JP2013165595A - ダブルステータ型同期モータ - Google Patents

Abstract

【課題】レアアース磁石を使用せず、あるいは、レアアース磁石の使用量を少なくしても高出力を得ることが出来るダブルステータ型同期モータを提供することにある。
【解決手段】複数のセグメント磁極５０を円環状に配列したロータ５と、周方向の同一位置で同一極性が対向し合うように多相巻線を施した内外二つのステータ３、４とを有するダブルステータ型同期モータにおいて、毎極毎相のスロット数をｑ個（ｑ≧２）として起磁力分散すると共に、セグメント磁極５０の径方向最小幅Ｗｒを外ティース３１の最小幅Ｗｔの１．３ｑ〜２．３ｑ倍の範囲とし、且つ、セグメント磁極５０の磁気的凹みの深さを内スロット４０の平均幅Ｗｓ以上とする。これにより、ステータ起磁力による永久磁石の減磁を抑制できるので、極間磁石１０や極中央磁石１２、１３にフェライト磁石を使用できる、あるいは、ネオジム磁石を節減することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、産業用、自動車用などの様々な用途に適用可能であり、とりわけハイブリッド自動車の走行用モータなど、現在大量のレアアース磁石を消費している大型モータにおいて、そのレアアース磁石の節減、あるいはフェライト磁石への置き換えによるレアアースフリー化を図ることができるダブルステータ型同期モータに関する。

従来、ロータの外径側と内径側とにそれぞれ外側ステータと内側ステータとを配置したダブルステータ型モータが知られている。
例えば、特許文献１に開示されたモータは、軟磁性体から成るセグメント磁極を周方向に等間隔に配置すると共に、周方向に隣り合うセグメント磁極同士の間にネオジム磁石を配置して構成されるロータと、セグメント磁極と同数の極数を有する外側ステータと内側ステータとを備え、この外側ステータと内側ステータの互いの起磁力が等しく、且つ、セグメント磁極を挟んで対向関係となる様に構成されている。

上記モータの構成によれば、磁気回路の磁気抵抗が小さく、且つ、漏れ磁束も少なくなることで、鉄心飽和が緩和されて鉄損が低減されるため、高速回転での効率が向上する。 また、セグメント磁極を周方向に磁束が通ることで、リラクタ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ことなく、高い発生トルクを得ることができる。これにより、モータの小型化およびレアアース磁石の節減に一定の効果がある。

特開２０１１−２４４６４３号公報

ところで、レアアース磁石を使用した埋め込み磁石型同期モータ（ＩＰＭＳＭ）においては、昨今のレアアース資源の窮乏・高騰のおり、レアアース磁石の節減やフェライト磁石への置き換えが望まれる今日、さらなる技術開発が望まれている。
しかし、特許文献１に開示された従来技術では、二つのセグメント磁極間に配置されるネオジム磁石をフェライト磁石に置き換えると、ネオジム磁石に比べてフェライト磁石の磁束密度が低いため、トルクが低下する。また、フェライト磁石は、減磁特性に現れる屈曲点の磁界が低く、特に自動車の走行用モータのような大型で巻線の起磁力が大きいモータにおいては減磁が生じやすい。すなわち、フェライト磁石は残留磁束密度、抗磁力が低いため、限られたスペースではネオジム磁石に取って代われる程の大きなトルクを出すことが原理的にできなかった。

従来技術に対する第一の課題は、フェライト磁石で対応するには大きな磁石容積を確保する方法を見出すことである。また、屈曲点の低いフェライト磁石をいかに減磁させないで使うかの方法を見出すことが第二の課題である。一方、ネオジム磁石を使用する場合でも、その節減を図るには、その用い方を効果的にすることが第三の課題となる。
本発明は、上記事情に基づいて成されたものであり、その目的は、現在、レアアース磁石を使用した埋め込み磁石型同期モータ（ＩＰＭＳＭ）の分野、とりわけ自動車の走行用モータにおいて、上記三つの課題を解決することにより、レアアース磁石を使用せず、あるいは、レアアース磁石の使用量を少なくしても高出力を得ることが出来るダブルステータ型同期モータを提供することにある。

請求項１に係るダブルステータ型同期モータは、軟磁性体から成るセグメント磁極を円環状に複数配列して構成され、且つ、セグメント磁極の内外表面に軟磁性体より透磁率の低い磁気的凹みを設けたロータと、このロータの径方向外側に空隙を有して配置され、周方向に複数のスロットが等間隔に形成されると共に、周方向に隣り合うスロット同士の間にティースが設けられ、このティースに多相の外ステータ巻線を巻装して構成される外側ステータと、ロータの径方向内側に空隙を有して配置され、周方向に複数のスロットが等間隔に形成されると共に、周方向に隣り合うスロット同士の間にティースが設けられ、このティースに多相の内ステータ巻線を巻装して構成される内側ステータとを備える。

外側ステータと内側ステータは、それぞれセグメント磁極と同数の極数を持ち、且つ、円周方向の同一位置でロータを挟んで径方向に対向する互いの磁極同士が同一極性となるように起磁力を生成し、外ステータ巻線と内ステータ巻線の各相が直列に結線されている。このダブルステータ型同期モータにおいて、毎極毎相のスロット数をｑ個とした時に、ｑは２以上の整数であり、セグメント磁極の外径側に設けられる磁気的凹みと内径側に設けられる磁気的凹みとの間の径方向寸法であるセグメント磁極の径方向最小幅を、外側ステータに設けられるティースの最小幅の１．３ｑ〜２．３ｑ倍の範囲とし、磁気的凹みの径方向の深さを、内側ステータに形成されるスロットの平均幅以上としたことを特徴とする。

