JP4062472B2

JP4062472B2 - 車両用回転電機

Info

Publication number: JP4062472B2
Application number: JP32824599A
Authority: JP
Inventors: 慶一郎伴在
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1999-11-18
Filing date: 1999-11-18
Publication date: 2008-03-19
Anticipated expiration: 2019-11-18
Also published as: JP2001145311A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はエンジンと変速機の間に介在させてエンジンを始動したり、エンジンのトルクをアシストしたり、車両の走行エネルギーを回生したりする車両用回転電機の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平１１ー７８５５８号公報は、車両用回転電機をエンジンと変速機の間にて、クランクシャフトと同軸に配置され、クランクシャフトにより駆動される回転子と、ロータの周面に対面する周面を有してハウジングに固定される固定子とを備える車両用回転電機（以下、リヤ配置型車両用回転電機）を提案している。
【０００３】
更に、近年、車載電気負荷の大容量化に伴い、自動車用電源の高圧化（たとえば４２Ｖ系）を従来の１４Ｖ系と併設することが提案されており、このため、従来の１４Ｖの低圧バッテリ充電用の発電機（オルタネータ）に加えて、４２Ｖで作動する回転電機を追設して、たとえばエアコン用コンプレッサなどの大容量補機を駆動することが要望されている。以下、この電源方式を二電源方式と略称する。
【０００４】
この二電源方式では、低圧バッテリは従来の車載電子装置などの小容量負荷に給電し、高圧バッテリはモータなどの大容量負荷に給電する。モータへの高圧給電は配線損失やモータ内損失を低減し、モータ制御装置の半導体の小型化やワイヤハーネスの軽量化を図ることができる。なお、従来ではこの種の大容量補機を電動駆動するようにすると、交差点などの一時停止などでエンジンを停止してエミッションや燃費を改善することも可能となり、更に高圧バッテリの大蓄電電力エネルギーを用いて、高圧発電機を電動動作させてエンジン始動、回生制動、トルクアシストを低損失で実現できるという利点も生じる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のリヤ配置型車両用回転電機は、エンジン前部に装備される従来のフロント配置型車両用回転電機に比較して、エンジン前部にベルトに沿ってこの車両用回転電機以外の補機を増設することを可能とし、更にこのベルトにより近年必要となりつつある大出力の車両用回転電機の駆動のために小径の回転電機用プ−リ−とベルトとの滑りを防止するという問題を根本的に解決することができる。
【０００６】
しかしながら、この従来のリヤ配置型車両用回転電機は、クランクシャフトとその後方のクラッチやトルクコンバ−タなどのトルク伝達機構との間に介設されるので、その分だけパワ−トレイン長が増大し、それを囲むハウジングを含めてパワ−トレインが大型、大重量となり、搭載必要スペ−スも拡大する必要があり、実用化する上の大きな問題点となっており、更に、パワートレイン長の増大により車体振動が増大するという問題も派生した。
【０００７】
また、前述した二電源方式は２台の発電機の装備を要求するので、発電機を含む回転系（パワートレイン）の配設スペース、コスト、重量の増大が問題となっていた。
【０００８】
本発明は上記の問題点に鑑みなされたものであり、パワ−トレインの体格、重量の増大や車体振動の増大を抑止しつつ、エンジン前部の補機駆動系による大出力車両用回転電機の駆動困難性を解決するとともに、二電源方式などで必要となる複数の回転電機を搭載スペースや重量の増加を抑止しつつ実現することをその目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する請求項１記載の車両用回転電機は、クランクシャフトと同軸配置されるリヤ配置型車両用回転電機であって、略円筒状の固定子の両周面に個別に電磁結合する内側ロータ部及び外側ロータ部をもつ回転子を採用し、これら両ロータ部に個別に対面して２セットの多相巻線を共通の単一固定子鉄心に巻装する構成を採用するので、以下の作用効果を奏する。
