JP5260399B2 - 車両駆動用回転電機およびそれを用いた車両 - Google Patents

車両駆動用回転電機およびそれを用いた車両 Download PDF

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Description

本発明は、車両駆動用回転電機、及び回転電機によって駆動される車両に関する。
昨今の地球温暖化に対し、車両駆動源として回転電機を用いる車両の開発が進められている。車両駆動源として、回転電機のみ、もしくはエンジンと回転電機とを主動力とする前輪駆動，後輪駆動もしくは４輪駆動の車両がある。このような車両においては、回転電機がエンジンと変速機に機械的に接続され、エンジンと変速機の間もしくは変速機の中に回転電機が取り付けられる場合がある。
このような車両駆動用回転電機は、小型高出力が求められる。このような回転電機として、例えば内周側に開口する多数のスロットを備えたロータコアを有し、各スロットに複数の略Ｕ字形状のセグメント導体を挿入するものが知られている（例えば特許文献１参照）。
特開平１１−０７５３３４号公報
車両駆動用回転電機は、小型高出力が求められるため、ステータの熱を素早く放熱する必要がある。しかし、上記従来技術においては、スロットの各々に略Ｕ字形状のセグメント導体を挿入する方式のため、例えば軸方向コイルエンド高さの寸法を短くすると熱の放熱性が低下するといった問題があった。
本発明は、冷却性の優れた車両駆動用回転電機を提供することを目的とする。また本発明は、放熱性に優れた小型高出力の回転電機を用いたコンパクトなパワートレインを有する車両を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、回転軸方向に伸びるスロットを周方向に複数形成したステータコアと、スロットに挿入されたコイルとを有するステータと、ステータと空隙を介して回転自在に設けられたロータと、を有し、ステータは、コイルのコイルエンド部におけるスロットから突出した突出部分の断面が略台形形状に成形されており、コイルは平角線であり、型によって突出部分が略台形形状に成形されたものである車両駆動用回転電機である。
本発明によれば、冷却性の優れた回転電機を提供することができる。また本発明によれば、放熱性に優れた小型高出力の回転電機を用いたコンパクトなパワートレインを有する車両を提供することができる。
本発明の実施形態による回転電機を含む回転電機装置の全体構成を示す断面図である。 本発明の実施形態による回転電機の構成を示す斜視図である。 本発明の実施形態による回転電機のコイルエンド部の斜視図である。 本発明の実施形態による回転電機のコイルエンド部の断面斜視図である。 本発明の実施形態による回転電機のＢの字形状インシュレータを備えたコイルエンド部の断面斜視図である。 本発明の実施形態による回転電機の略台形形状のコイル成形方法を示す。 本発明の一実施形態による回転電機を搭載する車両の第１の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による回転電機を搭載する車両の第２の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による回転電機を搭載するハイブリッド自動車におけるエンジンＥＮＧ，回転電機ＲＭ，変速機ＴＭの第１の配置例を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による回転電機を搭載するハイブリッド自動車におけるエンジンＥＮＧ，回転電機ＲＭ，変速機ＴＭの第２の配置例を示すブロック図である。
本発明の実施形態をなす回転電機について説明する。
