JP2005204370A

JP2005204370A - シリーズハイブリッド電気自動車

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Publication number: JP2005204370A
Application number: JP2004006047A
Authority: JP
Inventors: Kenji Fujiwara; 謙二藤原; Takatoshi Kogure; 孝敏小暮; Isao Baba; 功馬場
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2004-01-13
Filing date: 2004-01-13
Publication date: 2005-07-28
Anticipated expiration: 2024-01-13
Also published as: EP1707429A4; EP1707429A1; JP3993564B2; WO2005068244A1; US20070137908A1; US7635039B2

Abstract

【課題】シリーズハイブリッド電気自動車の発電系の効率を向上する。
【解決手段】エンジンによって駆動されるｎ相発電機３と，ｎ相発電機３から送られるｎ相交流電圧から直流電圧を生成する整流器４と，生成された直流電圧によって充電されるバッテリーと，駆動輪を駆動するモータと，整流器４から供給される直流電圧，及び／又はバッテリーから供給される直流電圧を用いてモータを駆動するインバータと，スイッチとを含み，ｎ相発電機３は，それらの一端が共通の中性点に接続されたｎ個の電機子巻線１１を備え,整流器４は，負極端子１６と，正極端子１５と，ｎ本の整流アーム１３とを備えている。ｎ本の整流アーム１３のそれぞれは，電機子巻線１１の他端に接続された中間ノード１９と負極端子１６との間に接続された第１ダイオード１８と，中間ノード１９と正極端子１５との間に接続された第２ダイオード１７とを具えている。
【選択図】図２

Description

本発明は，シリーズハイブリッド電気自動車に関し，特に，シリーズハイブリッド電気自動車のエネルギー効率を向上するための技術に関する。

シリーズハイブリッド電気自動車とは，エンジンによって発電機を駆動し，該発電機からモータに電力を供給し，該モータで駆動輪を駆動する電気自動車である（特許文献１参照）。パラレルハイブリッド電気自動車とは異なり，シリーズハイブリッド電気自動車では，エンジンは発電に専用に使用され，エンジンが発生した動力は機械的には駆動輪に伝達されない。
特開平４−３２２１０５号公報

シリーズハイブリッド電気自動車の利点は，その理想的なエネルギー効率が高いことである。パラレルハイブリッド電気自動車は，エンジンとモータとの両方が機械的に駆動輪に接続されているため，その動力伝達機構が複雑である。複雑な動力伝達機構は，エネルギーの損失の原因となり得る。一方，シリーズハイブリッド電気自動車は，その動力伝達機構を単純化できる。動力伝達機構の単純化は，損失を最小に抑え，且つ，その重量を低減するために有効である。ゆえに，理想的なエネルギー効率という観点からは，シリーズハイブリッド電気自動車の方が優れている。

上記のような利点を生かすためには，シリーズハイブリッド電気自動車は，そのエネルギー効率が究極的に向上される必要がある。エネルギー効率を低下させる機構の採用は，シリーズハイブリッド電気自動車の利点を失わせるため好ましくない。

シリーズハイブリッド電気自動車のエネルギー効率の向上における第１のポイントは，発電系における損失である。発電系は，一般に，発電機と，該発電機が発生した交流電圧を直流電圧に変換するインバータとからなる。インバータは，スイッチングトランジスタで構成されるため，ある程度の損失が発生することは回避しがたい。典型的には，インバータの損失は，５％程度である。しかし，エネルギー効率が重視されるシリーズハイブリッド電気自動車では，インバータにおける５％の損失の発生は，重大な意味を持っている。

第２のポイントは，駆動系の高効率化である。高いエネルギー効率が求められるシリーズハイブリッド電気自動車では，トランスミッション機構及びディファレンシャル機構において発生する損失も無視できない。シリーズハイブリッド電気自動車は，トランスミッション機構及びディファレンシャル機構における損失を回避できる駆動系を採用することが求められる。

このような背景から，シリーズハイブリッド電気自動車は，エネルギー効率の向上，より具体的には，シリーズハイブリッド電気自動車の発電系及び駆動系の効率が一層に向上されることが望まれる。

本発明の目的は，全体としては，シリーズハイブリッド電気自動車のエネルギー効率を向上することにある。
詳細には，本発明の一の目的は，シリーズハイブリッド電気自動車の発電系のエネルギー効率を向上することにある。
本発明の他の目的は，シリーズハイブリッド電気自動車の駆動系のエネルギー効率を向上することにある。

