JP2005218287A - クローポール型モータのステータ - Google Patents

Abstract

【課題】 クローポール型モータの共通の環状スロットに収納される第１相の巻線および第２相の巻線の断面積の比率を適切に設定して損失を最小限に抑える。
【解決手段】 三相のクローポール型モータのステータは、軸線Ｌ方向に離間して配置されたＵ相ティース３１ｂ、Ｖ相ティース３２ｂ，Ｗ相ティース３３ｂを備えており、Ｕ相ティース３１ｂおよびＶ相ティース３２ｂ間に形成された第１環状スロット３７に収納されたＵ相巻線３４および第１Ｖ相巻線３５Ａの断面積の比率を１：１とし、かつＶ相ティース３２ｂおよびＷ相ティース３３ｂ間に形成された第２環状スロット３８に収納された第２Ｖ相巻線３５ＢおよびＷ相巻線３６の断面積の比率を１：１とすることで、三相クローポール型モータの損失を最小限に抑えて効率を高めることができる。
【選択図】 図６

Description

本発明は、環状のリターンパスの周面から軸線方向に離間して複数相のティースを径方向に突出させ、軸線方向に隣接する一対のティース間に形成された環状スロットに第１相の巻線および第２相の巻線を収納したクローポール型モータのステータに関する。

下記特許文献１に記載されたクローポール型モータのステータは、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の各相に対応して３個の単位ステータを備えており、各々の単位ステータは軸線方向に離間した２個のティースと、それらのティースを径方向外端で接続するリターンパスとを有して断面コ字状に形成されている。そして断面コ字状の単位ステータの内部に収納した環状の巻線に通電して独立した磁路を構成することで、その２個のティースの径方向内端にロータに対向するように突設した極性の異なる２種類の突起を磁化するようになっている。

ところで上記従来のものは、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の３個の単位ステータを軸線方向に積み重ねてステータを構成しているが、各々の単位ステータが、その内部に巻線を収納する環状スロットを備え、かつ２個のティースおよび２種類の突起を備えているために軸線方向の厚さが厚くなり、それらの単位ステータを３個積み重ねたステータの軸線方向の寸法が大型化する問題があった。

そこで本出願人は、軸線方向に複数のティースを並置し、隣接するティース間に形成された環状スロットに巻線を収納し、各ティースの径方向内端に軸線方向に延びてロータの外周面に対向する突起を設けたクローポール型モータを、特願２００３−１５８８９８号により既に提案している。

この特願２００３−１５８８９８号で提案されたクローポール型モータは、軸線方向に隣接するＵ相、Ｖ相およびＷ相のティース間に形成された第１、第２環状スロットを備えており、第１環状スロットにＵ相巻線および第１Ｖ相巻線を軸線方向に隣接して収納し、第２環状スロットに第２Ｖ相巻線およびＷ相巻線を軸線方向に隣接して収納している。
特開平７−２２７０７５号公報

ところで、上述したように、共通の環状スロットに第１相の巻線および第２相の巻線を収納する場合、後から発明の実施の形態において詳述するように、第１相の巻線および第２相の巻線の断面積の比率を適切に設定しないと、環状スロットにおいて発生する損失が増大してモータの効率が低下してしまう問題がある。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、クローポール型モータの共通の環状スロットに収納される第１相の巻線および第２相の巻線の断面積の比率を適切に設定して損失を最小限に抑えることを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、環状のリターンパスの周面から軸線方向に離間して複数相のティースを径方向に突出させ、軸線方向に隣接する一対のティース間に形成された環状スロットに第１相の巻線および第２相の巻線を収納したクローポール型モータのステータであって、前記環状スロットに収納された第１相の巻線および第２相の巻線の断面積の比率を１：１としたことを特徴とするクローポール型モータのステータが提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、Ｕ相ティースおよびＶ相ティース間に形成された第１環状スロットにＵ相巻線および第１Ｖ相巻線を収納するとともに、Ｖ相ティースおよびＷ相ティース間に形成された第２環状スロットに第２Ｖ相巻線およびＷ相巻線を収納したことを特徴とするクローポール型モータのステータが提案される。

請求項１の構成によれば、軸線方向に隣接する一対のティース間に形成された環状スロットに収納された第１相の巻線および第２相の巻線の断面積の比率を１：１としたので、環状スロットにおける損失を最小限に抑えてクローポール型モータの効率を高めることができる。

