JP2009274536A - Power transmission device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、動力伝達装置に関し、特に、原動機からの動力を回転子同士の電磁気結合を利用して負荷へ伝達することで負荷を駆動することが可能であり、さらに、固定子導体への電力供給によっても負荷を駆動することが可能な動力伝達装置に関する。 The present invention relates to a power transmission device, and in particular, it is possible to drive a load by transmitting power from a prime mover to a load using electromagnetic coupling between rotors, and further to power to a stator conductor. The present invention relates to a power transmission device capable of driving a load by supply.
この種の動力伝達装置の関連技術が下記特許文献1に開示されている。特許文献1による動力伝達装置は、磁石が配設され駆動輪に機械的に連結された第1ロータと、第1ロータの磁石と電磁気的に結合する巻線が配設されエンジン(原動機)に機械的に連結された第2ロータと、第1ロータの磁石と電磁気的に結合する巻線が配設されたステータと、第2ロータの巻線に電気的に接続された巻線が配設され第2ロータに機械的に連結されたトランスロータと、トランスロータの巻線と電磁気的に結合する巻線が配設されたトランスステータと、を備える。特許文献1においては、第2ロータに伝達されたエンジンからの動力は、第2ロータの巻線と第1ロータの磁石との電磁気結合によって第1ロータに伝達されるため、エンジンの動力により駆動輪を駆動することができる。さらに、バッテリーからインバータを介してトランスステータの巻線に供給された電力を、トランスステータの巻線とトランスロータの巻線との電磁気結合によってトランスロータの巻線及び第2ロータの巻線に供給することができるため、トランスステータの巻線への電力供給を制御することで、駆動輪の回転速度を制御することができる。また、ステータの巻線と第1ロータの磁石との電磁気結合によって、バッテリーからインバータを介してステータの巻線に供給された電力を用いて第1ロータに動力を発生させて駆動輪を駆動することができるため、ステータの巻線への電力供給を制御することで、駆動輪に伝達されるトルクを制御することができる。 The related art of this type of power transmission device is disclosed in Patent Document 1 below. The power transmission device according to Patent Document 1 includes a first rotor in which a magnet is disposed and mechanically coupled to a drive wheel, and a winding that is electromagnetically coupled to the magnet of the first rotor, and is disposed in an engine (prime mover). A mechanically coupled second rotor, a stator having a winding electromagnetically coupled to the magnet of the first rotor, and a winding electrically connected to the winding of the second rotor And a transformer rotor mechanically coupled to the second rotor, and a transformer stator in which windings electromagnetically coupled to the windings of the transformer rotor are disposed. In Patent Document 1, the power from the engine transmitted to the second rotor is transmitted to the first rotor by electromagnetic coupling between the winding of the second rotor and the magnet of the first rotor. The wheel can be driven. Further, the electric power supplied from the battery to the winding of the transformer stator via the inverter is supplied to the winding of the transformer rotor and the winding of the second rotor by electromagnetic coupling between the winding of the transformer stator and the winding of the transformer rotor. Therefore, the rotational speed of the drive wheels can be controlled by controlling the power supply to the windings of the transformer stator. In addition, electromagnetic coupling between the stator winding and the first rotor magnet causes the first rotor to generate power using the electric power supplied from the battery to the stator winding via the inverter to drive the drive wheels. Therefore, the torque transmitted to the drive wheels can be controlled by controlling the power supply to the stator windings.
特許文献1において、エンジンの動力を用いて駆動輪を駆動する場合は、エンジンの運転状態(回転速度及びトルク)を制御できることが望ましい。例えば、エンジンの熱効率が高くなるようにエンジンの運転状態を制御することで、エンジンの熱効率が高い状態を維持しながら駆動輪を駆動することが可能となる。また、動力伝達装置の動力伝達効率が高くなるようにエンジンの運転状態を制御することで、動力伝達装置の動力伝達効率が高い状態を維持しながら駆動輪を駆動することが可能となる。しかし、特許文献1においては、エンジンの運転状態(回転速度及びトルク)を制御するために、バッテリーからインバータを介してトランスステータの巻線に供給される電力を制御することで、第2ロータの巻線に供給される電力を制御している。そのため、バッテリーとトランスステータの巻線との間には、バッテリーからの直流電力を交流に変換してトランスステータの巻線(第2ロータの巻線)へ供給する電力変換と、トランスステータの巻線の交流電力を直流に変換してバッテリーへ回収する電力変換との双方向の電力変換を行うためのインバータが必要になる。その結果、バッテリーとステータの巻線との間で双方向の電力変換を行うためのインバータだけでなく、バッテリーとトランスステータの巻線との間で双方向の電力変換を行うためのインバータも別途必要となり、2つのインバータが必要となることで構成の複雑化及び高コスト化を招くことになる。 In Patent Document 1, when driving wheels are driven using engine power, it is desirable to be able to control the operating state (rotational speed and torque) of the engine. For example, by controlling the operating state of the engine so that the thermal efficiency of the engine becomes high, it becomes possible to drive the drive wheels while maintaining the high thermal efficiency of the engine. In addition, by controlling the operating state of the engine so that the power transmission efficiency of the power transmission device is increased, it is possible to drive the drive wheels while maintaining a state where the power transmission efficiency of the power transmission device is high. However, in Patent Document 1, in order to control the operation state (rotational speed and torque) of the engine, the electric power supplied from the battery to the windings of the transformer stator via the inverter is controlled, so that the second rotor The power supplied to the winding is controlled. Therefore, between the battery and the winding of the transformer stator, power conversion for converting DC power from the battery into AC and supplying it to the winding of the transformer stator (winding of the second rotor), and winding of the transformer stator An inverter for performing bidirectional power conversion with power conversion for converting the AC power of the line into DC and collecting it into the battery is required. As a result, not only an inverter for performing bidirectional power conversion between the battery and the stator winding, but also an inverter for performing bidirectional power conversion between the battery and the transformer stator winding. Necessary and two inverters are required, resulting in a complicated configuration and high cost.
本発明は、原動機からの動力を回転子同士の電磁気結合を利用して負荷へ伝達することで負荷を駆動することが可能であるとともに、固定子導体への電力供給によっても負荷を駆動することが可能な動力伝達装置において、構成の複雑化及び高コスト化を招くことなく、原動機の運転状態を制御しながら負荷の駆動を可能にすることを目的とする。 The present invention can drive the load by transmitting the power from the prime mover to the load using electromagnetic coupling between the rotors, and can also drive the load by supplying power to the stator conductor. An object of the present invention is to make it possible to drive a load while controlling the operating state of a prime mover without complicating the configuration and increasing the cost.
本発明に係る動力伝達装置は、上述した目的を達成するために以下の手段を採った。 The power transmission device according to the present invention employs the following means in order to achieve the above-described object.
本発明に係る動力伝達装置は、回転磁界を発生可能な回転子導体が配設された第1回転子と、回転磁界を発生可能な固定子導体が配設された固定子と、第1回転子に対し相対回転可能な第2回転子であって、回転子導体で発生した回転磁界が作用するのに応じて第1回転子との間にトルクが作用し、固定子導体で発生した回転磁界が作用するのに応じて固定子との間にトルクが作用する第2回転子と、を備え、回転子導体は、第1回転子と第2回転子との間に回転差が発生するのに起因して誘導電流が流れることで回転磁界を発生し、第1回転子と第2回転子との一方に原動機からの動力が伝達されるとともに、第1回転子と第2回転子との他方から負荷へ動力が伝達される動力伝達装置であって、回転子導体の交流電力を取り出すための電力伝達部と、電力伝達部で取り出された交流電力を電力変換して固定子導体へ供給することが可能な電力変換部と、原動機のトルクに基づいて原動機の回転速度を目標回転速度に略一致させるように電力変換部における電力変換を制御する制御装置と、を備えることを要旨とする。 The power transmission device according to the present invention includes a first rotor provided with a rotor conductor capable of generating a rotating magnetic field, a stator provided with a stator conductor capable of generating a rotating magnetic field, and a first rotation. A second rotor that can rotate relative to the rotor, wherein torque is generated between the first rotor and the stator conductor in response to a rotating magnetic field generated by the rotor conductor. A second rotor in which torque acts between the stator and the rotor in response to the magnetic field acting, and the rotor conductor generates a rotational difference between the first rotor and the second rotor. A rotating magnetic field is generated when an induced current flows due to the above, and power from the prime mover is transmitted to one of the first rotor and the second rotor, and the first rotor and the second rotor A power transmission device for transmitting power to the load from the other side of the power source for extracting AC power of the rotor conductor. The transmission unit, the power conversion unit that can convert the AC power extracted by the power transmission unit and supply it to the stator conductor, and the rotational speed of the prime mover substantially coincides with the target rotational speed based on the torque of the prime mover And a control device that controls power conversion in the power conversion unit.
