JP3651150B2 - 負荷駆動装置 - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入力軸と出力軸との間に配設されて入力角速度及び入力トルクを所定の出力角速度及び出力トルクに変換する負荷駆動装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
特開平7ー15805号は、燃費節約及び有害排気ガスの低減を目的として内燃機関発生動力の回転数を変換する電磁カップリングと、トルクを制御する補助電動機とからなる車両用負荷駆動装置を提案している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電磁トルクコンバータ機能を実現する上記負荷駆動装置は2つの独立した回転機を必要とするので装置構成が複雑となり、重量及び必要スペースが大きく、実用化が困難であった。
この種の電磁トルクコンバータ機能を実現するより小型の負荷駆動装置構成として、ハウジングに固定される固定子と、入力軸(又は出力軸)に連結されて固定子の径内側に回転自在に収容される第1回転子と、出力軸(又は入力軸)に連結されて固定子及び第1回転子の間に相対回転自在に介設される第2回転子と、固定子に巻装された固定子巻線と、第1回転子に巻装された回転子巻線と、第2回転子に配設されて両巻線に電磁結合する磁気回路と、両巻線間で電力授受を行う送電回路と、送電回路の送電を制御して両軸間の相対角速度又はトルクを制御する制御回路とを備えた同軸型コンバータを考えることができる。第2回転子に配設される上記磁気回路としては、永久磁石型界磁極、励磁コイル型界磁極、籠型コイル付鉄心などを考えることができる。このような同軸型コンバータでは、両巻線間の電力授受量を制御することにより、両軸間のトルク(及び角速度)の変換を従来より小型軽量な装置構成で実現することができるはずである。
【0004】
しかしながら、上記同軸型コンバータでは、回転する第1回転子の両端面から回転子巻線のコイルエンドが軸方向に突出するため、第1回転子と独立にその外周を回転する第2回転子の支持が著しく困難となるという不具合が生じることがわかった。
径内側の第1回転子の回転子巻線を上記した永久磁石型界磁極、励磁コイル型界磁極、籠型コイル付鉄心とすれば、このようなコイルエンドの軸方向膨出問題は解決されるが、その結果、更に径大位置にあるため高い遠心力が作用する第2回転子においてコイルエンドの軸方向膨出が生じ、問題は一層重大となってしまう。
【0005】
更にこの回転子巻線のコイルエンドは、コイル長の増大を招くので、銅損の増大や、冷却空気流による冷却性能の低下、特に遠心方向への冷却空気流の阻害を招くという問題もあった。
参考例として、固定子巻線及び回転子巻線に三相巻線を用い、第2回転子にこれら両巻線と個別に電磁結合する径内側、径外側、2種類の永久磁石型界磁極を配設した同期機型の構成を図12及び図13に示す。
【0006】
第1ロータ1210’には第2ロータ1310’の径内側の界磁極1220の2磁極ピッチ当たり6個のティース1214’が等ピッチで配置されている。各ティース1214は軸方向に延設されつつ径方向に突出しており、三相巻線1211’の各相コイル1211a’、1211b’、1211c’は通常の同期機の電機子コイルと同じく3個のティース1214’を1単位としてそれぞれ巻装されている。したがって、各相コイル1211a’、1211b’、1211c’のコイルエンドは重なりあうので大型かつコアから軸方向へ突出することになり、各コイルエンドに作用する遠心力が大きくなり、更にその分だけ第1ロータ1210’の機械的支持が難しくなる。更に、図11に示すように、三相巻線1211’は直列に巻かれるためコイル断面積が大きくなり、その端末X、Y、Zを結線するのも容易ではない。
【0007】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、径外側の回転子の支持が容易で高速回転可能な小型軽量の負荷駆動装置を提供することをその目的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を実現する請求項1記載の負荷駆動装置では、ハウジングの固定子とその径内側の第1回転子との間に相対回転自在に介設されてこれら固定子及び第1回転子と電磁結合する第2回転子をもち、固定子の固定子巻線と第1回転子の回転子巻線とで電力授受する負荷駆動装置において、第1回転子をなす鉄心に巻装される回転子導体と、各回転子導体の端末を相互に接続する複数のリング状の輪状導体とで第1回転子の回転子巻線を構成し、更に、第1回転子の両端面に固定される電気絶縁性のホルダでこれら輪状導体を電気絶縁可能に支持する。
【0009】
すなわち、回転子巻線のいわゆるコイルエンドのうち、複数のティースを越える渡り配線部分(ラップ部分)は、各相ともこれら輪状導体に代替される。
このようにすれば、回転子巻線のコイルエンドの軸方向への膨出を従来より格段に低減することが可能となり、第1回転子の耐遠心力性能を向上することができる。また、回転子巻線のコイルエンドの上記膨出低減により第2回転子を機械的支持することが容易となり、その耐遠心力性能を著しく向上することができる。更に、回転子巻線のコイル長の短縮による銅損の低減や冷却空気流の増大も実現する。
【0010】
更に説明すると、装置の小型化には高速化が最も有力な手段であるが、小型高速化すると各部にかかる遠心力が増大しまた発熱密度も増大する。したがって、本請求項の構成は、小型高速の負荷駆動装置において特に有効であることがわかる。更に、本請求項の構成では、回転子巻線の同相の各回転子導体は、輪状導体で並列接続されることになるので、回転子巻線の逆起電力が小さくなり、電力制御回路と回転子巻線との間の電流量は増大する傾向となる。しかし、本請求項の構成では、上記説明した高速性能の向上により回転子巻線の逆起電力が増大し、単位電力授受のための上記電流量を低減することができ、回転子巻線への配線や電力制御回路を構成する素子の小型化を実現することもできる。また、銅損低減も実現する。
【0011】
請求項2記載の装置では、ホルダは、前記第1回転子の端面に締結される輪状体からなるので、構造が簡単小型で良好に各輪状導体を支持することができる。請求項3記載の装置では、各輪状導体は、ホルダに埋設された輪板状の輪板部からホルダの外周外側へ突出する端子部をもち、この端子部に回転子導体の端末を接続するので、輪状導体やホルダの構造を複雑化することなく、回転子導体と輪状導体との接続の容易化を実現することができる。
【0012】
請求項4記載の装置では、端子部は、回転子導体の端末が嵌入される溝部を有するので、両者の接続が良好かつ簡単となる。
請求項5記載の装置では、ホルダに3個以上の輪状導体を互いに離れて軸方向へ配列するので、極めて構造が簡単となり、ホルダによるそれらの支持も容易となる。
【0013】
請求項6記載の装置では、回転子巻線を三相星型巻線とするので、相間電圧を三相デルタ型巻線よりも増大することができ、配線抵抗損失の低減、及び、回転子巻線と電力制御回路との授受電流量の低減による配線断面積の縮小や素子の小型化を実現することができる。なお、この三相星型巻線において、中性線は設けてもよく、設けなくてもよいが、設けたとしてもその断面積は他の巻線より大幅に縮小できるので、配線コストの増大及び配線抵抗損失の増加は回避できる。
【0014】
請求項7記載の装置では、請求項6の構成を簡単なコイルエンド構成で実現することができる。
請求項8記載の装置では、各端子部にそれぞれ回転子導体の各端末を個別に接続するので、確実な接続を行うことができる。
請求項9記載の装置では、回転子巻線を三相デルタ型巻線とするので、輪状導体を3個とし、中性点接続も省略できるので、輪状導体及びそれを支持するホルダの軽量化、耐遠心力性能の向上を図ることができる。
【0015】
請求項10記載の装置では、請求項9の構成を簡単なコイルエンド構成で実現することができる。
請求項11記載の装置では、各端子部にそれぞれ回転子導体の各端末を個別に接続するので、確実な接続を行うことができる。
請求項12記載の装置では、輪状導体の任意の端子部に周方向に隣接して異なる前記輪状導体の端子部を設け、更に、周方向に隣接する少なくとも二つの端子部は軸方向に所定距離を隔てて配設されるので、同一の輪状導体の端子部が周方向に隣接することがなく、それらの間の電気絶縁特に耐沿面放電絶縁性能を向上することができる。
【0016】
請求項13記載の装置では、輪状導体の各端子部を周方向略等距離位置に配設するので、各端子部間の電気絶縁性の向上、各端子部と回転子導体との接続の容易化を実現することができる。
請求項14記載の装置では、輪状導体はホルダの内周内側へ突出する電力授受端子をもつので、構造が簡単で小型の構成で電力制御回路と輪状導体との接続を実現することができる。
【0017】
請求項15記載の装置では、各回転子導体は第1回転子をなす鉄心の各ティースに個別に集中巻きされるので、回転子巻線の軸方向への膨出を低減して請求項1の効果の一層の向上を図ることができる。
