JP2008503996A - 自動車用電動機駆動装置 - Google Patents

Abstract

主駆動装置またはハイブリッド駆動装置として使用される自動車用電気駆動装置を提供する。前記駆動装置の電動機は特殊な種類のリラクタンスモータまたは直巻電動機で構成される。リラクタンスモータおよび直巻電動機の回転子は励磁巻線を備え、励磁巻線にトランジスタが付設され、これで励磁電流を制御するためモータの繊細な制動運転が実施可能となる。制動電流は電動機運転を発電機運転に切り替えることによって電源に供給される。
【選択図】図６

Description

本発明は特許請求の範囲の請求項１および２に記載された自動車用電動機駆動装置に関する。

自動車の場合、駆動装置（ハイブリッド駆動装置）を支援するため、または主駆動装置として頻繁に電動機が使用される。
このような電動機駆動装置は両回転方向において非常に高いトルクおよび始動トルクを必要とする。電子転流されたＰＭモータはこのような条件を持っている。

永久磁石を備えた電動機は製造コストが高く、永久磁石によって取り出される出力が制限される。
特許文献１にはバッテリ電気駆動の床運搬自動車用の自動車駆動装置が開示され、自動車電動機としてリラクタンスモータが使用される。この自動車電動機は制動運転においても駆動される。制動運転の技術的解決手段に対する適切な記載はこの文献からは察知されない。

特許文献２にはブラシレスモータが開示される。これは巻線コイルで巻回された多数の固定子歯を有する固定子で構成される。回転子は確定しているコイルで励磁される変換器部分で構成される。固定子のコイルも回転子の励磁コイルも電子制御装置から電流が供給され、電動機運転でも発電機運転でも励磁コイルに電流が流れる。このような電動機は狭義においてはリラクタンスモータではない。

特許文献３にはリラクタンスモータが開示され、その回転子は転流回路の電子スイッチに直列に配置された固定子側の巻線によって磁化される。この構成を制動運転でも使用する実施例はこの文献には全く欠けている。

非特許文献１には直巻電動機が実際の制動の際に不安定な状態を示し、励磁変換器またはバッテリまたは類似機械を使用してこの運転状態で界磁巻線の独立励磁が支援として提案される。

非特許文献２には固定子に３つの巻線を備えた電子転流直巻電動機が記載される。回転子には励磁巻線が備わり、巻線に転流させるために電子制御装置がある。
非特許文献３にはリラクタンスモータが記載され、固定子は６つの固定子歯に配置されそれぞれ２つのコイルからなる３つの巻線を有し、回転子は４極に構成される。巻線のコイルはそれぞれ２つの固定子歯（例えば図５ａのＣ１−Ｃ１’，Ｃ４−Ｃ４’など）に巻回される。巻線は非対称の３つのハーフブリッジ（第３２８頁の段落５．２．２ａ）すなわち１つのハーフブリッジと非対称の２つのハーフブリッジ（段落５．２．２ｂ）を介するか、または２つのハーフブリッジと非対称の１つのハーフブリッジを介して制御され、図５ａによると３つの巻線すべてが同時に電源に接続される。図６ａは３つの巻線が直径巻きとして配置された固定子を示す。この場合も図６ａによると３つの巻線すべてが同時に電源に接続される。

このようなリラクタンスモータのレイアウトの場合、特に費用のかかる巻線の配線が欠点となる。
非特許文献４にはリラクタンスモータが記載される。固定子は６つの固定子歯を備え、いずれの固定子歯の回りにも３つの巻線のコイルが配置され、巻線はブリッジ回路に割り当てられ、巻線はスター結線に保持される。巻線はハーフブリッジ回路を介して制御されるので、電動機の運転中はそれぞれ隣接する２つの固定子歯に同じ強さの界磁極が生じ、界磁極はそれぞれ互いに同名でない磁界極を示す。
ＤＥ１０２１５１２６Ａ１ ＷＯ９７／０１８８２Ａ１ ＤＥ１９９１９６８４Ａ１ ミュラー著、電気自動車駆動装置、１９６０、第４４，４５頁 セングプタ、S.；バードラ、S.N.；チャトパドヒアイ、A.K.共著、「ＤＣ結合の界磁巻線を備えたインバータ供給自己制御「ブラシレス」ＤＣ直列モータ」、産業発展に対する電力電子、駆動およびエネルギーシステムに関する１９９６年国際会議の会報、１９９６、Vol.150、１９９６年１月８−１１、第３６７−３７２頁 W.A.M.ゴネイム、J.E.フレッチャー、B.W.ウイリアム共著、「可変ピッチ巻回構造を有する２，３および４相スイッチドリラクタンス機械の線形分析」、IEE Proc Electr. Power Appl．Vol.150、No.3．２００３年５月、第３１９−３４３頁 ジンウオーアーン、セオクギュオー、ジャエウオンモーン、ヤングモーンワング共著、「２相励磁を備えた３相スイッチドリラクタンスモータ」、IEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATION, Vol. 35, No. 5, １９９９年９月／１０月、第１０６７−１０７５頁

