JP2018082600A - ダブルロータ型の回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】ダブルロータ型の回転電機において、ステータに設けられる締結用穴によるトルクの低下を抑制することである。
【解決手段】ダブルロータ型の回転電機１０は、ステータ２０として、センターヨーク２４、外周側ティース２６、内周側ティース２８を有するステータコア２２と、外周側コイル４２と内周側コイル４４とを含む。また、ステータ２０の外周側と内周側にそれぞれ配置されたアウターロータ５０とインナーロータ６０とを備える。また、締結用穴７０に係合してステータ２０を外部の取付部に固定する固定手段６８を備える。外周側コイル４２と内周側コイル４４は同相のコイルであり巻線の外周側スロット３０と内周側スロット３２への挿入方向が同じである。締結用穴７０は、外周側ティース２６の幅と内周側ティース２８の幅とを延長したときのセンターヨーク２４における幅領域の外側に設けられる。
【選択図】図１

Description

本開示は、ダブルロータ型の回転電機に係り、特にそのステータ構造に関する。

従来のロータをステータの外周側と内周側とに同心状に配置したダブルロータ型の回転電機が知られている。例えば、特許文献１には、ステータコアの径方向内側と外側のそれぞれのティースに互いに独立の励磁コイルが巻回され、独立に駆動されるステータと、インナーロータと、アウターロータとを備える回転電機が開示されている。

特許文献２には、回転電機として、同軸に配置されるアウターロータとインナーロータに挟まれてステータが配置される構成が開示されている。ステータは、複数のステータピースに分割され、それぞれのステータピースは、１つのコイルが巻回される１つのコアと、１つのコアからアウターロータ側ヨークとインナーロータ側ヨークとが突き出す。

ここで、複数のステータピースを円環状に配置して一体化するための締結用ボルトを通す穴は、インナーロータ側ヨークに、隣接するステータピースの接合面に半円ずつに分割されて設けられる。穴が配置される接合面は、各コアの中心軸の延長上でなく、隣接する２つのコアの中間位置に配置される。

特許文献３は、ステータの三相巻線について干渉が少ない配置とする発明に関するものであるが、その適用例の１つとして、外周側と内周側とにそれぞれモータを配置した複合モータが開示されている。この複合モータは、外周側のロータ、内周側のロータ、及び外周側のスロットと内周側のスロットとを有するステータを含む。ステータには、三相コイルがトロイダル巻で巻回され、外周側のスロットに挿入される巻線の方向と内周側のスロットに挿入される巻線の方向は互いに逆である。

特開２０１６−１１９７８０号公報 特開２００３−２９９３２９号公報 特開２０１０−１２４５７７号公報

ステータの外周側と内周側にそれぞれロータを配置するダブルロータ型の回転電機では、ステータを外部の取付部等に固定する手段が必要になる。ステータに締結用ボルトを通す穴を開けると、配置位置によっては、その穴がステータに流れる磁束に対する磁気抵抗となり、回転電機が出力できるトルクが低下することが生じる。そこで、ステータに設けられる締結用穴によるトルクの低下を抑制できるダブルロータ型の回転電機が要望される。

本開示に係るダブルロータ型の回転電機は、円環状のセンターヨーク、センターヨークから外周側と内周側とにそれぞれ同数で突き出す外周側ティースと内周側ティース、及び、外周側ティースに巻回される外周側コイルと内周側ティースに巻回される内周側コイルを有するステータと、ステータの外周側に所定の間隔を隔てて配置されたアウターロータと、ステータの内周側に所定の間隔を隔てて配置されたインナーロータと、隣接する外周側ティースの間の外周側スロット、及び、隣接する内周側ティースの間の内周側スロットの間に設けられた締結用穴に係合してステータを外部の取付部に固定する固定手段と、を備え、センターヨークを挟んで一対として配置された外周側コイルと内周側コイルは、同相のコイルであり、それぞれに印加される駆動電流の方向は、対応する外周側ティースと内周側ティースに同方向の磁束が流れるように設定され、締結用穴は、外周側ティースの幅と内周側ティースの幅のそれぞれを延長したときのセンターヨークにおける幅領域の外側に設けられる。

