JP6398908B2

JP6398908B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP6398908B2
Application number: JP2015161772A
Authority: JP
Inventors: 利典大河内
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-08-19
Filing date: 2015-08-19
Publication date: 2018-10-03
Anticipated expiration: 2035-08-19
Also published as: JP2017041958A

Description

本発明は、車両用動力装置の回転電機に関し、特に回転電機の冷却に関する。

電気エネルギを回転の運動エネルギに変換する電動機、回転の運動エネルギを電気エネルギに変換する発電機、さらに電動機と発電機どちらにも機能する電気機器が知られている。以下において、これらの電気機器を回転電機と記す。

下記特許文献１には、ロータ（１９）と、ロータを取り囲むステータを有する回転電機が示されている。ロータコア（２１）の内部に冷却流路（２７）、排出油路（３３）が設けられ、これらを流れる冷却液、またこれらから送り出された冷却液によって回転電機の冷却を行う冷却構造が示されている。冷却流路から送出された冷却液がロータを取り囲むステータ（２３）を冷却する（段落００２５参照）。なお、上記の（）内の符号は、下記特許文献１で用いられている符号であり、本願の実施態様で用いられる符号とは関連しない。

特開２００６−６７７７７号公報

ステータを冷却するためにロータとステータの間のギャップに冷却液が供給されると、ギャップ内の冷却液の粘性により回転するロータが抵抗を受ける。

本発明は、冷却の必要性が低いとき、冷却液のギャップへの供給を抑制することで、ロータの受ける冷却液による抵抗を低減することを目的とする。

本発明に係る回転電機は、遊星歯車機構を介して相互に接続された１機の内燃機関と２機の回転電機を備えた車両用動力装置の一方の回転電機である。車両前進時において、一方の回転電機は、車両用動力装置の高負荷時に正転し、車両の運行状況に応じて逆転もする。逆転時には、車両用動力装置の負荷は低くなっている。一方の回転電機は、ロータと、ロータを取り囲むように配置されているステータと、ロータ内に設けられている冷却液流路とを含む。冷却液流路は、幹流路と、幹流路から分岐している第１枝流路と第２枝流路を有する。幹流路は、ロータの内側から外側に向けて延びる、第１枝流路は、幹流路の最外端から正転時に下流となる向きに延び、続いて径方向に延びてロータ外周面に開口している。第２枝流路は、幹流路の最外端から逆転時に下流となる向きに延び、続いて回転軸線方向に延びてロータの軸線方向の端面に開口している。

正転時において、幹流路を流れた冷却液は、続いて、下流に向けて延びる第１枝流路を流れ、ロータ外周面から送出されてロータとステータのギャップに供給される。一方、逆転時において、幹流路を流れた冷却液は、続いて、第１枝流路と分かれて下流に延びる第２枝流路を流れ、ロータの軸線方向の端面から送出され、ロータとステータの間のギャップには供給されない。

車両用動力装置の負荷が低い逆転時には、冷却の必要性が低く、冷却液をロータの軸線方向端面から送出して、ロータとステータの間のギャップへ供給を抑制する。これにより、ロータの受ける抵抗が低減される。

本発明に係る回転電機が適用される車両の要部構成を示す模式図である。動力装置の作動モードを説明するための図である。動力装置の作動モードを説明するための図である。動力装置の作動モードを説明するための図である。ロータコアの回転軸線に直交する断面を示す図である。ロータコアの回転軸線を含む断面を示す図である。第１電磁鋼板の形状を示す図である。第２電磁鋼板の形状を示す図である。第３電磁鋼板の形状を示す図である。

以下、本発明の実施形態を、図面に従って説明する。図１は、本実施形態の回転電機が適用されるハイブリッド車両１０の要部構成を示すブロック図である。ハイブリッド車両１０の動力装置１２は、１機の内燃機関１４と２機の回転電機１６，１８の３機の原動機を車両駆動用に備えている。２機の回転電機１６，１８は、いずれも発電機として動作可能である。２機の回転電機１６，１８は、例えば永久磁石同期回転電機とすることができる。

