JP6801396B2

JP6801396B2 - 二重ロータ構造のモータ

Info

Publication number: JP6801396B2
Application number: JP2016228991A
Authority: JP
Inventors: 建部　勝彦; 勝彦建部; 文紀棚橋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-11-25
Filing date: 2016-11-25
Publication date: 2020-12-16
Anticipated expiration: 2036-11-25
Also published as: JP2018085886A

Description

本発明は、ステータの内周側と外周側とに内側ロータおよび外側ロータを備える二重ロータ構造のモータに関する。

従来、特許文献１には、ヨークおよび複数のティースを含むステータコアに巻線を巻回したステータと、内側ロータと外側ロータとを備えたデュアルロータモータが開示されている。このモータでは、ステータコアが、ヨークを形成するための環状のヨーク部材と、ティースを形成するための複数のティース部材とを含む。ステータコアは、ティース部材の一端が環状ヨーク部材から内周側に突出し、他端が環状ヨーク部材から外周側に突出するように、環状ヨーク部材にそれぞれのティース部材を嵌め込んで形成されている。

国際公開ＷＯ２０１０／０４７０９８号

特許文献１のデュアルロータモータでは、周方向に隣り合うティース部材同士が環状ヨーク部材によって連結されているため、ティース部材から環状ヨーク部材への漏れ磁束が多くなり、鉄損（ヒステリシス損失および渦電流損失）が大きくなるという問題がある。

本発明の目的は、ステータにおける鉄損を抑制してモータ効率を高くすることができる二重ロータ構造のモータを提供することである。

本発明に係る二重ロータ構造のモータは、複数のティース部材が回転軸周りに円環状に配置され、前記ティース部材にコイルが巻回されているステータと、前記ステータを挟んで内周側と外周側とに設けられ、前記ステータに対し回転可能な内側ロータおよび外側ロータと、を備える、二重ロータ構造のモータであって、前記ティース部材は、前記コイルが組み付けられる本体と、前記本体から周方向に突出して形成されると共にボルト貫通孔を有する締結部と、を有し、前記ボルト貫通孔にボルトが貫通して前記締結部とモータケースとが締結されることによって前記モータの軸方向の端面が前記モータケースに当接した状態で固定され、前記ティース部材同士を周方向に連結する磁性体のヨークが存在しないものである。

本発明に係る二重ロータ構造のモータのステータによれば、各ティース部材は軸方向の端面がモータケースに当接した状態で固定され、ティース部材同士を周方向に連結する磁性体のヨークが存在しない。したがって、ティース部材からヨークへの漏れ磁束が発生しないため、ステータにおける鉄損を抑制してモータ効率を高くすることができる。

本発明の第１実施形態である二重ロータ構造のモータを軸方向から見た端面図である。（ａ）はティース部材を構成する多数の磁性鋼板のうちの１枚を示す斜視図であり、（ｂ）は磁性鋼板を積層して構成されるティース部材を示す斜視図である。図２（ｂ）のティース部材に内側コイルおよび外側コイルを組み付けた状態を示す斜視図である。ティース部材が固定されるモータケースに設けられた固定部を示す斜視図である。図３に示したコイル付きティース部材を図４のモータケースに組み付けた状態を示す斜視図である。（ａ）は図５に示したティース部材の締結部に２本のボルトが挿入された状態を示す上面図であり、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ断面図である。図６（ｂ）に示す状態からボルトを締め付けたときのティース部材を示すＡ−Ａ断面図である。（ａ）は本実施形態のモータにおける回転動作を示す概念図であり、（ｂ）はティース部材における磁束の流れを示す図である。リング部材を用いてティース部材をモータケースに固定する変形例を示す斜視図である。図９に示したリング部材の挿通孔にボルトを挿通してティース部材をモータケースに締結するときの様子を示す、図６（ｂ）と同様の断面図である。（ａ）は第２実施形態である二重ロータ構造のモータにおいてティース部材を構成する多数の磁性鋼板のうちの１枚を示す斜視図であり、（ｂ）は磁性鋼板を積層して構成されるティース部材を示す斜視図である。図１１（ｂ）のティース部材に内側コイルおよび外側コイルを組み付けた状態を示す斜視図である。第２実施形態におけるモータケースを示す部分平面図である。第２実施形態におけるリング部材を示す斜視図である。図１２のコイル付きティース部材を図１４のリング部材で図１３のモータケースに締結するときの状態を示す斜視図である。図１５中のＢ−Ｂ断面図である。

