JP2009298233A - 動力伝達装置 - Google Patents

Abstract

【課題】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動力伝達装置において、回転子間の回転速度差が大きい場合に負荷への伝達トルクの低下を防ぐ。
【解決手段】誘導機１２の極対数ｐ_i、同期機１４の極対数ｐ_p、ロータ１８，２６の回転速度ω_w、ロータ２８の回転速度ω_eに関して、ω_w＜ｐ_p／(ｐ_i＋ｐ_p)×ω_eが成立するときは、誘導機１２のステータ巻線２０の回生電力をインバータ４０，４１で電力変換してから回転電機１１のステータ巻線７０に供給して回転電機１１を力行運転することで、同期機１４のロータ２６のトルクと同方向のトルクを回転電機１１のロータ６８に作用させることができる。そのため、誘導機１２の回生運転時に同期機１４のロータ２６のトルクと逆方向のトルクが誘導機１２のロータ１８に作用することで出力軸２４のトルクが低下するのを、回転電機１１のロータ６８のトルクにより補償することができる。
【選択図】図２

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が可能な動力伝達装置に関する。

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。以下、特許文献１による動力伝達装置の構成について、図９，１０を用いて説明する。

図９，１０に示す構成において、エンジン３６と車輪３８との間に設けられた回転電機１０は、誘導機１２と同期機１４とを有する。誘導機１２は、外枠４４に固定されたステータ（第１の固定子）１６と、ステータ１６の内側に配置されステータ１６に対し回転可能なロータ（第１の回転子）１８と、を含む。ステータ１６には、第１の固定子導体として複数相（例えば３相）のステータ巻線２０がその周方向に沿って配設されている。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。

ロータ１８は出力軸２４と機械的に連結され、出力軸２４は車輪３８と機械的に連結されている。ロータ１８には、第１の回転子導体として複数相（例えば３相）のロータ巻線２２がその周方向に沿って配設されている。複数相のロータ巻線２２に交流電流が流れることで、ロータ巻線２２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。ロータ巻線２２はステータ巻線２０と対向しており、ステータ巻線２０及びロータ巻線２２の一方で発生した回転磁界により、ステータ巻線２０及びロータ巻線２２の他方に誘導電流が発生する。この回転磁界及び誘導電流によって、ステータ１６とロータ１８との間でトルクが作用する。

同期機１４は、ロータ（第２の回転子）２６と、ロータ２６の外側に配置され且つロータ２６に対し独立して回転可能なロータ（第３の回転子）２８と、を含む。ロータ（インナーロータ）２６は、回転軸４８を介して誘導機１２のロータ１８に機械的に連結されている。ロータ２６には、第２の回転子導体として複数相（例えば３相）のロータ巻線３０がその周方向に沿って配設されている。複数相のロータ巻線３０に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。

ロータ巻線３０は、ロータ巻線２２と電気的に接続（直結）されている。ここでは、ロータ巻線２２及びロータ巻線３０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２２とロータ巻線３０とで互いに逆方向になるように、ロータ巻線２２とロータ巻線３０とが逆相接続されている。例えばロータ巻線２２及びロータ巻線３０がともにａ相、ｂ相、ｃ相の３相巻線により構成されている場合は、ロータ巻線２２のａ相とロータ巻線３０のａ相とを接続し、ロータ巻線２２のｂ相とロータ巻線３０のｃ相とを接続し、ロータ巻線２２のｃ相とロータ巻線３０のｂ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２２とロータ巻線３０とで発生する磁界の回転方向が互いに逆方向となる。また、ロータ巻線２２とロータ巻線３０とは、磁気的には絶縁されるように配置されている。

ロータ（アウターロータ）２８は入力軸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。ロータ２８には、界磁束を発生する磁極として複数の永久磁石３２がその周方向に沿って配設されている。永久磁石３２はロータ巻線３０と対向しており、ロータ巻線３０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相互作用（吸引及び反発作用）により、ロータ２６とロータ２８との間でトルクが作用する。このように、同期機１４は、互いに独立に回転可能な２つのロータ２６，２８を備えたＰＭ（永久磁石）型同期機として構成される。そして、回転電機１０は、互いに独立して回転可能な２つの回転軸を有する２軸型の回転電機である。

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１２０度ずつ位相が異なる３相交流）に変換して、誘導機１２のステータ巻線２０の各相に供給することが可能である。さらに、インバータ４０は、ステータ巻線２０の交流電力を直流に変換して、電気エネルギーを蓄電装置４２に回生する方向の変換も可能である。このように、インバータ４０は双方向の電力変換が可能であり、誘導機１２のステータ巻線２０と蓄電装置４２との間で電力の送受が可能である。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、誘導機１２のステータ巻線２０の各相に流れる交流電流を制御する。

図９，１０に示す構成において、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、インバータ４０のスイッチング動作を制御する。エンジン３６の回転駆動に伴ってロータ２８の永久磁石３２が回転することで、ロータ２６に配設されたロータ巻線３０に誘導電流が発生する。この誘導電流及び永久磁石３２の界磁束により、ロータ２６にトルクが作用してロータ２６が回転駆動する。ロータ２６の動力は車輪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。

