特許 6201405 回転電機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6201405

(24)【登録日】2017年9月8日

(45)【発行日】2017年9月27日

(54)【発明の名称】回転電機

(51)【国際特許分類】

   H02K 21/12 20060101AFI20170914BHJP

【ＦＩ】

   H02K21/12 M

【請求項の数】2

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2013-97443(P2013-97443)

(22)【出願日】2013年5月7日

(65)【公開番号】特開2014-220884(P2014-220884A)

(43)【公開日】2014年11月20日

【審査請求日】2016年4月18日

(73)【特許権者】

【識別番号】000001247

【氏名又は名称】株式会社ジェイテクト

(72)【発明者】

【氏名】柴田 由之

【審査官】 ▲桑▼原 恭雄

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１３／０４７０７６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００８−２５９２８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２６０９７０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｋ ２１／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転軸に同軸に固着された有底円筒形状のロータと、
前記ロータの外周面との間に径方向に間隔を空けて対向して配置され、環状の第１ステータコアの複数の第１ティース部が径方向内側に延出し、前記各第１ティース部に第１コイルが巻回されてハウジング内に固定された第１ステータと、
前記ロータの内周面との間に径方向に間隔を空けて対向して配置され、環状の第２ステータコアの複数の第２ティース部が径方向外側に延出し、前記各第２ティース部に第２コイルが巻回されて前記ハウジング内に固定された第２ステータと、を備え、
前記第１コイルおよび前記第２コイルは、それぞれ同じ位相で通電される、または、位相をずらして通電され、
前記第１ステータは、前記第２ステータより大きなトルク定数を有するとともに、前記第１ステータにより前記ロータを回転させ、前記第２ステータに通電することより前記第１ステータと前記ロータとの間を通過する磁束を調整し前記ロータ磁束のうち、前記第１ステータとの鎖交磁束数を増減させることを特徴とする回転電機。

【請求項2】

請求項１に記載の回転電機において、
前記ロータは、前記回転軸に一体回転可能に固定されたロータコアと、
前記ロータコア内に周方向に間隔を空け、断面形状の長手方向が径方向に対して平行となるように放射状に配置され埋め込まれて固定されるとともに、周方向において異なる磁極の極性が交互に並ぶように磁化された複数の永久磁石と、を備えることを特徴とする回転電機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、回転電機に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、回転電機には、ロータコアに永久磁石を埋め込んだ状態で固定した、いわゆる埋込磁石型のロータを備えたものがある（例えば、特許文献１参照）。こうした埋込磁石型のロータを備えた回転電機（ＩＰＭモータ）では、永久磁石によるマグネットトルクのみならず、リラクタンストルクが発生するため、ロータコアの表面に永久磁石を固定した、いわゆる表面磁石型のロータを備えるものに比べ、高いトルクを得られるといった利点がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１０−２３３３４６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、上記のようなロータに永久磁石を設けた回転電機では、永久磁石で作られる磁束が略一定であることから、電源電圧が一定の条件においては、ステータのコイルに発生する誘起電圧（逆起電圧）はロータの回転速度に比例して大きくなる。そして、この誘起電圧が電源電圧の上限に達すると、それ以上ロータを高速で回転させることができなくなる。そこで、高速回転させることが要求される用途では、永久磁石で作られる磁束の量をロータが十分に高速回転できるような量に抑える設計とすることが考えられるが、この場合には低速回転域で十分に高いトルクを得ることができなくなるため、その改善が求められていた。

【0005】

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、高速回転可能かつ低速回転域で高いトルクを出力可能な回転電機を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するために、請求項１に記載の回転電機は、回転軸に同軸に固着された有底円筒形状のロータと、前記ロータの外周面との間に径方向に間隔を空けて対向して配置され、環状の第１ステータコアの複数の第１ティース部が径方向内側に延出し、前記各第１ティース部に第１コイルが巻回されてハウジング内に固定された第１ステータと、前記ロータの内周面との間に径方向に間隔を空けて対向して配置され、環状の第２ステータコアの複数の第２ティース部が径方向外側に延出し、前記各第２ティース部に第２コイルが巻回されて前記ハウジング内に固定された第２ステータと、を備え、前記第１コイルおよび前記第２コイルは、それぞれ同じ位相で通電される、または、位相をずらして通電されることを要旨とする。

