JP5396317B2 - 動力伝達装置 - Google Patents

Description

本発明は、動力伝達装置に関し、特に、原動機からの動力を回転子同士の電磁気結合を利用して負荷へ伝達することで負荷を駆動することが可能であり、さらに、固定子巻線への電力供給によっても負荷を駆動することが可能な動力伝達装置に関する。

この種の動力伝達装置の関連技術が下記特許文献１〜３に開示されている。特許文献１による動力伝達装置は、巻線が配設されエンジンに機械的に連結された第１ロータと、第１ロータの巻線と電磁気的に結合する磁石が配設され駆動軸に機械的に連結された第２ロータと、第２ロータの磁石と電磁気的に結合する巻線が配設されたステータと、第１ロータの巻線と電気的に接続されたスリップリングと、スリップリングと電気的に接触するブラシと、バッテリーとステータの巻線との間で電力を授受可能に制御する第１インバータと、スリップリング及びブラシを介してバッテリーと第１ロータの巻線との間で電力を授受可能に制御する第２インバータと、を備える。特許文献１においては、第１ロータに伝達されたエンジンからの動力は、第１ロータの巻線と第２ロータの磁石との電磁気結合によって第２ロータに伝達されるため、エンジンの動力により駆動軸を駆動することができる。さらに、第２インバータを介してバッテリーと第１ロータの巻線との間で電力の授受が可能になるため、第２インバータにより第１ロータの巻線の電力を制御することで、駆動軸の回転速度を制御することができる。その場合において、第１ロータの回転速度が第２ロータの回転速度よりも高いときは、第１ロータの巻線の発電電力が第２インバータを介してバッテリー側へ供給され、第１ロータの回転速度が第２ロータの回転速度よりも低いときは、バッテリーの電力が第２インバータを介して第１ロータの巻線に供給される。さらに、ステータの巻線と第２ロータの磁石との電磁気結合によって、バッテリー側から第１インバータを介してステータの巻線に供給された電力を用いて第２ロータに動力を発生させて駆動軸を駆動することができるため、第１インバータによりステータの巻線への電力供給を制御することで、駆動軸に伝達されるトルクを制御することができる。

また、特許文献２，３による動力伝達装置においては、第１ロータの巻線とバッテリーとの間で電力変換を行う電力変換装置に、スリップリング及びブラシにより取り出された第１ロータの巻線からの交流電力を整流する整流器と、整流器で整流された直流電力を電圧変換して出力するＤＣ−ＤＣコンバータとが設けられており、ＤＣ−ＤＣコンバータで電圧変換された直流電力が第１インバータで交流に変換されてからステータの巻線へ供給可能である。特許文献２，３においては、ＤＣ−ＤＣコンバータでの電圧変換比を制御することで、第１ロータの巻線に流れる交流電流を制御することができ、第１ロータと第２ロータとの間に作用するトルクを制御することが可能となる。

特許第３５４３５００号公報 特開２００９−７３４７２号公報 特開２００９−２７４５３６号公報

ＤＣ−ＤＣコンバータで電圧変換を行うためには、スイッチング素子のスイッチング動作により、リアクトルにおける電磁エネルギーの貯蔵・放出を繰り返して行う必要があるので、ＤＣ−ＤＣコンバータ内にリアクトルを設置する必要がある。特許文献２，３においても、ＤＣ−ＤＣコンバータでの電圧変換比を制御することで第１ロータと第２ロータとの間に作用するトルクを制御するためには、ＤＣ−ＤＣコンバータ内にリアクトルを設置する必要がある。その結果、電力変換装置の構成が大型化し、コスト低減も困難となる。

本発明は、回転子巻線と蓄電装置との間で電力変換を行う電力変換装置の大型化及びコスト高を招くことなく、回転子間の電磁気結合により作用するトルクを制御することを目的とする。

本発明に係る動力伝達装置は、上述した目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明に係る動力伝達装置は、交流電流が流れることで回転磁界を発生可能な回転子巻線が配設された第１回転子と、交流電流が流れることで回転磁界を発生可能な固定子巻線が配設された固定子と、第１回転子に対し相対回転可能な第２回転子であって、回転子巻線で発生した回転磁界が作用するのに応じて第１回転子との間にトルクが作用し、固定子巻線で発生した回転磁界が作用するのに応じて固定子との間にトルクが作用する第２回転子と、回転子巻線と蓄電装置との間で電力変換を行う電力変換装置と、を備え、第１及び第２回転子の一方に原動機からの動力が伝達され、第１及び第２回転子の他方から負荷へ動力が伝達される動力伝達装置であって、電力変換装置は、回転子巻線に接続された整流素子により回転子巻線に発生した交流電力を整流する整流器と、スイッチング素子のスイッチング動作によりリアクトルに一時的に蓄積されるエネルギーを利用して整流素子により整流される電力を電圧変換して出力するＤＣ−ＤＣコンバータであって、回転子巻線をリアクトルとして利用して整流素子により整流される電力を電圧変換するＤＣ−ＤＣコンバータと、を含み、回転子巻線側から蓄電装置側への電力変換を行い、ＤＣ−ＤＣコンバータで電圧変換された直流電力と蓄電装置からの直流電力とのいずれかがインバータで交流に変換されて固定子巻線へ供給可能であり、ＤＣ−ＤＣコンバータは、スイッチング素子のスイッチング周波数を回転子巻線の交流電力の周波数よりも高くすることで、回転子巻線をリアクトルとして利用して整流素子により整流される電力を電圧変換して第１回転子と第２回転子との間にトルクを作用させることを要旨とする。