同期機１４のロータ巻線３０は、誘導機１２のロータ巻線２２と電気的に接続されているため、ロータ巻線３０に発生した誘導電流はロータ巻線２２にも流れ、このロータ巻線２２に流れる誘導電流により回転磁界が誘導機１２のロータ１８に形成される。そして、ロータ巻線２２で発生した回転磁界によりステータ巻線２０に誘導電流が発生し、この回転磁界及び誘導電流によってロータ１８にトルクが作用する。したがって、誘導機１２のロータ１８から車輪３８へ伝達される動力によっても、車輪３８を回転駆動することができる。

このように、図９，１０に示す構成では、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、ロータ２６及び回転軸４８を介した伝達経路（機械パスによる伝達経路）と、ロータ巻線３０及びロータ巻線２２を介した伝達経路（電気パスによる伝達経路）と、が設けられる。車輪３８に伝達される動力は、機械パスによる伝達動力と電気パスによる伝達動力との合計となる。エンジン３６から車輪３８へ動力を伝達する際には、エンジン３６の回転速度（入力軸３４の回転速度）と車輪３８の回転速度（出力軸２４の回転速度）との比を連続的に変化させることが可能となり、無段変速機能を実現することが可能となる。この場合、一般に減速機として用いられているので、エンジン３６の回転速度（入力軸３４の回転速度）が車輪３８の回転速度（出力軸２４の回転速度）よりも高いことが前提である。

特開２００７−１１６８３７号公報 特開２０００−１９７３２４号公報

図９，１０に示す構成において、入力軸３４（ロータ２８）の回転速度と出力軸２４（ロータ１８，２６）の回転速度との差が小さい場合は、誘導機１２が力行運転状態となり、誘導機１２のロータ１８に作用するトルクの方向が同期機１４のロータ２６に作用するトルクの方向と同方向になる。そのため、出力軸２４に伝達されるトルクは、同期機１４のロータ２６のトルクと誘導機１２のロータ１８のトルクとの和となり、無段変速機能を実現することが可能となる。しかし、入力軸３４の回転速度と出力軸２４の回転速度との差が大きい場合は、誘導機１２が回生運転状態となり、誘導機１２のロータ１８に作用するトルクの方向が同期機１４のロータ２６に作用するトルクの方向と逆方向になる。そのため、出力軸２４に伝達されるトルクは、同期機１４のロータ２６のトルクと誘導機１２のロータ１８のトルクとの差となり、出力軸２４のトルクが減少して無段変速機能を実現できなくなる。より具体的には、誘導機１２の極対数をｐ_i、同期機１４の極対数をｐ_p、ロータ１８，２６の回転速度をω_w、ロータ２８の回転速度をω_eとすると、ロータ２８の回転速度とロータ１８，２６の回転速度との差がｐ_i／ｐ_p×ω_wより小さい場合は、誘導機１２のロータ１８に作用するトルクの方向が同期機１４のロータ２６に作用するトルクの方向と同方向になる（誘導機１２が力行運転状態になる）が、ロータ２８の回転速度とロータ１８，２６の回転速度との差がｐ_i／ｐ_p×ω_wより大きい場合は、誘導機１２のロータ１８に作用するトルクの方向が同期機１４のロータ２６に作用するトルクの方向と逆方向になる（誘導機１２が回生運転状態になる）。このように、図９，１０に示す構成では、無段変速機能が実現可能となる、ロータ２８とロータ１８，２６との回転速度差の範囲が制限される。

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が可能な動力伝達装置において、回転子間の回転速度差が大きい場合でも負荷に伝達されるトルクが低下するのを防ぐことを目的とする。

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。

本発明に係る動力伝達装置は、回転磁界を発生可能な第１固定子導体が配設された第１固定子と、回転磁界を発生可能な第１回転子導体が配設された第１回転子と、を含み、第１固定子導体及び第１回転子導体の一方で発生した回転磁界により第１固定子導体及び第１回転子導体の他方に誘導電流が発生する誘導機と、回転磁界を発生可能な第２回転子導体が配設され且つ第１回転子と連結された第２回転子と、界磁束を発生する磁極が配設され且つ第２回転子に対し独立して回転可能な第３回転子と、を含み、第２回転子導体で発生した回転磁界と磁極で発生した界磁束との相互作用により第２回転子と第３回転子との間でトルクが作用する同期機と、回転磁界を発生可能な第２固定子導体が配設された第２固定子と、第２固定子導体で発生した回転磁界が作用するのに応じて第２固定子との間にトルクが作用する第４回転子と、を含む回転電機と、第１固定子導体と第２固定子導体との間で電力変換を行う電力変換部と、を備え、第１回転子導体及び第２回転子導体に電流が流れる場合に発生する回転磁界の方向が第１回転子導体と第２回転子導体とで互いに逆方向になるように、第１回転子導体と第２回転子導体とが接続されており、第３回転子に原動機からの動力が伝達され、第２及び第４回転子から負荷へ動力が伝達され、誘導機の極対数をｐ_i、同期機の極対数をｐ_p、第１及び第２回転子の回転速度をω_w、第３回転子の回転速度をω_eとすると、電力変換部は、
ω_w＜ｐ_p／(ｐ_i＋ｐ_p)×ω_e
が成立するときは、第１固定子導体の電力を電力変換して第２固定子導体へ供給することを要旨とする。

