JP2013090531A - ダブルステータ型モータ - Google Patents

Abstract

【課題】減磁に弱いフェライト磁石１１を使用でき、且つ、製造が容易なダブルステータ型モータを提供する。
【解決手段】本発明のモータは、環状のロータＲと、このロータＲの内側に配置される内ステータＳｉと、ロータＲの外側に配置される外ステータＳｏとで構成される。ロータＲは、ブリッジを介して環状に連結される複数のセグメント部１０と、隣り合うセグメント部１０間に配置されるフェライト磁石１１とで構成される。内ステータＳｉと外ステータＳｏは、ロータＲと同一極数であり、且つ、セグメント部１０に対し両者の巻線起磁力が並列に印加されるように、内ステータ巻線と外ステータ巻線とが逆相に接続されている。 また、内ステータ巻線の方が外ステータ巻線よりスロット内導体数が少なく設定され、且つ、内ステータ巻線のスロット内導体１３ａと外ステータ巻線の内側スロット内導体１５ａ１とが渡り部を介して連接されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、フェライト磁石のように減磁に弱い磁石でも使うことの出来るモータ構造の工夫に関するものであり、周方向に着磁した永久磁石をセグメント極間に挟む環状ロータを有し、そのロータの径方向内側に三相の内ステータを配置し、径方向外側に三相の外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。

近年のモータは、ネオジム磁石を用いた永久磁石埋め込み型同期モータが主流になっている。しかし、添加物質として無くてはならないジスプロシウムなどの重希土類金属の価格高騰により、将来的にこのようなレアアース磁石を大量生産用モータへ使用することにはリスクがある。このため、安定的需給材料として、フェライト磁石を用いた脱レアアースモータの研究開発が盛んになっている。
しかし、フェライト磁石は、ネオジム磁石に比べて、磁束密度および保持力において、それぞれ数分の１程度の低い特性であり、このような低特性の磁石を如何に使いこなすかが目下の技術課題となっている。

永久磁石埋め込み型同期モータにおいて、これまでネオジム磁石を埋め込んでいた部分をフェライト磁石に置き換えると、磁束密度が低いのに応じて出力特性が下がる。その下がった分は、我慢許容して使う考え方もあるが、これが出来ない問題点がある。それは、フェライト磁石の保持力が低いために、強いステータの巻線起磁力に対してネオジム磁石のように耐えることができず、永久減磁してしまい、そもそものモータとしての機能をも失ってしまうためである。このようなフェライト磁石が減磁する課題に対して、ステータの巻線起磁力が磁石に印加されにくくする、または巻線起磁力を小さくする方式、構造が求められている。

上記の課題に対して、本願発明者は、特許文献１に記載されているダブルステータ型モータの構造が解決の参考になるのではないかと考えた。すなわち、起磁力源であるステータの起磁力が内外に二分割され得る構造と考えれば、永久磁石に印加される起磁力を半分にできるのではないかと考えた。

特開平３−１３９１５６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、特許文献１に開示された方式のままでは実用化が難しく、且つ、減磁を抑制できる効果が期待できないと言う課題がある。
（１）二重構造（ダブルステータ型）のため、ステータの部品数、特に複雑な製法を要するステータ巻線の数が二倍となり、製造が難しくなる。
（２）二重構造のため、内ステータの巻線スペースと鉄心断面積との関係が苦しくなる。つまり、内ステータ鉄心の磁路断面積が狭くなるため、特性が出なくなる。
（３）磁石をロータの径方向に着磁した配置とし、且つ、内外ステータの起磁力が磁石に協同して同方向に作用する構成であるため、磁石の減磁を軽減することができない。
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、フェライトのような減磁に弱い磁石でも使用でき、且つ、特許文献１に開示された従来モータと比較して製造が容易な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の発明）
本発明のダブルステータ型モータは、回転軸に連結されて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る内ステータと、ロータの径方向外側に配置される外ステータとを備える。
ロータは、周方向に所定の間隔を有して環状に配置される複数のセグメント部と、周方向に隣り合うセグメント部同士の間に介在され、且つ、周方向に対して交互に逆向きに着磁された複数の永久磁石とを有している。

内ステータは、複数のスロットが外周面に開口する内ステータ鉄心と、複数のスロットを介して内ステータ鉄心に巻装される三相の内ステータ巻線とを備えている。
外ステータは、複数のスロットが内周面に開口する外ステータ鉄心と、複数のスロットを介して外ステータ鉄心に巻装される三相の外ステータ巻線とを備えている。
ロータと内ステータおよび外ステータは、いずれも同一極数であり、内ステータと外ステータは、両者の巻線起磁力によって発生する磁界が同一のセグメント部に対して並列に印加されるように、内ステータ巻線と外ステータ巻線とが逆相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、同一のセグメント部に対して、内ステータの巻線起磁力と外ステータの巻線起磁力とが同方向に協同することなく、並列に対向して印加されるので、磁石に印加されるステータの起磁力が分散して小さいという特徴がある。また、永久磁石の極性をステータの方向（径方向）に向けず、周方向に着磁しているので、磁石の着磁方向にステータの減磁界が印加されにくい特徴がある。
上記の両作用の相乗効果により、磁石の減磁が起きにくい効果を得ることができ、フェライトのような減磁に弱い磁石でも使用可能となる。

