(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータの内周および外周の双方にロータを同軸状に配置して成る二重ロータ構造の回転電機において、
前記ステータは、複数のステータピースと、ステータ軸方向両端にそれぞれ設置され、円周状に等間隔に配置された前記ステータピースを固定するブラケットと、ステータ軸方向に磁界が発生するよう前記ステータピースの外周に巻回されるコイルと、前記二重ロータ構造をなすアウターロータおよびインナーロータのそれぞれに前記コイルをステータ軸方向で挟み込むよう配置される互いに異極の多極対の磁石より成る、アウター磁石およびインナー磁石とを具備して成り、
前記ステータピースは、アウターロータの極対数をＰ０とし、インナーロータの極対数をＰ１とし、アウターロータの駆動相数をＭ０とし、インナーロータの駆動相数をＭ１としたとき、Ｐ０×Ｍ０およびＰ１×Ｍ１の最小公倍数の半分の数だけ配置されることを特徴とする回転電機。
【請求項２】
前記ステータピースは、アウターロータ側がインナーロータ側よりも広くなる扇型断面形状をなすことを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項３】
前記ステータピースの周囲に巻回されるコイルは、円周方向において隣接するステータピース間に形成された軸方向に貫通する空隙を経て前記ブラケット側に取り出されることを特徴とする請求項１または２記載の回転電機。
【請求項４】
円周状に等間隔に配置されたステータピースは、ステータ軸方向両端に設置されたブラケット間をステータ支持ボルトで締結することにより固定され、該ステータ支持ボルトは、円周方向において隣接するステータピース間に形成された軸方向に貫通する空隙に配置されることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項記載の回転電機。
【請求項５】
前記ステータピースはアウターロータ側がインナーロータ側よりも広くなる扇型断面形状を有し、該ステータピースの扇型断面の内部をステータ支持ボルトが貫通することを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項６】
前記アウター磁石およびインナー磁石の１極対を構成する互いに異極の２つの磁石を、ステータ軸方向に対してオフセットさせて配置することを特徴とする請求項１〜５の何れか１項記載の回転電機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ステータの内周および外周の双方にロータを同軸状に配置して成る二重ロータ構造の回転電機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
二重ロータ構造の回転電機の従来例としては、例えば特開平１１−２７５８２６号公報に記載されたものがある。この従来例の回転電機は、ロータがステータの内周および外周に配置されており、ステータには軸方向にコイルが巻回されているため、ステータ内の磁束は径方向に流れることになる。
【０００３】
上記従来例の回転電機の磁界の流れを図８に基づいて説明する。図８はアウターロータ磁路およびインナーロータ磁路を示している。アウターロータ磁路は、アウター磁石からアウターロータを経て隣接するインナー側ステータ間の空隙を横切ってアウター磁石に戻る経路となり、同様に、インナーロータ磁路は、インナー磁石からインナーロータを経て隣接するアウター側ステータ間の空隙を横切ってインナー磁石に戻る経路となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来例の回転電機は、アウターロータ磁路およびインナーロータ磁路が隣接ステータ間空隙を横切る構成となっているため、磁路の磁場抵抗が大きくなり、隣接ステータ間に空隙が存在しない構成の回転電機に比べて、ステータ鎖交磁束数が減少するという問題がある。
【０００５】
なお、上記図８には隣接ステータ間空隙を通る磁路のみを示したが、例えばアウターロータ磁路を構成するアウターロータ磁束が隣接ステータ間空隙を通らずにインナーロータ内を通る構成とした場合であっても、アウターロータ磁束がアウター磁石からステータおよびインナーロータ間の空隙を経てインナーロータ磁石内を通過することになり、磁場抵抗が大きくなってしまう。
