JP2005130556A - 直流電動機およびそれを用いた電動車両 - Google Patents

Abstract

【課題】
電機子のスロット内にコイルが備えられたタイプの直流電動機において、径方向電磁加振力と周方向電磁加振力の両方について加振力を低減でき、振動を低減できる直流電動機およびそれを用いた電動車両を提供することにある。
【解決手段】
ヨーク１０の内周には、界磁鉄心３０Ｓ１が固定されている。界磁鉄心３０Ｓ１の内周側には、電機子鉄心３０Ｒ２が配置されている。電機子鉄心３０Ｒ２のスロット３０Ｒ４内には、電機子コイル３０Ｒ３が収納されている。ここで、スロット３０Ｒ４の数Ｎと界磁鉄心３０Ｓ１の磁極の極対数Ｐの間に、Ｎ＝２Ｐ・ｎ＋Ｐ（ｎは正の整数）の関係をを有するとともに、界磁鉄心３０Ｓ１の磁極を４極以上としている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、直流電動機およびそれを用いた電動車両に係り、特に、振動・騒音の低減に好適な直流電動機およびそれを用いた電動車両に関する。

従来の直流電動機としては、例えば、実公昭６３−１１８９４号公報に記載のように、小型直流電動機において、界磁石（永久磁石）を４個とし、整流子の整流子片及び変化磁極数３個とした場合では半径方向力が不釣合い力として残るが、整流子片及び変化磁極数を６個にすることにより、径方向吸引力を０にでき、騒音を１４ｄＢ低減できることが知られている。

実公昭６３−１１８９４号公報

一般に、直流電動機の運転時に、それが搭載されている機器や構造物の振動・騒音が大きくなり問題となる場合がある。加振源である直流電動機の電磁加振力を低減する工夫が従来から試みられているが、実公昭６３−１１８９４号公報に記載のものでは、並進変位に関する電磁力の変動成分（以下、「径方向電磁加振力」と呼ぶ）について効果はあるものの、回転に関する電磁力の変動成分（以下、「周方向電磁加振力」と称する）については不明である。また、実公昭６３−１１８９４号公報に記載のものでは、電機子のスロット内にコイルが備えられたタイプの直流電動機については開示していないものである。すなわち、従来のスロット内にコイルが備えられたタイプの直流電動機においては、径方向電磁加振力と、周方向電磁加振力の両方について加振力を低減できず、振動が多くなるという問題があった。

本発明の目的は、電機子のスロット内にコイルが備えられたタイプの直流電動機において、径方向電磁加振力と周方向電磁加振力の両方について加振力を低減でき、振動を低減できる直流電動機およびそれを用いた電動車両を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、界磁の磁極と、この磁極に対向して回転可能に配置されるとともに、電機子コイルを収納するスロットを有する電機子とを有する直流電動機において、前記スロットの数Ｎと前記磁極の極対数Ｐの間に、Ｎ＝２Ｐ・ｎ＋Ｐ（ｎは正の整数）の関係をを有するとともに、前記磁極を４極以上としたものである。
かかる構成により、径方向電磁加振力と周方向電磁加振力の両方について加振力を低減でき、振動を低減できるものとなる。

（２）また、上記目的を達成するために、本発明は、界磁の磁極と、この磁極に対向して回転可能に配置されるとともに、電機子コイルを収納するスロットを有する電機子とを有する直流電動機を駆動源として用いた電動車両において、前記スロット数Ｎと前記磁極の極対数Ｐの間に、Ｎ＝２Ｐ・ｎ＋Ｐ（ｎは正の整数）の関係をを有するとともに、前記の磁極を４極以上としたものである。
かかる構成により、径方向電磁加振力と周方向電磁加振力の両方について加振力を低減でき、振動を低減でき、騒音を低減できるものとなる。

本発明によれば、電機子のスロット内にコイルが備えられたタイプの直流電動機において、径方向電磁加振力と周方向電磁加振力の両方について加振力を低減でき、振動を低減できる。

