JP2010198740A - 回転形給電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】制御が簡単なＤＣモータの電機子コイルに対してアーク放電を抑制しながら大電流を供給することのできる耐久性のよい簡便な回転形給電装置及び給電方法を提供する。
【解決手段】電源部６に導電接続するリング状の内歯車１と、内歯車１に内接噛合する遊星ピニオン２と、内歯車１の中心に位置する回転軸８の外周に固着されて遊星ピニオン２に外接噛合する太陽歯車３とを有し、内歯車１と遊星ピニオン２ならびに該遊星ピニオン２と太陽歯車３との歯面同士の導電接触により、内歯車１から遊星ピニオン２と太陽歯車３とを通じて電気負荷Ｅに給電する装置である。内歯車１と遊星ピニオン２との噛合位置には永久磁石１４にて軸方向に沿う磁界が印加される。又、遊星ピニオン２と太陽歯車３との噛合位置にも永久磁石１５により軸方向に沿う磁界が印加される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＤＣモータなどの電気負荷に給電するための装置に係わり、特に電機負荷に対して導電接触部分の開閉に伴うアーク放電を抑制しながら給電を行えるようにした回転形給電装置に関する。

近年、原動機（内燃機関）と電動機を併用するハイブリッド車両の普及が顕著である。係るハイブリッド車両にも車輪の駆動源として原動機と電動機の双方を交互に切り換えて使用するパラレル形と、原動機を専ら電動機の駆動電力を得る発電に利用するシリーズ形とがあるが、原動機を搭載せずしてバッテリによる蓄電電力や燃料電池による発電電力を用いて走行用電動機を駆動する電気自動車も増加傾向にある。

一方、電動機として、直流電源により駆動されるＤＣモータと、交流電源により駆動されるＡＣモータが知られるが、整流子とブラシを用いるＤＣモータでは、銅などから成る整流子片とカーボンなどから成るブラシとが摺接するために摩耗が著しく、ノイズやアーク放電による火花を発生するという問題もあるほか、カーボン製ブラシによる通電制約のために電流量を大きくとることができず、ブラシレス化するにも多数のトランジスタを用いるなどして複雑な電子回路を構成しなければならない。

このため、ハイブリッド車、電気自動車、燃料電池車などでは、電動機としてＡＣモータを用い、インバータにより直流電源を交流電源に変換してＡＣモータを駆動するようにしている（例えば、特許文献１）。

特開２００６−３３３５５２号公報

しかしながら、走行用駆動源としてＡＣモータ（ＡＣサーボモータ）を用いる車両によれば、直流電源を交流電源に変換するために、高価なインバータほか複雑な制御機器を必要とするためコスト高になるという問題がある。

本発明は以上のような事情に鑑みて成されたものであり、その目的は制御が簡単なＤＣモータの電機子コイルに対してアーク放電を抑制しながら大電流を供給することのできる耐久性のよい簡便な回転形給電装置及び給電方法を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するため、
電源部に導電接続するリング状の内歯車と、その内歯車に内接噛合する遊星ピニオンと、前記内歯車の中心に位置する回転軸の外周に固着されて前記遊星ピニオンに外接噛合する太陽歯車とを有し、前記内歯車と前記遊星ピニオンならびに該遊星ピニオンと前記太陽歯車との歯面同士の導電接触により、前記内歯車から前記遊星ピニオンと前記太陽歯車とを通じて電気負荷に給電する回転形給電装置であって、
前記内歯車と前記遊星ピニオンとの噛合位置にてその両者の軸方向に沿う磁界を形成する第１の磁界発生部と、
前記遊星ピニオンと前記太陽歯車との噛合位置にてその両者の軸方向に沿う磁界を形成する第２の磁界発生部とを有し、
前記内歯車、前記遊星ピニオン、及び前記太陽歯車には、各々その歯面に高融点金属による鍍金が施されていることを特徴とする。

加えて、前記内歯車、前記遊星ピニオン、及び前記太陽歯車には、各々その歯先にアーク放電を防止する電気絶縁性の絶縁被膜が施されていることを特徴とする。

又、電源部に導電接続するリング状の内歯車と、その内歯車に内接噛合する遊星ピニオンと、前記内歯車の中心に位置する回転軸の外周に固着されて前記遊星ピニオンに外接噛合する太陽歯車とを有し、前記内歯車と前記遊星ピニオンならびに該遊星ピニオンと前記太陽歯車との歯面同士の導電接触により、前記内歯車から前記遊星ピニオンと前記太陽歯車とを通じて電気負荷に給電する回転形給電装置であって、
前記内歯車と前記遊星ピニオンとの噛合位置にてその両者の軸方向に沿う磁界を形成する第１の磁界発生部と、
前記遊星ピニオンと前記太陽歯車との噛合位置にてその両者の軸方向に沿う磁界を形成する第２の磁界発生部とを有し、
前記内歯車、前記遊星ピニオン、及び前記太陽歯車には、各々その歯先にアーク放電を防止する電気絶縁性の絶縁被膜が施されていることを特徴とする。

