(57)【要約】【課題】回転電機の小型化を図ると共に、部品重量を低減して円滑に移動機構を駆動させることができる回転電機を提供する。【解決手段】電機子コイルを巻回したステータコアを有する固定子と、前記固定子に対して所定のギャップを介して回転自在に配置されると共に前記固定子に対向する磁石を有する回転子とを備えた回転電機において、前記固定子は、回転軸方向に移動可能な移動機構に取り付けられ、前記磁石及び前記ステータコアの互いの対向面のうち、少なくとも前記磁石の対向面は、前記固定子の移動方向に沿って径方向に広がる断面階段形状に形成され、前記磁石の角部と前記ステータコアとの間に前記ギャップよりも大きい空間が形成される。【選択図】図３
2020188676.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電機子コイルを巻回したステータコアを有する固定子と、前記固定子に対して所定のギャップを介して回転自在に配置されると共に前記固定子に対向する磁石を有する回転子とを備えた回転電機において、
前記固定子は、回転軸方向に移動可能な移動機構に取り付けられ、
前記磁石及び前記ステータコアの互いの対向面のうち、少なくとも前記磁石の対向面は、前記固定子の移動方向に沿って径方向に広がる断面階段形状に形成され、
前記磁石の角部と前記ステータコアとの間に前記ギャップよりも大きい空間が形成されることを特徴とする回転電機。
【請求項２】
請求項１に記載の回転電機において、
前記階段形状の各段における前記回転軸方向長さは、それぞれ異なることを特徴とする回転電機。
【請求項３】
請求項１または２に記載の回転電機において、
前記空間は、径方向長さと軸方向長さの比が１：１〜１：√３であることを特徴とする回転電機。
【請求項４】
請求項１から３の何れか１項に記載の回転電機において、
前記ステータコアの対向面は、前記固定子の移動方向に沿って径方向に広がる断面階段状、または、前記固定子の移動方向に対して傾斜した断面テーパ形状に形成されることを特徴とする回転電機。
【請求項５】
請求項１から４の何れか１項に記載の回転電機を用いたインホイールモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁束可変機構を有する回転電機及び、この回転電機を用いたインホイールモータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、回転電機の低速及び高速での出力を調整することで、回転速度に応じた出力特性を得ることができる回転電機が知られている。このような回転電機は種々の構造が知られているが、例えば、固定子と、固定子に対して同軸をなして回転自在に設けられた回転子と、回転子に対する固定子の軸方向での相対位置を変化させる移動手段とを有し、固定子に電機子コイル及びコアが設けられ、コアに対峙するようにマグネットが設けられた回転電機が知られている。
【０００３】
このような回転電機によれば、低速回転時には、固定子と回転子の対向面積が大きくなるように移動機構によって固定子を軸方向に移動させて固定子を通過する有効磁束が大きくなるようにして高トルク化を図り、高速回転時には、固定子と回転子との対向面積を少なくするように固定子を移動させて固定子を通過する有効磁束が小さくなるようにして高速回転を実現している。
【０００４】
また、固定子の軸方向に沿った移動に伴って出力特性の可変範囲をより一層大きくするために、種々の形態が知られている。例えば、図５に示すように固定子１１１が移動するに従い、固定子１１１と磁石１１４の相対する面積を減少させるために固定子１１１と磁石１１４の相対する面を階段状に構成することで、固定子１１１の軸方向の移動に伴って固定子１１１に作用する磁束を効果的に減少させて出力特性の可変範囲を大きくしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１４１９００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来の回転電機によれば、回転子の磁石１１４を階段状に形成して固定子１１１を移動機構によって回転子に対して抜き差しするように移動させると、抜き差しの動作中に固定子１１１と磁石１１４の角部が向かい合った状態となると吸引力が上昇することが分かった。
【０００７】
