JP4889281B2 - 自動車用駆動モータ及びモータ駆動制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、ロータに永久磁石体を配設した固定子（ステータ）電機子型同期モータの自動車用駆動モータ及び該モータを駆動するモータ駆動制御方法に関する。

従来、電気自動車、燃料電池自動車やハイブリッド自動車等の動力源としての自動車用駆動モータは、小型軽量な構成で低速回転域から高速回転域の広い回転範囲にわたって効率よく十分な出力を発生することが要求され、一般に、磁性体（鋼材等）のロータに永久磁石体を配設した固定子（ステータ）電機子型のＰＭ（Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）同期モータで形成される。

このＰＭ同期モータには、永久磁石体の配置構造が異なる、表面貼り付け型のＳＰＭ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）モータ、埋め込み型のＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐａｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）モータ等があるが、いずれも、ロータの周部に円周方向に一定間隔でＮ磁極用の永久磁石体とＳ磁極用の永久磁石体とを交互に配置して形成される。また、永久磁石体の保持エネルギを極力大きくして効率の向上等を図るため、各永久磁石体には希土類磁石が用いられる。

そして、ＩＰＭモータは高速回転域で弱め界磁運転が行なえることから、近年、この種の自動車用駆動モータに多用されつつある。

ところで、高速回転域で弱め界磁運転を行なうのは、モータ電圧が車載バッテリの電源電圧（バッテリ電圧）を超えないようにして高速回転を実現するためである。

そして、例えば三相のＩＰＭモータにつき、ステータの電機子電流制御を周知のｄ軸、ｑ軸の直交２軸座標系制御で行なう場合の弱め界磁運転の効果について説明すると、高回転数でない定トルク領域においては、図１３の（ａ）に示すように励磁電流であるｄ軸電流Ｉｄ（＜０）は大きくなく、各永久磁石体が発生するｄ軸のマグネット磁束Ψｍと、トルク電流であるｑ軸電流Ｉｑ（＞０）及びロータのｑ軸リラクタンス成分Ｌｑの積Ｌｑ・Ｉｑ（＞０）とに基くモータ磁束Ψに対して、ｄ軸電流Ｉｄとロータのｄ軸リラクタンス成分Ｌｄとの積Ｌｄ・Ｉｄ（＜０）のロータの回転によって生じる逆起電力も小さい。なお、この定トルク領域がほぼ通常走行状態の領域であり、図中のＩはｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流Ｉｑをベクトル合成した電機子電流（モータ電流）、Ｖはモータ電圧である。

一方、高速回転域、換言すれば、弱め界磁運転が必要になる弱め界磁領域においては、前記のマグネット磁束Ψｍによる誘起電圧が大きくなってモータ電圧Ｖが電源電圧近くに上昇しようとするが、図１３の（ｂ）に示すようにｄ軸電流Ｉｄ（＜０）を増大することで積Ｌｄ・Ｉｄ（＜０）の逆起電力が大きくなって弱め界磁量が大きくなり、磁束Ψが図中の矢印αに示すように引き下げられてモータ電圧Ｖの上昇が抑えられ、一層の高速回転が可能になる。

しかし、上述の弱め界磁運転を行なう場合、高速回転域（弱め界磁運転領域）ではｄ軸電流Ｉｄを強制的に増大する必要があり、その分の電力が無駄に消費されてモータの効率が低下する。

すなわち、高速回転域での弱め界磁運転を行う場合、前記ＩＰＭモータの１相分のモータ電圧、トルク、トルク電流Ｉｑ、励磁電流Ｉｄは、負荷時及び無負荷時にモータの回転数に対して、例えば図１４、図１５の（ａ）〜（ｄ）に示すように変化する。なお、図１４は負荷時の特性図、図１５は無負荷時の特性図であり、両図の（ａ）はモータ電圧、（ｂ）はトルク、（ｃ）はｑ軸電流（トルク電流）Ｉｑ、（ｄ）はｄ軸電流（励磁電流）Ｉｄである。

そして、図１４の回転数ｒ１、図１５の回転数ｒ２が、それぞれ定トルク領域（低回転領域）と、弱め界磁領域（高回転領域）とのしきい値の回転数であり、負荷時は勿論、無負荷時であっても、モータの回転数がしきい値以上に高くなって弱め界磁領域（高回転領域）になると、回転数に応じた弱め界磁を発生するため、ｄ軸電流（励磁電流）Ｉｄが回転数に応じて増大し（負の方向に大きくなる）、その分、モータは電力消費が増えて効率が低下する。

ところで、ロータに永久磁石体を配設したこの種の同期モータにおいて、ステータを、モータ軸方向のＮ極側ステータとＳ極側ステータとに分割した構造に形成し、両極側ステータ間に界磁コイル部を設け、さらに、ロータも、共通の一本のモータ軸にＮ極側ステータに対向したＮ磁極のロータ部とＳ極側ステータに対向したＳ磁極のロータ部とを装着した構造に形成し、Ｎ磁極のロータ部にはＮ極を外側に向けた永久磁石体を円周方向に間隔をとって設け、Ｓ磁極のロータ部にはＳ極を外側に向けた永久磁石体をモータ軸方向から見て前記の各Ｎ磁極の間に位置するように設け、界磁コイル部によって発生した界磁の磁束によって前記の逆起電力を調整し、弱め界磁運転等を行なうことが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、この種の同期モータの効率の改善等を図るため、ロータに円周方向に間隔をとって設けた磁極磁石を全てＮ極またはＳ極を外側に向けた永久磁石体とし、例えば各永久磁石体とした場合、各永久磁石体の外向きのＮ極からステータを介して各永久磁石体の内側（モータ軸側）のＳ極に戻る磁束の磁路を形成することで、各永久磁石体間の磁性体（鋼材）が結果としてＳ極を形成し、ロータが回転するようにしたコンシクエントポール形（ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｔ−ｐｏｌｅ）モータが提案され、このモータはステータに前記の界磁電流の給電が不要であり、高効率化が期待できると考えられている（例えば、非特許文献１参照。）。

