JP6189079B2 - 駆動装置及び回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機及び該回転電機を備える駆動装置に関する。

ハイブリッド自動車にはモータジェネレータを有する駆動装置が搭載されている。モータジェネレータは、加速時等に電動機としてエンジン駆動をアシストし、減速時等に制動力を付与するとともに、発電機として機能して二次電池を蓄電する。モータジェネレータは、例えばインナーロータ型のブラシレスＤＣモータ等から構成され、ステータ及びロータを有している。ステータはハウジングに固定され、ロータは回転軸を中心にステータの内側で回転可能に設けられている。該回転軸はエンジンのクランク軸に直接連結されるか、又はクラッチ等を介して間接的に連結されている。

ステータ及びロータの間には、エアギャップが設けられている。従来のモータジェネレータでは、エアギャップを一定にする目的で、ステータの径方向における中心及び回転軸の軸中心線を一致させている。エアギャップは、数百μｍ程度の大きさであり、狭いほどステータ及びロータの磁束密度が大きくなり、発生トルクが増大する。一方、エアギャップが狭すぎると、ロータの高速回転や長時間稼働で熱膨張が生じてロータがステータに接触してしまう。またエアギャップを狭小化する場合には、高精度の加工が必要となる。

一方、上述したようにロータはクランク軸に連結されているため、各気筒の燃焼による振動の影響を受けて径方向に振動する。このためエアギャップの大きさは、熱膨張量、振動の最大量を含む各部品の集積公差に基づき決定されている。ロータの振れ量が大きければ、その分だけエアギャップを大きくする必要がある。従って所望の性能を確保するためにはモータの大型化を招来する。

この課題に対し、エンジン及びモータジェネレータの間に、径方向の撓みを許容するドライブプレートを設ける構成が提案されている（例えば特許文献１参照）。ドライブプレートは、板状に形成され、エンジンの振動により生じる径方向の撓みを厚さ方向に逃がすことにより、径方向の振動が下流に伝達されることを抑制している。

特開２００７−１５４４１号公報

しかし、ドライブプレートを設けることで下流に伝達される振動を抑制したとしても、ロータの振れを完全に防ぐことはできない。また上記した構成では振動方向を考慮していないため、最大振れ量に合わせて、ステータ周方向において均一なエアギャップを設定する必要があり、モータージェネレータの性能低下又は大型化を招来していた。

本発明は、上記実情を鑑みてなされたものであり、その目的は、部品の干渉を抑制しつつ、性能低下又は大型化を抑制できる回転電機及び該回転電機を備えた駆動装置を提供することにある。

上記課題を解決する駆動装置は、ステータ及び該ステータに対しエアギャップを介して設けられたロータを有する回転電機、及びエンジンを備え、ロータの回転軸がエンジンのクランク軸に連結した駆動装置において、前記ステータの径方向における中心が、前記回転軸の軸中心線に対して、前記エンジンの気筒内の燃焼に起因する前記回転軸の片振りの方向である１つの方向に沿って、前記回転軸の振動が大きくなる方向に前記エアギャップが大きくなるように偏倚している。

上記課題を解決する回転電機は、ステータ、及び該ステータに対しエアギャップを介して設けられたロータ、及びステータを固定するハウジングを有し、ロータの回転軸がエンジンのクランク軸に連結する回転電機において、前記ステータの径方向における中心が、前記回転軸の軸中心線に対して、前記エンジンの気筒内の燃焼に起因する前記回転軸の片振りの方向である１つの方向に沿って、前記回転軸の振動が大きくなる方向に前記エアギャップが大きくなるように偏倚している。

これらの態様によれば、回転電機のステータは、ステータ中心が軸中心線に対して回転軸の片振りの方向に偏倚するようにハウジングに対して固定されている。従ってエンジン駆動時には、ステータ中心の偏倚により、エンジンの気筒内の燃焼に起因する振れ量が少なくとも一部相殺される。このため従来のように回転軸の片振りを考慮してエアギャップを予め大きく設定しなくてもステータ及びロータの干渉を防ぐことができる。従って回転電機の大型化及び性能低下を抑制することができる。

上記駆動装置について、前記ステータを固定するハウジングを備え、前記ハウジングは、前記回転軸を回転可能に軸支する支持部と、前記ステータを内側に固定する筒状部とを備え、前記筒状部の径方向における中心が、前記支持部の中心に対して偏倚したことが好ましい。

