JP5228545B2 - 超電導モータ装置及び電動車両 - Google Patents
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Description
以下において、図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。図1から図6は、本発明の第1の実施の形態を示している。図1は、本実施の形態の超電導モータ装置を備える電動車両である、ハイブリッド車両の略構成図である。図2は、本実施の形態のハイブリッド車両のブロック図である。図3は、本実施の形態の超電導モータ装置の略構成図である。図4は、界磁電流制御部の構成要素を示す図である。図5は、本実施の形態の超電導モータ装置の略断面図である。図6は、図5のA−A断面図である。
図8は、本発明に係る第2の実施の形態において、超電導モータ装置を示す、図3に対応する図である。本実施の形態の超電導モータ装置24aでは、超電導界磁コイル50の貯蔵エネルギが変化して、超電導界磁コイル50が有する界磁量が変化する場合でも、超電導電機子コイル66に流すトルク電流が一定であれば、超電導モータ26の発生トルクが一定になるようにすることを目的としている。すなわち、本実施の形態は、超電導界磁コイル50の貯蔵エネルギが変化した場合に、超電導界磁コイル50が有する界磁量が変化し、超電導電機子コイル66に流すトルク電流が一定であっても、超電導モータ26の発生トルクが変化してしまう不都合をなくすべく考えられたものである。このために、本実施の形態では、「貯蔵エネルギの変化に対応するトルク制御」を行っている。すなわち、超電導モータ装置24aに、超電導界磁コイル50に流れる電流を検出するための電流検出手段である電流センサ100を設けている。また、各モータコントローラ44は、電流センサ100により検出された電流検出値と、入力される超電導モータ26のトルク指令値とに対応して超電導電機子コイル66に流すトルク電流目標値を決定し、トルク電流目標値に対応してインバータ46を制御する。すなわち、各モータコントローラ44は、超電導界磁コイル50の貯蔵エネルギの変化に応じて、そのときの超電導界磁コイル50が有する界磁量から後述するトルク定数Ktを算出し、トルク定数Ktに対応する電機子電流目標値であるトルク電流目標値を決定する。
E=L×I2/2・・・(1)
ここで、Lは超電導界磁コイル50のインダクタンスであり、Iは超電導界磁コイル50に流れる電流である界磁電流である。Lは、予め定数として設定することができる。このため、超電導界磁コイル50に流れる電流Iを電流センサ100により検出することにより、貯蔵エネルギEを算出することができる。
Φ=L×I・・・(2)
Kt=P×Φ・・・(3)
ここで、Pは、ステータ52の極対数である。このため、上記の(1)、(2)、(3)式から、電流センサ100の検出値から界磁量Φが求められ、界磁量Φからトルク定数Ktが算出される。
Iq=Ta/Kt・・・(4)
ここで、Taは、モータコントローラ44に入力されるトルク指令である。このため、上記の(4)式と、上記の(3)式で決定されたトルク定数Ktとからトルク指令Taに対応するトルク電流目標値Iqが決定される。すなわち、電流センサ100の検出値から、トルク指令Taに対応するトルク電流目標値Iqが決定される。モータコントローラ44は、決定されたトルク電流目標値Iqにしたがって、インバータ46を制御し、超電導モータ26を駆動する。
図9は、本発明に係る第3の実施の形態において、超電導モータ装置を示す、図3に対応する図である。図10は、第3の実施の形態において、システム電圧を制御する方法を説明するための誘起電圧とシステム電圧との関係を示す図である。なお、上記の図1から図6に示した第1の実施の形態と同じ要素には同一符号を付して説明する。本実施の形態の超電導モータ装置24bでは、超電導界磁コイル50の貯蔵エネルギ量や、超電導モータ26の動作状態にかかわらず、システム全体の効率をより高くすることを目的としている。すなわち、本実施の形態は、次のような不都合をなくすべく考えられたものである。すなわち、インバータ46の超電導界磁コイル50側の入力電圧であるシステム電圧が高くなると、システム電圧の大きさに比例するインバータ46のスイッチング損失が増大し、システムである超電導モータ装置24b全体の効率が悪化する原因となる。このため、従来からシステム電圧を低くすることが考えられているが、システム電圧が過度に低くなると、超電導モータ26が発生する誘起電圧(逆起電圧)がシステム電圧よりも高くなって、超電導モータ26側で勝手に発電し、超電導電機子コイル66に超電導モータ26の駆動のために適切な電流を流すことが困難になる可能性がある。
Vr=ω×Φ・・・(4)
図11は、本発明に係る第4の実施の形態において、超電導モータ装置を示す、図3に対応する図である。本実施の形態の超電導モータ装置24cでは、ハイブリッド車両10(図1等参照)に過度に大きな二次電池を設けることなく、超電導界磁コイル50の貯蔵電力が零等、超電導モータ装置24cの貯蔵電力が低下した状態からでも、車両を安定して始動させるとともに、安定して通常走行させることができるようにすることを目的としている。すなわち、貯蔵電力が零である状態では、超電導界磁コイル50の界磁量も零になるので、何ら工夫しない場合には、超電導モータ26が力行も回生もいずれも行えなくなってしまい、超電導モータ装置24が正常な機能を発揮できない可能性がある。これに対して、本実施の形態では、上記の図1から図6に示した第1の実施の形態において、超電導モータ装置24cに、超電導界磁コイル50に流れる電流を検出する電流センサ100を設けている。また、超電導モータ装置24cに、インバータ46を制御するためのモータコントローラ44(図3等参照)を設けている。
