JP4367157B2 - モータの制御システム - Google Patents

Description

本発明は、電気自動車やハイブリッドカー等の車両の走行用に搭載されるモータの制御システムに関するものである。

大出力型のモータとして超電導モータの開発が進められており、特にロータ部の界磁を強化する目的で超電導コイルをロータ部に配置する構成が開発されている。

ところで、電気自動車、ハイブリッド自動車、バスまたは電車等の車両への適用では、永久磁石を用いたモータを制動して回生エネルギーを回収することで、そのモータをジェネレータモードで使用することが行われる。このジェネレータモードで用いた場合、永久磁石が作る磁束密度は一定であるため、回転速度に応じて電気エネルギーを発生させることができ、ここで発生した回生エネルギーが電池やキャパシターに保管される。これにより制動時にモータで発生したエネルギーを無駄にすることなく、またメカブレーキの制動負荷を軽減することが可能になり、特に超電導モータを使用する場合は、回生エネルギーを効率よく回収できる。

尚、電気自動車に搭載される超電導モータとしては、例えば特許文献１のものが知られている。

特開平０６−００６９０７号公報

従来の車両に適用される超電導モータでは、界磁部が永久磁石であるため、回生エネルギーは回路を変更しない限り、回転速度に依存したエネルギーしか回収できない。

しかしながら、車のブレーキ操作においては、速度に関係なく多様なブレーキ力が必要である。

また、永久磁石により発生する磁束密度は良質の磁性体を用いても約１Ｔ（テスラ）が限界であり、回生ブレーキ力もこの約１Ｔの磁束密度に制限され、急ブレーキに対応する制動力の実現は困難である。

そこで、本発明の課題は、第１に回生エネルギー力がモータの回転速度に依存する問題を解消し、第２に永久磁石の磁束密度が不十分で制動力不足となるのを防止し得るモータの制御システムを提供することにある。

上記課題を解決すべく、請求項１に記載の発明は、バッテリと、当該バッテリに電気エネルギーを供給する燃料電池と、当該燃料電池に化学物質を供給する化学物質供給部とを備えた装置に搭載される、モータの制御システムであって、超伝導モータの界磁部の磁場の大きさを制御するように当該超伝導モータの超伝導コイルに与える直流電流を制御する制御手段と、前記超伝導コイルを冷却する冷却手段とを備え、前記制御手段が、ブレーキ操作に係る操作部から要求されたブレーキ力に応じて、前記超伝導コイルの界磁電流を増減させる機能を有し、前記冷却手段が、前記化学物質供給部からの前記化学物質を冷媒として使用するとともに、当該冷媒で前記超伝導コイルを冷却した後に当該冷媒を前記化学物質供給部に回収する冷媒回収経路を有するものである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のモータの制御システムであって、前記制御手段は、所定の時間内だけ前記超伝導コイルの界磁電流が臨界電流値を超えるのを許容するものである。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載のモータの制御システムが前記装置の走行手段として適用され、前記超伝導モータでの回生ブレーキのみで前記装置の速度低減を行うものである。

請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載のモータの制御システムであって、前記制御手段が、前記超伝導モータの停止直前状態を検出する停止直前動作検出手段と、前記停止直前動作検出手段で前記超伝導モータの前記停止直前状態を検出した場合に前記界磁電流を低減する電流低減手段とを備えるものである。

請求項５に記載の発明は、請求項３に記載のモータの制御システムであって、前記装置は車両であって、前記超伝導モータが、前記車両の複数の車輪のそれぞれに直接搭載されるものである。

請求項１に記載の発明のモータの制御システムは、ブレーキ操作に係る操作部から要求されたブレーキ力に応じて、超伝導コイルの界磁電流を増減させて、超伝導モータの界磁部の磁場の大きさを制御するようにして、当該超伝導モータの超伝導コイルに与える直流電流を制御するので、一定のブレーキ力のみしか実現できなかった従来の永久磁石での回生ブレーキに比べて、その永久磁石では発生し得ない大きな磁場を発生したり、逆に超伝導コイルの界磁による磁場を極小まで絞り込むことができ、そのブレーキ力を適切に調整することができ便利である。

