以下、実施形態を図面に基づいて説明する。以下の各実施形態相互において、互いに同一又は均等である部分には、図中、同一符号を付しており、同一符号の部分についてはその説明を援用する。
(第1実施形態)
本実施形態の回転電機は、たとえば車両動力源、すなわち走行駆動源として用いられるものとなっている。ただし、回転電機は、産業用、車両用、家電用、OA機器用、遊技機用などとして広く用いられることが可能となっている。先ず図1~図30を用いて、後述する可変構造が適用可能な回転電機の基本構成について説明する。
<回転電機の基本構成>
図1は、回転電機10の縦断面斜視図である。図2は、回転電機10の回転軸11に沿う方向での縦断面図である。図3は、回転軸11に直交する方向での回転電機10の横断面図(図2のIII-III線断面図)である。図4は、図3の一部を拡大して示す断面図である。図5は、回転電機10の分解図である。図3では、図示の都合上、回転軸11を除き、切断面を示すハッチングを省略している。以下の記載では、回転軸11が延びる方向を軸方向とし、回転軸11の中心から放射状に延びる方向を径方向とし、回転軸11を中心として円周状に延びる方向を周方向とする。
本実施形態の回転電機10は、同期式多相交流モータであり、アウタロータ構造、すなわち外転構造となっている。回転電機10は、大別して、軸受部20と、ハウジング30と、回転子40と、固定子50と、インバータユニット60を備えている。これら各部材は、いずれも回転軸11とともに同軸上に配置され、所定順序で軸方向に組み付けられることで回転電機10が構成されている。
軸受部20は、軸方向に互いに離間して配置される2つの軸受21,22と、その軸受21,22を保持する保持部材23を有している。軸受21,22は、たとえばラジアル玉軸受であり、それぞれ外輪25と、内輪26と、それら外輪25及び内輪26の間に配置された複数の玉27とを有している。保持部材23は円筒状をなしており、その径方向内側に軸受21,22が組み付けられている。そして、軸受21,22の径方向内側に、回転軸11及び回転子40が回転自在に支持されている。
ハウジング30は、円筒状をなす周壁部31と、周壁部31の軸方向両端部の一方に設けられた端面部32を有している。周壁部31の両端部のうち、端面部32の反対側は開口部33となっており、ハウジング30は、端面部32の反対側が開口部33により全面的に開放された構成となっている。端面部32には、その中央に円形の孔34が形成されており、その孔34に軸受部20を挿通させた状態で、ネジやリベット等の固定具により軸受部20が固定されている。
ハウジング30内、すなわち周壁部31及び端面部32により区画された内部スペースには、回転子40と固定子50とが収容されている。本実施形態では回転電機10がアウタロータ式であり、ハウジング30内には、筒状をなす回転子40の径方向内側に固定子50が配置されている。回転子40は、軸方向において端面部32の側で回転軸11に片持ち支持されている。
回転子40は、中空筒状に形成された回転子本体41と、その回転子本体41の径方向内側に設けられた環状の磁石部42を有している。回転子本体41は、略カップ状をなし、磁石保持部材としての機能を有する。回転子本体41は、筒状をなす磁石保持部43と、同じく筒状をなしかつ磁石保持部43よりも小径の固定部44と、それら磁石保持部43及び固定部44を繋ぐ部位となる中間部45を有している。磁石保持部43の内周面に磁石部42が取り付けられている。
固定部44の貫通孔44aには回転軸11が挿通されており、その挿通状態で回転軸11に対して固定部44が固定されている。つまり、固定部44により、回転軸11に対して回転子本体41が固定されている。なお、固定部44は、凹凸を利用したスプライン結合やキー結合、溶接、又はかしめ等により回転軸11に対して固定されているとよい。これにより、回転子40が回転軸11と一体に回転する。回転子40の回転の軸は、回転軸11の軸心に一致している。
固定部44の径方向外側には、軸受部20の軸受21,22が組み付けられている。上記のとおり、軸受部20はハウジング30の端面部32に固定されているため、回転軸11及び回転子40は、ハウジング30に回転可能に支持されるものとなっている。これにより、ハウジング30内において回転子40が回転自在となっている。
回転子40には、軸方向両側のうち片側にのみ固定部44が設けられており、これにより、回転子40が回転軸11に片持ち支持されている。ここで、回転子40の固定部44は、軸受部20の軸受21,22により、軸方向に異なる2位置で回転可能に支持されている。すなわち、回転子40は、回転子本体41における軸方向両端部の一方の側において、軸方向2箇所の軸受21,22により回転可能に支持されている。そのため、回転子40が回転軸11に片持ち支持される構造であっても、回転子40の安定回転が実現されるようになっている。この場合、回転子40の軸方向中心位置に対して片側にずれた位置で、回転子40が軸受21,22により支持されている。
また、軸受部20において回転子40の中心寄り(図の下側)の軸受22と、その逆側(図の上側)の軸受21とは、外輪25及び内輪26と玉27との間の隙間寸法が相違している。たとえば軸受22のほうが、軸受21よりも隙間寸法が大きいものとなっている。この場合、回転子40の中心寄りの側において、回転子40の振れや、部品公差に起因するインバランスによる振動が軸受部20に作用しても、その振れや振動の影響が良好に吸収される。
具体的には、軸受22において予圧により遊び寸法(隙間寸法)を大きくしていることで、片持ち構造において生じる振動がその遊び部分により吸収される。前記予圧は、定位置予圧でもよいが、軸受22の軸方向外側(図の上側)の段差に予圧用ばね、ウェーブワッシャ等を挿入することで与えてもよい。
中間部45は、径方向中心側とその外側とで軸方向の段差を有する構成となっている。中間部45において、径方向の内側端部と外側端部とは、軸方向の位置が相違しており、これにより、軸方向において磁石保持部43と固定部44とが一部重複している。つまり、固定部44の基端部(図の下側の奥側端部)よりも軸方向外側に、磁石保持部43が突出するものとなっている。本構成では、中間部45が段差無しで平板状に設けられる場合に比べて、回転子40の重心近くの位置で、回転軸11に対して回転子40を支持させることが可能となり、回転子40の安定動作が実現できるものとなっている。
上記した中間部45の構成により、回転子40には、径方向において固定部44を囲み、中間部45の内寄りとなる位置に、軸受部20の一部を収容する軸受収容凹部46が環状に形成されている。また、径方向において軸受収容凹部46を囲み、中間部45の外寄りとなる位置に、後述する固定子50の固定子巻線51のコイルエンド部54を収容するコイル収容凹部47が形成されている。そして、これら各収容凹部46,47が、径方向の内外で隣り合うように配置されるようになっている。つまり、軸受部20の一部と、固定子巻線51のコイルエンド部54とが径方向内外に重複するように配置されている。これにより、回転電機10において軸方向の長さ寸法の短縮が可能となっている。
コイルエンド部54は、径方向の内側又は外側に曲げられることで、そのコイルエンド部54の軸方向寸法を小さくすることができ、固定子軸長を短縮することが可能である。コイルエンド部54の曲げ方向は、回転子40との組み付けを考慮したものであるとよい。回転子40の径方向内側に固定子50を組み付けることを想定すると、その回転子40に対する挿入先端側では、コイルエンド部54が径方向内側に曲げられるとよい。その逆側の曲げ方向は任意でよいが、空間的に余裕のある外径側が製造上好ましい。
磁石部42は、磁石保持部43の径方向内側において、周方向に沿って磁極が交互に変わるように配置された複数の磁石により構成されている。磁石部42の詳細については後述する。
固定子50は、回転子40の径方向内側に設けられている。固定子50は、略筒状に巻回形成された固定子巻線51と、その径方向内側に配置された固定子コア52を有している。固定子巻線51は、所定のエアギャップを挟んで円環状の磁石部42に対向するように配置されている。固定子巻線51は、複数の相巻線よりなる。各相巻線は、周方向に配列された複数の導線が所定ピッチで互いに接続されることで構成されている。本実施形態では、U相、V相及びW相の3相巻線と、X相、Y相及びZ相の3相巻線とを用い、それら3相2組の相巻線を用いることで、固定子巻線51が6相の相巻線として構成されている。
固定子コア52は、軟磁性材からなる積層鋼板により円環状に形成されており、固定子巻線51の径方向内側に組み付けられている。
固定子巻線51は、軸方向において固定子コア52に重複する部分であり、固定子コア52の径方向外側となるコイルサイド部53と、軸方向において固定子コア52の一端側及び他端側にそれぞれ張り出すコイルエンド部54,55を有している。コイルサイド部53は、径方向において固定子コア52と回転子40の磁石部42にそれぞれ対向している。回転子40の内側に固定子50が配置された状態では、軸方向両側のコイルエンド部54,55のうち軸受部20の側(図の上側)となるコイルエンド部54が、回転子40の回転子本体41により形成されたコイル収容凹部47に収容されている。固定子50の詳細については後述する。
インバータユニット60は、ハウジング30に対してボルト等の締結具により固定されるユニットベース61と、ユニットベース61に組み付けられる電気コンポーネント62を有している。ユニットベース61は、ハウジング30の開口部33側の端部に対して固定されるエンドプレート部63と、エンドプレート部63に一体に設けられ、軸方向に延びるケーシング部64を有している。エンドプレート部63は、その中心部に円形の開口部65を有しており、開口部65の周縁部から起立するようにしてケーシング部64が形成されている。
ケーシング部64の外周面には、固定子50が組み付けられている。つまり、ケーシング部64の外径寸法は、固定子コア52の内径寸法と同じか、又は、固定子コア52の内径寸法よりも僅かに小さい寸法になっている。ケーシング部64の外側に固定子コア52が組み付けられることで、固定子50とユニットベース61とが一体化されている。また、ユニットベース61がハウジング30に固定されることからすると、ケーシング部64に固定子コア52が組み付けられた状態では、固定子50がハウジング30に対して一体化された状態となっている。
ケーシング部64の径方向内側は、電気コンポーネント62を収容する収容空間となっており、その収容空間には、回転軸11を囲むようにして電気コンポーネント62が配置されている。ケーシング部64は、収容空間形成部としての役目を有している。電気コンポーネント62は、インバータ回路を構成する半導体モジュール66や、制御基板67、コンデンサモジュール68を備えている。
ここで、上記図1~図5に加え、インバータユニット60の分解図である図6を用いて、インバータユニット60の構成をさらに説明する。
ユニットベース61において、ケーシング部64は、筒状部71と、筒状部71における軸方向両端部の一方(軸受部20側の端部)に設けられた端面部72を有している。端面部72の反対側は、エンドプレート部63の開口部65を通じて全面的に開放されている。端面部72には、その中央に円形の孔73が形成されており、その孔73に回転軸11が挿通可能となっている。
ケーシング部64の筒状部71は、その径方向外側に配置される回転子40及び固定子50と、その径方向内側に配置される電気コンポーネント62との間を仕切る仕切り部となっている。回転子40及び固定子50と、電気コンポーネント62とは、筒状部71を挟んで径方向内外に並ぶように、それぞれ配置されている。
電気コンポーネント62は、インバータ回路を構成する電気部品であり、固定子巻線51の各相巻線に対して所定順序で電流を流して回転子40を回転させる力行機能と、回転軸11の回転にともない固定子巻線51に流れる3相交流電流を入力し、発電電力として外部に出力する発電機能とを有している。電気コンポーネント62は、力行機能と発電機能とのうち、いずれか一方のみを有するものであってもよい。発電機能は、たとえば回転電機10が車両用動力源として用いられる場合、回生電力として外部に出力する回生機能である。
電気コンポーネント62の具体的な構成として、回転軸11の周りには、中空円筒状をなすコンデンサモジュール68が設けられており、コンデンサモジュール68の外周面上に、複数の半導体モジュール66が周方向に並べて配置されている。コンデンサモジュール68は、互いに並列接続された平滑用のコンデンサ68aを複数備えている。具体的には、コンデンサ68aは、複数枚のフィルムコンデンサが積層されてなる積層型フィルムコンデンサであり、横断面が台形状をなしている。コンデンサモジュール68は、12個のコンデンサ68aが環状に並べて配置されることで構成されている。
コンデンサ68aの製造過程においては、たとえば、複数のフィルムが積層されてなる所定幅の長尺フィルムを用いる。フィルム幅方向を台形高さ方向とし、台形の上底と下底とが交互になるように、長尺フィルムを等脚台形状に切断することで、コンデンサ素子が作られる。そして、コンデンサ素子に電極等を取り付けることで、コンデンサ68aが作製される。
半導体モジュール66は、たとえばMOSFETやIGBT等の半導体スイッチング素子を有し、略板状に形成されている。本実施形態では、回転電機10が2組の3相巻線を備えており、その3相巻線ごとにインバータ回路が設けられている。電気コンポーネント62は、計12個の半導体モジュール66を有している。
半導体モジュール66は、ケーシング部64の筒状部71とコンデンサモジュール68との間に挟まれた状態で配置されている。半導体モジュール66の外周面は筒状部71の内周面に接触し、半導体モジュール66の内周面はコンデンサモジュール68の外周面に接触している。この場合、半導体モジュール66で生じた熱は、ケーシング部64を介してエンドプレート部63に伝わり、エンドプレート部63から放出される。
径方向において、半導体モジュール66と筒状部71との間に、スペーサ69が配置されるとよい。コンデンサモジュール68では軸方向に直交する横断面の断面形状が正12角形である一方、筒状部71の内周面の横断面形状が円形であるため、スペーサ69は、内周面が平坦面、外周面が曲面となっている。スペーサ69は、各半導体モジュール66の径方向外側において円環状に連なるように一体に設けられていてもよい。なお、筒状部71の内周面の横断面形状をコンデンサモジュール68と同じ12角形にすることも可能である。この場合、スペーサ69の内周面及び外周面がいずれも平坦面であるとよい。
