JP2008118813A - ハイブリッド車両用の電動モータ - Google Patents

Abstract

【課題】騒音や振動を抑えることができるハイブリッド車両用の電動モータを提供する。
【解決手段】出力ギヤＯＧ側の玉軸受７，８と、それに対してロータ５を挟んで反対側の玉軸受１４，１５とを、背面組み合わせとすることで、回転軸４の曲げに対する剛性を高めることができ、共振周波数を上げることができる。更に、出力ギヤＯＧにはすば歯車を用いた場合、回転軸４に大きなスラスト力が付与されるが、かかる場合、２列の玉軸受でスラスト力を支持することができるため、転がり疲れ寿命の点でも有利である。更に、玉軸受７，８，１４，１５に所定の予圧を与えることで、支持剛性を高めると共に、軸受内部のガタを排除して振動や騒音を抑制できるハイブリッド車両用の電動モータを提供できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動モータに関し、特にハイブリッド車両に用いられると好適な電動モータに関する。

地球温暖化や原油価格の高騰を背景とし、燃費の良いハイブリッド車両が注目されている。ハイブリッド車両は、減速時に運動エネルギーを電気エネルギーに変換して回収し、再加速時に、回収した電気エネルギーを用いて電動モータを駆動し、エンジンの駆動力を補助しようとするものである（特許文献１、２参照）。従って、車両の燃費を向上させるには、電動モータの効率化を図ることが重要である。電動モータの効率化を図る一手法として、その高速回転化が検討されている。
特開２００４−２４８４４９号公報 特開平８−１８３３４７号公報

ところで、電動モータの高速回転化を図る場合、問題となるのがモータから生じる騒音や振動である。騒音や振動を遮蔽板等で抑えようとすると、熱対策が必要となったり、重量が増大するなどの弊害が生じる恐れがある。そこで、電動モータの構成自体により、騒音や振動を抑制することが強く望まれている。

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、騒音や振動を抑えることができるハイブリッド車両用の電動モータを提供することを目的とする。

本発明のハイブリッド車両用の電動モータは、
ケースと、
前記ケースに固定されたステータと、
一端側に出力ギヤを設け、外周にロータを配置してなり、前記ケースに対して回転する回転軸と、
前記ロータを挟んで配置され、前記ケースに対して前記回転軸を回転自在に支持する複数の玉軸受と、を有し、
前記一端側に設けられた２つの玉軸受は、両者間に間座を介して配置され、
前記一端側の玉軸受と、他端側の玉軸受とは、背面組み合わせであって所定の予圧が付与されていることを特徴とする。

一般的には、ハイブリッド車両用の電動モータにおいて、回転軸のラジアル共振点（危険速度）が、モータの最高速度に比して十分高くないと、振動や騒音が許容範囲に抑えることができず、通常は危険速度は最高回転数の５０〜６０％以下に抑えることが好ましいとされている。しかるに、上述したようにハイブリッド車両等の用途においては、電動モータの最高速度を増大させることが望まれているので、それに応じて危険速度を増大させる必要がある。例えば、電動モータの回転軸を毎分５万回転で回転させようとすると、共振周波数（危険速度）を１４００Ｈｚ以上とする必要がある。

本発明者は、ハイブリッド車両用の電動モータの高速回転化を図ることに伴い、回転軸の危険速度（共振回転数）を上げることで振動を抑えることを試みた。しかるに、共振を抑えるためには、回転軸を短縮し且つ軽量化させることが直接的に有効であるが、これは通常、モータの必要性能（出力、トルク等）とトレードオフの関係になる。すなわち、ハイブリッド車両に用いる電動モータとしては、極力高い性能が必要であるため、必要な寸法以下に回転軸を短縮し或いは軽量化させることは困難である。又、出力ギヤをロータに近づけようとしても、それはモータのコイルエンドと干渉を回避するために自ずと限界がある。

