JP3903956B2

JP3903956B2 - 複軸多層モータ

Info

Publication number: JP3903956B2
Application number: JP2003146525A
Authority: JP
Inventors: 稔有満; 正樹中野
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-05-23
Filing date: 2003-05-23
Publication date: 2007-04-11
Anticipated expiration: 2023-05-23
Also published as: US20040232779A1; JP2004350453A; CN100340051C; US6838790B2; EP1480316A2; EP1480316A3; CN1574565A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、同心円状のアウターロータとインナーロータとの相互間にステータを配置し、このステータに、電磁コイルを巻き掛けた複数のステータティースを放射状に設け、互いに隣り合うステータティースの相互間を樹脂成形した複軸多層モータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
複軸多層モータは、ステータティースに巻き掛けた電磁コイルへ位相の異なる複合電流を流し、アウターロータに設けた磁石とインナーロータに設けた磁石との間に互いに隣り合う２つのステータティースを通る磁路を形成することにより、アウターロータおよびインナーロータを独立して駆動制御することできる。
【０００３】
このため、ステータ内では、磁路中に発生する磁束を効率的に確保する必要があり、ステータティース内を通る磁束がロータに設けた永久磁石に確実に結ばれるよう、ステータティースのアウターロータ側およびインナーロータ側にそれぞれ円周方向に沿って延在する凸部を設けてステータティース外向きへの磁気抵抗（以下、“磁気バイパス抵抗“という）を高め、ステータティース内を通る磁束がステータティースの外側に分散することを防止している（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
またこうしたステータは、ステータティースの相互間を樹脂成形し、この樹脂成形部を通るボルトによってモータハウジングに固定保持し、このボルトで磁気バイパス抵抗を形成していた（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−１４０８６号公報（第２図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、磁気バイパス抵抗をステータの形状やステータを固定保持するボルトで形成するに際しては、以下の不都合が生じることが明らかとなった。
【０００７】
まずステータの形状を変更して磁気バイパス抵抗を形成しようとする場合、ステータ自体の形状が複雑となりコストの上昇を招くという不都合があった。特に、円周方向に対する磁気バイパス抵抗（以下、“横方向磁気バイパス抵抗”という）を例えば高い磁気抵抗を有する鋼板で実現しようとすれば、ステータに非常に薄い部分を形成する必要があり、その加工は非常に困難である。
【０００８】
またボルトで磁気バイパス抵抗を形成しようとする場合、ボルトに磁束が交番するため、渦電流損失を生じてモータ効率を低下させてしまうという不都合がある。しかも、渦電流損失が発生するとボルトが熱膨張を起こしてしまうため、ステータに対する支持剛性が低下するという新たな不都合を生じる。
【０００９】
さらに磁気バイパス抵抗をステータの形状変更やボルトで形成する場合、モータ特性に非常に敏感な横方向バイパス抵抗を唯一となるために、モータ特性を変更しようとした場合、鋼板やボルトを再検討、再生産する必要があり、コストの上昇を招くという不都合がある。
【００１０】
