JP2011239486A - 永久磁石式モータの２分割ロータ間の位相差設定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石式ロータを用いた直流電気モータにおいて、円周上に複数の磁極を持つロータを２分割し、２個のロータ間の回転方向位相差を適正に制御して、低電圧源でも高回転域で高出力が得られる減速比１の高効率モータの駆動システムを提供する。
【解決手段】２分割ロータの回転方向位相差設定装置は、各ロータ用に遊星歯車を有し、両遊星歯車は、それぞれ第一、第二、第三の回転要素を有するとともに、両方の速度線図は同じで、各ロータはそれぞれの第一の回転要素と連結し、それぞれの第二の回転要素同士は連結し、一方の遊星歯車の第三の回転要素をケースに固定し、他方の遊星歯車の第三の回転要素は上記位相差調整用モータに駆動連結し、いずれかのロータを出力軸に連結することによって、減速比が１となる２分割ロータの位相差設定装置を提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、永久磁石式モータと遊星歯車を組み合わせた駆動システムであり、低速から高速まで出力エネルギが一定であることが望ましい電気自動車、ハイブリッド自動車、風力発電機などの駆動源に関する。

電気自動車、電車などに使用するモータでは、回転速度と負荷（トルク）の広範囲にわたって、高効率であること、大きさ、重量、コスト面でも有利で、かつ耐久性を有することが重要である。そのため、ロータに永久磁石を用いる永久磁石式モータが主流となっている。永久磁石式モータにはロータの外周に永久磁石を貼り付ける表面磁石型と、ロータのコア内に永久磁石を埋め込む永久磁石埋込み型とがあり、永久磁石埋込み型モータが一般的である。

永久磁石式モータの場合、高速で回転すると、固定子に巻かれたコイルには高圧の誘起電圧が発生し、固定子用コイルに供給する電源電圧が低い場合は、電圧飽和によってトルクの発生に寄与する電流が減少し、十分なトルクが発生しなくなるとともに、効率低下を招く。

これらの課題を解決する手段として、固定子のコイルに高電圧を供給する例がある。高電圧にする手法として、電源用バッテリ自体を高電圧にするか、バッテリ電圧は低いままにして、インバータにチョッパ回路などを付加して高電圧を発生させるかのいずれかの対応が採られる。

電源用バッテリ自体を高電圧にするには、バッテリセルの個数を増やして直列に連結するとともに、回路構成を高電圧に耐えられる構造とする必要があり、大きさ、重量、コストの点で不利となる。

また、低電圧のバッテリ電源をインバータで高電圧に変換するには、チョッパ回路で電圧源の電流を急断続させ、それを変圧器で交流高電圧に変換するとともに整流し、直流高電圧を得る。この場合、インバータ自体の大きさ、重量、コストも増大するほか、それぞれの変換装置のエネルギ損失が大きく、システム全体の効率が低下する。

これらの改善策として、モータの固定子形状は従来のままとし、ロータを軸直角方向で分割して、第一のロータ１Aと第二のロータ１Bとに２分割するとともに、両者の回転方向の位相をずらすことにより、永久磁石ロータから固定子コイルに鎖交する有効磁束量を可変にし、高速回転時には誘起電圧を低下させて低電圧を固定子コイルに供給しても、出力トルクを増大させることが可能な可変磁束モータが提案されている。

下記の特許文献１の構造では、同一回転速度で回転している１Ａ、１Ｂ両方のロータ相互間に、回転位相差（ずれ）を設けることによって、固定子用コイルに発生する誘起電圧を低下させることができ、その位相差をトルクや回転速度によって決まる最適な量に調整できれば、広範な運転領域で回転速度に反比例するようなトルク特性が得られるとともに、広範囲の回転領域で高効率とすることができる。しかし、同一回転速度で回転中の２個のロータにはそれぞれトルクが発生しており、ねじ構造によるメカニズムでは、そのロータ間の回転位相差を最適な量に微調整することは困難である。

下記の特許文献２では、遊星歯車の差動機能を利用し、同一諸元を持つ２組の遊星歯車の回転要素の中で、通常は停止させている回転要素の片方だけを微小量だけ回転させることにより、同一速度で回転している２個のロータ間に、回転方向の位相差を適宜発生させることが可能なメカニズムが示されている。特許文献２には、文献実施例１として、小径のピニオンギヤと大径のピニオンギヤとから成る段付ピニオンを使用し、大径のピニオンギヤとかみ合っている小径のサンギヤを入力軸（ロータ）に、小径のピニオンギヤとかみ合っている大径のサンギヤを出力軸に連結するとともに、キャリアを固定することにより、増減速を可能としている図３の構造例がある。

また、文献実施例２として、単純遊星歯車を使用し、リングギヤを入力軸に、サンギヤを出力軸に連結し、キャリアを固定することにより、入力軸に対して出力軸が逆回転する図１０の構造例がある。

いずれも入力軸と出力軸との間では、減速比１となる構造ではなく、増速または減速を前提とするギヤトレーンであり、伝達効率の低い構造となっている。特に、キャリアが固定されているため、入力軸から出力軸に伝達されるエネルギに対する歯車のかみ合損失が相対的に大きくなる。従って、本発明の実施例のうち、キャリアを固定要素としない実施例と比較して、伝達効率の点で劣る。

