JP3716808B2 - 回転電機 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転電機に関し、特に、周方向に複数の永久磁石を具えるインナーロータとアウターロータの2つのロータを、1つのステータを挟んで同軸に配置し、前記ステータのコイルへ供給される複合電流で駆動される回転電機に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の2つのロータを同軸に配置する回転電機としては、特開平11−356015号公報に記載のものが提案されている。
【0003】
これは、同一の軸上で極数の異なる2つのロータを1つのステータの内側と外側にそれぞれ配置すると共に、前記ステータに単一のコイルを形成し、この単一のコイルに前記ロータの数と同数の回転磁場が発生するように複合電流を流すようにしたものであり、この回転電機のステータのステータコアとしては、例えば、図10に示すようなものが考えられている。
【0004】
図9に示すように、このステータコア100は、磁束が通る磁気回路を形成する所定の形状の複数のステータピース11を放射上に円周上等分に所定の空隙12を置いて配置して形成されている。各々のステータピース11は、複数のステータ鋼板を積層して形成される。このステータコア100には、隣接するステータピース間に、コイル挿入用の複数の溝(スロット)13と、ステータコア固定ボルト挿入用の複数のボルト穴14とが設けられている。ステータは、これら複数のステータピース11の周囲にコイルを巻装し(つまり、スロット13にコイルを挿入して)、ステータコア100を軸方向のステータコア両サイドに置かれたブラケットにより挟み込み、ステータピース間のボルト穴14に挿入された磁性体のボルトで前記ブラケットを押さえ込むことでステータコア100とブラケット間に発生する摩擦力によりステータコア100を固定して完成される。1つしかロータを持たない回転電機においては、ステータピース間は結合されているのが通常であるが、2個のロータを複合電流で制御するためには、インナーロータの漏れ磁束を防ぐために、隣接するステータピースの間に間隙を設けなければならなかった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の回転電機におけるステータでは、回転電機の出力が大きくなると、個々のステータピースを動かそうとする力が働くため、すべてのステータピースを固定するために、ブラケットとステータコア間の要求面圧が高くなり、ボルトの締め付けトルクが大きくなるためにボルトの径を太くしなければならないという問題があった。
【0006】
本発明は、このような問題を解決するために、ボルトの径を太くせずにステータコアの保持が可能なステータ構造を有する回転電機を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の第1発明は、周方向に複数の永久磁石を具えるインナーロータとアウターロータの2つのロータを、1つのステータを挟んで同軸に配置し、前記ステータのコイルへ供給される複合電流で駆動される回転電機において、前記ステータのコアは、各々1つのコイルが巻かれる複数のステータピースに分割されており、前記ステータピースは、半径方向にコイルエリアを挟んでインナーロータ側及びアウターロータ側にヨークを有し、隣り合ったステータピースは、アウターロータ側ヨーク間において空隙部を有し、インナーロータ側ヨーク間において接触部と空隙部とを有する特徴とする。
【0008】
請求項2に記載の第2発明は、第1発明において、隣り合った前記ステータピースのインナーロータ側ヨーク間の接触部と空隙部は、接触部を空隙部よりもアウターロータ側に配置したことを特徴とする。
【0009】
請求項3に記載の第3発明は、第2発明において、前記ステータピースのインナーロータ側ヨークにおける空隙部に挟まれた部分の円周方向長さが、前記ステータピースのコイルエリアに挟まれた部分の円周方向長さ以上になるように決定されることを特徴とする。
【0010】
請求項4に記載の第4発明は、第1発明において、前記ステータピースのインナーロータ側ヨークにおいて、インナーロータ寄り、アウターロータ寄りに2つの前記接触部を持ち、これらの接触部の中間に前記空隙部を持つことを特徴とする。
【0011】
請求項5に記載の第5発明は、第4発明において、前記ステータピースのインナーロータ側ヨークにおける空隙部に挟まれた部分の円周方向長さが、前記ステータピースのコイルエリアに挟まれた部分の円周方向長さ以上になるように決定されることを特徴とする。
【0012】
請求項6に記載の第6発明は、第4発明において、前記空隙部は、円状であり、内部をステータ締結用の非磁性材からなるボルトが通過することを特徴とする。
【0013】
請求項7に記載の第7発明は、第1発明において、隣り合った前記ステータピースのインナーロータ側ヨーク間において、インナーロータ側、アウターロータ側に2つの前記空隙部を持ち、その中間に前記接触部を持つことを特徴とする。
