(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【背景技術】
【0002】
従来、複数の鋼板を積層して形成されるモータコアを備えた回転電機としては、例えば、ハイブリッド車両や電気自動車等の駆動源として用いられるモータジェネレータがある。モータジェネレータは、車両に搭載されたリチウムイオン二次電池等の高電圧バッテリからの駆動電流により力行駆動される。また、モータジェネレータは、車両の減速時等において回生駆動され、これにより高電圧バッテリを充電するようになっている。
【0003】
モータジェネレータは、モータコアとしてのステータおよびロータを備えており、ステータはモータケース等のハウジングに固定され、ロータはステータの径方向内側に所定隙間を介して回転自在に設けられている。ステータおよびロータは、いずれも複数の鋼板を積層して形成されることが多く、これにより渦電流の発生を抑えつつ安価に製造できるようにしている。このような複数の鋼板を積層して形成されたモータコアを有するものとしては、例えば、特許文献1に記載された技術がある。
【0004】
特許文献1に記載された技術には、複数の鋼板を積層することで形成されるステータ(電気機器鉄心)が記載されている。特許文献1に記載されたステータにおいては、ロータを回転駆動した際に、ステータを形成する鋼板の1枚1枚が回転力(トルク)を受けるため、各鋼板のそれぞれがロータの回転に伴ってずれたり変形したりする等の不具合を発生することがある。例えば、
図10(a),(b)はステータの変形状態を示す解析図であり、ステータSTはロータ(図示せず)の回転に伴って、図中網掛け矢印に示すように縦方向および横方向に変形することが判っている。
【0005】
そこで、上述のような不具合を解消すべく、積層構造のステータにおいて強度を確保するようにした技術として、例えば、特許文献2に記載された技術がある。特許文献2に記載された技術は、表面粗さの異なる電磁鋼板と冷間圧延鋼板とを交互に積層するようにしている。これにより、ステータ(積層鉄心)の強度が高められて、各鋼板のそれぞれがロータの回転に伴ってずれたり変形したりする等の不具合を発生しないようにしている。
【0006】
また、各鋼板がずれる等の不具合を発生する原因の1つとして、例えばロータの回転駆動時に発生する振動(モータ作動振動)が挙げられる。つまり、このモータ作動振動をできる限り抑えるようにすれば、各鋼板がずれる等の不具合が発生するのを抑制できる。そこで、モータ作動振動を低減するようにした技術として、例えば、特許文献3に記載された技術がある。特許文献3に記載された技術は、複数の鋼板を積層して形成したロータ(積層コア)を備え、当該ロータを形成する各鋼板の形状を工夫し、これによりモータ作動振動の低減を図るようにしている。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下、
参考の形態1について図面を用いて詳細に説明する。
【0017】
図1はハイブリッド車両の駆動系統の概略を示すブロック図を、
図2は
参考の形態1に係るモータジェネレータの詳細構造を説明する断面図を、
図3は
図2のモータジェネレータを形成するモータコアの概略を示す斜視図を、
図4は
図3のステータの鋼板を分解して並べた斜視図を、
図5は
図3のステータにおける共振周波数の発生状態を示すグラフをそれぞれ表している。
【0018】
図1に示すハイブリッド駆動装置10は、図示しないハイブリッド車両(車両)の前方側に搭載され、エンジン(内燃機関)20および駆動機構30を備え、ドライブシャフト40を回転駆動するようになっている。駆動機構30は、エンジン20とドライブシャフト40との間に動力伝達可能に設けられ、駆動機構30は、トルクコンバータ31,クラッチ機構32,変速機33およびモータジェネレータ(回転電機)50を備えている。
【0019】
トルクコンバータ31は、エンジン20とクラッチ機構32との間に設けられ、トルクコンバータ31内に充填された比較的粘度の低いオイル(図示せず)を作動媒体として、エンジン20の動力をクラッチ機構32に伝達するようになっている。
【0020】
クラッチ機構32は、トルクコンバータ31と変速機33との間に設けられ、トルクコンバータ31と変速機33との間の動力伝達経路を、正回転または逆回転で締結するようになっている。具体的には、シフト位置を前進(D)とすると正回転で締結され、シフト位置を後進(R)とすると逆回転で締結される。また、クラッチ機構32は、トルクコンバータ31と変速機33との間の動力伝達経路を開放するようになっており、シフト位置をニュートラル(N)とすることで動力伝達経路が開放される。
