(57)【要約】【課題】油圧アクチュエータを使用することなく、簡易な構成を有する回転電機及びそれを用いた変速機を提供する。【解決手段】トルク発生電流を流す励磁コイルが巻かれたステータ１０と、ステータ１０と対向して配置され、トルクを発生するロータ１２と、を備え、ロータ１２は、回転のみ可能でありトルクを発生するトルク発生回転体２０と、トルク発生回転体２０の回転に拘束された状態においてトルク発生回転体２０と共に回転可能であると共に、トルク発生回転体２０と相対回転ができる状態においてロータ１２の回転軸方向に並進移動が可能な移動回転体２２とを有し、移動回転体２２をトルク発生回転体２０の回転に拘束された状態又は相対回転できる状態にするアクチュエータ１４を備える回転電機及び変速機とする。【選択図】図１
2016100908.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トルク発生電流を流す励磁コイルが巻かれたステータと、
ステータと対向して配置され、トルクを発生するロータと、を備え、
前記ロータは、
回転のみ可能でありトルクを発生するトルク発生回転体と、
前記トルク発生回転体の回転に拘束された状態において前記トルク発生回転体と共に回転可能であると共に、前記トルク発生回転体と相対回転ができる状態において前記ロータの回転軸方向に並進移動が可能な移動回転体と、を有し、
前記移動回転体をトルク発生回転体の回転に拘束された状態又は相対回転できる状態にするアクチュエータを備えることを特徴とする回転電機。
【請求項２】
請求項１に記載の回転電機であって、
前記トルク発生回転体と前記移動回転体とは前記回転軸方向に設けられたネジ機構により結合され、前記トルク発生回転体と前記移動回転体との相対的な回転によって前記移動回転体が前記トルク発生回転体に対して前記回転軸方向に移動することを特徴とする回転電機。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の回転電機であって、
前記アクチュエータは、前記ステータに配置された電磁石によって前記回転軸方向に移動し、当該移動によって前記移動回転体をトルク発生回転体の回転に拘束された状態又は相対回転できる状態に切り替えることを特徴とする回転電機。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電機であって、
前記移動回転体が前記トルク発生回転体と相対回転できる状態において、前記トルク発生によって前記トルク発生回転体に対する前記移動回転体の前記回転軸方向への移動を制御することを特徴とする回転電機。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の回転電機を備え、
前記移動回転体は、第１歯車を有し、
前記第１歯車にかみ合う複数の中間歯車を備え、
前記複数の中間歯車は動力出力軸と繋がっており、前記複数の歯車は同期して回転することを特徴とする変速機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電機及びそれを備えた変速機に関する。
【背景技術】
【０００２】
オートマチックトランスミッション（ＡＴ）や無段変速機（ＣＶＴ）等の変速機では、その動力として油圧アクチュエータが必要とされる。このような変速機では、コンピュータからの指示等に基づいて、オイルポンプを駆動することによって油圧を調整してプラネタリギヤトレーンやプーリーを駆動させて変速を行う。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、従来のＡＴやＣＶＴでは、変速のために油圧アクチュエータを駆動させる必要があり、このような油圧アクチュエータは大きなエネルギーを消費してしまう問題があった。また、油圧アクチュエータの機構が複雑であり、装置を簡素化することができないという問題もあった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の１つの態様は、トルク発生電流を流す励磁コイルが巻かれたステータと、ステータと対向して配置され、トルクを発生するロータと、を備え、前記ロータは、回転のみ可能でありトルクを発生するトルク発生回転体と、前記トルク発生回転体の回転に拘束された状態において前記トルク発生回転体と共に回転可能であると共に、前記トルク発生回転体と相対回転ができる状態において前記ロータの回転軸方向に並進移動が可能な移動回転体と、を有し、前記移動回転体をトルク発生回転体の回転に拘束された状態又は相対回転できる状態にするアクチュエータを備えることを特徴とする回転電機である。