特開平９−４４３１９号公報（［００１５］‐［００２０］、［００３４］‐［００３９］、図１等） 雨宮 潤、外４名、"コンシクエントポール形ベアリングレスモータの電動機特性"、平成１５年電気学会全国大会講演論文集０５−０９０（第五分冊）、ｐ．１４０−１４１

ところで、前記特許文献１の従来モータの場合、界磁コイル部が発生する磁束（以下、界磁磁束という）によって弱め界磁運転を実現する構成であり、界磁コイル部の電流を適切に調整することによって効率を高め、無駄な電力消費を防止することは可能であるが、Ｎ極側のステータ及びロータと、Ｓ極側のステータ及びロータと、界磁コイル部とを備えた構成により、全体として一つのモータ軸を有する１台の同期モータを形成することから、大型化し、とくに、自動車の前又は後の左、右の２輪或いは４輪（全輪）を独立駆動して姿勢制御の向上を図るようなときには、この同期モータを駆動輪毎に設けなければならず、極めて大型化して高価になり、実用的でない。

また、前記非特許文献１の従来モータの場合、ステータ、ロータはそれぞれ１個でよく、ロータにＮまたはＳの一方の磁極を外側に向けた永久磁石体を配設する構成であるため、ロータにＮ磁極の永久磁石体とＳ磁極の永久磁石体とを交互に配設する従来のＩＭＰモータより永久磁石体の個数が半減して小型軽量になるとともに、界磁電流が不要で効率も高くなると考えられるが、高速回転域では、ｄ軸電流を増大する必要があるため、モータ効率が低下し、しかも、駆動輪毎に備える必要もある。

本発明は、小型軽量で無駄な電力消費が少なく安価な構成により、高回転領域での弱め界磁運転が行なえ、しかも、１台で左、右の駆動輪を独立に駆動することができる、従来にない新規な自動車用駆動モータ及びそのモータ駆動制御方法を提供することを目的とする。

上記した目的を達成するために、本発明の自動車用駆動モータは、第１のステータの内側に磁性体の第１のロータを設けて形成され、該第１のロータの周部に円周方向に間隔をとって配設された全ての磁極磁石がＮ極を外側に向けたＮ極側永久磁石体で構成された第１のモータ部と、第２のステータの内側に磁性体の第２のロータを設けて形成され、該第２のロータの周部に円周方向に間隔をとって配設された全ての磁極磁石がＳ極を外側に向けたＳ極側永久磁石体で構成された第２のモータ部と、前記両ロータのモータ軸を相互に独立して回転する状態に連結するとともに磁気的に接続して前記モータ軸方向に磁路を形成する磁性体の連結部と、前記両ロータ間に前記両モータ部の前記モータ軸が貫通するように前記モータ軸方向の前記磁路に対して巻回され、前記両モータ部に前記モータ軸方向の共通の界磁を発生する界磁コイル部と、前記両ステータ間の磁路を形成する磁性体のステータ間磁路体とを備え、前記第１のモータ部の前記モータ軸に左右の駆動輪のいずれか一方が取り付けられ、前記第２のモータ部の前記モータ軸に前記左右の駆動輪のいずれか他方が取り付けられることを特徴としている（請求項１）。

また、本発明の自動車用駆動モータは、前記ステータ間磁路体を、前記両ステータを内装した磁性体フレームが形成することを特徴としている（請求項２）。

さらに、本発明の自動車用駆動モータは、前記ステータ間磁路体として前記両ステータの周部の複数個所を橋絡する複数個の接続体を備え、前記各接続体を前記両モータ部のモータ軸方向の短冊状の複数個の磁性板を貼り合わせた積層磁性体により形成し、前記積層磁性体の一端部、他端部を前記両モータ部の周部の前記各個所に嵌入したことを特徴としている（請求項３）。

また、本発明の自動車用駆動モータは、前記両ロータぞれぞれの前記モータ軸に接する内周部の複数個所に、前記層状磁性体が形成する渦電流防止体を配設したことを特徴としている（請求項４）。

加えて、本発明の自動車用駆動モータは、前記界磁コイル部が円筒形の磁心体にコイルを巻回して形成されることを特徴としている（請求項５）。

つぎに、本発明のモータ駆動制御方法は、前記両ロータそれぞれの磁極位置の検出に基いて前記両ステータそれぞれの電流を個別に制御し、前記両ロータの回転速度の検出に基く前記界磁コイル部の電流制御により前記界磁コイル部が発生する界磁を調整し、前記両モータ部のモータ電圧が電源電圧近くに上昇する高速回転域のときに、前記界磁により前記両モータ部を弱め界磁運転の状態にすることを特徴としている（請求項６）。

また、本発明のモータ駆動制御方法は、前記両モータ部がそれぞれ三相以上の多相構造であって、前記両ステータの各相巻き線に前記両モータ部それぞれの多相電源から給電し、前記界磁コイル部に単相電源から給電することを特徴としている（請求項７）。

請求項１の発明によれば、第１のモータ部と第２のモータ部とは互いのモータ軸が連結部により連結されるとともに磁気的に接続された状態で独立に回転する。また、ステータ間磁路体によって第１、第２のステータの間の磁束の磁路が形成される。

そして、界磁コイル部に界磁電流を通流しないときは、第１のロータの各Ｎ磁極から出た磁束が第１のステータ、ステータ間磁路体、第２のステータを通って第２のロータのＳ磁極に至る磁路を通り、このとき、第１のロータの各Ｎ磁極間の磁性体は結果としてＳ磁極を形成し、また、第２のロータの各Ｓ磁極間の磁性体は結果としてＮ磁極を形成し、第１、第２のステータそれぞれに給電して励磁することにより、両モータ部がそれぞれの電流に応じた速度、トルクで別個独立に回転する。このとき、第１、第２のロータのＮ極側永久磁石体、Ｓ極側永久磁石体の個数は、永久磁石体の磁極がＮ、Ｓに交互に変化する一般的な同期モータのロータに配設される永久磁石体の半分（Ｎ磁極又はＳ磁極のみ）でよく、その結果、自動車用駆動モータが小型軽量で安価になるだけでなく、第１、第２のロータのＮ極側永久磁石体、Ｓ極側永久磁石体を、一般的な同期モータの各永久磁石体より大面積かつ厚くしてそれぞれの発生磁束を大きくすることができる。

