JP2006248469A - 電動４輪駆動車およびその制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
従来のメカ４輪駆動車に対しコストが上回ることなく、また、ＤＣ電動機電動４輪駆動車より大排気量クラスの自動車に適用可能な電動４輪駆動車およびその制御装置を提供することにある。
【解決手段】
自動車の前輪はエンジン１０で駆動され、後輪は交流電動機１００で駆動される。発電機１４は、エンジン１０の回転力により駆動され、直流電力を出力する。インバータ１６は、発電機１４により出力された直流電力を交流電力に変換する。瀬コントロールユニット２００は、交流電動機１００の駆動に必要なエネルギーＰｍが、発電機１４から出力されるように、発電機１４を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、前輪をエンジンによる駆動力で、後輪を電動機による駆動力で回転させて走行する電動４輪駆動車とおよびその制御装置に関する。

最近、電動機を駆動源として走行する自動車が増加している。電気自動車やハイブリッド車に代表される環境対応自動車である。これらの主な特徴として、バッテリを搭載し、その電力を利用して電動機からトルクを発生させて駆動する機能が挙げられる。この際、電気自動車では車載、あるいは外付けの充電器を用いてバッテリを充電し、またハイブリッド車ではエンジンにより発電機（あるいは電動機を発電動作させて）を駆動し、バッテリの充電を行う。

さらに、以上のような環境対応自動車とともに、最近、前輪をエンジンで直接駆動し、後輪を電動機で駆動する電動４輪駆動自動車が普及し始めている。このような電動４輪駆動車としては、例えば、特開平２００１−２３９８５２号公報に記載のように、専用発電機をエンジンに接続し、エンジンの回転力により発電機から発電し、後輪駆動用として搭載されたＤＣ（直流）電動機から発電機により出力された直流電力を用いてトルクを発生し、車両を駆動するものが知られている。この方式では、従来のメカ４ＷＤにくらべ搭載性に優れ、またバッテリーレス等の特長により低コスト化を実現できるシステムであった。このＤＣ電動機搭載の電動４輪駆動車では、発電機の発電量（直流電力）が直接（電力変換なしで）ＤＣ電動機に供給される非常に安定なシステムであった。このＤＣ電動機を搭載した電動４輪駆動システムは、搭載性の点から主に１リッタークラスの小型自動車への適用が主流となっている。１リッタークラスの小型車は、車両重量も小さいこと、ならびに、スタート時から低速までの発進時のみ電動機を使用することから、ＤＣ電動機としては、２〜４ｋＷ程度の小出力のものが用いられている。

また、電動４ＷＤシステムの類似なシステムとして、例えば、特開平２０００−１８８８０４号公報に記載のように、エンジンに機械的に発電機が接続され、さらに発電機の出力に大容量の蓄電池が接続され、この出力部に電気エネルギーを動力に変換する永久磁石式同期電動機が接続されているハイブリッド自動車が知られている。この方式では、エンジンからの回転力により発電機で発電された電力により、同期電動機より動力を発生する。また、発電機の出力部に蓄電池が接続されているため、電気ブレーキを発生する回生時に電力をバッテリーに回収することも可能である。このハイブリット自動車は、主に２リッタークラスの大型自動車に適用されている。 ２リッタークラスの大型車は、車両重量も大きく、また、スタート時から中速までの広い速度範囲で電動機を使用することから、永久磁石式同期電動機としては、２０ｋＷ程度の大出力のものが用いられている。

特開平２００１−２３９８５２号公報 特開平２０００−１８８８０４号公報

従来のＤＣ電動機を用いた電動４輪駆動車においては、ＤＣ電動機では車両搭載性の面から、電動機出力を増加させることに限界があり、１リッタークラスより大型の自動車に適用することが困難となっていた。

また、電動４輪駆動車のメリットとして、従来のエンジンにより４輪を駆動するメカ４輪駆動車に対し搭載性が良い、トルクレスポンスが良いといった点のほか、メカ４輪駆動車に対し低コストで実現可能といった点も大きい。電動４輪駆動システムにおいては、低コストといった点から、大容量の蓄電池を搭載しないシステムとすることが重要である。その結果、蓄電池を搭載しないことにより、蓄電池を搭載したハイブリッド車では可能であった電動機からの回生動作や、発電機からの必要電力以上の余剰発電は許容されないため、発電機で必要電力を高精度に発電できるような発電制御が必要となる。

本発明の目的は、従来のメカ４輪駆動車に対しコストが上回ることなく、また、ＤＣ電動機電動４輪駆動車より大排気量クラスの自動車に適用可能な電動４輪駆動車およびその制御装置を提供することにある。

本発明は、従来のメカ４輪駆動車に対しコストが上回ることなく、また、ＤＣ電動機電動４輪駆動車より大排気量クラスの自動車に適用可能な電動４輪駆動車を提供する。
本発明の最も代表的な特徴は、前記電動機は、交流電動機であり、前記内燃機関の回転力により駆動され、直流電力を出力する発電機と、前記発電機により出力された直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記交流電動機の駆動に必要なエネルギーＰｍが、前記発電機から出力されるように、前記発電機を制御する制御手段を備えことにある。

また、本発明は、従来のメカ４輪駆動車に対しコストが上回ることなく、また、ＤＣ電動機電動４輪駆動車より大排気量クラスの自動車に適用可能な電動４輪駆動車の制御装置を提供する。
本発明の最も代表的な特徴は、前記交流電動機の駆動に必要なエネルギーＰｍが、前記発電機から出力されるように、前記発電機を制御することにある。

本発明によれば、低コストで、大排気量クラスの自動車に電動４輪駆動車を適用可能となる。

以下、図１〜図１１を用いて、本発明の第１の実施形態による電動４輪駆動車の構成について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による電動４輪駆動車の全体構成について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による電動４輪駆動車の構成を示すシステム構成図である。

本実施形態の電動４輪駆動車においては、エンジン（ＥＮＧ）１０が出力する駆動力は、変速機（Ｔ／Ｍ）１２を介して、前輪ＷＨ−ＦＲ，ＷＨ−ＦＬに伝達され、前輪ＷＨ−ＦＲ，ＷＨ−ＦＬを駆動する。また、エンジン１０は、発電機（ＡＬＴ）１４を駆動する。発電機１４は、例えば、公称電圧１２Ｖのバッテリ等の車載補機に電力を供給する１４Ｖ系電源用発電機よりも高い電圧まで発電出力を可変できる発電機である。発電機１４で発電される直流電力は、平滑コンデンサ２２を介してインバータ（ＩＮＶ）１６に供給され、交流電力に変換される。この交流電力は、交流電動機（同期電動機）１００の電機子巻線に供給され、同期電動機１００を駆動する。交流電動機１００が出力する駆動力（トルク）は、クラッチ１８及びデファレンシャギア２０を介して、後輪ＷＨ−ＲＲ，ＷＨ−ＲＬに伝達され、後輪ＷＨ−ＲＲ，ＷＨ−ＲＬを駆動する。コントロールユニット（ＣＵ）２００は、発電機１４の界磁電流を制御して、発電電圧を制御する。また、コントロールユニット２００は、インバータ１６を制御して、電動機１００に供給する電圧を制御して、電動機１００の駆動力を制御する。さらに、コントロールユニット２００は、交流電動機１００の界磁巻線に流れる界磁電流を制御して、その駆動力を制御する。また、コントロールユニット２００は、クラッチ１８の解放・締結を制御する。具体的には、発進時から所定の車速（中速）（交流電動機１００の最高回転数）まではクラッチ１８を締結し、それより高速領域ではクラッチ１８を解放して、エンジン１０による前輪駆動のみとする。ここで、インバータ１６の内部には、コントロールユニット２００によってスイッチング動作するパワー素子が備えられており、パワー素子をスイッチング動作する結果、インバータ１６の入力部の電力は、脈動を持っている。平滑コンデンサ２２は、この脈動を平滑化するために備えられている。

従来の電動４輪駆動車では、後輪を駆動する電動機として直流電動機を用いていた。この直流電動機は、デファレンシャルギア２０の近傍であって、車体の下側に搭載されるため、搭載可能な電動機の大きさに限度がある。一方、小型な直流電動機では、発生可能な出力をそれほど大きくできないため、１リッタークラスよりも大きな車両に適用することは困難であった。

それに対して、本実施形態では、後輪を駆動する電動機として、交流電動機を用いるため、直流電動機に比べて出力を大きくできるため、より大排気量の自動車に適当することが可能である。

交流電動機としては、永久磁石式同期電動機や、界磁巻線型同期電動機を用いることができる。特に、界磁巻線型同期電動機を用いることが、以下の点で有効である。

電動４輪駆動車として、後輪駆動用電動機に求められる性能はまず動作点が広いということである。例えば深雪の中で発進する場合、後輪のみで発進できることが重要となり、低速域で大トルクを出力する必要が生じる。また、中速走行域まで４輪駆動を継続するとした場合、電動機としては非常に高回転にする必要が生じる。ここで、永久磁石同期電動機では永久磁石の磁束が災いするため、必要な高回転域まで駆動できない場合が生じる。そこで、電動４輪駆動システムに用いる交流電動機は界磁巻線型の同期電動機を用いると有効である。

