JP4193751B2 - 回転電機のロータ構造および回転電機並びに動力機構 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機に関し、詳しくは、ロータコアを支持するフランジ部が形成されると共に端部に取り付けられる所定の部材により両端が異なる径に形成された中空のロータシャフトを有する回転電機のロータ構造およびこのロータ構造を用いたロータシャフトを備える回転電機並びにこの回転電機からの動力を遊星歯車機構を介して駆動軸に出力する動力機構に関する。

従来、この種の回転電機のロータ構造としては、ロータコアを支持するフランジ部が形成されたロータシャフトを備えるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このロータ構造では、その軽量化を図るために中空のロータシャフトを用いている。
特開２００３−１９１７６１号公報

ところで、ロータシャフトは、その回転状態を検出するためのセンサが取り付けられたり、遊星歯車機構が取り付けられたりする等取り付けられる部材によって、その形状、特に、径に対する制約を受ける。このため、この制約の範囲内でロータシャフトの形状を設計する必要があり、ときには曲げ剛性が不足して回転電機の駆動や遊星歯車機構の回転などに伴って振動が生じ、ロータシャフトを支持するベアリングを介して回転電機のケースに伝達されて振動や騒音となってあらわれる。ロータシャフトの材質を曲げ剛性が高くなるものに変更したり、接続する遊星歯車機構のギヤの歯面の精度を向上させたり、ケースの剛性を向上させたりすることによって対処することも可能であるが、重量が増加したり大型化したりし、また、コスト面でも不利である。

本発明の回転電機のロータ構造および回転電機並びに動力機構は、重量の増加や大型化を抑制しながら振動や騒音の発生を抑制することのできる回転電機のロータシャフトを提供することを目的とする。

本発明の回転電機のロータ構造および回転電機並びに動力機構は、上述の目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の第１の回転電機のロータ構造は、
ロータコアを支持するフランジ部が形成されると共に端部に取り付けられる所定の部材により両端が異なる径に形成された中空のロータシャフトを有する回転電機のロータ構造であって、
前記ロータシャフトの前記両端よりも内側の部位が該両端の径よりも大きく略均一な径をもつ円筒形状となるよう該両端から内側に向かう部位に段差部を形成してなる
ことを要旨とする。

この本発明の第１の回転電機のロータ構造では、ロータコアを支持するフランジ部が形成されると共に端部に取り付けられる所定の部材により両端が異なる径に形成された中空のロータシャフトの両端よりも内側の部位が両端の径よりも大きく略均一な径をもつ円筒形状となるよう両端から内側に向かう部位に段差部を形成する。従って、断面二次モーメントを大きくすることができるから、重量の増加や大型化を抑制しながら曲げ剛性を向上させることができる。この結果、ロータシャフトに基づく振動や騒音の発生を抑制することができる。

こうした本発明の第１の回転電機のロータ構造において、前記フランジ部を前記両端よりも内側の略中央に形成してなるものとすることもできる。

本発明の第２の回転電機のロータ構造は、
ロータコアを支持するフランジ部が形成されると共に端部に取り付けられる所定の部材により両端が異なる内径に形成された中空のロータシャフトを有する回転電機のロータ構造であって、
前記ロータシャフトの前記両端よりも内側の所定部位で該両端から中央に向けて軸方向に延長した内径の段差部を形成すると共に該段差部近傍に前記フランジ部を形成し、該両端のうち内径が小さい方の端部から前記フランジ部までテーパ状の外径をなすよう前記ロータシャフトを形成してなる
ことを要旨とする。

この本発明の第２の回転電機のロータ構造では、ロータコアを支持するフランジ部が形成されると共に端部に取り付けられる所定の部材により両端が異なる径に形成された中空のロータシャフトの両端よりも内側の所定部位で両端から中央に向けて軸方向に延長した内径の段差部を形成すると共にこの段差部近傍にフランジ部を形成し、両端のうち内径が小さい方の端部からフランジ部までテーパ状の外径をなすようロータシャフトを形成する。従って、フランジ部の曲げに対する断面二次モーメントを大きくすることができるから、重量の増加や大型化を抑制しながら曲げ剛性を向上させることができる。この結果、ロータシャフトに基づく振動や騒音の発生を抑制することができる。

