| 【発明の名称】 |
ハイブリッド車及び回転電機 |
| 【発明者】 |
【氏名】金 弘中
【氏名】田原 和雄
【氏名】安嶋 耕
【氏名】植田 光城
【氏名】印南 敏之
【氏名】日野 徳昭
【氏名】宮崎 泰三
【氏名】羽二生 倫之
【氏名】大野 耕作
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| 【要約】 |
【課題】バッテリを搭載したハイブリッド車において、エンジン始動時等の低回転領域における高トルク特性と高回転領域において高出力発電特性が得られる永久磁石形同期発電機を備えたハイブリッド車を提供する。
【解決手段】永久磁石形同期回転電機は一次巻線を有する固定子と界磁用磁石を有する回転子からなり、前記界磁用磁石は第１の界磁用磁石とこの第１界磁用磁石に対して相対回転が可能な第２界磁用磁石からなり、前記の第１と第２界磁用磁石は前記固定子磁極に対向しているとともに、前記の第１と第２界磁用磁石の合成した磁極の位相を第１界磁用磁石の磁極に対して回転子のトルク方向に伴い変化させる機構を有し、このトルク方向に伴い前記第１と第２界磁用磁石の同磁極中心が並ばせる手段と回転子に発生するトルク方向が反対になるに伴い第１と第２の界磁用磁石の磁極中心がずれる手段とを有している機構を設ける。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】車両を駆動する内燃機関と、電力の充放電を行うバッテリと、前記内燃機関のクランク軸と機械的に連結されていて前記バッテリから供給される電力によって前記内燃機関を始動すると共に前記内燃機関からの回転によって発電を行い前記バッテリを充電する回転電機と、前記回転電機の駆動又は発電を制御するインバータと、前記インバータを制御するコントローラと、前記内燃機関もしくは前記回転電機の回転数を検出する回転数検出手段を備えたハイブリッド車において、前記回転電機は一次巻線を有する固定子と界磁用磁石を有する回転子からなり、前記界磁用磁石は、回転方向に順次異なった極性の磁極が並んでいる第１の界磁用磁石とこの第１の界磁用磁石に対して相対回転が可能で回転方向に順次異なった極性の磁極が並んでいる第２の界磁用磁石からなり、前記の第１と第２の界磁用磁石は前記固定子磁極に対向しているとともに、前記の第１と第２の界磁用磁石の合成した磁極の位相を第１の界磁用磁石の磁極に対して回転子のトルク方向に伴い変化させる機構を有し、このトルク方向に伴い変化させる機構は、回転子に発生するトルク方向と第１と第２の界磁用磁石間の磁気作用力との釣合いにより前記第１と第２の界磁用磁石の同磁極中心が並ばせる手段と、回転子に発生するトルク方向が反対になるに伴い第１と第２の界磁用磁石の磁極中心がずれる手段とを有する回転電機を用いるハイブリッド車。
【請求項２】請求項１記載のハイブリッド車において、前記回転電機の低速回転時は電動機として働き、回転子に発生するトルク方向と第１と第２の界磁用磁石間の磁気作用力との釣合いにより前記第１と第２の界磁用磁石の同磁極中心が並ばせる手段と、高速回転時は発電機として働き、回転子に発生するトルク方向が反対になるに伴い第１と第２の界磁用磁石の磁極中心がすれる手段とを有する回転電機を用いるハイブリッド車。
【請求項３】請求項１または請求項２記載のハイブリッド車において、前記回転電機の低速回転時は電動機として働き、回転子に発生するトルク方向と第１と第２の界磁用磁石間の磁気作用力との釣合いにより前記第１と第２の界磁用磁石を初期位置に並ばせる手段と、高速回転時は発電機として働き、回転子に発生するトルク方向が反対になるに伴い第１と第２の界磁用磁石の磁極中心がすれる手段とを有し、トルク方向の変化に伴い磁極中心を変化させる機構は、前記第１界磁用磁石はシャフトに固定し、前記第２界磁用磁石はシャフトと分離すると共に、シャフトと第２界磁用磁石は磁極１極分の角度内で変位可能にし、前記第１界磁用磁石の磁極中心と第２界磁用磁石の磁極中心がずれるようにした回転電機を用いるハイブリッド車。
