WO2006054675A1

WO2006054675A1 - 車両駆動システムおよびそれを備える車両

Info

Publication number: WO2006054675A1
Application number: PCT/JP2005/021199
Authority: WO
Inventors: Munehiro Kamiya
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2004-11-17
Filing date: 2005-11-14
Publication date: 2006-05-26
Also published as: US7425808B2; CN1951013A; US20070210729A1; EP1835620A1; EP1835620A4; JP2006149031A

Abstract

ロータ（３）には、磁束を遮る障壁であるフラックスバリヤとしてスリット（２２，２４，２６，２８）が設けられている。矢印に示す方向が車両前進時にロータが回転する順方向であり、各スリットは、順方向に遅れる位置から順方向に進む位置に向かって次第に幅が狭くなっている。矢印で示した順方向と反対の逆方向は、鎖交磁束が順方向よりも大きくなるため、高トルク、高逆起電力となり高い電圧を与えないとモータとして出力が出なくなる方向である。したがって逆方向に発生するトルクは回生運転で使用する。これにより、力行運転と回生運転でバランスよく性能が発揮できる車両駆動システムおよびそれを備える車両を提供することができる。

Description

明細書車両駆動システムおよびそれを備える車両技術分野

この発明は、車両駆動システムおよびそれを備える車両に関し、特に、回転電機を含む車両駆動システムおよびそれを備える車両に関する。背景技術

近年、電気自動車やハイブリッド自動車等の駆動用モータとして、小型で効率の良いモータが求められている。このため、同期リラクタンスモータゃ埋込磁石同期モータなどさまざまなモータの研究がなされている。

これらのうちリラクタンスモータについて、効率改善を図るためにフラックスバリヤ型モータの回転子部分に設けるスリットの幅をさまざまに工夫した例が特開平 1 0— 1 5 0 7 5 4号公報に開示されている。特に、図 7ではスリットの磁極中心より回転方向に進んだ位置における幅を回転方向に遅れた位置における幅よりも小さくすることが開示されている。

電気自動車やハイプリッド自動車等の駆動用モータとして使用する場合の重要な特性として、回生運転を行なう点が挙げられる。従来の性能改善方法では、力行運転時の性能が主として追求されており、回生運転時の性能はあまり追求されていなかった。

とくに、自動車では、モータ駆動用の直流電源としてバッテリを搭載しているので、カ行運転時と回生運転時の電圧の変動が無視できない。この電圧変動も考慮した上で、カ行運転および回生運転でバランスよく性能を改善することが求められている。発明の開示

本発明は、カ行運転と回生運転でバランスよく性能が発揮できる車両駆動システムおよびそれを備える車両を提供することを目的とする。この発明は、要約すると、車両駆動システムであって、出力軸の回転方向として順方向と最大出力が順方向より小さな逆方向とを有する構造の回転電機と、回転電機のカ行時には放電し回転電機の回生時には充電され、充電時には端子間電圧が増大し放電時には端子電圧が減少するバッテリと、出力軸の順方向の回転に応じて車両を前進させる方向に回転する回転軸とを備える。

好ましくは、回転電機は、ステータと、順方向回転よりも逆方向回転では最大出力が小さくなる形状を有するロータとを含む。

より好ましくは、ロータは、複数の突極部を有し、複数の突極部の各々は、回転中心を通り出力軸と直交する軸に対して傾斜した形状を有する。

より好ましくは、ロータには、回転中心を通り出力軸と直交する軸に対して非好ましくは、車両駆動システムは、バッテリと回転電機との間の電流授受経路上に配置されるインバータと、回転電機から回転情報を得てインバータを制御する制御装置とをさらに備える。制御装置は、加速指示に応じてロータに順方向のトルクが発生し回転電機がカ行運転を行ない、減速指示に応じてロータに逆方向のトルクが発生し回転電機が回生運転を行なうようにインバータを制御する。この発明の他の局面に従うと、車両であって車両駆動システムと、回転軸に接続された車輪とを備える。車両駆動システムは、出力軸の回転方向として順方向と最大出力が順方向より小さな逆方向とを有する構造の回転電機と、回転電機のカ行時には放電し回転電機の回生時には充電され、充電時には端子間電圧が増大し放電時には端子電圧が減少するバッテリと、出力軸の順方向の回転に応じて車両を前進させる方向に回転する回転軸とを含む。

