JP4759589B2 - 動力装置 - Google Patents
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Description
本発明は、被駆動部を駆動するための動力装置に関する。
従来、この種の動力装置として、例えば特許文献1に開示されたものが知られている。この動力装置は、車両の駆動輪を駆動するためのものであり、駆動源としての内燃機関および回転機と、この駆動輪に動力を伝達するための無段変速装置および遊星歯車装置を備えている。遊星歯車装置は、サンギヤ、リングギヤおよびキャリアを有する一般的なシングルピニオンタイプのもので、このサンギヤはハイクラッチを介して、このリングギヤはロークラッチを介して、駆動輪に連結されている。内燃機関は、主軸を介して上記のキャリアに連結されており、この主軸は、無段変速装置の入力プーリに連結されている。また、回転機、無段変速装置の出力プーリおよびサンギヤは、副軸を介して互いに連結されている。
以上の構成の動力装置は、その動作モードの1つとして、主として低速走行中に用いられるトルク循環モードを有している。このトルク循環モード中には、上記のハイクラッチを遮断することでサンギヤと駆動輪の間を遮断し、ロークラッチを接続することでリングギヤと駆動輪の間を接続する。以上により、内燃機関のトルクは、主軸を介してキャリアに伝達され、回転機のトルクは、副軸、無段変速装置および主軸を介してキャリアに伝達される。また、キャリアに伝達されたトルクは、リングギヤとサンギヤに分配され、リングギヤに分配されたトルクは駆動輪に伝達される。一方、サンギヤに分配されたトルクは、副軸に伝達され、回転機のトルクと合成された後、無段変速装置を介して主軸に伝達され、さらに、内燃機関のトルクと合成された後、キャリアに伝達される。以上のように、トルク循環モード中、内燃機関および回転機の動力は、無段変速装置および遊星歯車装置を循環しながら、駆動輪に伝達される。
上述したように、従来の動力装置では、トルク循環モード中、内燃機関および回転機から駆動輪への動力の伝達が、遊星歯車装置を必ず経由して行われるので、遊星歯車装置における機械的な歯車の噛み合いによる動力の伝達ロスによって、動力装置の駆動効率が低くなってしまう。また、回転機の動力が、遊星歯車装置に加え、無段変速装置を必ず経由するので、無段変速装置における動力の伝達ロスによって、動力装置の駆動効率がさらに低くなってしまう。
また、トルク循環モード中、駆動輪の動力を用いて回転機により発電を行った場合にも、駆動輪から回転機への動力の伝達が、遊星歯車装置および無段変速装置を必ず経由して行われるので、遊星歯車装置および無段変速装置における動力の伝達ロスによって、十分な発電効率を得ることができない。さらに、トルク循環モード中、内燃機関の動力を用いて回転機により発電を行う場合、キャリアを介してサンギヤに分配された動力を用いて発電が行われる。このように、この場合にも、内燃機関から回転機への動力の伝達が、遊星歯車装置を必ず経由して行われるので、遊星歯車装置における動力の伝達ロスによって、十分な発電効率を得ることができない。
また、遊星歯車装置という複数の歯車や軸を組み合わせた複雑な機構を用いるため、その構成が非常に複雑であり、それに加え、遊星歯車装置における複数の歯車の間のバックラッシによって、駆動輪の回転速度をきめ細かく制御することができない。
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、駆動効率および発電効率を高めることができる動力装置を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するため、請求項1に係る発明は、被駆動部(実施形態における(以下、本項において同じ)駆動輪DW,DW)を駆動するための動力装置1、1A〜1C、1G〜1Jであって、動力を出力するための出力軸(クランク軸3a)を有する熱機関(エンジン3)と、熱機関の出力軸と被駆動部に連結され、熱機関の動力を変速して被駆動部に伝達するための第1変速装置(無段変速装置20)と、回転機31と、を備え、回転機31は、周方向に並んだ所定の複数の磁極(永久磁石34a)で構成され、かつ隣り合う各2つの磁極が互いに異なる極性を有するように配置された磁極列を有する、周方向に回転自在の第1ロータ34と、周方向に並んだ複数の電機子(鉄芯33a、U相コイル33c、V相コイル33d、W相コイル33e)で構成され、磁極列に対向するように配置されるとともに、複数の電機子に発生する所定の複数の電機子磁極により周方向に回転する回転磁界を磁極列との間に発生させるための電機子列を有する、不動のステータ33と、互いに間隔を隔てて周方向に並んだ所定の複数の軟磁性体(コア35a)で構成され、かつ磁極列と電機子列の間に配置された軟磁性体列を有する、周方向に回転自在の第2ロータ35と、を有し、電機子磁極の数と磁極の数と軟磁性体の数との比が、1:m:(1+m)/2(m≠1.0)に設定され、第1および第2のロータ34,35の一方が熱機関の出力軸に連結されるとともに、他方が被駆動部に連結されていることを特徴とする。
この動力装置の回転機によれば、周方向に回転自在の第1ロータの磁極列と、不動のステータの電機子列が互いに対向しており、これらの磁極列と電機子列の間に、周方向に回転自在の第2ロータの軟磁性体列が配置されている。また、これらの磁極列、電機子列および軟磁性体列をそれぞれ構成する複数の磁極、電機子および軟磁性体は、周方向に並んでいる。さらに、ステータの電機子列は、その複数の電機子に発生する所定の複数の電機子磁極によって周方向に回転する回転磁界を磁極列との間に発生させることが可能である。また、隣り合う各2つの磁極が互いに異なる極性を有しており、隣り合う各2つの軟磁性体間には、間隔が空いている。上記のように、磁極列と電機子列の間において、複数の電機子磁極による回転磁界が発生するとともに軟磁性体列が配置されていることから、各軟磁性体は、電機子磁極と磁極によって磁化される。このことと、上記のように隣り合う各2つの軟磁性体間に間隔が空いていることによって、磁極と軟磁性体と電機子磁極を結ぶような磁力線が発生する。このため、電機子への電力の供給により回転磁界を発生させると、この磁力線による磁力の作用によって、電機子に供給された電力は動力に変換され、その動力が、第1ロータや第2ロータから出力される。
ここで、電機子に供給された電力および回転磁界の電気角速度ωmfと等価のトルクを駆動用等価トルクTeという。以下、この駆動用等価トルクTeと、第1および第2のロータに伝達されるトルク(以下、それぞれ「第1ロータ伝達トルクT1」「第2ロータ伝達トルクT2」という)の関係、および、回転磁界、第1および第2のロータの電気角速度の間の関係について説明する。
本発明の回転機を次の条件(A)および(B)の下に構成した場合には、回転機に相当する等価回路は図64のように示される。
(A)電機子がU相、V相およびW相の3相コイルを有する
(B)電機子磁極が2個、磁極が4個、すなわち、電機子磁極のN極およびS極を1組とする極対数が値1、磁極のN極およびS極を1組とする極対数が値2であり、軟磁性体が3個である
なお、このように、本明細書で用いる「極対」は、N極およびS極の1組をいう。
(A)電機子がU相、V相およびW相の3相コイルを有する
(B)電機子磁極が2個、磁極が4個、すなわち、電機子磁極のN極およびS極を1組とする極対数が値1、磁極のN極およびS極を1組とする極対数が値2であり、軟磁性体が3個である
なお、このように、本明細書で用いる「極対」は、N極およびS極の1組をいう。
この場合、軟磁性体のうちの第1軟磁性体を通過する磁極の磁束Ψk1は、次式(1)で表される。
ここで、ψfは磁極の磁束の最大値、θ1およびθ2は、U相コイルに対する磁極の回転角度位置および第1軟磁性体の回転角度位置である。また、この場合、電機子磁極の極対数に対する磁極の極対数の比が値2.0であるため、磁極の磁束が回転磁界に対して2倍の周期で回転(変化)するので、上記の式(1)では、そのことを表すために、(θ2−θ1)に値2.0が乗算されている。
同様に、軟磁性体のうちの第2軟磁性体を通過する磁極の磁束Ψk2は、次式(3)で表される。
電機子に対する第2軟磁性体の回転角度位置が、第1軟磁性体に対して2π/3だけ進んでいるため、上記の式(3)では、そのことを表すために、θ2に2π/3が加算されている。
また、この式(6)を一般化すると、軟磁性体を介してU相コイルを通過する磁極の磁束Ψuは、次式(7)で表される。
ここで、a、bおよびcはそれぞれ、磁極の極対数、軟磁性体の数および電機子磁極の極対数である。また、この式(7)を、三角関数の和と積の公式に基づいて変形すると、次式(8)が得られる。
この式(8)において、b=a+cとするとともに、cos(θ+2π)=cosθに基づいて整理すると、次式(9)が得られる。
この式(9)を三角関数の加法定理に基づいて整理すると、次式(10)が得られる。
さらに、この式(14)において、c・θ2=θe2とするとともに、c・θ1=θe1とすると、次式(15)が得られる。
ここで、θe2は、U相コイルに対する軟磁性体の回転角度位置θ2に電機子磁極の極対数cを乗算していることから明らかなように、U相コイルに対する軟磁性体の電気角度位置を表す。また、θe1は、U相コイルに対する磁極の回転角度位置θ1に電機子磁極の極対数cを乗算していることから明らかなように、U相コイルに対する磁極の電気角度位置を表す。
同様に、軟磁性体を介してV相コイルを通過する磁極の磁束Ψvは、V相コイルの電気角度位置がU相コイルに対して電気角2π/3だけ進んでいることから、次式(16)で表される。また、軟磁性体を介してW相コイルを通過する磁極の磁束Ψwは、W相コイルの電気角度位置がU相コイルに対して電気角2π/3だけ遅れていることから、次式(17)で表される。
また、上記の式(15)〜(17)でそれぞれ表される磁束Ψu〜Ψwを時間微分すると、次式(18)〜(20)がそれぞれ得られる。
ここで、ωe1は、θe1の時間微分値、すなわち、ステータに対する第1ロータの角速度を電気角速度に換算した値(以下「第1ロータ電気角速度」という)であり、ωe2は、θe2の時間微分値、すなわち、ステータに対する第2ロータの角速度を電気角速度に換算した値(以下「第2ロータ電気角速度」という)である。
さらに、軟磁性体を介さずにU相〜W相のコイルを直接、通過する磁極の磁束は、極めて小さく、その影響は無視できる。このため、軟磁性体を介してU相〜W相のコイルをそれぞれ通過する磁極の磁束Ψu〜Ψwの時間微分値dΨu/dt〜dΨw/dt(式(18)〜(20))は、電機子列に対して磁極や軟磁性体が回転するのに伴ってU相〜W相のコイルに発生する逆起電圧(誘導起電圧)をそれぞれ表す。
このことから、U相、V相およびW相のコイルをそれぞれ流れる電流Iu、IvおよびIwは、次式(21)、(22)および(23)で表される。
ここで、Iは、U相〜W相のコイルを流れる電流の振幅(最大値)である。
また、これらの式(21)〜(23)より、U相コイルに対する回転磁界のベクトルの電気角度位置θmfは、次式(24)で表されるとともに、U相コイルに対する回転磁界の電気角速度(以下「磁界電気角速度」という)ωmfは、次式(25)で表される。
さらに、U相〜W相のコイルに電流Iu〜Iwがそれぞれ流れることで第1および第2のロータに出力される機械的出力(動力)Wは、リラクタンス分を除くと、次式(26)で表される。
この式(26)に上記の式(18)〜(23)を代入し、整理すると、次式(27)が得られる。
さらに、この機械的出力Wと、前述した第1および第2のロータ伝達トルクT1,T2と、第1および第2のロータ電気角速度ωe1,ωe2との関係は、次式(28)で表される。
これらの式(27)および(28)から明らかなように、第1および第2のロータ伝達トルクT1,T2は、次式(29)および(30)でそれぞれ表される。
また、電機子列に供給された電力と機械的出力Wが互いに等しい(ただし、損失は無視)ことと、前記式(25)および(27)から、前述した駆動用等価トルクTeは、次式(31)で表される。
さらに、これらの式(29)〜(31)より、次式(32)が得られる。
この式(32)で表されるトルクの関係、および式(25)で表される電気角速度の関係は、遊星歯車装置のサンギヤとリングギヤとキャリアにおけるトルクおよび回転速度の関係とまったく同じである。以下、サンギヤ、リングギヤおよびキャリアを総称して、「遊星歯車装置の三要素」という。
さらに、前述したように、b=a+cおよびa−c≠0を条件として、式(25)の電気角速度の関係および式(32)のトルクの関係が成立する。この条件b=a+cは、磁極の数をp、電機子磁極の数をqとすると、b=(p+q)/2、すなわち、b/q=(1+p/q)/2で表される。ここで、p/q=mとすると、b/q=(1+m)/2が得られることから明らかなように、上記のb=a+cという条件が成立していることは、電機子磁極の数と磁極の数と軟磁性体の数との比が、1:m:(1+m)/2であることを表す。また、上記のa−c≠0という条件が成立していることは、m≠1.0であることを表す。本発明の回転機によれば、電機子磁極の数と磁極の数と軟磁性体の数との比が、1:m:(1+m)/2(m≠1.0)に設定されているので、式(25)に示す電気角速度の関係と式(32)に示すトルクの関係が成立し、回転機が適正に作動することが分かる。
また、式(25)および(32)から明らかなように、α=a/c、すなわち、電機子磁極の極対数に対する磁極の極対数の比を設定することによって、磁界電気角速度ωmf、第1および第2のロータ電気角速度ωe1,ωe2の間の関係と、駆動用等価トルクTe、第1および第2のロータ伝達トルクT1,T2の間の関係を自由に設定でき、したがって、回転機の設計の自由度を高めることができる。この効果は、複数の電機子のコイルの相数が前述した値3以外の場合にも同様に得られる。
以上のように、回転機では、電機子への電力供給により回転磁界を発生させると、前述した磁極と軟磁性体と電機子磁極を結ぶような磁力線が発生し、この磁力線による磁力の作用によって、電機子に供給された電力は動力に変換され、その動力が、第1ロータや第2ロータから出力されるとともに、上述したような電気角速度やトルクの関係が成立する。このため、電機子に電力を供給していない状態で、第1および第2のロータの少なくとも一方に動力を入力することにより、この少なくとも一方のロータを電機子に対して回転させると、電機子において、発電が行われるとともに、回転磁界が発生し、この場合にも、磁極と軟磁性体と電機子磁極を結ぶような磁力線が発生するとともに、この磁力線による磁力の作用によって、上述した式(25)に示す電気角速度の関係と式(32)に示すトルクの関係が成立する。
すなわち、発電した電力および磁界電気角速度ωmfと等価のトルクを発電用等価トルクとすると、この発電用等価トルク、第1および第2のロータ伝達トルクT1,T2の間にも、式(32)のような関係が成立する。以上から明らかなように、本発明の回転機は、遊星歯車装置と一般的な1ロータタイプの回転機を組み合わせた装置と同じ機能を有する。
本発明の回転機が上述した機能を有するため、前述した従来の動力装置と異なり、動力を分配または合成して伝達するための遊星歯車装置は不要であり、また、前述した構成によれば、この回転機の第1および第2のロータの一方(以下「一方のロータ」という)が熱機関の出力軸に、他方(以下「他方のロータ」という)が被駆動部に、それぞれ連結されている。したがって、熱機関と回転機と被駆動部の間における動力の伝達を、遊星歯車装置における動力の伝達ロスを伴わずに行うことができる。したがって、熱機関や回転機による被駆動部の駆動効率、被駆動部の動力を用いた回転機の発電効率、および熱機関の動力を用いた回転機の発電効率をいずれも高めることができる。また、遊星歯車装置を用いる従来の場合と比較して、その構成を単純化できるとともに、歯車の間におけるバックラッシによる影響を受けることなく、被駆動部の速度を精度良く制御することができる。
さらに、熱機関の出力軸は、第1変速装置を介して、被駆動部に連結されている。したがって、被駆動部に伝達される熱機関の動力は、第1変速装置によって変速される。以下、この第1変速装置による熱機関と被駆動部を結ぶ動力の伝達経路を「第1伝達経路」という。また、回転機における回転磁界の発生中には、前述した磁力線による磁力によって、一方のロータが他方のロータに磁気的に連結されているため、熱機関の出力軸は、一方のロータおよび他方のロータを介して、被駆動部に連結されている。以下、これらの要素による熱機関と被駆動部を結ぶ動力の伝達経路を「第2伝達経路」という。この第2伝達経路における第1ロータと第2ロータの間での動力の伝達は、磁力線による磁力を介して非接触で行われるので、その伝達効率が高い。
以上のように、熱機関と被駆動部を連結する伝達経路として、第1伝達経路に加え、第1変速装置を含まない動力の伝達効率の高い第2伝達経路を有するので、第2伝達経路において、熱機関と被駆動部の連結を、変速装置を用いることなく行った場合には、熱機関から被駆動部への動力の伝達を必ず変速装置を介して行う場合と比較して、変速装置における動力の伝達ロスを抑制することができる。また、互いに並列な第1および第2の伝達経路を有するので、被駆動部などの運転状態に応じて、第1および第2の伝達経路のうちの最適な伝達経路を選択したり、第1伝達経路と第2伝達経路とを介して被駆動部に伝達されるエネルギの比率を、最適な効率が得られるように設定したりすることが可能になる。なお、本明細書において「変速装置」とは、入力された動力を互いに異なる複数の変速比の1つで変速可能なものをいう。
さらに、例えば、他方のロータを被駆動部に変速装置を用いることなく連結するとともに、回転機と被駆動部の間の動力の伝達を、被駆動部にそのようにして連結された他方のロータを介して行った場合には、必ず変速装置を介して行う従来の場合と異なり、変速装置における動力の伝達ロスが生じることがない。したがって、回転機による被駆動部の駆動効率と、被駆動部の動力を用いた回転機による発電効率をさらに高めることができる。
また、前述したように、電機子磁極の極対数に対する磁極の極対数の比(以下「極対数比」という)αを設定することによって、磁界電気角速度ωmf、第1および第2のロータ電気角速度ωe1,ωe2の間の関係と、駆動用等価トルクTe、第1および第2のロータ伝達トルクT1,T2の間の関係を自由に設定できる。このことは、電力供給による回転磁界の発生中のみならず、発電による回転磁界の発生中にも同様に当てはまる。この場合、具体的には、式(32)から明らかなように、極対数比αが大きいほど、第1および第2のロータ伝達トルクT1,T2に対し、駆動用等価トルクTeがより小さくなる。このことは、発電中にも同様に当てはまる。したがって、極対数比αをより大きな値に設定することによって、ステータの小型化を図ることができ、ひいては、動力装置の小型化を図ることができる。
また、式(25)から、磁界電気角速度ωmf、第1および第2のロータ電気角速度ωe1,ωe2の間の関係は、例えば図65のように示される。同図は、いわゆる速度共線図であり、この速度共線図および後述する他の速度共線図では、値0を示す横線に交わる縦線は、各パラメータの回転速度を表すためのものであり、この縦線上に表される白丸と横線との隔たりが、各パラメータの回転速度に相当する。
この図65から明らかなように、極対数比αが小さいほど、速度共線図における磁界電気角速度ωmfを表す縦線と第2ロータ電気角速度ωe2を表す縦線の間の距離が小さいため、第1ロータ電気角速度ωe1と第2ロータ電気角速度ωe2の差(Δω1)に対する、第2ロータ電気角速度ωe2と磁界電気角速度ωmfの差(Δω2)の比(Δω2/Δω1)は、より小さくなる。したがって、極対数比αをより小さな値に設定することによって、第2ロータ電気角速度ωe2が第1ロータ電気角速度ωe1を上回るような場合において、磁界電気角速度ωmfの過大化による損失の発生により駆動効率や発電効率が低下するのを、防止することができる。
請求項2に係る発明は、請求項1に記載の動力装置1、1A〜1C、1G〜1Jにおいて、第1変速装置は、変速比を無段階に変更可能な無段変速装置20で構成されていることを特徴とする。
本発明の回転機では、式(25)や図65から明らかなように、回転磁界の発生に伴うステータ、第1および第2のロータの間でのエネルギ(電力・動力)の入出力中、回転磁界、第1および第2のロータは、回転速度に関する共線関係を保ちながら回転する。したがって、第1ロータと第2ロータの回転速度の比が変化すれば、それに応じて、第2ロータと回転磁界の回転速度の比も変化することになる。
また、一方のロータは熱機関の出力軸に連結され、他方のロータは被駆動部に連結されていることから、一方のロータおよび他方のロータの回転速度は、熱機関の回転速度および被駆動部の速度にそれぞれ相当する。このため、第1変速装置の変速比が変化し、熱機関および被駆動部の間の回転速度の関係が変化すると、一方のロータと他方のロータの回転速度の比が変化するとともに、上述した回転磁界、第1および第2のロータの速度関係に基づいて、他方のロータと回転磁界の回転速度の比も変化する。以上のことから、第1変速装置の変速比を変更することによって、被駆動部と熱機関の回転速度の比を変化させるのと同時に、被駆動部と回転磁界の回転速度の比も変化させることができる。
本発明によれば、第1変速装置として無段変速装置を用いるので、被駆動部に対する熱機関および回転磁界の回転速度の比を無段階に任意に制御でき、したがって、熱機関および回転機の良好な効率が得られるように、それらの出力を制御しながら、被駆動部を駆動することが可能になる。したがって、動力装置全体としての駆動効率を高めることができる。
請求項3に係る発明は、請求項1または2に記載の動力装置1B、1Iにおいて、第1および第2のロータ34,35の他方からの動力を変速し、被駆動部に伝達するための第2変速装置(変速装置70)をさらに備えることを特徴とする。
この構成によれば、回転機の他方のロータから被駆動部に伝達される動力を、第2変速装置によって変速することが可能である。このため、例えば、被駆動部の負荷が極めて大きいときに、第2変速装置の変速比を減速側に制御することによって、他方のロータから被駆動部に伝達されるトルクを増大させることができるので、他方のロータの小型化、ひいては、回転機の小型化およびコストの削減を図ることができる。
また、被駆動部の速度が極めて高いときに、第2変速装置の変速比を増速側に制御することによって、被駆動部の速度に対し、他方のロータの回転速度を低下させることができるので、他方のロータの回転速度の過大化による回転機の故障を防止できる。他方のロータが第1ロータであり、かつ、その磁極が永久磁石の磁極である場合には、永久磁石は軟磁性体よりも強度が低いことから、上記のような不具合が発生しやすいため、特に有効である。さらに、第2変速装置の変速比を制御することによって、被駆動部の速度に対し、他方のロータの回転速度を適切に制御でき、それにより、回転機による被駆動部の駆動効率および発電効率を高めることができる。
請求項4に係る発明は、請求項1または2に記載の動力装置1C、1Jにおいて、熱機関の動力を変速し、第1および第2のロータ34,35の一方に伝達するための第3変速装置(変速装置80)をさらに備えることを特徴とする。
この構成によれば、熱機関から一方のロータに伝達される動力を、第3変速装置によって変速することが可能である。このため、例えば、熱機関の回転数が極めて高いときに、第3変速装置の変速比を減速側に制御することによって、熱機関の回転数に対して、一方のロータの回転速度を低下させることができるので、一方のロータの回転速度の過大化による回転機の故障を防止することができる。一方のロータが第1ロータであり、かつ、その磁極が永久磁石の磁極である場合には、上記のような不具合が発生しやすいため、特に有効である。また、変速装置の変速比を増速側に制御することによって、熱機関から一方のロータに入力されるトルクを小さくすることができるので、一方のロータの小型化、ひいては、回転機の小型化およびコストの削減を図ることが可能になる。
請求項5に係る発明は、請求項1ないし4のいずれかに記載の動力装置1、1A〜1C、1G〜1Jにおいて、熱機関の出力軸と被駆動部の間を接続・遮断する第1クラッチ(クラッチCL3)をさらに備えることを特徴とする。
この構成によれば、他方のロータが被駆動部に連結された状態で、熱機関の出力軸と被駆動部の間が、第1クラッチによって接続・遮断される。このため、第1クラッチによる熱機関の出力軸と被駆動部の間の遮断により、熱機関の出力軸を介した一方のロータと被駆動部の連結を解くことによって、回転機と被駆動部の間の動力の伝達を、他方のロータのみを介して行うことができる。したがって、他方のロータを、被駆動部に変速装置を用いることなく連結した場合には、変速装置における動力の伝達ロスが生じることがなく、回転機の駆動効率および発電効率をさらに高めることができる。
また、請求項1の作用で述べたように、回転機における駆動用等価トルクTe(または発電用等価トルク)、第1および第2のロータ伝達トルクT1,T2の間の関係は、遊星歯車装置の三要素の間のトルクの関係と同じになっている。このため、第1クラッチにより熱機関の出力軸と被駆動部の間を遮断するとともに、回転機の動作を制御することによって、熱機関のトルクを、一方のロータおよび他方のロータを介して被駆動部に伝達できるとともに、そのようにして被駆動部に伝達されるトルクを漸増させることができる。したがって、熱機関が内燃機関である場合において、被駆動部のフリクションが極めて大きいときでも、エンジンストールを伴わずに、停止中の被駆動部を駆動できるため、熱機関と被駆動部の間の連結を、摩擦式の発進クラッチを用いずに行うことが可能になる。このような摩擦式の発進クラッチは、その作動に必要なエネルギが非常に大きいため、その駆動源として熱機関を用いた場合には、熱機関の燃費が悪化する。したがって、本発明によれば、そのような場合と比較して、熱機関の燃費を向上させることができる。
請求項6に係る発明は、請求項5に記載の動力装置1、1A〜1C、1G〜1Jにおいて、熱機関の出力軸の逆転を制限または阻止するためのブレーキ機構(ワンウェイクラッチCL1、ケースCA)をさらに備えることを特徴とする。
この構成によれば、熱機関の出力軸の逆転が、ブレーキ機構によって制限または阻止される。このため、第1クラッチにより熱機関の出力軸と被駆動部の間を遮断するとともに、熱機関の出力軸に連結された一方のロータの一方向への回転を、ブレーキ機構で阻止または制限することによって、回転機による前述した駆動用等価トルクTeを、一方のロータを支点として他方のロータに伝達し、さらに被駆動部に伝達することができる。したがって、熱機関の出力軸の逆転を制限または阻止しながら、被駆動部を回転機の動力で適切に駆動することができる。また、この場合、第1クラッチによる熱機関の出力軸と被駆動部の間の遮断によって、熱機関を引きずることがないので、その高い駆動効率を得ることができる。
請求項7に係る発明は、請求項5に記載の動力装置1、1A〜1C、1G〜1Jにおいて、第1および第2のロータ34,35の他方を回転不能に保持するためのロータロック機構(電磁ブレーキCL2、クラッチCL4、電磁ブレーキCL5)をさらに備えることを特徴とする。
この構成によれば、他方のロータが、ロータロック機構によって回転不能に保持される。このため、被駆動部に連結された他方のロータを、ロータロック機構により回転不能に保持するとともに、第1クラッチにより熱機関の出力軸と被駆動部の間を遮断することによって、被駆動部を駆動することなく、駆動用等価トルクTeを、他方のロータを支点とし、一方のロータを介して熱機関の出力軸に伝達することができる。また、この場合、回転磁界の回転方向を制御することによって、熱機関の出力軸を正転させることができる。以上のように、被駆動部を駆動することなく、熱機関の出力軸を正転させることができ、ひいては、熱機関が内燃機関である場合に、内燃機関を始動することができる。
