JP5263253B2 - マルチギャップ型回転電機 - Google Patents

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Description

本発明は、例えば車両等において電動機や発電機として使用されるマルチギャップ型回転電機に関する。
例えば、自動車においてエンジンと変速機との間に配設されるエンジン直結型モータや、洗濯機などの家電用機器のように、限られたスペースで特に偏平構造が求められる分野では、高トルクを出す方法として、磁気ギャップを径方向に二重にした二重ギャップ構造が知られている。このような二重ギャップ構造の回転電機には、１ステータ・２ロータタイプのものと、２ステータ・１ロータタイプのものとが知られている。
以下、１ステータ・２ロータタイプの例とその問題点を述べる。例えば、洗濯機における上記の技術は、ヨーク部に導体線を多数回、集中巻きした一つのステータの内外両面の磁気ギャップに対して、その内外両面にそれぞれ別々にロータを配置したものであり、高性能が発揮されてはいるが、次のような問題点を有する。
即ち、ステータが一つとはいえステータコイルの巻線数が多数となること、ステータを囲む必要から薄く広い面積の変形可撓性をもってしまうロータを配置する点で、ロータの変形が大きくなり且つ放射音も大きなものとなること、更にその上基本的に良くないのは、ステータの内外両側に回転物が存在するために挟まれた位置に配置されるステータの固定が不十分にならざるを得ないこと、即ち、巨大なギャップ磁気力に対する変形防止が困難である点である。即ち、巻線個数が多い、内外に変形可撓性をもつロータが剥き出しである、それらロータの間にステータが挟まれることからステータがしっかり固定できない、という基本的な問題点があった。
そこで、１ステータ・２ロータタイプの構造の改善として、２ステータ・１ロータタイプのものが考えられる。例えば特許文献１には、車輪に内蔵の所謂インホイールモータに適用した例として、２ステータ・１ロータタイプの例が示されている。図１３に示すように、特許文献１に記載の構造では、ロータ２０Ａが剥き出しにならず内外ステータ３１Ａ、３３Ａに囲まれた構造となり、内外ステータ３１Ａ、３３Ａの固定もそれぞれ確実にすることができる。
特開２００７−２８２３３１号公報
しかし、上記の２ステータ・１ロータタイプの問題点として、それぞれのステータコアにステータコイルを巻装する手間を要することや、内外のステータを別々に車輪骨格に固定することから、内外個々のステータを別々に組み立てるため作業が多くなり、軸心精度が出にくいこと等が挙げられる。この問題点を解決しようとすると、予め製品で二つのステータを連結固定する固定部材が必要で、その固定部材がコイルエンドの外周りに配されることから、その分、軸方向寸法が大きくなり、そもそもの偏平構造を狙うという目的にたがうものとなってしまうという基本的問題点を有していた。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、作業性の向上を図りつつ、偏平構造とステータの高い軸心精度を確保し得るようにしたマルチギャップ型回転電機を提供することを解決すべき課題とするものである。
上記課題を解決するためになされた請求項１に記載の発明は、
回転軸に連結され該回転軸と一体回転可能なロータと、
該ロータの外周側に位置し内周面に周方向に配列された複数の外側スロットを有する円環状の外側コア、前記ロータの内周側に位置し外周面に周方向に配列された複数の内側スロットを有する円環状の内側コア、および、前記ロータの軸方向一端側に位置して前記外側コアと前記内側コアとを一体的に連結し、前記ロータの軸方向一端面と対向する対向面に前記外側スロットと前記内側スロットとを連通する複数の中間スロットを有する連結コアを備えたステータコアと、
前記外側スロット、前記中間スロットおよび前記内側スロットに収容されるスロット収容部を有する複数の導体線が前記ステータコアの周方向に周回するようにして前記ステータコアに巻装されたステータコイルと、を備えていることを特徴とする。
請求項１に記載の発明によれば、ステータコアは、外側コアと内側コアが連結コアにより一体的に連結されて一体化されているので、外側コアと内側コアとの高い軸心精度を確保することができる。また、外側コアと内側コアを連結固定するための固定部材をステータコイルのコイルエンド外側に配置しなくて済むので、軸方向長の小さい小型偏平構造を得ることができる。
さらに、ステータコアに巻装される多相（三相）ステータコイルは、外側コアと連結コアと内側コアが一体となった一つのステータコアに対して巻装することができるので、作業性の向上を図ることができる。また、多相ステータコイルは、外側スロット、中間スロットおよび内側スロットに収容されるスロット収容部を有する複数の多相巻線組の導体線がステータコアの周方向に周回するようにしてステータコアに巻装されているので、多相ステータコイルの組数を一つに削減することができる。
したがって、本発明によれば、作業性の向上を図りつつ、偏平構造とステータの高い軸心精度を確保し得るようにすることができる。
請求項２に記載の発明は、前記ロータおよび前記ステータコアは、磁性体よりなり、前記ロータと前記ステータコアとがそれぞれの３面で対向する対向面間に磁気ギャップが形成されていることを特徴とする。
