JP2011244643A - ダブルステータ型モータ - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石の削減による低コスト化、および、鉄損を抑制することにより高速回転での効率を向上できるダブルステータ型モータを提供する。
【解決手段】ダブルステータ型モータは、回転軸に連結される環状のロータ４と、このロータ４の内側に配置される内側ステータ５と、ロータ４の外側に配置される外側ステータ６とを備える。ロータ４は、回転軸からそれぞれ等半径位置かつ周方向等間隔に配置された偶数個のセグメント極７と、周方向に隣り合うセグメント極７同士の間に配置される偶数個の磁石８とで構成され、その磁石８が周方向に着磁されている。内外両ステータ５、６は、それぞれＹ結線された三相コイルを有し、この三相コイルに交流電流を流すことで回転磁界を生成する。また、内側ステータ５と外側ステータ６は、互いの起磁力が等しく、且つ、セグメント極７を挟んで対向関係となる様に構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロータの径方向内側に第１の三相ステータを配置し、径方向外側に第２の三相ステータを配置して構成されるダブルステータ型モータに関する。

従来、自動車のエンジンと変速機との間に配置されるモータ・ジェネレータ、あるいは、ホイルに内蔵されて駆動輪を直接駆動するインホイールモータ等が公知である。これらのモータは、その用途から搭載上の制約を受ける、すなわち、搭載スペースが限られているため、軸方向の寸法が小さい薄型形状であることが望まれる。
この課題に対応するため、ロータの内側と外側とにそれぞれステータを配置したダブルステータ型モータが提案されている。

例えば、特許文献１、２に開示されたダブルステータ型モータは、図１２（ａ）に示すモデル図の様に、内側ステータ１００と外側ステータ１１０とに対向するロータ鉄心１２０の内外表面にそれぞれ永久磁石１３０、１４０を備え、この永久磁石１３０、１４０が形成する磁界に対し、内外両ステータ１００、１１０の巻線起磁力（アンペアターン）が、図中の矢印で示す様に直列に加わって、前記内外二つの永久磁石１３０、１４０よりなるロータ磁極に作用するため、内外両ステータ１００、１１０の積層厚が薄くても大きなトルクを発生できる。換言すれば、所定の目標トルク特性を得るのに必要な鉄心積厚を薄くすることが可能である。
なお、図１２（ｂ）は、同図（ａ）にモデル図で示したダブルステータ型モータの磁束の流れを解析したコンタ図である。

特開平３−１３９１５６号公報 特開２００７−２６１３４２号公報

ところが、従来公知のダブルステータ型モータは、以下の問題点（１）〜（３）を有しているため、実用化が困難であるという課題がある。
（１）強力な磁石を大量に必要とするため、高価となってしまう。
（２）使用する磁石量や体格容積の割りには、大きな出力が得られない。
（３）高速巡行走行等における高速回転での効率が良くない。
本願発明者は、上記の問題点（１）〜（３）を解析、考察した結果、下記の根本原因があることに思い至った。
強力な磁石を大量に必要とするのは、内外両ステータの間に形成される狭い空間において、二つのステータへ多量に磁束を供給し、且つ、二つのステータからの減磁界に耐え得る磁石が求められるためである。

磁石量や体格容積の割りに大きな出力が得られないのは、鉄心が飽和して漏れ磁束が多くなるためである。これは、内外両ステータの鉄心と、二つの空隙（１極対の磁束ループに関しては四つの空隙）とに磁束を通過させることから、その道中が長く、磁気抵抗も大きくなるために磁束が漏れやすくなる事と、磁気抵抗が大きいが故に、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、従って、磁気回路各部の磁位差も大きく、余計に漏れやすくなるためである。
高速回転で効率が悪いのは、前述の様に、鉄心が飽和しやすく、渦電流損やヒステリシス損が増大し、その周波数に依存して鉄損が増加するためである。

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、永久磁石の削減による低コスト化、および、鉄損を抑制することにより高速回転での効率を向上できるダブルステータ型モータを提供することにある。

