JP4234030B2 - クローポール型モータのステータ集合体 - Google Patents

Description

本発明は、軸線方向に並置された第１相ないし第Ｎ相のＮ個のステータリングが、環状のリターンパスと、前記リターンパスから径方向に突出するティースとをそれぞれ備え、第１相ないし第Ｎ相のティース間にＮ−１個の環状スロットを形成し、軸線方向一端側から他端側に向かってＰ番目（１≦Ｐ≦Ｎ−１）の環状スロットに第Ｐ相および第Ｐ＋１相の巻線を収納してステータを構成し、前記ステータを軸線方向にＮ段に積層したクローポール型モータのステータ集合体に関する。

下記特許文献１に記載されたクローポール型モータのステータは、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の各相に対応して３個の単位ステータを備えており、各々の単位ステータは軸線方向に離間した２個のティースと、それらのティースを径方向外端で接続するリターンパスとを有して断面コ字状に形成されている。そして断面コ字状の単位ステータの内部に収納した環状の巻線に通電して独立した磁路を構成することで、その２個のティースの径方向内端にロータに対向するように突設した極性の異なる２種類の突起を磁化するようになっている。

ところで上記従来のものは、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の３個の単位ステータを軸線方向に積み重ねてステータを構成しているが、各々の単位ステータが、その内部に巻線を収納する環状スロットを備え、かつ２個のティースおよび２種類の突起を備えているために軸線方向の厚さが厚くなり、それらの単位ステータを３個積み重ねたステータの軸線方向の寸法が大型化する問題があった。

そこで本出願人は、軸線方向に複数のティースを並置し、隣接するティース間に形成された環状スロットに巻線を収納し、各ティースの径方向内端に軸線方向に延びてロータの外周面に対向する突起を設けたクローポール型モータを、特願２００３−１５８８９８号により既に提案している。

この特願２００３−１５８８９８号で提案されたクローポール型モータは、軸線方向に隣接するＵ相、Ｖ相およびＷ相ティース間に形成された第１、第２環状スロットを備えており、第１環状スロットにＵ相巻線および第１Ｖ相巻線を軸線方向に隣接して収納し、第２環状スロットに第２Ｖ相巻線およびＷ相巻線を軸線方向に隣接して収納している。
特開平７−２２７０７５号公報

ところで、上記特願２００３−１５８８９８号で提案されたものは、第１、第２Ｖ相巻線のトータルのターン数がＵ相巻線のターン数およびＷ相巻線のターン数よりも多くなるため、後から発明の実施の形態において詳述するように、Ｖ相電流がＵ相電流およびＷ相電流よりも小さくなり、モータの実効トルクが低下する問題がある。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、クローポール型モータの各相の巻線のターン数の差による実効トルクの低下を防止することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、軸線方向に並置された第１相ないし第Ｎ相のＮ個のステータリングが、環状のリターンパスと、前記リターンパスから径方向に突出するティースとをそれぞれ備え、第１相ないし第Ｎ相のティース間にＮ−１個の環状スロットを形成し、軸線方向一端側から他端側に向かってＰ番目（１≦Ｐ≦Ｎ−１）の環状スロットに第Ｐ相および第Ｐ＋１相の巻線を収納してステータを構成し、前記ステータを軸線方向にＮ段に積層したクローポール型モータのステータ集合体であって、各々のステータの第１相ないし第Ｎ相のティースの軸線方向の配列を順番にずらし、軸線方向に隣接する二つのステータの相互に対向する二つのティースの相を一致させたことを特徴とするクローポール型モータのステータ集合体が提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、第１ステータ、第２ステータおよび第３ステータを軸線方向に順番に積層してなり、第１ステータはＵ相ティース、Ｖ相ティースおよびＷ相ティースが軸線方向に順番に配置され、第２ステータはＷ相ティース、Ｕ相ティースおよびＶ相ティースが軸線方向に順番に配置され、第３ステータはＶ相ティース、Ｗ相ティースおよびＵ相ティースが軸線方向に順番に配置されたことを特徴とするクローポール型モータのステータ集合体が提案される。

