JP7483912B2 - 回転電機 - Google Patents

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Description

本発明は、モータ、ジェネレータ、モータ・ジェネレータ等の回転電機に関する。
従来、特許文献１に開示された回転電機を用いたハイブリッド式動力伝達機構が知られている。この動力伝達機構は、エンジン、回転電機（モータ・ジェネレータ）、被動機の順に接続された構造を有するパラレルハイブリッド式の動力伝達機構である。
日本国特許公開公報「特開２０１７－１０５３８２号公報」
上記したような回転電機を用いた動力伝達機構における構成機器間の接続は、直結方式が一般的であるため、動力伝達機構の構成機器の回転数は同一となる。そのため、回転電機の回転数はエンジン回転数と同じとなり、電流量等を考慮すれば効率の点で改善の余地がある。回転電機の回転数をエンジン回転数以上に高速化するための方法として、直結方式に代えてギアを介して接続する構造等を採用することが考えられる。しかし、ギアを用いた構造を採用する場合、遊星ギアを用いると構造が複雑となり、多段ギアを用いると大型化するという問題がある。
本発明は、上記問題を解決すべくなされたものであって、簡易な構造でコンパクト化と高効率化を実現できる回転電機を提供することを目的とする。
本発明が上記課題を解決するために講じた技術的手段は、以下に示す点を特徴とする。
回転電機は、ステータと、前記ステータの内周側に配置された回転可能なロータと、前記ロータに回転動力を入力する入力軸を含む入力部材と、前記ロータから出力される回転動力を取り出す出力軸を含む出力部材と、を備え、前記入力部材は、前記入力軸の回転に伴って回転する内歯車部と、前記入力軸の回転に伴って回転する外歯車部とを有し、前記ロータは、前記内歯車部と噛み合う第１外歯を有し、前記出力部材は、前記外歯車部と噛み合う第２外歯を有し、前記第１外歯、前記第２外歯及び前記外歯車部は、前記内歯車部の内周側に配置されている。
回転電機は、ステータと、前記ステータの内周側に配置された回転可能なロータと、前記ロータに回転動力を入力する入力軸を含む入力部材と、を備え、前記入力部材は、前記入力軸の回転に伴って回転する内歯車部を有し、前記ロータは、前記内歯車部と噛み合う第１外歯と、円板状の基部と、前記第１外歯を有するボス部と、前記ボス部の外周側に配置された環状の外環部と、を有し、前記ボス部及び前記外環部は、前記基部から前記入力軸側に突出し、前記内歯車部は、前記ボス部と前記外環部との間に配置されている。
好ましくは、前記入力部材は、前記入力軸と動力伝達部を有し、前記動力伝達部は、基板と外側突出部と中心突出部を有し、前記基板の中心には、前記入力軸の一端部が接続され、前記外側突出部は、円筒形であって、前記基板の外周縁から前記ロータ側に向けて突出し、内周側に前記内歯車部が形成され、前記中心突出部は、前記基板の中心から前記ロータ側に向けて突出し、外周側に前記外歯車部が形成され、前記外側突出部と前記ボス部とは入れ子状に配置され、前記外環部と前記外側突出部とは入れ子状に配置されている。
好ましくは、前記出力軸は、前記ロータを貫通して延びている。
好ましくは、前記入力軸の軸心が延びる方向は、前記出力軸の軸心が延びる方向と同一軸線上になく平行である。
好ましくは、回転電機は、前記ロータを回転可能に支持する軸受を有し、前記軸受は、前記外環部の内周面を支持している。
本発明によれば、簡易な構造でコンパクト化と高効率化を実現できる回転電機を提供することができる。
本発明に係る回転電機の一実施形態を示す断面図である。 図１のＹ－Ｙ断面図であって、内歯車部、外歯車部、第１外歯、第２外歯の噛み合いを示す図である。 回転電機をモータとして機能させる場合の動作を示す図である。 回転電機をモータとして機能させる場合の動作を示す図である。 回転電機をジェネレータとして機能させる場合の動作を示す図である。 回転電機をジェネレータとして機能させる場合の動作を示す図である。 回転電機をパラレルハイブリッド式の動力伝達機構に使用した場合の動力伝達を説明する図である。 回転電機の変形例（出力軸等を省略した例）を示す断面図である。
