JP2006345685A - 遊星歯車装置を有するドライブライン電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】低速用途に対しても、高効率領域において動作できるパラレルハイブリッドシステム用電動機アセンブリを提供する。
【解決手段】電動機アセンブリ２０は、固定子３６、回転子４０、及び歯車アセンブリ４８を含む。回転子２０は内部空洞を有し、歯車アセンブリ４８が内部空洞に配置されて、回転子２０へ連結される。ドライブライン部品は、歯車アセンブリ４８へ連結され、回転子４０をドライブライン部品より高速度で回転させて、電動機を低速車輌の用途に対して一層効率的な動作領域において動作させる。
【選択図】図５

Description

（関連出願）
本出願は、２００５年４月２７日に出願された仮出願第６０／６７５，２６９号に対して優先権を主張するものである。

本発明は、パラレルハイブリッドシステムに対してエネルギーを貯蔵及び発生するため、車両ドライブラインへ組込まれたスイッチトリラクタンスモータに関するものであり、このスイッチトリラクタンスモータは、より一層高速領域でスイッチトリラクタンスモータを動作させて、低速車両への用途に対するモータ効率を増加させるような、遊星歯車アセンブリを含む。

従来の摩擦ブレーキ及びリターダ（減速装置）は、制動時にエネルギーを全く回収しない。リターダの一例は、渦電流リターダであって、熱としてエネルギーを消散させることにより、制動のエネルギーを吸収する。

駆動車軸（ドライブアクスル）を駆動するためのパラレルハイブリッドの設計においては、制動エネルギーを回収するのに電動機が用いられる。この制動エネルギーは、バッテリ（蓄電池）又はウルトラキャパシタに貯蔵されるが、現時点の諸設計は非常に非効率なものである。現時点の装置に対して効率を改善するためには、ドライブライン速度に対して電動機／発電機速度を相対的に増加することが必要となるであろう。この増加は、公共輸送やごみ収集の用途など低速車両への適用に対して特に重要である。

周知のように、電動機の効率は、電動機が高速領域内で動作しているときが最高である。電動機速度が低下する、即ちゼロに近づくにつれて、モータ効率はそれに対応して低下する、即ち零に近づく。例えば３０００ｒｐｍは電動機の典型的な動作速度であり、電動機がこのレベルで動作するときモータ効率は高い。しかし、電動機が僅か５００ｒｐｍで動作するとき、モータ効率は大幅に低下する。低速で、少し進んでは止まる車両の応用例は、５００ｒｐｍ領域内で動作するのが典型的である。

従って、低速用途に対しても高効率領域において動作できるような、パラレルハイブリッドシステム用の電動機／発電機の組合せ（兼用物）に関する必要性が存在する。

（発明の開示）
電動機は、回転する電動機部品である回転子と、回転しない電動機部品である固定子とを含む。１つの実施例では、回転子は内部空洞を画定する。歯車アセンブリが内部空洞内に配置されて、回転子へ連結される。ドライブライン部品は、歯車アセンブリへ連結され、回転子をドライブライン部品より高速度で回転させて、電動機を低速車両の用途に対してより一層効率的な動作領域において動作させる。

ドライブライン部品は、電動機用の駆動入力と駆動出力の両方を備える単一の通し軸を含む。歯車アセンブリは、太陽歯車と、複数の遊星歯車と、リングギヤ（輪歯車）と、複数の遊星歯車を支持するプラネットキャリアとを有する、少なくとも１つの遊星歯車アセンブリを含む。プラネットキャリアは、通し軸に取り付けられ、太陽歯車は、回転子と一緒に回転するように取り付けられ、リングギヤは、回転しない部品である。この構成は、低速車両の用途に必要とされるように、電動機がエネルギーを効率的に貯蔵し且つ発生することを可能にする。

この電動機は、好ましくはパラレルハイブリッドシステムの一部として使用され、車両ドライブライン内の色々な位置に取り入れることができる。例えば、この電動機は、変速機又は車軸アセンブリへ駆動入力を供給するのに使用することができる。また、単一の電動機を車両ドライブラインに使用することができ、或いは必要に応じて複数の電動機を使用することができる。

