(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸の周りで間隔を置いて配置されることにより磁気的に分離された複数の分割コアと、該複数の分割コアに巻かれたコイルと、を備えたステータと、
前記ステータの内側に前記ステータと同軸的に配置される内側ロータと、
前記ステータの外側に前記ステータと同軸的に配置される外側ロータとを有し、
前記内側ロータと前記外側ロータが共通の回転軸のまわりで回転する同軸モータにおいて、
各分割コアは、前記内側ロータに対向する内周面、及び前記外側ロータに対向する外周面とを結合する側面を備え、分割コアにおいてコイルの巻かれていない端部が先鋭とならないよう、該側面の外周面からコイルが巻かれている部分にかけて、平面であると共に、
隣接する分割コア間の間隔は、前記内側ロータ側では狭く、前記外側ロータ側に向かって次第に広くなることを特徴とする同軸モータのステータ構造。
【請求項２】
前記２つの側面が略平行であることを特徴とする請求項１に記載の同軸モータのステータ構造。
【請求項３】
前記ステータは、隣接し合う分割コアの間の空間を半径方向において外側ロータから閉塞する第一の閉塞部材と、隣接し合う分割コアの間の空間を半径方向において内側ロータから閉塞する第二の閉塞部材とを備え、
隣接し合う分割コアの間の空間には、第一と第二の閉塞部材と前記コイルにより規定される冷却路と、個々の分割コアを固定するためのボルトと、が配置される請求項１に記載の同軸モータのステータ構造。
【請求項４】
前記ステータの分割コアは、方向性電磁鋼板を積層したことを特徴とする請求項１乃至３に記載された同軸モータのステータ構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、複数のロータをステータに同軸的に配置したモータのステータ構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開２０００−２２４８３６号公報や特開２０００−１４１０３号公報において、二つのロータと、一つのステータを三層構造でかつ同軸的に配置する同軸モータが開示されている。これらの同軸モータにおいて、ステータは、ステータの内側に配置される内側ロータ又はステータの外側に配置される外側ロータに磁束を通すヨークを有していた。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−２２４８３６号公報
【特許文献２】
特開２０００−１４１０３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
２つのロータのそれぞれの磁束がステータを通過する場合、ステータにはその磁束密度と磁束周波数に比例して鉄損が発生する。従来の技術のように、ステータにヨークを持つ構造の場合、そのヨークの先端部では、比透磁率が、エアギャップの比透磁率１から、ヨークの鋼板の比透磁率１００００程度に急激に変化するため、磁界の変化が激しく鉄損が多くなるという課題があった。
【０００５】
本発明は、三層構造を有する同軸モータにおいて、鉄損を小さくするためのステータ構造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】
本発明は、回転軸の周りで間隔を置いて配置されることにより磁気的に分離された複数の分割コアと、該複数の分割コアに巻かれたコイルと、を備えたステータと、前記ステータの内側に前記ステータと同軸的に配置される内側ロータと、前記ステータの外側に前記ステータと同軸的に配置される外側ロータとを有し、前記内側ロータと前記外側ロータが共通の回転軸のまわりで回転する同軸モータにおいて、各分割コアは、内側ロータに対向する内周面、及び外側ロータに対向する外周面とを結合する側面を備え、分割コアにおいてコイルの巻かれていない端部が先鋭とならないよう、該側面の外周面からコイルが巻かれている部分にかけて、平面であると共に、隣接する分割コア間の間隔は、前記内側ロータ側では狭く、前記外側ロータ側に向かって次第に広くなることを特徴とする。好ましくは、分割コアの２つの側面は略平行に配置されている。
【０００７】
【作用・効果】
