JP5239772B2

JP5239772B2 - 回転電機

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Publication number: JP5239772B2
Application number: JP2008293211A
Authority: JP
Inventors: 一郎樽谷; 裕二長沢; 隆男渡辺; 英滋土屋; 喜三郎早川; 周浅海; 剛北畑
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2008-11-17
Filing date: 2008-11-17
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2028-11-17
Also published as: JP2010124528A

Description

本発明は、回転電機に係り、特に、回転軸に設けられる導電性のスリップリングと、スリップリングに押し付けられて電気的に接触するブラシとを備える回転電機に関する。

回転電機のコイルに通電を行う方式として、回転軸に設けられる整流子と呼ばれるスリップリングと、固定側に設けられるブラシとを用いる方式がある。この場合に、回転するスリップリングとブラシとは摩擦接触によって電気的に導通するので、回転軸の回転に伴ってブラシとスリップリングが摩耗する。例えば、銅等の金属でスリップリングを構成し、カーボンを含む材料でブラシを構成すると、主にブラシの方が回転電機の作動と共に摩耗する。

例えば、特許文献１には、ＤＣモータのブラシホルダー装置について、駆動軸に嵌挿される整流子に、ホルダに保持されるブラシがスプリングで押圧されることで、整流子にブラシが接触摺動し、ブラシから整流子を介して電機子に電流が流れることが述べられている。

特開平５−３００７０５号公報

上記のように、スリップリングとブラシとは接触によって電気的に接続されるので、スリップリングが回転するときに安定した接触を維持する必要がある。すなわち、スリップリングの回転に対するブラシの追従性を向上させる必要がある。また、ブラシの押付力が変化すると電気的接続の信頼性が低くなるので、ブラシが摩耗しても押付力が変動しないようにする必要がある。

本発明の目的は、スリップリングに対しブラシを安定的に接触させることを可能とする回転電機を提供することである。他の目的は、ブラシが摩耗するときでも安定した押付力を確保できる回転電機を提供することである。以下の手段は、これらの目的の少なくとも１つに貢献する。

本発明に係る回転電機は、回転軸に設けられる導電性のスリップリングと、回転するスリップリングに押し付けられて電気的に接触するブラシと、筐体部に取り付けられ、スリップリングに対するブラシの押付力を与える押付機構と、を備え、押付機構は、ブラシの質量に比べ大きな質量を有する中間部材と、ブラシと中間部材との間に取り付けられる押付用弾性体と、中間部材に一方端が取り付けられる緩衝用弾性体であって、押付用弾性体の弾性定数に比べ小さな弾性定数を有する緩衝用弾性体と、緩衝用弾性体の他方端に取り付けられ、緩衝用弾性体の付勢力についての原点位置を調整する調整部と、を含み、中間部材は、筐体部に設けられた回転支持部において他方端が回転自在に支持され、一方端が筐体部の周方向に沿ってブラシの方向に延びる部材であって、質量の大小関係に代えて、その回転支持部周りの慣性モーメントがブラシのその回転支持部周りの慣性モーメントに比べ大きいアーム状部材であり、押付用弾性体は、一方端がブラシの頂部に接続されて、アーム状部材の一方端側の予め設定された押付用弾性体取付位置に接続される他方端を有し、緩衝用弾性体は、一方端がアーム状部材の他方端側の予め設定された緩衝用弾性体取付位置に接続され、調整部は、筐体部に設けられ、緩衝用弾性体の他方端を筐体部の円周方向に移動させて緩衝用弾性体の付勢力についての原点位置を調整する移動機構であることを特徴とする。

また、本発明に係る回転電機において、中間部材の回転支持部から押付用弾性体取付位置までの長さＬと、回転支持部から緩衝用弾性体取付位置までの長さＳの間の比である（Ｓ／Ｌ）は、（１／２）以下（１／２０）以上であることが好ましい。

また、本発明に係る回転電機において、調整部は、予め定めた回転電機の運転状態に応じて、ブラシの押付力が軽減される方向に緩衝用弾性体の原点位置を変更することが好ましい。

上記構成により、回転電機は、スリップリングに対するブラシの押付力を与える押付機構として、ブラシの質量に比べ大きな質量を有する中間部材と、ブラシと中間部材との間に取り付けられる押付用弾性体と、中間部材に一方端が取り付けられ、押付用弾性体の弾性定数よりも小さな弾性定数を有する緩衝用弾性体と、緩衝用弾性体の他方端に取り付けられ、緩衝用弾性体の付勢力についての原点位置を調整する調整部とを含む。

このように、ブラシ−押付用弾性体中間部材−緩衝用弾性体調整部と直列に接続された構成において、ブラシの質量よりも中間部材の質量が大きく、また、押付用弾性体の弾性定数よりも緩衝用弾性体の弾性定数が小さい場合には、調整部の位置を動かすことにより、その移動量はほとんど緩衝用弾性体の変形量となり、その変形量による弾性力が押付用弾性体の弾性力に加減される。したがって、ブラシに対する押付量を可変できることになり、例えば、ブラシとスリップリングとの間の通電が必要なときに押付力を大きくして電気的接触を良好なものとし、通電の必要のないときに押付力を軽減してブラシの不必要な摩耗を抑制することができる。