本発明の一態様では、電力変換部は、電力伝達部で取り出された交流電力を整流する整流器と、整流器で整流された電力を電圧変換して出力するDC−DCコンバータと、を含み、DC−DCコンバータで電圧変換された電力がインバータで交流に変換されて固定子導体へ供給可能であり、制御装置は、原動機のトルクに基づいて原動機の回転速度を目標回転速度に略一致させるようにDC−DCコンバータにおける電圧変換比を制御することが好適である。 In one aspect of the present invention, the power conversion unit includes a rectifier that rectifies the AC power extracted by the power transmission unit, and a DC-DC converter that converts the voltage rectified by the rectifier and outputs the voltage. -The power converted into voltage by the DC converter can be converted into alternating current by the inverter and supplied to the stator conductor, and the controller can make the rotational speed of the prime mover substantially coincide with the target rotational speed based on the torque of the prime mover. It is preferable to control the voltage conversion ratio in the DC-DC converter.
本発明の一態様では、制御装置は、原動機のトルクに対して、原動機の効率が所定の高効率となる原動機の目標回転速度を演算することが好適である。 In one aspect of the present invention, it is preferable that the control device calculates a target rotational speed of the prime mover at which the efficiency of the prime mover becomes a predetermined high efficiency with respect to the torque of the prime mover.
本発明の一態様では、制御装置は、原動機のトルクと前記第1回転子と第2回転子との他方の回転速度とに対して、前記第1回転子と第2回転子との一方から他方への動力伝達効率が所定値以上となる原動機の目標回転速度を演算することが好適である。 In one aspect of the present invention, the control device is configured to start from one of the first rotor and the second rotor with respect to the torque of the prime mover and the rotation speed of the other of the first rotor and the second rotor. It is preferable to calculate a target rotational speed of the prime mover at which the power transmission efficiency to the other is a predetermined value or more.
本発明の一態様では、制御装置は、原動機のトルクと前記第1回転子と第2回転子との他方の回転速度とに対して、原動機の効率と前記第1回転子と第2回転子との一方から他方への動力伝達効率との積が略最大となる原動機の目標回転速度を演算することが好適である。 In one aspect of the present invention, the control device is configured such that the efficiency of the prime mover, the first rotor, and the second rotor with respect to the torque of the prime mover and the rotational speed of the other of the first rotor and the second rotor. It is preferable to calculate the target rotational speed of the prime mover that maximizes the product of the power transmission efficiency from one to the other.
本発明の一態様では、第1回転子と第2回転子との他方からの動力を変速して負荷へ伝達する変速機をさらに備えることが好適である。 In one aspect of the present invention, it is preferable to further include a transmission that shifts power from the other of the first rotor and the second rotor and transmits the power to the load.
本発明の一態様では、電力伝達部は、整流器に接続されたブラシと、第1回転子の回転子導体に接続され、ブラシに対し摺動しながら第1回転子とともに回転するスリップリングと、を含むことが好適である。 In one aspect of the present invention, the power transmission unit includes a brush connected to the rectifier, a slip ring connected to the rotor conductor of the first rotor, and rotating with the first rotor while sliding with respect to the brush; Is preferably included.
本発明によれば、原動機のトルクに基づいて原動機の回転速度を目標回転速度に略一致させるように電力変換部における電力変換を制御することで、電力伝達部を介して第1回転子の回転子導体へ電力供給することなく原動機の回転速度を制御することができる。その結果、第1回転子の回転子導体に対して双方向の電力変換を行うためのインバータが不要となり、動力伝達装置の構成の複雑化及び高コスト化を招くことなく、原動機の運転状態を制御しながら負荷の駆動が可能となる。 According to the present invention, the rotation of the first rotor via the power transmission unit is controlled by controlling the power conversion in the power conversion unit so that the rotation speed of the prime mover substantially matches the target rotation speed based on the torque of the prime mover. The rotational speed of the prime mover can be controlled without supplying power to the child conductor. As a result, an inverter for performing bidirectional power conversion on the rotor conductor of the first rotor becomes unnecessary, and the operating state of the prime mover can be changed without complicating the configuration of the power transmission device and increasing the cost. The load can be driven while being controlled.
以下、本発明を実施するための形態(以下実施形態という)を図面に従って説明する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention (hereinafter referred to as embodiments) will be described with reference to the drawings.
図1〜3は、本発明の実施形態に係る動力伝達装置を備えるハイブリッド駆動装置の構成の概略を示す図であり、図1は全体構成の概略を示し、図2,3は回転電機10の構成の概略を示す。本実施形態に係るハイブリッド駆動装置は、動力(機械的動力)を発生可能な原動機として設けられたエンジン(内燃機関)36と、エンジン36と車輪38との間に設けられた変速機44と、エンジン36と変速機44との間に設けられた回転電機10と、を備える。なお、本実施形態に係るハイブリッド駆動装置については、例えば車両を駆動するための動力出力装置として用いることができる。
