JP5586275B2

JP5586275B2 - モータ

Info

Publication number: JP5586275B2
Application number: JP2010054049A
Authority: JP
Inventors: 力道岡; 力也谷口; 公宏麻畠
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2010-03-11
Filing date: 2010-03-11
Publication date: 2014-09-10
Anticipated expiration: 2030-03-11
Also published as: JP2011188697A

Description

本発明は、ステータ、ロータ間の磁束が磁性体のモータ軸を軸方向に通過する磁路構成のモータに関し、詳しくは、モータ軸を通る磁束の脈動（変動）による渦電流の発生を防止する構造に関する。

従来、ステータ、ロータ間の磁束の磁路の一部を磁性体のモータ軸により形成したモータとして、ラジアルギャップのモータが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図８は特許文献１に記載のラジアルギャップ（アウターステータ）モータ（ハイブリッド励磁モータ）１００を示し、モータ１００のステータ（電機子）１０１は、鉄心１０２にコイル（電機子巻線）１０３を巻回した構造である。鉄心１０２は、モータ軸方向の一方の片側部分がＮ極側鉄心１０２ａ、他方の片側部分がＳ極側鉄心１０２ｂであり、鉄心１０２ａ、１０２ｂ間にリング状の直流の励磁巻線１０５が設けられている。

ステータ１０１の内側のロータ（回転子）１１１は、鉄心１１２と、Ｎ極、Ｓ極のＰＭ（永久磁石）１１３とを有し、鉄心１１２はモータ軸（シャフト）１１５に連結されたヨーク１１４、すなわち、モータ軸１１５の一部であるヨーク１１４に支持されている。鉄心１１２は複数のポール（突極状部）１１２ａを形成し、各ポール１１２ａは、ステータ１０１の鉄心１０２ａ、１０２ｂに対応して設けられている。その結果、ロータ１１１は、ポール１１２ａ、１１２ｂとＰＭ１１３が周方向に交互に配置された構造になっている。

そして、励磁巻線１０５に電流が流れると、図８の矢印実線のように、ヨーク１１４を含む閉磁路が形成され、この閉磁路をステータ１０１、ロータ１１１間の磁束が通る。

一方、この種のアキシャルギャップのモータとして、本願出願人は、立体的な磁路構成のアキシャルギャップモータを既に出願している（特願２００９−０１１５２３２号）。

図９は本願出願人の既出願の３相駆動のアキシャルギャップモータ２００の概略の分解斜視図であり、モータ２００は、モータ軸（図示せず）に軸支されたモータ軸方向の２個のロータ２０３ａ、２０３ｂ間に表裏両面が磁極面の１個のステータ２０４を設け、さらに、モータ軸に装着した円筒状の磁路形成部材２０５をステータ２０４の中心孔に遊挿し、磁路形成部材２０５の両端面をロータ２０３ａ、２０３ｂの端面（磁極面）に当接して形成される。磁路形成部材２０５はロータ２０３ａ、２０３ｂ間の磁路を形成する。なお、図１０の実線ｍはモータ軸を示し、破線矢印は磁束が通る磁路を示す。

そして、ロータ２０３ａ、２０３ｂは、ステータ２０４に対向する端面（磁極面）に例えば８個のロータ磁極２０６が周方向に等間隔に配設されている。ステータ４は、例えば、ロータ２０３ａに対向する一方の端面（磁極面）に全てＳ極に励磁されるＡ、Ｂ、Ｃの相順の１２個のステータ磁極２０７ａが周方向に等間隔に配設され、ロータ２０３ｂに対向する他方の端面（磁極面）に全てＮ極に励磁されるＡ、Ｂ、Ｃの相順の１２個のステータ磁極２０７ｂがステータ磁極２０７ａより周方向にずらして等間隔に配設されている。

