JP2008295258A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】外側のモータ特性と内側のモータ特性とを等しくして、回転電機の使い勝手を向上させることを目的とする。
【解決手段】本発明に係る回転電機は、巻き線３４を備える筒状のステータ３０と、そのステータ３０の内側に同軸に位置決めされており、外周面に磁石４３を備える内ロータ４０と、ステータ３０の外側に同軸に位置決めされており、内周面に磁石２３を備える外ロータ２０とを備える回転電機であって、内ロータ４０の磁石４３を通る磁束量と外ロータ２０の磁石２３を通る磁束量とが等しくなるように、内ロータ４０と外ロータ２０とが構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、巻き線を備える筒状のステータと、そのステータの内側に同軸に位置決めされており、外周面に磁石を備える内ロータと、前記ステータの外側に同軸に位置決めされており、内周面に磁石を備える外ロータとを備える回転電機に関する。

ステータの内側と外側とにロータを備える回転電機が特許文献１に記載されている。
前記回転電機は、ロータの一方をモータとして使用し、前記ロータの他方を発電機として使用する構成である。この回転電機は、図６（Ａ）に示すように、内ロータ１０１における磁石１０２の部分の軸方向における長さ寸法と、外ロータ１０３における磁石１０４の部分の軸方向における長さ寸法とが、ステータ１０６において巻き線１０７が巻装される磁極部１０８の軸方向における長さ寸法に等しい値に設定されている。

特開平１１−２７５８２６号

上記した回転電機では、外ロータ１０３の内径寸法Ｒ３は、内ロータ１０１の外径寸法Ｒ１よりも十分大きく設定されている。また、前述のように、外ロータ１０３における磁石１０４の部分の軸方向における長さ寸法と内ロータ１０１における磁石１０２の部分の軸方向における長さ寸法とが等しい値に設定されている。このため、外ロータ１０３における磁石の内周面の面積Ａ３は、内ロータ１０１における磁石の外周面の面積Ａ１よりも十分大きな値になる。
ここで、外ロータ１０３の磁石を通る磁束量Φ３と内ロータ１０１の磁石を通る磁束量Φ１とは各々の磁石の表面積Ａ３，Ａ１に比例するため、Φ１÷Φ３＝Ａ１÷Ａ３となり、Φ１＜Φ３となる。
外ロータ１０３をモータとして使用する場合のトルクＴ３は、
トルクＴ３＝磁束量Φ３×巻き線巻数ｎ×電流値Ｉで表される。
同様に、内ロータ１０１をモータとして使用する場合のトルクＴ１は、
トルクＴ１＝磁束量Φ１×巻き線巻数ｎ×電流値Ｉで表される。
前述のように、Φ１＜Φ３であるから、内ロータ１０１と外ロータ１０３との回転数が等しい場合でもトルクＴ１＜トルクＴ３となる。即ち、内モータ特性と外モータ特性とをグラフに表すと、図６（Ｂ）に示すようになり、内モータと外モータとを同じトルク、同じ回転で使用することは困難である。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、本発明の技術的課題は、外側のモータ特性と内側のモータ特性とを等しくして、回転電機の使い勝手を向上させることである。

上記した課題は、各請求項の発明によって解決される。
請求項１の発明は、巻き線を備える筒状のステータと、そのステータの内側に同軸に位置決めされており、外周面に磁石を備える内ロータと、前記ステータの外側に同軸に位置決めされており、内周面に磁石を備える外ロータとを備える回転電機であって、前記内ロータの磁石を通る磁束量と前記外ロータの磁石を通る磁束量とが等しくなるように、前記内ロータと前記外ロータとが構成されていることを特徴とする。

本発明によると、内ロータの磁石を通る磁束量と外ロータの磁石を通る磁束量とが等しくなるため、回転数が等しいときに内ロータの回転トルクと外ロータの回転トルクとが等しくなる。即ち、内ロータの回転数と回転トルクとの関係を表す内モータ特性と、外ロータの回転数と回転トルクとの関係を表す外モータ特性とは等しくなる。したがって内モータと外モータとを同じトルク、同じ回転で使用することができ、回転電機の使い勝手が向上する。

請求項２の発明によると、内ロータにおける磁石の部分の軸方向における長さ寸法を外ロータにおける磁石の部分の軸方向における長さ寸法より一定寸法だけ大きくして、前記内ロータの磁石を通る磁束量と前記外ロータの磁石を通る磁束量とを等しくすることを特徴とする。
このため、比較的容易に内ロータの磁石を通る磁束量と外ロータの磁石を通る磁束量とを等しくすることが可能になる。

