JPWO2006121045A1 - エンジンに搭載されるジェネレータ／モータ - Google Patents

エンジンに搭載されるジェネレータ／モータ Download PDF

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Abstract

モータハウジング(10)に固設されたリング状のステータコア(20)と、前記クランク軸(1) と協動して回転し、前記ステータコア(20)の内周面と所定の間隙をおいて対設されたリング状のロータヨーク(35)及び同ロータヨーク(35)を外周面にて固定支持するロータフランジ(31)を有するモータロータ(30)とを備えている。ロータフランジ(31)は軸受(60)を介して前記モータハウジング(10)の支持部材(51a) に回転可能に支持されている。クランク軸(1) 及びモータロータ(30)の間に筒状軸部(40)が介装され、クランク軸(1) が前記筒状軸部(40)とスプライン結合によって連結されている。簡単な構造にてステータコアとモータロータとの間のエアギャップ精度が確保でき、クランク軸がエンジン部の振動を受けて芯振れを起こしても、その芯振れの影響は筒状軸部を介して減衰され、モータロータの回転精度が長く維持され、ステータコアとの間のエアギャップを長期間にわたって一定に保持する。その結果、所望のモータ効率及び発電効率が得られるハイブリッド型エンジンのジェネレータ／モータが得られる。

Description

本発明は、自動車や建設機械に搭載され、特にハイブリッド型エンジンの補助動力源としての好適なジェネレータ／モータに関する。
ハイブリッド型エンジンにあって、エンジンのフライホイールにジェネレータ／モータを搭載する事例は、既に乗用車やバス、トラックなどの商用車にて実用化されている。ハイブリッドの動力源としては、エンジンにＰＴＯを設けて専用の発電機を搭載することも考えられるが、フライホイールとジェネレータ／モータとを一体化する構成は、二つの機能を共有化することで部品点数が低減されると共に、発電機搭載の車両スペースが小さくて済むなどの利点がある。そのため、本明細書にあってはクランク軸に一体に固設されるフライホイールもジェネレータ／モータの構成部材の一部として取り扱っている。
ところで、フライホイールはクランク軸に直結されているため、このフライホイールにモータロータを固定すると、フライホイールの面振れや芯振れの影響を受けて、モータロータの回転精度が低下し、ステータコアの磁極とのエアギャップ管理が極めて難しくなる。これを解決する手段としては、ダンパを介した後にモータ用の軸受構造を持つことが望ましいが、軸方向にコンパクトな構造とする必要性から、ダンパや軸受の構造、あるいはステータコアの固定方法など様々な改良が試みられている。また、ステータコアの磁極とモータロータとの間のエアギャップを極端に大きくすることによって、仮に面振れや芯振れが発生してもモータの磁気回路に影響を与えないようにすることも一般的なアプローチとして挙げることができる。しかしながら、このようにエアギャップを大きくするとモータとしての出力が低下すると共に発電効率も低くなる。
ステータコアの磁極とモータロータとの間のエアギャップをステータの位置を調整することにより管理しようとする試みが、例えば特開平７−２４１０５０号公報（特許文献１）によって提案されている。この特許文献１によれば、図１５に示すように、フライホイールハウジング１１０の内周面に沿ってステータコア１２０が配されている。このステータコア１２０はフライホイールハウジング１１０に固設されたステータリングにより固定支持されている。前記ステータコア１２０が配されるフライホイールハウジング１１０の周方向位置には複数のギャップ調整用ボルト１１１が等ピッチでねじ込まれている。同ギャップ調整用ボルト１１１のフライホイールハウジング１１０の内周面からの突出量を調整することにより、ステータコア１２０の外周面を押し合って、ステータコア１２０の磁極とモータロータとの間のエアギャップを調整し、ギャップが正確に得られた段階でステータコア１２０をステータリングを介してフライホイールハウジング１１０に仮止め用ボルト１１２をもって仮止めする。次いで、固定用ボルト１１３をもって前記ステータリングをフライホイールハウジング１１０に固設する。
近年、このようなハイブリット型エンジンの採用は、省エネルギー、低騒音、エンジンの排ガス低減など環境改善が実現できることから、各種の土木建設機械にも搭載しようとする機運が高まってきている。例えば、特開２００３−２３５２０８号公報（特許文献２）によれば、図１６に示すように、建設機械の油圧ポンプＰを駆動する内燃エンジンＥのフライホイール１３０の外周面又は内周面にロータ磁石１３１を設置し、ロータ磁石１３１に対向してステータコイル１３２をフライホイールハウジング１３３の内周面、あるいはフライホイールハウジング１３３又はエンジンケースに取り付けられたフランジ付き円筒状機枠の外周面に設置することにより、フライホイール１３０の外周部又は内周部にアシスト用モータ／ジェネレータを組込む。
特開平７−２４１０５０号公報 特開２００３−２３５２０８号公報