このように固定子１１１の抜き差し動作中に吸引力が上昇してしまうと、移動機構を駆動させる駆動装置の出力を当該吸引力に抗して出力させる必要があり、駆動装置の大型化や重量の増加に繋がるという課題があった。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するために成されたものであって、回転電機の小型化を図ると共に、部品重量を低減して円滑に移動機構を駆動させることができる回転電機及び、この回転電機を用いたインホイールモータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決する本発明に係る回転電機は、電機子コイルを巻回したステータコアを有する固定子と、前記固定子に対して所定のギャップを介して回転自在に配置されると共に前記固定子に対向する磁石を有する回転子とを備えた回転電機において、前記固定子は、回転軸方向に移動可能な移動機構に取り付けられ、前記磁石及び前記ステータコアの互いの対向面は、前記固定子の移動方向に沿って径方向に広がる断面階段形状に形成され、前記磁石の角部と前記ステータコアとの間に前記ギャップよりも大きい空間が形成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る回転電機によれば、互いに向かい合う固定子のステータコアと回転子の磁石の対向面が階段形状に形成され、磁石の階段形状の角部に面取りが施されているので、固定子を抜き差しする際に、ステータコアと磁石との角部が向かい合うことによる吸引力の上昇を抑え、移動機構を構成する駆動装置等を小型化軽量化することで回転電機の小型化及び軽量化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る回転電機の軸方向断面図。
【図２】本発明の実施形態に係る回転電機の固定子及び回転子の断面状態を示す断面斜視図。
【図３】図２におけるＡ部拡大図。
【図４】ステータコアの変形例を示す図。
【図５】本発明の実施形態に係るステータコア及び比較例のステータコアの磁石に対する抜差量と吸引力の関係を示すグラフ。
【図６】比較例のステータコアと磁石の形態を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明に係る回転電機の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１３】
図１は、本発明の実施形態に係る回転電機の軸方向断面図であり、図２は、本発明の実施形態に係る回転電機の固定子及び回転子の断面状態を示す断面斜視図であり、図３は、図２におけるＡ部拡大図であり、図４は、ステータコアの変形例を示す図であり、図５は、本発明の実施形態に係るステータコア及び比較例のステータコアの磁石に対する抜差量と吸引力の関係を示すグラフであり、図６は、比較例のステータコアと磁石の形態を示す断面図である。
【００１４】
図１に示すように、本実施形態に係る回転電機１０は、自動車等の車輪１に組み込まれる所謂インホイールモータとして用いられると好適である。車輪１は、自動車の車体に取り付けられると共に、車輪１を回転可能に支持する車軸４と、ホイール３とホイール３の外周面に取り付けられたゴムなどの弾性体からなるタイヤ２とを備えている。
【００１５】
本実施形態に係る回転電機１０は、ホイール３の内部に配置されており、回転電機１０の回転力をホイール３に伝達することで、当該回転電機１０が取り付けられる自動車の駆動力を発生させている。
【００１６】
ホイールハウジング１５は、中空の円盤状部材であって、バックヨーク１３の径方向に延びるフランジ部を挟み込むように組み付けられている。また、ホイールハウジング１５の内部には、後述する移動機構２０が収納されている。さらに、ホイールハウジング１５は、軸方向の両端に組み付けられたハブ部材１６によって車軸４に対して回転可能に組み付けられている。
【００１７】
また、固定子１１は、車軸４の軸方向に移動可能な移動機構２０に取り付けられている。移動機構２０は、車軸４が固定子１１の回転中心軸と同軸に配置され、車軸４の外周面に回転不能に組み付けられたボールスプラインナット部材２４と、車軸４の外周面に回転可能に組み付けられたボールねじナット部材２５とを備えている。
【００１８】
また、ボールねじナット部材２５は、出力軸に歯車２８が取り付けられた駆動源としての駆動モータ２７によって回転力が付与されるように構成されている。このように構成されることで、駆動モータ２７が回転することにより歯車２８が回転し、歯車２８がボールねじナット部材２５の外周面と歯合することでボールねじナット部材２５へ駆動モータ２７の回転力を伝達している。
【００１９】
また、車軸４は、軸方向に貫通孔２１が形成された中空軸であり、外表面の軸方向一端側に軸方向に沿って形成される図示しないボールスプライン溝が形成され、他端側に螺旋状のボールねじ溝２３が形成されている。ボールスプライン溝およびボールねじ溝２３は、車軸４の中央近傍で互いに重複するように隣接して形成されている。
【００２０】
また、車軸４の外表面には、後述する転動体が転走可能な一対の転走溝２９，２９が形成されている。転走溝２９は、車軸４の周方向に沿って形成されており、車軸４の軸方向端側に形成されている。すなわち、転走溝２９は、ボールスプライン溝及びボールねじ溝２３のそれぞれよりも軸端側に配置されており、一対の転走溝２９の間にボールスプライン溝及びボールねじ溝２３が配置されている。
【００２１】