本発明は、こうした事実に鑑みてなされたものであり、モータ効率を低下させることなく安価でしかも組み立て易い複軸多層モータを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、同心円状のアウターロータとインナーロータとのそれぞれにその円周方向に沿って複数の磁石を設ける一方、これらロータの相互間にステータをボルトによりモータハウジングに固定保持し、このステータに、電磁コイルを巻き掛ける複数のステータティースを放射状に設け、互いに隣り合うステータティースの相互間を樹脂成形した複軸多層モータにおいて、前記樹脂成形部のインナーロータ側またはアウターロータ側の少なくとも一方に、前記ボルトよりも電気抵抗の高い磁性体をモータ軸に沿った方向に延在させたことを特徴とするものである。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記磁性体を、極対数の少ないロータ側に配置したことを特徴とするものである。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２において、前記磁性体を、互いに隣り合うステータティースのそれぞれに接触させたことを特徴とするものである。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか一項において、前記磁性体を、圧粉磁心としたことを特徴とするものである。
【００１５】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明においては、互いに隣り合うステータティースの相互間のインナーロータ側およびアウターロータ側の少なくとも一方に設けた磁性体が磁気バイパス抵抗を形成するため、たとえ磁束が交番してもステータを固定するために用いられるボルト等のムク材と異なり渦電流発生による損失を低減できる。このため、請求項１に記載の発明によれば、渦電流損失の発生によるモータ効率の低下を低減させることができる。加えて請求項１に記載の発明においては、磁性体が複数のステータティースを放射状に並べたステータコアと別部材であるため、ステータの形状が複雑化することなく簡素化され、ステータを成形する際のプレス加工や電磁コイルを巻き掛ける巻き線工程を簡易化できる。この場合、安価でしかも組み立て易いという優れた効果を奏する。
【００１６】
ところで、複軸多層モータは、アウターロータおよびインナーロータそれぞれに設けた磁石の組数（以下、“極対数“という）が異なる場合がある。このため、極対数の少ないロータの磁石からの磁束は、ステータを介して対向する極対数の多いロータ側の磁石を通じて必要な極対数に対応した磁路を形成することができるが、極対数の多いロータの磁石からの磁束は、極対数の少ないロータ側の磁石を通じて必要な極対数に対応した磁路を形成することが困難である。このため、極対数の少ないロータに磁路を形成する必要があり、従来は、電磁鋼板からなるステータに磁路を形成するための形状を持たせていた。
【００１７】
これに対し、請求項２に記載の発明は、前記磁性体を、対極数の少ないロータ側に配置している。かかる構成によれば、極対数の少ないロータの磁石を通じて必要な極対数に対応した磁路を形成することができる。加えて、かかる構成によれば、ステータに磁路を形成するための形状が不要となるため、ステータの形状が複雑化することなく簡素化され、ステータを成形する際のプレス加工や電磁コイルを巻き掛ける巻き線工程を簡易化できて、さらに安価でしかも組み立て易くなるという優れた効果を奏する。
【００１８】
請求項３に記載の発明においては、前記磁性体を、互いに隣り合うステータティースのそれぞれに接触させるように配置したから、磁性体をステータティースの相互間に精度良く配置できるとともに、ロータからのトルク反力によるステータ支持強度を向上させることができる。またこの場合、ステータを固定保持するボルトを小型化または軽量化できるため、コストの低減を図れるとともに、ステータ冷却通路や電磁コイルの配置スペースを広く確保することができる。
【００１９】
請求項４に記載の発明においては、前記磁性体を圧粉磁心としている。圧粉磁心は、一般的に電磁鋼板に比べて高周波域での鉄損が小さい。一方、インナーロータまたはアウターロータに設けた磁石に生成される主磁束に対して、ステータティース間の磁路を流れる磁束は、高調波を多く含んでいる。このため、磁性体を圧粉磁心とすれば、モータ効率の向上を図ることができ、加えて、ステータの支持強度も向上する。しかも圧粉磁心は最大磁束密度が大きくなく、一般的に透磁率が電磁鋼板に比べて低いため、同一磁気抵抗を実現するにあたり、電磁鋼板ほど小さな形状になることはない。このため、圧粉磁心は電磁鋼板に比べて形成しやすく、生産性に優れるという効果を奏する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
図１は、本発明にかかる複軸多層モータを備えたハイブリッド自動車のパワートレーンを示すスケルトン図である。
【００２１】
図１において、符号Ｅは主駆動源であるエンジン、符号Ｍは副駆動源である複軸多層モータ、符号Ｇはラビニヨ遊星歯車機構、符号Ｄは駆動出力機構である。