上記特許文献１に開示されたハイブリット型エンジンによれば、モータロータとステータコアとの間のエアギャップを調整した直後であれば、ある程度の初期性能は得られるものの、重量物であるステータコアの位置決め保持をギャップ調整用ボルトの先端のみにて行っているため、ステータコアとステータリングとの間の固定の仕方如何では、長期間の使用により、ステータコアがステータリングから離脱して軸方向に倒れたり、あるいは特に車載状態で強い振動を受けると、ステータとボルトの点接触部において磨耗や陥没が発生してしまい、経時劣化に伴いステータコアを保持すること自体が困難になってしまう。また、ロータヨークを外周部に直接固設したフライホイールは、クランクシャフトにキーなどにより直接結合されているため、クランクシャフトの振動あるいはフライホイールが持つ面振れや芯振れの影響を受けて、ロータヨークの回転精度が低下し、相変わらずステータコアの磁極との間のエアギャップを管理することを難しくしている。
一方、上記特許文献２に開示されたハイブリット型エンジンにあっても、フライホイールの外周部にロータ磁石を固設しており、またフライホイールの中心部をクランクシャフトに直接固設しているため、クランクシャフトの振動やフライホイールが持つ、面振れ、芯振れが、そのままロータ磁石の回転精度に反映されるため、エアギャップを大きく設定せざるを得ない。このため、モータ効率及び発電効率が著しく低下することになる。例えば、これらの効率が低下しない程度のエアギャップを設定した場合には、前記回転精度の悪化に基づきトルクリプルや発電むらにつながる。
本発明は、こうした課題を克服すべく開発されたものであり、その目的は簡単な構造にてステータコアとモータロータとの間のエアギャップ精度を確保して、所望のモータ効率及び発電効率が得られるハイブリッド型エンジンのジェネレータ／モータを提供することにある。
前記目的は、本発明の主要な構成である、エンジンのクランク軸部と油圧ポンプ又はトランスミッションとの間に配されるエンジンの補助動力源としてのジェネレータ／モータであって、モータハウジングに固設されたリング状のステータコアと、前記クランク軸と協動して回転し、前記ステータコアの内周面と所定の間隙をおいて対設されたリング状のロータヨーク、同ロータヨークを固定支持するロータフランジ、及び同ロータフランジの中心部に配される筒状軸部を有するモータロータとを備えてなり、前記ロータフランジが軸受を介して前記モータハウジングの支持部に回転可能に支持されるとともに、前記モータロータの前記筒状軸部には前記クランク軸部とスプライン結合するためのスプライン溝が形成されてなることを特徴とするエンジンのジェネレータ／モータにより効果的に達成される。
好適な態様によれば、前記軸受は環状のボールベアリングであり、前記ボールベアリングは、前記モーターハウジングの軸受支持部と前記ロータヨークに設けられた軸受支持面との間に固設されている。また、前記モータロータの筒状軸部の一端には前記クランク軸部とスプライン結合するためのスプライン溝が形成され、他端には油圧ポンプ又はトランスミッションと結合するためのスプライン溝が形成されていることが好ましい。なお、前記モータロータの筒状軸部と前記ロータフランジとが別個に形成され、筒状軸部と前記ロータフランジとをスプライン結合してもよいが、両者を一体物として製作してもよい。
更に具体的な態様によれば、前記筒状軸部が第１及び第２の軸体を有し、前記第１軸体は、その中央部に前記第１の外歯スプライン溝を有するとともに、そのエンジン側端部に前記第２軸体の一端部とスプライン結合する第１の内歯スプライン溝を有してなり、前記第２軸体は、その一端部に前記第１軸体の前記第１の内歯スプライン溝とスプライン結合する第３の外歯スプライン溝を有するとともに、その他端部に前記クランク軸部とスプライン結合する前記第２の外歯スプライン溝を有している。
前記筒状軸部の前記第２の外歯スプラインとは反対側の軸端部に前記油圧ポンプ又はトランスミッションの入力軸とスプライン結合する第２の内歯スプライン溝を有している。更に、前記クランク軸部が、クランク軸に固設一体化されたフライホイールを備えており、前記筒状軸部の前記第２の外歯スプラインが前記フライホィールの内歯スプラインとスプライン結合されている。また、前記クランク軸部が、クランク軸に固設一体化され中心部に前記第２のスプラインが遊挿される貫通穴を有するフライホイールを備えており、前記筒状軸部のエンジン側端部に形成された前記第２の外歯スプライン溝が、前記クランク軸部の前記クランク軸に形成された内歯スプライン溝と直接的にスプライン結合されている。
本発明に係る上記ハイブリッド型エンジンのジェネレータ／モータは、モータロータを剛体であるモータハウジングの支持部に軸受を介して回転可能に支持する。その結果、モータロータの回転には面振れや芯振れが生じることがない。一方、モータロータとエンジンのクランク軸部との間には筒状軸部が配されて、クランク軸部の振動をモータロータに直接伝達しないようにしている。特に、筒状軸部とのクランク軸部との間の連結を、スプライン結合により連結している。このスプライン結合は、その噛合歯の設計次第で加工精度を容易に調整できる。本発明にあっては、前記スプライン結合には微小なクリアランスを持たせて嵌め合いに自由度を与えている。このクリアランスにより、例えばクランク軸がエンジン部の振動を受けて芯振れを起こしたとしても、その芯振れの影響は筒状軸部を介して減衰されモータロータの回転精度が長く維持され、ステータコアとの間のエアギャップを長期間にわたって一定に保持する。その結果、本発明に係るジェネレータ／モータはモータ効率及び発電効率の低下がない。
