WO2015194419A1 - パラレルハイブリッド動力伝達機構 - Google Patents

Abstract

　フライホイールから弾性体カップリングを介して被動機に至る動力伝達系とフライホイールからモータ・ジェネレータのロータに至る動力伝達系とに分離することにより、ロータにかかる負荷を小さくしかつ被動機の動力伝達系がエンジン及びロータに与える悪影響を回避できるようにする。パラレルハイブリッド動力伝達機構（１）は、エンジン（２）と、エンジン（２）に設けられたクランク軸（２Ａ）と、モータ・ジェネレータ（３）と、モータ・ジェネレータ（３）の動力が伝達される被動機（４）と、被動機（４）に設けられた入力軸（４Ａ）と、クランク軸（２Ａ）に連結されたフライホイール（５）と、フライホイール（５）と入力軸（４Ａ）とを連結する弾性体カップリング（６）と、モータ・ジェネレータ（３）に設けられ且つフライホイール（５）に連結されたロータ（７）とを備えている。

Description

パラレルハイブリッド動力伝達機構

　本発明は、モータ・ジェネレータとエンジンとの組み合わせの動力を伝達するパラレルハイブリッド動力伝達機構に関する。

　モータ・ジェネレータとエンジンとを組み合わせるパラレルハイブリッド動力伝達方式においては、特許文献１、２に開示されているように、エンジンのクランク軸、モータ・ジェネレータのロータ、被動機の入力軸の順に機器を接続することにより動力を伝達している。これによって、（１）エンジンの動力はモータ・ジェネレータのロータを経由して被動機へ伝達され、（２）モータ・ジェネレータの動力はロータから直接的に被動機へ伝達されており、２系統の動力はともにモータ・ジェネレータのロータを通して伝達されている。

　また、エンジンから被動機までの間にクラッチ装置を配置することにより、エンジンと被動機との関係から生じるねじり振動を吸収して、スムーズな動力伝達を行うようになっている。

特開２０１０－２６１５４４号公報 特開２０１４－８３８６９号公報 特許第４６４６９８３号公報

　前記従来技術は、モータ・ジェネレータは勿論のこと、エンジンのクランク軸の動力もモータ・ジェネレータのロータを通して被動機へ伝達される。そのため、ロータは２つの動力伝達を担うことになり、過大な強度を必要とする。
　また、産業機械における被動機として油圧ポンプが多用されているが、この油圧ポンプは所要動力の変動に伴うトルク変動が大きく、クラッチ装置が接続状態のときにエンジンにトルク変動に伴う動力伝達系のねじり振動が伝わることがある。また特に、エンジンと油圧ポンプとの距離が離れると、ねじり振動により動力伝達が円滑に行われないことがある。

　このようなねじり振動がロータに加わると、モータ・ジェネレータの駆動はベクトル制御を用いているため、ロータに設けられた回転検出器（レゾルバ）からの回転信号が振動することになる。そのため、モータ・インバータの制御が不安定になり、脱調や、動力制御が困難な状態になる可能性もある。
　一方、エンジンのクランク軸にフライホイールを一体的に設け、このフライホイールとモータ・ジェネレータのロータとを連結した構造をもつパラレルハイブリッド動力伝達機構も知られている。しかしながら、フライホイールにロータを連結した場合、フライホイールの面のぶれや芯のぶれによりロータの回転精度が低下する虞がある。ロータの回転精度が低下すると、モータ・ジェネレータのステータとロータとのエアギャップが変動し、モータ・ジェネレータの出力の変動が生じるため好ましくない。上記特許文献３は、この問題を解決するための技術を提案している。

　即ち、上記特許文献３の開示技術は、ロータをモータハウジングに回転可能に支持し、フライホイールとロータとを筒状軸部を介してスプライン結合することにより、ロータの回転精度の低下を抑制している。しかし、被動機（油圧ポンプ等）から伝播される変動トルクによるねじり振動等の悪影響がスプライン結合を介してロータに伝わるという問題が生じる。つまり、特許文献３の開示技術では、被動機から伝播される変動トルクによるねじり振動等がロータに与える悪影響を回避しつつ、モータ・ジェネレータのステータとロータとのエアギャップの変動を抑制することはできない。

