JP6365151B2

JP6365151B2 - 回転電機

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Publication number: JP6365151B2
Application number: JP2014183945A
Authority: JP
Inventors: 直内堀
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-09-10
Filing date: 2014-09-10
Publication date: 2018-08-01
Anticipated expiration: 2034-09-10
Also published as: JP2016059173A

Description

本発明は、回転電機に係り、特にステータをケースに締結するためにステータの外周側に複数の締結用突起が設けられる回転電機に関する。

回転電機のステータをケースに取り付けるために、ステータの外周側に「耳」と呼ばれる締結用突起が複数個設けられる。このように、ステータは、完全な円環形状ではなく、外周側に複数の突起形状を有する外形で構成される。

本発明の関連技術として、特許文献１には、回転電機の固定子において、固定子鉄心内径の強制振動は回転磁界による電磁力が時間的に回転して変化することから、円環振動モードのＭ＝２，４，６，８の偶数次となることを述べている。そこで固定子鉄心とこれを外周側で固定する固定子枠の騒音発生を抑制するには、固定子鉄心の円環振動モードに共振しないように、固定子枠の外形を円環振動モードのｎ＝３，５，７の奇数次とすることがよいことが述べられている。

特開２００２−１８６２０４号公報

従来から、ステータをケースに取り付けるための締結突起部の数は、主として回転電機の信頼性等の観点から定められ、回転電機の極数や巻線方式に関わらず、例えば３箇所とされることが多い。

回転電機の騒音で問題になりやすい電気２次ノイズは、ステータの円環共振が問題になる。円環共振の次数は、回転電機の極数や、巻線方式が集中巻か分布巻かによって異なる。ステータをケースに取り付ける締結箇所では振動を抑制することができるが、ステータの円周に沿った締結箇所の周期が円環共振の次数による周期と異なるときは共振やそれに伴う騒音の抑制が不十分となる。

そこで、回転電機の極数や、巻線方式に応じて締結突起部の数を変更することも考えられるが、締結突起部の数が増大すると限られた搭載可能容積の中での回転電機の搭載性が低下し、締結作業増加等でコストアップとなり、また締結剛性が変化することで回転電機の伝達特性が悪化する恐れが生じる。

本発明の目的は、ステータとケースの間の締結剛性を変化させず締結作業のコストアップを抑制しながら騒音発生を抑制できる回転電機を提供することである。

本発明に係る回転電機は、ステータコア、及び、ステータコアに設けられたティースに巻回される各相巻線を含むステータと、ステータをケースに締結するためにステータの外径側に突き出す締結用突起形状を複数個有する回転電機であって、各相巻線に駆動電流を印加することで形成される磁極のＮ極とＳ極の１対を磁極対として、複数個の締結用突起形状は、各相巻線が集中巻の場合には、極対数と同数でステータの円周上に等間隔で配置され、１つの相巻線が２以上の所定数のティースに分布して巻回される分布巻の場合は、（所定数）×極対数）と同数でステータの円周上に等間隔で配置され、複数個のうちの一部の個数のみを用いてケースに締結されることを特徴とする。

上記構成により、回転電機における締結用突起形状の数は回転電機の極対数に応じて予め定めた複数個数に設定されるが、ステータとケースの締結には、その一部の個数のみが用いられる。

例えば、回転電機の巻線方式が集中巻で、極対数が５であるときは締結用突起形状の総数を５として、ステータの５つの突起を有する外形の剛性によって円環共振の５次以外の低周波側の共振を抑制し、締結は、従来通りの３箇所とできる。

