JP2019106793A - 回転電機ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】高効率で運転することができる回転電機ユニットを提供する。【解決手段】回転電機ユニット１は、軸部材１０と、軸部材１０に対し相対回転可能に配置される第１ロータ１１０と、第１ロータ１１０の外周側に配置される第１ステータ１２０と、を有する第１回転電機１００と、軸部材１０に対し相対回転可能に配置される第２ロータ２１０と、第２ロータ２１０の外周側に配置される第２ステータ２２０と、を有する第２回転電機２００と、第１ロータ１１０と軸部材１０とのトルク伝達経路を遮断又は接続する第１断接機構１５０と、第２ロータ２１０と軸部材１０とのトルク伝達経路を遮断又は接続する第２断接機構２５０と、第１断接機構１５０及び第２断接機構２５０の解放又は締結を制御する制御部３００と、を備える。第１回転電機１００と第２回転電機２００とは異なる特性を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、電動車両に搭載可能な回転電機ユニットに関する。

一般に、電動車両には永久磁石型同期電動機が搭載されている。永久磁石型同期電動機は、ロータコアの磁化によるリラクタンストルクと磁石によるトルクの両方を利用することができるため、高トルクでの運転が可能である。

しかし、図５に示すように、永久磁石型同期電動機の高効率エリアは限定されている。すなわち、高速域においては低トルクになるとともに鉄損が大きくなり、低速域においては高トルクであるが銅損が大きくなる傾向がある。

この種の問題に対処するべく、例えば、特許文献１には、メインシャフトに２つのモータを配設し、それぞれのモータに給電する配線の結線方法を切り替えることでトルク特性を変更可能とした回転電機ユニットに関する技術が開示されている。

特許第２７９８０３３号公報

しかしながら、特許文献１に開示された回転電機ユニットでは、２つのモータのロータがメインシャフトと常時締結しているため、どちらか一方のモータだけを駆動させても、他方のモータのロータも連れまわってしまうため、効率が悪化してしまう。

本発明は、高効率で運転することができる回転電機ユニットを提供する。

本発明は、
回転電機ユニットであって、
軸部材と、
該軸部材に対し相対回転可能に配置される第１ロータと、該第１ロータの外周側に配置される第１ステータと、を有する第１回転電機と、
該軸部材に対し相対回転可能に配置される第２ロータと、該第２ロータの外周側に配置される第２ステータと、を有する第２回転電機と、
解放又は締結することにより前記第１ロータと前記軸部材とのトルク伝達経路を遮断又は接続する第１断接機構と、
解放又は締結することにより前記第２ロータと前記軸部材とのトルク伝達経路を遮断又は接続する第２断接機構と、
前記第１断接機構及び前記第２断接機構の解放又は締結を制御する制御部と、を備え、
前記第１回転電機と前記第２回転電機とは異なる特性を有する。

本発明によれば、異なる特性を有する第１回転電機及び第２回転電機に対し、第１断接機構及び第２断接機構の解放又は締結を制御することで、一方の回転電機のみを使用することもできるので回転電機ユニットを高効率で運転することができる。

本発明の一実施形態の回転電機ユニットの断面図である。 図１の回転電機ユニットの第１回転電機の部分平面図である。 図１の回転電機ユニットの第２回転電機の部分平面図である。 図１の回転電機ユニットの動作説明図である。 図１の回転電機ユニットの特性図である。 永久磁石型同期電動機の特性図である。

以下、本発明の回転電機ユニットの一実施形態を、図１〜図４を参照しながら説明する。

［構成］
先ず、本実施形態に係る回転電機ユニットの構成について説明する。
図１に示すように、本実施形態に係る回転電機ユニット１は、軸部材１０と、第１回転電機１００と、第２回転電機２００と、第１断接機構１５０と、第２断接機構２５０と、制御部３００と、を備える。

軸部材１０は、回転軸線Ｃを中心に回転してトルクＰを出力する回転軸である。軸部材１０には、第１回転電機１００及び第２回転電機２００を挟むように第１ハブ１１及び第２ハブ１２が設けられている。第１ハブ１１は第１回転電機１００に隣接して設けられ、第２ハブ１２は、第２回転電機２００に隣接して設けられている。

第１回転電機１００及び第２回転電機２００は、軸部材１０と共通の回転軸線Ｃを有し、軸方向に隣接するように配置されている。本実施形態では、第１回転電機１００及び第２回転電機２００は、それぞれニードルベアリング１３０、２３０を介して軸部材１０に回転自在に支持されている。

