JP4743528B2 - クランク軸直結式車両用回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、クランク軸直結式車両用回転電機に関する。

エンジン始動、エンジントルクのアシスト、発電などのために、クランク軸に直結されたクランク軸直結式車両用回転電機が公知となっている（たとえば特許文献１）。この種のクランク軸直結式車両用回転電機のロータは、エンジンのフライホイルを兼ねることが通常である。
特開０９−２４００１８号公報

しかしながら、この種のクランク軸直結式車両用回転電機では、クラッチやトランスミッションなどの動力伝達機構とエンジンとの間に配置されるのが通常であるため、その点検修理や交換が容易ではなかった。

また、エンジン回転数は特にその始動時などにおいて低速であるため大出力のクランク軸直結式車両用回転電機を製造することは困難であり、出力増大を図るとフライホイルの径が大きいために重量が大幅に増大してしまうという問題があった。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、点検修理や交換で小型軽量なクランク軸直結式車両用回転電機を提供することをその目的としている。

上記課題を解決する本発明は、エンジンのクランク軸に固定されてフライホイルをなすロータと、前記ロータに対面配置されたステータとをもつクランク軸直結式車両用回転電機に適用される。

発明は、前記ステータを複数有し、これらステータのうち何れかのステータは、前記ロータの半周以下の端面に対面するアキシャルエアギャップモータ構造をもち、前記各ステータは、前記ロータの端面の異なる部位に対面すると共に、前記ロータの両端面に対面して配置され、更に、前記各ステータは、前記ロータの一端面に対面する第１側ステータと、前記ロータの他端面に対面する第２側ステータとからなり、前記第１側ステータと前記第２側ステータとは、対面する前記ロータの磁極位置を基準として周方向異なる位置に配置されることを特徴としている。

すなわち、この発明では、ステータは、ロータの全周の半分以下に対面するため、ステータを径方向外側に取り外したり、径方向内側に差し込んで取り付けたりすることができる。したがって、フライホイルを兼ねるロータがエンジンや動力伝達機構に連結されたままでも、このクランク軸直結式車両用回転電機を分解して点検したり修理したりすることができる。また、ステータが大径のフライホイルの全周に対面しないので、回転電機の重量や体格を低減することができる。更に、この発明では、アキシャルエアギャップモータ構造を採用したので、フライホイルの外側にステータが張り出すことがなく、コンパクトに構成することができる。

また、一枚のステータがロータ端面の半周以下しか対面しないにもかかわらず、全体としてステータを半周以上のロータ端面に対面させることができ、分解容易性を確保しつつ出力を向上することができる。

また、分解容易性を確保しつつ出力を向上することができる。

また、前記各ステータは、前記ロータの一端面に対面する第１側ステータと、前記ロータの他端面に対面する第２側ステータとからなり、前記第１側ステータと前記第２側ステータとは、対面する前記ロータの磁極位置を基準として周方向異なる位置に配置されるが、当然、この時、第１側ステータのステータコイルに通電される第１電流の位相はそれが対面するロータ磁極を基準として決定され、第２側ステータのステータコイルに通電される第２電流の位相はそれが対面するロータ磁極を基準として決定される。第１電流と第２電流との位相差を０とし、第１側ステータに対面するロータ磁極と第２側ステータに対面するロータ磁極をシフトしてもよい。特に好適には、第１側ステータのステータコイルと第２側ステータのステータコイルとは互いに電気角２π／３離れた３つの相巻線をもつ三相コイルにより構成され、第１側ステータの相巻線と、第２側ステータの相巻線とは電気角π／６だけ離れて配置される。これにより、トルクリップルを低減することができる。

好適な態様において、前記ロータは、外周面にエンジン始動用のリングギヤ部をもち、前記リングギヤ部は、前記ステータコアと異なる周方向位置にて配置されてスタータのピニオンギヤに噛合する。これにより、フライホイルにピニオン・リングギヤスタータ機構とクランク軸直結式車両用回転電機とを一体に取り付けることができる。

好適な態様において、前記ロータの外周面に形成された整流子に摺接するブラシと、前記ブラシを駆動して前記ブラシと前記整流子との接触状態と分離状態とを切り替えるブラシ駆動機構とを有し、前記ロータは、前記整流子に接続されて前記ステータの永久磁石磁極に対面する電機子コイルを有する。このようにすれば、直流モータの大きな起動トルクを利用することができる。なお、エンジン始動後にロータ回転数が増大しても、ブラシを変位させることができるため、ブラシや整流子の摩耗を防止することができる。

好適な態様において、前記ロータにかご形二次巻線を有する誘導機である。このようにすれば、ロータ構造を簡素化することができる。また、磁石式同期機や直流機のごとき永久磁石をもたない誘導機構造としたため、ステータコイルに通電しない場合にロータとステータとの間に引きずりトルクが生じて、トルク損失が増大することがない。