そして、アキシャルギャップモータ２００は、３相駆動によってステータ２０４の各ステータ磁極２０７ａ、２０７ｂに集中巻きされた各相の励磁コイル（図示せず）がＡ、Ｂ、Ｃの相順に通電され、このとき、図９の破線矢印に示すように磁束がステータ２０４の軸方向および周方向に進む立体磁路が形成される。そして、例えばステータ２０４の裏面の励磁相のＮ極から出た磁束が上記立体磁路を通ることにより、ロータ２０３ｂ、磁路形成部材２０５、ロータ２０３ａを通ってステータ２０４の表面の励磁相のＳ極に入り、その磁気的な吸引によりロータ２０３ａ、２０３ｂが回転してアキシャルギャップモータ２００が駆動される。

特開平６−３５１２０６号公報

図８の従来例のモータ１００は、ＰＭ１１３の磁束に界磁巻線１０５で発生させる磁束を加減することによりモータ１００の界磁磁束を調整可能にしたものであるが、過渡的な電流変化やモータ１００の回転による磁気抵抗変化等により、炭素鋼等のソリッド（むく）の磁性体で形成されるモータ軸１１５を通る磁束が変動すると、モータ軸１１５に渦電流が発生して損失を生じさせる。

この損失は、モータ１００の出力効率を低下させる原因となる他、モータ１００に制動力（ブレーキ）として作用し、モータ１００の軸トルクが低下する。さらに、モータ軸１１５の温度上昇も引き起こす。

また、図９の既出願のモータ２００においても、モータ軸を磁性体で形成して磁路形成部材２０５を省くようにした場合には磁束がモータ軸を通る。そして、この場合も、過渡的な電流変化やモータ２００の回転による磁気抵抗変化等により、前記ソリッドの磁性体で形成されるモータ軸を通る磁束が変動すると、モータ軸に渦電流が発生して損失を生じさせ、モータ２００のトルク（軸トルク）が低下して効率が低下し、さらに、モータ軸の温度上昇も引き起こす。

本発明は、アキシャルギャップモータ、ラジアルギャップモータを問わず、モータ軸を磁性体で形成して磁路の一部として利用する場合に、磁束の変動によるモータ軸の渦電流の発生を防止して効率低下やモータ軸の温度上昇を防止することを目的とする。

上記した目的を達成するために、本発明のモータは、ステータ、ロータ間の磁束が磁性体のモータ軸を軸方向に通過する磁路構成のモータにおいて、前記モータ軸の外側に、前記磁束の変動により生じるループ電流による逆向きの磁束によって前記磁束の変動分を打ち消して前記モータ軸への前記磁束の変動分の流入を遮蔽する導体部と、前記導体部により遮蔽された前記磁束の変動分のバイパス磁路を形成する電磁鋼帯を円筒状に巻回して成り巻始めと巻終わりが電気的に絶縁された電磁部材とを備えることを特徴としている（請求項１）。

また、本発明のモータは、前記導体部が、内径側ループとその外側の外径側ループとを有する８の字コイル構造のコイル体により形成され、前記内径側ループはモータ軸を囲み、前記外径側ループは前記電磁部材を囲むことを特徴としている（請求項２）。

請求項１に係る本発明のモータの場合、磁性体のモータ軸に流入する磁束が変動（脈動）すると、その変動によって導体部にループ電流が発生し、その電流に基づく逆向きの磁束により、モータ軸に流入する磁束の変動が打ち消されて前記磁束の変動分が遮蔽される。そのため、前記変動によるモータ軸の渦電流の発生を防止できる。

さらに、磁束の変動（脈動）成分を導体部で遮蔽するだけでは、モータ軸を通る磁束が平滑化されてしまうので磁束が大きくなったときに本来発生できるはずのトルクを発生できなくなるが、本発明の場合は、モータ軸の外側の電磁部材が磁束の変動（脈動）分のバイパス磁路を形成し、磁束の変動分が電磁部材のバイパス磁路を通ってモータの駆動に利用され、モータのトルクが落ちることもない。そして、電磁部材は、変動分によって温度上昇が生じることはない。

したがって、モータ軸を磁性体で形成して磁路の一部として利用する場合に、磁束の変動によるモータ軸の渦電流の発生を防止して効率低下やモータ軸の温度上昇を防止することができ、特性の優れたモータを提供できる。