【００１０】
まず、大出力化された車両用回転電機をエンジン前部にてベルト駆動する必要がないのでエンジン前部におけるベルトに沿っての車両用補機配列の自由度が増し、また高出力の車両用回転電機をこのベルトで駆動するためにベルト滑り損失やそれによる発熱対策を講じる必要がない。
【００１１】
また、ステータの内周側及び外周側にそれぞれロータ部を配するので、車両用回転電機の軸長を略半減することができ、エンジン後端面とクラッチなどのトルク伝達機構との間の回転電機収容スペースの軸方向長を短縮して、パワ−トレイン長を短縮し、それを囲むハウジングを含めてパワ−トレインの小型軽量化を実現し、パワートレイン長増大による車体振動の増大を防止することができる。
【００１２】
なお、２つのロータ部を径方向に重ねることにより、車両用回転電機の径方向長が増大するが、これは、この２つのロータ部をもつ車両用回転電機の回転子のフライホイル効果を増大させるので、フライホイル専用の回転質量部材を減らすことができる。すなわち、本構成の車両用回転電機の回転子はフライホイルの一部又は全部を兼ねるがフライホイルは平均半径の二乗に比例してその慣性質量が増大するので、車両用回転電機の回転子重量あたりのフライホイル効果は、本構成の径方向２ロータ部形状の回転子構造により、たとえば上記公報の単一ロータ部形状の車両用回転電機に比較して格段に向上する。
【００１３】
また、２セットの固定子巻線を両ロータ部が形成する２つの回転磁界の両方に個別に鎖交させるので、１固定子と２ロータ部とで実質２つの回転電機を形成することができ、固定子重量や回転電機搭載スペースの削減を実現することができ、簡素な構成の二電源方式の自動車電源装置を実現することができる。
【００１４】
更に、この車両用回転電機は、クランクシャフト直結であるので、従来のベルト駆動の車両用回転電機に比較して大トルクを発生でき、このため、両多相巻線の少なくとも一方にエンジンのトルク変動と逆位相でクランクシャフトに制振トルクを発生させる電流を通電して、制振を行うことができ、その分だけフライホイルの小型軽量化によるパワートレインの小型軽量化を実現することができる。
【００１５】
更に、本構成の車両用回転電機では、一対の多相巻線は、それぞれ異なる双方向交直変換器を通じて互いに端子電圧が異なる一対の車載バッテリに個別に接続されるので、車両用二電源方式に用いられる２つの発電機を実質的に一つの車両用回転電機で実現でき、設置スペース、重量を減らし、取付作業を簡素化することができる。更に、高圧大出力の多相巻線はクランクシャフトを効率よくクランクシャフトに大きなエンジン始動トルクを与えることができるので、スタータを省略して一層の構成簡素化を図ることができる。
【００１６】
請求項２記載の構成によれば請求項１記載の車両用回転電機において更に、外周側の多相巻線は高圧側の車載バッテリから給電される。このようにすれば、周速が大きい外側ロータ部と電磁結合して１本のスロット導体当たり高電圧を発生する外周側の多相巻線と高圧バッテリとを接続し、周速が小さい内側ロータ部と電磁結合して１本のスロット導体当たり低電圧を発生する内周側の多相巻線と低圧バッテリとを接続することができ、更に、固定子鉄心の外周側スロットのスロットの周方向幅は内周側スロットの周方向幅よりも大きくしやすいので、車両用回転電機の設計が容易となる。
【００１７】
請求項３記載の構成によれば請求項１記載の車両用回転電機において更に、回転子の両ロータ部は、クランクシャフトとトルク伝達機構（クラッチなど）とを連結する連結部材である椀状部材に固定されるので、２つのロータ部を支持するフレームを独立に追加する必要が無く、パワートレインの軽量化を図ることができる。
【００１８】
更に、椀状部材の輪板部は、外側ロータ部を支承する大径筒部を支持するとともに、トルク伝達機構に結合するディスク状結合面を兼ねるので、形状を簡素化、小型軽量化を図りつつ、良好なトルク伝達機構との結合と外側ロータ部の支持とを実現することができる。
【００１９】
