JP5904188B2 - マルチギャップ型回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、産業用、自動車用などの様々な用途に適用可能であり、とりわけ、ハイブリッド自動車の走行用モータに用いて好適なマルチギャップ型回転電機に関する。

従来、小型で高出力なモータとして、磁石によるマグネットトルクに加えて、鉄心吸引力であるリラクタンストルクを活用できるＩＰＭモータ（磁石埋め込み型モータ）が広く知られている。このＩＰＭモータにおいて、図８に示すように、ロータ１００の内径側と外径側とに内側ステータ１１０と外側ステータ１２０を配置したダブルステータ型モータがある。
例えば、特許文献１に開示されたダブルステータ型モータは、内側ステータ１１０に対向するロータ鉄心１０１の内周側に内側磁石１３０、外周側に外側磁石１４０がそれぞれ埋設されて、周方向に隣り合う磁石磁極間に内側ロータ突極１０２、外側ロータ突極１０３が形成されている。

特開２００７−２６１３４２号公報

ところが、特許文献１のモータは、以下の理由により実用化には課題がある。
ａ）ロータ鉄心１０１に埋設される永久磁石（内側磁石１３０、外側磁石１４０）、とりわけ磁極端部（周方向の両端部）における局所減磁が生じやすい。
ｂ）ロータ１００の内外に内側ステータ１１０と外側ステータ１２０とを配置するダブルステータ型モータの場合、外側磁石１４０に比べて内側磁石１３０がより減磁しやすい。

本願発明者は、上記問題点を考察した結果、次の根本的原因があることに気づいた。
上記ａ）の最も大きな要因は、内側磁気回路の磁束と外側磁気回路の磁束とが合流して流れるロータヨークにおいて磁気飽和を起こしやすいため磁石内部へ磁気漏れを生じ、その結果、磁石に大きな反磁界が掛かることにある。
磁気飽和を起こしやすい理由は、図８に太線矢印で示すように、リラクタンストルクを発生するｑ軸磁束（図９参照）と、マグネットトルクを発生するｄ軸磁束（図１０参照）とが最も集中する磁石磁極の端部付近においてロータヨーク幅Ｗが狭いためである。
また、局所減磁を引き起こすその他の理由は、磁石磁極間のロータ突極１０２、１０３で磁気飽和を起こしやすいため磁気漏れを生じ、その結果、ロータ突極近傍の磁極端部に大きな反磁界が掛かることにある。磁気飽和を起こしやすい理由は、図９に示すように、ｑ軸磁束が磁石磁極間の狭いロータ突極１０２、１０３に集中して流れるためである。

上記ｂ）の要因は、ダブルステータ型モータでは、外側磁気回路に比べ内側磁気回路の方が磁気飽和を起こしやすいため磁気漏れを生じ、その結果、内側磁石１３０の近傍に大きな反磁界が掛かることにある。磁気飽和を起こしやすい理由は、ロータ１００の外径側に配置される外側ステータ１２０に対し、ロータ１００の内径側に配置される内側ステータ１１０の占有面積が狭くなるためである。つまり、外側ステータ１２０と同等のスロット面積を内側ステータ１１０に確保しようとすると、内側ステータ１１０のティース幅が細くならざるを得ないためである。
ここで、そもそも磁石減磁が生じる原因は、磁石の保持力（磁石厚さに比例）に対し反磁界が大きいためである。従って、磁石減磁の対処法として有効なのは、磁石厚さを増加させることである。しかしダブルステータ型モータにおいて、その方式を採用すると、ロータヨークあるいは内外いずれかのステータのバックヨークが狭くなり、磁気飽和を起こしてモータ性能を低下させてしまうという結果になる。

本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、第１の目的として、性能を低下させることなくロータ磁極端部における磁石の減磁を防ぐこと、第２の目的として、外側磁石に対し内側磁石の減磁耐力を向上させることのできるマルチギャップ型回転電機を提供することにある。

