JP6153887B2 - 電動発電機装置 - Google Patents

Description

本発明は、界磁に永久磁石を用いた２つの電動発電機を含む電動発電機装置に関する。

車両等の発電機として、界磁に電磁石を用いた電磁石同期発電機と、界磁に永久磁石を用いた永久磁石同期発電機とがある。電磁石同期発電機は、電磁石に供給する電流を変化させることによって発生する電圧を一定に維持することができるが、電磁石を用いることから小型化及び軽量化や、高出力化が難しいという問題がある。一方、永久磁石同期発電機は、スリップリングやブラシ等の電気的接点を省略することができる等、構成を簡素にすることができるため小型化及び軽量化の点で有利であるが、ロータの回転変動や負荷変動に応じて発生する電圧が変化するため、電圧を調整するための昇降圧器（ＤＣ／ＤＣコンバータ）が必要になるという問題がある。これらに対して、ロータに永久磁石と電磁石と設け、電磁石に供給する電流を制御することによって、ステータコイルが受ける磁界の強さを制御し、発生する電圧を一定に維持するようにしたものがある（例えば、特許文献１）。

特開２０１１−１６６８４４号公報

しかしながら、特許文献１に係る発電機は、内燃機関が高回転となるときに電力を使用して電磁石が発生する磁界を強め、ステータコイルが受ける磁界を弱めるため、効率が悪いという問題がある。また、磁界を調整するための電磁石を用いるため、電磁石同期発電機と同様に小型・軽量化が難しいという問題がある。

本発明は、以上の背景に鑑み、界磁に永久磁石を用いた電動発電機を含む電動発電機装置において、電圧制御を可能にすることを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、駆動源（６０）と、界磁に永久磁石を用いた第１及び第２電動発電機（３、４）と、前記第１電動発電機のロータである第１ロータ（２７）に結合されたリングギヤ（１７）、前記第２電動発電機のロータである第２ロータ（３７）に結合されたサンギヤ（１６）、及び前記駆動源に結合された遊星キャリア（１８）を含む遊星歯車機構（２）とを有する電動発電機装置（１）であって、前記第１及び第２電動発電機の一方が発生する電圧を制御するために、前記第１及び第２電動発電機の他方の回転数と前記駆動源の回転数との少なくとも一方を変化させ、前記第１及び第２電動発電機の一方の回転数を制御することを特徴とする。

この構成によれば、出力側となる第１及び第２電動発電機の一方の回転数は、駆動源の回転数と第１及び第２電動発電機の他方の回転数とによって決まるため、駆動源の回転数が変化するときには第１及び第２電動発電機の他方の回転数を変化させることによって、出力側となる第１及び第２電動発電機の一方の回転数を制御し、発生する電圧を制御することができる。そのため、界磁に永久磁石を用いた第１及び第２電動発電機に昇降圧器を設ける必要がなくなる。

また、上記の発明において、前記第１ロータ及び前記第２ロータを収容するケース（５）と、前記第１ロータと前記ケースとの間に設けられ、前記ケースに対する前記第１ロータの相対回転を制動する第１ブレーキ（５０）と、前記第２ロータと前記ケースとの間に設けられ、前記ケースに対する前記第２ロータの相対回転を制動する第２ブレーキ（５１）とを有するとよい。

この構成によれば、第１及び第２ブレーキを操作することによって、第１及び第２ロータの制動を行うことができ、第１及び第２電動発電機の回転数を迅速かつ円滑に変化させることができる。

また、上記の発明において、前記駆動源は内燃機関（６０）であり、前記遊星キャリアは前記内燃機関の駆動軸（６１）に連結され、前記内燃機関の回転数が最高回転数であるときの前記遊星キャリアの回転数を遊星キャリア最高回転数とし、前記内燃機関の回転数が定格出力回転数であるときの前記遊星キャリアの回転数を遊星キャリア定格回転数とし、前記遊星キャリア最高回転数であり、かつ前記サンギヤの回転数が０であるときの前記リングギヤの回転数をリングギヤ最高回転数とし、前記遊星キャリア定格回転数であり、かつ前記リングギヤの回転数が０であるときの前記サンギヤの回転数をサンギヤ定格回転数とすると、前記リングギヤ最高回転数と前記サンギヤ定格回転数とが等しくなるように、前記サンギヤの歯数に対する前記リングギヤの歯数の比が設定され、前記第１電動発電機が前記リングギヤ最高回転数のときに発生する電圧が４８Ｖ〜６０Ｖの範囲内であり、かつ前記第２電動発電機が前記サンギヤ定格回転数のときに発生する電圧が４８Ｖ〜６０Ｖの範囲内であるとよい。

この構成によれば、内燃機関の回転数が定格出力回転数（例えば、４０００ｒｐｍ等）であるときに、サンギヤに連結された第２発電機の回転数を所望の電圧を発生する回転数に維持しつつ、リングギヤに連結された第１電動発電機の回転数を０（停止）にすることができる。また、内燃機関の回転数が最高回転数（例えば、６０００ｒｐｍ等）であるときに、リングギヤに連結された第１電動発電機の回転数を所望の電圧を発生する回転数に維持しつつ、サンギヤに連結された第２電動発電機の回転数を０（停止）にすることができる。これにより、第１及び第２電動発電機の一方のみで発電を行うことができるため、発電機の回転による損失及び電気変換による損失を低減し、発電効率を高めることができる。例えば、内燃機関の回転数が定格出力回転数である場合は第２電動発電機を停止して第１電動発電機で発電を行い、内燃機関の回転数が最高回転数である場合は第１電動発電機を停止して第２電動発電機で発電を行うとよい。

また、上記の発明において、前記遊星キャリアの回転数が所定の切換回転数よりも低い場合に、前記第１電動発電機の回転数を変化させることによって前記第２電動発電機の回転数を一定にして前記第２電動発電機が発電を行い、前記遊星キャリアの回転数が前記切換回転数以上の場合に前記第２電動発電機の回転数を変化させることによって前記第１電動発電機の回転数を一定にし、前記第１電動発電機が発電を行うとよい。