【0021】
変速機33は、クラッチ機構32とモータジェネレータ50との間に設けられ、トルクコンバータ31,クラッチ機構32を介して伝達されるエンジン20の回転数(動力)を変速するようになっている。変速機33は、例えば、プライマリプーリおよびセカンダリプーリ(いずれも図示せず)を備えた無段変速機により形成されている。プライマリプーリは入力側を、セカンダリプーリは出力側を形成し、プライマリプーリ側にはクラッチ機構32およびモータジェネレータ50が設けられ、セカンダリプーリ側にはドライブシャフト40が設けられている。これにより、セカンダリプーリの回転数を無段階で調整することで、ドライブシャフト40の回転数が無段階で調整される。
【0022】
ここで、モータジェネレータ50は、駆動モータおよび発電機として機能するようになっている。例えば、ハイブリッド車両を停車状態から加速させる場合には、モータジェネレータ50を力行駆動し、これにより大きな駆動トルクを発生してスムーズに加速させる。また、ハイブリッド車両が高速で巡航している場合においては、エンジン20のみの動力で燃費の良い駆動状態とする。さらに、ハイブリッド車両を減速させて停車状態とする場合においては、モータジェネレータ50を回生駆動し、これにより運動エネルギを電気エネルギに変換して減速させる。そして、変換した電気エネルギは車載バッテリ(図示せず)の充電により回収される。
【0023】
モータジェネレータ50は、
図2に示すように、ハイブリッド駆動装置10の外郭を形成するケーシング11内に設けられている。ケーシング11は、溶融したアルミ材料等を鋳造成形することにより所定形状に形成され、放熱性に優れたものとなっている。
図2においては、ハイブリッド駆動装置10の一部(モータジェネレータ50の部分)を示しており、モータジェネレータ50の前方側にはエンジン20(
図1参照)が配置され、モータジェネレータ50の下方側にはドライブシャフト40(
図1参照)が配置されている。ハイブリッド駆動装置10は、ハイブリッド車両の車体側に設けられたブラケットに、強化ゴム等よりなるマウントブッシュ(何れも図示せず)を介して取り付けられるようになっている。
【0024】
モータジェネレータ50は、固定子としてのステータ60および回転子としてのロータ70を備えている。これらのステータ60およびロータ70は、
図3に示すように、それぞれ複数の鋼板を積層して形成され、本発明におけるモータコアを構成している。
【0025】
ステータ60は、
図3および
図4に示すように、複数の第1鋼板61と複数の第2鋼板62とを備えている。各鋼板61,62は、何れも同じ磁性材料、例えば、ケイ素鋼板等により略円板形状に形成されている。また、各鋼板61,62は、それぞれを積層してなるステータ60の軸方向から見た平面形状が、何れも同じ形状となるように形成されている。さらに、第1鋼板61の厚み寸法はtaに設定され、第2鋼板62の厚み寸法は、第1鋼板61の厚み寸法taよりも厚い厚み寸法tbに設定されている(ta<tb)。
【0026】
このように各鋼板61,62は、厚み寸法のみを異ならせており、それぞれ1枚ずつ交互に、例えば、鋼板61,鋼板62,鋼板61,鋼板62,鋼板61・・・のように規則的に並んで積層されている。ここで、各鋼板61,62は、それぞれ厚み寸法のみが異なるので、例えば同一のプレス加工機等を用いて成形しており、これにより各鋼板61,62の製造効率を向上させている。また、各鋼板61,62は、それぞれ絶縁材料よりなる接着剤(図示せず)により互いに強固に接着されている。
【0027】
各鋼板61,62は、環状本体部61a,62aと、径方向内側に突出するように一体に設けられた複数のティース部61b,62bとを備えている。各鋼板61,62よりなるステータ60(モータジェネレータ50)は、
図2に示すように、固定ボルトFBをケーシング11にネジ結合することで、ケーシング11内に固定されている。
【0028】
各鋼板61,62の各ティース部61b,62bには、集中巻きまたは分布巻きによって、導電性に優れた銅線等よりなるコイル63(
図2参照)が巻き付けられている。コイル63は、ステータ60の軸方向両側で折り返されており、コイル63の各折り返し部TPは、絶縁材としてのプラスチック材料等によってモールドされている。これにより、各ティース部61b,62bに巻き付けられた隣り合うコイル63同士が短絡することは無い。
