JPH0993718A - 電気自動車用永久磁石式モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電気自動車用永久磁石式モータにおいて、誘
起電圧を適切に設定することにより、広範囲の定出力運
転（弱め界磁制御）中にインバータがオフした場合でも
著しい制動トルクを発生したり、大電流が流れてインバ
ータやバッテリ側に悪影響を及ぼすことがないようにす
る。 【解決手段】 永久磁石により巻線に誘起される最高速
度における誘起電圧Ｅ₀を、バッテリの開放電圧にほぼ
等しくなるように、すなわち０．４２８Ｖ₀（Ｖ₀はバッ
テリの開放電圧）に近い値であり、且つ０．４２８Ｖ₀
以下に設定するか、又は最高速時にインバータが停止し
た場合に、モータに自動車のエンジンブレーキ相当の制
動トルクが発生するような誘起電圧、すなわち、Ｅ₀≦
０．２１４Ｖ₀＋｛０．０４５７Ｖ₀ ²＋ωＴ（０．１８
３Ｒｉ＋０．３３３Ｒａ）｝^1/2なる条件式の範囲内に
設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気自動車用永久
磁石式モータに関する。

【０００２】

【従来の技術】電気自動車用の永久磁石式モータは種々
の構造および制御方式が実用化されている。しかし永久
磁石式モータでは永久磁石の磁束により巻線に電圧が誘
起されるので、この誘起電圧を何ボルトで設計するか
で、モータとしての特性、制御方式、モータ＋インバー
タの体格等が決定されると見ることもできる。永久磁石
による誘起電圧とトルク特性の関係の代表例は図３のと
おりである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】一般に、トランスミッ
ションレスの電気自動車などに適用される永久磁石式モ
ータはエンジン＋トランスミッションの特性に近付ける
ために広範囲の定出力特性が要求されている。このため
トルク特性は図３（ａ）となる。

【０００４】この場合、高速域での端子電圧は弱め界磁
制御によって一定電圧に抑えられている。しかし高速域
で駆動中になんらかの原因（故障や制御電源をオフした
場合等）により、モータの駆動源であるところの図４に
示すインバータがオフした場合、巻線端子には高い誘起
電圧が発生することになり、過大な制動トルクが発生し
たり、インバータおよびバッテリ側に悪影響を及ぼす可
能性がある。

【０００５】図４において１はバッテリ、２は、例えば
トランジスタおよび還流ダイオードを逆並列接続したも
のを３相ブリッジ接続したインバータ、３は永久磁石式
モータである。

【０００６】図４に示すように、インバータ２がオフし
た状態では、還流ダイオードが３相整流ブリッジを形成
するので、直流側の電圧よりも永久磁石式モータ３の誘
起電圧の整流値が高い場合には、大きな電流が流れる。

【０００７】この現象を防止するためには、永久磁石式
モータの誘起電圧を低く設計すればよいが、低くし過ぎ
ると電流が増加し、インバータの体格が大となる。そこ
で適切な誘起電圧とした設計が重要となる。