請求項16記載の装置では、第1回転子をなす鉄心が第1軸に嵌着される円筒部と円筒部の外周に放射状に植設されるティースとで構成するので、上記集中巻きを容易に実現することができる。なお、このティース植設型鉄心では、従来の一体型鉄心よりティースの耐遠心力性能が低下するが、本構成では、いわゆるコイルエンドの簡素化のために回転子巻線の重量が軽減でき、その分、ティースのに要求される耐遠心力性能を緩和できるので、好都合である。
【0018】
【発明の実施の形態】
本発明の負荷駆動装置は、電磁トルクコンバータ機能を実現する。この電磁トルクコンバータ機能は、入力軸から出力軸へ伝達されるトルクを制御するのみならず、出力軸から入力軸への逆のトルク伝達も制御する。すなわち、この負荷駆動装置は、入力軸から出力軸へ伝達される正及び負のトルクも制御する。
【0019】
本発明の負荷駆動装置において、第1回転子と第2回転子とが第1の回転電機を構成し、第2回転子と固定子とが第2の回転電機を構成している。第1回転子の回転子巻線と固定子の固定子巻線とは電力制御回路を通じて電力を授受し、これにより、第2軸は上記第1の回転電機により第1軸とトルク授受するとともに、第2の回転電機及び電力制御回路を通じて固定子とトルク授受する。電力制御回路は内部に電力蓄電手段をもつことができ、この場合には、両回転手段は更にこの電力蓄電手段と電力(トルク)授受することができる。更に、これらの両回転電機は、周知の各種形式を採用することができ、採用した各形式に応じて可能な公知の種々の速度制御方式を採用することができる。これらの結果、出力軸は入力軸の角速度及びトルクに拘束されることなく最適な角速度及びトルクを発生することができる。
【0020】
第1軸及び第2軸に入力軸及び出力軸のうちのどちらを割り当てるかは自由であるが、第1軸を入力軸とし、第2軸を出力軸とするほうが出力トルクの増幅が容易となる。すなわち、第1軸は第1の回転電機によってのみトルク授受し、第1の回転電機によって制限される最大トルクが制限されるが、第2軸は、第1、第2の回転電機を通じてトルク授受するために、最大トルクは、これら両回転電機の最大トルクの合計となる。
【0021】
この負荷駆動装置は、上述の如く同軸型複合回転電機構造を有し、第2回転子は固定子の固定子巻線及び第1回転子の回転子巻線と回転電機結合(本明細書では単に電磁結合ともいう)する磁気回路を備える。この磁気回路としては、永久磁石型界磁極、励磁コイル型界磁極、籠型コイル付鉄心などを採用することができる。
【0022】
本発明の負荷駆動装置において、入力軸を車両用内燃機関に連結し、電力蓄電手段として二次電池を採用することができる。この装置構成はいわゆるハイブリッド駆動構成を実現し、内燃機関は車両運転上、許される範囲で最小の排気ガス発生条件又は最低燃費条件又はこれら両条件をミックスした条件範囲で運転できるという利点を生ずる。
【0023】
本発明の好適な態様を以下の実施例に基づいて説明する。
【0024】
【実施例】
車両用途に適用した本発明の負荷駆動装置の軸方向断面図を図1に示し、その径方向断面図を図2に示す。
100は内燃機関等のエンジンであり、1000はトルク−回転数コンバータとして機能する負荷駆動装置であって、エンジン100から、入力トルク及び入力回転数で規定される入力動力を受入れて、車両用駆動輪等から構成される負荷へ、出力トルク及び出力回転数で規定される出力動力を所望値に制御して供給する。負荷駆動装置1000は、内部に一対のコイルと界磁極により構成される入出力軸間の回転数を調整する回転数調整部(本発明でいう第1の回転電機)1200と、入出力軸間のトルクを調整するトルク調整部(本発明でいう第2の回転電機)1400とを有する。以下、この負荷駆動装置1000すなわちトルクー回転数コンバータをTーSコンバータと略称する。
【0025】
200は、TーSコンバータ1000の回転数調整部1200への通電を制御する三相インバータである。本実施例において回転数調整部1200は3相交流回転電機により構成されており、回転数調整部1200とインバータ200との間の電力授受はインバータ200のスイッチング動作により制御される。
400は、TーSコンバータ1000のトルク調整部1400への通電を制御する三相インバータである。本実施例においてトルク調整部1400は3相交流回転電機により構成されており、トルク調整部1400とインバータ400との間の電力授受はインバータ400のスイッチング動作により制御される。
【0026】
500は、TーSコンバータ1000に設けられた回転センサ1911,1912などから入力される内部情報及び外部情報によりインバータ200及び400を制御するECUである。
600は、一般車両等に用いられている直流のバッテリーであり、これらインバータ200、400、ECU500、バッテリー600は、本発明でいう電力制御回路を構成している。
【0027】
700は、負荷出力車両のタイヤ等により構成される駆動輪である。エンジン100とTーSコンバータ1000との間には一般の内燃機関駆動型の車両に広く用いられているジョイント部及び減速機(増速機含む)等が配設されているが、本実施例では図示を省略する。同様に、TーSコンバータ1000と駆動輪700との間にも減速機800、差動ギヤ900等が設けられている。
【0028】
次に、TーSコンバータ1000の詳細な構造について説明する。
エンジン100の回転動力を出力する出力軸110は、図示しないジョイント部、減速機(増速機)等を介してTーSコンバータ1000のほぼ中心に位置するシャフト(第1軸)1213と直結されている。なお、本実施例では出力軸110とシャフト1213とを同一軸状に直線配置したが、車両の搭載スペースに合わせて適宜ジョイント等を介して出力軸110とシャフト1213とを角度をもたせて配置することも可能である。シャフト1213には、第1ロータ1210の他、後述するベアリング、電源供給の為のスリップリング、回転センサ1911、1912等が配設されている。
【0029】
TーSコンバータ1000は、シャフト1213に嵌着固定された第1回転子である第1ロータ1210と、第1ロータ1210に回転自在に嵌着された第2回転子である第2ロータ1310と、第2ロータ1310が回転自在に嵌入される固定子であるステータ1410とを有している。
ステータ1410は、回転磁界を作る三相巻線(固定子巻線)1411及びステータコア1412により構成されて、ステータコア1412は、外部フレーム1720の内周面に固定され、外部フレーム1720は、それに嵌着された外部フレーム1710とともにこのTSコンバータ1000のハウジングを構成している。また、これら外部フレーム1710、1720はエンジン100の後端面に締結、固定されている。
【0030】
第1ロータ1210は、回転磁界を形成する三相巻線(回転子巻線)1211及びロータコア1212から構成されており、巻線1211は、ブラシホルダ1610、ブラシ1620、スリップリング1630、及び、シャフト1213内部にモールド等の絶縁部1650を介して設けられているリード部1660及びターミナル1810を介して給電乃至送電可能となっている。第1ロータ1210の径外側には、円筒状の第2ロータ1310が第1ロータ1210に対して相対回転自在に同軸配置されている。
【0031】
第2ロータ1310は、円筒状のロータヨーク1311をもち、その内周側に位置して磁石界磁(永久磁石型界磁極)1220が配設され、その外周側に位置して磁石界磁(永久磁石型界磁極)1420が配設されている。磁石界磁1220は、ロータコア1212及び巻線1211とともに回転数調整部1200を構成し、磁石界磁1420は、ステータコア1412及び巻線1411とともにトルク調整部1400を構成している。磁石界磁1220は、第2ロータ1310の内周側に周方向へ極***互かつ等間隔に配置された磁石群からなり、磁石界磁1420は、第2ロータ1310の外周側に周方向へ極***互かつ等間隔に配置された磁石群からなる。
【0032】
第2ローター1310のロータヨーク1311は、ブラケット状の一対のロータフレーム1331、1332及びベアリング1510、1511を介して外部フレーム(ハウジング)1710、1720に回転自在に支承されている。第1ロータ1210は、シャフト1213及びベアリング1512、1513を介して第2ロータ1310のロータフレーム1331、1332に回転自在に支承されている。
【0033】
第2ロータ1310のロータフレーム1332は、ギヤ840にスプライン嵌着されており、ギヤ840は、減速機部800の連結ギヤ845及び差動ギヤ部900を介して車両の駆動輪700に連結されている。
1911、1912は、回転センサであり、それぞれ第1ロータ1210、第2ロータ1310の回転角度位置を検出している。1730はブラシホルダ1610を囲包するエンドカバーである。
【0034】
次に、第1ロータ1210、第2ロータ1310及びステータ1410について図2に基づいて更に詳しく説明する。
第1ロータ1210は、外周側に断面T字状の複数のロータティース1214をもつロータコア1212からなり、ロータコア1212はシャフト1213に圧入されている。各ロータティース1214にはティース巻線1211a、1211b、1211cが巻装されている。ロータティース1214の径外側には円筒状のロータヨーク1311がエアギャップg1を介して回転自在に設けられており、その径内側には前述したように複数の磁石1220が周方向へ等間隔かつ極***互に設けられている。各磁石1220の周方向両端部には、開口部1311aが磁束漏洩低減のために形成されている。ロータヨーク1311には各磁石1220の間に位置して貫通孔1311が貫設されており、この貫通孔1311bに嵌挿されたスルーボルト1333によりロータヨーク1311は両側のロータフレーム1331、1332に締結されている。
