JP3543500B2 - 車両用駆動装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は車両用駆動装置に関し詳しくは内燃機関の発生動力から転換された電力で車輪軸を駆動するハイブリッド形式の車両用駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、特開平７ー１５８０５号公報に示されるように、内燃機関から発生される動力の回転数を変換する電磁カップリングと、トルクを制御する補助電動機によって内燃機関と電気機械のハイブリッド化を行い、動力機関の省燃費、低公害化を実現している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このシステムでは２つの独立した回転機が必要であるため、結果としてシステム全体の重量が増加し、省燃費化の実現が困難となる。また、本機能は従来車両のトルクコンバータ及び変速機に置き換えられるべきものであり、このスペースに２つの回転機を搭載するのが望ましいが、事実上困難であった。
【０００４】
そこで、本出願人は、この２つの回転電機を構成する回転子および固定子を同心円上に配置することによって小型化を図る構造を考えたが、このものでは、２つの回転電機のうち一方の回転電機は電機子を回転させる必要があり、電機子への電流供給構造に対する課題があった。
そこで、本発明は、電流供給構造におけるブラシの温度上昇を効率よく抑えることのできる車両用駆動装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、請求項１の記載によれば、内燃機関の駆動力により、第１及び第２の回転子は相対的に回転駆動され、第２の回転子は、第１の磁気回路により第１の回転子との間で相互電磁作用を発生させるとともにハウジングに固定された固定子との間で第２の磁気回路により相互電磁作用を引き起こす。そして内燃機関の回転力に対し、第１の回転電機で回転数を、第２の回転電機でトルクを負荷側の要求値に対応させる様これらの相互電磁作用により発生する駆動トルク、回転数を制御して負荷出力を駆動制御する。
【０００６】
また、前記複数のブラシのそれぞれを個々に前記スリップリング側に移動可能に保持する金属製の保持器と、これら保持器を固定する電気絶縁体からなる固定板とを有する複数のブラシ保持装置により、前記ブラシの熱を保持器を介して放熱するようにすることで、複数のブラシ保持装置を積層して、ブラシ保持装置の全体を小型化することができ、しいては駆動装置全体の体格を押さえることができる。請求項２の記載によれば、ブラシ保持装置の固定板と他のブラシ保持装置の保持器とを当接して積層することで、ブラシの発熱をより抑えることができる。
【０００７】
請求項３の記載によれば、ブラシ保持装置の固定板を熱伝導体で形成することで、ブラシの冷却をさらに確実に行うことができる。
を特徴とする請求項１もしくは２に記載の車両用駆動装置。
請求項４の記載によれば、ブラシ保持装置の固定板をハウジングに当接して固定することで、ブラシの熱を熱容量の大きいハウジングに伝えることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の実施例を示す。
１００は内燃機関等のエンジンであり、１０００はエンジン１００の出力を入力として受け、車両用の駆動輪等から構成される負荷出力（走行駆動出力）に対応できるように駆動トルク及び回転数を適宜制御して負荷出力に向けて出力するトルク−回転数コンバータとして機能する駆動装置であり、内部に一対のコイルと界磁極により構成される入出力間の回転数を調整する回転数調整部１２００と入出力間のトルクを調整するトルク調整部１４００とを有する。 このトルク−回転数（ｓｐｅｅｄ）コンバータを以下略してＴ−Ｓコンバータ１０００と呼ぶ。
【０００９】
２００はＴ−Ｓコンバータ１０００の回転数調整部１２００の通電を制御するインバータであり、本実施例においては、回転数調整部１２００は３相の回転機により構成されていることから、インバータ２００のスイッチング動作により、３相の交流電流が回転数調整部１２００へ向けて通電制御されている。
４００は同じくＴ−Ｓコンバータ１０００のトルク調整部１４００の通電を制御するインバータであり、回転数調整部１２００と同様３相交流電流を通電制御している