請求項２に記載の発明によれば、ロータとステータコアとの対向面がそれぞれ２面から３面に増加するので、これに対応して磁束量を増大させることができる。そのため、磁気吸引力を増大させることができるので、高性能化することができる。
請求項３に記載の発明は、前記外側スロットと前記内側スロットは、前記ステータコアの径方向に対向して同数に配設され、前記中間スロットは、前記ステータコアの径方向に延在するよう配設されていることを特徴とする。
請求項３に記載の発明によれば、磁気ギャップの磁束量を最大にすることが可能となるので、磁気吸引力を増大させて、高性能化を図ることができる。
請求項４に記載の発明は、
前記外側スロットおよび前記内側スロットは、前記ステータコアの軸線と平行に延び前記ロータと対向する面に前記スロットのそれぞれの幅寸法で開口した開口部を有し、
前記中間スロットは、前記ステータコアの径方向に延び前記ロータの軸方向一端面と対向する面に前記中間スロットの幅寸法で開口した開口部を有し、
前記ステータコイルは、前記ステータコアに対して前記連結コアと反対側から軸方向に挿入されて前記スロット収容部が前記外側スロット、前記内側スロットおよび前記中間スロット内に収納された状態に組み付けられていることを特徴とする。
請求項４に記載の発明によれば、ステータコイルは、ステータコアに対して軸方向に挿入することにより組み付けられているので、ステータコイルとステータコアとの組付けを簡単に行うことができる。即ち、ステータコイルのステータコアへの巻装作業を著しく簡素化することができる。この場合、ステータコイルおよびステータコアは、個々に予め成形作業を完了しておくことができる。そのため、それらの成形加工は、容易に且つ短時間で行うことができ、またいたずらに変形応力が加わることも少なくなるので高品質にもなる。よって、低コスト化と高品質化の両方を実現することができる。
請求項５に記載の発明は、前記導体線は、前記外側スロットに収容される外側スロット収容部と、前記内側スロットに収容される内側スロット収容部と、前記中間スロットに収容される中間スロット収容部と、隣り合う前記外側スロット収容部同士を前記外側スロットの外部で接続する外側ターン部と、隣り合う前記内側スロット収容部同士を前記内側スロットの外部で接続する内側ターン部と、を有することを特徴とする。
請求項５に記載の発明によれば、外側スロット収容部と、内側スロット収容部と、中間スロット収容部と、外側ターン部と、内側ターン部とを有する所定形状に成形した複数の導体線を所定の方法で組み込み適宜成形加工を施すことにより、一つに共通化されて外側コア、連結コアおよび内側コアに巻装されるステータコイルを容易に作製することができる。
請求項６に記載の発明は、前記導体線は、延伸方向と直角な方向の断面形状が長方形の平角導体線であることを特徴とする。
請求項６に記載の発明によれば、平角導体線を採用することによって、ステータコアのそれぞれのスロット内における導体線（スロット収容部）の占積率を向上させることができる。
請求項７に記載の発明は、前記導体線は、前記外側コアと前記内側コアとの間を径方向に渡る渡り部が９０°捩られていることにより、前記外側スロットに収容された複数の前記導体線の外側スロット収容部は、断面形状の長辺同士が重なるように積層配置され、前記内側スロットに収容された複数の前記導体線の内側スロット収容部は、断面形状の短辺同士が重なるように積層配置されていることを特徴とする。
請求項７に記載の発明によれば、内側スロットに収容された複数の導体線の内側スロット収容部の周方向幅を狭くすることができるので、内側スロットの周方向幅を狭く設定することができる。これにより、内側コアの外周面から径方向に突出して周方向両側の側面で内側スロットを区画形成するティースの周方向幅をより広く設定することが可能となるので、ティースの周方向幅の狭小化を防止して、より高性能化を図ることができる。
請求項８に記載の発明は、前記ロータがハイブリッド車両に搭載されたエンジンのクランクシャフトと連結されて前記エンジンと変速機との間に配設されていることを特徴とする。
請求項８に記載の発明によれば、マルチギャップ型回転電機は、軸方向長の小さい小型偏平構造を有するので、エンジンと変速機との間の限られたスペースに好適に配設することができる。特に、ステータコアが小型で一体化されていることにより、高軸心精度と高剛性が確保されているので、所定の位置へ確実に配設することができる。即ち、本発明のマルチギャップ型回転電機は、高振動エンジンの直近の位置への搭載に好適である。
請求項９に記載の発明は、電気自動車におけるホイール内に組み付けられていることを特徴とする。
請求項９に記載の発明によれば、マルチギャップ型回転電機は、外側コア、連結コアおよび内側コアに巻装されるステータコイルを一つに共通化して軽量化することができるので、ホイール質量、即ち、所謂ばね下質量が小さく、ホイールの走行特性が良好となる。また、高剛性で耐振動性に優れるとともに、薄型の偏平構造を有することからディスクブレーキ等のスペースを確保することができる。即ち、本発明のマルチギャップ型回転電機は、走行特性が良好で制動面でも安心なインホイールモータとして好適に採用することができる。