【0035】
上述した界磁極1220の磁束が巻線1211と鎖交して一つの磁気回路が形成されることにより、インバータ200により巻線1211への通電電流を制御して負荷の回転数を調整する回転数調整部1200が構成される。
同様に、ロータヨーク1311の外周面側には複数の磁石1420が周方向へ等間隔かつ極***互に設けられており、各磁石1420の周方向両端部には開口部1311aが磁速漏洩低減のために形成されている。磁石1420の他の配置状況は磁石1220と同様である。
【0036】
第2ロータ1310の径外側にはステータ1410が所定のエアギャップg2を介して設けられている。ステータ1410のステータコア1412の内周面側には巻線(固定子巻線)1411が巻装されるための複数のスロット1412aが形成されており、上述した界磁極1420の磁束が巻線1411と鎖交して一つの磁気回路が形成される。これにより、インバータ400により巻線1411への通電電流を制御して負荷のトルクを調整するトルク調整部1400が構成される。
【0037】
次に、上記装置の作動を説明する。
エンジン100からの入力動力の回転数(入力回転数)を2n〔rpm〕、トルクをt〔Nm〕とし、車両負荷への出力動力の回転数(出力回転数)をn〔rpm〕、トルクを2t〔Nm〕とする場合について説明する。
回転数調整部1200において、第1ロータ1210と第2ロータ1310との間の伝達トルクをt〔Nm〕とし、入力回転数2n〔rpm〕を出力回転数n〔rpm〕へ調整する。第2ロータ1310において、トルクt〔Nm〕、回転数n〔rpm〕の出力を得るためには、第2ロータ1310の回転数調整部1200側の磁石1220の位置を回転センサ1911、1912の相対角により検出し、第1ロータ1210の巻線1211への通電タイミングを計算、制御することにより通常は制動(発電)状態に制御する。すると、第1ロータ1210より得られた発電出力がバッテリ600を介してトルク調整部1400へ送られる。第1ロータ1210の巻線1211への通電はインバータ200から給電器1600のブラシホルダ1610、ブラシ1620、スリップリング1630及びリード部1660及びターミナル1810を経て行われ、通電タイミングは第1ロータ1210、第2ロータ1310の回転角度位置を検出する回転センサ1911、1912の出力信号に基づいて計算される。これにより、第2ロータ1310側へのトルクt〔Nm〕、回転数n〔rpm〕の出力が得られる。このように、回転数調整部1200は、エンジン100の出力を負荷出力側である駆動輪700へそのまま伝達しながら、入力回転数と出力回転数との差によって発電する機能を持つ。逆に、入力回転数が出力回転数より小さいときは、バッテリー600により給電を受け、電動機としての機能を行う。
【0038】
次に、第1ロータ1210よりエンジン100の出力トルクt〔Nm〕を電磁力を介して伝えられた第2ロータ1310は、車両出力2nt(トルク2t,回転数n)とするために、不足となっているトルク分及びそれに必要な出力ntを補う必要がある。この場合のトルク調整部1400の働きは通常のモータと同様で、インバータ400からステータ巻線1411へ所望のトルク、回転数となるように、第2ロータ1310のトルク調整部1400側の磁石界磁1420の位置を回転センサ1912で検出し、通電タイミングを計算して給電を制御する。逆に、入力トルクが出力トルク以上となれば、トルク調整部1400は発電モードで働き、過剰なエネルギーをバッテリ600に送る。
【0039】
以上のようにエンジン100からの入力動力(トルクt、回転数2n)のうち、トルクtは回転数調整部1200によってエンジン100のトルクtはそのまま第2ロータ1310へ伝達され、エンジン100の回転数2n(入力回転数)を所望の出力回転数nに合わせるが、その時に生ずる回転数差n×トルクtのエネルギーを電力に変換し、インバータ200、バッテリ600を介してトルク調整部1400へ送る。トルク調整部1400側では、回転数調整部1200或いはバッテリ600の出力を受け、入力トルクと出力トルクとの差を補償する。又、回転数調整部1200もエンジン100の入力の設定によっては電動機として機能することができる。
【0040】
逆に、車両制動時には、エンジン100をブレーキとして機能させることができる。すなわち、回転数調整部1200の第1ロータ1210の回転抵抗体として利用でき、車両の制動エネルギーの内、回転数調整部1200で制動エネルギーの一部を吸収するので、トルク調整部1400が負担する制動エネルギーは減少し、制動時に必要な容量も小さくする事ができる。
【0041】
以上のような構成によりエンジン100の回転エネルギーの一部を電磁力を介してダイレクトに走行駆動側へ伝達することで、電力系統及び回転機の容量を小さくすることができ、さらには2つの回転機を複合化し、内外配置としたので大幅に小型化が可能となった。又、回転エネルギーの一部を電力変換し、更に動力変換する割合が減るので、その分だけ効率向上を図ることができる。
【0042】
更に、上記原理を一般化して説明する。
入力トルクをTi、入力角速度をωi、出力トルクをTo、出力角速度をωo、両ロータ間の伝達トルクをT1、送電電力をPとし、固定子と第2回転子との間の伝達トルクをT2とする。T1=Tiであり、To=T1+T2であり、損失を0とすれば、Pはω2・T2となる。
【0043】
入力動力はωi・Ti=ω1・T1であり、第2回転子は第1回転子から伝達トルクをT1を受けてω2で回転するので、その伝達動力はω2・T1である。入力動力ω1・T1の残り(ω1−ω2)・T1は電力変換され、ω2・T2として固定子から第2回転子に伝達される。したがって、第2回転子の出力動力ω2・Toは、ω2・(T1+T2)となる。
【0044】
なお、一般に回転機は多極化することで必要磁路断面積が減少する。本実施例では、磁石1220、1420を多数配設して多極化することで、第2ロータ1310の厚さを薄くしており、2つの回転機(回転数調整部1200、トルク調整部1400)を同心円状に配置し一体化した際の径の増大を抑止している。
次に、第1ロータ1210の3相巻線1211の巻装方式について説明する。
【0045】
ロータコア1212は円板状になっており、その外周側に断面T字状のロータティース1214が所定の間隔で植設されている。ロータティース1214には、ロータコア1212への固定のためにタブテール1214aが設けられている。各ロータティース1214には、3相のティース巻線1211a、1211b、1211cが個別に、絶縁紙1215によりロータティース1214と電気的に絶縁された状態で集中巻きされており、各ロータティース1214は、3相のティース巻線1211a、1211b、1211cが巻装されたロータティース1214の順序で配置されている。ロータティース1214の個数は、ロータティース1214に対向する第2ロータ1310の内部の磁石1220によって形成される磁極の2磁極ピッチにつき3個の割合で形成されている。
【0046】
3相巻線1211の結線は、図3に示すように、ロータティース1214に個別に巻装された各相のティース巻線1211a、1211b、1211c(本発明でいう回転子導体)がそれぞれ並列になるようターミナル1810(図1参照)上の結線部にて、はんだ付けにより接続されている。したがって、本実施例では、3相巻線1211の各相巻線は、それぞれ全ティース数の1/3個の上記ティース巻線の並列接続により構成されている。
【0047】
ターミナル1810は、図4〜図8に示すように、各ティース巻線1211a、1211b、1211cの巻き始めに個別に結線される3つの導電体(輪状導体)1811、1812、1813と、各ティース巻線1211a、1211b、1211cの巻き終わり全てに結線される1つの導電体(輪状導体)1814と、これら導電体1811、1812、1813、1814を支持する樹脂輪板である電気絶縁材(ホルダ)1815とからなる。
【0048】
導電体1811には、ティース巻線1211aの端末をかしめた後、はんだ付け固定が可能となるよう先端に凹溝をもつ径外側の端子部1811aが設けられ、端子部1811aはティース巻線1211aの巻き始めと結線されている。また、導電体1811には、先端に凹溝をもつ径内側の端子部1811bが設けられ、端子部1811bは、リード部1660に結線される。ティース巻線1211aの端末は、端子部1811aの凹溝に挿入された後、この凹溝をかしめて機械的に固定され、更にはんだ付けにより最終的に固定される。
【0049】
同様に、導電体1812には端子部1812a、1812bが設けられ、端子部1812aはティース巻線1211bの巻き始めに接続されている。また同様に、導電体1813には端子部1813a、1813bが設けられ、端子部1813aはティース巻線1211cの巻き始めに接続されている。
