JP4135627B2 - 回転電機のステータ構造 - Google Patents

Description

本発明は、コイルを巻回するためのステータティースを放射状に複数個配置してなるステータと、ステータの外側に設けたアウターロータと、ステータの内側に設けたインナーロータと、から構成される回転電機のステータ構造に関するものである。

従来、円筒状のステータを挟み、内外周にアウターロータ及びインナーロータが配置され、ステータに巻回された多相コイルに複合電流を流すことで、アウターロータとインナーロータを独立して回転制御可能な複軸多層構造を有する回転電機が知られている（例えば、特許文献１参照）。この種の回転電機におけるステータ構造として、円板状の固定部材間に、ステータを構成する分割コアであってステータティースにコイルを巻回して構成される分割コアを、円周方向に複数個配置し、両端の固定部材をボルトとナットにより固定した構造がとられていた。
特開２００１−７８４０８号公報

上述した従来の複軸多層構造を有する回転電機では、複数の分割コアをほぼ等間隔で円筒状に配置し、分割コアの両端部と両端部のそれぞれに設けた軸方向締結部材との間の摩擦力により分割コアを仮固定し、両端の軸方向締結部材をボルトとナットにより固定してステータを構成していたため、部品点数が多くなり、また、ステータの剛性の向上も難しいという問題があった。

本発明の目的は上述した問題点を解消して、部品点数の大幅な増加や質量の増加を最小限に抑制しつつ、ステータのねじり剛性を向上させることができる回転電機のステータ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ステータ構造は、コイルを巻回するためのステータティースを放射状に複数個配置してなるステータと、ステータの外側に設けたアウターロータと、ステータの内側に設けたインナーロータと、から構成される回転電機のステータ構造において、ステータとアウターロータとの間のエアーギャップ部、および／または、ステータとインナーロータとの間のエアーギャップ部に、円筒形状のシェル状部材を配置し、ステータティースをシェル状部材にて包み込んでステータを構成するとともに、シェル状部材に半径方向に凹凸となるビード部を設け、ビード部によりステータティースを円周方向に支持するように構成したことを特徴とするものである。

本発明の回転電機のステータ構造においては、シェル状部材によって隣り合うステータティース間を周方向に支持するので、部品点数の大幅な増加や質量の増加を最小限に抑制しつつ、ステータのねじり剛性を向上させることができ、且つ、シェル状部材が隣り合うティース間の磁束バイパスとして作用するため、磁束の変化が平滑化され高調波の発生が低減される。

なお、本発明の回転電機のステータ構造の好適例においては、シェル状部材を非磁性体で形成することができる。このように構成すれば、ステータとロータとの間の磁束経路に配置されるシェル状部材が非磁性体により構成されることとなることで、シェル状部材内に生じる、交番磁束による渦電流損失を低減することができる。

また、本発明の回転電機のステータ構造の好適例においては、シェル状部材に半径方向に凹凸となるビード部を設け、ビード部によりステータティースを円周方向に支持するように構成することができる。このように構成すれば、シェル状部材に設けられた凹凸からなるビード部により、隣り合うステータティース同士を周方向に強固に支持できるとともに、周方向配置の位置決めを同時に行うことができる。そのため、ステータのねじり剛性を向上させるとともに、組み付け作業性及び組み付け精度を高めることができる。

さらに、本発明の回転電機のステータ構造の好適例においては、ステータとアウターロータとの間のエアーギャップ部およびステータとインナーロータとの間のエアーギャップ部の両者にシェル状部材を設けた場合、ステータティースとシェル状部材によってコイル近傍に冷媒流路を構成することができる。このように構成すれば、シェル状部材を設けることでコイル近傍に冷媒流路を構成することができ、新たな冷却路構成部材を配置することなく、直接発熱部を冷却することができるので冷却性能が向上する。また、冷却経路がステータ内で完結する構成のため、エアーギャップ部への冷却媒体流出を防止することが可能となるので、シール部や冷媒排出部が不要となり、構造が簡略化されるとともにフリクションの低減につながる。

