JPH1056763A - 低速電動車用のダイレクトドライブ型電動車輪 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】モータの体格、重量の増大を抑止しつつトルク
の向上を実現した低速電動車用のダイレクトドライブ型
電動車輪を提供する。 【解決手段】アウタロータ形式のモータ構造を有するダ
イレクトドライブ型電動車輪であって、永久磁石型界磁
コア１を有するブラシレスＤＣモータを有している。ス
テータコイル（好ましくは三相ステータコイル）４の各
相コイルをステータコアの各極歯に個別かつ順番に集中
巻きする。このようにすれば、三相ステータコイル４を
分散巻きする場合に比べて起動トルク及び低速トルクを
格段に向上でき、その結果、このブラシレスＤＣモータ
を有するダイレクトドライブ型電動車輪の低速走行性能
を大幅に向上できることがわかった。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば電動自転車
や電動車椅子などの低速電動車（本明細書では最高時速
３０ｋｍ以下の電動車をいう）の車輪として用いられる
アウタロータ形式のダイレクトドライブ型電動車輪に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、電気自動車の車輪をアウタロータ
形式のモータで構成して電動車輪とすることにより車両
駆動機構の簡素化を図ることが提案されている。このよ
うなアウタロータ形式の電動車輪では要部が全てロータ
内部に密閉されてしまうために保守性に優れることが特
に重要であり、このためロータ内部に摺動部や減速機構
を持たないブラシレスＤＣモータ又は誘導モータ方式の
ダイレクトドライブ型電動車輪が好適である。

【０００３】低速電動車用のダイレクトドライブ型電動
車輪としては、起動トルクが大きいことが特に重要であ
る。モータの起動トルクは、界磁極の磁束Φとアーマチ
ャのアンペアターンＡＴの積に原理的に比例し、磁束Φ
は界磁極（及びステータコアの極歯）の磁極面の合計面
積に比例し、アンペアターンＡＴもスロットの合計断面
積に比例する。したがって、起動トルクの増大には、モ
ータの径を増大して界磁極の磁極面の面積を増大すると
ともにスロット断面積（スロットの周方向長）を増大す
る手法を採用するか、又は、モータの軸方向長を増大し
て界磁極の磁極面の面積だけを増大する手法を採用して
いた。

【０００４】ブラシレスＤＣモータは、機械的整流機構
をもたないので保守が簡単であり、しかも同様のメンテ
ナンスフィリー特性をもつ誘導モータより起動トルク特
性に優れるので、大起動トルクを必要とする低速電動車
のダイレクトドライブ型電動車輪として最も好適であ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述したブラ
シレスＤＣモータを用いた低速電動車用ダイレクトドラ
イブ型電動車輪では、減速ギヤ機構無しに起動トルク
（及び低速トルク）を稼ぐにはモータの大型化が必須で
あり、車輪の重量特にその慣性質量が増大して加減速性
が劣化するとともに、車両重量の増大、製造費用の増大
という問題が生じた。

【０００６】本発明は上記問題に鑑みなされたものであ
り、モータの体格、重量の増大を抑止しつつトルクの向
上を実現した低速電動車用のダイレクトドライブ型電動
車輪を提供することを、その目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の装置は、
いわゆるアウタロータ形式のモータ構造を有するダイレ
クトドライブ型電動車輪であって、永久磁石型界磁コア
を有するブラシレスＤＣモータを有している。ただし、
永久磁石型界磁コアは、永久磁石だけで構成できる他、
永久磁石とヨークとを組み合わせても構成できる。

【０００８】本装置では特に、ステータコイル（好まし
くは三相ステータコイル）の各相コイルをステータコア
の各極歯に個別かつ順番に集中巻きする点をその特徴と
している。なお、本明細書でいう集中巻きとは、任意の
一個の極歯（ティース）にステータコイルの１相分の相
コイルだけを巻き付ける巻線方式、つまり、相コイルの
往側のコイル導体と復側のコイル導体とが一個の極歯を
挟んで隣接する２つのスロットに収容される巻線方式を
いう。これに対して本明細書でいう分散巻きとは、ステ
ータコイルの任意の相コイルの往側のコイル導体と復側
のコイル導体とが複数の極歯を挟んで隣接する２つのス
ロットに収容されるものをいい、重ね巻き又は波巻きな
どのものをいう。