以下、本発明に係る回転電機１の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。回転電機１は、モータ、ジェネレータ、モータ・ジェネレータ等である。
図１及び図２は、本発明に係る回転電機１の一実施形態を示している。
回転電機１は、ステータ（固定子）２、ロータ（回転子）３、入力部材４、出力部材５を有している。回転電機１は、例えば、ミッションケースやモータケーシング等の収容体２４の内部に収容される。
ステータ２は、筒状（円筒状）であって、収容体２４の内部に回転不能に収容されている。ステータ２は、例えば、ステータコアとコイルとを有するものである。ロータ３は、ステータ２の内周側に配置されて回転可能である。ロータ３は、例えば、ロータコアと永久磁石を有するものである。
以下、説明の便宜上、図１の矢印Ａ方向を前方、矢印Ｂ方向を後方という。ロータ３の回転中心となる軸（以下、回転軸Ｘ１という）は、前後方向に延びている。
入力部材４は、入力軸６と動力伝達部７とを有している。
入力軸６は、ロータ３に回転動力を入力する軸である。入力軸６は、前後方向に延びている。入力軸６は、軸心Ｘ２回りに回転可能である。入力軸６の軸心Ｘ２は、ロータ３の回転軸Ｘ１が延びる方向とずれており一致していない（図２参照）。詳しくは、入力軸６の軸心Ｘ２は、ロータ３の回転軸Ｘ１が延びる方向と同一軸線上になく、回転軸Ｘ１と平行に延びている。入力軸６の外周面は、第１軸受２１によって支持されている。第１軸受２１は、入力部材４を軸心Ｘ２回りに回転可能に支持している。
動力伝達部７は、入力軸６と他の部材（ロータ３、出力部材５）との間での動力の伝達を中継する部分である。動力伝達部７は、内歯車部８と外歯車部９とを含む。動力伝達部７は、入力軸６と一体に形成されている。そのため、動力伝達部７に含まれる内歯車部８及び外歯車部９は、入力軸６の回転に伴って軸心Ｘ２回りに回転する。
動力伝達部７は、基板１０、外側突出部１１、中心突出部１２を有している。基板１０は、円板状であって、中心に入力軸６の一端部が接続されている。入力軸６は、基板１０の中心からロータ３側と反対側（後方）に延びている。外側突出部１１は、円筒形であって、基板１０の外周縁からロータ３側（前方）に向けて突出している。外側突出部１１の内周側に内歯車部８が形成されている。中心突出部１２は、基板１０の中心からロータ３側（前方）に向けて突出している。中心突出部１２の外周側に外歯車部９が形成されている。中心突出部１２は外側突出部１１の内周側に位置しており、外歯車部９は内歯車部８の内周側に配置されている。尚、図１において、中心突出部１２及び外歯車部９は、後述する歯車部１９及び第２外歯２０と重なって表れておらず、歯車部１９及び第２外歯２０の紙面奥側に位置している。
図１に示すように、外側突出部１１の基板１０からの突出量は、中心突出部１２の基板１０からの突出量より大きい。そのため、外歯車部９と内歯車部８とは、入力軸６の軸心Ｘ２方向においてずれた位置にある。具体的には、内歯車部８は、入力軸６の軸心Ｘ２方向において、外歯車部９よりも前方にずれた位置にある。
ロータ３は、基部１３、ボス部１４、外環部１５を有している。
基部１３は、円板状に形成されている。ボス部１４は、円筒状であって、基部１３の中心から入力軸６側（後方）に向けて突出している。ロータ３には、貫通孔１６が形成されている。貫通孔１６は、ボス部１４及び基部１３を前後方向に貫通している。貫通孔１６の中心は、ロータ３の回転軸Ｘ１上に位置している。ロータ３は、内歯車部８と噛み合う第１外歯１７を有している。第１外歯１７は、ボス部１４の外周面に形成されている。つまり、ボス部１４の外周面には、第１外歯１７からなる外歯車が形成されている。第１外歯１７は、内歯車部８の内周側に配置されている。