以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。また、以下において複数の実施形態や変形例などが含まれる場合、それらの構成を適宜に組み合わせて用いることは当初から想定されている。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態である二重ロータ構造のモータ１０を軸方向から見た端面図である。図１において、軸方向が矢印Ｘ、径方向が矢印Ｒ、周方向が矢印Ｃでそれぞれ示される。

モータ１０は、回転軸１２の周囲に円環状に配置された複数（本実施形態では１８個）のティース部材１４を含むステータ１６を備える。各ティース部材１４には、径方向の内側端部に内側コイル１８が巻回され、外側端部に外側コイル２０が巻回されている。本実施形態では、内側コイル１８および外側コイル２０は、ティース部材１４に集中巻で巻回されている。また、本実施形態では、ティース部材１４と内側コイル１８および外側コイル２０とで、ステータ１６が構成される。各ティース部材１４のモータケースに対する固定については図２以降を参照して後述する。

モータ１０は、ステータ１６を径方向に挟んで内周側と外周側とに設けられた内側ロータ２２および外側ロータ２４を備える。内側ロータ２２は、円筒状をなし、回転軸１２の外周面に例えば締り嵌め等によって固定されている。内側ロータ２２の外周面は、ステータ１６の各ティース部材１４の内側端部に隙間を隔てて対向している。また、内側ロータ２２には、複数（本実施形態では１２個）の永久磁石２６が周方向に等ピッチで設けられている。

外側ロータ２４は、円筒状をなし、ステータ１６の外周側に配置されている。外側ロータ２４の内周面は、ステータ１６の各ティース部材１４の外側端部に隙間を隔てて対向している。外側ロータ２４には、複数（本実施形態では１２個）の永久磁石２８が周方向に等ピッチで設けられている。また、外側ロータ２４は、図示しない連結部材を介して回転軸１２および内側ロータ２２の少なくとも一方に連結されている。これにより、外側ロータ２４は、回転軸１２および内側ロータ２２と一体に回転可能になっている。

内側ロータ２２の永久磁石２６と外側ロータ２４の永久磁石２８とは、回転軸１２周りに同位相で配置されている。本実施形態では、同位相に配置された永久磁石２６，２８は、互いに対向する表面が異なる極性に着磁されている。また、内側ロータ２２の各永久磁石２６は径方向外側の表面が周方向で交互にＮ極、Ｓ極となるように配置され、外側ロータ２４の各永久磁石２８は径方向内側の表面が周方向で交互にＳ極、Ｎ極となるように配置されている。

図２（ａ）はティース部材１４を構成する多数の磁性鋼板のうちの１枚を示す斜視図であり、（ｂ）は磁性鋼板を積層して構成されるティース部材を示す斜視図である。図２（ａ）に示すように、磁性鋼板１５は、例えば長方形状をなす本体部１５ａと、本体部１５ａの長手方向の中央部において両側縁部から突出した一対の突片１５ｂとを有する。一対の突片１５ｂは、本体部１５ａに対して所定角度で傾斜するように本体部１５ａに対して同じ方向に曲げられている。また、一対の突片１５ｂには、貫通孔１５ｃがそれぞれ形成されている。このような磁性鋼板１５を多数枚積層してカシメ等によって一体にすることで、図２（ｂ）に示すようにティース部材１４が構成される。なお、磁性鋼板１５の本体部１５ａは、一方端部が短辺で他方端部が長辺をなす台形状に形成されてもよい。

