JP5253104B2

JP5253104B2 - 回転電機

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Publication number: JP5253104B2
Application number: JP2008293232A
Authority: JP
Inventors: 裕二長沢; 一郎樽谷; 隆男渡辺; 英滋土屋; 喜三郎早川; 周浅海; 剛北畑
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2008-11-17
Filing date: 2008-11-17
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2028-11-17
Also published as: JP2010124529A

Description

本発明は、回転電機に係り、特に、回転軸に設けられる導電性のスリップリングと、スリップリングに押し付けられて電気的に接触するブラシとを備える回転電機に関する。

回転電機のコイルに通電を行う方式として、回転軸に設けられる整流子と呼ばれるスリップリングと、固定側に設けられるブラシとを用いる方式がある。この場合に、回転するスリップリングとブラシとは摩擦接触によって電気的に導通するので、回転軸の回転に伴ってブラシとスリップリングが摩耗する。例えば、銅等の金属でスリップリングを構成し、カーボンを含む材料でブラシを構成すると、主にブラシの方が回転電機の作動と共に摩耗する。

例えば、特許文献１には、ＤＣモータのブラシホルダー装置について、駆動軸に嵌挿される整流子に、ホルダに保持されるブラシがスプリングで押圧されることで、整流子にブラシが接触摺動し、ブラシから整流子を介して電機子に電流が流れることが述べられている。

そして、ここでは、ブラシを押圧する手段として形状記憶素材製のバネ体を用い、このバネ体を加熱する加熱手段を介して、所定モード運転時にはバネ体を所定温度以上に加熱してブラシを整流子から離すように制御することが開示されている。

特開平５−３００７０５号公報

上記のように、スリップリングとブラシとは接触によって電気的に接続されるので、ブラシの押付力が変化すると電気的接続の信頼性が低くなる。したがって、ブラシが摩耗しても押付力が変動しないようにする必要がある。

本発明の目的は、ブラシが摩耗するときでも安定した押付力を確保できる回転電機を提供することである。

本発明に係る回転電機は、回転軸に設けられる導電性のスリップリングと、回転するスリップリングに押し付けられて電気的に接触するブラシと、筐体部に取り付けられ、スリップリングに対するブラシの押付力を与える押付機構と、を備え、押付機構は、ブラシを押付方向に付勢力を与える付勢手段と、ブラシの摩耗量に応じて予め定めた移動プロファイルに従って付勢手段の付勢力の原点位置を調整する調整部と、を含み、調整部は、回転軸まわりの角度位置に応じて、回転軸からの径方向の距離が変化する移動プロファイル溝を有する案内溝部と、ブラシの摩耗量に応じて案内溝部を移動駆動し、移動プロファイル溝を回転軸に対し周方向に回転させる移動機構と、を有し、付勢手段は、ブラシに接触する側の反対側の一端側に移動プロファイル溝に案内される案内ピンを有し、移動プロファイル溝が周方向に移動されるに従い、案内ピンが径方向に移動して付勢手段の付勢力の原点位置が調整されることを特徴とする。

また、本発明に係る回転電機において、付勢手段は、ブラシ側に凸部を有する板バネであって、凸部を挟んで一方側に右案内ピンと他方側に左案内ピンとを有し、案内溝部は、左右の案内ピンにそれぞれ対応して２つの第１移動プロファイル溝が設けられる第１案内溝部材と、左右の案内ピンにそれぞれ対応して２つの第２移動プロファイル溝が設けられる第２案内溝部材と、を含み、第１案内溝部材と第２案内溝部材とが回転軸に対し同軸に配置されるときに２つの第１移動プロファイル溝と２つの第２移動プロファイル溝とがそれぞれ重なって２つの交差空間を形成し、その２つの交差空間に左右の案内ピンがそれぞれ配置され、移動機構は、第１案内溝部材と第２案内溝部材とを回転軸に対し相互に逆方向に回転させることで２つの交差空間にそれぞれ配置される右案内ピンと左案内ピンとを径方向に沿って同じ方向に移動させることが好ましい。

また、本発明に係る回転電機において、調整部は、回転電機または回転電機が搭載されるシステムの運転による温度サイクルに基づいて移動プロファイルを順次一方向に移動して、付勢手段の付勢力の原点位置を順次変更することが好ましい。

また、本発明に係る回転電機において、調整部は、ブラシの通電サイクルの１サイクル毎の温度サイクルに基づいて、通電がＯＦＦに対応するときに、ブラシの押付力を軽減する方向に付勢手段の付勢力の原点位置を変更し、通電がＯＮに対応するときにブラシの押付力を増加することが好ましい。

上記構成により、回転電機は、スリップリングに対するブラシの押付力を与える押付機構として、ブラシを押付方向に付勢力を与える付勢手段と、ブラシの摩耗量に応じて予め定めた移動プロファイルに従って付勢手段の付勢力の原点位置を調整する調整部とを含む。付勢手段は、付勢力の原点位置を変更すると、コイルバネにしても板バネにしても、その他のバネにしても、付勢力の大きさが変化する。上記構成によれば、ブラシが摩耗することで押付力が変化する場合に、この変化量を補償するように付勢手段の付勢力の原点位置を調整することができる。これによって、ブラシの摩耗があっても押付力の変化を抑制し、安定した押付力を確保できる。

