JP4519682B2

JP4519682B2 - ステータおよびモータ駆動装置

Info

Publication number: JP4519682B2
Application number: JP2005055670A
Authority: JP
Inventors: 忠伸高橋; 信幸今井; 新青木; 大二郎滝沢
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2005-03-01
Filing date: 2005-03-01
Publication date: 2010-08-04
Anticipated expiration: 2025-03-01
Also published as: CN100508331C; CN1829044A; JP2006246563A

Description

本発明は、ステータおよびモータ駆動装置に関する。

従来、例えばＵ相、Ｖ相、Ｗ相からなる３相のステータリングを軸線方向に沿って同軸に積み重ねるようにして配置し、軸線方向で隣り合うステータリング間に形成された環状の巻線装着部に、回転子を回転させる回転磁界を発生する環状巻線を配置し、各相のステータリング本体から径方向に突出する爪状誘導極を備え、各相の爪状誘導極を順次周方向に沿って配列すると共に固定子の磁極に対向配置させてなる固定子を備えるクローポール型モータが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−２０９８１号公報

ところで、上記従来技術の一例に係るクローポール型モータにおいては、軸線方向で隣り合うＵ相およびＶ相ステータリング間の巻線装着部にＵ相巻線および第１Ｖ相巻線が配置され、軸線方向で隣り合うＶ相およびＷ相ステータリング間の巻線装着部に第２Ｖ相巻線およびＷ相巻線が配置されていることから、各相毎の巻数を比較した場合にＶ相の巻数がＵ相およびＷ相の巻数の２倍となり、Ｖ相に係るインダクタンスがＵ相およびＷ相に係る各インダクタンスとは異なる値となっている。そして、このインダクタンス不整合により、クローポール型モータの制御内容が複雑化してしまうという問題が生じる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、ステータの構成を簡略化しつつ各相のインダクタンス不整合が生じることを防止することが可能なステータおよびモータ駆動装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決して係る目的を達成するために、請求項１に記載の本発明のステータは、電気角で９０°の位相差で通電される２相の互いに独立した環状巻線（例えば、実施の形態でのα相環状巻線１４，β相環状巻線１５）と、互いに同等かつ電気角で９０°に相当する周方向幅（例えば、実施の形態での周方向幅Ｃａ）のティース（例えば、実施の形態でのＡ相爪状誘導極２２，Ｄ相爪状誘導極２６）を具備する２相のステータ部材（例えば、実施の形態でのＡ相ステータリング１１と、Ｄ相ステータリング１３）と、前記周方向幅の２倍かつ電気角で１８０°に相当する周方向幅（例えば、実施の形態での周方向幅Ｃｂ）のティース（例えば、実施の形態でのＢ相爪状誘導極２４）を具備する１相のステータ部材（例えば、実施の形態でのＢ相ステータリング１２）とを備え、前記２相のステータ部材の一方の前記ティースと、前記１相のステータ部材の前記ティースと、前記２相のステータ部材の他方の前記ティースとが、周方向に順次配列され、前記ステータ部材は環状であって、該ステータ部材と前記環状巻線とは、軸線に対して同軸に積み重ねるようにして交互に配置可能である。

上記構成のステータによれば、偶数相である２相の互いに独立して通電される環状巻線を備えることで各相のインダクタンスに不整合が生じることを防止することができ、さらに、３相に次いで最も少ない相数である４相の回転磁界を生成することができ、回転磁界を発生させるために要するステータの構成が複雑化することを防止することができる。

上記構成のステータによれば、ステータの構成が複雑化することを防止しつつ、４相の回転磁界を生成することができる。

上記構成のステータによれば、ステータの構成が複雑化することを防止しつつ、４相の回転磁界を生成することができ、ロータを所定の回転トルクで駆動することができる。

上記構成のステータによれば、３相のステータ部材と２相の環状巻線とを、軸線に平行な方向に沿って順次積み重ねるようにして交互に配置させるだけの単純な作業によってステータを容易に製造することができる。