本実施形態で説明する回転電機は自動車の駆動用モータに適しており、小型高出力であるにもかかわらず、冷却性が優れている。さらに断面が略矩形形状の導体を使用でき、スロット内の占積率を向上できることから、回転電機の効率が向上する。
従来の回転電機では、導体断面が略矩形形状の導体を使用して小型化を図っているが、熱量がもっとも多いコイルエンド部の軸方向高さを短くすると、熱の放熱性が低下し、結果的に回転電機の冷却効率が悪くなるという課題があった。
本実施形態では、コイルエンド部のコイル断面の一部を略台形形状にすることで、従来のコイルエンド高さ寸法を高くせずに、回転電機のステータの熱を素早く放熱し、回転電機としての冷却性能を向上するものである。
以下、図１から図２を用いて、本発明の一実施形態による回転電機の構成について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による回転電機を含む回転電機装置の全体構成を示す断面図である。本実施形態で説明する回転電機ＲＭは、ハイブリッド自動車用のものである。回転電機ＲＭは、エンジンと変速機の間、もしくは変速機の中に搭載されるとともに、回転電機ＲＭは小型高出力が要求される。このため、温度上昇が問題になり、車両の主動力として使用される回転電機ＲＭのステータコアやコイルで発生した熱を素早く放熱する必要がある。
回転電機ＲＭの周囲は、ケース１３０に囲まれる。ここで、回転電機ＲＭはエンジンと変速機の間に配置される場合、ケース１３０はエンジンのケースや変速機のケースによって構成される。また、回転電機ＲＭが変速機の中に搭載される場合には、ケース１３０は、変速機のケースによって構成される。
回転電機ＲＭは、永久磁石内蔵型の３相同期モータである。ステータコイルに大電流（例えば４００Ａ）の３相交流が供給されることで、電動機として作動する。また、回転電機ＲＭがエンジンによって駆動されると、発電機として作用し、３相交流の発電電力を出力する。発電機として作動する場合、ステータコイルから出力する電流は、電動機として作動する場合に比べて小さい（例えば１００Ａ）。また、本例で用いる回転電機ＲＭは、回転軸方向の厚さが、外径よりも小さな偏平型の回転電機である。
回転電機ＲＭは、ロータ１０と、ステータ２０と、ハウジング５０とを備えている。ロータ１０は、ステータ２０の内周側に、隙間を介して配置される。ロータ１０は、シャフト１２に固定されている。シャフト１２の両端は、軸受１４Ａ，１４Ｂより回転可能に支持されている。ステータ２０の外周は、ハウジング５０の内周に固定される。ハウジング５０の外周は、ケース１３０の内周側に固定される。
ケース１３０の底部には、冷媒ＲＦの溜まり部１５０が形成される。冷媒ＲＦとしては、例えば、絶縁油を用いる。ステータ２０の下部側の一部は、溜まり部１５０に溜まった冷媒ＲＦに浸されている。ポンプ１４０は、溜まり部１５０に溜まった冷媒ＲＦを吸引して、冷媒通路１５３を経由して、ケース１３０の上部に形成された冷媒出口１５４Ａ，１５４Ｂから吐出する。冷媒出口１５４Ａ，１５４Ｂは、ステータ２０のステータコイル両端部（コイルエンド部）の上部に設けられる。また、冷媒出口１５４Ａ，１５４Ｂは、ステータの周方向に数箇所設けられる。
冷媒出口１５４Ａ，１５４Ｂから吐出した冷媒ＲＦは、ステータコイルの両端のコイルエンド部６０に直接吹きかけられ、ステータコイルのコイルエンド部６０を冷却する。ステータ２０の熱を奪った冷媒ＲＦは、ケース１３０の下部に溜まり、そこで、ポンプにより、強制的に冷媒通路１５３を通り、循環され、再度、冷媒出口１５４Ａ，１５４Ｂから吐出し、ステータ２０を冷却する。
図２に示すように、回転電機ＲＭは、ロータ１０と、ステータ２０を備えている。
ロータ１０は、ロータコア１６と、このロータコア１６に形成された孔に挿入された永久磁石１８とを備えている。永久磁石１８は１極あたり１個でなく、複数個に分割した磁石を用いることもできる。
