JP2011506205A - 車両駆動システム、および電気機械変換機の使用 - Google Patents

Abstract

本発明は、電気機械変換機、特に電動可変変速機を含む車両駆動システムに関する。変換機には、上に回転子が取り付けられている一次軸と、上にインターロータが取り付けられている二次軸と、電気機械変換機のハウジングにしっかりと取り付けられている固定子とが設けられている。一次軸から半径方向に見ると、回転子、インターロータ、および固定子は相互に対して同心円状に配置されている。さらに、一次軸は、エンジンの出力軸によって駆動されるように配置され、二次軸は、変速機ユニットの入力軸を駆動するように配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両駆動システムに関する。

自動変速機が設けられている公知の車両駆動システムは、エンジンの出力軸と変速機ユニットの入力軸とを接続するトルク変換機を含む。トルク変換機は、２つの主機能、すなわち分離機能およびトルク増倍機能を有する発進要素として働く。変速機ユニットからエンジンを分離することにより、振動の伝搬をなくすことができる。さらに、エンジン出力軸のトルクを増倍することにより、より高いトルクが利用可能となる。

ところが、このような設計の性質上、分離機能およびトルク増倍機能は滑りに関連しており、滑りは高損失をもたらす。この滑り効果に起因してロックアップクラッチを使用することができるが、トルク増倍を排除するという副作用がある。さらに、トルク変換機は、変速機内部の主要な発熱源であり、従って冷却設備をかなりの程度必要とする。しかも、枯渇およびキャビテーションを防止するためにトルク変換機は高いオイルフローレベルを必要とするが、このことによりオイルポンプが大型になり、特に、高速での寄生損失が大きくなる。というのも、ポンプはエンジンにより駆動されねばならないからである。ハイブリッド車両では、変速機クラッチが確実に充填されて迅速な発進が可能となるようにするために、電気サポートポンプも必要になる。さらに、このようなシステムは、ハイブリッド電気車両において後に再利用するための制動エネルギーを回収することができない。

高レベルの車両駆動システムでは、小型化されているトルク変換機に、比較的多数のギア速度、ならびに、最適化されているシフトおよび滑りの制御と合わせて早期のロックアップが適用され、トルク変換機の損失が最小化されている。

欧州特許出願公開第１０６８９７７号は、トルク変換機が電気機械に代わった車両駆動システムを開示している。ところが、このような構成は、電気機械の定格と比較して負荷が非常に低いことから、空気調和システムのポンプ等の車両アクセサリに電力供給する際の効率が乏しく、欠点となっている。

国際公開第０３／０７５４３７号は、上に回転子が取り付けられている一次軸と、上にインターロータが取り付けられている二次軸と、電気機械変換機のハウジングにしっかりと取り付けられている固定子とが設けられている電気機械変換機、特に電動可変変速機を開示している。一次軸から半径方向に見ると、回転子、インターロータ、および固定子は相互に対して同心円状に配置されており、回転子および固定子は１つ以上の巻線を備えて設計され、インターロータは、機械的にも電磁的にも１つの統一体を形成し、少なくとも接線方向に磁束の導体として配置される。電気機械変換機の一次軸は、車両エンジンの出力軸により駆動される。電気機械変換機の二次軸は、車両の動輪を駆動する。

電動可変変速機（ＥＶＴ：ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖａｒｉａｂｌｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）は、２つの機械ポート、すなわち一次（駆動）軸および二次（従動）軸と、エネルギーを交換することのできる電気的ゲートとを備えた電気機械変換機である。電気的ゲートが使用されない場合、ＥＶＴは通例の無段変速機として働き、ここでトランスファレシオは非常に広範なレンジを有する。ＥＶＴは、車両のクラッチとギアボックスとを組み合わせた機能に匹敵する機能を果たす。ＥＶＴと組み合わせると、エンジンは実際に電源として働き、これによって、速度はエンジンの最適な特質に応じて設定することができる。燃料消費、雑音レベル、および車両からの有毒ガスの排出はこのようにして低減することができる。ＥＶＴは無段変速機であるため、加速中にギアシフトによる衝撃がない。このことは、従来のギアボックスにおけるように、出力が時間の関数としてほぼ鋸歯状の経過を辿ることなく一定（最大許容）出力による加速が常に可能であることをも意味する。従って、同一エンジンを用いると、ＥＶＴによる加速は、従来のギアボックスでよりも高速に進む。一方で、ＥＶＴは比較的大型で重く高価なユニットである。

