JP6302698B2 - 回転電機ユニット - Google Patents

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Description

本発明は、駆動用モータと発電用ジェネレータの2つの回転電機を備える回転電機ユニットに関する。
従来、ハイブリッドシステムとして、駆動用モータと発電用モータとの2つのモータを備え、燃費の向上を図ったハイブリッド車両の駆動装置が開示されている(例えば、特許文献1参照。)。このような駆動装置では、生産性向上のため、ステータのスロット内でのコイルの巻き方を等しくして、スロット内でのコイル配置を含めたステータの軸方向断面、即ち、電磁部の断面形状が等しい、駆動用モータと発電用モータとを使用する場合がある。
国際公開WO2009/128288パンフレット
ところで、ハイブリッドシステムで使用される駆動用モータ及び発電用モータには、それぞれ異なる特性が要求される。即ち、駆動用モータには、加速性能を高めるために高トルクが要求され、一方、発電用モータには、静粛性を向上させるために、トルクリップルを抑制することが要求される。しかしながら、駆動用モータと発電用モータとで電磁部の断面形状が同じものを使用する場合には、両特性を満足することは難しく、両者の中間的な特性とする必要があった。一方、駆動用モータと発電用モータとで電磁部の断面形状が異なるものを使用することも考えられるが、コストアップの要因となり、好ましくない。
本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、駆動用モータ及び発電用ジェネレータの異なる要求特性を同時に満足すると共に、生産性の高い回転電機ユニットを提供することにある。
上記目的を達成するために、請求項1に係る発明は、
駆動用モータ(例えば、後述の実施形態におけるモータ10B)、及び発電用ジェネレータ(例えば、後述の実施形態におけるジェネレータ10A)の2つの回転電機を備える回転電機ユニット(例えば、後述の実施形態における回転電機ユニット10)であって、
前記各回転電機は、
軸方向に貫通する複数のスロット(例えば、後述の実施形態におけるスロット14A,14B)が周方向に等間隔で配置されたステータコア(例えば、後述の実施形態におけるステータコア13A及びステータコア13B)と、
前記複数のスロット内にそれぞれ分布巻きで配置される複数相のステータコイル(例えば、後述の実施形態におけるステータコイル15A,15B)と、
を備えるステータ(例えば、後述の実施形態におけるステータ12A,及びステータ12B)を有し、
前記各相のステータコイルは、所定数の前記スロットの外周側に収容される外周側巻線部(例えば、後述の実施形態における外周側巻線部51)及び所定数の前記スロットの内周側に収容される内周側巻線部(例えば、後述の実施形態における内周側巻線部52)を有し、
前記外周側巻線部と前記内周側巻線部とは、前記スロットを共有しつつ、軸方向一方側(例えば、後述の実施形態におけるステータコア13A、13Bの他方の面13d側)から見て、前記外周側巻線部に対して、前記内周側巻線部が少なくとも1スロット所定の方向(例えば、後述の実施形態における時計方向)にずれて配置され、
前記駆動用モータと前記発電用ジェネレータとは、スロット内でのコイル配置を含めた前記ステータの軸方向断面が等しく、
前記駆動用モータは、前記ステータコイルのずれ方向とトルク方向とが逆方向であり、
前記発電用ジェネレータは、前記ステータコイルのずれ方向とトルク方向とが同方向であることを特徴とする。
請求項2に係る発明は、請求項1の構成に加えて、
前記駆動用モータの前記ステータと、前記発電用ジェネレータの前記ステータとは、同一の回転軸線上に互いに対向して配置されることを特徴とする。
請求項3に係る発明は、請求項1または2の構成に加えて、
前記ステータコイルは、コイルセグメント(例えば、後述の実施形態におけるコイルセグメント20)によって構成され、
前記駆動用モータ及び前記発電用ジェネレータの前記ステータコイルに電力を供給する配電部材(例えば、後述の実施形態における配電部材24A,24B)は、軸方向において、前記駆動用モータと前記発電用ジェネレータとの間に配置されることを特徴とする。
請求項1の発明によれば、駆動用モータと発電用ジェネレータに同一の電磁部の断面形状を有するステータを用いることで、生産性を向上することができ、且つ、駆動用モータと発電用ジェネレータとの異なるトルク特性を同時に満足することができる。
請求項2の発明によれば、ステータの配置を変えるだけで、従来の制御方法により、同一の電磁部の断面形状を有するステータを駆動用モータと発電用ジェネレータとに使用することができ、且つ異なるトルク特性を同時に満足することができる。
