JP3578308B2 - 車両用駆動装置 - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関であるエンジンと回転電機との両方を備えているハイブリッド型車両用の電磁カップリング駆動装置の技術分野に属する。
【0002】
【従来の技術】
この分野の従来技術としては、本発明の発明者らが発明し本出願と同一の出願人が出願した「車両用駆動装置及びその駆動制御方法」があり、同技術は特開平9−56010号公報に開示されている。同公報には、互いに同軸で同心円的に配設されているステータ、第1ロータおよび第2ロータとを有する車両用駆動装置が開示されている。
【0003】
同車両用駆動装置では、ステータは、機枠に固定されており、中空円筒状に配設されたステータコアおよびステータ巻線を持つ。第1ロータは、このステータと同軸にこの機枠に対して回転自在に軸支されており、所定の間隔を空けてこのステータに対向し、エンジン出力軸と接続されている。第2ロータは、このステータと同軸にこの機枠に対して回転自在に軸支されており、外周界磁が貫通する外周面でこのステータに対向し、内周界磁が貫通する内周面でこの第1ロータに対向し、駆動輪の駆動軸と接続されている。
【0004】
従来技術としての上記車両用駆動装置では、発電機と電動機とが一体化されており、そのうえエンジン出力軸からの軸出力の一部は磁気トルクを介して直接的に駆動輪の駆動軸に伝達される。それゆえ、上記車両用駆動装置によれば、発電機と電動機とが別体である旧来の車両用駆動装置に比較して、小型軽量でありながら高い伝達効率が発揮されるという効果がある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記公報の車両用駆動装置では、なお小型軽量化に改善の余地が残されていた。
そこで本発明の発明者らは、先行技術として第2ロータの構成を工夫してさらに小型軽量な車両用駆動装置を発明し、すでに同一出願人から特願平9−135212号として出願済みである。
【0006】
同出願の車両用駆動装置では、第2ロータが、内周界磁を形成する複数の内周界磁磁石および外周界磁を形成する複数の外周界磁磁石と、両界磁磁石を保持し積層電磁鋼板からなるロータヨークとを有していた。それゆえ、第2ロータは強力な内周界磁および外周界磁を発生させるとともに、第2ロータ内部に理想的な磁路が形成されるので、第2ロータの薄型化および小型軽量化が可能であった。したがって、上記出願の車両用駆動装置によれば、第2ロータの小型軽量化に伴って、車両用駆動装置全体の小型軽量化と高効率化とが可能になるという効果がある。
【0007】
しかしながら、上記出願の車両用駆動装置では、第2ロータには特別な工夫が加えられているのにも係わらず、第1ロータは従来技術としての車両用駆動装置のままであった。すなわち、第1ロータは、通常の三相交流モータと同様に、整流子型のロータの構成をしており、ロータ巻線は突極(外周歯部)を巡ってロータコアに巻装されているので、スロットは深く磁路はロータコアの中央部付近ないし内周部にまで形成される。それゆえ、上記出願の車両用駆動装置は、特に第1ロータの構成において、なお小型軽量化の改善余地を残していた。
【0008】
そこで本発明は、よりいっそう小型軽量化された車両用駆動装置を提供することを解決すべき課題とする。
【0009】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記課題を解決するために、発明者らは以下の手段を発明した。
(第1手段)
本発明の第1手段は、請求項1記載の車両用駆動装置である。
本手段では、ステータと第1ロータとにそれぞれ電機子が形成されており、両者の間に介在する中空円筒状の第2ロータの内周面および外周面には、外周界磁および内周界磁がそれぞれ貫通する。それゆえ、第1ロータと第2ロータとの間に形成される内周磁気回路を適正に制御することにより、第1ロータと第2ロータとの間でトルクの授受が行われて回転電機が構成され、両者の間で回転数調整部の回転電機作用が発揮される。また、第2ロータとステータとの間に形成される外周磁気回路を適正に制御することにより、第2ロータとステータとの間でトルクの授受が行われて別の回転電機が構成され、トルク調整部の回転電機作用が発揮される。
【0010】
ここで、第1ロータはエンジン出力軸に接続されていてエンジンにより回転駆動され、いっぽう第2ロータは駆動輪の駆動軸に接続されており、同駆動軸を回転駆動するか逆に同駆動軸を制動する。エンジンの回転数はスロットル開度情報およびトルク負荷等の条件によりほぼ決まっており、駆動輪の駆動軸の回転数も搭載車両の走行速度によって一意に決まっている。それゆえ、第1ロータの回転数と第2ロータの回転数とはそれぞれ独立に決まっているものと考えられ、第1ロータと第2ロータとの間で形成される回転数調整部の回転電機作用では、両ロータの間での回転数の調整が主たる作用となる。この作用は、第1ロータのロータコアおよびロータ巻線からなる電機子が、電動作用をもつ場合にも発電作用を行う場合にも変わらない。
【0011】
一方、ステータのステータコアおよびステータ巻線からなる電機子は、第2ロータに適正なトルクを授受して第2ロータを所望の回転数で駆動する必要がある。なぜなら、搭載車両を所望の速度で走行させるには、駆動輪の駆動軸に連なる第2ロータに適正なトルクをかけて、第2ロータ1310を所望の回転数で駆動する必要があるからである。それゆえ、ステータと第2ロータとの間で形成されるトルク調整部の回転電機作用では、第2ロータに適正な駆動トルクを授受することが主たる作用となる。この作用は、ステータの電機子が、第2ロータに加速方向にトルクを加えて電動作用をもつ場合にも、第2ロータに減速方向にトルクを加えて発電作用を行う場合にも、変わらない。
【0012】
以上では、回転数調整部の回転電機作用とトルク調整部の回転電機作用との作用の違いを強調して、本手段の車両用駆動装置の作用を説明した。しかしながら要するに、ステータの電機子と第1ロータの電機子とを適正に制御して、第1ロータから第2ロータへ効率よく動力の伝達を行うことが本手段の車両用駆動装置の要諦である。すなわち、エンジン出力軸に接続されている第1ロータには適正なトルク負荷がかかるようにし、駆動輪の駆動軸に接続されている第2ロータには所望の回転数になるように適正なトルクをかけることである。
【0013】
なお、ステータの電機子の制御と第1ロータの電機子の制御とは、それぞれに電気的に接続されているインバータによってなされるように外部回路を構成することが可能である。また、回転数調整部およびトルク調整部にそれぞれ形成されている回転電機の発電作用およびまたは電動作用の結果生じる電力の余剰分や不足分は、各インバータに接続されたバッテリー(二次電池)との電力の授受で調整できるように外部回路を構成すると良い。そのうえでバッテリーの容量が十分に大きければ、あるいは適正にエンジン出力が制御されていれば、電力が不足したり無駄に消費されたりすることはない。
【0014】
また、通常の運転状態である搭載車両の前進時には、第1ロータの回転方向と第2ロータの回転方向とは同一方向であるから、第1ロータから第2ロータへの電磁力を介する動力伝達は比較的高い効率で行われる。
さて、本手段の特徴となっている第1ロータは、回転軸と同軸でリング状の継鉄部と同継鉄部から遠心方向に突出している複数の外周歯部とをもつ積層電磁鋼板からなるロータコアと、同ロータコアに巻装されているロータ巻線とを有する。すなわち、ロータコアは、積層電磁鋼板製であり、少なくとも中空円筒状の継鉄部と、複数の突極を形成する突条である外周歯部とから一体に構成されている。ロータ巻線は、互いに隣り合う外周歯部の間の外周スロットを通り、継鉄部の周囲を巡ってロータコアにおおむね半径方向の面内を通って巻装されている。それゆえ、軸心の延長方向から見ると(たとえば正面図)、ロータ巻線はおおむね半径方向に沿って放射状にロータコアに巻装されているように見える。
【0015】
第1ロータが以上のように構成されているので、第1ロータ内の磁路は、外周歯部と継鉄部とを通って形成され、継鉄部よりも内周側には形成されない。それゆえ、内周歯部は必須構成要素ではなく、ロータ巻線は継鉄部周りにコンパクトに巻装されるので、従来技術と比較しても先行技術と比較しても、第1ロータの外径を小さく収めて第1ロータを軽量化することが可能になる。
【0016】
また、ロータ巻線は継鉄部を巡って外周スロット毎に集中巻きされているので、ロータ巻線の組み付け性が向上するばかりではなく、製造時の巻装工程において張力を十分に強くかけながらロータ巻線をロータコアに巻装することができる。それゆえ、外周スロットに対するロータ巻線の線積率を向上させることができ、ロータ巻線がより密に巻かれるので、第1ロータの外径をさらに小さく形成することが可能になり、さらなる軽量化も可能となる。
【0017】
さらに、ロータ巻線が継鉄部を中心に集中巻きされているので、継鉄部によってロータが強固に保持されており、強大な遠心力がかかってもロータ巻線がロータコアから外れることがない。それゆえ、第1ロータの高速回転が可能となり、第1ロータの高速回転時の信頼性が向上するという効果もある。
したがって本手段によれば、第1ロータの小型化が可能で第1ロータの外径が小さく形成されれば、第2ロータおよびステータも小型軽量に構成されるので、車両用駆動装置全体をよりいっそう小型軽量化することが可能になる。また、第1ロータおよび第2ロータの慣性モーメントが低減されるので、車両用駆動装置の動的な応答性能も向上し、より急速な加速や減速も可能となる。
【0018】
そのうえ、本手段の車両用駆動装置は、構成がシンプルで軽量小型であるばかりではなく動力の伝達効率も比較的高いので、搭載車両の小型軽量化が可能である。それゆえ、搭載車両の動力性能および応答性をも向上させることが可能になり、併せて搭載車両の低燃費化および低公害化が達成され得る。
すなわち本手段によれば、よりいっそう小型軽量化された高効率の車両用駆動装置を提供することができるという効果がある。
【0019】
(第1手段の付記)
なお、本手段では、外側界磁磁石および内側界磁磁石という二種類の永久磁石と、これらの永久磁石を保持する積層電磁鋼板からなるロータヨークと、ロータヨークを貫通して固定している複数の固定ピンとから、第2ロータの要部が構成されていてもよい。そうすれば、第2ロータには巻線を有する電機子構造が装置されておらず、界磁を形成する上記二種類の永久磁石とロータヨークとを主たる機能要素としているので、第2ロータを比較的薄くかつ軽量に構成することが可能である。その結果、本手段の車両用駆動装置をいっそう小型軽量化することが可能になる。また、ステータおよび第1ロータに対して充分なトルクの授受が行えるだけの界磁を発生させながら、第2ロータの慣性モーメントを比較的小さく抑えることができるので、加速時および減速時の応答特性が向上する(時定数が短縮される)。
【0020】
したがって、第2ロータが上記構成を有すれば、前述の効果に加えて、車両用駆動装置をさらにいっそう小型軽量化することが可能になるばかりではなく、搭載車両の加速時および減速時の応答特性がよりいっそう向上するという効果がある。
なお、第2ロータは、積層電磁鋼板からなる中空円筒状のロータヨークと、ロータヨークに保持されている永久磁石、かご形導体、誘導巻線、および複数の突極を有する内外周面のうちいずれかとを有する構成を取ることも可能である。
【0021】
(第2手段)
本発明の第2手段は、請求項2記載の車両用駆動装置である。
本手段では、第1ロータのロータコアは、外周歯部と背向して継鉄部から求心方向に突出している複数の内周歯部を持つ。そして、ロータ巻線は、内周歯部の間に形成されている内周スロットと、外周歯部の間に形成されている外周スロットとを通って、継鉄部の周囲に巻装されている。
【0022】
それゆえ、内周歯部が内周スロットの隔壁の役目を果たし、ロータコアの内周部でのロータ巻線の巻き崩れが防止されており、ロータコアに対するロータ巻線の巻装作業が容易になる。また、求心方向に突出している内周歯部の先端部で回転軸と嵌合することにより、第1ロータのロータコアは強固に回転軸に固定される。
【0023】
したがって本手段によれば、第1ロータの巻装工程が容易になるとともに、第1ロータのロータコアが強固に回転軸に固定されるので、第1ロータの強度および信頼性が向上するという効果がある。
(第3手段)
本発明の第3手段は、請求項3記載の車両用駆動装置である。
【0024】
本手段では、第1ロータのロータコアの外周歯部および内周歯部は、互いに同数あり、それぞれ同一半径線上に配設されている。すなわち、外周スロットおよび内周スロットが、継鉄部に沿って周方向に互いに対応する位置に形成されており、継鉄部の周囲にロータ巻線を単純に集中巻きするすることが可能になるので、最短距離でロータ巻線を巻装することができる。すると、軸長方向の一端側から第1ロータを見て(たとえば正面図)、ロータ巻線が継鉄部の周囲に半径方向に沿って巻装されているように見える。
【0025】
このような状態でロータ巻線を巻装すると、巻装工程で最も高い張力をかけられるので、ロータ巻線の線積率を向上させることができる。また、強大な遠心加速度がかかっても、ロータ巻線に生じた遠心力はロータコアの継鉄部で支えられロータ巻線に無理な力が加わらないので、ロータ巻線の脱落や断線等の故障が生じにくい。
【0026】
したがって本手段によれば、前述の第2手段の効果に加えて、ロータ巻線の組み付け性が向上するので、第1ロータの製造が容易になりコストダウンになるほか、第1ロータのよりいっそうの小型軽量化とさらなる信頼性の向上とが得られるという効果がある。
(第4手段)
本発明の第4手段は、請求項4記載の車両用駆動装置である。
【0027】
本手段では、第1ロータのロータコアの外周歯部の周方向の幅は、内周歯部の周方向の幅よりも広く形成されており、換言すると内周歯部の幅が狭いので、内周スロットの周方向の幅がより広く取られている。それゆえ、内周スロットの周方向の幅を、外周スロットの周方向の幅と同程度に広く取ることも可能になり、内周スロットに配設されたロータ巻線の半径方向の寸法をより小さく抑制することが可能になる。その結果、内周スロットでのロータ巻線と内周歯部との半径方向の寸法はより短くて済むようになり、第1ロータをさらに小型化することが可能になる。
【0028】
なお、内周歯部は磁路としてはもともと機能していないので、本手段のように内周歯部を周方向に狭い幅で細く形成することは、第1ロータの電機子作用をいささかも損なうことはない。
したがって本手段によれば、前述の第2手段または第3手段の効果に加えて、第1ロータの電機子作用を全く損なうことなく、第1ロータをさらに小型化することが可能になるという効果がある。
【0029】
(第5手段)
本発明の第5手段は、請求項5記載の車両用駆動装置である。
本手段では、第1ロータのロータコアの外周歯部の数は内周歯部の数よりも多いので、外周スロットに対応する内周スロットの数も少ないが、内周歯部の数が少ない分だけ外周スロット一つあたりの内周スロットの幅は広い。それゆえ、内周スロットに配設されたロータ巻線の半径方向の寸法をより小さく抑制することが可能になる。その結果、前述の第4手段と同様に、内周スロットでのロータ巻線と内周歯部との半径方向の寸法はより短くて済むようになり、第1ロータをさらに小型化することが可能になる。
【0030】
前述のように、内周歯部は磁路としてはもともと機能していないので、本手段のように内周歯部の数が少なくても、第1ロータの電機子作用はいささかも損なわれることはない。
したがって本手段によれば、前述の第2手段の効果に加えて、第1ロータの電機子作用を全く損なうことなく、第1ロータをさらに小型化することが可能になるという効果がある。
【0031】
(第6手段)
本発明の第6手段は、請求項6記載の車両用駆動装置である。
本手段では、第1ロータのロータコアの外周歯部の数は内周歯部の数の二倍であり、すなわち内周スロットの数の二倍の数の外周スロットがロータコアに形成されている。それゆえ、たとえば二つの捲線機のノズルを互いにほぼ対向するように配設して、二つの外周スロットとこれらに対応する一つの内周スロットとにロータ巻線の巻装を同時に並行して施せば、巻き崩れを防ぎながら巻装工程を完了することができる。
【0032】
したがって本手段によれば、前述の第5手段の効果に加えて、適正に巻き崩れを防ぎながら巻装工程を完了することができるという効果がある。
(第7手段)
本発明の第7手段は、請求項7記載の車両用駆動装置である。
本手段では、第1ロータのロータ巻線はU,V,Wの各相からなる三相巻線であり、第1ロータに形成されている各外周スロットには、周方向にU,V,W,U,V,Wの順でロータ巻線が巻装されている。そして、これらの外周スロットに対応する内周スロットには、それぞれ同じ周方向に、U相の上にV相、W相の上にU相、V相の上にW相の順でこのロータ巻線が巻装されている。
【0033】
それゆえ、第6手段で前述したように二つの捲線機を使用する必要性はなく、一つの捲線機で順に巻装していけばよいので、巻き崩れの可能性がないばかりではなく、捲線機に対する特別な設備投資が必要ない。
また、上記の順で三相のロータ巻線を巻装していけば、どの相のロータ巻線も内周スロットの内周側(上層)と外周側(下層)とに交互に巻装される。それゆえ、特定の相だけのロータ巻線が長くなるような不都合が起こらず、三相のロータ巻線は互いに均等な長さで巻装される。
【0034】
したがって本手段によれば、前述の第6手段の効果に加えて、電気抵抗等の電磁気的な特性を三相の間で均等に保ちながら、捲線機に対する特別な設備投資が必要ないのでコストダウンできるという効果がある。
なお、本手段では、三相のロータ巻線の上層と下層とが三つの内周スロット毎に一巡するので、内周スロットの数はは三の倍数で形成されていることが望ましい。