上述の欠点の少なくとも１つがなくなる車両駆動システムを提供することが本発明の目的である。特に、本発明は、より効率的な車両駆動システムを提供することに向けられている。そのために、本発明によれば、車両駆動システムは、国際公開‘４３７号で開示されているような電気機械変換機を含み、そこでは、一次軸は、エンジンの出力軸により駆動されるように配置され、二次軸は、変速機ユニットの入力軸を駆動するように配置される。

電気機械変換機の一次軸および二次軸をそれぞれ、エンジンの出力軸により駆動されるように、変速機ユニットの入力軸を駆動するように配置することにより、車両の動力伝達系路が作動している間、二次軸に対する一次軸の比率範囲は、電気機械変換機の二次軸が車両の動輪に直接結合している機器構成におけるよりも小さくなる。従って、電気機械変換機の電気部品を比較的小さく実現することができ、これによって、電気機械変換機の寸法、重量、および原価が低減される。

従来のトルク変換機を電気機械変換機に代えることにより、前記電気機械変換機は、トルク増倍を提供しつつ、エンジンと変速機とを分離することによる発進要素として機能する。電気機械変換機を変速機ユニットと組み合わせて使用すると、従来のトルク変換機を使用する際に受けると思われるものよりも損失が著しく少ない。電気機械変換機が高効率性能を有することから、変速機ユニットは、ギア比の間のステップを広くしつつギアステップを比較的少数にして実現することができる。

印加されるエンジントルクを電気機械変換機が伝達することから、任意の車両アクセサリにより生じる負荷は、エンジンにより生じる負荷に付加的なものとなり、このことは、有利なことに、より効率的な負荷率をもたらす。

電気機械変換機を蓄電システムに結合できる場合には、変換機の本来の特徴に起因して、制動エネルギーを回収することができ、電気駆動機能を提供することができる。

さらに、変速機ユニットと直列にしてさらなる変速機ユニットを配置することにより、電気機械変換機の二次軸に対する一次軸の比率範囲を１付近で、より容易に選ぶことができ、したがって、車両駆動システムの効率をさらに改良することができる。別法では、車両駆動システムに単一の変速機システムが設けられる。更に、エンジンの出力軸と電気機械変換機の一次軸との間にさらなる変速機ユニットを提供することにより一次軸の速度を増すことができ、これによって、電気機械変換機の電気部品を一層小型にすることが可能になり、したがって、システム全体をよりコンパクトで軽量かつ低コストにすることができる。

本発明は、電気機械変換機の使用にも関する。

次に、本発明を、添付の図面に表すような例示的な実施形態に基づいてさらに説明する。

本発明の第１実施形態による車両駆動システムの略図である。 電気機械変換機の略図である。 本発明の第２実施形態による車両駆動システムの略図である。

図で対応している部品は、可能な場合、同一の参照符号を用いて示される。

図１は、本発明の第１実施形態による車両駆動システム１０１を概略的に示す。車両駆動システムは、エンジン１０２と、電気機械変換機１０３と、車両の動輪に関連する駆動軸に結合している変速機ユニット１０４とを含む。エンジン１０２、電気機械変換機１０３、および変速機ユニット１０４は、車両の動輪を駆動するように互いに結合している。