さらに、請求項１に記載の発明のモータの制御システムは、超電導コイルを冷却する冷却手段を備えるので、超電導コイルに通電して超伝導状態を維持できる電流量を増大でき、超伝導モータとしての駆動トルクが増大させるとともに、ジェネレータとしての制動負荷力が増加して回生ブレーキが増大する。

さらに、請求項１に記載の発明のモータの制御システムが、バッテリと、当該バッテリに電気エネルギーを供給する燃料電池と、当該燃料電池に化学物質を供給する化学物質供給部とを備えた装置に搭載され、冷却手段が、燃料電池用の化学物質をそのまま冷媒として使用するとともに、当該冷媒で超伝導コイルを冷却した後に当該冷媒を化学物質供給部に回収する冷媒回収経路を有するので、別の冷媒を使用する場合に比べて専用の冷媒貯蔵部を備えておく必要がなく、装置点数を低減でき、効率的な冷却機構を提供できる。

請求項２に記載の発明のモータの制御システムは、超電導コイルが冷却手段で冷却されている場合において、その界磁電流が臨界電流値を超えた電流となっても、ある一定時間内であれば、ある程度低い電気抵抗で超電導体を通電するため、臨界電流値を超えた電流を超電導コイルに通電することを許容することで、制動力の一層の強化を行って、回生ブレーキ力をさらに増加させることが可能となる。

請求項３に記載の発明のモータの制御システムは、このモータの制御システムが装置の走行手段として適用され、超伝導モータでの回生ブレーキのみで装置の速度低減を行うので、ディスクブレーキやドラムブレーキ等を使用した機械式ブレーキを一切使用することなく装置の走行機構を構築できる。

請求項４に記載の発明のモータの制御システムは、超伝導モータの停止直前状態を検出する停止直前動作検出手段と、停止直前動作検出手段で超伝導モータの停止直前状態を検出した場合に界磁電流を低減する電流低減手段とを備えるので、超伝導モータが低回転領域で回転していても微小な回生ブレーキ力を実現することが可能となり、超伝導モータを停止させる直前に微小な制動を行うことで、超伝導モータを滑らかに停止させることが可能となる。したがって、例えば電気自動車やハイブリッドカー等の車両に適用する場合に、低速運転時の急ブレーキを防止して運転者及び同乗者の気分を害すのを防止でき、搭乗者の車酔い等を防止できるとともに、ディスクブレーキやドラムブレーキ等の機械式ブレーキを用いて微小ブレーキを実現する場合に比べ、機械式ブレーキを除去して軽量化及び低コスト化を実現しながら回生ブレーキのみで緩やかな制動が可能になる。

請求項５に記載の発明のモータの制御システムは、車両の複数の車輪のそれぞれに直接搭載されるイン・ホイール型のものが使用されているので、各車輪による車両駆動と、各車輪による回生ブレーキとが可能になる。また、各車輪毎に発生した回生エネルギーを全て回収することで、エネルギーの回収効率が飛躍的に増大する。

｛第１の実施の形態｝
＜構成＞
図１及び図２は本発明の一の実施形態に係るモータの制御システムを示すブロック図である。このモータの制御システムは、図１の如く、例えば電気自動車またはハイブリッドカー等の車両１の走行手段として適用されるものであって、界磁部に超電導コイルを用いた超電導モータ３について、要求されるブレーキ力に応じて超電導コイルの界磁電流を変化させることで、ジェネレータモードにおいて超電導モータ３から出力される電気エネルギー（回生エネルギー）を制御すると同時に、回生ブレーキ力も制御するようになっている。

具体的に、このモータの制御システムは、図１及び図２の如く、駆動及び回生用の超電導モータ３と、この超電導モータ３の界磁部の磁場の大きさを制御するように直流電流を制御して供給する直流電流供給回路（制御手段）４と、バッテリ５からの電力により超電導モータ３を駆動するとともに制動時に超電導モータ３から得られた回生エネルギーをバッテリ５に与えるインバータ７とを備える。そして、このモータの制御システムは、バッテリ５に電気エネルギーを供給する燃料電池９と、この燃料電池９に化学物質を供給する化学物質供給部１１とを備えた電気自動車またはハイブリッドカー等の車両１に搭載される。尚、化学物質供給部１１内で貯蔵される化学物質としては例えば液体水素が適用され、この化学物質供給部１１から燃料電池９に供給される時点で水素（Ｈ₂）が気化されて、これと別途与えられた酸素とを化学的に反応させ、水を生成すると同時に電気を取り出すようになっている。