つぎに、界磁コイル部に界磁電流を通流して両モータ部のモータ軸方向の界磁を発生すると、その向き及び大きさによって界磁の作用が異なる。

すなわち、連結部により第１、第２の両ロータのモータ軸が磁気的に接続されているため、界磁コイル部の界磁により第２のロータのモータ軸から出て第１のロータのモータ軸に入る向きの磁束が発生すると、この磁束により、第１のロータの各Ｎ磁極間の磁性体はＳ磁極に、第２のロータの各Ｓ磁極間の磁性体はＮ磁極にそれぞれ励磁され、両モータ部は励磁エネルギが増加してモータ電圧が上昇し、出力が増大し、その大きさは界磁電流にしたがって調整される。

逆に、界磁コイル部の界磁により第１のロータのモータ軸から出て第２のロータのモータ軸に入る向きの磁束が発生すると、この磁束により第１のロータの各Ｎ磁極間の磁性体はＮ磁極に、第２のロータの各Ｓ磁極間の磁性体はＳ磁極にそれぞれ励磁され、両モータ部は励磁エネルギが減少し、逆起電力が減少してモータ電圧の上昇が抑制される。そのため、両モータ部のモータ電圧が電源電圧近くに上昇する高速回転域のときに、両モータ部のステータの励磁電流を不必要に増大するより少ない電力消費で、両モータ部を弱め界磁運転の状態にしてモータ電圧の上昇を抑制することができ、その抑制の程度は界磁電流にしたがって調整される。

そして、両モータ部のモータ軸に左、右の駆動輪のいずれか一方、他方それぞれを接続することにより、１台のモータで左、右の駆動輪を独立して運転することができる。

したがって、小型軽量で無駄な電力消費が少ない構成により高速回転域での弱め界磁運転が行なえ、しかも、１台で自動車の左右の駆動輪を独立に駆動することができる、従来にない新規な自動車用駆動モータを提供することができる。

そして、前記ステータ間磁路体は、簡単には両ステータのケースとしての磁性体フレームで形成することができる（請求項２）。

また、前記ステータ間磁路体は、第１、第２のステータの周部の複数個所に各接続体を形成する積層磁性体の一端、他端を嵌入し、両ステータの複数個所を各接続体により橋絡状に連結して形成してもよく（請求項３）、この場合は、積層磁性体を用いることにより渦電流損が少なくなり、自動車用駆動モータの効率が一層向上する利点もある。なお、前記の磁性体フレームのように両ステータを全体に収納しなくてよく、請求項２の場合より簡素、安価な構成で界磁コイル部の界磁磁束の磁路を形成することも可能である。

つぎに、請求項４の発明によれば、第１、第２のロータのモータ軸に接する内周部の複数個所に、層状磁性体が形成する渦電流防止体を配設したことにより、渦電流損が一層少なくなって自動車用駆動モータの効率がさらに一層向上する。

また、請求項５の発明によれば、界磁コイル部を円筒形の磁心体にコイルを巻回して簡単に自動車用駆動モータを形成することができる。

さらに、請求項６の発明によれば、請求項１〜５のいずれかに記載の自動車用駆動モータにつき、第１、第２のモータ部それぞれのロータ（第１、第２のロータ）の磁極位置を検出してそれぞれのステータ（第１、第２のステータ）の電流を制御し、両モータ部を個別に駆動制御して左右の駆動輪を独立して制御することができる。

また、両モータ部のロータの回転速度の検出に基き、両モータ部の駆動制御と別個に界磁コイル部の電流を制御し、両モータ部に対する界磁の影響を調整することができ、この界磁の調整により、両モータ部のモータ電圧が電源電圧近くに上昇する高速回転域においては、両モータ部のモータ電圧の上昇を抑制して弱め界磁運転の状態にすることができる。

したがって、請求項１〜５のいずれかに記載の自動車用駆動モータについて、高回転領域での弱め界磁運転が行なえ、しかも、１台で自動車の左右の駆動輪を独立に駆動することができ、従来にない新規な自動車用駆動モータのモータ駆動制御方法を提供することができる。

請求項７の発明によれば、請求項１〜５のいずれかに記載の自動車用駆動モータが第１、第２のモータ部を三相以上の多相構造である場合の具体的なモータ駆動制御方法を提供することができる。

（一実施形態）
つぎに、本発明をより詳細に説明するため、電気自動車に適用した一実施形態について、図１〜図９にしたがって詳述する。

（構成）
まず、構成について説明する。図１は電気自動車の駆動系のブロック図であり，同図において、１Ａは本発明の自動車用駆動モータであり、モータ軸方向（紙面左右方向）に連結状態（二分割状態）に配設された第１、第２のモータ部２ａ、２ｂを備える。なお、両モータ部２ａ、２ｂは両端が開放した鋼板等の磁性体の円筒ケース形状のフレーム３内に、フレーム３に接して又は近接して設けられ、フレーム３は磁性体のステータ間磁路体を形成して後述のステータ間の磁路を形成する。

４ａ、４ｂはモータ部２ａ、２ｂの同一構成の第１、第２のステータであり、図２のステータ２ａの斜視図に示すように、それぞれ薄いドーナツ板状の鋼板（磁性体）Ｍａをモータ軸方向に多数枚重ねて形成された積層鋼板製円筒体のコア４１ａ、４１ｂを有し、コア４１ａ、４１ｂの内周部に例えば三相のステータコイル４２ａ、４２ｂを嵌入して形成されている。

