JPH0787712A - モータ及び充電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 バッテリを搭載した電気車両のモータにおい
て、電機子コアにトランスを構成して、充電器のトラン
スを廃止する。また、トランスの２次コイルと駆動用の
インバータ回路を利用して、バッテリへの充電を行い、
充電器そのものを廃止する。 【構成】 電機子コア５の外周に複数のスロット２１を
設け、１次コイル２２、２次コイル２３を巻線する。電
機子コア５の外周にはスリーブ２４を装着し、電機子４
にトランスを構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はバッテリ電源からインバ
ータ回路を介してモータに電力を供給し駆動するモータ
に係り、特に外部交流電源よりバッテリを充電し駆動さ
れる電気車両のモータ、および充電装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】車両に搭載したバッテリによりモータを
駆動して走行する電気車両は定期的にバッテリを充電す
る必要がある。図７は従来の充電及びモータ駆動のシス
テムの流れを表した図である。充電用の電源としては家
庭用の交流１００Ｖが利用され、変圧、整流を行った
後、電力をバッテリに供給する。具体的にはスイッチン
グ素子、トランス、整流器等からなる専用充電器により
バッテリへの充電が行われる。

【０００３】また、電気車両の車体の省スペース、軽量
化を目的とした充電方法としてモータを利用した様々な
方式が考えられている。特開平４−１３８００４号では
モータの電機子コアをトランスの鉄心に、駆動コイルを
トランスの２次コイルとして兼用することで電機子とト
ランスを兼用した構成により、外部交流電源から主バッ
テリに充電を行い、専用充電器を廃止した例が開示され
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前述の従来技
術は以下のような課題を有する。

【０００５】前者の専用充電器において、シリーズ電源
を用いた場合は、変圧器の重量が大きく車両重量を増加
させ、１回の充電で走行可能な距離を短くするという欠
点がある。また、スイッチング電源を用いた場合は、ス
イッチング素子の発熱が多く、大きな放熱板が必要とさ
れる。したがって、専用の充電器は車両においてかなり
の重量とスペースを占めることになる。

【０００６】一方、後者においては交流電源の影響によ
り、駆動コイルと誘起結合するように配置した１次側コ
イルによって電機子内部に作られる磁界が電源の周波数
で周方向に振動し、それに伴いロータが振動し、充電中
に騒音が発生する。また、鎖交磁束を発生させる磁気回
路中にロータと電機子間のエアギャップが介在するた
め、漏れ磁束が増大する。このため、２次側の誘起電力
を得るためには大きな起磁力が必要となる。この対策と
して、１次コイルの電流量を大きく設定すること、また
はコイルの巻き数を増やすことで解決されるが、それに
伴い銅損よる発熱の増大、電機子形状の大型化につなが
り、当初の目的である専用充電器の廃止による、軽量
化、省スペースとは相反する結果となっていた。

【０００７】本発明はこういった状況に鑑み上記の課題
を解決するもので、その目的とするところは、電気車両
用モータの電機子を利用したトランスを構成しながら
も、電気車両の重量化、コストアップにつながることな
くバッテリに充電を行えるトランス兼用電機子となる電
気車両用モータを提供することにある。さらには、駆動
用のインバータ回路を利用し車両に搭載されたバッテリ
への充電を行う充電装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の課題を達成するた
めに、本発明のモータは、電機子を構成する電機子コア
外周部に複数のスロットを設け、前記スロット内には誘
起結合されるよう捲回された１次コイル、２次コイルを
装備し、前記電機子コア外周に一体に装着される磁気回
路構成部材からトランスを構成することを特徴とする。

【０００９】さらに、本発明の充電装置は、モータ駆動
用のインバータ回路を有する駆動装置において、前記ト
ランスの２次コイルをリアクトルとしてバッテリの充電
を行うことを特徴とする。

