JP2013031336A

JP2013031336A - 永久磁石式同期モータ

Info

Publication number: JP2013031336A
Application number: JP2011167365A
Authority: JP
Inventors: Kenji Endo; 研二遠藤
Original assignee: SIM-DRIVE CO Ltd
Current assignee: SIM-DRIVE CO Ltd
Priority date: 2011-07-29
Filing date: 2011-07-29
Publication date: 2013-02-07
Also published as: TW201330460A; WO2013018697A1; CN103733480A

Abstract

【課題】永久磁石式の同期モータにおいて、コギングトルクを大幅に低減することができる。
【解決手段】永久磁石を有するロータに、極数及びスロット数の最小公倍数によって決まる基本波を複数分割する段数のスキューを施した永久磁石式同期モータにおいて、スキューの各段間に、各段間の磁束の漏えいを防止する非磁性体材を介在させた。これにより、コギングトルクの基本波を確実に相殺することができ、コギングトルクを大幅に低減することが出来る。
【選択図】図１

Description

この発明は、電気自動車の駆動用モータ等に好適な永久磁石式の同期モータに関するものである。

永久磁石式の同期モータでは、コギングトルクを低減するため、ロータにおける多段の永久磁石の磁極境界を周方向にずらしたスキューを施すことにが、例えば、特許文献１によって開示されている。

特許文献１には、モータのトルクリップル及びコギングトルクを低減するため、周方向に磁極対を有するロータを軸方向に３段に分割し、各段を所定角度ずつずらすことによりスキューを施したブラシレスモータが示されている。

特開２００８−２２８３９０号公報

ところで、コギングトルクは高次の高調波成分を含むが、電気自動車の場合、極数とスロット数の最小公倍数で決まる基本波のコギングトルクの大きさが問題となる。そのため、この基本波のコギングトルクをスキューにより相殺して低減することが重要である。

しかし、例えばロータに３段又は４段という複数段のスキューを施した場合、隣接する段間の磁石の相互作用により、外側に位置する段と内側に位置する段では、コギングトルクの大きさ及びその位相角に差が生じ、コギングトルクの基本波を相殺することによってコギングトルクを大幅に低減することが困難であった。

図６は、アウターロータモータに、コギングトルクを除去する目的で３段スキューを施したロータの磁極関係を周方向に展開した模擬図であり、この図６に基づいて具体的に説明する。

即ち、スキュー１段目のＳ極の斜線部分Ｓ_１の磁束は第２段の斜線部分のＮ極の斜線の部分Ｎ_１に直接流れ、これと対向する固定子のティースへは流れないため、実質的には、磁束は斜線部分Ｓ_１を除いた部分の磁束となり、その分トルクが減少する。また、磁力の中心も斜線部分Ｓ_１の周方向距離の１／２分右に移動し、その分位相がずれる。

次に、スキューの２段目については、１段目のＳ極の影響による、Ｎ極の磁石の右端の斜線部分Ｎ_１の磁束と、３段目のＳ極の斜線部分Ｓ_１の影響による、Ｎ極の磁石の左端の斜線部分Ｎ_１の磁束が無効化される。そのため、固定子のティースに流れる有効磁束はその両側分少なくなる。なお、磁束中心は変わらないため、位相のずれは生じない。

また、スキューの３段目については、オーバラップした２段目のＮ極の影響により、Ｓ極の磁石の右端の斜線部分Ｓ_１の磁束が、固定子のティースに流れないため、実質的な磁束は、斜線の部分Ｓ_１を除いた磁束となり、その分トルクは小さくなる。また、磁力中心も、斜線の部分Ｓ_１の周方向距離の１／２分左方向に移動し、その分位相がずれる。

従って、スキューの１段目〜３段目それぞれに、磁束及び位相に誤差が生じるため、１段目〜３段目のスキューで発生するコギングトルクは十分に相殺することが出来ず、上記誤差によりコギングトルクの低減効果は小さいものになってしまう。

図７は、図６と異なり、４段スキューの効果の例を示すもので、左側の「正常に作用しているとき」の各段のコギングトルクは相殺されて総計は０となる。
一方、右側の、各段の磁極の磁束の干渉により「バランスを欠くとき」は各段のコギングトルクは完全に相殺されず、総計でもコギングトルクは残留する。

