JP7159800B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、２つのステータを備える回転電機に関する。

従来、ロータコア及び永久磁石が周方向に交互に配置されて円環状に形成されたロータと、ロータの外周側にエアギャップをあけて設けられた第１のステータと、ロータの内周側にエアギャップをあけて設けられた第２のステータとを備える回転電機が知られている。

特許文献１には、上記構成を備え、永久磁石が、ロータの周方向に磁化されて隣り合う永久磁石の磁化の向きが逆であり、第１のステータが、ロータに対向する面に周方向に等間隔に形成された複数の第１のスロットと、各第１のスロットに収められた巻線とを有し、第２のステータが、ロータに対向する面に周方向に等間隔に形成された複数の第２のスロットと、各第２のスロットに収められた巻線とを有するバーニアモータが開示されている。第１のスロットの数と第２のスロットの数が同一であり、スロットの周期をａとしたとき、第１のスロットの周方向の位置と第２のスロットの周方向の位置とが相対的にスロットの周期ａの半分（ａ／２）ずれるように第１のステータに対して第２のステータを配置している。

特開２０１６－５４１２号公報

モータは、ステータが作る回転磁束成分と、ロータが作る磁束成分が同期して回転トルクを発生する。バーニアモータや分数スロットモータでは、ステータが作る回転磁束成分が複数存在し、トルクの発生に寄与する回転磁束成分が存在する一方で、トルクの発生に寄与しない回転磁束成分が存在する。トルクの発生に寄与しない回転磁束成分は、損失を発生しモータの回転効率の悪化を招く。

上記特許文献１では、ロータの永久磁石による磁束を有効に利用して、各ステータの巻線の鎖交磁束数を増やすことを主眼にした構成となっているが、上記のトルクの発生に寄与しない回転磁束成分による損失の発生に関して対策がなされていない。

本発明の目的は、２つのステータを備える回転電機であって、トルクの発生に寄与しない回転磁束成分による損失を抑制して高効率で回転する回転電機を提供することにある。

本発明に係る回転電機は、上記の目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明に係る回転電機は、ロータコア及び永久磁石が周方向に交互に配置されて円環状に形成されたロータと、前記ロータの第１の端面に対向し、前記ロータに対してエアギャップをあけて設けられた第１のステータと、前記ロータの前記第１の端面の反対側の第２の端面に対向し、前記ロータに対してエアギャップをあけて設けられた第２のステータと、を備え、前記永久磁石は前記ロータの周方向に磁化されて、隣り合う前記永久磁石の磁化の向きが逆であり、前記第１のステータは、前記ロータの前記第１の端面に対向する面に周方向に等間隔に形成された複数の第１のスロットと、前記各第１のスロットに収められた第１の巻線とを有し、前記第２のステータは、前記ロータの前記第２の端面に対向する面に周方向に等間隔に形成された複数の第２のスロットと、前記各第２のスロットに収められた第２の巻線とを有し、前記第１のスロットの数と前記第２のスロットの数とが同一であり、前記各第１のスロットと、前記各第２のスロットとは、対向した位置に配置されており、前記第１の巻線と、前記第２の巻線には複数相の交流電流が供給され、前記第１のスロットに収められた前記第１の巻線と、当該第１のスロットに対向した前記第２のスロットに収められた前記第２の巻線に供給される電流は、１８０度の位相差を有し、前記ロータの前記永久磁石により形成される極対数Ｚと、前記第１のスロットの数ｎと、前記第１の巻線に電流を流すことにより形成される極対数ｐは、下記（１）式の関係を満たす、
Ｚ＝ｎ±ｐ・・・（１）
ことを要旨とする。

本発明の一態様では、前記ロータの前記永久磁石により形成される極対数Ｚと、前記第１のスロットの数ｎは、下記（２）式の関係を満たす、としてもよい。
Ｚ＝ｎ±１・・・（２）