本発明の一態様では、電力変換装置は、蓄電装置側から回転子巻線側への電力変換を行わないことが好適である。

本発明の一態様では、回転子巻線は３相巻線であり、整流器は、回転子巻線の各相毎に対応して互いに並列に設けられた複数の整流アームであって、その各々が直列接続された１対の整流素子を含む複数の整流アームを有し、回転子巻線の各相が、対応する整流アームの整流素子間の中点に接続されており、ＤＣ−ＤＣコンバータは、スイッチング素子のスイッチング周波数を回転子巻線の交流電力の周波数よりも高くすることで、３相の回転子巻線のうち、電圧の最も高い回転子巻線と電圧の最も低い回転子巻線とをリアクトルとして利用して整流素子により整流される電力を電圧変換して第１回転子と第２回転子との間にトルクを作用させることが好適である。

本発明によれば、ＤＣ−ＤＣコンバータ内にリアクトルを設置することなく、ＤＣ−ＤＣコンバータで電圧変換を行うことができ、第１回転子と第２回転子との間にトルクを作用させることができる。その結果、回転子巻線と蓄電装置との間で電力変換を行う電力変換装置の大型化及びコスト高を招くことなく、第１回転子と第２回転子との間に作用するトルクを制御することができる。

本発明の実施形態に係る動力伝達装置を備えるハイブリッド駆動装置の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る動力伝達装置の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る動力伝達装置の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る動力伝達装置にて用いられる電力変換装置の概略構成を示す図である。 入力側ロータ２８、出力側ロータ１８、及びステータ１６の構成例を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。

図１〜４は、本発明の実施形態に係る動力伝達装置を備えるハイブリッド駆動装置の構成の概略を示す図であり、図１は全体構成の概略を示し、図２は回転電機１０及び電力変換装置の構成の概略を示し、図３は回転電機１０の構成の概略を示し、図４は電力変換装置の構成の概略を示す。本実施形態に係るハイブリッド駆動装置は、動力（機械的動力）を発生可能な原動機として設けられたエンジン（内燃機関）３６と、エンジン３６と車輪３８との間に設けられ、変速比の変更が可能な変速機（機械式変速機）４４と、エンジン３６と変速機４４との間に設けられた回転電機１０と、を備える。なお、本実施形態に係るハイブリッド駆動装置については、例えば車両を駆動するための動力出力装置として用いることができる。

回転電機１０は、図示しないステータケースに固定されたステータ１６と、ステータ１６に対し相対回転可能な第１ロータ２８と、ロータ回転軸と直交する径方向においてステータ１６及び第１ロータ２８と所定の空隙を空けて対向し、ステータ１６及び第１ロータ２８に対し相対回転可能な第２ロータ１８と、を有する。ステータ１６は、第１ロータ２８より径方向外側の位置に第１ロータ２８と間隔を空けて配置されており、第２ロータ１８は、径方向においてステータ１６と第１ロータ２８との間の位置に配置されている。つまり、第１ロータ２８は第２ロータ１８より径方向内側の位置で第２ロータ１８と対向配置されており、ステータ１６は第２ロータ１８より径方向外側の位置で第２ロータ１８と対向配置されている。第１ロータ２８は回転電機１０の入力軸３４と機械的に連結され、入力軸３４はエンジン３６と機械的に連結されていることで、入力軸３４（第１ロータ２８）にはエンジン３６からの動力が伝達される。一方、第２ロータ１８は回転電機１０の出力軸２４と機械的に連結されており、出力軸２４は変速機４４を介して車輪３８に機械的に連結されていることで、車輪３８には出力軸２４（第２ロータ１８）からの動力が変速機４４で変速されてから伝達される。なお、以下の実施形態１〜４の説明では、第１ロータ２８を入力側ロータとし、第２ロータ１８を出力側ロータとする。

入力側ロータ２８は、ロータコア（第１回転子鉄心）５２と、ロータコア５２にその周方向に沿って配設された複数相（例えば３相）の第１巻線３０と、を含む。複数相の第１巻線３０に複数相（例えば３相）の交流電流が流れることで、第１巻線３０は、ロータ周方向に回転する回転磁界を発生することができる。

ステータ１６は、ステータコア（固定子鉄心）５１と、ステータコア５１にその周方向に沿って配設された複数相（例えば３相）の第２巻線２０と、を含む。複数相の第２巻線２０に複数相（例えば３相）の交流電流が流れることで、第２巻線２０は、ステータ周方向に回転する回転磁界を発生することができる。なお、以下の実施形態１〜４の説明では、第１巻線３０をロータ巻線とし、第２巻線２０をステータ巻線とする。

出力側ロータ１８は、ロータコア（第２回転子鉄心）５３と、ロータコア５３にその周方向に沿って配設され界磁束を発生する永久磁石３２，３３と、を含む。永久磁石３２は、ロータコア５３の外周部にステータ１６（ステータコア５１）と対向して配設されており、永久磁石３３は、ロータコア５３の内周部に入力側ロータ２８（ロータコア５２）と対向して配設されている。ここでは、永久磁石３２，３３を一体化することも可能である。