請求項１の構成によれば、Ｎ相のクローポール型モータのステータに設けたＮ−１個の環状スロットのＰ番目の環状スロットに、第Ｐ相および第Ｐ＋１相の巻線をそれぞれ収納すると、第２相ないし第Ｎ−１相の巻線は二つの環状スロットに跨がって配置されるのに対し、第１相および第Ｎ相の巻線は一つの環状スロットだけに配置されるため、前者の巻線のインダクタンスに対して後者の巻線のインダクタンスが小さくなってしまい、このインダクタンスの差によって各相の電流が不均一になってモータの実効トルクの低下してしまう。しかしながら、軸線方向にＮ段に積層した各ステータの第１相ないし第Ｎ相のティースの配列を順番にずらし、軸線方向に隣接する二つのステータの相互に対向する二つのティースの相を一致させることで、ステータ集合体の全体として各相の巻線の数を一致させてインダクタンスの差をなくし、各相の電流を均一化してモータの実効トルクを高めることができる。

請求項２の構成によれば、軸線方向に順番に積層された第１〜第３ステータのうち、第１ステータはＵ相ティース、Ｖ相ティースおよびＷ相ティースを軸線方向に順番に配置し、第２ステータはＷ相ティース、Ｕ相ティースおよびＶ相ティースを軸線方向に順番に配置し、第３ステータはＶ相ティース、Ｗ相ティースおよびＵ相ティースを軸線方向に順番に配置したので、各相の電流を均一化して三相クローポール型モータの実効トルクを高めることができる。

以下、本発明の実施の形態を、添付の図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。

図１〜図１２は本発明の一実施例を示すもので、図１はクローポール型モータを備えたハイブリッド車両のパワーユニットを示す図、図２は図１の２−２線拡大断面図、図３は図２の３−３線断面図、図４は図２の４−４線断面図、図５は図２の５−５線断面図、図６は第１ステータの一部破断斜視図、図７は第１ステータの分解斜視図、図８はクローポール型モータの磁束等価回路を示す図、図９はＵ相、Ｖ相、Ｗ相巻線のターン数が等しい場合の相電流の波形を示す図、図１０はＶ相巻線のターン数がＵ相、Ｗ相巻線のターン数よりも大きい場合の相電流の波形を示す図、図１１は従来例のクローポール型モータの相電流の波形を示すグラフ、図１２は実施例のクローポール型モータの相電流の波形を示すグラフである。

図１に示すように、ハイブリッド車両のパワーユニットは、エンジンＥおよびトランスミッションＴ間に配置されたクローポール型のモータＭを備える。エンジンＥのシリンダブロック１１およびクランクケース１２の右側面にモータケース１３、トルクコンバータケース１４およびミッションケース１５が結合されており、シリンダブロック１１およびクランクケース１２間に支持されたクランクシャフト１６の軸端にモータＭのロータ１７が固定される。ロータ１７の外周に固定した複数の永久磁石１８…に環状のステータ１９が所定のエアギャップを介して対向しており、ステータ１９を支持するステータホルダ２０がシリンダブロック１１およびクランクケース１２とモータケース１３との割り面に挟まれて固定される。

ステータ１９は、実質的に同一構造の第１ステータ１９Ａ、第２ステータ１９Ｂおよび第３ステータ１９Ｃを軸線Ｌ方向に積層してなり、ロータ１７は第１〜第３ステータ１９Ａ〜１９Ｃに対して共用される。

トルクコンバータケース１４に収納されたトルクコンバータ２１は、タービンランナー２２とポンプインペラ２３とを備えており、タービンランナー２２に結合されてポンプインペラ２３を覆うサイドカバー２４がドライブプレート２５を介してモータＭのロータ１７に接続される。トルクコンバータ１４のポンプインペラ２３は、ミッションケース１５に支持されたメインシャフト２６の左端に結合される。

