WO2015019507A1

WO2015019507A1 - 電動機

Info

Publication number: WO2015019507A1
Application number: PCT/JP2013/077291
Authority: WO
Inventors: 西村　慎二; 慎介茅野
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2013-08-09
Filing date: 2013-10-08
Publication date: 2015-02-12
Also published as: US10305342B2; JP5936778B2; JPWO2015019507A1; CN105453389A; DE112013007325T5; US20160126797A1; CN105453389B

Abstract

　安価な構造で軸電流を低減することが可能であり、信頼性の優れた電動機を提供する。内燃機関２００と変速機３００との間に設けられ、内燃機関２００と変速機３００を接続するハウジング８の内部に収納された電動機１００であって、回転子１の磁極数が１０ｎ（ｎは自然数）、固定子４のティース数が１２ｎ（ｎは自然数）であり、回転子１の回転軸２、この回転軸２を支持する軸受７ａ、７ｂ、およびハウジング８を導電体で構成し且つ回転軸２、軸受７ａ、７ｂ、ハウジング８を含んで形成され、固定子４と鎖交する導電体回路を有したものである。

Description

電動機

　この発明は、内燃機関と変速機との間に連結される電動機に関するものである。

　従来の電動機においては、回転子の軸電圧によって流れる軸電流による軸受の電食を防止するために、種々の対策が施されている。
例えば、シャフトの一部に高透磁率部を設けて軸電流が軸受に流れないようにしている（例えば、特許文献１参照）。また、軸受外輪に絶縁リングを嵌めて電気絶縁して軸電流による軸受の劣化を防止している（例えば、特許文献２参照）。あるいは、シャフトの一部を樹脂にしたものもある（例えば、特許文献３参照）。さらには、固定子を樹脂で覆って固定子の外側で絶縁したものがある（例えば、特許文献３参照）。

特開２００６－２１１８６２号公報特開２００８－１４８４５３号公報特開２０１２－１９５８０号公報特開２０１２－１２０２４８号公報

　従来の電動機では、軸電流による軸受の劣化を防止するために、シャフトの一部に高透磁率部を設けたり、軸受外輪に絶縁リングを嵌めて電気絶縁したりしているので、高価な部品が必要であるという欠点がある。また、内燃機関と変速機、減速機の間に配置された電動機の場合、電動機軸を支持する軸受、具体的には電動機軸の一方を支持する全ての軸受を絶縁しなければならないという問題がある。
　さらに、シャフトの一部を樹脂にしたものでは、強度が弱いので、内燃機関に接続されるものでは信頼性に欠けるという問題がある。また、固定子を樹脂で覆って固定子の外側で絶縁したものでは、内燃機関、変速機などの重量物を保持する必要があり、加えて内燃機関の振動に耐えなければならず、強度に欠けるという問題もあった。
　また、例えば、内燃機関と変速機の間に連結される電動機においては、回転軸から、軸受、ハウジング、軸受、回転軸という導電体で構成されたループができており、このループと鎖交する固定子に周方向磁束が変化するとループに起電力を生じ、電流が流れる。
特に軸受部は、潤滑剤である油やグリースによる油膜が形成されていれば、絶縁体と考えられるが、内燃機関の振動、軸にかかるラジアル力により油膜が薄くなると電流が流れ、この電流が遮断されるときに火花を生じて軸受表面に電食が生じる。

　この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、安価な構造で軸電流を低減することが可能であり、信頼性の優れた電動機を提供することを目的とする。

　この発明に係る電動機は、内燃機関と変速機との間に設けられ、内燃機関と変速機を接続するハウジングの内部に収納された電動機であって、回転子の磁極数が１０ｎ（ｎは自然数）、固定子のティース数が１２ｎ（ｎは自然数）であり、回転子の回転軸、この回転軸を支持する軸受、およびハウジングを導電体で構成し且つ回転軸、軸受、ハウジングを含んで形成され、固定子と鎖交する導電体回路を有したものである。

　この発明によれば、安価な構造で軸電流を低減することが可能であり、信頼性の優れた電動機を得ることできる。

　この発明の目的、特徴、効果は、以下の実施の形態における説明および図面の記載からより明らかとなる。

この発明の実施の形態１における電動機の回転軸に垂直な平面での要部断面を示す断面図である。この発明の実施の形態１における電動機を示す断面図である。この発明の実施の形態１における電動機の駆動回路を示すブロック図である。この発明の実施の形態１における電動機を示す概略図である。

