JP2017019356A - 動力出力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関と回転電機とを動力源として備え、回転電機のブラシの耐久性の向上を図ると共に小型化可能な動力出力装置を提供する。【解決手段】動力出力装置１０１では、回転電機１０は、内燃機関１に機械的に接続されるアウタロータ１３と、車両駆動機構３０に出力軸３及びカウンタシャフト２１を介して機械的に接続されるインナロータ１１とを有する。スリップリング装置６のスリップリング６ｂは、インナロータ１１に機械的に接続され且つブラシ７に接触する。出力軸３と並列なカウンタシャフト２１は、出力軸３の軸方向で回転電機１０とスリップリング装置６との間にあるピニオンギヤ４及びドリブンギヤ５を介して、出力軸３に機械的に接続される。車両駆動機構３０に機械的に接続されると共にカウンタシャフト２１と並列に配置され且つ機械的に接続されるアウトプットシャフト２２が、出力軸３の径方向でスリップリング装置６に対してずれて位置する。【選択図】図１

Description

この発明は、動力出力装置に関する。

例えば、特許文献１には、エンジンと回転電機と機械式変速機とが一列に配置されて連結された構成を有するハイブリッド駆動装置が記載されている。ハイブリッド駆動装置は、エンジンと回転電機とを動力源とする。変速機は、車輪に機械的に連結された駆動軸とエンジンとの間に、配置されている。回転電機は、エンジンと変速機との間に配置されている。さらに、回転電機と変速機との間には、クラッチが配設されている。

回転電機は、回転可能な第１ロータと、第１ロータの外周に相対回転可能に設けられた第２ロータと、第２ロータの外周に固定して設けられたステータとを備えている。
第１ロータとステータとに三相巻線が配設され、第２ロータに永久磁石が配設されている。
第１ロータは、エンジンに機械的に連結されている。第２ロータは、変速機を介して駆動軸に機械的に連結されている。
クラッチの２つのクラッチ板のうちの１つが第１ロータに機械的に連結され、別の１つのクラッチ板が第２ロータに機械的に接続されている。クラッチは、接続状態で第１ロータと第２ロータとを一体に回転できるようにし、接続解除状態で第１ロータと第２ロータとを相対的に回転できるようにする。これにより、エンジンのトルクと回転電機のトルクとが、クラッチの接続状態に応じて選択されて、変速機を介して駆動軸に伝達する。

さらに、第１ロータの三相巻線と回転電機の外部の整流器とを電気的に接続するためのスリップリングが、エンジンと第１ロータとの間に配置され、第１ロータに機械的に連結されている。スリップリングは、第１ロータの三相巻線と電気的に接続されている。スリップリングには、回転しないように固定して配設されたブラシが、接触している。ブラシは、整流器に電気的に接続されている。

特開２０１１−１３１７６０号公報

特許文献１に記載されるハイブリッド駆動装置、つまり動力出力装置において、スリップリングは、エンジンと第１ロータとを連結する回転軸の周囲に設けられている。この回転軸は、エンジンのトルクを伝達する能力を有するために、太い軸径を有している。スリップリングは、回転軸から露出している必要があるため、回転軸よりもさらに大きい外径を有している。これにより、回転軸の回転時におけるスリップリングの外周縁の周速が大きくなるため、スリップリングに摺動しつつ接触するブラシの寿命が短くなる。また、エンジン、スリップリング、回転電機及び変速機が軸方向に並んで配置されているため、全長が長くなり、動力出力装置として大型化している。

