(57)【要約】【課題】モータ駆動の電源としてのキャパシタに、回生エネルギーの多寡にかかわらず、できるだけ十分な電荷を蓄積させることが可能なモータ駆動システムを提供する。【解決手段】モータ駆動システムにおいて、熱機関制御装置６０は、直流定電流電源装置１内のウルトラキャパシタ８４の電圧を測定する電圧測定部７２と、その測定電圧に応じて熱機関駆動直流発電機５０の作動を制御する作動制御部７４とを有し、熱機関駆動直流発電機５０は、熱機関制御装置６０による制御に応じて発電を行って、ウルトラキャパシタ８４に電荷を蓄積させ、直流定電流電源装置１内の電圧制御装置８２は、ウルトラキャパシタ８４からの直流電圧を入力し、出力電流が直流定電流となるように多相点電流モータ３の起電力に応じて出力電圧の極性及び大きさを制御する。【選択図】図２
2008113520.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱機関駆動直流発電機と、該熱機関駆動直流発電機を制御する制御装置と、キャパシタを内蔵する電源装置と、前記電源装置からの直流電流の方向を制御して矩形波交流電流を生成するインバータと、巻線を流れる前記インバータからの矩形波交流電流に応じた駆動及び制動を行うモータとを有するモータ駆動システムであって、
前記制御装置は、
前記キャパシタの電圧を測定する電圧測定手段と、
前記電圧測定手段により測定された電圧に応じて前記熱機関駆動直流発電機の作動を制御する作動制御手段とを有し、
前記熱機関駆動直流発電機は、
前記作動制御手段による制御に応じて発電を行って、前記キャパシタに電荷を蓄積させ、
前記電源装置は、
前記キャパシタからの直流電圧を入力し、出力電流が直流定電流となるように前記モータの起電力に応じて出力電圧の極性及び大きさを制御する電圧制御手段を有することを特徴とするモータ駆動システム。
【請求項２】
前記作動制御手段は、前記電圧測定手段により測定された電圧が予め定められた所定値以下になった場合に、前記熱機関駆動直流発電機を作動させることを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動システム。
【請求項３】
前記熱機関駆動直流発電機と前記キャパシタとの間に接続され、前記キャパシタに蓄積された電荷が前記熱機関駆動直流発電機に逆流することを防止する逆流防止手段を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のモータ駆動システム。
【請求項４】
前記逆流防止手段は、前記熱機関駆動直流発電機の側をアノードとし、前記キャパシタの側をカソードとするダイオードであることを特徴とする請求項３に記載のモータ駆動システム。
【請求項５】
前記キャパシタは、ウルトラキャパシタであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のモータ駆動システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータを利用して電気自動車等の駆動を行うモータ駆動システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
直流モータは、インバータ制御によって駆動される。具体的には、直流モータ内の回転子の位置が検出され、インバータがその位置情報に基づいて直流モータへの通電を制御する。
【０００３】
直流モータでは、一般に、回転子の磁石材は、円筒型永久磁石により構成される。一方、当該円筒型永久磁石の１つの極性（Ｎ極又はＳ極）に対向する固定子側の巻線は、１つ（１相）である。そして、固定子側の１つの巻線が回転子側の１つの極性に対峙する形式となっている。
【０００４】
このような直流モータの使用に際し、制動時に充電を行ってエネルギー効率の向上が図られる場合がある。例えば、特許文献１は、定電圧システムに基づく高速走行時の回生エネルギーを充電する充電回路、高速走行時であることを検出する回生作動検出兼比較回路等を備えるモータ駆動システムである。このモータ駆動システムでは、所定の条件を満たした場合にのみ電気二重層キャパシタに回生エネルギーが蓄えられ、又は、電気二重層キャパシタが放電する。また、特許文献２は、高速走行時の回生エネルギーをキャパシタに回収するモータ駆動システムである。
【特許文献１】特開平６−２７６６１６号公報
【特許文献２】特開平７−１４３６１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、回生エネルギーを回収したキャパシタをモータ駆動のための電源として用いる場合、当該モータの駆動力を適切なものとするためには、キャパシタには、回生エネルギーの多寡にかかわらず、できるだけ十分な電荷が蓄積されている必要がある。
【０００６】
