JP3610961B2

JP3610961B2 - 回転電機及びその回転電機を用いたハイブリッド車両

Info

Publication number: JP3610961B2
Application number: JP2002098251A
Authority: JP
Inventors: 観赤津
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-04-01
Filing date: 2002-04-01
Publication date: 2005-01-19
Anticipated expiration: 2022-04-01
Also published as: JP2003299281A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転電機に関し、特に、インナーロータ及びアウターロータを同軸状に配置し、前記２つのロータ間にステータを配置した回転電機に関する。本発明は、さらに、このような回転電機を用いたハイブリッド車両にも関する。
【０００２】
【従来の技術】
上述したような２つのロータを持つ回転電機では、インナーロータとアウターロータの極対数比を１：１にすると、同期磁気カップリング運転を行うことができる。このような回転電機は、例えば、特開２００１−２７５３９６号公報において開示されている。この従来の回転電機では、永久磁石をインナーロータ：アウターロータ＝１：１の極対数で配置し、いずれかのロータに励磁コイルを配置し、非同期運転したい場合には、この励磁コイルに電流を流して励磁コイルの配置されている方のロータの極対数を増やすようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の回転電機では、磁石による極対数比は１：１であり、極対数を変化させる場合に励磁コイルに励磁するという構成になっていたため、励磁時に銅損が発生し、効率が低下するという問題があった。
【０００４】
また、上記で引用した公報に開示されているように、極対数比を１：１で使用するモードは、同期運転、すなわち、インナーロータとアウターロータの速度が同じ場合に限られている。ＨＥＶ（ハイブリッド車）のように、一方のロータをエンジンに接続し、他方のロータを変速機に接続するような用途では、アウターロータとインナーロータの速度が異なる場合が多くなるため、このような従来の技術を用いた場合、多くの場合において励磁コイルに通電しなければならないことになり、効率が悪化するという問題もあった。
【０００５】
したがって、本発明は、上述した問題を解決するために、励磁コイルを使用せずに極対数１：１に変化させることができるようにした回転電機と、その回転電機を用いたハイブリッド車両を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の第１発明は、インナーロータとアウターロータを同軸状に配置し、これら２つのロータ間にステータを配置した回転電機において、前記インナーロータとアウターロータの極対数が異なり、極対数が少ない方のロータの極対数を増加して前記インナーロータとアウターロータの極対数を同じにする極対数可変機構を具え、前記極対数可変機構は１極の界磁極を複数分割し、分割された界磁極のいずれかを回転することによって極対数を増加するように構成したことを特徴とする。
【０００７】
請求項２に記載の第２発明は、第１発明において、前記極対数可変機構を、極対数を変化させる方のロータの界磁を永久磁石で構成し、１極の磁石を２つに分割し、分割した一方の磁石を磁石反転機構によって回転することによって極対数を増加するように構成したことを特徴とする。
【０００８】
請求項３に記載の第３発明は、第２発明において、前記磁石反転機構を、反転する磁石を円筒状のロータ部材に埋め込み、前記磁石を含んだ円筒状のロータ部材が、ロータ全体と独立に回転し、前記円筒状のロータ部材が一体化したピン穴の開いた棒状の部材を有し、油圧シリンダが該シリンダ先端に設置されたピンを前記ピン穴に抜き差しして前記磁石の回転を制御するように構成したことを特徴とする。
【０００９】
請求項４に記載の第４発明は、第１、第２又は第３発明の回転電機を用いたハイブリッド車両であって、前記アウターロータとインナーロータのいずれか一方をエンジンの出力軸に接続し、他方を変速機構に接続したことを特徴とする。
【００１０】
請求項５に記載の第５発明は、第４発明において、発進時及び高速巡航時に、前記極対数可変機構がインナーロータとアウターロータの極対数を同じにして駆動することを特徴とする。
【００１１】
