WO2015087604A1 - アキシャルギャップモータ - Google Patents

アキシャルギャップモータ Download PDF

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謙一 竹崎
弥 日野
原田　浩司
竹本　真紹
悟司 小笠原
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株式会社ダイナックス
国立大学法人北海道大学
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Definitions

  • the present invention relates to an electric motor, and more particularly to an axial gap motor having a small axial dimension that can be installed in a vehicle wheel.
  • an EV vehicle in which an in-wheel type axial gap motor is incorporated in a wheel is complicated and does not require a heavy transmission, so that space can be effectively used, cost can be reduced, and weight can be reduced.
  • a small vehicle referred to as a so-called city commuter for one-seater or two-seater is attracting attention for the purpose of short-distance movement.
  • in-wheel type drive motors used in EV vehicles including city commuters are required to have high performance, and therefore rare earth magnets using expensive rare earths have been used.
  • an object of the present invention is to provide an electric motor, particularly an axial gap motor, with less eddy current loss.
  • the problem is that a disk-shaped support member and a plurality of permanent members attached to the support member in a circumferentially spaced manner at a predetermined equal pitch angle between a hub portion and an outer peripheral portion of the support member.
  • a rotor having a magnet segment and fixed to the output shaft so as to be rotatable together with the output shaft, and facing the rotor on the at least one side of the rotor leaving a predetermined gap with respect to the rotor
  • An axial gap motor in which a plurality of field winding slots for generating a rotating magnetic field are spaced apart at an equal pitch in the circumferential direction on the outer periphery of the stator.
  • a notch portion extending in a radial direction is provided between an attachment hole of the support member and an outer peripheral edge portion of the support body into which each of the plurality of permanent magnet segments is fitted.
  • Each of the cutout portions may be a recess in which at least one side of the support member is thinned in the thickness direction.
  • Each of the cutout portions can be a through-hole penetrating in the thickness direction and the radial direction of the support member.
  • Each of the cutout portions can be configured such that the width gradually decreases toward the radially outer side.
  • a rim member made of an insulating high-strength material can be wound around the outer periphery of the support member.
  • the insulating high-strength material can be a plastic reinforced with glass fiber, carbon fiber, or high-strength polymer fiber.
  • Each of the notches can be filled with a non-conductive material.
  • the non-conductive material can be a thermoplastic resin selected from the group comprising a phenol resin, an epoxy resin, and a melamine resin.
  • positioned in the question of a stator can be reduced, and the electrical efficiency of an axial gap motor can be improved.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view schematically showing an embodiment of an axial gap motor of the present invention. It is a schematic perspective view which shows the supporting member provided with the attachment hole to which a some permanent magnet segment is attached. It is the elements on larger scale of the supporting member which shows arrangement
  • This axial gap motor includes a rotor 10 fixed so as to rotate with an output shaft (not shown) and a stator 20 disposed opposite to the rotor 10 leaving a predetermined gap on both sides of the rotor 10. , 22 mainly.
  • a speed reducer 30 to which an output shaft (not shown) is connected is disposed in the inner space of the stator 20, and a resolver 40 is disposed in the inner space of the other stator 22, and the rotational position of the rotor 10 is determined. It can be detected.
  • the stators 20 and 22 are attached to a housing (not shown) of the present axial gap motor through appropriate means. With such an arrangement, the axial dimension is reduced, and it is easier to install the axial gap motor in the EV wheel as an in-wheel motor.
  • the rotor 10 is different from the rotor of the conventional axial gap motor as described below.
  • the rotor 10 includes a disk-shaped support member 12 fixed so as to rotate with an output shaft (not shown).
  • the support member 12 is attached with a central hub portion 13 and a plurality of magnet segments 11.
  • the outer peripheral portion 14 has a so-called coreless rotor shape, and is made of a non-magnetic material such as stainless steel.
  • a plurality of permanent magnet segments 11 are spaced apart at equal rotation angles in the circumferential direction on the outer peripheral portion 14 of the support member 12 of the rotor 10.
  • the permanent magnet segment 11 is composed of a ferrite magnet that does not contain expensive rare earths. These magnet segments 11 are fitted and fixed in mounting holes 16 formed in the support member 12 so as to have the same shape as the magnet segments 11.
