JP2015165750A - アキシャルギャップモータ - Google Patents

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こと【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、前記回転子（１０）の前記支持部材（１２）は、非導電性かつ熱硬化性樹脂から構成されている。【選択図】図１

Description

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意実験研究を重ねた。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、導電性金属製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、前記回転子の前記支持部材は、非導電性樹脂から構成さ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。

前記樹脂を、エポキシ樹脂、フェノール樹脂およびメラミン樹脂を含む群から選択された熱硬化性樹脂とすることができる。

前記支持部材に取り付けられた前記複数の永久磁石セグメントを、前記支持部材内に埋め込むことができる。

前記回転子の前記支持部材のハブ部の両側または片側に、前記ハブ部の平面から垂直に突出する中空スリーブを一体的に形成し、この中空スリーブに、前記出力シャフトを貫通させ、前記回転子と共に回転するようにできる。

前記支持部材の前記中空スリーブと前記出力シャフトとをスプライン結合し、接着剤により接合することができる。

前記支持部材の外周部に非導電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。

前記非導電性高強度材料を、ガラス繊維、アラミド繊維、またはカーボン繊維で補強された樹脂材料とすることができる。

本発明によれば、固定子の間に配置された回転子の支持部材で生じる、渦電流損失を低減することによりアキシャルギャップモータの電気的効率を高めると共に回転子の機械的強度を高め、アキシャルギャップモータの軽量化を達成できる。

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。 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を導電性材料から構成した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表である。 回転速度およびトルクを同じ条件にしたときの比較例と実施例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の回転子１０は、出力シャフト（図示せず）と共に回転するように出力シャフト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、複数の永久磁石セグメント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いる。この支持部材１２は、非導電性を有する樹脂から構成され、さらにこの非導電性樹脂は、熱硬化性樹脂、例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂およびメラミン樹脂とすることができる。

支持部材１２の中心にあるハブ部１３には、ハブ部１３と出力シャフトとの結合を強化するために中空スリーブ１８が一体的に形成されている。この中空スリーブ１８は、支持部材１２の両側又は片側にてハブ部１３の平面から垂直に突出している。この中空スリーブ１８の中空部分を通って、図示していない出力シャフトが支持部材１２を貫通し、出力シャフトは、回転子１０と共に回転し、回転子１０の回転運動を出力するようになっている。回転子１０と出力シャフトとの一体的回転を保証するために、この回転子１０の中空スリーブ１８の中空部分の内側表面と出力シャフトの外側表面との間には互いに相補的なスプライン溝を設け、更に両者を接着剤で接着することができる。出力シャフトと支持部材１２との結合を保証できる程度に支持部材１２の厚みが充分である場合、上記のような中空スリーブ１８を省略し、平面状のハブ部１３と出力シャフトとを直接接合してもよい。

回転子１０の支持部材１２の外周部１４には図１に明瞭に示されるように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。これら永久磁石セグメント１１は、永久磁石セグメント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（図２では、永久磁石セグメント１１は，図示されていない）に嵌合され、固定されている。固定方法として、接着剤を用いた接着方法を使用できる。このような、嵌合と接着による固定方法の外に、上記のように取り付け孔１６へ永久磁石セグメント１１を嵌合した後に、支持部材１２を同一寸法および同一材料の円盤状部材で挟み、加圧成形することにより支持部材１２内に永久磁石セグメント１１を埋め込むことによる固定方法も可能である。このように、永久磁石セグメント１１を支持部材１２内に埋め込むことにより、永久磁石セグメント１１を強固に固定し、永久磁石セグメント１１のはずれを防止できる。さらに支持部材１２の表面は、平坦となるために、回転子１０の回転時に表面で生じていた乱流が低減し、回転子１０の回転効率が改善される。すでに述べた中空スリーブ１８をこのような加圧成形と同時に成形することも可能である。

トルクリップルおよびコギングトルク低減のため、永久磁石セグメント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永久磁石セグメント１１の側面の角度）が付けられ、永久磁石セグメント１１は、平面形状が、略台形となっている。これら永久磁石セグメント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。

更に支持部材１２の外周縁部１７のまわりには絶縁性高強度材料から構成されたリム部材１９が巻かれている。この絶縁性高強度材料をガラス繊維、アラミド繊維またはカーボン繊維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、回転子１０の回転時に生じる永久磁石セグメント１１から支持部材１２の外周縁部１７への遠心力による外周縁部の破損を防止できる。このようにリム部材１９を設けた場合の強度試験を実施したところ、支持部材１２は、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。

支持部材１２を導電性金属材料から構成した比較例と支持部材１２を非導電性樹脂から構成し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３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、実施例のモータを同じ１６００ｒｐｍで回転したときの渦電流損は、０Ｗである。比較例のモータを２８００ｒｐｍで回転したときの渦電流損は、４７．４５Ｗであるのに対し、実施例のモータを同じ２８００ｒｐｍで回転したときの渦電流損は、０Ｗである。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、実施例のモータを同じ５０００ｒｐｍで回転したときの渦電流損は、０Ｗであった。

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１２を非導電性樹脂から構成したことにより、導電性金属材料から構成された場合に生じていた渦電流は流れなくなり、モータで生じていた渦電流損は０Ｗとなる。

また、図４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、実施例のモータと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、永久磁石セグメント１１と対向するよう複数のスロットおよびそれらの間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 永久磁石セグメント
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 中空スリーブ
１９ リム部材
２０、２２ 固定子

Claims (7)

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、
   前記回転子の前記支持部材は、非導電性かつ熱硬化性樹脂から構成さ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. 前記樹脂は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂およびメラミン樹脂を含む群から選択されたものであることを特徴とする請求項１に記載のアキシャルギャップモータ。
3. 前記支持部材に取り付けられた前記複数の永久磁石セグメントは、前記支持部材内に埋め込まれていることを特徴とする請求項１又は２に記載のアキシャルギャップモータ。
4. 前記回転子の前記支持部材のハブ部の両側または片側には、前記回転子の平面から垂直に突出する中空スリーブが一体的に形成され、この中空スリーブには、前記出力シャフトが貫通し、前記回転子と共に回転するように結合されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のアキシャルギャップモータ。
5. 前記支持部材の前記中空スリーブと前記出力シャフトとはスプライン結合され、接着剤より接合さ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. 前記支持部材の外周部に非導電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５のいずれか１項に記載のアキシャルギャップモータ。
7. 前記非導電性高強度材料は、ガラス繊維、アラミド繊維、またはカーボン繊維で補強された樹脂材料であることを特徴とする請求項６に記載のアキシャルギャップモータ。

Images