界磁巻線型の同期電動機であれば、高回転域において界磁電流を抑えることにより磁束を小さくすることが可能となり、その結果、誘起電圧を小さく抑え、高回転まで駆動できるようになる。

ここで、図２を用いて、界磁巻線型同期電動機と永久磁石式同期電動機の出力特性について説明する。
図２は、界磁巻線型同期電動機と永久磁石式同期電動機の出力特性図である。図２において、横軸は回転数（ｒｐｍ）を示し、縦軸はトルク（Ｎｍ）を示している。

図２に示すように、永久磁石式同期電動機の最高回転数は、（最高回転数／最大トルク時の回転数）≦１０を満たす範囲で決定される。そのため、永久磁石式同期電動機の最高回転数は、界磁巻線型同期電動機の最高回転数よりも低くなる。界磁巻線型同期電動機は、最高回転数の範囲まで用いられ、最高回転数よりも高くなると、同期電動機と後輪の間に配置されたクラッチを解放することで、同期電動機は後輪から切り離される。

前述したように、界磁巻線型の交流同期電動機では、界磁電流により磁束を変化させることが可能となる。そこで、電動４輪駆動システムでは、電動機の回転数に対して界磁電流を変化させ、積極的に発生する磁束を可変する。このように、界磁巻線型の同期電動機を用いて、電動機の動作点により界磁電流を制御することにより、システムの最大電圧内で所要電動機動作点を許容電動機電流の範囲内で駆動することが可能となる。

また、図１に示す本実施形態の電動４輪駆動車では、電動機１００専用のバッテリーを搭載していない点に特徴がある。通常ハイブリッド車などであれば、発電機と電動機の間に電力発生源や電力回収源として用いられるバッテリーが接続され、そのバッテリーは大容量となる。しかしながら、電動４輪駆動車では従来のメカ４輪駆動車よりもコストを低く抑えるひ必要があり、大容量のバッテリーを搭載することができない。

次に、図３を用いて、大容量バッテリーを搭載しない電動４輪駆動車の制御原理について説明する。
図３は、大容量バッテリーを搭載しない交流電動機を用いた本実施形態における電動４輪駆動車のエネルギーフロー図である。

交流電動機を用いた電動４輪駆動システムでは、電力を吸収するバッテリーを持たないため、エンジンから回転力が与えられ発電機により出力される発電エネルギーＰｇとインバータ・電動機に入力される駆動エネルギーＰｍが等しくなるように協調制御を行う必要がある。発電エネルギーＰｇと駆動エネルギーＰｍのバランスが崩れた場合、例えば、発電エネルギーＰｇが駆動エネルギーＰｍよりも大きかった場合は余剰の電力が平滑用のコンデンサに流れ込み、ＤＣバスの電圧が上昇することになる。ＤＣバスの電圧が許容値を超えた場合にはコンデンサやインバータのパワー素子を破壊する恐れがある。また、発電エネルギーＰｇが駆動エネルギーＰｍよりも小さかった場合には、微小ではあるがコンデンサに蓄えられた電力がインバータ・電動機に使われるため電圧が低下し、結果所要のトルクが出力できなくなる。

本発明では、そのような問題点を解決するために、交流電動機の駆動に必要なエネルギーＰｍが、発電機から出力されるように、発電機を制御する。

また、インバータ・電動機はｄ−ｑ座標での電流制御を行うことにより、高応答で高精度なトルク制御を行うことができる。それに対して発電機に対して行う発電制御は応答が遅い界磁電流を制御するしかない。この発電機の発電制御はインバータ・電動機の挙動に合わせて高精度に行う必要がある。

そこで、本発明では、インバータの入力側の電圧Ｖｄｃが、交流電動機の駆動で消費するエネルギーＰｍを発生するための電圧指令値Ｖｄｃ*となるように、発電機の出力電圧をフィードバック制御し、また、インバータの入力側の電流Ｉｄｃが、交流電動機の駆動で消費するエネルギーＰｍを発生するための電流指令値Ｉｄｃ*となるように、発電機の出力電流をフィードバック制御する。

なお、大容量のバッテリーを搭載しないということは、小容量のバッテリーを搭載することを、本発明は妨げないものである。ここで、たとえば、小容量のバッテリーとは、バッテリー単独では電動機の最大出力を規定時間出力することができず、発電機出力と併用することにより電動機の最大出力を満足する程度の容量のバッテリーである。また、本発明は、バッテリーを有する簡易的なHEVシステムに対しても適用可能である。

次に、図４〜図９を用いて、本実施形態による電動４輪駆動車の制御装置の構成について説明する。
最初に、図４を用いて、本実施形態による電動４輪駆動車の制御装置のシステム構成について説明する。
図４は、本発明の第１の実施形態による電動４輪駆動車の制御装置の構成を示すシステム構成図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

コントロールユニット２００は、発電制御部２１０と、モータ制御部２２０とを備えている。発電制御部２１０の構成及び動作については、図５及び図６を用いて後述するが、コンデンサ２２の両端電圧Ｖｄｃが、モータ制御部２２０が出力するコンデンサ電圧値指令Ｖｄｃ*に一致するように、発電機１４の界磁巻線の界磁電圧指令Ｃｌ（Ｖｇｆ*）をフィードバック制御する。界磁電圧指令Ｃｌ（Ｖｇｆ*）は、発電機１４の界磁電流を制御するチョッパ（ＣＨ）回路３２に入力する。

モータ制御部２２０は、矩形波制御部２２０Ａと、ＰＷＭ制御部２２０Ｂとを備えている。モータ制御部２２０の構成及び動作については、図５を用いて後述するが、エンジンコントロールユニット３０が出力するモータトルク指令Ｔｒ*，同期電動機１００に備えられた回転数センサによって検出されたモータ回転速度ωｍ，同期電動機１００に備えられている磁極位置センサによって検出された磁極位置θに基づいて、インバータ１６に供給する３相の交流電圧指令Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*を出力し、インバータ１６を制御し、これにより、同期電動機１００の電機子巻線に供給する交流電力を制御することで、同期電動機１００が出力する駆動力を制御する。同期電動機１００が出力する駆動力は、同期電動機の回転数が高くなるに従い同期電動機の駆動トルクが小さくなるよう制御される。また、モータ制御部２２０は、同期電動機１００の界磁電流を制御するチョッパ（ＣＨ）回路３４に界磁電流指令Ｉｍｆ*を出力し、チョッパ回路３４を制御することで、同期電動機１００の界磁電流Ｉｆを制御する。

界磁電流指令Ｉｍｆ*は、図５に示す電流指令演算部２２２において、トルク指令Ｔｒ* 、モータ回転数ωｍに基づいて決定される。一例としては、トルク指令Ｔｒ* 、モータ回転数ωｍ、界磁電流指令Ｉｍｆ*からなる３次元テーブル（マップ）を用いて、トルク指令Ｔｒ* 、モータ回転数ωｍから界磁電流指令Ｉｍｆ*を求めることができる。基本的には、モータ回転数が上昇すると誘起電圧が上昇するため、界磁電流指令値Ｉｍｆ* を減少させるように動作させる。また、トルク指令に応じて界磁電流Ｉｆを変化させることもできるようにする。トルク指令の大きさに応じて界磁電流Ｉｆを変えると界磁電流一定に対し、モータ効率を向上させることが可能となる。このようなロジックに基づき電流指令演算部２２２にて決定された界磁電流指令値Ｉｍｆ* に対し、モータ界磁電流検出値をフィードバック制御することにより界磁電流指令値Ｉｍｆ* 通りの界磁電流Ｉｆを発生させる。

このとき、界磁電流Ｉｆをフィードバック制御演算して得られた出力値は界磁電圧指令Ｖｇｆ*に相当し、この界磁電圧指令Ｖｇｆ*をチョッパ回路３４に入力して界磁電流Ｉｆを流す。ここで、チョッパ回路３４はＨブリッジ方の回路として説明したが、界磁電流Ｉｆは流れる方向が一定であるため、スイッチング素子１つを界磁巻線に直列に配線した回路でも、本発明の目的は達成できる。

以上のように、モータの動作点に応じて界磁電流指令値Ｉｍｆ*を変更し、その指令値に精度良く実際の界磁電流が追従するように制御することにより、限られた電圧範囲内で高効率、高精度なトルク制御を実現することができる。

モータ制御部２２０は、モータ速度に応じて、矩形波制御部２２０Ａと、ＰＷＭ制御部２２０Ｂとを切り替える。例えば、停止・低速域はPWM制御で駆動し、中高速域（例えば、5000rpm以上）では矩形波制御で駆動する。

次に、図５及び図６を用いて、本実施形態による電動４輪駆動車の制御装置の発電機制御部２１０の構成について説明する。
図５は、本発明の第１の実施形態による電動４輪駆動車の制御装置の構成を示すブロック図である。なお、図４と同一符号は、同一部分を示している。図６は、本発明の第１の実施形態による電動４輪駆動車の制御装置の発電機制御部の動作を示すフローチャートである。

