KR20110035922A

KR20110035922A - 전동 구동 유닛

Info

Publication number: KR20110035922A
Application number: KR1020100093519A
Authority: KR
Inventors: 요시아끼 가또오
Original assignee: 쟈트코 가부시키가이샤
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2010-09-28
Publication date: 2011-04-06
Also published as: CN102029924B; JP4860741B2; CN102029924A; KR101749347B1; US8660727B2; US20110077810A1; EP2305528A2; EP2305528B1; JP2011073573A; EP2305528A3

Abstract

본 발명의 과제는, 고효율이며 콤팩트한 전동 구동 유닛을 제공하는 것이다.
전동기와 무단 변속 기구를 접속한 유닛을 구성하고, 무단 변속 기구의 변속비를 소정의 변속비로 한 경우에, 요구 토크에 따라서 정해지는 제2 요구 토크가 전동기의 정격 범위 내일 때에는, 무단 변속 기구의 변속비를 소정의 변속비로 고정하는 동시에, 제2 요구 토크를 달성하도록 전동기를 제어하고, 정격 범위 밖일 때에는 무단 변속 기구의 변속비를 변경하는 동시에, 전동기를 제어하여 구동 대상의 요구 토크를 달성하는 것으로 하였다.

Description

전동 구동 유닛{ELECTRIC POWER DRIVING UNIT}

본 발명은, 전동기를 구비한 구동 장치 등으로서 탑재되는 전동 구동 유닛에 관한 것이다.

종래, 특허 문헌 1에는, 전동기와 무단 변속기를 조합한 구동 장치가 개시되어 있다. 이 장치는, 인버터와 전동기의 최대 효율 곡선으로부터 얻어진 목표 모터 회전수로 주행하고, 무단 변속기에 의해 변속비를 제어함으로써 운전자의 의도에 따른 구동 상태를 달성한다.

[특허 문헌 1] 일본 특허 출원 공개 평5-176419호 공보

그러나 특허 문헌 1에 기재된 장치에 있어서는, 전동기의 효율을 의식한 나머지, 항시 무단 변속기측에서 변속비 제어를 행하므로 하기에 나타내는 과제가 있다. 우선, 무단 변속기로서는 벨트식이나 토로이달식 등의 각종 구성이 알려져 있지만, 이들 기존의 무단 변속기의 효율은 대략 90％ 정도로 항시 맞물림에 의한 감속 기구에 비해 효율이 낮다. 변속비를 광범위로 변경하는 경우에는, 어느 정도의 기어비 폭[(최저 감속비)/(최고 감속비) : 이하, 비율 범위라 기재함]이 필요해지지만, 무단 변속기의 경우, 비율 범위가 5 이상이 되면 효율이 더욱 악화된다. 또한, 비율 범위를 작게 하면 효율은 높아지지만 전동기가 대형화되므로, 어느 경우라도 차량 탑재성의 악화를 초래한다.

본 발명은, 상기 과제에 착안하여 이루어진 것으로, 고효율이며 콤팩트한 전동 구동 유닛을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서는 전동기와 무단 변속 기구를 접속한 유닛을 구성하고, 무단 변속 기구의 변속비를 소정의 변속비로 한 경우에, 요구 토크에 따라서 정해지는 제2 요구 토크가 전동기의 소정의 범위 내일 때에는 무단 변속 기구의 변속비를 소정의 변속비로 고정하는 동시에, 전동기가 제2 요구 토크를 달성하도록 제어하고, 소정의 범위 밖일 때에는, 무단 변속 기구의 변속비를 변경하는 동시에, 전동기를 제어하여 요구 토크를 달성하는 것으로 하였다.

따라서, 고효율이며 콤팩트한 전동 구동 유닛을 제공할 수 있다.

도 1은 제1 실시예의 전동 구동 유닛을 탑재한 전기 자동차의 구성을 나타내는 개략도.
도 2는 제1 실시예의 전동 구동 유닛의 특정 요소만을 표현한 사시도.
도 3은 제1 실시예의 구동력 제어 처리를 나타내는 흐름도.
도 4는 제1 실시예의 요구 토크 맵.
도 5는 제1 실시예의 전동기 회전수와 전동기 토크 및 인버터 출력 전압의 관계를 나타내는 맵.
도 6은 제1, 제2 비교예 및 제1 실시예의 체격 및 효율의 관계를 나타내는 개략도.
도 7은 제2 실시예의 KRG의 치수 관계를 나타내는 개략도.
도 8은 제3 실시예의 전동 구동 유닛을 탑재한 하이브리드 자동차의 구성을 나타내는 개략도.
도 9는 제4 실시예의 전동 구동 유닛을 탑재한 하이브리드 자동차의 구성을 나타내는 개략도.
도 10은 전동기의 정격 범위에서, 변속기의 변속비를 1보다 큰 값으로 고정한 경우의 전동기 회전수와 전동기 토크 및 변속기 출력축 회전수와 변속기 출력축 토크의 관계를 나타내는 도면.
도 11은 전동기의 정격 범위에서, 변속기의 변속비를 1보다 작은 값으로 고정한 경우의 전동기 회전수와 전동기 토크 및 변속기 출력축 회전수와 변속기 출력축 토크의 관계를 나타내는 도면.

