JP2023141888A - 巻線界磁式回転電機及び給電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】巻線界磁式回転電機において、比較的低いコストで比較的高い耐ノイズ性を確保する。【解決手段】ステータと、シャフト部と、シャフト部に同軸で固定されるロータコアと、ロータコアの複数のティース部に巻回される界磁巻線とを有し、ステータと同軸かつ径方向に隙間を設けて配置されるロータと、シャフト部と一体回転するようにシャフト部に設けられ、スリップリングとロータ接続部とを含む回転側の給電装置と、電力制御部とブラシとを含み、回転側の給電装置とともに界磁巻線に電力を供給する固定側の給電装置と、を備え、回転側の給電装置は、ノイズを低減可能なフィルタを含む、巻線界磁式回転電機が開示される。【選択図】図６

Description

本開示は、巻線界磁式回転電機及び給電装置に関する。

界磁巻線へ電流供給するためのスリップリングとブラシを備え、シャフトの軸方向端部よりも軸方向外側に制御装置（プリント基板）を配置した巻線界磁式回転電機が知られている。

特開２０１７－００９２９２号公報

ところで、この種の巻線界磁式回転電機では、スリップリングとブラシとの間の接触等に起因して、ノイズが発生しやすく、耐ノイズ性を確保することが難しい。この点、比較的大型かつ高価なフィルタ等の対策（例えば、コモンモードチョークコイル等）が利用される例があるが、コストの観点から改善の余地がある。

そこで、１つの側面では、本開示は、巻線界磁式回転電機において、比較的低いコストで比較的高い耐ノイズ性を確保することを目的とする。

１つの側面では、ステータと、
シャフト部と、前記シャフト部に同軸で固定されるロータコアと、前記ロータコアの複数のティース部に巻回される界磁巻線とを有し、前記ステータと同軸かつ径方向に隙間を設けて配置されるロータと、
前記シャフト部と一体回転するように前記シャフト部に設けられ、スリップリングと、前記界磁巻線に接続されるロータ接続部とを含む回転側の給電装置と、
電力制御部と、前記スリップリングに摺動可能なブラシとを含み、前記回転側の給電装置とともに前記界磁巻線に電力を供給する固定側の給電装置と、を備え、
前記回転側の給電装置は、ノイズを低減可能なフィルタを含む、巻線界磁式回転電機が提供される。

１つの側面では、本開示によれば、比較的低いコストで比較的高い耐ノイズ性を確保することが可能となる。

本実施例による回転電機用の駆動装置を含む車両駆動システムを示す構成図である。 回転電機の断面の一部を示す概略的な断面図である。 回転電機の断面の一部（図２のＡ－Ａに沿った断面）を示す概略的な断面図である。 給電装置の一例を示す斜視図である。 内部を透視で示す給電装置の側面図である。 内部を透視で示す給電装置の斜視図である。 コモンモードフィルタの他の構成例の説明図である。

以下、添付図面を参照しながら各実施例について詳細に説明する。なお、図面の寸法比率はあくまでも一例であり、これに限定されるものではなく、また、図面内の形状等は、説明の都合上、部分的に誇張している場合がある。

図１は、本実施例による回転電機用の駆動装置５を含む車両駆動システム１を示す構成図である。図２は、回転電機３の断面の一部（回転軸Ｉを含む平面により切断した断面）を示す概略的な断面図である。図３は、回転電機３の断面の一部（図２のＡ－Ａに沿った断面）を示す概略的な断面図である。図２では、回転軸Ｉの一方側だけが模式的に示されている。また、図２には、回転軸Ｉに沿ったＸ方向と、Ｘ１側及びＸ２側が定義されている。また、図２には、回転側の給電装置７（後述）やブラシ６９が概略的に示されているが、詳細な構成は、図４以降を参照して後述する。