この構成によれば、電動発電機装置の効率を向上させることができると共に、電圧の制御を容易にすることができる。サンギヤはリングギヤに対して回転速度が速いため、遊星キャリアの回転数が低い領域ではサンギヤ側の第２電動発電機が発電を行うことによって効率を高めることができる。一方、遊星キャリアの回転数が高い領域では、第２電動発電機を出力側とすると、回転数が高くなるサンギヤの回転数を抑制するために、リングギヤの回転数が０を跨いで逆方向となり、第１電動発電機が発電を行うようになるため、リングギヤ側の第１電動発電機を出力とし、第２電動発電機を入力とすることによって、電圧の制御が容易になる。

また、上記の発明において、前記第１及び第２ロータは、回転軸の径方向に延在する支持部材（３１、４１）と、前記支持部材の回転軸方向における一方の側面に取り付けられた永久磁石（３２、４２）と、前記支持部材を回転軸方向に貫通して前記永久磁石を前記支持部材の回転軸方向における他方の側面側に露出させる露出孔（５５Ｂ、５６Ｂ）とを有し、前記第１ロータ及び前記第２ロータを収容するケースには、前記露出孔を通過した磁束を検出する磁気センサ（５５Ａ、５６Ａ）が設けられているとよい。

この構成によれば、界磁として使用される永久磁石を利用して回転センサを構築することができる。

以上の構成によれば、界磁に永久磁石を用いた電動発電機を含む電動発電機装置において、電圧制御を可能にすることができる。

実施形態に係る電動発電機装置の断面図 実施形態に係る電動発電機装置の接続構造を示す模式図 遊星キャリアの回転数に対するサンギヤの回転数及びリングギヤの回転数を示す図 ギヤ比Ｚｒ／Ｚｓを１．５とした場合の、遊星キャリアの回転数に対するサンギヤの回転数及びリングギヤの回転数を示す図 （Ａ）定電圧制御において第１電動発電機を出力とする場合の遊星キャリア、リングギヤ、及びサンギヤの回転数の関係を示す図、（Ｂ）図５（Ａ）における第１電動発電機の出力、第２電動発電機の入力、及び合算出力を示す図 （Ａ）定電圧制御において第２電動発電機を出力とする場合の遊星キャリア、リングギヤ、及びサンギヤの回転数の関係を示す図、（Ｂ）図６（Ａ）における第２電動発電機の出力、第１電動発電機の入力、及び合算出力を示す図 （Ａ）出力を第１電動発電機及び第２電動発電機の間で切り換える場合の遊星キャリア、リングギヤ、及びサンギヤの回転数の関係を示す図、（Ｂ）図７（Ａ）における第１電動発電機の入出力、第２電動発電機の入出力、及び合算出力を示す図 電圧可変制御における電圧と、遊星キャリア、リングギヤ、及びサンギヤの回転数との関係を示すマップ 定電流・定電圧充電制御において（Ａ）電圧及び電流の推移を示すグラフ、（Ｂ）遊星キャリアの回転数を一定とした場合のサンギヤ及びリングギヤの回転数の推移を示すグラフ、（Ｃ）リングギヤの回転数を０に固定した場合のサンギヤ及び遊星キャリアの回転数の推移を示すグラフ、（Ｄ）定電圧充電制御時に遊星キャリアの回転数を低下させた場合のサンギヤ及びリングギヤの回転数の推移を示すグラフ

以下、図面を参照して、本発明の電動発電機装置の実施形態について説明する。図１に示す電動発電機装置１は、遊星歯車機構２と、第１電動発電機３（モータジェネレータ）と、第２電動発電機４とを有する。遊星歯車機構２、第１電動発電機３及び第２電動発電機４は、ケース５に支持され、ユニット６を構成する。

ケース５は、外形が略円筒形に形成された円筒部５Ａと、円筒部５Ａの両端部を閉じる第１端壁５Ｂ及び第２端壁５Ｃと、円筒部５Ａの内部に配置され、各端壁５Ｂ、５Ｃと平行に設けられた第１隔壁５Ｄ及び第２隔壁５Ｅとを有する。ケース５の内部空間は、第１端壁５Ｂと第１隔壁５Ｄとの間に形成された第１室７と、第１隔壁５Ｄと第２隔壁５Ｅとの間に形成された第２室８と、第２隔壁５Ｅと第２端壁５Ｃとの間に形成された第３室９とを有する。第１端壁５Ｂ、第１隔壁５Ｄ、第２隔壁５Ｅ、及び第２端壁５Ｃの中央部には、電動発電機装置１の軸線Ａに沿ってそれぞれを貫通する第１軸受孔１１、第２軸受孔１２、第３受孔１３、第４受孔１４が同軸に形成されている。

遊星歯車機構２は第１室７に配置され、第１電動発電機３は第２室８に配置され、第３発電機は第３室９に配置される。遊星歯車機構２、第１電動発電機３、及び第２電動発電機４は、ケース５の軸線Ａを回転中心として互いに同軸に配置されている。

遊星歯車機構２は、外歯歯車であるサンギヤ１６と、サンギヤ１６と同軸に配置される内歯車であるリングギヤ１７と、サンギヤ１６及びリングギヤ１７の双方に噛み合う複数の外歯歯車である遊星ギヤ１８と、各遊星ギヤ１８を回転可能に支持すると共に、サンギヤ１６と同軸に配置された遊星キャリア１９とを有する。

遊星キャリア１９は、軸部１９Ａと、軸部１９Ａの一端から径方向外方に延出したアーム部１９Ｂとを有する。遊星キャリア１９の軸部１９Ａは、例えば玉軸受である軸受を介して第１軸受孔１１に回転可能に支持され、軸線Ａと同軸に配置される。遊星キャリア１９の軸部１９Ａは、一端が第１室７内に配置され、他端がケース５の外部に突出している。遊星キャリア１９の軸部１９Ａの一端の端面には、軸部１９Ａと同軸に形成された、有底の円孔である支持孔２１が形成されている。

遊星キャリア１９のアーム部１９Ｂは、軸線Ａを中心とした円板形に形成されている。アーム部１９Ｂの外周部には、軸線Ａと平行に、第１隔壁５Ｄ側に延びる複数の支持軸２２が突設されている。各支持軸２２には、それぞれ遊星ギヤ１８が回転可能に支持されている。支持軸２２及び遊星ギヤ１８の数は、任意であってよく、周方向に等間隔に配置されていることが好ましい。