本発明によれば、各分割コアは、隣接する分割コアから間隔を置いて配置され磁気的に分離され、内側ロータに対向する内周面、及び外側ロータに対向する外周面とを結合する側面を備え、分割コアにおいてコイルの巻かれていない端部が先鋭とならないよう、該側面の外周面からコイルが巻かれている部分にかけて、平面であると共に、隣接する分割コア間の間隔は、内側ロータ側では狭く、外側ロータ側に向かって次第に広くなる。これにより、各分割コアが外周面側で先鋭な端部を持たないので、各分割コアで発生する鉄損が減少する。また、このような各分割コアの形状により、内側及び外側ロータの磁界は、対向するロータ内部を通過することになり、ロータ内には、自分の発生している磁界と、対向するロータ磁界の差周波数の磁界が流れることになる。このことにより、ロータに発生する鉄損の周波数も減少するので、ロータでの鉄損も減少する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【０００９】
図１は本発明のステータ構造を有する同軸モータを概略的に示す。同軸モータは、ステータ１とステータ１の内側に位置する内側ロータ２とステータ１の外側に位置する外側ロータ３が、同軸的に配置されており、三層構造を有する。ステータ１、内側ロータ２、外側ロータ３はともに略円筒状の形状をとる。ステータ１は、内側ロータ２と外側ロータ３にエアギャップを介して挟まれている。ステータ１と内側ロータ２と外側ロータ３を収容するケース８は、ステータ１をステータ支持部１７により支持し固定する。内側ロータ２はベアリング３３を介してケース８に対して回転可能に支持され、外側ロータ３はベアリング３５を介して内側ロータ２のシャフト７に対して回転可能に支持され、またベアリング３７を介してケース８に対して回転可能に支持される。なお、このような同軸モータの三層構造は、特開２０００−１４１０３に詳細に開示されている。また、図１は同軸モータの三層構造の単なる例示であり、ステータ１と内側ロータ２と外側ロータ３の支持方法は、図１と異なるものであってよい。
【００１０】
図２を参照すると、ステータ１には、複数のコイル９を含んだ単一のステータ巻線が形成され、この単一のステータ巻線に外側ロータを駆動する交流電流と内側ロータを駆動する交流電流を合成した複合電流が流される。こうして、同軸モータにおいて、ロータの数と同数の回転磁場が発生し、内側ロータ２と外側ロータ３は、共通の回転軸５の周りで回転する。さらに、内側ロータ２を駆動する交流電流は内側ロータ２にのみ回転トルクを与え、外側ロータ３を駆動する交流電流は外側ロータにのみ回転トルクを与えるよう図示しないインバータから供給される。各ロータは対応する回転磁場に同期して回転し、それぞれ独立に制御される。例えば、特開平１１−２７５８２６号公報に示される電流設定方法により、各ロータの駆動電流が設定される。
【００１１】
内側ロータ２には、ステータに面する磁極が交互にＳ極とＮ極になるように、６０度の所定間隔おきに、回転軸方向に平行に延びる永久磁石１２が配置される。ここで、本実施形態では、内側ロータ２の単一の磁極は、内側ロータ２の半径方向の一平面に関して対称に配置される２つの磁石１２ａ、１２ｂにより構成される。外側ロータ３には、内側ロータ２の一極に対してＳ極とＮ極を配置するよう、３０度の所定間隔おきに、回転軸方向に平行に延びる永久磁石１１が配置される。このように、内側ロータ２と外側ロータ３に磁石を配置すると、一方のロータの回転が、他方のロータの回転に影響を与えることがなくなる。
【００１２】
図２を参照して、本発明に係るステータ構造について説明する。ステータ１は、ロータ回転軸５の周りで等角度間隔に円筒状に配置された複数の分割コア４（ステータピース）と、各分割コア４のティースに巻かれたコイル９と、隣り合う分割コア４間に配置されるスペーサ１４とを具備する。スペーサ１４は、樹脂等の絶縁体からなり、分割コア４を隣の分割コアから磁気的、電気的に分離する。つまり、分割コア４間にはエアギャップと等価な磁気的なギャップが存在する。本実施形態では、ステータ１には、１８個の分割コア４が、２０度ごとに配置されている。図４では、全体のうち６個の分割コア４が示されている。
【００１３】
複数の分割コア４は、回転軸５に対して半径方向に放射状に延びており、回転軸５を中心軸とする円筒形状を有する肉薄の絶縁体であるステータケース２１内に収容される。なおステータケース２１は、軸方向の長さを分割コア４の軸方向長さより長くして、各分割コア４の外周面４１と同形の開口を有するようにしてもよい。このようにすれば、各分割コア４の外周面４１が直接的に外側ロータ３に対峙することができる。
【００１４】