そして、この実施形態では、この車両１が、ディスクブレーキやドラムブレーキ等を使用した機械式ブレーキを用いることなく、回生ブレーキのみで自動車の速度低減を行うようになっている。

超電導モータ３は、ステータ１３を電機子、ロータ１５を界磁とした同期型回転機であって、車両１の各車輪内に直接搭載されるイン・ホイール型のものが適用される。この超電導モータ３は、駆動時において各車輪を回転するとともに、制動時においてジェネレータ（発電機）として機能する。

ロータ１５の内部には超電導コイル１７を配置し、この超電導コイル１７に大電流（直流）を通電することで、永久磁石では発生し得ない大きな磁場を発生する構成となっている。ロータ１５の超電導コイル１７へは、導電ブラシ１９を通じて外部から電力を通電する。あるいは、非接触給電である電磁誘導を用いてロータ１５の超電導コイル１７に電力を供給しても良い。

また超電導コイル１７としてコイルを超電導化するためには、コイルの冷却が必須であることから、冷却漏れを極力低減するために、ロータ１５の外周を断熱構造（図示省略）とし、冷却熱が逃げることなく最小限の冷却にて極低温度での超電導コイル１７の冷却を行う構成となっている。この冷却のための冷媒としては、例えば化学物質供給部１１内の化学物質である液体水素を使用し、ロータ１５の回転軸２１を中空筒状に形成してその内部を通じて冷媒をロータ１５にポンプ（図示省略）供給することで冷却を行うようになっている。この際、気化した水素が回転軸２１の中空部を通じて回転軸２１外のロータ１５内部に吐き出されることになる。この気化された水素はそのまま大気に放出することなく所定の冷媒回収経路２２を通じて化学物質供給部１１に回収され、燃料電池９での電気エネルギー変換に利用されることで、駆動用モータにてパワーを供給するようになっている。上記の断熱構造と、ロータ１５の回転軸２１の内部を通じて冷媒をロータ１５に供給するポンプとは、超電導コイル１７を冷却する冷却手段として機能する。

ここで、電気自動車用モータのロータのサイズ（例えば、直径約１５ｃｍ、軸方向長さ約２０ｃｍ）においては、例えばビスマス−ストロンチウム−カルシウム−銅−酸素系化合物等のビスマス系超電導材料を用いた内径１ｃｍのレーストラック型コイルを巻きつけ、２０Ｋ（ケルビン）レベルの極低温度まで冷却することにより、３Ｔ（テスラ）以上の磁場が超電導コイル１７より発生できることがわかっている。そこで、この実施形態においては、図３の如く、ロータ１５にレーストラック型の超電導コイル１７を取り付け、この超電導コイル１７を、上述のように、液体水素を用いた冷媒で極低温度に冷却することで、超電導コイル１７に通電できる電流量を数１００Ａレベルに到達させることが可能としている。これは、一般の銅線によるコイルと比較しても１桁以上多く通電できることになる。このように界磁電流を大電流化することで、超電導モータ３としての駆動トルクが増大するとともに、ジェネレータとしての制動負荷力が増加して回生ブレーキが増大するようになっている。

直流電流供給回路４は、図２の如く、所定の直流電源２３からの電流の増減制御を行う可変抵抗２５と、この可変抵抗２５の抵抗値を制御する制御部２７とを備える。

直流電源２３は、図１に図示した燃料電池９をそのまま使用しても差し支えないし、あるいは二次電池を使用しても差し支えない。

制御部２７は、例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭ及びＣＰＵ等を備えて所定のソフトウェアプログラムに従って動作するマイクロコンピュータ（コンピュータ装置）であり、車両１の走行制御の情報に基づいて、可変抵抗２５の増減制御を行う。

具体的に、制御部２７は、要求されるブレーキ力に応じて、可変抵抗２５の抵抗値を制御して直流電源２３から超電導コイル１７に与えられる界磁電流を変化させることで、ジェネレータモードにて動作するモータから出力される電気エネルギー（回生エネルギー）量を制御すると同時に回生ブレーキ力も制御する第１の機能と、車両１の停止直前において、可変抵抗２５の抵抗値を増大させて超電導コイル１７の界磁力を弱めることで急停止せず緩やかな車両停止を実現する第２の機能とを備える。