【請求項４】請求項１または請求項２記載のハイブリッド車において、前記回転電機の低速回転時は電動機として働き、回転子に発生するトルク方向と第１と第２の界磁用磁石間の磁気作用力との釣合いにより前記第１と第２の界磁用磁石を初期位置に並ばせる手段と、高速回転時は発電機として働き、回転子に発生するトルク方向が反対になるに伴い第１と第２の界磁用磁石の磁極中心がすれる手段とを有し、トルク方向の変化に伴い磁極中心を変化させる機構は、前記第１界磁用磁石はシャフトに固定し、前記第２界磁用磁石はシャフトと分離すると共に、シャフトにはボルトと第２界磁用磁石の内側にはナットになりお互いにネジの機能を持たせて接続し、第２界磁用磁石の側面から離れたところにはストッパーを設けた回転電機を用いるハイブリッド車。
【請求項５】請求項４記載の回転電機において、トルク方向の変化に伴い磁極中心を変化させる機構は、前記第１界磁用磁石はシャフトに固定し、前記第２界磁用磁石はシャフトと分離すると共に、シャフトにはボルトと第２界磁用磁石の内側にはナットになりお互いにネジの機能を持たせて接続し、第２界磁用磁石の側面から離れたところにはストッパーを設け、ストッパーを回転速度に応じてシャフトと平行に可変可能なサーボ機構を持たせた回転電機を用いるハイブリッド車。
【請求項６】一次巻線を有する固定子と界磁用磁石を有する回転子からなる回転電機であって、前記界磁用磁石は、回転方向に順次異なった極性の磁極が並んでいる第１の界磁用磁石とこの第１の界磁用磁石に対して相対回転が可能で回転方向に順次異なった極性の磁極が並んでいる第２の界磁用磁石からなり、前記の第１と第２の界磁用磁石は前記固定子磁極に対向しているとともに、前記の第１と第２の界磁用磁石の合成した磁極の位相を第１の界磁用磁石の磁極に対して回転子のトルク方向に伴い変化させる機構を有し、このトルク方向に伴い変化させる機構は、回転子に発生するトルク方向と第１と第２の界磁用磁石間の磁気作用力との釣合いにより前記第１と第２の界磁用磁石の同磁極中心が並ばせる手段と、回転子に発生するトルク方向が反対になるに伴い第１と第２の界磁用磁石の磁極中心がすれる手段とを有することを特徴とする回転電機。
【請求項７】請求項６記載の回転電機において、トルク方向の変化に伴い磁極中心を変化させる機構は、前記第１界磁用磁石はシャフトに固定し、前記第２界磁用磁石はシャフトと分離すると共に、シャフトにはボルトと第２界磁用磁石の内側にはナットになりお互いにネジの機能を持たせて接続し、第２界磁用磁石の側面から離れたところにはストッパーを設け、ストッパーを回転速度に応じてシャフトと平行に可変可能なサーボ機構を持たせたことを特徴とする回転電機。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はハイブリッド車に係り、特にハイブリッド車の駆動，発電を行う回転電機およびその制御方法に関し、回転電機の回転子が第１の界磁用磁石と第２の界磁用磁石から構成され、トルク方向に応じて有効磁束量変化が可能な回転電機およびその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、ハイブリッド車としては、（１）内燃機関であるエンジンの回転力で発電機を駆動して電力を得、この電力で車軸に連結されているモータを駆動し、モータが発生する駆動力で走行するシリースハイブリッド方式と、（２）エンジンの回転力の１部は電力に変換されるが、その他の回転力は車軸に駆動力として伝えられており、発電された電力を用いたモータ駆動力とエンジンの車軸駆動力の両方で走行するパラレルハイブリッドがある。
【０００３】最近の動向では搭載するモータやバッテリの大きさ，コストの面から（２）のパラレルハイブリッド車が注目を浴びており、例えば特開平9−132042 号公報に記載されるようなエンジン及び２つのモータを遊星歯車機構の各軸に連結し、エンジン及び各回転電機の負荷，回転数によって動力を分配するタイプ（以下この方式を２モータ方式と呼ぶ。）のパラレルハイブリッド車は既に市販化されている。