上記の構成によれば、外側ステータおよび内側ステータの起磁力が分布分散するため、外側ステータおよび内側ステータの個々のティースとロータとの間の磁束の集中が低減する。その結果、空隙での起磁力損失が低下して、特にリラクタンストルクとなる横軸磁束が増加するため、トルクの向上に繋がる要因となる。ここで、横軸磁束がセグメント磁極を通過する際の通路、すなわちセグメント磁極の径方向最小幅を最適に確保することが必要であり、大きくするほど良いわけではない。セグメント磁極の径方向最小幅に最適値があるのは、この通路幅を大きく取り過ぎると、内側ステータの外径が小さくなり、トルクへの寄与が小さくなってしまうため、また、セグメント磁極に設けられる磁気的凹みの深さが浅くなり、セグメント磁極全体に印加される大きな逆磁界により、各セグメント磁極間の磁気ポテンシャルの差が大きくなって、漏れ磁束が増加してしまうからである。

このため、外側ステータおよび内側ステータに発生する磁界を極力遮るように磁気的凹みを有効に設定することが必要であり、本発明では、磁気的凹みの径方向の深さを内側ステータに形成されるスロットの平均幅以上の寸法とし、セグメント磁極の径方向最小幅を外側ステータに設けられるティースの最小幅の１．３ｑ〜２．３ｑ倍の範囲に設定している。これにより、前記磁界の起磁力源である外ステータ巻線および内ステータ巻線が巻装されるティースで磁界が遮られるのと同様に遮ることができる。
上記のように、本発明によれば、通すべき磁束を通し、遮るべき磁束は遮るという二つの効果の相乗作用により高出力が達成できる。

実施例１に係る本モータの構成の一部を示す断面図である。 本モータの縦断面図である。 外ステータ巻線と内ステータ巻線の結線図および両巻線への通電方法に係る説明図である。 本モータの作動説明図である。 本モータの効果を出力トルク比率で表した図である。 実施例２に係る本モータの構成の一部を示す断面図である。 実施例３に係る本モータの構成の一部を示す断面図である。 実施例４に係る本モータの構成の一部を示す断面図である。 実施例５に係る本モータの構成の一部を示す断面図である。 実施例６に係る本モータの構成の一部を示す断面図である。

本発明を実施するための最良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では、本発明のダブルステータ型同期モータを、ハイブリッド自動車のエンジンクランク軸に直結される走行用モータ（以下、本モータ１と呼ぶ）に適用した一例として説明する。
まず、本モータ１の構成を説明する。
本モータ１は、図２に示す様に、ハウジングケース２に外周を固定された外側ステータ３と、同ケース２に内周を固定された内側ステータ４と、外側ステータ３と内側ステータ４との間にそれぞれ空隙を有して回転自在に対向配置されるロータ５とを備え、このロータ５がロータディスク６を介してモータ回転軸７に連結されている。

外側ステータ３は、図１に示す様に、周方向に複数（実施例１では９６個）の外スロット３０が等間隔に形成され、周方向に隣り合う外スロット３０同士の間に外ティース３１が設けられた外ステータ鉄心３２と、外スロット３０を通って外ティース３１に巻装される外ステータ巻線３３（図２参照）とで構成される。
外ステータ鉄心３２は、径方向の内周側に外スロット３０が打ち抜かれた円環状の電磁鋼板を複数枚積層して構成され、外径２６５ｍｍ、内径２２１．４ｍｍ、積層厚５０ｍｍの形状寸法を有する。また、外ティース３１の最小幅Ｗｔは３．８ｍｍである。
外ステータ巻線３３は、図３に示す様に、位相が１２０度ずつ異なる三相（Ｘ相、Ｙ相、Ｚ相）の相巻線を星型結線して形成され、毎極毎相のスロット数ｑ＝２、極数＝１６となる巻線ピッチで分布巻されている。なお、各相巻線は、図１に示す様に、断面形状が矩形状の平角導体３３ａが用いられ、外スロット３０に４本ずつ収納されている。

内側ステータ４は、図１に示す様に、周方向に複数（実施例１では９６個）の内スロット４０が等間隔に形成され、周方向に隣り合う内スロット４０同士の間に内ティース４１が設けられた内ステータ鉄心４２と、内スロット４０を通って内ティース４１に巻装される内ステータ巻線４３（図２参照）とで構成される。
内ステータ鉄心４２は、径方向の外周側に内スロット４０が打ち抜かれた円環状の電磁鋼板を複数枚積層して構成され、外径１７３ｍｍ、内径１１２．６ｍｍ、積層厚５０ｍｍの形状寸法を有する。また、内スロット４０の平均幅Ｗｓは２．５ｍｍである。
内ステータ巻線４３は、図３に示す様に、位相が１２０度ずつ異なる三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の相巻線を星型結線して形成され、毎極毎相のスロット数ｑ＝２、極数＝１６となる巻線ピッチで分布巻されている。なお、各相巻線は、図１に示す様に、断面形状が矩形状の平角導体４３ａが用いられ、内スロット４０に４本ずつ収納されている。

外ステータ巻線３３と内ステータ巻線４３は、図３に示す様に、互いの相巻線同士が直列に接続され、図示Ｉｅなる相電流が流れる時に、両ステータ巻線３３、４３の生成する起磁力の大きさが拮抗し、且つ、外側ステータ３および内側ステータ４の円周方向の同一位置で同一極性が対向し合うように巻線される。この両ステータ巻線３３、４３は、直列に接続された各相の端部（中性点と反対側の端部）がインバータ８を介して直流電源である電池９に接続されている。

インバータ８は、直流電力を交流電力に変換する周知の電力変換装置であり、複数のトランジスタ８０と、このトランジスタ８０に対し逆並列に接続される複数のダイオード８１とで構成される。このインバータ８は、ロータ５の回転位置を検出するロータ位置検出センサ（図示せず）と、このロータ位置検出センサの検出情報を基に各トランジスタ８０の作動を制御する制御ＥＣＵ（図示せず）とが接続され、電池９の直流電力をロータ５の回転位置に応じて外ステータ巻線３３および内ステータ巻線４３に交流電力として供給できるように構成されている。

