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【発明の名称】 車両用電動発電装置
【発明者】 【氏名】松原 謙一郎

【氏名】門向 裕三

【氏名】印南 敏之

【氏名】安嶋 耕
【要約】 【課題】車両の乗り心地及び安定性を損うことなく電動発電機を駆動できる車両用電動発電装置を提供する．

【解決手段】電動機能と発電機能を有するモータ１０と，遊星歯車機構６０と電磁クラッチ４０とで構成される変速機３０とによって電動発電機２を構成し、回転軸２０の端近傍にサンギヤを形成し，プラネットキャリアとしての入出力軸６４をエンジンのクランク軸にベルト８１で連結し、電動発電機を電動機或いは発電機として駆動した後に、回転軸２０が嵌合されたクラッチロータ４４と、リングギヤ６３が係合されるケーシング６５とを締結する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】エンジンのクランク軸に接続されて電動機及び発電機として機能する電動発電機と、前記電動発電機と前記クランク軸との間に設けられて前記電動発電機で発生した駆動力を前記クランク軸側に減速して伝達する変速機と、エンジンの始動時に前記電動発電機を電動機として機能させ、エンジンの始動後に前記電動発電機を発電機として機能させる切替装置とを備えた車両用電動発電装置であって、前記電動発電機を電動機として機能するときと発電機として機能するときとでその回転軸が同じ方向に回転するように構成したことを特徴とする車両用電動発電装置。
【請求項２】請求項１に記載の車両用電動発電装置において、前記変速機は、前記電動発電機側から前記クランク軸側に駆動力を伝達するときは減速比が１よりも大きな値を持つように構成され、前記クランク軸側から前記電動発電機側に駆動力を伝達するときは減速比が１になるように構成されていることを特徴とする車両用電動発電装置。
【請求項３】請求項１に記載の車両用電動発電装置において、前記変速機を中央部にサンギヤと前記サンギヤの外側にリングギヤと前記サンギヤと前記リングギヤとかみ合うように設けられた複数のプラネットギヤと前記複数のプラネットギヤを支持するプラネットキャリアとを有する遊星歯車装置で構成し、前記サンギヤを前記電動発電機の回転軸に設け、前記プラネットキャリアを前記電動発電機からの駆動力を前記クランク軸側に出力し前記クランク軸側からの駆動力を受ける入出力軸に設け、前記リングギヤに前記電動発電機の回転軸の回転方向と逆方向の回転を防止する一方向クラッチを設け、前記切替装置として前記サンギヤ、リングギヤ及びプラネットキャリアが一体で回転するようにこれら３つのギヤのうち少なくともいずれか２つのギヤの締結と締結の解除を行う電磁クラッチとを備えたことを特徴とする車両用電動発電装置。
【請求項４】エンジンのクランク軸に接続されて電動機及び発電機として機能する電動発電機と、前記電動発電機と前記クランク軸との間に設けられて前記電動発電機で発生した駆動力を前記クランク軸側に減速して伝達する変速機と、エンジンの始動時に前記電動発電機を電動機として機能させ、エンジンの始動後に前記電動発電機を発電機として機能させる切替装置とを備えた車両用電動発電装置であって、前記電動発電機を電動機として駆動したときの回転子の回転方向と、前記電動発電機を発電機として駆動するときの前記クランク軸に連結される前記変速機の入出力軸の回転方向とを同一にしたことを特徴とする車両用電動発電装置。
【請求項５】エンジンのクランク軸と双方向の駆動力伝達が可能な電動機能と発電機能とを有する電動発電機と、前記電動発電機を制御する電動発電機制御装置と、前記電動発電機に係る充放電を担う高電圧バッテリと、車両電気負荷に電力を供給する低電圧バッテリと、前記電動発電機と前記高電圧バッテリとの間で電力変換を行うインバータと、前記高電圧バッテリと前記低電圧バッテリとの間で電圧変換を行う直流−直流コンバータとを備えてなる車両用電動発電装置であって、前記電動発電機と前記クランク軸との間に駆動力の伝達を行う変速機を備え、前記変速機は、前記電動発電機が電動機として運転されるときの前記電動発電機の回転軸の回転方向と該変速機の入出力軸の回転方向とが同じになるように構成されていることを特徴とする車両用電動発電装置。
【請求項６】請求項５に記載の車両用電動発電装置において、前記電動発電機は固定子巻線が巻装された固定子と回転軸に回転子鉄心が嵌合された回転子とを備え、前記クランク軸側に連結されたプラネットキャリアと前記電動発電機の回転軸側に連結されたサンギヤとを有する遊星歯車装置を備え、前記回転子と相対回転可能であって前記遊星歯車装置のリングギヤに連結された回転体を備え、前記回転体と前記回転子の締結を断続するクラッチ手段を備えたことを特徴とする車両用電動発電装置。