【０００６】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、上記従来技術と同数の磁石を使用しつつ上記従来例よりも磁場抵抗を減少させる構造とすることにより、ステータ鎖交磁束数を増加させて出力を増加させることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の第１発明は、ステータの内周および外周の双方にロータを同軸状に配置して成る二重ロータ構造の回転電機において、前記ステータは、複数のステータピースと、ステータ軸方向両端にそれぞれ設置され、円周状に等間隔に配置された前記ステータピースを固定するブラケットと、ステータ軸方向に磁界が発生するよう前記ステータピースの外周に巻回されるコイルと、前記二重ロータ構造をなすアウターロータおよびインナーロータのそれぞれに前記コイルをステータ軸方向で挟み込むよう配置される互いに異極の多極対の磁石より成る、アウター磁石およびインナー磁石とを具備して成り、前記ステータピースは、アウターロータの極対数をＰ０とし、インナーロータの極対数をＰ１とし、アウターロータの駆動相数をＭ０とし、インナーロータの駆動相数をＭ１としたとき、Ｐ０×Ｍ０およびＰ１×Ｍ１の最小公倍数の半分の数だけ配置されることを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載の第２発明は、前記ステータピースは、アウターロータ側がインナーロータ側よりも広くなる扇型断面形状をなすことを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の第３発明は、前記ステータピースの周囲に巻回されるコイルは、円周方向において隣接するステータピース間に形成された軸方向に貫通する空隙を経て前記ブラケット側に取り出されることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載の第４発明は、円周状に等間隔に配置されたステータピースは、ステータ軸方向両端に設置されたブラケット間をステータ支持ボルトで締結することにより固定され、該ステータ支持ボルトは、円周方向において隣接するステータピース間に形成された軸方向に貫通する空隙に配置されることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載の第５発明は、前記ステータピースはアウターロータ側がインナーロータ側よりも広くなる扇型断面形状を有し、該ステータピースの扇型断面の内部をステータ支持ボルトが貫通することを特徴とする。
【００１３】
請求項６に記載の第６発明は、前記アウター磁石およびインナー磁石の１極対を構成する互いに異極の２つの磁石を、ステータ軸方向に対してオフセットさせて配置することを特徴とする。
【００１４】
【発明の効果】
第１発明によれば、上記構成とすることにより、ステータ内を通る磁界の方向がステータ軸方向になるから、アウターロータへ向かう磁束はステータからステータおよびアウターロータ間空隙を経てアウターロータに至る経路となり、インナーロータへ向かう磁束はステータからステータおよびインナーロータ間空隙を経てインナーロータに至る経路となるので、上記従来例の回転電機に比べて磁場抵抗が減少するとともに、アウターロータの極対数をＰ０とし、インナーロータの極対数をＰ１とし、アウターロータの駆動相数をＭ０とし、インナーロータの駆動相数をＭ１としたとき、Ｐ０×Ｍ０およびＰ１×Ｍ１の最小公倍数の半分の数だけステータピースを配置するから、回転電機を軸方向に垂直に切った断面内で１極当たりのステータ断面積を上記従来例の２倍とすることができ、ステータ内磁束密度を減少させることができる。
【００１５】
第２発明によれば、アウターロータ側がインナーロータ側よりも広くなる扇型断面形状をなすステータピースより成るステータ構造とすることにより、ステータおよびアウターロータ間空隙ならびにステータおよびインナーロータ間空隙の磁気抵抗を最小化することが可能になる。
【００１７】
第３発明によれば、円周方向において隣接するステータピース間には軸方向に貫通する空隙が形成されているので、この空隙からステータピースの外周に巻回されたコイルをブラケット側に容易に取り出すことができ、上記従来例に比べて特に軸方向長さを短縮することができる。
【００１８】
第４発明によれば、円周状に等間隔に配置されたステータピースをステータ軸方向両端に設置されたブラケット間に固定するステータ支持ボルトは、円周方向において隣接するステータピース間に形成された軸方向に貫通する空隙に磁界に影響を及ぼさないように配置されるから、ステータ支持ボルト内の渦電流発生に伴う損失が生じることはなく、回転電機の総合効率が向上する。
【００１９】
第５発明によれば、アウターロータ側がインナーロータ側よりも広くなる扇型断面形状を有するステータピースの扇型断面の内部をステータ支持ボルトが貫通する構造としたから、磁界の変化によりステータ支持ボルト内に生じる渦電流は磁界の方向と垂直な平面内を流れ、ステータ支持ボルトの電気抵抗値は該ステータ支持ボルトの直径に応じて決定されることになるので、渦電流が減少する。
【００２０】
第６発明によれば、アウター磁石およびインナー磁石の１極対を構成する互いに異極の２つの磁石は、ステータ軸方向に対してオフセットさせて配置されるから、ロータスキューを実現することができ、トルクリップルが減少する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