【0014】
請求項8に記載の第8発明は、第7発明において、前記ステータピースのインナーロータ側ヨークにおける空隙部に挟まれた部分の円周方向長さが、前記ステータピースのコイルエリアに挟まれた部分の円周方向長さ以上になるように決定されることを特徴とする。
【0015】
請求項9に記載の第9発明は、第7発明において、前記接触部中央にステータ締結用のボルト穴を設け、そのボルト穴内に磁性材のボルトを通すことを特徴とする。
【0016】
請求項10に記載の第10発明は、第1ないし第9発明において、隣り合う前記ステータピースが前記接触部において一体となっていることを特徴とする。
【0017】
【発明の効果】
第1発明によれば、隣接するステータピースのインナーロータ側ヨーク間に空隙部と接触部を設け、これらの位置と半径方向長さを適切に選択すれば、インナーロータから見た磁場抵抗Riと、アウターロータから見た磁場抵抗Roが適切になり、インナーロータの漏れ磁束を減少し、アウターロータの主磁束を通過させることができる。さらに、隣接するステータピースは接触部において接触しているために、従来の分離されていたステータコアと比べて周方向の剛性が増すために、回転電機のトルクが大きくなってもボルトの径を大きくせずにステータを保持することができる。
【0018】
第2発明によれば、内側に(すなわちよりインナーロータ寄りに)空隙部、空隙部の外側に(すなわちよりアウターロータ寄りに)接触部を設けることで、ステータコアの剛性を増しつつ、インナーロータの漏れ磁束は空隙部によって妨げられ、アウターロータの主磁束は接触部を通過することができる。
【0019】
ステータの有効断面積はステータピースの円周方向長さの一番小さい部分で決定されるため、第3発明によれば、円周方向長さの一番小さい部分は予め決まっているコイルエリアによって挟まれた部分になるためステータの有効断面積が減少せず、ステータの鎖交可能磁束数を減らすことなくステータコアの剛性を増すことができる。
【0020】
第4発明によれば、ロータが発生するトルク反力を受けるステータピースのインナーロータ側先端において隣のステータピースと接触できるので、ステータ全体の剛性をさらに上げることができる。
【0021】
ステータの有効断面積はステータピースの円周方向長さの一番小さい部分で決定されるため、第5発明によれば、円周方向長さの一番小さい部分は予め決まっているコイルエリアによって挟まれた部分になるためステータの有効断面積が減少せず、ステータの鎖交可能磁束数を減らすことなくステータコアの剛性を増すことができる。
【0022】
第6発明によれば、空隙部内に非磁性体の締結用ボルトを通過させることにより、別途ボルト用の穴を設ける必要がなくなり、ステータコアの剛性を増しつつ、ステータの小型化が可能である。インナーロータの漏れ磁束を防ぐ空隙部の作用は、非磁性体ボルトによっては妨げられない。
【0023】
第7発明によれば、インナーロータ側ヨークのインナーロータ側に設けられた空隙部により、インナーロータの漏れ磁束を防ぎ、アウターロータ側に設けられた空隙部により、ステータコイルの漏れ磁束を防ぎ、中間の接触部によりアウターロータの主磁束を通過させることができるので、ステータコアの剛性を増しつつ、漏れ磁束を防ぎながら両ロータのトルクを所望の値に設定することが可能である。また、アウターロータ側の空隙部は、コイルエリアと同一構成にしても同様な効果が得られる。
【0024】
ステータの有効断面積はステータピースの円周方向長さの一番小さい部分で決定されるため、第8発明によれば、円周方向長さの一番小さい部分は予め決まっているコイルエリアによって挟まれた部分になるためステータの有効断面積が減少せず、ステータの鎖交可能磁束数を減らすことなくステータコアの剛性を増すことができる。
【0025】
第9発明によれば、アウターロータの主磁束は結合部を通らなければならないが、ここにボルト穴を開けても磁性材のボルトがあることによってボルト内をアウターロータの主磁束が通過することができる。したがって結合部の長さをボルト穴分だけ延長する必要がなく、ステータコアの剛性を増しつつ、ステータの小型化が可能になる。
【0026】
第10発明によれば、ステータコアを、すべてのステータピースを結合した、ステータ鋼板の積層体として構成することができるため、周方向の剛性をより一層向上させることができる。
【0027】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を実施例によって、図面の参照と共に詳細に説明する。すべての図面において、同じ参照符は同様の要素を示す。図1は、本発明による回転電機の構成を示す断面図である。本回転電機は、インナーロータシャフト9の中心軸線(回転電機の中心軸線でもある)C上に、同心円状に、内側から、インナーロータシャフト9に取り付けられたインナーロータ7、ステータ1、アウターロータシャフト10に取り付けられたアウターロータ8の順で配置された多重ロータ構造を成し、アウターロータ8とインナーロータ7との2つのロータ間に位置するステータ1は、ステータコア2と、ステータコア2を軸方向両側から挟み込んで支持するブラケット5とを具える。ボルト6は、ブラケット5とステータコア2に設けられた穴を貫通し、これらの部材を固定することにより、ステータ1を形成している。
