JP6551273B2 - スイッチトリラクタンスモータ - Google Patents

Description

本発明は、スイッチトリラクタンスモータに関する。

特許文献１には、エンジンの駆動時に発生する周期的なトルク変動を抑制するように、モータに逆トルクを発生させることが開示されている。

特開２０００−３５２３３２号公報

しかしながら、特許文献１の構成では、フィードバック制御によりモータが出力する逆トルクを決定するため、高周波領域のトルク変動に対して応答性が十分でない虞がある。そのため、エンジン駆動時のトルク変動を十分に抑制できない虞がある。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであって、エンジン駆動時のトルク変動を抑制させることができるスイッチトリラクタンスモータを提供することを目的とする。

本発明は、エンジンのクランクシャフトに接続されたスイッチトリラクタンスモータにおいて、前記エンジンで燃料を爆発させるタイミングに通過するロータの凸極およびステータの歯の周方向長さが、他の前記ロータの凸極および前記ステータの歯よりも長いことを特徴とする。

本発明では、ロータの凸極およびステータの歯の周方向長さが他の凸極や歯よりも長いため、磁束密度が大きくなり磁気飽和しにくくなる。そのため、エンジンの燃料を爆発させるタイミングにおいて、大きな発電トルクを発生されることができる。これにより、燃料の爆発に起因するピストンの慣性力やコンロッドの遠心力により発生するトルク変動を、スイッチトリラクタンスモータの発電トルクによって効果的に抑制させることができる。

図１は、スイッチトリラクタンスモータが搭載された車両例を模式的に示す図である。 図２は、エンジンおよびスイッチトリラクタンスモータを模式的に示す図である。 図３は、図２のＢ−Ｂ断面を示す断面図である。 図４は、爆発によるＥＮＧトルクの変動を説明するための図である。 図５は、図２のＡ−Ａ断面を示す断面図である。 図６は、ティース幅と磁束密度との関係を示す図である。 図７は、トルク発生原理を説明するための図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態におけるスイッチトリラクタンスモータについて具体的に説明する。

図１は、スイッチトリラクタンスモータが搭載された車両例を模式的に示す図である。図１に示すように、車両Ｖｅは、エンジン（ＥＮＧ）１と、スイッチトリラクタンスモータ２と、インバータ（ＩＮＶ）３と、バッテリ（ＢＡＴ）４と、電動機５と、減速機６と、駆動輪７とを備えている。車両Ｖｅは、シリーズ式のハイブリッド車両である。

エンジン１が出力した機械的な動力は、スイッチトリラクタンスモータ（以下「ＳＲＭ」という）２によって電力に変換される。ＳＲＭ２は、発電機として機能するものである。そのＳＲＭ２で発電された電力は、インバータ３を介してバッテリ４に充電され、もしくはインバータ３を介して電動機５へ供給される。そして、電動機５は、その電力によって駆動する。電動機５から出力された動力は、減速機６を介して駆動輪７に伝達される。

図２は、エンジン１およびＳＲＭ２を模式的に示す図である。図２に示すように、ＳＲＭ２は、エンジン１のクランクシャフト１０に接続されている。そのＳＲＭ２は、クランクシャフト１０と一体回転するロータ２１と、図示しないケースなどに固定されたステータ２２と、ステータ２２を励磁させるコイル２３とを有する。また、ＳＲＭ２は、三相交流式に構成されている。コイル２３は、三相コイルを含み、インバータ３に接続されている。

クランクシャフト１０は、クランクピン１０ａと、クランクアーム１０ｂと、クランクジャーナル１０ｃとにより構成されている。クランクピン１０ａは、コンロッド１１に取り付けられている。クランクアーム１０ｂは、クランクピン１０ａとクランクジャーナル１０ｃとを繋いでいる。クランクジャーナル１０ｃは、クランクシャフト１０自体を支えている。コンロッド１１は、クランクシャフト１０とピストン１２とを接続させている。ピストン１２は、ピストンピン１２ａ（図３に示す）によってコンロッド１１と接続されており、シリンダ１３の内部に設けられている。図２に示すエンジン１は、直列２気筒に構成されている。シリンダ１３（気筒）内の燃料が爆発することによりクランクシャフト１０に回転力（トルク）が発生する。なお、中心Ｏは、クランクシャフト１０の回転中心を表す。

ここで、図３，４を参照して、シリンダ１３内で燃料が爆発した際にエンジン１に作用する力について説明する。図３は、図２のＢ−Ｂ断面を示す断面図である。図４は、爆発によるＥＮＧトルクの変動を説明するための図である。