（請求項２の発明）
請求項１に記載したダブルステータ型モータにおいて、内ステータと外ステータは、内ステータ鉄心のスロット数と外ステータ鉄心のスロット数とが同一であり、且つ、内ステータ巻線と外ステータ巻線は、それぞれスロット内に収納されるスロット内導体を有し、外ステータ巻線のスロット内導体数より内ステータ巻線のスロット内導体数の方が少ないことを特徴とする。
上記の構成では、外ステータ鉄心と内ステータ鉄心とで両者のスロット数は同一であるが、スロット内に収納されるスロット内導体は、内ステータ巻線の方が外ステータ巻線より少ないので、外ステータ鉄心に対し内ステータ鉄心のスロット面積を小さくできる。これにより、例えば、小径モータが求められる場合でも、内ステータ鉄心のスロット面積を小さく形成することで、磁束通路である内ステータの鉄心断面積を十分に確保できるので、内外ステータの径差制約の下でも、内ステータを外ステータに比べて小さく設計することが容易である。

（請求項３の発明）
請求項１に記載したダブルステータ型モータにおいて、内ステータと外ステータは、内ステータ鉄心のスロット数の方が外ステータ鉄心のスロット数より少ないことを特徴とする。
上記の構成では、内ステータ鉄心の方が外ステータ鉄心よりスロット数が少ないので、外ステータ鉄心に対し内ステータ鉄心のスロットピッチを大きく取ることができる。これにより、例えば、小径モータが求められる場合でも、内ステータ鉄心のスロットピッチを大きく取ることで、磁束通路である内ステータの鉄心断面積を十分に確保できるので、内外ステータの径差制約の下でも、内ステータを外ステータに比べて小さく設計することが容易である。

（請求項４の発明）
請求項２に記載したダブルステータ型モータにおいて、外ステータ巻線のスロット内導体は、スロットの内周側に収納される内側スロット内導体と、スロット内で内側スロット内導体の外周側に収納される外側スロット内導体とを有し、外ステータ巻線の内側スロット内導体と内ステータ巻線のスロット内導体は、内ステータと外ステータとの間でロータの軸方向一端側を径方向に跨いで配設される渡り部を介してＵ字状に連続して一体に設けられていることを特徴とする。

上記の構成では、外ステータ巻線の内側スロット内導体と内ステータ巻線のスロット内導体とが渡り部を介して一体に構成されているので、内外ステータ巻線に使用される導体数を少なくでき、部品点数の低減によるコストダウン効果を得ることが可能である。なお、渡り部を介してＵ字状に設けられた外ステータ巻線の内側スロット内導体と内ステータ巻線のスロット内導体は、外ステータ鉄心および内ステータ鉄心の各スロットに対し軸方向から挿入して組み付けた後、渡り部によって連接されていない反Ｕ字側の軸方向端部を連接（亀甲状に屈曲した後に所定箇所を溶接等により接合）すれば良いので、簡単に組み付けることができ、且つ、スロット占積率も向上できる効果もある。

（請求項５の発明）
請求項４に記載したダブルステータ型モータにおいて、外ステータ巻線は、外ステータ鉄心の周方向に異なる二箇所のスロット内に収納される一方の外側スロット内導体と他方の外側スロット内導体とが外ステータ鉄心の軸方向一端面より外側でＵ字状に連続して一体に設けられ、内側スロット内導体と外側スロット内導体とが軸方向の他端側で電気的かつ機械的に接続されていることを特徴とする。

上記の構成では、一方の外側スロット内導体と他方の外側スロット内導体とが軸方向の一端側でＵ字状に連続して一体に設けられているので、内外ステータ巻線に使用される導体数を少なくでき、部品点数の低減によるコストダウン効果を得ることが可能である。なお、軸方向の一端側がＵ字状に連続して一体に設けられた一方の外側スロット内導体と他方の外側スロット内導体は、外ステータ鉄心の各スロットに対し軸方向より挿入して組み付けた後、反Ｕ字側の軸方向端部を連接（亀甲状に屈曲した後に所定箇所を溶接等により接合）すれば良いので、簡単に組み付けることができ、且つ、スロット占積率も向上できる効果もある。

（請求項６の発明）
請求項４または５に記載したダブルステータ型モータにおいて、内ステータ巻線と外ステータ巻線は、それぞれスロット内導体の断面形状が長方形で同一断面積を有し、内ステータ巻線のスロット内導体は、断面形状の長辺側を内ステータ鉄心の半径方向に向けてスロット内に収納され、外ステータ巻線のスロット内導体は、断面形状の長辺側を外ステータ鉄心の周方向に向けてスロット内に収納され、渡り部は、スロット内導体と同一断面形状および同一断面積を有し、且つ、９０度捻られていることを特徴とする。
この構成では、内ステータ巻線のスロット内導体を縦向き、つまり、断面形状の長辺側を内ステータ鉄心の半径方向に向けて配置することで、内ステータ鉄心のスロット幅（周方向の幅）を狭く形成できる。これにより、内ステータ鉄心の周方向に隣り合うスロット間に磁束通路を形成するティースの断面積が増加するので、特に小径モータにおいて高性能化の効果を奏する。