そこで、本発明者は、同じ回転軸を用いても、その支持態様により危険速度を上げることができないか検討した。図１は、共振時における回転軸の振動モードを示す図であり、回転軸は、一端に出力ギヤを形成し、中央外周にロータを配置している。ロータの両端で転がり軸受により支持されている。ここで、振動モードとしては、図１（ａ）に示すように、先端が曲がる先端モードと、図１（ｂ）に示すように、ロータ中央部が曲がるロータモードとがある。

図２は、本発明者が検討を行う基礎とした通常の電動モータの断面図であり、ロータＲＴの両側に設けた２つの玉軸受ＢＲで回転軸ＳＨを支持している。一般的に、出力ギヤの位置、ロータの重量や長さは、モータの仕様により決定されるので、これらを自由に変更することはできない。従って、軸受の位置を変更することで、危険速度を増大できないか検討する。

図２において、実線で示す右側の玉軸受ＢＲの位置を原点として、玉軸受ＢＲの位置を出力ギヤＯＧの側にずらしていったとき、共振周波数がどのように変化するかシミュレーションした結果を、図３に示す。図３によれば、ロータモードでは、軸受位置が出力ギヤＯＧから遠いほど共振周波数が増大し、先端モードでは、軸受位置が出力ギヤＯＧに近いほど共振周波数が増大することがわかる。すなわち、図３に示す結果より、図２の例では玉軸受をいずれの位置にしても、先端モード及びロータモードの双方において共振周波数を十分に増大できないことがわかった。

そこで、本発明者は、先端モード及びロータモードの双方において共振周波数を増大するために、出力ギヤ側の玉軸受を２列にし、間に間座を配置することでスパンを空けて回転軸を支持することを思いついたのである。これにより先端モード及びロータモードの双方において共振周波数を増大することが可能となる。

更に、本発明者は、先端モード及びロータモードの双方において共振周波数を増大するために、出力ギヤ側の玉軸受と、それに対してロータを挟んで反対側の玉軸受とを、背面組み合わせとして所定の予圧を付与することを思いついた。「背面組み合わせ」とは、図４に示すように、軸線方向断面において、一方の玉軸受における玉と両輪との接点を結ぶ線αと、他方の玉軸受における玉と両輪との接点を結ぶ線βとが、玉に対して半径方向外側で交差する玉軸受の組み合わせをいう。作用点距離ａ₀を大きく確保できるので、モーメント荷重に対する剛性が強いという特徴がある。

本発明によれば、出力ギヤ側の玉軸受と、それに対してロータを挟んで反対側の玉軸受とを、背面組み合わせとすることで、回転軸の曲げに対する剛性を高めることができ、共振周波数を上げることができる。更に、出力ギヤにはすば歯車を用いた場合、回転軸に大きなスラスト力が付与されるが、かかる場合、２列の玉軸受でスラスト力を支持することができるため、転がり疲れ寿命の点でも有利である。更に、玉軸受に所定の予圧を与えることで、支持剛性を高めると共に、軸受内部のガタを排除して振動や騒音を抑制できるハイブリッド車両用の電動モータを提供できる。

前記玉軸受がセラミック製の玉を有すると、玉の軽量化を図ることで、高いラジアル剛性を得ることができる。

前記一端側の玉軸受と、他端側の玉軸受とは、玉ＰＣＤ（ピッチ円直径）、玉径、接触角のいずれかが異なっていると、玉の公転成分振動のうなり現象を抑制し、騒音を低減できる。

次に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図５は、本実施の形態にかかるハイブリッド車両用の電動モータの断面図である。図５において、円筒状のケース１の内周面に、コイル２を巻回されたステータ３が固定されている。ケース１に挿通された回転軸４の外周に配置されたロータ５は、ステータ３に内包されるように位置している。回転軸４の右端には、出力ギヤＯＧが一体的に回転するように取り付けられている。