５００はＴ−Ｓコンバータ１０００に設けられた回転センサ、その他の内部情報及び外部情報によりインバータ２００及び４００を制御するＥＣＵである。６００は一般の車両等に用いられている直流のバッテリーである。７００は負荷出力として車両のタイヤ等により構成される駆動輪である。
【００１０】
さらにエンジン１００とＴ−Ｓコンバータ１０００間には一般の内燃機関駆動型の車両に広く用いられているジョイント部及び減速機（増速機含む）等が構成されるが本実施例では図示を省略、またＴ−Ｓコンバータ１０００と駆動輪７００間にも同様に減速機８００，差動ギヤ９００等が設けられている。。
次にＴ−Ｓコンバータ１０００の詳細な構造について説明する。
【００１１】
エンジン１００の回転駆動力を伝達出力する出力軸１１０は、図示しないジョイント部、減速機（増速機）等を介してＴ−Ｓコンバータ１０００のほぼ中心に位置するシャフト状の入力軸１２１３と連結されており、エンジン１００の回転駆動力を入力軸１２１３へ直接伝達する。本実施例においては、出力軸１１０と入力軸１２１３を同一軸状に直線的に配置するようにしたが、車両の搭載スペースに合わせ、適宜ジョイント等を介して出力軸１１０と入力軸１２１３の軸方向に角度をもたせて配置させることも可能である。
【００１２】
Ｔ−Ｓコンバータ１０００は内部に入力軸１２１３に一体的に設けられた第１の回転子である第１ロータ１２１０と、第２の回転子である第２ロータ１３１０及び固定子に相当するステータ１４１０等が設けられている。
ステ−タ１４１０は、回転磁界を作る巻線１４１１及びステ−タコア１４１２より構成されている。
【００１３】
又、入力軸１２１３は複数の異なる径の外周部を有しており、第１ロータ１２１０、ベアリング、電源供給の為のスリップリング、回転センサ等が配置されている。第１ロータ１２１０は回転磁界を形成する巻線１２１１及びロータコア１２１２から構成されており、巻線１２１１はブラシホルダ１６１０、ブラシ１６２０、スリップリング１６３０及び、シャフト１２１３内部にモ−ルド等の絶縁部１６５０を介して設けられているリ−ド部１６６０及び端子台１６７０を介して給電を受けている。
【００１４】
第１ロータ１２１０の外周には、第１ロータと対向して円筒状の第２ロータ１３１０が第１ロータ１２１０と相対的に回転可能なように同一軸上に回転自在に配置されている。第２ロータ１３１０は、中空のロ−タヨ−ク１３１１とその内周側にＮ，Ｓ極を作るべく等間隔に配置された磁石より構成される磁石界磁１２２０が設けられており、ロ−タコア１２１２及び巻線１２１１とで回転数調整部１２００を構成する。
【００１５】
第２ロ−タ１３１０には中空ロ−タヨ−ク１３１１の外周側にＮ，Ｓ極を作るべく等間隔に配置された磁石より構成される磁石界磁１４２０も設けられており、ステ−タコア１４１２及び巻線１４１１と共にトルク調整部１４００を構成する。
ここで、ロ−タ１３１１の内側或いは、外側に設けられた磁石はそれぞれロ−タヨ−ク１３１１内部に空間部を設けその中に挿入し固定されている。
【００１６】
第２ロ−タ１３１０のロ−タヨ−ク１３１１は、ロ−タフレ−ム１３３１、１３３２及びベアリング１５１０、１５１１を介して外部フレ−ム１７１０、１７２０に回転可能に設けられている。また、第１ロ−タ１２１０は、シャフト１２１３及びベアリング１５１２、１５１３を介して前記第２ロ−タのロ−タフレ−ム１３３１、１３３２に回転可能に設けられている。
【００１７】
第２ロ−タ１３１０のロ−タフレ−ム１３３２の端部にはギヤ８４０がボルト８４１等で１３３２に固定されており、減速部８００の連結ギヤ８４５及び差動ギヤ部９００を介して車両の駆動輪７００へエンジン、Ｔ−Ｓコンバ−タ１０００の出力を伝達する。。
１９１１、１９１２は回転検出センサであり、それぞれ第１ロ−タ１２１０、第２ロ−タ１３１０の回転位置を検出している。１９２０はブラシホルダ１６１０のカバ−ケ−スである。
【００１８】
次に、第１ロータ１２１０及び第２ロータ１３１０、ステータ１４１０の断面構造について図２に基づいて説明する。図２は磁気回路断面を示すものであるが、内部の構造は軸対称であるため、１／４断面のみを図示した形で説明する。