第１回転電機１００は、第１ロータ１１０と、第１ステータ１２０と、第１ロータシャフト１４０と、を有する。第１ロータ１１０は、第１ロータシャフト１４０と一体に回転するように固定され、ニードルベアリング１３０によって軸部材１０に対し相対回転可能に配置されている。第１ステータ１２０は、第１ロータ１１０の外周側に配置され、制御部３００と電気的に接続されている。

第２回転電機２００は、第２ロータ２１０と、第２ステータ２２０と、第２ロータシャフト２４０と、を有する。第２ロータ２１０は、第２ロータシャフト２４０と一体に回転するように固定され、ニードルベアリング２３０によって軸部材１０に対し相対回転可能に配置されている。第２ステータ２２０は、第２ロータ２１０の外周側に配置され、制御部３００と電気的に接続されている。第２ロータ２１０の極数は第１ロータ１１０の極数と等しくなるように設定されている。

第１断接機構１５０は、解放又は締結することにより第１ロータ１１０と軸部材１０とのトルク伝達経路を遮断又は接続するためのクラッチ機構であり、制御部３００によって制御される。第１断接機構１５０は、ドグ１５１とスリーブ１５２とから構成される。ドグ１５１は、軸部材１０の第１ハブ１１に隣接するように、第１ロータシャフト１４０の外周面に固定されている。スリーブ１５２は、第１ハブ１１に設けられている。スリーブ１５２は、軸部材１０の軸方向に移動可能であって、ドグ１５１と締結（嵌合）又は解放（離脱）する。

第１断接機構１５０のドグ１５１とスリーブ１５２が互いに締結されることにより、第１ロータ１１０と軸部材１０とのトルク伝達経路が接続され、ドグ１５１とスリーブ１５２が互いに解放されることにより、第１ロータ１１０と軸部材１０とのトルク伝達経路が遮断される。

第２断接機構２５０は、解放又は締結することにより第２ロータ２１０と軸部材１０とのトルク伝達経路を遮断又は接続するためのクラッチ機構であり、制御部３００によって制御される。第２断接機構２５０は、ドグ２５１とスリーブ２５２とから構成される。ドグ２５１は、軸部材１０の第２ハブ１２に隣接するように、第２ロータシャフト２４０の外周面に固定されている。スリーブ２５２は、第２ハブ１２に設けられている。スリーブ２５２は、軸部材１０の軸方向に駆動され、ドグ２５１と締結（嵌合）又は解放（離脱）する。

第２断接機構２５０のドグ２５１とスリーブ２５２が互いに締結されることにより、第２ロータ２１０と軸部材１０とのトルク伝達経路が接続され、ドグ２５１とスリーブ２５２が互いに解放されることにより、第２ロータ２１０と軸部材１０とのトルク伝達経路が遮断される。

第１断接機構１５０のドグ１５１と第２断接機構２５０のドグ２５１のスリット数は、第１ロータ１１０及び第２ロータ２１０の極数の整数倍に設定されている。また、第１断接機構１５０のスリーブ１５２と第２断接機構２５０のスリーブ２５２の軸部材１０の回転軸線Ｃに対する位置関係は互いに等しくなっている。これにより、電流位相角のずれを防止することができる。図１中、符号１４１は第１ロータシャフト１４０の回転角を検出するレゾルバであり、符号２４１は第２ロータシャフト２４０の回転角を検出するレゾルバである。

制御部３００は、インバータ３１０と、第１スイッチ３１１と、第２スイッチ３１２と、断接制御部３２０と、スイッチ制御部３３０と、を備えている。インバータ３１０は、３相フルブリッジインバータである。インバータ３１０は、第１ステータ１２０及び第２ステータ２２０に接続されている。第１スイッチ３１１は、第１ステータ１２０とインバータ３１０との電力伝達経路３２１上に設けられている。第２スイッチ３１２は、第２ステータ２２０とインバータ３１０との電力伝達経路３２２上に設けられている。このように、第１回転電機１００の第１ステータ１２０と第２回転電機２００の第２ステータ２２０とを共通のインバータ３１０と、第１スイッチ３１１及び第２スイッチ３１２とで制御することで、回転電機ユニット１の部品点数の増加及び制御が煩雑になるのを抑制できる。

断接制御部３２０は、第１断接機構１５０及び第２断接機構２５０の締結／解放を制御する。スイッチ制御部３３０は、第１スイッチ３１１及び第２スイッチ３１２のＯＮ／ＯＦＦを制御することで、第１ステータ１２０及び第２ステータ２２０への電力の供給／非供給を制御する。