５ａ、５ｂは第１、第２のステータ４ａ、４ｂそれぞれの内側に設けられた第１、第２のロータであり、それぞれの磁性体のモータ軸５１ａ、５１ｂに、コア４１ａ、４１ｂより小径の薄いドーナツ板状の鋼板をモータ軸方向に多数枚重ねて形成された積層鋼板製の円筒体のロータ本体５２ａ、５２ｂを軸着して形成されている。

そして、第１、第２のロータ５ａ、５ｂのロータ本体５２ａ、５２ｂの周部には、図３のロータ部分の斜視図、図４の（ａ）、（ｂ）の同部分の左、右の端面図に示すように、円周方向に間隔をとって磁極磁石を形成する複数個（図では２個）の永久磁石体５３ａ、５３ｂが嵌入して配設され、磁極ロータ本体５２ａの全ての永久磁石体５３ａはＮ極を外側に向けたＮ極側永久磁石体であり、磁極ロータ本体５２ｂの全ての永久磁石体５３ｂはＳ極を外側に向けたＳ極側永久磁石体である。この場合、一般的な同期モータのロータであれば、前述したようにＮ極側の永久磁石体とＳ極側の永久磁石体とを円周方向に間隔をとって交互に配設しなければならないが、第１のロータ５ａはＮ極側永久磁石体のみを設ければよく、第２のロータ５ｂはＳ極側永久磁石体のみを設ければよいことから、ロータ５ａ、５ｂの永久磁石体は、前述の一般的な同期モータの場合よりロータに配置する個数が半減し、そのため、一個ずつを大きくして発生磁束を多くし、モータ出力を大きくすることができる。

つぎに、第１、第２のモータ部２ａ、２ｂのモータ軸５１ａ、５１ｂは、例えば磁性体の互いの軸受けを接続して形成された図１の連結部６により、相互に独立して回転するように連結されて磁気的に接続される。なお、図３の２本の矢印はロータ部５ａ、５ｂが別個独立に回転することを示す。

さらに、図１の７は第１、第２のロータ５ａ、５ｂ間にモータ軸５１ａ、５１ｂが貫通するように設けられた界磁コイル部であり、簡単にはコイルのみであってもよいが、この実施形態においては発生する界磁磁束を大きくするため、円筒形の磁心体７ａに適当な界磁コイル７ｂを巻回して形成され、直流の界磁電流の通電により第１、第２のモータ部２ａ、２ｂにモータ軸方向の共通の界磁を発生する。

また、図１の８ａ、８ｂはモータ軸５１ａ、５１ｂに取り付けられた第１、第２のモータ部２ａ、２ｂそれぞれの回転センサであり、両モータ部２ａ、２ｂの磁極位置それぞれを検出する。９ａ、９ｂは電気自動車の左、右のいずれか一方、他方の駆動輪であり、この実施形態の場合、駆動輪９ａはリダクションギヤ１０ａを介してモータ軸５１ａに取り付けられ、駆動輪９ｂはリダクションギヤ１０ｂを介してモータ軸５１ｂに取り付けられている。なお、駆動輪９ａ、９ｂが第１、第２のモータ部２ａ、２ｂによって別個独立に駆動されるため、デファレンシャルギヤは設けられていない。また、リダクションギヤ１０ａ、１０ｂは必要に応じて介在させればよく、省いてもよいのは勿論である。

つぎに、図１の１１は電気自動車の電源であるバッテリ、１２ａ、１２ｂはバッテリ１０により動作する同一構成のインバータであり、この実施形態の場合、第１、第２のモータ部２ａ、２ｂが三相モータ構成であることから、それぞれ三相インバータに形成され、マイクロコンピュータ構成のコントローラ１３の前述した直交２軸（ｐ軸、ｑ軸）座標系制御にしたがって別個独立に動作し、ロータ５ａ、５ｂそれぞれの磁極位置の検出に基いて第１、第２のステータ４ａ、４ｂそれぞれの電機子電流（ｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑ）を制御する。

１４はバッテリ１１により動作して界磁コイル部７に直流電源を給電する単相インバータであり、コントローラ１３の制御にしたがって動作し、第１、第２のロータ５ａ、５ｂの回転速度の検出に基く界磁コイル部７の通電制御により、界磁コイル部７が発生する界磁の向き及び大きさを調整する。ところで、第１、第２のロータ５ａ、５ｂの回転速度は例えば回転センサ８ａ、８ｂの検出出力から求められ、界磁コイル部７の電流制御の指標となる検出速度は、設計仕様や運転モードの選択等に基き、第１、第２のロータ５ａ、５ｂの平均の回転速度や、いずれか速い方或いは遅い方の回転速度に、固定的に或いは走行状態等に応じて可変的に設定され、例えば第１、第２のモータ部２ａ、２ｂの少なくともいずれか一方或いは両方のモータ電圧が電源電圧（バッテリ電圧）近くに上昇する高速回転域のときには、界磁コイル部７が第１、第２のモータ部２ａ、２ｂの磁束を低減する向き、大きさの界磁を発生するように電流制御し、第１、第２のモータ部２ａ、２ｂを弱め界磁運転の状態にする。

（動作）
まず、界磁コイル部７が発生する界磁の作用について、図５〜図７の界磁の作用の説明図を参照して説明する。なお、図５〜図７の（ａ）はロータ５ａ、５ｂの連結状態の斜視図であり、（ｂ）、（ｃ）は（ａ）のロータ５ａ、５ｂそれぞれの端面側からみた磁束を示し、それぞれの実線矢印は磁束の方向を示す。また、以下の説明においては、モータ部２ａ側から界磁コイル部７を見て、時計回転方向の界磁電流を界磁電流（正）と表記し、反時計回転方向の界磁電流を界磁電流（負）と表記する。

（１）界磁コイル部７に界磁電流が流れない場合（図５の場合）
第１、第２のロータ５ａ、５ｂは、モータ軸５１ａ、５１ｂが磁気的に接続されているので、別個独立に回転しても全体の界磁磁気抵抗は一定であり変化することはない。