ここで制御部２７の第１の機能を説明する。一般的な超電導体の通電特性としては、これが十分に冷却されている状態において臨界電流値を超えた電流でも、ある一定時間（以後、最大連続通電可能時間と称す）内であれば、ある程度低い電気抵抗で超電導体を通電することが知られていることから、かかる通電特性を利用して、第１の機能では臨界電流値を超えた電流を超電導コイル１７に通電する。

この超電導モータ３の超電導コイル１７に用いられる超電導部材の臨界電流値は、超電導モータ３に流れる電流の最大電流値（即ち、要求されるモータ出力の最大出力時に流れる電流値）より低い値に設定される。この臨界電流値として、例えば最大電流値の１／２倍の値に設定される。換言すれば、最大電流値は、臨界電流値の２倍の値に設定される。これは、最大電流値が臨界電流値の２倍以上に設定された場合は、上記の最大連続通電可能時間が著しく短くなり、車両１等の推進に用いる時間としては適さないからである。このように臨界電流値が最大電流値の１／２倍の値に設定された場合、臨界電流値を越えた電流でも、約１０秒間程度は、ある程度低い電気抵抗で超電導体を連続通電できることが本出願人によって確認された。通常の電気自動車またはハイブリッドカー等の車両１の推進モータの最大出力を連続的に出力させる時間としては、数１０秒あれば十分である。この事実を踏まえて、ここでは、上記の最大連続通電可能時間Ｔ１として例えば３０秒を採用する。

そして、制御部２７の第１の機能では、上記の最大電流値を上限値として、ブレーキペダル等のブレーキ操作に係る所定の操作部（図４中の符号３１）での操作量に従って可変抵抗２５の抵抗値を変化させることで、直流電源２３から超電導モータ３へ流れる電流（界磁電流）の電流量を制御し、その際、上記の臨界電流値を超えた電流を超電導モータ３に流す際は、その電流の連続通電時間を上記の最大連続通電可能時間Ｔ１内に制限して流す。

制御部２７の第１の機能に係る具体的構成としては、図４及び図５の如く、ブレーキ操作に係る操作部３１の操作量Ｉ’に基づいて超電導モータ３に臨界電流値Ｉｃを超えた電流（非臨界電流）Ｉが流されたか否かを検出する非臨界電流検出部３３と、非臨界電流検出部３３の検出結果に基づいて超電導モータ３に臨界電流値Ｉｃを超えた電流Ｉが連続して流れる時間を計時するタイマ３５と、タイマ３５の計時により最大連続通電可能時間Ｔ１が計時された場合（即ち超電導モータ３に臨界電流値Ｉｃを超えた電流Ｉが連続して最大連続通電可能時間Ｔ１流れた場合）に上限値Ｉｕを一定時間Ｔ２だけ最大電流値Ｉｍａｘから臨界電流値Ｉｃに低下させる上限値降昇部３７と、上限値降昇部３７により設定された電流値ＩｍａｘまたはＩｃを上限値Ｉｕとして操作部３１の操作量Ｉ’に従って直流電源２３から超電導モータ３へ流れる電流Ｉの電流量を制御する抵抗制御回路３９とを備える。尚、上記の一定時間Ｔ２は、例えば超電導モータ３内の超電導部材の超電導状態が安定化するのに必要な時間とする。

また、制御部２７の第２の機能について、この制御部２７は図６のように超電導モータ３が停止直前の動作を行っているか否かを検出する停止直前動作検出部（停止直前動作検出手段）４０を備えている。具体的に、この停止直前動作検出部４０において、操作部３１の操作量Ｉ’と、車両１の車速を検出する車速センサ４１からの車速情報とに基づいて、超電導モータ３（即ち、車両１）が停止直前の動作を行っているか否かを判断し、車両１が停止直前の動作を行っている旨を判断した場合には、停止直前動作検出部４０は、抵抗制御回路３９を通じて可変抵抗２５の抵抗値を増大させて、超電導コイル１７の界磁力を弱めることにより、車両１の急停止を防止して緩やかな車両停止を実現するようになっている。この場合の抵抗制御回路３９は、停止直前動作検出部４０で超電導モータ３の停止直前状態を検出した場合に超電導モータ３の界磁電流を低減する電流低減手段として機能する。