これにより、ステータとケースの間の締結剛性を従来通りとし、締結作業も従来通りとしながら、回転電機の巻線方式や極対数に応じて騒音発生を抑制できる。

本発明に係る実施の形態の回転電機を含む車両用のトランスアクスルの構成を示す図である。図１（ａ）は側面図で、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。本発明に係る実施の形態の回転電機について電気２次ノイズの例を示す図である。本発明に係る実施の形態の回転電機において、集中巻の極対数＝５のステータに締結用突起形状が３つある場合と５つある場合について、イナータンス周波数応答特性を用いてそれぞれの共振周波数を示す図である。本発明に係る実施の形態の回転電機の比較例として、ステータに締結用突起形状が全くない周方向に沿って完全に均一形状のステータに、強制加振力が入力されたときのイナータンス周波数応答特性を示す図である。図４（ａ）は強制加振力の入力が１点の場合の「１点入力」の場合（集中巻の極対数＝１に対応。以下同じ）、（ｂ）は「２点入力」の場合（集中巻の極対数＝２）、（ｃ）は「３点入力」の場合（集中巻の極対数＝３）、（ｄ）は「４点入力」の場合（集中巻の極対数＝４）、（ｅ）は「５点入力」の場合（集中巻の極対数＝５）である。本発明に係る実施の形態の回転電機として、ステータに締結用突起形状が３つあるステータに、強制加振力が入力されたときのイナータンス周波数応答特性を示す図である。図５（ａ）から（ｅ）は、図４（ａ）から（ｅ）に対応する図である。本発明に係る実施の形態の回転電機として、ステータに締結用突起形状が５つあるステータに、強制加振力が入力されたときのイナータンス周波数応答特性を示す図である。図６（ａ）から（ｅ）は、図４（ａ）から（ｅ）に対応する図である。本発明に係る実施の形態の回転電機において、回転電機の極対数に応じた締結用突起形状の数を、集中巻と分布巻に分けて示す図である。本発明に係る実施の形態の回転電機を集中巻の極対数＝５として、複数の締結用突起形状の中でケースとの締結に用いられる締結用突起形状を示す図である。図８（ａ）は比較例で、図７と異なり、複数の締結用突起形状の数＝３の場合を示し、（ｂ）と（ｃ）は、図７に従い複数の締結用突起形状の数＝５としたときで、（ｂ）は締結に用いられる締結用突起形状の数＝３の場合、（ｃ）は締結に用いられる締結用突起形状の数＝５の場合を示す図である。図８（ａ），（ｂ），（ｃ）のそれぞれについてイナータンス周波数応答特性を示す図である。図９（ａ）は、ステータの径方向におけるイナータンス周波数応答特性を示し、（ｂ）は、入力点をステータ、応答点をトランスアクスルケースの発音部位の代表点とした場合のイナータンス周波数応答特性を示す図である。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、車両用のトランスアクスルに搭載される回転電機について、ステータがトランスアクスルケースに締結されるものを述べるが、これは説明のための例示であって、これ以外の用途に用いられる回転電機でもよく、ステータが締結される相手は、トランスアクスルケース以外のケースであってもよい。

以下では、集中巻で極対数＝５、締結用突起形状の数＝５、締結手段によって実際にケースに締結される締結用突起形状の数＝３の回転電機を主として述べるが、これは説明のための例示であって、図７に示すように、集中巻と、２つのティースに分布して同じ相巻線が分布する分布巻との場合には、極対数＝ｐとして、締結用突起形状の数＝（ｐまたは２ｐ）であって、（ｐまたは２ｐ）の数の締結用形状の一部のみを用いて、締結手段によって実際にケースに締結されるものが本発明に含まれる。

以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、回転電機２０を含む車両用のトランスアクスル１０の構成図である。車両用のトランスアクスル１０は、車両の走行等に用いられる回転電機、減速装置等をトランスアクスルケース１２の内部に収容した動力装置である。図１（ａ）は、トランスアクスル１０の側面図で、車両用のトランスアクスル１０に回転電機２０が搭載される。図１（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。

回転電機２０は、車両が力行するときは電動機として機能し、車両が制動時にあるときは発電機として機能するモータ・ジェネレータで、三相回転電機である。回転電機はステータ２２と、ステータ２２の内周側に所定の隙間を隔てて配置されるロータとで構成される。ロータには複数の永久磁石が配置される。