図２には、電気機械変換機である電動可変変速機（ＥＶＴ）１の基本構造が概略的に表されている。ＥＶＴ１は、一次軸５を備えた一次誘導機と二次軸７を備えた二次誘導機とが中に配置されているハウジング３を含む。２つの軸５、７はハウジング３内で軸架されている。一次誘導機は、電気的にアクセス可能な多相巻線を備えたスリップリング電機子により形成されている回転子８と、電気的にアクセス不可能なかご形電機子９とを含む。二次誘導機は、ハウジング３にしっかりと接続している、固定部品である固定子１０と、二次軸７上に取り付けられているかご形電機子１１とを含む。二次誘導機の二次軸７は、回転子８内でも軸架されている。固定子１０は、電気的にアクセス可能な多相巻線を有する。回転子８と固定子１０との間では電気エネルギーを制御ユニットを介して交換することができ、この制御ユニットは、ここではスリップリングとブラシとの組み合わせ１４を介して回転子巻線に接続している第１出力電子ＡＣ／ＤＣ変換機１２と、第２出力電子ＡＣ／ＤＣ変換機１３とを含み、これらの変換機は両方とも、交流電圧‐直流電圧インバータとして設計されている。２つのインバータ１２、１３のＤＣ端子は相互接続しており、任意で、バッテリまたはスーパーキャパシタ等の、制御ユニットに含まれるＤＣ貯蔵エネルギーシステム２に接続している。制御ユニットはさらに、巻線内を流れる電流を制御するための制御要素１６を含む。従って、制御要素１６は、データ線１７、１８を介してインバータ１２、１３を制御する。一次および二次誘導かご形電機子９、１１は共同でインターロータ１５を形成する。ＥＶＴの基礎は一次誘導機であり、一次誘導機は、回生電磁クラッチとして働いて、低損失速度比制御を可能にする。一次誘導機からの回生エネルギーが供給される二次誘導機は、トルク増倍を可能にする補助電動機として働く。

本発明の態様による実施形態において、インターロータは磁気回路および電気回路を含み、磁気回路は磁束導体柱を含み、電気回路は、磁束導体柱内を延びて電気回路を形成する複数の巻線を含み、インターロータが磁束の導体として接線方向および半径方向に配置され、その結果、インターロータが磁気飽和すると、回転子と固定子との間に直接トルクを及ぼすことができる。

電気機械変換機１、１０３の一次軸５は燃焼エンジン１０２の出力軸に結合している一方、二次軸７は変速機ユニット１０４の入力軸に結合している。

好ましくは、回転子とインターロータとの間で、またはエンジン出力軸と変速機入力軸との間でロックアップクラッチが実施され、その結果、車両駆動システムの効率がさらに改良される。明らかなことであるが、車両駆動システムは、例えば原価の目的で、任意のロックアップクラッチなしに配置することができる。

電気機械変換機１、１０３は高効率性能を有するので、これによって、ロックアップを適用する必要性が低減される。結果として、車両における快適性のレベルを改良することができる。さらに、電気機械変換機１、１０３は高オイルフローを必要としない。電気機械変換機１、１０３を使用すれば、後続のギア比の間の比率ステップ寸法がさらに緩和され、これによって、より単純で安価な変速機ユニットが可能になる。他方で、後続のギア比の間で比較的小さいステップ寸法を維持することにより、必要となるトルク増倍は低減され、これによって、車両駆動システムがさらに一層効率的となる。

変速機ユニットは、可変変速機、例えば、手動で操作可能なギアボックス、自動操作ギアボックス等の段階式変速機、または連続変速機を提供するように配置される。

図３は、本発明の第２実施形態による車両駆動システム１０１を概略的に示す。本発明の第１実施形態と同様に、車両駆動システム１０１は、エンジン１０２と、電気機械変換機１０３と、車両の動輪に関連する駆動軸に結合している変速機ユニット１０４とを含む。変速機ユニット１０４と直列にしてさらなる変速機ユニット１０５が配置される。特に、さらなる変速機ユニット１０５の入力軸はエンジンの出力軸に結合しており、さらなる変速機ユニット１０５の出力軸は電気機械変換機１０３の一次軸に結合している。