こうした本発明の第２の回転電機のロータ構造において、前記テーパ状の外径を前記ロータシャフトの軸方向に対して略４５度の傾斜をもって形成してなるものとすることもできる。

また、本発明の第２の回転電機のロータ構造において、前記ロータシャフトの前記両端よりも内側の肉厚を該両端の肉厚よりも太くなるよう形成してなるものとすることもできる。

本発明の第１または第２の回転電機のロータ構造において、前記所定の部材は、３つの回転要素のうちの２つの回転要素に前記回転電機のケースと駆動軸とがそれぞれ接続された遊星歯車機構であり、前記ロータシャフトは、端部に前記遊星歯車機構の他の１つの回転要素に接続されてなるものとすることもできる。

また、本発明の第１または第２の回転電機のロータ構造において、前記所定の部材は、前記ロータシャフトの回転状態を検出する回転検出器であるものとすることもできる。

本発明の回転電機は、
上述した各態様のいずれかの本発明の第１または第２の回転電機のロータ構造を用いたロータシャフトを備える
ことを要旨とする。

この本発明の回転電機では、上述した各態様のいずれかの本発明の第１または第２の回転電機のロータ構造を用いたロータシャフトを備えるから、本発明の第１または第２の回転電機のロータ構造が奏する効果と同様の効果、例えば、ロータシャフトに基づく振動や騒音の発生を抑制することができる効果などを奏することができる。

本発明の動力機構は、
本発明の回転電機からの動力を遊星歯車機構を介して駆動軸に出力する動力機構であって、
前記遊星歯車機構の３つの回転要素のうちの２つの回転要素に前記回転電機のロータシャフトと前記駆動軸とをそれぞれ接続し、他の１つの回転要素を前記動力機構のケースに回転不能に支持してなる
ことを要旨とする。

この本発明の動力機構では、上述の本発明の回転電機を備えるから、本発明の回転電機が奏する効果と同様の効果を奏することができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施形態としての回転電機のロータ構造を用いた動力機構２０を搭載するハイブリッド自動車１０の構成の概略を示す構成図であり、図２は、動力機構２０の構成の概略を示す構成図である。実施例のハイブリッド自動車１０は、図示するように、エンジン１２と、エンジン１２のクランクシャフト１４にダンパ２２を介して接続された第１プラネタリギヤ３０と、この第１プラネタリギヤ３０に接続されたモータＭＧ１と、第１プラネタリギヤ３０に接続された減速ギヤとしての第２プラネタリギヤ３５と、この第２プラネタリギヤ３５に取り付けられたモータＭＧ２とを備える。

実施例の動力機構２０は、図２に示すように、主として、ダンパ２２と、モータＭＧ１と、第１プラネタリギヤ３０と、第２プラネタリギヤ３５と、モータＭＧ２と、カウンターギヤ４２と、ディファレンシャルギヤ４４とから構成されており、これらはケース５０に収容されている。ケース５０は、モータＭＧ１を収容する第１ケース５２とモータＭＧ２を収容する第２ケース５４とがボルト５６等の締結部品によって結合されて構成されている。また、ケース５０には、第１プラネタリギヤ３０や第２プラネタリギヤ３５，各ベアリングなどの潤滑を行なうための潤滑オイルが充填されており、カウンターギヤ４２やディファレンシャルギヤ４４などの回転によるオイルの掻き上げによって各部へ供給されるようになっている。

第１プラネタリギヤ３０は、図１に示すように、外歯歯車のサンギヤ３１と、このサンギヤ３１と同心円上に配置された内歯歯車のリングギヤ３２と、サンギヤ３１に噛合すると共にリングギヤ３２に噛合する複数のピニオンギヤ３３と、複数のピニオンギヤ３３を自転かつ公転自在に保持するキャリア３４とを備え、サンギヤ３１とリングギヤ３２とキャリア３４とを回転要素として差動作用を行なう遊星歯車機構として構成されている。第１プラネタリギヤ３０は、キャリア３４にはエンジン２２のクランクシャフト２６が、サンギヤ３１にはモータＭＧ１がそれぞれ連結されている。また、第１プラネタリギヤ３０のリングギヤ３２は、減速機構としてのカウンターギヤ４２，ディファレンシャルギヤ４４を介して駆動輪１６ａ，１６ｂに機械的に接続されている。