請求項8に係る発明は、請求項5ないし7のいずれかに記載の動力装置1A〜1C、1H〜1Jにおいて、第1および第2のロータ34,35の他方から伝達された動力によって回転する被駆動部の回転方向を、正転方向および逆転方向の一方に選択的に切り換える正逆転切換機構60をさらに備えることを特徴とする。
この構成によれば、請求項5や請求項6の作用で述べたように第1クラッチにより熱機関の出力軸と被駆動部の間を遮断した状態で、熱機関や回転機の動力を、他方のロータを介して被駆動部に伝達する際に、正逆転切換機構により被駆動部の回転方向を切り換えることによって、被駆動部の正転および逆転を選択的に行うことができる。この場合、熱機関が内燃機関であり、かつ、被駆動部のフリクションが極めて大きいときでも、請求項5の作用から明らかなように、摩擦式の発進クラッチを用いることなく、熱機関の動力を一方のロータおよび他方のロータを介して被駆動部に伝達し、エンジンストールを伴わずに、停止状態の被駆動部を正転・逆転させることができる。
請求項9に係る発明は、請求項8に記載の動力装置1A〜1C、1H〜1Jにおいて、第1および第2のロータ34,35の他方は、正逆転切換機構60を介して被駆動部に連結されており、正逆転切換機構60は、サンギヤS、リングギヤR、ならびにサンギヤSおよびリングギヤRに噛み合うプラネタリギヤPを回転自在に支持するキャリアCを有し、サンギヤSおよびリングギヤRの一方が、第1および第2のロータ34,35の他方に連結され、サンギヤSおよびリングギヤRの他方が、被駆動部に連結された遊星歯車装置PSと、サンギヤSおよびリングギヤRの一方とキャリアCの間を接続・遮断する第2クラッチ(クラッチCL4)と、キャリアCを回転不能に保持するためのキャリアロック機構(電磁ブレーキCL5)とを有することを特徴とする。
この構成によれば、他方のロータが正逆転切換機構を介して被駆動部に連結されており、正逆転切換機構は遊星歯車装置を有している。また、この遊星歯車装置のサンギヤおよびリングギヤの一方(以下「一方のギヤ」という)が他方のロータに連結され、サンギヤおよびリングギヤの他方(以下「他方のギヤ」という)が被駆動部に連結されている。また、一方のギヤとキャリアの間が、第2クラッチによって接続・遮断され、キャリアがキャリアロック機構によって回転不能に保持される。このため、他方のロータからの動力を、正逆転切換機構を介して被駆動部に伝達する場合に、一方のギヤとキャリアの間を第2クラッチで接続するとともに、キャリアロック機構でキャリアの回転を許容することによって、一方のギヤ、キャリアおよび他方のギヤが、同じ回転方向に一体に回転する。したがって、この場合において被駆動部が正転または逆転するように各要素を連結することによって、被駆動部を正転または逆転させることができる。また、上記のように一方のギヤ、キャリアおよび他方のギヤが一体に回転するので、遊星歯車装置において、ギヤの噛み合いによる動力の伝達ロスを伴わずに、他方のロータからの動力を被駆動部に伝達することができる。
さらに、第2クラッチにより一方のギヤとキャリアの間を遮断するとともに、キャリアロック機構によりキャリアを回転不能に保持することによって、他方のロータからの動力は、一方のギヤ、プラネタリギヤ、および他方のギヤを介して、被駆動部に伝達される。その際、上記のようにキャリアが回転不能に保持されるため、他方のギヤは、一方のギヤに対して逆方向に回転する。したがって、前述したように一方のギヤ、キャリアおよび他方のギヤが同方向に一体に回転する場合において、被駆動部が正転または逆転するように各要素を連結したときには、上記のように他方のギヤが一方のギヤに対して逆方向に回転するので、被駆動部を逆転または正転させることができる。以上のように、正逆転切換機構を、遊星歯車装置、第2クラッチおよびキャリアロック機構の組み合わせによって、比較的単純に構成することができる。
請求項10に係る発明は、請求項1ないし9のいずれかに記載の動力装置1、1A〜1Cにおいて、第1ロータ34が熱機関の出力軸に連結され、第2ロータ35が被駆動部に連結されていることを特徴とする。
この構成によれば、第1および第2のロータが、熱機関の出力軸および被駆動部にそれぞれ連結されている。前述したように駆動用等価トルクTe、第1および第2のロータ伝達トルクT1,T2の間の関係が、遊星歯車装置の三要素の間のトルクの関係と同じであることから、熱機関を回転機でアシストした場合、熱機関および回転機のトルクは、被駆動部に次のようにして伝達される。
すなわち、駆動用等価トルクTeが前述した磁力線による磁力により第2ロータに伝達されるのに伴って、それに釣り合うように、熱機関のトルクの一部が、第1ロータに伝達され、さらに、磁力線による磁力により第2ロータに伝達される。このように、駆動用等価トルクTeと、熱機関から第1ロータに伝達された第1ロータ伝達トルクT1とを合成した合成トルクが第2ロータに伝達され、この合成トルクは被駆動部に伝達される。また、被駆動部には、この合成トルクに加え、熱機関のトルクから第1ロータ伝達トルクT1を差し引いた残りのトルクが、第1変速装置を介して伝達される。以上の結果、被駆動部には、熱機関のトルクおよび駆動用等価トルクTeの和と等しい大きさのトルクが伝達される。
以上のように、回転機によるアシスト中、上記の第1ロータ伝達トルクT1の分、第1変速装置を介さずに、動力を被駆動部に伝達できるので、第1変速装置における動力の伝達ロスを抑制できる。したがって、第2ロータを被駆動部に変速装置を用いることなく連結した場合には、動力装置全体としての駆動効率をさらに高めることができる。また、上記の第1ロータ伝達トルクT1の分、第1変速装置に伝達されるトルクを低減できるため、第1変速装置として、低減された伝達トルクに見合ったものを採用することによって、第1変速装置の高効率化と小型化を図ることができ、ひいては、動力装置全体としての駆動効率のさらなる高効率化と小型化を達成できる。
前記目的を達成するため、請求項11に係る発明は、被駆動部(実施形態における(以下、本項において同じ)駆動輪DW,DW)を駆動するための動力装置1D、1E、1K、1Lであって、動力を出力するための出力軸(クランク軸3a)を有し、出力軸が、変速装置を用いることなく、被駆動部に連結された熱機関(エンジン3)と、熱機関の出力軸と被駆動部の間を接続・遮断する第1クラッチ(クラッチCL3)と、回転機31と、を備え、回転機31は、周方向に並んだ所定の複数の磁極(永久磁石34a)で構成され、かつ隣り合う各2つの磁極が互いに異なる極性を有するように配置された磁極列を有する、周方向に回転自在の第1ロータ34と、周方向に並んだ複数の電機子(鉄芯33a、U相コイル33c、V相コイル33d、W相コイル33e)で構成され、磁極列に対向するように配置されるとともに、複数の電機子に発生する所定の複数の電機子磁極により、周方向に回転する回転磁界を磁極列との間に発生させるための電機子列を有する、不動のステータ33と、互いに間隔を隔てて周方向に並んだ所定の複数の軟磁性体(コア35a)で構成され、かつ磁極列と電機子列の間に配置された軟磁性体列を有する、周方向に回転自在の第2ロータ35と、を有し、電機子磁極の数と磁極の数と軟磁性体の数との比が、1:m:(1+m)/2(m≠1.0)に設定され、第1および第2のロータ34,35の一方が熱機関の出力軸に連結されるとともに、他方が被駆動部に連結されていることを特徴とする。
この動力装置によれば、熱機関の出力軸が、変速装置を用いることなく、被駆動部に連結され、回転機の第1および第2のロータの一方すなわち一方のロータが、熱機関の出力軸に連結されており、第1および第2のロータの他方すなわち他方のロータが、被駆動部に連結されている。また、他方のロータが被駆動部に連結された状態で、熱機関の出力軸と被駆動部の間が、第1クラッチによって接続・遮断される。さらに、この回転機は、請求項1の回転機と同様に構成されており、したがって、この回転機では、電機子への電力供給中および電機子での発電中、式(25)に示す電気角速度の関係と式(32)に示すトルクの関係が成立する。
このように、請求項1の動力装置と同様、本発明の回転機が遊星歯車装置および一般的な回転機を組み合わせた機能を有しており、そのような回転機の一方のロータおよび他方のロータが熱機関および被駆動部にそれぞれ連結されているので、前述した従来の動力装置のように遊星歯車装置を介して連結する場合と比較して、熱機関や回転機による被駆動部の駆動効率と、被駆動部の動力を用いた回転機の発電効率をいずれも高めることができる。その他、請求項1の動力装置と同様、遊星歯車装置を用いることによる不具合を回避でき、それによる前述した効果を得ることができる。
また、本発明によれば、請求項1の動力装置と異なり、熱機関の出力軸と被駆動部の連結が、変速装置を用いることなく行われている。したがって、熱機関から被駆動部への動力の伝達を、変速装置での動力の伝達ロスを伴わずに行うことができ、熱機関による被駆動部の駆動効率をさらに高めることができる。
さらに、本発明によれば、例えば、請求項5の動力装置と同様、第1クラッチにより熱機関の出力軸と被駆動部の間を遮断するとともに、回転機の動作を制御することによって、熱機関のトルクを、一方のロータおよび他方のロータを介して被駆動部に伝達できるとともに、そのようにして被駆動部に伝達されるトルクを漸増させることができる。したがって、熱機関が内燃機関である場合において、被駆動部のフリクションが極めて大きいときでも、摩擦式の発進クラッチを用いることなく、熱機関の動力を被駆動部に伝達し、エンジンストールを伴わずに、停止状態の被駆動部を駆動することができる。また、そのように摩擦式の発進クラッチが不要であるので、その駆動源として熱機関を用いる場合と比較して、熱機関の燃費を向上させることができる。
さらに、熱機関から被駆動部に伝達される動力を、無段変速装置を用いることなく、無段階に変速することができる。具体的には、上述したように第1クラッチによる遮断と回転機の動作の制御を行うことにより、熱機関から被駆動部に、一方のロータおよび他方のロータを介してトルクを伝達する。この場合、前述した図65に示すように磁界電気角速度ωmf、第1および第2のロータ電気角速度ωe1,ωe2の間の関係が共線関係にあることから、回転磁界の回転速度を制御することによって、熱機関に連結された一方のロータの回転速度に対して、被駆動部に連結された他方のロータの回転速度を無段階に任意に制御できる。したがって、熱機関から被駆動部に伝達される動力を無段階に変速することができる。
また、他方のロータを被駆動部に変速装置を用いることなく連結することによって、熱機関から被駆動部への動力の伝達を上述したように他方のロータを介して行う場合において、変速装置における動力の伝達ロスが生じることがなく、したがって、この場合における駆動効率をさらに高めることができる。さらに、回転機と被駆動部の間の動力の伝達を、上記のように被駆動部に変速装置を用いることなく連結された他方のロータを介して行うことにより、変速装置における動力の伝達ロスが生じることがなく、したがって、回転機による被駆動部の駆動効率と、被駆動部の動力を用いた回転機による発電効率をさらに高めることができる。
また、前述したように本発明の回転機が請求項1の回転機と同様に構成されているので、極対数比αをより大きな値に設定することによって、ステータの小型化を図ることができ、ひいては、動力装置の小型化を図ることができる。同じ理由により、極対数比αをより小さな値に設定することによって、磁界電気角速度ωmfの過大化による損失の発生により駆動効率や発電効率が低下するのを、防止することができる。
以上のように、本発明によれば、請求項1の第1変速装置を備える動力装置による効果を同様に得ることができる。また、熱機関の出力軸が被駆動部に変速装置を用いることなく連結されており、すなわち、請求項1の第1変速装置が省略されており、その分、動力装置の小型化およびコストの削減を図ることができる。
請求項12に係る発明は、請求項11に記載の動力装置1E、1Lにおいて、第1および第2のロータ34,35の他方からの動力を変速し、被駆動部に伝達するための変速装置70をさらに備えることを特徴とする。
この構成によれば、回転機の他方のロータから被駆動部に伝達される動力を、変速装置によって変速することが可能である。このため、例えば、請求項3の動力装置と同様、被駆動部の負荷や回転数に応じた変速装置の変速比の制御によって、回転機の小型化およびコストの削減や、他方のロータの回転速度の過大化による回転機の故障を防止できる。他方のロータが第1ロータであり、かつ、その磁極が永久磁石の磁極である場合には、上記のような不具合が発生しやすいため、特に有効である。また、変速装置の変速比の制御によって、被駆動部の速度に対し、他方のロータの回転速度を適切に制御でき、それにより、回転機の駆動効率および発電効率を高めることができる。
請求項13に係る発明は、請求項11または12に記載の動力装置1D、1E、1K、1Lにおいて、熱機関の出力軸の逆転を制限または阻止するためのブレーキ機構(ワンウェイクラッチCL1、ケースCA)をさらに備えることを特徴とする。
この構成によれば、熱機関の出力軸の逆転が、ブレーキ機構によって制限または阻止される。このため、第1クラッチにより熱機関の出力軸と被駆動部の間を遮断するとともに、熱機関の出力軸に連結された一方のロータの一方向への回転を、ブレーキ機構で制限または阻止することによって、請求項6の動力装置と同様、回転機による駆動用等価トルクTeを被駆動部に伝達することができる。したがって、熱機関の出力軸の逆転を制限または阻止しながら、被駆動部を回転機の動力で適切に駆動することができる。また、この場合、第1クラッチの遮断によって、熱機関を引きずることがないので、その高い駆動効率を得ることができる。
請求項14に係る発明は、請求項11または12に記載の動力装置1D、1E、1K、1Lにおいて、第1および第2のロータ34,35の他方を回転不能に保持するためのロータロック機構(クラッチCL4、電磁ブレーキCL5)をさらに備えることを特徴とする。
この構成によれば、他方のロータが、ロータロック機構によって回転不能に保持される。このため、ロータロック機構により他方のロータを回転不能に保持し、第1クラッチにより熱機関の出力軸と被駆動部の間を遮断するとともに、ステータで発生する回転磁界の回転方向を制御することによって、請求項7の動力装置と同様、被駆動部を駆動することなく、熱機関の出力軸を正転させることができ、ひいては、熱機関を始動することができる。
請求項15に係る発明は、請求項11ないし14のいずれかに記載の動力装置1D、1E、1K、1Lにおいて、第1および第2のロータ34,35の他方から伝達された動力によって回転する被駆動部の回転方向を、正転方向および逆転方向の一方に選択的に切り換える正逆転切換機構60をさらに備えることを特徴とする。
この構成によれば、請求項11や13の作用で述べたように第1クラッチにより熱機関の出力軸と被駆動部の間を遮断した状態で、熱機関や回転機の動力を、他方のロータを介して被駆動部に伝達する際に、正逆転切換機構により被駆動部の回転方向を切り換えることによって、請求項8の動力装置と同様、被駆動部の正転および逆転を選択的に行うことができる。この場合、請求項11の作用から明らかなように、熱機関が内燃機関であり、かつ、被駆動部のフリクションが極めて大きい場合でも、摩擦式の発進クラッチを用いることなく、熱機関の動力を一方のロータおよび他方のロータを介して被駆動部に伝達し、エンジンストールを伴わずに、停止状態の被駆動部を正転・逆転させることができる。
請求項16に係る発明は、請求項15に記載の動力装置1D、1E、1K、1Lにおいて、第1および第2のロータ34,35の他方は、正逆転切換機構60を介して被駆動部に連結されており、正逆転切換機構60は、サンギヤS、リングギヤR、ならびにサンギヤSおよびリングギヤRに噛み合うプラネタリギヤPを回転自在に支持するキャリアCを有し、サンギヤSおよびリングギヤRの一方が、第1および第2のロータ34,35の他方に連結され、サンギヤSおよびリングギヤRの他方が、被駆動部に連結された遊星歯車装置PSと、サンギヤSおよびリングギヤRの一方とキャリアCの間を接続・遮断する第2クラッチ(クラッチCL4)と、キャリアCを回転不能に保持するためのキャリアロック機構(電磁ブレーキCL5)とを有することを特徴とする。
この構成によれば、正逆転切換機構が請求項9の正逆転切換機構と同様に構成されている。したがって、請求項9の動力装置と同様、遊星歯車装置において、ギヤの噛み合いによる動力の伝達ロスを伴わずに、被駆動部を正転または逆転させることができる。また、正逆転切換機構を比較的単純に構成することができる。
請求項17に係る発明は、請求項11ないし16のいずれかに記載の動力装置1D、1Eにおいて、第1ロータ34が熱機関の出力軸に連結され、第2ロータ35が被駆動部に連結されていることを特徴とする。
この構成によれば、第1および第2のロータが、熱機関の出力軸および被駆動部にそれぞれ連結されている。したがって、請求項11の作用で述べたように第1クラッチにより熱機関の出力軸と被駆動部の間を遮断した状態で、被駆動部に熱機関のトルクを伝達する場合に、前記式(32)から明らかなように、駆動用等価トルクTe(または発電用等価トルク)と、第1ロータに伝達された熱機関のトルクとをいずれも、第2ロータにおいて正のトルクとして合成し、被駆動部に伝達することができる。したがって、より大きなトルクを被駆動部に伝達することができる。
前記目的を達成するため、請求項18に係る発明は、被駆動部(実施形態における(以下、本項において同じ)駆動輪DW,DW)を駆動するための動力装置1F、1Mであって、動力を出力するための出力軸(クランク軸3a)を有し、出力軸が被駆動部に連結された熱機関(エンジン3)と、熱機関の出力軸と被駆動部の間を接続・遮断する第1クラッチ(クラッチCL3)と、回転機31と、を備え、回転機31は、周方向に並んだ所定の複数の磁極(永久磁石34a)で構成され、かつ隣り合う各2つの磁極が互いに異なる極性を有するように配置された磁極列を有する、周方向に回転自在の第1ロータ34と、周方向に並んだ複数の電機子(鉄芯33a、U相コイル33c、V相コイル33d、W相コイル33e)で構成され、磁極列に対向するように配置されるとともに、複数の電機子に発生する所定の複数の電機子磁極により、周方向に回転する回転磁界を磁極列との間に発生させるための電機子列を有する、不動のステータ33と、互いに間隔を隔てて周方向に並んだ所定の複数の軟磁性体(コア35a)で構成され、かつ磁極列と電機子列の間に配置された軟磁性体列を有する、周方向に回転自在の第2ロータ35と、を有し、電機子磁極の数と磁極の数と軟磁性体の数との比が、1:m:(1+m)/2(m≠1.0)に設定され、第1および第2のロータ34,35の一方が熱機関の出力軸に連結されるとともに、他方が被駆動部に連結されており、熱機関の動力を変速し、第1および第2のロータ34,35の一方に伝達するための変速装置80をさらに備えることを特徴とする。
この動力装置によれば、熱機関の出力軸が被駆動部に連結され、回転機の第1および第2のロータの一方すなわち一方のロータが、熱機関の出力軸に連結されており、第1および第2のロータの他方すなわち他方のロータが、被駆動部に連結されている。また、他方のロータが被駆動部に連結された状態で、熱機関の出力軸と被駆動部の間が、第1クラッチによって接続・遮断される。さらに、この回転機は、請求項1の回転機と同様に構成されており、したがって、この回転機では、電機子への電力供給中および電機子での発電中、式(25)に示す電気角速度の関係と式(32)に示すトルクの関係が成立する。
このように、請求項1の動力装置と同様、本発明の回転機が遊星歯車装置および一般的な回転機を組み合わせた機能を有しており、そのような回転機の一方のロータおよび他方のロータが、熱機関の出力軸および被駆動部にそれぞれ連結されている。したがって、請求項1の動力装置と同様、遊星歯車装置を用いることによる不具合を回避でき、それによる前述した効果、すなわち、熱機関や回転機による被駆動部の駆動効率の高効率化や、被駆動部の動力を用いた回転機の発電効率の高効率化などの効果を得ることができる。
また、本発明によれば、例えば、請求項11の動力装置と同様、第1クラッチにより熱機関の出力軸と被駆動部の間を遮断するとともに、回転機の動作を制御することによって、熱機関のトルクを、一方のロータおよび他方のロータを介して被駆動部に伝達できるとともに、そのようにして被駆動部に伝達される熱機関のトルクを漸増させることができる。したがって、熱機関が内燃機関である場合において、被駆動部のフリクションが極めて大きいときでも、摩擦式の発進クラッチを用いることなく、熱機関の動力を被駆動部に伝達し、エンジンストールを伴わずに、停止状態の被駆動部を駆動することができる。また、そのように摩擦式の発進クラッチが不要になるので、その駆動源として熱機関を用いる場合と比較して、熱機関の燃費を向上させることができる。
さらに、上述したように第1クラッチによる遮断と回転機の動作の制御により熱機関から被駆動部にトルクを伝達するとともに、回転磁界の速度を制御することによって、請求項11の動力装置と同様、熱機関に連結された一方のロータの回転速度に対して、被駆動部に連結された他方のロータの回転速度を無段階に任意に制御できる。したがって、熱機関から被駆動部に伝達される動力を、無段変速装置を用いることなく、無段階に変速することができる。
また、他方のロータを被駆動部に変速装置を用いることなく連結することによって、熱機関から被駆動部への動力の伝達を上述したように他方のロータを介して行う場合において、変速装置における動力の伝達ロスが生じることがなく、したがって、この場合における駆動効率をさらに高めることができる。さらに、回転機と被駆動部の間の動力の伝達を、上記のように被駆動部に変速装置を用いることなく連結された他方のロータを介して行うことにより、変速装置における動力の伝達ロスが生じることがなく、したがって、回転機による被駆動部の駆動効率と、被駆動部の動力を用いた回転機による発電効率をさらに高めることができる。
また、本発明の回転機が請求項1の回転機と同様に構成されているので、前述した極対数比αをより大きな値に設定することによって、ステータの小型化を図ることができ、ひいては、動力装置の小型化を図ることができる。同じ理由により、極対数比αをより小さな値に設定することによって、磁界電気角速度ωmfの過大化による損失の発生により駆動効率や発電効率が低下するのを、防止することができる。
さらに、本発明によれば、熱機関から一方のロータに伝達される動力を、変速装置によって変速することが可能である。このため、請求項4の動力装置と同様、一方のロータの回転速度の過大化による回転機の故障を防止することができる。一方のロータが第1ロータであり、かつ、その磁極が永久磁石の磁極である場合には、上記のような不具合が発生しやすいため、特に有効である。それに加え、一方のロータの小型化、ひいては、回転機の小型化およびコストの削減を図ることが可能になる。
請求項19に係る発明は、請求項18に記載の動力装置1F、1Mにおいて、熱機関の出力軸の逆転を制限または阻止するためのブレーキ機構(ワンウェイクラッチCL1、ケースCA)をさらに備えることを特徴とする。
この構成によれば、第1クラッチにより熱機関の出力軸と被駆動部の間を遮断するとともに、熱機関の出力軸に連結された一方のロータの一方向への回転を、ブレーキ機構で制限または阻止することによって、請求項6の動力装置と同様、熱機関の出力軸の逆転を制限または阻止しながら、被駆動部を回転機の動力で適切に駆動することができる。また、この場合、第1クラッチの遮断によって、熱機関を引きずることがないので、その高い駆動効率を得ることができる。
請求項20に係る発明は、請求項18または19に記載の動力装置1F、1Mにおいて、第1および第2のロータ34,35の他方を回転不能に保持するためのロータロック機構(クラッチCL4、電磁ブレーキCL5)をさらに備えることを特徴とする。
この構成によれば、ロータロック機構により他方のロータを回転不能に保持し、第1クラッチにより熱機関の出力軸と被駆動部の間を遮断するとともに、ステータで発生する回転磁界の回転方向を制御することによって、請求項7の動力装置と同様、被駆動部を駆動することなく、熱機関の出力軸を正転させることができ、ひいては、熱機関を始動することができる。
請求項21に係る発明は、請求項18ないし20のいずれかに記載の動力装置1F、1Mにおいて、第1および第2のロータ34,35の他方から伝達された動力によって回転する被駆動部の回転方向を、正転方向および逆転方向の一方に選択的に切り換える正逆転切換機構60をさらに備えることを特徴とする。
この構成によれば、請求項18や19の作用で述べたように第1クラッチにより熱機関の出力軸と被駆動部の間を遮断した状態で、熱機関や回転機の動力を、他方のロータを介して被駆動部に伝達する際に、正逆転切換機構により被駆動部の回転方向を切り換えることによって、請求項8の動力装置と同様、被駆動部の正転および逆転を選択的に行うことができる。この場合、請求項18の作用から明らかなように、熱機関が内燃機関であり、かつ、被駆動部のフリクションが極めて大きい場合でも、摩擦式の発進クラッチを用いることなく、被駆動部に熱機関の動力を伝達し、エンジンストールを伴わずに、停止状態の被駆動部を正転・逆転させることができる。
請求項22に係る発明は、請求項21に記載の動力装置1F、1Mにおいて、第1および第2のロータ34,35の他方は、正逆転切換機構60を介して被駆動部に連結されており、正逆転切換機構60は、サンギヤS、リングギヤR、ならびにサンギヤSおよびリングギヤRに噛み合うプラネタリギヤPを回転自在に支持するキャリアCを有し、サンギヤSおよびリングギヤRの一方が、第1および第2のロータ34,35の他方に連結され、サンギヤSおよびリングギヤRの他方が、被駆動部に連結された遊星歯車装置PSと、サンギヤSおよびリングギヤRの一方とキャリアCの間を接続・遮断する第2クラッチ(クラッチCL4)と、キャリアCを回転不能に保持するためのキャリアロック機構(電磁ブレーキCL5)とを有することを特徴とする。
この構成によれば、正逆転切換機構が請求項9の正逆転切換機構と同様に構成されている。したがって、請求項9の動力装置と同様、遊星歯車装置において、ギヤの噛み合いによる動力の伝達ロスを伴わずに、被駆動部を正転または逆転させることができる。また、正逆転切換機構を比較的単純に構成することができる。
請求項23に係る発明は、請求項18ないし22のいずれかに記載の動力装置1Fにおいて、第1ロータ34が熱機関の出力軸に連結され、第2ロータ35が被駆動部に連結されていることを特徴とする。
この構成によれば、第1および第2のロータが、熱機関の出力軸および被駆動部にそれぞれ連結されている。したがって、請求項18の作用で述べたように、第1クラッチにより熱機関の出力軸と被駆動部の間を遮断した状態で、被駆動部に熱機関のトルクを伝達する場合に、請求項17の動力装置と同様、駆動用等価トルクTe(または発電用等価トルク)と、第1ロータに伝達された熱機関のトルクとをいずれも、第2ロータにおいて正のトルクとして合成し、被駆動部に伝達することができる。したがって、より大きなトルクを被駆動部に伝達することができる。
以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について説明する。なお、図面中の断面を示す部分のハッチングは、適宜、省略するものとする。図1は、本発明の第1実施形態による動力装置1を概略的に示している。この動力装置1は、車両(図示せず)の駆動輪DW,DW(被駆動部)を駆動するためのものであり、駆動源としての内燃機関3(熱機関)および回転機31と、駆動輪DW,DWに駆動力を伝達するための第1動力伝達経路PT1、第2動力伝達経路PT2、差動ギヤ機構9、および駆動軸10,10と、内燃機関3や回転機31の動作を制御するためのECU2を備えている。
