JP3185936B2 - 車両用回転電機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、エンジン駆動の車両用
回転電機に関する。

【０００２】

【従来の技術】実開昭６０ー１６２９７８は、遊星ギヤ
変速機構を回転子に内蔵したエンジン用の発電電動機を
開示している（図４参照）。すなわちこの発電電動機
は、エンジンブロック１００に固定され三相電機子巻線
１０１が巻装された固定子鉄心１０２の内側に、回転デ
ィスク部１０３固定の爪状磁極１０４、界磁コイル１０
５、エンジンブロック１００固定のフランジ状固定界磁
鉄心１０６、回転ディスク部１０３固定の筒状回転界磁
鉄心１０７及び遊星ギヤ変速機構１０８が、求心方向へ
順番に配置されている。

【０００３】なお、これら固定子鉄心１０２、爪状磁極
１０４、フランジ状固定界磁鉄心１０６、筒状回転界磁
鉄心１０７及び回転ディスク部１０３が界磁コイル１０
５を囲む有ギャップ閉磁路を形成している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記した遊星ギヤ変速
機構内蔵回転子型の発電電動機は、発電電動機形式とし
ては従来のオルタネ−タと同じく三相同期機形式であ
り、その結果上述したように、複雑な回転子構造を必要
とし、かつ、回転子直径を大径化せざるを得ないという
問題があった。

【０００５】またこの回転子直径の大径化は、以下のよ
うな問題を引き起こす。すなわち、エンジン１００のク
ランクシャフト１０９の回転は毎分数千回転にも達し、
その結果、遊星ギヤ変速機構１０８により増速される爪
状磁極１０４及びそれを一端支持する回転ディスク部１
０３は更に高回転数で回転するので、爪状磁極１０４及
びそれを一端支持する回転ディスク部１０３に強大な遠
心力が作用する。特に、この遠心力問題は回転ディスク
部１０３が閉磁気回路の一部を構成するので、高比重の
鉄系素材を採用せざるを得ないので一層深刻となる。

【０００６】また、爪状磁極１０４の内、回転ディスク
部１０３側からエンジンブロック側へ伸びる爪状磁極１
０４ａは回転ディスク部１０３と一体に鋳造できるもの
の、エンジンブロック側から回転ディスク部１０３側へ
伸びる爪状磁極１０４ｂは回転ディスク部１０３と一体
に鋳造できず、そのためにステンレス（非磁性）のリン
グ１０８を追設してこれに爪状磁極１０４ｂに取り付け
ざるを得ず、強度向上が困難であり高速回転の支障とな
っていた。

【０００７】このような爪状磁極を一端支持する回転デ
ィスク部の遠心力を軽減するには、回転子を縮径する他
は無いが、このような縮径は、上記した爪状磁極の内径
側に、界磁コイル、フランジ状固定界磁鉄心、筒状回転
界磁鉄心及び遊星ギヤ変速機構が収容されているのを考
えると、限界がある。また、上記した高重量かつ大径の
回転子は発電電動機の大型、大重量化を招来する不具合
もある。

【０００８】また、上記した従来の遊星ギヤ変速機構内
蔵回転子は、閉磁気回路中に直列に４個のエアギャップ
を必要とするので必要な界磁磁界を得るために、大界磁
電流を必要とし、更に漏れ磁束が多くなるという不具合
もある。更に、上記した遊星ギヤ変速機構内蔵回転子型
の発電電動機は、界磁コイルにより形成される直流磁界
特に上記漏れ磁界が遊星ギヤ変速機構に侵入してこの遊
星ギヤ変速機構内の鉄粉などを磁化し、この帯磁鉄粉が
帯磁鉄粉が遊星ギヤ変速機構内の軸受け部や噛合部に滞
留してその損耗を招き、耐久性を阻害するという不具合
もあった。

