JP5651865B2 - トルクリップルを減らすためのモータドライブシステム配置 - Google Patents

Description

この出願は、２００９年６月２４日出願の米国仮出願第６１／２２０，０８１号の権利及びこれに対する優先権を主張し、この内容は本明細書に参照として取り込まれる。

本開示は、広くハイブリッド自動車モータドライブシステムに関し、詳しくは、共通のシャフトに複数のモータを有するモータドライブシステムにおいてトルクリップルを減らすためのモータ配置に関する。

ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）及び完全電気自動車（ＦＥＶ）は電気エネルギーを運動エネルギーに変換するためにモータを使用する。ＨＥＶは内燃エンジンと１台もしくはそれ以上の電気モータを組み合わせるのに対して、ＦＥＶは電気モータのみを使用する。モータは一般的にモータドライブシステムの一部である。モータドライブシステムは共通のシャフトに接続された２台もしくはそれ以上のモータを含んでもよい。これらモータは一般的に、既知量のトルクリップル（様々な速度のモータドライブにおいてロータが、ある位置から別の位置に移動することで、ロータによって引き起こされる非円滑なトルク）を有し、これによって出力トルクはモータ設計と、運転状況による頻度と大きさで変動する。トルクリップルに悪影響をもたらすモータ設計及び運転状況は、磁石設計と、スロット数と、極数と、空隙磁束密度による高調波などを含む。このトルクリップルは、車両の乗員にもわかるので、快適性や楽しみ、及び／または車両性能を減少させてしまうので、望ましくない。乗員の快適性を高め、車両の性能を改善するには、影響を最小限もしくは除外することが望まれる。トルクリップルを最小限にする従来の技術は、磁石設計、及び／またはモータドライブシステムの巻線レイアウトを改良することを含む。しかしながら、これらの従来の技術は、費用がかかり効果がなく、及び／または効率も悪いことがあった。

よって、当業界において、費用効果が高く効率的なやり方で、トルクリップルを最小限もしくは除外するモータドライブシステムが求められている。

したがって、本開示は、第１及び第２のホイールと協働する係合状態にある共通シャフトによって接続された第１のモータと第２のモータとを有する車両モータドライブシステムに関する。第１のモータは回転シャフト部材の第１の端部に連結され、第２のモータは回転シャフト部材の第２の端部に連結される。第１のモータ及び第２のモータは互いに位相が電気角度で９０度ずれて設けられることでトルクリップルを最小限にする。

本開示の利点は、モータドライブシステムが低コストで効率的にトルクリップルを最小限にするモータ配置を有することである。

本開示の他の特徴と利点は、添付の図面と合わせて以後の説明を読むことでより理解されるとともに、容易に認識される。

好適な実施例によるハイブリッド自動車の斜視図である。 好適な実施例による、図１の車両の上面図である。 好適な実施例による、共通シャフトに連結された２台のモータを有するモータドライブシステムの概略図である。 好適な実施例による、共通シャフトへの設置の際の第１及び第２のモータの位置合わせの線図である。 ２つの異なるモータ配置におけるトルクリップルを比較するグラフである。 第１のモータ、第２のモータ、及び第１と第２のモータの組み合わせの間の相対トルク対ロータ角度を比較したグラフである。

図を一般的に、また図1及び２を特に参照して、ハイブリッド自動車１０を説明する。この例では、車両１０はガソリン及び電気を動力源としたプラグインハイブリッド自動車である。車両１０は、乗用車やトラックなどモータドライブシステム１２を有する車両であれば、どのタイプの車両でもよい。車両１０はさらに、車両１０の動作を制御するパワートレイン１４を含む。この例では、パワートレイン１４はプラグインハイブリッドであり、電気的に駆動されるモータ１６及びモータコントローラ１８を含む。車両１０は、ある動作状況下で求められる場合に、電気モータ１６を補助するガソリンエンジン２０及びバッテリー２２を含んでもよい。エンジンは、ディーゼル、メタン、プロパン、水素など他の燃料で作動してもよい。４気筒ガソリンエンジンなど、様々なタイプのエンジンが考えられる。エンジンは、車両サイズ、重量、バッテリー容量など、様々な要因によって選択される。モータ１６は、電気モータなどの電気機械でもよい。電気モータの例としては、１２ボルトの高速電気モータ、直流直巻電気モータ、永久磁石直流電気モータ、相交流誘導モータなどが含まれる。