本発明は上記のような問題を解決するためになされたものであり、エンジンつまり内燃機関と回転電機とを動力源として備え、回転電機のブラシの耐久性の向上を図ると共に小型化可能な動力出力装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明に係る動力出力装置は、車両に搭載される動力出力装置であって、内燃機関と、内燃機関に回転駆動力を伝達可能に接続される第一回転子と、車両駆動機構に第一伝達軸及び第二伝達軸を介して機械的に接続される第二回転子とを含む回転電機と、ブラシが接触するスリップリングを含むスリップリング装置とを備え、互いに相対的に回転可能であるように、第一回転子及び第二回転子の一方が、第一回転子及び第二回転子の他方の内側に配置され、第一回転子及び第二回転子の一方が、巻線を含み、第一回転子及び第二回転子の他方が、磁石を含み、スリップリング装置は、巻線を含む回転子に一体に回転するように機械的に接続され、第二伝達軸は、第二回転子に設けられる第一伝達軸と並列に配置され、且つ、複数の軸間で回転駆動力を伝達することができる軸間駆動伝達部を介して、第一伝達軸に機械的に接続され、軸間駆動伝達部は、第一伝達軸の軸方向で、回転電機とスリップリング装置との間に配置され、車両駆動機構に機械的に接続されると共に第二伝達軸と並列に配置される第三伝達軸と、第二伝達軸と第三伝達軸とを回転駆動力を伝達可能に機械的に接続する別の軸間駆動伝達部とを備え、第一伝達軸の径方向では、第三伝達軸が、スリップリング装置に対してずらされて位置している。

第二伝達軸は、車両駆動機構の変速機のシャフトであってよい。

本発明に係る動力出力装置によれば、内燃機関と回転電機とを動力源として備えた構成において、回転電機のブラシの耐久性を向上すると共に、動力出力装置の小型化が可能になる。

本発明の実施の形態に係る動力出力装置の構成を示す模式図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った模式的な断面図である。 図１のスリップリング装置及びその周辺を拡大した側面図である。 内燃機関と回転電機とスリップリング装置との連結構成の変形例を示す模式図である。

以下、本発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
図１を参照すると、本発明の実施の形態に係る動力出力装置１０１を含む車両駆動装置１００の構成が示されている。なお、以下の実施の形態では動力出力装置１０１及び車両駆動装置１００は、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等の内燃機関１とモータ等の回転電機１０とを動力源として備えるハイブリッド自動車に搭載されものとして説明する。

車両駆動装置１００は、内燃機関１、回転電機１０及び変速機２０を含む動力出力装置１０１と、減速機３２と、デファレンシャルギヤ３３と、ドライブシャフト３４と、車輪３５と、インバータ４１と、二次電池４２と、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵと呼ぶ）４３とを備えている。

回転電機１０は、内燃機関１に機械的に接続されると共に、変速機２０に機械的に接続されている。
変速機２０は、減速機３２に機械的に接続されている。変速機２０は、２つの並列に並ぶシャフトであるカウンタシャフト２１とアウトプットシャフト２２とを備えるマニュアルトランスミッションとしての構成を有している。変速機２０は、マニュアルトランスミッション、オートマチックトランスミッション、無段変速機、デュアルクラッチトランスミッション等のいかなる変速機であってもよい。

減速機３２は、デファレンシャルギヤ３３に機械的に接続され、デファレンシャルギヤ３３は、車輪３５に機械的に接続されたドライブシャフト３４に機械的に接続されている。
変速機２０、減速機３２、デファレンシャルギヤ３３及びドライブシャフト３４は、車両駆動機構３０を構成している。

回転電機１０は、三相交流電力によって動作するダブルロータ型モータであるカップリングモータである。
回転電機１０は、インナロータ１１と、インナロータ１１の外周側に配置されたアウタロータ１３とを備えている。回転電機１０は、２つのロータ１１及び１３を備えているが、ステータを備えていない。ここで、インナロータ１１は第二回転子を構成し、アウタロータ１３は第一回転子を構成している。

円筒状のインナロータ１１は、同軸上にある出力軸３を中心として一体に回転するように、出力軸３に結合されている。インナロータ１１は、その外周面近傍に周方向に沿って設けられた三相巻線１２を含んでいる。なお、出力軸３は、インナロータ１１から内燃機関１と反対側に向かう方向に延びている。ここで、出力軸３は、第一伝達軸を構成している。