また、各ロータに付随している１対の遊星歯車が、軸方向に分離された構造となっているため、歯車の潤滑油の供給回路が２系統必要となり、構造が複雑になる。

そして、ロータが出力軸を介してケースに軸受けされているため、ロータと固定子間の同心精度が悪化するなどの欠点がある。

下記の特許文献３の図１０には、文献実施例３として、位相差設定装置に単純遊星歯車を用いて減速する例がある。遊星歯車のサンギヤを入力軸、キャリアを出力軸、リングギヤを固定としていて、以下の特徴がある。
１．入力軸に対する出力軸の減速比は２．４〜４．３程度である（サンギヤとリングギヤの歯数を変化）
２．本発明（リングギヤを入力軸、キャリアを出力軸、サンギヤを固定）と比べて、総損失率が大きく、伝達効率が悪い
３．各ロータに付随している１対の遊星歯車が軸方向に分離した構造となっているため、歯車の潤滑油の回路が２系統必要となり、構造が複雑になる
４．ロータがケースで直接軸受けしておらず、出力軸を介して軸受けされているので、固定子との間の同心精度が悪化する

特開２００２−２６２５３４号公報 特開２００９―１２６４０４号公報 特開２００８−１９３８８８号公報

供給電圧が低くても、高速まで高トルクを発生する特性を持つ２分割ロータ式の永久磁石モータにおいて、その２個のロータ間の回転方向の位相を最適値に制御可能なシステムであることを前提として、上記特許文献における欠点を含む以下の課題を解決する位相差設定装置を提供する。
１．減速比１を可能とする（請求項１）
２．複数の減速比を選択的に切換え可能とする（請求項２）
３．キャリアを固定要素としないことにより、伝達効率を向上する（請求項３）
４．サンギヤを固定要素とすることにより、動力伝達効率ベストを狙う（請求項４）
５．位相差調整用モータから遊星歯車の回転要素を駆動することはできても、遊星歯車の回転要素から位相差調整用モータを逆駆動することはできないセルフロック機能を有する（請求項５、６）
６．位相差設定用遊星歯車への潤滑経路がシンプルであること
７．ロータを直接ケースで支承し、固定子との間の同心精度を向上させる

円周上に複数の磁極を持つ第一の永久磁石式ロータ、円周上に該ロータと同数の磁極を持つ第二の永久磁石式ロータ、磁性体に巻かれたコイルに流れる電流により磁界を構成し、円周上に上記第一の永久磁石式ロータあるいは第二の永久磁石式ロータと同数の磁極を持たせた固定子、ケース、出力軸、第一の永久磁石式ロータと第二の永久磁石式ロータの回転方向の位相差を設定するための位相差設定装置から成り、第一の永久磁石式ロータと第二の永久磁石式ロータとは該固定子同心で回転するよう上記ケースで回転可能に支承され、該位相差設定装置は、第一の遊星歯車装置、第二の遊星歯車装置、位相差調整用モータとから成り、第一、第二の遊星歯車装置は、それぞれ少なくとも第一、第二、第三から成る3個の回転要素を有し、第一の遊星歯車装置における第一の回転要素、第二の回転要素、第三の回転要素で構成される速度線図と、第二の遊星歯車装置における第一の回転要素、第二の回転要素、第三の回転要素で構成される速度線図とが一致するように設定され、第一の永久磁石ロータと第二の遊星歯車装置の第一の回転要素とを機械的に連結し、第一の永久磁石ロータと第一の遊星歯車装置の第一の回転要素とを機械的に連結し、第一の遊星歯車装置の第二の回転要素と第二の遊星歯車装置の第二の回転要素とを機械的に連結し、第一の遊星歯車装置の第三の回転要素を上記ケースに固定し、第二の遊星歯車装置の第三の回転要素を位相差調整用モータに駆動連結し、第一の遊星歯車装置の第一の回転要素または第二の遊星歯車装置の第一の回転要素のいずれかを上記出力軸に連結することにより、入出力軸間の減速比が１であることを特徴とする2分割ロータのロータ間位相設定装置。

本発明の実施例１（実施例１−１〜実施例１−６の６種類）は、永久磁石式ロータを２分割し、ロータが負荷トルクを発生させながら運転している最中でも、両方のロータに回転方向の位相差を任意に与えることが可能で、かつ、入出力軸間の減速比が１で、遊星歯車の歯車かみ合いによる負荷依存効率の良い永久磁石式２分割ロータシステムである。

更に、実施例２（実施例２−１、実施例２−２の２種類）は、減速比１と１以外の減速比とをクラッチの切換えによって切換えることが可能な遊星歯車システムであり、２例とも簡素な構造で高効率な駆動システムである。

