(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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２つのロータのうち一方が順突極特性を持ち、他方が逆突極特性を持つ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、前記順突極特性を持つロータにおいて、複数の凹部と凸部を周方向に１つおきに形成し、前記各凸部に前記永久磁石を配置したことを特徴とする回転電機。
【請求項３】
請求項１に記載の回転電機において、前記順突極特性を持つロータにおいて、前記複数の永久磁石間に空隙を設けたことを特徴とする回転電機。
【請求項４】
請求項１に記載の回転電機において、該回転電機を、前記順突極特性を持つロータに関するｑ軸電流をｑ軸インダクタンスが飽和するような範囲で運転し、前記順突極特性を持つロータのｄ軸のインダクタンスよりもｑ軸のインダクタンスが低くなるようにしたことを特徴とする回転電機。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の回転電機において、前記２つのロータは、アウターロータが逆突極特性、インナーロータが順突極特性を持つことを特徴とする回転電機。
【請求項６】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の回転電機において、前記２つのロータは、インナーロータが逆突極特性、アウターロータが順突極特性を持つことを特徴とする回転電機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【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】
上記のような３層構造を持つ回転電機としては、特開平１１−３５６０１５号公報に記載のものが提案されている。
【０００３】
一般的に、永久磁石同期電機においては、ロータ構造を逆突極特性にすることにより、リラクタンストルクを活用でき、磁石の量を低減できることが知られている。ロータ構造を逆突極性にすることは、永久磁石埋め込み型電機にすることで実現できる。したがって、１つのロータと１つのステータを有する通常の回転電機では、ロータに逆突極特性を持たせることが一般的である。このため、上記のような２つのロータを持つ回転電機においても、双方のロータに逆突極特性を持たせることが一般的であると考えられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したような２つのロータを持つ回転電機においては、インナーロータとアウターロータの両方の鎖交磁束が１つのステータを通過するため、両ロータを逆突極性にすると、ｑ軸インダクタンスＬｑによるｑ軸鎖交磁束λｑが増加してしまい、ステータ鎖交磁束が飽和して、出力密度を上げられず、出力密度を上げようとすると、ステータの面積が大きくなってしまうという問題があった。
【０００５】
本発明は、このような問題を解決し、磁石量が同じであればステータの小型化が可能になり、ステータが同じであれば磁石量の低減が可能になる２つのロータを同軸に配置する回転電機を提供することを目的とする。
【０００６】
【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２つのロータのうち一方が順突極特性を持ち、他方が逆突極特性を持つことを特徴とする。
【０００７】
請求項２に記載の第２発明は、第１発明の回転電機において、前記順突極特性を持つロータにおいて、複数の凹部と凸部を周方向に１つおきに形成し、前記各凸部に前記永久磁石を配置したことを特徴とする。
【０００８】
請求項３に記載の第３発明は、第１発明の回転電機において、前記順突極特性を持つロータにおいて、前記複数の永久磁石間に空隙を設けたことを特徴とする。
【０００９】
請求項４に記載の第４発明は、第１発明の回転電機において、該回転電機を、前記順突極特性を持つロータに関するｑ軸電流をｑ軸インダクタンスが飽和するような範囲で運転し、前記順突極特性を持つロータのｄ軸のインダクタンスよりもｑ軸のインダクタンスが低くなるようにしたことを特徴とする。
【００１０】
請求項５に記載の第５発明は、第１発明ないし第４発明の回転電機において、前記２つのロータは、アウターロータが逆突極特性、インナーロータが順突極特性を持つことを特徴とする。
【００１１】
請求項６に記載の第６発明は、第１発明ないし第４発明の回転電機において、前記２つのロータは、インナーロータが逆突極特性、アウターロータが順突極特性を持つことを特徴とする。
