JP2013198325A - 電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転軸が同心に配置された２つの可動子をそれぞれ独立に制御可能な小型の電動機を提供すること。
【解決手段】電動機は、所定方向に並んだ複数の磁極で構成された磁極列を有する第１可動子と、所定方向に並んだ複数の第１電機子を有して、磁極列と対向して配置され、複数の第１電機子に発生する第１電機子磁極により移動磁界を磁極列との間に発生させる第１電機子列を有する第１固定子と、磁極列と電機子列との間に位置し、第１可動子の回転軸と同心の回転軸を有し、コア部と該コア部よりも透磁率が低い部分が所定方向に交互に配置された第２可動子と、所定方向に並んだ複数の第２電機子を有して、磁極列と対向して配置され、複数の第２電機子に発生する第２電機子磁極により移動磁界を磁極列との間に発生させる第２電機子列を有する第２固定子とを備える。第１電機子磁極の数とコア部の数と磁極の数と第２電機子磁極の数との比が、１：（１＋ｍ）／２：ｍ：ｍに設定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転軸が同心に配置された２つの可動子を有する電動機に関する。

回転軸が同心に配置された２つのロータとステータが径方向に配置された電動機が知られている。当該電動機では、ステータが発生する回転磁界が作用して回転する２つのロータが各々異なる回転軸を有する。

特許文献１には、上記電動機を用いたハイブリッド車両１が開示されている。図５に示すように、特許文献１に開示されたハイブリッド車両１は、エンジン３、第１電気モータ１０及び第２電気モータ２０と、これらの動力源によって駆動される左右の前輪４，４などを備える。第１電気モータ１０及び第２電気モータ２０は、ギヤ機構６、差動ギヤ機構７及び左右の駆動軸８，８を介して、左右の前輪４，４に連結されている。

第１電気モータ１０は、径方向の内側から外側に向かって、互いに同心に配置された第１ロータ１４、第２ロータ１５及びステータ１６を有する。第２ロータ１５は、エンジン３のクランクシャフトに連結された入力軸１２と一体に回転する。周方向に配置された複数の永久磁石を有する第１ロータ１４は、出力軸１３と一体に回転する。また、第２電気モータ２０は、出力軸１３に同心に固定されたロータ２２と、ステータ２３とを有する。ロータ２２にも、永久磁石列が周方向に沿って設けられている。

国際公開第２００８／０１８５３９号 特開２００９−２６１０７１号公報

上記説明したハイブリッド車両１では、図５に示したように、第１電気モータ１０の第１ロータ１４と第２電気モータ２０のロータ２２が出力軸１３を介して連結されている。当該構成では、第１電気モータ１０、第２電気モータ２０及び出力軸１３の３つの部品が必要である。部品点数が多いと小型化が困難でありかつ製造コストを低減できないばかりか、組み立て効率の点でも好ましくない。このため、電気モータから構成される動力源の小型化又は製造コストの低減といった点では、第１ロータ１４とロータ２２が共有化された構成が望ましい。
また、第１ロータ１４の磁極数とロータ２２の磁極数が異なれば、各電気モータを独立に駆動制御するためには、それぞれ異なる駆動周波数で各電機モータを駆動制御する必要がある。

本発明の目的は、回転軸が同心に配置された２つの可動子をそれぞれ独立に制御可能な小型の電動機を提供することである。

上記課題を解決して係る目的を達成するために、請求項１に記載の発明の電動機（例えば、実施の形態での回転機１０３）は、所定方向に並んだ複数の磁極（例えば、実施の形態での永久磁石５１２）で構成された磁極列を有する第１可動子（例えば、実施の形態での第１ロータ５１）と、前記所定方向に並んだ複数の第１電機子（例えば、実施の形態での電機子５３３）を有して、前記磁極列と対向して配置され、電力の供給に応じて前記複数の第１電機子に発生する第１電機子磁極により、前記所定方向に移動する移動磁界を前記磁極列との間に発生させる第１電機子列を有する第１固定子（例えば、実施の形態での第１ステータ５３）と、前記磁極列と前記電機子列との間に位置し、前記第１可動子の回転軸と同心の回転軸を有し、コア部（例えば、実施の形態でのコア５２１）と該コア部よりも透磁率が低い部分が前記所定方向に交互に配置された第２可動子（例えば、実施の形態での第２ロータ５２）と、前記所定方向に並んだ複数の第２電機子（例えば、実施の形態での電機子６３３）を有して、前記磁極列と対向して配置され、電力の供給に応じて前記複数の第２電機子に発生する第２電機子磁極により、前記所定方向に移動する移動磁界を前記磁極列との間に発生させる第２電機子列を有する第２固定子（例えば、実施の形態での第２ステータ５４）と、を備え、前記第１電機子磁極の数と前記コア部の数と前記磁極の数と前記第２電機子磁極の数との比が、１：（１＋ｍ）／２：ｍ：ｍ（但し、ｍ≠１．０）に設定されたことを特徴としている。