実施形態１に係るマルチギャップ型回転電機の軸方向断面図である。 実施形態１に係るステータとロータが組み付けられた状態を示す斜視図である。 実施形態１に係るステータコアとロータが組み付けられた状態を示す斜視図である。 実施形態１に係るロータの斜視図である。 実施形態１においてロータの軸方向端面に設けられる磁極片を示す図であって、（ａ）はその磁気ギャップ面側を上から見た斜視図、（ｂ）はその反磁気ギャップ面側を上から見た斜視図である。 実施形態１に係るステータの一部を示す図であって、（ａ）はステータの一部平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線矢視断面図である。 実施形態１に係るステータコイルの斜視図である。 実施形態１に係るステータコイルを構成する１本の導体線の一部を示す斜視図である。 実施形態１に係るステータコイルの一相分の導体線のみを取り出した相巻線の斜視図である。 実施形態１に係るステータの一部を示す斜視図である。 実施形態１に係るステータコイルとロータの関係を示す斜視図である。 実施形態２に係るマルチギャップ型回転電機の軸方向断面図である。 従来のインホイールモータの軸方向断面図である。 実施形態３に係るマルチギャップ型回転電機のロータがステータに組み付けられた状態の一部を示す部分斜視図である。 実施形態３に係るマルチギャップ型回転電機のロータの一部を示す部分斜視図である。
以下、本発明のマルチギャップ型回転電機の実施形態について図面を参照して具体的に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、あくまでも実施形態の例にすぎず、本発明は下記の実施形態に限定解釈されるものではない。本発明のマルチギャップ型回転電機は、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者が行い得る変更、改良等を施した種々の形態にて実施することができる。
〔実施形態１〕
実施形態１のマルチギャップ型回転電機は、エンジン直結型モータであり、ハイブリッド車におけるエンジンと変速機の間に配設されるものである。図１は、実施形態１に係るエンジン直結型モータの配設状態を示す軸方向断面図である。
図１において、１０はエンジンフレーム１１に固定されたエンジン、１２はエンジン１０の出力軸であるクランクシャフトである。エンジンフレーム１１の一端側には、略カップ形状に形成されたハウジング１３の開口端部が筒状ハウジング１４を介して連結固定されている。このハウジング１３の底部の略中央部には、トランスミッションシャフト１５が軸受１６を介して回転可能に支承されている。トランスミッションシャフト１５は、ハウジング１３内に延出して、クランクシャフト１２と同軸状に対向配置されている。
筒状ハウジング１４の内部には、図２に示すように、ロータ２０と、外側コア３１、内側コア３３および連結コア３５からなるステータコア３０と、ステータコア３０に巻装されたステータコイル４０とを備えたモータ（回転電機）１が配設されている。ロータ２０は、円盤状のロータディスク２１と、ロータディスク２１の外周端部にボルト２２ａで固定された円環状のロータコア２２とからなる。ロータディスク２１は、その中央部がクランクシャフト１２の一端部に形成されたシャフトハブ１２ａにボルト２１ａで固定されている。これにより、ロータ２１はクランクシャフト１２と一体回転可能となっている。
ロータコア２２は、図３および図４に示すように、１６個の内外対向磁極片２３を周方向に連結して円環状に形成されている。内外対向磁極片２３は、軸方向に積層された複数の電磁鋼板（磁性体）により形成されている。周方向に隣り合う内外対向磁極片２３同士は、ロータコア２２の径方向で対をなす内側ブリッジ部２４ａおよび外側ブリッジ部２４ｂにより連接されている。内側ブリッジ部２４ａと外側ブリッジ部２４ｂの間には、磁気を遮蔽する空洞部２５が形成されている。
内外対向磁極片２３の周方向中央部は、周方向両端部よりも薄肉に形成されている。これにより、ロータコア２２の内周面には、径方向内方へ凸となった内側ブリッジ部２４ａと、径方向外方へ凹となった内面凹部２６ａが周方向に交互に形成されている。また、ロータコア２２の外周面には、径方向外方へ凸となった外側ブリッジ部２４ｂと、径方向内方へ凹となった外面凹部２６ｂが周方向に交互に形成されている。各内外対向磁極片２３には、ロータディスク２１とロータコア２２とを固定するボルト２２ａ締結用のねじ貫通孔２３ａが軸方向に貫設されている。
図４に示すように、各内外対向磁極片２３の軸方向一端面（ギャップ面側）には、磁性体よりなる端面対向磁極片２７が取着されている。この端面対向磁極片２７は、図５（ｂ）に示すように、内外対向磁極片２３と対向する対向面（裏側面）２７ａの周方向両端部に設けられた嵌合凸部２７ｂを内外対向磁極片２３の嵌合凹部（図示せず）にて位置決めをされ嵌合位置決め着座されている。図５（ａ）に示すように、端面対向磁極片２７の対向面２７ａと反対側の表側面２７ｃの周方向中央部には、軸方向内方へ凹となった凹部２７ｄが形成されている。