また、上記構成のように、ブラシの質量よりも中間部材の質量を大きく、また、押付用弾性体の弾性定数よりも緩衝用弾性体の弾性定数が小さく設定することで、単にブラシと押付用弾性体のみの構成に比べ、全体の振動系の固有振動数を高くすることができる。これによって、スリップリングの偏心や摺動面の凹凸等による摺動位置の変動に対するブラシの追従応答性を良好なものとできる。

また、上記構成において調整部を固定位置として、ブラシが摩耗したときには、ブラシの摩耗量の分がほとんど緩衝用弾性体の変形量の減少によってまかなわれる。緩衝用弾性体の変形量が減少すると、その分弾性力が減少してブラシに対する押付力も減少する。その減少量は、緩衝用弾性体の弾性定数にブラシの摩耗量を乗算した値に近い値となる。緩衝用弾性体の弾性定数は押付用弾性体の弾性定数に比べ小さいので、この値は、押付用弾性体の大きな弾性定数でほぼ定まる元々の押付力に比べかなり小さな値となる。したがって、上記構成によれば、ブラシの摩耗による押付力の変化を小さな範囲に抑制することができる。

また、回転電機において、中間部材は、筐体部に設けられた回転支持部において他方端が回転自在に支持され、一方端が筐体部の周方向に沿ってブラシの方向に延びる部材であり、一方端側に押付用弾性体が取り付けられ、他方端側に緩衝用弾性体の一方端が取り付けられ、調整部は、緩衝用弾性体の他方端を筐体部の円周方向に移動させる。このような構成によって、押付機構をブラシ筐体部の周方向に配置するので、押付機構の配置を筐体部の外形の範囲で納めることが可能となり、配置の空間利用効率が向上する。

また、回転電機において、中間部材の回転支持部から押付用弾性体取付位置までの長さＬと、回転支持部から緩衝用弾性体取付位置までの長さＳの間の比である（Ｓ／Ｌ）は、（１／２）以下（１／２０）以上である。このようにすることで、ブラシが摩耗したときに、中間部材の押付用弾性体取付位置でブラシの摩耗量に相当する移動量があっても、緩衝用弾性体取付位置においては、その移動量の（Ｓ／Ｌ）に過ぎない。このように、緩衝用弾性体に対するブラシの摩耗量の影響を少なくすることができる。

また、回転電機において、調整部は、予め定めた回転電機の運転状態に応じて、ブラシの押付力が軽減される方向に緩衝用弾性体の原点位置を変更する。これにより、ブラシとスリップリングとを介する電流経路が不必要となるときは、ブラシのスリップリングに対する押付力を小さくして、ブラシの不必要な摩耗を抑制することができる。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。以下では、回転電機として、ステータと、永久磁石ロータと、巻線ロータとを備え、永久磁石と巻線ロータとの間にクラッチが設けられ、巻線ロータの回転軸の一方側がエンジンに接続され、永久磁石ロータが変速機に接続される動力伝達機構を説明するが、これ以外の構造であっても、スリップリングとブラシとが用いられる回転電機であればよい。また、以下で述べる材質、形状、寸法等は説明のための例示であり、回転電機の仕様等に適合するように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。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。

図１は、スリップリングとブラシが用いられるハイブリッド駆動システム１０の構成を説明する図である。このハイブリッド駆動システム１０は車両の駆動に用いられるもので、エンジン１２と変速機１４との間に動力伝達機構としての回転電機２０が設けられる。変速機１４の先は、車輪１６に接続される。

回転電機２０は、３相信号で作動し、回転軸２２と、ロータ巻線２５が巻回され回転軸２２周りに回転可能な巻線ロータ２４と、永久磁石が取り付けられ回転軸２２周りに回転可能な永久磁石ロータ２６と、永久磁石ロータ２６の外周側に配置され回転電機筐体部に固定されるステータ２８とを含む。そして、回転軸２２には、スリップリング３０が取り付けられ、このスリップリング３０に押し付けられるようにブラシ部３２が設けられる。スリップリング３０とブラシ部３２は、３相信号のそれぞれに対応し、３つの電気的に分離された部分を有する構成となっている。３相に対応する３つのスリップリング３０のそれぞれは、巻線ロータ２４の巻線であるロータ巻線２５における３相巻線のそれぞれに接続される。

ハイブリッド駆動システム１０は、電源回路部として、ブラシ部３２から取り出される３相信号を直流に整流する整流器６０と、整流器６０の出力を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータ６２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ６２の正極母線と負極母線に両端子が接続されるものとして、バッテリ６４と、インバータ６６と、クランキング用インバータ６８を含んで構成される。また、図１には図示されていないが、ハイブリッド駆動システム１０を構成する各要素の作動を全体として制御する制御部を含んで構成される。

