JPH1042600A - 電気式無段変速装置およびそれを用いた自動車 - Google Patents

電気式無段変速装置およびそれを用いた自動車

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JPH1042600A
JPH1042600A JP19307496A JP19307496A JPH1042600A JP H1042600 A JPH1042600 A JP H1042600A JP 19307496 A JP19307496 A JP 19307496A JP 19307496 A JP19307496 A JP 19307496A JP H1042600 A JPH1042600 A JP H1042600A
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良三 正木
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文男 田島
Shigeki Morinaga
茂樹 森永
Taizo Miyazaki
泰三 宮崎
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Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】入力軸と出力軸の速度差及びトルク差を任意に
制御し、常に最適な変速比で運転する電気式無段変速装
置を実現するにある。 【解決手段】入力軸と出力軸にそれぞれ接続された２つ
の回転子を持つ主モータ１２のトルクを制御する主イン
バータ１４と、出力軸にトルクを付加する副モータ１３
のトルクを制御する副インバータ１５と、外部から与え
られる運転指令に対して最適な変速比を演算する変速比
演算部２２を備え、変速比演算部２２で得られた信号を
もとに主インバータ１４、及び、副インバータ１５を制
御し、最適な動作点で駆動する。そのとき、主モータ１
２の２つの回転子の速度差により発生する電力を主イン
バータ１４により直流に変換し、そのエネルギーは副イ
ンバータ１５から副モータ１３のトルクに変換される。
これにより、電気的に任意の変速比で変速機能を実現す
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は動力の伝達をスムー
ズにさせる変速装置で、特に、自動車において、電気的
に原動機の速度を車両の速度に変速する無段変速装置お
よびそれを用いた自動車に関する。
【０００２】
【従来の技術】無段変速装置としては、金属ベルトなど
を用いてギア比を機械的に無段階に変える方法が一般的
によく知られている。それに対して、無段変速装置とし
て、２重回転子を有するモータを用いて電磁力により入
力軸の回転速度を出力軸の回転速度に変速する方法が例
えば、特開昭50−54754 号公報，USP3,789,281（特公昭
53−168 号公報），特開昭53−13050 号公報などで提案
されている。この種電気式無段変速装置は機械式に比べ
て機械的な摩耗個所が少ないため、信頼性の高いシステ
ムを構築できる特徴を持っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記第１の引用文献
は、出力軸の負荷トルクが増加するのに従って出力軸の
回転数が高速から低速に減少する特性を持つことが記載
されている。この特性は各回転子の巻線および固定子の
巻線の構成方法によって得られる特徴である。しかしな
がら、自動車への応用を考慮した場合には任意に運転者
の意志どおりに変速比を制御すべきであるのに対し運転
者の意志と関係なく、負荷の大きさによって変速比が決
定されてしまう問題がある。
【０００４】また第２の引用文献によれば、電磁継手お
よび回転機に流す電流は電力変換装置を用いるとき、あ
る程度制御することはできる。しかし、この場合にも、
原動機や負荷状態によって変速比は勝手に決まってしま
う。
【０００５】さらに第３の引用文献、特に第６図では、
２つの周波数変換装置を用いて電流をそれぞれ独立して
制御することは可能であるが、回転子１と回転子２の間
のトルクだけを制御できるに過ぎない。そのため、この
公知例は速度比を制御することはできるが、入力側のト
ルクと出力側のトルクを任意に制御することはできず、
自動車のような変速機の代わりとしては利用しづらい。
【０００６】また、これらの公知例では、電流を制御す
る場合でも一方向の電流しか考慮されておらず、最適な
動作領域で駆動できないことがある。
【０００７】上記問題点を考慮すれば、入出力軸の速度
差、およびトルク差を任意に制御し、機械的摩擦が少な
く、高効率で、かつ、乗り心地の優れた無段変速機が望
まれる。
【０００８】また、どんなトルク，速度領域でも、無段
