(57)【要約】【課題】最大効率点を車両用電動機として走行した場合に使用頻度が高い低、中負荷側に広げることができ  、かつ高効率範囲を広くとれる回転電機を提供する。【解決手段】特性の異なる２つのロータ１、２を持ち、その２つのロータ１、２の出力軸を、２入力、１出力を持つ出力合成機５に各々入力する構造の回転電機１１であって、出力合成機５の出力トルクに応じて、２つのロータ１、２の出力トルクを任意の配分比で分配し出力させ、その配分比を、出力合成機５の出力トルクと回転速度から定まる各動作点において出力効率が最大になるよう決定する。【選択図】        図１
2004194370.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特性の異なる２つのロータを持ち、その２つのロータの出力軸を、２入力、１出力を持つ出力合成機に各々入力する構造の回転電機であって、前記出力合成機の出力トルクに応じて、前記２つのロータの出力トルクを任意の配分比で分配し出力させ、その配分比を、前記出力合成機の出力トルクと回転速度から定まる各動作点において出力効率が最大になるよう決定することを特徴とする回転電機。
【請求項２】
前記特性の異なる２つのロータが互いにトルク特性の異なるロータであり、前記２つのロータのロータ径、極対数、永久磁石のつくる鎖交磁束数、または、ｄｑ軸のインダクタンスの差（Ｌｄ−Ｌｑ）が異なることによりトルク特性が異なっている請求項１記載の回転電機。
【請求項３】
前記特性の異なる２つのロータとして、内外にロータを持ち、アウターロータとインナーロータ間にステータを持つ三層同軸構造のモータを用い、アウターロータとインナーロータを同じ速度で回転させ、各ロータの出力を前記出力合成機に各々入力し、前記出力合成機の出力トルクに応じて、アウターロータとインナーロータの出力トルクを任意の配分比で分配し出力させ、その配分比を、前記出力合成機の出力トルクと回転速度から定まる各動作点において出力効率が最大になるよう決定する請求項１記載の回転電機。
【請求項４】
前記アウターロータの最大出力トルクがインナーロータよりも大きい請求項３記載の回転電機。
【請求項５】
前記出力合成機の出力効率を最大にする方法が、予め前記出力合成機の出力トルクと回転速度の各動作点において最大出力効率が得られる２つのロータの配分比のマップを準備し、このマップから読み取った２つのロータの配分比に基づき、２つのロータの出力トルクを決定し、２つのロータが決定された出力トルクとなるよう制御する方法である請求項１〜４のいずれか１項に記載の回転電機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、駆動システムに用いられ高い出力効率を有する回転電機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高効率回転電機として、界磁に永久磁石を用いた永久磁石モータ（ＰＭ）が用いられている。同期モータの一種である永久磁石モータ（ＰＭ）は、永久磁石を配置している回転子が、固定子側の回転磁界に吸引・反発し、同期速度で回転する。また、永久磁石モータ（ＰＭ）としては、永久磁石を回転子表面に配置した表面磁石モータ（ＳＰＭ）と、回転子内部に永久磁石を埋め込んだ埋込磁石モータ（ＩＰＭ）が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の永久磁石モータにおいて、モータの損失は、銅損と鉄損から成り、銅損はトルクに比例し、鉄損は回転速度に比例する。そして、図７に従来の永久磁石モータにおける銅損と鉄損の一例を示すように、モータの効率は銅損と鉄損の和が最小になる付近で最大になる。つまり、最大効率点においては、トルクおよび回転速度が決定されており、そのトルクを出力する電流は一意に決まってしまう。