JP5526528B2

JP5526528B2 - 回転電機

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Publication number: JP5526528B2
Application number: JP2008293194A
Authority: JP
Inventors: 英滋土屋; 喜三郎早川; 隆男渡辺; 裕二長沢; 一郎樽谷; 周浅海; 剛北畑
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2008-11-17
Filing date: 2008-11-17
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2028-11-17
Also published as: JP2010124526A

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。

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。また、ブラシの摩耗は、ブラシの寿命を短くするので、これを抑制することが望まれる。

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。他の目的は、ブラシの不必要な摩耗を抑制することを可能とする回転電機を提供することである。以下の手段は、これらの目的の少なくとも１つに貢献する。

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、ブラシの押付方向に垂直な付勢方向に付勢力を与える付勢手段と、筐体部に設けられ、ブラシの押付方向とは異なる所定の一定方向に延び、付勢手段の先端側を移動自在に案内するガイド部と、付勢手段の先端側に設けられてガイド部に案内され、押す方向の付勢力を発生するコロと、ブラシと一体となって取り付けられる押付部であって、コロの転がり接触位置で所定の一定方向からの付勢力を受け止め、コロの転がり接触位置における外形のプロファイルに応じてブラシの押付方向の分力成分を発生させてブラシに押付力を与え、ブラシが押付方向に摩耗してコロの転がり接触位置が変化し付勢力の大きさが変化すると共にコロの転がり接触位置における外形のプロファイルの法線方向と付勢方向とがなす角度が変化することで、ブラシのスリップリングに対する押付力を所定の範囲に維持するプロファイルを有する押付部と、を含むことを特徴とする。

また、本発明に係る回転電機において、押付部は、ブラシの押付方向に平行な方向をＹ軸方向とし、回転軸とＹ軸方向とに垂直な方向で付勢方向に平行な方向をＸ軸とし、Ｙ軸に沿った位置座標をＹとし、Ｘ軸に沿った位置座標をＸとして、ＹがＸの二次関数で表わされる外形のプロファイルを有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、押付機構は、付勢手段の付勢力についての原点位置を調整する調整部を有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、予め定めた回転電機の運転状態に応じて、押付力を軽減する方向に付勢手段の原点位置を変更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、ブラシの押付方向とは異なる付勢方向に付勢力を与える付勢手段と、ブラシと一体となって取り付けられ所定の外形のプロファイルを有する押付部を含む。ここで、所定のプロファイルは、付勢手段の接触位置で付勢力を受け止め、接触位置における外形のプロファイルに応じてブラシの押付方向の分力成分を発生させてブラシに押付力を与え、ブラシが押付方向に摩耗して接触位置が変化し付勢力の大きさが変化すると共に接触位置における外形のプロファイルの法線方向と付勢方向とがなす角度が変化することで、ブラシのスリップリングに対する押付力を予め定めた所定の範囲に維持する。したがって、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。

また、回転電機において、押付部の外形のプロファイルは、ブラシの押付方向に平行な方向に沿ってＹをとり、回転軸とＹ軸方向とに垂直な方向で付勢方向に平行な方向に沿ってＸをとるとき、ＹがＸの二次関数で表わされる外形のプロファイルを有する。比較的簡単な外形のプロファイルを有する押付部を用いることで、ブラシが摩耗するときでも押付力を所定の範囲に維持することができる。

また、回転電機において、付勢手段の付勢力についての原点位置を調整する調整部を有する。これによって押付力を変化させることができ、例えば、ブラシの摩耗を抑制する押付力とすることが可能となる。

また、回転電機において、予め定めた回転電機の運転状態に応じて、押付力を軽減する方向に付勢手段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。

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に対するブラシ１つ当りの押付力が数Ｎ程度で、ブラシ３４全体の押付力の合計が約数十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と一体となってその上部、すなわちスリップリング３０と接触する部分と反対側の部分に設けられ、予め定めた外形のプロファイルを有する押付部７０と、押付部７０の外形のプロファイルに接触してブラシ３４に押付力を与える付勢部４１とを含んで構成される。最初に付勢部４１の構成等を述べ、次に押付部７０の外形のプロファイルについて説明する。

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に対するもののみを示してある。他の２つのブラシ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。

付勢部４１は、図３に示されるように、ブラシ筐体部３６に設けられる２つの連続するガイド部５０，５２と、ガイド部５０，５２に保持されるバネ部５１と、バネ部５１の付勢力の原点位置を調整する調整部５８を有する。

