WO2012029707A1 - ハイブリッド自動車 - Google Patents

Abstract

　この発明は、界磁巻線が巻回される静止継鉄部を変速機ユニット側に配置し、エンジンユニットから静止継鉄部を介して界磁巻線に伝達される熱量を抑制し、界磁巻線の過度の温度上昇を抑えることができるハイブリッド自動車を得ることを目的とする。　このハイブリッド自動車では、界磁固定型回転電機が、回転子をエンジンユニットのクランクシャフトに直結されてエンジンユニットと変速機ユニットとの間に配設されている。そして、静止継鉄部が、界磁巻線を第１および第２爪状磁極部の内径側に位置するように変速機ユニット側から回転子内に配置され、静止継鉄部取付台座が、静止継鉄部の大径部の変速機ユニット側の端部を保持している。

Description

ハイブリッド自動車

　この発明は、界磁巻線が静止継鉄部に取り付けられた回転電機を備えたハイブリッド自動車に関し、特にエンジンユニットと変速機ユニットとの間に介装された回転電機の取付構造に関するものである。

　従来のエンジン始動充電装置は、エンジンの出力軸に直結されたブラシレスモータを備え、始動操作が行われたときには、エンジンを始動させ、加速状態にあるときには、エンジンを加速し、始動操作が停止されたとき、および加速状態を脱したときには、発電するように、ブラシレスモータを動作させていた（例えば、特許文献１参照）。

　従来のエンジン始動充電装置においては、ブラシレスモータは、歯状部を咬合させて、非磁性のリングにより連結された円筒状の第１ロータおよび環状の第２ロータと、環状の界磁鉄心に巻回され、第１ロータの歯状部の内周部に形成された環状の凹部に収納された界磁巻線と、第１および第２ロータの歯状部の外周部に所定の隙間を持って環状に配設される電機子鉄心と、電機子鉄心に巻装された電機子巻線と、を備え、第１ロータをエンジンのクランクシャフトに固定し、界磁鉄心をエンジンのシリンダブロックに固定し、さらに電機子鉄心をトランスミッションケースに固定して取り付けられている。

特開昭６１－３８１６１号公報

　従来のエンジン始動充電装置では、界磁鉄心がエンジンのシリンダブロックに固定されているので、エンジンでの発熱が界磁鉄心を介して界磁巻線に伝達され、界磁巻線の温度が過度に上昇してしまうという不具合があった。

　この発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、界磁巻線が巻回される静止継鉄部を変速機ユニット側に配置し、エンジンユニットから静止継鉄部を介して界磁巻線に伝達される熱量を抑制し、界磁巻線の過度の温度上昇を抑えることができるハイブリッド自動車を得ることを目的とする。

　この発明に係るハイブリッド自動車は、走行用駆動源として内燃エンジンおよび界磁固定型回転電機と、上記内燃エンジンおよび界磁固定型回転電機による駆動力の両方又は一方を駆動軸に出力するトランスミッションと、を備えている。上記界磁固定型回転電機は、フレームと、上記フレームに固定されて該フレーム内に配設された電機子と、上記電機子内に配設され、起磁力により磁化される複数の磁極が外周側に周方向に配列して形成された回転子と、通電されると上記起磁力を発生する界磁巻線と、円環状に作製され、上記界磁巻線が巻装された静止継鉄部と、を備えている。そして、上記界磁固定型回転電機が、上記回転子を上記エンジンユニットの出力軸に直結されて該エンジンユニットと上記変速機ユニットとの間に配設され、上記静止継鉄部が、上記界磁巻線が上記複数の磁極の内径側に位置するように上記変速機ユニット側から上記回転子内に配置されて、該回転子と同軸に、かつ静止状態に静止部材に保持されている