端面対向磁極片２７の内周面の周方向中央部には、内外対向磁極片２３の内面凹部２６ａと対応して内面凹部２７ｅが形成されている。また、端面対向磁極片２７の外周面の周方向中央部には、内外対向磁極片２３の外面凹部２６ｂと対応して外面凹部２７ｆが形成されている。また、端面対向磁極片２７の所定部位には、内外対向磁極片２３に設けられたねじ貫通孔２３ａと連通するねじ形成孔２７ｇが設けられており、前記ボルトにより締結されることで前記磁極片２３とともに前記ロータディスク２１に対して固定されている。
なお、このロータ２０は、ハウジング１３内でトランスミッションシャフト１５の周囲に設けられたクラッチ機構１８の作動により、クランクシャフト１２からトランスミッションシャフト１５へのトルク伝達が可能な状態と遮断された状態とに切り換え可能となっている。
ステータコア３０は、図３および図６に示すように、外側コア３１と内側コア３３と連結コア３５とを備えている。外側コア３１は、軸方向に積層された複数の電磁鋼板（磁性体）により円環状に形成され、ロータコア２２の外周側に所定距離（磁気ギャップ）を隔てて同軸状に配置されている。外側コア３１のロータコア２２と対向する内周面には、ステータコア３０の軸方向に貫通する複数の外側スロット３２が周方向に等間隔に設けられている。外側スロット３２は、外側コア３１の内周面に開口し、その深さ方向が外側コア３１の径方向と一致するように形成されている。外側スロット３２の数は、ロータ２０の磁極数（１６磁極）に対し、ステータコイル４０の一相あたり２個の割合で形成されている。本実施形態では、１６×３×２＝９６より、外側スロット３２の数は９６個とされている。
内側コア３３は、軸方向に積層された複数の電磁鋼板（磁性体）により円環状に形成され、ロータコア２２の内周側に所定距離（磁気ギャップ）を隔てて同軸状に配置されている。内側コア３３のロータコア２２と対向する外周面には、ステータコア３０の軸方向に貫通する複数の内側スロット３４が周方向に等間隔に設けられている。内側スロット３４は、内側コア３３の外周面に開口し、その深さ方向が内側コア３３の径方向と一致するように形成されている。内側スロット３４の数は、外側スロット３２の場合と同様に９６個とされている。内側スロット３４と外側スロット３２は、ステータコア３０の径方向に対向するように配置されている。
なお、内側スロット３４の径方向深さは、外側スロット３２の径方向深さよりも所定寸法深くされている。また、内側スロット３４の周方向幅は、外側スロット３２の周方向幅よりも所定寸法狭くされている。これにより、内側コア３３の外周面から径方向に突出して周方向両側の側面で内側スロット３４を区画形成するティースの周方向幅が広くなるようにされている。これにより、ティースの周方向幅の狭小化が防止され、より高性能化が図られている。
連結コア３５は、軸方向に積層された複数の電磁鋼板（磁性体）によりリング板状に形成されている。この連結コア３５は、外周側端部が外側コア３１の軸方向一端面と結合されるとともに、内周側端部が内側コア３３の軸方向一端面と結合されることによって、外側コア３１と内側コア３３とを一体的に連結している。この連結コア３５は、ロータコア２２の軸方向一端側に、ロータコア２２の軸方向一端面と所定距離（磁気ギャップ）を隔てて配置されている。ロータコア２２の軸方向一端面と対向する連結コア３５の対向面には、外側スロット３２と内側スロット３４とを連通する９６個の中間スロット３６が設けられている。この中間スロット３６は、ステータコア３０の軸方向に貫通した状態に形成されている。なお、本実施形態では、中間スロット３６は、軸方向に貫通した状態に形成されているが、軸方向に貫通することなく、軸方向外方側に底部を有するように形成してもよい。
本実施形態のステータコア３０は、外側コア３１と内側コア３３と連結コア３５が一体的に連結されていることにより、外側コア３１と内側コア３３の間に配置されたロータコア２２とステータコア３０とがそれぞれの３面で対向するようにされており、それぞれの対向面間に磁気ギャップが形成されている。
ステータコイル４０は、ステータコア３０の外側スロット３２、中間スロット３４および内側スロット３６に順に収容されるスロット収容部を有する複数の導体線５０を所定の方法で組み込むことにより、図７に示すように、径方向断面が略コの字状の円筒形状に形成されている。即ち、このステータコイル４０は、外側コア３１に巻装される外側コイル部４１と、内側コア３３に巻装される内側コイル部４２と、連結コア３５に巻装される中間コイル部４３とを有する。外側コイル部４１と内側コイル部４２の間に形成された円環状の空間部、即ち、図７に白く示された径方向断面４５の全周に相当する円環状の空間部は、ロータコア２２が配置されて回転する部分である。このステータコイル４０は、導体線５０として延伸方向と直角な方向の断面形状が長方形の平角導体線を採用して形成された三相巻線（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）である。
導体線５０は、図８に示すように、外側スロット３２に収容される外側スロット収容部５１と、内側スロット３４に収容される内側スロット収容部５２と、中間スロット３６に収容される中間スロット収容部５３と、隣り合う外側スロット収容部５１同士を外側スロット３２の外部で接続する外側ターン部５４と、隣り合う内側スロット収容部５２同士を内側スロット３４の外部で接続する内側ターン部５５とを有する。なお、図９には、ステータコイル４０の一相分の導体線５０のみを取り出した相巻線（例えばＵ相）４８の全体斜視図が示されている。