以下、図１〜図７を用いて、本発明の一実施形態による直流電動機の構成について説明する。
最初に、図１および図２を用いて、本実施形態による直流電動機３０の全体構成について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による直流電動機の断面図である。図２は、図１の回転軸に直交する方向の断面図である。

図１および図２に示すように、円筒形状のヨーク３０Ｙの内周には、界磁鉄心３０Ｓ１が固定されている。界磁鉄心３０Ｓ１には、界磁コイル３０Ｓ２が巻回されている。界磁コイル３０Ｓ２に通電することにより、界磁鉄心３０Ｓ１が励磁する。界磁鉄心３０Ｓ１と界磁コイル３０Ｓ２とにより、固定子が構成される。

界磁鉄心３０Ｓ１の内周側には、界磁鉄心３０Ｓ１と所定のギャップＧを介して、電機子（ローター）が配置されている。電機子は、シャフト３０Ｒ１に固定された電機子鉄心３０Ｒ２と、電機子鉄心３０Ｒ２の回転軸方向に形成された複数のスロット３０Ｒ４に収納された電機子コイル３０Ｒ３と、シャフト３０Ｒ１の一端側に固定された整流子（コンミテータ）３０Ｒ５とから構成されている。

整流子３０Ｒ５には、スロット３０Ｒ４の数と同じ数の整流子片が配置されている。整流子３０Ｒ５には、ブラシ３０３０Ｃが接触し、外部から電機子コイル３０Ｒ２に直流電力が供給される。

シャフト３０Ｒ１は、ヨーク３０Ｙに取り付けられたフロントブラケット３０ＢＦとリアブラケット３０ＢＲにそれぞれ保持された２個の軸受３０Ｂ１，３０Ｂ２により回転可能に支承されている。

界磁鉄心３０Ｓ１が励磁されて発生する磁束は、電機子鉄心３０Ｒ２とのギャップＧを通り、電機子コイル３０Ｒ３に周方向の力を作用させ、シャフト３０Ｒ１および軸受３０Ｂ１，３０Ｂ２により電機子鉄心３０Ｒ２を回転させる。

本実施形態においては、スロット数Ｎと極対数Ｐの間に、以下の式（１）の関係を有している。

Ｎ＝２Ｐ・ｎ＋Ｐ …（１）

ここで、ｎは正の整数である。スロット数Ｎは、極対数Ｐにより、奇数或いは偶数となる。

図２に示す例では、４個の界磁鉄心３０Ｓ１を備えているため、極対数Ｐは「２」である。従って、ｎ＝１０とすると、スロット３０Ｒ４の数Ｎは、式（１）から「４２」となる。このように、式（１）の関係を備える理由について、図３〜図６を用いて以下に説明する。

次に、図３〜図６を用いて、本実施形態による直流電動機における径方向電磁加振力と周方向電磁加振力とについて説明する。
図３〜図６は、本発明の一実施形態による直流電動機における径方向電磁加振力と周方向電磁加振力の説明図である。

界磁の磁極による磁束と電機子のスロット中のコイルの電流により周方向の力を生じさせて回転トルクを得る際、極により生ずる磁束へのスロットの出入りにより、周方向の力の変動が生ずる。スロットの極への入りの位相が１８０°ずれると、力の変動も１８０°ずれる。