円筒状のアウタロータ１３は、インナロータ１１の外周を囲むように径方向外側に設けられている。アウタロータ１３の内部には、永久磁石１４が、三相巻線１２に対向するようにして周方向に沿って埋め込まれている。
アウタロータ１３は、インナロータ１１に対して、インナロータ１１の外周に沿って相対回転を行うことができるように構成されている。アウタロータ１３は、同軸上にある入力軸２を中心として一体に回転するように、入力軸２に結合されている。入力軸２は、アウタロータ１３から内燃機関１にまで、出力軸３と同軸上に延びている。
入力軸２及びアウタロータ１３は、出力軸３及びインナロータ１１に対して、入力軸２及び出力軸３を中心とした相対回転を一体となって行うことができる。

アウタロータ１３から延出する入力軸２の端部は、内燃機関１の図示しないクランクシャフトに機械的に接続されている。これにより、入力軸２及びアウタロータ１３は、内燃機関１の回転駆動力が伝達されてクランクシャフトと同期回転する。なお、この機械的に接続されるとは、本実施の形態のように、入力軸２がクランクシャフトに直接接続される場合に加えて、増速機、減速機のような変速機構、機械式の動力伝達機構等を介して入力軸２がクランクシャフトに接続される場合も含まれ得る。

インナロータ１１から延出する出力軸３の端部は、ピニオンギヤ４に一体に回転するように連結されている。
ピニオンギヤ４は、変速機２０に機械的に接続されたドリブンギヤ５にギヤ係合している。
よって、出力軸３が受けるトルクが、ピニオンギヤ４及びドリブンギヤ５を介して変速機２０のカウンタシャフト２１に伝達する。ここで、ピニオンギヤ４及びドリブンギヤ５は、軸間駆動伝達部を構成している。

また、ピニオンギヤ４の中心から出力軸３と反対側の方向に向かって、スリップリング回転軸６ｃが延出している。スリップリング回転軸６ｃは、出力軸３に対して同軸上に位置し且つ一体に回転するように結合されている。つまり、スリップリング回転軸６ｃは、インナロータ１１に機械的に接続されている。
スリップリング回転軸６ｃには、円柱状の支持体６ａが、同軸上で一体に回転するように取り付けられている。さらに、３つのスリップリング６ｂが、支持体６ａに取り付けられている。

各スリップリング６ｂは、導電性を有する材料から作製されている。３つのスリップリング６ｂはそれぞれ、互いに軸方向に間隔をあけて支持体６ａに固定されている。各スリップリング６ｂは、支持体６ａから外周縁を露出させて、支持体６ａの外周に沿って延在している。
支持体６ａ、スリップリング６ｂ及びスリップリング回転軸６ｃは、スリップリング装置６を構成している。そして、上述のようなスリップリング装置６は、回転電機１０及びピニオンギヤ４と変速機２０との間に位置する。

図３に示すように、回転電機１０等のトルクを受けて変速機２０のドリブンギヤ５に伝達する出力軸３に対して、トルクを伝達する必要がなく強度を要しないスリップリング回転軸６ｃの軸径は、大幅に小さくされている。これにより、スリップリング６ｂの外径も、出力軸３の軸径よりも大幅に小さくなっている。

図１を再び参照すると、各スリップリング６ｂは、インナロータ１１の三相巻線１２の各相の巻線に電気的に接続されている。各スリップリング６ｂは、各スリップリング６ｂに接触するブラシ７を介して、回転電機１０の外部に設けられたインバータ４１と電気的に接続されている。ブラシ７は、導電性を有する材料から作製され、回転するスリップリング６ｂに摺動しつつ接触することができるように配置されている。

インバータ４１は、直流電力を充放電することができるように構成された二次電池４２と電気的に接続されている。
インバータ４１は、二次電池４２の直流電力を三相交流電力に変換し、ブラシ７及びスリップリング装置６を介して、インナロータ１１の三相巻線１２に供給することができる。また、インバータ４１は、インナロータ１１の三相巻線１２からの三相交流電力を、スリップリング装置６及びブラシ７を介して受電し、受電した三相交流電力を直流電力に変換して二次電池４２に供給することができる。
インバータ４１は、ＥＣＵ４３によって動作が制御されるように構成されている。なお、ＥＣＵ４３は、内燃機関１の動作を制御するようにも構成されている。