請求項６に記載の第６発明は、第１、第２又は第３発明の回転電機を用いたハイブリッド車両であって、前記アウターロータとインナーロータのいずれか一方を、クラッチを介してエンジンに接続し、他方を前記変速機構に接続し、前記クラッチが切り離されているときには、前記極対数可変機構が、前記インナーロータとアウターロータの極対数を同じにして駆動することを特徴とする。
【００１２】
【発明の効果】
第１発明によれば、インナーロータの極対数を変化させることで、極対数の異なる（例えば、インナーロータとアウターロータの極対数比が１：２の）非同期運転と、極対数が同じである（すなわち、インナーロータとアウターロータの極対数比が１：１の）同期磁気カップリング運転とが可能になる。
【００１３】
第２発明によれば、界磁をすべて永久磁石で構成することにより、界磁に必要な電流を流す必要がないので損失が減少する。また、インナーロータの磁極１極を予め分割して配置することにより、複数に分割された１つおきの磁石のみの極性を反転させれば、極対数を増加させることができ、損失を発生することなく第１発明の効果が得られる。
【００１４】
第３発明によれば、磁石の回転制御を、センサなどの電気部品を設けることなく行うことができる。
【００１５】
第４発明によれば、ハイブリッド車両として構成することで、走行に際して車速、必要駆動力に係わりなく、エンジンを高効率運転点で運動することができるので、燃費を向上することができる。
【００１６】
第５発明によれば、発進時には両ロータの極対数を同じにして車軸にエンジントルク＋回転電機トルクを発生させることで大きな発進トルクを得ることができ、また高速巡航時にも極対数を同じにすることで、エンジン効率のよい点でエンジンを駆動することができ、回転電機には通電しないことで損失を低減することができる。
【００１７】
第６発明によれば、クラッチによりエンジンと回転電機を切り離すことで、電気自動車として動作することが可能になり、極対数を同じにすることで等価的に回転電機の磁石量が増加したことと同じになるので、極対数が異なる場合と比べて大きなトルクで駆動することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を実施例によって、図面の参照と共に詳細に説明する。すべての図面において、同じ符号は同様の要素を示す。図１は、本発明による回転電機の構成を示す断面図である。本回転電機１００は、インナーロータシャフト９の中心軸線（回転電機の中心軸線でもある）Ｃ上に、同心円状に、内側から、インナーロータシャフト９に取り付けられたインナーロータ７、ステータ１、アウターロータシャフト１０に取り付けられたアウターロータ８の順で配置された多重ロータ構造を成し、アウターロータ８とインナーロータ７との２つのロータ間に位置するステータ１は、ステータコア２と、ステータコア２を軸方向両側から挟み込んで支持するブラケット５とを具える。ボルト６は、ブラケット５とステータコア２に設けられた穴を貫通し、これらの部材を固定することにより、ステータ１を形成している。ステータコア２は、周方向に配置された複数のステータピースに分割され、各々のステータピースにはコイルが巻装され、各々のステータピースは、複数枚のステータ鋼板を積層して形成される。インナーロータ７の磁石に取り付けられた磁石回転機構１２は、インナーロータ７の磁石の一部を回転させる。
【００１９】
図２は、本発明による回転電機の一実施例の断面図である。この図の状態は、非同期運転モードである。アウターロータ８には、アウター磁石１０が埋め込まれており、これらの磁石は、隣り合う磁石の極性がそれぞれ反対になるように配置されている。インナーロータ７には、線状に配置されたインナー磁石１１ａ及び１１ｂから成る複数の組が埋め込まれている。２つ１組のインナー磁石のうち、一方（本例においては１１ｂ）に図１に示したような磁石回転機構を設け、回転可能とする。隣り合う組の回転しないインナー磁石１１ａは、それぞれ反対になるように配置する。この図の状態では、各々の組の回転するインナー磁石１１ｂの極性は、回転しないインナー磁石１１ａの極性と同じである。また、隣り合う組の回転可能な磁石同士が隣接するように配置し、回転可能な磁石を１８０度回転させた場合、隣り合う磁石の極性が反対になるようにする。この図２の状態において、各々の組のインナー磁石は同じ極性であるため、１つの磁石とみなすことができる。したがって、インナーロータとアウターロータの極対数比は、１：２である。
【００２０】
図３は、図２と同じ回転電機において、各々のインナー磁石の組における回転可能な磁石（図２における１１ｂ）を回転した後の磁極の配置を示す断面図である。この図の状態は、同期磁気カップリング運転モードである。回転角度は、１８０度である。このようなインナー磁石の回転により、隣り合う磁石間で磁性が反転し、結果として極対数が図２の状態の２倍になる。この例において、インナー磁石回転前の図２の配置において２極対であったものが、インナー磁石回転後の図３の配置において４極対になっている。この図３の状態において、インナーロータとアウターロータの極対数比は１：１である。
