JP2014027869A - ハイブリッド車または電気自動車用の電気機械 - Google Patents

Abstract

【課題】ハイブリッド車または電気自動車用の電気機械を提供する。
【解決手段】回転子３の内部に配置された固定子２を有し、回転子３が、回転子支持体４と、回転子プレート５と、永久磁石６と、半径方向に延在する第１の支持体区域７と、支持体区域７に接続された、軸方向に延在する第２の支持体区域８とを有し、固定子２が、固定子プレート９と、ワイヤ巻線１０とを有し、ワイヤ巻線１０が巻線ヘッド１１、１２を形成し、さらに、インペラホイール１４を有し、インペラホイール１４が、固定子２の軸方向側に配置された巻線ヘッド１１と、第２の支持体区域８との間に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、外部回転子を備えて形成される、ハイブリッド車または電気自動車用の電気機械に関する。上記電気機械は、回転子の内部に配置された固定子を有し、回転子は、回転子支持体と、回転子プレートと、永久磁石とを有し、回転子支持体は、半径方向に延在する第１の支持体区域と、第１の支持体区域に接続された、軸方向に延在する第２の支持体区域とを有し、第２の支持体区域は、回転子プレートおよび永久磁石を支持し、固定子は、固定子プレートと、ワイヤ巻線とを有し、ワイヤ巻線は、巻線ヘッドを形成し、巻線ヘッドは、両側で固定子プレートを越えて軸方向に延在する。上記電気機械はさらに、インペラホイールを有し、インペラホイールは、回転子支持体に接続される。

上記電気機械は（特許文献１）から既知である。（特許文献１）において、インペラホイールは、ビーカー形状に構成された回転子支持体の底部に一体成形され、外側に向かって拘束なく突出する。インペラホイールが回転すると、冷却用空気が、ビーカー形状の回転子支持体内に吸入され、固定子に強制的に流される。これにより、確実に、固定子の巻線ヘッドが十分に冷却される。インペラホイールは、回転子支持体の軸方向長さに対して、固定子の軸方向側に配置された巻線ヘッドと、回転子を覆うように取り付けられたベル形状のカバーハウジングとの間に配置される。カバーハウジングは、インペラホイールの領域内で、回転子支持体の底部に空気進入管路を有し、エンドプレートを有する取付け端部に、冷却用空気のための空気出口開口を有する。

上記既知の電気機械では、インペラホイールが、当該インペラホイールに隣接する巻線ヘッドと軸方向に並べて配置されるため、電気機械の軸方向長さが相対的に大きくなるという欠点がある。これに関連し、インペラホイールのために追加の軸方向設置空間が必要とされ、この空間は、機能的に不可欠な電気機械の他の構成要素のためには利用されない。したがって、電気機械のある特定の出力レベルを仮定すると、電気機械の軸方向長さが相対的に大きくならざるを得ない。

独国特許出願公開第１９５ １３ １３４ Ａ１号明細書

本発明の目的は、冒頭に述べたタイプの電気機械を、短い軸方向長さを短くし、かつ回転子および固定子の領域内での空気冷却を最適にしつつ、高い出力レベルを実現するように発展させることである。

上記目的は、インペラホイールを、固定子の軸方向側に配置された巻線ヘッドと、第２の支持体区域との間に配置することによって達成される。

したがって、固定子は、固定子プレートの周りに巻き付けられたワイヤ巻線を備える。ここで、前記ワイヤ巻線は、軸方向に見ると、両側で固定子プレートを越えて延在し、そこに巻線ヘッドを形成する。その結果、まず、固定子の上記軸方向側に配置された巻線ヘッドを越えて軸方向に延在するように、回転子支持体を形成しなければならない。したがって、半径方向に見ると、回転子支持体は、その第２の支持体区域の領域内で回転子プレートの後ろに配置されるため、回転子プレートの領域内に半径方向に未使用の設置空間が形成される。半径方向外側に位置する回転子支持体は、上記巻線ヘッドの周りに係合しなければならない。上記未使用の設置空間は、インペラホイールを取り付けるために利用される。したがって、回転子支持体にインペラホイールが備えられることにより、これまでは利用されていなかった設置空間が、電気機械の冷却を改善するために使用可能となる。