請求項３の発明によると、ステータは、円筒部と、その円筒部の外周面に周方向等間隔で配置されて、巻き線が巻装される複数の磁極部とからなり、前記円筒部の軸方向における長さ寸法は、前記内ロータにおける磁石の部分の軸方向における長さ寸法より大きく、前記磁極部の軸方向における長さ寸法は、前記内ロータにおける磁石の部分の軸方向における長さ寸法より小さく設定されていることを特徴とする。
このように、ステータの円筒部分の軸方向における長さ寸法が内ロータにおける磁石の部分の軸方向における長さ寸法よりも大きく設定されているため、ステータと内ロータとの間の漏れ磁束を小さくできる。

請求項４の発明によると、ステータは、環状の電磁鋼板を軸方向に積層することにより構成されており、電磁鋼板のうち軸方向両端に配置された電磁鋼板は、断面略Ｌ字形に形成されて、前記ステータの磁極部の端部と円筒部の端部とを構成していることを特徴とする。
このように、電磁鋼板を使用してステータを構成するため、前記ステータを経済的に製作できる。
請求項５の発明によると、ステータは、磁性粉末と絶縁物とを混合して圧縮成形した圧粉磁心により構成されていることを特徴とする。
このため、ステータの成形性が向上する。
請求項６の発明によると、ステータは、断面略Ｌ字形に形成されて、磁極部の両端部と前記円筒部の両端部とを構成する一対の圧粉磁心と、それらの圧粉磁心の間に積層された状態で配置されて、前記磁極部と円筒部との両端部以外を構成する複数枚の電磁鋼板とを備えることを特徴とする。
このため、高価な圧粉磁心の使用量を必要最小限にしてステータの成形性を向上させることができる。

請求項７の発明によると、内ロータの磁石の磁束密度を外ロータの磁石の磁束密度より大きくして、前記内ロータの磁石を通る磁束量と前記外ロータの磁石を通る磁束量とを等しくすることを特徴とする。
このため、内ロータと外ロータとの長さ寸法を従来のままで、前記内ロータの磁石を通る磁束と前記外ロータの磁石を通る磁束とを等しくすることが可能になる。

本発明によると、外側のモータ特性と内側のモータ特性とを等しくできるため、回転電機の使い勝手が向上する。

（実施形態１）
以下、図１から図５に基づいて本発明の実施形態１に係る回転電機の説明を行う。本実施形態に係る回転電機は、主として電気自動車やハイブリッド電気自動車等に使用される回転電機である。図１は本実施形態に係る回転電機の縦断面図であり、図２は図１のII-II矢視断面図である。図３は本実施形態に係る回転電機を使用した電気自動車の模式図等、図４はハイブリッド電気自動車の模式図等である。また、図５は変更例に係る回転電機の縦断面図である。

＜回転電機１０の全体構成について＞
回転電機１０は、図１、図２に示すように、円筒状のハウジング１２と、そのハウジング１２内に同軸に固定されたステータ３０と、そのステータ３０の内側に同軸に配置された内ロータ４０と、前記ハウジング３０の外側に同軸に配置された外ロータ２０とから構成されている。
ハウジング１２の軸方向一端側（図１中右側）には、円盤状の底板部１２ｂが設けられており、その底板部１２ｂの中心に内ロータ４０の回転軸４１を支持する軸受１４ｂが固定されている。また、前記ハウジング１２の軸方向他端側（底板部１２ｂと反対側）は、円盤状の蓋材１２ｆによって塞がれており、その蓋材１２ｆの中心に外ロータ２０の回転軸２１を支持する軸受１４ａが固定されている。

ステータ３０は、図２に示すように、円筒部３３と、その円筒部３３の外周面に周方向等間隔で配置されて、巻き線３４が巻装される複数（図では６個）の磁極部３１とから構成されている。円筒部３３の軸方向における長さ寸法は、図１に示すように、磁極部３１の軸方向における長さ寸法よりも大きく設定されており、その円筒部３３の両端部が磁極部３１の両端から一定寸法だけ軸方向に突出している。そして、ステータ３０の円筒部３３の一端側（図１で左端側）がハウジング１２の底板部１２ｂに固定されている。
ステータ３０は、複数枚の環状の電磁鋼板Ｓｔを軸方向に積層することにより構成されている。ここで、ステータ３０の軸方向両側に位置する電磁鋼板ＳＬｔは、図１に示すように、断面Ｌ字形に折り曲げ成形されており、円筒部３３の端部と磁極部３１の端部とを構成している。