より好ましくは、ロータには、回転中心を通り出力軸と直交する軸に対して非対称なフラックスバリヤが設けられる。

好ましくは、車両駆動システムは、バッテリと回転電機との間の電流授受経路上に配置されるインバータと、回転電機から回転情報を得てインバータを制御する制御装置とをさらに含む。制御装置は、加速指示に応じてロータに順方向のトノレクが発生し回転電機がカ行運転を行ない、減速指示に応じてロータに逆方向のトルクが発生し回転電機が回生運転を行なうようにインバータを制御する。

本発明によれば、カ行時の最大出力と回生時の最大出力とのバランスがとれた回転電機を備えた車両駆動システムが実現できる。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の車両駆動システム 1 0 0の構成を示す図である。

図 2は、図 1における回転電機 1の第 1例の形状を示す断面図である。

図 3は、図 1における回転電機 1の第 2例の形状を示す断面図である。

図 4は、図 1におけるバッテリ 3 8の電流電圧特性を示した図である。

図 5は、本発明に用いられる回転電機の最大出力制御を行なった場合の運転特性を示した図である。

図 6は、バッテリ電圧変動を考慮した上で本発明に用いられる回転電機の最大出力制御を行なつた場合の運転特性を示した図である。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

図 1を参照して、車両駆動システム 1 0 0は、バッテリ 3 8と、バッテリ 3 8 からカ行運転時にはエネルギを受けまた回生運転時にはバッテリにエネルギを戻す三相インバータ 3 6と、三相インバータ 3 6によって U相、 V相、 W相のコィルに対する電流電圧の制御が行なわれる回転電機 1とを含む。

三相インバータ 3 6は、パワー半導体素子である I G B T 5 2〜6 2を含む。 I G B T 5 2と I G B T 5 4とはバッテリ 3 8の正負電極間に直列に接続され、その接続ノードはモータの U相コイルに接続される。 I G B T 5 6と I G B T 5 8とはバッテリ 3 8の正負電極間に直列に接続され、その接続ノードはモータの V相コイルに接続される。 I G B T 6 0と I G B T 6 2とはバッテリ 3 8の正負電極間に直列に接続され、その接続ノードはモータの W相コィルに接続される。車両駆動システム 1 0 0は、さらに、運転者のアクセル位置を検出するァクセルポジションセンサ 4 1と、モータから回転情報 Pを受けアクセルポジションセンサ 4 1の出力に応じて三相インバ一タ 3 6を制御するコントローラ 4 0とを含む。コントローラ 4 0は、図示しないが、 C P U、 R OM, R AM等を含んでおり、 I G B T 5 2〜6 2の各ゲートを制御する。

車両駆動システム 1 0 0は、さらに、モータの出力軸 4 4に接続される減速機 3 4と、減速機 3 4の出力軸 4 2に接続される車輪 3 2とを含む。

図 2を参照して、回転電機 1 Aはステータ 2と、ロータ 3とを含む。

ステータ 2およびロータ 3の各々は、積層された電磁鋼板で形成されている。ロータ 3の中心部分には、電磁鋼板の中心を貫通する回転軸 4が設けられている。回転電機 1は、車両を駆動するカ行運転をする時にはモータとして動作し、回生運転をして車両に制動をかけるときには発電機として動作する。

ステータ 2は、ステータヨーク 1 3と、ステータヨーク 1 3に接続されているステータコア 1 4と、図示しないが各ステータコア 1 4に卷回されているコイルとを含む。

ロータ 3には、磁束を遮る障壁であるフラックスバリヤとしてスリット 2 2， 2 4， 2 6， 2 8が設けられている。図 2の矢印に示す方向が車両前進時にロータが回転する順方向であり、各スリットは、順方向に遅れる位置から順方向に進む位置に向かって次第に幅が狭くなっている。