図１は本発明の永久磁石式モータの２分割ロータ間に、回転方向の位相差を設けた構成を示す模式図である。 図２は減速比が１である本発明の実施例１のモータ駆動系に用いる位相差設定装置のスケルトンのうち、実施例１−１（サンギヤ：入力と出力、リングギヤ：固定）を示す。 図３は本発明の実施例１−１の構成において、遊星歯車に入ってくるトルクの流れを示す図である。 図４は本発明の実施例１−１の構成における第一の遊星歯車装置１２Ａの速度線図４０Ａである。 図５は本発明の実施例１−１の構成における第二の遊星歯車装置１２Ｂの速度線図４０Ｂである。 図６は本発明の実施例１−１の構成における第一の遊星歯車装置１２Ａの各回転要素への入力トルクの関係を、速度線図上で示す図である。 図７は本発明の実施例１−１の構成における第二の遊星歯車装置１２Ｂの各回転要素への入力トルクの関係を、速度線図上で示す図である。 図８は本発明の実施例１のモータ駆動系に用いる位相差設定装置のスケルトンのうち、実施例１−２（キャリア：入力と出力、リングギヤ：固定）を示す。 図９は本発明の実施例１−２の構成における第一の遊星歯車装置の速度線図と、その速度線図上での入力トルクの関係を示す図である。 図１０は本発明の実施例１のモータ駆動系に用いる位相差設定装置のスケルトンのうち、実施例１−３（キャリア：入力と出力、サンギヤ：固定）を示す。 図１１は本発明の実施例１−３の構成における第一の遊星歯車装置の速度線図と、その速度線図上での入力トルクの関係を示す図である。 図１２は本発明の実施例１−３において、第一、第二の遊星歯車装置をロータの内周側に内蔵した例を示す図である。 図13は本発明の実施例１のモータ駆動系に用いる位相差設定装置のスケルトンのうち、実施例１−４（リングギヤ：入力と出力、サンギヤ：固定）を示す。 図１４は本発明の実施例１−４の構成における第一の遊星歯車装置の速度線図と、その速度線図上での入力トルクの関係を示す図である。 図１５は本発明の実施例１−４において、第一、第二の遊星歯車装置をロータの内周側に内蔵した例を示す図である。 図１６は本発明の実施例１のモータ駆動系に用いる位相差設定装置のスケルトンのうち、実施例１−５（サンギヤ：入力と出力、キャリア：固定）を示す。 図１７は本発明の実施例１−５の構成における第一の遊星歯車装置の速度線図と、その速度線図上での入力トルクの関係を示す図である。 図１８は本発明の実施例１のモータ駆動系に用いる位相差設定装置のスケルトンのうち、実施例１−６（リングギヤ：入力と出力、キャリア：固定）を示す。 図１９は本発明の実施例１−６の構成における第一の遊星歯車装置の速度線図と、その速度線図上での入力トルクの関係を示す図である。 図２０は減速比を１以外と１との２段階に切換可能とした本発明の実施例２のうち、実施例２−１のスケルトン（リングギヤ：入力、サンギヤ：固定）を示す。減速比が１．３〜１．７と１との２種類に切換え可能なスケルトンを示す。 図２１は本発明の実施例２−２（サンギヤ：入力、リングギヤ：固定）のスケルトンを示す。減速比を２．４〜４．３と１との２種類に切換え可能なスケルトンを示す。 図２２は本発明の実施例２−２の構成における第一の遊星歯車装置の速度線図と、その速度線図上における減速駆動状態（減速比２．４〜４．３）での入力トルクの関係を示す図である。 図２３は特許文献２の図３に示されている文献実施例１であり、段付ピニオンタイプの遊星歯車のスケルトンである。キャリアが固定されている。但し、付番方式は本発明の方式に従った。 図２４は文献実施例１のスケルトンにおける第一の遊星歯車の速度線図を示す図である。

本発明による各実施形態について、添付した図面を参照し詳細に説明する。なお、同一または実質的に同一の構成要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略することがある。

図１に示すように、この永久磁石式モータは、バッテリなどの電源７とインバータ６で駆動され。電流を流すと円周上に複数の磁極を発生する固定子３と、第一の永久磁石式ロータ１Ａ、第二の永久磁石式ロータ１Ｂ（以下「永久磁石式」を省略）とから成る。それぞれのロータ１Ａ、１Ｂは固定子３の内周側に配置され、一軸線上にあって、円周上に固定子３と同数の磁極を持つ永久磁石が埋め込まれている。ロータの外周に永久磁石を貼り付ける方法でも本発明と同じ効果が得られる。
それら２個のロータの回転速度は同じであるが、ロータ間では、図１のように、永久磁石の磁極の位相を互いに円周方向にずらすことが可能な構造となっている。