制御部３００は、回転電機ユニット１の駆動時に以下の第１状態〜第３状態を選択する。
（第１状態） スイッチ制御部３３０が第１スイッチ３１１をＯＮするとともに第２スイッチ３１２をＯＦＦにし、且つ、断接制御部３２０が第１断接機構１５０を締結するとともに第２断接機構２５０を解放した状態。
（第２状態） スイッチ制御部３３０が第１スイッチ３１１をＯＦＦするとともに第２スイッチ３１２をＯＮにし、且つ、断接制御部３２０が第１断接機構１５０を解放するとともに第２断接機構２５０を締結した状態。
（第３状態） スイッチ制御部３３０が第１スイッチ３１１及び第２スイッチ３１２の両方ともＯＮし、且つ、断接制御部３２０が第１断接機構１５０を締結するとともに第２断接機構２５０を締結した状態。

第１回転電機１００と第２回転電機２００は相異なる特性を有する回転電機である。

第１回転電機１００は、図２Ａに示すように、第１ロータ１１０のロータコア１１２に永久磁石１１１が配置された永久磁石型同期電動機であり、永久磁石１１１の磁界に第１ステータ１２０内のコイル１２１の磁界を作用させることによりトルクを発生させる。一方、第２回転電機２００は、図２Ｂに示すように、第２ロータ２１０のロータコア２１２に永久磁石が配置されていない空隙２１１が設けられたリラクタンス型同期電動機であり、第２ステータ２２０内のコイル２２１の磁界によって第２ロータ２１０と第２ステータ２２０間に生じる磁力によってトルクを発生させる。

概して、永久磁石型同期電動機である第１回転電機１００は、効率は悪いがトルクが大きく、リラクタンス型同期電動機である第２回転電機２００は、効率は良いがトルクが小さい。より具体的には、図４に示すように、第１回転電機１００は、全速度域においてトルクが大きく、中速〜高速域での効率が良いという特長を有する。その反面、低速域での効率が悪いという欠点がある。一方、第２回転電機２００は、全速度域においてトルクが小さいものの、低トルク域での効率が良いという特長を有する。その反面、高トルク域での効率が悪いという欠点がある。以下で説明するように、第１回転電機１００を永久磁石型同期電動機とし、第２回転電機２００をリラクタンス型同期電動機としたことで、永久磁石型同期電動機及びリラクタンス型同期電動機の長所を生かした回転電機ユニット１を実現できる。

［動作］
次に、上記のように構成された回転電機ユニット１の動作について説明する。
図３に示すように、回転電機ユニット１の制御部３００は、（１）低速域、（２）中速〜高速域、及び（３）低トルク域の３種類の運転状態に応じて、使用する駆動源を切り替える。なお、図３中に記載の「スイッチ１」及び「スイッチ２」はそれぞれ第１スイッチ３１１及び第２スイッチ３１２を意味し、「クラッチ１」及び「クラッチ２」はそれぞれ第１断接機構１５０及び第２断接機構２５０を意味する。また、ロータ１及びロータ２は、それぞれ第１ロータ１１０及び第２ロータ２１０を意味する。また、矢印Ａ１及び矢印Ａ２は、それぞれ第１回転電機１００及び第２回転電機２００からのトルクの伝達経路を示している。また、矢印Ｂ１及び矢印Ｂ２は、それぞれ制御部３００から第１回転電機１００及び第２回転電機２００への電力の伝達経路を示している。

（１）低速域
低速域では、第１スイッチ３１１及び第２スイッチ３１２の両方ともＯＮし、第１断接機構１５０を締結するとともに第２断接機構２５０を締結した状態（第３状態）にする。その結果、第１ロータ１１０及び第２ロータ２１０と軸部材１０とのトルク伝達経路が接続され、第１ロータ１１０及び第２ロータ２１０の両方のトルクが軸部材１０に伝達される。これにより、回転電機ユニット１は、図３の最下段左欄及び図４中に実線で示すように、第１回転電機１００及び第２回転電機２００の両特性を合算した特性を発揮するようになる。

すなわち、低速域においては、第１回転電機１００は高トルクである反面、効率が悪いという特性を有しているが、この特性に低速域において高効率である第２回転電機２００の特性が加えられる。その結果、回転電機ユニット１の低速域での特性は、第１回転電機１００よりも高トルク且つ高効率となる。

