JP6048191B2 - マルチギャップ型回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、産業用および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、円盤状のロータとステータとを軸方向に対向配置して構成されるアキシャル型回転電機が知られている。例えば、特許文献１に開示されたアキシャル型回転電機は、回転軸に固定された円盤状のロータと、このロータの軸方向両側にそれぞれエアギャップを介して配置される一組の円環状ステータとを有して構成される。
ロータは、内部に永久磁石を埋設した永久磁石型ロータである。永久磁石は、ロータの周方向に等間隔に埋設されて軸方向に着磁され、且つ、同一平面上の極性が周方向で交互に異なる配置、つまり「Ｓ極」と「Ｎ極」とが交互に配置されている。
ステータは、ステータ鉄心に形成されたスロットを通ってステータ巻線が集中巻され、インバータよりステータ巻線に交流が印加されることで回転磁界を生成する。

特開２００５−９４９５５号公報

ところが、特許文献１の従来技術では、以下の理由によって出力密度を高めることが出来ない問題がある。
ａ）１極対の磁束ループに関して言えば、二つのステータと、四つの空隙（エアギャップ）を通る必要があるため、その磁路長が長くなって磁気抵抗が大きくなる。
ｂ）磁気抵抗が大きいことに起因して、所望の磁束を通過させるのに強力な起磁力を持つ磁石を配置する必要があり、且つ、二つのステータからの減磁界に耐え得る磁石が必要となるため、高価になる。
ｃ）ステータ巻線が短節巻であるため、ロータの磁極ピッチとステータ巻線が作る磁界の磁極ピッチが一致せず、リラクタンストルクを十分活用できない。
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、磁気回路の磁気抵抗を小さくでき、且つ、磁気飽和を抑制することによって出力密度を高めることが可能な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、回転軸と直交して配置される円盤状のロータ鉄心を有するロータと、このロータの軸方向両側にそれぞれエアギャップを介して配置される第１、第２のステータと、ロータの径方向外側にエアギャップを介して配置される第３のステータとを備え、第１、第２、および第３のステータは、互いのステータ鉄心が連結されて一体に設けられ、そのステータ鉄心にステータ巻線を巻装して構成され、第１、第２、および第３のステータは、それぞれロータの極数と同数の磁極数を有すると共に、第１、第２のステータは、ロータを挟んで軸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起磁力を発生し、ロータ鉄心の内径がステータ鉄心の内径より小さく形成されているマルチギャップ型回転電機であって、第３のステータのステータ巻線は、第１のステータのステータ巻線および第２のステータのステータ巻線と各相コイル同士が直列に接続されていることを特徴とする。

上記の構成によれば、第１のステータの起磁力と第２のステータの起磁力とがロータを挟んで対向関係にあるので、第１のステータより発生する磁束ループと、第２のステータより発生する磁束ループとが互いに独立して並列に形成される。この場合、一つの磁束ループに関して言えば、磁束が通過するエアギャップが二箇所となるため、先の特許文献１に開示された従来技術と比較すると、磁気回路の磁気抵抗が小さくなる。その結果、出力密度を高めることが可能である。
また、ロータ鉄心の内径がステータ鉄心の内径より小さく形成されているので、ロータ鉄心の内径側の磁路断面積を増大することができる。その結果、周方向に流れる磁束の通り道をより多く確保することができるので、磁気飽和を抑制でき、出力密度を高めることに寄与する。

さらに、請求項１に記載した回転電機は、ロータの径方向外側に第３のステータを配置しているので、ロータの外周面にも力の作用点が生まれる。また、第１、第２、および第３のステータは、互いのステータ鉄心が連結されて一体に設けられ、そのステータ鉄心にステータ巻線を巻装している。この場合、ステータ巻線のコイルエンドが第１、第２のステータの内径側だけに存在する、言い換えると、外径側のコイルエンドが無くなる。上記のように、ロータの径方向外側に第３のステータを配置することで、より出力密度を高めることができる。

実施例１に係るモータの断面図である。 実施例１に係る磁束の流れ（磁束ループ）を示すモータの断面図である。 実施例２に係る磁束の流れ（磁束ループ）を示すモータの断面図である。 （ａ）実施例２に係るロータの平面図、（ｂ）同図（ａ）に示すロータのＩＶ−ＩＶ断面図である。 （ａ）実施例３に係るロータの平面図、（ｂ）同図（ａ）に示すロータのＶ−Ｖ断面図である。 （ａ）実施例４に係るロータの平面図、（ｂ）同図（ａ）に示すロータのＶＩ−ＶＩ断面図である。 実施例５に係るモータの断面図である。 （ａ）実施例６に係るステータ内径側のコイルエンドを軸方向から見た図、（ｂ）同コイルエンドを内径側から見た図である。 実施例６に係るステータの側面図である。 （ａ）従来技術に係るステータ内径側のコイルエンドを軸方向から見た図、（ｂ）同コイルエンドを内径側から見た図である。 従来技術に係るステータの側面図である。