そこで、本発明は、モータ駆動の電源としてのキャパシタに、回生エネルギーの多寡にかかわらず、できるだけ十分な電荷を蓄積させることが可能なモータ駆動システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、熱機関駆動直流発電機と、該熱機関駆動直流発電機を制御する制御装置と、キャパシタを内蔵する電源装置と、前記電源装置からの直流電流の方向を制御して矩形波交流電流を生成するインバータと、巻線を流れる前記インバータからの矩形波交流電流に応じた駆動及び制動を行うモータとを有するモータ駆動システムであって、前記制御装置が、前記キャパシタの電圧を測定する電圧測定手段と、前記電圧測定手段により測定された電圧に応じて前記熱機関駆動直流発電機の作動を制御する作動制御手段とを有し、前記熱機関駆動直流発電機が、前記作動制御手段による制御に応じて発電を行って、前記キャパシタに電荷を蓄積させ、前記電源装置が、前記キャパシタからの直流電圧を入力し、出力電流が直流定電流となるように前記モータの起電力に応じて出力電圧の極性及び大きさを制御する電圧制御手段を有することを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、電源装置は、モータの起電力に応じて出力電圧の極性及び大きさを制御することにより、インバータに対して一定の方向及び一定の大きさの直流定電流を供給しつつ、モータの駆動時には放電を行い、制動時には回生エネルギーによるキャパシタにおける電荷の蓄積、すなわち、充電をモータの停止時まで、換言すれば、モータの起電力がゼロになるまで行うことができ、エネルギー効率を向上させることが可能となる。また、モータは、直流電流により駆動する直流モータであるため、小型化で高いトルク効率を実現することができる。更には、キャパシタの電圧に応じて、熱機関駆動直流発電機によって発電が行われて、キャパシタに電荷が蓄積される、換言すれば、キャパシタが充電されるため、キャパシタの電圧が下がった場合には、熱機関駆動直流発電機の発電により当該キャパシタに電荷を蓄積させることが可能となり、回生エネルギーの多寡にかかわらず、キャパシタにできるだけ十分な電荷を蓄積させることが可能となる。
【０００９】
また、本発明のモータ駆動システムは、前記作動制御手段が、前記電圧測定手段により測定された電圧が予め定められた所定値以下になった場合に、前記熱機関駆動直流発電機を作動させるようにしてもよい。
【００１０】
この構成によれば、キャパシタに蓄積される電荷を常時、所定量以上に維持することが可能となる。
【００１１】
また、本発明のモータ駆動システムは、前記熱機関駆動直流発電機と前記キャパシタとの間に接続され、前記キャパシタに蓄積された電荷が前記熱機関駆動直流発電機に逆流することを防止する逆流防止手段を有するようにしてもよい。
【００１２】
この構成によれば、モータを駆動させるべく、キャパシタを放電させる際に、電荷が熱機関駆動直流発電機に逆流してモータの駆動力が低下することが防止される。
【００１３】
同様の観点から、本発明のモータ駆動システムは、前記逆流防止手段が、前記熱機関駆動直流発電機の側をアノードとし、前記キャパシタの側をカソードとするダイオードであるようにしてもよい。
【００１４】
また、本発明のモータ駆動システムは、前記キャパシタが、ウルトラキャパシタであるようにしてもよい。
【００１５】
この構成によれば、短時間でウルトラキャパシタの充電を完了させることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のモータ駆動システムは、キャパシタの電圧に応じて、熱機関駆動直流発電機によって発電が行われて、キャパシタに電荷が蓄積されるため、回生エネルギーの多寡にかかわらず、キャパシタにできるだけ十分な電荷を蓄積させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は、本発明による定電流方式のモータ駆動システムを適用した電気自動車の構成を示す。図１において、電気自動車は、直流定電流電源装置１、多相定電流インバータ２、多相定電流モータ３、ディファレンシャルギヤ４、機械ブレーキ５ａ、５ｂ、熱機関駆動直流発電機５０及び熱機関制御装置６０により構成される。本発明による定電流方式のモータ駆動システムは、これらのうち、直流定電流電源装置１、多相定電流インバータ２、多相定電流モータ３、熱機関駆動直流発電機５０及び熱機関制御装置６０を中心にして構成される。機械ブレーキ５ａ、５ｂは、２つのタイヤのそれぞれに対応して設けられており、本発明によるモータ駆動システムでは、後述するように通常の運転では不要であるが、停止後のタイヤのロック、緊急時のブレーキのとしての役割を有している。なお、図１では、直流定電流電源装置１、多相定電流インバータ２及び多相定電流モータ３は、２つのタイヤに対してそれぞれ１つのみ設置されているが、２つのタイヤ毎に配置してもよい。
【００１８】
直流定電流電源装置１は、負荷である多相定電流モータ３側の起動力の正負、大小に関係なく、一定方向に一定の大きさの直流定電流を出力するように動作する。また、直流定電流電源装置１は、負荷である多相定電流モータ３の制動時、すなわち、負荷起電力が負の場合には、負荷側からの回生電力を回収するように動作する。
【００１９】
多相定電流インバータ２は、前段の直流定電流電源装置１からの直流定電流を入力として、後述する多相定電流モータ３の固定子巻線に流れる電流の向きを反転切換し、該固定子巻線に矩形波交流電流を流す機能を有する。この反転切換する機能を複数設けることによって、相数は任意に選択可能であり、多相定電流インバータ２は、多相の矩形波交流電流を流すことができる。
【００２０】
多相定電流モータ３は、前段の多相定電流インバータ２からの多相矩形波交流電流を受けると、内部の回転子の磁極に回転力が生じる。これまでの半導体モータは、三相正弦波電流で駆動する同期電動機、或いは誘導電動機を原形にしているが、本発明における多相定電流モータ３は、直流電動機が原形であり、多相矩形波交流電流で動作する点において全く新しいタイプのモータである。
【００２１】