極による磁束へのスロットの出入りの際生ずる電磁力の回転角あるいは時間に関する波形が、出入りでほぼ同じとすると、隣合う極において、スロットとの位相関係が１８０°ずれるようにすれば、変動の周方向電磁加振力は、図３および図４（Ａ）に示すように、相殺される。すなわち、図３において、横軸は角度を示し、縦軸は電磁力を示している。図中、実線は第１極（例えば、界磁鉄心３０Ｓ１Ａ）によって発生する電磁力を示し、四角は第２極（例えば、界磁鉄心３０Ｓ１Ｂ）によって発生する電磁力を示している。また、三角は第３極（例えば、界磁鉄心３０Ｓ１Ｃ）によって発生する電磁力を示し、点線は第４極（例えば、界磁鉄心３０Ｓ１Ｄ）によって発生する電磁力を示している。ここで、第１極によって発生する電磁力Ｆ１と第２極によって発生する電磁力Ｆ２が、発生する方向（図３の電磁力の正負）が反対で、絶対値が同じであれば、相殺される。したがって、図４（Ａ）に示す電磁力Ｆ１と電磁力Ｆ２は相殺される。また、第３極によって発生する電磁力Ｆ３と第４極によって発生する電磁力Ｆ４が、発生する方向が反対で、絶対値が同じであれば、相殺される。したがって、図４（Ａ）に示す電磁力Ｆ３と電磁力Ｆ４は相殺される。以上のようにして、変動の周方向電磁加振力は、相殺される。

さらに、図３（Ｂ）に示すように、電磁力Ｆ１と電磁力Ｆ２によって発生する径方向電磁力をＦ２１ｒとして、電磁力Ｆ３と電磁力Ｆ４によって発生する径方向電磁力をＦ３４ｒとすると、径方向電磁力Ｆ２１ｒとＦ３４ｒは、絶対値が等しく方向が反対方向であるため、相殺されるため、電機子全体では釣合って、合力は０となる。

スロットとの位相関係が１８０°ずれるということは、図５に示すように、隣り合う極３０Ｓ１Ａ，３０Ｓ１Ｂにおいて、例えば、極３０Ｓ１Ａの一方の端部において、磁束の中心が、ｉ番目のスロットＳｉの中心を横切る時、隣り合う極３０Ｓ１Ｂにおいて、同じ方向の端部において磁束の中心が、ｊ番目とｊ＋１番目の２つのスロットＳｊ，ｓｊ＋１の丁度中央を横切る関係にあればよいものである。すなわち、図５に示したように、スロットとの位相関係が１８０°ずれるということは、極が１つずれると、スロットが１／２ピッチ（１／２個）ずれることである。したがって、２つの極毎に（要するに、極対毎に）、スロットが１個必要となる。すなわち、全部のスロット数Ｐは、各極毎に同じ数である完全なスロット数ｎと、２極毎（極対毎に）１個のスロットの総和となる。この関係を、スロット数Ｎと、極対数Ｐと、整数ｎとについて表すと、上術の式（１）のようになる。

Ｎ＝２Ｐ・ｎ＋Ｐ …（１）

次に、図６を用いて、極対数Ｐによる各磁極の周方向電磁加振力と径方向電磁加振力の全体での釣合い関係について説明する。

図６（Ａ）は、極対数Ｐ＝１（２極）の場合を示している。この場合、周方向電磁加振力は相殺されるが、径方向電磁加振力は相殺されずに残るため、振動が発生する。それに対して、図６（Ｂ）に示す極対数Ｐ＝２（４極）の場合、図６（Ｃ）に示す極対数Ｐ＝３（６極）の場合、図６（Ｄ）に示す極対数Ｐ＝４（８極）の場合では、周方向電磁加振力と径方向電磁加振力の両方が相殺される。極対数Ｐがさらに大きくなっても、隣合う極の周方向電磁加振力は相殺され、径方向成分は中心点に関して対称に分布するので合力は０となる。

したがって、式（１）において、さらに、極対数Ｐ＞１の条件を加えることにより、周方向電磁加振力と径方向電磁加振力の両方をほぼ０にすることができる。極対数Ｐ＞１ということは、極対数Ｐ≧２であるため、換言すると、４極以上の磁極を備えた直流電動機であればよいものである。

次に、スロット数Ｎの具体例について説明する。図２に示したように、極対数Ｐ＝２（磁極数＝４）の場合、電機子コイル３０Ｒ３を入れるスロット３０Ｒ４の数Ｎは、整数ｎ＝１０とすると、Ｎ＝２×２×１０＋２＝４２とする。この時、隣合う磁極、例えば磁極３０Ｓ１Ａと３０Ｓ１Ｂ、磁極３０Ｓ１Ｃと３０Ｓ１Ｄに生ずる変動電磁力の位相は１８０°ずれ、前述の力の釣合いから周方向電磁加振力と径方向電磁加振力の両方がほぼ０となる。