請求項２の構成によれば、第１環状スロットに収納したＵ相巻線および第１Ｖ相巻線の断面積の比率を１：１とし、かつ第２環状スロットに収納した第２Ｖ相巻線およびＷ相巻線の断面積の比率を１：１としたので、三相クローポール型モータの損失を最小限に抑えることができる。

以下、本発明の実施の形態を、添付の図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。

図１〜図８は本発明の一実施例を示すもので、図１はクローポール型モータを備えたハイブリッド車両のパワーユニットを示す図、図２は図１の２−２線拡大断面図、図３は図２の３−３線断面図、図４は図２の４−４線断面図、図５は図２の５−５線断面図、図６はステータの一部破断斜視図、図７はステータの分解斜視図、図８は各相の巻線の断面積の比率が損失に与える影響を説明する図である。

図１に示すように、ハイブリッド車両のパワーユニットは、エンジンＥおよびトランスミッションＴ間に配置されたクローポール型のモータＭを備える。エンジンＥのシリンダブロック１１およびクランクケース１２の右側面にモータケース１３、トルクコンバータケース１４およびミッションケース１５が結合されており、シリンダブロック１１およびクランクケース１２間に支持されたクランクシャフト１６の軸端にモータＭのロータ１７が固定される。ロータ１７の外周に固定した複数の永久磁石１８…に環状のステータ１９が所定のエアギャップを介して対向しており、ステータ１９を支持するステータホルダ２０がシリンダブロック１１およびクランクケース１２とモータケース１３との割り面に挟まれて固定される。

トルクコンバータケース１４に収納されたトルクコンバータ２１は、タービンランナー２２とポンプインペラ２３とを備えており、タービンランナー２２に結合されてポンプインペラ２３を覆うサイドカバー２４がドライブプレート２５を介してモータＭのロータ１７に接続される。トルクコンバータ１４のポンプインペラ２３は、ミッションケース１５に支持されたメインシャフト２６の左端に結合される。

次に、図２〜図７を参照して三相交流で作動するモータＭのステータ１９の構造を説明する。

図７から明らかなように、ステータ１９は圧粉材で一体成形されたＵ相ステータリング３１、Ｖ相ステータリング３２およびＷ相ステータリング３３と、１個のＵ相巻線３４と、２個の第１、第２Ｖ相巻線３５Ａ，３５Ｂと、１個のＷ相巻線３６とを備える。Ｕ相ステータリング３１、Ｖ相ステータリング３２およびＷ相ステータリング３３は軸線Ｌ方向に重ね合わされる。

図２、図３、図６および図７から明らかなように、Ｕ相ステータリング３１は、環状に形成されたリターンパス３１ａと、このリターンパス３１ａの周方向等間隔位置から径方向内向きに延びる９個のＵ相ティース３１ｂ…と、これらのＵ相ティース３１ｂ…の径方向内端から更に径方向内向きに延びる９個の突起３１ｃ…とを備える。そして各々の突起３１ｃの径方向内端は、Ｌ字状に屈曲して径方向の高さが基端側から先端側に向かってテーパー状に減少しながら軸線Ｌ方向片側に延びている。Ｕ相ティース３１ｂは巻線３４，３５Ａ，３５Ｂ，３６の径方向の高さに対応する部分であり、それよりも径方向内側の部分は突起３１ｃとなる。

図２、図４、図６および図７から明らかなように、Ｖ相ステータリング３２は、環状に形成されたリターンパス３２ａと、このリターンパス３２ａの周方向等間隔位置から径方向内向きに延びる９個のＶ相ティース３２ｂ…と、これらのＶ相ティース３２ｂ…の径方向内端から更に径方向内向きに延びる９個の突起３２ｃ…とを備える。そして各々の突起３２ｃの径方向内端は、Ｔ字状に屈曲して径方向の高さが基端側から先端側に向かってテーパー状に減少しながら軸線Ｌ方向両側に延びている。Ｖ相ティース３２ｂは巻線３４，３５Ａ，３５Ｂ，３６の径方向の高さに対応する部分であり、それよりも径方向内側の部分は突起３２ｃとなる。

図２、図５、図６および図７から明らかなように、Ｗ相ステータリング３３はＶ相ステータリング３２に関してＵ相ステータリング３１と鏡面対称な部材であり、かつ裏返すことでＵ相ステータリング３１と互換可能な同一形状を有している。Ｗ相ステータリング３３の各部の符号は、Ｕ相ステータリング３１の各部の符号の「３１」を「３３」に変更したものである。

