JP4069859B2

JP4069859B2 - 回転電機の構造

Info

Publication number: JP4069859B2
Application number: JP2003416578A
Authority: JP
Inventors: 稔有満
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-12-15
Filing date: 2003-12-15
Publication date: 2008-04-02
Anticipated expiration: 2023-12-15
Also published as: DE602004017827D1; CN100454724C; EP1544987B1; US20050127778A1; US7233093B2; JP2005176574A; CN1638243A; EP1544987A1

Description

本発明は、電機子コイルを巻回したステータティースを複数個円周状に配置してなるステータと、ステータの内側に同軸に設けられたインナーロータと、ステータの外側に同軸に設けられたアウターロータと、から構成される回転電機の構造に関するものである。

従来、電機子コイルを巻回したステータティースを複数個円周状に配置してなるステータと、ステータの内側に同軸に設けられたインナーロータと、ステータの外側に同軸に設けられたアウターロータと、から構成される回転電機であって、ステータに取り付けた電機子コイルに複合電流を流すことで、インナーロータとアウターロータを独立駆動するものが知られている（例えば、特許文献１）。
特開２００１−１０３７１７号公報

上述した構成の従来の回転電機では、電機子コイルに複合電流を通電することを前提としているために、以下のような問題点があった。
（１）インバータの本来有する能力（ＫＶＡ）に対して、引き出せる有効電力の割合が最低５７％であり、比較的大きな容量の電源を用いる必要がある。
（２）ピーク電流が大きくなり、これに伴いｄｉ／ｄｔ即ち電流変化代が大きくなり、パワーデバイスの対電圧性能を向上する必要性があり、コスト増を招く。
（３）それぞれのロータに最適なアンペアターン数を個別に決めることが不可能で、全体としてコスト増になる。

本発明の目的は上述した問題点を解消して、ステータティース内部において、従来の複合電流と同じ複合磁場を保ちつつ、電源のＫＶＡ利用率の向上、ピーク電流の低減、及び、ロータ毎の最適な電機子コイルの構成を達成でき、コストを抑えることができる回転電機の構造を提供しようとするものである。

本発明の回転電機の構造は、電機子コイルを巻回したステータティースを複数個円周状に配置してなるステータと、ステータの内側に同軸に設けられたインナーロータと、ステータの外側に同軸に設けられたアウターロータと、から構成される回転電機において、ステータティースには、インナーロータ側に設けられた、インナーロータのみを駆動するインナー電機子コイル、および、アウターロータ側に設けられた、アウターロータのみを駆動するアウター電機子コイルの２種類のコイルが巻かれており、複数のアウター電機子コイルが、同じ方向に巻かれたアウター電機子コイルの複数のペアを備え、アウター電機子コイルの各ペアは互いに接続されるとともに同じ位相の電流が供給されており、複数のインナー電機子コイルが、互いに反対方向に巻かれたインナー電機子コイルの複数のペアを備え、インナー電機子コイルのペアは互いに接続されるとともに同じ位相の電流が供給されており、お互いに磁気的な干渉をしないように接続されていることを特徴とするものである。

本発明の回転電機の構造にあっては、ステータティースには、インナーロータ側に設けられた、インナーロータのみを駆動するインナー電機子コイル、および、アウターロータ側に設けられた、アウターロータのみを駆動するアウター電機子コイルの２種類のコイルが巻かれており、お互いに磁気的な干渉をしないように接続されているため、お互いに磁気的な結合を持たず、ステータティース内部は複合磁場であるにもかかわらず、発生する電圧及び通電する電流は正弦波となり、これにより電源のＫＶＡ利用率の向上及びピーク電圧電流の低減を達成することができる。