図５に示すように、発電機制御部２１０は、減算部２１２と、電圧フィードバック制御部２１４と、Duty(C1)演算部２１６とを備えている。

図６のステップｓ１０において、減算部２１２は、モータ制御部２２０が出力するコンデンサ電圧値指令値Ｖｄｃ*と、コンデンサ２２の両端電圧であるコンデンサ電圧Ｖｄｃから、偏差ΔＶｄｃを算出する。

次に、図６のステップｓ２０において、電圧フィードバック制御部２１４は、減算部２１２で求められた偏差ΔＶｄｃに対して、比例積分（ＰＩ）演算を行い、界磁電圧指令Ｖｇｆ*を出力する。なお、制御はＰＩ制御としているが、これに限定されるものではない。また、フィードバック制御系のみでは応答に問題がある場合、フィードフォワード補償を入れてもよいものである。

図６のステップｓ３０において、Duty(C1)演算部２１６は、電圧フィードバック制御部２１２が出力する界磁電圧指令Ｖｇｆ*から、デュティＣ１（ＶＧｆ*）を、Ｖｇｆ*／Ｖｄｃとして求め、そのデュティＣ１（ＶＧｆ*）信号は、発電機１４の界磁巻線に供給され、コンデンサ２２の両端電圧であるコンデンサ電圧Ｖｄｃがコンデンサ電圧値指令値Ｖｄｃ*に一致するように、フィードバック制御される。


次に、図５及び図７，図８を用いて、本実施形態による電動４輪駆動車の制御装置のモータ制御部２２０の構成について説明する。
図５に示すように、モータ制御部２２０は、電流指令演算部２２２と、電圧指令演算部２２４と、３相電圧指令演算部２２６と、ＤＣ電圧Ｖｄｃ１演算部２２８と、コンデンサ電圧指令値Ｖｄｃ*演算部２３２と、ＰＷＭ／矩形波信号処理部２３４とを備えている。

電流指令演算部２２２は、図４に示したＥＣＵ３０からのトルク指令Ｔｒ*、及び図４に示した同期電動機１００に備えられた回転数センサによって検出されたモータ回転速度ωｍに基づいて、内部のＩｄ，Ｉｑテーブルを用いて、同期電動機１００に対するｄ軸電流指令Ｉｄ*，ｑ軸電流指令Ｉｑ*，界磁電流指令Ｉｍｆ*を算出する。界磁電流指令Ｉｍｆ*は、同期電動機１００の界磁電流を制御するチョッパ（ＣＨ）回路３４に供給され、チョッパ回路３４を制御することで、同期電動機１００の界磁電流Ｉｆを制御する。

電圧指令演算部２２４は、電流指令演算部２２２によって算出されたｄ軸電流指令Ｉｄ*，ｑ軸電流指令Ｉｑ*から、ｄ軸電圧指令Ｖｄ*，ｑ軸電圧指令Ｖｑ*を算出する。

３相電圧指令演算部２２６は、電圧指令演算部２２４によって算出されたｄ軸電圧指令Ｖｄ*，ｑ軸電圧指令Ｖｑ*に対して、同期電動機１００に備えられている磁極位置センサによって検出された磁極位置θを用いて、同期電動機１００に対する交流電圧指令Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*を算出する。

ＰＷＭ／矩形波信号処理部２３４は、３相電圧指令演算部２２６によって算出された交流電圧指令Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*に基づいて、インバータ１６をＰＷＭ制御若しくは矩形波制御するために、インバータ１６の内部のスイッチング素子の駆動信号を生成し、インバータ１６に出力する。

次に、ＤＣ電圧Ｖｄｃ１演算部２２８の動作について、図７を用いて説明する。
図７は、本発明の第１の実施形態による電動４輪駆動車の制御装置のモータ制御部の動作を示すフローチャートである。

ＤＣ電圧Ｖｄｃ１演算部２２８は、電圧指令演算部２２４が算出したｄ軸電圧指令Ｖｄ*，ｑ軸電圧指令Ｖｑ*に基づいて、発電機１４の出力電圧，すなわち、コンデンサ２２の両端電圧Ｖｄｃ１を算出する。

図７のステップｓ１００において、ＤＣ電圧Ｖｄｃ１演算部２２８は、ｄ軸電圧指令Ｖｄ*，ｑ軸電圧指令Ｖｑ*に基づいて、ＤＣ電圧指令値Ｖｄｃ１を算出する。ＤＣ電圧Ｖｄｃ１演算部２２８は、電動機の相電圧Ｖを、ｄ軸電圧指令Ｖｄ*，ｑ軸電圧指令Ｖｑ*に基づいて、以下の式（１）により、算出する。

Ｖ＝（√（Ｖｄ*^２＋Ｖｑ*^２））／√３ …（１）

さらに、ＤＣ電圧Ｖｄｃ１演算部２２８は、電動機の相電圧Ｖから、ＤＣ電圧指令値Ｖｄｃ１を、ＰＷＭ制御の場合には、以下の式（２）に基づいて、また、矩形波制御の場合には、以下の式（３）に基づいて算出する。

Ｖｄｃ１＝（２√２）・Ｖ …（２）

Ｖｄｃ１＝（（２√２）・Ｖ）／１．２７ …（３）

次に、ステップｓ１１０において、コンデンサ電圧指令値Ｖｄｃ*演算部２３２は、発電機の特性を用いて、エンジンの回転数ωｇにおいて、発電機の出力電圧がＶｄｃ１となる動作点を抽出する。エンジン１０と発電機１４の間には減速機構が備えられており、減速比を例えば２．５とすると、エンジン回転数ωｇ＝６００ｒｐｍは、発電機回転数ωｇ’＝１５００ｒｐｍに相当する。

ここで、図８を用いて、発電機の発電特性について説明する。
図８は、発電機の発電特性を示す特性図である。

図８において、横軸は発電機の出力電流を示し、縦軸は出力電圧を示している。発電機の出力電圧・電流は、図示の曲線のように変化する。また、このとき、発電機の回転数ωｇ’が変化する（ωｇ１’＜ωｇ２’＜ωｇ２’）と、発電機の出力電圧・電流も、図示の曲線のように変化する。

コンデンサ電圧指令値Ｖｄｃ*演算部２３２は、図７に示した発電機の特性を用いて、例えば、エンジンの回転数ωｇで、発電機の回転数がωｇ２’の場合において、発電機の出力電圧がＶｄｃ１となる動作点，すなわち、電流Ｉｄｃ１の点を抽出する。

次に、図７のステップｓ１２０において、コンデンサ電圧指令値Ｖｄｃ*演算部２３２は、検出した動作点，すなわち、発電機の出力電圧がＶｄｃ１で、出力電流Ｉｄｃ１で同期電動機１００を駆動した場合に、同期電動機１００の駆動力（トルク）が要求パワーＰｍ（＝モータ回転数ωｍ×トルク指令Ｔｒ*）を満たすか否かを判定する。満たす場合には、ステップｓ１３０に進み、満たさない場合には、ステップｓ１４０に進む。

発電機の動作点が要求パワーを満たす場合には、ステップｓ１３０において、ＤＣ電圧Ｖｄｃ１演算部２２８は、ＤＣ電圧指令値Ｖｄｃ１に対して、同期電動機１００と発電機１４とが最も効率良く動作するような電圧指令値Ｖｄｃ２を再計算する。すなわち、モータ制御部２２０は、その内部に発電機の各動作点（エンジン回転数，電圧，電流）に対する効率マップを有しており、ＤＣ電圧指令値Ｖｄｃ１以上でかつ、モータの要求パワーを出力できる範囲の電圧のうち、最大効率となる電圧を検索する。そして、電圧指令値Ｖｄｃ２が算出されると、コンデンサ電圧指令値Ｖｄｃ*演算部２３２は、この電圧指令値Ｖｄｃ２に対する電圧指令値Ｖｄｃ*を発電制御部２１０に出力する。発電制御部２１０は、コンデンサ電圧Ｖｄｃが電圧指令値Ｖｄｃ*となるように、フィードバック制御する。

また、発電機の動作点が要求パワーを満たさない場合には、ステップｓ１４０において、ＤＣ電圧Ｖｄｃ１演算部２２８は、必要なパワーを取れる範囲で、電圧指令値Ｖｄｃ３と、トルク指令値Ｔｒ*を再計算する。すなわち、モータの要求パワーを発電機が出力できない場合には、まず、現在のエンジン回転における発電機の最大パワーで出力可能なモータトルク指令値を演算する。そして、そのトルクに必要なDC電圧指令値を演算する。ただし、演算されたDC電圧では電動機の発生する誘起電圧より低い場合があるので、そのような場合にはよりモータトルク指令値を下げ、実際出力できるDC電圧、モータトルクを最終的に決定する。トルク指令値Ｔｒ*は、電流指令演算部２２２に送られて、再度、電流指令演算部２２２と、電圧指令演算部２２４と、３相電圧指令演算部２２６とにより、３相電圧指令値Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*が算出される。また、コンデンサ電圧指令値Ｖｄｃ*演算部２３２は、この電圧指令値Ｖｄｃ３に対する電圧指令値Ｖｄｃ*を発電制御部２１０に出力する。発電制御部２１０は、コンデンサ電圧Ｖｄｃが電圧指令値Ｖｄｃ*となるように、フィードバック制御する。