本発明の一態様では、前記第１の巻線と、前記第２の巻線は三相巻線であり、前記第１のスロットに収められた前記第１の巻線と、当該第１のスロットに対向した前記第２のスロットに収められた前記第２の巻線は、同一相の巻線により構成される、としてもよい。

本発明の一態様では、前記第１のステータは、前記ロータの径方向外側に配置されており、前記第２のステータは、前記ロータの径方向内側に配置されている、としてもよい。

本発明の一態様では、前記第１の巻線は、前記第１のステータに分布巻で巻回されており、前記第２の巻線は、前記第２のステータに分布巻で巻回されている、としてもよい。

本発明によれば、第１のステータが作る回転磁束成分のうちトルクの発生に寄与しない基本波磁束成分と、第２のステータが作る回転磁束成分のうちトルクの発生に寄与しない基本波磁束成分とが互いに打ち消しあうことで、それらの磁束成分による損失が生じない、或いは抑制される。一方、第１のステータが作る回転磁束成分のうちトルクの発生に寄与する高調波磁束成分と、第２のステータが作る回転磁束成分のうちトルクの発生に寄与する高調波磁束成分とは互いに打ち消すことなく磁束を発生し、ロータにトルクを発生させる。これにより、回転電機が高効率で回転する。

回転電機の径方向断面図である。 回転電機の軸方向断面図である。 外側巻線と内側巻線の接続関係の一例を示す図である。 回転電機のＷ相の外側巻線が作る回転磁束成分を簡略化して示す図である。 回転電機のＷ相の内側巻線が作る回転磁束成分を簡略化して示す図である。 実施形態の回転電機と従来技術のモータとの相電流－トルク特性を示す図である。 別の実施形態の回転電機の径方向断面図である。

以下、図面を参照しながら本発明の各実施形態について説明する。以下で述べる形状等は、説明のための例示であって、回転電機の仕様等に合わせて適宜変更が可能である。全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の実施形態における回転電機１０の径方向断面図であり、１８０度分の断面を示している 。図２は、本発明の実施形態における回転電機１０の軸方向断面図であり、上側半分の断面を示している。図１に示すように、回転電機１０は、ロータコア３０及び永久磁石３２が周方向に交互に配置されて円環状に形成されたロータ１２と、ロータ１２の径方向外側にエアギャップ５０をあけて設けられた外側ステータ１４（第１のステータとも言う。以下同様に括弧書きで換言される用語を示す。）と、ロータ１２の径方向内側にエアギャップ５２をあけて設けられた内側ステータ１６（第２のステータ）とを備える。

永久磁石３２はロータ１２の周方向に磁化されて、隣り合う永久磁石３２の磁化の向きが逆である。図１には、一部の永久磁石３２の磁化の向きが矢印で示されており、例えば、永久磁石３２ａは、上側がＮ極に下側がＳ極に着磁されており、永久磁石３２ａに隣り合う永久磁石３２ｂは、上側がＳ極に下側がＮ極に着磁されており、永久磁石３２ｂに隣り合う永久磁石３２ｃは、上側がＮ極に下側がＳ極に着磁されている。永久磁石３２の数は合計４６個あり、永久磁石３２により形成される極対数Ｚは２３である。

外側ステータ１４は、ロータ１２の外側端面４６（第１の端面）に対向して設けられており、外側ステータコア１５（第１のステータコア）と外側巻線３８（第１の巻線）を備える。外側ステータコア１５は、環状の外側ヨーク３３（第１のヨーク）と、外側ヨーク３３の内周面から径方向内方へ突出し、周方向に間隔をあけて設けられた複数の外側ティース３６（第１のティース）と、各外側ティース３６の間に形成された外側スロット３４（第１のスロット）を有する。図１に示すように、複数の外側スロット３４は、ロータ１２の外側端面４６に対向する面に周方向に等間隔に形成されている。