ロータ５は、複数（実施例１では１６個）のセグメント磁極５０を円環状に配列して構成されるロータ鉄心と、周方向に隣り合うセグメント磁極５０同士の間に配置される永久磁石（以下、極間磁石１０と呼ぶ）とを有し、セグメント磁極５０の内外表面にそれぞれ磁気的凹み（後述する）が設けられている。
ロータ鉄心は、セグメント磁極５０の形状に打ち抜かれた円環状の電磁鋼板を複数枚積層して構成され、外径２２０．２ｍｍ、内径１７４．２ｍｍ、積層厚５０ｍｍの形状寸法を有する。このロータ鉄心は、軟磁性材から成る締結ピン１１（図１参照）によって各セグメント磁極５０が積層方向に保持され、且つ、ロータディスク６（図２参照）に固定されている。複数のセグメント磁極５０は、ロータ５の周方向に等間隔に配置され、それぞれ周方向に隣り合う二つのセグメント磁極５０同士が極間外側ブリッジ５１と極間内側ブリッジ５２とを介して円環状に連接されている。

以下、周方向に隣り合う二つのセグメント磁極５０を一方のセグメント磁極５０Ａ（図１に示す左側のセグメント磁極５０）と他方のセグメント磁極５０Ｂ（図１に示す右側のセグメント磁極５０）と呼び、一方のセグメント磁極５０Ａと他方のセグメント磁極５０Ｂとが周方向に対向する互いの対向面をそれぞれ極間対向面５０ａと呼ぶ。
極間外側ブリッジ５１は、一方のセグメント磁極５０Ａと他方のセグメント磁極５０Ｂとの最外径面同士を周方向に連接している。この極間外側ブリッジ５１は、径方向の寸法であるブリッジ厚が１．５ｍｍ、周方向の長さが外側ステータ３の約１スロットピッチ分の寸法に形成される。
極間内側ブリッジ５２は、一方のセグメント磁極５０Ａと他方のセグメント磁極５０Ｂとの最内径面同士を周方向に連接している。この極間内側ブリッジ５２は、径方向の寸法であるブリッジ厚が１．０ｍｍ、周方向の長さが内側ステータ４の約１スロットピッチ分の寸法に形成される。

極間外側ブリッジ５１と極間内側ブリッジ５２との間には、一方のセグメント磁極５０Ａの極間対向面５０ａと他方のセグメント磁極５０Ｂの極間対向面５０ａとの間に極間空間部が形成される。この極間空間部は、径方向の両端から中央部に向かって周方向の開口幅が次第に大きくなる多角形状に形成される。言い換えると、一方のセグメント磁極５０Ａの極間対向面５０ａと、他方のセグメント磁極５０Ｂの極間対向面５０ａとは、それぞれ、極間外側ブリッジ５１および極間内側ブリッジ５２に繋がる径方向の両端から径方向の中央部に向かって、セグメント磁極５０の周方向長さが次第に短くなる様にテーパ状に傾斜して形成されている。

極間空間部の周方向の開口幅、つまり、一方のセグメント磁極５０Ａの極間対向面５０ａと他方のセグメント磁極５０Ｂの極間対向面５０ａとの間の周方向距離は、外径端が極間外側ブリッジ５１の周方向長さ（外側ステータ３の約１スロットピッチ分の寸法）であり、内径端が極間内側ブリッジ５２の周方向長さ（内側ステータ４の約１スロットピッチ分の寸法）である。また、極間空間部の最大開口幅となる径方向の中央部では、外側ステータ３および内側ステータ４の約３スロットピッチ分の寸法を有し、実施例１では１９．３ｍｍである。
さらに、極間空間部の径方向の最大開口幅、つまり、極間外側ブリッジ５１と極間内側ブリッジ５２との間の径方向寸法は２０．５ｍｍである。

極間磁石１０は、上記の極間空間部に挿入され、図示矢印で示す方向（周方向）に着磁されている。但し、セグメント磁極５０を挟んで周方向に隣り合う一方の極間磁石１０と他方の極間磁石１０は、周方向に対向する互いの磁極が異なる極性に着磁される。この極間磁石１０は、一方のセグメント磁極５０Ａの極間対向面５０ａと他方のセグメント磁極５０Ｂの極間対向面５０ａとの間で径方向および周方向の移動が規制されている。すなわち、極間磁石１０の周方向の両側面は、一方のセグメント磁極５０Ａの極間対向面５０ａおよび他方のセグメント磁極５０Ｂの極間対向面５０ａに対応したテーパ形状に形成され、極間磁石１０とセグメント磁極５０のテーパ形状同士が当接することで、極間空間部での極間磁石１０の移動が規制される。よって、請求項２に記載した本発明の移動規制部は、極間磁石１０のテーパ形状と極間対向面５０ａのテーパ形状とで構成される。

また、極間磁石１０は、一方のセグメント磁極５０Ａの極間対向面５０ａに接触する径方向幅より他方のセグメント磁極５０Ｂの極間対向面５０ａに接触する径方向幅の方が小さく形成され、いわゆる矢じり型に形成されている。つまり、極間磁石１０と極間外側ブリッジ５１、および、極間磁石１０と極間内側ブリッジ５２との間には、それぞれ、ロータ５の回転方向（図１に矢印で示す反時計回り）に対して後方側（以下、回転後方側と言う）に空洞部５３が形成されている。この極間磁石１０は、着磁方向（周方向）の最大厚さが１９．３ｍｍ、回転後方側の最小幅が１４．５ｍｍ、軸方向の長さ（奥行き）が５０ｍｍを有する。従って、極間磁石１０の回転後方側で極間外側ブリッジ５１および極間内側ブリッジ５２との間に形成される空洞部５３の径方向寸法は３ｍｍとなる。

