JP2018102090A - ステータおよびモータ - Google Patents

Abstract

【課題】インナーロータ２０およびアウターロータ４０の回転数が異なる場合でも、鉄損を抑制することが可能な、ステータ３０を提供する。【解決手段】ステータ３０は、ステータコア３１と、インナーコイル１３と、アウターコイル１８とを備える。ステータコア３１は、径方向の内側に向かって突出するインナーティース３２を備える。インナーコイル１３は、周方向に隣り合うインナーティース３２の間のインナースロット３３に配置される。ステータコア３１は、径方向の外側に向かって突出するアウターティース３７を備える。アウターコイル１８は、周方向に隣り合うアウターティース３７の間のアウタースロット３８に配置される。ステータコア３１は、インナーティース３２およびインナースロット３３と、アウターティース３７およびアウタースロット３８との間にバックヨーク３５を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、ステータおよびモータに関するものである。

車両に適用可能なモータとして、二重ロータ型のモータが提案されている（例えば特許文献１および２参照）。特許文献１および２に記載されたモータは、ステータと、ステータの径方向の内側に配置されたインナーロータと、ステータの径方向の外側に配置されたアウターロータとを備える。ステータは、分割ステータコアと、分割ステータコアに巻回されたコイルとを備える。分割ステータコアは、周方向に不連続に配置される。すなわち、ポールピース構造のステータが採用されている。

特許文献１および２に記載されたモータでは、ステータがポールピース構造のため、次のような磁気回路が形成される。インナーロータの磁束は、アウターロータの永久磁石の外側のロータコアを通る。アウターロータの磁束は、インナーロータの永久磁石の外側のロータコアを通る。すなわち、一方のロータの磁気回路が、他方のロータをバックヨークとして利用する。

特開２００５−１１７８７０号公報 特開２０１０−２０６８６１号公報

特許文献１および２に記載されたモータでは、インナーロータおよびアウターロータの回転数が異なった場合に、各ロータに鎖交する非同期磁束が多くなる。これにより、鉄損が大きくなるという問題がある。

そこで本発明は、インナーロータおよびアウターロータの回転数が異なる場合でも、鉄損を抑制することが可能な、ステータおよびモータの提供を目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の態様を採用した。
（１）本発明のステータ（例えば、実施形態におけるステータ３０）は、円筒状に形成されたステータコア（例えば、実施形態におけるステータコア３１）と、インナーロータ（例えば、実施形態におけるインナーロータ２０）に対応するインナーコイル（例えば、実施形態におけるインナーコイル１３）と、アウターロータ（例えば、実施形態におけるアウターロータ４０）に対応するアウターコイル（例えば、実施形態におけるアウターコイル１８）と、を備え、前記ステータコアは、径方向の内側に向かって突出し、軸方向に沿って延び、周方向に並んで配置されたインナーティース（例えば、実施形態におけるインナーティース３２）を備え、前記インナーコイルは、前記周方向に隣り合う前記インナーティースの間に設けられたインナースロット（例えば、実施形態におけるインナースロット３３）に配置され、前記ステータコアは、前記径方向の外側に向かって突出し、前記軸方向に沿って延び、前記周方向に並んで配置されたアウターティース（例えば、実施形態におけるアウターティース３７）を備え、前記アウターコイルは、前記周方向に隣り合う前記アウターティースの間に設けられたアウタースロット（例えば、実施形態におけるアウタースロット３８）に配置され、前記ステータコアは、前記径方向において、前記インナーティースおよび前記インナースロットと、前記アウターティースおよび前記アウタースロットとの間に設けられたバックヨーク（例えば、実施形態におけるバックヨーク３５）を有する。

この構成によれば、インナーロータおよびアウターロータの磁気回路が、いずれもステータのバックヨークを利用する。すなわち、一方のロータの磁気回路が、他方のロータをバックヨークとして利用しない。そのため、インナーロータおよびアウターロータの回転数が異なる場合でも、各ロータの磁束が干渉しない。これにより、各ロータに鎖交する非同期磁束が少なくなり、鉄損を抑制できる。

（２）本発明のモータは、（１）に記載のステータと、前記ステータの前記径方向の内側に配置された前記インナーロータと、前記ステータの前記径方向の外側に配置された前記アウターロータと、前記インナーコイルに接続された第１インバータ回路（例えば、実施形態における第１インバータ回路１４）と、前記アウターコイルに接続された、前記第１インバータ回路とは異なる第２インバータ回路（例えば、実施形態における第２インバータ回路１９）と、を備える。
この構成によれば、インナーロータ２０およびアウターロータ４０は、相互に独立して回転可能である。