ここで、図９を用いて、本実施形態による電動４輪駆動車の制御装置による制御動作について説明する。
図９は、本発明の第１の実施形態による電動４輪駆動車の制御装置による制御動作を示すタイミングチャートである。図９（Ａ）はエンジン回転数ωｇを示し、図９（Ｂ）はモータ回転数ωｍを示している。図９（Ｃ）はモータトルクＴｍを示し、図９（Ｄ）は必要とするコンデンサ電圧Ｖｄｃを示している。なお、横軸は時間（ｓｅｃ）である。

図９（Ａ）に示すように、エンジン回転数ωｇは、アイドリングの後、１速，２速，３速と変速するに従って、増減する。一方、図９（Ｂ）に示すように、モータ回転数ωｍは、単調に増加する。ここで、図９（Ｃ）に示すように、アイドリング時は、電動４輪駆動車はまだ発進していないため、必要とするモータトルクＴｍは小さくてよいが、発進直後の低速時は、大トルクが必要である。そして、車速が上がるにつれて、必要とするモータトルクＴｍは小さくて済むものである。

そこで、図９（Ｄ）に示すように、アイドリング時（図中のＸ１付近）は、必要なコンデンサ電圧Ｖｄｃを低くして、例えば、図８の点Ｃ付近で発電機を動作させる。発進時の低エンジン回転域（図中のＸ２付近）では、低電圧大電流の、図８の点Ｂ付近で発電機を動作させる。さらに、エンジン回転数が高くなる（図中のＸ３付近）と、必要なコンデンサ電圧Ｖｄｃを高くして、例えば、図８の点Ａ付近で発電機を動作させ、効率を重視する。このように、エンジン回転数に対して、必要なＶｄｃを調整することで、効率よく必要とする駆動力を得ることができる。

次に、図１０を用いて、本実施形態による電動４輪駆動車の制御装置の第２のシステム構成について説明する。
図１０は、本発明の第１の実施形態による電動４輪駆動車の制御装置の第２の構成を示すシステム構成図である。なお、図１，図４と同一符号は、同一部分を示している。

図４に示したシステムは、コンデンサ２２の両端電圧Ｖｄｃが、モータ制御部２２０が出力するコンデンサ電圧値指令Ｖｄｃ*に一致するように、発電機１４の界磁巻線の界磁電圧をフィードバック制御していた。

それに対して、本例では、ＤＣバスに流れるＤＣ電流Ｉｄｃ（発電機の発電電流）が、コントロールユニット２００Ａが出力するコンデンサ電流値指令Ｉｄｃ*に一致するように、発電機１４の界磁巻線の界磁電流をフィードバック制御するようにしている。

次に、図１１を用いて、本実施形態による電動４輪駆動車の制御装置の第３のシステム構成について説明する。
図１１は、本発明の第１の実施形態による電動４輪駆動車の制御装置の第３の構成を示すシステム構成図である。なお、図１，図４と同一符号は、同一部分を示している。

本実施形態では、図４に示したシステムと、図１０に示したシステムを併用して、コントロールユニット２００Ｂは、コンデンサ２２の両端電圧Ｖｄｃ若しくはＤＣバスに流れるＤＣ電流Ｉｄｃ（発電機の発電電流）が、コンデンサ電圧値指令Ｖｄｃ*若しくはコンデンサ電流値指令Ｉｄｃ*に一致するように、発電機１４の界磁巻線の界磁電圧・界磁電流をフィードバック制御するようにしている。電圧制御とするか電流制御とするかは、発電機の動作範囲に応じて選択するようにしている。なお、発電機の動作範囲については、図７のステップｓ１１０の方法にて判定できる。

発電機の発電特性は、図８に示したようになっている。なお、この例の発電機の励磁方式は自励方式であり、発電機の出力電圧が１２Ｖ系バッテリー電圧よりも低くなった場合に他励方式となる。ここで、図８の例えば、発電機回転数ωｇ１’についてみると、点Ａ〜点Ｂまでの発電特性は右下がりの特性となり、点Ｂ〜点Ｃまでは左下がりの特性となり、さらに、点Ｃからは右下がりの特性となるように、非線形な発電特性を有している。そこで、このような発電特性を持つ発電機を安定に制御するために、電圧制御と電流制御を切り替えるようにしている。

図９に示す発電動作範囲のうち、右下がりの領域（点Ａ〜点Ｂ，点Ｃ〜）では、電圧フィードバック制御を行うようにし、左下がりの領域（点Ｂ〜点Ｃ）では、電流フィードバック制御を行うようにする。図７に示す発電動作範囲のうち左下がりの領域では、図４に示したように電圧フィードバック制御系では正論理となってしまい、制御系が発散する可能性がある。そこで、この領域において制御系の安定性を保つためには、制御器の出力となる補償量の符号を反転させる必要がある。それに対して、本例では、左下がりの領域では電流フィードバック制御することにより、補償量の符号を反転させることなく、制御系の安定性を保つことができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、従来のメカ４輪駆動車に対しコストが上回ることなく、大排気量クラスの自動車に適用可能な電動４輪駆動システムを得ることができる。

次に、図１２及び図１３を用いて、本発明の第２の実施形態による電動４輪駆動車の構成について説明する。
図１２は、本発明の第２の実施形態による電動４輪駆動車の構成を示すシステム構成図である。図１３は、本発明の第２の実施形態による電動４輪駆動車の制御内容を示すフローチャートである。図１２において、図１と同一符号は、同一部分を示している。

図１２に示すように、エンジン１０は、前輪ＷＨ−ＦＲ，ＷＨ−ＦＬを駆動するための動力を発生させるほか、１２Ｖバッテリー用発電機（ＡＬＴ２）４０、エアコン用コンプレッサ（ＣＯＭＰ）４２、後輪駆動用同期電動機（ＡＣ−Ｍ）１００の動力源となる６０Ｖ高圧発電機１４が接続される。また、最近では、電動パワステ（ＥＰＳ）４４や電動ブレーキ（Ｅ−ＢＲ）４６などのように、各種車載用アクチュエータの電動化が進み、１２Ｖ発電機４０の負荷も大きなものとなっている。よって、電動４輪駆動を行うときに、所要の後輪モータ出力が現在のエンジン回転数で出せるかどうかを判断する必要がある。例えば、本実施形態の電動４輪駆動システムでは、後輪駆動用の電動機１００の出力が向上し、十数ｋＷ程度の容量となる。したがって、エンジン回転数が低く、エンジンが低出力領域あるとき、電動機から最大トルクを出そうとした場合は、エンジンが停止する可能性がある。このように電動機の容量が向上すると、エンジンに接続されている各負荷との負荷調整が重要となってくる。そこで、そこで、コントロールユニット（ＣＵ）２００Ｃは、エンジンの出力可能パワーと各負荷のマネージメント制御を行う。

図１３のステップｓ２００において、コントロールユニット２００Ｃは、４輪駆動する際に、後輪ＷＨ−ＲＲ，ＷＨ−ＲＬより出力する同期電動機１００の所要トルクＴｍreqを演算する。所要トルクＴｍreqは、アクセル開度（スロットル開度）と車速、若しくはアクセル開度（スロットル開度）と前後輪車速によって求めることができる。

次に、ステップｓ２１０において、コントロールユニット２００Ｃは、エンジン１０に接続されている各負荷（１２Ｖバッテリー用発電機４０、エアコン用コンプレッサ４２など、さらに１２Ｖバッテリー用発電機４０に接続されている負荷（電動パワステ用電動機４４や電動ブレーキ用電動機４６など））の現在の出力状態を演算する。

次に、ステップｓ２２０において、コントロールユニット２００Ｃは、現在のエンジン１０の動作点に基づき、出力可能パワーＰｅを演算する。

次に、ステップｓ２３０において、コントロールユニット２００Ｃは、ステップｓ２００に算出した所要トルクＴｍreqが、出力可能パワーＰｅ内で出力可能か否かを判断する。ここで、出力可能であれば、ステップｓ２９０に進み、コントロールユニット２００Ｃは、所要トルクＴｍreqを実際のモータ駆動トルクＴｍとする。

また、ステップｓ２３０において、所要トルクＴｍreqが出力可能パワーＰｅ内で出力可能でないと判断された場合は、ステップｓ２４０において、コントロールユニット２００Ｃは、後輪電動機１００のほかにエンジン１０に接続されている負荷が軽減可能かを判断する。ステップｓ２４０において、負荷が軽減できる判断されると、ステップｓ２５０において、コントロールユニット２００Ｃは、エンジン負荷を軽減し、その結果モータの所要トルクＴｍreqが出力可能となった場合は、ステップｓ２９０において、コントロールユニット２００Ｃは、所要トルクＴｍreqを実際のモータ駆動トルクＴｍとする。

