JP2019103250A - 電動車両 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動軸を回転駆動する永久磁石式電動機及び非永久磁石式電動機を備えた電動車両において、永久磁石式電動機による逆起電力の発生を抑制する。【解決手段】電動車両２０は、前輪の駆動軸２６を回転駆動する永久磁石式のＰＭモータ２８を備える。ＰＭモータ２８と駆動軸２６とはクラッチ３０によって接続及び切断がなされる。また、後輪の駆動軸３６を回転駆動する非永久磁石式のＳＲモータ３８を備える。クラッチ３０によってＰＭモータ２８と駆動軸２６が切断された場合には、ＳＲモータ３８が駆動軸３６を回転駆動する。【選択図】図１

Description

本発明は永久磁石式電動機と非永久磁石式電動機とを備えた電動車両に関する。

電動車両を回転駆動する電動機として、ロータに永久磁石が埋め込まれた永久磁石式電動機と、ロータに永久磁石が埋め込まれていない非永久磁石式電動機の両方を用いる場合がある。

下記特許文献１〜３には、駆動軸を回転駆動する永久磁石式電動機及び非永久磁石式電動機を備え、内燃機関と連携して駆動されるハイブリッド型の電動車両についての記載がある。

下記特許文献１の電動車両では、低速時には少なくとも非永久磁石式電動機によって回転駆動し、高速時には永久磁石式電動機によって回転駆動する駆動力の選択が行われている。すなわち、非永久磁石式電動機は、発進時などの大きな駆動力が要求される場合に限って使用されている。

下記特許文献２の電動車両には、非永久磁石式電動機は坂道走行時、発進走行時、スリップ時などのアシストに用いられるとの記載がある。

下記特許文献３の電動車両では、非永久磁石式電動機は、従動輪である後輪の駆動に用いられており、高速時には駆動源としては使用されていない。

特開２００５−１７８４７９号公報 特開２００７−２３０３６６号公報 特開２００７−３２５３５２号公報

上記特許文献１〜３では、非永久磁石式電動機は、低速時の回転駆動に補助的に用いられている。非永久磁石式電動機では、一般に、駆動時における逆起電力の発生は小さい。また、非永久磁石式電動機では、駆動軸からのトルクによって連れまわされている時であっても、電力供給をしなければ逆起電力の発生が防止される。

永久磁石式電動機では、回転数に比例して逆起電力が発生するため、高速での駆動時には出力が低下してしまう。また、駆動軸からのトルクによって連れまわされている場合にも逆起電力が発生するため、引きずり損失が増加する。逆起電力が高い場合には、例えば、回転制御が不調となった場合にインバータ部品の故障を誘発するおそれもある。

本発明の目的は、駆動軸を回転駆動する永久磁石式電動機及び非永久磁石式電動機を備えた電動車両において、永久磁石式電動機による逆起電力の発生を抑制することにある。

本発明の一形態にかかる電動車両は、駆動軸を回転駆動する永久磁石式電動機と、前記永久磁石式電動機と前記駆動軸との接続及び切断を行うクラッチと、前記駆動軸と同一または別の駆動軸を回転駆動する非永久磁石式電動機と、を備え、前記クラッチによって前記永久磁石式電動機と前記駆動軸とを切断された場合には、前記非永久磁石式電動機が前記同一または別の駆動軸を回転駆動する。

電動車両は、永久磁石式電動機及び非永久磁石式電動機のみによって駆動される。ただし、電動車両には、別の永久磁石式電動機または非永久磁石式電動機がさらに駆動源として搭載されていてもよい。また、内燃機関を併用したハイブリット型の電動車両であってもよい。

永久磁石式電動機は、ロータに永久磁石が搭載された回転電動機である。また、非永久磁石式電動機は、ロータに永久磁石が搭載されていない回転電動機である。これらの回転電動機は、力行機能のみを備えたものであっても、力行に加え回生機能を備えたものであってもよい。

駆動軸は、車輪に連結されて、車輪との間でトルク伝達を行う回転軸である。駆動軸は、一本であってもよいが、複数本であってもよい。また、複数本ある場合に、これらが連結されていてもよいし、連結されていなくてもよい。複数の駆動軸は、例えばギア機構を介して連結することで一連の駆動軸として機能することができる。また、例えば、前輪の駆動軸と、後輪の駆動軸を、互いに連結することなく独立して設けることも可能である。永久磁石式電動機と非永久磁石式電動機は、連結された一連の駆動軸を駆動するものであってもよいし、連結していない駆動軸をそれぞれ別個に駆動するものであってもよい。