[제1 실시예]

도 1은 제1 실시예의 전동 구동 유닛을 탑재한 전기 자동차의 구성을 나타내는 개략도이다. 제1 실시예의 전동 구동 유닛은, 하우징(1) 내에 수납 장착된 전동기(2)와, 콘 링형 무단 변속기(이하, KRG라 기재함)(4)를 갖는다. KRG(4)의 출력축(48)으로부터 출력된 구동력은, 출력 기어(49)와 맞물리는 차동 기구(5)를 통해 구동륜(6)에 전달된다. 또한, 전동 구동 유닛에는, 주행 상태를 제어하는 컨트롤러(100)와, 전원인 배터리(300)와, 전동기(2)에 구동 전류를 출력하는 인버터(200)를 갖는다. 또한, 설명의 편의상, 도 1의 지면(紙面) 좌우 방향이며 우측으로부터 좌측을 향하는 방향을 x축 정(正)방향, 도 1의 지면 상하 방향이며 하방으로부터 상방을 향하는 방향을 y축 정방향, 도 1의 지면 수직 방향이며 이면측으로부터 표면측을 향하는 방향을 z축 정방향이라 정의한다.

컨트롤러(100)에는, 운전자의 액셀러레이터 페달 조작량(APO)을 검출하는 APO 센서(101)의 APO 신호와, 차속(VSP)을 검출하는 차속 센서(102)의 차속 신호가 입력되고, 이 입력된 센서 신호에 기초하여 전동기(2)의 구동 상태를 제어하는 전동기 제어 수단과, KRG(4)의 변속 상태를 제어하는 변속 기구 제어 수단, 그리고 KRG(4)의 변속비를 1로 고정한 상태에서 전동기(2)가 정격 범위 내에서 요구되는 토크와 회전수를 출력 가능한지 여부를 판단하는 판단 수단을 갖는다. 또한, 제어의 상세에 대해서는 후술한다.

전동기(2)는 코일이 권회되고 하우징(1) 내주에 고정된 스테이터(2a)와, 영구 자석이 복수 매설된 로터(2b)와, 로터(2b)에 접속된 전동기 출력축(2c)을 갖는다. 이 전동기(2)는 정격 범위 내에 있어서 토크와 회전수의 조합을 자유롭게 달성할 수 있는 정(定) 토크 모터이다. 정격 범위라 함은, 전동기(2)를 안정적으로 연속 운전 가능한 출력 한계 범위를 말한다. 도 5는 제1 실시예의 전동기 회전수와 전동기 토크 및 인버터 출력 전압의 관계를 나타내는 맵이다. 제1 실시예의 전동기(2)는, 도 5의 사선 영역으로 나타내는 바와 같이, 정격 토크(Tmax)＝100Nm, 정격 회전수(Nmax)＝10000rpm으로 규정되는 영역이 정격 범위에서 구동되고, 정격 토크(Tmax)의 상태에서 정격 회전수(Nmax)로 전동기(2)를 회전시키면, 전동기(2)는 정격 출력을 출력한다. 이 출력까지 자유롭게 출력 상태를 제어할 수 있다. 인버터(200)의 최대 출력(최대 전압)은 Tmax, 또한 Nmax의 상태일 때에 출력되고, 이 이하의 출력 범위 내에서 제어된다. 환언하면, 인버터(200)는 100Nm, 10000rpm의 출력 전압에 대응하는 구성이라도 좋고, 출력축 토크에 요구되는 토크나 회전수에 대응하는 용량보다도 작은 용량의 구성이라도 좋다.

KRG(4)는 전동기 출력축(2c)에 접속되는 동시에 동축상에 축지지되고, 이 x축 방향의 축선에 대해 소정의 경사각(이하, 콘각이라 기재함. 도 7 참조)의 원추 형상 외주면을 갖는 인풋 콘(43)과, 인풋 콘(43)의 축선과 평행한 x축 방향의 축선 상에 배치되고, 인풋 콘(43)과 동일한 콘각의 원추 형상 외주면을 갖는 아웃풋 콘(44)을 갖는다. 또한, 인풋 콘(43)의 최대 반경(혹은 최소 반경)과 아웃풋 콘(44)의 최대 반경(혹은 최소 반경)은, 콘각이 동일하면, 동일한 것이든 다른 것이든 자유롭게 조합할 수 있다.

아웃풋 콘(44)의 내부에는 로딩 기구(50)가 내장되어 있다. 로딩 기구(50)는 아웃풋 콘(44)과 일체로 회전하고 축 방향 단부면에 캠면을 갖는 콘측 캠 부재(45)와, 출력축(48)과 일체로 회전하고 축 방향 단부면에 캠면을 갖는 출력축측 캠 부재(47)와, 콘측 캠 부재(45)와 출력축측 캠 부재(47) 사이에 초기 가압력을 부여하는 스프링(46)을 갖는다. 양 캠면의 사이에는 볼이 배치되고, 양 부재의 상대 회전량에 따라서 x축 방향으로 연신하려고 하는 힘, 즉 로딩력이 발생한다.