３つの原動機１４，１６，１８は、それぞれ遊星歯車機構２０に結合されている。この遊星歯車機構２０の３要素（キャリア要素、サン要素、リング要素）に原動機１４，１６，１８がそれぞれ接続されている。この動力装置１２においては、サン要素であるサンギア２２に一方の回転電機１６が接続され、リング要素である内歯歯車のリングギア２４に他方の回転電機１８が接続されている。以降、サンギア２２に接続された回転電機を第１回転電機１６、リングギア２４に接続された回転電機を第２回転電機１８と記す。遊星歯車機構２０のキャリア要素であるプラネタリキャリア２６は、サンギア２２およびリングギア２４に噛み合うプラネタリピニオン２８を回動可能に支持している。このプラネタリキャリア２６にねじりダンパ３０および入力軸３２を介して内燃機関１４が接続されている。入力軸３２は、中空に形成された第１回転電機１６の出力軸３４の内側を貫通している。リングギア２４は、第２回転電機１８の出力軸３６に接続されている。

３機の原動機１４，１６，１８と、これらが接続される遊星歯車機構２０の３要素との対応は、上記以外の組み合わせとしてもよい。３機の原動機１４，１６，１８の回転速度は、遊星歯車機構２０のギア比により定まる所定の関係を有し、２機の回転速度を決めると残りの１機の回転速度が決定する。したがって、第１および第２回転電機１６，１８の回転速度を制御することにより、内燃機関１４と駆動輪の回転速度の比を変更することができる。つまり、これらの２機の回転電機１６，１８と遊星歯車機構２０は、変速機として機能する。

リングギア２４と一体に回転する出力ギア３８が設けられ、出力ギア３８は、減速歯車列４０を介して終減速機４２に接続されている。終減速機４２はドライブシャフト４４を介して駆動輪４６に接続されている。終減速機４２は、終減速歯車と差動装置を含む。差動装置によって、左右の駆動輪４６の回転速度の差が吸収される。減速歯車列４０は、チェーンとスプロケットを含む伝達機構を含んでもよい。

２機の回転電機１６，１８には、電力変換装置４８を介して二次電池であるバッテリ５０が接続されている。２機の回転電機１６，１８は、３相交流同期回転電機とすることができ、バッテリ５０からの直流電力が電力変換装置４８により３相交流電力に変換されてこれらの回転電機１６，１８に供給される。また、回転電機１６，１８が発電機として機能するときには、発電された交流電力が電力変換装置４８により直流電力に変換されてバッテリ５０に充電される。一方の回転電機、例えば第１回転電機１６を発電機として機能させ、他方の第２回転電機１８に電力を供給することもできる。

ハイブリッド車両１０は、動力装置１２を制御する制御装置５２を更に有する。制御装置５２は、車両全体の制御を司るハイブリッド車両電子制御装置（以下、ＨＶ−ＥＣＵと記す。）５４を有する。ＨＶ−ＥＣＵ５４は、運転者のアクセルペダルやブレーキペダル等の操作から加速・減速要求を取得し、更に車両速度、各原動機１４，１６，１８の運転状態、バッテリ５０の蓄電量等の現在の車両の運行状態を把握して、適切な車両の運行状態を決定する。この運行状態の決定に基づき、各機器の電子制御装置（ＥＣＵ）が対応する各機器を制御する。内燃機関ＥＣＵ５６は、内燃機関のスロットル弁開度、燃料噴射量、バルブタイミング等を制御することにより内燃機関が目標の回転速度、出力となるように制御する。回転電機ＥＣＵ５８は、電力変換装置４８を制御して、第１および第２回転電機１６，１８が目標の回転速度、出力となるように制御する。バッテリＥＣＵ６０は、バッテリ５０の蓄電量を監視する。

第１回転電機１６は、出力軸３４と一体に回転するロータ６２と、ロータ６２を取り囲むようにロータ６２と同軸に配置されたステータ６４を有する。ロータ６２とステータ６４の間には、わずかなギャップ６６が形成されている。ロータ６２のコアは、積層された電磁鋼板により形成されている。