外側コア３１において、外側スロット３２に収容される外側スロット収容部５１は、所定のスロット数（本実施形態では３相×２個（倍スロット）＝６個）ごと、即ち、１磁極ピッチ（電気角π）ごとの外側スロット３２に４本ずつ収容されている。また、内側コア３３において、内側スロット３４に収容される内側スロット収容部５２も、外側スロット収容部５１の場合と同様に、スロット数６個ごとの内側スロット３４に４本ずつ収容されている。また、連結コア３５においても同様に、中間スロット３６に収容される中間スロット収容部５３は、スロット数６個ごとの中間スロット３４に４本ずつ収容されている。
なお、中間スロット収容部５３は、外側コア３１と内側コア３３との間を径方向に渡るように配置されており、その中間部において９０°捩られている。これにより、外側スロット３２に収容された４本の外側スロット収容部５１は、導体線５０の断面形状の長辺同士が重なるように積層配置されている。一方、内側スロット３４に収容された４本の内側スロット収容部５２は、導体線５０の断面形状の短辺同士が重なるように積層配置されている。
このステータコイル４０は、ステータコア３０に対して、連結コア３５と反対側の開口から軸方向に挿入され、外側スロット収容部５１、内側スロット収容部５２および中間スロット収容部５３が、それぞれ外側スロット３２、内側スロット３４および中間スロット３６に収納された状態に組み付けられている。なお、本実施形態の場合、図７および図９に示すように、ステータコイル４０は、中間スロット収容部５３側の面に、周方向に渡る渡り部が無く、中間スロット収容部５３が径方向に延びる直線状に形成されているので、ステータコイル４０をステータコア３０に対して軸方向に差し込むだけで組付けを容易に行うことができる。
これにより、図１０に示すように、外側コア３１の反連結コア３５側には、外側コア３１の端面３１ａから突出した多数の外側ターン部５４により外側コイルエンド部４６が形成され、内側コア３３の反連結コア３５側には、内側コア３３の端面３３ａから突出した多数の内側ターン部５５により内側コイルエンド部４７が形成される。また、図１１に示すように、導体線５０の外側スロット収容部５１、内側スロット収容部５２および中間スロット収容部５３は、ロータコア２２の外周面、内周面および端面対向磁極片２７の表側面２７ｃと、それぞれ所定距離を隔てて対向している。
以上のように構成された本実施形態のモータ１は、エンジン１０を始動させる場合、インバータ（図示せず）からの給電によりステータ３０を励磁させることによってロータ２０を回転させ、これによりクランクシャフト１２を駆動させてエンジン１０を始動させる。このとき、クラッチ機構１８は、トルク伝達が遮断された状態にされる。また、クランクシャフト１２からトランスミッションシャフト１５へトルク伝達させる場合には、クラッチ機構１８をトルク伝達可能に接続する。
以上のように、本実施形態のモータ１によれば、ステータコア３０は、外側コア３１と内側コア３３が連結コア３５により一体的に連結されて一体化されているので、外側コア３１と内側コア３３との高い軸心精度を確保することができ、軸方向長の小さい小型偏平構造の回転電機を実現することができる。特に、本実施形態のモータ１は、軸方向長の小さい小型偏平構造を有するので、エンジン１０と変速機との間の限られたスペースに好適に配設することができる。
また、ステータコイル４０は、外側コア３１と連結コア３５と内側コア３３が一体となった一つのステータコア３０に対して巻装することができるので、作業性の向上を図ることができる。さらに、ステータコイル４０は、外側スロット３２、中間スロット３６および内側スロット３４に収容されるスロット収容部５１、５２、５３を有する複数の導体線５０が周方向に周回するにしてステータコア３０に巻装されているので、ステータコイル４０の個数を一つに削減することができる。したがって、本実施形態のモータ１によれば、作業性の向上を図りつつ、偏平構造とステータの高い軸心精度を確保し得るようにすることができる。
また、ロータ２０およびステータコア３０は、磁性体よりなり、ロータ２０とステータコア３０とがそれぞれの３面で対向する対向面間に磁気ギャップが形成されている。これにより、ロータ２０とステータコア３０との対向面がそれぞれ２面から３面に増加し、これに対応して磁束量を増大させることができるので、磁気吸引力を増大させ、高性能化することができる。
また、外側スロット３２と内側スロット３４は、ステータコア３０の径方向に対向して同数のものが配設され、中間スロット３６は、ステータコア３０の径方向に延在するよう配設されている。これにより、磁気ギャップの磁束量を最大にすることが可能となるので、磁気吸引力を増大させて、高性能化を図ることができる。
そして、本実施形態のモータ１は、ステータコイル４０が、ステータコア３０の反連結コア３５側から軸方向に挿入されてステータコア３０と組み付けられているので、ステータコイル４０とステータコア３０との組付けを簡単に行うことができ、ステータコイル４０のステータコア３０への巻装作業を著しく簡素化することができる。この場合、ステータコイル４０およびステータコア３０は、個々に予め成形作業を完了しておくことができるため、簡素な設備で高速にかつ高精度に加工でき、低コスト化と高品質化の両方を実現することができる。
