするとモータの重量の増加を招くため、５ｍｍ以下とすることが好ましい。

実施例１では、第２筐体１３および第３筐体１４は第１筐体１２の内側に接合させているが、外側に接合させてもよいし（図３参照）、第２筐体１３と第３筐体１４の一方を内側、他方を外側に接合させてもよい。外側に第２筐体１３および第３筐体１４を接合させた場合、第１筐体１２内にステータ１０の冷却装置などを設ける際の配置の自由度が増すので、その点で外側に設けることに利点がある。

また、実施例１では、第１筐体１２と第２筐体１３、第１筐体１２と第３筐体１４を接合させて隙間をなくしているが、隙間があってもよい。ただし、隙間は１０ｍｍ以下であることが好ましい。１０ｍｍ以下とすれば、隙間が空くことで低周波磁界の漏洩抑制効果は若干低下するものの、隙間をなくした場合に比べて１ｄＢ以下の低下で済む。

第１筐体１２と第２筐体１３の接合、および第１筐体１２と第３筐体１４の接合は、任意の接合方法でよい。たとえば、スポット溶接、シーム溶接、アーク溶接、レーザ溶接などの溶融接合や、摩擦溶接、レーザ圧接などの固相接合や、ボルト、ナット、ブラインドリベットなどを用いた機械的接合や、接着剤などを用いた接着や、これらの複合方法を用いることができる。ボルトを用いて接合する場合、図４のように、第１筐体１２と接合する凸部１９を設け、凸部１９と第２筐体１３あるいは第３筐体１４とをボルト２０およびナット２１によって接合するとよい。第１筐体１２に穴が空かないため、磁界漏洩をより抑制することができる。

また、実施例１では、第２筐体１３および第３筐体１４を第１筐体１２の４つの側面１２ｂ全てに設け、コイルエンド部１８Ａ、１８Ｂを側面の全方位から覆うようにしているが、全方位を覆う必要はなく、側面の一部方位を覆うように設けられていてもよい。第２筐体１３および第３筐体１４が設けられていない方向に対しては、低周波磁界の漏洩を抑制することはできないが、設けられている方向に対しては、低周波磁界の漏洩を抑制することができる。たとえば、図６のように、径方向にｘ軸、ｙ軸を取り、モータの軸を原点にした場合に、第２筐体１３および第３筐体１４がｙ座標が正となる半分を覆うようにしてもよい。この場合、ｙ軸の負方向については低周波磁界の漏洩を低減できないが、ｙ軸の正方向については低周波磁界の漏洩を低減できる。このような構成は、漏洩を抑制したい方向が決まっている場合や、モータの重量をより減らしたい場合に有効である。ただし低周波磁界の漏洩を十分に低減するため、低周波磁界の漏洩を抑制したい方向に対して±６０°以上の方位を覆うように設けることが好ましい。また、モータの重量の減少の点からは、低周波磁界の漏洩を抑制したい方向に対して±１２０°以下の方位を覆うように設けることが好ましい。

第２筐体１３、第３筐体１４にスリット２２を設けてもよい（図７参照）。スリット２２は、細長い長方形状の貫通孔である。ロータ１１が高速回転すると、第１筐体１２に振動が発生するが、第１筐体１２には第２筐体１３および第３筐体１４が接合されているため、その振動の周波数が変化する可能性がある。このような場合に、第１筐体１２の寸法によっては、第２筐体１３、第３筐体１４にスリットを設けて、筐体の振動の周波数を調整することが考えられる。スリットの長手方向は任意の方向でよいが、モータの軸方向と平行に設けることが好ましい。モータの軸方向と平行にスリットを設ければ、低周波磁界の漏洩低減効果にほとんど影響を与えない。一方、モータの軸方向に直交する方向にスリットを設けると、低周波磁界の漏洩低減効果がやや悪化してしまう。これは、コイルエンド部１８Ａ、Ｂから発生する低周波磁界は軸方向の成分が強いため、軸方向に直交する方向にスリットを設けると低周波磁界が漏洩しやすくなるためと考えられる。

また、第１筐体１２とステータコア１５との間には隙間が生じる。そのため、第２筐体１３および第３筐体１４によって効果的に低周波磁界の漏洩を低減するためには、径方向から見て、第２筐体１３および第３筐体１４とステータコア１５とがオーバーラップするように設定することが好ましい。オーバーラップの幅は、第１筐体１２とステータコア１５との間隔に応じて適宜設定する。また、第２筐体１３と第３筐体１４の離間距離は、オーバーラップの幅とモータの重量とを考慮して適宜設定する。