また、回転電機において、調整部は、回転軸まわりの角度位置に応じて、回転軸からの径方向の距離が変化する移動プロファイル溝を有する案内溝部材と、ブラシの摩耗量に応じて案内溝部材を移動駆動し、移動プロファイル溝を回転軸に対し周方向に回転させる移動機構とを有する。そして、付勢手段は、ブラシに接触する側の反対側の一端側に移動プロファイル溝に案内される案内ピンを有し、移動プロファイル溝が周方向に移動されるに従い、案内ピンが径方向に移動して付勢手段の付勢力の原点位置が調整される。このように、移動プロファイル溝が周方向に移動されるに従い、それに案内される案内ピンが径方向に移動して付勢手段の付勢力の原点位置を調整することができる。

また、本発明に係る回転電機において、付勢手段は、ブラシ側に凸部を有し、凸部を挟んで一方側に右案内ピンと他方側に左案内ピンとを有する板バネである。そして、案内溝部は、２つの移動プロファイル溝が設けられる第１と第２の案内溝部材を含み、第１案内溝部材と第２案内溝部材とが回転軸に対し同軸に配置されるときにそれぞれの２つの移動プロファイル溝が互いに重なって２つの交差空間を形成し、その２つの交差空間に左右の案内ピンがそれぞれ配置される。そして、移動機構が、第１案内溝部材と第２案内溝部材とを回転軸に対し相互に逆方向に回転すると、２つの交差空間にそれぞれ配置される右案内ピンと左案内ピンとが径方向に沿って同じ方向に移動する。このようにして、板バネの付勢力の原点位置となる案内ピンの位置をブラシの摩耗方向である径方向に移動させることができる。

また、回転電機において、調整部は、回転電機または回転電機が搭載されるシステムの運転による温度サイクルに基いて移動プロファイルを順次一方向に移動して、付勢手段の付勢力の原点位置を順次変更する。ブラシの摩耗は徐々に進むので、例えば、１日単位程度の間隔で付勢手段の付勢力の原点位置を順次変更することで十分間に合うことが多い。上記構成によれば、特別な摩耗検出手段等を用いなくても、回転電機等が運転されるときに発熱によって温度が上昇し、運転が休止するときは温度が下ることによるある程度長い周期の温度サイクルを利用して付勢手段の付勢力の原点位置を順次変更することができる。原点位置の変更は、温度サイクルの１サイクル毎に順次行ってもよく、予め定めたサイクル数ごとに順次行うものとしてもよい。

また、回転電機において、調整部は、予め定めた回転電機の運転状態に応じて、ブラシの押付力を軽減または増加する方向に付勢手段の付勢力の原点位置を変更する。例えば、回転電機が、スリップリングとブラシとの間の電気的接続を必要としない運転モードを有するときには、その運転モードの運転状態になったときに、押付力を軽減する方向に付勢手段の付勢力についての原点位置を調整することで、ブラシの不必要な摩耗を抑制することができる。なお、押付力をゼロ、すなわち、スリップリングとブラシを全く接触しないようにするものとしてもよい。

また、回転電機において、調整部は、ブラシの通電サイクルの１サイクル毎の温度サイクルの基いて、通電がＯＦＦに対応するときに、ブラシの押付力を軽減する方向に付勢手段の付勢力の原点位置を変更し、通電がＯＮに対応するときにブラシの押付力を増加する。これにより、特別な通電検出手段等を用いなくても、スリップリングとブラシとの間の電気的接続を必要としないときに押付力を軽減し、ブラシの不必要な摩耗を抑制することができる。このときに、押付力をゼロ、すなわち、スリップリングとブラシを全く接触しないようにするものとしてもよい。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。以下では、回転電機として、ステータと、永久磁石ロータと、巻線ロータとを備え、永久磁石と巻線ロータとの間にクラッチが設けられ、巻線ロータの回転軸の一方側がエンジンに接続され、永久磁石ロータが変速機に接続される動力伝達機構を説明するが、これ以外の構造であっても、スリップリングとブラシとが用いられる回転電機であればよい。また、以下で述べる材質、形状、寸法等は説明のための例示であり、回転電機の仕様等に適合するように適宜変更が可能である。

以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。

図１は、スリップリングとブラシが用いられるハイブリッド駆動システム１０の構成を説明する図である。このハイブリッド駆動システム１０は車両の駆動に用いられるもので、エンジン１２と変速機１４との間に動力伝達機構としての回転電機２０が設けられる。変速機１４の先は、車輪１６に接続される。

回転電機２０は、３相信号で作動し、回転軸２２と、ロータ巻線２５が巻回され回転軸２２周りに回転可能な巻線ロータ２４と、永久磁石が取り付けられ回転軸２２周りに回転可能な永久磁石ロータ２６と、永久磁石ロータ２６の外周側に配置され回転電機筐体部に固定されるステータ２８とを含む。そして、回転軸２２には、スリップリング３０が取り付けられ、このスリップリング３０に押し付けられるようにブラシ部３２が設けられる。スリップリング３０とブラシ部３２は、３相信号のそれぞれに対応し、３つの電気的に分離された部分を有する構成となっている。３相に対応する３つのスリップリング３０のそれぞれは、巻線ロータ２４の巻線であるロータ巻線２５における３相巻線のそれぞれに接続される。

ハイブリッド駆動システム１０は、電源回路部として、ブラシ部３２から取り出される３相信号を直流に整流する整流器６０と、整流器６０の出力を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータ６２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ６２の正極母線と負極母線に両端子が接続されるものとして、バッテリ６４と、インバータ６６と、クランキング用インバータ６８を含んで構成される。また、図１には図示されていないが、ハイブリッド駆動システム１０を構成する各要素の作動を全体として制御する制御部を含んで構成される。