本発明によるモータ駆動システムは、矩形波磁束密度と矩形波交流の相乗で生じる回転力が、正弦波磁束密度と正弦波電流による同期電動機形のモータに対して、同じ寸法で２倍の回転力が得られるとともに、小型化が可能になる。また、従来方式のモータ駆動システムでは、電源側とモータ側とが並列接続の関係にあり、制動時に生じる起電力を電源側に送り返すためには、起電力を電源電圧以上に昇圧する必要があり、低速で発生起電力が小さくなると電力回生による電源の充電が困難になる。これに対し、本発明によるモータ駆動システムは、電源側とモータ側とが直列接続の関係にあり、モータ側の起電力の大小は全く関係がなく、自然な形で電力回生が行われる。従って、回生制動が停止時まで可能であり、エネルギーの回収効率が高く、通常の運転時には機械ブレーキ５ａ、５ｂの動作を必要としない。
【００２２】
図２は、本発明による定電流方式のモータ駆動システムの基本構成のブロック図である。図２に示すモータ駆動システムは、直流定電流電源装置１、多相定電流インバータ２、多相定電流モータ３、熱機関駆動直流発電機５０及び熱機関制御装置６０を有する。これらのうち、直流定電流電源装置１は、電圧制御手段としての電圧制御装置８２と、ウルトラキャパシタ８４と、逆流防止手段としてのダイオード８６とによって構成される。また、熱機関制御装置６０は、電圧測定手段としての電圧測定部７２と、作動制御手段としての作動制御部７４とにより構成される。以下、本発明による定電流方式のモータ駆動システムの構成について詳細に説明する。
【００２３】
図３及び図４は、図２における多相定電流モータ３の実施例を示す。図３は軸方向断面図、図４は軸垂直方向断面図である。図３及び図４において、回転子鉄心６は、磁気抵抗の小さい純鉄で作られ、軸受８で支えられて回転軸７によって自由に回転することができるようになっている。磁石材９は、実施例では希土類磁石の強力な磁石材を用いており、該回転子鉄心６の外周部に、Ｎ極を内周側、Ｓ極を外周側とするＮＳ対と、Ｓ極を内周側、Ｎ極を外周側とするＮＳ対とがそれぞれ４組配置され、８極で構成されている。
【００２４】
回転子鉄心６と磁石材９との組み合わせによる回転子の構成は、回転子鉄心６を珪素鋼板で積層化し、磁石材９を回転子鉄心６に埋入すること、磁石材９を張りつけた回転子全体を高張力部材でカバーすること等が任意に選択可能である。但し、磁石材９の半径方向の形状、寸法を均一にして、空隙１４の磁束密度分布が矩形波に可及的に近くなるように配慮する必要がある。
【００２５】
固定子鉄心１３は、リング状をなし、その内周面が回転子鉄心６と僅かな空隙１４を介して相対するように配置されて、後述するケース１６に固定されている。この固定子鉄心１３は、本実施例では珪素鋼板を積層することにより形成される。また、固定子鉄心１３の内周面には、後述する固定子巻線１７を挿入するための溝１０が形成されている。この溝１０は、１磁極当りの相の数だけ形成される。本実施例では、４相構成であるため、１磁極当り４つの溝がある。従って全体では８（極）×４（溝）＝３２の溝がある。止め金具１５は、固定子鉄心１３を後述するケース１６に確実に固定するためのものである。固定子巻線１７は、溝１０内に電気的絶縁に留意して取付けられている。
【００２６】
図５及び図６は、固定子巻線１７の実施例を示す。図５の上段は該回転子鉄心６を特定位置に停止させ、磁極配列を特定位置に止めて直線状に展開して示したものである。点線で表示した溝１０は、上述したように１磁極あたり４個あり、磁極の回転方向の順にａ、ｂ、ｃ、ｄの符号が付けられている。固定子巻線１７は、４相のそれぞれに対応するＡ相コイル、Ｂ相コイル、Ｃ相コイル及びＤ相コイルからなる。Ａ相コイルは、１つの磁極側の溝ａと隣の磁極側の溝ａとの間で巻かれており、一対の磁極に対してＡ相コイルの１つが対応している。本実施例では４対（８極）であるため、１周に４つのＡ相コイルが同じ方向に巻かれ、これが全て直列あるいは並列に接続されて外部に１対の入出力端として取り出される。Ｂ相、Ｃ相、Ｄ相のコイルについてもＡ相コイルと同様である。
【００２７】
図６は、固定子巻線１７を円弧状のまま示したものである。溝１０に挿入された固定子巻線１７は、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの各相コイルとも同じ巻き方向で、且つ、各相は１磁極の１／４ピッチずつずれて配置されており、ＮＳ一対を単位として同じパターンを繰り返し、全体としては各相毎に直列接続あるいは並列接続され、相数に対応する数の入出力の端部がある。
【００２８】
再び、図３及び図４に戻って説明する。遮光板１１及びフォトセンサ１２は、回転子鉄心６と磁石材９からなる回転子の角度位置検知を行うものである。遮光板１１は、回転子を構成する磁石材９の極性に合わせて外縁部がカットされている。フォトセンサ１２は、遮光板１１のカット部分では光が貫通してオン信号を検出することができるようになっており、これが後述する角度位置信号となる。なお、上述した角度位置は、フォトセンサ１２の代わりに磁石材９の極性に合わせて磁化した磁極板、あるいは、該回転子の磁極そのものとの組み合わせによる磁気的機構によっても検知可能であることは周知である。
【００２９】
図７（ａ）は、図２における多相定電流インバータ２の４相構成の実施例を示す。図７（ａ）において、端子１８−１（Ｘ）により、後述する直流定電流電源装置１からの直流定電流が流入し、端子１８−２（Ｙ）より流出する。半導体スイッチ１９は、ＩＧＢＴ、サイリスタ、パワートランジスタ等が任意に選択可能である。固定子巻線１７は、図３における多相定電流モータ３の固定子巻線１７に対応し、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの４相で構成される。
【００３０】