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は本発明のステータ構造を備え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る。なお、以下に説明する複軸多層モータはその基本的な構成を説明するためのものであり、本発明の特徴部分については、後に詳細に説明する。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に示す如く電磁コイル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間に何らかの手段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。
本発明のステータ構造の特徴は、ここでいうステータコアをブラケット１１３、１１８間に挟持する手段にある。この特徴については、後に詳細に説明する。

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の電磁コイル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、複数のステータティースから構成されるステータ１０１として利用できる本発明のステータ構造について説明する。

図３は本発明の回転電機のステータ構造の一例を説明するための図である。図３に示す例において、内側にインナーロータ１０２、外側にアウターロータ１０３が同軸に配置され、それらの間に円筒状のステータ１０１が配置されている。そして、ステータ１０１とアウターロータ１０３との間のエアーギャップ部、および、ステータ１０１とインナーロータ１０２との間のエアーギャップ部に、それぞれ、円筒形状の外側シェル状部材２０７および内側シェル状部材２０８を配置し、複数のステータティース２０３を外側シェル状部材２０７および内側シェル状部材２０８にて包み込んでステータ１０１を構成している。なお、本例では、ステータ１０１に対して外側および内側の両方のエアーギャップ部にシェル状部材を設けたが、どちらか一方のみにシェル状部材を設けることもできる。また、外側シェル状部材２０７および内側シェル状部材２０８とも、ステンレスなどの非磁性体で形成することが、交番磁束による渦電流損失を低減する点で好ましい。

ここで、ステータ１０１は以下のようにして構成することができる。まず、ステータティース２０３の外径側に接する位置に、プレス成型された円筒状で薄肉の外側シェル状部材２０７を設け、ステータティース２０３の内径側に接する位置に、プレス成型された円筒状で薄肉の内側シェル状部材２０８を設け、二重円筒構造体を構成する。次に、この二重円筒構造体の一端において、真円度を確保し、ステータティース２０３の円周方向の位置決めを行う剛性の高い位置決め部材２０９を配置する。一方、薄板の電磁鋼板を積層してなるステータティース２０３にインシュレータ２０６を介してコイル２０５を巻回する。そして、コイル２０５を巻回したステータティース２０３の複数個を、位置決め部材２０９に円周方向にほぼ等間隔で配置する。その後、二重円筒構造体の他端において、同じく真円度を確保する位置決め部材２１０を配置し、薄肉の外側シェル状部材２０７および内側シェル状部材２０８を、それぞれ外側および内側からカシメるなどの手段によって、ステータティース２０３に対して固定する。このようにしてステータ１０１を構成している。

図４は図３に示す本発明の回転電機のステータ構造におけるＡ−Ａ線に沿った断面の一例を示す図である。図４にその断面の一部を示すように、本例のステータ１０１では、複数のステータティース２０３の外側を外側シェル状部材２０７により固定するとともに、複数のステータティース２０３の内側を内側シェル状部材２０８により固定した構造となっている。

図５は図３に示す本発明の回転電機のステータ構造におけるＡ−Ａ線に沿った断面の他の例を示す図である。図５にその断面の一部を示すように、本例のステータ１０１では、まず図４に示す例と同様に、複数のステータティース２０３の外側を外側シェル状部材２０７により固定するとともに、複数のステータティース２０３の内側を内側シェル状部材２０８により固定した構造体を準備する。その後、薄肉の外側シェル状部材２０７および内側シェル状部材２０８に対し、治具２２１を使用して半径方向内外からしごき加工により成形し、外側シェル状部材２０７および内側シェル状部材２０８に凹凸となるビード部２２２を設けている。本例では、ビード部２２２がステータティース２０３を円周方向に支持する構成となり、隣り合うステータティース２０３同士を周方向に強固に支持できるとともに、周方向配置の位置決めを同時に行うことができる。そのため、ステータ１０１のねじり剛性を向上させるとともに、組み付け作業性及び組み付け精度を高めることができる。