車両駆動システム１は、低圧バッテリ２Ａと高圧バッテリ２Ｂを含む２電源構成であり、回転電機３と、駆動装置５とを含む。

低圧バッテリ２Ａは、例えば鉛バッテリであり、定格電圧が例えば１２Ｖである。

高圧バッテリ２Ｂは、例えばリチウムイオンバッテリであり、低圧バッテリ２Ａより定格電圧が有意に高く、例えば定格電圧が４０Ｖ以上である。本実施例では、一例として、高圧バッテリ２Ｂの定格電圧は、３００Ｖ以上であるとする。なお、高圧バッテリ２Ｂは、燃料電池等の形態であってもよい。

回転電機３は、回転側の給電装置７（後述）やブラシ６９を備える巻線界磁式であり、ロータ３１０と、ステータ３２０と、を含む。ロータ３１０は、ステータ３２０の径方向内側に、ステータ３２０と同軸かつ径方向に隙間を設けて配置される。ロータ３１０は、ロータコア３１２と、シャフト部３１４と、ロータ巻線３１６とを有する。ロータコア３１２は、シャフト部３１４に同軸で固定される。なお、ロータコア３１２は、図３に示すように、径方向外側に突出するティース部３１２２を有し、ティース部３１２２に、ロータ巻線３１６を形成する導体線が巻回される。ステータ巻線３２２は、図３に示すように、ステータコア３２１のティース部３２１０まわりに巻装される。

駆動装置５は、マイクロコンピュータ５０（以下、「マイコン５０」と称する）と、電気回路部６０とを含む。

マイコン５０は、例えばＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）として実現されてよい。マイコン５０は、ＣＡＮ（ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｒｅａ ｎｅｔｗｏｒｋ）のようなネットワーク６を介して、車両内の各種の電子部品（他のＥＣＵやセンサ）に接続される。

マイコン５０は、ネットワーク６を介して、上位ＥＣＵ（図示せず）からの制御指令等の各種指令を受信する。マイコン５０は、制御指令に基づいて、電気回路部６０を介して回転電機３を制御する。マイコン５０は、低圧バッテリ２Ａからの電力に基づいて、動作する。

電気回路部６０は、平滑コンデンサ６２と、電力変換回路部６３と、給電回路部６４とを含む。

平滑コンデンサ６２は、高圧バッテリ２Ｂの高電位側ライン２０と低電位側ライン２２の間に設けられる。平滑コンデンサ６２の両端には、パッシブ放電用の抵抗Ｒ０が接続されてよい。

電力変換回路部６３は、インバータの形態であり、例えば３相のブリッジ回路を形成する。電力変換回路部６３は、高電位側ライン２０と低電位側ライン２２の間に、平滑コンデンサ６２に対して並列となる態様で、接続される。電力変換回路部６３は、高電位側のアームの各スイッチング素子ＳＷ３と低電位側のアームの各スイッチング素子ＳＷ４を備える。

給電回路部６４は、ブリッジ回路部６４１と、駆動回路部６４２とを含む。

ブリッジ回路部６４１は、高電位側ライン２０と低電位側ライン２２の間に、平滑コンデンサ６２及びパッシブ放電用の抵抗Ｒ０に対して並列となる態様で、接続される。ブリッジ回路部６４１は、対のスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２と、対のダイオードＤ１、Ｄ２を含む。

スイッチング素子ＳＷ１は、ダイオードＤ１の高電位側のカソードに接続される態様で、ダイオードＤ１に直列に接続される。スイッチング素子ＳＷ１とダイオードＤ１の間には、ロータ巻線３１６の一端が接続される。また、スイッチング素子ＳＷ２は、ダイオードＤ２の低電位側のアノードに接続される態様で、ダイオードＤ２に直列に接続される。スイッチング素子ＳＷ２とダイオードＤ２の間には、ロータ巻線３１６の他端が接続される。

対のスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２は、駆動回路部６４２を介して、オン／オフ状態が切り替えられる。対のスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２は、駆動回路部６４２による制御下で、ロータ巻線３１６に対する通電状態を変化させる。スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２は、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であるが、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ－Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のような他の形態であってもよい。