（請求項１に係る発明）
本発明は、回転軸と同心に配置されて回転軸と一体に回転する環状のロータと、このロータの内径側にギャップを有して配置され、内側ステータ鉄心に内側ステータ巻線を巻装して構成される内側ステータと、ロータの外径側にギャップを有して配置され、外側ステータ鉄心に外側ステータ巻線を巻装して構成される外側ステータとを有し、ロータは、軟磁性材料によって形成されるロータ鉄心と、このロータ鉄心の内周側に埋設されて内側ロータ磁極を形成する内側磁石と、ロータ鉄心の外周側に埋設されて外側ロータ磁極を形成する外側磁石とを有し、ロータ鉄心は、周方向に隣り合う内側ロータ磁極間および外側ロータ磁極間にそれぞれロータ内側突極およびロータ外側突極を形成するマルチギャップ型回転電機であって、内側ロータ磁極および外側ロータ磁極の周方向の両端部をそれぞれ磁極端部と呼び、内側磁石および外側磁石の径方向厚さをそれぞれ磁石厚さと呼び、内側磁石の外周側の表面および外側磁石の内周側の表面をそれぞれ反ステータ側表面と呼ぶ時に、内側磁石と外側磁石の両方またはどちらか一方は、磁極端部での磁石厚さが周方向の中央側から周方向端に向かって次第に小さくなるように反ステータ側表面が傾斜して設けられ、内側ステータ鉄心の軸方向長さが外側ステータ鉄心の軸方向長さより小さく形成され、ロータ内側突極の周方向幅がロータ外側突極の周方向幅より大きく形成されることを特徴とする。

本発明のマルチギャップ型回転電機は、内側磁石と外側磁石の両方またはどちらか一方において、磁石の反ステータ側表面を傾斜させることで磁極端部での磁石厚さが周方向の中央側から周方向端に向かって次第に小さくなっている。すなわち、内側ロータ磁極と外側ロータ磁極との間に共有の磁路を形成するロータヨークの径方向幅が内側ロータ磁極および外側ロータ磁極の周方向の中央側から周方向端に向かって次第に大きく（広く）なっている。これにより、磁極端部付近でのロータヨークにおいて磁気飽和を抑制できるので、磁石への磁気漏れを防ぐことができ、その結果、磁極端部における磁石の局所減磁を防止できる。

実施例１に係るモータの磁気回路を示す周方向１／４断面図である。 実施例１に係るロータの一部断面図である。 実施例１に係るモータの構成を示す縦断面図である。 内外ステータ巻線をインバータに接続した結線図である。 実施例２に係るロータの一部断面図である。 実施例３に係るロータの一部断面図である。 実施例４に係るモータの構成を示す縦断面図である。 従来技術に係るモータ磁気回路の一部を示す断面図である。 従来技術に係るｑ軸磁束の流れを示すロータの一部断面図である。 従来技術に係るｄ軸磁束の流れを示すロータの一部断面図である。

本発明を実施するための形態を以下の実施例により詳細に説明する。

（実施例１）
実施例１では、本発明のマルチギャップ型回転電機をハイブリッド自動車の走行用モータ（以下、モータ１と言う）に適用した一例を説明する。
モータ１は、図３に示す様に、ロータ保持部材２を介してシャフト３に支持される環状のロータ４と、このロータ４の内径側にギャップを有して配置される内側ステータ５と、ロータ４の外径側にギャップを有して配置される外側ステータ６とを備える。
シャフト３は、本発明の回転軸であり、両端部がそれぞれ軸受７を介してモータハウジング８に回転自在に支持される。