変速機の変速比を制御することにより、原動機およびシ
ステムの高効率駆動を常に可能にするシステムが望まれ
る。さらに、自動車の燃費を向上し、少ない燃料で走行
距離を延長できるハイブリッド車システムが望まれる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、第１の回転子
と、第２の回転子と、該第１及び第２の回転子の相互に
トルクを発生する第１の巻線と、前記第１あるいは第２
の回転子と固定子の相互にトルクを発生する第２の巻線
と、外部から与えられる運転指令に対して変速比指令値
を決定する制御装置と、該変速比指令値となるように前
記第１及び第２の巻線にそれぞれ独立に電流を流して各
トルクを制御する電力変換器とを備えている。
【００１０】また、本発明の好ましくは、直流から交流
に、交流から直流に変換できる第１および第２の電力変
換器を備え、第１及び第２の巻線にそれぞれ独立に電流
を流す制御を行うことにより達成される。
【００１１】さらに、本発明の好ましくは、原動機と、
蓄電装置と、前記原動機の回転エネルギーを前記蓄電装
置に蓄積し、その蓄電したエネルギーを車体を駆動する
駆動軸のトルクに変換するエネルギー変換装置とを備え
たハイブリッド自動車において、前記エネルギー変換装
置は、前記原動機により回転する第１の回転子と、前記
駆動軸を回転する第２の回転子と、前記第１の回転子に
設けた第１の巻線と、第２の回転子に設けられた第２の
巻線と、運転者の運転指令に対して速度比指令値を決定
する制御装置と、該速度比指令値となるように前記第
１，第２の巻線に流す電流を独立に制御する電力変換器
とを備えている。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図１に
より説明する。図１がエンジン１の駆動力により車体２
を駆動する自動車である。アクセル７の踏み込み量ｘａ
により決まるエンジンの回転速度を無段変速装置３によ
り変速して得られた駆動トルクτｅを車軸５を介してタ
イヤ６ａ，６ｂに車両トルクτｖ（無段変速装置３の出
力軸での換算値）として伝達し、車体２を走行させる。
制御装置４は無段変速装置３を次のように制御する。
【００１３】運転者がアクセル７，ブレーキ８，前進，
後進，停止を指示する切替スイッチ９を操作すると、ア
クセル７の踏み込み量ｘａ，ブレーキ８の踏み込み量ｘ
ｂ，切替スイッチ９の切替信号ｘｃが制御装置４の車両
トルク指令演算部１１に入力される。車両トルク指令演
算部１１には、さらに速度センサ１０により得られた車
両速度ωｖ（無段変速装置３の出力軸での換算値）が入
力される。この車両速度ωｖをパラメータとして、アク
セル踏み込み量ｘａ，ブレーキ踏み込み量ｘｂ，切替信
号ｘｃに応じて車両が出力すべき目標車両トルク指令値
τｖ* を車両トルク指令演算部１１で演算する。トルク
指令値τｖ* により運転車が感じる加速感，安定感など
を変えることができるので、運転指令に適した特性にな
るように、ｘａ，ｘｂと車両トルク指令値τｖ* の関係
が設定される。
【００１４】ここで、本発明の特徴である無段変速装置
３の構成について説明する。この無段変速装置３の主な
構成要素は、２重回転子構造を有する主モータ１２，出
力軸のトルクを加減する副モータ１３，主モータ１２の
３相巻線１８に電流を供給する主インバータ１４，副モ
ータ１３の３相巻線２０に電流を供給する副インバータ
１５、および、インバータ１４，１５の直流側端子に接
続されたコンデンサ１６からなる。この実施例では、主
モータ１２，副モータ１３はいずれも運転効率の良い永
久磁石式同期モータを用いている。主モータ１２はエン
ジン１の回転軸に直結して回転する第１回転子１７と、
車軸５を介してタイヤ６ａ，６ｂを駆動する第２回転子
１９で構成されており、第１回転子１７に配置した３相
巻線１８に流れる電流と第２回転子１９に配置した磁石
の関係により、第１及び第２回転子１７，１９にトルク
τ１を発生する。このトルクτは後述する制御方法によ
りエンジントルクτｅと釣り合うように制御される。つ
まり、第１及び第２回転子１７，１９にエンジントルク
τｅを発生させる。
【００１５】このとき、エンジン速度ωｅ（エンジンの
回転速度）と車両速度ωｖの関係がωｅ＞ωｖとする
と、主インバータ１４のエネルギーが３相交流から直流
に変換されて流れるようになる。このエネルギーを用い
て副インバータ１５で再び直流から３相交流に変換し、
副モータ１３の固定子１３ａに配置した３相巻線２０に
電流を流すことができる。この電流により回転子２１に
トルクτm2が発生するので、このトルクを後述する制御
演算により、 τm2＝τｖ−τｅ …（１） となるように、副モータ１３を制御してトルクτm2を制
御する。このような制御により、無段変速装置３の入力
軸（つまり、エンジンの回転軸）におけるエンジン速度
