专利名称：车辆驱动系统和具有该系统的车辆的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种车辆驱动系统和具有该车辆驱动系统的车辆，尤其涉及一种包括旋转电机的车辆驱动系统和具有该车辆驱动系统的车辆。
背景技术：
近年来，需要一种用作电动车辆、混合动力车辆以及类似车辆的驱动电动机(马达，motor)的小型的和高效的电动机。为此，已经对多种电动机，例如同步磁阻电动机和嵌入式磁体同步电动机进行了研究。
但是，磁阻电动机会导致较大的转矩脉动(torque ripple)，当磁阻电动机作为驱动电动机使用时，会引起很大噪声和强烈振动的问题。电动机的噪声和振动被认为与转矩脉动有关。
日本专利公开No.2000-152577公开了一种用于减小磁阻电动机的这种转矩脉动的技术。在此技术中，为了减小转矩脉动，转子的凸极的尖端(即，前端)面被修圆以允许电枢绕组的电感以正弦波的形状改变。
但是，如日本专利公开2000-152577中所公开的，如果抑制转矩脉动的措施是通过将电动机转子的凸极构造成双侧对称来实现，则平均转矩将减小。因此，为了产生大转矩，必须提供较大直径的转子。这种较大直径的转子将阻碍电动机尺寸的小型化。
发明内容
本发明的目标是提供一种转矩脉动减小的小型的高功率的车辆驱动系统，以及具有该车辆驱动系统的车辆。
总之，本发明是一种车辆驱动系统，包括具有能够围绕输出轴在正方向上和在反方向上旋转的结构的旋转电机，在所述反方向上的转矩脉动小于在所述正方向上的转矩脉动；以及根据输出轴在正方向上的旋转，在使车辆前进运动的方向上旋转的旋转轴。
优选地，该旋转电机包括定子和转子，该转子成形为使得当在反方向上旋转时的转矩脉动小于当在正方向上旋转时的转矩脉动。
更优选地，转子具有多个凸极部，并且该多个凸极部的每个尖端部在反方向的一侧的拐角处相对于在正方向的一侧的拐角具有更大的缺损部。
优选地，该车辆驱动系统还包括直流电源，布置在该直流电源和旋转电机之间的电流供给和接收路径上的逆变器，以及从该旋转电机获得旋转信息以控制逆变器的控制单元。该控制单元控制逆变器，以便相应于加速指令在转子内产生在正方向上的转矩，以使旋转电机以动力模式运行，和相应于减速指令在转子内产生在反方向上的转矩，以使旋转电机以再生模式运行。
优选地，该车辆驱动系统还包括直流电源，布置在该直流电源和旋转电机之间的电流供给和接收路径上的逆变器，以及从该旋转电机获得旋转信息以控制逆变器的控制单元。当该旋转电机在动力模式下运行以使车辆前进运动时，控制单元根据旋转信息指令逆变器供给补偿电流，以便在一部分旋转域(rotation region)中减小旋转电机的转矩脉动。
更优选地，所述一部分旋转域是对应于其中车辆以徐行状态行驶的域的旋转域。
根据本发明的另一个方面，一种车辆包括上述车辆驱动系统中的任何一种，以及连接到旋转轴的车轮。
根据本发明，转矩脉动的减小使得在再生运行模式下引起的并干扰驾驶员的噪声减小。
还优选地，与通过补偿电流的控制相结合，可减小在动力运行模式下引起的转矩脉动。
图1是示出用在本发明的车辆驱动系统中的旋转电机1的形状的横截面视图。
图2是示出图1中的虚线围住的部分5附近的放大视图。
图3是示出图2中的转子的凸极部12的放大视图。
图4是示出凸极和定子的激励线圈之间的位置关系的图。
图5是用于说明在转子内引起的转矩的幅值的图。
图6是示出当控制用在本发明中的旋转电机的最大功率时的运转特性的图。
图7是用于说明在凸极中设置有切口的情况下转矩脉动的改善的图。
图8是示出在尖端部中设置切口之前和之后转矩脉动比率的变化的图。
图9是示出本发明的车辆驱动系统的噪声水平的实际测量示例的图。
图10是示出本发明的车辆驱动系统100的构造的图。
图11是用于说明通过控制器40减小转矩脉动的措施的图。
图12是用于说明本发明的车辆驱动系统采取的抑制转矩脉动的措施的图。
具体实施例方式
下文将参照附图详细说明本发明的实施例，其中相同或对应的部件用相同参考标号指示，并且将不再重复说明。
图1是示出用在本发明的车辆驱动系统中的旋转电机1的形状的横截面视图。
参照图1，旋转电机1包括定子2和转子3。