【請求項７】請求項５に記載の車両用電動発電装置において、前記電動発電機は固定子巻線が巻装された固定子と回転軸に回転子鉄心が嵌合された回転子とを備え、前記クランク軸側に連結されたプラネットキャリアと前記電動発電機の回転軸側に連結されたサンギヤとを有する遊星歯車装置を備え、前記回転子と相対回転可能であって前記遊星歯車装置のリングギヤに連結された回転体を備え、前記回転体の固定を断続するブレーキ装置を備え、前記回転子と車両補機とを前記回転子から車両補機に駆動力が伝達されるように連結する連結装置を設けたことを特徴とする車両用電動発電装置。
【請求項８】請求項７に記載の車両用電動発電装置において、前記補機はコンプレッサ及びオイルポンプであることを特徴とする車両用電動発電装置。
【請求項９】請求項７に記載の車両用電動発電装置において、エンジン始動時に前記ブレーキ装置を作動させることを特徴とする車両用電動発電装置。
【請求項１０】請求項６に記載の車両用電動発電装置において、前記制御装置は、前記クラッチ手段を動作させる前に、電動発電機を電動機或いは発電機として駆動するように制御することを特徴とする車両用電動発電装置。
【請求項１１】請求項１、４又は請求項５のいずれかに記載の車両用電動発電装置を搭載したことを特徴とするハイブリッド車両。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は電動機能と発電機能を備えた車両用電動発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】エンジンの出力軸にスタータを兼用する交流機を直結し、交流機を電動機及び発電機として切り換えて駆動することにより、車両の発進時には電動機の駆動力により円滑な加速を行い、車両の減速又は停止時にはブレーキ力を発電電力に変換してバッテリに蓄積する内燃機関の制御装置が特開昭６２−９３４３５号公報に開示されている。
【０００３】この装置では、内燃機関のフライホイール部外周ギヤと係合するギヤ機構と、交流機の出力軸と同軸上に設けられ前記ギヤ機構と係合する小歯車と、ギヤ機構をクランプする電磁クラッチとを設け、エンジンの始動時には電磁クラッチをオフにして交流機の出力軸が小歯車とギヤ機構を介して大きな減速比でエンジンと連結されると共に、交流機を電動機として駆動し、エンジンを停止させるときには電磁クラッチをオンにして交流機の出力軸が小歯車とギヤ機構を介して小さな減速比でエンジンと連結されると共に、交流機を発電機として駆動している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術によれば、始動時に、交流機の回転軸と遊星歯車装置のリングギヤを構成する小径ギヤとが逆方向に回転するため、電磁クラッチで締結する際に交流機の回転軸の回転慣性の影響によりエンジンの回転数が急激に低下することが考えられる。このような状況は車両の乗り心地や安定性を向上する上で好ましくない。
【０００５】本発明の目的は、車両の乗り心地及び安定性を向上できるように電動発電機を駆動できる車両用電動発電装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明では、電動機及び発電機として機能する電動発電機とエンジンのクランク軸との間に双方向に駆動力を伝達する変速機を設け、この変速機を電動発電機が電動機として機能するときと発電機として機能するときとでその回転軸が同じ方向に回転するように構成する。
【０００７】または、電動発電機を電動機として駆動したときの回転子の回転方向と、電動発電機を発電機として駆動するときのクランク軸に連結される変速機の入出力軸の回転方向とが同じになるように構成する。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る車両用電動発電装置１の第１の実施例を図１〜図５を参照して説明する。
【０００９】本実施例の車両用電動発電装置１の構成を図１に示す。図１において、車両用電動発電装置１は、エンジン１０１と双方向の駆動力伝達を行う電動発電機２と、電動発電機２に係る充放電を担う高電圧バッテリ５と、電動発電機２と高電圧バッテリ５との間で電力変換を行うインバータ３と、電動発電機２を制御する電動発電機制御装置４と、一般的な車両電気負荷に電力を供給する低電圧バッテリ６と、高電圧系と低電圧系との間で電圧変換を行うＤＣ／ＤＣコンバータ７等から構成されている。電動発電機２には変速機３０を備えており、変速機３０は電動発電機制御装置４からの制御指令値により変速動作を行う。
【００１０】車両用電動発電装置１の車両１００への搭載例を図２に示す。図２において、電動発電機２はエンジン１０１の外側に横置き方式で搭載されており、クランク軸プーリ１０３との間にベルト８１が掛け渡され、これによりエンジン１０１と双方向の駆動力伝達が行われる。尚、電動発電機２の配置はエンジン１０１の配置の都合により適宜最適化することができ、エンジン１０１を車両１００に対して横置きに配置した場合でも電動発電機２を搭載することが可能である。また、電動発電機２以外の装置、機器等もエンジンルーム１０５内に配置されているが、その詳細については図示しない車両関連機器の配置の都合により適宜最適化することができ、さらにエンジンルーム１０５以外の場所に配置することも可能である。