入力側ロータ２８、出力側ロータ１８、及びステータ１６のより詳細な構成例を図５に示す。図５に示す例では、入力側ロータ２８、出力側ロータ１８、及びステータ１６が同心円状に配置されている。ステータ１６のステータコア５１には、径方向内側へ（出力側ロータ１８へ向けて）突出した複数のティース５１ａがステータ周方向に沿って間隔をおいて配列されており、各ステータ巻線２０がこれらのティース５１ａに巻回されていることで、磁極が構成される。入力側ロータ２８のロータコア５２には、径方向外側へ（出力側ロータ１８へ向けて）突出した複数のティース５２ａがロータ周方向に沿って間隔をおいて配列されており、各ロータ巻線３０がこれらのティース５２ａに巻回されていることで、磁極が構成される。ステータ１６のティース５１ａと出力側ロータ１８の永久磁石３２とが出力側ロータ１８の回転中心軸（入力側ロータ２８の回転中心軸と一致する）に直交する径方向に対向配置されており、入力側ロータ２８のティース５２ａと出力側ロータ１８の永久磁石３３とがこの径方向に対向配置されている。ステータ巻線２０の巻回軸及びロータ巻線３０の巻回軸は、この径方向（入力側ロータ２８と出力側ロータ１８が対向する方向）に一致している。永久磁石３２，３３はロータ周方向に間隔をおいて配列されており、さらに、永久磁石３２はロータコア５３内にＶ字状に埋設されている。ただし、永久磁石３２，３３については、出力側ロータ１８の表面（外周面または内周面）に露出していてもよいし、出力側ロータ１８内（ロータコア５３内）に埋設されていてもよい。

クラッチ４８は、その係合／解放により、入力軸３４（入力側ロータ２８）と出力軸２４（出力側ロータ１８）との機械的係合及びその解除を選択的に行うことが可能である。クラッチ４８を係合させて、入力側ロータ２８と出力側ロータ１８とを機械的に係合させることで、入力側ロータ２８と出力側ロータ１８とが一体となって等しい回転速度で回転する。一方、クラッチ４８を解放して、入力側ロータ２８と出力側ロータ１８との機械的係合を解除することで、入力側ロータ２８と出力側ロータ１８との回転速度差が許容される。ここでのクラッチ４８は、例えば油圧や電磁力を利用してその係合／解放を切り替えることが可能であり、さらに、クラッチ４８に供給する油圧力や電磁力を調整することで、クラッチ４８の締結力を調整することもできる。

直流電源として設けられた充放電可能な蓄電装置４２は、例えば二次電池により構成することができ、電気エネルギーを蓄える。モータ用インバータ４０は、蓄電装置４２（直流電源）の正側ラインＰＬと負側ラインＳＬとの間で互いに並列接続され、ステータ巻線２０の各相２０Ｕ，２０Ｖ，２０Ｗ毎に対応して設けられた複数（図４では３本）のスイッチングアーム７２，７４，７６を備える。スイッチングアーム７２は、正側ラインＰＬと負側ラインＳＬとの間で互いに直列接続された１対のインバータ用スイッチング素子Ｓ２１，Ｓ２２と、インバータ用スイッチング素子Ｓ２１，Ｓ２２のそれぞれと逆並列接続された１対のダイオード（整流素子）Ｄ２１，Ｄ２２とを含む。同様に、スイッチングアーム７４は、正側ラインＰＬと負側ラインＳＬとの間で互いに直列接続された１対のインバータ用スイッチング素子Ｓ２３，Ｓ２４と、インバータ用スイッチング素子Ｓ２３，Ｓ２４のそれぞれと逆並列接続された１対のダイオードＤ２３，Ｄ２４とを含み、スイッチングアーム７６は、正側ラインＰＬと負側ラインＳＬとの間で互いに直列接続された１対のインバータ用スイッチング素子Ｓ２５，Ｓ２６と、インバータ用スイッチング素子Ｓ２５，Ｓ２６のそれぞれと逆並列接続された１対のダイオードＤ２５，Ｄ２６とを含む。３相のステータ巻線２０Ｕ，２０Ｖ，２０Ｗは、Ｙ（スター）結線されており、各スイッチングアーム７２，７４，７６の中点とそれぞれ接続されている。モータ用インバータ４０は、インバータ用スイッチング素子Ｓ２１〜Ｓ２６のオンオフを繰り返すスイッチング動作により、蓄電装置４２からの直流電力を３相交流に変換してステータ巻線２０Ｕ，２０Ｖ，２０Ｗへ供給することが可能である。さらに、モータ用インバータ４０は、ステータ巻線２０Ｕ，２０Ｖ，２０Ｗの３相交流電力を直流に変換して蓄電装置４２に回収する方向の変換も可能である。

スリップリング９５は、入力側ロータ２８と機械的に連結されており、ロータ巻線３０の各相及びブラシ９６とそれぞれ電気的に接続されている。スリップリング９５は、回転が固定されたブラシ９６に対し摺動しながら（ブラシ９６との電気的接続を維持しながら）、入力側ロータ２８とともに回転する。ブラシ９６は、整流器９３と電気的に接続されており、ブラシ９６からの電力は整流器９３へ供給される。このスリップリング９５及びブラシ９６により、入力側ロータ２８のロータ巻線３０の電力（交流電力）を取り出すための電力伝達部を構成することができ、取り出された交流電力は整流器９３へ供給される。