外側巻線３８は、三相交流が流れる巻線（三相巻線）であり、各外側スロット３４に挿通されて（収められて）外側ステータコア１５に分布巻で巻回されている。図１には、各外側スロット３４内の外側巻線３８と、Ｗ相の外側巻線３８ｗの一部が簡略化して示されている。各外側スロット３４内の丸の中心に点を付した外側巻線３８は、紙面の奥から手前に向かって電流が流れている巻線を示し、丸に×を付した外側巻線３８は、紙面の手前から奥に向かって電流が流れている巻線を示している。なお、外側巻線３８には交流電流が流れるので、当然、各外側スロット３４内の外側巻線３８の電流の方向は時間とともに変化する。

内側ステータ１６は、ロータ１２の内側端面４８（第２の端面）に対向して設けられており、内側ステータコア１７（第２のステータコア）と内側巻線４４（第２の巻線）を備える。内側ステータコア１７は、環状の内側ヨーク３９（第２のヨーク）と、内側ヨーク３９の外周面から径方向外方へ突出し、周方向に間隔をあけて設けられた複数の内側ティース４２（第２のティース）と、各内側ティース４２の間に形成された内側スロット４０（第２のスロット）を有する。図１に示すように、複数の内側スロット４０は、ロータ１２の内側端面４８に対向する面に周方向に等間隔に形成されている。

内側巻線４４は、上記した外側巻線３８と同様に、三相交流が流れる巻線（三相巻線）であり、各内側スロット４０に挿通されて（収められて）内側ステータコア１７に分布巻で巻回されている。図１には、各内側スロット４０内の内側巻線４４と、Ｗ相の内側巻線４４ｗの一部が簡略化して示されている。各内側スロット４０内の丸の中心に点を付した内側巻線４４は、紙面の奥から手前に向かって電流が流れている巻線を示し、丸に×を付した内側巻線４４は、紙面の手前から奥に向かって電流が流れている巻線を示している。なお、外側巻線３８と同様に、内側巻線４４には交流電流が流れるので、当然、各内側スロット４０内の内側巻線４４の電流の方向は時間とともに変化する。

外側ステータ１４の外側スロット３４の数ｎと、内側ステータ１６の内側スロット４０の数ｎは同一であり、それぞれ２４個である。各外側スロット３４と、各内側スロット４０とは対向した位置に配置されている。

図３は、外側ステータ１４の外側巻線３８と、内側ステータ１６の内側巻線４４の接続関係の一例を示す図である。外側巻線３８のＵ、Ｖ、Ｗ相のそれぞれの巻線３８ｕ，３８ｖ，３８ｗと、内側巻線４４のＵ、Ｖ、Ｗ相のそれぞれの巻線４４ｕ，４４ｖ，４４ｗとが、相ごとに直列に接続されてＵ、Ｖ、Ｗ相の組巻線を構成し、それらがスター結線されている。なお、巻線３８ｕ，３８ｖ，３８ｗと、巻線４４ｕ，４４ｖ，４４ｗとは、相ごとに並列に接続されていてもよく、また、各相の組巻線は、デルタ結線されていてもよい。

図１に示すように、外側スロット３４に収められた外側巻線３８と、当該外側スロット３４に対向した内側スロット４０に収められた内側巻線４４は、同一相の巻線により構成されている。しかし、外側巻線３８の外側ステータコア１５への巻回方向と、内側巻線４４の内側ステータコア１７への巻回方向とが逆になっている。そのため、外側スロット３４に収められた外側巻線３８と、当該外側スロット３４に対向した内側スロット４０に収められた内側巻線４４に供給される電流は１８０度の位相差を有する。すなわち、電気角位相で１８０度の差を有する。ここで、外側巻線３８に電流を流すことにより形成される極対数ｐと、内側巻線４４に電流を流すことにより形成される極対数ｐは同一であり、それぞれ１である。

本実施形態の回転電機１０は、バーニアモータとして機能し、バーニアモータの磁極関係を満たしている。すなわち、ロータ１２の永久磁石３２により形成される極対数Ｚと、外側スロット３４または内側スロット４０の数ｎと、外側巻線３８または内側巻線４４に電流を流すことにより形成される極対数ｐは、下記（１）式の関係を満たす。