本発明にあって、筒状軸部を介しての複数のスプライン結合させるとき、好適にはそれぞれのスプライン結合部において独立してスプライン歯が形成している。そのため、各スプライン結合部は互いに直接的な影響を受けることが防止され、独自の動きで筒状軸部とクランク軸部との間、筒状軸部とモータロータとの間で独自の伝動がなされる。
本発明におけるクランク軸部とは、エンジンのクランク軸自体である場合と同クランク軸に固設一体化されたフライホイールをも含む場合がある。この場合のフライホイールは、エンジンの回転効率を高めると同時にジェネレータの回転効率をも高めることから、エンジン及びジェネレータ／モータの双方の構成部材を兼ねることになる。また、筒状軸部はモータロータから独立している場合、しかも単独である場合と、第１及び第２軸体から構成される場合とがある。或いは、モータロータと一体化していてもよい。こうした構成による各種の組み合わせによって、上記筒状軸部とクランク軸とが直接スプライン結合する場合と、筒状軸部と前記フライホイールとがスプライン結合される場合とがある。
いずれにしても、本発明にあってはモータロータを剛体であるモータハウジングの一部に軸受を介して回転可能に支持するとともに、少なくともモータロータとクランク軸部との間で、筒状軸部を介してスプライン結合により連結するため、上述のようにモータロータに対してクランク軸部で発生する振動や、フライホイールの面振れ、芯振れなどの影響を最小限に止めることができ、モータロータに安定した回転精度が得られる。
本発明の第１実施形態であるハイブリッド型エンジンに搭載されるジェネレータ／モータの縦断面図である。 同ジェネレータ／モータの構成部材の一つであるモータハウジングをポンプ側から見た斜視図である。 前記モータハウジングをエンジン側から見た斜視図である。 前記ジェネレータ／モータの構成部材の一つであるコイルが巻装された前記ステータコアをポンプ側から見た平面図である。 前記ジェネレータ／モータの構成部材の一つであるモータロータのロータフランジをポンプ側から見た斜視図である。 前記モータロータのロータコアの斜視図である。 同ロータコアに取り付ける羽根車の斜視図である。 本発明の重要な構成部材の一つである筒状軸部をポンプ側から見た斜視図である。 同筒状軸部をエンジン側から見た斜視図である。 上記モータハウジングの構成部材の一つである軸受フランジのエンジン側から見た斜視図である。 本発明の第２実施形態であるハイブリッド型エンジンに搭載されるジェネレータ／モータの縦断面図である。 本発明の第３実施形態であるハイブリッド型エンジンに搭載されるジェネレータ／モータの縦断面図である。 本発明の第４実施形態であるジェネレータ／モータに適用されるロータフランジをエンジン側から見た斜視図である。 同ロータフランジをポンプ側から見た斜視図である。 従来のハイブリッド型エンジンに搭載されるジェネレータ／モータの一部破断した正面図である。 従来のハイブリッド型建設機械の動力源の概略説明図である。
符号の説明
１ クランク軸
１ａ 内歯スプライン
２ 油圧ポンプ又はトランスミッションの入力軸
２ａ 外歯スプライン
３ リード線
１０ モータハウジング
１１ ハウジング本体
１１ａ，１１ｂ 油供給口
１２ 枠部
１３ 連通路
１４ 閉塞部材
１６ 油溜め部
１７ 端子接続部
１８ コネクタ
１９ リング状フランジ
２０ ステータコア
２１ 突部
２２ ロールピン
２３ コイル
３０ モータロータ
３１ ロータフランジ
３２ ヨーク支持部
３２ａ，３５ａ ボルト挿通孔
３２ｂ 軸受支持面
３３ スプライン結合部
３３ａ スプライン歯
３４ 環状円板部
３５ ロータヨーク
３６ 誘導子
３７ａ ボルト
３７ｂ ナット
３８ 羽根車
３８ａ 本体
３８ｂ 羽根（突条）
３８ｃ ボルト挿通孔
４０ 筒状軸部
４１ 第１の外歯スプライン
４２ 第２の外歯スプライン
４３ 第１の内歯スプライン
４４ 段付きリテーナ
４５ バネリング
４６ 締付けボルト
４７ 第２内歯スプライン
４８ 第３外歯スプライン
５０ 軸受フランジ
５１ 軸受支持部材
５１ａ 軸受支持面
６０ 軸受
６１ 内輪
６２ 外輪
１００ フライホイール
１０１ 内歯スプライン
１０２ ボルト挿通孔
１０３ 締結ボルト
１０４ スタータ用リングギア
ＥＨ エンジンハウジング
ＰＨ ポンプハウジング
以下、本発明の代表的な実施形態を図面に基づき具体的に説明する。図１は本発明の第１実施形態を示すジェネレータ／モータの軸線を通る縦断面図である。図２〜図９は同ジェネレータ／モータの主な構成部材の斜視図である。本実施形態によるジェネレータ／モータは、主に油圧ショベル等の建設機械に適用されるハイブリッド型のエンジンに搭載されるジェネレータ／モータを例示するが、他の自動車分野や一般の産業機械分野、或いは船舶などの大型エンジンなどに広く適用できる。