かかるハイブリッド駆動システムの動作は以下の通りである。図１の構成において、エンジン１２の動力により回転軸２２を介して巻線ロータ２４が回転駆動され、巻線ロータ２４の回転速度が永久磁石ロータ２６の回転速度よりも高くなると、巻線ロータ２４の巻線であるロータ巻線２５に誘起起電力が発生する。ここで、ＤＣ／ＤＣコンバータ６２の出力電圧がバッテリ６４の電圧よりも高くなるようにＤＣ／ＤＣコンバータ６２の昇圧比を制御することで、ロータ巻線２５に誘導電流が流れ、巻線ロータ２４と永久磁石ロータ２６との間にトルクが作用して永久磁石ロータ２６が回転駆動される。

このパワー伝達経路は、エンジン１２の機械的動力によるものであるので、これを機械パスと呼ぶことができる。巻線ロータ２４と永久磁石ロータ２６との間に作用するトルクは、ＤＣ／ＤＣコンバータ６２の昇圧比、すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ６２を構成するスイッチング素子のデューティ比により制御可能である。上記構成によって、巻線ロータ２４と永久磁石ロータ２６との回転差を許容できるため、車輪１６の回転が停止してもエンジン１２がストールすることがなく、いわゆるトルクコンバータとしての機能を実現できる。

さらに、ロータ巻線２５に発生した３相交流電力は、スリップリング３０とブラシ部３２を介して取り出される。取り出された交流電力は、整流器６０で直流に整流され、整流された直流電力はＤＣ／ＤＣコンバータ６２で昇圧される。そしてＤＣ／ＤＣコンバータ６２からの直流電力がインバータ６６によって再び３相交流に変換されてからステータ２８の巻線であるステータ巻線２９に供給されることで、ステータ２８と永久磁石ロータ２６との間にトルクが作用する。このパワー経路は、電力によるものであるので、これを電気パスと呼ぶことができる。

また、バッテリ６４からステータ巻線２９へ電力供給を行うようにインバータ６６のスイッチング動作を制御して、ステータ２８と永久磁石ロータ２６との間にトルクを作用させることで、エンジン１２が動力を発生していなくても、永久磁石ロータ２６を回転駆動させることができる。すなわち、いわゆるＥＶ（ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＶｅｈｉｃｌｅ）走行を行うことができる。

また、バッテリ６４からの電力を用いてクランキング用インバータ６８によって３相信号を生成し、ブラシ部３２とスリップリング３０を介して巻線ロータ２４のロータ巻線２５に駆動電流を供給することができる。これによって永久磁石ロータ２６と巻線ロータ２４との間にトルクを発生させ、エンジン１２を起動させることができる。すなわち、クランキング機能を持たせることができる。さらに、クラッチ１８を切断することで、巻線ロータ２４のロータ巻線２５に発生する電力を取り出すことができる。すなわち、発電機としての機能を持たせることができる。

上記のように、図１で説明した回転電機２０は、トルク増幅機能を有するトルクコンバータとしての機能、エンジン直結駆動機能、モータとして用いてハイブリッド走行とＥＶ走行を可能とする機能、エンジン始動のクランキング機能、発電機としての機能等を車両の運転状況に合わせ選択的に用いることができる多機能の動力伝達機構である。

次に、この回転電機２０におけるスリップリング３０とブラシ部３２の詳細について説明する。図２は、スリップリング３０とブラシ部３２の様子を示す図で、正面図と側面図が示されている。

スリップリング３０は、回転電機２０の回転軸２２に回転止めされて固定され、回転軸２２と一体的に回転する金属製のリングである。図２の側面図に示されるように、スリップリング３０は、３相信号に対応して３つ並列に回転軸に設けられ、それらの間は絶縁材料の環状部材で仕切られている。各スリップリング３０は図示されていない引出配線によって、回転電機２０の巻線ロータ２４の３相のロータ巻線２５のそれぞれに接続される。

かかるスリップリング３０としては、例えば、純銅製の材料を加工してリング状としたものを用いることができる。３つのリングを互いに電気的に絶縁して並列に整列配置するには、絶縁材料と一体成形する方法を用いることができる。

ブラシ部３２は、ブラシ３４と、押付機構４０と、ブラシ筐体部３６とを含んで構成される。ブラシ筐体部３６は、図２の正面図に示されるように円環状の部材で、回転電機２０の筐体に固定して取り付けられ、押付機構４０とブラシ３４を保持する機能を有する。

ブラシ３４は、回転軸２２と共に回転するスリップリング３０に押し付けられて電気的に接触する導電性の摺動部材である。ブラシ３４は、３つのスリップリング３０のそれぞれに対応して３系統に電気的に分離して設けられる。図２では、各相に対応して３つのブラシ３４が設けられる様子が示されているが、勿論１つずつでもよく、２つ、あるいは４以上であってもよい。１つのスリップリング３０に対して複数のブラシを周方向に沿って均等間隔で配置することで、スリップリング３０に対する摺動負荷を均等化することができる。

複数のブラシ３４は、適当な引出線を用いて各相ごとにまとめられ、図１で説明したように、整流器６０、クランキング用インバータ６８に接続される。かかるブラシ３４としては、例えば銅入りのカーボンを材料として、金型等を用いて所定の形状に成形したものを用いることができる。

ブラシ３４は、スリップリング３０と摺動することで次第に摩耗するので、回転電機２０の設計寿命を考慮して、その寿命の最後のときでも十分な高さ寸法となるように、初期高さ寸法が設定される。例えば、設計寿命の期間において、約１５ｍｍ程度摩耗することが予測されるときは、スリップリング３０に接触するときの回転軸２２を中心として径方向に沿った寸法を高さ寸法として、初期高さ寸法を約２０ｍｍ程度とすることができる。