인풋 콘(43)과 아웃풋 콘(44) 사이에는, 원환상이며 원환 내주면측과 인풋 콘(43)이 접촉하고, 원환 외주면과 아웃풋 콘(44)이 접촉하는 변속 링(42)이 배치되어 있다. 변속 링(42)은 변속 액추에이터(41)에 의해 원환을 따라 회전 가능하게 지지되어 있다. 변속 액추에이터(41)는, 변속 링(42)을 원환상의 복수 개소에 있어서 미끄럼 이동 가능하게 지지하고, 변속 링(42)의 법선 벡터를 규정하는 지지 부재(41d)를 갖는다. 또한, 지지 부재(41d)는 이동축(41c)을 따라 이동 가능하게 구성되어 있다. 이 이동축(41c)은, 인풋 콘(43)의 중심축과 아웃풋 콘(44)의 중심축을 포함하는 평면 내에 있어서, 콘각 방향(이하, 변속 방향이라 기재함)과 평행하게 연장되어 있다. 또한, 변속 방향 및 z축 방향의 양쪽에 수직인 회전축 방향을 중심으로 하여 이동축(41c)을 회전시키는 회전 부재(41b)와, 회전 부재(41b)의 회전 위치를 제어하는 회전 액추에이터(41a)를 갖는다.

도 2는 제1 실시예의 전동 구동 유닛의 특정 요소만을 표현한 사시도이다. 변속 링(42)은, 변속비가 일정한 경우, 변속 링(42)의 법선 벡터의 z축 방향 성분은 0이고, 변속 방향과 평행한 소정의 x축 방향 성분과 y축 방향 성분을 갖는다. 인풋 콘(43)이 회전하면, 인풋 콘(43) 표면과 변속 링(42) 내주면 사이의 마찰 전달에 의해 변속 링(42)을 구동한다. 이때, 변속 링(42) 원환 외주면과 아웃풋 콘(44) 표면의 사이의 마찰 전달에 의해 아웃풋 콘(44)을 구동한다. 이와 같이, 변속비는 변속 링(42)의 위치가 x축 정방향측일수록 Low측이 되고, x축 부(負)방향측일수록 High측이 된다. 제1 실시예의 KRG(4)는, 콘(43, 44)의 x축 방향 대략 중간 부분에 있어서 변속비가 1이 되도록 설정되어 있다. x축 방향 중간 부분은 KRG(4)의 토크 전달 효율이 가장 높아지는 위치이다.

또한, 출력축(48)의 토크가 증대되면, 출력축(48)으로부터 x축 부방향측으로 아웃풋 콘(44)을 압박하는 힘이 작용하여, 변속 링(42)이 인풋 콘(43)과의 사이로 압박된다. 이와 같이, 토크에 따라서 인풋 콘(43)과 변속 링(42)과 아웃풋 콘(44) 사이의 로딩력이 설정되므로, 미끄럼을 억제한 효율적인 마찰 전달이 행해진다.

변속 지령이 출력되면, 회전 액추에이터(41a)에 의해 회전 부재(41b)가 회전축을 중심으로 소정량 회전된다. 그러면, 변속 링(42)과 양 콘(43, 44)의 접촉 부분에 큰 속도차가 발생하고, 이 속도차에 의해 변속 링(42)을 변속 방향으로 이동시키는 힘이 작용한다. 이 이동량에 의해 x축 방향 위치가 변경되고, 변속비를 무단계로 변경한다. 변속 종료시에는 회전 액추에이터(41a)를 회전시켜 변속 링의 법선 벡터의 z방향 성분이 0이 되도록 제어하여 변속을 종료한다.

(구동력 제어에 대해)

다음에, 컨트롤러(100) 내에서 실행되는 구동력 제어 내용에 대해 설명한다. 도 3은 제1 실시예의 구동력 제어 처리를 나타내는 흐름도이다. 또한, 초기 상태에 있어서, KRG(4)의 변속비는 1로 설정되어 있다.

단계 S1에서는, 요구 토크(Fd)를 산출한다. 도 4는 제1 실시예의 요구 토크 맵이다. 요구 토크(Fd)는 운전자의 액셀러레이터 페달 개방도(APO)에 따라서 설정된 복수의 특성(연속적으로 설정해도 좋음)으로 구성되고, 현재의 차속(VSP)과 액셀러레이터 페달 개방도(APO)로부터 요구 토크(Fd)를 결정한다.

단계 S2에서는, 컨트롤러(100) 내의 판단 수단이, KRG(4)의 변속비가 1이라 가정하여, 차속(VSP)에 대응하는 전동기 회전수(Nd) 및 전동기 요구 토크(Td)를 산출하고, (Nd, Td)가 정격 범위 내인지 여부를 산출한다. 제1 실시예의 경우, Nd가 10000rpm 이하인지 여부, Td가 100Nm 이하인지 여부를 판단한다. 그리고 정격 범위 내일 때에는 단계 S3으로 진행하고, 그 이외일 때에는 단계 S4로 진행한다.

단계 S3에서는, 전동기 목표 제어량(Fm)으로서 (Nd, Td)를 설정하는 동시에, KRG(4)의 목표 변속비 G*＝1로 설정한다. 그리고 단계 S11에 있어서 전동기(2)가 목표 제어량이 되도록 전동기 제어 수단이 전동기(2)의 제어를 실행하고, 단계 S12에 있어서 KRG(4)의 변속비 제어를 실행한다.

단계 S4에서는, 판단 수단이 전동기 회전수(Nd)가 최대 회전수(Nmax)보다도 큰지 여부를 판단하고, 클 때에는 도 5의 정격 범위 밖의 A 영역에 있다고 판단하여 단계 S5로 진행하고, 그 이외일 때, 즉 전동기 요구 토크(Td)가 크고, 도 5의 정격 범위 밖의 B 영역에 있을 때에는 단계 S8로 진행한다. 덧붙여 말하면, 정격 범위와, A 영역과, B 영역 이외의 영역의 요구는 인버터(200)의 출력 한계 특성으로부터 기본적으로 달성할 수 없는 것은 물론이다.