本実施形態では、ケーシング部64の筒状部71に、冷却水を流通させる冷却水通路74が形成されており、半導体モジュール66で生じた熱は、冷却水通路74を流れる冷却水に対しても放出される。つまり、ケーシング部64は水冷機構を備えている。図3や図4に示すように、冷却水通路74は、電気コンポーネント62(半導体モジュール66及びコンデンサモジュール68)を囲むように環状に形成されている。半導体モジュール66は筒状部71の内周面に沿って配置されており、その半導体モジュール66に対して径方向内外に重なる位置に冷却水通路74が設けられている。
筒状部71の外側には固定子50が配置され、内側には電気コンポーネント62が配置されている。したがって、筒状部71に対しては、その外側から固定子50の熱が伝わるとともに、内側から半導体モジュール66の熱が伝わる。この場合、固定子50と半導体モジュール66とを同時に冷やすことが可能となっており、回転電機10における発熱部材の熱を効率良く放出することができる。
電気コンポーネント62は、軸方向において、コンデンサモジュール68の一方の端面に設けられた絶縁シート75と、他方の端面に設けられた配線モジュール76を備えている。コンデンサモジュール68の軸方向両端面の一方(軸受部20側の端面)は、ケーシング部64の端面部72に対向しており、絶縁シート75を挟んだ状態で端面部72に重ね合わされている。また、他方の端面(開口部65側の端面)には、配線モジュール76が組み付けられている。
配線モジュール76は、合成樹脂材よりなり円形板状をなす本体部76aと、その内部に埋設された複数のバスバー76b,76cを有しており、バスバー76b,76cにより、半導体モジュール66やコンデンサモジュール68と電気的接続がなされている。具体的には、半導体モジュール66は、その軸方向端面から延びる端子66aを有しており、その端子66aが、本体部76aの径方向外側においてバスバー76bに接続されている。バスバー76cは、本体部76aの径方向外側においてコンデンサモジュール68とは反対側に延びており、図2に示すように、その先端部にて配線部材79に接続されるようになっている。
上記のとおりコンデンサモジュール68の軸方向両側に絶縁シート75と配線モジュール76とがそれぞれ設けられた構成によれば、コンデンサモジュール68の放熱経路として、コンデンサモジュール68の軸方向両端面から端面部72及び筒状部71に至る経路が形成される。これにより、コンデンサモジュール68において半導体モジュール66が設けられた外周面以外の端面部からの放熱が可能になっている。つまり、径方向への放熱だけでなく、軸方向への放熱も可能となっている。
コンデンサモジュール68は中空円筒状をなし、その内周部には所定の隙間を有して回転軸11が配置される。したがって、コンデンサモジュール68の熱は、その中空部からも放出可能となっている。この場合、回転軸11の回転により空気の流れが生じることにより、その冷却効果が高められるようになっている。
配線モジュール76には、円板状の制御基板67が取り付けられている。制御基板67は、所定の配線パターンが形成されたプリント基板(PCB)を有しており、プリント基板上には各種ICや、マイコン等からなる制御装置77が実装されている。制御基板67は、ネジ等の固定具により配線モジュール76に固定されている。制御基板67は、その中央部に、回転軸11を挿通させる挿通孔67aを有している。
なお、配線モジュール76の軸方向両側のうち、コンデンサモジュール68の反対側に制御基板67が設けられ、制御基板67の両面の一方側から他方側に配線モジュール76のバスバー76cが延びる構成となっている。かかる構成において、制御基板67には、バスバー76cとの干渉を回避する切欠が設けられているとよい。たとえば、円形状をなす制御基板67の外縁部の一部が切り欠かれているとよい。
このように、ケーシング部64に囲まれた空間内に電気コンポーネント62が収容され、その外側に、ハウジング30、回転子40、及び固定子50が層状に配置されている。この構成によれば、インバータ回路で生じる電磁ノイズが好適にシールドされる。インバータ回路では、所定のキャリア周波数によるPWM制御を利用して各半導体モジュール66でのスイッチング制御が行われ、そのスイッチング制御により電磁ノイズが生じることが考えられるが、その電磁ノイズを、電気コンポーネント62の径方向外側のハウジング30、回転子40、固定子50等により好適にシールドできる。
筒状部71においてエンドプレート部63の付近には、その外側の固定子50と内側の電気コンポーネント62とを電気的に接続する配線部材79を挿通させる貫通孔78が形成されている。図2に示すように、配線部材79は、圧着、溶接などにより、固定子巻線51の端部と配線モジュール76のバスバー76cとにそれぞれ接続されている。配線部材79は、たとえばバスバーであり、その接合面は平たく潰されていることが望ましい。貫通孔78は、1箇所又は複数箇所に設けられているとよく、本実施形態では2箇所に設けられている。2箇所に貫通孔78が設けられる構成では、2組の3相巻線から延びる巻線端子を、それぞれ配線部材79により容易に結線することが可能となり、多相結線を行う上で好適なものとなっている。
ハウジング30内には、図4に示すように径方向外側から順に回転子40、固定子50が設けられ、固定子50の径方向内側にインバータユニット60が設けられている。ここで、ハウジング30の内周面の半径をdとすると、回転中心からd×0.705の距離よりも径方向外側に、回転子40及び固定子50が配置されている。この場合、固定子50の内周面、すなわち固定子コア52の内周面から径方向内側となる領域を第1領域X1、固定子50の内周面からハウジング30までの間の領域を第2領域X2とすると、第1領域X1の横断面の面積は、第2領域X2の横断面の面積よりも大きい構成となっている。また、軸方向において回転子40の磁石部42及び固定子巻線51が重複する範囲で見て、第1領域X1の容積が第2領域X2の容積よりも大きい構成となっている。
なお、回転子40及び固定子50を磁気回路コンポーネントとすると、ハウジング30内において、その磁気回路コンポーネントの内周面から径方向内側となる第1領域X1が、径方向において磁気回路コンポーネントの内周面からハウジング30までの間の第2領域X2よりも容積が大きい構成となっている。
次いで、回転子40及び固定子50の構成をより詳しく説明する。
一般に、回転電機における固定子の構成として、積層鋼板よりなり、円環状をなす固定子コアに、周方向に複数のスロットを設け、そのスロット内に固定子巻線を巻装するものが知られている。具体的には、固定子コアは、ヨーク部から所定間隔で径方向に延びる複数のティースを有しており、周方向に隣り合うティース間にスロットが形成されている。そして、スロット内に、たとえば径方向に複数層の導線が収容され、その導線により固定子巻線が構成されている。
ただし、上記した固定子構造では、固定子巻線の通電時において、固定子巻線の起磁力が増加するのにともない固定子コアのティース部分で磁気飽和が生じ、それに起因して回転電機のトルク密度が制限されることが考えられる。つまり、固定子コアにおいて、固定子巻線の通電により生じた回転磁束がティースに集中することで、磁気飽和が生じると考えられる。
また、一般的に、回転電機におけるIPMロータの構成として、永久磁石がd軸に配置され、q軸にロータコアが配置されたものが知られている。このような場合、d軸近傍の固定子巻線が励磁されることで、フレミングの法則により固定子から回転子のq軸に励磁磁束が流入される。そしてこれにより、回転子のq軸コア部分に、広範囲の磁気飽和が生じると考えられる。
図7は、固定子巻線の起磁力を示すアンペアターン[AT]とトルク密度[Nm/L]との関係を示すトルク線図である。破線が一般的なIPMロータ型の回転電機における特性を示す。図7に示すように、一般的な回転電機では、固定子において起磁力を増加させていくことにより、スロット間のティース部分及びq軸コア部分の2箇所で磁気飽和が生じ、それが原因でトルクの増加が制限されてしまう。このように、当該一般的な回転電機では、アンペアターン設計値がX1で制限されることになる。
そこで本実施形態では、磁気飽和に起因するトルク制限を解消すべく、回転電機10において、以下に示す構成を付与するものとしている。すなわち、第1の工夫として、固定子において固定子コアのティースで生じる磁気飽和をなくすべく、固定子50においてスロットレス構造を採用し、かつIPMロータのq軸コア部分で生じる磁気飽和をなくすべく、SPMロータを採用している。第1の工夫によれば、磁気飽和が生じる上記2箇所の部分をなくすことができるが、低電流域でのトルクが減少することが考えられる(図7の一点鎖線参照)。そのため、第2の工夫として、SPMロータの磁束増強を図ることでトルク減少を挽回すべく、回転子40の磁石部42において磁石磁路を長くして磁力を高めた極異方構造を採用している。
また、第3の工夫として、固定子巻線51のコイルサイド部53において導線の径方向厚さを小さくした扁平導線構造を採用してトルク減少の挽回を図っている。ここで、上記した極異方構造によって、対向する固定子巻線51には、より大きな渦電流が発生することが考えられる。しかしながら、第3の工夫によれば、径方向に薄い扁平導線構造のため、固定子巻線51における径方向の渦電流の発生を抑制することができる。このように、これら第1~第3の各構成によれば、図7に実線で示すように、磁力の高い磁石を採用してトルク特性の大幅な改善を見込みつつも、磁力の高い磁石ゆえに生じ得る大きい渦電流発生の懸念も改善できるものとなっている。
さらに、第4の工夫として、極異方構造を利用し正弦波に近い磁束密度分布を有する磁石部42を採用している。これによれば、後述するパルス制御等によって正弦波整合率を高めてトルク増強を図ることができるとともに、ラジアル磁石と比べ緩やかな磁束変化のため渦電流損もさらに抑制することができる。
また、第5の工夫として、固定子巻線51を複数の素線を寄せ集めて撚った素線導体構造としている。これによれば、基本波成分は集電されて大電流が流せるとともに、扁平導線構造で周方向に広がった導線で発生する周方向に起因する渦電流の発生を、素線それぞれの断面積が小さくなるため、第3の工夫による径方向に薄くする以上に効果的に抑制することができる。そして、複数の素線が撚り合っていることで、導体からの起磁力に対しては、電流通電方向に対して右ネジの法則で発生する磁束に対する渦電流を相殺することができる。
このように、第4の工夫、第5の工夫をさらに加えると、第2の工夫である磁力の高い磁石を採用しながら、さらにその高い磁力に起因する渦電流損を抑制しながらトルク増強を図ることができる。
以下に、固定子50のスロットレス構造、固定子巻線51の扁平導線構造、及び磁石部42の極異方構造について個別に説明を加える。
先ずは、スロットレス構造と扁平導線構造について説明する。図8は、回転子40及び固定子50の横断面図であり、図9は、図8に示す回転子40及び固定子50の一部を拡大して示した図である。図10は、固定子50の横断面を示す断面図であり、図11は、固定子50の縦断面を示す断面図である。また、図12は、固定子巻線51の斜視図である。なお、図8及び図9には、磁石部42における磁石の磁化方向を矢印にて示している。
図8~図11に示すように、固定子コア52は、軸方向に複数の電磁鋼板が積層され、径方向に所定の厚さを有する円筒状をなしており、径方向外側に固定子巻線51が組み付けられるものとなっている。固定子コア52の外周面が導線設置部となっている。固定子コア52の外周面は凹凸のない曲面状をなしており、その外周面において周方向に並べて複数の導線群81が配置されている。
固定子コア52は、回転子40を回転させるための磁気回路の一部となるバックヨークとして機能する。この場合、周方向に隣り合う各導線群81の間には軟磁性材からなるティース(つまり、鉄心)が設けられていない構成、すなわちスロットレス構造となっている。本実施形態において、各導線群81の間隙56には、封止部57の樹脂材料が入り込む構造となっている。つまり、封止部57の封止前の状態で言えば、固定子コア52の径方向外側には、それぞれ導線間領域である間隙56を隔てて周方向に所定間隔で導線群81が配置されており、これによりスロットレス構造の固定子50が構築されている。
なお、周方向に並ぶ各導線群の間においてティースが設けられている構成とは、ティースが、径方向に所定厚さを有し、周方向に所定幅を有することで、各導線群の間に磁気回路の一部、すなわち磁石磁路を形成する構成であると言える。この点において、本実施形態のように各導線群81の間にティースが設けられていない構成とは、上記の磁気回路の形成がなされていない構成であると言える。
図10及び図11に示すように、固定子巻線51は、封止部57により封止されている。図10の横断面で見れば、封止部57は、各導線群81の間、すなわち間隙56に合成樹脂材が充填されて設けられており、封止部57により、各導線群81の間に絶縁部材が介在する構成となっている。つまり、間隙56において封止部57が絶縁部材として機能する。封止部57は、固定子コア52の径方向外側において、各導線群81を全て含む範囲、すなわち径方向の厚さ寸法が各導線群81の径方向の厚さ寸法よりも大きくなる範囲で設けられている。
また、図11の縦断面で見れば、封止部57は、固定子巻線51のターン部84を含む範囲で設けられている。固定子巻線51の径方向内側では、固定子コア52の端面の少なくとも一部を含む範囲で封止部57が設けられている。この場合、固定子巻線51は、各相の相巻線の端部、すなわちインバータ回路との接続端子を除く略全体で樹脂封止されている。
封止部57が固定子コア52の端面を含む範囲で設けられた構成では、封止部57により、固定子コア52の積層鋼板を軸方向内側に押さえ付けることができる。これにより、封止部57を用いて、各鋼板の積層状態を保持することができる。なお、本実施形態では、固定子コア52の内周面を樹脂封止していないが、これに代えて、固定子コア52の内周面を含む固定子コア52の全体を樹脂封止する構成としてもよい。
回転電機10が車両動力源として使用される場合には、封止部57が、高耐熱のフッ素樹脂や、エポキシ樹脂、PPS樹脂、PEEK樹脂、LCP樹脂、シリコン樹脂、PAI樹脂、PI樹脂等により構成されていることが好ましい。また、膨張差による割れ抑制の観点から線膨張係数を考えると、固定子巻線51の導線の外被膜と同じ材質であることが望ましい。すなわち、線膨張係数が、一般的に他樹脂の倍以上であるシリコン樹脂は望ましくは除外される。なお、電気車両の如く、燃焼を利用した機関を持たない電気製品においては、180℃程度の耐熱性を持つPPO樹脂やフェノール樹脂、FRP樹脂も候補となる。回転電機10の周囲温度が100℃未満と見做せる分野においては、この限りではない。