ケース１の右端には、大ホルダ６が固定されている。大ホルダ６は、開口６ａを有する中央円筒部６ｂと、中央円筒部６ｂから半径方向外方に延在するフランジ部６ｃとからなる。開口６ａ内には、アンギュラコンタクト玉軸受７，８の外輪が嵌合しており、アンギュラコンタクト玉軸受７，８の内輪は、開口６ａに挿通された回転軸４の外周面に嵌合している。アンギュラコンタクト玉軸受７，８の玉はセラミック製となっている。尚、アンギュラコンタクト玉軸受７，８は、並列組み合わせとなっている。

アンギュラコンタクト玉軸受７，８の間には外輪間座９と内輪間座１０が配置され、アンギュラコンタクト玉軸受７，８の玉間距離はＡとなっている。尚、大ホルダ６の内部を半径方向外方から内方に貫通する通路６ｄは、間座９内に形成されアンギュラコンタクト玉軸受７，８に向かって分岐し開放した通路９ａに連通しており、通路６ｄ、９ａを介して外部からアンギュラコンタクト玉軸受７，８に潤滑油を供給できるようになっている。

大ホルダ６に螺合する外輪抑え１１の先端は、アンギュラコンタクト玉軸受８の外輪を内方に向かって押圧するので、アンギュラコンタクト玉軸受７の外輪は、外輪間座９を介して軸線方向内側に押されて大ホルダ６に底付きすることとなる。一方、回転軸４に螺合する内側ねじ部材１２の先端は、アンギュラコンタクト玉軸受８の内輪を内方に向かって押圧するので、アンギュラコンタクト玉軸受７の内輪は、内輪間座１０を介して軸線方向内側に押されて、ロータ５に支持されることとなる。

ケース１の左端には、半径方向内方に延在するフランジ１ａと、フランジ部１ａから軸線方向に延在する円筒部１ｂが形成されている。円筒部１ｂの内周には、中空円筒状の軸受スリーブ１３が、密封機能を有するＯ−リングを介在させつつ軸線方向に摺動可能に嵌合している。軸受スリーブ１３の内周面１３ａには、アンギュラコンタクト玉軸受１４，１５の外輪が嵌合しており、アンギュラコンタクト玉軸受１４，１５の内輪は、内周面１３ａに挿通された回転軸４の外周面に嵌合している。アンギュラコンタクト玉軸受１４，１５の玉はセラミック製となっている。尚、アンギュラコンタクト玉軸受１４，１５は、並列組み合わせとなっているが、ロータ５を挟んで反対側のアンギュラコンタクト玉軸受７，８とは背面組み合わせの関係となっている。

アンギュラコンタクト玉軸受１４，１５の間には外輪間座１６と内輪間座１７が配置され、アンギュラコンタクト玉軸受１４，１５の玉間距離はＢとなっている。尚、ケース１のフランジ部１ａ、円筒部１ｂの内部を半径方向外方から内方に貫通する通路１ｃは、軸受スリーブ１３を半径方向に貫通する孔１３ｂに連通し、孔１３ｂは、間座１６内に形成されアンギュラコンタクト玉軸受１４，１５に向かって開放した通路１６ａに連通しており、通路１ｃ、１３ｂ、１６ａを介して外部からアンギュラコンタクト玉軸受１４，１５に潤滑油を供給できるようになっている。

円筒部１ｂに形成され軸線方向に延在する袋孔１ｄに、コイルバネ１８が配置されている。コイルバネ１８の左端は、ドーナツ板状の外輪抑え１９に当接している。外輪抑え１９は、軸受スリーブ１３に連結されている。従って、コイルバネ１８の付勢力により、外輪抑え１９を介して軸受スリーブ１３が図で左方に付勢されるため、外輪間座１６を介してアンギュラコンタクト玉軸受１４，１５は一体で、図で左方に付勢されることとなる。これにより、アンギュラコンタクト玉軸受７，８とアンギュラコンタクト玉軸受１４，１５との間に所定の予圧を付与している。