さらに、請求項２に記載の発明の電動機では、前記第２固定子、前記第１可動子、前記第２可動子及び前記第１固定子が、この順に同心円状に配置されていることを特徴としている。

さらに、請求項３に記載の発明の電動機では、前記第２固定子、前記第１可動子、前記第２可動子及び前記第１固定子が、この順に軸心方向に配置されていることを特徴としている。

さらに、請求項４に記載の発明の電動機では、前記第１固定子に発生させる移動磁界及び前記第２固定子に発生させる移動磁界は、それぞれ独立に制御されることを特徴としている。

請求項１〜４に記載の発明の電動機によれば、回転軸が同心に配置された２つの可動子をそれぞれ独立に制御可能な小型の電動機を提供できる。
請求項２に記載の発明の電動機によれば、当該電動機の出力を各可動子の厚さによって調整することができる。また、可動子の厚さ方向の拡大は、構造強度的に容易であり、大トルクが得られる。
請求項３に記載の発明の電動機によれば、各可動子の回転軸の構成をシンプルにできるため、電動機の薄型化が可能であり、回転軸の延伸に関して複数種類の態様が実現可能である。その結果、電動機のレイアウトが容易になる。また、固定子を外形側に露出できるため、当該固定子が有する電機子への配電が容易である。また、単位体積当たりのトルク発生面積を大きく設計できるため、高いトルク密度及び出力密度が可能である。

一実施形態の電動機システムの構成と回転機の軸心での断面を示す図 回転機の一部切り欠き斜視断面図 回転機の各構成要素をその周方向に展開した図 他の実施形態の電動機システムの構成と回転機の軸心での断面を示す図 特許文献１のハイブリッド車両１の駆動系の概略構成を示す図

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

本発明の実施形態の電動機システム及び当該電動機システムに設けられる回転機について、図１〜図３を参照して説明する。図１は、一実施形態の電動機システムの構成と回転機の軸心での断面を示す図である。図２は、回転機の一部切り欠き斜視断面図である。図３は、回転機の各構成要素をその周方向に展開した図である。

図１に示すように、本実施形態の電動機システムは、回転機１０３（本発明の電動機に相当する）と、回転機１０３の動作制御を行うＥＣＵ（Electronic Control Unit，本発明の制御装置に相当する）１６０と、インバータ回路を含む駆動回路である第１ＰＤＵ（Power Drive Unit）１１０及び第２ＰＤＵ１２０と、バッテリ１１１とを備えている。

ＥＣＵ１６０は、ＣＰＵ，ＲＡＭ，ＲＯＭ，インターフェース回路等を含む電子回路ユニットであり、予め実装された回転機１０３の制御用プログラムをＣＰＵで実行することによって、回転機１０３の動作制御を行う。

図１及び図２に示すように、回転機１０３は、そのハウジング１０６内に回転自在に支承された第１ロータ５１（本発明の第１可動子に相当する）、及び第２ロータ（本発明の第２可動子に相当する）５２を同軸心に備えている。なお、軸心側を内側、ハウジング１０６側を外側とすると、第１ロータ５１は内側、第２ロータ５２は外側に設けられている。

また、回転機１０３のハウジング１０６内には、第１ステータ５３（本発明の第１固定子に相当する）及び第２ステータ５４（本発明の第２固定子に相当する）が設けられている。第１ステータ５３は、第２ロータ５２に対向して第２ロータ５２の外側に配置され、ハウジング１０６に固定されている。第２ステータ５４は、第１ロータ５１に対向して第１ロータ５１の内側に配置され、ハウジング１０６に固定されている。