リングギヤ１７は、一端に底部を有する有底の円筒部１７Ａと、底部の外面の中心部から円筒部１７Ａと同軸に突設された軸部１７Ｂとを有する。円筒部１７Ａは第１室７内に配置され、軸部１７Ｂは第１室７内から第２軸受孔１２及び第２室８を通過して第３受孔１３の内部にまで延びている。リングギヤ１７の軸部１７Ｂは、例えば玉軸受である軸受を介して第２軸受孔１２及び第３受孔１３に回転可能に支持されている。これにより、リングギヤ１７の円筒部１７Ａ及び軸部１７Ｂは軸線Ａと同軸に配置される。

円筒部１７Ａの円周部の内径は、遊星キャリア１９に支持された各遊星ギヤ１８を受容可能な大きさに形成されている。円筒部１７Ａの円周部の内周面には、円周部の軸線を中心とした内歯歯車１７Ｃが形成され、各遊星ギヤ１８と噛み合っている。

リングギヤ１７には、自身の軸線と同軸に延在する貫通孔２４が形成されている。貫通孔２４の円筒部１７Ａ側の端部は、段違いに拡径され支持部２４Ａを形成している。

サンギヤ１６は、軸部１６Ａと、軸部１６Ａの外周部に結合された外歯歯車１６Ｂとを有する。サンギヤ１６の軸部１６Ａは、軸線Ａに沿って配置され、一端が遊星キャリア１９の支持孔２１に配置されると共に、リングギヤ１７の貫通孔２４を貫通し、第３受孔１３、第３室９、及び第４受孔１４を通過してケース５の外部に突出している。軸部１６Ａは、遊星キャリア１９の支持孔２１及びリングギヤ１７の支持部２４Ａに例えば玉軸受である軸受を介して回転可能に支持されている。サンギヤ１６の軸部１６Ａの他端側であって、リングギヤ１７の貫通孔２４から突出した部分は、他の部分に対して段違いに縮径された縮径部１６Ｃに形成されている。縮径部１６Ｃには、円筒形のカラー２５が圧入等の手法によって一体的に回転するように結合されている。カラー２５の外径は、リングギヤ１７の軸部１７Ｂの内径よりも大きく形成されている。カラー２５は、第３受孔１３及び第４受孔１４に例えば玉軸受である軸受を介して回転可能に支持されている。以上のようにして、サンギヤ１６は軸線Ａを中心として回転可能に配置されている。

サンギヤ１６の外歯歯車１６Ｂは、軸部１６Ａの、リングギヤ１７の円筒部１７Ａの内側に位置する部分に設けられている。外歯歯車１６Ｂは、各遊星ギヤ１８と噛み合っている。

第１電動発電機３及び第２電動発電機４は、永久磁石同期発電機である。第１電動発電機３及び第２電動発電機４は、同様の構成を有するため、重複する部分については第１電動発電機３について説明を行い、第２電動発電機４については説明を省略する。

第１電動発電機３は、リングギヤ１７の軸部１７Ｂの外周部であって第２室８内に位置する部分に結合された第１ロータ２７と、ケース５の円筒部５Ａの一部をなし、第２室８の内周面を形成する第１リング部２８に設けられた複数の第１ステータコイル２９とを有する。

第１ロータ２７は、リングギヤ１７の軸部１７Ｂの外周面であって第２室８内に位置する部分に結合された一対の支持部材３１と、各支持部材３１に支持された複数の永久磁石３２とを有する。各支持部材３１は、筒形の基部３１Ａと、基部３１Ａの外周面から径方向外方に突出した円板形の支持壁部３１Ｂとを有する。各基部３１Ａは、リングギヤ１７の軸部１７Ｂと一体的に回転するように、圧入やキーによる結合構造等によって結合されている。各基部３１Ａがリングギヤ１７の軸部１７Ｂに結合された状態で、各支持壁部３１Ｂは軸線Ａ方向に隙間を介して対向するように配置される。本実施形態では、基部３１Ａ同士が互いに当接することによって、各支持壁部３１Ｂの相対位置が定められている。

複数の永久磁石３２は、各支持壁部３１Ｂの互いに対向する面のそれぞれに、磁極の向きが軸線Ａと平行になるように結合されている。永久磁石３２は、各支持壁部３１Ｂの周方向において、等しい幅を有して等間隔に配置され、かつ周方向に進むに従って異なる磁極が交互に現れるように配置されている。また、一方の支持壁部３１Ｂに設けられた各永久磁石３２は、他方の支持壁部３１Ｂに設けられた各永久磁石３２と軸線Ａ方向において異なる磁極が対向するように配置されている。これにより、ロータの各支持壁部３１Ｂ間には、各支持壁部３１Ｂの一方に設けられた永久磁石３２から対向する支持壁部３１Ｂに設けられた永久磁石３２に、軸線Ａと平行に延びる磁束が形成される。

第１ステータコイル２９は、柱状の鉄心２９Ａと、鉄心２９Ａに巻き回された３相の巻線２９Ｂとを有する。各第１ステータコイル２９は、鉄心２９Ａの軸線がそれぞれ軸線Ａと平行になるように第１リング部２８の内周面に支持されている。また、各第１ステータコイル２９は、それぞれの鉄心２９Ａが各支持壁部３１Ｂに設けられた永久磁石３２の間に配置されている。これにより、各第１ステータコイル２９の横断面に対して永久磁石３２の磁束が直交する。

第２電動発電機４は、第１電動発電機３の第１ロータ２７及び第１ステータコイル２９と同様の第２ロータ３７及び複数の第２ステータコイル３９を有する。第２ロータ３７はカラー２５の外周部であって第３室９内に位置する部分に結合され、第２ステータコイル３９はケース５の円筒部５Ａの一部をなし、第３室９の内周面を形成する第２リング部３８に設けられている。

第２ロータ３７は、第１ロータ２７と同様に、一対の支持部材４１と、各支持部材４１に支持された複数の永久磁石４２とを有する。各支持部材４１は、筒形の基部４１Ａと、基部４１Ａの外周面から径方向外方に突出した円板形の支持壁部４１Ｂとを有する。各基部４１Ａは、カラー２５と一体的に回転するように結合されている。各基部４１Ａがカラー２５に結合された状態で、各支持壁部４１Ｂは軸線Ａ方向に隙間を介して対向するように配置される。