押付機構４０は、上記のようにブラシ筐体部３６に取り付けられ、スリップリング３０に対するブラシ３４の押付力を与える機構である。ブラシ３４の押付力は、スリップリング３０とブラシ３４の材料、回転電機２０の回転軸２２の回転速度等によって適当に設定されるが、一例を上げると、全部のスリップリング３０に対する全体の押付力の合計が約数Ｎ程度となるように設定することができる。

押付機構４０は、ブラシ３４を押付方向に付勢力を与える付勢手段としての板バネ４２および案内ピン４４，４６と、ブラシ３４の摩耗量に応じて予め定めた移動プロファイル溝を有し案内ピン４４，４６を案内する案内溝部材５０，７０と、案内溝部材５０，７０を移動駆動し、移動プロファイル溝を回転軸２２に対し周方向に回転させる移動機構８０を含んで構成される。ここで、案内溝部材５０，７０と移動機構８０は、ブラシ３４の摩耗に従って板バネ４２の付勢力の原点位置を調整する調整部に対応する。

なお、図２の正面図では、３相のうちの１つの相に対応する１つのスリップリング３０に対し、３つのブラシ３４が図示されているが、押付機構４０は、そのうちの１つのブラシ３４に対するものについて示してある。他の２つのブラシ３４については板バネ４２と案内ピン４４，４６のみを示して他の要素の図示を省略してあるが、いずれのブラシ３４についても同じ構造の押付機構４０が設けられ、また、他の相に対応する各ブラシ３４についても同様である。

板バネ４２は、ブラシ３４と一体となって取り付けられる接触部３８に接触し、ブラシ３４にスリップリング３０に対する押付力として、スリップリング３０の外周面に垂直方向である押付方向に付勢力を与える付勢手段である。板バネ４２は、ブラシ３４側に凸部を有し、その凸部で接触部３８に接触する。

板バネ４２のバネ定数は、スリップリング３０の偏心やその摺動面の凹凸等による摺動位置の変動に対して、ブラシ３４を十分に追従させる程度に適当な大きさに設定される。これによって、スリップリング３０が回転するときに、ブラシ３４がはねること等を十分に抑制することができる。

案内ピン４４，４６は、板バネ４２のブラシ３４に接触する側の反対側で、板バネ４２の凸部を挟んで左右両側に設けられるピンである。ここで、一方側を右案内ピン４４、他方側を左案内ピン４６と呼ぶことができる。なお、左右案内ピン４４，４６は、板バネ４２に一体化して取り付けられる。

案内ピン４４，４６は、このように板バネ４２の凸部を挟んだ両側にそれぞれ一体化して取り付けられるので、板バネ４２の付勢力の大きさは、この案内ピン４４，４６と接触部３８との相対関係で定まる。その意味で、案内ピン４４，４６のブラシ筐体部３６における径方向に沿った位置が、板バネ４２の付勢力の原点位置となる。

案内溝部材５０，７０は、ブラシ筐体部３６と外形がほぼ同じ円板状部材で、回転軸２２に同軸に配置され、ブラシ筐体部３６の平板面に平行に積層するように配置される。図２の例では、ブラシ筐体部３６の次に２つの案内溝部材５０，７０の他方である第２案内溝部材７０、その次に２つの案内溝部材５０，７０の一方である第１案内溝部材５０がこの順に積層して配置される。案内溝部材５０，７０は、回転軸２２の周りにそれぞれ回転可能に支持される。

案内溝部材がこのように２枚あるのは、２つの案内ピン４４，４６のブラシ筐体部３６における径方向に沿った位置を、同時に同じ方向に移動させるためである。そのメカニズムは次のような構造で実現される。

すなわち、第１案内溝部材５０には、左右の案内ピン４４，４６にそれぞれ対応して２つの第１移動プロファイル溝５２，５４が設けられる。また、２つの案内溝部材の他方である第２案内溝部材７０には、左右の案内ピン４４，４６にそれぞれ対応して２つの第２移動プロファイル溝７２，７４が設けられる。それぞれの移動プロファイル溝５２，５４，７２，７４は、それぞれ回転軸２２まわりの角度位置に応じて、回転軸２２からの径方向の距離が変化する曲線的なプロファイルを有するスリット溝である。

図２では、第１案内溝部材５０に設けられる２つの第１移動プロファイル溝５２，５４が実線で示され、正面図では第１案内溝部材５０の背後に配置される第２案内溝部材７０に設けられる２つの第２移動プロファイル溝７２，７４が破線で示されている。

図２で示されるように、２つの第１移動プロファイル溝５２，５４と２つの第２移動プロファイル溝７２，７４とは、回転軸２２からの径方向の距離の変化が、回転軸２２のまわりの角度位置に関し、対称的になっている。すなわち、図２の紙面上で、回転軸２２まわりの角度位置について時計方向を正の角度位置として、２つの第１移動プロファイル溝５２，５４は、回転軸２２のまわりの角度位置が正方向に行くにつれ、回転軸２２からの径方向の距離が小さくなるのに対し、２つの第２移動プロファイル溝７２，７４は、回転軸２２のまわりの角度位置が負方向に行くにつれ、回転軸２２からの径方向の距離が小さくなる。

したがって、案内溝部材５０，７０が回転軸２２に同軸に配置されると、第１移動プロファイル溝５２と第２移動プロファイル溝７２とは、Ｘ字形に重ねられ、その交差するところに交差空間が形成される。また、第１移動プロファイル溝５４と第２移動プロファイル溝７４とも、Ｘ字形に重ねられ、その交差するところにやはり交差空間が形成される。この２つの交差空間に、それぞれ左右の案内ピン４４，４６が配置される。すなわち、第１移動プロファイル溝５２と第２移動プロファイル溝７２とが重ねられて形成される交差空間に右案内ピン４４が配置され、第１移動プロファイル溝５４と第２移動プロファイル溝７４とが重ねられて形成される交差空間に左案内ピン４６が配置される。