さらに、請求項２に記載の本発明のステータでは、前記１相のステータ部材は、２相の前記環状巻線により軸線に平行な方向の両側から挟み込まれるようにして配置されてなることを特徴としている。

さらに、請求項３に記載の本発明のステータでは、前記環状巻線は蛇行部を有することを特徴としている。

上記構成のステータによれば、環状巻線にティースが装着される蛇行部を備えた場合には、例えば２相の環状巻線の互いの対向方向に突出する互いの蛇行部が周方向に沿って交互に配列されるように設定することで、互いの環状巻線同士が位置的に干渉して交差等が生じてしまうことを防止し、コイルエンドの高さおよびステータの軸線方向の寸法が増大してしまうことを防止することができる。
また、請求項４に記載の本発明のモータ駆動装置は、請求項１から請求項３の何れか１つに記載のステータと、各前記環状巻線毎に接続される２対のスイッチング素子からなる４対の前記スイッチング素子を具備する４相のインバータとを備える。

本発明のステータによれば、偶数相である２相の環状巻線を備えることで各相のインダクタンスに不整合が生じることを防止することができ、さらに、３相に次いで最も少ない相数である４相の回転磁界を生成することができ、ステータの構成が複雑化することを防止することができる。
さらに、ロータを所定の回転トルクで駆動することができる。
さらに、３相のステータ部材と２相の環状巻線とを、軸線に平行な方向に沿って順次積み重ねるようにして交互に配置させるだけの単純な作業によってステータを容易に製造することができる。
さらに、請求項３に記載の本発明のステータによれば、環状巻線にティースが装着される蛇行部を備えた場合には、例えば２相の環状巻線の互いの対向方向に突出する互いの蛇行部が周方向に沿って交互に配列されるように設定することで、互いの蛇行部同士が交差等により配置上で干渉してしまうことを防止し、コイルエンドの高さおよびステータの軸線方向の寸法が増大してしまうことを防止することができる。

以下、本発明のステータの一実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
本実施の形態に係るステータ１０は、例えば内燃機関と共に車両の駆動源としてハイブリッド車両に搭載されるクローポール型モータを構成し、例えば内燃機関とクローポール型モータとトランスミッションとを直列に直結した構造のパラレルハイブリッド車両では、少なくとも内燃機関またはクローポール型モータの何れか一方の駆動力は、トランスミッションを介して車両の駆動輪に伝達されるようになっている。
また、車両の減速時に駆動輪側からクローポール型モータに駆動力が伝達されると、クローポール型モータは発電機として機能していわゆる回生制動力を発生し、車体の運動エネルギーを電気エネルギー（回生エネルギー）として回収する。さらに、内燃機関の出力がクローポール型モータに伝達された場合にもクローポール型モータは発電機として機能して発電エネルギーを発生する。

ロータ（図示略）を回転させる回転磁界を発生するステータ１０は、例えば図１および図２に示すように、Ａ相およびＢ相およびＤ相からなる３相の各相毎のＡ相ステータリング１１と、Ｂ相ステータリング１２と、Ｄ相ステータリング１３と、α相およびβ相からなる２相のα相環状巻線１４およびβ相環状巻線１５とを備えて構成されている。

Ａ相ステータリング１１は、略円環状のＡ相バックヨーク２１と、このＡ相バックヨーク２１の内周部の周方向に所定間隔をおいた位置から径方向内方に向かい突出すると共に、基端側から先端側に向かうことに伴い軸線方向の一方に屈曲するようにして伸びる鉤爪状のＡ相爪状誘導極２２とを備えて構成されている。
そして、Ａ相爪状誘導極２２は、例えば、周方向に対する断面形状が略Ｌ字状かつ径方向に対する断面形状が所定の周方向幅（つまり電気角で９０°に相当する幅）Ｃａを有する略長方形状に形成されている。