【００１０】

【実施例】図１は本発明の一実施例を適用した電気車両
用モータ１（以下モータと略す）の横断面図、図２は軸
方向から見た平面図であり、ここでは、３相４極のＤＣ
ブラシレスモータを例に取り上げている。２はモータケ
ース、３はモータカバーであり、アルミ等の金属で作ら
れている。電機子４は電機子コア５と駆動コイル６から
構成されている。電機子コア５は多数の鋼板を積層して
作られている。駆動コイル６は、電機子コア５のスロッ
ト７に捲回されている。駆動コイル６と電機子コア５の
間には電気的な絶縁のために絶縁部材を介在させてい
る。電機子コア５は薄い鋼板をプレスにより所定形状に
抜き、それを所定枚数積み重ね溶接、カシメ等によって
一体に形成されている。８はロータであり、多数の薄い
鋼板を積層して作られ、界磁用磁石９が挿入され界磁を
発生している。１０は駆動軸であり、軸受け１１，１２
によりケースに回転自在に梁架されている。１４は位置
検出用磁石であり、ロータ８と同じ磁極となるように、
９０度毎にＮ極とＳ極に着磁されている。ロータ８と位
置検出用磁石１４は駆動軸１０にキーで位置決めされ、
界磁用磁石９の脱落防止およびロータ８の変形を防ぐた
めの端板１３を挟み、ナットにより固定されている。１
５はロータ８の位置検出用の磁気センサでホールＩＣを
用いている。ホールＩＣ１５は基板１６に半田付けされ
ており、基板１６はモータケース２にネジ止めされてい
る。

【００１１】駆動コイル６は３相のコイルからなり、そ
れぞれのコイルは電機子コア５の所定の磁極部を励磁す
るように捲回されている。位置検出用磁石１４からホー
ルＩＣ１５が検出したロータ８の位置に基き、駆動コイ
ル６の励磁相を切り換えることで回転磁界を発生させ、
ロータ８を回転駆動する。

【００１２】次に本発明の特徴をなす電機子の構造を図
２にて説明する。電機子コア５の外周には、複数のスロ
ット２１が形成されている。各スロットには、スロット
の凸部２６を鉄芯にして、１次コイル２２、２次コイル
２３が所望の巻線比で捲回されている。電機子コア５の
外周には磁気回路構成部材であるスリーブ２４が装着さ
れて、電機子コア５と一体となって鉄芯を構成する。ス
リーブ２４は高透磁率の薄い鋼板を材質とし、環状にプ
レス抜きしたものを積層して溶接により一体に形成して
いる。

【００１３】図３は１次コイル２２、２次コイル２３の
スロット２１への巻線方法及び結線を示す図である。図
中の矢印はコイルの巻き方向を表している。図中に示す
ように、１次コイル２２、２次コイル２３は一つの凸部
２６を中心に所定回数巻いた後、一つおきの凸部を中心
に同様に巻かれたコイルと巻き方向を合わせて接続して
いき、全スロット内に収められる。そして、任意の位置
において１次入力端子、２次出力端子を引き出してい
る。ここで、巻き方向は図示と逆でもよく、さらには１
次コイルと２次コイルの巻き方向はそろえなくてもよ
い。

【００１４】図４はトランス動作時の磁気回路の説明図
である。１次コイル２２に通電すると隣接する磁束同士
の干渉により磁気回路が構成される。図中の閉線Ｃは磁
束の流れを表している。この磁束はそれぞれの１次コイ
ル２２が巻かれている凸部を鉄芯として共用し巻かれて
いる２次コイル２３と鎖交して、１次、２次の巻線比に
応じた誘起電圧が２次コイル２３に発生することにな
る。

【００１５】以上により電機子４には１次、２次コイ
ル、鉄芯からなるトランスが構成されている。

【００１６】ここで、スロットの各凸部２６にはスリー
ブ部の２倍の磁束が存在するので、スロット幅ｈはスリ
ーブ２４の厚みｔのほぼ２倍であることが望ましい（図
２、図４参照）。

【００１７】また、スリーブ２４の厚みｔは、電機子コ
ア及びスリーブの軸方向の長さをＬとすると、トランス
動作に必要な磁束Φ、鉄芯の飽和磁束密度Ｂにおいて Ｂ＞Φ／（ｔ・Ｌ） の関係から決定すればよい。