図６および図７はそれぞれ図３に示す本発明の回転電機のステータ構造におけるＡ−Ａ線に沿った断面のさらに他の例を示す図である。図６に示すステータ１０１では、ステータティース２０３がその外径側で連続している例を示している。そのため、本例では、内側シェル状部材２０８のみを設けている。また、図７に示すステータ１０１では、ステータティース２０３がその内径側で連続している例を示している。そのため、本例では、外側シェル状部材２０７のみを設けている。その他の構成は上述した例と同様である。

上述した本発明のステータ１０１では、外側シェル状部材２０７と内側シェル状部材２０８の両端部をそれぞれ位置決め部材２０９、２１０で塞いだ構成（図３参照）となっている。そのため、図２で示した例のように新たな冷却路構成部材を配置することなく、外側シェル状部材２０７および内側シェル状部材２０８とステータティース３との間に冷媒を流すことにより、発熱源となるコイル２０５を直接冷却することができる。また、上述したように、冷却経路がステータ１０１内で完結する構成のため、エアーギャップ部への冷却媒体流出を防止することが可能となるので、シール部や冷媒排出部が不要となり、構造が簡略化されるとともにフリクションの低減につながる。

具体的には、図３および図８に示すように、冷媒供給口２１１から導入された冷媒は、冷媒ギャラリー部２１４を介して、ステータティース２０３に巻かれたコイル２０５の側面を通過し、冷媒ギャラリー部２１２に至り、反対側を通り再び冷媒ギャラリー部２１４に戻り、冷媒出口２１３へ排出される。

本発明の回転電機のステータ構造は、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、部品点数の大幅な増加や質量の増加を最小限に抑制しつつ、ステータのねじり剛性を向上させ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、本発明のステータ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ステータ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ステータ構造におけるＡ−Ａ線に沿った断面の一例を示す図である。 図３に示す本発明の回転電機のステータ構造におけるＡ−Ａ線に沿った断面の他の例を示す図である。 図３に示す本発明の回転電機のステータ構造におけるＡ−Ａ線に沿った断面のさらに他の例を示す図である。 図３に示す本発明の回転電機のステータ構造におけるＡ−Ａ線に沿った断面のさらに他の例を示す図である。 本発明の回転電機のステータ構造における冷媒通路の一例を説明するための図である。

符号の説明

１０１ ステータ
１０２ インナーロータ
１０３ アウターロータ
２０３ ステータティース
２０５ コイル
２０６ インシュレータ
２０７ 外側シェル状部材
２０８ 内側シェル状部材
２０９、２１０ 位置決め部材
２１１ 冷媒供給口
２１２、２１４ 冷媒ギャラリー部
２１３ 冷媒出口
２２１ 治具
２２２ ビード部

Claims (3)

1. コイルを巻回するためのステータティースを放射状に複数個配置してなるステータと、ステータの外側に設けたアウターロータと、ステータの内側に設けたインナーロータと、から構成される回転電機のステータ構造において、ステータとアウターロータとの間のエアーギャップ部、および／または、ステータとインナーロータとの間のエアーギャップ部に、円筒形状のシェル状部材を配置し、ステータティースをシェル状部材にて包み込んでステータを構成するとともに、シェル状部材に半径方向に凹凸となるビード部を設け、ビード部によりステータティースを円周方向に支持するように構成したことを特徴とする回転電機のステータ構造。
2. シェル状部材を非磁性体で形成したことを特徴とする請求項１記載の回転電機のステータ構造。
3. ステータとアウターロータとの間のエアーギャップ部およびステータとインナーロータとの間のエアーギャップ部の両者にシェル状部材を設けた場合であって、ステータティースとシェル状部材によってコイル近傍に冷媒流路を構成したことを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機のステータ構造。

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