かかるハイブリッド駆動システムの動作は以下の通りである。図１の構成において、エンジン１２の動力により回転軸２２を介して巻線ロータ２４が回転駆動され、巻線ロータ２４の回転速度が永久磁石ロータ２６の回転速度よりも高くなると、巻線ロータ２４の巻線であるロータ巻線２５に誘起起電力が発生する。ここで、ＤＣ／ＤＣコンバータ６２の出力電圧がバッテリ６４の電圧よりも高くなるようにＤＣ／ＤＣコンバータ６２の昇圧比を制御することで、ロータ巻線２５に誘導電流が流れ、巻線ロータ２４と永久磁石ロータ２６との間にトルクが作用して永久磁石ロータ２６が回転駆動される。

このパワー伝達経路は、エンジン１２の機械的動力によるものであるので、これを機械パスと呼ぶことができる。巻線ロータ２４と永久磁石ロータ２６との間に作用するトルクは、ＤＣ／ＤＣコンバータ６２の昇圧比、すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ６２を構成するスイッチング素子のデューティ比により制御可能である。上記構成によって、巻線ロータ２４と永久磁石ロータ２６との回転差を許容できるため、車輪１６の回転が停止してもエンジン１２がストールすることがなく、いわゆるトルクコンバータとしての機能を実現できる。

さらに、ロータ巻線２５に発生した３相交流電力は、スリップリング３０とブラシ部３２を介して取り出される。取り出された交流電力は、整流器６０で直流に整流され、整流された直流電力はＤＣ／ＤＣコンバータ６２で昇圧される。そしてＤＣ／ＤＣコンバータ６２からの直流電力がインバータ６６によって再び３相交流に変換されてからステータ２８の巻線であるステータ巻線２９に供給されることで、ステータ２８と永久磁石ロータ２６との間にトルクが作用する。このパワー経路は、電力によるものであるので、これを電気パスと呼ぶことができる。

また、バッテリ６４からステータ巻線２９へ電力供給を行うようにインバータ６６のスイッチング動作を制御して、ステータ２８と永久磁石ロータ２６との間にトルクを作用させることで、エンジン１２が動力を発生していなくても、永久磁石ロータ２６を回転駆動させることができる。すなわち、いわゆるＥＶ（ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＶｅｈｉｃｌｅ）走行を行うことができる。

また、バッテリ６４からの電力を用いてクランキング用インバータ６８によって３相信号を生成し、ブラシ部３２とスリップリング３０を介して巻線ロータ２４のロータ巻線２５に駆動電流を供給することができる。これによって永久磁石ロータ２６と巻線ロータ２４との間にトルクを発生させ、エンジン１２を起動させることができる。すなわち、クランキング機能を持たせることができる。さらに、クラッチ１８を切断することで、巻線ロータ２４のロータ巻線２５に発生する電力を取り出すことができる。すなわち、発電機としての機能を持たせることができる。

上記のように、図１で説明した回転電機２０は、トルク増幅機能を有するトルクコンバータとしての機能、エンジン直結駆動機能、モータとして用いてハイブリッド走行とＥＶ走行を可能とする機能、エンジン始動のクランキング機能、発電機としての機能等を車両の運転状況に合わせ選択的に用いることができる多機能の動力伝達機構である。

次に、この回転電機２０におけるスリップリング３０とブラシ部３２の詳細について説明する。図２は、スリップリング３０とブラシ部３２の様子を示す図で、正面図と側面図が示されている。

スリップリング３０は、回転電機２０の回転軸２２に回転止めされて固定され、回転軸２２と一体的に回転する金属製のリングである。図２の側面図に示されるように、スリップリング３０は、３相信号に対応して３つ並列に回転軸に設けられ、それらの間は絶縁材料の環状部材で仕切られている。各スリップリング３０は図示されていない引出配線によって、回転電機２０の巻線ロータ２４の３相のロータ巻線２５のそれぞれに接続される。

かかるスリップリング３０としては、例えば、純銅製の材料を加工してリング状としたものを用いることができる。３つのリングを互いに電気的に絶縁して並列に整列配置するには、絶縁材料と一体成形する方法を用いることができる。

ブラシ部３２は、ブラシ３４と、押付機構４０と、ブラシ筐体部３６とを含んで構成される。ブラシ筐体部３６は、図２の正面図に示されるように円環状の部材で、回転電機２０の筐体に固定して取り付けられ、押付機構４０とブラシ３４を保持する機能を有する。

ブラシ３４は、回転軸２２と共に回転するスリップリング３０に押し付けられて電気的に接触する導電性の摺動部材である。ブラシ３４は、３つのスリップリング３０のそれぞれに対応して３系統に電気的に分離して設けられる。図２では、各相に対応して３つのブラシ３４が設けられる様子が示されているが、勿論１つずつでもよく、２つ、あるいは４以上であってもよい。１つのスリップリング３０に対して複数のブラシを周方向に沿って均等間隔で配置することで、スリップリング３０に対する摺動負荷を均等化することができる。