（請求項７の発明）
請求項４または５に記載したダブルステータ型モータにおいて、内ステータ巻線と外ステータ巻線は、それぞれスロット内導体の断面形状が長方形で同一断面積を有し、外ステータ巻線の外側スロット内導体は、断面形状の長辺側を外ステータ鉄心の周方向に向けてスロット内に収納され、外ステータ巻線の内側スロット内導体は、断面形状の長辺側を外ステータ鉄心の半径方向に向けてスロット内に収納され、内ステータ巻線のスロット内導体は、断面形状の長辺側を内ステータ鉄心の半径方向に向けてスロット内に収納されていることを特徴とする。
上記の構成では、渡り部を介して連接される外ステータ巻線の内側スロット内導体と内ステータ巻線のスロット内導体が、共に縦向きに配置されるので、渡り部を９０度捻る必要はない。つまり、渡り部を９０度捻る工程を用いることなく、請求項６に係る発明と同様の効果を得ることができるので、工程数を減らすことができる。

（請求項８の発明）
請求項４に記載したダブルステータ型モータにおいて、内ステータ巻線と外ステータ巻線は、内ステータ巻線のスロット内導体と外ステータ巻線の内側スロット内導体とが軸方向の一端側で渡り部によってＵ字状に連接され、さらに、軸方向の他端側で内側スロット内導体と外側スロット内導体とがＵ字状に連接されて全体が蛇行状に連続した巻線体を構成し、この巻線体を複数組み合わせて一相分の巻線が形成されることを特徴とする。
上記の構成によれば、内ステータ巻線のスロット内導体と外ステータ巻線の内側スロット内導体および外側スロット内導体とが一つの連続した巻線体として構成されるので、内外ステータ巻線を形成する巻線体を少なくできる。また、一つの連続した巻線体は、予め蛇行状に成形された形のまま、内外ステータ鉄心の各スロットにワンストロークで収納できるので、内外ステータ巻線を組み付けるための工程数を低減でき、組み付け時間を短縮できる。

（請求項９の発明）
請求項２、４〜８に記載した何れか一つのダブルステータ型モータにおいて、ロータのセグメント部には、径方向の内周側と外周側との間にスリットが形成されていることを特徴とする。
請求項２に係る発明では、内ステータ巻線の方が外ステータ巻線よりスロット内導体数（スロット内に収納されるストッロ内導体の本数）が少ないので、内ステータの巻線起磁力より外ステータの巻線起磁力の方が強くなる。この場合、内ステータとセグメント部の通路に形成された磁束が、外ステータとセグメント部の通路に形成された磁束に合流するように引き寄せられる傾向が生じる。

上記の場合、外ステータの磁束総量が増加して鉄心飽和が厳しくなる一方、内ステータの磁束総量が減って鉄心飽和が緩くなるというアンバランスが生じるため、体格や鉄心素材量の割りに出力が十分出にくいという問題が残る。
これに対し、本発明では、セグメント部の内周側と外周側との間にスリットを形成している、つまり、セグメント部の内周側と外周側とをスリットによって磁気的に分離しているので、セグメント部を径方向に磁束が通りにくくなる。これにより、内ステータと外ステータとの間で磁束の入り混じりを防ぐ作用が生じるため、内外ステータの磁束総量のアンバランスを抑制でき、体格や鉄心素材量に応じた出力を得ることが可能となる。

ダブルステータ型モータの全体構成図である。 インバータに接続される内外ステータ巻線の結線図である。 内外ステータ巻線のスロット内導体を示す断面図である（実施例１）。 （ａ）内外ステータ巻線の形状を軸方向から見た図面、（ｂ）内外ステータ巻線の形状を示す側面図である（実施例１）。 従来技術と本発明に係るモデルＡ〜Ｄの基本構成を記載した図である。 （ａ）モデルＡの構成を示す断面図、（ａ）モデルＡの磁場解析の結果を示す解析図である。 （ａ）モデルＢの構成を示す断面図、（ａ）モデルＢの磁場解析の結果を示す解析図である。 （ａ）モデルＣの構成を示す断面図、（ａ）モデルＣの磁場解析の結果を示す解析図である。 （ａ）モデルＤの構成を示す断面図、（ａ）モデルＤの磁場解析の結果を示す解析図である。 モデルＡ〜Ｄのシミュレーション結果を記載した図である。 内外ステータ巻線のスロット内導体を示す断面図である（実施例２）。 （ａ）内外ステータ巻線の形状を軸方向から見た図面、（ｂ）内外ステータ巻線の形状を示す側面図である（実施例２）。 内外ステータ巻線のスロット内導体を示す断面図である（実施例３）。 （ａ）内外ステータ巻線の形状を軸方向から見た図面、（ｂ）内外ステータ巻線の形状を示す側面図である（実施例３）。 （ａ）内外ステータ巻線の形状を軸方向から見た図面、（ｂ）内外ステータ巻線の形状を示す側面図である（実施例４）。 内外ステータ巻線の組み立て工程を示す説明図である（実施例４）。 セグメント部にスリットを形成した断面図である（実施例５）。

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に記載するダブルステータ型モータ１は、図１に示す様に、スルーボルト２によって装置ハウジング３に固定されるモータケース４と、このモータケース４にベアリング５を介して回転自在に支持されるシャフト６と、このシャフト６にロータディスク７を介して連結される環状のロータＲと、このロータＲの径方向内側に配置されてモータケース４に固定される内ステータＳｉと、ロータＲの径方向外側に配置されてモータケース４に固定される外ステータＳｏとで構成される。
ロータディスク７は、例えば、非磁性ＳＵＳ材によって形成され、径方向の中央部に円筒形のボス部７ａを有し、このボス部７ａがシャフト６の外周に嵌合して、シャフト６に対しキー８により回り止めされ、且つ、シャフト６に設けられるフランジ部６ａと、シャフト６の端部に形成された雄ねじ部６ｂに結合されるナット９によって軸方向に固定されている。