次に、図２〜図７を参照して三相交流で作動するモータＭのステータ１９の構造を説明する。第１ステータ１９Ａ、第２ステータ１９Ｂおよび第３ステータ１９Ｃは実質的に同一構造であるため、主に第１ステータ１９Ａを例にとって構造を説明する。

図７から明らかなように、第１ステータ１９Ａは圧粉材で一体成形されたＵ相ステータリング３１、Ｖ相ステータリング３２およびＷ相ステータリング３３と、１個のＵ相巻線３４と、２個の第１、第２Ｖ相巻線３５Ａ，３５Ｂと、１個のＷ相巻線３６とを備える。Ｕ相ステータリング３１、Ｖ相ステータリング３２およびＷ相ステータリング３３は軸線Ｌ方向に重ね合わされる。

図２、図３、図６および図７から明らかなように、Ｕ相ステータリング３１は、環状に形成されたリターンパス３１ａと、このリターンパス３１ａの周方向等間隔位置から径方向内向きに延びる９個のＵ相ティース３１ｂ…と、これらのＵ相ティース３１ｂ…の径方向内端から更に径方向内向きに延びる９個の突起３１ｃ…とを備える。そして各々の突起３１ｃの径方向内端は、Ｌ字状に屈曲して径方向の高さが基端側から先端側に向かってテーパー状に減少しながら軸線Ｌ方向片側に延びている。Ｕ相ティース３１ｂは巻線３４，３５Ａ，３５Ｂ，３６の径方向の高さに対応する部分であり、それよりも径方向内側の部分は突起３１ｃとなる。

図２、図４、図６および図７から明らかなように、Ｖ相ステータリング３２は、環状に形成されたリターンパス３２ａと、このリターンパス３２ａの周方向等間隔位置から径方向内向きに延びる９個のＶ相ティース３２ｂ…と、これらのＶ相ティース３２ｂ…の径方向内端から更に径方向内向きに延びる９個の突起３２ｃ…とを備える。そして各々の突起３２ｃの径方向内端は、Ｔ字状に屈曲して径方向の高さが基端側から先端側に向かってテーパー状に減少しながら軸線Ｌ方向両側に延びている。Ｖ相ティース３２ｂは巻線３４，３５Ａ，３５Ｂ，３６の径方向の高さに対応する部分であり、それよりも径方向内側の部分は突起３２ｃとなる。

図２、図５、図６および図７から明らかなように、Ｗ相ステータリング３３はＶ相ステータリング３２に関してＵ相ステータリング３１と鏡面対称な部材であり、かつ裏返すことでＵ相ステータリング３１と互換可能な同一形状を有している。Ｗ相ステータリング３３の各部の符号は、Ｕ相ステータリング３１の各部の符号の「３１」を「３３」に変更したものである。

本実施例のモータＭは三相交流で作動するものであり、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の突起３１ｃ…，３２ｃ…，３３ｃ…は電気角で３６０°／３＝１２０°ずつ周方向にずれて配置される。それに対してロータ１７の各永久磁石１８はＵ相、Ｖ相およびＷ相の突起３１ｃ…，３２ｃ…，３３ｃ…に対して共用されていて同一位相の磁束を発生する。これにより各相の突起３１ｃ…，３２ｃ…，３３ｃ…はロータ１７に均一なトルクを発生させることができる。

図６から明らかなように、第１ステータ１９Ａの内周面に沿って順番に配置されるＵ相の９個の突起３１ｃ…、Ｖ相の９個の突起３２ｃ…およびＷ相の９個の突起３３ｃ…の軸線Ｌ方向の幅は、ロータ１７の永久磁石１８…の軸線Ｌ方向の幅に略等しくなっており、第１ステータ１９Ａおよびロータ１７間の鎖交磁束を最大限に増加させてロータ１７の出力トルクを増加させることができる。しかも各永久磁石１８はＵ相、Ｖ相およびＷ相の突起３１ｃ…，３２ｃ…，３３ｃ…に対して共用されるので、各相の突起３１ｃ…，３２ｃ…，３３ｃ…に対応して永久磁石１８…を軸線Ｌ方向に分割する必要をなくし、永久磁石１８…の個数を削減することができる。