図２（ｂ）に示すように、ティース部材１４は、磁性鋼板１５の本体部１５ａが積層されて形成されるティース本体１４ａと、一対の突片１５ｂが積層されて形成される一対の締結部１４ｂとを有する。各締結部１４ｂは、上記貫通孔１５ｃが積層方向Ｓに連なって形成されたボルト挿通孔１４ｃを有する。ここで、ティース部材１４がステータ１６として組み立てられたとき、ティース本体１４ａの長手方向がモータ１０の径方向Ｒに一致し、その短手方向がモータ１０の周方向Ｃに一致し、積層方向Ｓがモータ１０の軸方向Ｘに一致する。

ティース部材１４の締結部１４ｂは、先端が上面視で略三角形状をなしている。また、締結部１４ｂは、磁性鋼板１５の突片１５ｂが積層されて形成されるため、その軸方向Ｘ
の端面はティース本体１４ａの端面に対して所定角度だけ傾斜して形成されている。

図３は、図２（ｂ）のティース部材１４に内側コイル１８および外側コイル２０を組み付けた状態を示す斜視図である。図３に示すように、ティース部材１４のティース本体１４ａにおいて、長手方向の一方端部１４ｄに内側コイル１８が組み付けられ、長手方向の他方端部１４ｅ（図２（ｂ）参照）に外側コイル２０が組み付けられる。これにより、ティース部材１４に各コイル１８，２０が巻回された状態になる。本実施形態では、内側コイル１８の周方向幅よりも外側コイル２０の周方向幅が大きく形成されている。このように大きさを異ならせることで、ステータ１６の内周側に配置される内側コイル１８が周方向に隣接するもの同士で干渉することなく、また、ステータ１６の外周側に配置される外側コイル２０がターン数増加によって磁束発生量を増加させることができる。

図４は、ティース部材１４が固定されるモータケース３０に設けられた固定部３２を示す斜視図である。モータケース３０は、例えばアルミニウム合金等の非磁性材料によって形成される。モータケース３０の表面には、ティース部材１４を位置決めした状態で固定するための固定部３２が設けられている。固定部３２は、モータケース３０の表面から軸方向Ｘに突出して形成されている。

固定部３２は、軸方向Ｘに突出するとともに周方向Ｃに延在する環状部３４と、環状部３４から軸方向Ｘにさらに突出するとともに径方向Ｒの外側に突出する突出部３６とを含む。突出部３６の端部は、軸方向視で、径方向外側に向かってテーパ状に幅狭になってから三角状に幅広となる形状に形成されている。また、突出部３６は、モータケース３０に固定されるティース部材１４と同数だけ周方向に等ピッチで形成されている。これにより、周方向Ｃに隣接する２つの突出部３６は、互いに対向する側面に軸方向視でＶ字状またはくさび状をなす周方向凹部３８が形成されている。また、モータケース３０には、周方向Ｃに隣り合う２つの突出部３６の間に２つの雌ねじ孔４０（図６（ｂ）参照）が軸方向Ｘに沿って形成されている。

図５は、図３に示したコイル付きティース部材１４をモータケース３０に組み付けた状態を示す斜視図である。また、図６（ａ）は図５に示したティース部材の締結部に２本のボルトが挿入された状態を示す上面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）中のＡ−Ａ断面図である。

図５に示すように、内側コイル１８および外側コイル２０が取り付けられたティース部材１４が、モータケース３０の固定部３２に軸方向Ｘから挿し込むようにして組み付ける。具体的には、図６（ａ）に示すように、固定部３２において周方向に隣り合う２つの突出部３６間に、ティース部材１４の一対の締結部１４ｂが嵌り込むようにして、ティース部材１４をモータケース３０に組み付ける。このとき、ティース部材１４の締結部１４ｂがティース本体１４ａに対して上方に傾斜して形成されていることで、締結部１４ｂと周方向凹部３８の側面との間に隙間が形成される。そのため、モータケース３０の固定部３２に対してティース部材１４を容易に組み付けることができる。

この状態で、図６（ａ），（ｂ）に示すように、締結部１４ｂのボルト挿通孔１４ｃにボルト４２を挿通すると、ボルト４２のねじ部先端がモータケース３０の雌ねじ孔４０に面して位置する。そして、ボルト４２を締め付けると、ねじ部先端が雌ねじ孔４０に螺合される。