以上、実施例１のモータは、筐体が第１筐体１２と、第２筐体１３と、第３筐体１４とにより構成されており、磁性体である第２筐体１３と第３筐体とが、低周波磁界の主たる発生箇所である２つのコイルエンド部１８Ａ、１８Ｂをそれぞれ覆うように設けられているため、低周波の磁界漏洩を効果的に抑制することができる。特に、周波数１ｋＨｚ以下の磁界漏洩を効果的に抑制することができる。また、第２筐体１３と第３筐体１４とを分離、離間して設けることで、モータ全体を覆わず、低周波磁界漏洩の抑制に必要な領域のみに設けているため、モータの重量の増加を抑制しつつ、磁界漏洩を抑制することができる。

なお、実施例１のモータは三相交流モータであるが、本発明は交流モータに限るものではなく、コイルエンド部を有した構造のモータであれば任意のモータに対して適用することができる。たとえば、直流モータや直流ブラシレスモータなどにも適用することができる。また、本発明はモータの制御方法によらず、たとえば矩形制御でもＰＷＭ制御でもよい。

次に、実施例１のモータに関する各種シミュレーション結果を説明する。

（実験１）
モータから漏洩する低周波磁界の強度をシミュレーションによって求めるため、以下のようなモデルを作成した。実施例１のモータについて、第２筐体１３および第３筐体１４の材料を比透磁率が５００の鋼板とし、厚みを２ｍｍとし、各種寸法を以下の通りに設定したモデル（実験例３）を作成した。なお、モータの軸方向にｚ軸、径方向にｘ軸、ｙ軸を取り、原点はモータの中心とした。また、各種寸法は、第１筐体１２を軸方向から見たときの長方形の一辺を１とした比率で示す。第１筐体１２は縦（ｘ軸方向）に幅が１、横（ｙ軸方向）に幅が０．９６、高さ（ｚ軸方向）が０．８４の直方体とした。また、第１筐体１２からステータコア１５までの距離は０．０８３とした。また、第２筐体１３および第３筐体１４のｚ軸方向の幅は０．３１とし、第２筐体１３と第３筐体１４との離間距離は０．２３とした。また、第２筐体１３と第３筐体１４は、コイルエンド部１８Ａ、１８Ｂに対して０．０７４オーバーラップさせた。

また、比較のため、以下の構造のモデルを作成した。実験例１は、実験例３の構造から第２筐体１３および第３筐体１４を省いた構造である。実験例２は、実験例３の構造から、第２筐体１３および第３筐体１４のうち、第１筐体１２の上面１２ａおよび下面１２ｃと接する面を省いた構造である。実験例４は、実験例３の構造から、第１筐体１２の上面１２ａと第２筐体１３との間、および第１筐体１２の下面１２ｃと第３筐体１４との間に、０．００７の隙間を設け、第２筐体１３および第３筐体１４のｚ軸方向の幅を０．３０に変更した構造である。実験例５は、実験例３の構造から、第２筐体１３および第３筐体１４のうち、第１筐体１２の上面１２ａおよび下面１２ｃと接する面のみ残した構造である。

上記のように設定した実験例１～５のモデルについて、磁界強度をシミュレーションによって求めた。磁界強度は径方向、軸方向でそれぞれ求め、径方向の磁界強度は、ｙ＝１．１、ｘ＝ｚ＝０の位置における磁界ベクトルの大きさ、軸方向の磁界強度は、ｚ＝１．１、ｘ＝ｙ＝０の位置における磁界ベクトルの大きさである。また、磁界の周波数は１６Ｈｚである。

図８は、その結果を示したグラフである。縦軸は磁界強度の低減量であり、実験例１（第２筐体１３および第３筐体１４を設けない構造）を基準としたｄＢ値である。図８（ａ）は、径方向の磁界強度、図８（ｂ）は、軸方向の磁界強度である。

図８のように、実験例３の構造では、第２筐体１３および第３筐体１４が、コイルエンド部１８Ａ、１８Ｂを軸方向、径方向の両方から覆っているため、高い磁界低減効果を実現できており、径方向では１０ｄＢ、軸方向では４ｄＢの低減量であった。

一方、実験例４の構造では、第２筐体１３および第３筐体１４がコイルエンド部１８Ａ、１８Ｂを軸方向、径方向の両方から覆っているものの、第１筐体１２と第２筐体１３および第３筐体１４との間に隙間があるため、そこから磁界が漏れ、実験例３に比べて低減量が小さくなっていた。

また、実験例２では、第２筐体１３および第３筐体１４が径方向においてはコイルエンド部１８Ａ、１８Ｂを覆っているため、径方向の磁界漏洩についてはある程度低減できていたが、軸方向においてはコイルエンド部１８Ａ、１８Ｂを覆っていないため、軸方向の磁界漏洩についてはほとんど低減できなかった。

