JP2005057819A - 回転電機 - Google Patents

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Abstract

【課題】磁束交番により誘導電流が流れて発生するジュール損を抑え、高いモータ効率を実現することができる回転電機を提供することを目的とする。
【解決手段】少なくともロータとステータの一方は、積層された電磁鋼板により構成され、電磁鋼板により構成されたロータまたはステータは、それぞれ複数の溶接部により一体化されている回転電機において、前記複数の溶接部は、該溶接部で囲まれた平面を通る磁束密度の積分値が常にゼロなる個所に設けた。
【選択図】 図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ハイブリッド車等に適用される回転電機の技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、巻線が装着されたステータと、複数の永久磁石と鉄心により構成されたロータとを備える永久磁石型モータにおいて、前記鉄心の内部には、前記複数の永久磁石が、それぞれ磁石面が前記ロータの半径方向を向くように、前記ロータの回転軸を中心に配置され、前記鉄心は、電磁鋼鈑が積層されて形成されると共に、前記鉄心の外周上であって、かつ前記永久磁石の磁極中心から前記半径方向にある位置において溶接されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−３６９４２４号公報。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の永久磁石型モータにあっては、複数の積層された電磁鋼鈑によって構成されているロータを一体化する固着ピンの代替として溶接を使用したもので、溶接位置も溶接個数も規定されていないため、溶接部で囲まれる面を磁束が交番すると、これにより誘導電流が流れてジュール損を発生することになり、モータ効率を高めることができないという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記問題に着目してなされたもので、磁束交番により誘導電流が流れて発生するジュール損を抑え、高いモータ効率を実現することができる回転電機を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では、
少なくともロータとステータの一方は、積層された電磁鋼板により構成され、電磁鋼板により構成されたロータまたはステータは、それぞれ複数の溶接部により一体化されている回転電機において、
前記複数の溶接部は、該溶接部で囲まれた平面を通る磁束密度の積分値が常にゼロなる個所に設けた。
【０００７】
【発明の効果】
よって、本発明の回転電機にあっては、ロータまたはステータを一体化する複数の溶接部を、該溶接部で囲まれた平面を通る磁束密度の積分値が常にゼロなる個所に設けたため、磁束交番により誘導電流が流れて発生するジュール損が抑えられ、高いモータ効率を実現することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の回転電機を実現する実施の形態を図面に基づいて説明する。
【０００９】
（第１実施例）
まず、構成を説明する。
【００１０】
［ハイブリッド駆動ユニットの全体構成］
図１は第１実施例の潤滑構造が適用されたハイブリッド駆動ユニットの全体図であり、ハイブリッド駆動ユニットは、図１に示すように、エンジンＥ、複軸多層モータＭ（回転電機）、ラビニョウ型複合遊星歯車列Ｇ、駆動出力機構Ｄ、モータカバー１、モータケース２、ギヤハウジング３、フロントカバー４を備えている。
【００１１】
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及びエンジンクラッチ７を介して連結されている。
【００１２】
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。
【００１３】
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差動歯車機構である。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、締結により低速側ギヤ比に固定するローブレーキ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。
【００１４】