駆動回路部６４２は、マイコン５０からの制御信号に基づいて、スイッチング素子ＳＷ１及びスイッチング素子ＳＷ２のゲートを駆動する。

次に、図４以降を参照して、本実施例の特徴的な構成を説明する。

図４は、回転側の給電装置７の一例を示す斜視図である。図５は、内部を透視で示す回転側の給電装置７の側面図である。図６は、内部を透視で示す回転側の給電装置７の斜視図である。回転側の給電装置７は、ロータ巻線３１６とブリッジ回路部６４１との間に電気的に接続される。具体的には、回転側の給電装置７は、固定側の給電装置である上述した給電回路部６４やブラシ６９と協動して、高圧バッテリ２Ｂからの電流をロータ巻線３１６に供給する。

回転側の給電装置７は、図４に示すように、回転軸Ｉに対して同心状に設けられる。回転側の給電装置７は、ロータ３１０のシャフト部３１４と一体回転するように、シャフト部３１４に結合される。例えば、回転側の給電装置７は、ロータ３１０のシャフト部３１４の軸方向一端側（図２では、Ｘ１側）に結合されてよい。この場合、回転側の給電装置７は、後述する樹脂部７０の径方向内側にシャフト部３１４が嵌合される態様で、シャフト部３１４と結合されてもよい。

回転側の給電装置７は、正極側スリップリング７１と、負極側スリップリング７２とを有する。

正極側スリップリング７１及び負極側スリップリング７２は、導体により形成され、回転軸Ｉまわりの円環状の形態をそれぞれ有する。なお、本実施例では、一例として、正極側スリップリング７１は、負極側スリップリング７２よりもＸ１側に配置されているが、逆であってもよい。

正極側スリップリング７１及び負極側スリップリング７２は、樹脂等の絶縁材料により形成された樹脂部７０に一体化されてよい。樹脂部７０は、円筒状の形態であり、上述したようにシャフト部３１４に嵌合されてよい。なお、樹脂部７０は、後述する正極側の接続配線８１や負極側の接続配線８２（及び正極側の接続端子部７６や負極側の接続端子部７７）をも支持（保持）してよい。この場合、回転側の給電装置７は、インサート成形等により形成できる。

正極側スリップリング７１及び負極側スリップリング７２は、それぞれ、ブラシ６９（図１参照）に摺動可能に接続される。ロータ３１０が回転すると正極側スリップリング７１及び負極側スリップリング７２は、ロータ３１０とともに回転しつつ、ブラシ６９との電気的接続状態（摺動状態）を維持する。

回転側の給電装置７は、更に、正極側の接続端子部７６と、負極側の接続端子部７７とを有する。正極側の接続端子部７６及び負極側の接続端子部７７は、上述したように樹脂部７０に一体化されてよい。

正極側の接続端子部７６及び負極側の接続端子部７７は、正極側スリップリング７１及び負極側スリップリング７２よりもＸ２側（すなわち軸方向でロータ３１０のロータコア３１２に近い側）に配置される。

正極側の接続端子部７６は、ロータ巻線３１６の一端（ロータ巻線３１６の正極側の接続端子）に接合され、負極側の接続端子部７７は、ロータ巻線３１６の他端（ロータ巻線３１６の負極側の接続端子）に接合される。

本実施例では、正極側の接続端子部７６及び負極側の接続端子部７７は、後述する接続配線８１及び接続配線８２のそれぞれの端部から径方向外側に突出する形態である。正極側の接続端子部７６及び負極側の接続端子部７７は、好ましくは、回転軸Ｉまわりの対角な位置関係で配置される。これにより、正極側の接続端子部７６及び負極側の接続端子部７７に起因したロータ３１０の回転アンバランスを防止できる。