なお、ここで「複合磁場」とは、複合電流によって発生する、複数のロータの回転周波数に同期した周波数成分を有する回転磁場のことをいう。

また、本発明の回転電機の構造の好適例では、インナーロータの極数に対してアウターロータの極数が２倍であり、インナーロータを駆動するための電流位相には必ず１８０度ずれたものを有するよう構成することができる。このように構成することで、極対数比を２倍とし、そのどちらかに１８０度位相の異なるステータティースを結合するために、結線手法で簡易に磁気的結合を持たないようにでき、且つ、インバータ総数も低減する。

さらに、本発明の回転電機の構造の好適例では、インナーロータの極数が３で、アウターロータの極数が６となるよう回転電機を構成し、この回転電機を、３相インバータ２台でインナーロータとアウターロータを別個に駆動するよう構成することができる。このように構成することで、最もパワーデバイス数を削減でき、且つ、最も電圧利用率を向上できる。

さらにまた、本発明の回転電機の構造の好適例では、インナーロータを駆動するインナー電機子コイルのターン数が、アウターロータを駆動するアウター電機子コイルのターン数よりも多いよう構成することができる。このように構成することで、同一ターン数では大きくなりがちなインナーロータの磁石量を削減でき、低コスト化を図れる。

以下に、この発明の実施の形態を、図面に基づき詳細に説明する。
図１は本発明の回転電機の構造を好適に適用できる回転電機の一例としての複軸多層モータが適用されたハイブリッド駆動ユニットの全体図であり、図１において、Ｅはエンジン、Ｍは複軸多層モータ、Ｇはラビニョウ型複合遊星歯車列、Ｄは駆動出力機構、１はモータカバー、２はモータケース、３はギヤハウジング、４はフロントカバーである。

前記エンジンＥは、ハイブリッド駆動ユニットの主動力源であり、エンジン出力軸５とラビニョウ型複合遊星歯車列Ｇの第２リングギヤR2とは、回転変動吸収ダンパー６及び多板クラッチ７を介して連結されている。

前記複軸多層モータＭは、外観的には１つのモータであるが２つのモータジェネレータ機能を有する副動力源である。この複軸多層モータＭは、前記モータケース２に固定され、コイルを巻いた固定電機子としてのステータＳと、前記ステータＳの内側に配置し、永久磁石を埋設したインナーロータIRと、前記ステータＳの外側に配置し、永久磁石を埋設したアウターロータORと、を同軸上に三層配置することで構成されている。前記インナーロータIRに固定の第１モータ中空軸８は、ラビニョウ型複合遊星歯車列Ｇの第１サンギヤS1に連結され、前記アウターロータORに固定の第２モータ軸９は、ラビニョウ型複合遊星歯車列Ｇの第２サンギヤS2に連結されている。

前記ラビニョウ型複合遊星歯車列Ｇは、二つのモータ回転数を制御することにより無段階に変速比を変える無段変速機能を有する遊星歯車機構である。このラビニョウ型複合遊星歯車列Ｇは、互いに噛み合う第１ピニオンP1と第２ピニオンP2を支持する共通キャリヤＣと、第１ピニオンP1に噛み合う第１サンギヤS1と、第２ピニオンP2に噛み合う第２サンギヤS2と、第１ピニオンP1に噛み合う第１リングギヤR1と、第２ピニオンP2に噛み合う第２リングギヤR2との５つの回転要素を有して構成されている。前記第１リングギヤR1とギヤハウジング３との間には多板ブレーキ１０が介装されている。前記共通キャリヤＣには、出力ギヤ１１が連結されている。

前記駆動出力機構Ｄは、出力ギヤ１１と、第１カウンターギヤ１２と、第２カウンターギヤ１３と、ドライブギヤ１４と、ディファレンシャル１５と、ドライブシャフト１６，１６により構成されている。そして、出力ギヤ１１からの出力回転及び出力トルクは、第１カウンターギヤ１２→第２カウンターギヤ１３→ドライブギヤ１４→ディファレンシャル１５を経過し、ドライブシャフト１６，１６から図外の駆動輪へ伝達される。