必要とするトルクにより、整数ｎおよびスロット数Ｎを変えてもよく、このときも周方向電磁加振力と径方向電磁加振力の両方がほぼ０となる。例えば整数ｎ＝２２とすると、スロット数Ｎは９０となる。

なお、図２に示す例では、４極としているが、必要に応じ、６極以上にしても良いものである。例えば、６極でｎ＝１０とするとスロット数Ｎは奇数の６３となり、周方向電磁加振力と径方向電磁加振力の両方がほぼ０となる。

また、上述の例では界磁の磁極として電磁石を用いているが、永久磁石を用いても良いものである。

次に、図７を用いて、本実施形態による直流電動機を用いた４輪駆動車両の全体構成について説明する。
図７は、本発明の一実施形態による直流電動機を用いた４輪駆動車両の全体構成を示すシステム構成図である。

４輪駆動車両１０は、エンジン２０及び直流電動機３０を備えている。直流電動機３０の構成は、図１及び図２にて説明したとおりである。エンジン２０の駆動力は、トランスミッション２２及び第１の車軸２４Ａ，２４Ｂを介して、前輪３０Ｒ４Ａ，３０Ｒ４Ｂに伝達され、前輪３０Ｒ４Ａ，３０Ｒ４Ｂを駆動する。直流電動機３０の駆動力は、クラッチ３２，デファレンシャルギヤ３３及び第２の車軸３４Ａ，３４Ｂを介して、後輪３６Ａ，３６Ｂに伝達され、後輪３６Ａ，３６Ｂを駆動する。デファレンシャルギヤ３３とクラッチ３２が連結されると、直流電動機３０の回転力は、クラッチ３２，デファレンシャルギヤ３３を介して後輪軸３４Ａ，３４Ｂに伝えられ、後輪３６Ａ，３６Ｂを駆動する。クラッチ３２が外れると、直流電動機３０は後輪３６Ａ，３６Ｂ側から機械的に切り離され、後輪３６Ａ，３６Ｂは駆動力を路面に伝えないものである。なお、直流電動機３０は、例えば、正転逆転の切替えが容易な直流分巻電動機、または他励直流電動機を用いている。

なお、以上の説明では、前輪３０Ｒ４Ａ，３０Ｒ４Ｂをエンジン２０で駆動し、後輪３６Ａ，３６Ｂを直流電動機３０で駆動する４輪駆動車両として説明しているが、前輪を直流電動機で駆動し、後輪をエンジンで駆動するようにしてもよいものであり、また、トラックのような６輪以上の車両、トレーラのような、牽引車両にも適用可能である。

エンジンルーム内には、通常の充電発電システムを行う補機用発電機（ＡＬＴ１）４０及び補機バッテリー４２が配置され、エンジン２０によってベルト駆動される補機用発電機４０の出力が補機バッテリー４２に蓄積される。また、補機用発電機４０の近傍には、エンジン２０によりベルト駆動される駆動用高出力発電機（ＡＬＴ２）４４が配設されている。駆動用高出力発電機４４の出力によって直流電動機３０が駆動される。補機用発電機４０は、例えば、３０Ｓ１Ｖ，２ｋＷ程度の一般的な発電機であり、駆動用高出力発電機４４は、補機用発電機４０に比べて高出力が得られる発電機であり、例えば、３６Ｖ，６ｋＷ程度の発電機である。

エンジン２０の出力は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）５０からの指令により駆動される電子制御スロットル５２により制御される。電子制御スロットル５２には、アクセル開度センサ５４が設けられており、アクセル開度を検出する。なお、電子制御スロットルの代わりにメカリンクのアクセルペダル及びスロットルを用いる場合には、アクセルペダルにアクセル開度センサを設けることができる。また、ＥＣＵ５０は、トランスミッション２２を制御する。トランスミッション２２は、オートマチックトランスミッションであり、セレクトレバー２３によって選択されたギヤ比となるように自動制御される。セレクトレバー２３のポジションは、ギヤ位置検出センサ２５によって検出される。なお、トランスミッション２２としては、マニュアルトランスミッションを用いるものであってもよいものである。