　この発明によれば、静止継鉄部が、界磁巻線を複数の磁極の内径側に位置するように変速機ユニット側から回転子内に配置されて静止部材に保持されているので、エンジンユニットからの熱が静止継鉄部に直接伝達されない。また、静止継鉄部が静止状態に静止部材に保持されているので、熱伝達しにくい空気層が回転子と静止継鉄部との間に介在し、エンジンユニットから回転子を介して静止継鉄部への熱伝達が抑えられる。そこで、エンジンユニットでの発熱に起因する界磁巻線の過度の温度上昇が抑えられる。

この発明の実施の形態１に係るハイブリッド自動車を示す概略図である。 この発明の実施の形態１に係るハイブリッド自動車における界磁固定型回転電機の実装状態を説明する要部断面図である。 この発明の実施の形態１に係るハイブリッド自動車における界磁固定型回転電機の界磁巻線の取付構造を説明する斜視図である。 この発明の実施の形態２に係るハイブリッド自動車における界磁固定型回転電機の界磁巻線の取付構造を説明する斜視図である。 この発明の実施の形態３に係るハイブリッド自動車における界磁固定型回転電機の静止継鉄部取付台座の取付構造を説明する要部斜視図である。 この発明の実施の形態４に係るハイブリッド自動車における界磁固定型回転電機の実装状態を説明する要部断面図である。

　以下、本発明のハイブリッド自動車の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。

　実施の形態１．
　図１はこの発明の実施の形態１に係るハイブリッド自動車を示す概略図、図２はこの発明の実施の形態１に係るハイブリッド自動車における界磁固定型回転電機の実装状態を説明する要部断面図、図３はこの発明の実施の形態１に係るハイブリッド自動車における界磁固定型回転電機の界磁巻線の取付構造を説明する斜視図である。

　図１において、ハイブリッド自動車１は、例えば、ガソリンを燃焼させることによって駆動力を発生させるエンジンユニット２と、電力により駆動力を発生させてエンジンユニット２の出力をアシストするとともに、発電機として動作してエネルギーを回生する界磁固定型回転電機１０と、エンジンユニット２および界磁固定型回転電機１０の駆動力を駆動軸５に伝達する変速機ユニット４と、を備える。ここで、エンジンユニット２および界磁固定型回転電機１０が、走行用駆動源となる。

　界磁固定型回転電機１０は、インバータ回路６を介してバッテリ７に接続されている。そして、インバータ回路６がモータ制御装置８により駆動制御され、バッテリ７の直流電力が交流電力に変換されて界磁固定型回転電機１０に供給され、界磁固定型回転電機１０が電動機として動作され、エンジンユニット２の始動やエンジンユニット２の出力のアシストに寄与する。あるいは、インバータ回路６がモータ制御装置８により駆動制御され、界磁固定型回転電機１０が発電機として動作され、界磁固定型回転電機１０で発生した交流電力が直流電力に変換されてバッテリ７に充電され、エネルギーが回生される。また、エンジンユニット２の動作は、エンジン制御装置９により制御される。

　ここで、界磁固定型回転電機１０の構成について、図２および図３を参照しつつ説明する。
　界磁固定型回転電機１０は、起磁力により磁化される複数の磁極が外周側に周方向に配列して形成された回転子１１と、回転子１１との間に微小な空隙を介して回転子１１を囲繞するように配設される電機子３０と、電機子３０を固定状態に支持するフレーム３３と、通電されて起磁力を発生する界磁巻線２２と、界磁巻線２２を保持する静止継鉄部１８と、静止継鉄部１８を静止状態に保持する静止継鉄部取付台座２４と、を備える。

　回転子１１は、鉄などの磁性材料で作製されたランデル型の回転子であり、円筒状のボス部１３、ボス部１３の軸方向一端から径方向外方に延設された厚肉リング状の継鉄部１４、およびそれぞれ継鉄部１４の延出端から軸方向他側に延設され、周方向に等角ピッチで配列された複数の第１爪状磁極部１５を有する回転子鉄心１２と、それぞれ軸方向他側から軸方向一側に延在し、第１爪状磁極部１５と噛み合うように周方向に等角ピッチで配列された複数の第２爪状磁極部１６と、を備えている。第１および第２爪状磁極部１５，１６は、その最外径面を略台形形状とし、周方向幅が先端側に向って徐々に狭くなり、かつ径方向厚みが先端側に向って徐々に薄くなる先細り形状に作製され、起磁力により磁化される磁極を構成する。第１および第２爪状磁極部１５，１６は、それぞれステンレスなどの非磁性材料製の連結リング１７に溶接などで固着され、周方向に交互に配列された状態で一体に連結されている。