請求項3の発明によれば、配電部材を駆動用モータと発電用ジェネレータとの間に配置することで、配電部材を駆動用モータと発電用ジェネレータで共通化することができ、コストが抑制される。
本発明に係る回転電機ユニットのステータの斜視図である。 図1に示すステータの縦断面図である。 ステータコイルを構成するコイルセグメントの斜視図である。 発電用ジェネレータ及び駆動用モータをコイルセグメントの連結部側から見た図である。 図2に示す発電用ジェネレータのV−V線、及び駆動用モータのV’−V’線での断面図である。 (a)は、発電用ジェネレータのステータの斜視図であり、(b)は、駆動用モータのステータの斜視図である。 (a)は駆動用モータ及び発電用ジェネレータのトルク特性、(b)は駆動用モータ及び発電用ジェネレータのトルクとリップルの関係を示すグラフである。
以下、本発明の一実施形態に係る回転電機ユニットを、添付図面に基づいて説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図1及び図2に示すように、本実施形態の回転電機ユニット10は、ケーシング11内に収容されて軸方向に対向配置されたジェネレータ10Aとモータ10Bとを備える。ジェネレータ10Aとモータ10Bとは、ステータ12A、12Bと、ステータ12A、12Bの内側に回転自在に配置されるロータ40A、40B(図5参照)と、を備える。
ジェネレータ10Aのステータ12Aは、軸方向に貫通する複数のスロット14Aが周方向に所定の間隔で配置されたステータコア13Aと、スロット14Aに収容される複数相(例えば、U相、V相、W相)のステータコイル15A(15Au、15Av、15Aw)とを備える。モータ10Bのステータ12Bは、軸方向に貫通する複数のスロット14Bが周方向に所定の間隔で配置されたステータコア13Bと、スロット14Bに収容される複数相(例えば、U相、V相、W相)のステータコイル15B(15Bu、15Bv、15Bw)とを備える。
ケーシング11は、図2において、左ケース11a、中間ケース11b、及び右ケース11cを備えて構成されている。ステータコア13Aは、径方向に突出する複数の取付け部17aに設けられたボルト穴17bにボルト16を挿通させ、中間ケース11bに固定されている。また、ステータコア13Bは、同じく径方向に突出する複数の取付け部17aに設けられたボルト穴17bにボルト16を挿通させ、右ケース11cに固定されている。
ジェネレータ10A及びモータ10Bは、セグメントコイル型の回転電機であり、ステータコイル15A、15Bは、図3に示すように、一対の脚部21i、21oと、両脚部21i、21oを一方の端部で接続する連結部22とからなる複数の略U字状コイルセグメント20を備える。複数のコイルセグメント20は、所定本数ごとに、断面長方形状の導線(平角線)を幅の広い方の面が対向するように1列に整列させて1つの束とし、各スロット14A、14Bに挿入される。また、連結部22の中央は、一方の脚部21iがスロット14A、14Bの径方向内側の部分に、他方の脚部21oが他のスロット14A、14Bの径方向外側の部分にそれぞれ挿入されるように、整列方向にS字状に湾曲するS字状湾曲部23が形成されている。
そして、図5にも示すように、ステータコイル15A、15Bでは、複数の連結部22がステータコア13A、13Bの一方の面13c側に配置された状態で、一対の脚部21i、21oがスロット14A、14Bを通って突き出るように配置され、スロット14A、14Bから突出した脚部21i、21oの突出部分21aを周方向に折り曲げて、対応するもの同士をステータコア13A、13Bの他方の面13d側で接合することで分布巻きにて構成される。
具体的に、図5に示すように、U相のステータコイル15Au、15Buを例に説明すると、例えば、一対のコイルセグメント20u1がステータコア13A、13Bの一方の面13c側から挿入され、一対のコイルセグメント20u1の一方の脚部21iは、隣接する2つのスロット14A、14Bの内周側に配置されると共に、一対のコイルセグメント20u1の他方の脚部21oは、一方の脚部21iが挿入されたスロット14A、14Bから時計方向にそれぞれ5スロット離間した2つのスロット14A、14Bの外周側に挿入される。