本発明の一態様では、電力変換部は、
ｐ_p／(ｐ_i＋ｐ_p)×ω_e＜ω_w＜ω_e
が成立するときは、第２固定子導体への電力供給を停止することが好適である。

本発明の一態様では、原動機からの動力を第３回転子と第１及び第２回転子とに分配する動力分配機構をさらに備えることが好適である。

本発明の一態様では、電力変換部は、
ω_w＜ｐ_p／(ｐ_i＋ｐ_p)×ω_e
が成立するときは、第１固定子導体の交流電力を直流に変換し、この直流電力を交流に変換して第２固定子導体へ供給することが好適である。

本発明の一態様では、第４回転子は第１及び第２回転子と連結されていることが好適である。

本発明の一態様では、第２回転子から車両の前輪及び後輪の一方へ動力が伝達され、第４回転子から車両の前輪及び後輪の他方へ動力が伝達されることが好適である。

本発明によれば、第３回転子と第１及び第２回転子との回転速度差が大きく、誘導機が回生運転状態にあるときは、誘導機の第１固定子導体の回生電力を電力変換部で電力変換してから回転電機の第２固定子導体に供給して回転電機を力行運転することで、同期機の第２回転子のトルクと同方向のトルクを回転電機の第４回転子に作用させることができる。そのため、誘導機の回生運転時に同期機の第２回転子のトルクと逆方向のトルクが誘導機の第１回転子に作用することで負荷に伝達されるトルクが低下するのを、回転電機の第４回転子のトルクにより補償することができる。その結果、第３回転子と第１及び第２回転子との回転速度差が大きい場合でも負荷に伝達されるトルクが低下するのを防ぐことができる。

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。

図１，２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は回転電機１０，１１の構成の概略を示す。以下の実施形態の説明では、図９，１０に示した関連技術と同様の構成または対応する構成には同一の符号を付し、説明を省略する構成については図９，１０に示した関連技術と同様である。

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回転電機１０，１１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。

回転電機１０の構成については図９，１０に示した関連技術と同様であり、ステータ（第１の固定子）１６及びロータ（第１の回転子）１８を含む誘導機１２と、ロータ（第２の回転子）２６及びロータ（第３の回転子）２８を含む同期機１４と、を備える。回転電機１１は、外枠４４に固定されたステータ（第２の固定子）６６と、ステータ６６の内側に配置されステータ６６に対し回転可能なロータ（第４の回転子）６８と、を含む。ステータ６６には、第２の固定子導体として複数相（例えば３相）のステータ巻線７０がその周方向に沿って配設されている。複数相のステータ巻線７０に複数相（例えば３相）の交流電流が流れることで、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。

ロータ６８は、回転電機１０のロータ１８，２６及び出力軸２４と機械的に連結されている。ロータ６８には、界磁束を発生する磁極として複数の永久磁石８２がその周方向に沿って配設されている。永久磁石８２はステータ巻線７０と対向しており、ステータ巻線７０で発生した回転磁界がロータ６８に作用するのに応じて、この回転磁界と永久磁石３２で発生した界磁束との相互作用（吸引及び反発作用）により、ステータ６６とロータ６８との間でトルクが作用する。このように、図２に示す例では、回転電機１１は、ＰＭ（永久磁石）型同期機として構成される。ただし、回転電機１１をＰＭ型同期機以外の回転電機により構成することも可能である。

インバータ４１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、回転電機１１のステータ巻線７０の各相に供給することが可能である。さらに、インバータ４１は、ステータ巻線７０の交流電力を直流に変換して、電気エネルギーを蓄電装置４２に回生する方向の変換も可能である。このように、インバータ４１は双方向の電力変換が可能であり、回転電機１１のステータ巻線７０と蓄電装置４２との間で電力の送受が可能である。

さらに、誘導機１２のステータ巻線２０の交流電力をインバータ４０で直流に変換し、この直流電力をインバータ４１で交流に変換して回転電機１１のステータ巻線７０に供給することも可能である。また、回転電機１１のステータ巻線７０の交流電力をインバータ４１で直流に変換し、この直流電力をインバータ４０で交流に変換して誘導機１２のステータ巻線２０に供給することも可能である。このように、インバータ４０，４１は、誘導機１２のステータ巻線２０と回転電機１１のステータ巻線７０との間で電力変換を行うことが可能である。

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、誘導機１２のステータ巻線２０の各相に流れる交流電流を制御し、インバータ４１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、回転電機１１のステータ巻線７０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、エンジン３６の運転状態を制御する。