本発明の以上の、及びそれ以外の特徴は、以下の明細書と以降に簡単な説明が為されている図面とから、最もよく理解することができる。

車両ドライブラインは、全体として図１の１０で示される。車両ドライブライン１０は、変速機１４に対して駆動入力を与えるエンジン１２を含み、変速機１４は車軸アセンブリ１６に駆動入力を供給する。車軸アセンブリ１６は、例えばシングル駆動及びタンデム駆動の車軸アセンブリを含むあらゆる種類の車軸アセンブリで構成することができる。更に、車両ドライブライン１０は、周知のように、レンジボックス、ドロップボックス、クラッチ、などの付加的なドライブライン部品を含むことがあることは理解されるだろう。

図１に示した実施例において、電動機アセンブリ２０はエンジン１２と変速機１４の間に置かれる。この配列において、電動機アセンブリ２０は、少なくとも電動機出力軸２４又は変速機入力軸２６の１つである、通し軸（スルーシャフト）２２（図５〜６参照）へ連結される。図２に示した実施例において、電動機アセンブリ２０は変速機１４と車軸アセンブリ１６の間に置かれる。この配列において、通し軸２２は、少なくとも変速機出力軸２８又は車軸入力軸３０の１つである。図３に示した実施例において、２台の電動機アセンブリ２０が車両ドライブライン１０に用いられている。図４は、前輪−後輪（フォワード−リア）駆動車軸（ドライブアクスル）１６ａ及び後輪−後輪（リア−リア）駆動車軸１６ｂを含む、タンデム車軸アセンブリとしての車軸アセンブリ１６を示している。この実施例における電動機アセンブリ２０は、前輪−後輪車軸アセンブリ１６ａ及び後輪−後輪車軸アセンブリ１６ｂの間に置かれる。

各々の配列において、電動機アセンブリ２０は、必要に応じて通し軸２２へのトルクを増大したり低減させたりするのに用いられる。このことは、電動機が必要に応じて駆動入力と制動を補うのに用いられ、且つ制動時にエネルギーを回収するのにも用いられる、パラレルハイブリッド車両システムにとって特に有用である。電動機アセンブリ２０は、何時トルクを増大又は低減させるかを決める、車両制御装置２５によって制御される。加えて、バッテリ又はコンデンサなどの貯蔵装置２７が、制動時に回収されたエネルギーを貯蔵するのに使用される。

図５に示すように、電動機アセンブリ２０は、軸線３４の周りを回転する通し軸２２に連結される。電動機アセンブリ２０は、固定子ハウジング３８に支持される固定子３６と、回転子ハウジング４２に支持される回転子４０を含む。ここに示した実施例において、固定子３６と固定子ハウジング３８は回転しない部品であり、エンジンハウジング、変速機ハウジング、車軸ハウジング、又は車両フレーム部材などの回転しない車両部品に取り付けられる。回転子４０と回転子ハウジング４２は、通し軸２２と一緒に回転する、回転する部品である。回転子４０は固定子３６の内部に置かれる。回転子４０と回転子ハウジング４２が固定子３６と固定子ハウジング３８を取巻くような、反対の配置も用いることができることは理解されるだろう。

固定子ハウジング３８は、固定された二つの半割ハウジング３８ａ、３８ｂから形成される。回転子ハウジング４２は、単一部品として形成することもできるし、複数の部品から形成することもできる。回転子ハウジング４２は、通し軸２２を取巻く内部空洞４４を画定する。

固定子３６と回転子４０は、協働してスイッチトリラクタンスモータを形成する。固定子３６は、電動機アセンブリ２０を過熱から守るために水又はグリコール冷却することもできる。磁石などを含む他のブラシレス電動機と異なり、スイッチトリラクタンスモータは、固定子３６と回転子４０を形成するのに材料の積層物を使用する。従って、固定子３６と回転子４０は、互いに積み重ねられた複数の積層体から構成される。典型的な構造は、回転子４０と固定子３６用の歯付き積層スタックの各歯にコイルを設けるものである。一実施例において、固定子３６は１８枚の歯を持ち、回転子は１２枚の歯を有する。積層体を形成するのに使用される材料は周知のことなので、更に詳細に考察することはしない。

歯車アセンブリ４８は、通し軸２２と回転子ハウジング４２へ連結される。図５は、第１歯車アセンブリ４８ａを含む歯車配列の一実施例を示しており、図６は、第２歯車アセンブリ４８ｂを含む歯車配列の別の実施例を示している。ここに示した実施例において、電動機アセンブリ２０は、軸線３４に沿って互いに軸線方向に間隔を空けて、即ち固定子ハウジングの両側に１組づつ配置された、２組の第１歯車アセンブリ４８ａ又は２組の第２歯車アセンブリ４８ｂを含む。しかし、単一の第１歯車アセンブリ４８ａ又は第２歯車アセンブリ４８ｂも、車両の用途に応じて電動機アセンブリ２０で使用することができる。