【００１１】ここで、車両用電動発電装置１を電動機として駆動したとき（以下、電動時という）及び発電機として駆動したとき（以下、発電時という）の動作を簡単に説明する。電動時は、高電圧バッテリ５の直流電力がインバータ３により適切な交流電力に変換され、この電力で電動発電機２が回転し駆動力が発生する。この駆動力はベルト８１を介してクランク軸１０２に伝達される。また発電時は、エンジン１０１の駆動力の一部がベルト８１を介して電動発電機２に伝達され交流電力が発生する。これがインバータ３により適切な直流電力に変換され、高電圧バッテリ５に蓄えられる。また一部はＤＣ／ＤＣコンバータ７を介して低電圧系に供給され、車両電気負荷、低電圧バッテリ６に分配される。
【００１２】ここで、本実施例においては、高電圧バッテリ５として電圧が約４２Ｖのバッテリを使用し、低電圧バッテリ６として高電圧バッテリ５よりも電圧が低い約１２〜１４Ｖのバッテリを使用している。
【００１３】以下、電動発電機２の構造を図３の側面縦断面図を参照して説明する。
【００１４】本実施例においては、電動発電機２はモータ１０と変速機３０を組み合わせた構造として取り扱う。尚、発明が不明瞭にならない範囲で、電動発電機２を変速機３０を含まない構造として扱うことに問題はない。変速機３０はクラッチ手段としての電磁クラッチ４０，遊星歯車機構（遊星歯車装置）６０等から構成されている。モータ１０と変速機３０とは、例えば通しボルト９０により一体に締結されている。
【００１５】まず、モータ１０の構造について説明する。尚、一般的にモータ１０としては同期モータと誘導モータの二つが考えられるが、両者に構造上の大きな相違が無いため、以下では後者を例に説明する。
【００１６】概円筒形状のモータハウジング１１の内側には、固定子鉄心１３に固定子コイル１４が巻装されてなる固定子１２が、例えば焼嵌め、圧入等の嵌合手段により嵌合されている。モータハウジング１１の両端には、軸受保持部１７ａ，１７ｂを有するフロントブラケット１５及びリヤブラケット１６がそれぞれ嵌合されている。モータハウジング１１には一組の脚１８ａ，１８ｂが一体で設けられており、これが図示しないエンジンの取付け部１０４に係合され、固定ボルト９１により固定されている。
【００１７】固定子１２の内側には、回転軸２０の固定子鉄心１３に相対する位置に回転子鉄心２１が前記嵌合手段により嵌合された回転子１９が配置されており、固定子１２内側で回転可能な如くに軸受２２ａ，２２ｂを介して両ブラケット１５，１６で支承されている。尚、回転子鉄心２１は図示しない複数個のスロットが備わる薄厚鋼板が複数枚積層され、各スロットに両端を短絡するように例えばアルミ合金が鋳込まれた構造であり、これにより誘導モータに特有のかご形回転子が形成されている。
【００１８】次に、変速機３０を構成する電磁クラッチ４０の構造について説明する。
【００１９】コイル４２が巻装されたコア４１は、取付け板４３を介してフロントブラケット１５に固定されており、図示しない固定ボルトによりモータ１０に同軸に固定されている。クラッチロータ４４は、コア４１と一定距離を保って回転可能な如くに支承されており、その中心にはフロントブラケット１５から突出する回転軸２０が、例えば圧入等の嵌合手段により嵌合されている。アーマチュア４５は、クラッチロータ４４と一定距離を保って相対回転可能な如くに支承されており、その端面には板ばね４６が図示しない固定ボルトにより固定されている。
【００２０】次に変速機３０を構成する遊星歯車機構（遊星歯車装置）６０の構造について説明する。
【００２１】ケーシング６５の内側には、これと相対回転不可能な如くにリングギヤ６３が係合されており、端面には側板６６が固定ボルト９２ａ，９２ｂにより固定されている。側板６６は、スペーサ４７ａ，４７ｂ及び板ばね４６を介してアーマチュア４５に固定ボルト９３ａ，９３ｂにより固定されている。これにより、リングギヤ６３とアーマチュア４５は一体で回転することになっている。
【００２２】リングギヤ６３の内側には、これとかみ合う複数個のピニオンギヤ（プラネットギヤ）６２ａ，６２ｂが適切に配置されており、回転可能な如くに遊星キャリア（プラネットキャリア）としての入出力軸６４にそれぞれ支承されている。ピニオンギヤ６２ａ，６２ｂの内側には、これらとかみ合う、回転軸２０の端近傍に形成されたサンギヤ６１が配置されている。以上により、一組の遊星歯車機構６０が構成されている。
【００２３】ケーシング６５の突出部６７と入出力軸６４との間にはローラ軸受６８が備わっており、また変速機ハウジング３１との間には、ケーシング６５の一方向の回転を拘束する一方向クラッチ６９が備わっている。