次に、本実施形態に係るハイブリッド駆動装置の動作について説明する。

エンジン３６の動力を用いて負荷を駆動する（車輪３８を回転駆動する）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。エンジン３６の回転駆動に伴ってロータ２８が回転駆動し、ロータ２８に配設された永久磁石３２の発生する界磁束が回転磁界を形成する。この永久磁石３２が回転することで発生した回転磁界によりロータ２６に配設されたロータ巻線３０に誘導電流が発生し、このロータ巻線３０に流れる誘導電流により回転磁界がロータ２６に形成される。そして、同期機１４においては、ロータ巻線３０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吸引及び反発作用により、ロータ２６にトルクが作用してロータ２６が回転駆動する。ロータ２６の動力は車輪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。

同期機１４のロータ巻線３０は、誘導機１２のロータ巻線２２と電気的に接続されているため、ロータ巻線３０に発生した誘導電流はロータ巻線２２にも流れ、このロータ巻線２２に流れる誘導電流により回転磁界が誘導機１２のロータ１８にも形成される。そして、ロータ巻線２２で発生した回転磁界によりステータ巻線２０に誘導電流が発生し、この回転磁界及び誘導電流によってロータ１８にトルクが作用する。したがって、誘導機１２のロータ１８から車輪３８へ伝達される動力によっても、車輪３８を回転駆動することができる。

図３に示すように、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、ロータ２６及び回転軸４８を介した伝達経路（機械パスによる伝達経路）と、ロータ巻線３０及びロータ巻線２２を介した伝達経路（内部電気パスによる伝達経路）と、が設けられる。機械パスにおいては、エンジン３６の動力が同期機１４のロータ２６の動力に変換され、ロータ２６の動力が回転軸４８を介して出力軸２４から出力される。一方、内部電気パスにおいては、エンジン３６の動力がロータ巻線３０及びロータ巻線２２の電力に一旦変換され、ロータ巻線２２の電力が誘導機１２のロータ１８の動力に変換されて出力軸２４から出力される。そして、車輪３８に伝達される動力は、機械パスによる伝達動力と内部電気パスによる伝達動力との合計となる。本実施形態では、内部電気パスによる動力伝達の際には、インバータ等の電力変換器による電力変換を行うことなく動力伝達を行うことができる。そのため、内部電気パスによる動力伝達の際に生じる損失を低減することができる。さらに、エンジン３６から車輪３８へ動力を伝達する際には、エンジン３６の回転速度（入力軸３４の回転速度）と車輪３８の回転速度（出力軸２４の回転速度）との比を連続的に変化させることが可能となり、無段変速機能を実現することが可能となる。

本実施形態では、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、誘導機１２のロータ１８の動力を制御することができ、負荷の駆動制御を行うことができる。例えば、電子制御ユニット５０は、蓄電装置４２から誘導機１２のステータ巻線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１６に回転磁界を形成することができる。そして、このステータ巻線２０で発生した回転磁界によりロータ巻線２２に誘導電流が発生し、この回転磁界及び誘導電流によってロータ１８にトルクを作用させることができ、車輪３８を回転駆動することができる。このように、本実施形態では、蓄電装置４２から誘導機１２のステータ巻線２０への電力供給により誘導機１２を力行運転することで、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。この場合、車輪３８に伝達される動力は、エンジン３６の動力より大きくなる。

一方、電子制御ユニット５０は、誘導機１２のステータ巻線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して誘導機１２を回生運転することで、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、エンジン３６の動力の一部を誘導機１２のステータ巻線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。この場合、車輪３８に伝達される動力は、エンジン３６の動力より小さくなる。さらに、電子制御ユニット５０は、負荷の減速運転時において、誘導機１２のステータ巻線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、負荷の動力を誘導機１２のステータ巻線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。

次に、本実施形態に係る回転電機１０の特性方程式について、図４Ａ〜図４Ｄを用いて説明する。特性方程式の導出の際には、誘導機１２及び同期機１４を同じ座標系で考える必要があるため、以下に説明する座標変換を行う。ただし、図４Ａ〜図４Ｄは、誘導機１２及び同期機１４の極対数が１であり、ステータ巻線２０及びロータ巻線２２，３０がいずれもａ相、ｂ相、ｃ相の３相巻線により構成される場合を示している。

図４Ａに示すように、誘導機１２のロータ１８と同期機１４のロータ２６とで互いに逆方向の回転磁界を形成するために、誘導機１２のロータ巻線２２のａ相と同期機１４のロータ巻線３０のａ相とが接続され、ロータ巻線２２のｂ相とロータ巻線３０のｃ相とが接続され、ロータ巻線２２のｃ相とロータ巻線３０のｂ相とが接続されている。そこで、図４Ｂに示すように、同期機１４をロータ巻線３０ごとロータ巻線２２のａ相を対称軸として反転する。なお、図４Ａ、図４Ｂにおいて、θ_wはロータ１８，２６の回転角、θ_eはロータ２８の回転角、Ｔ_pはロータ２８のトルク（エンジン３６の回転方向を正とする）を表す。そして、図４Ｂに示すように、反転後のロータ２８の回転角θ_e'は２×θ_w−θ_eであり、反転後のロータ２８のトルクＴ_p'は−Ｔ_pである。