また、前輪３０Ｒ４Ａ，３０Ｒ４Ｂ及び後輪３６Ａ，３６Ｂの各車輪に設けられたブレーキ３０Ｒ３Ａ，３０Ｒ３Ｂ，３８Ａ，３８Ｂには、アンチロックブレーキ（ＡＢＳ）コントロールユニット５５によって制御されるアンチロックブレーキ（ＡＢＳ）アクチュエータ２９Ａ，２９Ｂ，３９Ａ，３９Ｂが設けられている。また、前輪３０Ｒ４Ａ，３０Ｒ４Ｂ及び後輪３６Ａ，３６Ｂの各車輪には、回転速度及び回転方向を検出する回転センサ５６Ａ，５６Ｂ，５８Ａ，５８Ｂが設けられている。なお、回転センサ５６Ａ，５６Ｂ，５８Ａ，５８Ｂは、各車輪毎に設けられているが、前輪軸及び後輪軸の一方もしくは両方に配してもよいものである。

駆動用発電機出力電圧制御回路（ＧＣＵ）６０は、回転センサ５６Ａ，５６Ｂ，５８Ａ，５８Ｂによって検出された車輪３０Ｒ４Ａ，３０Ｒ４Ｂ，３６Ａ，３６Ｂの回転速度及び回転方向の情報，アクセル開度センサ５４によって検出されたアクセル開度の情報，及びギヤ位置検出センサ２５によって検出されたギヤ位置の情報等に基づいて、車両の走行状態を判断し、この判断に基づいて、駆動用高出力発電機４４及び直流電動機３０を制御される。

ＧＣＵ６０は、これらの情報に基づいて、駆動用高出力発電機（ＡＬＴ２）４４に対して出力電圧の指令値を出力することにより、高出力発電機４４の出力電圧を制御することにより、直流電動機３０を制御する。さらに、ＧＣＵ６０は、直流電動機３０の界磁巻線３１に流す界磁電流を制御することにより、直流電動機３０を直接制御するようにしており、高出力発電機４４により直流電動機３０を制御することによるレスポンスの低下を改善するようにしている。

補機用バッテリー４２は、３０Ｓ１Ｖ用バッテリーであり、補機用発電機４０及び３０Ｓ１Ｖ電源に対する各種電気負荷との間で、通常の充放電システムを構成している。直流電動機３０及び駆動用高出力発電機４４の界磁側電源は、補機用発電機４０及び補機用バッテリー４２から供給される。電源系を２系統設けたことにより、駆動用高出力発電機４４の界磁電流を制御する方法と、直流電動機３０の界磁電流を制御する方法の２通りの方法で制御可能としている。例えば、車両始動時等の電動機の必要回転数が低く、必要トルクが高い時には、駆動用高出力発電機４４の出力電流値を大きくなる値に設定することで、電動機は低回転，高トルクの出力となる。また、車両走行時においては、電動機の必要回転数が高く、必要トルクが低いとすると、駆動用高出力発電機４４の出力電電圧値を大きくなる値に設定することで対応可能となる。さらに、直流電動機３０の界磁電流を下げることにより、車両走行時の応答性を改善しながら、電動機の回転数を高くすることができる。

また、クラッチ３２の電源ラインは、補機用バッテリー４２に接続されており、クラッチ３２の断続をＭＰＵ６３により制御することにより、発電力が常時変化する駆動用高出力発電機４４の発電力に依存することなく、４輪駆動機能が必要無い時には、強制的に後輪３６Ａ，３６Ｂと直流電動機３０との機械的連結を切り離すことができる。例えば、車速が２０ｋｍ／ｈになったらクラッチ３２をＯＦＦにして、前輪のみの駆動系とすることにより、全車速領域で動作するシステムに比べ、直流電動機３０のブラシ摩耗量を低減できる。また、クラッチ３２を切り離した状態では、後輪３６Ａ，３６Ｂは駆動力を発生しない従動輪となり、後輪３６Ａ，３６Ｂがスリップすることがなくなるため、後輪３６Ａ，３６Ｂに設置された回転センサ５８Ａ，５８Ｂの出力信号は、車両１０の車速とリンクすることになる。

