CN103097168B - 电动汽车的电动机驱动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电动汽车的电动机驱动系统，其中，对电动机进行旋转控制，使可靠性提高。该系统包括：角度传感器(19A、19B)，该角度传感器检测驱动电动汽车的电动机(B)的定子(23)和转子(25)之间的相对旋转角度；以及控制器(46)，其根据该角度传感器所检测的相对旋转角度，对电动机(B)的旋转进行控制。设置多个角度传感器(19A、19B)。控制器(46)包括角度传感器切换机构(47)，该角度传感器切换机构选择多个角度传感器(19A、19B)中的一个以使其工作，在判定该工作中的角度传感器为异常时，切换到另一角度传感器以使其工作。

Description

电动汽车的电动机驱动系统
相关申请
本申请要求申请日为2010年3月10日、申请号为日本特愿2010-053306的申请的优先权，通过参照其整体，将其作为构成本申请的一部分的内容而进行引用。
技术领域
本发明涉及将电动机作为车辆驱动的驱动源的电动汽车的电动机驱动系统。
背景技术
在车辆驱动的驱动源采用电动机的电动汽车(比如，专利文献1)中，该电动机的故障、以及控制它的控制器的故障对于可靠性来说是致命的。在电动汽车的上述电动机的驱动中，按照其效率为最大的方式，向卷绕于电动机的定子上的线圈外加电流的时刻通过定子和转子之间的相对旋转角度而控制。图5表示将内轮型电动机内置于车辆用轴承中的电动汽车的过去的电动机驱动系统的外观结构。在这里，为了检测上述相对旋转角度，在电动机的一部分上设置有一个角度传感器59。
作为该场合的角度传感器59采用可进行高分辨率角度传感处理的分解器等。具体来说，作为用于检测相对旋转角度的角度传感器，包括有组装多个分解器，设置多个输出端子的结构的类型(比如，专利文献2)；相对该同一转子，设置由分解器构成的多个检测部(有限角度定子)的结构的类型(比如，专利文献3)；采用磁性编码器和磁性传感器而构成的类型(比如，专利文献4)等。另外，具有下述的情况，即，在这些角度传感器中，像图5那样，在传感器主体60的外部设置根据来自传感器主体60的输出信号对角度进行运算的角度运算电路61。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2008-168790号公报
专利文献2：日本特开2006-250864号公报
专利文献3：日本特开2008-309618号公报
专利文献4：日本特开2008-233069号公报
发明内容
在电动汽车中，由于该电动机的驱动转矩大，故由电动机本身产生的电磁噪音也大，无法忽略电磁噪音对接近该电动机而使用的上述角度传感器的影响。另外，在电动汽车的行驶时，从外部接受许多电磁噪音、静电噪音的可能性也高。另外，由于电动机的控制器装载于车体上，故在平时于施加振动的苛刻环境下使用。
由于像这样，为了驱动控制电动汽车的电动机而使用的上述角度传感器曝露于苛刻的环境下，故在对该角度传感器的传感器主体或上述角度运算电路，比如万一产生上述的电磁噪音或静电噪音的场合，不仅电动机的控制器本身无法正常地工作，还会产生无法使电动机启动的情况。另外，在角度传感器的传感器主体的固定位置因振动而错位的场合，由于无法正确地控制向卷绕于电动机的定子上的线圈外加电流的时刻，故还具有使电动机的驱动效率恶化的危险。特别是，对于作为电动汽车的驱动源的电动机的输出，像图5那样经由具有高的减速比的减速器将转矩传递给轮胎的场合，由于因上述角度传感器的不稳定而产生的电动机的转矩变化经放大而传递给轮胎，故该角度传感器的可靠性是重要的。
本发明的目的在于提供一种电动汽车的电动机驱动系统，该系统用于旋转控制电动机，并提高可靠性。
用于解决课题的技术方案
