JP2010206861A

JP2010206861A - 回転電機

Info

Publication number: JP2010206861A
Application number: JP2009046420A
Authority: JP
Inventors: Yuji Naruse; 有二成瀬; Masahiro Yoshida; 征弘吉田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2009-02-27
Filing date: 2009-02-27
Publication date: 2010-09-16

Abstract

【課題】磁気抵抗を低減でき、磁束を向上させることのできる回転電機を提供する。
【解決手段】磁極数が異なる２つのロータを有し、それぞれのロータを独立に駆動する回転電機において、前記２つのロータのうち前記磁極数が多い方のロータは、Ｎ極磁石とＳ極磁石のうち一方の磁石の容積に対して他方の磁石の容積が小さい。
【選択図】図３

Description

本発明は、磁極数が異なる２つのロータを有し、それぞれのロータを独立に駆動する回転電機に関するものである。

２つの異なる磁極数のロータをもち、それぞれのロータを独立に駆動する回転電機が知られている。上記回転電機において、インナーロータに同期した磁束は、アウター永久磁石の外側をヨーク部として使用してインナー磁気回路を形成する。また、アウターロータに同期した磁束は、インナー永久磁石の外側表面をヨーク部として使用してアウター磁気回路を形成する。さらに、インナー磁気回路をアウターロータの横軸磁気回路として併用するとともに、アウター磁気回路をインナーロータの横軸磁気回路として併用する。そのような回転電機は、例えば、特許文献１により知られている。

特開２００５−１１７８７０号公報

上記回転電機においては、アウターロータとインナーロータとで磁石の極数を異ならせているが、極数の多い側のロータをヨークとして使いにくく、磁気抵抗が増加し、磁束が低下するといった問題点があった。

本発明の回転電機は、磁極数が異なる２つのロータを有し、それぞれのロータを独立に駆動する回転電機に関する。上記回転電機において、磁極数が多い方のロータを、Ｎ極磁石とＳ極磁石のうち一方の磁石の容積に対して他方の磁石の容積が小さく構成する。

本発明によれば、多極側のロータのＮ極とＳ極の磁石のうち、一方の磁石の容積に対して他方の磁石の容積が小さく構成することで、磁気抵抗が低減し、磁束が向上できる。

複軸多層モータが適用されたハイブリッド駆動ユニットを示す概略全体図である。ラビニョオ型遊星歯車列と組み合わされて車両用ハイブリッド変速機を構成する、本発明の回転電機の一例となる複軸多層モータを示す縦断面図である。本発明に係る回転電機の第１実施例の一例を説明するための図である。図３に示す回転電機における磁気回路構造の一例を説明するための図である。本発明に係る回転電機の第１実施例の一例を示す概念図である。（ａ）、（ｂ）はそれぞれ図５に示す例における磁束１および磁束２の効果を説明するための図である。本発明に係る回転電機の第２実施例の一例を示す概念図である。本発明に係る回転電機の第３実施例の一例を示す概念図である。

以下に、この発明の実施の形態を、図面に基づき詳細に説明する。
図１は本発明の回転電機として好適に用いることができる複軸多層モータが適用されたハイブリッド駆動ユニットの全体図である。図１において、Ｅはエンジン、Ｍは複軸多層モータ、Ｇはラビニョウ型複合遊星歯車列、Ｄは駆動出力機構、１はモータカバー、２はモータケース、３はギヤハウジング、４はフロントカバーである。

前記エンジンＥは、ハイブリッド駆動ユニットの主動力源である。エンジン出力軸５とラビニョウ型複合遊星歯車列Ｇの第２リングギヤＲ２とは、回転変動吸収ダンパー６及び多板クラッチ７を介して連結されている。

前記複軸多層モータＭは、外観的には１つのモータであるが２つのモータジェネレータ機能を有する副動力源である。この複軸多層モータＭは、前記モータケース２に固定され、コイルを巻いた固定電機子としてのステータＳと、前記ステータＳの内側に配置し、永久磁石を埋設したインナーロータＩＲと、前記ステータＳの外側に配置し、永久磁石を埋設したアウターロータＯＲと、を同軸上に三層配置することで構成されている。前記インナーロータＩＲに固定の第１モータ中空軸８は、ラビニョウ型複合遊星歯車列Ｇの第１サンギヤＳ１に連結され、前記アウターロータＯＲに固定の第２モータ軸９は、ラビニョウ型複合遊星歯車列Ｇの第２サンギヤＳ２に連結されている。

