(57)【要約】【課題】電動４輪駆動車において、所定車速以上となり、車輪と電動モータとの間の回転伝達をなくした際に電動モータの回転子を極力早く停止させて異音や振動の低減を図る。【解決手段】爪磁極回転子の爪磁極１１１ａ，１１１ｂ，１１２ａ，１１２ｂ間に永久磁石１３０ａ，１３０ｂを設けたので、車両が所定車速以上となったときに電動モータと車輪間の回転伝達をなくして慣性力で回り続けようとする回転子を永久磁石１３０ａ，１３０ｂの磁力によって制動させることができる。このため、電動モータと車輪間の回転伝達をなくしても異音や振動が発生することがない。また、爪磁極回転子の界磁電流を大きくした場合には、爪磁極１１１ａ，１１１ｂ，１１２ａ，１１２ｂ内の磁気回路の飽和により大きなギャップ磁束量が得られるので大きなトルクを得ることが可能である。【選択図】図１５
2007267514.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
前輪、もしくは、後輪の一方をエンジンにて駆動し、他方を電動モータにて駆動すると共に、車両が所定の状態になったときには、前記エンジンと前記電動モータにより４輪で駆動し、所定車速以上となったときには、前記電動モータでの駆動を停止し、かつ、車輪との間の回転伝達をなくして２輪で駆動する電動４輪駆動車に用いられる電動モータであって、
前記電動モータは、
周方向に複数設けられた爪磁極を有する回転子鉄心と、該回転子鉄心内に巻装された界磁巻線とによって構成され、該界磁巻線に電力を供給することにより前記各爪磁極が交互に異なる磁極となる回転子と、
該回転子の外周に固定状態で配置され、周方向に複数のスロットが形成された固定子鉄心と、該固定子鉄心に巻装された電機子巻線とによって構成され、該電機子巻線に電力を供給することにより周方向に異なる磁極が形成される固定子と、
前記界磁巻線及び前記電機子巻線へ供給する電力を制御する制御部と、
で構成され、前記制御部にて制御された電力を前記界磁巻線及び前記電機子巻線へ供給することにより前記固定子に対して前記回転子が回転運動を行う界磁巻線型同期電動機であり、
前記爪磁極間には永久磁石が設けられていることを特徴とする電動４輪駆動車に用いられる電動モータ。
【請求項２】
請求項１に記載の電動４輪駆動車に用いられる電動モータにおいて、
前記永久磁石は、前記爪磁極に周方向にて接する側の極性を前記界磁巻線に供給した際に生じる前記爪磁極の極性と同極にするようにしたことを特徴とする電動４輪駆動車に用いられる電動モータ。
【請求項３】
請求項１に記載の電動４輪駆動車に用いられる電動モータにおいて、
前記回転子における前記回転子鉄心は、軸方向に隣り合って複数配置され、軸方向に隣り合う前記爪磁極の極性は同極となるように構成したことを特徴とする電動４輪駆動車に用いられる電動モータ。
【請求項４】
請求項１に記載の電動４輪駆動車に用いられる電動モータにおいて、
前記爪磁極における回転方向側の表面にベベルを設けたことを特徴とする電動４輪駆動車に用いられる電動モータ。
【請求項５】
請求項１に記載の電動４輪駆動車に用いられる電動モータにおいて、
前記爪磁極における反回転方向側の表面に周方向の延びる複数の溝を設けたことを特徴とする電動４輪駆動車に用いられる電動モータ。
【請求項６】
前輪、もしくは、後輪の一方をエンジンにて駆動し、他方を電動モータにて駆動すると共に、車両が所定の状態になったときには、前記エンジンと前記電動モータにより４輪で駆動し、所定車速以上となったときには、前記電動モータでの駆動を停止し、かつ、車輪との間の回転伝達をなくして２輪で駆動する電動４輪駆動車に用いられる電動モータであって、
前記電動モータには、電力を供給していない状態で回転子に制動力が生じ、かつ、電力を供給している状態ではトルクを増加させる作用を行う永久磁石が設けられていることを特徴とする電動４輪駆動車に用いられる電動モータ。
【請求項７】
前輪、もしくは、後輪の一方をエンジンにて駆動し、他方を電動モータにて駆動すると共に、車両が所定の状態になったときには、前記エンジンと前記電動モータにより４輪で駆動し、所定車速以上となったときには、前記電動モータでの駆動を停止し、かつ、車輪との間の回転伝達をなくして２輪で駆動する電動４輪駆動車であって、
前記電動モータには、電力を供給していない状態で回転子に制動力が生じる制動力付与手段が設けられていることを特徴とする電動４輪駆動車。