２つのガイド部５０，５２は、細長く延びる溝部で、ガイド部５０とガイド部５２とはその接続部のところで延びる方向が変化する。２つのガイド部５０，５２のうち一方のガイド部５０は、バネ部５１の先端位置を移動自在に案内する機能を有し、他方のガイド部５０は、バネ部５１の原点位置となる終端位置の移動を案内する機能を有する。

一方のガイド部５０は、図２に示されるように、ブラシ筐体部３６の径方向に対し予め定めた所定の角度をなす方向に延びる。一定の角度としては、スリップリング３０に対してブラシ３４の押付力が垂直方向に印加されるとして、その押付方向とは異なる方向であればよい。以下では、押付方向に垂直方向となるように所定の角度が設定されたものとして説明する。

すなわち、ガイド部５０は、スリップリング３０に対するブラシ３４の押付方向に垂直方向に直線的に延びる。その長さは、図２に示されるように、ブラシ３４の上部に取り付けられる押付部７０の幅、すなわち、ブラシ筐体部３６の周方向に沿った長さよりも長く設定される。ガイド部５０の直線部の一方端部は、押付部７０の外形のプロファイルが径方向で最も高くなる端部を越えて延びる。ガイド部５０の直線部の他方端部は、押付部７０の外形のプロファイルが径方向で最も低くなる端部の手前側に設けられ、そこが他方のガイド部５２との接続部となる。

他方のガイド部５２は、図２から理解されるように、一方のガイド部５０をそのまま真っ直ぐに延ばしてガイド部５２とすると、ブラシ筐体部３６の外形を越えてしまう可能性があるので、一方のガイド部５０から延びる方向を変えて設けられる。図３の例では、適当な角度をつけて延びる方向が変更されているが、図２のように、ブラシ筐体部３６の円周方向に沿って円弧状に延びる溝形状としてもよい。

バネ部５１は、押付部７０の外形のプロファイルに転がり接触するコロ４２と、コロ４２の中心軸と回転自在に接続される一方側バネ掛け部４４と、一方側バネ掛け部４４に一方端部が掛けられる付勢バネ４６と、付勢バネ４６の他方端部が掛けられる他方側バネ掛け部４８とを含んで構成される。

一方側バネ掛け部４４は、一方側のガイド部５０の溝の内側形状に沿って案内されて、ガイド部５０の延伸方向５６に沿って移動可能である。なお、コロ４２は、一方側のガイド部５０の厚さ方向の外側に配置される。これによって、コロ４２は、ガイド部５０の延伸方向に沿って、ガイド部５０の形状に妨げられることなく、押付部７０の外形のプロファイルに接触することができる。

付勢バネ４６は、一方側バネ掛け部４４と他方側バネ掛け部４８との間に掛けられて配置され、バネ部５１がガイド部５０に案内されるときは、ガイド部５０の延伸方向に沿って伸縮することで付勢力を発生するコイルバネである。付勢力の大きさは、付勢バネ４６の自然長の状態がゼロで、これより短く圧縮されることで、他方バネ掛け部４８を基準として、一方側バネ掛け部４４のコロ４２において押す方向の付勢力を発生する。なお、図３では、付勢バネ４６は、自然長よりも圧縮された状態で示されている。

他方側バネ掛け部４８は、付勢バネ４６の付勢力の原点位置となるところに通常は固定される。上記の例では、一方側のガイド部５０と他方側のガイド部５２との接続点を原点位置として通常は固定される。したがって、付勢バネ４６は、通常の場合、他方側バネ掛け部４８の位置を固定端の位置として、一方側バネ掛け部４４を伸縮の際の自由端の位置として動作することになる。

調整部５８は、通常の場合に他方側バネ掛け部４８を固定位置として保持する機能と、予め定めた所定の条件のときに、他方側バネ掛け部４８を他方のガイド部５２に沿って移動させ、これによって付勢バネ４６の付勢力の原点位置を変更して調整する機能とを有する保持移動機構である。調整部５８が他方側バネ掛け部４８の位置をガイド部５２に沿って移動させることで、付勢バネ４６の付勢力を軽減方向に変更することができる。かかる調整部５８としては、アクチュエータで構成することができ、例えば、小型のモータ、プランジャ等を用いることができる。