単相ブリッジユニット２０乃至２３は、Ａ相乃至Ｄ相に対応するものである、Ａ相の単相ブリッジユニット２０は、４つの半導体スイッチ１９（Ｔａ、Ｔａ、Ｔａ´、Ｔａ´）と、１相分の固定子巻線１７のＡ相コイルとにより構成される。Ｂ相の単相ブリッジユニット２１、Ｃ相の単相ブリッジユニット２２及びＤ相の単相ブリッジユニット２３も同様の構成である。多相定電流インバータ２は、単相ブリッジユニットを相数分だけ直列接続して構成される。本実施例では４相構成のため、多相定電流インバータ２は、４つの単相ブリッジユニット２０乃至２３を直列接続して構成される。
【００３１】
単相ブリッジユニット２０乃至２３の動作を、Ａ相の単相ブリッジユニット２０を例に説明する。Ａ相の単相ブリッジを構成する４つの半導体スイッチ１９（Ｔａ、Ｔａ、Ｔａ´、Ｔａ´）は、２つの半導体スイッチ１９（Ｔａ）のオンと２つの半導体スイッチ１９（Ｔａ´）のオンとを交互に行う。固定子巻線１７のＡ相コイルは、半導体スイッチ１９（Ｔａ）及び半導体スイッチ１９（Ｔａ）がオンの場合には、図７（ａ）におけるａ→ａ´の方向に電流が流れ、２つの半導体スイッチ１９（Ｔａ´）がオンの場合には、ａ´→ａの方向に逆向きに電流が流れる。このため、端子Ｘから流入する直流定電流は、振幅が等しい矩形波交流電流となって、Ａ相コイルを流れる。
【００３２】
この場合、単相ブリッジユニット２０の出口側の合流点（図７（ａ）のＸ´）における電流は、端子Ｘから流入する電流と全く同じ直流定電流であり、この直流定電流が後段の単相ブリッジユニット２１の入力電流となる。単相ブリッジユニット２１においても、単相ブリッジユニット２０と同様の動作が行われ、更に後段の単相ブリッジユニット２２及び２３においても、単相ブリッジユニット２０と同様の動作が行われる。
【００３３】
図７（ｂ）におけるインバータ制御装置２４は、上述した４相分の単相ブリッジユニット２０乃至２３を制御するためのものである。図７（ｂ）において、角度位置信号２５（Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ、Ｓｄ）は、上述した多相定電モータ３の回転子鉄心６の角度位置に対応してフォトセンサ１２から送られる。インバータ制御装置２４は、この角度位置信号２５に応じて、単相ブリッジユニット２０乃至２３内の各半導体スイッチ１９を駆動させるためのドライブ信号２６を出力する。制動指令信号２７（Ｓｏ）は、多相定電流モータ３の制動時に発生するであり、インバータ制御装置２４は、この制動指令信号２７を入力すると、ドライブ信号２６の位相を電気角１８０°反転させる。
【００３４】
図８は、角度位置信号２５、ドライブ信号２６、制動指令信号２７の対応関係を示す図である。角度位置検出信号Ｓａ乃至Ｓｄは、ハイレベル（Ｈ）とローレベル（０）とを回転子が電気角１８０°に対応する角度（幾何学角４５°）回転する時間ずつ交互に繰り返すものである。また、角度位置検出信号Ｓａ乃至Ｓｄにおけるハイレベルとローレベルとの切換タイミングは、回転子が電気角４５°に対応する角度（幾何学角１２．２５°）回転する時間ずつずれている。
【００３５】
制動指令信号がない場合、単相ブリッジユニット２０内の２つの半導体スイッチ１９（Ｔａ）を駆動させるためのドライブ信号２６は、角度位置検出信号Ｓａがハイレベルの時に同様にハイレベルとなり、角度位置検出信号Ｓａがローレベルの時に同様にローレベルとなる。また、単相ブリッジユニット２０内の２つの半導体スイッチ１９（Ｔａ´）を駆動させるためのドライブ信号２６は、角度位置検出信号Ｓａがハイレベルの時に反対にローレベルとなり、角度位置検出信号Ｓａがローレベルの時に反対にハイレベルとなる。他の単相ブリッジユニット２１乃至２３内の半導体スイッチ１９（Ｔｂ、Ｔｂ´Ｔｃ、Ｔｃ´、Ｔｄ、Ｔｄ´）を駆動させるためのドライブ信号も同様である。
【００３６】
一方、制動指令信号がある場合、単相ブリッジユニット２０内の２つの半導体スイッチ１９（Ｔａ）を駆動させるためのドライブ信号２６は、角度位置検出信号Ｓａがハイレベルの時に反対にローレベルとなり、角度位置検出信号Ｓａがローレベルの時に反対にハイレベルとなる。また、単相ブリッジユニット２０内の２つの半導体スイッチ１９（Ｔａ´）を駆動させるためのドライブ信号２６は、角度位置検出信号Ｓａがハイレベルの時に同様にハイレベルとなり、角度位置検出信号Ｓａがローレベルの時に同様にローレベルとなる。他の単相ブリッジユニット２１乃至２３内の半導体スイッチ１９（Ｔｂ、Ｔｂ´Ｔｃ、Ｔｃ´、Ｔｄ、Ｔｄ´）を駆動させるためのドライブ信号も同様である。
【００３７】
図９は、図８において、制動指令信号なしの条件での基準角度位置を、回転子の角度位置モード１とし、更に電気角４５°毎に回転子角度位置１乃至８とした場合の半導体スイッチ１９の動作を表示したものである。図９に示す動作は、回転子が電気角３６０°に対応する角度、即ちＮＳ一対の角度（幾何学角９０°）だけ回転する毎に繰り返される。なお、制動指令信号ありの条件では、図９の回転子の角度位置モード５を始点として読み変えればよい。
【００３８】
図１０は、制動指令信号なしの状態での回転子の回転角と固定子巻線１７の電流方向、回転力の発生について説明するための図である。図１０において、回転子表面の磁石材９と遮光板１１とは、一体となって右回りに回転するものとする。フォトセンサ１２は、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相、Ｄ相それぞれの検知用として、それぞれＰａ、Ｐｂ、Ｐｃ、Ｐｄがあり、遮光板１１の切り込みの部分では、光信号が貫通して角度位置信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ、Ｓｄが生じる。図１０におけるａ、ａ´は、図７（ａ）におけるａ、ａ´と対応しており、２つの半導体スイッチ１９（Ｔａ）がオンの場合に固定子巻線１７において電流がａ→ａ´方向に流れ、２つの半導体スイッチ１９（Ｔａ´）がオンの場合に固定子巻線１７において電流がａ´→ａ方向に流れる。Ｂ、Ｃ、Ｄ相についても同様である。
