JP5035108B2 - 回転電機の絶縁構造 - Google Patents

Description

この発明は、一般的には、回転電機の絶縁構造に関し、より特定的には、車両に搭載される回転電機の絶縁構造に関する。

従来の回転電機に関して、たとえば、特開２００４−３１６７６６号公報には、コストアップを招くことなく、外部から水などの侵入を回避しつつ、確実にブリーザ機能を確保することを目的としたモータ減速機のブリーザ構造が開示されている（特許文献１）。特許文献１に開示されたブリーザ構造においては、モータと減速機との結合面に、密閉された空気室が形成される。この空気室と減速機内の上方の内部空間とがブリーザ孔により接続され、かつ空気室の下部に大気開放孔が連通される。

また、特開２００７−１８９８５３号公報には、内部の気圧の圧力変動による影響を低減させることを目的とした電動機が開示されている（特許文献２）。特許文献２に開示された電動機においては、回転子および固定子を密封して支持するハウジングの外部に、電動機内部接続室が設けられる。電動機内部接続室は、ハウジング内部との気体の圧力差に応じて、ハウジング内部から電動機内部接続室へ、または電動機内部接続室からハウジング内部への気体の移動の調整を行なう。

また、特開２００５−２８９２１号公報には、密閉型電動モータ内部の空気の膨張や収縮を可能にして動作をスムーズにし、さらに車体の他部品への干渉を防ぎ、排気マフラーの熱害を受けにくくし、耐久性を向上させることを目的とした鞍乗型車両のラジエータ冷却装置が開示されている（特許文献３）。特許文献３に開示されたラジエータ冷却装置においては、電動モータのモータケースに、その内部に連通するブリーザ口が設けられる。ブリーザ口の外部には、モータケースの内部空気の膨張および収縮に応じて内部容積が変化する密閉容器型の可変容積室が接続される。

また、実開平８−７２７号公報には、ハウジングの各構成部材間やハウジングと出力軸との間に介在させた密閉手段による液密性を向上させることを目的とした防液対策モータが開示されている（特許文献４）。特許文献４に開示された防液対策モータにおいては、モータ内部に圧力空気を送り込むためのチューブが設けられる。
特開２００４−３１６７６６号公報 特開２００７−１８９８５３号公報 特開２００５−２８９２１号公報 実開平８−７２７号公報

上述の特許文献１に開示されるように、モータ（電動機）やジェネレータ（発電機）などの回転電機を収容するケース体に、息抜き用のブリーザが設けられる構造が知られている。このような構造を備える回転電機を車両に搭載した場合、ブリーザを通じてケース体内部と外部とが連通するため、車両が標高の高い場所に移動すると、ケース体内部の圧力が低下する。一般的に、回転電機に印加される電圧の常用域では、圧力が低いほど絶縁耐力が低下することが知られており、ケース体内部の圧力が低下すると、絶縁破壊を回避するために回転電機に対する印加電圧を下げざるを得なくなる。このため、回転電機の出力低下を招くことになる。

そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、回転電機の絶縁性能を保証しつつ、十分な出力を確保する回転電機の絶縁構造を提供することである。

この発明に従った回転電機の絶縁構造は、車両に搭載される。回転電機の絶縁構造は、内部空間を形成し、内部空間に回転電機を収容するケース体と、ケース体に接続され、内部空間に空気を供給可能な空気供給部と、車両が走行する場所の標高を検出する標高検出部とを備える。空気供給部は、標高検出部により検出された標高が高いほど内部空間への空気供給量が増大するように制御される。

このように構成された回転電機の絶縁構造によれば、車両が走行する場所の標高が高くなり、気圧が低くなるのに伴って、ケース体内部の圧力も低下する。このため、標高の上昇に伴い空気供給部から内部空間への空気供給量を増大させることにより、ケース体内部の圧力の低下を抑えることができる。これにより、回転電機の絶縁性能を保証しつつ、十分な出力を確保することができる。

また好ましくは、ケース体には、内部空間とケース体の外側の外部空間とを連通させるブリーザが設けられる。このように構成された回転電機の絶縁構造によれば、空気供給部から内部空間に供給された空気の余剰分を、ブリーザを通じて外部空間に排気することができる。

また好ましくは、ブリーザは、内部空間から外部空間への空気流れを許容し、外部空間から内部空間への空気流れを規制するワンウェイバルブを有する。このように構成された回転電機の絶縁構造によれば、空気供給部を設けることによって、内部空間に供給する方向の空気流れは確保される。このため、ブリーザにおいて、内部空間から排気する方向の空気流れのみ許容するワンウェイバルブの使用が可能となる。

また好ましくは、標高検出部は、車両に設けられた標高計またはナビゲーション装置である。このように構成された回転電機の絶縁構造によれば、標高計またはナビゲーション装置を利用して車両が走行する場所の標高を検出するため、簡易な構成で上述のいずれかに記載の効果を得ることができる。

