JP2012125014A - 車載用回転電機および電動車両 - Google Patents

Abstract

【課題】電動車両における振動や騒音の低減を図ることができる車載用回転電機の提供。
【解決手段】電動車両の走行駆動に用いられる車載用回転電機（１００）は、ステータコイル（６）を巻回したステータコア（４）を有するステータ（１）と、ステータコア（４）の内周側に回転ギャップを有して配置されるロータ（２）と、ステータ（１）を車両に取り付けるためのフランジ（５ａ）と、を備え、フランジ（５ａ）は、車両との取り付け位置の軸方向位置がステータ（１）の磁気中心の軸方向位置と一致するように形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＨＥＶ、ＥＶ等の電動車両の走行駆動に用いられる車載用回転電機、および、車載用回転電機が搭載された電動車両に関する。

回転電機は家電製品や各種ＯＡ機器の他、自動車等にも多数搭載されている(例えば、特許文献１、２参照)。車両走行用の回転電機には大出力が要求され、また、回転範囲が広いために電磁加振力の加振周波数が大きく変化する。また、車室内の快適環境の追求により振動低減および騒音低減の要求が近年高まっていることから、回転電機本体からの振動、騒音を低減する技術が多数開発されている。

特開２００８−２５４６６８号公報 特開２０００−１９７２９０号公報

しかしながら、上述したように車載用回転電機では、回転範囲が広いために電磁加振力の加振周波数が大きく変化するため、特定の回転数で構造体の固有振動数と一致して、共振による振動・騒音の発生が発生しやすい。そのため、回転電機本体で発生する振動、騒音よりも、回転電機から発生する振動が回転電機を取り付けられた部品、例えば、車両またはトランスミッションやギヤボックス等の車両を構成する部品に伝達されて発生する振動、騒音のほうが相対的に大きくなり、そのような振動や騒音の低減が必要とされている。

請求項１の発明は、電動車両の走行駆動に用いられる車載用回転電機であって、ステータ巻線を巻回したステータコアを有するステータと、ステータコアの内周側に回転ギャップを有して配置されるロータと、ステータを車両に取り付けるための取り付け部材と、を備え、取り付け部材は、車両との取り付け位置の軸方向位置がステータの磁気中心の軸方向位置と一致するように形成されていることを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載の車載用回転電機において、ステータコアを内包するように保持し、外周面に取り付け部材が形成された回転電機用ハウジングを備えたものである。
請求項３の発明は、請求項１に記載の車載用回転電機において、取り付け部材は、ステータコアの外周面に一体に形成されていることを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項３に記載の車載用回転電機において、取り付け部材は、ステータコアの外周面に突出するように一体に形成された圧入部であって、ステータコアに形成された圧入部を車両側の被圧入部に圧入することにより、ステータコアが車両側に取り付けられていることを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の車載用回転電機において、ステータコアの軸方向寸法をＬ、ロータおよび該ロータに接続される被駆動体から成る複合体の重心の方向への、取り付け位置の軸方向ずれ寸法をＬ１としたとき、位置ずれ率Δ＝（Ｌ１／Ｌ）×１００が±２０％以内の範囲となるように寸法Ｌ１が設定されていることを特徴とする。
請求項６の発明に係る電動車両は、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の車載用回転電機を走行用電動機として搭載することを特徴とする。

本発明によれば、車載用回転電機を搭載した電動車両において、振動や騒音の低減を図ることができる。

車載用回転電機を搭載した電気自動車の概略構成を示す模式図である。 ギヤボックス３内に収納された回転電機１００を示す断面図である。 複数個のロータ２Ａ，２Ｂを有する回転電機１００の断面を示す図である。 重心位置と取り付け位置を一致させた場合の回転電機１０００を示す図である。 重心位置と取り付け位置を一致させた場合の他の例を示す図である。 平均振動速度の周波数応答のシミュレーション結果を示す図である。 磁気中心ＭＣと取り付け位置Ｆとの関係を示す図である。 ずれ率Δが０％、２０％、２５％の場合と、従来の場合のシミュレーション結果を示す図である。 図８の５０００［r/min］付近のピーク部分を拡大して示した図である。 回転電機１００の第１の変形例を示す図である。 第１の変形例におけるステータコア４の形状を示す図である。 回転電機１００の第２の変形例を示す図である。 回転電機１００の第３の変形例を示す図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図１は、本実施の形態による車載用回転電機を搭載した電気自動車の、駆動部の概略構成を示す模式図である。車両３００には、回転電機１００、ギヤ機構２００、インバータ１１０、バッテリ１２０が搭載されている。図１に示す電気自動車は前輪駆動式の車両であり、回転電機１００の駆動力は、ギヤ機構２００を介して前輪３１０へと伝達される。回転電機１００は、ギヤ機構２００が収められているギヤボックス３内に収納されている。バッテリ１２０の直流電力はインバータ１１０により交流電力に変換され、その交流電力が回転電機１００に供給される。回転電機１００には、例えば、三相同期モータが用いられる。