固定子に巻線を適切に配置することによって固定子歯に高いエネルギー密度を形成し、それぞれ回転子の全周囲にトルクを持たせ、回転子周囲のいずれの回転子位置においても連続するトルクにおいて両回転方向で高いトルクおよび始動トルクを達成し、かつそれによって電動機の制動エネルギーを電動機の電子制御装置を介して電源に供給する自動車用電動機駆動装置を創作することが本発明の課題である。

この課題は特許請求の範囲の請求項１および２に記載された特徴によって解決される。発明のさらなる形態は従属する請求項に含まれる。

自動車用の電動機駆動装置が創作され、高い界磁密度がいずれの回転子ステップにおいてもそれぞれの固定子歯で達成され、回転子周囲のいずれの回転子回転位置においても回転子全周で同一の高いトルクが存在するよう固定子の巻線のコイルが配置されることが本発明による解決手段の効果である。さらにこのような電動機駆動装置の特徴は騒音発生がわずかで静かな走行状態にあり、ハイブリッド駆動装置としてまたは主駆動装置として有利に使用できる。制動トルクは電子制御装置を介して繊細に調節でき、制動エネルギーは電源に供給される。

以下、図面に基づいて本発明を詳細に説明する。
図１は固定子４に界磁巻線１，２，３と回転軸６に８極の回転子５とを備えた特別のリラクタンスモータを軸方向から見た図を示す。固定子は巻線１，２，３の配置が４極の場合、回転子５に向かう１２の固定子歯７と、巻線を含むそれぞれａ，ｂ，ｃ，ｄを付した４つのコイルとで構成される。巻線のコイルはそれぞれ３つの固定子歯７に巻回される。コイルのコイル側と隣接するコイルのコイル側との間に共通の溝ができるように、巻線の４つのコイルは互いに隣り合って固定子に配置される。

一方では、２つの巻線のコイルａ，ｂ，ｃ，ｄの界磁をそれぞれ２／３ずつ重ねることによって、回転子に向かう磁極がそれぞれ３つの固定子歯７毎に形成されるように巻線は電源に接続されるが、そのためにリラクタンスモータ用電子制御装置の標準の回路配置がリラクタンスモータに付設される。図１に示すＮ，Ｓは巻線２および３を電源に接続した場合の固定子の磁極形成を表す。このように巻線を固定子に配置することによって、各固定子歯における非常に高いエネルギー密度と回転子の回転の間に発生する均一なトルクとコイルエンド上のコイルの良好な冷却とが達成される。この場合電動機は少なくとも４極とし、電動機のサイズに応じてより高い極数が選択される。

他方では、巻線は電源に接続されるので、２つの巻線のコイルａ，ｂ，ｃ，ｄの界磁をそれぞれ１／３ずつ重ねて、巻線をスター結線に保持することによって、互いに同一の極性をもつ２つの隣接する固定子歯にそれぞれ回転子に向かう磁極が形成されるように巻線が電源に接続されるが、そのためリラクタンスモータに電子制御装置のブリッジ回路が付設される。巻線の電源へのこのような接続の場合、巻線の転流の間に回転磁界が固定子に形成され、各歯にトルクが沿って、電動機は際立って静かな回転状態になる。