すなわち、ハイブリッド駆動ユニットは、前記第２リングギヤR2とエンジン出力軸５を連結し、前記第１サンギヤS1と第１モータ中空軸８とを連結し、前記第２サンギヤS2と第２モータ軸９とを連結し、前記共通キャリヤＣに出力ギヤ１１を連結することにより構成されている。

図２は、ラビニョオ型遊星歯車列と組み合わされて車両用ハイブリッド変速機を構成する、この発明の対象となる複軸多層モータの一例をより詳細に示す図である。この複軸多層モータに、この発明の積層コア構造を適用することができる。図２に示す構成の複軸多層モータは、一個の円環状のステータ１０１と、その半径方向内方および外方にそれぞれ互いに同軸の所定回転軸線Ｏ上にて回転自在に配置したインナーロータ１０２およびアウターロータ１０３とよりなる三重構造とし、これらをハウジング１０４内に収納して構成する。

ここにおけるインナーロータ１０２およびアウターロータ１０３はそれぞれ、電磁鋼板などをプレス成形して造った板材のロータ軸線方向への積層になる積層コア１２４，１２５を具え、これら積層コア１２４，１２５に、ロータ軸線方向に貫通する永久磁石を円周方向等間隔に配置して設けた構成となす。インナーロータ１０２とアウターロータ１０３とでは、配置する磁極数を変えることで、両者の極対数を異ならせている。一例を示すと、磁石の個数自体はインナーロータ１０２とアウターロータ１０３で同一であり、１２個ずつであるが、インナーロータ１０２は２個の磁石で１極を成しているため、極対数としては３極対となり、アウターロータ１０３は１個の磁石で１極を成しているため、極対数としては６極対となる。

そしてハウジング１０４内へのインナーロータ１０２およびアウターロータ１０３の収納に当たっては、アウターロータ１０３は、積層コア１２５の外周にトルク伝達シェル１０５を駆動結合して具え、該トルク伝達シェル１０５の両端をそれぞれベアリング１０７，１０８によりハウジング１０４に回転自在に支持し、トルク伝達シェル１０５をベアリング１０７の側でアウターロータシャフト１０９に結合する。

インナーロータ１０２は積層コア１２４の中心に、内部に上記アウターロータシャフト１０９を回転自在に貫通した中空のインナーロータシャフト１１０を貫通して具え、これらインナーロータ１０２の積層コア１２４およびインナーロータシャフト１１０間を駆動結合する。そしてインナーロータシャフト１１０の中間部をベアリング１１２により、固定のステータブラケット１１３内に回転自在に支持し、一端部（図１では左端部）をベアリング１１４によりトルク伝達シェル１０５の対応端壁に回転自在に支持する。

ステータ１０１は、電磁鋼板をプレス成形して造ったＴ字状のステータ鋼板をステータ軸線方向に積層してなる多数のステータティースを具える。個々のステータティースには、アウターロータ側ヨークおよびインナーロータ側ヨーク間におけるティースの箇所において図２に示す如く電機子コイル１１７を巻線し、これらコイル巻線済のステータティースを同一円周方向等間隔に、つまり円形に配列してステータコアとなし、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１１３，１１８間にボルト１１９で挟持すると共に全体的に樹脂１２０でモールドすることにより一体化してステータ１０１を構成する。なお、樹脂１２０内には隣り合うステータティース１１６間において冷却液通路１４１を軸線方向に形成し、上記したボルト１１９はその冷却液通路１４１の半径方向内方および外方にそれぞれ位置させる。ここで、各ボルト１１９はそれに螺合したナット１１９ａによって締め上げられる。このボルト・ナットによる締め上げ構造をリベットピンによる締め上げ構造としても良いことはいうまでもない。

なお、このモータの駆動に当たっては、回転センサ１４８および回転センサ１４７が検出するインナーロータ１０２およびアウターロータ１０３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の位置に応じた両ロータ１０２，１０３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１０１の電機子コイル１１７に供給し、これにより両ロータ１０２，１０３用の回転磁界をステータに個別に発生させることで、回転磁界に同期してロータ１０２，１０３を個別に回転駆動させることができる。

