(57)【要約】【課題】４輪駆動可能な車両において、後輪駆動に用いられる誘導電動機を駆動するインバータを小容量化し小型化するとともにコスト低減できる車両用モータ装置を提供する。【解決手段】車両用モータ装置１は車両に搭載され後輪に駆動力を発生させる後輪駆動装置の駆動源として用いられ、３相巻線形の誘導電動機８、バッテリ２、およびＥＣＵ１３を備える。ＥＣＵ１３はインバータ３および制御回路６を備え、インバータ３は誘導電動機８の回転子巻線に接続され、バッテリ２の直流電力から交流電圧を生成し誘導電動機８を回転駆動する。制御回路６は誘導電動機８の回転速度を検出し、回転周波数にすべり周波数を加算してインバータ３の出力周波数を与える。誘導電動機８の固定子巻線にジェネレータ１５から３相の１次電力が供給され、回転子巻線にインバータ３から３相の２次電力が供給される。この２重給電により誘導電動機８を回転速度制御することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両に搭載され後輪を駆動する電動モータと、
エンジンに接続され前記電動モータの固定子に1次電力を供給する発電機と、
前記電動モータを駆動する高電圧の直流電源と、
前記直流電源に接続され複数のスイッチング素子を含み、指令値に基づいて前記電動モータの回転子に２次電力を供給するインバータと、
前記インバータを制御する制御回路と、を備え、
前記電動モータは、前記回転子に巻線を有した３相巻線形の誘導電動機からなることを特徴とする車両用モータ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の車両用モータ装置において、
前記電動モータは、前記インバータから前記回転子に供給される前記２次電力の周波数を変化させることにより回転速度を制御されることを特徴とする車両用モータ装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の車両用モータ装置において、
前記インバータは、前記電動モータの定格出力と所定のすべり分との積からなる容量を有して形成されることを特徴とする車両用モータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両用モータ装置に関し、特に、後輪を駆動する誘導電動機を備えて車両に搭載されるモータ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境に配慮した自動車として、電動モータからの駆動力により走行するハイブリッド車や電気自動車などが注目され、実用化されている。例えば、ハイブリッド車は従来のガソリンエンジンに加え、直流電源（以下、バッテリという）とインバータと、インバータによって駆動される電動モータとを動力源とする自動車である。すなわち、ガソリンエンジンを駆動することにより動力源を得るとともに、直流電源からの直流電圧をインバータによって交流電圧に変換し、その変換された交流電圧により電動モータを回転させることによってさらに動力源を得るものである。
【０００３】
一方、ハイブリッド車の技術を利用して、４輪駆動が可能な車両も提案されている。このような電動４輪駆動車では、後輪の動力系統には電動モータが配設されており、電動モータのロータに結合された出力軸がディファレンシャルギヤ（減速機）を介して後輪を備えた後車軸に結合されている。電動モータのステータは車体ケースに固定されている。電動モータはモータジェネレータ（同期電動発電機）として構成され、駆動回路（交流モータの場合は、インバータ）を介してバッテリに電気的に接続されている（例えば、特許文献１参照）。また、後輪駆動手段として誘導電動機が搭載されて後輪を駆動する前後輪駆動車両が開示されている（例えば、特許文献２参照）。この誘導電動機には電源としてのバッテリから供給される直流電流を交流電流に変換する入力手段としてのインバータが接続されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２９９００７号公報
【特許文献２】特開平３−１５９５０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