【0035】
(第8手段)
本発明の第8手段は、請求項8記載の車両用駆動装置である。
本手段では、第1ロータの回転軸とロータ巻線との間に形成されている空間は冷却用の流体が流通する冷却用流路であり、同流路に冷却空気等の流体が流通して第1ロータのロータ巻線が直接的に冷却される。
【0036】
たとえば、本手段の車両用駆動装置の機枠内の空間では、軸長方向に一方から他方へ冷却空気が流れるものとすれば、第1ロータのロータ巻線のうち内周側の部分は前述のように回転軸とロータ巻線との間に流れる冷却空気で直接冷却される。一方、同ロータ巻線の外周側の部分は、第1ロータの外周面ないしロータ巻線の外周部と第2ロータの内周面との間の間隙を流通する冷却空気により、直接冷却される。また、同ロータ巻線の軸長方向の両端部も、冷却空気中で回転しているので、直接冷却されている。
【0037】
したがって本手段によれば、前述の各手段のうちいずれか効果に加えて、第1ロータ中で最も過熱しやすいロータ巻線の内周側の部分が直接冷却されるので、第1ロータのロータ巻線の焼損が防止され、信頼性が向上するという効果がある。
【0038】
【発明の実施の形態および実施例】
本発明の車両用駆動装置の実施の形態については、当業者に実施可能な理解が得られるよう、以下の実施例で明確かつ十分に説明する。
[実施例1]
(実施例1の全体構成)
本発明の実施例1としての車両用駆動装置1000は、図1に示すように、エンジン100の出力軸110からの軸出力を、必要に応じて増減し、適正なトルクおよび回転数で駆動輪700を駆動する装置である。それゆえ、軸出力の増減作用を除いて考えれば、本実施例の車両用駆動装置1000は、電磁力を介して作動する一種のトルク−回転数(T−S)コンバータとしてその作用をとらえることも可能である。
【0039】
本実施例の車両用駆動装置1000の要部は、機枠としての前部フレーム1710に固定されているステータ1410と、エンジン出力軸110に接続されている第1ロータ1210と、駆動輪700の駆動軸に接続されている第2ロータ1310とからなる。
ステータ1410は、積層電磁鋼板からなるステータコア1412とステータ巻線1411とからなり、ステータ巻線1411はインバータ400に三相で接続されている。
【0040】
第1ロータ1210は、ロータコア1212およびロータ巻線1211をもち、ステータ1410と同軸に軸支され、所定の間隔を空けてステータ1410の内周面に対向している。第1ロータ1210の入力軸1213は、先端部(図中左端部)に形成されている内部ギヤ1213aでエンジン100の出力軸110と接続されており、第1ロータ1210はエンジン100の軸出力によって回転駆動される。ロータ巻線1211は、U,V,Wの三相からなる巻線であり、ロータコア1212の継鉄部1212cの周りに各相毎に集中巻きされている。ロータ巻線1211はまた、第1ロータ1210の入力軸1213の後端部(図中右端部)に装置されているブラシ部1600を介して、三相で別のインバータ200に接続されている。
【0041】
ここでブラシ部1600は、後部フレーム1720に固定されているブラシホルダ1610に保持されているブラシ1620と、リード部1660で各ロータ巻線1211に接続されているスリップリング1630とからなる。ブラシホルダ1610、ブラシ1620、スリップリング1630およびリード部1660は、三相分でそれぞれ三セットずつある。各スリップリング1630の間は、絶縁部1650により互いに絶縁されている。なお、ブラシ部1600は、前部フレーム1710に固定されている後部フレーム1720の後端(図中右端)を封止するカバーケース1920によって覆われている。
【0042】
第2ロータ1310は、ステータ1410および第1ロータ1210と同軸に配設されている。すなわち、第2ロータ1310はその両端でステータ1410に固定されているベアリング1510,1513に回転自在に軸支されており、第1ロータ1210はその両端付近で第2ロータ1310に保持されているベアリング1511,1514に回転自在に軸支されている。それゆえ、第1ロータ1210と第2ロータ1310とは、磁気的な力学関係はあるものの、互いに独立に回転することが可能である。
【0043】
永久磁石1220,1420により界磁を形成する第2ロータ1310の要部は、肉厚が比較的薄い中空円筒状の形状をもち、ステータ1410の内周面と第1ロータ1210の外周面との間の前述の所定の間隔に収容されている。すなわち第2ロータ1310は、外周界磁を形成し外周界磁が貫通している外周面で、ステータ1410の内周面に対向し、内周界磁を形成し内周界磁が貫通している内周面で、第1ロータ1210の外周面に対向している。
【0044】
第2ロータ1310の上記要部は、外周界磁および内周界磁を形成する二種類の永久磁石1220,1420と、同永久磁石を保持している積層電磁鋼板からなるロータヨーク1311と、ロータヨーク1311を貫通して固定している固定ピン1333からなる。第2ロータ1310の上記要部の両端は、剛性が高いエンドプレート1334,1335から形成されており、各固定ピン1333は、エンドプレート1334,1335に形成されている貫通孔に圧入されている。それゆえ、組み立て工程の途中であっても上記要部が不用意に分解してしまうことはなくなり、組立が容易になる。
【0045】
エンドプレート1334,1335からさらに突出している各固定ピン1333の両端部は、それぞれ前部ロータフレーム1331と後部ロータフレーム1332とに圧入固定されている(あるいは図示しないネジ止めにより位置決めされて固定されている)。前述の各ベアリング1510〜1514は、前部ロータフレーム1331および後部ロータフレーム1332の内周側および外周側に、それぞれ取り付けられている。前部ロータフレーム1331の先端部(図中左端部)の外周には内部ギヤ1331aが形成されており、内部ギヤ1331aを介してギヤ1811が前部ロータフレーム1331の先端部に周方向に固定されている。ギヤ1811は、隣接する他のギヤ1812と噛み合って減速部1800を構成しており、第2ロータ1310は、減速部1800およびディファレンシャル・ギヤ部1900を介して駆動輪700の駆動軸と接続されている。
【0046】
なお、第1ロータ1210および第2ロータ1310の回転角度は、二つの回転角センサ1911,1912によってそれぞれ計測され、ECU(電子制御装置)500に入力される。ECU500は、二つの回転角センサ1911,1912からの情報と、アクセル開度やスロットル開度などの情報とから適正な制御則に基づいて演算を行い、前述の二つのインバータ200,400を制御する。両インバータ200,400は並列にバッテリ600に接続されており、バッテリ600は両インバータ200,400と電力の授受を行って、車両用駆動装置1000の発電作用による充電や電動作用による給電を行う。
【0047】
ここで、第1ロータ1210と第2ロータ1310との間には、内周磁気回路が形成されて、トルクの授受が行われる。そして、第1ロータ1210と第2ロータ1310との間では回転数が通常は異なっているので、エンジン100に接続されている第1ロータ1210から駆動輪700に接続されている第2ロータ1310に至る間に、ロータ回転数の調整が行われているものと見なすことができる。それゆえ、第2ロータ1310の永久磁石1220を含む部分と第1ロータ1210とをもって、回転数調整部1200と呼ぶことにする。
【0048】
一方、第2ロータ1310とステータ1410との間には、外周磁気回路が形成されてトルクの授受が行われる。そして、ステータ1410が第2ロータ1310に及ぼすトルクによって、第1ロータ1210が第2ロータ1310に及ぼすトルクの適正な第2ロータ1310のトルクに対する過不足の調整が行われる。それゆえ、第2ロータ1310の永久磁石1440を含む部分とステータ1410とをもって、トルク調整部1400と呼ぶことにする。
【0049】
なお、第1ロータ1210の回転方向と第2ロータ1310の回転方向とは、通常時すなわち搭載車両の前進時には、同一方向である。
(実施例1の要部構成)
本実施例の車両用駆動装置1000の要部は、図2に示すように、略円筒体状の第1ロータ1210と中空円筒状の第2ロータ1310と中空円筒状のステータ1410とから構成されている。第1ロータ1210、第2ロータ1310およびステータ1410は、図面に垂直な中心線Cを中心にして同軸に配設されている。
【0050】
前述のように(図1参照)、第1ロータ1210の入力軸1213はエンジン出力軸110に接続されており、第1ロータ1210は機枠1710,1720に対して回転自在に軸支されている。また、第2ロータ1310は駆動輪700に接続されており、機枠1710,1720に対して回転自在に軸支されている。そして第1ロータ1210の回転方向と第2ロータ1310の回転方向とは、通常時には同一方向である。一方、ステータ1410は、エンジン100に対して固定されている前部フレーム1710に収容されて、強固に固定保持されている。
【0051】
ステータ1410は、軸長方向に積層された多数枚の電磁鋼板からなるステータコア1412と、ステータコア1412のスロット1412aに巻装されているステータ巻線1411とから構成されている。
第1ロータ1210は、回転軸としての入力軸1213と、入力軸1213の周囲に軸長方向に積層された多数枚の電磁鋼板からなるロータコア1212と、ロータコア1212に巻装されているロータ巻線1211とから、構成されている。
【0052】
ロータコア1212は、入力軸1213と同軸に配設されリング状に形成されている継鉄部1212cと、継鉄部1212cから遠心方向に突出している複数の外周歯部1212dと、継鉄部1212cから求心方向に突出している複数の内周歯部1212eとからなる。内周歯部1212eと外周歯部1212dとはそれぞれ36本で同数あり、周方向等間隔に配設されていて互いに同一半径線上に配設されている。
【0053】
すなわち、各内周歯部1212eと各外周歯部1212dとは、継鉄部1212cを挟んで互いに背向して継鉄部1212cから突出している。それゆえ、互いに隣り合う外周歯部1212dの間に形成されている外周スロット1212aと、互いに隣り合う内周歯部1212eの間に形成されている内周スロット1212bとは、周方向に同一の位置にある。
【0054】
ロータ巻線1211は、外周スロット1212aおよび内周スロット1212bを通り、円筒体状の継鉄部1212cの周囲を巡ってロータコア1212に巻装されている。ロータ巻線1211は、U,V,Wの三相の巻線からなり、三相が周方向に順にロータコア1212に巻装されている。
すなわち、再び図1に示すように、ロータ巻線1211は、ロータコア1212の継鉄部1212cに集中巻きで巻装されており、外周スロット1212a内および内周スロット1212b内で軸長方向に延在している。
【0055】
また、ロータコア1212およびロータ巻線1211だけを図3に示すように、外周スロット1212aの中のロータ巻線1211と、内周スロット1212bの中のロータ巻線1211とは、軸長方向の両端部で互いに連続している。それゆえ、図3に示すように、ロータ巻線1211は上記両端部では半径方向に延在しているように見える。
【0056】
なお、再び図2に示すように、第1ロータ1210のロータコア1212の外周歯部1212dの周方向の幅は、内周歯部1212eの周方向の幅よりも広く形成されている。換言すると、内周歯部1212eは、周方向の幅が極端に狭く形成されており、できるだけ周方向に幅が広い内周スロット1212bを形成している。
【0057】
さらに、第1ロータ1210の入力軸1213の外周面と、内周スロット1212b内のロータ巻線1211との間に形成されている空間1212fは、冷却用の代替フレオンが流通する冷却用流路である。機枠としての前部フレーム1710および後部フレーム1720が形成する内部空間には、図示しない冷媒供給孔および冷媒排出孔が開口している。
【0058】
すなわち、同内部空間のブラシ部1600(図1参照)側の一端には、入力軸1213の外周面付近に冷媒供給孔(図略)が開口していて、冷媒としてのフレオンが気液混相で同冷媒供給孔から供給される。このフレオンは、上記一端側から、前述の冷却用流路1212fと、第1ロータ1210と第2ロータ1310との間の空間と、第2ロータ1310とステータ1410との間の空間とを通って、三者1210,1310,1410を冷却しながら他端側へ流入する。他端側へ流入したフレオンは、潜熱を奪って気相になっており、冷媒排出孔(図略)から排出された後、冷媒の外部回路(図略)で冷却され再び気液混合状態となって再び冷媒供給孔から供給される。こうして、冷媒としての上記フレオンは、本実施例の車両用駆動装置1000を冷却して循環する。
【0059】
なお、冷却用のフレオンを第1ロータ1210の冷却用流路1212fに流通させる目的で、前部ロータフレーム1331および後部ロータフレーム1332には、複数の貫通孔(図略)が形成されている。同貫通孔は、両ロータフレーム1331,1332の肉抜きにもなっており、第1ロータ1210の重量軽減および慣性モーメント軽減の効果をも生じる。
【0060】
第2ロータ1310の要部は、外側界磁磁石1420および内側界磁磁石1220と、両者1220,1420を所定の位置に保持しているロータヨーク1311と、ロータヨーク1311を貫通している複数の固定ピン1333とから構成されている。
外側界磁磁石1420は、それぞれ所定の厚さの平板状の永久磁石であり、第2ロータ1310の外周面に交番に磁極を向けるように第2ロータ1310の外周側に配設され、外周界磁を形成している。一方、内側界磁磁石1220は、それぞれ外側界磁磁石1420に比べて周方向の幅が約半分の所定の厚さの平板状の永久磁石であり、二枚一組になっている。そして内側界磁磁石1220は、それぞれの外側界磁磁石1420と対応する位置で、各外側界磁磁石1420と磁化方向(磁極方向)をそろえて、第2ロータ1310の内周側に配設され、内周界磁を形成している。
【0061】
ロータヨーク1311は、中空円筒状に積層された多数の電磁鋼板からなり、打ち抜かれた矩形の貫通孔に、外側界磁磁石1420および内側界磁磁石1220を保持している。なお、この矩形の貫通孔の隅の部分は、工作上の都合によりまた隅部への応力集中を防ぐために、突出した丸み部が形成されている。また、複数本の固定ピン1333は、積層電磁鋼板からなるロータヨーク1311に打ち抜かれた円形の貫通孔を軸長方向に貫通し、外側界磁磁石1420、内側界磁磁石1220およびロータヨーク1311を一体に固定している。
【0062】
内側界磁磁石1220は、前述のように、外側界磁磁石1420の各一枚に対してそれぞれ二枚が周方向に並べられている。内側界磁磁石1220は、外側界磁磁石1420の周方向中間部では外側界磁磁石1420に近接して近接部1311aを形成しており、外側界磁磁石1420の周方向端部では外側界磁磁石1420と離間して離間部1311bを形成している。そして各固定ピン1333は、軟磁性の鋼材からなる丸棒であり、離間部1311bに打ち抜きで形成されているロータヨーク1311のピン孔1311mを貫通して配設されている。なお、固定ピン1333の外周面はローレット仕上げされており、組立過程において固定ピン1333はロータヨーク1311のピン孔1311mに圧入固定されている。
【0063】
固定ピン1333の外径とピン孔1311mの内径とは、やや締まりばめ気味に公差が設定されている。それゆえ、固定ピン1333のローレット仕上げの効果とも相まって、ロータヨーク1311とそれを固定している固定ピン1333との間にガタがないので、第2ロータ1310が偏心する恐れがない。したがって、固定ピン1333のガタに起因して、第2ロータ1310のエアギャップg1,g2が詰まってしまったり、第2ロータ1310のダイナミックバランスが崩れてしまったりする恐れがなくなる。
【0064】
ここで、前述の近接部1311aおよび離間部1311bを形成しているロータヨーク1311のバックヨーク1311jの寸法、特に離間部1311bの寸法について考察を加えることにする。その際、固定ピン1333の透磁率および飽和磁束密度は、ロータヨーク1311のそれらとほぼ等しいものと仮定し、固定ピン1333の部分も、ロータヨーク1311と同等の磁気特性を持つものとして扱う。
【0065】
第2ロータ1310のロータヨーク1311を透過する磁束の状態には、様々な場合があり得る。たとえば、図4に示すように、第2ロータ1310の磁束がそのまま第1ロータ1210およびステータ1410に同等に達している場合がある。従来技術の磁路を示す図11に対して本実施例の磁路を示す図4を比較すると、本実施例では磁束が第1ロータ1210のロータコア1212の外周歯部1212dおよび継鉄部1212cを通っており、本実施例のロータコア1212中の磁路は従来技術の磁路よりも明らかに短い。それゆえ、本実施例の方が、第1ロータ1210中の磁路を形成する部材であるロータコア1212を軽量小型に形成することが可能である。
【0066】
また、図5に示すように、ステータ1410側からの磁束の一部が第2ロータ1310のバックヨーク1311jをバイパスして、比較的短い閉磁路を形成している場合もある。図示はしないが逆に、第1ロータ1210側からの磁束の一部が第2ロータ1310のバックヨーク1311jをバイパスして、比較的短い閉磁路を形成している場合もある。
【0067】
ここで、同じく図5に示すように、内側界磁磁石1220を含む回転数調整部1200の界磁の磁束が、第1ロータ1210の電機子の電磁作用により完全に相殺された場合を想定する。すると、ロータヨーク1311のバックヨーク1311jの離間部1311bの厚さは、トルク調整部1400に含まれる外側界磁磁石1420の磁束が通れるだけの幅を有すれば良いことになる。