第２プラネタリギヤ３５も、第１プラネタリギヤ３０と同様に、外歯歯車のサンギヤ３６と、このサンギヤ３６と同心円上に配置された内歯歯車のリングギヤ３７と、サンギヤ３６に噛合すると共にリングギヤ３７に噛合する複数のピニオンギヤ３８と、複数のピニオンギヤ３８を自転かつ公転自在に保持するキャリア３９とを備え、サンギヤ３６とリングギヤ３７とキャリア３９とを回転要素として差動作用を行なう遊星歯車機構として構成されている。第２プラネタリギヤ３５は、サンギヤ３６にはモータＭＧ２が、リングギヤ３７には第１プラネタリギヤ３０のリングギヤ３２がそれぞれ連結されている。また、第２プラネタリギヤ３５のキャリア３９は、ケース５０の第２ケース５４にその回転が禁止されるよう支持されている。

モータＭＧ１は、図２に示すように、永久磁石が貼り付けられたロータ４６と、三相コイルが巻回されたステータ４８とを備える同期発電電動機として構成されており、モータＭＧ１のロータ４６は、第１ケース５２の支持壁６２，６４にベアリング６３，６５を介して回転自在に支持されている。

モータＭＧ２は、モータＭＧ１と同様に、永久磁石が貼り付けられたロータ７０と、三相コイルが巻回されたステータ７８とを備える同期発電電動機として構成されており、モータＭＧ２のロータ７０は、第２ケース５４の支持壁６６，６８にベアリング６７，６９を介して回転自在に支持されている。

図３は、実施例の回転電機のロータ構造を用いた図２のモータＭＧ２のロータ７０を拡大して示す拡大図である。モータＭＧ２のロータ７０は、図示するように、回転軸として略均一の肉厚をもつ中空のロータシャフト７２と、このロータシャフト７２の略中央に形成されたフランジ部７２ａによって支持されたロータコア７４とを備える。ロータコア７４は、プレス加工などにより打ち抜き加工された薄板環状の電磁鋼板７４ａが複数積層されて構成されている。このロータコア７４の積層方向両端には、ロータコア７４に形成された図示しないスロットに永久磁石７４ｂが挿入された状態で電磁鋼板７４ａと永久磁石７４ｂとを図中左右方向に加圧保持する押さえプレート７６ａ，７６ｂが取り付けられている。

ロータ７０のロータシャフト７２は、第２プラネタリギヤ３５のサンギヤ３６が取り付けられると共にサンギヤ３６とは反対側の端部（ベアリング６９の図中右側）にロータシャフト７２の回転位置を検出するための回転位置検出センサとしてのレゾルバ８０が取り付けられている。このため、ロータシャフト７２の両端の各内径Ｂａ，Ｂｂは、サンギヤ３６やレゾルバ８０，ベアリング６７，６９によって制約を受け、異なるものとなっている（図３参照）。また、ロータシャフト７２の両端から内側に向かう部位には、両端から内側に向かって内径Ｂａ，Ｂｂよりも大きく均一な内径Ｂｃをもつ円筒形状をなすよう比較的大きな段差の段差部７２ｂと比較的小さな段差の７２ｃとが形成されている。これにより、ロータシャフト７２の曲げに対する断面二次モーメントを大きくとることができ、曲げ剛性を向上させているのである。なお、ロータシャフト７２の製造は、例えば、ロータシャフト７２の外面形状を形成する上型，下型の二つの型とロータシャフト７２の内面形状を形成する中子とを用意し、下型に中子を入れた状態で上型を重ねて下型と上型とを締め付け、型の一端に形成された湯口に熱で溶かしたアルミを注ぎ込み、アルミが冷えて固まったときに型を外して中子をとることによって行なうことができる。