これらの図からも理解できるように、図示実施例におけるジェネレータ／モータの主な構成部材は、モータハウジング１０、同モータハウジング１０の内壁面に固設されるリング状のステータコア２０、ステータコア２０の内周面に対設されるモータロータ３０、モータロータ３０の中心穴に挿通して同モータロータ３０を回転支持するモータロータ３０の構成部材の一部である筒状軸部４０、前記モータハウジング１０の後述する反エンジン側の周側面に固設される軸受フランジ５０、及び同軸受フランジ５０の軸受支持面５１ａと前記モータロータ３０の軸受支持面５１ａとの間に介装される軸受６０を備えている。前記モータロータ３０は、環状のロータフランジ３１と、同ロータフランジ３１の外周面に密着支持されるリング状のロータヨーク３５とから構成され、前記筒状軸部４０が前記ロータフランジ３１の中心穴に挿通されてロータフランジ３１を回転支持している。以上の構成部材が前記モータハウジング１０に組み込まれたのち、そのエンジン側の端部をエンジンハウジングＥＨに固設一体化するとともに、その油圧ポンプ又はトランスミッション側の端部をポンプハウジングＰＨに固設一体化する。
前記モータハウジング１０は、図２及び図３に示すように、ハウジング本体１１の全体が薄型円筒状を呈し、その下端に逆二等辺三角形状の枠部１２が連設されている。ハウジング本体１１の下端部と枠部１２とは一部連通路１３を介して連通している。前記枠部１２のエンジン側の端面はエンジンハウジングＥＨにより閉塞され、油圧ポンプ側の端面は閉塞部材１４により閉塞して、内部に油溜め部１６を形成する。図３に示すように、ハウジング本体１１の上壁部の２箇所に設けられた油供給口１１ａ，１１ｂを通して油が供給され、ハウジング内を流下して前記油溜め部１６およびモータハウジング１０内の下部に溜められる。エンジンが回転すると、ジェネレータ／モータの内部に配される構成部材、特に上記モータロータ３０の外周部がモータハウジング１０の下部に溜った油面に接触しながら回転し、油がモータロータ３０の回転とともにモータハウジング１０の内部を循環する。ステータコア２０に巻装された後述するコイル２３はモータハウジング１０の下部に溜った油の一部に浸漬されている。また本実施形態にあっては、図２に示すように前記モータハウジング１０の上部周面の後方側領域に６本のコイル端子を図示せぬインバータに接続する端子接続部１７を有している。
前記ステータコア２０は、図４に示すように、リング状部材からなり、その内周面には中心に向けて周方向に所定のピッチで多数の極となる突部２１が突設されており、各突部２１の周面には、３本のコイル２３が常法に従って順次巻装される。本実施形態では、前記突部２１は総計３６個突出しており、３相１２極のＳＲモータを構成する。このステータコア２０は、図１に示すように、ハウジング本体１１の内周面にロールピン２２をもって固設される。また、６本の前記コイル端子は前記ハウジング本体１１の周面に形成された上記端子接続部１７に挿通される。この端子接続部１７にて前記コイル端子がコネクタ１８を介して外部の交流電源から伸びているリード線３の端子と接続される。
上記ロータフランジ３１は環状部材からなり、図１及び図５に示すように、その外周部に上記ロータヨーク３５を固定支持するヨーク支持部３２を有し、その中心部に上記筒状の筒状軸部４０とスプライン結合するスプライン結合部３３を有しており、その中間部には前記ヨーク支持部３２及びスプライン結合部３３を連結するドーナツ状円板部３４を有している。このヨーク支持部３２、スプライン結合部３３及びドーナツ状円板部３４は一体に鋳造される。ドーナツ状円板部３４の外周に配される前記ヨーク支持部３２は軸線に平行な断面がＬ字状を呈しており、同ヨーク支持部３２には方形断面をもつ前記ロータヨーク３５が、複数のボルト３７ａとナット３７ｂによって締付け固定される。そのため、ヨーク支持部３２及びロータヨーク３５には、前記ボルト３７ａを挿通させるための複数のボルト挿通孔３２ａ，３５ａが形成されている。
前記ロータフランジ３１の中央に形成される上記スプライン結合部３３は、軸線方向に所要の長さをもつ中心部を貫通する穴の内周面の全周に軸方向に平行に並んだ複数のスプライン歯３３ａが形成されている。このスプライン歯３３ａは上記筒状軸部４０の中央部外周面に形成された第１外歯スプライン４１とスプライン結合する。
上記リング状のロータヨーク３５は、図６に示すように、外周面の周方向に所定のピッチをもって多数の誘導子３６が突設されており、その内周面が上記ロータフランジ３１の外周面に外嵌固定される。本実施形態にあっては、上述のごとくステータコア２０の内周面に突設されて磁極を構成する突部２１の総計が３６個であるのに対して、前述のごとくロータヨーク３５の誘導子３６の数は２４として、ステータコア２０の磁極（突部２１）とロータヨーク３５の対面する誘導子３６との間にピッチ差をつけている。