【0068】
ここで、外側界磁磁石1420および内側界磁磁石1220は、ともに同一材料からなる希土類磁石である。また、希土類磁石が磁路内で生じる磁束密度は、通常0.8テスラ程度であり、ロータヨーク1311内に形成される磁路の磁束密度は、最大で通常1.0〜2.0テスラ程度である。そして、磁路として作用する離間部1311b(図4参照)の半径方向の幅をtとし、外側界磁磁石1420の一つあたりの周方向の幅をLとすれば、両者t,Lの間には次式の関係が成り立つ。
【0069】
1.0t < 0.8L/2 < 2.0t
したがって、ロータヨーク1311の離間部1311bの半径方向の幅tは、次式の範囲にあれば必要十分であることになる。
0.2L < t < 0.4L
実際の設計にあたっては、外側界磁磁石1420および内側界磁磁石1220の磁気特性と、ロータヨーク1311および固定ピン1333の磁気特性とが、かなり正確に与えられ得る。そこで、実運用上で離間部1311bを通すべき磁束の最大量を設定し、前述の考え方に基づいて固定ピン1333の直径および離間部1311bの半径方向の幅tを最小限に決定することが可能である。
【0070】
一方、ロータヨーク1311の近接部1311aにはほとんど磁束が通らない(図3および図4参照)ので、強度の許す範囲で半径方向の幅を狭く設定することが可能である。そして、外側界磁磁石1420および内側界磁磁石1220が平板状でありながら、ロータヨーク1311の近接部1311aから離間部1311bに移行するに連れて、バックヨーク1311jの半径方向の幅が増える。近接部1311aから離間部1311bに移るにつれてバックヨーク1311jを通すべき磁束は増大するので、その結果、バックヨーク1311j内はほぼ一定の磁束密度に保たれ、バックヨーク1311jの容積効率は優れたものとなっている。
【0071】
以上の考察から、外側界磁磁石1420および内側界磁磁石1220に安価な平板状の永久磁石を使用しながら、中空円筒状の第2ロータ1310の要部の厚みを必要最小限に抑制することができることが分かる。
以下では再び図2を参照して、なお本実施例の車両用駆動装置1000の要部について説明する。
【0072】
外側界磁磁石1420の外側に位置するロータヨーク1311の磁路部1311kは、第2ロータ1310の外周面にq軸方向(周方向)の磁路を形成しており、ステータ1410の変動磁界によりリラクタンストルクを発生させる作用がある。また、内側界磁磁石1220の内側に位置するロータヨーク1311の磁路部1311lは、第2ロータ1310の内周面にq軸方向の磁路を形成しており、第1ロータ1210の変動磁界によりリラクタンストルクを発生させる作用がある。それゆえ、ロータヨーク1311の磁路部1311k,1311lはともに、各界磁磁石1220,1420を保持する構造部材であるだけではなく、電磁的にも有効に作用する機能部材でもある。
【0073】
最後に、第1ロータ1210と第2ロータ1310との間のエアギャップg1と、第2ロータ1310とステータ1410との間のエアギャップg2について言及する。
第2ロータ1310の要部の外周面および内周面は、積層鋼板からなるロータヨーク1311により形成されているので、軸長方向両端をエンドプレート1334,1335で固定されている状態で、容易に切削ないし研削による仕上げ加工ができる。それゆえ、第1ロータ1210の外径d1に合わせてロータヨーク1311の内周面を加工し、最小限のエアギャップg1を精度良く形成することが可能である。同様に、ステータ1410の内径に合わせてロータヨーク1311の外周面を加工し、ロータヨーク1311の外径d2を適正に形成して、最小限のエアギャップg2を精度良く形成することが可能である。
【0074】
したがって、最小限のエアギャップg1,g2をもって第1ロータ1210、第2ロータ1310およびステータ1410からなる二重構造の回転電機を構成することができるので、本実施例の車両用駆動装置1000の直径はより小さく抑制される。また、エアギャップg1,g2が狭い分だけそこを通る磁気回路の効率が向上し、本実施例の車両用駆動装置1000の回転電機としての性能も向上する。
【0075】
(実施例1の作用)
本実施例の車両用駆動装置1000は、以上のように構成されているので、エンジン100の軸出力を駆動輪700に伝達し適宜に軸出力を増したり発電したりする車両用駆動装置1000として、以下のような作用を発揮する。
先ず、エンジン100の軸出力(すなわち入力軸1213への入力)が回転数2n[rpm]×トルクt[Nm]であり、第2ロータ1310からの軸出力を回転数n[rpm]×トルク2t[Nm]に変換したい場合を想定する。この場合、第1ロータ1210から第2ロータ1310へ軸出力が変換されるにあたり、回転数調整部1200では発電作用が行われ、逆にトルク調整部1400では電動作用が行われて、軸出力の変換(トルクコンバート)が行われる。
【0076】
すなわち、第1ロータ1210が回転数2nで回転しているのに対し、第2ロータ1310は回転数nでしか回転していないので、第1ロータ1210は第2ロータ1310から制動作用を受けていることになる。その際、第1ロータ1210に加えられている軸出力のトルクはtでしかないから、第1ロータ1210から第2ロータ1310へのトルク伝達量はtに限定される。したがって、以下の説明では簡単化のために電磁気的な損失を無視して考えると、第1ロータ1210では回転数(2n−n=n)×トルクt=エネルギーntの発電が行われる。言い換えると、ECU500は、インバータ200を制御して第1ロータ1210にエネルギーntだけの発電を行わせる。
【0077】
第1ロータ1210で発電された電気エネルギーntは、インバータ200を介して、二つのインバータ200,400、バッテリ600およびECU500からなる外部回路に導入される。そして、上記電気エネルギーntは、同外部回路からインバータ400を介してステータ1410に供給され、トルク調整部1400での電動作用により第2ロータ1310に対してトルクtを及ぼす。言い換えると、ECU500は、インバータ400を制御してステータ1410の回転磁界を形成し、回転数nで回転している第2ロータ1310に対して回転方向にトルクtを加える。
【0078】
ここで、前述のようなインバータ200,400の制御は、回転角センサ1911,1912による第1ロータ1210および第2ロータ1310のそれぞれの回転角の測定値に基づいて行われる。すなわち、ECU500で両回転角に基づいて適正な界磁制御計算が行われ、インバータ200,400に対して、第1ロータ1210および第2ロータ1310への通電タイミングが適正に指示される。
【0079】
その結果、回転数nで回転している第2ロータ1310に対し、第1ロータ1210からのトルクtとステータ1410からのトルクtとで、合計2tのトルクが回転方向にかかる。したがって、第1ロータ1210の軸入力2nt(回転数2n×トルクt)は、第2ロータ1310の軸出力2nt(回転数n×トルク2t)に減速変換される。
【0080】
次に、先ほどとは逆に、エンジン100の軸出力(すなわち入力軸1213への入力)が回転数n[rpm]×トルク2t[Nm]であり、第2ロータ1310からの軸出力を回転数2n[rpm]×トルクt[Nm]に変換したい場合を想定する。この場合、第1ロータ1210から第2ロータ1310へ軸出力が変換されるにあたり、回転数調整部1200では電動作用が行われ、逆にトルク調整部1400では発電作用が行われて、軸出力の変換が行われる。
【0081】
すなわち、第1ロータ1210が回転数nで回転しているのに対し、第2ロータ1310は回転数2nで回転するので、第1ロータ1210は第2ロータ1310を加速する方向に電動作用を及ぼすことになる。その際、第1ロータ1210に加えられている軸出力のトルクは2tであるから、このトルクを吸収するためには第1ロータ1210から第2ロータ1310へのトルク伝達量は2tでなければならない。したがって、第1ロータ1210では回転数(2n−n=n)×トルク2t=エネルギー2ntの電動作用が行われる。言い換えると、ECU500は、インバータ200を制御して第1ロータ1210にエネルギー2ntもの電動作用を行わせる。
【0082】
第1ロータ1210での電動作用に要する電気エネルギー2ntは、インバータ200を介して、上記外部回路から供給される。そして、上記電気エネルギー2ntは、同外部回路へインバータ400を介してステータ1410から供給されている。すなわち、ステータ1410は、ステータ1410を含むトルク調整部1400での発電作用により、回転数2nで回転している第2ロータ1310に対してトルクtの制動を及ぼす。言い換えると、ECU500は、インバータ400を制御してステータ1410の回転磁界を形成し、回転数2nで回転している第2ロータ1310に対して回転方向とは逆方向にトルクtを加えて、ステータ1410で発電を行わせる。
【0083】
その結果、回転数2nで回転している第2ロータ1310に対し、第1ロータ1210から加わるトルク2tと、ステータ1410から加わる制動トルクtとの差で、結局tのトルクが回転方向にかかる。したがって、第1ロータ1210の軸入力2nt(回転数n×トルク2t)は、第2ロータ1310の軸出力2nt(回転数2n×トルクt)に増速変換される。
【0084】
この増速変換と前述の減速変換とを比較すると、この増速変換では外部回路を介して伝達される電気エネルギーは2ntであり、前述の減速変換において外部回路を介して伝達される電気エネルギーntに比べて倍と大きい。それゆえ、増速変換は減速変換よりも電磁気的な損失が大きいので、本実施例の車両用駆動装置1000は、あまり増速変換での運用を行わず、主にやや減速変換気味で運用するようにした方が高効率で使用できる。したがって、エンジン100から駆動輪700に至るまでのギヤ比等の設定は、車両用駆動装置1000を減速気味で運用できるようになされているべきである。
【0085】
以上では第1ロータ1210への軸入力と第2ロータ1310からの軸出力とが等しい場合を取り上げて説明したが、実際には上記軸入力と上記軸出力とは一致しない場合がほとんどである。そこで、例えば上記軸入力が上記軸出力に及ばない場合には、その差はバッテリ600からの給電によるステータ1410およびまたは第1ロータ1210の電動作用で補われる。逆に、上記軸入力が上記軸出力を上回っている場合には、ステータ1410およびまたは第1ロータ1210で発電された電気エネルギーをもってバッテリ600に蓄電がなされる。
【0086】
その極端な場合の一例に、エンジンブレーキをかけて搭載車両を制動する場合がある。この場合には、上記軸入力が負である以上に上記軸出力が大きく負であり、駆動輪700に接続されている第2ロータ1310が形成する回転界磁によって、ステータ1410だけではなく第1ロータ1210でも発電が行われてバッテリ600に蓄電される。このようにエンジンブレーキをかける場合には、発電作用がステータ1410と第1ロータ1210との両方で行われ、一方に集中することがないので、ステータ1410も第1ロータ1210もあまり大きな発電容量を必要とされない。それゆえ、ステータ1410も第1ロータ1210もともに、比較的小型軽量に構成されうる。
【0087】
したがって、本実施例の車両用駆動装置1000を主にやや減速気味で運用するように搭載車両の駆動系の設計がなされていれば、電磁気的な損失も最小限に抑制され、極めて高効率での運用が可能になる。
(実施例1の効果)
本実施例の車両用駆動装置1000は、以上のような構成及び作用を有するので数々の効果を有するが、それらの効果は次の四点に要約される。
【0088】
第1の効果は、大幅な小型軽量化である。
その第1の理由は、再び図1〜図3に示すように、第1ロータ1210の構成にある。すなわち、第1ロータ1210は、外周歯部1212dおよび細い内周歯部1212eが継鉄部1212cから同一半径線上に突出しているロータコア1212と、ロータコア1212に巻装されているロータ巻線とを有する。ロータ巻線は、周方向の位置が対応している外周スロット1212aおよび内周スロット1212bを通り、継鉄部1212cの周囲を巡って、おおむね半径方向の面内を通り集中巻きでロータコア1212に巻装されている。
【0089】
それゆえ、第1ロータ1210内の磁路は、外周歯部1212dと継鉄部1212cに形成され、細い内周歯部1212eには形成されない。内周歯部1212eは、ロータ巻線1211の巻き崩れを防ぐ隔壁の作用と、第1ロータ1210を入力軸1213と同軸に保つ構造部材としての作用とを有すればよいので、前述のように周方向の幅が狭く形成されている。その結果、ロータ巻線1211は、継鉄部1212c周りに集中巻きで巻装され、半径方向の寸法が小さくコンパクトに巻装されるので、第1ロータ1210の外径を小さく収めて第1ロータ1210を軽量化することが可能になる。
【0090】
また、ロータ巻線1211は継鉄部1212cを巡って外周スロット1212aおよび内周スロット1212bに集中巻きされているので、製造時の巻装工程において、張力を十分に強くかけながらロータ巻線1211をロータコア1212に巻装することができる。それゆえ、外周スロット1212aに対するロータ巻線1211の線積率を向上させることができ、ロータ巻線1211がより密に巻かれるので、第1ロータ1210の外径をさらに小さく形成することが可能になり、さらなる小型軽量化が可能となる。
【0091】
そのうえ、ロータ巻線1211が継鉄部1212cを中心に集中巻きされているので、継鉄部によってロータが強固に保持されており、強大な遠心力がかかってもロータ巻線がロータコアから外れることがない。それゆえ、第1ロータの高速回転が可能となるので、高回転低トルクでの運用が可能となり、その結果、同じ仕事率を伝達するのであればよりいっそう小型軽量化が進む。
【0092】
したがって、第1ロータ1210の小型化が可能で第1ロータ1210の外径が小さく形成されれば、第1ロータ1210の外径に合わせて第2ロータ1310およびステータ1410も小型軽量に構成される。その結果、車両用駆動装置1000全体を、よりいっそう小型軽量化することが可能になる。
上記効果の第2の理由は、再び図1および図2に示すように、第2ロータ1310の構成にある。すなわち、前述のように、第2ロータ1310が極めて合理的に構成されており、低廉化と同時にさらなる小型化が可能になっている。第1ロータ1210の外径に合わせて第2ロータ1310の内径が小さくなっているばかりではなく、第2ロータ1310に形成される磁路が合理的に設計されているので、第2ロータ1310の薄型化が進む。それゆえ、第2ロータ1310の外径が内径の縮小分以上にさらに縮小され、第2ロータ1310の小型軽量化が進むからである。
【0093】
上記効果の第3の理由は、車両用駆動装置の上記要部が収容されている機枠1710,1720の内部空間に、気液混相状態の冷媒が供給され、第1ロータ1210、第2ロータ1310およびステータ1410が強制冷却されているからである。それゆえ、放熱に関する制約が大幅に緩和され、より高密度で第1ロータ1210、第2ロータ1310およびステータ1410が構成されるので、よりいっそうの小型軽量化が可能になる。
【0094】
その結果、本実施例の車両用駆動装置1000によれば、搭載車両の小型軽量化が可能になり、搭載車両の製品コストおよび運用コストの低廉化につながるとともに、軽量なので動力性能の向上にもつながるという効果が発揮される。
第2の効果は、動的応答性の向上である。
すなわち、本実施例の車両用駆動装置1000では、前述のように第1ロータ1210および第2ロータ1310が小型軽量化されているので、さらに大きな割合で両ロータ1210,1310の慣性モーメントが低減されている。すなわち、第1ロータ1210の慣性モーメントの低減はエンジンの回転数の高応答性につながり、第2ロータ1310の慣性モーメントの低減は駆動輪ひいては搭載車両の速度の高応答性につながる。その結果、車両用駆動装置の動的な応答性能も向上し、搭載車両のより急速な加速や減速も可能となるばかりではなく、搭載車両の燃費も向上するという効果も生じる。
【0095】
第3の効果は、製品のコストダウンである。
その第1の理由は、第1ロータ1210の構成にある。すなわち、第1ロータ1210は軽量化されているので、材料コストが低減されている。さらに、第1ロータ1210のロータ巻線1211は集中巻きであり巻装工程の工数が節減されているので、製造コストも低減されている。それゆえ、第1ロータ1210は、材料コストおよび製造コストが低減されているので、従来技術に比べてより安価に提供されるからである。
【0096】
その第2の理由は、第2ロータ1310の構成にある。すなわち、前述のように第2ロータ1310が既製品の永久磁石を材料として合理的かつ製造容易に構成されているので、第2ロータ1310の材料コストおよび製造コストを抑制することができるからである。
したがって、本実施例の車両用駆動装置1000を搭載した車両は、前述の運用費(すなわち燃費)ばかりではなく、製品コストまで低廉化されるという効果がある。すなわち、車両用駆動装置1000のコストダウンばかりではなく、前述の車両用駆動装置1000の小型軽量化による車両の小型軽量化によって搭載車両のコストダウンがさらに進むので、両者のコストダウンが相まって搭載車両をより安価に供給できるようになる。
【0097】
第4の効果は、信頼性の向上である。
その第1の理由は、第1ロータ1210の構成にある。すなわち、第1ロータ1210のロータ巻線1211は、ロータコア1212の継鉄部1212cに集中巻きで巻装されているので、強力な遠心加速度がかかってもロータ巻線1211がロータコア1212から脱落しにくいからである。それゆえ、第1ロータ1210は、特に高速回転時の信頼性が向上している。