内燃機関(以下「エンジン」という)3は、例えばガソリンエンジンであり、その吸気管には、スロットル弁(いずれも図示せず)が設けられている。このスロットル弁の開度(以下「スロットル弁開度」という)は、ECU2によって制御され、それにより、エンジン3に吸入される吸入空気量が制御される。
上記の第1動力伝達経路PT1は、フライホイール3bと、互いに平行に配置された第1主軸4および副軸5と、無段変速装置20(第1変速装置)を有している。この第1主軸4は、エンジン3のクランク軸3a(出力軸)に、フライホイール3bを介して連結されており、軸受け4a,4aに回転自在に支持されている。また、第1主軸4には、ワンウェイクラッチCL1と回転機31の後述する第1ロータ34が一体に設けられている。このように、この第1ロータ34は、第1主軸4およびフライホイール3bを介して、クランク軸3aに常に連結されている。
上記のワンウェイクラッチCL1は、第1主軸4が連結されたクランク軸3aに逆転させるような動力が作用したときには、第1主軸4と不動のケースCAとの間を接続するとともに、正転させるような動力が作用したときには、第1主軸4とケースCAの間を遮断するように構成されている。すなわち、ワンウェイクラッチCL1およびケースCAによって、クランク軸3aが第1主軸4とともに正転する場合にのみ、その回転が許容され、クランク軸3aの逆転が阻止される。なお、本実施形態では、ワンウェイクラッチCL1およびケースCAが、本発明におけるブレーキ機構に相当する。
無段変速装置20は、いわゆるベルト式のものであり、駆動プーリ21、従動プーリ22、伝達ベルト23、およびプーリ幅可変機構24などによって構成されている。
駆動プーリ21は、互いに対向する円錐台形状の可動シーブ21aおよび固定シーブ21bを有している。可動シーブ21aは、上述した第1主軸4に、その軸線方向に移動可能でかつ相対的に回転不能に取り付けられており、固定シーブ21bは、第1主軸4に固定されている。また、可動シーブ21aおよび固定シーブ21bの互いの対向面はそれぞれ、斜面状に形成され、それにより、可動シーブ21aと固定シーブ21bの間に、伝達ベルト23を巻き掛けるためのV字状のベルト溝が形成されている。
従動プーリ22は、上記駆動プーリ21と同様に構成されている。すなわち、従動プーリ22は、互いに対向する円錐台形状の可動シーブ22aおよび固定シーブ22bを有している。可動シーブ22aは、前記副軸5に、その軸線方向に移動可能にかつ回転不能に取り付けられており、固定シーブ22bは、副軸5に固定されている。副軸5は、軸受け5a,5aに回転自在に支持されている。また、可動シーブ22aおよび固定シーブ22bの対向面は斜面状に形成され、それにより、可動シーブ22aと固定シーブ22bの間に、V字状のベルト溝が形成されている。伝達ベルト23は、金属製のものであり、2つのプーリ21,22に、そのベルト溝に嵌った状態で巻き掛けられている。
プーリ幅可変機構24は、2つのプーリ21,22のプーリ幅を変更することによって、2つのプーリ21,22の有効径を変化させるものである。プーリ幅可変機構24は、可動シーブ21aおよび22aの内部にそれぞれ形成されたドライブ側油室24aおよびドリブン側油室24bと、油圧ポンプ(図示せず)から両油室24aおよび24bに供給される油圧をそれぞれ制御するためのドライブ側電磁弁24cおよびドリブン側電磁弁24dとを有している。両電磁弁24c,24dはECU2に接続されており(図2参照)、それらの弁開度がECU2により制御される。
以上の構成により、無段変速装置20では、ECU2による2つの電磁弁24c,24dの弁開度の制御により、2つの油室24a,24bに供給される油圧がそれぞれ制御されることによって、2つの可動シーブ21a,22aが軸線方向にそれぞれ駆動される。これにより、2つのプーリ21,22の有効径が無段階に変更されることによって、無段変速装置20の変速比が無段階に制御される。
また、上述した副軸5には、ギヤ5bが一体に設けられており、このギヤ5bは、アイドラ軸8と一体の第1アイドラギヤ8aに噛み合っている。このアイドラ軸8は、軸受け8d,8dに回転自在に支持されており、アイドラ軸8には、第2アイドラギヤ8bが一体に設けられている。この第2アイドラギヤ8bは、前記差動ギヤ機構9のギヤ9aに噛み合っており、差動ギヤ機構9は、前記駆動軸10,10を介して駆動輪DW,DWに連結されている。
また、副軸5の従動プーリ22とギヤ5bの間には、クラッチCL3(第1クラッチ)が設けられている。このクラッチCL3は、エンジン3を駆動源とする摩擦式多板クラッチであり、副軸5の従動プーリ22側の部分に連結された入力軸と、副軸5のギヤ5b側の部分に連結された出力軸(いずれも図示せず)を有している。クラッチCL3の締結度合はECU2によって制御され、それにより、無段変速装置20と駆動輪DW,DWの間が接続・遮断される。
以上の構成により、クラッチCL3が接続されると、エンジン3のクランク軸3aは、第1動力伝達経路PT1(フライホイール3b、第1主軸4、無段変速装置20、副軸5)、クラッチCL3、ギヤ5b、第1アイドラギヤ8a、アイドラ軸8、第2アイドラギヤ8b、ギヤ9a、差動ギヤ機構9、および駆動軸10,10を介して、駆動輪DW,DWに機械的に連結される。また、クラッチCL3の接続中、無段変速装置20を制御することによって、エンジン3の動力は、無段階に変速され、駆動輪DW,DWに伝達される。さらに、クラッチCL3が遮断されると、第1動力伝達経路PT1を介した、クランク軸3aおよびこれと一体の第1ロータ34と駆動輪DW,DWとの連結が解かれる。
前記第2動力伝達径路PT2は、第1動力伝達経路PT1と並列に設けられており、第2主軸6、およびこれと一体のギヤ6bを有している。この第2主軸6は、中空に形成されるとともに、軸受け6a,6aに回転自在に支持されており、その内側には、第1主軸4が回転自在に嵌合している。また、第2主軸6には、電磁ブレーキCL2(ロータロック機構)と回転機31の後述する第2ロータ35が一体に設けられている。上記のギヤ6bは、アイドラ軸8と一体の第3アイドラギヤ8cに噛み合っている。
以上のように、第2ロータ35は、第2動力伝達経路PT2(第2主軸6、ギヤ6b)、第3アイドラギヤ8c、アイドラ軸8、第2アイドラギヤ8b、ギヤ9a、差動ギヤ機構9、および駆動軸10,10を介して、変速装置を用いることなく、駆動輪DW,DWに常に機械的に連結されている。
また、上記の電磁ブレーキCL2は、ECU2に接続されており(図2参照)、ECU2によりONまたはOFFされ、ON状態のときに、第2主軸6とともに第2ロータ35を回転不能に保持するとともに、OFF状態のときに、第2ロータ35の回転を許容する。
さらに、図1および図3に示すように、前記回転機31は、ステータ33と、ステータ33に対向するように設けられた第1ロータ34と、両者33,34の間に設けられた第2ロータ35を有している。これらのステータ33、第2ロータ35および第1ロータ34は、第1主軸4の径方向(以下、単に「径方向」という)に、外側からこの順で並んでおり、同心状に配置されている。なお、図3では、第1主軸4などの一部の要素を、図示の便宜上、スケルトン図的に描いている。
上記のステータ33は、回転磁界を発生させるものであり、図3および図4に示すように、鉄芯33a(電機子)と、この鉄芯33aに設けられたU相、V相およびW相のコイル33c,33d,33e(電機子)を有している。なお、図3では、便宜上、U相コイル33cのみを示している。鉄芯33aは、複数の鋼板を積層した円筒状のものであり、第1主軸4の軸線方向(以下、単に「軸線方向」という)に延びており、ケースCAに取り付けられている。また、鉄芯33aの内周面には、12個のスロット33bが形成されており、これらのスロット33bは、軸線方向に延びるとともに、第1主軸4の周方向(以下、単に「周方向」という)に等間隔で並んでいる。上記のU相〜W相のコイル33c〜33eは、スロット33bに分布巻き(波巻き)で巻回されるとともに、パワードライブユニット(以下「PDU」という)40を介して、バッテリ45に接続されている。このPDU40は、インバータなどからなる電気回路で構成されており、ECU2に接続されている(図2参照)。
以上の構成のステータ33では、バッテリ45から電力が供給され、U相〜W相のコイル33c〜33eに電流が流れたときに、または、後述するように発電が行われたときに、鉄芯33aの第1ロータ34側の端部に、4個の磁極が周方向に等間隔で発生する(図6参照)とともに、これらの磁極による回転磁界が周方向に回転する。以下、鉄芯33aに発生する磁極を「電機子磁極」という。また、周方向に隣り合う各2つの電機子磁極の極性は、互いに異なっている。なお、図6や後述する他の図面では、電機子磁極を、鉄芯33aやU相〜W相のコイル33c〜33eの上に、(N)および(S)で表記している。
図4に示すように、第1ロータ34は、8個の永久磁石34a(磁極)から成る磁極列を有している。これらの永久磁石34aは、周方向に等間隔で並んでおり、この磁極列は、ステータ33の鉄芯33aに対向している。各永久磁石34aは、軸線方向に延びており、その軸線方向の長さが、ステータ33の鉄芯33aのそれと同じに設定されている。
また、永久磁石34aは、リング状の固定部34bの外周面に取り付けられている。この固定部34bは、軟磁性体、例えば鉄または複数の鋼板を積層したもので構成されており、その内周面が、円板状のフランジ34cの外周面に取り付けられている。このフランジ34cは、前述した第1主軸4に一体に設けられている。以上により、永久磁石34aを含む第1ロータ34は、第1主軸4と一体に回転自在になっている。さらに、上記のように軟磁性体で構成された固定部34bの外周面に永久磁石34aが取り付けられているので、各永久磁石34aには、ステータ33側の端部に、(N)または(S)の1つの磁極が現れる。なお、図4や後述する他の図面では、永久磁石34aの磁極を(N)および(S)で表記している。また、周方向に隣り合う各2つの永久磁石34aの極性は、互いに異なっている。
第2ロータ35は、6個のコア35a(軟磁性体)から成る軟磁性体列を有している。これらのコア35aは、周方向に等間隔で並んでおり、この軟磁性体列は、ステータ33の鉄芯33aと第1ロータ34の磁極列との間に、それぞれ所定の間隔を隔てて配置されている。各コア35aは、軟磁性体、例えば複数の鋼板を積層したものであり、軸線方向に延びている。また、コア35aの軸線方向の長さは、永久磁石34aと同様、ステータ33の鉄芯33aのそれと同じに設定されている。さらに、コア35aは、円板状のフランジ35bの外端部に、軸線方向に若干延びる筒状の連結部35cを介して取り付けられている。このフランジ35bは、前述した第2主軸6に一体に設けられている。これにより、コア35aを含む第2ロータ35は、第2主軸6と一体に回転自在になっている。なお、図4や図6では、便宜上、連結部35cおよびフランジ35bを省略している。
次に、以上の構成の回転機31の動作について説明する。前述したように、回転機31では、電機子磁極が4個、永久磁石34aの磁極(以下「磁石磁極」という)が8個、コア35aが6個である。すなわち、電機子磁極の数と磁石磁極の数とコア35aの数との比(以下「極数比」という)は、1:2.0:(1+2.0)/2に設定されている。このことと、前述した式(18)〜(20)から明らかなように、ステータ33に対して第1ロータ34や第2ロータ35が回転するのに伴ってU相〜W相のコイル33c〜33eにそれぞれ発生する逆起電圧(以下、それぞれ「U相逆起電圧Vcu」「V相逆起電圧Vcv」「W相逆起電圧Vcw」という)は、次式(33)、(34)および(35)で表される。
ここで、ψFは、磁石磁極の磁束の最大値である。また、θER1は、第1ロータ電気角であり、特定のU相コイル33c(以下「基準コイル」という)に対する第1ロータ34の特定の永久磁石34aの回転角度位置を、電気角度位置に換算した値である。すなわち、第1ロータ電気角θER1は、この特定の永久磁石34aの回転角度位置(以下「第1ロータ回転角θR1」という)に、電機子磁極の極対数、すなわち値2を乗算した値である。さらに、θER2は、第2ロータ電気角であり、上記の基準コイルに対する第2ロータ35の特定のコア35aの回転角度位置を、電気角度位置に換算した値である。すなわち、第2ロータ電気角θER2は、この特定のコア35aの回転角度位置(以下「第2ロータ回転角θR2」という)に、電機子磁極の極対数(値2)を乗算した値である。
また、上記の式(33)〜(35)におけるωER1は、θER1の時間微分値、すなわち、ステータ33に対する第1ロータ34の角速度を電気角速度に換算した値(以下「第1ロータ電気角速度」という)である。さらに、ωER2は、θER2の時間微分値、すなわち、ステータ33に対する第2ロータ35の角速度を電気角速度に換算した値(以下「第2ロータ電気角速度」という)である。
また、前述した極数比と前記式(21)〜(23)から明らかなように、U相、V相およびW相のコイル33c,33d,33eをそれぞれ流れる電流(以下、それぞれ「U相電流Iu」「V相電流Iv」「W相電流Iw」という)は、次式(36)、(37)および(38)で表される。
ここで、Iは、U相〜W相のコイル33c〜33eを流れる電流の振幅(最大値)である。さらに、極数比と前記式(24)および(25)から明らかなように、基準コイルに対するステータ33の回転磁界のベクトルの電気角度位置(以下「磁界電気角度位置θMFR」という)は、次式(39)で表され、ステータ33に対する回転磁界の電気角速度(以下「磁界電気角速度ωMFR」という)は、次式(40)で表される。
このため、磁界電気角速度ωMFRと第1ロータ電気角速度ωER1と第2ロータ電気角速度ωER2の関係をいわゆる共線図で表すと、例えば図5のように示される。
また、ステータ33に供給された電力および磁界電気角速度ωMFRと等価のトルクを駆動用等価トルクTSEとすると、この駆動用等価トルクTSEと、第1ロータ34に伝達されるトルク(以下「第1ロータ伝達トルク」という)TR1と、第2ロータ35に伝達されるトルク(以下「第2ロータ伝達トルク」という)TR2との関係は、極数比と前記式(32)から明らかなように、次式(41)で表される。
上記の式(40)および(41)でそれぞれ表される電気角速度およびトルクの関係は、サンギヤおよびリングギヤのギヤ比が1:2である遊星歯車装置のサンギヤ、リングギヤおよびキャリアにおける回転速度およびトルクの関係とまったく同じである。
次に、ステータ33に供給された電力が、具体的にどのようにして動力に変換され、第1ロータ34や第2ロータ35から出力されるかについて説明する。まず、図6〜図8を参照しながら、第1ロータ34を回転不能に保持した状態でステータ33に電力を供給した場合について説明する。なお、図6〜図8では、便宜上、複数の構成要素の符号を省略している。このことは、後述する他の図面においても同様である。また、理解の容易化のために、図6〜図8に示される同じ1つの電機子磁極およびコア35aに、ハッチングを付している。
まず、図6(a)に示すように、ある1つのコア35aの中心と、ある1つの永久磁石34aの中心が、周方向に互いに一致するとともに、そのコア35aから3つ目のコア35aの中心と、その永久磁石34aから4つ目の永久磁石34aの中心が、周方向に互いに一致した状態から、回転磁界を、同図の左方に回転するように発生させる。その発生の開始時においては、互いに同じ極性を有する1つおきの電機子磁極の位置を、中心がコア35aと一致している各永久磁石34aの中心と周方向に一致させるとともに、この電機子磁極の極性をこの永久磁石34aの磁石磁極の極性と異ならせる。
前述したようにステータ33による回転磁界が第1ロータ34との間に発生することと、コア35aを有する第2ロータ35がステータ33と第1ロータ34の間に配置されていることから、電機子磁極および磁石磁極により、各コア35aは磁化される。このことと、隣り合う各コア35aの間に間隔が空いていることから、電機子磁極とコア35aと磁石磁極を結ぶような磁力線MLが発生する。なお、図6〜図8では、便宜上、鉄芯33aや固定部34bにおける磁力線MLを省略している。このことは、後述する他の図面においても同様である。
図6(a)に示す状態では、磁力線MLは、周方向の位置が互いに一致している電機子磁極、コア35aおよび磁石磁極を結び、かつ、これらの電機子磁極、コア35aおよび磁石磁極のそれぞれの周方向の各両側に隣り合う電機子磁極、コア35aおよび磁石磁極を結ぶように発生する。また、この状態では、磁力線MLが直線状であることにより、コア35aには、周方向に回転させるような磁力は作用しない。
そして、回転磁界の回転に伴って電機子磁極が図6(a)に示す位置から図6(b)に示す位置に回転すると、磁力線MLが曲がった状態になり、それに伴い、磁力線MLが直線状になるように、コア35aに磁力が作用する。この場合、磁力線MLで互いに結ばれた電機子磁極および磁石磁極を結ぶ直線に対して、磁力線MLが、このコア35aにおいて回転磁界の回転方向(以下「磁界回転方向」という)と逆方向に凸に曲がった状態になるため、上記の磁力は、コア35aを磁界回転方向に駆動するように作用する。このような磁力線MLによる磁力の作用により、コア35aは、磁界回転方向に駆動され、図6(c)に示す位置に回転し、コア35aが設けられた第2ロータ35も、磁界回転方向に回転する。なお、図6(b)および(c)における破線は、磁力線MLの磁束量が極めて小さく、電機子磁極とコア35aと磁石磁極の間の磁気的なつながりが弱いことを表している。このことは、後述する他の図面においても同様である。
また、回転磁界がさらに回転するのに伴い、上述した一連の動作、すなわち、「磁力線MLがコア35aにおいて磁界回転方向と逆方向に凸に曲がる→磁力線MLが直線状になるようにコア35aに磁力が作用する→コア35aおよび第2ロータ35が、磁界回転方向に回転する」という動作が、図7(a)〜(d)、図8(a)および(b)に示すように、繰り返し行われる。以上のように、第1ロータ34を回転不能に保持した状態で、ステータ33に電力を供給した場合には、上述したような磁力線MLによる磁力の作用によって、ステータ33に供給された電力は動力に変換され、その動力が第2ロータ35から出力される。
また、図9は、図6(a)の状態から電機子磁極が電気角2πだけ回転した状態を示しており、図9と図6(a)の比較から明らかなように、コア35aは、電機子磁極に対して1/3の回転角度だけ、同方向に回転していることが分かる。この結果は、前記式(40)において、ωER1=0とすることによって、ωER2=ωMFR/3が得られることと合致する。
次に、図10〜図12を参照しながら、第2ロータ35を回転不能に保持した状態で、ステータ33に電力を供給した場合の動作について説明する。なお、図10〜図12では、理解の容易化のために、同じ1つの電機子磁極および永久磁石34aに、ハッチングを付している。まず、図10(a)に示すように、前述した図6(a)の場合と同様、ある1つのコア35aの中心と、ある1つの永久磁石34aの中心が、周方向に互いに一致するとともに、そのコア35aから3つ目のコア35aの中心と、その永久磁石34aから4つ目の永久磁石34aの中心が、周方向に互いに一致した状態から、回転磁界を、同図の左方に回転するように発生させる。その発生の開始時においては、互いに同じ極性を有する1つおきの電機子磁極の位置を、中心がコア35aと一致している各永久磁石34aの中心と周方向に一致させるとともに、この電機子磁極の極性をこの永久磁石34aの磁石磁極の極性と異ならせる。
図10(a)に示す状態では、図6(a)の場合と同様、磁力線MLは、周方向の位置が互いに一致している電機子磁極、コア35aおよび磁石磁極を結び、かつ、これらの電機子磁極、コア35aおよび磁石磁極のそれぞれの周方向の各両側に隣り合う電機子磁極、コア35aおよび磁石磁極を結ぶように発生する。また、この状態では、磁力線MLが直線状であることにより、永久磁石34aには、周方向に回転させるような磁力は作用しない。
そして、回転磁界の回転に伴って電機子磁極が図10(a)に示す位置から図10(b)に示す位置に回転すると、磁力線MLが曲がった状態になり、それに伴い、磁力線MLが直線状になるように、永久磁石34aに磁力が作用する。この場合、この永久磁石34aが、磁力線MLで互いに結ばれた電機子磁極およびコア35aの延長線上よりも磁界回転方向に進んだ位置にあるため、上記の磁力は、この延長線上に永久磁石34aを位置させるように、すなわち、永久磁石34aを磁界回転方向と逆方向に駆動するように作用する。このような磁力線MLによる磁力の作用により、永久磁石34aは、磁界回転方向と逆方向に駆動され、図10(c)に示す位置に回転し、永久磁石34aが設けられた第1ロータ34も、磁界回転方向と逆方向に回転する。
また、回転磁界がさらに回転するのに伴い、上述した一連の動作、すなわち、「磁力線MLが曲がり、磁力線MLで互いに結ばれた電機子磁極およびコア35aの延長線上よりも、永久磁石34aが磁界回転方向に進んだ位置に位置する→磁力線MLが直線状になるように永久磁石34aに磁力が作用する→永久磁石34aおよび第1ロータ34が、磁界回転方向と逆方向に回転する」という動作が、図11(a)〜(d)、図12(a)および(b)に示すように、繰り返し行われる。以上のように、第2ロータ35を回転不能に保持した状態で、ステータ33に電力を供給した場合には、上述したような磁力線MLによる磁力の作用によって、ステータ33に供給された電力は動力に変換され、その動力が第1ロータ34から出力される。
また、図12(b)は、図10(a)の状態から電機子磁極が電気角2πだけ回転した状態を示しており、図12(b)と図10(a)の比較から明らかなように、永久磁石34aは、電機子磁極に対して1/2の回転角度だけ、逆方向に回転していることが分かる。この結果は、前記式(40)において、ωER2=0とすることによって、−ωER1=ωMFR/2が得られることと合致する。
また、図13および図14は、電機子磁極、コア35aおよび永久磁石34aの数を、値16、値18および値20にそれぞれ設定し、第1ロータ34を回転不能に保持するとともに、ステータ33への電力の供給により第2ロータ35から動力を出力した場合におけるシミュレーション結果を示している。図13は、第2ロータ電気角θER2が値0〜2πまで変化する間におけるU相〜W相の逆起電圧Vcu〜Vcwの推移の一例を示している。
この場合、第1ロータ34が回転不能に保持されていることと、電機子磁極および磁石磁極の極対数がそれぞれ値8および値10であることと、前記式(25)から、磁界電気角速度ωMFR、第1および第2のロータ電気角速度ωER1,ωER2の間の関係は、ωMFR=2.25・ωER2で表される。図13に示すように、第2ロータ電気角θER2が値0〜2πまで変化する間に、U相〜W相の逆起電圧Vcu〜Vcwは、ほぼ2.25周期分、発生している。また、図13は、第2ロータ35から見たU相〜W相の逆起電圧Vcu〜Vcwの変化状態を示しており、同図に示すように、これらの逆起電圧は、第2ロータ電気角θER2を横軸として、W相逆起電圧Vcw、V相逆起電圧VcvおよびU相逆起電圧Vcuの順に並んでおり、このことは、第2ロータ35が磁界回転方向に回転していることを表す。以上のような図13に示すシミュレーション結果は、上述した式(25)に基づくωMFR=2.25・ωER2の関係と合致する。
さらに、図14は、駆動用等価トルクTSE、第1および第2のロータ伝達トルクTR1,TR2の推移の一例を示している。この場合、電機子磁極および磁石磁極の極対数がそれぞれ値8および値10であることと、前記式(32)から、駆動用等価トルクTSE、第1および第2のロータ伝達トルクTR1,TR2の間の関係は、TSE=TR1/1.25=−TR2/2.25で表される。図14に示すように、駆動用等価トルクTSEは、ほぼ−TREFに、第1ロータ伝達トルクTR1は、ほぼ1.25・(−TREF)に、第2ロータ伝達トルクTR2は、ほぼ2.25・TREFになっている。このTREFは所定のトルク値(例えば200Nm)である。このような図14に示すシミュレーション結果は、上述した式(32)に基づくTSE=TR1/1.25=−TR2/2.25の関係と合致する。
また、図15および図16は、電機子磁極、コア35aおよび永久磁石34aの数を図13および図14の場合と同様に設定し、第1ロータ34に代えて第2ロータ35を回転不能に保持するとともに、ステータ33への電力の供給により第1ロータ34から動力を出力した場合におけるシミュレーション結果を示している。図15は、第1ロータ電気角θER1が値0〜2πまで変化する間におけるU相〜W相の逆起電圧Vcu〜Vcwの推移の一例を示している。
この場合、第2ロータ35が回転不能に保持されていることと、電機子磁極および磁石磁極の極対数がそれぞれ値8および値10であることと、前記式(25)から、磁界電気角速度ωMFR、第1および第2のロータ電気角速度ωER1,ωER2の間の関係は、ωMFR=−1.25・ωER1で表される。図15に示すように、第1ロータ電気角θER1が値0〜2πまで変化する間に、U相〜W相の逆起電圧Vcu〜Vcwは、ほぼ1.25周期分、発生している。また、図15は、第1ロータ34から見たU相〜W相の逆起電圧Vcu〜Vcwの変化状態を示しており、同図に示すように、これらの逆起電圧は、第1ロータ電気角θER1を横軸として、U相逆起電圧Vcu、V相逆起電圧VcvおよびW相逆起電圧Vcwの順に並んでおり、このことは、第1ロータ34が磁界回転方向と逆方向に回転していることを表す。以上のような図15に示すシミュレーション結果は、上述した式(25)に基づくωMFR=−1.25・ωER1の関係と合致する。
さらに、図16は、駆動用等価トルクTSE、第1および第2のロータ伝達トルクTR1,TR2の推移の一例を示している。この場合にも、図14の場合と同様、式(32)から、駆動用等価トルクTSE、第1および第2のロータ伝達トルクTR1,TR2の間の関係は、TSE=TR1/1.25=−TR2/2.25で表される。図16に示すように、駆動用等価トルクTSEは、ほぼTREFに、第1ロータ伝達トルクTR1は、ほぼ1.25・TREFに、第2ロータ伝達トルクTR2は、ほぼ−2.25・TREFになっている。このような図16に示すシミュレーション結果は、上述した式(32)に基づくTSE=TR1/1.25=−TR2/2.25の関係と合致する。
以上のように、回転機31では、ステータ33への電力供給により回転磁界を発生させると、前述した磁石磁極とコア35aと電機子磁極を結ぶような磁力線MLが発生し、この磁力線MLによる磁力の作用によって、電機子に供給された電力は動力に変換され、その動力が、第1ロータ34や第2ロータ35から出力される。この場合、磁界電気角速度ωMFR、第1および第2のロータ電気角速度ωER1,ωER2の間に、前記式(40)に示す関係が成立するとともに、駆動用等価トルクTSE、第1および第2のロータ伝達トルクTR1,TR2の間に、前記式(41)に示す関係が成立する。
このため、ステータ33に電力を供給していない状態で、第1および第2のロータ34,35の少なくとも一方に動力を入力することにより、この少なくとも一方をステータ33に対して回転させると、電機子において、発電が行われるとともに、回転磁界が発生し、この場合にも、磁石磁極と軟磁性体と電機子磁極を結ぶような磁力線MLが発生するとともに、この磁力線MLによる磁力の作用によって、式(40)に示す電気角速度の関係と式(41)に示すトルクの関係が成立する。
すなわち、発電した電力および磁界電気角速度ωMFRと等価のトルクを発電用等価トルクTGEとすると、この発電用等価トルクTGE、第1および第2のロータ伝達トルクTR1,TR2の間にも、式(41)に示す関係が成立する。以上から明らかなように、本発明の回転機は、遊星歯車装置と一般的な1ロータタイプの回転機とを組み合わせた装置と同じ機能を有する。