例えば、上記の電動４輪駆動車は、坂道走行時の使用など比較的大出力（例えば、数１０ＫＷ）の後輪駆動用の電動モータを備えた自動車である。このため、インバータとして電動モータの出力に応じた大容量のドライバを備えたモータ駆動回路が必要となる。しかしながら、ドライバの容量が大きくなるとインバータが大型化し、搭載スペースの増大や冷却装置の設置が必要となるためコスト高を招くおそれがある。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、４輪駆動可能な車両において、後輪駆動に用いられる誘導電動機を駆動するインバータを小容量化し、小型化するとともにコスト低減できる車両用モータ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、車両用モータ装置において、車両に搭載され後輪を駆動する電動モータと、エンジンに接続され前記電動モータの固定子に1次電力を供給する発電機と、前記電動モータを駆動する高電圧の直流電源と、前記直流電源に接続され複数のスイッチング素子を含み、指令値に基づいて前記電動モータの回転子に２次電力を供給するインバータと、前記インバータを制御する制御回路と、を備え、前記電動モータは、前記回転子に巻線を有した３相巻線形の誘導電動機からなることを要旨とする。
【０００８】
上記構成によれば、エンジンに接続された発電機から３相巻線形の誘導電動機の固定子巻線に１次電力を供給し、直流電源からインバータを介して誘導電動機の回転子巻線に２次電力を供給することにより誘導電動機を回転駆動すると、回転子に結合された回転軸を見かけ上同期速度で回転させる通常の同期電動機として運転することができる。これにより、後輪駆動用の電動モータとして誘導電動機を用いて回転速度制御することが可能になる。また、インバータを用いて２重給電（超同期セルビウス方式）を行なうことにより２次電力の流れが可逆になるので、容易に誘導電動機の回生動作が可能になりエネルギー効率の向上につながる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の車両用モータ装置において、前記電動モータは、前記インバータから前記回転子に供給される前記２次電力の周波数を変化させることにより回転速度を制御されることを要旨とする。
【００１０】
上記構成によれば、２重給電により駆動される巻線形誘導電動機は、回転子の巻線にインバータから可変周波数の電力が印加されるので、インバータのすべり周波数を変化させることにより回転速度を制御することができる。これにより、後輪駆動用の電動モータとして誘導電動機を用いて回転速度制御が可能になる。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の車両用モータ装置において、前記インバータは、前記電動モータの定格出力と所定のすべり分との積からなる容量を有して形成されることを要旨とする。
【００１２】
上記構成によれば、誘導電動機を回転速度制御するための２次電力は、モータ定格出力とすべり分の積で表わされる程度の容量を供給すればよいので、インバータに備えられるドライバの容量を小さくすることができる。これにより、インバータを小型化し、搭載スペースの減少や冷却装置が不要となるので、コスト低減を図ることが可能になる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、４輪駆動可能な車両において、後輪駆動に用いられる誘導電動機を駆動するインバータを小容量化し、小型化するとともにコスト低減できる車両用モータ装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係る車両用モータ装置を搭載した電動４輪駆動車の概略構成を示すブロック図。
【図２】図１の車両用モータ装置の駆動回路の概略構成を説明する図。
【図３】電動モータの駆動および制動動作での電力の流れを示す図。
【図４】電動モータの回転速度制御を説明するための図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、本発明の実施形態について、図に基づいて具体的に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る車両用モータ装置１を搭載した電動４輪駆動車の概略構成を示すブロック図である。
【００１６】
図１に示すように、この車両には、走行用の駆動源としてガソリンエンジン（以下、エンジンという）１５が搭載されており、エンジン１５の出力軸には前輪変速機としてのトランスミッション１４が接続されている。エンジン１５と発電機であるジェネレータ１６とをトランスミッション１４により接続し、このトランスミッション１４の出力軸は、前輪１７へ接続されている。また、電動４輪駆動車（電動４ＷＤ）の後輪駆動システムとして、後輪駆動装置１２および後輪駆動装置１２内の後輪駆動用の誘導電動機（電動モータ）８を駆動制御する後輪駆動用制御装置（以下、ＥＣＵという）１３を備えている。ここで、ジェネレータ１６、整流器１９、バッテリ（直流電源）２、ＥＣＵ１３および誘導電動機８により車両用モータ装置１が構成されている。
【００１７】