Ｂ相ステータリング１２は、略円環状のＢ相バックヨーク２３と、このＢ相バックヨーク２３の内周部の周方向に所定間隔をおいた位置から径方向内方に向かい突出すると共に、基端側から先端側に向かうことに伴い軸線方向の一方および他方に伸びる両鉤爪状のＢ相爪状誘導極２４とを備えて構成されている。
そして、Ｂ相爪状誘導極２４は、例えば、周方向に対する断面形状が略Ｔ字状かつ径方向に対する断面形状が、所定の周方向幅Ｃａの２倍の値の周方向幅（つまり電気角で１８０°に相当する幅）Ｃｂ（Ｃｂ＝２Ｃａ）を有する略長方形状に形成されている。

Ｄ相ステータリング１３は、例えばＡ相ステータリング１１と同等の形状を有し、略円環状のＤ相バックヨーク２５と、このＤ相バックヨーク２５の内周部の周方向に所定間隔をおいた位置から径方向内方に向かい突出すると共に、基端側から先端側に向かうことに伴い軸線方向の他方に屈曲するようにして伸びる鉤爪状のＤ相爪状誘導極２６とを備えて構成されている。
そして、Ｄ相爪状誘導極２６は、例えば、周方向に対する断面形状が略Ｌ字状かつ径方向に対する断面形状が所定の周方向幅（つまり電気角で９０°に相当する幅）Ｃａを有する略長方形状に形成されている。

各ステータリング１１，１２，１３は、軸線Ｐと同軸に配置され、軸線方向に沿って順次積み重ねられると共に、各爪状誘導極２２，２４，２６が周方向に沿って順次配列されるようにして接続され、Ａ相バックヨーク２１の軸方向端面とＢ相バックヨーク２３の他方の軸方向端面とが当接した際に、軸線方向に所定間隔を置いて配置される各爪状誘導極２２，２４の基端部同士により軸線方向の両側から挟み込まれるようにして、α相環状巻線１４が固定されている。また、Ｂ相バックヨーク２３の一方の軸方向端面とＤ相バックヨーク２５の軸方向端面とが当接した際に、軸線方向に所定間隔を置いて配置される各爪状誘導極２４，２６の基端部同士により軸線方向の両側から挟み込まれるようにして、β相環状巻線１５が固定されている。

そして、２相のα相環状巻線１４およびβ相環状巻線１５は、例えば図３に示すように、各環状巻線１４，１５に対して互いに独立に通電可能な駆動回路３０によって、互いに９０°の位相差を有する２相の正弦波電流（つまりα相電流およびβ相電流）により駆動されることで、互いに９０°の位相差の正弦波で通電される４相のステータと同等の回転磁界を発生する。

つまり、例えば図４（ａ）に示すように、２相のα相環状巻線１４およびβ相環状巻線１５と、それぞれ電気角で９０°の周方向幅を有する２相のＡ相爪状誘導極２２およびＤ相爪状誘導極２６と、電気角で１８０°の周方向幅を有する１相のＢ相爪状誘導極２４とを備えて構成されるステータ１０は、例えば図４（ｂ）または図４（ｃ）に示す各ステータと同等になる。
例えば図４（ｂ）に示すように、４相のクローポール型のステータは、４相の各Ａ相及びＢ相及びＣ相及びＤ相爪状誘導極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを具備する各Ａ相及びＢ相及びＣ相及びＤ相ステータリングが、軸線Ｐと同軸に配置され、軸線方向に沿って順次積み重ねられると共に、電気角で９０°の互いに同等の周方向幅を有する４相の各爪状誘導極が周方向に沿って順次配列されるようにして接続され、さらに、軸線方向に所定間隔を置いて配置される各爪状誘導極Ａ及びＢ，Ｂ及びＣ，Ｃ及びＤの各基端部同士により軸線方向の両側から挟み込まれるようにして各Ａ相環状巻線ａ及び第１Ｂ相環状巻線ｂ１，第２Ｂ相環状巻線ｂ２及び第１Ｃ相環状巻線ｃ１，第２Ｃ相環状巻線ｃ２及びＤ相環状巻線ｄが固定されて構成されている。