図３〜図６から明らかなように、Ｕ相ステータリング３１のＵ相ティース３１ｂ…とＶ相ステータリング３２のＶ相ティース３２ｂ…との間に第１環状スロット３７が形成されており、この第１環状スロット３７に予め巻回されたＵ相巻線３４と第１Ｖ相巻線３５Ａとが収納される。またＷ相ステータリング３３のＷ相ティース３３ｂ…とＶ相ステータリング３２のＶ相ティース３２ｂ…との間に第２環状スロット３８が形成されており、この第２環状スロット３８に予め巻回されたＷ相巻線３６と第２Ｖ相巻線３５Ｂとが収納される。

即ち、実施例の三相のモータＭでは、環状スロット３７，３８の数は相数の３から１を減算した２個であり、一方の第１環状スロット３７には１相目（Ｕ相）および２相目（Ｖ相）の巻線３４，３５Ａが収納され、他方の第２環状スロット３８には２相目（Ｖ相）および三相目（Ｗ相）の巻線３５Ｂ，３６が収納されることになる。各々の巻線３４，３５Ａ，３５Ｂ，３６は長方形断面の平角線を導線とするもので、例えば径方向に４層に巻回され、軸線Ｌ方向に４層に巻回される。

第１環状スロット３７に収納されたＵ相巻線３４および第１Ｖ相巻線３５Ａは、Ｕ相巻線３４が径方向外側に配置され、第１Ｖ相巻線３５Ａが径方向内側に配置される。また第２環状スロット３８に収納されたＷ相巻線３６および第２Ｖ相巻線３５Ｂは、Ｗ相巻線３６が径方向外側に配置され、第２Ｖ相巻線３５Ｂが径方向内側に配置される。

そしてスター結線されたＵ相巻線３４、第１、第２Ｖ相巻線３５Ａ，３５ＢおよびＷ相巻線３６に三相交流電流を供給することで、第１ステータ１９Ａの内周面に順番に配置されたＵ相の突起３１ｃ…、Ｖ相の突起３２ｃ…およびＷ相の突起３３ｃ…に回転磁界を形成し、永久磁石１８…との間に発生する電磁力でロータ１７を回転駆動することができる。

このように、Ｕ相ステータリング３１のＵ相ティース３１ｂ…とＶ相ステータリング３２のＶ相ティース３２ｂ…とでＵ相巻線３４および第１Ｖ相巻線３５Ａを挟んで固定し、かつＷ相ステータリング３３のＷ相ティース３３ｂ…とＶ相ステータリング３２のＶ相ティース３２ｂ…とでＷ相巻線３６および第２Ｖ相巻線３５Ｂを挟んで固定したので、各巻線３４，３５Ａ，３５Ｂ，３６を固定するための特別の固定部材が不要になる。しかも各巻線３４，３５Ａ，３５Ｂ，３６は第１、第２環状スロット３７，３８の内部に収納されて外部部品と干渉する虞がないため、外部部品の寸法管理が容易になる。

図３〜図５から明らかなように、第１ステータ１９Ａは右側から左側にＵ相ティース３１ｂ…、Ｖ相ティース３２ｂ…およびＷ相ティース３３ｂ…を備えているが、第２ステータ１９Ｂは右側から左側にＷ相ティース３３ｂ…、Ｕ相ティース３１ｂ…およびＶ相ティース３２ｂ…を備えており、第３ステータ１９Ｃは右側から左側にＶ相ティース３２ｂ…、Ｗ相ティース３３ｂ…およびＵ相ティース３１ｂ…を備えている。ステータ１９全体でみると、図３〜図５に対応させたティースの相の配列は、
［Ｕ−Ｗ−Ｖ］−［Ｖ−Ｕ−Ｗ］−［Ｗ−Ｖ−Ｕ］
の順番になっている。つまり、第１〜第３ステータ１９Ａ〜１９Ｃはティースの相の配列が一つずつ順番にずれており、第１、第２ステータ１９Ａ，１９Ｂでは同じＷ相ティース３３ｂ…，３３ｂ…が対向し、かつ第２、第３ステータ１９Ｂ，１９Ｃでは同じＶ相ティース３２ｂ…，３２ｂ…が対向している。