請求項２に係る本発明のモータの場合、導体部を形成する８の字コイル構造のコイル体の内径側ループがモータ軸を囲み、モータ軸を通過する磁束が変動（脈動）すると、内径側ループと外径側ループとを前記磁束の変動に基づく鎖交磁束の誘導電流（ループ電流）が流れ、その誘導電流によって生じる内径側ループの磁束でモータ軸に流入する磁束の変動分が遮蔽されるとともに、誘導電流が外径側ループに流れることによって、磁束を電磁部材のバイパス磁路に導くための起磁力として利用される。

したがって、モータ軸を磁性体で形成して磁路の一部として利用する場合に、磁束の変動によるモータ軸の渦電流の発生を防止して一層良好に効率低下やモータ軸の温度上昇を防止することができ、一層特性の優れたモータを提供できる。

本発明の一実施形態のアキシャルギャップモータの組み付け状態の断面図である。図１のアキシャルギャップモータのモータ軸部分の斜視図である。図２の低損失電磁部材の拡大した斜視図である。図２の構成に結束バンドを巻回した状態の斜視図である。本発明の他の実施形態のラジアルギャップモータのモータ軸部分の斜視図である。図５の８の字コイル構造の導電部を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）はループ構造を示す模式図である。８の字コイル構造の導電部の他の例を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）はループ構造を示す模式図である。従来例の断面図である。既出願のアキシャルギャップモータの分解状態の斜視図である。

つぎに、本発明をより詳細に説明するため、実施形態について、図１〜図７を参照して詳述する。なお、それらの図面においては、モータ軸等は適宜省略している。

（一実施形態）
まず、立体磁路構成のアキシャルギャップモータに適用した一実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。

図１は本実施形態のアキシャルギャップモータ１を示し、アキシャルギャップモータ１は、概略、モータ軸２に軸支されて回転する円盤状の２個のロータ３ａ、３ｂ間に、両面磁極構造のステータ４を配置した構成である。

両ロータ３ａ、３ｂは、それぞれ円盤状のヨーク（コア）３１のステータ４に対向する端面に例えば８個のロータ磁極（ポール）３２が周方向に等間隔に配設される。

ステータ４は、円盤状のヨーク（コア）４１の中心の開口にモータ軸２が遊挿され、ヨーク４１の例えばロータ３ａに対向する一方の端面側（以下、表側という）にＮ極に励磁される１２個（３相それぞれの９０度間隔の４個ずつの磁極を形成する）のステータ磁極（ティース）４２ａが周方向に等間隔に配設され、ヨーク４１のロータ３ｂに対向する他方の端面側（以下、裏側という）にＳ極に励磁される１２個のステータ磁極（ティース）４２ｂが各ステータ磁極４２ａより周方向にずらして等間隔に配設される。このようにずらして配設することにより、モータ軸２から見たステータ４の磁極数は２倍の２４極になる。

ヨーク３１、４１は積層鋼板または圧粉磁心により形成され、磁極３２、４２ａ、４２ｂは圧粉磁心により形成される。

各ステータ磁極４２ａ、４２ｂにはＡ、Ｂ、Ｃの各相の励磁コイル５が順に集中巻きされ、例えばＡ相の励磁コイル５が通電されると、ステータ４の表側の９０度間隔の４個のＡ相のステータ磁極４２ａが全てＮ極に励磁され、ステータ４の裏側の９０度間隔の４個のＡ相のステータ磁極４２ａが全てＳ極に励磁される。Ｂ相の励磁コイル５が通電されると、ステータ４の表側の各Ａ相のステータ磁極４２ａの隣の９０度間隔の４個のＢ相のステータ磁極４２ａが全てＮ極に励磁され、ステータ４の裏側の各Ａ相のステータ磁極４２ｂの隣の９０度間隔の４個のＢ相のステータ磁極４２ａが全てＳ極に励磁される。さらに、Ｃ相の励磁コイル５が通電されると、ステータ４の表側の各Ｂ相のステータ磁極４２ａの隣の９０度間隔の４個のＣ相のステータ磁極４２ａが全てＮ極に励磁され、ステータ４の裏側の各Ｂ相のステータ磁極４２ｂの隣の９０度間隔の４個のＣ相のステータ磁極４２ａが全てＳ極に励磁される。このくり返しにより、ステータ４の表側、裏側の各４個の励磁されるステータ磁極４２ａ、４２ｂが回転するように移動し、励磁されるステータ磁極４２ａ、４２ｂとその近傍のロータ磁極３２との磁気的な吸引動作によってロータ３ａ、３ｂが回転してアキシャルギャップモータ１が駆動される。