請求項１の発明を、下記の実施例１−１から１−６の６個の具体的な構造例で示す。いずれも入出力軸間の減速比は１である。
（実施例１−１）

図２に、遊星歯車のサンギヤが入力と出力に、リングギヤが固定要素に連結されている構造を示す。このスケルトンは、第一の遊星歯車１２Ａと第二の遊星歯車１２Ｂとから成り、リングギヤとサンギヤとの歯数比は第一の遊星歯車１２Ａ、第二の遊星歯車遊星歯車１２Ｂとも同一である。一方の入力となるロータ１Ａとサンギヤ３１Ａとが連結、他方の入力となるロータ１Ｂとサンギヤ３１Ｂとが連結、ロータ１Ｂ（または１Ａ）が出力軸４に連結、キャリア３４Ａ、３４Ｂは互いに機械的に連結され一体で回転する。いずれか一方のリングギヤ（例えば３３Ａ）はケース２０に固定され、他方のリングギヤ（例えば３３Ｂ）も固定されてはいるが、その回転角は位相差調整モータ１３などの調整装置によって調整可能である。なお、位相差調整モータ１３としては、電気モータや油圧ピストンなどが考えられる。また、位相差調整の駆動部分のシステムとしては、位相差調整モータ１３からは駆動できても、遊星歯車側からの駆動にはセルフロックするシステム（ウォームギヤ式など）が望ましい。そうすれば、位相差を設定変更する際にはモータ１３からの駆動エネルギが必要となるが、位相差を維持するだけなら、エネルギは不要となる。図３に、両遊星歯車のトルクの流れを示す。図４には第一の遊星歯車１２Ａの速度線図４０Ａ、図５には第二の遊星歯車１２Ｂの速度線図４０Ｂを示す。両遊星歯車の速度線図は一致している。また、図６には第一の遊星歯車１２Ａ、図７には第二の遊星歯車１２Ｂの速度線図における各回転要素への入力のトルクの釣り合いを示す。

図４、５からも分かるように、ロータ１Ａ、１Ｂの回転速度は同一で、しかも回転方向に位相差を付与することが可能である。このことは、以下のように説明できる。図５のように、リングギヤ３３Ｂを３３Ａに対してプラス方向にα度だけ回転させると、キャリア３４Ａ,３４Ｂが両者一体なので、サンギヤ３１Ｂは３１Ａに対してα／ρ（ρ：遊星歯車の歯数比＝リングギヤ歯数/サンギヤの歯数）だけマイナスの回転方向に位相がずれる。サンギヤ３１Ａには、ロータ１Ａからトルクが入力し、リングギヤ３３Ａで反力を受け、キャリア３４Ａに出力する。その出力はキャリア３４Ｂに入力され、リングギヤ３３Ｂで反力を受け、サンギヤ３１Ｂに出力される。そのサンギヤ３１Ｂの出力とロータ１Ｂの出力との和が、このシステムの総合出力となる。図６、７の速度線図上に示した上下方向トルクと、キャリア回りにおけるトルクのモーメントの釣り合いとから分かるように、第一の遊星歯車１２Ａと第二の遊星歯車１２Ｂとの各回転要素に入ってくるトルクは、絶対値が等しく、互いに逆方向である（以下の実施例も同様）。

遊星歯車構造は、上記構造に限定されるものではなく、回転自由度が２で、回転要素が３個以上ある遊星歯車機構が２組あって、それぞれの遊星歯車における回転要素３個の間の速度線図が同一であれば、その具体的な構造には捉われない。総合的に伝達効率の優れた（損失率の小さい）構造を提案することが本発明の目的の一つである。キャリアを固定し、サンギヤ、リングギヤを入力軸、または出力軸に連結すると、サンギヤやリングギヤを固定した場合より、回転要素間の相対回転速度が大きくなり、総合効率は低下する。従って、キャリアを固定メンバとすることは望ましくない。
（遊星歯車部の総損失率Ｌの計算）

図２の実施例１−１では、ロータ１Ａの出力は第一の遊星歯車１２Ａ、第二の遊星歯車１２Ｂを経て出力軸４に出力され、ロータ１Ｂの出力は直接出力軸４に出力される。従って、ロータ１Ａの出力のみ、歯車かみ合い部で歯面の滑りによる負荷依存損失（伝達トルクに比例）が発生する。この損失率は、遊星歯車の構造によるほか、固定メンバや互いの連結メンバをどの回転要素にするかなどで増減する。遊星歯車の各歯車かみ合部の損失エネルギと入出力軸間の総損失エネルギとの関係は以下で与えられ、実施例１−１を含む本発明の実施例や文献実施例の総損失率Ｌは以下の考え方で計算できる。

サンギヤとピニオンとの間のかみ合損失は、サンギヤトルクと、サンギヤとキャリア間の回転速度差と、サンギヤかみ合損失率（キャリアを固定させ、サンギヤとピニオンをかみ合わせたときのエネルギ損失率）との３者の積である。また、リングギヤとキャリアとの間のかみ合損失は、リングギヤトルクと、リングギヤとキャリアとの間の回転速度差と、リングギヤかみ合損失率（キャリアを固定させ、リングギヤとピニオンをかみ合わせたときのエネルギ損失率）との３者の積となる。従って、単純遊星歯車システムの総損失は、上記損失の和となり、総損失率Ｌは、その総損失を２個のロータから入ってくる入力エネルギで除した値となる。

図６に示すように、ロータ１Ａからサンギヤ３１Ａに入力するトルクを1、回転速度を1とする。第一の遊星歯車１２Ａの速度線図におけるトルクの釣り合いから、リングギヤ３３Ａには１／ρ、キャリア３４Ａにはサンギヤ３１Ａとリングギヤ３３Ａの和のトルク１＋１／ρ＝（１＋ρ）／ρが出力する。図７に示すように、この出力トルクは第二の遊星歯車１２Ｂのキャリア３４Ｂに入力され、サンギヤ３１Ｂのトルクは１、リングギヤ３３Ｂのトルクは１／ρとなる（トルク分配率を決めるときには、歯車かみ合効率を1としても近似的に問題はない）。

