JP2018164370A - 回転電機のアウターロータ構造 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機のアウターロータ構造において、動作時において遠心力によるロータの中心軸のずれを抑制することである。【解決手段】アウターロータ構造２０は、ロータ本体２２と、ロータコア４０とを備える。ロータ本体２２は、軸方向に延びるロータシャフト取付用のシャフト取付部２４、シャフト取付部２４から外周側に向かって径方向に張り出す円板部２６、及び、円板部２６の外周において軸方向に円環状に突出するリング部２８を含む。リング部２８は、内周側にロータコア配置用の凹部３６を有する。ロータコア４０は、リング部２８のロータコア配置用の凹部３６に配置され、周方向に予め定められた数の磁極が設けられた環状形状を有する。アウターロータ構造２０はさらに、ギヤリダクション機構１６との係合用にリング部２８の外周面に設けられたスプライン５０を備える。【選択図】図２

Description

本開示は、回転電機のアウターロータ構造に係り、特に、トランスアクスルに搭載される回転電機のアウターロータ構造に関する。

回転電機を構成するロータとしては、ステータの内周側に配置されるインナーロータ型と、ステータの外周側に配置されるアウターロータ型とが知られている。アウターロータ型の回転電機では、略カップ状の形状を有するロータ本体の円環状縁部の内周側にロータ磁極を形成する環状のロータコアが配置されてアウターロータが構成され、ステータは、環状のロータコアの内周側に所定の間隔を隔てて配置される。

例えば、特許文献１には、エンジンにより駆動されるアウターロータ型の交流発電機において、アウターロータに車両の補機を駆動するＶベルトが懸架される場合のステータとアウターロータとの間の中心位置決めにラジアル軸受を用いることが開示される。

特開２０１１−２３４５５７号公報

車両搭載用の回転電機は高出力化が要求され、それに伴い大型化となる。アウターロータ型の回転電機を車両搭載用とするときは、略カップ状の形状のロータ本体の外径が大きくなり、動作時において遠心力によるロータの中心軸のずれが大きくなり、これに伴って発生する応力も大きくなる。そこで、動作時において遠心力によるロータの中心軸のずれ及びこれに伴い発生する応力を抑制できる回転電機のアウターロータ構造が望まれる。

本開示に係る回転電機のアウターロータ構造は、複軸に配置された２つの回転電機とギヤリダクション機構とを有するトランスアクスルにおける回転電機のアウターロータ構造であって、軸方向に延びるロータシャフト取付用のシャフト取付部、シャフト取付部から外周側に向かって径方向に張り出す円板部、及び、円板部の外周において軸方向に円環状に突出し内周側にロータコア配置用の凹部を有するリング部を含むロータ本体と、リング部のロータコア配置用の凹部に配置され、周方向に予め定められた数の磁極が設けられた環状形状を有するロータコアと、ギヤリダクション機構との係合用にリング部の外周面に設けられたスプラインと、を備える。

上記構成によれば、ロータ本体の外周における円環状のリング部の外周面がスプラインを介して係合されるギヤリダクション機構によって径方向の変位が規制され、ロータの中心軸のずれ及びこれに伴い発生する応力が抑制される。

上記構成の回転電機のアウターロータ構造によれば、動作時において遠心力によるロータの中心軸及びこれに伴い発生する応力のずれを抑制できる。

実施の形態に係るアウターロータ型の回転電機が搭載されるトランスアクスルを示す図である。 実施の形態に係る回転電機のアウターロータ構造を示す断面図である。 比較例として、リダクションギヤ機構がロータシャフトに係合されるアウターロータ型の回転電機が搭載されるトランスアクスルを示す図である。 図３における回転電機のアウターロータ構造を示す断面図である。

以下に図面を用いて本開示に係る実施の形態につき詳細に説明する。以下で述べる形状、材質等は、説明のための例示であり、回転電機のアウターロータ構造の仕様に応じ、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。

図１は、アウターロータ型の回転電機が搭載されるトランスアクスル１０を示す図である。トランスアクスル１０は、エンジン（図１でカッコ書きで示す）と協働して車両の動力源として働く装置で、複軸に配置された２つの回転電機１２，１４とギヤリダクション機構１６及び動力分配機構１８とを有する。