好適な態様において、前記ロータに磁気突極部をもつシンクロナスリラクタンスモータである。このようにすれば、ロータ構造を簡素化することができる。また、磁石式同期機や直流機のごとき永久磁石をもたないシンクロナスリラクタンスモータ構造としたため、ステータコイルに通電しない場合にロータとステータとの間に引きずりトルクが生じて、トルク損失が増大することがない。

本発明の好適な実施形態を図面を参照して説明する。

（実施形態１）
実施形態１のクランク軸直結式車両用回転電機を図１、図２を参照して説明する。図１はこの回転電機の模式側面図、図２は後方からみた正面図である。ただし、図１、図２はその概念を示す模式図である。

図１、図２において、１は回転軸、２はフライホイル兼用のロータ、３はステータであって、ロータ２及びステータ３はシンクロナスリラクタンスモータ（ＳＲＭ）を構成している。

回転軸１は、パワートレインハウジングに回転自在に支持されており、回転軸１の一端はエンジンのクランク軸に、他端はクラッチを通じてトランスミッションに連結されている。

ロータ２は、回転軸１に嵌着固定された軟鋼製のディスクからなる。ロータ２の後端面の外周領域には８個の凹部２１が周方向一定ピッチで形成され、その結果として周方向に隣接する二つの凹部２１の間に磁気突極部２２が形成されている。なお、逆に、磁気突極部２２を突出させる形状としてもよい。

ステータ３は、ロータ２の後端面に電磁鋼板帯板を螺旋状に巻層して輪板体を形成し、この輪板体を径方向に切断して半円弧形状に形成されたステータコア３１を有している。もちろん、公知の他の方法にて同様の形状のステータコア３１を形成してもよい。ステータコア３１のロータ対向端面には径方向に多数のスロット（図略）が形成され、各スロットには三相コイルであるステータコイル３２が巻装されている。スロットの形成方法としては上記螺旋巻層以前に電磁鋼板帯板の一辺に凹部を長手方向所定ピッチで形成し、螺旋巻層の際に各凹部の周方向位置を一致させるなどの種々方法が公知である。

ステータコイル３２の巻装方式としては、分布巻きとしてもよく、集中巻きとしてもよい。分布巻きの場合には、ロータ２の１磁気突極ピッチ（電気角π）あたり３Ｎ（Ｎは整数）個のスロットが配置され、各スロットには異なる相コイルが収容される。図２では、ロータ２の４５度が電気角πに相当する。これにより、通常の三相交流モータと同じく、ロータ回転と同期する回転ベクトル電流を形成することができる。

ステータコア３１の後端面には軟鋼製の半円弧形状の支持板４が固定されている。この実施形態では、支持板４は軟磁性をもつため、ステータコア３１のバックヨーク磁路の一部を構成する。ただし、ステータコア３１を通常のステータコアのティース部分のみで構成し、支持板４をステータコアのバックヨークとして採用してもよい。このステータコア形成方式は、いわゆる組み立て式ステータコア構造として公知である。この構造は、集中巻きにおいて便利である。しかし、この実施形態の支持板４は積層電磁鋼板ではないためその鉄損が問題となる。このため、この実施形態では、ステータコア３１自身が、磁束を径方向へ流すためのバックヨーク磁路を有している。鉄損の更なる低減のために、支持板４を非磁性体としてもよい。支持板４は図示しないハウジングに固定されている。

このようにすれば、半円型のステータ３と全円型のロータ２とによりシンクロナスリラクタンスモータを構成することができる。なお、ロータ２に磁気突極部２２の代わりにかご型コイルを形成して誘導モータとしてもよい。あるいは、スイッチドリラクタンスモータとして構成してもよい。

上記説明した部分円筒形式アキシャルエアギャップモータ構造のクランク軸直結式車両用回転電機によれば次の効果を奏することができる。

まず、ステータ３は、ロータ２の全周の半分（１８０度）に対面するためステータ３を径方向外側へ取り外したり、径方向内側へ差し込んで取り付けたりすることを簡単に行うことができる。したがって、フライホイルを兼ねるロータ２をエンジンや動力伝達機構に連結されたまま、このクランク軸直結式車両用回転電機の分解やステータ３の交換が可能となる。また、アキシャルエアギャップモータ構造を採用しているため、クランク軸直結式車両用回転電機の外径を縮小することができ、パワートレインの径大化を抑制することができる。

なお、ステータコア３１へのステータコイル３２の巻装を考えると、ステータコア３１は、ロータの２磁極ピッチすなわち電気角２πの整数倍の角度を占有することが特に好適である。