【０００５】
ここで、前記トルク発生回転体と前記移動回転体とは前記回転軸方向に設けられたネジ機構により結合され、前記トルク発生回転体と前記移動回転体との相対的な回転によって前記移動回転体が前記トルク発生回転体に対して前記回転軸方向に移動することが好適である。
【０００６】
また、前記アクチュエータは、前記ステータに配置された電磁石によって前記回転軸方向に移動し、当該移動によって前記移動回転体をトルク発生回転体の回転に拘束された状態又は相対回転できる状態に切り替えることが好適である。
【０００７】
また、前記移動回転体が前記トルク発生回転体と相対回転できる状態において、前記トルク発生によって前記トルク発生回転体に対する前記移動回転体の前記回転軸方向への移動を制御することが好適である。
【０００８】
また、上記の回転電機を備え、前記移動回転体は、第１歯車を有し、前記第１歯車にかみ合う複数の中間歯車を備え、前記複数の中間歯車は動力出力軸と繋がっており、前記複数の歯車は同期して回転することを特徴とする変速機を構成することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、油圧アクチュエータを使用することなく、簡易な構成を有する回転電機及びそれを用いた変速機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態における変速機の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態におけるアクチュエータの構成を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態におけるアクチュエータの作用を説明する図である。
【図４】本発明の実施の形態における変速機の作用を説明する図である。
【図５】本発明の実施の形態における移動回転体の並進移動を説明する図である。
【図６】本発明の変形例における変速機の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の実施の形態における変速機１００は、図１の断面構成図に示すように、回転電機１０２及び変速ギア１０４を含んで構成される。回転電機１０２によって発生された回転トルクが変速ギア１０４に伝達され、車輪や発電機等の外部の装置を回転させることができる。
【００１２】
回転電機１０２は、ステータ１０、ロータ１２、アクチュエータ１４及びケーシング１６を含んで構成される。ステータ１０、ロータ１２及びアクチュエータ１４は、回転を伝達する主軸の一部を除いてケーシング１６内に格納される。
【００１３】
ステータ１０は、ケーシング１６に固定される。ステータ１０は、円筒形状のステータコアと、トルク発生電流が流れる複数相（例えば３相）の励磁コイルと、を含んで構成される。ステータ１０には、径方向内側へ突出した複数のティースが回転軸の周方向に沿って互いに間隔をおいて配列され、各ティースの間のスロットに励磁コイルが巻回される。複数相の励磁コイルに位相差をもったトルク発生電流を流すことによってステータ１０から回転磁界が発生する。
【００１４】
ロータ１２は、ステータ１０と所定の空隙を空けて、ステータ１０に対向して配置される。すなわち、ロータ１２は、ステータ１０に対して回転軸を中心軸として回転可能に対向配置される。ロータ１２は、ステータ１０に供給されるトルク発生電流によって生じる回転磁界を受けて、回転軸を回転中心としてステータ１０に対して相対的に回転してトルクを発生する。
【００１５】
ロータ１２は、トルク発生回転体２０及び移動回転体２２を含んで構成される。トルク発生回転体２０は、円筒形状を有し、ケーシング１６に設けられたアンギュラベアリング３０ａ，３０ｂによって支持される。トルク発生回転体２０は、回転軸を回転中心とした回転のみが可能であり、回転軸方向に並進移動はできないように支持される。移動回転体２２は、軸形状を有し、トルク発生回転体２０の円筒内部を貫通するように配置される。移動回転体２２は、ケーシング１６に設けられたラジアルベアリング３２ａ，３２ｂによって支持される。ラジアルベアリング３２ａ，３２ｂは、回転方向のみ拘束し、スラスト方向に自由に動けるベアリングである。これによって、移動回転体２２は、回転軸を回転中心として回転可能であると共に、回転軸方向に並進移動が可能である。
【００１６】
移動回転体２２は、後述するアクチュエータ１４の機能によって、トルク発生回転体２０の回転と共に回転可能である状態と、トルク発生回転体２０と異なる回転速度で相対的に回転できる状態と、に切り替えることができる。