Ｚ＝ｎ±ｐ・・・（１）

前述したように、本実施形態では、Ｚ＝２３、ｎ＝２４、ｐ＝１である。また、本実施形態では、ｐ＝１であるため、下記（２）式の関係を満たす。

Ｚ＝ｎ±１・・・（２）

図２に示すように、ロータコア３０は、回転軸１８に接続された支持部２０によって支持されている。回転軸１８は、軸受２４を介してケース２２に回転可能に保持されて、ケース２２の外側に突出し、ロータ１２の回転力をケース２２外部に出力する。外側ステータ１４と内側ステータ１６は、ケース２２の内面に固着されて、ロータ１２に対してエアギャップをあけて配置されている。外側ステータ１４の外側巻線３８と、内側ステータ１６の内側巻線４４に三相の交流電流が供給されて各ステータが回転磁束を作り、それとロータ１２が作る磁束が同期して、ロータ１２に回転トルクが発生する。

次に、本実施形態の回転電機１０の作用効果について説明する。図４は、回転電機１０のＷ相の外側巻線３８ｗが作る回転磁束成分ＭＡ１，ＭＡ２を簡略化して示す図であり、図５は、回転電機１０のＷ相の内側巻線４４ｗが作る回転磁束成分ＭＢ１，ＭＢ２を簡略化して示す図である。上記したように、外側スロット３４に収められた外側巻線３８と、当該外側スロット３４に対向した内側スロット４０に収められた内側巻線４４に供給される電流は１８０度の位相差を有する。そのため、図４，５では、Ｗ相の外側巻線３８ｗに紙面の奥から手前に向かった電流が流れている一方で、それらに対向したＷ相の内側巻線４４ｗには紙面の手前から奥に向かった電流が流れている。

図４に示すように、Ｗ相の外側巻線３８ｗに紙面の奥から手前に向かった電流が流れると、右ねじの法則に従って、反時計回りの回転磁束成分ＭＡ１，ＭＡ２が発生する。回転磁束成分ＭＡ１は、ロータ１２の回転トルクに寄与しない基本波磁束成分であり、外側ステータ１４の外側ヨーク３３を通り、ロータ１２を渡って内側ステータ１６の内側ヨーク３９に達し、内側ヨーク３９を通った後、再びロータ１２を渡って外側ステータ１４の外側ヨーク３３へ戻る回転磁束成分である。一方、回転磁束成分ＭＡ２は、ロータ１２の回転トルクに寄与する高調波磁束成分であり、外側ステータ１４の外側ヨーク３３と、外側ステータ１４とロータ１２の間のエアギャップ５０付近とを通って回る回転磁束成分である。

また、図５に示すように、Ｗ相の内側巻線４４ｗに紙面の手前から奥に向かった電流が流れると、右ねじの法則に従って、時計回りの回転磁束成分ＭＢ１，ＭＢ２が発生する。回転磁束成分ＭＢ１は、ロータ１２の回転トルクに寄与しない基本波磁束成分であり、内側ステータ１６の内側ヨーク３９を通り、ロータ１２を渡って外側ステータ１４の外側ヨーク３３に達し、外側ヨーク３３を通った後、再びロータ１２を渡って内側ステータ１６の内側ヨーク３９へ戻る回転磁束成分である。一方、回転磁束成分ＭＢ２は、ロータ１２の回転トルクに寄与する高調波磁束成分であり、内側ステータ１６の内側ヨーク３９と、内側ステータ１６とロータ１２の間のエアギャップ５２付近とを通って回る回転磁束成分である。