ωｅ，エンジントルクτｅを、出力軸における車両速度
ωｖ，車両トルクτｖに変換することができる。なお、
モータ，インバータの損失を無視できるとすれば、エン
ジン出力Ｐは、 Ｐ＝τｅωｅ＝τｖωｖ …（２） となり、機械的な無段変速機と同様の機能を図１の実施
例で達成できることになる。
【００１６】そこで、これを実現するための制御装置４
について説明する。制御装置４は前述した車両トルク指
令演算部１１の他に、変速比演算部２２，主インバータ
制御部２３、及び、副インバータ制御部２４から構成さ
れる。
【００１７】変速比演算部２２で行われる変速比の演算
に基づいた変速方法を図２に示す。また、具体的な演算
方法を図３のフローチャートに示す。図２の速度−トル
ク特性は、主モータと副モータが発生できるトルクを一
致するように設計したときの駆動領域を示したものであ
る。変速方法はこの駆動領域を図２（ａ）に示すよう
に、領域Ａ，Ｂ，Ｃに分けて演算が行われ、常にエンジ
ンの動作が車両の運転状態にかかわらず領域Ｂとなるよ
うに、変速制御される。このため、第２回転子１９の最
高速度が第１回転子１７の最高速度よりも大きくなるの
で、図１に示すように、第２回転子１９を第１回転子１
７の内部に配置している。
【００１８】さて、変速制御について、例えば、車両の
運転領域がＡ（車両の動作点を○で示す）のとき、エン
ジンの動作点が領域Ａと領域Ｂの境界線上の点（エンジ
ンの動作点を×で示す）で、かつ、τe1ωe1＝τv1ωv1
となるようにする。図２(ｂ)がそのときの動作点を表し
ている。図２（ｃ）のように、車両の運転領域がＢの場
合には、等速、等トルク制御（ωe2＝ωv2，τe2＝τv
2）を行う。このときには、インバータ１４，１５の間
で流れる電力はほぼ０となり、エンジンの出力は主モー
タ１２の第１回転子１７から第２回転子１９に直接転送
されるので、伝達効率は最も良くなる。さらに、図２
（ｄ）に示す領域Ｃで車両を駆動する場合は、エンジン
の動作点は領域Ｂと領域Ｃの境界線上で、かつ、τe3ω
e3＝τv3ωv3が成立するように制御される。
【００１９】このような制御の指令値は図３に示す処理
方法を変速比演算部２２で行うことにより達成される。
図３において、ステップ１０１で車両トルク指令値τｖ
* と車両速度ωｖを入力し、ステップ１０２でこれらの
値から車両の領域がＡ，Ｂ，Ｃのいずれであるかを判断
する。その結果が領域Ａであれば、ステップ１０３で車
両出力指令値Ｐｖ* を求めた後、ステップ１０４におい
て領域Ａ，Ｂの境界線上で、かつ、Ｐｖ*＝τｅ*ωｅ*
となるエンジントルク指令値τｅ* ，エンジン速度指令
値ωｅ* を演算する。これらは一意に決定される。この
演算を変速比演算とよぶ。また、ステップ１０２での判
断が領域Ｂであれば、ステップ１０５においてτｅ*＝
τｖ*，ωｅ*＝ωｖ と設定する。つまり、変速比が１
と設定することになる。さらに、ステップ１０２での判
断が領域Ｃならば、ステップ１０６で車両出力指令値Ｐ
ｖ* を演算し、ステップ１０７で領域Ｂ，Ｃの境界線上
で、かつ、Ｐｖ*＝τｅ*ωｅ* となるエンジントルク指
令値τｅ* 、エンジン速度指令値ωｅ* を求める。次
に、ステップ１０８において副モータ１３の副モータト
ルク指令値τm2* を車両トルク指令値τｖ* とエンジン
トルク指令値τｅ* との差から演算し、ステップ１０９
で副モータトルク指令値τm2* とエンジン速度指令値ω
ｅ* を出力する。これにより、無段変速装置３の車両が
要求する変速比を適切に設定するものである。
【００２０】次に、エンジン速度指令値ωｅ* を用いて
主モータ１２のトルクを制御する主インバータ制御部２
３の演算内容をブロック図（図４）に示す。図１におい
て速度センサ２６と角度センサ２７によりそれぞれ検出
されるエンジン速度ωｅと、第１回転子１７と第２回転
子１９の相対角度θm1を主インバータ制御部２３に入力
して演算が行われる。まず、エンジントルク指令部２９
では、エンジン速度指令値ωｅ* とエンジン速度ωｅの
偏差によりフィードバック演算を行い、エンジントルク
指令値τｅ* を得る。このトルク指令値τｅ* とエンジ
ン速度ωｅとにより、その動作点において主モータ１２
の損失が最小となるように、同期モータの磁極と一致し
たｄ軸電流指令値ｉd1* とそれに直交したｑ軸電流指令
値ｉq1*を電流指令部３０で演算する。これはベクトル
制御方法と呼ばれる一般的な方法で、電流指令値どおり
に電流制御できれば、トルク指令値τｅ* を主モータ１
２から発生することができるものである。電流制御部３
１は回転座標系のｄ−ｑ座標系での電流制御演算を行う
ためのもので、ｄ軸電流指令値ｉd1* ，ｑ軸電流指令値
ｉq1* に対して座標変換部３４で得られたｄ軸電流ｉd
1，ｑ軸電流ｉq1をフィードバック制御し、ｄ軸電圧指