更に、導電体1814にも、コイルをかしめた後はんだ付け固定が可能となるように、先端に凹溝をもつ端子部1814aが設けられ、端子部1814aは3相の各ティース巻線1211a、1211b、1211cの巻き終わりとそれぞれ結線されて3相のティース巻線1211a、1211b、1211cを電気的に接続し、三相星型巻線の中性点をなしている。
【0050】
端子部1811a、1811b、1811cは順番に周方向に配列され、更にこれら端子部1811a、1811b、1811cは、隣接する端子部に対して軸方向に必ずずれて配設され、沿面放電電圧の増大を実現している。
この三相巻線1211の構成では、ロータコア1212の外周に第2ロータ1310の2磁極ピッチ当たり3個のロータティース1214が配設され、各ロータティース1214に順次x相、y相、z相の巻線を行っているので、巻線ピッチは2/3磁極ピッチとなる。本実施例によれば、1磁極ピッチであった従来のコイル巻装構造に比べて、1相当たりのコイル全長が2/3となるため抵抗値も2/3に低減される。これにより同一電流が流れたときに発生する損失は2/3に減少し、3相コイル1211の温度上昇が低減される。また、三相巻線1211は、各ティース巻線をそれぞれロータティース1214に集中巻した後、これらティース巻線1211a、1211b、1211cをもつロータコア1212をタブテール1214aにより固定する構造であるため、コイル占積率を従来構造より向上することができる。従って、同一巻線の仕様に対して線径の太い導体にて巻くことができるため抵抗値が減少し、これによっても3相巻線1211の温度上昇を低減することができる。
【0051】
また、前述のように各ティース巻線1211a、1211b、1211cはそれぞれ1つのロータティース1214に集中巻きされるために、巻線に張力を加えることが可能であり、コイルの耐遠心力性能も向上する。さらにこの巻線方式と従来例の巻線方式とを、図3、図13により比較すると、本実施例のものでは、周方向に区画的に巻くことが可能であるが、従来例の巻線方式であるとx相、y相、z相の各相相互のラップ部がコイルエンドに生じる。このラップ部はコイルエンド部の質量を増加させ、コイルエンド部に作用する遠心力を増加させる。これに対し、本実施例のものでは基本的にラップ部は生じないので、遠心力の増加を抑えることができる。
【0052】
また、前述のように、三相巻線1211の各ティース巻線1211a、1211b、1211cは、それぞれ1つのロータティース1214に集中巻きされた後、ロータコア1212にタブテール1214aにより固定される構造であり、電気的な接続はターミナル1810上で結線されるが、本実施例では結線作業性、信頼性がターミナル1810を用いることで格段に向上する。また、結線部分のリード長も短縮できるので、結線部分の耐遠心力性能も向上する。更に、ターミナル1810の周方向に隣り合う端子部が軸方向にもずれていることで沿放電面距離が増加し、絶縁耐圧が向上する。
【0053】
更に、三相巻線1211のインピーダンスに注目すると、本実施例のようなコイルエンド構造を採用しない場合、第1ロータ1210の内径側と外径側とでコイル長や磁気回路が微妙に異なるため、三相巻線1211の各相コイル間でインダクタンスや抵抗が異なることが多く、このことが回転機の振動および騒音に対して悪影響を及ぼしてしたが、本実施例の巻線方式ではこのようなアンバランスを大幅に低減することができる。
【0054】
更に、本実施例によれば、上記した三相巻線1211のコイルエンドの軸方向への膨出量が従来のモータの電機子コイルのそれに比べて格段に低減できるので、第2ローター1310を支持する両側のローターフレーム1331、1332と第2ローター1310の端面との間の軸方向距離を格段に短縮することができ、第2ローター1310の耐遠心力性能(高速回転性能)や耐振性を格段に向上することができる。
(変形態様)
本発明の負荷駆動装置の変形態様を以下に説明する。
【0055】
上記実施例では、1ティース当たり1相のコイルのみが集中巻きされる巻装構造を示したが、三相巻線1211の各相コイルがラップ部をもつ(各相コイルのコイルエンドが互いに重なり合う)図12に示した参考例の巻装構造でも、各ティース巻線を直列結線から並列結線に変更することで適用可能である。この並列結線としたときの結線図を図9に示す。用いるターミナル1810は実施例1に示すものをそのまま適用することができる。
(実施例2)
本発明の他の実施例を図10及び図11を参照して説明する。ただし、実施例1の構成要素と機能が共通の構成要素には同一符号を付けるものとする。
【0056】
この実施例の負荷駆動装置は、実施例1のそれにおいて図11に示すように巻線1211をデルタ結線とした点だけが異なっている。
このようにすれば、図10に示すように ティース巻線1211a、1211b、1211cの巻き始め、巻き終わりに個別に結線される3つの導電体(輪状導体)1811、1812、1813だけを用いればよく、導電体(輪状導体)1814を省略でき、その結果として、端子部1814a(図4参照)を省略して、端子ピッチを倍増することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の負荷駆動装置の一実施例を示す軸方向断面図である。
【図2】 図1の装置の径方向断面図である。
【図3】 図1の三相巻線1211の配線方式を示す配線図である。
【図4】 (a)は図1のターミナル1810の軸方向断面図である。
(b)はその正面図である。
【図5】 (a)は図4の導電体1811の軸方向断面図である。
(b)はその正面図である。
【図6】 (a)は図4の導電体1812の軸方向断面図である。
(b)はその正面図である。
【図7】 (a)は図4の導電体1813の軸方向断面図である。
(b)はその正面図である。
【図8】 (a)は図4の導電体1814の軸方向断面図である。
(b)はその正面図である。
【図9】 本発明の負荷駆動装置の変形態様における三相巻線1211の配線方式を示す配線図である。
【図10】 本発明の負荷駆動装置の他実施例を示すものであり、(a)はターミナル1810の軸方向断面図、(b)は正面図である。
【図11】 図10のターミナルを用いるデルタ結線配線図である。
【図12】 本発明の参考例としての負荷駆動装置を示す径方向断面図である。
【図13】 図12の装置の第1ロータの結線図である。
【符号の説明】
200、400は三相インバータ(電力制御回路)、500はECU(電力制御回路)、600はバッテリー(電力制御回路)、1000は負荷駆動装置、1200は回転数調整部(本発明でいう第1の回転電機)、1213はシャフト(第1軸)、1210は第1ロータ(第1回転子)、1310は第2ロータ1310(第2回転子)、1211は三相巻線(回転子巻線)、1331、1332はローターフレーム(第2軸)、1400はトルク調整部(本発明でいう第2の回転電機)、1410はステータ(固定子)、1411は三相巻線(固定子巻線)、1710、1720は外部フレーム(ハウジング)、1810はターミナル、1811、1812、1813、1814は導電体(輪状導体)、1815は電気絶縁材(ホルダ)、1811a、1811b、1812a、1812b、1813a、1813bは端子部。
【発明の属する技術分野】
本発明は、入力軸と出力軸との間に配設されて入力角速度及び入力トルクを所定の出力角速度及び出力トルクに変換する負荷駆動装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
特開平7ー15805号は、燃費節約及び有害排気ガスの低減を目的として内燃機関発生動力の回転数を変換する電磁カップリングと、トルクを制御する補助電動機とからなる車両用負荷駆動装置を提案している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電磁トルクコンバータ機能を実現する上記負荷駆動装置は2つの独立した回転機を必要とするので装置構成が複雑となり、重量及び必要スペースが大きく、実用化が困難であった。
この種の電磁トルクコンバータ機能を実現するより小型の負荷駆動装置構成として、ハウジングに固定される固定子と、入力軸(又は出力軸)に連結されて固定子の径内側に回転自在に収容される第1回転子と、出力軸(又は入力軸)に連結されて固定子及び第1回転子の間に相対回転自在に介設される第2回転子と、固定子に巻装された固定子巻線と、第1回転子に巻装された回転子巻線と、第2回転子に配設されて両巻線に電磁結合する磁気回路と、両巻線間で電力授受を行う送電回路と、送電回路の送電を制御して両軸間の相対角速度又はトルクを制御する制御回路とを備えた同軸型コンバータを考えることができる。第2回転子に配設される上記磁気回路としては、永久磁石型界磁極、励磁コイル型界磁極、籠型コイル付鉄心などを考えることができる。このような同軸型コンバータでは、両巻線間の電力授受量を制御することにより、両軸間のトルク(及び角速度)の変換を従来より小型軽量な装置構成で実現することができるはずである。
【0004】
しかしながら、上記同軸型コンバータでは、回転する第1回転子の両端面から回転子巻線のコイルエンドが軸方向に突出するため、第1回転子と独立にその外周を回転する第2回転子の支持が著しく困難となるという不具合が生じることがわかった。