ステップｓ２４０において、エンジン負荷が軽減できない場合には、ステップｓ２６０において、コントロールユニット２００Ｃは、４輪駆動性能を考慮し、所要トルクＴｍreqを軽減可能か判断する。

ここで、所要トルクＴｍreqが軽減可能であった場合、コントロールユニット２００Ｃは、現在のエンジン出力可能パワーＰｅ内で出力できるモータトルクＴｍまで軽減し、ステップｓ２９０において、コントロールユニット２００Ｃは、この軽減した結果を実際のモータ駆動トルクＴｍとする。

また、ステップｓ２６０において、４輪駆動性能が現状の走行状態において絶対必要であり、所要トルクＴｍreqが軽減できないと判断された場合は、ステップｓ２７０において、コントロールユニット２００Ｃは、所要トルクＴｍreqが出力可能となる範囲でエンジン回転数を増加させる。

そして、ステップｓ２９０において、コントロールユニット２００Ｃは、これらの処理を踏まえた上で最終的なモータ駆動トルクＴｍを決定する。

以上が電動４輪駆動システムのパワーマネージメント処理の例である。ここで、説明した処理については、順序等を制限されるものではない。さらに、本マネージメントはエンジンを効率よい動作点で駆動しながら、電動４輪駆動システムを有効に作用させることを念頭においている。この目的が達成されれば、その処理内容は、図１３に示すフローチャートの内容に限定されるものではない。

本実施形態によれば、従来のメカ４輪駆動車に対しコストが上回ることなく、大排気量クラスの自動車に適用可能な電動４輪駆動システムを得ることができる。

次に、図１４〜図２２を用いて、本発明の電動４輪駆動車に用いる界磁巻線型同期電動機の構成について説明する。

最初に、図１４を用いては、本発明の電動４輪駆動車に用いる第１の界磁巻線型同期電動機の全体構成について説明する。
図１４は、本発明の電動４輪駆動車に用いる第１の界磁巻線型同期電動機の全体構成を示す断面図である。

界磁巻線型同期電動機１００は、固定子の内周側に回転可能に支持された回転子が同一のシャフト（出力軸）上に２個設けられたタンデム型の界磁巻線型同期電動機である。

ハウジング１０２は、リア側ベアリング１０９ｂが固定されているベアリングブラケット１０８と、磁極位置検出器１２０（例えばレゾルバ）が収納されているレゾルバブラケット１２２からなる。ベアリングブラケット１０８は、フロント側ベアリング１０９ａが収納されるブラケットとハウジングとが一体で構成されている。各ブラケット中心部には、シャフト１１５がフロント側ベアリング１０９ａおよびリア側ベアリング１０９ｂを介して支持されている。シャフト１１５の一方の端部には、一対のスリップリング１９が取付けられている。

ハウジング１０２の内部には、固定子１０３と回転子１１０が設けられている。固定子１０３は、固定子鉄心１０５と、固定子巻線１０６からなる。ハウジング１０２には、固定子鉄心１０５が嵌合いにより配置されている。固定子鉄心１０５のスロットには、固定子巻線１０６が収納されている。

固定子鉄心５の内周側には、機械的ギャップ（エアギャップ長）を介して、回転子１１０が回転可能に、ベアリング１０９ａ，１０９ｂによって支持されている。回転子１１０は、爪形磁極１１１ａ，１１２ａ，１１１ｂ，１１２ｂと、界磁巻線１１３ａ，１１３ｂと、永久磁石１３０ａ，１３０ｂとから構成されている。爪形磁極１１１ａ，１１２ａと、界磁巻線１１３ａと、永久磁石１３０ａとによって、第１の回転子が構成される。爪形磁極１１１ｂ，１１２ｂと、界磁巻線１１３ｂと、永久磁石１３０ｂとによって、第２の回転子が構成される。一対の爪形磁極１１１ａ，１１２ａは、それぞれの爪部が対向する爪部の間に位置するように配置され、また、一対の爪形磁極１１１ｂ，１１２ｂも、それぞれの爪部が対向する爪部の間に位置するように配置されている。爪形磁極１１１ａ，１１２ａの間には、ボビン１１４ａが組み込まれ、爪形磁極１１１ｂ，１１２ｂの間には、ボビン１１４ｂが組み込まれている。ボビン１１４ａ，１１４ｂには、それぞれ、界磁巻線１１３ａ，１１３ｂが巻装されている。また、一対の爪形磁極１１１ａ，１１２ａ及び爪形磁極１１１ｂ，１１２ｂの間には、マグネット１３０ａ，１３０ｂが複数実装されている。２つのスリップリング１１９には、それぞれにブラシ１１８が摺動可能に取付けられ、スリップリング１１９を介して界磁巻線１１３ａ，１１３ｂにバッテリからの直流電流が供給される。

爪形磁極１１１ａ，１１２ａは、ブラシ１１８を介して界磁巻線１１３ａによって、周方向にＮ極Ｓ極が交互に励磁される。爪形磁極１１１ｂ，１１２ｂも、ブラシ１１８を介して界磁巻線１１３ｂによって、周方向にＮ極Ｓ極が交互に励磁される。タンデムの爪形磁極の極性は、両者の爪磁極が接する側を同極にする。また、永久磁石１３０ａ，１３０ｂの極性は、界磁巻線の励磁により爪磁極の極性が決定される面の極性と同極となる極性に着磁されている。

磁極位置検出器１２０の合わせる基準として、爪磁極回転子のタンデム構成の一方を周方向にずらした場合は、両者の中心に位置検出器の基準を合わせるか、両者の誘起電圧の合成した波形に合わせるようにしている。

レゾルバブラケット１２２には、レゾルバステータ１２０が収納されている。レゾルバステータ１２０に対して、機械的ギャップ（エアギャップ長）を持ってレゾルバロータ２１がシャフト１１５の端部に取り付けられている。また、レゾルバブラケット１２２には、カバー１２３が取り付けられており、これを取外すことでレゾルバステータ１２０の位置調整が可能である。

次に、図１５及び図１６を用いて、本実施形態による電動４輪駆動車に用いる第１の界磁巻線型同期電動機における固定子巻線のスロット内配置について説明する。
図１５は、本発明の電動４輪駆動車に用いる第１の界磁巻線型同期電動機における固定子巻線のスロット内配置の断面展開図である。図１６は、本発明の電動４輪駆動車に用いる第１の界磁巻線型同期電動機における固定子巻線のスロット内挿入状態を示す斜視図である。

固定子鉄心１０４には、複数のスロット１４０及び複数のティース１４１が形成されている。各スロット１４０は、爪型磁極１１１ａ、１１２ａ、１１１ｂ、１１２ｂと対向する内周面にスロット開口部１４３が設けられている。この例では、ひとつのスロット内には、４導体が配置されている場合を示している。

例えば、１２極、３６スロットのＵ相の場合、スロット１４０内の外周側に配列された導体１６０ａと、３スロット先のスロット内の内周側に配列された導体１６０ｃとは、一本の導体で成形されている。同様に、スロット１４０内の外周側に配列された導体１６０ｂと、３スロット先のスロット内の内周側に配列された導体１６０ｄが一本の導体として成形されている。そして、磁極ピッチ離れた位置の導体に順次接続され、スロット内導体１６０ａ，１６０ｂは、巻き始めから巻き終わりまでの直列接続されて、波巻の第１の巻線を構成する。また、スロット１４０の同一スロット内の導体１６１ｃ，１６１ｄと、３スロット離れたスロット内導体１６１ａ、１６１ｂとは、それぞれ１本の導体で構成し、前記と同様に巻き始めから、巻き終わりまでの直列接続されて波巻の第２の巻線を構成する。また、第１の巻線と第２の巻線は、巻始めの端子間同士と巻き終わりの中性点１６２同士端子間で並列接続される。なお、各スロット内には薄い絶縁紙１４２が装備されている。

１スロット内の固定子巻線は、上側（外周側）導体１６０ａ，１６０ｂと、下側（内周側）導体１６１ｃ，１６１ｄとの二層巻きとしている。また、１スロット内の周方向導体数は、タンデム爪磁極の場合は２としている。なお、３タンデム爪磁極の場合は、１スロット内の周方向導体数は、３とする。

次に、図１７を用いて、本実施形態による電動４輪駆動車に用いる第１の界磁巻線型同期電動機における固定子巻線の１相の巻線配置について説明する。
図１７は、本発明の電動４輪駆動車に用いる第１の界磁巻線型同期電動機における固定子巻線の１相の巻線配置を示す展開図である。なお、図において、実線は上側コイルを示し、破線は下側コイルを示している。
図１７は、前述したスロット内導体配列を３６スロットに展開した場合の１相の巻線配置を示している。これより、導体１６０と導体１６１とが構成する第１の巻線と第２の巻線は、それぞれが直列に接続された後に、前記したようにが並列に接続されてＵ相端子と中性点１６２が形成される。