  • a fixing method shrink fitting, an adhesive method using an adhesive, electric spot welding, or the like can be used.
  • a predetermined skew angle (angle of the side surface of the magnet segment 11 with respect to the radial axis extending from the central axis) is attached to the side surface of the magnet segment 11, and the planar shape is substantially trapezoidal.
  • Spoke-like portions 15 are formed between the magnet segments 11, and the spoke-like portions 15 extend in the radial direction from the hub portion 13 to the outer peripheral edge portion 17 of the support member 12.
  • a notch 18 extends in the radial direction from the outer center of the magnet segment mounting hole 18 to the outer peripheral edge 17 of the support member 12.
  • the notch 18 may be a hole that penetrates completely in the thickness direction of the support member 12 or a non-through hole from which material is removed to such an extent that no eddy current is generated in the support member 12. For this reason, the same number of attachment holes 18 as the magnet segments 11 are positioned at equal intervals in the outer peripheral edge portion 17 of the support member 12.
  • a resin having non-conductivity and heat resistance, such as phenol is provided in the notch portions 18. It is preferable to fill a resin, an epoxy resin, or a melamine resin so that the filling surface is flush with the surface of the support member 12.
  • the cutout portion 18 may be formed so that the width gradually decreases from the attachment hole 16 to the outer peripheral edge portion 17 of the support member 11 in the radial direction.
  • a rim member 19 made of an insulating high-strength material may be wound around the outer peripheral edge portion 17 of the support member 11.
  • the insulating high-strength material can be a plastic reinforced with glass fiber or carbon fiber.
  • FIG. 4 shows the result of a characteristic comparison test performed on a motor that is a comparative example in which the notched portion 18 is not provided and an axial gap motor (10 kW) that is an example in which the notched portion 18 is provided.
  • the eddy current loss when the motor of the comparative example is rotated at 1600 rpm is 169.98 W
  • the motor of the example provided with the notch is rotated at the same 1600 rpm.
  • the eddy current loss is 9.90 W
