JP2010041816A - 回転電機の構造 - Google Patents

Abstract

【課題】１固定子２回転子の回転電機において、内側回転子を駆動する巻線の巻線利用率を高め、内側回転子トルクを向上させる。
【解決手段】回転電機１は、電機子巻線である内側用巻線８及び外側用巻線９を巻回した固定子ティース２ａを複数個円弧状に配置してなる固定子２と、固定子２の内側に固定子２と同軸に設けられた内側回転子３と、固定子２の外側に固定子２と同軸に設けられた外側回転子４とを備える。外側回転子４の磁束分布１９の複数周期分が内側用巻線８の線輪間隔に入るように、それぞれの回転子３，４の極数が定められ、内側用巻線８のうち少なくとも２つは直列に接続されており、外側回転子４の回転による内側用巻線８への誘起電圧が互いに打ち消される。
【選択図】図２

Description

本発明は、電機子巻線を備えた固定子と、固定子の内側と外側にそれぞれ同軸に設けられた２つの回転子を備えた回転電機の構造に関する。

近年、駆動系の小型化のために、１つの固定子（ステータ）に２つの回転子（ロータ）を配置した１ステータ２ロータの回転電機が用いられている（例えば、特許文献１）。

特許文献１に記載の回転電機は、複合電流、複合電圧は使用せず、複合磁束だけを使う１ステータ２ロータの回転電機に関するものである。モータ内部の磁束は複合状態であり、小型化を達成しつつもインバータからの電流・電圧は正弦波状とすることで皮相電力を大きくし、モータの駆動範囲を拡大している。
特開２００５−１７６５７４号公報

しかしながら上記従来技術にあっては、内側回転子の極数に対して外側回転子の極数は２倍であり、内側回転子を駆動するするために電流位相には必ず１８０度ずれたものを有する構成であるので、内側回転子を駆動する巻線の巻線利用率が低く内側回転子トルクを向上できないという問題点があった。

上記問題点を解決するために本発明は、電機子巻線を備える固定子と、内側回転子と、外側回転子とを備えた回転電機において、固定子ティースには、内側回転子用の巻線と外側回転子用の巻線がそれぞれ巻回され、外側回転子の磁束分布の複数周期分が内側回転子用の巻線の線輪間隔に入るように、それぞれの回転子の極数が定められ、内側回転子用巻線のうち少なくとも２つは直列に接続されいる。

本発明によれば、内側回転子用巻線を分布巻きとすることが可能となり、内側回転子用巻線の巻線係数を従来の０．５から約２倍の０．９６６まで向上させることができ、内側回転子のトルクを増大させることができるという効果がある。

次に、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１は、本発明に係る回転電機の構造の実施例１を説明する模式断面図である。図１（ａ）は、実施例１の回転電機１の４分の１モデルを示している。図１（ｂ）は、回転電機１の固定子ティース２ａに巻回された巻線の拡大図である。

図１（ａ）に示すように、回転電機１は、電機子巻線である内側用巻線８及び外側用巻線９を巻回した固定子ティース２ａを複数個円弧状に配置してなる固定子２と、固定子２の内側に固定子２と同軸に設けられた内側回転子３と、固定子２の外側に固定子２と同軸に設けられた外側回転子４とを備えている。

内側回転子３は、それぞれペアの同極性の永久磁石６ａ、６ａと、永久磁石６ａとは異なる極性の永久磁石６ｂ、６ｂのぺアが交互に合計８ペアが配置され、内側回転子の極数は、８極となっている。外側回転子４は、互いに極性の異なる永久磁石５ａと永久磁石５ｂとが交互に合計１６個が配置されている。従って、外側回転子４の極数は、内側回転子３の極数８の二倍の１６極である。

また固定子ティース２ａは、４８個で形成されており、外側回転子４に対しては毎極毎相のスロット数が１、内側回転子３に対しては毎極毎相のスロット数が２となっている。

図１（ｂ）の拡大図に示すように、固定子ティース２ａは、絶縁シート７が巻かれ、その上から、内側回転子用の巻線である内側用巻線８と、外側回転子用の巻線である外側用巻線９が１層ずつ交互に巻回されている。尚図示しないが、内側用巻線８と、外側用巻線９とは、それぞれ異なる３相インバータで個別に駆動される。