【００３９】
図１０における回転子の角度位置は、図８における制動指令なしの場合の基準角度位置、図９における回転子の角度位置モード１に対応しており、全ての溝１０内の固定子巻線１７を流れる電流が最大密度の磁束と鎖交して効果的な回転力を生じる。更に、回転子が図１０の位置から溝１０の１つ分のピッチ（電気角４５°、幾何学角１２．２５°）だけ回転すると、固定子巻線１７のＡ相のコイルに鎖交する磁束の極性が反転するが、これと同時にフォトセンサ１９（Ｐａ）が遮光され、角度位置信号Ｓａがオフとなり、図７（ａ）におけるＡ相単相ブリッジユニット２０の２つの半導体スイッチ１９（Ｔａ´）がオンに切り換わる。これにより、Ａ相コイルの電流が反転して、全ての溝１０内の固定子巻線１７を流れる電流は効果的な回転力の発生を継続する。以後も同様であり、回転子が電気角４５°に対応する角度（幾何学角１２．２５°）だけ回転する毎に、固定子巻線１７の各相のコイル電流が順次反転し、８回の反転で一巡する。そして、回転子のどの角度位置においても、溝１０内の全ての固定子巻線１７の電流が回転力の発生に効果的に寄与することになる。
【００４０】
一方、図１１は、制動指令信号ありの状態での回転子の角度位置信号と固定子巻線１７の電流方向を示したものであり、図１０と比較すると、同じ磁界方向に対して電流方向は全て反対であり、効果的な制動力を生じる。図７（ｂ）に示すインバータ制御装置２４が制動指令信号２７を受けたときの処理の仕方には、２通りがある。第１の処理は、インバータ制御装置２４が、角度位置信号２５に応じて生じるドライブ信号２６の位相を電気角１８０°反転させる方法である。第二は、図１１に示すように、フォトセンサ１２の位置から電気角１８０°に対応する角度（幾何学角４５°）ずらした位置に別のフォトセンサ１２´（Ｐａ´、Ｐｂ´、Ｐｃ´、Ｐｄ´）を設け、インバータ制御装置２４がこのフォトセンサ１２´からの角度位置信号を入力する方法である。これら第１及び第２のいずれの方法を用いても、インバータ制御装置２４が制動指令信号２７を受けることによって、回転子の位置に対するドライブ信号２６の位相が電気角１８０°のずれを生じ、その結果、同じ回転子の位置に対する固定子巻線１７の電流は、位相が逆になって回転子に制動力が加わる。
【００４１】
上述した制動制御が行われる場合の電気エネルギーの授受について説明する。図１２は、図７（ａ）における多相定電流インバータ２の端子（Ｘ）と端子（Ｙ）との間の起電力を説明するための図である。図７（ａ）の多相定電流インバータ２は４相構成であるが、ここでは説明を単純にするために、図１２（ａ）に示すＡ相の単相ブリッジユニット２０における電気エネルギーの授受を説明する。多相定電流モータ３内の回転子の回転により、磁石材９からの磁束が固定子巻線１７を横切ることで、当該固定子巻線１７に起電力が生じる。多相定電流モータ３の空隙１４における磁束密度分布は矩形波状であるため、固定子巻線１７に生じる起電力ｅｄは、図１２（ｂ）のように矩形波交流電圧となる。
【００４２】
図１２（ｃ）は、固定子巻線１７に生じる起電力ｅｄの波形の「正」のタイミングで図１２（ａ）のＡ相の単相ブリッジユニット２０における半導体スイッチＴａがオン、起電力ｅｄの波形の「負」のタイミングで半導体スイッチＴａ´がオンとなる場合のＸ点−Ｘ´点間の起電力波形である。このＸ点−Ｘ´点間の電圧は平均値ｅｄの正の値を有する。直流定電流電源装置１からＸ点に直流定電流Ｉが流れ込めば、Ａ相コイルには、電源側からｅｄｘＩの電力が供給され、回転子には、この値に対応した回転エネルギーが生じる。なお、固定子巻線１７の抵抗による電力損、回転子の機械的損失は無視するものとする。
【００４３】
図１２（ｄ）は、固定子巻線１７に生じる起電力ｅｄの波形に対する図１２（ａ）のＡ相の単相ブリッジユニット２０における半導体スイッチＴａ、Ｔａ´の切換動作が図１２（ｃ）の場合より電気角１８０°だけ遅れる場合のＸ点−Ｘ´点間の起電力波形である。このＸ点−Ｘ´点間の電圧は、平均値が−ｅｄの負の値をもつ。従って、電源側からＸ点に直流定電流Ｉが流れ込めば、Ａ相コイルには電源側から−ｅｄｘＩの電力が供給される。これは、Ａ相コイルから電源側にｅｄｘＩの電力を送り返すことを意味し、回転子には制動力が加わり、制動で回収したエネルギーは直流定電流電源装置１に回収される。
【００４４】
Ｂ相の単相ブリッジユニット２１、Ｃ相の単相ブリッジユニット２２及びＤ相の単相ブリッジユニット２３についても基本的には同じであり、全て重畳されて作用する。
【００４５】
このように、本発明によるモータ駆動システムは、多相定電流インバータ２に一定方向の一定電流（直流定電流）を流すことにより、多相定電流モータ３内の回転子の回転力は、多相定電流インバータ２の位相制御のみによって駆動時及び制動時の制御がなされ、更には負荷起電力が正と負の領域で変化することにより、電力の供給、回生が速度に関わりなく自動的に行われる。
【００４６】
図１３（ａ）は、直流定電流電源装置１の回路構成を示す図である。直流定電流電源装置１は、単に出力電流が一定に制御された電源装置とは異なり、負荷側の起電力の正負、大小に関係なく一定方向の一定電流（直流定電流）を出力するように制御され、且つ、負荷側である多相定電流モータ３から回生される電力を受け入れる機能を有することに特徴がある。
【００４７】