  • the eddy current loss when the motor of the comparative example is rotated at 2800 rpm is 47.75 W
  • the motor of the example provided with the notch portion is the same at 2800 rpm.
  • the eddy current loss when rotating is 6.06 W
  • the eddy current loss when rotating the motor of the comparative example at 5000 rpm is 778.96 W, whereas the notch portion is provided.
  • the eddy current loss when the motor was rotated at the same 5000 rpm was 62.52 W.
  • the eddy current flowing when the notched portion 18 is not provided is generated. It is interrupted or reduced, and the eddy current loss generated in the motor is reduced.
  • the stators 20 and 22 arranged with a predetermined gap on both sides of the rotor 10 have a plurality of slots and their slots spaced at equal pitch angles in the circumferential direction so as to face the magnet segment 11.
  • the structure of the stator of the axial gap motor is well known to those skilled in the art, the description thereof is omitted.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)
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Abstract

【課題】アキシャルギャップモータの回転子の支持部材における渦電流損を低減し、モータの効率を高める。 【解決手段】本発明のアキシャルギャップモータは、複数の永久磁石セグメント（１１）が取り付けられた円盤状の支持部材（１２）を有する回転子（１０）と、この回転子（１０）に対向して、位置し、回転磁界を発生するための複数の界磁巻線スロットが配置された固定子（２０、２２）とを備えたアキシャルギャップモータにおいて、前記複数の永久磁石セグメント（１１）の各々がはめ込まれた、前記支持部材（１２）の取り付け孔（１６）と前記支持体（１２）の外周縁部（１７）との間に径方向に延びる切り欠き部分（１８）が設けられている。

Description

アキシャルギャップモータ
本発明は、電動モータに関し、より詳細には、車両のホイール内に設置できる、軸方向の寸法が小さい、アキシャルギャップモータに関する。
化石燃料の高騰に伴い、ハイブリッド車および電気自動車が注目されている。特にインホイール型アキシャルギャップモータを車輪内に組み込んだＥＶ車両は、複雑で、大重量の変速機を必要としないことから、スペースの有効活用、コストの低減および軽量化が可能となる。かかるインホイール型アキシャルギャップモータを使用できる車両として、近距離移動を目的とし、１人乗り、または２人乗りの、いわゆるシティーコミュータと称される小型車両が注目されている。これまで、シティーコミュータを含むＥＶ車に使用されるインホイール型駆動モータには、高い性能が要求されるため、高価なレアアースを使用する稀土類磁石が使用されている。
しかしながら、最近レアアースの価格が高騰し、その入手が困難になったため、稀土類磁石のかわりに、安価で、入手の容易なフェライト磁石を用いたＥＶ用インホイールモータを使用することが検討されている。フェライト磁石の残留磁束密度は、稀土類磁石と比較し、３０%程度低いことから、トルクの低下が問題となる。このため、（１）トルクの増加と軸方向の薄型化を期待できるアキシャルギャップモータ型構造を採用すると共に、（２）回転子内部に永久磁石を実装した（ＳＰＭ）型とすることでトルクを最大にすると共に固定子コア内での鉄損を低減し、（３）モータ内部の空間を有効活用するために、固定子内部に減速ギアを組み込んだ、５ｋＷサイズのモータ構造を、試作し、その作動特性について鋭実験研究を重ねた。更に出力を増大すべく、１０ｋＷサイズのモータ（１６極１８スロット）を試作し、作動特性を測定したところ、５ｋＷでは顕在化しなかった、回転子内部での渦電流損失が大きくなるといった問題が生じることが判明した。
よって、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、渦電流損の少ない電動モータ、特にアキシャルギャップモータを提供することにある。