因みに、本実施形態におけるヨーク支持部３２及びロータヨーク３５のボルト挿通孔３２ａ，３５ａは８個形成されている。このとき、図７に示すリング状の羽根車３８をロータヨーク３５のエンジン側端面とポンプ側端面とに前記ボルト３７ａ及びナット３７ｂによって同時に締結一体化する。この羽根車３８は、モータハウジング１０の上壁部に形成された上記冷却油供給口１１ａ，１１ｂから流下する冷却油をその周面部で受けて、外周面の周方向に所定のピッチをもって突出する１６個の突条（羽根）３８ｂをもって保持するとともに、回転中の遠心力をもって周辺に配されたステータコア２０に巻装されたコイル２３の端部の内側半部全面に満遍なく放射して冷却効率を向上させる。羽根車３８の本体３８ａには前記ボルト３７ａを挿通するためのボルト挿通孔３８ｃがヨーク支持部３２及びロータヨーク３５のボルト挿通孔３２ａ，３５ａと同様に８個形成されている。
本実施形態による前記筒状の筒状軸部４０は、図１、図８及び図９に示すように、単独の軸部材から構成され、中央部、ポンプ側端部、エンジン側端部の順で段部を介して順次小径に形成されている。その中央外周部には、前述のようにモータロータ３０のスプライン結合部３３とスプライン結合する第１の外歯スプライン４１が形成されており、最も小径のエンジン側端部外周面にはエンジンのクランク軸１とスプライン結合する第２の外歯スプライン４２が形成され、中間径をもつポンプ側端部には油圧ポンプの入力軸２とスプライン結合する第１の内歯スプライン４３が形成されている。前記エンジン側端部は中実の構造とされている。従って、この実施形態では前記エンジンのクランク軸１の中心部には内歯スプライン１ａが形成されるとともに、前記油圧ポンプの入力軸２の外周面には外歯スプライン２ａが形成されて、筒状軸部４０の各端部とそれぞれがスプライン結合する。
上記モータハウジング本体１１のポンプ側端面には中心に向けて一体に延設されたリング状フランジ１９を有しており、同リング状フランジ１９の内周部に環状の上記軸受フランジ５０の外周部が固設一体化される。この軸受フランジ５０は、図１及び図１０に示すように、縦断面が上下に長いＬ字状を呈している。その外周部分が前記リング状フランジ１９に内周部外側表面に形成された周方向に連続する切欠き部に嵌め込まれ、図示せぬ複数のボルト、ナットによって締結固定される。本実施形態にあっては、前記リング状フランジ１９と軸受フランジ５０とを別体に形成しているが、モータハウジング１０の製作時にリング状フランジ１９と軸受フランジ５０とを一体に形成することもできる。つまり、この軸受フランジ５０はモータハウジング１０の構成部材の一部となっている。
前記軸受フランジ５０の内周部分は軸線と平行にエンジン側に延びて軸受支持部材５１を構成する。軸受６０の内輪６１を支持する前記軸受支持部材５１の軸受支持面５１ａは、図１に示すように軸受支持部材５１の内周面である。一方、前記軸受６０の外輪６２は、上記モータロータ３０の外周部に形成したヨーク支持部３２のポンプ側内周面に形成された軸受支持面３２ｂに固定支持される。本発明にあって、モータロータ３０の中心部を通常の回転軸と一体回転するように固設することなく、モータロータ３０の外周部を剛体からなるモータハウジング１０の一部に軸受６０を介して回転可能に支持することは、モータロータ３０の回転中心を固定することに等しく、その回転中心部を上述のようにエンジン側の回転とポンプ側の回転とを可逆的に伝達可能な上記筒状軸部４０によりスプライン結合にて連結することと相まって、モータロータ３０の回転精度を向上させるうえで極めて有効な構成となる。
次に、上記構成をもつジェネレータ／モータの各構成部材をエンジンと油圧ポンプ又はトランスミッションに組み付ける手順を具体的に説明する。まず、上記軸受フランジ５０の軸受支持部材５１と上記ロータフランジ３１の軸受支持面３２ｂとの間に軸受６０を固設するとともに、この軸受６０を介してロータフランジ３１と一体化された前記軸受フランジ５０の外周部を、モータハウジング１０のリング状フランジ１９の内周縁部にボルトとナットをもって固設する。このとき、モータハウジング１０の内周面には、３本のコイル２３を巻装したステータコア２０が既に固設されている。ここで、前記ロータフランジ３１の中心部に形成されたスプライン結合部３３に、筒状軸部４０の中央外周部に形成された第１の外歯スプライン４１が嵌め込まれると同時に、同筒状軸部４０の端部に形成された第２の外歯スプライン４２をクランク軸１に形成された内歯スプライン１ａに挿入する。続いて、前記筒状軸部４０の前記第２の外歯スプライン４２とは反対側の端部に形成された第１の内歯スプライン４３と、油圧ポンプ又はトランスミッションの入力軸２の他端部に形成された外歯スプライン２ａとをスプライン結合させたのち、油圧ポンプ又はトランスミッションのハウジングＰＨをモータハウジング１０にボルトをもって固設して組付けが完了する。
こうしてエンジンと油圧ポンプ又はトランスミッションとの間に組み込まれた本発明のジェネレータ／モータにあっては、上述のごとくモータロータ３０が、エンジンのクランク軸１と油圧ポンプ又はトランスミッションの入力軸２との間に配されてスプライン結合により連結された筒状軸部４０に同じくスプライン結合により支持されるとともに、モータロータ３０のロータフランジ３１が軸受６０を介してモータハウジング１０の軸受フランジ５０によって強固に支持されることになる。その結果、軸受６０にはエンジンからのトルク変動を直接受けにくい構造となるため、軸受６０の寿命を延ばすことができるばかりでなく、そのメンテナンスも容易となる。