本実施例のモータＭは三相交流で作動するものであり、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の突起３１ｃ…，３２ｃ…，３３ｃ…は電気角で３６０°／３＝１２０°ずつ周方向にずれて配置される。それに対してロータ１７の各永久磁石１８はＵ相、Ｖ相およびＷ相の突起３１ｃ…，３２ｃ…，３３ｃ…に対して共用されていて同一位相の磁束を発生する。これにより各相の突起３１ｃ…，３２ｃ…，３３ｃ…はロータ１７に均一なトルクを発生させることができる。

図６から明らかなように、ステータ１９の内周面に沿って順番に配置されるＵ相の９個の突起３１ｃ…、Ｖ相の９個の突起３２ｃ…およびＷ相の９個の突起３３ｃ…の軸線Ｌ方向の幅は、ロータ１７の永久磁石１８…の軸線Ｌ方向の幅に略等しくなっており、ステータ１９およびロータ１７間の鎖交磁束を最大限に増加させてロータ１７の出力トルクを増加させることができる。しかも各永久磁石１８はＵ相、Ｖ相およびＷ相の突起３１ｃ…，３２ｃ…，３３ｃ…に対して共用されるので、各相の突起３１ｃ…，３２ｃ…，３３ｃ…に対応して永久磁石１８…を軸線Ｌ方向に分割する必要をなくし、永久磁石１８…の個数を削減することができる。

図３〜図６から明らかなように、Ｕ相ステータリング３１のＵ相ティース３１ｂ…とＶ相ステータリング３２のＶ相ティース３２ｂ…との間に第１環状スロット３７が形成されており、この第１環状スロット３７に予め巻回されたＵ相巻線３４と第１Ｖ相巻線３５Ａとが収納される。またＷ相ステータリング３３のＷ相ティース３３ｂ…とＶ相ステータリング３２のＶ相ティース３２ｂ…との間に第２環状スロット３８が形成されており、この第２環状スロット３８に予め巻回されたＷ相巻線３６と第２Ｖ相巻線３５Ｂとが収納される。

即ち、実施例の三相のモータＭでは、環状スロット３７，３８の数は相数の３から１を減算した２個であり、一方の第１環状スロット３７には１相目（Ｕ相）および２相目（Ｖ相）の巻線３４，３５Ａが収納され、他方の第２環状スロット３８には２相目（Ｖ相）および三相目（Ｗ相）の巻線３５Ｂ，３６が収納されることになる。各々の巻線３４，３５Ａ，３５Ｂ，３６は長方形断面の平角線を導線とするもので、例えば径方向に４層に巻回され、軸線Ｌ方向に４層に巻回される。

第１環状スロット３７に収納されたＵ相巻線３４および第１Ｖ相巻線３５Ａは、Ｕ相巻線３４が径方向外側に配置され、第１Ｖ相巻線３５Ａが径方向内側に配置される。また第２環状スロット３８に収納されたＷ相巻線３６および第２Ｖ相巻線３５Ｂは、Ｗ相巻線３６が径方向外側に配置され、第２Ｖ相巻線３５Ｂが径方向内側に配置される。

そしてスター結線されたＵ相巻線３４、第１、第２Ｖ相巻線３５Ａ，３５ＢおよびＷ相巻線３６に三相交流電流を供給することで、ステータ１９の内周面に順番に配置されたＵ相の突起３１ｃ…、Ｖ相の突起３２ｃ…およびＷ相の突起３３ｃ…に回転磁界を形成し、永久磁石１８…との間に発生する電磁力でロータ１７を回転駆動することができる。

このように、Ｕ相ステータリング３１のＵ相ティース３１ｂ…とＶ相ステータリング３２のＶ相ティース３２ｂ…とでＵ相巻線３４および第１Ｖ相巻線３５Ａを挟んで固定し、かつＷ相ステータリング３３のＷ相ティース３３ｂ…とＶ相ステータリング３２のＶ相ティース３２ｂ…とでＷ相巻線３６および第２Ｖ相巻線３５Ｂを挟んで固定したので、各巻線３４，３５Ａ，３５Ｂ，３６を固定するための特別の固定部材が不要になる。しかも各巻線３４，３５Ａ，３５Ｂ，３６は第１、第２環状スロット３７，３８の内部に収納されて外部部品と干渉する虞がないため、外部部品の寸法管理が容易になる。