定子2和转子3中的每一个均由堆叠的电磁钢板形成。转子3的中心部具有贯穿电磁钢板中心的旋转轴4。旋转电机1在用于驱动车辆的动力运行模式下作为电动机运转，并且在用于制动车辆的再生运行模式下作为发电机运转。
转子3是形成有两对凸极的四极转子。凸极的每个尖端具有双侧不对称的形状，并且该尖端只有一侧具有切口即缺损部。此切口的作用是，当旋转电机1作为电动机旋转时，导致在旋转方向R1产生较大转矩脉动而在旋转方向R2产生较小转矩脉动。
在本发明中，旋转电机1安装在车辆内，以便当电动机在产生较大转矩脉动的旋转方向R1上旋转时车辆前进运动。
图2是示出图1中的虚线围住的部分5附近的放大视图。
参照图2，转子3具有凸极部12。定子2包括定子磁轭13，连接到定子磁轭13的定子铁心14、16，缠绕定子铁心14的线圈18，和缠绕定子铁心16的线圈20。
图3是示出图2中的转子的凸极部12的放大视图。
参照图2，在与车辆前进运动时转子的旋转方向相反的一侧上在凸极部12的拐角处设置有切口。该切口这样形成即，在从尖端部朝转子中心的距离为长度d的点附近，该凸极部的侧壁和斜面之间的角度为θk。凸极部12的形状相对于凸极部12的中心轴线双侧不对称。该中心轴线从转子的旋转中心延伸到凸极部12的尖端的中点。
图4是示出凸极和定子的激励线圈之间的位置关系的图。
图5是用于说明在转子中引起的转矩的幅值的图。
参照图4和5，在转子的凸极具有双侧对称形状的情况下，从d轴线到q轴线的电角度θ和转矩T之间的关系以波形W2示出。相反，在如图4所示的双侧不对称凸极的情况下，如波形W1所示，波形朝d轴线偏移。这是因为，吸引凸极中的切口部的力和吸引相邻凸极中的没有切口的部分的力之间的平衡改变。
另一方面，如果转子具有切口，则可以认为被激励磁极吸引的铁心的尺寸因该切口而减小，从而减小了转矩本身。因此，如果设置切口，则尽管转矩减小，仍可改善转矩脉动。
图6是示出当控制用在本发明中的旋转电机的最大功率时的运转特性的图。
参照图6，第一象限代表其中电动机速度为正并且转矩也为正的运转状态，第二象限代表其中电动机速度为负并且转矩为正的运转状态，第三象限代表其中电动机速度为负并且转矩也为负的运转状态，第四象限代表其中电动机速度为正并且转矩为负的运转状态。
换句话说，第一象限代表当车辆前进运动时的动力运行模式，第二象限代表当车辆向后运动时的动力运行模式，第三象限代表当车辆向后运动时的再生运行模式，第四象限代表当车辆前进运动时的再生运行模式。第一象限和第三象限为围绕一点对称的形状，第二象限和第四象限也是围绕一点对称的形状，这是因为在上述每对象限中，转子沿反方向旋转，但转子中生成的转矩的方向是相同的。
此外，电动机转速在图1的方向R1上为正而在方向R2上为负。在图6中，在第一象限的情况下，即在动力运行模式下，尽管转矩脉动较大，但是与再生运行模式的情况相比，转矩的最大功率增加。
另一方面，在第四象限中，转矩脉动得到减小和改善，但产生较小的转矩。
图7是用于说明在凸极中设置有切口的情况下转矩脉动的改善的图。
参照图7，如虚线所示的波形W5，没有切口的尖端部会导致较大的转矩脉动。但是，如波形W6所示，具有切口的尖端部导致较小的转矩脉动。在图6的第二和第四象限中，设置切口的作用使转矩脉动减小。
图8是示出在尖端部设置切口之前和之后转矩脉动比率的变化的图。
如图8所示，在采取抑制转矩脉动的措施之前，即，在转子的凸极的尖端部没有设置切口的情况下，在再生运行前进旋转模式下和动力运行前进旋转模式下转矩脉动比率均为67％。但是，如果在转子凸极的尖端部的一侧上设置图3所示的切口，则在再生运行前进旋转模式-即图6中的第一象限-的情况下，转矩脉动比率减小到23％。在动力运行前进旋转模式-即图6中的第四象限-的情况下，转矩脉动比率增大到80％。
图9是示出本发明的车辆驱动系统的噪声水平的实际测量示例的图。
参照图9，在转子的凸极不对称的情况下，曲线X1代表在动力运行前进旋转模式下的噪声水平，曲线X2代表在再生运行前进旋转模式下的噪声水平。较大转矩脉动被认为会导致较高的噪声水平，而较小转矩脉动会导致较低的噪声水平。
从图9可见，曲线X2的噪声水平低于曲线X1的噪声水平。特别是，其中电动机转速为2500-3000rpm的域经常用于再生制动，而此域中的噪声尤其会干扰驾驶员，因此希望实现噪声减小的效果。换句话说，在驾驶车辆时，图9中的C指示的域用于再生制动。