　静止継鉄部１８は、鉄などの磁性材料で、大径部１９と小径部２０とが軸方向に連設されたステップ状の断面形状を有する円環状に作製されている。さらに、リード線引き出し穴２１が、大径部１９の外径側を軸方向に貫通するように形成されている。静止継鉄部１８は、ボス部１３、継鉄部１４、第１および第２爪状磁極部１５，１６により形成される凹部に、小径部２０を継鉄部１４に向けて配設される。このとき、静止継鉄部１８は、ボス部１３、継鉄部１４、および第２爪状磁極部１６との間に微小な隙間が形成される形状に形成されている。そして、大径部１９が、ボス部１３と第２爪状磁極部１６との間に位置し、ボス部１３と第２爪状磁極部１６との間の磁路を構成する。

　界磁巻線２２は、導体線をボビン（図示せず）に環状に巻回して作製され、小径部２０に外嵌状態に装着され、接着剤などにより固着されて静止継鉄部１８に保持される。
　静止継鉄部取付台座２４は、例えばアルミニウム、銅、ステンレスなどの非磁性金属材料の平板をプレス成形して作製され、静止継鉄部１８の大径部１９の端面に適合する環状のベース部２５、それぞれベース部２５の外周面から径方向外方に延在して、周方向の等角ピッチで配列された４本の連結部２６、および連結部２６のそれぞれの延出端に形成された固定部２７を備えている。

　電機子３０は、ティース部がそれぞれ内周側に延在するように周方向に等角ピッチで複数形成された円環状の電機子鉄心３１と、導体線をティース部に巻回して作製された電機子巻線３２と、を備える。
　フレーム３３は、例えばアルミニウムのダイカストにより円筒状に作製されている。

　このように構成された界磁固定型回転電機１０を組立てるには、まず、電機子鉄心３１をフレーム３３内に圧入し、電機子３０をフレーム３３に一体に組み付ける。また、ベース部２５を静止継鉄部１８の大径部１９の端面に突き合わせ、両者をねじ２９により締着固定して、静止継鉄部１８を静止継鉄部取付台座２４に保持させる。そして、界磁巻線２２のリード線２３をリード線引き出し穴２１から引き出し、連結部２６に沿わせて径方向外方に引き延ばす。リード線２３の先端には、コネクタ２８が装着されている。

　ついで、継鉄部１４をエンジンユニット２に向けて、エンジンユニット２の出力軸であるクランクシャフト３をボス部１３の中心穴に圧入させ、回転子１１をクランクシャフト３に直結させる。また、フレーム３３をエンジンユニット２にボルトなどにより機械的に固定状態に取り付ける。これにより、回転子１１と電機子３０とが同軸に配置されてフレーム３３内に収納され、回転子１１と電機子３０との間に微小な空隙が確保され、回転子１１がクランクシャフト３に直結されて回転可能となっている。

　固定部２７をねじ等により静止部材としての変速機ユニット４に締着固定して、静止継鉄部取付台座２４を変速機ユニット４に取り付ける。そして、界磁巻線２２が第１および第２爪状磁極部１５，１６の内径側に位置するように、クランクシャフト３の軸方向と平行に変速機ユニット４を界磁固定型回転電機１０に近づけ、静止継鉄部１８をボス部１３、継鉄部１４、第１および第２爪状磁極部１５，１６により形成される凹部に挿入する。そして、変速機ユニット４をフレーム３３にボルトなどにより機械的に固定状態に取り付ける。これにより、界磁固定型回転電機１０がエンジンユニット２と変速機ユニット４との間に配設される。