（請求項１に係る発明）
本発明は、回転軸に連結され、回転軸と一体に回転する環状のロータと、このロータの径方向内側に配置され、三相交流を流すことにより回転磁界を生成する第１の三相ステータと、ロータの径方向外側に配置され、三相交流を流すことにより回転磁界を生成する第２の三相ステータとを有するダブルステータ型モータにおいて、ロータは、回転軸からそれぞれ等半径位置かつ周方向等間隔に離間配置された軟磁性材から成る偶数個のセグメント極を有し、第１、第２の三相ステータは、それぞれセグメント極の数と同数の極数を有し、且つ、セグメント極を挟んで互いの起磁力が対向関係にあることを特徴とする。

上記の構成では、第１の三相ステータに生じる起磁力と、第２の三相ステータに生じる起磁力とがセグメント極を挟んで対向関係にあるので、第１の三相ステータより発生する磁束と、第２の三相ステータより発生する磁束とが、セグメント極を周方向に通ることができ、二つの磁束ループが並列に形成される。この場合、一つの磁束ループに関して磁束が通過する空隙は二カ所となり、従来公知のダブルステータ型モータと比較して、磁気回路の磁気抵抗が小さくなる。その結果、磁束漏れも少なくなり、その分、鉄心飽和が緩和されて鉄損も抑制されるため、高速回転での効率を向上させることが可能となる。
また、セグメント極を周方向に磁束が通ることで、セグメント極すなわち鉄片の吸引トルクであるリラクタンストルクを発生する作用が生まれるため、強力な磁石を大量に使用する必要はなく、低コスト化を図ることができる。

（請求項２に係る発明）
請求項１に記載したダブルステータ型モータにおいて、第１、第２の三相ステータは、各相当たりの巻数と電流の積である巻線起磁力が等しいことを特徴とする。
この場合、第１の三相ステータと第２の三相ステータとで相互に鎖交する磁束が少なくなり、直軸インダクタンスが小さくなるので、リラクタンストルクを大きくできる。

（請求項３に係る発明）
請求項１または２に記載したダブルステータ型モータにおいて、第１、第２の三相ステータは、対応する相の巻線同士が直列結線されていることを特徴とする。
第１の三相ステータと第２の三相ステータとでは、ロータとの間に形成される空隙での磁束分布の周速度が異なり、起電圧も異なるが、両ステータの対応する相の巻線同士を直列結線することで、起電圧が異なる場合でも、両ステータの巻線に通電される電流を揃えることができる。

（請求項４に係る発明）
請求項１〜３に記載した何れかのダブルステータ型モータにおいて、第１の三相ステータは、第２の三相ステータよりスロットの断面積が大きく、且つ、数が少ないことを特徴とする。
第１の三相ステータと第２の三相ステータとで、両者のスロット数を同数に設定すると、ロータの内側に配置される第１の三相ステータの方が、ロータの外側に配置される第２の三相ステータよりスロットの断面積が小さくなるため、巻線作業が困難になる。
これに対し、第１の三相ステータのスロットの数を、第２の三相ステータのスロットの数より少なくすることで、スロットの断面積を大きくできるため、巻線作業を容易にできる（巻線し易くなる）。

（請求項５に係る発明）
請求項１〜３に記載した何れかのダブルステータ型モータにおいて、第１、第２の三相ステータは、同数の鉄心歯を有し、その鉄心歯に巻線を集中巻きして構成され、第１の三相ステータの鉄心歯は、第２の三相ステータの周方向に隣り合う鉄心歯と鉄心歯との間に配置されていることを特徴とする。
集中巻きは、分布巻きと比較してコイルエンド部での重なりがなく、コイル周長を短縮できるので巻線抵抗を低減できる。よって、低抵抗の分だけ分布巻きより巻数を増やすことが可能となり、巻線起磁力を大きくできるので、モータ性能の向上を図ることが可能である。
但し、集中巻きの場合は、隣り合うセグメント極の磁束密度が密のものと疎のものとが繰り返す周期的なむらができる問題がある。そこで、請求項５に係る発明では、第１の三相ステータの鉄心歯と、第２の三相ステータの鉄心歯とを周方向にずらす、つまり、第１の三相ステータの鉄心歯を第２の三相ステータの鉄心歯と鉄心歯との間に配置することにより、全セグメント極の磁束密度のむらを少なくできる。言い換えると、磁束密度を均質化できるので、体格当たりのモータ性能を向上できる。