本発明に係る装置によれば、電源部に導電接続するリング状の内歯車と、その内歯車に内接噛合する遊星ピニオンと、内歯車の中心に位置する回転軸の外周に固着されて遊星ピニオンに外接噛合する太陽歯車とを有する遊星歯車機構を利用し、内歯車と遊星ピニオンならびに該遊星ピニオンと太陽歯車との歯面同士の導電接触により、内歯車から遊星ピニオンと太陽歯車とを通じて電気負荷に給電するようにしていることから、回転駆動する電気負荷にも大きな直流電力を連続して供給することができる。

又、内歯車と遊星ピニオンとの噛合位置、ならびに遊星ピニオンと太陽歯車との噛合位置に対し、それらの軸方向に沿う磁界を印加するようにしていることから、歯面間に発生したアーク放電にローレンツ力を作用せしめてアーク火花を吹き消すことができ、安全性の高い給電が可能となる。

更に、内歯車、遊星ピニオン、及び太陽歯車から成る遊星歯車機構によれば、内歯車と遊星ピニオン、ならびに遊星ピニオンと太陽歯車との間で歯面同士が接触／離間する回数を電気負荷の回転数に比べて小さくできるので、歯面間に生ずるアーク放電の回数を少なくすることができ、しかも導電接触する歯面同士の接触形態は転がり接触であるから、歯面の摩耗が少なく、高い耐久性を得ることができる。

加えて、内歯車、遊星ピニオン、及び太陽歯車には、導電接触する歯面に高融点金属による鍍金が施されていることから、通電量を大きくとりながらアーク放電に起因する歯面の劣化を抑えることができる。

又、内歯車、遊星ピニオン、及び太陽歯車の各歯先に電気絶縁性の絶縁被膜が施されることにより、歯先同士及び歯先と歯面との間におけるアーク放電を防止できる。

本発明に係る回転形給電装置を示す縦断面図 同装置を構成する遊星歯車機構を示す平面概略図 同装置の部分拡大断面図 遊星歯車機構を構成する内歯車と遊星ピニオンの噛合部分を示す平面図 図４を部分的に拡大して示した説明図

以下、図面に基づいて本発明を詳しく説明する。図１から明らかなように、本発明に係る回転形給電装置は、リング状の内歯車１と、この内歯車１に内接噛合する遊星ピニオン２と、その遊星ピニオン２に外接噛合する太陽歯車３とから成る遊星歯車機構を基本として構成される。４は本装置の外装を成すケーシングであり、その内側に磁性体から成るヨーク５が固定されている。ヨーク５はＥ形の断面を有するリング状であり、これに非磁性体から成る２つの内歯車１が固定されている。特に、内歯車１は外部の電源部６（直流電源）に導電接続する銅その他の導電部材から成るもので、ヨーク５との間には電気絶縁物７ａが介在される。

又、図１において、８は内歯車１の中心に位置する回転軸であり、この回転軸８はケーシング４に固定した軸受９ａにより回転自在に支持されている。回転軸８の外周には磁性体から成るヨーク１０が固定され、そのヨーク１０に上記の内歯車１に対応して非磁性体から成る２つの太陽歯車３が固定されている。それら太陽歯車３も内歯車１と同じく銅その他の導電部材から成り、ヨーク１０との間には電気絶縁物７ｂが介在される。

そして、同一平面上に位置する内歯車１と太陽歯車３との間に複数の遊星ピニオン２が等間隔に配置される構成とされている。尚、図２には４つの遊星ピニオン２を９０度間隔に配した例を示しているが、遊星ピニオン２は一つのみでもよく、その配置数に特別な制限はない。

又、図１において、１１は各遊星ピニオン２を支持するピニオンキャリヤであり、これは回転軸８上に軸受９ｂを介して回転自在に設けられている。特に、ピニオンキャリヤ１１は、軸方向で対向する２つの太陽歯車３を挟んで回転軸８上に相対向して設けられ、その両者１１，１１が内歯車１と太陽歯車３との間に通される複数の支点軸１２によって連結されており、その支点軸１２に軸受９ｃを介して非磁性体から成る遊星ピニオン２が回転自在に支持されている。それら遊星ピニオン２も内歯車１や太陽歯車３と同じく銅その他の導電部材から成るものであり、これにより遊星ピニオン２を介して内歯車１と太陽歯車３が導電接続するようになっている。