図２にリラクタンスモータの軸方向から見た図を示す。巻線１，２，３のコイルａ，ｂ，ｃ，ｄはそれぞれ２つの固定子歯に巻回され、巻線の１つのコイルから次のコイルまでの間隙はそれぞれ固定子歯の１つ分となり、巻線はスター結線で保持される。各固定子歯における回転子に向かう磁極はそれぞれの界磁極の中心の磁極に形成される。磁極形成はＮおよびＳで特徴づけられる。また巻線の転流の間は電子制御装置のブリッジ回路を使用して固定子に回転磁界が形成される。

固定子に巻線のコイルをこのように配置すると、コイルａ，ｂ，ｃ，ｄの重なりは生じず、１つの回転子ステップから次の回転子ステップに切り替える間にトルクがいずれの回転子歯にも一致し、図２に示す回転子姿勢になる。

それぞれの界磁極の中心の磁極形成にはＸを付すが、次の回転子ステップでは更新された中心の磁極形成Ｙに対応するそれぞれの極性がそれぞれの固定子歯に準備される。
固定子の巻線１，２，３のコイルａ，ｂ，ｃ，ｄと対応する配線のこのような配置によって回転子のいずれの回転姿勢でも高い始動トルクと均一なトルクが得られ、これによって電動機の静かな運転状態が達成できる。

固定子巻線のこのような配置はリラクタンスモータではそれぞれの固定子歯で非常に高いエネルギー密度を引き起こし、そのため回転子の高いトルクと高い始動トルクが達成され、したがってこのようなリラクタンスモータは自動車に使用すると有利になる。

図１および２に従ってこれまでに述べてきた種類のリラクタンスモータは分巻でも運転でき、対応する励磁巻きを回転子５に設けることによってハイブリッドモータとしても自動車の主駆動装置としても使用できる。励磁巻きには制動作動の間はスリップリングを介して制御可能な励磁電流が供給される。この場合、巻線１，２，３のコイルもそれぞれ固定子歯７の回りに単に巻回される。

図１および２により、リラクタンスモータの固定子における巻線の適切な配置の固定子構造も直巻電動機に使用すると有利になる。
図３および４にはこのような直巻電動機を示す。回転子８は４つの回転子歯９があり、そこに励磁巻線のコイル１０が配置され、励磁巻線のコイル１０はそれぞれ回転子歯に巻回される。励磁巻線は回転子８の回転軸１１に配置されたスリップリングに接続される。直巻電動機における巻線１，２，３のコイルａ，ｂ，ｃ，ｄ配置は図１および２のリラクタンスモータにおける巻線のコイル配置に対応し、直巻電動機の巻線は常にスター結線で保持される。図３に示すように、巻線１，２，３のコイルａ，ｂ，ｃ，ｄはそれぞれ３つの固定子歯７に巻回される。この場合、コイルａ，ｂ，ｃ，ｄがそれぞれ１／３重なって図３に示す磁極形成が固定子に得られるように巻線は電源に接続される。

図４では巻線１，２，３のコイルａ，ｂ，ｃ，ｄはそれぞれ２つの固定子歯７に巻回される。ここでも巻線のコイル配置はリラクタンスモータの場合の巻線のコイル配置に対応し、コイルの重なりはなく、回転子に向かうそれぞれの磁極がいずれの固定子歯にも形成される。図３および４による直巻電動機の巻線は常にブリッジ回路を介して電流が流れるので、回転磁界が固定子に形成される。図３および４による直巻電動機も際立って静かな回転状態になり、回転子のいずれの回転姿勢においても非常に高い始動トルクおよび均一なトルクが得られる。

図５は固定子４に界磁巻線１，２，３を有する別の直巻電動機を軸方向から見た図である。巻線のコイルはそれぞれ固定子歯７に巻回される。回転子８は図３および４による回転子に対応する。ここでも巻線はスター結線され、電子制御装置のブリッジ回路が巻線に付設され、固定子に回転磁界が形成される。

図３，４および５に従って今までに述べてきた種類の直巻電動機は分巻きでも運転でき、このような電動機では非常に高い制動トルクが達成されるので、電動機駆動を停止し発電機駆動を導入し、制動エネルギーの電源への逆供給を行うことによって自動車用のハイブリッド駆動装置に使用すると特に有利となる。