このとき、ステータ４の表側のＮ極のステータ磁極４２ａの磁束は、後述する導体部７、低損失電磁部材８を備えない場合、図１の破線の矢印線に示すように、ロータ３ａのロータ磁極３２、モータ軸２、ロータ３ｂのロータ磁極３２、ステータ４の裏側のＳ極のステータ磁極４２ｂを通ってＮ極のステータ磁極４２ａに戻る磁路を通る。

なお、本実施形態の場合、ステータ４のモータ軸２の外側にループコイル状の界磁コイル６が設けられ、界磁コイル６の直流界磁により磁束が増強されてトルクアップが図られる。

ところで、過渡的な電流変化やアキシャルギャップモータ１の回転による磁気抵抗変化等により、炭素鋼（例えば、Ｓ４５Ｃ、Ｓ３５Ｃ）等のソリッド（むく）の磁性体で形成されるモータ軸２を通る磁束が変動（脈動）すると、図１の実線の矢印線に示すように、モータ軸２に渦電流が発生して損失を生じさせる。

そこで、本実施形態の場合、モータ軸方向の磁路形成部材として、つぎに説明する構成を備える。

図２はモータ軸２の部分の斜視図であり、モータ軸方向の前記磁路形成部材として、最内径側（中心部）にモータ軸２を配置し、その外側に磁束の変動分のモータ軸２への流入を遮蔽する導体部７ａを備え、その外側に導体部７ａにより遮蔽された前記変動分のバイパス磁路を形成する高透磁率の低損失電磁部材８ａを備える。

導体部７ａは、本実施形態の場合、短絡コイルを形成するスリーブ形状の金属等の電気的な導体であり、モータ軸２を通る磁束が変動（脈動）すると、その変動によって導体部７ａにループ電流が発生し、その電流に基づく逆向きの磁束により、モータ軸２を通る磁束の変動が打ち消されてその変動分が遮蔽される。そのため、前記変動によるモータ軸の渦電流の発生を防止し、モータ軸２を磁束の直流分のみが通るようにしてアキシャルギャップモータ１の効率低下やモータ軸２の温度上昇を防止できる。

なお、導体部７ａを、モータ軸２の略ロータ３ａ、３ｂ間全体を覆うモータ軸方向に長いスリーブ形状に形成しているので、磁束の変動分を遮蔽するための電流経路の十分な断面積を確保し易く、導体部７ａを薄くでき、モータ軸方向の磁路形成部材全体の外径を小さくできる利点がある。なお、導体部７ａは、モータ軸２の磁路の少なくとも入力側にリング状に設けられていればよく、例えばロータ３ａ、３ｂそれぞれ寄りにリングコイルを設けて形成してもよい。

つぎに、磁束の変動（脈動）成分を導体部７ａで遮蔽するだけでは、モータ軸２を通る磁束が平滑化されてしまうだけなので磁束が大きくなったときに本来発生できるはずのトルクを発生できなくなり、アキシャルギャップモータ１のトルクが低下する。

そこで、前記した低損失電磁部材８ａを備える。

図３は低損失電磁部材８ａを示し、低損失電磁部材８ａは例えば電磁鋼帯の巻きコアである。この電磁鋼帯の巻きコアは、巻始めと巻終りが電気的に絶縁されており、短絡コイルを構成しないので、磁束の変動分（脈動成分）を通し易い。そして、この電磁鋼帯の巻きコアは高透磁率であり、磁束の変動分が高透磁率の低損失電磁部材８ａのバイパス磁路を通ってアキシャルギャップモータ１の駆動に利用されるので、アキシャルギャップモータ１のトルクが低下することはない。また、高透磁率の低損失電磁部材８ａは前記磁束の変動分によって温度上昇が生じることはない。