＜動作＞
以下、このモータの制御システムの動作を説明する。超電導モータ３の駆動時においては、直流電源であるバッテリ５からの電力がインバータ７によって交流に変換されて超電導モータ３が駆動される。また、超電導モータ３の制動時においては、超電導モータ３がジェネレータ（発電機）として機能し、この超電導モータ３で得られた回生エネルギーがインバータ７を通じてバッテリ５に与えられる。

そして、制動時においては、通常は制御部２７の第１の機能により、要求されるブレーキ力に応じて、可変抵抗２５の抵抗値を制御して直流電源２３から超電導コイル１７に与えられる界磁電流を変化させることで、ジェネレータモードにて動作するモータから出力される電気エネルギー（回生エネルギー）量を制御すると同時に回生ブレーキ力も制御する。

この際、急ブレーキ（急峻な制動）を除く通常のブレーキ時には、超電導コイル１７の臨界電流内で回生ブレーキ力を制御するが、急ブレーキ（急峻な制動）時には、超電導コイル１７の界磁電流が超電導の臨界電流値を超えることを許容し、臨界電流値を超えて超電導コイル１７に電流を通電することで、制動力の一層の強化を行って、回生ブレーキ力をさらに増加させる。

この場合、超電導コイル１７としてコイルを超電導化するために冷却を行う。この実施形態では、ロータ１５の外周を断熱構造としているので、冷却熱が逃げることなく最小限の冷却にて極低温度での超電導コイル１７の冷却を行うことが可能である。

また、冷却のための冷媒として、化学物質供給部１１内の化学物質（液体水素）を使用しているので、ロータ１５内部に吐き出されて冷媒として使用された気化水素がそのまま化学物質供給部１１に回収されて、燃料電池９での電気エネルギー変換に利用されることで、駆動用モータにてパワーを供給するので、別の冷媒を使用する場合に比べて専用の冷媒貯蔵部を備えておく必要がなく、装置点数を低減でき、効率的な冷却機構を提供できる。

そして、図３の如く、ロータ１５にレーストラック型の超電導コイル１７を取り付け、この超電導コイル１７を、上述のように、液体水素を用いた冷媒で極低温度に冷却するので、超電導コイル１７に通電できる電流量を数１００Ａレベルに到達させることが可能であり、一般の銅線によるコイルと比較しても１桁以上多く通電できる。したがって、界磁電流を大電流化することで、超電導モータ３としての駆動トルクを増大できるとともに、ジェネレータとしての制動負荷力が増加して回生ブレーキを増大できる。

このように、超電導コイル１７の極低温での冷却を十分に行いながら、図７に示したように第１の機能での具体的な動作を行う。この第１の機能での動作では、まず図５の区間αを参照し、図７中のステップＳ１で、上限値降昇部３７により初期的に上限値Ｉｕが最大電流値Ｉｍａｘに設定され、ステップＳ２で、抵抗制御回路３９によりその最大電流値Ｉｍａｘを上限値として操作部３１の操作量Ｉ’に応じて直流電源２３から超電導モータ３へ流れる電流Ｉの電流量が制御される。即ち、操作部３１の操作量で指定される電流値Ｉ’が最大電流値Ｉｍａｘ以下の場合は、操作部３１の操作量で指定される電流値Ｉ’の電流Ｉが超電導モータ３に流され、操作部３１の操作量で指定される電流値Ｉ’が最大電流値Ｉｍａｘを超える場合は、最大電流値Ｉｍａｘの電流Ｉが超電導モータ３に流される。

これと共に、ステップＳ３で、非臨界電流検出部３３により操作部３１の操作量で指定される電流値Ｉ’が臨界電流値Ｉｃを超えたか否かの検出が行われる。尚、ステップＳ２の処理は、後述のステップＳ４〜Ｓ９の処理の間も継続して行われる。

