JP2004053422A

JP2004053422A - モータ評価装置

Info

Publication number: JP2004053422A
Application number: JP2002211620A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Urano; 浦野　広暁
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-07-19
Filing date: 2002-07-19
Publication date: 2004-02-19

Abstract

【課題】モータ評価装置において、測定可能な最大トルクを増加させると捩れ共振点が低下し、測定可能なトルク及び回転速度の双方の向上に対応できない。
【解決手段】供試モータに負荷を供給する負荷モータ６に第１ロータ２０、第２ロータ２２を設け、これらを断続機構２４により結合・分離可能とする。結合状態では、第１ロータ２０が取り付けられた出力軸１２と第２ロータ２２が取り付けられた軸３４とが直列に接続され、２つのロータにより最大出力トルクが増加する。一方、分離状態とすることで、供試モータに接続される負荷モータ６のロータの慣性モーメントから第２ロータ２２に関係する部分が除かれる。この慣性モーメントの低減により、捩れ共振点が高くなり、高速回転領域での評価が可能となる。
【選択図】　　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば電気自動車に搭載されるモータを評価するためのモータ評価装置に関し、特に測定可能なトルク及び回転速度の向上に関する。
【０００２】
【従来の技術】
モータの速度−トルク特性を測定する従来のモータ評価装置として、例えば特開昭６３−１５３４４０号公報に示される装置が知られている。この装置では、測定対象のモータ（供試モータ）に軸トルク計（トルクセンサ）を介して負荷モータを接続し、この負荷モータを用いて供試モータに負荷をかける。負荷モータは制御部によって、指定された速度で回転するように制御され、トルクセンサの出力に基づいて、例えば、供試モータの回転速度に応じた出力トルクの変動特性が測定される。
【０００３】
ここで、負荷モータは、供試モータの出力トルクに応じたトルクを発生できる必要がある。言い換えれば、負荷モータの最大トルクが大きいほど、測定可能な供試モータの範囲が拡大する。負荷モータの最大トルクの向上させるには、負荷モータのロータの積厚（軸方向長さ）を上げる必要がある。ここで、ロータの支持点間距離を大きくすることには限界があり、また製造上の理由から、トルクの大きなモータを作るには、複数のモータを直列に結合する構成が取られる。この構成では、共通シャフトに例えば２つのロータを軸方向に並べて配置することにより、トルクを倍増することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ハイブリッド自動車に用いられるＨＶモータは高回転化が進んでおり、これを供試モータとするモータ評価装置も回転の高速化が要求されている。ここで回転が高速化すると、供試モータとの結合軸やその軸に取り付けられたトルクセンサの捩れ共振が発生し、トルク計測が不可能になるという問題が顕在化する。捩れ共振の共振周波数は、通常、軸の両端に存在する慣性モーメントが大きいほど低下する。よって、負荷モータの最大トルクを上げるためにロータを直列に結合すると、そのロータの結合による慣性モーメントの増加に起因して共振周波数が低下する。つまり、従来のモータ評価装置では、測定可能な最大トルクの向上と回転速度の向上とを両立することが難しいという問題点があった。
【０００５】