令値ｖd1* ，ｑ軸電圧指令値ｖq1* を求めている。な
お、座標変換部３４は主インバータ１４の各相の電流ｉ
ｕ，ｉｖ，ｉｗを相対角度θm1によりｄ−ｑ座標系のｄ
軸電流ｉd1，ｑ軸電流ｉq1に変換している。
【００２１】座標変換部３２では、ｄ軸電圧指令値ｖd1
*，ｑ軸電圧指令値ｖq1*を相対角度θm1により３相の電
圧指令値ｖu1*，ｖv1*，ｖw1* に変換している。さら
に、ＰＷＭ発生部３３において、それらの電圧指令値を
ＰＷＭ信号Ｐu1，Ｐv1，Ｐw1に変換し、主インバータ１
４に出力している。これにより、インバータの出力電流
を指令値どおりに制御することができるので、主モータ
１２の第１回転子１７，第２回転子１９には主インバー
タ制御部２３で演算したトルク指令値τｅ* が発生す
る。また、速度フィードバック制御により主モータ１２
の第１回転子１７の速度、つまり、エンジン速度ωｅは
エンジン速度指令値ωｅ* と一致する。
【００２２】なお、主インバータ制御部２３で演算した
トルク指令値τｅ* が変速比演算部２２で求めたトルク
指令値τｅ* と一致するためには、アクセル踏み込み量
ｘａで駆動されるエンジン１の特性と車両トルク指令演
算部１１の車両トルク指令値τｖ* の演算方法をあらか
じめ合わせ込んでおく必要がある。
【００２３】次に、図５の副インバータ制御部２４につ
いて説明する。電流指令部３６，電流制御部３７，座標
変換部３８，３９，ＰＷＭ発生部４０の動作は、車両速
度ωｖと、角度センサ２８により検出する副モータ角度
θm2を用いる点が異なるほかは、主インバータ制御部２
３で説明した電流指令部３０，電流制御部３１，座標変
換部３４，３２，ＰＷＭ発生部３３の動作と同じであ
る。副インバータ制御部２４が主インバータ制御部２３
と異なる点は、電流指令部３６に入力するトルク指令の
演算方法である。本来は、副モータトルク指令値τm2*
を電流指令部３６に入力するだけで、副モータ１３から
ほぼトルク指令値τm2* となるトルクが発生するので、
他の演算は必要ない。しかし、この実施例では、コンデ
ンサ状態検出器２５によりコンデンサ１６の電圧ＶＢと
それに流れる電流ｉＢを検出し、副インバータ制御部２
４に入力している。これらの積、つまり、ＶＢｉＢがコ
ンデンサを入出力する電力ＰＢになる。電力制御部３５
では、この電力ＰＢを０とするように電力ＰＢをフィー
ドバック制御する演算を行う。この演算結果と副モータ
トルク指令値τm2* の和を電流指令部３６の入力とする
ことにより、コンデンサ１６に入，出力する電力を常に
０としながら副モータ１３の発生するトルクをほぼトル
ク指令値τm2* にすることができる。このため、コンデ
ンサの容量は小さくても無段変速機の機能を得ることが
できる特徴を持っている。
【００２４】このときのエネルギーの流れと効率につい
て図６を用いて説明する。図６(ａ)がエンジン駆動効率
と制御に用いた領域Ｂの関係である。エンジンの駆動効
率は中速回転で中トルクのときが最も良好で、できるだ
けその領域でエンジンを駆動することが自動車の燃費を
向上することになる。領域Ｂはエンジン効率が最適な領
域のことであり、電気式無段変速機を用いて常にエンジ
ンが領域Ｂで駆動するように制御することが本実施例に
より可能になる。
【００２５】また、車両の運転領域がＡ，Ｂ，Ｃの場
合、それぞれエネルギーがどのように流れるかについて
説明する。エネルギーはＰ１，Ｐ２，Ｐ３の３つに分け
て考えることができる。エネルギーＰ１は主モータ１２
の第１回転子から第２回転子へ直接転送されるもので、
図６（ｂ）のトルク０−τe1，速度０−ωv1で囲まれた
範囲（実線で囲まれた範囲）となり、次式で表わされ
る。
【００２６】 Ｐ１＝τｅωｖ …（３） エネルギーＰ２は主モータ１２の巻線１８から主インバ
ータ１４に流れるエネルギーのことで、図６（ｂ）のト
ルク０−τe1，速度ωv1−ωe1で囲まれた範囲（第２領
域）となり、 Ｐ２＝τｅ（ωｅ−ωｖ） …（４） で与えられる。エネルギーＰ３は副インバータ１５から
副モータ１３の３相巻線２０に流れるエネルギーのこと
で、図６（ｂ）のトルクτe1−τv1，速度０−ωv1で囲
まれた範囲（第３領域）となり、次式となる。
【００２７】 Ｐ３＝（τｖ−τｅ）ωｖ …（５） 図６（ｂ）、つまり、領域Ａの場合、エネルギーＰ１は
エンジン１から主モータ１２を介して直接車軸５を駆動
するエネルギーで、インバータなどの電気的な変換を必
要としないため、損失が非常に少ないエネルギーであ
る。エネルギーＰ２が主インバータ１４を流れ、エネル
ギーＰ３となって副モータ１３からトルクを発生し、主
モータ１２のトルクをアシストすることになる。車両に
は、エネルギーＰ１＋Ｐ３が駆動力として出力される。
このように、インバータを通るエネルギーが半減するの
で、損失は低減し、無段変速装置３自体の効率も向上す