　以下、この発明の実施の形態１について、図面を参照して説明する。なお、各図中、同一符号は、同一又は相当部分を示すものとする。

実施の形態１．
　図１は、この発明の実施の形態１における電動機の固定子と回転子の断面図、図２は、この電動機の側断面図、図３は、この電動機の駆動回路図、図４は、この電動機の固定子巻線の口出し部の概略図である。

　まず、この発明の実施の形態１に係る電動機構成について、図を用いて説明する。
図１に示すように、電動機１００の回転子１は、中心部に回転軸２を有し、外周部には永久磁石が取り付けられた磁極３が設けられている。回転子１の周囲には、空隙を保って固定子４が配置されている。固定子４には、磁極３に対向するようにティース５が設けられており、ティース５のそれぞれには巻線６が集中して個別に巻回されている。

　図２に示すように、電動機１００の回転子１の回転軸２の一端を軸受７ａにてハウジング８に保持されると共にクラッチ９を介して内燃機関２００のクランクシャフト１０に固定され、クランクシャフト１０は内燃機関２００の軸受７ｃにて保持されている。
回転軸２の他端は軸受７ｂにてハウジング８に保持されると共に変速機（減速機を含む）３００に接続されている。
電動機１００のハウジング８は、固定子４を保持し、一端面で内燃機関２００のケース２００ａに固定され、他端面では変速機３００のケース３００ａに固定されている。

　回転軸２は、鉄で出来ており、導電性を有している。
回転軸２は、回転軸方向一端を、導電性を有する軸受７ａで、導電性を有するフレーム１１ａを介して導電性を有するハウジング８に回転自在に保持され、回転軸方向他端を、導電性を有する軸受７ｂで、導電性を有するフレーム１１ｂを介して導電性を有するハウジング８に回転自在に保持されている。

　クランクシャフト１０は鉄で出来ており、導電性を有している。
内燃機関２００の軸受７ｃはすべり軸受が用いられており、導電性を有している。
内燃機関２００のケース２００ａは鉄で出来ており、導電性を有している。

　変速機３００のケース３００ａは、アルミで出来ており、導電性を有している。
変速機３００のケース３００ａは、玉軸受（図示せず）で変速機軸を保持している。玉軸受、変速機軸は鉄で出来ており導電性を有している。
変速機軸は、回転軸２とスプラインにて結合されている。

　このように、全て導電性を有する回転軸２、軸受７ａ、７ｂ、ハウジング８を通る導電体回路が形成され、この導電体回路は円環状の固定子４と鎖交している。
導電体回路は、内燃機関、内燃機関の軸受、内燃機関のケースなどの導電体を介しても形成される。
変速機側も同様に、変速機、変速機の軸受、変速機のケースなどの導電体を介して導電体回路が形成される。
したがって、軸受で絶縁しようとすれば内燃機関内または変速機内の軸受も絶縁することが必要となる。

　この発明では、電気的位相が異なる２組の３相巻線を有しており、固定子の周方向磁束は、対称位置に反対方向の周方向磁束を生じるため、これらが相殺されるので固定子周方向磁束は結果的にゼロとなり、導電体回路に起電力を生じないため、軸受に電流が流れず、軸受の寿命を向上することができる。

　具体的な構成は、回転子１の磁極数は１０ｎ（ｎは自然数）、固定子４のティース数は１２ｎ（ｎは自然数）となっている。本実施の形態では、図１に示すように、回転子の磁極３は２０極、固定子のティース５は２４個である。

　固定子４のティース５には、第１のティースからＵ１、Ｕ２、Ｖ１、Ｖ２、Ｗ１、Ｗ２の順に巻線が施されている。
ここで、Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１は第１の３相巻線、Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２は第２の３相巻線となっている。
固定子の巻線を構成する第１の３相巻線と第２の３相巻線とは電気角で位相が３０度異なっている。
図１にＵ相の磁束の流れを示す。
回転子の磁極数と固定子のティース数を１０:１２の構成にすると「Ｕ１、Ｕ２」と「Ｕ１a、Ｕ２a」のコアバック部４ａにおける周方向磁束の流れが逆方向になるため、固定子全体で周方向磁束が生じない。よって軸受に電流が流れない。
図３に示すように、第１の３相巻線１３ａには第１の３相インバータ１４ａ、第２の３相巻線１３ｂには第２の３相インバータ１４ｂが接続されている。
第１の３相インバータ１４ａと第２の３相インバータ１４ｂは電気角位相が３０度ずれており、回転子の磁極によって生じる起電力の位相に合わせて電流が流される。
これにより、トルクリプルが小さい運転ができる。
コギングトルクは電気角２π／１２の周期の非常に小さいものとなる。
　トルク変動があると、軸受に大きな荷重がかかり、油膜が小さくなって、軸電流が流れやすいが、本実施の形態によれば、トルクリプルが小さいので、軸受の油膜を保持できる。
工作精度などのため、軸電圧が発生したとしても、油膜により軸電流を低減出来る。