【０００８】本発明は上記の点に鑑みてなされたもので
その目的は、適切な誘起電圧に設計した電気自動車用永
久磁石式モータを提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め本発明は、（１）バッテリの直流電力をインバータに
より交流電力に変換した電力が供給され、広範囲の定出
力運転が行われる電気自動車用永久磁石式モータにおい
て、永久磁石により巻線に誘起される最高速度における
誘起電圧Ｅ₀を、バッテリの開放電圧にほぼ等しくなる
ように設定したことを特徴とし、（２）前記誘起電圧Ｅ
₀は、０．４２８Ｖ₀（Ｖ₀はバッテリの開放電圧）に近
い値であり、且つ０．４２８Ｖ₀以下に設定されている
ことを特徴とし、（３）前記誘起電圧Ｅ₀は、Ｖ₀をバッ
テリの開放電圧、Ｉａｍａｘを電流制限値、Ｒｉをバッ
テリの内部抵抗、Ｒａをモータの巻線抵抗としたとき、
Ｅ₀≦（１／３）｛１．２８３Ｖ₀＋Ｉａｍａｘ（１．６
４６Ｒｉ＋３Ｒａ）｝なる条件式の範囲内に設定されて
いることを特徴とし、（４）バッテリの直流電力をイン
バータにより交流電力に変換した電力が供給され、広範
囲の定出力運転が行われる電気自動車用永久磁石式モー
タにおいて、永久磁石により巻線に誘起される最高速度
における誘起電圧Ｅ₀を、最高速時にインバータが停止
した場合に、モータに自動車のエンジンブレーキ相当の
制動トルクが発生するような誘起電圧に設定したことを
特徴とし、（５）前記誘起電圧Ｅ₀は、Ｖ₀をバッテリの
開放電圧、ωを回転角速度、Ｔをトルク、Ｒｉをバッテ
リの内部抵抗、Ｒａをモータの巻線抵抗としたとき、Ｅ
₀≦０．２１４Ｖ₀＋｛０．０４５７Ｖ₀ ²＋ωＴ（０．１
８３Ｒｉ＋０．３３３Ｒａ）｝^1/2なる条件式の範囲内
に設定されていることを特徴としている。

【００１０】（６）上記のような各条件に従って誘起電
圧Ｅ₀を設定し、永久磁石式モータのギャップ磁束、巻
線などを設計すれば、高速域でインバータがオフした場
合でも過大な制動トルクを発生することなく、またイン
バータやバッテリに悪影響を及ぼすことのない電気自動
車用永久磁石式モータのシステムが構築できる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下図面を参照しながら本発明の
実施の形態を説明する。永久磁石式モータのインバータ
が何等かの原因によってオフした場合には、図４で述べ
たように永久磁石式モータが発電機となってインバータ
の還流ダイオードを通して、誘起電圧の大きさによって
は過大な電流が流れることになる。この場合の回路を等
価的に示すと図１となる。

【００１２】図１においてＥ₀は永久磁石式モータ３の
誘起電圧、Ｘａは同期リアクタンス、Ｒａは巻線抵抗、
Ｖａは１相端子電圧、Ｉａはモータ電流、Ｒｉはバッテ
リ内部抵抗、Ｖ₀はバッテリの開放電圧、Ｖｄｃは直流
側電圧、Ｉｄｃは直流側電流である。

【００１３】図１より、 Ｖ₀＋ＲｉＩｄｃ＝Ｖｄｃ…（１） また、直流電圧と交流電圧との間には、 Ｖｄｃ＝１．３５×３^1/2・Ｖａ…（２） なる関係があり、ダイオードブリッジの入出力には、 ＶｄｃＩｄｃ＝３ＶａＩａ…（３） の関係がある。

【００１４】前記第（２）式および第（３）式より、

【００１５】

【数１】

【００１６】また、ダイオードの損失、永久磁石式モー
タの鉄損などを無視すると、 ＶｄｃＩｄｃ＋３ＲａＩａ²＝３ＩａＥ₀…（５） 第（５）式に第（１）式および第（４）式を代入する
と、 （Ｖ₀＋Ｒｉ・１．２８３Ｉａ）１．２８３Ｉａ＝−３ＲａＩａ²＋３ＩａＥ₀ すなわち、 （Ｖ₀＋Ｒｉ・１．２８３Ｉａ）１．２８３＝−３ＲａＩａ＋３Ｅ₀ となる。そして、 （１．２８３²Ｒｉ＋３Ｒａ）Ｉａ＝３Ｅ₀−１．２８３Ｖ₀ から、 Ｉａ＝（３Ｅ₀−１．２８３Ｖ₀）／（１．６４６Ｒｉ＋３Ｒａ）…（６） となる。すなわちインバータオフ時に流れる電流Ｉａは
数式（６）からわかるように、モータ誘起電圧Ｅ₀、バ
ッテリ開放電圧Ｖ₀、バッテリ内部抵抗Ｒｉおよびモー
タ巻線抵抗Ｒａで決まる。