クラッチは、永久磁石式電動機と駆動軸との接続及び切断を行う。クラッチを接続した場合には、永久磁石式電動機と駆動軸の間のトルク伝達が可能となり、クラッチを切断した場合には、トルク伝達が遮断される。

この電動車両では、クラッチによって永久磁石式電動機と駆動軸が切断された場合に、非永久磁石式電動機による駆動が行われる。クラッチが接続された状態では、例えば、永久磁石式電動機と非永久磁石式電動機の両方による駆動が行われてもよいし、永久磁石式電動機のみによる駆動が行われてもよい。

本発明の一態様においては、低速駆動時には、前記クラッチが接続されて、少なくとも前記永久磁石式電動機による駆動が行われ、高速駆動時には、前記クラッチが切断されて、前記非永久磁石式電動機による駆動が行われる。なお、クラッチが接続から切断に移行する際の速度（回転数）と、クラッチが切断から接続に移行する際の速度は、同じであってもよいが、異なっていてもよい。

本発明の一態様においては、前記永久磁石式電動機は前輪駆動用の前輪駆動軸または後輪駆動用の後輪駆動軸のいずれか一方を駆動し、前記非永久磁石式電動機は前記前輪駆動軸または前記後輪駆動軸の他方を駆動し、前記前輪駆動軸と前記後輪駆動軸とは連結されず独立に設けられている。

本発明の一態様においては、前記駆動軸は、前輪駆動用の前輪駆動軸または後輪駆動用の後輪駆動軸のいずれか一方であり、前記永久磁石式電動機と前記非永久磁石式電動機は、前輪駆動用の前輪駆動軸または後輪駆動用の後輪駆動軸のいずれか一方から選択される同一の駆動軸を回転駆動する。

本発明の一態様によれば、永久磁石式電動機による駆動が行われない場合には、永久磁石式電動機が駆動軸から切り離され、連れまわりによる逆起電圧の発生が防止され、引きずり損失を抑制することが可能となる。また、例えば、回転制御が不調となった際に、永久磁石式電動機に電力を供給するインバータ部品の故障を防止することも期待できる。

本発明の一態様によれば、低速時に少なくとも永久磁石式電動機が駆動を行うことによる高トルクの特性と、高速時に永久磁石式電動機が駆動を行わず非永久磁石式電動機が駆動を行うことによる高効率かつ高出力な特性とを両立することが可能となる。

本実施形態にかかる電動車両の概略的な構成例を示す図である。 ＰＭモータの回転数−トルク特性を例示する図である。 ＳＲモータの回転数−トルク特性を例示する図である。 本実施形態にかかる電動車両の回転数−トルク特性を例示する図である。 変形例にかかる電動車両の概略的な構成を示す図である。 別の変形例にかかる電動車両の概略的な構成を示す図である。

以下に、図面を参照しながら、実施形態について説明する。説明においては、理解を容易にするため、具体的な態様について示すが、これらは実施形態の例であり、他にも様々な実施形態をとることが可能である。

図１は、本実施の形態にかかる電動車両２０の概略的な構成を示す図である。電動車両２０は、矢印１０の方向を前方方向としており、二つの前輪２２ａ、２２ｂと二つの後輪２４ａ、２４ｂを備えた四輪車両である。前輪２２ａ、２２ｂは、駆動軸２６に連結されている。駆動軸２６には、駆動軸２６を回転駆動するＰＭモータ２８が取り付けられている。ＰＭモータ２８は、ロータに永久磁石が埋め込まれた永久磁石式電動機である。駆動軸２６には、クラッチ３０が設けられている。図面では、簡略化して表現しているが、クラッチ３０は、ＰＭモータ２８と駆動軸２６との接続と切り離しを行う装置である。すなわち、クラッチ３０を接続した場合には、ＰＭモータ２８と前輪２２ａ、２２ｂとは駆動軸２６を通じてトルク伝達が可能な状態となる。そして、クラッチ３０を切り離した場合には、ＰＭモータ２８と前輪２２ａ、２２ｂとはトルク伝達が遮断された状態となる。