図 3を参照して、回転電機 1 Bはステータ 3 0と、ロータ 3 3とを含む。

ステータ 3 0は、ステータヨーク 4 3と、ステータヨーク 4 3に接続されているステータコア 4 5と、図示しないが各ステータコア 4 5に卷回されているコィノレとを含む。

ロータ 3は 2対の突極が形成された 4極のロータである。突極 3 5は軸 X— X に対して傾斜しており左右非対称な形状となっている。図 2の矢印に示す方向が車両前進時にロータが回転する順方向であり、突極 3 5の傾斜方向は、回転中心カら外側に向けて順方向に遅れる側から進む側に傾斜する方向である。

図 3および図 4に示したロータの形状では、矢印で示した順方向と反対の逆方向は、鎖交磁束が順方向よりも大きくなるため、高トルク、高逆起電力となり高い電圧を与えないとモータとして出力が出なくなる方向である。したがって逆方向に発生するトルクは回生運転で使用する。

図 4を参照して、バッテリ 3 8は内部抵抗を有するためカ行運転時すなわち放電時は電流が大きければ大きいほど端子間電圧は降下する。また、回生運転時すなわち充電時は電流が大きければ大きいほど端子間電圧は上昇する。図 4では、放電する電流の向きを正にとつてある。

本発明では、自動車の運転においてカ行運転時と回生運転時の電圧の変動を考慮した上で、カ行運転および回生運転でバランスよく性能を改善する。

図 5を参照して、第 I象限は回転数が正でかつトルクも正の運転状態、第 I I 象限は回転数が負でトルクが正の運転状態、第 I I I象限は回転数が負でかつトルクも負の運転状態、第 I V象限は回転数は正でトルクが負の運転状態である。なお回転数は、図 2および図 3における矢印で示した順方向を正としている。つまり、第 I象限は車両前進時のカ行運転を示し、第 I I象限は車両後退時のカ行運転を示し、第 I I I象限は車両後退時の回生運転を示し、第 I V象限は車両前進時の回生運転を示す。ロータの回転は逆であるがロータに生ずるトノレクの向きは同じであることから第 I象限と第 I I I象限とは対称な形であり、第 I I 象限と第 I V象限とは対称な形である。

図 5において、第 I象限すなわちカ行運転時には、最大出力曲線は、第 V I象限すなわち回生運転時よりも大きくなるように設計されている。ただし、図 5に示す特性は、一定の電源電圧が供給される場合における特性である。図 2、図 3 に示した形状のロータを採用することにより、曲線 P 1の出力を曲,線 P 4の出力よりも大きくできる。なお、回転数が低い場合の最大発生トルクはこの場合曲線 P 4よりも曲線 P 1の方が小さくなる。

なお、カ行時の最大出力とは、正方向のトルクによって回転軸を^]速させる仕事が最大である場合を示し、回生時の最大出力とは、負方向のトルクによって回転軸を減速させる仕事が最大である場合を示す。

図 6は、バッテリ電圧変動を考慮した上で本発明に用いられる回転電機の最大出力制御を行なった場合の運車云特性を示した図である。 '

図 6を参照して、通常の左右対称形状のロータを有するリラクタンスモータの場合を破線で示す。図 4で説明したようにカ行時はバッテリ電圧が低下する。バッテリ電圧の低下によりカ行時の最大出力曲線 W 3は、トルクの大きさが小さいほうにシフトしている。

これに対して、回生時は図 4で説明したようにバッテリ電圧が増加する。このため最大出力曲線 W 4がトルクの絶対値が大きくなるほうにシフトしている。つまり、カ行時の曲線 W 3は回生時の曲線 W 4に比べて大幅に出力低下している。しかし、従来手法によりカ行時に十分な出力が得られるようにモータを設計すると回生時には過剰特性となる。