（請求項６に係る発明）
請求項５に記載したダブルステータ型モータにおいて、第１の三相ステータの鉄心歯は、第２の三相ステータの周方向に隣り合う鉄心歯と鉄心歯との中央に配置されていることを特徴とする。
例えば、第１、第２の三相ステータの歯数（鉄心歯の数）を電気角２π中に三つとした場合、第１の三相ステータの鉄心歯は、第２の三相ステータの鉄心歯と電気角６０°の角度差を持って配置される。これにより、磁束密度のむらを効果的に抑制できるので、体格当たりのモータ性能が更に向上する。

（請求項７に係る発明）
請求項１〜６に記載した何れかのダブルステータ型モータにおいて、セグメント極は、径方向の外周面と内周面の両方、または、外周面と内周面のどちらか一方に凹みを有していることを特徴とする。
上記の構成によれば、ロータと対向するセグメント極の外周面と内周面の両方、または、外周面と内周面のどちらか一方に凹みを設けることにより、その凹みの分だけロータとの間の空隙が大きくなる。その結果、直軸インダクタンスが小さくなり、逆突極性の関係が成り立つため、請求項２の発明に係る効果、つまり、リラクタンストルクを大きくできる効果を更に高めることができる。

（請求項８に係る発明）
請求項７に記載したダブルステータ型モータにおいて、セグメント極の凹みは、セグメント極の周方向中心に対して、ロータ回転方向の進み側または遅れ側の非対称位置に配置されていることを特徴とする。
例えば、本発明のダブルステータ型モータをモータジェネレータとして使用した場合、モータとして機能する力行作動の時、または、発電機として機能する回生作動の時に、磁気分布がセグメント極の周方向に対して偏る。これに対し、例えば、セグメント極の周方向中心に対して凹みの位置をロータ回転方向の遅れ側に配置すると、力行作動の時にトルクが大きくなり、モータ機能を高めることができる。一方、セグメント極の周方向中心に対して凹みの位置をロータ回転方向の進み側に配置すると、回生作動に効果的であり、発電機能を高めることができる。

（請求項９に係る発明）
請求項１〜８に記載した何れかのダブルステータ型モータにおいて、周方向に隣り合うセグメント極同士の内周側および外周側を周方向に連結するブリッジを設けると共に、内周側のブリッジと外周側のブリッジとの間に、周方向に着磁した永久磁石を配置していることを特徴とする。
この請求項９に係る発明では、第１、第２の三相ステータとの対向面となるセグメント極の内周面および外周面に永久磁石（以下、磁石と呼ぶ）を配置するのではなく、セグメント極の周方向側面に配置する、つまり、周方向に隣り合うセグメント極同士の間に、周方向に着磁した磁石を配置することで、その磁石から第１、第２の三相ステータに対して並列に磁束を供給することができる。この場合、磁石の極と第１、第２の三相ステータの極とが直接に対面することはないので、第１、第２の三相ステータからの減磁界に対して過剰な減磁耐力を持たせる必要はない。

また、上記の構成によれば、磁石から第１、第２の三相ステータに対して並列に磁束が供給される、つまり、二つの磁束ループが並列に形成されるため、一つの磁束ループに関して磁束が通過する空隙は二カ所で済む。これにより、一つの磁束ループが内外両ステータを直列に貫通する公知技術（特許文献１、２に開示された技術）と比較して、磁気回路の磁気抵抗が小さくなるので、磁石の印加起磁力は小さくても良く、使用する磁石量を少なくできる。また、強力な磁石で高起磁力を印加しないため、漏れ磁束も少なくなり、その分、鉄心飽和も緩和されて、鉄損も抑制される。
さらに、磁石の内周面と外周面とがブリッジにより覆われているので、磁石の保持（特に耐遠心力保持）も確実となる。

実施例１で説明する本発明モータの主要部に係る構造を部分的に示した断面図である。 本発明モータの全体構成を示す断面図である。 内外両ステータの巻線仕様と結線方法およびインバータの構成を示す回路図である。 本発明モータの磁束の流れを示すコンタ図である。 （ａ）本発明モータの設計例とその効果を従来モータと比較した説明図、（ｂ）従来モータと本発明モータとの効果の違いを比較した棒グラフである。 実施例２で説明する本発明モータの主要部に係る構造を部分的に示した断面図である。 （ａ）分布巻きのモデル図、（ｂ）分布巻きモデルの磁束密度を解析したコンタ図である（実施例３）。 （ａ）集中巻きのモデル図、（ｂ）集中巻きモデルの磁束密度を解析したコンタ図である（実施例３）。 （ａ）集中巻きの改良モデル図、（ｂ）集中巻き改良モデルの磁束密度を解析したコンタ図である（実施例３）。 実施例４で説明する本発明モータの主要部に係る構造を部分的に示した断面図である。 実施例４で説明する本発明モータの主要部に係る構造を部分的に示した断面図である。 （ａ）従来モータの主要部に係る構造を部分的に示したモデル図、（ｂ）従来モータの磁束の流れを示すコンタ図である。