上記構成によれば、ステータを外部の取付部に固定するための固定手段を配置する締結用穴は、コイルが巻回される外周側ティース及び内周側ティースの幅を延長した領域を外してセンターヨークに設けられる。これによって、外周側ティースと内周側ティースにおける磁束の流れを妨げず、ステータに設けられる締結用穴によるトルクの低下を抑制できる。

上記構成のダブルロータ型の回転電機によれば、ステータに設けられる締結用穴によるトルクの低下を抑制する。

実施の形態に係るダブルロータ型の回転電機の構成図である。 実施の形態に係るダブルロータ型の回転電機の作用効果を、図１の磁極Ｐ１の部分のステータについての拡大図を用いて示す図である。 図２と同様の図で、比較例を示す図である。 図２と同様の図で、他の比較例を示す図である。

以下に図面を用いて実施の形態につき詳細に説明する。以下では、ステータコイルの巻回方法として分布巻を述べるが、ステータコイルによって生成される磁束がティースを流れる例示であって、場合によっては、集中巻であってもよい。以下で述べる形状、寸法、ティース及びスロットの数、ロータの磁極数等は、説明のための例示であって、回転電機の仕様に合わせ、適宜変更が可能である。以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、ダブルロータ型の回転電機１０の構成を示す図である。以下では、特に断らない限り、ダブルロータ型の回転電機１０を、回転電機１０と呼ぶ。回転電機１０は、固定子であるステータ２０と、ステータ２０の外周側に所定の間隔を隔てて配置されるアウターロータ５０と、ステータ２０の内周側に所定の間隔を隔てて配置されるインナーロータ６０とを含んで構成される。アウターロータ５０とインナーロータ６０は回転子である。回転電機１０は、図示しない駆動回路の制御によって駆動され、ステータ２０を挟んで、アウターロータ５０とインナーロータ６０とが一体となって回転する三相同期型の回転電機である。

ステータ２０は円環状の磁性体部品で、ステータコア２２と、ステータコイル４０とを含む。図１に、径方向と周方向と軸方向とを示す。径方向は、ステータ２０の中心位置Ｃとステータ２０の外周側とを結ぶ放射状の方向で、中心位置Ｃ側が内周側の方向で、ステータ２０の外周側が外周側の方向である。周方向は、中心位置Ｃを中心に円周方向に沿った方向である。軸方向は、中心位置Ｃに設けられるインナーロータ６０の中心穴６６に取り付けられるロータ軸が延びる方向で、図１における紙面に垂直な方向である。

ステータコア２２は、円環状のセンターヨーク２４、センターヨーク２４から外周側と内周側とにそれぞれ同数で突き出す外周側ティース２６と内周側ティース２８とを有する。隣接する外周側ティース２６の間の空間が外周側スロット３０であり、隣接する内周側ティース２８の間の空間が内周側スロット３２である。

外周側ティース２６と内周側ティース２８とは、センターヨーク２４を挟んで一対として配置され、同様に、外周側スロット３０と内周側スロット３２もセンターヨーク２４を挟んで一対として配置される。センターヨーク２４を挟んで一対として配置される、とは、中心位置Ｃを通る同じ径方向上に一対として配置されることを意味する。外周側ティース２６の数と外周側スロット３０の数と、内周側ティース２８の数と内周側スロット３２の数は、同数で、３の倍数の２４である。

ステータコア２２は、センターヨーク２４と外周側ティース２６と内周側ティース２８とを一体として含み、外周側スロット３０と内周側スロット３２とが形成される所定の形状に成形された円環状の磁性体薄板を所定枚数で軸方向に積み重ねた積層体である。磁性体薄板の両面には電気的な絶縁処理が施される。磁性体薄板の材質としては、珪素鋼板の一種である電磁鋼板を用いることができる。磁性体薄板の積層体に代えて、磁性粉末を一体化成形したものをステータコア２２としてもよい。

ステータコイル４０は、外周側スロット３０に挿入されて外周側ティース２６に巻回される外周側コイル４２と、内周側スロット３２に挿入されて内周側ティース２８に巻回される内周側コイル４４とを有する。

外周側コイル４２と内周側コイル４４とは、共に、三相の分布巻コイルである。外周側コイル４２は、１つの相巻線が複数の外周側ティース２６に跨って巻回されて形成され、内周側コイル４４は、１つの相巻線が複数の内周側ティース２８に跨って巻回されて形成される。