次に、図４Ｃに示すように、三相二相変換を行う。図４Ｃに示す三相二相変換後のα−β軸は、巻線に固定した座標系である。なお、三相二相変換の変換行列Ａは、以下の（１）式で表される。

次に、図４Ｄに示すように、磁石磁束に同期した座標系に変換する同期座標変換を行う。図４Ｄに示す同期座標変換後のｄ−ｑ軸は、磁石磁束に同期した座標系である。なお、同期座標変換の変換行列Ｂは、以下の（２）式で表される。

同期機（ＰＭ型同期機）１４の特性方程式については、ｄ−ｑ同期座標に変換したモデルで考えると、既知のｄ−ｑ座標系の電圧方程式が利用できる。座標変換の際にロータ巻線２２のａ相を対称軸として反転していることを考慮して、以下の（３）式が得られる。

ロータ２６，２８の位置関係及び回転方向を考慮して、同期機１４の電気角速度ω_peは以下の（４）式で表される。

ただし、（４）式において、ω_pは同期機１４の機械角速度、ω_eは入力軸３４の角速度（＝ｄθ_e／ｄｔ）、ω_wは出力軸２４の角速度（＝ｄθ_w／ｄｔ）、ω_e'＝２×ω_w−ω_eである。

一方、誘導機１２の特性方程式については、ステータ１６及びロータ１８とも供給電源周期に同期したγ−δ座標系で表すことができ、以下の（５）式が得られる。ただし、γ軸方向を同期機（ＰＭ型同期機）１４の磁石磁束方向とする。

誘導機１２のステータ巻線２０の電気角周波数ωは、以下の（６）式で表される。

前述したように、誘導機１２のロータ巻線２２と同期機１４のロータ巻線３０とは電気的に接続（直結）されているため、（３）、（５）式において、ｖ_d＝ｖγ_r、ｖ_q＝ｖδ_r、ｉ_d＝−ｉγ_r、ｉ_q＝−ｉδ_rである。（３）、（５）式を合成すると、以下の（７）式が得られる。

そして、同期機１４のトルクＴ_p、誘導機１２のトルクＴ_iは、以下の（８）、（９）式でそれぞれ表される。

また、誘導機１２のすべりは、以下の（１０）式で表される。

ここで、ステータ巻線２０に流す電流の位相角（ステータ電流位相角）の変化に対する同期機１４のトルクＴ_p及び誘導機１２のトルクＴ_iの特性を計算した一例を図５に示す。本実施形態では、図５に示すように、ステータ電流位相角の制御により同期機１４のトルクＴ_p及び誘導機１２のトルクＴ_iを制御することができる。

（１０）式から、誘導機１２の極対数ｐ_i、同期機１４の極対数ｐ_p、ロータ１８，２６の回転速度ω_w、ロータ２８の回転速度ω_eに関して以下の（１１）式が成立するときは、誘導機１２が力行運転状態となり、誘導機１２のロータ１８に作用するトルクの方向が同期機１４のロータ２６に作用するトルクの方向と同方向になる。誘導機１２の極対数ｐ_iが同期機１４の極対数ｐ_pと等しい例において、以下の（１２）式が成立するときは、誘導機１２のロータ１８に作用するトルクの方向が同期機１４のロータ２６に作用するトルクの方向と同方向になる（誘導機１２が力行運転状態になる）。そのため、出力軸２４に伝達されるトルクは、同期機１４のロータ２６のトルクと誘導機１２のロータ１８のトルクとの和となり、無段変速機能を実現することが可能となる。

ｐ_p／(ｐ_i＋ｐ_p)×ω_e＜ω_w＜ω_e （１１）
ω_e／２＜ω_w＜ω_e （１２）

しかし、以下の（１３）式が成立するときは、誘導機１２が回生運転状態となり、誘導機１２のロータ１８に作用するトルクの方向が同期機１４のロータ２６に作用するトルクの方向と逆方向になる。誘導機１２の極対数ｐ_iが同期機１４の極対数ｐ_pと等しい例において、以下の（１４）式が成立するときは、誘導機１２のロータ１８に作用するトルクの方向が同期機１４のロータ２６に作用するトルクの方向と逆方向になる（誘導機１２が回生運転状態になる）。そのため、出力軸２４に伝達されるトルクは、同期機１４のロータ２６のトルクと誘導機１２のロータ１８のトルクとの差となり、出力軸２４のトルクが減少して無段変速機能を実現できなくなる。