ところで、第１ステータ１９Ａについて考えると、Ｕ相巻線３４およびＷ相巻線３６が各１本であるのに対し、第１、第２Ｖ相巻線３５Ａ，３５Ｂが２本設けられているために各相のインダクタンスが等しくならず、各相の電流の位相がずれて電流値が一致せず、そのために効率の低下を招くという問題が発生する。以下、その理由を説明する。

図８（Ａ）には従来の三相クローポール型のモータＭの漏れ磁束の等価回路が示される。Ｕ相巻線３４およびＷ相巻線３６間に電流を流すと、図８（Ｂ）に示すように、各相の起磁力をＶとし、相間の磁気抵抗をＲとすると、
φａ＝φｂ＝３Ｖ／２Ｒ
が成立し、鎖交磁束は３Ｖ／Ｒとなる。

またＵ相巻線３４および第１、第２Ｖ相巻線３５Ａ，３５Ｂ間に電流を流すと、図８（Ｃ）に示すように、
（φａ−φｃ）Ｒ＝２Ｖ
（φｂ＋φｃ）Ｒ＝Ｖ
−（φａ−φｃ）Ｒ＋（φｂ＋φｃ）Ｒ＋φｃＲ＝０
の関係から、
φａ＝３Ｖ／Ｒ，φｂ＝０，φｃ＝Ｖ／Ｒ
が成立し、鎖交磁束は６Ｖ／Ｒとなる。

以上のように、ターン数が同じＵ相巻線３４およびＷ相巻線３６間に電流を流した場合に対し、Ｕ相巻線３４およびターン数がＵ相巻線３６の２倍の第１、第２Ｖ相巻線３５Ａ，３５Ｂ間に電流を流した場合、あるいはＷ相巻線３６およびターン数がＷ相巻線３６の２倍の第１、第２Ｖ相巻線３５Ａ，３５Ｂ間に電流を流した場合には、鎖交磁束が２倍になることが分かる。

図９はＵ相電流、Ｖ相電流およびＷ相電流が等しく、かつ位相差が１２０°に揃っている場合の三相交流の波形を示すものである。それに対し、図１０は、図８で説明した各相のインダクタンスの不一致により、Ｖ相電流が減少し、Ｕ相電流が進角し、Ｗ相電流が遅角することで、各相の電流の波形が不均一になった状態を示している。その結果、モータＭの実効トルクが、図９のものに比べて、図１０のものが低下する問題が発生する。

このように、第１ステータ１９ＡだけではＵ相電流、Ｖ相電流およびＷ相電流の波形が不均一になってモータＭの実効トルクが低下してしまうが、本実施例では第１ステータ１９Ａ、第２ステータ１９Ｂおよび第３ステータ１９Ｃを積層することで上記問題を解決している。即ち、第１ステータ１９Ａは第１、第２Ｖ相巻線３５Ａ，３５Ｂを備え、第２ステータ１９Ｂは第１、第２Ｕ相巻線３４Ａ，３４Ｂを備え、第３ステータ１９Ｃは第１、第２Ｗ相巻線３６Ａ，３６Ｂを備えていることから、４本のＵ相巻線３４，３４，３４Ａ，３４Ｂと、４本のＶ相巻線３５，３５，３５Ａ，３５Ｂと、４本のＷ相巻線３６，３６，３６Ａ，３６Ｂとが均等に配置されることになり、図９に示すように各相の相電流を均一化してモータＭの実効トルクを増加させることができる。

尚、第１〜第３ステータ１９Ａ〜１９Ｃを積層するとモータＭの軸線Ｌ方向の厚さが３倍になるが出力トルクも３倍になるため、同一の出力トルクを得るのであれば、第１〜第３ステータ１９Ａ〜１９Ｃのそれぞれの厚さを３分の１に薄くすることで、モータＭの軸線Ｌ方向の厚さの増加を防止することができる。