この図４（ｂ）に示す４相のクローポール型のステータにおいて、周方向で隣り合うＢ相爪状誘導極Ｂ及びＣ相爪状誘導極Ｃを一体化し、各環状巻線ｂ１，ｂ２，ｃ１，ｃ２を共用化すると、例えば図４（ｃ）に示すように、３相の各Ａ相及びＢＣ相及びＤ相爪状誘導極Ａ，ＢＣ，Ｄを具備する各Ａ相及びＢＣ相及びＤ相ステータリングが、軸線Ｐと同軸に配置され、軸線方向に沿って順次積み重ねられると共に、電気角で９０°の周方向幅を有するＡ相爪状誘導極及び電気角で１８０°の周方向幅を有するＢＣ相爪状誘導極及び電気角で９０°の周方向幅を有するＤ相爪状誘導極が周方向に沿って順次配列されるようにして接続され、さらに、軸線方向に所定間隔を置いて配置される各爪状誘導極Ａ及びＢＣ，ＢＣ及びＤの各基端部同士により軸線方向の両側から挟み込まれるようにして各Ａ相環状巻線ａ及び第１ＢＣ相環状巻線ｂｃ１，第２ＢＣ相環状巻線ｂｃ２及びＤ相環状巻線ｄが固定されてステータが構成される。

さらに、この図４（ｃ）に示す４相のクローポール型のステータにおいて、各環状巻線ｂｃ１，ｂｃ２を共用化すると、例えば図４（ａ）に示すステータ１０が構成されることになる。

駆動回路３０は、トランジスタのスイッチング素子を複数用いてブリッジ接続してなるブリッジ回路３１と、平滑コンデンサ３２とを備え、パルス幅変調（ＰＷＭ）によるＰＷＭインバータとされている。
このブリッジ回路３１は、複数のスイッチング素子であるトランジスタＡ１Ｈ，Ａ２Ｈ，Ｂ１Ｈ，Ｂ２Ｈ，Ａ１Ｌ，Ａ２Ｌ，Ｂ１Ｌ，Ｂ２Ｌを備えて構成され、これらのトランジスタＡ１Ｈ，…，Ｂ２Ｌは、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar mode Transistor）とされている。
トランジスタＡ１Ｈ，Ａ２Ｈ，Ｂ１Ｈ，Ｂ２Ｈ，Ａ１Ｌ，Ａ２Ｌ，Ｂ１Ｌ，Ｂ２Ｌのコレクタ−エミッタ間には、それぞれダイオードＤＡ１Ｈ，ＤＡ２Ｈ，ＤＢ１Ｈ，ＤＢ２Ｈ，ＤＡ１Ｌ，ＤＡ２Ｌ，ＤＢ１Ｌ，ＤＢ２Ｌが配置され、各トランジスタＡ１Ｈ，…，Ｂ２Ｌのエミッタに、各ダイオードＤＡ１Ｈ，…，ＤＢ２Ｌのアノードが接続され、各コレクタには、各ダイオードＤＡ１Ｈ，…，ＤＢ２Ｌのカソードが接続されている。

各トランジスタＡ１Ｈ，Ａ２Ｈ，Ｂ１Ｈ，Ｂ２Ｈのコレクタは全て直流入出力端子３０Ｐに接続されている。トランジスタＡ１ＨのエミッタはトランジスタＡ１Ｌのコレクタに接続され、トランジスタＡ２ＨのエミッタはトランジスタＡ２Ｌのコレクタに接続され、トランジスタＢ１ＨのエミッタはトランジスタＢ１Ｌのコレクタに接続され、トランジスタＢ２ＨのエミッタはトランジスタＢ２Ｌのコレクタに接続されている。各トランジスタＡ１Ｌ，Ａ２Ｌ，Ｂ１Ｌ，Ｂ２Ｌのエミッタは全て直流入出力端子３０Ｎに接続されている。また、平滑コンデンサ３２は直流入出力端子３０Ｐ，３０Ｎ間に接続されている。