1-3 is a figure which shows the outline of a structure of the hybrid drive device provided with the power transmission device which concerns on embodiment of this invention, FIG. 1 shows the outline of the whole structure, FIG. The outline of a structure is shown. The hybrid drive device according to the present embodiment includes an engine (internal combustion engine) 36 provided as a prime mover capable of generating power (mechanical power), a
回転電機10は、図示しないケーシングに固定されたステータ16と、ステータ16の径方向内側に配置されステータ16に対し相対回転可能な第1ロータ28と、ステータ16と第1ロータ28との間に配置されステータ16及び第1ロータ28に対し相対回転可能な第2ロータ18と、を有する。第1ロータ28は回転電機10の入力軸34と機械的に連結され、入力軸34はエンジン36と機械的に連結されていることで、第1ロータ28にはエンジン36からの動力が伝達される。一方、第2ロータ18は回転電機10の出力軸24と機械的に連結されており、出力軸24は変速機44を介して車輪38に機械的に連結されていることで、車輪38には第2ロータ18からの動力が変速機44で変速されてから伝達される。なお、以下の説明では、第1ロータ28を入力側ロータとし、第2ロータ18を出力側ロータとする。
The rotating
ステータ16は、ステータコア(固定子鉄心)51と、ステータコア51にその周方向に沿って配設された複数相(例えば3相)のステータ巻線(固定子導体)20と、を含む。複数相のステータ巻線20に複数相(例えば3相)の交流電流が流れることで、ステータ巻線20は、ステータ周方向に回転する回転磁界を発生することができる。
The
入力側ロータ28は、ロータコア(第1回転子鉄心)52と、ロータコア52にその周方向に沿って配設された複数相(例えば3相)のロータ巻線(回転子導体)30と、を含む。複数相のロータ巻線30に複数相(例えば3相)の交流電流が流れることで、ロータ巻線30は、ロータ周方向に回転する回転磁界を発生することができる。
The input-
出力側ロータ18は、ロータコア(第2回転子鉄心)53と、ロータコア53にその周方向に沿って配設され界磁束を発生する永久磁石32,33と、を含む。永久磁石32は、ロータコア53の外周部にステータ16(ステータコア51)と対向して配設されており、永久磁石33は、ロータコア53の内周部に入力側ロータ28(ロータコア52)と対向して配設されている。ここでは、永久磁石32,33を一体化することも可能である。
The output-
入力側ロータ28、出力側ロータ18、及びステータ16のより詳細な構成例を図4に示す。図4に示す例では、入力側ロータ28、出力側ロータ18、及びステータ16が同心円状に配置されている。ステータ16のステータコア51には、径方向内側へ(出力側ロータ18へ向けて)突出した複数のティース51aがステータ周方向に沿って間隔をおいて配列されており、各ステータ巻線20がこれらのティース51aに巻回されていることで、磁極が構成される。入力側ロータ28のロータコア52には、径方向外側へ(出力側ロータ18へ向けて)突出した複数のティース52aがロータ周方向に沿って間隔をおいて配列されており、各ロータ巻線30がこれらのティース52aに巻回されていることで、磁極が構成される。ステータ16のティース51aと出力側ロータ18の永久磁石32とが出力側ロータ18の回転中心軸(入力側ロータ28の回転中心軸と一致する)に直交する径方向に対向配置されており、入力側ロータ28のティース52aと出力側ロータ18の永久磁石33とがこの径方向に対向配置されている。ステータ巻線20の巻回軸及びロータ巻線30の巻回軸は、この径方向(入力側ロータ28と出力側ロータ18が対向する方向)に一致している。永久磁石32,33はロータ周方向に間隔をおいて配列されており、さらに、永久磁石32はロータコア53内にV字状に埋設されている。ただし、永久磁石32,33については、出力側ロータ18の表面(外周面または内周面)に露出していてもよいし、出力側ロータ18内(ロータコア53内)に埋設されていてもよい。
A more detailed configuration example of the
クラッチ48は、その係合/解放により、入力軸34(入力側ロータ28)と出力軸24(出力側ロータ18)との機械的係合及びその解除を選択的に行うことが可能である。クラッチ48を係合させて、入力側ロータ28と出力側ロータ18とを機械的に係合させることで、入力側ロータ28と出力側ロータ18とが一体となって等しい回転速度で回転する。一方、クラッチ48を解放して、入力側ロータ28と出力側ロータ18との機械的係合を解除することで、入力側ロータ28と出力側ロータ18との回転速度差が許容される。ここでのクラッチ48は、例えば油圧や電磁力を利用してその係合/解放を切り替えることが可能であり、さらに、クラッチ48に供給する油圧力や電磁力を調整することで、クラッチ48の締結力を調整することもできる。
The clutch 48 can selectively perform mechanical engagement between the input shaft 34 (input-side rotor 28) and the output shaft 24 (output-side rotor 18) and release thereof by engagement / release. By engaging the clutch 48 and mechanically engaging the input-
直流電源として設けられた充放電可能な蓄電装置42は、例えば二次電池により構成することができ、電気エネルギーを蓄える。インバータ40は、スイッチング素子(図示せず)を備えており、スイッチング素子のスイッチング動作により蓄電装置42からの直流電力を交流(例えば3相交流)に変換して、ステータ巻線20の各相に供給することが可能である。
The chargeable / dischargeable
スリップリング95は、入力側ロータ28と機械的に連結されており、ロータ巻線30の各相及びブラシ96とそれぞれ電気的に接続されている。スリップリング95は、回転が固定されたブラシ96に対し摺動しながら(ブラシ96との電気的接続を維持しながら)、入力側ロータ28とともに回転する。ブラシ96は、整流器93と電気的に接続されており、ブラシ96からの電力は整流器93へ供給される。このスリップリング95及びブラシ96により、入力側ロータ28のロータ巻線30の電力(交流電力)を取り出すための電力伝達部を構成することができ、取り出された交流電力は整流器93へ供給される。
The
整流器93は、スリップリング95及びブラシ96により取り出されたロータ巻線30からの交流電力を整流して直流に変換する。昇圧コンバータ(DC−DCコンバータ)94は、スイッチング素子を備えており、スイッチング素子のスイッチング動作により整流器93で整流された直流電力を昇圧(電圧変換)して出力する。昇圧コンバータ94で昇圧(電圧変換)された直流電力は、インバータ40で交流に変換されてからステータ巻線20の各相へ供給可能である。つまり、インバータ40は、昇圧コンバータ94で昇圧された直流電力と蓄電装置42からの直流電力とのいずれか(少なくとも一方)を交流に変換してステータ巻線20の各相へ供給することが可能である。また、昇圧コンバータ94で昇圧された直流電力を蓄電装置42に回収することも可能である。このように、整流器93及び昇圧コンバータ94を含んで、スリップリング95及びブラシ96により取り出された交流電力を電力変換してステータ巻線20の各相へ供給することが可能な電力変換部を構成することができる。ここでの整流器93は、スリップリング95側から昇圧コンバータ94側への一方向のみの電力変換を行い、昇圧コンバータ94は、整流器93側から蓄電装置42側(あるいはインバータ40側)への一方向のみの電力変換を行う。そのため、整流器93及び昇圧コンバータ94を含む電力変換部は、スリップリング95側から蓄電装置42側(あるいはインバータ40側)への一方向のみの電力変換を行う。
The
電子制御ユニット50は、インバータ40のスイッチング素子のスイッチング動作を制御することで、ステータ巻線20の各相に流れる交流電流を制御する。そして、電子制御ユニット50は、昇圧コンバータ94内のスイッチング素子をスイッチング動作するときのデューティ比を制御することで、昇圧コンバータ94での昇圧比(電圧変換比)を制御する。さらに、電子制御ユニット50は、エンジン36の運転状態の制御、及び変速機44の変速比の制御も行う。さらに、電子制御ユニット50は、クラッチ48の係合/解放を切り替えることで、入力側ロータ28と出力側ロータ18との機械的係合/その解除を切り替える制御も行う。
The
インバータ40のスイッチング動作により複数相のステータ巻線20に複数相(例えば3相)の交流電流が流れることで、ステータ巻線20は、ステータ周方向に回転する回転磁界を発生する。そして、ステータ巻線20で発生した回転磁界と永久磁石32で発生した界磁束との電磁気相互作用(吸引及び反発作用)により、出力側ロータ18にトルク(磁石トルク)を作用させることができ、出力側ロータ18を回転駆動することができる。つまり、蓄電装置42からステータ巻線20に供給された電力を出力側ロータ18の動力(機械的動力)に変換することができる。さらに、インバータ40は、ステータ巻線20の各相に流れる交流電流を直流に変換して、電気エネルギーを蓄電装置42に回収する方向の変換も可能である。その場合は、出力側ロータ18の動力がステータ巻線20の電力に変換されて蓄電装置42に回収される。このように、ステータ16のステータ巻線20と出力側ロータ18の永久磁石32とが電磁気的に結合されていることで、ステータ巻線20で発生する回転磁界を出力側ロータ18に作用させて、ステータ16と出力側ロータ18との間にトルク(磁石トルク)を作用させることができる。さらに、例えば図4に示すように、永久磁石32間に突極部として磁性体(強磁性体)がステータ16(ティース51a)と対向して配置されている例や、永久磁石32が出力側ロータ18内(ロータコア53内)に埋設されている例では、ステータ16の発生する回転磁界が出力側ロータ18に作用するのに応じて、磁石トルクに加えてリラクタンストルクもステータ16と出力側ロータ18との間に作用する。そして、インバータ40は双方向の電力変換が可能であり、蓄電装置42はステータ巻線20に対して電力の送受が可能である。