（２）中速〜高速域
中速〜高速では、第１スイッチ３１１をＯＮするとともに第２スイッチ３１２をＯＦＦして、第１断接機構１５０を締結するとともに第２断接機構２５０を解放した状態（第１状態）にする。その結果、第１ロータ１１０と軸部材１０とのトルク伝達経路が接続され、第２ロータ２１０と軸部材１０とのトルク伝達経路が遮断されるため、第１ロータ１１０のトルクだけが軸部材１０に伝達される。これにより、回転電機ユニット１は、図３の最下段中欄及び図４中に一点鎖線で示すように、第１回転電機１００単独の特性を発揮するようになる。すなわち、回転電機ユニット１の中速〜高速域の特性は、第１回転電機１００と等しく高効率となる。

（３）低トルク域
低トルク域では、第１スイッチ３１１をＯＦＦするとともに第２スイッチ３１２をＯＮして、第１断接機構１５０を解放するとともに第２断接機構２５０を締結した状態（第２状態）にする。その結果、第１ロータ１１０と軸部材１０とのトルク伝達経路が遮断され、第２ロータ２１０と軸部材１０とのトルク伝達経路が接続されるため、第２ロータ２１０のトルクだけが軸部材１０に伝達される。これにより、回転電機ユニット１は、図３の最下段右欄及び図４中に破線で示すように、第２回転電機２００単独の特性を発揮するようになる。すなわち、回転電機ユニット１の低トルク域の特性は、第２回転電機２００と等しく高効率となる。

このように、本実施形態によれば、相異なる特性を有する第１回転電機１００及び第２回転電機２００に対し、第１断接機構１５０及び第２断接機構２５０の解放又は締結を制御することで、回転電機ユニット１を高効率で運転することができる。即ち、２つの回転電機（第１回転電機１００及び第２回転電機２００）を用いて３つの回転電機の特性を利用することができ、図５に示すように、高効率エリアを拡げることが可能となる。

なお、前述した実施形態は、適宜、変形、改良、等が可能である。例えば、上記実施形態では、相異なる特性を有する２つの回転電機の組み合わせの例として、永久磁石型同期電動機及びリラクタンス型同期電動機を例示したが、これら以外の２つの回転電機の組み合わせを採用することも可能である。例えば、特性が相異なる２つの永久磁石型同期電動機の組み合わせ、特性が相異なる２つのリラクタンス型同期電動機の組み合わせ、等であってもよい。

本明細書には少なくとも以下の事項が記載されている。なお、括弧内には、上記した実施形態において対応する構成要素等を示しているが、これに限定されるものではない。

（１） 回転電機ユニット（回転電機ユニット１）であって、
軸部材（軸部材１０）と、
該軸部材に対し相対回転可能に配置される第１ロータ（第１ロータ１１０）と、該第１ロータの外周側に配置される第１ステータ（第１ステータ１２０）と、を有する第１回転電機（第１回転電機１００）と、
該軸部材に対し相対回転可能に配置される第２ロータ（第２ロータ２１０）と、該第２ロータの外周側に配置される第２ステータ（第２ステータ２２０）と、を有する第２回転電機（第２回転電機２００）と、
解放又は締結することにより前記第１ロータと前記軸部材とのトルク伝達経路を遮断又は接続する第１断接機構（第１断接機構１５０）と、
解放又は締結することにより前記第２ロータと前記軸部材とのトルク伝達経路を遮断又は接続する第２断接機構（第２断接機構２５０）と、
前記第１断接機構及び前記第２断接機構の解放又は締結を制御する制御部（制御部３００）と、を備え、
前記第１回転電機と前記第２回転電機とは異なる特性を有する、回転電機ユニット。

（１）によれば、異なる特性を有する第１回転電機及び第２回転電機に対し、第１断接機構及び第２断接機構の解放又は締結を制御することで、回転電機ユニットを高効率で運転することができる。

（２） （１）に記載の回転電機ユニットであって、
前記制御部は、前記回転電機ユニットの駆動時に、
前記第１断接機構を締結するとともに前記第２断接機構を解放する第１状態と、
前記第１断接機構を解放するとともに前記第２断接機構を締結する第２状態と、
前記第１断接機構を締結するとともに前記第２断接機構を締結する第３状態と、を選択可能である、回転電機ユニット。

（２）によれば、回転電機ユニットの駆動時に、制御部は第１〜第３状態のいずれかを選択可能であるので、２つの回転電機を用いて３つの回転電機の特性を利用することができる。

（３） （１）又は（２）に記載の回転電機ユニットであって、
前記第１回転電機は、永久磁石型同期電動機であり、
前記第２回転電機は、リラクタンス型同期電動機である、回転電機ユニット。