本发明的电动汽车的电动机驱动系统包括：角度传感器，该角度传感器检测驱动电动汽车的电动机的定子和转子之间的相对旋转角度；以及控制器，该控制器根据该角度传感器所检测的相对旋转角度，对上述电动机的旋转进行控制，其中，设置多个上述角度传感器，上述控制器包括角度传感器切换机构，该角度传感器切换机构选择上述多个角度传感器中的一个以使其工作，在判定该工作中的角度传感器为异常时，切换到另外的一个角度传感器以使其工作。另外，在这里所说的“选择……以使其工作”指将已选择的角度传感器的输出用于电动机的旋转控制。
按照该方案，在平时，在进行电动机的旋转控制的控制器中，角度传感器切换机构选择多个角度传感器中的一个以使其工作。角度传感器切换机构在判定该工作中的角度传感器为异常时，将工作切换到另一角度传感器。由此，即使在因电磁噪音或静电噪音的影响等导致工作中的角度传感器产生异常的情况下，仍可在平时根据正常的角度传感器检测的相对旋转角度，进行电动机的旋转控制，可提高电动机驱动系统的可靠性。
上述角度传感器切换机构按照已确定的规则，判定角度传感器的异常。上述已确定的规则的内容不拘于特殊情况，可为任意确定的规则。比如，上述角度传感器切换机构也可包括传感器异常判断部，该传感器异常判断部对上述多个角度传感器的输出进行比较，按照已确定的规则，判断上述角度传感器的异常。可通过比较多个传感器的输出，容易检测角度传感器的异常的有无。
也可在本发明中，上述角度传感器包括角度传感器主体和角度运算电路，该角度传感器主体检测而输出表示上述定子和转子之间的相对旋转角度的信号，该角度运算电路根据该角度传感器主体输出的信号，对角度进行运算，上述传感器异常判断部在检测到上述角度传感器主体和上述角度运算电路中的任意者发生异常时，将上述角度传感器判定为异常。在该方案的场合，可更加正确地判定角度传感器的异常。
还可在本发明中，上述角度传感器切换机构在判定全部的角度传感器为异常的场合，切换到无传感器驱动模式，上述控制器在上述无传感器驱动模式的场合，根据外加于电动机的定子上的逆变器电压输出和流过定子的线圈的线圈电流，推算电动机的定子和转子之间的相对旋转角度，根据该已推算的相对旋转角度，对电动机的旋转进行控制。在该方案的场合，即使在全部的角度传感器异常的情况下，仍可对电动机进行旋转控制，提高可靠性。
在本发明中，上述多个角度传感器既可为同一种类，也可相互为不同种类。另外，在这里所说的“同一种类”指：角度传感器为磁式的传感器、光学式的传感器的种类；在磁式的传感器中，为被检测体被磁化的磁性编码器、在圆周方向具有多个凹凸部或孔的编码器的种类；在磁性编码器中，具有在圆周方向并列的多个磁极对，或在圆周方向具有模拟变化的磁极的种类；检测被检测体的传感元件为半导体元件，或线圈的种类；轴向型或径向型的种类；形状、尺寸的种类这些全部是相同的，在上述中的任意者不同的场合，称为种类不同。
也可在多个角度传感器为同一种类的场合，多个角度传感器分别具有角度传感器主体和角度运算电路，该角度传感器主体检测而输出表示上述定子和转子之间的相对旋转角度的信号，该角度运算电路根据该角度传感器主体输出的信号，对角度进行运算，上述多个角度传感器主体也可由一个磁性编码器与多个磁性传感器构成，该磁性编码器设置于电动机的旋转侧部件上，为各角度传感器主体所共用，该磁性传感器设置于电动机的固定侧部件上，检测上述磁性编码器的磁场信号。像这样，如果多个角度传感器主体的传感器对象共用一个磁性编码器，则可简单地构成多个角度传感器主体，还可谋求成本的下降。
此外，还可在上述多个角度传感器的种类相互不同的场合，上述多个角度传感器中的至少一个为采用磁性编码器的角度传感器。在多个角度传感器的种类相互不同的场合，异常的发生原因不同，多个角度传感器一起发生异常的情况少。
也可在本发明中，上述电动机的输出经由减速器传递给车轮。另外，上述减速器还可为摆线减速器。如果针对电动机的旋转输出，经由摆线减速器这样的具有高的减速比的减速器，将转矩传递给驱动轮，则电动机的转矩变化经过放大被传递给驱动轮，但是，即使在该场合，由于通过上述电动机驱动系统，电动机的旋转控制以高的可靠性而正常地进行，故可可靠地避免驱动轮产生转矩变化的情况。