径内側の第1回転子の回転子巻線を上記した永久磁石型界磁極、励磁コイル型界磁極、籠型コイル付鉄心とすれば、このようなコイルエンドの軸方向膨出問題は解決されるが、その結果、更に径大位置にあるため高い遠心力が作用する第2回転子においてコイルエンドの軸方向膨出が生じ、問題は一層重大となってしまう。
【0005】
更にこの回転子巻線のコイルエンドは、コイル長の増大を招くので、銅損の増大や、冷却空気流による冷却性能の低下、特に遠心方向への冷却空気流の阻害を招くという問題もあった。
参考例として、固定子巻線及び回転子巻線に三相巻線を用い、第2回転子にこれら両巻線と個別に電磁結合する径内側、径外側、2種類の永久磁石型界磁極を配設した同期機型の構成を図12及び図13に示す。
【0006】
第1ロータ1210’には第2ロータ1310’の径内側の界磁極1220の2磁極ピッチ当たり6個のティース1214’が等ピッチで配置されている。各ティース1214は軸方向に延設されつつ径方向に突出しており、三相巻線1211’の各相コイル1211a’、1211b’、1211c’は通常の同期機の電機子コイルと同じく3個のティース1214’を1単位としてそれぞれ巻装されている。したがって、各相コイル1211a’、1211b’、1211c’のコイルエンドは重なりあうので大型かつコアから軸方向へ突出することになり、各コイルエンドに作用する遠心力が大きくなり、更にその分だけ第1ロータ1210’の機械的支持が難しくなる。更に、図11に示すように、三相巻線1211’は直列に巻かれるためコイル断面積が大きくなり、その端末X、Y、Zを結線するのも容易ではない。
【0007】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、径外側の回転子の支持が容易で高速回転可能な小型軽量の負荷駆動装置を提供することをその目的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を実現する請求項1記載の負荷駆動装置では、ハウジングの固定子とその径内側の第1回転子との間に相対回転自在に介設されてこれら固定子及び第1回転子と電磁結合する第2回転子をもち、固定子の固定子巻線と第1回転子の回転子巻線とで電力授受する負荷駆動装置において、第1回転子をなす鉄心に巻装される回転子導体と、各回転子導体の端末を相互に接続する複数のリング状の輪状導体とで第1回転子の回転子巻線を構成し、更に、第1回転子の両端面に固定される電気絶縁性のホルダでこれら輪状導体を電気絶縁可能に支持する。
【0009】
すなわち、回転子巻線のいわゆるコイルエンドのうち、複数のティースを越える渡り配線部分(ラップ部分)は、各相ともこれら輪状導体に代替される。
このようにすれば、回転子巻線のコイルエンドの軸方向への膨出を従来より格段に低減することが可能となり、第1回転子の耐遠心力性能を向上することができる。また、回転子巻線のコイルエンドの上記膨出低減により第2回転子を機械的支持することが容易となり、その耐遠心力性能を著しく向上することができる。更に、回転子巻線のコイル長の短縮による銅損の低減や冷却空気流の増大も実現する。
【0010】
更に説明すると、装置の小型化には高速化が最も有力な手段であるが、小型高速化すると各部にかかる遠心力が増大しまた発熱密度も増大する。したがって、本請求項の構成は、小型高速の負荷駆動装置において特に有効であることがわかる。更に、本請求項の構成では、回転子巻線の同相の各回転子導体は、輪状導体で並列接続されることになるので、回転子巻線の逆起電力が小さくなり、電力制御回路と回転子巻線との間の電流量は増大する傾向となる。しかし、本請求項の構成では、上記説明した高速性能の向上により回転子巻線の逆起電力が増大し、単位電力授受のための上記電流量を低減することができ、回転子巻線への配線や電力制御回路を構成する素子の小型化を実現することもできる。また、銅損低減も実現する。
【0011】
請求項2記載の装置では、ホルダは、前記第1回転子の端面に締結される輪状体からなるので、構造が簡単小型で良好に各輪状導体を支持することができる。請求項3記載の装置では、各輪状導体は、ホルダに埋設された輪板状の輪板部からホルダの外周外側へ突出する端子部をもち、この端子部に回転子導体の端末を接続するので、輪状導体やホルダの構造を複雑化することなく、回転子導体と輪状導体との接続の容易化を実現することができる。
【0012】
請求項4記載の装置では、端子部は、回転子導体の端末が嵌入される溝部を有するので、両者の接続が良好かつ簡単となる。
請求項5記載の装置では、ホルダに3個以上の輪状導体を互いに離れて軸方向へ配列するので、極めて構造が簡単となり、ホルダによるそれらの支持も容易となる。
【0013】
請求項6記載の装置では、回転子巻線を三相星型巻線とするので、相間電圧を三相デルタ型巻線よりも増大することができ、配線抵抗損失の低減、及び、回転子巻線と電力制御回路との授受電流量の低減による配線断面積の縮小や素子の小型化を実現することができる。なお、この三相星型巻線において、中性線は設けてもよく、設けなくてもよいが、設けたとしてもその断面積は他の巻線より大幅に縮小できるので、配線コストの増大及び配線抵抗損失の増加は回避できる。
【0014】
請求項7記載の装置では、請求項6の構成を簡単なコイルエンド構成で実現することができる。
請求項8記載の装置では、各端子部にそれぞれ回転子導体の各端末を個別に接続するので、確実な接続を行うことができる。
請求項9記載の装置では、回転子巻線を三相デルタ型巻線とするので、輪状導体を3個とし、中性点接続も省略できるので、輪状導体及びそれを支持するホルダの軽量化、耐遠心力性能の向上を図ることができる。
【0015】
請求項10記載の装置では、請求項9の構成を簡単なコイルエンド構成で実現することができる。
請求項11記載の装置では、各端子部にそれぞれ回転子導体の各端末を個別に接続するので、確実な接続を行うことができる。
請求項12記載の装置では、輪状導体の任意の端子部に周方向に隣接して異なる前記輪状導体の端子部を設け、更に、周方向に隣接する少なくとも二つの端子部は軸方向に所定距離を隔てて配設されるので、同一の輪状導体の端子部が周方向に隣接することがなく、それらの間の電気絶縁特に耐沿面放電絶縁性能を向上することができる。
【0016】
請求項13記載の装置では、輪状導体の各端子部を周方向略等距離位置に配設するので、各端子部間の電気絶縁性の向上、各端子部と回転子導体との接続の容易化を実現することができる。
請求項14記載の装置では、輪状導体はホルダの内周内側へ突出する電力授受端子をもつので、構造が簡単で小型の構成で電力制御回路と輪状導体との接続を実現することができる。
【0017】
請求項15記載の装置では、各回転子導体は第1回転子をなす鉄心の各ティースに個別に集中巻きされるので、回転子巻線の軸方向への膨出を低減して請求項1の効果の一層の向上を図ることができる。
請求項16記載の装置では、第1回転子をなす鉄心が第1軸に嵌着される円筒部と円筒部の外周に放射状に植設されるティースとで構成するので、上記集中巻きを容易に実現することができる。なお、このティース植設型鉄心では、従来の一体型鉄心よりティースの耐遠心力性能が低下するが、本構成では、いわゆるコイルエンドの簡素化のために回転子巻線の重量が軽減でき、その分、ティースのに要求される耐遠心力性能を緩和できるので、好都合である。
【0018】
【発明の実施の形態】
本発明の負荷駆動装置は、電磁トルクコンバータ機能を実現する。この電磁トルクコンバータ機能は、入力軸から出力軸へ伝達されるトルクを制御するのみならず、出力軸から入力軸への逆のトルク伝達も制御する。すなわち、この負荷駆動装置は、入力軸から出力軸へ伝達される正及び負のトルクも制御する。
【0019】
本発明の負荷駆動装置において、第1回転子と第2回転子とが第1の回転電機を構成し、第2回転子と固定子とが第2の回転電機を構成している。第1回転子の回転子巻線と固定子の固定子巻線とは電力制御回路を通じて電力を授受し、これにより、第2軸は上記第1の回転電機により第1軸とトルク授受するとともに、第2の回転電機及び電力制御回路を通じて固定子とトルク授受する。電力制御回路は内部に電力蓄電手段をもつことができ、この場合には、両回転手段は更にこの電力蓄電手段と電力(トルク)授受することができる。更に、これらの両回転電機は、周知の各種形式を採用することができ、採用した各形式に応じて可能な公知の種々の速度制御方式を採用することができる。これらの結果、出力軸は入力軸の角速度及びトルクに拘束されることなく最適な角速度及びトルクを発生することができる。
【0020】
第1軸及び第2軸に入力軸及び出力軸のうちのどちらを割り当てるかは自由であるが、第1軸を入力軸とし、第2軸を出力軸とするほうが出力トルクの増幅が容易となる。すなわち、第1軸は第1の回転電機によってのみトルク授受し、第1の回転電機によって制限される最大トルクが制限されるが、第2軸は、第1、第2の回転電機を通じてトルク授受するために、最大トルクは、これら両回転電機の最大トルクの合計となる。
【0021】