【００２４】入出力軸６４は、回転可能な如くに軸受７０を介して変速機ハウジング３１に支承されており、その端にはプーリ８０が嵌合され固定ナット９４により固定されている。プーリ８０と図示しないクランク軸プーリ１０３との間にはベルト８１が掛け渡されており、これによりクランク軸プーリ１０３と双方向の駆動力伝達が行われている。尚、プーリ８０とベルト８１に替えてスプロケットとチェーンベルトを用いることで、より大きな駆動力の伝達が可能となる。
【００２５】以上により、入出力軸６４と回転子１９、さらにはクランク軸１０２は同方向に回転することになる。
【００２６】以下、車両用電動発電装置１の動作を説明する。
【００２７】電動発電機２の動作モードは、大きく表１に示す通りに分類される。
【００２８】
【表１】

【００２９】尚、動作モード■及び■は、クランク軸１０２が回転しており、入出力軸６４からの僅かな駆動力を受けて回転子１９が空回りしている状態である。また、表１中のｕは遊星歯車機構６０を減速機として機能させた場合のその減速比であり、これはリングギヤ６３の歯数をサンギヤ６１の歯数で除した値に１を加えた値となる。
【００３０】電動発電機２を効果的に駆動するためには、電動発電機２の特性及び車両１００の走行状態に応じて動作モードを適切に切替えることが必要である。加えて、車両１００の乗り心地及び安定性を損わないようにするためには、電磁クラッチ４０の締結動作及び一方向クラッチ６９の動作が伴う切替えを適切に行うことが不可欠である。表２に、この場合の代表的な切替えパターンを示す。
【００３１】
【表２】

【００３２】以下、表２中の切替えパターンII、Ｖ及びVIIを例に車両用電動発電装置１の動作を説明する。尚、本発明の車両用電動発電装置１は表２に示す以外の切替えパターンも可能である。
【００３３】以下、切替えパターンIIにおける車両用電動発電装置１の一連の動作を説明する。
【００３４】切替えパターンIIとして、エンジン始動から発電に移行する場合を例に説明する。車両用電動発電装置１は信号待ち、右左折等での一時的な車両１００停止時にエンジン１０１を停止させるエンジン一時停止機能を備えている。エンジンアイドリング状態での不要な燃料消費を排除し、燃費を向上させる狙いがある。エンジン一時停止では、運転者の発進操作により速やかにエンジン１０１を始動させ、車両１００を発進させる必要があるため、少なくとも１秒以下の比較的短時間でエンジン１０１の回転数を概ね７００〜１０００ｒｐｍまで上昇させることになる。本例は、このようなエンジン始動が行われた直後に発電を開始する場合である。
【００３５】エンジン始動（動作モード■）について説明する。
【００３６】図１において電動発電機制御装置４は、エンジン制御装置８からのセンサ情報及び高電圧バッテリ５の充電量等の情報を基に電動発電機２の運転可否を判断し、運転可能な場合にはエンジン始動のための三相交流指令値をインバータ３に出力する。これを受けてインバータ３は、高電圧バッテリ５の直流電力を適切な三相交流電力に変換して電動発電機２に出力する。
【００３７】以下図３において、電動発電機２、詳しくはモータ１０に三相交流電圧が印可されると固定子１２内側に回転磁界が発生し、これを受けて回転子１９が所望の性能を持って正方向（図中Ａ矢視からみて左まわり方向）に回転する。回転子１９の回転により回転軸２０の端近傍に形成されたサンギヤ６１が回転し、これとかみ合う各ピニオンギヤ６２ａ，６２ｂが回転する。この時、リングギヤ６３には逆方向の回転付勢力が作用するが、リングギヤ６３が係合されるケーシング６５が一方向クラッチ６９の動作により変速機ハウジング３１に係止させられるため、遊星歯車機構６０は減速機として機能し、回転軸２０の駆動力が減速されて入出力軸６４に伝達されることになる。尚、この時の減速比はリングギヤ６３の歯数をサンギヤ６１の歯数で除した値に１を加えた値となる。そして、入出力軸６４に伝達された駆動力は、プーリ８０及びベルト８１を介して図示しないクランク軸１０２に伝達され、これによりエンジン１０１の始動が行われる。
【００３８】エンジン始動（動作モード■）が完了すると発電（動作モード■）に移行することになるが、本実施例では移行の前に動作モード■で電動発電機２を駆動する。動作モード■は電動発電機２を発電機として駆動するモードであるが、遊星減速機構６０の特徴で電動発電機２は入出力軸６４すなわちクランク軸１０２に負荷として影響することはない。
【００３９】動作モード■では、電動発電機制御装置４は電動発電機２を発電機として駆動するための三相交流指令値をインバータ３に出力する。これを受けてインバータ３は、高電圧バッテリ５の直流電力を三相交流電力に変換して電動発電機２に出力する。
【００４０】電動発電機２、詳しくはモータ１０に上記三相交流電圧が印加されると固定子１２内側に回転磁界が発生し、これを受けて回転子１９はその回転数が入出力軸６４のそれに近づくように回転を継続する。この時、遊星歯車機構６０の特徴で、リングギヤ６３も回転数が入出力軸６４のそれに近づくように回転を継続するため、上記動作により入出力軸６４、すなわちクランク軸１０２の回転が阻害されることはない。そして回転子１９の回転数と入出力軸６４の回転数、さらにはリングギヤ６３の回転数、望ましくは回転数と併せて三者の角加速度が概ね一致した段階で動作モード■の発電に移行する。