外周側ティース２６と内周側ティース２８、外周側スロット３０と内周側スロット３２は、共にセンターヨーク２４を挟んで一対として配置されるので、外周側コイル４２と内周側コイル４４もセンターヨーク２４を挟んで一対として配置される。

図１にステータコイル４０の一部の巻回を示す。外周側スロット３０と内周側スロット３２の対について付したＵ，Ｖ，Ｗは、外周側スロット３０と内周側スロット３２に挿入される巻線の相を示す。このように、センターヨーク２４を挟んで対を成す外周側スロット３０と内周側スロット３２には、同相の巻線が挿入される。

外周側コイル４２のＵ相巻線を例とすると、Ｕと付された外周側スロット３０に挿入され、その挿入された外周側スロット３０から周方向に沿って延びて３スロット分隔てた次のＵと付された外周側スロット３０に挿入され、これを繰り返して形成される。外周側コイル４２と対を成す内周側コイル４４のＵ相巻線も同様に、Ｕと付された内周側スロット３２に挿入された後、周方向に沿って延びて３スロット分隔てた次のＵと付された内周側スロット３２に挿入され、これを繰り返して形成される。挿入の方向は、対となる外周側コイル４２と内周側コイル４４とで同方向である。図１では、挿入の方向として、紙面の向こう側から手前側に挿入される方向を丸印の中に黒丸を入れたマークで示し、紙面の手前側から向こう側に挿入される方向を丸印の中にＸ印を入れたマークで示す。Ｖ相巻線、Ｗ相巻線も同様の巻回方法で形成される。

センターヨーク２４を挟んで対を成す外周側コイル４２と内周側コイル４４は同相のコイルであり、さらに、外周側スロット３０と内周側スロット３２に巻線が挿入される方向も同方向である。巻線に対するこの巻回設定により、対を成す外周側ティース２６と内周側ティース２８とに、同方向の磁束が流れる。その詳細については、図２を用いて後述する。

アウターロータ５０は、ステータ２０の外周側に所定の磁気ギャップ３４を隔てて同心状に配置される円環状の外周側の回転子である。アウターロータ５０は、アウターロータコア５２と、磁極５４とを有する。磁極５４は、Ｎ極またはＳ極で、周方向に沿い、Ｎ．Ｓ，Ｎ，Ｓ・・・と交互に配置される。

インナーロータ６０は、ステータ２０の内周側に所定の磁気ギャップ３６を隔てて同心状に配置される円環状の内周側の回転子である。磁気ギャップ３６は、アウターロータ５０の磁気ギャップ３４と同じ隙間間隔であってもよく、異なる隙間間隔であってもよい。インナーロータ６０は、インナーロータコア６２と、磁極６４と、中心穴６６とを有する。中心穴６６には、回転電機１０の出力軸であるロータ軸が取り付けられ固定される。中心穴６６の中心位置Ｃは、ステータ２０の中心位置Ｃでもある。磁極６４は、Ｎ極またはＳ極で、周方向に沿い、Ｎ，Ｓ，Ｎ，Ｓ・・・と交互に配置される。

アウターロータ５０と、インナーロータ６０とは、共に磁極数が８で、アウターロータ５０の磁極５４とインナーロータ６０の磁極６４とは、中心位置Ｃについて対を成して配置され、磁極５４と磁極６４とについて周方向の配置に関する位相差はゼロである。磁極数が８であるので、中心位置Ｃから見た１磁極分の周方向に沿った見込み角度φは４５度である。図１において、８個の磁極にそれぞれＰ１からＰ８を付した。Ｐ１〜Ｐ８の各磁極は、配置位置と極性とが異なるのみで、構成は同じである。

磁極５４，６４の形成方法は、永久磁石を用いてもよく、突極やスリットによるリラクタンスの異方性を用いてもよく、これらを組み合わせた埋込磁石型としてもよい。

上記では、アウターロータ５０とインナーロータ６０の磁極数を８とし、ステータ２０において外周側スロット３０と内周側スロット３２の数を２４としたが、これは説明のための例示であり、回転電機１０の仕様により適宜変更が可能である。

