JP2006149031A - 車両駆動システムおよびそれを備える車両 - Google Patents

Abstract

【課題】 力行運転と回生運転でバランスよく性能が発揮できる車両駆動システムおよびそれを備える車両を提供する。
【解決手段】 ロータ３には、磁束を遮る障壁であるフラックスバリヤとしてスリット２２，２４，２６，２８が設けられている。図２の矢印に示す方向が車両前進時にロータが回転する順方向であり、各スリットは、順方向に遅れる位置から順方向に進む位置に向かって次第に幅が狭くなっている。矢印で示した順方向と反対の逆方向は、鎖交磁束が順方向よりも大きくなるため、高トルク、高逆起電力となり高い電圧を与えないとモータとして出力が出なくなる方向である。したがって逆方向に発生するトルクは回生運転で使用する。
【選択図】 図２

Description

この発明は、車両駆動システムおよびそれを備える車両に関し、特に、回転電機を含む車両駆動システムおよびそれを備える車両に関する。

近年、電気自動車やハイブリッド自動車等の駆動用モータとして、小型で効率の良いモータが求められている。このため、同期リラクタンスモータや埋込磁石同期モータなどさまざまなモータの研究がなされている。

これらのうちリラクタンスモータについて、効率改善を図るためにフラックスバリヤ型モータの回転子部分に設けるスリットの幅をさまざまに工夫した例が特開平１０−１５０７５４号公報（特許文献１）に開示されている。特に、図７ではスリットの磁極中心より回転方向に進んだ位置における幅を回転方向に遅れた位置における幅よりも小さくすることが開示されている。
特開平１０−１５０７５４号公報（図７） 特開２００１−２３８４１７号公報 特開２００１−１８６６９３号公報 特開平９−２８５０８６号公報 特表２００３−５０４９９６号公報 特開平１１−３０８８２８号公報 特開平１−１２２３５５号公報

電気自動車やハイブリッド自動車等の駆動用モータとして使用する場合の重要な特性として、回生運転を行なう点が挙げられる。従来の性能改善方法では、力行運転時の性能が主として追求されており、回生運転時の性能はあまり追求されていなかった。

とくに、自動車では、モータ駆動用の直流電源としてバッテリを搭載しているので、力行運転時と回生運転時の電圧の変動が無視できない。この電圧変動も考慮した上で、力行運転および回生運転でバランスよく性能を改善することが求められている。

本発明は、力行運転と回生運転でバランスよく性能が発揮できる車両駆動システムおよびそれを備える車両を提供することを目的とする。

この発明は、要約すると、車両駆動システムであって、出力軸の回転方向として順方向と最大出力が順方向より小さな逆方向とを有する構造の回転電機と、回転電機の力行時には放電し回転電機の回生時には充電され、充電時には端子間電圧が増大し放電時には端子電圧が減少するバッテリと、出力軸の順方向の回転に応じて車両を前進させる方向に回転する回転軸とを備える。

好ましくは、回転電機は、ステータと、順方向回転よりも逆方向回転では最大出力が小さくなる形状を有するロータとを含む。

より好ましくは、ロータは、複数の突極部を有し、複数の突極部の各々は、回転中心を通り出力軸と直交する軸に対して傾斜した形状を有する。

より好ましくは、ロータには、回転中心を通り出力軸と直交する軸に対して非対称なフラックスバリヤが設けられる。

好ましくは、車両駆動システムは、直流電源と、直流電源と回転電機との間の電流授受経路上に配置されるインバータと、モータから回転情報を得てインバータを制御する制御装置とをさらに備える。制御装置は、加速指示に応じてロータに順方向のトルクが発生し回転電機が力行運転を行ない、減速指示に応じてロータに逆方向のトルクが発生し回転電機が回生運転を行なうようにインバータを制御する。

この発明の他の局面に従うと、車両であって上記いずれかの車両駆動システムと、回転軸に接続された車輪とを備える。

本発明によれば、力行時の最大出力と回生時の最大出力とのバランスがとれた回転電機を備えた車両駆動システムが実現できる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

図１は、本発明の車両駆動システム１００の構成を示す図である。

図１を参照して、車両駆動システム１００は、バッテリ３８と、バッテリ３８から力行運転時にはエネルギを受けまた回生運転時にはバッテリにエネルギを戻す三相インバータ３６と、三相インバータ３６によってＵ相、Ｖ相、Ｗ相のコイルに対する電流電圧の制御が行なわれる回転電機１とを含む。