When a plurality of phases (for example, three phases) of alternating current flows through the plurality of
また、入力側ロータ28が出力側ロータ18に対し相対回転して入力側ロータ28(ロータ巻線30)と出力側ロータ18(永久磁石33)との間に回転差が生じるのに伴ってロータ巻線30に誘導起電力が発生し、この誘導起電力に起因してロータ巻線30に誘導電流が流れることで回転磁界が生じる。そして、ロータ巻線30の誘導電流により生じる回転磁界と永久磁石33の界磁束との電磁気相互作用によっても、出力側ロータ18にトルクを作用させることができ、出力側ロータ18を回転駆動することができる。このように、入力側ロータ28のロータ巻線30と出力側ロータ18の永久磁石33とが電磁気的に結合されていることで、ロータ巻線30で発生する回転磁界が出力側ロータ18に作用するのに応じて、入力側ロータ28と出力側ロータ18との間にトルク(磁石トルク)が作用する。そのため、入力側ロータ28と出力側ロータ18との間で動力(機械的動力)を伝達することができ、電磁カップリング機能を実現することができる。さらに、永久磁石33間に突極部として磁性体(強磁性体)が入力側ロータ28(ティース52a)と対向して配置されている例や、永久磁石33が出力側ロータ18内(ロータコア53内)に埋設されている例では、入力側ロータ28の発生する回転磁界が出力側ロータ18に作用するのに応じて、磁石トルクに加えてリラクタンストルクも入力側ロータ28と出力側ロータ18との間に作用する。
Further, as the
ロータ巻線30の誘導電流により入力側ロータ28と出力側ロータ18との間にトルクを発生させる際には、電子制御ユニット50は、昇圧コンバータ94の出力電圧が蓄電装置42の電圧よりも高くなるように昇圧コンバータ94での昇圧比を制御する。これによって、昇圧コンバータ94から蓄電装置42とインバータ40間の配線へ電流が流れ、ロータ巻線30に誘導電流が流れるため、入力側ロータ28と出力側ロータ18との間にトルクが作用する。一方、電子制御ユニット50は、インバータ40のスイッチング動作を行わない状態で昇圧コンバータ94の出力電圧が蓄電装置42の電圧よりも低くなるように昇圧コンバータ94での昇圧比を制御することで、入力側ロータ28と出力側ロータ18との間に回転差が生じてもロータ巻線30に誘導電流が流れなくなり、入力側ロータ28と出力側ロータ18との間にトルクは作用しなくなる。また、昇圧コンバータ94内のスイッチング素子をオフ状態に維持して昇圧コンバータ94による昇圧(電圧変換)を停止させることによっても、ロータ巻線30に誘導電流が流れなくなり、入力側ロータ28と出力側ロータ18との間にトルクは作用しなくなる。
When the torque is generated between the
次に、本実施形態に係るハイブリッド駆動装置の動作、特に、エンジン36の動力を用いて車輪38を回転駆動する場合の動作について説明する。
Next, the operation of the hybrid drive device according to the present embodiment, particularly the operation when the
エンジン36が動力を発生している場合は、エンジン36の動力が入力側ロータ28に伝達され、入力側ロータ28が回転駆動する。入力側ロータ28の回転速度が出力側ロータ18の回転速度より高くなると、ロータ巻線30に誘導起電力が発生する。電子制御ユニット50は、昇圧コンバータ94の出力電圧が蓄電装置42の電圧よりも高くなるように昇圧コンバータ94での昇圧比を制御することで、ロータ巻線30に誘導電流が流れ、この誘導電流と永久磁石33の界磁束との電磁気相互作用により出力側ロータ18にトルクが作用して出力側ロータ18が回転駆動する。このように、入力側ロータ28に伝達されたエンジン36からの動力は、入力側ロータ28のロータ巻線30と出力側ロータ18の永久磁石33との電磁気結合によって、出力側ロータ18へ伝達される。出力側ロータ18に伝達された動力は、変速機44で変速されてから車輪38へ伝達されることで、車両の駆動等、負荷の駆動に用いられる。したがって、エンジン36の動力を用いて車輪38を回転駆動することができる。さらに、入力側ロータ28と出力側ロータ18との回転差を許容することができるため、車輪38の回転が停止してもエンジン36がストールすることはない。
When the
さらに、ロータ巻線30に発生した交流電力は、スリップリング95及びブラシ96を介して取り出される。取り出された交流電力は整流器93で直流に整流され、整流された直流電力は昇圧コンバータ94で昇圧される。そして、昇圧コンバータ94からの直流電力がインバータ40で交流に変換されてからステータ巻線20に供給されることで、ステータ16に回転磁界が形成される。このステータ16の回転磁界と出力側ロータ18の永久磁石32の界磁束との電磁気相互作用によっても、出力側ロータ18にトルクが作用する。これによって、出力側ロータ18のトルクを増幅させるトルク増幅機能を実現することができる。また、昇圧コンバータ94からの直流電力を蓄電装置42に回収することも可能である。
Further, AC power generated in the rotor winding 30 is taken out via the
さらに、蓄電装置42からステータ巻線20へ電力供給するようにインバータ40のスイッチング動作を制御することで、エンジン36の動力を用いて車輪38を回転駆動するとともに、ステータ巻線20への供給電力を用いて発生させた出力側ロータ18の動力により車輪38の回転駆動をアシストすることができる。また、負荷の減速運転時には、電子制御ユニット50は、ステータ巻線20から蓄電装置42へ電力回収するようにインバータ40のスイッチング動作を制御することで、負荷の動力をステータ巻線20と永久磁石32との電磁気結合によってステータ巻線20の電力に変換して蓄電装置42に回収することができる。
Furthermore, by controlling the switching operation of the
本実施形態では、エンジン36の動力を用いて車輪38を回転駆動する場合は、電子制御ユニット50は、エンジン36の運転状態を制御する。ここでは、電子制御ユニット50は、昇圧コンバータ94における昇圧比(電圧変換比)を制御することで、エンジン36の運転状態を制御することができる。以下、その理由について説明する。
In the present embodiment, when the
入力側ロータ28と出力側ロータ18との間に作用するトルク(以下、電磁カップリングトルクとする)は、入力側ロータ28と出力側ロータ18との相対回転速度に応じて変化し、一般に図5に示すような相対回転速度−トルク特性で表される。さらに、相対回転速度−トルク特性は負荷抵抗に応じて変化し、図6に示すように、負荷抵抗の増加に対して電磁カップリングトルクのピーク値が相対回転速度の高い側へ推移する(比例推移)。そのため、負荷抵抗の調整により相対回転速度−トルク特性を制御することができ、負荷抵抗を大きい値に調整すると電磁カップリングトルクのピーク値が相対回転速度の高い側へ調整され、負荷抵抗を小さい値に調整すると電磁カップリングトルクのピーク値が相対回転速度の低い側へ調整される。ここでの負荷抵抗は、図7に示すロータ巻線30の外部回路97における等価抵抗を表し、この外部回路97には、スリップリング95、ブラシ96、整流器93、昇圧コンバータ94、インバータ40、及びステータ巻線20等が含まれる。これらの中で、昇圧コンバータ94及びインバータ40が等価抵抗(負荷抵抗)の可調整要素である。
Torque acting between the input-
外部回路97のうち、昇圧コンバータ94に着目した等価回路を図8に示す。図8における外部回路98には、インバータ40及びステータ巻線20等が含まれる。昇圧コンバータ94は、リアクトルLとダイオードDとスイッチング素子Sと平滑コンデンサCとを含んで構成され、スイッチング素子Sをオンオフさせるスイッチング動作によりa−a’端子間電圧E1とb−b’端子間電圧E2との昇圧比E2/E1を制御する。スイッチング素子Sのオン期間をTon、スイッチング素子Sのオフ期間をToff、スイッチング素子Sのスイッチング周期をT=Ton+Toffとし、スイッチング動作のデューティ比dを以下の(1)式のように定義すると、昇圧比E2/E1は以下の(2)式で表される。
Of the
d=Ton/(Ton+Toff) (1)
E2/E1=1/(1−d) (2)
d = Ton / (Ton + Toff) (1)
E 2 / E 1 = 1 / (1-d) (2)
スイッチング素子Sのオン状態での等価回路を図9に、スイッチング素子Sのオフ状態での等価回路を図10に示す。スイッチング素子Sのオン状態(短絡状態)では、ロータ巻線30側から見た負荷抵抗は低くなり、スイッチング素子Sのオフ状態では、ロータ巻線30側から見た負荷抵抗は(スイッチング素子Sのオン状態よりも)高くなる。そのため、スイッチング素子Sのオン状態の割合を高くする(デューティ比dを大きくして昇圧比を増加させる)と負荷側の等価抵抗は低い値となり、スイッチング素子Sのオフ状態の割合を高くする(デューティ比dを小さくして昇圧比を減少させる)と負荷側の等価抵抗は高い値となる。さらに、インバータ40のスイッチング素子をオフ状態に維持することで、負荷側の等価抵抗をさらに高い値に制御することができる。したがって、昇圧コンバータ94での昇圧比を増加させることで、ロータ巻線30側から見た負荷抵抗を低くして、電磁カップリングトルクのピーク値を相対回転速度の低い側へ推移させることができる。一方、昇圧コンバータ94での昇圧比を減少させることで、ロータ巻線30側から見た負荷抵抗を高くして、電磁カップリングトルクのピーク値を相対回転速度の高い側へ推移させることができる。