調整部５８が他方側バネ掛け部４８の位置を変更する所定の条件としては、回転電機２０の運転状態が予め定めた運転モードとなったとき、ブラシ３４の初期取付のとき、ブラシ３４の交換のとき等が考えられる。回転電機２０の予め定めた運転モードとしては、回転電機２０が、スリップリング３０とブラシ３４との間の電気的接続を必要としない運転モード、つまり、ロータ巻線２５と電源回路とを接続する必要のない運転モードがある。

このような運転モードにおいては、スリップリング３０とブラシ３４の接触は無駄な接触となり、ブラシ３４が無駄に摩耗することになる。そこで、調整部５８は、回転電機２０の制御部等の指令に従って、他方側バネ掛け部４８の位置をガイド部５２の延伸方向５７に沿って移動させ、付勢バネ４６の付勢力を軽減する。これによって、ブラシ３４の無駄な摩耗を抑制することができる。なお、付勢力をゼロ、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。

次に押付部７０の外形のプロファイルについて説明する。図４、図５は、押付部７０の外形のプロファイルの形状の関数形Ｙ＝ｆ（Ｘ）の特徴を説明するための模式図である。ここで、押付部７０の外形のプロファイルとは、付勢部４１のコロ４２が接触する外形の形状のことである。図４は、ブラシ３４の摩耗が少ない状態のコロ４２と押付部７０の接触状態を示す図で、図５は、ブラシ３４の摩耗が多い状態のコロ４２と押付部７０の接触状態を示す図である。

図４、図５には、Ｘ軸、Ｙ軸が示されているが、ここでＸ軸は、付勢バネ４６の伸縮方向である付勢方向に平行な方向であり、図３で説明した一方のガイド部５０の延伸方向に平行な方向である。Ｙ軸はＸ軸に垂直方向で、スリップリング３０に対しブラシ３４が押し付ける押付力の方向に平行な方向である。換言すれば、ブラシ３４の押付方向に平行な方向がＹ軸で、図２で説明した回転軸２２とＹ軸方向とに垂直な方向で付勢方向に平行な方向がＸ軸である。

ブラシ３４が摩耗すると、図５において破線矢印で示すように、ブラシ３４がコロ４２に対し下側に移動するが、これを別の観点から見れば、コロ４２の押付部７０における接触位置が、押付部７０の外形のプロファイルをブラシ３４側である底面側から、その反対側の頂部に向かって移動することになる。その観点から、図４では、コロ４２が押付部７０の外形のプロファイルの底面側で接触し、図５では、コロ４２が押付部７０の外形のプロファイルの頂部側で接触するように示されている。

図４、図５において、付勢バネ４６の付勢力がＦ_Xで示され、その分力成分として、ブラシ３４の押付力Ｆ_Yが示されている。押付部７０は予め定められた所定の外形のプロファイルとして、Ｙ＝ｆ（Ｘ）の関数形を有する。ここで、Ｙ＝ｆ（Ｘ）は次のようにして定められている。すなわち、コロ４２の接触位置で付勢バネ４６の付勢力Ｆ_Xを受け止め、接触位置における外形のプロファイルに応じてブラシ３４の押付方向の分力成分を発生させてブラシ３４に押付力Ｆ_Yを与え、ブラシ３４が押付方向に摩耗して接触位置が変化し付勢力Ｆ_Xの大きさが変化すると共に接触位置における外形のプロファイルの法線方向と付勢方向とがなす角度θが変化することで、ブラシ３４のスリップリング３０に対する押付力Ｆ_Yを予め定めた所定の範囲、好ましくは一定に維持するように、Ｙ＝ｆ（Ｘ）の関数形が定められる。

図６は、上記のようなＹ＝ｆ（Ｘ）の関数形の外形のプロファイルを有する押付部７０にコロ４２が接触する状態で、ブラシ３４が摩耗してゆくときの付勢力Ｆ_Xと、押付力Ｆ_Yの変化の様子を模式的に説明する図である。図６では、まず、ブラシ３４が摩耗していない初期状態で、付勢力がＦ_X1で、その分力成分である押付力がＦ_Yであることが示されている。そして、ブラシ３４の摩耗が進むにつれて付勢バネ４６の長さが自然長に近づいて付勢力がＦ_X1からＦ_X2，Ｆ_X3，Ｆ_X4と次第に小さくなる。その場合でも、押付部７０の外形のプロファイルが上記のように設定されることで、ブラシ３４のスリップリング３０に対する押付力Ｆ_Yは常に一定となる。このように、押付部７０の外形のプロファイルを工夫することで、ブラシ３４の摩耗があっても押付力Ｆ_Yを予め定めた範囲、好ましくは一定となるように維持することができる。