ステータ３０の内側に同軸に配置される内ロータ４０は、回転軸４１の軸端外周面に固定された円筒形の内ロータ本体４２と、その内ロータ本体４２の外周面を全体的に覆うように固定された永久磁石４３とから構成されている。永久磁石４３は、図２に示すように、円周方向において90°毎に極性が変わるように固定されている。また、内ロータ４０における永久磁石４３の部分の軸方向における長さ寸法は、図１に示すように、ステータ３０の円筒部３３の軸方向における長さ寸法よりは小さく、磁極部３１の軸方向における長さ寸法よりは大きく設定されている。永久磁石４３としてはフェライト磁石が好適に使用される。
内ロータ４０は、ステータ３０の内側に収納された状態で、その内ロータ４０の永久磁石４３の軸端（図１において左端面）がステータ３０の円筒部３３の軸端と軸方向において一致するように、ハウジング１２に装着されている。

外ロータ２０は、円筒カップ状に形成されたロータ本体２２を備えており、図１に示すように、そのロータ本体２２の円盤状底板の中心に回転軸２１の軸端が固定される固定孔２５が形成されている。また、ロータ本体２２の内周面２２ｅには、図２に示すように、ステータ３０の磁極部３１の先端面３１ｒ（外周面３１ｒ）と対向する位置に永久磁石２３が円周方向全体に渡って固定されている。永久磁石２３は、円周方向において45°毎に極性が変わるように固定されている。また、外ロータ２０における永久磁石２３の部分の軸方向における長さ寸法は、図１に示すように、ステータ３０の磁極部３１の軸方向における長さ寸法と等しい値に設定されている。永久磁石２３としてはフェライト磁石が好適に使用される。
外ロータ２０は、ステータ３０の外側にセットされた状態で、その外ロータ２０の永久磁石２３の軸方向における両端面がステータ３０の磁極部３１の軸方向における両端面と軸方向において一致するように、ハウジング１２に装着されている。

ここで、外ロータ２０における永久磁石２３の部分の軸方向における長さ寸法と内ロータ４０における永久磁石４３の部分の軸方向における長さ寸法とは、外ロータ２０の永久磁石２３の内周面２３ｅの面積Ａ３が内ロータ４０の永久磁石４３の外周面４３ｒの面積Ａ１と等しくなるように、設定されている。このように、外ロータ２０の永久磁石２３の面積Ａ３と内ロータ４０の永久磁石４３の面積Ａ１とが等しくなるため、外ロータ２０の永久磁石２３を通る磁束量Φ３と内ロータ４０の永久磁石４３を通る磁束量Φ１とが等しくなる（Φ３＝Φ１）。このため、外ロータ２０を外モータのロータとして使用する場合（以下、外モータという）のトルクＴ３（Ｔ３＝磁束量Φ３×巻き線巻数ｎ×電流値Ｉ）と、内ロータ４０を内モータのロータとして使用する場合（以下、内モータという）のトルクＴ１（Ｔ１＝磁束量Φ１×巻き線巻数ｎ×電流値Ｉ）とは等しくなる。
なお、図２の細線で示すループは磁束を表している。
即ち、内モータ特性と外モータ特性とをグラフに表すと、図３（Ｂ）に示すように等しくなり、内モータと外モータとは等しい回転数Ｎにおいて等しいトルクＴを発生するようになる。

＜電気自動車への応用例について＞
このように、回転電機１０の内モータと外モータとは等しい回転数Ｎで等しいトルクＴを発生するようになるため、図３（Ａ）に示すように、回転電機１０の内モータ、外モータで電気自動車の右車輪、左車輪を駆動させることが可能になる。なお、図３（Ａ）では、回転電機１０のステータ３０は省略されている。また、図３（Ａ）における符号Ｔは、電気自動車の前後左右の車輪を表している。
また、図３（Ｃ）は、電気自動車を直線走行させる場合の内モータ、外モータの一回転分の電流波形を表しており、図３（Ｄ）は電気自動車を左折させる場合の内モータ、外モータの一回転分の電流波形を表している。なお、図３（Ｃ）、（Ｄ）では、説明を簡単にするため、内ロータ４０を二極、外ロータ２０を四極と仮定して電流波形を表している。