複数のブラシ３４は、適当な引出線を用いて各相ごとにまとめられ、図１で説明したように、整流器６０、クランキング用インバータ６８に接続される。かかるブラシ３４としては、例えば銅入りのカーボンを材料として、金型等を用いて所定の形状に成形したものを用いることができる。

ブラシ３４は、スリップリング３０と摺動することで次第に摩耗するので、回転電機２０の設計寿命を考慮して、その寿命の最後のときでも十分な高さ寸法となるように、初期高さ寸法が設定される。例えば、設計寿命の期間において、約１５ｍｍ程度摩耗することが予測されるときは、スリップリング３０に接触するときの回転軸２２を中心として径方向に沿った寸法を高さ寸法として、初期高さ寸法を約２０ｍｍ程度とすることができる。

押付機構４０は、上記のようにブラシ筐体部３６に取り付けられ、スリップリング３０に対するブラシ３４の押付力を与える機構である。ブラシ３４の押付力は、スリップリング３０とブラシ３４の材料、回転電機２０の回転軸２２の回転速度等によって適当に設定されるが、一例を上げると、全部のスリップリング３０に対する全体の押付力の合計が約数Ｎ程度となるように設定することができる。

押付機構４０は、押付用弾性体である押付バネ４２、中間部材４４、緩衝用弾性体である緩衝バネ４６、調整部４８を含んで構成される。すなわち、ブラシ３４は、押付バネ４２−中間部材４４−緩衝バネ４６−調整部４８という構造を介して、スリップリング３０に対する押付力が与えられる。図２では、押付機構４０がブラシ筐体部３６よりはみ出して配置されるように図示されているが、調整部４８は回転電機２０の固定要素に固定して配置される。最も簡単な配置方法の１つは、調整部４８が取り付けられるように、ブラシ筐体部３６の一部を張り出させることである。

なお、図２の正面図では、３相のうちの１つの相に対応する１つのスリップリング３０に対し、３つのブラシ３４が図示されているが、押付機構４０は、そのうちの１つのブラシ３４に対するもののみを示してある。他の２つのブラシ３４についても同じ構造の押付機構４０が設けられ、また、他の相に対応する各ブラシ３４についても同様である。

押付バネ４２は、押付用弾性体であって、ここではブラシ３４に一方端が取り付けられ、他方端が中間部材４４に取り付けられるコイルバネである。ここで、押付バネ４２の弾性定数であるバネ定数をＫとする。

中間部材４４は、ブラシ３４の質量に比べ大きな質量を有する部材である。ブラシ３４の質量をｍとして、中間部材４４の質量をＭとすると、Ｍはｍよりも大きい。好ましくは、Ｍはｍの５倍以上とすることがよく、さらに望ましくはＭはｍの１０倍程度とすることがよい。かかる中間部材４４としては、ブラシ３４の材料の比質量に比べ大きな比質量の材料を用い、適当な形状に成形したものを用いることができる。

緩衝バネ４６は、緩衝用弾性体であって、ここでは一方端が中間部材４４に取り付けられ、他方端が調整部４８の可動部５６に取り付けられるコイルバネである。ここで、緩衝バネ４６の弾性定数であるバネ定数をｋとすると、ｋは、先程の押付バネ４２のバネ定数Ｋに比べ小さな値である。換言すれば、Ｋはｋよりも大きい。好ましくは、Ｋはｋの５倍以上とすることがよく、さらに望ましくはＫはｋの１０倍程度とすることがよい。

調整部４８は、緩衝バネ４６の他方端に取り付けられ、緩衝バネ４６の付勢力についての原点位置を調整する機能を有する。具体的には、図２に示すように、緩衝バネ４６の他方端が取り付けられる可動部５６が案内溝の中をＯＮ位置とＯＦＦ位置との間で移動可能とされ、この可動部５６をＯＮ位置とＯＦＦ位置の間で移動し、それぞれの位置で保持する機能を有する。

ここで、ＯＮ位置は、回転電機２０が通常の運転状態のときに設定される位置である。通常の運転状態とは、スリップリング３０とブラシ３４との間に通電が行われる運転状態である。また、ＯＦＦ位置は、回転電機２０が予め設定された所定の運転状態のときに設定される位置である。所定の運転状態としては、スリップリング３０とブラシ３４との間に通電を行う必要のない運転状態であるが、以下では、回転電機２０のロータ巻線２５と電源回路とが接続される必要のない運転モードのときの運転状態を所定の運転状態として説明を続ける。

上記では、ＯＮ位置とＯＦＦ位置の２つの位置を取り得るものとしたが、これに代えて、２つの位置の間で連続的に可動部５６の位置が取りえるものとしてもよい。この場合には、所定の運転状態において、その運転状況に応じ、可動部５６の位置を連続的に可変するものとできる。かかる調整部４８としては、小型モータ、プランジャ等のアクチュエータを用いることができる。プランジャは、２つの位置を取り得る場合に簡単な構成とでき、小型モータは連続的な位置を取り得るものとする場合に特に効果的に用いることができる。