また、変速機２０の外部にあるドリブンギヤ５は、変速機２０のカウンタシャフト２１に一体に回転するように連結されている。
カウンタシャフト２１は、変速機２０の内部から外部にわたって延在し、変速機２０における回転電機１０及びスリップリング装置６側の部位から延出している。カウンタシャフト２１は、出力軸３に対して間隔をあけて平行に延在している。つまり、カウンタシャフト２１は、出力軸３と並列に延在し、ドリブンギヤ５とピニオンギヤ４とのギヤ係合を介して、出力軸３に回転駆動力を伝達できるように機械的に接続されている。ここで、カウンタシャフト２１は、第二伝達軸を構成している。

図１及び図２をあわせて参照すると、変速機２０は、複数の変速用ギヤ２１ａが配設されたカウンタシャフト２１に加えて、アウトプットシャフト２２を有している。アウトプットシャフト２２には、カウンタシャフト２１の変速用ギヤ２１ａにギヤ係合可能な複数の変速用ギヤ２２ａが配設されている。ここで、アウトプットシャフト２２は、第三伝達軸を構成し、変速用ギヤ２１ａ及び２２ａは、軸間駆動伝達部を構成している。
アウトプットシャフト２２は、変速機２０の内部から外部にわたって延在し、変速機２０におけるカウンタシャフト２１が延出する部位と反対側の部位から延出している。アウトプットシャフト２２は、カウンタシャフト２１に対して間隔をあけて平行に延在している。つまり、アウトプットシャフト２２は、カウンタシャフト２１と並列に延在している。
なお、本実施の形態では、図１及び図２に示すように、出力軸３の径方向において、アウトプットシャフト２２の位置が、出力軸３の位置及びスリップリング装置６の支持体６ａの位置に対してずらされている。さらに、変速機２０のケースにおける出力軸３側の部位に凹部２０ａを形成し、この凹部２０ａ内に支持体６ａを収めている。

変速機２０から延出するアウトプットシャフト２２の端部には、出力用ギヤ３１が一体に回転するように連結されている。
そして、出力用ギヤ３１は、減速機３２とギヤ係合している。
従って、回転電機１０のインナロータ１１と共に出力軸３が回転することによって、動力出力装置１０１を搭載するハイブリッド自動車が走行する。

上述のような構成を有する動力出力装置１０１を含む車両駆動装置１００は、以下のように動作する。
図１を参照すると、車両駆動装置１００は、車両駆動装置１００を搭載するハイブリッド自動車を、動力出力装置１０１の回転電機１０の出力軸３への回転駆動力つまりトルクによって走行させる。出力軸３へのトルクは、ピニオンギヤ４、ドリブンギヤ５、変速機２０、減速機３２、デファレンシャルギヤ３３及びドライブシャフト３４を介して車輪３５に伝達し、ハイブリッド自動車を走行させる。

ＥＣＵ４３は、内燃機関１を停止させた状態で二次電池４２の電力を使用することのみによって回転電機１０を動作させてハイブリッド自動車を走行させるＥＶモード走行形態と、内燃機関１の動力を使用して入力軸２を回転駆動させつつ回転電機１０を動作させてハイブリッド自動車を走行させるＲＥモード走行形態とを適宜選択して、ハイブリッド自動車の走行を制御する。

ＥＶモード走行形態での走行時、ＥＣＵ４３は、内燃機関１を停止させつつ、インバータ４１を制御して、二次電池４２の電力を回転電機１０のインナロータ１１の三相巻線１２に供給する。三相巻線１２を流れる三相交流電流が発生する回転磁界が、永久磁石１４に作用し、これにより、インナロータ１１とアウタロータ１３との間に、磁界による回転トルクが発生する。そして、上記回転トルクの反力としてのトルクを受けるインナロータ１１が回転駆動する。
インナロータ１１の回転駆動力つまりトルクは、出力軸３、変速機２０等を介して車輪３５に伝達して車輪３５を駆動する。