る。
【００２８】車両の運転領域がＢのときには、Ｐ２＝Ｐ
３＝０となるので、インバータの損失は非常に小さくな
り、自動車としての総合効率は非常に高くなる。
【００２９】なお、車両の運転領域Ｃの場合には、エネ
ルギーＰ１は図６（ｄ）のトルク０−τe3，速度０−ω
v3で囲まれた範囲（実線で囲まれた範囲）と大きい。そ
のうち、エネルギーＰ３が副モータ１３から副インバー
タ１５に逆に流れていくことになる。つまり、Ｐ３＜０
である。そのエネルギーＰ３がエネルギーＰ２となり、
主モータ１２で車軸５を加速する働きをすることにな
る。つまり、必要以上のエネルギーＰ１を発生して、Ｐ
３，Ｐ２で循環させている構造となるので、領域Ｃでの
変速制御による効率は他の領域よりはわずかながら低下
する。しかし、エンジンの効率向上が図られるので、シ
ステムの効率は向上し、全領域にわたって低損失化を達
成できる。
【００３０】ところで、図１の構成において、主インバ
ータ１４，副インバータ１５でそれぞれ主モータ１２，
副モータ１３を駆動する構成とし、主インバータ１４と
副インバータ１５の直流側の正端子，負端子をそれぞれ
相互に接続していることは、電力の融通が行いやすい構
成であり、本実施例が変速比の制御範囲を拡大する理由
の一つになっている。この点も本実施例の長所である。
【００３１】本実施例では、エンジン制御のための特別
な装置を必要とすることなく、比較的簡単なシステム構
成で、自動車の燃費を向上できる特長がある。
【００３２】図７はエンジン制御を行いながらより自動
車を高効率に駆動する実施例である。図１と異なる主な
点は、エンジン１と無段変速装置３との間に増速ギア４
１を設けたこと、エンジン１をアクセル７の踏み込み量
ｘａで駆動するのではなく、エンジン制御装置４２によ
り制御すること、の２点である。
【００３３】エンジン制御装置４２を追加することによ
り、エンジン１のエンジン速度ωｅを主インバータ制御
部２３ではなく、エンジン制御装置４２で行うようにし
た。そのため、変速比演算部２２で得られるエンジン速
度指令値ωｅ* とエンジン速度ωｅをエンジン制御装置
４２に入力している。ここで、それらの偏差をもとに速
度フィードバック制御を行い、エンジン制御信号Ｐｓに
よりエンジンを制御している。これにより、エンジン１
のエンジン速度ωｅは負荷状態によらず、常にエンジン
速度指令値ωｅ* となるように制御される。また、主イ
ンバータ制御部２３では、図３で得られるエンジントル
ク指令τｅ* を入力し、図４のエンジントルク指令部２
９の出力の代わりに電流指令部３０の演算結果を用いて
いる。このように制御することにより、エンジンの経年
変化やパラメータの変化があった場合にも、エンジン１
はほぼエンジン速度指令値ωｅ* で、かつ、エンジント
ルク指令τｅ* の動作点で駆動することができるので、
常に設計値どおりの最適な運転が可能になる。
【００３４】次に、増速ギア４１の効果について説明す
る。前の実施例の説明で運転領域がＣの場合、システム
の効率向上の効果が少なくなることを述べた。そこで、
増速ギア４１をエンジン１の出力軸に挿入する。そのと
き、増速ギア４１のギア比を２：１としよう。増速ギア
４１の出力軸におけるトルクはエンジン１の出力軸のト
ルクよりも半減し、速度は２倍になる。これにより、エ
ンジン１の効率が最も良好な領域、つまり、領域Ｂも低
トルク、高速の領域に移動することになる。図８（ａ）
が図７の実施例の駆動領域を表した１例である。領域Ｂ
は領域Ｃの方向に移動するので、領域Ｃの面積が少なく
なり、領域Ａの面積が増加するので、インバータ１４，
１５を通るエネルギーを全体として減少させることがで
きる。したがって、自動車の燃費をさらに向上すること
ができる。また、図８（ｂ）のように車両の運転領域が
Ｃのときの変速方法を、図２（ｄ）とは異なる方法にす
る。つまり、これは領域Ｂと同じようにエネルギーがイ
ンバータを通さないで転送されるようにしたものであ
る。この場合、無段変速装置３の損失は非常に少なくな
る。エンジンの効率は低下するものの、増速ギア４１を
挿入することにより駆動するエンジン効率の低下は少な
い。特に、自動車の走行抵抗を考慮すれば、その領域で
の効率低下はさらに少なくなる。従って、全体としての
システム効率は向上する。
【００３５】また、エンジン速度ωｅ（増速ギア４１の
出力側の値）の動作点は比較的高くなるので、主モータ
１２の第１回転子１７を第２回転子１９よりも内側に配
置している。これにより、回転子の平均周速度を低くす
ることができるので、信頼性を向上することも可能であ
る。
【００３６】以上のように、本実施例を用いれば、最適
な動作点で確実に動作し、駆動時の損失をさらに低減で
きるので、自動車の燃費をさらに向上できる特長があ
る。
【００３７】図９は主モータと副モータを一体にした無