附图说明
根据参照附图的下面的优选的实施方式的说明，会更清楚地理解本发明。但是，实施方式和附图用于单纯的图示和说明，不应用于确定本发明的范围。本发明的范围由权利要求书确定。在附图中，多个附图中的同一部件标号表示同一或相当的部分。
图1为装载电动机的车轮用轴承装置的纵向剖视图，该电动机采用本发明的第1实施方式相关的电动汽车的电动机驱动系统进行控制；
图2为沿图1中的减速器部的II-II线的剖视图；
图3为以放大方式表示图2的主要部分的剖视图；
图4为装载电动机的车轮用轴承装置的纵向剖视图，该电动机采用本发明的第2实施方式相关的电动汽车的电动机驱动系统进行控制；
图5为装载电动机的车轮用轴承装置的纵向剖视图，该电动机采用过去例子的电动汽车的电动机驱动系统进行控制。
具体实施方式
图1～图3表示本发明的第1实施方式。图1表示装载电动机的车轮用轴承装置的纵向剖视图，该电动机通过本实施方式的电动汽车的电动机驱动系统进行控制。该车轮用轴承装置为下述的内轮型电动机内置车轮用轴承装置，在该装置中，在车辆的车轮用轴承A和构成车辆的驱动源的电动机B之间，夹设有减速器C，支承于车轮用轴承A上的驱动轮的轮毂和电动机B的旋转输出轴24连接于相同轴心上。减速器C为摆线减速器，其为下述的结构，其中，在以同轴方式连接于电动机B的旋转输出轴24上的旋转输入轴32上形成偏心部32a、32b，在偏心部32a、32b上分别经由轴承35而安装曲线板34a、34b，将曲线板34a、34b的偏心运动作为旋转运动而传递给车轮用轴承A。另外，在本说明书中，在安装于车辆上的状态下，靠近车辆的车宽方向的外侧的一侧被称为外侧，靠近车辆的中间的一侧被称为内侧。
车轮用轴承A由外方部件1、内方部件2与多排的滚动体5构成，在该外方部件1的内周形成多排的滚动面3，在该内方部件2的外周形成与各滚动面3面对的滚动面4，该多排的滚动体5夹设于该外方部件1和内方部件2的滚动面3、4之间。内方部件2兼用安装驱动轮的轮毂。该车轮用轴承A为多排的角接触滚珠轴承，滚动体5由滚珠构成，针对每排而通过保持架6保持。上述滚动面3、4的截面呈圆弧状，各滚动面3、4按照接触角在背面对准的方式形成。外方部件1和内方部件2之间的轴承空间的外侧端通过密封部件7而密封。
外方部件1为静止侧轨道圈，具有安装于减速器C的外侧33b的外壳33b上的法兰1a，作为整体为一体的部件。在法兰1a上，在周向的多个部位开设有螺栓插孔14。另外，在外壳33b上，在与螺栓插孔14相对应的位置开设有在内周车有螺纹的螺栓螺接孔44。通过将穿过螺栓插孔14的安装螺栓15螺接于螺栓螺接孔44中，将外方部件1安装于外壳33b上。
内方部件2为旋转侧轨道圈，由外侧件9和内侧件10构成，该外侧件9具有车轮的安装用的轮毂法兰9a，该内侧件10的外侧嵌合于该外侧件9的内周上，通过压接与外侧件9形成一体。在该外侧件9与内侧件10上，形成上述各排的滚动面4。在内侧件10的中心开设有通孔11。在轮毂法兰9a上，在周向多个部位开设有轮毂螺栓16的压入孔17。在外侧件9的轮毂法兰9a的根部附近，对驱动轮和制动部件(图中未示出)进行导向的圆筒状的导向部13向外侧突出。在该导向部13的内周，安装封闭上述通孔11的外侧端的盖18。
减速器C像前述那样，为摆线减速器，像图2那样，由外形呈平滑的波状的次摆线曲线形成的2个曲线板34a、34b分别通过轴承35安装于旋转输入轴32的各偏心部32a、32b上。将在外周侧对各曲线板34a、34b的偏心运动进行导向的多个外销36分别架设于外壳33a与33b之间而进行设置，将安装于内方部件2的内侧件10上的多个内销38以插入状态卡合于多个圆形的通孔39，该通孔39设置在各曲线板34a、34b的内部。旋转输入轴32通过花键而与电动机B的旋转输出轴24连接，成一体地旋转。另外，旋转输入轴32通过2个轴承40而两端支承于内侧的外壳33a和内方部件2的内侧件10的内径面上。