FIG. 9 shows an equivalent circuit when the switching element S is turned on, and FIG. 10 shows an equivalent circuit when the switching element S is turned off. In the ON state (short circuit state) of the switching element S, the load resistance viewed from the rotor winding 30 side is low, and in the OFF state of the switching element S, the load resistance viewed from the rotor winding 30 side is (of the switching element S Higher than on) Therefore, if the ratio of the ON state of the switching element S is increased (the duty ratio d is increased to increase the step-up ratio), the equivalent resistance on the load side becomes a low value, and the ratio of the OFF state of the switching element S is increased ( When the duty ratio d is reduced to reduce the step-up ratio), the equivalent resistance on the load side becomes a high value. Furthermore, the equivalent resistance on the load side can be controlled to a higher value by maintaining the switching element of the
また、エンジン36のトルクをTe、電磁カップリングトルクをTc、エンジン軸慣性をJeとすると、エンジン36の回転速度ωeは以下の(3)式で表される。(3)式から、エンジン36のトルクTeに応じて電磁カップリングトルクTcを制御することで、エンジン36の回転速度ωeを制御することができる。
Further, assuming that the torque of the
ここで、エンジン36のトルクTeと出力軸24(出力側ロータ18)の回転速度ωoutがともに一定であり、且つエンジン36のトルクTeと電磁カップリングトルクTcがエンジン36の回転速度ωe0でほぼ釣り合った平衡状態を仮定する。この場合、図11,12から、回転速度ωe0近傍において(3)式で表されるエンジン36の回転速度ωeの振る舞いが安定となる条件は以下の(4)式で表される。このためには、以下の(5)式が満たされる範囲で本実施形態に係る動力伝達装置を動作させる必要がある。ここで、図11はエンジン36の回転速度ωeの振る舞いが安定となる場合を示し、図12はエンジン36の回転速度ωeの振る舞いが不安定となる場合を示す。したがって、エンジン36の回転速度ωeの振る舞いが安定となるためには、図13に示すように、電磁カップリングトルクがピーク値となる相対回転速度(図13中の破線で示す)よりも低い範囲で本実施形態に係る動力伝達装置を動作させる必要がある。
Here, the torque T e and the rotation speed omega out of the output shaft 24 (the output side rotor 18) of the
以上のことから、電子制御ユニット50は、エンジン36のトルクTeに基づいて昇圧コンバータ94での昇圧比を制御することで、電磁カップリングトルクTcを制御することができ、エンジン36の回転速度ωeを制御することができる。例えば、昇圧コンバータ94での昇圧比を増大させることで、電磁カップリングトルクのピーク値を相対回転速度の低い側へ推移させて電磁カップリングトルクTcを増大させることができる。そして、電磁カップリングトルクTcをエンジン36のトルクTeより増大させることで、エンジン36の回転速度ωeを減少させることができる。一方、昇圧コンバータ94での昇圧比を減少させることで、電磁カップリングトルクのピーク値を相対回転速度の高い側へ推移させて電磁カップリングトルクTcを減少させることができる。そして、電磁カップリングトルクTcをエンジン36のトルクTeより減少させることで、エンジン36の回転速度ωeを増大させることができる。さらに、インバータ40のスイッチング素子をオフ状態に維持することで、電磁カップリングトルクTcをさらに減少させることができる。なお、エンジン36のトルクTeについては、エンジン36がガソリンエンジン等の火花点火式内燃機関である場合は、スロットル開度により取得可能である。また、エンジン36がディーゼルエンジン等の圧縮着火式内燃機関である場合は、エンジン36のトルクTeを燃料噴射量により取得可能である。また、エンジン36のトルクTeを車両のアクセルペダルの操作量(エンジン36の要求トルク)により取得することも可能である。
From the above, the
図14に、電子制御ユニット50が昇圧コンバータ94の制御によりエンジン36の回転速度ωeを制御する場合の制御ブロック図を示す。図14の制御ブロック図においては、目標相対回転速度Δωrefと相対回転速度Δωとの偏差Δωref−Δωが減算器56で演算される。目標相対回転速度Δωrefは、エンジン36の目標回転速度ωerefと出力軸24(出力側ロータ18)の回転速度ωoutとの差ωeref−ωoutで表され、相対回転速度Δωは、エンジン36の回転速度ωeと出力軸24の回転速度ωoutとの差ωe−ωoutで表される。PI制御器58は、偏差Δωref−Δωの値を0にするためのデューティ比の制御指令信号を生成して昇圧コンバータ94のスイッチング素子Sへ出力する。これによって、エンジン36の回転速度ωeを目標回転速度ωerefに一致(あるいはほぼ一致)させるように昇圧コンバータ94における昇圧比が制御される。
FIG. 14 shows a control block diagram when the
本実施形態では、電子制御ユニット50は、エンジン36のトルクTeに基づいてエンジン36の目標回転速度ωerefを演算する。例えば、エンジン36の熱効率は、図15に示すように、エンジン36の回転速度ωeやトルクTeに応じて変化し、与えられたエンジン動力に対して熱効率が最も高くなる点を結んだ線である最適燃費線が存在する。そこで、電子制御ユニット50は、与えられたエンジン36のトルクTeに対して、エンジン36の熱効率が所定の高効率となるエンジン36の目標回転速度ωerefを演算することができる。ここでは、エンジン36のトルクTeに対してエンジン36の熱効率が最も高くなるように、最適燃費線上において、与えられたエンジン36のトルクTeに対応するエンジン36の回転速度ωeを目標回転速度ωerefとして演算することができる。これによって、熱効率の高くなるエンジン36の運転状態(回転速度ωe及びトルクTe)を維持しながら車輪38を回転駆動することが可能となる。なお、図15に示すようなエンジン36の熱効率特性(最適燃費線)は、電子制御ユニット50内の記憶装置に予め記憶される。
In the present embodiment, the
また、本実施形態では、エンジン36(入力軸34)と車輪38(出力軸24)との間の動力伝達経路として、入力側ロータ28のロータ巻線30と出力側ロータ18の永久磁石33との電磁気結合を介した伝達経路(機械パスによる伝達経路とする)と、ロータ巻線30、整流器93、昇圧コンバータ94、インバータ40、及びステータ巻線20と出力側ロータ18の永久磁石32との電磁気結合を介した伝達経路(電気パスによる伝達経路とする)と、が設けられる。エンジン出力パワーPoωengは以下の(6)式で表され、機械パスによる伝達経路を介して伝達されるパワーPoωcoupは以下の(7)式で表され、電気パスによる伝達経路を介して伝達されるパワーPoωeleは以下の(8)式で表される。
In the present embodiment, the rotor winding 30 of the
Poωeng=Te×ωe (6)
Poωcoup=Tc×ωout (7)
Poωele=Te×ωe−Tc×ωout (8)
Poω eng = T e × ω e (6)
Poω coup = T c × ω out (7)
Poω ele = T e × ω e −T c × ω out (8)