図７、図８は、押付部７０の外形のプロファイルの関数形Ｙ＝ｆ（Ｘ）を求める様子を説明する図である。図７は、上記で説明したコロ４２で押付部７０に接触する場合であり、図８は、長方体の接触子４３で押付部７０に接触する場合を示す図である。

図７において、付勢バネ４６の自然長をｌ₀とし、付勢バネ４６のバネ定数をｋとし、コロ４２が押付部７０に接触するときの付勢バネ４６の長さをｘ_aとし、その他は図５、図６の記号を用いるものとすると、以下の関係式を満たすように、ｘ_aとθの関係を定めればよい。すなわち、Ｆ_X＝ｋ（ｌ₀−ｘ_a），Ｆ_Y＝Ｆ_X／ｔａｎθとする。ここで、ｘ_aは、ブラシ３４の摩耗量で変化するので、θをｘ_aの関数で求めることで、押付部７０の外形のプロファイルの関数形を求めることができる。

１例として、コロ４２に代えて直方体の接触子４３を用いる場合について図８を用いて、具体的な関数形Ｙ＝ｆ（Ｘ）を求める様子を説明する。接触子４３は、付勢手段の接触部分に相当し、長方形とは、その接触部分の断面形状が長方形であることを示す。ここでは、他方側バネ掛け部４８を付勢バネ４６の付勢力の原点位置とし、その原点位置から接触子４３が押付部７０に接触する接触点の位置までのＸ軸方向に沿った距離をＸとする。また、その接触点のＹ軸の基準位置からＹ軸方向に沿った距離をＹとする。また、接触子４３のＸ方向に沿った長さをＬとする。

このとき、Ｆ_X＝ｋ（ｌ₀−ｘ_a）＝ｋ（ｌ₀−Ｘ＋Ｌ），Ｆ_Y＝Ｆ_X／ｔａｎθ＝[ｋ（ｌ₀−Ｘ＋Ｌ）]／ｔａｎθとなり、いま、Ｆ_Yは予め定められた一定の押付力である。そして、ｔａｎθはｄｙ／ｄｘであるので、ｄｙ／ｄｘ＝ｔａｎθ＝[ｋ（ｌ₀−Ｘ＋Ｌ）]／Ｆ_Yとなる。これを積分すると、関数形Ｙ＝ｆ（Ｘ）は次のように求められる。

すなわち、Ｙ＝∫［[ｋ（ｌ₀−Ｘ＋Ｌ）]／Ｆ_Y］ｄｘ＝（ｋ／Ｆ_Y）［（ｌ₀＋Ｌ）Ｘ−（Ｘ²）／２］＋Ｃとなる。Ｃは積分定数で、初期条件等で定めることができ、Ｆ_Yは上記のように予め定められた押付力である。このように、関数形Ｙ＝ｆ（Ｘ）は、Ｘの二次関数となる。

上記では、押付部７０の外形のプロファイルを関数形として連続的に変化するものとして説明したが、押付部７０の底面側から頂部にかけて複数の部分に区分し、区分の境界では上記Ｙ＝ｆ（Ｘ）の条件を満たすものとし、隣接する区分の境界の間は、直線的に変化するものとしてもよい。図４、図５では、４つの部分の区分の例が示されている。このように押付部７０の外形のプロファイルを簡略化することで、押付部７０の成形または加工を容易とできる。このように簡略化した外形プロファイルを用いることで、ブラシ３４の摩耗に応じて多少の押付力のバラツキがあるが、全体としてはブラシ３４の摩耗による押付力の変化を効果的に抑制することができる。

上記構成の作用を図９から図１１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９は、ブラシ３４の摩耗が余りない状態の様子を示す図である。ここでは、他方側バネ掛け部４８が調整部５８によって固定位置とされる。コロ４２は、押付部７０の外形のプロファイルの底面側で接触し、図４で説明したように、付勢バネ４６の付勢力を押付部７０に与え、プロファイルの関数形Ｙ＝ｆ（Ｘ）に従ってその分力成分が予め定めた所定値の押付力となって、ブラシ３４をスリップリング３０に押し付ける。