（実施形態２）
実施形態２のクランク軸直結式車両用回転電機を図３、図４を参照して説明する。図３はこの回転電機の模式側面図、図２は後方からみた正面図である。ただし、図３、図４はその概念を示す模式図である。

図３、図４に示すこの実施形態の回転電機は、図１、図２に示すステータ３に比べて相対的に周方向へそれぞれ縮小された３つのステータ３を周方向へ隣接配置した点と、ステータ３をロータ２の両端面に対面して配置した点が実施形態１の回転電機と異なっている。

したがって、支持板４は、図３に示すように、軸方向断面がコ字状に形成され、支持板４の筒状部４１の軸方向両端からロータ２の両側に位置して径内方向へ延在する一対の円弧状板部４２、４３に前後一対のステータ３が個別に固定されている。

ステータ３のステータコイル３２を構成する３つの相コイルは、回転磁界（回転ベクトル電流）を形成する順番で配置されることは実施形態１と同じである。周方向に隣接する３つのステータコイル３２が全体として回転磁界（回転ベクトル電流）を形成する順番で各相コイルが配置されることも当然である。

このようにすれば、実施形態１と同じく分解容易の利点を確保しつつ、大出力化を図ることができる。更に、この実施形態では、ロータ２の外周の一部がステータ３に対面しないため、この部分において、ロータ２と他の回転機器とを連結することができる。

（実施形態３）
実施形態３のクランク軸直結式車両用回転電機を図５、図６を参照して説明する。図５はこの回転電機の模式側面図、図６は後方からみた正面図である。ただし、図５、図６はその概念を示す模式図である。

図５、図６に示すこの実施形態の回転電機は、図１、図２に示すステータ３において、ロータ２の外周面にリングギヤ部２３を設け、リングギヤ部２３に連結されるスタータ５を追加した点に特徴がある。

更に詳しく説明すると、スタータ５は、スタータモータ５１と、ピニオン５２とを有しており、ピニオン５２は、ステータ３に対面しないロータ２の外周面のリングギヤ部２３に軸方向離脱可能に噛合している。エンジン始動の際のみ、減速機構付きのスタータモータ５１がピニオン５２を通じてロータ２を駆動し、ロータ２の回転数が高速となればピニオン５２はリングギヤ部２３から軸方向へ離脱する。

このようにすれば、フライホイル兼用のロータ２のエンジン始動トルクを更に増大させることができる。

（実施形態４）
実施形態４のクランク軸直結式車両用回転電機を図７、図８を参照して説明する。図７はこの回転電機の模式側面図、図８は後方からみた正面図である。ただし、図７、図８はその概念を示す模式図である。

図７、図８に示すこの実施形態の回転電機は、ステータ３及びロータ２に直流モータ６を設け、更にロータ２の外周面に周方向一定ピッチで整流子片を固定して整流子７を構成し、整流子７と摺接可能に変位するブラシ機構８を配置した点をその特徴としている。

更に詳しく説明すると、支持板４は、図３と同様のコ字状に形成されている。支持板４は軟鋼材により形成されて軟磁性のバックヨーク磁路をなす。支持板４の円弧状板部４２、４３のロータ対向面には永久磁石からなる磁極４４が周方向極性交互に偶数個それぞれ固定されている。支持板４及び各磁極４４はいわゆる直流機の界磁子を構成している。ただし、円弧状板部４２、４３と磁極４４との間にバックヨーク磁路となる軟磁性材を介設してもよい。

ロータ２の両端面には、磁極４４に対面する位置にて電磁鋼板を積層してなるティース３１’が周方向一定ピッチで偶数個固定され、ティース３１’には電機子コイル３２’が巻装されている。ロータ２は軟鋼により構成されて軟磁性体とされている。ティース３１’が固定され、ティース３１’、電機子コイル３２’及びロータ２はいわゆる直流機の電機子を構成している。ただし、ティース３１’を軟鋼により構成してもよく、ティース３１’がバックヨーク磁路を有していてもよい。

電機子コイル３２’の各ターンの外周端は、整流子７の各整流子片７１に個別に順次接続され、これにより、アキシャルエアギャップ型の直流モータが構成される。

ブラシ機構８は、径方向に延在して径内端が整流子７に摺接するブラシ８１と、ブラシ８１を径方向に変異させるソレノイド８２とからなる。８３はソレノイド８２の静止ヨーク、８４はソレノイド８２のコイル、８５はソレノイド８２の可動鉄片、８６はソレノイド８２の軟磁性のプランジャである。ソレノイド８２の構造と動作自体は周知のものであるため、説明を省略する。ブラシ８１は、支持板４に支持された非磁性スリーブ８７に径方向移動自在に収容されている。ブラシ８１の径外端はプランジャ８６の径内端に固定されている。プランジャ８６は、コイル８４に通電しない時には図示しないスプリングによりブラシ８１を整流子７に付勢しており、コイル８４に通電すると、可動鉄片８５が静止ヨーク８３に吸着されてブラシ８１を径外側に付勢して、ブラシ８１を整流子７から引き離す。もちろん、逆に動作させてもよい。