回転電機10のトルクは磁束の大きさに比例する。ここで、固定子コアがティースを有している場合には、固定子での最大磁束量がティースでの飽和磁束密度に依存して制限される。これに対し、本実施形態のように固定子コア52がティースを有していない場合には、固定子50での最大磁束量が制限されない。そのため、固定子巻線51に対する通電電流を増加して回転電機10のトルク増加を図る上で、有利な構成となっている。
固定子コア52の径方向外側における各導線群81は、断面が扁平矩形状をなす複数の導線82が径方向に並べて配置されて構成されている。各導線82は、横断面において「径方向寸法<周方向寸法」となる向きで配置されている。これにより、各導線群81において径方向の薄肉化が図られている。また、径方向の薄肉化を図るとともに、導体領域が、ティースが従来あった領域まで平らに延び、扁平導線領域構造となっている。これにより、薄肉化により断面積が小さくなることで懸念される導線の発熱量の増加を、周方向に扁平化して導体の断面積を稼ぐことで抑えている。なお、複数の導線を周方向に並べ、それらを並列結線とする構成であっても、導体被膜分の導体断面積低下は起こるものの、同じ理屈による効果が得られる。
スロットがないことから、本実施形態における固定子巻線51では、その周方向の一周における導体領域を、隙間領域より大きく設計することができる。なお、従来の車両用回転電機は、固定子巻線の周方向の一周における導体領域/隙間領域は1以下であるのが当然であった。一方、本実施形態では、導体領域が隙間領域と同等又は導体領域が隙間領域よりも大きくなるようにして、各導線群81が設けられている。ここで、図10に示すように、周方向において導線82(つまり、後述する直線部83)が配置された導線領域をWA、隣り合う導線82の間となる導線間領域をWBとすると、導線領域WAは、導線間領域WBより周方向において大きいものとなっている。
回転電機10のトルクは、導線群81の径方向の厚さに略反比例する。この点、固定子コア52の径方向外側において導線群81の厚さを薄くしたことにより、回転電機10のトルク増加を図る上で有利な構成となっている。その理由としては、回転子40の磁石部42から固定子コア52までの距離、すなわち鉄の無い部分の距離を小さくして磁気抵抗を下げることができるためである。これによれば、永久磁石による固定子コア52の鎖交磁束を大きくすることができ、トルクを増強することができる。
導線82は、導体82aの表面が絶縁被膜82bにより被覆された被覆導線よりなり、径方向に互いに重なる導線82同士の間、及び、導線82と固定子コア52との間においてそれぞれ絶縁性が確保されている。絶縁被膜82bの厚さはたとえば80μmであり、これは一般に使用される導線の被膜厚さ(20~40μm)よりも厚肉となっている。これにより、導線82と固定子コア52との間に絶縁紙等を介在させなくても、これら両者の間の絶縁性を確保することができる。
なお、導線82により構成される各相巻線は、接続のための露出部分を除き、絶縁被膜82bによる絶縁性が保持されるものとなっている。露出部分としては、たとえば、入出力端子部や、星形結線とする場合の中性点部分である。導線群81では、樹脂固着や自己融着被覆線を用いて、径方向に隣り合う各導線82が相互に固着されている。これにより、導線82同士が擦れ合うことによる絶縁破壊や、振動、音が抑制される。
本実施形態では、導体82aが複数の素線86の集合体として構成されている。具体的には、図13に示すように、導体82aは、複数の素線86を撚ることで撚糸状に形成されている。また、図14に示すように、素線86は、細い繊維状の導電材87を束ねた複合体として構成されている。たとえば、素線86はCNT(カーボンナノチューブ)繊維の複合体であり、CNT繊維として、炭素の少なくとも一部をホウ素で置換したホウ素含有微細繊維を含む繊維が用いられている。炭素系微細繊維としては、CNT繊維以外に、気相成長法炭素繊維(VGCF)等を用いることができるが、CNT繊維を用いることが好ましい。なお、素線86の表面は、エナメルなどの高分子絶縁層で覆われている。
導体82aは、複数の素線86が撚り合わされて構成されているため、各素線86での渦電流の発生が抑えられ、導体82aにおける渦電流の低減を図ることができる。また、各素線86が捻られていることで、1本の素線86において磁界の印加方向が互いに逆になる部位が生じて逆起電圧が相殺される。そのため、やはり渦電流の低減を図ることができる。特に、素線86を繊維状の導電材87により構成することで、細線化することと捻り回数を格段に増やすことが可能になり、渦電流をより好適に低減することができる。
上記したように導線82は、断面が扁平矩形状をなし、径方向に複数並べて配置されるものとなっており、たとえば複数の素線86を撚った状態で集合させ、その状態で合成樹脂等により所望の形状に固めて成形するとよい。
各導線82は、周方向に所定の配置パターンで配置されるように折り曲げ形成されており、これにより、固定子巻線51として相ごとの相巻線が形成されている。図12に示すように、固定子巻線51では、各導線82のうち軸方向に直線状に延びる直線部83によりコイルサイド部53が形成され、軸方向においてコイルサイド部53よりも両外側に突出するターン部84によってコイルエンド部54,55が形成されている。
各導線82は、直線部83とターン部84とが交互に繰り返されることにより、波巻状の一連の導線として構成されている。直線部83は、磁石部42に対して径方向に対向する位置に配置されており、磁石部42の軸方向外側となる位置において所定間隔を隔てて配置される同相の直線部83同士が、ターン部84により互いに接続されている。直線部83は、磁石部42に対して径方向に対向する磁石対向部である。
本実施形態では、固定子巻線51が分布巻きにより円環状に巻回形成されている。この場合、コイルサイド部53では、相ごとに、磁石部42の1極対に対応するピッチで周方向に直線部83が配置され、コイルエンド部54,55では、相ごとの各直線部83が、略V字状に形成されたターン部84により互いに接続されている。1極対に対応して対となる各直線部83は、それぞれ電流の向きが互いに逆になるものとなっている。また、一方のコイルエンド部54と他方のコイルエンド部55とでは、ターン部84により接続される一対の直線部83の組み合わせがそれぞれ相違しており、そのコイルエンド部54,55での接続が周方向に繰り返されることにより、固定子巻線51が略円筒状に形成されている。
より具体的には、固定子巻線51は、各相2対ずつの導線82を用いて相ごとの巻線を構成しており、固定子巻線51のうち一方の3相巻線(U相、V相、W相)と他方の3相巻線(X相、Y相、Z相)とが径方向内外の2層に設けられるものとなっている。この場合、巻線の相数をS、導線82の対数をmとすれば、極対ごとに2×S×m=2Sm個の導線群81が形成されることになる。本実施形態では、相数Sが3、対数mが2であり、8極対(16極)の回転電機10であることから、2×3×2×8=96の導線群81が周方向に配置されている。
図12に示す固定子巻線51では、コイルサイド部53において、径方向内外の2層で直線部83が重ねて配置されるとともに、コイルエンド部54,55において、径方向内外に重なる各直線部83から、互いに周方向逆となる向きでターン部84が周方向に延びる構成となっている。つまり、径方向に隣り合う各導線82では、コイル端となる部分を除き、ターン部84の向きが互いに逆となっている。
ここで、固定子巻線51における導線82の巻回構造を具体的に説明する。本実施形態では、波巻にて形成された複数の導線82を、径方向内外に複数層(たとえば2層)に重ねて設ける構成としている。図15は、n層目における各導線82の形態を示す図であり、(a)には、固定子巻線51の側方から見た導線82の形状を示し、(b)には、固定子巻線51の軸方向一側から見た導線82の形状を示している。なお、図15では、導線群81が配置される位置をそれぞれD1,D2,D3,…と示している。また、説明の便宜上、3本の導線82のみを示しており、それを第1導線82_A、第2導線82_B、第3導線82_Cとしている。
各導線82_A~82_Cでは、直線部83が、いずれもn層目の位置、すなわち径方向において同じ位置に配置され、周方向に6位置(3×m対分)ずつ離れた直線部83同士がターン部84により互いに接続されている。換言すると、各導線82_A~82_Cでは、いずれも回転子40の軸心を中心とする同一のピッチ円上において、5個おきの直線部83がターン部84により互いに接続されている。たとえば第1導線82_Aでは、一対の直線部83がD1,D7にそれぞれ配置され、その一対の直線部83同士が、逆V字状のターン部84により接続されている。また、他の導線82_B,82_Cは、同じn層目において周方向の位置を1つずつずらしてそれぞれ配置されている。この場合、各導線82_A~82_Cは、いずれも同じ層に配置されるため、ターン部84が互いに干渉することが考えられる。そのため本実施形態では、各導線82_A~82_Cのターン部84に、その一部を径方向にオフセットした干渉回避部を形成することとしている。
具体的には、各導線82_A~82_Cのターン部84は、同一のピッチ円上で周方向に延びる部分である傾斜部84aと、傾斜部84aからその同一のピッチ円よりも径方向内側(図15(b)において上側)にシフトし、別のピッチ円上で周方向に延びる部分である頂部84b、傾斜部84c、及び戻り部84dとを有している。頂部84b、傾斜部84c及び戻り部84dが干渉回避部に相当する。なお、傾斜部84cは、傾斜部84aに対して径方向外側にシフトする構成であってもよい。
つまり、各導線82_A~82_Cのターン部84は、周方向の中央位置である頂部84bを挟んでその両側に、一方側の傾斜部84aと他方側の傾斜部84cとを有しており、それら各傾斜部84a,84cの径方向の位置が互いに相違するものとなっている。なお、各傾斜部84a,84cの径方向の位置とは、図15(a)では紙面前後方向の位置、図15(b)では上下方向の位置である。たとえば第1導線82_Aのターン部84は、n層のD1位置を始点位置として周方向に沿って延び、周方向の中央位置である頂部84bで径方向(たとえば径方向内側)に曲がった後、周方向に再度曲がることで、再び周方向に沿って延び、さらに戻り部84dで再び径方向(たとえば径方向外側)に曲がることで、終点位置であるn層のD9位置に達する構成となっている。
上記構成によれば、導線82_A~82_Cでは、一方の各傾斜部84aが、上から第1導線82_A→第2導線82_B→第3導線82_Cの順に上下に並ぶとともに、頂部84bで各導線82_A~82_Cの上下が入れ替わり、他方の各傾斜部84cが、上から第3導線82_C→第2導線82_B→第1導線82_Aの順に上下に並ぶ構成となっている。そのため、各導線82_A~82_Cが互いに干渉することなく周方向に配置できるようになっている。
ここで、複数の導線82を径方向に重ねて導線群81とする構成において、複数層の各直線部83のうち径方向内側の直線部83に接続されたターン部84と、径方向外側の直線部83に接続されたターン部84とが、それら各直線部83同士よりも径方向に離して配置されているとよい。また、ターン部84の端部、すなわち直線部83との境界部付近で、複数層の導線82が径方向の同じ側に曲げられる場合に、その隣り合う層の導線82同士の干渉により絶縁性が損なわれることが生じないようにするとよい。
たとえば図15のD7~D9では、径方向に重なる各導線82が、ターン部84の戻り部84dでそれぞれ径方向に曲げられる。この場合、図16に示すように、n層目の導線82とn+1層目の導線82とで、曲がり部の曲げアールを相違させるとよい。具体的には、径方向内側(n層目)の導線82の曲げアールR1を、径方向外側(n+1層目)の導線82の曲げアールR2よりも小さくする。
また、n層目の導線82とn+1層目の導線82とで、径方向のシフト量を相違させるとよい。具体的には、径方向内側(n層目)の導線82のシフト量S1を、径方向外側(n+1層目)の導線82のシフト量S2よりも大きくする。
上記構成により、径方向に重なる各導線82が同じ向きに曲げられる場合であっても、各導線82の相互干渉を好適に回避することができる。これにより、良好な絶縁性が得られることとなる。
次に、回転子40における磁石部42の構造について説明する。本実施形態では、磁石部42を構成する永久磁石として、残留磁束密度Br=1.0[T]、保磁力bHc=400[kA/m]以上のものを想定している。5000~10000[AT]が相間励磁により掛かるものであるから、1極対で25[mm]の永久磁石を使えば、bHc=10000[A]となり、減磁をしないことが伺える。ここで、本実施形態においては、配向により磁化容易軸をコントロールした永久磁石を利用しているから、その磁石内部の磁気回路長を、従来1.0[T]以上を出す直線配向磁石の磁気回路長と比べて、長くすることができる。すなわち、1極対あたりの磁気回路長を、少ない磁石量で達成できる他、従来の直線配向磁石を利用した設計と比べ、過酷な高熱条件に曝されても、その可逆減磁範囲を保つことができる。また、本願発明者は、従来技術の磁石を用いても、極異方性磁石と近しい特性を得られる構成を見いだした。
図8及び図9に示すように、磁石部42は、円環状をなしており、回転子本体41の内側、詳しくは磁石保持部43の径方向内側に設けられている。磁石部42は、第1磁石91及び第2磁石92を有している。第1磁石91及び第2磁石92は、それぞれ極異方性磁石であり、磁極が互いに異なる。第1磁石91及び第2磁石92は、周方向に交互に配置されている。第1磁石91は、回転子40においてN極となる磁石であり、第2磁石92は、回転子40においてS極となる磁石である。第1磁石91及び第2磁石92は、たとえばネオジム磁石等の希土類磁石からなる永久磁石である。
各磁石91,92では、それぞれ磁極中心であるd軸と磁極境界であるq軸との間において磁化方向が円弧状に延びている。各磁石91,92それぞれにおいて、d軸側では磁化方向が径方向とされ、q軸側では磁化方向が周方向とされている。磁石部42では、各磁石91,92により、隣接するN,S極間を円弧状に磁束が流れるため、たとえばラジアル異方性磁石に比べて磁石磁路が長くなっている。このため、図17に示すように、磁束密度分布が正弦波に近いものとなる。その結果、図18に比較例として示すラジアル異方性磁石の磁束密度分布とは異なり、磁極位置に磁束を集中させることができ、回転電機10のトルクを高めることができる。なお、図17及び図18において、横軸は電気角を示し、縦軸は磁束密度を示す。また、図17及び図18において、横軸の90°はd軸(すなわち磁極中心)を示し、横軸の0°,180°はq軸を示す。