第１ロータ５１及び第２ロータ５２は、第２ステータ５４と第１ステータ５３の間に、隣り合うロータ又はステータと非接触状態で回転するように配置されている。そのため、第２ステータ５４、第１ロータ５１、第２ロータ５２、及び第１ステータ５３は、この順に同心円状に配置されている。

なお、以下では、特にことわらない限り、「周方向」は回転機１０３の軸心周り方向を意味し、「軸心方向」は第１ロータ５１及び第２ロータ５２の各回転軸の軸心方向を意味するものとする。

以下、第１ステータ５３について説明する。第１ステータ５３は、第１ロータ５１及び第２ロータ５２に対して作用させる回転磁界を発生する複数の電機子５３３を有し、複数の鋼板を積層して円筒状に形成された鉄芯（電機子鉄芯）５３１と、この鉄芯５３１の内周面部に装着された３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）分のコイル（電機子巻線）５３２とを備えている。鉄芯５３１はハウジング１０６に固定されている。

Ｕ，Ｖ，Ｗの各相のコイル５３２は、各コイル５３２と鉄芯５３１とにより個々の電機子５３３を構成している。これらのＵ，Ｖ，Ｗの３相分のコイル５３２は、周方向に並ぶようにして鉄芯５３１に装着されている（図３参照）。これにより、複数（３の倍数個）の電機子５３３を周方向に並べた電機子列が構成されている。

この電機子列の３相分のコイル５３２は、３相の交流電流を通電したときに、鉄芯５３１の内周面部に、周方向に等間隔で並び、且つ周方向に回転する複数（偶数）の電機子磁極が発生するように配列されている。この電機子磁極の列は、周方向で、Ｎ極及びＳ極が交互に並ぶ配列（互いに隣り合う任意の２つの電機子磁極が異なる極性となる配列）である。第１ステータ５３は、この電機子磁極列の回転によって、鉄芯５３１の内側に回転磁界を発生するものである。

３相分のコイル５３２は、第１ＰＤＵ１１０を介してバッテリ１１１に接続され、第１ＰＤＵ１１０を介してコイル５３２とバッテリ１１１との間の電力の授受（コイル５３２に対する電気エネルギーの入出力）が行われる。そして、ＥＣＵ１６０により、第１ＰＤＵ１１０を介してコイル５３２の通電を制御することによって、回転磁界の発生形態（回転磁界の回転速度や磁束強度）を制御することができる。

次に、第１ロータ５１について説明する。図３に示したように、第１ロータ５１は、軟磁性体から成る円筒状の基体５１１と、基体５１１の中に挿入された複数（偶数）の永久磁石（磁石磁極，本発明の磁極に相当する）５１２とを備えている。基体５１１は、例えば鉄板又は鋼板を積層して形成されている。

また、第１ロータ５１の複数の永久磁石５１２は、周方向に等間隔で配列されている。この永久磁石５１２の配列によって、第１ロータ５１には、第１ステータ５３の鉄芯５３１の内周面部に対向して周方向に並ぶ複数の磁極からなる磁極列が構成されている。この場合、図３中の（Ｎ），（Ｓ）で示したように、周方向で互いに隣り合う２つの永久磁石５１２，５１２の外表面部（第１ステータ５３の鉄芯５３１の内周面部に対応する面部）の磁極は、互いに異なる磁性の磁極となっている。すなわち、第１ロータ５１の複数の永久磁石５１２の配列によって、第１ロータ５１の外周面部に形成される磁極列は、Ｎ極及びＳ極が交互に並ぶ配列となっている。

なお、第１ロータ５１の基体５１１及び永久磁石５１２の軸心方向の長さは、第１ステータ５３の鉄芯５３１の軸心方向の長さと同程度とされている。

次に、第２ロータ５２について説明する。第２ロータ５２は、軟磁性体から成る複数のコア５２１（本発明のコア部に相当する）を備えている。軟磁性体列を構成する複数のコア５２１は、コア５２１よりも透磁率が低い部分５２２を挟んで周方向に等間隔で配列されている。各コア５２１は、例えば複数の鋼板を積層して形成されている。