　本発明は、このような従来技術の問題点を解決できるようにしたパラレルハイブリッド動力伝達機構を提供することを目的とする。
　本発明は、フライホイールから弾性体カップリングを介して被動機に至る動力伝達系とフライホイールからモータ・ジェネレータのロータに至る動力伝達系とに分離することにより、ロータにかかる負荷を小さくしかつ被動機の動力伝達系がエンジン及びロータに与える悪影響を回避できるようにしたパラレルハイブリッド動力伝達機構を提供することを目的とする。また、モータ・ジェネレータのステータとロータとのエアギャップの変動を抑制することもできるパラレルハイブリッド動力伝達機構を提供することを目的とする。

　本発明における課題解決のための具体的手段は、次の通りである。
　第１に、パラレルハイブリッド動力伝達機構は、エンジン２と、エンジン２に設けられたクランク軸２Ａと、モータ・ジェネレータ３と、モータ・ジェネレータ３の動力が伝達される被動機４と、被動機４に設けられた入力軸４Ａと、クランク軸２Ａに連結されたフライホイール５と、フライホイール５と入力軸４Ａとを連結する弾性体カップリング６と、モータ・ジェネレータ３に設けられ且つフライホイール５に連結されたロータ７とを備えている。

　第２に、弾性体カップリング６と入力軸４Ａとを連結する中間軸８を備え、ロータ７はホロー形状のロータボス７ａを有し、ロータボス７ａは中間軸８の径外側に配置されている。
　第３に、ロータボス７ａを中間軸８に回転可能に支持する中間軸受１３を備え、中間軸８は、弾性体カップリング６を介してフライホイール５と連結されている。

　第４に、フライホイール５を包囲するフライホイールハウジング９と、モータ・ジェネレータ３を包囲し且つフライホイールハウジング９と内部空間を対向させて連結されたモータハウジング１０とを備え、フライホイール５の外周側には、弾性体カップリング６の外周を取り付ける環状部１２が形成され、ロータ７の端部には、径外方向に突出するフランジ部７ｂが形成され、フランジ部７ｂは、フライホイール５の環状部１２に連結されている。

　第５に、ロータ７の回転位相を検出する回転検出器１４を備えている。

　本発明によれば、フライホイールから弾性体カップリングを介して被動機に至る動力伝達系とフライホイールからモータ・ジェネレータのロータに至る動力伝達系とに分離することにより、ロータにかかる負荷を小さくしかつ被動機の動力伝達系がエンジン及びロータに与える悪影響を回避できる。
　即ち、パラレルハイブリッド動力伝達機構は、エンジン２と、エンジン２に設けられたクランク軸２Ａと、モータ・ジェネレータ３と、モータ・ジェネレータ３の動力が伝達される被動機４と、被動機４に設けられた入力軸４Ａと、クランク軸２Ａに連結されたフライホイール５と、フライホイール５と入力軸４Ａとを連結する弾性体カップリング６と、モータ・ジェネレータ３に設けられ且つフライホイール５に連結されたロータ７とを備えている。そのため、エンジン２の動力はロータ７を経由することなく、フライホイール５からの動力を被動機４に直結的でかつ短距離の第１の動力伝達系で伝達できる。また、フライホイール５からの動力をモータ・ジェネレータ３のロータ７に第２の動力伝達系で伝達できる。さらに、モータ・ジェネレータ３のロータ７の動力もフライホイール５を介して第１の動力伝達系エンジン動力をアシストできる。よって、動力伝達系の干渉がなくなり、ロータ７はモータ・ジェネレータ３の動力のみを伝達するので、ロータ７が担うべき負荷が減少できる。また被動機４から伝播される変動トルクによるねじり振動等の悪影響を弾性体カップリング６で緩衝し、またフライホイール５で縁切りすることができる。そのため、エンジン２及びモータ・ジェネレータ３に与える悪影響を減少でき、自動車等の搭載機器の騒音も減少できる。

　また、弾性体カップリング６と入力軸４Ａとを連結する中間軸８を備え、ロータ７は、ホロー形状のロータボス７ａを有し、ロータボス７ａは中間軸８の径外側に配置されている。そのため、エンジン２、モータ・ジェネレータ３及び被動機４をコンパクトに配置でき、フライホイール５から被動機４までの距離をより短くでき、コンパクトな構成にすることができる。これにより、被動機４からエンジン２及びモータ・ジェネレータ３に与えられる悪影響をより小さくできる。