次に、図８を用いて、本実施形態による直流電動機を用いた電動車両の全体構成について説明する。
図８は、本発明の一実施形態による直流電動機を用いた電動車両の全体構成を示すシステム構成図である。
電気自動車の車体１００は、４つの車輪１１０，１１２，１１４，１１６によって支持されている。この電気自動車は、前輪駆動であるため、前方の車軸１５４には、永久磁石回転電機30が直結して取り付けられている。永久磁石回転電機30は、制御装置１３０によって駆動トルクが制御される。制御装置１３０の動力源としては、バッテリ１４０が備えられ、このバッテリ１４０から電力が制御装置１３０を介して、永久磁石回転電機30に供給され、永久磁石回転電機30が駆動されて、車輪１１０，１１４が回転する。ハンドル１５０の回転は、ステアリングギア１５２及びタイロッド，ナックルアーム等からなる伝達機構を介して、２つの車輪１１０，１１４に伝達され、車輪の角度が変えられる。

本実施形態によれば、直流電動機および直流電動機が搭載されている機器や構造物の振動・騒音を抑制できる。また、後輪を直流電動機で駆動する場合、直流電動機は、後部座席の下に配置されるが、直流電動機の振動・騒音を抑制することができるので、搭乗者に対する乗り心地を向上することができる。さらに、磁極をスキュー形状のような複雑なものにしなくてもよいため、コストを低減することができる。

本発明の一実施形態による直流電動機の断面図である。 図１の回転軸に直交する方向の断面図である。 本発明の一実施形態による直流電動機における径方向電磁加振力と周方向電磁加振力の説明図である。 本発明の一実施形態による直流電動機における径方向電磁加振力と周方向電磁加振力の説明図である。 本発明の一実施形態による直流電動機における径方向電磁加振力と周方向電磁加振力の説明図である。 本発明の一実施形態による直流電動機における径方向電磁加振力と周方向電磁加振力の説明図である。 本発明の一実施形態による直流電動機を用いた４輪駆動車両の全体構成を示すシステム構成図である。 本発明の一実施形態による直流電動機を用いた電動車両の全体構成を示すシステム構成図である。

符号の説明

３０Ｙ…ヨーク
３０Ｓ１，３０Ｓ１Ａ，３０Ｓ１Ｂ，３０Ｓ１Ｃ，３０Ｓ１Ｄ…界磁の磁極
３０Ｓ２…界磁コイル
３０Ｂ１，３０Ｂ２…軸受
３０Ｒ２…電機子鉄心
３０Ｒ１…シャフト
３０Ｒ４…スロット
３０Ｒ３…電機子コイル

Claims (2)

1. 界磁の磁極と、この磁極に対向して回転可能に配置されるとともに、電機子コイルを収納するスロットを有する電機子とを有する直流電動機において、
   前記スロットの数Ｎと前記磁極の極対数Ｐの間に、Ｎ＝２Ｐ・ｎ＋Ｐ（ｎは正の整数）の関係をを有するとともに、前記磁極を４極以上としたことを特徴とする直流電動機。
2. 界磁の磁極と、この磁極に対向して回転可能に配置されるとともに、電機子コイルを収納するスロットを有する電機子とを有する直流電動機を駆動源として用いた電動車両において、
   前記スロット数Ｎと前記磁極の極対数Ｐの間に、Ｎ＝２Ｐ・ｎ＋Ｐ（ｎは正の整数）の関係をを有するとともに、前記の磁極を４極以上としたことを特徴とする直流電動機を用いた電動車両。
   

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