そこで、この発明はこれらの従来技術を改善すべく、永久磁石式の同期モータにおいて、コギングトルクを大幅に低減することができる同期モータを提供するものである。

請求項１の発明は、永久磁石を有するロータに、極数及びスロット数の最小公倍数によって決まる基本波を複数分割する段数のスキューを施した永久磁石式同期モータにおいて、スキューの各段間に、各段間の磁束の漏えいを防止する非磁性体材を介在させた永久磁石式同期モータとした。

また、請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記非磁性体材は、アルミニウム板、ステンレス板、又は非磁性樹脂のいずれかである、永久磁石式同期モータとした。

また、請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、前記スキューの段数は２〜４段である、永久磁石式同期モータとした。

また、請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかの発明において、前記永久磁石式同期モータは電気自動車の車輪を駆動するアウターロータ式モータであるものとした。

また、請求項５の発明は、請求項１〜３のいずれかの発明において、前記永久磁石式同期モータは、回転子が内側のインナーロータ式モータであるものとした。

請求項１〜５の発明によれば、スキューの各段が外側にあるか、中間にあるか、内側にあるに関係なく、固定子のティースを通る磁束が各段で同一となり、かつ、位相誤差も生じないので、スキュー各段のコギングトルクが同一となり、かつ、位相を段ごとに正確にずらせることが出来るので、コギングトルクの基本波を確実に相殺することができ、コギングトルクを大幅に低減することが出来る。

この発明は、永久磁石を有するロータに、極数及びスロット数の最小公倍数によって決まる基本波を複数分割する段数のスキューを施した永久磁石式同期モータにおいて、スキューの各段間に、各段間の磁束の漏えいを防止する非磁性体材を介在させた永久磁石式同期モータとした。

これにより、コギングトルクの基本波を確実に相殺することができ、コギングトルクを大幅に低減することが出来る。

以下、この発明の実施例１を図に基づいて説明する。実施例１は、スロット数１８、極数１２のアウターロータ式同期モータに４段スキューを施したものであるが、図１において、まず、アウターロータ式モータの構成を説明する。

当該アウターロータ式モータ１は、ステータ２と当該ステータ２の外側を周方向に回転する円筒状のロータ３から構成されている。前記ステータ２は、所定間隔ごとに放射状に配設された複数本のティース４と、当該ティース４に巻き回されて形成されたコイル５とから成り、前記ロータ３には、当該ロータ３を軸方向に貫通するＶ字マグネット６が埋設され、当該Ｖ字マグネット６はロータ３の周方向に所定間隔毎に複数配設され、前記各Ｖ字マグネット６は、２個の平板形状の永久磁石であるマグネット６ｄ、６ｅから成り、当該マグネット６ｄ、６ｅの側面の前記ロータ３の内周側である内側縁２１がそれぞれ接して形成され、前記マグネット６ｄ、６ｅは、前記ロータ３の内周に対する接線と平行になるように配設されている。

図２は、上記アウターロータ式モータ１に４段スキューを施したロータ３の磁極関係を周方向に展開した模擬図である。このモータ１においては、コギングトルクの基本波はスロット数１８と極数１２の最小公倍数である３６波となる。

各段でＮ極、Ｓ極を交互に並べ、１段目、２段目、３段目、４段目の磁極を周方向にずらしたスキューの各段の間に、非磁性体材７を介在させたものである。

この様にしたので、各段の破線で示された端部Ｓ_１又はＮ_１の磁束が、隣接する段の磁極に流れる事がなく、各段の磁極の磁束が全て対向する固定子のティースに流れるので、各段で発生するコギングトルクが等しく、かつ、位相の誤差も生じないので、コギングトルクの基本波３６をスキュー段数の４で割った値、即ち、スキューの段を機械角度で３６０度÷３６÷４＝２．５度毎ずらせることによって基本波のコギングトルクを大幅に低減することができる。

なお、４段スキューの場合、電気角はスキュー１段当たり３６０度／４＝９０度となるため、コギングトルクの基本波のみでなく、２倍波についてもコギンクトルクを相殺して低減することができる。

実施例２は、スロット数、極数は実施例１と同じであるが、スキューの段数を２段としたものである。

２段のスキューの場合、１段目と２段目の間に非磁性体材７を設けないと、１段目の各磁極の図の破線で示した左側の部分Ｓ_１又はＮ_１と、２段目の図の破線より右側の部分Ｎ_１又はＳ_１の間で磁束が直接流れ、これらと対向する固定子のティースには磁束が流れないため、実質的に有効な磁力は、各段とも破線の外側のＳ_１又はＮ_１を除いた部分となる。そのため、磁力の大きさは１段目と２段目で同じとなるが、磁束（磁力）の中心は、１段目は、図の右方向にずれ、２段目は左方向にずれる。従って、１段目と２段目で位相差に誤差を生じ、コギングトルクを十分に打ち消すことができない。

