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公開番号2020188676
公報種別公開特許公報(A)
公開日20201119
出願番号2020073515
出願日20200416
発明の名称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
出願人THK株式会社
代理人特許業務法人 インテクト国際特許事務所,個人
主分類H02K 21/22 20060101AFI20201023BHJP(電力の発電,変換,配電)
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
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。
続きを表示(約 350 文字)【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。
続きを表示(約 7,700 文字)【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】
本発明の実施形態に係る回転電機の軸方向断面図。
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2におけるA部拡大図。
ステータコアの変形例を示す図。
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。
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。

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