【００２２】
エンジンＥの出力軸２０は、回転変動吸収ダンパー２１および多板クラッチ２２を介して後述するラビニヨ遊星歯車機構ＧのリングギアＲ2と駆動結合されている。
【００２３】
複軸多層モータＭは、２つのモータジェネレータ機能を有し、モータカバー４０およびモータケース４１で画成された空間において、モータケース４１に固定保持されている。この複軸多層モータＭは、同心円状のインナーロータＩＲとアウターロータＯＲとの相互間にステータＳＴを配し、これら３つの要素を同軸（モータ軸線Ｏ）上に三層配置したものである。インナーロータＩＲは、第１モータ中空軸２３に固定され、この第１モータ中空軸２３は、ラビニヨ遊星歯車機構Ｇの第１サンギアＳ1に連結されている。アウターロータＯＲは、第２モータ中空軸２４に固定され、この第２モータ中空軸２４は、ラビニヨ遊星歯車機構Ｇの第２サンギアＳ2に連結されている。
【００２４】
ラビニヨ遊星歯車機構Ｇは、エンジンＥおよび複軸多層モータＭの少なくとも一方からの入力を変速させる変速機能を有し、フロントカバー４２およびギアハウジング４３で画成された空間に収納されている。このラビニヨ遊星歯車機構Ｇは、互いに径が異なる大小２つの第１サンギアＳ1および第２サンギアＳ2と、第１サンギアＳ1または第２サンギアＳ2に噛み合う第１ピニオンＰ1および第２ピニオンＰ2と、第１ピニオンＰ1および第２ピニオンＰ2が互いに噛み合った状態のまま回転自在に支持される共通キャリアＣと、第１ピニオンＰ1または第１ピニオンＰ２に噛み合う第１リングギアＲ1および第２リングギアＲ2を備える。なお、第１リングギアＲ1は、多板クラッチ２５を介してギアハウジング４３に保持されている。
【００２５】
駆動出力機構Ｄは、共通キャリアＣに結合された出力ギア２６、この出力ギア２６と噛み合う第１カウンタギア２７、この第１カウンタギア２７と一体に回転する第２カウンタギア２８、この第２カウンタギア２８と噛み合うドライブギア２９、このドライブギア２９からの回転が入力される差動減速機構３０、この差動減速機構３０から左右輪を駆動させるドライブシャフト３１からなる。
【００２６】
図２は、複軸多層モータＭの要部を図１の領域Ｘで示す拡大断面図であり、図３は、そのＡ−Ａ断面図である。なお図４は、ステータＳＴを背面側から示す平面図である。
【００２７】
インナーロータＩＲは、第１モータ中空軸２３に結合された電磁鋼板からなるロータベース１を有し、これにより第１モータ中空軸２３と一体に回転することができる。ロータベース１には、図３に示す如く、その円周方向に沿って極性の異なる永久磁石Ｍg1，Ｍg2がロータベース１に対して磁束形成を考慮して交互に計１２本埋設されており、６極対となっている。
【００２８】
アウターロータＯＲは、シェル３２に固定された電磁鋼板からなるロータベース２を有する。このロータベース２も、図３に示す如く、その円周方向に沿って極性の異なる永久磁石Ｍg1，Ｍg2がロータベース２に対して磁束形成を考慮して同一磁極を２つづつ交互に計１２本埋設されており、３極対となっている。なお、シェル３２の前面側は、図１，２に示す如く、モータケース４１に対して回転自在に支持されており、その背面側は第２モータ中空軸２４にスプライン嵌合されている。これによりアウターロータＯＲは、第２モータ中空軸２４と一体に回転することができる。
【００２９】
なお、図１，２において、符号５０，５１は、アウターロータＯＲをモータカバー４０またはモータケース４１に対して回転自在に支持する一対のアウターロータ支持ベアリング、符号５２は、インナーロータＩＲをモータケース４１に対して回転自在に支持するインナーロータ支持ベアリング、符号５３は、アウターロータＯＲに対して回転自在に支持するステータ支持ベアリング、符号５４は、第１モータ中空軸２３と第２モータ中空軸２４とを相対回転可能に支持する中間ベアリングである。
【００３０】
ステータＳＴは、図３に示す如く、その円周方向に沿って放射状に設けた複数のステータティース３、このステータティース３に巻き掛けられる電磁コイル４、ステータティース３の相互間に成形された樹脂モールド部（樹脂成形部）５、この樹脂モールド部５のインナーロータ側またはアウターロータ側を貫通する非磁性材料からなるボルト６，７、このボルト６とステータＳＴの内周部との相互間に配置されモータ軸線Ｏに沿った方向に延在するほぼ平坦なプレート状の磁性体８からなる。そしてステータＳＴの前面側端部は、図２に示す如く、前面側エンドプレート９およびステータシャフト１０を介してモータケース４１に固定されている。
【００３１】