整流器９３は、正側ラインＰＬと負側ラインＳＬとの間で互いに並列接続され、ロータ巻線３０の各相３０Ｕ，３０Ｖ，３０Ｗ毎に対応して設けられた複数（図４では３本）の整流アーム６２，６４，６６を備える。整流アーム６２は、正側ラインＰＬと負側ラインＳＬとの間で互いに直列接続された１対のダイオード（整流素子）Ｄ３１，Ｄ３２を含む。同様に、整流アーム６４は、正側ラインＰＬと負側ラインＳＬとの間で互いに直列接続された１対のダイオードＤ３３，Ｄ３４を含み、整流アーム６６は、正側ラインＰＬと負側ラインＳＬとの間で互いに直列接続された１対のダイオードＤ３５，Ｄ３６を含む。３相のロータ巻線３０Ｕ，３０Ｖ，３０Ｗは、Ｙ（スター）結線されている。ロータ巻線３０Ｕは、スリップリング９５及びブラシ９６を介して、対応する整流アーム６２のダイオードＤ３１，Ｄ３２間の中点と接続されていることで、ダイオードＤ３１，Ｄ３２と接続されている。同様に、ロータ巻線３０Ｖは、スリップリング９５及びブラシ９６を介して、対応する整流アーム６４のダイオードＤ３３，Ｄ３４間の中点と接続されていることで、ダイオードＤ３３，Ｄ３４と接続されており、ロータ巻線３０Ｗは、スリップリング９５及びブラシ９６を介して、対応する整流アーム６６のダイオードＤ３５，Ｄ３６間の中点と接続されていることで、ダイオードＤ３５，Ｄ３６と接続されている。整流器９３は、スリップリング９５及びブラシ９６により取り出されたロータ巻線３０Ｕ，３０Ｖ，３０Ｗの３相交流電力をダイオード（整流素子）Ｄ３１〜Ｄ３６により整流して直流に変換することが可能である。

発電用ＤＣ−ＤＣコンバータ９４は、正側ラインＰＬと負側ラインＳＬとの間で整流アーム６２，６４，６６と並列接続されたコンバータ用スイッチング素子Ｓ１と、正側ラインＰＬに設けられ、アノード側がコンバータ用スイッチング素子Ｓ１の一端に接続されるとともにカソード側が蓄電装置４２の一端（正側端子）に接続されたダイオードＤ１と、を備える昇圧コンバータにより構成されている。発電用ＤＣ−ＤＣコンバータ９４は、コンバータ用スイッチング素子Ｓ１のオンオフを繰り返すスイッチング動作により、整流器９３（ダイオードＤ１１〜Ｄ１６）で整流された直流電力を電圧変換（昇圧）して出力することが可能である。発電用ＤＣ−ＤＣコンバータ９４で電圧変換（昇圧）された直流電力は、モータ用インバータ４０で交流に変換されてからステータ巻線２０Ｕ，２０Ｖ，２０Ｗへ供給可能である。つまり、モータ用インバータ４０は、発電用ＤＣ−ＤＣコンバータ９４で電圧変換された直流電力と蓄電装置４２からの直流電力とのいずれか（少なくとも一方）をインバータ用スイッチング素子Ｓ２１〜Ｓ２６のスイッチング動作により交流に変換してステータ巻線２０Ｕ，２０Ｖ，２０Ｗへ供給することが可能である。そのため、ロータ巻線３０Ｕ，３０Ｖ，３０Ｗとステータ巻線２０Ｕ，２０Ｖ，２０Ｗとの間で電力変換を行うことが可能である。また、発電用ＤＣ−ＤＣコンバータ９４で電圧変換された直流電力を蓄電装置４２に回収することも可能である。このように、整流器９３及び発電用ＤＣ−ＤＣコンバータ９４を含んで、ロータ巻線３０Ｕ，３０Ｖ，３０Ｗと蓄電装置４２との間で電力変換を行う電力変換装置が構成される。ここでの整流器９３は、スリップリング９５側（ロータ巻線３０Ｕ，３０Ｖ，３０Ｗ側）から発電用ＤＣ−ＤＣコンバータ９４側への一方向のみの電力変換を行い、発電用ＤＣ−ＤＣコンバータ９４は、整流器９３側から蓄電装置４２側（あるいはモータ用インバータ４０側）への一方向のみの電力変換を行う。そのため、電力変換装置は、ロータ巻線３０Ｕ，３０Ｖ，３０Ｗ側から蓄電装置４２側（あるいはモータ用インバータ４０側）への一方向のみの電力変換を行い、蓄電装置４２側（あるいはモータ用インバータ４０側）からロータ巻線３０Ｕ，３０Ｖ，３０Ｗ側への電力変換を行わない。

