JP6733568B2

JP6733568B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP6733568B2
Application number: JP2017017318A
Authority: JP
Inventors: 哲義深谷; 建部　勝彦; 勝彦建部
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-02-02
Filing date: 2017-02-02
Publication date: 2020-08-05
Anticipated expiration: 2037-02-02
Also published as: JP2018125993A

Description

本発明は、回転電機に関し、特に、ステータの内周側に内側ロータが、ステータの外周側に外側ロータがそれぞれ配置された回転電機に関する。

ハイブリッド自動車や電気自動車に用いられる回転電機には、ステータの内側にロータを配置した構成や、この内側ロータに加えて、ステータの外側に外側ロータを配置した構成がある（例えば、特許文献１参照）。このように、内側ロータと外側ロータとを備えた回転電機はデュアルロータ型回転電機と呼ばれている。また、ステータの内周面と内側ロータとの間、ステータの外周面と外側ロータとの間にそれぞれギャップを有することから、マルチギャップ型回転電機と呼ばれることもある。このような回転電機は、大きなトルクを発生できるとともに小型化が可能である。

特開２０１１−１８８６０５号公報

特許文献１に記載の回転電機は、ステータの内側及び外側の双方にロータが配置されているので、ステータをモータケースに締結固定するための締結孔をステータの内側及び外側に設けることが困難である。このため、ステータコアのティースやヨークに締結孔を設けている。

特許文献１に記載の回転電機では、ヨークとティースとが交差する部分に締結孔が設けられている。このように、ヨークとティースとが交差する部分に締結孔を設けると、ティースを流れる磁束が締結孔に挿入されたボルトに干渉して渦電流が発生し、ステータの鉄損が増加する。

そこで、本発明では、ステータの内側及び外側の双方にロータが配置された回転電機において、ティースを流れる磁束への干渉を抑制して、ステータの鉄損を低減することを目的とする。

本発明の回転電機は、円環状に配置された複数のティースと、隣接する前記ティースを周方向に互いに連結する連結ヨークと、前記ティースに巻装された三相コイルとを含むステータと、前記ステータの内周側に配置された内側ロータと、前記ステータの外周側に配置された外側ロータと、を備えた回転電機であって、前記連結ヨークの前記ティースに接続する付け根部分に、前記ティースの周方向の一側面から突出している固定部が設けられ、前記固定部に、前記ステータを前記回転電機のケースに締結固定する締結孔が設けられ、前記締結孔は、各相コイルに対して同数となるように、前記周方向において等間隔に配置されている、ことを特徴とする。

本発明によれば、ステータの内側及び外側の双方にロータが配置された回転電機において、ティースを流れる磁束への干渉を抑制して、ステータの鉄損を低減することができる。

第１の実施形態における回転電機の部分拡大図である。ティースを流れる磁束を説明する模式図であり、（Ａ）は従来のティースを流れる磁束を示し、（Ｂ）は第１の実施形態のティースを流れる磁束を示す。第１の実施形態におけるステータコイルの変形例を示す、回転電機の部分拡大図である。第２の実施形態における回転電機のステータを示す平面図である。第２の実施形態におけるステータの部分拡大図である。

第１の実施形態における回転電機１は、例えば、ハイブリッド自動車、電気自動車等に搭載される。図１に示すように、回転電機１は、ステータ２と、ステータ２の内側に配置される内側ロータ３と、ステータ２の外側に配置される外側ロータ４とを備えている。なお、図１においては、回転電機１の一部分を示しているが、ステータ２、内側ロータ３及び外側ロータ４は円環状である。

ステータ２の内周面と内側ロータ３の外周面との間には、所定間隔のエアギャップＧ１が形成されており、また、ステータ２の外周面と外側ロータ４の内周面との間には、所定間隔のエアギャップＧ２が形成されている。すなわち、回転電機１は、ステータ２の内側及び外側の両方にエアギャップＧ１，Ｇ２を有するマルチギャップ型回転電機である。

ステータ２は、ステータコア１０と、ステータコア１０に巻装されたステータコイル２０とを備えている。ステータコア１０は、円環状に打ち抜き加工された多数枚の電磁鋼板を軸方向に積層して一体に連結して構成された磁性体部品である。ステータコア１０は、ステータ２の中心に関して円環状に配置された複数のティース１１と、これら隣接するティース１１を周方向に互いに連結する連結ヨーク１２とを含む。

ティース１１の径方向における略中間部分は、周方向に延在する連結ヨーク１２によって、隣接するティース１１に接続されている。連結ヨーク１２の径方向の厚さＹＴは、ステータコア１０として必要な強度が得られる程度の厚さに設定されている。すなわち、必要とされる強度が得られる厚さとし、できる限り薄くすることが望ましい。

連結ヨーク１２のティース１１に接続する一方側の付け根部分には、ステータ２を回転電機１の図示しないモータケースに固定するための固定部１３が設けられている。固定部１３は、ティース１１の周方向の一側面から突出している。