外環部１５は、ボス部１４の外周側に配置された円筒状の部分である。外環部１５は、基部１３の外周縁から入力軸６側（後方）に向けて突出している。外環部１５の外周面は、ステータ２の内周面と近接して対向している。外環部１５の内周面は、第２軸受２２によって支持されている。第２軸受２２は、ロータ３を回転軸Ｘ１回りに回転可能に支持している。第２軸受２２は、外環部１５と動力伝達部７との間に配置されている。言い換えれば、第２軸受２２は、外環部１５の内周側であって動力伝達部７の外周側に配置されている。ボス部１４と外環部１５との間には、内歯車部８が配置されている。つまり、内歯車部８の内周側にボス部１４が配置され、内歯車部８の外周側に外環部１５が配置されている。
図１に示すように、外環部１５とボス部１４と外側突出部１１とは、前後方向においてオーバーラップして配置されている。これにより、外側突出部１１とボス部１４とは入れ子状に配置され、外環部１５と外側突出部１１とは入れ子状に配置されている。
出力部材５は、出力軸１８と歯車部１９とを有している。出力軸１８は、ロータ３から出力される回転動力を取り出す軸である。出力軸１８は、軸心Ｘ３回りに回転可能である。出力軸１８は、前後方向に延びている。出力軸１８の軸心Ｘ３は、ロータ３の回転軸Ｘ１が延びる方向と同一軸線上にある。出力軸１８は、ロータ３を貫通して延びている。詳しくは、出力軸１８は、ロータ３に形成された貫通孔１６に挿通されている。出力軸１８の外周面と貫通孔１６の内周面との間には、隙間が設けられている。
出力軸１８の一端部（後端部）には、歯車部１９が設けられている。出力軸１８は、歯車部１９から入力軸６と反対側（前方）に向けて延びている。歯車部１９は、外歯車部９と噛み合う第２外歯２０を有している。第２外歯２０は、内歯車部８の内周側に配置されている。出力軸１８の軸心Ｘ３が延びる方向は、入力軸６の軸心Ｘ２が延びる方向と同一軸線上になく、軸心Ｘ２が延びる方向と平行である。出力軸１８の外周面は、第３軸受２３によって支持されている。第３軸受２３は、出力軸１８を含む出力部材５を軸心Ｘ３回りに回転可能に支持している。
上述した実施形態の回転電機１は入力軸６（入力部材４）及び出力軸１８（出力部材５）を有するものであるが、本発明に係る回転電機１は、入力軸６（入力部材４）を有するが出力軸１８（出力部材５）を有さない構成としてもよい（図８参照）。出力軸１８を有さない回転電機１は、ジェネレータとして使用することができる。出力軸１８を有さない回転電機１については、後程、より詳しく説明する。
回転電機１は、ミッションケース又はモータケーシングの内部に設置することができる。これにより、ミッションケース又はモータケーシングの内部に供給されるミッションオイル又は油圧作動油を回転電機１に供給することができる。その結果、ミッションケース又はモータケーシングの内部に供給されるミッションオイル又は油圧作動油によって、回転電機１のギア（外歯車部９、内歯車部８、第１外歯１７、第２外歯２０）の潤滑と回転電機１の冷却とを行うことが可能となる。これにより、ミッションオイル又は油圧作動油の供給構造とは別に、回転電機１の潤滑や冷却のための構造を新たに設ける必要がない。
回転電機１は、ステータ２のコイルに電流を流すことによって、ロータ３が回転軸Ｘ１回りに回転するモータとして機能する。この場合、ロータ３の回転動力は、出力軸１８から取り出される。図３、図４に示すように、ロータ３が回転軸Ｘ１回りに回転すると（矢印Ｃ１参照）、ボス部１４が同様に回転し（矢印Ｃ２参照）、ボス部１４に形成された第１外歯１７と噛み合う内歯車部８が回転する（矢印Ｃ３参照）。内歯車部８が回転すると、入力部材４が回転するため、外歯車部９も回転する（矢印Ｃ４参照）。外歯車部９が回転すると、外歯車部９と噛み合う第２外歯２０が回転し（矢印Ｃ５参照）、出力軸１８が回転する（矢印Ｃ６参照）。出力軸１８には油圧ポンプ等の被動機が接続されており、被動機は出力軸１８の回転によって駆動する。このように、回転電機１は、出力軸１８に接続された被動機を駆動するモータとして機能することができる。