【０００９】このようにすれば、三相ステータコイルを
分散巻きする場合に比べて起動トルク及び低速トルクを
格段に向上でき、その結果、このブラシレスＤＣモータ
を有するダイレクトドライブ型電動車輪の低速走行性能
を大幅に向上できることがわかった。このような集中巻
きのステータコイルをもつブラシレスＤＣモータが、分
散巻きのステータコイルをもつブラシレスＤＣモータよ
り大きな起動トルクをもつことは従来全く知られておら
ず、低速電動車用のダイレクトドライブ型電動車輪に集
中巻きのステータコイルをもつブラシレスＤＣモータを
用いることによりその起動トルクを減少することなくそ
の体格、重量を大幅に低減できることは本発明者が実験
及び解析によりはじめて見出したものである。

【００１０】請求項２記載の装置によれば請求項１記載
の装置において更に、界磁極数ｐｆと極歯数ｐｔとの比
は４：３に設定される。このようにすれば、他の比率例
えば２：３を採用する場合に比較して起動トルクを一層
向上することができ、その分、電動車輪の低速走行性能
の向上又は体格、重量の低減を図ることができることが
わかった。集中巻きされた三相ブラシレスＤＣモータに
おいて、上記した比率に界磁極数ｐｆと極歯数ｐｔとの
比を採用することによりこのようなトルク向上効果が得
られるという事実は、本発明者がはじめて見出したもの
である。

【００１１】なお、上記作用効果が得られることの詳細
な理由は不明であるが、例えば以下のの理由によるので
はないかと推測される。極歯を有するモータでは、極歯
をもたないコアレスモータとは異なり、極歯に界磁束が
集中するので、トルクは、ステータコイルのアンペアタ
ーンＡＴが形成する磁界により極歯に形成される磁極と
界磁極の磁極との間の磁気的な吸引力と反発力とのベク
トル和に界磁極の半径を掛けた値になる。したがって、
界磁極が極歯より周方向に大きすぎると、ある界磁極と
極歯との間の磁気的な吸引力と、この界磁極に隣接する
界磁極とこの極歯との間の磁気的な反発力とのベクトル
和が小さくなってしまい、このため、トルクが減少する
のではないかと思われる。

【００１２】なお、ロータ（永久磁石型界磁コア）及び
ステータコアの形状を不変として更に極歯を小さくして
極歯数ｐｔを増加すれば、一層、ステータコイルの１タ
ーン当たりの電気抵抗を減らし、磁路の磁気抵抗を減ら
せ、その分、トルク向上を図れるように思われるが、三
相ブラシレスＤＣモータでは上記より更に極歯数を増加
すると（例えば界磁極数ｐｆと極歯数ｐｔとの比を８：
３とした比較例品）、かえってトルクが大幅に低下し
た。これは、極歯が多すぎて極歯の極性が界磁極の極性
とうまくマッチングせず、上記した磁気的な吸引力及び
反発力が充分に生じない極歯が生じてしまうからと思わ
れる。

【００１３】請求項３記載の装置によれば請求項１又は
２記載の装置において更に、極歯の周方向長をその軸方
向長の０．７〜１．４倍に設定する。このようにすれ
ば、起動トルクを一層向上することができ、その分、電
動車輪の低速走行性能の向上又は体格、重量の低減を図
ることができることがわかった。集中巻きされた三相ブ
ラシレスＤＣモータにおいて、上記した極歯の寸法比を
採用することによりこのようなトルク向上効果が得られ
るという事実は、本発明者が実験及び解析によりはじめ
て見出したものである。

【００１４】請求項４記載の装置によれば請求項３記載
の装置において更に、極歯の外径をＲ、軸方向長をＬ、
極歯数をｐｔ、スロットの実質的な周方向長と極歯の実
質的な周方向長の合計に対する極歯の実質的な周方向長
の比（周方向極歯専有率）をγとする場合、極歯数ｐｔ
を（０．８〜１．２）×２πＲγ／Ｌの範囲内に設定す
る。このようにすれば、集中巻きのブラシレスＤＣモー
タにおいて、起動トルクを一層向上することができ、そ
の分、電動車輪の低速走行性能の向上又は体格、重量の
低減を図ることができる。