そして、このようにして構成される２つの案内溝部材５０，７０の間には駆動輪７６が配置される。駆動輪７６は、案内溝部材５０の外周の外側縁と、案内溝部材７０の外周における内側縁とにそれぞれ摩擦接触している。したがって、駆動輪７６を回転させることで、案内溝部材５０と案内溝部材７０とを、同時に回転軸２２のまわりに相互に逆方向に回転させることができる。

案内溝部材５０と案内溝部材７０とが、回転軸２２のまわりに相互に逆方向に回転すると、第１移動プロファイル溝５２と第２移動プロファイル溝７２とが重ねられて形成される交差空間も、第１移動プロファイル溝５４と第２移動プロファイル溝７４とが重ねられて形成される交差空間も、同時に、ブラシ筐体部３６の径方向に沿って同じ方向に移動する。つまり、各交差空間の移動軌跡は、ブラシ筐体部３６の径方向に沿って同じ方向に移動し、したがって、各交差空間にそれぞれ配置される案内ピン４４，４６の移動軌跡も、径方向に沿って同じ方向に移動する。

図２に示されるラチェット歯車７８とラチェット爪７９は、案内溝部材５０と案内溝部材７０との間の相互に逆方向の回転を確実にするために設けられる逆転防止手段である。また、これらの逆転防止手段は、ブラシ３４が摩耗したときに、板バネ４２の付勢力の原点位置である案内ピン４４，４６の位置が不変のままで固定されているとスリップリング３０に対するブラシ３４の押付力が不十分となって隙間が生じ得ることを避けて、摩耗の進行に応じてこの隙間を順次詰めて行く機能を有する。これらの逆転防止手段には、必要に応じ解除することができるように、図示されていない逆転防止解除手段が設けられる。

移動機構８０は、駆動輪７６を介して２つの案内溝部材５０，７０を回転軸２２の周りに相互に逆方向に回転駆動させる機能を有し、具体的には、駆動輪７６を所定の回転方向に回転駆動させる機能を有する。かかる移動機構８０としては、例えば、小型モータ等で構成することができる。

上記構成の作用を図３から図５を用いて説明する。なお、これらの各図では、ブラシ３４に対する押付力に関する要素を抜き出して示し、その他の要素の図示を省略してある。

図３は、ブラシ３４の摩耗が余りない状態、例えば初期状態の様子を示す図である。ここでは、ブラシ３４の高さが十分あるので、その高さに応じて板バネ４２が所定の押付圧を接触部３８に与えるように、第１移動プロファイル溝５２と第２移動プロファイル溝７２とが重ねられて形成される交差空間と、第１移動プロファイル溝５４と第２移動プロファイル溝７４とが重ねられて形成される交差空間とが、回転軸２２から遠い位置になるように設定される。

図４は、ブラシ３４の摩耗が進んできた状態の様子を示す図である。ここでは、ブラシ３４が摩耗したときに生じ得るスリップリング３０との間の隙間を詰めるように、第１案内溝部材５０と第２案内溝部材７０とが回転軸２２の周りに相互に逆方向に回転される。図４では、紙面上で第１案内溝部材５０が反時計方向に回転し、第２案内溝部材７０が時計方向に回転する様子が示されている。これによって、第１移動プロファイル溝５２と第２移動プロファイル溝７２とが重ねられて形成される交差空間と、第１移動プロファイル溝５４と第２移動プロファイル溝７４とが重ねられて形成される交差空間とが、共に同時に、回転軸２２の方に向かって径方向に移動する。

このように、回転軸２２まわりの角度に対し、回転軸２２からの径方向の距離の変化の仕方の異なる２種類の移動プロファイルを有するスリット溝を、回転軸２２の周りに相互に逆方向に回転させることで、板バネ４２の付勢力の原点位置である案内ピン４４，４６の位置を、ブラシ３４の摩耗に応じて調整することができる。

ブラシ３４の摩耗に応じた回転角度で第１案内溝部材５０と第２案内溝部材７０とを相互に逆方向に回転させるには、例えば、ハイブリッド駆動システム１０の累積作動時間、回転電機２０の累積作動時間、回転軸２２の累積回転数、ブラシ３４とスリップリング３０との間の通電の累積時間等を用い、これらの累積量に応じて移動機構８０が駆動輪７６の回転量を制御する。また、ブラシ３４の摩耗は短期間で生じるものではないので、摩耗量の進行に応じ、少しずつ第１案内溝部材５０と第２案内溝部材７０とを相互に逆方向に回転させることになるが、ラチェット歯車７８、ラチェット爪７９の逆転防止手段によって、この順次少量ずつ行われる回転量が逆転防止しながら確実に保持される。

図３、図４は、回転電機２０が通常の運転モードの場合であるが、図５は、回転電機２０が予め定めた所定の運転モードとして、スリップリング３０とブラシ３４との間の通電を要しないときの様子を示す図である。ここでは、上記の逆転防止手段の作用が解除され、通常状態とは反対方向に、第１案内溝部材５０と第２案内溝部材７０とが相互に逆方向に回転する。図５では、紙面上で第１案内溝部材５０が時計方向に回転し、第２案内溝部材７０が反時計方向に回転する様子が示されているが、この回転方向は図４の運転モードの場合と反対方向である。