段変速装置を用いた実施例で、エンジン１から複数巻線
モータ４３までの構成を示したものである。エンジン１
の出力軸により接続された第１回転子４４に第１の３相
巻線４７が、車軸５に接続された第２回転子４５に永久
磁石４５ａが配置されている。これにより、主モータ部
を構成している。また、固定子４６に第２の３相巻線４
８が配置され、第２回転子４５の永久磁石４５ａととも
に、副モータ部を構成している。このような構成を採用
することにより、無段変速装置をコンパクトにできるの
で、自動車への搭載性，組立て性を向上することができ
る。また、副モータ部が発生できる最大トルクを主モー
タ部の最大トルクより大きくしたときの速度−トルク特
性を図１０に示す。低速度領域での発生できるトルクを
非常に大きくできるので、発進加速特性に優れた自動車
システムを提供できる特長がある。
【００３８】この実施例によれば、自動車の燃費を向上
しながら、加速性，組立て性などをさらに改善できる利
点を持つことになる。
【００３９】図１１は図７のコンデンサ１６をバッテリ
ー４９に置き換えた他の実施例で、ハイブリッド自動車
としても優れた性能を有するシステムである。小容量の
電力しか蓄えられないコンデンサ１６に対して、大容量
の電力を蓄えられるバッテリー４９を適用することによ
り、次のような駆動方法が可能になる。
【００４０】バッテリーのエネルギーが十分にあるとき
は、エンジン１を停止してバッテリ−を利用して無段変
速装置３だけで負荷を駆動する。一定速度での走行時に
は、副モータ１３を副インバータ１５により駆動し、加
速時，登坂時のように大トルクが必要なときには、さら
に主モータ１２を主インバータ１４により駆動する。そ
の際、エンジン１の出力軸は固定する。これにより、軽
負荷時にはインバータ，モータの損失を最小限に抑え、
最大トルクが必要なときには２つのモータをバッテリー
により駆動することになり、小型で、高効率な自動車の
駆動システムを実現できる。さらに、高トルクが必要な
ときには、エンジン１を駆動しながら、バッテリー４９
のエネルギーで２つのモータを駆動することもできるの
で、コンパクトで加速性のよい自動車を構成できる。ま
た、エンジン１で駆動する場合には、無段変速装置３の
変速機能を用いて最適に駆動しながら、バッテリー４９
に充電することも可能である。
【００４１】本実施例を用いれば、無段変速システムに
より利点だけでなく、ハイブリッド自動車としても、小
型で、高効率の特性を得られる特長がある。なお、バッ
テリー４９は大容量の電力が蓄電できる大容量コンデン
サでもよいことはいうまでもない。
【００４２】また、図１１において、バッテリー４９を
小容量とし、一時的な電力の不足をバッテリー４９で補
償すると、その速度−トルク特性は図１２（ａ）のよう
になる。図８（ａ）が電力の融通を行わないときの駆動
領域であるのに対して、図１２（ａ）は低速度、かつ、
高トルクの領域で、駆動できる領域が拡大していること
がわかる。これは、エンジンで大きなトルクを発生する
場合には、ある程度大きな電力を主インバータからバッ
テリー４９に充電しなければならないからである。つま
り、一時的にバッテリー４９にエネルギーを蓄えること
で、車両を低速度，高トルクでも駆動できるようにした
のである。このときの無段変速装置３の動作点を図１２
（ｂ）に示す。Ｐ２＞Ｐ３となっており、エネルギーが
バッテリー４９に蓄えられることを示している。
【００４３】車両が領域Ｃで駆動するときには、図１２
（ｃ）、あるいは、（ｄ）のいずれかの方法を採ること
により、常にエンジン１を領域Ｂで運転することができ
る。図１２（ｃ),（ｄ）はそれぞれバッテリーへの充電
状態，バッテリーからの放電状態（副モータ１３による
駆動アシスト）を表しているので、バッテリー状態に応
じて効率が良い運転方法を選択することができる。この
場合、わずかなバッテリー容量でも電力の融通を適宜行
うことができるので、軽量なシステムで、駆動範囲の拡
大と効率の向上が達成される。
【００４４】以上が、本発明の一実施例であり、モータ
として、永久磁石同期モータを用いた場合について記述
しているが、誘導モータ，直流モータなどを利用するこ
ともできる。また、機械式の自動変則装置と組み合わせ
て相互の最適な運転状態で駆動するシステムにも本発明
は適用できる。また、上記の実施例で複数の異なる方法
を述べたが、これらを組み合わせて実施することも可能
である。
【００４５】
【発明の効果】本発明によれば、常に最適な変速比で駆
動できるので、自動車の損失が少なく、燃費を向上させ
ながら、しかも、乗り心地の優れたシステムを提供でき
る。
【００４６】また、ハイブリッド自動車応用した場合
も、コンパクトな駆動システムで常に損失の少ない走行
性能を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】エンジンの駆動力を無段変速装置で変速し、車