今まで述べてきた電動機は任意の磁極数対で配置することもできる。
特別の種類の前記電動機は電子制御装置と同じ回路配置で運転することができる。
図６，７および８はリラクタンスモータまたは直巻電動機の巻線に転流させる電子制御装置の回路配置を示す。巻線１，２，３はそれぞれ一端がトランジスタを装備したハーフブリッジ１２に接続され、巻線の他の一端はスター結線される。エラー状態を電子制御装置のハーフブリッジまたは電動機に迅速に認識させるために、ハーフブリッジ１２と巻線１，２，３との間にそれぞれ測定分路が接続されるか、ハーフブリッジ１２にそれぞれ電位中間口出し１３が設けられる。制御ユニット１４によってハーフブリッジ１２または電動機にエラー状態が認識されると、リレイ１５を使用するか、またはヒューズ装置１６による電源の短絡によって、サイリスタ１７を使用して電動機は電源から切り離される。リラクタンスモータに対しては、ハーフブリッジの故障の場合、電源はハーフブリッジを介して直接短絡できるので、エラー状態の場合、電源の短絡はサイリスタによって行われブリッジ回路には必要ない。

図６にリラクタンスモータの回路配置を詳細に示すが、巻線１，２，３はスター結線に保たれる。制動運転のためおよび制動電流の電源への供給のためにリラクタンスモータの回転子に励磁巻線１８が設けられる。この励磁巻線１８は分路に設けられ、ハーフブリッジ１２に並列に接続され、また励磁巻線１８の下流にトランジスタ１９が接続される。

励磁巻線１８の励磁電流を制御するトランジスタ１９を使用してリラクタンスモータの繊細な制動運転が制御でき、制動電流はハーフブリッジ１２の回収ダイオードを介して電源に供給される。

図７は直巻電動機の回路配置を示す。直巻電動機の回転子の励磁巻線２０はハーフブリッジの上流に接続される。励磁巻線２０は制動運転の間は分路に切り替えられる。そのため、励磁巻線２０の下流に接続されたダイオード２１の手前からの電源戻りラインにトランジスタ２２を接続し、励磁巻線２０の下流に接続されたダイオード２１の下流で励磁巻線２０に並列に回収ダイオード２３を接続する。

励磁巻線の励磁電流を制御するトランジスタ２２によって繊細な制動運転の制御が可能となり、制動電流はハーフブリッジの回収ダイオードおよび励磁巻線の回収ダイオード２３を介して電源に供給される。

図８は直巻きでも分巻きでも運転できる直巻電動機の回路配置を示す。励磁巻線２０の下流に接続されたダイオード２１の手前からの電源戻りラインにトランジスタ２２を接続し、励磁巻線の下流に接続されたダイオード２１の下流で回収ダイオードを備えたさらなるトランジスタ２４を励磁巻線２０に並列に接続する。

このような回路配置を使用して電動機は直巻電動機または分巻電動機として運転でき、制動運転の間は電源への供給が行われる。
以上提案してきた自動車の電動機駆動の場合、エラー状態では電源から分離されるのでリラクタンスモータおよび直巻電動機は発電機として効果がなく、また回転子は永久磁石を備えていないのでこの電動機の回転子は制動トルクにも影響を及ぼさない。それに反して永久磁石を備えた回転子を有する電動機は、電動機を電源から分離しても、制動トルクに影響を及ぼす。

ハーフブリッジまたは電動機のエラー状態を認識するためにトランジスタを使用するのが好ましく、その場合、トランジスタの作動性の自己認識はトランジスタに統合されるか、または作動性は制御ユニット１５で監視される。

軸方向から見たリラクタンスモータの固定子および回転子の図を示す。 軸方向から見た別のリラクタンスモータの固定子および回転子の図を示す。 軸方向から見た直巻電動機の固定子および回転子の図を示す。 軸方向から見た別の直巻電動機の固定子および回転子の図を示す。 軸方向から見たさらに別の直巻電動機の固定子および回転子の図を示す。 リラクタンスモータに転流させる電子制御装置の回路配置を示す。 直巻電動機に転流させる電子制御装置の回路配置を示す。 直巻電動機に転流させる電子制御装置の回路配置を示す。

Claims (10)