例えば１２極、３６スロット、Ｕ相では、７番目のスロットに入っている上側コイル導体１６０ａ，１６０ｂは、１０番目のスロットの下側コイル導体１６０ｃ，１６０ｄがそれぞれ１本の導体であり、導体の巻き始め１６０ｍは４番目のスロットの下側に入り、１番目のスロット上側、３４番目のスロット下側、……、７番目のスロット上側を通過して一回巻とし、これを直列に波巻接続２回巻いて、巻き終わり１６０ｎにつながる。同様に巻き始め１６１ｍは、１０番目のスロット上側に入り、１３番目のスロット下側、１６番目のスロット上側、……、７番目のスロット下側を通過して一回巻とし、これを直列に波巻接続で２回巻いて、巻き終わり１６１ｎにつながる。この巻き終わり導体１６０ｎ及び巻き終わり導体１６１ｎは中性点１６２に接続され、巻き始め導体１６０ｍ、巻き始め導体１６１ｍは並列に接続し、Ｕ相巻線を構成する。

次に、図１８を用いて、本実施形態による電動４輪駆動車に用いる第１の界磁巻線型同期電動機における固定子巻線の３相巻線の接続状態について説明する。
図１８は、本発明の電動４輪駆動車に用いる第１の界磁巻線型同期電動機における固定子巻線の３相巻線の接続状態を示す展開図である。
図１８は、図１７で説明したＵ相の接続状態に、Ｖ相、Ｗ相巻線を加えた導体の接続状態について表している。Ｕ相と同様にＶ相の巻き終わり導体１６３ｎ、１６４ｎは中性点１６２に接続され、Ｖ相の巻き始め導体１６３ｍ、１６４ｍは並列に接続し、Ｖ相巻線を構成する。Ｗ相の巻き終わり導体１６５ｎ、１６６ｎは中性点１６２に接続され、Ｗ相の巻き始め導体１６５ｍ、１６６ｍは並列に接続し、Ｗ相巻線を構成する。

次に、図１９を用いて、本実施形態による電動４輪駆動車に用いる第１の界磁巻線型同期電動機における回転子の構成について説明する。
図１９は、本発明の電動４輪駆動車に用いる第１の界磁巻線型同期電動機における回転子の構成を示す平面図である。なお、図１４と同一符号は、同一部分を示している。

本実施形態では、タンデムの爪磁極回転子の磁極中心，すなわち、爪磁極１１２ａと１１２ｂの中心を、周方向に、機械角で（３６０度／（極数×相数×Ｎｓ））＝５度だけずらしている。ここで、Ｎｓは同一スロット内で直列接続される周方向の導体数であるが、これはまた一対の爪磁極を２個軸方向に並べたタンデムの回転子の数でもある。すなわち、周方向の導体数が２の場合はタンデム爪磁極で２個の爪磁極となる。

さらに、同一スロット内の周方向の導体数が３の場合はＮｓ＝３とし、爪磁極を３個並べた３タンデム構成となる。この場合、一方の爪磁極１１ａ、１２ａで構成される一対の爪磁極を固定し、他方の爪磁極１１ｂ、１２ｂで構成される一対の爪磁極の中心を基準として周方向に進ませる、または遅らせる。

図１９に示した例では、１２極、３相、タンデム構造であるので、機械的に周方向に５度ずらしているが、１６極、４８スロット、３相、タンデム構造であれば、機械的に周方向にずらす角度は３．７５度である。

次に、図２０を用いて、図１９に示したタンデム回転子における誘起電圧波形について説明する。
図２０は、図１９に示したタンデム回転子における誘起電圧波形図である。

図１９に示したように、タンデム回転子の磁極中心を周方向に５°ずらした場合、第１の回転子側の誘起電圧をＥａとすると、この第１の回転子に対して磁極中心を周方向に５°ずらした第２の回転子の誘起電圧はＥｂとなる。すなわち、１２極、３相であれば、機械的に周方向に５°ずらすと、電気角では３０°位相がずれることになる。

次に、図２２を用いて、本実施形態による電動４輪駆動車に用いる第１の界磁巻線型同期電動機における固定子巻線の３相巻線の接続状態について説明する。
図２１は、本発明の電動４輪駆動車に用いる第１の界磁巻線型同期電動機における固定子巻線の３相巻線の接続状態を示す展開図である。

Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の巻線は同一スロットの導体を直列に巻線するが、タンデム爪磁極の一方を機械角で５度（電気角で３０度）ずらすので、それぞれの爪磁極の磁束を切って誘起する電圧は電気角で３０度の位相差が生じる。

すなわち、Ｕ相固定子巻線についてみると、タンデム構成の回転子の第１の回転子の上側固定子巻線１６０Ｕ１に対して、第２の回転子の上側固定子巻線１６０Ｕ２に発生する電圧は、電気角の位相で３０度ずれることになり、図示の状態は、位相の異なる電圧をベクトルによって表している。また、タンデム構成の回転子の第１の回転子の下側固定子巻線１６０Ｌ１に対して、第２の回転子の下側固定子巻線１６０Ｌ２に発生する電圧も、電気角の位相で３０度ずれることになる。

次に、図２２及び図２３を用いて、本実施形態による電動４輪駆動車に用いる第１の界磁巻線型同期電動機における低振動性について説明する。
図２２は、本発明の電動４輪駆動車に用いる第１の界磁巻線型同期電動機における低振動性の説明図である。図２３は、本発明の電動４輪駆動車に用いる第１の界磁巻線型同期電動機における低脈動性の説明図である。

図２２において、図２２（Ａ）は本実施形態におけるトルクリプルを示し、図２２（Ｂ）は従来方式によるトルクリプルを示している。

本実施形態のように、タンデム爪磁極の一方を機械角で５度（電気角で３０度）ずらすと、第１の磁極によるトルクリプルＴＬ１と、第２の磁極によるトルクリプルＴＬ２は、図２２（Ａ）に示すように、角度θ１（電気角で３０度）ずれて発生する。このときのトルクリプルの最大値はそれぞれ等しくτ１とする。

一方、図２２（Ｂ）は、タンデム爪磁極の磁極中心がずれていない場合のトルクリプルＴＬ３を示している。この場合、トルクリプルは、周方向にずれていないタンデム磁極が固定子コアの全長に亘って作用しており、このときのトルクリプルの最大値は２τ１である。

それに対して、本実施形態では、タンデム爪磁極の一方である第１の磁極に対して、第２の磁極を電気角で３０度ずらすと、軸方向の磁極の長さは、周方向にずらさない場合の半分なので、発生するトルクリプルは、タンデム爪磁極をずらさない場合の半分（２τ１→τ１）となる。すなわち、タンデム爪磁極を周方向にずらすと、トルクリプルは２τ１からτ１に減少し、衝撃力を半減することができる。振動や騒音は衝撃力の大きさで決まるので、タンデム爪磁極の一方をずらすと、振動，騒音を低減することができる。

次に、図２３を用いて、脈動について説明する。図２３（Ａ）はタンデム爪磁極の一方を電気角で１５度ずらした場合の、第１の磁極のＵ相トルク脈動Ｕと、第１の磁極に対して電気角で１５度ずらした第２の磁極のＵ相トルク脈動Ｕ１５と、第１の磁極のＶ相トルク脈動Ｖと、第１の磁極に対して電気角で１５度ずらした第２の磁極のＶ相トルク脈動Ｖ１５と、第１の磁極のＷ相トルク脈動Ｗと、第１の磁極に対して電気角で１５度ずらした第２の磁極のＷ相トルク脈動Ｗ１５と、これらの６個のトルク脈動を合成した合成トルク脈動Ｔ１とを示している。

図２３（Ｂ）は、本実施形態のように、タンデム爪磁極の一方を電気角で３０度ずらした場合の、第１の磁極のＵ相トルク脈動Ｕと、第１の磁極に対して電気角で３０度ずらした第２の磁極のＵ相トルク脈動Ｕ３０と、第１の磁極のＶ相トルク脈動Ｖと、第１の磁極に対して電気角で３０度ずらした第２の磁極のＶ相トルク脈動Ｖ３０と、第１の磁極のＷ相トルク脈動Ｗと、第１の磁極に対して電気角で３０度ずらした第２の磁極のＷ相トルク脈動Ｗ３０と、これらの６個のトルク脈動を合成した合成トルク脈動Ｔ２とを示している。

図２３（Ｃ）はタンデム爪磁極の一方を電気角で６０度ずらした場合の、第１の磁極のＵ相トルク脈動Ｕと、第１の磁極に対して電気角で６０度ずらした第２の磁極のＵ相トルク脈動Ｕ６０と、第１の磁極のＶ相トルク脈動Ｖと、第１の磁極に対して電気角で６０度ずらした第２の磁極のＶ相トルク脈動Ｖ６０と、第１の磁極のＷ相トルク脈動Ｗと、第１の磁極に対して電気角で６０度ずらした第２の磁極のＷ相トルク脈動Ｗ６０と、これらの６個のトルク脈動を合成した合成トルク脈動Ｔ３とを示している。