【0098】
また、第1ロータ1210に冷却用流路1212fが形成されており、車両用駆動装置1000の要部中で最も過熱しやすいロータ巻線1211の入力軸1213に近い部分の過熱が防止されている。それゆえ、特に高負荷運転時の信頼性が向上している。
上記効果の第2の理由は、第2ロータ1310の構成にある。すなわち、前述のように、第2ロータ1310には巻線などが無く、簡素で剛性の高い構成をしているので、第2ロータ1310に強力な遠心加速度がかかっても、部品の脱落や不都合な変形が生じにくいからである。それゆえ、第2ロータ1310は、特に高速回転時の信頼性が向上している。
【0099】
(実施例1の付記)
前述の実施例1とは逆に、第1ロータ1210を駆動輪700に接続し、第2ロータ1310をエンジン100に接続する構成でも、車両用駆動装置を構成することも可能ではある。
しかしながら、エンジンブレーキ作動時等を除く通常の運用においては、エンジン100の方が駆動輪700よりも回転数が高いことを考慮に入れれば、車両用駆動装置1000は減速側で運用されるべきものである。すると、前述の構成では実施例1とは逆に、第1ロータ1210の回転数が第2ロータ1310の回転数よりも低くなり、電磁的な損失が増えるので第2ロータ1310から第1ロータ1210への動力伝達効率はあまり高いとは言えない。
【0100】
かといって、エンジン100から第2ロータ1310に至るまでに減速比の大きい減速機を挿置すれば、第1ロータ1210の回転数を第2ロータ1310の回転数よりも高くできるが、新たに二つの不都合を生じる。第1の不都合は、減速機による機械的な損失が大きくなることと、減速機の重量及び容積が増えて小型軽量化の妨げになることである。第2の不都合は、車両用駆動装置が低速回転で強大なトルクを伝達するようになるので、車両用駆動装置自身を小型軽量化するのが難しくなり、やはり小型軽量化の妨げになることである。
【0101】
それゆえ、エンジン100および駆動輪700と第1ロータ1210および第2ロータ1310との接続は、実施例1のようにするのがほとんどの面で実効性が高いと考えられる。
また、通常の運用時すなわち車両の前進時に、第1ロータ1210と第2ロータ1310とが逆方向に回転するように構成することも可能ではある。しかし、このような構成では電磁的な損失も機械的な損失も大きくなり、動力伝達効率の低下をきたすので、好ましいことではない。
【0102】
なお、エンジン100としては、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどのレシプロエンジンに限定される必要はなく、ロータリエンジンやターボシャフトエンジンなどであっても良く、極論すれば蒸気機関などであっても良い。
[実施例2]
(実施例2の構成)
本発明の実施例2としての車両用駆動装置は、第1ロータ1210’のみが実施例1と異なり、その他の点では実施例1と同様である。
【0103】
すなわち、図6に示すように、本実施例の第1ロータ1210’では、ロータコア1212’の外周歯部1212dの数は、内周歯部1212e’の数よりも多く、内周歯部1212e’の数の二倍である。分かり易く言うと、実施例1と比較して内周歯部1212eが一本置きに間引かれており、本実施例の内周歯部1212e’の数は実施例1の内周歯部1212eの半分である。すなわち、内周スロット1212b’の数が実施例1から半減しており、内周スロット1212bの周方向の幅は実施例1の二倍以上に増えている。ロータコア1212’のうち、内周歯部1212e’だけが実施例1と異なっており、外周歯部1212dおよび継鉄部1212cは実施例1と同様である。
【0104】
それゆえ、外周スロット1212aでは実施例1と同様にロータ巻線1211a,1211bが巻装されているが、内周スロット1212b’では実施例1と異なって、ロータ巻線1211a,1211bが一つの内周スロット1212b’に並んで巻装されている。そして、互いに相が異なるロータ巻線1211a,1211bの一つあたりに割り当てられている内周スロット1212b’の周方向の幅、すなわち内周スロット1212b’の周方向の幅の半分は、実施例1よりもいくぶん広く取られている。
【0105】
内周スロット1212b’を半割にして、その中に二つの相のロータ巻線1211a,1211bを巻装するには、互いにノズルが対向する二台の捲線機を同期して運転するなどし、ロータ巻線1211a,1211bを並行して巻装すればよい。
なお、第1ロータ1210’の入力軸1213と内周スロット1212b’内のロータ巻線1211との間にできる空間が、冷却用流路1212fを形成している点では、本実施例は実施例1と同様である。
【0106】
(実施例2の作用効果)
前述のように、ロータ巻線1211a,1211bの一つあたりに割り当てられている内周スロット1212b’の周方向の幅は、実施例1よりもいくぶん広く取られている。それゆえ、巻装されたロータ巻線1211a,1211bの周方向の幅が大きい分、半径方向の高さは小さくなるので、第1ロータ1210’の外径をより小さく構成することが可能になる。第1ロータ1210’の外径が小さくなれば、第2ロータ1310(図2参照)の内径および外径も小さくなり、同様にステータ1410の直径も小さくなって、車両用駆動装置1000全体がさらに軽量小型化される。
【0107】
したがって本実施例によれば、第1ロータ1210’、第2ロータ1310およびステータ1410の直径が小さく形成されるので、車両用駆動装置1000全体がさらに軽量小型化されるという効果がある。また、同様の理由で、車両用駆動装置1000の動的応答性がさらに向上するという効果もある。
(実施例2の変形態様1)
本実施例の変形態様1として、図7に示すように、第1ロータ1210’の内周スロット1212b’でのロータ巻線1211の巻装の仕方が、実施例2と異なる車両用駆動装置の実施が可能である。
【0108】
すなわち本変形態様では、第1ロータ1210’のロータ巻線1211は、U,V,Wの各相からなる三相巻線であり、第1ロータ1210’に形成されている各外周スロット1212aには、周方向にU,V,W,U,V,Wの順でこのロータ巻線1211a,1211bが巻装されている。そして、これらの外周スロット1212aに対応する内周スロット1212b’には、それぞれ同じ周方向に、U相の上にV相、W相の上にU相、V相の上にW相の順でロータ巻線1211a,1211bが巻装されている。
【0109】
それゆえ、本変形態様では、前述の実施例2のように二つの捲線機を使用する必要性はなく、一つの捲線機で順に巻装していけばよいので、巻き崩れの可能性がないばかりではなく、捲線機に対する特別な設備投資が必要ない。
また、上記の順で三相のロータ巻線1211を巻装していけば、どの相のロータ巻線1211も内周スロット1212b’の内側と外側とに交互に巻装される。それゆえ本変形態様では、特定の相だけのロータ巻線1211が長くなるような不都合が起きることがなく、三相のロータ巻線1211は互いに均等な長さで巻装される。
【0110】
したがって本変形態様によれば、前述の実施例2の効果に加えて、電気抵抗等の電磁気的な特性を三相のロータ巻線1211の間で均等に保ちながら、捲線機に対する特別な設備投資が必要ないのでいっそうのコストダウンができるという効果がある。
[実施例3]
(実施例3の構成)
本発明の実施例3としての車両用駆動装置は、第1ロータ1210”のみが実施例1と異なり、その他の点では実施例1と同様である。
【0111】
すなわち、図8に示すように、本実施例の第1ロータ1210”では、ロータコア1212”に内周歯部1212eが無く、ロータコア1212”は継鉄部1212cおよび外周歯部1212dから構成されている。そして、ロータコア1212”には、外周歯部1212dの根本部分にあたる継鉄部1212cに、一つ置きに等間隔で貫通孔が形成されており、それぞれの同貫通孔に固定ピン1214が挿置されている。
【0112】
第1ロータ1210”のロータコア1212”の両端部には、それぞれ図示しないロータフレームが接合されており、各固定ピン1214は、両ロータフレームに固定されている。両ロータフレームは、第1ロータ1210”の入力軸1213に固定されているので、各固定ピン1214は、両ロータフレームを介してロータコア1212”を入力軸1213に対して同軸に固定保持している。
【0113】
なお、各固定ピン1214は、ロータコア1212”の積層電磁鋼板と同程度の磁気特性をもつ材質で形成されているので、ロータコア1212”中の磁路の形成に対して悪影響を与えることがない。
第1ロータ1210”のロータ巻線1211は、ロータコア1212”の継鉄部1212cに集中巻きされる際に、巻き崩れしないように側面から側壁状の治具(図略)を当接された状態で巻装される。実施例1および実施例2と異なって内周歯部1212e,1212e’がないので、その分継鉄部1212cの内周側でのロータ巻線1211の周方向の幅が広く取れる。それゆえ、継鉄部1212cの内周側でのロータ巻線1211の半径方向の高さが小さく抑えられ、その結果、第1ロータ1210”を実施例2よりもさらに小さな外径で構成することが可能になる。
【0114】
また、第1ロータ1210”のロータ巻線1211は、入力軸1213の外周面に軽く当接しており、入力軸1213の熱伝導作用によってある程度冷却される。
(実施例3の作用効果)
前述のように、ロータ巻線1211a,1211bの一つあたりに割り当てられている継鉄部1212cの内側の空間の周方向の幅は、実施例2よりもさらに広く取られている。それゆえ、巻装されたロータ巻線1211a,1211bの周方向の幅が大きい分、半径方向の高さはさらに小さくなるので、第1ロータ1210”の外径をより小さく構成することが可能になる。第1ロータ1210”の外径がさらに小さくなれば、第2ロータ1310(図2参照)の内径および外径もさらに小さくなり、同様にステータ1410の直径もさらに小さくなって、車両用駆動装置1000全体がさらに軽量小型化される。
【0115】
したがって本実施例によれば、実施例2よりもさらに小さい外径で第1ロータ1210”、第2ロータ1310およびステータ1410が構成されるので、車両用駆動装置1000全体がさらに軽量小型化されるという効果がある。また、同様の理由で、車両用駆動装置1000の動的応答性がさらに向上するという効果もある。
【0116】
(実施例3の変形態様1)
本実施例の変形態様1として、図9に示すように、第1ロータ1210”のロータコア1212”の内周側に各ロータ巻線1211a,1211bを区切る隔壁部材1212gが配設されている車両用駆動装置の実施が可能である。
隔壁部材1212gは、長方形の鋼板部材であって、各外周歯部1212dの中心線と対応する位置にそれぞれ配設されており、軸長方向の両端部で上記両ロータフレーム(図略)に固定されている。隔壁部材1212gのうち、ロータコア1212”の継鉄部1212cに固定ピン1214が挿置されていない部分に配設されているものは、継鉄部1212cの内周面に軸長方向に形成された溝に嵌合して中間部でも傾かないように固定されている。なお、隔壁部材1212gは、積層電磁鋼板製のロータコア1212”と同一の材質から形成されており、ロータコア1212”の磁路としての作用に悪影響を与えることはない。
【0117】
本変形態様では、ロータ巻線1211の巻装作業時に、前述の治具(図略)に背後から支えられた隔壁部材1212gがロータ巻線1211”の巻装空間を区画し、内周スロット1212b”を形成する。したがって本変形態様によれば、外周スロット1212a一つあたりのロータ巻線1211の幅を実施例3からほとんど狭めることなく内周スロット1212b”が形成されるので、実施例3の効果を保ったまま、巻き崩れがより完全に防止されるという効果がある。
【0118】
また、隔壁部材1212gには、実施例1および実施例2の内周歯部1212e,1212e’と同様に、ロータコア1212”を入力軸1213に対して同軸に保つ構造部材としての作用もある。したがって本変形態様によれば、特に高速回転時の信頼性が実施例3と比較して向上するという効果もある。
(実施例3の変形態様2)
本実施例の変形態様2として、図10に示すように、第1ロータ1210”の入力軸1213の外周面とロータ巻線1211との間に、冷却用流路1212fが形成されている車両用駆動装置の実施が可能である。
【0119】
本変形態様では、第1ロータ1210”の冷却用流路1212fへ冷媒を流通させる目的で、第1ロータ1210”の上記両ロータフレーム(図略)に複数の貫通孔が形成されている。同貫通孔は、上記両ロータフレームの肉抜きにもなっており、第1ロータ1210”の重量軽減および慣性モーメント軽減の効果をも生じさせる。
【0120】
本変形態様によれば、実施例1および実施例2と同様の冷却作用が、ほぼ実施例3の構成のままで得られるという効果がある。なお、前述の実施例3の変形態様1のように隔壁部材1212gを有すれば、高速回転時の信頼性が向上するばかりではなく、隔壁部材1212gが冷却フィンの作用をしてロータ巻線1211がより有効に冷却されるようになるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1としての車両用駆動装置の全体構成を示す側端面図
【図2】実施例1としての車両用駆動装置の要部構成を示す正端面図
【図3】実施例1の第1ロータの形状を示す正面図
【図4】実施例1の要部における磁路の一例を示す正端面図
【図5】実施例1の要部における磁路の他の例を示す正端面図
【図6】実施例2の第1ロータの構成を示す正端面図
【図7】実施例2の変形態様1の第1ロータの構成を示す正端面図
【図8】実施例3の第1ロータの構成を示す正端面図
【図9】実施例3の変形態様1の第1ロータの構成を示す正端面図
【図10】実施例3の変形態様2の第1ロータの構成を示す正端面図
【図11】先行技術の要部の磁路の一例を示す正端面図
【符号の説明】
100:エンジン 110:エンジン出力軸
200,400:インバータ 500:ECU 600:バッテリ
700:駆動輪(タイヤ/ホイール)
1000:車両用駆動装置、トルク−回転数コンバータ(T−Sコンバータ)
1200:回転数調整部
1210,1210’,1210”:第1ロータ(中心回転子)
1211:ロータ巻線
1211a,1211b:互いに相が異なるロータ巻線
1212:ロータコア(積層電磁鋼板製)
1212a:外周スロット
1212b,1212b’,1212b”:内周スロット
1212c:継鉄部 1212d:外周歯部(突極)
1212e,1212e’:内周歯部
1212f:冷却用流路 1212g:隔壁部材
1213:第1ロータ軸(入力軸) 1213a:内部ギヤ
1214:固定ピン
1310:第2ロータ(中間回転子)
1311:ロータヨーク(積層電磁鋼板製)
1311a:近接部 1311b:離間部
1311j:バックヨーク
1311k,1311l:磁路部
1311m:ピン孔 1311p:切り欠き部
1331:前部ロータフレーム 1331a:内部ギヤ
1332:後部ロータフレーム
1333:固定ピン 1334,1335:エンドプレート
1220:内側界磁磁石(板状の永久磁石)
1420:外側界磁磁石(板状の永久磁石)
1400:トルク調整部
1410:ステータ(固定子)
1411:ステータ巻線
1412:ステータコア(積層電磁鋼板製) 1412a:スロット
1510〜1514:ベアリング
1600:ブラシ部
1610:ブラシホルダ 1620:ブラシ
1630:スリップリング 1650:絶縁部
1660:リード部
1710:前部フレーム(機枠) 1720:後部フレーム(機枠)
1800:減速部 1811,1812:ギヤ
1900:ディファレンシャルギヤ部
1911,1912:回転角センサ 1920:カバーケース
d1:第1ロータ外径 d2:第2ロータ外径 g1,g2:エアギャップ
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関であるエンジンと回転電機との両方を備えているハイブリッド型車両用の電磁カップリング駆動装置の技術分野に属する。
【0002】
【従来の技術】
この分野の従来技術としては、本発明の発明者らが発明し本出願と同一の出願人が出願した「車両用駆動装置及びその駆動制御方法」があり、同技術は特開平9−56010号公報に開示されている。同公報には、互いに同軸で同心円的に配設されているステータ、第1ロータおよび第2ロータとを有する車両用駆動装置が開示されている。
【0003】
同車両用駆動装置では、ステータは、機枠に固定されており、中空円筒状に配設されたステータコアおよびステータ巻線を持つ。第1ロータは、このステータと同軸にこの機枠に対して回転自在に軸支されており、所定の間隔を空けてこのステータに対向し、エンジン出力軸と接続されている。第2ロータは、このステータと同軸にこの機枠に対して回転自在に軸支されており、外周界磁が貫通する外周面でこのステータに対向し、内周界磁が貫通する内周面でこの第1ロータに対向し、駆動輪の駆動軸と接続されている。
【0004】
従来技術としての上記車両用駆動装置では、発電機と電動機とが一体化されており、そのうえエンジン出力軸からの軸出力の一部は磁気トルクを介して直接的に駆動輪の駆動軸に伝達される。それゆえ、上記車両用駆動装置によれば、発電機と電動機とが別体である旧来の車両用駆動装置に比較して、小型軽量でありながら高い伝達効率が発揮されるという効果がある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記公報の車両用駆動装置では、なお小型軽量化に改善の余地が残されていた。