【００１２】
【発明の効果】
第１発明によれば、２つのロータのいずれか一方のロータを順突極特性とし、他方のロータを逆突極特性とすることで、順突極特性ロータのｑ軸インダクタンスＬｑが下がり、また、ｄ軸インダクタンスＬｄを上げることで、弱め界磁電流を少なくすることができるので、ステータの鎖交磁束数を全体として下げることができ、回転電機の小型化が可能である。また、ステータの断面積を大きくとれるならば、上記弱め界磁電流を下げることにより、余った電流をトルク分電流に付加することで、磁石量の低減が可能である。さらに、他方のロータは逆突極特性なのでリラクタンストルクを活用することができ、同じ磁石量なら大トルク、同じトルクなら磁石量を低減することができる。つまり、両方のロータが逆突極特性の場合に比べて、磁石量が同じであればステータの小型化が可能になり、ステータが同じであれば磁石量の低減が可能になる。
【００１３】
第２発明によれば、第１発明における順突極特性を、ロータ構造を凹凸状にすることによって得ることができる。つまり、ロータ構造を凹凸状にし、凸部に磁石を配置することで、凹部の方向は空気が存在するので磁気抵抗が増加するため、ｄ軸のインダクタンスよりもｑ軸のインダクタンスが下がり、順突極特性になる。この場合、ロータ鋼板の形状は単純なものとなり、打ち抜き性が向上する。また、凹部のロータ質量が低減され、鉄損、特にロータに発生する渦電流損が減少する。また、磁石横に凹部の空隙が配置されることになり、漏れ磁束が低減し、出力が向上する。
【００１４】
第３発明によれば、第１発明における順突極特性を、ロータｑ軸部に空隙を設けることによって得ることができる。つまり、ロータｑ軸部に空隙を設け、ｑ軸のインダクタンスを低減することで、順突極特性が得られる。この場合、第２発明の効果と同様にロータ出力が低減し、鉄損が減少すると共に、空隙を磁石横に配置することで漏れ磁束が低減し、出力が向上する。また、第２発明の構成と比較して、順突極特性を持たないもう一方のロータインダクタンスが向上する。これは、第２発明の構成と比較してロータ表面は凹凸がないために、もう一方のロータ磁路が順突極特性を持つロータ表面を通過できるためである。
【００１５】
第４発明によれば、第１発明における順突極特性を、ｑ軸電流によりｑ軸インダクタンスを飽和させることによって得ることができる。一般的に、ｑ軸インダクタンスはｑ軸電流により飽和特性を持つ。したがって、予め飽和する、つまりｑ軸インダクタンスが所望の値に減少するｑ軸電流値を測定しておけば、設計者の意図した領域で順突極特性を得ることができる。
【００１６】
第５発明によれば、アウターロータを逆突極特性にすることによって大トルク対応とし、インナーロータを順突極特性にすることにより弱め界磁特性を向上して高速対応とすることができる。すなわち、第５発明は、アウターロータを低速度大トルクモータ、インナーロータを高速度低トルクモータとして使用する場合に適している。このとき、アウターロータは、逆突極特性なのでリラクタンストルクを多く使え、限られた電流、磁石のもとで、より多くのトルクを出力することができる。インナーロータは、順突極特性なので高速時の弱め界磁電流が少なくてもよいという利点がある。つまり、弱め界磁電流Ｉｄが一定ならば、より多くのステータ鎖交磁束を弱めることができ、結果として、インナーロータ及びアウターロータの鎖交磁束の和を抑えることができる。
【００１７】
第６発明によれば、インナーロータを逆突極特性にすることによって、上記第５発明と同様の効果を得ることができる。第６発明は、インナーロータが大トルク型、アウターロータが高速度型の場合に適している。
【００１８】
【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。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。ステータコア２は、周方向に複数のステータピースに分割されている。各々のステータピースは、ステータ鋼板を複数枚積層して形成されている。また、各々のステータピースには、１つのコイルが巻装されている。各々のロータには、周方向等間隔に複数の磁石が埋設されている。
【００１９】