電気パスによる伝達経路においては、整流器93、昇圧コンバータ94、及びインバータ40にてパワーの損失が生じるため、機械パスによる伝達経路よりもパワーの伝達効率が低下する。そのため、本実施形態に係る動力伝達装置の動力伝達効率(入力側ロータ28から出力側ロータ18への動力伝達効率)は、機械パスによる伝達経路を介して伝達されるパワーPoωcoupと電気パスによる伝達経路を介して伝達されるパワーPoωeleとの配分に応じて変化する。より具体的には、電気パスによる伝達経路を介して伝達されるパワーPoωeleの配分が少ないほど(機械パスによる伝達経路を介して伝達されるパワーPoωcoupの配分が多いほど)、入力側ロータ28から出力側ロータ18への動力伝達効率が高くなる。したがって、電子制御ユニット50は、電気パスによる伝達経路を介して伝達されるパワーPoωeleの配分(あるいは機械パスによる伝達経路を介して伝達されるパワーPoωcoupの配分)を演算することで、入力側ロータ28から出力側ロータ18への動力伝達効率を演算することができる。その際には、パワーPoωeleの配分(あるいはパワーPoωcoupの配分)と動力伝達効率との関係を表す特性マップを電子制御ユニット50内の記憶装置に予め記憶しておき、この記憶された特性マップにおいて、パワーPoωeleの配分(あるいはパワーPoωcoupの配分)に対応する動力伝達効率を演算する。(3)、(6)〜(8)式から、電気パスによる伝達経路を介して伝達されるパワーPoωeleの配分(機械パスによる伝達経路を介して伝達されるパワーPoωcoupの配分)については、エンジン36の回転速度ωe及びトルクTeと出力側ロータ18の回転速度ωoutとに基づいて演算可能である。つまり、電子制御ユニット50は、エンジン36の回転速度ωe及びトルクTeと出力側ロータ18の回転速度ωoutとに基づいて、入力側ロータ28から出力側ロータ18への動力伝達効率を演算することができる。
In the transmission path by the electric path, power loss occurs in the
そこで、電子制御ユニット50は、与えられたエンジン36のトルクTeと出力側ロータ18の回転速度ωout(例えば図示しないセンサにより検出)とに対して、入力側ロータ28から出力側ロータ18への動力伝達効率が所定値以上となるエンジン36の目標回転速度ωerefを演算することもできる。ここでは、与えられたエンジン36のトルクTeと出力側ロータ18の回転速度ωoutとに対して、電気パスによる伝達経路を介して伝達されるパワーPoωeleの配分が所定値以下となるように(あるいは機械パスによる伝達経路を介して伝達されるパワーPoωcoupの配分が所定値以上となるように)、エンジン36の目標回転速度ωerefを演算することができる。これによって、入力側ロータ28から出力側ロータ18への動力伝達効率が高くなるエンジン36の運転状態(回転速度ωe及びトルクTe)を維持しながら車輪38を回転駆動することが可能となる。
Therefore, the
また、入力側ロータ28から出力側ロータ18への動力伝達効率を向上させるために、電気パスによる伝達経路を介して伝達されるパワーPoωeleの配分が少なくなるようにエンジン36の回転速度ωeを低下させて入力側ロータ28と出力側ロータ18との差動回転速度を減少させることもできる。この場合は、昇圧コンバータ94での昇圧比を上昇させることで、エンジン36の動作点を低回転高トルク側へ推移させて、動力伝達効率を向上させることが可能となる。ただし、この場合は、エンジン36の動作点の制限(回転速度下限、最大トルク上限)を考慮して、昇圧コンバータ94での昇圧比に制限値を設定することが好ましい。
Further, in order to improve the power transmission efficiency from the input-
また、本実施形態では、電子制御ユニット50は、与えられたエンジン36のトルクTeと出力側ロータ18の回転速度ωoutとに対して、エンジン36の熱効率と入力側ロータ28から出力側ロータ18への動力伝達効率との積が最大(あるいはほぼ最大)となるエンジン36の目標回転速度ωerefを演算することもできる。これによって、システム全体の効率が高くなるエンジン36の運転状態(回転速度ωe及びトルクTe)を維持しながら車輪38を回転駆動することが可能となる。
Further, in the present embodiment, the
以上説明した本実施形態では、エンジン36のトルクTeに基づいて昇圧コンバータ94における昇圧比を制御することで、蓄電装置42からスリップリング95を介してロータ巻線30へ電力を供給することなく、入力側ロータ28と出力側ロータ18との間に作用するトルク(電磁カップリングトルク)Tcを制御することができ、エンジン36の回転速度ωeを制御することができる。そのため、蓄電装置42とスリップリング95(ロータ巻線30)との間の電力変換については、ロータ巻線30の交流電力を直流に変換して蓄電装置42(またはインバータ40)へ供給する方向の電力変換のみが行えればよく、蓄電装置42からの直流電力を交流に変換してスリップリング95(ロータ巻線30)へ供給する方向の電力変換を行う必要がなくなる。その結果、蓄電装置42とスリップリング95との間には、一方向の(スリップリング95側から蓄電装置42側への)電力変換を行うための整流器93と昇圧コンバータ(DC−DCコンバータ)94を設ければよく、双方向の電力変換を行うためのインバータが不要となる。したがって、本実施形態によれば、動力伝達装置の構成の複雑化及び高コスト化を招くことなく、エンジン36の運転状態を制御しながら車輪38を回転駆動することが可能となる。
In the above embodiment described, by controlling the step-up ratio in step-up
なお、エンジン36の動力を用いて車輪38を回転駆動する場合に、車輪38の回転速度(車両の速度)が高くなると、出力側ロータ18の回転速度も高くなる。出力側ロータ18の回転速度が入力側ロータ28の回転速度よりも高い状態でロータ巻線30に誘導電流が流れると、出力側ロータ18にその回転速度を減少させる方向のトルク(制動トルク)が作用することで、車輪38(車両)に制動力が作用することになる。これに対して本実施形態では、車輪38の回転速度(車両の速度)が高くなっても、変速機44の変速比を小さくする方向に変更することで、入力側ロータ28の回転速度が出力側ロータ18の回転速度よりも高い状態を維持することができる。その状態では、ロータ巻線30の誘導電流は、出力側ロータ18にその回転速度を増大させる方向のトルクを作用させるように流れるため、蓄電装置42からスリップリング95を介してロータ巻線30へ電力を供給することなく、出力側ロータ18(車輪38)に制動トルクが作用するのを防止することができる。さらに、本実施形態では、出力側ロータ18の回転速度が入力側ロータ28の回転速度より高くなっても、電子制御ユニット50は、昇圧コンバータ94の出力電圧が蓄電装置42の電圧よりも低くなるように昇圧コンバータ94での昇圧比を制御する(あるいは昇圧コンバータ94による昇圧を停止させる)ことで、ロータ巻線30に誘導電流が流れるのを防止することができる。したがって、出力側ロータ18の回転速度が入力側ロータ28の回転速度より高くなっても、出力側ロータ18(車輪38)に制動トルクが作用するのを防止することができる。ただし、本実施形態において、エンジン36の動力を用いて車輪38を回転駆動する場合は、電子制御ユニット50は、出力側ロータ18の回転速度が入力側ロータ28の回転速度よりも低くなるように変速機44の変速比を制御することが好ましい。
When the
また、エンジン36からのトルクを車輪38へ伝達する際には、入力側ロータ28と出力側ロータ18との回転差を許容することができるため、回転電機10を発進装置として機能させることができる。そのため、摩擦クラッチやトルクコンバータ等の発進装置を別に設ける必要がなくなる。さらに、蓄電装置42からステータ巻線20への電力供給を行うことなく、入力側ロータ28と出力側ロータ18との間で動力伝達を行うことができるため、蓄電装置42の蓄電量が少ない場合や極低温時等においても、エンジン36からの動力を車輪38へ伝達することができる。
Further, when the torque from the
また、車速(車輪38の回転速度)がある一定速度以上となり、(出力側ロータ18の回転速度)>(入力側ロータ28の回転速度)が成立する場合には、クラッチ48を係合して入力側ロータ28と出力側ロータ18とを機械的に連結することもできる。これによって、入力側ロータ28と出力側ロータ18との間のすべりに伴ってロータ巻線30に誘導電流が流れることで生じるジュール損失を抑えることができる。また、クラッチ48を係合する場合は、クラッチ48の締結力を調整することで、入力側ロータ28と出力側ロータ18との間で伝達されるトルクを制限することができる。したがって、入力側ロータ28と出力側ロータ18との間で衝撃トルクの伝達を抑制することができる。
Further, when the vehicle speed (the rotational speed of the wheel 38) exceeds a certain speed and (the rotational speed of the output-side rotor 18)> (the rotational speed of the input-side rotor 28) is satisfied, the clutch 48 is engaged. The
また、本実施形態では、エンジン36の動力を用いずに回転電機10の動力を用いて負荷を駆動する(車輪38を回転駆動する)EV(Electric Vehicle)走行を行うこともできる。その場合は、電子制御ユニット50は、インバータ40のスイッチング動作を制御することで、負荷の駆動制御を行う。例えば、電子制御ユニット50は、蓄電装置42からステータ巻線20へ電力供給するようにインバータ40のスイッチング動作を制御することで、ステータ巻線20への供給電力をステータ巻線20と永久磁石32との電磁気結合によって出力側ロータ18の動力に変換し、車輪38を回転駆動する。このように、エンジン36が動力を発生していなくても、ステータ巻線20への電力供給により車輪38を回転駆動することができる。
Further, in the present embodiment, EV (Electric Vehicle) traveling can be performed in which a load is driven using the power of the rotating electrical machine 10 (the
次に、本実施形態の他の構成例について説明する。 Next, another configuration example of this embodiment will be described.