次に、上述した構成の複軸多層モータにおいて、ステータ１０１を構成するステータティース１１６及び電機子コイル１１７の構造として好適な本発明の回転電機の構造について説明する。

図３は本発明の回転電機の構造の一例を説明するための図であり、本例では、アウターロータ２０３が６極対、インナーロータ２０２が３極対、ステータ２０１のステータティース２０４のスロット数が１８の回転電機の１／３モデルを示している。

図３に示す例では、ステータティース２０４（ここでは２０４−１〜２０４−６を示す）の各々において、インナーロータ２０２側にインナー電機子コイル２０５（ここでは２０５−１〜２０５−６を示す）を巻回するとともに、アウターロータ２０３側にアウター電機子コイル２０６（ここでは２０６−１〜２０６−６を示す）を巻回する。そして、インナーロータ２０２をインナー電機子コイル２０５のみで駆動するとともに、アウターロータ２０３をアウター電機子コイル２０６のみで駆動している。なお、図３において、それぞれの電機子コイルに付された数字は、ステータティース２０４−１を基準としたときの位相角度を［度］として示している。

本発明の回転電機の構造においては、上述したように、ステータティースに２種類の電機子コイルを巻く構成に加えて、２種類の電機子コイルがお互いに磁気的な干渉をしないように接続する構成が特徴となっている。以下その一例を図面を参照して説明する。

図４は図３に示す本発明の回転電機の構造におけるアウター電機子コイルの結線の一例を示す図である。図３に示す例において、３相交流のＵ相（０度位相）、Ｖ相（１２０度位相）、Ｗ相（２４０度位相）を、それぞれ、アウター電機子コイル２０６−１、２０６−２、２０６−３に供給している。そして、もう一組のアウター電機子コイル２０６−４、２０６−５、２０６−６の各々に、アウター電機子コイル２０６−１、２０６−２、２０６−３を直列に接続することで、アウター電機子コイル２０６−４にＵ相（０度位相）、アウター電機子コイル２０６−５にＶ相（１２０度位相）、アウター電機子コイル２０６−６にＷ相（２４０度位相）を各別に供給している。

その結果、本例ではアウターロータ２０３が６極対であることから、アウター電機子コイル２０６は０度位相、１２０度位相、２４０度位相から入り、もう一組の０度位相、１２０度位相、２４０度位相へ接続された構成をとることとなる。

図５は図３に示す本発明の回転電機の構造におけるインナー電機子コイルの結線の一例を示す図である。図５に示す例において、３相交流のＵ相（０度位相）、Ｖ相（１２０度位相）、Ｗ相（２４０度位相）を、それぞれ、インナー電機子コイル２０５−１、２０５−３、２０５−５に供給している。そして、残りのインナー電機子コイル２０５−４、２２０５−６、２０５−２の各々に、インナー電機子コイル２０５−１、２０５−３、２０５−５を接続することで、インナー電機子コイル２０５−４にＵ相（０度位相）、インナー電機子コイル２０５−６にＶ相（１２０度位相）、インナー電機子コイル２０５−２にＷ相（２４０度位相）を各別に供給している。

その結果、本例ではインナーロータ２０２が３極対であることから、インナー電機子コイル２０５は０度位相、１２０度位相、２４０度位相から入り、それぞれ１８０度位相、３００度位相、６０度位相へ接続された構成をとることとなる。ここで、０度に対して１８０度、１２０度に対して３００度、２４０度に対して６０度は電気角で丁度１８０度位相がずれており、即ち、１８０度、３００度、６０度は−０度、−１２０度、−２４０度である。つまり、インナー電機子コイル２０５はアウター電機子コイル２０６のように単に直列に接続せず、お互いに逆向きに接続すればよい。