また、従来の永久磁石モータにおける回転速度とトルクで定義される各動作点での効率のマップを示す図８からわかるように、その最大効率点は高出力側に分布するので、通常  車両用電動機として走行した場合に使用頻度が高い低、中負荷域の効率が悪化するという問題があった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を有利に解決して、最大効率点を車両用電動機として走行した場合に使用頻度が高い低、中負荷側に広げることができ  、かつ高効率範囲を広くとれる回転電機を提供することを目的とするものであり、本発明の回転電機は、特性の異なる２つのロータを持ち、その２つのロータの出力軸を、２入力、１出力を持つ出力合成機に各々入力する構造の回転電機であって、前記出力合成機の出力トルクに応じて、前記２つのロータの出力トルクを任意の配分比で分配し出力させ、その配分比を、前記出力合成機の出力トルクと回転速度から定まる各動作点において出力効率が最大になるよう決定することを特徴とするものである。
【０００５】
【発明の効果】
本発明の回転電機にあっては、出力合成機の出力トルクに応じて、２つのロータの出力トルクを任意の配分比で分配し出力させ、その配分比を、出力合成機の出力トルクと回転速度から定まる各動作点において出力効率が最大になるよう決定することで、出力の最大効率点を低、中負荷側に広げ  かつ高効率範囲を広くとれることができる。
【０００６】
なお、本発明の回転電機においては、前記特性の異なる２つのロータが互いにトルク特性の異なるロータであり、前記２つのロータのロータ径、極対数、永久磁石のつくる鎖交磁束数、または、ｄｑ軸のインダクタンスの差（Ｌｄ−Ｌｑ）が異なることによりトルク特性が異なっていることが好ましい。このように構成すれば、特性の異なる２つのロータを簡単に得ることができ、本発明をより好適に達成することができる。
【０００７】
また、本発明の回転電機においては、前記特性の異なる２つのロータとして、内外にロータを持ち、アウターロータとインナーロータ間にステータを持つ三層同軸構造のモータを用い、アウターロータとインナーロータを同じ速度で回転させ、各ロータの出力を前記出力合成機に各々入力し、前記出力合成機の出力トルクに応じて、アウターロータとインナーロータの出力トルクを任意の配分比で分配し出力させ、その配分比を、前記出力合成機の出力トルクと回転速度から定まる各動作点において出力効率が最大になるよう決定することが好ましい。このように構成すれば、アウターロータとインナーロータの出力トルクの和を１つの出力トルクとして出力することができ、車両用電動機としての走行に用いられる三層同軸構造のモータを効率よく使用することができる。
【０００８】
さらに、本発明の回転電機においては、前記アウターロータの最大出力トルクがインナーロータよりも大きいことが好ましい。三層同軸構造のモータの場合、通常アウターロータの方がインナーロータよりもロータ径が大きい。したがって、トルク特性はアウターロータの方がインナーロータよりも大きくできる。そのため、このように構成すれば、三層同軸構造のモータを利用してより好適に本発明を達成することができる。
【０００９】
さらにまた、本発明の回転電機においては、前記出力合成機の出力効率を最大にする方法が、予め前記出力合成機の出力トルクと回転速度の各動作点において最大出力効率が得られる２つのロータの配分比のマップを準備し、このマップから読み取った２つのロータの配分比に基づき、２つのロータの出力トルクを決定し、２つのロータが決定された出力トルクとなるよう制御する方法であることが好ましい。このように構成すれば、簡単に出力合成機の出力効率を最大にでき、本発明をより好適に達成することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の回転電機の一例の構成を説明するための図である。図１に示す例において、本発明の回転電機１１は、特性の異なる２つのロータとしての第１のロータ１と第２のロータ２を持ち、第１のロータ１と第２のロータ２の出力軸３、４を、２入力、１出力を持つ出力合成機５に各々入力する構造となっている。