電気機械変換機１、１０３を適用することにより、車両の動輪を、機械的に、電気的に、または、組み合わせるやり方で同時に機械的かつ電気的に駆動することができる。一例として、エンジン１０３がオフにされるとき車両は電気的に駆動することができる。その際、電気ＤＣ貯蔵システム２は、車両を駆動するための電力を提供する。車両を機械的にも電気的にも駆動することにより、エネルギーの観点から最適な駆動状態を設定することができる。

さらに、エンジン１０２が、車両によって要求されるよりも多くのエネルギーを生成する際、電気バッファは、過剰なエネルギーを貯蔵することができる。同様に、エンジン１０２が、車両によって要求されるよりも少ないエネルギーを生成するとき、例えばエンジンのアイドリング時に、電気バッファ２は電気機械変換機に付加的なエネルギーを提供することができる。電源２を提供することにより、および／または、適切な伝達比を選択することにより、電気機械変換機にとって最適な回転子／インターロータ速度比の作業レンジを規定することができる。

本発明による好適な実施形態において、１つ以上の変速機ユニットのギア比は、回転子／インターロータ速度比がほぼ１となるように設計される。その際、電気機械変換機は、エネルギー的に最も効率的なやり方で作動する。

本発明によるさらなる実施形態において、ハイブリッド駆動システムの一部を成す電動機駆動システムにより車両が駆動される状態としてｅ‐駆動モードが実施される。ｅ‐駆動モードの間は、これもハイブリッド駆動システムの一部を成す燃焼エンジンをオフにすることができる。さらに、例えば燃焼エンジンの出力クランク軸が比較的低速度であるとき、例えば車両の停止中に、あるいは燃焼エンジンが所定の時間周期よりも短時間で作動中であるとき、前記ｅ‐駆動モードは、車両が電力により少なくとも部分的に駆動される状況を含むこともできよう。

車両を駆動する際、車両を駆動するのに必要とされるよりも多くの電力を発生させることが可能である。上で示されているように、過剰な電力は例えば電気バッファ２内に貯蔵することができ、あるいは他の電気車両システムに供給することができる。

本システムは、所与の出力トルクおよび所与の入力速度を提供するように制御されるものであり、したがって、トルク変換機を模している。エネルギー貯蔵と組み合わされるとき、この制御は電力平衡制御器を用いて行うことができる。そうでない場合、電圧制御を使用することができる。

エンジンがアイドリング作動すると、ＥＶＴ入力トルクは０Ｎｍに設定されて、動力伝達系路の残部からエンジンが分離され、これによってエンジン速度制御器との衝突がなくなる。

段階式変速機または連続変速機とＥＶＴとの制御が調整されれば、駆動の電気効率、電気駆動機能および回生機能を最適化することが可能である。高効率を確実にするには、制御およびレイアウトを、インバータの寸法を最小化し、ＥＶＴ効率を最大化するようなものにする。すなわちＥＶＴの一次軸および二次軸を比率１：１付近で作動させることにより行う。

本発明は、本明細書に記載されている例示的な実施形態に限定されるものではない。多くの変形が可能であることが当業者には明らかとなろう。

なお、回転子内および固定子内で多相巻線を適用する代わりに、回転子内および／または固定子内で単相巻線を適用することもできる。

同様に、電気機械変換機を駆動するのに燃焼エンジンを使用する代わりに、別のエンジンの種類、例えばガスタービンを使用することもできる。

さらになお、電気機械変換機は、例えば遊星歯車変速機を使用することにより、変速機ユニットに物理的に一体化することもできる。

例えば、インターロータが、電気的にアクセス不可能な１対の巻線をかご形電機子内に含まず、例えばブロックの形態の永久磁性材料が両側に配置されている磁束導体柱を含むように、インターロータを別のやり方で設計することも可能である。任意で、永久磁性材料は埋め込まれる。別の可能な実施形態において、インターロータは磁束導体柱を含み、この場合、一方の側に永久磁性材料が適用され、他方の側に、電気的にアクセス可能な巻線が中に配置された、長手方向に延びる溝が提供されている。一方で、後者の場合に確実であるのは、インターロータ上または二次軸上に電流供給点が存在し、二次軸上には、スリップリングを容易に取り付けできることができ、それを介して電流を供給または除去することができることである。