本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、測定可能なトルク及び回転速度の双方の上限を向上することができ、大きなトルク出力を生じる供試モータと高速回転可能な供試モータとの双方を評価できるモータ評価装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るモータ評価装置は、負荷モータが、出力軸に接続された第１ロータと、前記第１ロータに結合可能な第２ロータと、前記第１ロータと前記第２ロータとを結合及び分離する断続機構とを有し、負荷制御部が、前記断続機構を制御して前記第１ロータ及び前記第２ロータの結合及び分離を切り替え、同一回転速度での前記負荷モータの最大出力トルクを切り替える。
【０００７】
本発明によれば、断続機構によって第１ロータに対して第２ロータを結合させたり、分離させたりすることができる。断続機構が第１ロータの軸と第２ロータの軸とを一体化させることにより、第２ロータは第１ロータに結合され、両ロータは共通の軸の周りに回転可能となる。この状態では、各ロータに発生されるトルクが合成され、回転速度毎に定義される負荷モータの最大出力トルクが向上する。一方、第２ロータを第１ロータから分離させると、供試モータとの結合軸の周りの慣性モーメントには第１ロータの慣性モーメントは含まれるが第２ロータの慣性モーメントは除外されることとなる。この結合軸周りの慣性モーメントの低減により、捩れ共振の共振周波数が向上する。
【０００８】
他の本発明に係るモータ評価装置においては、前記負荷制御部が、供試モータの出力トルクに応じて、前記断続機構を制御する。
【０００９】
供試モータの出力トルクＴ_Ｓは軸トルク計の出力に基づいて検知される。本発明によれば、同一回転速度において、第１ロータと第２ロータとを結合した状態での最大出力トルク（Ｔ_Ｌ１とする）と、分離した状態での最大出力トルク（Ｔ_Ｌ２とする）との２段階（Ｔ_Ｌ１＞Ｔ_Ｌ２）の最大出力トルクが存在する。負荷制御部は、Ｔ_ＳがＴ_Ｌ２を下回っている状態において、第２ロータを第１ロータから分離する。分離することにより、共振周波数の向上が図られる。また、分離された第２ロータは停止させることができるので、負荷モータの消費電力を低減することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１１】
図１は、本発明に係るモータ評価装置の模式的な構成図である。本評価装置は、供試モータ２にトルクセンサ４を介して負荷モータ６を接続し、この負荷モータ６を用いて供試モータ２に負荷をかける。負荷モータ６はインバータ回路を含む駆動部８で駆動される。駆動部８は、制御部１０の制御の下に、指定された速度で負荷モータ６を回転させるように三相交流電流を生成し、負荷モータ６に供給する。制御部１０は負荷モータ６内に設けられた回転速度計の出力、及びトルクセンサ４の出力を入力され、トルク及び回転速度の測定値を記録すると共に、それら入力に応じて駆動部８の制御及び負荷モータ６内の断続機構（後述）の制御を行う。このモータ評価装置により、例えば、供試モータの回転速度に応じた出力トルクの変動特性が測定される。
【００１２】
図２は負荷モータ６の構成の特徴を示す模式的な断面図である。負荷モータ６は、出力軸１２に接続された第１ロータ２０と、第１ロータ２０に結合可能な第２ロータ２２と、第１ロータ２０及び第２ロータ２２の結合及び分離を行う断続機構２４とを有する。
【００１３】
制御部１０は、断続機構２４を制御して第１ロータ２０及び第２ロータ２２を結合状態、又は分離状態のいずれかの状態とする。第１ロータ２０、第２ロータ２２は外周に沿って永久磁石を配置される。そしてこれら第１ロータ２０、第２ロータ２２は、三相コイルが内周に沿って配列された第１ステータ３０、第２ステータ３２内に配置される。駆動部８は第１ステータ３０、第２ステータ３２に三相交流を供給する。三相交流を供給されたステータ３０，３２のコイルが発生する磁界とロータ２０，２２の永久磁石が発生する磁界との相互作用により、ロータ２０，２２はトルクを発生し回転する。