このように、ブラシ３４の摩耗に対応する通常状態の動作とは反対方向に、第１案内溝部材５０と第２案内溝部材７０とを相互に逆方向に回転させることで、板バネ４２の付勢力の原点位置である案内ピン４４，４６を回転軸２２から遠い方向へ移動させる。これによって、板バネ４２のブラシ３４に対する付勢力が小さくなり、ブラシ３４のスリップリング３０に対する押付力を軽減することができる。場合によっては、ブラシ３４をスリップリング３０に全く接触しないようにもできる。これによって、ブラシ３４の不必要な摩耗を抑制することができる。

上記では、ブラシ３４に対する押付力の調整を２種類の移動プロファイル部材を用いて行うものとしたが、これをブラシ３４の頂部に取り付けられる接触部の形状を工夫することで、１種類の移動プロファイル部材を用いて行うことができる。

例えば、接触部の形状を回転軸２２の周りの周方向に沿ってなだらかに変化する曲線部を有するものとし、移動プロファイル部材をこの曲線部に合わせたプロファイル曲線部を有するものとする。そして、移動プロファイル部材を回転軸の周りに回転させると、移動プロファイル部材のプロファイル曲線部が接触部の曲線部に倣うようにして、接触部、すなわちブラシ３４を径方向に押し付けるものとできる。これによって、例えば、ブラシ３４の摩耗によって生じ得るスリップリング３０との間の径方向の隙間を詰めることができる。

また、上記では、ブラシ３４に対する押付力の調整を、ブラシ３４の摩耗に対応するためにハイブリッド駆動システム１０の累積作動時間等を用い、回転電機２０の運転状態に対応するためにその運転モードの区別を用いるものとしたが、これをシステムの周期的な動作によって生じる温度サイクル、通電サイクルを用いるものとすることができる。

ブラシの摩耗は徐々に進むので、例えば、１日単位程度の間隔で付勢手段の付勢力の原点位置を順次変更することで十分間に合うことが多い。１日単位程度の間隔の周期の動作としては、回転電機２０の運転周期、または回転電機２０が搭載されるハイブリッド駆動システム１０の運転周期がある。そこで、回転電機等が運転されるときに発熱によって温度が上昇し、運転が休止するときは温度が下ることによるある程度長い周期の温度サイクルを利用することができる。これによって、特別な摩耗量検出手段を用いることなく、ブラシ３４の摩耗に応じて、付勢手段の付勢力の原点位置を順次変更するものとできる。

また、回転電機２０の運転状態によってはブラシ３４とスリップリング３０との間の通電を要しないことの検出は、回転電機２０のロータ巻線２５等の温度サイクルの検出で行うことができる。例えば、ロータ巻線２５の温度が上昇したときをブラシ３４への通電がＯＮに対応するものとし、その温度が低下したときをブラシ３４への通電のＯＦＦに対応するものとできる。これによって、特別なブラシ３４の通電検出手段を用いることなく、ロータ巻線２５の温度が低下したときに、ブラシの押付力を軽減する方向に付勢手段の付勢力の原点位置を変更し、再び温度が上昇したときに元に戻すようにすることができる。

図６は、１種類のスリット溝を用い、また、回転電機２０または回転電機２０が搭載されるシステムの温度サイクルの検出と、ロータ巻線２５等の温度サイクルによるブラシ３４の通電サイクルの検出を用いて、ブラシ３４に対する付勢力の原点位置の調整を行うことができる形態の構成を説明する図である。

ここでは、図２と同様に、回転電機２０における押付機構９０の詳細について、正面図と側面図が示されている。また、図２と同様に、正面図では、３相のうちの１つの相に対応する１つのスリップリング３０に対し、３つのブラシ３４が図示されているが、押付機構９０は、そのうちの１つのブラシ３４に対するものについて示してある。他の２つのブラシ３４については、ブラシ３４の頂部に設けられる接触部９２のみを示して他の要素の図示を省略してあるが、いずれのブラシ３４についても同じ構造の押付機構９０が設けられ、また、他の相に対応する各ブラシ３４についても同様である。

ブラシ３４の頂部に設けられる接触部９２は、回転軸２２の周りの周方向に沿ってなだらかに変化する外周曲線部を有する部材である。この外周曲線部は、図６の例では、回転軸２２の周方向に沿って、時計方向に向かうにつれて、回転軸２２からの距離が次第に高くなる形状を有する。

移動プロファイル部材９４は、接触部９２の曲線部に合わせたプロファイル曲線部を有し、回転軸２２の周りに回転可能な部材である。すなわち、上記の接触部９２の外周曲線部の形状に対応し、プロファイル曲線部は、回転軸２２の周りの周方向に沿ってなだらかに変化する形状を有する。この曲線部の形状は、ブラシ３４が摩耗したときに、移動プロファイル部材９４を回転軸２２の周りに回転して、接触部９２の曲線部を押し付けることで、ブラシ３４の摩耗量を補償するように設定される。

なお、図６では図示が省略されているが、接触部９２と移動プロファイル部材９４との間には、ブラシ３４に付勢力を与える適当なバネ部材が設けられる。バネ部材は、接触部９２と一体として設けられる。例えば、接触部９２の曲線部の形状を有する板バネをブラシ３４の頂部に取り付け、これをそのまま接触部９２として用いることもできる。

したがって、移動プロファイル部材９４を回転軸２２の周りに回転させると、移動プロファイル部材９４のプロファイル曲線部が接触部９２の曲線部に倣うようにして、接触部９２、すなわちブラシ３４を径方向に押し付けるものとできる。これによって、例えば、ブラシ３４の摩耗によって生じ得るスリップリング３０との間の径方向の隙間を詰めることができる。