そして、界磁コイル部７に界磁電流が流れない場合、両ロータ５ａ、５ｂは、第１のロータ５ａをＮ磁極側、第２のロータ５ｂをＳ磁極側とする一個のロータとみなせ、この場合、前記一個のロータの磁束は図５の（ａ）の実線矢印に示す磁路φ１、すなわち、Ｎ極側の各永久磁石体５３ａから第１のステータ４ａ、フレーム３、第２のステータ４ｂ、Ｓ極側の各永久磁石体５３ｂを通ってモータ軸５１ｂ、５１ａに至る磁路を通る。

ここで、第１、第２のロータ５ａ、５ｂに各２個の永久磁石体５３ａ、５３ｂそれぞれが１８０度間隔れた対向位置に配設されているとし、第１、第２のステータ４ａ、４ｂの一相分のステータコイル４２ａ、４２ｂを電機子コイル４２Ｌとすると、図５の（ｂ）、（ｃ）に示すように、第１のロータ５ａの磁極は永久磁石体５３ａの１８０度間隔のＮ磁極のみとなり、両Ｎ磁極から出た磁束（マグネット磁束）が電機子コイル４２Ｌに交錯し、第２のロータ５ｂの磁極は永久磁石体５３ｂの１８０度間隔のＳ磁極のみとなり、両Ｓ磁極に入る磁束（マグネット磁束）が電機子コイル４２Ｌに交錯し、第１のロータ５ａの両永久磁石体５３ａ間、第２のロータ５ｂの両永久磁石体５３ｂ間の磁性体部分（いわゆる鉄心部分）には磁極が発生せず、交錯する磁束もない。

この状態は前記特許文献１に記載の同期モータと同様の構成の状態であり、第１、第２のステータ４ａ、４ｂのｄ軸電流（励磁電流）を適当に制御することにより、第１、第２のロータ５ａ、５ｂは、図５の（ｂ）、（ｃ）のように永久磁石体５３ａと永久磁石体５３ｂとがほぼ９０度ずれて交互に配置されたような状態になって回転する。

（２）界磁コイル部７に界磁電流（正）が流れる場合（図６の場合）
この場合、界磁電流（正）に基いて、第２のロータ５ｂから出て第１のロータ５ａに入る向き、すなわち、磁路φ１の磁束に抗する向きの磁束（以下、界磁磁束という）が発生し、第１のロータ５ａのＮ極側の両永久磁石体５３ａ間の磁性体部分は等価的にＳ磁極となり、第２のロータ５ｂのＳ極側の両永久磁石体５３ｂ間の磁性体部分は等価的にＮ磁極となり、図６の（ａ）に示すように第１のロータ５ａのＮ極側の各永久磁石体５３ａから出た磁束は磁路φ２を通って両永久磁石体５３ａ間のＳ極側の磁性体に入るようになり、同様に、第２のロータ５ｂのＮ極側の各磁性体部分から出た磁束は磁路φ２と同様の磁路を通ってＳ極側の両永久磁石体５３ｂに入るようになる。

そのため、第１、第２のロータ５ａ、５ｂは、それぞれ従来の一般的なこの種の同期モータのロータのようにＮ極とＳ極とが交互に配置された状態になって回転し、その回転速度やトルクは第１、第２のステータ４ａ、４ｂのｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流Ｉｑにしたがって別個独立に変化する。

すなわち、図６の（ｂ）、（ｃ）に示すように、第１のロータ５ａは両永久磁石体５３ａのＮ磁極の間に磁性体部分のＳ磁極が位置し、第２のロータ５ｂは両永久磁石体５３ｂのＳ磁極の間に磁性体部分のＮ磁極が位置し、両ロータ５ａ、５ｂはそれぞれ電機子コイル４２Ｌに交錯する磁束が９０度毎に反転し、両モータ部２ａ、２ｂが回転する。

このとき、第１、第２のロータ５ａ、５ｂの永久磁石体５３ａ、５３ｂの個数は、永久磁石体の磁極がＮ、Ｓに交互に変化する一般的な同期モータのロータに配設される永久磁石体の半分（Ｎ磁極又はＳ磁極のみ）でよく、その結果、自動車用駆動モータ１Ａが小型軽量で安価になるだけでなく、各永久磁石体５３ａ、５３ｂを、前記の一般的な同期モータの各永久磁石体より大面積かつ厚くしてそれぞれの発生磁束を大きくすることができる。

そのため、第１、第２のモータ部２ａ、２ｂは、第１、第２のロータ５ａ、５ｂの各磁極の磁束が大きく、しかも、第１、第２のステータ４ａ、４ｂのｄ軸電流Ｉｄを多くすることなく、界磁コイル部７の界磁電流（正）を調整することで、モータ電圧が上昇してモータ出力が増大するため、とくに高負荷時に効率よく従来にない大出力を発生することができる。

（３）界磁コイル部７に界磁電流（負）が流れる場合（図７の場合）
この場合、界磁電流（負）に基いて、第１のロータ５ａから出て第２のロータ５ｂに入る向き、すなわち、界磁電流（正）の場合と逆向きの界磁コイル磁束が発生し、第１のロータ５ａのＮ極側の両永久磁石体５３ａ間の磁性体部分は等価的にＮ磁極となり、第２のロータ５ｂのＳ極側の両永久磁石体５３ｂ間の磁性体部分は等価的にＳ磁極となる。

そして、図７の（ａ）に示すように、例えば第１のロータ５ａのＮ極側の両永久磁石体５３ａから出た磁束、両永久磁石体５３ａ間のＮ極側の磁性体部分から出た磁束は、第１のステータ４ａ、フレーム３、第２のステータ４ｂの磁路φ１、φ３を通って第２のロータ５ｂのＳ極側の両永久磁石体５３ｂ、該両永久磁石体５３ｂ間のＳ極側の磁性体部分に入るようになる。