ＰＭモータ２８は三相交流モータであり、インバータ３２によって互いに１２０度ずつ位相がずれた三相の交流電力が供給される。インバータ３２は、複数の半導体素子を用いて形成されており、バッテリ３４から供給される直流電流を半導体素子のスイッチングを利用して三相の交流に変換し、ＰＭモータ２８に供給している。

後輪２４ａ、２４ｂは、駆動軸３６に連結されている。この駆動軸３６には、ＳＲモータ３８が取り付けられている。ＳＲモータ３８は、スイッチトリラクタンスモータであり、ロータに永久磁石が搭載されていない非永久磁石式電動機である。ＳＲモータ３８と駆動軸３６の間には、クラッチは設けられておらず、直結状態となっている。ＳＲモータ３８には、インバータ４０から三相交流電力が供給される。インバータ４０は、前述のインバータ３２とは別に設けられており、バッテリ３４から供給される直流の電力をＳＲモータ３８の制御態様に従った交流電力に変換している。

電動車両２０には、さらにＥＣＵ（エレクトリックコントロールユニット）４２が設けられている。ＥＣＵ４２には、演算機能を備えたコンピュータハードウエアと、それを動作させるプログラムやデータ等のソフトウエアが含まれている。ＥＣＵ４２には、図示を省略した各種のセンサ（例えば、速度センサ、温度センサ）から検出信号が入力され、ソフトウエアに基づいて、電動車両２０の各部の動作を制御している。図１に示したインバータ３２、４０、クラッチ３０は、ＥＣＵ４２の制御対象である。

ここで図２を用いて、ＰＭモータ２８の特性について説明する。図２は、横軸を回転数、縦軸をトルクとする図であり、ＰＭモータ２８における回転数とトルクの関係を模式的に示している。ＰＭモータ２８は、回転数がＲ１より低回転の場合（車両が低速の場合）には、ほぼ一定のトルクＴ１を示す。しかし、回転数がＲ１よりも高回転側（車両が高速の場合）ではトルクが回転数とともに急速に減少し、回転数がＲ２になるとトルクはほぼゼロとなる。そして、回転数がＲ２を超えた場合には、駆動軸２６の駆動に寄与することができなくなる。

ＰＭモータ２８には、ロータに永久磁石が搭載されており、永久磁石の磁力を高めることで、トルクを高めることができる。その一方で、ＰＭモータ２８では、永久磁石の磁力の大きさに比例した逆起電力が発生する。逆起電力は、回転数にも比例して増大するため、高回転側では出力が低下してしまう。そこで、高回転時に逆起電力を抑制するために、弱め界磁電流を流して永久磁石が作る磁界を打ち消す必要が生じるが、この結果として損失が増加することになる。

なお、ＰＭモータ２８では、負荷の無い状態でも、永久磁石の強さに比例した引きずり損失が発生する。すなわち、駆動軸２６に接続された状態で、ＰＭモータ２８にインバータ３２からの電力供給を停止した場合、ロータが回転することで永久磁石に比例した逆起電力が発生する。高い逆起電力が発生した状態では、制御が不調になるなどの不都合を生じるおそれがあり、また、この結果としてインバータ３２の部品の故障を誘発するおそれもある。

図３は、ＳＲモータ３８の回転数−トルク特性を模式的に示す図である。ＳＲモータ３８では、回転数がＲ３よりも低回転の場合には、ほぼ一定のトルクＴ３を示す。このトルクＴ３は、ＰＭモータ２８が出すトルクＴ１よりも小さい。回転数がＲ３よりも高回転側では、次第にトルクが減少するが、十分に高回転側であってもトルクはゼロにはならない。このように、ＳＲモータ３８は、低回転から高回転まで、全般的に安定したトルクを出すことが可能である。特に、高回転側では、高出力（出力は回転数とトルクの積に比例する）が可能であるという特徴を備えている。

ＳＲモータ３８では、ロータに永久磁石が搭載されていないため、ＰＭモータ２８に比べて発生する逆起電力は小さい。このため、ＳＲモータ３８は、高回転側でも効率的な駆動を行うことができる。また、ＳＲモータ３８では、駆動軸３６に直結された状態で、インバータ４０からの電力供給を停止した場合であっても、連れまわりによる逆起電力は発生しない。