本発明の特徴は、上述した構造を有する回転電機１１において、出力合成機５の出力軸６における出力トルクに応じて、第１のロータ１の出力軸３における出力トルクと第２のロータ２の出力軸４における出力トルクを任意の配分比で分配し出力されている点である。その際、その分配の配分比を、出力合成機５の出力軸６における出力トルクと回転速度から定まる各動作点において出力効率が最大となるように決定している。  出力合成機としては、例えば遊星歯車組を用いて、一方のロータをリングギヤと接続し、他方のロータをサンギヤに接続し、出力軸をキャリアに接続する。
【００１１】
上述した本発明の回転電機１１において、特性の異なる２つのロータとしての第１のロータ１と第２のロータ２としては、両者のトルク特性を異ならせることが考えられる。第１のロータ１と第２のロータ２のトルク特性を異ならせるには、第１のロータ１と第２のロータ２のロータ径を異ならせること、第１のロータ１と第２のロータ２の極対数を異ならせること、例えば、一方を６極対とし他方を３極対とすること、第１のロータ１と第２のロータ２の永久磁石のつくる鎖交磁束数を異ならせること、例えば、両者の永久磁石の表面積を異ならせること、および、第１のロータ１と第２のロータ２においてｄｑ軸のインダクタンスの差（Ｌｄ−Ｌｑ）を異ならせること、例えば、一方を埋込磁石モータ（ＩＰＭ）とし他方を表面磁石モータ（ＳＰＭ）とすること、が考えられる。また、出力合成機５としては、２入力、１出力のものであればどのようなものでも使用することができ、例えば、遊星ギヤやベルトＣＶＴなどの構造をとるものを好適に使用することができる。
【００１２】
上述した構成の本発明の回転電機１１において、出力合成機５の出力軸６における出力トルクをＴａｌｌとし、第１のロータ１の出力軸３における出力トルクをＴ１、第２のロータ２の出力軸４における出力トルクをＴ２とした場合、
Ｔａｌｌ＝Ｔ１＋Ｔ２
となる。今、
Ｔ１＝ａＴａｌｌ  （０＜＝ａ＜＝１）
とすれば、
Ｔ２＝（１−ａ）Ｔａｌｌ
となり、ａの自由度が増加する。すなわち、出力合成機５の出力軸６のトルクが一定で、ａの配分を変えることにより、第１のロータ１と第２のロータ２のそれぞれのロータの出力するトルクが変わるので、それぞれのロータを持つモータの損失が変わることになる。したがって、効率が最大になるａを選択することで、ａが１または０の場合に比して、効率を向上させることが可能である。
【００１３】
一般的に、モータの出力トルクの式は以下のように表される。
Ｔｅ＝Ｐ（φＩｑ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）ＩｄＩｑ）
ここで、Ｐは極対数、φは磁石の作る磁束、Ｌｄ，Ｌｑはそれぞれｄ軸、ｑ軸インダクタンス、Ｉｄ，Ｉｑはそれぞれｄ軸、ｑ軸電流である。例えば、φの大きいモータは、少ない電流でトルクを出力することが可能であるが、以下に示す誘起電圧が高速で大きくなる。
Ｖ＝ｄφ／ｄｔ＝ωφ
【００１４】
従って、例えばφの大きい  ロータの磁束φ１と、φの小さいロータの磁束φ２の場合、簡単のために、
Ｔｅ＝φＩｑ
とすれば、
Ｔ１＝φ１Ｉｑ１＝ａＴａｌｌ、Ｔ２＝φ２Ｉｑ２＝（１−ａ）Ｔａｌｌとなり、
Ｉｑ１＝ａＴａｌｌ／φ１、Ｉｑ２＝（１−ａ）Ｔａｌｌ／φ２となる。
【００１５】
ここで、Ｉｑ１＋Ｉｑ２を考えると、
Ｉｑ１＋Ｉｑ２＝ａＴａｌｌ／φ１＋（１−ａ）Ｔａｌｌ／φ２
＝ａＴａｌｌ（ａφ２＋（１−ａ）φ１）／φ１φ２
となり、これが、ａ＝１の場合のＩｑ１より小さくなれば良いので
ａＴａｌｌ（ａφ２＋（１−ａ）φ１）／φ１φ２＜Ｔａｌｌ／φ１
となり、これを解くと
φ１＜φ２
となる。つまり、異なる磁束を持つロータを組み合わせることで、その電流は必ず減少する。このことにより損失が低減され、特に銅損が減少した場合、その効率範囲は低、中負荷側に広がることになる。