上記構成の作用を図３から図６を用いて説明する。これらの図は必要な要素のみを抜き出して示す模式図である。図３と図４はブラシ３４の摩耗が少ないときについて、調整部４８が可動部５６の位置をＯＮ位置にした場合とＯＦＦ位置にした場合をそれぞれ示す図である。図５と図６はブラシ３４の摩耗が進んできたときについて、調整部４８が可動部５６の位置をＯＮ位置にした場合とＯＦＦ位置にした場合をそれぞれ示す図である。

図３は、ブラシ３４の摩耗が少なく、例えば、初期状態であって、調整部４８によってＯＮ位置が選択されたときの様子を示す摸式図である。ＯＮ位置が選択されるのは、上記のように、回転電機２０において、スリップリング３０とブラシ３４との間に通電が行われる通常の運転状態のときである。

この場合において、上記のようにブラシ３４の質量ｍよりも中間部材４４の質量Ｍを大きく、また、押付バネ４２のバネ定数Ｋよりも緩衝バネ４６のバネ定数ｋが小さく設定されるので、ブラシ３４のスリップリング３０に対する押付力の大きさはほぼ緩衝バネ４６の変形量で定めることができる。

そして、押付バネ４２−中間部材４４−緩衝バネ４６−調整部４８と各要素が直列配置され、調整部４８がＯＮ位置で固定され、Ｋがｋより大きく、Ｍがｍより大きく設定される振動系は、単にブラシ３４と押付バネ４２のみの構成に比べ、全体の振動系の固有振動数を高くすることができる。これによって、スリップリング３０の偏心や摺動面の凹凸等による摺動位置の変動に対するブラシ３４の追従応答性を良好なものとできる。

図４は、ブラシ３４の摩耗が少なく、例えば、初期状態であって、調整部４８によってＯＦＦ位置が選択されたときの様子を示す摸式図である。ＯＦＦ位置が選択されるのは、上記のように、回転電機２０において、スリップリング３０とブラシ３４との間に通電が行われない所定の運転状態のときである。

この場合に、緩衝バネ４６の他方端が調整部４８によってＯＮ位置からＯＦＦ位置に移動されるので、緩衝バネ４６の長さが、図３のときの長さＡよりも長いＢとなる。押付バネ４２のバネ定数Ｋは緩衝バネのバネ定数ｋより十分大きいので、押付バネ４２の変形量は緩衝バネ４６の変形量に比べ格段に小さく、ＯＮ位置からＯＦＦ位置への距離の変化は、緩衝バネ４６の長さの変化（Ｂ−Ａ）に吸収される。緩衝バネ長さ４６の長さの変化によって、緩衝バネ４６の弾性力であるバネ力が変化し、図４の場合には、図３に比べ小さなバネ力となる。これによって、ブラシ３４に与える押付バネ４２と緩衝バネ４６による全体のバネ力は、図３に比べ小さくなる。つまり、ＯＮ位置からＯＦＦ位置に変更することで、緩衝バネ４６の付勢力の原点位置が変化するが、それによって、ブラシ３４のスリップリング３０に対する押付力が小さくなる。

このようにして、ＯＦＦ位置においては、ＯＮ位置における押付力よりも軽減された押付力をブラシ３４に与えることができる。これによって、ブラシ３４とスリップリング３０との間に通電を行わないときに、ブラシ３４の不必要な摩耗を抑制することができる。

図５は、ブラシ３４の摩耗が進んできて、例えば、摩耗量がΔとなって、ブラシ３４の高さ寸法が初期状態よりも（−Δ）だけ低くなった状態であって、調整部４８によってＯＮ位置が選択されたときの様子を示す摸式図である。ＯＮ位置が選択されるのは、上記のように、回転電機２０において、スリップリング３０とブラシ３４との間に通電が行われる通常の運転状態のときである。

この場合、スリップリング３０の表面から緩衝バネ４６の他方端までの距離長さは、ＯＮ位置がスリップリング３０の表面から固定された位置であるので、図３の場合も図５の場合も同じである。ここで、ブラシ３４の高さ寸法が（−Δ）変化するので、この変化は押付バネ４２と緩衝バネ４６とで吸収される。上記のように、押付バネ４２のバネ定数Ｋよりも緩衝バネ４６のバネ定数ｋが小さく設定されているので、（−Δ）の変化は、ほとんどが緩衝バネ４６によって負担される。したがって、図３の緩衝バネ４６の長さをＡとして、図５では、緩衝バネ４６の長さが（Ａ＋Δ）となる。

このように、ブラシ３４がΔだけ摩耗すると、緩衝バネ４６の長さがΔだけ長くなり、バネ力として（ｋΔ）の大きさだけ、ブラシ３４のスリップリング３０に対する押付力が小さくなる。元々の押付力は、緩衝バネ４６の変形量でほとんど定められるので、元々の変形量を十分大きく設定しておけば、（ｋΔ）の大きさは、元々の押付力に比べ格段に小さい。つまり、ｋをＫに比べ適当に小さく設定することで、ブラシ３４の摩耗による押付力の変動を小さなものとできる。

