特開 2023-77392 半径方向及び軸方向ハイブリッドモータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023077392

(43)【公開日】2023-06-05

(54)【発明の名称】半径方向及び軸方向ハイブリッドモータ

(51)【国際特許分類】

   H02K 17/16 20060101AFI20230529BHJP

【ＦＩ】

H02K17/16 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022162681

(22)【出願日】2022-10-07

(31)【優先権主張番号】10-2021-0163823

(32)【優先日】2021-11-24

(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR

(71)【出願人】

【識別番号】591251636

【氏名又は名称】現代自動車株式会社

【氏名又は名称原語表記】ＨＹＵＮＤＡＩ ＭＯＴＯＲ ＣＯＭＰＡＮＹ

【住所又は居所原語表記】１２， Ｈｅｏｌｌｅｕｎｇ－ｒｏ， Ｓｅｏｃｈｏ－ｇｕ， Ｓｅｏｕｌ， Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｋｏｒｅａ

(71)【出願人】

【識別番号】500518050

【氏名又は名称】起亞株式会社

【氏名又は名称原語表記】ＫＩＡ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ

【住所又は居所原語表記】１２， Ｈｅｏｌｌｅｕｎｇ－ｒｏ， Ｓｅｏｃｈｏ－ｇｕ， Ｓｅｏｕｌ， Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｋｏｒｅａ

(71)【出願人】

【識別番号】519406326

【氏名又は名称】インダストリー－ユニバーシティ、コーオペレイション、ファウンデーション、ハニャン、ユニバーシティ

【氏名又は名称原語表記】ＩＮＤＵＳＴＲＹ－ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＣＯＯＰＥＲＡＴＩＯＮ ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ ＨＡＮＹＡＮＧ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ

(74)【代理人】

【識別番号】100120031

【弁理士】

【氏名又は名称】宮嶋 学

(74)【代理人】

【識別番号】100127465

【弁理士】

【氏名又は名称】堀田 幸裕

(74)【代理人】

【識別番号】100107582

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 毅

(74)【代理人】

【識別番号】100210790

【弁理士】

【氏名又は名称】石川 大策

(72)【発明者】

【氏名】チェ、ジンホ

(72)【発明者】

【氏名】ファン、ソンウ

(72)【発明者】

【氏名】イム、ミョンソプ

(72)【発明者】

【氏名】キム、ジェヒョン

【テーマコード（参考）】

5H013

【Ｆターム（参考）】

5H013AA01

5H013LL04

5H013LL05

5H013NN01

(57)【要約】      （修正有）

【課題】体積増加がなくてもトルクを増加させることができる半径方向及び軸方向ハイブリッドモータを提供する。
【解決手段】本開示の一側面によると、回転子１００と、回転子の円周面に対向するように配置された半径方向固定子１１０、及び、回転子の両側面のそれぞれに対向するように配置される軸方向固定子１２０と、を含み、回転子は、半径方向固定子及び軸方向固定子に対応して半径方向及び軸方向に形成される複数個の導体バー１０２、及び、導体バーを電気的につなぐ短絡環１０４を含む。
【選択図】図１a

【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転子と、
前記回転子の円周面に対向するように配置される半径方向固定子、及び、
前記回転子の両側面のそれぞれに対向するように配置される軸方向固定子と、を含み、
前記回転子は、前記半径方向固定子及び前記軸方向固定子に対応して半径方向及び軸方向に形成される複数個の導体バー、及び、
前記導体バーを電気的につなぐ短絡環を含むことを特徴とするハイブリッドモータ。

【請求項2】

前記導体バーは、
前記回転子の円周面に円周方向に沿って複数個が配置される第１の導体バー、及び、前記回転子の両側面のそれぞれに円周方向に沿って複数個が配置される第２の導体バーを含むことを特徴とする、請求項１に記載のハイブリッドモータ。