図16,17に示す構成例では、入力側ロータ28のロータ巻線30の電力を取り出すための電力伝達部として、図1,2に示す構成例におけるスリップリング95及びブラシ96の代わりに、図示しないケーシングに固定された電力伝達用ステータ66と、電力伝達用ステータ66の径方向内側に配置され電力伝達用ステータ66に対し相対回転可能な電力伝達用ロータ78と、が設けられている。電力伝達用ステータ66は、ステータコア101と、ステータコア101にその周方向に沿って配設された複数相(例えば3相)の電力伝達用ステータ巻線(電力伝達用固定子導体)70と、を含む。電力伝達用ステータ巻線70は、整流器93と電気的に接続されている。複数相の電力伝達用ステータ巻線70に複数相(例えば3相)の交流電流が流れることで、電力伝達用ステータ巻線70は、ステータ周方向に回転する回転磁界を発生することができる。
16 and 17, instead of the
電力伝達用ロータ78は、ロータコア102と、ロータコア102にその周方向に沿って配設された複数相(例えば3相)の電力伝達用ロータ巻線(電力伝達用回転子導体)80とを含み、入力側ロータ28と機械的に結合されている。複数相の電力伝達用ロータ巻線80に複数相(例えば3相)の交流電流が流れることで、電力伝達用ロータ巻線80は、ロータ周方向に回転する回転磁界を発生することができる。電力伝達用ロータ巻線80は、入力側ロータ28のロータ巻線30と電気的に接続(直結)されている。ここでは、ロータ巻線30及び電力伝達用ロータ巻線80に交流電流が流れる場合に発生する回転磁界の回転方向がロータ巻線30と電力伝達用ロータ巻線80とで互いに逆方向になるように、ロータ巻線30と電力伝達用ロータ巻線80が逆相接続されている。例えばロータ巻線30及び電力伝達用ロータ巻線80がともにU相、V相、W相の3相巻線により構成されている場合は、図18に示すように、ロータ巻線30のU相と電力伝達用ロータ巻線80のU相とを接続し、ロータ巻線30のV相と電力伝達用ロータ巻線80のW相とを接続し、ロータ巻線30のW相と電力伝達用ロータ巻線80のV相とを接続する(3相のうち1つの相について同じ相の巻線同士を接続し、3相のうち2つの相について異なる相の巻線同士を接続する)ことで、ロータ巻線30と電力伝達用ロータ巻線80とで発生する磁界の回転方向が互いに逆方向となる。
The
電力伝達用ロータ78及び電力伝達用ステータ66のより詳細な構成例を図19に示す。図19に示す例では、電力伝達用ロータ78及び電力伝達用ステータ66が同心円状に配置されている。電力伝達用ステータ66のステータコア101には、径方向内側(電力伝達用ロータ78側)へ突出した複数のティース101aがステータ周方向に沿って間隔をおいて配列されており、各電力伝達用ステータ巻線70がこれらのティース101aに巻回されていることで、磁極が構成される。電力伝達用ロータ78のロータコア102には、径方向外側(電力伝達用ステータ66側)へ突出した複数のティース102aがロータ周方向に沿って間隔をおいて配列されており、各電力伝達用ロータ巻線80がこれらのティース102aに巻回されていることで、磁極が構成される。電力伝達用ステータ66のティース101aと電力伝達用ロータ78のティース102aとが電力伝達用ロータ78の回転中心軸に直交する径方向に対向配置されており、電力伝達用ステータ巻線70の巻回軸及び電力伝達用ロータ巻線80の巻回軸がこの径方向(電力伝達用ステータ66と電力伝達用ロータ78が対向する方向)に一致している。
A more detailed configuration example of the
図16,17に示す構成例では、ロータ巻線30は電力伝達用ロータ巻線80と電気的に接続されているため、入力側ロータ28と出力側ロータ18との回転差に起因してロータ巻線30に発生した誘導電流は電力伝達用ロータ巻線80にも流れ、この電力伝達用ロータ巻線80に流れる誘導電流により回転磁界が電力伝達用ロータ78にも形成される。そして、電力伝達用ロータ巻線80で発生した回転磁界が電力伝達用ステータ66に作用するのに応じて、電力伝達用ステータ巻線70に誘導起電力が発生し、この誘導起電力に起因して電力伝達用ステータ巻線70に誘導電流が流れる。電力伝達用ステータ巻線70に発生した交流電力は、整流器93へ供給されて直流に整流される。さらに、電力伝達用ロータ巻線80で発生した回転磁界と電力伝達用ステータ巻線70に流れる誘導電流との電磁気相互作用により、電力伝達用ステータ66と電力伝達用ロータ78との間にトルクが作用する。電力伝達用ステータ66と電力伝達用ロータ78との間に作用するトルクは、入力側ロータ28と出力側ロータ18との間に作用するトルクと同方向となる。このように、電力伝達用ロータ巻線80と電力伝達用ステータ巻線70とが電磁気的に結合されていることで、電力伝達用ステータ66及び電力伝達用ロータ78をトランスとして機能させることができ、ロータ巻線30に発生した交流電力を非接触で取り出すことが可能となる。さらに、電力伝達用ステータ66及び電力伝達用ロータ78を誘導機として機能させることができる。なお、本実施形態では、電力伝達用ステータ66及び電力伝達用ロータ78を誘導機として機能させずにトランスとしてのみ機能させるように構成することによっても、ロータ巻線30に発生した交流電力を非接触で取り出すことが可能となる。
In the configuration example shown in FIGS. 16 and 17, the rotor winding 30 is electrically connected to the power transmission rotor winding 80, so that the rotor is caused by the rotational difference between the
図16,17に示す構成例においても、エンジン36のトルクTeに基づいて昇圧コンバータ94における昇圧比を制御することで、蓄電装置42から電力伝達用ステータ巻線70を介してロータ巻線30へ電力を供給することなく、入力側ロータ28と出力側ロータ18との間に作用するトルク(電磁カップリングトルク)Tcを制御することができ、エンジン36の回転速度ωeを制御することができる。
In the configuration example shown in FIG. 16 and 17, by controlling the step-up ratio in step-up
なお、図16,17に示す構成例では、ロータ巻線30及び電力伝達用ロータ巻線80に交流電流が流れる場合に発生する回転磁界の回転方向がロータ巻線30と電力伝達用ロータ巻線80とで互いに同方向になるように、ロータ巻線30と電力伝達用ロータ巻線80とを同相接続することもできる。例えばロータ巻線30及び電力伝達用ロータ巻線80がともにU相、V相、W相の3相巻線により構成されている場合は、図20に示すように、ロータ巻線30のU相と電力伝達用ロータ巻線80のU相とを接続し、ロータ巻線30のV相と電力伝達用ロータ巻線80のV相とを接続し、ロータ巻線30のW相と電力伝達用ロータ巻線80のW相とを接続する(すべての相について同じ相の巻線同士を接続する)ことで、ロータ巻線30と電力伝達用ロータ巻線80とで発生する磁界の回転方向が互いに同方向となる。その場合は、電力伝達用ロータ78の極数P2を入力側ロータ28の極数P1以上(P2≧P1)に設定することで、電力伝達用ステータ66と電力伝達用ロータ78との間に作用するトルクは、入力側ロータ28と出力側ロータ18との間に作用するトルクと同方向となる。
16 and 17, the rotating direction of the rotating magnetic field generated when an alternating current flows through the rotor winding 30 and the power transmission rotor winding 80 is the rotor winding 30 and the power transmission rotor winding. The rotor winding 30 and the power transmission rotor winding 80 can also be connected in phase so that they are in the same direction. For example, when both the rotor winding 30 and the power transmission rotor winding 80 are constituted by three-phase windings of the U-phase, V-phase, and W-phase, as shown in FIG. Are connected to the U phase of the rotor winding 80 for power transmission, the V phase of the rotor winding 30 is connected to the V phase of the rotor winding 80 for power transmission, and the W phase of the rotor winding 30 is connected to the power transmission. By connecting the W phase of the rotor winding 80 (connecting windings of the same phase for all phases), the rotation direction of the magnetic field generated by the rotor winding 30 and the power transmission rotor winding 80 can be changed. They are in the same direction. In this case, the number of poles P2 of the
また、図21に示す構成例では、図1,2に示す構成例と比較して、スタータ用インバータ41が設けられている。スタータ用インバータ41は、蓄電装置42からの直流電力を交流(例えば3相交流)に変換して、ブラシ96及びスリップリング95を介してロータ巻線30の各相に供給する。図21に示す構成例において、エンジン36を始動する場合は、蓄電装置42からスリップリング95を介してロータ巻線30へ電力供給するようにスタータ用インバータ41のスイッチング動作を制御することで、ロータ巻線30への供給電力を用いてエンジン36のクランキングを行うことができる。その際には、入力側ロータ28に回転磁界を形成し、この回転磁界と出力側ロータ18の永久磁石33の界磁束との電磁気相互作用によりエンジン36に繋がる入力側ロータ28にトルクを作用させるが、出力側ロータ18もその反力トルクを受けることになる。そのため、EV走行時にエンジン36を始動する場合は、蓄電装置42からステータ巻線20へ電力供給して出力側ロータ18にこの反力トルクを打ち消すトルクを作用させるようにインバータ40のスイッチング動作を制御することで、ステータ巻線20への供給電力を用いて出力側ロータ18を回転駆動することができる。
Further, in the configuration example shown in FIG. 21, a
以上の説明では、整流器93で整流された電力を電圧変換して出力するDC−DCコンバータとして昇圧コンバータ94を設けるものとしたが、本実施形態では、DC−DCコンバータとして降圧コンバータや昇降圧コンバータを設けることも可能である。その場合でも、DC−DCコンバータにおける電圧変換比(スイッチング素子をスイッチング動作させるときのデューティ比)を制御することで、ロータ巻線30側から見た負荷抵抗を調整することができるため、電磁カップリングトルクTcを制御することができ、エンジン36の回転速度ωeを制御することができる。
In the above description, the step-up
また、本実施形態では、入力側ロータ28に、回転子導体としてロータ巻線30の代わりにかご型導体を出力側ロータ18(永久磁石33)と対向させて設けることも可能である。
In the present embodiment, a squirrel-cage conductor as a rotor conductor instead of the rotor winding 30 may be provided on the input-