단계 S5에서는, (Nd, Td)의 등출력선과 Nmax가 교차하는 포인트에 있어서의 전동기 토크(Tm)를 검색한다. 또한, 전동기 토크(Tm)는, 전동기 요구 토크(Td)보다도 높은 값으로 되는 것은 물론이다.

단계 S6에서는, 전동기 목표 제어량(Fm)으로서 (Nmax, Tm)을 설정한다.

단계 S7에서는, 목표 변속비 G*＝(Nmax/Nd)로 설정한다.

단계 S8에서는, (Nd, Td)의 등출력선과 Tmax가 교차하는 포인트에 있어서의 전동기 회전수(Nm)를 검색한다. 또한, 전동기 회전수(Nm)는, 전동기 요구 회전수(Nd)보다도 높은 값으로 되는 것은 물론이다.

단계 S9에서는, 전동기 목표 제어량(Fm)으로서 (Nm, Tmax)를 설정한다.

단계 S10에서는, 목표 변속비 G*＝(Nm/Nd)로 설정한다.

단계 S11에서는, 설정된 전동기 목표 제어량(Fm)에 기초하여 전동기(2)가 목표 제어량이 되도록 제어를 실행한다.

단계 S12에서는, 설정된 목표 변속비 G*에 기초하여, 변속 제어 수단이 KRG(4)의 변속비 제어를 실행한다.

다음에 작용에 대해 설명한다. 일반 차량(예를 들어, 1t 내지 1.5t급)에 요구되는 동력 성능에 관하여, 변속기를 구비하는 일 없이 전동기만으로 달성하려고 하면, 매우 고출력인 전동기를 탑재할 필요가 있다. 이것은, 전동기 자체의 대형화, 인버터의 대형화를 초래하여, 차량 탑재는 곤란하다. 다음에, 변속기를 탑재하면 변속기 자체의 구성은 증가하지만, 전동기의 소형화 및 인버터의 소형화를 도모할 수 있어 차량 탑재성은 향상된다. 여기서, 2개의 선택지를 검토할 수 있다. 하나는, 전동기의 구성을 중형으로 하고 무단 변속기가 좁은 비율 범위를 갖는 구성으로 하는 것, 이것을 이하, 제1 비교예라 기재한다. 또 하나는, 전동기의 구성을 작게 하고 무단 변속기가 넓은 비율 범위를 갖는 구성으로 하는 것, 이것을 이하, 제2 비교예라 기재한다.

도 6은 제1, 제2 비교예 및 제1 실시예의 체격 및 효율의 관계를 나타내는 개략도이다. 좌측의 종축은 전동 구동 유닛의 동력 전달 효율을, 우측의 종축은 전동 구동 유닛의 체격(점유 용적)의 역수를 나타낸다. 체격의 역수가 클수록 탑재성이 좋고, 체격의 역수가 작을수록 탑재성이 악화된다. 무단 변속기의 일반적인 특성으로서, 비율 범위를 크게 하면 효율이 저하된다고 하는 특성이 있다. 제1 실시예의 KRG(4)의 경우, 비율 범위를 넓히기 위해서는 축 방향 치수를 길게 하거나, 혹은 콘각을 크게 하는 것을 생각할 수 있지만, 모두 효율의 저하를 초래한다(도 7 참조). 또한, 전동기의 출력 범위를 넓히기 위해서는, 전동기 자신의 체격의 증대에 더하여, 인버터의 체격이 증대된다.

제1 비교예의 경우, 무단 변속기의 비율 범위가 작기 때문에, 효율은 높지만 변속비가 작은 것을 보충하기 위해 전동기 및 인버터의 체격을 크게 해야 해, 체격이 매우 커진다. 제2 비교예의 경우, 무단 변속기의 비율 범위가 크기 때문에, 전동기 및 인버터의 체격은 작아지지만, 무단 변속기의 체격을 크게 해야 한다. 또한, 비율 범위를 넓게 하면 전달 효율도 저하되므로, 이 저하분을 보충하기 위해서는 전동기 및 인버터를 크게 할 필요가 있다.

이에 대해, 제1 실시예에서는, 전동기(2)의 정격 범위에서는 KRG(4)의 변속비를 가장 효율이 높은「1」로 고정, 바꾸어 말하면 정격 범위에서는 변속하지 않고 일정 변속비로 하고, 정격 범위를 초과한 요구가 있었던 경우만 증속이나 감속을 행한다. 따라서, 무단 변속기의 비율 범위를 좁게 할 수 있어, 전달 효율의 저하를 억제할 수 있다. 또한, 전달 효율의 저하가 낮으므로, 전동기(2)가 저하분을 보충할 필요가 없어, 전동기 및 인버터 자체의 체격의 대형화를 억제할 수 있는 것이다.

이상 설명한 바와 같이, 제1 실시예에 있어서는 하기에 열거하는 작용 효과를 얻을 수 있다.