図３に示すように、シリンダ１３内の燃料を爆発させた際、その爆発エネルギーによってピストン１２は下方に移動（ストローク）させられる。この場合、ピストン１２には、下向きの加速度が生じるため、その加速度により上向きの慣性力が生じる。そして、クランクシャフト１０には、ＥＮＧトルク（図３では中心Ｏに対して時計回り方向の回転力）が発生する。この場合、コンロッド１１には、中心Ｏに対する遠心力が発生する。シリンダ１３内の燃料を爆発させた際、ＥＮＧトルクの他に、ピストン１２の慣性力とコンロッド１１の遠心力とがクランクシャフト１０に作用する。その慣性力と遠心力によってＥＮＧトルクが変動することになる。

図４に示すように、燃料が爆発する際、クランクシャフト１０には特に大きなトルクが発生する。エンジン１では、シリンダ１３内の燃料を周期的に爆発させるため、クランクシャフト１０には、その爆発タイミングで大きなトルクが周期的に発生することになる。そのため、燃料が爆発するタイミングにおいて、ピストン１２の慣性力とコンロッド１１の遠心力とは大きくなり、ＥＮＧトルクの変動が大きくなる。このＥＮＧトルクの変動を抑制するために、ＥＮＧトルクとは反対方向のトルク（逆トルク）をＳＲＭ２で発生させるように構成されている。ＳＲＭ２はクランクシャフト１０に直結されているため、ＳＲＭ２のロータ２１で発生した逆トルクは、クランクシャフト１０に直接的に作用する。

図５は、図２のＡ−Ａ断面を示す断面図である。図５に示すように、ロータ２１は、ステータ２２の径方向内側に配置されて、環状の外周部に凸極２１１が複数設けられている。ステータ２２は、環状の内周部に凸極としてのティース２２１を複数備えている。図５に示すＳＲＭ２は、六極のステータ２２と四極のロータ２１とを有する。また、三相交流式のＳＲＭ２では、一対のティース２２１，２２１によって１つの相を成す。そのため、ステータ２２には、三相のうち１つの相をなす一対のティース２２１，２２１が、径方向で対向する位置となるように三組設けられている。各ティース２２１には、コイル２３が巻き付けられている。

具体的には、燃料が爆発するタイミングにおいて、励磁対象となるティース２２１と、そのティース２２１の径方向内側を通過する凸極２１１とが、他のティース２２１および凸極２１１よりも周方向長さが長く構成されている。図５に示すように、ロータ２１の凸極２１１は、周方向長さが異なる第１凸極２１１Ａと第２凸極２１１Ｂを含む。第１凸極２１１Ａの周方向長さは、第２凸極２１１Ｂよりも長い。さらに、ステータ２２のティース２２１も、周方向長さが異なる第１ティース２２１Ａと第２ティース２２１Ｂとを含む。第１ティース２２１Ａの周方向長さは、第２ティース２２１Ｂよりも長い。つまり、ＳＲＭ２では、励磁電流が印加された第１ティース２２１Ａの径方向内側を第１凸極２１１Ａが通過するタイミングと、エンジン１の燃料を爆発させるタイミングとが同期されている。

例えば、ロータ２１はクランクシャフト１０と同一方向（図５では中心Ｏに対して反時計回り）に回転するため、エンジン１の駆動状態において、第１ティース２２１Ａが励磁されているタイミングで、第１ティース２２１Ａの径方向内側を第１凸極２１１Ａは通過する。この場合、第１凸極２１１Ａは、第１ティース２２１Ａによる磁界内を通過するため、第１ティース２２１Ａ側に吸引させる磁気吸引力を受けるとともに、発電トルク（逆トルク）が作用する。発電トルクは、ロータ２１の回転方向（クランクシャフト１０の回転方向）に対して反対方向のトルク（逆トルク）である。そして、エンジン１で燃料が爆発するタイミングでは大きなＥＮＧトルクが発生し、それに起因するＥＮＧトルクの変動が大きくなるので、その変動を抑制するための発電トルク（逆トルク）も大きなトルクが必要になる。そのため、ＳＲＭ２では、燃料の爆発タイミングに合わせて大きな発電トルクが発生するように、第１凸極２１１Ａおよび第１ティース２２１Ａの周方向幅が広く形成されている。これは、第１凸極２１１Ａの周方向幅が広く、かつ第１ティース２２１Ａが発生する磁束密度が大きいほど、大きな発電トルク（逆トルク）を発生するためには有利だからである。