この負荷駆動装置は、上述の如く同軸型複合回転電機構造を有し、第2回転子は固定子の固定子巻線及び第1回転子の回転子巻線と回転電機結合(本明細書では単に電磁結合ともいう)する磁気回路を備える。この磁気回路としては、永久磁石型界磁極、励磁コイル型界磁極、籠型コイル付鉄心などを採用することができる。
【0022】
本発明の負荷駆動装置において、入力軸を車両用内燃機関に連結し、電力蓄電手段として二次電池を採用することができる。この装置構成はいわゆるハイブリッド駆動構成を実現し、内燃機関は車両運転上、許される範囲で最小の排気ガス発生条件又は最低燃費条件又はこれら両条件をミックスした条件範囲で運転できるという利点を生ずる。
【0023】
本発明の好適な態様を以下の実施例に基づいて説明する。
【0024】
【実施例】
車両用途に適用した本発明の負荷駆動装置の軸方向断面図を図1に示し、その径方向断面図を図2に示す。
100は内燃機関等のエンジンであり、1000はトルク−回転数コンバータとして機能する負荷駆動装置であって、エンジン100から、入力トルク及び入力回転数で規定される入力動力を受入れて、車両用駆動輪等から構成される負荷へ、出力トルク及び出力回転数で規定される出力動力を所望値に制御して供給する。負荷駆動装置1000は、内部に一対のコイルと界磁極により構成される入出力軸間の回転数を調整する回転数調整部(本発明でいう第1の回転電機)1200と、入出力軸間のトルクを調整するトルク調整部(本発明でいう第2の回転電機)1400とを有する。以下、この負荷駆動装置1000すなわちトルクー回転数コンバータをTーSコンバータと略称する。
【0025】
200は、TーSコンバータ1000の回転数調整部1200への通電を制御する三相インバータである。本実施例において回転数調整部1200は3相交流回転電機により構成されており、回転数調整部1200とインバータ200との間の電力授受はインバータ200のスイッチング動作により制御される。
400は、TーSコンバータ1000のトルク調整部1400への通電を制御する三相インバータである。本実施例においてトルク調整部1400は3相交流回転電機により構成されており、トルク調整部1400とインバータ400との間の電力授受はインバータ400のスイッチング動作により制御される。
【0026】
500は、TーSコンバータ1000に設けられた回転センサ1911,1912などから入力される内部情報及び外部情報によりインバータ200及び400を制御するECUである。
600は、一般車両等に用いられている直流のバッテリーであり、これらインバータ200、400、ECU500、バッテリー600は、本発明でいう電力制御回路を構成している。
【0027】
700は、負荷出力車両のタイヤ等により構成される駆動輪である。エンジン100とTーSコンバータ1000との間には一般の内燃機関駆動型の車両に広く用いられているジョイント部及び減速機(増速機含む)等が配設されているが、本実施例では図示を省略する。同様に、TーSコンバータ1000と駆動輪700との間にも減速機800、差動ギヤ900等が設けられている。
【0028】
次に、TーSコンバータ1000の詳細な構造について説明する。
エンジン100の回転動力を出力する出力軸110は、図示しないジョイント部、減速機(増速機)等を介してTーSコンバータ1000のほぼ中心に位置するシャフト(第1軸)1213と直結されている。なお、本実施例では出力軸110とシャフト1213とを同一軸状に直線配置したが、車両の搭載スペースに合わせて適宜ジョイント等を介して出力軸110とシャフト1213とを角度をもたせて配置することも可能である。シャフト1213には、第1ロータ1210の他、後述するベアリング、電源供給の為のスリップリング、回転センサ1911、1912等が配設されている。
【0029】
TーSコンバータ1000は、シャフト1213に嵌着固定された第1回転子である第1ロータ1210と、第1ロータ1210に回転自在に嵌着された第2回転子である第2ロータ1310と、第2ロータ1310が回転自在に嵌入される固定子であるステータ1410とを有している。
ステータ1410は、回転磁界を作る三相巻線(固定子巻線)1411及びステータコア1412により構成されて、ステータコア1412は、外部フレーム1720の内周面に固定され、外部フレーム1720は、それに嵌着された外部フレーム1710とともにこのTSコンバータ1000のハウジングを構成している。また、これら外部フレーム1710、1720はエンジン100の後端面に締結、固定されている。
【0030】
第1ロータ1210は、回転磁界を形成する三相巻線(回転子巻線)1211及びロータコア1212から構成されており、巻線1211は、ブラシホルダ1610、ブラシ1620、スリップリング1630、及び、シャフト1213内部にモールド等の絶縁部1650を介して設けられているリード部1660及びターミナル1810を介して給電乃至送電可能となっている。第1ロータ1210の径外側には、円筒状の第2ロータ1310が第1ロータ1210に対して相対回転自在に同軸配置されている。
【0031】
第2ロータ1310は、円筒状のロータヨーク1311をもち、その内周側に位置して磁石界磁(永久磁石型界磁極)1220が配設され、その外周側に位置して磁石界磁(永久磁石型界磁極)1420が配設されている。磁石界磁1220は、ロータコア1212及び巻線1211とともに回転数調整部1200を構成し、磁石界磁1420は、ステータコア1412及び巻線1411とともにトルク調整部1400を構成している。磁石界磁1220は、第2ロータ1310の内周側に周方向へ極***互かつ等間隔に配置された磁石群からなり、磁石界磁1420は、第2ロータ1310の外周側に周方向へ極***互かつ等間隔に配置された磁石群からなる。
【0032】
第2ローター1310のロータヨーク1311は、ブラケット状の一対のロータフレーム1331、1332及びベアリング1510、1511を介して外部フレーム(ハウジング)1710、1720に回転自在に支承されている。第1ロータ1210は、シャフト1213及びベアリング1512、1513を介して第2ロータ1310のロータフレーム1331、1332に回転自在に支承されている。
【0033】
第2ロータ1310のロータフレーム1332は、ギヤ840にスプライン嵌着されており、ギヤ840は、減速機部800の連結ギヤ845及び差動ギヤ部900を介して車両の駆動輪700に連結されている。
1911、1912は、回転センサであり、それぞれ第1ロータ1210、第2ロータ1310の回転角度位置を検出している。1730はブラシホルダ1610を囲包するエンドカバーである。
【0034】
次に、第1ロータ1210、第2ロータ1310及びステータ1410について図2に基づいて更に詳しく説明する。
第1ロータ1210は、外周側に断面T字状の複数のロータティース1214をもつロータコア1212からなり、ロータコア1212はシャフト1213に圧入されている。各ロータティース1214にはティース巻線1211a、1211b、1211cが巻装されている。ロータティース1214の径外側には円筒状のロータヨーク1311がエアギャップg1を介して回転自在に設けられており、その径内側には前述したように複数の磁石1220が周方向へ等間隔かつ極***互に設けられている。各磁石1220の周方向両端部には、開口部1311aが磁束漏洩低減のために形成されている。ロータヨーク1311には各磁石1220の間に位置して貫通孔1311が貫設されており、この貫通孔1311bに嵌挿されたスルーボルト1333によりロータヨーク1311は両側のロータフレーム1331、1332に締結されている。
【0035】
上述した界磁極1220の磁束が巻線1211と鎖交して一つの磁気回路が形成されることにより、インバータ200により巻線1211への通電電流を制御して負荷の回転数を調整する回転数調整部1200が構成される。
同様に、ロータヨーク1311の外周面側には複数の磁石1420が周方向へ等間隔かつ極***互に設けられており、各磁石1420の周方向両端部には開口部1311aが磁速漏洩低減のために形成されている。磁石1420の他の配置状況は磁石1220と同様である。
【0036】
第2ロータ1310の径外側にはステータ1410が所定のエアギャップg2を介して設けられている。ステータ1410のステータコア1412の内周面側には巻線(固定子巻線)1411が巻装されるための複数のスロット1412aが形成されており、上述した界磁極1420の磁束が巻線1411と鎖交して一つの磁気回路が形成される。これにより、インバータ400により巻線1411への通電電流を制御して負荷のトルクを調整するトルク調整部1400が構成される。
【0037】
次に、上記装置の作動を説明する。
エンジン100からの入力動力の回転数(入力回転数)を2n〔rpm〕、トルクをt〔Nm〕とし、車両負荷への出力動力の回転数(出力回転数)をn〔rpm〕、トルクを2t〔Nm〕とする場合について説明する。