ステータティース３は、電磁鋼板をプレス成形して造ったＩ字状のステータ鋼板をステータ軸線方向に積層してなり、そのアウターロータ側ヨーク３Ｙを除くティースの箇所において図４に示す如く電磁コイル４を巻線している。そして、このコイル巻線済のステータティース３を同一円周方向等間隔に、つまり放射状に配列してステータコアとし、このステータコアをステータ軸線方向両側のブラケット９，１０間にボルト６，７で挟持する。なお、各ボルト６，７は、リベットピンによる締め上げ構造としても良い。
【００３２】
磁性体８は、ボルト６，７よりも電気抵抗の高い電磁鋼板を複数重ねて積層体とし、この積層体を、絶縁テープを用いて一体化したものであり、ステータコアの内周端部とボルト６との相互間に配置する。これにより、ステータコアを全体的に樹脂でモールドすると、磁性体８は、互いに隣り合うステータティース３の相互間に成形された樹脂モールド部５のインナーロータＩＲ側に固定保持される。この場合、磁性体８は樹脂によって一体成形されるため、機械的な振動や外力によって変位することなく済む。なお、樹脂モールド部５内には隣り合うステータティース３間において形成された冷却液通路５ａが軸線方向に形成されている。
【００３３】
電磁コイル４は、コイル数が１８で図４に示す如く、Ｕ相コイル４Ｕと、Ｖ相コイル４Ｖと、Ｗ相コイル４Ｗとを１グループとして、この順番のグループを円周方向に沿って配置されている。
【００３４】
そして、Ｕ相コイル４Ｕ、Ｖ相コイル４Ｖ、Ｗ相コイル４Ｗに対しては、図２に示す如く、図示せぬインバータから給電接続端子６０とバスバー径方向積層体６１と給電コネクタ６２とバスバー軸方向積層体６３を介して複合電流が印加される。なお、図２において、符号６４は、インナーロータＩＲの回転位置を検出するインナーロータ回転センサ、符号６５は、アウターロータＯＲの回転位置を検出するアウターロータ回転センサである。
【００３５】
複軸多層モータＭの駆動に当たっては、回転センサ６４および回転センサ６５が検出するインナーロータＩＲおよびアウターロータＯＲの回転位置、つまりこれらに上記のごとく設けられる永久磁石Ｍg1，Ｍg2の位置に応じた両ロータＩＲ，ＯＲ用の位相の異なる駆動電流を複合して得られる複合電流をステータＳＴの電磁コイル４に供給し、これにより両ロータＩＲ，ＯＲ用の回転磁界をステータＳＴに個別に発生させることで、回転磁界に同期してロータＩＲ，ＯＲを個別に回転駆動させることができる。
【００３６】
本実施形態においては、互いに隣り合うステータティース３の相互間のインナーロータＩＲ側に設けたほぼ平坦なプレート状の磁性体８が磁気バイパス抵抗を形成するため、たとえ磁束が交番してもステータＳＴを固定するために用いられるボルト６，７等のムク材と異なり渦電流発生による損失を低減できる。このため、本実施形態によれば、渦電流損失の発生によるモータ効率の低下を低減させることができる。加えて本実施形態においては、磁性体８が複数のステータティース３を放射状に並べたステータコアと別部材であるため、ステータＳＴの形状が複雑化することなく簡素化され、ステータＳＴを成形する際のプレス加工や電磁コイルを巻き掛ける巻き線工程を簡易化できる。この場合、安価でしかも組み立て易いという優れた効果を奏する。
【００３７】
ところで、本実施形態において、複軸多層モータＭは、アウターロータＯＲおよびインナーロータＩＲそれぞれに設けた極性の異なる永久磁石Ｍg1，Ｍg2の組数（以下、“極対数“という）が異なっている。このため、極対数の少ない３極対のインナーロータＩＲの磁石Ｍg1，Ｍg2からの磁束は、ステータＳＴを介して対向する極対数の多い６極対のアウターロータＯＲの永久磁石Ｍg1，Ｍg2を通じて必要な極対数に対応した磁路を形成することができるが、極対数の多いアウターロータＯＲの永久磁石Ｍg1，Ｍg2からの磁束は、極対数の少ないインナーロータＩＲの永久磁石Ｍgを通じて必要な極対数に対応した磁路を形成することが困難である。このため、極対数の少ないインナーロータＩＲに磁路を形成する必要があり、従来は、電磁鋼板からなるステータＳＴに磁路を形成するための形状を持たせていた。
【００３８】
これに対し、本発明においては、磁性体８を極対数の少ないインナーロータＩＲ側に配置すればよい。かかる構成によれば、必要な極対数に対応した磁路を形成することができる。加えて、かかる構成によれば、ステータＳＴに磁路を形成するための形状が不要となるため、ステータＳＴの形状が複雑化することなく簡素化され、ステータＳＴを成形する際のプレス加工や電磁コイルを巻き掛ける巻き線工程を簡易化できて、さらに安価でしかも組み立て易くなるという優れた効果を奏する。