回転電機１は、ステータ２の内周側にてロータ３が回転軸Ｘ１回りに回転することによって、ステータ２のコイルに起電力が発生するジェネレータとして機能する。この場合、入力軸６からロータ３に回転動力が入力される。図５、図６に示すように、入力軸６が回転すると（矢印Ｄ１参照）、内歯車部８が回転し（矢印Ｄ２参照）、内歯車部８と噛み合う第１外歯１７が形成されたボス部１４が回転する（矢印Ｄ３参照）。ボス部１４が回転すると、ロータ３が回転し（矢印Ｄ４参照）、ステータ２のコイルに起電力が発生する。発生した起電力は、コイルと接続された導線から外部に取り出されて、例えばバッテリに貯蔵される。このように、回転電機１は、起電力を生じるジェネレータとして機能することができる。
回転電機１において、入力軸６からロータ３に回転動力が入力される場合、入力軸６の回転動力は入力部材４の内歯車部８とロータ３の第１外歯１７との噛み合いによって伝達されるため、入力軸６の回転に比べてロータ３の回転を高速とすることができる。そのため、回転電機１を小型化しつつ高回転数の出力を得ることができる。また、高速化によって電流量が少なくなり発熱が減少するため、回転電機１を高効率化することができ、回転電機１を冷却するための冷却装置を小型化することもできる。
上述した通り、回転電機１は、モータとして機能させることもできるし、ジェネレータとして機能させることもできるし、モータ・ジェネレータとして機能させることもできる。
回転電機１は、モータ・ジェネレータとして機能させる場合、パラレルハイブリッド式の動力伝達機構に使用することができる。この場合、入力軸６はエンジン等の原動機の動力によって回転する。入力軸６が回転すると、外歯車部９が回転し、外歯車部９と噛み合う第２外歯２０が形成された歯車部１９が回転する。歯車部１９の回転によって出力軸１８も回転する。これによって、出力軸１８に接続された被動機（例えば、油圧ポンプ等）が駆動する。また、入力軸６が回転すると、内歯車部８が回転し、内歯車部８と噛み合う第１外歯１７が形成されたボス部１４が回転する。ボス部１４が回転すると、ロータ３が回転し、ステータ２のコイルに起電力が発生する。コイルに発生した起電力により生じた電力は、バッテリに蓄えられる。
そして、原動機の駆動に加えて、バッテリに蓄えられた電力によって回転電機１を駆動すると、ロータ３が回転し、ロータ３の回転動力は第１外歯１７から内歯車部８に伝達され、内歯車部８と共に外歯車部９が回転する。外歯車部９が回転すると、第２外歯２０が回転し、出力軸１８が回転する。つまり、図７に示すように、出力軸１８は、入力軸６を介して入力される原動機の動力Ｅ１とロータ３の回転動力Ｅ２とによって回転する。言い換えれば、ロータ３の回転動力Ｅ２によって、原動機から出力軸１８を介して被動機に伝達される動力Ｅ１をアシストすることができる。
このように回転電機１をパラレルハイブリッド式の動力伝達機構に使用する場合、入力軸６と出力軸１８とが平行に前後方向に延びているため、ほぼインライン構成となり、回転電機１への入力及び出力が容易となるとともに、回転電機１をコンパクトに構成することができる。
回転電機１は、ジェネレータとして機能させる場合、シリーズハイブリッド式の動力伝達機構に使用することもできる。この場合、入力軸６はエンジン等の動力によって回転する。入力軸６が回転すると、上述したパラレルハイブリッド式の動力伝達機構の場合と同様の動作（作用）によって、ロータ３が回転し、ステータ２のコイルに起電力が発生する。コイルに発生した起電力により生じた電力は、バッテリに蓄えられる。バッテリに蓄えられた電力は、回転電機１とは別に設けられたモータの駆動に使用され、当該モータの駆動によって被動機（例えば、油圧ポンプ等）が駆動する。