以下に，上記の目的を達成するための手段を説明する。その手段に含まれる技術的事項には，［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］の記載との対応関係を明らかにするために，［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号・符号が付加されている。但し，付加された番号・符号は，［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明の一の観点において，シリーズハイブリッド電気自動車（１）は，エンジン（２）と，エンジン（２）によって駆動されるｎ相発電機（３）と，ｎ相発電機（３）から送られるｎ相交流電圧から直流電圧を生成する整流器（４）と，生成された直流電圧によって充電されるバッテリー（５）と，駆動輪（９）を駆動するモータ（７）と，整流器（４）から供給される直流電圧，及び／又はバッテリー（５）から供給される直流電圧を用いてモータ（７）を駆動するインバータ（６）と，スイッチ（２０）とを含む。ｎ相発電機（３）は，それらの一端が共通の中性点に接続されたｎ個の電機子巻線（１１）を備えている。整流器（４）は，負極端子（１６）と，負極端子（１６）よりも高い電位が発生される正極端子（１５）と，ｎ本の整流アーム（１３）とを備えている。ｎ本の整流アーム（１３）のそれぞれは，電機子巻線（１１）の他端に接続された中間ノード（１９）と負極端子（１６）との間に接続された第１ダイオード（１８）と，中間ノード（１９）と正極端子（１５）との間に接続された第２ダイオード（１７）とを具えている。スイッチ（２０）は，中性点（１２）と負極端子（１６）との間に接続されている。

当該シリーズハイブリッド電気自動車（１）では，ｎ相発電機（３）が発生した交流電圧を直流電圧に変換するために，インバータではなく，整流器（４）が使用される。整流器（４）は，インバータよりも高い変換効率を有しているから，整流器（４）の使用は，シリーズハイブリッド電気自動車のエネルギー効率を有効に向上する。

ただし，整流器（４）は，その出力電圧を制御する機能を有していないから，整流器（４）の使用は，エンジン（２）の出力が大きくなったときに，整流器（４）の出力電圧，即ち，バッテリー（５）に印加される直流電圧の増大を招き得る。バッテリー（５）に印加される直流電圧が過剰に高くなることは，バッテリー（５）の劣化を招き得る。しかし，上記のシリーズハイブリッド電気自動車では，スイッチ（２０）を設けることにより，整流器（４）の出力電圧を制御可能である。

具体的には，スイッチ（２０）は，エンジン（２）の回転数に応答して，中性点（１２）と負極端子（１６）とを電気的に接続し，又は切り離す。好適には，スイッチ（２０）は，エンジン（２）の回転数が増加して第１回転数より高い第２回転数においては，中性点（１２）と負極端子（１６）とを電気的に接続する。エンジン（２）の回転数が減少して，第２回転数よりも小さい第１回転数になったとき，前記スイッチ（２０）は，中性点（１２）と負極端子（１６）とを電気的に開放する。これにより，エンジン（２）の回転数が増加したときに，整流器（４）の出力電圧が高くなりすぎることが防がれる。

発電機及び整流器の相数が３である場合には，スイッチ（２０）を設ける代わりに，３相発電機（３’）の電機子巻線の結線をスター結線とデルタ結線との間で切り替えるスターデルタ切り替え機構（２４，２５）が使用され得る。具体的には，スターデルタ切り替え機構（２４，２５）は，エンジン（２）の回転数に応答して，電機子巻線を，スター結線とデルタ結線とのうちの一方の結線態様で接続する。好適には，スターデルタ切り替え機構（２４，２５）は，エンジン（２）の回転数が増加して第１回転数より高い第２回転数においては，電機子巻線をデルタ結線で接続する。且つ，エンジン（２）の回転数が減少して前記第１回転数よりも小さい第２回転数になったとき，電機子巻線をスター結線で接続する。これにより，エンジン（２）の回転数が増加したときに，整流器（４’）の出力電圧が高くなりすぎることが防がれる。

上述のシリーズハイブリッド電気自動車は，モータ（７）が複数用意されて，モータ（７）が駆動輪（９）をそれぞれに駆動する駆動系を採用することが好適である。かかる構成を有する駆動系は，トランスミッション機構及びディファレンシャル機構を不要化し，その効率を高くすることができる。しかし，上記の構成を採用するためには，モータ（７）は，小型，且つ，出力トルクが大きいということを要求される。この要求を満足するためには，モータ（７）のそれぞれは，下記構成を有するＩＰＭモータであることが好適である；当該ＩＰＭモータ（７）は，駆動輪（９）に連結されたロータ（３２）と，同一円周上に等間隔に配置された複数のスロット（３４）を有するステータ（３１）とを備え，ロータ（３２）は，ロータ鉄心（３６）と，界磁（３８）を構成する永久磁石（３９，４０）とを含む。ロータ（３２）は，ステータ（３１）に対向するロータ側面（３２ａ）を有し，永久磁石（３９，４０）は，ロータ（３２）の半径方向の外側に磁極面（３９ａ，４０ａ）を有している。永久磁石（３９，４０）は，ロータ（３２）に浅く埋め込まれている。即ち，永久磁石（３９，４０）の磁極面（３９ａ，４０ａ）の上の点からロータ側面（３２）の距離の最大値ｘは，ロータ鉄心（３６）の半径ｒと，界磁（３８）の極数ｎ_１とを用いて表された下記式：
ｘ≦Ｄ／１０，
Ｄ＝２πｒ／ｎ_１，
を満足するように調整されている。かかる構成を有するＩＰＭモータは，小型，且つ，出力トルクが大きいという要求を満足し，モータ（７）が駆動輪（９）をそれぞれに駆動する上記の駆動系の採用を可能にする。