一方、回転軸４に螺合する内側ねじ部材２０の先端は、アンギュラコンタクト玉軸受１４の内輪を内方に向かって押圧するので、アンギュラコンタクト玉軸受１４の内輪は、内輪間座１７を介して軸線方向内側に押されて、ロータ５に支持されることとなる。

回転軸４の左端には、レゾルバロータ２１が取り付けられている。一方、ケース１のフランジ部１ａにレゾルバホルダ２２が固定されており、その内周に取り付けられたレゾルバステータ２３が、レゾルバロータ２１に対向する位置に配置されている。

配線Ｈを介してケース１の外部から供給された電力により、ステータ３とロータ５との間に磁力が作用し、それによりケース１に対して回転軸４が回転するようになっている。このとき、レゾルバステータ２３から電気信号が出力され、それにより回転軸４の回転角度を検出できるようになっている。出力ギヤＯＧは、はすば歯車であるため、動力伝達時に回転軸４にはスラスト力が発生するが、これを背面組み合わせの負荷側であるアンギュラコンタクト玉軸受７，８により支持することができる。ここで、回転軸４の最高回転速度は、５００００ｍｉｎ^-1で、１００ＫＷ程度の出力を発揮する。玉軸受の内径は３０ｍｍで、ｄｍＮ値（回転速度ｍｉｎ^-1×軸受の玉ピッチ円直径）は２００万程度である。尚、アンギュラコンタクト玉軸受７，８、１４，１５は、深溝玉軸受に適切に接触角を与えたものでも良い。

本実施の形態においては、出力ギヤＯＧ側のアンギュラコンタクト玉軸受７，８の玉間距離Ａを大きく確保することで、先端モードとロータモードの双方について共振周波数を上げることができる。更に、本実施の形態においては、反出力ギヤＯＧ側に２列のアンギュラコンタクト玉軸受１４，１５を設け、共振周波数を高めているが、その玉間距離Ｂを小さくすることでロータモードにおける共振周波数を更に高めることができる。尚、２列のアンギュラコンタクト玉軸受１４，１５の代わりに、単列のアンギュラコンタクト玉軸受を設けても良い。玉軸受の配置について最適に設計した場合の共振周波数を以下に示す。
１２００Ｈｚ：回転軸を２つの玉軸受で支持した例
１４００Ｈｚ：回転軸を３つ（出力ギヤ側に２つ、反出力ギヤ側に１つ）の玉軸受対で支持した例
１５００Ｈｚ：回転軸を４つ（出力ギヤ側に２つ、反出力ギヤ側に２つ）の玉軸受対で支持した例（図５参照）

電動モータの高速回転化においては、まず共振周波数を十分に上げることが必要であるが、そのために軸受のラジアル剛性を高める必要がある。本発明者は、高速回転時のラジアル剛性を、従来例、実施例１，実施例２について比較検討した。各仕様について、表１に示す。図６に、回転速度とラジアル剛性の関係を示し、図７に、ラジアル剛性と共振周波数との関係を示す。図７よりラジアル剛性が高いほど共振周波数が上がることがわかる。

尚、溝Ｒ比とは、（軌道輪の溝断面の曲率半径Ｒ／玉の外径Ｄ）で表される値をいい、５０である場合にはＲ＝Ｄ／２である。

一般的に玉軸受が高速回転すると、玉の遠心力の影響でラジアル剛性が低下する。図６の結果において、従来例に比べ、実施例１のラジアル剛性が向上している。これは、外輪の溝Ｒ比より内輪の溝Ｒ比が大きいと、玉の遠心力と予圧荷重及び接触点反力の釣り合い状態が安定化し、高回転時におけるラジアル剛性の低下を抑えることができるからである。