【００２１】
ここで、同期磁気カップリング運転とは、２つのロータが磁気的に結合して同速度で回転することである。ここでいう磁気的な結合とは、磁気吸引力又は磁気反発力である。インナーロータ及びアウターロータを同軸に配置する回転電機でいうならば、アウターロータとインナーロータの回転数が同じであり、例えば、アウターロータが外力によって回されると、インナーロータがアウターロータに引き付けられて同速度で回転する。これに対して非同期運転とは、例えば上記の例ではインナーロータの運転状態（速度、トルク）が、アウターロータに関係なく運動することを言う。同期磁気カップリング運転では、両方のロータに合致した電流をステータに流す必要がなく、極対数が異なった構成で同期運転が必要な場合に比べて回転電機損失を減少させることができる。
【００２２】
インナーロータとアウターロータの極対数比を変化させるために、アウターロータの極対数を変化させることも考えられるが、アウターロータはインナーロータと比べて周長が長いため、極対数を多くして磁石の利用率を上げることが一般的である。したがって、本発明による回転電機においては、インナーロータの極対数よりアウターロータの極対数を多くしたほうが、回転電機の小型化、高効率化に適している。インナーロータとアウターロータの極対数を同じにする場合、アウターロータの極対数が多いときには、アウターロータの極対数を減じることが必要である。しかし、アウターロータの磁石を反転させて極対数を減じた場合には、アウターロータ１極の占める面積がステータ幅に対して極端に広くなり、両隣のステータにまで１極の影響が及ぶため、トルクリップルが増える。また、インナー１極から見たアウター１極の角度が広くなり、インナーロータ磁極１極の裏側とアウターロータ磁極が反発し、インナーロータとアウターロータが同期しづらくなるという問題がある（反トルクが発生するため）。また、アウターロータの磁石１極の起磁力をなんらかの方法で封じ込めた場合には、磁石の利用率が下がり、同期トルクが減少するといった問題がある。一方、インナーロータの磁石を回転させて極対数を増やした場合は、インナーロータの磁石がステータ幅に対して広くなりすぎることはなく、また磁石の利用率は変わらないため、アウターロータの極対数を減じた場合のような問題は発生しない。したがって、インナーロータの極対数を変化（増加）させることが望ましい。また、インナーロータの極対数を増やすことで、出力を低下することなく１極対あたりのステータ磁束鎖交数を減少することができるので、インナーロータ磁石からアウターロータ磁石へ向かう磁束鎖交数が減少し、鉄損が減少する。さらに、インナーロータとアウターロータの極対数比が１：２の状態から１：１に変化させる例に基づいて説明しているが、インナー磁石をさらに細かく分割して１つ置きに回転させるようにすれば、例えば１：３のように１：２と異なった極対数から１：１の極対数に変化させるようにすることも可能である。
【００２３】
図４は、図２と同様の回転電機において、回転角度を１８０度以外とした場合の磁極の配置を示す断面図である。このようにして、回転後の（すなわち、極対数一致モードでの）磁極分布がなるべく等分布になるようにしてもよい。このような場合の角度の設定は、後述する回転機構の位置止めピンを予め所定の角度になるようにして設定する。
【００２４】
図５は、本発明による回転電機の一実施例における磁石回転機構を説明する断面図である。この図において、インナーロータ７とステータ１のみを示してあり、アウターロータを省略している。インナーロータ７の回転可能な磁石１１ｂには軸方向へ穴の開いた棒２０が接続されており、この棒の先端には回り止めピン２７が取り付けられている。インナーロータ７には、シリンダ２３が設けられ、このシリンダ２３には、ピン２１と油路２６が接続され、油路２６からの油圧がない状態では、ピン２１はバネ２４によりシリンダ２３の方へ引き戻されている。油路２６から油圧が加えられると、ピン２１は棒２０に開いた穴に挿さり、磁石１１ｂの回転を止める。油圧を減じれば、穴に挿さっていたピン２１はバネ２４により引き戻され、ピン２１が穴から抜けて磁石１１ｂは開放状態になる。磁石１１ｂが回転して所定の位置に達したときにピン２１を挿さなければならないため、位置決めが必要であるが、この位置決めを、回り止めピン２７と、回り止め２５によって行う。つまり、磁石１１ｂが回転していくと、所定の位置に達したとき回り止めピン２７が回り止め２５に当たり位置が固定されるので、磁石１１ｂはそれ以上回転できず静止する。そのときに油圧をかけてピン２１を挿せば磁石１１ｂが固定される。