したがって、本発明による電気機械は、ハイブリッド車または電気自動車のドライブトレインの長手方向構造において寸法上の無駄がなくなるという点で最適化される。長手方向構造、したがって軸方向での電気機械の長さをできるだけ短く保つことができ、同時に、出力が可能な限り最大となる。実際、この出力の増加により、冷却の必要性が高まる。この冷却は、回転子支持体と共に回転するインペラホイールによって行われる。

好ましい一実施形態によれば、回転子支持体は、ポット形状に設計されている。第１の支持体区域は、回転子支持体の底部領域を形成し、第２の支持体区域は、回転子支持体の周壁領域を形成する。この構成によって、外部回転子を備えて形成される電気機械を単純な構造で形成することができる。この構成により、電気機械を内燃機関および車両のトランスミッションに接続できるようになる。

好ましくは、インペラホイールは、回転子支持体の底部領域に隣接して配置される。インペラホイールをこのように位置付けることで、長手方向構造をできるだけ短く保てるようにしやすくなる。これに関して、インペラホイールが積層鉄芯および永久磁石に隣接して配置されると有利である。したがって、インペラホイールが、回転子支持体の底部領域に直接隣接し、かつ積層鉄芯および永久磁石に直接隣接して配置されると特に有利であると考えられる。

インペラホイールは軸方向長さを有し、その軸方向長さが、インペラホイールに割り当てられた固定子の軸方向側にある巻線ヘッドの、回転子プレートおよび／または永久磁石を越えて突出する軸方向長さに実質的に対応すると特に有利であると考えられる。その結果、インペラホイールはその軸方向長さによって、実質的に、所定の巻線ヘッドの軸方向に突出する長さのためにいずれにせよ使用される軸方向長さを有する空間を占める。したがって、インペラホイールの設置は、電気機械の追加の軸方向の設置空間をなんら必要としない。電気機械の他の構成要素のためにいずれにせよ不可欠な電気機械の軸方向の設置空間のみが利用される。

特に半径方向ブロワとして働くインペラホイールによって送られる空気流は、供給管路を通して相対的に冷たい空気を送り込み、かつ窓を通して相対的に温かい流出空気を放出することにより、開放型冷却システムによって冷却される。あるいは、閉じた電気機械の内部で、インペラホイールまたは半径方向ブロワによって空気を連続的に循環させることによって、閉鎖型冷却システムが提供される。

特に、開放型冷却システムを構成する場合、流入空気が、電気機械のハウジングにある供給管路を通して、回転子と固定子の間の領域内に軸方向に送り込まれ、流出空気が、回転子支持体の開口およびハウジングの開口を通して放出されると特に有利であると考えられる。

好ましい一実施形態によれば、回転子支持体とインペラホイールが、鋳造部品として一部片で形成される。その結果、複雑であり高コストとなるインペラホイール幾何形状が、鋳造によって製造される。回転子支持体の残りの部分は、例えば材料を切断して加工される。

さらなる好ましい一実施形態によれば、インペラホイールは、周面に穴を有し、かつ前記穴と相互作用するエアブレード形状の要素を有するようになっている。例えばプラスチック部品である個々のエアブレード形状の要素が、上記穴に挿入されて、インペラホイール内でそこに固定される。エアブレード形状の要素は、例えばクリップ留めされ、かつ／または半径方向で、しかしまたとりわけ接線方向でも固定される。

さらなる好ましい実施形態によれば、インペラホイールが周面に穴を有し、前記穴が、エアブレード形状の要素を形成するよう成形プロセスによって成形されるようになっている。