ロータＲは、図３に示す様に、ブリッジ１０ａを介して環状に連結される複数のセグメント部１０と、周方向に隣り合うセグメント部１０同士の間に介在される複数の永久磁石１１とで構成され、ロータＲの軸方向端面がロータディスク７に固定されている。なお、図３は、ロータＲおよび内外ステータＳｉ、Ｓｏの周方向の一部を示す断面図であるが、断面を表示するハッチングは省略している。
セグメント部１０は、例えば、新日本製鉄社の３５Ｈ２５０（商品名）である電磁鋼板を積層して構成され、径方向の内周側と外周側とにそれぞれ凹み部１０ｂを有し、且つ、径方向の外周側（または内周側）が前記ブリッジ１０ａによって周方向に隣り合うセグメント部１０と連結されている。なお、凹み部１０ｂは、セグメント部１０の周方向中央部に形成されている。
永久磁石１１は、例えば、ＴＤＫ社のＦＢ１４Ｈ（商品名）を使用したフェライト磁石であり、周方向に対して交互に逆向きに着磁されている。つまり、周方向に隣り合う一方の磁石１１と他方の磁石１１は、図示矢印で示す様に、周方向に対向する磁極同士が同一の極性を有している。

内ステータＳｉは、外周面に開口する複数のスロットが周方向等ピッチに形成された内ステータ鉄心１２と、複数のスロットを介して内ステータ鉄心１２に巻装される内ステータ巻線１３とで構成される。
外ステータＳｏは、内周面に開口する複数のスロットが周方向等ピッチに形成された外ステータ鉄心１４と、複数のスロットを介して外ステータ鉄心１４に巻装される外ステータ巻線１５とで構成される。
内ステータ鉄心１２と外ステータ鉄心１４は、それぞれ鉄心形状に打ち抜かれた電磁鋼板（例えば３５Ｈ２５０）を積層して構成され、図１に示す様に、軸方向の図示左端面が保持プレート１６の端面に溶接等によって固定されている。

保持プレート１６は、例えば、板厚２ｍｍの低炭素鋼板をプレス加工して円環状に形成され、内周側の端面に内ステータ鉄心１２の軸方向端面が固定され、外周側の端面に外ステータ鉄心１４の軸方向端面が固定される。この保持プレート１６には、内ステータ鉄心１２に形成されるスロットおよび外ステータ鉄心１４に形成されるスロットとそれぞれ同数のスロットが周方向の同位置に形成されている。
保持プレート１６に内ステータ鉄心１２と外ステータ鉄心１４が固定されることで、内ステータＳｉと外ステータＳｏとが同軸に保持され、且つ、内ステータ巻線１３および外ステータ巻線１５を組み立てる際のサブアッセンブリ部品として構成される。

内ステータＳｉと外ステータＳｏは、内ステータ鉄心１２に形成されるスロット数と、外ステータ鉄心１４に形成されるスロット数とが同一であり、且つ、ステータ極数がロータ極数と同一である。つまり、ロータＲと内ステータＳｉと外ステータＳｏは、いずれも同一極数（本実施例では１２極）である。
内ステータ巻線１３と外ステータ巻線１５は、それぞれ延線方向と直交する断面形状が長方形であり、且つ、同一断面積を有する平角導体が使用される。
内ステータ巻線１３は、図２に示す様に、三相コイルＸ、Ｙ、Ｚを星型結線して形成され、外ステータ巻線１５は、内ステータ巻線１３の三相コイルＸ、Ｙ、Ｚとそれぞれ直列に接続される三相コイルＵ、Ｖ、Ｗによって形成される。また、三相コイルＵ、Ｖ、Ｗの各端子Ｕｏ、Ｖｏ、Ｗｏは、図２に示す様に、複数のスイッチ素子１７とダイオード１８およびスイッチング制御装置（図示せず）を備える周知のインバータＩに接続され、このインバータＩが電池Ｂに接続されている。

内ステータ巻線１３と外ステータ巻線１５は、それぞれスロット内に収納される直線状のスロット内導体１３ａ、１５ａを有し、外ステータ巻線１５のスロット内導体数より内ステータ巻線１３のスロット内導体数の方が少なく設定されている。実施例１では、図３に示す様に、外ステータ巻線１５のスロット内導体数が８本であるのに対し、内ステータ巻線１３のスロット内導体数は４本である。言い換えると、外ステータ巻線１５は、１相／１極当たりのターン数が８ターンであるのに対し、内ステータ巻線１３は４ターンである。また、内ステータ巻線１３は、スロット内導体１３ａが縦向きに配置される。すなわち、スロット内導体１３ａの長辺側を内ステータ鉄心１２の半径方向に向けてスロット内に収納される。一方、外ステータ巻線１５は、スロット内導体１５ａが横向きに配置される。すなわち、スロット内導体１５ａの長辺側を外ステータ鉄心１４の周方向に向けてスロット内に収納される。