ボールスプラインナット部材２４は、円筒状の部材であって、内周に車軸４が挿通される。また、ボールスプラインナット部材２４の内周面には、車軸４のボールスプライン溝に対応する第２ボールスプライン溝が形成されており、ボールスプライン溝及び第２ボールスプライン溝の間には、図示しない転動体等を介在させることで、車軸４の軸方向にボールスプラインナット部材２４が移動可能に組み付けられている。また、ボールスプラインナット部材２４の一端は、ベアリング２６の内輪に挿入されていると共に、図１に示すように固定子１１の移動基部３０に取り付けられている。
【００２２】
ボールねじナット部材２５は、内周にボールねじ溝２３に対応する螺旋状の第２ボールねじ溝２５ａが形成された環状部材であり、外周面に歯車２８が歯合する第３ねじ溝が形成されている。第２ボールねじ溝２５ａとボールねじ溝２３の間には図示しない転動体などを介在させることで、ボールねじナット部材２５は車軸４に対して回転可能に組み付けられている。また、ボールねじナット部材２５の一端側は、ベアリング２６の内輪に取り付けられている。
【００２３】
また、図１に示すように、ハブ部材１６の車軸４が挿入される挿入孔の内周面には、車軸４の外表面に形成された転走溝２９に対応する第２転走溝３３が形成されており、転走溝２９及び第２転走溝３３の間には複数の転動体３２が配列されている。
【００２４】
このように構成された本実施形態に係る回転電機１０は、移動機構２０の駆動モータ２７を回転させて歯車２８を介してボールねじナット部材２５を回転させると、ボールねじナット部材２５が車軸４に形成されてボールねじ溝２３に沿って軸方向に移動する。ボールねじナット部材２５は、ベアリング２６を介してボールスプラインナット部材２４に組み付けられているので、移動基部３０は固定子１１と共に軸方向に移動される。
【００２５】
このように、本実施形態に係る回転電機１０は、移動機構２０の駆動モータ２７によってボールねじナット部材２５を回転移動させることで、固定子１１を回転子１２に対して抜き差しするように軸方向に移動可能となっているため、固定子１１の回転子１２に対する相対位置に応じて出力特性を可変することができる。
【００２６】
図１に示すように、回転子１２は、導電性のある金属などからなるバックヨーク１３と、固定子１１に対向するように配置された磁石１４を有しており、バックヨーク１３はホイール３に取り付けられたホイールハウジング１５に組み付けられており、ホイール３は、回転子１２の回転に伴って回転する。
【００２７】
本実施形態に係る回転電機１０は、図２に示すようにステータコア１１ａに巻回された電機子コイル１１ｂが周方向に沿って配置される固定子１１と、図１に示すように固定子１１に対して所定のギャップを介して回転自在に配置される回転子１２とを備えている。なお、電機子コイルの巻回方法は、従来周知の種々の巻き方を採用することが可能である。
【００２８】
図３に示すように、磁石１４とステータコア１１ａの互いの対向面は、固定子１１の軸方向に沿って径方向に広がる階段形状に形成されており、例えば、３段の段付き形状となっている。このように磁石１４とステータコア１１ａの対向面を階段形状とすることで、後述する移動機構による固定子１１の移動に伴って、磁石１４とステータコア１１ａの間のギャップが大きくなるように構成されている。
【００２９】
さらに、磁石１４の階段形状における角部には、面取り部Ｃが設けられ、角部とステータコア１１ａの間にギャップよりも大きな空間Ｓが形成されている。この空間Ｓの断面形状は、略三角形に形成することができる。
【００３０】
さらに、空間Ｓの断面形状の径方向長さと軸方向長さの比は、１：１〜１：√３に構成すると好適である。このように、磁石１４の階段形状の角部とステータコア１１ａの間に空間Ｓを形成することで、固定子１１の移動に伴って角部同士が互いに向かい合った場合であっても、角部同士が接近することによる吸引力の上昇を低減させることができる。
【００３１】
さらに、磁石１４の階段形状の角部に面取り部Ｃを形成することで、固定子１１の移動に伴って角部同士が互いに向かい合った場合であっても、角部同士が接近することによる吸引力の上昇を低減させることができる。
【００３２】
また、階段形状における各段の軸方向の長さＬ１〜Ｌ３は、軸方向に等分し同一の長さとしても構わないが、回転軸方向長さはそれぞれ異なるように形成すると好適である。このように各段の回転軸方向長さを異なる長さとすることで、後述する移動機構による固定子１１の軸方向への移動に伴って、吸引力が上昇するタイミングを分散させて、吸引力の最大値を下げることが可能となる。
【００３３】
なお、ステータコア１１ａの磁石１４との対向面の形状は、断面階段形状に限らず、図４に示すように、固定子１１の移動方向に対して傾斜するテーパ形状に形成されていても構わない。
【００３４】
このようにステータコア１１ａ´をテーパ形状に形成することで、階段形状のステータコア１１ａでは、固定子１１を引き抜いた際に階段形状の複数の段差部分に生じる渦電流による損失が生じるところ、テーパ形状とすることで、段差部分をステータコア１１ａ´の端面のみにすることができるので、渦電流ｅによる損失を低減することができる。
