JP3663997B2 - 複数ロータモータ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数ロータモータに関する。
【0002】
【従来の技術】
1つのステータと複数の独立して回転が可能なロータとを備えた回転電機として、特開平8−340663号公報に記載されたものが知られている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来の回転電機は、2つのロータを別々に同期回転させるため、ステータには各ロータ専用のコイルを用意すると共に、この各専用コイルに流す電流を制御するインバータも2つ備えさせなければならず、それぞれのコイル、それぞれのインバータに電流を流すのでは電流による損失を免れない問題点があった。
【0004】
そこで、本願発明者らは、特願平10−077449号の明細書に記載した発明をしたが、それは、極対数の異なる磁石を有する2つのロータを有し、磁気回路を共有とし、共通のコイルに複合電流を流すことによりロータそれぞれを独立に回転させることができる回転電機に係るものである。
【0005】
本発明は、この本願発明者らが発明した回転電機にさらに改良を加えたものであり、複数のロータとして前後に分離して配置できるいわゆる円筒型のロータが採用でき、高速化が図れる複数ロータモータを提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明の複数ロータモータは、独立して回転する、磁石極対数が異なる複数のロータそれぞれに対峙するように複数のステータアマチュアを配し、前記ステータアマチュアそれぞれの電気的な相数を等しくし、かつ電気相は前記複数のロータに対応する各電流の複合和によって駆動するようにしたものである。
【0007】
請求項2の発明は、請求項1の複数ロータモータにおいて、前記複数のステータアマチュアの対応する同極のコイル間を直列に接続したものである。
【0008】
請求項3の発明は、請求項1の複数ロータモータにおいて、前記複数のステータアマチュアの対応する同極のコイル間を並列に接続したものである。
【0009】
請求項4の発明の複数ロータモータは、独立して回転する、磁石極対数が異なる複数のロータに対峙するように1つのステータアマチュアを配し、前記ステータアマチュアの電気相は前記複数のロータに対応する各電流の複合和によって駆動するようにしたものである。
【0010】
請求項5の発明は、請求項1〜4の複数ロータモータにおいて、前記複数のロータ及びステータアマチュアを1つのケース内に収容したものである。
【0011】
【発明の効果】
請求項1の発明によれば、独立して回転する、磁石極対数が異なる複数のロータそれぞれに対峙するように複数のステータアマチュアを配し、ステータアマチュアそれぞれの電気的な相数を等しくし、かつ電気相は複数のロータに対応する各電流の複合和によって駆動するようにしたので、複数のロータとステータアマチュアとは磁場回路を共用しない、互いに独立したモータを構成しながらも、複数のステータアマチュアに共通のインバータから電流(複合電流)を供給することによって複数のロータを同時に、かつ異なる速度で回転駆動することができる。
【0012】
これにより、複数のロータを前後に配置することができ、それによって複数のロータに円筒型のものを採用することができて高速化が可能となる。また複数のロータが前後に配置できることから、それぞれのロータの永久磁石の同極同士が対向することがなくて減磁作用が働かず、磁気特性を長く維持することができる。
【0013】
請求項2の発明によれば、請求項1の発明の効果に加えて、複数のステータアマチュアの対応する同極のコイル間を直列に接続したので、複数のステータアマチュアに共通のインバータから駆動電流を供給して複数のロータそれぞれを互いに独立した回転速度、トルクで回転駆動することができる。
【0014】
請求項3の発明によれば、請求項1の発明の効果に加えて、複数のステータアマチュアの対応する同極のコイル間を並列に接続したので、1つのインバータから同じ電流(複合電流)を流すことにより、いわば複数の互いに独立したモータを同時に、異なった速度で回転駆動することができるようになる。
【0015】
請求項4の発明によれば、独立して回転する、磁石極対数が異なる複数のロータに対峙するように1つのステータアマチュアを配し、ステータアマチュアの電気相は複数のロータに対応する各電流の複合和によって駆動するようにしたので、1つのインバータから1つのステータアマチュアに複合電流を流すことによって複数のロータを同時に、かつ異なる速度で回転駆動することができる。しかも、複数のロータを軸方向に前後して並べ、それらの外周を共に囲繞するように円筒形状のステータアマチュアを配置した構造に組み上げることができ、これによって、複数のロータに円筒型のものを採用することができ、高速化が可能となる。また複数のロータが前後に配置できることから、それぞれのロータの永久磁石の同極同士が対向することがなくて減磁作用が働かず、磁気特性を長く維持することができる。