1. 固定子（４）と、回転子（５）と、電動機の巻線に転流させる電源に接続可能な電子制御装置とを有する電動機を備えた主駆動装置またはハイブリッド駆動装置としての自動車駆動装置であって、
   電動機は特別の種類のリラクタンスモータであり、その固定子（４）には巻線（１，２，３）のコイル（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）がそれぞれ複数の固定子歯（７）または１つの固定子歯に巻回され、
   リラクタンスモータの回転子（５）は制動運転のために励磁巻線（１８）を備え、
   電子制御装置は励磁巻線（１，２，３）の数に相当する数の回収ダイオード付きハーフブリッジ（１２）を備え、
   回転子（５）の励磁巻線（１８）は制動運転の際にはトランジスタ（１９）を介して電源に接続可能であり、励磁巻線（１８）の励磁電流を制御することでリラクタンスモータの繊細な制動運転が実施でき、巻線（１，２，３）に発生する制動電流がハーフブリッジ（１２）の回収ダイオードを介して電源に供給される
   ことを特徴とする自動車駆動装置。
2. 固定子（４）と、回転子（５）と、電動機の巻線に転流させる電源に接続可能な電子制御装置とを有する電動機を備えた主駆動装置またはハイブリッド駆動装置としての自動車駆動装置であって、
   電動機は特別の種類の直巻電動機であり、その固定子（４）には巻線（１，２，３）のコイル（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）がそれぞれ複数の固定子歯（７）または１つの固定子歯に巻回され、
   回転子（８）はそれぞれ回転子歯（９）に巻回されたコイル（１０）を有する励磁巻線（２０）を備え、
   電子制御装置は巻線（１，２，３）の数に相当する数の回収ダイオード付きハーフブリッジ（１２）を備え、
   ダイオード（２１）に接続され回転子（８）の励磁巻線（２０）の接続が制動運転の際にはトランジスタ（２２）を介して電源の別の極に接続され、励磁巻線（２０）の励磁電流を制御することで電動機の繊細な制動運転が実施でき、巻線（１，２，３）に発生する制動電流がハーフブリッジ（１２）の回収ダイオードとダイオード（２１）および励磁巻線（２０）に並列に接続された回収ダイオード（２３）とを介して電源に供給される
   ことを特徴とする自動車駆動装置。
3. 巻線（２０）の下流に接続されたダイオード（２１）の手前でハーフブリッジ（１２）に並列にトランジスタ（２２）を接続し、回収ダイオード（２３）を有するリレイまたは回収ダイオードを有するトランジスタ（２４）を巻線（２０）に並列に接続することで、直巻電動機を直巻きでも分巻きでも運転できることを特徴とする請求項２に記載の電動機駆動装置。
4. 巻線のコイルのコイル側と隣接コイルのコイル側とがそれぞれ共通の溝を形成することで、巻線（１，２，３）のコイル（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）をそれぞれ３つの固定子歯に巻回するとともに巻線のコイルをそれぞれ固定子に配置することを特徴とする請求項１または２に記載の電動機駆動装置。
5. 回転子に向かう磁極がそれぞれ２つの隣接する固定子歯でそれぞれ同じ極性に形成され、電子制御装置の回路配置がブリッジ接続を含み、巻線がスター結線を備え、固定子に回転磁界が形成されるように、リラクタンスモータまたは直巻電動機の巻線（１，２，３）が電源に接続されることを特徴とする請求項１，２または４に記載の電動機駆動装置。
6. リラクタンスモータの標準の回路配置を電子制御装置に付設させることによって、それぞれいずれの３つの固定子歯（７）毎に回転子に向かう磁極が形成されるようにリラクタンスモータの巻線（１，２，３）を電源に接続する請求項１または４に記載の電動機駆動装置。
7. 巻線（１，２，３）のコイル（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）がそれぞれ２つの固定子歯に巻回され、巻線はスター結線に保持され、いずれの固定子歯も回転子に向かう磁極はそれぞれ界磁極の中心の磁極で形成されて固定子に回転磁界が形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の電動機駆動装置。
8. エラー状態を認識するためハーフブリッジ回路にトランジスタを使用して、トランジスタの作動性の自己認識がトランジスタに統合されるか、またはトランジスタの作動性が制御ユニットで監視されることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の電動機駆動装置。
9. 電子制御装置および電動機のエラー状態を認識するため回路配置に測定分路が配置されることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の電動機駆動装置。
10. 電子制御装置および電動機のエラー状態を認識するため回路配置に電位中間口出しが配置されることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の電動機駆動装置。

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