続いて、図４を用いて、電動車両２０のモータ制御について説明する。図４は、本実施形態の電動車両２０における回転数−トルク特性を模式的に示す図である。電動車両２０では、図１において説明したように、ＰＭモータ２８とＳＲモータ３８の二つのモータが搭載されていて、ＥＣＵ４２によるインバータ３２、４０の制御が行われている。また、ＥＣＵ４２は、クラッチ３０の接続と切断の制御も行っている。

図４に示すように、電動車両２０では、回転数がＲ５よりも低回転側では、ＰＭモータ２８とＳＲモータ３８の二つのモータによる駆動が行われる。このうち回転数がＲ４（回転数Ｒ１及び回転数Ｒ３と同程度の回転数である）より低回転側では、ＰＭモータ２８とＳＲモータ３８が単体で駆動した場合と同じトルクを出した場合には、トルクＴ４はトルクＴ１とトルクＴ３の和となる。

回転数がＲ４よりも大きな領域では、トルクは急激に減少する。これは、ＰＭモータ２８において回転数がＲ１よりも高回転側でトルクが急速に減少すること、及び、ＳＲモータ３８において回転数がＲ３よりも高回転側でトルクが低下することを反映している。ただし、回転数がＲ５（回転数Ｒ４よりも大きく、図２の回転数Ｒ２よりも小さい）程度よりも小さな範囲では、ＰＭモータ２８とＳＲモータ３８の両方を用いた駆動が行われている。

さらに回転数が上昇し、Ｒ５に至った段階で、ＥＣＵ４２はクラッチ３０を切断し、ＰＭモータ２８を駆動軸２６から切り離す。すなわち、回転数がＲ５よりも高回転側では、ＳＲモータ３８のみによる駆動が行われる。この結果、図４において、回転数がＲ５より大きな領域では、図３に示したＳＲモータ３８のトルクとほぼ一致した値となる。なお、ＰＭモータ２８を駆動軸２６から切り離した後は、ＥＣＵ４２が、インバータ３２からＰＭモータ２８への通電回路を遮断して電力供給を停止する。

回転数がＲ５よりも大きな値から小さな値へと減少する過程では、ＥＣＵ４２は、インバータ３２からＰＭモータ２８への電力供給が再開するとともに、クラッチ３０を接続させる。これにより、ＰＭモータ２８とＳＲモータ３８の両方による駆動が再開される。ただし、クラッチ３０を切断する回転数と接続する回転数を等しくした場合には、この回転数付近で走行した場合に、クラッチ３０の接続と切断が何度も繰り返されて不安定な動作をすることになる。そこで、クラッチ３０を接続する回転数は、クラッチ３０を切断する回転数よりも若干低く設定されている。

クラッチ３０を接続した状態では、ＰＭモータ２８とＳＲモータ３８の両方をともに単体で駆動した場合と同じトルクを出すように制御し、クラッチ３０を切り離した状態では、ＳＲモータ３８を単体で駆動した場合と同じトルクを出すように制御することができる。しかし、この場合には、回転数Ｒ５の近傍で、トルクが不連続に変化する場合、あるいは、トルクは連続でもトルクが滑らかに変化しない場合が生じうる。そこで、クラッチ３０を切断あるいは接続する前後において、トルクの大きさが連続するように、あるいは、トルクが滑らかに変化するように制御してもよい。この制御は、ＰＭモータ２８とＳＲモータ３８の一方または両方のトルクを調整することにより行われる。図４では、クラッチ３０の接続と切断の前後において、トルクが連続し、かつ滑らかに変化する態様を示している。

次に、図５を用いて、変形例について説明する。図５は、変形例にかかる電動車両５２の概略的な構成を示す図である。電動車両５２は、矢印５０の方向を前方方向とする車両である。図５は、図１に対応する図であり、対応する構成については同じ番号を付している。また、図５では、インバータ、バッテリ、及びＥＣＵについては省略している。