図５に示すように、第１歯車アセンブリ４８ａは、太陽歯車５０ａ、太陽歯車５０ａと噛合い係合する複数の遊星歯車５２ａ、及び複数の遊星歯車５２ａと噛合い係合するリングギヤ５４ａを含むことが好ましい。プラネットキャリア５６ａは、各遊星歯車５２ａが遊星ピン５８ａに支持された状態で、複数の遊星歯車５２ａを支持する。プラネットキャリア５６ａは、通し軸２２と一緒に回転するように取り付けられ、リングギヤ５４ａは固定子ハウジング３８に取り付けられる。好ましくは、プラネットキャリア５６ａは、通し軸２２に直接スプライン結合される。

軸受６０が、回転子ハウジング４２とリングギヤ５４ａの間に取り付けられる。軸受６０は、回転子ハウジング伸張部６２上に取り付けられる。封止材（シール）６４が、固定子ハウジング３８とプラネットキャリア５６ａの間に配置される。リングギヤ５４ａは、軸受６０に係合する基部６６と、複数の遊星歯車５２ａに係合するよう基部６６を横切るように延在する歯切り部分６８と、を有するカップ形状である。

回転子４０と回転子ハウジング４２は、軸線３４の周りに回転するよう太陽歯車５０ａへ連結される。従って、回転子４０は太陽歯車５０ａを駆動し、太陽歯車５０ａは複数の遊星歯車５２ａを駆動し、遊星歯車５２ａは回転しないリングギヤ５４ａに反発してプラネットキャリア５６ａを駆動する。プラネットキャリア５６ａは次いで通し軸２２を駆動する。

図６に示すように、第２歯車アセンブリ４８ｂは、太陽歯車５０ｂ、太陽歯車５０ｂと噛合い係合する複数の遊星歯車５２ｂ、及び複数の遊星歯車５２ｂと噛合い係合するリングギヤ５４ｂを含むことが好ましい。プラネットキャリア５６ｂは、各遊星歯車５２ｂが遊星ピン５８ｂに支持された状態で、複数の遊星歯車５２ｂを支持する。プラネットキャリア５６ｂは、通し軸２２と一緒に回転するように取り付けられ、リングギヤ５４ｂは固定子ハウジング３８に取り付けられる。好ましくは、プラネットキャリア５６ｂは、通し軸２２に直接スプライン結合される。

軸受７０は、回転子ハウジング４２とリングギヤ５４ｂの間に取り付けられる。軸受７０は、複合材軸受であることが好ましく、リングギヤ５４ｂの外周７２に取り付けられる。リングギヤ５４ｂは、複数の遊星歯車５２ｂと係合する歯付き部分７４を有し、リング形状である。封止材７６が、プラネットキャリア５６ｂと固定子ハウジング３８に固定されたリングギヤ５４ｂの間に配置される。

回転子４０と回転子ハウジング４２は、軸線３４の周りに回転するよう太陽歯車５０ｂへ連結される。従って、回転子４０は太陽歯車５０ｂを駆動し、太陽歯車５０ｂは複数の遊星歯車５２ｂを駆動し、遊星歯車５２ｂは回転しないリングギヤ５４ｂに反発してプラネットキャリア５６ｂを駆動する。プラネットキャリア５６ｂは次いで通し軸２２を駆動する。

第１歯車アセンブリ４８ａは、第２歯車アセンブリ４８ｂで用いられる軸受７０と封止材７６よりも小さな径の軸受６０と小さな径の封止材６４を用いる。第２歯車アセンブリ４８ｂは、大きな径の設計をもたらし、大きなリング型複合材軸受に向いている。両配列とも複数の遊星歯車５２ａ、５２ｂに対して鉄粉末冶金技術を利用することができる。

いずれの配列においても、歯車アセンブリ４８が、固定子４０が通し軸２２より速く回転することを可能にする。回転子４０は、通し軸２２より少なくとも３倍速く回転するのが好ましい。これにより、電動機アセンブリ２０は、電動機アセンブリ２０にとって高効率領域で動作することができる。このことは、例えば公共輸送車両やごみ収集車両など、低速で、進んでは止まる車両への用途に対して有益である。従来の電動機の配列を用いる場合、これらの型の用途に対する低速負荷サイクルは、電動機アセンブリ２０を非常に低い効率で動作させる。歯車アセンブリ４８を用いることによって、電動機アセンブリ２０は常に高効率動作領域内に維持される。