このように、回転電機１をシリーズハイブリッド式の動力伝達機構に使用する場合、回転電機１をモータとして機能させることなくジェネレータとしてのみ機能させればよいため、出力軸１８が不要となる。そのため、図８に示すように、回転電機１は、図１に示した構成から、出力軸１８を含む出力部材５、第３軸受２３、第２外歯２０を有する歯車部１９、貫通孔１６を省略することができる。これにより、回転電機１を、よりコンパクトに構成することができる。特に、出力軸１８を省略することで、回転電機１の前後方向の長さを短くできることがコンパクト化に大きく寄与する。また、出力軸１８等を省略することによって、回転電機１の部品点数を減らして組み立ての工数を減少できるという利点もある。
上記実施形態の回転電機１によれば、以下の効果を奏することができる。
回転電機１は、ステータ２と、ステータ２の内周側に配置された回転可能なロータ３と、ロータ３に回転動力を入力する入力軸６を含む入力部材４と、を備え、入力部材４は、入力軸６の回転に伴って回転する内歯車部８を有し、ロータ３は、内歯車部８と噛み合う第１外歯１７を有している。
この構成によれば、簡易な構造でコンパクト化と高効率化を実現できる回転電機１を提供するができる。詳しくは、入力軸６からロータ３に回転動力を入力する場合、入力軸６の回転動力は内歯車部８とロータ３の第１外歯１７との噛み合いにより伝達されるため、入力軸６の回転に比べてロータ３の回転を高速とすることができる。そのため、回転電機１を小型化しつつ高回転数の出力を得ることができる。また、高速化によって電流量が少なくなり発熱が減少するため、回転電機１を高効率化することができ、回転電機１を冷却するための冷却装置を小型化することもできる。その結果、ハイブリッド式動力伝達機構等の回転電機を用いた動力伝達機構のコンパクト化及び高効率化を実現可能となる。
また、回転電機１は、ロータ３から出力される回転動力を取り出す出力軸１８を含む出力部材５を備え、入力部材４は、入力軸６の回転に伴って回転する外歯車部９を有し、出力部材５は、外歯車部９と噛み合う第２外歯２０を有している。
この構成によれば、入力部材４から入力された回転動力によってロータ３を回転し、ロータ３の回転動力を出力部材５の出力軸１８から取り出すことができるため、回転電機１をモータ・ジェネレータとして機能させることが可能となり、パラレルハイブリッド動力伝達機構に使用して、当該機構のコンパクト化及び高効率化を実現することができる。
また、第１外歯１７、第２外歯２０及び外歯車部９は、内歯車部８の内周側に配置されている。
この構成によれば、第１外歯１７、第２外歯２０及び外歯車部９が、内歯車部８の内周側に内蔵された構成となるため、回転電機１のロータ３の回転軸方向における長さ（前後方向の長さ）を短くすることができ、回転電機１をコンパクト化することが可能となる。
また、ロータ３は、円板状の基部１３と、第１外歯１７を有するボス部１４と、ボス部１４の外周側に配置された環状の外環部１５と、を有し、ボス部１４及び外環部１５は、基部１３から入力軸６側に突出し、内歯車部８は、ボス部１４と外環部１５との間に配置されている。
この構成によれば、ボス部１４及び内歯車部８が外環部１５の内周側に内蔵された構成となるため、回転電機１のロータ３の回転軸方向における長さ（前後方向の長さ）を短くすることができ、回転電機１をコンパクト化することが可能となる。
また、入力部材４は入力軸６と動力伝達部７を有し、動力伝達部７は基板１０と外側突出部１１と中心突出部１２を有し、基板１０の中心には入力軸６の一端部が接続され、外側突出部１１は、円筒形であって、基板１０の外周縁からロータ３側に向けて突出し、内周側に内歯車部８が形成され、中心突出部１２は、基板１０の中心からロータ３側に向けて突出し、外周側に外歯車部９が形成され、外側突出部１１とボス部１４とは入れ子状に配置され、外環部１５と外側突出部１１とは入れ子状に配置されている。
この構成によれば、外側突出部１１とボス部１４とが入れ子状に配置され、外環部１５と外側突出部１１とが入れ子状に配置されることによって、複雑な構造を必要としない簡易な構成でありながら、回転電機１のロータ３の回転軸方向における長さ（前後方向の長さ）を短くすることができ、回転電機１をコンパクト化することが可能となる。
