JP2010206861A - 回転電機 - Google Patents
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Abstract
【課題】磁気抵抗を低減でき、磁束を向上させることのできる回転電機を提供する。
【解決手段】磁極数が異なる2つのロータを有し、それぞれのロータを独立に駆動する回転電機において、前記2つのロータのうち前記磁極数が多い方のロータは、N極磁石とS極磁石のうち一方の磁石の容積に対して他方の磁石の容積が小さい。
【選択図】図3
【解決手段】磁極数が異なる2つのロータを有し、それぞれのロータを独立に駆動する回転電機において、前記2つのロータのうち前記磁極数が多い方のロータは、N極磁石とS極磁石のうち一方の磁石の容積に対して他方の磁石の容積が小さい。
【選択図】図3
Description
本発明は、磁極数が異なる2つのロータを有し、それぞれのロータを独立に駆動する回転電機に関するものである。
2つの異なる磁極数のロータをもち、それぞれのロータを独立に駆動する回転電機が知られている。上記回転電機において、インナーロータに同期した磁束は、アウター永久磁石の外側をヨーク部として使用してインナー磁気回路を形成する。また、アウターロータに同期した磁束は、インナー永久磁石の外側表面をヨーク部として使用してアウター磁気回路を形成する。さらに、インナー磁気回路をアウターロータの横軸磁気回路として併用するとともに、アウター磁気回路をインナーロータの横軸磁気回路として併用する。そのような回転電機は、例えば、特許文献1により知られている。
上記回転電機においては、アウターロータとインナーロータとで磁石の極数を異ならせているが、極数の多い側のロータをヨークとして使いにくく、磁気抵抗が増加し、磁束が低下するといった問題点があった。
本発明の回転電機は、磁極数が異なる2つのロータを有し、それぞれのロータを独立に駆動する回転電機に関する。上記回転電機において、磁極数が多い方のロータを、N極磁石とS極磁石のうち一方の磁石の容積に対して他方の磁石の容積が小さく構成する。
本発明によれば、多極側のロータのN極とS極の磁石のうち、一方の磁石の容積に対して他方の磁石の容積が小さく構成することで、磁気抵抗が低減し、磁束が向上できる。
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は本発明の回転電機として好適に用い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の全体図である。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。
図1は本発明の回転電機として好適に用い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の全体図である。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る。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、この発明の回転電機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T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ピースを具える。個々のステータピースには、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ピ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間にボルト119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。なお、樹脂120内には隣り合うステータピース116間において冷却液通路141を軸線方向に形成し、上記したボルト119はその冷却液通路141の半径方向内方および外方にそれぞれ位置させる。ここで、各ボルト119はそれに螺合したナット119aによって締め上げられる。このボルト・ナットによる締め上げ構造をリベットピンによる締め上げ構造としても良いことはいうまでもない。
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、ステータ101、インナーロータ102及びアウターロータ103の間における磁気回路に特徴を有する本発明の回転電機の第1実施例〜第3実施例について説明する。
<第1実施例について>