【００１５】（解析）以下、上記各請求項の作用効果が
得られる理由について以下に解析を試みる。いま、界磁
極数ｐｆが異なる他は、界磁極数ｐｆと極歯数ｐｔの比
率を含め、他の設計条件は一定とした２つの集中巻きブ
ラシレスＤＣモータが角速度ωで回転しているものとす
る。

【００１６】起動トルクをＴｏ、現在のトルクをＴ、印
加電圧をＶ、ステータコイルの電流をＩ、ステータコイ
ルの抵抗値をｒ、Ｋは比例定数とする。

【００１７】

【数１】Ｔ＝Ｔｏ−Ｔｚ＝Ｖ・Ｉ／ω＝Ｋ（Ｖ・（Ｖ／
ｒ）／ω−Ｖ・（Ｖｚ／ｒ）／ω） Ｖｚはステータコイルに電磁誘導される逆起電圧であ
り、界磁極数ｐｆに比例する。Ｔｚはこの逆起電圧Ｖｚ
による電流減少分をトルクに換算したものである。上記
式から、起動トルクがステータコイルの抵抗値ｒに反比
例することがわかる。また、比例定数Ｋには全界磁束量
Φが含まれており、モータのトルクＴは、全界磁束量Φ
×アンペアターンＡＴに比例し、磁束密度一定とすれば
結局、アンペアターンＡＴ×軸方向長×半径（又は）周
方向長の積に比例する。

【００１８】したがって、上記従来の技術の項で説明し
たように上述したように起動トルクの向上には界磁極及
び極歯の軸方向長の増大と周方向長の増大の二つの手法
がある。しかし、軸方向長を増加すると、ステータコイ
ルのコイル導体の長さが長くなってしまい、その抵抗値
ｒが増大してトルク低下を招く。ブラシレスＤＣモータ
の起動トルクは、電流、すなわち、低速電動車では搭載
するバッテリの端子電圧などにより規定される印加電圧
Ｖを、ステータコイルの抵抗値ｒで割った値となるの
で、起動トルクの向上にはステータコイルの抵抗値ｒの
低減が極めて重要であることがわかる。したがって、起
動トルクの向上のために軸方向長を増大することは一長
一短があることがわかる。

【００１９】これに対して、界磁極及び極歯の周方向長
の増大すなわちロータの外径の増大は、界磁束Φとアン
ペアターンＡＴの両方を増大することができ、このた
め、大起動トルクモータには軸方向長に比較して径が大
きい偏平形状のモータが好ましいことがわかる。ただ
し、このような偏平形状のモータでは、以下の問題が生
じる。

【００２０】まず、このような偏平形状のモータで極歯
の数が少ないと、極歯の周方向長がその軸方向長に比較
して長大となってしまい、その結果、ステータコイル１
ターン当たりの抵抗値が増大してしまう。これは、極歯
の周方向長の増大により往側のコイル導体と復側のコイ
ル導体とを接続するいわゆるコイルエンドの長さが長く
なってしまい、このコイルエンドの抵抗値が増大するた
めである。この問題は、ステータコイルの往側のコイル
導体と復側のコイル導体との間に複数の極歯及びスロッ
トが存在する分散巻きにおいて特に顕著となる。したが
って、スロット内のコイル導体の抵抗値に比べてコイル
エンドの抵抗値の比重が格段に増大する偏平形状のモー
タにおいては、コイルエンドが長い分散巻きはコイルエ
ンドが短い集中巻きに対してトルクが大幅に低下するこ
とが判明した。

【００２１】また、ステータコイルの抵抗値は、１ター
ン当たりの抵抗値×ターン数であり、界磁束量Φは極歯
の磁極面の面積の合計に比例するので、極歯の磁極面が
正方形に近い形状の場合にステータコイルの抵抗値の増
大を抑止しつつ極歯の磁極面の面積を最大として、ステ
ータコイルの抵抗値（集中巻きにおいては極歯の周長に
比例）当たりの極歯磁束量Φ’を最大とし、その結果、
ステータコイルの抵抗値当たりの界磁束量Φ（＝極歯磁
束量Φ’×極歯数ｐｔ／ｒ）を最大とすることができる
ことがわかる。すなわち、極歯の周方向長がその軸方向
長の０．７倍未満又は１．４倍超過では、起動トルクＴ
＝ｋ×Φ×ＡＴ／ｒが著しく小さくなることがわかる。
ｋは比例定数である。