本発明によれば、インナーロータおよびアウターロータの回転数が異なる場合でも、鉄損を抑制できる。

車両駆動システムの概略構成図である。 実施形態におけるモータの部分断面図である。 実施形態におけるモータの磁気回路の説明図である。

以下、本発明におけるモータおよびステータの一実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。本願において、「径方向」はステータ（モータ）の径方向であり、「軸方向」はステータ（モータ）の軸方向であり、「周方向」はステータ（モータ）の周方向である。

（車両駆動システム）
図１は、車両駆動システムの概略構成図である。車両駆動システム１は、ハイブリッド駆動システムの一例であり、エンジン３と、バッテリ５と、クラッチ７と、モータ１０と、制御部９０とを備える。モータ１０は、二重ロータ型のモータであり、インナーロータ２０と、ステータ３０と、アウターロータ４０とを備える。ステータ３０は、インナーコイル１３と、アウターコイル１８とを備える。

エンジン３は、フライホイール６２、ギヤ列６４および入力軸２９を介して、インナーロータ２０に接続される。インナーロータ２０に対応するインナーコイル１３は、第１インバータ回路１４を介してバッテリ５に接続される。制御部９０は、エンジン３を駆動することによりインナーロータ２０を回転させて発電する。制御部９０は、発電した電気をバッテリ５に蓄電する。

バッテリ５は、第２インバータ回路１９を介して、アウターコイル１８に接続される。アウターコイル１８に対応するアウターロータ４０は、出力軸４９、カウンターシャフト６６およびデファレンシャルギヤ６８を介して、駆動軸６９に接続される。制御部９０は、バッテリ５から給電してアウターロータ４０を回転させる。これにより駆動軸６９が回転して、車両が駆動される。

制御部９０は、バッテリＳＯＣが低いとき、エンジン３を駆動して発電しながら、バッテリ５から給電して車両を駆動する。制御部９０は、バッテリＳＯＣが高いとき、エンジン３を停止した状態で、バッテリ５から給電して車両を駆動する。

クラッチ７は、エンジン３とアウターロータ４０の出力軸４９との間に介在している。クラッチ７を切断すると、前述したようにアウターロータ４０により駆動軸６９が駆動される。クラッチ７を接続すると、エンジン３により駆動軸６９が駆動される。
制御部９０は、車速が低いとき、エンジン３を停止しクラッチ７を切断して、バッテリ５からの給電により車両を駆動する。制御部９０は、車速が高いとき、エンジン３を駆動しクラッチ７を接続して、エンジン３により車両を駆動する。

二重ロータ型のモータ１０を採用することにより、２個のモータを並べて配置する場合に比べて、車両駆動システム１を小型化できる。

（モータ）
図２は、モータ１０の軸方向に垂直な断面図である。図２は、モータ１０の周方向における１／６の部分を図示している。モータ１０の周方向における残りの部分は、図２の部分と同様に形成される。モータ１０は、二重ロータ型のモータであり、インナーロータ２０と、ステータ３０と、アウターロータ４０とを備える。

インナーロータ２０は、ロータコア２１と、永久磁石２５とを備える。
ロータコア２１は、略円筒状に形成される。ロータコア２１は、複数の電磁鋼板を積層して形成される。ロータコア２１の径方向の内側には、入力軸２９（図１参照）を構成するシャフト（不図示）が配置される。ロータコア２１の内周部は、ヨーク２７を構成する。ロータコア２１の径方向の中央部には、肉抜き孔２６が形成される。ロータコア２１の外周部には、スロット２２が形成される。スロット２２は、ロータコア２１を軸方向に貫通する。

永久磁石２５は、スロット２２の内部に配置される。永久磁石２５は、ロータコア２１の軸方向に沿って複数に分割される。永久磁石２５は、軸方向から見て略矩形状に形成される。永久磁石２５の周方向に隣接して、スロット２２の拡張部２３が配置される。拡張部２３には、樹脂などが充填されてもよい。

軸方向から見て、複数の永久磁石２５が磁石列２５ｒを形成する。実施形態では３個の永久磁石２５ａ，２５ｂ，２５ｃが磁石列２５ｒを形成する。磁石列２５ｒは、径方向の外側に向かって開口する弧状に形成される。磁石列２５ｒに含まれる永久磁石２５は、径方向に対して同一方向に着磁している。

複数の磁石列２５ｒが、ロータコア２１の外周に沿って配置される。隣り合う磁石列２５ｒは、径方向に対して反対方向に着磁している。実施形態では、１２個の磁石列２５ｒを備えた６極のインナーロータ２０が採用される。

アウターロータ４０は、ロータコア４１と、永久磁石４５とを備える。
ロータコア４１は、略円筒状に形成される。ロータコア４１は、複数の電磁鋼板を積層して形成される。ロータコア４１は、出力軸４９（図１参照）に接続される。ロータコア４１の外周部は、ヨーク４７を構成する。ロータコア４１の内周部には、スロット４２が形成される。スロット４２は、ロータコア４１を軸方向に貫通する。