【０００９】本発明は上記問題点に鑑みなされたもので
あり、小型軽量で簡単な構成を有しクランクシャフトの
高速回転に耐えうる遊星変速機構内蔵回転子型の車両用
回転電機を提供することを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の車両用回転電機
は、電機子巻線が巻装された固定子鉄心を有しエンジン
ブロックに固定された固定子と、前記固定子鉄心の内周
面に面する外周部に回転子鉄心を有しクランクシャフト
に回転自在に保持されるカップ状回転子と、前記カップ
状回転子に収容されて前記クランクシャフト及び前記カ
ップ状回転子間のトルク伝達を行う遊星変速機構とを備
える車両用回転電機において、前記カップ状回転子は前
記遊星変速機構を通じてのみ前記クランクシャフトに連
結され、前記カップ状回転子は、前記回転子鉄心のスロ
ットに収容された短絡導体を有するかご形回転子からな
ることを特徴としている。

【００１１】

【作用】カップ状回転子のディスク部に支持される回転
子鉄心は短絡導体とともに誘導機のかご形回転子として
作動する。カップ状回転子に収容された遊星変速機構
は、発電モ−ドにおいてクランクシャフトの回転を増速
してカップ状回転子に伝達し、電動モ−ドにおいてカッ
プ状回転子の回転を減速してクランクシャフトに伝達す
る。

【００１２】特に、上記したかご形回転子は径方向厚さ
が薄く、かつ、カップ状回転子のディスク部と一体にダ
イキャスト鋳造可能であり、かつ、カップ状回転子のデ
ィスク部は軽比重非磁性材料で鋳造可能であるので、外
径縮径、一体成形、軽比重の理由により回転子の耐遠心
力性能、強度が格段に向上し、高速回転が可能となる。

【００１３】

【発明の効果】以上説明したように本発明の車両用回転
電機は、遊星ギヤ変速機構が内蔵された回転子鉄心を有
する誘導機の回転子をかご形回転子として構成したの
で、従来の遊星ギヤ変速機構内蔵回転子型の車両用回転
電機に比べて、以下の優れた効果を奏することができ
る。

【００１４】第一に、上記した誘導機用のかご形回転子
は、径方向厚さが従来の爪状磁極構造のものに比べて格
段に薄くすることができ、かつカップ状回転子の円筒部
分すなわちかご形回転子の部分を一体鋳造で形成でき、
かつ、カップ状回転子のディスク部を軽比重非磁性材料
でダイキャスト鋳造できるので、これらカップ状回転子
の円筒部分（かご形回転子）の薄肉化、一体成形、軽比
重の相乗効果により回転子の耐遠心力性能、強度が格段
に向上し、クランクシャフトの高速回転を超える高速回
転に対応することができ、更に、小型軽量化も実現す
る。

【００１５】第二に、このかご形回転子すなわちかご形
誘導機構造では、閉磁気回路中に直列に２個のエアギャ
ップを必要とするだけであるので、大界磁電流を必要と
せず、また、交流磁界であるので鉄粉などの永久磁化も
低レベルとなり、帯磁鉄粉が遊星ギヤ変速機構内の軸受
け部や噛合部に滞留してその損耗を招き、耐久性を阻害
するという不具合も軽減される。

【００１６】上記理由により本発明によれば、小型軽量
で簡単な構成を有しクランクシャフトの高速回転に耐え
る高耐久性の遊星ギヤ変速機構内蔵回転子型の車両用回
転電機を実現することができる。

【００１７】

【実施例】本発明の一実施例を図１に示す。この車両用
回転電機は、アルミ合金を素材とするエンジンブロック
１に固定される固定子２と、固定子２の内径側空間に収
容されクランクシャフト３に回転自在に支承されるカッ
プ状回転子４と、カップ状回転子４の内径側空間に収容
されクランクシャフト３及びカップ状回転子４の間のト
ルク伝達を行う遊星変速機構５とを備えている。