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）
この実施例１では、例えば、ハイブリッド自動車用のモータジェネレータに本発明のダブルステータ型モータを適用した一例を説明する。
モータジェネレータ１は、図２に示す様に、回転軸２と、この回転軸２にディスクホルダ３を介して回転軸２と同軸に連結される環状のロータ４と、このロータ４の径方向内側に配置される内側ステータ５（本発明の第１の三相ステータ）と、ロータ４の径方向外側に配置される外側ステータ６（本発明の第２の三相ステータ）とを備え、モータとして機能する力行運転モードと、発電機として機能する回生運転モードとの２つの運転状態に対応できる様に構成されている。

回転軸２は、例えば、図２の左端側がエンジンのクランク軸（図示せず）に連結され、右端側が変速機のギヤ軸（図示せず）に連結されている。
ロータ４は、図１に示す様に、回転軸２からそれぞれ等半径位置かつ周方向等間隔に離間配置された偶数個の軟磁性材料から成るセグメント極７と、周方向に隣り合うセグメント極７同士の間に配置される偶数個の永久磁石（以下、磁石８と呼ぶ）とで構成される。なお、セグメント極７と磁石８は同数であり、図１に示すロータ４は、１２個のセグメント極７と、１２個の磁石８を有する一例である。
セグメント極７は、図１に示す様に、電気角９０°以上および１８０°未満の周方向幅を持つ円弧状に形成され、例えば、板厚が薄い複数枚の電磁鋼板を積層して構成されている。また、セグメント極７の内周面および外周面には、周方向の中央部に凹み７ａが形成されている。

さらに、周方向に隣り合うセグメント極７同士は、径方向の内周側および外周側が、それぞれブリッジ９により連結されている。つまり、偶数個のセグメント極７は、内周側と外周側とがブリッジ９により周方向に連結されてリング状に一体化され、ボルトとナット等によりディスクホルダ３に固定されている。
磁石８は、例えば、希土類磁石の一つであるネオジム磁石が使用され、周方向に隣り合うセグメント極７同士の間で、その両セグメント極７を連結する内周側のブリッジ９と外周側のブリッジ９との間に挿入され、周方向に着磁されている。なお、セグメント極７を挟んで周方向に隣り合う一方の磁石８と他方の磁石８は、図１に矢印で示す様に、両磁石８のＳ極同士またはＮ極同士が、そのセグメント極７を挟んで周方向に対向する様に配置されている。

内側ステータ５は、図１に示す様に、外周に複数（例えば、１極当たり６個）のスロット５ａ１を有する内側ステータ鉄心５ａと、この内側ステータ鉄心５ａに巻装される内側ステータ巻線５ｂとで構成される。
内側ステータ鉄心５ａは、例えば、板厚が薄い複数枚の電磁鋼板を積層して構成され、ボルトとナット等により一体化されている。この内側ステータ鉄心５ａは、ロータ４との間に空隙を有して回転軸２と同軸に配置され、図２に示す様に、モータケース１０に設けられた内側円筒部１０ａの外周に固定されている。
内側ステータ巻線５ｂは、図３に示す様に、１２０°ずつ位相がずれた三相（Ｘ相、Ｙ相、Ｚ相）のコイルをＹ結線して構成され、この三相のコイルが内側ステータ鉄心５ａに分布巻きされている。