また、実験例４では、第２筐体１３および第３筐体１４が軸方向においてはコイルエンド部１８Ａ、１８Ｂを覆っているため、軸方向の磁界漏洩についてはある程度低減できていたが、径方向においてはコイルエンド部１８Ａ、１８Ｂを覆っていないため、径方向の磁界漏洩についてはほとんど低減できなかった。

（実験２）
実験例３の構造について、第２筐体１３および第３筐体１４の比透磁率を５００から１００、５０に変化させたところ、径方向の磁界強度の低減量はそれぞれ７．７ｄＢ、５．８ｄＢとなった。このことから、第２筐体１３および第３筐体１４の比透磁率が高いほど磁界漏洩の低減効果が高いことがわかった。

（実験３）
実験例３の構造について、第２筐体１３および第３筐体１４の厚みを２ｍｍから１ｍｍ、０．５ｍｍと変化させたところ、径方向の磁界強度の低減量はそれぞれ７．７ｄＢ、５．８ｄＢとなった。このことから、第２筐体１３および第３筐体１４が厚いほど磁界漏洩の低減効果が高いことがわかった。

（実験４）
実験例３の構造について、第２筐体１３および第３筐体１４が第１筐体１２の内面に接合する構造から外面に接合する構造に替えたところ、磁界強度の低減量にはほとんど変化は見られなかった。

（実験５）
実験例３の構造について、第２筐体１３および第３筐体１４にスリットを設けて磁界強度の低減量がどう変化するかを検討した。スリットは長さ０．２８、幅０．０１５とし、第２筐体１３および第３筐体１４のうち、径方向を覆う領域にスリットを１つ設けた。またスリットの長手方向は、軸方向に平行な方向（以下、実験例６）、軸方向に垂直な方向（以下、実験例７）とした。

図９は、その結果を示したグラフである。縦軸は図８と同様である。図９（ａ）は、径方向の磁界強度、図９（ｂ）は、軸方向の磁界強度である。図９のように、スリットの長手方向を軸方向に平行とした実験例６では、径方向の磁界強度の低減量は、実験例３の場合とほとんど差がなかった。また、スリットの長手方向を軸方向に垂直とした実験例７では、径方向の磁界強度の低減量は、実験例３の場合よりもおよそ０．９ｄＢ低下していた。また、軸方向の磁界強度の低減量は、実験例６、７のいずれも実験例３と差がなかった。この結果から、第２筐体１３および第３筐体１４にスリットを設ける場合には、スリットの長手方向を軸方向に平行とすることで、磁界強度の低減量に影響を及ぼさないようにできることがわかった。

本発明は、電気自動車やハイブリッド自動車の駆動用モータなどに適用することができる。

１０：ステータ
１１：ロータ
１２：第１筐体
１３：第２筐体
１４：第３筐体
１５：ステータコア
１６：コイル
１７：スロット
１８Ａ、１８Ｂ：コイルエンド部

Claims (6)

1. モータのステータとロータとを覆うモータ用筐体であって、
   前記ステータは、スロットを有したステータコアと、前記スロットを通して巻かれたコイルとを有し、前記コイルが前記ステータコアの両端からはみ出した部分である２つのコイルエンド部を有し、
   前記モータ用筐体は、
   前記ステータおよび前記ロータを内包する非磁性体からなる第１筐体と、
   ２つの前記コイルエンド部のうち一方を覆う磁性体からなる第２筐体と、
   前記第２筐体と分離して離間し、２つの前記コイルエンド部のうち他方を覆う磁性体からなる第３筐体と、を有し、
   前記第２筐体および前記第３筐体は、前記第１筐体の外側に設けられており、
   前記第２筐体および前記第３筐体は、前記モータの径方向から見て、前記ステータコアとオーバーラップするように設けられている、
   ことを特徴とするモータ用筐体。
2. 前記第２筐体および前記第３筐体は、前記第１筐体との間隔が１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のモータ用筐体。
3. 前記第２筐体および前記第３筐体は、前記第１筐体に接して設けられている、ことを特徴とする請求項２に記載のモータ用筐体。
4. 前記第２筐体および前記第３筐体は、前記モータの軸方向および径方向のいずれから見ても、前記コイルエンド部を覆うように設けられている、ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のモータ用筐体。
5. 前記第２筐体および前記第３筐体は、スリットが設けられている、ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のモータ用筐体。
6. 前記スリットは、長手方向が前記モータの軸方向と平行に設けられている、ことを特徴とする請求項５に記載のモータ用筐体。

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