このとき、まず、アウター電機子コイル２０６にインナー側の磁束が貫通したとしても、図４に示すようにキャンセルすることになり、インナー側の磁束による電圧は発生しない。逆に、インナー電機子コイル２０５にアウター側の磁束が貫通したとしても、図５に示すようにキャンセルすることになり、アウター側の磁束による電圧は発生しない。以上のようにして、２種類の電機子コイルがお互いに磁気的な干渉をしないように接続する構成をとることができる。これにより、３相インバータ二台を用いて正弦波電流を流すことで、インナーロータ２０２、アウターロータ２０３独立にトルクを発生することができる。この構成が最もパワーデバイス数を削減でき、且つ、最も電圧利用率を向上できる構成となる。

また、本例では、ステータティース２０４に別個にインナー電機子コイル２０５とアウター電機子コイル２０６を巻回する構成であるため、それぞれのロータに最適なアンペアターン数を個別に決めることができ、例えば、インナー電機子コイル２０５のターン数をアウター電機子コイル２０６のターン数より多くすることで、同一ターン数では大きくなりがちなインナーロータ２０２の磁石量を削減でき、低コスト化を図ることができる。

本発明の回転電機の磁気回路構造は、内外にロータを有し、ロータ間にステータを有する３層構造の回転電機において、ステータティース内部において、従来の複合電流と同じ複合磁場を保ちつつ、電源のＫＶＡ利用率の向上、ピーク電流の低減、及び、ロータ毎の最適な電機子コイルの構成を達成でき、コストを抑える必要のある用途に好適に使用することができる。

複軸多層モータが適用されたハイブリッド駆動ユニットを示す概略全体図である。ラビニョオ型遊星歯車列と組み合わされて車両用ハイブリッド変速機を構成する、本発明の回転電機の構造の対象となる複軸多層モータを示す縦断側面図である。本発明の回転電機の構造の一例を説明するための図である。図３に示す本発明の回転電機の構造におけるアウター電機子コイルの結線の一例を示す図である。図３に示す本発明の回転電機の構造におけるインナー電機子コイルの結線の一例を示す図である。

符号の説明

１０１、２０１ステータ
１０２、２０２インナーロータ
１０３、２０３アウターロータ
２０４、２０４−１〜２０４−６ステータティース
２０５、２０５−１〜２０５−６インナー電機子コイル
２０６、２０６−１〜２０６−６アウター電機子コイル

Claims

電機子コイルを巻回したステータティースを複数個円周状に配置してなるステータと、ステータの内側に同軸に設けられたインナーロータと、ステータの外側に同軸に設けられたアウターロータと、から構成される回転電機において、ステータティースには、インナーロータ側に設けられた、インナーロータのみを駆動するインナー電機子コイル、および、アウターロータ側に設けられた、アウターロータのみを駆動するアウター電機子コイルの２種類のコイルが巻かれており、複数のアウター電機子コイルが、同じ方向に巻かれたアウター電機子コイルの複数のペアを備え、アウター電機子コイルの各ペアは互いに接続されるとともに同じ位相の電流が供給されており、複数のインナー電機子コイルが、互いに反対方向に巻かれたインナー電機子コイルの複数のペアを備え、インナー電機子コイルのペアは互いに接続されるとともに同じ位相の電流が供給されており、お互いに磁気的な干渉をしないように接続されていることを特徴とする回転電機の構造。
インナーロータの極数に対してアウターロータの極数が２倍であり、インナーロータを駆動するための電流位相には必ず１８０度ずれたものを有することを特徴とする請求項１記載の回転電機の構造。
インナーロータの極数が３で、アウターロータの極数が６となるよう回転電機を構成し、この回転電機を、３相インバータ２台でインナーロータとアウターロータを別個に駆動することを特徴とする請求項１または２移載の回転電機の構造。
インナーロータを駆動するインナー電機子コイルのターン数が、アウターロータを駆動するアウター電機子コイルのターン数よりも多いことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電機の構造。