如果电动机B的旋转输出轴24旋转，则安装于与其成一体旋转的旋转输入轴32上的各曲线板34a、34b进行偏心运动。该各曲线板34a、34b的偏心运动通过内销38和通孔39的卡合，作为旋转运动而传递给内方部件2。相对旋转输出轴24的旋转，内方部件2的旋转速度降低。比如，通过1级的摆线减速器可获得大于10的减速比。
上述2个曲线板34a、34b按照偏心运动相互抵消的方式相差180°相位，安装于旋转输入轴32的各偏心部32a、32b上，在各偏心部32a、32b的两侧，按照抵消通过各曲线板34a、34b的偏心运动而产生的振动的方式安装平衡块41，该平衡块41向与各偏心部32a、32b的偏心方向相反的方向偏心。
像图3中以放大方式所示的那样，在上述各外销36和内销38上安装轴承42、43，这些轴承42、43的外圈42a、43a分别与各曲线板34a、34b的外周和各通孔39的内周滚动接触。于是，可降低外销36和各曲线板34a、34b的外周的接触阻力、以及与内销38和各通孔39的内周的接触阻力，可将各曲线板34a、34b的偏心运动顺利地作为旋转运动而传递给内方部件2。
电动机B为径向间隙型的IPM电动机，其中，在固定于圆筒状的电动机外壳22上的电动机定子23、与安装于旋转输出轴24上的电动机转子25之间，设置径向间隙。旋转输出轴24通过2个轴承26而悬臂地支承于减速器C的内侧的外壳33a的筒部上。另外，在电动机外壳22的周壁部上设置冷却液流路45。通过使润滑油或水溶性的冷却剂流过该冷却液流路45，进行电动机定子23的冷却。
电动机定子23由通过软质磁性体形成的定子铁芯部27和线圈28构成。定子铁芯部27按照外周面嵌合于电动机外壳22的内周面的方式保持于电动机外壳22上。电动机转子25由转子铁芯部29与多个永久磁铁30构成，该转子铁芯部29按照与电动机定子23同心的方式外嵌于旋转输出轴24上，该多个永久磁铁30内置于该转子铁芯部29的内部。
另外，在电动机B中，设置多个(在这里为2个)角度传感器19A、19B，该角度传感器19A、19B检测电动机定子23和电动机转子25之间的相对旋转角度。各角度传感器19A、19B包括：角度传感器主体20，该角度传感器主体20检测并输出表示电动机定子23和电动机转子25之间的相对旋转角度的信号；角度运算电路21，该角度运算电路21根据该角度传感器主体20输出的信号，对角度进行运算。角度传感器主体20由被检测部20a和检测部20b构成，该被检测部20a设置于旋转输出轴24的外周面上，该检测部20b设置于电动机外壳22上，按照比如在径向面对的方式相对上述被检测部20a而接近地设置。被检测部20a和检测部20b可按照沿轴向面对而接近的方式设置。在这里，各角度传感器19A、19B采用种类相互不同的类型。
即，比如，作为一个角度传感器19A，该角度传感器主体20的被检测部20a采用由磁性编码器构成的类型，另一角度传感器19B采用分解器。电动机B的旋转控制通过控制器46而进行。在该电动机B中，为了使其效率为最大，根据角度传感器19A、19B所检测的电动机定子23和电动机转子25之间的相对旋转相位，通过电动机控制器46对电动机定子23向线圈28流过的交流电流的各波的各相的外加时刻进行控制。
控制器46包括角度传感器切换机构47，该机构选择多个角度传感器19A、19B中的一个以使其工作，在将该工作中的角度传感器判断为异常时，将工作切换到另一角度传感器。该角度传感器切换机构47包括传感器异常判断部48，该传感器异常判断部48对多个角度传感器19A、19B的输出进行比较，按照已确定的规则，判断上述角度传感器的异常。具体来说，传感器异常判断部48在检测到构成各角度传感器19A、19B的角度传感器主体20和角度运算电路21中的任意者的异常时，判定该角度传感器异常。上述已确定的规则可为任意的规则，在比如，多个角度传感器的输出之间的相位、波长、振幅等的偏移量大于设定值的场合，判定为异常。