　また、ロータボス７ａを中間軸８に回転可能に支持する中間軸受１３を備え、中間軸８は弾性体カップリング６を介してフライホイール５と連結されている。そのため、ロータ７を高い回転精度で支持することができる。即ち、中間軸８が弾性体カップリング６を介してフライホイール５と連結されることにより、中間軸８の回転精度を高くすることができる。そして、回転精度が高い中間軸８に対して、ロータ７が中間軸受１３を介して回転可能に支持されることにより、ロータ７の回転精度が高く維持される。これにより、モータ・ジェネレータ３のステータ３ａとロータ７とのエアギャップの変動を抑制することが可能となる。

　また、フライホイール５を包囲するフライホイールハウジング９と、モータ・ジェネレータ３を包囲し且つフライホイールハウジング９と内部空間を対向させて連結されたモータハウジング１０とを備え、フライホイール５の外周側には、弾性体カップリング６の外周を取り付ける環状部１２が形成され、ロータ７の端部には径外方向に突出するフランジ部７ｂが形成され、フランジ部７ｂは環状部１２に連結されている。そのため、エンジン２の動力もモータ・ジェネレータ３の動力もともにフライホイール５及び弾性体カップリング６を介して被動機４に伝達できる。また、被動機４からのねじり振動等の悪影響がエンジン２及びモータ・ジェネレータ３へ伝達されるのを緩衝あるいは縁切りできる。

　また、ロータ７の回転位相を検出する回転検出器１４を備えている。そのため、ロータ７が弾性体カップリング６によって被動機４からのねじり振動等の悪影響が縁切りされていることと相まって、モータ・ジェネレータ３の動力制御を安定的に行える。

本発明の実施形態を示す断面図である。

　以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
　図１に示すパラレルハイブリッド動力伝達機構１は、自動車や、農機、建機、ユーティリティビークル等の産業機器に適用される。パラレルハイブリッド動力伝達機構１は、エンジン２の動力とモータ・ジェネレータ３の動力とを択一的に又は組み合わせて被動機４に伝達する。

　エンジン２は、ディーゼルエンジン又はガソリンエンジン等である。エンジン２に設けられたクランク軸２Ａには、質量の高いフライホイール５が連結されている。フライホイール５はフライホイールハウジング９によって包囲されている。
　フライホイールハウジング９は、外周部９ａと側壁９ｂとを有している。外周部９ａはフライホイール５の径外側に設けられている。側壁９ｂは、外周部９ａのエンジン２側の端部に設けられている。フライホイールハウジング９の内部は、外周部９ａと側壁９ｂとに囲まれた空間となっている。側壁９ｂはエンジン２に固定されている。外周部９ａのエンジン２側と反対側の端部にモータハウジング１０が固定されている。

　モータハウジング１０はモータ・ジェネレータ３を包囲している。モータハウジング１０の内周部にステータ３ａが固定されている。ステータ３ａは、積層鋼板製であってコイルが巻かれている。ステータ３ａの径内側にロータ７が配置されている。ステータ３ａ及びモータハウジング１０の内部の空間はモータハウジング１０の内部空間と対向して連通している。ロータ７の端部はフライホイール５の端部と連結されている。

　ロータ７は、モータ・ジェネレータ３に設けられて、フライホイール５に連結されている。ロータ７は、ホロー形状（円筒形状）のロータボス７ａを有している。ロータボス７ａの外周には永久磁石を埋設した積層鋼板が嵌着されている。ロータボス７ａのフライホイール５側の端部は径外方向に延びる（突出する）フランジ部７ｂとなっている。フランジ部７ｂの外周部は、フライホイール５の環状部１２の端面にボルトにより締結されている。

　なお、モータ・ジェネレータ３は永久磁石埋込式三相交流同期モータ以外の同期モータでもよい。例えば、モータ・ジェネレータ３は、交流又は直流のモータ、ロータ７にコイルを巻いた積層鋼板を嵌着した同期モータ等でもよい。
　被動機４は、例えば油圧ポンプであり、具体的には静油圧式トランスミッションの油圧ポンプを例示することができる。被動機４は、ポンプハウジングを介してモータハウジング１０と連結されている。本実施形態では、被動機４に設けられた入力軸４Ａに中間軸８を連結しているが、入力軸４Ａをフライホイール５近傍まで届く長い軸として中間軸８を省略してもよい。この中間軸８はホロー形状のロータ７内を同心状に貫通している。中間軸８の先端はフライホイール５に近接している。