【００１４】
また、負荷モータ６は制御部１０により速度制御される。すなわち、制御部１０は、供試モータ２が発生するトルクが変化しても、負荷モータ６の回転速度を目標値に保つように制御する。
【００１５】
図３は、第１ロータ２０及び第２ロータ２２の分離状態及び結合状態を示す模式的な断面図である。同図（ａ）は分離状態、同図（ｂ）は結合状態をそれぞれ表しており、またいずれも出力軸１２の中心軸から上半分をのみを示している。図３は、断続機構２４の一例として、セレーション及びそれに嵌合する結合シャフトを用いた構成を示している。第１ロータ２０が取り付けられた出力軸１２と、第２ロータ２２が取り付けられた軸３４とは別体に構成され、中心軸を共通として配置される。出力軸１２及び軸３４の対向する端部３６，３８には共通形状のセレーションが形成される。一方、結合シャフト４０はこれらセレーションに嵌合する形状の穴を有する。結合シャフト４０は、アクチュエータ４２に接続され、アクチュエータ４２の動作に連動して、軸１２，３４の方向に進退する。図３（ｂ）に示すように、結合シャフト４０が出力軸１２及び軸３４双方のセレーションに嵌合すると、出力軸１２と軸３４とは一体化し、第１ロータ２０及び第２ロータ２２は結合状態となる。これに対して、結合シャフト４０が例えば軸３４側に後退し、出力軸１２に嵌合していない図３（ａ）に示す状態が、第１ロータ２０及び第２ロータ２２の分離状態である。なお、出力軸１２と軸３４との断続機構２４は、他の周知のクラッチを用いて構成することができる。
【００１６】
本発明によれば、断続機構によって第１ロータに対して第２ロータを結合させたり、分離させたりすることができる。断続機構が第１ロータの軸と第２ロータの軸とを一体化させることにより、第２ロータは第１ロータに結合され、両ロータは共通の軸の周りに回転可能となる。この状態では、各ロータに発生されるトルクが合成され、回転速度毎に定義される負荷モータの最大出力トルクが向上する。一方、第２ロータを第１ロータから分離させると、供試モータとの結合軸の周りの慣性モーメントには第１ロータの慣性モーメントは含まれるが第２ロータの慣性モーメントは除外されることとなる。この結合軸周りの慣性モーメントの低減により、捩れ共振の共振周波数が向上する。
【００１７】
図４は、供試モータ２及び負荷モータ６のトルクと回転数との関係を示すグラフであり、図において、横軸が回転数Ｎ、縦軸がトルクＴを表す。曲線５０は第１ロータ２０及び第２ロータ２２の結合状態での負荷モータ６の最大出力トルクの関数Ｔ_２（Ｎ）を表し、曲線５２は分離状態での負荷モータ６の最大出力トルクの関数Ｔ_１（Ｎ）を表す。これら関数Ｔ_１（Ｎ），Ｔ_２（Ｎ）は所定の閾値以下の低回転速度領域ではトルク一定となり、閾値以上の高回転速度領域ではトルクと回転数との積が一定となる関数である。また、曲線５４は供試モータ２の最大出力トルクの関数Ｔ_Ｓ（Ｎ）の一例であり、用途に応じて設計される。例えば、曲線５４は車両の走行用のものに対応しており、低速領域ではけり出しを大きくするためにパワーを大きく設定し、一方、高速領域ではパワーを下げる特性となっている。
【００１８】
図４に示すように、負荷モータ６の最大出力トルクは回転数に応じて変化すると共に、第１ロータ２０及び第２ロータ２２の結合・分離によっても変化する。具体的には、負荷モータ６は分離状態より結合状態において、より大きなトルクを発生することができる。
【００１９】
また、第１ロータ２０及び第２ロータ２２の結合・分離は負荷モータ６の捩れ共振点にも相違を生じる。説明の簡単のために第１ロータ２０，第２ロータ２２のイナーシャを同一値Ｊ、供試モータ２のロータイナーシャをＪｔ、そして軸１２、トルクセンサ４等のトータルの捩り剛性をＫとする。分離状態での捩れ共振点の周波数ｆ_１、及び結合状態での捩れ共振点の周波数ｆ_２は、次式で与えられる。