【００２２】次に、界磁極数ｐｆについて以下に説明す
る。三相ブラシレスＤＣモータにおいて、極歯数ｐｔ当
たりの界磁極数ｐｆは所定の値となる。したがって、起
動トルクＴを増大するには、極歯の磁極面の形状を上記
正方形に近い範囲に保ちつつ、極歯数ｐｔ並びにそれに
より規定される界磁極数ｐｆを増大することが最も好ま
しいことがわかる。

【００２３】結局、上記解析により、トルク増大のため
に重要な第一のポイントは、極歯の磁極面を正方形に近
づけて、界磁束量Φ当たりのステータコイルの抵抗値ｒ
を低減することであることがわかる。第二に、磁路長及
びステータコイルの１ターン長を短縮することにより、
極歯及び界磁極を小型化し、トルクを減少させることな
くヨークを縮小してモータの小型軽量化を図ることがで
きることがわかる。

【００２４】第三に、界磁束量Φだけが増大するもの
の、ステータコイルの１ターン当たりの抵抗値が増大す
る不利がある極歯及び界磁極の軸方向長の増加よりも、
ロータの径方向長（周方向長に比例）を増大して極歯及
び界磁極の全軸方向長の合計を増加することにより、界
磁束量Φ（極歯の周方向長×極歯の軸方向長×極歯数ｐ
ｔに比例）とアンペアターンＡＴ（スロットの周方向長
×径方向長に比例し、径方向長は周方向長に比例、従っ
て大略スロットの周方向長の二乗に比例））との両方を
同時に増大すれば、大幅なトルク増大が可能であること
がわかる。

【００２５】また、このロータの径方向長（周方向長に
比例）の増大を、極歯形状を一定とした状態で極歯数の
増大により実施すれば、極歯形状を正方形に近い形状に
保持できるので、ステータコイルの抵抗値ｒを減らすこ
ともできる。更に、この極歯外径の増大によりトルクア
ップを図る場合、従来の分散巻きのようにコイルエンド
がスロット内のコイルエンドに比較して著しく大きい
と、いたずらにコイルエンドの抵抗値が増大してトルク
増大効果が減殺されてしまう。したがって、この極歯外
径の増大によりトルクアップを図る場合、集中巻きを採
用することにより相乗的にトルクを向上させることがで
きる。

【００２６】上記解析により、極歯の軸方向長及びその
外径を決定すれば、最もトルクが増大する極歯数ｐｔが
決定でき、界磁極数ｐｆは極歯数ｐｔに対して一定比率
となるので、界磁極数ｐｆも決定できることがわかる。
すなわち、軸方向長をＬ、極歯の外径をＲとし、スロッ
トの実質的な周方向長と極歯の実質的な周方向長の合計
に対する極歯の実質的な周方向長の比（周方向極歯専有
率）をγとする場合、極歯数ｐｔを２πＲγ／Ｌ（好ま
しくは、その０．８〜１．２）に近い値とすることによ
り、各極歯の磁極面（部分外周面）の形状を略正方形に
近い部分円筒面）とすることができ、トルク向上を図る
ことができることがわかる。

【００２７】

【発明の実施の形態】本発明のブラシレスＤＣモータを
有するダイレクトドライブ型電動車輪の好適な態様を以
下の実施例を参照して説明する。 （実施例１）本実施例のダイレクトドライブ型電動車輪
を電動自転車に適用した実施例を図１を参照して説明す
る。

【００２８】静止軸１０１は支軸１０１に固定されてお
り、軸受け１０２を介してアルミ合金からなる円筒ドラ
ム形状のホィールハウジング１０３を回転自在に支持し
ている。ホィールハウジング１０３の左端部は径小円筒
部１０４となっており、径小円筒部１０４の外周面には
チェイン１０５に噛合するギヤ板１０６が固定されてい
る。また、ホィールハウジング１０３の外周面にはタイ
ヤが嵌められたリム（リング）を支持するスポーク１０
７の基端部が固定されている。