　中間軸８の先端側とフライホイール５の環状部１２との間には弾性体カップリング６が配置されている。即ち、中間軸８は、被動機４の入力軸４Ａと弾性体カップリング６とを連結している。この弾性体カップリング６はセンタフレックスカップリング等のゴム弾性を有する継手である。弾性体カップリング６は、フライホイール５と被動機４の入力軸４Ａとを連結する。弾性体カップリング６は、内周側が中間軸８に嵌合され、外周部が環状部１２に嵌合されている。弾性体カップリング６は、ピン等の位置決め部材（図示略）によってフライホイール５に対して径方向に位置決めされている。言い換えると、弾性体カップリング６は、当該弾性体カップリング６の中心軸がフライホイール５の中心軸と同軸となるように位置決めされている。弾性体カップリング６は、フライホイール５から中間軸８への動力伝達をするとともに、中間軸８からフライホイール５側へ伝播されるトルク変動に起因するねじり振動等を緩衝もしくは縁切りする役目をしている。

　ロータ７はフライホイール５に連結されている。中間軸８は弾性体カップリング６を介してフライホイール５に支持されている。ロータ７と中間軸８との間にはニードルベアリング等の中間軸受１３が設けられている。中間軸受１３は、ロータ７を中間軸８に対して回転可能に支持している。これにより、中間軸１３とロータ７とは相互に支持されて共振を防止できるようになっている。

　フライホイール５は中間軸８を介して被動機４と連結されている。これにより、フライホイール５と被動機４との接続は、ロータ７を介して被動機４と連結される間接接続よりは距離が短い直接的な接続になっている。ロータ７は直接には被動機４と連結されないが、慣性力の大きいフライホイール５及び弾性変形可能な弾性体カップリング６を介在して被動機４と連結されている。そのため、エンジン２及びモータ・ジェネレータ３は被動機４からの悪影響を断ち切ることができる。

　ポンプハウジングを固定しているモータハウジング１０とロータボス７ａのフランジ部７ｂ側と反対側の端部との間には回転検出器１４が設けられている。この回転検出器１４はレゾルバ、エンコーダ等である。回転検出器１４はロータ７の回転位相を検出する。回転検出器１４はコントローラ１５に接続されている。コントローラ１５は、モータ・ジェネレータ３をベクトル制御するインバータを備えている。回転検出器１４は、自動車や産業機器においては、アナログ出力でノイズに強いレゾルバが好ましい。

　コントローラ１５はエンジン２、モータ・ジェネレータ３及び被動機４等に接続されている。コントローラ１５は、エンジン２、モータ・ジェネレータ３及び被動機４等の駆動、停止及び回転数を制御する。
　次に、パラレルハイブリッド動力伝達機構１の動作を説明する。
　パラレルハイブリッド動力伝達機構１では、エンジン２を駆動すると、クランク軸２Ａの回転がフライホイール５に伝達される。また、クランク軸２Ａの回転は、フライホイール５から弾性体カップリング６を介して中間軸８及び被動機４の入力軸４Ａに伝達され（第１の動力伝達系）、被動機４を駆動する。

　また、被動機４の駆動と同時に、フライホイール５の回転はフランジ部７ｂからロータ７に伝達され（第２の動力伝達系）、モータ・ジェネレータ３をジェネレータとして作動する。この際、エンジン２の回転動力はロータ７に伝達されるが、ロータ７は入力軸４Ａに連結されていない。そのため、被動機４はロータ７の回転の負荷にはならず、ロータ７は被動機４からの負荷変動の影響を受けることがない。

　一方、エンジン２の駆動に加えてモータ・ジェネレータ３を駆動すると、ロータ７の回転がフライホイール５に伝達され、フライホイール５を介して第１の動力伝達系のエンジン動力をアシストし、弾性体カップリング６を介して中間軸８及び被動機４の入力軸４Ａに伝達される。つまり、第１の動力伝達系からの動力と、第２の動力伝達系からの動力の合成動力で被動機４を駆動する。

　フライホイール５から被動機４への第１の動力伝達系と、フライホイール５からロータ７への第２の動力伝達系とは独立しており、エンジン２の駆動はロータ７を経由することなく被動機４へ伝達される。そのため、第１の動力伝達系と第２の動力伝達系とは干渉することがない。
　被動機４は駆動中に所要動力の変動に伴うトルク変動があると、第１の動力伝達系に衝撃、ねじり振動等が発生し、入力軸４Ａから中間軸８に伝播される。しかし、このねじり振動等は弾性体カップリング６によって緩衝・吸収され、また、フライホイール５の慣性力によって縁切りされる。そのため、衝撃、ねじり振動等の伝播は大幅に減少することになり、エンジン２及びロータ７は被動機４からの負荷変動の悪影響を受けることがない。