前記ラビニョウ型複合遊星歯車列Ｇは、二つのモータ回転数を制御することにより無段階に変速比を変える無段変速機能を有する遊星歯車機構である。このラビニョウ型複合遊星歯車列Ｇは、互いに噛み合う第１ピニオンＰ１と第２ピニオンＰ２を支持する共通キャリヤＣと、第１ピニオンＰ１に噛み合う第１サンギヤＳ１と、第２ピニオンＰ２に噛み合う第２サンギヤＳ２と、第１ピニオンＰ１に噛み合う第１リングギヤＲ１と、第２ピニオンＰ２に噛み合う第２リングギヤＲ２との５つの回転要素を有して構成されている。前記第１リングギヤＲ１とギヤハウジング３との間には多板ブレーキ１０が介装されている。前記共通キャリヤＣには、出力ギヤ１１が連結されている。

前記駆動出力機構Ｄは、出力ギヤ１１と、第１カウンターギヤ１２と、第２カウンターギヤ１３と、ドライブギヤ１４と、ディファレンシャル１５と、ドライブシャフト１６，１６により構成されている。そして、出力ギヤ１１からの出力回転及び出力トルクは、第１カウンターギヤ１２→第２カウンターギヤ１３→ドライブギヤ１４→ディファレンシャル１５を経過し、ドライブシャフト１６，１６から図外の駆動輪へ伝達される。

すなわち、ハイブリッド駆動ユニットは、前記第２リングギヤＲ２とエンジン出力軸５を連結し、前記第１サンギヤＳ１と第１モータ中空軸８とを連結し、前記第２サンギヤＳ２と第２モータ軸９とを連結し、前記共通キャリヤＣに出力ギヤ１１を連結することにより構成されている。

図２は、ラビニョオ型遊星歯車列と組み合わされて車両用ハイブリッド変速機を構成する、この発明の回転電機の対象となる複軸多層モータの一例をより詳細に示す図である。この複軸多層モータに、この発明の積層コア構造を適用することができる。図２に示す構成の複軸多層モータは、一個の円環状のステータ１０１と、その半径方向内方および外方にそれぞれ互いに同軸の所定回転軸線Ｏ上にて回転自在に配置したインナーロータ１０２およびアウターロータ１０３とよりなる三重構造とし、これらをハウジング１０４内に収納して構成する。

ここにおけるインナーロータ１０２およびアウターロータ１０３はそれぞれ、電磁鋼板などをプレス成形して造った板材のロータ軸線方向への積層になる積層コア１２４，１２５を具え、これら積層コア１２４，１２５に、ロータ軸線方向に貫通する永久磁石を円周方向等間隔に配置して設けた構成となす。インナーロータ１０２とアウターロータ１０３とでは、配置する磁極数を変えることで、両者の極対数を異ならせている。一例を示すと、磁石の個数自体はインナーロータ１０２とアウターロータ１０３で同一であり、１２個ずつであるが、インナーロータ１０２は２個の磁石で１極を成しているため、極対数としては３極対となり、アウターロータ１０３は１個の磁石で１極を成しているため、極対数としては６極対となる。

そしてハウジング１０４内へのインナーロータ１０２およびアウターロータ１０３の収納に当たっては、アウターロータ１０３は、積層コア１２５の外周にトルク伝達シェル１０５を駆動結合して具え、該トルク伝達シェル１０５の両端をそれぞれベアリング１０７，１０８によりハウジング１０４に回転自在に支持し、トルク伝達シェル１０５をベアリング１０７の側でアウターロータシャフト１０９に結合する。

インナーロータ１０２は積層コア１２４の中心に、内部に上記アウターロータシャフト１０９を回転自在に貫通した中空のインナーロータシャフト１１０を貫通して具え、これらインナーロータ１０２の積層コア１２４およびインナーロータシャフト１１０間を駆動結合する。そしてインナーロータシャフト１１０の中間部をベアリング１１２により、固定のステータブラケット１１３内に回転自在に支持し、一端部（図１では左端部）をベアリング１１４によりトルク伝達シェル１０５の対応端壁に回転自在に支持する。

ステータ１０１は、電磁鋼板をプレス成形して造ったＴ字状のステータ鋼板をステータ軸線方向に積層してなる多数のステータピースを具える。個々のステータピースには、アウターロータ側ヨークおよびインナーロータ側ヨーク間におけるティースの箇所において図２に示す如く電磁コイル１１７を巻線し、これらコイル巻線済のステータピースを同一円周方向等間隔に、つまり円形に配列してステータコアとなし、このステータコアをステータ軸線方向両側のブラケット１１３，１１８間にボルト１１９で挟持すると共に全体的に樹脂１２０でモールドすることにより一体化してステータ１０１を構成する。なお、樹脂１２０内には隣り合うステータピース１１６間において冷却液通路１４１を軸線方向に形成し、上記したボルト１１９はその冷却液通路１４１の半径方向内方および外方にそれぞれ位置させる。ここで、各ボルト１１９はそれに螺合したナット１１９ａによって締め上げられる。このボルト・ナットによる締め上げ構造をリベットピンによる締め上げ構造としても良いことはいうまでもない。

