(57)【要約】    【課題】  モータの出力特性及び発電負荷を調整することができるハイブリッド自動車を提供する。    【解決手段】  エンジン３と、エンジンの出力軸に連結されたロータ９及びロータに空隙を介して対峙するように設けられたステータ１０を備えたモータ５と、バッテリ６とを有し、ロータに界磁を発生するためのマグネット１２が設けられ、ステータに、界磁の作用を受けるように電機子コイル１４が設けられたハイブリッド自動車１であって、ステータは、ロータの回転軸に沿って相対移動可能に設けられ、ロータに対する回転軸方向でのステータの相対位置を変化させるステータ移動手段１１と、車両の走行状態に応じて、マグネット１２の磁極面とステータの前記マグネットに対峙する対峙面との相対する面積を変化させるようにステータ移動手段１１を制御する可変界磁制御手段１８とを有するようにする。【選択図】    図１
2008143439.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンと、
前記エンジンの出力軸に連結されたロータ及び前記ロータに空隙を介して対峙するように設けられたステータを備えたモータと、
前記モータと電気的に接続されたバッテリとを有し、
前記ロータに界磁を発生するためのマグネットが設けられ、
前記ステータに前記マグネットに対して空隙を介して対峙し、前記界磁の作用を受けるように電機子コイルが設けられたハイブリッド自動車であって、
前記ステータは、前記ロータの回転軸に沿って相対移動可能に設けられ、
前記ロータに対する前記ステータの前記回転軸方向での相対位置を変化させるステータ移動手段と、
アクセルの踏み込み量と、車速と、モータ回転数と、エンジン回転数との少なくとも１つに応じて、前記マグネットの磁極面と前記ステータの前記マグネットに対峙する対峙面との相対する面積を変化させるように前記ステータ移動手段を制御する可変界磁制御手段とを有することを特徴とするハイブリッド自動車。
【請求項２】
前記可変界磁制御手段は、前記モータ又はエンジンの回転数の低下に応じて前記マグネットの磁極面と前記ステータの前記マグネットに対峙する対峙面との相対する面積を増加させるように制御することを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド自動車。
【請求項３】
前記可変界磁制御手段は、前記モータ又はエンジンの回転数の増加に応じて前記マグネットの磁極面と前記ステータの前記マグネットに対峙する対峙面との相対する面積を減少させるように制御することを特徴とする請求項１又は２のいずれか１つに記載のハイブリッド自動車。
【請求項４】
前記可変界磁制御手段は、更に前記バッテリの充電状態に応じて前記マグネットの磁極面と前記ステータの前記マグネットに対峙する対峙面との相対する面積を変化させるように制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載のハイブリッド自動車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハイブリッド自動車に関し、特に駆動及び発電に用いられるモータの界磁を変化させることができるモータを用いたハイブリッド自動車に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ハイブリッド自動車では、構造の簡潔さやバッテリの大きさ、コストの点からパラレル方式が主流となっている。パラレル方式は、エンジンによる走行を主として、発進時や加速時等のエンジンが燃料を多く消費する状態をモータで駆動をサポートし、高速走行時にはエンジンのみにより駆動してモータは発電機として用いられる方式である。
【０００３】
パラレル方式ではモータはエンジンの出力軸に設けられ、エンジンの出力軸と共に回転する。そのため、エンジンのみでの運転時には、モータは出力軸と連動して回転することによりモータの鉄損に起因するフリクションがエンジン出力の一部を消費し、またエンジン高回転時にはモータが自然回生発電し、発電負荷を発生させるという課題がある。また、この自然回生が過剰となる場合のバッテリの破損を防ぐためにモータ駆動電源の昇圧や電子進角等による弱め界磁といった対策が必要となるという課題がある。いずれにしても、この自然回生の対策のためにエネルギを消費する事になり、そのエネルギはエンジン出力から供給されるため、エンジン出力の低下や燃費を悪化させる要因になるという課題がある。また、モータでアシストする回転数も従来は発進時や加速開始時等のエンジン低回転時が主でエンジン即ちモータの高回転時にはモータの回転数が追従出来ずアシスト可能なエンジン回転数領域が狭いといった課題がある。
【０００４】
これらの課題に対して、車両の駆動軸に設けられたモータの電機子コイルが巻かれたステータコアとステータコアに対峙するマグネットとの離間距離を調整可能として、又はステータのティースの配置を変更可能として界磁を調整可能にして、車両の高速走行時には界磁を弱め負荷を小さくするとともに自然回生を抑制することを可能としたものがある（例えば特許文献１を参照）。