ステータ２０とステータコア２１には、それぞれ、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相ステータコイルが分布巻きで構成されている。
回転電機ＲＭは、エンジンと変速機の間もしくは変速機の中に搭載されているため、回転電機ＲＭは小型高出力が要求される。このため、温度上昇が問題になり、車両の主動力として使用される回転電機ＲＭのステータコア２１やコイルで発生した熱を素早く放熱する必要がある。
図３に示すように、コイルのコイルエンド部６０におけるスロット２５から突出したコイルの突出部分を図３（Ａ），（Ｂ）に示すように略台形形状３００にすることで冷媒ＲＦと接触する面積が増加しステータコア２１やコイルで発生した熱の放熱性が向上する。
ここで、略台形形状３００とは、平角コイルの縦と横がコイル成形することによって向かい合った１組の辺がほぼ平行な四角形を有し、ほぼ平行な２本の対辺をそれぞれ上底および下底とを有するものとする。例えば、等脚台形を含むものを意味する。
図４（Ａ）は従来のコイル断面を示す。図４（Ｂ）はコイル断面を略台形形状を示す。図４（Ｃ）はコイル断面を略台形形状にし、コイルを交互に回転電機の回転方向にずらし構成されている。
従来のコイル断面の場合は冷媒ＲＦが隙間２８を通りコイルを冷却する。しかし、この場合はコイルの断面と冷媒ＲＦが接触する面積が少なく熱の伝導が効果的に発揮することができない。図４（Ａ），（Ｂ）は冷媒ＲＦとコイルの接触する面積が増加しコイルから発生する熱を伝導することができ、冷却効率が高くなる。ここで冷媒ＲＦの吐出口は、図１に示すように当該突出部分に冷媒ＲＦが接触するような位置に設けられている。
図５はコイルと、同じスロット２５内で当該コイルに隣接した上のコイルとの間に挟まれるようにインシュレータ２００を設ける。インシュレータ２００は、下のコイルを周回し、その端部が挟み部９００においてインシュレータ２００の一方の面とコイルの間に挟まれるように固定する。さらに上のコイルの周囲を、下のコイルに周回しているインシュレータ２００の部分と同じ方向に周回し、その端部が挟み部９００においてインシュレータ２００の他方の面と上の伝導コイルの間に挟まれるように固定されている。前記構造にコイル断面を略台形形状にし、コイルを交互に回転電機の回転方向にずらし構成することにより、特に最近自動車駆動用の回転電機は使用電圧が高く、１００Ｖを超えるものが多くあり、場合によっては４００Ｖあるいは６００Ｖの電圧がかかることがあり、コイルの線間の信頼性が向上し、さらに冷却性が向上する。
図６は略台形形状の成形方法を示す。
図６（Ａ）は単コイルを略台形形状に成形する場合を示す。コイルを凹ダイ６１０と凸ダイ６２０によって挟み込まれ、コイルの断面が型に沿った形状の略台形形状に成形される。このように、コイルを略台形形状３００に成形して、ステータコア２１に挿入する。
図６（Ｂ）は複数コイルを略台形形状に成形する場合を示す。コイルがステータコア２１に挿入された複数本のコイルを凹ダイ６１０によって挟み込み、コイルの断面が型に沿った形状の略台形形状に成形される。これらの型によって再現性の良い略台形形状のコイルを成形することができる。
冷媒出口１５４Ａ，１５４Ｂから吐出した冷媒ＲＦは、隙間２８から、ステータコイルのコイルエンド部６０に直接吹きかかられ、ステータコア２１のスロット２５から突出した部分が略台形形状３００によって、コイルと冷媒ＲＦとの接触面積を増すことができ、冷却性能を向上することができる。
また、ステータのワニス塗布工程において、前記コイルにおいてコイルエンド部にワニスを塗布し、スロット２５から突出した部分がコイルの表面が略台形形状３００によって、増加することによってワニスの付着量が増加し、ステータからの発熱の冷却効率が向上し、ステータの温度上昇を低減し得るものとなる。