まず、第１ロ−タ１２１０であるが、これは入力軸１２１３に圧入されたロータコア１２１２とその外周側に、断面Ｔ字状の複数のロ−タティ−ス１２１４が所定の間隔で設けられており、各ロ−タティ−ス１２１４はそれぞれ基部に形成したダブテ−ル１２１４ａによりロ−タコア１２１２の外周の取り付け溝内に嵌着固定されている。そして各ロ−タティ−ス１２１４には３相界磁巻線１２１１が巻装されている。
【００１９】
ロータティ−ス１２１４の外周にはエアギャップｇ１を介して円筒状のロータヨーク１３１１が回転自在に設けられており、その内周面側の内部に、円周方向に等間隔で複数の磁石１２２０が設けられている。これら磁石１２２０は内周面側の磁極が、交互にＮ，Ｓ極となるように配置されている。
各磁石１２２０の両端には、磁束の漏れを防ぐための開口部１３１１ａがそれぞれ形成されている。また、各磁石１２２０間のスペ−スにはボルト穴１３１１ｂがロ−タヨ−ク１３１１を貫通するように周方向の複数位置に設けられておりロ−タヨ−ク１３１１を両サイドで支持するフレ−ム１３３１、１３３２を結合するためのボルト１３３３（図１）が上記各ボルト穴１３１１ｂ内に挿入される。
【００２０】
この界磁極１２２０とロータコア１２１２、ロ−タティ−ス１２１４及び巻線１２１１との間で磁束が形成されることにより一つの磁気回路を形成し、巻線１２１１に流れる電流をインバータ２００により適宜制御することによって、負荷出力の回転数を調整する回転数調整部１２００を構成する。
また、ロータヨーク１３１１の外周面側の内側に円周方向に等間隔に複数の磁石１４２０が配置されており、磁石１４２０の両端部には、磁束の漏れを防ぐための開口部１３１１ａが磁石１２２０の場合と同様に形成されている。磁石１４２０の磁極の配置は磁石１２２０と同様である。
【００２１】
第２ロータ１３１０の外径はｄ２であり、さらにその外周部に所定のエアギャップｇ２を介してステータ１４１０が設けられている。ステータ１４１０のステータコア１４１２の内周面側には巻線１４１１が巻装されるための複数のスロット１４１２ａが形成されており、第２ロータの界磁極１４２０との間で磁束を形成し、第２の磁気回路を形成する。そして巻線１４１１に流れる電流をインバータ４００により適宜制御することによって負荷出力へ向けてのトルクを調整することが可能であり、この磁気回路によりトルク調整部１４００を構成する。
【００２２】
上記の構成に於いて、エンジン１００の出力を電磁力を介してダイレクトに車両出力側へ伝達し、モータ出力をアシストするメカニズムを説明する。今エンジン１００の出力の回転数が２ｎ〔ｒｐｍ〕，トルクがｔ〔Ｎｍ〕である時、これを車両出力（回転数ｎ〔ｒｐｍ〕，トルク２ｔ〔Ｎｍ〕）としたい場合について説明する。
【００２３】
この回転数調整部１２００では入力（第１ロータ回転エネルギー）と出力（第２ロータ回転エネルギー）でトルクは作用、反作用の関係にあり、トルクを同一トルクｔ〔Ｎｍ〕として、エンジン１００の回転数２ｎ〔ｒｐｍ〕を車両出力回転数ｎ〔ｒｐｍ〕に調整する。
第２ロ−タ１３１０にまずトルクｔ〔Ｎｍ〕、回転数ｎ〔ｒｐｍ〕の出力を得るためには、回転方向と作用するトルク方向が逆となる制動状態となり、第２ロータ１３１０の回転数調整部側の磁石１２２０の位置を回転センサ１９１１、１９１２の相対角により検出し第１ロータ１２１０の巻線１２１１への通電位置を適当に計算、制御する事により、制動状態に制御し、第１ロータより発電出力が得られこれをバッテリー６００を介してトルク調整部１４００へ送る。第１ロータ１２１０の巻線１２１１への通電はインバータ２００から給電器１６００のブラシホルダ１６１０のブラシ１６２０、スリップリング１６３０、リード部１６６０及び端子台１６７０を経て行われ、通電タイミングは第１ロータ、第２ロータの回転センサ１９１１、１９１２の相対角によって計算される。これにより第２ロ−タ１３１０側へトルクｔ〔Ｎｍ〕、回転数ｎ〔ｒｐｍ〕の出力を得るとともにエネルギーｎｔが発電出力として得られる。この様に回転数調整部１２００はエンジン１００の出力トルクｔ〔Ｎｍ〕を車両出力側である駆動輪７００へそのまま伝達しながら、エンジン１００側と出力側の回転数の差を発電出力とする機能を持つ。又逆にエンジン１００側の回転数が出力回転数より小さいときは、バッテリー６００より給電を受け、電動機としての機能を行う。
【００２４】
