JP2022142570A - 発電電動機、およびこれを備える発電装置、移動体 - Google Patents

発電電動機、およびこれを備える発電装置、移動体 Download PDF

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Abstract

【課題】フライホイールレス接続される発電電動機において、騒音の抑制と、大型化の抑制とを両立する技術を提供する。【解決手段】発電電動機１０は、内燃機関に接続され、インナステータ２０と、内燃機関のトルク脈動または回転変動に起因する騒音を抑制するフライホイールを代替するアウタロータ３０とを備え、フライホイールを介することなく内燃機関に接続される。【選択図】 図１

Description

車両等の内燃機関に接続される発電電動機、およびこれを備える発電装置、移動体に関する。
特許文献１に、車両の内燃機関に接続された電動機において、内燃機関のトルク脈動が動力伝達経路の振動を励起して発生するこもり音や、バックラッシュ間でのギア同士の衝突により発生するガラ音とを同時に抑制する技術が記載されている。特許文献１では、トーショナルダンパにより内燃機関のトルク脈動をある程度吸収し、その後、２つの電動機のうちの一方を脈動補償制御し、他方を押し付け制御することにより、こもり音とガラ音とを同時に抑制する。
特許第６３７２４９３号公報
内燃機関のクランクシャフトの端部に、フライホイールと称される弾み車が取り付けられ、内燃機関と発電電動機とをフライホイールを介して接続することが知られている。フライホイールは、内燃機関で発生し、そのクランクシャフトに伝わった回転エネルギーを蓄え、それを駆動輪へと供給するとともに慣性力により内燃機関の回転を補助する。
フライホイールを介することなく内燃機関と発電電動機とを接続する、フライホイールレス接続に関する技術は、内燃機関および発電電動機を含む車両等の駆動システムの小型軽量化などに有用な技術である。フライホイールレス接続を採用した発電電動機において、特許文献１のようにトルク脈動を補償しようとすると、大きなトルクを生成する必要上、発電電動機が大型化せざるを得ず、車両への搭載が困難になることが懸念される。
上記を鑑み、本発明は、フライホイールレス接続される発電電動機において、騒音の抑制と、大型化の抑制とを両立する技術を提供することを目的とする。
本発明は、内燃機関に接続される発電電動機であって、インナステータと、前記内燃機関のトルク脈動または回転変動に起因する騒音を抑制するフライホイールを代替するアウタロータとを備え、前記フライホイールを介することなく前記内燃機関に接続される。
本発明者は、鋭意研究の結果、発電電動機において、ロータの慣性モーメントであるロータイナーシャを増加させることにより、その回転変動を低減できることを見出した。この知見に基づいて、本発明者は、ロータイナーシャを調整して内燃機関のトルク脈動または回転変動に起因する騒音を抑制することにより、フライホールレス接続を実現することを着想し、本発明を完成するに至った。
本発明によれば、発電電動機は、インナステータとアウタロータとを備える。そして、アウタロータは、内燃機関のトルク脈動または回転変動に起因する騒音を抑制するフライホイールを代替可能に構成されている。ロータイナーシャの調整によりフライホールを代替させるロータを、インナロータではなくアウタロータとすることによって、ロータイナーシャを調整することによりロータが大型化した場合にも、発電電動機全体が大型化することを抑制できる。その結果、フライホイールレス接続される発電電動機において、騒音の抑制と、大型化の抑制とを両立することができる。また、本発明は、上記の発電電動機を備える発電装置または移動体として提供することもできる。
第１実施形態に係る発電電動機の断面図。 実施形態に係る発電電動機を搭載した車両システムの概要図。 内燃機関のクランク軸出力トルクの時間変化を示す図。 発電電動機の回転変動とロータイナーシャとの関係を示す図。 ロータイナーシャと、内燃機関のクランク軸出力トルクの時間変化との関係を示す図。 第２実施形態に係る発電電動機の断面図。
（第１実施形態）