電動車両５２では、前輪２２ａ、２２ｂに連結された駆動軸５４にＳＲモータ３８が取り付けられている。また、後輪２４ａ、２４ｂに連結された駆動軸５６に、ＰＭモータ２８が取り付けられている。そして、駆動軸５６には、ＰＭモータ２８とのトルク伝達の接続及び遮断を行うクラッチ５８が設けられている。

電動車両５２では、ＳＲモータ３８、ＰＭモータ２８及びクラッチ５８の制御は、図１に示した電動車両２０と同様に行われる。すなわち、低回転側では、クラッチ５８が接続されることでＰＭモータ２８とＳＲモータ３８の両方による駆動が行われる。そして、高回転側では、クラッチ５８が切断されることでＳＲモータ３８のみによる駆動が行われる。したがって、低回転時には４輪が全て駆動され、高回転時には後輪のみが駆動されることになる。これは、上述の電動車両２０が、低回転時には４輪が全て駆動され、高回転時には前輪のみが駆動されたことと対照的である。

図６は、別の変形例にかかる電動車両６０について説明する図である。電動車両６０は、４輪の車両であるが、ここでは、前輪または後輪のいずれか一方の側の車輪６２ａ、６２ｂのみを図示している。そして、車輪６２ａ，６２ｂには駆動軸６４と、この駆動軸６４に結合した別の駆動軸６６が連結されている。駆動軸６４はＳＲモータ３８よって駆動される。また、駆動軸６６はＰＭモータ２８によって駆動されるが、クラッチ６８によってＰＭモータ２８の接続及び切り離しが可能になっている。すなわち、クラッチ６８が接続された場合には、ＰＭモータ２８が駆動軸６６を駆動し、さらに駆動軸６６が駆動軸６４を駆動することになる。また、クラッチ６８が切断された場合には、ＰＭモータ２８は駆動に寄与しないことになる。

電動車両６０では、４輪のうちの残る２輪に対しては、モータによる駆動は行われない。したがって、車輪６２ａ、６２ｂが前輪である場合には前輪駆動車となり、車輪６２ａ、６２ｂが後輪である場合には後輪駆動車となる。ＰＭモータ２８、ＳＲモータ３８及びクラッチ６８に対する制御は、図１に示した電動車両２０、図５に示した電動車両５２と同様に行われる。すなわち、低回転側では、クラッチ６８が接続されることでＰＭモータ２８とＳＲモータ３８の両方による駆動軸６４、６６の駆動が行われ、高回転側では、クラッチ６８が切断されることでＳＲモータ３８のみによる駆動が行われる。

以上の説明では、図４に示したように、回転数Ｒ５よりも低回転側では、ＰＭモータ２８とＳＲモータ３８の両方を駆動するものとした。しかし、回転数Ｒ５よりも低回転側では、ＰＭモータ２８のみ通電を行って駆動に利用し、ＳＲモータ３８には通電をせず駆動に利用しない態様をとることも可能である。また、回転数Ｒ５よりも低回転側において、通常はＰＭモータ２８のみを駆動に利用し、大きなトルクが必要とされる場合にのみＰＭモータ２８とＳＲモータ３８の両方を駆動に利用する態様をとってもよい。大きなトルクが必要とされる場合の例としては、車両が発進する場合（停車状態から動き出し、所定の速度に達するまでの間）、あるいは、上り坂を走行する場合などを挙げることができる。低回転側で、ＰＭモータ２８とＳＲモータ３８を併用するか、ＰＭモータ２８だけを利用するかは、必要となるトルクを確保できるか否かに基づいて決定すればよい。

また、図４においては、ＰＭモータ２８を切り離す回転数Ｒ５を、回転数Ｒ４よりも大きく、かつ、図２の回転数Ｒ２よりも小さく設定することを想定していた。これにより、低回転側においてＰＭモータ２８が出す大きな駆動トルクを利用するとともに、高回転側において、逆起電力に伴う効率の低下の回避を両立させることが可能となった。効率を若干犠牲にしてでも大きなトルクを必要とする場合には、図４に示した回転数Ｒ５よりも大きな領域でＰＭモータ２８を切り離すようにすればよい。ただし、図２に示した回転数Ｒ２よりも大きな回転数では、ＰＭモータ２８はトルクをほとんど出すことができず、引きずり損失が増加する。そこで、回転数Ｒ２よりは小さな回転数でＰＭモータ２８を切断する方がよいと言える。また、効率を重視する場合には、図４に示した回転数Ｒ５よりも小さな領域でＰＭモータ２８を切り離すようにすればよい。いずれにせよ、図２〜４に示した回転数−トルク特性は、模式的なものであり、実際にはもう少し複雑な特性を示すことになる。そのような場合であっても、必要なトルクの確保とエネルギ効率の観点から、クラッチの制御タイミングを決定することが可能である。