ロータ保持部材２は、例えば、非磁性ＳＵＳ材によって形成される円筒ボス部２ａと、この円筒ボス部２ａの一方の端部より外径方向へ延設されるディスク部２ｂとを有し、円筒ボス部がシャフト３の外周に嵌合してシャフト３と一体に回転する。
ロータ４は、図１に示す様に、ロータ鉄心４ａと、このロータ鉄心４ａの内周側に埋設されて内側ロータ磁極を形成する内側磁石９と、ロータ鉄心４ａの外周側に埋設されて外側ロータ磁極を形成する外側磁石１０とで構成される。なお、図１はモータ１の磁気回路を示す断面図であるが、断面を表示するハッチングは省略している。

ロータ鉄心４ａは、例えば、電磁鋼板をプレスで円環状に打ち抜いた複数枚のコアシートを積層して構成され、その積層方向に挿通されるリベットまたはスルーボルト等の締結部材（図示せず）により連結されてディスク部２ｂに固定される（図３参照）。
このロータ鉄心４ａには、図２（ａ）に示すように、周方向に隣り合う内側ロータ磁極（内側磁石９）同士の間にロータ内側突極４ｂが形成され、周方向に隣り合う外側ロータ磁極（外側磁石１０）同士の間にロータ外側突極４ｃが形成される。
ロータ内側突極４ｂとロータ外側突極４ｃは、ロータ鉄心４ａの周方向において同位置に形成され、且つ、ロータ内側突極４ｂの周方向幅４ｂｗの方がロータ外側突極４ｃの周方向幅４ｃｗより大きく形成される。
また、内側ロータ磁極（内側磁石９）と外側ロータ磁極（外側磁石１０）との間には、内側磁束と外側磁束とが合流して流れるロータヨーク４ｄが環状に形成される。なお、内側磁束とは、内側ステータ５との間でロータ内側突極４ｂを通じてロータ鉄心４ａを流れる磁束であり、外側磁束とは、外側ステータ６との間でロータ外側突極４ｃを通じてロータ鉄心４ａを流れる磁束である。

ロータ鉄心４ａの内周側には、内側磁石９を挿入するための内側磁石挿入孔１１が形成され、ロータ鉄心４ａの外周側には、外側磁石１０を挿入するための外側磁石挿入孔１２が形成される。但し、外側磁石挿入孔１２は、ロータ鉄心４ａの外周側が閉じた孔形状に形成されるのに対し、内側磁石挿入孔１１は、ロータ鉄心４ａの内周側が開口した凹溝形状に形成される。すなわち、外側磁石１０は、周囲が囲まれた状態で外側磁石挿入孔１２に挿入される磁石埋設型であるのに対し、内側磁石９は、径方向の内周面が露出した状態で内側磁石挿入孔１１に挿入される、いわゆるインセット型と呼ばれる構造を採用している。なお、本発明では、インセット型も含めて「磁石埋設型」と定義する。
内側磁石９と外側磁石１０は、図１に矢印で示す様に、ロータ４の径方向に対向する互いの磁極が同極を有し、且つ、内側ロータ磁極と外側ロータ磁極の磁界の向きが周方向で交互に異なるように着磁される。

内側ステータ５は、図１に示す様に、複数の内側スロット５ａが周方向に等間隔に形成される内側ステータ鉄心５ｂと、この内側ステータ鉄心５ｂに巻装（例えば全節巻）される三相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）の内側ステータ巻線５ｃとで構成される。
外側ステータ６は、図１に示す様に、複数の外側スロット６ａが周方向に等間隔に形成される外側ステータ鉄心６ｂと、この外側ステータ鉄心６ｂに巻装（例えば全節巻）される三相（Ｘ、Ｙ、Ｚ）の外側ステータ巻線６ｃとで構成される。
また、内側ステータ５と外側ステータ６は、互いのスロット数が同数である。