ラチェット機構９６は、移動プロファイル部材９４が一方向にのみ回転可能にする逆転防止機構である。これらの逆転防止手段は、ブラシ３４が摩耗したときに、接触部９２の高さ位置が不変のままで固定されているとスリップリング３０に対するブラシ３４の押付力が不十分となって隙間が生じ得ることを避けて、摩耗の進行に応じてこの隙間を順次詰めて行く機能を有する。これらの逆転防止手段には、必要に応じ解除することができるように、図示されていない逆転防止解除手段が設けられる。

移動機構９８は、移動プロファイル部材９４を回転軸２２の周りに回転駆動する機能を有し、例えば、小型モータ等で構成することができる。移動機構９８は、温度サイクル検出部１００からの信号に応じて、比較的に長期的な周期の移動駆動を行い、通電サイクル検出部１０２からの信号に応じて、比較的に短期的な周期の移動駆動を行う。比較的長期的な周期とは、例えば、１日単位以上の長い周期であり、比較的短期的な周期とは、ブラシ３４とスリップリング３０に通電が行われる周期程度の長さの周期である。

温度サイクル検出部１００は、回転電機２０の温度の上昇、低下の周期の検出、または回転電機２０が搭載されるハイブリッド駆動システム１０の他の構成要素の温度の上昇、低下の周期の検出を行い、その周期を示す信号を移動機構９８に出力する機能を有する。ここでは、エンジン１２の温度を検出するセンサの信号を利用し、エンジン１２の温度の上昇、低下の周期を検出して、その１周期に相当する周期信号を移動機構９８に出力する信号処理回路が温度サイクル検出部１００として用いられる。温度サイクル検出部１００から出力される信号は、ブラシ３４とスリップリング３０が用いられるシステムの使用頻度を示すものであるので、これをブラシ３４の使用頻度、すなわち摩耗の進行程度を示す信号として用いられる。

通電サイクル検出部１０２は、ブラシ３４に通電されるサイクルを示す信号を出力する機能を有する信号処理回路で、具体的には、ロータ巻線２５の温度の上昇、低下の周期の検出を行い、その周期を示す信号を、ブラシ３４の通電サイクルを示す信号として移動機構９８に出力する機能を有する。通電サイクル検出部１０２から出力される信号は、ブラシ３４とスリップリング３０との間の通電が行われない回転電機２０の運転状態を検出する信号として用いられる。

かかる構成の作用を図７から図９を用いて説明する。なお、これらの各図では、ブラシ３４に対する押付力に関する要素を抜き出して示し、その他の要素の図示を省略してある。

図７は、ブラシ３４の摩耗が余りない状態、例えば初期状態の様子を示す図である。ここでは、ブラシ３４の高さが十分あるので、その高さに応じて移動プロファイル部材９４の回転位置が設定され、移動プロファイル部材９４の曲線部が接触部９２の曲線部に倣うようにして、接触部９２を押し付ける。これによって、図示されていないバネ部材を介して所定の押付圧をブラシ３４に与える。

図８は、ブラシ３４の摩耗が進んできた状態の様子を示す図である。ここでは、ブラシ３４が摩耗したときに生じ得るスリップリング３０との間の隙間を詰めるように、移動プロファイル部材９４が移動機構９８によって回転軸２２の周りに回転駆動される。上記のように、移動プロファイル部材９４の曲線部は、回転軸２２の周りの周方向に沿って、回転軸２２からの距離がなだらかに変化するように形成されている。したがって、ブラシ３４の摩耗量に応じて移動プロファイル部材９４の回転軸２２の周りの回転角度を調整するように回転移動することで、ブラシ３４の摩耗量を補償して、ブラシ３４に所定の押付力を与えることができる。図８の例では、移動プロファイル部材９４が時計方向に回転駆動され、移動プロファイル部材９４の曲線部がブラシ３４の摩耗によって生じる隙間を詰めるように、接触部９２を押し付ける様子が示される。

この場合に、移動機構９８は、図６で説明した温度サイクル検出部１００から出力される温度サイクル周期信号に応じて、移動プロファイル部材９４を回転駆動する。すなわち、例えば、１日単位で温度サイクル周期信号が出力されるとすると、１日に１回、所定の回転角度で移動プロファイル部材９４が回転駆動される。その回転角度は、ブラシ３４の位置の摩耗量を補償するのに必要な移動プロファイル部材９４の回転角度である。したがって、その回転角度は僅かな量であるが、これを各温度サイクル周期で摩耗量に応じて累積するように、ラチェット機構９６が作用する。このようにして、ブラシ３４の摩耗に応じて、バネ部材の付勢力の原点位置を調整し、ブラシ３４に所定の押付力を与え続けることができる。

図７、図８は、回転電機２０が通常の運転モードの場合であるが、図９は、回転電機２０が予め定めた所定の運転モードとして、スリップリング３０とブラシ３４との間の通電を要しないときの様子を示す図である。ここでは、上記の逆転防止手段の作用が解除され、通常状態とは反対方向に、移動プロファイル部材が移動駆動される。図９では、その移動駆動の前後を示すために、通常の運転モードにおける移動プロファイル部材９４の位置を破線で示し、所定の運転モードとされたときの移動プロファイル部材９５の位置を実線で示してある。ここで示されるように、所定の運転モードとされたときの移動プロファイル部材９５の位置は、通常の運転モードのときの移動プロファイル部材９４の位置から、反時計方向に回転移動された状態である。

これによって、移動プロファイル部材９５の曲線部は、接触部９２の曲線部から離れる方向となって、ブラシ３４のスリップリング３０に対する押付力が軽減される。場合によっては、ブラシ３４をスリップリング３０に全く接触しないようにもできる。これによって、ブラシ３４の不必要な摩耗を抑制することができる。