【００２５】
図６は、磁石回転機構の他の例を説明する断面図である。この例においては、ピン２１を棒２０の穴に挿して磁石１１ｂを固定する代わりに、ブレーキ２８を用いて棒２０を挟み込んで固定する。
【００２６】
上記磁石回転機構における磁石の回転原理を説明する。図７は、磁石の回転原理を説明する断面図である。永久磁石回転電機のロータ回転トルクは、磁石の吸引力によって生じる。この図において、矢印を付けた磁石１１ｂに着目する。この状態において、磁石１１ｂはＮ極であるとする。ステータをＳ極に励磁すれば、Ｎ極の磁石１１ｂがひきつけられる。このとき、磁石１１ｂには矢印方向のトルクが生じ、このトルクがインナーロータ７を回転させようとする。ここで、磁石１１ｂが自由に回転可能な状態にある場合、磁石１１ｂに生じたトルクはインナーロータ７の回転トルクに変換されず、磁石１１ｂが回転する。回転した磁石１１ｂは、前述した回り止め機構により回転を停止され、ピン２１が棒２０の穴に入ることによって（又はブレーキ２８が棒２０を挟み込むことによって）固定され、磁石１１ｂが受ける力は、インナーロータ７の回転トルクに変換される。
【００２７】
図８は、ハイブリッド車両として構成した本発明の一実施形態を説明する図である。回転電機１００のアウターロータ８をエンジン３１に、インナーロータ７を変速機３２に接続する。変速機３２を車軸３３に接続する。同期カップリング運転モードにおいて、アウターロータ８はエンジン３０によって回転され、アウターロータ８の回転によって磁気カップリングを経てインナーロータ７が回転し、車軸３３が回転される。ステータ１にインナーロータ７用のトルク電流を流せば、車軸３３のトルクはエンジントルク＋インナーロータ発生トルクとなり、トルクコンバータの役目を果たすことができ、燃料使用率を下げることができる。同期磁気カップリング運転モード（極対数一致モード）を、例えば発進時と高速巡航時とにおいて使用する。発進時には、磁気カップリングに加え、インナーロータ７及びアウターロータ８用の電流（この場合は、単一電流となる）をステータ１に流せば、変速機３１にはエンジントルク＋回転電機トルクが加わり、大きな駆動力を得ることができる。磁気カップリングを使用しない場合は、エンジントルクと回転電機トルクの和を出力することができない。また、高速巡航時にはステータ１に電流を流さず、エンジントルクはアウターロータ８に伝わり、磁気カップリングによってインナーロータ７を経由してそのまま変速機３２に伝わる。従来のように磁気カップリングを使用しない場合は、回転電機に通電する必要があり、損失が増加する。発進時と高速巡航時以外の他の走行状態では、磁気カップリングを使用せず、非同期運転モードにおいてインナーロータ７、アウターロータ８ともに独立して運転（駆動及び発電）し、エンジン３１の最適燃費点で駆動する。必ずしも変速機３２を用いる必要はない。
【００２８】
図９は、図８に示す本発明のハイブリッド車両における非同期運転モード（極対数比１：２）と、同期カップリング運転モード（極対数比１：１）との切り替えを説明するフローチャートである。ステップＳ１０１において、必要な駆動力を計算する。次に、ステップＳ１０２において、現在のエンジン動作点で必要駆動力を満たせるか否かを決定する。例えば、発進時であって駆動力不足を回転電機のアシストトルクによって補う場合、“いいえ”でステップＳ１０３に進みエンジン動作点を確認する。ここで、エンジン動作点が適当でない（例えば、最適燃費点にいない）場合、ステップＳ１０５でエンジン動作点を変更し、またステップＳ１０１の駆動力計算に戻るが、エンジン動作点が適切である場合は必要駆動力を回転電機シストトルクで補う必要があるので、ステップＳ１０７に進み、同期カップリング運転モードに入り、インナーロータとアウターロータの極対数を一致させて、磁気カップリングを使用し、さらにインナーロータ７及びアウターロータ８用の電流をステータ１に流し、エンジントルク＋回転電機トルクを駆動力として発生させる。また、高速巡航時には、ステップＳ１０２では“はい”でステップＳ１０４に進み、車速が所定の速度以上ならばステップＳ１０７に進み、同期カップリング運転モードに入る。この場合も、磁気カップリングによってエンジン回転数と回転電機回転数とは同じであるが、ステータには電流を供給しない。すなわち、ロックアップと同等の状態となる。ステップＳ１０４で車速が所定の速度未満である他の走行状態の場合、ステップＳ１０６で通常モードに入り、インナーロータ７とアウターロータ８の極対数が一致しない（すなわち、本例においては極対数比が１：２の）非同期運転モードで、両ロータが独立して回転、駆動する。
【００２９】