ω_w＜ｐ_p／(ｐ_i＋ｐ_p)×ω_e （１３）
ω_w＜ω_e／２ （１４）

そこで、本実施形態では、（１３）式（誘導機１２の極対数ｐ_iが同期機１４の極対数ｐ_pと等しい例では（１４）式）が成立するときは、電子制御ユニット５０は、誘導機１２の回生運転によるステータ巻線２０の発電電力（交流電力）をインバータ４０で直流に変換するとともに、この直流電力をインバータ４１で交流に変換して回転電機１１のステータ巻線７０に供給するように、各インバータ４０，４１のスイッチング動作を制御する。つまり、誘導機１２のステータ巻線２０の回生電力をインバータ４０，４１で電力変換して回転電機１１のステータ巻線７０に供給する。回転電機１１では、ステータ巻線７０の各相に流れる交流電流によりステータ６６に回転磁界を形成し、この回転磁界と永久磁石３２で発生した界磁束との相互作用（吸引及び反発作用）によりロータ６８にトルクが作用する。したがって、誘導機１２の回生運転による発電電力を利用して回転電機１１を力行運転することで、ロータ６８から車輪３８へ伝達される動力により車輪３８を回転駆動することができる。その際には、同期機１４のロータ２６のトルクと同方向のトルクを回転電機１１のロータ６８に作用させることができるので、誘導機１２の回生運転により出力軸２４のトルクが低下するのを、回転電機１１のロータ６８のトルクにより補償することができる。なお、ロータ６８のトルクの制御については、インバータ４１のスイッチング動作により例えばステータ巻線７０に流す電流の振幅や位相角を制御することで行うことができる。

図６に示すように、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、前述の機械パスによる伝達経路と内部電気パスによる伝達経路との他に、ロータ巻線３０、ロータ巻線２２、ステータ巻線２０、インバータ４０、インバータ４１、及びステータ巻線７０を介した伝達経路（外部電気パスによる伝達経路）が設けられる。外部電気パスにおいては、エンジン３６の動力が誘導機１２の回生運転によりステータ巻線２０の電力に一旦変換され、ステータ巻線２０の電力がインバータ４０，４１で電力変換されてから回転電機１１のステータ巻線７０に伝達され、ステータ巻線７０の電力がロータ６８の動力に変換されて出力軸２４から出力される。そして、車輪３８に伝達される動力は、機械パスによる伝達動力と内部電気パスによる伝達動力と外部電気パスによる伝達動力との合計となる。

以上説明した本実施形態では、（１３）式（誘導機１２の極対数ｐ_iが同期機１４の極対数ｐ_pと等しい例では（１４）式）が成立して誘導機１２が回生運転状態にあるときは、誘導機１２のステータ巻線２０の回生電力をインバータ４０，４１で電力変換してから回転電機１１のステータ巻線７０に供給して回転電機１１を力行運転することで、同期機１４のロータ２６のトルクと同方向のトルクを回転電機１１のロータ６８に作用させることができる。そのため、誘導機１２の回生運転時に同期機１４のロータ２６のトルクと逆方向のトルクが誘導機１２のロータ１８に作用することで出力軸２４のトルクが低下するのを、回転電機１１のロータ６８のトルクにより補償することができ、無段変速機能を維持することができる。その結果、無段変速機能が実現可能となる、ロータ２８とロータ１８，２６との回転速度差の範囲を広げることができる。さらに、回転電機１０での発電電力の一部はインバータ４０，４１（電力変換器）を通らずに誘導機１２のロータ１８の動力に変換されて出力軸２４に伝達されるため、インバータ４０，４１を通過する電力量が少なくなる。そのため、インバータ４０，４１での損失を低減することができ、エンジン３６と車輪３８との間の動力伝達効率を向上させることができる。さらに、インバータ４０，４１の容量を低減することができる。

電子制御ユニット５０は、（１３）式が成立して誘導機１２が回生運転状態にあるときは、出力軸２４（車輪３８）の要求トルクＴｗ０及び回転速度ω_wと入力軸３４（エンジン３６）の回転速度ω_eとに基づいてエンジン３６の目標トルクＴｅ０を演算し、同期機１４のロータ２６のトルクＴ_pがこの目標トルクＴｅ０に一致するように、誘導機１２のステータ巻線２０に流す電流（振幅及び位相角）をインバータ４０のスイッチング動作により制御する。さらに、電子制御ユニット５０は、ステータ巻線２０の電流（振幅及び位相角）に基づいて誘導機１２のロータ１８のトルクＴ_iを演算し、同期機１４のロータ２６のトルクＴ_pと誘導機１２のロータ１８のトルクＴ_iと回転電機１１のロータ６８のトルクＴ_mとの合計が出力軸２４の要求トルクＴｗ０に一致するように、回転電機１１のロータ６８のトルクＴ_m、つまりステータ巻線７０に流す電流（振幅及び位相角）をインバータ４１のスイッチング動作により制御する。これによって、出力軸２４の要求トルクＴｗ０の不足分を回転電機１１のロータ６８のトルクＴ_mにより賄うことができる。

なお、ω_eとω_wとの差が十分大きいとすると、（７）式中のω_peは十分大きいと考えられ、逆数の１／ω_peは０に近似できる。（７）式の第３行、第４行を抜き出して両辺をω_peで割って近似を適用すると、以下の（１５）、（１６）式が得られる。
する。