図１に示すように、発電電動機１０は、車両の内燃機関（エンジン）におけるエンジンブロックの壁面１１にハウジング１６を介して固定されるとともに、シャフト１２に取り付けられている。発電電動機１０は、車両等の内燃機関に接続されることによって内燃機関と連動する。
発電電動機１０は、ステータ２０と、ステータサポート２２と、ロータ３０と、ロータサポート３３とを備えている。ハウジング１６は、ボルト１７，１８の締結によってエンジンブロックの壁面１１に固定されている。壁面１１とハウジング１６とによって囲まれた空間に、発電電動機１０が収容されている。ステータサポート２２は、ハウジング１６の内壁面であって壁面１１と対向する面に固定されている。ステータ２０は、ボルト２５，２６の締結によって、ステータサポート２２に固定されている。
シャフト１２は、軸ＡＸを中心に回転する回転軸であり、内燃機関のクランクシャフトまたはこれに連動するものである。シャフト１２は、壁面１１を貫通して、ハウジング１６の内部に配置される端部１３に固定されている。ロータサポート３３は、ボルト１４，１５の締結によって端部１３に剛結合され、固定されている。ロータ３０は、ボルト３１，３２の締結によってロータサポート３３に剛結合され、固定されている。なお、剛結合とは、１つの剛体のように一体化されるように互いに結合されることを意味する。ロータサポート３３を介して、シャフト１２とロータ３０とは互いに剛結合により固定されており、ロータ３０は、シャフト１２と連動して回転する。互いに剛結合されていることにより、部材間のガタ打ちを抑制することができ、ガタ打ちに起因する騒音（ガタ打ち音）を抑制できる。なお、「ガタ」とはギア等の部材間の隙間や遊びを意味し、「ガタ打ち（ｒａｔｔｌｉｎｇ）」とは、ガタが存在することにより部材同士が打ち合うことを意味し、「ガタ打ち音（ｒａｔｔｌｉｎｇ ｎｏｉｓｅ）とは、ガタ打ちにより生じる騒音を意味する。シャフト１２とロータ３０が例えばスプライン締結などで剛結合してない場合、内燃機関のトルク脈動がシャフト１２に印加された時にロータ３０と回転が連動しなくなり、バックラッシュの隙間でガタ打ちが生じ騒音を発生する。
ステータ２０は、ロータ３０の内部に配置されている。軸ＡＸは、ステータ２０の中心軸でもある。ステータ２０およびロータ３０は、軸ＡＸ周りに環状であり、発電電動機１０は、軸ＡＸを中心とする回転電機である。発電電動機１０は、永久磁石式の発電電動機であり、ステータ２０にはコイル２１が具備されており、ロータ３０の表面または内部には永久磁石（図示していない）が具備されている。発電電動機１０は、コイル２１に通電することにより、ロータ３０を回転させてシャフト１２を回転駆動させる電動機（より具体的にはＰＭモータ）として機能する。また、発電電動機１０は、シャフト１２によりロータ３０を回転駆動させてコイル２１に誘導電流を生じさせることにより発電機として機能する。
なお、発電電動機１０として永久磁石式の発電電動機を例示して説明したが、これに限定されず、誘導機式であってもよい。
発電電動機１０は、図２に示す車載システム４０に適用することができる。車載システム４０は、エンジン（ＥＮＧ）４１と、発電電動機（ＭＧ）４２と、インバータ（ＩＮＶ）４３と、２次電池（ＢＡＴ）４４と、制御装置（ＥＣＵ）４５とを備えている。発電電動機１０は、ＭＧ４２として利用できる。
図１にも示したように、内燃機関に相当するＥＮＧ４１とＭＧ４２とは、シャフト１２とロータ３０とが互いに固定されて連動するように接続されている。ＥＮＧ４１は、例えば、吸気、圧縮、膨張、排気の４行程で駆動される４サイクルエンジンである。燃焼行程の際に、そのクランクシャフトに燃焼トルクが伝達され、シャフト１２を介して、ロータ３０を回転駆動することができる。シャフト１２を介してロータ３０に伝達されるトルク変動により、誘導電流が発生し、発電できる。なお、ＥＮＧ４１の４行程において発生するトルクは、ピストンの往復質量慣性や吸排気時の損失などにより変化する。
ＩＮＶ４３は、ＢＡＴ４４から供給される電力を直流から交流に変換してＭＧ４２に供給する機能を有するとともに、ＭＧ４２において発電された電力を交流から直流に変換してＢＡＴ４４に供給する機能を有する。ＥＣＵ４５は、ＥＮＧ４１、ＭＧ４２，ＩＮＶ４３，ＢＡＴ４４を制御する制御装置である。