【００１６】
次に、本発明の回転電機において、具体的に出力合成機の出力効率を最大にする方法について説明する。まず、実際に第１のロータ１、第２のロータ２、出力合成機５から回転電機１１を作成する。そして、作成した回転電機１１において、出力合成機５の出力トルクと回転速度で定まる動作点毎に、第１のロータ１の出力トルクと第２のロータ２の出力トルクの和が常にその動作点における出力合成機５の出力トルクとなる条件の下、第１のロータ１の出力トルクと第２のロータ２の出力トルクを変化させ、出力効率が最大となる配分比ａを求める。出力合成機５の出力トルクと回転速度で定まる動作点全てに対し上記配分比ａを求めることで、配分比ａについての出力合成機５の出力トルクと回転速度の関係を示すマップを得ることができる。
【００１７】
ここで、  モータの出力効率は、出力合成機の速度×トルク／インバータ  出力パワーと定義して求める。また、本発明の回転電機１１では２つのモータを１つのモータとして扱うことを前提としているので、回転速度は通常第１のロータ１、第２のロータ２とも出力合成機５におけるその動作点の回転速度と同じとなると考えられるが、同一でなくともある比率（例えばギア比）を固定で持っていれば、その場合でも同一として扱うことができ、本発明を適用することができる。
【００１８】
図２はすべての動作点について配分比ａを求めたマップの一例を示す図である。実際に本発明の回転電機１１の回転時の制御を行う際は、まず、制御を行う出力合成機５の回転速度と出力トルクから定められる動作点を規定する。動作点が決まると、図２に示すマップからその動作点における第１のロータ１と第２のロータ２の出力トルクの配分比ａを求める。そして、求めた配分比ａに基づき第１のロータ１の出力トルクと第２のロータ２の出力トルクを求め、求めたトルクの値となるように、第１のロータ１の出力と第２のロータ２の出力とを制御する。この出力制御は、第１のロータ１、第２のロータ２の各別に、予め各ロータ動作点の電流について求めた回転数と出力トルクとの関係を示すマップから、その制御点において流すべき電流を求め、その電流を流すことにより行うことができる。
【００１９】
図３は本発明の回転電機１１で得られる出力効率を出力トルクと回転速度の関係で示すマップである。図３をみるとわかるように、上述した方法で回転軸の制御を行った本発明の回転電機１１の出力効率は、図６に示した単独のモータの場合と比較して、最大効率の範囲が低、中負荷領域まで広がっていることがわかる。
【００２０】
実際の制御の一例を図４（ａ）〜（ｃ）を例にとって説明する。図４において、図４（ａ）は第１のロータ１におけるトルクと回転速度で定まる各動作点において最大効率を得る電流指令のマップ、図４（ｂ）は第２のロータ２におけるトルクと回転速度で定まる各動作点において最大効率を得る電流指令のマップ  であり各動作点毎に電流値が記載されている、図４（ｃ）は出力合成機５におけるトルクと回転速度で定まる各動作点において配分比ａを示すマップである。図４（ｃ）に示すマップは図２に示すマップと対応している。
【００２１】
まず、図４（ａ）〜（ｃ）に示す各マップを予め準備しておく。そして、制御すべき動作点が例えば出力合成機５の出力が回転速度：３０００ｒｐｍで出力トルク：１５０Ｎｍの点であるならば、図４（ｃ）からＣ点の配分比ａ（ここでは１／３とする）を求め、求めた配分比ａ（＝１／３）に基づき、第１のロータ１の出力トルクを１００Ｎｍに制御し、第２のロータ２の出力トルクを５０Ｎｍに制御する。この制御は、第１のロータ１では、図４（ａ）に示すマップから、制御すべき第１のロータ１の動作すなわち回転速度：３０００ｒｐｍで出力トルク：１００Ｎｍの動作点Ａにおける最大効率を得る電流指令を求め、その電流を第１のロータ１に流すことで行うことができる。同様に、第２のロータ２では、図４（ｂ）に示すマップから、制御すべき第２のロータ２の動作点すなわち回転速度：３０００ｒｐｍで出力トルク：５０Ｎｍの動作点Ｂにおける最大効率を得る電流指令を求め、その電流を第２のロータ２に流すことで行うことができる。