【請求項3】

前記短絡環は、
前記第２の導体バーの一端に配置され、複数個の第２の導体バーを電気的につなぐことを特徴とする、請求項２に記載のハイブリッドモータ。

【請求項4】

前記半径方向固定子及び前記軸方向固定子は、
１つのインバータから電流の供給を受けられるように、前記半径方向固定子のコイル及び前記軸方向固定子のコイルがつながって巻線されることを特徴とする、請求項１に記載のハイブリッドモータ。

【請求項5】

前記半径方向固定子及び前記軸方向固定子は、
それぞれ別個のインバータから電流の供給を受けられるように、前記半径方向固定子のコイル及び、前記軸方向固定子のコイルがそれぞれ個別的に巻線されることを特徴とする、請求項１に記載のハイブリッドモータ。

【請求項6】

前記軸方向固定子は、
前記軸方向固定子が発生させる回転磁界が前記回転子と同期速度で回転するように駆動されることを特徴とする、請求項５に記載のハイブリッドモータ。

【請求項7】

前記軸方向固定子は、
前記軸方向固定子が発生させる回転磁界が前記回転子と非同期速度で回転するように駆動されることを特徴とする、請求項４又は請求項５に記載のハイブリッドモータ。

【請求項8】

前記導体バーは、
スキュー（skew）を有するようにねじられて形成されることを特徴とする、請求項１に記載のハイブリッドモータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、半径方向及び軸方向ハイブリッドモータに関する。

【背景技術】

【0002】

この部分に記載された内容は単に本発明の背景情報を提供するだけで従来技術を構成するものではない。

【0003】

車両の電動化が深化するにつれ、脱希土類モータ（non-rare-earth motor）に対する需要が高まっている。永久磁石型同期モータ(Permanent Magnet Synchronous Motor, ＰＭＳＭ)に代わる現実的な脱希土類モータとして誘導モータ(Induction Motor, ＩＭ)が注目されており、これにより誘導モータの性能改善に関する研究が活発に行われている。

【0004】

誘導モータは主に固定子（stator）と回転子（rotor）からなり、固定子巻線によって発生する回転磁界と回転磁界によって発生する誘導電流を用いて回転子を回転させる。

【0005】

誘導モータは、一般に極数（number of poles）が増加するほど力率及び効率などの性能が低下する。このため、ほとんどの誘導モータは２～８極程度の低い極数を有することになり、エンドコイル（end coil）の長さが相対的に長くなる。

【0006】

一方、固定子の巻線法（winding method）は大きく集中巻又は分布巻に分類される。分布巻は、各相のコイルを２つ以上のスロットに分散して巻く巻線法で、集中巻に比べて高調波（harmonics）が小さいという利点がある。誘導モータの場合、回転子及び固定子スロットによって高調波成分が発生するため、これを最小化するために、一般に分布巻が主に用いられている。しかし、分布巻は集中巻に比べてエンドコイルの長さが長いという欠点がある。

【0007】

そのようなエンドコイルの長さの増加は誘導モータの軸方向長さを増加させ、結果として誘導モータ全体の体積を増加させる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本開示は、エンドコイル内側の空き空間に軸方向固定子を配置し、回転子の両側面に半径方向に形成された導体バーを備えることにより、従来の誘導モータに比べて体積増加がなくてもトルクを増加させることができる半径方向及び軸方向ハイブリッドモータを提供することに主な目的がある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本開示の一側面によると、回転子と、前記回転子の円周面に対向するように配置された半径方向固定子、及び、前記回転子の両側面のそれぞれに対向するように配置される軸方向固定子を含み、前記回転子は、前記半径方向固定子及び前記軸方向固定子に対応して半径方向及び軸方向に形成される複数の導体バー、及び、前記導体バーを電気的につなぐ短絡環を含むことを特徴とするハイブリッドモータを提供する。

【発明の効果】

【0010】

以上で説明したように、本開示の実施例によると、エンドコイル内側の空き空間に軸方向固定子を配置し、回転子の両側面に半径方向に形成される導体バーを備えることにより、従来の誘導モータに比べて体積増加なしでトルクを増加させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1a】本開示の一実施例に係るハイブリッドモータを概略的に示す分解斜視図である。