上記の構成により、内ステータＳｉのスロット面積は、外ステータＳｏのスロット面積の約半分となっている。また、外ステータＳｏのスロットは、スロット内導体１５ａを横向きに配置するので、周方向に幅が広く形成されるのに対し、内ステータＳｉのスロットは、スロット内導体１３ａを縦向きに配置するので、周方向の幅が狭く、半径方向に長く形成されている。
また、外ステータ巻線１５の８本のスロット内導体１５ａは、図４（ｂ）に示す様に、スロットの内周側に収納される４本（以下、内側スロット内導体１５ａ１と呼ぶ）が、それぞれ渡り部１９を介して内ステータ巻線１３の４本のスロット内導体１３ａと連続して一体に設けられている。

渡り部１９は、内ステータＳｉと外ステータＳｏとの間でロータＲの図示左端側を径方向に跨いで配設され、外ステータ巻線１５の内側スロット内導体１５ａ１と内ステータ巻線１３のスロット内導体１３ａとの間をＵ字状に連接している。また、渡り部１９には、横向きに配置される外ステータ巻線１５の内側スロット内導体１５ａ１と、縦向きに配置される内ステータ巻線１３のスロット内導体１３ａとを連接するために、図４（ａ）に示す様に、９０度の捻り部１９ａが設けられている。以下、渡り部１９を介して一体に設けられる外ステータ巻線１５の内側スロット内導体１５ａ１と内ステータ巻線１３のスロット内導体１３ａを第１のＵ字状導体と呼ぶ。

外ステータ鉄心１４のスロット内に収納される８本のスロット内導体のうち、内側スロット内導体１５ａ１より外周側の４本（以下、外側スロット内導体１５ａ２と呼ぶ）は、図４（ｂ）に示す様に、二組のＵ字状導体（以下、第２のＵ字状導体と呼ぶ）として形成される。つまり、第２のＵ字状導体は、外ステータ鉄心１４の周方向に異なる二箇所のスロット内に収納される一方の外側スロット内導体１５ａ２と他方の外側スロット内導体１５ａ２とが、外ステータ鉄心１４の図示左端面より外側でＵ字状に連続して一体に設けられている。

第１のＵ字状導体および第２のＵ字状導体は、それぞれ、内ステータ鉄心１２および外ステータ鉄心１４に対し、反Ｕ字側の端部からスロット内へ軸方向に挿入して組み付けられ、各スロットより突き出る反Ｕ字側の端部を周方向に所定角度捻った状態で亀甲状に接合され、全体として前記Ｘ、Ｙ、Ｚ相およびＵ、Ｖ、Ｗ相を形成するように、内外ステータ巻線１３、１５として接続される。但し、内ステータＳｉと外ステータＳｏは、図３に破線矢印で示す様に、両者の巻線起磁力によって発生する磁界φｉ、φｏが、ロータＲの同一セグメント部１０に対し、並列に対向して印加されるように、内ステータ巻線１３と外ステータ巻線１５とが逆相に接続されている。

次に、上記ダブルステータ型モータ１の作動を説明する。
ロータＲの周方向に隣り合うセグメント部１０間の中央よりも少し外れた角度に電流分布の中心が位置するように、インバータＩにより内ステータ巻線１３と外ステータ巻線１５に交流電流を流すと、セグメント部１０が磁気的に電流分布の中心方向に引き込まれる。すなわち、リラクタンストルク作用を生じる。
また、セグメント部１０は、隣接する永久磁石１１（フェライト磁石）により磁化されて磁極を形成するため、電流分布の中央にセグメント部１０の中心が引き込まれる。すなわち、磁石トルク作用を生じる。これらリラクタンストルクと磁石トルクとが協同してロータＲを駆動することにより、シャフト６が回転してモータ作動を成す。

永久磁石１１は、周方向に隣り合うセグメント部１０間において、それぞれのセグメント部１０を向いて、すなわち、周方向を向いて磁化されており、また、内ステータＳｉと外ステータＳｏの巻線起磁力は、同方向に協同することなく、図３に示す様に、同一のセグメント部１０に対し、並列に対向して磁界φｉ、φｏを印加する。このため、永久磁石１１は、両ステータＳｉ、Ｓｏの巻線起磁力の和ではなく、略平均レベルの反磁界を受けることとなる。すなわち、特許文献１に記載される従来モータよりも永久磁石１１の受ける反磁界が低くなることで高性能を出すことができ、且つ、減磁に対して強くできる。
また、ダブルステータ構造であっても、内ステータ巻線１３と外ステータ巻線１５とを第１のＵ字状導体と第２のＵ字状導体とで具現化できるため、例えば、内外ステータＳｉ、Ｓｏで異なる断面積の巻線をそれぞれに並列に複数のインバータＩで電流を流すなどの必要もなく、同一の断面積の巻線導体で内外ステータＳｉ、Ｓｏも一括して簡素に巻線作業を行うことができる。

（本発明と従来技術とのモデル解析による出力特性の比較）
以下、より具体的な事例として、従来技術に係るシングルステータ型モータと、本発明に係るダブルステータ型モータのモデルＡ〜Ｄを設定し、統一解析条件（下記参照）の元で実施した出力特性のシミュレーション結果を基に、本発明の効果について説明する。
統一解析条件…回転数：１０００ｒｐｍ、電流：１４０［Ａｒｍｓ］、電流位相角：５０［ｄｅｇＥ］、磁石温度：６０［ｄｅｇＣ］
図５は、各シミュレーションモデルＡ〜Ｄの基本構成を一覧にした表である。
なお、図５に記載された磁石厚とは、着磁方向の平均磁石厚である。
図６〜図９は、各モデルＡ〜Ｄの形状および磁場解析の結果である。
図１０は、各モデルＡ〜Ｄのシミュレーション結果を一覧にした表である。