図１０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。ここでも、他方側バネ掛け部４８が調整部５８によって固定位置とされる。コロ４２は、押付部７０の外形のプロファイルの頂部に近いところで接触するので、付勢バネ４６の長さは自然長に近くなり、付勢バネ４６の付勢力は図９に比べ小さい値として押付部７０に与えられる。ここで、図５で説明したように、プロファイルの関数形Ｙ＝ｆ（Ｘ）に従ってその分力成分が予め定めた所定値の押付力となるので、ブラシ３４が摩耗しても、図９と同じ押付力でブラシ３４がスリップリング３０に押し付ける。

図９、図１０は、回転電機２０が通常の運転モードの場合であるが、図１１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、他方側バネ掛け部４８が調整部５８によってガイド部５２に沿って押付部７０から離れる方向に移動される。

これによって、コロ４２が押付部７０に接触していても、通常状態の図９、図１０で説明した場合に比べ、付勢バネ４６の長さが伸びて自然長に近くなる。したがって、コロ４２が押付部７０に与える付勢力が通常状態の図９、図１０の場合に比べ小さな値となり、ブラシ３４の押付力も通常状態の図９、図１０の場合に比べ小さな値となる。このようにして、回転電機２０がスリップリング３０とブラシ３４との間の通電を要しないときに、一時的に、ブラシ３４の押付力を軽減させて、ブラシ３４の不要な摩耗を抑制することができる。

なお、調整部５８によって他方側バネ掛け部４８の位置を押付部７０から十分に離れた位置として、ブラシ３４とスリップリング３０とが接触しないようにすることもできる。

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、付勢部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、押付部の外形のプロファイルの形状の関数形Ｙ＝ｆ（Ｘ）の特徴を説明するための模式図である。図４と共に、押付部の外形のプロファイルの形状の関数形Ｙ＝ｆ（Ｘ）の特徴を説明するための模式図である。本発明に係る実施の形態において、ブラシが摩耗してゆくときの付勢力と押付力の変化の様子を模式的に説明する図である。本発明に係る実施の形態において、押付部の外形のプロファイルの関数形Ｙ＝ｆ（Ｘ）を求める様子を説明する図である。本発明に係る実施の形態において、押付部に断面が矩形の接触子が接触摺る場合について、押付部の外形のプロファイルの関数形Ｙ＝ｆ（Ｘ）を求める様子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。

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、４０押付機構、４１付勢部、４２コロ、４３接触子、４４一方側バネ掛け部、４６付勢バネ、４８他方側バネ掛け部、５０，５２ガイド部、５１バネ部、５６，５７延伸方向、５８調整部、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、７０押付部。

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、
ブラシの押付方向に垂直な付勢方向に付勢力を与える付勢手段と、
筐体部に設けられ、ブラシの押付方向とは異なる所定の一定方向に延び、付勢手段の先端側を移動自在に案内するガイド部と、
付勢手段の先端側に設けられてガイド部に案内され、押す方向の付勢力を発生するコロと、
ブラシと一体となって取り付けられる押付部であって、コロの転がり接触位置で所定の一定方向からの付勢力を受け止め、コロの転がり接触位置における外形のプロファイルに応じてブラシの押付方向の分力成分を発生させてブラシに押付力を与え、ブラシが押付方向に摩耗してコロの転がり接触位置が変化し付勢力の大きさが変化すると共にコロの転がり接触位置における外形のプロファイルの法線方向と付勢方向とがなす角度が変化することで、ブラシのスリップリングに対する押付力を所定の範囲に維持するプロファイルを有する押付部と、
を含む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、
押付部は、ブラシの押付方向に平行な方向をＹ軸方向とし、回転軸とＹ軸方向とに垂直な方向で付勢方向に平行な方向をＸ軸とし、Ｙ軸に沿った位置座標をＹとし、Ｘ軸に沿った位置座標をＸとして、ＹがＸの二次関数で表わされる外形のプロファイルを有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、
押付機構は、付勢手段の付勢力についての原点位置を調整する調整部を有することを特徴とする回転電機。
請求項３に記載の回転電機において、
調整部は、予め定めた回転電機の運転状態に応じて、押付力を軽減する方向に付勢手段の原点位置を変更することを特徴とする回転電機。