固定部１３には、ステータ２をモータケースに締結するための締結孔１４が設けられている。締結孔１４はステータコア１０の軸方向に貫通しており、締結孔１４にはモータケースへの締結固定用のボルトが挿通される。固定部１３及び締結孔１４は、全てのティース１１に設けられている。

ステータコイル２０は三相コイルであり、ティース１１の径方向内側部に巻装されている内側コイル２１と、ティース１１の径方向外側部に巻装されている外側コイル２２とを有している。内側コイル２１及び外側コイル２２は、ティース１１にそれぞれ集中巻きされている。

内側ロータ３は、円環状に打ち抜き加工された多数枚の電磁鋼板を軸方向に積層して一体に連結して構成された磁性体部品である。内側ロータ３は、インナーロータコア３０と、インナーロータコア３０の外周部に埋設された複数の永久磁石３１とを含む。内側ロータ３の中心部は、図示しない回転軸に固定されている。

外側ロータ４は、円環状に打ち抜き加工された多数枚の電磁鋼板を軸方向に積層して一体に連結して構成された磁性体部品である。外側ロータ４は、アウターロータコア４０と、アウターロータコア４０の内周部に埋設された複数の永久磁石４１とを含む。外側ロータ４は、図示しないブラケットによって内側ロータ３に連結されている。

次に、ティース１１を流れる磁束について図２を参照して説明する。図２（Ａ）は従来のティース５０における磁束Ｆ１の流れを示す模式図であり、図２（Ｂ）は第１の実施形態のティース１１における磁束Ｆ２の流れを示す模式図である。

図２（Ａ）に示すように、ティース５０とセンターヨーク５１とが交差する部分に締結孔５２が設けられている場合、磁束Ｆ１は締結孔５２と干渉する。特に、締結孔５２に挿通されたボルトに渦電流が発生してしまう。一方、図２（Ｂ）に示すように、第１の実施形態では、締結孔１４が、連結ヨーク１２のティース１１に接続する付け根部分、すなわち、固定部１３に設けられているので、磁束Ｆ２は締結孔１４と干渉せず、ティース１１の長手方向に沿って流れる。このため、ティース１１を流れる磁束Ｆ２と締結孔１４に挿通されたボルトとの干渉による渦電流の発生を抑制することができる。その結果、ステータ２の鉄損を抑制することができ、低損失で高出力の回転電機１を得ることができる。

また、締結孔１４が全てのティース１１に設けられているので、締結孔１４は、ステータコイル２０の各相コイルに対して同数個設けられることになり、かつ、ステータ２の周方向において等間隔に配置される。このため、トルクリップルの発生を抑制することができ、ステータ２を周方向において均等にモータケースに締結固定することができる。

さらに、連結ヨーク１２の厚さＹＴを薄くすることによって、ティース１１と連結ヨーク１２との接続部分（固定部１３と反対側の接続部分）における磁束変化を抑制することができ、磁束変化量を低減することができる。

次に、第１の実施形態の変形例について図３を参照して説明する。この変形例では、内側コイル２１と外側コイル２２とのコイル断面積が異なっている。なお、図３において、図１と同様の構成については同符号を付して、その説明を省略する。

図３に示すように、外側コイル２２のコイル断面積が、内側コイル２１のコイル断面積よりも大きくなるように、外側コイル２２の巻数を増加している。外側コイル２２では、隣接するコイル間の間隔が内側コイル２１のその間隔よりも広い。このため、外側コイル２２の巻数を増加して、外側コイル２２の巻き径ＣＲ２を内側コイル２１の巻き径ＣＲ１よりも大きくしている。

外側コイル２２のコイル断面積を大きくすることによって、ステータコイル２０の巻線抵抗を低減することができ、その結果、銅損を低減することができる。これにより、回転電機１をモータとして使用したときのトルクを向上することができる。なお、内側コイル２１に使用する導線よりも、断面積が大きい導線を使用することによって、同巻数でも外側コイル２２のコイル断面積を大きくすることができる。

次に、第２の実施形態について図４、５を参照して説明する。第１の実施形態では、全てのティース１１に締結孔１４が設けられていたが、第２の実施形態では、締結孔１４を所定のティース１１にのみに設けている。

図４に示すように、ステータ５は、ステータコア６０と、ステータコア６０に巻装されたステータコイル７０とを備えている。ステータコア６０は、円環状に配置された複数のティース６１と、これら隣接するティース６１を周方向に互いに連結する連結ヨーク６２とを有している。

ステータコイル７０は、ティース６１の径方向内側部に巻装されている内側コイル７１と、ティース６１の径方向外側部に巻装されている外側コイル７２とを有している。ステータコイル７０は、三相コイルであり、Ｕ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルで構成されている。また、ステータコイル７０は８個の磁極Ｐ１〜Ｐ８を有している。各磁極を構成するＵ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルが、ステータコア６０の周方向に繰り返し並ぶように配置されている。このため、ステータコア６０は２４個のティース６１を備えている。すなわち、Ｕ相コイルが巻回されるティース６１が８個、Ｖ相コイルが巻回されるティース６１が８個、Ｗ相コイルが巻回されるティース６１が８個である。これらティース６１のうち所定のティース６１に、第１の実施形態と同様の締結孔１４が設けられているが、これらが設けられている位置（配置）については後述する。

