(57)【要約】【課題】回転電機の容積を増加することなく、軸トルクを向上することができる複合回転電機を提供する。【解決手段】永久磁石を有する二つのロータと一つのステータを有し、該ステータコイルに複合電流を通電する複合回転電機において、その最大トルクが、複合回転電機と同一容積であり、且つ永久磁石を有する１つのロータと１つのステータを有し、該ステータコイルに正弦波状電流を通電する回転電機の最大トルクに対して１以上の比になるように、前記複合回転電機のそれぞれのロータに同期した磁束を決める。【選択図】図３
2006081344.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石を有する二つのロータと一つのステータを有し、該ステータコイルに複合電流を通電する複合回転電機において、その最大トルクが、複合回転電機と同一容積であり、且つ永久磁石を有する１つのロータと１つのステータを有し、該ステータコイルに正弦波状電流を通電する回転電機の最大トルクに対して１以上の比になるように、前記複合回転電機のそれぞれのロータに同期した磁束を決めることを特徴とする複合回転電機。
【請求項２】
前記二つのロータにおいて、どちらかのロータ断面積をＡ、もう一つのロータ断面積をＢとするとき（ＡとＢは異なる）ＡとＢの比に応じて、それぞれのロータに同期した磁束を決めることを特徴とする請求項１に記載の複合回転電機。
【請求項３】
任意のロータエアーギャップ面積比において得られる最大トルクから、二つのロータのうちエアーギャップ面積の小さなロータギャップ磁束比に対するトルクの割合が±３の範囲で、それぞれのロータに同期した磁束を決めることを特徴とする請求項１に記載の複合回転電機：ここで、ロータギャップ磁束比とは回転電機の最大トルクが得られるロータギャップ面積の磁束密度に対する比を意味する。
【請求項４】
ステータ許容磁束密度に関しては、以下の式（１）で示した比（Ｒａｔｉｏ）で磁石磁束基本波を実現する永久磁石を設置することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の複合回転電機：
Ｂｇ１２＋Ｂｇ２２＝１．２７２
Ｂｇ１＝（１．２７×Ｋ２）／（１＋Ｋ４）１／２
Ｒａｔｉｏ＝Ｂｇ１／Ｂｇ２          ‥‥(1)
ただし、Ｂｇ１、Ｂｇ２は二つのロータのエアーギャップ磁束密度、Ｋは請求項２に記載のあるＡ、Ｂを用いてＡ／Ｂとする。
【請求項５】
複合回転電機はアキシャルタイプでありその磁束密度比が１であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の複合回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石を有する二つのロータと一つのステータを有し、該ステータコイルに複合電流を通電して二つのロータを各別に駆動する複合回転電機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、２つのロータと１つのステータを三層構造かつ同一の軸上に構成するとともに、前記ステータに単一のコイルを形成し、この単一のコイルに前記ロータの数と同数の回転磁場が発生するように複合電流を流す複合回転電機は種々の構成のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この種の複合回転電機では、ロータの一方をモータとして、残りをジェネレータとして運転する場合に、モータ駆動電力と発電電力の差分の電流を単一のコイルに流すだけでよいので、効率が大幅に向上する。
【特許文献１】特開平１１−２７５８２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述した従来の複合回転電機は、コイルに複合電流を通電し複数のロータを独立に駆動する構造を有している。ロータとステータの構造は、ステータの外周及び内周にそれぞれ独立したロータを配置する三相構造である。このために、ステータの内周に配置したロータの容積は外側ロータの容積に足して小さくなり、結果として合計トルク値は、前記の複合型回転電機と同一容積を有する回転電機の可能最大トルクに足して大幅な向上が見込めない問題があった。
【０００４】
本発明の目的は上述した問題点を解消して、回転電機の容積を増加することなく、軸トルクを向上することができる複合回転電機を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の複合回転電機は、永久磁石を有する二つのロータと一つのステータを有し、該ステータコイルに複合電流を通電する複合回転電機において、その最大トルクが、複合回転電機と同一容積であり、且つ永久磁石を有する１つのロータと１つのステータを有し、該ステータコイルに正弦波状電流を通電する回転電機の最大トルクに対して１以上の比になるように、前記複合回転電機のそれぞれのロータに同期した磁束を決めることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の複合回転電機では、複合磁束を用いない回転電機に対して、トルク比１以上となる磁束を設定しているので、回転電機の容積を増加する事なく、軸トルクを向上することができる。これによりモータ重量低減、コスト低減、車載搭載性を向上できる。