【００２０】
【数１】
ｆ_１＝〔Ｋ（Ｊ＋Ｊｔ）／（ＪＪｔ・２π）〕^１／２
ｆ_２＝〔Ｋ（２Ｊ＋Ｊｔ）／（２ＪＪｔ・２π）〕^１／２
【００２１】
さらに簡単のため、例えば、Ｊｔ＝Ｊとしてみれば、ｆ_１≒１．１５ｆ_２となることがわかる。すなわち、この場合、ｆ_１はｆ_２より共振周波数が約１５％高い。このように、第１ロータ２０及び第２ロータ２２の結合・分離によって捩れ共振点の周波数を変えることができる。負荷モータ６は結合状態より分離状態において、より高い捩れ共振点を有する。図４においてＮ_１，Ｎ_２はそれぞれ周波数ｆ_１，ｆ_２に対応する回転数である。
【００２２】
図５は、制御部１０による断続機構２４の分離・結合動作の制御フロー図である。評価試験が開始されると、制御部１０は負荷モータ６の回転数Ｎ及び、そのＮに対応する供試モータ２の最大出力トルクＴ_Ｓ（Ｎ）に応じて負荷モータ６の第１ロータ２０，第２ロータ２２の結合・分離を制御する。制御部１０はＴ_Ｓ（Ｎ）を、Ｔ_１（Ｎ）に基づいて設定される所定の閾値Ｔ_ＴＨ（Ｎ）と比較する（ステップＳ１００）。閾値Ｔ_ＴＨ（Ｎ）は、原理的にはＴ_１（Ｎ）とすることができるが、制御上のマージン等を考慮して実際にはＴ_ＴＨ（Ｎ）≦Ｔ_１（Ｎ）に設定される。例えば、Ｔ_１（Ｎ）に比べて比較的小さな一定の正値Δを用いてＴ_ＴＨ（Ｎ）＝Ｔ_１（Ｎ）−Δと定めることができる。
【００２３】
Ｔ_Ｓ（Ｎ）＜Ｔ_ＴＨ（Ｎ）ならば（Ｓ１００）、さらに、指示された回転数Ｎが、ロータの分離状態での捩れ共振点Ｎ_１と比較される（Ｓ１０５）。Ｎ＜Ｎ_１の場合には、第１ロータ２０のみで捩れ共振を生じることなく供試モータ２に負荷を供給することができる。よって、この場合には、現時点で分離状態になければ（Ｓ１１０）、アクチュエータ４２を動作させて第２ロータ２２を第１ロータ２０から分離する（Ｓ１１５）。分離された第２ロータ２２は停止させることが可能であり、制御部１０は分離が完了すると、第１ロータ２０のみに三相交流が供給されるように駆動部８を制御する。これにより、負荷モータ６の消費電力が削減される。
【００２４】
一方、ステップＳ１０５にてＮ≧Ｎ_１の場合には、捩れ共振が生じるおそれがある。ここで、上述したようにＮ_１＞Ｎ_２であるので、ロータの結合・分離にかかわらず捩れ共振が発生し得る。よって、この場合には、制御部１０は供試モータ２に対し必要な負荷トルクを供給できない事態に対応した所定のエラー処理を行った後（Ｓ１２０）、例えば、評価を停止する（Ｓ１２５）。
【００２５】
ステップＳ１００にてＴ_Ｓ（Ｎ）≧Ｔ_ＴＨ（Ｎ）と判定された場合には、ロータの結合が図られる。その前提条件として、Ｔ_Ｓ（Ｎ）＜Ｔ_２（Ｎ）であるか否かが判定される（Ｓ２００）。Ｔ_Ｓ（Ｎ）＜Ｔ_２（Ｎ）ならば、ロータを結合状態とすることで必要な負荷トルクを提供することが可能である。Ｔ_Ｓ（Ｎ）＜Ｔ_２（Ｎ）の場合には、さらに、指示された回転数Ｎが、ロータの結合状態での捩れ共振点Ｎ_２と比較される（Ｓ２０５）。Ｎ＜Ｎ_２の場合には、第１ロータ２０と第２ロータ２２とを結合させても捩れ共振が発生しない。よって、この場合には、現時点で結合状態になければ（Ｓ２１０）、第２ロータ２２を第１ロータ２０に結合させる（Ｓ２１５）。この結合動作Ｓ２１５は、図３に示す断続機構２４の構成では、まず第２ロータ２２を第１ロータ２０に同期させて回転させ、しかる後、アクチュエータ４２を駆動させて結合シャフト４０を出力軸１２に連結する動作を含む。
【００２６】