磁束密度分布の正弦波整合率は、たとえば40%以上の値とされていればよい。このようにすれば、正弦波整合率が30%程度であるラジアル配向磁石、パラレル配向磁石を用いる場合に比べ、確実に波形中央部分の磁束量を向上させることができる。また、正弦波整合率を60%以上とすれば、ハルバッハ配列と呼ばれる磁束集中配列と比べ、確実に波形中央部分の磁束量を向上させることができる。
図18に示す比較例では、q軸付近において磁束密度が急峻に変化する。磁束密度の変化が急峻なほど、固定子巻線51に発生する渦電流が増加してしまう。これに対し、本実施形態では、磁束密度分布が正弦波に近い。このため、q軸付近において、磁束密度の変化が、ラジアル異方性磁石の磁束密度の変化よりも小さい。これにより、渦電流の発生を抑制することができる。
ところで、磁石部42では、各磁石91,92のd軸付近(すなわち磁極中心)において磁極面に直交する向きで磁束が生じ、その磁束は、磁極面から離れるほど、d軸から離れるような円弧状をなす。また、磁極面に直交する磁束ほど、強い磁束となる。この点において、本実施形態の回転電機10では、上記のとおり各導線群81を径方向に薄くしたため、導線群81の径方向の中心位置が磁石部42の磁極面に近づくことになり、固定子50において回転子40から強い磁石磁束を受けることができる。
また、固定子50には、固定子巻線51の径方向内側、すなわち固定子巻線51を挟んで回転子40の逆側に円筒状の固定子コア52が設けられている。そのため、各磁石91,92の磁極面から延びる磁束は、固定子コア52に引きつけられ、固定子コア52を磁路の一部として用いつつ周回する。この場合、磁石磁束の向き及び経路を適正化することができる。
次に、回転電機10を制御する制御システムの構成について説明する。図19は、回転電機10の制御システムの電気回路図であり、図20は、駆動制御部110による電流フィードバック制御処理を示す機能ブロック図である。図21は、駆動制御部110によるトルクフィードバック制御処理を示す機能ブロック図である。
図19では、固定子巻線51として2組の3相巻線51a,51bが示されている。3相巻線51aは、U相巻線、V相巻線、及びW相巻線よりなり、3相巻線51bは、X相巻線、Y相巻線、及びZ相巻線よりなる。3相巻線51a,51bごとに、第1インバータ101と第2インバータ102とがそれぞれ設けられている。インバータ101,102は、相巻線の相数と同数の上下アームを有するフルブリッジ回路により構成されており、各アームに設けられたスイッチ(半導体スイッチング素子)のオンオフにより、固定子巻線51の各相巻線において通電電流が調整される。
各インバータ101,102には、直流電源103と平滑用のコンデンサ104とが並列に接続されている。直流電源103は、たとえば複数の単電池が直列接続された組電池により構成されている。なお、インバータ101,102の各スイッチが、図1等に示す半導体モジュール66に相当し、コンデンサ104が、図1等に示すコンデンサモジュール68に相当する。
駆動制御部110は、CPUや各種メモリからなるマイコンを備えており、回転電機10における各種の検出情報や、力行駆動及び発電の要求に基づいて、インバータ101,102における各スイッチのオンオフにより通電制御を実施する。駆動制御部110が、図6に示す制御装置77に相当する。回転電機10の検出情報には、たとえば、レゾルバ等の角度検出器により検出される回転子40の回転角度(電気角情報)や、電圧センサにより検出される電源電圧(インバータ入力電圧)、電流センサにより検出される各相の通電電流が含まれる。駆動制御部110は、インバータ101,102の各スイッチを操作する操作信号を生成して出力する。なお、発電の要求は、たとえば回転電機10が車両用動力源として用いられる場合、回生駆動の要求である。
第1インバータ101は、U相、V相及びW相からなる3相において上アームスイッチSpと下アームスイッチSnとの直列接続体をそれぞれ備えている。各相の上アームスイッチSpの高電位側端子は直流電源103の正極端子に接続され、各相の下アームスイッチSnの低電位側端子は直流電源103の負極端子(グランド)に接続されている。各相の上アームスイッチSpと下アームスイッチSnとの間の中間接続点には、それぞれU相巻線、V相巻線、W相巻線の一端が接続されている。これら各相巻線は星形結線(Y結線)されており、各相巻線の他端は中性点にて互いに接続されている。
第2インバータ102は、第1インバータ101と同様の構成を有しており、X相、Y相及びZ相からなる3相において上アームスイッチSpと下アームスイッチSnとの直列接続体をそれぞれ備えている。各相の上アームスイッチSpの高電位側端子は直流電源103の正極端子に接続され、各相の下アームスイッチSnの低電位側端子は直流電源103の負極端子(グランド)に接続されている。各相の上アームスイッチSpと下アームスイッチSnとの間の中間接続点には、それぞれX相巻線、Y相巻線、Z相巻線の一端が接続されている。これら各相巻線は星形結線(Y結線)されており、各相巻線の他端は中性点で互いに接続されている。
図20には、U,V,W相の各相電流を制御する電流フィードバック制御処理と、X,Y,Z相の各相電流を制御する電流フィードバック制御処理とが示されている。ここではまず、U,V,W相側の制御処理について説明する。
図20において、電流指令値設定部111は、トルク-dqマップを用い、回転電機10に対する力行トルク指令値又は発電トルク指令値や、電気角θを時間微分して得られる電気角速度ωに基づいて、d軸の電流指令値とq軸の電流指令値とを設定する。なお、電流指令値設定部111は、U,V,W相側及びX,Y,Z相側において共通に設けられている。なお、発電トルク指令値は、たとえば回転電機10が車両用動力源として用いられる場合、回生トルク指令値である。
dq変換部112は、相ごとに設けられた電流センサによる電流検出値(各相電流)を、界磁方向をd軸とする直交2次元回転座標系の成分であるd軸電流とq軸電流とに変換する。
d軸電流フィードバック制御部113は、d軸電流をd軸の電流指令値にフィードバック制御するための操作量としてd軸の指令電圧を算出する。q軸電流フィードバック制御部114は、q軸電流をq軸の電流指令値にフィードバック制御するための操作量としてq軸の指令電圧を算出する。これら各フィードバック制御部113,114では、d軸電流及びq軸電流の電流指令値に対する偏差に基づき、PIフィードバック手法を用いて指令電圧が算出される。
3相変換部115は、d軸及びq軸の指令電圧を、U相、V相及びW相の指令電圧に変換する。なお、上記の各部111~115が、dq変換理論による基本波電流のフィードバック制御を実施するフィードバック制御部であり、U相、V相及びW相の指令電圧がフィードバック制御値である。
操作信号生成部116は、周知の三角波キャリア比較方式を用い、3相の指令電圧に基づいて、第1インバータ101の操作信号を生成する。具体的には、操作信号生成部116は、3相の指令電圧を電源電圧で規格化した信号と、三角波信号等のキャリア信号との大小比較に基づくPWM制御により、各相における上下アームのスイッチ操作信号(デューティ信号)を生成する。
また、X,Y,Z相側においても同様の構成を有しており、dq変換部122は、相ごとに設けられた電流センサによる電流検出値(各相電流)を、界磁方向をd軸とする直交2次元回転座標系の成分であるd軸電流とq軸電流とに変換する。
d軸電流フィードバック制御部123はd軸の指令電圧を算出し、q軸電流フィードバック制御部124はq軸の指令電圧を算出する。3相変換部125は、d軸及びq軸の指令電圧を、X相、Y相及びZ相の指令電圧に変換する。そして、操作信号生成部126は、3相の指令電圧に基づいて、第2インバータ102の操作信号を生成する。具体的には、操作信号生成部126は、3相の指令電圧を電源電圧で規格化した信号と、三角波信号等のキャリア信号との大小比較に基づくPWM制御により、各相における上下アームのスイッチ操作信号(デューティ信号)を生成する。
ドライバ117は、操作信号生成部116,126にて生成されたスイッチ操作信号に基づいて、各インバータ101,102における各3相のスイッチSp,Snをオンオフさせる。
続いて、トルクフィードバック制御処理について説明する。この処理は、たとえば高回転領域及び高出力領域等、各インバータ101,102の出力電圧が大きくなる運転条件において、主に回転電機10の高出力化や損失低減の目的で用いられる。駆動制御部110は、回転電機10の運転条件に基づいて、トルクフィードバック制御処理及び電流フィードバック制御処理のいずれか一方の処理を選択して実行する。
図21には、U,V,W相に対応するトルクフィードバック制御処理と、X,Y,Z相に対応するトルクフィードバック制御処理とが示されている。なお、図21において、図20と同じ構成については、同じ符号を付して説明を省略する。ここではまず、U,V,W相側の制御処理について説明する。
電圧振幅算出部127は、回転電機10に対する力行トルク指令値又は発電トルク指令値と、電気角θを時間微分して得られる電気角速度ωとに基づいて、電圧ベクトルの大きさの指令値である電圧振幅指令を算出する。
トルク推定部128aは、dq変換部112により変換されたd軸電流とq軸電流とに基づいて、U,V,W相に対応するトルク推定値を算出する。なお、トルク推定部128aは、d軸電流、q軸電流及び電圧振幅指令が関係付けられたマップ情報に基づいて、電圧振幅指令を算出すればよい。
トルクフィードバック制御部129aは、力行トルク指令値又は発電トルク指令値にトルク推定値をフィードバック制御するための操作量として、電圧ベクトルの位相の指令値である電圧位相指令を算出する。トルクフィードバック制御部129aでは、力行トルク指令値又は発電トルク指令値に対するトルク推定値の偏差に基づき、PIフィードバック手法を用いて電圧位相指令が算出される。
操作信号生成部130aは、電圧振幅指令、電圧位相指令及び電気角θに基づいて、第1インバータ101の操作信号を生成する。具体的には、操作信号生成部130aは、電圧振幅指令、電圧位相指令及び電気角θに基づいて3相の指令電圧を算出し、算出した3相の指令電圧を電源電圧で規格化した信号と、三角波信号等のキャリア信号との大小比較に基づくPWM制御により、各相における上下アームのスイッチ操作信号を生成する。
ちなみに、操作信号生成部130aは、電圧振幅指令、電圧位相指令、電気角θ及びスイッチ操作信号が関係付けられたマップ情報であるパルスパターン情報、電圧振幅指令、電圧位相指令並びに電気角θに基づいて、スイッチ操作信号を生成してもよい。
また、X,Y,Z相側においても同様の構成を有しており、トルク推定部128bは、dq変換部122により変換されたd軸電流とq軸電流とに基づいて、X,Y,Z相に対応するトルク推定値を算出する。
トルクフィードバック制御部129bは、力行トルク指令値又は発電トルク指令値にトルク推定値をフィードバック制御するための操作量として、電圧位相指令を算出する。トルクフィードバック制御部129bでは、力行トルク指令値又は発電トルク指令値に対するトルク推定値の偏差に基づき、PIフィードバック手法を用いて電圧位相指令が算出される。
操作信号生成部130bは、電圧振幅指令、電圧位相指令及び電気角θに基づいて、第2インバータ102の操作信号を生成する。具体的には、操作信号生成部130bは、電圧振幅指令、電圧位相指令及び電気角θに基づいて3相の指令電圧を算出し、算出した3相の指令電圧を電源電圧で規格化した信号と、三角波信号等のキャリア信号との大小比較に基づくPWM制御により、各相における上下アームのスイッチ操作信号を生成する。ドライバ117は、操作信号生成部130a,130bにて生成されたスイッチ操作信号に基づいて、各インバータ101,102における各3相のスイッチSp,Snをオンオフさせる。
ちなみに、操作信号生成部130bは、電圧振幅指令、電圧位相指令、電気角θ及びスイッチ操作信号が関係付けられたマップ情報であるパルスパターン情報、電圧振幅指令、電圧位相指令並びに電気角θに基づいて、スイッチ操作信号を生成してもよい。
以上のように構成される回転電機10によれば、以下の優れた効果が得られる。
固定子50において、固定子巻線51の周方向に隣り合う直線部83の間、すなわち隣り合う磁石対向部の間に、軟磁性材からなるティースが設けられていない構成とした。この構成によれば、各直線部83の間にティースが設けられている場合に比べて、隣り合う各直線部83を近づけることで導体断面積を大きくすることができ、固定子巻線51の通電にともない生じる発熱を低減することができる。各直線部83の間にティースが設けられていない、いわゆるスロットレス構造では、直線部83間のティースがないことで磁気飽和の解消が可能となり、固定子巻線51への通電電流を増大させることが可能となる。この場合において、その通電電流の増大にともない発熱量が増えることに好適に対処することができる。以上により、固定子50での放熱性能を適正化することが可能になっている。
固定子巻線51に固定子コア52を組み付け、その組み付け状態において、周方向に隣り合う直線部83の間に、軟磁性材からなるティースが設けられていない構成とした。この場合、回転子40に対して径方向反対側に設けられた固定子コア52がバックヨークとして機能することで、各直線部83の間にティースが存在していなくても、適正な磁気回路の形成が可能となる。
固定子巻線51を封止部57により封止し、これにより固定子巻線51において周方向に隣り合う直線部83の間に絶縁部材を設ける構成とした。これにより、各直線部83が周方向に互いに近い位置に配置されていても、その直線部83において良好な絶縁性を確保することができる。
固定子巻線51において導線82を扁平状にして直線部83における径方向厚さを薄くしたため、直線部83において径方向の中心位置を回転子40の磁石部42に近づけることができる。これにより、スロットレス構造の採用による固定子50での磁気飽和の抑制を図りつつ、固定子巻線51の直線部83における磁束密度を高めてトルクの増強を図ることが可能となる。また、上記のとおり周方向に隣り合う直線部83同士を互いに近づけることが可能となっているため、導線82を扁平状にしても導体断面積を確保できるものとなっている。