一方、本発明の場合を実線 W l , W 2で示す。図 5に示した曲線がバッテリ電圧の変動の影響をうけてシフトした結果、図 6に示すようにカ行時の最大出力曲線 W 1と回生時の最大出力曲線 W 2とのバランスがとれたモータが実現できる。今回開示された実施の形態はすべての点で例示であつて制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

Claims

請求の範囲

1. 出力軸（44) の回転方向として順方向と最大出力が前記順方向より小さな逆方向とを有する構造の回転電機（1, 1A) と、

前記回転電機（1， 1 A) のカ行時には放電し前記回転電機（1， 1A) の回生時には充電され、充電時には端子間電圧が増大し放電時には端子電圧が減少するバッテリ（38) と、

前記出力軸（44) の順方向の回転に応じて車両を前進させる方向に回転する回転軸（42) とを備える、車両駆動システム。

2. 前記回転電機（ 1， 1 A) は、

ステータ（2, 30) と、

前記順方向回転よりも前記逆方向回転では最大出力が小さくなる形状を有するロータ（3, 33) とを含む、請求項 1に記載の車両駆動システム。

3. 前記ロータ（33) は、複数の突極部（35) を有し、

前記複数の突極部（35) の各々は、回転中心を通り前記出力軸と直交する軸に対して傾斜した形状を有する、請求項 2に記載の車両駆動システム。

4. 前記ロータ（3) には、回転中心を通り前記出力軸と直交する軸に対して非対称なフラックスバリヤ（22， 24, 26， 28) が設けられる、請求項 2に記载の車両駆動システム。

5. 前記バッテリ（38) と前記回転電機（1, 1A) との間の電流授受経路上に配置されるインバータ（36) と、

前記回転電機（1, 1A) 力回転情報を得て前記インバータ（36) を制御する制御装置（40) とをさらに備え、

前記制御装置（40) は、加速指示に応じて前記ロータ（3, 33) に前記順方向のトルクが発生し前記回転電機（1， 1A) がカ行運転を行ない、減速指示に応じて前記ロータ（3， 3 3) に前記逆方向のトルクが発生し前記回転電機 ( 1， 1 A) が回生運転を行なうように前記ィンバータ（36) を制御する、請求項 1に記載の車両駆動システム。

6. 車両駆動システムを備え、前記車両駆動システムは、

出力軸（44) の回転方向として順方向と最大出力が前記順方向より小さな逆方向とを有する構造の回転電機（1, 1 A) と、

前記回転電機（1, 1 A) のカ行時には放電し前記回転電機の回生時には充電され、充電時には端子間電圧が増大し放電時には端子電圧が減少するバッテリ (38) と、

前記出力軸（44) の順方向の回転に応じて車両を前進させる方向に回転する回転軸（42) とを含み、 - 前記回転軸（42) に接続された車輪（32) をさらに備える、車両。

7. 前記回転電機（1， 1A) は、

ステータ（2， 30) と、

前記順方向回転よりも前記逆方向回転では最大出力が小さくなる形状を有するロータ（3, 33) とを含む、請求項 6に記載の車両。

8. 前記ロータ（33) は、複数の突極部（35) を有し、

前記複数の突極部（35) の各々は、回転中心を通り前記出力軸と直交する軸に対して傾斜した形状を有する、請求項 7に記載の車両。

9. 前記ロータ（3) には、回転中心を通り前記出力軸と直交する軸に対して非対称なフラックスバリヤ（22, 24, 26, 28) が設けられる、請求項 7に記載の.早両。

10. 前記車両駆動システムは、

前記バッテリ（38) と前記回転電機（1) との間の電流授受経路上に配置されるインバータ（36) と、

前記回転電機（1, 1A) から回転情報を得て前記インバータ（36) を制御する制御装置（40) とをさらに含み、

前記制御装置（40) は、加速指示に応じて前記ロータ（3, 33) に前記順方向のトルクが発生し前記回転電機（1, 1A) がカ行運転を行ない、減速指示に応じて前記ロータ（3, 33) に前記逆方向のトルクが発生し前記回転電機 (1, 1 A) が回生運転を行なうように前記インバ一タ（36) を制御する、請求項 6に記載の車両。