なお、各コア５２１の軸心方向の長さは、第１ステータ５３の鉄芯５３１の軸心方向の長さと同程度とされている。

以下、第１ステータ５３、第１ロータ５１及び第２ロータ５２の磁極の関係について説明する。回転機１０３の第１ステータ５３の電機子磁極の個数をｐ、第２ロータ５２の軟磁性体のコア５２１の個数をｑ、第１ロータ５１の磁極の個数（永久磁石５１２の個数）をｒとしたときに、これらのｐ，ｑ，ｒは、以下の式（１）の関係を満たすように設定されている。

但し、ｍ≠１。なお、ｐ，ｒは偶数であり、ｍは正の有理数である。

この場合、例えば、ｐ＝４、ｑ＝６、ｒ＝８、ｍ＝２に設定すれば、上記式（１）の関係が満たされる。

以上のように回転機１０３の第１ステータ５３の電機子磁極の個数ｐと、第２ロータ５２のコア５２１の個数ｑと、第１ロータ５１の磁極の個数（永久磁石５１２の個数）ｒとが、上記式（１）の関係を満たすように構成された回転機１０３では、第１ロータ５１及び第２ロータ５２の両方又は一方の回転時に、第１ロータ５１の磁極から第２ロータ５２のコア５２１を経由して第１ステータ５３の各相のコイル５３２に作用する磁束（鎖交磁束）の時間的変化率ｄΨu／dt，ｄΨv／dt，ｄΨw／dt（但し、ΨuはＵ相、ΨvはＶ相、ΨwはＷ相の各コイルに作用する鎖交磁束）は、以下の式（２）、式（３）、式（４）により表される。

但し、Ψf：第１ロータ５１の磁極の磁束の最大値、θe2：第１ステータ５３の３相コイル５３２のうちの１つの基準コイル（例えば、Ｕ相のコイル）に対する第２ロータ５２の電気角度位置、ωe2：第２ロータ５２の電気角速度、θe1：上記基準コイルに対する第１ロータ５１の電気角度位置、ωe1：第１ロータ５１の電気角速度。

なお、上記式（２）〜式（４）では、第１ロータ５１の１つの磁極が上記基準コイルに対向する状態でのθe1の値を“０”とし、第２ロータ５２の１つのコア５２１が上記基準コイルに対応する状態でのθe2の値を“０”としている。また、上記“電気角度”は、機械角に電機子磁極の極対数（Ｎ極及びＳ極の対の個数（＝ｐ／２））を乗じた角度を意味する。

この場合、第１ロータ５１の磁極から、第２ロータ５２のコア５２１を経由せずに直接的に各コイル５３２に作用する磁束は、コア５２１を経由する磁束に対して微小であるので、上記式（２）〜式（４）のｄΨu／dt，ｄΨv／dt，ｄΨw／dtは、第１ステータ５３に対する第１ロータ５１や第２ロータ５２の回転に伴って、各相のコイル５３２に発生する逆起電力（誘起電圧）を表すものとなる。

そこで、本実施形態では、第１ステータ５３のコイル５３２の通電によって発生する回転磁界の磁束ベクトルの回転角度位置θmf（電気角での回転角度位置）と、その時間的変化率（微分値）である角速度ωmf（電気角速度）とが、それぞれ、以下の式（５），式（６）の関係を満たすように、第１ステータ５３のコイル５３２の通電電流をＥＣＵ１６０により第１ＰＤＵ１１０を介して制御する。

但し、θmf：回転磁界の磁束ベクトルの回転角度位置、θe2：第２ロータ５２の電気角度位置、θe1：第１ロータ５１の電気角度位置、ｃ：電機子磁極の対極数、θ2：第２ロータ５２の機械角度位置、θ1：第１ロータ５１の機械角度位置。

但し、ωmf：回転磁界の磁束ベクトルの角速度、ωe2：第２ロータ５２の電気角速度、ωe1：第１ロータ５１の電気角速度、ｃ：電機子磁極の対極数、ω2：第２ロータ５２の機械角速度、ω1：第１ロータ５１の機械角速度。