【００２９】ホィールハウジング１０３の筒部内周面に
は永久磁石型界磁コア１が固定されている。この永久磁
石型界磁コア１は図２に示すように、円筒形状のヨーク
１１とこのヨーク１１の内周面に接着された円筒形状の
永久磁石筒１２とからなる。永久磁石筒１２には周方向
に互いに極性が異なる界磁極１０が形成されており、界
磁極１０の磁極面は永久磁石筒１２の内周面に形成され
ている。

【００３０】静止軸１０１にはアルミ合金からなる厚板
円板形状の金属基板１０８のブス部が嵌着、固定されて
おり、金属基板１０８の外周部一端面にはボルト１０９
によりステータコア２が固定されている。ステータコア
２は、周知のように打ち抜き電磁鋼板を積層してなり、
図２に示すように極歯２０が円筒形状のヨーク２１の外
周から径外方向へ突出する形状となっている。隣接する
極歯２０間のスロット３には三相のステータコイル４が
収容されている。この実施例では、後述するように、各
極歯２０に互いに異なる相のステータコイルが巻装さ
れ、互いに異なる極歯２０に巻装された同一相のステー
タコイルは互いに直列接続されている。２３はボルト１
０９が貫通する穴である。

【００３１】ステータコア２のヨーク２１は永久磁石型
界磁コア１のヨーク１１よりやや厚い程度に形成されて
いる。この実施例では、界磁極１０が３６対形成されて
おり、このため、ヨーク１１、２１は比較的薄く形成す
ることができ、ステータコア２のヨーク２１の内側には
大円筒形状の穴２４を形成することができる。金属基板
１０８の穴２４に向く端面にはセラミックからなる回路
基板１０９が接着されており、回路基板１０９には、コ
ントローラ５、トルクセンサ（図２参照）６が装着され
ている。また、金属基板１０８にはバッテリ７が固定さ
れている。

【００３２】このダイレクトドライブ型電動車輪の回路
図を図３を参照して説明する。バッテリ７の一端は静止
軸１００を通じて接地されており、その他端は静止軸１
００及び支軸１０１の内部を通じて外部に引き出された
ケーブル２００、外部スイッチ２０１を通じてコントロ
ーラ５の電源ライン２０１に給電している。コントロー
ラ５は、制御回路５０、磁極センサ５１、ゲート制御回
路５２、三相インバータ５３からなり、三相インバータ
５３は三相ブラシレスＤＣモータＭのステータコイル４
に給電している。この種のブラシレスＤＣモータを駆動
制御するコントローラ５の構成及び動作は周知である。

【００３３】６はトルクセンサであり、この実施例で
は、ホィールハウジング１０３の表面に接着された磁歪
膜（図示せず）と、この磁歪膜に近接配置された検出コ
イルとからなり、検出コイルに交流電流を通電してその
電流特性によりホィールハウジングにかかるトルクを検
出している。制御回路５０はマイコン構成を有し、ステ
ータコイル４への通電を休止する期間にトルクセンサ６
からトルク（人間の踏み力）を検出し、検出したトルク
の半分のトルクをモータＭから発生するようにゲートコ
ントローラ５２を通じて三相インバータ５３のスイッチ
ングトランジスタ（ｎｐｎバイポーラトランジスタ）を
断続制御する。この種のブラシレスＤＣモータの駆動制
御自体は周知であり、かつ、本実施例の要旨ではないの
でこれ以上の説明は省略する。磁極センサ５１はステー
タコイル４に印加する三相矩形波電圧のスイッチングの
ために界磁極１０の位置を検出するものであり、本実施
例ではステータコア２の所定位置に配置されている。な
お、磁極センサ５１を用いない三相ブラシレスＤＣモー
タ制御を採用することもできる。

【００３４】以下、上記モータＭの作用効果について説
明する。まずこの実施例では、アウタロータ形式のステ
ータコア２の径方向中央部にバッテリ７及びコントロー
ラ５を内蔵しているので、全体としての装置構成が極め
てコンパクトとなる他、バッテリ７とコントローラ５と
ステータコイル４とを接続するパワーケーブル（ケーブ
ル２００、電源ライン２０１）の延長距離を大幅に短縮
でき、静止軸１００や支軸１０１にこのような太いケー
ブルを配設する面倒も回避でき、これらケーブルの機械
的な保護構造（通常はパイプ）も省略することができ
る。