次に、第１ロータ１２１０よりエンジン１００の出力トルクｔ〔Ｎｍ〕を電磁力を介して伝えられた第２ロータ１３１０においては車両出力を２ｎｔ（トルク２ｔ、回転数ｎ）とするために、不足となっているトルク分及びそれに必要な出力ｎｔを補う必要がある。この場合のトルク調整部１４００の働きは通常のモータと同様でインバータ４００からステータ巻線１４１１へ所望のトルク、回転数となるように、第２ロータ１３１０のトルク調整部１４００側の磁石１４２０の位置を回転センサ１９１２で検出し、通電タイミングを計算しながら給電を行う。逆に、エンジン１００側トルクが出力側トルク以上となった時は、トルク調整部１４００は、発電モードで働き、過剰なエネルギーをバッテリ６００に送る機能を持つ。
【００２５】
以上のように、エンジン１００からの入力（トルクｔ，回転数２ｎ）をまず回転数調整部１２００により、エンジン１００のトルクｔは、そのまま第２ロータ１３１０へ伝達し、エンジン１００の回転数２ｎを所望の出力回転数ｎに合わせるが、その時に生ずる回転数差ｎ×トルクｔのエネルギーを電力に変換し、インバータ２００、バッテリ６００を介してトルク調整部１４００へ送る。トルク調整部１４００側では、回転数調整部１２００或いはバッテリ６００の出力を受け、そのトルクｔの車両出力トルクに対する不足分或いは過剰分をここで補正する。この時、不足の場合は、１４００は電動機として、過剰であれば発電機として機能する。
【００２６】
又、回転数調整部１２００もエンジン１００の入力の設定によっては電動機として機能する必要がある。
逆に前記システムを車両の制動時に利用する場合は、エンジン１００をコンプレッサー（或いはエンジン１００によるブレーキ）として前記回転数調整部１２００の第１ロータの回転抵抗体として利用でき、車両の制動エネルギーの内、前記回転数調整部１２００で制動エネルギーの一部を吸収するので、トルク調整部１４００が負担する制動エネルギーは減少し、制動時に必要な容量も小さくする事ができる。
【００２７】
以上のような構成によりエンジン１００の回転エネルギーを一部電磁力を介してダイレクトに走行駆動側へ伝達することで、電力系統及び回転機の容量を小さくすることができ、さらには２つの回転機を複合化し内外配置としたので大幅に小型化が可能となった。
又、一部回転エネルギーを電力に、又電力から回転エネルギーに変換する工程が省けるので、その分効率ＵＰも期待できる。
【００２８】
次に、回転電機の第１ロータ１２１０への電力供給を行うブラシホルダ（ブラシ保持装置）１６１０の構成について説明する。
上記ブラシホルダ１６１０は図３および図４に示すようにブラシ１６２０、スプリング１６４０、各相のブラシを絶縁する絶縁体（固定板）１６６０及びブラシ１６２０を固定する金属性の保持器１６９０で構成し、絶縁体１６６０を熱伝導体１６７０で結合し、３相分を積層して構成し、ボルト１６８０でフレーム１７３０に固定している。ブラシ１６２０は保持器１６９０に接触し、保持器１６９０は絶縁体１６６０に接触している。
【００２９】
このような構成にすることで、各構成部品を一体とみなすことができ電力供給時の電流によるブラシ１６２０の発熱及びブラシ１６２０とスリップリング１６３０の摩擦による発熱をフレーム等の回転電機の冷却可能部まで図１の矢印に示す様に熱伝導で移動させることが可能となる。
また、その他の実施例として、熱伝導体１６７０ではなく保持器１６９０を直接絶縁体１６６０に接触する様に構成し、同様の効果を得る構造を図５に示す。
【００３０】
図５で示した実施例は、保持器１６９０を金属で構成した場合の例で、この場合、ボルト１６８０と保持器１６９０が導通しないようにゴム等の絶縁体１６９５を保持器に組付ている。
第１の実施形態で説明した構造において絶縁体１６６０は保持器１６９０に比べ熱伝導率が小さい。このため熱伝導によるブラシ１６２０の冷却効率を向上するためには絶縁体１６６０を熱伝導率の大きな材質にする必要がある。
【００３１】
そこで、絶縁体１６６０の材質を熱伝導率が大きいセラミック等の高熱伝導体にすることでブラシ１６２０の熱伝導による冷却をより効果的に行うことができる。
ブラシ１６２０を図５および図６に示す他の実施例では、固定する保持器１６９０はブラシ１６２０と接触している。
【００３２】
そこで、上記保持器１６９０を抵抗値の低い銅等の金属で構成し、ブスバーとして利用することができる。