また、出力軸１８は、ロータ３を貫通して延びている。
この構成によれば、出力軸１８の軸心Ｘ３をロータ３の回転軸Ｘ１と同一軸線上に配置することができるため、回転電機１の直径を小さくすることができ、回転電機１をコンパクト化することが可能となる。
また、入力軸６の軸心Ｘ２が延びる方向は、出力軸１８の軸心Ｘ３が延びる方向と同一軸線上になく平行である。
この構成によれば、回転電機１への入力及び出力が容易となるとともに、回転電機１をコンパクトに構成することができる。
また、回転電機１は、ロータ３を回転可能に支持する軸受（第２軸受２２）を有し、軸受（第２軸受２２）は外環部１５の内周面を支持している。
この構成によれば、軸受（第２軸受２２）を回転電機１の内部に配置することができるため、回転電機１をコンパクトに構成することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
１ 回転電機
２ ステータ
３ ロータ
４ 入力部材
５ 出力部材
６ 入力軸
７ 動力伝達部
８ 内歯車部
９ 外歯車部
１０ 基板
１１ 外側突出部
１２ 中心突出部
１３ 基部
１４ ボス部
１５ 外環部
１６ 貫通孔
１７ 第１外歯
１８ 出力軸
１９ 歯車部
２０ 第２外歯
２１ 軸受（第１軸受）
Ｘ１ ロータの回転軸
Ｘ２ 入力軸の軸心
Ｘ３ 出力軸の軸心

Claims (6)

  1. ステータと、
    前記ステータの内周側に配置された回転可能なロータと、
    前記ロータに回転動力を入力する入力軸を含む入力部材と、
    前記ロータから出力される回転動力を取り出す出力軸を含む出力部材と、
    を備え、
    前記入力部材は、前記入力軸の回転に伴って回転する内歯車部と、前記入力軸の回転に伴って回転する外歯車部とを有し、
    前記ロータは、前記内歯車部と噛み合う第１外歯を有し、
    前記出力部材は、前記外歯車部と噛み合う第２外歯を有し、
    前記第１外歯、前記第２外歯及び前記外歯車部は、前記内歯車部の内周側に配置されている回転電機。
  2. ステータと、
    前記ステータの内周側に配置された回転可能なロータと、
    前記ロータに回転動力を入力する入力軸を含む入力部材と、
    を備え、
    前記入力部材は、前記入力軸の回転に伴って回転する内歯車部を有し、
    前記ロータは、前記内歯車部と噛み合う第１外歯と、円板状の基部と、前記第１外歯を有するボス部と、前記ボス部の外周側に配置された環状の外環部と、を有し、
    前記ボス部及び前記外環部は、前記基部から前記入力軸側に突出し、
    前記内歯車部は、前記ボス部と前記外環部との間に配置されている回転電機。
  3. 前記入力部材は、前記入力軸と動力伝達部を有し、
    前記動力伝達部は、基板と外側突出部と中心突出部を有し、
    前記基板の中心には、前記入力軸の一端部が接続され、
    前記外側突出部は、円筒形であって、前記基板の外周縁から前記ロータ側に向けて突出し、内周側に前記内歯車部が形成され、
    前記中心突出部は、前記基板の中心から前記ロータ側に向けて突出し、外周側に前記外歯車部が形成され、
    前記外側突出部と前記ボス部とは入れ子状に配置され、前記外環部と前記外側突出部とは入れ子状に配置されている請求項２を引用する請求項２に記載の回転電機。
  4. 前記出力軸は、前記ロータを貫通して延びている請求項１に記載の回転電機。
  5. 前記入力軸の軸心が延びる方向は、前記出力軸の軸心が延びる方向と同一軸線上になく平行である請求項１又は３に記載の回転電機。
  6. 前記ロータを回転可能に支持する軸受を有し、
    前記軸受は、前記外環部の内周面を支持している請求項２に記載の回転電機。
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