回転数調整部1200において、第1ロータ1210と第2ロータ1310との間の伝達トルクをt〔Nm〕とし、入力回転数2n〔rpm〕を出力回転数n〔rpm〕へ調整する。第2ロータ1310において、トルクt〔Nm〕、回転数n〔rpm〕の出力を得るためには、第2ロータ1310の回転数調整部1200側の磁石1220の位置を回転センサ1911、1912の相対角により検出し、第1ロータ1210の巻線1211への通電タイミングを計算、制御することにより通常は制動(発電)状態に制御する。すると、第1ロータ1210より得られた発電出力がバッテリ600を介してトルク調整部1400へ送られる。第1ロータ1210の巻線1211への通電はインバータ200から給電器1600のブラシホルダ1610、ブラシ1620、スリップリング1630及びリード部1660及びターミナル1810を経て行われ、通電タイミングは第1ロータ1210、第2ロータ1310の回転角度位置を検出する回転センサ1911、1912の出力信号に基づいて計算される。これにより、第2ロータ1310側へのトルクt〔Nm〕、回転数n〔rpm〕の出力が得られる。このように、回転数調整部1200は、エンジン100の出力を負荷出力側である駆動輪700へそのまま伝達しながら、入力回転数と出力回転数との差によって発電する機能を持つ。逆に、入力回転数が出力回転数より小さいときは、バッテリー600により給電を受け、電動機としての機能を行う。
【0038】
次に、第1ロータ1210よりエンジン100の出力トルクt〔Nm〕を電磁力を介して伝えられた第2ロータ1310は、車両出力2nt(トルク2t,回転数n)とするために、不足となっているトルク分及びそれに必要な出力ntを補う必要がある。この場合のトルク調整部1400の働きは通常のモータと同様で、インバータ400からステータ巻線1411へ所望のトルク、回転数となるように、第2ロータ1310のトルク調整部1400側の磁石界磁1420の位置を回転センサ1912で検出し、通電タイミングを計算して給電を制御する。逆に、入力トルクが出力トルク以上となれば、トルク調整部1400は発電モードで働き、過剰なエネルギーをバッテリ600に送る。
【0039】
以上のようにエンジン100からの入力動力(トルクt、回転数2n)のうち、トルクtは回転数調整部1200によってエンジン100のトルクtはそのまま第2ロータ1310へ伝達され、エンジン100の回転数2n(入力回転数)を所望の出力回転数nに合わせるが、その時に生ずる回転数差n×トルクtのエネルギーを電力に変換し、インバータ200、バッテリ600を介してトルク調整部1400へ送る。トルク調整部1400側では、回転数調整部1200或いはバッテリ600の出力を受け、入力トルクと出力トルクとの差を補償する。又、回転数調整部1200もエンジン100の入力の設定によっては電動機として機能することができる。
【0040】
逆に、車両制動時には、エンジン100をブレーキとして機能させることができる。すなわち、回転数調整部1200の第1ロータ1210の回転抵抗体として利用でき、車両の制動エネルギーの内、回転数調整部1200で制動エネルギーの一部を吸収するので、トルク調整部1400が負担する制動エネルギーは減少し、制動時に必要な容量も小さくする事ができる。
【0041】
以上のような構成によりエンジン100の回転エネルギーの一部を電磁力を介してダイレクトに走行駆動側へ伝達することで、電力系統及び回転機の容量を小さくすることができ、さらには2つの回転機を複合化し、内外配置としたので大幅に小型化が可能となった。又、回転エネルギーの一部を電力変換し、更に動力変換する割合が減るので、その分だけ効率向上を図ることができる。
【0042】
更に、上記原理を一般化して説明する。
入力トルクをTi、入力角速度をωi、出力トルクをTo、出力角速度をωo、両ロータ間の伝達トルクをT1、送電電力をPとし、固定子と第2回転子との間の伝達トルクをT2とする。T1=Tiであり、To=T1+T2であり、損失を0とすれば、Pはω2・T2となる。
【0043】
入力動力はωi・Ti=ω1・T1であり、第2回転子は第1回転子から伝達トルクをT1を受けてω2で回転するので、その伝達動力はω2・T1である。入力動力ω1・T1の残り(ω1−ω2)・T1は電力変換され、ω2・T2として固定子から第2回転子に伝達される。したがって、第2回転子の出力動力ω2・Toは、ω2・(T1+T2)となる。
【0044】
なお、一般に回転機は多極化することで必要磁路断面積が減少する。本実施例では、磁石1220、1420を多数配設して多極化することで、第2ロータ1310の厚さを薄くしており、2つの回転機(回転数調整部1200、トルク調整部1400)を同心円状に配置し一体化した際の径の増大を抑止している。
次に、第1ロータ1210の3相巻線1211の巻装方式について説明する。
【0045】
ロータコア1212は円板状になっており、その外周側に断面T字状のロータティース1214が所定の間隔で植設されている。ロータティース1214には、ロータコア1212への固定のためにタブテール1214aが設けられている。各ロータティース1214には、3相のティース巻線1211a、1211b、1211cが個別に、絶縁紙1215によりロータティース1214と電気的に絶縁された状態で集中巻きされており、各ロータティース1214は、3相のティース巻線1211a、1211b、1211cが巻装されたロータティース1214の順序で配置されている。ロータティース1214の個数は、ロータティース1214に対向する第2ロータ1310の内部の磁石1220によって形成される磁極の2磁極ピッチにつき3個の割合で形成されている。
【0046】
3相巻線1211の結線は、図3に示すように、ロータティース1214に個別に巻装された各相のティース巻線1211a、1211b、1211c(本発明でいう回転子導体)がそれぞれ並列になるようターミナル1810(図1参照)上の結線部にて、はんだ付けにより接続されている。したがって、本実施例では、3相巻線1211の各相巻線は、それぞれ全ティース数の1/3個の上記ティース巻線の並列接続により構成されている。
【0047】
ターミナル1810は、図4〜図8に示すように、各ティース巻線1211a、1211b、1211cの巻き始めに個別に結線される3つの導電体(輪状導体)1811、1812、1813と、各ティース巻線1211a、1211b、1211cの巻き終わり全てに結線される1つの導電体(輪状導体)1814と、これら導電体1811、1812、1813、1814を支持する樹脂輪板である電気絶縁材(ホルダ)1815とからなる。
【0048】
導電体1811には、ティース巻線1211aの端末をかしめた後、はんだ付け固定が可能となるよう先端に凹溝をもつ径外側の端子部1811aが設けられ、端子部1811aはティース巻線1211aの巻き始めと結線されている。また、導電体1811には、先端に凹溝をもつ径内側の端子部1811bが設けられ、端子部1811bは、リード部1660に結線される。ティース巻線1211aの端末は、端子部1811aの凹溝に挿入された後、この凹溝をかしめて機械的に固定され、更にはんだ付けにより最終的に固定される。
【0049】
同様に、導電体1812には端子部1812a、1812bが設けられ、端子部1812aはティース巻線1211bの巻き始めに接続されている。また同様に、導電体1813には端子部1813a、1813bが設けられ、端子部1813aはティース巻線1211cの巻き始めに接続されている。
更に、導電体1814にも、コイルをかしめた後はんだ付け固定が可能となるように、先端に凹溝をもつ端子部1814aが設けられ、端子部1814aは3相の各ティース巻線1211a、1211b、1211cの巻き終わりとそれぞれ結線されて3相のティース巻線1211a、1211b、1211cを電気的に接続し、三相星型巻線の中性点をなしている。
【0050】
端子部1811a、1811b、1811cは順番に周方向に配列され、更にこれら端子部1811a、1811b、1811cは、隣接する端子部に対して軸方向に必ずずれて配設され、沿面放電電圧の増大を実現している。
この三相巻線1211の構成では、ロータコア1212の外周に第2ロータ1310の2磁極ピッチ当たり3個のロータティース1214が配設され、各ロータティース1214に順次x相、y相、z相の巻線を行っているので、巻線ピッチは2/3磁極ピッチとなる。本実施例によれば、1磁極ピッチであった従来のコイル巻装構造に比べて、1相当たりのコイル全長が2/3となるため抵抗値も2/3に低減される。これにより同一電流が流れたときに発生する損失は2/3に減少し、3相コイル1211の温度上昇が低減される。また、三相巻線1211は、各ティース巻線をそれぞれロータティース1214に集中巻した後、これらティース巻線1211a、1211b、1211cをもつロータコア1212をタブテール1214aにより固定する構造であるため、コイル占積率を従来構造より向上することができる。従って、同一巻線の仕様に対して線径の太い導体にて巻くことができるため抵抗値が減少し、これによっても3相巻線1211の温度上昇を低減することができる。
【0051】
また、前述のように各ティース巻線1211a、1211b、1211cはそれぞれ1つのロータティース1214に集中巻きされるために、巻線に張力を加えることが可能であり、コイルの耐遠心力性能も向上する。さらにこの巻線方式と従来例の巻線方式とを、図3、図13により比較すると、本実施例のものでは、周方向に区画的に巻くことが可能であるが、従来例の巻線方式であるとx相、y相、z相の各相相互のラップ部がコイルエンドに生じる。このラップ部はコイルエンド部の質量を増加させ、コイルエンド部に作用する遠心力を増加させる。これに対し、本実施例のものでは基本的にラップ部は生じないので、遠心力の増加を抑えることができる。