したがって、本実施形態の場合、モータ軸２を磁性体で形成して磁路の一部として利用するアキシャルギャップモータ１において、磁束の変動によるモータ軸２の渦電流の発生を防止して効率低下やモータ軸２の温度上昇を防止することができ、特性の優れたアキシャルギャップモータ１を提供できる。

ところで、低損失電磁部材８ａを形成する電磁鋼帯の巻きコアは、巻きコアの軸方向の透磁率が円周方向よりも高い指向性の電磁鋼帯であることが好ましいが、無方向性の電磁鋼帯であってもよい。すなわち、前記指向性の電磁鋼帯の巻きコアの場合は、電磁鋼帯の圧延方向ではなく幅方向に鋼帯を切り取って巻くことになるので、巻厚をあまり大きくできない。そのため、大きな巻厚が必要な場合には、無方向の電磁鋼帯を圧延方向に切り取った巻きコアによって低損失電磁部材８ａを形成すればよい。

また、低損失電磁部材８ａを形成する電磁鋼帯の巻きコアは接着等により貼り合わせて巻回されるが、さらにその外周に補強のために電気抵抗率が比較的高い結束バンド(ステンレススチールバンド等)を巻くことが好ましい。

図４は低損失電磁部材８ａの外側にステンレススチールバンド等の結束バンド９を巻き付けた状態を示し、結束バンド９を巻き付けることにより、アキシャルギャップモータ１の高速回転時にも低損失電磁部材８ａや導体部７が巻き解けること等がない。また、結束バンド９も磁束が鎖交するループを形成するので、その電気抵抗を高くしてループに誘導される電流を少なくし、損失を防止するため、結束バンド９は上記したステンレススチールバンド等であることが好ましく、さらには、結束バンド９を、ケブラーコード等の樹脂補強材のバンドで形成することがより好ましい。

（他の実施形態）
つぎに、前記一実施形態の導体部７ａに代えて、８の字コイル構造のコイル体の導体部７ｂを備えた実施形態について、図１および図５、図６を参照して説明する。

本実施形態の場合も図１の立体磁路構造のアキシャルギャップモータ１に適用し、略、その導体部７ａを導体部７ｂに置き代え、低損失電磁部材８ａを導体部７ｂの８の字のクロス個所に切れ目を設けたスリーブ状の低損失電磁部材８ｂに置き代える。

図５はモータ軸２の部分の一部を切り欠いた斜視図であり、本実施形態の場合、モータ軸方向の磁路形成部材として、最内径側（中心部）にモータ軸２を配置し、その外側に８の字コイル構造のコイル体の導体部７ｂを備え、導体部７ｂの内径側ループ部７１によりモータ軸２を囲み、外径側ループ７２により低損失電磁部材８ｂを囲む。さらに、導体部７ｂの外径側ループ７２の外側を、ケブラーコード等の電気的抵抗が大きな素材からなるスリーブ状の補強リング１０で覆う。

図６（ａ）は導電部７ｂの斜視図、同図（ｂ）はその正面図であり、導体部７ｂは、概略、８の字コイルの上部のループを内径側ループ７１とし、その外側に変形した下側のループを配置した形状であり、両図の破線で囲んだ個所が８の字のクロス個所である。

低損失電磁部材８ｂは、例えば断面がＣ字状の圧粉磁心のスリーブによって形成され、低損失電磁部材８ａと同様に高透磁率である。

そして、モータ軸２に流入する磁束の変動（脈動）成分を低減することを優先するため、導体部７ｂは、内径側ループ７１のコイルがモータ軸２を囲む断面積と、内径側ループ７１のコイルのターン数との積が、外径側ループ７２のコイルが低損失電磁部材８ｂを囲む断面積と、外径側ループ７２のコイルのターン数との積よりも大きくなるように形成される。