以上、本発明の実施例を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、実施例ではクローポール型のモータＭをハイブリッド車両の走行用モータとして使用しているが、その用途は任意である。

また実施例のモータＭはステータ１９の内部にロータ１７を配置したインナーロータ型であるが、本発明はステータの外部にロータを配置したアウターロータ型のモータに対しても適用することができる。

また実施例では第１、第２環状スロット３７，３８に２本の巻線を径方向に隣接して配置しているが、それらを軸線Ｌ方向に隣接して配置しても良い。

また実施例では三相のモータＭを例示したが、本発明は四相以上のモータＭに対しても適用することができる。

また実施例では各相のステータリング３１，３２，３３をそれぞれ一体成形しているが、必要に応じてリターンパス３１ａ，３２ａ，３３ａ、ティース３１ｂ…，３２ｂ…，３３ｂ…および突起３１ｃ…，３２ｃ…，３３ｃ…を分割して構成すれば、それらの設計自由度を高めることができる。

クローポール型モータを備えたハイブリッド車両のパワーユニットを示す図 図１の２−２線拡大断面図 図２の３−３線断面図 図２の４−４線断面図 図２の５−５線断面図 第１ステータの一部破断斜視図 第１ステータの分解斜視図 クローポール型モータの磁束等価回路を示す図 Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相巻線のターン数が等しい場合の相電流の波形を示す図 Ｖ相巻線のターン数がＵ相、Ｗ相巻線のターン数よりも大きい場合の相電流の波形を示す図 従来例のクローポール型モータの相電流の波形を示すグラフ 実施例のクローポール型モータの相電流の波形を示すグラフ

符号の説明

１９Ａ 第１ステータ
１９Ｂ 第２ステータ
１９Ｃ 第３ステータ
３１ａ リターンパス
３１ｂ Ｕ相ティース
３２ａ リターンパス
３２ｂ Ｖ相ティース
３３ａ リターンパス
３３ｂ Ｗ相ティース
３４ Ｕ相巻線
３４Ａ 第１Ｕ相巻線
３４Ｂ 第２Ｕ相巻線
３５ Ｖ相巻線
３５Ａ 第１Ｖ相巻線
３５Ｂ 第２Ｖ相巻線
３６ Ｗ相巻線
３６Ａ 第１Ｗ相巻線
３６Ｂ 第２Ｗ相巻線
３７ 第１環状スロット
３８ 第２環状スロット
Ｌ 軸線

Claims (2)

1. 軸線方向に並置された第１相ないし第Ｎ相のＮ個のステータリングが、環状のリターンパスと、前記リターンパスから径方向に突出するティースとをそれぞれ備え、第１相ないし第Ｎ相のティース間にＮ−１個の環状スロットを形成し、軸線方向一端側から他端側に向かってＰ番目（１≦Ｐ≦Ｎ−１）の環状スロットに第Ｐ相および第Ｐ＋１相の巻線を収納してステータを構成し、前記ステータを軸線方向にＮ段に積層したクローポール型モータのステータ集合体であって、
   各々のステータの第１相ないし第Ｎ相のティースの軸線方向の配列を順番にずらし、軸線方向に隣接する二つのステータの相互に対向する二つのティースの相を一致させたことを特徴とするクローポール型モータのステータ集合体。
2. 第１ステータ、第２ステータおよび第３ステータを軸線方向に順番に積層してなり、第１ステータはＵ相ティース、Ｖ相ティースおよびＷ相ティースが軸線方向に順番に配置され、第２ステータはＷ相ティース、Ｕ相ティースおよびＶ相ティースが軸線方向に順番に配置され、第３ステータはＶ相ティース、Ｗ相ティースおよびＵ相ティースが軸線方向に順番に配置されたことを特徴とする、請求項１に記載のクローポール型モータのステータ集合体。

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