セグメント磁極５０の周方向中央部には、径方向の外周側および内周側にそれぞれ外側磁気的凹みと内側磁気的凹みとが設けられている。
外側磁気的凹みは、セグメント磁極５０に形成される外側フラックスバリアと、この外側フラックスバリアに挿入される永久磁石（以下、極中央磁石１２と呼ぶ）とで形成される。外側フラックスバリアは、セグメント磁極５０の最外径に近接して形成され、外径側が極中央外側ブリッジ５４によって閉じられている、すなわち、周囲が閉じたスリット状の空間として形成されている。この外側フラックスバリアは、径方向の開口寸法が３．５ｍｍ、周方向の最大開口幅が１４．３ｍｍ、周方向の最小開口幅が８．８ｍｍを有し、周方向の両側面が傾斜している。

極中央磁石１２は、外側フラックスバリアに挿入され、図示矢印で示す方向（径方向）に着磁されている。但し、周方向に隣り合う一方の極中央磁石１２と他方の極中央磁石１２は、内径側の磁極同士および外径側の磁極同士が互いに異なる極性に着磁される。
この極中央磁石１２は、着磁方向の寸法、つまり径方向厚さが外側フラックスバリアの開口寸法と同じく３．５ｍｍ、周方向の開口幅が、外側フラックスバリアの最小開口幅と同じく８．８ｍｍ、軸方向の長さ（奥行き）が５０ｍｍである。
この極中央磁石１２が挿入された外側フラックスバリアには、極中央磁石１２の周方向両外側に最大２．７５ｍｍの周方向長さを有する三角形状の空洞部５５が形成される。

極中央外側ブリッジ５４は、径方向のブリッジ厚が１．０ｍｍに形成され、外側フラックスバリアの周方向両側に形成されるセグメント磁極５０の最外径面同士を周方向に連接している。この極中央外側ブリッジ５４は、外側フラックスバリアに挿入される極中央磁石１２と接触し、且つ、磁気飽和するので、極中央磁石１２の磁気ポテンシャルと空気に近い透磁率とを持ったものと見做すことができる。よって、外側磁気的凹みの径方向深さは、極中央外側ブリッジ５４のブリッジ厚１．０ｍｍ＋外側フラックスバリアに挿入される極中央磁石１２の径方向厚さ３．５ｍｍ＝４．５ｍｍとなる。

内側磁気的凹みは、セグメント磁極５０に形成される内側フラックスバリアと、この内側フラックスバリアに挿入される永久磁石（以下、極中央磁石１３と呼ぶ）とで形成される。内側フラックスバリアは、セグメント磁極５０の最内径に近接して形成され、内径側が極中央内側ブリッジ５６によって閉じられている、すなわち、周囲が閉じたスリット状の空間として形成されている。この内側フラックスバリアは、径方向の開口寸法が３．５ｍｍ、周方向の最大開口幅が１１．５ｍｍ、周方向の最小開口幅が７．４ｍｍを有し、周方向の両側面が傾斜している。

極中央磁石１３は、内側フラックスバリアに挿入され、図示矢印で示す方向（径方向）に着磁されている。但し、周方向に隣り合う一方の極中央磁石１３と他方の極中央磁石１３は、内径側の磁極同士および外径側の磁極同士が互いに異なる極性に着磁される。また、外側の極中央磁石１３と内側の極中央磁石１３とは、径方向に対向する互いの磁極同士が同一極性となるように着磁される。
この極中央磁石１３は、着磁方向の寸法、つまり径方向厚さが内側フラックスバリアの開口寸法と同じく３．５ｍｍ、周方向の開口長さが、内側フラックスバリアの最小開口幅と同じく７．４ｍｍ、軸方向の長さ（奥行き）が５０ｍｍである。
この極中央磁石１３が挿入された内側フラックスバリアには、極中央磁石１３の周方向両外側に最大２．０５ｍｍの周方向長さを有する三角形状の空洞部５７が形成される。

極中央内側ブリッジ５６は、径方向のブリッジ厚が０．８ｍｍに形成され、内側フラックスバリアの周方向両側に形成されるセグメント磁極５０の最内径面同士を周方向に連接している。この極中央内側ブリッジ５６は、内側フラックスバリアに挿入される極中央磁石１３と接触し、且つ、磁気飽和するので、極中央磁石１３の磁気ポテンシャルと空気に近い透磁率とを持ったものと見做すことができる。よって、内側磁気的凹みの径方向深さは、極中央内側ブリッジ５６のブリッジ厚０．８ｍｍ＋内側フラックスバリアに挿入される極中央磁石１３の径方向厚さ３．５ｍｍ＝４．３ｍｍとなる。
なお、前述の極間磁石１０および極中央磁石１２、１３は、それぞれフェライト磁石であり、（株）ＴＤＫのＦＢ１２Ｈを使用している。

上記の様に、セグメント磁極５０は、周方向の中央部に外側フラックスバリアと内側フラックスバリアとが形成され、その外側フラックスバリアと内側フラックスバリアとの間の径方向寸法がセグメント磁極５０の径方向最小幅Ｗｒ（図１参照）となり、実施例１ではＷｒ＝１４．２ｍｍである。この径方向最小幅Ｗｒは、外ステータ鉄心３２に設けられる外ティース３１の最小幅Ｗｔ＝３．８ｍｍに対して約３．７倍であり、毎極毎相のスロット数ｑ（＝２）に対して１．８ｑ倍となっている。
また、外側磁気的凹みの径方向深さ４．５ｍｍは、内ステータ鉄心４２に形成される内スロット４０の平均幅Ｗｓ＝２．５ｍｍに対して８０％大きい値に設定され、内側磁気的凹みの径方向深さ４．３ｍｍは、内スロット４０の平均幅Ｗｓ＝２．５ｍｍに対して約７０％大きい値に設定されている。