【００１７】従って、インバータがオフした場合に、全
く電流を流さない条件で永久磁石式モータを設計するも
のであれば、最高回転数において、前記第（６）式より Ｅ₀≦１．２８３Ｖ₀／３＝０．４２８Ｖ₀…（７） となるように設計すれば良い。ただしＥ₀が０．４２８
Ｖ₀よりかなり小さいと、同一のトルクを得るための電
流が大きくなるので、極力０．４２８Ｖ₀に近い値とす
ることが望まれる。

【００１８】一方、インバータのオフ時に多少電流が流
れても、極端な制動トルクが発生しない場合や、インバ
ータやバッテリに悪影響を及ぼさない場合には、第
（６）式より電流制限値をＩａｍａｘとして、 Ｅ₀≦（１／３）｛１．２８３Ｖ₀＋Ｉａｍａｘ（１．６４６Ｒｉ＋３Ｒａ）｝ …（８） として設計すれば良い。この場合は、誘起電圧Ｅ₀を第
（７）式よりも高くすることができ、モータ駆動時の電
流を小さくすることができる。

【００１９】次に第（８）式を制動トルクで制限する場
合について述べる。 Ｔ＝ＫｔＩａ…（９） Ｅ₀＝Ｋｖω…（１０） ここに、Ｋｔ：トルク定数（Ｎｍ／Ａ） Ｋｖ：誘起電圧定数（Ｋｔ＝３Ｋｖ） ω：回転角速度（ｒａｄ／ｓ） 前記第（９）、（１０）式より、

【００２０】

【数２】

【００２１】第（１１）式を第（６）式に代入し、 ωＴ／３Ｅ₀＝（３Ｅ₀−１．２８３Ｖ₀）／（１．６４
６Ｒｉ＋３Ｒａ） これより ωＴ（１．６４６Ｒｉ＋３Ｒａ）＝３Ｅ₀（３Ｅ₀−１．
２８３Ｖ₀） ９Ｅ₀ ²−３．８４９Ｅ₀Ｖ₀＝ωＴ（１．６４６Ｒｉ＋３
Ｒａ） ゆえに、

【００２２】

【数３】

【００２３】となる。

【００２４】前記第（８）、（１２）式により、誘起電
圧Ｅ₀を決定した場合、インバータオフ時に高速域で制
動トルクを発生するが、回転数の低下とともに、電流ト
ルクが減少し、第（７）式以下の誘起電圧となったとこ
ろで電流トルクが零となる。

【００２５】尚、現実的には第（７）式のＥ₀〜第（１
２）式のＥ₀の範囲内で設計すれば実用上問題はない。

【００２６】

【実施例】次にバッテリおよびモータの条件を、９５Ａ
ｈを２４個、Ｒｉ＝０．１７７Ω、Ｖ₀＝３０２．４
Ｖ、Ｒａ＝０．００７４Ω、Ｖａ＝８６．６Ｖ（線間１
５０Ｖ）とし、実際の誘起電圧Ｅ₀を設計してみる。

【００２７】まず最高速、インバータオフにて電流を流
さないための誘起電圧Ｅ₀は第（７）式から、 Ｅ₀＝０．４２８×３０２．４＝１２９．４Ｖ…（相電
圧） 尚、線間電圧は、１２９．４×（１５０／８６．６）＝
２２４．２Ｖとなる。

【００２８】また、エンジンブレーキ相当の制動トルク
を得る場合の誘起電圧Ｅ₀は、Ｔ＝２８Ｎｍ（減速度
０．０５Ｇ相当）、ω＝１２５６．６ｒａｄ／ｓ（１２
０００ｒｐｍ）とすると、前記第（１２）式から、 Ｅ₀＝０．２１４×３０２．４＋｛０．０４５７×３０２．４²＋１２５６．６ ×２８×（０．１８３×０．１７７＋０．３３３×０．００７４）｝^1/2 ＝６４．７＋｛４１７９＋３５１８５（０．０３２４＋０．００２４６） ｝^1/2 ＝１３８．２Ｖ…（相電圧） 尚、線間電圧は、１３８．２×（１５０／８６．６）＝
２３９．４Ｖとなる。