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の参考例として、アキシャルギャップ型モータの事例を説明する。
実施例１のモータ１は、図１に示す様に、シャフト２の外周に嵌合してシャフト２と一体に回転する円盤状のロータ３と、このロータ３の軸方向両側にそれぞれエアギャップを介して対向配置される第１のステータ４と第２のステータ５とを備える。
シャフト２は、一組のベアリング６を介してモータハウジング７に回転自在に支持されている。
ロータ３は、例えば、ロータ鉄心３ａの両側面（ステータとの対向面）にそれぞれ突極構造を有する突極型ロータである。

第１のステータ４と第２のステータ５は、それぞれ径方向の中央部が開口する円環状のステータ鉄心４ａ、５ａと、このステータ鉄心４ａ、５ａに巻装されるステータ巻線４ｂ、５ｂとで構成され、ステータ鉄心４ａ、５ａの反ロータ側端面がモータハウジング７に固定されている。
ステータ鉄心４ａ、５ａは、ロータ３との対向面に複数のスロット（図示せず）が周方向等ピッチに形成され、周方向に隣り合うスロット同士の間に半径方向に沿って放射状に延びるティース（図示せず）が設けられている。
ステータ巻線４ｂ、５ｂは、例えば、スター結線された三相コイルをステータ鉄心４ａ、５ａに全節巻すると共に、第１のステータ４と第２のステータ５の各相コイル同士が直列に接続されて、三相端子が図示しないインバータに接続される。

続いて、実施例１の特徴を説明する。
第１のステータ４と第２のステータ５は、それぞれロータ３の極数と同数の磁極数を有し、且つ、互いのステータ巻線４ｂ、５ｂにインバータより三相交流が供給されると、周方向の同位置でロータ３を挟んで軸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起磁力を発生する。すなわち、ロータ３を挟んで互いの起磁力が対向関係にある。
また、ロータ鉄心３ａとステータ鉄心４ａ、５ａとの寸法関係は、以下に記載する条件（Ａ）、条件（Ｂ）、条件（Ｃ）のいずれか一つの条件を満たしている。なお、両ステータ鉄心４ａ、５ａの内径および外径は同一寸法である。

条件（Ａ）…ロータ鉄心３ａの内径がステータ鉄心４ａ、５ａの内径以下であり、且つロータ鉄心３ａの外径がステータ鉄心４ａ、５ａの外径より大きい。
条件（Ｂ）…ロータ鉄心３ａの外径がステータ鉄心４ａ、５ａの外径以上であり、且つロータ鉄心３ａの内径がステータ鉄心４ａ、５ａの内径より小さい。
条件（Ｃ）…ロータ鉄心３ａの外径がステータ鉄心４ａ、５ａの外径より大きく、且つロータ鉄心３ａの内径がステータ鉄心４ａ、５ａの内径より小さい。
図１に示す実施例１のモータ１は、条件（Ｃ）を満たす事例である。

（実施例１の作用および効果）
実施例１のモータ１は、第１のステータ４の起磁力と第２のステータ５の起磁力とがロータ３を挟んで対向関係にある。すなわち、図２に示す様に、第１のステータ４より発生する磁束ループと、第２のステータ５より発生する磁束ループとが互いに独立して並列に形成される。この場合、一つの磁束ループに関して言えば、磁束が通過するエアギャップが二箇所となるため、先の特許文献１に開示された従来技術と比較すると、磁気回路の磁気抵抗が小さくなる。その結果、出力密度を高めることが可能である。
また、実施例１のモータ１は、第１のステータ４および第２のステータ５において、ステータ巻線４ｂ、５ｂが全節巻されるので、ステータ巻線４ｂ、５ｂが作る磁界の磁極ピッチとロータ３の磁極ピッチとが一致することにより、リラクタンストルクを十分に活用できる。

さらに、第１のステータ４および第２のステータ５は、それぞれ径方向の内外にステータ巻線４ｂ、５ｂのコイルエンドが存在するため、そのコイルエンドの高さ分だけ、ロータ３の径方向寸法を大きくすることが可能である。そこで、実施例１のロータ３は、ロータ鉄心３ａの外径がステータ鉄心４ａ、５ａの外径より大きく、且つロータ鉄心３ａの内径がステータ鉄心４ａ、５ａの内径より小さく形成される。つまり、上記の条件（Ｃ）を満たしている。これにより、ロータ鉄心３ａの内径側および外径側の両方で共に磁路断面積を増大できるので、周方向に流れる磁束の通り道をより多く確保できる。その結果、ロータ鉄心３ａの磁気飽和を抑制でき、出力密度を高めることに寄与する。