請求項４記載の構成によれば請求項１記載の車両用回転電機において更に、固定子の電磁鉄心は、内周側の多相巻線が巻装される内周側のスロットと、外周側の多相巻線が巻装される外周側のスロットとの間にこれら両スロットを分離するコアバックを有するので、このコアバックを共用化して固定子鉄心の小型軽量化を図ることができる。
【００２０】
請求項５記載の構成によれば請求項４記載の車両用回転電機において更に、内周側のスロットは、外周側のスロットと同数で、周方向に半スロットピッチシフトして設けられるので、コアバックを周方向に流れる磁束のための磁路の平均径方向幅をコアバックの径方向幅を増大することなく増大し、鉄損低減しつつ固定子の電磁鉄心の軽量化を図ることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
なお、本明細書において、「内周側のスロットの周方向中心は外周側のティースの周方向中心と略一致する」、又は、「内周側のスロットの周方向中心は前記外周側のスロットの周方向中心と略一致する」とは、両者のずれがスロットピッチの１０％の範囲内をいうものとする。
【００２２】
本発明の車両用回転電機の好適な実施形態を図面を参照して以下に説明する。
【００２３】
【実施例１】
本発明の車両用回転電機の第一の実施例を図１に示す車両用回転電機の軸方向断面図、図２に示す固定子の径方向部分断面図を参照して説明する。
（全体構造）
１００はエンジン、１０１はクランクシャフト、２００は回転電機２１１は車両用回転電機２００の固定子２１０の電磁鉄心である。
【００２４】
電磁鉄心２１１の内周側、外周側には三相巻線をなす一対の固定子巻線（多相巻線）２１２１、２１２２が個別に巻装されており、電磁鉄心２１１のコアバック２１５は、コアバック２１５に圧入されたボルト２１６を介して取付部材２１７に固定され、取付部材２１７はハウジング２０１に固定されている。
【００２５】
電磁結合面をなす固定子２１０の内外周面は、スロット２１３、２１３’及びティース２１４、２１４’を有し、第一の磁極部材（内側ロータ部）２２０及び第二の磁極部材（外側ロータ部）２３０が固定子２１０の電磁鉄心２１１の内、外周面に空隙を介して対面しつつ個別に配置されている。両ロータ部２２０、２３０は椀状部材２４０により一体化されて、クランクシャフト１０１に固定され、回転子２５０を構成している。
【００２６】
２６０は、椀状部材２４０の輪板部２４３の後端面に固定されたクラッチであり、図示省略するは、変速機、プロペラ軸、デイファレンシャルギアを経て車輪に連結されている。
【００２７】
７０１は、内周側の固定子巻線２１２１とバッテリー９０１との間で双方向交直変換を行うコンバータであり、７０２は、外周側の固定子巻線２１２２とバッテリー９０２との間で双方向交直変換を行うコンバータであり、８００は、コンバータ７００を制御するコントローラである。
（ロータ部２２０、２３０）
内側ロータ部２２０は、空隙を挟んで固定子２１０の内周面に面しつつ椀状部材２４０の小径筒部２４１に嵌着、固定された積層構造の電磁鉄心２２１と、電磁鉄心２２１に軸方向に貫設された孔２２３に挿入された永久磁石２２２とを有している。
【００２８】
外側ロータ部２３０は、空隙を挟んで固定子２１０の外周面に面しつつ椀状部材２４０の大径筒部２４２に嵌着、固定された積層構造の電磁鉄心２３１と、電磁鉄心２３１に軸方向に貫設された孔２３３に挿入された永久磁石２３２とを有している。
【００２９】
椀状部材２４０は、両端が両筒部２４１、２４２に連なる輪板部２４３を有し、輪板部２４３の後端面にクラッチ２６０の一部が固定されている。
【００３０】
磁極部材２２０、２３０の永久磁石２２２、２３２は、図２に示すように固定子２１０を挟んで周方向略同位置配置されており、周方向同位置の磁石２２２、２３２は対向面が同一極性となっている。
（固定子）
固定子２１０は、電磁鉄心２１１の内周側スロット２１３に巻装された三相巻線である内周側多相巻線２１２１と、電磁鉄心２１１の外周側スロット２１３’に巻装された三相巻線である外周側多相巻線２１２２とを有している。この実施例では多相巻線２１２１、２１２２は波巻きで巻装されているが、巻装方式は適宜選択することができ、両ロータ部２２０、２３０の界磁極構造も適宜選択することができる。
（動作）
回転子２５０の回転により、界磁束が回転することにより、両多相巻線２１２１、２２２２に発電電圧が生じる。
【００３１】