図６に示すモデルＡは、一般にネオジム磁石で構成される永久磁石埋め込み型ＩＰＭモータ（シングルステータ）において、磁石１１をフェライトで構成した一例である。このモデルＡは、図１０に示す様に、それなりのトルクは得られるものの、図６（ｂ）の磁力線図より理解されるように、磁石１１内の磁力線が非常に疎となる。すなわち、磁石１１に対する反磁界が強くなり、減磁してしまうため、実際にはモータとして成立できない問題点がある。そこで、モデルＡより磁石１１を厚くして減磁耐力を向上する構造に改良したものが図７に示すモデルＢである。このモデルＢは、図１０に示す様に、減磁に対しては強くなったが、トルクが小さいという問題点がある。

これらに対して、本願の請求項１の発明に含まれるモデルＣ（図８参照）は、内ステータＳｉと外ステータＳｏの磁界が並列して対向しあう関係としたダブルギャップ構造を有し、且つ、ロータＲを複数のセグメント部１０と、そのセグメント部１０間にフェライト磁石１１を配置した構造である。このモデルＣは、モデルＢと同様に磁石１１が減磁する心配がない上に、モデルＢよりもトルクが大きく出来る効果を奏する。しかし、図８（ａ）に示すモデル形状から明らかなように、外ステータＳｏのティース最小幅が３．５ｍｍであるのに対し、内ステータＳｉのティース最小幅は１ｍｍと非常に小さく、内外ステータＳｉ、Ｓｏの磁束通路のアンバランスが大きくなるという課題がある。

上記の課題に対し、実施例１に相当するモデルＤ（図９参照）は、外ステータＳｏのスロット内導体数を多く、内ステータＳｉのスロット内導体数を少なくしている。例えば、スロット内導体数とスロット面積において、外：内＝２：１と差異を付けることにより、外ステータＳｏのティース最小幅が３ｍｍ、内ステータＳｉのティース最小幅が２ｍｍとなり、モデルＣに対して内ステータＳｉのティース最小幅が二倍に改善される。その結果、図１０に記載したモデルＣとモデルＤとの比較でも明らかなように、トルクがより向上する。
上記のように、本発明の実施例１に相当するモデルＤは、φ１８０ｍｍ程度の小径モータにおいて、モデルＡ（シングルステータで減磁に耐えられない）より減磁耐力が向上し、かつ高性能が発揮でき、モデルＢ（シングルステータで減磁には耐えられる）に対して、約３０Ｎｍものトルク向上が図れる。

（実施例２）
本発明の実施例２を図１１、図１２に示す。
実施例１に記載した外ステータ巻線１５は、内側スロット内導体１５ａ１および外側スロット内導体１５ａ２を共に横向き（外ステータ鉄心１４の周方向）に配置しているが、この実施例２に示す外ステータ巻線１５は、図１１に示す様に、外側スロット内導体１５ａ２を横向きに配置し、内側スロット内導体１５ａ１を縦向き（外ステータ鉄心１４の半径方向）に配置している。なお、図１１は、ロータＲおよび内外ステータＳｉ、Ｓｏの周方向の一部を示す断面図であるが、断面を表示するハッチングは省略している。
また、内ステータ巻線１３のスロット内導体１３ａは、実施例１と同じく、縦向きに配置される。なお、内ステータ巻線１３と外ステータ巻線１５に使用される各導体は、いずれも断面形状が長方形であり、且つ、同一断面積を有する平角導体を使用していることは実施例１と同じである。

上記の構成では、渡り部１９を介して連接される外ステータ巻線１５の内側スロット内導体１５ａ１と内ステータ巻線１３のスロット内導体１３ａが共に縦向きに配置されるので、図１２（ａ）、（ｂ）に示す様に、渡り部１９を９０度捻る必要はない。つまり、渡り部１９を９０度捻ることなく実施例１と同様の効果を得ることができるので、渡り部１９の捻り作業が不要となり、その分の工程数を減らすことができる。また、外ステータ巻線１５の内側スロット内導体１５ａ１を縦向き配置とすることにより、外ステータＳｏのティース最小幅を大きくできるので、外ステータＳｏの磁束流通量を増やすことができ、より高トルク化の効果を奏する。

（実施例３）
本発明の実施例３を図１３、図１４に示す。
この実施例３では、図１３に示す様に、内ステータ巻線１３と外ステータ巻線１５に使用される各導体の断面形状が全て同一（略正方形）であり、且つ、同一断面積を有している。なお、図１３は、ロータＲおよび内外ステータＳｉ、Ｓｏの周方向の一部を示す断面図であるが、断面を表示するハッチングは省略している。また、図１４（ａ）、（ｂ）に示す様に、外ステータ巻線１５の内側スロット内導体１５ａ１と内ステータ巻線１３のスロット内導体１３ａとを連接する渡り部１９に捻りを設けない構成としている。
上記の構成は、内外ステータ巻線１３、１５の巻き数が少ないモータに適したもので、内外ステータ巻線１３、１５に使用される導体の断面形状が略正方形となる場合に、巻線構造が簡素になる効果を奏する。