続いて、図４を参照しながら外ステータ巻線３３および内ステータ巻線４３への電流の流し方を説明する。図４に示すセグメント磁極５０の周方向中央をｄ軸（直軸）とし、そのｄ軸からロータ５の回転方向に電気角９０度の位置、すなわち周方向に隣り合うセグメント磁極５０との間の位置をｑ軸（横軸）とする。このｑ軸を基準として回転方向に位相角β°だけ離れた位置に、外ステータ巻線３３と電流の形成する外側起磁力ベクトルＦｏと、内ステータ巻線４３と電流の形成する内側起磁力ベクトルＦｉとが生成され、且つ、外側起磁力ベクトルＦｏと内側起磁力ベクトルＦｉとがロータ５の回転方向に同期して回転するように、外ステータ巻線３３および内ステータ巻線４３に交流電流を通電する。
なお、外ステータ巻線３３と内ステータ巻線４３、ロータ位置検出センサ、制御ＥＣＵ、およびインバータ８は、位相角βを変更できるように、適宜に構成されている。

次に、本モータ１の作動を説明する。
代表例として、最も大きな出力トルクを発揮している際の一般的な作動を説明する。
上記の位相角β＝６０°として、ロータ５の回転に同期した回転磁界を生成するように正弦波電流を相電流実効値で１７０Ａを通電する駆動を行う。この際、両ステータ巻線３３、４３に流れる電流とロータ５との位置関係、および、磁束の流れとの関係は、磁場解析の結果を下にして考察したものとして図４が示される。すなわち、巨視的にみると、磁石起源の磁束も両ステータ巻線３３、４３に流れる電流起源の磁束も、ともにそれぞれのロータ５における磁束の周回と、両ステータ３、４に渡ってからの周回位置とは、斜向かいの位置関係となり、この斜向かいとなる位相差異がロータ５を回転方向に駆動しようとするトルクとなっている。

モータ作動をするときに要する斜向かい関係の要件の下で、次に磁束の流れと集中のしやすさについて考察すると、セグメント磁極５０の回転前方側、すなわち、極間磁石１０の回転後方側でもある箇所において磁束集中が生じることと、極間磁石１０および極中央磁石１２、１３の回転後方側にステータ起磁力の逆磁界が大きく加わること、また、この逆磁界すなわち磁気ポテンシャルは、セグメント磁極５０の径方向最小幅Ｗｒの部分の周方向の磁気抵抗により影響を受けている関係になっていることが了解される。すなわち、極間磁石１０および極中央磁石１２、１３に関して、各ブリッジ５１、５２、５４、５６の磁気飽和とステータ逆磁界との二つの条件が揃う箇所、つまり回転後方部位で極間磁石１０および極中央磁石１２、１３の減磁が生じやすい作動になる。

しかし、前述のように、外ステータ巻線３３および内ステータ巻線４３をｑ＝２として起磁力を分散することや、セグメント磁極５０の内外表面に磁気的凹みを設けているので、セグメント磁極５０に印加されるステータ逆磁界が弱まり、極間磁石１０および極中央磁石１２、１３が減磁しにくくなる。その上、ステータ磁界による誘導磁界を帯びた極間外側ブリッジ５１および極間内側ブリッジ５２と極間磁石１０との間に空洞部５３を設け、極中央外側ブリッジ５４と極中央磁石１２との間に空洞部５５を設け、極中央内側ブリッジ５６と極中央磁石１３との間に空洞部５７を設けて遠ざけると共に、セグメント磁極５０の径方向最小幅Ｗｒを最適に大きく、すなわち磁気抵抗を最適に小さくしているので、極間磁石１０および極中央磁石１２、１３はフェライト磁石であるにも関わらず、その許容不可逆減磁磁界３５０ｋＡ／ｍ以下の減磁磁界におさまって、減磁せずに正常に作動できるようになる。

このように、セグメント磁極５０の径方向最小幅Ｗｒを大きくする程、その箇所の磁気抵抗は減り、極間磁石１０および極中央磁石１２、１３が外側ステータ３および内側ステータ４の減磁磁界の影響を受けにくくなる。しかし、セグメント磁極５０の径方向最小幅Ｗｒを大きくすることは、内側ステータ４の外径を小さくすることとなり、そのトルクとしての駆動力は減ってしまうデメリットもある。
そこで、さまざまなｑ値の最適値を検討した。まず、外側ステータ３の外径や通電電流、巻線許容電流密度は、搭載や冷却要件および制御要件上、制約されているので、外側ステータ３の外径と内径および積層厚は固定して、毎極毎相のスロット数ｑを変化させる設計試算を行った。変化するのは、ロータ５の内径と、それに伴い内側ステータ４の外径であり、外側ステータ３および内側ステータ４のｑ値は同数で変化するものとした。

外側ステータ３の磁気抵抗を支配している外ティース３１の最小幅Ｗｔを基準として、セグメント磁極５０の径方向最小幅Ｗｒの寸法比率を変化させて設計試算を行ったところ、図５に示すような関係があることが分かった。なお、図５は、特許文献１の図１に示されるモータでのＷｒ／Ｗｔ＝１．１６ｑ倍のときのトルクを基準（１００％）としている。上記の設計試算によれば、さまざまなｑ値の外側ステータ３および内側ステータ４に対して、ほぼ共通してＷｒ／Ｗｔ＝１．８ｑ倍とする時に最高のトルクを発揮できること、１．３ｑ〜２．３ｑ倍とする時に明確な効果（特許文献１の従来モータに対して１０％以上の効果）が現れることが分かった。