図８に模式的に示すように、第１、第２環状スロット３７，３８の断面積をＳとし、第１の巻線（Ｕ相巻線３４およびＷ相巻線３６）の断面積をｋとし、第２の巻線（第１、第２Ｖ相巻線３５Ａ，３５Ｂ）の断面積を１とする（１＋ｋ＝Ｓ）。

例えば、第１環状スロット３７側を例にとると、第１の巻線（Ｕ相巻線３４）の断面積はｋであり、第２の巻線（第１Ｖ相巻線３５Ａ）の断面積は１であるため、単位電流当たり環状スロットで発生する損失Ｐは、第１、第２の巻線の１ターン当たりの長さをＬとし、ターン数をｎとし、抵抗率をρとした場合に、損失Ｐは次の（１）式で与えられる。

損失Ｐを第２の巻線の断面積ｋで偏微分すると、次の（２）式が得られる。

（２）式の値はｋ＝１のときに０になり、損失Ｐはｋ＝１のときに極小値（最小値）をとることが分かる。つまり第１環状スロット３７に収納されるＵ相巻線３４の断面積と第１Ｖ相巻線３５Ａの断面積とを等しく設定し、同様に第２環状スロット３８に収納されるＷ相巻線３６の断面積と第２Ｖ相巻線３５Ｂの断面積とを等しく設定することにより、損失Ｐを最小値にしてモータＭの効率を高めることができる。

尚、Ｖ相巻線は２本（第１、第２Ｖ相巻線３５Ａ，３５Ｂ）存在するため、Ｕ相巻線３４およびＷ相巻線３６と同じ断面積を持たせたことにより、第１、第２Ｖ相巻線３５Ａ，３５ＢＶ相の抵抗値は、Ｕ相巻線３４の抵抗値およびＷ相巻線３６の抵抗値の２倍となる。

以上、本発明の実施例を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、実施例ではクローポール型のモータＭをハイブリッド車両の走行用モータとして使用しているが、その用途は任意である。

また実施例のモータＭはステータ１９の内部にロータ１７を配置したインナーロータ型であるが、本発明はステータの外部にロータを配置したアウターロータ型のモータに対しても適用することができる。

また実施例では第１環状スロット３７においてＵ相巻線３４および第１Ｖ相巻線３５Ａを径方向に隣接して配置しているが、それらを軸線Ｌ方向に隣接して配置しても良い。同様に、実施例では第２環状スロット３８においてＷ相巻線３６および第２Ｖ相巻線３５Ｂを径方向に隣接して配置しているが、それらを軸線Ｌ方向に隣接して配置しても良い。

また実施例では三相のモータＭを例示したが、本発明は四相以上のモータＭに対しても適用することができる。

また実施例では各相のステータリング３１，３２，３３をそれぞれ一体成形しているが、必要に応じてリターンパス３１ａ，３２ａ，３３ａ、ティース３１ｂ…，３２ｂ…，３３ｂ…および突起３１ｃ…，３２ｃ…，３３ｃ…を分割して構成すれば、それらの設計自由度を高めることができる。

クローポール型モータを備えたハイブリッド車両のパワーユニットを示す図 図１の２−２線拡大断面図 図２の３−３線断面図 図２の４−４線断面図 図２の５−５線断面図 ステータの一部破断斜視図 ステータの分解斜視図 各相の巻線の断面積の比率が損失に与える影響を説明する図

符号の説明

３１ａ リターンパス
３１ｂ Ｕ相ティース
３２ａ リターンパス
３２ｂ Ｖ相ティース
３３ａ リターンパス
３３ｂ Ｗ相ティース
３４ Ｕ相巻線
３５Ａ 第１Ｖ相巻線
３５Ｂ 第２Ｖ相巻線
３６ Ｗ相巻線
３７ 第１環状スロット
３８ 第２環状スロット
Ｌ 軸線

Claims (2)

1. 環状のリターンパスの周面から軸線方向に離間して複数相のティースを径方向に突出させ、軸線方向に隣接する一対のティース間に形成された環状スロットに第１相の巻線および第２相の巻線を収納したクローポール型モータのステータであって、
   前記環状スロットに収納された第１相の巻線および第２相の巻線の断面積の比率を１：１としたことを特徴とするクローポール型モータのステータ。
2. Ｕ相ティースおよびＶ相ティース間に形成された第１環状スロットにＵ相巻線および第１Ｖ相巻線を収納するとともに、Ｖ相ティースおよびＷ相ティース間に形成された第２環状スロットに第２Ｖ相巻線およびＷ相巻線を収納したことを特徴とする、請求項１に記載のクローポール型モータのステータ。
   

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