そして、ステップＳ３で、例えば図５の時点ｔ１のように操作部３１の操作量で指定される電流値Ｉ’が臨界電流値Ｉｃを超えたことが検出されると、図７中のステップＳ４に進み、タイマ３５によりその検出された時点ｔ１から計時が開始される。尚、このステップＳ４で開始されたタイマ３５の計時は、後述のステップＳ５，Ｓ７の間も継続して行われる。

そして、図５の区間βを参照し、図７中のステップＳ５で、非臨界電流検出部３３により操作部３１の操作量で指定される電流値Ｉ’が臨界電流値Ｉｃ以下に低下したか否かの検出が行われ、その検出の結果、図５の時点ｔ２での曲線Ｉ’ｂの場合のように操作量で指定される電流値Ｉ’が臨界電流値Ｉｃ以下に低下したことが検出された場合は、図７中のステップＳ６に進み、タイマ３５の計時を終了してステップＳ３に戻り、他方、図５の曲線Ｉ’ａの場合のように操作量で指定される電流値Ｉ’が臨界電流値Ｉｃを越えたままであることが検出された場合は、図７中のステップＳ７に進み、タイマ３５の計時時間が未だ最大連続通電可能時間Ｔ１に達していない場合は、ステップＳ５に戻り、他方、タイマ３５の計時時間が最大連続通電可能時間Ｔ１に達した場合（即ち、超電導モータ３に臨界電流値Ｉｃを越えた電流Ｉが連続して最大連続通電可能時間Ｔ１流された場合）は、タイマ３５の計時を終了してステップＳ８に進む。

そして、図５の区間γを参照し、図７中のステップＳ８で、上限値降昇部３７により上限値Ｉｕが最大電流値Ｉｍａｘから臨界電流値Ｉｃに一定時間Ｔ２低下され、ステップＳ９で、その一定時間Ｔ２の間、抵抗制御回路３９により臨界電流値Ｉｃを上限値として操作部３１の操作量に応じて直流電源２３から超電導モータ３へ流れる電流Ｉの電流量が制御される。即ち、操作部３１の操作量で指定される電流値Ｉ’が臨界電流値Ｉｃ以下の場合は、その操作部３１の操作量で指定される電流値Ｉ’の電流Ｉが超電導モータ３に流され、操作部３１の操作量で指定される電流値Ｉ’が臨界電流値Ｉｃを超える場合は、臨界電流値Ｉｃの電流Ｉが超電導モータ３に流される。尚、上記の一定時間Ｔ２は、上限値Ｉｕが最大電流値Ｉｍａｘから臨界電流値Ｉｃに低下された時点ｔ３から、タイマ３５により計時される。

このように、ステップＳ７で、超電導モータ３に臨界電流値Ｉｃを超えた電流Ｉが連続して最大連続通電可能時間Ｔ１流れたことが検出されると、ステップＳ８で、超電導モータ３に流す電流Ｉの上限値Ｉｕが最大電流値Ｉｍａｘから臨界電流値Ｉｃに一定時間Ｔ２低下されることにより、臨界電流値Ｉｃを超えた電流Ｉが連続して超電導モータ３に流れる時間が最大連続通電可能時間Ｔ１内に制限される。尚、この最大連続通電可能時間Ｔ１内では、上述の超電導体の通電特性により、臨界電流値Ｉｃを超える電流Ｉでもある程度低い電気抵抗で超電導部材を通電するため、操作部３１の操作量Ｉ’が臨界電流値Ｉｃを超える場合でも、操作部３１の操作量Ｉ’の増加に応じて超電導モータ３に流れる電流Ｉの電流量（即ち超電導モータ３の出力）を十分に増加できる。

そして、図５の区間δを参照し、図７中のステップＳ１０で、タイマ３５の計時時間が一定時間Ｔ２に達していない場合は、ステップＳ９に戻り、他方、タイマ３５の計時時間が一定時間Ｔ２に達した場合は、ステップＳ１１に進み、上限値降昇部３７により上限値Ｉｕが臨界電流値Ｉｃから最大電流値Ｉｍａｘに戻されてステップＳ２に戻る。

このようにすれば、臨界電流値Ｉｃを超えた電流Ｉが超電導モータ３に流される場合は、その電流Ｉの連続通電時間が予め設定された最大連続通電可能時間Ｔ１内に制限されて流されるため、臨界電流値Ｉｃを超えた電流が超電導モータ３に流された場合でも超電導モータ３に用いられる超電導部材の電気抵抗の増加を抑制できる。