図３を参照すると、車両１０のためのモータドライブシステム１２の略図が示されている。モータドライブシステム１２は、第１のモータ２４と、第２のモータ２６と、ギア（複数のギア）または差動装置３０を有するトランスミッションまたはギアボックス２８（単一速度または多段速度のトランスミッションなど）と、ギア３６を有するシャフト（共通の回転シャフトまたはドライブシャフト）３４など、互いに協働する係合状態にある様々な構成部品を含む。モータドライブシステムはまた、モータドライブシステム１２の様々な構成部品と動作可能に相互連結する1本以上の車軸、シャフトなどを含む。

共通シャフト３４は、第１のモータ２４に動作可能に接続された第１の端部３６と第２のモータ２６に動作可能に接続された第２の端部３８とを含む。接続の一例としては、回転可能な接続などである。共通シャフト１６はまた、トランスミッション２８に接続され、ピニオンギア及び遊星歯車セットなどの付加的ギアをも含んでもよい。トランスミッションまたはギアボックス２８及び差動装置３０は、第１のモータ２４と第２のモータ２６との間に配置される。第１のギアとしてのシャフトギア（ピニオン）３７は、多数の歯４０を含み、シャフトの第２の端部３８側に位置決めされる。シャフトギア３７は、共通シャフト３４に同芯に設けられ、共通シャフト３４と一体化されている。シャフトギア３７の歯４０は、差動装置３０の第２のギアとしてのトランスミッションギアと噛合状態にある。この構成下では、差動装置３０への９０度の入力があり、第１のモータ２４、第２のモータ２６、トランスミッション２８、差動装置３０及び共通シャフト３４が車両１０の幅に対して横方向に互いに一列に設置される。

第１及び第２のモータ２４、２６の電気位相が互いにオフセットされるように、第１及び第２のモータ２４、２６が共通シャフト３４に設けられ、これにより、トルクリップルの大きさが小さくなる。第１及び第２のモータ２４，２６をオフセットするには、モータ２４，２６は電気角度９０度、電気角度１８０度など所定量互いに位相がずらされて設けられる。たとえば、図４に示されるように、第２のモータ２６は、２台のモータ２４，２６が設けられた、同じ軸方向経路の周りに変位されてもよい。２つのモータ２４，２６が開示されているが、より多くのモータがモータドライブシステム１２に含まれ、それらモータは所定の方法で互いにオフセットされてもよい。オフセットの理想の量は、ポールの数や共通シャフト３４上のモータの数による。

図４を参照すると、共通シャフト３４への設置の際の互いに対する第１及び第２のモータ２４，２６の位置合わせが示されている。第１の電気モータ２４及び第２の電気モータ２６は、ステータ４２と、ステータ４２の中心で回転するロータ４４とを含む様々な構成部品を含む。ステータ４２または電気モータ２４，２６の固定構成部品は、ステータの外周まわりを他方に対して等距離など所定の方法で配置された複数のワイヤーコイル（Ａ，Ｂ，Ｃ）を含む。ロータ４４または電気モータ２４，２６の非固定構成部品は、北（Ｎ）極及び南（Ｓ）極を交互にするなど所定の方法で配された極を有する複数の磁石４６を含み、ステータ４２と回転可能に相互作用する。ロータの軸を中心にトルクが生じるようにワイヤとモータの磁界が配されているのでロータは回転する。以上に示し説明されたように、第１のモータ２４及び第２のモータ２６をオフセットすることにより、第１のモータ２４と第２のモータ２６とによって生じたトルクリップルの影響を軽減する。

電気位相は、電気角度＝極／２^＊（機械的角度）であるところの電圧の電気位相角度と見なせる。たとえば、１２極は、電気モータなど電気機械にとって許容値である。言い換えると、これは、２つのモータ２４，２６が、位相が９０電気角度ずれるように、一方のモータ（たとえば、第２のモータ２６）が他方のモータ（たとえば、第１のモータ２４）から、たとえば電気モータなどの１２極の機械において１５度など所定量、変位（オフセット）させられる。

モータドライブシステム１２のこの配置は、他方のモータ（たとえば、第１のモータ２４）のトルクがピーク（リップルの高い部分）で、一方のモータがトルクトラフ（リップルの低い部分）の時、一方のモータ（たとえば第２のモータ）がわずかに変位（オフセット）させられることによりトルクリップルを減らし、これによりトルクリップルの影響を最小限にする。トルクリップルはモータ設計段階で最小限にされるのが理想だが、これは常には達成できるものではない。本開示のモータドライブシステム１２の配置は、1台以上のモータが共通のシャフトに接続されている状況において高いトルクリップルのモータの影響を減らす。さらに、本開示のモータドライブシステム１２の配置は、モータ選択の観点から多用途性、選択肢及び柔軟性を増加させ、また車両やモータなどの市場に対してコストを削減する。