すなわち、図２３（Ｂ）に示したように、界磁巻線型発電電動機を電動機として運転した場合、電動機のトルク脈動は、タンデム爪磁極の一方をずらす角度を、電気角で３０度とした場合が最も小さくできる。さらに、界磁巻線型モータを発電機として運転し、その出力電圧を全波整流した場合の電圧波形の脈動は、タンデム爪磁極の一方をずらす角度を、電気角で３０度とした場合が最も小さくできる。すなわち、タンデム爪磁極の一方を機械角で５度（電気角で３０度）ずらすと、３相交流の脈動波形の脈動分を小さくできるとともに、振動，騒音を低減することができる。

なお、タンデム爪磁極の一方を電気角で３０度以外ずらすことでも、トルクリプルを小さくして、振動，騒音を低減することができる。しかしながら、電気角で３０度ずらした場合に比べて、３相交流の脈動波形の脈動分が多少増加することになる。

ここで、（表１）を用いて、ルンデル形タンデム回転電機の極数を替えた場合の、スロット数と、機械角と、電気角の関係を示している。機械角は、回転子を、Ｎｓ個連ねたタンデム構成とした場合、３６０度／（極数×相数×Ｎｓ）として求められる。

爪磁極を用いた界磁巻線型同期電動機としては、特開２００１−１６９４９０号公報に記載のように、スロット数を多くし、隣接した二つのスロットに分散配置した導体を直列に接続し、他の位置の分散配置した導体も直列に接続して、両者を並列接続した固定子巻線が知られている。しかし、この構成はスロット数が多くなり、アース絶縁面積が増加し、占積率が減少することになる。また、モータトルクを大きくする場合は、タンデム構成になり、導体断面積を少しでも大きくしようとする場合には不利となる。

電動４輪駆動用の車両用回転電機では、低速・高トルク、高速・低トルクとなるので、高速運転までの回転数制御範囲が広く要求される。特に低速時は低電圧、大電流にする必要がある。また、自動車用は低振動・低騒音の強い要求がある。例えば低電圧、大電流の電動機の場合は、固定子の巻回数を減らして、導体面積を大きくして巻線の抵抗値を小さくする必要がある。また、車両用回転電機は低振動・低騒音の要求が強いので、スロット数が少ない場合は低振動・低騒音の課題もある。

それに対して、本実施形態では、モータトルクを大きくするために、タンデム回転子を用いるとともに、タンデム構成の回転子の爪磁極中心をずらすことにより、３相電動機の空間高調波やトルクの脈動次数が高次になり、トルク脈動が低減でき、低振動、低騒音の電動機を実現できる。

次に、図２４〜図２７を用いて、本発明の電動４輪駆動車に用いる第２の界磁巻線型同期電動機の構成について説明する。

最初に、図２４を用いては、本実施形態による電動４輪駆動車に用いる第２の界磁巻線型同期電動機の全体構成について説明する。
図２４は、本発明の電動４輪駆動車に用いる第２の界磁巻線型同期電動機の全体構成を示す断面図である。なお、図１４と同一符号は、同一部分を示している。

回転子１１０’が、２つの回転子からなるタンデムであり、第１の回転子１１０が、爪形磁極１１１ａ，１１２ａ，１１１ｂ，１１２ｂと、界磁巻線１１３ａ，１１３ｂと、永久磁石１３０ａ，１３０ｂとから構成され、第２の回転子が、爪形磁極１１１ａ，１１２ａと、界磁巻線１１３ａと、永久磁石１３０ａとによって、第１の回転子が構成される。爪形磁極１１１ｂ，１１２ｂと、界磁巻線１１３ｂと、永久磁石１３０ｂとによって構成される点は、図１４の例と同じである。しかし、本実施形態では、２個の爪形磁極の中心はずらさずに、一致している。

一方、ハウジング１０２内に支持される固定子１０３Ａにおいては、固定子鉄心を軸方向の中央近傍で２分割し、一方の固定子鉄心１０４ａと他方の固定子鉄心１０４ｂの周方向位置が３６０度／（極数×相数×Ｎｓ）角度をずらしたタンデム固定子としている。ここで、Ｎｓは前記と同様であり、同一スロット内の周方向の導体数と軸方向に並ぶ固定子の分割数は同じ数値となる。２分割した固定子の場合はＮｓ＝２とし、回転子が３タンデムの場合は、固定子を３分割するので３となる。この場合、一方の固定子鉄心１０４ａを固定し、他方の固定子鉄心１０４ｂのスロット中心を基準にして、周方向に進ませる、または遅らせる。ずらす角度は、例えば、１２極、３相、タンデム構造であれば、機械的に５度（電気角で３０度）である。１６極、４８スロット、３相、タンデム構造であれば、機械的に周方向にずらす角度は３．７５°である。

なお、固定子鉄心は、回転子からの磁束が空間に出にくい領域、すなわち爪磁極の軸方向端部に対応した位置で、２個の固定子鉄心１０４ａ，１０４ｂに分割している。

次に、図２５〜図２７を用いては、本実施形態による電動４輪駆動車に用いる第２の界磁巻線型同期電動機の固定子鉄心及び固定子巻線の構成について説明する。
図２５は、本発明の電動４輪駆動車に用いる第２の界磁巻線型同期電動機の固定子鉄心の第１の配置を示す断面図である。図２６は、本発明の電動４輪駆動車に用いる第２の界磁巻線型同期電動機の固定子鉄心の第２の配置を示す断面図である。図２７は、本発明の電動４輪駆動車に用いる第２の界磁巻線型同期電動機の固定子巻線の構成を示す斜視図である。なお、図１４と同一符号は、同一部分を示している。

固定子鉄心１０４ａ及び１０４ｂは、図２５に示すように、若しくは図２６に示すように、図２３のずらし方向とは逆方向に、周方向にずれており、固定子鉄心１０４ａ，１０４ｂのスロット内に、導体１６０ａ，１６０ｂ，１６１ａ，１６１ｂが配置される。

そして、図２７に示すように、導体１６０ａ，１６０ｂ，１６１ａ，１６１ｂは、固定子鉄心１０４ａと固定子鉄心１０４ｂのギャップ間で、周方向に５°折り曲げている。

以上説明したように、本実施形態によれば、タンデム構成の回転子の爪磁極中心をずらすことにより、３相電動機の空間高調波やトルクの脈動次数が高次になり、トルク脈動が低減でき、低振動、低騒音の電動機を実現できる。

また、上記構造にすることにより、例えば３６スロット、１２極の回転電機で７２スロット、１２極の回転電機と同一の効果が得られ、スロット数半減により、固定子鉄心のスロット内絶縁材の面積が低減でき、占積率を向上できる。また、固定子鉄心を２分割して空間を設けているので、使用する素材を低減でき、回転電機の軽量化、低コスト化を実現できる。

本発明の第１の実施形態による電動４輪駆動車の構成を示すシステム構成図である。 界磁巻線型同期電動機と永久磁石式同期電動機の出力特性図である。 大容量バッテリーを搭載しない交流電動機を用いた電動４輪駆動車のエネルギーフロー図である。 本発明の第１の実施形態による電動４輪駆動車の制御装置の構成を示すシステム構成図である。 本発明の第１の実施形態による電動４輪駆動車の制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態による電動４輪駆動車の制御装置の発電機制御部の動作を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施形態による電動４輪駆動車の制御装置の電動機制御部の動作を示すフローチャートである。 発電機の発電特性を示す特性図である。 本発明の第１の実施形態による電動４輪駆動車の制御装置による制御動作を示すタイミングチャートである。 本発明の第１の実施形態による電動４輪駆動車の制御装置の第２の構成を示すシステム構成図である。 本発明の第１の実施形態による電動４輪駆動車の制御装置の第３の構成を示すシステム構成図である。 本発明の第２の実施形態による電動４輪駆動車の構成を示すシステム構成図である。 本発明の第２の実施形態による電動４輪駆動車の制御内容を示すフローチャートである。 本発明の電動４輪駆動車に用いる第１の界磁巻線型同期電動機の全体構成を示す断面図である。 本発明の電動４輪駆動車に用いる第１の界磁巻線型同期電動機における固定子巻線のスロット内配置の断面展開図である。 本発明の電動４輪駆動車に用いる第１の界磁巻線型同期電動機における固定子巻線のスロット内挿入状態を示す斜視図である。 本発明の電動４輪駆動車に用いる第１の界磁巻線型同期電動機における固定子巻線の１相の巻線配置を示す展開図である。 本発明の電動４輪駆動車に用いる第１の界磁巻線型同期電動機における固定子巻線の３相巻線の接続状態を示す展開図である。 本発明の電動４輪駆動車に用いる第１の界磁巻線型同期電動機における回転子の構成を示す平面図である。 図２０に示したタンデム回転子における誘起電圧波形図である。 本発明の電動４輪駆動車に用いる第１の界磁巻線型同期電動機における固定子巻線の３相巻線の接続状態を示す展開図である。 本発明の電動４輪駆動車に用いる第１の界磁巻線型同期電動機における低振動性の説明図である。 本発明の電動４輪駆動車に用いる第１の界磁巻線型同期電動機における低脈動性の説明図である。 本発明の電動４輪駆動車に用いる第２の界磁巻線型同期電動機の全体構成を示す断面図である。 本発明の電動４輪駆動車に用いる第２の界磁巻線型同期電動機の固定子鉄心の第１の配置を示す断面図である。 本発明の電動４輪駆動車に用いる第２の界磁巻線型同期電動機の固定子鉄心の第２の配置を示す断面図である。 本発明の電動４輪駆動車に用いる第２の界磁巻線型同期電動機の固定子巻線の構成を示す斜視図である。