【００３５】第２に、金属基板１０８が電気部品すなわ
ちコントローラ５やバッテリ７の支持基板を兼ねるとと
もに、ステータコア２の支持フレームを兼ねるので、構
造が簡素となり部品点数を減らすことができる。第３
に、コントローラ５が金属基板１０８に搭載されるの
で、金属基板１０８がコントローラ５のヒートシンクを
兼ねることができ、コントローラ５の温度上昇を抑止す
ることができる。また、コントローラ５の熱を金属基板
１０８を通じてステータコア２に放熱することができ、
一層の温度上昇抑止を実現することができる。更に、バ
ッテリ７やコントローラ５がホィールハウジング１０３
に密閉されるので特別のケースを採用することなくそれ
らの防水性や機械保護性を向上させることができ、その
上、ホィールハウジング１０３が回転することによりそ
の内部に形成される循環空気流によりこれらバッテリ７
やコントローラ５を良好に冷却することができる。

【００３６】第４に、トルクセンサもホィールハウジン
グ１０３の内部に収容したので、一層のコンパクト化及
び安全確保が達成できた。 （ブラシレスＤＣモータＭの磁極配置についての説明）
次に、上記三相ブラシレスＤＣモータＭの永久磁石型界
磁コア１の界磁極１０と、ステータコア２の極歯（ティ
ース）２０との配置関係を図４に示す。Ｎ極である界磁
極１０とＳ極である界磁極１０とが交互に配置され、こ
れに所定の微小ギャップを隔ててステータコア２の極歯
２０が配置されている。極歯２０のピッチは、界磁極１
０のピッチの４／３倍に設定されている。

【００３７】各界磁極１０には個別かつ順番にｕ相ステ
ータコイル、ｖ相ステータコイル、ｗ相ステータコイル
が上述した集中巻きにて巻装されている。図４では、理
解を容易とするために、ｕ相ステータコイルが巻装され
た極歯２０の左側のスロット３にインサートされたコイ
ル導体をｕ＋として示し、ｕ相ステータコイルが巻装さ
れた極歯２０の右側のスロット３にインサートされたコ
イル導体をｕ−として示す。同様に、ｖ相ステータコイ
ルが巻装された極歯２０の左側のスロット３にインサー
トされたコイル導体をｖ＋として示し、ｖ相ステータコ
イルが巻装された極歯２０の右側のスロット３にインサ
ートされたコイル導体をｖ−として示し、ｗ相ステータ
コイルが巻装された極歯２０の左側のスロット３にイン
サートされたコイル導体をｗ＋として示し、ｗ相ステー
タコイルが巻装された極歯２０の右側のスロット３にイ
ンサートされたコイル導体をｗ−として示す。

【００３８】各相のステータコイル４に印加する電圧は
矩形波交流電圧であって、各界磁極１０の周方向中央点
で正逆すなわち通電方向を切り換えることにより図４の
右方向に進行するトルクが発生するように各極歯２０を
Ｎ極又はＳ極に磁化する。２１はステータコアのヨーク
である。比較例として上記した図４のステータコア２に
三相ステータコイルを分散巻きした例を図５に示す。各
スロット３には、各コイル導体ｕ＋、ｖ−、ｗ＋、ｕ
−、ｖ＋、ｗ−がこの順番にインサートされている。極
歯２０のピッチは、界磁極１０のピッチの１／３倍に設
定されている。

【００３９】図４の集中巻きのステータコイルに三相正
弦波電圧を印加した場合のステータコイル４の電流ベク
トルと界磁極１０との空間位相関係を図６に示し、図５
の分散巻きのステータコイルに三相正弦波電圧を印加し
た場合のステータコイルの電流ベクトルと界磁極１０と
の空間位相関係を図７に示す。これら図４〜図７から以
下のことがわかる。図４と図５とでステータコア２を同
形とすれば、図５の分散巻きは図４の集中巻きに比べて
界磁極１０の数が４倍となる。したがって、ステータコ
イルに印加する電圧の大きさ、ターン数、スロット導体
数及び機械回転数が上記両者で等しいとすれば、集中巻
きではコイル導体と鎖交する界磁束の変化率が大きく、
その分、逆起電力が大きくなり、その分、低い機械回転
数でトルクが０となる。