本発明により，シリーズハイブリッド電気自動車の発電系及び／又は駆動系の効率が向上され，シリーズハイブリッド電気自動車のエネルギー効率が向上される。

実施の第１形態：
本発明の実施の第１形態では，図１に示されているように，シリーズハイブリッド電気自動車１は，エンジン２と５相発電機３と５相ダイオード整流器４とバッテリー５とを備えている。エンジン２の回転数は制御装置（図示されない）によって制御される。エンジン２は，５相発電機３に接続されている。５相発電機３は，エンジン２によって駆動されて５相交流電圧を発生し，発生した５相交流電圧を５相ダイオード整流器４に供給する。５相ダイオード整流器４は，５相交流電圧を整流して直流電圧を発生する。バッテリー５は，５相ダイオード整流器４が発生する直流電圧によって充電される。

シリーズハイブリッド電気自動車１は，更に，駆動インバータ６とモータ７と減速ギア８と駆動輪９とを備えている。駆動インバータ６は，５相ダイオード整流器４及び／又はバッテリー５から供給される直流電力から多相電力を生成する。モータ７は，生成された多相電力によって駆動されて動力を発生する。発生された動力は，減速ギア８を介して駆動輪９に伝達される。

（発電系の構成）
図２は，５相発電機３と５相ダイオード整流器４との構成を示す概略図である。５相発電機３は，エンジン２に連結されたロータ（図示されない）と，５つの電機子巻線１１_１〜１１_５が設けられたステータとを備えている。電機子巻線１１_１〜１１_５の一端は，中性点１２に接続されている。５相ダイオード整流器４は，５つの整流アーム１３_１〜１３_５を備えた５相全波整流回路である。５つの整流アーム１３_１〜１３_５は，正極端子１５と負極端子１６との間に並列に接続されている。正極端子１５と負極端子１６との間に，直流の出力電圧Ｖ_Ｏが生成され，生成された出力電圧Ｖ_Ｏが，バッテリー５及び駆動用インバータ６に供給される。出力電圧Ｖ_Ｏを安定化するために，正極端子１５と負極端子１６との間には平滑キャパシタ１４が接続されている。各整流アーム１３_ｉは，直列に接続された２つのダイオード１７_ｉ，１８_ｉを備えている。ダイオード１７_ｉのカソードは正極端子１５に接続され，アノードは中間ノード１９_ｉに接続されている。ダイオード１８_ｉのカソードは中間ノード１９_ｉに接続され，アノードは，負極端子１６に接続されている。各整流アーム１３_ｉの中間ノード１９_ｉは，電機子巻線１１_ｉの他端（中性点１２と反対の端）に接続されている。

５相発電機３の中性点１２と５相ダイオード整流器４の負極端子１６との間には，短絡スイッチ２０が設けられている。短絡スイッチ２０がターンオンされると，中性点１２は，負極端子１６に電気的に短絡される。

本実施の形態のシリアルハイブリッド電気自動車の一つの特徴は，５相ダイオード整流器４を使用することによって，スイッチングトランジスタで構成されたインバータを排除していることにある。既述の通り，スイッチングトランジスタで構成されたインバータは，典型的には，５％の損失を有している。しかし，整流器の損失はインバータの損失よりも小さいから，整流器の使用を使用することにより，発電系の効率を有効に向上することができる。５相ダイオード整流器では，通常，９９％の効率が得られる。

しかし，５相ダイオード整流器４自体には，出力電圧Ｖ_Ｏを調整する機能はない。これは，バッテリー５を充電する上で問題となり得る。シリアルハイブリッド電気自動車の速度を上げるためにエンジン２の回転数が上昇されると，５相ダイオード整流器４の出力電圧Ｖ_Ｏも増加する。出力電圧Ｖ_Ｏが過度に上昇すると，バッテリー５が過充電され，バッテリー５の劣化を招き得る。

出力電圧Ｖ_Ｏの過剰な上昇を防ぐために，既述の短絡スイッチ２０は，エンジン２の回転数の上昇に応答してターンオンされる。短絡スイッチ２０は，エンジン２の回転数が所定の第１回転数ｎ_１を超えるとターンオンされ，中性点１２と負極端子１６とを電気的に短絡する。中性点１２と負極端子１６とが短絡されると，５相ダイオード整流器４は，５相全波整流回路として動作する状態から，５相半波整流回路として動作する状態に切り替えられる。これにより，出力電圧Ｖ_Ｏが低下される。