実施例１に記載した本モータ１は、上記の知見に基づいて構成されたものである。よって、前述のように、極間磁石１０および極中央磁石１２、１３にフェライト磁石を使用した場合でも減磁することはなく、特許文献１に開示された従来モータと概ね同じ形状で極間磁石１０をフェライト磁石に置き換えたものに対してトルクが約２０％以上の向上が期待できるという顕著な効果がある。なお、特許文献１の従来モータもｑ＝２であるが、Ｗｒ／Ｗｔは約１ｑ倍であり、本発明が開示する特許請求の範囲の外にある。
極間磁石１０および極中央磁石１２、１３にフェライト磁石を用いた本モータ１は、現在ハイブリッド車両の走行用モータとして最も一般的に用いられている希土類ネオジム磁石をロータ鉄心に埋め込んだ磁石埋め込み型同期モータ（以下、ＩＰＭＳＭと呼ぶ）と外側ステータ３の体格を合わせて設計したものである。

以下、本モータ１とＩＰＭＳＭとの対比をＦＥＡ（ＪＳＯＬ社製ＪＭＡＧ−ｖｅｒ．１０．０）にて解析した結果を以下に述べる。
なお、ＩＰＭＳＭの諸元は以下の通りである。
ステータは、外径２６５ｍｍ、内径１９５．２ｍｍ、鉄心積層厚さ５０ｍｍ、１６極である。ロータは、外径１９４ｍｍ、極毎に２枚のネオジム磁石をＶ字配置した埋め込み磁石ロータである。使用するネオジム磁石は、総数３２枚、磁石総質量６８０ｇ、埋め込み最大深さ１２ｍｍ、Ｖ字配置された２枚の磁石が成す角１２２°であり、材質は（株）信越化学のＮ３６Ｚである。

モータの温度は共に６０°とし、通電電流は実施例１と同じく実効値１７０Ａの正弦波電流である。巻線の電流密度も同一２５Ａ／ｍｍ² 、最大線間電圧は５００Ｖの制約があるものとした。この両者の特性解析を行ったところ、実施例１の本モータ１は、低速１０００ｒｐｍでの出力トルク２９１Ｎｍ、高速５０００ｒｐｍでの出力トルク１２８．１Ｎｍとなり、ＩＰＭＳＭは、低速１０００ｒｐｍでの出力トルク２９０．９Ｎｍ、高速５０００ｒｐｍでの出力トルク１２８．０Ｎｍとなり、ほとんど同じ出力トルクとなった。この時、フェライト磁石の最大減磁磁界は３００ｋＡ／ｍ未満で、許容限界３５０ｋＡ／ｍの範囲内であり、減磁させずに活用することができることが検証された。
また、本モータ１に使用されるフェライト磁石の使用量は１０８０ｇとなり、ＩＰＭＳＭの６８０ｇに対して増えてはいるが、ロータ５の中に有効に納まっており、且つ、ネオジム磁石に対して磁石コストが１／１０以下であること、および、ネオジム磁石と異なり無尽蔵の供給安定性があることなどから、本モータ１の構成による効果は著しいことが分かった。

（実施例２）
この実施例２は、図６に示す様に、極間磁石１０の回転前方側と後方側との両方、すなわち回転方向の全幅で極間外側ブリッジ５１および極間内側ブリッジ５２との間に空洞部５３を設けた一例である。
回転方向が一方向である単方向モータの作動しかしない場合や、両回転でも逆回転のときは最大電流を抑制制御する場合は、実施例１のように片側方向（実施例１では回転後方側）のみ空洞部５３を設けることで減磁を無くすことができるが、現実には、両回転を制約電流一杯に活用してモータ駆動したり、制約電流一杯までの回生発電作動を行う場合がある。この場合でも、極間磁石１０を極間外側ブリッジ５１および極間内側ブリッジ５２から離した配置にする、つまり、回転方向の全幅に空洞部５３を設けることで、極間磁石１０の減磁を防ぐことができる。

（実施例３）
この実施例３は、図７に示す様に、セグメント磁極５０の内径側にのみ極中央磁石１３を配置した一例である。
セグメント磁極５０の外径側に設けられる外側磁気的凹みは、セグメント磁極５０の最外径より内径側へ凹む凹空間５９として形成される。
この構成によれば、極中央磁石１３を一つにまとめることが出来るので、セグメント磁極５０の径方向最小幅Ｗｒの下で極中央磁石１３の径方向寸法を厚くできる。これにより、極中央磁石１３が減磁しにくくなると共に、セグメント磁極５０の内径側にのみ極中央磁石１３を配置することで、径小の内側ステータ４の駆動力を高めることができる。

また、セグメント磁極５０の外径側に極中央磁石１２を配置するよりも、内径側に配置した方が遠心力に対する保持のためのブリッジ厚も薄くて済み、極中央磁石１３の発生する磁束のうち、極中央内側ブリッジ５６で失われる分が少なくて済むという効果がある。また、外側ステータ３は、その磁気回路の断面積を確保しやすいことから、大きな起磁力を発生できるため、リラクタンストルク作用が大きいが、このリラクタンストルクとなるｑ軸成分磁束の通路にその流通の障害となる磁石を置いていないため、外側でのリラクタンストルクを大いに高めることが出来る。このように、セグメント磁極５０の内径側においては、磁石トルクでのサポート、外径側ではリラクタンストルクを高めることができるので、全体として効果的なトルク向上を図ることが出来る。

（実施例４）
上述の実施例１では極中央磁石１２、１３にフェライト磁石を使用しているが、この実施例４では、極中央磁石１２、１３にネオジム磁石を使用し、且つ、実施例１に記載したフェライト製の極間磁石１０を廃止した一例である。すなわち、実施例４に係る本モータ１は、図８に示す様に、極間外側ブリッジ５１と極間内側ブリッジ５２との間で一方のセグメント磁極５０Ａと他方のセグメント磁極５０Ｂとの間に形成される極間空間部５８に極間磁石１０を配置しない構成である。
ネオジム磁石は、小さくても強力な磁気作用を有するため、極中央磁石１２、１３にネオジム磁石を用いることで、実施例１に記載したフェライト製の極間磁石１０を廃止することができる。これにより、大きくて重い極間磁石１０が無くなるため、遠心力に対する耐久性が向上する効果がある。