また、導体線５０は、外側スロット収容部５１と、内側スロット収容部５２と、中間スロット収容部５３と、外側ターン部５４と、内側ターン部５５とを有する。そのため、外側スロット収容部５１と、内側スロット収容部５２と、中間スロット収容部５３と、外側ターン部５４と、内側ターン部５５とを有する所定形状に成形した複数の導体線５０を所定の方法で組み込み適宜成形加工を施すことにより、一つに共通化されて外側コア３１、連結コア３５および内側コア３３に巻装されるステータコイル４０を容易に作製することができる。
さらに、導体線５０は、平角導体線が採用されているので、ステータコア３０のそれぞれのスロット３２、３４、３６内における導体線５０（スロット収容部５１、５２、５３）の占積率を向上させることができる。
また、導体線５０は、外側コア３１と内側コア３３との間を径方向に渡るように配置された中間スロット収容部５３が９０°捩られていることにより、外側スロット３２に収容された複数の外側スロット収容部５１は、断面形状の長辺同士が重なるように積層配置され、内側スロット３４に収容された複数の内側スロット収容部５２は、断面形状の短辺同士が重なるように積層配置されている。そのため、内側スロット３４に収容された内側スロット収容部５２の周方向幅を狭くすることができるので、内側スロット３４の周方向幅を狭く設定することができる。これにより、内側コア３３の外周面から径方向に突出して内側スロット３４を区画形成するティースの周方向幅をより広く設定することが可能となるので、ティースの周方向幅の狭小化を防止して、より高性能化を図ることができる。
上記実施形態１の磁石を使用しないモータと、従来の磁石を使用したタイプのモータを比較するため、解析と試験を行ったところ、表１に示す結果が得られた。
Figure 0005263253
表１から明らかなように、実施形態１のモータは、従来の磁石を使用したタイプのモータより、軸方向長のより小さい小型偏平構造のモータを実現することができる。また、実施形態１のモータは、希土類磁石を使用していないので、大幅に低コスト化することができる。さらに、実施形態１のモータは、従来の磁石を使用したタイプのモータと同等以上のトルク性能を有することが解った。
〔実施形態２〕
実施形態２に係るマルチギャップ型回転電機は、電気自動車におけるホイール内に組み付けられたインホイールモータに適用されたものである。図１２は、実施形態２に係るインホイールモータの軸方向断面図である。
本実施形態のインホイールモータ１０１は、モータハウジング１０２とハブシャフト１０３を備え、モータハウジング１０２は、サスペンション（図示せず）を介して車体に取り付けられている。ハブシャフト１０３は、モータハウジング１０２から突出する一端にハブ１０４が一体に成形され、ハブ１０４にホイール１０５がハブスタッドボルト１０６で連結されている。
モータハウジング１０２は、内端面を開口したアウタハウジング１０７と、内端面開口を覆蓋するリヤハウジング１０８からなり、アウタハウジング１０７にリヤハウジング１０８がボルト（図示せず）で固着されている。アウタハウジング１０７とリヤハウジング１０８の中央部には、それぞれ開口が形成され、ハブシャフト１０３がアウタハウジング１０７の開口からモータハウジング１０２中に貫入され、その先端がリヤハウジング１０８の開口から外部に突出している。
モータハウジング１０２の内部には、ロータ２０と、ロータ２０を回転可能に支持する軸受１１０と、外側コア３１、内側コア３３および連結コア３５からなるステータコア３０と、ステータコア３０に巻装されたステータコイル４０が配設されている。このうち、ロータ２０のシャフト嵌挿軸部１２２および軸受１１０の構成以外は、上記実施形態１に記載のもの（図２〜図１１）と同一である。したがって、ロータ２０のロータコア２２、ステータコア３０およびステータコイル４０については、説明を省略する。
軸受１１０は、内外一対のボールベアリング１１１、１１２と、筒状のベアリングケース１１３と、２種類のベアリングカラー１１５、１１６を備えている。そして、ベアリングケース１１３に両ボールベアリング１１１、１１２とベアリングカラー１１５が格納されている。両ボールベアリング１１１、１１２には、ロータ２０のシャフト嵌挿軸部１２２を嵌入して、ロータ２０がリヤハウジング１０８に回転可能に組み付けられる。
上記のように軸受１１０でモータハウジング１０２内に回転可能に組み込まれたロータ２０のシャフト嵌挿軸部１２２にハブシャフト１０３が嵌挿され、シャフト嵌挿軸部１２２とハブシャフト１０３が一体回転するようにセレーション結合されている。これにより、ロータ２０とハブシャフト１０３が共通の軸受１１０によって、モータハウジング１０２中に回転可能に組み込まれている。そして、軸受１１０を構成する両ボールベアリング１１１、１１２は、両ベアリング間にロータ２０のアキシャル方向重心とハブシャフトの重心が位置するように所定の位置に配置されている。
以上のように構成された本実施形態のインホイールモータによれば、実施形態１の場合と同様に、ステータコア３０は、外側コア３１と内側コア３３が連結コア３５により一体的に連結されて一体化されているので、外側コア３１と内側コア３３との高い軸心精度を確保することができ、軸方向長の小さい小型偏平構造の回転電機を実現することができるなど、実施形態１と同様の効果を得ることできる。