ここで、ステータ２０を外部の取付部に固定する固定方法について述べる。ステータ２０は、外周側にアウターロータ５０、内周側にインナーロータ６０が配置される。アウターロータ５０とインナーロータ６０とは回転体であるので、一般的な回転電機のように、ステータコアをそのままモータケースに取り付けることが困難である。そこで、ステータ２０のセンターヨーク２４に締結用穴７０を設ける。締結用穴７０は、センターヨーク２４を軸方向に貫通する穴である。この締結用穴７０の一方側から、固定手段６８としての締結用ボルトを挿入し、他方側におねじ部を突出させ、突出させたおねじ部を外部の取付部に設けためねじ部にねじ込んで係合させる。図１では、一部の締結用穴７０に、それぞれ配置された固定手段６８を図示した。これによって、ステータ２０は、外部の取付部に固定される。固定手段６８を締結用穴７０に係合する方法は、ねじ機構に代えて、圧入軸等を用いてもよい。図１では、外周側スロット３０及び内周側スロット３２と同数の締結用穴７０としたが、固定が十分に行える範囲で、これより少ない数とできる。

締結用穴７０は、センターヨーク２４を挟んで対を成す外周側スロット３０と内周側スロット３２との間に設けられる。締結用穴７０は、分布巻された巻線に駆動電流を流すことで生成される磁束がステータ２０を流れるときに、磁気抵抗とならない位置に配置される。具体的には、外周側ティース２６の周方向に沿った幅と、内周側ティース２８の周方向に沿った幅のそれぞれを径方向に延長したときのセンターヨーク２４における幅領域７２（図２参照）の外側に設けられる。その詳細については後述する。

上記構成の作用効果、特に、締結用穴７０の配置の作用効果について、２つの比較例との比較を含め、図２から図４を用いて詳細に説明する。

図２は、磁極Ｐ１の部分のステータ２０についての拡大図である。図２に示すように、外周側ティース２６の径方向に沿った長さは、内周側ティース２８の径方向に沿った長さよりも短い。これは、ステータコイル４０において、対を成す外周側コイル４２の外周側ティース２６への巻数と、内周側コイル４４の内周側ティース２８への巻数を同じとするために、外周側スロット３０の空間と内周側スロット３２の空間とを同じとするためである。

締結用穴７０は、センターヨーク２４を挟んで対をなす外周側スロット３０と内周側スロット３２の間に設けられる。換言すれば、外周側ティース２６の周方向に沿った幅と、内周側ティース２８の周方向に沿った幅のそれぞれを延長したときのセンターヨーク２４における幅領域７２の外側に締結用穴７０が設けられる。これは、締結用穴７０の配置位置のみならず、締結用穴７０の外径が、幅領域７２の内部に侵入しないことを含む。

図２において、ステータコイル４０に駆動電流を流すことでステータ２０に生成される磁束８０，８２を示す。磁束８０，８２は、外周側ティース２６と内周側ティース２８に同方向の磁束が連続するように流れる。これは、外周側スロット３０に挿入される巻線と内周側スロット３２に挿入される巻線とが同相であって、かつ、挿入方向が同じであるためである。磁束８０，８２は、締結用穴７０に全く懸らないので、締結用穴７０は、磁束８０，８２に対する磁気抵抗とならない。これによって、回転電機１０が出力できるトルクが締結用穴７０に起因する磁気抵抗によって低下することを抑制できる。

図３の比較例において、図２との相違は、センターヨーク２４において、外周側ティース２６と内周側ティース２８を結ぶ領域に締結用穴７１が配置されることである。この場合、外周側ティース２６と内周側ティース２８に流れる磁束８１，８３は、締結用穴７１の磁気抵抗によって流れが阻害される。このため、回転電機１０が出力できるトルクが締結用穴７１に起因する磁気抵抗によって低下する。

図４の比較例においては、図２と異なり、ステータコイルの巻回方法が分布巻でなく、センターヨーク２４に巻回されるトロイダル巻である。トロイダル巻の場合、外周側スロット３０に挿入される巻線と内周側スロット３２に挿入される巻線とは同相であるが、挿入方向が互いに逆方向となる。図４に示すように、トロイダル巻によって生成される磁束８４，８６，８８は、センターヨーク２４を通って流れる。締結用穴７０は、図２と同じ配置で、センターヨーク２４を挟んで対をなす外周側スロット３０と内周側スロット３２の間に設けられる。したがって、トロイダル巻によって生成される磁束８４，８６，８８は、締結用穴７０の磁気抵抗によって流れが阻害される。このため、回転電機１０が出力できるトルクが締結用穴７０に起因する磁気抵抗によって低下する。