ステータ２２は、ステータコアと、ステータコアに巻回される各相巻線を含んで構成される。ステータコアは、環状の磁性体部品で、外周側のベース部、ベース部から内径側に突き出す複数のティース、隣接するティースの間の空間であるスロットを含んで構成される。各相巻線は、スロットに挿通されてティースに巻回される。巻線方式は、１つの相巻線が１つのティースに集中的に巻回される集中巻である。巻線方式としては、１つの相巻線が複数のティースに分布して巻回される分布巻があるが、これについては、図７において後述する。図１（ｂ）に示すコイルエンド２４は、各相巻線がステータ２２の軸方向両端部で突き出した部分である。

ステータ２２に巻回される巻線に所定の駆動電流が印加されることによってティースは磁化されて磁極となり、三相駆動方式ではステータ２２の周方向に沿って磁極の位置が移動する回転磁界を形成する。集中巻の場合、Ｎ極とＳ極を１対とした極対数を単位として、回転磁界とロータの永久磁石との相互作用が生じ、これによってステータ２２は強制振動を受ける。

回転電機２０は、極対数＝５の集中巻であるので、ステータ２２が回転磁界によって受ける強制力は、ステータ２２の内径側の周方向に沿って極対数と同じ数の等間隔の周期を有する。強制力のピーク位置は、ステータ２２の内径側の円周に沿った一周について５箇所である。ステータ２２の内径側一周当りについて回転磁界によって受ける強制力のピーク位置の数を「・・点入力」と呼ぶことにすると、極対数＝５の集中巻では、「５点入力」となる。

ステータ２２は、外径側に突き出す締結用突起形状を複数個有する。締結用突起形状は、ステータ２２をトランスアクスルケース１２に締結するために、もともと円環状の形状であるステータコアの外径側に耳状に突き出して設けたものである。以下では、特に断らない限り、締結用突起形状を耳と呼ぶ。図１（ａ）に示すように、回転電機２０のステータ２２は、５個の耳３０，３１，３２，３３，３４を有する。５個の耳３０，３１，３２，３３，３４は、ステータ２２の周方向の一周である角度３６０度を均等に５分割した７２度の角度毎に配置される。

このうち、実際に締結手段を用いてトランスアクスルケース１２との間の締結に用いられるのは５個のうちの一部の３個である。図１（ａ）では、耳３０，３２，３４の３個である。図１（ｂ）は、耳３０，３２とステータ２２の軸方向中心点を結ぶＢ−Ｂ線に沿った断面図である。ここでは、Ｂ−Ｂ線に沿った断面図に現われる２つの耳３０，３２に設けられる締結用穴に締結手段２６，２８としてのボルトが通され、ボルトの先端がトランスアクスルケース１２に設けられるめねじ部にねじ込まれて、ステータ２２をトランスアクスルケース１２にしっかりと締結する様子が示される。

このように、極対数＝５の集中巻の回転電機２０において、ステータ２２に極対数と同じ総数の耳３０，３１，３２，３３，３４を設けながら、実際に締結ボルト等の締結手段２６，２８を用いてトランスアクスルケース１２との間の締結に用いられるのは５個のうちの一部の耳３０，３２，３４の３個とするのは、以下の理由である。

実際に締結ボルト等の締結手段２６，２８を用いてトランスアクスルケース１２との間の締結に用いられるのを耳３０，３２，３４の３個とするのは、従来技術で回転電機をケースに締結する場合の締結箇所の数が３であることに従ったものである。これにより、ステータ２２とトランスアクスルケース１２の間の締結剛性を従来通りとして、回転電機とケースの間の振動伝達特性等を同じものとでき、締結作業も従来通りの３箇所締結作業とすることができる。