図3は本発明に係る回転電機の第1実施例の一例を説明するための図である。図3に示す例には、インナーロータ201、アウターロータ211、ステータ221からなる回転電機を示している。インナーロータ201は、インナー永久磁石202、インナー電磁鋼板203及びシャフト204から構成されている。また、図中の205は、インナーロータ201とステータ221との間のステータエアーギャップを示している。アウターロータ211は、アウター永久磁石212、アウター電磁鋼板213及びアウターシェル214から構成されている。また、図中215は、アウターロータ211とステータ221との間のステータエアーギャップを示している。ステータ221は、ティース222、ステータを支えるための部材223及びステータティース222に巻回された電機子コイル224から構成されている。なお、本例では、アウター永久磁石212の両端に、ステータエアーギャップ215まで達する空気層231を設けている。また、アウター永久磁石212に対応する空気層231の間は磁性体232から構成されている。
図3は本発明に係る回転電機の第1実施例の一例を説明するための図である。図3に示す例には、インナーロータ201、アウターロータ211、ステータ221からなる回転電機を示している。インナーロータ201は、インナー永久磁石202、インナー電磁鋼板203及びシャフト204から構成されている。また、図中の205は、インナーロータ201とステータ221との間のステータエアーギャップを示している。アウターロータ211は、アウター永久磁石212、アウター電磁鋼板213及びアウターシェル214から構成されている。また、図中215は、アウターロータ211とステータ221との間のステータエアーギャップを示している。ステータ221は、ティース222、ステータを支えるための部材223及びステータティース222に巻回された電機子コイル224から構成されている。なお、本例では、アウター永久磁石212の両端に、ステータエアーギャップ215まで達する空気層231を設けている。また、アウター永久磁石212に対応する空気層231の間は磁性体232から構成されている。
本発明の回転電機の特徴は、インナーロータおよびアウターロータの2つのロータのうち磁極数(N極とS極の総数)が多い方のロータを、N極磁石(ロータとステータとのギャップに対してN極が対向する磁石)とS極磁石(ロータとステータとのギャップに対してS極が対向する磁石)のうち一方の磁石に対して他方の磁石の容積が小さくなるよう構成する点にある。
図3に示す例においては、インナーロータ201およびアウターロータ211の2つのロータの磁石数は12個ずつで同じである。しかし、インナーロータ201ではV字形状に配置した2つの磁石で1極を構成するため、インナーロータ201における磁極数は6となり、アウターロータ211における磁極数は12となる。そのため、本発明では、インナーロータ201およびアウターロータ211の2つのロータのうち磁極数が多いアウターロータ211において、N極磁石212Nの図3に示す断面においてラジアル方向の厚みを、S極磁石212Sの同様の厚みよりも薄く構成している。これにより、N極磁石212Nの容積がS極磁石212Sの容積よりも小さくなるよう構成している。上述した構造によれば、後述するように、磁気抵抗が低減し、磁束が向上する。
図4は図3に示す回転電機における磁気回路構造の一例を説明するための図である。図4に示す例において、図3に示す部材と同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。
図4に示す例において、磁束1は、インナーロータ201に同期した磁束を示している。ここで、磁束1は、一対のN極及びS極をなすインナー永久磁石202のうちN極をなすインナー永久磁石202から出て、アウター永久磁石212の間を通過して、アウター永久磁石212の外側を通り、S極をなすインナー永久磁石202に返る磁束を示している。即ち、磁束1は、アウターロータ211を構成するアウター永久磁石212の外側が、インナー磁束の磁気回路におけるヨーク部として作用するインナー磁気回路を構成している。また、磁束1で示されるインナー磁気回路は、アウターロータ211に同期した磁束のうち横軸(q軸)磁気回路としても使用されており、アウター永久磁石212の間が大きいために横軸磁気抵抗が小さく、リラクタンストルクが発生できる機構であることがわかる。
同様に、図4に示す例において、磁束2は、アウターロータ211に同期した磁束を示している。ここで、磁束2は、個々にN極とS極を有する隣接するアウター永久磁石212のうち一方のアウター永久磁石212のN極から出て、インナー永久磁石202の外側表面を通過して、他方のアウター永久磁石212のS極に返る磁束を示している。即ち、磁束2は、インナーロータ201を構成するインナー永久磁石202の外側表面が、アウター磁束の磁気回路のヨーク部として作用するアウター磁気回路を構成している。また、磁束2で示されるアウター磁気回路は、インナーロータ201に同期した磁束のうち横軸(q軸)磁気回路としても使用されており、インナー永久磁石202の外側表面が広いために横軸磁気抵抗が小さく、リラクタンストルクが発生できる機構であることがわかる。