固定子巻線51の各導線82を複数の素線86の集合体としたため、導線82における電流流通経路の細線化を図ることができる。これにより、磁石部42からの磁界が導線82と鎖交した場合に渦電流が生じても、その渦電流に対する導線82の渦電流抑制効果を得ることができる。その結果、導線82に流れる渦電流を低減することができる。
また、各導線82は、素線86が撚り合わせられて構成されているため、各素線86において磁界の印加方向が互いに逆になる部位が生じ、鎖交磁界に起因した逆起電圧が相殺される。その結果、導線82を流れる渦電流の低減効果を高めることができる。
各素線86を繊維状の導電材87により構成したため、導線82における電流流通経路をより細線化でき、また、電流流通経路の撚り回数をより増大できる。これにより、渦電流の低減効果を高めることができる。なお、素線86は、少なくともカーボンナノチューブ繊維で構成されているとよい。
スロットレス構造を有する固定子50では、ティースが設けられていない分、導線間領域WBに比べて導線領域WAを周方向に拡張できる。これにより、周方向において導線領域WAが導線間領域WBより大きいとする構成を好適に実現できる。
固定子巻線51のターン部84が、径方向にシフトされ、他のターン部84との干渉を回避する干渉回避部を有することから、異なるターン部84同士を径方向に離して配置することができる。これにより、ターン部84においても放熱性の向上を図ることができ、ひいては固定子50での放熱性能をより一層高めることが可能となる。
固定子50の同一のピッチ円上で、各導線82のターン部84における相互干渉を回避する構成として、ターン部84が、同一のピッチ円上で周方向に延びる部分である傾斜部84a(第1部分に相当)と、傾斜部84aからその同一のピッチ円よりも径方向内側にシフトし、別のピッチ円上で周方向に延びる部分である頂部84b、傾斜部84c及び戻り部84d(第2部分に相当)とを有する構成とした。これにより、ターン部84における相互干渉を適正に回避することができる。
複数層の各直線部83のうち径方向内側の直線部83に接続されたターン部84と、径方向外側の直線部83に接続されたターン部84とを、それら直線部83同士よりも径方向に離して配置したため、ターン部84における放熱性能を高めることができる。
ターン部84における曲がり部の曲げアールを、径方向内側の直線部83に接続されたターン部84と、径方向外側の直線部83に接続されたターン部84とで異ならせたため、それら各ターン部84を好適に離して配置することができる。
ターン部84において曲がり部における直線部83からの径方向シフト量を、径方向内側の直線部83に接続されたターン部84と、径方向外側の直線部83に接続されたターン部84とで異ならせたため、それら各ターン部84を好適に離して配置することができる。
なお、磁石部42の極異方構造は上記した例に限定されない。図22及び図23に示す例では、磁石部42が、ハルバッハ配列と称される磁石配列を用いて構成されている。磁石部42は、磁化方向(磁極の向き)を径方向とする第1磁石131と、磁化方向(磁極の向き)を周方向とする第2磁石132を有している。周方向に所定間隔で第1磁石131が配置されるとともに、周方向において隣り合う第1磁石131の間となる位置に第2磁石132が配置されている。第1磁石131及び第2磁石132は、たとえばネオジム磁石等の希土類磁石からなる永久磁石である。
第1磁石131は、固定子50に対向する側(径方向内側)の極が交互にN極、S極となるように周方向に互いに離間して配置されている。また、第2磁石132は、各第1磁石131の隣において周方向の磁極の向きが交互に逆向きとなるように配置されている。
また、第1磁石131の径方向外側、すなわち回転子本体41の磁石保持部43の側には、軟磁性材料よりなる磁性体133が配置されている。たとえば磁性体133は、電磁鋼板や軟鉄、圧粉鉄心材料により構成されているとよい。この場合、磁性体133の周方向の長さは、第1磁石131の周方向の長さ、特に第1磁石131の外周部の周方向の長さと同じである。また、第1磁石131と磁性体133とを一体化した状態でのその一体物の径方向の厚さは、第2磁石132の径方向の厚さと同じである。換言すれば、第1磁石131は、第2磁石132よりも磁性体133の分だけ径方向の厚さが薄くなっている。各磁石131,132と磁性体133とは、たとえば接着材により相互に固着されている。磁石部42において第1磁石131の径方向外側は、固定子50とは反対側である。磁性体133は、径方向における第1磁石131の両側のうち、固定子50とは反対側(反固定子側)に設けられている。
磁性体133の外周部には、径方向外側、すなわち回転子本体41の磁石保持部43の側に突出する凸部としてのキー134が形成されている。また、磁石保持部43の内周面には、磁性体133のキー134を収容する凹部としてのキー溝135が形成されている。キー134の突出形状とキー溝135の溝形状とは同じであり、各磁性体133に形成されたキー134に対応して、キー134と同数のキー溝135が形成されている。
キー134及びキー溝135の係合により、第1磁石131及び第2磁石132と回転子本体41との周方向(回転方向)の位置ずれが抑制されている。なお、キー134及びキー溝135(凸部及び凹部)を、回転子本体41の磁石保持部43及び磁性体133のいずれに設けるかは任意でよく、上記とは逆に、磁性体133の外周部にキー溝135を設けるとともに、回転子本体41の磁石保持部43の内周部にキー134を設けることも可能である。
ここで、磁石部42では、第1磁石131と第2磁石132とを交互に配列することにより、第1磁石131での磁束密度を大きくすることが可能となっている。そのため、磁石部42において、磁束の片面集中を生じさせ、固定子50寄りの側での磁束強化を図ることができる。
また、第1磁石131の径方向外側、すなわち反固定子側に磁性体133を配置したことにより、第1磁石131の径方向外側での部分的な磁気飽和を抑制でき、ひいては磁気飽和に起因して生じる第1磁石131の減磁を抑制できる。これにより、結果的に磁石部42の磁力を増加させることが可能となっている。この磁石部42は、言うなれば、第1磁石131において減磁が生じ易い部分を磁性体133に置き換えた構成となっている。
図24は、磁石部42における磁束の流れを具体的に示す図であり、(a)は、磁石部42において磁性体133を有していない従来構成を用いた場合を示し、(b)は、磁石部42において磁性体133を有している構成を用いた場合を示している。なお、図24では、回転子本体41の磁石保持部43及び磁石部42を直線状に展開して示しており、図の下側が固定子側、上側が反固定子側となっている。
図24(a)の構成では、第1磁石131の磁極面と第2磁石132の側面とが、それぞれ磁石保持部43の内周面に接触している。また、第2磁石132の磁極面が第1磁石131の側面に接触している。この場合、磁石保持部43には、第2磁石132の外側経路を通って第1磁石131との接触面に入る磁束F1と、磁石保持部43と略平行で、かつ第2磁石132の磁束F2を引きつける磁束との合成磁束が生じる。そのため、磁石保持部43において第1磁石131と第2磁石132との接触面付近において、部分的に磁気飽和が生じることが懸念される。
これに対し、図24(b)の構成では、第1磁石131の反固定子側において第1磁石131の磁極面と磁石保持部43の内周面との間に磁性体133が設けられているため、その磁性体133で磁束の通過が許容される。したがって、磁石保持部43での磁気飽和を抑制でき、減磁に対する耐力が向上する。
また、図24(b)の構成では、図24(a)とは異なり、磁気飽和を促すF2を消すことができる。これにより、磁気回路全体のパーミアンスを効果的に向上させることができる。このように構成することで、その磁気回路特性を、過酷な高熱条件下でも保つことができる。
また、従来のSPMロータにおけるラジアル磁石と比べて、磁石内部を通る磁石磁路が長くなる。そのため、磁石パーミアンスが上昇し、磁力を上げ、トルクを増強することができる。さらに、磁束がd軸の中央に集まることにより、正弦波整合率を高くすることができる。特に、PWM制御により、電流波形を正弦波や台形波とする、又は120度通電のスイッチングICを利用すると、より効果的にトルクを増強することができる。
上記した例では、固定子コア52の外周面を凹凸のない曲面状とし、その外周面に所定間隔で複数の導線群81を並べて配置する構成としたが、これを変更してもよい。たとえば、図25に示す例では、固定子コア52が、固定子巻線51の径方向両側のうち回転子とは反対側(図の下側)に設けられた円環状のヨーク部141と、そのヨーク部141から、周方向に隣り合う直線部83の間に向かって突出するように延びる突起部142を有している。突起部142は、ヨーク部141の径方向外側、すなわち回転子40側に所定間隔で設けられている。固定子巻線51の各導線群81は、突起部142と周方向において係合しており、突起部142を位置決め部として用いつつ周方向に並べて配置されている。
突起部142は、ヨーク部141からの径方向の厚さ寸法が、径方向内外の複数層の直線部83のうち、ヨーク部141に径方向に隣接する直線部83の径方向の厚さ寸法の1/2(図のH1)よりも小さい構成となっている。こうした突起部142の厚さ制限により、周方向に隣り合う導線群81(すなわち直線部83)の間において突起部142がティースとして機能せず、ティースによる磁路形成がなされないようになっている。突起部142は、周方向に並ぶ各導線群81の間ごとに全て設けられていなくてもよく、周方向に隣り合う少なくとも1組の導線群81の間に設けられていればよい。突起部142の形状は、矩形状、円弧状など任意の形状でよい。
なお、固定子コア52の外周面では、直線部83が一層で設けられていてもよい。したがって、広義には、突起部142におけるヨーク部141からの径方向の厚さ寸法は、直線部83における径方向の厚さ寸法の1/2よりも小さいものであればよい。
回転軸11の軸心を中心とし、かつヨーク部141に径方向に隣接する直線部83の径方向の中心位置を通る仮想円を想定すると、突起部142は、その仮想円の範囲内においてヨーク部141から突出する形状、換言すれば仮想円よりも径方向外側(すなわち回転子40側)に突出しない形状をなしているとよい。
上記構成によれば、突起部142は、径方向の厚さ寸法が制限されており、周方向に隣り合う直線部83の間においてティースとして機能するものでないため、各直線部83の間にティースが設けられている場合に比べて、隣り合う各直線部83を近づけることができる。これにより、導体断面積を大きくすることができ、固定子巻線51の通電にともない生じる発熱を低減することができる。かかる構成では、ティースがないことで磁気飽和の解消が可能となり、固定子巻線51への通電電流を増大させることが可能となる。この場合において、その通電電流の増大にともない発熱量が増えることに好適に対処することができる。また、固定子巻線51では、ターン部84が、径方向にシフトされ、他のターン部84との干渉を回避する干渉回避部を有することから、異なるターン部84同士を径方向に離して配置することができる。これにより、ターン部84においても放熱性の向上を図ることができる。以上により、固定子50での放熱性能を適正化することが可能になっている。
また、固定子コア52のヨーク部141と、回転子40の磁石部42(すなわち各磁石91,92)とが所定距離以上離れていれば、突起部142の径方向の厚さ寸法は、図25のH1に縛られるものではない。具体的には、ヨーク部141と磁石部42とが2mm以上離れていれば、突起部142の径方向の厚さ寸法は、図25のH1以上であってもよい。たとえば、直線部83の径方向厚み寸法が2mmを越えており、かつ導線群81が径方向内外の2層の導線82により構成されている場合に、ヨーク部141に隣接していない直線部83、すなわちヨーク部141から数えて2層目の導線82の半分位置までの範囲で、突起部142が設けられていてもよい。この場合、突起部142の径方向厚さ寸法が「H1×3/2」までになっていれば、導線群81における導体断面積を大きくすることで、前記効果を少なからず得ることはできる。
また、固定子コア52は、図26に示す構成であってもよい。なお、図26では、封止部57を省略しているが、封止部57が設けられていてもよい。図26では、便宜上、磁石部42及び固定子コア52を直線状に展開して示している。
図26の構成では、固定子50は、周方向に隣接する導線82(すなわち直線部83)の間に、巻線間部材としての突起部142を有している。ここで、磁石部42の1極分の範囲において固定子巻線51の通電により励磁される突起部142の周方向の幅寸法をWt、突起部142の飽和磁束密度をBs、磁石部42の1極分の周方向の幅寸法をWm、磁石部42の残留磁束密度をBrとすると、
突起部142は、Wt×Bs≦Wm×Br …(1)
となる磁性材料により構成されている。
詳しくは、固定子巻線51の3相巻線が分布巻であり、その固定子巻線51では、磁石部42の1極に対して、突起部142の数、すなわち各導線群81の間となる間隙56の数が「3×m」個となっている。なお、mは導線82の対数である。この場合、固定子巻線51が各相所定順序で通電されると、1極内において2相分の突起部142が励磁される。したがって、磁石部42の1極分の範囲において固定子巻線51の通電により励磁される突起部142の周方向の幅寸法Wtは、突起部142(つまり、間隙56)の周方向の幅寸法をAとすると、「2×A×m」となる。そして、こうして幅寸法Wtが規定された上で、固定子コア52において、突起部142が、上記(1)の関係を満たす磁性材料として構成されている。なお、幅寸法Wtは、1極内において比透磁率が1よりも大きくなりえる部分の周方向寸法でもある。
なお、固定子巻線51を集中巻とする場合には、固定子巻線51において、磁石部42の1極対(つまり2極)に対して、突起部142の数、すなわち各導線群81の間となる間隙56の数が「3×m」個となっている。この場合、固定子巻線51が各相所定順序で通電されると、1極内において1相分の突起部142が励磁される。したがって、磁石部42の1極分の範囲において固定子巻線51の通電により励磁される突起部142の周方向の幅寸法Wtは、「A×m」となる。そして、こうして幅寸法Wtが規定された上で、突起部142が、上記(1)の関係を満たす磁性材料として構成されている。
ちなみに、ネオジム磁石やサマリウムコバルト磁石、フェライト磁石といったBH積が20[MGOe(kJ/m3)]以上の磁石ではBd=1.0強[T]、鉄ではBr=2.0強[T]である。そのため、高出力モータとしては、固定子コア52において、突起部142が、Wt<1/2×Wmの関係を満たす磁性材料であればよい。