この場合に、移動機構９８は、図６で説明した通電サイクル検出部１０２から出力されるロータ巻線２５の温度サイクル周期信号に応じて、移動プロファイル部材９４を回転駆動する。すなわち、ロータ巻線２５の温度が上昇したときをブラシ３４への通電がＯＮに対応するものとして、通常モードの状態と判断し、移動プロファイル部材９４を時計方向に回転させた状態とし、その温度が低下したときをブラシ３４への通電のＯＦＦに対応するものとして、所定モードの状態と判断し、移動プロファイル部材９４を反時計方向に回転させて押付力が軽減された状態とする。そして、再び温度が上昇すれば、通常モードの状態に戻ったと判断し、移動プロファイル部材９４を時計方向に回転させ、押付力を元に戻す。

このようにして、ブラシ摩耗に関する特別な検出手段を用いずに、従来から備えられる温度検出手段を用いて、ブラシ３４のスリップリング３０に対する押付圧をブラシ摩耗に関わらず所定の値に維持することができる。また、ブラシ通電に関する特別な検出手段を用いずに、従来から備えられる温度検出手段を用いて、ブラシ３４とスリップリング３０の間の通電が行われない運転モードのときにブラシ３４の押付圧を軽減して、不必要なブラシ３４の摩耗を抑制することができる。

本発明に係る実施の形態におけるスリップリングとブラシが用いられる回転電機を含むハイブリッド駆動システムの構成を説明する図である。本発明に係る実施の形態において、スリップリングとブラシ部の様子を示す正面図と側面図である。本発明に係る実施の形態において、ブラシの摩耗が少ないときの場合の作用を説明する図である。本発明に係る実施の形態において、ブラシの摩耗が多いときの場合の作用を説明する図である。本発明に係る実施の形態において、ブラシの摩耗を抑制する作用を説明する図である。別の実施の形態において、スリップリングとブラシ部の様子を示す正面図と側面図である。図６の実施の形態について、ブラシの摩耗が少ないときの場合の作用を説明する図である。図６の実施の形態について、ブラシの摩耗が多いときの場合の作用を説明する図である。図６の実施の形態について、ブラシの摩耗を抑制する作用を説明する図である。

符号の説明

１０ハイブリッド駆動システム、１２エンジン、１４変速機、１６車輪、１８クラッチ、２０回転電機、２２回転軸、２４巻線ロータ、２５ロータ巻線、２６永久磁石ロータ、２８ステータ、２９ステータ巻線、３０スリップリング、３２ブラシ部、３４ブラシ、３６ブラシ筐体部、３８，９２接触部、４０，９０押付機構、４２板バネ、４４，４６案内ピン、５０，７０案内溝部材、５２，５４，７２，７４移動プロファイル溝、６０整流器、６２ＤＣ／ＤＣコンバータ、６４バッテリ、６６インバータ、６８クランキング用インバータ、７６駆動輪、７８ラチェット歯車、７９ラチェット爪、８０，９８移動機構、９４，９５移動プロファイル部材、９６ラチェット機構、１００温度サイクル検出部、１０２通電サイクル検出部。

Claims

回転軸に設けられる導電性のスリップリングと、
回転するスリップリングに押し付けられて電気的に接触するブラシと、
筐体部に取り付けられ、スリップリングに対するブラシの押付力を与える押付機構と、
を備え、
押付機構は、
ブラシを押付方向に付勢力を与える付勢手段と、
ブラシの摩耗量に応じて予め定めた移動プロファイルに従って付勢手段の付勢力の原点位置を調整する調整部と、
を含み、
調整部は、
回転軸まわりの角度位置に応じて、回転軸からの径方向の距離が変化する移動プロファイル溝を有する案内溝部と、
ブラシの摩耗量に応じて案内溝部を移動駆動し、移動プロファイル溝を回転軸に対し周方向に回転させる移動機構と、
を有し、
付勢手段は、ブラシに接触する側の反対側の一端側に移動プロファイル溝に案内される案内ピンを有し、
移動プロファイル溝が周方向に移動されるに従い、案内ピンが径方向に移動して付勢手段の付勢力の原点位置が調整されることを特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、
付勢手段は、ブラシ側に凸部を有する板バネであって、凸部を挟んで一方側に右案内ピンと他方側に左案内ピンとを有し、
案内溝部は、
左右の案内ピンにそれぞれ対応して２つの第１移動プロファイル溝が設けられる第１案内溝部材と、
左右の案内ピンにそれぞれ対応して２つの第２移動プロファイル溝が設けられる第２案内溝部材と、
を含み、
第１案内溝部材と第２案内溝部材とが回転軸に対し同軸に配置されるときに２つの第１移動プロファイル溝と２つの第２移動プロファイル溝とがそれぞれ重なって２つの交差空間を形成し、その２つの交差空間に左右の案内ピンがそれぞれ配置され、
移動機構は、第１案内溝部材と第２案内溝部材とを回転軸に対し相互に逆方向に回転させることで２つの交差空間にそれぞれ配置される右案内ピンと左案内ピンとを径方向に沿って同じ方向に移動させることを特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、
調整部は、回転電機または回転電機が搭載されるシステムの運転による温度サイクルに基づいて移動プロファイルを順次一方向に移動して、付勢手段の付勢力の原点位置を順次変更することを特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、
調整部は、ブラシの通電サイクルの１サイクル毎の温度サイクルに基づいて、通電がＯＦＦに対応するときに、ブラシの押付力を軽減する方向に付勢手段の付勢力の原点位置を変更し、通電がＯＮに対応するときにブラシの押付力を増加することを特徴とする回転電機。