そして、上述のように十分な冷却を行っている限りにおいては、超電導コイル１７の超電導状態、即ち、抵抗値がゼロの状態を維持できる臨界電流値を数割程度上回っても、言い換えれば抵抗値がゼロの状態での特性は失われても、コイルの破壊（クエンチ）が生じることはない。つまり抵抗値がゼロの状態でなくなる分、エネルギーロス（ジュール熱）が発生し得るが、特に急ブレーキ時など大きな制動力を必要とする状況が発生する頻度は少ないため、上述のように十分な冷却を行っている限りにおいて、エネルギーロスの増大は最小限に留められ、実用上問題は生じない。

このように、十分な回生ブレーキ力を得ることができるので、ディスクブレーキやドラムブレーキ等を使用した機械式ブレーキを一切なくすことが可能になる。

次に、制御部２７の第２の機能の動作について説明する。ここでは、まず図６に示した制御部２７の停止直前動作検出部４０により、操作部３１の操作量Ｉ’と、車両１の車速を検出する車速センサ４１からの車速情報とに基づいて、車両１が停止直前の動作を行っているか否かを判断する。

そして、車両１が停止直前の動作を行っている旨を判断した場合には、停止直前動作検出部４０は、抵抗制御回路３９を通じて可変抵抗２５の抵抗値を増大させて、超電導コイル１７の界磁力を弱めることにより、車両１の急停止を防止して緩やかな車両停止を実現する。

ここで、従来の永久磁石での回生ブレーキと比較すると、永久磁石での回生ブレーキは一定のブレーキ力のみしか実現できなかったため、特に低回転で微小なブレーキの制御が困難であったのに対し、この実施形態では、上述のように制御部２７により可変抵抗２５の抵抗値を増大させて、超電導コイル１７の界磁電流を極小まで絞り込むことができるので、超電導モータ３の回転数に依存せず微小なブレーキ力を作り出すことが可能になる。一般に停車直前に運転者でのブレーキペダルの調整によってブレーキ力を弱めて停車時のショックを和らげているが、このような場合に、低回転領域でも微小な回生ブレーキ力を実現することが可能となり、車両１を停止させる直前に微小なブレーキを機能させることで、車両１を滑らかに停車させることが可能となる。したがって、運転者及び同乗者の気分を害すことを防止でき、搭乗者の車酔い等を防止できる。また、ディスクブレーキやドラムブレーキ等の機械式ブレーキを用いて微小ブレーキを実現している場合に比べると、この機械式ブレーキを除去しても回生ブレーキのみで緩やかな制動が可能になる。

以上のように、この実施形態では、超電導モータ３の超電導コイル１７の界磁電流を任意に調整できることから、一定のブレーキ力のみしか実現できなかった従来の永久磁石での回生ブレーキに比べて、その永久磁石では発生し得ない大きな磁場を発生したり、逆に超電導コイルの界磁による磁場を極小まで絞り込むことができ、そのブレーキ力を適切に調整することができ便利である。

また、各超電導モータ３がイン・ホイール型とされて、電気自動車またはハイブリッドカー等の車両１の各車輪内に直接搭載されるので、四輪による車両駆動と、四輪による回生ブレーキとが可能になる。そして、上述のように機械式ブレーキを省略できるので、四輪とも機械式ブレーキが不要となり、また四輪による回生ブレーキの同時使用により回生エネルギーの回収効率も飛躍的に増大し、エネルギー効率の高い車両１を提供できる。

さらに、界磁電流の制御といった簡易な方法で超電導モータ３の制動トルクを制御することができるので、トラクションコントロール等の車両制御も複雑な回路や装置を用いることなく簡易な構成で制御することができる利点がある。

尚、上記の実施形態において、超電導モータ３を冷却する冷媒として燃料電池９に使用される液体水素を利用していたが、これに代えて、液体ネオンや液体ヘリウム等の他の液体冷媒を使用しても差し支えない。

また、上記実施形態では、ディスクブレーキやドラムブレーキ等を使用した機械式ブレーキを一切なくした例について説明したが、例えば停止時において、電機子及び界磁への電力の供給がエネルギーの無駄使いになる場合は、駐停車専用に限り必要最小限のメカブレーキを用いてもよい。