また、本実施形態では、回転電機10の入力軸34と出力軸24とを入れ替えることもできる。すなわち、第2ロータ18がエンジン36に機械的に連結され、第1ロータ28が変速機44を介して車輪38に機械的に連結されていてもよい。この場合は、エンジン36からの動力が第2ロータ18に伝達され、第1ロータ28からの動力が変速機44で変速されて車輪38に伝達されるため、第2ロータ18が入力側ロータとなり、第1ロータ28が出力側ロータとなる。その場合でも、DC−DCコンバータにおける電圧変換比を制御することで、第2ロータ18と第1ロータ28との間に作用するトルク(電磁カップリングトルク)Tcを制御することができ、エンジン36の回転速度ωeを制御することができる。
In the present embodiment, the
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。 As mentioned above, although the form for implementing this invention was demonstrated, this invention is not limited to such embodiment at all, and it can implement with a various form in the range which does not deviate from the summary of this invention. Of course.
10 回転電機、16 ステータ、18 出力側ロータ(第2ロータ)、20 ステータ巻線、24 出力軸、28 入力側ロータ(第1ロータ)、30 ロータ巻線、32,33 永久磁石、34 入力軸、36 エンジン、38 車輪、40 インバータ、42 蓄電装置、44 変速機、48 クラッチ、50 電子制御ユニット、66 電力伝達用ステータ、70 電力伝達用ステータ巻線、78 電力伝達用ロータ、80 電力伝達用ロータ巻線、93 整流器、94 昇圧コンバータ、95 スリップリング、96 ブラシ。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
回転磁界を発生可能な固定子導体が配設された固定子と、
第1回転子に対し相対回転可能な第2回転子であって、回転子導体で発生した回転磁界が作用するのに応じて第1回転子との間にトルクが作用し、固定子導体で発生した回転磁界が作用するのに応じて固定子との間にトルクが作用する第2回転子と、
を備え、
回転子導体は、第1回転子と第2回転子との間に回転差が発生するのに起因して誘導電流が流れることで回転磁界を発生し、
第1回転子と第2回転子との一方に原動機からの動力が伝達されるとともに、第1回転子と第2回転子との他方から負荷へ動力が伝達される動力伝達装置であって、
回転子導体の交流電力を取り出すための電力伝達部と、
電力伝達部で取り出された交流電力を電力変換して固定子導体へ供給することが可能な電力変換部と、
原動機のトルクに基づいて原動機の回転速度を目標回転速度に略一致させるように電力変換部における電力変換を制御する制御装置と、
を備える、動力伝達装置。 A first rotor provided with a rotor conductor capable of generating a rotating magnetic field;
A stator provided with a stator conductor capable of generating a rotating magnetic field;
A second rotor that is rotatable relative to the first rotor, wherein torque acts between the first rotor and the stator conductor in response to the rotating magnetic field generated by the rotor conductor. A second rotor in which a torque acts between the stator and the stator according to the action of the generated rotating magnetic field;
With
The rotor conductor generates a rotating magnetic field by causing an induced current to flow due to a difference in rotation between the first rotor and the second rotor,
A power transmission device in which power from a prime mover is transmitted to one of a first rotor and a second rotor and power is transmitted to a load from the other of the first rotor and the second rotor,
A power transmission unit for taking out AC power of the rotor conductor;
A power conversion unit capable of converting the AC power extracted by the power transmission unit into power and converting it to the stator conductor;
A control device that controls power conversion in the power conversion unit so that the rotational speed of the prime mover substantially matches the target rotational speed based on the torque of the prime mover;
A power transmission device comprising:
電力変換部は、
電力伝達部で取り出された交流電力を整流する整流器と、
整流器で整流された電力を電圧変換して出力するDC−DCコンバータと、
を含み、
DC−DCコンバータで電圧変換された電力がインバータで交流に変換されて固定子導体へ供給可能であり、
制御装置は、原動機のトルクに基づいて原動機の回転速度を目標回転速度に略一致させるようにDC−DCコンバータにおける電圧変換比を制御する、動力伝達装置。 The power transmission device according to claim 1,
The power converter
A rectifier that rectifies the AC power extracted by the power transmission unit;
A DC-DC converter that converts the voltage of the power rectified by the rectifier and outputs the voltage;
Including
The power converted by the DC-DC converter can be converted to alternating current by the inverter and supplied to the stator conductor,
The control device is a power transmission device that controls the voltage conversion ratio in the DC-DC converter so that the rotational speed of the prime mover substantially matches the target rotational speed based on the torque of the prime mover.
制御装置は、原動機のトルクに対して、原動機の効率が所定の高効率となる原動機の目標回転速度を演算する、動力伝達装置。 The power transmission device according to claim 1 or 2,
The control device is a power transmission device that calculates a target rotational speed of the prime mover at which the efficiency of the prime mover becomes a predetermined high efficiency with respect to the torque of the prime mover.
制御装置は、原動機のトルクと前記第1回転子と第2回転子との他方の回転速度とに対して、前記第1回転子と第2回転子との一方から他方への動力伝達効率が所定値以上となる原動機の目標回転速度を演算する、動力伝達装置。 The power transmission device according to claim 1 or 2,
The control device has a power transmission efficiency from one of the first rotor and the second rotor to the other with respect to the torque of the prime mover and the rotational speed of the other of the first rotor and the second rotor. A power transmission device that calculates a target rotational speed of a prime mover that is equal to or greater than a predetermined value.
制御装置は、原動機のトルクと前記第1回転子と第2回転子との他方の回転速度とに対して、原動機の効率と前記第1回転子と第2回転子との一方から他方への動力伝達効率との積が略最大となる原動機の目標回転速度を演算する、動力伝達装置。 The power transmission device according to claim 1 or 2,
The control device is configured to change the efficiency of the prime mover and the first rotor and the second rotor from one to the other with respect to the torque of the prime mover and the rotation speed of the other of the first rotor and the second rotor. A power transmission device that calculates a target rotational speed of a prime mover that has a product that is substantially maximum in power transmission efficiency.
第1回転子と第2回転子との他方からの動力を変速して負荷へ伝達する変速機をさらに備える、動力伝達装置。 The power transmission device according to any one of claims 1 to 5,
A power transmission device further comprising a transmission that shifts power from the other of the first rotor and the second rotor and transmits the power to a load.
電力伝達部は、
整流器に接続されたブラシと、
第1回転子の回転子導体に接続され、ブラシに対し摺動しながら第1回転子とともに回転するスリップリングと、
を含む、動力伝達装置。 The power transmission device according to any one of claims 1 to 6,
The power transmission part
A brush connected to the rectifier;
A slip ring connected to the rotor conductor of the first rotor and rotating with the first rotor while sliding against the brush;
Including a power transmission device.
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