次に、図２を参照して、外側回転子４の磁束分布の複数周期分が内側用巻線８の線輪間隔に入るように、それぞれの回転子３，４の極数が定められ、内側用巻線８のうち少なくとも２つは直列に接続されており、外側回転子４の回転による内側用巻線８への誘起電圧が互いに打ち消されるようになっていることを説明する。

図２は、巻線の構成を説明する回転方向θの磁束分布図である。尚、図２（ａ），（ｂ）共に、内側用巻線また内側に配設された永久磁石または電磁石によるギャップ中の磁束密度分布１８と、外側用巻線また外側に配設された永久磁石または電磁石によるギャップ中の磁束密度分布１９とを示している。

図２（ａ）には、外側用巻線９を併記している。外側用巻線９の線輪９ａと、外側用巻線９の線輪９ｂとは、内側に関する磁束分布１８がちょうど１８０度異なる位相の部分に配置され、且つ、線輪９ａと線輪９ｂは直列に接続されている。このため、外側用巻線９に鎖交する内側に関する磁束分布１８の合計磁束はゼロであり、これによる誘起電圧も発生しない。

また図２（ｂ）には、内側用巻線８を併記している。内側用巻線８の線輪ピッチ内に、外側に関する磁束分布１９の波形が２周期分入っており、内側用巻線８に鎖交する外側に関する磁束分布１９の合計磁束はゼロであり、これによる誘起電圧も発生しない。

このように内側用巻線８と外側用巻線９とは、お互いに磁気的な干渉が無いように接続されており、３相インバータ２台でそれぞれの巻線を個別に駆動することができる。当然ながら、固定子ティース２ａには、内側回転子３，外側回転子４に関するヨークは無い為に、回転電機１を小型化することが可能である。

以上説明したように本実施例によれば、固定子ティースには、内側回転子用の巻線と外側回転子用の巻線がそれぞれ巻回され、外側回転子の磁束分布の複数周期分が内側回転子用の巻線の線輪間隔に入るように、それぞれの回転子の極数が定められ、内側回転子用巻線のうち少なくとも２つは直列に接続されており、外側回転子の回転による内側回転子用巻線への誘起電圧が互いに打ち消されるので、内側回転子用巻線を分布巻きとすることが可能となり、内側回転子用巻線の巻線係数を従来の０．５から約２倍の０．９６６まで向上させることができ、内側回転子のトルクを増大させることができるという効果がある。

次に図３を参照して、本発明に係る回転電機１の実施例２を説明する。実施例２は、内側用巻線８と、外側用巻線９とは、それぞれ独立した巻回領域を備え、それぞれの巻回領域には他の巻回領域に属する巻線は存在しない点に特徴がある。その他の構成は、図１に示した実施例１と同様である。

図３は、実施例２の回転電機の構造を説明する模式断面図である。図３（ａ）は、回転電機１の４分の１モデルを示している。図３（ｂ）は、回転電機１の固定子ティース２ａに巻回された巻線の拡大図である。

図３（ｂ）に示すように、内側用巻線８の巻回領域と、外側用巻線９の巻回領域は絶縁シート７により、完全に二つの領域に分けられている。領域の分け方は、内側用巻線８を内側に、外側用巻線９を外側に配置するのが好ましい。

以上説明した本実施例によれば、内側用巻線８と、外側用巻線９とは、それぞれ独立した巻回領域を備え、それぞれの巻回領域には他の巻回領域に属する巻線は存在しないので、これによりたとえ、内側用巻線８と外側用巻線９をそれぞれ駆動する二つのインバータの電源電圧が異なっていても、内側用巻線８と外側用巻線９との間の絶縁を良好な状態に維持でき、モータの小型化を図ることができるという効果がある。