【００４１】動作モード■でも電動発電機２を継続して発電機として駆動するが、電磁クラッチ４０を動作させる必要があるため、移行と同時に電動発電機制御装置４は電磁クラッチ４０を動作させる信号をインバータ３内に併設された図示しない電源装置に出力する。これを受けて電源装置は、高電圧バッテリ５の直流電力を適切な電力に変換し電磁クラッチ４０に出力する。
【００４２】図３において、電磁クラッチ４０に電力が供給されコイル４２に通電すると、電磁力が発生しアーマチュア４５が板ばね４６のばね力に抗してクラッチロータ４４に吸引され両者は一体となる。これにより、クラッチロータ４４の中心に嵌合された回転軸２０の端近傍に形成されたサンギヤ６１と、アーマチュア４５に固定されたケーシング６５の内側に係合されたリングギヤ６３とが締結されることになるため、遊星歯車機構６０はその特徴で減速機として機能しなくなり、入出力軸６４の駆動力はそのまま回転軸２０に伝達されることになる。尚、遊星歯車機構６０を減速機として機能させないためには、その三軸の内の少なくとも二軸を締結すればよく、変速機３０内部の配置の都合により上記以外の組合わせも可能である。また電磁クラッチ４０としては、コイル４２への通電を止めることでアーマチュア４５とクラッチロータ４４が一体となる構造でも構わない。
【００４３】以上の一連の動作における回転数のタイムチャートの例を図４（ａ）に示す。これより、エンジン始動（動作モード■）完了後において回転子１９及びリングギヤ６３の回転数が入出力軸６４の回転数と異なっていても、動作モード■に切替える前に動作モード■で電動発電機２を駆動する（以下、動作モード■有りと称す。）ことで三者の回転数を概ね一致させられることがわかる。また、この時のクランク軸１０２の角加速度を、動作モード■が無い場合（以下、動作モード■無しと称す。）と比較して同図（ｂ）に示す。これより、動作モード■有りでは、三者の回転数が概ね一致した状態で動作モード■の発電に移行すべく電磁クラッチ４０を動作させるため、回転子１９及びリングギヤ６３の回転慣性の影響を殆ど受けずクランク軸１０２の角加速度が比較的小さく抑えられていることがわかる。
【００４４】クランク軸１０２の角加速度、すなわちエンジン１０１の回転数の大きな変化は乗り心地を損うだけでなく、車両１００の安定性を悪化させることにもつながるため、できる限り小さいことが望ましい。この点において本実施例の車両用電動発電装置１は、車両１００の乗り心地の向上と安定性の確保に有効であると言える。
【００４５】さらに、図４から分かるように、本実施例においては、回転子１９、入出力軸６４及びリングギヤ６３はエンジン始動モードから発電モードに至るまで常に同方向に駆動されるため、モードの切り換え時に電動発電機２側からエンジン回転数（エンジンの駆動状態）に与える影響を小さくすることができる。
【００４６】尚、切替えパターンＩにおける車両用電動発電装置１の動作は、切替え後に電動発電機２を電動機として駆動する以外は切替えパターンIIと同じであるため、切替えパターンＩにおいても本実施例の車両用電動発電装置１は、車両１００の乗り心地の向上と安定性の確保に有効であると言える。
【００４７】また、切替えパターンIIIにおける車両用電動発電装置１の動作は、切替え後に電動発電機２を駆動させない以外は切替えパターンIIと同じであるため、切替えパターンIIIにおいても本実施例の車両用電動発電装置１は、車両１００の乗り心地の向上と安定性の確保に有効であると言える。
【００４８】前述の通り、本例のエンジン始動では少なくとも１秒以下の比較的短時間でエンジン１０１の回転数を概ね７００〜１０００ｒｐｍまで上昇させる必要がある。そのため、クランク軸１０２の回転付勢には比較的大きな駆動力、詳しくはトルクが要求されることになる。但し、前述の遊星歯車機構６０の減速動作により、回転軸２０のトルクを減速比、さらにはプーリ比分だけ倍化することができるため、モータ１０で発生させるトルクはその分小さくて済み、モータ１０の小型・軽量化を図ることができる。例えば、遊星歯車機構６０の減速比を５、プーリ比を２とした場合、全体の減速比は両者の積の１０となり、モータ１０で発生させるトルクは始動に必要なトルクの１０分の１で済むことになる。但し、減速させる分モータ１０の回転数を、本例では７０００〜１００００ｒｐｍまで上昇させる必要があるため、比較的広い回転数範囲で安定してトルクを出力させることが必要になってくる。換言すれば、遊星歯車機構６０の減速比はモータ１０のトルク特性に応じて許容範囲内で任意に選定することができる。
【００４９】別の例として、暖機後或いは走行後等でエンジン１０１の温度が比較的高い場合を考える。この場合には、クランク軸１０２の回転付勢に必要なトルクは極端に小さくなるため、遊星歯車機構６０を減速機として機能させる必要がなくなる。よって、この場合には動作モード■でエンジン１０１を始動させてから動作モード■に切替える切替えパターンが望ましいと言える。これにより、始動に必要な時間を短縮でき、またモータ１０で消費される電力を小さく抑えられる、といった効果が得られる。