【０００４】しかしながらこの従来技術は、モータおよび前記モータを駆動するインバータ回路が２つ必要なことと、遊星歯車機構を新たに配置しなくてはならず、車両の大幅な改良が必要であり、それに伴う大幅なコストアップは避けられない。
【０００５】そこで、特開平7−298696 号公報にあるようにエンジンのクランク軸に回転電機を直結させ、１つの回転電機で駆動，発電をモードによって切り分ける方式（以下この方式を１モータ方式と呼ぶ。）が、コストおよび現在の車両にアドオンできる点が前述した２モータ方式と比較して有利である。
【０００６】１モータ方式および２モータ方式両方とも、回転電機の形式としては、回転子に永久磁石を配置した永久磁石界磁形回転電機、もしくは回転子にアルミニウム合金もしくは銅合金でできた２次導体をかご形に配置したかご形誘導回転電機を用いている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】従来技術で述べたように２モータ方式よりもコスト的には１モータ方式の方が有利であるが、１モータ方式にも次の様な制約が存在する。
【０００８】（１）エンジン始動時等の低回転領域における高トルク特性と、高回転領域において高出力発電特性とを両立しなければならない。
【０００９】（２）（１）のエンジン始動時に必要なトルク（モータが発生する最大トルク）を発生する回転数が、エンジンの最大許容回転数時のモータ回転数に対して１／１０以下である。
【００１０】（３）本発明は車両を搭載する回転電機に関するものであり、電源としてはある一定電圧を中心とした電圧変化幅内で充放電を行うバッテリを用いている。その為バッテリの充電電圧を大きく超える電圧で充電した場合には、最悪バッテリを破壊する危険性がある。
【００１１】本発明は、エンジン始動等の低回転領域における高トルク特性と、高回転領域において高出力発電特性が得られる永久磁石形同期発電機を備えたハイブリッド車を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明では、車両を駆動する内燃機関と、電力の充放電を行うバッテリと、前記内燃機関のクランク軸と機械的に連結されていて前記バッテリから供給される電力によって前記内燃機関を始動すると共に前記内燃機関からの回転によって発電を行い前記バッテリを充電する回転電機と、前記回転電機の駆動又は発電を制御するインバータと、前記インバータを制御するコントローラと、前記内燃機関もしくは前記回転電機の回転数を検出する回転数検出手段を備えたハイブリッド車において、前記回転電機は一次巻線を有する固定子と界磁用磁石を有する回転子からなり、前記界磁用磁石は、回転方向に順次異なった極性の磁極が並んでいる第１の界磁用磁石とこの第１の界磁用磁石に対して相対回転が可能で回転方向に順次異なった極性の磁極が並んでいる第２の界磁用磁石からなり、前記の第１と第２の界磁用磁石は前記固定子磁極に対向しているとともに、前記の第１と第２の界磁用磁石の合成した磁極の位相を第１の界磁用磁石の磁極に対して回転子のトルク方向に伴い変化させる機構を有し、このトルク方向に伴い変化させる機構は、回転子に発生するトルク方向と第１と第２の界磁用磁石間の磁気作用力との釣合いにより前記第１と第２の界磁用磁石の同磁極中心が並ばせる手段と、回転子に発生するトルク方向が反対になるに伴い第１と第２の界磁用磁石の磁極中心がずれる手段とを有することを特徴とする。
【００１３】本発明の作用について説明する。
【００１４】図６に永久磁石形同期回転電機の回転角速度に対する有効磁束，誘導起電力，端子電圧の特性を示す。
【００１５】永久磁石形同期回転電機の誘導起電力Ｅ0 は回転子に配置されている永久磁石が発生する一定磁束Φと回転電機の回転角速度ωによって決定される。つまり図６に示す様に、回転電機の回転角速度ω（回転数）が上昇すると、回転電機の誘導起電力Ｅ0 は比例して上昇する。しかし、車両に搭載する上で必須の条件として、バッテリへの充電があげられる。バッテリに充電する為にはバッテリを破損しない様に、回転電機が発生する誘導起電力をバッテリ充電電圧以下に抑えなければならない。その為永久磁石形同期回転電機では、ある回転数以上の領域では永久磁石が発生する磁束を減らす為のいわゆる弱め界磁制御を行わなくてはならない。