永久磁石同期回転電機を表現するには、主に２つの座標系を用いる。１つが静止座標系（α−β座標系）、もう１つが回転座標系（ｄ−ｑ座標系）である。静止座標系は、軸を、ステータを基準としてとるもので、回転電機が動作しても軸は動かない。一方、回転座標系は、軸を、ロータを基準としてとるもので、静止座標系から見ると、回転座標系はロータと同期して動く。一般的に、ｑ軸を磁石の軸に、ｑ軸をｄ軸から電気角９０度ずれた軸にとる。電気角とは、機械的な移動角度に極対数をかけたもので、磁束の回転角度である。つまり、２極対（４極、磁石が４つある）の場合、ｄ軸から機械角４５度ずれた点、すなわち電気角９０度ずれた点がｑ軸である。ｄ軸は磁石に基準をあわせているので、無負荷磁束軸を表している。ｑ軸はｄ軸に直交しているので、ｑ軸に電流を流す（ステータに対抗するロータがｑ軸の時にそのステータに電流を流す）とトルクが出る。これは、フレミングの左手の法則である。よって、電流を長さなければ磁束はｄ軸のみに発生する。ｑ軸電流を流せばｑ軸にも磁束が発生する。ここで、
磁束＝インダクタンス×電流
なので、ｑ軸磁束はインダクタンスをＬｑ、電流をＩｑとすれば、Ｌｑ×Ｉｑである。図２は、通常の１ロータ回転電機におけるｄ軸及びｑ軸を説明する図である。この回転電機は、ロータ２１及びステータ２２を具え、ロータ２１には、永久磁石２３ａ、２３ｂ、２３ｃ及び２４ｄが埋め込まれている。図２のようにｄ軸、ｑ軸を定義すれば、埋め込み型永久磁石回転電機の場合は、磁石の透磁率が空気とほぼ同等のため、ｄ軸のインダクタンスＬｄはｑ軸のインダクタンスＬｑよりも小さくなる。一般的に、Ｌｄ＜Ｌｑのロータ特性を持つものを、逆突極特性と呼ぶ。他方において、Ｌｄ≧Ｌｑの場合を、順突極特性と本願では定義する。
【００２０】
順突極特性を理論的に説明する。永久磁石回転電機のトルク式は、
Ｔｅ＝Ｐ（φｄ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）ｉｄ）ｉｑ            （１）
で定義される。ここで、Ｐは極対数、φｄはロータの無負荷磁束（磁石磁束）、ｉｄはｄ軸電流、ｉｑはｑ軸電流である。この式の第２項の（Ｌｄ−Ｌｑ）ｉｄｉｑはリラクタンストルクに対応し、したがって、このリラクタンストルクを、逆突極性の場合にｉｄを負にすることで弱め界磁をしつつトルクを発生することが可能である。一方、このときのステータに鎖交する磁束は、
λｄ＝φｄ＋Ｌｄｉｄ                            （２）
λｑ＝Ｌｑｉｑ                                  （３）
【数１】
0003716809.tif 000002
で表される。大トルク発生時には、ｉｑが大きくなるために、Ｌｑが大きい場合にはλｑが大きくなり、結果的にλが大きくなる。
【００２１】
複合電流で駆動され、２つのロータを同軸に配置する回転電機の場合は、上記磁束λが、インナーロータの磁束λｉとアウターロータの磁束λｏの和で鎖交するため、ステータの最大鎖交磁束密度を超えてしまう、すなわちステータの飽和という問題がある。コイルに電流を流すと磁界が発生し、その磁界によりステータ内に磁束が発生する。これは、磁界によってステータ材料が磁化されて分子が同方向を向くことに起因する。しかし、ある一定以上の磁界をかけても、すでに方向のそろっている分子はそれ以上そろうことはなく、ステータに発生する磁束密度が頭打ちする。これがステータの飽和である。ステータが飽和すると、それ以上電流を流しても磁束が増えないので、磁束×電流であらわされるトルクもそれ以上増えない。したがって、ステータが飽和すると、トルクが頭打ちになり、出力密度は向上しない。また、磁束は磁束密度×ステータ断面積で表されるので、ステータが飽和してそれ以上磁束密度が上がらない場合でも、ステータ断面積を増やせば磁束は増える。よって、トルクも増える。従来では、両ロータを逆突極にするとＬｑを大きく設計するので、
λｑ＝Ｌｑ×Ｉｑ
で表されるｑ軸磁束が大きくなる。２つのロータを同軸に配する回転電機の場合、２つのロータの磁束が１つのステータを通過しているので、一方のロータが大トルクを出力する（Ｉｑが大きい）場合にこのロータの磁束だけでステータの許容磁束に達してしまい、ステータが飽和して、他方のロータは必要なトルクを出力できない（それ以上磁束が通過しないため）。また、磁束を下げ、リラクタンストルクを出力するのに、弱め界磁（ｄ軸電流を負に流す。ｄ軸磁束は、λｄ＝φｄ＋Ｌｄ×Ｉｄで、λｄを小さくする）を適用するが、Ｌｑが大きくＬｄが小さいので、弱め界磁の効果が小さい（Ｉｄを多く流さなければならない）。このように、従来のように両方のロータを逆突極とした場合、両方のロータで同時に多くのトルクを出力することは困難である。この問題を解決するために、本発明では、一方のロータを順突極特性、他方を逆突極特性にして、鎖交磁束を下げつつ必要トルクを満足するように両ロータの特性を設計する。
【００２２】