なお、このモータの駆動に当たっては、回転センサ１４８および回転センサ１４７が検出するインナーロータ１０２およびアウターロータ１０３の回転位置、つまりこれらに上記のごとく設けられる永久磁石の位置に応じた両ロータ１０２，１０３用の位相の異なる駆動電流を複合して得られる複合電流をステータ１０１の電磁コイル１１７に供給し、これにより両ロータ１０２，１０３用の回転磁界をステータに個別に発生させることで、回転磁界に同期してロータ１０２，１０３を個別に回転駆動させることができる。

次に、上述した構成の複軸多層モータにおいて、ステータ１０１、インナーロータ１０２及びアウターロータ１０３の間における磁気回路に特徴を有する本発明の回転電機の第１実施例〜第３実施例について説明する。

＜第１実施例について＞
図３は本発明に係る回転電機の第１実施例の一例を説明するための図である。図３に示す例には、インナーロータ２０１、アウターロータ２１１、ステータ２２１からなる回転電機を示している。インナーロータ２０１は、インナー永久磁石２０２、インナー電磁鋼板２０３及びシャフト２０４から構成されている。また、図中の２０５は、インナーロータ２０１とステータ２２１との間のステータエアーギャップを示している。アウターロータ２１１は、アウター永久磁石２１２、アウター電磁鋼板２１３及びアウターシェル２１４から構成されている。また、図中２１５は、アウターロータ２１１とステータ２２１との間のステータエアーギャップを示している。ステータ２２１は、ティース２２２、ステータを支えるための部材２２３及びステータティース２２２に巻回された電機子コイル２２４から構成されている。なお、本例では、アウター永久磁石２１２の両端に、ステータエアーギャップ２１５まで達する空気層２３１を設けている。また、アウター永久磁石２１２に対応する空気層２３１の間は磁性体２３２から構成されている。

本発明の回転電機の特徴は、インナーロータおよびアウターロータの２つのロータのうち磁極数（Ｎ極とＳ極の総数）が多い方のロータを、Ｎ極磁石（ロータとステータとのギャップに対してＮ極が対向する磁石）とＳ極磁石（ロータとステータとのギャップに対してＳ極が対向する磁石）のうち一方の磁石に対して他方の磁石の容積が小さくなるよう構成する点にある。

図３に示す例においては、インナーロータ２０１およびアウターロータ２１１の２つのロータの磁石数は１２個ずつで同じである。しかし、インナーロータ２０１ではＶ字形状に配置した２つの磁石で１極を構成するため、インナーロータ２０１における磁極数は６となり、アウターロータ２１１における磁極数は１２となる。そのため、本発明では、インナーロータ２０１およびアウターロータ２１１の２つのロータのうち磁極数が多いアウターロータ２１１において、Ｎ極磁石２１２Ｎの図３に示す断面においてラジアル方向の厚みを、Ｓ極磁石２１２Ｓの同様の厚みよりも薄く構成している。これにより、Ｎ極磁石２１２Ｎの容積がＳ極磁石２１２Ｓの容積よりも小さくなるよう構成している。上述した構造によれば、後述するように、磁気抵抗が低減し、磁束が向上する。

図４は図３に示す回転電機における磁気回路構造の一例を説明するための図である。図４に示す例において、図３に示す部材と同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図４に示す例において、磁束１は、インナーロータ２０１に同期した磁束を示している。ここで、磁束１は、一対のＮ極及びＳ極をなすインナー永久磁石２０２のうちＮ極をなすインナー永久磁石２０２から出て、アウター永久磁石２１２の間を通過して、アウター永久磁石２１２の外側を通り、Ｓ極をなすインナー永久磁石２０２に返る磁束を示している。即ち、磁束１は、アウターロータ２１１を構成するアウター永久磁石２１２の外側が、インナー磁束の磁気回路におけるヨーク部として作用するインナー磁気回路を構成している。また、磁束１で示されるインナー磁気回路は、アウターロータ２１１に同期した磁束のうち横軸（ｑ軸）磁気回路としても使用されており、アウター永久磁石２１２の間が大きいために横軸磁気抵抗が小さく、リラクタンストルクが発生できる機構であることがわかる。