内側ステータ巻線５ｃと外側ステータ巻線６ｃは、例えば、図４に示す様に、互いの相巻線同士がそれぞれ直列に接続されて星型結線され、反中性点側の各相端部がインバータ１３に接続される。インバータ１３は、ロータ４の回転位置を検出するロータ位置検出センサ（図示せず）の検出情報を基に、電子制御装置であるＥＣＵ（図示せず）によって制御され、直流電源Ｂの電力を交流電力に変換して内側ステータ巻線５ｃおよび外側ステータ巻線６ｃに供給する。
上記の内側ステータ５と外側ステータ６は、インバータ１３を通じて内側ステータ巻線５ｃおよび外側ステータ巻線６ｃが励磁されると、円周方向の同一位置でロータ４を挟んで径方向に対向する互いの磁極同士が同一極性となるように巻線起磁力を生成する。

次に、請求項１に係る本発明の特徴を有する内側磁石９および外側磁石１０について図２を参照して説明する。なお、図２は内側ロータ磁極と外側ロータ磁極を含むロータ４の一部断面図であるが、断面を表示するハッチングは省略している。
まず、内側磁石９および外側磁石１０の各所を以下の通り定義する。
ａ)内側ロータ磁極および外側ロータ磁極の周方向の中央部を磁極中央と呼び、その磁極中央での内側磁石９の厚さをＰ１と表記し、外側磁石１０の厚さをＰ３と表記する。
ｂ)内側ロータ磁極および外側ロータ磁極の周方向の両端部を磁極端部と呼び、その磁極端部での内側磁石９の厚さをＰ２と表記し、外側磁石１０の厚さをＰ４と表記する。
ｃ)内側磁石９の外周側の表面および外側磁石１０の内周側の表面すなわちロータヨーク側の表面をそれぞれ反ステータ側表面と呼ぶ。
実施例１の内側磁石９と外側磁石１０は、それぞれＰ１＞Ｐ２、Ｐ３＞Ｐ４の関係を有し、且つ、図２（ａ）に示すように、Ｐ２、Ｐ４が磁極中央側から周方向端に向かって次第に小さくなるように反ステータ側表面が傾斜している。

（実施例１の作用および効果）
実施例１のモータ１は、ロータ鉄心４ａの内周側に内側磁石９が埋設され、外周側に外側磁石１０が埋設された磁石埋設型ロータ４を採用しているので、マグネットトルクとリラクタンストルクの双方を活用できる。
また、ロータ４は、内側ロータ磁極および外側ロータ磁極の磁極端部において、内側磁石９および外側磁石１０の反ステータ側表面を傾斜させることで、磁石厚さＰ２、Ｐ４が磁極中央側から周方向端に向かって次第に小さくなっている。言い換えると、内側ロータ磁極と外側ロータ磁極との間に共有の磁路を形成するロータヨーク４ｄの径方向幅が、内側ロータ磁極および外側ロータ磁極の周方向端に向かって次第に大きく（広く）なっている。これにより、図２（ｂ）に太線矢印で示すように、リラクタンストルクを発生するｑ軸磁束とマグネットトルクを発生するｄ軸磁束とが最も集中する磁極端部付近でのロータヨーク４ｄにおいて磁気飽和を抑制できる。その結果、内側磁石９および外側磁石１０への磁気漏れを防ぐことができるので、モータ性能を低下させることなく、磁極端部における内側磁石９および外側磁石１０の局所減磁を防止できる。

以下、本発明に係る実施例２〜４を説明する。
なお、実施例１と共通する符号は実施例１と同一部品あるいは同一機能を有するものであり、説明は実施例１を参照する。
（実施例２）
この実施例２は、図５（ａ）に示すように、外側ロータ磁極において外側磁石１０のステータ側表面と周方向端面とが交差する角部に面取りが形成されている。なお、外側磁石１０のステータ側表面とは、実施例１に記載した反ステータ側表面と反対側の表面、つまり、外側磁石１０の外周側の表面である。

また、ロータ鉄心４ａに形成された外側磁石挿入孔１２には、面取りされた外側磁石１０の角部との間に空間Ｓが設けられている。
この実施例２の構成では、外側磁石挿入孔１２に設けられる空間Ｓが磁気的ギャップとして作用するため、図５（ｂ）に示すように、外側磁石１０に掛かる反磁界強度（図中に破線矢印で示す磁束）を低減することができる。その結果、磁極端部における外側磁石１０の減磁をさらに抑制できる。なお、面取りされた外側磁石１０の角部に対応して外側磁石挿入孔１２に空間Ｓを設ける代わりに、その空間Ｓにアルミニウムや樹脂等の非磁性物質を配設することも可能である。