図２は、ギヤボックス３内に収納された回転電機１００の一例を示す断面図である。回転電機１００は、ステータ１およびロータ２を備えている。ステータ１は、電磁鋼板を軸方向に積層して成るステータコア４と、ステータコア４に巻回されたステータコイル６とを備えている。ステータコア４の内周側には、僅かな隙間を介してロータ２が挿入されている。ロータ２の図示左右に延びるロータ軸２ａは、不図示の軸受けにより支持されている。左側のロータ軸２ａ（出力軸）には、回転電機１００により駆動されるギヤ機構２００、すなわち負荷としての被駆動体が接続されている。

一方、ステータコア４は、円筒状のハウジング５の内周面に保持されている。ステータコア４は、ハウジング５の内周面に焼き嵌めまたは圧入されている。ハウジング５の外周面には、フランジ５ａが形成されている。一点鎖線で示す面は、ステータコア４の磁気中心ＭＣを通る軸直角平面である。フランジ５ａは、ハウジング５を車両側に固定されたギヤボックス３に固定するための支持部であり、ボルト７によってギヤボックス３に固定されている。フランジ５ａは、ギヤボックス３と接触しているフランジ取り付け面の軸方向位置とステータコア４の磁気中心ＭＣの軸方向位置とが概ね一致するように形成されている。

磁気中心とは以下の２点で定義されるものである。
(a)軸直角平面内に関しては、面内においてステータまたはロータに発生する電磁加振力の合力がつりあう位置
(b)軸方向に関しては、ステータまたはロータを軸直角平面で２分割して考えた場合に、２つに分割されたステータまたはロータの軸方向の電磁加振力の合力がつりあう位置

なお、ロータが直列につながれた複数個のロータで構成される場合、全てのロータが存在する軸方向範囲について軸直角平面は１つのみ定義される。例えば、図３に示すように、同一形状のロータ２Ａ、２Ｂがそれらの中間に位置する軸直角平面に対して鏡像となるように設けられている場合、磁気中心ＭＣの軸方向位置は、その軸直角平面内に存在することになる。この場合、２つのロータ間に磁気的な隙間があってもよい。

一般的に、大部分の回転電機ではステータの磁気中心とロータの磁気中心とが一致するように構成され、磁気中心はステータ１（またはロータ２）の軸方向中央（積層方向の中央）に位置する。図２に示す回転電機１００の場合も、磁気中心はステータ１の軸方向中央に位置し、ステータ１とロータ２の磁気中心が一致している。

ところで、従来の回転電機１０００では、図４、５に示すように、ハウジング５に設けられたフランジ５ａの固定面の軸方向位置と、ロータ出力側に連結される被駆動体（本実施の形態ではギヤ機構２００）とロータ２と合わせた回転体の重心Ｇの軸方向位置（破線で示す）と、を概ね一致させる構造とするのが、一般的である。

図４に示す例では、重心Ｇの軸方向位置はロータ２、ステータ４の左端面よりも左側（被駆動体側）にあり、フランジ５ａは、その取り付け面の軸方向位置が重心位置とほぼ一致するようにハウジング５の左端に形成されている。また、図５に示す例では、重心Ｇの軸方向位置はロータ２、ステータ４の左端面よりも若干右側にあり、フランジ５ａは、取り付け面の軸方向位置が重心位置とほぼ一致するようにハウジング５の左端から内側に入った位置に形成されている。

車載用回転電機の場合、回転電機に対して被駆動体（本実施の形態ではギヤ機構２００）の方が質量、モーメントが大きくなることがある。そのような場合、図５に示すように重心Ｇの軸方向位置が回転電機１０００の端部近くになったり、図４に示すようにロータ２、ステータ４の範囲内から外れてしまったりする。また、回転電機１００がトランスミッションに接続されている場合には、重心Ｇは時間的に変化することになり、さらには、回転電機１０００のロータ軸長、ステータ軸長の範囲内に重心Ｇの軸方向位置が存在する保証も無い。

図６は、図２、４に示す回転電機に関するシミュレーション結果を示す図である。すなわち、図２、４に示す回転電機モデルのステータコア４に、同一振幅のトルクリプルを入力したときの平均振動速度（回転電機１００，１０００とギヤボックス３の表面の振動速度の平均）の周波数応答を示したものである。図６において、曲線Ｌ１は図２の回転電機１００に関する計算結果であり、曲線Ｌ２は図４に示す回転電機１０００に関する計算結果である。