直流定電流電源装置１は、電圧制御装置８２内の非対称制御のＰＷＭ（パルス幅制御）ブリッジ（以下、「非対称ＰＷＭブリッジ」と称する）を中心に構成されている。この非対称ＰＷＭブリッジにおける半導体スイッチ３１は、ＩＧＢＴ、サイリスタ、パワートランジスタ等が任意に選択可能である。また、非対称ＰＷＭブリッジにおける所謂交流端子にあたる部分には、ウルトラキャパシタ８４が接続され、非対称ＰＷＭブリッジの所謂直流端子にあたる部分には、多相定電流インバータ２の端子Ｘ及び端子Ｙ（図７（ａ）参照）が接続される。
【００４８】
図１３（ａ）の直流定電流電源装置１において、非対称ＰＷＭブリッジを構成する半導体スイッチ３１（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４）は、所定の搬送周波数信号に応じてオンオフ動作し、オン期間が制御可能である。２つの半導体スイッチ３１（Ｓ１、Ｓ４）の対と、２つの半導体スイッチ３１（Ｓ２、Ｓ３）の対は、通常のブリッジにおけるように対称的に動作するのではなく、負荷起電力の正あるいは負に対応してそれぞれが一体で非対称に動作するようにしてある。具体的には、半導体スイッチ３１（Ｓ１、Ｓ４）の対が動作すると端子Ｘ、Ｙの両端に正の平均値の電圧が出力され、その値は、半導体スイッチ３１（Ｓ１、Ｓ４）のオン期間の長さで制御される。また、半導体スイッチ３１（Ｓ２、Ｓ３）の対が動作すると、端子Ｘ、Ｙの両端に負の平均値の電圧が出力され、その値は、半導体スイッチ３１（Ｓ２、Ｓ３）のオン期間の長さで制御される。
【００４９】
半導体スイッチ３１（Ｓ５）は、非対称ＰＷＭブリッジの出力側に並列に接続され、リアクトル３０、後段の多相定電流インバータ２を通じた循環回路を構成する、この半導体スイッチ３１（Ｓ５）は、半導体スイッチ３１（Ｓ１、Ｓ４）の対のオフ期間、及び、半導体スイッチ３１（Ｓ２、Ｓ３）の対のオフ期間にオンとなるように動作する。これにより、半導体スイッチ３１（Ｓ１、Ｓ４）の対のオフ期間、及び、半導体スイッチ３１（Ｓ２、Ｓ３）の対のオフ期間においても、多相定電流インバータ２に対して直流定電流を断続させることなく供給する。
【００５０】
図１３（ｂ）は、電圧制御装置８２内に構成される定電流電源制御装置３５であり、上述した半導体スイッチ３１（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５）を制御するためのものである。この定電流電源制御装置３５は、出力電流、負荷起電力等の制御情報を受けて、直流定電流電源装置１の出力電流が電流設定指令信号３４によって指令された定電流値になるように、半導体スイッチ３１（Ｓ１乃至Ｓ５）を駆動させるためのドライブ信号３２を出力する。
【００５１】
図１４は、負荷起電力が正で大小、負で大小の４条件における半導体スイッチ１９（Ｓ１乃至Ｓ５）の動作とその動作時の出力電圧を示す図である。負荷起電力が正で大の場合には、半導体スイッチ３１（Ｓ１、Ｓ４）の対が選択され、オン期間が長くなる。このため、端子Ｘ、Ｙの両端に正の大きな平均値の電圧が出力される。また、負荷起電力が正で小の場合には、半導体スイッチ３１（Ｓ１、Ｓ４）の対が選択され、オン期間が短くなる。このため、端子Ｘ、Ｙの両端に正の小さな平均値の電圧が出力される。一方、負荷起電力が負で絶対値が大の場合には、半導体スイッチ３１（Ｓ２、Ｓ３）の対が選択され、オン期間が長くなる。このため、端子Ｘ、Ｙの両端に負の絶対値の大きな平均値の電圧が出力される。また、負荷起電力が負で小の場合には、半導体スイッチ３１（Ｓ１、Ｓ４）の対が選択され、オン期間が短くなる。このため、端子Ｘ、Ｙの両端に負の絶対値の小さな平均値の電圧が出力される。
【００５２】
図１５は、多相定電流モータ３の起動加速、定速回転、回生制動及び停止の一連の動作に対応する直流定電流電源装置１の動作について示したものである。図１５（ａ）に示すように、多相定電流モータ３の動作が行われる場合、図１５（ｂ）に示すように、直流定電流電源装置１は、多相定電流モータ３の駆動時と制動時には、定速回転時よりも大きな定電流を多相定電流インバータ２に供給する必要がある。
【００５３】
多相定電流インバータ２の端子Ｘから見た負荷起電力は、駆動状態では正、制動状態では負であり、その大きさは多相定電流モータ３の回転子の回転速度にほぼ比例する。直流定電流電源装置１は、図１５（ｃ）の点線に示すように、正負の負荷起電力に負荷回路の抵抗分による電圧降下（抵抗ドロップ）分を加算した電圧を出力することで、多相定電流インバータ２に直流定電流を供給することができる。これにより、多相定電流モータ３の制動時には、停止まで回生制動が可能となり、機械ブレーキを使用する必要がない。
【００５４】
負荷側の多相定電流モータ３が制動状態では負荷起電力は負である。この場合、直流定電流電源装置１は半導体スイッチ１９（Ｓ２、Ｓ３）の対が動作して出力電圧は負になり、負荷側から回生電流がウルトラキャパシタ８４の正端子から流れ込む。この現象はあたかもバッテリーの充電と同様の態様となっている。ウルトラキャパシタ８４は充電機能を有しており、回生電力を充電する。なお、ウルトラキャパシタ８４に代えて、燃料電池等の充電機能を有しない電源装置が用いられる場合には、エネルギー回収のために、電源装置に並列にウルトラキャパシタを接続しておく必要がある。更には、ウルトラキャパシタ８４に代えてリチウムイオン電池等の充電機能を有する電源装置が用いられる場合であって、回生電力が数十秒単位の急峻な変動となる際には適切に充電を行うことができない場合にも、電源装置に並列にウルトラキャパシタを接続することが望ましい。
【００５５】