本実施形態のインホイールモータが、軸方向長の小さい小型偏平構造を有するものであることは、前述の特許文献１に記載のインホイールモータ（図１３参照）と比較しても明らかである。即ち、特許文献１に記載のインホイールモータの軸方向長を１００％とすると、本実施形態のインホイールモータの軸方向長は６５％であり、大幅に短縮されていることが解る。
また、本実施形態のインホイールモータは、外側コア３１、連結コア３５および内側コア３３に巻装されるステータコイル４０を一つに共通化しているので、軽量化することができる。そのため、ホイール質量、即ち、所謂ばね下質量が小さく、ホイールの走行特性が良好となる。また、高剛性で耐振動性に優れるとともに、薄型の偏平構造を有することからディスクブレーキ等のスペースを確保することができる。
〔実施形態３〕
上記の実施形態１および２は、ロータコア３０に磁石を使用しないタイプのものであるのに対して、実施形態３のマルチギャップ型回転電機は、ロータコア３０に永久磁石を使用するタイプのものである点で異なる。実施形態３のマルチギャップ型回転電機は、ロータコア３０以外の他の部材の基本的構成が、実施形態１および２のものと同じであるため、それらの詳しい説明は省略し、異なる点について説明する。なお、実施形態１と共通する部材については、同じ符号を使用する。
図１４は、実施形態３に係るマルチギャップ型回転電機のロータがステータに組み付けられた状態の一部を示す部分斜視図である。図１５は、そのマルチギャップ型回転電機のロータの一部を示す部分斜視図である。
本実施形態のロータコア３０は、磁性体で所定の大きさの円環状に形成されている。このロータコア３０の周方向に等距離隔てた１６箇所に、軸方向に貫通する角孔２８が設けられており、その角孔２８にはそれぞれ１個ずつ希土類永久磁石２９が埋め込まれている。希土類永久磁石２９は、周方向に磁性が交互に異なる磁極を径方向内外方向に形成するように配置されている。
ロータコア３０の外周面で、隣り合う希土類永久磁石２９間の面は、円弧曲面ではなくストレート平面にされている。即ち、実施形態１のように磁石を使用しない場合よりも凹み量が少なくされている。また、ロータコア３０は、小径であるため、そもそもリラクタンストルク寄与の少ない内周面には凹みが設けられていない。
以上のように構成された本実施形態のマルチギャップ型回転電機によれば、磁石を使用したタイプの回転電機であっても、実施形態１の場合と同様に、ステータコア３０が、外側コア３１と内側コア３３が連結コア３５により一体的に連結されて一体化されているので、外側コア３１と内側コア３３との高い軸心精度を確保することができ、軸方向長の小さい小型偏平構造の回転電機を実現することができるなど、実施形態１と同様の効果を得ることできる。
なお、本実施形態のマルチギャップ型回転電機について、本願発明者が解析検討を行った結果からも、上記の効果が確認された。即ち、従来の磁石を使用したシングルギャップ型の回転電機に比べて、本実施形態のマルチギャップ型回転電機は、磁石の量を半減することができるので、低コスト化することができる。また、本実施形態のマルチギャップ型回転電機は、軸方向寸法を、従来のシングルギャップ型回転電機に比べて、２５％小さくすることができるので、偏平構造の更なる薄型化を容易に実現することができる。
また、ロータコア３０の外周面に設ける凹みについて考察した。凹みが無い場合には、磁石の直軸（磁極中心線位置）成分磁束がステータに貫通し易いので、磁石のトルク寄与を大きく確保することができる。但し、その凹みが少な過ぎると、リラクタンストルクがでない。つまり、凹みに関しては、磁石の有る時と無い時とで最適性があり、磁石が有る時は、無いもの（リラクタンストルクだけのもの）よりは小さいことを見出した。
〔その他の実施形態〕
前述の実施例では、外側コア３１と内側コア３３と連結コア３５とが組み立てられた一体物であったが、これらを元から一体的に圧粉鉄心や焼結体として一つに成形製造してもよい。今日の市場性のある材料では飽和磁束密度が積層鋼板よりは低くそのようにすると性能は若干低下するものの、コアの製造過程は簡略化されコスト低減効果は大きい。大型モータではそのような大きな圧粉鉄心を成型することは製造過程での加圧装置の都合上困難であるが、自動車用の補機類用やアクチュエータなどの小型モータでは可能なケースもあり、そのような小型用途ではコアの低コスト化効果はさらに大きいことは言うまでも無い。
また前記実施例では、内外のステータの軸方向積層厚さやロータの軸方向積層厚さについて詳しく述べていないが、これらの厚さは異なってもよい。特にロータの積層厚さはステータの積層厚さよりも厚いほうが好適である。その理由はロータは単一であるにも関わらずその内外側面の三面でステータとの磁束の授受を行う機能をもっている。即ちそこに通過する磁束量は大きく、そのためロータの積層厚さは厚いほうが沢山の磁束の授受をやりとりできるからである。しかしその積層厚さはそのロータを固定するロータディスクと含めた厚さが前記内外のステータコイルエンドよりもはみ出すと回転機の軸方向寸法が大きくなってしまうので、結局ロータの積層方向の厚さは、外側ステータの積層厚さよりも長く、かつステータコイルエンド高さからロータディスクの厚さを引いた寸法よりも短い寸法となる積層厚さをもたせるのが好適である。