曲線Ｌ１、Ｌ２のいずれの場合も、平均振動速度のピークが３つ現れている。従来の回転電機１０００の場合（曲線Ｌ２）には、２０００［r/min］付近、３０００［r/min］付近および４５００［r/min］付近においてピークが発生している。一方、図２の回転電機１００の場合（曲線Ｌ１）には、５００［r/min］付近、３０００［r/min］付近および５０００［r/min］付近にピークが発生している。すなわち、ステータコア４の車両との取り付け位置に関して、取り付け位置の軸方向位置と磁気中心ＭＣの軸方向位置とを略一致させるようにしたことにより、振動モードの固有振動数が変化している。そのため、曲線Ｌ２の２０００［r/min］付近のピークが曲線Ｌ１では５００［r/min］付近に移動するとともに、曲線Ｌ２の４５００［r/min］付近のピークが曲線Ｌ１では５０００［r/min］付近へと移動している。

３０００［r/min］付近よりも低回転側では、本実施形態の曲線Ｌ１の方が、平均振動速度が全体的に低くなっており、ピーク同士を比較した場合には約３０［dB］も平均振動速度が低下している。この理由としては、図２に示す例では、電磁加振力の合力が作用する位置である磁気中心ＭＣと、ステータ１を車両側に取り付ける位置とが軸方向でほぼ一致しているため、図４のようにギヤボックス３との取り付け位置と磁気中心ＭＣとの軸方向距離が短縮され、取り付け位置に作用する電磁加振力起因のモーメントを低減できるためと考えられる。その結果、低回転側のピーク（５００［r/min］付近のピーク）は約３０ｄＢほど平均振動速度が低減している。

車載用の回転電機１００では、車両の発進，停止が頻繁に繰り返されるため、回転電機１００のオン／オフが頻繁に行われる。また、車両速度が低いほど風切り音やロードノイズが小さくなるため、回転電機１００に起因する振動や騒音が目立ちやすくなる。そのため、ＥＶやＨＥＶ等の電動車両においては、特に低回転時における振動低減の要求が厳しくなっている。そのため、本実施の形態のように、低回転側における平均振動速度を大きく低減できることは、低回転時における振動低減の要求に合う結果となっている。

なお、図６に示す計算結果では、高回転側のピーク（５０００［r/min］付近のピーク）については、曲線Ｌ２の４５００［r/min］付近のピークに比べて約７ｄＢほど平均振動速度が増えている。その結果、５０００［r/min］付近のピークは、従来の場合（曲線Ｌ２）の２０００［r/min］付近のピークとほぼ同じレベルの平均振動速度ピークになっている。

上述したように、車両速度が速くなるほど、車両の騒音は、風きり音やロードノイズなど他の音源からの影響が大きくなる。そのように他の騒音が発生している状況下では、人間の感覚として、回転電機１００に起因する騒音が比較的に感じ難くなる。すなわち、回転電機１００の回転数が大きくなって車速が速くなるほど、回転電機１００やそれが取り付けられているギヤボックス３の振動に起因する騒音に対する許容値が大きくなる。そのため、図６に示すように高回転側において平均振動速度が従来よりも若干増えていても、乗員は騒音が増えたと感じることがほとんど無い。

このように、本実施の形態では、回転電機１００を車両側へ取り付ける際に、取り付け位置の軸方向位置をステータコア４の磁気中心ＭＣの軸方向位置とほぼ一致させることにより、低回転側の平均振動速度を大きく低減できるため、騒音低減効果が高く、従来よりも静粛性を向上させることができる。

図６に示すシミュレーション結果は、ステータ側の取り付け位置の軸方向位置を磁気中心ＭＣの軸方向位置と一致させた場合の計算結果であった。しかしながら、必ずしも両方の軸方向位置を厳密に一致させる必要はなく、多少前後にずれても騒音低減効果は十分にある。以下では、取り付け位置の軸方向位置を、磁気中心ＭＣの軸方向位置から若干ずらした場合について説明する。ここで、磁気中心ＭＣからの軸方向位置のずれ率Δ（％）を、Δ＝（Ｌ１／Ｌ）×１００のように表すものとする。図７に示すように、Ｌはステータコア４の積み厚（すなわち、軸方向寸法）であり、Ｌ１は磁気中心ＭＣを基準とした取り付け位置Ｆの軸方向距離である。図７に示すように取り付け位置Ｆが被駆動体（ギヤ機構２００）の側に有る場合には、Ｌ１をプラスとする。例えば、取り付け位置Ｆがステータコア４の左端位置であった場合にはずれ率Δ＝５０％となり、逆にステータコア４の右端位置であった場合にはΔ＝−５０％となる。