(1) 전동기(2)와, 전동기(2)에 전력을 공급하는 인버터(200)와, 전동기(2)와 구동 대상인 구동륜(6) 사이에 배치된 무단 변속 기구인 KRG(4)와, 인버터(200)를 제어하여 전동기(2)를 정격 범위 내(소정의 토크 범위 내 또한 소정의 회전수의 범위 내)에서 제어하는 전동기 제어 수단(단계 S11)과, KRG(4)의 변속비를 제어하는 변속 제어 수단(단계 S12)을 구비하고, KRG(4)의 변속비를 소정의 변속비(＝1)로 한 경우에 정해지는 제2 요구 토크[전동기 요구 토크(Td)]가 전동기(2)의 정격 범위 내이고, 또한 구동 대상의 회전수에 따라서 정해지는 제2 회전수[전동기 회전수(Nd)]가 전동기(2)의 정격 범위 내인지 여부를 판단하는 판단 수단(단계 S2)을 갖고, 판단 수단이 정격 범위 내에 있다고 판단한 경우에는, 변속 제어 수단이 KRG(4)의 변속비를 소정의 일정 변속비(＝1)로 고정하는 동시에, 전동기 제어 수단이 제2 요구 토크[전동기 요구 토크(Td)]를 달성하도록 전동기(2)를 제어하고, 판단 수단이 정격 범위 밖이라고 판단한 경우에는, 변속 제어 수단이 KRG(4)의 변속비를 변경하는 동시에, 전동기 제어 수단이 전동기(2)를 제어하여 요구 토크(Fd)를 달성하는 것으로 하였다. 따라서, 전동 구동 유닛의 소형화를 도모할 수 있다.

(2) 단계 S2, S4, S5, S6, S11 및 S12(전동기 제어 수단)는, 구동 대상의 회전수를 소정의 일정 변속비(＝1)로 환산한 전동기 회전수(Nd)가 정격 범위 밖일 때에는, 전동기 회전수를 최대 회전수(Nmax)로 하고, 요구 토크(Fd)가 속하는 등출력선 상이며 최대 회전수(Nmax)에 대응하는 전동기 토크(Tm)로 제어하고, 단계 S7, S12(변속 제어 수단)는, 최대 회전수(Nmax)를 증속하여 구동 대상의 회전수를 달성하는, 바꾸어 말하면 목표 변속비 G*＝(Nmax/Nd)로 제어한다. 이에 의해, 변속비의 변화량을 최소로 할 수 있어, 구동 효율의 저하를 억제할 수 있다.

(3) 단계 S2, S4, S8, S9, S11 및 S12(전동기 제어 수단)는, 요구 토크(Fd)가 정격 범위 밖일 때에는, 전동기 토크를 최대 토크(Tmax)로 하여, 요구 토크(Fd)가 속하는 등출력선 상이며 최대 토크(Tmax)에 대응하는 전동기 회전수(Nm)로 제어하고, 단계 S10, S12(변속 제어 수단)는, 최대 토크(Tmax)에 대응하는 전동기 회전수(Nm)를 감속하여 구동 대상의 회전수를 달성하는, 바꾸어 말하면 목표 변속비 G*＝(Nm/Nd)로 제어한다. 이에 의해, 변속비의 변화량을 최소로 할 수 있어, 구동 효율의 저하를 억제할 수 있다.

[제2 실시예]

다음에 제2 실시예에 대해 설명한다. 기본적인 구성은 제1 실시예와 동일하므로, 다른 점에 대해서만 설명한다. 제1 실시예에서는, KRG(4)의 비율 범위를 작게 하는 데 있어서, 축 방향 치수를 짧게 하여 효율을 높이면서 소형화하였다. 바꾸어 말하면, 전달 효율이 저하되는 영역을 사용하지 않는 구성으로 하였다. 이에 대해, 제2 실시예에서는, 축 방향 치수의 단축이 아니라, 콘각을 작게 함으로써 고효율화를 달성하여, 전동기(2) 및 인버터(200)의 소형화를 도모하는 것이다.

또한, KRG(4)가 변속에 의해 발생하는 증감속에 수반되는 부하가 작으므로, 로딩력을 억제할 수도 있다. 이 경우, 로딩 캠의 캠면의 경사를 크게 할 수 있고, 그것에 수반하여 가일층의 전달 효율의 향상을 기대할 수 있다.

도 7은 제2 실시예의 KRG의 치수 관계를 나타내는 개략도이다. 도 7에 도시하는 바와 같이, 인풋 콘(43)에 있어서는 최소 반경(a1)과 최대 반경(a2) 및 축 방향 길이(L)에 의해 형상이 규정되고, 아웃풋 콘(44)에 있어서는 최소 반경(b1)과 최대 반경(b2) 및 축 방향 길이(L)에 의해 형상이 규정된다. 여기서, (a2－a1)/L＝(b2－b1)/L＝tanα가 된다(α＝콘각). 각 콘을 서로 근접하도록 축 방향으로 서로 압박하는 힘, 즉 로딩력(F)과, 전달 가능 토크에 상관이 있는 수직 저항력(N)(마찰력은 N×마찰 계수 μ로 나타냄)의 관계는, N＝F/sinα로 나타내어진다. 짧은 축 방향 길이(L)로 필요한 비율 범위를 확보하기 위해서는, 콘각(α)을 크게 할 필요가 있다. 그러나 콘각(α)이 크면, 변속 링(42) 내에서의 회전수차가 커져, 스핀 손실을 초래하므로 전달 효율이 낮아진다. 따라서, 제2 실시예에서는, 축 방향 치수의 단축화보다, 콘각(α)을 작게 함으로써 전달 효율의 저하를 억제할 수 있다.