なお、直流定電流電源装置１の構成には、図１３以外にも様々なものが考えられる。図１６（ａ）は、直流定電流電源装置１の回路構成の他の実施例である。図１６（ａ）に示す直流定電流電源装置１は、ウルトラキャパシタ８４、リアクトル４０、充放電切換器４６及び定電流チョッパ４７を有する。これらのうち、充放電切換器４６は、４つの半導体スイッチ４１（Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４）によって構成される。また、定電流チョッパ４７は、２つの半導体スイッチ４１（Ｓ１５及びＳ１６）によって構成される。半導体スイッチ４１（Ｓ１１乃至Ｓ１４）は、図１３（ａ）における半導体スイッチ３１（Ｓ１乃至Ｓ４）と同じ働きをし、半導体スイッチ４１（Ｓ１６）は、図１３（ａ）における半導体スイッチ３１（Ｓ５）と同じ働きをする。一方、図１３（ｂ）は、直流定電流制御装置１内に構成される定電流電源制御装置４５であり、ドライブ信号４２により、上述した半導体スイッチ３１（Ｓ１乃至Ｓ６）を制御する。
【００５６】
充放電切換器４６は、定電流電源制御装置４５からのドライブ信号４２を受けて、２つの半導体スイッチ４１（Ｓ１、Ｓ４）の対と、２つの半導体スイッチ４１（Ｓ２、Ｓ３）の対のいずれかをオンとすることによって、ウルトラキャパシタ８４の極性切換を行う。
【００５７】
定電流チョッパ４７内の半導体スイッチ４１（Ｓ１５）は、定電流電源制御装置４５からのドライブ信号４２を受けて、高速でオン、オフ切換を行う。オンとなる期間の長さが制御されることにより、所定の直流定電流が出力される。
【００５８】
定電流チョッパ４７内の半導体スイッチ４１（Ｓ１６）は、定電流電源制御装置４５からのドライブ信号４２を受けて、半導体スイッチ４１（Ｓ１５）のオフ期間中にオンとなって、リアクトル４０、後段の多相定電流インバータ２を通じた循環回路を構成する。
【００５９】
次に、熱機関駆動直流発電機５０を用いたウルトラキャパシタ８４の充電について説明する。図２における熱機関駆動直流発電機５０は、ガソリンエンジンやマイクロガスタービン等の任意のものが用いられ、出力電圧が直流定電流電源装置１内のウルトラキャパシタ８４の充電電圧に対応するように選択される。この熱機関駆動直流発電機５０は、発電を行い、ウルトラキャパシタ８４に電荷を蓄積させる、換言すれば、ウルトラキャパシタ８４を充電させる。
【００６０】
直流定電流電源装置１は、上述したように、電圧制御装置８２による制御によって、充電されたウルトラキャパシタ８４を直流電源として、負荷側の起電力の正負、大小に関係なく一定方向の一定電流（直流定電流）を出力する。ダイオード８６は、アノードが熱機関駆動直流発電機５０に、カソードがウルトラキャパシタ８４に接続されており、ウルトラキャパシタ８４が放電して、多相定電流モータ３を駆動させる際に、ウルトラキャパシタ８４に蓄積された電荷が熱機関駆動直流発電機５０に逆流することを防止する。
【００６１】
熱機関制御装置６０内の電圧測定部７２は、ウルトラキャパシタ８４の電圧を測定し、その測定結果を作動制御部７４へ出力する。作動制御部７４は、ウルトラキャパシタ８４の電圧が予め定められた所定値以下である場合に、熱機関駆動直流発電機５０へ作動指令を出力する。熱機関駆動直流発電機５０は、この作動指令を入力した場合に、発電を開始し、ウルトラキャパシタ８４を充電させる。これにより、多相定電流モータ３の制動時における回生エネルギーが小さく、ウルトラキャパシタ８４に十分な電荷が蓄積されないような場合にも、熱機関駆動直流発電機５０の発電によりウルトラキャパシタ８４に十分な量の電荷を蓄積させることが可能となり、その後の多相定電流モータ３の駆動において適切な駆動力を得ることが可能となる。
【００６２】
以下、本発明のモータ駆動システムを電気自動車に採用した場合における定量評価について説明する。本定量評価における多相定電流インバータ２及び多相定電流モータ３の諸元は、出力が５５［ｋｗ］（６０秒）、モータ回転速度が１２，０００［ｒｐｍ］、効率が９４［％］、モータ重量が１１［ｋｇ］である。また、電気自動車の諸元は、計算上の最高速度が７０［ｋｍ／ｈ］、最高推力が２，８４０［Ｎ］、車両重量が１，０００［ｋｇ］、タイヤ走行抵抗が０．０１Ｍ（但し、Ｍは車両重量）、空気抵抗がＳ・Ｃｄ・ｖ2／１０（但し、Ｓは車両断面積１．５［ｍ2］、Ｃｄは係数０．３、ｖは速度１９．４［ｍ／ｓ］）である。
【００６３】
定量評価における運転パターンは新燃料費測定モード（１０・１５モード）とした。図１７は、新燃料費測定モードにおける速度の時間遷移を示す図である。また、図１８は、１０モードでの走行における各モード（＃１乃至＃１０）の運転条件を示し、図１９は、１５モードでの走行における各モード（＃１乃至＃１５）の運転条件を示している。図１７乃至図１９から明らかなように、新燃料費測定モードは、１０モードでの走行の３回の繰り返しに対応する第１乃至第３運転パターンと、１５モードでの走行に対応する第４運転パターンからなり、加速、定速、減速が繰り返される。なお、第１走行パターンのモード＃１の開始は、新燃料費測定モードの開始から３０秒後である。
【００６４】
定量評価における走行エネルギーは以下のように算出される。すなわち、加速時の走行エネルギーは、加速直後の速度ｖに対応する１／２ｍｖ2と加速中の走行抵抗損との和を効率０．９４で除して算出される。また、定速走行時の走行エネルギーは、走行抵抗損を効率０．９４で除して算出される。また、減速時の走行エネルギーは、減速直前の速度ｖに対応する１／２ｍｖ2から減速中の走行抵抗損を差し引いた値に効率０．９４を乗じて算出される。
【００６５】