更に、他の一対のコイルセグメント20u2の一方の脚部21iは、一対のコイルセグメント20u1の他方の脚部21oが外周側に挿入された2つのスロット14A、14Bに対して時計方向に1スロットずれた2つのスロット14A、14Bの内周側に挿入されると共に、一対のコイルセグメント20u2の他方の脚部21oは、一方の脚部21iが挿入されたスロット14A、14Bから時計方向にそれぞれ5スロット離間した2つのスロット14A、14Bの外周側に挿入される。以下、同様にして、12対のコイルセグメント20uを、ステータコア13A、13Bの対応する各スロット14A、14Bに挿入する。
そして、ステータコア13A、13Bの他方の面13d側に突出した、各コイルセグメント20uの脚部21i、21oを周方向に折り曲げて対応する脚部同士接続して、各コイルセグメント20uが環状に連結され、分布巻きされたU相のステータコイル15Au、15Buを形成する。
このように接続することで、U相のステータコイル15Au、15Buは、所定数のスロット14A、14Bの外周側に収容される外周側巻線部51と、所定数のスロット14A、14Bの内周側に収容される内周側巻線部52とを備える。そして、外周側巻線部51と内周側巻線部52とは、1つのスロット14A、14Bを共有しつつ、外周側巻線部51に対して、内周側巻線部52が時計方向に1スロットずれて配置される。即ち、各コイルセグメント20uの一方の脚部21iが内周側巻線部52を形成し、他方の脚部21oが外周側巻線部51を形成し、且つ内周側巻線部52は、外周側巻線部51に対して時計方向に1スロットずれて配置される。
次いで、V相の12対のコイルセグメント20v、及びW相の12対のコイルセグメント20wについても、U相の12対のコイルセグメント20uと同様の方法で、スロット14A、14Bに挿入し、スロット14A、14Bから突出した脚部21i、21oを周方向に折り曲げて対応する脚部21i、21o同士を接続してV相、W相のステータコイル15Au、15Aw、15Bu、15Bwを形成する。
これにより、V相のステータコイル15Av、15Bv、及びW相のステータコイル15Aw、15Bwも、U相のステータコイル15Au、15Buと同様に、所定数のスロット14A、14Bの外周側に収容される外周側巻線部51と、所定数のスロット14A、14Bの内周側に収容される内周側巻線部52とを備え、外周側巻線部51と内周側巻線部52とは、1つのスロット14A、14Bを共有しつつ、外周側巻線部51に対して、内周側巻線部52は、図6において時計方向に1スロットずれて配置される。
なお、ジェネレータ10Aのステータ12A及びモータ10Bのステータ12Bは、軸方向長さ(積厚)を除いて同一構造を有する。即ち、ステータ12A、12Bは、ステータコア13A、13Bの軸方向幅が異なり、それに応じて、コイルセグメント20の脚部21の軸方向長さが異なっているが、上述したステータコイル15A、15Bの巻き方を含めそれ以外の構成は同一となる。
ただし、ステータ12A、ステータ12Bの軸方向長さは同じであってもよく、この場合、ステータ12A、12Bは、同一のステータとして構成される。
また、ステータコア13A、13Bの他方の面13dには、各相の対応するコイルセグメント20の脚部21同士を接続したり、中点接続を行うための配電部材24A,24Bが配置されている。配電部材24A,24Bは、それぞれ導電性を有する複数の長尺金属板が屈曲形成され、コイルセグメント20同士の接合部分21bよりも軸方向外側に延びて配置される。
図6に示すように、配電部材24A、24Bは、いずれもステータコア13A、13Bの他方の面13d側から見たとき、ステータ12A、12Bの回転軸線Oを通り鉛直方向に延びる線分VLに対して右側に配置されると共に、ステータ12A、12Bの回転軸線Oを通り水平方向に延びる線分HLより上方に配置されている。
そして、ステータ12A、12Bは、対応するコイルセグメント20同士の脚部21の接合部分21bが配置される側、即ち、ステータコア13A、13Bの他方の面13d同士を対向して配置されている。
これにより、図2に示すように、配電部材24A、24Bは、回転軸線方向においてステータ12Aとステータ12Bとの間に配置されると共に、周方向に離間して配置される。
また、図1及び図2に示すように、ケーシング11の上部には、電源端子台28A、28Bが設けられており、電源端子台28Aは、3本(U相、V相、W相)の配線部材31Aを介して、ステータ12Aのステータコイル15Aと電気的に接続され、電源端子台28Bは、3本(U相、V相、W相)の配線部材31Bを介して、ステータ12Bのステータコイル15Bと電気的に接続される。
配線部材31A,31Bは、配電部材24A、24Bと同様に、ステータコア13A、13Bの他方の面13d側から見たとき、線分VLに対して右側に配置されると共に、線分HLより上方に配置されている。