ＥＮＧ４１とＭＧ４２とは、図１に示すように、フライホイール、ギア、ダンパを介することなく、シャフト１２とロータ３０とが互いに接続されている。図３は、ＥＮＧ４１とＭＧ４２のように、フライホイールレス接続されている発電電動機１０において、クランク軸出力に印加されるトルクであるクランク軸出力トルクの時間変化を図示するものである。
本発明者は、鋭意研究の結果、発電電動機において、ロータの慣性モーメントであるロータイナーシャを増加させることにより、発電電動機の回転変動を低減できることを見出した。なお、本明細書において、回転変動とは、回転速度の変動を意味する。この知見に基づいて、本発明者は、ロータイナーシャを調整して内燃機関のトルク脈動または回転変動に起因する騒音を抑制することにより、フライホールレス接続を実現することを着想し、本発明を完成するに至った。
図４は、発電電動機１０において、図３に示すクランク軸出力トルクがシャフト１２に印加された場合に、ロータイナーシャによって回転変動が受ける影響を示す。縦軸は発電電動機１０の回転変動であり、単位は、回転速度を示すｒｐｍに、ｐｅａｋ ｔｏ ｐｅａｋを意味する「ｐ－ｐ」を添えた「ｒｐｍ ｐ－ｐ」である。例えば、２００ｒｐｍ ｐ－ｐは、回転速度が±１００ｒｐｍ変動することを意味する。また、横軸はロータイナーシャであり、単位は「ｋｇ・ｍ＾２」である。なお、本明細書において「＾２」の表記は、２乗を示し、例えば、ｍ＾２はｍの２乗を示す。
図４に示すように、ロータイナーシャが大きいほど、回転変動は小さくなる。例えば、回転速度を一定にした場合に、発電電動機１０の発電時における回転変動を２００ｒｐｍ ｐ－ｐ以下に抑制するためには、ロータイナーシャが０．１ｋｇ・ｍ＾２以上となるようにロータ３０を設計すれば十分である。
なお、ロータイナーシャの増大量当たりの回転変動の低減量は徐々に低下する。例えば、図４の場合には、ロータイナーシャを０．０５ｋｇ・ｍ＾２から０．２ｋｇ・ｍ＾２まで小さくすると、回転変動を２００ｒｐｍ ｐ－ｐ程度以上、低減できる。一方で、ロータイナーシャを０．２ｋｇ・ｍ＾２から０．５ｋｇ・ｍ＾２まで小さくしても、回転変動は５０ｒｐｍ ｐ－ｐ程度しか低減できない。また、ロータイナーシャを大きくし過ぎると、発電電動機１０の回転速度の上昇および下降が遅くなり、発電時の応答性低下の要因になり得る。ロータイナーシャの増大量当たりの回転変動の低減量と、発電時の応答性とを考慮して、ロータ３０のロータイナーシャを適切な値に設計することが好ましい。
図５は、ロータイナーシャの変化により、内燃機関のクランク軸出力トルクの時間変化が受ける影響を示す。参照番号１（実線）２（破線）、３（一点鎖線）は、それぞれ、ロータイナーシャが小さい場合、中程度の場合、大きい場合を示している。図５に示すように、ロータイナーシャを増大させるほど、クランク軸出力トルクの脈動を小さくすることができる。縦軸に示すクランク軸出力トルクの値が０Ｎ・ｍを超えて変動する「トルク跨ぎ」と称される状態が起こると、ガタ打ち音が発生し易くなる。ロータイナーシャを増大させ、クランク軸出力トルクの脈動を小さくすることにより、トルク跨ぎの頻度が低減すると、ガタ打ち音を低減でき、騒音の低減に寄与できる。
図５に示すように、発電電動機１０においてロータイナーシャを増大させると、シャフト１２によって発電電動機１０が回転することによりロータ３０に蓄積される回転エネルギーが増大し、クランク軸出力トルクの脈動を、より低減することができる。ロータ３０のロータイナーシャを十分に大きくすることにより、フライホイールと同様に、トルク脈動や回転変動を抑制できる。フライホイールが無い場合にも、ロータ３０におけるロータイナーシャの設計によってはトルク脈動や回転変動を抑制することが可能となり、ロータ３０によりフライホイールを代替することができる。
図１に示すロータ３０は、フライホイールを代替可能に、ロータイナーシャが調整されている。例えば、中空円筒の慣性モーメントＪは、下記式（１）により算出できる。なお、Ｄ，ｄは円筒の外径および内径（単位はｍ）、Ｍは円筒の質量（単位はｋｇ）であり、Ｊの単位はｋｇ・ｍ＾２である。
Ｊ＝（Ｄ＾２＋ｄ＾２）×Ｍ／８ … （１）