より好適には，短絡スイッチ２０のターンオンは，以下の手順で行われる；エンジン２の回転数が低いときには，短絡スイッチ２０はターンオフされている。エンジン２の回転数を制御する制御装置によってエンジン２の回転数が第１回転数ｎ_１を超えようとすることが検知されると，エンジン２の回転数は，制御装置によって第２回転数ｎ_３まで減少される。この結果，５相発電機３の出力電圧は，バッテリー５の電圧より低下される。これにより，５相発電機３からバッテリー５及び駆動用インバータ６に，５相発電機３から電力が供給されなくなる。このときには，駆動用インバータ６にはバッテリー５のみから電力が供給され，モータ７は，バッテリー５からの電力で駆動される。続いて，短絡スイッチ２０がターンオンされ，更に，制御装置により，エンジン２の回転数が，第１回転数ｎ_１を超えて第２回転数ｎ_２（＞ｎ_１）まで増加される。この後，５相発電機３は，再度，バッテリー５及び駆動用インバータ６に電力を供給する。この手順により，エンジン２の負荷が急激に変動することを避けることができる。

一方，制御装置によってエンジン２の回転数が第２回転数ｎ_２から減少して第１回転数ｎ_１になろうとすることが検知されると，エンジン２の回転数は，第１回転数ｎ_１よりも低い第４回転数ｎ_４まで下げられる。続いて，短絡スイッチ２０が，ターンオフされ，中性点１２と負極端子１６とが電気的に切り離される。中性点１２と負極端子１６とが切り離されることにより，５相ダイオード整流器４は，元の通り，５相全波整流器として機能するようになる。この後，制御装置により，エンジン２の回転数は，第４回転数ｎ_４から第１回転数ｎ_１に増加される。この手順により，エンジン２の負荷が急激に変動することを避けることができる。また，短絡スイッチ２０がバッテリー５，および駆動用インバータ６に電力を供給する間にターンオフされることはなくなり，短絡スイッチ２０には，遮断電流能力が必要なくなる。これは，短絡スイッチ２０の小型化の点で好適である。また，短絡スイッチ２０が電力を遮断することがないため，短絡スイッチ２０の高寿命化を図ることができる。

以上に説明されているように，本実施の形態の発電系では，インバータの代わりに５相ダイオード整流器４が使用され，これにより，エネルギー効率が向上されている。５相ダイオード整流器４が，その出力電圧Ｖ_Ｏの調整機能を有しないという問題は，短絡スイッチ２０を設けることによって回避されている。

本実施の形態において，５相発電機４及び５相ダイオード整流器５の代わりに，他の相数の発電機及びダイオード整流器，例えば，３相発電機，及び３相ダイオード整流器が使用され得る。ただし，５相発電機４及び５相ダイオード整流器５の使用は，エネルギー効率の向上のために有効である。

（駆動系の構成）
図１に示されているように，本実施の形態では，駆動インバータ６とモータ７と減速ギア８とは，一の駆動輪９に対して一つずつ用意されている。モータ７の回転数は，当該シリーズハイブリッド電気自動車１が所望の速度で，所望の進行方向に走行するように決定される。かかる構成は，トランスミッション機構及びディファレンシャル機構を不要化し，エネルギー効率を向上するために有効である。

図１の構成を採用する上で要求されることは，モータ７が小型でありながら，その出力が充分に大きい必要があることである。自動車に求められる走行性能を達成するためには，モータ７は，充分に大きな出力を有していなくてはならない。しかし，シリーズハイブリッド電気自動車１では，モータ７を搭載するために用意されている空間は大きくないから，小型のモータ７しか搭載できない。モータ７は，これらの相反する要求を満足しなければならない。複数のモータ７が必要な図１の構成においては，モータ７の小型化は極めて重要である。

かかる要求を満足するためには，モータ７として，図３に示されている５相ＩＰＭモータが使用されることが好適である。５相のＩＰＭモータ７は，ステータ３１とロータ３２とを備えている。

ステータ３１は，電機子歯３３を含む。電機子歯３３は，同一円周上に等間隔に配置されている。隣接する２つの電機子歯３３の間には，スロット３４が形成されている。スロット３４は，同一円周上に等間隔に配置されることになる。本実施の形態では，スロットの数ｎ_２は，２０である。電機子歯３３のそれぞれには，電機子コイル３５が巻かれている。ステータ３１の内側に回転磁界を発生するために，電機子コイル３５には，５相の電機子電流が供給される。