以上においては、ＰＭモータ２８とＳＲモータ３８を駆動に利用する観点から説明を行った。しかし、電動車両では、一般に、減速過程で、車両の運動エネルギを電気エネルギに変換する回生機能を持たせることで、エネルギ効率を高めることが可能となる。そこで、ＰＭモータ２８とＳＲモータ３８の一方または両方を、発電機としても利用されるモータジェネレータとして構成して、回生機能を実現するようにしてもよい。また、ＰＭモータ２８とＳＲモータ３８とは別に、発電機を設けることも可能である。ＰＭモータ２８がモータジェネレータとして利用される場合でも、ＰＭモータ２８を高回転での駆動時に駆動軸から切り離することで、引きずり損を防止してエネルギ効率を高めることが可能となる。ＰＭモータ２８がモータジェネレータとして利用される場合、減速時に発電を行うためには、駆動軸に接続しておく必要がある。そこで、減速時には、駆動時にＰＭモータ２８を切り離した回転数よりも高い回転数で、ＰＭモータ２８を駆動軸に接続するようにしてもよい。ただし、駆動軸に接続する回転数は、インバータ３２の部品が逆起電力に対して十分な耐久性を確保できる回転数とすることが望ましい。

以上の説明では、ＰＭモータ２８とＳＲモータ３８によって駆動される電動車両を想定していた。しかし、電動車両には、ガソリンなどを燃焼する内燃機関を備えたハイブリッド型の車両も含まれる。このように別の駆動源がある電動車両では、車両全体としてのトルク特性が変わってくるが、ＰＭモータ２８とＳＲモータ３８を制御する本実施態様は、依然として適用可能である。

１０，５０ 矢印、２０，５２，６０ 電動車両、２２ａ，２２ｂ 前輪、２４ａ，２４ｂ 後輪、２６，３６，５４，５６，６４，６６ 駆動軸、２８ ＰＭモータ、３０，５８，６８ クラッチ、３２，４０ インバータ、３４ バッテリ、３８ ＳＲモータ、４２ ＥＣＵ、６２ａ、６２ｂ 車輪。

Claims (4)

1. 駆動軸を回転駆動する永久磁石式電動機と、
   前記永久磁石式電動機と前記駆動軸との接続及び切断を行うクラッチと、
   前記駆動軸と同一または別の駆動軸を回転駆動する非永久磁石式電動機と、
   を備え、
   前記クラッチによって前記永久磁石式電動機と前記駆動軸とを切断された場合には、前記非永久磁石式電動機が前記同一または別の駆動軸を回転駆動する、ことを特徴とする電動車両。
2. 請求項１に記載の電動車両において、
   低速駆動時には、前記クラッチが接続されて、少なくとも前記永久磁石式電動機による駆動が行われ、
   高速駆動時には、前記クラッチが切断されて、前記非永久磁石式電動機による駆動が行われる、ことを特徴とする電動車両。
3. 請求項１に記載の電動車両において、
   前記永久磁石式電動機は前輪駆動用の前輪駆動軸または後輪駆動用の後輪駆動軸のいずれか一方を駆動し、
   前記非永久磁石式電動機は前記前輪駆動軸または前記後輪駆動軸の他方を駆動し、
   前記前輪駆動軸と前記後輪駆動軸とは連結されず独立に設けられている、ことを特徴とする電動車両。
4. 請求項１に記載の電動車両において、
   前記駆動軸は、前輪駆動用の前輪駆動軸または後輪駆動用の後輪駆動軸のいずれか一方であり、
   前記永久磁石式電動機と前記非永久磁石式電動機は、前輪駆動用の前輪駆動軸または後輪駆動用の後輪駆動軸のいずれか一方から選択される同一の駆動軸を回転駆動する、ことを特徴とする電動車両。

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