一方、図６、図７の速度線図から、リングギヤとキャリアとの相対回転速度はρ／（１＋ρ）、サンギヤとキャリアとの相対回転速度は１−ρ／（１＋ρ）＝１／（１＋ρ）となる。

キャリアを固定した状態におけるサンギヤかみ合損失率を１％（通常の外歯同士のかみ合歯車の場合）とし、リングギヤかみ合損失率を０．４３％（内歯と外歯間のかみ合の場合）とすると、第一の遊星歯車１２Ａの損失率Ｌ_Ａは上記の３者の積となるので、以下となる。
Ｌ_Ａ＝１×（１／（１＋ρ））×１＋（１／ρ）×（ρ／（１＋ρ））×０．４３＝１．４３／（１＋ρ）％

第二の遊星歯車１２Ｂの損失率Ｌ_Ｂも同じ式で表される。
Ｌ_Ｂ＝１．４３／（１＋ρ）％

ロータ１Ａとロータ１Ｂとで、入力トルクと回転速度が同じとすると、ロータ１Ａから出力軸に伝達されるエネルギに対する損失率はＬ_Ａ＋Ｌ_Ｂ（但し、Ｌ_Ａ＝Ｌ_Ｂ）となり、ロータ１Ｂによる損失率は０となる。遊星歯車の歯数比ρが０．５と仮定すると、総損失率Ｌは以下となる。
Ｌ＝（Ｌ_Ａ＋Ｌ_Ｂ）／２＝１．４３／（１＋ρ）＝１．４３／（１＋０．５）＝０．９５３％

図２の実施例１−１の方式では、ロータ１Ａから得られる出力のうち、第一の遊星歯車１２Ａで０．９５３％、第二の遊星歯車１２Ｂでも０．９５３％が失われ、合計１．９０６％失われる。ロータ１Ｂの出力の損失は０なので、ロータ１Ａとロータ１Ｂとが同じトルク（エネルギ）を出力しているとすれば、この遊星歯車の総損失率Ｌは上式のように、０．９５３％となる。
（実施例１−２）

図８に、遊星歯車のキャリアが入力と出力に、リングギヤが固定要素に連結されている場合を示す。このスケルトンでは、ロータ１Ａとキャリア３４Ａとを連結し、ロータ１Ｂとキャリア３４Ｂとを連結し、ロータ１Ｂと出力軸４を連結し、サンギヤ３１Ａと３１Ｂとは一体とし、リングギヤ３３Ａをケース２０に固定し、リングギヤ３３Ｂとの回転角度差は位相差調整モータ１３などの調整装置によって調整可能としている。図９には、第一の遊星歯車１２Ａの速度線図を示し、各回転要素のトルクの釣合関係を示す。また、固定メンバのリングギヤ３３Ｂの位相をリングギヤ３３Ａに対して回転角度αだけずらすと、両サンギヤは連結しているので、キャリア間にはα／(1+ρ)の角度位相差が発生する。実施例１−１と同様の手法で遊星歯車の総損失率Ｌを計算すると、０．９５３％となる。
（実施例１−３）

図１０に示すように、遊星歯車のキャリアが入力と出力に連結し、サンギヤが固定要素に連結されている場合を示す。このスケルトンでは、ロータ１Ａとキャリア３４Ａとを連結し、ロータ１Ｂとキャリア３４Ｂとを連結し、ロータ１Ｂを出力軸４に連結、リングギヤ３３Ａと３３Ｂとは一体とし、サンギヤ３１Ａをケース２０に固定するとともに、サンギヤ３１Ｂとの回転角度差は位相差調整モータ１３などの調整装置によって調整可能である。図１１には、第一の遊星歯車１２Ａの速度線図を示すとともに、各回転要素間のトルクの釣合関係を示す。また、両リングギヤは連結しているので、固定メンバのサンギヤ３１Ｂの位相を回転角度αだけずらすと、キャリア間にはαρ／(1+ρ)の角度位相差が発生する。実施例１−１と同様の手法で遊星歯車の総損失率Ｌを計算すると、０．４７７％となる。この損失率は極めて小さい。

このスケルトンをロータの回転中心に潜り込ませると、図１２のようにコンパクトな構造となる。なお、図１２はサンギヤ３１Ｂをケース２０に固定しているが、図１０のように、サンギヤ３１Ａを固定してもよい。また、出力軸４はロータ１Ａと連結してもよい。
（実施例１−４）