【００１７】
また、移動回転体２２には、軸方向の一部の領域にネジ山２２ａが形成されている。一方、トルク発生回転体２０には、移動回転体２２のネジ山２２ａと組み合わさるように円筒内面の一部の領域にネジ溝２０ａが形成されている。移動回転体２２がトルク発生回転体２０と異なる回転速度で相対的に回転している状態にあるときに、当該ネジ機構によって移動回転体２２はトルク発生回転体２０に対して回転軸方向に移動する。移動回転体２２の移動方向は、移動回転体２２がトルク発生回転体２０に対して遅く回転しているときと、移動回転体２２がトルク発生回転体２０に対して速く回転しているときとで逆方向となる。
【００１８】
アクチュエータ１４は、トルク発生回転体２０と移動回転体２２とを結合状態（拘束状態）又は非結合状態（非拘束状態）にするために設けられる機構である。アクチュエータ１４によってトルク発生回転体２０と移動回転体２２とが結合状態になっているときは、移動回転体２２はトルク発生回転体２０の回転と共に回転可能である状態となる。一方、アクチュエータ１４によってトルク発生回転体２０と移動回転体２２とが非結合状態になっているときは、移動回転体２２はトルク発生回転体２０と異なる回転速度で相対的に回転できる状態となる。
【００１９】
アクチュエータ１４は、例えば、ドグクラッチ機構とすることができる。アクチュエータ１４は、移動回転体２２を貫通させる孔を有する円盤状部材とし、移動回転体２２と共に回転するが、回転軸方向に沿って移動回転体２２に対して相対的に移動できる構造とする。例えば、図２の断面図に示すように、移動回転体２２の軸周に軸方向に沿って山２２ｂを設け、アクチュエータ１４の孔１４ａに山２２ｂに嵌め合わされる溝１４ｂを設けることにより、移動回転体２２と共に回転するが回転軸方向に沿って移動回転体２２に対して相対的に移動できる構造とすることができる。
【００２０】
また、変速機１００には、アクチュエータ１４を回転軸方向に沿って移動させるための機構が設けられる。本実施の形態では、ケーシング１６に電磁石３４を設け、アクチュエータ１４には電磁石３４に対向する位置に磁石３６を設ける。電磁石３４に電流を流して磁化させることによって、電磁石３４と磁石３６との間に斥力又は引力を発生させてアクチュエータ１４を移動回転体２２に対して回転軸方向に移動させることができる。そして、図３（ａ）に示すように、アクチュエータ１４をトルク発生回転体２０側へ移動させることで、アクチュエータ１４のドグクラッチ機構によりトルク発生回転体２０と移動回転体２２とを結合状態とすることができる。一方、図３（ｂ）に示すように、アクチュエータ１４をケーシング１６側へ移動させることで、トルク発生回転体２０と移動回転体２２とを非結合状態とすることができる。
【００２１】
変速ギア１０４は、移動回転体２２に設けられた歯車２２ｃにかみ合う複数の中間歯車４０，４２及び中間歯車４０，４２の両方にかみ合う動力出力軸歯車４４ａを有する動力出力軸４４と含んで構成される。すなわち、複数の中間歯車４０，４２は動力出力軸４４と繋がっており、複数の中間歯車４０，４２は同期して回転する。なお、変速ギア１０４に含まれる中間歯車は３つ以上であってもよい。
【００２２】
また、中間歯車４０と中間歯車４２は互いに異なるギア比を有する。したがって、移動回転体２２が同じ回転速度で回転している場合に歯車２２ｃが中間歯車４０と結合しているときと中間歯車４２と結合しているときで動力出力軸４４の回転速度は異なる。ここで、歯車２２ｃは、移動回転体２２がケーシング１６から変速ギア１０４側に突出した状態において中間歯車４０とかみ合い、移動回転体２２がケーシング１６側に引っ込んでいる状態において中間歯車４２とかみ合う。
【００２３】
以下、変速機１００により変速機構について説明する。初期状態は、図４（ａ）に示すように、歯車２２ｃと中間歯車４２とが結合され、かつアクチュエータ１４によってトルク発生回転体２０と移動回転体２２とが結合された状態であるとする。この状態では、ステータ１０によって発生した回転磁界に伴ってトルク発生回転体２０が回転軸を中心に回転し、トルク発生回転体２０に生じた回転トルクがアクチュエータ１４を介して移動回転体２２に伝達される。そして、移動回転体２２と共に回転する歯車２２ｃに結合した中間歯車４２を介して動力出力軸４４に動力が与えられる。
【００２４】