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１６Ｌ，１６Ｒ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１６Ｌ，１６Ｒから図外の駆動輪へ伝達される。
【００１５】
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。
【００１６】
［複軸多層モータの構成］
図２は第１実施例の複軸多層モータＭを示す縦断側面図、図３は第１実施例の複軸多層モータＭの１／３モデルを示す縦断正面図、図４は第１実施例の複軸多層モータＭのステータコイルに印加する複合電流の一例を示す図である。
【００１７】
複軸多層モータＭは、図２に示すように、モータカバー１とモータケース２とで囲まれたモータ室１７内に、インナーロータＩＲとステータＳとアウターロータＯＲを配置することにより構成されている。
【００１８】
前記インナーロータＩＲは、その内筒面が第１モータ中空軸８の段差軸端部に対して圧入（或いは、焼きばめ）により固定されている。このインナーロータＩＲには、図３に示すように、積層された電磁鋼鈑によるロータベース２０に対し磁束形成を考慮した配置によるインナーロータマグネット２１（永久磁石）が軸方向に１２本埋設されている。但し、Ｖ字配置による４本のインナーロータマグネット２１が１極対を構成し、全周で３極対としてある。
【００１９】
前記ステータＳは、ステータティース４０を積層したステータティース積層体４１と、コイル４２と、ステータ冷却用水路４３と、インナー側ボルト・ナット４４と、アウター側ボルト・ナット４５と、各ステータティース４０をそれぞれ独立とせずに一体化する非磁性体樹脂層４６と、を有して構成されている。そして、ステータＳの正面側端部が、正面側エンドプレート４７とステータ固定ケース４８とを介してモータケース２に固定されている。
【００２０】
前記コイル４２は、コイル数が１８で、図３に示すように、６相コイルを３回繰り返しながら円周上に配置される。
【００２１】
そして、前記６相コイルに対しては、図外のインバータから給電接続端子５０とバスバー径方向積層体５１と給電コネクタ５２とバスバー軸方向積層体５３を介して複合電流が印加される（図４参照）。この複合電流は、インナーロータＩＲを駆動させるための３相交流と、アウターロータＯＲを駆動させるための６相交流とを複合させたものである。
【００２２】
前記アウターロータＯＲは、その外筒面がアウターロータケース６２に対してロー付け、或いは、接着により固定されている。そして、アウターロータケース６２の正面側には正面側連結ケース６３が固定され、背面側には背面側連結ケース６４が固定されている。そして、この背面側連結ケース６４に第２モータ軸９がスプライン結合されている。このアウターロータＯＲには、図３に示すように、積層された電磁鋼鈑によるロータベース６０に対し磁束形成を考慮した配置によるアウターロータマグネット６１（永久磁石）が、両端位置に空間を介して軸方向に１２本埋設されている。このアウターロータマグネット６１は、インナーロータマグネット２１と異なり、２本のアウターロータマグネット６１が１極対を構成し、全周で６極対としてある。
【００２３】
図２において、８０，８１はアウターロータ６をモータケース２及びモータカバー１に支持する一対のアウターロータベアリングである。８２はインナーロータＩＲをモータケース２に支持するインナーロータベアリング、８３はアウターロータＯＲに対しステータＳを支持するステータベアリング、８４は第１モータ中空軸８と第２モータ軸９との間に介装される中間ベアリングである。
【００２４】
また、図２において、８５はインナーロータＩＲの回転位置を検出するインナーロータレゾルバ、８６はアウターロータＯＲの回転位置を検出するアウターロータレゾルバである。
【００２５】
［ロータ溶接部構造］
図６は第１実施例の複軸多層モータＭのロータ溶接部構造を示す１／３モデル図である。
【００２６】
前記インナーロータＩＲの積層された電磁鋼板により構成されたロータベース２０は、図２および図６に示すように、ステータＳの内面に対向する外周面位置において、円周方向に等間隔（１２０度間隔）で軸方向に延びる３個所のレーザ溶接部９０（溶接部）により一体化されている。
【００２７】
前記アウターロータＯＲの積層された電磁鋼板により構成されたロータベース６０は、図２および図６に示すように、アウターロータケース６２の内面に対向する外周面位置において、円周方向に等間隔（１２０度間隔）で軸方向に延びる３個所のレーザ溶接部９１（溶接部）により一体化されている。
【００２８】
すなわち、前記レーザ溶接部９０，９１の溶接数Ｐは、アウターロータＯＲとインナーロータＩＲのうち、小さいほうの極対数をＮとしたとき、