こうして軸受６０により回転中心が確保されたモータロータ３０は、エンジン回転時に最も振動するクランク軸１に２段のスプライン結合を介して連結されるため、クランク軸１の振動による影響が極めて小さくなり、殆ど芯振れがない高精度な回転をする。この高精度の回転により、モータハウジング１０に固設されたステータコア２０とロータフランジ３１に固設されたロータコア３５との間のエアギャップが一定に維持され、所望の発電効率及びモータ効率が得られる。
図１１は、本発明の第２実施形態を示している。この第２実施形態によるジェネレータ／モータと上記第１実施形態によるジェネレータ／モータとの異なる構成は、第１実施形態には装着されていなかったフライホイール１００をエンジンのクランク軸１に固設している点である。フライホイール１００の外周にはスタータ用リングギア１０４が固設されている。このフライホイール１００の装着は、単にエンジンの回転効率を高めるだけに止まらず、同時に本発明のジェネレータ／モータの発電及びモータ効率を高める機能を備えている。そのため、このフライホイール１００はエンジン側の構成部材であるとともに本発明のジェネレータ／モータの構成部材でもある。さらに、フライホイール外周部に固設されたスタータ用リングギヤ１０４はスタータ始動用ギヤの機能を備えるに止まらず、ジェネレータ／モータはエンジン始動時にモータ動作をもするため、それ自体でスタータ機能を有しており、寒冷地での始動性向上のためには、従来のスタータを別途設置して、両者を協動させることがさらに好ましい。
また本実施形態では、第１実施形態においてクランク軸に形成された内歯スプライン１ａに代えて、前記フライホイール１００の中心部に内歯スプライン１０１を形成して、同内歯スプライン１０１と上記筒状軸部４０の第２外歯スプライン４２とをスプライン結合させている。そのため、フライホイール１００の内歯スプライン１０１と筒状軸部４０の第２外歯スプライン４２との結合部の構成が僅かに異なっている。第２実施形態のそれ以外の構成は、上記第１実施形態と実質的に異なるところがない。従って、以下の説明では上記第１実施形態と異なる部分に別の符号を付しているが、実質的に同じ部材には同一符号を付すとともに同一の部材名を用いている。
前記フライホイール１００の中央部には内歯スプライン１０１が形成されている。この内歯ススプライン１０１には、上記筒状軸部４０のエンジン側端部に形成された第２の外歯スプライン４２が嵌め込まれてスプライン結合する。しかし、このスプライン結合だけでは筒状軸部４０がフライホイール１００に対して軸方向に動く。本実施形態では前記筒状軸部４０のエンジン側端部の軸中心にネジ孔４２ａが切られており、その軸端面に形成された円形凹陥部４２ｂに段付きリテーナ４４をバネリング４５を介して嵌着させて、前記段付きリテーナ４４を締付けボルト４６により筒状軸部４０の軸端面に固着させる。このとき、前記バネリング４５の外周端縁を前記フライホイールの内歯スプライン１０１の内周面に形成されたリング状の溝部に嵌着させることにより、上記筒状軸部４０とフライホイール１００との間の相対的移動を止めている。
フライホイール１００の前記内歯スプライン１０１の周囲には複数のボルト挿通孔１０２が形成されており、フライホイール１００は、前記ボルト挿入孔１０２を介してクランク軸１の端面に形成されたボルト孔１ｂに締結ボルト１０３をネジ込むことにより同クランク軸１に固定一体化される。次いで、内周面にステータコア２０を固設したモータハウジング１０にモータロータ３０を組み込み、同モータロータ３０の中心部の内歯スプライン結合部３３を前記筒状軸部４０の第１外歯スプライン４１に嵌め合わせたのちに、上記第１実施形態と同様に、モータハウジング１０をエンジンハウジングＥＨに固設する。続いて、筒状軸部４０の前記第２外歯スプライン４２とは反対側の軸端の第１内歯スプライン４３にポンプ側の入力軸２の外歯スプライン２ａを嵌め込むとともに、ポンプハウジングＰＨをモータハウジング１０に締結ボルトをもって固設する。
以上の構成を採用することにより、フライホイール１００によりエンジン回転及びジェネレータ／モータの回転効率が一段と向上するばかりでなく、エンジン回転時にクランク軸１に固設されたフライホイール１００に面振れや芯振れが生じたとしても、フライホイール１００と筒状軸部４０との第１段のスプライン結合と、同筒状軸部４０とモータロータ３０との第２段のスプライン結合により、モータロータ３０の回転にはフライホイール１００の前記面振れや芯触れの影響が殆どなくなる。その上に、モータロータ３０が剛体であるモータハウジングの一部に軸受６０を介して回転可能に支持されているため、モータロータ３０の回転中心が不動となり、よりモータロータ３０の回転精度を高めている。その結果、本実施形態によるジェネレータ／モータの発電効率及びモータ効率が一段と向上する。