【0016】
請求項5の発明によれば、請求項1〜4の発明の効果に加えて、複数のロータ及びステータアマチュアを1つのケース内に収容したので、出力軸ごとに回転速度やトルクの異なる多軸モータを得ることができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。図1は本発明の第1の実施の形態の複数ロータモータの構造を示している。第1の実施の形態の複数ロータモータは、2つのモータを共通の1つのステータアマチュア14により、そのステータコイル16に複合電流を流すことにより独立に回転駆動するものである。この複数ロータモータは、ケース1内の軸方向に前後して第1のロータ2と第2のロータ3とが配置されている。第1のロータ2の出力軸(A軸)4は第2のロータ3の出力軸(B軸)5と同心に、そして二重構造になるように設けられている。第1のロータ2には永久磁石(A磁石)6が3極対設けられており、第2のロータ3には永久磁石(B磁石)7が4極対設けられている。なお、この永久磁石の極対数及び極対数比は特に限定されるものではなく、例示的なものである。
【0018】
第1、第2のロータ2,3の外周側にステータアマチュア14を構成するように1つのコア11が配置され、このコア11に対して12のスロット15が形成され、ステータコイル16が巻き付けられている。
【0019】
この分割コアモータでは、ステータコイル16に複合電流を流すことにより、第1ロータ2、第2ロータ3を個別に回転駆動することができる。なお、その原理は、本願発明者らによる先願の発明である特願平10−77449号の明細書に詳しく説明されている。また本実施の形態における回転駆動系の制御装置部分は、後述する。
【0020】
次に、この複数ロータモータにおけるステータアマチュア14の組上げ一体化構造について説明する。コア11のスロット15の外周側は、外側が狭く内側が広くなる台形状にされている。そして、この12のスロット15それぞれに、軸方向に垂直な断面が台形状となる抜け止めピン18が貫挿されている。
【0021】
ケース1の前後の端板の内側面それぞれには、互いに対向するように固定リング21,22が取付けられている。この固定リング21,22の互いの対向面には環状溝23,24が形成されており、ケース1内にステータアマチュア14を組み付けて一体化する際に、各抜け止めピン18の軸方向両端部がこれらの環状溝23,24それぞれに圧入されるようになっている。第1ロータ2と第2ロータ3との前後方向の中間位置において、ステータアマチュア14のコア11の内周面に密接するように補強リング25が配設されている。
【0022】
このような構造の複数ロータモータでは、ケース1内へステータアマチュア14を組み込み、前後の端板を締め付けると、各抜け止めピン18の軸方向両端部が、固定リング21,22それぞれの環状溝23,24それぞれに圧入される。これにより、抜け止めピン18それぞれは半径方向の外向きの力を受け、各スロット15,17の外周部を押し上げるように働く。したがって、この抜け止めピン18によりコア11がケース1と共に一体化するように組み付けられる。さらに、各抜け止めピン18の軸方向両端が外側に押し上げる力を受けるので、軸方向の中間部分は内側に撓もうとするが、その部分にはコア11と補強リング25が密接しているために抜け止めピン18の軸方向中間部分とコア11と補強リング25とが圧接し合い、ステータアマチュア14の軸方向の中間部の一体化も図られる。
【0023】
上記構造の複数ロータモータの回転駆動系の制御装置は、図2に示す回路構成である。ステータコイル16は12相から成り、複合電流をこのステータコイル16に供給するために、バッテリなどの電源111からの直流電流を交流電流に変換するインバータ112を備えている。瞬時電流のすべての和は0になるため、このインバータ112は通常の3相ブリッジ型インバータを12相にしたものと同じで、上下に24個のスイッチング素子とこれに同数のダイオードから構成される。そしてインバータ112の各ゲートに与えるオン/オフのゲート信号はPWM信号である。
【0024】
各ロータ2,3を同期回転させるため、各ロータ2,3の位相を検出するためのロータリエンコーダ又はレゾルバのような回転角センサ113,114が設けられていて、これらのセンサ113,114からの信号が入力される制御回路115では、第1ロータ2、第2ロータ3に対する必要トルクのデータ(つまり、トルク指令)に基づいてPWM信号を発生させる。