ハウジングと回転子支持体の間に軸方向シールが配置されると特に有利であると考えられる。ハウジングと回転子支持体の間の軸方向シールは、冷却すべき構成要素に向けて空気を案内し、空気の漏れを防止する働きをし、非常に効率的な冷却用空気体積流を実現する。

ハイブリッド車または電気自動車での上記電気機械の使用に関して、特に、回転子支持体が、共に回転可能に固定された態様でトランスミッション入力シャフトに接続できるように、軸方向受取部に接続されるようになっている。

電気機械がハイブリッド車とともに使用される場合、電気機械が、共に回転可能に固定された態様で内燃機関のクランクシャフトに接続できるように、軸方向に配置された中間シャフトを有すると特に有利であると考えられる。ここで、中間シャフトは、例えば、クランクシャフトに間接的に接続される。

具体的には、電気機械がハイブリッド車で使用されるとき、電気機械がクラッチを有し、クラッチが閉じられたときに、共に回転可能に固定された態様で中間シャフトとトランスミッション入力シャフトとを接続すると有利であると考えられる。したがって、クラッチが開かれている場合には、電気機械のみが車両トランスミッションに対して作用する。クラッチが閉じられているときには、内燃機関が車両トランスミッションに対して作用するか、電気機械と内燃機関とが車両トランスミッションに対して作用する。

特に、まず、インペラホイールおよび／または半径方向ブロワを回転子支持体内に挿入し、その後、回転子プレートを追加し、次いで、インペラホイールまたは半径方向ブロワとは逆側の回転子支持体の軸方向端部位置を丸める、またはかしめることで、電気機械を取り付けるようになっている。上記丸め／かしめにより、インペラホイールおよび半径方向ブロワが軸方向に動かぬように固定される。

インペラホイールおよび半径方向ブロワを半径方向に動かぬよう固定することは、例えばねじによって保証される。特に、電気機械は自動車のドライブトレインに挿入されるため、ねじは、同時に、電気機械の回転子にクラッチの圧力板をねじ留めする働きもする。

したがって、本発明によるインペラホイールの配置により、回転子と固定子の間を通して、具体的には永久磁石と、巻線ヘッドを有する固定子プレートとの間の隙間を通して、最大の空気流が確実に案内されるようになる。これにより、電気機械のこれら熱的負荷を受ける領域が確実に最適に空気冷却される。

本発明のさらなる特徴は、従属クレーム、添付図面、および図面に示される好ましい例示的実施形態の説明から明らかになるが、それらに限定されるものではない。

電気機械の軸方向に沿った、本発明による電気機械の垂直断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った電気機械の断面図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った電気機械の断面図である。 図１のＩＶ−ＩＶ線に沿った電気機械の断面図である。

図面に示される電気機械１は、電気機械による電動駆動機構と、内燃機関による駆動機構とを備えるハイブリッド車、好ましくは乗用車、特にスポーツカーで使用される。

電気機械１は、外部回転子を備えて形成される。電気機械１は、固定子２と回転子３を有する。固定子２は、回転子３の内部に配置される。回転子３は、回転子支持体４と、回転子プレート５と、永久磁石６とを有する。回転子支持体４は、半径方向に延在する第１の支持体区域７と、第１の支持体区域７に接続された、軸方向に延在する第２の支持体区域８とによって形成される。すなわち、第１の支持体区域７は、回転子支持体４の底部を形成し、第２の支持体区域８は、回転子支持体４の周壁を形成する。半径方向外側に位置する第２の支持体区域８は、回転子プレートおよび永久磁石６を支持する。ここで、回転子プレートおよび永久磁石６は、第２の支持体区域８に対して半径方向内側に配置される。具体的には、回転子プレート５が相対的に半径方向外側に位置付けられ、永久磁石６が相対的に半径方向内側に位置付けられる。ここでは、回転子プレート５と永久磁石６は、同一の軸方向長さにわたって延在し、この軸方向長さは、第２の支持体区域８の軸方向長さよりも短い。