また、図2に示すように、ECU2には、クランク角センサ51から、クランク軸3aのクランク角度位置を表す検出信号が出力される。ECU2は、このクランク角度位置に基づいてエンジン回転数NEを算出する。さらに、ECU2には、第1プーリ回転数センサ52から前述した駆動プーリ21の回転数である駆動側プーリ回転数NDRを表す検出信号が、第2プーリ回転数センサ53から前述した従動プーリ22の回転数である従動側プーリ回転数NDNを表す検出信号が、出力される。ECU2は、駆動側プーリ回転数NDRおよび従動側プーリ回転数NDNに基づいて、無段変速装置20の変速比RATIO(=NDR/NDN)を算出する。
また、ECU2には、第1回転角センサ54および第2回転角センサ55からそれぞれ、第1および第2のロータ回転角θR1,θR2を表す検出信号が、出力される。ECU2は、検出された第1および第2のロータ回転角θR1,θR2に基づいて、第1および第2のロータ34,35の回転速度(以下、それぞれ「第1ロータ回転速度VR1」「第2ロータ回転速度VR2」という)をそれぞれ算出する。さらに、ECU2は、第1および第2のロータ回転角θR1,θR2と前記式(39)に基づき、PDU40を制御することによって、ステータ33に供給する電力や、ステータ33で発電する電力、回転磁界の回転速度(以下「磁界回転速度」という)VMFを制御する。
また、ECU2には、電流電圧センサ56から、バッテリ45に入出力される電流・電圧値を表す検出信号が、出力される。ECU2は、この検出信号に基づいて、バッテリ45の充電状態SOCを算出する。さらに、ECU2には、アクセル開度センサ57から車両のアクセルペダル(図示せず)の踏み込み量であるアクセル開度APを表す検出信号が、車速センサ58から車速VPを表す検出信号が、出力される。
ECU2は、I/Oインターフェース、CPU、RAMおよびROMなどからなるマイクロコンピュータで構成されており、上述した各種のセンサ51〜58からの検出信号に応じて、エンジン3や回転機31の動作を制御する。
次に、ECU2による制御によって行われる動力装置1の動作について説明する。この動力装置1の動作モードには、EVクリープ、EV発進、EV走行中ENG始動、ENG走行、減速回生、停車中ENG始動、ENGクリープ、およびENG発進が含まれる。以下、これらの動作モードについて、EVクリープから順に説明する。また、動力装置1のすべての回転要素について、エンジン3のクランク軸3aの正転方向と同方向に回転することを「正転」といい、逆転方向と同方向に回転することを「逆転」という。
・EVクリープ
このEVクリープは、エンジン3を停止した状態で、回転機31のみを駆動源として用い、車両のクリープ運転を行う動作モードである。EVクリープ中、電磁ブレーキCL2をOFF状態に制御することにより第2ロータ35の回転を許容するとともに、クラッチCL3を遮断することによって、前述した第1動力伝達経路PT1を介したクランク軸3aと駆動輪DW,DWとの連結を解く。また、バッテリ45からステータ33に電力を供給し、回転磁界を正転するように発生させる。
このEVクリープは、エンジン3を停止した状態で、回転機31のみを駆動源として用い、車両のクリープ運転を行う動作モードである。EVクリープ中、電磁ブレーキCL2をOFF状態に制御することにより第2ロータ35の回転を許容するとともに、クラッチCL3を遮断することによって、前述した第1動力伝達経路PT1を介したクランク軸3aと駆動輪DW,DWとの連結を解く。また、バッテリ45からステータ33に電力を供給し、回転磁界を正転するように発生させる。
前述したように、ワンウェイクラッチCL1によって、第1ロータ34がクランク軸3aとともに逆転するのが阻止されている。このため、前述した回転機31の機能や前記式(41)から明らかなように、ステータ33への電力供給に伴い、第2ロータ35に、駆動用等価トルクTSEの3倍の大きさのトルクが伝達される。このトルクは、第1ロータ34の逆転が阻止されていることと、回転磁界を正転させることから、第2ロータ35を正転させるように作用する。また、第2ロータ35に伝達されたトルクは、図17に示すように、無段変速装置20を介さずに、第2動力伝達経路PT2や差動ギヤ機構9などを介して、駆動輪DW,DWに伝達され、その結果、駆動輪DW,DWが正転し、車両が前進する。この場合、ステータ33に供給される電力は、第2ロータ回転速度VR2が非常に小さくなるように制御され、それにより、車速VPが非常に小さいクリープ運転が行われる。なお、図17および後述するトルクの伝達状況を示す他の図では、矢印付きの太い破線はトルクの流れを示している。また、ステータ33では、実際には、トルクは電気エネルギの形態で伝達されるが、図17および後述するトルクの伝達状況を示す他の図では、便宜上、ステータ33におけるエネルギの入出力を、トルクの流れの中に、ハッチングを付して示している。
・EV発進
このEV発進は、上述したEVクリープ中から、エンジン3を停止した状態で、回転機31のみを駆動源として用いて車両を発進させ、走行させる動作モードである。EV発進時、上述したEVクリープの場合と同様にして電磁ブレーキCL2およびクラッチCL3を制御し(電磁ブレーキCL2:OFF、クラッチCL3:遮断)、バッテリ45からステータ33に供給する電力を増大させ、駆動用等価トルクTSEを増大させるとともに、正転している回転磁界の磁界回転速度VMFを高める。これにより、図18に実線で示すように、第1ロータ回転速度VR1が値0、すなわち、クランク軸3aが停止した状態で、第2ロータ回転速度VR2がほぼ値0の状態(同図に破線で図示)から上昇し、それに伴い、第2ロータ35が連結された駆動輪DW,DWの回転速度が上昇し、すなわち、車両が発進し、走行する。
このEV発進は、上述したEVクリープ中から、エンジン3を停止した状態で、回転機31のみを駆動源として用いて車両を発進させ、走行させる動作モードである。EV発進時、上述したEVクリープの場合と同様にして電磁ブレーキCL2およびクラッチCL3を制御し(電磁ブレーキCL2:OFF、クラッチCL3:遮断)、バッテリ45からステータ33に供給する電力を増大させ、駆動用等価トルクTSEを増大させるとともに、正転している回転磁界の磁界回転速度VMFを高める。これにより、図18に実線で示すように、第1ロータ回転速度VR1が値0、すなわち、クランク軸3aが停止した状態で、第2ロータ回転速度VR2がほぼ値0の状態(同図に破線で図示)から上昇し、それに伴い、第2ロータ35が連結された駆動輪DW,DWの回転速度が上昇し、すなわち、車両が発進し、走行する。
なお、図18の速度共線図では、前述した図65に示す速度共線図と同様、値0を示す横線に交わる縦線は、各パラメータの回転速度を表すためのものであり、この縦線上に表される白丸と横線との隔たりが、各パラメータの回転速度に相当する。同図および後述する他の速度共線図では、便宜上、この白丸の付近に各パラメータの回転速度の符号を表記するとともに、正転方向を「+」で、逆転方向を「−」で、それぞれ表記している。
・EV走行中ENG始動
このEV走行中ENG始動は、上述したEV発進による車両の走行中に、エンジン3を始動する動作モードである。EV走行中ENG始動時、EV発進において遮断されていたクラッチCL3を接続することによって、駆動輪DW,DWを、第1動力伝達経路PT1を介してクランク軸3aに連結する(電磁ブレーキCL2はOFF状態に制御)。これにより、図19に示すように、回転機31からの駆動用等価トルクTSEの一部が、アイドラ軸8から、副軸5、および無段変速装置20を介して第1主軸4に伝達された後、さらにその一部が第1ロータ34を介して第2ロータ35に伝達され、その残りがエンジン3に伝達される。その状態で、図20(a)に実線で示すように、磁界回転速度VMFを、第2ロータ回転速度VR2がそのときの値に保持されるように、クラッチCL3の接続前の状態(同図の破線)から低下させる。以上により、第1ロータ34およびクランク軸3aが正転し、第1ロータ回転速度VR1およびエンジン回転数NEが上昇する。その状態で、検出されたクランク角度位置に応じ、エンジン3の燃料噴射弁や点火プラグ(いずれも図示せず)の点火動作を制御することによって、エンジン3が始動される。
このEV走行中ENG始動は、上述したEV発進による車両の走行中に、エンジン3を始動する動作モードである。EV走行中ENG始動時、EV発進において遮断されていたクラッチCL3を接続することによって、駆動輪DW,DWを、第1動力伝達経路PT1を介してクランク軸3aに連結する(電磁ブレーキCL2はOFF状態に制御)。これにより、図19に示すように、回転機31からの駆動用等価トルクTSEの一部が、アイドラ軸8から、副軸5、および無段変速装置20を介して第1主軸4に伝達された後、さらにその一部が第1ロータ34を介して第2ロータ35に伝達され、その残りがエンジン3に伝達される。その状態で、図20(a)に実線で示すように、磁界回転速度VMFを、第2ロータ回転速度VR2がそのときの値に保持されるように、クラッチCL3の接続前の状態(同図の破線)から低下させる。以上により、第1ロータ34およびクランク軸3aが正転し、第1ロータ回転速度VR1およびエンジン回転数NEが上昇する。その状態で、検出されたクランク角度位置に応じ、エンジン3の燃料噴射弁や点火プラグ(いずれも図示せず)の点火動作を制御することによって、エンジン3が始動される。
また、EV走行中ENG始動時、駆動用等価トルクTSE、すなわちステータ33に供給される電力と磁界回転速度VMFは、駆動輪DW,DWおよびエンジン3にトルクが十分に伝達されるように制御される。さらに、クラッチCL3を接続する際、その締結力を漸増させるように制御する。これにより、駆動輪DW,DWに伝達されるトルクが急減するのを防止でき、良好なドライバビリティを確保することができる。また、無段変速装置20の変速比RATIOは、磁界回転速度VMF、第1および第2のロータ回転速度VR1,VR2に応じ、前記式(40)で示されるこれらの速度関係が保たれるように制御される。
さらに、EV走行中ENG始動時、図20(b)に実線で示すように(同図の破線:クラッチCL3の接続前)、第2ロータ回転速度VR2、すなわち車速VPが比較的高い場合でも、内燃機関および回転機を直結したタイプと異なり、上述した変速比RATIOおよび磁界回転速度VMFの制御によって、第1ロータ回転速度VR1、すなわちエンジン回転数NEを比較的低い状態に保ちながら、エンジン3を始動することができる。したがって、始動時のエンジン3のトルク変動を抑制でき、エンジン始動に伴って発生する振動やノイズを抑制できるので、商品性を向上させることができる。
・ENG走行
このENG走行は、エンジン3の動力を用いて、車両を走行させる運転モードである。ENG走行中、電磁ブレーキCL2をOFF状態に制御するとともに、クラッチCL3の接続によりクランク軸3aを第1動力伝達経路PT1を介して駆動輪DW,DWに連結する。また、基本的には、エンジン3の動力を、無段変速装置20で変速するとともに、第1動力伝達経路PT1を介して駆動輪DW,DWに伝達する。エンジン3の動作や無段変速装置20の変速比RATIOは、算出されたエンジン回転数NEや、検出されたアクセル開度APなどに応じて制御される。
このENG走行は、エンジン3の動力を用いて、車両を走行させる運転モードである。ENG走行中、電磁ブレーキCL2をOFF状態に制御するとともに、クラッチCL3の接続によりクランク軸3aを第1動力伝達経路PT1を介して駆動輪DW,DWに連結する。また、基本的には、エンジン3の動力を、無段変速装置20で変速するとともに、第1動力伝達経路PT1を介して駆動輪DW,DWに伝達する。エンジン3の動作や無段変速装置20の変速比RATIOは、算出されたエンジン回転数NEや、検出されたアクセル開度APなどに応じて制御される。
また、ENG走行中、次の条件(a)および(b)の一方が成立しているときには、バッテリ45からステータ33に電力を供給し、エンジン3を回転機31でアシストする。
(a)要求トルクPMCMD>所定の上限値PMH
(b)充電状態SOC>第1所定値SOCL
ここで、要求トルクPMCMDは、車両に要求されるトルクであり、検出された車速VPや、アクセル開度APに応じて算出される。上限値PMHは、無段変速装置20の伝達可能な上限トルクよりも若干小さな値に設定されている。第1所定値SOCLは、バッテリ45が過放電にならないような値に設定されている。このように、回転機31によるアシストは、要求トルクPMCMDが無段変速装置20の伝達可能な上限トルクに近い値のときに、またはバッテリ45の電力が十分に残っているときに行われる。
(a)要求トルクPMCMD>所定の上限値PMH
(b)充電状態SOC>第1所定値SOCL
ここで、要求トルクPMCMDは、車両に要求されるトルクであり、検出された車速VPや、アクセル開度APに応じて算出される。上限値PMHは、無段変速装置20の伝達可能な上限トルクよりも若干小さな値に設定されている。第1所定値SOCLは、バッテリ45が過放電にならないような値に設定されている。このように、回転機31によるアシストは、要求トルクPMCMDが無段変速装置20の伝達可能な上限トルクに近い値のときに、またはバッテリ45の電力が十分に残っているときに行われる。
また、回転機31では、その前述した機能により、回転磁界、第1および第2のロータ34,35の回転方向が互いに同じであるときには、駆動用等価トルクTSEおよび第1ロータ伝達トルクTR1が正のトルクとして合成され、第2ロータ伝達トルクTR2として出力される。このため、上記の回転機31によるアシスト中、図21に示すように、駆動用等価トルクTSEが第2ロータ35に伝達されるのに伴い、エンジン3のトルクの一部が、第1ロータ34を介して第2ロータ35に伝達される。このように、第2ロータ35には、駆動用等価トルクTSEとエンジン3のトルクの一部とを合成した合成トルクが伝達される。この場合、前記式(41)から明らかなように、第1ロータ34には、駆動用等価トルクTSEの2倍の大きさのトルクがエンジン3から伝達される。
また、第2ロータ35に伝達されたトルクは、第2動力伝達経路PT2や差動ギヤ機構9を介して、駆動輪DW,DWに伝達され、エンジン3の残りのトルクは、無段変速装置20などの第1動力伝達経路PT1や差動ギヤ機構9を介して、駆動輪DW,DWに伝達される。その結果、駆動輪DW,DWに伝達されるトルクは、各ギヤによる変速などがないとすれば、エンジン3のトルクと駆動用等価トルクTSEとの和に等しくなる。さらに、エンジン3および回転機31の出力は、要求トルクPMCMDを発生できる範囲で、最良の効率が得られるように制御される。
さらに、ENG走行における回転機31のアシスト中、無段変速装置20の変速比RATIOは、次のようにして制御される。まず、要求トルクPMCMDおよび車速VPに応じ、NECMDマップおよびVMFCMDマップ(何れも図示せず)を検索することなどによって、目標エンジン回転数NECMDおよび目標磁界回転速度VMFCMDをそれぞれ算出する。これらのマップでは、NECMD値およびVMFCMD値は、そのときの要求トルクPMCMDおよび車速VPに対して、エンジン3および回転機31の最良の効率が得られるように、かつ、前記式(40)に基づく磁界回転速度VMF、第1および第2のロータ回転速度VR1,VR2の間の関係が保たれるように設定されている。次いで、エンジン回転数NEおよび磁界回転速度VMFが算出されたNECMD値およびVMFCMD値にそれぞれなるように、変速比RATIOを制御する。これにより、第1および第2のロータ34,35の速度関係は、回転磁界の磁界回転方向が第1および第2のロータ34,35の回転方向と同方向になるように制御される。
また、ENG走行中、次の条件(c)および(d)がいずれも成立しているときには、PDU40を制御することによって、回転機31で発電を行うとともに、発電した電力をバッテリ45に充電する。この発電は、第1動力伝達経路PT1、アイドラ軸8、および第2動力伝達経路PT2を介して第2ロータ35に伝達されるエンジン3の動力を用いて行われる。以下、この発電を「駆動時発電」という。
(c)要求トルクPMCMD≦所定の発電可能上限値PMEH
(d)充電状態SOC<第2所定値SOCH
ここで、発電可能上限値PMEHは、前述した上限値PMHよりも小さな値に設定されている。第2所定値SOCHは、バッテリ45が過充電にならないような値に設定されている。すなわち、駆動時発電は、要求トルクPMCMDおよび充電状態SOCが比較的小さいときに行われる。
(c)要求トルクPMCMD≦所定の発電可能上限値PMEH
(d)充電状態SOC<第2所定値SOCH
ここで、発電可能上限値PMEHは、前述した上限値PMHよりも小さな値に設定されている。第2所定値SOCHは、バッテリ45が過充電にならないような値に設定されている。すなわち、駆動時発電は、要求トルクPMCMDおよび充電状態SOCが比較的小さいときに行われる。
また、回転機31では、その前述した機能から、回転磁界、第1および第2のロータ34,35の回転方向が互いに同じであるときには、発電時、第2ロータ伝達トルクTR2が分割され、発電用等価トルクTGEおよび第1ロータ伝達トルクTR1として出力される。このため、上記の駆動時発電中、図22に示すように、エンジン3のトルクの一部が、第2ロータ35を介して、ステータ33に発電用等価トルクTGEとして伝達されるのに伴い、第1ロータ34にも、第2ロータ35を介して、エンジン3のトルクの一部が伝達される。この場合の分配比は、前述したように式(41)が発電時にも成立するため、TGE:TR1=1:2である。
また、駆動時発電中、上記のように第1ロータ34に伝達されたトルクとエンジン3のトルクは、合成された後、無段変速装置20を含む第1動力伝達経路PT1を介して、アイドラ軸8に伝達され、アイドラ軸8に伝達されたトルクの一部が駆動輪DW,DWに、残りは、第2動力伝達経路PT2を介して、第2ロータ35に伝達される。この場合、各ギアによる変速などがないとすれば、駆動輪DW,DWに伝達されるトルクは、エンジン3のトルクから発電用等価トルクTGEを差し引いた大きさになる。
さらに、駆動時発電中、エンジン3の出力および回転機31で発電する電力は、要求トルクPMCMDを発生できる範囲で、最良の効率が得られるように制御される。さらに、無段変速装置20の変速比RATIOの制御は、上述したアシスト時と同様にして行われる。これにより、第1および第2のロータ34,35の速度関係は、アシスト時と同様、磁界回転方向が第1および第2のロータ34,35の回転方向と同方向になるように制御される。なお、この場合、目標エンジン回転数NECMDおよび目標磁界回転速度VMFCMDを検索するためのマップとして、アシスト時とは異なるマップが用いられる。
図23は、上述した回転機31によるアシスト中および駆動時発電中、供給された混合気の燃焼により発生したエンジン3のトルク(以下「エンジントルク」という)TENGを一定とした場合において、駆動輪DW,DWや無段変速装置20などに伝達されるトルクを、エンジントルクTENGに対する比で表したものである。なお、図23では、各ギヤによる変速などはないものとみなしている。同図に示すように、アシスト中、駆動輪DW,DWに伝達されるトルク(以下、適宜「足軸駆動トルク」という)TDRDWは、エンジントルクTENGと駆動用等価トルクTSEとの和に等しく、TSE値が大きいほど、より大きくなる。
また、前述したように、アシスト中、エンジントルクTENGの一部が、第1ロータ34に伝達され、残りは無段変速装置20に伝達されるとともに、第1ロータ34に伝達された第1ロータ伝達トルクTR1と駆動用等価トルクTSEが合成され、第2ロータ35に伝達される。このことと、第1ロータ伝達トルクTR1が駆動用等価トルクTSEの2倍の大きさになることから、図23に示すように、第2ロータ伝達トルクTR2は、駆動用等価トルクTSEが大きいほど、より大きくなる。また、駆動用等価トルクTSEが大きいほど、第1ロータ伝達トルクTR1が大きくなることによって、無段変速装置20に伝達されるトルク(以下、適宜「CVT伝達トルク」という)TCVTは、より小さくなる。
さらに、図23において、矢印AおよびBは、車両の最大出力時における足軸駆動トルクTDRDWおよびCVT伝達トルクTCVTをそれぞれ表している。無段変速装置20をエンジン3に直結した場合、エンジントルクTENGが無段変速装置20にそのまま伝達されるのに対し、本実施形態によれば、図23に矢印Cで示すように、上記の第1ロータ伝達トルクTR1の分、CVT伝達トルクTCVTを低減することができる。
また、図23に示すように、駆動時発電中、足軸駆動トルクTDRDWは、エンジントルクTENGから発電用等価トルクTGEを差し引いた大きさになり、発電用等価トルクTGEが大きいほど、すなわち発電する電力量が大きいほど、より小さくなる。さらに、前述したように第2ロータ伝達トルクTR2がステータ33および第1ロータ34に分配されるため、第2ロータ伝達トルクTR2は、発電用等価トルクTGEが大きいほど、より大きくなる。また、第1ロータ34に分配されたトルクとエンジントルクTENGとの合成トルクが無段変速装置20に伝達されることと、発電用等価トルクTGEが大きいほど、この第1ロータ34に分配されるトルクがより大きくなることから、CVT伝達トルクTCVTは、発電用等価トルクTGEが大きいほど、より大きくなる。さらに、図23において、矢印DおよびEは、通常の駆動時発電中における足軸駆動トルクTDRDWおよびCVT伝達トルクTCVTをそれぞれ表している。
また、駆動時発電中、発電用等価トルクTGEすなわち発電する電力量は、所定の上限値以下に制御される。さらに、前述したように、駆動時発電は、要求トルクPMCMDが発電可能上限値PMEH以下のときに行われ、このPMEH値は、発電用等価トルクTGEが上記の所定の上限値の場合に、上記の合成トルクが無段変速装置20の伝達可能な上限トルクよりも若干、小さくなるように設定されている。以上により、駆動時発電の実行中、CVT伝達トルクTCVTがこの上限トルクを超えるのを防止でき、したがって、過大なトルクが伝達されることによる無段変速装置20の故障を防止することができる。
・減速回生
この減速回生は、車両の前方への減速走行中、すなわち車両が惰性で前進しているときに、駆動輪DW,DWの慣性エネルギを用いて、回転機31において発電を行うとともに、発電した電力をバッテリ45に充電する動作モードである。減速回生中、上述したENG走行の場合と同様、電磁ブレーキCL2をOFF状態に制御するとともに、クラッチCL3を接続する。また、回転機31において、第2動力伝達経路PT2を介して第2ロータ35に伝達される駆動輪DW,DWの動力を電力に変換し、発電を行い、発電した電力をバッテリ45に充電する。
この減速回生は、車両の前方への減速走行中、すなわち車両が惰性で前進しているときに、駆動輪DW,DWの慣性エネルギを用いて、回転機31において発電を行うとともに、発電した電力をバッテリ45に充電する動作モードである。減速回生中、上述したENG走行の場合と同様、電磁ブレーキCL2をOFF状態に制御するとともに、クラッチCL3を接続する。また、回転機31において、第2動力伝達経路PT2を介して第2ロータ35に伝達される駆動輪DW,DWの動力を電力に変換し、発電を行い、発電した電力をバッテリ45に充電する。
図24および図25に示すように、減速回生中、第2ロータ35に伝達された駆動輪DW,DWの慣性によるトルクは、上述した駆動時発電の場合と同様、ステータ33と第1ロータ34に分配される。図24は、駆動輪DW,DWのトルクに対する、駆動輪DW,DWからエンジン3に伝達されるトルクの割合が小さい場合を示している。この場合、同図に示すように、駆動輪DW,DWのトルクの全部が、第2動力伝達経路PT2を介して第2ロータ35に伝達されるとともに、第2ロータ35を介して上記のように第1ロータ34に分配されたトルクの一部が、第1動力伝達経路PT1、アイドラ軸8、および第2動力伝達経路PT2を介して、第2ロータ35にさらに伝達される。このように、第2ロータ35には、駆動輪DW,DWのトルクの全部と第1ロータ34に分配されたトルクの一部とを合成した合成トルクが伝達される。また、第1ロータ34に分配されたトルクの残りは、第1主軸4を介してエンジン3に伝達される。以上の結果、各ギヤによる変速などがないとすれば、ステータ33に伝達される発電用等価トルクTGEとエンジン3に伝達されるトルクとの和は、駆動輪DW,DWのトルクと等しくなる。
また、減速回生中、駆動輪DW,DWのトルクに対する、駆動輪DW,DWからエンジン3に伝達されるトルクの割合が大きい場合には、図25に示すように、駆動輪DW,DWのトルクの一部が、第2動力伝達経路PT2を介して第2ロータ35に伝達され、残りは、副軸5および無段変速装置20を介して、第1主軸4に伝達される。また、第1主軸4に伝達されたトルクは、第1ロータ34に分配されたトルクと合成された後、エンジン3に伝達される。以上の結果、各ギヤによる変速などがないとすれば、発電用等価トルクTGEとエンジン3に伝達されるトルクとの和は、駆動輪DW,DWのトルクと等しくなる。
さらに、減速回生中、無段変速装置20の変速比RATIOは、前述した駆動時発電の場合と同様、回転機31の最良の発電効率が得られるように制御され、それにより、第1および第2のロータ34,35の速度関係は、磁界回転方向が第1および第2のロータ34,35の回転方向と同方向になるように制御される。
なお、減速回生による運転を次のようにして行ってもよい。すなわち、クラッチCL3を遮断するとともに、例えば電磁ブレーキやバンドブレーキなどで構成されたロック機構(図示せず)により、第1ロータ34を回転不能に保持することによって、第1ロータ回転速度VR1を値0に保持し、その状態で駆動輪DW,DWの動力を用いて回転機31で発電を行ってもよい。これにより、図26に示すように、駆動輪DW,DWのトルクはすべて、無段変速装置20を含む第1動力伝達経路PT1を介さずに、第2動力伝達経路PT2を介して第2ロータ35に伝達されるので、駆動輪DW,DWの動力を、クランク軸3aに伝達せずに、電力に変換し、発電することができる。
・停車中ENG始動
この停車中ENG始動は、車両の停止中に、エンジン3を始動する動作モードである。停車中ENG始動時、電磁ブレーキCL2のON制御により第2ロータ35を回転不能に保持するとともに、クラッチCL3の遮断によって、第1動力伝達経路PT1を介したクランク軸3aと駆動輪DW,DWの連結を解く。また、バッテリ45からステータ33に電力を供給する。これにより、回転機31の前述した機能から明らかなように、駆動用等価トルクTSEの2倍の大きさのトルクが、第1ロータ34に伝達され、さらに、図27に示すように、第1主軸4を介してクランク軸3aに伝達される。この場合、図28に示すように、回転磁界を逆転させる。以上により、同図に示すように、第2ロータ回転速度VR2が値0の状態、すなわち、駆動輪DW,DWが停止した状態で、第1ロータ34がクランク軸3aとともに正転する。その状態で、エンジン3の燃料噴射弁や点火プラグの点火動作を制御することによって、エンジン3が始動される。
この停車中ENG始動は、車両の停止中に、エンジン3を始動する動作モードである。停車中ENG始動時、電磁ブレーキCL2のON制御により第2ロータ35を回転不能に保持するとともに、クラッチCL3の遮断によって、第1動力伝達経路PT1を介したクランク軸3aと駆動輪DW,DWの連結を解く。また、バッテリ45からステータ33に電力を供給する。これにより、回転機31の前述した機能から明らかなように、駆動用等価トルクTSEの2倍の大きさのトルクが、第1ロータ34に伝達され、さらに、図27に示すように、第1主軸4を介してクランク軸3aに伝達される。この場合、図28に示すように、回転磁界を逆転させる。以上により、同図に示すように、第2ロータ回転速度VR2が値0の状態、すなわち、駆動輪DW,DWが停止した状態で、第1ロータ34がクランク軸3aとともに正転する。その状態で、エンジン3の燃料噴射弁や点火プラグの点火動作を制御することによって、エンジン3が始動される。