（実施例４）
本発明の実施例４を図１５、図１６に示す。
この実施例４は、内ステータ巻線１３と外ステータ巻線１５の一相分の巻線を一つの連続した巻線体２０（図１６参照）として構成する一例である。なお、内ステータ巻線１３と外ステータ巻線１５に使用される各導体は、実施例３と同様に、断面形状が全て同一（略正方形）であり、且つ、同一断面積を有している（図１５参照）。
内ステータ巻線１３と外ステータ巻線１５は、図１５（ｂ）に示す様に、外ステータ巻線１５の内側スロット内導体１５ａ１と内ステータ巻線１３のスロット内導体１３ａとが軸方向の一端側（図示左側）で渡り部１９によってＵ字状に連接され、さらに、軸方向の他端側で内側スロット内導体１５ａ１と外側スロット内導体１５ａ２とがＵ字状に連接されて、全体が蛇行状に連続した巻線体２０を構成している。

上記の巻線体２０は、図１６（ａ）→（ｂ）→（ｃ）のように、軸方向の他端側から内外ステータ鉄心１２、１４に対し、一括してスロット内に差し込んで一度に組み付けられる。同様に組み付けられた複数の巻線体２０の端部同士を接続することで一相分の巻線が形成される。
上記の構成では、内ステータ巻線１３と外ステータ巻線１５の各導体を蛇行状に連続した一つの巻線体２０として成形できるの、内外ステータ巻線１３、１５の組み立て工程を簡単にできる。つまり、一つの連続した巻線体２０を内外ステータ鉄心１２、１４のスロットにワンストロークで収納できるので、内外ステータ巻線１３、１５の組み立て工数を低減でき、組み付け時間を短縮できる。
本発明のダブルステータ型モータ１は、巻線構造が複雑になると、コスト的に採用が困難であるが、この実施例４では、巻線構造を簡素にできるため、小型モータのような巻線工程に割り当てられる僅かなコストでも実現できる。すなわち、特に小型モータ向きの構成である。

（実施例５）
本発明の実施例５を図１７に示す。
実施例１〜実施例４では、内ステータ巻線１３の方が外ステータ巻線１５よりスロット内導体数（スロット内に収納されるストッロ内導体の本数）が少ないので、内ステータＳｉの巻線起磁力より外ステータＳｏの巻線起磁力の方が強くなる。この場合、内ステータＳｉとセグメント部１０の通路に形成された磁束が、外ステータＳｏとセグメント部１０の通路に形成された磁束に合流するように引き寄せられる傾向が生じる。その結果、外ステータＳｏでは、磁束総量が増加して鉄心飽和が厳しくなる一方、内ステータＳｉでは、磁束総量が減って鉄心飽和が緩くなるというアンバランスが生じるため、体格や鉄心素材量の割りに出力が十分出にくいという問題が残る。

これに対し、実施例５では、図１７に示す様に、ロータＲのセグメント部１０にスリット２１を形成している。なお、図１７は、ロータＲおよび内外ステータＳｉ、Ｓｏの周方向の一部を示す断面図であるが、断面を表示するハッチングは省略している。
上記スリット２１は、セグメント部１０の内周側と外周側との間を周方向に円弧状に形成されている。このスリット２１は、セグメント部１０の内周側と外周側とを磁気的に分離する働きを有するので、セグメント部１０を径方向に磁束が通りにくくなる。これにより、内ステータＳｉと外ステータＳｏとの間で磁束の入り混じりを防ぐ作用が生じるため、上記した内ステータＳｉと外ステータＳｏとで生じる磁束総量のアンバランスを抑制でき、体格や鉄心素材量に応じた出力を得ることが可能となる。

（変形例）
実施例１では、ロータＲの永久磁石１１にフェライト磁石を使用した一例を記載したが、フェライト磁石ではなく、希土類磁石（例えばネオジム磁石）を使用しても良い。あるいは、フェライト磁石と希土類磁石とを周方向に交互に配置しても良い。
実施例２〜４では、内ステータ巻線１３と外ステータ巻線１５の各スロット内導体数、つまり、１相／１極当たりのターン数を、それぞれ２ターン、４ターンとして図示（図１１、図１３、図１５参照）しているが、実施例１と同じく４ターン、８ターンでも良い。 同様に、実施例１では、内ステータ巻線１３と外ステータ巻線１５の各スロット内導体数をそれぞれ２ターン、４ターンとすることもできる。
さらに、内外ステータ巻線１３、１５のスロット内導体数は、内：外＝１：２に限定する必要はなく、内：外＝３：４（例えば、６ターンと８ターン）等も可能である。

実施例１に記載したダブルステータ型モータ１は、内ステータＳｉのスロット数と外ステータＳｏのスロット数とを同一に設定しているが、内ステータＳｉのスロット数を外ステータＳｏのスロット数より少なくすることもできる。この場合、外ステータ鉄心１４と比較して、内ステータ鉄心１２のスロットピッチを大きく取ることができるので、例えば、小径モータにおいても、磁束通路である内ステータ鉄心１２の断面積を十分に確保できる。その結果、内外ステータＳｉ、Ｓｏの径差制約の下でも、内ステータＳｉを外ステータＳｏに比べて小さく設計することが容易である。