複数の永久磁石４２は、第１ロータ２７と同様に、各支持壁部４１Ｂの互いに対向する面のそれぞれに、磁極の向きが軸線Ａと平行になるように結合されている。これにより、第２ロータ３７の各支持壁部４１Ｂ間には、各支持壁部４１Ｂの一方に設けられた永久磁石４２から対向する支持壁部４１Ｂに設けられた永久磁石４２に、軸線Ａと平行に延びる磁束が形成される。

第２ステータコイル３９は、第１ステータコイル２９と同様に、鉄心３９Ａ及び３相の巻線３９Ｂを有する。各第２ステータコイル３９は、鉄心３９Ａの軸線がそれぞれ軸線Ａと平行になるように第２リングの内周面に支持されている。また、各第２ステータコイル３９は、それぞれの鉄心３９Ａが各支持壁部４１Ｂに設けられた永久磁石４２の間に配置されている。これにより、各第２ステータコイル３９の横断面に対して永久磁石４２の磁束が直交する。

本実施形態では、第１電動発電機３と第２電動発電機４とは、同一の能力を有し、回転数が等しいときには等しい電圧を発生する。他の実施形態では、第１電動発電機３と第２電動発電機４とは、異なる能力を有してもよい。

ケース５と第１ロータ２７との間には第１ブレーキ５０が設けられ、ケース５と第２ロータ３７との間には第２ブレーキ５１が設けられている。第１ブレーキ５０及び第２ブレーキ５１は同様の構成を有する。

第１ブレーキ５０は、第１ブレーキディスク５０Ａと、第１ブレーキディスク５０Ａを第１ロータ２７の支持壁部３１Ｂ側に付勢する第１付勢部材５０Ｂと、第１ブレーキディスク５０Ａを第１ロータ２７の支持壁部３１Ｂから離れる方向に吸引する第１電磁石５０Ｃとを有する。第１ブレーキディスク５０Ａは、強磁性を有する部材から形成され、中央部に貫通孔を有する円板部材である。第１ブレーキディスク５０Ａは、貫通孔にリングギヤ１７の軸部１７Ｂが挿通され、軸線Ａ方向に変位可能に第１隔壁５Ｄと第１ロータ２７との間に配置されている。第１付勢部材５０Ｂは、例えば圧縮コイルばねであり、第１隔壁５Ｄと第１ブレーキディスク５０Ａとの間に介装され、第１ブレーキディスク５０Ａを第１ロータ２７の支持壁部３１Ｂの側面に付勢している。第１ブレーキディスク５０Ａは、第１付勢部材５０Ｂに付勢されて支持壁部３１Ｂの側面に押し付けられ、支持壁部３１Ｂとの間に摩擦力を生じ、第１ロータ２７の回転を制動する。第１電磁石５０Ｃは、第１隔壁５Ｄに設けられ、電力が供給されたときに磁力を発生し、第１ブレーキディスク５０Ａを第１付勢部材５０Ｂの付勢力に抗して第１隔壁５Ｄ側、すなわち支持壁部３１Ｂから離れる側に吸引する。以上の構成により、第１ブレーキ５０は、第１電磁石５０Ｃに電力が供給されていないときに第１ロータ２７の回転を禁止し、第１電磁石５０Ｃに電力が供給されているときに第１ロータ２７の回転を許容する。

第２ブレーキ５１は、第１ブレーキ５０と同様の、第２ブレーキディスク５１Ａと、第２付勢部材５１Ｂと、第２電磁石５１Ｃとを有する。第２ブレーキディスク５１Ａは、貫通孔にカラー２５が挿通され、軸線Ａ方向に変位可能に第２隔壁５Ｅと第２ロータ３７との間に配置されている。第２付勢部材５１Ｂは、第２隔壁５Ｅと第２ブレーキディスク５１Ａとの間に介装され、第２ブレーキディスク５１Ａを第２ロータ３７の支持壁部４１Ｂの側面に付勢している。第２ブレーキディスク５１Ａは、第２付勢部材５１Ｂに付勢されて支持壁部４１Ｂの側面に押し付けられ、第２ロータ３７の支持壁部４１Ｂとの間に生じる摩擦力によって、第２ロータ３７の回転を制動する。第２電磁石５１Ｃは、第２隔壁５Ｅに設けられ、電力が供給されたときに磁力を発生し、第２ブレーキディスク５１Ａを第２付勢部材５１Ｂの付勢力に抗して第２隔壁５Ｅ側、すなわち第２ロータ３７の支持壁部４１Ｂから離れる側に吸引する。以上の構成により、第２ブレーキ５１は、第２電磁石５１Ｃに電力が供給されていないときに第２ロータ３７の回転を禁止し、第２電磁石５１Ｃに電力が供給されているときに第２ロータ３７の回転を許容する。

ケース５には、第１ロータ２７の回転位置を検出する第１回転センサ５５及び第２ロータ３７の回転位置を検出する第２回転センサ５６が設けられている。第１回転センサ５５及び第２回転センサ５６は同様の構成を有している。

第１回転センサ５５は、第２隔壁５Ｅの第２室８側面に設けられた磁気検出手段としてのホール素子５５Ａを有している。第１ロータ２７の第２隔壁５Ｅ側に配置された支持壁部３１Ｂには、軸線Ａ方向に貫通し、永久磁石３２の背面の一部を第２隔壁５Ｅ側に露出させる露出孔５５Ｂが複数形成されている。露出孔５５Ｂは、周方向において複数形成されている。本実施形態では、各露出孔５５Ｂは各永久磁石３２に対応し、かつ軸線Ａからの距離が等しくなる位置にそれぞれ形成されている。ホール素子５５Ａは、軸線Ａと露出孔５５Ｂとの距離と同じ距離だけ軸線Ａから離れた位置に配置され、第１ロータ２７が回転するときに各露出孔５５Ｂと対向可能となっている。これにより、ホール素子５５Ａは、第１ロータ２７が回転するときに、露出孔５５Ｂを通過する各永久磁石３２の磁束を検出し、第１ロータ２７の回転位置を検出することができる。また、第１回転センサ５５は、第１ロータ２７の回転位置の変化を時間で微分することによって、第１ロータ２７の回転速度を算出することができる。