上記した例では、固定子巻線51を覆う封止部57を、固定子コア52の径方向外側において各導線群81を全て含む範囲、すなわち径方向の厚さ寸法が各導線群81の径方向の厚さ寸法よりも大きくなる範囲で設ける構成としたが、これを変更してもよい。たとえば、図27に示すように、封止部57を、導線82の一部がはみ出すように設ける構成とする。より具体的には、封止部57を、導線群81において最も径方向外側となる導線82の一部を径方向外側、すなわち固定子50側に露出させた状態で設ける構成とする。この場合、封止部57の径方向の厚さ寸法は、各導線群81の径方向の厚さ寸法と同じ、又はその厚さ寸法よりも小さいとよい。
また、図28に示すように、各導線群81が封止部57により封止されていない構成としてもよい。つまり、固定子巻線51を覆う封止部57を用いない構成とする。この場合、周方向に並ぶ各導線群81の間は空隙となっている。
固定子50が固定子コア52を具備していない構成としてもよい。この場合、固定子50は、図12に示す固定子巻線51により構成されることになる。なお、固定子コア52を具備していない固定子50において、固定子巻線51を封止材により封止する構成としてもよい。又は、固定子50が、磁性体からなる固定子コア52に代えて、図29に示すように、合成樹脂等の非磁性体からなる円環状の巻線保持部58を備える構成としてもよい。また、同一材料を用いて、非磁性体のティースを巻線保持部58と一体的に設けてもよいし、上記した封止部57を巻線保持部58と一体的に設けてもよい。巻線保持部58が、固定子巻線51を保持する保持部に相当する。
固定子巻線51の導線群81において、径方向の内外に重なる各導線82の干渉を回避する構成として、図30(a)に示すように、n層目とn+1層目とでターン部84における導線シフトの向きを逆にする構成としてもよい。つまり、複数層の各直線部83に接続され、かつ径方向内外に重なる位置となる各ターン部84を、径方向の異なる方向に曲げる構成とする。これにより、やはり各ターン部84を好適に離して配置することができる。なお、本構成は、最も絶縁の厳しい部分に適用したり、複数層のうち最終層や開始層に用いたりすることが好ましい。
又は、図30(b)に示すように、n層目とn+1層目とで軸方向における導線シフト位置(図の上下方向の位置)を相違させる構成としてもよい。この場合、各層のターン部84での曲げアールが同じであっても、相互の干渉を抑制できる。
上記した例では、固定子巻線51において、回転軸11を中心とする同一のピッチ円上となる位置の直線部83同士をターン部84により接続し、そのターン部84が干渉回避部を備える構成としたが、これを変更してもよい。たとえば、固定子巻線51において、回転軸11を中心とする異なるピッチ円上となる位置の直線部83同士、すなわち異なる層の直線部83同士をターン部84により接続する構成であってもよい。いずれにしろ、ターン部84が、径方向にシフトされ、他のターン部84との干渉を回避する干渉回避部を有する構成であればよい。
図31(a)に示すように、固定子巻線51の導線群81において、各導線82の直線部83が、径方向(図の上下方向)に対向する一対の対向面同士が非平行となる状態で配置される構成としてもよい。なお、図31(a)では、各導線群81が封止部57により封止されている。本構成によれば、径方向に並ぶ各直線部83同士の間に、非発熱部としての封止材を介在させることができ、その非発熱部において、固定子巻線51の通電時に直線部83にて生じた熱を拡散させることができる。これにより、導線群81での放熱性能を高めることができる。
また、周方向に隣り合う各直線部83の間にティースが介在していない構成になっていても、各導線群81における直線部83同士の間に好適に封止材を入り込ませ、ひいては各直線部83を良好に固定することができる。ただし、図31(a)の構成において、封止部57が設けられていない構成であってもよい。この場合には、径方向に並ぶ各直線部83同士の間に、非発熱部としての空隙を介在させることができ、やはり導線群81での放熱性能を高めることができる。
図31(b)に示すように、固定子50の導線群81において、各導線82の直線部83を径方向内外4層に配置し、一対の対向面同士の隙間寸法が、周方向に大小異なり、かつ大きい側が径方向に並ぶ各隙間において交互に逆になる構成としてもよい。なお、図31(b)では、各導線群81が封止部57により封止されている。直線部83の層数は3層以上であればよい。本構成によれば、径方向に並ぶ各直線部83において熱の拡散を好適に行わせることができる。
また、回転電機10の作動時に回転方向が正逆入れ替わって交番に掛かっても、各直線部83を保持する保持力を良好に得ることができる。
固定子巻線51において、導線82の直線部83を径方向に単層で設ける構成としてもよい。また、径方向内外に複数層で直線部83を配置する場合に、その層数は任意でよく、3層、4層、5層、6層等で設けてもよい。
上記した例では、回転軸11を、軸方向で回転電機10の一端側及び他端側の両方に突出するように設けたが、これを変更し、一端側にのみ突出する構成としてもよい。この場合、回転軸11は、軸受部20により片持ち支持される部分を端部とし、その軸方向外側に延びるように設けられるとよい。本構成では、インバータユニット60の内部に回転軸11が突出しない構成となるため、インバータユニット60の内部空間、詳しくは筒状部71の内部空間をより広く用いることができることとなる。
回転軸11を回転自在に支持する構成として、回転子40の軸方向一端側及び他端側の2箇所に軸受を設ける構成としてもよい。この場合、図1の構成で言えば、インバータユニット60を挟んで一端側及び他端側の2箇所に軸受が設けられるとよい。
上記した例では、回転子40において回転子本体41の中間部45を、軸方向に段差を有する構成としたが、これを変更し、中間部45の段差を無くし、平板状としてもよい。
上記した例では、固定子巻線51の導線82において導体82aを複数の素線86の集合体として構成したが、これを変更し、導線82として断面矩形状の角形導線を用いる構成としてもよい。また、導線82として断面円形状又は断面楕円状の丸形導線を用いる構成としてもよい。
上記した例では、固定子50の径方向内側にインバータユニット60を設ける構成としたが、これに代えて、固定子50の径方向内側にインバータユニット60を設けない構成としてもよい。この場合、固定子50の径方向内側となる内部領域を空間としておくことが可能である。また、その内部領域に、インバータユニット60とは異なる部品を配することが可能である。
回転電機10において、ハウジング30を具備しない構成としてもよい。この場合、たとえばホイールや他の車両部品の一部において、回転子40、固定子50等が保持される構成であってもよい。
インナロータ構造(内転構造)の回転電機に本開示を適用することも可能である。この場合、たとえばハウジング30内において、径方向外側から順に固定子50、回転子40が設けられ、回転子40の径方向内側にインバータユニット60が設けられているとよい。上記した例では、ロータとしてSPMロータを挙げたが、IPMロータにも適用可能である。この場合、直線部83が、所定のエアギャップ及びロータコア(不図示)を挟んで磁石部42に対向するよう配置される磁石対向部を提供することとなる。
<回転電機の可変構造、制御装置、及び車両システム>
先ず、本実施形態の回転電機10が採用している可変構造について説明する。図32~図34に示すように、本実施形態の回転電機10は、軸方向において、回転子40と固定子50とを相対的に変位可能に構成されている。図32では、図2に相当する回転電機10の断面図を、簡素化して示している。図33は、図32のXXXIII-XXXIII線に沿う断面図である。
図32では、アウターロータ構造の回転電機10として、エンドプレート部63に開口部65が設けられておらず、回転軸11がエンドプレート部63を貫通していない例を示している。しかしながら、上記したように、回転軸11がエンドプレート部63を貫通する構成、すなわち回転軸11の両端が突出する構成にも適用することができる。
回転電機10は、回転子40と固定子50とを軸方向に相対変位させる変位機構として、プランジャ150を備えている。本実施形態のプランジャ150は、固定子50を軸方向に沿って移動させるように設けられている。プランジャ150は、ロッド150aと、コイル150bを有している。ロッド150aは、軸方向に沿って延設されている。ロッド150aは、拡径部150a1と、拡径部150a1よりも径の小さい縮径部150a2を有している。縮径部150a2の一端はエンドプレート部63に固定されており、他端は拡径部150a1に連なっている。プランジャ150は、図示しないリターンスプリング(戻りばね)を有している。
エンドプレート部63は、ハウジング30に対して軸方向にスライド可能に嵌合された嵌合部63aを有している。嵌合部63aは、たとえば直スプライン嵌合により、軸方向にスライド可能とされている。固定子50は、上記したようにインバータユニット60と一体化されており、エンドプレート部63とともに移動する。回転電機10が備えるプランジャ150の個数は特に限定されない。本実施形態では、3つのプランジャ150を備えている。3つのプランジャ150は、回転軸11を中心とする同心円上にほぼ等間隔で配置されている。3つのプランジャ150により、エンドプレート部63は3点で同時の移動となる。よって、エンドプレート部63がスムースに移動することができる。
コイル150bへの通電がされない状態において、リターンスプリングによりエンドプレート部63が原位置とされる。図32は、この非通電状態を示している。この状態では、主として縮径部150a2が円環状のコイル150b内に配置される。非通電状態において、回転子40(磁石部42)と固定子50との互いに対向する領域が、軸方向において最も長くなる。すなわち、対向面積が最も大きくなる。たとえば、固定子50は、軸方向において磁石部42の全域と対向する。これにより、回転電機10の出力特性は、低回転、高トルク特性となる。図32に示す回転子40と固定子50との相対的な位置関係は、原位置状態である。
コイル150bへの通電により、コイル150b内に拡径部150a1が引き込まれ、ロッド150aが軸方向に沿って移動する。ロッド150aの移動に伴いエンドプレート部63が軸方向において原位置から遠ざかる。エンドプレート部63が原位置から遠ざかるほど、回転子40と固定子50との対向面積が小さくなる。対向面積を小さくすることで、固定子巻線51に生じる逆起電力を低減することができる。したがって、弱め界磁制御をおこなわなくても、回転子40の高速回転時に、固定子巻線51に電流を良好に供給することができる。すなわち、回転電機10の効率低下を抑制することができる。
図34は、回転子40及び固定子50を、互いに対向しない位置まで相対移動させた状態を示している。換言すれば、回転子40から固定子50を完全に離脱させた状態を示している。この状態では、主として拡径部150a1がコイル150b内に配置される。対向面積がほぼゼロの状態まで固定子50を移動させるため、回転電機10はフリーラン(空転)状態となる。図34に示す回転子40と固定子50との相対的な位置関係は、離脱状態である。
次に、制御装置及び車両システムについて説明する。
図32及び図34に示すように、車両に適用される車両システム160は、上記した可変構造の回転電機10と、制御装置161を備えている。図35に示すように、制御装置161は、状態検出部162と、変位制御部163を少なくとも有している。制御装置161は、車両の状態に応じて変位機構であるプランジャ150を制御するように構成されている。制御装置161は、たとえばマイコンを備えたECU(Electronic Control Unit)として構成されている。制御装置161に、プランジャ150の作動を制御する機能に加えて、駆動制御部110に出力するトルク指令値を生成する機能をもたせてもよい。
状態検出部162は、外部から入力される信号に基づいて、車両の状態を検出する。外部から入力される信号としては、たとえば、車両に搭載されたセンサの検出結果、制御装置161とは別の装置(ECU)の演算結果、ドライバによる設定などがある。本実施形態の状態検出部162は、アクセル開度センサにて検出されたアクセル開度、ブレーキペダル開度、車速センサにて検出された車速、回転角センサにて検出された回転子の回転角(電気角)、及びドライバによって選択されるモードセレクタの走行モードに基づいて、車両の状態を検出する。
変位制御部163は、回転子40と固定子50との対向状態が、状態検出部162により検出された車両状態に応じた所定の状態となるように、変位機構であるプランジャ150の作動を制御する。本実施形態の変位制御部163は、車両の状態に応じた対向面積となるように、プランジャ150の作動を制御する。
図36は、制御装置161が実行する処理を示している。制御装置161は、電源が投入された状態で、以下に示す処理を所定周期で繰り返し実行する。また、走行駆動源であるすべての回転電機10に対して以下に示す処理を実行する。
先ず、制御装置161は、車両が走行中か否かを判定する(ステップS10)。制御装置161は、たとえば車速が所定値以上の場合に、走行中と判定する。所定値未満の場合、制御装置161は一連の処理を終了する。
走行中と判定すると、次いで制御装置161は、走行中において走行駆動源である回転電機10の駆動が不要な状態か否かを判定する(ステップS11)。制御装置161は、アクセル開度が所定値未満、すなわちアクセルオフの場合に、コースティング走行(惰性走行)が可能な状態、すなわち回転電機10の駆動が不要な状態であると判定する。そして、制御装置161は、離脱制御を実行する(ステップS12)。なお、コースティング走行の判定条件は上記例に限定されない。たとえば、アクセルオフ、且つ、ブレーキオフの場合に、コースティング走行可能な状態と判定してもよい。
制御装置161は、走行駆動源である回転電機10について、回転子40から固定子50が離脱した状態となるように、プランジャ150のコイル150bへ通電する。この通電によって、図34に示したように回転子40と固定子50との対向面積がほぼゼロとなり、回転電機10がフリーラン状態となる。よって、回転電機10による走行抵抗(負荷)をほぼ無くすことができる。