図７は、図６（ｂ）に示す状態からボルト４２を締め付けたときのティース部材１４を示すＡ−Ａ断面図である。ボルト４２が締め付けられるにつれて、図７に示すように、ボルト４２の頭部によって押圧されることで、ティース部材１４の締結部１４ｂが曲がる。そして、ボルト４２の締め付けが完了すると、締結部１４ｂの軸方向端面がティース本体１４ａの軸方向端面とともにモータケース３０の表面に密着した状態に締結固定される。このとき、締結部１４ｂが曲がることで周方向の張り出し寸法が大きくなる。その結果、突出部３６の周方向凹部３８の側面との間の隙間がなくなって密接状態になる。これにより、ティース部材１４が周方向に正確に位置決めされ、かつ、がたつきのない安定した状態で、モータケース３０に締結固定される。

図８（ａ）は本実施形態のモータ１０における回転動作を示す概念図であり、図８（ｂ）はティース部材１４における磁束の流れを示す図である。図８（ａ）では、内側コイル１８および外側コイル２０が１つのコイルとして示されている。また、図８（ａ），（ｂ）において磁束の流れが矢印Ｆで示されている。

周方向に隣り合う２つのティース部材１４について、コイル２１に電流を逆方向に流すことにより、一方のティース部材１４と他方のティース部材１４とが反対の極性に磁化される。具体的には、一方のティース部材１４では内側ロータ２２に対向する内周側端部がＳ極に磁化され、外側ロータ２４に対向する外周側端部がＮ極に磁化される。これとは反対に、他方のティース部材１４では、内周側端部がＮ極に磁化され、外側ロータ２４に対向する外周側端部がＳ極に磁化される。このように各ティース部材１４が磁化されることで、内側ロータ２２の永久磁石２６との吸引力および反発力と、外側ロータ２４の永久磁石２８との吸引力および反発力とによって、内側ロータ２２および外側ロータ２４が回転軸１２と共に矢印方向に回転する。

本実施形態のモータ１０では、ティース部材１４は、軸方向の一方端面がモータケース３０に接触して締結固定されているだけで、軸方向の両端面間においてティース部材１４同士を磁気的に連結する磁性体のヨークが存在しない。そのため、磁束Ｆは、図８（ｂ）に示すように、ティース部材１４のティース本体１４ａを長手方向（すなわち径方向Ｒ）に沿って流れる。よって、漏れ磁束の発生を抑制できる。また、ボルト４２はティース本体１４ａから突出した締結部１４ｂを貫通するため、磁束Ｆが通る経路（磁路）から外れている。したがって、ボルト４２に渦電流損失が発生することも抑制できる。これらのことから、本実施形態のモータ１０によれば、鉄損の低減によってモータ１０の効率を向上させることができる。

図９は、リング部材５０を用いてティース部材１４をモータケース３０に固定する変形例を示す斜視図である。また、図１０は、図９に示したリング部材５０の挿通孔にボルト４２を挿通してティース部材１４をモータケース３０に締結するときの様子を示す、図６（ｂ）と同様の断面図である。

図９および図１０に示すように、リング部材５０を介してボルト４２により各ティース部材１４をモータケース３０に固定してもよい。リング部材５０は、例えばアルミニウム合金、ステンレス鋼等の非磁性の金属材料で形成されるのが好ましい。リング部材５０には、各ティース部材１４に対応して貫通孔５２が１つずつ形成されている。そして、この貫通孔５２に１本のボルト４２を挿通してモータケース３０の雌ねじ孔４０に締め付ける。このとき、リング部材５０は、内側コイル１８と外側コイル２０との間に嵌まり込んで、傾斜した締結部１４ｂを押さえて曲げる。これにより、図７を参照して説明したように、ティース部材１４を正確に位置決めした状態で、かつ、がたつきなく安定して締結固定することができる。また、この場合には、各ティース部材１４をそれぞれ１本のボルト４２で固定するため、ステータ１６の組立性が向上する。