・ENGクリープ
このENGクリープは、エンジン3の動力を用いて、車両のクリープ運転を行う動作モードである。ENGクリープ中、電磁ブレーキCL2のOFF制御により第2ロータ35の回転を許容し、クラッチCL3の遮断により第1動力伝達経路PT1を介したクランク軸3aと駆動輪DW,DWの連結を解く。また、回転機31において、第1ロータ34に伝達されるエンジン3の動力の一部を電力に変換し、発電を行う。
このENGクリープは、エンジン3の動力を用いて、車両のクリープ運転を行う動作モードである。ENGクリープ中、電磁ブレーキCL2のOFF制御により第2ロータ35の回転を許容し、クラッチCL3の遮断により第1動力伝達経路PT1を介したクランク軸3aと駆動輪DW,DWの連結を解く。また、回転機31において、第1ロータ34に伝達されるエンジン3の動力の一部を電力に変換し、発電を行う。
この発電に伴い、第2ロータ35には、発電用等価トルクTGEがステータ33から伝達される。この場合、回転磁界が第1ロータ34の回転方向と逆方向に回転するため(図30に破線で示した速度共線図を参照)、発電用等価トルクTGEは、第2ロータ35を第1ロータ34の回転方向と同方向に回転させるように作用する。また、図29に示すように、上記の発電用等価トルクTGEに釣り合うように、エンジントルクTENGの一部が、第1ロータ34を介して第2ロータ35にさらに伝達される。この場合、発電用等価トルクTGEと第1ロータ伝達トルクTR1の合成比は1:2である。さらに、第2ロータ35に伝達されたトルクは、第2動力伝達経路PT2を介して、駆動輪DW,DWに伝達され、その結果、駆動輪DW,DWが正転する。また、ENGクリープ中、回転機31において発電する電力量は、第2ロータ回転速度VR2が非常に小さくなるように制御され、それにより、クリープ運転が行われる。
このENGクリープでは、上述したようにエンジントルクTENGの一部が駆動輪DW,DWに伝達されるので、駆動輪DW,DWから大きな反力がエンジン3に作用するのを防止でき、したがって、エンジンストールを伴わずに、クリープ運転を行うことができる。なお、以上のENGクリープによる運転は、主として、充電状態SOCが小さいときや、車両の登坂時などに行われ、前述した車両の減速走行後の停車中にも行われる。
・ENG発進
このENG発進は、エンジン3の動力を用いて、車両を発進させる動作モードであり、上述したENGクリープによる運転中から車両を発進させる場合に選択される。ENG発進時、上述したENGクリープの場合と同様、電磁ブレーキCL2およびクラッチCL3を、OFF状態および遮断状態にそれぞれ制御する。また、回転機31により発電する電力量を漸増させることによって、発電用等価トルクTGEを漸増させるとともに、逆転している回転磁界の磁界回転速度VMFを(図30に破線で示した速度共線図を参照)、値0になるように制御する。なお、磁界回転速度VMFが値0のときには、エンジン3の動力(エネルギ)は、ステータ33には伝達されず、第2ロータ35にすべて伝達され、さらに、第2動力伝達経路PT2を介して駆動輪DW,DWに伝達される。
このENG発進は、エンジン3の動力を用いて、車両を発進させる動作モードであり、上述したENGクリープによる運転中から車両を発進させる場合に選択される。ENG発進時、上述したENGクリープの場合と同様、電磁ブレーキCL2およびクラッチCL3を、OFF状態および遮断状態にそれぞれ制御する。また、回転機31により発電する電力量を漸増させることによって、発電用等価トルクTGEを漸増させるとともに、逆転している回転磁界の磁界回転速度VMFを(図30に破線で示した速度共線図を参照)、値0になるように制御する。なお、磁界回転速度VMFが値0のときには、エンジン3の動力(エネルギ)は、ステータ33には伝達されず、第2ロータ35にすべて伝達され、さらに、第2動力伝達経路PT2を介して駆動輪DW,DWに伝達される。
そして、磁界回転速度VMFが値0になった後には、バッテリ45からステータ33に電力を供給し、回転磁界を正転させる(図30の実線参照)。その結果、図31に示すように、駆動用等価トルクTSEおよびエンジントルクTENGが第2ロータ35で合成された後、第2動力伝達経路PT2を介して駆動輪DW,DWに伝達される。この場合、駆動用等価トルクTSE、すなわちステータ33に供給される電力と磁界回転速度VMFは、漸増するように制御される。以上により、図30に実線で示すように、第2ロータ回転速度VR2が、それまでの値0の状態(同図の破線)から上昇し、それに伴い、車両が発進する。そして、車速VPが適当に上昇した後には、無段変速装置20の変速比RATIOを制御することによって、クラッチCL3の入力軸および出力軸の回転数を互いに等しくなるように制御し、その状態でクラッチCL3が接続され、前述したENG走行による運転が行われる。
上述したように、ENG発進時、発電用等価トルクTGEおよび駆動用等価トルクTSEを漸増させるので、エンジン3から第1および第2のロータ34,35を介して駆動輪DW,DWに伝達されるトルクが漸増する。したがって、駆動輪DW,DWからの大きな反力がエンジン3に作用するのを防止でき、エンジンストールを伴わずに、車両を発進させることができる。
以上のように、本実施形態によれば、エンジン3のクランク軸3aと第1ロータ34および駆動輪DW,DWとの連結、および、第2ロータ35と駆動輪DW,DWの連結が、従来の動力装置と異なり、動力の分配・合成用の遊星歯車装置を用いることなく行われている。したがって、遊星歯車装置における動力の伝達ロスが生じることがなく、エンジン3や回転機31による駆動輪DW,DWの駆動効率、駆動輪DW,DWの動力を用いた回転機31の発電効率、およびエンジン3の動力を用いた回転機31の発電効率をいずれも高めることができる。同じ理由により、遊星歯車装置を用いる従来の場合と比較して、その構成を単純化できるとともに、歯車の間におけるバックラッシによる影響を受けることなく、車速VPを精度良く制御することができる。
また、第2ロータ35が、無段変速装置20を含まない第2動力伝達経路PT2を介して、駆動輪DW,DWに連結されており、クランク軸3aは、クラッチCL3の接続中には、無段変速装置20を含む第1動力伝達経路PT1を介して、駆動輪DW,DWに連結されており、回転磁界の発生中には、第1ロータ34や、第2ロータ35、第2動力伝達経路PT2を介して、駆動輪DW,DWに連結されている。さらに、回転機31によるアシスト中、第1ロータ伝達トルクTR1の分、無段変速装置20を介さずに動力を駆動輪DW,DWに伝達できるので、無段変速装置20における動力の伝達ロスを抑制でき、動力装置1全体としての駆動効率を高めることができる。また、第1ロータ伝達トルクTR1の分、CVT伝達トルクTCVTを低減できるので、低減されたCVT伝達トルクTCVTに見合った無段変速装置を採用することによって、無段変速装置20の高効率化と小型化を図ることができ、ひいては、動力装置1全体としての小型化と駆動効率のさらなる高効率化を達成できる。
さらに、図17および図26を用いて説明したように、EV発進時や減速回生中に、クラッチCL3の遮断によって、回転機31と駆動輪DW,DWの間の動力の伝達を、第2動力伝達経路PT2や第2ロータ35を介して、無段変速装置20をまったく介さずに行うことができる。したがって、無段変速装置20における動力の伝達ロスを完全に回避でき、回転機31による駆動輪DW,DWの駆動効率と、駆動輪DW,DWの動力を用いた回転機31の発電効率をより一層、高めることができる。
また、回転機31において、電機子磁極の極対数に対する永久磁石34aの磁石磁極の極対数の比(以下「極対数比」という)αが値2.0に設定されている。このような極対数比αの設定により、EV発進時やENG発進時など、第2ロータ35から駆動輪DW,DWに大きなトルクを伝達するような場合に、前記式(32)から明らかなように、例えば極対数比αが値1.0未満のときよりも大きなトルクを、第2ロータ35から出力し、駆動輪DW,DWに伝達することができる。したがって、ステータ33に要求される駆動用等価トルクTSEおよび発電用等価トルクTGEの最大値をより小さくすることができ、それにより、ステータ33の小型化、ひいては、動力装置1のさらなる小型化を図ることができる。さらに、上述した極対数比αの設定によって、アシスト中、極対数比αが値1.0未満の場合と比較して、大きなトルクを第1ロータ34に伝達できるので、CVT伝達トルクTCVTをさらに低減でき、無段変速装置20のさらなる小型化を図ることができる。
また、変速比RATIOを無段階に変更可能な無段変速装置20が設けられているとともに、アシスト中、エンジン回転数NEおよび磁界回転速度VMFが、エンジン3および回転機31の最良の効率が得られるように設定されたNECMD値およびVMFCMD値にそれぞれなるように、無段変速装置20の変速比RATIOが制御される。これにより、エンジン3および回転機31の最良の効率が得られるように、それらの出力を制御しながら、駆動輪DW,DWを駆動することができる。したがって、動力装置1全体としての駆動効率をさらに高めることができる。
さらに、ENG発進時、クラッチCL3を遮断するとともに、回転機31での発電電力およびステータ33への供給電力を制御することによって、エンジン3から第1および第2のロータ34,35を介して駆動輪DW,DWに伝達されるトルクを漸増させるので、エンジンストールを伴わずに、車両を発進させることができる。このため、エンジン3と駆動輪DW,DWの間の連結を、摩擦式の発進クラッチを用いずに行うことが可能になる。また、車両の発進後、変速比RATIOの制御によって、クラッチCL3の入力軸および出力軸の回転数を互いに等しくなるように制御した状態で、クラッチCL3が接続される。このため、前述したEV走行中ENG始動による運転を、クラッチCL3の接続によって行わず、スタータ(図示せず)を用いて行う場合には、クラッチCL3として、摩擦式のものに代えて、作動に必要なエネルギがより小さなON/OFF式の、例えばドグ歯式のクラッチを用いることができる。その場合には、摩擦式の発進クラッチの駆動源としてエンジン3を用いた場合と比較して、エンジン3の燃費を向上させることができる。
さらに、図17および図18を用いて説明したように、EVクリープ中やEV発進時、ワンウェイクラッチCL1およびケースCAにより、クランク軸3aの逆転が阻止されるとともに、クラッチCL3により、クランク軸3aと駆動輪DW,DWの間が遮断される。したがって、クランク軸3aの逆転を阻止しながら、駆動輪DW,DWを回転機31の動力で適切に駆動することができる。この場合、クラッチCL3の遮断により、エンジン3を引きずることがないので、その高い駆動効率を得ることができる。
また、図27および図28を用いて説明したように、停車中ENG始動時、電磁ブレーキCL2により第2ロータ35を回転不能に保持し、クラッチCL3によりクランク軸3aと駆動輪DW,DWの間を遮断するとともに、ステータ33に電力を供給し、回転磁界を逆転させる。これにより、駆動輪DW,DWを駆動することなく、クランク軸3aを正転させることができ、ひいては、エンジン3を始動することができる。
次に、図32を参照しながら、本発明の第2実施形態による動力装置1Aについて説明する。この動力装置1Aは、第1実施形態の動力装置1と比較して、正逆転切換機構60をさらに備える点が主に異なっている。図32において、第1実施形態と同じ構成要素については、同じ符号を用いて示している。なお、同図において、便宜上、無段変速装置20については、簡略化して示している。このことは、後述する他の図面についても同様である。以下、第1実施形態と異なる点を中心として説明する。
上記の正逆転切換機構60は、遊星歯車装置PS、クラッチCL4(第2クラッチ、ロータロック機構)および電磁ブレーキCL5(キャリアロック機構、ロータロック機構)を有している。この遊星歯車装置PSは、サンギヤSと、このサンギヤSの外周に設けられたリングギヤRと、両ギヤS,Rに噛み合う複数(例えば3つ)のプラネタリギヤP(2つのみ図示)と、プラネタリギヤPを回転自在に支持するキャリアCなどで構成されている。サンギヤSは、前述した第2主軸6に一体に設けられており、第2主軸6と一体に回転自在になっている。また、上記のリングギヤRは、ドーナツ板状のフランジを介して、第3主軸6cに一体に設けられている。この第3主軸6cは、中空に形成されるとともに、回転自在に設けられており、その内側には、前述した第1主軸4が回転自在に嵌合している。以上の構成により、リングギヤRは、第3主軸6cと一体に回転自在になっている。また、第1実施形態と異なり、前述した電磁ブレーキCL2は設けられておらず、前述したギヤ6bは、第2主軸6ではなく、第3主軸6cに一体に設けられている。
以上のように、サンギヤSは、第2主軸6を介して第2ロータ35に連結されており、リングギヤRは、第3主軸6cやアイドラ軸8、差動ギヤ機構9などを介して駆動輪DW,DWに連結されている。すなわち、第2ロータ35は、第2主軸6、遊星歯車装置PS、第3主軸6c、ギヤ6b、第3アイドラギヤ8c、アイドラ軸8、第2アイドラギヤ8b、ギヤ9a、差動ギヤ機構9、および駆動軸10,10を介して、変速装置を用いることなく、駆動輪DW,DWに常に機械的に連結されている。本実施形態では、上記の第2主軸6からギヤ6bまでの一連の構成要素が、第2動力伝達経路PT2に相当する。
上記のクラッチCL4は、例えば電磁クラッチであり、その締結度合がECU2により制御されることによって、キャリアCと第2主軸6の間、すなわち、キャリアCとサンギヤSの間を接続・遮断する。電磁ブレーキCL5は、ECU2によりONまたはOFFされ、ON状態のときに、キャリアCを回転不能に保持するとともに、OFF状態のときに、キャリアCの回転を許容する。
以上の構成の動力装置1Aは、第1実施形態と同様、EV発進やENG発進などの各種の動作モードによって運転される。また、車両を前進させる場合には、クラッチCL4の接続によりキャリアCとサンギヤSの間を接続するとともに、電磁ブレーキCL5のOFF制御によりキャリアCの回転を許容する。その状態で、EV発進やENG発進などの動作モードによる運転を前述したようにして行うと、第2ロータ35に伝達された動力は、サンギヤS、キャリアCおよびプラネタリギヤPを介して、リングギヤRに伝達され、それに伴い、サンギヤS、キャリアCおよびリングギヤRは、第2ロータ35とともに一体に回転する。また、リングギヤRに伝達された動力は、第3主軸6cや差動ギヤ機構9などを介して、駆動輪DW,DWに伝達される。その結果、駆動輪DW,DWが正転し、車両が前進する。
一方、車両を後進させる場合には、クラッチCL4の遮断によりキャリアCとサンギヤSの間を遮断するとともに、電磁ブレーキCL5のON制御によりキャリアCを回転不能に保持し、さらに、クラッチCL3を遮断状態に保持する。その状態で、EV発進やENG発進などの動作モードによる運転を前述したようにして行うと、第2ロータ35に伝達された動力は、サンギヤSおよびプラネタリギヤPを介して、リングギヤRに伝達され、上記のようにキャリアCが回転不能に保持されているため、リングギヤRは、サンギヤSすなわち第2ロータ35に対して、逆方向に回転する。また、リングギヤRに伝達された動力は、第3主軸6cなどを介して駆動輪DW,DWに伝達され、その結果、駆動輪DW,DWが逆転し、車両が後進する。この場合、遊星歯車装置PSの特性から明らかなように、リングギヤRには、サンギヤSに伝達されたトルクが増大した状態で伝達される。
上述したような車両の後進を、エンジン3の動力を用いて行う場合において、充電状態SOCが前述した第1所定値SOCLよりも小さいときには、エンジン回転数NEを、回転磁界が逆転するように高めるとともに、回転機31で発電を行い、発電した電力をバッテリ45に充電する。これにより、図29や図30を用いて説明したENGクリープ中の動作から明らかなように、バッテリ45を充電しながら、車両を後進させることができる。
以下、上述したようにクラッチCL4の接続と電磁ブレーキCL5のOFF制御によって、第2ロータ35からの動力の回転方向を変更せずに、そのまま駆動輪DW,DWに伝達する正逆転切換機構60の動作モードを、「正転モード」という。また、クラッチCL4の遮断と電磁ブレーキCL5のON制御によって、第2ロータ35からの動力の回転方向を逆方向に変更して、駆動輪DW,DWに伝達する正逆転切換機構60の動作モードを、「逆転モード」という。
正逆転切換機構60における逆転モードの選択により駆動輪DW,DWを逆転させる場合には、クラッチCL3は常に遮断状態に保持され、それにより、駆動輪DW,DWへの動力の伝達は、第1動力伝達経路PT1を介さずに、第2動力伝達経路PT2を介して行われる。換言すれば、逆転モードが選択されているときには、前述した各種の動作モードのうち、クラッチCL3が接続状態に保持されるENG走行などの動作モードは選択されず、クラッチCL3が遮断状態に保持されるEV発進やENG発進などの動作モードが選択される。また、車両の前方への減速走行中に選択される減速回生中には、正転モードが選択される。
なお、本実施形態では、図27を用いて説明した停車中ENG始動が選択されているときには、第2ロータ35は次のようにして回転不能に保持される。すなわち、電磁ブレーキCL5のON制御によりキャリアCを回転不能に保持するとともに、クラッチCL4の接続によりキャリアCと第2主軸6の間、すなわち、キャリアCと第2ロータ35の間を接続する。これにより、第2ロータ35は、キャリアCとともに回転不能に保持される。
以上のように、正逆転切換機構60のクラッチCL4および電磁ブレーキCL5を、第2ロータ35を回転不能に保持するロータロック機構として併用することができる。したがって、これらを併用せずに別個に設ける場合と比較して、動力装置1Aの部品点数を削減でき、ひいては、動力装置1Aの小型化およびコストの削減を達成することができる。
以上のように、本実施形態によれば、遊星歯車装置PS、クラッチCL4および電磁ブレーキCL5で構成された単純な構成の正逆転切換機構60によって、第2ロータ35からの動力を用いた駆動輪DW,DWの正転および逆転、すなわち、車両の前進および後進を、選択的に行うことができる。この場合、第1実施形態で述べたENG発進時の動作から明らかなように、摩擦式の発進クラッチを用いることなく、エンジン3の動力を駆動輪DW,DWに伝達し、エンジンストールを伴わずに、停止中の車両を前進または後進させることができる。また、車両の前進時には、サンギヤS、キャリアCおよびリングギヤRが一体に回転するため、遊星歯車装置PSにおいて、ギヤの噛み合いによる動力の伝達ロスを伴わずに、駆動輪DW,DWに動力を伝達することができる。したがって、車両の前進時には、第1実施形態による効果をまったく同様に得ることができる。なお、クラッチCL3の接続によりサンギヤS、キャリアCおよびリングギヤRが一体に回転しているときに、車両が後進するように、遊星歯車装置PSと駆動輪DW,DWを連結してもよい。
次に、図33を参照しながら、本発明の第3実施形態による動力装置1Bについて説明する。この動力装置1Bは、上述した第2実施形態の動力装置1Aと比較して、変速装置70(第2変速装置)をさらに備える点が主に異なっている。図33において、第2実施形態と同じ構成要素については、同じ符号を用いて示している。以下、第2実施形態と異なる点を中心として説明する。
上記の変速装置70は、例えば、無段変速装置20と同様に構成されたベルト式の無段変速装置であり、入力軸71および出力軸(図示せず)を有しており、この入力軸71に入力された動力を、無段階に変速して上記の出力軸に出力可能に構成されている。変速装置70の変速比ratio(入力軸71の回転数/出力軸の回転数)は、ECU2によって制御される。また、入力軸71には、ギヤ71aが一体に設けられており、このギヤ71aは、前述したギヤ6bに噛み合っている。さらに、変速装置70の出力軸は、前述したアイドラ軸8に直結されている。
以上のように、第2ロータ35は、第2主軸6、遊星歯車装置PS、第3主軸6c、ギヤ6b、ギヤ71a、変速装置70、アイドラ軸8、第2アイドラギヤ8b、ギヤ9a、差動ギヤ機構9、および駆動軸10,10を介して、駆動輪DW,DWに常に機械的に連結されている。本実施形態では、上記の第2主軸6から変速装置70までの一連の構成要素が、第2動力伝達経路PT2に相当する。
以上の構成の動力装置1Bでは、前述したEV発進時や、ENG発進時、回転機31によるアシスト中、駆動時発電中などのように、第2ロータ35から駆動輪DW,DWに動力を伝達する場合に、変速装置70の変速比ratioが次のようにして制御される。まず、要求トルクPMCMDおよび車速VPに応じ、マップ(図示せず)を検索することによって、目標磁界回転速度VMFCMDを算出する。このマップでは、目標磁界回転速度VMFCMDは、そのときの要求トルクPMCMDおよび車速VPに対して、回転機31の最良の効率が得られるように設定されている。また、上記のマップは、エンジン3の停止時用と運転時用とに別個に用意されている。次いで、磁界回転速度VMFが算出されたVMFCMD値になるように、変速比ratioを制御する。
この場合、アシスト中および駆動時発電中、無段変速装置20の変速比RATIOは、第1実施形態と異なり、次のようにして制御される。すなわち、所定の目標エンジン回転数NECMDにエンジン回転数NEがなるように、変速比RATIOを制御する。この目標エンジン回転数NECMDは、エンジン3の最良の効率が得られるように設定されている。本実施形態によれば、第1および第2の実施形態と異なり、変速装置70の変速比ratioを制御することによって、車速VPに対して、第2ロータ回転速度VR2を自由に制御することができる。
したがって、無段変速装置20および変速装置70の変速比RATIO,ratioを制御することによって、車速VPに対し、エンジン回転数NEおよび磁界回転速度VMFを、前記式(40)に基づく磁界回転速度VMF、第1および第2のロータ回転速度VR1,VR2の間の関係とは無関係に、別個に自由に制御することができる。したがって、エンジン3および回転機31のより良好な効率が得られるように、エンジン回転数NEおよび磁界回転速度VMFをそれぞれ制御でき、それにより、エンジン3の駆動効率と回転機31の駆動効率および発電効率を高めることができる。
また、変速比ratioは、EV発進時などのように、車速VPが低く、回転機31に要求されるトルクが大きいときには、値1.0よりも大きな減速側の所定値に制御される。これにより、第2ロータ35に伝達されたトルクは、変速装置70において増大された後、駆動輪DW,DWに伝達される。それに応じて、第2ロータ35に伝達されるトルクが小さくなるように、回転機31に供給される電力(あるいは回転機31で発電される電力)が制御される。したがって、本実施形態によれば、回転機31に要求されるトルクの最大値を小さくすることができ、回転機31の小型化およびコストの削減を図ることができる。
さらに、車速VPが極めて高いときには、変速比ratioは、値1.0よりも小さな高速側の所定値に制御される。これにより、車速VPに対して、第2ロータ回転速度VR2が低下するので、第2ロータ回転速度VR2の過大化による回転機31の故障を防止することができる。
なお、本実施形態では、第2ロータ35が駆動輪DW,DWに、変速装置70を介して連結されているため、第1実施形態のような変速装置における動力の伝達ロスの回避による効果は得られないものの、それ以外の第2実施形態による効果については、同様に得ることができる。
次に、図34を参照しながら、本発明の第4実施形態による動力装置1Cについて説明する。この動力装置1Cは、第2実施形態の動力装置1Aと比較して、変速装置80(第3変速装置)をさらに備える点が主に異なっている。図34において、第2実施形態と同じ構成要素については、同じ符号を用いて示している。以下、第2実施形態と異なる点を中心として説明する。
上記の変速装置80は、入力軸81、出力軸、遊星歯車装置、およびクラッチなどで構成されており(いずれも図示せず)、入力軸81に入力された動力を、出力軸にそのまま出力する機能と、減速した状態で出力する機能とを有している。このように、変速装置80では、変速段として、変速比(入力軸81の回転数/出力軸の回転数)が値1.0よりも大きな所定値である第1速と、変速比が値1.0である第2速とから成る計2つの変速段が設定されており、これらの変速段の切換はECU2によって行われる。
また、動力装置1Cでは、第1および第2の実施形態と異なり、フライホイール3bは、第1主軸4ではなく、変速装置80の入力軸81に直結されており、第1主軸4は、変速装置80の出力軸に直結されている。このように、第1ロータ34は、第1主軸4、変速装置80およびフライホイール3bを介して、クランク軸3aに常に機械的に連結されている。また、クラッチCL3の接続中、クランク軸3aは、フライホイール3b、変速装置80、第1主軸4、無段変速装置20、副軸5、クラッチCL3、ギヤ5b、第1アイドラギヤ8a、アイドラ軸8、第2アイドラギヤ8b、ギヤ9a、差動ギヤ機構9、および駆動軸10,10を介して、駆動輪DW,DWに機械的に連結されている。本実施形態では、上記のフライホイール3bから副軸5までの一連の構成要素が、第1動力伝達経路PT1に相当する。さらに、差動ギヤ機構9のギヤ9aと第2アイドラギヤ8bのギヤ比は、値1.0よりも大きな所定値に設定されており、両ギヤ9a,8bによる減速度合は比較的大きい。
以上の構成の動力装置1Cでは、ENG発進時やENG走行中、変速装置80の変速段は、エンジン回転数NEが極めて高いときには第1速に制御され、それ以外のときには第2速に制御される。これにより、エンジン回転数NEが極めて高いときに、エンジン3の動力が、減速された状態で第1ロータ34に伝達されるので、第1ロータ回転速度VR1の過大化による回転機31の故障を防止することができる。前述したように第1ロータ34は強度の低い永久磁石34aなどで構成されているため、上記の効果を特に有効に得ることができる。
さらに、上述した変速装置80の変速段の制御によって、ENG発進時など、第1および第2のロータ34,35を介して駆動輪DW,DWに極めて大きなトルクが伝達されるようなときに、変速段が第2速に制御され、それにより、第1速に制御した場合と比較して、第1ロータ34に入力されるエンジントルクTENGは小さくなる。それに応じて、第1ロータ34に伝達されるエンジントルクTENGが小さくなるように、回転機31で発電される電力が制御される。また、第1ロータ34に伝達されたエンジントルクTENGは、第2アイドラギヤ8bおよびギヤ9aによる減速によって増大された状態で、駆動輪DW,DWに伝達される。以上により、回転機31に要求されるトルクの最大値を小さくすることができ、回転機31のさらなる小型化およびコストの削減を図ることができる。
なお、本実施形態では、クランク軸3aが駆動輪DW,DWに、変速装置80を介して連結されているため、第2実施形態のような変速装置における動力の伝達ロスの抑制による効果は得られないものの、それ以外の第2実施形態による効果については、同様に得ることができる。
なお、これまでに述べた第1〜第4の実施形態では、クラッチCL3を無段変速装置20と駆動輪DW,DWの間に設けているが、第1主軸4の無段変速装置20と第1ロータ34の間に設けてもよい。この場合、図19を用いて説明したEV走行中ENG始動時において、クラッチCL3の接続前に、各実施形態と異なり、無段変速装置20の両プーリ21,22に回転機31の動力が伝達され、両プーリ21,22が回転するので、その変速比RATIOを、両プーリ21,22および伝達ベルト23の接触面が傷つくのを抑えながら、任意の値に制御することができる。それに加え、図27を用いて説明した停車中ENG始動時に、無段変速装置20を引きずることなく、エンジン3を始動することができる。