図１は本発明の第１実施形態の回転電機の原理的構成を示す軸方向断面図であり、図２は本発明の第１実施形態の回転電機の原理的構成を示す半径方向断面図である。本実施形態の回転電機は、図１および図２に示すように、ステータ１の内周および外周の双方にそれぞれインナーロータ２およびアウターロータ３を同軸状に配置して成る二重ロータ構造の回転電機として構成されている。
【００２２】
上記ステータ１は、例えば鉄粉磁心であるステータピース４と、ステータ軸方向両端にそれぞれ設置されるブラケット５と、両端のブラケット５間を締結することにより図２に示すように円周状に等間隔に配置した複数のステータピース４を固定するステータ支持ボルト６と、ステータ軸方向に磁界が発生するようステータピース４の外周に巻回されるコイル７と、アウターロータ３およびインナーロータ２のそれぞれにコイル７をステータ軸方向で挟み込むよう配置される互いに異極の多極対の磁石８Ｎ，８Ｓおよび９Ｎ，９Ｓより成る、アウター磁石８およびインナー磁石９とを具備して成る。ステータ支持ボルト６は、図２に示すように、円周方向において隣接するステータピース間に形成された軸方向に貫通する空隙に配置されている。なお、ステータの内周および外周の双方にそれぞれロータを同軸状に配置して成る二重ロータ構造の回転電機に関しては、例えば、「社団法人  自動車技術会  学術講演会前刷集  No.104-00 」に掲載された論文「複合電流駆動多軸モータの可能性とハイブリッド車への応用」を参照のこと。
【００２３】
次に、本実施形態の回転電機の作用について説明する。
まず、ステータ１のステータピース４に巻回されているコイル７に電流を供給すると、磁界が発生する。その際、コイル７にはアウターロータ３およびインナーロータ２のそれぞれの位置に同期した電流を重畳した複合電流を供給する。この複合電流の供給により、回転電機において発生する磁界は複合磁界となる。
【００２４】
上記コイル７によって発生した複合磁界はステータ１内を図１の軸方向右側に進み、アウター磁石８およびインナー磁石９のそれぞれに引き付けられることによりそれぞれの磁界の向きが変化する。なおここで、複合磁界がアウター磁石８およびインナー磁石９に対して適切に分離されることは、上記従来例や上記論文等の従来技術に開示されている。
【００２５】
上記複合磁界から分離された、アウターロータ３およびインナーロータ２のそれぞれに適した磁界が、アウター磁石８およびインナー磁石９のそれぞれを引き付ける、または、アウター磁石８およびインナー磁石９のそれぞれに引き付けられることにより、アウターロータ３およびインナーロータ２のそれぞれに電磁力が発生し、トルクが発生する。アウター磁石８およびインナー磁石９のそれぞれを通過した磁束は、アウターロータ３内およびインナーロータ２内をそれぞれ軸方向右側から左側に進み、再びアウター磁石８およびインナー磁石９のそれぞれを通過してステータ１内に戻る。
【００２６】
上述した一連の磁界ループは、図３（ａ）に示す等価磁気回路によって表わすことができる。図３（ａ）では、電圧源は各磁石の起磁力に対応しており、抵抗はステータ１および各ロータ間の空隙に対応している。ただし、ステータ内および各ロータ内の磁気抵抗は透磁率が空気に比べて大きいので図３（ａ）には記載しておらず、実際にも無視し得るものとなる。一方、上記従来例は、図３（ｂ）に示す等価磁気回路によって表わすことができる。この等価磁気回路では、上記図３（ａ）の等価磁気回路に比べて、磁界の通路となる隣接ステータ間空隙に対応する抵抗が増加している。
【００２７】
したがって、図３（ａ）および図３（ｂ）の比較から明らかなように、本実施形態の回転電機は、上記従来例の回転電機よりも磁気抵抗が減少している。このように磁気抵抗が減少することは、隣接ステータ間空隙を磁界の通路としない構造の本実施形態の回転電機によって得られる、本発明特有の効果である。なお、本実施形態の回転電機において、アウターロータ側がインナーロータ側よりも広くなる扇型断面形状をなすステータピース４より成るステータ構造を採用したことにより、ステータおよびアウターロータ間空隙ならびにステータおよびインナーロータ間空隙の磁気抵抗を最小化することが可能になる。
【００２８】
上記図３（ａ）の等価磁気回路に関してさらに詳しく説明する。この構成において、アウターロータを３相で駆動し、インナーロータを６相で駆動する場合には、必要とするステータピースの個数は、
アウターロータの極対数Ｐ０＝４
インナーロータの極対数Ｐ１＝２
アウターロータの駆動相数Ｍ０＝３
インナーロータの駆動相数Ｍ１＝６
であるから、
Ｐ０×Ｍ０およびＰ１×Ｍ１の最小公倍数の半分の数、すなわち６個となる。したがって、本実施形態では、回転電機を軸方向に垂直に切った断面内で必要とするステータピースの個数は上記従来例の半分で済むことになり、ステータ内磁束密度を減少させることができる。
【００２９】