内側ロータ部２２０の電磁鉄心２２１対向面は、外側ロータ部２３０のそれよりも大径であるので、その分、外周側多相巻線２１２２と鎖交する内側ロータ部２２０の界磁束を、内周側多相巻線２１２１と鎖交する内側ロータ部２２０の界磁束より増大させることができ、かつ外周側多相巻線２１２２のターン数と、内周側多相巻線２１２１のターン数とを独立に設定することができるので、外周側多相巻線２１２２の発電電圧を内周側多相巻線２１２１の発電電圧より格段に増大することができ、電機子電流の位相制御や界磁束の制御により発電電圧の制御も互いに独立に行うことができる。
【００３２】
（変形態様１）
変形例を図３を参照して説明する。
【００３３】
この変形態様は、図２に示す外周側の永久磁石２３２、外周側の３ロット２１３’、外周側のティース２１４’を周方向に半スロットピッチだけシフトしたものである。このようにすれば、コアバック２１５の平均径方向幅を図３のスロット配置に比較して拡大できるので、コアバック２１５の径方向幅の縮小による車両用回転電機の小型軽量化や鉄損の低減による効率向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の車両用回転電機の径方向半断面図である。
【図２】実施例１の車両用回転電機の径方向部分断面図である。
【図３】変形態様の車両用回転電機の径方向部分断面図である。
【符号の説明】
１００：エンジン
１０１：クランクシャフト
２００：車両用回転電機
２１０：固定子
２１１：固定子の電磁鉄心
２１２１：内周側多相巻線
２１２２：外周側多相巻線
２１３：内周側スロット
２１３’：外周側スロット
２１４：内周側ティース
２１４’：外周側ティース
２１５：コアバック
２２０：内側ロータ部
２３０：外側ロータ部
２４０：椀状部材
２５０：回転子
２６０：クラッチ（トルク伝達機構）
７０１：コンバータ（双方向交直変換器）
７０２：コンバータ（双方向交直変換器）
９０１：バッテリー（低圧）
９０２：バッテリー（高圧）

Claims

車両用のエンジンと前記車両用エンジンの後方に配置されるトルク伝達機構との間にてクランクシャフトと同じ軸心位置を有して配置され、前記クランクシャフトにより駆動される回転子と、
前記ロータの周面に対面する周面を有してハウジングに固定される固定子と、
を備える車両用回転電機において、
前記回転子は、内周面が前記固定子の外周面に電磁結合する外側ロータ部と、外周面が前記ステータの内周面に電磁結合する内側ロータ部とを有し、
前記固定子は、前記内側ロータ部及び外側ロータ部との間に配置される固定子鉄心と、前記固定子に巻装されて前記両ロ−タ部と個別に電磁結合するとともに互いに独立に給電される一対の多相巻線とを有し、
前記一対の多相巻線は、それぞれ異なる双方向交直変換器を通じて互いに端子電圧が異なる一対の車載バッテリに個別に接続されることを特徴とする車両用回転電機。
請求項１記載の車両用回転電機において、
前記外周側の多相巻線は高圧側の前記車載バッテリから給電されることを特徴とする車両用回転電機。
請求項１記載の車両用回転電機において、
前端がクランクシャフトに固定されて前記両ロータ部を支持する椀状部材を有し、
前記椀状部材は、
前記クランクシャフトに固定されて前記内側ロータ部の径内側に配設される内側筒部と、
前記内側ロータ部の後端が固定されるとともに前記内側筒部の後端部から径外側に延在してする輪板部と、
前記輪板部の外周端部から前方に延在して前記外側ロータ部の外周面が固定される外側筒部と、
を有し、
前記トルク伝達機構は、前記椀状部材の輪板部の後端面に結合されて、前記椀状部材を通じて前記クランクシャフトから駆動されることを特徴とする車両用回転電機。
請求項１記載の車両用回転電機において、
前記固定子は、
前記内側ロータ部に対面する内周面及び前記外側ロータ部に対面する外周面に周方向へ所定ピッチで交互に設けられた内周側、外周側のスロット及びティース、並びに、前記内周側、外周側の前記スロット及びティースの間にて前記両スロットを分離するコアバックを有する電磁鉄心を有し、
前記一対の多相巻線は、前記内周側のスロット及び外周側のスロットに個別に巻装されることを特徴とする車両用回転電機。
請求項４記載の車両用回転電機において、
前記内周側のスロット及び外周側のスロットは同数設けられ、かつ、前記内周側のスロットの周方向中心は前記外周側のティースの周方向中心と略一致することを特徴とする車両用回転電機。