【００５０】以下、切替えパターンＶにおける車両用電動発電装置１の一連の動作を説明する。
【００５１】動作モード■から動作モード■への切替えに際し、電動発電機制御装置４はエンジン制御装置８からのセンサ情報及び高電圧バッテリ５の充電量等の情報を基に電動発電機２の運転可否を判断し、運転可能な場合には回転子１９の回転数と、エンジン１０１の回転数にプーリ比を乗じた値、すなわち入出力軸６４の回転数とを比較する。
【００５２】そして動作モード■に切替えることになるが、本実施例では切替えの前に、回転子１９の回転数が入出力軸６４の回転数よりも高い場合には動作モード■で電動発電機２を駆動し、逆に回転子１９の回転数が入出力軸６４の回転数よりも低い場合には動作モード■で電動発電機２を駆動する。
【００５３】動作モード■或いは■では、電動発電機制御装置１は電動発電機２を発電機或いは電動機として駆動するための三相交流指令値をインバータ３に出力する。これを受けてインバータ３は、高電圧バッテリ５の直流電力を三相交流電力に変換して電動発電機２に出力する。
【００５４】電動発電機２、詳しくはモータ１０に三相交流電圧が印可されると固定子１２内側に回転磁界が発生し、これを受けて回転子１９はその回転数が入出力軸６４のそれに近づくように回転を継続する。この時、遊星歯車機構６０の特徴で、リングギヤ６３も回転数が入出力軸６４のそれに近づくように回転を継続するため、上記動作により入出力軸６４、すなわちクランク軸１０２の回転が阻害されることはない。そして回転子１９の回転数と入出力軸６４の回転数、さらにはリングギヤ６３の回転数、望ましくは回転数と併せて三者の角加速度が概ね一致した段階で動作モード■に切替える。動作モード■での動作は切替えパターンIIで述べた通りであり、省略する。
【００５５】以上の一連の動作における回転数のタイムチャートの例を、回転子１９の回転数が入出力軸６４の回転数よりも低い場合を例に図５（ａ）に示す。これより、動作モード■において回転子１９及びリングギヤ６３の回転数が入出力軸６４の回転数と異なっていても、動作モード■に切替える前に動作モード■で電動発電機２を駆動する（以下、動作モード■有りと称す。）ことで三者の回転数を概ね一致させられることがわかる。また、この時のクランク軸１０２の角加速度を、動作モード■が無い場合（以下、動作モード■無しと称す。）と比較して同図（ｂ）に示す。これより、動作モード■有りでは、三者の回転数が概ね一致した状態で動作モード■に移行すべく電磁クラッチ４０を動作させるため、回転子１９及びリングギヤ６３の回転慣性の影響を殆ど受けずクランク軸１０２の角加速度が比較的小さく抑えられていることがわかる。
【００５６】クランク軸１０２の角加速度、すなわちエンジン１０１の回転数の大きな変化は乗り心地を損うだけでなく、車両１００の安定性を悪化させることにもつながるため、できる限り小さいことが望ましい。この点において本実施例の車両用電動発電装置１は、車両１００の乗り心地の向上と安定性の確保に有効であると言える。
【００５７】尚、切替えパターンIVにおける車両用電動発電装置１の動作は、切替え後に電動発電機２を電動機として駆動する以外は切替えパターンＶと同じであるため、切替えパターンIVにおいても本実施例の車両用電動発電装置１は、車両１００の乗り心地の向上と安定性の確保に有効であると言える。
【００５８】また、切替えパターンVIにおける車両用電動発電装置１の動作は、切替え後に電動発電機２を駆動させない以外は切替えパターンＶと同じであるため、切替えパターンVIにおいても本実施例の車両用電動発電装置１は、車両１００の乗り心地の向上と安定性の確保に有効であると言える。
【００５９】以下、切替えパターンVIIにおける車両用電動発電装置１の一連の動作を説明する。
【００６０】クランク軸１０２が回転しており、それからの僅かな駆動力を受けて入出力軸６４が回転している状態で動作モードを■に切替えるためには、回転子１９の回転数を少なくとも入出力軸６４の回転数に減速比ｕを乗じた値にまで上昇させる必要がある。これは、リングギヤ６３が係合されるケーシング６５を係止させるべく一方向クラッチ６９を動作させる必要性からであり、これにより遊星歯車機構６０は減速機として機能し、回転軸２０の駆動力が減速されて入出力軸６４に伝達されることになる。
【００６１】よって切替えパターンVIIでは、動作モードを■に切替える前に、正方向に回転しているリングギヤ６３、すなわちケーシング６５を一方向クラッチ６９を動作させるべく停止させる、この動作を最適化する必要があり、これにより一方向クラッチ６９の動作がスムーズに行われ、クランク軸１０２の角加速度を小さく抑えることができる。