０＝−Ｍ・ｉδ_s−(Ｌ_r＋Ｌ_q)・ｉδ_r （１５）
０＝Ｍ・ｉγ_s＋(Ｌ_r＋Ｌ_d)・ｉγ_r−Φ （１６）

（１５）、（１６）式を（９）式に代入して整理すると（ただしリラクタンストルクを無視してＬ_d＝Ｌ_qとする）、以下の（１７）式が得られる。（８）、（１７）式から、誘導機１２の極対数ｐ_iが同期機１４の極対数ｐ_pと等しい例では、誘導機１２のロータ１８のトルクＴ_iの大きさが同期機１４のロータ２６のトルクＴ_pの大きさとほぼ等しくなる。

Ｔ_i＝−ｐ_i・Φ・ｉδ_r （１７）

一方、（１１）式（誘導機１２の極対数ｐ_iが同期機１４の極対数ｐ_pと等しい例では（１２）式）が成立して誘導機１２が力行運転状態にあるときは、誘導機１２のロータ１８に作用するトルクＴ_iの方向が同期機１４のロータ２６に作用するトルクＴ_pの方向と同方向であるため、電子制御ユニット５０はインバータ４１のスイッチング動作を停止することで、インバータ４１から回転電機１１のステータ巻線７０への電力供給を停止する。このときは、回転電機１１のステータ６６からロータ６８にトルクＴ_mが作用していなくても、同期機１４のロータ２６のトルクＴ_pと誘導機１２のロータ１８のトルクＴ_iとにより出力軸２４の要求トルクＴｗ０を賄うことが可能であり、無段変速機能を維持することが可能である。

次に、本実施形態の他の構成例について説明する。

図７に示す構成例では、図２に示す構成例と比較して、エンジン３６からの動力をロータ２８とロータ１８，２６とに分配する動力分配機構５２が設けられている。ここでの動力分配機構５２は、キャリアＣに伝達された動力をサンギアＳとリングギアＲとに分配する遊星歯車機構により構成することが可能であり、サンギアＳがロータ２８に連結され、リングギアＲがロータ１８，２６に連結され、キャリアＣがエンジン３６（入力軸３４）に連結されている。図７に示す構成例によれば、動力分配機構５２でキャリアＣからリングギアＲに分配された動力は、出力軸２４（車輪３８）へ機械的に直接伝達される。一方、動力分配機構５２でキャリアＣからサンギアＳに分配された動力は、前述の機械パスによる伝達経路と内部電気パスによる伝達経路（さらには外部電気パスによる伝達経路）を介して出力軸２４（車輪３８）へ伝達される。そのため、内部電気パスによる伝達経路（及び外部電気パスによる伝達経路）を介して伝達されるパワーの配分を少なくすることができ、エンジン３６と車輪３８との間の動力伝達効率をさらに向上させることができる。

また、図８に示す構成例では、図２に示す構成例と比較して、車両の前輪に連結された出力軸（以下、前輪側の出力軸とする）５４が回転電機１０のロータ１８，２６に連結され、車両の後輪に連結された出力軸（以下、後輪側の出力軸とする）２４が回転電機１１のロータ６８に連結されていることで、ロータ１８，２６から前輪へ動力が伝達され、ロータ６８から後輪へ動力が伝達される。図８に示す構成例によれば、エンジン３６からの動力を前述の機械パスによる伝達経路と内部電気パスによる伝達経路を介して前輪側の出力軸５４へ伝達することで前輪を回転駆動することができ、回転電機１１のステータ巻線７０へ電力供給される（回転電機１１を力行運転する）ようにインバータ４１のスイッチング動作を制御してロータ６８の動力を後輪側の出力軸２４へ伝達することで後輪を回転駆動することができる。そして、（１１）式（誘導機１２の極対数ｐ_iが同期機１４の極対数ｐ_pと等しい例では（１２）式）が成立するときには、前輪と後輪の駆動力配分の自由度が出てくるため、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により同期機１４のロータ２６のトルクＴ_p及び誘導機１２のロータ１８のトルクＴ_i（ステータ巻線２０の電流）を制御するとともに、インバータ４１のスイッチング動作により回転電機１１のロータ６８のトルクＴ_m（ステータ巻線７０の電流）を制御することで、前輪と後輪の駆動力配分を制御することができる。その際には、車両の要求駆動力を同期機１４のロータ２６のトルクＴ_p及び誘導機１２のロータ１８のトルクＴ_i（前輪側の出力軸５４に伝達されるトルク）のみで賄うこともできるし、車両の要求駆動力を同期機１４のロータ２６のトルクＴ_p及び誘導機１２のロータ１８のトルクＴ_i（前輪側の出力軸５４に伝達されるトルク）と、回転電機１１のロータ６８のトルクＴ_m（後輪側の出力軸２４に伝達されるトルク）との両方で賄うこともできる。さらに、蓄電装置４２からの一時的な電力出力も許容すれば、車両の要求駆動力を回転電機１１のロータ６８のトルクＴ_m（後輪側の出力軸２４に伝達されるトルク）のみで賄うこともできる。なお、前輪と後輪の駆動力配分を制御する際には、車両の通常走行域（例えば平地の定速走行等）において（１１）式を満たすようにエンジン３６の回転速度と出力特性と車両のギア比を設定することが好ましい。また、前輪側の出力軸５４を回転電機１１のロータ６８に連結し、後輪側の出力軸２４を回転電機１０のロータ１８，２６に連結する、つまりロータ６８から前輪へ動力を伝達し、ロータ１８，２６から後輪へ動力を伝達することも可能であり、この構成によっても、前輪と後輪の駆動力配分を制御することができる。