図６は、ティース幅と磁束密度との関係を示す図である。図６に示すように、ステータ２２のティース２２１は、ティース幅が広い（周方向長さが長い）ほうが狭い場合（周方向長さが短い場合）よりも磁気飽和しにくい。つまり、ティース２２１を励磁させる励磁電流として大きな電流が印加された場合、ティース幅が広いほどティース２２１は磁気飽和しにくいため、そのティース２２１で発生する磁束密度は大きくなる。そのため、燃料の爆発タイミングで励磁対象となる第１ティース２２１Ａは、第２ティース２２１Ｂよりも磁束密度が大きくなるように構成されている。また、ロータ２１で発生する発電トルクの大きさは、図７に示すように、ステータ２２により発生する磁界の強さ（磁束）に比例する。

図７は、トルク発生原理を説明するための図である。また、図７には、燃料の爆発タイミングにおいて、第１ティース２２１Ａが励磁されている場合を示す。なお、図７に示すロータ２１は、正方向（反時計回り）に回転している。

図７に示すように、励磁された第１ティース２２１Ａによって磁界（多数本の磁力線）が発生する。その磁界内を第１凸極２１１Ａが通過する際、第１凸極２１１Ａは周方向に広い範囲で複数の磁力線を横切るようにして第１ティース２２１Ａの径方向内側を通過（回転）する。これにより、第１凸極２１１Ａには、第１ティース２２１Ａ側に吸引される力（磁気吸引力）が作用する。その磁気吸引力を径方向成分と周方向成分とに分解すると、径方向成分がラジアル力であり、周方向成分が回転力（トルク）となる。そのため、ロータ２１には発電トルク（ロータ２１の回転方向に対して反対方向のトルク）が発生する。ここで重要なのは、ＳＲＭ２で発生する発電トルクの大きさは、凸極２１１とティース２２１との間で発生する吸引力の大きさに比例するとともに、その吸引力の大きさは、凸極２１１が単位時間当たりに通過する磁力線の本数とに比例するということである。つまり、図７に示すように、第１ティース２２１Ａにより発生する磁力線の本数が多いと、第１凸極２１１Ａに作用する発電トルクは大きくなる。

さらに、ＳＲＭ２は、上述した図５に示すように、燃料の爆発により大きなＥＮＧトルクが発生するときに、周方向幅の広い第１凸極２１１Ａが、同じく周方向幅の広い第１ティース２２１Ａと重なり合って大きな磁気吸引力が発生するように、クランクシャフト１０のクランク角に対するロータ２１の位相が決定されている。

以上説明した通り、ＳＲＭ２では、エンジン１で燃料を爆発させるタイミングに通過する凸極２１１とティース２２１との周方向長さが、他の凸極２１１およびティース２２１よりも長い。そのため、ＳＲＭ２で発生する発電トルクが大きくなり、燃料の爆発タイミングにおいて、エンジン１のトルク変動を効果的に抑制できる。これにより、ＥＮＧトルクの変動に起因するＳＲＭ２の揺れ（振動）を抑制することができる。

また、上述したＳＲＭ２の変形例として、ピストン１２の慣性力やコンロッド１１の遠心力の方向に対向してロータ２１およびステータ２２の位相を配置することができる。この変形例では、ピストン１２の慣性力やコンロッド１１の遠心力の大きさが最大となる位相において、ＳＲＭ２により発電トルク（逆トルク）を発生させるとき、ロータ２１（第１凸極２１１Ａ）とステータ２２（第１ティース２２１Ａ）との間に大きな磁気吸引力が発生する。その磁気吸引力の向きと、ピストン１２の慣性力やコンロッド１１の遠心力の向きを対向させることにより、ＥＮＧトルクの変動を発電トルクによって効果的に低減させることができる。例えば、上述した図３および図５を参照すると、ピストン１２の慣性力と反対向きに磁気吸引力が作用するように、ステータ２２の位相を配置させている。言い換えれば、クランクシャフト１０の中心Ｏに対して、ピストン１２の上死点と対称の位置に第１ティース２２１Ａを配置する。さらに、燃料の爆発により大きなＥＮＧトルクが発生するときに、上述した反対向きの磁気吸引力の大きさが大きくなるように、クランクシャフト１０に対するロータ２１の位相を決定する。

１ エンジン（ＥＮＧ）
２ スイッチトリラクタンスモータ
２１ ロータ
２２ ステータ
２１１ 凸極
２１１Ａ 第１凸極
２２１ ティース
２２１Ａ 第１ティース

Claims (1)

1. エンジンのクランクシャフトに接続されたスイッチトリラクタンスモータであって、
   前記エンジンで燃料を爆発させるタイミングにおいて、励磁対象となるステータの歯と、当該歯の径方向内側を通過するロータの凸極とが、他の前記ステータの歯および前記ロータの凸極よりも周方向長さが長く構成されている
   ことを特徴とするスイッチトリラクタンスモータ。

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