図５及び６を参照すると、トルクリップルまたは相対トルク１１０（ｙ軸）対ロータ角度１１２（ｘ軸）を従来のモータ配置１１４と本開示のオフセットモータ配置１１６間で比較した図表、及び、相対トルク１１０対ロータ角度１１２を第１のモータ１１８、第２のモータ１２０、及び第１と第２のモータの組み合わせ１２２間で比較した図表がそれぞれ示されている。電気位相が完全に位置合わせされて（オフセットされないで）モータが作動される従来のドライブユニット（すなわち、従来の配置）のトルクリップルは、図５に符号１２４で示されているように相対的に高い。一方、電気位相がもう一方からオフセットされてモータ２４、２６が作動される本開示のモータドライブシステム１２（すなわち、オフセット配置）のトルクリップルは、図５に符号１２６で示されているように相対的に低い。図示されたように、本開示のモータドライブシステム１２を実行することによってトルクリップルの大きさにおける顕著な削減が果たされる。

従来のドライブユニットでは、電気位相が機械的位置に対して常に同じ位置にある（電気位相は完全に位置合わせされている）。これは、同じアセンブリラインから生じた２台のモータの極が完全に同一に配置されていることを意味している。これは、モータが同じ方法で共通シャフトに取り付けられて設置された場合、各モータからのトルクリップルは他方のモータと同期することを意味する。しかしながら、一方のモータ（たとえば、第２のモータ２６）が変位させられた（たとえば、モータ２６が機械的角度で１５度（１２極の機械の場合）変位させられるように取り付け穴を配置してもよい）場合、本開示に示されたように、これによって第１のモータ２４のトルクピークが第２のモータ２６のトルクトラフに対応するようにトルクリップルを位相から９０度ずらされ、またその逆も同様である（すなわち、電気位相のオフセット）。もうひとつの方法として、ロータ４４は、図６に符号１２８で示されるように、共通シャフト３４に設置したあと、ロータ４４が望ましく位相が設定されるように、ロータ４４が軸方向に回転されてもよい。

なお、上述した形態／配置を基礎として数多くの変更が考えられてもよい。それは、ギアを用いて機械的にリンクされたモータ、チェーンドライブ、２台またはそれ以上のモータ間の相対回転位置が左右される他の方法を含むが、限定するものではない。これはまた、機械的に周期的に切断されるが、モータの再係合によって、モータが最小のトルクリップルを得るように位相が設定（オフセット）されるように制御されるモータをも含む。

本開示の多くの変更や変化は上述の教示に照らして可能である。したがって、添付の請求の範囲内において、本開示は詳細に記述したもの以外にも実行されてもよい。

Claims (5)

1. 車両のためのモータドライブシステムであって、
   車両の第１のホイールを駆動するよう動作可能な第１の電気モータと、
   車両の第２のホイールを駆動するよう動作可能な第２の電気モータと、
   第１の端部と第２の端部とを有する回転シャフト部材であり、第１の電気モータは回転シャフト部材の第１の端部に連結され、第２の電気モータは回転シャフト部材の第２の端部に連結された回転シャフト部材とを有する、第１の電気モータおよび第２の電気モータが互いに位相を所定角度ずらして設けられることでトルクリップルを最小限にするモータドライブシステムであって、
   回転シャフト部材を回転させるために回転シャフト部材に設けられた第１のギアと、
   第１のギアと噛合するように配置された、回転可能な第２のギアを含む差動装置とを備え、
   第１のギアは第１の電気モータと第２の電気モータとの間に配置され、第１のギアの回転軸は第２のギアの回転軸に対して直交し、
   第２の電気モータは、回転シャフト部材に設けられた第１の電気モータに対して第２の電気モータが所定の機械的角度だけオフセットするように回転シャフト部材に設けられたモータドライブシステム。
2. 第１の電気モータおよび第２の電気モータは互いに位相を電気角度で９０度ずらして設けられることでトルクリップルを最小限にする、請求項１のモータドライブシステム。
3. 第１の電気モータおよび第２の電気モータは互いに位相を電気角度で１８０度ずらして設けられることでトルクリップルを最小限にする、請求項１のモータドライブシステム。
4. 第１の電気モータおよび第２の電気モータは１２極の機械である、請求項１のモータドライブシステム。
5. 第２の電気モータは、回転シャフト部材に設けられた第１の電気モータに対して第２の電気モータが機械的角度で１５度オフセットするように回転シャフト部材に設けられる、請求項３のモータドライブシステム。

Images