【0007】

上記構成によれば、ロータの外周面との間に第１ステータを、内周面との間に第２ステータを、それぞれ間隔を空けて配置した２重ステータ構造の回転電機として構成されており、３相の電流が各ステータに設けられた第１コイルおよび第２コイルに対して通電電流および位相に関して別々に供給できる。これにより、両方のステータに同じ位相で通電する場合には、第１ステータおよび第２ステータと、ロータとの間を通過するそれぞれのロータ磁束により発生するトルクが足し合わされるため、ロータに高いトルクを発生させることが可能になる。

【0008】

さらに、請求項１の発明は、前記第１ステータは、前記第２ステータより大きなトルク定数を有するとともに、前記第１ステータに形成される磁極により前記ロータを回転させ、前記第２ステータに通電することより前記第１ステータと前記ロータとの間を通過する磁束を調整し前記ロータ磁束のうち、前記第１ステータとの鎖交磁束数を増減させることを要旨とする。

【0009】

上記構成によれば、トルク定数の大きい第１ステータの磁極によりロータを回転させ、第２ステータを通電し電流および位相を変えることにより、第１ステータとロータとの間を通過する磁束を調整しロータの第１ステータとの鎖交磁束数を増減できる。これにより、第２ステータを強め界磁制御し、第１ステータを通常制御、あるいは、弱め界磁制御する場合には、第２ステータとロータとの間を通過するロータ磁束が増加し、第１ステータとロータとの間を通過するロータ磁束が減少するため、第１ステータに発生する誘起電圧の上昇を抑制して、ロータを高速回転させることが可能になる。

【0010】

請求項２の発明は、請求項１に記載の回転電機において、前記ロータは、前記回転軸に一体回転可能に固定されたロータコアと、前記ロータコア内に周方向に間隔を空け、断面形状の長手方向が径方向に対して平行となるように放射状に配置され埋め込まれて固定されるとともに、周方向において異なる磁極の極性が交互に並ぶように磁化された複数の永久磁石と、を備えることを要旨とする。

【0011】

上記構成によれば、回転電機のロータは、ロータコア内に周方向に間隔を空けるとともに、断面の長手方向が径方向に対して放射状に配置される複数の永久磁石が埋設されて、周方向において一方の極性が他方の極性に隣り合うように配置された永久磁石に挟まれた磁極の極性が周方向に交互に並ぶ埋込磁石型ロータを構成している。これにより、出力トルクを増加させ高いトルクを発生させることが可能になる。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、高速回転可能かつ低速回転域で高いトルクを出力可能な回転電機を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の一実施形態に係る回転電機の軸線方向に沿った縦断面図。

【図2】図１におけるＡ−Ａ方向から見た回転電機の軸線方向と直交する断面図。

【図3】本発明の実施形態に係る低速回転域で高トルクを発生させる場合におけるロータ磁束の流れを示す模式図。

【図4】本発明の実施形態に係る高速回転させる場合におけるロータ磁束の流れを示す模式図。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明の実施形態に係る回転電機について、図に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る回転電機の軸線方向に沿った縦断面図、図２は、図１におけるＡ−Ａ方向から見た回転電機の軸線方向と直交する断面図である。

【0015】

図１および図２に示す回転電機（以下、電動モータという）１は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車の駆動源として用いられる３相ブラシレスモータである。図１に示すように、電動モータ１は、円筒状のハウジング２と、ハウジング２内に収容された第１ステータとしてのアウターステータ３と、アウターステータ３の径方向内側（内周側）に間隔を空けて配置された円筒状のロータとしての出力ロータ５と、ハウジング２内に収容され出力ロータ５の径方向内側（内周側）に間隔を空けて配置された第２ステータとしてのインナーステータ４とを備えている。

【0016】

ハウジング２は、一端側（図１中、右側）が開口した有底円筒状のハウジング本体６と、ハウジング本体６の開口端を閉塞するように設けられた円板状のカバー７とを有している。ハウジング本体６の底部６ａの中央には、軸線方向に貫通した挿通孔８が形成されている。