図２０は、１０モードでの走行における各モード（＃１乃至＃１０）での走行エネルギー、換言すれば、多相定電流モータ３への供給エネルギーと、多相定電流モータ３からの回収エネルギー（回生エネルギー）とを示し、図２１は、１５モードでの走行における各モード（＃１乃至＃１５）での走行エネルギーを示す。なお、これら図２０及び図２１において、黒三角は回収エネルギーであることを示す。
【００６６】
新燃料費測定モードは、上述したように１０モードでの走行が３回繰り返され、１５モードでの走行が１回行われる。従って、新燃料費測定モードにおける走行エネルギーの総量は、図２０及び図２１によれば、７６８［ｋＪ］であり、これはガソリン０．０１８［リットル］から得られるエネルギーに相当する。また、新燃料費測定モードの総時間は６６０［秒］、平均電力は１．１６［ｋｗ］、ピーク電力は１５モードでのモード＃６における２１．８［ｋｗ］である。
【００６７】
次に、新燃料費測定モードでの定量評価に基づいて、ウルトラキャパシタ８４の必要容量を算出する。ウルトラキャパシタ８４の蓄積エネルギーは、１／２ＣＶ2［Ｊ］（但し、Ｃは静電容量［Ｆ］、Ｖは充電電圧［ボルト］）で算出される。そして、この蓄積エネルギーの１／２が直流電力として使用可能である。図２０及び図２１によれば、新燃料費測定モードでの供給エネルギーの最大値は、１５モードでのモード＃１２における１６７［ｋＪ］、回収エネルギーの最大値は、１５モードでのモード＃１４における１１８［ｋＪ］である。従って、ウルトラキャパシタ８４の必要容量は、これら供給エネルギーと回収エネルギーのうち、絶対値の大きい供給エネルギーに対応して算出され、１６７，０００＝（１／２）×Ｃ×５００2×０．５より、Ｃ＝２．６７［Ｆ］（５００［ボルト］時）となる。この容量のウルトラキャパシタ８４は、実用上、十分に小さい寸法と容量である。
【００６８】
上述した新燃料費測定モードでの定量評価と、ウルトラキャパシタ８４の必要容量とによれば、１．１６［ｋＷ］の発電能力を有する熱機関駆動直流発電機５０を用いることによって、乗用車規模の電気自動車の電力を充足することができ、当該電気自動車における化石燃料消費量や二酸化炭素排出量は、従来のガソリン車の数十分の一に減少させることができ、従来のガソリン車のみならず、いわゆるハイブリッド車に対しても優位性がある。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
以上のように、本発明に係るモータ駆動システムは、モータ駆動の電源としてのキャパシタに、回生エネルギーの多寡にかかわらず、できるだけ十分な電荷を蓄積させることができ、モータ駆動システムとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】電気自動車の構成を示す図である。
【図２】モータ駆動システムの構成を示す図である。
【図３】多相定電流モータの軸方向断面図である。
【図４】多相定電流モータの軸垂直方向断面図である。
【図５】固定子巻線の実施例（直線状に展開）を示す図である。
【図６】固定子巻線の実施例（円弧状に表示）を示す図である。
【図７】多相定電流インバータの実施例を示す図である。
【図８】角度位置信号、ドライブ信号、制動指令信号の対応関係を示す図である。
【図９】駆動状態における半導体スイッチの動作サイクルを示す図である。
【図１０】駆動状態における回転子の位置と固定子巻線電流を示す図である。
【図１１】制動状態における回転子の位置と固定子巻線電流を示す図である。
【図１２】多相定電流インバータに生じる負荷起電力を示す図である。
【図１３】直流定電流電源装置の実施例を示す図である。
【図１４】直流定電流電源装置内の半導体スイッチの動作とその動作時の出力電圧を示す図である。
【図１５】自動車の駆動状態と直流定電流電源装置の動作を示す図である。
【図１６】直流定電流電源装置の他の実施例を示す図である。
【図１７】新燃料費測定モードにおける速度の時間遷移を示す図である。
【図１８】１０モードでの走行における各モードの運転条件を示す図である。
【図１９】１５モードでの走行における各モードの運転条件を示す図である。
【図２０】１０モードでの走行における各モードでの走行エネルギーを示す図である。
【図２１】１５モードでの走行における各モードでの走行エネルギーを示す図である。
【符号の説明】
【００７１】
１  直流定電流電源装置
２  多相定電流インバータ
３  多相定電流モータ
４  ディファレンシャルギヤ
５ａ、５ｂ  機械ブレーキ
６  回転子鉄心
７  回転軸
８  軸受
９  磁石材
１０  溝
１１  遮光板
１２  フォトセンサ
１３  固定子鉄心
１４  空隙
１５  止め金具
１６  ケース
１７  固定子巻線
１８−１、１８−２  端子
１９、３１、４１  半導体スイッチ
２０  Ａ相単相ブリッジユニット
２１  Ｂ相単相ブリッジユニット
２２  Ｃ相単相ブリッジユニット
２３  Ｄ相単相ブリッジユニット
２４  インバータ制御装置
２５  角度位置信号
２６、３２  ドライブ信号
２７  制動指令信号
３０、４０  リアクトル
３４  電流設定指令信号
３５、４５  定電流電源制御装置
４６  充放電切換器
４７  定電流チョッパ
５０  熱機関駆動直流発電機
６０  熱機関制御装置
７２  電圧測定部
７４  作動制御部
８２  電圧制御装置
８４  ウルトラキャパシタ
８６  ダイオード
【図１】
2008113520.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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