内ロータ４０の極数は外ロータ２０の極数の半分であるため、内モータ、外モータが等速で回転する場合には、図３（Ｃ）に示すように、内モータの電流波形周期は外モータの電流波形周期の二倍に等しくなる。実線で表す電流波形は、内モータの電流波形（一点鎖線）と外モータの電流波形（点線）とを合成した電流波形であり、その合成電流波形（実線）に相当する電流Ｉを巻き線３４に流すことで、電気自動車を直線走行させることが可能になる。
また、電気自動車を左折させる場合には、右車輪側の内モータの回転数を左車輪側の外モータの回転数よりも所定値だけ大きくする必要がある。このため、図３（Ｄ）に示すように、内モータの電流波形（一点鎖線）の周期を外モータの電流波形（点線）の周期の二倍よりも一定量小さくする必要がある。したがって、周期を調整した内モータの電流波形と外モータの電流波形の合成電流波形（図３（Ｄ）において実線）に相当する電流Ｉを巻き線３４に流すことで、電気自動車を左折させることが可能になる。
なお、電気自動車を右折させる場合には、上記とは逆に、右車輪側の内モータの回転数を左車輪側の外モータの回転数よりも所定値だけ小さくする必要があるため、内モータの電流波形周期を外モータの電流波形周期の二倍よりも一定量大きくする必要がある。

＜ハイブリッド電気自動車への応用例について＞
上記した回転電機１０の内ロータ４０を発電機のロータとして使用し、外ロータ２０をモータのロータとして使用することで、回転電機１０をハイブリッド電気自動車に応用することが可能になる。即ち、図４（Ａ）に示すように、回転電機１０の内ロータ４０をエンジンＥＧに接続し、外ロータ２０を減速機Ｇ、デファレンシャルギアＤを介して左右の前輪Ｔに接続する。前述のように、内ロータ４０を二極、外ロータ２０を四極と仮定すれば、内ロータ４０を外ロータ２０の二倍で回転させることで、図４（Ｂ）に示すように、内ロータ４０による発電機の電流波形（一点鎖線）と、外ロータ２０によるモータの消費電流波形（実線）との周期が等しくなる。このため、モータの消費電流波形（実線）に対する発電機の電流波形（一点鎖線）の不足分（点線）を入力することで、ハイブリッド電気自動車を走行させることが可能になる。

＜本実施形態に係る回転電機１０の長所について＞
本実施形態に係る回転電機１０によると、内ロータ４０の永久磁石４３を通る磁束量Φ１と外ロータ２０の永久磁石２３を通る磁束量Φ３とが等しくなるため、内ロータ４０の回転トルクＴ１と外ロータ２０の回転トルクＴ３とが等しくなる。このため、内ロータ４０の回転数と回転トルクＴ１との関係を表す内モータ特性と、外ロータ２０の回転数と回転トルクＴ３との関係を表す外モータ特性とは等しくなる。したがって内モータと外モータとを同じトルク、同じ回転で使用することができ、回転電機１０の使い勝手が向上する。
また、内ロータ４０における永久磁石４３の部分の軸方向における長さ寸法を外ロータ２０における永久磁石２３の部分の軸方向における長さ寸法より一定寸法だけ大きくして、内ロータ４０の永久磁石４３を通る磁束量と外ロータ２０の永久磁石２３を通る磁束量とを等しくする構成である。このため、比較的容易に内ロータ４０の永久磁石４３を通る磁束量と外ロータ２０の永久磁石２３を通る磁束量とを調整できるようになる。

また、ステータ３０は、円筒部３３と複数の磁極部３１とからなり、円筒部３３の軸方向における長さ寸法は、内ロータ４０における永久磁石４３の部分の軸方向における長さ寸法より大きく設定されている。このため、ステータ３０と内ロータ４０との間の漏れ磁束を小さくできる。
また、ステータ３０は、環状の電磁鋼板Ｓｔを軸方向に積層することにより構成されており、電磁鋼板Ｓｔのうち軸方向両端に配置された電磁鋼板ＳＬｔは断面略Ｌ字形に形成されて、ステータ３０の磁極部３１の端部と円筒部３３の端部とを構成する。このように、電磁鋼板Ｓｔ（ＳＬｔ）を使用してステータ３０を製作するため、ステータ３０を比較的経済的に製作できる。