同様に、図４に示す例において、磁束２は、アウターロータ２１１に同期した磁束を示している。ここで、磁束２は、個々にＮ極とＳ極を有する隣接するアウター永久磁石２１２のうち一方のアウター永久磁石２１２のＮ極から出て、インナー永久磁石２０２の外側表面を通過して、他方のアウター永久磁石２１２のＳ極に返る磁束を示している。即ち、磁束２は、インナーロータ２０１を構成するインナー永久磁石２０２の外側表面が、アウター磁束の磁気回路のヨーク部として作用するアウター磁気回路を構成している。また、磁束２で示されるアウター磁気回路は、インナーロータ２０１に同期した磁束のうち横軸（ｑ軸）磁気回路としても使用されており、インナー永久磁石２０２の外側表面が広いために横軸磁気抵抗が小さく、リラクタンストルクが発生できる機構であることがわかる。

上述したように、図３に示す本発明の回転電機では、多極側のロータのＮ極とＳ極の磁石のうち、片側の磁石の１極分の厚みを減少させることにより、磁気抵抗が低減し、磁束を向上させることができる。また、極数の多いアウター側のロータのＮ極とＳ極の磁石のうち、片側の磁石の１極分の厚みを減少させることにより、内外径差が小さい場合でもヨーク面積を増すことができ、磁気抵抗が低減し、磁束を向上させることができる。なお、図４に示す各磁束はある瞬間のものである。

図５は本発明に係る回転電機の第１実施例の一例を示す概念図である。図５に示す例は、図３に示した例と同じ断面において、アウターロータ２１１、ステータ２２１、インナーロータ２０１がそれぞれ直線となるよう展開した図の一部分を示している。図５に示す例では、アウターロータ２１１を、Ｎ極磁石２１２ＮとＳ極磁石２１２Ｓとを連続して交互に設けるとともに、Ｓ極磁石２１２Ｓの厚みをＮ極磁石２１２Ｎの厚みよりも薄くして構成している。また、ステータ２２１を、三相交流のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれと対応するステータコアを連続配置して構成している。ステータコアはステータピースに電磁コイルを巻回して構成される。さらに、インナーロータ２０１を、同じ厚さのＮ極磁石２０２ＮとＳ極磁石２０２Ｓとを連続して設けて構成している。

図５に示す例でも、多極側のロータのＮ極とＳ極の磁石のうち、片側の磁石の１極分の厚みを減少させることにより、磁気抵抗が低減し、磁束を向上させることができる。また、極数の多いアウター側のロータのＮ極とＳ極の磁石のうち、片側の磁石の１極分の厚みを減少させることにより、内外径差が小さい場合でもヨーク面積を増すことができ、磁気抵抗が低減し、磁束を向上させることができる。

図６（ａ）、（ｂ）はそれぞれ図５に示す例における磁束１および磁束２の効果を説明するための図である。図６（ａ）、（ｂ）に示す例では、図５に示すように磁束１および磁束２を発生させた例において、（１）一方の極の厚みと他方の極の厚みとが同じ場合、（２）一方の極の厚みに対して他方の極の厚みを薄くした場合、（３）一方の極の厚みに対して他方の極の厚みを（２）より更に薄くした場合、のそれぞれに対し、図５に示すステータティースを左側からＮｏ．１〜６としたときの各位置でも磁束量を示している。図６（ａ）に磁束２による磁束量を示し、図６（ｂ）に磁束１による磁束量を示している。図６（ａ）、（ｂ）から、図５に示す本発明の回転電機における、アウターロータ２２１のＳ極磁石２１２Ｓの厚みを薄くした場合の磁束量増加の効果がわかる。

＜第２実施例について＞
図７は本発明に係る回転電機の第２実施例の一例を示す概念図である。表示の仕方は図５に示す例と同じである。図７に示す例では、磁極数の多いアウターロータ２１１において、Ｓ極磁石２１２Ｓの幅をＮ極磁石２１２Ｎの幅より狭く構成している。これにより、Ｓ極磁石２１２Ｓの容積をＮ極磁石２１２Ｎの容積より小さくしている。

図７に示す例では、アウターロータ２１１を、Ｎ極磁石２１２ＮとＳ極磁石２１２Ｓとを交互に設けるとともに、Ｓ極磁石２１２Ｓの幅をＮ極磁石２１２Ｎの幅より狭くして構成している。また、ステータ２２１を、三相交流のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれと対応するステータコアを連続配置して構成している。ステータコアはステータピースに電磁コイルを巻回して構成される。さらに、インナーロータ２０１を、同じ厚さのＮ極磁石２０２ＮとＳ極磁石２０２Ｓとを連続して設けて構成している。