【００１６】誘導起電力が回転角速度に比例して上昇する為、弱め界磁制御の電流も大きくしなければならない故に、１次導体であるコイルに大電流を流す必要があり、おのずとコイルの発生する熱が増大する。そのため、高回転領域における回転電機としての効率の低下，冷却能力を超えた発熱による永久磁石の減磁等が起こりうる可能性がある。
【００１７】そこで、本発明は回転電機の第１界磁用磁石と第２界磁用磁石に分割した回転子を同一軸上に配置し回転トルクの方向により第１と第２の界磁用磁石の磁極中心を変化させ、エンジン始動等のように低回転領域において電動機として働く時は第１回転子と第２回転子の同磁極の中心が揃えるようにして、固定子磁極と対向する永久磁石による有効磁束量を大にして、高トルク特性が得られる。次に発電機として働く時は、回転子の回転方向が同じであると、回転子が受けるトルク方向は電動機として働く時と反対になり、第１回転子と第２回転子の同期極の中心がずれて、固定子磁極と対向する永久磁石による有効磁束量を少なくすることになり、言い換えると弱め界磁効果があり、高回転領域において高出力発電特性が得られる。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施形態について説明する。
【００１９】図１は本実施例の永久磁石形同期回転電機の配置レイアウトを示したものである（直結タイプ）。車両の駆動力を発生する内燃機関であるエンジン１と車両のトランスミッション３との間に本実施例の永久磁石形同期回転電機２を配置した構造となっている。エンジン１のクランク軸（図示せず）と永久磁石形同期回転電機２のシャフト（図２内回転子のシャフト２２）とは直結もしくは遊星歯車減速機構などで構成される変速機を介して機械的に連結されている。
【００２０】また、永久磁石形同期回転電機２のシャフトとトランスミッション３の入力軸とは、動力を遮断するクラッチ（図示せず）もしくは流体カップリングであるトルクコンバータ（図示せず）を介して直結されている。
【００２１】この様な構成とすることで、クラッチもしくはトルクコンバータを作用させることで、本実施例の永久磁石形同期回転電機２はエンジン１を始動することができる。エンジン１始動後は、クラッチ及びトルクコンバータを作用させることで、エンジン１の駆動力をトランスミッション３の入力軸に伝達させることができると共に、トランスミッション３の入力軸にエンジン１＋永久磁石形同期回転電機２の駆動力を伝えることができる。
【００２２】また、永久磁石形同期回転電機２はバッテリ５からインバータ４を介して電気的に接続されており、エンジン１を始動もしくはアシストする際は電動機として用いる。
【００２３】また、発電時においては、永久磁石形同期回転電機２で発生した電力をインバータ４で直流に変換し、バッテリ５を充電する。
【００２４】図２は図１の回転電機の回転子同磁極中心がずれた場合概略を示す。固定子鉄心１０には電機子巻線１１がスロット内に巻装されており、内部に冷却水が流れる冷却水流路１２をもったハウジング１３に焼ばめされている。ここで、固定子鉄心１０とハウジング１３との締結方法は、焼ばめでなく圧入でもよい。
【００２５】永久磁石埋め込み型回転子２０はシャフト２２に固定した第１回転子２０Ａとシャフト２２と分離した第２回転子２０Ｂからなる。勿論、永久磁石埋め込み型回転子のみならず、表面磁石型回転子でも良い。
【００２６】第１回転子２０Ａには、永久磁石２１Ａが回転方向に順次異なった極性の磁極が並んでいる。同じく、第２回転子２０Ｂには、永久磁石２１Ｂが回転方向に順次異なった極性の磁極が並んでいる。第１と第２回転子の界磁用磁石は固定子磁極に対向している。
