JPH0992521A

JPH0992521A - 電気自動車

Info

Publication number: JPH0992521A
Application number: JP7244085A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Kaido; 力開道
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1995-09-22
Filing date: 1995-09-22
Publication date: 1997-04-04

Abstract

(57)【要約】【課題】小型高出力、高効率であり、しかも量産化可
能な電動機または発電機を備えた電気自動車を提供す
る。【解決手段】電動機または発電機１の固定子コア３ま
たは回転子コア８が方向性電磁鋼板製の螺旋コアからな
っている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、走行用電動機、
ハイブリッド方式用発電機、補助機器用交流発電機、始
動用電動機などを備えた電気自動車に関する。

【０００２】

【従来の技術】螺旋コアは、従来、自動車の補助機器用
交流発電機などの固定子コアまたは回転子コアとして使
用されており、コア素材にＳＰＣＣなどの無方向性電磁
鋼板が用いられている。電磁鋼板を螺旋状に形成するに
は、板幅方向の延長線上、またはそれに近い点を曲率中
心として、帯状の電磁鋼板を螺旋状に塑性変形する。こ
のようにして螺旋加工した電磁鋼板は、螺旋の内径側は
周方向に圧縮されて板厚が厚くなり、逆に外径側は周方
向に伸びて薄くなる。このため、螺旋加工した電磁鋼板
を積層すると、螺旋コアの内径側が外径側より厚くなっ
て厚さに不同を生じ、占積率が低下していた。したがっ
て、打抜き鋼板を積層したコアよりも総界磁磁束が減少
し、回転機容量が小さかった。また、騒音や振動も生じ
やすかった。

【０００３】一方、電気自動車は、エネルギ面および環
境面で重要である。しかし、電気自動車を支える電池の
問題とともに、駆動源である電動機の問題もある。電池
の容量と合わせて、電動機の高効率化が、自動車の居住
空間を広くするためにも小型軽量化が重要である。小型
化のため、電動機を高速回転して使用したり、多極化す
ると、電動機のコアは高周波励磁になり、コアでの損
失、すなわち鉄損が高くなる。このため、電動機の小型
化およびコスト低減の点から、鉄損などの磁気特性の一
層の改善が望まれている。また、エネルギ節減および環
境保護のために、電気自動車の普及を図るには、電動機
の生産性を高めることによりコストを低減することも重
要である。以上電動機について述べたが、発電機につい
ても同様である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、小型高出
力、高効率であり、しかも量産化可能な電動機または発
電機を備えた電気自動車を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明の電気自動車
は、電動機または発電機の固定子コアまたは回転子コア
が方向性電磁鋼板製の螺旋コアからなっている。

【０００６】この発明における電気自動車とは、電動機
を走行用原動機とする自動車であり、４輪の乗用車、ト
ラック、２輪車、３輪車等である。電気エネルギを蓄電
池によるもの、またケーブルやレールなどを通して外部
から供給されるものである。ハイブリッド方式電気自動
車では、電気エネルギ源として発電機が用いられる。電
動機は、同期型、誘導型、直流機やリラクタンスモー
タ、ステッピングモータ、その他どのような機種のもの
でもよい。電動機は、発電機の機能を兼ね備えていても
よい。

【０００７】螺旋コアに用いられる方向性電磁鋼板は、
主な板面方位が｛１１０｝であり、磁化容易方向＜１０
０＞の集積度が高い通常の電磁鋼板である。方向性電磁
鋼板は、Ｓｉを含むもの、Ｓｉ含有量が０．１％以下で
あるもの等の主成分がＦｅであるものであるが、結晶構
造が体心立方格子（ｂｃｃ）である他の磁性材料であっ
てもよい。

【０００８】電気自動車の場合、コアに対しては鉄損が
低いことが重要である。そのために螺旋コアに用いる方
向性電磁鋼板のＳｉ含有量を２重量％以上であすること
が望ましい。この場合、鉄損のうち渦電流損に反比例す
る電気抵抗率は、３３μΩcm以上となる。Ｓｉ含有量が
０．５重量％以下の無方向性電磁鋼板の電気抵抗率は１
０μΩcm〜１５μΩcmであるので、上記方向性電磁鋼板
の電気抵抗率は無方向性電磁鋼板のものよりも２倍以上
高い値となる。Ｓｉ量が高過ぎると、飽和磁化が低くな
るので、飽和磁化を８０％以上とするには、７重量％以
下である必要がある。また、渦電流損を低減させるため
に、方向性電磁鋼板の板厚を０．２５mm以下にすること
が望ましい。渦電流損を古典理論より板厚の２乗に比例
するとすると、従来の一般的な方向性電磁鋼板のうち最
も板厚が厚い０．３５mmを０．２５mm以下にすると、渦
電流損を１／２以下にすることができる。しかし、板厚
が０．０２mm以下になると、方向性電磁鋼板の表面の影
響や鉄損のうちのヒステリシス損が急増するので、０．
０２mm以上が好ましい。渦電流損は周波数が高いほど大
きくなり、古典理論によると周波数の２乗に比例する。
０．３５mmの方向性電磁鋼板の場合、５０ Hz での鉄損
比率は、一般にヒステリシス損：渦電流損＝３：５であ
る。したがって、渦電流損／ヒステリシス損の比率が１
以上になる周波数は４０ Hz 以上になるので、前記のＳ
ｉや板厚による渦電流損低減効果は４０ Hz 以上で顕著
になる。電動機がＰＷＤ制御で駆動される場合、一般に
は数kHz から可聴周波数以上の数百kHz まで励磁されて
使用されているので、周波数の上限は１MHz とすること
が望ましい。