【特許文献１】特開２００６−２７１０４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１のようなモータの電機子コイルが巻かれたステータコアとステータコアに対峙するマグネットとの離間距離を調整して界磁を調整する方法では、離間距離に応じて界磁を減少させることができるが、界磁をゼロとすることはできず、自動車の高速走行時におけるモータの発電負荷をゼロとすることはできない。
【０００６】
本発明は上記を鑑みてなされたものであり、広範囲なエンジン回転数でのモータアシストを可能にし、かつ発電動作時は低負荷で低速から高速まで幅広い回転数に対応可能な可変界磁モータを有するハイブリッド自動車を提供する。
【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、本発明の請求項１に係る発明は、エンジンと、前記エンジンの出力軸に連結されたロータ及び前記ロータに空隙を介して対峙するように設けられたステータを備えたモータと、前記モータと電気的に接続されたバッテリとを有し、前記ロータに界磁を発生するためのマグネットが設けられ、前記ステータに前記マグネットに対して空隙を介して対峙し、前記界磁の作用を受けるように電機子コイルが設けられたハイブリッド自動車であって、前記ステータは、前記ロータの回転軸に沿って相対移動可能に設けられ、前記ロータに対する前記ステータの前記回転軸方向での相対位置を変化させるステータ移動手段と、アクセルの踏み込み量と、車速と、モータ回転数と、エンジン回転数との少なくとも１つに応じて、前記マグネットの磁極面と前記ステータの前記マグネットに対峙する対峙面との相対する面積を変化させるように前記ステータ移動手段を制御する可変界磁制御手段とを有するようにした。
【０００８】
また、請求項２に係る発明は請求項１の発明であって、前記可変界磁制御手段は、前記モータ又はエンジンの回転数の低下に応じて前記マグネットの磁極面と前記ステータの前記マグネットに対峙する対峙面との相対する面積を増加させるように制御するようにした。
【０００９】
また、請求項３に係る発明は請求項１又は２の発明であって、前記可変界磁制御手段は、前記モータ又はエンジンの回転数の増加に応じて前記マグネットの磁極面と前記ステータの前記マグネットに対峙する対峙面との相対する面積を減少させるように制御するようにした。
【００１０】
また、請求項４に係る発明は請求項１乃至３のいずれかの発明であって、前記可変界磁制御手段は、更に前記バッテリの充電状態に応じて前記マグネットの磁極面と前記ステータの前記マグネットに対峙する対峙面との相対面積を変化させるように制御するようにした。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１、２、３の発明によれば、モータはエンジンの出力軸に設置され、モータのロータはエンジンの出力軸に機械的に連結されるため、出力軸の回転と連動して回転することになる。ここでモータは、ロータとステータとの間に作用する有効磁束を変更することができるステータ移動手段を有するため、エンジン駆動のみで走行する時のモータにより発生するフリクション（鉄損負荷）や発電負荷を低減し、更にモータ駆動を行う時の出力及び回転数−トルク特性の調整を行うことができ、ハイブリッド自動車の出力特性や燃費を向上させることができる。
【００１２】
エンジンのみによる駆動を行う車両の高速走行時等では、モータは出力軸の回転に伴い強制的に回転させられるため、モータには常に鉄損によるフリクション（負荷）が発生する。更に高回転時には自然回生発電が起こり、より大きな発電負荷を発生させる。これにより、エンジン出力の一部は常に消費され、出力や燃費の低下を引き起こし、また過剰発電によりバッテリが破損される可能性がある。しかし、可変界磁手段であるステータ移動手段によればロータとステータとの間に作用する有効磁束を減少或いは消滅させることができるため、モータのフリクションを低減し、また自然回生を減少或いは消滅させることができ、エンジン駆動により発生したエネルギはモータの鉄損や自然回生により損失することなく出力軸を回転させることに用いられる。また、界磁をゼロとした状態では、モータに発生する鉄損や自然回生はゼロとなり、ロータはフライホイールと同様の機能を発揮する。
【００１３】
モータの界磁を調整する手段を有しない場合には、バッテリが過充電となって破損することを防ぐために、電源電圧を昇圧させて発電開始回転数を高くすることや、モータ動力線又はコントローラ電源線をスイッチ等で遮断することや、モータからの発電電力をレギュレータにより定電圧制御することといった対策が必要となる。モータ動力線や電源線で誘起電圧を遮断する場合には、高い誘起電圧に耐え得る素子が必要になることに加えて、モータは電流が全く流れない状態で回転することになるため、鉄損が最大となって発熱が発生しエネルギ損失となってエンジン出力を低下させる。また、レギュレータによる制御でも発熱よる損失が発生するため、結果としてエンジン出力は低下することになる。また、これらの発熱による昇温を防ぐため、冷却手段を設けることが必要となる。本発明の構成とすることで、このような手間やエネルギの損失を省くことができる。