【0025】
このような回路構成の複数ロータモータでは、ステータアマチュア14に単一のコイル16を形成し、この単一のステータコイル16にロータの数と同数の回転磁界が発生するように複合電流を流すことにより、ロータの一方をモータとして、残りをジェネレータとして運転する場合にはモータ駆動電力と発電電力との差分の電流を単一のコイルに流すだけでよいので、効率を大幅に向上させることができる。
【0026】
また2つのロータ2,3に対してインバータ112が1つでよくなり、さらにロータ2,3の一方をモータとして、残りをジェネレータとして運転する場合には、上記のようにモータ駆動電力と発電電力との差の分の電流を単一のコイルに流すだけでよくなることから、インバータ112の電力スイッチングトランジスタのキャパシタンスを減らすことができ、これによってスイッチング効率が向上し、より全体効率が向上する。
【0027】
さらに、第1の実施の形態の場合、軸方向の前後に第1ロータ2、第2ロータ3を配置し、それらの周囲を共通する円筒形状のステータアマチュア14によって囲繞した構造であるので、ロータ2,3にドラム型ではなくて円筒型のものを採用することができ、高速回転が可能となる。加えて、複数のロータ2,3を前後に配置できることから、それぞれのロータの永久磁石の同極同士が対向することがなくて減磁作用が働かず、磁気特性を長く維持することができる。
【0028】
次に、本発明の第2の実施の形態の複数ロータモータについて、図3及び図4に基づいて説明する。第2の実施の形態の複数ロータモータは、いわば2つのモータを前後に組み合わせたものを1つのケース1内に収容したものと同様の構造である。この複数ロータモータは、ケース1内の軸方向に前後して第1のロータ2と第2のロータ3とが配置されている。第1のロータ2の出力軸(A軸)4は第2のロータ3の出力軸(B軸)5と同心に、そして二重構造になるように設けられている。第1のロータ2には永久磁石(A磁石)6が3極対設けられており、第2のロータ3には永久磁石(B磁石)7が4極対設けられている。
【0029】
第1、第2のロータ2,3の外周側にステータアマチュア14A,14Bを構成するようにAコア11、Bコア12が配置されている。Aコア11に対して12のスロット15Aが形成され、ステータコイル16Aが巻き付けられており、Bコア12に対して同じく12のスロット15Bが形成され、ステータコイル16Bが巻き付けられている。
【0030】
この第2の実施の形態の複数ロータモータでは、ステータコイル16A,16Bを電気的に並列に連結して複合電流を流すことにより、第1ロータ2、第2ロータ3を個別に回転駆動することができる。なお、その原理は、本願発明者らによる先願の発明である特願平10−77449号の明細書に詳しく説明されている。また回転駆動系の制御装置については、後述する。
【0031】
この第2の実施の形態の複数ロータモータにおけるステータアマチュア14A,14Bの組上げ一体化構造は図1に示した第1の実施の形態と同様であり、Aコア11のスロット15Aの外周側、Bコア12のスロット15Bの外周側は共に、外側が狭く内側が広くなる台形状にされている。そして、この前後に連なる12のスロット15A,15Bそれぞれに、軸方向に垂直な断面が台形状となる抜け止めピン18が貫挿されている。ケース1の前後の端板の内側面それぞれには、互いに対向するように固定リング21,22が取付けられている。この固定リング21,22の互いの対向面には環状溝23,24が形成されており、ケース1内にステータアマチュア14A,14Bを組み付けて一体化する際に、各抜け止めピン18の軸方向両端部がこれらの環状溝23,24それぞれに圧入されるようになっている。ステータアマチュア14AのAコア11とステータアマチュア14BのBコア12との間の空間に補強リング25が配設され、この補強リング25の外周が各抜け止めピン18の内側面に密接させられている。
【0032】
次に、上記構造の第2の実施の形態の複数ロータモータの回転駆動系の制御装置について、図4に基づいて説明する。ステータコイル16A,16Bは共に12相から成り、複合電流をこのステータコイル16A,16Bに並列に供給するために共通のインバータ112の出力に接続されている。その他の構成要素は図2に示した第1の実施の形態のものと共通である。
【0033】