以下、他の実施例（実施例２〜６）を説明する。
実施例１と同一名称を使用する部品、機能、形状等については、実施例１と同一番号を付与し、重複する説明は省略する。
（実施例２）
この実施例２は、図４に示す様に、ロータ鉄心３ａに永久磁石８を埋設した永久磁石型ロータ３を使用した事例であり、第１のステータ４および第２のステータ５の構成は実施例１と同じである。なお、以下の説明では、第１のステータ４に対向するロータ鉄心３ａの軸方向一端側の表面を第１ロータ表面と呼び、第２のステータ５に対向するロータ鉄心３ａの軸方向他端側の表面を第２ロータ表面と呼ぶ。

ロータ３は、図４に示す様に、ロータ鉄心３ａの軸方向に所定の間隔を隔てて第１ロータ表面側と第２ロータ表面側とにそれぞれ同一の極対数（図４では４極対）を有する複数の永久磁石８が埋設される。ここで、第１ロータ表面側に埋設される永久磁石８を第１磁石８ａと呼び、第２ロータ表面側に埋設される永久磁石８を第２磁石８ｂと呼ぶ。
第１磁石８ａと第２磁石８ｂは、図４（ａ）に示す様に、それぞれ周方向に一定の間隔を有して配置され、且つ、互いの周方向位置が同一となる様に配置される。

この第１磁石８ａと第２磁石８ｂは、図４（ｂ）に示す様に、それぞれ軸方向に着磁されると共に、軸方向に対向する互いの磁極が同一極性を有し、且つ、同図（ａ）に示す様に、周方向に隣り合う磁石同士の極性が異なる。すなわち、複数の第１磁石８ａおよび複数の第２磁石８ｂは、それぞれ、第１ロータ表面側および第２ロータ表面側の極性が周方向に交互に「Ｓ極」と「Ｎ極」とが配置される。
なお、第１磁石８ａおよび第２磁石８ｂは、図４（ｂ）に示す様に、それぞれ軸方向外側の磁極面が第１ロータ表面および第２ロータ表面に露出した状態でロータ鉄心３ａに埋設される、いわゆるインセット型と呼ばれる構造を採用している。この実施例２では、上記のインセット型も含めて「埋設」と定義する。

この実施例２のモータ１は、ロータ鉄心３ａに永久磁石８を埋設しているので、リラクタンストルクに加えて永久磁石８によるマグネットトルクを利用できる。特に、第１磁石８ａと第２磁石８ｂは、ロータ鉄心３ａの軸方向に所定の間隔を隔てて配置される、つまり、第１磁石８ａと第２磁石８ｂとの間に磁束の通り道が確保されている。これにより、第１磁石８ａと第２磁石８ｂとの間をロータ鉄心３ａの周方向に磁束が通ることができるため、図３に示す様に、第１のステータ４により発生する磁束ループと第２のステータ５より発生する磁束ループの形成を阻害することなく、出力密度を高めることができる。

（実施例３）
この実施例３は、ロータ鉄心３ａに永久磁石８を埋設した他の第１事例である。
ロータ鉄心３ａには、実施例２と同様に、軸方向に所定の間隔を隔てて第１ロータ表面側と第２ロータ表面側とにそれぞれ同一の極対数を有する複数の永久磁石８が埋設される〔図５（ｂ）参照〕。実施例２と異なる点は、図５（ａ）に示す様に、第１ロータ表面側に埋設される第１磁石８ａおよび第２ロータ表面側に埋設される第２磁石８ｂがそれぞれ周方向に着磁されていることである。

また、第１磁石８ａと第２磁石８ｂは、周方向に隣り合う磁石同士で周方向に対向する互いの磁極が同一極性であり、且つ、周方向の同位置に配置される磁石同士は、周方向の極性が互いに同一である。
この実施例３では、第１磁石８ａおよび第２磁石８ｂが周方向に着磁され、且つ、周方向に対向する磁石同士の磁極が同一極性であるため、ロータ鉄心３ａの漏れ磁束を低減でき、高効率化を図ることが可能である。また、第１磁石８ａおよび第２磁石８ｂが周方向に着磁されることで、第１のステータ４および第２のステータ５からの反磁界を受ける力を弱められるため、減磁に耐え得る強力な磁石を大量に使用する必要がなく、コストを低く抑えることができる。