図４に、図３の回転電機のロータ構造を用いたときの周波数と音圧レベルとの関係を示すグラフを他のロータ構造を用いたときとの比較により示す。図４（ａ）は、第２プラネタリギヤ３５のプラネタリギヤノイズにおける周波数と音圧レベルとの関係を示し、図４（ｂ）は、モータＭＧ２のモータノイズにおける周波数と音圧レベルとの関係を示す。なお、他のロータ構造としては、図７のロータ構造を用いた。この図７のロータ構造におけるロータ２７０のロータシャフト２７２は、ロータシャフト２７２の一端（レゾルバ８０側）の内径Ｂａよりも大きな内径Ｂｃとなるよう段差部２７２ｂが形成されると共に他端（第２プラネタリギヤ３５側）の内径Ｂｂよりも大きく内径Ｂｃよりも小さな内径Ｂｄとなるよう段差部２７２ｃが形成され、ロータシャフト２７２の中央で内径Ｂｃと内径Ｂｄとを結ぶ段差部２７２ｄが形成され、この段差部２７４ｄにフランジ部２７４ａが形成されて構成されている。図４に示すように、図３のロータ構造を用いた場合は、図７のロータ構造を用いた場合に比べてプラネタリギヤノイズおよびモータノイズ共に約５００〜３５００Ｈｚの周波数帯で最大約５ｄＢ程度ノイズが抑制できることを確認した。

以上説明した実施例の回転電機のロータ構造によれば、中空のロータシャフト７２の両端よりも内側を、その肉厚は略均一としながら、異なる内径Ｂａ，Ｂｂの両端から内側に向かう部位に段差部７２ｂ，７２ｃを形成することにより両端の内径Ｂａ，Ｂｂよりも大きく均一な内径Ｂｃをもつ円筒形状としたから、断面二次モーメントを大きくとることができ、ロータシャフト７２の重量を増加させることなく曲げ剛性を向上させることができる。この結果、振動や騒音を抑制することができる。

実施例の回転電機のロータ構造では、ロータシャフト７２の両端から内側に向けて段差部７２ｂ，７２ｃを形成することにより両端の内径Ｌａ，Ｌｃよりも大きく均一な内径Ｌｂをもつ円筒形状のロータシャフト７２を形成して曲げ剛性を向上させるものとしたが、これに限られず或いはこれに加えて、フランジ部の曲げ剛性が向上するようにロータシャフトの形状を形成するものとしてもよい。図５は、変形例の回転電機のロータ構造を用いたロータ１７０の構成の概略を示す構成図である。なお、変形例の回転電機のロータ構造のうち実施例の回転電機のロータ構造と同一の構成については同一の符号を付し、その説明は重複するから省略する。ロータ１７０のロータシャフト１７２は、図示するように、ロータシャフト１７２の両端の内径Ｂａ，Ｂｂが中央に向けて延長されて中央付近で段差部１７２ｂが形成されると共にこの段差部１７２ｂの外周にフランジ部１７２ａが形成されている。さらに、ロータシャフト１７２は、その両端のうち内径が小さい方の端部（第２プラネタリギヤ３５側の端部）からフランジ部１７２ａまで徐々に外径が大きくなるようにテーパ部１７２ｃが形成されている。このテーパ部１７２ｃを形成することによりフランジ部１７２ａの図中右側への曲げに対する曲げ剛性を向上させることができるから、ロータシャフト１７２に基づく振動や騒音を抑制することができる。なお、変形例では、ロータシャフト１７２の両端よりも内側の肉厚Ｗｃを両端の肉厚Ｗａ，Ｗｂよりも大きく形成するとフランジ部１７２ａの肉厚Ｗｄをロータシャフト１７２の両端よりも内側の肉厚Ｗｃよりも大きく形成するものとした。図６に、図５の変形例の回転電機のロータ構造を用いたときの周波数と音圧レベルとの関係を示すグラフを他のロータ構造を用いたときとの比較により示す。図６（ａ）は、第２プラネタリギヤ３５のプラネタリギヤノイズにおける周波数と音圧レベルとの関係を示し、図６（ｂ）は、モータＭＧ２のモータノイズにおける周波数と音圧レベルとの関係を示す。なお、他のロータ構造としては、前述した図７に示すロータシャフト２７２を用いた。図６に示すように、図５のロータ構造を用いた場合にも、図７のロータ構造を用いた場合に比べてプラネタリギヤノイズおよびモータノイズ共に約５００〜３５００Ｈｚの周波数帯でノイズが抑制できることを確認した。なお、この変形例では、ロータシャフト１７２の両端よりも内側の肉厚Ｗｃを両端の肉厚Ｗａ，Ｗｂよりも大きく形成するとフランジ部１７２ａの肉厚Ｗｄをロータシャフト１７２の両端よりも内側の肉厚Ｗｃよりも大きく形成するものとしたが、これに限られず、例えば、テーパ部１７２ｃを除いて全体を略均一の肉厚とするものとしてもよい。