ロータ３０を中空円筒に見立てると、上記式（１）に示すように、ロータイナーシャを大きくするためには、ロータ３０の外径、内径、質量を大きくすることが要求されることが理解できる。すなわち、ロータイナーシャを大きくするためには、ロータ３０を大きくする必要がある。発電電動機１０では、ロータ３０はアウタロータであるため、ロータ３０の大きさは、ロータ３０の大きさと同程度となる。これに対して、インナロータを備える発電電動機では、インナロータの外側にアウタステータが配置されるため、アウタステータの分だけ発電電動機の大きさが大型化する。発電電動機１０によれば、ロータ３０がアウタロータであり、ステータ２０がインナステータであることにより、ロータイナーシャを確保するためにロータ３０を大型化しても、発電電動機１０全体を比較的小さくすることができる。
第１実施形態に係る発電電動機１０は、インナステータとしてのステータ２０と、アウタロータとしてのロータ３０とを備える。発電電動機１０のロータ３０は、内燃機関のシャフト１２に剛結合され、シャフト１２と連動する。ロータ３０は、内燃機関のトルク脈動または回転変動に起因する騒音を抑制するフライホイールを代替するアウタロータとして構成されている。このため、発電電動機１０は、フライホイールを介さないフライホイールレス接続により内燃機関と接続することができる。また、ロータ３０は、アウタロータであるため、フライホイールを代替可能な程度にロータイナーシャを大きくする目的で、ロータ３０を大きくしても、発電電動機１０の全体としての大きさが大きくなり過ぎることを抑制できる。発電電動機１０によれば、フライホイールレス接続される発電電動機において、騒音の抑制と、大型化の抑制とを両立することができる。
また、発電電動機１０は、ロータサポート３３と、ステータサポート２２と、を含む。ロータ３０と内燃機関のシャフト１２とは、ロータサポート３３を介して、ボルト１４，１５，３１，３２の締結により互いに固定され、剛結合されている。ロータサポート３３およびボルト１４，１５，３１，３２は、発電電動機１０と内燃機関とを剛結合させる締結部を構成する。また、ステータ２０と内燃機関のエンジンブロックの壁面１１とは、ステータサポート２２およびハウジング１６を介して、ボルト１７，１８，２５，２６により互いに固定され、剛結合されている。ステータサポート２２およびボルト１７，１８，２５，２６は、発電電動機１０と内燃機関とを剛結合させる締結部を構成する。これら締結部によって、内燃機関と発電電動機１０とが剛結合されることにより、互いのガタ打ちをより抑制でき、騒音をより抑制できる。
（第２実施形態）
図６に示すように、発電電動機１００は、シャフト１１２の端部１１３と、ロータサポート１３３との間に介在するダンパ１５０を備える点において、図１に示す発電電動機１０と相違している。ダンパ１５０は、スプライン１６０によってロータサポート１３３に締結され、ボルト１１４，１１５によって端部１１３に締結されている。図６に示すその他の構成は、図１と同様であるため、図１における参照番号を１００番台に読み替えることにより説明を省略する。
ダンパ１５０は、シャフト１１２とロータサポート１３３との間に介在し、スプライン１６０によりロータサポート１３３にスプライン締結されている。ダンパ１５０は、トーションダンパであり、内燃機関のクランク軸出力における負のトルク脈動を低減する機能を有し、この機能により、内燃機関と発電電動機１００との間のガタ打ちを抑制できる。すなわち、スプライン締結されたダンパ１５０は、内燃機関と発電電動機１００とを互いのガタ打ちを抑制して締結する締結部として機能する。ダンパ１５０を備えることにより、発電電動機１００は、内燃機関とのガタ打ちをより抑制した状態で内燃機関と結合でき、騒音をより抑制できる。なお、本実施形態では、ダンパ１５０とロータサポート１３３とがスプライン締結され、ダンパ１５０とシャフト１１２とが剛結合された場合を例示して説明したが、これに限定されない。ダンパ１５０とシャフト１１２とをスプライン締結してもよい。
上記の各実施形態によれば、下記の効果を得ることができる。