そして、図７の（ｂ）、（ｃ）に示すように、第１のロータ５ａは両永久磁石体５３ａのＮ磁極の間の磁性体部が界磁電流（正）の場合と逆のＮ磁極になり、各Ｎ磁極から出た磁束が電機子コイル４２Ｌに交錯し、同様に、第２のロータ５ｂは両永久磁石体５３ｂのＳ磁極の間の磁性体部分が界磁電流（正）の場合と逆のＳ磁極になり、各Ｓ磁極に入る磁束が電機子コイル４２Ｌに交錯する。その結果、第１、第２のロータ５ａ、５ｂの回転に有効な永久磁石体５３ａ、５３ｂのマグネット磁束が界磁コイル磁束の影響によって減少する。

そのため、第１、第２のモータ部２ａ、２ｂは、界磁コイル部７の界磁電流（負）を調整することで、モータ電圧の上昇を抑えることができ、モータ電圧が電源電圧近くに上昇する高速回転域での弱め界磁運転が可能になる。

つぎに、上述の界磁の作用に基く、図１の自動車用駆動モータ１Ａの駆動制御について説明する。

第１、第２のモータ部２ａ、２ｂそれぞれの回転センサ８ａ、８ｂの磁極位置の検出、図示省略したアクセル操作系等からの加速指令、ステータ４ａ、４ｂの各相のモータ電圧等とに基き、コントローラ１３は、両モータ部２ａ、２ｂの同期運転駆動制御のプログラムにしたがって、両モータ部２ａ、２ｂそれぞれの各相のｄ軸電流（励磁電流）Ｉｄ（＜０）、ｑ軸電流（トルク電流）Ｉｑが目標電流になるように、三相インバータ１２ａ、１２ｂを制御する。

そして、バッテリ１１の直流電源が両インバータ１２ａ、１２ｂによってモータ部２ａ、２ｂそれぞれの駆動用の三相電源に変換され、この三相電源の給電によって第１、第２のステータ４ａ、４ｂの電流（モータ電流）が制御されることにより、モータ部２ａ、２ｂが駆動されてそれぞれ回転し、これらの回転がリダクションギヤ１０ａ、１０ｂを介して左、右の駆動輪９ａ、９ｂに伝わり、両駆動輪９ａ、９ｂが駆動される。

また、コントローラ１３は、界磁コイル部７の界磁電流制御のプログラムを実行し、例えば回転センサ８ａ、８ｂの検出結果から両モータ部２ａ、２ｂの平均回転数又は、速い方或いは遅い方の回転数を検出し、検出した回転数に基いて単相インバータ１４を制御し、界磁コイル部７の界磁コイル７ｂに前記の界磁電流（正）、界磁電流（負）に変化する単相の界磁電流を給電する。

このとき、両モータ部２ａ、２の励磁状態が界磁コイル部７の界磁磁束に基く第１、第２のロータ５ａ、５ｂの磁束（マグネット磁束）の増減によって調整可能であるため、第１、第２のステータ４ａ、４ｂのｄ軸電流Ｉｄはモータ部２ａ、２ｂの回転数によらず、ほぼ一定に保つ。一方、両ステータ４ａ、４ｂのｑ軸電流Ｉｑは要求トルク（負荷状態）に応じて可変する。

また、両モータ部２ａ、２ｂの回転数が高くなり、モータ電圧が電源電圧近くまで上昇すると、モータ電圧を電源電圧以下に保ちつつ回転数を増大するため、界磁電流（負）の界磁磁束によって両モータ部２ａ、２ｂの励磁量を低減し、弱め界磁運転にする。

そのため、自動車用駆動モータ１Ａの回転数（回転速度）に対するモータ電圧、トルク、トルク電流（ｑ軸電流Ｉｑ）、励磁電流（ｄ軸電流Ｉｄ）の変化は、例えば要求トルクが一定の領域、すなわち、通常の走行状態である定トルク域においては、図８に示すようになる。なお、図中のＶｃｃは電源電圧（バッテリ電圧）である。

ところで、界磁コイル部７の界磁電流は、具体的には、例えば目標回転数と前記の検出回転数とのフィードバック制御等により、モータ電圧がバッテリ１１の電源電圧近くの設定した限界電圧に上昇するまでは０又は界磁電流（正）の範囲で制御し、この制御によってロータ５ａ、５ｂのマグネット磁束を増加方向に調整する。また、モータ電圧が前記の限界電圧に上昇して図１４、図１５のしきい値ｒ１、ｒ２を超えた高速回転域になると、界磁コイル部７の界磁電流を回転数に比例した前記の界磁電流（負）の電流に制御し、ロータ５ａ、５ｂのマグネット磁束を減少方向に調整する。

そして、界磁コイル部７の界磁磁束の影響によってロータ５ａ、５ｂのマグネット磁束が増減することにより、とくに回転数が低い低回転の高負荷時には従来にない大出力が得られ、高速回転域では弱め界磁運転が実現する。

なお、高負荷時の大出力（高トルク力）運転及び、軽負荷時の弱め界磁運転それぞれにおけるモータ部２ａ、２ｂのモータ電圧Ｖ、電流Ｉ、発生磁束Ψのベクトル図は、例えば図９の（ａ）、（ｂ）それぞれに示すようになり、図中のＬｄ、Ｌｑはｄ軸リラクタンス成分、ｑ軸リラクタンス成分であり、積Ｌｄ・Ｉｄがロータ５ａ、５ｂの逆起電圧である。また、Ψｍ、Ψｎはロータ５ａ、５ｂが発生するマグネット磁束、界磁コイル部７の界磁磁束である。

そして、高負荷時はロータ５ａ、５ｂの発生磁束が、界磁電流（正）の界磁コイル磁束Ψｎによって本来のマグネット磁束Ψｍから増加し、ロータ５ａ、５ｂの逆起電圧である積Ｌｄ・Ｉｄの影響が界磁コイル磁束Ψｎによって低減され、十分な磁束Ψの交錯によって従来にない大出力が発生する。なお、高負荷時でなくても、界磁電流（正）の界磁磁束Ψｎによってモータ部２ａ、２ｂの出力が増大することにより効率が向上する。