上記課題は、円盤状の支持部材およびこの支持部材のハブ部と外周部との間にて所定の等ピッチ角で円周方向に隔置された状態に前記支持部材に取り付けられた複数の永久磁石セグメントを有し、出力シャフトとともに回転可能にこの出力シャフトに固定された回転子と、前記回転子の少なくとも一方の側で、前記回転子に対し所定ギャップを残して前記回転子に対して対向的に配置された固定子とを備え、前記固定子の外周部には回転磁界を発生するための複数の界磁巻線スロットが円周方向に等ピッチで隔置された、アキシャルギャップモータであって、前記複数の永久磁石セグメントの各々がはめ込まれた、前記支持部材の取り付け孔と前記支持体の外周縁部との間に径方向に延びる切り欠き部分が設けられていることを特徴とする、アキシャルギャップモータによって解決される。
前記切り欠き部分の各々を、前記支持部材の少なくとも一方の側を厚み方向に薄くした凹部とすることができる。
前記切り欠き部分の各々を、前記支持部材の厚み方向および径方向に貫通する貫通孔とすることができる。
前記切り欠き部分の各々を、径方向外側に向かって幅が次第に狭くするようにできる。
前記支持部材の外周部に絶縁性高強度材料から構成されたリム部材を巻くことができる。
前記絶縁性高強度材料を、ガラス繊維またはカーボンファイバーまたは高強度高分子繊維で補強されたプラスチックとすることができる。
前記切り欠き部分の各々には、非導電性材料を充填できる。
前記非導電性材料を、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂を含む群から選択された熱可塑性樹脂とすることができる。
本発明によれば、固定子の問に配置された回転子の支持部材で生じる、渦電流損失を低減でき、アキシャルギャップモータの電気的効率を高めることができる。
本発明のアキシャルギャップモータの一実施形態を示す分解斜視略図である。 複数の永久磁石セグメントが取り付けられる、取り付け孔が設けられた支持部材を示す斜視略図である。 支持部材に設けられた切り欠き部分の配置を示す支持部材の部分拡大平面図である。 本発明に係わるアキシャルギャップモータの実施例と支持部材に切り欠き部分を設けない従来のアキシャルギャップモータ（比較例）の性能の差を示す実験結果を示す図である。 回転速度およびトルクを同じ条件にしたときの比較例（切り欠き部分なし）と実施例（切り欠き部分あり）のそれぞれの効率を示すグラフである。
以下、添付図面を参照し、本発明一実施形態について説明するが、この実施例は、単に発明を説明するためのものにすぎず、本発明は、この実施例だけに限定されるものではない。
まず、図１を参照する。ここには本発明に係わるアキシャルギャップモータが示されている。このアキシャルギャップモータは、図示していない出力シャフトと共に回転するよう固定された回転子１０とこの回転子１０の両側にて所定のギャップを残して回転子１０に対向的に配置された固定子２０、２２とから主に構成されている。
図１では、図示されていない出力シャフトが接続された減速機３０が固定子２０の内側空間に配置され、他方の固定子２２の内側空間にレゾルバ４０が配置され、回転子１０の回転位置を検出できるようになっている。固定子２０、２２は、適当な手段を介し、本アキシャルギャップモータのハウジング（図示せず）に取り付けられている。このような配置により、軸方向の寸法が小さくなり、アキシャルギャップモータをＥＶ用車輪内にインホイールモータとして設置することがより容易となっている。
次に図２を参する。図２に示されたアキシャルギャップモータは、下記のように回転子１０が従来のアキシャルギャップモータの回転子と異なっている。回転子１０は、出力シャフト（図示せず）と共に回転するように固定された円盤状の支持部材１２を含み、この支持部材１２は、中心のハブ部１３と、複数の磁石セグメント１１が取り付けられた外周部１４とから成る、いわゆるコアレス回転子形状となっており、非磁性体、例えばステンレススチールから構成されている。
図１に明瞭に示されるように回転子１０の支持部材１２の外周部１４には複数の永久磁石セグメント１１が円周方向に等しい回転角で隔置されている。この永久磁石セグメント１１は、高価な稀土類を含まないフェライト磁石から構成されている。これら磁石セグメント１１は、磁石セグメント１１と同じ形状となるよう支持部材１２に形成された取り付け孔１６に嵌合され、固定されている。固定方法として、焼き嵌め、接着剤を用いた接着方法、電気スポット溶接などを使用できる。
トルクリップルおよびコギングトルク低減のため、磁石セグメント１１の側面には、所定のスキュー角（中心軸から延びる放射状軸に対する磁石セグメント１１の側面の角度）が付けられ、平面形状が、略台形となっている。これら磁石セグメント１１の間には、スポーク状部分１５が形成され、これらスポーク状部分１５は、ハブ部分１３から支持部材１２の外周縁部１７まで径方向に延びている。
図１から３に示されるように、磁石セグメント取り付け孔１８の外側の中心から支持部材１２の外周縁部１７まで径方向に切り欠き部分１８が延びている。この切り欠き１８は、支持部材１２の厚み方向に完全に貫通する孔でも良いし、支持部材１２で渦電流が生じない程度に材料を除去した非貫通孔でもよい。このため、磁石セグメント１１と同じ数の取り付け孔１８が支持部材１２の外周縁部１７に等間隔に位置する。これら、切り欠き部分１８を設けたことによる支持部材１２の強度低下および支持部材１２の周辺における乱流発生を防止するため、これら切り欠き部分１８に非導電性および耐熱性を有する樹脂、例えばフェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂を充填し、充填面と支持部材１２の表面とを面一にすることが好ましい。