永久磁石４５は、スロット４２の内部に配置される。永久磁石４５は、ロータコア４１の軸方向に沿って複数に分割される。永久磁石４５は、軸方向から見て略矩形状に形成される。永久磁石４５の周方向に隣接して、スロット４２の拡張部４３が配置される。拡張部４３には、樹脂などが充填されてもよい。

複数の永久磁石４５が、ロータコア４１の内周に沿って配置される。隣り合う永久磁石４５は、径方向に対して反対方向に着磁している。実施形態では、２４個の永久磁石４５を備えた１２極のアウターロータ４０が採用される。

ステータ３０は、ステータコア３１と、インナーコイル１３と、アウターコイル１８とを備える。
ステータコア３１は、略円筒状に形成される。ステータコア３１は、複数の電磁鋼板を積層して形成される。ステータコア３１は、インナーティース３２と、バックヨーク３５と、アウターティース３７とを備える。

インナーティース３２は、径方向の内側に向かって突出する。インナーティース３２は、ステータコア３１の全長に亘って軸方向に沿って延びる。複数のインナーティース３２が、周方向に並んで配置される。隣り合うインナーティース３２の間には、インナースロット３３が設けられる。
アウターティース３７は、径方向の外側に向かって突出する。アウターティース３７は、ステータコア３１の全長に亘って軸方向に沿って延びる。複数のアウターティース３７が、周方向に並んで配置される。隣り合うアウターティース３７の間には、アウタースロット３８が設けられる。

バックヨーク３５は、インナーティース３２およびインナースロット３３と、アウターティース３７およびアウタースロット３８との間に設けられる。バックヨーク３５の径方向の長さは、インナーティース３２およびアウターティース３７の径方向の長さと同等か、またはそれ以上である。バックヨーク３５の径方向の内側と外側との間は、電気的に絶縁されていてもよい。

インナーコイル１３は、銅やアルミニウム等の導電材料で形成される。インナーコイル１３は、インナースロット３３に配置される。インナーコイル１３の巻回方法として、分布巻きまたは集中巻きが採用される。分布巻きは、コイルの内側に複数のインナーティース３２を含むように巻回する方法である。集中巻きは、コイルの内側に一つのインナーティース３２のみを含むように巻回する方法である。インナーコイル１３は、インナースロット３３に配置される。インナーコイル１３は、予め環状に成形された状態でインナースロット３３に挿入される。インナーコイル１３は、セグメント法により形成してもよい。セグメント法は、ステータコア３１の軸方向の一方側からインナースロット３３にＵ字状のセグメントを挿入し、軸方向の他方側でセグメントの端部を連結する方法である。

アウターコイル１８は、銅やアルミニウム等の導電材料で形成される。アウターコイル１８は、アウタースロット３８に配置される。アウターコイル１８の巻回方法として、前述した分布巻きまたは集中巻きが採用される。アウターコイル１８は、予め環状に成形された状態でアウタースロット３８に挿入される。アウターコイル１８は、前述したセグメント法により形成してもよい。

図１に示すように、インナーコイル１３は、第１インバータ回路１４に接続される。第１インバータ回路１４は、例えば三相ブリッジインバータ回路である。アウターコイル１８は、第１インバータ回路１４とは異なる第２インバータ回路１９に接続される。第２インバータ回路１９は、例えば三相ブリッジインバータ回路である。これにより、インナーロータ２０およびアウターロータ４０が相互に独立して回転可能である。

図３は、実施形態におけるモータの磁気回路の説明図である。軸方向から見た場合のインナーロータ２０、ステータ３０およびアウターロータ４０は、実際には図１に示すように円弧状である。これに対して図３では、理解を容易にするため、軸方向から見た場合のインナーロータ２０、ステータ３０およびアウターロータ４０を直線状に記載している。ステータ３０の径方向の内側は図３の左側であり、径方向の外側は図３の右側である。図３に記載したインナーロータ２０の永久磁石２５Ｎ，２５Ｓの磁極は、径方向の内側における磁極である。アウターロータ４０の永久磁石４５Ｎ，４５Ｓの磁極は、径方向の外側における磁極である。

インナーロータ２０の磁束２８は、Ｎ極の永久磁石２５Ｎから径方向の内側に出て、ロータコア２１のヨーク２７を通り、Ｓ極の永久磁石２５Ｓに入る。磁束２８は、Ｓ極の永久磁石２５Ｓから径方向の外側に出て、ステータコア３１のインナーティース３２に入る。磁束２８は、ステータコア３１のバックヨーク３５（径方向の内側）を通る。磁束２８は、インナーティース３２から径方向の内側に出て、インナーロータ２０のＮ極の永久磁石２５Ｎに入る。すなわち、インナーロータ２０の磁気回路は、ステータ３０のバックヨーク３５を利用する。