発電用ＤＣ−ＤＣコンバータ９４のスイッチング動作の際には、コンバータ用スイッチング素子Ｓ１のスイッチング周波数をロータ巻線３０Ｕ，３０Ｖ，３０Ｗの３相交流電力の周波数よりも高くすることで、３相のロータ巻線３０Ｕ，３０Ｖ，３０Ｗがエネルギーを一時的に蓄積するリアクトルとして機能する。そのため、発電用ＤＣ−ＤＣコンバータ９４にリアクトルを別途設ける必要がなくなる。例えば、整流アーム６２，６４，６６の中点の電圧のうち、ロータ巻線３０Ｕに接続された整流アーム６２の中点の電圧が最も高く、ロータ巻線３０Ｖに接続された整流アーム６４の中点の電圧が最も低い場合は、ロータ巻線３０Ｕ，３０Ｖをリアクトルとして利用することができる。その場合において、コンバータ用スイッチング素子Ｓ１をオンすると、ロータ巻線３０Ｕ，３０Ｖにエネルギーが一時的に蓄積され、この状態でコンバータ用スイッチング素子Ｓ１をオンからオフすると、ロータ巻線３０Ｕ，３０Ｖに蓄積されたエネルギーがダイオードＤ１を介して蓄電装置４２やモータ用インバータ４０へ供給される。その際に、蓄電装置４２やモータ用インバータ４０への供給電圧（発電用ＤＣ−ＤＣコンバータ９４の出力電圧）については、整流器９３の出力電圧（発電用ＤＣ−ＤＣコンバータ９４の入力電圧）よりも高くすることができる。また、整流アーム６２，６４，６６の中点の電圧のうち、ロータ巻線３０Ｖに接続された整流アーム６４の中点の電圧が最も高く、ロータ巻線３０Ｗに接続された整流アーム６６の中点の電圧が最も低い場合は、ロータ巻線３０Ｖ，３０Ｗをリアクトルとして利用することができる。このように、リアクトルとして機能するロータ巻線３０Ｕ，３０Ｖ，３０Ｗが各整流アーム６２，６４，６６の中点の電圧（各ロータ巻線３０Ｕ，３０Ｖ，３０Ｗの電圧）に応じて順次切り替わり、発電用ＤＣ−ＤＣコンバータ９４は、ロータ巻線３０Ｕ，３０Ｖ，３０Ｗのうち、電圧の最も高いロータ巻線と電圧の最も低いロータ巻線とをリアクトルとして利用して、整流器９３で整流された直流電力を電圧変換（昇圧）することができる。そのため、通常のＤＣ−ＤＣコンバータでは、整流器９３からの直流電流に応じてエネルギーを一時的に蓄積可能なリアクトルが設置され、リアクトルの一端が整流器９３（ダイオードＤ３１，Ｄ３３，Ｄ３５のカソード側）に接続され、リアクトルの他端がダイオードＤ１のアノード側及びコンバータ用スイッチング素子Ｓ１の一端に接続されるが、本実施形態の発電用ＤＣ−ＤＣコンバータ９４では、このリアクトルが設置されていない。なお、発電用ＤＣ−ＤＣコンバータ９４の出力側には、蓄電装置４２と並列に平滑コンデンサが設けられていてもよい。また、発電用ＤＣ−ＤＣコンバータ９４の構成は、図４に示す構成に限られるものではなく、他の構成を用いることも可能であり、さらに、昇圧コンバータの代わりに降圧コンバータや昇降圧コンバータを設けることも可能である。

電子制御ユニット５０は、モータ用インバータ４０のインバータ用スイッチング素子Ｓ２１〜Ｓ２６のスイッチング動作を制御することで、ステータ巻線２０Ｕ，２０Ｖ，２０Ｗに流れる交流電流を制御する。そして、電子制御ユニット５０は、発電用ＤＣ−ＤＣコンバータ９４のコンバータ用スイッチング素子Ｓ１をスイッチング動作するときのデューティ比を制御することで、発電用ＤＣ−ＤＣコンバータ９４での電圧変換比を制御して、ロータ巻線３０Ｕ，３０Ｖ，３０Ｗに流れる交流電流を制御する。さらに、電子制御ユニット５０は、エンジン３６の運転状態の制御、及び変速機４４の変速比の制御も行う。さらに、電子制御ユニット５０は、クラッチ４８の係合／解放を切り替えることで、入力側ロータ２８と出力側ロータ１８との機械的係合／その解除を切り替える制御も行う。

モータ用インバータ４０のスイッチング動作により複数相のステータ巻線２０に複数相（例えば３相）の交流電流が流れることで、ステータ巻線２０は、ステータ周方向に回転する回転磁界を発生する。そして、ステータ巻線２０で発生した回転磁界と永久磁石３２で発生した界磁束との電磁気相互作用（吸引及び反発作用）により、出力側ロータ１８にトルク（磁石トルク）を作用させることができ、出力側ロータ１８を回転駆動することができる。つまり、ステータ巻線２０には、出力側ロータ１８に動力（機械的動力）を発生させるための交流電力が供給され、モータ用インバータ４０のスイッチング動作により、蓄電装置４２（あるいは発電用ＤＣ−ＤＣコンバータ９４）からステータ巻線２０に供給された電力を出力側ロータ１８の動力に変換することができる。さらに、モータ用インバータ４０は、ステータ巻線２０の各相に流れる交流電流を直流に変換して、電気エネルギーを蓄電装置４２に回収する方向の変換も可能である。その場合は、出力側ロータ１８の動力がステータ巻線２０の電力に変換されて蓄電装置４２に回収される。このように、ステータ１６のステータ巻線２０と出力側ロータ１８の永久磁石３２とが電磁気的に結合されていることで、ステータ巻線２０で発生する回転磁界を出力側ロータ１８に作用させて、ステータ１６と出力側ロータ１８との間にトルク（磁石トルク）を作用させることができる。さらに、例えば図５に示すように、永久磁石３２間に突極部として磁性体（強磁性体）がステータ１６（ティース５１ａ）と対向して配置されている例や、永久磁石３２が出力側ロータ１８内（ロータコア５３内）に埋設されている例では、ステータ１６の発生する回転磁界が出力側ロータ１８に作用するのに応じて、磁石トルクに加えてリラクタンストルクもステータ１６と出力側ロータ１８との間に作用する。そして、インバータ４０は双方向の電力変換が可能であり、蓄電装置４２はステータ巻線２０に対して電力の送受が可能である。