【００２７】第２回転子２０Ｂの内径側はナットとなり、それに当たるシャフトにはボルトとなり、お互いにネジの機能を持たせて接続し可変可能とする。
【００２８】また、第２回転子２０Ｂが固定子の中心から所定の変位以上はみ出さないように前記第２回転子２０Ｂの側面から離れたところにはストッパー２４を設ける。さらに、サーボ機構であるストッパー駆動用アクチュエータ２５を設けて、前記ストッパー２４をシャフトと平行に左右に可変可能にすれば、回転速度に応じて有効磁束量を制御可能である。
【００２９】上記のようにすることで、トルクの方向に応じて永久磁石の有効磁束量を変化することについて述べる。
【００３０】基本的に固定子には電機子巻線と回転子には永久磁石を用いる回転電機において、電動機として働く時と、発電機として働く時の回転子の回転方向が同じであれば、電動機として働く時と、発電機として働く時の回転子が受けるトルクの方向は反対になる。
【００３１】上記に説明した基本理論を本発明の実施形態に係る回転電機に適用すると以下の通りである。
【００３２】エンジン始動等のように低回転領域において電動機として働く時は、図３に示すように、第１回転子２０Ａと第２回転子２０Ｂの同磁極の中心が揃えるようにして、固定子磁極と対向する永久磁石による有効磁束量を最大にして、高トルク特性が得られる。
【００３３】次に発電機として働く時は、図２に示すように回転子の回転方向が同じであると、回転子が受けるトルク方向は電動機として働く時と反対になり、シャフト２２に対して第２回転子２０Ｂはボルトからナットが外れるように第１回転子２０Ａと第２回転子２０Ｂの間の間隔が広がりながら同磁極の中心がずれて、固定子磁極と対向する永久磁石による有効磁束量を少なくすることになり、言い換えると弱め界磁効果があり、高回転領域において高出力発電特性が得られる。
【００３４】図４は図１の回転電機の電源系統図を示す。
【００３５】エンジン１に機械的に連結されている永久磁石形同期回転電機２の３相の端子はインバータ４と電気的に接続されており、インバータ４の直流側端子はバッテリ５及びその他高電圧系統に接続されている。また本実施例では高電圧系統の他にヘッドランプ，オーディオ等のために低電圧系統を設けている。低電圧系統への電力の供給は、高電圧系統からＤＣ−ＤＣコンバータ３０を介して降圧し、低電圧バッテリ９およびその他の低電圧駆動デバイス（ヘッドランプ，オーディオ等）へ行っている。車両の運転モードによって、永久磁石形同期回転電機２は駆動，発電を切替えるが、モード切替および永久磁石形同期回転電機２への指令値はコントローラ１１で判断，計算を行い、インバータ４に指令値を出力することで、永久磁石形同期回転電機２を制御する。また、コントローラ３１はインバータ４に出力する指令値を、エンジンのスロットル開度，燃料噴射量を制御しているエンジンコントローラ３２と通信もしくはダイレクトメモリアクセス等で共有することにより、永久磁石形同期回転電機２とエンジン１との協調制御を行っている。
【００３６】次にコントローラ３１内で行われている制御について説明する。
【００３７】図５は図１の回転電機の制御ブロック図を示したものである。
【００３８】まず、エンジンコントローラ（図４内の３２）及び単独に設置しているセンサからの情報（バッテリ残量，運転モード，スロットル開度etc)、および永久磁石形同期回転電機２の回転数を基に、運転判断部２０１が永久磁石形同期回転電機２の運転動作を判断して電流指令値を出力する。運転判断部２０１から出力された電流指令値は、ＰＩＤ補償ブロック２０２を通り、現在の永久磁石形同期回転電機２の電流値との差分に対して非干渉制御等を行っている電流制御ブロック２０３に入力する。
【００３９】電流制御ブロックからの出力は３相の交流に変換され、インバータを介して永久磁石形同期回転電機２を制御する。また、永久磁石形同期回転電機２の各相の電流（少なくとも２相の電流）および回転数（エンジン回転数でもよい。また変速機がある場合にはエンジン回転数の逓倍した値を用いても良い。）を検出し、各相の電流は２軸変換ブロック２０５で、２軸電流に変換し、電流指令値にフィードバックしている。また、回転数は運転判断部２０１に入力され、運転判断の判断情報となる。