当業者にはこのような他の変形が明白となろう。これらの変形は、添付の請求項で系統的に述べられているような本発明の範囲内にあると見なされる。

Claims (10)

1. 上に回転子が取り付けられている一次軸と、上にインターロータが取り付けられている二次軸と、電気機械変換機のハウジングにしっかりと取り付けられている固定子とが設けられている前記電気機械変換機、特に電動可変変速機を含む車両駆動システムであって、前記一次軸から半径方向に見ると、前記回転子、前記インターロータ、および前記固定子が相互に対して同心円状に配置されており、前記回転子および前記固定子が１つ以上の巻線を備えて設計され、前記インターロータが、機械的にも電磁的にも１つの統一体を形成し、少なくとも接線方向に磁束の導体として配置されており、前記一次軸が、エンジンの出力軸によって駆動されるように配置され、前記二次軸が、変速機ユニットの入力軸を駆動するように配置される、車両駆動システム。
2. 前記一次軸が、前記エンジンの前記出力軸に結合するように配置される、請求項１に記載の車両駆動システム。
3. 前記二次軸が、前記変速機ユニットの前記入力軸に結合するように配置される、請求項１または２に記載の車両駆動システム。
4. 前記駆動システムと直列にしてさらなる変速機ユニットが配置される、請求項１に記載の車両駆動システム。
5. 前記回転子および／または前記固定子の前記１つ以上の巻線が、単相型または多相型であり、電気的にアクセス可能である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の車両駆動システム。
6. 前記インターロータが、磁気回路および電気回路をさらに含み、前記磁気回路が磁束導体柱を含み、前記電気回路が、前記磁束導体柱内を延びて電気回路を形成する複数の巻線を含み、前記インターロータが磁束の導体として接線方向および半径方向に配置され、その結果、前記インターロータが磁気飽和すると、前記回転子と前記固定子との間に直接トルクを及ぼすことができる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の車両駆動システム。
7. 前記回転子および／または前記固定子の、電気的にアクセス可能な巻線が、前記巻線内を流れる電流を制御するための制御ユニットに接続している、請求項１〜６のいずれか１項に記載の車両駆動システム。
8. エンジンおよび変速機ユニットをさらに含み、前記エンジンの出力軸が、前記電気機械変換機の前記一次軸を駆動するように配置され、前記変速機ユニットの入力軸が、前記電気機械変換機の前記二次軸により駆動されるように配置される、請求項１〜７のいずれか１項に記載の車両駆動システム。
9. 上に回転子が取り付けられている一次軸と、上にインターロータが取り付けられている二次軸と、電気機械変換機のハウジングにしっかりと取り付けられている固定子とが設けられている前記電気機械変換機、特に電動可変変速機の使用であって、前記一次軸から半径方向に見ると、前記回転子、前記インターロータ、および前記固定子が相互に対して同心円状に配置されており、前記回転子および前記固定子が１つ以上の巻線を備えて設計され、前記インターロータが、機械的にも電磁的にも１つの統一体を形成し、少なくとも接線方向に磁束の導体として配置されており、前記一次軸が、エンジンの出力軸によって駆動され、前記二次軸が、変速機ユニットの入力軸を駆動するように配置された電気機械変換機の使用。
10. 前記回転子／インターロータ速度比が、１を含む所定の範囲内にある、請求項９に記載の電気機械変換機の使用。

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