次に図４を参照して、本発明に係る回転電機１の実施例３を説明する。実施例３の特徴は、実施例１の各固定子ティースを相互に結合する磁性体の固定子連結部１２を備え、この固定子連結部１２は、内側回転子及び外側回転子に関するそれぞれの磁束の一部を集めるように構成されている点に特徴がある。

図４は、実施例３の回転電機の構造３を説明する模式断面図であり、回転電機１の４分の１モデルを示している。

実施例３の固定子２は、固定子２の外側ギャップ面と内側ギャップ面からの距離がほぼ等しいところに、磁性体の固定子連結部１２を配置したものである。この固定子連結部１２は、内側ティース１３と外側ティース１４を接続するもともに、それぞれ隣接する内側ティース１３間、及びそれぞれ隣接する外側ティース１４間を相互結合するものである。これにより固定子２の強度を大幅に向上させることができる。

また、磁性体の固定子連結部１２は、内側回転子３及び外側回転子４から見ると、それぞれの磁束の一部を集めるヨークとして作用するので、内側回転子３及び外側回転子４から固定子２及び対向する回転子３，４を見たときの磁気抵抗を低減することができる。

また通常、固定子ヨーク厚は、ティースに鎖交する磁束を十分に通せるように設計されるが、本実施例の場合は固定子連結部１２は十分に厚くなくとも、以下の２つの理由により、細くても大きな問題はない。

第１の理由は、内側回転子３，外側回転子４には、対向する固定子２に関わる磁束を結合するヨークとして作用する内側回転子コア３ａ、外側回転子コア４ａが備わっていることである。第２の理由は、ヨーク部は複合磁束となるが、複合磁束では局部的な飽和が発生しても複合磁束が有するそれぞれの周波数成分の振幅は飽和の影響を受けにくいという性質があるためである。

以上説明した本実施例によれば、各固定子ティースを相互に結合する磁性体の固定子連結部を備え、この固定子連結部は、内側回転子及び外側回転子に関するそれぞれの磁束の一部を集めるように構成されているので、固定子強度を大幅に向上できるという効果がある。また、実施例１，２では、回転子に作られた磁気回路でのみで磁束を回していたが、本実施例の磁性体の固定子連結部を設けることで、回転子に作られた磁気回路と並列に固定子連結部の低磁気抵抗部が入るために、全体としても磁気抵抗が低下し、モータトルクが向上するという効果がある。

また本実施例によれば、固定子２の外側ギャップ面と内側ギャップ面からの距離がほぼ等しいところに、内側ティース１３と外側ティース１４を接続するもともに、隣接する内側ティース１３間、隣接する外側ティース１４間を相互結合する磁性体の固定子連結部１２を配置したので、最もモータ体積を小さくできるという効果がある。

次に図５を参照して、本発明に係る回転電機１の実施例４を説明する。実施例４の特徴は、固定子ティース２ａに巻回した外側用巻線と内側用巻線の巻き方に特徴がある。その他の構成は、図１に示した実施例１と同様である。

図５（ａ）は、実施例４の回転電機の構造を説明する模式断面図であり、回転電機１の４分の１モデルを示している。図５（ｂ）は、実施例４の外側用巻線と内側用巻線の展開図を示している。外側用巻線は毎極毎相の溝数２の分布全節巻き、内側用巻線は毎極毎相の溝数１の分布全節巻きであり、各固定子ティース２ａには、図１（ｂ）に示した実施例１の方法で巻線が置かれている。

次に図６を参照して、本発明に係る回転電機１の実施例５を説明する。実施例５の特徴は、固定子ティース２ａに巻回した外側用巻線と内側用巻線の巻き方に特徴がある。その他の構成は、図４に示した実施例３と同様である。

図６（ａ）は、実施例５の回転電機の構造を説明する模式断面図であり、回転電機１の４分の１モデルを示している。図６（ｂ），（ｃ）は、実施例５の外側用巻線と内側用巻線の展開図を示している。