【００４０】図７は本発明の他の実施形態をなす回転電機を示す。
【００４１】前記図２に示した第２回転子のネジ部２３をなくし、回転角θ分可変できる機構を設けたことを特徴とする永久磁石形同期回転電機である。
【００４２】図８は図７の回転電機の回転子概略図を示す。
【００４３】前記図２に示した第２回転子のネジ部分の代わりに、シャフト２２に歯車のように凹凸を設けて、第２回転子２０Ｂの内径側にはシャフトが挿入できるように凸凹を設ける。ただし、シャフト２２を第２回転子２０Ｂの内径側に挿入したときには、かみ合う歯の幅より溝の幅を大きくして所定の回転角θ分可変できるようにする。さらに、かみ合う歯と溝の間にはスプリング２６とダンパー２７を設けることで、急な衝突を和らげる効果がある。
【００４４】図９は本発明の他の実施形態をなす回転電機とエンジンとのレイアウト図を示す（横置きタイプ）。エンジン１と永久磁石形同期回転電機２はクランクプーリ６と永久磁石形同期回転電機２のシャフトに結合されたプーリ８の間を金属ベルト７で連結されている。クランププーリ６とプーリ８とを連結するものは金属ベルトでなくチェーンや歯付ベルトであっても良い。または、クランクプーリ６とプーリ８の代わりにギアを介して連結されても良い。
【００４５】図９のような構成にすることでの利点はエンジン１と永久磁石形同期回転電機２との間に介在するクランクプーリ６，金属ベルト７，プーリ８によって、エンジン１と永久磁石形同期回転電機２の間にある速比をもった変速機構を有することである。例えばクランクプーリ６とプーリ８の半径比を２：１とすることで、永久磁石形同期回転電機２はエンジン１の２倍の速度で回転することになる。これに伴い、エンジン１の始動時においては、永久磁石形同期回転電機２はエンジン１始動時に必要なトルクの１／２を発生すればよい。そのため、永久磁石形同期回転電機２は小形にすることができる。その他の電気的な接続，役割は図５で述べた通りである。
【００４６】以上の本発明の説明では、４極機を対象に述べたが、２極機、又は、６極機以上に適用出来る事は言うまでもない。一例として、図１０には本発明を８極機に適用した場合の永久磁石形同期回転電機の回転子概略図を示す。また、回転子においては埋め込み磁石形でも、表面磁石形でも適用出来る事は言うまでもない。
【００４７】
【発明の効果】本発明の永久磁石形同期回転電機は第１界磁用磁石と第２界磁用磁石に分割した回転子を同一軸上に配置したトルクの方向により第１と第２の界磁用磁石の磁極中心を変化させるという構成により、固定子磁極と対向する永久磁石による有効磁束量を可変出来るという効果がある。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００５１０８
【氏名又は名称】株式会社日立製作所
【識別番号】０００２３２９９９
【氏名又は名称】株式会社日立カーエンジニアリング
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| 【出願日】 |
平成１１年９月１日（１９９９．９．１） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７５０９６
【弁理士】
【氏名又は名称】作田 康夫
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| 【公開番号】 |
特開２００１−６９６０９（Ｐ２００１−６９６０９Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年３月１６日（２００１．３．１６） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−２４６９２７ |
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