実施例の回転電機のロータ構造では、ロータシャフト７２の両端の一端に第２プラネタリギヤ３５を取り付けると共に他端にレゾルバ８０を取り付けたものに適用したが、第２プラネタリギヤ３５とレゾルバ８０の一方を取り付けないものに適用するものとしてもよい。また、ロータシャフト７２の両端の径が異なるように制約を与える部材であれば、他の部材を取り付けたロータシャフトに適用するものとしてもよい。

実施例では、ハイブリッド自動車１０に搭載する動力機構２０におけるモータＭＧ２のロータシャフト７０のロータ構造として説明したが、回転電機のロータシャフトとしてロータコアを支持するフランジ部が形成されると共に両端に取り付けられる部材により両端が異なる径に形成された中空のものであれば、如何なる回転電機のロータシャフトのロータ構造として適用できるのは勿論である。

以上、本発明を実施するための最良の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明の一実施形態としての回転電機のロータ構造を用いた動力機構２０を搭載するハイブリッド自動車１０の構成の概略を示す構成図である。 実施例の動力機構２０の構成の概略を示す構成図である。 実施例の回転電機のロータ構造を用いた図２のモータＭＧ２のロータ７０を拡大して示す拡大図である。 実施例の回転電機のロータ構造を用いたときの周波数と音圧レベルとの関係を示すグラフである。 変形例の回転電機のロータ構造を用いたモータＭＧ２のロータ１７０の構成の概略を示す構成図である。 変形例の回転電機のロータ構造を用いたときの周波数と音圧レベルとの関係を示すグラフである。 他の回転電機のロータ構造を用いたモータＭＧ２のロータ２７０の構成の概略を示す構成図である。

符号の説明

１０ ハイブリッド自動車、１２ エンジン、１４ クランクシャフト、１６ａ，１６ｂ 駆動輪、２０ 動力機構、２２ ダンパ、３０ 第１プラネタリギヤ、３１ サンギヤ、３２ リングギヤ、３３ ピニオンギヤ、３４ キャリア、３５ 第２プラネタリギヤ、３６ サンギヤ、３７ リングギヤ、３８ ピニオンギヤ、３９ キャリア、４２ カウンターギヤ、４４ ディファレンシャルギヤ、４６ ロータ、４８ ステータ、５０ ケース、５２ 第１ケース、５４ 第２ケース、５６ ボルト、６２，６４，６６，６８ 支持壁、６３，６５，６７，６９ ベアリング、７０，１７０，２７０ ロータ、７２，１７２，２７２ ロータシャフト、７２ａ フランジ部、７２ｂ，７２ｃ，１７２ｂ、２７２ｂ，２７２ｃ，２７２ｄ 段差部、１７２ｃ テーパ部、７４ ロータコア、７４ａ 電磁鋼板、７４ｂ 永久磁石、７６ａ，７６ｂ 押さえプレート、８０ レゾルバ、ＭＧ１，ＭＧ２ モータ。

Claims (11)