　図３において、電動機１００は、インバータ１４の電流を検出する電流センサ１５および回転子１の回転数を検出する回転センサ１６からの検出値に基づき、制御回路１７によって駆動制御される。

　巻線の他の接続構成としては、固定子４のティース５には、第１のティースからＵ１、Ｕ２、Ｖ１、Ｖ２、Ｗ１、Ｗ２の順に巻線が施され、Ｕ１とＵ２、Ｖ１とＶ２、Ｗ１とＷ２は各々巻方向を逆に直列接続されている。（１０極１２スロットのシングル３相結線）
本構成によっても、固定子４の周方向磁束は対称位置において逆方向の磁束を生じ、これらが相殺されて固定子周方向磁束は結果的にゼロとなり、前述の導電体回路に起電力を生じないため、軸受に電流が流れず、軸受の寿命を向上することができる。
また、この構成では３相インバータが１つで済むので、構成が簡単になる。

　また、図４に示すように、第１の３相巻線１３ａを並列に接続する接続部を構成する第１の結線部である第１の結線板１８ａが固定子４の軸方向内燃機関側（図４において上方側）に配置され、第２の３相巻線１３ｂを並列に接続する接続部を構成する第２の結線部である第２の結線板１８ｂが固定子の軸方向変速機側（図４において下方側）に配置されている。
これにより、固定子４の巻線６の口出し部１９は１ティース置きに内燃機関側、変速機側に取出されることになる。その結果、口出し部１９と結線板１８ａ、１８ｂの接続ポイントが周方向で近接しなくなり、溶接による接続作業がやりやすくなる。
また、結線板１８ａ、１８ｂを２箇所に振り分けるため、結線板１８ａ、１８ｂを小さく作ることができ、取付けスペースが厳しい(狭い)内燃機関、変速機に挟み込まれる電動機の軸方向寸法を小さくすることができる。
このように、本実施の形態では、結線板１８ａ、１８ｂを小型化できる。また、寸法制約が厳しい挟み込みタイプのハイブリッド車において、寸法を最小化できる。
接続すべき巻線が１ティース置きに現れるので、接続箇所が離れて(近接せず)、たとえば溶接して接続する際に溶接しやすい。
さらに、結線板１８ａ、１８ｂを巻線終端部６ａの半径方向外側に設けると、結線板１８ａ、１８ｂと、巻線終端部６ａがオーバーラップするところが増える(両側になる)ので、巻線終端部６ａからはみ出す部分が少なくなる。

　この発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、その発明の範囲において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

Claims

　内燃機関と変速機との間に設けられ、前記内燃機関と前記変速機を接続するハウジングの内部に収納された電動機であって、
複数の永久磁石を周方向に配置した回転子と、
前記ハウジングに支持されて前記回転子の周囲に配置され、前記回転子との間に空隙を保って配置された複数のティースを有した固定子と、
前記固定子のティースのそれぞれに巻回された巻線と、
前記巻線を接続する接続部と、
前記ハウジングに保持され、前記回転子の回転軸を支持する軸受とを備え、
前記回転子の磁極数が１０ｎ（ｎは自然数）、前記固定子のティース数が１２ｎ（ｎは自然数）であり、
前記回転子の回転軸、前記軸受、前記ハウジングを導電体で構成し、前記回転軸、前記軸受、前記ハウジングを含んで形成され、前記固定子と鎖交する導電体回路を有したことを特徴とする電動機。
　固定子の巻線は、第１の３相巻線と、前記第１の３相巻線と電気角で位相が３０度異なる第２の３相巻線を有したことを特徴とする請求項１に記載の電動機。
　接続部は、固定子の軸方向一端側に第１の３相巻線を接続する第１の結線部と、前記固定子の軸方向他端側に第２の３相巻線を接続する第２の結線部と有したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電動機。