上記のように、第１ステータ５３に回転磁界を発生させることにより、第１ロータ５１及び第２ロータ５２にトルクを発生させることができる。このとき、第１ステータ５３のコイル５３２への供給電力（入力電力）又はコイル５３２からの出力電力を、回転磁界の電気角での角速度ωmfで除したものを、この回転磁界の等価トルクＴmf（以下、回転界磁等価トルクＴmfという）と定義し、第１ロータ５１に発生するトルクをＴ1、第２ロータ５２に発生するトルクをＴ2としたときに、Ｔmf，Ｔ1，Ｔ2の間には、以下の式（７）の関係が成立する。なお、ここでは、銅損、鉄損等によるエネルギー損失は無視し得る程度に微小であるとする。

上記式（６）により示される角速度の相互関係、及び上記式（７）により示されるトルクの相互関係は、シングルピニオン型の遊星歯車装置のサンギヤ，リングギヤ，キャリアの回転速度の相互関係、及びトルクの相互関係と同じ関係となる。すなわち、第１ステータ５３及び第１ロータ５１の一方がサンギヤ、他方がリングギヤに対応し、第２ロータ５２がキャリアに対応する。

したがって、第１ロータ５１と第１ロータ５１と第２ロータ５２の回転が、式（６）で示される共線関係を保って行われる。

以下、第２ステータ５４について説明する。第２ステータ５４は、第１ロータ５１に対して作用させる回転磁界を発生する複数の電機子６３３を有し、第１ステータ５３と同様に、複数の鋼板を積層して円筒状に形成された鉄芯（電機子鉄芯）６３１と、この鉄芯６３１の内周面部に装着された３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）分のコイル（電機子巻線）６３２とを備えている。鉄芯６３１はハウジング１０６に固定されている。

Ｕ，Ｖ，Ｗの各相のコイル６３２は、各コイル６３２と鉄芯６３１とにより個々の電機子６３３を構成している。これらのＵ，Ｖ，Ｗの３相分のコイル６３２は、周方向に並ぶようにして鉄芯６３１に装着されている（図３参照）。これにより、複数（３の倍数個）の電機子６３３を周方向に並べた電機子列が構成されている。

この電機子列の３相分のコイル６３２は、３相の交流電流を通電したときに、鉄芯６３１の内周面部に、周方向に等間隔で並び、且つ周方向に回転する複数（偶数）の電機子磁極が発生するように配列されている。この電機子磁極の列は、周方向で、Ｎ極及びＳ極が交互に並ぶ配列（互いに隣り合う任意の２つの電機子磁極が異なる極性となる配列）である。第２ステータ５４は、この電機子磁極列の回転によって、鉄芯６３１の内側に回転磁界を発生するものである。

３相分のコイル６３２は、第２ＰＤＵ１２０を介してバッテリ１１１に接続され、第２ＰＤＵ１２０を介してコイル６３２とバッテリ１１１との間の電力の授受（コイル６３２に対する電気エネルギーの入出力）が行われる。そして、ＥＣＵ１６０により、第２ＰＤＵ１２０を介してコイル６３２の通電を制御することによって、回転磁界の発生形態（回転磁界の回転速度や磁束強度）を制御することができる。

なお、上述したように、第２ステータ５４は第１ロータ５１に対して作用する。第１ロータ５１には、複数の永久磁石５１２が周方向に等間隔で配列されているため、第１ロータ５１には、第２ステータ５４の鉄芯６３１の外周面部に対向して周方向に並ぶ複数の磁極からなる磁極列が構成されている。第２ステータ５４の電機子列は、第２ステータ５４の電機子磁極の個数が第１ロータ５１の磁極の個数（永久磁石５１２の個数）と同数となるよう構成されている。したがって、上記式（１）に第２ステータ５４の電機子磁極の個数をｓとして加えると、以下の式（８）の関係が満たされる。

ｐは第１ステータ５３の電機子磁極の個数、ｑは第２ロータ５２の軟磁性体のコア５２１の個数、ｒは第１ロータ５１の磁極の個数（永久磁石５１２の個数）であり、ｐ，ｒ，ｓは偶数である。また、ｍは正の有理数であり、ｍ≠１である。