【0029】
図2および
図3に示すように、ロータ70は、ステータ60と同様に、ケイ素鋼板等の磁性材料よりなる複数の環状鋼板71を積層して形成され、ステータ60の径方向内側に所定の隙間を介して回転自在に設けられている。各環状鋼板71においても、それぞれ絶縁材料よりなる接着剤(図示せず)により互いに強固に接着されている。
【0030】
各環状鋼板71の中心部分には、回転軸72が貫通して固定され、各環状鋼板71の回転軸72の周囲には、当該回転軸72の軸方向に沿うように複数の棒状永久磁石MGが設けられている。これにより、コイル63に駆動電流を供給(通電)することで電磁力が発生し、当該電磁力によりロータ70がステータ60に対して回転するようになっている。
【0031】
ここで、ロータ70を形成する各環状鋼板71の積層構造については、ステータ60を形成する各鋼板61,62とは異なり、何れも同じ磁性材料,同じ平面形状かつ同じ厚み寸法に設定したものを積層するようにしている。これにより、ロータ70の組み立て作業性を向上させている。
【0032】
次に、以上のように形成した
参考の形態1に係るモータジェネレータ50の動作について、図面を用いて詳細に説明する。
【0033】
コイル63に駆動電流を流すと、当該コイル63には電磁力が発生し、これによりモータジェネレータ50が回転駆動され、ステータ60に対してロータ70が相対回転する。このとき、ステータ60にはロータ70を回転方向に引き寄せる吸引力が発生し、よってロータ70は回転する。この吸引力は、
図10の網掛け矢印で示したように、ステータ60自身を上下方向や左右方向等に変形させるように作用する。しかしながら、本
参考の形態においては、ステータ60を形成する各鋼板61,62の厚み寸法を異ならせて、それぞれを接着剤により強固に固定している。よって、薄い方の鋼板である第1鋼板61のみを積層したものに比して剛性を高くすることができる。
【0034】
また、モータジェネレータ50の回転駆動に伴う振動(モータ作動振動)を解析したところ、
図5のグラフ(周波数[Hz]−加速度[m/s
2]グラフ)に示す結果が得られた。モータジェネレータ50(
参考の形態1)においては、厚み寸法taの第1鋼板61と、厚み寸法tbの第2鋼板62とを交互に積層している。よって、第1鋼板61のみを積層したステータを有する比較例A(t=ta)の共振周波数のピーク値(fa)、および第2鋼板62のみを積層したステータを有する比較例B(t=tb)の共振周波数のピーク値(fb)に比して、共振周波数のピーク値(Peak1)が下がっている。
【0035】
これは、各鋼板61,62を交互に積層して、2種類の各鋼板61,62により2つの共振周波数を発生させ、各共振周波数に分散させたことに起因している。このようにモータジェネレータ50においては、その回転駆動時における振動(モータ作動振動)を、1種類の鋼板を積層してなるステータを有する比較例A,Bに比して抑制することができる。
【0036】
以上詳述したように、
参考の形態1に係るモータジェネレータ50によれば、ステータ60を、同じ磁性材料かつ同じ平面形状で、厚み寸法の異なる2種類の第1鋼板61および第2鋼板62を積層して形成したので、1つの共振周波数(ピーク値大)を発生する同じ厚み寸法の鋼板を積層したステータを備えたモータジェネレータ(比較例Aおよび比較例B)に比して、2つの共振周波数を発生させて各共振周波数(ピーク値小)に分散させることができる。
【0037】
したがって、モータジェネレータ50の回転駆動時に発生する振動を小さくし、ひいては作動音の低減やステータ60の変形等の不具合の発生を抑制できる。各鋼板の材質や大きさ等に依らず、各鋼板の厚み寸法のみを異ならせるだけなので、モータジェネレータの仕様変更にも容易に対応でき、さらには各鋼板61,62を同じ製造ラインで製造することにも容易に対応できる。よって、歩留まりの向上はもちろん、モータジェネレータ50の製造コストをより低減することができる。
【0038】
また、第1鋼板61および第2鋼板62を、それぞれ同じ磁性材料かつ同じ平面形状で形成したので、モータジェネレータの回転駆動に伴う振動の解析作業(解析処理)を容易に行うことができ、ひいては、モータジェネレータの設計効率の向上を図ることが可能となる。
【0039】
次に、
参考の形態2について図面を用いて詳細に説明する。なお、上述した
参考の形態1と異なる部分についてのみ説明する。