第２回転センサ５６は、第２端壁５Ｃの第３室９側面に設けられたホール素子５６Ａを有している。第２ロータ３７の第２端壁５Ｃ側に配置された支持壁部４１Ｂには、軸線Ａ方向に貫通し、永久磁石４２の背面の一部を第２端壁５Ｃ側に露出させる露出孔５６Ｂが複数形成されている。露出孔５６Ｂは、第１回転センサ５５と同様に、各露出孔５６Ｂは各永久磁石４２に対応し、かつ軸線Ａからの距離が等しくなる位置にそれぞれ形成されている。ホール素子５６Ａは、第１回転センサ５５と同様に、軸線Ａと露出孔５６Ｂとの距離と同じ距離だけ軸線Ａから離れた位置に配置され、第１ロータ２７が回転するときに各露出孔５６Ｂと対向可能となっている。これにより、第２回転センサ５６は、第２ロータ３７の回転位置及び回転速度を検出することができる。

図２に示すように、電動発電機装置１は、ユニット６に加え、内燃機関６０、第１双方向インバータ６３、第２双方向インバータ６４、出力端子６５及びバッテリ６６を有する。ユニット６は、遊星キャリア１９の軸部１９Ａが内燃機関６０の駆動軸であるクランク軸６１に直接に連結されている。これにより、遊星キャリア１９の軸部１９Ａは、クランク軸６１と等しい回転数で回転する。

第１電動発電機３の第１ステータコイル２９の三相の巻線２９Ｂは第１双方向インバータ６３に接続され、第２電動発電機４の第２ステータコイル３９の三相の巻線３９Ｂは第２双方向インバータ６４に接続されている。第１双方向インバータ６３の直流側は配線を介して出力端子６５に接続されている。第２双方向インバータ６４の直流側は、第１双方向インバータ６３の直流側と出力端子６５とを接続する配線に接続されている。また、第１双方向インバータ６３の直流側と出力端子６５とを接続する配線は、分岐してバッテリ６６に接続されている。これにより、第１電動発電機３で発生した三相交流は、第１双方向インバータ６３で直流に変換された後、出力端子６５及びバッテリ６６に供給されると共に、第２双方向インバータ６４を介して第２電動発電機４に供給され得る。また、第２電動発電機４で発生した三相交流は、第２双方向インバータ６４で直流に変換された後、出力端子６５及びバッテリ６６に供給されると共に、第１双方向インバータ６３を介して第１電動発電機３に供給され得る。

電動発電機装置１の制御装置６８には、クランク軸６１の回転位置を検出するクランク角センサ６９、第１回転センサ５５、及び第２回転センサ５６からの信号が入力される。制御装置６８は、クランク角センサ６９の信号に基づいて内燃機関６０（クランク軸６１及び遊星キャリア１９）の回転数を取得し、第１回転センサ５５の信号に基づいて第１電動発電機３（リングギヤ１７）の回転数を取得し、第２回転センサ５６の信号に基づいて第２電動発電機４（サンギヤ１６）の回転数を取得する。

制御装置６８には、電動発電機装置１が発生すべき電圧値を使用者が入力するための入力装置７１が接続されている。入力装置７１は、例えば、５Ｖ、１２Ｖ、２４Ｖ、４８Ｖ、７２Ｖ、１４４Ｖ等の予め設定された値を手動操作によって選択可能なダイヤルである。他の実施形態では、入力装置７１は任意の電圧値を入力可能な数値装置としてもよい。入力装置７１によって選択（入力）された電圧値は、要求電圧として制御装置６８に入力される。

制御装置６８は、内燃機関６０、第１及び第２双方向インバータ６３、６４、第１及び第２ブレーキ５０、５１を制御する。制御装置６８は、内燃機関６０のスロットルバルブ７２及びインジェクタ（不図示）の少なくとも一方を制御し、吸気量及び燃料噴射量の少なくとも一方を変化させ、クランク軸６１の回転数を変化させる。本実施形態では、インジェクタの燃料噴射量は吸気量に応じて設定され、制御装置６８はスロットルバルブ７２の開度を変化させることによって、内燃機関６０の回転数を変化させる。

制御装置６８は、第１及び第２双方向インバータ６３、６４のスイッチング素子のオン、オフを制御することによって、第１電動発電機３及び第２電動発電機４に供給する電力を変化させ、第１電動発電機３及び第２電動発電機４の回転数を変化させる。制御装置６８は、例えばＰＷＭ制御に基づいて第１電動発電機３及び第２電動発電機４に供給する電力を変化させ、第１電動発電機３及び第２電動発電機４の回転数を変化させる。

制御装置６８は、第１及び第２ブレーキ５０、５１の電磁石５０Ｃ、５１Ｃへの給電を制御することによって、各ブレーキディスク５０Ａ、５１Ａと第１ロータ２７及び第２ロータ３７の支持壁部３１Ｂ、４１Ｂとの接触状態を変化させ、第１ロータ２７及び第２ロータ３７の回転を制動する。

制御装置６８は、内燃機関６０、第１及び第２双方向インバータ６３、６４及び第１及び第２ブレーキ５０、５１を制御することによって、電動発電機装置１が発生する電圧を変化させる。電動発電機装置１は、第１電動発電機３及び第２電動発電機４の少なくとも一方から所定の電圧の電力を発生する。発電を行う電動発電機を出力側発電機（発電側発電機）といい、発電を行わない電動発電機を入力側発電機（駆動側発電機）という。入力側発電機は、出力側発電機の回転数を制御するために使用される。出力側発電機と入力側発電機は、要求電圧及びクランク軸６１の回転数に応じて選択される。

制御装置６８は、要求電圧に応じて第１電動発電機３及び第２電動発電機４から出力側発電機を選択し、出力側発電機が要求電圧を発生するために必要な回転数を設定する。そして、制御装置６８は、出力側発電機が設定した回転数となるように、内燃機関６０の目標回転数及び入力側発電機の目標回転数を設定する。そして、制御装置６８は、内燃機関６０が目標回転数となるようにスロットルバルブ７２やインジェクタ等を制御し、入力側発電機が目標回転数となるように入力側発電機に対応した双方向インバータ６３、６４を制御する。

以上のような制御手順は、予め設定されたマップを用いて簡素化してもよい。例えば、電動発電機装置１の要求電圧に対して、出力側発電機及び入力側発電機の選択、出力側発電機の目標回転数、入力側発電機の目標回転数、及び内燃機関６０の目標回転数が予め設定されたマップを用いるとよい。