图10是示出本发明的车辆驱动系统100的构造的图。
参照图10，车辆驱动系统100包括蓄电池38，在动力运行模式下从蓄电池38接收能量并在再生运行模式下将能量返回蓄电池的3相逆变器36，以及通过3相逆变器36控制U相、V相和W相线圈的电流和电压的旋转电机1。3相逆变器36包括未示出的功率半导体器件，例如IGBT。
车辆驱动系统100还包括检测驾驶员的加速器踏板位置的加速器踏板位置传感器41，和从电动机接收旋转信息P以便相应于加速器踏板位置传感器41的输出控制3相逆变器36的控制器40。控制器40包括未示出的CPU、ROM、RAM等。
车辆驱动系统100还包括连接到电动机的输出轴44的减速器34，和连接到减速器34的输出轴42的车轮32。
图11是用于说明控制器40采取的减小转矩脉动的措施的图。
参照图10和11，控制器40从旋转电机1接收旋转信息P，以便根据产生转矩脉动处的相位，指令3相逆变器36供给补偿电流。结果通过该补偿电流平均转矩的各个波峰和波谷，并且引起转矩脉动的波形W3得到改善，从而变成如波形W4。
但是，由于控制器40的能力受限，难以在高速行驶期间采取这种通过补偿电流抑制转矩脉动的措施。
图12是用于说明本发明的车辆驱动系统采取的抑制转矩脉动的措施的图。
参照图12，域A是这样的域，即，当在动力运行模式下以非常低的速度在徐行状态下行驶时出现振动问题的域。
在此域A中，电动机转速低，即车辆速度低。控制器的能力足以控制在低车辆速度情况下的补偿电流，从而可通过供给转矩补偿电流来减小转矩脉动。图1到3中所示转子的结构可能导致域A中的转矩脉动有一定程度的增加。但是，可通过转矩补偿电流的措施解决转矩脉动的增加量。因此，在动力运行模式下可以采取措施抑制转矩脉动，而不会由于转子的结构导致平均转矩减小。
即使在动力运行模式下，当电动机转速增加且车辆速度增加时，由于施加在车辆重量上的惯性，转矩脉动也不会对驾驶员产生过多干扰。
另一方面，在非常低速的行驶期间，车辆不是通过电动机的再生制动而是通过摩擦制动被制动。如图9所示，电动机的再生运行在其中电动机转速为大约2500-3000rpm的域中执行。由于惯性力在此域中起作用，所以比低速行驶期间更不容易感知到转矩脉动。但是，已知驾驶员在其中速度减小的再生运行模式下比在其中速度增加的动力运行模式下对噪声更敏感。
域B是这样的域，其中在再生运行模式下制动时来自旋转电机的噪声会造成问题。在此域B中，由于电动机转速高，所以如果要供给转矩补偿电流，则需要一种速率比控制器的可控制循环高的过程。因此，鉴于控制器的能力，难以通过转矩补偿电流减小转矩脉动。因此，在域B中，基于转子结构采取抑制转矩脉动的措施。
在低速运行期间不执行再生运行模式，而是通常在高速运行期间执行。对于再生运行模式，在本发明中基于旋转电机的结构采取抑制转矩脉动的措施。对于其中驾驶员被非常低速运行期间的噪声干扰的动力运行模式，控制器允许供给补偿电流以采取抑制转矩脉动的措施。这使得域A和B中的噪声和振动都减小。
此外，尽管本实施例示出凸极具有四个电极的情况下的示例，但是凸极的数量并不局限于四个，而是可以多于或少于四个。
另外，尽管本实施例示出关于磁阻电动机的示例，但是本发明也可适当地应用于在转子或定子内嵌有永磁体的永磁电动机。通过设计用于嵌入永磁体的位置等，可以获得类似于在凸极中设置图3所示切口的情况的效果。对于电动机，可以通过补偿电流为图12中的区域A采取抑制转矩脉动的措施。
应理解，这里公开的本发明的实施例仅作为示例而不是作为限制。本发明的范围不是由上述说明限定而是由所附权利要求限定，并且落入权利要求的界线和范围内的所有变化或者这些界线和范围的等同物都将包含在权利要求内。
权利要求
1.一种车辆驱动系统，包括具有能够围绕输出轴在正方向上和在反方向上旋转的结构的旋转电机(1)，在所述反方向上的转矩脉动小于在所述正方向上的转矩脉动；以及根据所述输出轴在所述正方向上的旋转，在使车辆前进运动的方向上旋转的旋转轴(4)。
2.根据权利要求1的车辆驱动系统，其特征在于，所述旋转电机(1)包括定子(2)，和转子(3)，该转子成形为使得当在所述反方向上旋转时的转矩脉动小于当在所述正方向上旋转时的转矩脉动。