この場合、モータ軸２に流入する磁束が変動すると、8の字コイル構造の周知の特性から、導体部７ｂは、時計回り（ＣＷ）のループと反時計回り（ＣＣＷ）のループに鎖交する磁束変化量（例えば図６（ｂ）のΔφ_１、Δφ_２）が同じ大きさとなるように図６（ｂ）の破線の矢印線に示す誘導電流が流れるため、モータ軸２に流入する磁束の変動（脈動）分の磁束密度は小さくなって遮蔽され、モータ軸２の渦電流の発生が抑えられて渦電流損失が低減される。

また、前記一実施形態の導体部７ａの短絡コイルでは、磁束の変動（脈動）成分により生じたループ電流は前記短絡コイルの抵抗によりジュール熱として消費されるが、本実施形態の８の字コイル構造の導体部７ｂでは、磁束の脈動成分により誘導されたループ電流により外径側ループ７２に発生する磁束が低損失電磁部材８ｂのバイパス磁路に磁束を通すための起磁力として活用される。

すなわち、本実施形態の場合、モータ軸２を通過する磁束が変動（脈動）すると、導体部７ｂは、周知の８の字コイル構造のコイル体と同様、内径側ループ７１と外径側ループ７２を前記磁束の変動に基づく鎖交磁束の誘導電流が流れ、その誘導電流によって生じる内径側ループ７１の磁束でモータ軸２に流入する磁束の変動分が遮蔽されるとともに、外径側ループ７２の磁束が低損失電磁部材８ｂのバイパス磁路を通るための起磁力として無駄なく利用される。

したがって、本実施形態の場合、モータ軸２を磁性体で形成して磁路の一部として利用する場合に、磁束の変動によるモータ軸２の渦電流の発生を防止してさらに一層良好に効率低下やモータ軸２の温度上昇を防止することができ、一層特性の優れたアキシャルギャップモータ１を提供できる。

そして、本発明は上記した各実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行なうことが可能であり、例えば、前記他の実施形態において、導体部７ｂに代えて、２重の８の字コイルにより形成し、両方のコイルの内径側ループ７１どうし、外径側ループ７２どうし、内径側どうしを繋いだ構成の８の字コイル構造の導体部を備えるようにしてもよい。

図７（ａ）は、上記した２重の８の字コイル７３、７４により形成した導体部７ｃの斜視図であり、同図（ｂ）はそのコイル構造を示す模式図である。この場合、８の字コイル７３、７４の内径側ループ部７１、外径側ループ部７２が内径側、外径側それぞれで繋がる。なお、図７（ｂ）の破線で囲んだ個所が８の字のクロス個所である。

つぎに、導体部７ａ〜７ｃは種々の導電材のリングやスリーブで形成してよく、低損失電磁部材８ａ、８ｂは種々の高透磁率の電磁部材であってよい。

つぎに、本発明は、モータ軸を磁性体で形成して磁路の一部として利用する種々の構成のアキシャルギャップモータに適用できるのは勿論、モータ軸を磁性体で形成して磁路の一部として利用するラジアルギャップモータにも同様に適用することができる。

そして、本発明が適用されるモータは、電気自動車の駆動モータ等の種々の用途のアキシャルギャップモータ、ラジアルギャップモータであってよい。

１アキシャルギャップモータ
２モータ軸
３ａ、３ｂロータ
７ａ〜７ｃ導体部
８ａ、８ｂ低損失電磁部材

Claims

ステータ、ロータ間の磁束が磁性体のモータ軸を軸方向に通過する磁路構成のモータにおいて、
前記モータ軸の外側に、
前記磁束の変動により生じるループ電流による逆向きの磁束によって前記磁束の変動分を打ち消して前記モータ軸への前記磁束の変動分の流入を遮蔽する導体部と、
前記導体部により遮蔽された前記磁束の変動分のバイパス磁路を形成する電磁鋼帯を円筒状に巻回して成り巻始めと巻終わりが電気的に絶縁された電磁部材とを備えることを特徴とするモータ。
請求項１記載のモータにおいて、
前記導体部は、内径側ループとその外側の外径側ループとを有する８の字コイル構造のコイル体により形成され、
前記内径側ループはモータ軸を囲み、前記外径側ループは前記電磁部材を囲むことを特徴とするモータ。