なお、図８に示す極間空間部５８は、実施例１と同じく、一方のセグメント磁極５０Ａの極間対向面５０ａと他方のセグメント磁極５０Ｂの極間対向面５０ａとがテーパ状に形成されているが、極間空間部５８に極間磁石１０を配置しないので、極間磁石１０を径方向および周方向に移動規制する必要がなくなる。従って、極間空間部５８の形状は適宜に変更できる。言い換えると、必ずしもセグメント磁極５０の極間対向面５０ａをテーパ状に形成する必要はない。

（実施例５）
この実施例５は、極間磁石１０にネオジム磁石を使用し、且つ、図９に示す様に、極間磁石１０を極間空間部５８の径方向外側と径方向内側とに分離して配置した一例である。 ここで、極間空間部５８の径方向外側に配置される極間磁石１０を外側極間磁石１０ａと呼び、極間空間部５８の径方向内側に配置される極間磁石１０を内側極間磁石１０ｂと呼ぶときに、極間外側ブリッジ５１と外側極間磁石１０ａとの間および極間内側ブリッジ５２と内側極間磁石１０ｂとの間には、少なくとも回転後方側にそれぞれ空洞部５３が設けられている。なお、図９に示す例では、回転後方側と前方側の両方、すなわち回転方向の全幅に渡って空洞部５３が設けられている。

ネオジム磁石は減磁耐力が大きいため、もっとも逆磁界の強い位置に配置することができ、その逆磁界の強いところとは、直軸インダクタンスとなる直軸磁束を遮る部位であることから、リラクタンストルクとなる横軸インダクタンスと直軸インダクタンスとの差分を大きくできる。これにより、リラクタンストルクの向上を図ることができ、ネオジム磁石の節減効果がある。
また、外側極間磁石１０ａと内側極間磁石１０ｂとの間、つまり極間空間部５８の中央部が空くため、この中央部のスペースに、例えばロータ５の保持および固定用の非磁性部材（例えばボルト）を配置することができる。その結果、より高回転に耐えることができる様になり、延いては高性能化およびネオジム磁石の節減効果にも繋がる。

（実施例６）
この実施例６は、図１０に示す様に、極間空間部において一方のセグメント磁極５０Ａおよび他方のセグメント磁極５０Ｂからそれぞれ離間した位置に磁性部材１４を配置した一例である。
磁性部材１４は、例えば、ロータ５の保持および固定用のボルトであり、この磁性部材１４と一方のセグメント磁極５０Ａおよび他方のセグメント磁極５０Ｂとの間にそれぞれ極間磁石１０が配置される。この極間磁石１０は、ネオジム磁石であり、着磁方向は図示矢印で示す通りである。また、磁性部材１４と極間外側ブリッジ５１および極間内側ブリッジ５２との間には、少なくとも回転後方側にそれぞれ空洞部５３が設けられている。なお、図１０に示す例では、回転後方側と前方側の両方、すなわち回転方向の全幅に渡って空洞部５３が設けられている。

ネオジム磁石は減磁耐力が大きいため、薄くても減磁しにくいことから、上記のように極間空間部の周縁から離間した位置に磁性部材１４を配置し、その磁性部材１４と一方のセグメント磁極５０Ａおよび他方のセグメント磁極５０Ｂとの間にそれぞれネオジム磁石（極間磁石１０）を配置することができる。この様に、磁性部材１４の周方向両側にそれぞれ極間磁石１０を配置している、言い換えると、一方の極間磁石１０と他方の極間磁石１０との間に磁性部材１４を挟み込む様に配置していることから、磁性部材１４を磁気的に中性にすることができる。これにより、ロータ５を支持するロータディスク６（図２参照）を磁性材にすることもできる。
また、極間磁石１０として使用するネオジム磁石の総量を節減することができる。

１ 本モータ（ダブルステータ型同期モータ）
３ 外側ステータ
４ 内側ステータ
５ ロータ
３０ 外スロット
３１ 外ティース
３３ 外ステータ巻線
４０ 内スロット
４１ 内ティース
４３ 内ステータ巻線
５０ セグメント磁極
Ｗｒ セグメント磁極の径方向最小幅
Ｗｓ 内スロットの平均幅
Ｗｔ 外ティースの最小幅

Claims (7)