【請求項８】
請求項１に記載の電動４輪駆動車に用いられる電動モータにおいて、
前記制動力付与手段は、永久磁石によって構成されていることを特徴とする電動４輪駆動車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、前輪、もしくは、後輪の一方をエンジンにて駆動し、他方を電動モータにて駆動する電動４輪駆動車及び電動４輪駆動車に用いる電動モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、前輪をエンジンで直接駆動し、後輪を電動モータで駆動する電動４輪駆動自動車が普及し始めている。このような電動４輪駆動車としては、例えば、特開平２００１−
２３９８５２号公報に記載のように、専用発電機をエンジンに接続し、エンジンの回転力により発電機から発電し、この発電機により出力された直流電力を用いて後輪駆動用として搭載されたＤＣ（直流）モータにてトルクを発生し、車両を駆動するものが知られている。この方式では、従来の機械式の４輪駆動車にくらべ搭載性に優れ、またバッテリーレス等の特徴により低コスト化を実現できるシステムであった。このＤＣモータを搭載した電動４輪駆動システムは、搭載性の点から主に１リッタークラスの小型自動車への適用が主流となっている。１リッタークラスの小型車は、車両重量も小さいこと、ならびに、スタート時から低速までの発進時のみに電動機を使用することから、ＤＣ電動機としては、２〜４ｋＷ程度の小出力のものが用いられている。
【０００３】
また、ＤＣモータに限らず通常の電動モータは、回転数に限度があるため、車速が所定以上となった場合には、クラッチを切り離して車輪と電動モータの回転伝達をなくし、エンジンで駆動される前輪だけで駆動する２輪駆動となるようになっている。更に、この
ＤＣモータは、一般的には回転数範囲を拡大するために永久磁石をもちいずに界磁巻線を使用して磁界をつくっている。
【０００４】
【特許文献１】特開平２００１−２３９８５２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に記載の電動４輪駆動車においては、車速が高速となり、クラッチを切り離して車輪とＤＣモーターの回転伝達をなくした際にＤＣモータの回転子が慣性力により空回りを継続してしまう。このため、異音や振動が長時間にわたって発生してしまうといった問題があった。
【０００６】
本発明の目的は、車両が所定車速以上となったときに電動モータと車輪間の回転伝達をなくしても異音や振動が発生しない４輪駆動車及び４輪駆動車に用いられる電動モータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の電動４輪駆動車に用いられる電動モータは、周方向に複数設けられた爪磁極を有する回転子鉄心と、該回転子鉄心内に巻装された界磁巻線とによって構成され、該界磁巻線に電力を供給することにより前記各爪磁極が交互に異なる磁極となる回転子を有し、前記爪磁極間に永久磁石を設けたことを特徴としている。
【０００８】
また、本発明の電動４輪駆動車は、電動モータに電力を供給していない状態で回転子に制動力が生じ、かつ、電力を供給している状態ではトルクを増加させる作用を行う永久磁石が設けられていることを特徴としている。
【０００９】
また、本発明の電動４輪駆動車は、電動モータに電力を供給していない状態で回転子に制動力が生じる制動力付与手段が設けられていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、車両が所定車速以上となったときに電動モータと車輪間の回転伝達をなくしても異音や振動が発生しない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明による各実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１２】
まず、図１に基づいて、第１の実施形態による電動４輪駆動車の全体構成について説明する。図１は、第１の実施形態による電動４輪駆動車の構成を示すシステム構成図である。
【００１３】
本実施形態の電動４輪駆動車は、エンジン（ＥＮＧ）１０が出力する駆動力を変速機
（Ｔ／Ｍ）１２を介して、前輪ＷＨ−ＦＲ，ＷＨ−ＦＬに伝達し、前輪ＷＨ−ＦＲ，ＷＨ−ＦＬを駆動する。