【0040】
図6は
参考の形態2に係るモータジェネレータのステータの鋼板を分解して並べた斜視図を、
図7は
図6のステータにおける共振周波数の発生状態を示すグラフをそれぞれ表している。
【0041】
参考の形態2に係るモータジェネレータ(回転電機)80は、
参考の形態1に比して、ステータを形成する鋼板の積層構造のみが異なっている。
【0042】
参考の形態2に係るモータジェネレータ80を形成するステータ81は、
図6に示すように、複数の第1鋼板82,複数の第2鋼板83および複数の第3鋼板84を備えている。各鋼板82〜84は、何れも同じ磁性材料、例えば、ケイ素鋼板等により略円板形状に形成されている。また、各鋼板82〜84は、それぞれを積層してなるステータ81の軸方向から見た平面形状が、何れも同じ形状となるように形成されている。さらに、第1鋼板82の厚み寸法はtcに設定され、第2鋼板83の厚み寸法はtdに設定され、第3鋼板84の厚み寸法はteに設定され、その大小関係はtc<td<teとなっている。
【0043】
このように各鋼板82〜84は、厚み寸法のみを異ならせており、それぞれ1枚ずつランダムに、例えば、
図6に示すように、鋼板82,鋼板83,鋼板84,鋼板83,鋼板84,鋼板82,鋼板82,鋼板84,鋼板83・・・のように不規則に並んで積層されている。なお、各鋼板82〜84においても、
参考の形態1と同様に、環状本体部82a〜84aおよび複数のティース部82b〜84bを備えている。
【0044】
ステータ81による振動(モータ作動振動)を解析したところ、
図7のグラフ(周波数[Hz]−加速度[m/s
2]グラフ)に示す結果が得られた。
参考の形態2においては、厚み寸法tcの第1鋼板82,厚み寸法tdの第2鋼板83および厚み寸法teの第3鋼板84をランダムに積層している。よって、第1鋼板82のみを積層したステータを有する比較例C(t=tc)の共振周波数のピーク値(fc),第2鋼板83のみを積層したステータを有する比較例D(t=td)の共振周波数のピーク値(fd)および第3鋼板84のみを積層したステータを有する比較例E(t=te)の共振周波数のピーク値(fe)に比して、共振周波数のピーク値(Peak2)が下がっている。
【0045】
ここで、ピーク値(Peak2)の下げ幅は、
参考の形態1のピーク値(Peak1)に比して大きくなっている。これは、厚み寸法の異なる鋼板の種類を増やし、3種類の各鋼板82〜84を設けたことに起因している。なお、各鋼板82〜84を設ける枚数は、それぞれ同じ枚数とするのが望ましい。これにより、各共振周波数に略均等に分散させて、ピーク値(Peak2)を効果的に小さくすることが可能となる。
【0046】
ただし、3種類の鋼板を積層するに限らず、2種類または4種類以上の鋼板をランダムに積層しても良い。なお、2種類の鋼板を不規則(ランダム)に積層するとは、例えば、鋼板(1)および鋼板(2)を、それぞれ鋼板(1),鋼板(2),鋼板(2),鋼板(1),鋼板(2),鋼板(2),鋼板(2),鋼板(1),鋼板(2),鋼板(1)・・・のよう不規則に並べて積層するようにする。
【0047】
以上詳述したように、
参考の形態2に係るモータジェネレータ80によれば、上述した
参考の形態1と同様の作用効果を奏することができる。これに加えて、
参考の形態2においては、各鋼板82〜84をランダムに積層(不規則に積層)するので、組み立ての際に各鋼板82〜84を整然と並べておく必要が無い。したがって、各鋼板82〜84を積層するための作業工程を簡素化することができる。
【0048】
次に、
参考の形態3および本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、上述した
参考の形態1と異なる部分についてのみ説明する。
【0049】
図8(a),(b)は
参考の形態3および
本発明の実施の形態に係るロータの鋼板を分解して並べた斜視図を表している。
【0050】
図8(a)に示すように、
参考の形態3に係るモータジェネレータ(回転電機)90は、
参考の形態1に比して、ロータを形成する鋼板の積層構造のみが異なっている。
【0051】
参考の形態3に係るモータジェネレータ90を形成するロータ91は、厚み寸法tfの第1環状鋼板92と、厚み寸法tgの第2環状鋼板93とを備えている(tf<tg)。そして、各環状鋼板92,93は、それぞれ1枚ずつ交互に、例えば、環状鋼板92,環状鋼板93,環状鋼板92,環状鋼板93,環状鋼板92・・・のように規則的に並んで積層されている。