ロータ３２は，シャフト３６とロータ鉄心３７とを含む。シャフト３６は，図示されない軸受によって回転可能に支持されている。シャフト３６は，上述の減速ギア８に接続されている。ロータ鉄心３７は，シャフト３６に固定的に接合され，シャフト３６と同体に回転する。ロータ鉄心３７は，珪素鋼板のような磁性材料で形成されている。

ロータ鉄心３７には，界磁磁石３８が挿入されている。界磁磁石３８のそれぞれは，ロータ３２の界磁の一極を構成し，ロータ３２の半径方向に磁力線を発生する。隣接する２つの界磁磁石３８は，互いに逆の方向の磁力線を発生する，即ち，隣接する２つの界磁磁石３８の極性は逆である。本実施の形態では，界磁磁石３８の数，即ち，界磁の極数ｎ_１は２２である。

図４に示されているように，界磁磁石３８のそれぞれは，ロータ３２の円周方向に並んだ同一極性を有する２つの永久磁石３９，４０から構成されている。即ち，界磁の一極は，２つの永久磁石３９，４０から構成されている。永久磁石３９，４０は，ロータ３２の半径方向の外側に磁極面３９ａ，４０ａを有し，半径方向の内側に磁極面３９ｂ，４０ｂを有する。永久磁石３９，４０が発生する磁力線は，磁極面３９ａ，３９ｂ，４０ａ，４０ｂから半径方向に放射される。一の界磁磁石３８に含まれる一組の永久磁石３９，４０は，同一の方向に磁力線を発生する，即ち，同一の極性を有する。なお，一極の界磁磁石３８を構成する永久磁石の数は，２個には限定されない；１個又は，３個以上であることも可能である。

ロータ鉄心３７には，永久磁石３９，４０の半径方向外側に位置する部分１７ａ（磁力線誘導部分３７ａ）が設けられる。この磁力線誘導部分３７ａの存在は，リラクタンストルクを発生させ，更に，弱め界磁制御を可能にする点で重要である。磁力線誘導部分３７ａの体積は，所望のリラクタンストルクが得られるように，且つ，弱め界磁制御が可能であるように選ばれる。

一般的なＩＰＭモータとは異なり，図３のＩＰＭモータ７では，永久磁石３９，４０のロータ側面３２ａからの埋め込み深さ（即ち，半径方向外側の磁極面３９ａ，４０ａの上の点からロータ側面３２ａへの距離）が浅い。定量的に表現すれば，永久磁石３９，４０は，ロータ３２の半径ｒと極数ｎ_１とを用いて，その埋め込み深さの最大値ｘが，下記式：
ｘ≦Ｄ／１０，
Ｄ＝２πｒ／ｎ_１，
を満足するような浅い位置に埋め込まれる。

埋め込み深さが浅いことは，ＩＰＭモータ７から出力される出力トルクのうち，マグネットトルクの成分の割合を増大させる。図３のＩＰＭモータ７は，一般的なＩＰＭモータとは異なり，マグネットトルクがＩＰＭモータ７の出力トルクの主成分であり，リラクタンストルクは，補助的な成分である。

永久磁石３９，４０の埋め込み深さが浅いことは，ＩＰＭモータ７の体積あたりの出力トルクを大きくするために重要である。永久磁石３９，４０の埋め込み深さが浅いことは，横軸インダクタンスを低減させる。一般には，横軸インダクタンスの低減は，ＩＰＭモータの出力トルクを減少させるように思われるかもしれない。しかし，永久磁石３９，４０の埋め込み深さが浅い場合には，これは正しくない。埋め込み深さが浅いことは，ＩＰＭモータ７の出力トルクのうちマグネットトルクによる成分が，リラクタンストルクによる成分よりも大きいことを意味する。このような場合，横軸インダクタンスの低減によるリラクタンストルクの減少の効果よりも，横軸インダクタンスの低減によって電機子電流が増大し，電機子電流の増大によってマグネットトルクとリラクタンストルクとの両方が大きくなる効果の方が大きい。

その一方で，磁力線誘導部分３７ａが存在することは，弱め界磁制御を可能にする点で重要である。弱め界磁制御が可能であることにより，ロータ３２の回転数が高い場合にも，高い出力トルクが出力可能である。

このように，永久磁石３９，４０の埋め込み深さが浅い構造の採用により，ＩＰＭモータ７は，広い回転数範囲にわたって，体積あたりの出力トルクが大きい。これは，ＩＰＭモータ７が，小型であり，且つ，出力が大きいという要求を満足できることを意味している。このような特性を有するＩＰＭモータ７は，図１の構成において駆動輪９を駆動するために使用されるのに好適である。