【００１８】なお、本例では、２４個のスロットから構
成しているが、これに限らず隣接する磁束の干渉により
磁気回路を構成できる２ｎ個（ｎは自然数）であればよ
い。さらに、漏れ磁束を少なくするため、隣接する磁気
回路間の磁位差を小さくすることを考慮しスロット数は
設計上、可能な限り多くするとよい。

【００１９】ここで、電機子コア５とスリーブ２４の間
の接合面２５にはわずかな空気層が存在し、このため磁
気抵抗が増加する。この磁気抵抗を小さくするためにス
リーブ２４と電機子コア５は焼きばめ等により密着性を
高めることが望ましい。

【００２０】次に２次コイルに発生した誘起電圧を用い
て駆動用のインバータ回路利用してバッテリを充電する
方法を説明する。

【００２１】図５は本実施例のモータを用いてバッテリ
充電を行う場合の回路構成図である。

【００２２】３０はモータ駆動用のインバータ回路であ
り、バッテリ３１の直流電源を３相交流に変換しモータ
１へ供給する。３２〜３４はスイッチング素子、３５〜
４０は各スイッチング素子に並列に接続されている還流
ダイオード、４４は平滑コンデンサである。また、４５
は各スイッチに制御信号を供給する制御回路、４６は電
流検出器である。なお、インバータを用いたモータの駆
動方式はすでに明らかであり、ここでは詳細な説明は省
略し、充電動作についてのみ説明する。

【００２３】さて、本実施例の回路構成において、バッ
テリ電圧Ｖとトランスの２次起電圧ＥにＶ＜Ｅの関係が
あると、電流が無制御で流れることになり、還流ダイオ
ードの破壊の原因となる。また、バッテリ３１にとって
は過大電流の流入、過充電等によるバッテリ性能及び寿
命の低下の要因となる。バッテリへの充電は通常、電
流、電圧制御等が行われ、使用するバッテリに適した充
電方法が取られている。本実施例においても、これらを
考慮して、Ｖ＞Ｅとなるようにトランスの変圧比を設定
することによって、充電の制御が可能な回路構成となっ
ている。

【００２４】まず、外部交流電源４２を接続すると制御
回路４５からの制御信号に従いスイッチ４１ｕ、４１
ｖ、４１ｗが開放され、モータ１とインバータ回路３０
は切り離される。その後、充電スイッチ４３がオンされ
るとインバータ回路による充電動作が開始される。制御
回路４５からの信号に従い、スイッチング素子３２ａ、
３３ａ、３４ａは常にオフの状態となる。外部交流電源
４２からの通電が開始されると、モータ１に構成された
トランスによって誘起された２次電圧がインバータ回路
に供給される。これと同時に、スイッチング素子３３
ｂ、３４ｂを同位相でスイッチング動作させる。スイッ
チング素子３３ｂ、３４ｂがオンの場合は回路内は短絡
状態にあるが、トランスの２次コイル２３がリアクトル
となり電気エネルギを蓄積する。その後スイッチング素
子３３ｂ、３４ｂがオフされると２次コイル２３に蓄積
された電気エネルギは、バッテリ３１の端子電圧を上回
る電圧まで昇圧されて放出され、スイッチング素子３３
ａ、３３ｂ、３４ａ、３４ｂと並列に接続されている還
流ダイオード３７〜４０から構成された整流ブリッジに
より全波整流されバッテリ３１に充電電流が流れ込む。
またこの時、モータ駆動時に使用されている平滑コンデ
ンサ４４により、充電電流の脈動は緩和されてバッテリ
に供給される。

【００２５】なお、ここでスイッチング素子３２ｂにつ
いてはオン、オフどちらの状態であっても充電動作には
影響ないことが実験により確認されている。

【００２６】この構成において、バッテリへの充電電流
の制御は、スイッチング素子３３ｂ、３４ｂのオンーオ
フのデュティー調整により可能となる。電流検出器４６
からの出力信号により所望の充電電流値となるようなデ
ュティー設定を駆動用のインバータ回路の制御回路４５
から各スイッチング素子に供給し、駆動モードと充電モ
ードの制御を既存の制御回路で兼用している。