【０００７】
なお、本発明の複合回転電機では、二つのロータにおいて、どちらかのロータ断面積をＡ、もう一つのロータ断面積をＢとするとき（ＡとＢは異なる）ＡとＢの比に応じて、それぞれのロータに同期した磁束を決めるよう構成することができる。このように構成すれば、複合回転電機の磁束の設定を単にロータギャップ面積の比で決定することができ、容易に通常の回転電機に対するトルク向上が図れる。
【０００８】
また、本発明の複合回転電機では、任意のロータエアーギャップ面積比において得られる最大トルクから、二つのロータのうちエアーギャップ面積の小さなロータギャップ磁束比に対するトルクの割合が±３の範囲で、それぞれのロータに同期した磁束を決めるよう構成することができる（ここで、ロータギャップ磁束比とは回転電機の最大トルクが得られるロータギャップ面積の磁束密度に対する比を意味する）。このように構成すれば、あるギャップ面積比を有する複合回転電機の磁束量を設定することで、最大トルクに近いトルクを得ることが可能である。
【０００９】
さらに、本発明の複合回転電機では、ステータ許容磁束密度に関しては、以下の式（１）で示した比（Ｒａｔｉｏ）で磁石磁束基本波を実現する永久磁石を設置するよう構成することができる：
Ｂｇ１２＋Ｂｇ２２＝１．２７２
Ｂｇ１＝（１．２７×Ｋ２）／（１＋Ｋ４）１／２
Ｒａｔｉｏ＝Ｂｇ１／Ｂｇ２          ‥‥(1)
ただし、Ｂｇ１、Ｂｇ２は二つのロータのエアーギャップ磁束密度、Ｋは上述したＡ、Ｂを用いてＡ／Ｂとする。このように構成すれば、式（１）で決められた条件を満足する磁石量を配置することで、与えられたロータ体積において、最大トルクが得られ最も低重量、低コストの複合回転電機を実現できる。
【００１０】
さらにまた、本発明の複合回転電機では、複合回転電機はアキシャルタイプでありその磁束密度比が１であるよう構成することができる。このように構成すれば以下のような効果を得ることができる。すなわち、これまでの内外ロータ構造ではロータギャップ体格が一致しないために、与えられた体積内で最大トルクを実現することができない。このために、複合回転電機をアキシャルタイプとし、両ロータのギャップ面積比を１にし、磁束密度比を１にすれば理論上最大トルクが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、この発明の実施の形態を、図面に基づき詳細に説明する。
図１は本発明の複合回転電機の一例としての複軸多層モータが適用されたハイブリッド駆動ユニットの全体図である。なお、以下に説明する複軸多層モータはその基本的な構成を説明するためのものであり、本発明の特徴部分については、後に詳細に説明する。図１において、Ｅはエンジン、Ｍは複軸多層モータ、Ｇはラビニョウ型複合遊星歯車列、Ｄは駆動出力機構、１はモータカバー、２はモータケース、３はギヤハウジング、４はフロントカバーである。
【００１２】
前記エンジンＥは、ハイブリッド駆動ユニットの主動力源であり、エンジン出力軸５とラビニョウ型複合遊星歯車列Ｇの第２リングギヤR2とは、回転変動吸収ダンパー６及び多板クラッチ７を介して連結されている。
【００１３】
前記複軸多層モータＭは、外観的には１つのモータであるが２つのモータジェネレータ機能を有する副動力源である。この複軸多層モータＭは、前記モータケース２に固定され、コイルを巻いた固定電機子としてのステータＳと、前記ステータＳの内側に配置し、永久磁石を埋設したインナーロータIRと、前記ステータＳの外側に配置し、永久磁石を埋設したアウターロータORと、を同軸上に三層配置することで構成されている。前記インナーロータIRに固定の第１モータ中空軸８は、ラビニョウ型複合遊星歯車列Ｇの第１サンギヤS1に連結され、前記アウターロータORに固定の第２モータ軸９は、ラビニョウ型複合遊星歯車列Ｇの第２サンギヤS2に連結されている。
【００１４】
前記ラビニョウ型複合遊星歯車列Ｇは、二つのモータ回転数を制御することにより無段階に変速比を変える無段変速機能を有する遊星歯車機構である。このラビニョウ型複合遊星歯車列Ｇは、互いに噛み合う第１ピニオンP1と第２ピニオンP2を支持する共通キャリヤＣと、第１ピニオンP1に噛み合う第１サンギヤS1と、第２ピニオンP2に噛み合う第２サンギヤS2と、第１ピニオンP1に噛み合う第１リングギヤR1と、第２ピニオンP2に噛み合う第２リングギヤR2との５つの回転要素を有して構成されている。前記第１リングギヤR1とギヤハウジング３との間には多板ブレーキ１０が介装されている。前記共通キャリヤＣには、出力ギヤ１１が連結されている。