そして、ステータ12A、12Bは、ステータコア13A、13Bの他方の面13d同士を対向して配置することで、配線部材31A,31Bは、配電部材24A、24Bと同様に、回転軸線方向においてステータ12Aとステータ12Bとの間に配置される(図2参照)。また、配線部材31A,31Bは、回転軸線方向から見たとき、ステータ12A、12Bの回転軸線Oを通り鉛直方向に延びる線分VLに対して両側に分けて配置されると共に、ステータ12A、12Bの回転軸線Oを通り水平方向に延びる線分HLより上方に配置されている(図1参照)。
配線部材31A,31Bは、それぞれリード線26U、26V、26Wと、接続端子27U、27V、27Wとを有する。配線部材31A、31Bの各接続端子27U、27V、27Wは、電源端子台28A、28Bの内部接続部29A、29Bに設けられた端子(図示せず)に接続されている。また、ケーシング11から外部に突出する電源端子台28A、28Bの外部接続部30A、30Bには、内部接続部29A、29Bの端子と導通する外部端子(図示せず)が配置され、不図示の導電ケーブルを介して外部機器に接続されている。
また、図5に示すように、ロータ40A、40Bは、ステータ12A、12Bの内側に間隙を介して回転可能に配置されており、同一形状の円板状の電磁鋼板を多数積層して形成されるロータコア41A、41Bと、ロータコア41A、41Bに設けられた複数の磁石挿入孔42A、42Bに充填材を用いてそれぞれ埋め込まれた複数の永久磁石43A、43Bとを備える。
複数の磁石挿入孔42A、42Bは、ロータコア41A、41Bの外周方向に向かって開く略V字状に所定の間隔で形成されており、各永久磁石43A、43Bは、一対の磁石挿入孔42A、42B毎に磁極の向きを変えながら、各磁石挿入孔42A、42Bにそれぞれ挿入されている。また、隣り合う一対の磁石挿入孔42A、42B間には、磁束短絡防止用の空隙44A、44Bが設けられる。
このように構成されたジェネレータ10Aのロータ40Aを回転させると、ロータ40Aの回転方向と逆方向に発生する発電トルクによりステータコイル15Aに回生電力が発生してジェネレータとして機能する。また、モータ10Bのステータコイル15Bに電流を供給すると、ロータ40Bに駆動トルクが発生してモータとして機能する。
ここで、本実施形態は、ジェネレータ10Aは、外周側巻線部51に対する内周側巻線部52のずれ方向と、エネルギ回生時に発生する発電トルク方向とが同方向となるように配設し、モータ10Bは、外周側巻線部51に対する内周側巻線部52のずれ方向と、駆動時に発生する駆動トルク方向とが逆方向となるように配設する。
即ち、図7(a)に示すように、上述したようにステータコイルが巻回された回転電機の駆動トルク特性は、発生させる駆動トルクの方向によって異なる。例えば、ステータコイルに電流を供給してステータコイルのずれ方向(外周側巻線部51に対する内周側巻線部52のずれ方向)に対して逆方向(図6で矢印CCW方向)の駆動トルクを発生させたときの駆動トルク特性は曲線Taであり、ステータコイルのずれ方向に対して順方向(図6で矢印CW方向)の駆動トルクを発生させたときの駆動トルク特性は曲線Tbとなる。曲線Taの最大トルクは、曲線Tbの最大トルクより約5%大きく、加速性能の向上を図ることが可能となり、車両の駆動用モータ10Bとして使用するのに好適である。
また、図7(b)に示すように、上述したようにステータコイルが巻回された回転電機のトルク特性(リップルの大きさ)も、ロータの回転方向によって異なる。ステータコイルにステータコイルのずれ方向と同じ方向(図6で矢印CW方向)の発電トルクを発生させたときのトルク特性は曲線Tcであり、ステータコイルのずれ方向に対して逆方向(図6で矢印CCW方向)の発電トルクを発生させたときのトルク特性は曲線Tdとなる。曲線Tcのトルク特性は、曲線Tdのトルク特性と比較して、リップルが約40%低減しており、静粛性が求められる発電用ジェネレータ10Aとして使用するのに好適である。
したがって、ジェネレータ10Aでは、ステータコイル15Aのずれ方向に対して同方向の発電トルクを発生させ、モータ10Bでは、ステータコイル15Bのずれ方向に対して逆方向の駆動トルクを発生させることで、ジェネレータ10Aとモータ10Bとの異なる要求特性を、同一の電磁部の断面形状を有する回転電機で満足させることができる。
そして、図2に示すような本実施形態のジェネレータ10A及びモータ10Bの配置では、ロータ40Aの発電時の回転方向R1とロータ40Bの駆動時の回転方向R2とが逆方向に回転する。