【０００９】電磁鋼板の螺旋巻き角は、３６０゜以上
（すなわち１巻き以上）、または３６０゜未満（たとえ
ば、９０゜、１８０゜、１２０゜）のいずれであっても
よい。螺旋加工後に、研磨、切断、焼鈍、または表面処
理などを行ってもよい。螺旋巻き角が３６０゜未満の場
合、加工した電磁鋼板を円周方向につなぎ合わせて螺旋
コアを形成する。螺旋加工成形後のスプリングバックを
考慮して螺旋加工し、螺旋加後の応力フリーの状態で目
標の螺旋形状となるようにしてもよい。この場合、固定
部材を用いなくても、高精度の螺旋コアを作製すること
ができる。スロットを有するコアの場合、スロット形状
に合わせた形状の成形型を用いると、高い寸法精度の螺
旋コアを得ることができる。複数の形状あるいは寸法の
セグメントを組み合わせて螺旋加工成形型を構成しても
よい。コアバック部、およびティースの寸法を後に述べ
るように規定した電磁鋼板の螺旋コア、あるいは固定部
材等で固定された電磁鋼板を用いた螺旋コアを、螺旋加
工成形型により製造してもよい。

【００１０】螺旋加工した電磁鋼板は、重なり合うどう
しのものを接合、または重ね合わせて一体とする。螺旋
成形した方向性電磁鋼板の重なり合うものどうしをかし
めや溶接で接合したり、螺旋コアを固定部材で固定した
りすることにより、高い形状精度を得ることができる。
接合手段として、接合部材（たとえば、ねじ、ボルト・
ナットなど）、かしめ、溶接、ろう付けなどが用いられ
る。これら接合手段のいくつかを組み合わせて接合する
ようにしてもよい。かしめは、接合できれば螺旋コアの
どの部分でもよいが、螺旋加工で殆ど変形しないティー
スまたはティース近傍のコアバック部であることが好ま
しい。溶接またはろう付けは、最終形状に固定して、積
層面に行うとよい。回転機駆動時に、コアでの層間電流
が生じないように位置を選ぶことが望ましい。溶接はＴ
ＩＧ溶接、レーザ溶接などどの様なものでもよい。螺旋
加工しながら重なり合う電磁鋼板どうしを接合するよう
にしてもよい。螺旋コアを固定するには、固定部材（回
転機のケーシングなど）に固定する、あるいは固定部材
（ボルト等のコア固定棒など）を用いて固定する。固定
部材を用いることにより、螺旋コアを高い寸法精度を有
する所定の形状に、矯正して固定することができる。

【００１１】螺旋コアのティース長さＬ、コアバック部
平均直径Ｄ、および界磁極数Ｐが下記の式で示される関
係とすることが望ましい。２／Ｐ＜Ｄ／（ＰＬ）＜１．５ここで、コアバック部とはコアのうちティースを除いた
部分をいう。

【００１２】螺旋コアは、螺旋コアのラジアル方向を磁
化容易軸である＜１００＞とよい。螺旋コアがティース
付きである場合、ティース方向＜１００＞を活用するに
は、電動機または発電機が多極機であって、ティースが
長い方がよい。螺旋コアのティース長さＬ、コアバック
部平均直径Ｄおよび界磁極数Ｐが上記の式の関係にある
と、次に述べるように螺旋コアの磁気特性は向上する。