【００３５】
より具体的には、図５に示すように、固定子１１を回転子１２に対して最も挿入した状態においては、固定子１１と回転子１２の対向面積が最も大きく、固定子１１と回転子１２の間のギャップも最も小さい状態であることから、回転電機１０の出力特性は、高トルク・低回転となる。このような状態では、自動車の発進時など速度は遅いが高トルクが必要な場合に最も出力特性が適した状態となる。
【００３６】
また、この状態では、逆起電力が上昇することから電機子コイル１１ｂへの給電を停止し、車輪１を制動させる減速時には、逆起電力が上昇することで、効率的に発電を行うことができ、高効率の回生ブレーキとして作用させることが可能となる。
【００３７】
駆動モータ２７を回転させてボールねじナット部材２５に回転力を付与すると、ボールねじナット部材２５の回転に伴って、ボールねじナット部材２５が車軸４のボールねじ溝２３に沿って回転しながら軸方向へ移動する。
【００３８】
ここで、固定子１１が回転子１２に対して抜き出され、互いの階段形状の角部が最も近接した図５の真ん中の状態では、最も吸引力が上昇しているものの、抜差量２．５〜５（ｍｍ）の間の傾きが小さくなっており、比較例と比較して吸引力のピークも小さくなっていることから磁石１４の角部に面取り部Ｃを設け、角部とステータコア１１ａの間に空間Ｓを形成したことによる吸引力の抑制効果が確認できる。
【００３９】
移動機構２０を駆動させると、固定子１１が回転子１２から最も抜き出された状態となり、固定子１１と回転子１２の対向面積は最も小さく、固定子１１と回転子１２の間のギャップが最も大きな状態となる。この状態では、逆起電力が下降し、回転電機１０の出力特性は、低トルク・高回転となる。このように固定子１１を回転子１２から最も抜き出した状態では、トルクを必要としない高速走行時に最も出力特性が適した状態となる。
【００４０】
これに対して図６に示した比較例のようにステータコア１１１と磁石１１４との角部がステータコア１１１の移動に伴って互いに対向するように形成すると、図５に示すように、ステータコア１１１を抜き差しする際に、角部が最も近接して対向する状態で吸引力がより上昇してしまう。
【００４１】
本実施形態に係る回転電機１０は、ホイールハウジング１５の軸方向両端に配置されたハブ部材１６によって車軸４に対して回転保持されているので、ハブ部材１６を小型化することで回転電機１０の軽量化を図ることができ、軽量化に伴って必要な回転数までの到達時間を早くして応答性能を向上させることができる。
【００４２】
さらに、回転軸と駆動軸とを同軸に配置しているので、回転電機１０の小型化を図ることが可能となる。さらに、本実施形態に係る回転電機１０は、ボールねじナット部材２５と車軸４の外表面に形成されたボールねじ溝２３による減速効果を有することから駆動モータ２７の出力を小さくすることが可能となり、当該駆動モータ２７を小型化することで、回転電機１０の更なる小型化を図ることが可能となる。
【００４３】
さらに、移動機構２０は、ボールねじナット部材２５及びボールスプラインナット部材２４によって固定子１１の移動を行っているため、応答性がよく高エネルギー効率の固定子１１の移動制御を行うことが可能となる。また、移動機構２０による移動量は、ボールねじナット部材２５の回転量によって制御しているので、求められる出力特性に応じて固定子１１の位置を任意に設定することで、最も適した出力特性で回転電機１０を駆動させることが可能となる。
【００４４】
なお、上述した実施形態においては、車軸４とボールスプラインナット部材２４並びにボールねじナット部材２５は、転動体を介して組み付けた場合について説明を行ったが、これらの部材は、転動体を介さずに互いに滑り合うように組み付けても構わない。また、上述した本実施形態に係る回転電機１０においては、本実施形態に係る回転電機１０を自動車の車輪１に適用した場合について説明を行ったが、その用途は自動車に限られず、例えば、風力発電機やプレス加工機などに適用しても構わない。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれうることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【符号の説明】
【００４５】
４  車軸，    １０  回転電機，    １１  固定子，    １１ａ，１１ａ´  ステータコア，    １２  回転子，    １４  磁石，    ２０  移動機構，    Ｃ  面取り部，    Ｓ  空間。
【図１】
2020188676.tif 000003
【図２】
2020188676.tif 000004
【図３】
2020188676.tif 000005
【図４】
2020188676.tif 000006
【図５】
2020188676.tif 000007
【図６】
2020188676.tif 000008