２つの回転電機１２，１４は、共に車両に搭載される三相同期型の回転電機で、図示しない駆動回路から電力が供給されるときはモータ機能として働き、エンジンによる駆動時、または車両の制動時には発電機能として働くモータ・ジェネレータである。

２つの回転電機１２，１４のうち、第１の回転電機１２は、動力分配機構１８を介してエンジンによって駆動されて主として発電機能として働く。第２の回転電機１４は、アウターロータ型の回転電機で、ギヤリダクション機構１６を介して動力分配機構１８に接続され、ギヤリダクション機構１６を経て、図示しない車両の駆動軸を駆動して主としてモータ機能として働く。

ギヤリダクション機構１６は、複数の歯車列で構成される多段減速機である。複数の歯車列のうちで、歯車１９は、第２の回転電機１４との間で動力伝達を行う歯車である。動力分配機構１８は、第１の回転電機１２、第２の回転電機１４、エンジンの間で、車両の走行条件等に適した動力分配を行う遊星歯車機構である。

図２は、図１における第２の回転電機１４のアウターロータ構造２０を示す断面図である。以下では、特に断らない限り、第２の回転電機１４のアウターロータ構造２０を、アウターロータ構造２０と呼ぶ。

アウターロータ構造２０は、第２の回転電機１４の回転子の構造である。第２の回転電機１４では、二点鎖線で示すステータ８の外周側にアウターロータ構造２０が配置される。ステータ８は第２の回転電機１４の固定子であって、図示しないモータケースに固定される。ステータ８は、ステータコアに所定のステータコイルが配置され、図示しない駆動回路からの駆動電力によって回転磁界を発生する。

アウターロータ構造２０は、ロータ本体２２と、ロータコア４０とを含む。ロータ本体２２は、シャフト取付部２４、円板部２６、及び、リング部２８を含む。これらによって形成されるロータ本体２２は、中心に円筒状のシャフト取付部２４が突出する略カップ状の形状を有する。略カップ状の形状における外周側縁の部分がリング部２８に相当し、略カップ状の形状の底面の部分が円板部２６に相当する。リング部２８と円板部２６とで囲まれた空間が開口空間部３０で、ここにステータ８が配置される。

図２に、アウターロータ構造２０の軸方向と径方向とを示す。軸方向は、アウターロータ構造２０の中心軸ＣＬが延びる方向で、開口空間部３０側の方向が一方側で、一方側に対し逆方向が他方側である。径方向は、軸方向に垂直な面内で中心軸ＣＬから放射状方向である。中心軸ＣＬ側に向う方向が径方向についての内周側で、中心軸ＣＬから離れる方向が外周側である。中心軸ＣＬは、回転電機１４におけるロータの中心軸でもある。

シャフト取付部２４は、ロータ本体２２において中央部分に配置されて軸方向に沿って延び、シャフト取付穴３２を有する円筒状の部分である。シャフト取付穴３２には、二点鎖線で示すロータシャフト３４が取り付けられる。ロータシャフト３４は、第２の回転電機１４の回転軸で、その両端部は、図示しないモータケースによって回転自在に支持される。シャフト取付穴３２へのロータシャフト３４の取り付け方法としては、圧入法による結合、キーとキー溝を用いる結合、焼嵌め法による結合等が用いられる。

円板部２６は、ロータ本体２２において、シャフト取付部２４から外周側に向かって径方向に張り出す円板状の部分である。

リング部２８は、ロータ本体２２において、円板部２６の外周端から軸方向の一方側に向って突出する円環状の部分である。リング部２８は、内周側にロータコア配置用の凹部３６を有する。アウターロータ構造２０においては、凹部３６にロータコア４０が嵌め込まれているので、断面図では凹部３６とロータコア４０とが重なる。図２では、ロータコア４０の紙面の下方側に示される部分を一部破断して、凹部３６を図示した。凹部３６は、リング部２８において内周側の一周に渡って設けられる凹溝である。

ロータ本体２２は、シャフト取付部２４と円板部２６とリング部２８とが互いに接続されて形成される。かかるロータ本体２２は、適当な金属材料を所定の形状に成形したものが用いられる。金属材料に鋳鉄を用いて、シャフト取付部２４、円板部２６、リング部２８を一体化成形することができる。一体化成形に代えて、複数の部材を組立てロータ本体２２としてもよい。