この態様によれば、ハウジングの支持部及び筒状部の形状によって、ステータ中心を回転軸の軸中心線に対して偏倚させることができる。従って回転軸の構成、又は回転軸及びクランク軸の連結構造等を変更する必要がない。

上記駆動装置について、前記軸中心線に対する前記ステータ中心の偏倚量は、前記ロータの最大振れ位置で、前記ロータ及び前記ステータの間に最小限のエアギャップ量が確保される量に設定されていることが好ましい。

この態様によれば、クランク軸を介してエンジンから伝達された振動によってロータが最も片振れしたときにもステータ及びロータの間に最小限のエアギャップが確保される。即ちロータとステータとの干渉を抑制しつつ回転電機の大型化を抑制することができる。

本発明に係る回転電機及び駆動装置の一実施形態であって、駆動装置の要部を示す断面図。 同駆動装置に搭載された回転電機としてのモータの断面図。 従来のモータにおけるロータの振れ量を示すグラフ。 従来のロータの軌跡を振れ量で２次元的に示した図。 同実施形態のエンジン駆動時における同ロータの軌跡を振れ量で示した図。

以下、本発明にかかるハイブリッドシステム用モータユニットを具体化した一実施形態について、図１〜図５を参照して説明する。
図１に示すように、ハイブリッドシステム用の駆動装置１０は、フライホイール１１，１２及び回転電機としてのモータ２０を備えている。尚、本実施形態のモータ２０は、電動機及び発電機として機能するが、説明の便宜上、単に「モータ」という。また、駆動装置１０は、モータ２０等のほかに、エンジン１、図示しないトランスミッションを有している。

モータ２０を構成するロータシャフト２１の一端は、エンジン１側のフライホイール１１を介して、エンジン１のクランク軸１５が連結されている。本実施形態のエンジン１は直列６気筒のレシプロエンジンである。

モータ２０のロータシャフト２１は、クランク軸１５に対して軸心を一致した状態で連結されている。モータ２０のロータシャフト２１の他端は、フライホイール１２を介してトランスミッションが連結されている。ロータシャフト２１には、エンジン１及びモータ２０の少なくとも一方により回転トルクが付与される。

（モータの構成）
次にモータ２０の構成について説明する。モータ２０は、インナーロータ型のブラシレスＤＣモータであって、ステータハウジング２２、ロータ３０及びステータ３１を有している。ステータ３１は、複数のステータセグメントを有し、ステータセグメントが互いに連結されることによって全体として円環状をなしている。このステータセグメントは、複数の磁性鋼板を積層したステータコア、及びステータコイルを有している（いずれも図示略）。ステータコイルは、Ｕ，Ｖ，Ｗの３相に分別され、各相のコイルは端子台２２ａを介してそれぞれ図示しないバッテリに接続されている。端子台２２ａはステータハウジング２２の外周部に設けられ、その一端部にＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対応する外部側端子が各別に形成されている。また端子台２２ａの他端部にもＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対応するコイル側端子が各別に形成されている。

ステータハウジング２２は、略筒状に形成され、この筒状部の内側にステータ３１の外周部を固定している。またステータハウジング２２は、エンジン１側のフライホイール１１を収容するフライホイールハウジング２３に連結されている。ステータ３１及びロータ３０は、フライホイールハウジング２３、ステータハウジング２２によって構成される空間に収容されている。

ロータ３０は、ロータシャフト２１、及びロータコア３０ａを有している。ロータコア３０ａの構成は特に限定されないが、例えば積層された複数の電磁鋼板と、図示埋設された永久磁石とからなる。またロータコア３０ａは、ステータ３１に対してエアギャップＧを介して対向している。エアギャップＧの大きさは、ロータ停止時において数百μｍ〜１ｍｍである。

従来においてはエアギャップＧの大きさをステータの周方向において一定にする目的で、ステータの径方向における中心を通り厚み方向に延びるステータ中心線、ロータシャフト２１の軸中心線とを一致させている。一方、上述したようにロータシャフト２１はクランク軸１５に連結する。このためロータはエンジン１の気筒内の燃焼・膨張に連動して特定の方向に偏って振動（片振れ）しながら回転し続け、片振れ量は特定の方向に偏っていることが発明者の実験によってわかっている。本実施形態では、片振れ方向は、駆動装置１０に最も近い最後端気筒内のピストンが燃焼行程で下降する方向と逆の方向である。