そこで本発明の発明者らは、先行技術として第2ロータの構成を工夫してさらに小型軽量な車両用駆動装置を発明し、すでに同一出願人から特願平9−135212号として出願済みである。
【0006】
同出願の車両用駆動装置では、第2ロータが、内周界磁を形成する複数の内周界磁磁石および外周界磁を形成する複数の外周界磁磁石と、両界磁磁石を保持し積層電磁鋼板からなるロータヨークとを有していた。それゆえ、第2ロータは強力な内周界磁および外周界磁を発生させるとともに、第2ロータ内部に理想的な磁路が形成されるので、第2ロータの薄型化および小型軽量化が可能であった。したがって、上記出願の車両用駆動装置によれば、第2ロータの小型軽量化に伴って、車両用駆動装置全体の小型軽量化と高効率化とが可能になるという効果がある。
【0007】
しかしながら、上記出願の車両用駆動装置では、第2ロータには特別な工夫が加えられているのにも係わらず、第1ロータは従来技術としての車両用駆動装置のままであった。すなわち、第1ロータは、通常の三相交流モータと同様に、整流子型のロータの構成をしており、ロータ巻線は突極(外周歯部)を巡ってロータコアに巻装されているので、スロットは深く磁路はロータコアの中央部付近ないし内周部にまで形成される。それゆえ、上記出願の車両用駆動装置は、特に第1ロータの構成において、なお小型軽量化の改善余地を残していた。
【0008】
そこで本発明は、よりいっそう小型軽量化された車両用駆動装置を提供することを解決すべき課題とする。
【0009】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記課題を解決するために、発明者らは以下の手段を発明した。
(第1手段)
本発明の第1手段は、請求項1記載の車両用駆動装置である。
本手段では、ステータと第1ロータとにそれぞれ電機子が形成されており、両者の間に介在する中空円筒状の第2ロータの内周面および外周面には、外周界磁および内周界磁がそれぞれ貫通する。それゆえ、第1ロータと第2ロータとの間に形成される内周磁気回路を適正に制御することにより、第1ロータと第2ロータとの間でトルクの授受が行われて回転電機が構成され、両者の間で回転数調整部の回転電機作用が発揮される。また、第2ロータとステータとの間に形成される外周磁気回路を適正に制御することにより、第2ロータとステータとの間でトルクの授受が行われて別の回転電機が構成され、トルク調整部の回転電機作用が発揮される。
【0010】
ここで、第1ロータはエンジン出力軸に接続されていてエンジンにより回転駆動され、いっぽう第2ロータは駆動輪の駆動軸に接続されており、同駆動軸を回転駆動するか逆に同駆動軸を制動する。エンジンの回転数はスロットル開度情報およびトルク負荷等の条件によりほぼ決まっており、駆動輪の駆動軸の回転数も搭載車両の走行速度によって一意に決まっている。それゆえ、第1ロータの回転数と第2ロータの回転数とはそれぞれ独立に決まっているものと考えられ、第1ロータと第2ロータとの間で形成される回転数調整部の回転電機作用では、両ロータの間での回転数の調整が主たる作用となる。この作用は、第1ロータのロータコアおよびロータ巻線からなる電機子が、電動作用をもつ場合にも発電作用を行う場合にも変わらない。
【0011】
一方、ステータのステータコアおよびステータ巻線からなる電機子は、第2ロータに適正なトルクを授受して第2ロータを所望の回転数で駆動する必要がある。なぜなら、搭載車両を所望の速度で走行させるには、駆動輪の駆動軸に連なる第2ロータに適正なトルクをかけて、第2ロータ1310を所望の回転数で駆動する必要があるからである。それゆえ、ステータと第2ロータとの間で形成されるトルク調整部の回転電機作用では、第2ロータに適正な駆動トルクを授受することが主たる作用となる。この作用は、ステータの電機子が、第2ロータに加速方向にトルクを加えて電動作用をもつ場合にも、第2ロータに減速方向にトルクを加えて発電作用を行う場合にも、変わらない。
【0012】
以上では、回転数調整部の回転電機作用とトルク調整部の回転電機作用との作用の違いを強調して、本手段の車両用駆動装置の作用を説明した。しかしながら要するに、ステータの電機子と第1ロータの電機子とを適正に制御して、第1ロータから第2ロータへ効率よく動力の伝達を行うことが本手段の車両用駆動装置の要諦である。すなわち、エンジン出力軸に接続されている第1ロータには適正なトルク負荷がかかるようにし、駆動輪の駆動軸に接続されている第2ロータには所望の回転数になるように適正なトルクをかけることである。
【0013】
なお、ステータの電機子の制御と第1ロータの電機子の制御とは、それぞれに電気的に接続されているインバータによってなされるように外部回路を構成することが可能である。また、回転数調整部およびトルク調整部にそれぞれ形成されている回転電機の発電作用およびまたは電動作用の結果生じる電力の余剰分や不足分は、各インバータに接続されたバッテリー(二次電池)との電力の授受で調整できるように外部回路を構成すると良い。そのうえでバッテリーの容量が十分に大きければ、あるいは適正にエンジン出力が制御されていれば、電力が不足したり無駄に消費されたりすることはない。
【0014】
また、通常の運転状態である搭載車両の前進時には、第1ロータの回転方向と第2ロータの回転方向とは同一方向であるから、第1ロータから第2ロータへの電磁力を介する動力伝達は比較的高い効率で行われる。
さて、本手段の特徴となっている第1ロータは、回転軸と同軸でリング状の継鉄部と同継鉄部から遠心方向に突出している複数の外周歯部とをもつ積層電磁鋼板からなるロータコアと、同ロータコアに巻装されているロータ巻線とを有する。すなわち、ロータコアは、積層電磁鋼板製であり、少なくとも中空円筒状の継鉄部と、複数の突極を形成する突条である外周歯部とから一体に構成されている。ロータ巻線は、互いに隣り合う外周歯部の間の外周スロットを通り、継鉄部の周囲を巡ってロータコアにおおむね半径方向の面内を通って巻装されている。それゆえ、軸心の延長方向から見ると(たとえば正面図)、ロータ巻線はおおむね半径方向に沿って放射状にロータコアに巻装されているように見える。
【0015】
第1ロータが以上のように構成されているので、第1ロータ内の磁路は、外周歯部と継鉄部とを通って形成され、継鉄部よりも内周側には形成されない。それゆえ、内周歯部は必須構成要素ではなく、ロータ巻線は継鉄部周りにコンパクトに巻装されるので、従来技術と比較しても先行技術と比較しても、第1ロータの外径を小さく収めて第1ロータを軽量化することが可能になる。
【0016】
また、ロータ巻線は継鉄部を巡って外周スロット毎に集中巻きされているので、ロータ巻線の組み付け性が向上するばかりではなく、製造時の巻装工程において張力を十分に強くかけながらロータ巻線をロータコアに巻装することができる。それゆえ、外周スロットに対するロータ巻線の線積率を向上させることができ、ロータ巻線がより密に巻かれるので、第1ロータの外径をさらに小さく形成することが可能になり、さらなる軽量化も可能となる。
【0017】
さらに、ロータ巻線が継鉄部を中心に集中巻きされているので、継鉄部によってロータが強固に保持されており、強大な遠心力がかかってもロータ巻線がロータコアから外れることがない。それゆえ、第1ロータの高速回転が可能となり、第1ロータの高速回転時の信頼性が向上するという効果もある。
したがって本手段によれば、第1ロータの小型化が可能で第1ロータの外径が小さく形成されれば、第2ロータおよびステータも小型軽量に構成されるので、車両用駆動装置全体をよりいっそう小型軽量化することが可能になる。また、第1ロータおよび第2ロータの慣性モーメントが低減されるので、車両用駆動装置の動的な応答性能も向上し、より急速な加速や減速も可能となる。
【0018】
そのうえ、本手段の車両用駆動装置は、構成がシンプルで軽量小型であるばかりではなく動力の伝達効率も比較的高いので、搭載車両の小型軽量化が可能である。それゆえ、搭載車両の動力性能および応答性をも向上させることが可能になり、併せて搭載車両の低燃費化および低公害化が達成され得る。
すなわち本手段によれば、よりいっそう小型軽量化された高効率の車両用駆動装置を提供することができるという効果がある。
【0019】
(第1手段の付記)
なお、本手段では、外側界磁磁石および内側界磁磁石という二種類の永久磁石と、これらの永久磁石を保持する積層電磁鋼板からなるロータヨークと、ロータヨークを貫通して固定している複数の固定ピンとから、第2ロータの要部が構成されていてもよい。そうすれば、第2ロータには巻線を有する電機子構造が装置されておらず、界磁を形成する上記二種類の永久磁石とロータヨークとを主たる機能要素としているので、第2ロータを比較的薄くかつ軽量に構成することが可能である。その結果、本手段の車両用駆動装置をいっそう小型軽量化することが可能になる。また、ステータおよび第1ロータに対して充分なトルクの授受が行えるだけの界磁を発生させながら、第2ロータの慣性モーメントを比較的小さく抑えることができるので、加速時および減速時の応答特性が向上する(時定数が短縮される)。
【0020】
したがって、第2ロータが上記構成を有すれば、前述の効果に加えて、車両用駆動装置をさらにいっそう小型軽量化することが可能になるばかりではなく、搭載車両の加速時および減速時の応答特性がよりいっそう向上するという効果がある。
なお、第2ロータは、積層電磁鋼板からなる中空円筒状のロータヨークと、ロータヨークに保持されている永久磁石、かご形導体、誘導巻線、および複数の突極を有する内外周面のうちいずれかとを有する構成を取ることも可能である。
【0021】
(第2手段)
本発明の第2手段は、請求項2記載の車両用駆動装置である。
本手段では、第1ロータのロータコアは、外周歯部と背向して継鉄部から求心方向に突出している複数の内周歯部を持つ。そして、ロータ巻線は、内周歯部の間に形成されている内周スロットと、外周歯部の間に形成されている外周スロットとを通って、継鉄部の周囲に巻装されている。
【0022】
それゆえ、内周歯部が内周スロットの隔壁の役目を果たし、ロータコアの内周部でのロータ巻線の巻き崩れが防止されており、ロータコアに対するロータ巻線の巻装作業が容易になる。また、求心方向に突出している内周歯部の先端部で回転軸と嵌合することにより、第1ロータのロータコアは強固に回転軸に固定される。
【0023】
したがって本手段によれば、第1ロータの巻装工程が容易になるとともに、第1ロータのロータコアが強固に回転軸に固定されるので、第1ロータの強度および信頼性が向上するという効果がある。
(第3手段)
本発明の第3手段は、請求項3記載の車両用駆動装置である。
【0024】
本手段では、第1ロータのロータコアの外周歯部および内周歯部は、互いに同数あり、それぞれ同一半径線上に配設されている。すなわち、外周スロットおよび内周スロットが、継鉄部に沿って周方向に互いに対応する位置に形成されており、継鉄部の周囲にロータ巻線を単純に集中巻きするすることが可能になるので、最短距離でロータ巻線を巻装することができる。すると、軸長方向の一端側から第1ロータを見て(たとえば正面図)、ロータ巻線が継鉄部の周囲に半径方向に沿って巻装されているように見える。
【0025】
このような状態でロータ巻線を巻装すると、巻装工程で最も高い張力をかけられるので、ロータ巻線の線積率を向上させることができる。また、強大な遠心加速度がかかっても、ロータ巻線に生じた遠心力はロータコアの継鉄部で支えられロータ巻線に無理な力が加わらないので、ロータ巻線の脱落や断線等の故障が生じにくい。
【0026】
したがって本手段によれば、前述の第2手段の効果に加えて、ロータ巻線の組み付け性が向上するので、第1ロータの製造が容易になりコストダウンになるほか、第1ロータのよりいっそうの小型軽量化とさらなる信頼性の向上とが得られるという効果がある。
(第4手段)
本発明の第4手段は、請求項4記載の車両用駆動装置である。
【0027】
本手段では、第1ロータのロータコアの外周歯部の周方向の幅は、内周歯部の周方向の幅よりも広く形成されており、換言すると内周歯部の幅が狭いので、内周スロットの周方向の幅がより広く取られている。それゆえ、内周スロットの周方向の幅を、外周スロットの周方向の幅と同程度に広く取ることも可能になり、内周スロットに配設されたロータ巻線の半径方向の寸法をより小さく抑制することが可能になる。その結果、内周スロットでのロータ巻線と内周歯部との半径方向の寸法はより短くて済むようになり、第1ロータをさらに小型化することが可能になる。
【0028】
なお、内周歯部は磁路としてはもともと機能していないので、本手段のように内周歯部を周方向に狭い幅で細く形成することは、第1ロータの電機子作用をいささかも損なうことはない。
したがって本手段によれば、前述の第2手段または第3手段の効果に加えて、第1ロータの電機子作用を全く損なうことなく、第1ロータをさらに小型化することが可能になるという効果がある。
【0029】
(第5手段)
本発明の第5手段は、請求項5記載の車両用駆動装置である。
本手段では、第1ロータのロータコアの外周歯部の数は内周歯部の数よりも多いので、外周スロットに対応する内周スロットの数も少ないが、内周歯部の数が少ない分だけ外周スロット一つあたりの内周スロットの幅は広い。それゆえ、内周スロットに配設されたロータ巻線の半径方向の寸法をより小さく抑制することが可能になる。その結果、前述の第4手段と同様に、内周スロットでのロータ巻線と内周歯部との半径方向の寸法はより短くて済むようになり、第1ロータをさらに小型化することが可能になる。
【0030】
前述のように、内周歯部は磁路としてはもともと機能していないので、本手段のように内周歯部の数が少なくても、第1ロータの電機子作用はいささかも損なわれることはない。
したがって本手段によれば、前述の第2手段の効果に加えて、第1ロータの電機子作用を全く損なうことなく、第1ロータをさらに小型化することが可能になるという効果がある。
【0031】
(第6手段)
本発明の第6手段は、請求項6記載の車両用駆動装置である。
本手段では、第1ロータのロータコアの外周歯部の数は内周歯部の数の二倍であり、すなわち内周スロットの数の二倍の数の外周スロットがロータコアに形成されている。それゆえ、たとえば二つの捲線機のノズルを互いにほぼ対向するように配設して、二つの外周スロットとこれらに対応する一つの内周スロットとにロータ巻線の巻装を同時に並行して施せば、巻き崩れを防ぎながら巻装工程を完了することができる。
【0032】
したがって本手段によれば、前述の第5手段の効果に加えて、適正に巻き崩れを防ぎながら巻装工程を完了することができるという効果がある。
(第7手段)
本発明の第7手段は、請求項7記載の車両用駆動装置である。
本手段では、第1ロータのロータ巻線はU,V,Wの各相からなる三相巻線であり、第1ロータに形成されている各外周スロットには、周方向にU,V,W,U,V,Wの順でロータ巻線が巻装されている。そして、これらの外周スロットに対応する内周スロットには、それぞれ同じ周方向に、U相の上にV相、W相の上にU相、V相の上にW相の順でこのロータ巻線が巻装されている。
【0033】
それゆえ、第6手段で前述したように二つの捲線機を使用する必要性はなく、一つの捲線機で順に巻装していけばよいので、巻き崩れの可能性がないばかりではなく、捲線機に対する特別な設備投資が必要ない。
また、上記の順で三相のロータ巻線を巻装していけば、どの相のロータ巻線も内周スロットの内周側(上層)と外周側(下層)とに交互に巻装される。それゆえ、特定の相だけのロータ巻線が長くなるような不都合が起こらず、三相のロータ巻線は互いに均等な長さで巻装される。
【0034】
したがって本手段によれば、前述の第6手段の効果に加えて、電気抵抗等の電磁気的な特性を三相の間で均等に保ちながら、捲線機に対する特別な設備投資が必要ないのでコストダウンできるという効果がある。
なお、本手段では、三相のロータ巻線の上層と下層とが三つの内周スロット毎に一巡するので、内周スロットの数はは三の倍数で形成されていることが望ましい。
【0035】
(第8手段)
本発明の第8手段は、請求項8記載の車両用駆動装置である。
本手段では、第1ロータの回転軸とロータ巻線との間に形成されている空間は冷却用の流体が流通する冷却用流路であり、同流路に冷却空気等の流体が流通して第1ロータのロータ巻線が直接的に冷却される。
【0036】
たとえば、本手段の車両用駆動装置の機枠内の空間では、軸長方向に一方から他方へ冷却空気が流れるものとすれば、第1ロータのロータ巻線のうち内周側の部分は前述のように回転軸とロータ巻線との間に流れる冷却空気で直接冷却される。一方、同ロータ巻線の外周側の部分は、第1ロータの外周面ないしロータ巻線の外周部と第2ロータの内周面との間の間隙を流通する冷却空気により、直接冷却される。また、同ロータ巻線の軸長方向の両端部も、冷却空気中で回転しているので、直接冷却されている。
【0037】
したがって本手段によれば、前述の各手段のうちいずれか効果に加えて、第1ロータ中で最も過熱しやすいロータ巻線の内周側の部分が直接冷却されるので、第1ロータのロータ巻線の焼損が防止され、信頼性が向上するという効果がある。
【0038】
【発明の実施の形態および実施例】
本発明の車両用駆動装置の実施の形態については、当業者に実施可能な理解が得られるよう、以下の実施例で明確かつ十分に説明する。
[実施例1]
(実施例1の全体構成)
本発明の実施例1としての車両用駆動装置1000は、図1に示すように、エンジン100の出力軸110からの軸出力を、必要に応じて増減し、適正なトルクおよび回転数で駆動輪700を駆動する装置である。それゆえ、軸出力の増減作用を除いて考えれば、本実施例の車両用駆動装置1000は、電磁力を介して作動する一種のトルク−回転数(T−S)コンバータとしてその作用をとらえることも可能である。
【0039】