【図1b】本開示の一実施例に係るハイブリッドモータを概略的に示す部分断面斜視図である。

【図2】半径方向誘導モータの導体バー構造を概略的に示す斜視図である。

【図3a】本開示の一実施例に係るハイブリッドモータの導体バー構造を概略的に示す斜視図である。

【図3b】本開示の他の実施例に係るハイブリッドモータの導体バー構造を概略的に示す横断面図である。

【図4】本開示の一実施例に係るハイブリッドモータのトルクスリップ特性を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本開示の一部の実施例を例示的な図面を通して詳しく説明する。各図面の構成要素に参照符号を付加するにあたり、同一の構成要素に対しては、たとえ他の図面上に表示されても可能な限り同一の符号を有するようにしていることに留意しなければならない。また、本開示を説明するにあたり、関連する公知の構成又は機能についての具体的な説明が本開示の要旨を曖昧すると判断される場合には、その詳しい説明は省く。

【0013】

また、本開示の構成要素を説明するにあたり、第１、第２、Ａ、Ｂ、（ａ）、（ｂ）などの用語を用いる場合ができる。この用語は、その構成要素を他の構成要素と区別するためのものであり、その用語によって該当構成要素の性質や順番又は順序などが限定されない。明細書全体にて、ある部分がある構成要素を「含む」、「備える」とするとき、これは、特に逆の記載がない限り、他の構成要素を除外するのではなく、他の構成要素をさらに含み得ることを意味する。また、明細書に記載された「…部」、「モジュール」などの用語は、少なくとも１つの機能や動作を処理する単位を意味し、これはハードウェアやソフトウェア、又はハードウェア及びソフトウェアの組み合わせで具現される。

【0014】

図１ａは、本開示の一実施例に係るハイブリッドモータを概略的に示す分解斜視図である。

【0015】

図１ｂは、本開示の一実施例に係るハイブリッドモータを概略的に示す部分断面斜視図である。

【0016】

図１ａを参照すると、本開示の一実施例に係るハイブリッドモータ（hybrid motor）は、回転子（rotor）１００、半径方向固定子（radial type stator）１１０、及び軸方向固定子（axial type stators）１２０の、全部又は一部を含む。

【0017】

回転子１００は、半径方向及び軸方向に形成される複数個の導体バー（conduction bars）１０２、複数個の導体バーが電気的につながるように形成された短絡環（end-rings）１０４、及び導体バー１０２が配置（又は挿入）される複数個のスロットが形成された回転子コア１０６を含む。ここで、軸方向は回転子１００の回転軸方向を指し、半径方向は回転軸に垂直な方向を指す。回転子コア１０６は、中心に軸孔が形成された円筒状構造を有し、これによって回転子１００は全体として円筒形に近い形状を有する。本開示の一実施例に係る導体バー１０２の具体的な構造は、図３ａ及び図３ｂを参照して後述する。

【0018】

半径方向固定子１１０は、回転子１００の円周面に対向するように配置される。半径方向固定子１１０は、磁束の経路を提供する第１の固定子コア１１２と、第１の固定子コア１１２に巻かれた第１のコイル１１４を含み、第１のコイル１１４に印加される電流を介して回転磁界を発生させる。このとき、図１ｂに示すように、第１のコイル１１４が第１の固定子コア１１２のスロットの外部に露出された部分をエンドコイル１１６と称する。

【0019】

軸方向固定子１２０は、回転子１００の両側面にそれぞれ対向するように配置される。すなわち、1つの軸方向固定子１２０が回転子１００の一側面に対向するように配置され、他の軸方向固定子１２０が回転子１００の他側面に対向するように配置される。軸方向固定子１２０は、それぞれ磁束の経路を提供する第２の固定子コア１２２と、第２の固定子コア１２２に巻かれる第２のコイル１２４を含み、第２のコイル１２４に印加される電流を介して回転磁界を発生させる。