另外，角度传感器切换机构47具有下述的功能，即，在上述传感器异常判断部48判定多个角度传感器19A、19B的全部为异常的场合，将控制器46的驱动模式切换到未采用角度传感器19A、19B的检测结果的无传感器驱动模式。控制器46单独地具有角度推算机构49和驱动电路部50，在无传感器驱动模式中，角度推算机构49根据外加于电动机定子23的线圈28上的逆变器电压输出和流过线圈28的线圈电流，推算电动机定子23和电动机转子25之间的相对旋转角度，根据该已推算的相对旋转角度，进行电动机B的旋转控制。在驱动电路部50中，通过借助电压改变电路25可变地控制电池51的电压，由此，获得电动机驱动电压，将该电动机驱动电压经由逆变器53，作为上述逆变器电压输出而外加给电动机定子23的线圈28。
像这样，在该电动汽车的电动机驱动系统中，设置多个角度传感器19A、19B，该多个角度传感器19A、19B检测电动机定子23和电动机转子25之间的相对旋转角度，在根据上述相对旋转角度进行电动机B的旋转控制的控制器46中，选择多个角度传感器19A、19B中的一个以使其工作，在传感器异常判断部48判定该工作中的角度传感器为异常时，角度传感器切换机构47将工作切换到另一角度传感器。由此，即使在因电磁噪音、静电噪音的影响等导致工作中的角度传感器产生异常的情况下，仍根据在平时正常的角度传感器所检测出的相对旋转角度进行电动机B的旋转控制，可靠性可提高。另外，由于根据电动机定子23和电动机转子25之间的相对旋转角度对外加于电动机定子23的线圈28的电流的时刻进行控制，故可使电动机B的驱动效率为最大。
在本实施方式中，由于控制器46的角度传感器切换机构47的传感器异常判断机构48对多个角度传感器19A、19B的输出进行比较，按照已确定的规则，判断工作中的角度传感器的异常，故可容易监视异常的有无。
另外，在本实施方式中，在基于上述传感器异常判断部48的角度传感器的异常判断中，如果检测到构成角度传感器19A、19B的角度传感器主体20和角度运算电路21中的任意者的异常，则判定角度传感器为异常，故可更加正确地判断角度传感器的异常。
还有，在本实施方式中，控制器46的角度传感器切换机构47在该传感器异常判断部48判断全部的角度传感器19A、19B具有异常的场合，切换到无传感器驱动模式，控制器46的角度推定机构49在无传感器驱动模式，根据外加于电动机定子23的线圈28上的逆变器电压输出和流过线圈28的电流，推算电动机定子23和电动机转子25之间的相对旋转角度，根据该已推算的相对旋转角度，控制器46对电动机B进行旋转控制，由此，即使在全部的角度传感器19A、19B异常的场合，仍可对电动机B进行旋转控制，电动机驱动系统的可靠性被提高。
另外，在本实施方式中，适用于将电动机B的旋转输出经由具有高的减速比的摆线减速器C，将转矩传递给驱动轮的电动汽车，故将电动机B的转矩变化放大，传递给驱动轮，但是，由于通过上述电动机驱动系统，电动机B的旋转控制以高可靠性而正常地被进行，故可确实避免使驱动轮产生转矩改变的情况。
图4表示本发明的第2实施方式。在该电动机驱动系统中，针对图1所示的实施方式，2个角度传感器19A、19B中的一个角度传感器19A的角度传感器主体20为轴向型，其中，被检测部20a和检测部20b相互沿轴向面对而接近设置。具体来说，被检测部20a设置于电动机B的旋转输出轴24的端面上，检测部20b设置于电动机外壳22的内面的在轴向与上述旋转输出轴24面对的位置。其它的结构和作用效果与图1～图3所示的第1实施方式的场合相同。