図２に示すように、本実施形態のステータ３１は、ステータ中心線Ｘｓをロータシャフト２１の軸中心線Ｘｒに対して片振れ方向（上方向Ｚ）に偏倚させた状態でステータハウジング２２に対して固定されている。具体的には、ステータハウジング２２のうちステータ３１を固定する取付部２２ｂの位置を調整することで、ステータ中心線Ｘｓ及び軸中心線Ｘｒを所定のオフセット量Ｆだけ偏倚させている。尚、図２ではオフセット量Ｆを、便宜上実際よりも大きく示しているが、実際のオフセット量Ｆはより図示された大きさよりも小さい。

モータ２０が電動機として機能するときには、バッテリに蓄電された電力がインバータ（図示略）によって三相交流に変換され、その三相交流がステータ３１に供給される。ステータ３１は、ロータ３０を介してロータシャフト２１に回転トルクを与える。また、モータ２０が発電機として機能するときには、ロータシャフト２１の回転にともなうロータ３０の回転によってステータ３１に発生する三相交流を上記インバータで直流電流に変換してバッテリを蓄電する。

図３及び図４は、エンジン駆動時における従来のロータの振れ量を示している。エンジン回転数は、片振れ量が最も大きくなる回転数とした。図３は、ロータの外周部に任意の追跡点をとり、その追跡点の上下方向に沿った軌跡を実験で計測し、該軌跡に基づいたロータの振れ量をエンジン１の各気筒の着火時期に対して模式的に示している。尚、駆動装置１０から最も離れた位置に第１気筒が配置され、第１気筒の後に第２気筒〜最後端気筒である第６気筒が直線状に順番に配置され、最後端気筒が駆動装置１０に最も近い位置に配置される。ロータは、各気筒の燃焼により上下に振動しつつクランク軸１５に従動しながら回転する。駆動装置１０に近い最後端気筒に着火すると、その燃焼・膨張の衝撃によりロータ３０が大きく片振れする。このとき片振れ量が最も大きくなる。

図４は、上記追跡点の２次元の軌跡に基づいた振れ量を示し、縦軸（Ｚ）は上下方向、横軸は該方向に直交する方向である。ロータ３０の振れがないときは振れ量は「０」であり、上方向に触れるときは縦軸において「＋」の振れ量、下方向に触れるときは「−」の振れ量として示している。

曲線Ｌは、モータ駆動時におけるロータ３０の振れ量を示している。この曲線Ｌは、クランク軸１５の一回転分に対して略三角形状の軌跡を描く。従って従来のようにステータの中心とロータの中心とを一致させたとしても、エンジン駆動時においてはエアギャップの大きさを一定にすることが困難であることがわかる。また図４中の曲線全体から、ロータの振れ方向は主に縦軸の上方向に偏っており、下方向への振れ量は少ないことがわかる。

図４中、鎖線で示す２つの円形状の領域のうち、内側の領域は、目標とされるエアギャップ量を示す目標エアギャップ領域ＡＧ１であって、外側の領域は、従来における過去エアギャップ領域ＡＧ２である。目標エアギャップ領域ＡＧ１の半径は、Ｚ２で示される過去エアギャップ領域ＡＧ２の半径よりも小さい。例えばモータ２０の停止時等、ロータ３０の片振れがないとき、ロータ３０の振れ量は「０」であるため、ロータ３０及びステータハウジング２２の間には目標エアギャップ領域ＡＧ１の半径で示されるエアギャップ初期量Ｚ１が確保される。

曲線Ｌが目標エアギャップ領域ＡＧ１からはみだす部分があることは、ロータ３０及びステータ３１との間にエアギャップ初期量Ｚ１を設定した場合に、ロータ３０とステータ３１とが接触することを示している。また曲線Ｌが目標エアギャップ領域ＡＧ１の内側にある部分においては、曲線Ｌ上の一点から目標エアギャップ領域ＡＧ１までの最短距離が、モータ駆動時のその時々におけるエアギャップＧの大きさを示す。

図４中、目標エアギャップ領域ＡＧ１の上部に示されるようにロータの振れ量は目標エアギャップ領域ＡＧ１を超える。この片振れは、最後端気筒の燃焼・膨張に起因するものである。従って過去エアギャップ領域ＡＧ２は、ロータ及びステータの干渉を防ぐため、曲線全体を含む大きさに設定されていた。