図１２は、本発明の第３実施形態であるジェネレータ／モータを示している。本実施形態によるジェネレータ／モータが上記第１実施形態と異なるところは第２実施形態と同様にフライホイール１００がクランク軸１に固設されている点であり、同時に上記第２実施形態とも異なるところは筒状軸部４０が第１軸体４０ａと第２軸体４０ｂとから構成されている点である。
本実施形態における前記第１軸体４０ａと上記第１及び第２実施形態の筒状軸部４０とは一部の構造が異なるだけで、その構造はほぼ同一である。すなわち第１軸体４０ａは、その中央部に第１の外歯スプライン４１を有しており、ポンプ側の軸端部には油圧ポンプ又はトランスミッションの入力軸２とスプライン結合する第１の内歯スプライン４３を有している。本実施形態における第１軸体４０ａと上記第１及び第２実施形態の筒状軸部４０とで異なる部分は、第１軸体４０ａは全長にわたり中空であって、そのエンジン側の軸端部に上記第２軸体４０ｂのポンプ側軸端部に形成された第３の外歯スプライン４８とスプライン結合する第２の内歯スプライン４７が形成されている点と、エンジン側軸端部と油圧ポンプ又はトランスミッション側の軸端部とが同一径とされている点である。
一方、前記第２軸体４０ｂは全長が同一径の丸棒材料から形成され、そのポンプ側軸端部には、前述のように前記第１軸体４０ａのエンジン側軸端部に形成された第２の内歯スプライン４７とスプライン結合するための第３の外歯スプライン４８が形成されている。また、同第２軸体４０ｂのエンジン側軸端部にも、上記第１実施形態と同様に、エンジンのクランク軸１の中心部に形成された内歯スプライン１ａとスプライン結合するための外歯スプラインが形成されている。従って、この外歯スプラインは上記第１実施形態における第２の外歯スプライン４２と実質的に変わるところがない。こうして、クランク軸１と第１軸体４０ａとは第２の軸体４０ｂの両端部を介して、それぞれをスプライン結合して連結される。このとき、本実施形態にあっては、クランク軸１に一体化された前記フライホイール１００の中央孔部１０４にはスプラインは形成されておらず、同中央孔部１０４の径は前記第２の軸体４０ｂの径よりも僅かに大きく設定され、同中央孔部１０４に前記第２の軸体４０ｂが遊挿されいるに過ぎない。
かかる構成を備えた本実施形態によるジェネレータ／モータをエンジンと油圧ポンプ又はトランスミッションとの間に組み込むには、第１及び第２実施形態と同様に、予めモータハウジング１０とモータロータ３０とを軸受６０を介して一体化したのち、モータロータ３０の中心部に形成された内歯スプラインが形成されたスプライン結合部３３に前記第１軸体４０ａの第１外歯スプライン４１を嵌め込んでスプライン結合させる。このとき、第２軸体４０ｂの第エンジン側軸端部の第２外歯スプライン４２をクランク軸１の内歯スプライン１ａに嵌め込んでおく。次に、前記第１軸体４０ａのエンジン側軸端部に形成された第２の内歯スプライン４７に、前記第２軸体４０ｂのポンプ側軸端に形成された第３の外歯スプライン４８を嵌め込んでスプライン結合させながら、モータハウジング１０をエンジンハウジングＥＨに締結ボルトをもって固定する。続いて、圧力ポンプ又はトランスミッションの入力軸２の外歯スプライン２ａと前記第１軸体のポンプ側軸端部の第１内歯スプライン４３とをスプライン結合させるとともに、ポンプハウジングＰＨをモータハウジング１０に締結ボルトにより固定して組付けが完了する。
以上の構成を備えることにより、クランク軸１とモータロータ３０とが、第１及び第２の軸体４０ａ，４０ｂを介して３段のスプライン結合により連結されると同時に、モータロータ３０とフライホイール１００との直接的な連結が絶たれるため、フライホイール１００の面振れや心振れなどの振動の影響が更に伝わりにくくなり、モータロータ３０の回転精度が更に向上し、ジェネレータ／モータの発電効率及びモータ効率を極限まで高めることができる。
図１３及び図１４は、本発明の第４実施形態であるジェネレータ／モータに適用されるロータフランジを示しており、図１３はエンジン側から見た斜視図、図１４はポンプ側から見た斜視図である。
上述の第１〜第３実施形態では、全てがロータフランジ３１と筒状軸部４０とを別個に製作しており、両者を内歯スプラインと外歯スプラインとによスプライン結合している。これに対して、本実施形態では前記ロータフランジ３１と筒状軸部４０とを、例えば鋳造により一体化して製作している。本発明に係る上記ハイブリッド型エンジンのジェネレータ／モータは、モータロータ３０を剛体であるモータハウジング１０のヨーク支持部３２に軸受６０を介して回転可能に支持する。その結果、モータロータ３０の回転には面振れや芯振れが生じることがない。なお、本実施形態における他の構成は、上記第１〜第３実施形態の対応する構成を採用することができる。そのため、図１３及び図１４に示した符号も、上記第１〜第３実施形態の部材に対応する部分には同じ符号を付している。