【0020】

図１ｂを参照すると、軸方向固定子１２０は半径方向を基準にしてエンドコイル１１６の内側に配置される。本開示の一実施例によると、軸方向固定子１２０の高さがエンドコイル１１６の高さ（又は長さ）よりも小さくなるように設計することによって半径方向固定子１１０を備えた従来の半径方向誘導モータに比べて体積増加なしにトルク密度を増加させることができるが、必ずしもこれに限定されない。

【0021】

一方、半径方向固定子１１０及び軸方向固定子１２０は、第１のコイル１１４と第２のコイル１２４がそれぞれのポール（pole）位置で一体に連結巻線されて１つのインバータ（inverter、図示せず）から電流の供給を受けられるか、あるいは第１のコイル１１４と第２のコイル１２４を個別に巻線されてそれぞれ別個のインバータから電流の供給を受けられる。例えば、半径方向固定子１１０は第１のインバータ（図示せず）から電流の供給を受け、軸方向固定子１２０は第２のインバータ（図示せず）から電流の供給を受けられる。

【0022】

半径方向固定子１１０及び軸方向固定子１２０がそれぞれ別個のインバータから電流の供給を受ける場合、負荷条件に応じて半径方向固定子１１０及び軸方向固定子１２０を選択的に駆動させることができる。例えば、高負荷運転時には半径方向固定子１１０と軸方向固定子１２０の両方を駆動させ、低負荷運転時には半径方向固定子１１０のみを駆動させるか、あるいは軸方向固定子１２０のみを駆動させて効率向上を図ることができる。

【0023】

さらに、半径方向固定子１１０及び軸方向固定子１２０がそれぞれ別個のインバータから電流の供給を受ける場合、軸方向固定子１２０が発生させる回転磁界は回転子１００と同期又は非同期の速度で回転する。回転子１００の機械的回転速度と軸方向固定子１２０が発生させる回転磁界が同期又は非同期の速度で回転するように第２のコイル１２４に電流を供給するインバータを制御することができる。

【0024】

一方、半径方向固定子１１０及び軸方向固定子１２０が同じインバータから電流の供給を受ける場合には、軸方向固定子１２０が発生させる回転磁界は回転子１００と非同期速度で回転する。

【0025】

以下、本開示の一実施例に係るハイブリッドモータの導体バー構造を説明する前に、図２を参照して従来の半径方向誘導モータの導体バー構造を説明する。

【0026】

図２は、半径方向誘導モータの導体バー構造を概略的に示す斜視図である。

【0027】

図２を参照すると、半径方向誘導モータの回転子には、回転軸を中心に放射状に配置される複数個の導体バー２００及び導体バー２００の両端に備えられ、複数個の導体バー２００を互いにつなぐ短絡環２１０が備えられる。このとき、導体バー２００は、長手方向が回転子の軸方向と並ぶように、回転軸を中心に放射状に配置される。

【0028】

一方、半径方向誘導モータの固定子は、導体バー２００に対応するように巻線されたコイルを備え、本開示の一実施例に係る半径方向固定子１１０と同一又は類似である。

【0029】

図３ａは、本開示の一実施例に係るハイブリッドモータの導体バー構造を概略的に示す斜視図である。

【0030】

導体バー１０２は、半径方向固定子１１０に対応して形成される複数個の第１の導体バー３００及び各第１の導体バー３００の両端につながれ、軸方向固定子１２０に対応して形成される複数個の第２の導体バー３１０を含んでなる。

【0031】

第１の導体バー３００は、回転子１００の円周面に円周方向に沿って複数個配置され、第２の導体バー３１０は、回転子１００の両側面に円周方向に沿って複数個配置される。具体的には、本開示の一実施例によると、第１の導体バー３００は、長手方向が回転子１００の軸方向と並ぶように、回転軸を中心に放射状に配置され、第２の導体バー３１０は、長手方向が回転子１００の半径方向と並ぶように、回転軸を中心に放射状に配置される。