図６は、ブラシ３４の摩耗が進んできて、例えば、摩耗量がΔとなって、ブラシ３４の高さ寸法が初期状態よりも（−Δ）だけ低くなった状態であって、調整部４８によってＯＦＦ位置が選択されたときの様子を示す摸式図である。ＯＦＦ位置が選択されるのは、上記のように、回転電機２０において、スリップリング３０とブラシ３４との間に通電が行われない所定の運転状態のときである。

この場合は、図５で説明したように、ブラシ３４に摩耗がない図４に比較して、緩衝バネ４６の長さが（Ｂ＋Δ）となる点が相違する。ΔはＢに比較して小さい値であるので、図４で説明した内容と同じ内容となる。すなわち、ＯＦＦ位置においては、ＯＮ位置における押付力よりも軽減された押付力をブラシ３４に与えることができる。これによって、ブラシ３４とスリップリング３０との間に通電を行わないときに、ブラシ３４の不必要な摩耗を抑制することができる。

図２の構成の場合には、既に述べたように、押付機構４０が元々のブラシ筐体部３６よりはみ出して配置され、例えば、ブラシ筐体部３６の一部を張り出すことになり、全体の配置が大型化する。そこで、押付機構をブラシ筐体部３６の周方向に沿って配置する構成とすれば、配置の空間利用効率が向上して、小型化が図れる。図７は、そのような構成例を示す図である。

図７に示される押付機構４０は、押付バネ４２、中間部材４５、緩衝バネ４６、調整部４８を含んで構成され、ブラシ３４は、押付バネ４２−中間部材４５−緩衝バネ４６−調整部４８という構造を介して、スリップリング３０に対する押付力が与えられることは、図２の構成と同じである。相違するのは、中間部材４５がブラシ筐体部３６の回転中心軸５４に回転自在に取り付けられるアーム状部材であり、緩衝バネ４６の一方端が中間部材４５において回転中心軸５４の近くに取り付けられることである。以下では、これらの相違点を中心に説明し、図２と共通の内容については詳細な説明を省略する。

中間部材４５は、上記のようにアーム状の形状を有する部材で、他方端が回転中心軸５４においてブラシ筐体部３６に対し回転自在に支持され、一方端はブラシ筐体部３６の周方向に沿って延びて、その先端部がこの回転中心軸５４周りに揺動することができる部材である。そして、その他方端の回転中心軸５４の近傍であって一方端に向かう側に設けられる取付部５２において緩衝バネ４６の一方端が取り付けられ、一方端の先端部に設けられる取付部５０において押付バネ４２が接続される。このように、中間部材４４は、押付バネ４２と緩衝バネ４６の中間に配置される部材である。

図２では、中間部材４４の質量Ｍがブラシ３４の質量ｍより十分大きく設定されたが、図７においては、この質量の大小関係に代えて、中間部材４５の回転支持部、すなわち中間部材４５の回転支持点である回転中心軸５４周りの慣性モーメントＩが、ブラシ３４の回転中心軸５４周りの慣性モーメントｉに比べ十分大きく設定される。好ましくは、Ｉはｉの５倍以上、さらに好ましくは、Ｉはｉの１０倍以上とすることがよい。

緩衝バネ４６は、中間部材４５と調整部４８との間に取り付けられるコイルバネであり、一方端が中間部材４５の取付部５２に接続され、他方端が調整部４８の可動部５６に接続される。緩衝バネ４６のバネ定数ｋは、上記のように、押付バネ４２のバネ定数Ｋに比較して回転支持点周りの剛性が十分小さな値になるように設定される。すなわち、上記のように、回転支持点周りの剛性が５倍以上、好ましくは１０倍以上に設定される。

緩衝バネ４６の取付部５２は、上記のように、中間部材４５の他方端の回転中心軸５４の近傍であって一方端に向かう側に設けられるところに設けられる。図７では、取付部５２と回転中心軸５４との間の距離をＳとして示されている。

中間部材４５において、押付バネ４２の取付部５０から回転中心軸５４までの距離をＬとすると、Ｌ／Ｓは、回転中心軸５４を回転中心とするレバーについてのレバー比である。すなわち、取付部５０における移動量をΔとすると、取付部５２における移動量δは、Δ×（Ｓ／Ｌ）となる。（Ｓ／Ｌ）は、１以下であるが、好ましくは（１／２）以下で（１／２０）以上とすることが好ましい。

取付部５０における移動量としては、ブラシ３４の摩耗量が考えられる。そこでブラシ３４の摩耗量をΔとすれば、取付部５２におけるブラシ３４の摩耗量Δの影響は、Δ×（Ｓ／Ｌ）となる。取付部５２の移動量は、緩衝バネ４６の全長の変化量である。したがって、（Ｓ／Ｌ）を上記のように設定することで、緩衝バネ４６に対するブラシ３４の摩耗量Δの影響を小さなものとすることができる。