実施例５では実施例３の構造を有する固定子２の外側ティース１４に外側用巻線として、毎極毎相の溝数２の分布全節巻き、固定子２の内側ティース１３に内側用巻線として毎極毎相の溝数１の分布全節巻きとしている。いずれも毎極毎相の溝数が最大２としているが、３以上では加工が困難なこともあるので、２程度の分布巻きが現実的と考えられる。

以上説明した本実施例によれば、実施例３の効果に加えて、各回転子に関わる巻線を固定子連結部から外側へは外側回転子用巻線、内側には内側回転子用巻線としているので、最も漏れインダクタンスを小さくすることができるという効果がある。

また本実施例によれば、外側回転子用巻線が毎極毎相の溝数が１、内側回転子用巻線が毎極毎相の溝数が２としているので、各ティースの加工が容易であり、またインバータは３相インバータ二台で本発明の回転電機を駆動することができるという効果がある。

（ａ）実施例１の回転電機の４分の１モデルを示す模式断面図、（ｂ）実施例１の回転電機の固定子ティース２ａに巻回された巻線の拡大図である。 巻線の構成を説明する回転方向θの磁束分布図である。 （ａ）実施例２の回転電機の４分の１モデルを示す模式断面図、（ｂ）実施例１の回転電機の固定子ティース２ａに巻回された巻線の拡大図である。 実施例３の回転電機の４分の１モデルを示す模式断面図である。 （ａ）実施例４の回転電機の４分の１モデルを示す模式断面図、（ｂ）実施例４の外側用巻線と内側用巻線の展開図である。 （ａ）実施例５の回転電機の４分の１モデルを示す模式断面図、（ｂ），（ｃ）実施例５の外側用巻線と内側用巻線の展開図である。

符号の説明

１…回転電機、２…固定子、２ａ…固定子ティース、３…内側回転子、３ａ…内側回転子コア、４…外側回転子、４ａ…外側回転子コア、５ａ…永久磁石、５ｂ…永久磁石、６ａ…永久磁石、６ｂ…永久磁石、７…絶縁シート、８…内側用巻線、９…外側用巻線。

Claims (6)

1. 電機子巻線を巻回した固定子ティースを複数個円弧状に配置してなる固定子と、固定子の内側に固定子と同軸に設けられた内側回転子と、固定子の外側に固定子と同軸に設けられた外側回転子と、を備えた回転電機において、
   前記固定子ティースには、内側回転子用の巻線と外側回転子用の巻線がそれぞれ巻回され、
   外側回転子の磁束分布の複数周期分が内側回転子用の巻線の線輪間隔に入るように、それぞれの回転子の極数が定められ、
   内側回転子用巻線のうち少なくとも２つは直列に接続されており、外側回転子の回転による内側回転子用巻線への誘起電圧が互いに打ち消されることを特徴とする回転電機の構造。
2. 前記内側回転子用巻線と前記外側回転子用巻線とは、それぞれ独立した巻回領域を持ち、それぞれの巻回領域には他の巻回領域に属する巻線は存在しないことを特徴とする請求項１に記載の回転電機の構造。
3. 前記各固定子ティースを相互に結合する磁性体の固定子連結部を備え、該固定子連結部は、内側回転子及び外側回転子に関するそれぞれの磁束の一部を集めるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の構造。
4. 前記固定子連結部は、固定子の外側ギャップ面からの距離と内側ギャップ面からの距離とが等しい位置上に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の回転電機の構造。
5. 外側回転子用巻線の巻回領域は、前記固定子連結部よりも半径方向外側に形成された外側ティースの周囲に設けられ、内側回転子用巻線の巻回領域は、前記固定子連結部よりも半径方向内側に形成された内側ティースの周囲に設けられていることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の回転電機の構造。
6. 外側回転子用巻線は毎極毎相の溝数が１、内側回転子用巻線は毎極毎相の溝数を２とし、二つの３相インバータで外側回転子用巻線と内側回転子用巻線とが個別に駆動されることを特徴とする請求項２乃至請求項５の何れか１項に記載の回転電機の構造。

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