発電電動機１０，１００は、インナステータとしてのステータ２０，１２０と、アウタロータとしてのロータ３０，１３０とを備え、内燃機関に接続される。ロータ３０，１３０は、内燃機関のトルク脈動または回転変動に起因する騒音を抑制するフライホイールを代替するアウタロータとして構成されている。このため、発電電動機１０，１１０は、フライホイールを介さないフライホイールレス接続により内燃機関と接続することができる。また、ロータ３０はアウタロータであるため、フライホイールを代替可能な程度にロータイナーシャを大きく設計することにより、ロータ３０が大型化する場合であっても、発電電動機１０，１００の全体としての大きさが大きくなり過ぎることを抑制できる。その結果、フライホイールレス接続される発電電動機において、騒音の抑制と、大型化の抑制とを両立することができる。
発電電動機１０，１００と内燃機関との間に、内燃機関と発電電動機１０，１００とを互いのガタ打ちを抑制して締結する締結部が備えられていてもよい。締結部により、ガタ打ちに起因する騒音を抑制できる。
締結部は、発電電動機１０，１００と内燃機関とを剛結合させるものであってもよい。具体的には、発電電動機１０，１００においては、締結部は、ロータサポート３３，１３３と、ステータサポート２２，１２２とを含み、アウタロータであるロータ３０，１３０と内燃機関のシャフト１２，１１２とは、ロータサポート３３，１３３を介して互いに固定され、インナステータと内燃機関のエンジンブロック壁面とは、ステータサポート２２，１２２を介して互いに固定されていてもよい。また、インナステータには駆動コイル（コイル２１，１２１）が設けられていてもよい。
さらに、発電電動機１００のように、締結部は、トーションダンパ（ダンパ１５０）を含んでいてもよい。トーションダンパは、内燃機関のシャフトと、発電電動機１００のロータサポート１３３との間に介在し、スプライン締結されていてもよい。トーションダンパにより、内燃機関のクランク軸出力における負のトルク脈動が低減されるため、ガタ打ちに起因する騒音をより抑制できる。
本発明は、発電電動機、または、２次電池から供給される電力を用いて駆動する装置に搭載される発電電動機に適用され、例えば車両（乗用、商用、小型、２輪、牽引車含む）、航空機、船舶などの移動体や定置式発電機に搭載される発電電動機に好適である。
上記の移動体は、供給される電力を発電電動機の電動機としての駆動により消費して推進力を発生させることで移動ができる。また、上記の定置式発電機は、発電電動機で発電した電力を２次電池に充電したり、発電した電力と２次電池からの放電電力とを加算し、電力を直流から交流に変換する電力変換機器を介して供給したりすることができ、商用電源として機能し得る。本願は、上記各実施形態で説明した発電電動機を備える発電装置または移動体を提供する。
１０…発電電動機、２０…ステータ、３０…ロータ

Claims (8)

  1. 内燃機関に接続される発電電動機（１０，１００）であって、
    インナステータ（２０，１２０）と、前記内燃機関のトルク脈動または回転変動に起因する騒音を抑制するフライホイールを代替するアウタロータ（３０，１３０）とを備え、前記フライホイールを介することなく前記内燃機関に接続される発電電動機。
  2. 前記内燃機関との間に介在し、前記内燃機関と前記発電電動機とを互いのガタ打ちを抑制して締結する締結部を備える請求項１に記載の発電電動機。
  3. 前記締結部は、前記発電電動機と前記内燃機関とを剛結合させる請求項２に記載の発電電動機。
  4. 締結部として、ロータサポート（３３，１３３）と、ステータサポート（２２，１２２）とを含み、
    前記アウタロータと前記内燃機関のシャフト（１２，１１２）とは、前記ロータサポートを介して互いに固定され、
    前記インナステータと前記内燃機関のエンジンブロック壁面とは、前記ステータサポートを介して互いに固定され、
    前記インナステータには駆動コイル（２１，１２１）が設けられている請求項３に記載の発電電動機。
  5. 前記締結部は、トーションダンパ（１５０）を含む請求項２～４のいずれかに記載の発電電動機。
  6. 前記トーションダンパは、前記内燃機関のシャフトと前記ロータとの間に介在し、スプライン締結されている請求項５に記載の発電電動機。
  7. 請求項１～６のいずれかに記載の発電電動機を備えた発電装置。
  8. 請求項１～６のいずれかに記載の発電電動機を備えた移動体。
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