図３、図４の比較例と異なり、図１の構成の回転電機１０によれば、図２に示すように、締結用穴７０は、磁束８０，８２に対する磁気抵抗とならない。

本実施の形態に係るダブルロータ型の回転電機１０は、ステータ２０を備える。ステータ２０は、円環状のセンターヨーク２４、センターヨーク２４から外周側と内周側とにそれぞれ同数で突き出す外周側ティース２６と内周側ティース２８とを有するステータコア２２を含む。また、ステータ２０は、外周側ティース２６に巻回される外周側コイル４２と内周側ティース２８に巻回される内周側コイル４４を含む。回転電機１０は、さらに、ステータ２０の外周側に所定の間隔を隔てて配置されたアウターロータ５０と、ステータ２０の内周側に所定の間隔を隔てて配置されたインナーロータ６０とを備える。回転電機１０は、さらに、隣接する外周側ティース２６の間の外周側スロット３０、及び、隣接する内周側ティース２８の間の内周側スロット３２の間に設けられた締結用穴７０に係合してステータ２０を外部の取付部に固定する固定手段６８を備える。ここで、センターヨーク２４を挟んで一対として配置された外周側コイル４２と内周側コイル４４は、同相のコイルであり、それぞれに印加される駆動電流の方向は、対応する外周側ティース２６と内周側ティース２８に同方向の磁束が流れるように設定される。また、締結用穴７０は、外周側ティース２６の幅と内周側ティース２８の幅のそれぞれを延長したときのセンターヨーク２４における幅領域７２の外側に設けられる。

上記構成によれば、ステータ２０を外部の取付部に固定するための固定手段６８が係合する締結用穴７０は、外周側ティース２６及び内周側ティース２８の幅を延長した幅領域７２を外してセンターヨーク２４に設けられる。これによって、外周側ティース２６と内周側ティース２８における磁束８０，８２の流れを妨げない。これによって、ステータ２０に設けられる締結用穴７０によるトルクの低下を抑制でき、回転電機の小型化を図ることができる。

１０ （ダブルロータ型の）回転電機、２０ ステータ、２２ ステータコア、２４ センターヨーク、２６ 外周側ティース、２８ 内周側ティース、３０ 外周側スロット、３２ 内周側スロット、３４，３６ 磁気ギャップ、４０ ステータコイル、４２ 外周側コイル、４４ 内周側コイル、５０ アウターロータ、５２ アウターロータコア、５４，６４ 磁極、６０ インナーロータ、６２ インナーロータコア、６６ 中心穴、６８ 固定手段、７０，７１ 締結用穴、７２ 幅領域、８０，８１，８２，８３，８４，８６，８８ 磁束。

Claims (1)

1. 円環状のセンターヨーク、前記センターヨークから外周側と内周側とにそれぞれ同数で突き出す外周側ティースと内周側ティース、及び、前記外周側ティースに巻回される外周側コイルと前記内周側ティースに巻回される内周側コイルを有するステータと、
   前記ステータの外周側に所定の間隔を隔てて配置されたアウターロータと、
   前記ステータの内周側に所定の間隔を隔てて配置されたインナーロータと、
   隣接する前記外周側ティースの間の外周側スロット、及び、隣接する前記内周側ティースの間の内周側スロットの間に設けられた締結用穴に係合して前記ステータを外部の取付部に固定する固定手段と、
   を備え、
   前記センターヨークを挟んで一対として配置された前記外周側コイルと前記内周側コイルは、同相のコイルであり、それぞれに印加される駆動電流の方向は、対応する前記外周側ティースと前記内周側ティースに同方向の磁束が流れるように設定され、
   前記締結用穴は、前記外周側ティースの幅と前記内周側ティースの幅のそれぞれを延長したときの前記センターヨークにおける幅領域の外側に設けられる、ダブルロータ型の回転電機。

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