この動力装置１２においては、内燃機関１４および２機の回転電機１６，１８を制御することにより多様な作動モードを実現することができる。例えば、発進から所定の速度までの低負荷走行においては、内燃機関１４を停止して、第２回転電機１８のみにより車両を駆動する。ただし、バッテリ５０の蓄電量が低い場合には、内燃機関１４を運転して第１回転電機１６を駆動し、発電してバッテリ５０の充電を行う。加速時や高速走行時の高負荷走行においては、内燃機関１４と第２回転電機１８により車両を駆動し、一方、内燃機関１４の出力の一部により第１回転電機１６を駆動し発電し、この電力を第２回転電機１８に供給する。制動時には、車両の慣性により第２回転電機１８を駆動して発電し、バッテリ５０を充電する。

動力装置１２の作動モードについて更に詳しく説明する。図２〜４において、図中の３本の縦軸は、それぞれ内燃機関１４、第１および第２回転電機１６，１８の回転速度を示している。各原動機１４，１６，１８の回転速度は常に１本の直線上に並ぶ。横軸上が静止状態（０）を示し、それより上方が正転、下方が逆転を表す。図２は、高速走行や加速時などの動力装置１２に高い負荷がかかるときの状態を示す図である。また、バッテリ５０の蓄電量が減少したときの充電を行う場合も、各原動機１４，１６，１８の回転速度の関係が図２に示す状態となる。この状態では、第２回転電機１８は電動機として機能し、車両を駆動する。内燃機関１４の出力は、一部が車両の駆動に用いられ、残りが第１回転電機１６を駆動し、発電するために用いられる。

図３は、第２回転電機１８のみで車両を駆動する、いわゆるＥＶモードの状態を示す図である。第２回転電機１８が電動機として機能し、内燃機関１４は停止される。遊星歯車機構の２つの要素の速度が決定するので、他の１つの要素、つまり第１回転電機１６の速度も決定する。内燃機関１４が停止しているので、第１回転電機１６は逆転する。また、このときの第１回転電機１６は空転している。

図４は、動力装置の負荷が低い低負荷走行時のある状態を示す図である。内燃機関１４と第２回転電機１８で車両を駆動している状態を示す図である。図２の場合に比べて内燃機関１４の回転速度が低く、第１回転電機１６は逆転している。このとき、第１回転電機１６は空転してもよく、また発電してもよい。また、低負荷走行時において、第１回転電機１６が正転する場合もある。

第１回転電機１６の正転時は、発電量が大きくなる場合があり、そのときの冷却要求も大きくなる。これに対して、逆転時は、空転か、またはわずかに発電している状態であり冷却要求も小さい。したがって、ギャップ６６に冷却液を供給して、ステータ内周面などの冷却しにくい部分を冷やす必要性が低い。また、ギャップ６６に供給された冷却液は、その粘性によりロータの回転の抵抗となり、必要ないときにギャップ６６に供給されることは好ましくない。以下、第１回転電機１６のロータ６２、特にその冷却構造について説明する。

図５，６は、ロータ６２、特にロータコア６８の構造を示す図である。図５は、ロータ６２の回転軸線に直交する断面を示す。図６は、回転軸線を含む断面を示している。ただし、図６は、冷却液流路７４の各部が現れるよう、複数の断面を組み合わせて示している。ロータ６２のコア６８は薄板の電磁鋼板７０が積層して形成されている。ロータコア６８の外周近傍には永久磁石７２が配置されている。永久磁石７２は、２個で１つの磁極を形成しており、１つの磁極を形成する永久磁石７２は、外側に開いたＶ字形状に配置される。電磁鋼板７０のそれぞれにスリットが形成され、これらのスリットが連なって冷却液流路７４が形成されている。図５においては、異なる電磁鋼板７０に形成されたスリットを重ねて描いている。

冷却液流路７４は、各磁極に１ずつ設けることができ、また、一部の磁極にのみ対応して設けることができる。冷却液流路７４は、ロータコア６８の内周から径方向、好ましくはｄ軸７６に沿って外側に向けて延びる幹流路７８と、１本の幹流路７８から枝分かれする第１枝流路８０および第２枝流路８２を含む。第１枝流路８０は、正転時において下流となる向きに、幹流路７８から延び、続いて径方向外側に向かって延びている。一方、第２枝流路８２は、逆転時において下流となる向きに、幹流路７８から延び、続いて回転軸線方向に沿って延びている。幹流路７８と第１枝流路８０は、回転軸線方向においてロータ６２の中央に設けられてよく、また、中央からずれた位置に配置されてもよい。また、回転軸線方向の複数箇所に設けてもよい。