【００１３】コアバック部は磁束が円周方向に正弦波分
布しているものとして有効磁路を計算した場合、１極当
たりのコアバック部の有効磁路２Ｄ／Ｐに対し、ティー
スが２個対応するので、ティースに対するコアバック比
率はＤ／（ＰＬ）となる。一方、方向性電磁鋼板の＜１
００＞方向の磁気特性は、無方向性電磁鋼板よりも磁気
特性が優れており、たとえば鉄損は少なくとも１／４以
下とすることができる。方向性電磁鋼板の＜１１０＞方
向の鉄損は、無方向性電磁鋼板と同程度の鉄損を示す。
したがって、方向性電磁鋼板を使用した場合のコストア
ップを考慮すると、コア鉄損を３０％以上少なくする必
要がある。コアの鉄損を３０％少なくするには、（２Ｄ
／Ｐ）／（２Ｌ）＜３／２である必要がある。すなわ
ち、無方向性電磁鋼板のティ−ス部の鉄損を無次元表示
で１とすると、コアバック部の鉄損ｘはＤ／（ＰＬ）と
なり、螺旋コアの全鉄損は１＋ｘとなる。一方、方向性
電磁鋼板のティース部の鉄損は１×１／４、コアバック
部の鉄損はｘ×１であり、全鉄損は１／４＋ｘとなる。
したがって、（１／４＋ｘ）／（１＋ｘ）＜０．７とす
るには、ｘ＝Ｄ／（ＰＬ）＜１．５となる。Ｄ／（Ｐ
Ｌ）は、小さいほど効果が大きいことは言うまでもない
が、一般にティース長さＬはコアバック部平均直径Ｄの
１／２以下であるので、Ｄ／（ＰＬ）の下限は２／Ｐと
なる。ここでは鉄損について述べたが、他の磁気特性に
ついても同様なことが言える。以上より、回転機の界磁
極数は多いほど磁気特性は向上するが、一般にＤ／Ｌ＞
８であるので、少なくとも６極以上とすることが望まし
い。原理的には界磁極数の上限に制限はないが、一般に
回転機の界磁極数はほとんどが３６極以下である。ま
た、界磁極数はティース数より大きくなることはない。
したがって、回転機の界磁極数は、６極以上、かつ３６
極およびティース数のうちの大きい数以下であることが
望ましい。

【００１４】螺旋コアを電動機コア以外の用途に使用し
てもよい。たとえば、ホイールの内側を電動機とするダ
イレクトドライブ方式の場合、螺旋コア自身をリムの一
部としたり、また螺旋コアを他の部品の固定部に使用し
たり、他の構造物と一体化するなどのように共用しても
よい。コアは磁性部材であるので、他の磁性部材として
兼用してもよい。また、螺旋コアの内側空間を、電気機
械エネルギ変換装置としての用途以外の用途に使用して
もよい。たとえば、螺旋コアの内側空間にクラッチのク
ラッチ板、スプライン継手、圧力板などを、あるいは変
速機のスプライン軸、歯車列などを配置する。これによ
り、自動車内の空間を効率よく利用できる。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１は、電気自動車の駆動用電動
機の概略図を示している。電動機１の固定子２のコア３
は、方向性電磁鋼板を用いた螺旋コアで作製されおり、
コアバック部３ａとティース３ｂとからなっている。テ
ィース３ｂの方向が＜１００＞方向であり、積層間はか
しめ４で固定されている。かしめ４の位置は、螺旋加工
により、殆ど変形しないコアバック部３ａのティース３
ｂ寄りの部分である。固定子コア３はケーシング５に固
定されている。回転子７は永久磁石８とヨーク９から構
成されている。ヨーク９の中心部は出力軸１１となって
いる。

【００１６】図２は、この電気自動車の動力伝達系の概
略を示している。電動機１の駆動力は、上記出力軸１１
から順次トランスミッション１３、推進軸１５、および
ディファレンシャル１７を経て、ホイール１９が取り付
けられた駆動軸１８に伝達される。

【００１７】図３は、ハイブリッド方式電気自動車の駆
動部を示している。電動機２５はクラッチ２１に組み込
まれている。電動機２５の固定子２６は固定子コア２７
と電機子巻線２９とで構成され、クラッチ２１のフライ
ホイールハウジング２２に固定されている。一方、回転
子３１は回転子コア３２と２次導体３３からなり、クラ
ッチ２１のフライホイール２３に固定されている。固定
子コア２７および回転子コア３２は、いずれも螺旋コア
である。回転子３１に生じた回転力は、フライホイール
２３に伝達される。

【００１８】上記ハイブリッド方式電気自動車のよう
に、固定子コアの内側がクラッチに利用されている場合
には、固定子コアの外径と内径の差が小さく、一体打ち
抜きでコアをつくると、歩留まりが非常に低くなる。ま
た、分割コアを用いると、歩留まりは高くできるが、部
品点数の増加になり、また、コアの特性、剛性が問題に
なる場合が多い。したがって、このようなコアの外径、
内径の差が小さい場合には螺旋コアの方が適している。

【００１９】図４は、電動機の回転子（電機子）と固定
子（界磁）の一部を示している。回転子コア３７は、方
向性電磁鋼板を用いた螺旋コアからなっている。ティー
ス３９の長さ方向は、矢印Ａに示される磁化容易軸＜１
００＞に一致している。固定子コア４２も回転子コア３
７と同様に方向性電磁鋼板を用いた螺旋コアからなって
いる。ティース４４の長さ方向は、矢印Ｂに示される磁
化容易軸＜１００＞に一致している。スロット４６に
は、２次導体（図示しない）が通されている。