1. ロータコアを支持するフランジ部が形成されると共に端部に取り付けられる所定の部材により両端が異なる径に形成された中空のロータシャフトを有する回転電機のロータ構造であって、
   遊星歯車機構を介して駆動輪に接続された駆動軸に動力を出力する動力機構に組み込まれ、
   前記遊星歯車機構は、３つの回転要素のうちの２つの回転要素に前記回転電機のロータシャフトと前記駆動軸とがそれぞれ接続され、他の１つの回転要素が前記動力機構のケースに回転不能に支持されており、
   前記所定の部材は、前記ロータシャフトの端部に接続された前記遊星歯車機構と、前記ロータシャフトの前記遊星歯車機構が接続されていない方の端部に取り付けられ該ロータシャフトの回転状態を検出する回転検出器であり、
   前記ロータシャフトは、前記回転検出器が取り付けられた方の端部が前記動力機構のケースの端部にベアリングにより支持され、前記回転検出器が取り付けられた方の端部の内径が前記遊星歯車機構に接続された方の端部の内径よりも大きくなるよう形成すると共に前記ロータシャフトの前記両端よりも内側の部位が該両端のいずれの内径よりも大きく且つ略均一な内径をもつ円筒形状となるよう該両端から内側に向かう部位に段差部を形成し、該段差部のうち前記回転検出器側の段差部を内径が該回転検出器側から前記内側に向かうに従って徐々に大きくなるよう形成し前記遊星歯車機構側の段差部を内径が該遊星歯車機構側から前記内側に向かって一の段差により形成してなる
   回転電機のロータ構造。
2. 前記フランジ部を前記両端よりも内側の略中央に形成してなる請求項１記載の回転電機のロータ構造。
3. ロータコアを支持するフランジ部が形成されると共に端部に取り付けられる所定の部材により両端が異なる内径に形成された中空のロータシャフトを有する回転電機のロータ構造であって、
   前記ロータシャフトの前記両端よりも内側の所定部位で該両端から中央に向けて軸方向に延長した内径の段差部を形成すると共に該段差部の外周に前記フランジ部を形成し、該両端のうち内径が小さい方の端部から前記フランジ部までテーパ状の外径をなすよう前記ロータシャフトを形成してなる
   回転電機のロータ構造。
4. 前記テーパ状の外径を前記ロータシャフトの軸方向に対して略４５度の傾斜をもって形成してなる請求項３記載の回転電機のロータ構造。
5. 前記ロータシャフトの前記両端よりも内側の肉厚を該両端の肉厚よりも太くなるよう形成してなる請求項３または４記載の回転電機のロータ構造。
6. 請求項３ないし５いずれか１項に記載の回転電機のロータ構造であって、
   遊星歯車機構を介して駆動輪に接続された駆動軸に動力を出力する動力機構に組み込まれ、
   前記遊星歯車機構は、３つの回転要素のうちの２つの回転要素に前記回転電機のロータシャフトと前記駆動軸とがそれぞれ接続され、他の１つの回転要素が前記動力機構のケースに回転不能に支持されており、
   前記ロータシャフトは、前記遊星歯車機構に接続されていない方の端部が前記動力機構のケースの端部にベアリングにより支持されてなる
   回転電機のロータ構造。
7. 請求項３ないし６いずれか１項に記載の回転電機のロータ構造であって、
   前記所定の部材は、３つの回転要素のうちの２つの回転要素に前記回転電機のケースと駆動軸とがそれぞれ接続された遊星歯車機構であり、
   前記ロータシャフトは、端部に前記遊星歯車機構の他の１つの回転要素に接続されてなる
   回転電機のロータ構造。
8. 前記所定の部材は、前記ロータシャフトの回転状態を検出する回転検出器である請求項３ないし７いずれか１項に記載の回転電機のロータ構造。
9. 請求項１ないし８いずれか記載の回転電機のロータ構造を用いたロータシャフトを備える回転電機。
10. 請求項９記載の回転電機からの動力を遊星歯車機構を介して駆動軸に出力する動力機構であって、
    前記遊星歯車機構の３つの回転要素のうちの２つの回転要素に前記回転電機のロータシャフトと前記駆動軸とをそれぞれ接続し、他の１つの回転要素を前記動力機構のケースに回転不能に支持してなる
    動力機構。
11. 請求項１０記載の動力機構を備える自動車であって、
    内燃機関と、
    第２の回転電機と、
    前記内燃機関の出力軸にキャリアが接続され、前記第２の回転電機の回転軸にサンギヤが接続され、前記駆動輪に接続された駆動軸にリングギヤが接続された第２の遊星歯車機構と
    を備える自動車。

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