【0032】

第２の導体バー３１０の一端には、複数個の第２の導体バー３１０を電気的及び機械的につなぐ短絡環１０４が備えられる。具体的には、第２の導体バー３１０の一端は短絡環１０４と電気的及び機械的につながり、第２の導体バー３１０の他端は第１の導体バー３００と電気的及び機械的につながる。これにより、第１の導体バー３００、第２の導体バー３１０及び短絡環１０４が電気的に一つにつながった構造を有することになる。

【0033】

本開示の一実施例によると、半径方向固定子１１０が生成する回転磁界によって第１の導体バー３００に電流が誘導されると、誘導された電流が第２の導体バー３１０にも流れるようになり、第２の導体バー３１０に流れる半径方向電流によって軸方向磁束が生成される。

【0034】

同様に、軸方向固定子１２０が生成する回転磁界によって第２の導体バー３１０に電流が誘導されると、誘導された電流が第１の導体バー３００にも流れるようになり、第１の導体バー３００に流れる軸方向電流によって半径方向磁束が生成される。

【0035】

これにより、半径方向磁束によるトルクと軸方向磁束によるトルクが加わり、図２の導体バー構造に比べてより大きな磁束を供給することができ、全体の平均トルクを増加させることができる。

【0036】

本開示の一実施例に係る導体バー構造は、両側面の第２の導体バー３１０が回転子の円周上に来るように広げて配置した場合と概念的に類似である。したがって、回転子の半径が一定の場合を想定すると、本開示の一実施例によるハイブリッドモータは、回転子の軸方向長さがより長い（したがって体積がより大きい）半径方向誘導モータと同級の出力を提供することができる。

【0037】

さらに、本開示の一実施例によると、回転子１００の両側面に第２の導体バー３１０が配置されることにより、図２の導体バー構造に比べて短絡環１０４の半径及び幅が小さくなり、磁束経路が長くなって起動トルク特性を改善することができる。

【0038】

図３ｂは、本開示の他の実施例に係るハイブリッドモータの導体バー構造を概略的に示す横断面図である。

【0039】

図３ｂを参照すると、本開示の他の実施例に係る第１の導体バー３００及び／又は第２の導体バー３１０は、所定の角度でスキュー（skew）を有するようにねじられて形成されてよい。このように第１の導体バー３００及び／又は第２の導体バー３１０がスキュー状にねじられて配置される場合、トルクリップル（torque ripple）を低減させ、モータの騒音及び／又は振動特性を改善することができる。

【0040】

図４は、本開示の一実施例に係るハイブリッドモータのトルクスリップ特性を示すグラフである。

【0041】

図４で、「軸ありタイプ」（With axial type）は本開示の一実施例に係るハイブリッドモータを表し、「軸無しタイプ」（Without axial type）は半径方向誘導モータを表す。

【0042】

図４を参照すると、本開示の一実施例に係るハイブリッドモータが半径方向誘導モータと比べて高いトルクを有することが分かる。

【0043】

以上の説明は、本実施例の技術思想を例示的に説明したものに過ぎず、本実施例が属する技術分野において通常の知識を有する者であれば本実施例の本質的な特性から逸脱しない範囲で多様な修正及び変形が可能であろう。したがって、本実施例は、本実施例の技術思想を限定するものではなく説明するためのものであり、このような実施例によって本実施例の技術思想の範囲が限定されることはない。本実施例の保護範囲は、特許請求の範囲によって解釈されるべきであり、それと同等の範囲内にあるすべての技術思想は、本実施例の権利範囲に含まれるものと解釈されるべきである。

【符号の説明】

【0044】

１０:ハイブリッドモータ
１００:回転子
１０２:導体バー
１０４: 短絡環
１０６：回転子コア
１１０：半径方向固定子
１１２：第１の固定子コア
１１４：第１のコイル
１１６:エンドコイル
１２０:軸方向固定子
１２２：第２の固定子コア
１２４：第２のコイル
３００：第１の導体バー
３１０：第２の導体バー

【図1a】

【図1b】

【図2】

【図3a】

【図3b】

【図4】