【００１８】固定子２は、積層鉄心からなりエンジンブ
ロック１に固定される円筒形の固定子鉄心２１と、クラ
ンクシャフト２に巻装された三相電機子巻線２２とから
なる。カップ状回転子４は、クランクシャフト３に回転
自在に支承されるディスク部４１と、ディスク部４１の
外周縁からエンジンブロック１側に向けてクランクシャ
フト３と同軸に延設される円筒部４２と、円筒部４２に
一体成形された円筒形の回転子鉄心４３とを備えてい
る。ここで、回転子鉄心４３の外周面は露出して固定子
鉄心２１の内周面に微小間隙を挟んで面している。回転
子鉄心４３の各スロット４４には円筒部４２と一体の短
絡導体４５が形成されており、短絡導体４５の両端は回
転子鉄心４３の外部で円筒部４２と一体化している。こ
のカップ状回転子４は、積層鉄心からなる回転子鉄心４
３を金型の所定位置に保持してアルミダイキャスト成形
により形成される。

【００１９】また、ディスク部４１の図中、右側端面外
周部には遠心ファン兼冷却フィン４６が形成されてお
り、カップ状回転子４の冷却及び固定子２の冷却を行
う。更に、円筒部４２のエンジンブロック１側の先端に
は全周にわたって一定間隔で凹凸４７が形成されてお
り、エンジンブロック１の端面に配設された電磁誘導形
の速度検出器具９２がこの凹凸４７の移動を電磁誘導に
より検出し、それによりカップ状回転子４の速度を検出
する。なお、速度検出原理自体は周知でありかつ本発明
の要部では無いので詳述しない。

【００２０】次に、遊星変速機構５について以下に詳述
する。クランクシャフト３の先端面にはプラネタリロ−
ラ支持ディスク５１及びトルクコンバ−タ駆動ディスク
９３がボルト９４により固定されている。トルクコンバ
−タ駆動ディスク９３の外周部はトルクコンバ−タハウ
ジング９５に締結されており、一方、カップ状回転子４
のディスク部４１の内端円筒部が球軸受９１を介してプ
ラネタリロ−ラ支持ディスク５１の外周面部に回転自在
に嵌着されている。

【００２１】プラネタリロ−ラ支持ディスク５１の外周
部には軸孔５２が軸方向に貫設され、軸孔５２にはピン
５３が回転自在に嵌入され、ピン５３の図中、右半部に
はプラネタリロ−ラ５４が回転自在に嵌着されている。
カップ状回転子４の円筒部４２の内周面は球軸受９６を
介して円筒状のアウタロ−ラリテ−ナリング６０の外周
面により回転自在に支承されている。このアウタロ−ラ
リテ−ナリング６０のエンジン側端面には鍔付円筒状の
支持筒６１の鍔部がねじにより締結されており、支持筒
６１の他端はエンジンブロック１の端面に設けられた円
溝部６２に嵌挿された後、接着材にて固定されている。
したがって、アウタロ−ラリテ−ナリング６０は支持筒
６１を介してエンジンブロック１に取り付けられてい
る。

【００２２】アウタロ−ラリテ−ナリング６０の内周面
とプラネタリロ−ラ５４の外周面に接して複数個のアウ
タロ−ラ６５が嵌挿されており、アウタロ−ラ６５は摩
擦力によりアウタロ−ラリテ−ナリング６０及びプラネ
タリロ−ラ５４間のトルク伝達を行う。カップ状回転子
４のディスク部４１の内端円筒部の外周面及びプラネタ
リロ−ラ支持ディスク５１の外周面に接して複数個のサ
ンロ−ラ６６が嵌挿されており、サンロ−ラ６６は摩擦
力によりカップ状回転子４のディスク部４１及びプラネ
タリロ−ラ支持ディスク５１の外周面の間のトルク伝達
を行う。

【００２３】なお、上述した遊星変速機構５では、発電
モ−ドにおいてクランクシャフト３の回転によりプラネ
タリロ−ラ５４が自転及び公転し、それによりサンロ−
ラ８を介してカップ状回転子４が回転する。一方、電動
モ−ドではトルク伝達はその逆となる。遊星変速機構５
内の各摩擦接触面などは必要摩擦力を維持する範囲で、
各種潤滑手法、例えば含油焼結合金の使用などを採用す
ることができる。