ステータ２２に極対数と同じ総数の耳３０，３１，３２，３３，３４を設けたのは、極対数＝５の集中巻の場合、ステータ２２が回転磁界によって受ける強制力が「５点入力」となるためである。仮に、従来技術のように、ステータ２２に３個の耳のみを設け、この３個の耳の全部を用いてトランスアクスルケース１２にステータ２２を締結すると、「５点入力」の強制力に対し、ステータ２２の外形に基づく剛性がアンバランスとなり、「５点入力」の強制力に対する円環５次以外の共振である円環２次共振や円環３次共振が発生し、回転電機２０の低周波側の騒音レベルが高くなる。そこで、「５点入力」の強制力に対する円環５次共振にステータ２２の外形の剛性を合わせて、実際に締結に用いられるかどうかは別にして、耳の総数を５個とし、円環５次共振以外の円環２次共振等を抑制する。

この場合に、５個の耳３０，３１，３２，３３，３４の全部に対して締結手段２６，２８を用いてトランスアクスルケース１２にステータ２２を締結すれば、「５点入力」の強制力に対する円環５次共振以外の円環２次共振等をほぼ完全に抑制できる。しかし、そのようにすると、従来技術の３点締結法に対し、ステータ２２とトランスアクスルケース１２の間の締結剛性が変化し、また、締結作業も従来よりも工数が増加する。そこで、シミュレーションを行い、ステータ２２に極対数と同じ総数の耳３０，３１，３２，３３，３４を設け、実際に締結手段２６，２８を用いてトランスアクスルケース１２に締結作業を行う耳の数を変えて、騒音発生の程度を比較した。後述するように、その結果、騒音発生の程度は、ステータ２２の外形を形作る耳の総数の依存度が支配的で、実際に締結手段２６，２８を用いてトランスアクスルケース１２に締結される耳の数にあまり依存しないことが分かった。

これにより、５個の耳３０，３１，３２，３３，３４の一部である３個の耳３０，３２，３４のみを用いて、ステータ２２をトランスアクスルケース１２に締結することで、ステータ２２とトランスアクスルケース１２の間の締結剛性を従来通りとし、締結作業も従来通りとしながら、回転電機２０の低周波側の騒音発生を抑制することができる。

上記構成の作用等について、図２以下を用いて、実験やシミュレーションによって確認した結果等を詳細に説明する。

図２は、従来技術における回転電機について、電気２次ノイズの周波数特性の実測値の例を示す図である。横軸は周波数、縦軸は音圧レベルである。実線は、ステータがコイルエンドを含めてモールド成形されたモールド品の場合、破線は、ワニスでステータコアに各相巻線等を固定しモールド成形を行わないワニス品の場合である。

図２の例では、ワニス品に比較するとモールド品の方が電気２次ノイズの発生が抑制され、ワニス品で騒音が大きく問題になりやすいことが示される。

図３は、極対数＝５の集中巻のステータに耳の総数が３つの場合と５つの場合について、シミュレーションによって、イナータンス周波数応答特性を求めた例を示す図である。図３の横軸は周波数、縦軸はイナータンスである。

縦軸のイナータンスは、振動関連技術分野で用いられる伝達関数の１つで、物体に入力する力Ｆとそれによって発生する加速度Ａの比であり、Ｆを１Ｎ（ニュートン）とし、Ａを（ｍ／ｓ²）で示すとき、イナータンス（ｄＢ）＝｛２０ｌｏｇ（Ａ／１０^-3）｝で求められる。イナータンスは、図３のように周波数応答特性を用いて、イナータンスがピークとなる周波数を共振周波数として、共振周波数から物体の固有振動数を求めるのに用いられる。以下では、必要に応じ、イナータンスをＩＮＴと表示する。

図３において、実線は耳の総数が５つの場合で、破線は耳の総数が３つの場合である。耳の総数が３で極対数＝５と異なる場合には、円環３次共振のピークや、円環３次共振のピーク等が現われるが、耳の総数＝５＝極対数の場合には円環２次共振や円環３次共振が現われないことが分かる（後述の図６（ｅ）参照）。