以上説明したように、本実施形態においては、ステータコイルで発生した熱は、ワニスを介してステータコアへ伝導する。熱は、空気層よりワニス層の方が伝導し易いことから、ステータの冷却効率が高くなり、回転電機を小型化しても温度上昇が低く、性能の低下がなく、寿命の長い回転電機を得ることができる。また、ワニスの充填量を多くすることができるので、電気的絶縁耐力を向上することができる。
図７を用いて、本実施形態による回転電機を搭載する車両の第１の構成について説明する。図７は、四輪駆動を前提としたハイブリッド自動車のパワートレインである。
前輪側の主動力として、エンジンＥＮＧと回転電機ＲＭを有する。エンジンＥＮＧと回転電機ＲＭが発生する動力は、変速機ＴＭにより変速され、前輪側駆動輪ＦＷに動力を伝えられる。また、後輪の駆動においては、後輪側に配置された回転電機ＲＭ′と後輪側駆動輪ＲＷを機械的に接続され、動力が伝達される。
回転電機ＲＭは、エンジンＥＮＧの始動を行い、また、車両の走行状態に応じて、駆動力の発生と、車両減速時のエネルギーを電気エネルギーとして回収する発電力の発生を切り換える。回転電機ＲＭの駆動，発電動作は、車両の運転状況に合わせ、トルクおよび回転数が最適になるように電力変換装置ＰＣにより制御される。回転電機ＲＭの駆動に必要な電力は、電力変換装置ＰＣを介してバッテリＢＡから供給される。また、回転電機ＲＭが発電動作のときは、電力変換装置ＰＣを介してバッテリＢＡに電気エネルギーが充電される。
ここで、前輪側の動力源である回転電機ＲＭは、エンジンＥＮＧと変速機ＴＭの間に配置されており、図１〜図６にて説明した構成を有するものである。後輪側の駆動力源である回転電機ＲＭ′としては、同様のものを用いることもできるし、他の一般的な構成の回転電機を用いることもできる。
なお、図７の構成において、後輪駆動側回転電機ＲＭ′を取り付けず、後輪を駆動輪としないことで、前輪駆動ハイブリッド自動車の構成となる。
図８は、後輪駆動を前提としたハイブリッド自動車のパワートレインを示している。
前輪側に主動力としてエンジンＥＮＧと回転電機ＲＭを有し、エンジンＥＮＧと回転電機ＲＭが発生する動力を変速機ＴＭを用いて変速し、後輪側駆動輪ＲＷに動力を伝える。
回転電機ＲＭは、エンジンＥＮＧの始動を行い、また、車両の走行状態に応じて、駆動力の発生と、車両減速時のエネルギーを電気エネルギーとして回収する発電力の発生を切り換える。回転電機ＲＭの駆動，発電動作は、車両の運転状況に合わせ、トルクおよび回転数が最適になるように電力変換装置ＰＣにより制御される。回転電機ＲＭの駆動に必要な電力は、電力変換装置ＰＣを介してバッテリＢＡから供給される。また、回転電機ＲＭが発電動作のときは、電力変換装置ＰＣを介してバッテリＢＡに電気エネルギーが充電される。
ここで、前輪側の動力源である回転電機ＲＭは、エンジンＥＮＧと変速機ＴＭの間に配置されており、図１〜図６にて説明した構成を有するものである。
さらに、通常の自動車のように、変速機の出力部から前輪側に動力を伝達する機構を追加することにより四輪駆動車の構成となる。
次に、図９及び図１０を用いて、本実施形態による回転電機を搭載するハイブリッド自動車におけるエンジンＥＮＧ，回転電機ＲＭ，変速機ＴＭの配置について説明する。
図９は、本発明の一実施形態による回転電機を搭載するハイブリッド自動車におけるエンジンＥＮＧ，回転電機ＲＭ，変速機ＴＭの第１の配置例を示すブロック図である。図１０は、本発明の一実施形態による回転電機を搭載するハイブリッド自動車におけるエンジンＥＮＧ，回転電機ＲＭ，変速機ＴＭの第２の配置例を示すブロック図である。
ハイブリッド自動車におけるエンジンＥＮＧ，回転電機ＲＭ，変速機ＴＭの配置は大きく分けて２通りある。
まず、図９に示すように、エンジンＥＮＧ，回転電機ＲＭ，変速機ＴＭのそれぞれが独立して構成され、エンジンＥＮＧと変速機ＴＭの間に、回転電機ＲＭが機械的に接続されている構成であり、変速機の出力が駆動輪ＷＨに伝達される。