このため上述したように本実施形態ではステータ中心線Ｘｓはロータシャフト２１の軸中心線Ｘｒに対して片振れ方向（上方向Ｚ）に偏倚させている。また片振れの傾向に基づき、ステータ中心線Ｘｓの軸中心線Ｘｒに対するオフセット量（偏倚量）を以下のように設定している。まず従来におけるロータの軌跡（曲線Ｌ）に基づき、片振れ方向（上方）の最大振れ量Ｓｍａｘを実験等により求める。さらに最大振れ量Ｓｍａｘから、目標エアギャップ領域ＡＧ１の半径であって、ロータ３０の片振れがないときにロータ３０及びステータ３１の間に確保されるエアギャップ初期量Ｚ１を減算し、この減算値を干渉量ΔＳとする（ΔＳ＝Ｓｍａｘ−Ｚ１）。干渉量ΔＳは、図４では曲線Ｌが目標エアギャップ領域ＡＧ１からはみだした量に相当する。ここでオフセット量Ｆを干渉量ΔＳと同じ値に設定すると、ロータ３０の片振れ量が最大となったときにロータ３０及びステータ３１の間に確保されるエアギャップが「０」となり、何らかの要因でロータ３０及びステータ３１が接触する可能性もある。このため、干渉量ΔＳに対し、エアギャップＧとして最低限確保する必要がある最小値Ｇｍｉｎを加算した値を、ステータ中心線Ｘｓ及び軸中心線Ｘｒのオフセット量Ｆとする（Ｆ＝ΔＳ＋Ｇｍｉｎ）。この場合には、ロータ３０の片振れ量が最大となったときにも、ロータ３０及びステータ３１の間にエアギャップＧの最小値Ｇｍｉｎが確保される。また、片振れ方向と逆方向（下方）の最大振れ量を求め、オフセット量Ｆを設定した場合に、全周でエアギャップＧの最小値Ｇｍｉｎが確保できていることを確認する。上述したようにロータ３０の振れは上方に偏っているため、通常は曲線Ｌが目標エアギャップ領域ＡＧ１の下方からはみ出すことはない。

次にモータ２０のオフセット構造の作用について説明する。ステータ中心線Ｘｓが上方向にオフセットされることによって、エンジン１が駆動停止する状態、即ちロータシャフト２１の片振れがほぼ無い状態においてはステータ３１の上方領域で確保されるエアギャップＧが下方領域で確保されるエアギャップＧよりも大きくなる。

図５は、ステータ中心線Ｘｓ及び軸中心線Ｘｒをオフセットさせたときの上記追跡点の２次元の軌跡に基づいた振れ量を示している。エンジン回転数等の条件は従来のモータに関する実験と同じである。ロータ３０の軌跡全体が目標エアギャップ領域ＡＧ１の中央に移動する。また、曲線Ｌのうち上方向の最大振れ位置も目標エアギャップ領域ＡＧ１内に含まれ、曲線Ｌはすべて目標エアギャップ領域ＡＧ１内に含まれる。また目標エアギャップ領域ＡＧ１と曲線Ｌとの間にはエアギャップの最小値Ｇｍｉｎが確保されている。即ちエンジン駆動状態においては、従来のモータと比較して、エアギャップ量はむしろステータ３１の周方向で一定化される。このためモータ性能を低下させずに、エアギャップＧを狭小化することでモータ２０を小型化することができる。

以上説明したように、上記実施形態によれば、以下に列挙する効果が得られるようになる。
（１）ステータ３１は、ステータ中心線Ｘｓが軸中心線Ｘｒに対してロータシャフト２１の片振りの方向に偏倚するようにステータハウジング２２に対して固定されている。従ってエンジン駆動時には、ステータ中心線Ｘｓの偏倚により、エンジン１の気筒内の燃焼に起因する片振れが相殺される。このため従来のようにロータシャフト２１の片振りを考慮してエアギャップＧをステータ周方向全体で予め大きく設定しなくてもステータ３１及びロータ３０の干渉を防ぐことができる。従ってモータ２０の大型化又は性能低下を抑制することができる。

（２）ステータハウジング２２の径方向中心は、ロータシャフト２１を間接的に支持するフライホイールハウジング２３の中心に対して偏倚している。このためステータハウジング２２の形状を変更することのみによって、ステータ中心線Ｘｓをロータシャフト２１の軸中心線Ｘｒに対して偏倚させることができる。従ってロータシャフト２１の構成、又はロータシャフト２１及びクランク軸１５の連結構造等を変更する必要がない。