１ ダブルステータ型モータ
６ シャフト（回転軸）
１０ セグメント部
１１ 永久磁石（フェライト磁石）
１２ 内ステータ鉄心
１３ 内ステータ巻線
１３ａ 内ステータ巻線のスロット内導体
１４ 外ステータ鉄心
１５ 外ステータ巻線
１５ａ 外ステータ巻線のスロット内導体
１９ 渡り部
２０ 巻線体
２１ セグメント部に形成されたスリット
Ｒ ロータ
Ｓｉ 内ステータ
Ｓｏ 外ステータ

Claims (9)

1. 回転軸に連結されて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る内ステータと、
   前記ロータの径方向外側に配置される外ステータとを備え、
   前記ロータは、周方向に所定の間隔を有して環状に配置される複数のセグメント部と、周方向に隣り合う前記セグメント部同士の間に介在され、且つ、周方向に対して交互に逆向きに着磁された複数の永久磁石とを有し、
   前記内ステータは、複数のスロットが外周面に開口する内ステータ鉄心と、前記複数のスロットを介して前記内ステータ鉄心に巻装される三相の内ステータ巻線とを備え、
   前記外ステータは、複数のスロットが内周面に開口する外ステータ鉄心と、前記複数のスロットを介して前記外ステータ鉄心に巻装される三相の外ステータ巻線とを備え、
   前記ロータと前記内ステータおよび前記外ステータは、いずれも同一極数であり、
   前記内ステータと前記外ステータは、両者の巻線起磁力によって発生する磁界が同一の前記セグメント部に対して並列に印加されるように、前記内ステータ巻線と前記外ステータ巻線とが逆相に接続されてい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、
   前記内ステータと前記外ステータは、前記内ステータ鉄心のスロット数と前記外ステータ鉄心のスロット数とが同一であり、且つ、前記内ステータ巻線と前記外ステータ巻線は、それぞれ前記スロット内に収納されるスロット内導体を有し、前記外ステータ巻線のスロット内導体数より前記内ステータ巻線のスロット内導体数の方が少な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に記載したダブルステータ型モータにおいて、
   前記内ステータと前記外ステータは、前記内ステータ鉄心のスロット数の方が前記外ステータ鉄心のスロット数より少ないことを特徴とするダブルステータ型モータ。
4. 請求項２に記載したダブルステータ型モータにおいて、
   前記外ステータ巻線の前記スロット内導体は、前記スロットの内周側に収納される内側スロット内導体と、前記スロット内で前記内側スロット内導体の外周側に収納される外側スロット内導体とを有し、
   前記外ステータ巻線の前記内側スロット内導体と前記内ステータ巻線の前記スロット内導体は、前記内ステータと前記外ステータとの間で前記ロータの軸方向一端側を径方向に跨いで配設される渡り部を介してＵ字状に連続して一体に設けられていることを特徴とするダブルステータ型モータ。
5. 請求項４に記載したダブルステータ型モータにおいて、
   前記外ステータ巻線は、前記外ステータ鉄心の周方向に異なる二箇所の前記スロット内に収納される一方の前記外側スロット内導体と他方の前記外側スロット内導体とが前記外ステータ鉄心の軸方向一端面より外側でＵ字状に連続して一体に設けられ、
   前記内側スロット内導体と前記外側スロット内導体とが軸方向の他端側で電気的かつ機械的に接続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４または５に記載したダブルステータ型モータにおいて、
   前記内ステータ巻線と前記外ステータ巻線は、それぞれ前記スロット内導体の断面形状が長方形で同一断面積を有し、
   前記内ステータ巻線の前記スロット内導体は、断面形状の長辺側を前記内ステータ鉄心の半径方向に向けて前記スロット内に収納され、
   前記外ステータ巻線の前記スロット内導体は、断面形状の長辺側を前記外ステータ鉄心の周方向に向けて前記スロット内に収納され、
   前記渡り部は、前記スロット内導体と同一断面形状および同一断面積を有し、且つ、９０度捻ら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４または５に記載したダブルステータ型モータにおいて、
   前記内ステータ巻線と前記外ステータ巻線は、それぞれ前記スロット内導体の断面形状が長方形で同一断面積を有し、
   前記外ステータ巻線の前記外側スロット内導体は、断面形状の長辺側を前記外ステータ鉄心の周方向に向けて前記スロット内に収納され、
   前記外ステータ巻線の前記内側スロット内導体は、断面形状の長辺側を前記外ステータ鉄心の半径方向に向けて前記スロット内に収納され、
   前記内ステータ巻線の前記スロット内導体は、断面形状の長辺側を前記内ステータ鉄心の半径方向に向けて前記スロット内に収納され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４に記載したダブルステータ型モータにおいて、
   前記内ステータ巻線と前記外ステータ巻線は、前記内ステータ巻線の前記スロット内導体と前記外ステータ巻線の前記内側スロット内導体とが軸方向の一端側で前記渡り部によってＵ字状に連接され、さらに、軸方向の他端側で前記内側スロット内導体と前記外側スロット内導体とがＵ字状に連接されて全体が蛇行状に連続した巻線体を構成し、この巻線体を複数組み合わせて一相分の巻線が形成されることを特徴とするダブルステータ型モータ。
9. 請求項２、４〜８に記載した何れか一つのダブルステータ型モータにおいて、
   前記ロータの前記セグメント部には、径方向の内周側と外周側との間にスリットが形成され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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