上記構成の作用を図８から図１１を用いて説明する。これらの図は必要な要素のみを抜き出して示す模式図である。図８と図９はブラシ３４の摩耗が少ないときについて、調整部４８が可動部５６の位置をＯＮ位置にした場合とＯＦＦ位置にした場合をそれぞれ示す図である。図１０と図１１はブラシ３４の摩耗が進んできたときについて、調整部４８が可動部５６の位置をＯＮ位置にした場合とＯＦＦ位置にした場合をそれぞれ示す図である。

これらの図においては、図３から図６で説明したものと、緩衝バネ４６に対するＯＮ位置とＯＦＦ位置が逆の関係となっている。つまり、これらの図では、中間部材４５が回転中心軸５４の周りに揺動可能に支持されているので、緩衝バネ４６の伸長、圧縮が、図３から図６の構成の場合と逆になっている。

図８は、図３に対応する図で、ブラシ３４の摩耗が少なく、例えば、初期状態であって、調整部４８によってＯＮ位置が選択されたときの様子を示す摸式図である。

この場合において、上記のようにブラシ３４の慣性モーメントｉよりも中間部材４５の慣性モーメントＩを大きく、また、押付バネ４２のバネ定数Ｋよりも緩衝バネ４６のバネ定数ｋが小さく設定されるので、ブラシ３４のスリップリング３０に対する押付力の大きさはほぼ緩衝バネ４６の変形量で定めることができる。

そして、押付バネ４２−中間部材４４−緩衝バネ４６−調整部４８と各要素が直列配置され、調整部４８がＯＮ位置で固定され、Ｋがｋより大きく、Ｉがｉより大きく設定される振動系は、単にブラシ３４と押付バネ４２のみの構成に比べ、全体の振動系の固有振動数を高くすることができる。これによって、スリップリング３０の偏心や摺動面の凹凸等による摺動位置の変動に対するブラシ３４の追従応答性を良好なものとできる。

図９は図４に対応する図で、ブラシ３４の摩耗が少なく、例えば、初期状態であって、調整部４８によってＯＦＦ位置が選択されたときの様子を示す摸式図である。

この場合に、緩衝バネ４６の他方端が調整部４８によってＯＮ位置からＯＦＦ位置に移動されるので、緩衝バネ４６の長さが、図８のときの長さＣよりも短いＤとなる。押付バネ４２のバネ定数Ｋは緩衝バネのバネ定数ｋより十分大きいので、押付バネ４２の変形量は緩衝バネ４６の変形量に比べ格段に小さく、ＯＮ位置からＯＦＦ位置への距離の変化は、緩衝バネ４６の長さの変化（Ｄ−Ｃ）に吸収される。緩衝バネ長さ４６の長さの変化によって、緩衝バネ４６の弾性力であるバネ力が変化し、図９の場合には、図８に比べ小さな力となる。中間部材４５は回転中心軸５４の周りに揺動するので、その先端部においてブラシ３４に与える押付バネ４２と緩衝バネ４６による全体のバネ力は、図８に比べ小さくなる。つまり、ＯＮ位置からＯＦＦ位置に変更することで、緩衝バネ４６の付勢力の原点位置が変化するが、それによって、ブラシ３４のスリップリング３０に対する押付力が小さくなる。つまり、図４と同じ効果が得られる。

図１０は、ブラシ３４の摩耗が進んできて、例えば、摩耗量がΔとなって、ブラシ３４の高さ寸法が初期状態よりも（−Δ）だけ低くなった状態であって、調整部４８によってＯＮ位置が選択されたときの様子を示す摸式図である。

この場合、中間部材４５の先端部における取付部５０の位置が（−Δ）だけ変化する。中間部材４５は回転中心軸５４の周りに揺動するので、その変化量（−Δ）は、取付部５２の位置の変化となり、緩衝バネ４６の長さが変化する。図７で説明したように、取付部５０の位置の変化は、（Ｓ／Ｌ）倍されて取付部５２に表れる。したがって、緩衝バネ４６の長さは、図８における長さをＣとして、｛Ｃ−Δ×（Ｓ／Ｌ）｝となる。

このように、ブラシ３４がΔだけ摩耗すると、緩衝バネ４６の長さが｛Δ×（Ｓ／Ｌ）｝だけ短くなる。この変化は、ブラシ３４が摩耗していないときの緩衝バネ４６の変形量に比較して小さな値であるので、緩衝バネ４６のバネ力の変化は小さな値である。したがって、その影響はブラシ３４の押付力にほとんど影響を与えない。つまり図５と同じ効果が得られる。

図１１は図６に対応する図で、ブラシ３４の摩耗が進んできて、例えば、摩耗量がΔとなって、ブラシ３４の高さ寸法が初期状態よりも（−Δ）だけ低くなった状態であって、調整部４８によってＯＦＦ位置が選択されたときの様子を示す摸式図である。