　このように構成されたハイブリッド自動車１の動作について説明する。
　まず、イグニッションスイッチ（図示せず）がスタート位置まで回動操作されると、バッテリ７のバッテリ電圧が界磁巻線２２に供給されるとともに、インバータ回路６がモータ制御装置８により駆動制御され、バッテリ７の直流電力が交流電力に変換されて、電機子巻線３２に供給される。回転子１１では、界磁巻線２２に通電されて起磁力が発生し、第１および第２爪状磁極１５，１６が磁化され、Ｎ極とＳ極とが回転子１１の外周面に周方向に交互に形成される。そして、電機子３０では、交流電流が電機子巻線３２に通電され、電機子鉄心３１に所定の磁極が誘導される。電機子鉄心３１に誘導された磁極と回転子１１の外周面に形成された磁極との間に電磁力が発生し、回転子１１が回転を開始する。これにより、クランクシャフト３が回転を開始し、エンジンユニット２が始動される。

　エンジンユニット２が始動されると、電機子巻線３２への交流電力の供給が停止され、界磁固定型回転電機１０は発電機として動作される。そして、エンジンユニット２のクランクシャフト３に直結された回転子１１が回転され、電機子巻線３２に三相交流電圧が誘起される。そこで、モータ制御装置８がインバータ回路６を駆動制御し、電機子巻線３２に誘起された三相交流電力を直流電力に変換し、バッテリ７や車載負荷に供給される。

　そして、アクセルが踏み込まれ、加速状態にあると判断されると、界磁固定型回転電機１０が電動機として動作され、エンジンユニット２のトルクに、界磁固定型回転電機１０のトルクが加えられる。そして、エンジンユニット２の回転数が所定値を超え、車両が通常走行状態に至ったと判断されると、界磁固定型回転電機１０の電動機としての動作が停止され、発電機として動作される。
　そして、クランクシャフト３の回転トルクは、変速機ユニット４の変速機構（図示せず)により所定の変速比に変換されて駆動軸５に伝達され、ハイブリッド自動車１が走行される。

　ここで、界磁巻線２２は、静止継鉄部１８の小径部２０に巻装されて、ボス部１３、継鉄部１４、第１および第２爪状磁極部１５，１６により形成される凹部に配設されるので、界磁巻線２２に冷却風を供給しにくい構造となっている。そこで、界磁巻線２２の過度の温度上昇を避けるために、他の発熱部品から界磁巻線２２への受熱を抑えることが望ましい。

　この実施の形態１では、回転子１１が継鉄部１４をエンジンユニット２に向けてクランクシャフト３に直結され、静止継鉄部１８がボス部１３、継鉄部１４、第１および第２爪状磁極部１５，１６により形成される凹部に変速機ユニット４側から装着されている。したがって、エンジンユニット２での発熱は、直接静止継鉄部１８に伝達されることがなく、回転子１１を介して静止継鉄部１８に伝達されることになる。静止継鉄部１８が静止状態に保持されているので、静止継鉄部１８とボス部１３との間、および静止継鉄部１８と継鉄部１４との間には、微小な隙間が形成され、熱伝達しにくい空気層が存在する。そこで、回転子１１を介して静止継鉄部１８に伝達される熱量は低減されるので、エンジンユニット２での発熱に起因する界磁巻線２２の温度上昇が抑えられる。

　リード線引き出し穴２１を通って静止継鉄部取付台座２４側に引き出された界磁巻線２２のリード線２３が変速機ユニット４内を通って外部に引き出された場合には、変速機ユニットの大幅な設計変更をともなう。しかし、この実施の形態１では、界磁巻線２２のリード線２３がリード線引き出し穴２１を通って静止継鉄部取付台座２４側に引き出され、静止継鉄部取付台座２４を介して径方向外方に引き出されている。そこで、変速機ユニット４の大幅な設計変更を伴うことなく、リード線２３を引き出すことができるので、低コスト化が図られる。