このような回路構成の複数ロータモータでは、ステータアマチュア14A,14Bそれぞれのステータコイル16A,16Bに共通の複合電流を供給してロータの数と同数の回転磁界が発生させることにより、ロータ2,3を同時に、異なる速度、トルクで回転駆動させてその出力を取り出すことができる。つまり、2つのロータ2,3を1つのケース1に収容されたを互いに独立な2つのモータとして扱うことができ、しかもそれらのモータに共通のインバータ112から同じ電流を供給することにより、異なる速度、トルクの出力を取り出すことができるのである。
【0034】
さらに、第2の実施の形態の場合も第1の実施の形態と同様に、軸方向の前後に第1ロータ2、第2ロータ3を配置し、それらの周囲を円筒形状のステータアマチュア14,14Bそれぞれによって囲繞した構造であるので、ロータ2,3にドラム型ではなくて円筒型のものを採用することができ、高速回転が可能となる。また複数のロータ2,3が前後に配置できることから、それぞれのロータの永久磁石の同極同士が対向することがなくて減磁作用が働かず、磁気特性を長く維持することができる。
【0035】
次に、本発明の第3の実施の形態の複数ロータモータについて、図3及び図5に基づいて説明する。第3の実施の形態は、構造的には図3に示した第2の実施の形態と共通である。そして回転駆動系の制御装置は、図5に示す回路構成である。すなわち、第2の実施の形態の場合、2つのステータアマチュア14A,14Bそれぞれのステータコイル16A,16Bをインバータ112に対して並列に接続することにより、いわば独立した2つのモータに共通の電源で制御するようにしたが、本実施の形態の場合には、ステータコイル16A,16Bを各相ごとに直列に接続し、後続のコイル、ここではステータコイル16B側の各終端は共通に接続したことを特徴としている。
【0036】
インバータ112により供給される12相の複合電流は、それぞれの電気相のコイルに供給され、最終的に共通の終端接続点に至る。瞬時電流のすべての和は0になるため、この終端接続点で電流は0である。
【0037】
このような制御回路を構成することにより、第3の実施の形態では、第2の実施の形態と同様に共通のインバータにより供給される電力により複数のロータ2,3を互いに独立に、異なった速度で回転駆動することができる。
【0038】
また軸方向の前後に第1ロータ2、第2ロータ3を配置し、それらの周囲を円筒形状のステータアマチュア14,14Bそれぞれによって囲繞した構造であるので、ロータ2,3にドラム型ではなくて円筒型のものを採用することができ、高速回転が可能となる。また複数のロータ2,3が前後に配置できることから、それぞれのロータの永久磁石の同極同士が対向することがなくて減磁作用が働かず、磁気特性を長く維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態の構造を示す側面断面図及び正面断面図。
【図2】上記の実施の形態の回転駆動系の制御装置の構成を示す回路ブロック図。
【図3】本発明の第2の実施の形態の構造を示す側面断面図及び正面断面図。
【図4】上記の実施の形態の回転駆動系の制御装置の構成を示す回路ブロック図。
【図5】本発明の第3の実施の形態の回転駆動系の制御装置の構成を示す回路ブロック図。
【符号の説明】
1 ケース
2 第1のロータ
3 第2のロータ
6 永久磁石(A磁石)
7 永久磁石(B磁石)
11 ステータコア
12 ステータコア
13 ステータコア
14,14A,14B ステータアマチュア
16,16A,16B ステータコイル
111 電源
112 インバータ
113,114 回転角センサ
115 インバータ
Claims (5)
- 独立して回転する、磁石極対数が異なる複数のロータそれぞれに対峙するように複数のステータアマチュアを配し、前記ステータアマチュアそれぞれの電気的な相数を等しくし、かつ電気相は前記複数のロータに対応する各電流の瞬時電流のすべての和を0にした複合和によって駆動するようにしたことを特徴とする複数ロータモータ。
- 前記複数のステータアマチュアの対応する同極のコイル間を直列に接続したことを特徴とする請求項1に記載の複数ロータモータ。
- 前記複数のステータアマチュアの対応する同極のコイル間を並列に接続したことを特徴とする請求項1に記載の複数ロータモータ。
- 独立して回転する、磁石極対数が異なる複数のロータに対峙するように1つのステータアマチュアを配し、前記ステータアマチュアの電気相は前記複数のロータに対応する各電流の瞬時電流のすべての和を0にした複合和によって駆動するようにしたことを特徴とする複数ロータモータ。
- 前記複数のロータ及びステータアマチュアを1つのケース内に収容したことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の複数ロータモータ。
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