【0028】
図9の参照と共に説明したように、従来、2個のロータを複合電流で制御するためには、インナーロータの漏れ磁束を防ぐために、隣接するステータピースの間に間隙を設けなければならなかったため、ステータピースの固定に関する問題があった。ステータピースのコイルエリアよりインナーロータ側をすべて接触させてしまうと、インナーロータの漏れ磁束の問題が生じてしまうため、一部のみを接触させることで、ステータピースの固定に関する問題とインナーロータの漏れ磁束の問題の双方を解決したのが、本発明である。
【0029】
図2は、本発明による回転電機の第1実施例における図1において示すステータコア2を軸方向からみた図である。ステータコア2は、円周方向に複数のステータピース20に分割されている。各々のステータピースは、複数枚のステータ鋼板を積層して形成される。図3は、図2の一部を拡大した図である。この図に示すように、各々のステータピースは、ボルト穴24と、半径方向にコイルエリア21を挟んで周方向に張り出したアウターロータ側ヨーク27とインナーロータ側ヨーク26とを有する。ボルト穴24を通るボルトは、ステータピース20とクリアランスなく配置される。インナーロータ側ヨーク26において、空隙部22と、隣のステータピースと接触する接触部23とを設ける。インナーロータとアウターロータのトルク特性は、図3中のインナーロータ側ヨーク26の半径方向長さaおよび空隙部22の半径方向長さcによって決定される。図4は、cと各ロータのトルクとの関係を示すグラフである。cを長くすれば、インナーロータ側のトルクが増え、cを短くすれば、アウターロータ側のトルクが増える。具体的には、cを長くすることで、インナーロータから見た空隙部の磁気抵抗Riが増え、インナーロータの漏れ磁束が低減し、ステータに効率よく鎖交することになり、インナーロータのトルクが増加する。また、アウターロータから見た磁気抵抗Roも、cを長くすることで増加する。Roが増えることで、アウターロータの鎖交磁束数が減少するので、アウターロータトルクは減少する。つまり、aに対するcの長さで両ロータのトルク、すなわち磁気抵抗を変化させ、両ロータのトルクを所望の値に設計できる。
【0030】
また、空隙の半径方向長さbを、空隙に挟まれる部分の半径方向長さeがステータピース幅dに対してd≦eとなるように決定する。これは、d>eの場合には、eの長さによってステータの有効断面積が決定され、dをいくら長くしても磁束密度が減少せず、鎖交可能磁束数が増えないからである。
【0031】
図5は、本発明による回転電機の第2実施例におけるステータコアを軸方向から見た拡大図である。本実施例では、空隙部22を、図のように中央部に設ける。この場合、空隙部22に重ねてボルト穴24を形成する。ここを通るボルトは、ステータピースとクリアランスを有して配置されるか、非磁性体であり、空隙部の効果を妨げないようにする。この場合、インナーロータ側から空隙部22までの長さaと、空隙部22のは径方向長さbと、空隙部22からコイルエリア21までの長さcとにより、インナーロータ及びアウターロータのトルクが調節される。図6は、a、b及びcとアウターロータトルクとの関係を示すグラフである。具体的には、bを増加させた場合には、インナーロータのトルクが増加し、アウターロータのトルクが減少する。また、aとcの比を調節することで、bに対するトルクの変化量を変えることができる。例えば、a<cの場合には、bを大きくしてもアウターロータのトルクの減少は少ない。また、空隙部22の形状は、本発明による回転電機の第3実施例におけるステータコアを軸方向から見た拡大図である図7に示すように円状でもかまわない。円状の場合は、空隙部22内に非磁性材のステータ締結用ボルトを通すこともできる。この場合、別途ボルト用の穴を設ける必要がなくなり、ステータのさらなる小型化が可能になる。また、これらの第2実施例及び第3実施例においては、ロータが発生するトルク反力を受けるステータピースのインナーロータ側先端において隣のステータピースと接触しているため、ステータ全体の剛性をさらに上げることができる。
【0032】
図8は、本発明による回転電機の第4実施例におけるステータコアを軸方向から見た拡大図である。本実施例では、インナーロータ側、コイルエリア側両方に空隙部22a及び22bを設け、その中間の接触部23を隣のステータピースの接触部と接触する。この場合は、インナーロータ側の空隙部22aの半径方向長さaと、コイルエリア側の空隙部22bの半径方向長さcと、接触部23の半径方向長さbとにより、アウターロータとインナーロータのトルクが調整される。空隙部22aと22bの幅は、両者で異なってもよいが、実施例1で示したように、ステータピースの幅dを妨げないように設定する必要がある。インナーロータのトルクは、aの長さで支配的に決まる。具体的には、実施例1と同様に、aを長くすれば、インナーロータのトルクが増加する。一方、アウターロータのトルクは、bの長さで支配的に定まる。また、接触部23において設けたボルト穴24に磁性材のボルトを通すことによって、磁気的に結合してもよい。この場合、結合部に磁性材のボルトがあることによって、ボルト内をアウターロータの主磁束が通過することで、さらなるステータの小型化が可能になる。