【００１４】
また、可変界磁手段であるステータ移動手段により、モータ駆動時においてモータ及びエンジンの回転数に応じてモータの最適な界磁を形成することが可能となる。自動車の発進時や加速時等のモータを使用して高トルクが要求される場面では、界磁を最大として高トルクが得られるようにすることができ、モータに高速回転が要求される場面では界磁を弱めてモータを高速回転特性にすることができる。このように状態に応じてモータの界磁を変化させることによってモータの出力特性を変更し、幅広い回転数範囲で走行性能を向上させることができる。
【００１５】
界磁の調整は、アクセルの踏み込み量や車速、モータ回転数、エンジン回転数といった走行状態に応じて可変界磁制御手段によって実施される。これらの走行状態に基づいて制御を行うことで、走行状態に適したモータの特性実現及び発電負荷の低減を図ることができ、ハイブリッド車の走行性能及び燃費の向上を達成することができる。
【００１６】
電機子コイル及びマグネットの間に作用する有効磁束の変更は、電機子コイルが巻かれたコアとコアに対峙するマグネットとの相対する面積の増減により行うことができる。磁束は面積と磁束密度の積で表されるためである。相対面積はロータに対するステータのモータの回転軸方向での移動によって変化し、ステータの移動はステータ移動手段により行われる。
【００１７】
請求項４の発明によれば、可変界磁制御手段はアクセルの踏み込み量や車速、モータ及びエンジンの回転数といった自動車の走行状態に加えてバッテリの充電状態にも応じてモータの界磁を変更制御することができる。バッテリの充電状態を監視して、自動車の高速走行状態においても充電が必要な場合には、界磁を調整し、モータによる発電を行うように制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００１９】
図１は、本発明の実施形態にハイブリッド自動車の構成の概略を示すブロック図である。実施形態のハイブリッド自動車１はパラレル方式のハイブリッド自動車であり、車体２に設けられたエンジン３と、エンジン３と変速機４の間に位置し、エンジン３の出力軸（図１中に図示せず）に設けられたモータ５とを有する。モータ５にはバッテリ６が電気的に連結される。
【００２０】
図２は、モータ５のモータ５の回転軸７に沿った横断面図である。モータ５は、円筒状のモータケーシング８と、エンジン３の出力軸と機械的に連結し、モータケーシング８の上底部及び下底部の中心に設けられた軸受け１８に軸支されるモータ５の回転軸７と、回転軸７に機械的に連結し円筒状の外周壁９ａを有する椀状のロータ９と、ロータ９の外周壁９ａの内壁に相対し、モータの回転軸７と同軸かつ回転軸７方向にスライド移動可能に設けられた円環状のステータ１０と、モータケーシング８の内壁に固定され、ステータ１０と連結し、ステータ１０を回転軸７方向に移動させるステータ移動装置１１とを含んで構成される。
【００２１】
ロータ９の外周壁９ａの内壁にはマグネット１２が円周に沿って複数個配設される。ステータ１０は回転軸７を中心として径方向に延在する複数個のティースを有し、そのティースのマグネット１２と空隙を介して相対する部分に電機子コイル１４が巻かれたステータコア１３を有する。ステータコア１３は回転軸７方向に積層された複数枚の鋼板からなり、マグネットと相対する側と相反する側でステータの基部にねじ止めされ固定される。
【００２２】
ステータ移動装置１１は、ステータ１０を移動させるための駆動力を発生するアクチュエータ１５と、アクチュエータ１５の回転軸に連結された送りねじ２７とを含む。また、ステータの位置を検出するステータ位置検出センサ１６（図２中に図示せず）を装置内に含む。また、ステータ移動装置１１のロータに近接する側壁及びロータの側壁に回転速度検出センサ１７が設けられる。
【００２３】
実施形態のように構成することで、モータ５のロータ９はエンジン３の出力軸と機械的に連結しているため、モータ５の駆動力はエンジンの出力軸に直接に伝えることができる。また、ステータ１０はステータ移動装置１１の送りねじ１９を介してのアクチュエータ１５の駆動によって、モータ５の回転軸７方向にスライド移動することができ、図２中で実線により表される位置から図２中で２点鎖線により表される位置まで移動することが可能である。ステータ１０が図２中で実線の位置にある場合には、ステータコア１３とマグネット１２の相対する面積は最大となり、界磁が最大となって高トルクを得ることができる。また、図２中で２点鎖線により表される位置にステータ１０がある場合には、マグネット１２とステータコア１３との相対する面積はなくなり、その結果マグネット１２とステータコア１３との間に作用する有効磁束をゼロ又はゼロに近い値とすることができる。このことにより、エンジン駆動によってモータが強制回転させられる場合のモータの自然回生を防止することができ、エンジン出力の低下を防ぐことができる。