以上に説明されているように，本実施の形態では，駆動インバータ６とモータ７と減速ギア８とを，一の駆動輪９に対して一つずつ用意することにより，トランスミッション機構及びディファレンシャル機構が不要化されている。これにより，駆動輪９を駆動する駆動系のエネルギー効率が向上されている。かかる構成の採用に伴ってモータ７には小型且つ高出力という要求が課せられるが，この要求は，モータ７として永久磁石３９，４０の埋め込み深さが浅い図３のＩＰＭモータを採用することによって満足させることができる。

実施の第２形態：
本発明の実施の第２形態では，図５に示されているように，５相発電機３の代わりに３相発電機３’が使用され，５相ダイオード整流器４の代わりに３相ダイオード整流器４’が使用される。３相ダイオード整流器４’は，相数が異なる（即ち，整流アームの数が異なる）点以外，５相ダイオード整流器４と同一の構成を有している。

既述されているように，３相ダイオード整流器４’が出力する出力電圧Ｖ_Ｏの適切な調整は，バッテリー５の保護のために重要である。実施の第１形態の５相ダイオード整流器４と同様に，３相ダイオード整流器４’は，それ自体には出力電圧Ｖ_Ｏの調整機能を有しないから，出力電圧Ｖ_Ｏの調節の機構が別途に必要である。

本実施の形態では，短絡スイッチ２０の代わりに３相発電機３’の電機子巻線の結線をスター結線からデルタ結線に切り替える切り替え機構が設けられる。これにより，３相ダイオード整流器４’から出力される出力電圧Ｖ_Ｏが調節される。

図６は，３相発電機３’と，その結線を切り替える切り替え機構の構成を概略的に示している。３相発電機３’は，Ｒ相端子２１ｒ，Ｓ相端子２１ｓと，Ｔ相端子２１ｔと，Ｘ端子２２ｘと，Ｙ端子２２ｙと，Ｚ端子２２ｚとを有している。３相発電機３’の３つの電機子巻線（いずれも図示されない）のうちの一の電機子巻線は，Ｒ相端子２１ｒとＸ端子２２ｘとの間に介設され，他の一の電機子巻線はＳ相端子２１ｓとＹ端子２２ｙとの間に介設され，残りの一の電機子巻線はＴ相端子２１ｔとＺ端子２２ｚとの間に介設されている。Ｒ相端子２１ｒ，Ｓ相端子２１ｓ，及びＴ相端子２１ｔは，それぞれ，Ｕ相端子２３ｕ，Ｖ相端子２３ｖ，及びＷ相端子２３ｗに接続されている。３相発電機３’は，Ｕ相端子２３ｕ，Ｖ相端子２３ｖ，及びＷ相端子２３ｗを介して，３相交流電圧を３相ダイオード整流器４’に供給する。

切り替え機構は，スタースイッチ２４_１〜２４_３と，デルタスイッチ２５_１〜２５_３とを備えている。スタースイッチ２４_１，２４_２，２４_３は，中性点２６を，それぞれ，Ｘ端子２２ｘ，Ｙ端子２２ｙ，及びＺ端子２２ｚに接続するために設けられている。デルタスイッチ２５_１はＺ端子２２ｚとＵ相端子２３ｕとの間に介設され，デルタスイッチ２５_２はＸ端子２２ｘとＶ相端子２３ｖとの間に介設され，デルタスイッチ２５_３は，Ｙ端子２２ｙとＷ相端子２３ｗとの間に介設されている。

本実施の形態では，スタースイッチ２４_１〜２４_３及びデルタスイッチ２５_１〜２５_３のターンオン及びターンオフによって，３相発電機３’が出力する３相交流電圧が調整され，これにより，３相ダイオード整流器４’の出力電圧Ｖ_Ｏも調整される。エンジン２の回転数の上昇によるバッテリー５の過充電が防がれている。以下，スタースイッチ２４_１〜２４_３及びデルタスイッチ２５_１〜２５_３の動作が詳細に説明される。

エンジン２の回転数が低いときには，スタースイッチ２４_１〜２４_３がターンオンされ，デルタスイッチ２５_１〜２５_３がターンオフされる。これにより，３相発電機３’の電機子巻線は，スター結線で結線される。

エンジン２の回転数が所定の第１回転数ｎ_１を超えると，スタースイッチ２４_１〜２４_３がターンオフされるとともに，デルタスイッチ２５_１〜２５_３がターンオンされる。これにより，３相発電機３’の電機子巻線は，スター結線からデルタ結線に切り替えられる。３相発電機３’の電機子巻線がデルタ結線に切り替えられることにより，Ｕ相端子２３ｕ，Ｖ相端子２３ｖ，及びＷ相端子２３ｗに現れる３相交流電圧の相間電圧は，１／√３倍になる。これにより，３相ダイオード整流器４’の出力電圧Ｖ_Ｏが低下される。