【0052】
以上のように形成した
参考の形態3に係るモータジェネレータ90においても、上述した
参考の形態1と同様の作用効果を奏することができる。これに加え、
参考の形態3においては、ロータ91についても厚み寸法の異なる第1環状鋼板92および第2環状鋼板93を積層して形成したので、モータジェネレータ90の回転駆動時における振動の発生を、より低減させることが可能となる。
【0053】
図8(b)に示すように、
本発明の実施の形態に係るモータジェネレータ(回転電機)100を形成するロータ101は、複数の第1環状鋼板102(厚み寸法th),複数の第2環状鋼板103(厚み寸法ti),複数の第3環状鋼板104(厚み寸法tj)および複数の第4環状鋼板105(厚み寸法tk)を備えている。各環状鋼板102〜105の厚み寸法の関係は、th<ti<tj<tkとなっている。
【0054】
そして、各環状鋼板102〜105は、それぞれ1枚ずつランダムに、例えば、図示のように、環状鋼板102,環状鋼板103,環状鋼板104,環状鋼板105,環状鋼板103,環状鋼板105,環状鋼板104,環状鋼板102,環状鋼板102・・・のように不規則に並んで積層されている。
【0055】
以上のように形成した
本発明の実施の形態に係るモータジェネレータ100
、つまり、鋼板を規則的に積層してなるステータと、鋼板を不規則に積層してなるロータとを組み合わせたものにおいても、上述した
参考の形態3と同様の作用効果を奏することができる。これに加え、
本発明の実施の形態においては、各環状鋼板102〜105をランダム(不規則)に積層するので、組み立ての際に各環状鋼板102〜105を整然と並べておく必要が無い。したがって、
参考の形態3に比してロータ101の組み立て作業を簡素化することができる。
【0056】
ただし、
参考の形態3に係るモータジェネレータ9
0において、ステータを形成する鋼板の積層構造を、ランダムに積層する積層構造(
参考の形態2の
図6参照)としても良い。この場合、上記各効果に加えて、ステータの組み立て作業性を向上させることが可能となる。
このように、参考の形態3において、ステータを形成する鋼板の積層構造をランダムに積層する積層構造としたものは、本発明の他の実施の形態となる。つまり、本発明の他の実施の形態は、鋼板を不規則に積層してなるステータと、鋼板を規則的に積層してなるロータとを組み合わせたものである。
【0057】
次に、
参考の形態4について図面を用いて詳細に説明する。なお、上述した
参考の形態1と異なる部分についてのみ説明する。
【0058】
図9は
参考の形態4に係るモータジェネレータのステータの鋼板を示す平面図である。
【0059】
図9に示すように、
参考の形態4に係るモータジェネレータ(回転電機)110のステータ111は、分割鋼板112(図示では1つのみ示す)をその周方向に沿うように組み付けることで環状に形成され、同じ分割鋼板112を4つ用いることで、
参考の形態1に係る各鋼板61,62(
図4参照)のように環状に形成するようにしている。分割鋼板112においても、本体部112aおよび複数のティース部112bを備えている。
【0060】
以上のように形成した
参考の形態4に係るモータジェネレータ110においても、上述した
参考の形態1と同様の作用効果を奏することができる。これに加え、
参考の形態4においては、厚み寸法の異なる分割鋼板を準備しておき、これらをその周方向に沿って互い違い組み付けたりすることもできる。この場合、モータジェネレータの回転駆動に伴う振動の発生を、より抑制することが可能となる。
参考の形態4の分割鋼板は、上述した本発明の実施の形態にも適用できる。
【0061】
本発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。例えば、上記各実施の形態においては、各鋼板を1枚ずつ交互(規則的)にまたはランダム(不規則)に積層した場合を示したが、本発明はこれに限らず、例えば、5枚の鋼板をセットとして、当該セットとした各鋼板(鋼板群)を1セットずつ、交互にまたはランダムに積層するようにしても良い。
【0062】
また、上記各実施の形態においては、エンジン20およびモータジェネレータ50,80,90,100,110を有するハイブリッド車両に本発明を適用した場合を示したが、これに限らず、例えば、駆動源としてモータジェネレータのみを有する電気自動車(EV)等にも本発明を適用することができる。