図１３に、第一の遊星歯車１２Ａのリングギヤ３３Ａが入力ロータ１Ａに連結し、第二の遊星歯車１２Ｂのリングギヤ３３Ｂが入力ロータ１Ｂと出力軸４に連結し、サンギヤ３１Ａがケース２０で固定されているスケルトン構造を示す。キャリア３４Ａと３４Ｂとは一体とし、サンギヤ同士の回転角度差は位相差調整モータ１３によって調整可能である。図１４には、第一の遊星歯車の速度線図を示すとともに、各回転要素間のトルクの釣合関係を示す。両キャリアは連結しているので、固定メンバであるサンギヤ３１Ｂの位相を回転角度αだけずらすと、両リングギヤ間には−αρだけの位相差が与えられる。ケース２０への固定メンバは、サンギヤ３１Ｂでもよく、出力軸４はロータ１Ａと連結してもよい。

図１５は、実施例１―４のスケルトンの遊星歯車１２Ａ、１２Ｂをロータ内周に配置している例を示し、コンパクトな構造である。

また、サンギヤかみ合損失率を１％、リングギヤ歯車かみ合損失率を０．４３％とし、実施例１−１と同様の手法で損失率Ｌを求めると、各かみ合歯車の損失率は、以下の式のように、トルク、回転速度差、損失率の積となる。

サンギヤ損失率：（ρ/（１＋ρ））×１＝０．３３３％
リングギヤ損失率：（１×ρ/（１＋ρ））×０．４３＝０．１４３％
総損失率Ｌは上記の和を２倍して２で除した値で、０．４７７％となり、実施例１−３と同様、総損失率は極めて小さい。
（実施例１−５）

図１６に、遊星歯車のサンギヤが入力と出力に、キャリアが固定要素に連結されている場合を示す。このスケルトンでは、ロータ１Ａとサンギヤ３１Ａとを連結し、ロータ１Ｂとサンギヤ３１Ｂとを連結し、ロータ１Ｂを出力軸４に連結し、リングギヤ３３Ａと３３Ｂとを機械的に連結し、キャリア３４Ａをケース２０に固定し、キャリア３４Ｂの回転角は位相差調整モータ１３などの調整装置によって調整可能としている。第一の遊星歯車１２Ａ速度線図１７に示すとともに、各回転要素間のトルクの釣合関係を示す。キャリア３４Ｂを３４Ａに対してプラス方向に角度αだけ回転させると、リングギヤ３３Ａ、３３Ｂは連結されているので、サンギヤ３１Ａに対してα(1+ρ)／ρの角度だけサンギヤ３１Ｂの位相をずらすことができる。サンギヤ１Ａとキャリア３４Ａとの回転速度差を１、サンギヤ３１Ａのトルクを１とし、サンギヤ１１Ａとピニオンギヤ３２Ａとの間のサンギヤかみ合損失率を１％とすると、サンギヤ３１Ａとキャリア３４Ａ間の伝達損失率は１％となる。また、リングギヤ３３Ａのトルクは１／ρ、リングギヤ３３Ａとキャリア３４Ａ間の回転速度差はρなので、リングギヤ３３Ａとピニオンギヤ３２Ａとの間のリングギヤかみ合損失率を０．４３％とすると、リングギヤ３３Ａとキャリア３４Ａ間の伝達損失はそれら３者の積で、０．４３％となる。実際のトルクがロータ１Ａからキャリア３４Ａを介してリングギヤ３３Ａに伝達され、更に、リングギヤ３３Ｂからキャリア３４Ｂを経てサンギヤ３１Ｂに伝達されるので、ロータ１Ａのエネルギの２．８６％が損失率となる。ロータ１Ａとロータ１Ｂのトルク（エネルギ）が同じであるとし、ロータ１Ａのトルクは直接出力軸４に伝達される損失は０なので、総損失率Ｌは、実施例１−１と同様の手法で計算すると、１．４３％となる。上記の実施例１−１〜実施例１−４に比べて、回転要素間の相対回転速度が大きくなるため、この損失率Ｌは大きくなる。つまり、キャリアを固定するタイプでは、損失率が大きくなる。
（実施例１−６）

図１８に、遊星歯車のリングギヤが入力と出力に、キャリアが固定要素に連結されている場合を示す。このスケルトンでは、ロータ１Ａとリングギヤ３３Ａとを連結し、ロータ１Ｂとリングギヤ３３Ｂとを連結し、リングギヤ３３Ｂを出力軸４に連結、サンギヤ３１Ａと３１Ｂとは機械的に連結し、キャリア３４Ａをケース２０に固定、キャリア３４Ｂとの回転角度差は位相差調整モータ１３などの調整装置によって調整可能としている。図１９には、第一の遊星歯車の速度線図を示すとともに、各回転要素間のトルクの釣合関係を示す。また、固定メンバのキャリア３４Ｂの位相を回転角度αだけずらすと、両サンギヤは一体となっているので、両リングギヤ間にはα(１＋ρ)だけ位相差が与えられる。実施例１−５と同様の手法で遊星歯車の総損失率Ｌを計算すると、１．４３％となる。実施例１−５と同様、キャリアを固定しているため、総損失率は大きい。

請求項２の発明を、下記の実施例２−１と２−２の具体的な構造例で示す。いずれも、ロークラッチとハイクラッチを選択的に切換えて、入出力軸間の減速比を1以上（ロー）と１（ハイ）とに切換え可能なシステムである。
（実施例２−１）