[제3 실시예]

다음에 제3 실시예에 대해 설명한다. 도 8은 제3 실시예의 전동 구동 유닛을 탑재한 전기 자동차의 구성을 나타내는 개략도이다. 기본적인 구성은 제1 실시예와 동일하므로, 다른 점에 대해서만 설명한다. 제3 실시예에서는, 제1 실시예의 구성에 더하여, 아웃풋 콘(44)과 출력축(48) 사이에 감속기(60)를 구비한 것이다. 아웃풋 콘(44)의 단부에는 선 기어(61)가 형성되고, 하우징(1)에는 링 기어(63)가 고정되고, 선 기어(61)와 링 기어(63)의 양 기어에 맞물리는 피니언을 지지하는 피니언 캐리어(62)가 구비되고, 피니언 캐리어(62)와 출력축(48)이 접속되어 있다. 이에 의해, 인풋 콘(43)과 아웃풋 콘(44)에 의해 감속된 회전을 더욱 감속하여 출력축(48)에 전달할 수 있으므로, 종감속비에 제한이 있었다고 해도, 보다 큰 감속비를 얻을 수 있다. 또한, 작은 외형으로 큰 감속비가 얻어져, 아웃풋 콘(44)과 동축상에 배치함으로써 차량 탑재성을 향상시킬 수 있다.

[제4 실시예]

다음에 제4 실시예에 대해 설명한다. 도 9는 제4 실시예의 전동 구동 유닛을 탑재한 하이브리드 자동차의 구성을 나타내는 개략도이다. 제1, 제2 실시예는 모두 전동기만을 구동원으로 하여 주행하는 전기 자동차를 나타냈다. 이에 대해, 제4 실시예는 엔진(ENG)을 구비한 하이브리드 차량인 점이 다르다. 엔진(ENG)은, 전동기(2)와 클러치(70)를 통해 체결/해방 가능하게 접속되어 있다. 컨트롤러(100)는 주행 상태에 기초하여 엔진(ENG)의 작동 상태, 클러치(70)의 체결/해방 상태를 제어하여, 최적의 효율로 주행하도록 설정된다. 또한, 엔진(ENG)은 한쪽 방향으로만 회전 가능하므로, 전동기(2)와 KRG(4) 사이에는 전후진 전환 기구(3)가 설치되어 있다. 이 전후진 전환 기구(3)는 유성 기어 기구와 전진 클러치 및 후진 브레이크로 구성된 주지의 것이므로, 설명을 생략한다.

이와 같이 구성된 하이브리드 자동차에 있어서, 전동기(2)만의 구동력으로 주행하는 EV 모드 주행의 경우에는, 제1 실시예와 동일한 제어를 행함으로써, KRG(4)의 변속비의 변화량을 작게 하여, 구동 효율의 저하를 억제할 수 있다.

[제5 실시예]

제5 실시예에서는, 전동기(2)의 정격 범위에서, KRG(4)의 변속비[KRG(4)의 입력축 회전수/KRG(4)의 출력축 회전수]를「1」보다 큰「1.3」으로 고정하였다. 정격 범위에서는 변속하지 않고 일정 변속비로 하고, 정격 범위를 초과한 요구가 있었던 경우만 하이측으로의 변속이나 로우측으로의 변속을 행한다.

예를 들어, 제1 실시예에 있어서는, 스텝 S2에서, 컨트롤러(100) 내의 판단 수단이, KRG(4)의 변속비를 1이라 가정하여, 차속(VSP)에 대응하는 전동기 회전수(Nd) 및 전동기 요구 토크(Td)를 산출하고, (Nd, Td)가 정격 범위 내인지 여부를 산출하였지만, 제5 실시예에서는 변속비를「1.3」으로 하여 산출한다.

이로 인해, 전동기(2)의 정격 범위(도 10의 실선의 범위)에 대해, KRG(4)의 출력 범위(도 10의 1점 파선의 범위)는, 회전수가 저하되는 방향, 토크가 증대되는 방향으로 어긋나 존재한다.

그리고 전동기(2)의 회전수가, 전동기(2)의 정격 범위의 최대 회전수 ★①의 위치에 있는 경우에, KRG(4)의 출력축의 회전수는, ★①보다 저회전측의 ☆①이 되므로, 구동 대상의 요구 회전수 ●①이, ★①보다 낮은 회전수라도 ☆①보다 크면, KRG(4)의 변속비를 하이측, 즉「1.3」보다 작은 값(1.2)으로 변속하는 제어를 행하여, 전동기(2)의 회전수를 정격 범위로부터 외측으로 내보내는 일 없이 구동 대상의 회전수를 크게 하여, 요구된 회전수로 할 수 있다.

또한, 전동기(2)의 출력 토크가, 전동기(2)의 정격 범위의 최대 토크 ★②의 위치에 있는 경우에, KRG(4)의 출력축의 토크는, ★②보다 고토크측의 ☆②가 되므로, 구동 대상의 요구 토크가 ★②보다 높은 토크라도, ☆②보다 작으면, KRG(4)의 변속비를 「1.3」으로 고정한 채, 전동기(2)로 요구 토크를 달성하도록 제어한다. 반대로, 구동 대상의 요구 토크가 ☆②보다 크면, KRG(4)의 변속비를 로우측, 즉 「1.3」보다 큰 값(1.4)으로 변속하는 제어를 행하여, 전동기(2)의 출력 토크를 정격 범위로부터 외측으로 내보내는 일 없이, 구동 대상의 토크를 크게 하여, 요구된 토크로 할 수 있다.