幹流路７８の径方向内側の端は、第１回転電機の出力軸３４に設けられた軸内流路８４の開口に位置合わせされており、軸内流路８４を通った冷却液を受け入れる。幹流路７８の径方向外側は、永久磁石７２から所定の間隔をあけた位置で終端している。この間隔を設けることで、永久磁石７２と幹流路７８の間を通る磁束の妨げとならないようにしている。

第１枝流路８０は、幹流路７８の外側端から周方向に、そしてやや外側に向けて延びる周方向部分８０ａと、周方向部分８０ａの端から径方向に沿って外側に延びる径方向部分８０ｂを含む。周方向部分８０ａは、Ｖ字形に配置された永久磁石７２と並行に配置することができる。径方向部分８０ｂは、周方向部分８０ａの端から外側に向けてｑ軸８６に沿って延び、ロータコア６８の外周面に開口している。ロータ６２が正転（図５において反時計回り）しているとき、幹流路７８の外側端に達した冷却液は、ロータの回転のために回転方向の下流に向けられる。この結果、冷却液は第１枝流路８０に流入し、ロータ６２の外周面から送出される。

第２枝流路８２は、幹流路７８の外側端から周方向に、そしてやや外側に向けて延びる周方向部分８２ａと、周方向部分８２ａの端からロータ６２の回転軸線に沿って延びる軸線方向部分８２ｂを含む。周方向部分８２ａは、隣の第１枝流路の周方向部分８０ａに達する前に終端する。また、周方向部分８２ａは、Ｖ字形に配置された永久磁石７２と平行に配置することができる。軸線方向部分８２ｂは、周方向部分８２ａの端からロータコア６８の軸線方向の端面に向けて延び、ロータコア６８の端面に開口している。軸線方向部分８２ｂは、ロータコア６８の両方の軸線方向の端面に開口してもよく、また一方の端面のみに開口してもよい。

図７〜９は、異なる形状のスリットが設けられた３種類の電磁鋼板７０をそれぞれ表した図である。３種類の電磁鋼板７０をそれぞれ第１電磁鋼板７０Ａ、第２電磁鋼板７０Ｂ、第３電磁鋼板７０Ｃと記す。

第１電磁鋼板７０Ａは、ロータコア６８において、回転軸線方向の中央に配置される。冷却液流路７４の回転軸線方向の寸法が適切なものとなるようにその枚数が選択されている。第１電磁鋼板７０Ａを挟むように第２電磁鋼板７０Ｂが配置される。第２電磁鋼板７０Ｂの枚数も流路寸法に基づき選択されている。第２電磁鋼板７０Ｂは、第１電磁鋼板７０Ａの一方側のみに配置されてもよい。第２電磁鋼板７０Ｂの更に外側に第３電磁鋼板７０Ｃが配置される。第３電磁鋼板７０Ｃは、ロータコア６８の端面に至るまで積層される。第２枝流路８２が両方の端面に開口する場合には、第３電磁鋼板７０Ｃは、第１および第２電磁鋼板７０Ａ，７０Ｂの外側の両側に配置される。第２枝流路８２が一方の端面にのみ開口する場合には、第３電磁鋼板７０Ｃは一方側にのみ配置され、第２枝流路８２が開口していない側の電磁鋼板７０は、冷却液流路７４を形成するためのスリットが設けられていないものである。

図７は、第１電磁鋼板７０Ａの形状を示す図である。第１電磁鋼板７０Ａには、内側周縁から外側に向けて延びる第１径方向スリット８８と、外側周縁から内側に向けて延びる第２径方向スリット９０が設けられている。１枚の第１電磁鋼板７０Ａ、または積層された複数枚の電磁鋼板７０Ａを他の電磁鋼板で挟むことにより、第１径方向スリット８８は幹流路７８を形成し、第２径方向スリット９０は第１枝流路の径方向部分８０ｂを形成する。第１径方向スリット８８の外側端、および第２径方向スリット９０の内側端は拡幅されており、隣接する電磁鋼板７０のスリットとの接続性を確保している。