図３に誇張した状態に示されるように、取り付け孔１６から支持部材１１の外周縁部１７まで径方向外側に向かつて幅が次第に狭くなるように切り欠き部分１８を形成してもよい。このような形状にすることにより、支持部材１１、すなわち、回転子１０が高速回転する際に生じる遠心力による、充填材料の飛び出しを抑制することが可能となる。
更に支持部材１１の外周縁部１７のまわりに絶縁性高強度材料から構成されたリム部材１９を巻いてもよい。この絶縁性高強度材料をガラス繊維またはカーボンファイバーで補強されたプラスチックとすることができる。このようなリム部材１９を設けることにより、支持部材１１の強度低下を補償すると共に、充填材料の飛び出しを抑制できる。このようにリム部材１９を設けることにより、実際に高回転（ １００００ｒｐｍ）バースト試験（安全率2倍）に耐えることがわかった。
切り欠き部分１８を設けない比較例であるモータと切り欠き部分１８を設けた実施例であるアキシャルギャップモータ（１０ｋＷ）について実施した特性比較試験の結果が図４に示されている。この表から判るように、比較例のモータを１６００ｒｐｍで回転したときの渦電流損は、１６９．９８Ｗであるのに対し、切り欠き部分を設けた実施例のモータを同じ１６００ｒｐｍで回転したときの渦電流損は、９．９０Ｗであり、比較例のモータを２８００ｒｐｍで回転したときの渦電流損は、４７．７５Ｗであるのに対し、切り欠き部分を設けた実施例のモータを同じ２８００ｒｐｍで回転したときの渦電流損は、６．０６Ｗであり、更に比較例のモータを５０００ｒｐｍで回転したときの渦電流損は、７７８．９６Ｗであるのに対し、切り欠き部分を設けた実施例のモータを同じ５０００ｒｐｍで回転したときの渦電流損は、６２．５２Ｗとなった。
上記のように、本発明により、回転子１０を構成する支持部材１１の外周縁部１７の切り欠き部分１８を設けたことにより、切り欠き部分１８を設けなかった場合に流れていた渦電流が遮断または低減され、モータで生じていた渦電流損が低下する。
また、図５に示されるように、グラフ上のＡ点、Ｂ点、Ｃ点の各々において、切り欠き部分を設けた実施例のモータと切り欠き部分を設けない比較例のモータの回転速度とトルクを同一にした状態で、それぞれのモータの効率を測定した。グラフからいずれも切り欠き部分を設けた実施例であるモータのほうが効率が高いことが判る。
回転子１０の両側に所定のギャップを残して配置される各固定子２０、２２には、磁石セグメント１１と対向するよう複数のスロットおよびそれらの問のスロットが円周方向に等ピッチ角に隔置されているが、アキシャルギャップモータの固定子の構造は、当業者には周知であるので、その説明は省略する。
１０　回転子
１１　磁石セグメント
１２　支持部材
１３　ハブ部
１４　外周部
１５　スポーク状部分
１６　取り付け孔
１７　外周縁部
１８　切り欠き部分（貫通孔）
１９　リム部分
２０、２２　固定子

Claims (8)

  1. 円盤状の支持部材およびこの支持部材のハブ部と外周部との間にて等ピッチ角で円周方向に隔置された状態に前記支持部材に取り付けられた複数の永久磁石セグメントを有し、出力シャフトとともに回転可能にこの出力シャフトに固定された回転子と、前記回転子の少なくとも一方の側で、前記回転子に対し所定ギャップを残して前記回転子に対して対向的に配置された固定子とを備え、前記固定子の外周部には回転磁界を発生するための複数の界磁巻線スロットが円周方向に等ピッチ角で隔置されているアキシャルギャップモータにおいて、
    前記複数の永久磁石セグメントの各々が取り付けられた、前記支持部材の取り付け孔と前記支持体の外周縁部との間に径方向に延びる切り欠き部分が設けられていることを特徴とする、アキシャルギャップモータ。
  2. 前記切り欠き部分の各々は、前記支持部材の少なくとも一方の側を厚み方向に薄くした凹部であることを特徴とする請求項１記載のアキシャルギャップモータ。
  3. 前記切り欠き部分の各々は、前記支持部材の厚み方向および径方向に貫通する貫通孔であることを特徴とする請求項１記載のアキシャルギャップモータ。
  4. 前記切り欠き部分の各々は、径方向外側に向かつて幅が次第に狭くなっていることを特徴とする請求項１または２記載のアキシャルギャップモータ。
  5. 前記支持部材の外周部に絶縁性高強度材料から構成されたリム部材が巻かれていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のアキシャルギャップモータ。
  6. 前記絶縁性高強度材料は、ガラス繊維またはカーボンファイバーまたは高強度高分子繊維で補強されたプラスチックであることを特徴とする請求項５記載のアキシャルギャップモータ。
  7. 前記切り欠き部分の各々には、非導電性材料が充填されていることを特徴とする請求項１記載のアキシャルギャップモータ。
  8. 前記非導電性材料は、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂を含む群から選択された熱可塑性樹脂であることを特徴とする請求項７記載のアキシャルギャップモータ。
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