アウターロータ４０の磁束４８は、Ｎ極の永久磁石４５Ｎから径方向の外側に出て、ロータコア４１のヨーク４７を通り、Ｓ極の永久磁石４５Ｓに入る。磁束４８は、Ｓ極の永久磁石４５Ｓから径方向の内側に出て、ステータコア３１のアウターティース３７に入る。磁束４８は、ステータコア３１のバックヨーク３５（径方向の外側）を通る。磁束４８は、アウターティース３７から径方向の外側に出て、アウターロータ４０のＮ極の永久磁石４５Ｎに入る。すなわち、アウターロータ４０の磁気回路は、ステータ３０のバックヨーク３５を利用する。

このように、インナーロータ２０およびアウターロータ４０の磁気回路は、いずれもステータ３０のバックヨーク３５を利用する。すなわち、一方のロータの磁気回路が、他方のロータをバックヨークとして利用しない。そのため、インナーロータ２０およびアウターロータ４０の回転数が異なる場合でも、各ロータ２０，４０の磁束が干渉しない。これにより、各ロータに鎖交する非同期磁束が少なくなり、鉄損や永久磁石の温度上昇を抑制できる。また、各ロータ２０，４０の磁束が干渉しないので、トルクリップルを低減できる。

以上に詳述したように、実施形態のステータ３０は、ステータコア３１と、インナーコイル１３と、アウターコイル１８とを備える。ステータコア３１は、径方向の内側に向かって突出し、軸方向に沿って延び、周方向に並んで配置されたインナーティース３２を備える。インナーコイル１３は、周方向に隣り合うインナーティース３２の間に設けられたインナースロット３３に配置される。ステータコア３１は、径方向の外側に向かって突出し、軸方向に沿って延び、周方向に並んで配置されたアウターティース３７を備える。アウターコイル１８は、周方向に隣り合うアウターティース３７の間に設けられたアウタースロット３８に配置される。ステータコア３１は、径方向において、インナーティース３２およびインナースロット３３と、アウターティース３７およびアウタースロット３８との間に設けられた、バックヨーク３５を有する。
これにより、インナーロータ２０およびアウターロータ４０の回転数が異なる場合でも、鉄損を抑制できる。

実施形態のモータ１０は、ステータ３０と、インナーロータ２０と、アウターロータ４０と、インナーコイル１３に接続された第１インバータ回路１４と、アウターコイル１８に接続された第２インバータ回路１９とを備える。
これにより、インナーロータ２０およびアウターロータ４０は、相互に独立して回転可能である。

なお、本発明の技術的範囲は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、上述した実施形態の構成はほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。

実施形態のモータ１０は、図１に示す車両駆動システム１以外のシステムに適用することも可能である。
インナーロータ２０の永久磁石２５の配置およびアウターロータ４０の永久磁石４５の配置は、図２に示す実施形態の配置に限られず、他の配置を採用することも可能である。

１０…モータ、１３…インナーコイル、１４…第１インバータ回路、１８…アウターコイル、１９…第２インバータ回路、２０…インナーロータ、３０…ステータ、３１…ステータコア、３２…インナーティース、３３…インナースロット、３５…バックヨーク、３７…アウターティース、３８…アウタースロット、４０…アウターロータ。

Claims (2)

1. 円筒状に形成されたステータコアと、インナーロータに対応するインナーコイルと、アウターロータに対応するアウターコイルと、を備え、
   前記ステータコアは、径方向の内側に向かって突出し、軸方向に沿って延び、周方向に並んで配置されたインナーティースを備え、
   前記インナーコイルは、前記周方向に隣り合う前記インナーティースの間に設けられたインナースロットに配置され、
   前記ステータコアは、前記径方向の外側に向かって突出し、前記軸方向に沿って延び、前記周方向に並んで配置されたアウターティースを備え、
   前記アウターコイルは、前記周方向に隣り合う前記アウターティースの間に設けられたアウタースロットに配置され、
   前記ステータコアは、前記径方向において、前記インナーティースおよび前記インナースロットと、前記アウターティースおよび前記アウタースロットとの間に設けられたバックヨークを有する、
   ステータ。
2. 請求項１に記載のステータと、
   前記ステータの前記径方向の内側に配置された前記インナーロータと、
   前記ステータの前記径方向の外側に配置された前記アウターロータと、
   前記インナーコイルに接続された第１インバータ回路と、
   前記アウターコイルに接続された、前記第１インバータ回路とは異なる第２インバータ回路と、を備える、
   モータ。

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