【００２２】
次に、特性の異なる第１のロータ１と第２のロータ２の好適な一例として、内外にロータを持ち、アウターロータとインナーロータ間にステータを持つ三層同軸構造のモータについて説明する。図５は、ラビニョオ型遊星歯車列と組み合わされて車両用ハイブリッド変速機を構成する、回転電機の一実施形態としての複合電流多層モータを示す。この複合電流多層モータを、この発明の特性の異なる第１のロータ１と第２のロータ２を有するモータとして好適に使用できる。図５に示す構成の複合電流多層モータは、一個の円環状のステータ２１と、その半径方向内方および外方にそれぞれ互いに同軸の所定回転軸線Ｃ上にて回転自在に配置したインナーロータ２２およびアウターロータ２３とよりなる三重構造とし、これらをハウジング２４内に収納して構成する。
【００２３】
ここにおけるインナーロータ２２およびアウターロータ２３はそれぞれ、電磁鋼板などをプレス成形して造った板材のロータ軸線方向への積層になる積層コア４４，４５を具え、これら積層コア４４，４５に、ロータ軸線方向に貫通する永久磁石を円周方向等間隔に配置して設けた構成となす。
【００２４】
そしてハウジング２４内へのインナーロータ２２およびアウターロータ２３の収納に当たっては、アウターロータ２３は、積層コア４５の外周にトルク伝達シェル２５を駆動結合して具え、該トルク伝達シェル２５の両端をそれぞれベアリング２７，２８によりハウジング２４に回転自在に支持し、トルク伝達シェル２５をベアリング２７の側でアウターロータシャフト２９に結合する。
【００２５】
インナーロータ２２は積層コア４４の中心に、内部に上記アウターロータシャフト２９を回転自在に貫通した中空のインナーロータシャフト３０を貫通して具え、これらインナーロータ２２の積層コア４４およびインナーロータシャフト３０間を駆動結合する。そしてインナーロータシャフト３０の中間部をベアリング３２により、固定のステータブラケット３３内に回転自在に支持し、一端部（図５では左端部）をベアリング３４によりトルク伝達シェル２５の対応端壁に回転自在に支持する。
【００２６】
ステータ２１は、電磁鋼板をプレス成形して造ったＩ字状のステータ鋼板をステータ軸線方向に積層してなる多数のステータピースを具える。個々のステータピースには、アウターロータ側ヨークおよびインナーロータ側ヨーク間におけるティースの箇所において図５に示す如く電磁コイル３７を巻線し、これらコイル巻線済のステータピースを同一円周方向等間隔に、つまり円形に配列してステータコアとなし、このステータコアをステータ軸線方向両側のブラケット３３，３８間にボルト３９で挟持すると共に全体的に樹脂４０でモールドすることにより一体化してステータ２１を構成する。なお、樹脂４０内には隣り合うステータピース３６間において冷却液通路６１を軸線方向に形成し、上記したボルト３９はその冷却液通路６１の半径方向内方および外方にそれぞれ位置させる。ここで、各ボルト３９はそれに螺合したナット３９ａによって締め上げられる。このボルト・ナットによる締め上げ構造をリベットピンによる締め上げ構造としても良いことはいうまでもない。
【００２７】
なお、このモータの駆動に当たっては、回転センサ６８および回転センサ６７が検出するインナーロータ２２およびアウターロータ２３の回転位置、つまりこれらに上記のごとく設けられる永久磁石の位置に応じた両ロータ２２，２３用の駆動電流を複合して得られる複合電流をステータ１の電磁コイル３７に供給し、これにより両ロータ２２，２３用の回転磁界をステータに個別に発生させることで、回転磁界に同期してロータ２２，２３を個別に回転駆動させることができる。
【００２８】
上述した構造の三層同軸モータにおいて、中空のインナーロータシャフト３０を第１のロータ１とし、アウターロータシャフト２９を第２のロータ２とし、ラビニョオ型遊星歯車列を出力合成機５とし、中空のインナーロータシャフト３０とアウターロータシャフト２９をそれぞれラビニョオ型遊星歯車列のサンギヤとリングギヤに接続することで、好適に本発明の回転電機を構成することができる。