図３は、サンギヤ１６の回転数を０に固定したときの遊星キャリア１９の回転数Ｎｃに対するリングギヤ１７の回転数Ｎｒと、リングギヤ１７の回転数を０に固定したときの遊星キャリア１９の回転数Ｎｃに対するサンギヤ１６の回転数Ｎｓとを示している。図３から、サンギヤ１６の回転数Ｎｓを０に固定した場合、リングギヤ１７の回転数Ｎｒは遊星キャリア１９の回転数Ｎｃに比例して増加し、リングギヤ１７の回転数Ｎｒを０に固定した場合、サンギヤ１６の回転数Ｎｓは遊星キャリア１９の回転数Ｎｃに比例して増加する。また、遊星キャリア１９の回転数Ｎｃが同じ場合、リングギヤ１７の回転数Ｎｒを０に固定したときのサンギヤ１６の回転数Ｎｓが、サンギヤ１６の回転数Ｎｓを０に固定したときのリングギヤ１７の回転数Ｎｒよりも高くなる。

遊星キャリア１９の回転数Ｎｃは、内燃機関６０の回転数によって定まる。内燃機関６０が最高回転数のとき遊星キャリア１９は最高回転数Ｎｃ（ｍａｘ）となり、内燃機関６０が最低回転数のとき遊星キャリア１９は最低高回転数Ｎｃ（ｍｉｎ）となり、内燃機関６０が定格出力回転数のとき遊星キャリア１９は定格回転数Ｎｃ（ｒｔｄ）となる。

電動発電機装置１の遊星歯車機構２におけるサンギヤ１６の歯数Ｚｓに対するリングギヤ１７の歯数Ｚｒの比であるギヤ比Ｚｒ／Ｚｓは、遊星キャリア１９の回転数Ｎｃが最高回転数Ｎｃ（ｍａｘ）であり、かつサンギヤ１６の回転数Ｎｓが０であるときのリングギヤ１７の回転数Ｎｒ（ｍａｘ）と、遊星キャリア１９の回転数Ｎｃが定格回転数Ｎｃ（ｒｔｄ）であり、かつリングギヤ１７の回転数Ｎｒが０であるときのサンギヤ１６の回転数Ｎｓ（ｒｔｄ）とが等しくなるように設定されている。

図４は、ギヤ比Ｚｒ／Ｚｓが１．５である場合の、サンギヤ１６の回転数Ｎｓを０に固定したときの遊星キャリア１９の回転数Ｎｃに対するリングギヤ１７の回転数Ｎｒと、リングギヤ１７の回転数Ｎｒを０に固定したときの遊星キャリア１９の回転数Ｎｃに対するサンギヤ１６の回転数Ｎｓとを示している。遊星キャリア１９の最高回転数Ｎｃ（ｍａｘ）が６０００ｒｐｍ、定格回転数Ｎｃ（ｒｔｄ）が４０００ｒｐｍであるとき、リングギヤ１７の回転数Ｎｒ（ｍａｘ）とサンギヤ１６の回転数Ｎｓ（ｒｔｄ）とは共に１００００ｒｐｍとなり、等しくなる。

以下、遊星キャリア１９の最高回転数Ｎｃ（ｍａｘ）を６０００ｒｐｍ、定格回転数Ｎｃ（ｒｔｄ）を４０００ｒｐｍ、ギヤ比Ｚｒ／Ｚｓを１．５とした場合の電動発電機装置１について説明する。

（定電圧制御）
制御装置６８による制御方法を以下に示す。第１の制御方法では、制御装置６８は、遊星キャリア１９の回転数が変動する場合に、第１電動発電機３及び第２電動発電機４の一方が一定の電圧を発生するように制御する。第１の制御方法は、制御装置６８が遊星キャリア１９の回転数を制御せず、回転数が他の要因に応じて変動する場合に適している。第１の制御方法は、例えば、内燃機関６０が車両等の駆動力として使用され、内燃機関６０の出力が乗員の要求出力に応じて設定される場合に適している。

図５（Ａ）は、第１電動発電機３を出力発電機、第２電動発電機４を入力発電機とし、第１電動発電機３が発生する電圧を一定とする場合の遊星キャリア１９、リングギヤ１７、及びサンギヤ１６の回転数を示す。以下の説明では、遊星キャリア１９の回転方向を正方向、逆を逆方向として説明する。第１電動発電機３が発電する電圧を一定にするためには、リングギヤ１７の回転数を一定にする必要がある。ここでは、リングギヤ１７の回転を正方向に一定の回転数に維持するものとする。この場合、サンギヤ１６を逆方向に回転させ、遊星キャリア１９の回転数の増加に応じてサンギヤ１６の回転数を低下させることによって、リングギヤ１７の回転数を一定に維持することができる。

図５（Ｂ）は、図５（Ａ）のように遊星キャリア１９、リングギヤ１７、及びサンギヤ１６を回転させたときの第１電動発電機３の出力、第２電動発電機４の入力、及び合算出力を示す。合算出力は、第１電動発電機３の出力と第２電動発電機４の入力とを合算したものであり、内燃機関６０の出力と等しくなる。第１電動発電機３が発生する電圧は、図５（Ａ）に示すようにリングギヤ１７の回転数が一定となるため、一定となる。内燃機関６０の出力及び回転数が変化する場合にも、第１電動発電機３の出力から内燃機関６０の出力を差し引いた分が第２電動発電機４の入力として使用されるため、第１電動発電機３の回転数及び電圧が一定に維持された状態で、第１電動発電機３の出力は内燃機関６０の出力と概ね等しい電力として取り出される。

図６（Ａ）は、第２電動発電機４を出力発電機、第１電動発電機３を入力発電機とし、第２電動発電機４が発生する電圧を一定とする場合の遊星キャリア１９、リングギヤ１７、及びサンギヤ１６の回転数を示す。第２電動発電機４が発電する電圧を一定にするためには、サンギヤ１６の回転数を一定にする必要がある。ここでは、サンギヤ１６の回転を正方向に一定の回転数に維持するものとする。この場合、遊星キャリア１９の回転数が低い領域ではリングギヤ１７を逆回転させ、遊星キャリア１９の回転数が高い領域ではリングギヤ１７を正回転させ、リングギヤ１７が逆回転する領域では遊星キャリア１９の回転数の増加に応じて回転数を低下させると共に、リングギヤ１７が正回転する領域では遊星キャリア１９の回転数の増加に応じて回転数を増加させることによって、サンギヤ１６の回転数を一定に維持することができる。