エンジン１５の駆動力は、トランスミッション１４を介して前輪１７に伝達され、前輪１７を駆動する。エンジン１５の出力は、図示しないエンジンＥＣＵからの指令により制御され、前輪１７を駆動するだけでなく、ジェネレータ１６を駆動する。また、前輪１７によって回生制動を行なう場合には、ジェネレータ１６により得られる回生電力を整流器１９を介してバッテリ２に供給し充電する。整流器１９は交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣコンバータである。ジェネレータ１６は、発電する場合には、エンジン１５の動力を用いて発電機として交流電力を出力する。さらに、ジェネレータ１６は後輪駆動用の誘導電動機８の１次側の固定子巻線に３相の駆動電力を供給する。
【００１８】
後輪駆動装置１２は、誘導電動機８、減速機（以下、ディファレンシャルギヤという）４、およびクラッチ５により構成されており、クラッチ５をディファレンシャルギヤ４の最終段に設置している。駆動源用の誘導電動機８として、例えば、３相の巻線形誘導電動機が使用されている。巻線形誘導電動機は、３相結線した巻線形回転子をスリップリング、ブラシを介して外部回路（例えば、インバータや２次抵抗など）に接続した誘導電動機である。
【００１９】
誘導電動機８の駆動力は、ディファレンシャルギヤ４、クラッチ５を介して、後輪７に伝達され、後輪７を駆動する。クラッチ５が連結されると、誘導電動機８の回転力により後輪７を駆動する。クラッチ５が開放されると、誘導電動機８は後輪７から機械的に切り離され、後輪７は駆動力を路面に伝えなくなる。
【００２０】
バッテリ２は、高電圧（例えば、１００Ｖ以上、２５０Ｖなど）の直流電源で、例えば、充放電可能なニッケル水素やリチウムイオンなどの２次電池からなる。バッテリ２は直流電力をＥＣＵ１３に供給するとともに、ＥＣＵ１３からの直流電力により充電される。
【００２１】
ＥＣＵ１３は、制御回路６と、インバータ３とから構成され、後輪駆動装置１２に接続されている。制御回路６は低電圧（例えば，１２Ｖなど）の図示しない補助電源に接続され、車両の駆動を制御する車両コントロールユニット１８から指令を受け、後輪駆動装置１２他を制御する。インバータ３とバッテリ２との間には、図示しないリレーが設けられ車両が非運転時には高電圧が遮断される。
【００２２】
また、インバータ３は制御回路６からの指令に基づき、誘導電動機８において所要の動力を任意に制御できるように設けられている。インバータ３は、本実施形態では可変周波数電源として機能しバッテリ２に蓄えられた直流電力を３相の交流電力に変換し、誘導電動機８の２次側の回転子巻線に供給する。車両の制動時には、後輪７から回生トルクにより、誘導電動機８が回生され、回生電力を得ることができる。
【００２３】
さらに、車両コントロールユニット１８は、図示しないエンジンＥＣＵや、制御回路６とＣＡＮなどの通信手段でつながっており、後輪駆動用の誘導電動機８への指令値の演算など、駆動システム全体の制御をおこなうコントローラである。車両コントロールユニット１８から得られるエンジン回転数やトルク指令に基づき、制御回路６はインバータ３および誘導電動機８を制御する。
【００２４】
次に、図２は、図１の車両用モータ装置１の駆動回路の概略構成を説明する図である。
車両用モータ装置１は、例えば、図１に示す電動４輪駆動車に搭載され後輪７に駆動力を発生させる後輪駆動装置１２などの駆動源として用いられる。図２に示すように、車両用モータ装置１は３相巻線形の誘導電動機８、バッテリ２、および駆動回路としてＥＣＵ１３を備えて構成されている。ＥＣＵ１３は、インバータ３および制御回路６を備え、バッテリ２と誘導電動機８との間に接続され回転子巻線に２次電源として交流電力を供給している。また、ジェネレータ１６が誘導電動機８の固定子巻線に接続され誘導電動機８の１次電源として交流電力を供給している。
【００２５】
インバータ３は、バッテリ２の直流電力から交流電圧を生成し、誘導電動機８の回転子巻線に接続され誘導電動機８を回転駆動する。インバータ３は複数（本実施形態では、６個）のスイッチング素子（例えば、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴなど）Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２を含んでいる。本実施形態では、各スイッチング素子Ｕ１〜Ｗ２は、Ｎチャンネル型のＭＯＳＦＥＴであり、ＰＮ接合ダイオードをそれぞれ内蔵している。この内蔵ダイオードのアノードは対応するスイッチング素子のソースに、カソードは対応するスイッチング素子のドレインに電気的に接続されている。
【００２６】