【００４０】一方、起動トルク（及び低速トルク）につ
いて考えると、起動トルクはステータコイル４のコイル
導体近傍の有効界磁束密度Ｂｅとステータコイルの電流
Ｉとターン数Ｎとの積に比例する。図４に示す集中巻き
でも図５に示す分散巻きでも、図４及び図５で任意の一
相のステータコイルについて考えればわかるようにスロ
ット導体断面積、ターン数、印加電圧、コア形状が同じ
であれば両者において起動トルクに差は生じないように
思われるが、実際に各種条件（後述）を同じとし、巻線
方式だけを図４と図５に示すように変更した場合、図８
に示すように大幅に異なることが判明した。

【００４１】この理由、つまり集中巻きが分散巻きより
起動トルク（低速トルク）が格段に向上する理由の一つ
として以下のことが挙げられる。起動トルクは、上述の
ように有効界磁束密度Ｂｅ（すなわち界磁束量Φ）とス
テータコイル４の電流Ｉ（すなわちアンペアターンＡ
Ｔ）とに比例し、電流Ｉは静止時には印加電圧Ｖをステ
ータコイル４の抵抗値ｒで割った値となる。ターン数を
同じとした場合、電流ＩはＶ／ｒとなる。ここで、ステ
ータコイル４の抵抗ｒはスロット内のコイル導体（以
下、スロット導体ともいう）の抵抗ｒｓと、それらを接
続するコイルエンドのコイル導体（以下、コイルエンド
導体ともいう）ｒｃとの合計となる。例えば、極歯２０
の周方向長と軸方向長とを１：１とし、極歯２０の実質
周方向長とスロット３の実質周方向長との比を１：１．
５となるようにした場合について考える。

【００４２】この場合、図５に示す分散巻きでは、ｒｃ
はｒｓの少なくとも７．５倍以上、実際には膨らみがあ
るので１０倍以上となる。これに対して、図４に示す集
中巻きでは、ｒｃはｒｓの少なくとも１倍以上、実際に
は膨らみががあるので２倍以上となる。この説明から、
集中巻きとすれば分散巻きに比較して起動トルクを大幅
に向上できることがわかる。更に、両巻線方式における
この起動トルクの差は、例えば極歯２０の周方向長がそ
の軸方向長（有効導体長）より大きい偏平モータにおい
て、特に顕著となることがわかる。

【００４３】上記説明に基づいて作製した集中巻き及び
分散巻きの理論的なトルク−回転数特性を図９に示す。
巻線方式以外の設計仕様は両者で全て同じとする。Ｒ
０，Ｒ１，Ｒ２はそれぞれステータコイル４の抵抗値で
あり、Ｖは印加電圧、Ｂｅは有効磁束密度、Ｋ１、Ｋ
２、Ｋ３は定数である。すなわち、集中巻きによれば分
散巻きよりも格段に大きな低速大トルク特性が得られる
ことがわかる。なお、点線は磁気飽和を考慮したトルク
減少を考慮したものである。特性２１０は分散巻き（図
５参照）においてコイルエンド抵抗が大きい場合であ
り、特性２２０は分散巻き（図５参照）においてコイル
エンド抵抗が小さい場合であり、特性２３０は集中巻き
（図４参照）の場合である。図９の特性が図８の実験結
果によく近似することから上記説明が妥当であることが
わかる。

【００４４】以下に、図８の性能をもつブラシレスＤＣ
モータの主要諸元を以下に記載する。 （集中巻きモータの主要諸元）ロータ内径２３０ｍｍ、
磁石幅３０ｍｍ、磁石厚２ｍｍ、磁石の残留磁界強度
（ＢＨｍａｘ）８ＭＯｅ、磁石極数７２、ステータ外径
２２９ｍｍ、ステータ厚さ２０ｍｍ、ステータ磁極（テ
ィース）数５４、エアギャップ０．５ｍｍ、コイル線径
０．７ｍｍ、ステータ１磁極当たりのコイルターン数６
０、スター結線、印加電圧３相２４Ｖ、コイル巻数／磁
極１２０、コイル抵抗／磁極０．２５オーム （分散巻きのモータの主要諸元）ロータ内径２３０ｍ
ｍ、磁石幅３０ｍｍ、磁石厚２ｍｍ、磁石の残留磁界強
度（ＢＨｍａｘ）８ＭＯｅ、磁石極数１８、ステータ外
径２２９ｍｍ、ステータ厚さ２０ｍｍ、ステータ磁極
（ティース）数５４、エアギャップ０．５ｍｍ、コイル
線径０．７ｍｍ、ステータ１磁極当たりのコイルターン
数１２０、スター結線、印加電圧３相２４Ｖ、コイル巻
数／磁極６０、コイル抵抗／磁極１．０オーム次に、上
記モータにおいて、極歯数ｐｔ（すなわち極歯の周方向
長及びそれに比例するスロットの周方向長）以外の仕様
を全て同じとして、起動トルクをシミュレーションし
た。その結果を図１０に示す。