図６はブラシを２個使用した場合の構造例で、図７はブラシを４個使用した場合の構造例である。
図６及び図７に示すように電力入出力回路の並列化が簡単に構成でき、ブラシ１個当りの電流密度を小さくするためにブラシ１６２０を複数個配置することでブラシの小型化が実現できる。
【００３３】
さらに、複数個のブラシを配線により結線する場合に比べて、構成部品が少なくなると共に組付け性も向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例における全体構成を示す、主要部の縦断面図である。
【図２】本発明の実施例における要部を拡大して示す縦断面図である。
【図３】本発明の実施例における駆動装置の主要部の横断面図である。
【図４】本発明の実施例におけるブラシ保持装置の正面図である。
【図５】本発明の他の実施例における駆動装置の主要部の横断面図である。
【図６】本発明の他の実施例におけるブラシ保持装置の正面図である。
【図７】本発明の他の実施例におけるブラシ保持装置の正面図である。
【符号の説明】
１００ エンジン（Ｅ／Ｇ）
２００、４００ インバータ
５００ ＥＣＵ
６００ バッテリ
１０００ トルク−回転数コンバータ
１２００ 回転数調整部
１２１０ 第１ロータ
１３１０ 第２ロータ
１４００ トルク調整部
１４１０ ステータ
１６００ 給電器
１６１０ ブラシホルダ
１６２０ ブラシ
１６４０ スプリング
１６６０ 絶縁体
１７１０ ハウジング

Claims (7)

1. 内燃機関の出力を入力とし、連結される負荷出力に対し所定の駆動トルク及び回転数を出力制御する駆動装置において、
   前記駆動装置は、ハウジングと、
   前記ハウジングに収容され、前記内燃機関から負荷出力に回転力を伝える相対回転可能な第１及び第２の回転子と、
   前記ハウジングに固定される固定子とを備えるとともに、
   前記第２の回転子は前記固定子の内側に、前記第１の回転子は前記第２の回転子の内側に同心円状に配置され、
   前記第１の回転子は、第１のコイルを有し、前記固定子は第２のコイルを有すると共に前記第２の回転子には、前記第１の回転子と第１のエアギャップを介して前記第１のコイルと相互電磁作用を行う第１の界磁を有し、前記第１のエアギャップと共に第１の回転電機を構成し、
   同じく前記第２の回転子には、前記固定子と第２のエアギャップを介して前記第２のコイルと相互電磁作用を行う第２の界磁を有し前記第２のエアギャップと共に第２の回転電機を構成し、
   前記第１の回転電機の前記第１のコイルヘの給電を、複数のブラシを介して行うとともに、前記第１の回転子のシャフトに設けられたスリップリングと、
   前記複数のブラシのそれぞれを個々に前記スリップリング側に移動可能に保持する金属製の保持器と、これら保持器を固定する電気絶縁体からなる固定板とを有する複数のブラシ保持装置とを備え、
   前記複数のブラシ保持装置を前記第１の回転子のシャフトの軸方向に積層したことを特徴とする車両用駆動装置。
2. 前記ブラシ保持装置の固定板と他のブラシ保持装置の保持器とを当接して積層したことを特徴とする請求項１に記載の車両用駆動装置。
3. 前記ブラシ保持装置の固定板を電気絶線の高熱伝導部材で形成することを特徴とする請求項１もしくは２に記載の車両用駆動装置。
4. 前記ブラシ保持装置の固定板を前記ハウジングに当接して固定することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の車両用駆動装置。
5. 前記第２の回転子の前記第１の界磁は、磁石界磁であることを特徴とする請求項１に記載の車両用駆動装置。
6. 記複数のブラシ保持装置は、それぞれ前記ブラシが前記保持器に接触し、前記保持器は前記固定板に接触していることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の車両用駆動装置。
7. 前記複数のブラシ保持装置は、それぞれ前記ブラシが直接保持器に接触する面の対向する前記ブラシの面では、直接固定板に接触していることを特徴とする請求項１ないし６いずれかに記載の車両用駆動装置。

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