（実施例３）
この実施例３は、図６（ａ）に示すように、外側磁石挿入孔１２の内周側と外周側とを連結して外側磁石挿入孔１２を周方向に二分割するブリッジ１３を設けた事例である。この場合、外側ロータ磁極を形成する外側磁石１０は、ブリッジ１３によって分割された二か所の外側磁石挿入孔１２に分かれて挿入される。言い換えると、外側ロータ磁極は、ブリッジ１３で分割された二か所の外側磁石挿入孔１２に挿入される２個一組の外側磁石１０によって形成される。
この実施例３の構成では、図６（ｂ）に示すように、外側磁束がブリッジ１３を通過して内側磁石９に加わる反磁界と対抗するため、内側磁石９における減磁を低減できる。

また、ロータ鉄心４ａに外側磁石挿入孔１２を分割するブリッジ１３を設けることで、ロータ４の耐遠心力強度を高めることができる。つまり、ロータ４の回転により外側磁石１０に遠心力が作用した時に、外側磁石１０の外周面（ステータ側表面）を覆っているロータ鉄心４ａの薄肉部（外側磁石挿入孔１２の外周側）が外側磁石１０に押されて径方向の外側へ膨らむことを防止できる。これにより、ロータ４の外周が外側ステータ６の内周と接触することを回避でき、ロータ４と外側ステータ６との間の磁気ギャップを均一に維持できる。

（実施例４）
この実施例４は、三面ギャップ型モータ１の一例である。
三面ギャップ型モータ１は、図７に示す様に、ロータ４の反ディスク部側（図示左側）の端面にギャップを有して対向する側面ステータ１４を備える。この側面ステータ１４は、内側ステータ鉄心５ｂと外側ステータ鉄心６ｂとに連結される側面ステータ鉄心１４ａと、この側面ステータ鉄心１４ａに巻装（例えば全節巻）されて内側ステータ巻線５ｃと外側ステータ巻線６ｃとを直列に接続する側面ステータ巻線１４ｂとを備える。
また、内側ステータ鉄心５ｂの軸方向長さ（図示左右方向の寸法）は、外側ステータ鉄心６ｂの軸方向長さ（図示左右方向の寸法）より小さい。
ロータ４の構成は実施例１と同じであり、ロータ内側突極４ｂの周方向幅４ｂｗの方がロータ外側突極４ｃの周方向幅４ｃｗより大きく形成される（図２参照）。
この三面ギャップ型モータ１は、ロータ４とステータ５、６、１４との間で三面に磁気ギャップを形成するので、実施例１〜３の何れかに記載した事例を適用することにより、さらなるトルクアップが可能である。

（変形例）
実施例１では、内側ロータ磁極と外側ロータ磁極の両方に請求項１に記載した構成を適用している。つまり、内側磁石９と外側磁石１０の両方に磁極端部の反ステータ側表面を傾斜させているが、内側磁石９と外側磁石１０のどちらか一方のみ磁極端部の反ステータ側表面を傾斜させても良い。
実施例２では、外側磁石１０の角部に面取りを設けた事例を記載したが、外側磁石１０だけでなく、内側磁石９の角部に面取りを設けることもできる。この場合、面取りされた内側磁石９の角部に対応して内側磁石挿入孔１１に空間を設ける、あるいはアルミニウムや樹脂等の非磁性物質を配設することは外側ロータ磁極の場合と同じである。
実施例３では、外側磁石挿入孔１２をブリッジ１３によって二分割した事例を記載したが、外側磁石挿入孔１２を２本以上のブリッジ１３により分割することも出来る。