　静止継鉄部取付台座２４が、静止継鉄部１８の大径部１９の端面に適合する環状のベース部２５、それぞれベース部２５の外周面から径方向外方に延在して、周方向の等角ピッチで配列された４本の連結部２６、および連結部２６のそれぞれの延出端に形成された固定部２７を備えているので、材料費を削減できるとともに、軽量化が図られる。そして、リード線２３が連結部２６に沿って径方向外方に引き出されているので、リード線２３の引き出しが容易となる。

　静止継鉄部取付台座２４が、非磁性の金属材料で作製されているので、界磁巻線２２により発生した磁束が静止継鉄部取付台座２４を介して漏れ出ることがない。
　また、静止継鉄部取付台座２４が金属材料で作製されているので、界磁巻線２２での発熱が静止継鉄部１８から静止継鉄部取付台座２４を介して外部に放熱され、界磁巻線２２の温度上昇が抑えられる。界磁巻線２２の温度上昇を抑制する観点から、静止継鉄部取付台座２４は、銅、アルミニウムなどの良熱伝導金属材料で作製することが好ましい。

　なお、上記実施の形態１では、界磁巻線のリード線が静止継鉄部の大径部を貫通するように形成されたリード線引き出し穴を介して静止継鉄部取付台座側に引き出されるものとしているが、静止継鉄部の大径部の外周面に溝方向を軸方向として形成されたリード線引き出し溝を通してリード線を引き出してもよい。

　また、上記実施の形態１では、フレームをアルミニウムで作製して、軽量化を図っているが、フレームの材料はアルミニウムに限定されず、ステンレスの非磁性金属材料や鉄などの磁性金属材料で作製してもよい。
　また、上記実施の形態１では、フレームをエンジンユニットにボルトなどにより固定し、変速機ユニットをフレームにボルトなどにより固定するものとしているが、フレームをエンジンユニットと変速機ユニットとの間に介装した状態で、ボルトなどにより一体に固定するようにしてもよい。

　実施の形態２．
　図４はこの発明の実施の形態２に係るハイブリッド自動車における界磁固定型回転電機の界磁巻線の取付構造を説明する斜視図である。

　図４において、圧着端子構造の接続端子３４が、静止継鉄部取付台座２４Ａの固定部２７に射出成形などにより一体に形成されて、連結部２６に沿って径方向外方に引き出されたリード線２３の先端が接続端子３４に接続されている。
　なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。

　この実施の形態２によれば、連結部２６に沿って径方向外方に引き出されたリード線２３の先端が、静止継鉄部取付台座２４Ａの固定部２７に一体に形成された接続端子３４に接続されている。そこで、静止継鉄部取付台座２４Ａに保持された静止継鉄部１８のハンドリング時に、リード線２３がふらつくことがなく、作業性が向上する。

　実施の形態３．
　図５はこの発明の実施の形態３に係るハイブリッド自動車における界磁固定型回転電機の静止継鉄部取付台座の取付構造を説明する要部斜視図である。

　図５において、静止継鉄部取付台座２４は、固定部２７をねじ２９などにより静止部材であるフレーム３３に機械的に固定状態に取り付けられている。
　なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。

　この実施の形態３によれば、静止継鉄部取付台座２４がフレーム３３に取り付けられているので、静止継鉄部１８に巻装された界磁巻線２２および電機子３０がフレーム３３に一体に組み付けられ、ハンドリングが容易となるとともに、組立時の部品点数が削減され、組立性が向上する。

　実施の形態４．
　図６はこの発明の実施の形態４に係るハイブリッド自動車における界磁固定型回転電機の実装状態を説明する要部断面図である。

　図６において、静止継鉄部１８Ａは、大径部１９から径方向外方に延設されたフランジ部３５を有する。静止継鉄部１８Ａは、ボス部１３、継鉄部１４、第１および第２爪状磁極部１５，１６により形成される凹部に、小径部２０を継鉄部１４に向けて配設され、ねじ３６によりフランジ部３５を変速機ユニット４の筐体に締着固定されている。
　なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。