両配列の実施例として、軸に対する回転子速度（ＲＴＳ）は、リングギヤの歯数（ＲＴ）を太陽歯車の歯数（ＳＴ）で割算したものプラス１に等しい（ＲＴＳ＝ＲＴ／ＳＴ＋１）。リングギヤ及び太陽歯車の歯数は、望ましい軸に対する回転子速度の変換をもたらすため、必要に応じて変えることができる。直歯（すぐば）平歯車又は斜歯（はすば）歯車装置が、歯車部品に使用できる。

上で考察したように、二つの歯車アセンブリ４８が使用でき、右側／左側の均衡の取れた設計を提供する。このことは、より増大した軸側の荷重を許容する。採否は自由であるが、単一の歯車アセンブリ４８を一方の側に使用することもできるが、例えば付加的な支持のために車軸又はハウジング取付け部から片持ちにされる。

如何なる配列においても、歯車アセンブリ４８は、回転子ハウジング４２によって提供される内部空洞４４内に収納される。固定子ハウジング３８は、回転子ハウジング４２と協働して歯車アセンブリ４８を電動機アセンブリ２０内に封入する。

電動機アセンブリ２０と歯車アセンブリ４８のこの組み合わせは、電動機アセンブリ２０の内部容積を利用した完全な速度低減を伴う、より低価格且つ頑丈なスイッチトリラクタンスモータを提供する。電動機アセンブリと歯車アセンブリ４８は、通し軸２２と回転子４０の間の連動（ギアリング）によって低速度での効率の増大をもたらす。加えて、この配列では回転子冷却が不要なので、電動機冷却は電動機アセンブリ２０の外部から行うことができる。

駆動運転と減速が、通し軸２２を用いて並列に得られる。更に、固定子ハウジング３８は種々のドライブライン取付け位置へ容易に適合させることができる。同軸取付けを含む小型軽量電動機アセンブリは、車軸受けの先端、変速機の後端、又はエンジンと変速機の間で、パラレルハイブリッド用に利用することができる。

本発明の好ましい実施形態を開示したが、当業者は、ある種の変形例が本発明の範囲内にあることが分かるであろう。それ故、本発明の真の範囲と内容を決定するためには、特許請求の範囲が精査されるべきである。

図１は、本発明を取り入れたドライブラインの配列の１つを図式的に表現したものである。 図２は、本発明を取り入れた別のドライブラインの配列を図式的に表現したものである。 図３は、本発明を取り入れた別のドライブラインの配列を図式的に表現したものである。 図４は、本発明を取り入れた別のドライブラインの配列を図式的に表現したものである。 図５は、歯車アセンブリの構造の一例を示す、電動機及び歯車アセンブリの断面図である。 図６は、歯車アセンブリの構造の別の例を示す、電動機及び歯車アセンブリの断面図である。

Claims (18)