特に、太陽歯車３はその内周部が回転軸８上に設けられる電気負荷Ｅにリード線１３により導電接続されるのであり、これにより電源部６に導電接続する内歯車１から遊星ピニオン２と太陽歯車３とを通じて電気負荷Ｅに給電が行われるようになっている。

ここに、電気負荷Ｅは例えば公知のＤＣモータ、詳しくはＤＣモータのロータを構成する電機子コイルであるところ、これに給電が行われると当該モータの駆動軸とされる回転軸８が太陽歯車３と一体に回転し、これに起因して遊星ピニオン２が支点軸１２回りに回転（自転）しながら太陽歯車３の回りを旋回（公転）するが、内歯車１と遊星ピニオン２、ならびに遊星ピニオン２と太陽歯車３の噛合により、内歯車１と太陽歯車３との間は導通状態に維持され、電気負荷Ｅには連続的に給電が行われる。しかし、給電中には、内歯車１、遊星ピニオン２、及び太陽歯車３の各歯面が順次導電接触しては離間するために、離間した歯面間にアーク放電を発生する。このため、本発明によれば、内歯車１を固定したヨーク５に第１の磁界発生部としてリング状の永久磁石１４が固定され、太陽歯車１を固定したヨーク１０には第２の磁界発生部としてリング状の永久磁石１５が固定される。

図３から明らかなように、永久磁石１４は軸方向で対向する２つの内歯車１を軸方向から挟み込むようにして３つ設けられており、その各永久磁石１４から放出される磁束により内歯車１と遊星ピニオン２との噛合位置にて両者１，２の軸方向（図３の上下方向）に沿う磁界が形成されるようになっている。又、永久磁石１５も軸方向で対向する２つの太陽歯車３を軸方向から挟み込むようにして３つ設けられており、その各永久磁石１５から放出される磁束により遊星ピニオン２と太陽歯車３との噛合位置にて両者２，３の軸方向に沿う磁界が形成されるようになっている。

尚、永久磁石１４，１５は金属磁石でも焼結磁石でもよいが、中でも大きな保持力を有するネオジム磁石が好ましく、しかも遊星歯車機構の噛合部分の全体を覆うよう上記のようにリング状であることが好ましい。但し、永久磁石１４，１５に代えて電磁石を採用することもできる。

又、図３において、１６は内歯車１と太陽歯車３に取り付けた結線用のピンであり、これにより図１に示されるリード線１３が接続される構成とされている。又、図３から明らかなように、遊星ピニオン２を支持する支点軸１２の外周は電気絶縁物７ｃにより被覆され、遊星ピニオン２とピニオンキャリヤ１１との間にも電気絶縁物７ｄが介在されており、これにより遊星ピニオン２とピニオンキャリヤ１１との間が電気的に絶縁されている。

そして、上記のように構成される回転形給電装置によれば、導電部材から成る内歯車１、遊星ピニオン２、及び太陽歯車３の歯面同士の転がり接触により、接触面の摩耗を小さくしながら通電量を大きくとることが可能となり、しかも内歯車１と遊星ピニオン２との噛合位置、ならびに遊星ピニオン２と太陽歯車３との噛合位置に対して永久磁石１４，１５による磁界が印加されることにより、その磁界方向に平行する歯面間に発生するアーク放電を抑制することができる。

特に、本発明によれば、図４及び図５に示されるように、内歯車１とこれに内接噛合する遊星ピニオン２には、各々そのピッチ円ｐ_１，ｐ_２上とその周囲を含む歯面にモリブデンやタングステンといった高融点金属による鍍金１ｍ，２ｍが施されると共に、それらの歯先には電気絶縁性のセラミックなどによる絶縁被膜１ｉ，２ｉが施される。これによれば、図５のように導電接触する歯面間にアーク放電Ｉが発生しても、高融点金属による鍍金１ｍ，２ｍにより歯面を保護してその劣化を防止することができ、しかも絶縁被膜１ｉ，２ｉにより歯先と歯面との間におけるアーク放電を防止することができる。ここで、図５のように、歯面間にアーク放電Ｉが発生した場合、そのアーク放電Ｉと、図３の永久磁石１４により印加される磁界（図５の図示面直角方向）とに直交する方向に対し、フレミング左手の法則に基づくローレンツ力Ｆが発生し、そのローレンツ力Ｆがアーク放電Ｉによる火花を吹き消すよう作用する。

尚、図４及び図５には、内歯車１と遊星ピニオン２との噛合部分を示したが、太陽歯車３も内歯車１や遊星ピニオン２と同じ歯部構造とされ、遊星ピニオン２との噛合位置では永久磁石１５４よる磁界によりアーク火花を引き消すようなローレンツ力が発生する。