上述したように、図3に示す本発明の回転電機では、多極側のロータのN極とS極の磁石のうち、片側の磁石の1極分の厚みを減少させることにより、磁気抵抗が低減し、磁束を向上させることができる。また、極数の多いアウター側のロータのN極とS極の磁石のうち、片側の磁石の1極分の厚みを減少させることにより、内外径差が小さい場合でもヨーク面積を増すことができ、磁気抵抗が低減し、磁束を向上させることができる。なお、図4に示す各磁束はある瞬間のものである。
図5は本発明に係る回転電機の第1実施例の一例を示す概念図である。図5に示す例は、図3に示した例と同じ断面において、アウターロータ211、ステータ221、インナーロータ201がそれぞれ直線となるよう展開した図の一部分を示している。図5に示す例では、アウターロータ211を、N極磁石212NとS極磁石212Sとを連続して交互に設けるとともに、S極磁石212Sの厚みをN極磁石212Nの厚みよりも薄くして構成している。また、ステータ221を、三相交流のU相、V相、W相のそれぞれと対応するステータコアを連続配置して構成している。ステータコアはステータピースに電磁コイルを巻回して構成される。さらに、インナーロータ201を、同じ厚さのN極磁石202NとS極磁石202Sとを連続して設けて構成している。
図5に示す例でも、多極側のロータのN極とS極の磁石のうち、片側の磁石の1極分の厚みを減少させることにより、磁気抵抗が低減し、磁束を向上させることができる。また、極数の多いアウター側のロータのN極とS極の磁石のうち、片側の磁石の1極分の厚みを減少させることにより、内外径差が小さい場合でもヨーク面積を増すことができ、磁気抵抗が低減し、磁束を向上させることができる。
図6(a)、(b)はそれぞれ図5に示す例における磁束1および磁束2の効果を説明するための図である。図6(a)、(b)に示す例では、図5に示すように磁束1および磁束2を発生させた例において、(1)一方の極の厚みと他方の極の厚みとが同じ場合、(2)一方の極の厚みに対して他方の極の厚みを薄くした場合、(3)一方の極の厚みに対して他方の極の厚みを(2)より更に薄くした場合、のそれぞれに対し、図5に示すステータティースを左側からNo.1〜6としたときの各位置でも磁束量を示している。図6(a)に磁束2による磁束量を示し、図6(b)に磁束1による磁束量を示している。図6(a)、(b)から、図5に示す本発明の回転電機における、アウターロータ221のS極磁石212Sの厚みを薄くした場合の磁束量増加の効果がわかる。
<第2実施例について>
図7は本発明に係る回転電機の第2実施例の一例を示す概念図である。表示の仕方は図5に示す例と同じである。図7に示す例では、磁極数の多いアウターロータ211において、S極磁石212Sの幅をN極磁石212Nの幅より狭く構成している。これにより、S極磁石212Sの容積をN極磁石212Nの容積より小さくしている。
図7は本発明に係る回転電機の第2実施例の一例を示す概念図である。表示の仕方は図5に示す例と同じである。図7に示す例では、磁極数の多いアウターロータ211において、S極磁石212Sの幅をN極磁石212Nの幅より狭く構成している。これにより、S極磁石212Sの容積をN極磁石212Nの容積より小さくしている。
図7に示す例では、アウターロータ211を、N極磁石212NとS極磁石212Sとを交互に設けるとともに、S極磁石212Sの幅をN極磁石212Nの幅より狭くして構成している。また、ステータ221を、三相交流のU相、V相、W相のそれぞれと対応するステータコアを連続配置して構成している。ステータコアはステータピースに電磁コイルを巻回して構成される。さらに、インナーロータ201を、同じ厚さのN極磁石202NとS極磁石202Sとを連続して設けて構成している。
図7に示す例では、多極側のロータのN極とS極の磁石のうち、片側の磁石の1極分の幅を減少させることにより、磁気抵抗が低減し、磁束を向上させることができる。また、極数の多いアウター側のロータのN極とS極の磁石のうち、片側の磁石の1極分の幅を減少させることにより、内外径差が小さい場合でもヨーク面積を増すことができ、磁気抵抗が低減し、磁束を向上させることができる。
<第3実施例について>
図8は本発明に係る回転電機の第3実施例の一例を示す概念図である。図8に示す例では、設計段階において磁極数の多いアウターロータ211において、S極磁石212Sを除き、N極磁石212Nの単極化として構成している。これにより、S極磁石212Sの容積をN極磁石212Nの容積より小さくしている。
図8は本発明に係る回転電機の第3実施例の一例を示す概念図である。図8に示す例では、設計段階において磁極数の多いアウターロータ211において、S極磁石212Sを除き、N極磁石212Nの単極化として構成している。これにより、S極磁石212Sの容積をN極磁石212Nの容積より小さくしている。
図8に示す例では、アウターロータ211を、本来ならばS極磁石212Sが存在していた位置を空間として、N極磁石212Nを順に配置して構成している。また、ステータ221を、三相交流のU相、V相、W相のそれぞれと対応するステータコアを連続配置して構成している。ステータコアはステータピースに電磁コイルを巻回して構成される。さらに、インナーロータ201を、同じ厚さのN極磁石202NとS極磁石202Sとを連続して設けて構成している。