1. 電動機アセンブリであって、
   固定子と、
   前記固定子に対して相対的に軸線の周りを回転でき、且つ内部空洞を画定する回転子と、
   前記回転子に連結され、前記内部空洞内に配置されている歯車アセンブリと、
   前記歯車アセンブリに連結されたドライブライン部品と、
   を含み、前記歯車アセンブリと前記回転子が、協働して前記回転子を前記ドライブライン部品より速い速度で回転させ、低速車両で使用する場合により効率的な動作範囲で電動機アセンブリが動作することを可能にする、電動機アセンブリ。
2. 前記固定子と前記回転子が前記歯車アセンブリを収納するための前記内部空洞を画定するスイッチトリラクタンスモータを形成するように、前記固定子と前記回転子が材料の積層スタックから構成される、請求項１に記載の電動機アセンブリ。
3. 前記ドライブライン部品と前記固定子とが前記の軸線と同軸である、請求項１に記載の電動機アセンブリ。
4. 前記歯車アセンブリが少なくとも１つの遊星歯車セットを含む、請求項１に記載の電動機アセンブリ。
5. 前記少なくとも１つの遊星歯車セットが、太陽歯車と、前記太陽歯車に噛合い係合する複数の遊星歯車と、前記複数の遊星歯車に噛合い係合するリングギヤと、前記複数の遊星歯車を支持するプラネットキャリアと、を含み、前記プラネットキャリアが、前記ドライブライン部品と一緒に回転するように設置され、且つ前記リングギヤが、前記固定子に取り付けられている、請求項４に記載の電動機アセンブリ。
6. 前記回転子が直接前記太陽歯車へ連結されている、請求項５に記載の電動機アセンブリ。
7. 前記ドライブライン部品がドライブライン回転速度で回転し、且つ前記回転子は前記歯車アセンブリと一緒に電動機回転速度で回転することによって、前記電動機回転速度を前記ドライブライン回転速度の少なくとも３倍速くする、請求項１に記載の電動機アセンブリ。
8. 前記ドライブライン部品が、エンジン出力部材、変速機入力部材、変速機出力部材、及び車軸入力部材の内の少なくとも一つを含む、請求項１に記載の電動機アセンブリ。
9. 前記ドライブライン部品が、電動機アセンブリへの入力と電動機アセンブリからの出力の両方を提供する単一の通し軸を含む、請求項８に記載の電動機アセンブリ。
10. 前記歯車アセンブリが、前記内部空洞内に封入された第１及び第２の遊星歯車セットを含み、前記第１の遊星歯車セットが、第１の接続界面で前記ドライブライン部品に連結され、前記第２の遊星歯車セットが、前記軸線に沿った前記第１の接続界面から軸方向に間隔を空けて配置された第２接続界面で前記ドライブライン部品に連結されている、請求項１に記載の電動機アセンブリ。
11. 前記電動機アセンブリが、前記歯車アセンブリを介して前記ドライブライン部品へのトルクを増加又は減少させて付加的な駆動入力及び制動入力を必要に応じて提供するスイッチトリラクタンスモータを、パラレルハイブリッド車両システムの一部として含む、請求項１に記載の電動機アセンブリ。
12. パラレルハイブリッド車両システムであって、
    エンジンからの駆動入力を受ける変速機と、
    前記変速機からの駆動入力を受ける駆動車軸であって、エンジン、変速機、及び駆動車軸が協働して車両ドライブラインを構成する、駆動車軸と
    前記車両ドライブラインのドライブライン部品から入力を受ける少なくとも１つのスイッチトリラクタンスモータであって、固定子及び回転子を含み、前記回転子が内部空洞を画定する、少なくとも１つのスイッチトリラクタンスモータと、
    前記内部空洞内に封入され、前記回転子及び前記ドライブライン部品に連結された歯車アセンブリと、
    を含み、前記歯車アセンブリと前記回転子が、協働して前記ドライブライン部品よりも速い速度で前記回転子を回転させ、前記少なくとも１つのスイッチトリラクタンスモータが低速車両の用途に対してより一層効率的な動作範囲で動作することを可能にする、パラレルハイブリッド車両システム。
13. 前記ドライブライン部品が、少なくとも１つのスイッチトリラクタンスモータへの入力と少なくとも１つのスイッチトリラクタンスモータアセンブリからの出力の両方を提供する単一の通し軸を含む、請求項１２に記載のパラレルハイブリッド車両システム。
14. 前記歯車アセンブリが、太陽歯車と、前記太陽歯車に直接噛合い係合する複数の遊星歯車と、前記複数の遊星歯車に直接噛合い係合するリングギヤと、前記複数の遊星歯車を支持するプラネットキャリアと、を含む少なくとも１つの遊星歯車セットを備え、且つ、前記プラネットキャリアが前記ドライブライン部品と一緒に回転するように設置され、前記リングギヤが前記固定子に取り付けられ、前記回転子が前記太陽歯車へ直接連結されている、請求項１３に記載のパラレルハイブリッド車両システム。
15. 前記単一の通し軸、前記太陽歯車、及び前記プラネットキャリアが前記の軸線と同軸である、請求項１４に記載のパラレルハイブリッド車両システム。
16. 前記単一の通し軸が駆動車軸を直接駆動する、請求項１３に記載のパラレルハイブリッド車両システム。
17. 前記単一の通し軸が変速機を直接駆動する、請求項１３に記載のパラレルハイブリッド車両システム。
18. 前記少なくとも１つのスイッチトリラクタンスモータが、前記歯車アセンブリを介して前記単一の通し軸へのトルクを増加又は減少させて付加的な駆動トルク及び制動トルクを必要に応じて提供し、且つ、前記少なくとも１つのスイッチトリラクタンスモータが、制動時にエネルギーを貯蔵する、請求項１３に記載のパラレルハイブリッド車両システム。

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