１ モータ（マルチギャップ型回転電機）
３ シャフト（回転軸）
４ ロータ
４ａ ロータ鉄心
４ｂ ロータ内側突極
４ｃ ロータ外側突極
５ 内側ステータ
６ 外側ステータ
９ 内側磁石（内側ロータ磁極）
１０ 外側磁石（外側ロータ磁極）
１３ ブリッジ

Claims (4)

1. 回転軸（３）と同心に配置されて前記回転軸（３）と一体に回転する環状のロータ（４）と、
   このロータ（４）の内径側にギャップを有して配置され、内側ステータ鉄心（５ｂ）に内側ステータ巻線（５ｃ）を巻装して構成される内側ステータ（５）と、
   前記ロータ（４）の外径側にギャップを有して配置され、外側ステータ鉄心（６ｂ）に外側ステータ巻線（６ｃ）を巻装して構成される外側ステータ（６）とを有し、
   前記ロータ（４）は、軟磁性材料によって形成されるロータ鉄心（４ａ）と、このロータ鉄心（４ａ）の内周側に埋設されて内側ロータ磁極を形成する内側磁石（９）と、前記ロータ鉄心（４ａ）の外周側に埋設されて外側ロータ磁極を形成する外側磁石（１０）とを有し、前記ロータ鉄心（４ａ）は、周方向に隣り合う前記内側ロータ磁極間および前記外側ロータ磁極間にそれぞれロータ内側突極（４ｂ）およびロータ外側突極（４ｃ）を形成するマルチギャップ型回転電機（１）であって、
   前記内側ロータ磁極および前記外側ロータ磁極の周方向の両端部をそれぞれ磁極端部と呼び、
   前記内側磁石（９）および前記外側磁石（１０）の径方向厚さをそれぞれ磁石厚さと呼び、
   前記内側磁石（９）の外周側の表面および前記外側磁石（１０）の内周側の表面をそれぞれ反ステータ側表面と呼ぶ時に、
   前記内側磁石（９）と前記外側磁石（１０）の両方またはどちらか一方は、前記磁極端部での磁石厚さが周方向の中央側から周方向端に向かって次第に小さくなるように前記反ステータ側表面が傾斜して設けられ、
   前記内側ステータ鉄心（５ｂ）の軸方向長さが前記外側ステータ鉄心（６ｂ）の軸方向長さより小さく形成され、
   前記ロータ内側突極（４ｂ）の周方向幅が前記ロータ外側突極（４ｃ）の周方向幅より大きく形成されることを特徴とするマルチギャップ型回転電機。
2. 請求項１に記載したマルチギャップ型 回転電機（１）において、
   前記内側磁石（９）の内周側の表面および前記外側磁石（１０）の外周側の表面をそれぞれステータ側表面と呼ぶ時に、
   前記内側磁石（９）と前記外側磁石（１０）の両方またはどちらか一方は、前記磁極端部での前記ステータ側表面と周方向端面とが交差する角部に面取りが形成され、
   前記ロータ鉄心（４ａ）は、前記面取りされた前記内側磁石（９）、前記外側磁石（１０）の角部に非磁性部を有することを特徴とするマルチギャップ型回転電機。
3. 請求項２に記載したマルチギャップ型 回転電機（１）において、
   前記非磁性部は空間（Ｓ）であることを特徴とするマルチギャップ型回転電機。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載したマルチギャップ型 回転電機（１）において、
   前記ロータ鉄心（４ａ）は、径方向の外周側に磁石挿入孔（１２）を有すると共に、この磁石挿入孔（１２）の内周側と外周側とを連結して前記磁石挿入孔（１２）を周方向に分割する少なくとも１つ以上のブリッジ（１３）を有し、
   前記外側ロータ磁極は、前記ブリッジ（１３）によって分割された前記磁石挿入孔（１２）に挿入される前記外側磁石（１０）によって形成されることを特徴とするマルチギャップ型回転電機。