体を駆動する本発明の一実施例を示す構成図である。
【図２】図１における車両の駆動領域と変速方法を示し
た速度−トルク特性図である。
【図３】制御装置４の変速比演算部２２で行われる変速
比の演算を示したフローチャートである。
【図４】主インバータ制御部２３における速度制御及び
電流制御方法を示したブロック図である。
【図５】副インバータ制御部２４における電力制御，ト
ルク制御、及び、電流制御方法を示したブロック図であ
る。
【図６】エンジン効率と領域Ｂの関係と、無段変速装置
３で変速したときのエネルギーの流れを示す速度−トル
ク特性図である。
【図７】エンジン制御装置と増速ギアを用いたときの本
発明の他の実施例を示す構成図である。
【図８】図７における車両の駆動領域と変速方法を示し
た速度−トルク特性図である。
【図９】２つのモータを一体にした無段変速装置を用い
た他の実施例を示す構成図である。
【図１０】図９における車両の駆動領域を示した速度−
トルク特性図である。
【図１１】コンデンサの代わりにバッテリーを用いたと
きの他の実施例を示す構成図である。
【図１２】図１１における車両の駆動領域と変速方法を
示した速度−トルク特性図である。
【符号の説明】
１…エンジン、２…車体、３…無段変速装置、４…制御
装置、５…車軸、６…タイヤ、７…アクセル、８…ブレ
ーキ、９…切替スイッチ、１０，２６…速度センサ、１
１…車両トルク指令演算部、１２…主モータ、１３…副
モータ、１４…主インバータ、１５…副インバータ、１
６…コンデンサ、１７，４４…第１回転子、１８，２
０，４７，４８…３相巻線、１９，４５…第２回転子、
２１…回転子、２２…変速比演算部、２３…主インバー
タ制御部、２４…副インバータ制御部、２５…コンデン
サ状態検出器、２７，２８…角度センサ、２９…エンジ
ントルク指令部、３０，３６…電流指令部、３１，３７
…電流制御部、３２，３４，３８，３９…座標変換部、
３３，４０…ＰＷＭ発生部、３５…電力制御部、４１…
増速ギア、４２…エンジン制御装置、４３…複数巻線モ
ータ、４６…固定子、４９…バッテリー。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０２Ｋ 51/00 Ｈ０２Ｋ 51/00 (72)発明者 宮崎 泰三 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】第１の回転子と、第２の回転子と、該第１
    及び第２の回転子の相互にトルクを発生させる第１の巻
    線と、前記第１あるいは第２の回転子と固定子の相互に
    トルクを発生させる第２の巻線と、外部から与えられる
    運転指令値に応じて変速比を決定する制御装置と、該変
    速比となるように前記第１及び第２の巻線にそれぞれ独
    立に電流を流して各トルクを制御する電力変換器とを備
    えたことを特徴とする電気式無段変速装置。
  2. 【請求項２】請求項１において、上記第１及び第２の回
    転子のうち、最高回転速度が高い回転子を内側にするこ
    とを特徴とする電気式無段変速装置。
  3. 【請求項３】請求項１において、上記第１及び第２の回
    転子と、上記第１及び第２の巻線は、一体のモータ組み
    込まれていることを特徴とする電気式無段変速装置。
  4. 【請求項４】請求項１もしくは請求項３において、上記
    第１及び第２の回転子と上記第１の巻線は一体のモータ
    組み込まれ、上記第２の巻線は上記第１あるいは第２の
    回転子を駆動する他のモータに組み込まれることを特徴
    とする電気式無段変速装置。
  5. 【請求項５】原動機と、該原動機の回転速度を、車体を
    駆動する駆動軸の回転速度に変速する変速装置とを備え
    た自動車において、 前記変速装置は、前記原動機により回転する第１の回転
    子と、前記駆動軸を回転する第２の回転子と、前記第１
    及び第２の回転子の相互にトルクを発生する第１の巻線
    と、前記第１あるいは第２の回転子と固定子との相互に
    トルクを発生する第２の巻線とからなるモータと、運転
    者の運転指令に対して変速比を決定する制御装置と、該
    変速比となるように前記第１及び第２の巻線にそれぞれ
    独立に電流を流して各トルクを制御する電力変換器とを
    備えたことを特徴とする自動車。
  6. 【請求項６】請求項５において、上記原動機の速度を制
    御する原動機制御装置を備えたことを特徴とする自動
    車。
  7. 【請求項７】請求項５において、上記電力変換器は、運
    転者の運転操作量に応じて設定する原動機速度指令値と
    なるように、上記第１の巻線により発生するトルクを制