図８は、ずれ率Δが０％、２０％、２５％の場合と、従来のように取り付け位置の軸方向位置を重心Ｇと一致させた場合（図５）のシミュレーション結果を示したものであり、同一振幅のトルクリプルを入力したときの平均振動速度周波数応答を示す。また、図９は、５０００［r/min］付近のピーク部分を拡大して示したものである。曲線Ｌ11はΔ＝０％の場合、すなわち図２に示す構成の場合である。曲線Ｌ12，Ｌ13はそれぞれΔ＝２０％，２５％の場合を示す。また、曲線Ｌ１４は、重心Ｇの軸方向位置と取り付け位置とを一致させた従来の場合を示す。

図８に示すように、５００［r/min］付近のピークに関しては、Δ＝０％、２０％、２５％のいずれもほぼ同じレベルであって、従来の場合の２０００［r/min］付近とほぼ同じレベル（差＋３ｄＢ以下）となっている。通常、人間の聴覚で騒音レベルが変化したと感知できるのは３ｄＢ以上の変化した場合と言われている。また、騒音と振動は相関があるとされている。したがって、最終的に騒音を問題とする限り、振動・騒音においては±３ｄＢは許容誤差範囲であるのでこれは許容範囲である。

一方、５０００［r/min］付近のピークに関しては、取り付け位置と磁気中心ＭＣの軸方向位置のずれ率が大きくなると、平均振動速度ピーク振幅が増える傾向にある。図８、９ではずれ率Δが０％、２０％、２５％の場合について示しているが、ずれ率Δを０％、５％、１０％、１５％、２０％、２５％のようにより詳細に計算すると、５０００［r/min］付近のピークの値は、０％（5250［r/min］、-21.1dB）、５％（5125［r/min］、-21.1dB）、１０％（5125［r/min］、-17.7dB）、１５％（5125［r/min］、-17.5dB）、２０％（5000［r/min］、-19.8dB）、２５％（5000［r/min］、-15.9dB）のようになる。また、従来の場合の２０００［r/min］付近のピークは−２２．１ｄＢである。

すなわち、取り付け位置の軸方向位置と磁気中心ＭＣの軸方向位置のずれ率をΔ＝２５％とした場合は、５０００［r/min］付近のピークは、従来の場合の２０００［r/min］付近のピークのレベルよりも約６ｄＢ以上も平均振動速度ピークの振幅が大きくなっている。したがって、取り付け位置の軸方向位置と磁気中心ＭＣの軸方向位置のずれ率Δの許容範囲はステータコアの積み厚Ｌの０〜２０％とすることができる。

なお、上述したシミュレーションでは、取り付け位置Ｆを図７に示すように重心方向にずらした場合について検討したものである。しかしながら、図８、９に示すような振動の変化は、取り付け位置をずらしたことによって回転電機１００の振動状態が変化することに起因するので、重心方向と逆の方向に取り付け位置Ｆをずらした場合においても、同様の振動変化が生じる。すなわち、上述した場合と同程度のずれ率Δの範囲（−２０％〜０％）において回転電機１００に起因する騒音や振動を低減することができる。よって、位置ずれ率Δ＝（Ｌ１／Ｌ）×１００が±２０％以内となる範囲において、回転電機１００に起因する騒音や振動を低減することができる。

図１に示した例では、ステータコア４を円筒状のハウジング５の内周面に保持し、そのハウジング５を車両に固定されているギヤボックス３に取り付けるようにしたが、図１０、１２に示すようにステータコア４を直接ギヤボックス３に取り付けるようにしても良い。図１０に示す例では、図１１に示すようにステータコア４の外周面にボルト孔４ｂが形成されたフランジ部４ａを設け、そのフランジ部４ａの端面がギヤボックス３に接触するように、ステータコア４を直接ボルト固定するようにした。この場合、フランジ部４ａの端面の位置が取り付け位置であり、端面の位置をステータコア４の磁気中心ＭＣの軸方向位置と概一致させるようにする。

一方、図１２に示す例では、ステータコア４をギヤボックス３に圧入して固定するようにした。ステータコア４の外周面には、リング状の圧入部４ｃが形成されている。この場合、圧入部４ｃの軸方向中央部を取り付け位置とみなし、この取り付け位置とステータコア４の磁気中心ＭＣの軸方向位置とが概一致するように構成されている。なお、図１２では、圧入部４ｃをリング状としたが、一周３６０degの全範囲ではなく複数箇所の所定範囲を圧入部としても構わない。