Ｐ＝Ｎ／ｋ（ｋは最大値１〜Ｎの自然数） …（１）
の式で与えられる。第１実施例では、アウターロータＯＲが６極対でインナーロータＩＲが３極対であるため、小さいほうの極対数Ｎは３となり、また、大きいほうの極対数６は小さいほうの極対数３に対し６＝３×２の関係を持っている。よって、上記（１）式でｋ＝１となり、アウターロータＯＲもインナーロータＩＲも共に３個所の溶接数Ｐを許容できる。また、３個所の溶接個所は、回転軸に対して周方向に１２０度の等間隔で設ける。
【００２９】
次に、作用を説明する。
【００３０】
［複軸多層モータの基本機能］
２ロータ・１ステータで、アウターロータ磁力線とインナーロータ磁力線との２つの磁力線が作られる複軸多層モータＭを採用したことで、コイル４２及び図外のコイルインバータを２つのインナーロータＩＲとアウターロータＯＲに対し共用できる。そして、インナーロータＩＲに対する電流とアウターロータＯＲに対する電流を重ね合わせた複合電流を１つのコイル４２に印加することにより、２つのロータＩＲ，ＯＲをそれぞれ独立に制御することができる。つまり、外観的には、１つの複軸多層モータＭであるが、モータ機能とジェネレータ機能の異種または同種の機能を組み合わせものとして使える。
【００３１】
よって、例えば、ロータとステータを持つモータと、ロータとステータを持つジェネレータの２つのものを設ける場合に比べて大幅にコンパクトになり、スペース・コスト・重量の面で有利であると共に、コイル共用化により電流による損失（銅損，スイッチングロス）を防止することができる。
【００３２】
また、複合電流制御のみで（モータ＋ジェネレータ）の使い方に限らず、（モータ＋モータ）や（ジェネレータ＋ジェネレータ）の使い方も可能であるというように、高い選択自由度を持ち、例えば、第１実施例のように、ハイブリッド車の駆動源に採用した場合、これら多数の選択肢の中から車両状態に応じて最も効果的或いは効率的な組み合わせを選択することができる。
【００３３】
［電磁鋼鈑の一体化作用］
まず、回転電機は、磁束が通ずる磁路の渦電流損失を低減するために複数の積層された電磁鋼板によって構成されている。この場合、多数の鋼板同士を一体化したたままロータおよびステータを構成しようとした場合、積層した電磁鋼板を一体化する治具が必要であり、組み付け時の作業が困難である。
【００３４】
上記電磁鋼鈑の一体化を積極的に行う場合、電磁鋼板を溶接またはカシメといった方法で行うが、溶接部またはカシメ部で囲まれる面を磁束が交番すると、これによる誘導電流が流れ、ジュール損が発生することになり、モータ効率を上げることができない。例えば、図６に示すように、積層した電磁鋼板によるステータティースの外周を溶接することで一体化した場合、溶接の結果、積層鋼板外周端部には溶接のビードが形成され、そのビードと積層鋼板の最上板と最下板により回路が形成される。この溶接ビードにより形成された回路に磁束が交番すると誘導電流が発生してジュール損となる。
【００３５】
これに対し、第１実施例では、レーザ溶接部９０，９１を、それぞれ１２０度の等間隔で周上に３個所設け、図５に示すように、２つのレーザ溶接部９０，９０を結ぶ線の左又は右の全ての磁束密度の積分値をゼロとし、２つのレーザ溶接部９１，９１を結ぶ線の左又は右の全ての磁束密度の積分値をゼロとすることで、レーザ溶接部９０，９０およびレーザ溶接部９１，９１によって囲まれる面積を通ずる磁束は常にゼロとなり、誘導電流を発生させない。
【００３６】
これによりジュール損を小さく抑えることが可能で、高いモータ効率を実現することができる。さらに、溶接個所が３個所と少ないためにコストを削減することができる。また、インナーロータＩＲとアウターロータＯＲとは、一体化されているため、固定治具を用いることなく、組み付けも容易に行うことができる。
【００３７】
次に、効果を説明する。
第１実施例の複軸多層モータＭにあっては、下記に列挙する効果を得ることができる。
【００３８】
（１） 少なくともロータとステータの一方は、積層された電磁鋼板により構成され、電磁鋼板により構成されたロータまたはステータは、それぞれ複数の溶接部により一体化されている回転電機において、前記複数の溶接部は、該溶接部で囲まれた平面を通る磁束密度の積分値が常にゼロなる個所に設けたため、磁束交番により誘導電流が流れて発生するジュール損を抑え、高いモータ効率を実現することができる。
【００３９】