【0052】
また、前述のように、三相巻線1211の各ティース巻線1211a、1211b、1211cは、それぞれ1つのロータティース1214に集中巻きされた後、ロータコア1212にタブテール1214aにより固定される構造であり、電気的な接続はターミナル1810上で結線されるが、本実施例では結線作業性、信頼性がターミナル1810を用いることで格段に向上する。また、結線部分のリード長も短縮できるので、結線部分の耐遠心力性能も向上する。更に、ターミナル1810の周方向に隣り合う端子部が軸方向にもずれていることで沿放電面距離が増加し、絶縁耐圧が向上する。
【0053】
更に、三相巻線1211のインピーダンスに注目すると、本実施例のようなコイルエンド構造を採用しない場合、第1ロータ1210の内径側と外径側とでコイル長や磁気回路が微妙に異なるため、三相巻線1211の各相コイル間でインダクタンスや抵抗が異なることが多く、このことが回転機の振動および騒音に対して悪影響を及ぼしてしたが、本実施例の巻線方式ではこのようなアンバランスを大幅に低減することができる。
【0054】
更に、本実施例によれば、上記した三相巻線1211のコイルエンドの軸方向への膨出量が従来のモータの電機子コイルのそれに比べて格段に低減できるので、第2ローター1310を支持する両側のローターフレーム1331、1332と第2ローター1310の端面との間の軸方向距離を格段に短縮することができ、第2ローター1310の耐遠心力性能(高速回転性能)や耐振性を格段に向上することができる。
(変形態様)
本発明の負荷駆動装置の変形態様を以下に説明する。
【0055】
上記実施例では、1ティース当たり1相のコイルのみが集中巻きされる巻装構造を示したが、三相巻線1211の各相コイルがラップ部をもつ(各相コイルのコイルエンドが互いに重なり合う)図12に示した参考例の巻装構造でも、各ティース巻線を直列結線から並列結線に変更することで適用可能である。この並列結線としたときの結線図を図9に示す。用いるターミナル1810は実施例1に示すものをそのまま適用することができる。
(実施例2)
本発明の他の実施例を図10及び図11を参照して説明する。ただし、実施例1の構成要素と機能が共通の構成要素には同一符号を付けるものとする。
【0056】
この実施例の負荷駆動装置は、実施例1のそれにおいて図11に示すように巻線1211をデルタ結線とした点だけが異なっている。
このようにすれば、図10に示すように ティース巻線1211a、1211b、1211cの巻き始め、巻き終わりに個別に結線される3つの導電体(輪状導体)1811、1812、1813だけを用いればよく、導電体(輪状導体)1814を省略でき、その結果として、端子部1814a(図4参照)を省略して、端子ピッチを倍増することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の負荷駆動装置の一実施例を示す軸方向断面図である。
【図2】 図1の装置の径方向断面図である。
【図3】 図1の三相巻線1211の配線方式を示す配線図である。
【図4】 (a)は図1のターミナル1810の軸方向断面図である。
(b)はその正面図である。
【図5】 (a)は図4の導電体1811の軸方向断面図である。
(b)はその正面図である。
【図6】 (a)は図4の導電体1812の軸方向断面図である。
(b)はその正面図である。
【図7】 (a)は図4の導電体1813の軸方向断面図である。
(b)はその正面図である。
【図8】 (a)は図4の導電体1814の軸方向断面図である。
(b)はその正面図である。
【図9】 本発明の負荷駆動装置の変形態様における三相巻線1211の配線方式を示す配線図である。
【図10】 本発明の負荷駆動装置の他実施例を示すものであり、(a)はターミナル1810の軸方向断面図、(b)は正面図である。
【図11】 図10のターミナルを用いるデルタ結線配線図である。
【図12】 本発明の参考例としての負荷駆動装置を示す径方向断面図である。
【図13】 図12の装置の第1ロータの結線図である。
【符号の説明】
200、400は三相インバータ(電力制御回路)、500はECU(電力制御回路)、600はバッテリー(電力制御回路)、1000は負荷駆動装置、1200は回転数調整部(本発明でいう第1の回転電機)、1213はシャフト(第1軸)、1210は第1ロータ(第1回転子)、1310は第2ロータ1310(第2回転子)、1211は三相巻線(回転子巻線)、1331、1332はローターフレーム(第2軸)、1400はトルク調整部(本発明でいう第2の回転電機)、1410はステータ(固定子)、1411は三相巻線(固定子巻線)、1710、1720は外部フレーム(ハウジング)、1810はターミナル、1811、1812、1813、1814は導電体(輪状導体)、1815は電気絶縁材(ホルダ)、1811a、1811b、1812a、1812b、1813a、1813bは端子部。
Claims (16)
- ハウジングと、前記ハウジングに固定される固定子と、第1軸に連結されて前記固定子の径内側に回転自在に収容される第1回転子と、第2軸に連結されて前記固定子及び第1回転子の間に相対回転自在に介設される第2回転子と、前記固定子に巻装された固定子巻線と、前記第1回転子に巻装された回転子巻線と、前記第2回転子に配設されて前記両巻線に電磁結合する磁気回路と、前記両巻線間の電力授受を制御して前記両軸間の相対角速度又はトルクを制御する電力制御回路とを備え、
前記回転子巻線は、前記第1回転子の各スロットに収容された各回転子導体と、前記各回転子導体の端末を相互に接続する複数のリング状の輪状導体とを備え、前記輪状導体は、前記第1回転子の両端面に固定される電気絶縁性のホルダにより電気絶縁可能に支持されることを特徴とする負荷駆動装置。 - 請求項1記載の負荷駆動装置において、
前記ホルダは、前記第1回転子の端面に締結される輪状体からなることを特徴とする負荷駆動装置。 - 請求項1又は2記載の負荷駆動装置において、
前記輪状導体は、前記ホルダに埋設された輪板状の輪板部と、前記輪板部から前記ホルダの外周外側へ突出して前記回転子導体の端末が接続される端子部とを備えることを特徴とする負荷駆動装置。 - 請求項3記載の負荷駆動装置において、
前記端子部は、前記回転子導体の端末が嵌入される溝部を有することを特徴とする負荷駆動装置。 - 請求項1乃至4記載の負荷駆動装置において、
前記ホルダは、軸方向に所定間隔を隔てて並設される多数の前記輪状導体を保持し、前記各輪状導体は、前記回転子巻線を構成する多数相の相巻線の各端末を接続して星型乃至デルタ型の巻線を構成することを特徴とする車両用駆動装置。 - 請求項5記載の負荷駆動装置において、
前記回転子巻線は、三相星型巻線からなることを特徴とする車両用駆動装置。 - 請求項6記載の負荷駆動装置において、
前記ホルダは、前記三相星型巻線の各相端が別々に接続されるX相、Y相及びZ相の輪状導体と、前記三相星型巻線の共通端がそれぞれ接続される共通の輪状導体とを有することを特徴とする負荷駆動装置。 - 請求項7記載の負荷駆動装置において、
前記第2回転子の磁気回路は前記回転子巻線と電磁結合するm極の界磁極を有し、前記各相の輪状導体はm/2個の前記端子部を有し、前記共通の輪状導体は3m/2個の前記端子部を有することを特徴とする負荷駆動装置。 - 請求項5記載の負荷駆動装置において、
前記回転子巻線は、三相デルタ型巻線からなることを特徴とする車両用駆動装置。 - 請求項9記載の負荷駆動装置において、
前記ホルダは、前記三相星型巻線の各相端が接続されるX相、Y相及びZ相の輪状導体を有することを特徴とする負荷駆動装置。 - 請求項10記載の負荷駆動装置において、
前記第2回転子の磁気回路は前記回転子巻線と電磁結合するm極の界磁極を有し、前記各相の輪状導体はm/2個の前記端子部を有することを特徴とする負荷駆動装置。 - 請求項3乃至11記載の負荷駆動装置において、
任意の前記輪状導体の任意の前記端子部に周方向に隣接して前記任意の輪状導体と異なる前記輪状導体の端子部が配置されるとともに、周方向に隣接する二つの前記端子部は軸方向に所定距離を隔てて配設されていることを特徴とする負荷駆動装置。 - 請求項12記載の負荷駆動装置において、
各前記輪状導体の各前記端子部は、互いに周方向略等距離位置に配設されることを特徴とする負荷駆動装置。 - 請求項3乃至13記載の負荷駆動装置において、
前記輪状導体は、前記輪板部から前記ホルダの内周内側へ突出して前記送電回路と電力授受する電力授受端子を有することを特徴とする負荷駆動装置。 - 請求項14記載の負荷駆動装置において、
前記各回転子導体は、前記第1回転子をなす鉄心の各ティースに個別に集中巻きされることを特徴とする負荷駆動装置。 - 請求項15記載の負荷駆動装置において、
前記第1回転子をなす鉄心は、第1軸に嵌着される円筒部と、前記円筒部の外周に放射状に植設される前記ティースとからなることを特徴とする負荷駆動装置。
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