より好適には，スター結線からデルタ結線への切り替えは，以下の手順で行われる；エンジン２の回転数が低いときには，３相発電機３’の電機子巻線がスター結線で接続される。即ち，デルタスイッチ２５_１〜２５_３がターンオンされ，スタースイッチ２４_１〜２４_３がターンオフされる。エンジン２の回転数を制御する制御装置によってエンジン２の回転数が第１回転数ｎ_１を超えようとすることが検知されると，エンジン２の回転数は，制御装置によって第２回転数ｎ_３まで減少される。この結果，３相発電機３’の出力電圧は，バッテリー５の電圧より低下される。これにより，３相発電機３’からバッテリー５及び駆動用インバータ６に，３相発電機３’から電力が供給されなくなる。このときには，駆動用インバータ６にはバッテリー５のみから電力が供給され，モータ７は，バッテリー５からの電力で駆動される。続いて，３相発電機３’の電機子巻線がデルタ結線に切り替えられ，更に，制御装置により，エンジン２の回転数が，第１回転数ｎ_１を超えて第２回転数ｎ_２（＞ｎ_１）まで増加される。この後，３相発電機３’は，再度，バッテリー５及び駆動用インバータ６に電力を供給する。この手順により，エンジン２の負荷が急激に変動することを避けることができる。

一方，制御装置によってエンジン２の回転数が第２回転数ｎ_２から減少して第１回転数ｎ_１になろうとすることが検知されると，エンジン２の回転数は，第１回転数ｎ_１よりも低い第４回転数ｎ_４まで下げられる。続いて，３相発電機３’の電機子巻線がデルタ結線からスター結線に切り替えられる。即ち，スタースイッチ２４_１〜２４_３がターンオンされるとともに，デルタスイッチ２５_１〜２５_３がターンオフされる。この後，制御装置により，エンジン２の回転数は，第４回転数ｎ_４から第１回転数ｎ_１に増加される。この手順により，エンジン２の負荷が急激に変動することを避けることができる。また，スタースイッチ２４_１〜２４_３，及びデルタスイッチ２５_１〜２５_３が，バッテリー５，および駆動用インバータ６に電力を供給する間にターンオフされることはなくなり，これらのスイッチには，遮断電流能力が必要なくなる。これは，スイッチの小型化の点で好適である。また，スタースイッチ２４_１〜２４_３，及びデルタスイッチ２５_１〜２５_３が電力を遮断することがないため，これらのスイッチの高寿命化を図ることができる。

以上に説明されているように，本実施の形態の発電系では，インバータの代わりに３相ダイオード整流器４’が使用され，これにより，エネルギー効率が向上されている。５相ダイオード整流器４’が，その出力電圧Ｖ_Ｏの調整機能を有しないという問題は，３相発電機３’の電機子巻線の結線が，スター結線とデルタ結線とで切り替え可能であることにょって回避されている。

図１は，本発明による実施の第１形態のシリーズハイブリッド電気自動車を示す。図２は，実施の第１形態のシリーズハイブリッド電気自動車の５相発電機及び５相ダイオード整流器の構成を示す回路図である。図３は，実施の第１形態のシリーズハイブリッド電気自動車の駆動系に好適なＩＰＭモータの構成を示す。図４は，図３のＩＰＭモータのロータの拡大図である。図５は，本発明による実施の第２形態のシリーズハイブリッド電気自動車を示す。図６は，実施の第２形態のシリーズハイブリッド電気自動車の３相発電機の構成を示す図である。

符号の説明

１：シリーズハイブリッド電気自動車
２：エンジン
３：５相発電機
３’：３相発電機
４：５相ダイオード整流器
４’：３相ダイオード整流器
５：バッテリー
６：駆動インバータ
７：モータ
８：減速ギア
９：駆動輪
１１：電気子巻線
１２：中性点
１３：整流アーム
１４：平滑キャパシタ
１５：正極端子
１６：負極端子
１７：ダイオード
１８：ダイオード
１９：中間ノード
２０：短絡スイッチ
２１ｒ，２１ｓ，２１ｔ：Ｒ相端子，Ｓ相端子，Ｔ相端子
２２ｘ，２２ｙ，２２ｚ：Ｘ端子，Ｙ端子，Ｚ端子
２３ｕ，２３ｖ，２３ｗ：Ｕ相端子，Ｖ相端子，Ｗ相端子
２４_１〜２４_３：スタースイッチ
２５_１〜２５_３：デルタスイッチ
２６：中性点