【００２０】回転子コア３１は磁極数１２、ティース数
３６であり、コアバック部平均直径Ｄ、ティース長さＬ
がＤ／Ｌ＝１０である。コア素材は、０．５mm厚さの方
向性電磁鋼板である。５００rpm の回転数で、鉄損は無
方向性電磁鋼板製（ＪＩＳＣ２５５２５０Ａ１３０
０）の電機子コアに比べて約１／３になった。この場合
のＤ／（ＰＬ）は、０．８３である。

【００２１】図５は、電気自動車のホイールに電動機が
組み込まれている例を示している。ホイール５１は、軸
受５７を介して車軸５８に取り付けられている。ホイー
ル５１に電動機６１が組み込まれている。電動機６１
は、リラクタンスモータである。電動機６１の回転子コ
ア６２は、方向性電磁鋼板製の螺旋コアよりなってい
る。回転子コア６２はホイール５１のリム５３にボルト
５５で固定されており、リム５３の一部となっている。
回転子コア６２の外周に、タイヤ６６が取り付けられて
いる。固定子コア６４は励磁巻線（図示しない）が巻か
れており、車軸５８のハブ５９に固定されている。固定
子コア６４の励磁巻線に電流を供給すると、回転子コア
６２、したがってタイヤ６６が回転する。

【００２２】

【発明の効果】この発明の電気自動車は、電動機または
発電機の固定子コアまたは回転子コアに磁気特性が非常
に優れている方向性電磁鋼板を用いる。したがって、電
動機または発電機は従来のものより、効率が高く、小型
となる。電気自動車は、消費電力が従来の電気自動車よ
り少なくなるので、電気自動車の効率は高くなる。たと
えば、電動機の鉄損を１／４程度とすることができるの
で、銅損と鉄損との比が２：１の運転状態では電動機効
率は２５％上昇することになる。したがって、電気自動
車のエネルギ損失が電動機だけとすれば、走行距離が４
／３倍となり、電気自動車の効率は向上する。また、車
内空間を広くできるとともに、軽量化にもつながる。

【００２３】この発明では、固定子コアまたは回転子コ
アは、方向性電磁鋼板製の螺旋コアよりなっている。し
たがって、従来の無方向性電磁鋼板の螺旋コアのような
螺旋加工で板厚が変化しないので、固定子コアまたは回
転子コアにおける電磁鋼板の占積率を高くでき、小型軽
量化できるだけでなく、コア螺旋の機械的剛性が高く、
騒音や振動も少ない。また、材料コストが低く、スクラ
ップが少なく、生産性も高い。

【００２４】以上のように、この発明の電気自動車は、
方向性電磁鋼板の螺旋コアを用いることにより、小型軽
量化、馬力向上、低騒音・振動化を図ることができ、さ
らに材料費、生産コストを抑えることが可能なため、低
価格化も可能である。したがって、この発明は、現在の
電気自動車の大きな問題点である高効率化、駆動部の小
型化、低価格化を解決できる一つの手段であり、エネル
ギ問題や環境問題の解決に結び付くものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】電気自動車の駆動用電動機の概略断面図であ
る。

【図２】電気自動車の駆動力伝達系統図である。

【図３】ハイブリッド方式電気自動車の駆動部を模式的
に示す図面である。

【図４】電動機の回転子（電機子）と固定子（界磁）の
一部を示す断面図である。

【図５】電気自動車の駆動部を模式的に示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１電動機２固定子３固定子コア４かしめ５ケーシング７回転子８永久磁石９ヨーク１１出力軸１３トランスミッション１７ディファレンシャル１８駆動軸１９ホイール２１クラッチ２３フライホイール２５電動機２６固定子２７固定子コア２９電機子巻線３１回転子３２回転子コア３３２次導体３７固定子コア３９ティース４２回転子コア４４ティース４６スロット５１ホイール５３リム５７軸受５８車軸６１電動機６２回転子コア６４固定子コア６６タイヤＡ、Ｂ磁化容易軸方向

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電動機または発電機の固定子コアまたは
回転子コアが方向性電磁鋼板製の螺旋コアからなること
を特徴とする電気自動車。
【請求項２】螺旋コアのティース長さＬ、コアバック
部平均直径Ｄ、および界磁極数Ｐが下記の式で示される
関係にある請求項１記載の電気自動車。Ｄ／（ＰＬ）＜１．５
【請求項３】動力伝達部材の一部を螺旋コアで構成し
た請求項１記載の電気自動車。
【請求項４】螺旋コアの内径側空間に動力伝達部材を配
置した請求項１記載の電気自動車。