図７に示す例では、多極側のロータのＮ極とＳ極の磁石のうち、片側の磁石の１極分の幅を減少させることにより、磁気抵抗が低減し、磁束を向上させることができる。また、極数の多いアウター側のロータのＮ極とＳ極の磁石のうち、片側の磁石の１極分の幅を減少させることにより、内外径差が小さい場合でもヨーク面積を増すことができ、磁気抵抗が低減し、磁束を向上させることができる。

＜第３実施例について＞
図８は本発明に係る回転電機の第３実施例の一例を示す概念図である。図８に示す例では、設計段階において磁極数の多いアウターロータ２１１において、Ｓ極磁石２１２Ｓを除き、Ｎ極磁石２１２Ｎの単極化として構成している。これにより、Ｓ極磁石２１２Ｓの容積をＮ極磁石２１２Ｎの容積より小さくしている。

図８に示す例では、アウターロータ２１１を、本来ならばＳ極磁石２１２Ｓが存在していた位置を空間として、Ｎ極磁石２１２Ｎを順に配置して構成している。また、ステータ２２１を、三相交流のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれと対応するステータコアを連続配置して構成している。ステータコアはステータピースに電磁コイルを巻回して構成される。さらに、インナーロータ２０１を、同じ厚さのＮ極磁石２０２ＮとＳ極磁石２０２Ｓとを連続して設けて構成している。

図８に示す例では、設計段階において多極側のロータのＮ極とＳ極の磁石のうち、一極を削除して単極とすることで、磁気抵抗が低減し、磁束を向上させることができる。また、単極化することで、内外径差が小さい場合でもヨーク面積を増すことができ、磁気抵抗が低減し、磁束を向上させることができる。さらに、第２実施例によれば、アウターロータを単極化した場合は、耐減磁のためにトルク性能の必要以上に磁石厚がある場合でもアウターロータの磁束低下の影響は小さいため、単極化によりコスト低減が可能となる。

図８に示す第３実施例の効果を補足すると以下の通りである。まず、磁極数の少ないロータ側は、Ｖ字配置などで磁気抵抗の低減が可能だが、極数の多い側はヨークとして使いにくい。また、アウターロータの径は薄くする必要があるためヨーク部がとりにくい。さらに、本発明の対象となる回転電機では、減磁界が大きいため、磁石が必要以上に厚くなっている場合がある。そのため、単極としても磁束の大きな減少はない。以上の前提のもと、図８に示す第２実施例では、磁極数の多い多極側のロータをＮ極かＳ極かの一極に単極化することにより、片側ロータの磁気抵抗を低減することができる。

本発明の回転電機は、内外にロータを有し、ロータ間にステータを有する３層構造の回転電機において、磁気抵抗を低減させ、磁束の向上を達成しようとする用途に好適に用いることができる。

１０１ステータ
１０２インナーロータ
１０３アウターロータ
２０１インナーロータ
２０２インナー永久磁石
２０２ＮＮ極磁石
２０２ＳＳ極磁石
２０３インナー電磁鋼板
２０４シャフト
２０５エアギャップ
２１１アウターロータ
２１２アウター永久磁石
２１２ＮＮ極磁石
２１２ＳＳ極磁石
２１３アウター電磁鋼板
２１４アウターシェル
２１５エアギャップ
２２１ステータ
２２２ステータティース
２２３ステータを支える部材
２２４電機子コイル
２３１空気層
２３２磁性体

Claims

磁極数が異なる２つのロータを有し、それぞれのロータを独立に駆動する回転電機において、前記２つのロータのうち前記磁極数が多い方のロータは、Ｎ極磁石とＳ極磁石のうち一方の磁石の容積に対して他方の磁石の容積が小さいことを特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、前記磁極数の多い方のロータは、前記一方の磁石の厚みに対して前記他方の磁石の厚みが薄いことを特徴とする回転電機。
請求項１または２に記載の回転電機において、前記磁極数が多い方のロータは、前記一方の磁石の幅に対して前記他方の磁石の幅が狭いことを特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、前記２つのロータのうち前記磁極数の多い方のロータは、Ｎ極磁石とＳ極磁石のうちの一方の磁石のみを有することを特徴とする回転電機。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の回転電機において、前記磁極数が多い方のロータは、インナーロータとアウターロータとのうち、アウターロータであることを特徴とする回転電機。