【００２４】
また、ステータ１０は図２中で実線により表される位置と、２点鎖線により表される位置との間で任意の位置に位置することができるため、ステータコア１３とマグネット１２との互いに相対する面が一部重なった状態を作ることができ、その時のステータコアとマグネットとの相対する面積に応じた界磁を得ることができる。従って、車両の発進や加速時等のモータが低回転の状態では、ステータコアとマグネットとの相対する面積を最大として界磁を最大にし、高トルクが得られるようにし、モータの回転数が増加するにつれて、ステータコアとマグネットとの相対する面積を連続的に減少させて界磁を減少させ、高回転に適した状態にすることができる。モータはそれぞれの回転数に適した界磁を調整することにより、モータの駆動特性を向上させることができる。
【００２５】
また、モータの自然回生の発生をなくすことができるため、上記したようなバッテリの破損を防ぐために従来技術では必要であったモータ動力線等へのスイッチの設置や誘起電圧に伴う発熱の冷却対策を省くことができる。
【００２６】
次にモータ５の界磁の制御方法について説明する。図３は、本発明の実施形態に係るモータの制御部を示すブロック回路図である。
【００２７】
電源としての車載バッテリＢＴ６にトランジスタブリッジ回路を構成するインバータ２０が接続され、Ｕ相・Ｖ相・Ｗ相に対応する３本の出力線がモータ５に接続される。また、モータ５及びインバータ２０に接続し、制御を行う制御部１８は、複数の入力信号を受けてモータ５の回転数の制御と界磁の制御とを行う。ＣＰＵ１９は制御部１８の中で制御を行う回路であり、外部からの入力信号であるアクセルの踏み込み量及び自動車の速度と、バッテリから流れる電流値及びバッテリの電圧値と、モータの回転数と、モータのステータ位置情報とを受け取りモータの制御を行う。
【００２８】
電流測定回路２６は、バッテリＢＴ６とインバータ２０との間でバッテリの負電位側に設けられた電流測定センサが検出した信号を受け取りバッテリから流れる電流値を得る。また、電圧測定回路２２は、バッテリＢＴ６とインバータ２０の間でバッテリの正電位側に接続してバッテリの電圧値を得る。回転速度検出回路２５は、モータに設けられた回転速度検出センサ１７からの信号を受けて、モータの回転速度を得る。ステータ位置検出回路２４は、ステータ移動装置１１に設けられたステータ位置検出センサ１６から信号を受けて、ステータの位置情報を得る。
【００２９】
ＣＰＵ１９は、各信号を受けてＰＷＭ信号生成回路２１とアクチュエータ駆動回路２３に制御信号を送る。ＰＷＭ信号生成回路２１は、モータのＰＷＭ制御を行うためのＰＷＭ信号をインバータ２０に出力するための回路である。ＰＷＭ信号生成回路２１は、ＰＷＭ制御における公知の制御回路であって良い。
【００３０】
アクチュエータ駆動回路２３は、ステータ移動装置１１内に設けられたアクチュエータ１５を駆動するための信号を形成する回路である。ＣＰＵ１９は、回転速度検出回路２５から受けるモータの回転数情報からモータの駆動状態を判断し、外部入力信号のアクセルの踏み込み量及び車両の速度情報やモータ（エンジン）の回転数情報から車両の走行状態を判断し、電圧測定回路２２によって求められた電圧値からバッテリＢＴ６の充電状態を判断し、そこにステータ位置検出回路２４から与えられるステータの位置情報を加えてステータの適正位置及びステータの移動方向及び移動量を算出する。この算出された値に基づいてステータ移動命令をアクチュエータ駆動回路２３に送る。ステータ移動命令を受けたアクチュエータ駆動回路２３はアクチュエータ１５を駆動してステータを所定量移動させる。その結果、ステータコア１３とマグネット１２との相対する面積が変化し、マグネット１２及びステータコア１３との間に作用する界磁を変化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施形態に係るハイブリッド車両の構成の概略を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係るモータのモータの回転軸に沿った横断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係るモータの制御部を示すブロック回路図である。
【符号の説明】
【００３２】
１      ハイブリッド自動車
３      エンジン
５      モータ
６      バッテリ
７      回転軸
９      ロータ
９ａ    外周壁
１０    ステータ
１１    ステータ移動装置
１２    マグネット
１３    ステータコア
１４    電機子コイル
１５    アクチュエータ
１８    制御部
１９    ＣＰＵ
２０    インバータ
【図１】
2008143439.tif 000003
【図２】
2008143439.tif 000004
【図３】
2008143439.tif 000005