図６（Ｂ）は、図６（Ａ）のように遊星キャリア１９、リングギヤ１７、及びサンギヤ１６を回転させたときの第２電動発電機４の出力、第１電動発電機３の入力、及び合算出力を示す。合算出力は、第２電動発電機４の出力と第１電動発電機３の入力とを合算したものであり、内燃機関６０の出力と等しくなる。第２電動発電機４の出力は、図６（Ａ）に示すようにサンギヤ１６の回転数が一定となるため、一定となる。

図５（Ｂ）と図６（Ｂ）とを比較すると、遊星キャリア１９の低回転域（１０００〜３０００ｒｐｍ）では、リングギヤ１７の回転数を一定とした場合（図５Ｂ）は、サンギヤ１６の回転数を一定とした場合（図６Ｂ）よりも、合算出力に対する入力の割合が大きくなり、効率が悪い。そのため、遊星キャリア１９の低回転域では、サンギヤ１６の回転数を一定とし、第２電動発電機４を出力とする場合の方が、効率がよい。

一方、図６（Ａ）、（Ｂ）に示すように、サンギヤ１６の回転数を一定とした場合には、高回転域（４０００〜６０００ｒｐｍ）において、リングギヤ１７の回転が正方向となり、第１電動発電機３が発電を行う。この第１電動発電機３による発電は、遊星キャリア１９の回転数に応じて増減するため、電圧を制御が困難になる。

図７（Ａ）は、遊星キャリア１９の低回転域では第２電動発電機４を出力発電機とし、高回転域では第１電動発電機３を出力発電機とした場合の遊星キャリア１９、リングギヤ１７、及びサンギヤ１６の回転数を示す。上述したように、遊星キャリア１９の低回転域では、サンギヤ１６の回転数を一定とした方が、効率がよいが、遊星キャリア１９の高回転域では、サンギヤ１６の回転数を一定とすると、第１電動発電機３も電圧を発生するようになり、電圧の制御が困難になる。そのため、図７（Ａ）に示すように、遊星キャリア１９の低回転域ではサンギヤ１６の回転数を一定とし、高回転域ではリングギヤ１７の回転数を一定とするとよい。本実施形態では、遊星キャリア１９の回転数が４０００ｒｐｍ（定格回転数）のときに、サンギヤ１６及びリングギヤ１７のうちで回転数を一定とするギヤを切り換える。この切換時には、サンギヤ１６及びリングギヤ１７の回転方向の切換と、比較的大きな回転数変化が生じることになるが、第１ブレーキ５０及び第２ブレーキ５１を使用することによって、サンギヤ１６（第２ロータ３７）及びリングギヤ１７（第１ロータ２７）の回転数を円滑に変化させることができる。

（電圧可変制御）
第２の制御方法は、入力装置７１によって選択された要求電圧を電動発電機装置１が出力するために、制御装置６８が、少なくとも遊星キャリア１９の回転数を変化させることによって、出力発電機の回転数を変化させ、出力する電圧を変更することができる。出力発電機は、第１電動発電機３及び第２電動発電機４の一方、又は両方であってよい。図８は、電動機発電機装置が出力する電圧と、そのときの遊星キャリア１９（内燃機関６０）、リングギヤ１７（第１電動発電機３）、及びサンギヤ１６（第２電動発電機４）の回転数を示すマップである。図８に示すように、本実施形態では、電動機発電機装置は、ＤＣ５Ｖ、ＤＣ１２Ｖ、ＤＣ２４Ｖ、ＤＣ４８Ｖ、ＤＣ７２Ｖ、及びＤＣ１４４Ｖのいずれかを出力可能であり、入力装置７１の操作によって出力する電圧が設定される。

本実施形態では、電動発電機装置１の要求電圧が設定されると、図８に基づいて、遊星キャリア１９（内燃機関６０）、リングギヤ１７（第１電動発電機３）、及びサンギヤ１６（第２電動発電機４）の回転数が設定され、第１及び第２電動発電機４から少なくとも１つの出力側発電機が設定される。図８では、２４〜１４４Ｖの各電圧を達成するために複数の回転数の組み合わせが記載されているが、実際に制御を行う場合にはそれらのうちの１つの回転数の組み合わせが設定されているとよい。例えば、ＤＣ４８Ｖが選択されたときには、遊星キャリア１９の回転数を２０００ｒｐｍ、第１電動発電機３を入力発電機としてリングギヤ１７の回転数を−３３３３ｒｐｍ、第２電動発電機４を出力発電機としてサンギヤ１６の回転数を１００００ｒｐｍとするとよい。なお、内燃機関６０の騒音低減の観点から、遊星キャリア１９の回転数は低い方が好ましい。

（充電制御）
第３の制御方法として、本実施形態に係る電動発電機装置１は、バッテリ６６に充電を行う際に、遊星キャリア１９、リングギヤ１７、サンギヤ１６の回転数を変化させることによって、出力する電圧を変化させ、定電流・定電圧充電制御による充電を行うことができる。図９（Ａ）は、定電流・定電圧制御によって充電を行うときのバッテリ６６に供給される電圧及び電流の経時変化を示すグラフである。図９（Ａ）に示すように、定電流・定電圧制御は、充電の初期に定電流充電を行い、電圧が所定の電圧に到達した後に定電圧充電を行う充電手法である。定電流・定電圧制御によれば、高速充電が可能であると共に、過充電を防止することができる。

図９（Ｂ）は、遊星キャリア１９の回転数を一定とし、第２電動発電機４（サンギヤ１６）を出力、第１電動発電機３（リングギヤ１７）を入力として定電流・定電圧制御を行う場合の各回転数の経時変化を示すグラフである。図９（Ｂ）に示すように、遊星キャリア１９の回転数を一定とした場合には、リングギヤ１７の回転数を変化させることによってサンギヤ１６の回転数を変化させ、第２電動発電機４が発生する電圧を変化させて定電流・定電圧制御を行う。