ＲＥモード走行形態での走行時、ＥＣＵ４３は、内燃機関１を稼働させつつ、二次電池４２の電力を回転電機１０のインナロータ１１の三相巻線１２に供給する。このとき、内燃機関１が、アウタロータ１３にトルクを与え、アウタロータ１３を回転駆動する。さらに、インナロータ１１とアウタロータ１３との間に、磁界による回転トルクが発生する。
その結果、インナロータ１１の出力軸３は、上記磁界による回転トルクと、内燃機関１によるトルクとによって回転駆動され、それにより車輪３５が駆動される。

上述で説明したように、本発明の実施の形態に係る動力出力装置１０１は、内燃機関１と、内燃機関１に回転駆動力を伝達可能に接続されるアウタロータ１３と、車両駆動機構３０に出力軸３及びカウンタシャフト２１を介して機械的に接続されるインナロータ１１とを含む回転電機１０と、ブラシ７が接触するスリップリング６ｂを含むスリップリング装置６とを備える。互いに相対的に回転可能であるように、インナロータ１１が、アウタロータ１３の内側に配置され、インナロータ１１が三相巻線１２を含み、アウタロータ１３が永久磁石１４を含む。スリップリング装置６は、三相巻線１２を含むインナロータ１１に一体に回転するように機械的に接続される。カウンタシャフト２１は、インナロータ１１に設けられる出力軸３と並列に配置され、且つ、複数の軸間で回転駆動力を伝達することができるピニオンギヤ４及びドリブンギヤ５を介して、出力軸３に機械的に接続される。ピニオンギヤ４及びドリブンギヤ５は、出力軸３の軸方向で、回転電機１０とスリップリング装置６との間に配置される。

上述の構成において、内燃機関１の発生トルクと、回転電機１０におけるインナロータ１１とアウタロータ１３との間で発生する磁界による回転トルクとは、出力軸３、ピニオンギヤ４、ドリブンギヤ５及びカウンタシャフト２１を介して、車両駆動機構３０に伝達する。このため、インナロータ１１に機械的に接続されたスリップリング装置６は、トルクを伝達する必要が無い。よって、スリップリング装置６のスリップリング回転軸６ｃの軸径を小さくすることができ、これにより、スリップリング６ｂの径を小さくすることができる。従って、回転時におけるスリップリング６ｂの周速が低く抑えられるため、スリップリング６ｂに摺動しつつ接触するブラシ７の耐久性が高くなる。

さらに、動力出力装置１０１では、出力軸３の径方向において、アウトプットシャフト２２の位置が、出力軸３の位置及びスリップリング装置６の支持体６ａの位置に対してずらして配置されている。これにより、回転電機１０と変速機２０との間の距離を短縮することができ、内燃機関１、回転電機１０及び変速機２０からなるユニットの全長が短縮され、動力出力装置１０１の小型化が可能になる。

また、回転電機１０のインナロータ１１及びアウタロータ１３と、入力軸２と、出力軸３と、スリップリング装置６とによる構成は、実施の形態に係る動力出力装置１０１の構成に限定されるものでなく、図４に示すように、様々な構成が適用され得る。

図４の構成Ａでは、インナロータ１１に入力軸２が結合され、アウタロータ１３に出力軸３が結合されている。さらに、インナロータ１１に三相巻線１２が配設され、アウタロータ１３に永久磁石１４が配設されている。円筒状の出力軸３の外周にはピニオンギヤ４が結合されている。スリップリング装置６は、出力軸３及びピニオンギヤ４を挟んでインナロータ１１及びアウタロータ１３と反対側に配置されている。入力軸２及び出力軸３と同軸上に位置するスリップリング回転軸６ｃは、円筒状の出力軸３の内周側とインナロータ１１の内周側とを通り入力軸２に結合されている。スリップリング回転軸６ｃは、トルクを伝達する必要がないため、入力軸２に対して軸径を大幅に小さくすることができる。なお、上記構成において、スリップリング回転軸６ｃは、インナロータ１１に連結されてもよい。