【００３９】
図５は、本発明の第２の実施形態を図１のＡ−Ａ断面で示す。この実施形態は、磁性体８を、ステータＳＴの内周端部とボルト６との相互間に配置するのに加えて、ステータＳＴの外周端部とボルト７との相互間に配置したものである。
【００４０】
このように、磁性体８は、樹脂モールド部５のインナーロータＩＲ側またはアウターロータＯＲ側の少なくとも一方に設けられていればよい。なお、本実施形態にあっては、第１実施形態と同一部分は同一符号をもってその説明を省略する。
【００４１】
図６は、本発明の第３の実施形態を図１のＡ−Ａ断面で示す。この実施形態は、磁性体８を、互いに隣り合うステータティース３のそれぞれに接触させたものである。
【００４２】
かかる構成によれば、磁性体８を互いに隣り合うステータティース３の相互間に精度良く埋め込むことができるとともに、ロータからのトルク反力によって生じる捩れ方向の力に対してステータティース３を支持する力が増加し、ステータ支持強度を向上させることができる。この場合、ステータＳＴを固定保持するボルト６，７を小型化または軽量化できるため、コストの低減を図れるとともに、冷却液通路５ａや電磁コイル４の配置スペースを広く確保することができる。
【００４３】
なお、本実施形態も、磁性体８は、樹脂モールド部５のインナーロータＩＲ側またはアウターロータＯＲ側の少なくとも一方に設けられていればよい。また本実施形態において、他の実施形態と同一部分は同一符号をもってその説明を省略する。
【００４４】
図７は、本発明の第４の実施形態を図１のＡ−Ａ断面で示す。この実施形態は、磁性体８を、圧粉磁心としたものである。かかる構成によれば、圧粉磁心は、一般的に電磁鋼板に比べて高周波域での鉄損が小さいため、ロータの回転に対して同期するが高次高調波が存在する横方向の磁束の流れで多く発生する鉄損が軽減され、モータ効率の向上を図ることができ、加えて、ステータの支持強度も向上する。しかも圧粉磁心は最大磁束密度が大きくなく、一般的に透磁率が電磁鋼板に比べて低いため、同一磁気抵抗を実現するにあたり、電磁鋼板ほど小さな形状になることはない。このため、圧粉磁心は電磁鋼板に比べて形成しやすく、生産性に優れるという効果を奏する。
【００４５】
上述したところは、本発明の好適な実施形態を示したに過ぎず、当業者によれば、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。例えば、第１〜第４実施形態の個々の構成は、その使用条件に応じて、適宜組み合わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる複軸多層モータを備えたハイブリッド自動車のパワートレーンを示すスケルトン図である。
【図２】同実施形態において、複軸多層モータの要部を示す拡大断面図である。
【図３】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図４】同実施形態のステータを背面側から示す平面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態を示すＡ−Ａ断面図である。
【図６】本発明の第３の実施形態を示すＡ−Ａ断面図である。
【図７】本発明の第４の実施形態を示すＡ−Ａ断面図である。
【符号の説明】
１，２ロータコア
３ステータティース
４電磁コイル
５樹脂モールド部（樹脂成形部）
６，７ボルト
８磁性体
Ｅエンジン
Ｍ複軸多層モータ
ＩＲインナーロータ
ＯＲアウターロータ
ＳＴステータ
Ｇラビニヨ遊星歯車機構
Ｄ駆動出力機構

Claims

同心円状のアウターロータとインナーロータとのそれぞれにその円周方向に沿って複数の磁石を設ける一方、これらロータの相互間にステータをボルトによりモータハウジングに固定保持し、このステータに、電磁コイルを巻き掛ける複数のステータティースを放射状に設け、互いに隣り合うステータティースの相互間を樹脂成形した複軸多層モータにおいて、
前記樹脂成形部のインナーロータ側またはアウターロータ側の少なくとも一方に、前記ボルトよりも電気抵抗の高い磁性体をモータ軸に沿った方向に延在させたことを特徴とする複軸多層モータ。
前記磁性体を、極対数の少ないロータ側に配置したことを特徴とする請求項１に記載の複軸多層モータ。
前記磁性体を、互いに隣り合うステータティースのそれぞれに接触させたことを特徴とする請求項１または２に記載の複軸多層モータ。
前記磁性体を、圧粉磁心としたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の複軸多層モータ。