（２） 前記ロータは、回転軸方向に埋設されたマグネット２１，６１と積層された電磁鋼鈑によるロータベース２０，６０とを有し、該マグネット２１，６１による極対数が異なるインナーロータＩＲとアウターロータＯＲにより構成され、前記ステータＳは、前記インナーロータＩＲとアウターロータＯＲとの間に挟まれて配置され、各ステータティース積層体４１がそれぞれ独立せずに一体で構成され、前記インナーロータＩＲとアウターロータＯＲは、電磁鋼鈑をレーザ溶接部９０，９１により一体化する共に、このレーザ溶接部９０，９１の溶接数Ｐを、インナーロータＩＲとアウターロータＯＲのうち、小さいほうの極対数をＮとしたとき、
Ｐ＝Ｎ／ｋ（ｋは最大値１〜Ｎの自然数）
の式で示され、且つ、溶接個所は回転軸に対して周方向に等間隔で設けたため、高いモータ効率を実現することができるのに加え、インナーロータＩＲとアウターロータＯＲの組み付けを、固定治具を用いることなく容易に行うことができると共に、少ない溶接個所によりコストを削減することができる。
【００４０】
（第２実施例）
第２実施例は、レーザ溶接部９０，９１を除き、第１実施例と全く同じ構造であるが、レーザ溶接部９０，９１に代え、カシメ部９２，９３によりインナーロータＩＲとアウターロータＯＲとを一体化した例である。
【００４１】
すなわち、前記インナーロータＩＲの積層された電磁鋼板により構成されたロータベース２０は、図７に示すように、インナーロータＩＲの径方向のほぼ中央部位置において、円周方向に等間隔（１２０度間隔）で軸方向に延びる３個所のカシメ部９２により一体化されている。
【００４２】
また、前記アウターロータＯＲの積層された電磁鋼板により構成されたロータベース６０は、図７に示すように、アウターロータＯＲの径方向のほぼ中央部位置において、円周方向に等間隔（１２０度間隔）で軸方向に延びる３個所のカシメ部９３により一体化されている。
【００４３】
なお、他の構成は、第１実施例と同様であるので図示並びに説明を省略する。また、カシメ部９２，９２で囲まれる面積を通ずる磁束はゼロであり、また、カシメ部９３，９３で囲まれる面積を通ずる磁束はゼロであり、第１実施例と同様な作用を示す。
【００４４】
次に、効果を説明する。
第２実施例の複軸多層モータＭにあっては、第１実施例の（１），（２）の効果に加え、下記の効果を得ることができる。
【００４５】
（３） 前記レーザ溶接部９０，９１での溶接の代わりに、カシメ部９２，９３により一体化したため、予め電磁鋼板に形成されたカシメを用い、電磁鋼鈑を積層して上下から一定の力を加えることで一体化が達成でき、溶接に比べ工程が短縮化され、コストを大幅に低減できる。
【００４６】
（第３実施例）
第３実施例は、ステータＳが独立した分割ステータティース積層体４１’を円周上に複数配列することで構成されものに対し、各分割ステータティース積層体４１’を溶接により一体化する例である。
【００４７】
すなわち、図８に示すように、ロータは、回転軸方向に埋設されたマグネット２１，６１による極対数が異なるインナーロータＩＲとアウターロータＯＲにより構成され、ステータＳは、前記インナーロータＩＲとアウターロータＯＲとの間に挟まれて配置されると共に、積層された電磁鋼板（ステータティース４０）とコイル４２による独立した分割ステータティース積層体４１’を円周上に１８個配列することで構成され、前記各分割ステータティース４１’は、電磁鋼鈑をスポット溶接部９４，９４（溶接部）により一体化する共に、該スポット溶接部９４，９４の溶接個所を、磁束の方向と平行な正面内側位置と背面内側位置のそれぞれ２個所に設定している。
【００４８】
なお、他の構成は、第１実施例と同様であるので図示並びに説明を省略する。また、スポット溶接部９４，９４で囲まれる面積を通ずる磁束はゼロであり、また、スポット溶接部９４，９４で囲まれる面積を通ずる磁束はゼロであり、第１実施例と同様な作用を示す。
【００４９】
次に、効果を説明する。
第３実施例の複軸多層モータＭにあっては、第１実施例の（１）の効果に加え、下記の効果を得ることができる。
【００５０】
（４） ロータは、回転軸方向に埋設されたマグネット２１，６１による極対数が異なるインナーロータＩＲとアウターロータＯＲにより構成され、ステータＳは、前記インナーロータＩＲとアウターロータＯＲとの間に挟まれて配置されると共に、積層された電磁鋼板とコイル４２による独立した分割ステータティース積層体４１’を円周上に１８個配列することで構成され、前記各分割ステータティース４１’は、電磁鋼鈑をスポット溶接部９４，９４により一体化する共に、該スポット溶接部９４，９４の溶接個所を、磁束の方向と平行な正面内側位置と背面内側位置のそれぞれ２個所に設定したため、高いモータ効率を実現することができるのに加え、ステータＳの組み付けを、固定治具を用いることなく容易に行うことができる。
【００５１】