【００２４】アウタロ−ラリテ−ナリング６０は、支持
筒６１と一体化することもでき、支持筒６１をエンジン
ブロック１と一体化することもできる。以下、この装置
の電気回路を図２に基づいて説明する。三相電機子巻線
２２の各出力端は、三相全波整流器回路構造の各ダイオ
−ド７１にＩＧＢＴ（絶縁ゲ−トバイポ−ラトランジス
タ）７２をそれぞれ個別に並列接続したインバ−タ７を
有し、インバ−タ７の出力端の低位端は接地され、高位
端は切り換えスイッチ７３を介して制動抵抗７４及びバ
ッテリ７５に切り換え可能に接続されている。バッテリ
７５には車両用電気負荷７６が並列接続されており、こ
れら制動抵抗７４、バッテリ７５及び車両用電気負荷７
６の低位端は接地されている。

【００２５】また、三相電機子巻線２２の出力電流は電
流センサ８１、８２により、バッテリの充放電電流は電
流センサ８３により検出されて、またカップ状回転子４
の回転速度は速度検出器９２によち検出されて、コント
ロ−ラ８に送られる。コントロ−ラ８は、エンジンコン
トロ−ルユニットＥＣＵ（図示せず）から出力されるエ
ンジン始動信号、トルクアシスト信号、車両制動信号を
受取り、エンジン始動信号入力とともに、入力される各
信号に基づいてＩＧＢＴ７２をオンオフ制御し、バッテ
リ７５の直流電圧をチョッパ制御して所定周波数の三相
交流電圧を合成し、三相電機子巻線２２に印加する。

【００２６】上記三相交流電圧を印加された三相電機子
巻線２２は三相かご形誘導機として、カップ状回転子４
の実際の回転速度と三相交流電圧の周波数とにより決定
される滑りＳで電動機又は発電機として作動する。エン
ジン始動時について説明する。エンジン始動時には、例
えば３〜５Ｈｚ程度の低周波数で電動機として駆動すれ
ば滑りが小さいので、誘導機の特徴である低滑り時の大
トルクを発生させ、この大トルクを遊星変速機構５で増
倍してクランクシャフト３を駆動する。なお、クランク
シャフト３の回転上昇とともに滑り５％程度を維持しつ
つ三相交流電圧の周波数を増加して、起動トルク低下を
防ぐのは当然である。

【００２７】次に、エンジン始動後アイドル回転におけ
る制動動作について説明する。アイドル回転には、エン
ジンの平均回転数をｎ₂ （ｒｐｓ）とした場合、インバ
−タ７をｎ₂ ×Ｐ／２（Ｐ：三相電機子巻線２２の極
数）の周波数で駆動する。 すなわち同期速度にて回転
磁界を発生する。このようにすれば、エンジントルク脈
動によりエンジン側が遅くなる場合には滑りが電動機ゾ
−ンに入るのでカップ状回転子４は電動機としてクラン
クシャフト３にトルクを与え、逆にエンジントルク脈動
によりエンジン側が早くなる場合には滑りが発電機ゾ−
ンに入るのでカップ状回転子４は発電機としてクランク
シャフト３からトルクを受取り、このトルク授受により
エンジントルク脈動に伴う振動、騒音を簡単な誘導機制
御により軽減することができる。

【００２８】ここで重要なことは、サンロ−ラ６６、プ
ラネタリロ−ラ５４、アウタロ−ラ６５が摩擦結合して
いるので、遊星ギヤ変速機構と異なってギヤ間のがたが
無いことである。上記したエンジントルク脈動を抑圧の
ためには、カップ状回転子のトルクの正負方向への高速
変化を確実にクランクシャフト３に伝達する必要がある
が、従来の遊星ギヤ変速機構ではギア面におけるガタに
より、このようなトルクの正負方向への高速変化を効率
よく伝達するのは困難であった。この欠点は、この実施
例の装置がロ−ラによる摩擦接触によりトルクを伝達す
る構成を採用したことにより、解決された。

【００２９】さらに重要なこととして、このロ−ラ式の
遊星変速機構５に異常に大きな衝撃トルクが加わった場
合、各ロ−ラ接触面において瞬間的に滑りが生じるの
で、従来の遊星ギヤ変速機構における歯の損傷等の問題
が生じない。次に、バッテリの電圧が所定許容値よりも
ずれて重点的に充電を要する状況になったときの、充電
作動について説明する。