以上説明したように、この発明に従えば、回転電機の絶縁性能を保証しつつ、十分な出力を確保する回転電機の絶縁構造を提供することができる。

この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

図１は、ハイブリッド車両に搭載されるトランスアクスルを模式的に表わす断面図である。図１中のトランスアクスルを搭載するハイブリッド車両は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関と、充放電可能な２次電池（バッテリ）から電力供給されるモータとを動力源とする。

図１を参照して、まずトランスアクスルの全体構成について説明すると、トランスアクスルは、モータジェネレータ１１と、モータケース２１とを有する。モータジェネレータ１１は、電動機もしくは発電機としての機能を有する回転電機である。モータケース２１は、その内部にモータジェネレータ１１を収容する内部空間２５を形成する。

モータジェネレータ１１は、シャフト１３と、ロータ５１と、ステータ５６とを有する。シャフト１３は、軸受け１２を介してモータケース２１に対して回転自在に支持されている。ロータ５１は、シャフト１３に固定されている。シャフト１３は、ロータ５１と一緒になって仮想軸である中心軸１０１を中心に回転する。ステータ５６は、モータケース２１に固定されている。ステータ５６は、ロータ５１の外周上を取り囲むように設けられている。シャフト１３は、複数の歯車を含んで構成された減速機構１４に接続されている。

ロータ５１は、ロータコア５２と、永久磁石５３とを有する。ロータコア５２は、中心軸１０１に沿って筒状に延びる形状を有する。本実施の形態では、ロータコア５２が、中心軸１０１の軸方向に積層された複数枚の電磁鋼板から形成されている。永久磁石５３は、ロータコア５２に埋設されている。

ステータ５６は、ステータコア５７と、ステータコア５７に巻回されたステータコイル５８とを有する。ステータコア５７は、中心軸１０１に沿って筒状に延びる形状を有する。本実施の形態では、ステータコア５７が、中心軸１０１の軸方向に積層された複数枚の電磁鋼板から形成されている。ステータコイル５８は、たとえば、絶縁被膜された銅線から形成されている。ステータコイル５８は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のコイルから構成されている。

なお、ロータコア５２およびステータコア５７は、電磁鋼板に限定されず、たとえば圧粉磁心等の磁性材料から形成されてもよい。

モータケース２１には、端子台１７が固定されている。ステータコイル５８は、バスバー５９を介して端子台１７に接続されている。端子台１７は、インバータ１８およびバッテリ１９に電気的に接続されている。インバータ１８は、バッテリ１９からの直流電流をモータ駆動用の交流電流に変換するとともに、回生ブレーキにより発電された交流電流を、バッテリ１９に充電するための直流電流に変換する。

モータジェネレータ１１から出力された動力は、減速機構１４からディファレンシャル機構１５を介してドライブシャフト受け部１６に伝達される。ドライブシャフト受け部１６に伝達された動力は、ドライブシャフトを介して図示しない車輪に回転力として伝達される。

一方、ハイブリッド車両の回生制動時には、車輪は車体の慣性力により回転させられる。車輪からの回転力によりドライブシャフト受け部１６、ディファレンシャル機構１５および減速機構１４を介してモータジェネレータ１１が駆動される。このとき、モータジェネレータ１１が発電機として作動する。モータジェネレータ１１により発電された電力は、インバータ１８によって直流電流に変換された後、バッテリ１９に蓄えられる。

また、モータケース２１には、息抜きとしてのブリーザ３６が設けられている。ブリーザ３６は、内部空間２５と、モータケース２１の外側の外部空間２６との間を連通させる。ブリーザ３６は、内部空間２５から外部空間２６に向かう空気流れを許容し、外部空間２６から内部空間２５に向かう空気流れを規制するワンウェイバルブを内蔵する。

このブリーザ３６の代表的な構造について説明すると、ブリーザ３６は、ブリーザ本体３８と、バルブ体３７と、バネ体３９とを有し、これらの部品が組み合わさって構成されている。ブリーザ本体３８は、モータケース２１に固定されている。ブリーザ本体３８には、内部空間２５と外部空間２６との間を連通させ、空気が流通する流通孔３８ｈが形成されている。バルブ体３７は、流通孔３８ｈの開口を開閉自在なように設けられている。バネ体３９は、バルブ体３７に弾性力を作用させ、バルブ体３７を流通孔３８ｈの開口を塞いだ状態に保持する。内部空間２５の圧力が上昇すると、バネ体３９の弾性力に抗してバルブ体３７が移動する。このとき、流通孔３８ｈの開口が開かれ、内部空間２５から外部空間２６に向かう空気流れが発生する。