図８は、第２電磁鋼板７０Ｂの形状を示す図である。第２電磁鋼板７０Ｂには、概略周方向に延びるＶ字形の周方向スリット９２が設けられている。周方向スリット９２は、Ｖ字形に配置された永久磁石７２と並行するように配置されている。Ｖ字形の正転方向の上流に向けて延びる辺に相当する部分９２ｂは、その逆方向に延びる部分９２ａより短く、隣接する周方向スリット９２にまで達していない。周方向スリット９２の屈曲している部分の位置は、第１電磁鋼板７０Ａの第１径方向スリット８８の外側端の位置に一致する。周方向スリットの部分９２ａの端の位置は、第１電磁鋼板７０Ａの第２径方向スリット９０の内側端の位置に一致する。１枚の第２電磁鋼板７０Ｂ、または積層された複数枚の電磁鋼板７０Ｂを他の電磁鋼板で挟むことにより、周方向スリット９２は第１枝流路の径方向に延びる部分８０ａおよび第２枝流路の径方向に延びる部分８２ａを形成する。

図９は、第３電磁鋼板７０Ｃの形状を示す図である。第３電磁鋼板７０Ｃには、円形スリットまたは孔９４が設けられている。円形スリット９４の位置は、第２電磁鋼板７０Ｂの周方向スリットの部分９２ｂの端の位置に一致する。第３電磁鋼板７０Ｃを積層することにより、円形スリット９４は第２枝流路の軸方向部分８２ｂを形成する。

ロータ６２が回転しているとき、冷却液流路７４の分岐点に達した冷却液は、回転方向の下流に延びる枝流路に流れる。これにより、回転方向に応じて冷却液の流れる枝流路を変更することができ、冷却液の送出される位置を変えることができる。ロータ６２が正転方向に回転しているときは、冷却液は第１枝流路８０を流れ、ロータ６２とステータ６４の間のギャップ６６に送られ、ステータ６４の内周面を冷却する。ロータ６２が逆転方向に回転しているときは、冷却液は第２枝流路８２を流れ、ロータ６２の軸線方向の端面から送出され、ギャップ６６には供給されない。したがって、冷却の必要性が低い逆転時において、ギャップ６６に存在する冷却液により引き起こされる引きずり抵抗を低減することができる。

１０ハイブリッド車両、１２動力装置、１４内燃機関（原動機）、１６第１回転電機（原動機）、１８第２回転電機（原動機）、２０遊星歯車機構、２２サンギア、２４リングギア、２６プラネタリキャリア、２８プラネタリピニオン、３０ねじりダンパ、３２入力軸、３４第１回転電機の出力軸、３６第２回転電機の出力軸、３８出力ギア、４０減速歯車列、４２終減速機、４４ドライブシャフト、４６駆動輪、４８電力変換装置、５０バッテリ、５２制御装置、６２ロータ、６４ステータ、６６ギャップ、６８ロータコア、７０電磁鋼板、７２永久磁石、７４冷却液流路、７６ｄ軸、７８幹流路、８０第１枝流路、８０ａ第１枝流路の周方向部分、８０ｂ第１枝流路の径方向部分、８２第２枝流路、８２ａ第２枝流路の周方向部分、８２ｂ第２枝流路の軸方向部分、８４軸内流路、８６ｑ軸、８８第１径方向スリット、９０第２径方向スリット、９２周方向スリット、９４円形スリット（孔）。

Claims

遊星歯車機構を介して相互に接続された１機の内燃機関と２機の回転電機を備えた車両用動力装置の一方の回転電機であって、
車両前進時において、一方の回転電機は、車両用動力装置の高負荷時に正転し、走行状況に応じて逆転もし、
さらに、一方の回転電機は、
ロータと、
ロータを取り囲むように配置されているステータと、
ロータ内に設けられている冷却液流路と、
を含み、
冷却液流路は、
ロータの内側から外側に向けて延びる幹流路と、
幹流路の最外端から正転時に下流となる向きに延び、続いて径方向に延びてロータ外周面に開口している第１枝流路と、
幹流路の最外端から第１枝流路と分かれて逆転時に下流となる向きに延び、続いて回転軸線方向に延びてロータ端面に開口している第２枝流路と、
を有する、
回転電機。