次に、図35を参照しながら、本発明の第5実施形態による動力装置1Dについて説明する。この動力装置1Dは、第2実施形態の動力装置1Aと比較して、無段変速装置20が省略されている点が主に異なっている。図35において、第2実施形態と同じ構成要素については、同じ符号を用いて示している。以下、第2実施形態と異なる点を中心として説明する。
第1主軸4には、ギヤ4bが一体に設けられており、このギヤ4bは、前述した副軸5と一体のギヤ5bに噛み合っている。これらのギヤ4b,5bのギヤ比は、例えば1:1に設定されている。また、第2実施形態と異なり、前述したアイドラ軸8には、第1アイドラギヤ8aが設けられておらず、クラッチCL3は、その入力軸および出力軸が副軸5およびアイドラ軸8にそれぞれ直結されており、その締結度合がECU2により制御されることによって、副軸5とアイドラ軸8の間を接続・遮断する。さらに、前述したギヤ6bと第3アイドラギヤ8cのギヤ比は、例えば1:1.5に設定されている。
以上のように、動力装置1Dには、変速装置は設けられていない。また、以上の構成により、クラッチCL3の接続中、クランク軸3aは、フライホイール3b、第1主軸4、ギヤ4b、ギヤ5b、副軸5、クラッチCL3、アイドラ軸8、第2アイドラギヤ8b、ギヤ9a、差動ギヤ機構9、および駆動軸10,10を介して、変速装置を用いることなく、駆動輪DW,DWに機械的に連結されている。したがって、車両の走行中、クラッチCL3が接続されている状態では、エンジン回転数NEは車速VPによって一義的に定まる。本実施形態では、上記のフライホイール3bから副軸5までの一連の構成要素が、第1動力伝達経路PT1に相当する。
以上の構成の動力装置1Dでは、前述したEVクリープ、EV発進、EV走行中ENG始動、停車中ENG始動、ENGクリープ、およびENG発進による運転と、正逆転切換機構60を用いた車両の前後進の切換が、第1および第2の実施形態の場合と同様にして行われ、ENG走行や減速回生のみが、第1および第2の実施形態の場合と異なっている。以下、これらについて説明する。
まず、ENG走行について説明する。ENG走行には、エンジン3の動力を伝達するための伝達モードとして、第1伝達モードおよび第2伝達モードが含まれる。この第1伝達モードは、後述する車速VPに関する所定の条件が成立していないときに選択され、第2伝達モードは、この所定の条件が成立しているときに選択される。まず、第1伝達モードについて説明する。
第1伝達モード中、クラッチCL3の遮断によって、上述した第1動力伝達経路PT1を介したクランク軸3aと駆動輪DW,DWの連結を解くとともに、回転機31の動作を制御することにより、エンジントルクTENGを、第1および第2のロータ34,35と、第2主軸6などの第2動力伝達経路PT2を介して、駆動輪DW,DWに伝達する。この場合、エンジン回転数NE、車速VPなどによって定まる回転磁界の回転方向が正転方向であるときには、バッテリ45の電力がステータ33に供給され、逆転方向であるときには、回転機31において発電が行われる。これにより、図30や図31を用いて説明したENG発進の場合と同様、電力供給時には駆動用等価トルクTSEとエンジントルクTENGが、発電時には発電用等価トルクTGEとエンジントルクTENGが、いずれも正のトルクとして合成された後、第2ロータ35や第2動力伝達経路PT2を介して、駆動輪DW,DWに伝達される。
また、第1伝達モード中、エンジン3から駆動輪DW,DWに伝達される動力は、磁界回転速度VMFを制御することによって無段階に変速される。すなわち、回転機31が無段変速装置として機能する。以下、この点について、図36および図37を参照しながら説明する。
前述した連結関係から明らかなように、第1ロータ回転速度VR1はエンジン回転数NEと等しく、第2ロータ回転速度VR2は、各ギヤによる変速などがないとすれば、車速VPに相当する。したがって、磁界回転速度VMFと、第1および第2のロータ回転速度VR1,VR2と、エンジン回転数NEと、車速VPの関係は、図36や図37に示すように、1つの速度共線図上に表される。図36に示すように、回転磁界が正転している場合には、駆動輪DW,DWに伝達される動力は、同図に示す中抜きの矢印から明らかなように、磁界回転速度VMFを上昇させることによって増速側に、低下させることによって減速側に、それぞれ無段階に変速される。
また、図37に示すように、回転磁界が逆転している場合には、駆動輪DW,DWに伝達される動力は、同図に示す中抜きの矢印から明らかなように、磁界回転速度VMFを上昇させることによって減速側に、低下させることによって増速側に、それぞれ無段階に変速される。この場合、磁界回転速度VMFは値0近傍に制御され、それにより、変速をある程度行いながら、バッテリ45における電力の入出力が抑制される。
さらに、第1伝達モード中、要求トルクPMCMDが極めて大きくなり、車両を急加速させる場合には、スロットル弁開度などの制御により、エンジン回転数NEを急上昇させ、エンジントルクTENGを急増させる。また、第1および第2のロータ回転速度VR1,VR2の間の関係によって定まる回転磁界の回転方向が、正転方向であるときには(図36参照)、ステータ33に電力を供給し、逆転方向であるとき(図37参照)には、回転機31において発電を行う。これにより、エンジントルクTENGと駆動用等価トルクTSE(または発電用等価トルクTGE)がいずれも、正のトルクとして合成された後、駆動輪DW,DWに伝達され、車両が急加速する。
上記のように、車両の急加速時、第1伝達モードによる動力伝達を行い、クラッチCL3の遮断により、第1動力伝達経路PT1を介したエンジン3と駆動輪DW,DWとの機械的な連結を解くことによって、エンジン回転数NEをそのときの車速VPとは無関係に上昇させることができ、エンジントルクTENGを急増させることができる。また、そのようなエンジントルクTENGと駆動用または発電用等価トルクTSE,TGEとがいずれも、正のトルクとして合成され、駆動輪DW,DWに伝達されるので、より大きなトルクを駆動輪DW,DWに伝達できる。したがって、車両を速やかに加速させることができ、その商品性を高めることができる。
さらに、第1伝達モード中における車両の登坂走行時には、充電状態SOCに応じて、エンジン回転数NEおよび回転機31の動作を制御する。具体的には、充電状態SOCが第1所定値SOCLよりも大きく、バッテリ32の電力が十分に残っているときには、エンジン回転数NEを、車速VPに応じ、回転磁界が正転するように制御するとともに、バッテリ45から回転機31に電力を供給し、回転磁界を正転させる。これにより、上述したように、回転機31においてエンジントルクTENGと駆動用等価トルクTSEが合成された後、駆動輪DW,DWに伝達される。
一方、車両の登坂走行中、充電状態SOCが第1所定値SOCLを下回ったときには、エンジン回転数NEを、回転磁界が逆転するように制御するとともに、回転機31において発電を行い、発電した電力をバッテリ45に充電する。これにより、上述したように、回転機31においてエンジントルクTENGと発電用等価トルクTGEが合成された後、駆動輪DW,DWに伝達される。なお、このバッテリ45の充電は、充電状態SOCが前述した第2所定値SOCHに達するまで行われる。以上により、バッテリ45の過放電および過充電を防止しながら、登坂走行を継続して行うことができる。
また、第1伝達モード中、車両が定速走行状態になり、かつ、車速VPが所定車速以上になったときには、第1伝達モードに代えて、第2伝達モードが選択される。第2伝達モード中、第1伝達モード中に遮断されていたクラッチCL3を接続することによって、クランク軸3aを、第1および第2の動力伝達経路PT1,PT2の双方を介して駆動輪DW,DWに連結する。このクラッチCL3の接続は、スロットル弁開度の制御などによるエンジン回転数NEの制御によってクラッチCL3の入力軸および出力軸の回転数を互いに同じにした状態で、行われる。上記の所定回転数は、クラッチCL3の接続により、クランク軸3aを駆動輪DW,DWに第1動力伝達経路PT1を介して連結した場合に、エンジンストールを伴わずに車両を走行させることが可能な最低の回転数に設定されており、エンジン3の最大発生トルクが大きいほど、より小さな値に設定されている。
さらに、クラッチCL3が接続された第2伝達モード中、スロットル弁開度は、車速VPによって一義的に定まるエンジン回転数NEにおいて、エンジン3の最良の燃費が得られるように制御される。クラッチCL3が接続されているときには、エンジン3は駆動輪DW,DWに機械的にほぼ直結された状態になるため、極めて高い駆動効率を得ることができる。
また、第2伝達モードにおいて、上述したスロットル弁開度の制御(以下「最良燃費制御」という)の実行中、エンジン3から駆動輪DW,DWに伝達されるトルクが、要求トルクPMCMDに対して不足するときには、その不足分を補うように、ステータ33に電力が供給され、回転機31によるアシストが行われる。一方、エンジン3から駆動輪DW,DWに伝達されるトルクが要求トルクPMCMDに対して余るときには、その余剰分を用いて、回転機31において発電が行われるとともに、発電した電力がバッテリ45に充電される。このような回転機31の制御によって、上述したようなクラッチCL3を接続した状態でエンジン3の最良の燃費が得られる運転領域を、拡大することができる。なお、上記の回転機31によるアシストは、充電状態SOCに応じて行われる。
なお、第1伝達モード中には、クラッチCL3が遮断されるため、前述した正逆転切換機構60の動作モードとして正転モードまたは逆転モードが選択されるものの、第2伝達モード中には、クラッチCL3が接続されるため、正転モードのみが選択される。
また、減速回生には、その回生モードとして、第1回生モードおよび第2回生モードが含まれる。まず、第1回生モードについて説明する。
この第1回生モード中には、クラッチCL3を接続し、正逆転切換機構60の動作モードを正転モードに設定する(クラッチCL4:接続、電磁ブレーキCL5:OFF)とともに、回転機31において発電を行い、発電した電力をバッテリ45に充電する。第1実施形態において、図24および図25を用いて説明したように、減速回生中、クラッチCL3が接続された状態時では、エンジン3が第1動力伝達経路PT1を介して駆動輪DW,DWに機械的に連結されているため、ステータ33に伝達される発電用等価トルクTGE、すなわち、充電される電力は、エンジン3のフリクションが小さく、それにより、駆動輪DW,DWからエンジン3に伝達されるトルクが小さいほど、より大きな値に制御することができる。このため、第1回生モードは、エンジン回転数NEが低いためにエンジン3のフリクションが小さいときに選択される。
第2回生モード中の制御は、第1回生モード中の制御と比較して、クラッチCL3を遮断する点のみが異なっている。この場合、回転機31の前述した機能から明らかなように、駆動輪DW,DWから第2動力伝達経路PT2を介して第2ロータ35に伝達されたトルクは、ステータ33および第1ロータ34に1:2の分配比で分配される。このようにクラッチCL3の遮断時には、第1ロータ34に作用するエンジン3のフリクションが大きいほど、ステータ33においてより大きな電力を発電することができるため、第2回生モードは、エンジン回転数NEが高いためにエンジン3のフリクションが大きいときに選択される。なお、第1〜第4の実施形態において、本実施形態と同様にして減速回生による運転を行ってもよいことは、もちろんである。
また、第1実施形態と同様、クラッチCL3を遮断するとともに、例えば電磁ブレーキやバンドブレーキなどで構成されたロック機構により、第1ロータ34を回転不能に保持することによって、第1ロータ回転速度VR1を値0に保持し、その状態で駆動輪DW,DWの動力を用いて減速回生による運転を行ってもよい。これにより、図26を用いて説明したように、駆動輪DW,DWの動力を電力にすべて変換し、発電することができる。
以上のように、本実施形態によれば、クランク軸3aおよび第2ロータ35の双方が駆動輪DW,DWに変速装置を用いることなく連結されているので、変速装置における動力の伝達ロスを回避でき、エンジン3および回転機31による駆動輪DW,DWの駆動効率と回転機31の発電効率を高めることができる。また、第2実施形態の無段変速装置20が省略されており、その分、動力装置1Dの小型化およびコストの削減を達成することができる。
さらに、ENG発進時には、回転機31において一旦、発電し、バッテリ45に充電した後に、バッテリ45から回転機31への電力供給を行い、ENG発進後のクラッチCL3を遮断した状態では、磁界回転速度VMFを値0近傍に制御する。また、所定の定速走行中には、クラッチCL3を接続し、エンジン3の動力を、ほぼ直結状態で駆動輪DW,DWに伝達し、要求トルクPMCMDに応じて、回転機31によるアシストおよび発電を行う。以上により、車両の走行中、バッテリ45への電力の入出力をほぼバランスさせることができるので、バッテリ45の小型化を図ることができ、それにより、動力装置1Dのさらなる小型化およびコストの削減を達成することができる。また、ENG発進後におけるクラッチCL3の遮断中、図36および図37を用いて説明したように、エンジン3の動力を、無段階に変速し、駆動輪DW,DWに伝達することができる。
さらに、クラッチCL3の遮断中、エンジントルクTENGと駆動用等価トルクTSE(または発電用等価トルクTGE)とが、正のトルクとして第2ロータ35において合成された後、駆動輪DW,DWに伝達されるので、より大きなトルクを駆動輪DW,DWに伝達することができる。
なお、本実施形態では、第2実施形態と異なり、無段変速装置20が設けられていないため、無段変速装置20による効果は得られないものの、それ以外の第2実施形態による効果については、同様に得ることができる。すなわち、第1実施形態と同じ回転機31を有することから、動力の分配・合成用の遊星歯車装置を用いないことによる効果や、前述した極対数比αの設定による効果が同様に得られるとともに、ENG発進が第1実施形態と同様にして行われることから、摩擦式の発進クラッチが不要であることによる効果が同様に得られる。また、ワンウェイクラッチCL1、ケースCAおよびクラッチCL3を有することによるEV発進に関する効果が同様に得られ、クラッチCL3,CL4および電磁ブレーキCL5を有することによる停車中ENG始動に関する効果が同様に得られるとともに、正逆転切換機構60を有することによる効果が同様に得られる。
また、本実施形態において、前述したEV走行中ENG始動をクラッチCL3の接続により行う場合には、第1および第2のロータ34,35の連結関係から明らかなように、クラッチCL3の接続に伴い、第1および第2のロータ回転速度VR1,VR2の速度比が、所定の速度比に固定される。このため、車速VPが高く、第2ロータ回転速度VR2が高いときには、クラッチCL3を完全に接続せずに、滑らせることによって、エンジン回転数NEをエンジン3の始動に適した低めの値に制御し、その状態で、燃料噴射弁などを制御し、エンジン3を始動する。したがって、第1実施形態と同様、エンジン3の始動に伴って発生する振動やノイズを抑制できるので、商品性を向上させることができる。
次に、図38を参照しながら、本発明の第6実施形態による動力装置1Eについて説明する。同図に示すように、この動力装置1Eは、上述した第5実施形態の動力装置1Dに、前述した第3実施形態の変速装置70を組み合わせたものである。すなわち、動力装置1Eでは、第2ロータ35は、第3実施形態で述べた遊星歯車装置PSや変速装置70を含む第2動力伝達経路PT2を介して、駆動輪DW,DWに常に機械的に連結されている。また、動力装置1Eは、第5実施形態で述べた各種の動作モードにより第5実施形態と同様にして運転されるとともに、変速装置70が第3実施形態の場合と同様にして制御される。
したがって、本実施形態によれば、主として、回転機31の小型化およびコストの削減を図ることができるなど、第3および第5の実施形態による効果の双方を同様に得ることができる。なお、本実施形態では、第2ロータ35が駆動輪DW,DWに、変速装置70を介して連結されているため、第5実施形態のような変速装置における動力の伝達ロスの回避による効果は得られない。
次に、図39を参照しながら、本発明の第7実施形態による動力装置1Fについて説明する。同図に示すように、この動力装置1Fは、第5実施形態の動力装置1Dに、前述した第4実施形態の変速装置80を組み合わせたものである。すなわち、動力装置1Fでは、第1ロータ34は、第1主軸4、変速装置80およびフライホイール3bを介して、クランク軸3aに常に機械的に連結されている。また、クラッチCL3の接続中には、クランク軸3aは、フライホイール3b、変速装置80、第1主軸4、ギヤ4b、ギヤ5b、副軸5、クラッチCL3、アイドラ軸8、第2アイドラギヤ8b、ギヤ9a、差動ギヤ機構9、および駆動軸10,10を介して、駆動輪DW,DWに機械的に連結されている。本実施形態では、上記のフライホイール3bから副軸5までの一連の構成要素が、第1動力伝達経路PT1に相当する。また、差動ギヤ機構9のギヤ9aと第2アイドラギヤ8bのギヤ比は、第4実施形態と同様に設定されている。
さらに、動力装置1Fは、第5実施形態で述べた各種の動作モードにより第5実施形態と同様にして運転されるとともに、変速装置80が第4実施形態の場合と同様にして制御される。したがって、本実施形態によれば、主として、第1ロータ回転速度VR1の過大化による回転機31の故障を防止できるなど、第4および第5の実施形態による効果の双方を同様に得ることができる。すなわち、第1実施形態と同じ回転機31を有することから、動力の分配・合成用の遊星歯車装置を用いないことによる効果や、極対数比αの設定による効果が同様に得られるとともに、ENG発進が第1実施形態と同様にして行われることから、摩擦式の発進クラッチが不要であることによる効果が同様に得られる。
また、ワンウェイクラッチCL1、ケースCAおよびクラッチCL3を有することによるEV発進に関する効果が同様に得られ、クラッチCL3,CL4および電磁ブレーキCL5を有することによる停車中ENG始動に関する効果が同様に得られるとともに、正逆転切換機構60を有することによる効果が同様に得られる。さらに、第5実施形態と同様、クラッチCL3の遮断と回転機31の動作の制御によって、エンジン3の動力を無段階に変速して駆動輪DW,DWに伝達できるとともに、クラッチCL3の遮断中、エンジントルクTENGと駆動用等価トルクTSE(または発電用等価トルクTGE)とを、正のトルクとして合成した後、駆動輪DW,DWに伝達できる。
なお、本実施形態では、クランク軸3aが駆動輪DW,DWに、変速装置80を介して連結されているため、第5実施形態のような変速装置における動力の伝達ロスの回避による効果は得られない。
なお、これまでに述べた第1〜第7の実施形態では、極対数比αは値2.0に設定されているが、極対数比αを値1.0よりも小さく設定した場合には、次の効果が得られる。すなわち、図40は、極対数比αを値1.0よりも小さな第1所定値Xに設定した場合(実線)における磁界回転速度VMF、第1および第2のロータ回転速度VR1,VR2の間の関係を、値1.0よりも大きな第2所定値Yに設定した場合におけるこれらの回転速度の間の関係(破線)とともに示している。また、同図では、前述した連結関係から、第1ロータ回転速度VR1がエンジン回転数NEと等しく、かつ、第2ロータ回転速度VR2が車速VPと等しいものとみなしている。
例えば、車両の高速走行中で、図40に示すように、エンジン回転数NEが所定の最高回転数NEHにあり、かつ、車速VPが所定の最高速度VPHにあるときには、第2ロータ回転速度VR2が比較的高い第1ロータ回転速度VR1を上回ることによって、磁界回転速度VMFは、比較的高い第2ロータ回転速度VR2を上回り、非常に高くなる。これに対し、極対数比αを第1所定値Xに設定した場合には、第2所定値Yに設定した場合よりもΔV1分、磁界回転速度VMFを低下させることができ、それにより、磁界回転速度VMFの過大化による損失の発生により駆動効率や発電効率が低下するのを、防止することができる。
また、第1〜第7の実施形態では、第1ロータ34を駆動輪DW,DWに連結しているが、第1ロータ34は、クランク軸3aに連結されていれば、駆動輪DW,DWに連結されていなくてもよい。例えば、クランク軸3aを2つの回転軸にギヤなどを用いて連結し、一方の回転軸を第1ロータ34に連結するとともに、他方の回転軸を、第1主軸4を介して駆動輪DW,DWに連結してもよい。この場合、第7実施形態において、クランク軸3aを駆動輪DW,DWに変速装置80を介さずに連結できるので、第5実施形態と同様、変速装置における動力の伝達ロスの回避による駆動効率の高効率化を図ることができる。
次に、図41を参照しながら、本発明の第8実施形態による動力装置1Gについて説明する。この動力装置1Gは、前述した第1実施形態の動力装置1と比較して、エンジン3に対する第1および第2のロータ34,35の連結関係が逆になっている点のみが異なっている。図41において、第1実施形態と同じ構成要素については、同じ符号を用いて示している。以下、第1実施形態と異なる点を中心として説明する。
図41に示すように、第2ロータ35は第1主軸4に、第1ロータ34は第2主軸6に、それぞれ一体に設けられている。すなわち、動力装置1Gでは、第2ロータ35は、第1主軸4およびフライホイール3bを介して、クランク軸3aに常に機械的に連結されており、第1ロータ34は、第1実施形態で述べた変速装置を含まない第2動力伝達経路PT2を介して、駆動輪DW,DWに常に機械的に連結されている。また、クラッチCL3の接続中、クランク軸3aは、第1実施形態で述べた無段変速装置20を含む第1動力伝達経路PT1を介して、駆動輪DW,DWに機械的に連結されている。さらに、クラッチCL3は、第1実施形態と異なり、摩擦式のクラッチではなく、ドグ歯式のクラッチで構成されている。
次に、ECU2の制御による動力装置1Gの動作について説明する。動力装置1Gは、第1実施形態で述べたEVクリープなどの各種の動作モードを有しており、上記のような連結関係から、これらの動作モードにおける制御の一部が、第1実施形態の場合と異なっている。以下、これらの動作モードについて、停車中ENG始動から順に説明する。
・停車中ENG始動
停車中ENG始動時、電磁ブレーキCL2をON状態に制御することによって、第2主軸6およびこれと一体の第1ロータ34を回転不能に保持するとともに、クラッチCL3の遮断により、第1動力伝達経路PT1を介したクランク軸3aと駆動輪DW,DWの連結を解く。また、ステータ33に電力を供給する。以上により、図42に示すように、ステータ33からの駆動用等価トルクTSEが、第2ロータ35に伝達され、さらに、クランク軸3aに伝達される。この場合、前記式(41)から明らかなように、クランク軸3aには、駆動用等価トルクTSEの3倍の大きさのトルクが伝達される。また、図43に示すように、回転磁界を正転させる。以上により、同図に示すように、第1ロータ回転速度VR1が値0の状態、すなわち、駆動輪DW,DWが停止した状態で、第2ロータ35がクランク軸3aとともに正転する。その状態で、エンジン3の燃料噴射弁や点火プラグの点火動作を制御することによって、エンジン3が始動される。
停車中ENG始動時、電磁ブレーキCL2をON状態に制御することによって、第2主軸6およびこれと一体の第1ロータ34を回転不能に保持するとともに、クラッチCL3の遮断により、第1動力伝達経路PT1を介したクランク軸3aと駆動輪DW,DWの連結を解く。また、ステータ33に電力を供給する。以上により、図42に示すように、ステータ33からの駆動用等価トルクTSEが、第2ロータ35に伝達され、さらに、クランク軸3aに伝達される。この場合、前記式(41)から明らかなように、クランク軸3aには、駆動用等価トルクTSEの3倍の大きさのトルクが伝達される。また、図43に示すように、回転磁界を正転させる。以上により、同図に示すように、第1ロータ回転速度VR1が値0の状態、すなわち、駆動輪DW,DWが停止した状態で、第2ロータ35がクランク軸3aとともに正転する。その状態で、エンジン3の燃料噴射弁や点火プラグの点火動作を制御することによって、エンジン3が始動される。
・ENGクリープ
ENGクリープ中、電磁ブレーキCL2をOFF状態に制御することによって、第2主軸6およびこれと一体の第1ロータ34の回転を許容する。また、クラッチCL3を遮断し、回転機31において、第2ロータ35に伝達されるエンジン3の動力の一部を電力に変換し、発電を行うとともに、発電した電力をバッテリ45に充電する。
ENGクリープ中、電磁ブレーキCL2をOFF状態に制御することによって、第2主軸6およびこれと一体の第1ロータ34の回転を許容する。また、クラッチCL3を遮断し、回転機31において、第2ロータ35に伝達されるエンジン3の動力の一部を電力に変換し、発電を行うとともに、発電した電力をバッテリ45に充電する。
この発電に伴い、図44に示すように、エンジントルクTENGの一部が、第2ロータ35に伝達され、この第2ロータ35に伝達されたトルクは、ステータ33および第1ロータ34に分配される。この場合のトルク分配比は、発電用等価トルクTGE:第1ロータ伝達トルクTR1=1:2である。また、第1ロータ34に分配されたトルクは、第2主軸6などの第2動力伝達経路PT2を介して、駆動輪DW,DWに伝達され、駆動輪DW,DWを正転させる方向に作用する。さらに、回転機31で発電する電力量は、第1ロータ回転速度VR1が非常に小さくなるように制御され、それにより、クリープ運転が行われる。このように、ENGクリープ中、第1実施形態と同様、エンジントルクTENGの一部が駆動輪DW,DWに伝達されるので、エンジンストールを伴わずに、クリープ運転を行うことができる。
・ENG発進
ENG発進時、上述したENGクリープの場合と同様、電磁ブレーキCL2およびクラッチCL3をOFF状態および遮断状態にそれぞれ制御するとともに、エンジントルクTENGおよびエンジン回転数NEを高める。そして、回転機31で発電する電力量を漸増させることにより、第2ロータ35からステータ33に伝達される発電用等価トルクTGEを漸増させる。この場合、上述したように、第2ロータ35に伝達されたトルクが、ステータ33と第1ロータ34に1:2の分配比で分配されるので、上記のように発電用等価トルクTGEを漸増させることによって、エンジン3から第2ロータ35および第1ロータ34を介して駆動輪DW,DWに伝達されるトルクが漸増する。さらに、発電に伴って発生する磁界回転速度VMFを高める。
ENG発進時、上述したENGクリープの場合と同様、電磁ブレーキCL2およびクラッチCL3をOFF状態および遮断状態にそれぞれ制御するとともに、エンジントルクTENGおよびエンジン回転数NEを高める。そして、回転機31で発電する電力量を漸増させることにより、第2ロータ35からステータ33に伝達される発電用等価トルクTGEを漸増させる。この場合、上述したように、第2ロータ35に伝達されたトルクが、ステータ33と第1ロータ34に1:2の分配比で分配されるので、上記のように発電用等価トルクTGEを漸増させることによって、エンジン3から第2ロータ35および第1ロータ34を介して駆動輪DW,DWに伝達されるトルクが漸増する。さらに、発電に伴って発生する磁界回転速度VMFを高める。