この状態から、図４（ｂ）に示すように、電磁石３４の極性を反転させることによってアクチュエータ１４によるトルク発生回転体２０と移動回転体２２との結合を解放する。これによって、トルク発生回転体２０にはステータ１０によって発生した回転磁界に伴う回転力が与え続けられるが、移動回転体２２は慣性力による回転のみとなり、時間経過と共にトルク発生回転体２０と移動回転体２２との間に回転速度の差が生ずる。この回転速度の差によって、図４（ｃ）に示すように、トルク発生回転体２０と移動回転体２２のネジ機構によって移動回転体２２がトルク発生回転体２０に対して回転軸方向に移動する。
【００２５】
そして、最終的には、図４（ｄ）に示すように、歯車２２ｃと中間歯車４０とが結合した状態となる。この状態において、図４（ｅ）に示すように、電磁石３４の極性を反転させることで、アクチュエータ１４によってトルク発生回転体２０と移動回転体２２とが再び結合された状態とする。この状態では、ステータ１０によって発生した回転磁界に伴ってトルク発生回転体２０が回転軸を中心に回転し、トルク発生回転体２０に生じた回転トルクがアクチュエータ１４を介して移動回転体２２に伝達される。そして、移動回転体２２と共に回転する歯車２２ｃに結合した中間歯車４０を介して動力出力軸４４に動力が与えられる。
【００２６】
なお、歯車２２ｃを中間歯車４２から中間歯車４０へ移動させる場合について説明したが、中間歯車４０から中間歯車４２へ移動させる場合も同様である。この場合、トルク発生回転体２０と移動回転体２２との結合を解放した状態において、ステータ１０によってトルク発生回転体２０の回転を移動回転体２２の速度低下より速く低下させる力（トルク）を与えることによってネジ機構を逆方向に作用させ、移動回転体２２を回転軸に沿って反対方向に移動させればよい。
【００２７】
ここで、図５に示すように、ネジの有効半径ｒ、リード（回転軸方向に進む距離）Ｌ、リード角β、軸から力点までの距離（半径）Ｒ、力点に加わるトルクＴ、摩擦角（静止摩擦係数相当μ＝ｔａｎφ）φ、回転軸方向力Ｑ、ネジ有効半径上での回転力Ｐとすると、以下の関係式が成り立つ。
［数１］
Ｌ＝２πｒ・ｔａｎβ  ・・・（１）
ＴＲ＝Ｐｒ  ・・・（２）
Ｐ＝Ｑ・ｔａｎ（β＋φ）  ・・・（３）
【００２８】
数式（１）〜（３）より数式（４）が成立する。
［数２］
Ｑ＝Ｔ（Ｒ／ｒ）／ｔａｎ（β＋φ）  ・・・（４）
【００２９】
したがって、摩擦角φやリード角βを小さく、トルクＴの発生面を外側にもってくればより大きな回転軸方向力Ｑを得ることができる。ただし、リード角βは、リードＬにも影響するので設計的に最良な点を選ぶことが好適である。
【００３０】
また、シャフトの回転時方向変位ｘ、ネジ部以外の抗力（摩擦等）ｆ、シャフトの軸方向慣性ｍとすると、移動回転体２２の軸方向の運動方程式は数式（５）で表わされる。
【数３】
2016100908.tif 000003
【００３１】
したがって、数式（４）と数式（５）とから数式（６）が得られる。なお、トルクＴはロータ１２に加わるトルク、軸から力点までの距離Ｒはロータ１２の外径に相当する。
【数４】
2016100908.tif 000004
【００３２】
＜変形例＞
上記実施の形態では、変速ギア１０４は複数の平歯車（歯車２２ｃ、中間歯車４０，４２、動力出力軸歯車４４ａ）を組み合わせた構成としたが、これに限定されるものではない。
【００３３】
例えば、図６に示すように、複数のハイポイドギアを組み合わせた変速機２００としてもよい。すなわち、移動回転体２２の移動によって、移動回転体２２に設けられた歯車２２ｄが内側の歯車４６又は外側の歯車４８に排他的に結合する構成としてもよい。
【００３４】
以上のように、本実施の形態及び変形例によれば、油圧アクチュエータを使用することなく、簡易な構成を有する回転電機及びそれを用いた変速機を提供することができる。
【符号の説明】
【００３５】
１０  ステータ、１２  ロータ、１４  アクチュエータ、１４ａ  孔、１４ｂ  溝、１６  ケーシング、２０  トルク発生回転体、２０ａ  ネジ溝、２２  移動回転体、２２ａ  ネジ山、２２ｂ  山、２２ｃ  歯車、２２ｄ  歯車、３０ａ，３０ｂ  アンギュラベアリング、３２ａ，３２ｂ  ラジアルベアリング、３４  電磁石、３６  磁石、４０，４２  中間歯車、４４  動力出力軸、４４ａ  動力出力軸歯車、４６，４８  歯車、１００，２００  変速機、１０２  回転電機、１０４  変速ギア。
【図１】
2016100908.tif 000005
【図２】
2016100908.tif 000006
【図３】
2016100908.tif 000007
【図４】
2016100908.tif 000008
【図５】
2016100908.tif 000009
【図６】
2016100908.tif 000010