外側ステータ６は、図１に示す様に、内周に複数（例えば、１極当たり６個）のスロット６ａ１を有する外側ステータ鉄心６ａと、この外側ステータ鉄心６ａに巻装される外側ステータ巻線６ｂとで構成される。
外側ステータ鉄心６ａは、内側ステータ鉄心５ａと同じく、板厚が薄い複数枚の電磁鋼板を積層して構成され、ボルトとナット等により一体化されている。この外側ステータ鉄心６ａは、ロータ４との間に空隙を有して回転軸２と同軸に配置され、図２に示す様に、モータケース１０に設けられた外側円筒部１０ｂの内周に固定されている。
外側ステータ巻線６ｂは、図３に示す様に、１２０°ずつ位相がずれた三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のコイルをＹ結線して構成され、この三相のコイルが外側ステータ鉄心６ａに分布巻きされている。

上記の内側ステータ５と外側ステータ６は、それぞれ、セグメント極７の数（１２個）と同数の極数を有すると共に、互いの起磁力が等しく、且つ、セグメント極７を挟んで対向関係となる様に構成される。
また、内側ステータ巻線５ｂと外側ステータ巻線６ｂは、対応する相のコイル同士が直列に接続されている。具体的には、図３に示す様に、Ｙ結線された内側ステータ巻線５ｂのＸ相、Ｙ相、Ｚ相の各コイルに対し、外側ステータ巻線６ｂのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイルがそれぞれ直列結線されている。この内側ステータ巻線５ｂと外側ステータ巻線６ｂは、Ｙ結線された各相の中性点と反対側のコイル端部がインバータ１１に接続され、そのインバータ１１が蓄電池１２（直流電源）に接続されている。インバータ１１は、例えば、６個のトランジスタ１３と、各トランジスタ１３に対し逆並列に接続される６個の帰還ダイオード１４とで構成される。

次に、モータジェネレータ１の作動を説明する。
ａ）力行運転モード
蓄電池１２より供給される直流電流がインバータ１１で交流電流に変換されて内側ステータ巻線５ｂおよび外側ステータ巻線６ｂに通電されることで、内側ステータ巻線５ｂおよび外側ステータ巻線６ｂにそれぞれ回転磁界が生成される。これにより、回転磁界と磁石８とが引き付け合うマグネットトルク、および、直軸インダクタンスと横軸インダクタンスとの差に起因するリラクタンストルクが発生してロータ４を回転させ、ロータ４と一体に回転軸２が回転する。つまり、モータジェネレータ１がモータとして機能し、発進時、加速時等にエンジンとモータジェネレータ１からの駆動力を得て発進加速性能を確保することができる。

ｂ）回生運転モード 減速走行（アクセルが解放された状態での走行）時には、車輪側からの駆動力が回転軸２に伝達されて、回転軸２と一体にロータ４が強制的に回転することにより、内側ステータ巻線５ｂおよび外側ステータ巻線６ｂに交流電力が発生する。つまり、モータジェネレータ１が発電機として機能し、内側、外側の両ステータ巻線５ｂ、６ｂに発生した交流電力がインバータ１１で整流されて蓄電池１２に充電され、減速エネルギーを電気として回生することができる。

次に、上記モータジェネレータ１の特徴と効果について説明する。
本実施例のモータジェネレータ１は、内側ステータ５の起磁力と外側ステータ６の起磁力とが等しく、且つ、セグメント極７を挟んで対向関係にあるので、図４に示す様に、内側ステータ５より発生する磁束と、外側ステータ６より発生する磁束とが、セグメント極７を周方向に通ることができ、図中矢印で示す様に、二つの磁束ループが並列に形成される。
また、周方向に隣り合うセグメント極７同士の間に磁石８を配置し、その磁石８が周方向に着磁されているので、磁石８から内側ステータ５および外側ステータ６に対して並列に磁束を供給することができる。

上記の構成によれば、内側ステータ５および外側ステータ６により、セグメント極７に周方向の磁束を流すことでトルクを発生する作用が生まれる。また、一つの磁束ループに関して磁束が通過する空隙は二カ所で済むので、特許文献１、２に開示された公知技術と比較して、磁気回路の磁気抵抗が小さくなる。さらに、内側ステータ５および外側ステータ６の極と磁石８の極とが直接対面することはないので、内側ステータ５および外側ステータ６からの減磁界に対して磁石８に過剰な減磁耐力を持たせる必要はない。これにより、磁石８の印加起磁力が小さくても大きなトルクを発生できるので、使用する磁石量を少なくできる。
また、強力な磁石８で高起磁力を印加しないため、漏れ磁束も少なくなり、その分、鉄心飽和も緩和されて鉄損も抑制される。その結果、高速回転での効率を向上させることが可能となる。