また、入力側ロータ２８が出力側ロータ１８に対し相対回転して入力側ロータ２８（ロータ巻線３０）と出力側ロータ１８（永久磁石３３）との間に回転差が生じるのに伴ってロータ巻線３０に誘導起電力が発生し、この誘導起電力に起因してロータ巻線３０に誘導電流が流れることで回転磁界が生じる。そして、ロータ巻線３０の誘導電流により生じる回転磁界と永久磁石３３の界磁束との電磁気相互作用によっても、出力側ロータ１８にトルクを作用させることができ、出力側ロータ１８を回転駆動することができる。このように、入力側ロータ２８のロータ巻線３０と出力側ロータ１８の永久磁石３３とが電磁気的に結合されていることで、ロータ巻線３０で発生する回転磁界が出力側ロータ１８に作用するのに応じて、入力側ロータ２８と出力側ロータ１８との間にトルク（磁石トルク）が作用する。そのため、入力側ロータ２８と出力側ロータ１８との間で動力（機械的動力）を伝達することができ、電磁カップリング機能を実現することができる。

ロータ巻線３０の誘導電流により入力側ロータ２８と出力側ロータ１８との間にトルク（電磁カップリングトルク）を発生させる際には、電子制御ユニット５０は、発電用ＤＣ−ＤＣコンバータ９４の出力電圧が蓄電装置４２の電圧よりも高くなるように発電用ＤＣ−ＤＣコンバータ９４での電圧変換比（昇圧比）を制御する。これによって、発電用ＤＣ−ＤＣコンバータ９４から蓄電装置４２とモータ用インバータ４０間の配線へ電流が流れ、ロータ巻線３０に誘導電流が流れるため、入力側ロータ２８と出力側ロータ１８との間に電磁カップリングトルクが作用する。その際には、電子制御ユニット５０は、発電用ＤＣ−ＤＣコンバータ９４での電圧変換比の制御によりロータ巻線３０に流れる交流電流を制御することで、入力側ロータ２８と出力側ロータ１８との間に作用する電磁カップリングトルクを制御することができる（特許文献２，３も参照されたい）。一方、電子制御ユニット５０は、モータ用インバータ４０のスイッチング動作を行わない状態で発電用ＤＣ−ＤＣコンバータ９４の出力電圧が蓄電装置４２の電圧よりも低くなるように発電用ＤＣ−ＤＣコンバータ９４での電圧変換比を制御することで、入力側ロータ２８と出力側ロータ１８との間に回転差が生じてもロータ巻線３０に誘導電流が流れなくなり、入力側ロータ２８と出力側ロータ１８との間に電磁カップリングトルクは作用しなくなる。また、発電用ＤＣ−ＤＣコンバータ９４のコンバータ用スイッチング素子Ｓ１をオフ状態に維持して発電用ＤＣ−ＤＣコンバータ９４による電圧変換（昇圧）を停止させることによっても、ロータ巻線３０に誘導電流が流れなくなり、入力側ロータ２８と出力側ロータ１８との間に電磁カップリングトルクは作用しなくなる。

次に、本実施形態に係るハイブリッド駆動装置の動作、特に、車輪３８を回転駆動する場合の動作について説明する。

エンジン３６が動力を発生している場合は、エンジン３６の動力が入力側ロータ２８に伝達され、入力側ロータ２８が回転駆動する。入力側ロータ２８の回転速度が出力側ロータ１８の回転速度より高くなると、ロータ巻線３０に誘導起電力が発生する。電子制御ユニット５０は、発電用ＤＣ−ＤＣコンバータ９４の出力電圧が蓄電装置４２の電圧よりも高くなるように発電用ＤＣ−ＤＣコンバータ９４での電圧変換比を制御することで、ロータ巻線３０に誘導電流が流れ、この誘導電流と永久磁石３３の界磁束との電磁気相互作用により出力側ロータ１８にトルクが作用して出力側ロータ１８が回転駆動する。このように、入力側ロータ２８に伝達されたエンジン３６からの動力は、入力側ロータ２８のロータ巻線３０と出力側ロータ１８の永久磁石３３との電磁気結合によって、出力側ロータ１８へ伝達される。出力側ロータ１８に伝達された動力は、変速機４４で変速されてから車輪３８へ伝達されることで、車両の駆動等、負荷の駆動に用いられる。したがって、エンジン３６の動力を用いて車輪３８を回転駆動することができる。さらに、入力側ロータ２８と出力側ロータ１８との回転差を許容することができるため、車輪３８の回転が停止してもエンジン３６がストールすることはなく、回転電機１０を発進装置として機能させることができる。そのため、摩擦クラッチやトルクコンバータ等の発進装置を別に設ける必要がなくなる。さらに、蓄電装置４２からステータ巻線２０への電力供給を行うことなく、入力側ロータ２８と出力側ロータ１８との間で動力伝達を行うことができるため、蓄電装置４２の蓄電量が少ない場合や極低温時等においても、エンジン３６からの動力を車輪３８へ伝達することができる。