図３は、順突極特性の特性曲線を示すグラフであり、図４は、逆突極特性の特性曲線を示すグラフである。これらのグラフにおいて、横軸はｄ軸電流、縦軸はｑ軸電流である。パラメータをＩｄ、Ｉｑにとれば、式（１）は双曲線、式（４）は楕円で表現される。必要な特性を満足するためには、トルクカーブと電流カーブが交点を持つことと、その交点が磁束楕円の内側にあることとが必要である。図３及び４からわかるように、順突極特性では上記条件を満たしているが、逆突極特性では上記条件を満たしていない。つまり、逆突極特性ではステータの許容鎖交磁束密度を超えている。これが順突極特性にすることの理由である。
【００２３】
図５は、本発明による回転電機の第１実施例の中心線軸に対して垂直に切断した断面図である。図１と同様の構成要素は、同じ参照符で示す。ボルト穴等の細部は省略してある。図１におけるステータコア２は、複数のステータピース３０に対応する。アウターロータ８には、複数の磁石３１が埋め込まれ、インナーロータ７には、複数の磁石３２が埋め込まれている、さらにインナーロータ７には、凹部３３が設けられ、凹凸構造を形成してある。アウターロータ８は、埋め込み磁石型の逆突極特性を有す。図６は、図５のインナーロータ部を拡大して示す図である。インナーロータ７において、磁石埋め込み部（ｄ軸）を凸部とし、ｑ軸を凹部とする。ステータから見た凹部３３は、空気により磁気抵抗が高くなり、結果としてインダクタンスＬｑが減少する。このようにして、インナーロータの順突極特性が実現する。この場合、図からもわかるように、ロータ鋼板の形状は単純なものとなり、打ち抜き性が向上する。また、凹部のロータ質量が低減され、鉄損、特にロータに発生する渦電流損が減少する。また、磁石横に凹部の空隙が配置されることになり、漏れ磁束が低減し、出力が向上するといった利点もある。
【００２４】
図７は、本発明による回転電機の第２実施例を示す断面図である。本例では、円筒のインナーロータ７に、前記第１実施例の凹部３３と同様な磁気特性を持つような空隙３４を、磁石が配置されていない部分に設けた。このようにして、ステータから見た空隙３４は、空気により磁気抵抗が高くなり、結果としてインダクタンスＬｑが減少するため、インナーロータ７の順突極特性が実現する。この場合、第１実施例の利点に加え、第１実施例と比較してロータ表面に凹凸がないため、アウターロータ磁路が順突極特性を持つロータ表面を通過できるため、アウターロータのインダクタンスが向上するといった利点もある。
【００２５】
図８は、ｑ軸のインダクタンスとｑ軸電流との関係を示すグラフである。この図からわかるように、ｑ軸のインダクタンスは、ｑ軸電流によって大きく変化するので、本発明による回転電機の第３実施例において、順突極が望まれる電流条件において、Ｌｑが飽和するように設計してもよい。この場合、ロータ構造としては、特に空隙や凹凸を設けなくてもよいため、構造はより簡単になる。
【００２６】
図９は、本発明による回転電機の第４実施例を示す断面図である。本実施例においては、インナーロータ７を逆突極、アウターロータ８を順突極とするために、この図に示すように、アウターロータ８に凹部３５を設け、凹凸構成を形成する。インナーロータが順突極特性である場合と同様に、アウターロータの順突極特性を、空隙、又は、飽和によって実現してもよい。
【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】  通常の１ロータ回転電機におけるｄ軸及びｑ軸を説明する図である。
【図３】  順突極特性の特性曲線を示すグラフである。
【図４】  逆突極特性の特性曲線を示すグラフである。
【図５】  本発明による回転電機の第１実施例を示す断面図である。
【図６】  図５のインナーロータ部を拡大して示す図である。
【図７】  本発明による回転電機の第２実施例を示す断面図である。
【図８】  ｑ軸のインダクタンスとｑ軸電流との関係を示すグラフである。
【図９】  本発明による回転電機の第４実施例を示す断面図である。
【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
３１、３２  磁石
３３、３５  凹部
３４  空隙
【図１】
0003716809.tif 000003
【図２】
0003716809.tif 000004
【図３】
0003716809.tif 000005
【図４】
0003716809.tif 000006
【図５】
0003716809.tif 000007
【図６】
0003716809.tif 000008
【図７】
0003716809.tif 000009
【図８】
0003716809.tif 000010
【図９】
0003716809.tif 000011