図４から図６は、極対数と耳の総数の関係について、シミュレーションによって求めたイナータンス周波数応答特性を比較した図である。イナータンス周波数応答特性の縦軸、横軸は、図３で説明したものと同じである。図４は耳の数＝０、図５は耳の総数＝３、図６は耳の総数＝５についての場合である。

各図において、（ａ）から（ｂ）は、集中巻における極対数、すなわち、ステータ２２が回転磁界によって受ける強制力のピーク位置の数を「１点入力」から「５点入力」まで変化させた場合をそれぞれ示す。例えば、図５（ｃ）は、極対数＝５の集中巻において耳の総数＝３の場合のイナータンス周波数応答特性を示し、図３の破線の特性に相当する。図６（ｃ）は、極対数＝５の集中巻において耳の総数＝５の場合のイナータンス周波数応答特性を示し、図３の実線の特性に相当する。ここでは、各ピークの発生原因となる円環共振の次数をｎで示した。例えば、ｎ＝３は円環３次の共振を示し、ｎ＝５は円環５次の共振を示す。

図３に示すように、耳の数＝０でステータ２２の外形が完全に均一形状の円形の場合には、「３点入力」以上では円環２次共振が励起されない。

耳の総数＝３の場合には、図４に示すように、「３点入力」、すなわち集中巻で極対数＝３のときに円環２次共振が励起されないが、集中巻でこれ以外の極対数のときは、いずれも低周波の騒音の原因となる円環２次共振等が励起される。

耳の総数＝５の場合には、図５に示すように、「５点入力」、すなわち集中巻で極対数＝５のときに円環２次共振が励起されないが、集中巻でこれ以外の極対数のときは、いずれも低周波の騒音の原因となる円環２次共振等が励起される。

このように、集中巻の場合、耳の総数＝極対数とすることで、低周波の騒音の原因となる円環２次共振を抑制することができることが分かる。

図７は、円環２次共振の励起を抑制できる耳の総数と極対数の関係を整理した図である。上記では、巻線方式として１つの相巻線が１つのティースに集中的に巻回される集中巻の場合について述べたが、巻線方式としては、集中巻の他に、１つの相巻線が複数のティースに分布して巻回される分布巻がある。分布巻の場合は、例えば２つのティースに分布して１つのＮ極またはＳ極を形成するので、強制加振力は、ステータ２２の内径側の周方向に沿って等間隔で（２×極対数）と同じ数の入力数になる。そこで、同じ極対数に対して、円環２次共振を抑制できる耳の総数は、分布巻の場合、集中巻の２倍となる。例えば、図１の構成では、極対数＝５の集中巻で、円環２次共振を抑制できる耳の総数＝５であるが、これを極対数＝５で２つのティースに分布して同じ相巻線が分布する分布巻の場合、円環２次共振を抑制できる耳の総数＝１０となる。なお、分布巻が分布して巻回されるティースの数が２以外のときは、分布して巻回されるティースの数に応じて、円環２次共振を抑制できる耳の数が変化する。

図８、図９は、円環２次共振を抑制する耳の総数を図７に従って設定したときに、耳の総数の一部について実際に締結手段２６，２８を用いてステータ２２をトランスアクスルケース１２に締結したときの効果をシミュレーションで確認した結果を示す図である。

図８は、回転電機２０を極対数＝５の集中巻として、複数の耳の中でトランスアクスルケース１２に締結手段２６，２８を用いて実際に締結される耳の数＝３とした３つの例を示す図である。

図８（ａ）は、比較例として従来技術の締結方法を示す図で、図７と異なり、耳の総数＝３の例である。この３つの耳３０，３６，３８は、すべて実際に締結手段２６，２８を用いてステータ２２をトランスアクスルケース１２に締結される。