【００４５】図１０から、集中巻きにおいてはステータ
コイルの抵抗値ｒが小さくなるために、極歯の磁極面形
状が正方形に近い場合に最もトルクが大きくなることが
わかる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の電動車輪の軸方向断面図である。

【図２】図１のステータコイルの巻線方式を示す模式図
である。

【図３】図１の電動車輪の電気回路図である。

【図４】図１の三相ブラシレスＤＣモータ（集中巻き）
における界磁極と極歯との空間関係を示す模式図であ
る。

【図５】従来の三相ブラシレスＤＣモータ（分散巻き）
における界磁極と極歯との空間関係を示す模式図であ
る。

【図６】図４の三相ブラシレスＤＣモータ（集中巻き）
における電流ベクトルと界磁極磁界との空間関係を示す
模式図である。

【図７】図５の三相ブラシレスＤＣモータ（分散巻き）
における電流ベクトルと界磁極磁界との空間関係を示す
模式図である。

【図８】図１の電動車輪（集中巻き）及び、それを分散
巻きに代えた場合のトルク速度関係を示す実験特性図で
ある。

【図９】集中巻きのブラシレスＤＣモータと、それを分
散巻きに代えたブラシレスＤＣモータのトルク速度関係
を示す理論特性図である。

【図１０】図１の電動車輪（集中巻き）において極歯数
ｐｔだけを代えた場合の起動トルク変化のシミュレーシ
ョン結果を示す特性図である。

【符号の説明】

１００は静止軸、１０３はホィールハウジング、１は永
久磁石型界磁コア、１０は永久磁石（界磁極）、３はス
ロット、２０は極歯、２はステータコア、４はステータ
コイル、５はコントローラ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】静止軸に回転自在に支承されるホィールハ
   ウジングと、界磁極であるＮ極及びＳ極を周方向交互に
   合計ｍ個有して前記ホィールハウジングに固定される永
   久磁石型界磁コアと、前記永久磁石型界磁コアの内周面
   に対面するスロット及び極歯をそれぞれｐ個有して前記
   ホィールハウジングの内部にて前記静止軸に固定される
   ステータコアと、前記ステータコアに巻装されたステー
   タコイルと、バッテリ電圧を三相交流電圧に変換して前
   記ステータコイルに印加するコントローラとを備えるブ
   ラシレスＤＣモータを有する低速電動車用のダイレクト
   ドライブ型電動車輪において、 前記ステータコイルの各相コイルは各前記極歯に個別か
   つ順番に集中巻きされることを特徴とする低速電動車用
   のダイレクトドライブ型電動車輪。
2. 【請求項２】界磁極数ｐｆと極歯数ｐｔとの比は４：３
   に設定されることを特徴とする請求項１記載の低速電動
   車用のダイレクトドライブ型電動車輪。
3. 【請求項３】前記極歯の周方向長はその軸方向長の０．
   ７〜１．４倍に設定されていることを特徴とする請求項
   １又は２記載の低速電動車用のダイレクトドライブ型電
   動車輪。
4. 【請求項４】前記極歯の外径をＲ、軸方向長をＬ、極歯
   数をｐｔ、スロットの実質的な周方向長と極歯の実質的
   な周方向長の合計に対する極歯の実質的な周方向長の比
   （周方向極歯専有率）をγとする場合、前記極歯数ｐｔ
   を（０．８〜１．２）×２πＲγ／Ｌの範囲内に設定す
   ることを特徴とする請求項３記載の低速電動車用のダイ
   レクトドライブ型電動車輪。