また、本実施形態の回転電機においては、ステータ支持ボルト６およびコイル７を配置する空間として、円周方向において隣接するステータピース間に形成された軸方向に貫通する空隙を使用するから、上述した磁界の流れを考察したとき磁束が隣接ステータ間空隙を通過することはない。したがって、ステータ支持ボルト６が磁性材料製であってもステータ支持ボルト６内での渦電流発生に伴う損失（鉄損）は生じないから、回転電機の総合効率が向上することになる。また、コイル７は円周方向において隣接するステータピース間に形成された軸方向に貫通する空隙に配置されるから、この空隙からコイル７をブラケット５側に容易に取り出すことができる。したがって、上記従来例に比べて特に軸方向長さが短縮されることになる。
【００３０】
図４は本発明の第２実施形態の回転電機の要部の原理的構成を示す半径方向断面図である。本実施形態の回転電機は、図４に示すように、ステータピース４の内部をステータ支持ボルト６が軸方向に貫通するように構成されている。
【００３１】
本実施形態の回転電機においては、ステータ１のステータピース４に巻回されているコイル７に電流を供給することにより発生する磁界は、主に図４の紙面に垂直な方向に流れる。この場合、ステータ支持ボルト６の内部には、ステータピース４の内部の磁界の変化に応じた渦電流が発生するが、この渦電流の発生方向はボルト断面を周回する方向となるので、ステータ支持ボルト６の電気抵抗値は該ステータ支持ボルトの直径に応じて大きくなり、大きな渦電流は発生しない。一方、上記従来例の場合は、磁界の流れる方向とステータ支持ボルトの軸方向とが直交関係にあるので、ステータ支持ボルトの軸方向に渦電流が流れ、大きな渦電流となる。
【００３２】
本実施形態の回転電機における磁界の流れを、図４のＡ−Ａ断面図である図５およびアウターロータおよびステータを含む部分を示す斜視図である図６に基づいてさらに詳しく説明する。
【００３３】
本実施形態の回転電機では、磁界の流れは図５および図６に示すようになり、ステータ１、アウターロータ３およびインナーロータ２の内部ではそれぞれ、ステータ軸（回転軸）に平行に磁界が流れ、ステータ１および各ロータ間に形成される空隙（エアーギャップ）ではステータ軸と直交する平面内で磁界が流れる。このような磁界の流れは、磁界の流れる方向とステータ支持ボルトの軸方向とが直交関係にある上記従来例とは相違している。そのため、本実施形態の回転電機においては、磁気抵抗となるのは図５および図６に示した空隙部分を流れる磁界のみとなるから、渦電流が上記従来例に比べて大幅に減少する。
【００３４】
図７は本発明の第３実施形態の回転電機の要部の原理的構成を示す図である。図７は本実施形態の回転電機のアウター磁石８の１極対を構成する互いに異極の磁石８Ｎ，８Ｓをアウターロータ平面に展開した状態を示しており、図７中では上下方向が軸方向に対応する。この図７から明らかなように、アウター磁石８の１極対を構成する互いに異極の２つの磁石８Ｎ，８Ｓは、ステータ軸方向に対してオフセット配置されている。なお、インナー磁石９の１極対を構成する互いに異極の２つの磁石９Ｎ，９Ｓは、図示していないが、上記アウター磁石８の場合と同様に、ステータ軸方向に対してオフセット配置されている。
【００３５】
本実施形態の回転電機によれば、上述したように各磁石をオフセット配置したことにより、図５に示す磁石８Ｎおよび磁石８Ｓ間の図示しないコイルに電流を供給することにより発生した磁界は磁石８Ｎから磁石８Ｓに向かうように軸方方向とは所定角度をなすように斜めに曲がるので、ロータスキューを実現することができ、トルクリップルを減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施形態の回転電機の原理的構成を示す軸方向断面図である。
【図２】  本発明の第１実施形態の回転電機の原理的構成を示す半径方向断面図である。
【図３】  （ａ）は第１実施形態の回転電機の等価磁気回路であり、（ｂ）は従来例の回転電機の等価磁気回路である。
【図４】  本発明の第２実施形態の回転電機の要部の原理的構成を示す半径方向断面図である。
【図５】  図４のＡ−Ａ断面図である。
【図６】  第２実施形態の回転電機のアウターロータおよびステータを含む部分を示す斜視図である。
【図７】  本発明の第３実施形態の回転電機の要部の原理的構成を示す図である。
【図８】  従来例の回転電機の磁界の流れを説明するための図である。
【符号の説明】
１  ステータ
２  インナーロータ
３  アウターロータ
４  ステータピース
５  ブラケット
６  ステータ支持ボルト
７  コイル
８  アウター磁石
８Ｎ，８Ｓ  磁石
９  インナー磁石
９Ｎ，９Ｓ  磁石
【図１】
0003678202.tif 000002
【図２】
0003678202.tif 000003
【図３】
0003678202.tif 000004
【図４】
0003678202.tif 000005
【図５】
0003678202.tif 000006
【図６】
0003678202.tif 000007
【図７】
0003678202.tif 000008
【図８】
0003678202.tif 000009