【0017】

アウターステータ３は、ハウジング本体６の筒状部６ｂの内側に固定された円筒状の円筒部１２、および円筒部１２から径方向内側に向って放射状に延びる複数（本実施形態では、１２個）のティース１３からなるアウターステータコア１４を備えている。アウターステータコア１４は、珪素鋼板などの電磁鋼板を複数枚積層することにより構成されている。そして、各ティース１３には、複数（本実施形態では、１２個）のアウターコイル１５が巻回されている。なお、アウターコイル１５の接続端部は、ハウジング２の外部に引き出されて図示しない制御装置に接続されている。

【0018】

出力ロータ５は、回転軸２１と一体回転可能に固定された円筒状のロータコア２２と、ロータコア２２に埋め込まれて固定された複数（本実施形態では、８個）の永久磁石２３とを備えている。すなわち、本実施形態の出力ロータ５は、いわゆる埋込磁石型のロータとして構成されている。

【0019】

詳しくは、回転軸２１は、円柱状に形成されており、底部６ａの挿通孔８に設けられた軸受２４を介して回転可能に支持されている。ロータコア２２は、各永久磁石２３が埋め込まれるコア本体２５、コア本体２５の一端側（図１中、右側）に固定されて回転軸２１と一体回転可能に連結される第１連結部材２６、およびコア本体２５の他端側（図１中、左側）に固定されて回転軸２１と一体回転可能に連結される円筒状の第２連結部材２７を有している。なお、コア本体２５は、電磁鋼板を複数枚積層することにより構成され、第１および第２連結部材２６，２７は、ステンレス鋼などの非磁性材料により構成されている。

【0020】

コア本体２５は、比較的肉厚の円筒状に形成されるとともに、コア本体２５には、永久磁石２３が内部に配置される複数の空洞部（スロット）３０が周方向に等角度間隔で形成されている。スロット３０は、軸線方向に延びる断面長方形の孔状にそれぞれ形成されている。そして、スロット３０は、周方向に間隔を空けるとともに、断面のなす長方形の長手方向が径方向に対して平行となるように放射状に設けられている。

【0021】

カバー７の内側面には、その中央からハウジング本体６の底部６ａ側（図１中、左側）に向って突出する支持軸２０が形成されている。支持軸２０は、その外径が底部６ａ側に向うにつれて段階的に小さくなる段付き棒状に形成されている。出力ロータ５を構成する第１連結部材２６は、円筒状に形成されており、支持軸２０に設けられた軸受２９を介して回転可能に支持されている。また、第２連結部材２７は、円環状に形成されるとともに、第２連結部材２７の中央に形成された嵌合孔２８が回転軸２１の外周に圧入されることにより、回転軸２１と一体回転可能に連結されている。

【0022】

電動モータ１は、出力ロータ５の内周側に径方向に間隔を空けて配置され支持軸２０の外周に固定されたインナーステータ４を備えている。インナーステータ４は、円筒状の円筒部１９および円筒部１９から径方向外側に延出される複数のティース１６を有するインナーステータコア１７と、インナーステータコア１７の各ティース１６に巻回されるインナーコイル１８とを備えている。インナーステータコア１７は、珪素鋼板などの電磁鋼板を複数枚積層することにより構成されている。なお、本実施形態のインナーステータ４には、アウターステータ３のアウターコイル１５と等しい数（本実施形態では、１２個）のインナーコイル１８が設けられている。また、インナーコイル１８の接続端部は、ハウジング２の外部に引き出されて図示しない制御装置に接続されている。

【0023】

永久磁石２３には、軸線方向に延びる長方形板状に形成されたセグメント磁石が採用されている。永久磁石２３の軸線方向と直交する断面形状は、スロット３０の断面形状に対応した長方形状とされており、永久磁石２３は、スロット３０内に挿入されることでコア本体２５（ロータコア２２）に固定されている。そして、永久磁石２３は、周方向において一方の極性（例えば、ＣＣＷがＮ極でＣＷがＳ極）の永久磁石２３が、他方の極性（例えば、ＣＣＷがＳ極でＣＷがＮ極）の永久磁石２３に隣り合うようにロータコア２２における永久磁石２３に挟まれたロータ磁極部３１の極性が周方向に交互に並ぶように磁化（着磁）されている。