続いて、モータジェネレータ１１の絶縁構造について説明する。図２は、図１中のモータケース内を加圧制御する機構を示すブロック図である。

図１および図２を参照して、ハイブリッド車両には、コンプレッサ３１と、標高計４２と、制御装置としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）４１とが搭載されている。

コンプレッサ３１は、モータケース２１に接続されており、内部空間２５に空気を供給可能に設けられている。コンプレッサ３１は、圧縮空気を発生する。エアの圧縮方式は、特に限定されず、たとえばレシプロ式やスクリュー式、ロータリー式のいずれであってもよい。また、コンプレッサ３１として、エンジンからの排気を利用したターボ式コンプレッサを利用してもよい。

標高計４２は、ハイブリッド車両が走行する場所の標高を検出し、その値をＥＣＵ４１に出力する。標高計４２は、標高を表示するための表示部を有し、ドライバーの視認可能な位置に設置されるものである。標高計４２は、気圧変動に基づいて、ハイブリッド車両が走行する場所の標高を検出する。

また、ハイブリッド車両が走行する場所の標高を検出する標高検出部として、車両に設けられたナビゲーション装置（ＧＰＳ（Global Positioning System）を利用して車両の位置を地図上に重ねて表示することにより、現在地や周囲の各種情報を車内で得る装置）を用いてもよい。この場合、標高検出部は、ナビゲーション装置に記憶された地図情報に基づいて、ハイブリッド車両が走行する場所の標高を検出する。

ＥＣＵ４１は、コンプレッサ３１の駆動を、標高計４２から入力された標高に基づいて制御する。具体的には、ＥＣＵ４１は、標高計４２から入力された標高が高いほど内部空間２５への単位時間当たりの空気供給量が増大するように、コンプレッサ３１の駆動を制御する。

図３は、図１中のモータケース内を加圧制御する流れを示すフローチャート図である。図４は、図１中のコンプレッサからモータケース内に供給される空気供給量と、標高との関係を示すグラフである。

図３および図４（Ａ）を参照して、ハイブリッド車両の走行中、標高計４２は、ハイブリッド車両の走行する場所の標高を検出し、その値をＥＣＵ４１に出力する（Ｓ１０１）。ＥＣＵ４１は、入力された標高の値が、予め定められた規定値Ｈよりも大きいか否かを判断する（Ｓ１０２）。

ＥＣＵ４１は、標高の値が規定値Ｈよりも大きいと判断したとき、コンプレッサ３１に駆動信号を出力する（Ｓ１０３）。これにより、コンプレッサ３１から内部空間２５に空気が供給される。また、内部空間２５に供給された空気の余剰分は、ブリーザ３６を通じて外部空間２６に排気される。一方、ＥＣＵ４１が標高の検出値が規定値Ｈ以下であると判断したとき、再びＳ１０１のステップに戻る。

上述の例では、標高計４２によって検出された標高の値が規定値Ｈ以下である場合には、コンプレッサ３１を駆動させず、標高の値が規定値Ｈを超えた場合に、コンプレッサ３１を駆動させ、Ｌａ（Ｌ／分）の供給量で空気を内部空間２５に供給する。そのほかの例として、図４（Ｂ）に示す例では、標高計４２によって検出された標高の値が規定値Ｈ以下である場合に、Ｌｂ（Ｌ／分）の供給量で空気を内部空間２５に供給し、標高の値が規定値Ｈを超えた場合に、Ｌｂよりも大きいＬａ（Ｌ／分）の供給量で空気を内部空間２５に供給する。また、図４（Ｃ）に示す例では、標高計４２によって検出された標高と比例関係で内部空間２５への空気供給量が増大するように、コンプレッサ３１が連続的に制御される。

図５は、空気のパッシェン曲線を表わすグラフである。図５を参照して、グラフ中には、火花電圧Ｖｓと、気圧ｐおよびコイル線間のギャップの長さｄの積との関係が示されている。モータジェネレータ１１に対する印加電圧の常用域では、気圧が下がるほど火花電圧が低下する。つまり、内部空間２５の圧力が下がるほど、モータジェネレータ１１が絶縁破壊に至る電圧が低くなる傾向がある。

図６は、図１中のモータジェネレータに対する印加電圧と、標高との関係を示すグラフである。図６を参照して、モータジェネレータ１１に対する印加電圧は、モータジェネレータ１１が絶縁破壊に至ると想定される理論値から、気圧応答のばらつき、制御変動に対する余裕代、モータジェネレータ１１の製造上のばらつきなどを考慮した値を差し引いて決定される。

図１中に示すトランスアクスルにおいては、モータジェネレータ１１を収容するモータケース２１に、内部空間２５から外部空間２６への空気流れを許容するブリーザ３６が設けられている。また、モータケース２１には、内部空間２５からのオイル漏れを防ぐためのオイルシールが設けられているが、オイルシールは、モータケース２１の気密性を完全に満たすものではない。このため、ハイブリッド車両が高地に移動し、トランスアクスルの周囲の大気圧が下がると、モータケース２１内部の圧力も低下する。