一方、軽負荷時、回転数の増加によって自動車用駆動モータ１Ａのモータ電圧が前記の限界電圧に上昇して高速回転域に達すると、励磁電流（ｄ軸電流Ｉｄ）を増加することなく、界磁電流（負）の界磁コイル磁束Ψｎによって励磁電流（ｄ軸電流Ｉｄ）を増加したのと等価な状態にし、弱め界磁の運転を実現して前記のモータ電圧の上昇を抑制し、十分な高速回転を確保する。なお、磁束Ψは図９の実線矢印βに示すように減少する。

そして、高負荷時においても、自動車用駆動モータ１Ａのモータ電圧が前記の限界電圧に上昇して高速回転域に達したときには、界磁電流（負）の界磁コイル磁束Ψｎによって励磁電流（ｄ軸電流Ｉｄ）を増加したのと等価な状態にして弱め界磁の運転を実現し、前記のモータ電圧の上昇を抑制して十分な高速回転を確保することができる。

このようにして両モータ部２ａ、２ｂそれぞれが駆動制御されることにより、１台の自動車用駆動モータ１Ａで高速から低速の広い範囲にわたって左、右の駆動輪９ａ、９ｂが独立運転駆動される。

したがって、ロータの永久磁石体数が少なく小型軽量で安価な構成により、低速回転域では大きなトルクを発生することができ、高速回転域では励磁電流（ｄ軸電流Ｉｄ）の無駄な消費をすることなく弱め界磁運転を行なって効率よく高速回転することができ、しかも、左、右の駆動輪９ａ、９ｂを独立に駆動することができ、電気自動車等の駆動モータに最適な従来にない新規な自動車用駆動モータ１Ａ及びその駆動制御方法を提供することができる。

また、モータ部２ａ、２ｂのモータ軸５１ａ、５１ｂによって左、右の駆動輪９ａ、９ｂをによって別個独立に回転駆動するため、一つのモータ軸を共用して左、右の駆動輪を駆動する際には必ず必要になるディファレンシャルギヤが不要であり、ディファレンシャルギヤを省いて小型化等を図ることができる利点もあり、さらに、左、右の駆動輪９ａ、９ｂのいずれか一方が空転しても、残りの他方の駆動輪９ｂ、９ａは駆動制御されて回転し、駆動力を発生するため、走行の自由度が高く、どのような道路条件の道等でも安定に走行することができる利点もある。

なお、界磁電流の調整によりモータ力率を自在に調整することができるため、回転数に応じた効率の高い運転が可能になるのは勿論である。

（他の実施形態）
つぎに、界磁コイル部７が発生する界磁磁束の変動に基く渦電流損を抑止してモータ効率の一層の向上を図るようにした他の実施形態について、図１０〜図１２を参照して詳述する。

図１０は自動車用駆動モータ１Ａの渦電流損の説明図、図１１の（ａ）、（ｂ）はこの実施形態の自動車用駆動モータ１Ｂの斜視図、その一部拡大図、図１２は自動車用駆動モータ１Ｂの界磁磁束の説明図である。

そして、一実施形態の自動車用駆動モータ１Ａの場合、ステータ間磁路体は円筒鋼板の磁性体フレーム３によって形成され、界磁コイル部７の界磁磁束は図１０のループ状の２矢印線ａに示すように束になってフレーム３を通る。

このとき、磁性体フレーム３、モータ軸５１ａ、５１ｂはいわゆる単層のソリッド材であり、前記の界磁磁束が変動（脈動）すると、図１０の各矢印線ｂに示すように、渦電流が容易に発生し、渦電流損が生じて自動車用駆動モータ１Ａの効率が低下する。

そこで、この実施形態の自動車用駆動モータ１Ｂは図１１の（ａ）、（ｂ）に示すように、モータ部２ａ、２ｂのステータ４ａ、４ｂにつき、外周部（ステータ鉄心外周部）の例えば等間隔の複数個所を接続体１５によって橋絡する。各接続体１５はモータ部２ａ、２ｂのモータ軸方向の短冊状の複数個の磁性板Ｍｂを貼り合わせた積層磁性体、具体的には、短冊状の鋼板を貼り合わせた積層鋼板体により形成され、各接続体１５の積層鋼板体の一端部、他端部が両モータ部２ａ、２ｂの周部の前記複数個所に嵌入される。

また、両モータ部２ａ、２ｂのロータ５ａ、５ｂぞれぞれのモータ軸５１ａ、５１ｂに接する内周部（ロータ鉄心内周部）の複数個所に、前記のモータ軸方向の短冊状の複数個の磁性板Ｍｂを貼り合わせた積層磁性体が形成する渦電流防止体１６を嵌入して配設する。

この場合、ステータ４ａ、４ｂ間の前記界磁の磁路が各接続体１５の積層鋼板体によって形成されるので、界磁磁束が図１２の矢印線ｃに示すように分散化して通流し、界磁磁束の変動による渦電流ループの形成が抑制される。また、各渦電流防止体１６によっても界磁磁束の変動による渦電流ループの形成が抑制される。

そのため、自動車用駆動モータ１Ｂは、自動車用駆動モータ１Ａより渦電流損が少なくなり、効率がより向上する利点も備える。

なお、ステータ４ａ、４ｂ間の前記界磁の磁路が各接続体１５によって形成されるため、自動車用駆動モータ１Ｂは一実施形態の磁性体フレーム３を省くことも可能である。

また、各接続体１５、各渦電流防止体１６のいずれか一方のみを設けた構成であっても、渦電流損が少なくなって効率が向上するのは勿論である。

さらに、各接続体１５、各渦電流防止体１６の個数、配設間隔等は実験等に基いて適当に設定すればよく、各接続体１５、各渦電流防止体１６を形成する層状磁性体は積層鋼板体に限られるものでなく、種々の磁性体の積層体であってよいのも勿論である。