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。

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る。 本発明の実施形態に係る動力伝達装置の構成の概略を示す図である。 本発明の実施形態に係るハイブリッド駆動装置の動作を説明する図である。 回転電機１０の特性方程式を導出する際に行う座標変換を説明する図である。 回転電機１０の特性方程式を導出する際に行う座標変換を説明する図である。 回転電機１０の特性方程式を導出する際に行う座標変換を説明する図である。 回転電機１０の特性方程式を導出する際に行う座標変換を説明する図である。 ステータ電流位相角の変化に対する同期機１４のトルク及び誘導機１２のトルクの特性を計算した一例を示す図である。 本発明の実施形態に係るハイブリッド駆動装置の動作を説明する図である。 本発明の実施形態に係る動力伝達装置の他の構成の概略を示す図である。 本発明の実施形態に係る動力伝達装置の他の構成の概略を示す図である。 関連技術に係る動力伝達装置の構成の概略を示す図である。 関連技術に係る動力伝達装置の構成の概略を示す図である。

符号の説明

１０，１１ 回転電機、１２ 誘導機、１４ 同期機、１６，６６ ステータ、１８，２６，２８，６８ ロータ、２０，７０ ステータ巻線、２２，３０ ロータ巻線、２４，５４ 出力軸、３２，８２ 永久磁石、３４ 入力軸、３６ エンジン、３８ 車輪、４０，４１ インバータ、４２ 蓄電装置、５０ 電子制御ユニット、５２ 動力分配機構。

Claims (6)

1. 回転磁界を発生可能な第１固定子導体が配設された第１固定子と、回転磁界を発生可能な第１回転子導体が配設された第１回転子と、を含み、第１固定子導体及び第１回転子導体の一方で発生した回転磁界により第１固定子導体及び第１回転子導体の他方に誘導電流が発生する誘導機と、
   回転磁界を発生可能な第２回転子導体が配設され且つ第１回転子と連結された第２回転子と、界磁束を発生する磁極が配設され且つ第２回転子に対し独立して回転可能な第３回転子と、を含み、第２回転子導体で発生した回転磁界と磁極で発生した界磁束との相互作用により第２回転子と第３回転子との間でトルクが作用する同期機と、
   回転磁界を発生可能な第２固定子導体が配設された第２固定子と、第２固定子導体で発生した回転磁界が作用するのに応じて第２固定子との間にトルクが作用する第４回転子と、を含む回転電機と、
   第１固定子導体と第２固定子導体との間で電力変換を行う電力変換部と、
   を備え、
   第１回転子導体及び第２回転子導体に電流が流れる場合に発生する回転磁界の方向が第１回転子導体と第２回転子導体とで互いに逆方向になるように、第１回転子導体と第２回転子導体とが接続されており、
   第３回転子に原動機からの動力が伝達され、第２及び第４回転子から負荷へ動力が伝達され、
   誘導機の極対数をｐ_i、同期機の極対数をｐ_p、第１及び第２回転子の回転速度をω_w、第３回転子の回転速度をω_eとすると、電力変換部は、
   ω_w＜ｐ_p／(ｐ_i＋ｐ_p)×ω_e
   が成立するときは、第１固定子導体の電力を電力変換して第２固定子導体へ供給する、動力伝達装置。
2. 請求項１に記載の動力伝達装置であって、
   電力変換部は、
   ｐ_p／(ｐ_i＋ｐ_p)×ω_e＜ω_w＜ω_e
   が成立するときは、第２固定子導体への電力供給を停止する、動力伝達装置。
3. 請求項１または２に記載の動力伝達装置であって、
   原動機からの動力を第３回転子と第１及び第２回転子とに分配する動力分配機構をさらに備える、動力伝達装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１に記載の動力伝達装置であって、
   電力変換部は、
   ω_w＜ｐ_p／(ｐ_i＋ｐ_p)×ω_e
   が成立するときは、第１固定子導体の交流電力を直流に変換し、この直流電力を交流に変換して第２固定子導体へ供給する、動力伝達装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１に記載の動力伝達装置であって、
   第４回転子は第１及び第２回転子と連結されている、動力伝達装置。
6. 請求項１〜４のいずれか１に記載の動力伝達装置であって、
   第２回転子から車両の前輪及び後輪の一方へ動力が伝達され、第４回転子から車両の前輪及び後輪の他方へ動力が伝達される、動力伝達装置。

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