[제6 실시예]

제6 실시예에서는, 전동기(2)의 정격 범위에서, KRG(4)의 변속비[KRG(4)의 입력축 회전수/KRG(4)의 출력축 회전수]를「1」보다 작은「0.7」로 고정하였다. 정격 범위에서는 변속하지 않고 일정 변속비로 하고, 정격 범위를 초과한 요구가 있었던 경우만 하이측으로의 변속이나 로우측으로의 변속을 행한다.

예를 들어, 제1 실시예에 있어서는, 스텝 S2에서, 컨트롤러(100) 내의 판단 수단이, KRG(4)의 변속비를 1이라 가정하여, 차속(VSP)에 대응하는 전동기 회전수(Nd) 및 전동기 요구 토크(Td)를 산출하고, (Nd, Td)가 정격 범위 내인지 여부를 산출하였지만, 제6 실시예에서는 변속비를「0.7」로 하여 산출한다.

이로 인해, 전동기(2)의 정격 범위(도 11의 실선의 범위)에 대해, KRG(4)의 출력 범위(도 11의 1점 파선의 범위)는, 회전수가 증대되는 방향, 토크가 감소하는 방향으로 어긋나 존재한다.

그리고 전동기(2)의 출력 토크가, 전동기(2)의 정격 범위의 최대 토크 ★②의 위치에 있는 경우에, KRG(4)의 출력축의 토크는, ★②보다 작은 ☆②가 되므로, 구동 대상의 요구 토크 ●②가, ★②보다 작은 토크라도, ☆②보다 크면 KRG(4)의 변속비를 로우측, 즉「0.7」보다 큰 값(0.8)으로 변속하는 제어를 행하여, 전동기(2)의 출력 토크를 정격 범위로부터 외측으로 내보내는 일 없이 구동 대상의 토크를 크게 하여, 요구된 토크를 출력할 수 있다.

또한, 전동기(2)의 회전수가, 전동기(2)의 정격 범위의 최대 회전수 ★①의 위치에 있는 경우에, KRG(4)의 출력축의 회전수는 ★①보다 고회전측의 ☆①이 되므로, 구동 대상의 요구 회전수가 ★①보다 고회전이라도, ☆①보다 작으면 KRG(4)의 변속비를 「0.7」로 고정한 채, 전동기(2)로 요구 회전수를 달성하도록 제어한다. 반대로, 구동 대상의 요구 회전수가 ☆①보다 크면, KRG(4)의 변속비를 하이측, 즉「0.7」보다 작은 값(0.6)으로 변속하는 제어를 행하여, 전동기(2)의 회전수를 정격 범위로부터 외측으로 내보내는 일 없이 구동 대상의 회전수를 크게 하여, 요구된 회전수로 할 수 있다.

이상, 실시예에 대해 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 적절하게 다른 구성을 취할 수 있다. 예를 들어, 제1 실시예에서는 콘 링형 무단 변속기를 채용한 예를 나타냈지만, 벨트식 무단 변속기나, 토로이달식 무단 변속기를 적용해도 좋다. 또한, 콘 링형 무단 변속기는 부품 개수가 적고, 오일 펌프 등을 필요로 하지 않으므로, 비용적으로 매우 유리하다.

또한, 차량 구동 장치에 적용한 예를 나타냈지만 차량에 한정되지 않고, 전동기를 구동원으로 하여 작동하는 요소에 대해서도 동일하게 적용 가능하다.

또한, 제1 실시예에서는 정격 범위 내에서 고정하는 변속비를 가장 효율이 높은「1」로 설정하였지만, 인풋 콘과 아웃풋 콘의 반경비를 고려하여, 기계적 구성에 가장 밸런스 좋게 부하가 작용하는 변속비가 있는 경우에는,「1」에 한정되지 않고, 다른 가장 효율이 높은 변속비로 고정하면 된다. 단, A 영역이나 B 영역에 대응할 필요가 있으므로, 고정되는 변속비의 양측에 어느 정도의 변속 레인지를 확보할 수 있는 위치를 선택해야 하는 점에 유의한다.

또한, 제1 실시예에서는, 고정하는 변속비를「1」로 설정하였으므로, 차량으로서 요구되는 요구 토크와 전동기(2)의 토크를 그대로 비교하였지만, 변속비가「1」이외로 고정되는 경우에는, 변속비에 따라서 정격 범위 내인지 여부를 판정할 필요가 있다.

또한, 제1 실시예에서는, 정격 회전수 내이고, 또한 정격 토크 내에서의 운전이, 전동기(2)의 효율이 높기 때문에, 이 영역 내에서 운전하는 경우에, 변속비를 고정하는 제어를 행하였지만, 정격 토크나 정격 회전수보다 큰 측이라도 효율이 좋은 운전 영역이 있는 경우에는, 정격치보다 큰 값을 경계로 하여 영역을 설정할 수도 있다. 반대로, 정격 토크나 정격 회전수라도, 전동기의 효율이 변속비를 변화시키는 효율보다 떨어지는 경우에는, 정격치보다 작은 값을 경계로 하여 영역을 설정하도록 해도 좋다.

또한, 제1 실시예에서는, 소정의 변속비가 1이므로, 요구 토크(Fd)가 전동기(2)의 정격 토크의 범위 내인지 여부를 판단하였지만, 소정의 변속비가 1 이외인 경우에는, 그 변속비(다른 감속 기구도 포함한 변속비)에 따라서, 요구 토크(Fd)가 제2 요구 토크로 변환되고, 판단 수단은 이 변환된 제2 요구 토크가 정격 범위 내에 있는지 여부를 판단하게 된다.