図９（Ｃ）は、リングギヤ１７の回転数を０に固定し、第１電動発電機３（リングギヤ１７）を出力として定電流・定電圧制御を行う場合の各回転数の経時変化を示すグラフである。図９（Ｃ）に示すように、リングギヤ１７の回転数を０に固定した場合には、内燃機関６０を制御することによって遊星キャリア１９の回転数を変化させ、それによってリングギヤ１７の回転数を変化させ、第１電動発電機３が発生する電圧を変化させて定電流・定電圧制御を行う。

図９（Ｄ）は、第２電動発電機４（サンギヤ１６）を出力とし、遊星キャリア１９及びリングギヤ１７の回転数を変化させることによって定電流・定電圧制御を行う場合の各回転数の経時変化を示すグラフである。図９（Ｄ）に示すように、充電初期の定電流制御によって供給する電圧が増加する期間はリングギヤ１７の回転数を０に固定し、内燃機関６０を制御することによって遊星キャリア１９の回転数を変化させ、それによってサンギヤ１６の回転数を変化させ、第２電動発電機４が発生する電圧を変化させる。そして、時間が経過し、定電流制御から定電圧制御に切り替った後は、リングギヤ１７を逆方向に所定の回転数で回転させることによって、遊星キャリア１９及び内燃機関６０の回転数を低減させながら、サンギヤ１６の回転数を一定に維持する。このようにリングギヤ１７を回転させ、内燃機関６０の回転数を低減させることによって、内燃機関６０に起因する騒音を低減させることができる。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、電動発電機装置１を自動車用の発電機として使用する場合には、出力端子６５及び入力装置７１は省略し、第１電動発電機３又は第２電動発電機４は、例えば所定の一定電圧を発生するようにしてもよい。

上記の実施形態では、遊星キャリア１９の軸部１９Ａと内燃機関６０のクランク軸６１とを直接に連結する構成としたが、他の実施形態では変速機を含む駆動力伝達機構を介して連結されてもよい。

１...電動発電機装置、２...遊星歯車機構、３...第１電動発電機、４...第２電動発電機、５...ケース、６...ユニット、１６...サンギヤ、１７...リングギヤ、１８...遊星ギヤ、１９...遊星キャリア、２７...第１ロータ、２９...第１ステータコイル、３１、４１...支持部材、３２、４２...永久磁石、３７...第２ロータ、３９...第２ステータコイル、５０...第１ブレーキ、５０Ａ...第１ブレーキディスク、５０Ａ...ブレーキディスク、５０Ｂ...第１付勢部材、５０Ｃ...第１電磁石、５１...第２ブレーキ、５１Ａ...第２ブレーキディスク、５１Ｂ...第２付勢部材、５１Ｃ...第２電磁石、５５...第１回転センサ、５５Ａ...ホール素子（磁気センサ）、５５Ｂ...露出孔、５６...第２回転センサ、５６Ａ...ホール素子（磁気センサ）、５６Ｂ...露出孔、６０...内燃機関、６１...クランク軸、６３...第１双方向インバータ、６４...第２双方向インバータ、６５...出力端子、６６...バッテリ、６８...制御装置、６９...クランク角センサ、７１...入力装置、７２...スロットルバルブ、Ａ...軸線

Claims (4)

1. 駆動源と、界磁に永久磁石を用いた第１及び第２電動発電機と、前記第１電動発電機のロータである第１ロータに結合されたリングギヤ、前記第２電動発電機のロータである第２ロータに結合されたサンギヤ、及び前記駆動源に結合された遊星キャリアを含む遊星歯車機構とを有する電動発電機装置であって、
   前記第１及び第２電動発電機の一方が発生する電圧を制御するために、前記第１及び第２電動発電機の他方の回転数と前記駆動源の回転数との少なくとも一方を変化させ、前記第１及び第２電動発電機の一方の回転数を制御し、
   前記駆動源は内燃機関であり、
   前記遊星キャリアは前記内燃機関の駆動軸に連結され、
   前記内燃機関の回転数が最高回転数であるときの前記遊星キャリアの回転数を遊星キャリア最高回転数とし、前記内燃機関の回転数が定格出力回転数であるときの前記遊星キャリアの回転数を遊星キャリア定格回転数とし、前記遊星キャリア最高回転数であり、かつ前記サンギヤの回転数が０であるときの前記リングギヤの回転数をリングギヤ最高回転数とし、前記遊星キャリア定格回転数であり、かつ前記リングギヤの回転数が０であるときの前記サンギヤの回転数をサンギヤ定格回転数とすると、前記リングギヤ最高回転数と前記サンギヤ定格回転数とが等しくなるように、前記サンギヤの歯数に対する前記リングギヤの歯数の比が設定され、
   前記第１電動発電機が前記リングギヤ最高回転数のときに発生する電圧が４８Ｖ〜６０Ｖの範囲内であり、かつ前記第２電動発電機が前記サンギヤ定格回転数のときに発生する電圧が４８Ｖ〜６０Ｖの範囲内であることを特徴とする電動発電機装置。
2. 前記第１ロータ及び前記第２ロータを収容するケースと、
   前記第１ロータと前記ケースとの間に設けられ、前記ケースに対する前記第１ロータの相対回転を制動する第１ブレーキと、
   前記第２ロータと前記ケースとの間に設けられ、前記ケースに対する前記第２ロータの相対回転を制動する第２ブレーキとを有することを特徴とする請求項１に記載の電動発電機装置。
3. 前記遊星キャリアの回転数が所定の切換回転数よりも低い場合に、前記第１電動発電機の回転数を変化させることによって前記第２電動発電機の回転数を一定にして前記第２電動発電機が発電を行い、前記遊星キャリアの回転数が前記切換回転数以上の場合に前記第２電動発電機の回転数を変化させることによって前記第１電動発電機の回転数を一定にし、前記第１電動発電機が発電を行うことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電動発電機装置。
4. 前記第１及び第２ロータは、回転軸の径方向に延在する支持部材と、前記支持部材の回転軸方向における一方の側面に取り付けられた永久磁石と、前記支持部材を回転軸方向に貫通して前記永久磁石を前記支持部材の回転軸方向における他方の側面側に露出させる露出孔とを有し、
   前記第１ロータ及び前記第２ロータを収容するケースには、前記露出孔を通過した磁束を検出する磁気センサが設けられていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つの項に記載の電動発電機装置。

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