【００１４】
また、エンジン１０は、発電機（ＡＬＴ）１４も同時に駆動する。この発電機１４は、例えば、公称電圧１２Ｖのバッテリー等の車載補機に電力を供給する１４Ｖ系電源用発電機よりも高い電圧まで発電出力を可変できる発電機であり、回転子に設けられる界磁コイルへ供給する界磁電流を制御することにより、発電出力を可変させている。また、発電機１４は、回転子の回転により交流電力を発電するが整流回路により全波整流され、直流電力に変換されて出力される。
【００１５】
発電機１４で発電される直流電力は、平滑用コンデンサ２２を介してインバータ(INV)１６に供給され、交流電力に変換される。この交流電力は、交流電動機としての同期電動機１００の電機子巻線に供給され、同期電動機１００を駆動する。尚、本実施形態の同期電動機１００は、後述する界磁電流を制御することにより駆動力の制御が可能な界磁巻線型同期電動機を採用している。
【００１６】
この同期電動機１００が出力する駆動力（トルク）は、クラッチ１８及びデファレンシャギア２０を介して、後輪ＷＨ−ＲＲ，ＷＨ−ＲＬに伝達され、後輪ＷＨ−ＲＲ，ＷＨ−ＲＬを駆動する。
【００１７】
コントロールユニット（ＣＵ）２００は、発電機１４の界磁電流を制御して、発電電圧を制御する。また、コントロールユニット２００は、インバータ１６を制御して、同期電動機１００に供給する電圧を制御して、同期電動機１００の駆動力を制御する。さらに、コントロールユニット２００は、同期電動機１００の界磁巻線に流れる界磁電流を制御して、その駆動力を制御する。また、コントロールユニット２００は、クラッチ１８の解放・締結を制御する。具体的には、発進時から所定の車速（同期電動機１００の最高回転数。例えば、中側）まではクラッチ１８を締結し、それより高速領域ではクラッチ１８を解放して、エンジン１０による前輪駆動のみとする。
【００１８】
ここで、インバータ１６の内部には、コントロールユニット２００によってスイッチング動作するパワー素子が備えられており、パワー素子をスイッチング動作する結果、インバータ１６の入力部の電力は、脈動を持っている。平滑用コンデンサ２２は、この脈動を平滑化するために備えられている。
【００１９】
従来の電動４輪駆動車では、後輪を駆動する電動機として直流電動機を用いていた。この直流電動機は、デファレンシャルギア２０の近傍であって、車体の下側に搭載されるため、搭載可能な電動機の大きさに限度がある。一方、小型な直流電動機では、発生可能な出力をそれほど大きくできないため、１リッタークラスよりも大きな車両に適用することは困難であった。
【００２０】
それに対して、本実施形態では、後輪を駆動する電動機として、交流電動機を用いるため、直流電動機に比べて出力を大きくできる。このため、より大排気量の自動車に適当することが可能である。
【００２１】
交流電動機には、誘導電動機，永久磁石式の同期電動機，界磁巻線型の同期電動機等があるが、高トルク，高出力化に対応するために、特に、界磁巻線型同期電動機を用いることが、以下の点で有効である。
【００２２】
すなわち、誘導電動機は、低速・高トルク特性が充分でないものである。また、永久磁石式同期電動機は、高速側の弱め界磁制御するので、回転数範囲が大きい場合は高速側のモータ効率が低下するとともに、温度上昇が大きくなる。また、電動４輪駆動車として、後輪駆動用電動機に求められる性能はまず動作点が広いということである。例えば、深雪の中で発進する場合、後輪のみで発進できることが重要となり、低速域で大トルクを出力する必要が生じる。また、中速走行域まで４輪駆動を継続するとした場合、電動機としては非常に高回転にする必要が生じる。ここで、永久磁石同期電動機では永久磁石の磁束が災いするため、必要な高回転域まで駆動できない場合が生じる。
【００２３】
そこで、電動４輪駆動システムに用いる交流電動機としては、界磁制御が容易な爪磁極を有する界磁巻線型の同期電動機を用いると有効である。界磁巻線型の同期電動機であれば、高回転域において界磁電流を抑えることにより磁束を小さくすることが可能となり、その結果、誘起電圧を小さく抑え、高回転まで駆動できるようになる。
【００２４】
ここで、図２を用いて、界磁巻線型同期電動機と永久磁石式同期電動機の出力特性について説明する。図２は、界磁巻線型同期電動機と永久磁石式同期電動機の出力特性図である。図２において、横軸は回転数(rpm) を示し、縦軸はトルク（Ｎｍ）を示している。