1 : 하우징
2 : 전동기
3 : 전후진 전환 기구
4 : 콘 링형 무단 변속기
5 : 차동 기구
6 : 구동륜(구동 대상)
41 : 변속 액추에이터
41a : 회전 액추에이터
41b : 회전 부재
41c : 이동축
41d : 지지 부재
42 : 변속 링
43 : 인풋 콘
44 : 아웃풋 콘
50 : 로딩 기구
60 : 감속기
100 : 컨트롤러
200 : 인버터
300 : 배터리
ENG : 엔진

Claims

전동기와,
전원으로부터 공급되는 전력을 상기 전동기에 공급하는 인버터와,
상기 전동기와 구동 대상 사이에 배치된 무단 변속 기구와,
상기 인버터를 제어하여, 상기 전동기를 제어하는 전동기 제어 수단과,
상기 무단 변속 기구의 변속비를 제어하는 변속 제어 수단을 구비하고,
상기 전동기 제어 수단이 상기 전동기를, 상기 변속 제어 수단이 상기 무단 변속 기구를 각각 제어하여 요구 토크를 달성하는 전동 구동 유닛에 있어서,
상기 무단 변속 기구의 변속비를 소정의 변속비로 한 경우, 상기 요구 토크에 따라서 정해지는 제2 요구 토크가 상기 전동기의 소정의 토크의 범위 내이고, 또한 상기 구동 대상의 회전수에 따라서 정해지는 제2 회전수가 상기 전동기의 소정의 회전수의 범위 내인지 여부를 판단하는 판단 수단을 갖고,
상기 판단 수단이 상기 범위 내라고 판단한 경우에는, 상기 변속 제어 수단이 상기 무단 변속 기구의 변속비를 상기 소정의 변속비로 고정하는 동시에, 상기 전동기 제어 수단이 상기 제2 요구 토크를 달성하도록 상기 전동기를 제어하고,
상기 판단 수단이 상기 범위 밖이라고 판단한 경우에는, 상기 변속 제어 수단이 상기 무단 변속 기구의 변속비를 변경하는 동시에, 상기 전동기 제어 수단이 상기 전동기를 제어하여 상기 요구 토크를 달성하는 것을 특징으로 하는, 전동 구동 유닛.
제1항에 있어서, 상기 전동기 제어 수단은, 상기 무단 변속 기구의 변속비를 소정의 변속비로 한 경우에, 상기 구동 대상의 회전수에 따라서 정해지는 상기 전동기의 회전수가 상기 범위 밖일 때에는, 상기 전동기의 회전수를 상기 소정의 회전수로 제어하고, 상기 제2 요구 토크가 속하는 등출력선 상이며 상기 소정의 회전수에 대응하는 토크로 상기 전동기를 제어하고,
상기 변속 제어 수단은, 상기 소정의 회전수를 증속하여 상기 구동 대상의 회전수를 달성하는 변속비로 상기 무단 변속 기구를 제어하는 것을 특징으로 하는, 전동 구동 유닛.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전동기 제어 수단은, 상기 무단 변속 기구의 변속비를 소정의 변속비로 한 경우에, 상기 요구 토크에 따라서 정해지는 상기 전동기의 요구 토크가 상기 범위 밖일 때에는, 상기 전동기의 토크를 상기 소정의 토크로 제어하고, 상기 제2 요구 토크가 속하는 등출력선 상이며 상기 소정의 토크에 대응하는 회전수로 상기 전동기를 제어하고,
상기 변속 제어 수단은, 상기 전동기의 회전수를 감속하여 상기 요구 토크를 달성하는 변속비로 상기 무단 변속 기구를 제어하는 것을 특징으로 하는, 전동 구동 유닛.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 소정의 변속비는, 상기 무단 변속기의 전달 효율이 가장 높아지는 변속비인 것을 특징으로 하는, 전동 구동 유닛.
제1항에 있어서, 상기 소정의 변속비를, 상기 무단 변속 기구의 입력축의 회전수를 상기 무단 변속 기구의 출력축의 회전수로 나눈 것으로 규정한 경우,
상기 전동기 제어 수단은, 상기 구동 대상의 회전수에 따라서 정해지는 상기 전동기의 회전수가 상기 범위 밖일 때에는, 상기 전동기의 회전수를 상기 소정의 회전수로 제어하고, 상기 제2 요구 토크가 속하는 등출력선 상이며 상기 소정의 회전수에 대응하는 토크로 상기 전동기를 제어하고,
상기 변속 제어 수단은, 변속비를 상기 소정의 변속비보다 하이측으로 변속하여, 상기 구동 대상의 회전수를 달성하는 것을 특징으로 하는, 전동 구동 유닛.
제1항에 있어서, 상기 소정의 변속비를, 상기 무단 변속 기구의 입력축의 회전수를 상기 무단 변속 기구의 출력축의 회전수로 나눈 것으로 규정한 경우,
상기 전동기 제어 수단은, 상기 요구 토크에 따라서 정해지는 상기 전동기의 요구 토크가 상기 범위 밖일 때에는, 상기 전동기의 토크를 상기 소정의 토크로 제어하고, 상기 제2 요구 토크가 속하는 등출력선 상이며 상기 소정의 토크에 대응하는 회전수로 상기 전동기를 제어하고,
상기 변속 제어 수단은, 변속비를 상기 소정의 변속비보다 로우측으로 변속하여, 상기 요구 토크를 달성하는 것을 특징으로 하는, 전동 구동 유닛.