＜第２実施形態＞
図１１（ａ）は第２実施形態である二重ロータ構造のモータ１０Ａにおいてティース部材１９を構成する多数の磁性鋼板のうちの１枚を示す斜視図であり、図１１（ｂ）は磁性鋼板を積層して構成されるティース部材１９を示す斜視図である。

図１１（ａ）に示すように、本実施形態においてティース部材１９を構成する磁性鋼板１７は、例えば貯法形状をなす本体部１７ａと、本体部１７ａの長手方向の中央部において両側縁部に突出した一対の突片１７ｂとを有する。本実施形態では、一対の突片１７ｂは、曲げ加工されることなく、本体部１７ａと面一になっている。また、一対の突片１７ｂには、貫通孔１７ｃがそれぞれ形成されている。この貫通孔１７ｃは、突片１７ｂを撓み易くするためのものである。このような磁性鋼板１７を多数枚積層してカシメ等によって一体にすることで、図１１（ｂ）に示すようにティース部材１９が構成される。

図１１（ｂ）に示すように、ティース部材１９は、磁性鋼板１７の本体部１７ａが積層されて形成されるティース本体１９ａと、一対の突片１７ｂが積層されて形成される一対の嵌合部１９ｂとを有する。各嵌合部１９ｂは、上記貫通孔１７ｃが積層方向Ｓに連なって形成された撓み吸収孔１９ｃを有する。また、嵌合部１９ｂは、積層方向Ｓから見たとき、先端が側面視で略三角形状をなしている。ここで、ティース部材１９がステータ１６として組み立てられたとき、ティース本体１９ａの長手方向がモータ１０の径方向Ｒに一致し、その短手方向がモータ１０の軸方向Ｘに一致し、積層方向Ｓがモータ１０の周方向Ｃに一致する。

図１２は、図１１（ｂ）のティース部材１９に内側コイル１８および外側コイル２０を組み付けた状態を示す斜視図である。図１２に示すように、ティース部材１９のティース本体１９ａにおいて、長手方向の一方端部１９ｄに内側コイル１８が組み付けられ、長手方向の他方端部１９ｅ（図１１（ｂ）参照）に外側コイル２０が組み付けられる。これにより、ティース部材１９に各コイル１８，２０が巻回された状態になる。外側コイル２０の周方向幅が内側コイル１８の周方向幅よりも大きく形成されている点は、第１実施形態の場合と同様である。

図１３は、第２実施形態におけるモータケース３０Ａを示す部分平面図である。モータケース３０Ａの表面には、複数の嵌合凹部３１が周方向に等ピッチで形成されている。嵌合凹部３１は、ティース部材１９の嵌合部１９ｂの先端が嵌まり込むのに対応した形状、具体的には略Ｖ字状に凹んだ底面を有する。また、モータケース３０Ａの表面には、雌ねじ孔４０が形成されている。雌ねじ孔４０は、周方向に間隔をおいて複数形成されている。

図１４は、第２実施形態におけるリング部材５０Ａを示す斜視図である。本実施形態のモータ１０Ａでは、図９を参照して説明した第１実施形態の変形例と同様に、リング部材５０Ａを用いてティース部材１９がモータケース３０Ａに締結固定される。図１４に示すように、円環状をなすリング部材５０Ａの一方表面には、複数の嵌合凹部５１が周方向に等ピッチで形成されている。嵌合凹部５１は、ティース部材１９の嵌合部１９ｂの先端が嵌まり込むのに対応した形状、具体的には略Ｖ字状に凹んだ底面を有する。また、リング部材５０Ａには、周方向に間隔をおいて複数の貫通孔５２が形成されている。

図１５は、図１２のコイル１８，２０が組み付けられたティース部材１９をリング部材５０Ａでモータケース３０Ａに締結するときの状態を示す斜視図である。また、図１６は、図１５中のＢ−Ｂ断面図である。図１５および図１６に示すように、内側コイル１８および外側コイル２０が組み付けられたティース部材１９をモータケース３０Ａ上に置く。このとき、ティース部材１９の一方（下側）の嵌合部１９ｂをモータケース３０Ａの嵌合凹部３１に嵌合させた状態にする。このようにして、ステータ１６Ａを構成する全てのティース部材１９を円環状に配置する。