各分割コア４の外側ロータ３に対向する外周面４１は、半円筒状の形状を有し、回転軸５を軸とする一つの円筒面５３に含まれるように配置されている。従って、図２において、外周面４１の軸方向に垂直な断面は円弧状になっている。この円筒面５３は、ステータ１の外周面に相当する。同様に、各分割コア４の内側ロータ２に対向する内周面４３は、半円筒状の形状を有し、回転軸５を中心軸とする一つの円筒面５５に含まれるように配置されている。この円筒面５５は、ステータ１の内周面に相当する。従って、内周面４３の軸方向に垂直な断面は円弧状になっている。
【００１５】
さらに、各分割コア４の２つの側面４５、４７は、外周面４１と内周面４３とに結合する平面であり、従って、図２において、側面４５、４７の軸方向に垂直な断面は直線になっている。各分割コア４の２つの側面４５、４７は、ステータの半径方向に沿って延びる分割コア４の中心面５１に関して略対称に配置されている。さらに、本実施形態では、側面４５、４７は、中心面５１に関して略平行に配置されており、図１に示すように、中心面５１に沿った分割コア４の断面（図１の左半分）は長方形になっている。このように、分割コア４の幅Ｌつまり側面４５、４７の間の距離が狭い場合には、分割コア４の立体的な形状は略直方体形状となる。２つの側面４５、４７の間の幅Ｌは、２つの側面４５、４７が略平行であるため、半径方向に関して略一定になる。
【００１６】
なお、ステータ１の分割コア４は、方向性電磁鋼板を積層して形成されている。一方向に対する透磁率が高い方向性電磁鋼板を用いることで、飽和磁束密度が大きくなる。従来は、ヨークの部分も考慮する必要があったため、一方向に透磁率が高い鋼板を用いることはできなかったが、上記した本発明のステータ構造にすることで、方向性電磁鋼板が使用可能となる。
【００１７】
次に、分割コア４を固定する構造について説明する。
【００１８】
円環状の一つの平板３１が、円筒状に配置された複数の分割コア４の上に配置され、各分割コア４の一方の端面５９に接して配置される。二本の長軸のボルト１６が、頭部を除いて円環状の平板３１を貫通し、分割コア４の間に設置される。ボルト１６が軸方向に分割コア４を締め付けることにより、分割コア４が固定される。ここで、ボルト１６のネジ部はステータ支持部１７に設けられたネジ穴２５と螺合し、円環状の平板３１がボルト１６の締め付けにより、均等に各分割コア４を押圧する。
【００１９】
隣接する分割コア４の間すなわちスロットには、ステータケース２１とコイル９とスペーサ１４で規定される冷却路６１が設けられる。ステータケース２１は、隣接する分割コア４の間の空間を半径方向において外側ロータ３側から閉塞し、スペーサ１４は、隣接する分割コア４の間の空間を半径方向において内側ロータ２側から閉塞する。従って、ステータケース２１とスペーサ１４は、冷却路６１を形成するための閉塞部材として機能する。前述のボルト１６は、一本が冷却路６１内に、一本がスペーサ１４内に埋め込まれて配置されている。冷却路６１をコイルに接して設置することで、熱の発生量が多いコイルを優先的に冷却することができ、冷却効率が向上する。
【００２０】
冷却路６１は、ステータ１、内側ロータ２、外側ロータ３を収容するケース８を貫通する冷却液口１９からオイル等の冷却液を供給される。冷却液口１９から冷却路６１に流入した冷却液が、隣接する冷却路６１に流れて隣の冷却液口１９から排出されるように、隣接する冷却路６１を繋ぐ溝６５が分割コアの端面５９に形成されている。このような冷却路に係る構成は、本発明の主題から離れるので詳しく述べないが、特開２０００−１４１０３（平成１２年１月１４日公開）に詳細に開示されている。
【００２１】
図３を参照して、本発明のステータ構造の第二の実施形態を説明する。
【００２２】
前述の第一実施形態では、２つの側面４５、４７が略平行であるため、分割コア４の２つの側面４５、４７の間の幅Ｌは、半径方向に関して略一定にであったが、本実施形態では、分割コア４の幅Ｌは、半径方向外側に向かって増加する。つまり、ステータ１の外周面５３における分割コア４の幅Ｌ２は、ステータ１の内周面５５における分割コア４の幅Ｌ１より大きくする。このようにすれば、外側ロータ３の磁石１１の円周方向の幅が大きい場合または外側ロータ３の磁石１１の磁力が強い場合でも、分割コア４における磁気飽和を防止できる。なお、第二の実施形態においても、各分割コア４の２つの側面４５、４７は、ステータの半径方向に沿って延びる中心面５１に関して略対称に配置されている。