インバータ３のこれら６個のスイッチング素子Ｕ１〜Ｗ２を２個ずつ直列に接続して形成された３つの直流回路（以下、アームという）は、直流母線の電源ラインおよび接地ラインの間に並列に設けられている。アームのスイッチング素子Ｕ１〜Ｗ２のそれぞれの接続点Ｕ，Ｖ，Ｗ（例えば、Ｕ相に対応したスイッチング素子Ｕ１，Ｕ２の接続点）は、誘導電動機８の回転子巻線（Ｕ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線、図示せず)の一端に直接接続されている。そして、３相の回転子巻線の他端は、共通の接続点（中性点、図示せず）に接続されている。
【００２７】
制御回路６は、誘導電動機８の回転速度（回転角度周波数ｆｍ）を検出し、誘導電動機８が目標回転速度（目標回転角度周波数ｆｍ＊）となるように制御を行なう。つまり、インバータ３の出力周波数（＝すべり周波数）ｆｓをｆｓ＝ｆｇ−ｆｍ＊となるように制御を行なう。ここで、ｆｇはジェネレータ１６から1次電源として誘導電動機８に供給される交流電源の周波数である。制御回路６は、例えば、誘導電動機８の回転軸１１（図３参照）に取り付けられた速度検出器（例えば、回転角センサ）を介して回転速度を得ることができる。これらのデータに基づいて演算を行ってＰＷＭデューティ制御信号（以下、ＰＷＭ信号という）を生成し、インバータ３を動作させて誘導電動機８に２次電力を供給し、誘導電動機８の回転駆動を行なう。制御回路６から出力された各相のＰＷＭ信号は、インバータ３に含まれる６個のスイッチング素子Ｕ１〜Ｗ２のゲート端子にそれぞれ接続されている。
【００２８】
上記の構成によれば、誘導電動機８の固定子巻線にジェネレータ１６から３相の１次電力が供給され、回転子巻線にはインバータ３から３相の２次電力が供給される。したがって、この２重給電（超同期セルビウス方式）を適用することによって巻線形の誘導電動機８を回転駆動することができる。
【００２９】
次に、図３は、誘導電動機８の駆動および制動動作での電力の流れを示す図である。
図３に示すように、ジェネレータ１６（図２参照）から出力される３相の交流電力は１次電力Ｐｓとして誘導電動機８の固定子巻線に供給される。誘導電動機８の機械的出力をＰｍ、インバータ３から回転子巻線に供給される２次電力をＰｒ、すべりをＳ（＝（同期速度−回転軸速度）／同期速度）とすると、各電力の大きさは、Ｐｓ＝Ｐｍ／（１−Ｓ）、Ｐｒ＝ＳＰｓの関係で表される。モータ駆動による力行動作時には、２次電力Ｐｒの流れは図中ａで示す方向になり、電力は回転子巻線に供給される。モータ制動による回生動作時には、２次電力Ｐｒの流れは図中ｂで示す方向になり、電力は回転子巻線からインバータ３を介してバッテリ２に供給され充電される。
【００３０】
次に、図４は、誘導電動機８の回転速度制御を説明するための図である。
図４に示すように、誘導電動機８の３相の固定子巻線に１次電源周波数相当（ｆｇ）の交流電圧Ｖ１が供給され、３相の回転子巻線にすべり周波数ｆｓの交流電圧Ｖ２が供給される。ここで、固定子巻線の回転磁界の回転速度をＮ１、回転子巻線の回転磁界の回転速度をＮ２、回転軸１１の回転速度をＮｒとすると、各回転速度の大きさは、Ｎ１＝Ｎｒ＋Ｎ２の関係で表わされる。
【００３１】
回転軸１１の回転速度Ｎｒに回転子巻線における回転磁界の回転速度Ｎ２が加算され、回転軸１１は１次電源周波数相当の速度（見かけ上、同期速度）Ｎ１で回転していることになる。すなわち、回転子１０に結合された回転軸１１は速度可変でありながら、固定子９側から見ると、同期速度Ｎ１で回転制御している通常の可変速の同期電動機になる（例えば、Ｎ１＝１０００ｍｉｎ−１、Ｎｒ＝９００ｍｉｎ−１とした場合、Ｎ２＝１００ｍｉｎ−１を回転子巻線の回転磁界により生成する）。
【００３２】
以上のように、容量が比較的小さいインバータ３を誘導電動機８の回転子巻線に接続し可変周波数の２次電力を供給することにより回転軸１１の高速領域における回転速度を制御することが可能になる。この場合、回転速度制御のために必要なインバータ３から回転子巻線へ供給する２次電力は、誘導電動機８の定格出力容量×所定のすべり分程度あればよい（通常、すべりは数％程度）。このため、例えば、最大すべりを０．１（１０％）と設定した場合に、インバータ容量は誘導電動機８の定格出力容量の１／１０程度に抑えることができる。
【００３３】
次に、上記のように構成された本発明の実施形態に係る車両用モータ装置１の作用および効果について説明する。
【００３４】
上記実施形態によれば、エンジン１５に接続されたジェネレータ１６から誘導電動機８の３相の固定子巻線に１次電力を供給し、バッテリ２からインバータ３を介して誘導電動機８の３相の回転子巻線に２次電力を供給することにより誘導電動機８を回転駆動すると、回転子１０に結合された回転軸１１を見かけ上同期速度で回転させる通常の同期電動機として運転することができる。