（３）軸中心線Ｘｒに対するステータ中心線Ｘｓの偏倚量は、ロータ３０の最大振れ位置で、ロータ３０及びステータ３１の間に最小限のエアギャップ量が確保される量に設定されている。このため、クランク軸１５を介してエンジン１から伝達された振動によってロータ３０が最も片振れしたときにもステータ３１及びロータ３０の間に最小限のエアギャップが確保される。即ちロータ３０とステータ３１との干渉を抑制しつつモータ２０の大型化を抑制することができる。

尚、上記実施形態は、以下のように適宜変更して実施することもできる。
・ステータ中心線Ｘｓの軸中心線Ｘｒに対するオフセット量Ｆは、次のように算出してもよい。まず従来におけるロータの軌跡を実験等で求め、最上端位置及び最下端位置を特定する。そして、最上端位置及び最下端位置に対しエアギャップの最小値分だけ外側を通る真円の中心と、ロータシャフト２１の中心との相対距離をオフセット量とする。

・駆動装置１０に、クランク軸１５の径方向の振動を吸収して厚み方向に撓むプレートを設けるようにしてもよい。
・上記実施形態では、ロータシャフト２１をクランク軸１５に直接連結したが、クラッチを介してエンジン１に連結してもよい。ロータシャフト２１及びクランク軸１５の間の連結構造は特に限定されない。

・上記実施形態では、フライホイールハウジング２３がロータシャフト２１を間接的に支持する支持部として機能したが、ステータハウジング２２がロータシャフト２１を支持する支持部を有する構成であってもよい。支持部の構成は特に限定されない。

・上記モータ２０は三相のインナーロータ型ブラシレスＤＣモータから構成したが、この構成に限定されない。アウターロータ型のモータでもよく、他のＤＣモータや他の交流モータでもよい。アウターロータ型のモータであってもロータが片振れするため、ステータ中心線と軸中心線とを偏倚させることが可能である。

・上記実施形態では駆動装置を構成するエンジンを直列６気筒式のエンジン１に具体化したが、Ｖ型エンジン等のその他のエンジンでもよい。この場合であっても、クランク軸１５の片振れ方向を実験等により予め特定し、ステータ中心線Ｘｓを軸中心線Ｘｒに対して片振れ方向にオフセットする。また駆動装置は、エンジン、モータユニット及びトランスミッションを連結する構成としたが、トルクコンバータを介してトランスミッションを接続する等、その他の構成であってもよい。

・上記実施形態では回転電機をモータジェネレータとして説明したが、回転電機は単にモータとして機能するものであってもよいし、ジェネレータとして機能するものであってもよい。

１…エンジン、１０…駆動装置、１５…クランク軸、２０…回転電機としてのモータ、２１…回転軸、２２…モータハウジング、２３…支持部を構成するフライホイールハウジング、３０…ロータ、３１…ステータ、Ｇ…エアギャップ、Ｘｒ…軸中心線、Ｘｓ…ステータ中心線。

Claims (4)

1. ステータ及び該ステータに対しエアギャップを介して設けられたロータを有する回転電機、及びエンジンを備え、ロータの回転軸がエンジンのクランク軸に連結した駆動装置において、
   前記ステータの径方向における中心が、前記回転軸の軸中心線に対して、前記エンジンの気筒内の燃焼に起因する前記回転軸の片振りの方向である１つの方向に沿って、前記回転軸の振動が大きくなる方向に前記エアギャップが大きくなるように偏倚したことを特徴とする駆動装置。
2. 前記ステータを固定するハウジングを備え、
   前記ハウジングは、
   前記回転軸を回転可能に軸支する支持部と、
   前記ステータを内側に固定する筒状部とを備え、
   前記筒状部の径方向における中心が、前記支持部の中心に対して偏倚した請求項１に記載の駆動装置。
3. 前記軸中心線に対する前記ステータ中心の偏倚量は、
   前記ロータの最大振れ位置で、前記ロータ及び前記ステータの間に最小限のエアギャップ量が確保される量に設定されている請求項１又は２に記載の駆動装置。
4. ステータ、及び該ステータに対しエアギャップを介して設けられたロータ、及びステータを固定するハウジングを有し、ロータの回転軸がエンジンのクランク軸に連結する回転電機において、
   前記ステータの径方向における中心が、前記回転軸の軸中心線に対して、前記エンジンの気筒内の燃焼に起因する前記回転軸の片振りの方向である１つの方向に沿って、前記回転軸の振動が大きくなる方向に前記エアギャップが大きくなるように偏倚したことを特徴とする回転電機。

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