更に図６の結果において、実施例１に比べ、実施例２のラジアル剛性が向上している。これは、玉の材質をＳＵＪ２からセラミックに変えることで、玉が軽量化され、遠心力の影響が低下することで、高回転時におけるラジアル剛性の低下を抑えることができるからである。

本発明は、更にロータを挟んで右側と左側の玉軸受の設計を変え、音を低減することについても検討した。転がり軸受では、転動体の公転成分振動が必ず発生する。ロータの右側と左側の玉軸受において、温度の変化や製造のばらつきで、転動体の公転速度が僅かに変化する。振動が打ち消されたり強めあったりし、それによりうなり現象が発生する。本発明が対象とする電動モータのような高速回転仕様では、１〜数秒の周期で耳障りなうなり音が発生してしまうこととなる。

転動体の公転速度Ｎｃは、Ｄａ：玉径(ｍｍ)，α：接触角（°）、Ｄｍ：転動体ＰＣＤ（ｍｍ）、Ｎｉ：軸回転速度（Ｈｚ)としたときに、近似的に
Ｎｃ＝（１−Ｄａ×ｃｏｓα÷Ｄｍ）×Ｎｉ／２
で表すことができる。そこで、本例では、ロータの右側と左側の玉軸受の設計を異らせ、右側の玉軸受の公転速度Ｎｃと、左側の玉軸受の公転速度Ｎｃが十分離れるように、Ｄａ、α、Ｄｍの少なくとも１つのパラメータを変えている。右側の玉軸受の公転速度Ｎｃと、左側の玉軸受の公転速度Ｎｃとの間に、５Ｈｚ程度以上差が生じると、耳障りな音が消えるということが確認された。

以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。

共振時における回転軸の振動モードを示す図である。 本発明者が検討を行う基礎とした通常の電動モータの断面図である。 玉軸受ＢＲの位置と、共振周波数との関係を示す図である。 背面組み合わせとした玉軸受の例を示す断面図である。 本実施の形態にかかる電動モータの断面図である。 回転速度とラジアル剛性の関係を示す図である。 ラジアル剛性と共振周波数との関係を示す図である。

符号の説明

１ ケース
１ａ フランジ部
１ｂ 円筒部
１ｃ 通路
１ｄ 袋孔
２ コイル
３ ステータ
４ 回転軸
５ ロータ
６ 大ホルダ
６ａ 開口
６ｂ 中央円筒部
６ｃ フランジ部
６ｄ 通路
７，８ アンギュラコンタクト玉軸受
９ 外輪間座
９ａ 通路
１０ 内輪間座
１１ 外輪抑え
１２ 内側ねじ部材
１３ 軸受スリーブ
１３ａ 内周面
１４ アンギュラコンタクト玉軸受
１６ 外輪間座
１６ａ 通路
１７ 内輪間座
１８ コイルバネ
１９ 外輪抑え
２０ 内側ねじ部材
２１ レゾルバロータ
２２ レゾルバホルダ
２３ レゾルバステータ
ＯＧ 出力ギヤ

Claims (3)

1. ケースと、
   前記ケースに固定されたステータと、
   一端側に出力ギヤを設け、外周にロータを配置してなり、前記ケースに対して回転する回転軸と、
   前記ロータを挟んで配置され、前記ケースに対して前記回転軸を回転自在に支持する複数の玉軸受と、を有し、
   前記一端側に設けられた２つの玉軸受は、両者間に間座を介して配置され、
   前記一端側の玉軸受と、他端側の玉軸受とは、背面組み合わせであって所定の予圧が付与されていることを特徴とするハイブリッド車両用の電動モータ。
2. 前記玉軸受は、セラミック製の玉を有することを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド車両用の電動モータ。
3. 前記一端側の玉軸受と、他端側の玉軸受とは、玉ＰＣＤ、玉径、接触角のいずれかが異なっていることを特徴とする請求項１又は２に記載のハイブリッド車両用の電動モータ。

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