　この実施の形態４によれば、静止継鉄部１８Ａが変速機ユニット４に直接取り付けられているので、静止継鉄部取付台座２４が不要となり、組立時の部品点数が削減され、組立性が向上する。

　なお、上記各実施の形態では、第１および第２爪状磁極部が先細り形状に作製されているものとしているが、第１および第２爪状磁極部の形状は先細り形状に限定されるものではなく、例えば断面形状が軸方向において変わらない短冊形状でもよい。
　また、上記各実施の形態では、第１および第２爪状磁極部を連結リングを用いて一体に連結するものとしているが、周方向に交互に配列されている第１および第２爪状磁極部を連結一体化できれば、その固定方法は連結リングに限定されない。

　また、上記各実施の形態では、回転子がランデル型の回転子に構成されているものとしているが、界磁巻線が静止継鉄部に巻装されて静止状態に保持されていれば、回転子はランデル型の回転子に限定されない。
　また、上記各実施の形態では、静止継鉄部が大径部と小径部とを軸方向に連設したステップ状の断面形状の円環状に作製されているものとしているが、静止継鉄部は、ステップ状の断面形状に限定されるものではなく、界磁巻線の巻回部と、回転子のボス部と第２爪状磁極部との間の磁路を構成する磁路形成部とを備えていればよい。

Claims (9)

1. 　走行用駆動源としてエンジンユニットおよび界磁固定型回転電機を備え、上記エンジンユニットおよび界磁固定型回転電機による駆動力の両方又は一方を変速機ユニットを介して駆動軸に出力するハイブリッド自動車において、
   　上記界磁固定型回転電機は、
   　フレームと、
   　上記フレームに固定されて該フレーム内に配設された電機子と、
   　上記電機子内に配設され、起磁力により磁化される複数の磁極が外周側に周方向に配列して形成された回転子と、
   　通電されると上記起磁力を発生する界磁巻線と、
   　円環状に作製され、上記界磁巻線が巻装された静止継鉄部と、を備え、
   　上記界磁固定型回転電機が、上記回転子を上記エンジンユニットの出力軸に直結されて該エンジンユニットと上記変速機ユニットとの間に配設され、
   　上記静止継鉄部が、上記界磁巻線が上記複数の磁極の内径側に位置するように上記変速機ユニット側から上記回転子内に配置されて、該回転子と同軸に、かつ静止状態に静止部材に保持されていることを特徴とするハイブリッド自動車。
2. 　上記界磁巻線に通電するためのリード線が、上記静止継鉄部の上記変速機ユニット側から径方向外方に引き出されていることを特徴とする請求項１記載のハイブリッド自動車。
3. 　上記静止部材に固定され、上記静止継鉄部の上記変速機ユニット側の端部を保持する静止継鉄部取付台座をさらに備えていることを特徴とする請求項１記載のハイブリッド自動車。
4. 　上記界磁巻線に通電するためのリード線が、上記静止継鉄部取付台座を介して径方向外方に引き出されていることを特徴とする請求項３記載のハイブリッド自動車。
5. 　上記静止継鉄部取付台座は、上記静止継鉄部の上記変速機ユニット側の端部を保持する環状のベース部と、上記ベース部から径方向外方に延設された連結部と、上記連結部の延出端に形成され、上記静止部材に固定される固定部と、を備えていることを特徴とする請求項３記載のハイブリッド自動車。
6. 　上記界磁巻線に通電するためのリード線が、上記界磁巻線から上記静止継鉄部を介して上記ベース部側に引き出され、ついで上記連結部の側面に沿って径方向外方に引き出されていることを特徴とする請求項５記載のハイブリッド自動車。
7. 　上記リード線の端末が結線される接続端子が上記静止継鉄部取付台座に設けられていることを特徴とする請求項４又は請求項６記載のハイブリッド自動車。
8. 　上記静止継鉄部取付台座が、非磁性の金属材料で作製されていることを特徴とする請求項３乃至請求項７のいずれか１項に記載のハイブリッド自動車。
9. 　上記静止部材が上記フレームであることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載のハイブリッド自動車。

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