なお、図４において、Ｕ相コイルが巻回される８個のティース６１にそれぞれｕ１〜ｕ８の符号を付している。同様に、Ｖ相コイルが巻回される８個のティース６１にそれぞれｖ１〜ｖ８の符号を付し、Ｗ相コイルが巻回される８個のティース６１にそれぞれｗ１〜ｗ８の符号を付している。そして、ステータコア６０の周方向に沿った２４個のティース６１において、３個おきに、Ｕ相コイルが巻回される８個のティース６１が配置される。同様に、Ｖ相コイルが巻回される８個のティース６１も、Ｗ相コイルが巻回される８個のティース６１も、ステータコア６０の周方向に沿った２４個のティース６１において、それぞれ３個おきに配置される。

締結孔１４が設けられている位置（配置）について説明する。締結孔１４は、磁極Ｐ１のＵ相コイルが巻装されたティース６１（ｕ１）、磁極Ｐ２のＶ相コイルが巻装されたティース６１（ｖ２）、磁極Ｐ３のＷ相コイルが巻装されたティース６１（ｗ３）、磁極Ｐ５のＵ相コイルが巻装されたティース６１（ｕ５）、磁極Ｐ６のＶ相コイルが巻装されたティース６１（ｖ６）、磁極Ｐ７のＷ相コイルが巻装されたティース６１（ｗ７）にそれぞれ設けられている。すなわち、締結孔１４は、４個のティース６１毎に設けられている。つまり、締結孔１４は、４個のティース６１の間隔で均等配置されている。第２の実施形態では２４個のティース６１があるので、６個の締結孔１４が均等間隔で配置されている。

また、各相コイルとの関係では、締結孔１４は、Ｕ相コイルに対して、磁極Ｐ１（ｕ１），Ｐ５（ｕ５）の２カ所に、Ｖ相コイルに対して、磁極Ｐ２（ｖ２），Ｐ６（ｖ６）の２カ所に、Ｗ相コイルに対して、磁極Ｐ３（ｗ３），Ｐ７（ｗ７）の２カ所にそれぞれ設けられている。すなわち、締結孔１４は、各相コイルに２個ずつ設けられている。つまり、締結孔１４は、各相コイルに対して同数となるように配置されている。

図５に磁極Ｐ１の拡大図を示す。図５に示すように、締結孔１４が設けられたティース６１１では、この締結孔１４と外側コイル７及び内側コイル７１とが干渉することから、コイル径方向の長さを長くすることは困難であるが、締結孔１４が設けられていないティース６１２では、締結孔１４がない分、コイル径方向の長さを長くすることが可能である。

このため、締結孔１４がないティース６１２では、外側コイル７２の径方向の長さＣＬ１を、締結孔１４があるティース６１１の外側コイル７２の径方向の長さＣＬ２よりも長くしている。すなわち、径方向における巻数長さを長くする。また、内側コイル７１に関しても同様に、径方向における巻数長さを長くする。

このように、締結孔１４は、ステータコイル７０の各相コイルに対して同数となるように、ステータ５の周方向において等間隔に配置されているので、トルクリップルの発生を抑制することができる。また、第１の実施形態に対して、締結孔１４がないティース６１２のコイル断面積を、締結孔１４があるティース６１１のコイル断面積よりも大きくできるので、ステータコイル７０の巻線抵抗を低減することができ、トルクを向上することができる。

なお、第２の実施形態では、磁極が８個である場合について説明したが、これは一例であり、回転電機１の仕様により適宜変更が可能である。例えば、磁極が５個である場合、締結孔を３個のティースおきに配置する。この場合、各相コイルに対して１個の締結孔が配置されることになり、締結孔１４は均等間隔で、各相コイルに対して同数個配置される。

１回転電機、２，５ステータ、３内側ロータ、４外側ロータ、１０，６０ステータコア、１１，５０，６１ティース、１２，６２連結ヨーク、１３固定部、１４，５２締結孔、２０，７０ステータコイル、２１，７１内側コイル、２２，７２外側コイル、３０インナーロータコア、３１，４１永久磁石、４０アウターロータコア、５１センターヨーク、Ｆ１，Ｆ２磁束。

Claims

円環状に配置された複数のティースと、隣接する前記ティースを周方向に互いに連結する連結ヨークと、前記ティースに巻装された三相コイルとを含むステータと、
前記ステータの内周側に配置された内側ロータと、
前記ステータの外周側に配置された外側ロータと、
を備えた回転電機であって、
前記連結ヨークの前記ティースに接続する付け根部分に、前記ティースの周方向の一側面から突出している固定部が設けられ、
前記固定部に、前記ステータを前記回転電機のケースに締結固定する締結孔が設けられ、
前記締結孔は、各相コイルに対して同数となるように、前記周方向において等間隔に配置されている、
ことを特徴とする回転電機。