また、内側ステータ５と外側ステータ６は、対応する相のコイル同士が直列に接続されているので、内外両ステータ５、６の各相コイルに通電される電流を揃えることが出来、内外両ステータ５、６の起磁力を等しくできる。これにより、内側ステータ５と外側ステータ６とで相互に鎖交する磁束が少なくなり、直軸インダクタンスが小さくなるので、リラクタンストルクを大きくできる。
さらに、周方向に隣り合うセグメント極７同士の間に配置される磁石８は、その周方向に隣り合うセグメント極７同士の内周側および外周側を周方向に連結するブリッジ９によって保持されるため、特に、ロータ４の回転時に生じる遠心力に対する磁石保持を確実にできる。

ここで、実施例１のモータジェネレータ１に適用した本発明のダブルステータ型モータ（以下、本発明モータと呼ぶ）と、従来のダブルステータ型モータ（以下、従来モータと呼ぶ）とを解析して得られた性能データを図５に示して説明する。
図５（ａ）は、従来モータと本発明モータの解析モデル、内外ステータの設計仕様、および、従来モータと本発明モータの性能データを比較して表示している。
従来モータは、「背景技術」の欄で説明した様に、内側ステータと外側ステータとに対向するロータ鉄心の内外表面にそれぞれ永久磁石を備え、この永久磁石が形成する磁界に対し、内外両ステータの巻線起磁力が直列に加わってロータ磁極に作用する。このため、１極対の磁束ループ（図中の解析モデルに矢印で示す磁束の流れ）に関しては、四つの空隙を磁束が通過することになる。

一方、本発明モータは、実施例１で説明した様に、内側ステータ５の起磁力と外側ステータ６の起磁力とが等しく、且つ、セグメント極７を挟んで対向関係にあり、さらに、周方向に隣り合うセグメント極７同士の間に磁石８を配置しているので、その磁石８からも内外両ステータ５、６に並列に磁束が供給される。これにより、図中の解析モデルに矢印で示す様に、二つの磁束ループが並列に形成され、一つの磁束ループに関して磁束が通過する空隙は二カ所で済むことになる。
従来モータと本発明モータの性能データを比較すると、従来モータでは、使用しているネオジム磁石の体積が１５５．８ｃｍ³ 、１０００ｒｐｍで発生する低速トルクが２２０［Ｎｍ］、８０００ｒｐｍで発生する高速トルクが２０［Ｎｍ］であるのに対し、本発明モータは、使用するネオジム磁石の体積が３３．６ｃｍ³ 、低速トルクが２３０［Ｎｍ］、高速トルクが７０［Ｎｍ］となっている。

図５（ｂ）は、従来モータと本発明モータとで、上記の低速トルク、高速トルク、ネオジム磁石の体積の違いを比較した棒グラフである。なお、同図（ｂ）では、本発明モータの各値を１００％で表示している。
この棒グラフからも明らかな様に、本発明モータは、従来モータと比較して、より少ない磁石使用量で高い発生トルクを得ることができる。特に、ネオジム磁石の使用量を削減できる効果が大きいことが分かる。この結果、本発明モータは、従来モータより少ない磁石使用量で従来モータより高い低速トルクおよび高速トルクを発生できるので、磁石使用量の大幅な削減による低コスト化を図ることができ、且つ、高速回転での効率向上により、燃費向上に寄与できる。

（実施例２）
この実施例２は、内側ステータ５のスロット数が外側ステータ６のスロット数より少なく、且つ、スロット５ａ１の断面積を大きく形成した一例である。
例えば、図６に示す様に、外側ステータ６は、実施例１と同じく、１極当たりのスロット数が６個であるのに対し、内側ステータ５は、１極当たりのスロット数が３個であり、スロット５ａ１の断面積も大きく設計されている。
実施例１に例示した様に、内側ステータ５と外側ステータ６とで、両者のスロット数を同数（例えば、１極当たり６個）に設定すると、ロータ４の内側に配置される内側ステータ５の方が、ロータ４の外側に配置される外側ステータ６より、ステータ鉄心５ａの周方向幅が狭くなるため、必然的にスロット５ａ１の断面積も小さくなり、その分、巻線作業が困難になる。
これに対し、内側ステータ５のスロット数を外側ステータ６のスロット数より少なく設定することで、内側ステータ５のスロット断面積を大きく取ることができるため、巻線作業を容易にできる、つまり、巻線し易くなる。