另外，在上述各实施方式中，给出多个角度传感器19A、19B相互为种类不同的传感器的场合，但是，它们也可为全部相同的种类。此外，对于该场合的角度传感器19A、19B的角度传感器主体20，也可在被检测部20a采用磁性编码器、检测部20b采用检测磁性编码器的磁场信号的磁性传感器的场合，将一个磁性编码器用作各角度传感器20所共用的被检测部20a，针对各角度传感器主体20，各自的磁性传感器用作检测部20b，由此，构成多个角度传感器主体20。在该场合，可简单地构成多个角度传感器主体20，还可谋求成本的降低。
如上所述，参照附图，对优选的实施形式进行了说明，但是，如果是本领域的技术人员，在阅读本申请说明书后，会在显然的范围内容易想到各种变更和修改方式。于是，对于这样的变更和修改方式，应被解释为根据权利要求书而确定的发明的范围内。
标号的说明：
标号19A，19B表示角度传感器；
标号20表示角度传感器主体；
标号21表示角度运算电路；
标号23表示电动机定子；
标号25表示电动机转子；
标号28表示线圈；
标号46表示控制器；
标号47表示角度传感器切换机构；
标号48表示传感器异常判断部；
标号49表示角度推算机构；
符号A表示车轮用轴承；
标号B表示电动机；
标号C表示减速器。

Claims (10)

1.一种电动汽车的电动机驱动系统，该电动汽车的电动机驱动系统包括：角度传感器，该角度传感器检测驱动电动汽车的电动机的定子和转子之间的相对旋转角度；控制器，该控制器根据该角度传感器所检测的相对旋转角度，对上述电动机的旋转进行控制，
其中，设置多个上述角度传感器，上述控制器包括角度传感器切换机构，该角度传感器切换机构选择上述多个角度传感器中的一个以使其工作，在判定该工作中的角度传感器为异常时，切换到另外的一个角度传感器以使其工作。
2.根据权利要求1所述的电动汽车的电动机驱动系统，其中，上述角度传感器切换机构包括传感器异常判断部，该传感器异常判断部对上述多个角度传感器的输出进行比较，按照已确定的规则判断上述角度传感器的异常。
3.根据权利要求2所述的电动汽车的电动机驱动系统，其中，上述角度传感器包括角度传感器主体和角度运算电路，该角度传感器主体检测而输出表示上述定子和转子之间的相对旋转角度的信号，该角度运算电路根据该角度传感器主体所输出的信号，对角度进行运算，上述传感器异常判断部在检测到上述角度传感器主体和上述角度运算电路中的任意者发生异常时，将上述角度传感器判定为异常。
4.根据权利要求1所述的电动汽车的电动机驱动系统，其中，上述角度传感器切换机构在判定全部的角度传感器为异常的场合，切换到无传感器驱动模式，上述控制器在上述无传感器驱动模式的场合，根据外加于电动机的定子上的逆变器电压输出和流过定子的线圈的线圈电流，推算电动机的定子和转子之间的相对旋转角度，根据该已推算的相对旋转角度对电动机的旋转进行控制。
5.根据权利要求1所述的电动汽车的电动机驱动系统，其中，上述多个角度传感器为同一种类。
6.根据权利要求5所述的电动汽车的电动机驱动系统，其中，上述多个角度传感器分别具有角度传感器主体和角度运算电路，该角度传感器主体检测而输出表示上述定子和转子之间的相对旋转角度的信号，该角度运算电路根据该角度传感器主体所输出的信号对角度进行运算，上述多个角度传感器主体由一个磁性编码器与多个磁性传感器构成，该一个磁性编码器设置于电动机的旋转侧部件上，为各角度传感器主体所共用，该多个磁性传感器设置于电动机的固定侧部件上，检测上述磁性编码器的磁场信号。
7.根据权利要求1所述的电动汽车的电动机驱动系统，其中，上述多个角度传感器的种类相互不同。
8.根据权利要求7所述的电动汽车的电动机驱动系统，其中，上述多个角度传感器中的至少一个为采用磁性编码器的角度传感器。
9.根据权利要求1所述的电动汽车的电动机驱动系统，其中，上述电动机的输出经由减速器传递给车轮。
10.根据权利要求9所述的电动汽车的电动机驱动系统，其中，上述减速器为摆线减速器。
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