【００２３】
また、分割コア４の幅を外周側で広げる場合でも、冷却路６１の通路面積を確保するため、隣り合う分割コア間の間隔Ｄは、半径方向外側に向かって増加するように設定されている。隣り合う分割コア間の間隔を、内周側では狭い間隔Ｄ１にとり、外周側では広い間隔Ｄ２にするようにすることで、ステータ間の面積が確保でき、ステータに巻かれるコイルエリア、冷却エリアを確保することができる。結果として、コイルの面積も広くとれ、銅損が低減できる。また、冷却エリアを広くとることで、冷却効率が向上する。
【００２４】
図４を参照して、本発明のステータ構造の第三の実施形態を説明する。
【００２５】
本実施形態では、分割コア４の幅Ｌは、半径方向外側に向かって減少する。つまり、ステータ１の内周面５５における分割コア４の幅Ｌ１は、ステータ１の外周面５３における分割コア４の幅Ｌ２より大きくする。このようにすれば、冷却路６１の通路面積を非常に大きくすることができる。
【００２６】
次に、第一、第二、第三実施形態によるステータ構造を用いることの効果について、図５、図６を参照して述べる。
【００２７】
ステータ１、内側ロータ２及び外側ロータ３内を通る磁束は、代表的に曲線７１のようになり、内側ロータ２と外側ロータ３の位置関係によって異なる。
【００２８】
内側ロータ２と外側ロータ３の磁極が異極どうしで対向する場合には、内側ロータの磁石１２からの磁束は、その磁石１２に半径方向で対峙する外側ロータ３の磁石１１を通過して、その後磁石１１の隣の外側ロータ磁石１１’にいき、また内側ロータに戻ってくる。内側ロータと外側ロータの磁極が同極どうしで対向する場合には、内側ロータ２の磁石１２からの磁束は、その磁石１２に半径方向で対峙する外側ロータ３の磁石１１に反発され、その後磁石１１となりの隣の磁石１１’を通って、また内側ロータに帰ってくる。
【００２９】
内側ロータ２の磁極と外側ロータ３の磁極位置により磁束の通り方が異ななるが、いずれの場合においても、本発明による分割コア４の形状の効果により、外側ロータ３内を内側ロータ２の磁束が通り、内側ロータ２内を外側ロータの磁束３が通過することになる。
【００３０】
このため、それぞれのロータの磁束の周波数は、自己の磁束周波数と相手方のロータの磁束周波数との差（自己の磁束周波数‐相手方のロータの磁束周波数）となる。なお、磁束の周波数とは、ロータの回転数にロータの極対数を乗算したものである。このように、磁束の周波数が単独で回転した場合に比して減少し、鉄損が減少する。さらに、分割コア４は磁界が急変、集中する部分をもたないために、分割コア４の鉄損も減少する。
【００３１】
本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるステータを有する同軸モータの軸方向の断面を示す概略断面図である。詳しくは、左半分は図２のI−Oに沿った断面であり、右半分は図２のI’−Oに沿った断面である。
【図２】第一実施形態のステータを有する同軸モータの軸方向に垂直な断面を示す部分断面図である。
【図３】第二実施形態のステータの軸方向に垂直な断面を示す部分断面図である。
【図４】第三実施形態のステータの軸方向に垂直な断面を示す部分断面図である。
【図５】本発明によるステータ構造を有する同軸モータにおいて生ずる磁界を概略的に示す軸方向に垂直な同軸モータの部分断面図である。ただし、外側ロータと内側ロータの半径方向に対向する磁極が異極どうしの場合である。
【図６】本発明によるステータを有する同軸モータにおいて生ずる磁界を概略的に示す軸方向に垂直な同軸モータの部分断面図である。ただし、外側ロータと内側ロータの半径方向に対向する磁極が同極どうしの場合である。
【符号の説明】
１  ステータ
２  内側ロータ
３  外側ロータ
４  分割コア
５  回転軸
９  コイル
１１  外側ロータ磁石
１２  内側ロータ磁石
１４  スペーサ
１６  ボルト
４１  分割コアの外周面
４３  分割コアの内周面
４５、４７    分割コアの側面
５１  分割コアの中心面
５３  ステータの外周面
５５  ステータの内周面
【図１】
0003671953.tif 000002
【図２】
0003671953.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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