以上説明したように、本実施形態によれば、第１ステータ５３に回転磁界を発生させると第１ロータ５１及び第２ロータ５２にトルクを発生させることができ、かつ、第２ステータ５４に回転磁界を発生させると第１ロータ５１にトルクを発生させることができる。また、第１ステータ５３に発生させる回転磁界と第２ステータ５４に発生させる回転磁界は、それぞれ独立にＥＣＵ１６０によって制御される。さらに、第１ステータ５３と第１ロータ５１と第２ロータ５２と第２ステータ５４とがハウジング１０６内に構成されているため、回転軸が同心に配置された２つのロータをそれぞれ独立に制御可能な小型の回転機１０３を実現できる。

本実施形態では、回転機１０３を構成する第２ステータ５４、第１ロータ５１、第２ロータ５２及び第１ステータ５３が、この順に同心円状に配置された構造（径方向配置構造）である。但し、この構成に限らず、図４に示すように、第２ステータ５４、第１ロータ５１、第２ロータ５２及び第１ステータ５３が、この順に軸心方向に間隔を空けて配置された構成（軸心方向配置構造）であっても良い。

なお、径方向配置構造の場合は、回転機１０３の出力を各ロータの積厚によって調整することができる。すなわち、電磁部の断面形状が同じでも積厚が異なるロータであれば、回転機１０３のトルク及び出力は異なる。また、ロータの積厚方向の拡大は、構造強度的に容易であり、大トルクが得られる。

一方、軸心方向配置構造の場合は、軸構成がシンプルであり、入出力軸を図４に示す右方向へも左方向へも延ばすことができる。ｋのため、回転機１０３のレイアウトが容易である。また、ステータを外形側に露出できるため、ステータへの配電が容易である。また、単位体積当たりのトルク発生面積を大きく設計できるため、高いトルク密度及び出力密度が可能である。さらに、軸のオーバハングが無く、軸部材を軽量化できるため、回転機１０３の薄型化が可能である。当該回転機１０３は、車両の挟み込みモータとして設置する際に有用である。

５１ 第１ロータ
５２ 第２ロータ
５３ 第１ステータ
５４ 第２ステータ
１０３ 回転機
１０６ ハウジング
１１０ 第１ＰＤＵ
１１１ バッテリ
１２０ 第２ＰＤＵ
１６０ ＥＣＵ
５１１ 基体
５１２ 永久磁石
５２１ コア（軟磁性体）
５３１，６３１ 鉄芯
５３２，６３２ コイル
５３３，６３３ 電機子

Claims (4)

1. 所定方向に並んだ複数の磁極で構成された磁極列を有する第１可動子と、
   前記所定方向に並んだ複数の第１電機子を有して、前記磁極列と対向して配置され、電力の供給に応じて前記複数の第１電機子に発生する第１電機子磁極により、前記所定方向に移動する移動磁界を前記磁極列との間に発生させる第１電機子列を有する第１固定子と、
   前記磁極列と前記第１電機子列との間に位置し、前記第１可動子の回転軸と同心の回転軸を有し、コア部と該コア部よりも透磁率が低い部分が前記所定方向に交互に配置された第２可動子と、
   前記所定方向に並んだ複数の第２電機子を有して、前記磁極列と対向して配置され、電力の供給に応じて前記複数の第２電機子に発生する第２電機子磁極により、前記所定方向に移動する移動磁界を前記磁極列との間に発生させる第２電機子列を有する第２固定子と、を備え、
   前記第１電機子磁極の数と前記コア部の数と前記磁極の数と前記第２電機子磁極の数との比が、１：（１＋ｍ）／２：ｍ：ｍ（但し、ｍ≠１．０）に設定されたことを特徴とする電動機。
2. 請求項１に記載の電動機であって、
   前記第２固定子、前記第１可動子、前記第２可動子及び前記第１固定子が、この順に同心円状に配置されていることを特徴とする電動機。
3. 請求項１に記載の電動機であって、
   前記第２固定子、前記第１可動子、前記第２可動子及び前記第１固定子が、この順に軸心方向に配置されていることを特徴とする電動機。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の電動機であって、
   前記第１固定子に発生させる移動磁界及び前記第２固定子に発生させる移動磁界は、それぞれ独立に制御されることを特徴とする電動機。

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