そして、本発明は上記した両実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能であり、例えば、両モータ部２ａ、２ｂは三相に限られるものでなく６相等の三相以上の適当な多相の構成であってよいのは勿論である。なお、両モータ部２ａ、２ｂの相数に応じて、図１の三相インバータ１２ａ、１２ｂは両モータ部２ａ、２ｂの相数のものに変更すればよい。また、両モータ部２ａ、２ｂの電源が種々の構成の多相電源であってよいのも勿論である。

また、前記一実施形態においては、界磁コイル部７の給電に単相インバータ１４の電源を用いたが、界磁コイル部７の給電にチョッパ電源等を用いるようにしてもよい。

さらに、前記の単相インバータ１４の電源やチョッパ電源等の直流入力エネルギは電気自動車のいわゆる補機電池によって形成するようにしてもよい。

そして、本発明は、電気自動車だけでなく、燃料電池自動車やハイブリッド自動車等の種々の車両の動力源としての自動車用駆動モータ及びそのモータ駆動制御方法に適用することができる。

本発明の一実施形態の電気自動車の駆動系のブロック図である。 図１の自動車用駆動モータの一部の構造説明用の斜視図である。 図１の第１、第２のモータ部の連結状態の斜視図である。 （ａ）、（ｂ）は図３の第１、第２のモータ部の端面図である。 （ａ）〜（ｃ）は界磁コイル部に電流が流れないときの図３の磁束の説明図である。 （ａ）〜（ｃ）は界磁コイル部に正方向の電流が流れるときの図３の磁束の説明図である。 （ａ）〜（ｃ）は界磁コイル部に負方向の電流が流れるときの図３の磁束の説明図である。 （ａ）〜（ｄ）は図１の自動車用駆動モータの回転数に対する各種の特性説明図である。 （ａ）、（ｂ）は図１の自動車用駆動モータの高負荷時、軽負荷時の状態説明用のベクトル図である。 図１の自動車用駆動モータの渦電流損の説明図である。 （ａ）、（ｂ）は本発明の他の実施形態の要部の斜視図、その一部の構成説明用の斜視図である。 図１１の磁束の状態の説明図である。 （ａ）、（ｂ）は従来モータの定トルク領域、弱め界磁領域の状態説明用のベクトル図である。 （ａ）〜（ｄ）は従来モータの負荷時の特性説明図である。 （ａ）〜（ｄ）は従来モータの無負荷時の特性説明図である。

符号の説明

１Ａ、１Ｂ 自動車用駆動モータ
２ａ、２ｂ 第１、第２のモータ部
３ 磁性体フレーム
４ａ、４ｂ 第１、第２のステータ
５ａ、５ｂ 第１、第２のロータ
５１ａ、５１ｂ モータ軸
５３ａ、５３ｂ 永久磁石体
６ 連結部
７ 界磁コイル部
８ａ、８ｂ 回転センサ
９ａ、９ｂ 駆動輪
１２ａ、１２ｂ 三相インバータ
１４ 単相インバータ
１５ 接続体
１６ 渦電流防止体

Claims (7)

1. 第１のステータの内側に磁性体の第１のロータを設けて形成され、該第１のロータの周部に円周方向に間隔をとって配設された全ての磁極磁石がＮ極を外側に向けたＮ極側永久磁石体で構成された第１のモータ部と、
   第２のステータの内側に磁性体の第２のロータを設けて形成され、該第２のロータの周部に円周方向に間隔をとって配設された全ての磁極磁石がＳ極を外側に向けたＳ極側永久磁石体で構成された第２のモータ部と、
   前記両ロータのモータ軸を相互に独立して回転する状態に連結するとともに磁気的に接続して前記モータ軸方向に磁路を形成する磁性体の連結部と、
   前記両ロータ間に前記両モータ部の前記モータ軸が貫通するように前記モータ軸方向の前記磁路に対して巻回され、前記両モータ部に前記モータ軸方向の共通の界磁を発生する界磁コイル部と、
   前記両ステータ間の磁路を形成する磁性体のステータ間磁路体とを備え、
   前記第１のモータ部の前記モータ軸に左右の駆動輪のいずれか一方が取り付けられ、前記第２のモータ部の前記モータ軸に前記左右の駆動輪のいずれか他方が取り付けられることを特徴とする自動車用駆動モータ。
2. 請求項１記載の自動車用駆動モータにおいて、
   前記ステータ間磁路体を、前記両ステータを内装した磁性体フレームが形成することを特徴とする自動車用駆動モータ。
3. 請求項１記載の自動車用駆動モータにおいて、
   前記ステータ間磁路体として前記両ステータの周部の複数個所を橋絡する複数個の接続体を備え、
   前記各接続体を前記両モータ部のモータ軸方向の短冊状の複数個の磁性板を貼り合わせた積層磁性体により形成し、
   前記積層磁性体の一端部、他端部を前記両モータ部の周部の前記各個所に嵌入したことを特徴とする自動車用駆動モータ。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の自動車用駆動モータにおいて、
   前記両ロータぞれぞれの前記モータ軸に接する内周部の複数個所に、前記層状磁性体が形成する渦電流防止体を配設したことを特徴とする自動車用駆動モータ。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の自動車用駆動モータにおいて、
   前記界磁コイル部が円筒形の磁心体にコイルを巻回して形成されることを特徴とする自動車用駆動モータ。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の自動車用駆動モータを駆動するモータ駆動制御方法であって、
   前記両ロータそれぞれの磁極位置の検出に基いて前記両ステータそれぞれの電流を個別に制御し、
   前記両ロータの回転速度の検出に基く前記界磁コイル部の電流制御により前記界磁コイル部が発生する界磁を調整し、
   前記両モータ部のモータ電圧が電源電圧近くに上昇する高速回転域のときに、前記界磁により前記両モータ部の磁束を低減して弱め界磁運転の状態にすることを特徴とするモータ駆動制御方法。
7. 請求項６記載のモータ駆動制御方法において、
   前記両モータ部がそれぞれ三相以上の多相構造であって、
   前記両ステータの各相巻き線に前記両モータ部それぞれの多相電源から給電し、前記界磁コイル部に単相電源から給電することを特徴とするモータ駆動制御方法。

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