【００６２】任意の動作モードから動作モード■への切替えに際して、電動発電機制御装置４はエンジン制御装置８からのセンサ情報及び高電圧バッテリ５の充電量等の情報を基に電動発電機２の運転可否を判断し、運転可能な場合には回転子１９の回転数を検出する。
【００６３】そして動作モード■に切替えることになるが、切替えパターンVIIでは切替えの前に必ず動作モード■で電動発電機２を駆動することが必要である。
【００６４】動作モード■では、電動発電機制御装置４は電動発電機２を電動機として駆動するための三相交流指令値をインバータ３に出力する。これを受けてインバータ３は、高電圧バッテリ５の直流電力を三相交流電力に変換して電動発電機２に出力する。
【００６５】電動発電機２、詳しくはモータ１０に三相交流電圧が印可されると固定子１２内側に回転磁界が発生し、これを受けて回転子１９はその回転数が入出力軸６４の回転数に減速比ｕを乗じた値（以下、目標回転数と称す。）にまで上昇するよう回転を継続する。この時、遊星歯車機構６０の特徴で、リングギヤ６３はその回転数が零になるよう回転を継続するため、上記動作により入出力軸６４、すなわちクランク軸１０２の回転が阻害されることはない。
【００６６】動作モード■では、電動発電機制御装置４は回転子１９の回転数を目標回転数との偏差が小さくするようにモータ１０を制御するため、リングギヤ６３の回転を比較的滑らかに停止させる或いはその回転数を限りなく零に近づけることができる。
【００６７】そして動作モード■が完了すると、動作モード■に切替える。動作モード■での動作は切替えパターンIIで述べた通りであり、省略する。
【００６８】以上により、動作モード■における一方向クラッチ６９の動作がスムーズに行われ、クランク軸１０２の角加速度を小さく抑えることができる。
【００６９】以下、電動発電機２の動作モードについて補足して説明する。
【００７０】動作モード■では、車両１００走行時にモータ１０の駆動力でエンジン１０１の回転が付勢することができる。これにより全体の駆動力が大きくなるため、車両１００の加速性能を向上させることができる、また逆に、モータ１０で駆動力が得られる分エンジン１０１で発生させる駆動力を小さく抑えることができるため、エンジン１０１の小型・軽量化を図ることが可能となる。さらに、モータ１０の駆動力でエンジン１０１の駆動力を高速に制御することが可能となるため、例えば自動変速機付車両におけるトルクダウン制御、エンジンのトルク脈動低減制御等で比較的高い効果を得ることができる。
【００７１】動作モード■では、電磁クラッチ４０を動作させることで遊星歯車機構６０を減速機として機能させず、入出力軸６４の駆動力をそのまま回転軸２０に伝達させるため、回転子１９の回転数をクランク軸１０２の回転数にプーリ比を乗じた比較的低い値に抑えることができ、これにより安定した発電出力を得ることが可能となる。
【００７２】尚、動作モード■と動作モード■では駆動力の伝達経路が同じであり、これにより車両１００走行中に両モードを瞬時に切替えることが可能となる。
【００７３】以下、遊星歯車機構６０の潤滑について説明する。遊星歯車機構６０の内部、具体的にはケーシング６５、側板６６、二つの環状シール７１ａ，７１ｂ及びシール７２で閉じられた空間には図示しない潤滑油が封入されており、これにより適切に潤滑が行われている。
【００７４】以下、モータ１０の冷却について説明する。図３において、モータハウジング１１の壁内には冷却液流路２４が形成されており、その中には冷却液２５が満たされている。冷却液流路２４は、外部に設置された図示しないラジエータに接続されており、図示しない冷却液ポンプにより冷却液２５の循環が行われている。これにより、固定子コイル１４及び固定子鉄心１３で発生した熱はモータハウジング１１を介して冷却液２５に伝わり、また回転子１９で発生した熱は軸受２２ａ，２２ｂ，ブラケット１５，１６，モータハウジング１１を介して冷却液２５に伝わりそれぞれ吸熱されるため、モータ１０の温度はほぼ一定に保たれ、常に安定した出力を得ることができる。
【００７５】尚、モータハウジング１１を例えばダイカスト製法により成形することで、機械加工を必要とせずに冷却液流路２４を一体に形成することができる。
【００７６】また、回転子鉄心２１の両端には冷却ファン２６が備えられており、回転子１９の回転によりモータ１０内部の空気が攪拌されるため、冷却性能をさらに向上させることに寄与している。
【００７７】さらに、インバータ３及び電動発電機制御装置４等を強制冷却しなければならない場合には、モータ１０と同様にそれらの周辺に冷却液流路を備え、ラジエータと冷却液ポンプを動作させて冷却することになる。
【００７８】以下、本実施例に係る車両用電動発電装置１の第２の実施例を図６を参照して説明する。
【００７９】第２の実施例である車両用電動発電装置１を構成する電動発電機２の側面縦断面図を図６に示す。尚、図３と同一部分については同一符号を付して説明を省略する。本実施例の電動発電機２が図３に示す電動発電機２と異なる主な点は、ブレーキ手段としての電磁ブレーキ４８が備わっていることと、入出力軸６４の中心に貫通穴７３が備わりそこに回転軸２０が挿入されていることと、回転軸２０のプーリ８０から突出する端に補機駆動プーリ８２が固定ナット９４により固定されていることと、一方向クラッチ６９が備わっていないことである。