１…モータ（回転電機）、 １０…エンジン、 １１…エンジンフレーム、 １２…クランクシャフト（回転軸）、 １３…ハウジング、 １４…筒状ハウジング、 １５…トランスミッションシャフト、 １６…軸受、 １８…クラッチ機構、 ２０…ロータ、 ２１…ロータディスク、 ２２…ロータコア、 ２３…内外対向磁極片、 ２４ａ…内側ブリッジ部、 ２４ｂ…外側ブリッジ部、 ２５…空洞部、 ２６ａ…内面凹部、 ２６ｂ…外面凹部、 ２７…端面対向磁極片、 ２８…角孔、 ２９…希土類永久磁石、 ３０…ステータコア、 ３１…外側コア、 ３２…外側スロット、 ３３…内側コア、 ３４…内側スロット、 ３５…連結コア、 ３６…中間スロット、 ４０…ステータコイル、 ４１…外側コイル部、 ４２…内側コイル部、 ４３…中間コイル部、 ４６…外側コイルエンド部、 ４７…内側コイルエンド部、 ４８…相巻線、 ５０…導体線、 ５１…外側スロット収容部、 ５２…内側スロット収容部、 ５３…中間スロット収容部、 ５４…外側ターン部、 ５５…内側ターン部。

Claims (9)

  1. 回転軸に連結され該回転軸と一体回転可能なロータと、
    該ロータの外周側に位置し内周面に周方向に配列された複数の外側スロットを有する円環状の外側コア、前記ロータの内周側に位置し外周面に周方向に配列された複数の内側スロットを有する円環状の内側コア、および、前記ロータの軸方向一端側に位置して前記外側コアと前記内側コアとを一体的に連結し、前記ロータの軸方向一端面と対向する対向面に前記外側スロットと前記内側スロットとを連通する複数の中間スロットを有する連結コアを備えたステータコアと、
    前記外側スロット、前記中間スロットおよび前記内側スロットに収容されるスロット収容部を有する複数の導体線が前記ステータコアの周方向に周回するようにして前記ステータコアに巻装されたステータコイルと、
    を備えていることを特徴とするマルチギャップ型回転電機。
  2. 前記ロータおよび前記ステータコアは、磁性体よりなり、前記ロータと前記ステータコアとがそれぞれの３面で対向する対向面間に磁気ギャップが形成されていることを特徴とする請求項１に記載のマルチギャップ型回転電機。
  3. 前記外側スロットと前記内側スロットは、前記ステータコアの径方向に対向して同数に配設され、前記中間スロットは、前記ステータコアの径方向に延在するよう配設されていることを特徴とする請求項１または２に記載のマルチギャップ型回転電機。
  4. 前記外側スロットおよび前記内側スロットは、前記ステータコアの軸線と平行に延び前記ロータと対向する面に前記スロットのそれぞれの幅寸法で開口した開口部を有し、
    前記中間スロットは、前記ステータコアの径方向に延び前記ロータの軸方向一端面と対向する面に前記中間スロットの幅寸法で開口した開口部を有し、
    前記ステータコイルは、前記ステータコアに対して前記連結コアと反対側から軸方向に挿入されて前記スロット収容部が前記外側スロット、前記内側スロットおよび前記中間スロット内に収納された状態に組み付けられていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のマルチギャップ型回転電機。
  5. 前記導体線は、前記外側スロットに収容される外側スロット収容部と、前記内側スロットに収容される内側スロット収容部と、前記中間スロットに収容される中間スロット収容部と、隣り合う前記外側スロット収容部同士を前記外側スロットの外部で接続する外側ターン部と、隣り合う前記内側スロット収容部同士を前記内側スロットの外部で接続する内側ターン部と、を有することを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のマルチギャップ型回転電機。
  6. 前記導体線は、延伸方向と直角な方向の断面形状が長方形の平角導体線であることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載のマルチギャップ型回転電機。
  7. 前記導体線は、前記外側コアと前記内側コアとの間を径方向に渡る渡り部が９０°捩られていることにより、前記外側スロットに収容された複数の前記導体線の外側スロット収容部は、断面形状の長辺同士が重なるように積層配置され、前記内側スロットに収容された複数の前記導体線の内側スロット収容部は、断面形状の短辺同士が重なるように積層配置されていることを特徴とする請求項６に記載のマルチギャップ型回転電機。
  8. 前記ロータがハイブリッド車両に搭載されたエンジンのクランクシャフトと連結されて前記エンジンと変速機との間に配設されていることを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載のマルチギャップ型回転電機。
  9. 電気自動車におけるホイール内に組み付けられていることを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載のマルチギャップ型回転電機。
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