【0024】

永久磁石２３は、それぞれの板厚方向と略沿う方向に磁化されており、コア本体２５は、ロータコア２２の外周縁および内周縁を通過する永久磁石２３の磁束の磁路となっている。なお、本実施形態の永久磁石２３には、焼結磁石（例えば、ネオジム系焼結磁石など）が用いられており、永久磁石２３は、スロット３０内に配置固定された後に着磁されるようになっていてもよいし、先に着磁したものをスロット３０内に配置固定してもよい。

【0025】

このように、電動モータ１は、出力ロータ５の外周部および内周部にアウターステータ３およびインナーステータ４を配置する２重ステータ構造のラジアルギャップモータとして構成されており、制御装置から３相の電流がアウターコイル１５およびインナーコイル１８に対して通電量（通電電流）および位相に関して別々に供給されるようになっている。なお、アウターステータ３およびインナーステータ４の各トルク定数（誘起電圧定数）は異なっており、アウターステータ３のトルク定数は大きく、インナーステータ４のトルク定数は小さく設定されている。

【0026】

制御装置からアウターステータ３およびインナーステータ４の各コイル１５，１８に駆動電力が供給されることにより発生する回転磁界と、アウターステータ３と出力ロータ５との間を通過するロータ磁束と、インナーステータ４と出力ロータ５との間を通過するロータ磁束との関係に基づいて、すなわち、アウターステータ３およびインナーステータ４による回転磁界と、永久磁石２３の磁束との間に生じる磁気的な吸引力および反発力により出力ロータ５が回転するようになっている。

【0027】

次に、上記のように構成された本発明の本実施形態に係る電動モータ１の作用について説明する。
図３は、本発明の実施形態に係る低速回転域で高トルクを発生させる場合におけるロータ磁束の流れを示す模式図、図４は、本発明の実施形態に係る高速回転させる場合におけるロータ磁束の流れを示す模式図である。

【0028】

本実施形態の電動モータ１では、図３に示すように、アウターステータ３に設けられたアウターコイル１５（図２参照）およびインナーステータ４に設けられたインナーコイル１８（図２参照）に同じ位相で通電する（通常制御）と、アウターステータ３およびインナーステータ４とそれぞれ鎖交する出力ロータ５の磁束数は一定であるため、出力ロータ５に発生するトルクは、アウターステータ３およびインナーステータ４に発生する回転磁界の極と、出力ロータ５の永久磁石２３の磁極との間で発生するそれぞれのトルクが足し合わされるようになる。これにより、出力ロータ５に高いトルクを発生させることが可能になる。ここで、アウターステータ３のトルク定数は、インナーステータ４のトルク定数に比べ大きいため、アウターステータ３は、主にトルクを発生するステータとして作用する。なお、アウターステータ３およびインナーステータ４と出力ロータ５との間を通過する一部分の磁束の経路および量を矢印実線で示す。

【0029】

一方、図４に示すように、インナーステータ４を強め界磁制御（すなわち、インナーステータ４のインナーコイル１８に電流を流すことにより、永久磁石２３と同じ向きの磁束を発生させる）し、アウターステータ３を通常制御、あるいは弱め界磁制御（永久磁石２３とは逆向きの磁束を発生させる）すると、強め界磁制御したインナーステータ４側と鎖交するロータ磁束は増加するとともに、もう一方のアウターステータ３側と鎖交するロータ磁束はインナーステータ４側に吸収されて減少する。これにより、ステータへの通電電流および位相を変えることにより、主にトルクを発生するアウターステータ３側の鎖交磁束数が減少するため、アウターステータ３側に発生する誘起電圧の上昇を抑制して出力ロータ５を高速回転させることができる。このとき、インナーステータ４のトルク定数は小さいため、強め界磁制御してもインナーステータ４は誘起電圧の上昇による電圧飽和には至り難い。なお、アウターステータ３およびインナーステータ４と出力ロータ５との間を通過する一部分の磁束の経路および量を矢印実線で示す。