3.根据权利要求2的车辆驱动系统，其特征在于，所述转子(3)包括多个凸极部(12)，并且所述多个凸极部的每个尖端部在反方向的一侧的拐角处相对于在所述正方向的一侧的拐角具有更大的缺损部。
4.根据权利要求1的车辆驱动系统，其特征在于还包括直流电源(38)；布置在所述直流电源(38)和所述旋转电机(1)之间的电流供给和接收路径上的逆变器(36)；以及从所述旋转电机(1)获得旋转信息以控制所述逆变器(36)的控制单元(40)，其中所述控制单元(40)控制所述逆变器(36)，以便相应于加速指令在所述转子内产生在所述正方向上的转矩，以使所述旋转电机(1)以动力模式运行，和相应于减速指令在所述转子(3)内产生在所述反方向上的转矩，以使所述旋转电机(1)以再生模式运行。
5.根据权利要求1的车辆驱动系统，其特征在于还包括直流电源(38)；布置在所述直流电源(38)和所述旋转电机(1)之间的电流供给和接收路径上的逆变器(36)；以及从所述旋转电机(1)获得旋转信息以控制所述逆变器(36)的控制单元(40)，其中当所述旋转电机(1)处于使车辆前进运动的动力运行模式时，所述控制单元(40)根据所述旋转信息指令所述逆变器(36)供给补偿电流，以便在一部分旋转域中减小所述旋转电机(1)的转矩脉动。
6.根据权利要求5的车辆驱动系统，其特征在于，所述一部分旋转域是对应于其中所述车辆以徐行状态行驶的域的旋转域。
7.一种车辆，包括车辆驱动系统，该车辆驱动系统包括具有能够围绕输出轴在正方向上和在反方向上旋转的结构的旋转电机(1)，在所述反方向上的转矩脉动小于在所述正方向上的转矩脉动，和根据所述输出轴在正方向上的旋转，在使车辆前进运动的方向上旋转的旋转轴(4)；以及连接到所述旋转轴(4)的车轮(32)。
8.根据权利要求7的车辆，其特征在于，所述旋转电机(1)包括定子(2)，和转子(3)，该转子成形为使得当在所述反方向上旋转时的转矩脉动小于当在所述正方向上旋转时的转矩脉动。
9.根据权利要求8的车辆，其特征在于，所述转子(3)包括多个凸极部(12)，并且所述多个凸极部(12)的每个尖端部在所述反方向的一侧的拐角处相对于在所述正方向的一侧的拐角具有更大的缺损部。
10.根据权利要求7的车辆，其特征在于，所述车辆驱动系统还包括直流电源(38)；布置在所述直流电源(38)和所述旋转电机(1)之间的电流供给和接收路径上的逆变器(36)；以及从所述旋转电机(1)获得旋转信息以控制所述逆变器(36)的控制单元(40)，其中所述控制单元(40)控制所述逆变器(36)，以便相应于加速指令在所述转子内产生在所述正方向上的转矩，以使所述旋转电机(1)以动力模式运行，和相应于减速指令在所述转子(3)内产生在所述反方向上的转矩，以使所述旋转电机(1)以再生模式运行。
11.根据权利要求7的车辆，其特征在于，所述车辆驱动系统还包括直流电源(38)；布置在所述直流电源(38)和所述旋转电机(1)之间的电流供给和接收路径上的逆变器(36)；以及从所述旋转电机(1)获得旋转信息以控制所述逆变器(36)的控制单元(40)，其中当所述旋转电机(1)处于使车辆前进运动的动力运行模式时，所述控制单元(40)根据所述旋转信息指令所述逆变器(36)供给补偿电流，以便在一部分旋转域中减小所述旋转电机(1)的转矩脉动。
12.根据权利要求11的车辆，其特征在于，所述一部分旋转域是对应于其中所述车辆以徐行状态行驶的域的旋转域。
全文摘要
旋转电机(1)包括定子(2)和转子(3)。转子(3)的凸极部的尖端在侧向上被切成双向不对称。因此转矩脉动在再生运转期间减小。通过旋转电机的结构对于再生运转采取抑制转矩脉冲的措施，因为驾驶员在再生运转期间比在动力运转期间对噪声更敏感，该再生运转不在低速行驶期间执行而通常在高速行驶期间执行，对于其中驾驶员在非常低速行驶期间对噪声敏感的动力运转，优选地由控制器通过供给补偿电流来采取抑制转矩脉冲的措施。可以提供一种转矩脉动减小的小型的高功率车辆驱动系统，以及包括该系统的车辆。
文档编号H02K1/22GK1950991SQ200580013999
公开日2007年4月18日 申请日期2005年11月14日 优先权日2004年11月17日
发明者神谷宗宏 申请人:丰田自动车株式会社