【００１５】
前記駆動出力機構Ｄは、出力ギヤ１１と、第１カウンターギヤ１２と、第２カウンターギヤ１３と、ドライブギヤ１４と、ディファレンシャル１５と、ドライブシャフト１６，１６により構成されている。そして、出力ギヤ１１からの出力回転及び出力トルクは、第１カウンターギヤ１２→第２カウンターギヤ１３→ドライブギヤ１４→ディファレンシャル１５を経過し、ドライブシャフト１６，１６から図外の駆動輪へ伝達される。
【００１６】
すなわち、ハイブリッド駆動ユニットは、前記第２リングギヤR2とエンジン出力軸５を連結し、前記第１サンギヤS1と第１モータ中空軸８とを連結し、前記第２サンギヤS2と第２モータ軸９とを連結し、前記共通キャリヤＣに出力ギヤ１１を連結することにより構成されている。
【００１７】
図２は、ラビニョオ型遊星歯車列と組み合わされて車両用ハイブリッド変速機を構成する、この発明の対象となる複軸多層モータの一例をより詳細に示す図である。この複軸多層モータに、この発明のアウターロータ支持構造を適用することができる。図２に示す構成の複軸多層モータは、一個の円環状のステータ１０１と、その半径方向内方および外方にそれぞれ互いに同軸の所定回転軸線Ｏ上にて回転自在に配置したインナーロータ１０２およびアウターロータ１０３とよりなる三重構造とし、これらをハウジング１０４内に収納して構成する。
【００１８】
ここにおけるインナーロータ１０２およびアウターロータ１０３はそれぞれ、電磁鋼板などをプレス成形して造った板材のロータ軸線方向への積層になる積層コア１２４，１２５を具え、これら積層コア１２４，１２５に、ロータ軸線方向に貫通する永久磁石を円周方向等間隔に配置して設けた構成となす。インナーロータ１０２とアウターロータ１０３とでは、配置する磁極数を変えることで、両者の極対数を異ならせている。一例を示すと、磁石の個数自体はインナーロータ１０２とアウターロータ１０３で同一であり、１２個ずつであるが、インナーロータ１０２は２個の磁石で１極を成しているため、極対数としては３極対となり、アウターロータ１０３は１個の磁石で１極を成しているため、極対数としては６極対となる。
【００１９】
そしてハウジング１０４内へのインナーロータ１０２およびアウターロータ１０３の収納に当たっては、アウターロータ１０３は、積層コア１２５の外周にトルク伝達シェル１０５を駆動結合して具え、該トルク伝達シェル１０５の両端をそれぞれベアリング１０７，１０８によりハウジング１０４に回転自在に支持し、トルク伝達シェル１０５をベアリング１０７の側でアウターロータシャフト１０９に結合する。
【００２０】
インナーロータ１０２は積層コア１２４の中心に、内部に上記アウターロータシャフト１０９を回転自在に貫通した中空のインナーロータシャフト１１０を貫通して具え、これらインナーロータ１０２の積層コア１２４およびインナーロータシャフト１１０間を駆動結合する。そしてインナーロータシャフト１１０の中間部をベアリング１１２により、固定のステータブラケット１１３内に回転自在に支持し、一端部（図１では左端部）をベアリング１１４によりトルク伝達シェル１０５の対応端壁に回転自在に支持する。
【００２１】
ステータ１０１は、電磁鋼板をプレス成形して造ったＩ字状のステータ鋼板をステータ軸線方向に積層してなる多数のステータティースを具える。個々のステータティースには、アウターロータ側ヨークおよびインナーロータ側ヨーク間におけるティースの箇所において図２に示す如く電磁コイル１１７を巻線し、これらコイル巻線済のステータティースを同一円周方向等間隔に、つまり円形に配列してステータコアとなし、このステータコアをステータ軸線方向両側のブラケット１１３，１１８間に何らかの手段で挟持すると共に全体的に樹脂１２０でモールドすることにより一体化してステータ１０１を構成する。
【００２２】
なお、このモータの駆動に当たっては、回転センサ１４８および回転センサ１４７が検出するインナーロータ１０２およびアウターロータ１０３の回転位置、つまりこれらに上記のごとく設けられる永久磁石の位置に応じた両ロータ１０２，１０３用の位相の異なる駆動電流を複合して得られる複合電流をステータ１０１の電磁コイル１１７に供給し、これにより両ロータ１０２，１０３用の回転磁界をステータに個別に発生させることで、回転磁界に同期してロータ１０２，１０３を個別に回転駆動させることができる。
【００２３】
本発明の複合回転電機の特徴は、上述した構成の複合回転電機において、複合磁束を用いない回転電機に対する体格を規定することにある。以下、本発明の回転電機の駆動方法を詳細に説明する。
【００２４】