符号の説明

１０…エンジン
１４…発電機
１６…インバータ
１８…クラッチ
２０…デファレンシャルギヤ
２２…平滑用コンデンサ
３０…エンジンコントロールユニット
４０…１２Ｖバッテリー用発電機
１００…交流電動機
１０２…ハウジング
１０３…固定子
１０４，１０４ａ，１０４ｂ…固定子鉄心
１０６…固定子巻線
１１０…回転子
１１１ａ，１１１ｂ，１１２ａ，１１２ｂ…爪磁極
１１３ａ，１１３ｂ…界磁コイル
１３０ａ，１３０ｂ…極間マグネット
１４０…スロット
１４１…ティース
２００…コントロールユニット
２１０…発電制御部
２２０…電動機制御部

Claims (15)

1. 前輪を内燃機関で駆動し、後輪を電動機で駆動する電動４輪駆動車であって、
   前記電動機は、交流電動機であり、
   前記内燃機関の回転力により駆動され、直流電力を出力する発電機と、
   前記発電機により出力された直流電力を交流電力に変換するインバータと、
   前記交流電動機の駆動に必要なエネルギーＰｍが、前記発電機から出力されるように、前記発電機を制御する制御手段を備えたことを特徴とする電動４輪駆動車。
2. 請求項１記載の電動４輪駆動車において、
   前記制御手段は、前記インバータの入力側の電圧Ｖｄｃが、前記交流電動機の駆動で消費するエネルギーＰｍを発生するための電圧指令値Ｖｄｃ*となるように、前記発電機の出力電圧をフィードバック制御することを特徴とする電動４輪駆動車。
3. 請求項１記載の電動４輪駆動車において、
   前記制御手段は、前記インバータの入力側の電流Ｉｄｃが、前記交流電動機の駆動で消費するエネルギーＰｍを発生するための電流指令値Ｉｄｃ*となるように、前記発電機の出力電流をフィードバック制御することを特徴とする電動４輪駆動車。
4. 請求項１記載の電動４輪駆動車において、
   前記制御手段は、前記発電機の動作範囲に応じて、
   前記インバータの入力側の電圧Ｖｄｃが、前記交流電動機の駆動で消費するエネルギーＰｍを発生するための電圧指令値Ｖｄｃ*となるように、前記発電機の出力電圧をフィードバック制御する電圧フィードバック制御と、
   前記インバータの入力側の電流Ｉｄｃが、前記交流電動機の駆動で消費するエネルギーＰｍを発生するための電流指令値Ｉｄｃ*となるように、前記発電機の出力電流をフィードバック制御する電流フィードバック制御とを切り替えて制御することを特徴とする電動４輪駆動車。
5. 前輪を内燃機関で駆動し、後輪を電動機で駆動する電動４輪駆動車であって、
   前記電動機は、界磁巻線を有する界磁巻線型の同期電動機であり、
   前記内燃機関の回転力により駆動され、直流電力を出力する発電機と、
   前記発電機により出力された直流電力を交流電力に変換し、前記同期電動機の駆動トルクを制御するインバータとを備えたことを特徴とする電動４輪駆動車。
6. 請求項５記載の電動４輪駆動車において、
   前記同期電動機が前記駆動トルクを発生するのに必要なエネルギーＰｍが、前記発電機から出力されるように、前記発電機を制御する制御手段を更に備えたことを特徴とする電動４輪駆動車。
7. 前輪を内燃機関で駆動し、後輪を電動機で駆動する電動４輪駆動車であって、
   前記電動機は、界磁巻線を有する界磁巻線型の同期電動機であり、
   前記内燃機関の回転力により駆動され、直流電力を出力する発電機と、
   前記発電機により出力された直流電力を交流電力に変換するインバータと、
   前記同期電動機の回転数が高くなるに従い同期電動機の駆動トルクが小さくなるよう前記インバータを制御して前記同期電動機の電機子巻線に供給する交流電力を制御するとともに、前記同期電動機の回転数が高くなるに従い前記同期電動機の界磁巻線を流れる界磁電流を小さくするよう制御する第１制御手段と、
   前記同期電動機が前記駆動トルクを発生するのに必要なエネルギーＰｍが、前記発電機から出力されるように、前記発電機を制御する第２制御手段とを備えたことを特徴とする電動４輪駆動車。
8. 請求項７記載の電動４輪駆動車において、
   前記２制御手段は、前記インバータの入力側の電圧Ｖｄｃと、前記交流電動機の駆動で消費するエネルギーＰｍを発生するための電圧指令値Ｖｄｃ*とがバランスするように、前記発電機の出力電圧をフィードバック制御することを特徴とする電動４輪駆動車。
9. 前輪に駆動力を供給する内燃機関と、
   前記内燃機関に接続され、前記内燃機関の回転力により直流電力を出力する発電機と、
   前記発電機により出力された直流電力を交流電力に変換するインバータと、
   前記発電機と前記インバータとの間に接続された平滑用コンデンサと、
   前記インバータにより制御され、後輪を駆動する交流電動機と、
   前記インバータを制御して、前記交流電動機の電機子巻線に供給する交流電力を制御するとともに、
   前記コンデンサの両端電圧Ｖｄｃが、前記交流電動機の駆動で消費するエネルギーＰｍを発生するための電圧指令値Ｖｄｃ*となるように、前記発電機の出力電圧をフィードバック制御することを特徴とする電動４輪駆動車。
10. 前輪に駆動力を供給する内燃機関と、
    前記内燃機関に接続され、前記内燃機関の回転力により直流電力を出力する発電機と、
    前記発電機により出力された直流電力を交流電力に変換するインバータと、
    前記発電機と前記インバータとの間に接続された平滑用コンデンサと、
    前記インバータにより制御され、後輪を駆動する交流電動機と、
    前記インバータを制御して、前記交流電動機の電機子巻線に供給する交流電力を制御するとともに、
    前記コンデンサの両端電流Ｉｄｃが、前記交流電動機の駆動で消費するエネルギーＰｍを発生するための電流指令値Ｉｄｃ*となるように、前記発電機の出力電圧をフィードバック制御することを特徴とする電動４輪駆動車。
11. 前輪を内燃機関で駆動し、後輪を電動機で駆動する電動４輪駆動車であって、
    前記内燃機関に接続され、前記内燃機関の回転力により直流電力を出力する前記電動機用の発電機と、
    前記内燃機関に接続され、前記内燃機関の回転力により直流電力を出力する補機用発電機と、
    前記内燃機関に接続され、前記内燃機関により駆動される少なくとも１つのアクチュエータと、
    前記内燃機関から出力されるパワーを、少なくとも前記前輪の駆動力と、前記後輪を駆動する前記電動機の駆動力と、前記補機用発電機の発電パワーと、前記アクチュエータの駆動力との間で、配分制御を行う制御手段とを備えたことを特徴とする電動４輪駆動車。
12. 請求項１１記載の電動４輪駆動車において、
    前記制御手段は、現在の走行条件において、４輪駆動のために必要であると判断した場合は、前記補機用発電機及びアクチュエータのパワー配分を変更し、前記電動機にエンジンパワーを優先的に配分することを特徴とする電動４輪駆動車。
13. 請求項１２記載の電動４輪駆動車において、
    前記制御手段は、前記パワー配分の変更にも係わらず、後輪駆動トルクが不足する場合は、前記内燃機関の回転数を増大させて更に前記後輪駆動用の電動機にパワーを配分することを特徴とする電動４輪駆動車。
14. 前輪を内燃機関で駆動し、後輪を電動機で駆動する電動４輪駆動車であって、
    前記電動機は、交流電動機であり、
    前記内燃機関の回転力により駆動され、直流電力を出力する発電機と、
    前記発電機により出力された直流電力を交流電力に変換するインバータと、
    前記交流電動機の駆動に必要なエネルギーＰｍが、前記発電機から出力されるエネルギーとがバランスするように、前記発電機を制御する制御手段を備えたことを特徴とする電動４輪駆動車。
15. 前輪を内燃機関で駆動し、前記内燃機関により駆動されて直流電力を出力する発電機の出力を用いて後輪を交流電動機で駆動する電動４輪駆動車に用いられる電動４輪駆動車の制御装置であって、
    前記交流電動機の駆動で消費するエネルギーＰｍと、前記発電機から出力されるエネルギーとがバランスするように、前記発電機を制御することを特徴とする電動４輪駆動車の制御装置。

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