図８（ｂ）は、図７に従い、耳の総数＝極対数＝５とし、５つの耳３０，３１，３２，３３，３４の中で、実際に締結手段２６，２８を用いてステータ２２をトランスアクスルケース１２に締結されるのは、３つの耳３０，３２，３４のみで、他の２つの耳３１，３３は、実際にステータ２２をトランスアクスルケース１２に締結させるために用いられないいわばダミーの耳である。なお、ダミーの耳には締結手段２６，２８を通すための締結用穴を設けなくてもよい。

図８（ｃ）は、図７に従い、耳の総数＝極対数＝５とし、５つの耳３０，３１，３２，３３，３４の全てが、実際に締結手段２６，２８を用いてステータ２２をトランスアクスルケース１２に締結されるのに用いられる。図８（ｂ）のようなダミーの耳がない。

図９は、図８（ａ），（ｂ），（ｃ）のそれぞれについてイナータンス周波数応答特性を示す図である。イナータンス周波数応答特性の縦軸、横軸は、図３で説明したものと同じである。図９（ａ）は、ステータ２２の径方向におけるイナータンス周波数応答特性を示し、（ｂ）は、入力点をステータ２２、応答点をトランスアクスルケース１２の発音部位の代表点とした場合のイナータンス周波数応答特性を示す図である。各図において、一点鎖線は図８（ａ）の場合の結果を示し、実線は図８（ｂ）の場合の結果を示し、破線は図８（ｃ）の場合の結果を示す。

図９（ａ），（ｂ）に示されるように、イナータンスのピークの大きさは、極対数＝５と（耳の総数＝３＝実際に締結手段２６，２８を用いた耳の数）である図８（ａ）の場合が最も大きく、（極対数＝５＝耳の総数＝実際に締結手段２６，２８を用いた耳の数）である図８（ｃ）の場合が最も小さい。すなわち、極対数と耳の数を同じにした方が騒音抑制に効果的で、かつ（耳の総数＝実際に締結手段２６，２８を用いた耳の数）とする方が騒音抑制に最も効果的である。

また、図８（ｂ）の構成である（極対数＝５＝耳の総数）であるが、（耳の総数＜実際に締結手段２６，２８を用いた耳の数）を図８（ａ），（ｃ）の構成と比較すると、図８（ｂ）の構成による騒音抑制の程度は、図８（ａ）の構成による騒音抑制の程度よりも良く、図８（ｃ）の構成による騒音抑制の程度ほどは良くないが、ほとんど変わらない程度である。

このことから、騒音発生の程度は、ステータ２２の外形を形作る耳の総数が支配的で、実際に締結手段２６，２８を用いてトランスアクスルケース１２に締結される耳の数にあまり依存しないことが分かった。

これにより、図９（ｂ）の構成である５個の耳３０，３１，３２，３３，３４の一部である３個の耳３０，３２，３４のみを用いて、ステータ２２をトランスアクスルケース１２に締結することで、ステータ２２とトランスアクスルケース１２の間の締結剛性を従来通りとし、締結作業も従来通りとしながら、回転電機２０の騒音発生を抑制することができる。

１０車両用のトランスアクスル、１２トランスアクスルケース、２０回転電機、２２ステータ、２４コイルエンド、２６，２８締結手段、３０，３１，３２，３３，３４，３６，３８締結用突起形状（耳）。

Claims

ステータコア、及び、前記ステータコアに設けられたティースに巻回される各相巻線を含むステータと、前記ステータをケースに締結するために前記ステータの外径側に突き出す締結用突起形状を複数個有する回転電機であって、
前記各相巻線に駆動電流を印加することで形成される磁極のＮ極とＳ極の１対を磁極対として、
複数個の前記締結用突起形状は、
前記各相巻線が集中巻の場合には、前記極対数と同数で前記ステータの円周上に等間隔で配置され、
１つの相巻線が２以上の所定数の前記ティースに分布して巻回される分布巻の場合は、｛（所定数）×（前記極対数）｝と同数で前記ステータの円周上に等間隔で配置され、
複数個のうちの一部の個数のみを用いて前記ケースに締結されることを特徴とする回転電機。