【００３５】
また、２重給電（超同期セルビウス方式）により駆動される誘導電動機８は、回転子巻線にインバータ３から可変周波数の２次電力が印加されるので、周波数を変化させることにより回転軸１１の回転速度を制御することができる。さらに、誘導電動機８を回転速度制御するための２次電力は、誘導電動機定格出力とすべり分の積で表わされる程度の容量をインバータ３に供給すればよいので、インバータ３に備えられるドライバの容量を小さくすることができる。
【００３６】
これにより、後輪駆動用の電動モータとして誘導電動機８を用いて回転速度制御が可能になる。この結果、インバータ３を小型化し、冷却装置も不要になるので、搭載スペースの減少やコスト低減を図ることが可能になる。また、インバータ３を用いて２重給電を行なうことにより２次電力の流れが可逆になるので、容易に誘導電動機８の回生動作が可能になりエネルギー効率の向上につながる。
【００３７】
以上のように、本発明の実施形態によれば、４輪駆動可能な車両において、後輪駆動に用いられる誘導電動機を駆動するインバータを小容量化し、小型化するとともにコスト低減できる車両用モータ装置を提供できる。
【００３８】
以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明はさらに他の形態で実施することも可能である。
【００３９】
上記実施形態では、インバータ３を用いて２重給電（超同期セルビウス方式）する場合について説明したが、これに限定されるものでなく、２次電力の流れを可逆にすることが可能な他の装置（例えば、サイクロコンバータなど）を用いてもよい。
【００４０】
上記実施形態では、同期速度以下（すべりＳ＞０）の高速領域の回転速度のみで駆動される場合について説明したが、これに限定されるものでなく、インバータ３を用いることで２次電力の流れが可逆となるので、同期速度以上（Ｓ＜０）の回転速度での回転制御も可能になる。
【００４１】
上記実施形態では、前輪用駆動源としてエンジン１５と、後輪駆動源として誘導電動機８とを備えた電動４輪駆動車について説明したが、これに限定されるものでなく、他の構成からなる車両に用いてもよい。例えば、電動モータを駆動することにより走行するハイブリッド車（例えば、シリーズ・パラレルハイブリッド方式など）に適用することもできる。
【００４２】
なお、このハイブリッド車はエンジンと電動発電機であるモータジェネレータとの駆動力がトランスミッションを介して前輪に伝達され、前輪を駆動する。エンジンの出力は、エンジンＥＣＵからの指令により制御され、前輪を駆動するだけでなく、モータジェネレータを駆動する場合もある。モータジェネレータは、車両の走行状態に応じて、発電機として機能したり、あるいはモータとして機能したりして、前輪を駆動する場合には、バッテリに蓄えられた電力を用いてインバータを介してモータ駆動する。また、前輪によって回生制動を行なう場合には、モータジェネレータにより得られる回生電力をインバータを介してバッテリに供給し充電する。
【００４３】
上記実施形態において、バッテリ２は高電圧の直流電源として説明したが、これに限定されるものでなく、高圧電源から降圧された直流電圧や低電圧（例えば、１２Ｖなど）の直流電源を用いてもよい。
【００４４】
上記実施形態では、巻線形の誘導電動機８を備えた車両用モータ装置１を電動４輪駆動車に搭載される後輪駆動装置１２に用いる場合について説明したが、これに限定されるものでなく、３相の巻線形誘導電動機を使用する輸送機器やその他各種産業機械などのモータ装置に適用することも可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１：車両用モータ装置、２：バッテリ（直流電源）、３：インバータ、
４：ディファレンシャルギヤ、５：クラッチ、６：制御回路、７：後輪、
８：巻線形誘導電動機（電動モータ）、９：固定子、１０：回転子、１１：回転軸、
１２：後輪駆動装置、１３：ＥＣＵ、１４：トランスミッション、１５：エンジン、
１６：ジェネレータ（発電機）、１７：前輪、１８：車両コントロールユニット、
１９：整流器、
Ｓ：すべり、Ｐｓ：１次電力、Ｐｒ：２次電力、Ｐｍ：モータ機械的出力、
Ｖ１：１次側電圧、Ｖ２：２次側電圧、ｆｓ：すべり周波数、ｆｍ：回転角度周波数、
ｆｍ＊：目標回転角度周波数、ｆｇ：誘導電動機1次側の電源周波数、
Ｎ１：同期速度（固定子巻線の回転磁界速度）、Ｎ２：回転子巻線の回転磁界速度、
Ｎｒ：回転軸速度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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