回転側の給電装置７は、更に、正極側の接続配線８１と、負極側の接続配線８２とを有する。

正極側の接続配線８１は、軸方向で正極側スリップリング７１と正極側の接続端子部７６との間に延在する。正極側の接続配線８１は、導体線であるが、ロータ巻線３１６と同様に絶縁被覆等を有してもよい。正極側の接続配線８１は、図５及び図６に示すように、回転軸Ｉまわりに巻回された螺旋状の形態である。すなわち、正極側の接続配線８１は、回転軸Ｉまわりのコイルの形態である。

負極側の接続配線８２は、軸方向で負極側スリップリング７２と負極側の接続端子部７７との間に延在する。負極側の接続配線８２は、導体線であるが、ロータ巻線３１６と同様に絶縁被覆等を有してもよい。負極側の接続配線８２は、図５及び図６に示すように、回転軸Ｉまわりに巻回された螺旋状の形態である。すなわち、負極側の接続配線８２は、回転軸Ｉまわりのコイルの形態である。なお、負極側の接続配線８２は、正極側の接続配線８１とは交差しない態様で巻回されてよい。この場合、正極側の接続配線８１と負極側の接続配線８２は、互いに軸方向に交互に隣接する態様で巻回されてよい。

本実施例では、負極側の接続配線８２は、正極側の接続配線８１と同じ巻方向で巻回される。

ところで、上述したように、本実施例のような巻線界磁式の回転電機３では、正極側スリップリング７１及び負極側スリップリング７２とブラシ６９との間の接触等に起因して、ノイズが発生しやすい。この点、比較的大型かつ高価なフィルタ等（例えば、コモンモードチョークコイル等）の対策であれば、かかるノイズを低減できるが、コストの観点から改善の余地がある。

この点、本実施例によれば、正極側の接続配線８１及び負極側の接続配線８２は、上述したように、回転軸Ｉまわりのコイルの形態を有し、同じ巻方向で巻回されているので、コモンモードフィルタとして機能できる。具体的には、コモンモード電流が流れるとき、正極側の接続配線８１に流れる電流に起因して接続配線８１に係るコイルを貫く磁束と、負極側の接続配線８２に流れる電流に起因して接続配線８２に係るコイルを貫く磁束とは、互いに強め合う方向に作用する。これにより、コモンモード電流に係る電流が流れ難くなる（すなわちフィルタが作用する）。なお、ディファレンシャルモード電流が流れるとき、正極側の接続配線８１に流れる電流に起因して接続配線８１に係るコイルを貫く磁束と、負極側の接続配線８２に流れる電流に起因して接続配線８２に係るコイルを貫く磁束とは、互いに弱め合う方向に作用する。従って、正極側の接続配線８１及び負極側の接続配線８２は、通常のロータ巻線３１６に供給する電流の流れは阻害しない。

このようにして、本実施例によれば、正極側の接続配線８１及び負極側の接続配線８２をコモンモードフィルタとして機能させることができるので、比較的大型かつ高価なフィルタ等（例えば、コモンモードチョークコイル等）の対策の必要性を低減できる。これにより、比較的低いコストで比較的高い耐ノイズ性を確保できる。

特に本実施例によれば、主たるノイズ発生源であるスリップリング（正極側スリップリング７１及び負極側スリップリング７２）とブラシ６９との間の接触部の近傍に、正極側の接続配線８１及び負極側の接続配線８２を配置できる。これにより、かかるノイズ発生源からのノイズを効果的に低減できる。

また、本実施例によれば、正極側の接続配線８１及び負極側の接続配線８２は、それぞれ、正極側スリップリング７１及び負極側スリップリング７２と正極側の接続端子部７６及び負極側の接続端子部７７との間に、配置される。正極側スリップリング７１及び負極側スリップリング７２と正極側の接続端子部７６及び負極側の接続端子部７７との間の軸方向距離は、レイアウト上、比較的長くなる傾向がある。これは、正極側スリップリング７１及び負極側スリップリング７２と正極側の接続端子部７６及び負極側の接続端子部７７との間には、回転電機３が配置される側の空間ＳＰ１（油密空間）と、正極側スリップリング７１及び負極側スリップリング７２が配置される側の空間ＳＰ２（ドライ空間）とを、油密に仕切る隔壁部２（図２参照）が設定されるためである。なお、図２に示す例では、隔壁部２は、ベアリングＢＲ１を介してシャフト部３１４を回転可能に支持する支持部を有する。従って、本実施例によれば、かかるベアリングＢＲ１の支持部に必要な軸方向のスペースを利用して、正極側の接続配線８１及び負極側の接続配線８２のための比較的長い軸方向長さの配置スペースを確保でき、正極側の接続配線８１及び負極側の接続配線８２のそれぞれにかかるコイルの巻数の最大化を図ることができる。