さらに、図１０に示すように、エンジンＥＮＧ，変速機ＴＭが独立して構成され、機械的に接続されており、変速機ＴＭの内部に回転電機ＲＭが搭載され変速機ＴＭと回転電機ＲＭが機械的に接続されている構成である。変速機の出力が駆動輪ＷＨに伝達される。
以上の構成において、駆動輪ＷＨの動力源である回転電機ＲＭは、図１〜図６にて説明した構成を有するものである。
１０ ロータ
１２ シャフト
１４Ａ，１４Ｂ 軸受
１８ 永久磁石
２０ ステータ
２１ ステータコア
２８ 隙間
５０ ハウジング
６０ コイルエンド部
１３０ ケース
１４０ ポンプ
１５０ 溜まり部
１５３ 冷媒通路
１５４Ａ，１５４Ｂ 冷媒出口
３００ 略台形形状
６１０，６３０ 凹ダイ
６２０ 凸ダイ
ＢＡ 電力供給・充電用バッテリ
ＥＮＧ エンジン
ＦＷ 前輪側駆動輪
ＰＣ 電力変換装置
ＲＦ 冷媒
ＲＭ 回転電機
ＲＷ 後輪側駆動輪
ＴＭ 変速機

Claims (8)

  1. 回転軸方向に伸びるスロットを周方向に複数形成したステータコアと、前記スロットに
    挿入されたコイルとを有するステータと、
    前記ステータと空隙を介して回転自在に設けられたロータと、を有し、
    前記ステータは、前記コイルのコイルエンド部における前記スロットから突出した突出
    部分の断面が略台形形状に成形されており、
    前記コイルは平角線であり、型によって前記突出部分が略台形形状に成形されたもので
    ある車両駆動用回転電機。
  2. 請求項１記載の車両駆動用回転電機であって、
    前記突出部分に冷媒が接触するような位置に前記冷媒の吐出口が設けられている車両駆
    動用回転電機。
  3. 請求項１記載の車両駆動用回転電機であって、
    重なり部を備えた絶縁紙が前記スロットに挿入されている車両駆動用回転電機。
  4. 請求項１記載の車両駆動用回転電機であって、
    前記ステータは、プレス加工によって円筒状に形成したハウジングによって保持されて
    いる車両駆動用回転電機。
  5. 駆動輪の駆動源としてエンジンと回転電機を有し、前記エンジンと前記回転電機の動力
    が変速機により変速されて前記駆動輪に動力を伝えられる車両であって、
    前記回転電機は、回転軸方向に伸びるスロットを周方向に複数形成したステータコアと
    、前記スロットに挿入されたコイルとを有するステータと、前記ステータと空隙を介して
    回転自在に設けられたロータと、を有し、
    前記ステータは、前記コイルのコイルエンド部における前記スロットから突出した突出
    部分の断面が略台形形状に成形されており、
    前記コイルは平角線であり、型によって前記突出部分が略台形形状に成形されたものである車両。
  6. 請求項５記載の車両であって、
    前記エンジン，前記回転電機，前記変速機のそれぞれが独立して構成され、前記エンジ
    ンと前記変速機の間に、前記回転電機が機械的に接続されている車両。
  7. 請求項５記載の車両であって、
    前記エンジンと前記変速機が独立して構成され、前記エンジンと前記変速機が機械的に
    接続されており、前記変速機の内部に前記回転電機が搭載され前記変速機と前記回転電機
    が機械的に接続されている車両。
  8. 請求項５記載の車両であって、
    前輪側駆動輪の駆動源として前記エンジンと前記回転電機を有し、前記エンジンと前記
    回転電機の動力が前記変速機により変速されて前記前輪側駆動輪に動力を伝えられるとと
    もに、後輪側駆動輪の駆動源として他の前記回転電機を有する車両。
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