図３（ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明の複合回転電機の一例を説明するための図であり、図３（ａ）は複合磁束を用いたラジアル型複合回転電機の体格を示し、図３（ｂ）は複合磁束を用いないラジアル型回転電機の体格を示す。両者比較のために回転電機外径と積厚は同一とする。ここで、図３（ｂ）に示す複合磁束を用いない回転電機のロータ２０１のトルクτは、体格（エアーギャップ径Ｄ２×積厚Ｌ）とエアーギャップ磁束密度Ｂｇ及び電気装荷ａｃ（電流）に比例する。また、同様に、図３（ａ）に示す複合磁束を用いた複合回転電機のインナーロータ１０２のトルクτｉとアウターロータ１０３のトルクτｏも、体格（エアーギャップ径Ｄi２またはＤo２×積厚Ｌ）とエアーギャップ磁束密度Ｂｇi、Ｂｇo及び電気装荷ａｃｉ、ａｃｏに比例する。ここで、両回転電機のトルクの比をとると以下の（Ａ）式に示される。
【００２５】
【数１】
2006081344.tif 000003
【００２６】
ここで、両回転電機の電気装荷が等しく、また、図３（ｂ）に示す複合磁束を用いない回転電機のエアーギャップ径Ｄと図３（ａ）に示す複合磁束を用いた回転電機のアウターロータのエアーギャップ径Ｄｏが等しいとすると、両回転電機のトルク比は以下の（Ｂ）式に示される。
【００２７】
【数２】
2006081344.tif 000004
【００２８】
また、複合磁束を用いた複合回転電機におけるインナーロータ１０２とアウターロータ１０３とのエアーギャップ磁束密度の関係：Ｂｇｉ２＋Ｂｇｏ２＝１．２７２、Ｂｇｉ＝（１．２７×Ｋ２）／（１＋Ｋ４）１／２、Ｒａｔｉｏ＝Ｂｇｉ／Ｂｇｏ （ただし、Ｂｇｉ、Ｂｇｏはインナーロータとアウターロータのエアーギャップ磁束密度、Ｋはインナーロータの断面積Ａとアウターロータの断面積Ｂを用いてＡ／Ｂとする）、から、両回転電機のトルク比は、図４のような傾向を示す。ここで、インナーロータとアウターロータのエアーギャップ磁束密度比を上記比（Ｒａｔｉｏ）に設定すると任意のロータ体格比で最大トルクを得ることできる。
【００２９】
また、両回転電機のトルク比と同トルク比のアウターロータ１０３のエアーギャップ磁束密度比に対する一次微分項の関係は、図５のように示される。両回転電機のトルク比のアウターロータ１０３のエアーギャップ磁束密度比に対する一次微分項の値が上記条件を満たす値の場合、任意のロータ体格比でトルク比が１より大きいことがわかる。従って、インナーロータ１０２とアウターロータ１０３のエアーギャップ磁束密度比が上記条件を満たす値を実現する永久磁石をロータに置くことで、複合磁束を用いない回転電機の軸トルクより大きな軸トルクを得ることができる。
【００３０】
なお、上述した例ではラジアルタイプの複合回転電機を示したが、図６のように複合回転電機の構造をアキシャルタイプとすると、両ロータ２０２のギャップ面積比を１にすることが可能となる。従って、両ロータ２０２のエアーギャップ磁束密度比を１にする永久磁石をロータ２０２に配置すれば理論上最大トルクが得られる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明の複合回転電機は、永久磁石を有する二つのロータと一つのステータを有し、該ステータコイルに複合電流を通電する複合回転電機において、回転電機の容積を増加することなく、軸トルクを向上するための用途として好適に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の複合回転電機の一例としての複軸多層モータが適用されたハイブリッド駆動ユニットを示す概略全体図である。
【図２】本発明の複合回転電機の一例としての複軸多層モータの一例を示す図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明の複合回転電機の一例を説明するための図である。
【図４】本発明の複合回転電機における、アウターロータのエアーギャップ磁束密度と複合磁束を用いない回転電機のエアーギャップ磁束密度との磁束密度比と、トルクと、の関係を示すグラフである。
【図５】本発明の複合回転電機における、アウターロータのエアーギャップ磁束密度と複合磁束を用いない回転電機のエアーギャップ磁束密度との磁束密度比と、トルク及び一次微分項と、の関係を示すグラフである。
【図６】本発明の複合回転電機の他の例としてアキシャルギャップモータの一例を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０１  ステータ
１０２  インナーロータ
１０３  アウターロータ
２０１、２０２  ロータ
【図１】
2006081344.tif 000005
【図２】
2006081344.tif 000006
【図３】
2006081344.tif 000007
【図４】
2006081344.tif 000008
【図５】
2006081344.tif 000009
【図６】
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