本実施例において、正極側の接続配線８１及び負極側の接続配線８２は、好ましくは、巻数が同じである。この場合、巻数の相違に応じて生じうる不都合（磁束のアンバランス）を低減できる。本実施例では、図５及び図６に示すように、正極側の接続配線８１は、負極側の接続配線８２と同じ軸方向区間内でのみ巻回され、負極側スリップリング７２にオーバーラップする軸方向区間内では直線状に軸方向に延在するだけである。これにより、正極側の接続配線８１及び負極側の接続配線８２のそれぞれの軸方向の延在範囲が異なる場合でも、巻数を同一にすることができる。

また、本実施例において、正極側の接続配線８１及び負極側の接続配線８２は、好ましくは、同一の円形断面を有する。円形断面の導体線は、例えば平角断面の導体線に比べて、螺旋状への成形性が良好であるので、製造性が良好となる。なお、正極側の接続配線８１及び負極側の接続配線８２は、それぞれ、正極側の接続端子部７６及び負極側の接続端子部７７と一体的に形成されてもよい。

また、本実施例において、正極側スリップリング７１と正極側の接続配線８１との間の正極側接続点７３と、負極側スリップリング７２と負極側の接続配線８２との間の負極側接続点７４とは、好ましくは、回転軸Ｉまわりの対角な位置関係で配置される。これにより、正極側接続点７３及び負極側接続点７４に起因したロータ３１０の回転アンバランスを防止できる。なお、正極側接続点７３及び負極側接続点７４は、それぞれ、上述した正極側の接続端子部７６及び負極側の接続端子部７７と同じ周方向位置に設定されてもよいし、あるいは、９０度ずれた周方向位置に設定されてもよい。

以上、各実施例について詳述したが、特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。また、前述した実施例の構成要素を全部又は複数を組み合わせることも可能である。

例えば、上述した実施例では、好ましい例として、正極側の接続配線８１及び負極側の接続配線８２自体がフィルタを形成するように構成されているが、これに限られない。回転側の給電装置７に係る軸方向の配置スペースを利用して、各種のコモンモードフィルタを効率的に配置できる。例えば、正極側の接続配線８１及び負極側の接続配線８２は、軸方向に直線状に延在する通常の配線の形態であり、かつ、フィルムコイルを応用したフィルムタイプのコモンモードフィルタが配置されてもよい。あるいは、図７に示すようなコモンモードフィルタ９が樹脂部７０（図７では図示せず）と一体的に配置されてもよい。この場合、コモンモードフィルタ９は、リング状のコア９１に巻回される２本の導線９２，９３を備える。リング状のコア９１は、回転軸Ｉと同心状に配置され、樹脂部７０と一体化されてよい。この場合、導線９２は、正極側の接続配線８１と正極側接続点７３との間に設けられ、導線９３は、負極側の接続配線８２と負極側接続点７４との間に設けられてもよい。

また、上述した実施例では、シャフト部３１４は、アルミのような材料により形成されているが、接続配線８１及び接続配線８２の径方向内側に配置される部位３１４１（図５及び図６参照）は、フィルタ性能を高めるように、フェライト等を含むことでフェライトコアの機能を有してもよい。