以上により、図45に実線で示すように、第1ロータ回転速度VR1が、それまでのほぼ値0の状態(同図の破線)から上昇し、第1ロータ34に連結された駆動輪DW,DWの回転速度、すなわち車速VPも上昇し、車両が発進する。そして、車速VPが適当に上昇した後には、無段変速装置20の変速比RATIOを制御することによって、クラッチCL3の前述した入力軸および出力軸の回転数を互いに等しくなるように制御し、その状態で、クラッチCL3を接続し、ENG走行による運転が行われる。
上述したように、ENG発進時、第1実施形態と同様、エンジン3から駆動輪DW,DWに伝達されるトルクを漸増させることができるので、エンジンストールを伴わずに、車両を発進させることができる。
・ENG走行
ENG走行中、前述した第1実施形態と同様、電磁ブレーキCL2およびクラッチCL3をOFF状態および接続状態にそれぞれ制御するとともに、基本的には、エンジン3の動力を、無段変速装置20で変速するとともに、第1動力伝達経路PT1を介して駆動輪DW,DWに伝達する。
ENG走行中、前述した第1実施形態と同様、電磁ブレーキCL2およびクラッチCL3をOFF状態および接続状態にそれぞれ制御するとともに、基本的には、エンジン3の動力を、無段変速装置20で変速するとともに、第1動力伝達経路PT1を介して駆動輪DW,DWに伝達する。
また、ENG走行中、エンジン3の動力は、基本的には、最良の燃費が得られるように制御される。さらに、充電状態SOCが前述した第1所定値SOCLよりも大きく、すなわち、バッテリ45の電力が十分に残っており、かつ、上記のように制御されるエンジン3の動力がそのときの車速VPおよび要求トルクPMCMDで定まる要求出力に対して不足するときには、その不足分を補うように、バッテリ45からステータ33に電力を供給し、回転機31によるアシストを行う。
このアシスト中、図46に示すように、ステータ33からの駆動用等価トルクTSEと、第1ロータ34に後述するように伝達されるトルクが合成され、第2ロータ35に伝達される。この場合のトルク合成比は、駆動用等価トルクTSE:第1ロータ伝達トルクTR1=1:2である。第2ロータ35に伝達されたトルクと、エンジントルクTENGは合成された後、第1主軸4および無段変速装置20を介してアイドラ軸8に伝達される。このアイドラ軸8に伝達されたトルクの一部は、第2動力伝達経路PT2(第2主軸6)を介して第1ロータ34に伝達され、残りは、差動ギヤ機構9などを介して駆動輪DW,DWに伝達される。以上の結果、駆動輪DW,DWに伝達されるトルクは、各ギヤによる変速などがないとすれば、エンジントルクTENGと駆動用等価トルクTSEとの和に等しくなる。
一方、車両の走行中、充電状態SOCが前述した第2所定値SOCHよりも小さく、すなわち、バッテリ45の電力が比較的小さく、かつ、上述したように最良の燃費が得られるように制御されるエンジン3の動力が上述した要求出力に対して余るときには、その余剰分を用い、回転機31によって前述した駆動時発電を行うとともに、発電した電力をバッテリ45に充電する。この発電は、第1実施形態と同様、第2ロータ35に伝達されるエンジン3の動力を用いて行われる。
この駆動時発電中、図47に示すように、エンジントルクTENGの一部が、第2ロータ35に伝達され、さらに、ステータ33および第1ロータ34に1:2の分配比で分配される。エンジントルクTENGの残りは、無段変速装置20に伝達され、第1ロータ34に上記のように分配されたトルクとともに、アイドラ軸8などを介して駆動輪DW,DWに伝達される。その結果、駆動輪DW,DWに伝達されるトルクは、各ギヤによる変速などがないとすれば、エンジントルクTENGから、ステータ33に伝達される発電用等価トルクTGEを差し引いた大きさになる。
また、アシスト中および駆動時発電中、無段変速装置20の変速比RATIOの制御は、第1実施形態と同様にして行われ、エンジン3および回転機31の最良の効率が得られるように行われる。これにより、第1および第2のロータ34,35の速度関係は、磁界回転方向が第1および第2のロータ34,35の回転方向と同方向になるように制御される。
図48は、上述した回転機31によるアシスト中および駆動時発電中、エンジントルクTENGを一定とした場合において、駆動輪DW,DWや無段変速装置20などに伝達されるトルクを、エンジントルクTENGに対する比で表したものである。なお、図48において、各ギヤによる変速などはないものとする。同図に示すように、アシスト中、駆動輪DW,DWに伝達される足軸駆動トルクTDRDWは、エンジントルクTENGと駆動用等価トルクTSEとの和に等しく、TSE値が大きいほど、より大きくなる。また、前述したように、第2ロータ35に伝達された第2ロータ伝達トルクTR2とエンジントルクTENGを合成した合成トルクが、無段変速装置20に伝達されることと、駆動用等価トルクTSEが大きいほど、この第2ロータ伝達トルクTR2がより大きくなることから、無段変速装置20に伝達されるCVT伝達トルクTCVTは、駆動用等価トルクTSEが大きいほど、より大きくなる。さらに、図48において、矢印HおよびIは、車両の最大出力時における足軸駆動トルクTDRDWおよびCVT伝達トルクTCVTをそれぞれ表している。
また、図48に示すように、駆動時発電中、足軸駆動トルクTDRDWは、エンジントルクTENGから発電用等価トルクTGEを差し引いた大きさになり、発電用等価トルクTGEが大きいほど、すなわち発電する電力量が大きいほど、より小さくなる。さらに、前述したように、発電に伴い、第2ロータ伝達トルクTR2がステータ33および第1ロータ34に分配されることから、第2ロータ伝達トルクTR2は、ステータ33に分配される発電用等価トルクTGEが大きいほど、より大きくなる。また、エンジントルクTENGの一部が第2ロータ35に伝達されるとともに、エンジントルクTENGの残りが無段変速装置20に伝達されるため、CVT伝達トルクTCVTは、第2ロータ伝達トルクTR2が大きいほど、すなわち、発電用等価トルクTGEが大きいほど、より小さくなる。
また、図48において、矢印JおよびKは、通常の駆動時発電中における足軸駆動トルクTDRDWおよびCVT伝達トルクTCVTをそれぞれ表している。無段変速装置20をエンジン3に直結した場合、エンジントルクTENGが無段変速装置20にそのまま伝達されるのに対し、本実施形態によれば、第2ロータ伝達トルクTR2の分、図48に矢印Lで示すように、CVT伝達トルクTCVTを低減することができる。この場合、第2ロータ35からステータ33および第1ロータ34へのトルク分配比が1:2であるので、発電用等価トルクTGEの3倍の大きさのトルクの分、CVT伝達トルクTCVTは低減される。
・減速回生
減速回生中、第1実施形態と同様、電磁ブレーキCL2をOFF状態に制御するとともに、回転機31において発電を行い、発電した電力をバッテリ45に充電する。
減速回生中、第1実施形態と同様、電磁ブレーキCL2をOFF状態に制御するとともに、回転機31において発電を行い、発電した電力をバッテリ45に充電する。
減速回生中、クラッチCL3を接続状態に保持したときには、図49に示すように、第2ロータ35に後述するように伝達されたトルクは、ステータ33および第1ロータ34に分配される。第1ロータ34に分配されたトルクは、第2主軸6を介してアイドラ軸8に伝達され、駆動輪DW,DWのトルクとともに、副軸5や無段変速装置20を介して、第1主軸4に伝達される。第1主軸4に伝達されたトルクの一部は、第2ロータ35に伝達され、残りはエンジン3に伝達される。以上の結果、ステータ33に伝達される発電用等価トルクTGEとエンジン3に伝達されるトルクとの和は、駆動輪DW,DWのトルクと等しくなる。なお、この場合、無段変速装置20の変速比RATIOは、第1実施形態と同様、回転機31の最良の発電効率が得られるように制御され、それにより、第1および第2のロータ34,35の速度関係は、磁界回転方向が第1および第2のロータ34,35の回転方向と同方向になるように制御される。
また、減速回生中、クラッチCL3を遮断したと仮定した場合に、そのときのエンジン回転数NEに相当する第2ロータ回転速度VR2と、車速VPに相当する第1ロータ回転速度VR1とによって定まる回転磁界の回転方向が、図50に示すように、第1ロータ34の回転方向と逆方向であるときには、クラッチCL3を遮断した状態で、発電を行うことができる。この場合、回転磁界が第1ロータ34の回転方向と逆方向に回転するため、図51に示すように、駆動輪DW,DWから第2動力伝達経路PT2を介して第1ロータ34に伝達されたトルクと、ステータ33からの発電用等価トルクTGEは、第2ロータ35において合成され、エンジン3に伝達される。すなわち、この場合、エンジン3から第2ロータ35に作用するフリクションを利用して、第1ロータ34に伝達される駆動輪DW,DWの動力(エネルギ)を、ステータ33に伝達し、電力に変換することができる。したがって、上記のようにクラッチCL3を遮断した状態で発電を行う場合には、エンジン3のフリクションが大きいほど、より大きな電力を発電し、バッテリ45に充電することができる。
逆に、減速回生中、クラッチCL3を接続しているときには、エンジン3および駆動輪DW,DWが、第1動力伝達経路PT1を介して互いに機械的に連結されているため、エンジン3のフリクションが大きいほど、駆動輪DW,DWからエンジン3に伝達されるトルクがより大きくなり、その結果、ステータ33に分配される発電用等価トルクTGEが小さくなり、バッテリ45に充電される電力が小さくなる。以上のことから、減速回生中、エンジン3のフリクションが小さいときには、クラッチCL3が接続され、大きいときには、クラッチCL3が遮断され、それにより、より大きな電力をバッテリ45に充電することができる。
また、減速回生を次のようにして行ってもよい。すなわち、クラッチCL3を遮断するとともに、例えば電磁ブレーキやバンドブレーキなどで構成されたロック機構(図示せず)により、第2ロータ35を回転不能に保持することによって、第2ロータ回転速度VR2を値0に保持し、その状態で駆動輪DW,DWの動力を用いて回転機31で発電を行ってもよい。これにより、図52に示すように、駆動輪DW,DWのトルクをすべて、無段変速装置20を含む第1動力伝達経路PT1を介さずに、第2動力伝達経路PT2を介して第1ロータ34に伝達できるとともに、駆動輪DW,DWの動力を電力にすべて変換し、発電することができる。
・EVクリープ
EVクリープ中には、電磁ブレーキCL2およびクラッチCL3をOFF状態および遮断状態にそれぞれ制御するとともに、バッテリ45からステータ33に電力を供給し、回転磁界を逆転するように発生させる。第2ロータ35は、ワンウェイクラッチCL1およびケースCAによって、クランク軸3aとともに逆転するのを阻止されている。このため、図53に示すように、ステータ33からの駆動用等価トルクTSEは、第1ロータ34に伝達され、さらに、無段変速装置20を含む第1動力伝達経路PT1を介さずに、第2動力伝達経路PT2を介して、駆動輪DW,DWに伝達される。また、ステータ33に供給される電力は、第1ロータ回転速度VR1が非常に小さくなるように制御され、それにより、クリープ運転が行われる。
EVクリープ中には、電磁ブレーキCL2およびクラッチCL3をOFF状態および遮断状態にそれぞれ制御するとともに、バッテリ45からステータ33に電力を供給し、回転磁界を逆転するように発生させる。第2ロータ35は、ワンウェイクラッチCL1およびケースCAによって、クランク軸3aとともに逆転するのを阻止されている。このため、図53に示すように、ステータ33からの駆動用等価トルクTSEは、第1ロータ34に伝達され、さらに、無段変速装置20を含む第1動力伝達経路PT1を介さずに、第2動力伝達経路PT2を介して、駆動輪DW,DWに伝達される。また、ステータ33に供給される電力は、第1ロータ回転速度VR1が非常に小さくなるように制御され、それにより、クリープ運転が行われる。
・EV発進
EV発進時、上述したEVクリープと同様にして電磁ブレーキCL2およびクラッチCL3を制御し(電磁ブレーキCL2:OFF、クラッチCL3:遮断)、バッテリ45からステータ33に供給する電力を増大させ、駆動用等価トルクTSEを増大させるとともに、逆転している回転磁界の磁界回転速度VMFを高める。これにより、図54に示すように、第2ロータ回転速度VR2が値0、すなわち、クランク軸3aが停止した状態で、第1ロータ回転速度VR1が上昇し、それに伴い、車両が発進し、走行する。
EV発進時、上述したEVクリープと同様にして電磁ブレーキCL2およびクラッチCL3を制御し(電磁ブレーキCL2:OFF、クラッチCL3:遮断)、バッテリ45からステータ33に供給する電力を増大させ、駆動用等価トルクTSEを増大させるとともに、逆転している回転磁界の磁界回転速度VMFを高める。これにより、図54に示すように、第2ロータ回転速度VR2が値0、すなわち、クランク軸3aが停止した状態で、第1ロータ回転速度VR1が上昇し、それに伴い、車両が発進し、走行する。
・EV走行中ENG始動
EV走行中ENG始動時、ステータ33への電力供給を停止し、車両を惰性で走行させる。その状態で、スタータ(図示せず)によってクランク軸3aを正転させるとともに、燃料噴射弁などを制御することによって、エンジン3を始動する。また、エンジン3の始動後、無段変速装置20の変速比RATIOを制御することによって、クラッチCL3の入力軸および出力軸の回転数を互いに等しくなるように制御し、その状態で、それまで遮断されていたクラッチCL3を接続する。
EV走行中ENG始動時、ステータ33への電力供給を停止し、車両を惰性で走行させる。その状態で、スタータ(図示せず)によってクランク軸3aを正転させるとともに、燃料噴射弁などを制御することによって、エンジン3を始動する。また、エンジン3の始動後、無段変速装置20の変速比RATIOを制御することによって、クラッチCL3の入力軸および出力軸の回転数を互いに等しくなるように制御し、その状態で、それまで遮断されていたクラッチCL3を接続する。
以上のように、本実施形態によれば、エンジン3のクランク軸3aと第2ロータ35および駆動輪DW,DWとの連結、および、第1ロータ34と駆動輪DW,DWの連結が、従来の動力装置と異なり、動力の分配・合成用の遊星歯車装置を用いることなく行われている。したがって、遊星歯車装置における動力の伝達ロスが生じることがなく、エンジン3や回転機31による駆動輪DW,DWの駆動効率、駆動輪DW,DWの動力を用いた回転機31の発電効率、およびエンジン3の動力を用いた回転機31の発電効率をいずれも高められるなど、遊星歯車装置を用いないことによる効果を、第1実施形態の場合と同様に得ることができる。
また、第1ロータ34が無段変速装置20を含まない第2動力伝達経路PT2を介して、駆動輪DW,DWに連結されており、クランク軸3aは、クラッチCL3の接続中には、無段変速装置20を含む第1動力伝達経路PT1を介して、駆動輪DW,DWに連結されており、回転磁界の発生中には、第2ロータ35や、第1ロータ34、第2動力伝達経路PT2を介して、駆動輪DW,DWに連結されている。さらに、回転機31による駆動時発電中、第2ロータ伝達トルクTR2の分、無段変速装置20を介さずに動力を駆動輪DW,DWに伝達できるので、無段変速装置20における動力の伝達ロスを抑制でき、動力装置1全体としての駆動効率を高めることができる。また、第2ロータ伝達トルクTR2の分、CVT伝達トルクTCVTを低減できるので、低減されたCVT伝達トルクTCVTに見合った無段変速装置を採用することによって、無段変速装置20の高効率化と小型化を図ることができ、ひいては、動力装置1G全体としての小型化と駆動効率のさらなる高効率化を達成できる。
さらに、図52および図53を用いて説明したように、減速回生中やEV発進時に、クラッチCL3の遮断によって、回転機31と駆動輪DW,DWの間の動力の伝達を、第2動力伝達経路PT2や第1ロータ34を介して、無段変速装置20をまったく介さずに行うことができる。したがって、無段変速装置20における動力の伝達ロスを完全に回避でき、回転機31による駆動輪DW,DWの駆動効率と、駆動輪DW,DWの動力を用いた回転機31の発電効率をより一層、高めることができる。
また、第1実施形態と同様、回転機31において、極対数比αが値2.0に設定されているので、ステータ33の小型化、ひいては、動力装置1G全体としてのさらなる小型化を図ることができるとともに、駆動時発電中、CVT伝達トルクTCVTをさらに低減でき、無段変速装置20のさらなる小型化を図ることができる。
さらに、無段変速装置20の変速比RATIOが第1実施形態と同様にして制御される。これにより、エンジン3および回転機31の最良の効率が得られるように、それらの出力を制御しながら、駆動輪DW,DWを駆動することができる。したがって、動力装置1G全体としての駆動効率を高めることができる。
また、第1実施形態と同様、ENG発進時、クラッチCL3を遮断するとともに、回転機31の動作を制御することによって、エンジン3から第2および第1のロータ35,34を介して駆動輪DW,DWに伝達されるトルクを漸増させるので、エンジンストールを伴わずに、車両を発進させることができる。それに加え、ENG発進後やEV走行中ENG始動後、クラッチCL3の接続を、その入力軸および出力軸の回転数が互いに等しい状態で行うことができるので、本実施形態では、第1実施形態と異なり、クラッチCL3として、摩擦式のクラッチではなく、ドグ歯式のクラッチを用いている。したがって、エンジン3の燃費を向上させることができる。
さらに、図53および図54を用いて説明したように、EVクリープ中やEV発進時、ワンウェイクラッチCL1およびケースCAにより、クランク軸3aの逆転が阻止されるとともに、クラッチCL3により、クランク軸3aと駆動輪DW,DWの間が遮断される。したがって、クランク軸3aの逆転を阻止しながら、駆動輪DW,DWを回転機31の動力で適切に駆動することができる。この場合、クラッチCL3の遮断により、エンジン3を引きずることがないので、その高い駆動効率を得ることができる。
また、図42および図43を用いて説明したように、停車中ENG始動時、電磁ブレーキCL2により第1ロータ34を回転不能に保持し、クラッチCL3によりクランク軸3aと駆動輪DW,DWの間を遮断するとともに、ステータ33に電力を供給し、回転磁界を正転させる。これにより、駆動輪DW,DWを駆動することなく、クランク軸3aを正転させることができ、ひいては、エンジン3を始動することができる。
次に、図55を参照しながら、本発明の第9実施形態による動力装置1Hについて説明する。同図に示すように、この動力装置1Hは、上述した第8実施形態の動力装置1Gに、前述した第2実施形態の正逆転切換機構60を組み合わせたものである。すなわち、動力装置1Hでは、第1ロータ34は、第2実施形態で述べた遊星歯車装置PSを含む第2動力伝達経路PT2を介して、変速装置を用いることなく、駆動輪DW,DWに常に機械的に連結されている。また、動力装置1Hは、第8実施形態で述べた各種の動作モードにより第8実施形態と同様にして運転されるとともに、正逆転切換機構60が第2実施形態と同様にして制御される。
したがって、本実施形態によれば、EV発進やENG発進などのように、回転機31やエンジン3の動力を、第1ロータ34および第2動力伝達経路PT2を介して駆動輪DW,DWに伝達する場合に、第2実施形態と同様、正逆転切換機構60の制御によって、駆動輪DW,DWの正転および逆転、すなわち、車両の前進および後進を、選択的に行うことができる。この場合、第8実施形態で述べたENG発進時の動作から明らかなように、摩擦式の発進クラッチを用いることなく、エンジン3の動力を駆動輪DW,DWに伝達し、エンジンストールを伴わずに、停止中の車両を前進または後進させることができる。また、第2実施形態と同様、車両の前進時、サンギヤS、キャリアCおよびリングギヤRが一体に回転するため、遊星歯車装置PSにおいて、ギヤの噛み合いによる動力の伝達ロスを伴わずに、動力を駆動輪DW,DWに伝達することができる。その他、第8実施形態による効果を同様に得ることができる。
次に、図56を参照しながら、本発明の第10実施形態による動力装置1Iについて説明する。同図に示すように、この動力装置1Iは、上述した第9実施形態の動力装置1Hに、前述した第3実施形態の変速装置70を組み合わせたものである。すなわち、動力装置1Iでは、第1ロータ34は、第3実施形態で述べた遊星歯車装置PSや変速装置70を含む第2動力伝達経路PT2を介して、駆動輪DW,DWに常に機械的に連結されている。また、動力装置1Iは、第9実施形態で述べた各種の動作モードにより第9実施形態と同様にして運転されるとともに、変速装置70が第3実施形態と同様にして制御される。
したがって、本実施形態によれば、主として、第3および第9の実施形態による効果の双方を同様に得ることができる。この場合、本実施形態では、第3実施形態と異なり、強度の低い永久磁石34aで構成された第1ロータ34が変速装置70を介して駆動輪DW,DWに連結されているため、第1ロータ回転速度VR1の過大化による回転機31の故障を防止する上で、特に有効である。なお、本実施形態では、第1ロータ34が駆動輪DW,DWに、変速装置70を介して連結されているため、第9実施形態のような変速装置における動力の伝達ロスの回避による効果は得られない。
次に、図57を参照しながら、本発明の第11実施形態による動力装置1Jについて説明する。同図に示すように、この動力装置1Jは、第9実施形態の動力装置1Hに、第4実施形態の変速装置80を組み合わせたものである。すなわち、動力装置1Jでは、第2ロータ35は、第1主軸4、変速装置80およびフライホイール3bを介して、クランク軸3aに常に機械的に連結されている。また、クラッチCL3の接続中、クランク軸3aは、第4実施形態で述べた変速装置80および無段変速装置20を含む第1動力伝達経路PT1を介して、駆動輪DW,DWに機械的に連結されている。さらに、差動ギヤ機構9のギヤ9aと第2アイドラギヤ8bのギヤ比は、第4実施形態と同様に設定されている。さらに、動力装置1Jは、第9実施形態で述べた各種の動作モードにより第9実施形態と同様にして運転されるとともに、変速装置80が第4実施形態と同様にして制御される。
したがって、本実施形態によれば、主として、第4および第9の実施形態による効果の双方を同様に得ることができる。なお、本実施形態では、クランク軸3aが第2ロータ35に、変速装置80を介して連結されているため、第9実施形態のような変速装置における動力の伝達ロスの抑制による効果は得られない。
なお、第8〜第11実施形態では、クラッチCL3を無段変速装置20と駆動輪DW,DWの間に設けているが、第1主軸4の無段変速装置20と第2ロータ35の間に設けてもよい。この場合、EV走行中ENG始動時において、クラッチCL3の接続前に、各実施形態と異なり、無段変速装置20の両プーリ21,22に回転機31の動力が伝達され、両プーリ21,22が回転するので、その変速比RATIOを、両プーリ21,22および伝達ベルト23の接触面が傷つくのを抑えながら、任意の値に制御することができる。それに加え、図42を用いて説明した停車中ENG始動時に、無段変速装置20を引きずることなく、エンジン3を始動することができる。
次に、図58を参照しながら、本発明の第12実施形態による動力装置1Kについて説明する。同図に示すように、この動力装置1Kは、前述した第5実施形態の動力装置1Dと比較して、エンジン3に対する第1および第2のロータ34,35の連結関係が逆になっている点のみが異なっている。第2ロータ35は第1主軸4に、第1ロータ34は第2主軸6に、それぞれ一体に設けられている。換言すれば、動力装置1Kは、前述した第9実施形態の動力装置1Gと比較して、無段変速装置20が省略されている点のみが異なっており、動力装置1Kには、変速装置は設けられていない。
このように、第2ロータ35は、第8実施形態と同様、第1主軸4およびフライホイール3bを介して、クランク軸3aに常に機械的に連結されている。また、第1ロータ34は、第2実施形態で述べた第2動力伝達経路PT2を介して、変速装置を用いることなく、駆動輪DW,DWに常に機械的に連結されている。さらに、クラッチCL3の接続中、クランク軸3aは、第5実施形態で述べた第1動力伝達経路PT1を介して、変速装置を用いることなく、駆動輪DW,DWに機械的に連結されている。
また、動力装置1Kでは、前述したEVクリープ、EV発進、EV走行中ENG始動、停車中ENG始動、ENGクリープ、およびENG発進による運転や、正逆転切換機構60を用いた車両の前後進の切換が、第8および第9の実施形態と同様にして行われ、ENG走行のみが第8および第9の実施形態と異なっている。以下、この点について説明する。
ENG走行には、第5実施形態と同様、エンジン3の動力を伝達するための伝達モードとして、第1伝達モードおよび第2伝達モードが含まれる。第2伝達モードは、車両が所定車速以上の定速走行状態にあるときに選択され、第1伝達モードは、それ以外のときに選択される。まず、第1伝達モードについて説明する。
第1伝達モード中、クラッチCL3の遮断によって、第1動力伝達経路PT1を介したクランク軸3aと駆動輪DW,DWの連結を解くとともに、回転機31の動作を制御することにより、エンジントルクTENGを、第2および第1のロータ35,34と、第2主軸6などの第2動力伝達経路PT2を介して、駆動輪DW,DWに伝達する。この場合、エンジン回転数NE、車速VPなどによって定まる回転磁界の回転方向が正転方向であるときには、第5実施形態と異なり、回転機31において発電が行われ、逆転方向であるときには、バッテリ45からステータ33に電力が供給される。これにより、発電時には、図44などを用いて説明したENG発進時と同様、エンジントルクTENGが、ステータ33および第1ロータ34に分配され、第1ロータ34に伝達されたトルクは、第2動力伝達経路PT2を介して、駆動輪DW,DWに伝達される。また、上述したステータ33への電力供給時には、エンジントルクTENGが、駆動用等価トルクTSEを反力とし、第2ロータ35を介して第1ロータ34に伝達され、さらに、第2動力伝達径路PT2を介して、駆動輪DW,DWに伝達される。
また、第1伝達モード中、エンジン3から駆動輪DW,DWに伝達される動力は、磁界回転速度VMFを制御することによって無段階に変速される。すなわち、回転機31が無段変速装置として機能する。以下、この点について、図59および図60を参照しながら説明する。
前述した連結関係から明らかなように、第2ロータ回転速度VR2はエンジン回転数NEと等しく、第1ロータ回転速度VR1は、各ギヤによる変速などがないとすれば、車速VPに相当する。したがって、磁界回転速度VMFと、第1および第2のロータ回転速度VR1,VR2とエンジン回転数NEと車速VPの関係は、図59や図60に示すように、1つの速度共線図上に表される。
図59に示すように、回転磁界が正転している場合には、駆動輪DW,DWに伝達される動力は、同図に示す中抜きの矢印から明らかなように、磁界回転速度VMFを上昇させることによって減速側に、低下させることによって増速側に、それぞれ無段階に変速される。また、図60に示すように、回転磁界が逆転している場合には、駆動輪DW,DWに伝達される動力は、同図に示す中抜きの矢印から明らかなように、磁界回転速度VMFを上昇させることによって増速側に、低下させることによって減速側に、それぞれ無段階に変速される。この場合、磁界回転速度VMFは値0近傍に制御され、それにより、変速をある程度行いながら、バッテリ45における電力の入出力が抑制される。
さらに、第1伝達モード中、要求トルクPMCMDが極めて大きくなり、車両を急加速させる場合には、スロットル弁開度などの制御により、エンジン回転数NEを急上昇させ、エンジントルクTENGを急増させる。また、第1および第2のロータ回転速度VR1,VR2の間の関係によって定まる回転磁界の回転方向が、正転方向であるときには(図59参照)、回転機31で発電を行うとともに、発電した電力をバッテリ45に充電し、逆転方向であるとき(図60参照)には、ステータ33に電力を供給する。これにより、上述したように、急増したエンジントルクTENGが第2ロータ35や、第1ロータ34、第2動力伝達経路PT2を介して、駆動輪DW,DWに伝達される。その結果、車両が急加速する。