一方、ステップＳ２０５にてＮ≧Ｎ_２の場合には、捩れ共振が生じるおそれがある。ここで、負荷モータ６のロータを分離状態とすれば、捩れ共振点は高くなるが、出力トルクが不足する可能性がある。よって、この場合には、制御部１０は基本的には供試モータ２に対し必要な負荷トルクを供給できず、これに対応した所定のエラー処理を行った後（Ｓ２２０）、例えば、評価を停止する（Ｓ２２５）。なお、ここで、Ｔ_ＴＨ（Ｎ）≦Ｔ_Ｓ（Ｎ）＜Ｔ_１（Ｎ）である間は、ロータの分離状態を維持することによって、捩れ共振を生じることなく必要な負荷トルクを供給できる可能性がある。
【００２７】
ステップＳ２００にてＴ_Ｓ（Ｎ）≧Ｔ_２（Ｎ）であれば、負荷モータ６はロータを結合しても必要な出力トルクを得られない。よって、この場合には、制御部１０は発生する負荷トルクの不足に対応したエラー処理を行った後（Ｓ２３０）、評価を停止する（Ｓ２３５）。
【００２８】
測定を終了すべき状態となるまで、制御部１０は上述の処理を反復する（Ｓ２５０）。
【００２９】
なお、ステップＳ１００，２００では、最大出力トルクＴ_Ｓ（Ｎ）に代えて、トルクセンサ４からリアルタイムで出力される測定値Ｔ_ｍを用いて比較判定処理を行って、その結果に基づいてロータの結合・分離の切り替え制御を行うこともできる。
【００３０】
図４には、供試モータ２の最大出力トルクの一例として特性曲線５４が示されている。この例では、供試モータ２はＮ＜Ｎ_ＥにおいてＴ_Ｓ（Ｎ）＞Ｔ_１（Ｎ）、一方、Ｎ＞Ｎ_ＥにおいてＴ_Ｓ（Ｎ）＜Ｔ_１（Ｎ）となる。この場合には、回転数Ｎ_ＥからＮ_２の間のいずれかの回転数Ｎ’の前後にて、ステップＳ１００の判定結果が変化し、ロータの結合・分離が切り替えられる。すなわちＮ≦Ｎ’にてロータは結合状態とされ、Ｎ＞Ｎ’にてロータは分離状態とされる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明のモータ評価装置によれば、負荷モータのロータを結合することで、低速回転領域にて、測定可能な最大出力トルクを増大させる一方、ロータを分離することで最大出力トルクが低い領域にて、捩れ共振点を高くすることができ、測定可能な供試モータの範囲が拡大する。すなわち、測定可能なトルク及び回転速度の双方の上限を向上することができ、大きなトルク出力を生じる供試モータと高速回転可能な供試モータとの双方を評価できるモータ評価装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るモータ評価装置の模式的な構成図である。
【図２】負荷モータの構成の特徴を示す模式的な断面図である。
【図３】負荷モータの第１ロータ及び第２ロータの分離状態及び結合状態を示す模式的な断面図である。
【図４】供試モータ及び負荷モータのトルクと回転数との関係を示すグラフである。
【図５】制御部による断続機構の分離・結合動作の制御フロー図である。
【符号の説明】
２　供試モータ、４　トルクセンサ、６　負荷モータ、８　駆動部、１０　制御部、１２　出力軸、２０　第１ロータ、２２　第２ロータ、２４　断続機構、３４　軸、４０　結合シャフト、４２　アクチュエータ。

Claims

軸トルク計を介して供試モータに負荷をかける速度制御可能な負荷モータと当該負荷モータを制御する負荷制御部とを有し、前記軸トルク計の出力に基づいて前記供試モータを評価するモータ評価装置において、
前記負荷モータは、
出力軸に接続された第１ロータと、
前記第１ロータに結合可能な第２ロータと、
前記第１ロータと前記第２ロータとを結合及び分離する断続機構と、
を有し、
前記負荷制御部は、
前記断続機構を制御して前記第１ロータ及び前記第２ロータの結合及び分離を切り替え、同一回転速度での前記負荷モータの最大出力トルクを切り替えること、
を特徴とするモータ評価装置。
請求項１記載のモータ評価装置において、
前記負荷制御部は、
前記供試モータの出力トルクに応じて、前記断続機構を制御すること、
を特徴とするモータ評価装置。