また、制御装置161は、選択された走行モードにおいて駆動が不要な回転電機10がある場合、ステップS11において、該当する回転電機10が駆動不要状態であると判定する。この場合も、制御装置161は、上記した離脱制御を実行する。ステップS12の処理を実行すると、制御装置161は一連の処理を終了する。
一方、ステップS11において駆動不要状態ではないと判定された回転電機10について、制御装置161は回転電機10の動作状態を検出する。たとえば回転角に基づいて、回転数(回転速度)を算出する(ステップS13)。次いで、制御装置161は通常制御を実行する(ステップS14)。制御装置161は、回転子40と固定子50との対向面積が回転数に応じた面積となるように、プランジャ150への通電を制御する。具体的には低回転ほど対向面積が大きく、高回転ほど対向面積が小さくなるように、プランジャ150への通電を制御する。
たとえば車両発進時など、低回転、高トルクが必要な場合、プランジャ150のコイル150bへの通電を停止する。これにより、図32に示したように対向面積が最も大きな原位置状態となり、回転電機10は、低回転、高トルク特性となる。
また、回転子40と固定子50との相対位置を、回転数に応じて任意に設定することができる。たとえば図37に示すように、回転子40と固定子50との対向面積が、図32に示す状態の50%程度となるようにすることもできる。すなわち、途中まで固定子50が引き抜かれた状態で保持することもできる。ステップS14の処理を実行すると、制御装置161は一連の処理を終了する。なお、状態検出部162が、ステップS10,S11,S13の処理を実行し、変位制御部163がステップS12,S14の処理を実行する。
図38は、走行モードと制御状態との関係を示す模式図である。図38では、一例として、4輪のそれぞれに走行駆動源としての回転電機10が配置されている。回転電機10は、インホイールモータとして設けられている。図38(a)は、モードセレクタによりパワーモードが設定された状態を示し、図38(b)はエコモードが設定された状態を示している。図38(b)では、前輪を駆動側としている。図38では、アクセル開度が所定値以上、すなわちアクセルオンの状態を示している。
パワーモードは、4輪すべての回転電機10を駆動する4WDモードである。エコモードは、前輪用の回転電機10のみ又は後輪用の回転電機10のみを駆動する2WDモードである。パワーモードが設定された場合、4輪すべての回転電機10について、通常制御が実行される。一方、エコモードが設定された場合、駆動側ではない後輪側の回転電機10について、離脱制御が実行される。なお、コースティング走行時には、4輪すべての回転電機10について、離脱制御が実行される。
図38では、回転電機10を車両のホイール内に回転電機10をそれぞれ配置する4輪インホイールモータの例を示したが、これに限定されない。たとえば前輪側の2輪を1つの回転電機10で駆動し、後輪側の2輪を別の1つの回転電機10で駆動する構成にも適用できる。また、前輪及び後輪の一方をエンジンで駆動し、他方を回転電機10で駆動する構成にも適用できる。
次に、可変構造の回転電機10、制御装置161、及び車両システム160の効果について説明する。
本実施形態では、上記したように、固定子50が磁性体のティースを有していない。このため、磁性体のティースを有する構成に比べて、回転子40の磁石部42と固定子50との間に作用する引き合う力を弱めることができる。したがって、変位機構であるプランジャ150により、回転子40と固定子50とを軸方向において容易に相対変位させることができる。
特に、コースティング走行時など、固定子巻線51への通電がなされない非通電状態において、回転子40と固定子50とを容易に相対変位させることができる。磁石量の増加、材料、配列(たとえば上記したハルバッハ配列)などによって磁束密度の高い磁石部42を用いても、磁性体のティースを有さないため、回転子40と固定子50とを容易に相対変位させることができる。これにより、プランジャ150の大型化を抑制することもできる。
また、回転子40と固定子50との対向状態が、車両の状態に応じた所定の状態となるように、プランジャ150を作動させる。具体的には、車両の状態に応じた対向面積となるように、プランジャ150を作動させる。対向面積に応じて、磁石部42により固定子50に作用する鎖交磁束の大きさが変化する。したがって、車両の状態に応じた出力特性が得られる。たとえば対向面積を大きくすることで、回転軸11を高トルクの状態で低速回転させることが可能となる。また、対向面積を小さくすることで、弱め界磁を必要としない高効率での高速走行が可能となる。さらには、対向面積をほぼゼロにすることで、駆動が不要な回転電機10をフリーラン状態にすることができる。これにより、駆動不要時のエネルギ損失を低減することができる。
磁性体のティースを有していない固定子50を備えた回転電機10としては、図10、図25、図27、及び図28に示したように、磁性体の固定子コア52が、径方向において、固定子巻線51の両側のうち、回転子40とは反対側に設けられた構成を採用するとよい。これによれば、回転子40に対して径方向反対側に設けられた固定子コア52がバックヨークとして機能するため、固定子巻線51の直線部83の間にティースが存在していなくても、適正な磁気回路の形成が可能となる。
また、図29に示したように、固定子50が磁性体の固定子コアを有しておらず、固定子巻線51を保持する非磁性体の巻線保持部58を有している構成を採用してもよい。これによれば、固定子50がコアレス構造となっているため、回転子40の磁石部42と固定子50との間に作用する引き合う力をさらに弱めることができる。すなわち、回転子40と固定子50との相対変位をさらに容易にすることができる。
なお、回転数に応じて通常制御を実施する例を示したが、これに限定されない。回転数に代えて、たとえば回転電機10に要求されるトルクを算出し、トルクに応じて通常制御を実施してもよい。状態検出部162が、トルク指令生成部の少なくとも一部を兼ねてもよい。
ステップS13の処理(回転数算出)をなくし、ステップS14では、回転子40と固定子50との対向状態が予め設定された所定の状態となるように通電制御を行ってもよい。相対位置を2段階で切り替える構成としてもよい。たとえば、通常制御として、プランジャ150への非通電制御を行ってもよい。この場合、ステップS11において駆動不要状態ではないと判定されると、プランジャ150のコイル150bへの通電が停止され、回転電機10は図32に示した状態となる。
コースティング走行条件が成立した場合、又は、回転電機10の駆動を不要とする走行モードが選択された場合に、ステップS12の離脱制御を実行する例を示したが、これに限定されない。いずれか一方のみを離脱制御を実行する条件としてもよい。
ドライバが操作するモードセレクタにより走行モードが設定される例を示したが、これに限定されない。走行状態に応じて走行モードを自動的に切り替える機能を有する構成にも適用できる。制御装置161とは別の装置(ECU)から走行モード情報を取得し、これにより、ステップS11の駆動不要状態の判定処理を実施してもよい。
走行中のアクセルオフにより、コースティング走行条件が成立する例を示したが、これに限定されない。たとえば自動運転コントローラを備える車両において、自動運転コントローラからの信号に基づいてコースティング走行条件が成立、すなわち回転電機10が駆動不要な状態を検出してもよい。
プランジャ150のロッド150aの一端がエンドプレート部63に固定される例を示したが、これに限定されない。プランジャ150は、固定子50を移動させるように設けられれば良い。たとえばハウジング30が、フロントハウジングと、固定子50が固定されたリアハウジングを有する構成において、リアハウジングにロッド150aの一端を固定してもよい。
変位機構としてプランジャ150の例を示したが、これに限定されない。回転子40と固定子50とを軸方向に相対的に変位可能な構成であれば採用することができる。たとえば回転電機10とは別のモータとギヤを含む変位機構、油圧アクチュエータ、空気圧アクチュエータ、回転電機10とは別のモータとワイヤを含み、モータによりワイヤを巻き取る変位機構などを採用することができる。
固定子50を移動させる例を示したが、回転子40を移動させてもよい。また、上記した構成はアウターロータ構造に限定されず、インナーロータ構造にも適用できる。
回転子40と固定子50とが互いに対向しない離脱状態として、回転子40と固定子50とが全く対向しない状態を示したが、これに限定されない。固定子コア52を備える構成では、原位置において、固定子コア52と磁石部42とが対向している。このため、少なくとも固定子コア52と磁石部42とが互いに対向しない位置まで変位させれば、離脱状態といえる。また、原位置において、固定子巻線51のコイルサイド部53も磁石部42と対向しているため、少なくともコイルサイド部53と磁石部42とが互いに対向しない位置まで変位させれば、離脱状態といえる。よって、コイルエンド部55及びコイルサイド部53が磁石部42と対向せず、コイルエンド部54の少なくとも一部が磁石部42と対向する状態を、離脱状態としてもよい。
駆動不要状態において、離脱制御を実行する例を示したが、これに限定されない。取り得る範囲で対向面積が最小となるように制御してもよい。
以下に変位機構を備えた回転電機10の別例を示す。図39~図41に示す別例では、制御装置161の記載を省略している。また、磁石部42を含む回転子40など、回転電機10を簡素化して図示している。別例においても、固定子50は、磁性体のティースによるスロットを有さないスロットレス構造とされている。
図39は、固定子50に対して径方向内側に回転子40が配置されたインナーロータ構造において、固定子50を移動させるように構成した例である。図39でも、変位機構としてプランジャ150を採用している。プランジャ150のロッド150aと固定子50とは連結部150cによって連結されている。固定子50は、ハウジングに対して軸方向にスライド可能に嵌合されている。図39(a)は、原位置状態を示している。コイル150bへの通電によりロッド150aがコイル150b内に引き込まれ、回転子40と固定子50との対向面積が最も大きい状態となっている。図39(b)は、離脱状態を示している。コイル150bが非通電状態とされて、リターンスプリングによりロッド150aがコイル150bから引き抜かれ、固定子50が回転子40と対向しない位置まで移動されている。
図40は、図39同様のインナーロータ構造において、プランジャ150により回転子40を移動させるように構成した例である。図40では、回転子40が、直スプライン嵌合などにより、回転軸11に対して軸方向に変位可能に設けられている。図40(a)は、原位置状態を示している。コイル150bが非通電状態とされて、リターンスプリングによりロッド150aの縮径部150a2がコイル150b内に配置され、回転子40と固定子50との対向面積が最も大きい状態となっている。図40(b)は、離脱状態を示している。コイル150bへの通電によりロッド150aの拡径部150a1がコイル150b内に引き込まれ、回転子40が固定子50と対向しない位置まで移動されている。
図41も、インナーロータ構造において、固定子50を移動させるように構成した例である。図41では、ギヤを用いた変位機構151を採用している。図41では、固定子50が、直スプライン嵌合などにより、ハウジングに対して軸方向に変位可能に設けられている。変位機構151は、固定子50の外周に設けられたギヤ151aと、ギヤ151aと噛み合い、固定子50を移動させるためのギヤ151bと、ギヤ151bを回転させるモータを有している。図41では、モータのうち、回転軸151cのみを図示している。ギヤ151aは、固定子50の外周の一部分において、軸方向に沿って延設されている。回転軸151cは軸方向及び径方向と直交する方向に延設されている。ギヤ151bは、モータの駆動により回転軸151c回りに回転し、軸方向にギヤ151a、ひいては固定子50を移動させる。制御装置161の変位制御部163は、モータの駆動を制御する。
図41(a)は、原位置状態を示している。この状態で、回転子40と固定子50との対向面積は、最も大きくなっている。図41(b)は、離脱状態を示している。モータの駆動によりギヤ151bが回転し、これによりギヤ151aが軸方向に送られて、固定子50が回転子40と対向しない位置まで移動されている。なお、図39~図41に示した別例において、上記したように、離脱状態ではなく、途中まで引き抜かれた状態で保持することもできる。
(第2実施形態)
本実施形態は、先行実施形態を参照できる。このため、先行実施形態と共通する部分についての説明は省略する。
本実施形態の制御装置161は、停車中に、分離状態への移行要求、すなわち分離要求が外部から入力されると、上記した離脱制御を実行する。スイッチなどが人によって操作されることで、分離要求信号が制御装置161に入力される。このスイッチは、車両の牽引、車両工場などにおける人手による車両の移動、回転電機10のメンテナンスなどにおいて操作される。
図42は、制御装置161が実行する処理を示している。ステップS10~ステップS14までの処理は、先行実施形態に示した処理(図36参照)と同じである。
ステップS10において走行中ではない、すなわち停車中であると判定すると、制御装置161は、分離要求の入力があるか否かを判定する(ステップS15)。分離要求ありと判定すると、ステップS12の離脱制御を実行し、一連の処理を終了する。一方、分離要求がないと判定すると、一連の処理を終了する。なお、状態検出部162が、ステップS15の処理を実行する。
なお、制御装置161は、イグニッションスイッチがオンされ、電源が投入された状態で、図42に示す処理を実行してもよい。また、イグニッションスイッチがオフされた状態でスイッチが操作されると、バッテリから電源が供給され、図42に示す処理を実行してもよい。
図43(a)は、原位置状態を示している。この状態で、被水、冠水などにより、泥や塩などの異物200が回転電機10の内部空間に侵入している。図43(a)は、図32に対応している。回転電機10のメンテナンスをする際、分離要求スイッチを操作すると、図43(b)に示すように離脱状態となる。よって、ハウジング30とエンドプレート部63と間に隙間が生じ、回転電機10の内部を清掃することができる。これにより、異物200を排出することができる。また、回転電機10の内部をチェックすることができる。
このように本実施形態によれば、停車中に回転子40と固定子50との分離要求が入力されると、回転子40と固定子50とを離脱状態にすることができる。上記したように、固定子50が磁性体のティースを有していないため、回転子40と固定子50とを軸方向において容易に相対変位させることができる。すなわち、容易に離脱状態にすることができる。