図２０に、実施例２−１を示す。この実施例では、遊星歯車のリングギヤ３３Ａ、３３Ｂをそれぞれロータ１Ａ、１Ｂに連結し、サンギヤ３１Ｂをケース２０に連結して固定し、第一の摩擦要素であるロークラッチ３７を結合して出力軸４をキャリア３４Ａ，３４Ｂに連結すると、ローの減速比１．３〜１．７を得ることができ、第二の摩擦要素であるハイクラッチ３８を結合して出力軸４をロータ１Ｂ（またはロータ１Ａ）に連結すると、ハイの減速比１を得ることができる。ロークラッチ３７とハイクラッチ３８とを選択的に切換え結合することによって、２段階の減速比が選択的に得られるスケルトンである。発進時にはロークラッチ３７を結合し、高速になるとロークラッチ３７を解放するとともに、ハイクラッチ３８を結合させれば、高効率な２段変速式２分割ロータの電気モータとすることができる。ロー、ハイとも、サンギヤ固定のため、ギヤトレーンの総損失率Ｌは０．４７７％と最良である。
（実施例２−２）

図２１に実施例２−２を示す。サンギヤ３１Ａ、３１Ｂをそれぞれロータ１Ａ、１Ｂに連結し、リングギヤ３３Ａをケース２０に連結して固定するとともに、第一の摩擦要素であるロークラッチ３７を結合し出力軸４をキャリア３４Ａ，３４Ｂに連結することにより、ローの減速比２．４〜４．３を得ることができ、第二の摩擦要素であるハイクラッチ３８を結合することにより出力軸をロータ１Ｂに連結すると、減速比１を得ることができる。図２２に、第一の遊星歯車１２Ａの速度線図を示すとともに、サンギヤ３１Ａの入力トルクを１としたときの各回転要素間のトルクの関係を示す。発進時にはロークラッチ３７を結合し、高速になるとロークラッチ３７を解放するとともに、ハイクラッチ３８を結合させれば、２段切換えが可能である。ハイ、ローとも、キャリアが一体となっているので、位相差調整モータでリングギヤ３３Ｂの回転角度をαだけ回転させると、両サンギヤ間の角度位相差は−α／ρとなる。

ρ＝０．５（減速比３）、サンギヤかみ合損失率を１％、リングギヤかみ合損失率を０．４３％とすると、総損失率は両減速比とも以下の計算のように、０．９５４％となる。このようなシステムとしては損失が少ない。
サンギヤとキャリア間の損失率：１×（１―ρ/（１＋ρ））×１＝０．６６７％
リングギヤとキャリア間の損失率：（１/ρ）×（ρ/（１＋ρ））×０．４３＝０．２８７％
２列の遊星歯車とも、同一の損失率であり、ロータ１Ａとロータ１Ｂから入力するエネルギが同じとすると、ロー、ハイともリングギヤ固定のため、総損失率Ｌは０．９５４％となり、最善ではないが、実用可能である。

以上の各実施例と文献実施例１〜３について、表１には、入力軸、出力軸、固定メンバ（ケース）に連結する回転要素と減速比を示し、表２には、その計算のもとになる各回転要素トルクと、回転要素間の相対回転速度、総損失率の計算結果を示す。

損失率計算時の仮定：外歯同士のかみ合歯車１％、内歯と外歯かみ合歯車０．４３％
ρ：サンギヤ歯数／リングギヤ歯数
δ：（サンギヤ歯数／大径ピニオン歯数）×（小径ピニオン歯数／リングギヤ歯数）

なお、文献実施例１〜３についても、同様の考え方で損失率を計算した結果を、表２に示す。特許文献２の図３に示されている文献実施例１のスケルトン（段付ピニオン式遊星歯車方式）を図２３に、そのスケルトンにおける速度線図を図２４に示す（但し、本明細書で定義した方法で付番）。

文献実施例１では、キャリアが固定されているので、回転要素間の相対回転速度が大きくなること、外歯かみ合歯車２個のかみ合いとなるので、かみ合損失率も大きいことから、総損失率は大きくなり、２％となる。本発明の実施例のいずれよりも総損失率の大きなスケルトンである。

また、文献実施例２でもキャリアが固定され、入力のリングギヤと出力のサンギヤとが互いに逆転し、両歯車間の相対回転速度も大きくなるため、総損失率が増大し、１．４３％となる。

文献実施例３では、サンギヤ入力、リングギヤ固定、キャリア出力で、損失率は０．９５３％と実用的な値ではあるが、歯数比ρ（サンギヤ歯数／リングギヤ歯数）が０．３〜０．７に制限されることから、減速比（＝１＋１／ρ）が２．４〜４．３に限定されること、しかも、本発明で提案しているような２段以上への変速は記述されていない。

以上のように、文献実施例では減速比１のものはなく、減速比を２段階に切換えるものもない。また、文献実施例１と２では、キャリアを固定要素としているため、総損失率が本発明のものよりも大きい。

本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、請求範囲内で種々の改造及び変更が可能であり、本発明はこれら改造及び変更された発明にも及ぶことは勿論である。また、前記の各組み合わせ以外でも、一部だけを採用する組み合わせによるものでもよい。