それから、リング部材５０Ａを組み付ける。リング部材５０Ａは、その嵌合凹部５１にティース部材１９の他方（上側）の嵌合部１９ｂが嵌合した状態に配置される。そして、リング部材５０Ａの貫通孔５２にボルト４２を挿通して、ねじ部先端をモータケース３０Ａの雌ねじ孔４０に締め込む。これにより、ティース部材１９がリング部材５０Ａによって押さえられてモータケース３０Ａに締結固定される。なお、本実施形態では、ティース部材１９においてモータケース３０Ａの嵌合凹部３１に嵌合した嵌合部１９ｂの端面が、本発明におけるティース部材の軸方向の一方端面に相当する。

本実施形態のモータ１０Ａによれば、ティース部材１９は、軸方向の端面である一方の嵌合部１９ｂの端面がモータケース３０Ａに当接して締結固定されているだけで、軸方向の両端面間においてティース部材１９同士を磁気的に連結する磁性体のヨークが存在しない。そのため、モータ１０として動作したときに、ティース部材１９からの漏れ磁束の発生を抑制できる。また、ボルト４２はティース本体１９ａから離れて位置するため、ボルト４２に渦電流損失が発生することを効果的に抑制できる。これらのことから、本実施形態のモータ１０Ａによれば、鉄損の低減によってモータ効率を向上させることができる。

また、一対の嵌合部１９ｂがモータケース３０Ａの嵌合凹部３１およびリング部材５０Ａの嵌合凹部５１に嵌合して固定されることで、ティース部材１９を周方向に正確に位置決めされる。さらに、リング部材５０Ａによってティース部材１９の嵌合部１９ｂが押圧されることによって、嵌合部１９ｂに撓みが生じる。この撓みによる弾性反発力が作用することで、ティース部材１９をがたつきのない安定した状態でモータケース３０Ａに締結固定することができる。

なお、本発明は、上述した実施形態およびその変形例に限定されるものではなく、本願の特許請求の範囲に記載された事項およびその均等な範囲において、種々の変更や改良が可能であることはいうまでもない。

１０，１０Ａ二重ロータ構造のモータ、１２回転軸、１４，１９ティース部材、１４ａ，１９ａティース本体、１４ｂ締結部、１４ｃボルト挿通孔、１４ｄ，１９ｄ一方端部、１４ｅ，１９ｅ他方端部、１５，１７磁性鋼板、１５ａ，１７ａ本体部、１５ｂ，１７ｂ突片、１５ｃ，１７ｃ貫通孔、１６，１６Ａステータ、１８内側コイル、１９ｂ嵌合部，１９ｃ撓み吸収孔、２０外側コイル、２１コイル、２２内側ロータ、２４外側ロータ、２６，２８永久磁石、３０，３０Ａモータケース、３１，５１嵌合凹部、３２固定部、３４環状部、３６突出部、３８周方向凹部、４０雌ねじ孔、４２ボルト、５０，５０Ａリング部材、５２貫通孔、Ｃ周方向、Ｆ磁束、Ｒ径方向、Ｓ積層方向、Ｘ軸方向。

Claims

複数のティース部材が回転軸周りに円環状に配置され、前記ティース部材にコイルが巻回されているステータと、
前記ステータを挟んで内周側と外周側とに設けられ、前記ステータに対し回転可能な内側ロータおよび外側ロータと、を備える、二重ロータ構造のモータであって、
前記ティース部材は、前記コイルが組み付けられる本体と、前記本体から周方向に突出して形成されると共にボルト貫通孔を有する締結部と、を有し、前記ボルト貫通孔にボルトが貫通して前記締結部とモータケースとが締結されることによって前記モータの軸方向の端面が前記モータケースに当接した状態で固定され、前記ティース部材同士を周方向に連結する磁性体のヨークが存在しない、二重ロータ構造のモータ。