次に、係る回転形給電装置の働きについて説明する。図１において、電源部６の直流電力は図１における上段の内歯車１、遊星ピニオン２、及び太陽歯車３を通じて電気負荷Ｅに供給された後、図１における下段の太陽歯車３、遊星ピニオン２、及び内歯車１を通じて電源部６に帰還する。電気負荷Ｅへの給電により、当該電気負荷Ｅが一方向に回転すると、これと一体の回転軸８及び太陽歯車３が同方向に回転する。

図２のように、太陽歯車３の回転が時計方向であるとき、これに外接噛合する遊星ピニオン２は反時計方向に回転（自転）しながら時計方向に旋回（公転）する。しかして、内歯車１と遊星ピニオン２、ならびに遊星ピニオン２と太陽歯車３との間では、歯面同士が導電接触しては離間することが繰り返される。このため、それらの歯面間においてアーク放電を発生するが、内歯車１と遊星ピニオン２、ならびに遊星ピニオン２と太陽歯車３との噛合位置には、それぞれ永久磁石１４，１５による磁界が印加され続けるので、アーク放電Ｉに対してローレンツ力Ｆが作用し、アーク放電Ｉによる火花を引き伸ばして消し去るようになる。

特に、本発明に係る内歯車１、遊星ピニオン２、及び太陽歯車３から成る遊星歯車機構によれば、内歯車１が固定された状態で太陽歯車３が駆動されるので、遊星ピニオン２の回転出力が減少する減速装置２１として機能する。例えば、内歯車１の歯数を「４０」、太陽歯車３の歯数を「２０」とすれば、減速比は（４０＋２０）／２０＝３となり、太陽歯車３や回転軸８が一回転する間に遊星ピニオン２は１２０度だけ公転する。このため、内歯車１と遊星ピニオン２、ならびに遊星ピニオン２と太陽歯車３との間での歯面同士の接触／離間は電気負荷Ｅの回転数に比較して小さくなり、ひいてはアーク放電回数それ自体が減じられることとなる。このため、耐久性、安全性の高い給電装置にして、高出力が要求される車両走行用ＤＣモータなどに大きな直流電力を供給することができる。

以上、本発明の具体例を説明したが、給電対象とする電気負荷ＥはＤＣモータに限らず、その他の回転電動機器を対象として給電を行うことができる。

Ｅ 電気負荷（給電対象）
１ 内歯車
１ｍ 高融点金属の鍍金
１ｉ 絶縁被膜
２ 遊星ピニオン
２ｍ 高融点金属の鍍金
２ｉ 絶縁被膜
３ 太陽歯車
６ 電源部
８ 回転軸
１１ ピニオンキャリヤ
１４ 永久磁石（第１の磁界発生部）
１５ 永久磁石（第２の磁界発生部）

Claims (4)

1. 電源部に導電接続するリング状の内歯車と、その内歯車に内接噛合する遊星ピニオンと、前記内歯車の中心に位置する回転軸の外周に固着されて前記遊星ピニオンに外接噛合する太陽歯車とを有し、前記内歯車と前記遊星ピニオンならびに該遊星ピニオンと前記太陽歯車との歯面同士の導電接触により、前記内歯車から前記遊星ピニオンと前記太陽歯車とを通じて電気負荷に給電する回転形給電装置であって、
   前記内歯車と前記遊星ピニオンとの噛合位置にてその両者の軸方向に沿う磁界を形成する第１の磁界発生部と、
   前記遊星ピニオンと前記太陽歯車との噛合位置にてその両者の軸方向に沿う磁界を形成する第２の磁界発生部と、
   を有することを特徴とする回転形給電装置。
2. 前記内歯車、前記遊星ピニオン、及び前記太陽歯車には、各々その歯面に高融点金属による鍍金が施されていることを特徴とする請求項１記載の回転形給電装置。
3. 前記内歯車、前記遊星ピニオン、及び前記太陽歯車には、各々その歯先にアーク放電を防止する電気絶縁性の絶縁被膜が施されていることを特徴とする請求項１、又は２記載の回転形給電装置。
4. 電源部に導電接続するリング状の内歯車と、その内歯車に内接噛合する遊星ピニオンと、前記内歯車の中心に位置する回転軸の外周に固着されて前記遊星ピニオンに外接噛合する太陽歯車とを有する遊星歯車機構を利用して、前記電源部の直流電力を前記内歯車から前記遊星ピニオンと前記太陽歯車とを通じて該太陽歯車に導電接続する電気負荷に供給しながら、前記内歯車と前記遊星ピニオンとの噛合位置にその両者の軸方向に沿う磁界を印加すると共に、前記遊星ピニオンと前記太陽歯車との噛合位置にその両者の軸方向に沿う磁界を印加することを特徴とする給電方法。

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