さらに、上記実施形態では、制御部２７の第１の機能において、界磁電流が臨界電流値を超えた場合に、この超えている時間をタイマ３５で計時し、臨界電流値を超えた電流が連続して超電導モータに流れる時間を最大連続通電可能時間内に制限していたが、通常の急ブレーキは一瞬だけ行われることが多く、実質的に最大連続通電可能時間を超えて臨界電流値を超えた電流が連続することが無い場合は、臨界電流値を超えた電流が連続して超電導モータに流れる時間を最大連続通電可能時間内に制限する必要はない。この場合は、図４に示した非臨界電流検出部３３、タイマ３５及び上限値降昇部３７を省略してもよい。

さらにまた、上記実施形態では、超電導モータ３の界磁部の磁場の大きさを制御するように直流電流を供給する直流電流供給回路４として、所定の直流電源２３からの電流の増減制御を行う可変抵抗２５の抵抗値を制御部２７で制御する構成としていたが、かかる構成は例示であって、超電導モータ３の界磁電流を制御できる構成であればどのような構成であっても差し支えない。

本発明の一の実施形態に係るモータの制御システムが搭載された車両を示すブロック図である。 本発明の一の実施形態に係るモータの制御システムを示すブロック図である。 本発明の一の実施形態に係るモータの制御システムの界磁部である超電導コイル及びロータを示す模式図である。 本発明の一の実施形態に係るモータの制御システムの直流電流供給回路を示すブロック図である。 本発明の一の実施形態に係るモータの制御システムにおける操作部の操作量と超電導モータに流される界磁電流の電流量との相関の一例を示した図である。 本発明の一の実施形態に係るモータの制御システムの直流電流供給回路を示すブロック図である。 本発明の一の実施形態に係るモータの制御システムにおいて制御部の第１の機能の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 車両
３ 超電導モータ
４ 直流電流供給回路
５ バッテリ
７ インバータ
９ 燃料電池
１１ 化学物質供給部
１３ ステータ
１５ ロータ
１７ 超電導コイル
１９ 導電ブラシ
２１ 回転軸
２２ 冷媒回収経路
２３ 直流電源
２５ 可変抵抗
２７ 制御部
３１ 操作部
３３ 非臨界電流検出部
３５ タイマ
３７ 上限値降昇部
３９ 抵抗制御回路
４０ 停止直前動作検出部
４１ 車速センサ

Claims (5)

1. バッテリと、当該バッテリに電気エネルギーを供給する燃料電池と、当該燃料電池に化学物質を供給する化学物質供給部とを備えた装置に搭載される、モータの制御システムであって、
   超伝導モータの界磁部の磁場の大きさを制御するように当該超伝導モータの超伝導コイルに与える直流電流を制御する制御手段と、
   前記超伝導コイルを冷却する冷却手段と
   を備え、
   前記制御手段が、ブレーキ操作に係る操作部から要求されたブレーキ力に応じて、前記超伝導コイルの界磁電流を増減させる機能を有し、
   前記冷却手段が、前記化学物質供給部からの前記化学物質を冷媒として使用するとともに、当該冷媒で前記超伝導コイルを冷却した後に当該冷媒を前記化学物質供給部に回収する冷媒回収経路を有する、モータの制御システム。
2. 請求項１に記載のモータの制御システムであって、
   前記制御手段は、所定の時間内だけ前記超伝導コイルの界磁電流が臨界電流値を超えるのを許容する、モータの制御システム。
3. 請求項１または請求項２に記載のモータの制御システムが前記装置の走行手段として適用され、
   前記超伝導モータでの回生ブレーキのみで前記装置の速度低減を行う、モータの制御システム。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載のモータの制御システムであって、
   前記制御手段が、
   前記超伝導モータの停止直前状態を検出する停止直前動作検出手段と、
   前記停止直前動作検出手段で前記超伝導モータの前記停止直前状態を検出した場合に前記界磁電流を低減する電流低減手段と
   を備える、モータの制御システム。
5. 請求項３に記載のモータの制御システムであって、
   前記装置は車両であって、
   前記超伝導モータが、前記車両の複数の車輪のそれぞれに直接搭載される、モータの制御システム。

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