　被動機４からロータ７に伝播されるねじり振動等が緩衝・吸収、縁切りされることにより、ロータ７に設けられた回転検出器１４は振動のない回転信号を発生できる。そのため、コントローラ１５を介してモータ・ジェネレータ３を駆動するベクトル制御を安定的かつ精度良く行うことができる。
　また、被動機４の入力軸４Ａに中間軸８が連結され、中間軸８が弾性体カップリング６を介してフライホイール５と連結されていることにより、中間軸８の回転精度を高くすることができる。そして、回転精度が高い中間軸８に対して、ロータ７が中間軸受１３を介して回転可能に支持されていることにより、ロータ７の回転精度が高く維持される。そのため、ロータ７の回転に伴って、ロータ７とモータ・ジェネレータ３のステータ３ａとのエアギャップが変動することが抑制される。また、ロータ７と、レゾルバ等の回転検出器１４のステータとのエアギャップの変動も抑制することができる。

　なお、本発明は前記実施形態における各部材の形状及び位置関係は、図１に示すように構成することが最良である。しかし、前記実施形態に限定されるものではなく、部材、構成を種々変形したり、組み合わせを変更したりすることもできる。
　例えば、フライホイール５が嵌合している弾性体カップリング６を軸方向に長くしておいて、その弾性体カップリング６にモータ・ジェネレータ３のロータ７を嵌合してもよい。また、フライホイール５の環状部１２とロータ７のフランジ部７ｂとを、弾性体又は弾性体カップリングを介在させて連結してもよい。

　１　　　　パラレルハイブリッド動力伝達機構
　２　　　　エンジン
　２Ａ　　　クランク軸
　３　　　　モータ・ジェネレータ
　３ａ　　　ステータ
　４　　　　被動機
　４Ａ　　　入力軸
　５　　　　フライホイール
　６　　　　弾性体カップリング
　７　　　　ロータ
　７ａ　　　ロータボス
　７ｂ　　　フランジ部
　８　　　　中間軸
　９　　　　フライホイールハウジング
　９ａ　　　外周部
　９ｂ　　　側壁
　１０　　　モータハウジング
　１２　　　環状部
　１３　　　中間軸受
　１４　　　回転検出器
　１５　　　コントローラ

Claims (5)

1. 　エンジン（２）と、
   　前記エンジン（２）に設けられたクランク軸（２Ａ）と、
   　モータ・ジェネレータ（３）と、
   　前記モータ・ジェネレータ（３）の動力が伝達される被動機（４）と、
   　前記被動機（４）に設けられた入力軸（４Ａ）と、
   　前記クランク軸（２Ａ）に連結されたフライホイール（５）と、
   　前記フライホイール（５）と前記入力軸（４Ａ）とを連結する弾性体カップリング（６）と、
   　前記モータ・ジェネレータ（３）に設けられ且つ前記フライホイール（５）に連結されたロータ（７）と、
   を備えているパラレルハイブリッド動力伝達機構。
2. 　前記弾性体カップリング（６）と前記入力軸（４Ａ）とを連結する中間軸（８）を備え、
   　前記ロータ（７）は、ホロー形状のロータボス（７ａ）を有し、
   　前記ロータボス（７ａ）は前記中間軸（８）の径外側に配置されている
   請求項１に記載のパラレルハイブリッド動力伝達機構。
3. 　前記ロータボス（７ａ）を前記中間軸（８）に回転可能に支持する中間軸受（１３）を備え、
   　前記中間軸（８）は、前記弾性体カップリング（６）を介して前記フライホイール（５）と連結されている
   請求項２に記載のパラレルハイブリッド動力伝達機構。
4. 　前記フライホイール（５）を包囲するフライホイールハウジング（９）と、
   　前記モータ・ジェネレータ（３）を包囲し且つ前記フライホイールハウジング（９）と内部空間を対向させて連結されたモータハウジング（１０）と、を備え、
   　前記フライホイール（５）の外周側には、前記弾性体カップリング（６）の外周を取り付ける環状部（１２）が形成され、
   　前記ロータ（７）の端部には、径外方向に突出するフランジ部（７ｂ）が形成され、
   　前記フランジ部（７ｂ）は、前記環状部（１２）に連結されている
   請求項１又は２に記載のパラレルハイブリッド動力伝達機構。
5. 　前記ロータ（７）の回転位相を検出する回転検出器（１４）を備えている請求項１～４のいずれか１項に記載のパラレルハイブリッド動力伝達機構。

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