そして、α相環状巻線１４の一方および他方の交流入出力端子１４_１，１４_２と、β相環状巻線１５の一方および他方の交流入出力端子１５_１，１５_２とには、ブリッジ回路３１の各交流入出力端子３０Ａ_１，３０Ａ_２，３０Ｂ_１，３０Ｂ_２が接続されている。ここで、ブリッジ回路３１の交流入出力端子３０Ａ_１はトランジスタＡ１ＨのエミッタおよびトランジスタＡ１Ｌのコレクタに接続され、交流入出力端子３０Ａ_２はトランジスタＡ２ＨのエミッタおよびトランジスタＡ２Ｌのコレクタに接続され、交流入出力端子３０Ｂ_１はトランジスタＢ１ＨのエミッタおよびトランジスタＢ１Ｌのコレクタに接続され、交流入出力端子３０Ｂ_２はトランジスタＢ２ＨのエミッタおよびトランジスタＢ２Ｌのコレクタに接続されている。

駆動回路３０にはクローポール型モータと電力の授受を行う高圧系のニッケル−水素バッテリ（バッテリ）３３が接続されている。
そして、駆動回路３０は、制御装置（図示略）からの制御指令を受けてクローポール型モータの駆動及び回生作動を制御する。例えばクローポール型モータの駆動時には、制御装置から出力されるトルク指令に基づき、バッテリ３３から出力される直流電力を９０°の位相差を有する２相のα相交流電力およびβ相交流電流に変換してクローポール型モータへ供給する。一方、クローポール型モータの回生動作時には、クローポール型モータから出力される３相交流電力を直流電力に変換してバッテリ３３を充電する。
この駆動回路３０の電力変換動作は、制御装置からブリッジ回路３１の各トランジスタＡ１Ｈ，…，Ｂ２Ｌのゲートに入力されるパルス、つまりパルス幅変調（ＰＷＭ）により各トランジスタＡ１Ｈ，…，Ｂ２Ｌをオン／オフ駆動させるためのパルスに応じて制御され、このパルスのデューティ、つまりオン／オフの比率のマップ（データ）は予め制御装置に記憶されている。

本実施の形態に係るステータ１０は上記構成を備えており、次に、このステータ１０を具備するクローポール型モータに対し、互いに９０°の位相差を有する２相の正弦波電流（つまりα相電流およびβ相電流）を通電した試験の試験結果について説明する。
この試験では、互いに９０°の位相差を有する２相の正弦波電流である各α相電流およびβ相電流を２相の各α相環状巻線１４およびβ相環状巻線１５に通電し、クローポール型モータから出力されるトルクの変化を検出した。この試験結果を図５に示した。
図５に示すように、互いに９０°の位相差を有する２相の正弦波電流である各α相電流およびβ相電流の１周期（つまり電気角で３６０°）の変化に対して、各α相電力およびβ相電力は２周期の変化を示し、クローポール型モータから出力されるトルクの波高値は所定値を維持することがわかる。

上述したように、本実施の形態によるステータ１０によれば、偶数相である２相の互いに独立して通電される各環状巻線１４，１５を備えることで各相のインダクタンスに不整合が生じることを防止することができ、さらに、３相に次いで最も少ない相数である４相の回転磁界を生成することができ、回転磁界を発生させるために要するステータ１０の構成が複雑化することを防止することができる。