三相インバータ３６は、パワー半導体素子であるＩＧＢＴ５２〜６２を含む。ＩＧＢＴ５２とＩＧＢＴ５４とはバッテリ３８の正負電極間に直列に接続され、その接続ノードはモータのＵ相コイルに接続される。ＩＧＢＴ５６とＩＧＢＴ５８とはバッテリ３８の正負電極間に直列に接続され、その接続ノードはモータのＶ相コイルに接続される。ＩＧＢＴ６０とＩＧＢＴ６２とはバッテリ３８の正負電極間に直列に接続され、その接続ノードはモータのＷ相コイルに接続される。

車両駆動システム１００は、さらに、運転者のアクセル位置を検出するアクセルポジションセンサ４１と、モータから回転情報Ｐを受けアクセルポジションセンサ４１の出力に応じて三相インバータ３６を制御するコントローラ４０とを含む。コントローラ４０は、図示しないが、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を含んでおり、ＩＧＢＴ５２〜６２の各ゲートを制御する。

車両駆動システム１００は、さらに、モータの出力軸４４に接続される減速機３４と、減速機３４の出力軸４２に接続される車輪３２とを含む。

図２は、図１における回転電機１の第１例の形状を示す断面図である。

図２を参照して、回転電機１Ａはステータ２と、ロータ３とを含む。

ステータ２およびロータ３の各々は、積層された電磁鋼板で形成されている。ロータ３の中心部分には、電磁鋼板の中心を貫通する回転軸４が設けられている。回転電機１は、車両を駆動する力行運転をする時にはモータとして動作し、回生運転をして車両に制動をかけるときには発電機として動作する。

ステータ２は、ステータヨーク１３と、ステータヨーク１３に接続されているステータコア１４と、図示しないが各ステータコア１４に巻回されているコイルとを含む。

ロータ３には、磁束を遮る障壁であるフラックスバリヤとしてスリット２２，２４，２６，２８が設けられている。図２の矢印に示す方向が車両前進時にロータが回転する順方向であり、各スリットは、順方向に遅れる位置から順方向に進む位置に向かって次第に幅が狭くなっている。

図３は、図１における回転電機１の第２例の形状を示す断面図である。

図３を参照して、回転電機１Ｂはステータ３０と、ロータ３３とを含む。

ステータ３０は、ステータヨーク４３と、ステータヨーク４３に接続されているステータコア４５と、図示しないが各ステータコア４５に巻回されているコイルとを含む。

ロータ３は２対の突極が形成された４極のロータである。突極３５は軸Ｘ−Ｘに対して傾斜しており左右非対称な形状となっている。図２の矢印に示す方向が車両前進時にロータが回転する順方向であり、突極３５の傾斜方向は、回転中心から外側に向けて順方向に遅れる側から進む側に傾斜する方向である。

図３および図４に示したロータの形状では、矢印で示した順方向と反対の逆方向は、鎖交磁束が順方向よりも大きくなるため、高トルク、高逆起電力となり高い電圧を与えないとモータとして出力が出なくなる方向である。したがって逆方向に発生するトルクは回生運転で使用する。

図４は、図１におけるバッテリ３８の電流電圧特性を示した図である。

図４を参照して、バッテリ３８は内部抵抗を有するため力行運転時すなわち放電時は電流が大きければ大きいほど端子間電圧は降下する。また、回生運転時すなわち充電時は電流が大きければ大きいほど端子間電圧は上昇する。図４では、放電する電流の向きを正にとってある。

本発明では、自動車の運転において力行運転時と回生運転時の電圧の変動を考慮した上で、力行運転および回生運転でバランスよく性能を改善する。

図５は、本発明に用いられる回転電機の最大出力制御を行なった場合の運転特性を示した図である。

図５を参照して、第Ｉ象限は回転数が正でかつトルクも正の運転状態、第ＩＩ象限は回転数が負でトルクが正の運転状態、第ＩＩＩ象限は回転数が負でかつトルクも負の運転状態、第ＩＶ象限は回転数は正でトルクが負の運転状態である。なお回転数は、図２および図３における矢印で示した順方向を正としている。

つまり、第Ｉ象限は車両前進時の力行運転を示し、第ＩＩ象限は車両後退時の力行運転を示し、第ＩＩＩ象限は車両後退時の回生運転を示し、第ＩＶ象限は車両前進時の回生運転を示す。ロータの回転は逆であるがロータに生ずるトルクの向きは同じであることから第Ｉ象限と第ＩＩＩ象限とは対称な形であり、第ＩＩ象限と第ＩＶ象限とは対称な形である。