【0030】

また、インナーステータ４側には通電しないで、アウターステータ３を弱め界磁制御しても、図４と同様のロータ磁束の流れを得ることができる。このとき、ロータ磁束は、インナーステータ４側に漏出し、アウターステータ３側との鎖交磁束数が減少するので、アウターステータ３側に発生する誘起電圧を抑え、出力ロータ５を高速回転させることが可能となる。

【0031】

次に、上記のように構成された本発明の本実施形態に係る電動モータ１の効果について記載する。

【0032】

（１）出力ロータ５の外周面および内周面との間に、それぞれ径方向に間隔を空けて配置されるアウターステータ３およびインナーステータ４を備え、両方のステータ、つまりアウターステータ３およびインナーステータ４に同じ位相の電流を流すように通電した場合、２つのアウターステータ３およびインナーステータ４により発生するトルクを足し合わせてトルクを増加させる。これにより、出力ロータ５は低速回転域で高いトルクを出力することが可能になる。

【0033】

（２）インナーステータ４側を強め界磁制御し、アウターステータ３側を通常制御、あるいは弱め界磁制御することにより、インナーステータ４との鎖交磁束数が増加するとともに、ロータ磁束は、インナーステータ４側に吸収され、アウターステータ３に対する鎖交磁束数が減少する。これにより、出力ロータ５を高速回転させることが可能になる。また、インナーステータ４側には通電しないで、アウターステータ３側を弱め界磁制御することによっても、ロータ磁束がインナーステータ４側に漏出し、同じくアウターステータ３に対する鎖交磁束数が減少する。これにより、出力ロータ５を高速回転させることが可能になる。

【0034】

（３）アウターステータ３およびインナーステータ４の２系統のステータを有するので、一方の系統が失陥しても、もう一方の系統で車両の運転を継続できる。その結果、車両を安全に移動し退避させることが可能になる。

【0035】

以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明はさらに他の形態で実施することも可能である。

【0036】

・上記実施形態では、電動モータ１にブラシレスモータを用いたが、これに限らず、例えば、誘導電動機やリラクタンスモータなどを用いてもよい。

【0037】

・上記実施形態では、永久磁石２３を周方向に間隔を空けるとともに、断面のなす長方形の長手方向が径方向に対して平行になるように放射状に設けたが、これに限らず、周方向に間隔を空けるとともに断面のなす長方形の長手方向が径方向に対して互いに逆方向に傾くように配置してもよく、その配置は適宜変更可能である。また、永久磁石２３を円弧状に湾曲した板状としてもよく、その形状は適宜変更可能である。

【0038】

・上記実施形態では、インナーステータ４にアウターステータ３のアウターコイル１５と等しい数のインナーコイル１８を設けたが、その数は異なっていてもよく、適宜変更可能である。

【0039】

・上記実施形態では、電動モータ１をインナーロータ型のラジアルギャップモータとして構成したが、これに限らず、アウターロータ型のラジアルギャップモータとして構成してもよい。なお、この場合、第１ロータは出力ロータ５の径方向内側に、第２ロータは出力ロータ５の径方向外側にそれぞれ間隔を空けて配置することになる。

【0040】

・上記実施形態では、本発明を電気自動車やハイブリッド自動車などの駆動源に用いられる回転電機（電動モータ１）に具体化したが、これに限らず、例えば、電動パワーステアリング装置などの他の装置の駆動源として用いてもよく、また、発電機として用いてもよい。

【符号の説明】

【0041】

１：電動モータ（回転電機）、２：ハウジング、３：アウターステータ（第１ステータ）、４：インナーステータ（第２ステータ）、５：出力ロータ、６：ハウジング本体、
６ａ：底部、７：カバー、８：挿通孔、１２：円筒部、
１３：アウターティース（第１ティース部）、１４：アウターステータコア、
１５：アウターコイル（第１コイル）、１６：インナーティース（第２ティース部）、
１７：インナーステータコア、１８：インナーコイル（第２コイル）、１９：円筒部、
２０：支持軸、２１：回転軸、２２：ロータコア、２３：永久磁石、２４：軸受、
２５：コア本体、２６：第１連結部材、２７：第２連結部材、２８：嵌合孔、２９：軸受、３０：スロット、３１：ロータ磁極部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】