（実施例４）
この実施例４は、ロータ鉄心３ａに永久磁石８を埋設した他の第２事例である。
ロータ鉄心３ａには、実施例２と同様に、軸方向に所定の間隔を隔てて第１ロータ表面側と第２ロータ表面側とにそれぞれ同一の極対数を有する複数の永久磁石８が埋設される〔図６（ｂ）参照〕。
以下、実施例２と異なる点を説明する。
この実施例４に示すロータ３は、図６（ａ）に示す様に、周方向に隣り合う第１磁石８ａ同士の間および第２磁石８ｂ同士の間に非磁性領域９が形成されている。非磁性領域９として、ロータ鉄心３ａに空間を形成しても良いが、例えば、紙や樹脂あるいはアルミニウム等によって非磁性領域９を形成することもできる。

第１磁石８ａと第２磁石８ｂは、それぞれロータ鉄心３ａの半径方向に所定の間隔を隔てて内径側に配置される内側磁石８ａｉ、８ｂｉと外径側に配置される外側磁石８ａｏ、８ｂｏとを有している。その内側磁石８ａｉ、８ｂｉと外側磁石８ａｏ、８ｂｏは、図６（ａ）に示す様に、それぞれ径方向に着磁されると共に、その径方向に対向する互いの磁極が同一極性である。また、第１ロータ表面側と第２ロータ表面側とで周方向の同位置に配置される内側磁石８ａｉ、８ｂｉ同士および外側磁石８ａｏ、８ｂｏ同士は、それぞれ径方向の極性が同一である。
この実施例４の構成においても、ロータ鉄心３ａの内径側と外径側とに内側磁石８ａｉ、８ｂｉと外側磁石８ａｏ、８ｂｏを配置し、且つ、その内側磁石８ａｉ、８ｂｉおよび外側磁石８ａｏ、８ｂｏの周方向両側に非磁性領域９を設けているので、実施例３と同様に、ロータ鉄心３ａの漏れ磁束を低減でき、高効率化を図ることが可能である。

（実施例５）
この実施例５は、請求項1に係る発明の構成を具体的に説明するものであり、ロータ３の径方向外側に第３のステータ１０を配置した事例である。
第３のステータ１０は、図７に示す様に、ロータ３の径方向外側にエアギャップを介して配置される。この第３のステータ１０は、ステータ鉄心１０ａと、このステータ鉄心１０ａに巻装されるステータ巻線１０ｂとを有する。
ステータ鉄心１０ａは、ステータ鉄心４ａおよびステータ鉄心５ａと連結されて一体に設けられ、ステータ鉄心４ａおよびステータ鉄心５ａに形成されたスロット同士を連通する複数のスロットが軸方向に沿って形成される。
ステータ巻線１０ｂは、ステータ鉄心１０ａに全節巻され、かつ、ステータ巻線４ｂ、５ｂと各相コイル同士が直列に接続される。

ロータ３は、例えば、実施例１に記載したロータ３の外径面にも突極構造を設けた突極型ロータ、あるいは、実施例２〜４に記載した何れか一つのロータ３の外周面に永久磁石８を埋設した永久磁石型ロータを使用できる。
この実施例５の構成では、ロータ３の径方向外側に第３のステータ１０を配置したことで、ロータ３の外周面にも力の作用点が生まれると共に、ステータ巻線４ｂ、５ｂのコイルエンドが第１のステータ４および第２のステータ５の内径側だけに存在する。言い換えると、外径側のコイルエンドが無くなるため、出力密度をより高めることができる。

なお、実施例５のモータ１は、ロータ３の径方向外側に第３のステータ１０が配置されるので、ロータ鉄心３ａの外径をステータ鉄心４ａ、５ａの外径より大きくすることはできない。よって、図７に示す様に、ロータ鉄心３ａの内径をステータ鉄心４ａ、５ａの内径より小さく形成することで、内径側の磁路断面積を増大できる。その結果、周方向に流れる磁束の通り道をより多く確保できるので、ロータ鉄心３ａの磁気飽和を抑制でき、出力密度を高めることに寄与する。

（実施例６）
この実施例６は、ステータ巻線４ｂ、５ｂのコイルエンドに関する事例である。
例えば、図１０に示す様に、複数本の銅線を束ねた巻線を鉄心のスロット内に収納する従来の巻線方式では、異なる相の巻線同士が重なることでコイルエンド４ｂｅ、５ｂｅの高さが大きくなる。この場合、図１１に示す様に、コイルエンド４ｂｅ、５ｂｅを断面Ｌ字型に曲げることで、コイルエンド４ｂｅ、５ｂｅの高さを抑えることが可能である。しかし、コイルエンド４ｂｅ、５ｂｅをＬ字型に曲げると、軸方向への膨らみが大きくなるため、ロータ３と干渉する恐れが生じる。