本実施例の車両用駆動装置1000の要部は、機枠としての前部フレーム1710に固定されているステータ1410と、エンジン出力軸110に接続されている第1ロータ1210と、駆動輪700の駆動軸に接続されている第2ロータ1310とからなる。
ステータ1410は、積層電磁鋼板からなるステータコア1412とステータ巻線1411とからなり、ステータ巻線1411はインバータ400に三相で接続されている。
【0040】
第1ロータ1210は、ロータコア1212およびロータ巻線1211をもち、ステータ1410と同軸に軸支され、所定の間隔を空けてステータ1410の内周面に対向している。第1ロータ1210の入力軸1213は、先端部(図中左端部)に形成されている内部ギヤ1213aでエンジン100の出力軸110と接続されており、第1ロータ1210はエンジン100の軸出力によって回転駆動される。ロータ巻線1211は、U,V,Wの三相からなる巻線であり、ロータコア1212の継鉄部1212cの周りに各相毎に集中巻きされている。ロータ巻線1211はまた、第1ロータ1210の入力軸1213の後端部(図中右端部)に装置されているブラシ部1600を介して、三相で別のインバータ200に接続されている。
【0041】
ここでブラシ部1600は、後部フレーム1720に固定されているブラシホルダ1610に保持されているブラシ1620と、リード部1660で各ロータ巻線1211に接続されているスリップリング1630とからなる。ブラシホルダ1610、ブラシ1620、スリップリング1630およびリード部1660は、三相分でそれぞれ三セットずつある。各スリップリング1630の間は、絶縁部1650により互いに絶縁されている。なお、ブラシ部1600は、前部フレーム1710に固定されている後部フレーム1720の後端(図中右端)を封止するカバーケース1920によって覆われている。
【0042】
第2ロータ1310は、ステータ1410および第1ロータ1210と同軸に配設されている。すなわち、第2ロータ1310はその両端でステータ1410に固定されているベアリング1510,1513に回転自在に軸支されており、第1ロータ1210はその両端付近で第2ロータ1310に保持されているベアリング1511,1514に回転自在に軸支されている。それゆえ、第1ロータ1210と第2ロータ1310とは、磁気的な力学関係はあるものの、互いに独立に回転することが可能である。
【0043】
永久磁石1220,1420により界磁を形成する第2ロータ1310の要部は、肉厚が比較的薄い中空円筒状の形状をもち、ステータ1410の内周面と第1ロータ1210の外周面との間の前述の所定の間隔に収容されている。すなわち第2ロータ1310は、外周界磁を形成し外周界磁が貫通している外周面で、ステータ1410の内周面に対向し、内周界磁を形成し内周界磁が貫通している内周面で、第1ロータ1210の外周面に対向している。
【0044】
第2ロータ1310の上記要部は、外周界磁および内周界磁を形成する二種類の永久磁石1220,1420と、同永久磁石を保持している積層電磁鋼板からなるロータヨーク1311と、ロータヨーク1311を貫通して固定している固定ピン1333からなる。第2ロータ1310の上記要部の両端は、剛性が高いエンドプレート1334,1335から形成されており、各固定ピン1333は、エンドプレート1334,1335に形成されている貫通孔に圧入されている。それゆえ、組み立て工程の途中であっても上記要部が不用意に分解してしまうことはなくなり、組立が容易になる。
【0045】
エンドプレート1334,1335からさらに突出している各固定ピン1333の両端部は、それぞれ前部ロータフレーム1331と後部ロータフレーム1332とに圧入固定されている(あるいは図示しないネジ止めにより位置決めされて固定されている)。前述の各ベアリング1510〜1514は、前部ロータフレーム1331および後部ロータフレーム1332の内周側および外周側に、それぞれ取り付けられている。前部ロータフレーム1331の先端部(図中左端部)の外周には内部ギヤ1331aが形成されており、内部ギヤ1331aを介してギヤ1811が前部ロータフレーム1331の先端部に周方向に固定されている。ギヤ1811は、隣接する他のギヤ1812と噛み合って減速部1800を構成しており、第2ロータ1310は、減速部1800およびディファレンシャル・ギヤ部1900を介して駆動輪700の駆動軸と接続されている。
【0046】
なお、第1ロータ1210および第2ロータ1310の回転角度は、二つの回転角センサ1911,1912によってそれぞれ計測され、ECU(電子制御装置)500に入力される。ECU500は、二つの回転角センサ1911,1912からの情報と、アクセル開度やスロットル開度などの情報とから適正な制御則に基づいて演算を行い、前述の二つのインバータ200,400を制御する。両インバータ200,400は並列にバッテリ600に接続されており、バッテリ600は両インバータ200,400と電力の授受を行って、車両用駆動装置1000の発電作用による充電や電動作用による給電を行う。
【0047】
ここで、第1ロータ1210と第2ロータ1310との間には、内周磁気回路が形成されて、トルクの授受が行われる。そして、第1ロータ1210と第2ロータ1310との間では回転数が通常は異なっているので、エンジン100に接続されている第1ロータ1210から駆動輪700に接続されている第2ロータ1310に至る間に、ロータ回転数の調整が行われているものと見なすことができる。それゆえ、第2ロータ1310の永久磁石1220を含む部分と第1ロータ1210とをもって、回転数調整部1200と呼ぶことにする。
【0048】
一方、第2ロータ1310とステータ1410との間には、外周磁気回路が形成されてトルクの授受が行われる。そして、ステータ1410が第2ロータ1310に及ぼすトルクによって、第1ロータ1210が第2ロータ1310に及ぼすトルクの適正な第2ロータ1310のトルクに対する過不足の調整が行われる。それゆえ、第2ロータ1310の永久磁石1440を含む部分とステータ1410とをもって、トルク調整部1400と呼ぶことにする。
【0049】
なお、第1ロータ1210の回転方向と第2ロータ1310の回転方向とは、通常時すなわち搭載車両の前進時には、同一方向である。
(実施例1の要部構成)
本実施例の車両用駆動装置1000の要部は、図2に示すように、略円筒体状の第1ロータ1210と中空円筒状の第2ロータ1310と中空円筒状のステータ1410とから構成されている。第1ロータ1210、第2ロータ1310およびステータ1410は、図面に垂直な中心線Cを中心にして同軸に配設されている。
【0050】
前述のように(図1参照)、第1ロータ1210の入力軸1213はエンジン出力軸110に接続されており、第1ロータ1210は機枠1710,1720に対して回転自在に軸支されている。また、第2ロータ1310は駆動輪700に接続されており、機枠1710,1720に対して回転自在に軸支されている。そして第1ロータ1210の回転方向と第2ロータ1310の回転方向とは、通常時には同一方向である。一方、ステータ1410は、エンジン100に対して固定されている前部フレーム1710に収容されて、強固に固定保持されている。
【0051】
ステータ1410は、軸長方向に積層された多数枚の電磁鋼板からなるステータコア1412と、ステータコア1412のスロット1412aに巻装されているステータ巻線1411とから構成されている。
第1ロータ1210は、回転軸としての入力軸1213と、入力軸1213の周囲に軸長方向に積層された多数枚の電磁鋼板からなるロータコア1212と、ロータコア1212に巻装されているロータ巻線1211とから、構成されている。
【0052】
ロータコア1212は、入力軸1213と同軸に配設されリング状に形成されている継鉄部1212cと、継鉄部1212cから遠心方向に突出している複数の外周歯部1212dと、継鉄部1212cから求心方向に突出している複数の内周歯部1212eとからなる。内周歯部1212eと外周歯部1212dとはそれぞれ36本で同数あり、周方向等間隔に配設されていて互いに同一半径線上に配設されている。
【0053】
すなわち、各内周歯部1212eと各外周歯部1212dとは、継鉄部1212cを挟んで互いに背向して継鉄部1212cから突出している。それゆえ、互いに隣り合う外周歯部1212dの間に形成されている外周スロット1212aと、互いに隣り合う内周歯部1212eの間に形成されている内周スロット1212bとは、周方向に同一の位置にある。
【0054】
ロータ巻線1211は、外周スロット1212aおよび内周スロット1212bを通り、円筒体状の継鉄部1212cの周囲を巡ってロータコア1212に巻装されている。ロータ巻線1211は、U,V,Wの三相の巻線からなり、三相が周方向に順にロータコア1212に巻装されている。
すなわち、再び図1に示すように、ロータ巻線1211は、ロータコア1212の継鉄部1212cに集中巻きで巻装されており、外周スロット1212a内および内周スロット1212b内で軸長方向に延在している。
【0055】
また、ロータコア1212およびロータ巻線1211だけを図3に示すように、外周スロット1212aの中のロータ巻線1211と、内周スロット1212bの中のロータ巻線1211とは、軸長方向の両端部で互いに連続している。それゆえ、図3に示すように、ロータ巻線1211は上記両端部では半径方向に延在しているように見える。
【0056】
なお、再び図2に示すように、第1ロータ1210のロータコア1212の外周歯部1212dの周方向の幅は、内周歯部1212eの周方向の幅よりも広く形成されている。換言すると、内周歯部1212eは、周方向の幅が極端に狭く形成されており、できるだけ周方向に幅が広い内周スロット1212bを形成している。
【0057】
さらに、第1ロータ1210の入力軸1213の外周面と、内周スロット1212b内のロータ巻線1211との間に形成されている空間1212fは、冷却用の代替フレオンが流通する冷却用流路である。機枠としての前部フレーム1710および後部フレーム1720が形成する内部空間には、図示しない冷媒供給孔および冷媒排出孔が開口している。
【0058】
すなわち、同内部空間のブラシ部1600(図1参照)側の一端には、入力軸1213の外周面付近に冷媒供給孔(図略)が開口していて、冷媒としてのフレオンが気液混相で同冷媒供給孔から供給される。このフレオンは、上記一端側から、前述の冷却用流路1212fと、第1ロータ1210と第2ロータ1310との間の空間と、第2ロータ1310とステータ1410との間の空間とを通って、三者1210,1310,1410を冷却しながら他端側へ流入する。他端側へ流入したフレオンは、潜熱を奪って気相になっており、冷媒排出孔(図略)から排出された後、冷媒の外部回路(図略)で冷却され再び気液混合状態となって再び冷媒供給孔から供給される。こうして、冷媒としての上記フレオンは、本実施例の車両用駆動装置1000を冷却して循環する。
【0059】
なお、冷却用のフレオンを第1ロータ1210の冷却用流路1212fに流通させる目的で、前部ロータフレーム1331および後部ロータフレーム1332には、複数の貫通孔(図略)が形成されている。同貫通孔は、両ロータフレーム1331,1332の肉抜きにもなっており、第1ロータ1210の重量軽減および慣性モーメント軽減の効果をも生じる。
【0060】
第2ロータ1310の要部は、外側界磁磁石1420および内側界磁磁石1220と、両者1220,1420を所定の位置に保持しているロータヨーク1311と、ロータヨーク1311を貫通している複数の固定ピン1333とから構成されている。
外側界磁磁石1420は、それぞれ所定の厚さの平板状の永久磁石であり、第2ロータ1310の外周面に交番に磁極を向けるように第2ロータ1310の外周側に配設され、外周界磁を形成している。一方、内側界磁磁石1220は、それぞれ外側界磁磁石1420に比べて周方向の幅が約半分の所定の厚さの平板状の永久磁石であり、二枚一組になっている。そして内側界磁磁石1220は、それぞれの外側界磁磁石1420と対応する位置で、各外側界磁磁石1420と磁化方向(磁極方向)をそろえて、第2ロータ1310の内周側に配設され、内周界磁を形成している。
【0061】
ロータヨーク1311は、中空円筒状に積層された多数の電磁鋼板からなり、打ち抜かれた矩形の貫通孔に、外側界磁磁石1420および内側界磁磁石1220を保持している。なお、この矩形の貫通孔の隅の部分は、工作上の都合によりまた隅部への応力集中を防ぐために、突出した丸み部が形成されている。また、複数本の固定ピン1333は、積層電磁鋼板からなるロータヨーク1311に打ち抜かれた円形の貫通孔を軸長方向に貫通し、外側界磁磁石1420、内側界磁磁石1220およびロータヨーク1311を一体に固定している。
【0062】
内側界磁磁石1220は、前述のように、外側界磁磁石1420の各一枚に対してそれぞれ二枚が周方向に並べられている。内側界磁磁石1220は、外側界磁磁石1420の周方向中間部では外側界磁磁石1420に近接して近接部1311aを形成しており、外側界磁磁石1420の周方向端部では外側界磁磁石1420と離間して離間部1311bを形成している。そして各固定ピン1333は、軟磁性の鋼材からなる丸棒であり、離間部1311bに打ち抜きで形成されているロータヨーク1311のピン孔1311mを貫通して配設されている。なお、固定ピン1333の外周面はローレット仕上げされており、組立過程において固定ピン1333はロータヨーク1311のピン孔1311mに圧入固定されている。
【0063】
固定ピン1333の外径とピン孔1311mの内径とは、やや締まりばめ気味に公差が設定されている。それゆえ、固定ピン1333のローレット仕上げの効果とも相まって、ロータヨーク1311とそれを固定している固定ピン1333との間にガタがないので、第2ロータ1310が偏心する恐れがない。したがって、固定ピン1333のガタに起因して、第2ロータ1310のエアギャップg1,g2が詰まってしまったり、第2ロータ1310のダイナミックバランスが崩れてしまったりする恐れがなくなる。
【0064】
ここで、前述の近接部1311aおよび離間部1311bを形成しているロータヨーク1311のバックヨーク1311jの寸法、特に離間部1311bの寸法について考察を加えることにする。その際、固定ピン1333の透磁率および飽和磁束密度は、ロータヨーク1311のそれらとほぼ等しいものと仮定し、固定ピン1333の部分も、ロータヨーク1311と同等の磁気特性を持つものとして扱う。
【0065】
第2ロータ1310のロータヨーク1311を透過する磁束の状態には、様々な場合があり得る。たとえば、図4に示すように、第2ロータ1310の磁束がそのまま第1ロータ1210およびステータ1410に同等に達している場合がある。従来技術の磁路を示す図11に対して本実施例の磁路を示す図4を比較すると、本実施例では磁束が第1ロータ1210のロータコア1212の外周歯部1212dおよび継鉄部1212cを通っており、本実施例のロータコア1212中の磁路は従来技術の磁路よりも明らかに短い。それゆえ、本実施例の方が、第1ロータ1210中の磁路を形成する部材であるロータコア1212を軽量小型に形成することが可能である。
【0066】
また、図5に示すように、ステータ1410側からの磁束の一部が第2ロータ1310のバックヨーク1311jをバイパスして、比較的短い閉磁路を形成している場合もある。図示はしないが逆に、第1ロータ1210側からの磁束の一部が第2ロータ1310のバックヨーク1311jをバイパスして、比較的短い閉磁路を形成している場合もある。
【0067】
ここで、同じく図5に示すように、内側界磁磁石1220を含む回転数調整部1200の界磁の磁束が、第1ロータ1210の電機子の電磁作用により完全に相殺された場合を想定する。すると、ロータヨーク1311のバックヨーク1311jの離間部1311bの厚さは、トルク調整部1400に含まれる外側界磁磁石1420の磁束が通れるだけの幅を有すれば良いことになる。
【0068】
ここで、外側界磁磁石1420および内側界磁磁石1220は、ともに同一材料からなる希土類磁石である。また、希土類磁石が磁路内で生じる磁束密度は、通常0.8テスラ程度であり、ロータヨーク1311内に形成される磁路の磁束密度は、最大で通常1.0〜2.0テスラ程度である。そして、磁路として作用する離間部1311b(図4参照)の半径方向の幅をtとし、外側界磁磁石1420の一つあたりの周方向の幅をLとすれば、両者t,Lの間には次式の関係が成り立つ。
【0069】
1.0t < 0.8L/2 < 2.0t
したがって、ロータヨーク1311の離間部1311bの半径方向の幅tは、次式の範囲にあれば必要十分であることになる。
0.2L < t < 0.4L
実際の設計にあたっては、外側界磁磁石1420および内側界磁磁石1220の磁気特性と、ロータヨーク1311および固定ピン1333の磁気特性とが、かなり正確に与えられ得る。そこで、実運用上で離間部1311bを通すべき磁束の最大量を設定し、前述の考え方に基づいて固定ピン1333の直径および離間部1311bの半径方向の幅tを最小限に決定することが可能である。
【0070】
一方、ロータヨーク1311の近接部1311aにはほとんど磁束が通らない(図3および図4参照)ので、強度の許す範囲で半径方向の幅を狭く設定することが可能である。そして、外側界磁磁石1420および内側界磁磁石1220が平板状でありながら、ロータヨーク1311の近接部1311aから離間部1311bに移行するに連れて、バックヨーク1311jの半径方向の幅が増える。近接部1311aから離間部1311bに移るにつれてバックヨーク1311jを通すべき磁束は増大するので、その結果、バックヨーク1311j内はほぼ一定の磁束密度に保たれ、バックヨーク1311jの容積効率は優れたものとなっている。