３・・・回転電機、３２０・・・ステータ、３１２・・・ロータコア、３１４・・・シャフト部、３１６・・・ロータ巻線（界磁巻線）、６４・・・給電回路部（電力制御部、固定側の給電装置）、６９・・・ブラシ（固定側の給電装置）、７・・・回転側の給電装置、７１・・・正極側スリップリング、７２・・・負極側スリップリング、７３・・・正極側接続点（第１接続点）、７４・・・負極側接続点（第２接続点）、７６・・・接続端子部（正極側の接続端子部、ロータ接続部）、７７・・・接続端子部（負極側の接続端子部、ロータ接続部）、８１・・・接続配線（第１接続配線）、８２・・・接続配線（第２接続配線）

Claims (6)

1. ステータと、
   シャフト部と、前記シャフト部に同軸で固定されるロータコアと、前記ロータコアの複数のティース部に巻回される界磁巻線とを有し、前記ステータと同軸かつ径方向に隙間を設けて配置されるロータと、
   前記シャフト部と一体回転するように前記シャフト部に設けられ、スリップリングと、前記界磁巻線に接続されるロータ接続部とを含む回転側の給電装置と、
   電力制御部と、前記スリップリングに摺動可能なブラシとを含み、前記回転側の給電装置とともに前記界磁巻線に電力を供給する固定側の給電装置と、を備え、
   前記回転側の給電装置は、ノイズを低減可能なフィルタを含む、巻線界磁式回転電機。
2. 前記回転側の給電装置は、
   ロータ軸まわりの円環状の形態をそれぞれ有する正極側及び負極側の前記スリップリングと、
   正極側及び負極側の前記スリップリングよりも軸方向で前記ロータコアに近い側に配置され、前記ロータ接続部として前記界磁巻線の一端に電気的に接続される正極側の接続端子部と、
   正極側及び負極側の前記スリップリングよりも軸方向で前記ロータコアに近い側に配置され、前記ロータ接続部として前記界磁巻線の他端に電気的に接続される負極側の接続端子部と、
   正極側の前記スリップリングと正極側の前記接続端子部との間に延在し、ロータ軸まわりに巻回された螺旋状の第１接続配線と、
   負極側の前記スリップリングと負極側の前記接続端子部との間に延在し、ロータ軸まわりに巻回された螺旋状の第２接続配線とを備え、
   前記第１接続配線及び前記第２接続配線は、前記フィルタを形成するように巻方向が同じである、請求項１に記載の巻線界磁式回転電機。
3. 前記第１接続配線及び前記第２接続配線は、巻き数が同じである、請求項２に記載の巻線界磁式回転電機。
4. 正極側の前記スリップリングと前記第１接続配線との間の第１接続点と、負極側の前記スリップリングと前記第２接続配線との間の第２接続点とは、ロータ軸まわりの対角な位置関係で配置される、請求項２又は３に記載の巻線界磁式回転電機。
5. 前記第１接続配線及び前記第２接続配線は、同一の円形断面を有する、請求項２から４のうちのいずれか１項に記載の巻線界磁式回転電機。
6. 巻線界磁式回転電機のロータに取付可能な給電装置であって、
   固定側のブラシに対して摺動可能であり、ロータ軸まわりの円環状の形態をそれぞれ有する正極側及び負極側のスリップリングと、
   正極側及び負極側の前記スリップリングよりも軸方向で前記ロータのロータコアに近い側に配置され、前記ロータコアの複数のティース部に巻回される界磁巻線の一端に電気的に接続される正極側の接続端子部と、
   正極側及び負極側の前記スリップリングよりも軸方向で前記ロータコアに近い側に配置され、前記界磁巻線の他端に電気的に接続される負極側の接続端子部と、
   正極側の前記スリップリングと正極側の前記接続端子部との間に延在し、ロータ軸まわりに巻回された螺旋状の第１接続配線と、
   負極側の前記スリップリングと負極側の前記接続端子部との間に延在し、ロータ軸まわりに巻回された螺旋状の第２接続配線とを備え、
   前記第１接続配線の巻き方向と、前記第２接続配線の巻き方向とが同じである、給電装置。