【００２９】この場合の最大電流Ｉａｍａｘは、Ｉａｍ
ａｘ＝ωＴ／３Ｅ₀＝（１２５６．６×２８）／（３×
１３７．０）＝８５．６Ａである。

【００３０】上記のような各条件に従って誘起電圧Ｅ₀
を設定し、永久磁石式モータのギャップ磁束、巻線など
を設計すれば、高速域でインバータがオフした場合でも
過大な制動トルクを発生することなく、またインバータ
やバッテリに悪影響を及ぼすことのない電気自動車用永
久磁石式モータのシステムが構築できる。

【００３１】尚上記実施例におけるトルク、誘起電圧、
モータ端子電圧等の特性は図２のように示される。

【００３２】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、永久磁石
により巻線に誘起される最高速度における誘起電圧Ｅ₀
を、バッテリの開放電圧にほぼ等しくなるように設定す
るか、又は、最高速時にインバータが停止した場合に、
モータに自動車のエンジンブレーキ相当の制動トルクが
発生するような誘起電圧に設定したので、次のような優
れた効果が得られる。

【００３３】（１）広範囲の定出力運転（弱め界磁制
御）中にインバータがオフした場合でも著しい制動トル
クを発生したり、大電流が流れてインバータやバッテリ
側に悪影響を及ぼすことがない。 （２）モータの誘起電圧を必要以上に下げないので、モ
ータ駆動時の電流も小さく、インバータの体格も大きく
ならない。 （３）電気自動車駆動系としての信頼性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す等価回路図。

【図２】本発明の一実施例によるモータの特性図。

【図３】従来のモータの特性図。

【図４】永久磁石式モータの駆動源であるインバータの
主回路構成を示す回路図。

【符号の説明】

１…バッテリ ２…インバータ ３…永久磁石式モータ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 バッテリの直流電力をインバータにより
   交流電力に変換した電力が供給され、広範囲の定出力運
   転が行われる電気自動車用永久磁石式モータにおいて、 永久磁石により巻線に誘起される最高速度における誘起
   電圧Ｅ₀を、バッテリの開放電圧にほぼ等しくなるよう
   に設定したことを特徴とする電気自動車用永久磁石式モ
   ータ。
2. 【請求項２】 前記誘起電圧Ｅ₀は、０．４２８Ｖ₀（Ｖ
   ₀はバッテリの開放電圧）に近い値であり、且つ０．４
   ２８Ｖ₀以下に設定されていることを特徴とする請求項
   １に記載の電気自動車用永久磁石式モータ。
3. 【請求項３】 前記誘起電圧Ｅ₀は、Ｖ₀をバッテリの開
   放電圧、Ｉａｍａｘを電流制限値、Ｒｉをバッテリの内
   部抵抗、Ｒａをモータの巻線抵抗としたとき、Ｅ₀≦
   （１／３）｛１．２８３Ｖ₀＋Ｉａｍａｘ（１．６４６
   Ｒｉ＋３Ｒａ）｝なる条件式の範囲内に設定されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の電気自動車用永久磁
   石式モータ。
4. 【請求項４】 バッテリの直流電力をインバータにより
   交流電力に変換した電力が供給され、広範囲の定出力運
   転が行われる電気自動車用永久磁石式モータにおいて、 永久磁石により巻線に誘起される最高速度における誘起
   電圧Ｅ₀を、最高速時にインバータが停止した場合に、
   モータに自動車のエンジンブレーキ相当の制動トルクが
   発生するような誘起電圧に設定したことを特徴とする電
   気自動車用永久磁石式モータ。
5. 【請求項５】 前記誘起電圧Ｅ₀は、Ｖ₀をバッテリの開
   放電圧、ωを回転角速度、Ｔをトルク、Ｒｉをバッテリ
   の内部抵抗、Ｒａをモータの巻線抵抗としたとき、Ｅ₀
   ≦０．２１４Ｖ₀＋｛０．０４５７Ｖ₀ ²＋ωＴ（０．１
   ８３Ｒｉ＋０．３３３Ｒａ）｝^1/2なる条件式の範囲内
   に設定されていることを特徴とする請求項４に記載の電
   気自動車用永久磁石式モータ。