【0071】
以上の考察から、外側界磁磁石1420および内側界磁磁石1220に安価な平板状の永久磁石を使用しながら、中空円筒状の第2ロータ1310の要部の厚みを必要最小限に抑制することができることが分かる。
以下では再び図2を参照して、なお本実施例の車両用駆動装置1000の要部について説明する。
【0072】
外側界磁磁石1420の外側に位置するロータヨーク1311の磁路部1311kは、第2ロータ1310の外周面にq軸方向(周方向)の磁路を形成しており、ステータ1410の変動磁界によりリラクタンストルクを発生させる作用がある。また、内側界磁磁石1220の内側に位置するロータヨーク1311の磁路部1311lは、第2ロータ1310の内周面にq軸方向の磁路を形成しており、第1ロータ1210の変動磁界によりリラクタンストルクを発生させる作用がある。それゆえ、ロータヨーク1311の磁路部1311k,1311lはともに、各界磁磁石1220,1420を保持する構造部材であるだけではなく、電磁的にも有効に作用する機能部材でもある。
【0073】
最後に、第1ロータ1210と第2ロータ1310との間のエアギャップg1と、第2ロータ1310とステータ1410との間のエアギャップg2について言及する。
第2ロータ1310の要部の外周面および内周面は、積層鋼板からなるロータヨーク1311により形成されているので、軸長方向両端をエンドプレート1334,1335で固定されている状態で、容易に切削ないし研削による仕上げ加工ができる。それゆえ、第1ロータ1210の外径d1に合わせてロータヨーク1311の内周面を加工し、最小限のエアギャップg1を精度良く形成することが可能である。同様に、ステータ1410の内径に合わせてロータヨーク1311の外周面を加工し、ロータヨーク1311の外径d2を適正に形成して、最小限のエアギャップg2を精度良く形成することが可能である。
【0074】
したがって、最小限のエアギャップg1,g2をもって第1ロータ1210、第2ロータ1310およびステータ1410からなる二重構造の回転電機を構成することができるので、本実施例の車両用駆動装置1000の直径はより小さく抑制される。また、エアギャップg1,g2が狭い分だけそこを通る磁気回路の効率が向上し、本実施例の車両用駆動装置1000の回転電機としての性能も向上する。
【0075】
(実施例1の作用)
本実施例の車両用駆動装置1000は、以上のように構成されているので、エンジン100の軸出力を駆動輪700に伝達し適宜に軸出力を増したり発電したりする車両用駆動装置1000として、以下のような作用を発揮する。
先ず、エンジン100の軸出力(すなわち入力軸1213への入力)が回転数2n[rpm]×トルクt[Nm]であり、第2ロータ1310からの軸出力を回転数n[rpm]×トルク2t[Nm]に変換したい場合を想定する。この場合、第1ロータ1210から第2ロータ1310へ軸出力が変換されるにあたり、回転数調整部1200では発電作用が行われ、逆にトルク調整部1400では電動作用が行われて、軸出力の変換(トルクコンバート)が行われる。
【0076】
すなわち、第1ロータ1210が回転数2nで回転しているのに対し、第2ロータ1310は回転数nでしか回転していないので、第1ロータ1210は第2ロータ1310から制動作用を受けていることになる。その際、第1ロータ1210に加えられている軸出力のトルクはtでしかないから、第1ロータ1210から第2ロータ1310へのトルク伝達量はtに限定される。したがって、以下の説明では簡単化のために電磁気的な損失を無視して考えると、第1ロータ1210では回転数(2n−n=n)×トルクt=エネルギーntの発電が行われる。言い換えると、ECU500は、インバータ200を制御して第1ロータ1210にエネルギーntだけの発電を行わせる。
【0077】
第1ロータ1210で発電された電気エネルギーntは、インバータ200を介して、二つのインバータ200,400、バッテリ600およびECU500からなる外部回路に導入される。そして、上記電気エネルギーntは、同外部回路からインバータ400を介してステータ1410に供給され、トルク調整部1400での電動作用により第2ロータ1310に対してトルクtを及ぼす。言い換えると、ECU500は、インバータ400を制御してステータ1410の回転磁界を形成し、回転数nで回転している第2ロータ1310に対して回転方向にトルクtを加える。
【0078】
ここで、前述のようなインバータ200,400の制御は、回転角センサ1911,1912による第1ロータ1210および第2ロータ1310のそれぞれの回転角の測定値に基づいて行われる。すなわち、ECU500で両回転角に基づいて適正な界磁制御計算が行われ、インバータ200,400に対して、第1ロータ1210および第2ロータ1310への通電タイミングが適正に指示される。
【0079】
その結果、回転数nで回転している第2ロータ1310に対し、第1ロータ1210からのトルクtとステータ1410からのトルクtとで、合計2tのトルクが回転方向にかかる。したがって、第1ロータ1210の軸入力2nt(回転数2n×トルクt)は、第2ロータ1310の軸出力2nt(回転数n×トルク2t)に減速変換される。
【0080】
次に、先ほどとは逆に、エンジン100の軸出力(すなわち入力軸1213への入力)が回転数n[rpm]×トルク2t[Nm]であり、第2ロータ1310からの軸出力を回転数2n[rpm]×トルクt[Nm]に変換したい場合を想定する。この場合、第1ロータ1210から第2ロータ1310へ軸出力が変換されるにあたり、回転数調整部1200では電動作用が行われ、逆にトルク調整部1400では発電作用が行われて、軸出力の変換が行われる。
【0081】
すなわち、第1ロータ1210が回転数nで回転しているのに対し、第2ロータ1310は回転数2nで回転するので、第1ロータ1210は第2ロータ1310を加速する方向に電動作用を及ぼすことになる。その際、第1ロータ1210に加えられている軸出力のトルクは2tであるから、このトルクを吸収するためには第1ロータ1210から第2ロータ1310へのトルク伝達量は2tでなければならない。したがって、第1ロータ1210では回転数(2n−n=n)×トルク2t=エネルギー2ntの電動作用が行われる。言い換えると、ECU500は、インバータ200を制御して第1ロータ1210にエネルギー2ntもの電動作用を行わせる。
【0082】
第1ロータ1210での電動作用に要する電気エネルギー2ntは、インバータ200を介して、上記外部回路から供給される。そして、上記電気エネルギー2ntは、同外部回路へインバータ400を介してステータ1410から供給されている。すなわち、ステータ1410は、ステータ1410を含むトルク調整部1400での発電作用により、回転数2nで回転している第2ロータ1310に対してトルクtの制動を及ぼす。言い換えると、ECU500は、インバータ400を制御してステータ1410の回転磁界を形成し、回転数2nで回転している第2ロータ1310に対して回転方向とは逆方向にトルクtを加えて、ステータ1410で発電を行わせる。
【0083】
その結果、回転数2nで回転している第2ロータ1310に対し、第1ロータ1210から加わるトルク2tと、ステータ1410から加わる制動トルクtとの差で、結局tのトルクが回転方向にかかる。したがって、第1ロータ1210の軸入力2nt(回転数n×トルク2t)は、第2ロータ1310の軸出力2nt(回転数2n×トルクt)に増速変換される。
【0084】
この増速変換と前述の減速変換とを比較すると、この増速変換では外部回路を介して伝達される電気エネルギーは2ntであり、前述の減速変換において外部回路を介して伝達される電気エネルギーntに比べて倍と大きい。それゆえ、増速変換は減速変換よりも電磁気的な損失が大きいので、本実施例の車両用駆動装置1000は、あまり増速変換での運用を行わず、主にやや減速変換気味で運用するようにした方が高効率で使用できる。したがって、エンジン100から駆動輪700に至るまでのギヤ比等の設定は、車両用駆動装置1000を減速気味で運用できるようになされているべきである。
【0085】
以上では第1ロータ1210への軸入力と第2ロータ1310からの軸出力とが等しい場合を取り上げて説明したが、実際には上記軸入力と上記軸出力とは一致しない場合がほとんどである。そこで、例えば上記軸入力が上記軸出力に及ばない場合には、その差はバッテリ600からの給電によるステータ1410およびまたは第1ロータ1210の電動作用で補われる。逆に、上記軸入力が上記軸出力を上回っている場合には、ステータ1410およびまたは第1ロータ1210で発電された電気エネルギーをもってバッテリ600に蓄電がなされる。
【0086】
その極端な場合の一例に、エンジンブレーキをかけて搭載車両を制動する場合がある。この場合には、上記軸入力が負である以上に上記軸出力が大きく負であり、駆動輪700に接続されている第2ロータ1310が形成する回転界磁によって、ステータ1410だけではなく第1ロータ1210でも発電が行われてバッテリ600に蓄電される。このようにエンジンブレーキをかける場合には、発電作用がステータ1410と第1ロータ1210との両方で行われ、一方に集中することがないので、ステータ1410も第1ロータ1210もあまり大きな発電容量を必要とされない。それゆえ、ステータ1410も第1ロータ1210もともに、比較的小型軽量に構成されうる。
【0087】
したがって、本実施例の車両用駆動装置1000を主にやや減速気味で運用するように搭載車両の駆動系の設計がなされていれば、電磁気的な損失も最小限に抑制され、極めて高効率での運用が可能になる。
(実施例1の効果)
本実施例の車両用駆動装置1000は、以上のような構成及び作用を有するので数々の効果を有するが、それらの効果は次の四点に要約される。
【0088】
第1の効果は、大幅な小型軽量化である。
その第1の理由は、再び図1〜図3に示すように、第1ロータ1210の構成にある。すなわち、第1ロータ1210は、外周歯部1212dおよび細い内周歯部1212eが継鉄部1212cから同一半径線上に突出しているロータコア1212と、ロータコア1212に巻装されているロータ巻線とを有する。ロータ巻線は、周方向の位置が対応している外周スロット1212aおよび内周スロット1212bを通り、継鉄部1212cの周囲を巡って、おおむね半径方向の面内を通り集中巻きでロータコア1212に巻装されている。
【0089】
それゆえ、第1ロータ1210内の磁路は、外周歯部1212dと継鉄部1212cに形成され、細い内周歯部1212eには形成されない。内周歯部1212eは、ロータ巻線1211の巻き崩れを防ぐ隔壁の作用と、第1ロータ1210を入力軸1213と同軸に保つ構造部材としての作用とを有すればよいので、前述のように周方向の幅が狭く形成されている。その結果、ロータ巻線1211は、継鉄部1212c周りに集中巻きで巻装され、半径方向の寸法が小さくコンパクトに巻装されるので、第1ロータ1210の外径を小さく収めて第1ロータ1210を軽量化することが可能になる。
【0090】
また、ロータ巻線1211は継鉄部1212cを巡って外周スロット1212aおよび内周スロット1212bに集中巻きされているので、製造時の巻装工程において、張力を十分に強くかけながらロータ巻線1211をロータコア1212に巻装することができる。それゆえ、外周スロット1212aに対するロータ巻線1211の線積率を向上させることができ、ロータ巻線1211がより密に巻かれるので、第1ロータ1210の外径をさらに小さく形成することが可能になり、さらなる小型軽量化が可能となる。
【0091】
そのうえ、ロータ巻線1211が継鉄部1212cを中心に集中巻きされているので、継鉄部によってロータが強固に保持されており、強大な遠心力がかかってもロータ巻線がロータコアから外れることがない。それゆえ、第1ロータの高速回転が可能となるので、高回転低トルクでの運用が可能となり、その結果、同じ仕事率を伝達するのであればよりいっそう小型軽量化が進む。
【0092】
したがって、第1ロータ1210の小型化が可能で第1ロータ1210の外径が小さく形成されれば、第1ロータ1210の外径に合わせて第2ロータ1310およびステータ1410も小型軽量に構成される。その結果、車両用駆動装置1000全体を、よりいっそう小型軽量化することが可能になる。
上記効果の第2の理由は、再び図1および図2に示すように、第2ロータ1310の構成にある。すなわち、前述のように、第2ロータ1310が極めて合理的に構成されており、低廉化と同時にさらなる小型化が可能になっている。第1ロータ1210の外径に合わせて第2ロータ1310の内径が小さくなっているばかりではなく、第2ロータ1310に形成される磁路が合理的に設計されているので、第2ロータ1310の薄型化が進む。それゆえ、第2ロータ1310の外径が内径の縮小分以上にさらに縮小され、第2ロータ1310の小型軽量化が進むからである。
【0093】
上記効果の第3の理由は、車両用駆動装置の上記要部が収容されている機枠1710,1720の内部空間に、気液混相状態の冷媒が供給され、第1ロータ1210、第2ロータ1310およびステータ1410が強制冷却されているからである。それゆえ、放熱に関する制約が大幅に緩和され、より高密度で第1ロータ1210、第2ロータ1310およびステータ1410が構成されるので、よりいっそうの小型軽量化が可能になる。
【0094】
その結果、本実施例の車両用駆動装置1000によれば、搭載車両の小型軽量化が可能になり、搭載車両の製品コストおよび運用コストの低廉化につながるとともに、軽量なので動力性能の向上にもつながるという効果が発揮される。
第2の効果は、動的応答性の向上である。
すなわち、本実施例の車両用駆動装置1000では、前述のように第1ロータ1210および第2ロータ1310が小型軽量化されているので、さらに大きな割合で両ロータ1210,1310の慣性モーメントが低減されている。すなわち、第1ロータ1210の慣性モーメントの低減はエンジンの回転数の高応答性につながり、第2ロータ1310の慣性モーメントの低減は駆動輪ひいては搭載車両の速度の高応答性につながる。その結果、車両用駆動装置の動的な応答性能も向上し、搭載車両のより急速な加速や減速も可能となるばかりではなく、搭載車両の燃費も向上するという効果も生じる。
【0095】
第3の効果は、製品のコストダウンである。
その第1の理由は、第1ロータ1210の構成にある。すなわち、第1ロータ1210は軽量化されているので、材料コストが低減されている。さらに、第1ロータ1210のロータ巻線1211は集中巻きであり巻装工程の工数が節減されているので、製造コストも低減されている。それゆえ、第1ロータ1210は、材料コストおよび製造コストが低減されているので、従来技術に比べてより安価に提供されるからである。
【0096】
その第2の理由は、第2ロータ1310の構成にある。すなわち、前述のように第2ロータ1310が既製品の永久磁石を材料として合理的かつ製造容易に構成されているので、第2ロータ1310の材料コストおよび製造コストを抑制することができるからである。
したがって、本実施例の車両用駆動装置1000を搭載した車両は、前述の運用費(すなわち燃費)ばかりではなく、製品コストまで低廉化されるという効果がある。すなわち、車両用駆動装置1000のコストダウンばかりではなく、前述の車両用駆動装置1000の小型軽量化による車両の小型軽量化によって搭載車両のコストダウンがさらに進むので、両者のコストダウンが相まって搭載車両をより安価に供給できるようになる。
【0097】
第4の効果は、信頼性の向上である。
その第1の理由は、第1ロータ1210の構成にある。すなわち、第1ロータ1210のロータ巻線1211は、ロータコア1212の継鉄部1212cに集中巻きで巻装されているので、強力な遠心加速度がかかってもロータ巻線1211がロータコア1212から脱落しにくいからである。それゆえ、第1ロータ1210は、特に高速回転時の信頼性が向上している。
【0098】
また、第1ロータ1210に冷却用流路1212fが形成されており、車両用駆動装置1000の要部中で最も過熱しやすいロータ巻線1211の入力軸1213に近い部分の過熱が防止されている。それゆえ、特に高負荷運転時の信頼性が向上している。
上記効果の第2の理由は、第2ロータ1310の構成にある。すなわち、前述のように、第2ロータ1310には巻線などが無く、簡素で剛性の高い構成をしているので、第2ロータ1310に強力な遠心加速度がかかっても、部品の脱落や不都合な変形が生じにくいからである。それゆえ、第2ロータ1310は、特に高速回転時の信頼性が向上している。
【0099】
(実施例1の付記)
前述の実施例1とは逆に、第1ロータ1210を駆動輪700に接続し、第2ロータ1310をエンジン100に接続する構成でも、車両用駆動装置を構成することも可能ではある。
しかしながら、エンジンブレーキ作動時等を除く通常の運用においては、エンジン100の方が駆動輪700よりも回転数が高いことを考慮に入れれば、車両用駆動装置1000は減速側で運用されるべきものである。すると、前述の構成では実施例1とは逆に、第1ロータ1210の回転数が第2ロータ1310の回転数よりも低くなり、電磁的な損失が増えるので第2ロータ1310から第1ロータ1210への動力伝達効率はあまり高いとは言えない。
【0100】
かといって、エンジン100から第2ロータ1310に至るまでに減速比の大きい減速機を挿置すれば、第1ロータ1210の回転数を第2ロータ1310の回転数よりも高くできるが、新たに二つの不都合を生じる。第1の不都合は、減速機による機械的な損失が大きくなることと、減速機の重量及び容積が増えて小型軽量化の妨げになることである。第2の不都合は、車両用駆動装置が低速回転で強大なトルクを伝達するようになるので、車両用駆動装置自身を小型軽量化するのが難しくなり、やはり小型軽量化の妨げになることである。