固定子２は、固定子プレート９と、ワイヤ巻線１０とを有する。ワイヤ巻線１０は、両側で固定子プレート９を超えて軸方向に突出する巻線ヘッドを形成する。一方の側、すなわち第１の支持体区域７に面する側にある巻線ヘッドを参照番号１１で表し、固定子２のこの側とは逆側にある巻線ヘッドを参照番号１２で表す。

特に、図１による長手方向断面から明らかなように、第１の支持体区域７の半径方向外側領域と、回転子プレート５および永久磁石６との間には、回転子３の軸に対して同心に設けられたデッドスペース１３が、第１の支持体区域７に面する領域内で、固定子プレート９および巻線ヘッド１１と第２の支持体区域８との間に形成される。このデッドスペース内部に、半径方向ブロワとして働く環状インペラホイール１４が配置される。このインペラホイール１４は、第１の支持体区域７の領域内で回転子支持体４に接続される。したがって、インペラホイール１４は、巻線ヘッド１１と第２の支持体区域８との間に配置される。さらに、第１の支持体区域７に接続されるインペラホイール１４は、回転子プレート５および永久磁石６からより近い位置に配置される。回転子プレート５と永久磁石６は、電気機械１の軸方向で同一の長さにわたって延在し、したがって、軸方向の各側で、電気機械１の軸方向で同一の長さの領域内で終端する。

固定子２は、電気機械１のハウジング１５内に取り付けられ、ハウジング１５に接続される。ハウジング１５は、その上側領域内に、流入空気および相対的に冷たい空気のための供給管路１６を備える。この供給管路１６は、ハウジング１５内で複数の供給管路１７に分かれる。供給管路１７は、巻線ヘッド１２の領域内で、固定子２および回転子３によって画定された電気機械１の空洞内へ軸方向に通じており、具体的には、回転子プレート５／永久磁石６と固定子プレート９／巻線ヘッド１１との間の環状の軸方向隙間の領域内に通じている。空気は、インペラホイール１４、したがって半径方向ブロワによって、この隙間を通して吸入され、インペラホイール１４によって、特に第２の支持体区域８にある半径方向に延在する経路１８と、上記経路１８に割り当てられたハウジング１５にある経路（図示せず）とを通して排出される。その結果、電気機械１からの空気を、回転子支持体４およびハウジング１５にある上記経路を通して送ることができる。すなわち、この電気機械１は、開放型冷却システムを有する。

その結果、相対的に冷たい空気が、供給管路１６および１７によって固定子２と回転子３の間の領域内に送り込まれ、そこで電気機械の廃熱により加熱され、相対的に温かい排出空気が、経路１８およびハウジング１５にある経路を通して電気機械１から排出される。

本発明による電気機械の基本的な構成要素を、特にハイブリッド車におけるそれらの特定の用途に関して以下に説明する。

回転子３は、特にシリンダ区域１９を有する。シリンダ区域１９は第１の支持体区域７に接続され、回転子３は、シリンダ区域１９を介して、二重玉軸受２０によってハウジング１５内に回転可能に取り付けられる。二重玉軸受２０は、ハウジング１５内で半径方向外側に取り付けられ、半径方向内側にシリンダ区域１９を受け入れる。シリンダ区域１９は、半径方向内側にニードル軸受２１を受け入れ、このニードル軸受２１に中間シャフト２２が取り付けられる。中間シャフト２２は、内燃機関のクランクシャフトに間接的に接続する働きをする。したがって、内燃機関の動作中、内燃機関のクランクシャフトが中間シャフト２２を駆動させる。この中間シャフト２２の入力は、ハウジング１５の、巻線ヘッド１２に割り当てられた側にある。ハウジング１５の逆側、すなわち巻線ヘッド１１に割り当てられた側では、ホイール２３が回転子支持体４に接続され、このホイール２３は、共に回転可能に固定された態様でトランスミッション入力シャフトに接続できるように、受取部２４を有する。受取部２４は、トランスミッション入力シャフトに対する鋸歯を有し、トランスミッション入力シャフトは、対応する鋸歯を端部に有する。