（３）によれば、第１回転電機を永久磁石型同期電動機とし、第２回転電機をリラクタンス型同期電動機とすることで、永久磁石型同期電動機及びリラクタンス型同期電動機の長所を生かすことができる。

（４） （１）〜（３）のいずれかに記載の回転電機ユニットであって、
前記制御部は、前記第１ステータ及び前記第２ステータに接続されるインバータ（インバータ３１０）と、
前記第１ステータと前記インバータとの電力伝達経路（電力伝達経路３２１）上に設けられる第１スイッチ（第１スイッチ３１１）と、
前記第２ステータと前記インバータとの電力伝達経路（電力伝達経路３２２）上に設けられる第２スイッチ（第２スイッチ３１２）と、を備える、回転電機ユニット。

（４）によれば、第１回転電機の第１ステータと第２回転電機の第２ステータとを共通のインバータと、第１スイッチ及び第２スイッチとで制御することで部品点数の増加及び制御が煩雑になるのを抑制できる。

（５） （１）〜（３）のいずれかに記載の回転電機ユニットであって、
前記第１断接機構及び前記第２断接機構は、それぞれスリーブ（スリーブ１５２、スリーブ２５２）とドグ（ドグ１５１、ドグ２５１）とから構成され、
前記第１ロータ及び前記第２ロータは、極数が等しく、
前記第１断接機構及び前記第２断接機構の前記ドグは、前記極数の整数倍であり、
前記第１断接機構の前記スリーブと前記第２断接機構の前記スリーブとは、回転軸線（回転軸線Ｃ）に対する位置関係が等しい、回転電機ユニット。

（５）によれば、電流位相角のずれを防止することができる。

１ 回転電機ユニット
１０ 軸部材
１００ 第１回転電機
１１０ 第１ロータ
１２０ 第１ステータ
１５０ 第１断接機構
１５１ ドグ
１５２ スリーブ
２００ 第２回転電機
２１０ 第２ロータ
２２０ 第２ステータ
２５０ 第２断接機構
２５１ ドグ
２５２ スリーブ
３００ 制御部
３１０ インバータ
３１１ 第１スイッチ
３１２ 第２スイッチ
３２１ 電力伝達経路
３２２ 電力伝達経路
Ｃ 回転軸線

Claims (5)

1. 回転電機ユニットであって、
   軸部材と、
   該軸部材に対し相対回転可能に配置される第１ロータと、該第１ロータの外周側に配置される第１ステータと、を有する第１回転電機と、
   該軸部材に対し相対回転可能に配置される第２ロータと、該第２ロータの外周側に配置される第２ステータと、を有する第２回転電機と、
   解放又は締結することにより前記第１ロータと前記軸部材とのトルク伝達経路を遮断又は接続する第１断接機構と、
   解放又は締結することにより前記第２ロータと前記軸部材とのトルク伝達経路を遮断又は接続する第２断接機構と、
   前記第１断接機構及び前記第２断接機構の解放又は締結を制御する制御部と、を備え、
   前記第１回転電機と前記第２回転電機とは異なる特性を有する、回転電機ユニット。
2. 請求項１に記載の回転電機ユニットであって、
   前記制御部は、前記回転電機ユニットの駆動時に、
   前記第１断接機構を締結するとともに前記第２断接機構を解放する第１状態と、
   前記第１断接機構を解放するとともに前記第２断接機構を締結する第２状態と、
   前記第１断接機構を締結するとともに前記第２断接機構を締結する第３状態と、を選択可能である、回転電機ユニット。
3. 請求項１又は２に記載の回転電機ユニットであって、
   前記第１回転電機は、永久磁石型同期電動機であり、
   前記第２回転電機は、リラクタンス型同期電動機である、回転電機ユニット。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電機ユニットであって、
   前記制御部は、前記第１ステータ及び前記第２ステータに接続されるインバータと、
   前記第１ステータと前記インバータとの電力伝達経路上に設けられる第１スイッチと、
   前記第２ステータと前記インバータとの電力伝達経路上に設けられる第２スイッチと、を備える、回転電機ユニット。
5. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電機ユニットであって、
   前記第１断接機構及び前記第２断接機構は、それぞれスリーブとドグとから構成され、
   前記第１ロータ及び前記第２ロータは、極数が等しく、
   前記第１断接機構及び前記第２断接機構の前記ドグは、前記極数の整数倍であり、
   前記第１断接機構の前記スリーブと前記第２断接機構の前記スリーブとは、回転軸線に対する位置関係が等しい、回転電機ユニット。

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