各図に示す永久磁石式モータと遊星歯車それぞれの構成要素は、図番に関係なく、跨った組み合わせにしてもよいし、それらの組み合わせを一体化することも可能である。例えば、前記本発明の実施の形態では、永久磁石式モータの左側に遊星歯車が配置されているが、永久磁石式モータの右側に遊星歯車を配置する構造としても、同じ効果が得られる。

１Ａ 第一の永久磁石式ロータ
１Ｂ 第二の永久磁石式ロータ
３ 固定子
４ 出力軸
５ 軸受け
６ インバータ
７ 電源
１１ 位相差設定装置
１２Ａ 第一の遊星歯車
１２Ｂ 第二の遊星歯車
１３ 位相差調整モータ
２０ ケース
３１Ａ 第一の遊星歯車のサンギヤ
３１Ａ１ 第一の遊星歯車の小径サンギヤ
３１Ａ２ 第一の遊星歯車の大径サンギヤ
３１Ｂ 第二の遊星歯車のサンギヤ
３１Ｂ１ 第二の遊星歯車の小径サンギヤ
３１Ｂ２ 第二の遊星歯車の大径サンギヤ
３２Ａ 第一の遊星歯車のピニオンギヤ
３２Ｂ 第二の遊星歯車のピニオンギヤ
３３Ａ 第一の遊星歯車のリングギヤ
３３Ｂ 第二の遊星歯車のリングギヤ
３４Ａ 第一の遊星歯車のキャリア
３４Ｂ 第二の遊星歯車のキャリア
３５Ａ 第一の遊星歯車の段付ピニオン小径歯車
３５Ｂ 第二の遊星歯車の段付ピニオン小径歯車
３６Ａ 第一の遊星歯車の段付ピニオン大径歯車
３６Ｂ 第二の遊星歯車の段付ピニオン大径歯車
３７ 第一の摩擦要素（ロークラッチ）
３８ 第二の摩擦要素（ハイクラッチ）
４０Ａ 第一の遊星歯車の速度線図
４０Ｂ 第二の遊星歯車の速度線図

Claims (6)

1. 永久磁石によって複数の磁極が円周上に与えられている第一の永久磁石式ロータ、円周上に該第一の永久磁石式ロータと同数の磁極を持つ第二の永久磁石式ロータ、磁性体に巻かれたコイルに流れる電流により磁界を構成し、上記第一のロータあるいは第二のロータと同数の円周上磁極を持たせた固定子、ケース、出力軸、第一のロータと第二のロータとの回転方向の位相差を設定するための位相差設定装置から成り、第一のロータと第二のロータとは該固定子と同心で回転可能なよう上記ケースで直接支承され、該位相差設定装置は、第一の遊星歯車装置、第二の遊星歯車装置、位相差調整用モータとから成り、第一の遊星歯車装置は、キャリアを含む第一、第二、第三の回転要素を有し、第二の遊星歯車装置は、キャリアを含む第一、第二、第三の回転要素を有し、第一の遊星歯車装置の第一、第二、第三の回転要素で構成される第一の速度線図と、第二の遊星歯車装置の第一、第二、第三の回転要素で構成される第二の速度線図とは一致するように設定され、第二のロータと第二の遊星歯車装置の第一回転要素とを機械的に連結し、第一のロータと第一の遊星歯車装置の第一回転要素とを機械的に連結し、第一の遊星歯車装置の第二の回転要素と、第二の遊星歯車装置の第二の回転要素とを機械的に連結し、第一の遊星歯車装置の第三の回転要素を上記ケースに連結して固定し、第二の遊星歯車装置の第三の回転要素を位相差調整用モータに駆動連結し、第一の遊星歯車装置の第一の回転要素、または第二の遊星歯車装置の第一の回転要素のいずれかを出力軸に連結することにより、入出力軸間の減速比を1とすることを特徴とする２分割ロータのロータ間位相差設定装置。
2. 請求項１において、第一の遊星歯車における第二の回転要素または第二遊星歯車における第二の回転要素と出力軸とを、選択的に結合できる第一の摩擦要素で連結することにより減速比１以外の駆動状態を得、ロータと出力軸とを選択的に結合できる第二の摩擦要素で連結することにより減速比１の減速比を得ることを特徴とする２分割ロータのロータ間位相差設定装置。
3. 請求項１、２において、第一の遊星歯車装置における第三の回転要素がキャリアではなく、第二の遊星歯車装置における第三の回転要素もキャリアではないことを特徴とする２分割ロータのロータ間位相差設定装置。
4. 請求項１、２において、第一の遊星歯車装置における第三の回転要素と第二遊星歯車における第三の回転要素とがサンギヤであることを特徴とする２分割ロータのロータ間位相差設定装置
5. 請求項１〜４において、位相差調整モータ１３からロータ１Ａとロータ１Ｂの回転方向位相差を調整することはできるが、ロータ１Ａまたはロータ１Ｂから位相差調整モータ１３を回転させることはできず、セルフロック機能を有することを特徴とする２分割ロータのロータ間位相差設定装置。
6. 請求項１〜５において、位相差調整モータは油圧ピストンにより回転、または直線移動するモータであることを特徴とする２分割ロータのロータ間位相差設定装置。

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