図8に示す例では、設計段階において多極側のロータのN極とS極の磁石のうち、一極を削除して単極とすることで、磁気抵抗が低減し、磁束を向上させることができる。また、単極化することで、内外径差が小さい場合でもヨーク面積を増すことができ、磁気抵抗が低減し、磁束を向上させることができる。さらに、第2実施例によれば、アウターロータを単極化した場合は、耐減磁のためにトルク性能の必要以上に磁石厚がある場合でもアウターロータの磁束低下の影響は小さいため、単極化によりコスト低減が可能となる。
図8に示す第3実施例の効果を補足すると以下の通りである。まず、磁極数の少ないロータ側は、V字配置などで磁気抵抗の低減が可能だが、極数の多い側はヨークとして使いにくい。また、アウターロータの径は薄くする必要があるためヨーク部がとりにくい。さらに、本発明の対象となる回転電機では、減磁界が大きいため、磁石が必要以上に厚くなっている場合がある。そのため、単極としても磁束の大きな減少はない。以上の前提のもと、図8に示す第2実施例では、磁極数の多い多極側のロータをN極かS極かの一極に単極化することにより、片側ロータの磁気抵抗を低減することができる。
本発明の回転電機は、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、磁気抵抗を低減させ、磁束の向上を達成しようとする用途に好適に用いることができる。
101 ステータ
102 インナーロータ
103 アウターロータ
201 インナーロータ
202 インナー永久磁石
202N N極磁石
202S S極磁石
203 インナー電磁鋼板
204 シャフト
205 エアギャップ
211 アウターロータ
212 アウター永久磁石
212N N極磁石
212S S極磁石
213 アウター電磁鋼板
214 アウターシェル
215 エアギャップ
221 ステータ
222 ステータティース
223 ステータを支える部材
224 電機子コイル
231 空気層
232 磁性体
102 インナーロータ
103 アウターロータ
201 インナーロータ
202 インナー永久磁石
202N N極磁石
202S S極磁石
203 インナー電磁鋼板
204 シャフト
205 エアギャップ
211 アウターロータ
212 アウター永久磁石
212N N極磁石
212S S極磁石
213 アウター電磁鋼板
214 アウターシェル
215 エアギャップ
221 ステータ
222 ステータティース
223 ステータを支える部材
224 電機子コイル
231 空気層
232 磁性体
Claims (5)
- 磁極数が異なる2つのロータを有し、それぞれのロータを独立に駆動する回転電機において、前記2つのロータのうち前記磁極数が多い方のロータは、N極磁石とS極磁石のうち一方の磁石の容積に対して他方の磁石の容積が小さいことを特徴とする回転電機。
- 請求項1に記載の回転電機において、前記磁極数の多い方のロータは、前記一方の磁石の厚みに対して前記他方の磁石の厚みが薄いことを特徴とする回転電機。
- 請求項1または2に記載の回転電機において、前記磁極数が多い方のロータは、前記一方の磁石の幅に対して前記他方の磁石の幅が狭いことを特徴とする回転電機。
- 請求項1に記載の回転電機において、前記2つのロータのうち前記磁極数の多い方のロータは、N極磁石とS極磁石のうちの一方の磁石のみを有することを特徴とする回転電機。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載の回転電機において、前記磁極数が多い方のロータは、インナーロータとアウターロータとのうち、アウターロータであることを特徴とする回転電機。
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---|---|---|---|
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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Country | Link |
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JP (1) | JP2010206861A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2013073274A1 (ja) * | 2011-11-16 | 2013-05-23 | 株式会社小松製作所 | 電動機 |
WO2013084556A1 (ja) * | 2011-12-06 | 2013-06-13 | 株式会社小松製作所 | 電動機 |
-
2009
- 2009-02-27 JP JP2009046420A patent/JP2010206861A/ja active Pending
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