（実施例３）
実施例１で説明した様に、本発明モータは、内側ステータ５の起磁力と外側ステータ６の起磁力とが等しく、且つ、セグメント極７を挟んで対向関係にあるため、二つの磁束ループが並列に形成される。その結果、一つの磁束ループに関して磁束が通過する空隙は二カ所で済むので、従来モータと比較して、磁気回路の磁気抵抗を小さくできる。この低磁気抵抗のメリットを生かすために、この実施例３では、内側ステータ５および外側ステータ６の各三相コイルを、それぞれ内側ステータ鉄心５ａおよび外側ステータ鉄心６ａに形成される各鉄心歯５ａ２、６ａ２に集中巻きした一例を説明する。

集中巻きは、実施例１に記載した分布巻きと比較して、コイルエンド部での重なりがなく、コイル周長を短縮できるので巻線抵抗を低減できる。言い換えると、低抵抗の分だけ分布巻きより巻数を増やすことが可能となり、巻線起磁力を増大できる。
但し、集中巻きの場合、回転角に対する磁気抵抗分布は一様にならない。つまり、巻線が施された方向には、鉄心歯５ａ２、６ａ２が存在するので磁気抵抗は相対的に小さくなるが、隣り合った巻線の中間では磁気抵抗が大きくなるため、磁束密度が不均質となり、磁気飽和にむらが生じる。

実際に、分布巻きのモデルと集中巻きのモデルとを使用して、それぞれ磁束密度の解析を行った結果を図７および図８に示す。
なお、分布巻きのモデルは、図７（ａ）に示す様に、内外両ステータ５、６ともに電気角２π中に６個の鉄心歯５ａ２、６ａ２を有し、巻数１６ターンである。一方、集中巻きのモデルは、図８（ａ）に示す様に、内外両ステータ５、６ともに電気角２π中に３個の鉄心歯５ａ２、６ａ２を有し、巻数２０ターンである。
解析結果を見ると、分布巻きの場合は、図７（ｂ）に示す様に、各セグメント極７の磁束密度が均質であるが、集中巻きの場合は、図８（ｂ）に示す様に、周方向に隣り合うセグメント極７同士で磁束密度が不均質であり、磁気飽和にむらが有ることが分かる。

そこで、集中巻きの改良モデルを用いて、再度、解析を行った。
この改良モデルは、内側ステータ５の鉄心歯５ａ２と外側ステータ６の鉄心歯６ａ２とを周方向にずらして配置したものである。具体的には、図９（ａ）に示す様に、外側ステータ６の鉄心歯６ａ２に対して、内側ステータ５の鉄心歯５ａ２を周方向に電気角６０°の角度差で配置している。すなわち、電気角２π中に３個の鉄心歯５ａ２、６ａ２を有する場合は、外側ステータ６の鉄心歯６ａ２と鉄心歯６ａ２との中央に内側ステータ５の鉄心歯５ａ２が配置される。
この集中巻きの改良モデルを用いて解析を行った結果、図９（ｂ）に示す様に、各セグメント極７の磁束密度が均質化されて、磁気飽和のむらが解消されていることが分かる。また、改良前のモデルと比較して、出力も大幅に向上できることが実証された。

上記の様に、分布巻きから集中巻きに変更することで巻数を増やすことができ、且つ、内側ステータ５の鉄心歯５ａ２の周方向位置を外側ステータ６の鉄心歯６ａ２と鉄心歯６ａ２との間（望ましくは、鉄心歯６ａ２と鉄心歯６ａ２との周方向中心）に配置することで、セグメント極７の磁束密度を均質化できる。その結果、体格当たりの出力を向上できるので、所定の要求出力に対して磁石８の使用量を削減でき、低コスト化を図ることが可能となる。