図５において、第Ｉ象限すなわち力行運転時には、最大出力曲線は、第ＶＩ象限すなわち回生運転時よりも大きくなるように設計されている。ただし、図５に示す特性は、一定の電源電圧が供給される場合における特性である。図２、図３に示した形状のロータを採用することにより、曲線Ｐ１の出力を曲線Ｐ４の出力よりも大きくできる。なお、回転数が低い場合の最大発生トルクはこの場合曲線Ｐ４よりも曲線Ｐ１の方が小さくなる。

なお、力行時の最大出力とは、正方向のトルクによって回転軸を加速させる仕事が最大である場合を示し、回生時の最大出力とは、負方向のトルクによって回転軸を減速させる仕事が最大である場合を示す。

図６は、バッテリ電圧変動を考慮した上で本発明に用いられる回転電機の最大出力制御を行なった場合の運転特性を示した図である。

図６を参照して、通常の左右対称形状のロータを有するリラクタンスモータの場合を破線で示す。図４で説明したように力行時はバッテリ電圧が低下する。バッテリ電圧の低下により力行時の最大出力曲線Ｗ３は、トルクの大きさが小さいほうにシフトしている。

これに対して、回生時は図４で説明したようにバッテリ電圧が増加する。このため最大出力曲線Ｗ４がトルクの絶対値が大きくなるほうにシフトしている。つまり、力行時の曲線Ｗ３は回生時の曲線Ｗ４に比べて大幅に出力低下している。しかし、従来手法により力行時に十分な出力が得られるようにモータを設計すると回生時には過剰特性となる。

一方、本発明の場合を実線Ｗ１，Ｗ２で示す。図５に示した曲線がバッテリ電圧の変動の影響をうけてシフトした結果、図６に示すように力行時の最大出力曲線Ｗ１と回生時の最大出力曲線Ｗ２とのバランスがとれたモータが実現できる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の車両駆動システム１００の構成を示す図である。 図１における回転電機１の第１例の形状を示す断面図である。 図１における回転電機１の第２例の形状を示す断面図である。 図１におけるバッテリ３８の電流電圧特性を示した図である。 本発明に用いられる回転電機の最大出力制御を行なった場合の運転特性を示した図である。 バッテリ電圧変動を考慮した上で本発明に用いられる回転電機の最大出力制御を行なった場合の運転特性を示した図である。

符号の説明

１，１Ａ，１Ｂ 回転電機、２，３０ ステータ、３，３３ ロータ、４ 回転軸、１３，４３ ステータヨーク、１４，４５ ステータコア、２２，２４，２６，２８ スリット、３２ 車輪、３４ 減速機、３５ 突極、３６ 三相インバータ、３８ バッテリ、４０ コントローラ、４１ アクセルポジションセンサ、４２，４４ 出力軸、１００ 車両駆動システム。

Claims (6)

1. 出力軸の回転方向として順方向と最大出力が前記順方向より小さな逆方向とを有する構造の回転電機と、
   前記回転電機の力行時には放電し前記回転電機の回生時には充電され、充電時には端子間電圧が増大し放電時には端子電圧が減少するバッテリと、
   前記出力軸の順方向の回転に応じて車両を前進させる方向に回転する回転軸とを備える、車両駆動システム。
2. 前記回転電機は、
   ステータと、
   前記順方向回転よりも前記逆方向回転では最大出力が小さくなる形状を有するロータとを含む、請求項１に記載の車両駆動システム。
3. 前記ロータは、複数の突極部を有し、
   前記複数の突極部の各々は、回転中心を通り前記出力軸と直交する軸に対して傾斜した形状を有する、請求項２に記載の車両駆動システム。
4. 前記ロータには、回転中心を通り前記出力軸と直交する軸に対して非対称なフラックスバリヤが設けられる、請求項２に記載の車両駆動システム。
5. 直流電源と、
   前記直流電源と前記回転電機との間の電流授受経路上に配置されるインバータと、
   前記モータから回転情報を得て前記インバータを制御する制御装置とをさらに備え、
   前記制御装置は、加速指示に応じて前記ロータに前記順方向のトルクが発生し前記回転電機が力行運転を行ない、減速指示に応じて前記ロータに前記逆方向のトルクが発生し前記回転電機が回生運転を行なうように前記インバータを制御する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の車両駆動システム。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の車両駆動システムと、
   前記回転軸に接続された車輪とを備える車両。

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