    御するとともに、上記変速装置内に蓄積あるいは放出さ
    れるエネルギーが０となるように、上記第２の巻線によ
    り発生するトルクを制御することを特徴とする自動車。
  8. 【請求項８】請求項５において、上記電力変換器は、上
    記第１の回転子の回転速度が上記第２の回転子の回転速
    度より高い場合には、上記第１の巻線により発電し、上
    記第２の巻線により放電する制御を行い、上記第１の回
    転子の回転速度が上記第２の回転子の回転速度より低い
    場合には、上記第２の巻線により発電し、上記第１の巻
    線により放電する制御を行うことを特徴とする自動車。
  9. 【請求項９】請求項５において、上記電力変換器は蓄電
    装置を備えるとともに、上記駆動軸に必要なトルクを第
    １及び第２の巻線により発生させたときに生じる余剰あ
    るいは不足のエネルギーを前記蓄電装置に蓄電あるいは
    放電することを特徴とする自動車。
  10. 【請求項１０】原動機と、該原動機の回転速度を車体を
    駆動する駆動軸の回転速度に変速する変速装置とを備え
    た自動車において、前記変速装置は、前記原動機により
    回転する第１の回転子と、前記駆動軸を回転する第２の
    回転子と、該第１および第２の回転子のトルクをそれぞ
    れ独立に電磁力により制御する制御装置を有し、前記原
    動機と前記変速装置との間に増速ギアを備えたことを特
    徴とする自動車。
  11. 【請求項１１】原動機と、蓄電装置と、前記原動機の回
    転エネルギーを前記蓄電装置に蓄積し、その蓄電したエ
    ネルギーを車体を駆動する駆動軸のトルクに変換するエ
    ネルギー変換装置とを備えたハイブリッド自動車におい
    て、前記エネルギー変換装置は、前記原動機により回転
    する第１の回転子と、前記駆動軸を回転する第２の回転
    子と、前記第１の回転子に設けた第１の巻線と、第２の
    回転子に設けられた第２の巻線と、運転者の運転指令に
    対して速度比を決定する制御装置と、該速度比となるよ
    うに前記第１，第２の巻線に流す電流を独立に制御する
    電力変換器とを備えたことを特徴とするハイブリッド自
    動車。
  12. 【請求項１２】第１の回転子と、第２の回転子と、前記
    第１及び第２の回転子の相互にトルクを発生する第１の
    巻線と、前記第１あるいは第２の回転子と固定子との相
    互にトルクを発生する第２の巻線と、前記第１及び第２
    の巻線にそれぞれ独立に電流を流す第１および第２の電
    力変換器とを備え、前記第１および第２の電力変換器の
    直流端子をそれぞれ接続したことを特徴とする変速装
    置。
  13. 【請求項１３】原動機と、該原動機の回転速度を車体を
    駆動する駆動軸の回転速度に変速する変速装置とを備え
    た自動車において、前記変速装置は、前記原動機により
    回転する第１の回転子と、前記駆動軸を回転する第２の
    回転子と、前記第１及び第２の回転子の相互にトルクを
    発生する第１の巻線と、前記第１あるいは第２の回転子
    と固定子との相互にトルクを発生する第２の巻線と、前
    記第１及び第２の巻線にそれぞれ独立に電流を流す第１
    および第２の電力変換器とを備え、前記第１および第２
    の電力変換器の直流端子をそれぞれ接続したことを特徴
    とする自動車。
  14. 【請求項１４】請求項１２乃至１３のいずれかにおい
    て、上記第１および第２の電力変換器は直流を交流に、
    交流を直流に変換できることを特徴とする変速装置およ
    び自動車。
  15. 【請求項１５】請求項１２乃至１３のいずれかにおい
    て、上記第１および第２の巻線は、３相巻線であること
    を特徴とする変速装置および自動車。
  16. 【請求項１６】請求項１乃至１５のいずれかにおいて、
    上記第２の巻線が発生する最大トルクが上記第１の巻線
    が発生する最大トルク以上であることを特徴とする変速
    装置および自動車。
  17. 【請求項１７】入力軸を駆動源に接続した回転子と、出
    力軸を駆動負荷に接続した回転子と、上記回転子の相互
    の結合力を制御する複数の励磁巻線と、車両の運転状態
    を把握して変速装置の変速比を決定する制御装置とを備
    え、前記励磁巻き線を制御して変速比を上記決定された
    値に制御することを特徴とした電気式無段変速装置。
  18. 【請求項１８】請求項１７において、入力軸にエンジン
    を、出力軸に車軸を介して駆動輪を接続したことを特徴
    とした自動車。
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