以上説明したように、本実施形態に係る回転電機ユニット10によれば、複数相のステータコイル15のそれぞれの相は、所定数のスロット14の外周側に収容される外周側巻線部51及び所定数のスロット14の内周側に収容される内周側巻線部52を有し、外周側巻線部51と内周側巻線部52とは、スロット14を共有しつつ、外周側巻線部51に対して、内周側巻線部52が少なくとも1スロット所定の方向にずれて配置されている。そして、ジェネレータ10Aは、外周側巻線部51に対する内周側巻線部52のずれ方向と、エネルギ回生時に発生する発電トルク方向とが同方向となるように配設され、モータ10Bは、外周側巻線部51に対する内周側巻線部52のずれ方向と、駆動時に発生する駆動トルク方向とが逆方向となるように配設される。これにより、ジェネレータ10Aとモータ10Bに同一の電磁部の断面形状を有するステータ12A、12Bを用いることで、ジェネレータ10Aとモータ10Bとの軸方向長さが異なる場合でも、ステータコイル15A,15Bの巻き方が同じであり、製作が容易となり、生産性を向上することができる。また、併せて、ジェネレータ10Aとモータ10Bとの要求が異なるトルク特性を同時に満足することができる。
また、ジェネレータ10Aのステータ12Aと、モータ10Bのステータ12Bとは、同一軸線上に互いに対向して配置されるので、ステータ12A、12Bの配置を変えるだけで、従来の制御方法により、同一の電磁部の断面形状を有するステータ12A、12Bをジェネレータ10Aとモータ10Bとに使用し、且つ異なるトルク特性を同時に満足することができる。
さらに、配電部材24A,24Bを、軸方向において、ジェネレータ10Aとモータ10Bとの間に配置することで、配電部材24A,24Bを共通部品で構成することができ、部品点数を削減してコストを抑制することができる。
尚、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。適用車両としてハイブリッド自動車について説明したが、本発明はこれに限定されるものでなく、例えば、モータのみを駆動源とする電気自動車であってもよい。
また、ステータコイルは、コイルセグメントで形成されるとして説明したが、これに限定されず、同等の巻き方が可能であれば任意のコイルが採用可能である。
さらに、本実施形態では、各配電部材が、軸方向において、駆動用モータと発電用ジェネレータとの間に配置されているが、本発明はこれに限定されず、例えば、各配電部材が、軸方向において、それぞれのステータコアに対して同じ側に配置されてもよい。
10 回転電機ユニット
10A ジェネレータ(発電用ジェネレータ、回転電機)
10B モータ(駆動用モータ、回転電機)
12A、12B ステータ
13A、13B ステータコア
14、14A、14B スロット
15A、15B、15Au、15Av、15Aw、15Bu、15Bv、15Bw ステータコイル
20、20u、20v、20w コイルセグメント
24A、24B 配電部材
51 外周側巻線部
52 内周側巻線部

Claims (3)

  1. 駆動用モータ、及び発電用ジェネレータの2つの回転電機を備える回転電機ユニットであって、
    前記各回転電機は、
    軸方向に貫通する複数のスロットが周方向に等間隔で配置されたステータコアと、
    前記複数のスロット内にそれぞれ分布巻きで配置される複数相のステータコイルと、
    を備えるステータを有し、
    前記各相のステータコイルは、所定数の前記スロットの外周側に収容される外周側巻線部及び所定数の前記スロットの内周側に収容される内周側巻線部を有し、
    前記外周側巻線部と前記内周側巻線部とは、前記スロットを共有しつつ、軸方向一方側から見て、前記外周側巻線部に対して、前記内周側巻線部が少なくとも1スロット所定の方向にずれて配置され、
    前記駆動用モータと前記発電用ジェネレータとは、スロット内でのコイル配置を含めた前記ステータの軸方向断面が等しく、
    前記駆動用モータは、前記ステータコイルのずれ方向とトルク方向とが逆方向であり、
    前記発電用ジェネレータは、前記ステータコイルのずれ方向とトルク方向とが同方向であることを特徴とする回転電機ユニット。
  2. 前記駆動用モータの前記ステータと、前記発電用ジェネレータの前記ステータとは、同一の回転軸線上に互いに対向して配置されることを特徴とする請求項1に記載の回転電機ユニット。
  3. 前記ステータコイルは、コイルセグメントによって構成され、
    前記駆動用モータ及び前記発電用ジェネレータの前記ステータコイルに電力を供給する配電部材は、軸方向において、前記駆動用モータと前記発電用ジェネレータとの間に配置されることを特徴とする請求項1または2に記載の回転電機ユニット。
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