しかし、実施例２のでは、１段目と２段目との間に非磁性体材７を介在させたので、磁極の端部Ｓ_１又はＮ_１の磁束も、１段目から２段目に、或いは２段目から１段目に流れることがなく、磁極の磁束を全て有効に利用することができる。さらに、１段目と２段目で位相差の誤差を生じることがないので、１段目と２段目のコギングトルクを十分に相殺することができる。従って、２段スキューによって、コギングトルクの基本波を十分低減することができる。

次に、この発明の上記実施例１を実施した場合の位相角に対するコギングトルクの発生状況の解析データを示す。コギング対策の効果は、スキュー段間に介在させる非磁性体材７の厚さによって変化する。図４は、非磁性体材７の厚さが２ｍｍの場合の解析データである。

これによると、非磁性体材７を設けない場合は約２０Ｎｍであるのに対し、非磁性体材７を設けた場合は約１０Ｎｍとなり、役５０％の低減効果がある。また、図４には示していないが、非磁性体材７の厚さを４ｍｍにすると、約７０％の低減効果があることが確認されている。

また、この発明のアウターロータ式モータを電気自動車のインホイールモータとして適用した時の概略構成図を図５に示す。

図示したように、ステータ２とその外側のロータ３から成るアウターロータ式モータ１は、略円筒形状のリム８とディスク９から成るホイール１０内に収容されている。ホイール１０のディスク９は、シャフト１１の端部に備わるフランジ１２にボルト１３により固定されている。フランジ１２はボルト１４によりモータ１の外側を被うモータカバー１５と固定されている。

従って、ロータ３が回転することにより、その回転はモータカバー１５、フランジ１２、ホイール１０の順に伝えられ、リム８に取り付けられたタイヤ１６が回転する。ステータ２は、その内側のインナーフレーム１７に固定されており、インナーフレーム１７とシャフト１１の間にはベアリング１８が介在されている。インナーフレーム１７は、ボルト１９によりナックル２０に固定される。また、ディスクキャリパー２２が前記ボルト１９により前記ナックル２０に固定され、前記シャフト１１の外周に固定されたブレーキディスク２３を把持自在となっている。

なお、上記実施例ではアウターロータ式モータの例を示したが、この発明は、インナーロータ式モータにも適用できるものである。

この発明の実施例１のアウターロータ式モータの概略正面図である。この発明の実施例１の４段スキューを施したロータの磁極関係を周方向に展開した模擬図である。この発明の実施例２の２段スキューを施したロータの磁極関係を周方向に展開した模擬図である。この発明の実施例１の解析データのグラフ図である。この発明の実施例１のロータを使用したアウターローラ式モータを電気自動車のインホイールモータとして適用した概略構成図である。従来の３段スキューを施したロータの磁極関係を周方向に展開した模擬図である。４段スキューのコギング低減効果の例を示す説明図である。

１アウターロータ式モータ２ステータ
３ロータ４ティース
５コイル６Ｖ字マグネット
６ｄマグネット６ｅマグネット
７非磁性体材８リム
９ディスク１０ホイール
１１シャフト１２フランジ
１３ボルト１４ボルト
１５モータカバー１６タイヤ
１７インナーフレーム１８ベアリング
１９ボルト２０ナックル
２１内側縁２２ディスクキャリパー
２３ブレーキディスク

Claims

永久磁石を有するロータに、極数及びスロット数の最小公倍数によって決まる基本波を複数分割する段数のスキューを施した永久磁石式同期モータにおいて、
スキューの各段間に、各段間の磁束の漏えいを防止する非磁性体材を介在させたことを特徴とする、永久磁石式同期モータ。
前記非磁性体材は、アルミニウム板、ステンレス板、又は非磁性樹脂のいずれかであることを特徴とする、請求項１に記載の永久磁石式同期モータ。
前記スキューの段数は２〜４段であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の永久磁石式同期モータ。
前記永久磁石式同期モータは、電気自動車の車輪を駆動するアウターロータ式モータであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の永久磁石式同期モータ。
前記永久磁石式同期モータは、回転子が内側のインナーロータ式モータであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の永久磁石式同期モータ。