（実施例４）
実施例１では、セグメント極７の径方向の内周面および外周面に凹み７ａを有し、この凹み７ａをセグメント極７の周方向中央部に配置している。これに対し、実施例４では、セグメント極７の周方向中心に対して、ロータ回転方向の進み側または遅れ側の非対称位置に凹み７ａを配置した例を説明する。
実施例１に記載したモータジェネレータ１は、モータとして機能する力行作動の時、または、発電機として機能する回生作動の時に、磁気分布がセグメント極７の周方向に対して偏るため、例えば、図１０に示す様に、セグメント極７の周方向中心に対して凹み７ａの位置をロータ回転方向の遅れ側に配置すると、力行作動の時にトルクが大きくなり、モータ機能を高めることができる。
一方、図１１に示す様に、セグメント極７の周方向中心に対して凹み７ａの位置をロータ回転方向の進み側に配置すると、回生作動に効果的であり、発電機能を高めることができる。

１ モータジェネレータ（ダブルステータ型モータ）
２ 回転軸
４ ロータ
５ 内側ステータ（第１の三相ステータ）
５ａ 内側ステータ鉄心
５ａ１ 内側ステータのスロット
５ａ２ 内側ステータの鉄心歯
５ｂ 内側ステータ巻線
６ 外側ステータ（第２の三相ステータ）
６ａ 外側ステータ鉄心
６ａ１ 外側ステータのスロット
６ａ２ 外側ステータの鉄心歯
６ｂ 外側ステータ巻線
７ セグメント極
７ａ セグメント極の凹み
８ 磁石（永久磁石）
９ ブリッジ

Claims (9)

1. 回転軸に連結され、前記回転軸と一体に回転する環状のロータと、
   このロータの径方向内側に配置され、三相交流を流すことにより回転磁界を生成する第１の三相ステータと、
   前記ロータの径方向外側に配置され、三相交流を流すことにより回転磁界を生成する第２の三相ステータとを有するダブルステータ型モータにおいて、
   前記ロータは、前記回転軸からそれぞれ等半径位置かつ周方向等間隔に離間配置された軟磁性材から成る偶数個のセグメント極を有し、
   前記第１、第２の三相ステータは、それぞれ前記セグメント極の数と同数の極数を有し、且つ、前記セグメント極を挟んで互いの起磁力が対向関係にあることを特徴とするダブルステータ型モータ。
2. 請求項１に記載したダブルステータ型モータにおいて、
   前記第１、第２の三相ステータは、各相当たりの巻数と電流の積である巻線起磁力が等しいことを特徴とするダブルステータ型モータ。
3. 請求項１または２に記載したダブルステータ型モータにおいて、
   前記第１、第２の三相ステータは、対応する相の巻線同士が直列結線されていることを特徴とするダブルステータ型モータ。
4. 請求項１〜３に記載した何れかのダブルステータ型モータにおいて、
   前記第１の三相ステータは、前記第２の三相ステータよりスロットの断面積が大きく、且つ、数が少ないことを特徴とするダブルステータ型モータ。
5. 請求項１〜３に記載した何れかのダブルステータ型モータにおいて、
   前記第１、第２の三相ステータは、同数の鉄心歯を有し、その鉄心歯に巻線を集中巻きして構成され、
   前記第１の三相ステータの鉄心歯は、前記第２の三相ステータの周方向に隣り合う鉄心歯と鉄心歯との間に配置されていることを特徴とするダブルステータ型モータ。
6. 請求項５に記載したダブルステータ型モータにおいて、
   前記第１の三相ステータの鉄心歯は、前記第２の三相ステータの周方向に隣り合う鉄心歯と鉄心歯との中央に配置されていることを特徴とするダブルステータ型モータ。
7. 請求項１〜６に記載した何れかのダブルステータ型モータにおいて、
   前記セグメント極は、径方向の外周面と内周面の両方、または、外周面と内周面のどちらか一方に凹みを有していることを特徴とするダブルステータ型モータ。
8. 請求項７に記載したダブルステータ型モータにおいて、
   前記セグメント極の凹みは、前記セグメント極の周方向中心に対して、ロータ回転方向の進み側または遅れ側の非対称位置に配置されていることを特徴とするダブルステータ型モータ。
9. 請求項１〜８に記載した何れかのダブルステータ型モータにおいて、
   周方向に隣り合う前記セグメント極同士の内周側および外周側を周方向に連結するブリッジを設けると共に、内周側の前記ブリッジと外周側の前記ブリッジとの間に、周方向に着磁した永久磁石を配置していることを特徴とするダブルステータ型モータ。

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