Claims (11)
- 超電導モータと、切り替え制御ユニットとを備え、
超電導モータは、
ステータとロータとのうちの一方に設けられて、回転磁界を生成する電機子コイルと、
ステータとロータとのうちの他方に設けられて、電機子コイルに対向配置された超電導界磁コイルと、を有し、
切り替え制御ユニットは、
超電導界磁コイルに並列に接続される短絡路と、
短絡路に断接可能に設けられる切り替え手段と、を備え、
入力される信号に対応して、超電導界磁コイルと電機子コイルとを接続するとともに、電機子コイルと超電導界磁コイルとを相互作用させることにより、超電導モータの力行または回生を可能とする超電導モータ作動状態と、電機子コイルと超電導界磁コイルとの接続を阻止するとともに、超電導界磁コイルを短絡した状態で超電導界磁コイルに電流を循環させ続けることにより、エネルギを超電導状態で貯蔵するエネルギ貯蔵状態と、を切り替え、
さらに、切り替え制御ユニットは、
界磁電流制御部を備え、
界磁電流制御部は、
入力される信号に対応して回生制動時と力行時とモータ作動停止状態とのいずれであるかを判定するモータ作動状態判定手段と、
モータ作動状態判定手段の判定結果に対応して、切り替え手段の断接の切り替えを制御する切り替え制御手段と、を有することを特徴とする超電導モータ装置。 - 請求項1に記載の超電導モータ装置において、
超電導界磁コイルと電機子コイルとの間に接続されたインバータと、
インバータを制御するインバータ制御部と、
インバータの超電導界磁コイル側の入力電圧であるシステム電圧を検出する電圧検出手段と、を備え、
切り替え制御ユニットまたはインバータ制御部は、検出されたシステム電圧を一定または一定の範囲とするように、インバータを制御することを特徴とする超電導モータ装置。 - 請求項1に記載の超電導モータ装置において、
超電導界磁コイルと電機子コイルとの間に接続されたインバータと、
インバータを制御するインバータ制御部と、
超電導界磁コイルに流れる電流を検出する電流検出手段と、を備え、
切り替え制御ユニットまたはインバータ制御部は、電流検出手段により検出された電流検出値と、入力される超電導モータのトルク指令値とに対応してトルク電流目標値を決定し、トルク電流目標値に対応してインバータを制御することを特徴とする超電導モータ装置。 - 請求項1に記載の超電導モータ装置において、
超電導界磁コイルと電機子コイルとの間に接続されたインバータと、
インバータを制御するインバータ制御部と、
超電導界磁コイルに流れる電流を検出する電流検出手段と、
超電導モータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、
インバータの超電導界磁コイル側の入力電圧であるシステム電圧を検出する電圧検出手段と、を備え、
切り替え制御ユニットまたはインバータ制御部は、電流検出手段により検出された電流検出値と、回転速度検出手段により検出された回転速度検出値とから超電導モータが発生する誘起電圧を算出し、誘起電圧が小さいときにシステム電圧を小さくし、誘起電圧が大きいときにシステム電圧を大きくするように、インバータを制御することを特徴とする超電導モータ装置。 - 超電導モータ装置を備え、
超電導モータ装置を駆動源として、左右車輪を駆動する電動車両であって、
超電導モータ装置は、請求項1から請求項4のいずれか1に記載した超電導モータ装置であることを特徴とする電動車両。 - 請求項5に記載の電動車両において、
内燃機関を備え、
超電導モータ装置と内燃機関とのうち、少なくとも一方を主駆動源として、左右車輪を駆動し、ハイブリッド車両として使用されることを特徴とする電動車両。 - 請求項6に記載の電動車両において、
超電導モータ装置は、左右車輪のそれぞれに対応して車両の左右両側に少なくとも1個ずつ設けられていることを特徴とする電動車両。 - 請求項7に記載の電動車両において、
左右車輪をそれぞれ駆動する2個の超電導モータ装置の少なくとも一部は、左右車輪のそれぞれの内側に配置されていることを特徴とする電動車両。 - 請求項7または請求項8に記載の電動車両において、
補機に電力を供給する二次電池を備え、
二次電池は、昇圧コンバータを介して電機子コイルと超電導界磁コイルとの少なくとも一方への電力の供給を可能に接続されていることを特徴とする電動車両。 - 請求項9に記載の電動車両において、
電機子コイルと超電導界磁コイルとの間と、昇圧コンバータまたは二次電池との間に設けられ、電機子コイルと超電導界磁コイルとの間と、昇圧コンバータとの間の断接を切り替える第2切り替え手段と、
超電導界磁コイルに流れる電流を検出する電流検出手段と、
電流検出手段により検出された電流検出値が予め設定された所定電流値以下の場合に、第2切り替え手段を接続する第2切り替え制御手段と、を備え、
第2切り替え制御手段は、超電導界磁コイルを流れる電流が不足している場合に、二次電池から超電導界磁コイルへの電力の供給を可能とすることを特徴とする電動車両。 - 請求項10に記載の電動車両において、
第2切り替え制御手段は、電流検出手段により検出された電流検出値が予め設定された第2の所定電流値以上の場合に、第2切り替え手段を切断し、超電導界磁コイルを流れる電流が十分である場合に、二次電池から超電導界磁コイルへの電力の供給を阻止することを特徴とする電動車両。
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