本実施形態によるロータフランジ３１と筒状軸部４０とは、前述のように一体化されており、ロータフランジ３１の中央部の左右表面から直接突設された前記筒状軸部４０の内周面には、図示せぬポンプ側の入力軸と一部でスプライン結合する多数の第１の内歯スプライン４３が全長にわたって軸線に平行に形成されている。前記筒状軸部４０のエンジン側端部に向けて突設された軸部の外周面は平坦とされ、筒状軸部４０のエンジン側端部に向けて突設された軸部の外周面に図示せぬエンジンのクランク軸に形成した内歯スプラインとスプライン結合する第２外歯スプライン４２が形成されている。
このように、本実施形態にあっても、モータロータ３０とエンジンのクランク軸部との間には筒状軸部４０が介装されている。ただし、本実施形態では、ロータフランジ３１と筒状軸部４０とを、前述のように一体化している。そして、前記筒状軸部４０とクランク軸部との間を、上記第１〜第３実施形態と同様に、スプライン結合をもって連結している。そのため、クランク軸部の振動がモータロータ３０に直接伝達しないようにされている。このようなスプライン結合では、その噛合歯の設計次第で加工精度が容易に調整することができる。
本実施形態にあっても、筒状軸部４０とクランク軸との間のスプライン結合には微小なクリアランスを持たせて嵌め合いに自由度を与えている。このクリアランスにより、例えばクランク軸がエンジン部の振動を受けて芯振れを起こしたとしても、その芯振れの影響は中間軸を介して減衰されモータロータの回転精度が長く維持され、ステータコアとの間のエアギャップを長期間にわたって一定に保持する。その結果、本実施形態によるジェネレータ／モータにあってもモータ効率及び発電効率が低下するようなことがない。

Claims (9)

  1. エンジンのクランク軸部と油圧ポンプ又はトランスミッションとの間に配されるエンジンの補助動力源としてのジェネレータ／モータであって、
    モータハウジングに固設されたリング状のステータコアと、
    前記クランク軸と協動して回転し、前記ステータコアの内周面と所定の間隙をおいて対設されたリング状のロータヨーク、同ロータヨークを固定支持するロータフランジ、及び同ロータフランジの中心部に配される筒状軸部を有するモータロータと、
    を備えてなり、
    前記ロータフランジが軸受を介して前記モータハウジングの支持部に回転可能に支持されるとともに、
    前記モータロータの前記筒状軸部には前記クランク軸部とスプライン結合するための第１の外歯スプラインが形成されてなる、
    ことを特徴とするエンジンのジェネレータ／モータ。
  2. 前記軸受は環状のボールベアリングであり、
    前記ボールベアリングは、前記モーターハウジングの軸受支持部と前記ロータヨークに設けられた軸受支持面との間に固設されてなる、
    ことを特徴とする請求の範囲第１項に記載のジェネレータ／モータ。
  3. 前記筒状軸部の他端には、油圧ポンプ又はトランスミッションと結合するためのスプラインが形成されてなることを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項に記載のジェネレータ／モータ。
  4. 前記モータロータの筒状軸部と前記ロータフランジとが別個に設けられ、互いがスプライン結合されてなることを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項に記載のジェネレータ／モータ。
  5. 前記モータロータの筒状軸部と前記ロータフランジとが一体化されてなることを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項に記載のジェネレータ／モータ。
  6. 前記筒状軸部が第１及び第２の軸体を有し、
    前記第１軸体は、その中央部に第１の外歯スプラインを有するとともに、そのエンジン側端部に前記第２軸体の一端部とスプライン結合する第１の内歯スプラインを有してなり、
    前記第２軸体は、その一端部に前記第１軸体の前記第１の内歯スプラインとスプライン結合する第３外歯スプラインを有するとともに、その他端部に前記クランク軸部とスプライン結合する前記第２の外歯スプラインを有してなる、
    ことを特徴とする請求の範囲第４項に記載のジェネレータ／モータ。
  7. 前記筒状軸部の前記第２の外歯スプラインとは反対側軸端部に前記油圧ポンプ又はトランスミッションの入力軸とスプライン結合する第２の内歯スプラインを有してなることを特徴とする請求の範囲第６項に記載のジェネレータ／モータ。
  8. 前記クランク軸部が、クランク軸に固設一体化されたフライホイールを備えてなり、
    前記筒状軸部の前記第２の外歯スプラインが前記フライホイールの内歯スプラインとスプライン結合されてなる、
    ことを特徴とする請求の範囲第６項又は第７項に記載のジェネレータ／モータ。
  9. 前記クランク軸部が、クランク軸に固設一体化され中心部に前記第２の外歯スプラインが遊挿できる貫通穴を有するフライホイールを備えてなり、
    前記筒状軸部のエンジン側端部に形成された前記第２の外歯スプラインが、前記クランク軸に形成された内歯スプラインと直接的にスプライン結合されてなる、
    ことを特徴とする請求の範囲第６項又は第７項に記載のジェネレータ／モータ。

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