このようにすれば、直流モータの大きな起動トルクとロータ２の大きな径により減速ギヤ機構を設けることなく、エンジンを始動することができる。

（実施形態５）
実施形態５のクランク軸直結式車両用回転電機を図９、図１０を参照して説明する。図９はこの回転電機の模式側面図、図１０は後方からみた正面図である。ただし、図９、図１０はその概念を示す模式図である。

図９、図１０に示すこの実施形態の回転電機は、図３に示す実施形態２において、ステータ３を半円弧形状としたものである。ただし、この実施形態では、前側のステータコア３１をステータコア３１ａと称し、後側のステータコア３１をステータコア３１ｂと称し、前側のステータコイル３２をステータコイル３２ａと称し、後側のステータコイル３２をステータコイル３２ｂと称するものとする。

この実施形態では更に、前側のステータコイル３２ａを後側のステータコイル３２ｂとに対して周方向へ所定位相差だけ空間的にずらした点にその特徴がある。もちろん、ステータコイル３２ａにはロータ磁極位置（ここでは磁気突極部２２の周方向位置）に対して必要な位相差の電流を通電し、ステータコイル３２ｂにもロータ磁極位置に対して必要な位相差の電流を通電する。ただし、この実施形態では、ロータ２の前側の磁気突極部２２と後側の磁気突極部２２の周方向位置は等しく設定したが、それらを周方向にずらしてもよい。図１０では、前側のステータコイル３２ａのＵ相コイルの周方向中心位置ａと、後側のステータコイル３２ｂのＵ相コイルの周方向中心位置ｂとは、角度θに等しい空間位相差を与えられている。このようにすれば、トルクを増大させ、トルクリップルを低減することができる。

また、ステータコイル３２ａとステータコイル３２ｂの周方向位置を一致させ、前側の磁気突極部２２と後側の磁気突極部２２の周方向位置だけをずらしても同様の効果を得ることができる。好適な態様において、ステータコイル３２ａ、ステータコイル３２ｂを三相コイルとする場合、角度θは３０度とすることが好適である。

実施形態１のクランク軸直結式車両用回転電機の模式一部破断側面図である。 図１の回転電機の後方からみた模式正面図である。 実施形態２のクランク軸直結式車両用回転電機の模式一部破断側面図である。 図３の回転電機の後方からみた模式正面図である。 実施形態３のクランク軸直結式車両用回転電機の模式一部破断側面図である。 図５の回転電機の後方からみた模式正面図である。 実施形態４のクランク軸直結式車両用回転電機の模式一部破断側面図である。 図４の回転電機の後方からみた模式正面図である。 実施形態５のクランク軸直結式車両用回転電機の模式一部破断側面図である。 図９の回転電機の後方からみた模式正面図である。

符号の説明

１ 回転軸
２ ロータ
３ ステータ
４ 支持板
５ スタータ
６ 直流モータ
７ 整流子
８ ブラシ機構
２１ 凹部
２２ 磁気突極部
２３ リングギヤ部
３１ ステータコア
３１’ ティース
３１ａ ステータコア
３１ｂ ステータコア
３２ ステータコイル
３２’ 電機子コイル
３２ａ ステータコイル
３２ｂ ステータコイル
４１ 筒状部
４２ 円弧状板部
４３ 円弧状板部
４４ 磁極
５１ スタータモータ
５２ ピニオン
７１ 整流子片
８１ ブラシ
８２ ソレノイド
８３ 静止ヨーク
８４ コイル
８５ 可動鉄片
８６ プランジャ
８７ 非磁性スリーブ

Claims (1)

1. エンジンのクランク軸に固定されてフライホイルをなすロータと、前記ロータに対面配置されたステータとをもつクランク軸直結式車両用回転電機において、
   前記ステータを複数有し、これらステータのうち何れかのステータは、前記ロータの半周以下の端面に対面するアキシャルエアギャップモータ構造をもち、前記各ステータは、前記ロータの端面の異なる部位に対面すると共に、前記ロータの両端面に対面して配置され、更に、前記各ステータは、前記ロータの一端面に対面する第１側ステータと、前記ロータの他端面に対面する第２側ステータとからなり、前記第１側ステータと前記第２側ステータとは、対面する前記ロータの磁極位置を基準として周方向異なる位置に配置されることを特徴とするクランク軸直結式車両用回転電機。

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