このように離脱状態にできるため、たとえば牽引時において、牽引負荷を低減することができる。また、回転電機10による発電を回避し、牽引時において電源ラインに過電圧が生じるのを抑制することができる。人手によって車両を移動させる場合にも、負荷を低減することができる。なお、制御装置161が、ステップS10,S12,S15の処理のみを実行する構成としてもよい。走行中に離脱制御を実行せず、停車中にのみ離脱制御を実行するようにしてもよい。
(第3実施形態)
本実施形態は、先行実施形態を参照できる。このため、先行実施形態と共通する部分についての説明は省略する。
本実施形態の回転電機10は、図44に示すようにロック機構152を備えている。ロック機構152は、回転子40と固定子50との相対変位を拘束する。ロック機構152は、変位機構の非作動時において回転子40と固定子50との相対変位をロックし、変位機構の作動時において相対変位が可能となるようにロックを解除する。ロック機構152は、ロック状態において変位機構の作動をロックし、ロック解除状態において変位機構を作動可能とする。図44では、制御装置161の記載を省略している。また、磁石部42を含む回転子40など、回転電機10を簡素化して図示している。
図44に示す回転電機10は、ロック機構152を備える点を除けば、図41と同様の構成となっている。ロック機構152は、ロックアーム152aと、ロックアーム152aを回動させるモータを有している。図44では、モータのうち、回転軸152bのみを図示している。回転軸152bは回転軸151cと略平行に延びている。ロックアーム152aは、モータによりギヤ151bに向う側に回動されてギヤ151bに噛み合い、ギヤ151bが回転しないようにロックする。一方、ギヤ151bと反対側に回動されることで、ロックを解除する。
図44(a)は、原位置において、ロックされた状態を示している。図44(b)は、原位置において、ロックが解除された状態を示している。図44(c)は、固定子50が途中位置において、ロックされた状態を示している。
図45は、制御装置161の変位制御部163が実行する離脱制御処理、すなわちステップS12の処理を示すフローチャートである。軸方向における固定子50の位置は、たとえば固定子50の位置を検出するセンサや変位機構151のモータの回転角などに基づいて判断することができる。
ステップS11において駆動不要状態であると判定すると、制御装置161は、先ず固定子50の移動が必要か否かを判定する(ステップS120)。移動が必要な場合、ロックアーム152aを回動させてロックを解除する(ステップS121)。制御装置161は、ロック機構152のモータへ通電するよう制御し、これによりロックアーム152aがギヤ151bと反対側に回動される。よって、ロックが解除される。
ロック解除後、制御装置161は、変位機構151のモータへの通電を開始する(ステップS122)。次いで、制御装置161は、離脱状態となったか否かを判定し(ステップS123)、離脱状態となるまで通電を継続する。
離脱状態の位置まで固定子50が移動したと判定すると、次いで制御装置161は、ロックアーム152aを回動させてロックする(ステップS124)。制御装置161は、ロック機構152のモータへ通電するよう制御し、これによりロックアーム152aがギヤ151b側に回動されてギヤ151bに噛み合い、ロック状態となる。そして、ロックした後、制御装置161は、変位機構151のモータへの通電を停止する(ステップS125)。そして、一連の処理を終了する。なお、図示を省略するが、通常制御についても同様である。移動が必要な場合に、ロック解除後、所定位置まで固定子50を移動させ、移動完了後にロックを解除してから、通電を停止する。
このように本実施形態によれば、ロック機構152により、変位機構151の非作動時において回転子40と固定子50との相対変位をロックし、変位機構151の作動時においてロックを解除することができる。したがって、ロック機構152により、回転子40と固定子50との相対位置を、任意の位置に保持することができる。たとえば固定子巻線51への通電により、回転子40と固定子50とが軸方向において近づく力が生じても、回転子40と固定子50との相対位置を保持することができる。このように、位置ずれを抑制することができるので、回転電機10が所望の出力特性を発揮することができる。
また、ロック機構152を備えることで、変位機構151のモータに常時電流を印加しなくても、回転子40と固定子50との相対位置を保持することができる。また、ロックアーム152aが変位機構151のギヤ151bに噛み合うことでロック状態となる。このように機械的にロックするため、ロックアーム152aを回動させる際にロック機構152のモータへ通電すればよい。よって、消費エネルギーを低減することができる。なお、ロック機構152のモータは、固定子50を移動させる変位機構151のモータよりも小型で消費電力が低い。したがって、ロックアーム152aを所定位置に保持するように通電を継続したとしても、回転電機10の消費エネルギーを低減することができる。
ロック機構152を備える回転電機10において、変位機構は図44に示す構成に限定されない。ロック機構152も上記した構成に限定されない。回転電機10がギヤ151bを含む変位機構151を備える場合、ロック機構152は、ギヤ151bとの接触によりギヤ151bの回転を阻害する構成であればよい。ロック機構152としては、モータに代えて、リターンばねを含むプランジャを採用してもよい。
(第4実施形態)
本実施形態は、先行実施形態を参照できる。このため、先行実施形態と共通する部分についての説明は省略する。
図46に示すように、本実施形態では、回転子40が、軸方向において複数のブロック40a,40bに分かれている。図46では省略するが、磁石部42は、上記したように、回転子40における固定子50と対向する面に、周方向に沿って設けられた複数の磁石91,92(又は131,132)を有している。そして、複数のブロック40a,40bは、磁界の強さが互いに異なっている。磁界の強さは、たとえば表面磁束密度として示される。回転子40の構成を除けば、回転電機10は、図40と同様の構成となっている。図46では、制御装置161の記載を省略している。また、磁石部42を含む回転子40など、回転電機10を簡素化して図示している。
本実施形態では、回転子40が、2つのブロック40a,40bを有している。そして、ブロック40aとブロック40bとで磁石量が異なることで、磁界の強さが互いに異なっている。具体的には、ブロック40aのほうがブロック40bよりも磁石が多く配置されている。回転電機10は、変位機構としてプランジャ150を備えており、プランジャ150によって回転子40が軸方向に移動可能に構成されている。
図46(a)は、原位置状態を示している。コイル150bが非通電状態とされて、リターンスプリングによりロッド150aの縮径部150a2がコイル150b内に配置されている。そして、回転子40のうち、主としてブロック40aが固定子50と対向している。図46(a)では、ブロック40aのみが径方向においてコイルサイド部53と対向している。上記したように、ブロック40aは磁石が多いため、回転電機10は第1の特性、具体的には低回転、高トルク特性となる。
図46(b)は、原位置状態に対して回転子40を移動させた状態を示している。図46(b)は、第1の特性とは異なる第2の特性に切り替えられた状態を示している。コイル150bへの通電によりロッド150aの拡径部150a1がコイル150b内に引き込まれ、回転子40のうち、主としてブロック40bが固定子50と対向している。図46(b)では、ブロック40bのみが径方向においてコイルサイド部53と対向している。上記したように、ブロック40bは磁石が少ないため、回転電機10は第2の特性、具体的には高回転特性となる。
図示を省略するが、制御装置161は回転電機10に要求される特性に応じて、プランジャ150のコイル150bへの通電を制御する。
このように本実施形態によれば、磁界の強さが異なるブロック40a,40bが軸方向に隣接して設けられている。プランジャ150のコイル150bへの通電状態においてブロック40bが固定子50と対向し、非通電状態においてブロック40aが固定子50と対向する。すなわち変位機構であるプランジャ150のオン・オフの単調制御によって、回転電機10の特性を切り替えることができる。また、磁性体のティースを有していないため、回転電機10の特性を容易に切り替えることができる。制御装置161は回転電機10に要求される特性に応じて、プランジャ150のコイル150bへの通電を制御する。
回転子40が2つのブロック40a,40bを有する例を示したが、これに限定されない。3つ以上のブロックを有してもよい。
複数のブロック40a,40bの磁界の強さを、磁石量によって互いに異ならせる例を示したが、これに限定されない。磁石の材料や磁石の配列などによって磁界の強さを異ならせてもよい。また、ブロック40aとブロック40bとで固定子50との対向距離(隙間)を異ならせてもよい。
変位機構は上記したプランジャ150に限定されない。また回転子40に代えて、固定子50を移動させるようにしてもよい。回転電機10としては、インナーロータ構造に限定されない。先行実施形態に記載のロック機構152を組み合わせてもよい。
(第5実施形態)
本実施形態は、先行実施形態を参照できる。このため、先行実施形態と共通する部分についての説明は省略する。
図47に示すように、本実施形態の回転電機10は、図示しない磁石部42を有する永久磁石式の回転子40と、軸方向において回転子40と並んで配置され、磁石部42を有さない誘導式の回転子48を有している。回転子40が第1回転子に相当し、回転子48が第2回転子に相当する。回転子40の構成を除けば、回転電機10は、図39と同様の構成となっている。回転子40,48は、同一の回転軸11に対して、軸方向にずれて配置されている。図47では、制御装置161の記載を省略している。また、磁石部42を含む回転子40など、回転電機10を簡素化して図示している。
図47(a)は、原位置状態を示している。コイル150bへの通電によりロッド150aがコイル150b内に引き込まれ、これにより固定子50が回転子40と対向している。図47(b)は、原位置状態に対して固定子50を移動させた状態を示している。コイル150bが非通電状態とされて、リターンスプリングによりロッド150aがコイル150bから引き抜かれ、固定子50が回転子48と対向している。
図示を省略するが、制御装置161は回転電機10に要求される特性に応じて、プランジャ150のコイル150bへの通電を制御する。
このように本実施形態によれば、永久磁石式の回転子40と、磁気誘導式の回転子48が、軸方向に並んで設けられている。プランジャ150のコイル150bへの通電状態において固定子50が回転子40と対向し、非通電状態において固定子50が回転子48と対向する。よって、本実施形態でも、変位機構であるプランジャ150のオン・オフの単調制御によって、回転電機10の特性を切り替えることができる。また、磁性体のティースを有していないため、回転電機10の特性を容易に切り替えることができる。
制御装置161は、たとえばコースティング走行条件が成立すると、コイル150bを非通電状態にして固定子50を回転子48に対向させ、再加速から所定の期間において、回転子48の対向状態を維持するように制御してもよい。これによれば、コースティング走行後の再加速時において、永久磁石式の回転子40を変位させて対向状態にさせてから加速する場合よりも応答性に優れる誘導式の回転子48を用いることができる。なお、所定期間が終了すると、コイル150bに通電して回転子40に切り替えればよい。
変位機構は上記したプランジャ150に限定されない。また回転子40に代えて、固定子50を移動させるようにしてもよい。回転電機10としては、インナーロータ構造に限定されない。先行実施形態に記載のロック機構152を組み合わせてもよい。
(第6実施形態)
本実施形態は、先行実施形態を参照できる。このため、先行実施形態に示した回転電機10と共通する部分についての説明は省略する。
本実施形態では、上記した変位機構を有する回転電機10のメンテナンス方法の一例について説明する。
先行実施形態(図43参照)では、停車中に離脱制御を実施して、異物除去などを行う例を示した。これに対し、本実施形態では、イグニッションスイッチがオフされた状態で、図48(a)に示すように、先ず車両210から回転電機10を取り外す。図48(a)では、インホイールモータとして4輪のそれぞれに配置された回転電機10の少なくとも1つを取り外す。
取り外した後、変位機構であるプランジャ150のコイル150bに電流を印加し、強制的にプランジャ150を作動させる。通電により拡径部150a1がコイル150b内に引き込まれ、図48(b)に示すように対向面積がほぼゼロの離脱状態となる。離脱状態では、ハウジング30とエンドプレート部63と間に隙間が生じ、回転電機10の内部を清掃することができる。また、部品交換などを行うことができる。
メンテナンスの終了後、回転電機10を車両210に組み付けることで、回転電機10を再使用することができる。
このように本実施形態によれば、固定子50が磁性体のティースを有していないため、車両から取り外した状態で回転電機10のメンテナンスを行う際にも、回転子40と固定子50とを軸方向において容易に相対変位させることができる。すなわち、容易に離脱状態にすることができる。よって、メンテナンス性を向上することができる。
なお、この明細書における開示は、例示された実施形態に制限されない。開示は、例示された実施形態と、それらに基づく当業者による変形態様を包含する。たとえば、開示は、実施形態において示された部品及び/又は要素の組み合わせに限定されない。開示は、多様な組み合わせによって実施可能である。開示は、実施形態に追加可能な追加的な部分をもつことができる。開示は、実施形態の部品及び/又は要素が省略されたものを包含する。開示は、ひとつの実施形態と他の実施形態との間における部品及び/又は要素の置き換え、又は組み合わせを包含する。開示される技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示されるいくつかの技術的範囲は、請求の範囲の記載によって示され、さらに請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものと解されるべきである。