さらに、エンジン３６からの動力を利用してロータ巻線３０に発生した交流電力は、スリップリング９５及びブラシ９６を介して取り出される。取り出された交流電力は整流器９３で直流に整流され、整流された直流電力は発電用ＤＣ−ＤＣコンバータ９４で電圧変換される。そして、発電用ＤＣ−ＤＣコンバータ９４からの直流電力がモータ用インバータ４０で交流に変換されてからステータ巻線２０に供給されることで、ステータ１６に回転磁界が形成される。このステータ１６の回転磁界と出力側ロータ１８の永久磁石３２の界磁束との電磁気相互作用によっても、出力側ロータ１８にトルクが作用する。これによって、出力側ロータ１８のトルクを増幅させるトルク増幅機能を実現することができる。また、発電用ＤＣ−ＤＣコンバータ９４からの直流電力を蓄電装置４２に回収することも可能である。

さらに、蓄電装置４２からステータ巻線２０へ電力供給するようにモータ用インバータ４０のスイッチング動作を制御することで、エンジン３６の動力を用いて車輪３８を回転駆動するとともに、ステータ巻線２０への供給電力を用いて発生させた出力側ロータ１８の動力により車輪３８の回転駆動をアシストすることができる。また、負荷の減速運転時には、電子制御ユニット５０は、ステータ巻線２０から蓄電装置４２へ電力回収するようにモータ用インバータ４０のスイッチング動作を制御することで、負荷の動力をステータ巻線２０と永久磁石３２との電磁気結合によってステータ巻線２０の電力に変換して蓄電装置４２に回収することができる。

また、車速（車輪３８の回転速度）がある一定速度以上となり、（出力側ロータ１８の回転速度）＞（入力側ロータ２８の回転速度）が成立する場合には、クラッチ４８を係合して入力側ロータ２８と出力側ロータ１８とを機械的に連結することで、入力側ロータ２８と出力側ロータ１８との間のすべりに伴ってロータ巻線３０に誘導電流が流れることで生じるジュール損失を抑えることができる。また、クラッチ４８を係合する場合は、クラッチ４８の締結力を調整することで、入力側ロータ２８と出力側ロータ１８との間で伝達されるトルクを制限することができる。したがって、入力側ロータ２８と出力側ロータ１８との間で衝撃トルクの伝達を抑制することができる。

また、エンジン３６の動力を用いずに回転電機１０の動力を用いて負荷を駆動する（車輪３８を回転駆動する）ＥＶ（Electric Vehicle）走行を行う場合は、電子制御ユニット５０は、モータ用インバータ４０のスイッチング動作を制御することで、負荷の駆動制御を行う。例えば、電子制御ユニット５０は、蓄電装置４２からの直流電力を交流に変換してステータ巻線２０へ供給するように、モータ用インバータ４０のスイッチング動作を制御することで、ステータ巻線２０への供給電力をステータ巻線２０と永久磁石３２との電磁気結合によって出力側ロータ１８の動力に変換し、車輪３８を回転駆動する。このように、エンジン３６が動力を発生していなくても、ステータ巻線２０への電力供給により車輪３８を回転駆動することができる。

本実施形態では、エンジン３６の動力を用いて車輪３８を回転駆動する場合に、発電用ＤＣ−ＤＣコンバータ９４での電圧変換比（コンバータ用スイッチング素子Ｓ１をスイッチング動作するときのデューティ比）の制御によりロータ巻線３０に流れる交流電流を制御することで、入力側ロータ２８と出力側ロータ１８との間に作用する電磁カップリングトルクを制御することが可能となる。発電用ＤＣ−ＤＣコンバータ９４での電圧変換比を制御することで入力側ロータ２８と出力側ロータ１８との間に作用する電磁カップリングトルクを制御するためには、コンバータ用スイッチング素子Ｓ１のスイッチング動作により、リアクトルにおける電磁エネルギーの貯蔵・放出を繰り返して行う必要がある。これに対して本実施形態では、発電用ＤＣ−ＤＣコンバータ９４がロータ巻線３０のインダクタンスをリアクトルとして利用して電圧変換を行うことで、発電用ＤＣ−ＤＣコンバータ９４内にリアクトルを別途設置することなく、入力側ロータ２８と出力側ロータ１８との間に電磁カップリングトルクを作用させることができる。その結果、ロータ巻線３０と蓄電装置４２との間で電力変換を行う電力変換装置の大型化及びコスト高を招くことなく、入力側ロータ２８と出力側ロータ１８との間に作用する電磁カップリングトルクを制御することができる。