また、図１３のような構成としても良い。図１に示した回転１００の場合、ロータ２はギヤボックス３側に設けられた軸受によって支持されるような構成であった。図１３に示す構成では、一般的な回転電機のように、回転電機１００のハウジング５に設けられたフロントブラケット１１ａおよびリヤブラケット１１ｂに配置された軸受１２によって支持されている。ハウジング５の外周面には、図１に示したハウジング５の場合と同様に取り付け用のフランジ５ａが形成されており、その取り付け面の軸方向位置をステータコア４の磁気中心ＭＣの軸方向位置と概一致させる。

以上説明したように、本実施の形態の回転電機は以下のような特徴と有している。
（１）回転電機１００においては、ステータ巻線を巻回したステータコア４を有するステータ１と、ステータコア４の内周側に回転ギャップを有して配置されるロータ２と、ステータ１を車両に取り付けるための取り付け部材５ａと、を備え、取り付け部材５ａは、車両との取り付け位置の軸方向位置がステータ１の磁気中心ＭＣの軸方向位置と一致するように形成されている。その結果、回転電機１００に起因する騒音や振動を低減することができる。

（２）なお、ステータコア４を内包するように保持し、外周面に取り付け部材５ａが形成された回転電機用ハウジング５を備えるようにしても良い。また、取り付け部材４ｃを ステータコア４の外周面に一体に形成するようにしても良い。その場合に、取り付け部材４ｃを ステータコア４の外周面に突出するように一体に形成された圧入部とし、ステータコア４に形成された圧入部４ｃを車両側の被圧入部３に圧入することにより、ステータコア４が車両側に取り付けられる。
（３）さらに、ステータコア４の軸方向寸法をＬ、ロータ２およびロータ２に接続される被駆動体２００から成る複合体の重心の方向への、取り付け位置の軸方向ずれ寸法をＬ１としたとき、位置ずれ率Δ＝（Ｌ１／Ｌ）×１００が±２０％以内の範囲となるように寸法Ｌ１を設定すれば、騒音低減の効果を奏することができる。
（４）上述のような車載用回転電機１００を走行用電動機として電動車両に搭載することで、騒音のより少ない電動車両を提供することができる。

なお、上述した実施の形態では、回転電機１００をギヤボックス３内に収納する場合を例に説明したが、ギヤボックスに限らず車両側の部品（例えば、トランスミッション、インバータケース、車軸）に取り付ける形態の場合も、本発明は適用できる。

上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

１：ステータ、２，２Ａ，２Ｂ：ロータ、３：ギヤボックス、４：ステータコア、５：ハウジング、６：ステータコイル、１００：回転電機、１１０：インバータ、１２０：バッテリ、２００：ギヤ機構、５ａ：フランジ、Ｆ：取り付け位置、ＭＣ：磁気中心、Ｇ：重心

Claims (6)

1. 電動車両の走行駆動に用いられる車載用回転電機であって、
   ステータ巻線を巻回したステータコアを有するステータと、
   前記ステータコアの内周側に回転ギャップを有して配置されるロータと、
   前記ステータを車両に取り付けるための取り付け部材と、を備え、
   前記取り付け部材は、前記車両との取り付け位置の軸方向位置が前記ステータの磁気中心の軸方向位置と一致するように形成されていることを特徴とする車載用回転電機。
2. 請求項１に記載の車載用回転電機において、
   前記ステータコアを内包するように保持し、外周面に前記取り付け部材が形成された回転電機用ハウジングを備えることを特徴とする車載用回転電機。
3. 請求項１に記載の車載用回転電機において、
   前記取り付け部材は、前記ステータコアの外周面に一体に形成されていることを特徴とする車載用回転電機。
4. 請求項３に記載の車載用回転電機において、
   前記取り付け部材は、前記ステータコアの外周面に突出するように一体に形成された圧入部であって、
   前記ステータコアに形成された圧入部を車両側の被圧入部に圧入することにより、前記ステータコアが車両側に取り付けられていることを特徴とする車載用回転電機。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の車載用回転電機において、
   前記ステータコアの軸方向寸法をＬ、前記ロータおよび該ロータに接続される被駆動体から成る複合体の重心の方向への、前記取り付け位置の軸方向ずれ寸法をＬ１としたとき、
   位置ずれ率Δ＝（Ｌ１／Ｌ）×１００が±２０％以内の範囲となるように寸法Ｌ１が設定されていることを特徴とする車載用回転電機。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の車載用回転電機を走行用電動機として搭載する電動車両。

Images