Claims

エンジンと，
前記エンジンによって駆動されるｎ相発電機と，
前記ｎ相発電機から送られるｎ相交流電圧から直流電圧を生成する整流器と，
前記直流電圧によって充電されるバッテリーと，
駆動輪を駆動するモータと，
前記整流器から供給される前記直流電圧及び／又は前記バッテリーから供給される直流電圧を用いて前記モータを駆動するインバータと，
スイッチ
とを含み，
前記ｎ相発電機は，それらの一端が共通の中性点に接続されたｎ個の電機子巻線を備え，
前記整流器は，
負極端子と，
前記負極端子よりも高い電位が発生される正極端子と，
ｎ本の整流アーム
とを備え，
前記ｎ本の整流アームのそれぞれは，
前記電機子巻線の他端に接続された中間ノードと前記負極端子との間に接続された第１ダイオードと，
前記中間ノードと前記正極端子との間に接続された第２ダイオード
とを具え，
前記スイッチは，前記中性点と前記負極端子との間に接続された
シリーズハイブリッド電気自動車。
請求項１に記載のシリーズハイブリッド電気自動車において，
前記スイッチは，前記エンジンの回転数に応答して，前記中性点と前記負極端子とを電気的に接続し，又は切り離す
シリーズハイブリッド電気自動車。
請求項２に記載のシリーズハイブリッド電気自動車において，
更に，前記エンジンのエンジン回転数を制御する制御手段を含み，
前エンジン回転数が増加して第１回転数を超えようとするとき，前記制御手段は，前記エンジン回転数を前記第１回転数より低い第３回転数まで下げ，前記スイッチは，前記中性点と前記負極端子とを電気的に接続し，その後，前記制御手段は，前記エンジン回転数を前記第１回転数よりも高い第２回転数に増加する
シリーズハイブリッド電気自動車。
請求項３に記載のシリーズハイブリッド電気自動車において，
前記エンジン回転数が前記第２回転数より減少して前記第１回転数になろうとするとき，前記制御手段は，前記エンジンの回転数を前記第１回転数よりも低い第４回転数まで下げ，前記スイッチは，前記中性点と前記負極端子とを電気的に切り離し，その後，前記制御手段は，前記エンジン回転数を前記第１回転数まで上昇させる
シリーズハイブリッド電気自動車。
エンジンと，
前記エンジンによって駆動される３相発電機と，
前記３相発電機から送られる３相交流電圧から直流電圧を生成する整流器と，
前記直流電圧によって充電されるバッテリーと，
駆動輪を駆動するモータと，
前記整流器から供給される前記直流電圧，及び／又は前記バッテリーから供給される直流電圧を用いて前記モータを駆動するインバータと，
スターデルタ切り替え機構
とを含み，
前記３相発電機は，３個の電機子巻線を備え，
前記スターデルタ切り替え機構は，前記電機子巻線を，スター結線とデルタ結線とのうちの一方の結線態様で接続する
シリーズハイブリッド電気自動車。
請求項５に記載のシリーズハイブリッド電気自動車において，
前記スターデルタ切り替え機構は，前記エンジンの回転数に応答して，前記電機子巻線を，前記スター結線と前記デルタ結線とのうちの一方の結線態様で接続する
シリーズハイブリッド電気自動車。
請求項６に記載のシリーズハイブリッド電気自動車において，
前記エンジンの回転数が増加して第１回転数を超えようとするとき，前記制御手段は，前記エンジン回転数を前記第１回転数より低い第３回転数まで下げ，前記スターデルタ切り替え機構は，前記電機子巻線を前記デルタ結線で接続しその後，前記制御手段は，前記エンジン回転数を前記第１回転数よりも高い第２回転数に増加する
シリーズハイブリッド電気自動車。
請求項７に記載のシリーズハイブリッド電気自動車において，
前記エンジン回転数が前記第２回転数より減少して前記第１回転数になろうとするとき，前記制御手段は，前記エンジンの回転数を前記第１回転数よりも低い第４回転数まで下げ，前記スターデルタ切り替え機構は，前記電機子巻線を前記スター結線で接続し，その後，前記制御手段は，前記エンジン回転数を前記第１回転数まで上昇させる
シリーズハイブリッド電気自動車。
請求項１乃至請求項８のいずれか一に記載のシリーズハイブリッド電気自動車において，
前記駆動輪と前記モータとはいずれも複数であり，
前記モータは，前記駆動輪をそれぞれに駆動し，
前記モータのそれぞれは，
対応する前記駆動輪に連結されたロータと，
同一円周上に等間隔に配置された複数のスロットを有するステータ
とを備え，
前記ロータは，
ロータ鉄心と，
界磁を構成する永久磁石
とを含み，
前記ロータは，前記ステータに対向するロータ側面を有し，
前記永久磁石は，前記ロータの半径方向の外側に磁極面を有し，
前記磁極面の上の点から前記ロータ側面の距離の最大値ｘは，前記ロータ鉄心の半径ｒと，前記界磁の極数ｎ_１とを用いて表された下記式：
ｘ≦Ｄ／１０，
Ｄ＝２πｒ／ｎ_１
を満足する
シリーズハイブリッド電気自動車。