さらに、第1伝達モード中、回転機31での発電電力、およびステータ33への供給電力はそれぞれ、駆動用等価トルクTSEおよび発電用等価トルクTGEがエンジントルクTENGの1/3になるように制御される。
上記のように、車両の急加速時、第5実施形態と同様、第1伝達モードによる動力伝達を行い、クラッチCL3の遮断により、第1動力伝達経路PT1を介したエンジン3と駆動輪DW,DWとの機械的な連結を解くことによって、エンジン回転数NEをそのときの車速VPとは無関係に上昇させることができ、エンジントルクTENGを急増させることができる。また、上述した回転機31の制御によって、回転機31の前述した機能から明らかなように、急増したエンジントルクTENGの2/3の大きさのトルクが、第2ロータ35や第1ロータ34を介して、駆動輪DW,DWに伝達されるので、比較的大きなトルクを駆動輪DW,DWに伝達できる。したがって、車両を速やかに加速させることができ、その商品性を高めることができる。
さらに、第1伝達モード中における車両の登坂走行時には、充電状態SOCに応じて、エンジン回転数NEおよび回転機31の動作を制御する。具体的には、充電状態SOCが第1所定値SOCLよりも大きく、バッテリ32の電力が十分に残っているときには、エンジン回転数NEを、車速VPに応じ、回転磁界が逆転するように制御するとともに、バッテリ45から回転機31に電力を供給し、回転磁界を逆転させる。これにより、エンジントルクTENGが、駆動輪DW,DWに前述したように伝達される。
一方、車両の登坂走行中、充電状態SOCが第1所定値SOCLを下回ったときには、エンジン回転数NEを、回転磁界が正転するように制御するとともに、回転機31において発電を行い、発電した電力をバッテリ45に充電する。これにより、エンジントルクTENGが、駆動輪DW,DWに前述したように伝達される。なお、このバッテリ45の充電は、充電状態SOCが前述した第2所定値SOCHに達するまで行われる。以上により、第5実施形態と同様、バッテリ45の過放電および過充電を防止しながら、登坂走行を継続して行うことができる。
また、第2伝達モード中、第1伝達モード中に遮断されていたクラッチCL3を接続することによって、クランク軸3aを、第1および第2の動力伝達経路PT1,PT2の双方を介して駆動輪DW,DWに連結する。このクラッチCL3の接続は、第5実施形態と同様、スロットル弁開度の制御などによるエンジン回転数NEの制御によってクラッチCL3の入力軸および出力軸の回転数を互いに同じにした状態で、行われる。
さらに、クラッチCL3が接続された第2伝達モード中、スロットル弁開度は、第5実施形態と同様、車速VPによって一義的に定まるエンジン回転数NEにおいて、エンジン3の最良の燃費が得られるように制御される。クラッチCL3が接続されているときには、エンジン3は駆動輪DW,DWに機械的にほぼ直結された状態になるため、極めて高い駆動効率を得ることができる。
また、上述したスロットル弁開度による最良燃費制御の実行中、エンジン3から駆動輪DW,DWに伝達されるトルクが、要求トルクPMCMDに対して不足するときには、その不足分を補うように、ステータ33に電力が供給され、回転機31によるアシストが行われる一方、要求トルクPMCMDに対して余るときには、その余剰分を用いて、回転機31において発電が行われるとともに、発電した電力がバッテリ45に充電される。このような回転機31の制御によって、上述したようなクラッチCL3を接続した状態でエンジン3の最良の燃費が得られる運転領域を、拡大することができる。なお、上記の回転機31によるアシストは、充電状態SOCに応じて行われる。
以上のように、本実施形態によれば、クランク軸3aおよび第1ロータ34の双方が駆動輪DW,DWに変速装置を用いることなく連結されているので、変速装置における動力の伝達ロスを回避でき、エンジン3および回転機31による駆動輪DW,DWの駆動効率と回転機31の発電効率を高めることができる。また、第9実施形態の無段変速装置20が省略されており、その分、動力装置1Kの小型化およびコストの削減を達成することができる。さらに、図59および図60を用いて説明したように、ENG走行中の第1伝達モードにおいて、エンジン3の動力を、無段階に変速し、駆動輪DW,DWに伝達することができる。
なお、本実施形態では、第9実施形態と異なり、無段変速装置20が設けられていないため、その変速比RATIOの制御による効果は得られないものの、それ以外の第9実施形態による効果については、同様に得ることができる。すなわち、第9実施形態と同じ回転機31を有することから、分配・合成用の遊星歯車装置を用いないことによる効果や、極対数比αの設定による効果が同様に得られるとともに、ENG発進が第9実施形態と同様にして行われることから、摩擦式の発進クラッチが不要であることによる効果が同様に得られる。また、ワンウェイクラッチCL1、ケースCAおよびクラッチCL3を有することによるEV発進に関する効果が同様に得られ、クラッチCL3,CL4および電磁ブレーキCL5を有することによる停車中ENG始動に関する効果が同様に得られるとともに、正逆転切換機構60を有することによる効果が同様に得られる。
次に、図61を参照しながら、本発明の第13実施形態による動力装置1Lについて説明する。同図に示すように、この動力装置1Lは、上述した第12実施形態の動力装置1Kに、第3実施形態の変速装置70を組み合わせたものである。すなわち、動力装置1Lでは、第1ロータ34は、第3実施形態で述べた遊星歯車装置PSや変速装置70を含む第2動力伝達経路PT2を介して、駆動輪DW,DWに常に連結されている。また、動力装置1Lは、第12実施形態で述べた各種の動作モードにより第12実施形態と同様にして運転されるとともに、変速装置70が第3実施形態と同様にして制御される。
したがって、本実施形態によれば、主として、回転機31の小型化およびコストの削減を図ることができるなど、第3および第12の実施形態による効果の双方を同様に得ることができる。なお、本実施形態では、第1ロータ34が駆動輪DW,DWに、変速装置70を介して連結されているため、第12実施形態のような変速装置における動力の伝達ロスの回避による効果は得られない。
次に、図62を参照しながら、本発明の第14実施形態による動力装置1Mについて説明する。同図に示すように、この動力装置1Mは、第12実施形態の動力装置1Kに、第4実施形態の変速装置80を組み合わせたものである。すなわち、動力装置1Mでは、第11実施形態と同様、第2ロータ35は、第1主軸4、変速装置80およびフライホイール3bを介して、クランク軸3aに常に機械的に連結されている。また、クラッチCL3の接続中、クランク軸3aは、第7実施形態で述べた変速装置80を含む第1動力伝達経路PT1を介して、駆動輪DW,DWに機械的に連結されている。さらに、動力装置1Mは、第12実施形態で述べた各種の動作モードにより第12実施形態と同様にして運転されるとともに、変速装置80が第4実施形態と同様にして制御される。
したがって、本実施形態によれば、主として、第2ロータ回転速度VR2の過大化による回転機31の故障を防止できるなど、第4および第12の実施形態による効果の双方を同様に得ることができる。すなわち、第12実施形態と同じ回転機31を有することから、分配・合成用の遊星歯車装置を用いないことによる効果や、極対数比αの設定による効果が同様に得られるとともに、ENG発進が第12実施形態と同様にして行われることから、摩擦式の発進クラッチが不要であることによる効果が同様に得られる。
また、ワンウェイクラッチCL1、ケースCAおよびクラッチCL3を有することによるEV発進に関する効果が同様に得られ、クラッチCL3,CL4および電磁ブレーキCL5を有することによる停車中ENG始動に関する効果が同様に得られるとともに、正逆転切換機構60を有することによる効果が同様に得られる。さらに、第12実施形態と同様、クラッチCL3の遮断と回転機31の動作の制御によって、エンジン3の動力を無段階に変速して駆動輪DW,DWに伝達できる。なお、本実施形態では、クランク軸3aが駆動輪DW,DWに、変速装置80を介して連結されているため、第12実施形態のような変速装置における動力の伝達ロスの回避による効果は得られない。
なお、これまでに述べた第8〜第14の実施形態では、極対数比αは値2.0に設定されているが、極対数比αを値1.0よりも小さく設定した場合には、次の効果が得られる。すなわち、図63は、極対数比αを値1.0よりも小さな第1所定値Xに設定した場合(実線)における磁界回転速度VMF、第1および第2のロータ回転速度VR1,VR2の間の関係を、値1.0よりも大きな第2所定値Yに設定した場合におけるこれらの回転速度の間の関係(破線)とともに示している。また、同図では、前述した連結関係から、第1ロータ回転速度VR1が車速VPと等しく、かつ、第2ロータ回転速度VR2がエンジン回転数NEと等しいものとみなしている。
例えば、車両の低速走行中の急加速時で、図63に示すように、エンジン回転数NEが所定の最高回転数NEHにあり、かつ、車速VPが比較的低い所定速度VPLにあるときには、第1ロータ回転速度VR1が比較的低く、かつ第2ロータ回転速度VR2が比較的高いことによって、磁界回転速度VMFは、比較的高い第2ロータ回転速度VR2を上回り、非常に高くなる。これに対し、極対数比αを第1所定値Xに設定した場合には、第2所定値Yに設定した場合よりもΔV2分、磁界回転速度VMFを低下させることができ、それにより、磁界回転速度VMFの過大化による損失の発生により駆動効率や発電効率が低下するのを、防止することができる。
また、第8〜第14の実施形態では、第2ロータ35を駆動輪DW,DWに連結しているが、第2ロータ35は、クランク軸3aに連結されていれば、駆動輪DW,DWに連結されていなくてもよい。例えば、クランク軸3aを2つの回転軸にギヤなどを用いて連結し、一方の回転軸を第2ロータ35に連結するとともに、他方の回転軸を、第1主軸4を介して駆動輪DW,DWに連結してもよい。この場合、第14実施形態において、クランク軸3aを駆動輪DW,DWに変速装置80を用いることなく連結できるので、第12実施形態と同様、変速装置における動力の伝達ロスの回避による駆動効率の高効率化を図ることができる。
なお、本発明は、説明した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、実施形態は、電機子磁極が4個、磁石磁極が8個、コア35aが6個であり、すなわち、本発明における電機子磁極の数と磁極の数と軟磁性体の数との比が、1:2:1.5の例であるが、これらの数の比が1:m:(1+m)/2(m≠1.0)を満たすものであれば、電機子磁極、磁石磁極およびコア35aの数として、任意の数を採用可能である。また、実施形態では、コア35aを鋼板で構成しているが、他の軟磁性体で構成してもよい。さらに、実施形態では、ステータ33および第1ロータ34を、径方向の外側および内側にそれぞれ配置しているが、これとは逆に、径方向の内側および外側にそれぞれ配置してもよい。また、実施形態では、ステータ33、第1および第2のロータ34,35を径方向に並ぶように配置し、いわゆるラジアルタイプとして回転機31を構成しているが、ステータ33、第1および第2のロータ34,35を軸線方向に並ぶように配置し、いわゆるアキシャルタイプとして回転機31を構成してもよい。
さらに、実施形態では、1つの磁極を、単一の永久磁石34aの磁極で構成しているが、複数の永久磁石の磁極で構成してもよい。例えば、2つの永久磁石の磁極がステータ33側で近づき合うように、これらの2つの永久磁石を逆V字状に並べることにより、1つの磁極を構成することによって、前述した磁力線MLの指向性を高めることができる。また、実施形態における永久磁石34aに代えて、電磁石や移動磁界を発生可能な電機子を用いてもよい。さらに、実施形態では、U相〜W相のコイル33c〜33eをスロット33bに分布巻きで巻回しているが、これに限らず、集中巻きでもよい。また、実施形態では、コイル33c〜33eを、U相〜W相の3相コイルで構成しているが、回転磁界を発生できれば、このコイルの相数はこれに限らず、任意である。さらに、スロット33bの数として、実施形態で示した以外の任意の数を採用してもよいことはもちろんである。また、実施形態では、スロット33bや、永久磁石34a、コア35aを等間隔に配置しているが、不等間隔に配置してもよい。
さらに、実施形態では、本発明における第1変速装置として、無段変速装置20を用いているが、有段式の変速装置を用いてもよいことはもちろんである。また、実施形態では、無段変速装置20として、ベルト式のものを用いているが、トロイダル式のものや油圧式のものを用いてもよい。さらに、実施形態で用いられる変速装置70は、ベルト式の無段変速装置であるが、トロイダル式や油圧式の無段変速装置でもよく、有段式の変速装置でもよい。また、実施形態では、変速装置80の変速段が2段の例であるが、これに限らず、他の変速段数でもよいことはもちろんである。このことは、各変速段の変速比についても同様である。さらに、変速装置80として、ベルト式、トロイダル式または油圧式の無段変速装置を用いてもよいことはもちろんである。
また、実施形態では、クラッチCL3として、摩擦式多板クラッチやドグ歯式のクラッチを用いているが、電磁クラッチを用いてもよい。さらに、実施形態の電磁ブレーキCL2に代えて、第2または第1のロータ35,34を回転不能に保持する、例えばバンドブレーキまたは湿式多板クラッチで構成されたロータロック機構を用いてもよい。また、実施形態のワンウェイクラッチCL1およびケースCAに代えて、クランク軸3aの逆転を制限する、例えばバンドブレーキまたは湿式多板クラッチで構成されたブレーキ機構でもよい。
さらに、実施形態のワンウェイクラッチCL1およびケースCAに代えて、例えば電磁ブレーキやバンドブレーキなどで構成されたロック機構を用いて、第1または第2のロータ34,35を回転不能に保持してもよい。この場合、第1実施形態などのように、第1ロータ34を回転不能に保持するときには、前述したEV発進時、回転磁界を逆転させることによって、駆動輪DW,DWを逆転させ、車両を後進させることができる。また、第8実施形態などのように、第2ロータ35を回転不能に保持するときには、前述したEV発進時、回転磁界を正転させることによって、駆動輪DW,DWを逆転させ、車両を後進させることができる。
また、実施形態では、正逆転切換機構60として、遊星歯車装置PSやクラッチCL4を組み合わせたものを用いているが、駆動輪DW,DWの回転方向を正転方向および逆転方向の一方に選択的に切換可能なものであれば、他のタイプのものを用いてもよいことはもちろんである。さらに、実施形態では、正逆転切換機構60のサンギヤSおよびリングギヤRを、第2主軸6および第3主軸6cにそれぞれ連結しているが、これらの連結関係を逆にしてもよく、すなわち、第3主軸6cおよび第2主軸6にそれぞれ連結してもよいことは、もちろんである。また、実施形態では、クラッチCL4は、電磁クラッチであるが、摩擦式多板クラッチでもよい。さらに、実施形態の電磁ブレーキCL5に代えて、キャリアCを回転不能に保持する、例えばバンドブレーキまたは湿式多板クラッチで構成されたキャリアロック機構を用いてもよい。また、必要性に応じて、正逆転切換機構60を省略してもよいことはもちろんである。その場合には、本発明における他方のロータを回転不能に保持するためのロータロック機構として、電磁ブレーキCL2が用いられる。
さらに、実施形態では、エンジン3や回転機31などの各種の要素を制御する制御装置を、ECU2およびPDU40で構成しているが、マイクロコンピュータと電気回路の組み合わせで構成してもよい。また、実施形態では、本発明における熱機関としてのエンジン3は、ガソリンエンジンであるが、ディーゼルエンジンや、外燃機関でもよい。さらに、実施形態は、本発明を車両に適用した例であるが、本発明は、これに限らず、例えば船舶や航空機に適用可能である。その他、本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜、変更することが可能である。
1 動力装置
1A 動力装置
1B 動力装置
1C 動力装置
1D 動力装置
1E 動力装置
1F 動力装置
1G 動力装置
1H 動力装置
1I 動力装置
1J 動力装置
1K 動力装置
1L 動力装置
1M 動力装置
3 エンジン(熱機関)
3a クランク軸(出力軸)
20 無段変速装置(第1変速装置)
31 回転機
33 ステータ
33a 鉄芯(電機子)
33c U相コイル(電機子)
33d V相コイル(電機子)
33e W相コイル(電機子)
34a 永久磁石(磁極)
34 第1ロータ
35 第2ロータ
35a コア(軟磁性体)
60 正逆転切換機構
70 変速装置(第2変速装置)
80 変速装置(第3変速装置)
DW 駆動輪(被駆動部)
CL1 ワンウェイクラッチ(ブレーキ機構)
CA ケース(ブレーキ機構)
CL2 電磁ブレーキ(ロータロック機構)
CL3 クラッチ(第1クラッチ)
PS 遊星歯車装置
S サンギヤ
R リングギヤ
P プラネタリギヤ
C キャリア
CL4 クラッチ(第2クラッチ、ロータロック機構)
CL5 電磁ブレーキ(キャリアロック機構、ロータロック機構)
1A 動力装置
1B 動力装置
1C 動力装置
1D 動力装置
1E 動力装置
1F 動力装置
1G 動力装置
1H 動力装置
1I 動力装置
1J 動力装置
1K 動力装置
1L 動力装置
1M 動力装置
3 エンジン(熱機関)
3a クランク軸(出力軸)
20 無段変速装置(第1変速装置)
31 回転機
33 ステータ
33a 鉄芯(電機子)
33c U相コイル(電機子)
33d V相コイル(電機子)
33e W相コイル(電機子)
34a 永久磁石(磁極)
34 第1ロータ
35 第2ロータ
35a コア(軟磁性体)
60 正逆転切換機構
70 変速装置(第2変速装置)
80 変速装置(第3変速装置)
DW 駆動輪(被駆動部)
CL1 ワンウェイクラッチ(ブレーキ機構)
CA ケース(ブレーキ機構)
CL2 電磁ブレーキ(ロータロック機構)
CL3 クラッチ(第1クラッチ)
PS 遊星歯車装置
S サンギヤ
R リングギヤ
P プラネタリギヤ
C キャリア
CL4 クラッチ(第2クラッチ、ロータロック機構)
CL5 電磁ブレーキ(キャリアロック機構、ロータロック機構)
Claims (23)
- 被駆動部を駆動するための動力装置であって、
動力を出力するための出力軸を有する熱機関と、
当該熱機関の前記出力軸と前記被駆動部に連結され、前記熱機関の動力を変速して前記被駆動部に伝達するための第1変速装置と、
回転機と、を備え、
当該回転機は、
周方向に並んだ所定の複数の磁極で構成され、かつ隣り合う各2つの前記磁極が互いに異なる極性を有するように配置された磁極列を有する、前記周方向に回転自在の第1ロータと、
前記周方向に並んだ複数の電機子で構成され、前記磁極列に対向するように配置されるとともに、前記複数の電機子に発生する所定の複数の電機子磁極により前記周方向に回転する回転磁界を前記磁極列との間に発生させるための電機子列を有する、不動のステータと、
互いに間隔を隔てて前記周方向に並んだ所定の複数の軟磁性体で構成され、かつ前記磁極列と前記電機子列の間に配置された軟磁性体列を有する、前記周方向に回転自在の第2ロータと、を有し、
前記電機子磁極の数と前記磁極の数と前記軟磁性体の数との比が、1:m:(1+m)/2(m≠1.0)に設定され、前記第1および第2のロータの一方が前記熱機関の前記出力軸に連結されるとともに、他方が前記被駆動部に連結されていることを特徴とする動力装置。 - 前記第1変速装置は、変速比を無段階に変更可能な無段変速装置で構成されていることを特徴とする、請求項1に記載の動力装置。
- 前記第1および第2のロータの前記他方からの動力を変速し、前記被駆動部に伝達するための第2変速装置をさらに備えることを特徴とする、請求項1または2に記載の動力装置。
- 前記熱機関の動力を変速し、前記第1および第2のロータの前記一方に伝達するための第3変速装置をさらに備えることを特徴とする、請求項1または2に記載の動力装置。
- 前記熱機関の前記出力軸と前記被駆動部の間を接続・遮断する第1クラッチをさらに備えることを特徴とする、請求項1ないし4のいずれかに記載の動力装置。
- 前記熱機関の前記出力軸の逆転を制限または阻止するためのブレーキ機構をさらに備えることを特徴とする、請求項5に記載の動力装置。
- 前記第1および第2のロータの前記他方を回転不能に保持するためのロータロック機構をさらに備えることを特徴とする、請求項5に記載の動力装置。
- 前記第1および第2のロータの前記他方から伝達された動力によって回転する前記被駆動部の回転方向を、正転方向および逆転方向の一方に選択的に切り換える正逆転切換機構をさらに備えることを特徴とする、請求項5ないし7のいずれかに記載の動力装置。
- 前記第1および第2のロータの前記他方は、前記正逆転切換機構を介して前記被駆動部に連結されており、
前記正逆転切換機構は、
サンギヤ、リングギヤ、ならびに前記サンギヤおよび前記リングギヤに噛み合うプラネタリギヤを回転自在に支持するキャリアを有し、前記サンギヤおよび前記リングギヤの一方が、前記第1および第2のロータの前記他方に連結され、前記サンギヤおよび前記リングギヤの他方が、前記被駆動部に連結された遊星歯車装置と、
前記サンギヤおよび前記リングギヤの前記一方と前記キャリアの間を接続・遮断する第2クラッチと、
前記キャリアを回転不能に保持するためのキャリアロック機構とを有することを特徴とする、請求項8に記載の動力装置。 - 前記第1ロータが前記熱機関の前記出力軸に連結され、前記第2ロータが前記被駆動部に連結されていることを特徴とする、請求項1ないし9のいずれかに記載の動力装置。
- 被駆動部を駆動するための動力装置であって、
動力を出力するための出力軸を有し、当該出力軸が、変速装置を用いることなく、前記被駆動部に連結された熱機関と、
当該熱機関の前記出力軸と前記被駆動部の間を接続・遮断する第1クラッチと、
回転機と、を備え、
当該回転機は、
周方向に並んだ所定の複数の磁極で構成され、かつ隣り合う各2つの前記磁極が互いに異なる極性を有するように配置された磁極列を有する、前記周方向に回転自在の第1ロータと、
前記周方向に並んだ複数の電機子で構成され、前記磁極列に対向するように配置されるとともに、前記複数の電機子に発生する所定の複数の電機子磁極により、前記周方向に回転する回転磁界を前記磁極列との間に発生させるための電機子列を有する、不動のステータと、
互いに間隔を隔てて前記周方向に並んだ所定の複数の軟磁性体で構成され、かつ前記磁極列と前記電機子列の間に配置された軟磁性体列を有する、前記周方向に回転自在の第2ロータと、を有し、
前記電機子磁極の数と前記磁極の数と前記軟磁性体の数との比が、1:m:(1+m)/2(m≠1.0)に設定され、前記第1および第2のロータの一方が前記熱機関の前記出力軸に連結されるとともに、他方が前記被駆動部に連結されていることを特徴とする動力装置。 - 前記第1および第2のロータの前記他方からの動力を変速し、前記被駆動部に伝達するための変速装置をさらに備えることを特徴とする、請求項11に記載の動力装置。
- 前記熱機関の前記出力軸の逆転を制限または阻止するためのブレーキ機構をさらに備えることを特徴とする、請求項11または12に記載の動力装置。
- 前記第1および第2のロータの前記他方を回転不能に保持するためのロータロック機構をさらに備えることを特徴とする、請求項11または12に記載の動力装置。
- 前記第1および第2のロータの前記他方から伝達された動力によって回転する前記被駆動部の回転方向を、正転方向および逆転方向の一方に選択的に切り換える正逆転切換機構をさらに備えることを特徴とする、請求項11ないし14のいずれかに記載の動力装置。
- 前記第1および第2のロータの前記他方は、前記正逆転切換機構を介して前記被駆動部に連結されており、
前記正逆転切換機構は、
サンギヤ、リングギヤ、ならびに前記サンギヤおよび前記リングギヤに噛み合うプラネタリギヤを回転自在に支持するキャリアを有し、前記サンギヤおよび前記リングギヤの一方が、前記第1および第2のロータの前記他方に連結され、前記サンギヤおよび前記リングギヤの他方が、前記被駆動部に連結された遊星歯車装置と、
前記サンギヤおよび前記リングギヤの前記一方と前記キャリアの間を接続・遮断する第2クラッチと、
前記キャリアを回転不能に保持するためのキャリアロック機構とを有することを特徴とする、請求項15に記載の動力装置。 - 前記第1ロータが前記熱機関の前記出力軸に連結され、前記第2ロータが前記被駆動部に連結されていることを特徴とする、請求項11ないし16のいずれかに記載の動力装置。
- 被駆動部を駆動するための動力装置であって、
動力を出力するための出力軸を有し、当該出力軸が前記被駆動部に連結された熱機関と、
当該熱機関の前記出力軸と前記被駆動部の間を接続・遮断する第1クラッチと、
回転機と、を備え、
当該回転機は、
周方向に並んだ所定の複数の磁極で構成され、かつ隣り合う各2つの前記磁極が互いに異なる極性を有するように配置された磁極列を有する、前記周方向に回転自在の第1ロータと、
前記周方向に並んだ複数の電機子で構成され、前記磁極列に対向するように配置されるとともに、前記複数の電機子に発生する所定の複数の電機子磁極により、前記周方向に回転する回転磁界を前記磁極列との間に発生させるための電機子列を有する、不動のステータと、
互いに間隔を隔てて前記周方向に並んだ所定の複数の軟磁性体で構成され、かつ前記磁極列と前記電機子列の間に配置された軟磁性体列を有する、前記周方向に回転自在の第2ロータと、を有し、
前記電機子磁極の数と前記磁極の数と前記軟磁性体の数との比が、1:m:(1+m)/2(m≠1.0)に設定され、前記第1および第2のロータの一方が前記熱機関の前記出力軸に連結されるとともに、他方が前記被駆動部に連結されており、
前記熱機関の動力を変速し、前記第1および第2のロータの前記一方に伝達するための変速装置をさらに備えることを特徴とする動力装置。 - 前記熱機関の前記出力軸の逆転を制限または阻止するためのブレーキ機構をさらに備えることを特徴とする、請求項18に記載の動力装置。
- 前記第1および第2のロータの前記他方を回転不能に保持するためのロータロック機構をさらに備えることを特徴とする、請求項18に記載の動力装置。
- 前記第1および第2のロータの前記他方から伝達された動力によって回転する前記被駆動部の回転方向を、正転方向および逆転方向の一方に選択的に切り換える正逆転切換機構をさらに備えることを特徴とする、請求項18ないし20のいずれかに記載の動力装置。
- 前記第1および第2のロータの前記他方は、前記正逆転切換機構を介して前記被駆動部に連結されており、
前記正逆転切換機構は、
サンギヤ、リングギヤ、ならびに前記サンギヤおよび前記リングギヤに噛み合うプラネタリギヤを回転自在に支持するキャリアを有し、前記サンギヤおよび前記リングギヤの一方が、前記第1および第2のロータの前記他方に連結され、前記サンギヤおよび前記リングギヤの他方が、前記被駆動部に連結された遊星歯車装置と、
前記サンギヤおよび前記リングギヤの前記一方と前記キャリアの間を接続・遮断する第2クラッチと、
前記キャリアを回転不能に保持するためのキャリアロック機構とを有することを特徴とする、請求項21に記載の動力装置。 - 前記第1ロータが前記熱機関の前記出力軸に連結され、前記第2ロータが前記被駆動部に連結されていることを特徴とする、請求項18ないし22のいずれかに記載の動力装置。
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