回転子３と、中間シャフト２２と、ホイール２３とは、電気機械１の同一の中心軸の周りで回転することができる。

電気機械１は、巻線ヘッド１１に面する側にクラッチ２５も有する。クラッチ２５が閉じた状態では、クラッチ２５は、回転子３と受取部２４との固定接続により、中間シャフト２２と回転子３との摩擦係合、したがって中間シャフト２２とトランスミッション側の受取部２４との摩擦係合を行う。クラッチ２５に関して、圧力板２６と、対応する圧力板２７と、皿ばね２８と、ハウジング１５内に取り付けられた、皿ばね２８に対する係合解除軸受２９とが示されている。

クラッチ２５の圧力板２６は、例えばねじ３０によって回転子支持体４に接続される。ねじ３０は、圧力板２６にあるドリル穴を貫通し、第１の支持体区域７の領域内で、第２の支持体区域８に隣接して、回転子支持体４にあるねじ穴にねじ留めされる。インペラホイール１４の領域内でのねじ３０の配置により、ねじ３０は、同時に、インペラホイール１４を半径方向に動かぬように固定する働きもする。これに関して、ねじ３０の自由端は、インペラホイール１４と接触し、インペラホイール１４を、ねじ３０の上記端部と回転子３の永久磁石６との間に位置付ける。

特に、電気機械１の取付けは、まず、インペラホイール１４を回転子支持体４内に挿入し、その後、回転子プレート５を追加し、次いで、インペラホイール１４とは逆側の回転子支持体４の軸方向端部位置を丸める、またはかしめることで行われる。この丸め／かしめにより、インペラホイール１４が軸方向に動かぬように固定される。丸め、すなわち成形によって生成され、半径方向内側に延在する端部領域３１が、図１に示されている。

最後に、電気機械１の電気接続機構３２が図示される。電気機械１の３相に関して、電気ケーブル３３が電気機械１につながっている。具体的には、固定子２のコイルに電流を伝導するために、巻線ヘッド１２の半径方向外側に３つの接続リング３４が提供される。上記接続リング３４は、プラスチック部品３５内に、互いに絶縁された状態で取り付けられる。

１ 電気機械
２ 固定子
３ 回転子
４ 回転子支持体
５ 回転子プレート
６ 永久磁石
７ 第１の支持体区域
８ 第２の支持体区域
９ 固定子プレート
１０ ワイヤ巻線
１１ 巻線ヘッド
１２ 巻線ヘッド
１３ デッドスペース
１４ インペラホイール
１５ ハウジング
１６ 供給管路
１７ 供給管路
１８ 開口
１９ シリンダ区域
２０ 二重玉軸受
２１ ニードル軸受
２２ 中間シャフト
２３ ホイール
２４ 受取部
２５ クラッチ
２６ 圧力板
２７ 圧力板
２８ 皿ばね
２９ 係合解除軸受
３０ ねじ
３１ 端部領域
３２ 電気接続機構
３３ 電気ケーブル
３４ 接続リング
３５ プラスチック部品

Claims (18)