図１０は、本発明によるハイブリッド車両の他の実施形態を示す図である。図９の構成に加え、回転電機１００のアウターロータ８とエンジン３１との間にクラッチ３６を配置している。この場合、発進時及び低速時に大トルクが必要な場合でも、エンジン３１を停止して、回転電機１００のみで走行することができる。さらに、磁気カップリングにより、磁石量がインナーロータ７とアウターロータ８の和になるため、大トルクを出力できる。
【００３０】
図１１は、図１０に示す本発明のハイブリッド車両における非同期運転モード（極対数比１：２）と、同期カップリング運転モード（極対数比１：１）との切り替えを説明するフローチャートである。ステップＳ２０１においてクラッチが切れているかどうか決定し、切れていればステップＳ２０２に進む。すなわち、この例において、エンジンと回転電機との間に設置されたクラッチが切れたときに極対数を一致させるか否かの判断を行う。ステップＳ２０２において、必要な駆動力を計算する。次にステップＳ２０３において、出力軸につながれた片ロータの出力トルクのみで必要な駆動力を満たせるか否かを決定する。満たせる場合、ステップＳ２０５に進み、非同期運転モードでそのまま走行する。満たせない場合、ステップＳ２０４に進み、同期カップリング運転モードに入り、極対数を一致させて両ロータの磁束を併せて使用することで、駆動力を増加させ、必要な駆動力を満足させる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による回転電機の構成を示す断面図である。
【図２】本発明による回転電機の一実施例の断面図である。
【図３】磁石を回転した後の磁極の配置を示す断面図である。
【図４】回転角度を１８０度以外とした場合の磁極の配置を示す断面図である。
【図５】磁石回転機構を説明する断面図である。
【図６】磁石回転機構の他の例を説明する断面図である。
【図７】磁石の回転原理を説明する断面図である。
【図８】ハイブリッド車両として構成した本発明の一実施形態を説明する図である。
【図９】図８のハイブリッド車両における運転モード切り替えのフローチャートである。
【図１０】ハイブリッド車両として構成した本発明の他の実施形態を説明する図である。
【図１１】図１０のハイブリッド車両における運転モード切り替えのフローチャートである。
【符号の説明】
１ステータ
２ステータコア
４アウターロータシャフト
５ブラケット
６ボルト
７インナーロータ
８アウターロータ
９インナーロータシャフト
１０アウター磁石
１１ａ、１１ｂインナー磁石
１２磁石回転機構
２０棒
２１ピン
２３シリンダ
２４バネ
２５回り止め
２６油路
２７回り止めピン
２８ブレーキ
３１エンジン
３２変速機
３３車軸
３６クラッチ
１００回転電機

Claims

インナーロータとアウターロータを同軸状に配置し、これら２つのロータ間にステータを配置した回転電機において、前記インナーロータとアウターロータの極対数が異なり、極対数が少ない方のロータの極対数を増加して前記インナーロータとアウターロータの極対数を同じにする極対数可変機構を具え、前記極対数可変機構は１極の界磁極を複数分割し、分割された界磁極のいずれかを回転することによって極対数を増加するように構成したことを特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、前記極対数可変機構を、極対数を変化させる方のロータの界磁を永久磁石で構成し、１極の磁石を２つに分割し、分割した一方の磁石を磁石反転機構によって回転することによって極対数を増加するように構成したことを特徴とする回転電機。
請求項２に記載の回転電機において、前記磁石反転機構を、反転する磁石を円筒状のロータ部材に埋め込み、前記磁石を含んだ円筒状のロータ部材が、ロータ全体と独立に回転し、前記円筒状のロータ部材が一体化したピン穴の開いた棒状の部材を有し、油圧シリンダが該シリンダ先端に設置されたピンを前記ピン穴に抜き差しして前記磁石の回転を制御するように構成したことを特徴とする回転電機。
請求項１、２又は３に記載の回転電機を用いたハイブリッド車両であって、前記アウターロータとインナーロータのいずれか一方をエンジンの出力軸に接続し、他方を変速機構に接続したことを特徴とするハイブリッド車両。
請求項４に記載のハイブリッド車両において、発進時及び高速巡航時に、前記極対数可変機構がインナーロータとアウターロータの極対数を同じにして駆動することを特徴とするハイブリッド車両。
請求項１、２又は３に記載の回転電機を用いたハイブリッド車両であって、前記アウターロータとインナーロータのいずれか一方を、クラッチを介してエンジンに接続し、他方を前記変速機構に接続し、前記クラッチが切り離されているときには、前記極対数可変機構が、前記インナーロータとアウターロータの極対数を同じにして駆動することを特徴とするハイブリッド車両。