この場合に、モータジェネレータ１１の絶縁破壊を回避するための１つの方策として、図６中の２点鎖線Ｒに示すように、モータケース２１内部の圧力の低下に伴って、モータジェネレータ１１に対する印加電圧を徐々に減少させる方法がある。しかしながら、モータ出力は印加電圧の２乗に比例するため、この場合、モータジェネレータ１１において十分なモータ出力が得られないという問題が生じる。

一方、本実施の形態では、モータケース２１内部の圧力の低下に伴ってコンプレッサ３１からモータケース２１内部に空気を供給する。このような構成により、図６中の実線Ｐに示すように、内部空間２５の圧力を一定に保つことが可能となる。結果、ハイブリッド車両が高地に移動した場合にも、モータジェネレータ１１の絶縁性能を保証しつつ、常に一定の電力Ｖｐを印加し、十分なモータ出力を得ることができる。また、コンプレッサ３１の制御によっては、内部空間２５を大気圧以上の圧力に設定することも可能であり、さらに印加電圧を上げて、モータ出力を向上させることもできる。

また、車両に搭載されるモータケースの場合、車両が気圧の低い山上から気圧の高い麓まで急速に下りてきた時や、モータの運転条件が高負荷から低負荷に変化して、ケース内の温度が急激に下がった時などに、ケース内部の圧力が下がったままになるという懸念が生じる。このような懸念を無くすためには、大気圧とケース内部の圧力との間に一定の差が生じた時に開弁し、ケース内部から外部に向かう空気流れと、ケース外部から内部に向かう空気流れとを選択的に生じさせるブリーザを設ける必要がある。

これに対して、本実施の形態では、コンプレッサ３１を設けることによって内部空間２５に供給する方向の空気流れが確保されるため、内部空間２５から外部空間２６に向かう空気流れのみ許容するブリーザ３６の使用が可能となる。ブリーザ３６の使用により、外部空間２６から内部空間２５への吸気時に埃や水などの異物が侵入するという懸念が無くなる。また、ブリーザ３６の設置位置に関する制約を小さくするといった効果や、ブリーザ３６の構成を簡易にし、製造コストを抑制するといった効果を得ることができる。

この発明の実施の形態における回転電機としてのモータジェネレータ１１の絶縁構造は、内部空間２５を形成し、内部空間２５にモータジェネレータ１１を収容するケース体としてのモータケース２１と、モータケース２１に接続され、内部空間２５に空気を供給可能な空気供給部としてのコンプレッサ３１と、車両が走行する場所の標高を検出する標高検出部としての標高計４２とを備える。コンプレッサ３１は、標高計４２により検出された標高が高いほど内部空間２５への空気供給量が増大するように制御される。

このように構成された、この発明の実施の形態におけるモータジェネレータ１１の絶縁構造によれば、モータジェネレータ１１の絶縁性能を保証しつつ、十分なモータ出力を確保することができる。これにより、ハイブリッド車両の走行する場所の標高にかかわらず、高い走行性能を維持することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

ハイブリッド車両に搭載されるトランスアクスルを模式的に表わす断面図である。 図１中のモータケース内を加圧制御する機構を示すブロック図である。 図１中のモータケース内を加圧制御する流れを示すフローチャート図である。 図１中のコンプレッサからモータケース内に供給される空気供給量と、標高との関係を示すグラフである。 空気のパッシェン曲線を表わすグラフである。 図１中のモータジェネレータに対する印加電圧と、標高との関係を示すグラフである。

符号の説明

１１ モータジェネレータ、２１ モータケース、２５ 内部空間、２６ 外部空間、３１ コンプレッサ、３６ ブリーザ、４２ 標高計。

Claims (4)

1. 車両に搭載される回転電機の絶縁構造であって、
   内部空間を形成し、前記内部空間に回転電機を収容するケース体と、
   前記ケース体に接続され、前記内部空間に空気を供給可能な空気供給部と、
   車両が走行する場所の標高を検出する標高検出部とを備え、
   前記空気供給部は、前記標高検出部により検出された標高が高いほど前記内部空間への空気供給量が増大するように制御される、回転電機の絶縁構造。
2. 前記ケース体には、前記内部空間と前記ケース体の外側の外部空間とを連通させるブリーザが設けられる、請求項１に記載の回転電機の絶縁構造。
3. 前記ブリーザは、前記内部空間から前記外部空間への空気流れを許容し、前記外部空間から前記内部空間への空気流れを規制するワンウェイバルブを有する、請求項２に記載の回転電機の絶縁構造。
4. 前記標高検出部は、車両に設けられた標高計またはナビゲーション装置である、請求項１から３のいずれか１項に記載の回転電機の絶縁構造。

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