1. 外部回転子を備えて形成されるハイブリッド車または電気自動車用の電気機械（１）において、回転子（３）の内部に配置された固定子（２）を有し、前記回転子（３）が、回転子支持体（４）と、回転子プレート（５）と、永久磁石（６）とを有し、前記回転子支持体（４）が、半径方向に延在する第１の支持体区域（７）と、前記支持体区域（７）に接続された、軸方向に延在する第２の支持体区域（８）とを有し、前記第２の支持体区域（８）が、前記回転子プレート（５）および前記永久磁石（６）を支持し、前記固定子（２）が、固定子プレート（９）と、ワイヤ巻線（１０）とを有し、前記ワイヤ巻線（１０）が、巻線ヘッド（１１、１２）を形成し、前記巻線ヘッド（１１、１２）が、両側で前記固定子プレート（９）を越えて軸方向に延在し、前記電気機械（１）がさらに、インペラホイール（１４）を有し、前記インペラホイール（１４）が、前記回転子支持体（４）に接続され、前記インペラホイール（１４）が、前記固定子（２）の軸方向側に配置された前記巻線ヘッド（１１）と、前記第２の支持体区域（８）との間に配置されることを特徴とする電気機械（１）。
2. 前記回転子支持体（４）が、ポット形状に設計されており、前記第１の支持体区域（７）が、前記回転子支持体（４）の底部領域を形成し、前記第２の支持体区域（８）が、前記回転子支持体（４）の周壁領域を形成することを特徴とする請求項１に記載の電気機械。
3. 前記インペラホイール（１４）が、前記回転子支持体（４）の前記底部領域に隣接して配置されることを特徴とする請求項２に記載の電気機械。
4. 前記インペラホイール（１４）が、前記回転子プレート（５）および前記永久磁石（６）に隣接して配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電気機械。
5. 前記インペラホイール（１４）が軸方向長さを有し、前記軸方向長さが、前記インペラホイール（１４）に面する前記固定子（２）の軸方向側にある前記巻線ヘッド（１１）の、前記回転子プレート（５）および／または前記永久磁石（６）を越えて突出する軸方向長さに実質的に対応することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の電気機械。
6. 前記インペラホイール（１４）が、開放型または閉鎖型冷却システムの構成要素を形成することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の電気機械。
7. 前記冷却システムが開放型であり、流入空気が、前記電気機械（１）のハウジング（１５）にある供給管路（１６、１７）を通して、前記回転子（３）と前記固定子（２）の間の領域内に軸方向に供給され、流出空気が、前記回転子支持体（４）の開口（１８）および前記ハウジング（１５）の開口を通して放出されることを特徴とする請求項６に記載の電気機械。
8. ホイール（２３）が前記回転子支持体（４）に接続され、前記ホイール（２３）が、共に回転可能に固定された態様でトランスミッション入力シャフトに接続できるように、受取部（２４）を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の電気機械。
9. 前記電気機械（１）が、共に回転可能に固定された態様で内燃機関のクランクシャフトに接続できるように、軸方向に配置された中間シャフト（２２）を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の電気機械。
10. 前記電気機械（１）がクラッチ（２５）を有し、前記クラッチ（２５）が閉じられたときに、共に回転可能に固定された態様で前記中間シャフト（２２）と前記ホイール（２３）とを接続することを特徴とする請求項９に記載の電気機械。
11. 前記インペラホイール（１４）が、半径方向ブロワとして働くことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の電気機械。
12. 前記クラッチ（２５）の圧力板（２６）が、ねじ（３０）によって前記回転子支持体（４）に接続されることを特徴とする請求項１０または１１に記載の電気機械。
13. 前記ねじ（３０）が、半径方向で前記インペラホイール（１４）を位置付けるように前記インペラホイール（１４）と相互作用することを特徴とする請求項１２に記載の電気機械。
14. 前記回転子プレート（５）が、前記回転子支持体（４）内に挿入された前記インペラホイール（１４）と、前記インペラホイール（１４）と逆側の前記回転子支持体（４）の区域との間に固定されることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の電気機械。
15. 前記回転子支持体（４）と前記インペラホイール（１４）が、鋳造部品として一部片で形成されることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項に記載の電気機械。
16. 前記インペラホイール（１４）が、周面に穴を有し、かつ前記穴と相互作用するエアブレード形状の要素を有することを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項に記載の電気機械。
17. 前記インペラホイール（１４）が周面に穴を有し、前記穴が、エアブレード形状の要素を形成するように成形プロセスによって成形されることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項に記載の電気機械。
18. 前記ハウジング（１５）と前記回転子支持体（４）との間、または前記ハウジング（１５）と前記回転子支持体（４）および前記インペラホイール（１４）の構成との間に軸方向シールが設けられることを特徴とする請求項７〜１７のいずれか一項に記載の電気機械。

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