この場合は、図１０で説明したように、ブラシ３４に摩耗がない図９に比較して、緩衝バネ４６の長さが｛Ｄ−Δ×（Ｓ／Ｌ）｝となる点が相違する。上記のように、｛Δ×（Ｓ／Ｌ）｝は変形量に比較して小さい値であるので、図９で説明した内容と同じ内容となる。すなわち、ＯＦＦ位置においては、ＯＮ位置における押付力よりも軽減された押付力をブラシ３４に与えることができる。つまり、図６と同じ効果が得られる。

本発明に係る実施の形態のスリップリングとブラシが用いられる回転電機が適用されるハイブリッド駆動システムの構成を説明する図である。本発明に係る実施の形態のスリップリングとブラシ部の様子を示す正面図と側面図である。本発明に係る実施の形態において、ブラシの摩耗の少ない場合に、調整部によって緩衝バネの取付部の位置をＯＮ位置にした場合の様子を示す図である。本発明に係る実施の形態において、ブラシの摩耗の少ない場合に、調整部によって緩衝バネの取付部の位置をＯＦＦ位置にした場合の様子を示す図である。本発明に係る実施の形態において、ブラシの摩耗が進んできた場合に、調整部によって緩衝バネの取付部の位置をＯＮ位置にした場合の様子を示す図である。本発明に係る実施の形態において、ブラシの摩耗が進んできた場合に、調整部によって緩衝バネの取付部の位置をＯＦＦ位置にした場合の様子を示す図である。他の実施の形態のスリップリングとブラシ部の様子を示す正面図と側面図である。図７の実施の形態において、ブラシの摩耗の少ない場合に、調整部によって緩衝バネの取付部の位置をＯＮ位置にした場合の様子を示す図である。図７の実施の形態において、ブラシの摩耗の少ない場合に、調整部によって緩衝バネの取付部の位置をＯＦＦ位置にした場合の様子を示す図である。図７の実施の形態において、ブラシの摩耗が進んできた場合に、調整部によって緩衝バネの取付部の位置をＯＮ位置にした場合の様子を示す図である。図７の実施の形態において、ブラシの摩耗が進んできた場合に、調整部によって緩衝バネの取付部の位置をＯＦＦ位置にした場合の様子を示す図である。

符号の説明

１０ハイブリッド駆動システム、１２エンジン、１４変速機、１６車輪、１８クラッチ、２０回転電機、２２回転軸、２４巻線ロータ、２５ロータ巻線、２６永久磁石ロータ、２８ステータ、２９ステータ巻線、３０スリップリング、３２ブラシ部、３４ブラシ、３６ブラシ筐体部、４０押付機構、４２押付バネ、４４，４５中間部材、４６緩衝バネ、４８調整部、５０、５２取付部、５４回転中心軸、５６可動部、６０整流器、６２ＤＣ／ＤＣコンバータ、６４バッテリ、６６インバータ、６８クランキング用インバータ。

Claims

回転軸に設けられる導電性のスリップリングと、
回転するスリップリングに押し付けられて電気的に接触するブラシと、
筐体部に取り付けられ、スリップリングに対するブラシの押付力を与える押付機構と、
を備え、
押付機構は、
ブラシの質量に比べ大きな質量を有する中間部材と、
ブラシと中間部材との間に取り付けられる押付用弾性体と、
中間部材に一方端が取り付けられる緩衝用弾性体であって、押付用弾性体の弾性定数に比べ小さな弾性定数を有する緩衝用弾性体と、
緩衝用弾性体の他方端に取り付けられ、緩衝用弾性体の付勢力についての原点位置を調整する調整部と、
を含み、
中間部材は、筐体部に設けられた回転支持部において他方端が回転自在に支持され、一方端が筐体部の周方向に沿ってブラシの方向に延びる部材であって、質量の大小関係に代えて、その回転支持部周りの慣性モーメントがブラシのその回転支持部周りの慣性モーメントに比べ大きいアーム状部材であり、
押付用弾性体は、一方端がブラシの頂部に接続されて、アーム状部材の一方端側の予め設定された押付用弾性体取付位置に接続される他方端を有し、
緩衝用弾性体は、一方端がアーム状部材の他方端側の予め設定された緩衝用弾性体取付位置に接続され、
調整部は、筐体部に設けられ、緩衝用弾性体の他方端を筐体部の円周方向に移動させて緩衝用弾性体の付勢力についての原点位置を調整する移動機構であることを特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、
中間部材の回転支持部から押付用弾性体取付位置までの長さＬと、回転支持部から緩衝用弾性体取付位置までの長さＳの間の比である（Ｓ／Ｌ）は、（１／２）以下（１／２０）以上であることを特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、
調整部は、予め定めた回転電機の運転状態に応じて、ブラシの押付力が軽減される方向に緩衝用弾性体の原点位置を変更することを特徴とする回転電機。