以上、本発明の回転電機を第１実施例〜第３実施例に基づき説明してきたが、具体的な構成については、これらの実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲の各請求項に係る発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加等は許容される。
【００５２】
例えば、第１実施例では、回転電機としてハイブリッド駆動ユニットに適用される複軸多層モータの例を示したが、ロータまたはステータの少なくとも一方に積層された電磁鋼鈑が採用された他の回転電機に対しても本発明を適用することができる。
【００５３】
第３実施例では、ステータＳの一体化をスポット溶接により行う例を示したが、このスポット溶接に代えカシメ部により一体化する例としても良い。
【００５４】
第１実施例と第３実施例との組み合わせ、あるいは、第２実施例と第３実施例との組み合わせにより、インナーロータＩＲとアウターロータＯＲとステータＳとの各構成部材を溶接やかしめにより一体化するようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例の複軸多層モータ（回転電機）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】第１実施例の複軸多層モータＭを示す縦断側面図である。
【図３】第１実施例の複軸多層モータＭの１／３モデルを示す縦断正面図である。
【図４】第１実施例の複軸多層モータＭのステータコイルに印加する複合電流の一例を示す図である。
【図５】第１実施例の複軸多層モータＭのアウターロータとインナーロータの溶接部構造を示す１／３モデル図である。
【図６】ステータティース積層体の全周を溶接ビームを形成しながら一体化した例を示す斜視図である。
【図７】第１実施例の複軸多層モータＭのアウターロータとインナーロータのかしめ部構造を示す１／３モデル図である。
【図８】第１実施例の複軸多層モータＭのステータの溶接部構造を示す１／３モデル図である。
【符号の説明】
Ｍ 複軸多層モータ（回転電機）
Ｓ ステータ
ＩＲ インナーロータ（ロータ）
ＯＲ アウターロータ（ロータ）
８ 第１モータ中空軸
９ 第２モータ軸
２０ インナーロータベース
２１ インナーロータマグネット（永久磁石）
４０ ステータティース
４１ ステータティース積層体
４２ コイル
６０ アウターロータベース
６１ アウターロータマグネット
９０ レーザ溶接部（溶接部）
９１ レーザ溶接部（溶接部）
９２ カシメ部
９３ カシメ部
９４ スポット溶接部（溶接部）

Claims (4)

  1. 少なくともロータとステータの一方は、積層された電磁鋼板により構成され、電磁鋼板により構成されたロータまたはステータは、それぞれ複数の溶接部により一体化されている回転電機において、
    前記複数の溶接部は、該溶接部で囲まれた平面を通る磁束密度の積分値が常にゼロなる個所に設けたことを特徴とする回転電機。
  2. 請求項１に記載された回転電機において、
    前記ロータは、回転軸方向に埋設された永久磁石と積層された電磁鋼鈑とを有し、該永久磁石による極対数が異なるインナーロータとアウターロータにより構成され、
    前記ステータは、前記インナーロータとアウターロータとの間に挟まれて配置され、各ステータティースがそれぞれ独立せずに一体で構成され、
    前記インナーロータとアウターロータは、電磁鋼鈑を溶接部により一体化する共に、この溶接部の溶接数Ｐを、インナーロータとアウターロータのうち、小さいほうの極対数をＮとしたとき、
    Ｐ＝Ｎ／ｋ（ｋは最大値１〜Ｎの自然数）
    の式で示され、且つ、溶接個所は回転軸に対して周方向に等間隔で設けたことを特徴とする回転電機。
  3. 請求項１に記載された回転電機において、
    前記ロータは、回転軸方向に埋設された永久磁石による極対数が異なるインナーロータとアウターロータにより構成され、
    前記ステータは、前記インナーロータとアウターロータとの間に挟まれて配置されると共に、積層された電磁鋼板とコイルによる独立した分割ステータティースを円周上に複数配列することで構成され、
    前記各分割ステータティースは、電磁鋼鈑を溶接部により一体化する共に、該溶接部の溶接個所を、磁束の方向と平行な複数の位置に設定したことを特徴とする回転電機。
  4. 請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載された回転電機において、
    前記溶接部での溶接の代わりに、カシメ部により一体化したことを特徴とする回転電機。
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