図４、５に示すように、外側ステータ１４が作る基本波磁束成分ＭＡ１と、内側ステータ１６が作る基本波磁束成分ＭＢ１とは、同じルートを通る逆方向の磁束成分であるため、互いに打ち消しあうことになる。それにより、基本波磁束成分ＭＡ１，ＭＢ１に起因する損失を生じない、或いは、損失を抑制することができる。一方、外側ステータ１４が作る高調波磁束成分ＭＡ２と、内側ステータ１６が作る高調波磁束成分ＭＢ２とは、互いに打ち消すことなく磁束を発生し、ロータ１２に回転トルクを発生させる。これにより回転電機１０が高効率で回転する。なお、ここでは、Ｗ相の外側巻線３８ｗと内側巻線４４ｗに着目して説明をしたが、Ｕ相の外側巻線と内側巻線、および、Ｖ相の外側巻線と内側巻線についても、同様の回転磁束成分が発生する。

図６は、本実施形態の回転電機１０における相電流に対するトルクの変化（トルク特性ＴＣ１）と、従来技術のモータにおける相電流に対するトルクの変化（トルク特性ＴＣ２）を示すグラフである。ここで、従来技術のモータは、特許文献１に記載のモータである。従来技術のモータでは、トルク特性ＴＣ２に示すように、三相巻線の各相に流す電流の実効値を大きくしていくと、途中でトルク値が飽和し、大きな回転トルクを得ることができない。これは、三相巻線の各相に流す電流の実効値を大きくしていくと、途中で、外側ステータ（第１のステータ）が作る基本波磁束成分と内側ステータ（第２のステータ）が作る基本波磁束成分により、特に外側ステータの外側ヨークと内側ステータの内側ヨークの部分に磁気飽和を生じることに起因している。磁気飽和により、損失を生じ、電気エネルギーから機械エネルギーへの変換効率が悪化している。

一方、本実施形態の回転電機１０は、外側ステータ１４が作る基本波磁束成分と内側ステータ１６が作る基本波磁束成分が互いに打ち消しあうので磁気飽和が抑制される。そのため、トルク特性ＴＣ１に示すように、三相巻線の各相に流す電流の実効値を大きくしていくと、トルク値が飽和せずに、大きな回転トルクを得ることができる。

次に、別の実施形態の回転電機について説明する。図７は、別の実施形態の回転電機８０の径方向断面図である 。図７の回転電機８０と、図１の回転電機１０の違いは、ロータ１２の永久磁石３２の数と、外側ステータ１４の外側巻線３８により形成される極対数と、内側ステータ１６の内側巻線４４により形成される極対数であり、その他は同じである。つまり、回転電機８０は、上記した回転電機１０と同様に、外側ステータ１４の外側スロット３４の数ｎと、内側ステータ１６の内側スロット４０の数ｎが、それぞれ２４個である。また、上記した回転電機１０と同様に、外側巻線３８が外側ステータコア１５に分布巻で巻回されており、内側巻線４４も内側ステータコア１７に分布巻で巻回されている。

しかし、回転電機８０は、上記した回転電機１０と異なり、永久磁石３２の数が４４個であり、永久磁石３２により形成される極対数Ｚが２２である。また、回転電機８０は、上記した回転電機１０と異なり、外側巻線３８に電流を流すことにより形成される極対数ｐと、内側巻線４４に電流を流すことにより形成される極対数ｐは、それぞれ２である。このように、回転電機８０は、Ｚ＝２２、ｎ＝２４、ｐ＝２であり、上記した回転電機１０と同様に、上記（１）式のバーニアモータの磁極関係を満たし、バーニアモータとして機能する。回転電機８０においても、回転電機１０と同様の作用効果を得ることができる。

以上説明した各実施形態の回転電機は、外側巻線３８が外側ステータコア１５に分布巻で巻回されており、内側巻線４４も内側ステータコア１７に分布巻で巻回されていた。しかし、外側巻線３８が外側ステータコア１５に集中巻で巻回されて、内側巻線４４も内側ステータコア１７に集中巻で巻回されてもよい。

また、以上説明した各実施形態の回転電機は、ロータ１２の径方向両側にエアギャップをあけて外側ステータ１４（第１のステータ）と内側ステータ１６（第２のステータ）を配置したラジアルギャップモータであった。しかし、ロータ１２の軸方向両側にエアギャップをあけて第１のステータ１４と第２のステータ１６を配置したアキシャルギャップモータであってもよい。