ロータコア４０は、アウターロータ構造２０の磁極を形成する複数の永久磁石４２を含む環状磁性体である。ロータコア４０は、リング部２８のロータコア配置用の凹部３６に嵌め込んで固定される。リング部２８のロータコア配置用の凹部３６にロータコア４０を固定する方法としては、圧入法、焼嵌め法、接着法等が用いられる。

ロータコア４０は、所定枚数の磁性体薄板を積層した積層体である。磁性体薄板の材質としては、珪素鋼板の一種である電磁鋼板を用いることができる。磁性体薄板の積層体に代えて、磁性粉末を一体化成形したものをロータコア４０としてもよい。

ロータコア４０には、周方向に予め定められた数の磁極が設けられる。磁極数は、第２の回転電機１４の仕様によって定められる。ロータコア４０を磁極数で区分した扇形の部分には、磁石孔が設けられる。磁石孔の中には磁極を形成する永久磁石４２が挿入され、磁石固定部材によって磁石孔と永久磁石４２とが固定される。磁石固定部材としては、絶縁樹脂が用いられる。例えば、エポキシ系樹脂を用いることができる。

永久磁石４２は、軸方向に延びる棒状磁石で、各磁石孔に１つずつ配置される。永久磁石４２の軸方向の長さは、ロータコア４０の軸方向の長さと同じかやや短めとして、ロータコア４０の軸方向の端面から永久磁石４２が突出しないことが好ましい。永久磁石４２の着磁の方向は、ロータコア４０が凹部３６に配置された状態において径方向となるように行われ、ロータコア４０の周方向に沿って隣接する磁極の間では、着磁方向が互いに逆になるように配置される。例えば、内周側を向く磁極の極性は、周方向に沿って、Ｎ，Ｓ，Ｎ，Ｓ，・・・Ｎ，Ｓの順に配置されて一周する。

かかる永久磁石４２の材質としては、ネオジムと鉄とホウ素を主成分とするネオジム磁石、サマリウムとコバルトを主成分とするサマリウムコバルト磁石等の希土類磁石が用いられる。これ以外にフェライト磁石、アルニコ磁石等を用いてもよい。

図２では、磁極を形成する永久磁石４２をロータコア４０に埋め込む埋込磁石型を述べたが、永久磁石４２がロータコア４０の内周壁に露出する配置でもよい。また、ロータコア４０について、周方向に沿ってリラクタンスが変化するリラクタンス型の磁極としてもよい。リラクタンスの変化と永久磁石４２とを併用してもよい。

図２において、リング部２８の外周面に設けられるギヤ部５０は、第２の回転電機１４とギヤリダクション機構１６とを係合し、アウターロータ構造２０がステータ８との協働で発生する動力をギヤリダクション機構１６に伝達する機械要素である。ギヤ部５０は、スプラインで構成することができる。

「スプライン」とは、回転軸同士を連結させる場合に、軸方向に生じる変位を逃しながら動力伝達を行う機械要素のことである。軸方向に生じる変位を逃しながら動力伝達を行うために、動力伝達を行う回転軸のそれぞれの外周には互いに嵌り合う関係を有する歯状の溝が設けられる。

図２の場合、ギヤリダクション機構１６を構成する歯車列のうちの歯車１９と、第２の回転電機１４の円環状のリング部２８とが、「スプライン」において連結される２つの回転軸に相当する。そこで、以下では、特に断らない限り、リング部２８の外周面に設けられるギヤ部５０のことをスプライン５０と呼ぶ。スプライン５０は、リング部２８の円環状の外周に設けられた歯状の溝で、歯車１９の歯状の溝と互いに嵌り合う関係を有する。第２の回転電機１４におけるスプライン５０の歯状の溝と、歯車１９の歯状の溝とは、互いに嵌り合って係合し、軸方向に生じる変位を逃しながら動力伝達を行うことができる。このスプライン５０を介した歯車１９との係合と動力伝達とにより、第２の回転電機１４は、動作時において遠心力によるリング部２８の径方向に沿った変位が抑制され、第２の回転電機１４の中心軸のずれが抑制される。