なお、上述した実施形態においては、２相のα相環状巻線１４およびβ相環状巻線１５を、単に、円環状としたが、これに限定されず、例えば図６および図７に示すように、各環状巻線１４，１５を、例えば軸線周りの周面内でクランク状に蛇行しつつ周回するようにして、複数の各α相蛇行部４１，…，４１およびβ相蛇行部４２，…，４２を備えて構成してもよい。
この変形例では、各蛇行部４１，４２の周方向Ｃの幅つまりコイルピッチは、例えば電気角で９０°に設定され、各蛇行部４１，４２は互いに異なる方向（つまり互いの対向方向であって軸線方向Ｐの一方および他方）に向かい突出するように設けられ、α相環状巻線１４とβ相環状巻線１５とは、電気角で９０°の位相差を有するようにして周方向Ｃに沿って相対的にずれた位置に配置されている。これにより、２相の各環状巻線１４，１５は、互いの対向方向に突出する互いの各蛇行部４１，４２が周方向Ｃに沿って交互に配列され、互いに交差しないように配置されている。

そして、α相蛇行部４１には１つのＡ相爪状誘導極２２が装着され、β相蛇行部４２には１つのＤ相爪状誘導極２６が装着され、周方向Ｃで隣り合うＡ相爪状誘導極２２とＤ相爪状誘導極２６との間には１つのＢ相爪状誘導極２４が配置されている。
これにより、周方向Ｃで隣り合う各爪状誘導極２２，２４または２４，２６間を縫うようにして配置される２相の各環状巻線１４，１５は所謂短節波巻きをなすように形成されている。

本発明の実施形態に係るクローポール型のステータの構成を示す分解斜視図である。本発明の実施形態に係るクローポール型のステータの要部斜視図である。本発明の実施形態に係るクローポール型のステータを駆動する駆動回路である。図４（ａ）は本発明の実施形態に係るクローポール型のステータの模式図であり、図４（ｂ），（ｃ）は本発明の実施形態に係るクローポール型のステータと同等の回転磁界を発生する４相のクローポール型のステータである。本発明の実施形態に係るクローポール型のステータを具備するクローポール型モータに対して、互いに９０°の位相差を有する２相の正弦波電流であるα相電流およびβ相電流を通電した試験の試験結果として、クローポール型モータから出力されるトルクの波高値の変化を示すグラフ図である。本発明の実施形態の変形例に係るクローポール型のステータの要部斜視図である。本発明の実施形態の変形例に係るクローポール型のステータの構成を示す分解斜視図である。

符号の説明

１０ステータ
１１Ａ相ステータリング
１２Ｂ相ステータリング
１３Ｄ相ステータリング
１４ α相環状巻線（環状巻線）
１５ β相環状巻線（環状巻線）
２２Ａ相爪状誘導極（ティース）
２４Ｂ相爪状誘導極（ティース）
２６Ｄ相爪状誘導極（ティース）

Claims

電気角で９０°の位相差で通電される２相の互いに独立した環状巻線と、互いに同等かつ電気角で９０°に相当する周方向幅のティースを具備する２相のステータ部材と、前記周方向幅の２倍かつ電気角で１８０°に相当する周方向幅のティースを具備する１相のステータ部材とを備え、
前記２相のステータ部材の一方の前記ティースと、前記１相のステータ部材の前記ティースと、前記２相のステータ部材の他方の前記ティースとが、周方向に順次配列され、
前記ステータ部材は環状であって、該ステータ部材と前記環状巻線とは、軸線に対して同軸に積み重ねるようにして交互に配置可能であることを特徴とするステータ。
前記１相のステータ部材は、２相の前記環状巻線により軸線に平行な方向の両側から挟み込まれるようにして配置されてなることを特徴とする請求項１に記載のステータ。
前記環状巻線は蛇行部を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のステータ。
請求項１から請求項３の何れか１つに記載のステータと、
各前記２相の前記環状巻線毎に接続される２対のスイッチング素子からなる４対の前記スイッチング素子を具備する４相のインバータと
を備えることを特徴とするモータ駆動装置。