【００３０】発電電流を増加するには、三相電機子巻線
２２に印加する三相交流電圧の周波数を同期速度よりも
遅らせば良い。この実施例では、カップ状回転子４はク
ランクシャフト３に対し、回転数が３．５倍になってい
るので、大きな発電出力が得られる。車両制動のため補
助制動について以下に説明する。

【００３１】この場合には、三相電機子巻線２２から極
めて大きな電流を放出させるので、切り換えスイッチ７
３を制動抵抗７４側に切り換える。更に、インバ−タ７
３を制御して、最大発電トルクとなる比較的大きなすべ
りを保つよう回転速度より相応に低い周波数の三相交流
電圧を合成する。本実施例では、２０００ｒｐｍ回転時
の最大発電能力が約８ＫＷ、始動時のロックトルクが約
４０ｋｇｆｍ、最大制動トルクがエンジン５０００ｒｐ
ｍにおいて約７０ｋｗの仕様において、総重量約１３ｋ
ｇとなり、その内、遊星変速機構５の重量は約３．５ｋ
ｇとなり、同一性能の従来型回転機に対して約２／３〜
１／２程度の軽量化（同一重量なら高性能化）が果たせ
た。

【００３２】また、この実施例では、直流磁化により遊
星変速機構５内の鉄粉などが大きく磁化されて堆積し、
作動障害となることが無く、また、プラネタリロ−ラ支
持ディスク５１がトルクコンバ−タ駆動ディスク９３と
同一ボルトにより、クランクシャフト３に固定されてい
るので、構造が簡単となる利点もある。他の変形態様に
ついて、以下に説明する。

【００３３】（１）上記実施例では制振制御としてイン
バ−タ駆動周波数を同期速度に選んだ簡略制御について
説明しているが、回転機、エンジン慣性の大きな系にお
いては一般に回転変動に対して９０°の位相差をもって
トルクを与えるのが振動理論上効果大といわれている。
従って本案構成において、回転数検出信号に対してわず
かに電動側、発電側とも大きなトルクが９０°ずれて印
加されるよう同期速度よりも差を与えた周波数でインバ
−タ駆動すると、より大きな制振効果が得られる。

【００３４】（２）上記実施例では、サンロ−ラ９１や
アウタロ−ラ６５をロ−ラとしたが、図３に示すよう
に、半分ギヤで、半分ロ−ラとしてもよい。 以上説明したように、この実施例の回転電機は、遊星変
速機構内蔵回転子をかご形としているので、カップ状回
転子４の高速回転が可能となり、その分、小型軽量大出
力の車両用回転電機を実現することができ、高回転数エ
ンジンに採用することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この実施例の車両用回転電機の断面図、

【図２】この実施例の車両用回転電機のブロック回路
図、

【図３】サンロ−ラの変形態様を示す斜視図、

【図４】従来の遊星ギヤ変速機構内蔵回転子型の車両用
回転電機の断面図、

【符号の説明】

１はエンジンブロック ２は固定子３はクランクシャフト ４はカップ状回転子 ５は遊星変速機構 ２１は固定子鉄心 ２２は三相電機子巻線（電機子巻線） ４３は回転子鉄心 ４４はスロット ４５は短絡導体

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電機子巻線が巻装された固定子鉄心を有し
   エンジンブロックに固定された固定子と、前記固定子鉄
   心の内周面に面する外周部に回転子鉄心を有しクランク
   シャフトに回転自在に保持されるカップ状回転子と、前
   記カップ状回転子に収容されて前記クランクシャフト及
   び前記カップ状回転子間のトルク伝達を行う遊星変速機
   構とを備える車両用回転電機において、前記カップ状回転子は前記遊星変速機構を通じてのみ前
   記クランクシャフトに連結され、 前記カップ状回転子は、前記回転子鉄心のスロットに収
   容された短絡導体を有するかご形回転子からなることを
   特徴とする車両用回転電機。