上記構成の作用効果について、図３、図４を用いてさらに具体的に説明する。図３は、図１に対応する図で、比較例のトランスアクスル１１を示す図である。図３を図１と比較すると、第２の回転電機１５は、ロータシャフト３４が軸方向に延びて、その先端に歯車５２を備える。歯車５２は、ギヤリダクション機構１６の歯車１９と噛み合っている。図４は、図２に対応する図で、比較例のアウターロータ構造２１を示す図である。図４を図２と比較すると、ロータ本体２３において、リング部２８の外周にスプライン５０が設けられていない。代わって、二点鎖線で示すように、ロータシャフト３４は軸方向に沿って他方側に延び、その先端に歯車５２が取り付けられ、歯車５２の歯状の溝が、ギヤリダクション機構１６の歯車１９の歯状の溝と互いに嵌り合って係合している。これによって、歯車５２と歯車１９の間で、軸方向に生じる変位を逃しながら動力伝達を行うことができる。

アウターロータ構造２１においては、歯車５２によってギヤリダクション機構１６との間の動力伝達が行われ、リング部２８の外周においてはギヤリダクション機構１６との間の動力伝達が行われない。したがって、第２の回転電機１５は、動作時において遠心力によってリング部２８は、白抜矢印６０，６２に示すように径方向に変位する。この変位が、白抜矢印６０，６２の大きさで示すように、周方向に沿って異なる場合は、白抜矢印７０で示すように第２の回転電機１５の中心軸が変位する。これに対し、スプライン５０を備えるアウターロータ構造２０においては、スプライン５０を介した歯車１９との係合と動力伝達により、動作時において遠心力によるリング部２８の径方向に沿った変位が抑制される。これによって、第２の回転電機１４の中心軸のずれ及びこれに伴い発生する応力が抑制される。また、トランスアクスル１１と比較すると、トランスアクスル１０では歯車５２を省略できるので、全体として歯車の数を少なくできる。

上記構成の回転電機のアウターロータ構造２０は、複軸に配置された２つの回転電機１２，１４とギヤリダクション機構１６とを有するトランスアクスル１０における回転電機のアウターロータ構造である。アウターロータ構造２０は、ロータ本体２２と、ロータコア４０とを備える。ロータ本体２２は、軸方向に延びるロータシャフト取付用のシャフト取付部２４、シャフト取付部２４から外周側に向かって径方向に張り出す円板部２６、及び、円板部２６の外周において軸方向に円環状に突出するリング部２８を含む。リング部２８は、内周側にロータコア配置用の凹部３６を有する。ロータコア４０は、リング部２８のロータコア配置用の凹部３６に配置され、周方向に予め定められた数の磁極が設けられた環状形状を有する。アウターロータ構造２０はさらに、ギヤリダクション機構１６との係合用にリング部２８の外周面に設けられたスプライン５０を備える。

上記構成により、ロータ本体２２の外周における円環状のリング部２８の外周面がスプライン５０を介して係合されるギヤリダクション機構１６によって径方向の変位が規制され、ロータの中心軸のずれが抑制される。これによって、動作時において遠心力によるロータの中心軸のずれ及びこれに伴い発生する応力を抑制でき、回転電機１４の出力トルクが向上する。また、回転電機の高出力化、大型化が進むときに、スプラインを設ける比較的簡便な手段によって、ロータの中心軸のずれに対し、強固な構成にできる。

８ ステータ、１０，１１ トランスアクスル、１２，１４，１５ 回転電機、１６ ギヤリダクション機構、１８ 動力分配機構、１９，５２ 歯車、２０，２１ アウターロータ構造、２２，２３ ロータ本体、２４ シャフト取付部、２６ 円板部、２８ リング部、３０ 開口空間部、３２ シャフト取付穴、３４ ロータシャフト、３６ 凹部、４０ ロータコア、４２ 永久磁石、５０ スプライン（ギヤ部）、６０，６２，７０ 白抜矢印。

Claims (1)

1. 複軸に配置された２つの回転電機とギヤリダクション機構とを有するトランスアクスルにおける回転電機のアウターロータ構造であって、
   軸方向に延びるロータシャフト取付用のシャフト取付部、前記シャフト取付部から外周側に向かって径方向に張り出す円板部、及び、前記円板部の外周において軸方向に円環状に突出し内周側にロータコア配置用の凹部を有するリング部を含むロータ本体と、
   前記リング部の前記ロータコア配置用の凹部に配置され、周方向に予め定められた数の磁極が設けられた環状形状を有するロータコアと、
   前記ギヤリダクション機構との係合用に前記リング部の外周面に設けられたスプラインと、
   を備える、回転電機のアウターロータ構造。

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