【００２７】以上の構成を取ることにより、バッテリを
搭載した電気車両のモータ駆動及び充電システムは図６
に示すように、バッテリ充電に必要な専用充電器を構成
するトランス、整流器、スイッチング素子が既存のモー
タ、駆動回路に取り込まれた構成となり、車両に搭載す
べき専用の充電器は不要となる。

【００２８】なお、本実施例においては電動車両のモー
タ及び充電装置を例に取って説明したがこれに限られた
わけでなく、バッテリによって電力が供給され、インバ
ータ回路によって駆動されるモータ及び充電装置全般に
わたって適用できることは言うまでもない。

【００２９】

【発明の効果】以上述べたように、本発明のモータ及び
充電装置によれば、電機子コア外周にスロットを設け、
トランス巻線を捲回し、電機子コア外周に取り付けたス
リーブによって磁気回路を構成しトランスとして機能さ
せるので、充電器用の専用トランスが廃止でき、コスト
ダウンができる。さらに、本発明を電気車両に適用すれ
ば、車両の軽量化につながり走行距離の延長が可能とな
る。さらには、既存のインバータ回路を利用してバッテ
リへの充電が可能となり充電専用の整流器、リアクト
ル、スイッチング素子を設ける必要がなくなり、いっそ
うのコストダウン、軽量化ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を適用した電気車両のモータ
の横断面図。

【図２】本発明の一実施例を適用した電気車両のモータ
の平面図。

【図３】実施例の巻き線方向及び結線を示す図。

【図４】本発明の一実施例のモータのトランス動作時の
磁気回路説明図。

【図５】本発明の一実施例を用いた充電装置の構成図。

【図６】本発明の電気車両のモータの駆動及び充電シス
テム方式の説明図。

【図７】従来の電気車両のモータの駆動及び充電システ
ム方式の説明図。

【符号の説明】

１ モータ ２ モータケース ３ モータカバー ４ 電機子 ５ 電機子コア ６ 駆動コイル ７ スロット ８ ロータ ９ 界磁用磁石 １０ 駆動軸 １１ 軸受け １２ 軸受け １３ 端板 １４ 位置検出用磁石 １５ ホールＩＣ １６ 基板 ２１ スロット ２２ １次巻線 ２３ ２次巻線 ２４ スリーブ ２５ 接合面 ２６ 凸部 ３０ インバータ回路 ３１ バッテリ ３２ａ、３２ｂ スイッチング素子 ３３ａ、３３ｂ スイッチング素子 ３４ａ、３４ｂ スイッチング素子 ３５、３６、３７、３８、３９、４０ 還流ダイオー
ド ４１ｕ、４１ｖ、４１ｗ スイッチ ４２ 外部交流電源 ４３ 充電スイッチ ４４ 平滑コンデンサ ４５ 制御回路 ４６ 電流検出器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定相数の駆動コイルと電機子コアから
   なる電機子と、ロータから構成されるモータにおいて、 前記電機子は電機子コア外周部に複数のスロットと、前
   記スロット内に誘起結合されるよう捲回された１次コイ
   ル、２次コイルと、前記電機子コア外周に一体に装着さ
   れる磁気回路構成部材から構成されるトランスを有する
   ことを特徴とするモータ。
2. 【請求項２】 モータを駆動する電力を供給するバッテ
   リと、所定相数の駆動コイルと電機子コアからなる電機
   子と、ロータから構成されるモータと、モータ駆動用の
   インバータ回路を有するモータ及び駆動装置において、 前記電機子は電機子コア外周部に複数のスロットと、前
   記スロット内に誘起結合されるよう捲回された１次コイ
   ル、２次コイルと、前記電機子コア外周に一体に装着さ
   れる磁気回路構成部材から構成されるトランスを有し、
   前記トランスの２次コイルをリアクトルとしてバッテリ
   の充電を行うことを特徴とする充電装置。