＜変更例＞
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更が可能である。例えば、実施形態１では、ステータ３０を積層した電磁鋼板Ｓｔから構成する例を示したが、図５（Ａ）に示すように、ステータ３０の軸方向両端に配置された断面略Ｌ字形の電磁鋼板ＳＬｔの部分を磁性粉末と絶縁物とを混合して圧縮成形した圧粉磁心Ｊにより成形することも可能である。さらに、図５（Ｂ）に示すように、ステータ３０の全体を圧粉磁心Ｊにより成形することも可能である。
このように、圧粉磁心Ｊを使用することにより、ステータ３０の成形性が向上する。
また、本実施形態では、内ロータ４０、外ロータ２０の永久磁石２３，４３としてフェライト磁石を使用する例を示した。しかし、内ロータ４０の永久磁石４３にフェライト磁石よりも残留飽和磁束密度の大きい希土類磁石を使用することも可能である。これにより、内ロータ４０の永久磁石４３の軸方向における長さ寸法を外ロータ２０の永久磁石２３の軸方向における長さ寸法より大きくしなくても、内ロータ４０の永久磁石４３を通る磁束量と外ロータ２０の永久磁石２３を通る磁束量とを等しくすることが可能になる。
また、回転電機１０を電気自動車、ハイブリット電気自動車に使用する例を示したが、例えば、風力で回転する羽根車を回転電機１０の内ロータ４０に接続して発電し、外ロータ２０によるモータでポンプ等を駆動させることも可能である。

本発明の実施形態１に係る回転電機の縦断面図である。 回転電機の横断面図（図１のII-II矢視断面図）である。 実施形態１に係る回転電機を使用した電気自動車の模式平面図（Ａ図）、回転電機の内モータ特性、外モータ特性を表すグラフ（Ｂ図）、回転電機の電流波形を表すグラフ（Ｃ図、Ｄ図）である。 ハイブリッド電気自動車の模式平面図（Ａ図）、回転電機の電流波形を表すグラフ（Ｂ図）である。 変更例に係る回転電機の縦断面図（Ａ図、Ｂ図）である。 従来の回転電機の縦断面図（Ａ図）、回転電機の内モータ特性、外モータ特性を表すグラフ（Ｂ図）である。

符号の説明

２０・・・・・外ロータ
２３・・・・・永久磁石
３０・・・・・ステータ
３１・・・・・磁極部
３３・・・・・円筒部
３４・・・・・巻き線
４０・・・・・内ロータ
４３・・・・・永久磁石
Ｓｔ・・・・・電磁鋼板
ＳＬｔ・・・・電磁鋼板（断面Ｌ字形に形成された電磁鋼板）
Ｊ・・・・・・圧粉磁心

Claims (7)

1. 巻き線を備える筒状のステータと、そのステータの内側に同軸に位置決めされて、外周面に磁石を備える内ロータと、前記ステータの外側に同軸に位置決めされて、内周面に磁石を備える外ロータとを備える回転電機であって、
   前記内ロータの磁石を通る磁束量と前記外ロータの磁石を通る磁束量とが等しくなるように、前記内ロータと前記外ロータとが構成されていることを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載された回転電機であって、
   前記内ロータにおける磁石の部分の軸方向における長さ寸法を前記外ロータにおける磁石の部分の軸方向における長さ寸法より一定寸法だけ大きくして、前記内ロータの磁石を通る磁束量と前記外ロータの磁石を通る磁束量とを等しくすることを特徴とする回転電機。
3. 請求項２に記載された回転電機であって、
   前記ステータは、円筒部と、その円筒部の外周面に周方向等間隔で配置されて、巻き線が巻装される複数の磁極部とからなり、
   前記円筒部の軸方向における長さ寸法は、前記内ロータにおける磁石の部分の軸方向における長さ寸法より大きく、前記磁極部の軸方向における長さ寸法は、前記内ロータにおける磁石の部分の軸方向における長さ寸法より小さく設定されていることを特徴とする回転電機。
4. 請求項３に記載された回転電機であって、
   前記ステータは、環状の電磁鋼板を軸方向に積層することにより構成されており、
   前記電磁鋼板のうち軸方向両端に配置された電磁鋼板は、断面略Ｌ字形に形成されて、前記ステータの磁極部の端部と円筒部の端部とを構成していることを特徴とする回転電機。
5. 請求項３に記載された回転電機であって、
   前記ステータは、磁性粉末と絶縁物とを混合して圧縮成形した圧粉磁心により構成されていることを特徴とする回転電機。
6. 請求項３に記載された回転電機であって、
   前記ステータは、断面略Ｌ字形に形成されて、前記磁極部の両端部と前記円筒部の両端部とを構成する一対の圧粉磁心と、それらの圧粉磁心の間に積層された状態で配置されて、前記磁極部と円筒部との両端部以外を構成する複数枚の電磁鋼板とを備えることを特徴とする回転電機。
7. 請求項１に記載された回転電機であって、
   前記内ロータの磁石の磁束密度を前記外ロータの磁石の磁束密度より大きくして、前記内ロータの磁石を通る磁束量と前記外ロータの磁石を通る磁束量とを等しくすることを特徴とする回転電機。
   

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