【0033】
以上説明した実施例では、ステータピースは別個の部材であり、隣り合うステータピースは接触部において接触しているだけであるが、すべてのステータピースが接触部において一体となるように構成してもよい。このようにすれば、ステータコア全体の剛性を、より向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明による回転電機の構成を示す断面図である。
【図2】 本発明による回転電機の第1実施例におけるステータコアを示す図である。
【図3】 本発明による回転電機の第1実施例におけるステータコアの拡大図である。
【図4】 第1実施例におけるcと各ロータのトルクとの関係を示すグラフである。
【図5】 本発明による回転電機の第2実施例におけるステータコアの拡大図である。
【図6】 第2実施例におけるa、b及びcとアウターロータトルクとの関係を示すグラフである。
【図7】 本発明による回転電機の第3実施例におけるステータコアの拡大図である。
【図8】 本発明による回転電機の第4実施例におけるステータコアの拡大図である。
【図9】 従来のステータコアを示す図である。
【符号の説明】
1 ステータ
2 ステータコア
5 ブラケット
6 ボルト
7 インナーロータ
8 アウターロータ
9 インナーロータシャフト
10 アウターロータシャフト
20 ステータピース
21 ステータコイルエリア
22、22a、22b 空隙部
23 接触部
24 ボルト穴
26 インナーロータ側ヨーク
27 アウターロータ側ヨーク
Claims (10)
- 周方向に複数の永久磁石を具えるインナーロータとアウターロータの2つのロータを、1つのステータを挟んで同軸に配置し、前記ステータのコイルへ供給される複合電流で駆動される回転電機において、前記ステータのコアは、各々1つのコイルが巻かれる複数のステータピースに分割されており、前記ステータピースは、半径方向にコイルエリアを挟んでインナーロータ側及びアウターロータ側にヨークを有し、隣り合ったステータピースは、アウターロータ側ヨーク間において空隙部を有し、インナーロータ側ヨーク間において接触部と空隙部とを有する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、隣り合った前記ステータピースのインナーロータ側ヨーク間の接触部と空隙部は、接触部を空隙部よりもアウターロータ側に配置したことを特徴とする回転電機。
- 請求項2に記載の回転電機において、前記ステータピースのインナーロータ側ヨークにおける空隙部に挟まれた部分の円周方向長さが、前記ステータピースのコイルエリアに挟まれた部分の円周方向長さ以上になるように決定される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、前記ステータピースのインナーロータ側ヨークにおいて、インナーロータ寄り、アウターロータ寄りに2つの前記接触部を持ち、これらの接触部の中間に前記空隙部を持つことを特徴とする回転電機。
- 請求項4に記載の回転電機において、前記ステータピースのインナーロータ側ヨークにおける空隙部に挟まれた部分の円周方向長さが、前記ステータピースのコイルエリアに挟まれた部分の円周方向長さ以上になるように決定されることを特徴とする回転電機。
- 請求項4に記載の回転電機において、前記空隙部は、円状であり、内部をステータ締結用の非磁性材からなるボルトが通過する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、隣り合った前記ステータピースのインナーロータ側ヨーク間において、インナーロータ側、アウターロータ側に2つの前記空隙部を持ち、その中間に前記接触部を持つことを特徴とする回転電機。
- 請求項7に記載の回転電機において、前記ステータピースのインナーロータ側ヨークにおける空隙部に挟まれた部分の円周方向長さが、前記ステータピースのコイルエリアに挟まれた部分の円周方向長さ以上になるように決定されることを特徴とする回転電機。
- 請求項7に記載の回転電機において、前記接触部中央にステータ締結用のボルト穴を設け、そのボルト穴内に磁性材のボルトを通すことを特徴とする回転電機。
- 請求項1ないし9のいずれか1項に記載の回転電機において、隣り合う前記ステータピースが前記接触部において一体となっていることを特徴とする回転電機。
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