【0101】
それゆえ、エンジン100および駆動輪700と第1ロータ1210および第2ロータ1310との接続は、実施例1のようにするのがほとんどの面で実効性が高いと考えられる。
また、通常の運用時すなわち車両の前進時に、第1ロータ1210と第2ロータ1310とが逆方向に回転するように構成することも可能ではある。しかし、このような構成では電磁的な損失も機械的な損失も大きくなり、動力伝達効率の低下をきたすので、好ましいことではない。
【0102】
なお、エンジン100としては、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどのレシプロエンジンに限定される必要はなく、ロータリエンジンやターボシャフトエンジンなどであっても良く、極論すれば蒸気機関などであっても良い。
[実施例2]
(実施例2の構成)
本発明の実施例2としての車両用駆動装置は、第1ロータ1210’のみが実施例1と異なり、その他の点では実施例1と同様である。
【0103】
すなわち、図6に示すように、本実施例の第1ロータ1210’では、ロータコア1212’の外周歯部1212dの数は、内周歯部1212e’の数よりも多く、内周歯部1212e’の数の二倍である。分かり易く言うと、実施例1と比較して内周歯部1212eが一本置きに間引かれており、本実施例の内周歯部1212e’の数は実施例1の内周歯部1212eの半分である。すなわち、内周スロット1212b’の数が実施例1から半減しており、内周スロット1212bの周方向の幅は実施例1の二倍以上に増えている。ロータコア1212’のうち、内周歯部1212e’だけが実施例1と異なっており、外周歯部1212dおよび継鉄部1212cは実施例1と同様である。
【0104】
それゆえ、外周スロット1212aでは実施例1と同様にロータ巻線1211a,1211bが巻装されているが、内周スロット1212b’では実施例1と異なって、ロータ巻線1211a,1211bが一つの内周スロット1212b’に並んで巻装されている。そして、互いに相が異なるロータ巻線1211a,1211bの一つあたりに割り当てられている内周スロット1212b’の周方向の幅、すなわち内周スロット1212b’の周方向の幅の半分は、実施例1よりもいくぶん広く取られている。
【0105】
内周スロット1212b’を半割にして、その中に二つの相のロータ巻線1211a,1211bを巻装するには、互いにノズルが対向する二台の捲線機を同期して運転するなどし、ロータ巻線1211a,1211bを並行して巻装すればよい。
なお、第1ロータ1210’の入力軸1213と内周スロット1212b’内のロータ巻線1211との間にできる空間が、冷却用流路1212fを形成している点では、本実施例は実施例1と同様である。
【0106】
(実施例2の作用効果)
前述のように、ロータ巻線1211a,1211bの一つあたりに割り当てられている内周スロット1212b’の周方向の幅は、実施例1よりもいくぶん広く取られている。それゆえ、巻装されたロータ巻線1211a,1211bの周方向の幅が大きい分、半径方向の高さは小さくなるので、第1ロータ1210’の外径をより小さく構成することが可能になる。第1ロータ1210’の外径が小さくなれば、第2ロータ1310(図2参照)の内径および外径も小さくなり、同様にステータ1410の直径も小さくなって、車両用駆動装置1000全体がさらに軽量小型化される。
【0107】
したがって本実施例によれば、第1ロータ1210’、第2ロータ1310およびステータ1410の直径が小さく形成されるので、車両用駆動装置1000全体がさらに軽量小型化されるという効果がある。また、同様の理由で、車両用駆動装置1000の動的応答性がさらに向上するという効果もある。
(実施例2の変形態様1)
本実施例の変形態様1として、図7に示すように、第1ロータ1210’の内周スロット1212b’でのロータ巻線1211の巻装の仕方が、実施例2と異なる車両用駆動装置の実施が可能である。
【0108】
すなわち本変形態様では、第1ロータ1210’のロータ巻線1211は、U,V,Wの各相からなる三相巻線であり、第1ロータ1210’に形成されている各外周スロット1212aには、周方向にU,V,W,U,V,Wの順でこのロータ巻線1211a,1211bが巻装されている。そして、これらの外周スロット1212aに対応する内周スロット1212b’には、それぞれ同じ周方向に、U相の上にV相、W相の上にU相、V相の上にW相の順でロータ巻線1211a,1211bが巻装されている。
【0109】
それゆえ、本変形態様では、前述の実施例2のように二つの捲線機を使用する必要性はなく、一つの捲線機で順に巻装していけばよいので、巻き崩れの可能性がないばかりではなく、捲線機に対する特別な設備投資が必要ない。
また、上記の順で三相のロータ巻線1211を巻装していけば、どの相のロータ巻線1211も内周スロット1212b’の内側と外側とに交互に巻装される。それゆえ本変形態様では、特定の相だけのロータ巻線1211が長くなるような不都合が起きることがなく、三相のロータ巻線1211は互いに均等な長さで巻装される。
【0110】
したがって本変形態様によれば、前述の実施例2の効果に加えて、電気抵抗等の電磁気的な特性を三相のロータ巻線1211の間で均等に保ちながら、捲線機に対する特別な設備投資が必要ないのでいっそうのコストダウンができるという効果がある。
[実施例3]
(実施例3の構成)
本発明の実施例3としての車両用駆動装置は、第1ロータ1210”のみが実施例1と異なり、その他の点では実施例1と同様である。
【0111】
すなわち、図8に示すように、本実施例の第1ロータ1210”では、ロータコア1212”に内周歯部1212eが無く、ロータコア1212”は継鉄部1212cおよび外周歯部1212dから構成されている。そして、ロータコア1212”には、外周歯部1212dの根本部分にあたる継鉄部1212cに、一つ置きに等間隔で貫通孔が形成されており、それぞれの同貫通孔に固定ピン1214が挿置されている。
【0112】
第1ロータ1210”のロータコア1212”の両端部には、それぞれ図示しないロータフレームが接合されており、各固定ピン1214は、両ロータフレームに固定されている。両ロータフレームは、第1ロータ1210”の入力軸1213に固定されているので、各固定ピン1214は、両ロータフレームを介してロータコア1212”を入力軸1213に対して同軸に固定保持している。
【0113】
なお、各固定ピン1214は、ロータコア1212”の積層電磁鋼板と同程度の磁気特性をもつ材質で形成されているので、ロータコア1212”中の磁路の形成に対して悪影響を与えることがない。
第1ロータ1210”のロータ巻線1211は、ロータコア1212”の継鉄部1212cに集中巻きされる際に、巻き崩れしないように側面から側壁状の治具(図略)を当接された状態で巻装される。実施例1および実施例2と異なって内周歯部1212e,1212e’がないので、その分継鉄部1212cの内周側でのロータ巻線1211の周方向の幅が広く取れる。それゆえ、継鉄部1212cの内周側でのロータ巻線1211の半径方向の高さが小さく抑えられ、その結果、第1ロータ1210”を実施例2よりもさらに小さな外径で構成することが可能になる。
【0114】
また、第1ロータ1210”のロータ巻線1211は、入力軸1213の外周面に軽く当接しており、入力軸1213の熱伝導作用によってある程度冷却される。
(実施例3の作用効果)
前述のように、ロータ巻線1211a,1211bの一つあたりに割り当てられている継鉄部1212cの内側の空間の周方向の幅は、実施例2よりもさらに広く取られている。それゆえ、巻装されたロータ巻線1211a,1211bの周方向の幅が大きい分、半径方向の高さはさらに小さくなるので、第1ロータ1210”の外径をより小さく構成することが可能になる。第1ロータ1210”の外径がさらに小さくなれば、第2ロータ1310(図2参照)の内径および外径もさらに小さくなり、同様にステータ1410の直径もさらに小さくなって、車両用駆動装置1000全体がさらに軽量小型化される。
【0115】
したがって本実施例によれば、実施例2よりもさらに小さい外径で第1ロータ1210”、第2ロータ1310およびステータ1410が構成されるので、車両用駆動装置1000全体がさらに軽量小型化されるという効果がある。また、同様の理由で、車両用駆動装置1000の動的応答性がさらに向上するという効果もある。
【0116】
(実施例3の変形態様1)
本実施例の変形態様1として、図9に示すように、第1ロータ1210”のロータコア1212”の内周側に各ロータ巻線1211a,1211bを区切る隔壁部材1212gが配設されている車両用駆動装置の実施が可能である。
隔壁部材1212gは、長方形の鋼板部材であって、各外周歯部1212dの中心線と対応する位置にそれぞれ配設されており、軸長方向の両端部で上記両ロータフレーム(図略)に固定されている。隔壁部材1212gのうち、ロータコア1212”の継鉄部1212cに固定ピン1214が挿置されていない部分に配設されているものは、継鉄部1212cの内周面に軸長方向に形成された溝に嵌合して中間部でも傾かないように固定されている。なお、隔壁部材1212gは、積層電磁鋼板製のロータコア1212”と同一の材質から形成されており、ロータコア1212”の磁路としての作用に悪影響を与えることはない。
【0117】
本変形態様では、ロータ巻線1211の巻装作業時に、前述の治具(図略)に背後から支えられた隔壁部材1212gがロータ巻線1211”の巻装空間を区画し、内周スロット1212b”を形成する。したがって本変形態様によれば、外周スロット1212a一つあたりのロータ巻線1211の幅を実施例3からほとんど狭めることなく内周スロット1212b”が形成されるので、実施例3の効果を保ったまま、巻き崩れがより完全に防止されるという効果がある。
【0118】
また、隔壁部材1212gには、実施例1および実施例2の内周歯部1212e,1212e’と同様に、ロータコア1212”を入力軸1213に対して同軸に保つ構造部材としての作用もある。したがって本変形態様によれば、特に高速回転時の信頼性が実施例3と比較して向上するという効果もある。
(実施例3の変形態様2)
本実施例の変形態様2として、図10に示すように、第1ロータ1210”の入力軸1213の外周面とロータ巻線1211との間に、冷却用流路1212fが形成されている車両用駆動装置の実施が可能である。
【0119】
本変形態様では、第1ロータ1210”の冷却用流路1212fへ冷媒を流通させる目的で、第1ロータ1210”の上記両ロータフレーム(図略)に複数の貫通孔が形成されている。同貫通孔は、上記両ロータフレームの肉抜きにもなっており、第1ロータ1210”の重量軽減および慣性モーメント軽減の効果をも生じさせる。
【0120】
本変形態様によれば、実施例1および実施例2と同様の冷却作用が、ほぼ実施例3の構成のままで得られるという効果がある。なお、前述の実施例3の変形態様1のように隔壁部材1212gを有すれば、高速回転時の信頼性が向上するばかりではなく、隔壁部材1212gが冷却フィンの作用をしてロータ巻線1211がより有効に冷却されるようになるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1としての車両用駆動装置の全体構成を示す側端面図
【図2】実施例1としての車両用駆動装置の要部構成を示す正端面図
【図3】実施例1の第1ロータの形状を示す正面図
【図4】実施例1の要部における磁路の一例を示す正端面図
【図5】実施例1の要部における磁路の他の例を示す正端面図
【図6】実施例2の第1ロータの構成を示す正端面図
【図7】実施例2の変形態様1の第1ロータの構成を示す正端面図
【図8】実施例3の第1ロータの構成を示す正端面図
【図9】実施例3の変形態様1の第1ロータの構成を示す正端面図
【図10】実施例3の変形態様2の第1ロータの構成を示す正端面図
【図11】先行技術の要部の磁路の一例を示す正端面図
【符号の説明】
100:エンジン 110:エンジン出力軸
200,400:インバータ 500:ECU 600:バッテリ
700:駆動輪(タイヤ/ホイール)
1000:車両用駆動装置、トルク−回転数コンバータ(T−Sコンバータ)
1200:回転数調整部
1210,1210’,1210”:第1ロータ(中心回転子)
1211:ロータ巻線
1211a,1211b:互いに相が異なるロータ巻線
1212:ロータコア(積層電磁鋼板製)
1212a:外周スロット
1212b,1212b’,1212b”:内周スロット
1212c:継鉄部 1212d:外周歯部(突極)
1212e,1212e’:内周歯部
1212f:冷却用流路 1212g:隔壁部材
1213:第1ロータ軸(入力軸) 1213a:内部ギヤ
1214:固定ピン
1310:第2ロータ(中間回転子)
1311:ロータヨーク(積層電磁鋼板製)
1311a:近接部 1311b:離間部
1311j:バックヨーク
1311k,1311l:磁路部
1311m:ピン孔 1311p:切り欠き部
1331:前部ロータフレーム 1331a:内部ギヤ
1332:後部ロータフレーム
1333:固定ピン 1334,1335:エンドプレート
1220:内側界磁磁石(板状の永久磁石)
1420:外側界磁磁石(板状の永久磁石)
1400:トルク調整部
1410:ステータ(固定子)
1411:ステータ巻線
1412:ステータコア(積層電磁鋼板製) 1412a:スロット
1510〜1514:ベアリング
1600:ブラシ部
1610:ブラシホルダ 1620:ブラシ
1630:スリップリング 1650:絶縁部
1660:リード部
1710:前部フレーム(機枠) 1720:後部フレーム(機枠)
1800:減速部 1811,1812:ギヤ
1900:ディファレンシャルギヤ部
1911,1912:回転角センサ 1920:カバーケース
d1:第1ロータ外径 d2:第2ロータ外径 g1,g2:エアギャップ
Claims (8)
- 機枠に固定されており、中空円筒状に配設されたステータコアおよびステータ巻線を持つステータと、
このステータと同軸にこの機枠に対して回転自在に軸支されており、所定の間隔を空けてこのステータに対向し、エンジン出力軸と接続されている第1ロータと、
このステータと同軸にこの機枠に対して回転自在に軸支されており、外周界磁が貫通する外周面でこのステータに対向し、内周界磁が貫通する内周面でこの第1ロータに対向し、駆動輪の駆動軸と接続されている第2ロータと、
を有する車両用駆動装置において、
前記第1ロータは、
前記エンジン出力軸と接続されている回転軸と、
この回転軸と同軸に配設されリング状に形成されている継鉄部とこの継鉄部から遠心方向に突出している複数の外周歯部とを持つ積層電磁鋼板からなるロータコアと、
互いに隣り合うこの外周歯部の間に形成されている外周スロットを通り、この継鉄部の周囲を巡ってこのロータコアに巻装されているロータ巻線と、
を有し、
前記第1ロータと前記第2ロータとの間に内周磁気回路が形成されてトルクの授受が行われ、この第2ロータと前記ステータとの間に外周磁気回路が形成されてトルクの授受が行われ、この第1ロータの回転方向とこの第2ロータの回転方向とは搭載車両の前進時に同一方向であることを特徴とする、
車両用駆動装置。 - 前記第1ロータの前記ロータコアは、前記継鉄部から求心方向に突出している複数の内周歯部を持ち、
前記ロータ巻線は、互いに隣り合うこの内周歯部の間に形成されている内周スロットと前記外周スロットとを通って前記継鉄部の周囲に巻装されている、
請求項1記載の車両用駆動装置。 - 前記第1ロータの前記ロータコアの前記外周歯部および前記内周歯部は、互いに同数あり、それぞれ同一半径線上に配設されている、
請求項2記載の車両用駆動装置。 - 前記第1ロータの前記ロータコアの前記外周歯部の周方向の幅は、前記内周歯部の周方向の幅よりも広い、
請求項2〜3のうちいずれかに記載の車両用駆動装置。 - 前記第1ロータの前記ロータコアの前記外周歯部の数は、前記内周歯部の数よりも多い、
請求項2記載の車両用駆動装置。 - 前記第1ロータの前記ロータコアの前記外周歯部の数は、前記内周歯部の数の二倍である、
請求項5記載の車両用駆動装置。 - 前記第1ロータの前記ロータ巻線は、U,V,Wの各相からなる三相巻線であり、
前記第1ロータに形成されている各外周スロットには、周方向にU,V,W,U,V,Wの順でこのロータ巻線が巻装されており、
これらの外周スロットに対応する内周スロットには、それぞれ同じ周方向に、U相の上にV相、W相の上にU相、V相の上にW相の順でこのロータ巻線が巻装されている、
請求項6記載の車両用駆動装置。 - 前記第1ロータの前記回転軸と前記ロータ巻線との間に形成されている空間は、冷却用の流体が流通する冷却用流路である、
請求項1〜7のうちいずれかに記載の車両用駆動装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP20019497A JP3578308B2 (ja) | 1997-07-25 | 1997-07-25 | 車両用駆動装置 |
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JP20019497A JP3578308B2 (ja) | 1997-07-25 | 1997-07-25 | 車両用駆動装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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