そこで、実施例６では、図８に示す様に、コイルエンド４ｂｅ、５ｂｅをクランク形状に曲げ加工したセグメント導体を使用することにより、同図（ｂ）に示す様に、例えば、１スロットに２本のセグメント導体を整列して収納できるため、コイルエンド４ｂｅ、５ｂｅの高さを低く抑えることができる。これにより、コイルエンド４ｂｅ、５ｂｅをＬ字型に曲げる必要はなく、図９に示す様に、軸方向ロータ側への膨らみを抑制できるので、ロータ３との干渉を防止できる。
なお、図８および図１０は、ステータの内径側コイルエンド４ｂｅ、５ｂｅを図示しているが、ステータの外径側にもコイルエンド４ｂｅ、５ｂｅを有する実施例１〜４の事例では、外径側のコイルエンド４ｂｅ、５ｂｅも内径側と同様にクランク形状に成形することで、ロータ３との干渉を防止できる。

（変形例）
実施例１〜４に記載したモータ１は、ロータ鉄心３ａの外径がステータ鉄心４ａ、５ａの外径より大きく、且つロータ鉄心３ａの内径がステータ鉄心４ａ、５ａの内径より小さい条件（Ｃ）を満たす事例であるが、これに限定するものではない。つまり、実施例１に記載した条件（Ａ）または条件（Ｂ）の関係を満たす構成であっても良い。
実施例２〜４に記載したロータ３は、ロータ鉄心３ａに埋設される永久磁石８の表面が第１ロータ表面および第２ロータ表面に露出するインセット型を採用しているが、ロータ鉄心３ａに磁石挿入孔を形成して、その磁石挿入孔に永久磁石８を挿入しても良い。つまり、永久磁石８の表面が第１ロータ表面および第２ロータ表面に露出しない磁石埋め込構造を採用することもできる。

１ モータ（マルチギャップ型回転電機）
２ シャフト（回転軸）
３ ロータ
３ａ ロータ鉄心
４ 第１のステータ
４ａ 第１のステータのステータ鉄心
４ｂ 第１のステータのステータ巻線
５ 第２のステータ
５ａ 第２のステータのステータ鉄心
５ｂ 第２のステータのステータ巻線
８ 永久磁石
８ａ 第１磁石
８ｂ 第２磁石
９ 非磁性領域
１０ 第３のステータ

Claims (3)

1. 回転軸（２）と直交して配置される円盤状のロータ鉄心（３ａ）を有するロータ（３）と、
   このロータ（３）の軸方向両側にそれぞれエアギャップを介して配置される第１のステータ（４）および第２のステータ（５）と、
   前記ロータ（３）の径方向外側にエアギャップを介して配置される第３のステータ（１０）とを備え、
   前記第１のステータ（４）、第２のステータ（５）、および第３のステータ（１０）は、互いのステータ鉄心（４ａ、５ａ、１０ａ）が連結されて一体に設けられ、そのステータ鉄心（４ａ、５ａ、１０ａ）にステータ巻線（４ｂ、５ｂ、１０ｂ）を巻装して構成され、
   前記第１のステータ（４）、第２のステータ（５）、および第３のステータ（１０）は、それぞれ前記ロータ（３）の極数と同数の磁極数を有すると共に、前記第１のステータ（４）と第２のステータ（５）は、前記ロータ（３）を挟んで軸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起磁力を発生し、前記ロータ鉄心（３ａ）の内径が前記ステータ鉄心（４ａ、５ａ）の内径より小さく形成されているマルチギャップ型回転電機であって、
   前記第３のステータ（１０）の前記ステータ巻線（１０ｂ）は、前記第１のステータ（４）の前記ステータ巻線（４ｂ）および前記第２のステータ（５）の前記ステータ巻線（５ｂ）と各相コイル同士が直列に接続されてい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、
   前記第１のステータ（４）、第２のステータ（５）、および第３のステータ（１０）は、前記ステータ巻線（４ｂ、５ｂ、１０ｂ）が前記ステータ鉄心（４ａ、５ａ、１０ａ）に全節巻されてい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１または２に記載したマルチギャップ型回転電機（１）において、
   前記ステータ巻線（４ｂ、５ｂ）のコイルエンド（４ｂｅ、５ｂｅ）は、クランク形状に成形されていることを特徴とするマルチギャップ型回転電機。

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