以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明はこうした各実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

１０，８０ 回転電機、１２ ロータ、１４ 外側ステータ（第１のステータ）、１５ 外側ステータコア（第１のステータコア）、１６ 内側ステータ（第２のステータ）、１７ 内側ステータコア（第２のステータコア）、１８ 回転軸、２０ 支持部、２２ ケース、２４ 軸受、３０ ロータコア、３２，３２ａ，３２ｂ，３２ｃ 永久磁石、３３ 外側ヨーク（第１のヨーク）、３４ 外側スロット（第１のスロット）、３６ 外側ティース（第１のティース）、３８，３８ｕ，３８ｖ，３８ｗ 外側巻線（第１の巻線，巻線）、３９ 内側ヨーク（第２のヨーク）、４０ 内側スロット（第２にスロット）、４２ 内側ティース（第２のティース）、４４，４４ｕ，４４ｖ，４４ｗ 内側巻線（第２の巻線，巻線）、４６ 外側端面（第１の端面）、４８ 内側端面（第２の端面）、５０，５２ エアギャップ、ＭＡ１，ＭＡ２，ＭＢ１，ＭＢ２ 回転磁束成分、ＴＣ１，ＴＣ２ トルク特性。

Claims (5)

1. ロータコア及び永久磁石が周方向に交互に配置されて円環状に形成されたロータと、
   前記ロータの第１の端面に対向し、前記ロータに対してエアギャップをあけて設けられた第１のステータと、
   前記ロータの前記第１の端面の反対側の第２の端面に対向し、前記ロータに対してエアギャップをあけて設けられた第２のステータと、を備え、
   前記永久磁石は前記ロータの周方向に磁化されて、隣り合う前記永久磁石の磁化の向きが逆であり、
   前記第１のステータは、前記ロータの前記第１の端面に対向する面に周方向に等間隔に形成された複数の第１のスロットと、前記各第１のスロットに収められた第１の巻線とを有し、
   前記第２のステータは、前記ロータの前記第２の端面に対向する面に周方向に等間隔に形成された複数の第２のスロットと、前記各第２のスロットに収められた第２の巻線とを有し、
   前記第１のスロットの数と前記第２のスロットの数とが同一であり、
   前記各第１のスロットと、前記各第２のスロットとは、対向した位置に配置されており、
   前記第１の巻線と、前記第２の巻線には複数相の交流電流が供給され、
   前記第１のスロットに収められた前記第１の巻線と、当該第１のスロットに対向した前記第２のスロットに収められた前記第２の巻線に供給される電流は、１８０度の位相差を有し、
   前記ロータの前記永久磁石により形成される極対数Ｚと、前記第１のスロットの数ｎと、前記第１の巻線に電流を流すことにより形成される極対数ｐは、下記（１）式の関係を満たす、
   Ｚ＝ｎ±ｐ・・・（１）
   ことを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機であって、
   前記ロータの前記永久磁石により形成される極対数Ｚと、前記第１のスロットの数ｎは、下記（２）式の関係を満たす、
   Ｚ＝ｎ±１・・・（２）
   ことを特徴とする回転電機。
3. 請求項１又は２に記載の回転電機であって、
   前記第１の巻線と、前記第２の巻線は三相巻線であり、
   前記第１のスロットに収められた前記第１の巻線と、当該第１のスロットに対向した前記第２のスロットに収められた前記第２の巻線は、同一相の巻線により構成される、
   ことを特徴とする回転電機。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の回転電機であって、
   前記第１のステータは、前記ロータの径方向外側に配置されており、
   前記第２のステータは、前記ロータの径方向内側に配置されている、
   ことを特徴とする回転電機。
5. 請求項３に記載の回転電機であって、
   前記第１の巻線は、前記第１のステータに分布巻で巻回されており、
   前記第２の巻線は、前記第２のステータに分布巻で巻回されている、
   ことを特徴とする回転電機。

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