【００８０】電磁ブレーキ４８は、コイル４２ａが巻装されたコア４１ａが取付け板４３ａを介して変速機ハウジング３１ｂに固定され、アーマチュア４５ａがコア４１ａと一定距離を保って回転可能な如くに支承され、アーマチュア４５ａの端面に板ばね４６ａが図示しない固定ボルトにより固定された構造である。
【００８１】変速機３０の側板６６はスペーサ４７ａ，４７ｂ及び板ばね４６ａを介してアーマチュア４５ａに固定ボルト９３ａ，９３ｂにより固定されており、これによりリングギヤ６３とアーマチュア４５ａは一体で回転することになっている。
【００８２】本実施例の電動発電機２では、電磁ブレーキ４８を動作モード■において遊星減速機構６０を減速機として機能させるべく、リングギヤ６３が係合されたケーシング６５を固定するように作動させる。具体的には、電磁ブレーキ４８に電力が供給されコイル４２ａに通電すると、電磁力が発生しアーマチュア４５ａが板ばね４６ａのばね力に抗してコア４１ａに吸引されアーマチュア４５ａが固定される。これによりアーマチュア４５ａに固定された側板６６が固定され、ケーシング６５に係合されたリングギヤ６３が固定されることになる。
【００８３】すなわち、動作モード■以外ではリングギヤ６３は正方向及び逆方向に回転することが可能であり、これにより入出力軸６４の回転慣性が比較的大きいためにリングギヤ６３の回転が逆方向に付勢されるエンジン一時停止の状態でも、モータ１０を電動機として駆動して回転軸２０を正方向に回転させることができるため、回転軸２０にベルト８１ａを介して連結される図示しない補機、例えばコンプレッサ，オイルポンプ等をアイドリング状態と同様に駆動することができる。これによれば、補機を駆動するためのモータを別に備える必要が無く、コストの点で有利となる。
【００８４】尚、補機としては上記に限定されることはなく、それが例えば冷却液ポンプであってもよい。
【００８５】また、ケーシング６５を固定できるならば、電磁ブレーキ４８の配置を任意に決定するができる。
【００８６】次に、上述した車両用電動発電装置を搭載する車両の例として、ハイブリッド車両について説明する。
【００８７】ハイブリッド車両としては、エンジンの駆動力で発電機を駆動して電力を得て、この電力で車軸と連結された電動機を駆動して車両を走行させるシリーズ型のハイブリッド車両と、エンジンの回転力の一部で電力を得て、この電力による電動機の駆動力と、車軸に連結されたエンジンの駆動力の両方で車両を走行させるパラレル型のハイブリッド車両が知られている。
【００８８】例えば特開平９−１３２０４２号公報には、エンジンと２つの電動機を遊星歯車機構の各軸に連結し、エンジンと各電動機の負荷及び回転数によって駆動力を分配する構成が開示されている。
【００８９】しかしながら上記従来技術では、電動機とこれを駆動するためのインバータ回路が２つ必要であり、また遊星歯車機構を新たに配置するための車両構造の変更が必要となるため、これらに伴う大幅なコスト上昇は避けられなかった。
【００９０】そこで、電動機能と発電機能を有する電動発電機をエンジンに搭載し、その入出力軸をクランク軸に連結する方式が考えられる。これによれば、電動発電機一つで電動と発電の両方が可能となるため、上記従来技術に比べてコストの点で有利となる。
【００９１】電動発電機を用いる場合、エンジン始動時のトルク不足に対処するため電動発電機とクランク軸との間に減速機を備えることが好ましい。しかし、この減速機は、電動発電機がエンジンにより駆動される発電時に、その減速比分だけ電動発電機を増速駆動するという問題を有する。
【００９２】そこで、少なくとも発電時に、減速機を機能させないようにすることが必要であり、上述の実施例に示した車両用電動発電装置１を搭載するとよい。
【００９３】
【発明の効果】本発明によれば、電動発電機が電動機として機能するときと発電機として機能するときとでその回転軸が同じ方向に回転するように構成することにより、または、電動発電機を電動機として駆動したときの回転子の回転方向と、電動発電機を発電機として駆動するときのクランク軸に連結される変速機構の入出力軸の回転方向とを同じにしたことにより、クラッチ装置作動時のクランク軸の角加速度が比較的小さくなり、乗り心地を向上でき、また車両の安定性を確保できる。
【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
【出願日】 平成１１年９月２０日（１９９９．９．２０）
【代理人】 【識別番号】１０００７５０９６
【弁理士】
【氏名又は名称】作田 康夫
【公開番号】 特開２００１−９５１０３（Ｐ２００１−９５１０３Ａ）
【公開日】 平成１３年４月６日（２００１．４．６）
【出願番号】 特願平１１−２６５００５