1. 軟磁性体から成るセグメント磁極（５０）を円環状に複数配列して構成され、且つ、前記セグメント磁極（５０）の内外表面に前記軟磁性体より透磁率の低い磁気的凹みを設けたロータ（５）と、
   このロータ（５）の径方向外側に空隙を有して配置され、周方向に複数のスロット（３０）が等間隔に形成されると共に、周方向に隣り合う前記スロット（３０）同士の間にティース（３１）が設けられ、このティース（３１）に多相の外ステータ巻線（３３）を巻装して構成される外側ステータ（３）と、
   前記ロータ（５）の径方向内側に空隙を有して配置され、周方向に複数のスロット（４０）が等間隔に形成されると共に、周方向に隣り合う前記スロット（４０）同士の間にティース（４１）が設けられ、このティース（４１）に多相の内ステータ巻線（４３）を巻装して構成される内側ステータ（４）とを備え、
   前記外側ステータ（３）と前記内側ステータ（４）は、それぞれ前記セグメント磁極（５０）と同数の極数を持ち、且つ、円周方向の同一位置で前記ロータ（５）を挟んで径方向に対向する互いの磁極同士が同一極性となるように起磁力を生成し、前記外ステータ巻線（３３）と前記内ステータ巻線（４３）の各相が直列に結線されているダブルステータ型同期モータ（１）であって、
   毎極毎相のスロット数をｑ個とした時に、前記ｑは２以上の整数であり、
   前記セグメント磁極（５０）の外径側に設けられる前記磁気的凹みと内径側に設けられる前記磁気的凹みとの間の径方向寸法である前記セグメント磁極（５０）の径方向最小幅（Ｗｒ）を、前記外側ステータ（３）に設けられる前記ティース（３１）の最小幅（Ｗｔ）の１．３ｑ〜２．３ｑ倍の範囲とし、
   前記磁気的凹みの径方向の深さを、前記内側ステータ（４）に形成される前記スロット（４０）の平均幅（Ｗｓ）以上としたことを特徴とするダブルステータ型同期モータ。
2. 請求項１に記載したダブルステータ型同期モータ（１）において、
   周方向に隣り合う二つの前記セグメント磁極（５０）を一方のセグメント磁極（５０Ａ）と他方のセグメント磁極（５０Ｂ）と呼び、前記一方のセグメント磁極（５０Ａ）と前記他方のセグメント磁極（５０Ｂ）とが周方向に対向する互いの対向面を極間対向面（５０ａ）と呼ぶときに、
   前記ロータ（５）は、
   前記一方のセグメント磁極（５０Ａ）と前記他方のセグメント磁極（５０Ｂ）との最外径面同士を周方向に連接する極間外側ブリッジ（５１）と、前記一方のセグメント磁極（５０）と前記他方のセグメント磁極（５０）との最内径面同士を周方向に連接する極間内側ブリッジ（５２）とを有すると共に、前記極間外側ブリッジ（５１）と前記極間内側ブリッジ（５２）との間で前記一方のセグメント磁極（５０）と前記他方のセグメント磁極（５０）との間に極間空間部（５８）が形成され、この極間空間部（５８）に配置される永久磁石を備え、
   前記永久磁石を極間磁石（１０）と呼ぶときに、前記極間対向面（５０ａ）と前記極間磁石（１０）には、前記極間磁石（１０）の径方向の移動を規制する移動規制部が形成され、且つ、前記極間磁石（１０）と前記極間外側ブリッジ（５１）との間および前記極間磁石（１０）と前記極間内側ブリッジ（５２）との間には、それぞれ前記ロータ（５）の回転方向に対する少なくとも後方側に空洞部（５３）が設けられていることを特徴とするダブルステータ型同期モータ。
3. 請求項１または２に記載したダブルステータ型同期モータ（１）において、
   前記ロータ（５）は、前記セグメント磁極（５０）の外径側に設けられる前記磁気的凹みと内径側に設けられる前記磁気的凹みとのどちらか一方または両方に配置される永久磁石（１２、１３）を備えることを特徴とするダブルステータ型同期モータ。
4. 請求項３に記載したダブルステータ型同期モータ（１）において、
   前記ロータ（５）は、
   前記セグメント磁極（５０）の外径側に設けられる前記磁気的凹みの径方向外側を周方向に延設されて前記セグメント磁極（５０）の最外径面同士を連接する極中央外側ブリッジ（５４）と、
   前記セグメント磁極（５０）の内径側に設けられる前記磁気的凹みの径方向内側を周方向に延設されて前記セグメント磁極（５０）の最内径面同士を連接する極中央内側ブリッジ（５６）との少なくとも一方を有し、その一方のブリッジを極中央ブリッジと呼ぶときに、
   前記磁気的凹みに配置される前記永久磁石（１２、１３）はフェライト磁石であり、このフェライト磁石と前記極中央ブリッジとの間には、前記ロータ（５）の回転方向に対する少なくとも後方側に空洞部（５５、５７）が設けられていることを特徴とするダブルステータ型同期モータ。
5. 請求項３または４に記載したダブルステータ型同期モータ（１）において、
   前記セグメント磁極（５０）の内径側に設けられる前記磁気的凹みにのみ前記永久磁石（１３）が配置され、
   前記セグメント磁極（５０）の外径側に設けられる前記磁気的凹みは、前記セグメント磁極（５０）の最外径より内径側へ凹む凹空間（５９）によって形成されることを特徴とするダブルステータ型同期モータ。
6. 請求項２〜５に記載した何れか一つのダブルステータ型同期モータ（１）において、
   前記極間磁石（１０）は希土類磁石であり、且つ、前記極間空間部（５８）の径方向外側と径方向内側とに分離して配置され、
   前記極間空間部（５８）の径方向外側に配置される前記極間磁石（１０）を外側極間磁石（１０ａ）と呼び、前記極間空間部（５８）の径方向内側に配置される前記極間磁石（１０）を内側極間磁石（１０ｂ）と呼ぶときに、
   前記極間外側ブリッジ（５１）と前記外側極間磁石（１０ａ）との間および前記極間内側ブリッジ（５２）と前記内側極間磁石（１０ｂ）との間には、それぞれ前記ロータ（５）の回転方向に対する少なくとも後方側に空洞部（５５、５７）が設けられていることを特徴とするダブルステータ型同期モータ。
7. 請求項２〜５に記載した何れか一つのダブルステータ型同期モータ（１）において、
   前記極間空間部（５８）には、前記一方のセグメント磁極（５０Ａ）および前記他方のセグメント磁極（５０Ｂ）からそれぞれ離間した位置に磁気的に中性な中間磁性部材（１４）が配置され、
   この中間磁性部材（１４）と前記一方のセグメント磁極（５０Ａ）および前記他方のセグメント磁極（５０Ｂ）との間にそれぞれ希土類磁石を用いた前記極間磁石（１０）が配置され、且つ、前記中間磁性部材（１４）と前記極間外側ブリッジ（５１）および前記極間内側ブリッジ（５２）との間には、それぞれ前記ロータ（５）の回転方向に対する少なくとも後方側に空洞部（５３）が設けられていることを特徴とするダブルステータ型同期モータ。

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