【００２９】
上述した構造の三層同軸モータに対し供給すべき複合電流の一例を図６に示す。図６において、インナーロータを駆動するインナーロータ用電流１０１と、アウターロータを駆動するアウターロータ用電流１０２とを重畳することで、複合電流１５３が得られ、この複合電流１０３を上記三層同軸モータに供給することで、インナーロータとアウターロータとを個別に回転させることができる。そして、この構造の回転電機を、本発明において出力合成機に組み合わさる特性の異なる第１のロータ１と第２のロータ２として使用することで、以下のような効果を得ることができ、本発明の好適な態様となる。
【００３０】
すなわち、三層同軸構造の回転電機を用いることで、２ロータの出力トルクの和を１つの出力トルクとして出力することで、インナーロータとアウターロータのトルク出力比の自由度が上述した例と同様に１つ増える。例えば、アウターロータを高トルク（磁石の磁束が多い）ロータとして、インナーロータを低トルク高速ロータとした場合に、和のトルクが高いトルク領域では、アウターロータのトルク出力を増やし、高速領域ではインナーロータのトルク出力を増やすことで、１つのモータで全域をカバーするよりも電流が減少し、効率が増加する。さらに、インナーロータとアウターロータが同速度で回転しているために、それぞれのロータには直流の磁界しか発生せず、ロータに鉄損が理論的に発生しない。以上より、トルク分担比を可変することで、電流が減少し、銅損が減少する。さらに同回転するために鉄損が減少して、効率が向上する。さらにまた、上述した三層同軸構造の回転電機の場合、通常アウターロータのロータ径がインナーロータより大きい。そのため、トルク特性はアウターロータの方がインナーロータよりも大きくでき、特に特別な設計を施すことなく、本発明にそのまま適用することができる。従って、三層同軸構造の回転電機を本発明の特性の異なる２つのロータとして好適に使用できることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の回転電機の一例の構成を説明するための図である。
【図２】本発明の回転電機において回転速度と出力トルクで定まる動作点の全ての点について配分比ａを求めたマップの一例を示す図である。
【図３】本発明の回転電機で得られる出力効率を回転速度と出力トルクとの関係で示すマップを示す図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）はそれぞれ第１のロータおよび第２のロータにおける各動作点において最大効率を得る電流指令のマップの一例を示す図であり、（ｃ）は出力合成機における各動作点において配分比ａを示すマップの一例を示す図である。
【図５】ラビニョオ型遊星歯車列と組み合わされて車両用ハイブリッド変速機を構成する、複合電流多層モータの一例を示す縦断側面図である。
【図６】複合電流多層モータに対し供給すべき複合電流の一例を説明するための図である。
【図７】従来の永久磁石モータにおける銅損と鉄損の一例を示すグラフである。
【図８】従来の永久磁石モータで得られる出力効率を回転速度と出力トルクとの関係で示すマップを示す図である。
【符号の説明】
１  第１のロータ
２  第２のロータ
３、４、６  出力軸
５  出力合成機
１１  回転電機
【図１】
2004194370.tif 000003
【図２】
2004194370.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2004194370.tif 000008
【図７】
2004194370.tif 000009
【図８】
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