図４の構成Ｂでは、インナロータ１１に出力軸３が結合され、アウタロータ１３に入力軸２が結合されている。さらに、インナロータ１１に永久磁石１４が配設され、アウタロータ１３に三相巻線１２が配設されている。円筒状の出力軸３の外周にはピニオンギヤ４が結合されている。スリップリング装置６は、出力軸３及びピニオンギヤ４を挟んでインナロータ１１及びアウタロータ１３と反対側に配置されている。入力軸２及び出力軸３と同軸上に位置するスリップリング回転軸６ｃは、円筒状の出力軸３の内周側とインナロータ１１の内周側とを通り入力軸２に結合されている。スリップリング回転軸６ｃは、トルクを伝達する必要がないため、入力軸２に対して軸径を大幅に小さくすることができる。

実施の形態に係る動力出力装置において、２つのロータ１１及び１３を備えるがステータを備えない回転電機１０が用いられていたが、これに限定されるものでなく、２つのロータとステータとを備えるダブルロータ型のモータが用いられてもよい。
実施の形態に係る動力出力装置は、ハイブリッド自動車への搭載に限定されるものでなく、建設機械、ディーゼル機関車等のガソリンエンジン及びディーゼルエンジンなどの内燃機関と回転電機とを動力とする車両や機械に搭載してもよい。

１ 内燃機関、３ 出力軸（第一伝達軸）、４ ピニオンギヤ（軸間駆動伝達部）、５ ドリブンギヤ（軸間駆動伝達部）、６ スリップリング装置、６ｂ スリップリング、７ ブラシ、１０ 回転電機、１１ インナロータ（第二回転子）、１２ 三相巻線、１３ アウタロータ（第一回転子）、１４ 永久磁石、２０ 変速機、２１ カウンタシャフト（第二伝達軸）、２１ａ，２２ａ 変速用ギヤ（別の軸間駆動伝達部）、２２ アウトプットシャフト（第三伝達軸）、３０ 車両駆動機構、１０１ 動力出力装置。

Claims (2)

1. 車両に搭載される動力出力装置であって、
   内燃機関と、
   前記内燃機関に回転駆動力を伝達可能に接続される第一回転子と、車両駆動機構に第一伝達軸及び第二伝達軸を介して機械的に接続される第二回転子とを含む回転電機と、
   ブラシが接触するスリップリングを含むスリップリング装置と
   を備え、
   互いに相対的に回転可能であるように、前記第一回転子及び前記第二回転子の一方が、前記第一回転子及び前記第二回転子の他方の内側に配置され、
   前記第一回転子及び前記第二回転子の一方が、巻線を含み、前記第一回転子及び前記第二回転子の他方が、磁石を含み、
   前記スリップリング装置は、前記巻線を含む回転子に一体に回転するように機械的に接続され、
   前記第二伝達軸は、前記第二回転子に設けられる前記第一伝達軸と並列に配置され、且つ、複数の軸間で回転駆動力を伝達することができる軸間駆動伝達部を介して、前記第一伝達軸に機械的に接続され、
   前記軸間駆動伝達部は、前記第一伝達軸の軸方向で、前記回転電機と前記スリップリング装置との間に配置され、
   前記車両駆動機構に機械的に接続されると共に前記第二伝達軸と並列に配置される第三伝達軸と、
   前記第二伝達軸と前記第三伝達軸とを回転駆動力を伝達可能に機械的に接続する別の軸間駆動伝達部と
   を備え、
   前記第一伝達軸の径方向では、前記第三伝達軸が、前記スリップリング装置に対してずらされて位置する動力出力装置。
2. 前記第二伝達軸は、前記車両駆動機構の変速機のシャフトである請求項１に記載の動力出力装置。

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