なお、発電用ＤＣ−ＤＣコンバータ９４内にリアクトルが別途設置され、リアクトルの一端が整流器９３（ダイオードＤ３１，Ｄ３３，Ｄ３５のカソード側）に接続され、リアクトルの他端がダイオードＤ１のアノード側及びコンバータ用スイッチング素子Ｓ１の一端に接続されている場合は、コンバータ用スイッチング素子Ｓ１のスイッチング動作により、ロータ巻線３０及び発電用ＤＣ−ＤＣコンバータ９４内のリアクトルの両方において電磁エネルギーの貯蔵・放出が繰り返される。その場合は、コンバータ用スイッチング素子Ｓ１のスイッチング動作時に、ロータ巻線３０と発電用ＤＣ−ＤＣコンバータ９４内のリアクトルとの間に配置された整流器９３のダイオードＤ３１〜Ｄ３６に過大電圧が印加される虞が生じる。これに対して本実施形態では、発電用ＤＣ−ＤＣコンバータ９４内にリアクトルが別途設置されていないため、コンバータ用スイッチング素子Ｓ１のスイッチング動作時に、整流器９３のダイオードＤ３１〜Ｄ３６に過大電圧が印加されるのを防止することができる。

本実施形態では、回転電機１０の入力軸３４と出力軸２４とを入れ替えることもできる。すなわち、第２ロータ１８がエンジン３６に機械的に連結され、第１ロータ２８が変速機４４を介して車輪３８に機械的に連結されていてもよい。この場合は、エンジン３６からの動力が第２ロータ１８に伝達され、第１ロータ２８からの動力が変速機４４で変速されて車輪３８に伝達されるため、第２ロータ１８が入力側ロータとなり、第１ロータ２８が出力側ロータとなる。その場合でも、発電用ＤＣ−ＤＣコンバータ９４における電圧変換比を制御することで、第２ロータ１８と第１ロータ２８との間に作用するトルク（電磁カップリングトルク）を制御することができる。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

１０ 回転電機、１６ ステータ、１８ 第２ロータ（出力側ロータ）、２０ ステータ巻線、２４ 出力軸、２８ 第１ロータ（入力側ロータ）、３０ ロータ巻線、３２，３３ 永久磁石、３４ 入力軸、３６ エンジン、３８ 車輪、４０ モータ用インバータ、４２ 蓄電装置、４４ 変速機、４８ クラッチ、５０ 電子制御ユニット、９３ 整流器、９４ 発電用ＤＣ−ＤＣコンバータ、９５ スリップリング、９６ ブラシ、Ｄ１，Ｄ２１〜Ｄ２６，Ｄ３１〜Ｄ３６ ダイオード、Ｓ１ コンバータ用スイッチング素子、Ｓ２１〜Ｓ２６ インバータ用スイッチング素子。

Claims (3)

1. 交流電流が流れることで回転磁界を発生可能な回転子巻線が配設された第１回転子と、 交流電流が流れることで回転磁界を発生可能な固定子巻線が配設された固定子と、
   第１回転子に対し相対回転可能な第２回転子であって、回転子巻線で発生した回転磁界が作用するのに応じて第１回転子との間にトルクが作用し、固定子巻線で発生した回転磁界が作用するのに応じて固定子との間にトルクが作用する第２回転子と、
   回転子巻線と蓄電装置との間で電力変換を行う電力変換装置と、
   を備え、
   第１及び第２回転子の一方に原動機からの動力が伝達され、第１及び第２回転子の他方から負荷へ動力が伝達される動力伝達装置であって、
   電力変換装置は、
   回転子巻線に接続された整流素子により回転子巻線に発生した交流電力を整流する整流器と、
   スイッチング素子のスイッチング動作によりリアクトルに一時的に蓄積されるエネルギーを利用して整流素子により整流される電力を電圧変換して出力するＤＣ−ＤＣコンバータであって、回転子巻線をリアクトルとして利用して整流素子により整流される電力を電圧変換するＤＣ−ＤＣコンバータと、
   を含み、回転子巻線側から蓄電装置側への電力変換を行い、
   ＤＣ−ＤＣコンバータで電圧変換された直流電力と蓄電装置からの直流電力とのいずれかがインバータで交流に変換されて固定子巻線へ供給可能であり、
   ＤＣ−ＤＣコンバータは、スイッチング素子のスイッチング周波数を回転子巻線の交流電力の周波数よりも高くすることで、回転子巻線をリアクトルとして利用して整流素子により整流される電力を電圧変換して第１回転子と第２回転子との間にトルクを作用させる、動力伝達装置。
2. 請求項１に記載の動力伝達装置であって、
   電力変換装置は、蓄電装置側から回転子巻線側への電力変換を行わない、動力伝達装置。
3. 請求項１または２に記載の動力伝達装置であって、
   回転子巻線は３相巻線であり、
   整流器は、回転子巻線の各相毎に対応して互いに並列に設けられた複数の整流アームであって、その各々が直列接続された１対の整流素子を含む複数の整流アームを有し、
   回転子巻線の各相が、対応する整流アームの整流素子間の中点に接続されており、
   ＤＣ−ＤＣコンバータは、スイッチング素子のスイッチング周波数を回転子巻線の交流電力の周波数よりも高くすることで、３相の回転子巻線のうち、電圧の最も高い回転子巻線と電圧の最も低い回転子巻線とをリアクトルとして利用して整流素子により整流される電力を電圧変換して第１回転子と第２回転子との間にトルクを作用させる、動力伝達装置。

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