【００２５】
図２に示すように、永久磁石式同期電動機は、高性能永久磁石を用いるために特性Ａのように最大トルクを出す低速回転数では他のモータに比して高トルクが得られるが、高速回転数時はｄ軸電流を流して弱め界磁制御を行うので、高速側の損失が大きくなり、最高回転数は（最高回転数／最大トルク時の回転数）≦１０を満たす範囲で決定される。そのため、永久磁石式同期電動機の最高回転数は、界磁巻線型同期電動機の最高回転数よりも低くなる。
【００２６】
界磁巻線型同期電動機には凸極形回転子とルンデル形（爪磁極）回転子構造があり、前者は高速回転に適していないのに対し、ルンデル形は爪磁極なので、磁極を作るのに爪を折り曲げた構成となっているので、基本的に多極とすることができ、界磁巻線はシャフト外周の円筒状の磁気回路外周に円筒状に構成するので基本的に遠心力に強いことになる。このため高速回転が可能になるので最高回転数の範囲を広げられる。さらに界磁巻線の界磁電流を任意に制御することができるので弱め界磁制御を簡単に行うことができ、モータ効率も高くすることができる。尚、システム的には回転数が最高回転数よりも高くなると、同期電動機と後輪の間に配置されたクラッチを解放することで、同期電動機は後輪から切り離されるようになっている。
【００２７】
一方、爪磁極回転子のモータトルクは、爪磁極間の磁束漏れが大きいので、特性Ｂのような特性となり、最大トルクは永久磁石同期電動機に比較して小さい。このため爪磁極間に永久磁石を設ける。すなわち発進時の場合は界磁電流を大きくして界磁巻線起磁力で磁極からの発生磁束を大きくするが飽和状態となる。これは爪磁極の磁気回路が飽和するためである。この時、極間永久磁石は爪磁極で短絡した磁気回路を構成しているが、爪磁極が飽和しているために永久磁石の磁束がギャップ側に多く出てくるので、ギャップの有効磁束が増加し、特性Ａの高トルクにすることができる。
【００２８】
逆に、界磁電流が小さい弱め界磁のときは、界磁巻線の起磁力による磁束が減少すると同時に、爪磁極の磁気回路の飽和が小さくなるので永久磁石からの磁束は爪磁極の磁気回路で短絡され、ギャップに出てくる磁束が減少することになり、高速回転での低トルク運転が可能で、かつ電動機の効率を向上することができる。
【００２９】
このため、極間磁石付界磁巻線型の同期電動機を用いて、電動機の動作点により界磁電流を制御することにより、システムの最大電圧内で所要電動機動作点を許容電動機電流の範囲内で駆動することが可能となる。
【００３０】
また、図１に示す本実施形態の電動４輪駆動車では、同期電動機１００専用のバッテリーを搭載していない点に特徴があるが、オルタネータ（発電機）１４の代わりにバッテリーを設けてもよいし、オルタネータ１４とバッテリーを併用しても良い。
【００３１】
次に、図３を用いて、大容量バッテリーを搭載しない電動４輪駆動車の制御原理について説明する。図３は、大容量バッテリーを搭載しない交流電動機を用いた本実施形態における電動４輪駆動車のエネルギーフロー図である。
【００３２】
交流電動機を用いた電動４輪駆動システムでは、電力を吸収するバッテリーを持たないため、エンジンから回転力が与えられ発電機により出力される発電エネルギーＰｇとインバータ・電動機に入力される駆動エネルギーＰｍが等しくなるように協調制御を行う必要がある。発電エネルギーＰｇと駆動エネルギーＰｍのバランスが崩れた場合、例えば、発電エネルギーＰｇが駆動エネルギーＰｍよりも大きかった場合は余剰の電力が平滑用のコンデンサに流れ込み、ＤＣバスの電圧が上昇することになる。また、ＤＣバスの電圧が許容値を超えた場合にはコンデンサやインバータのパワー素子の寿命が低下する恐れがある。また、発電エネルギーＰｇが駆動エネルギーＰｍよりも小さかった場合には、微小ではあるがコンデンサに蓄えられた電力がインバータ・電動機に使われるため電圧が低下し、結果所要のトルクが出力できなくなる。このため、本実施形態では、そのような問題点を解決するために、同期電動機１００の駆動に必要なエネルギーＰｍが、発電機１４から出力されるように発電機１４を制御する。
【００３３】
また、インバータ１６による同期電動機１００の制御はｄ−ｑ座標での電流制御を行うことにより、高応答で高精度なトルク制御を行うことができる。それに対して発電機１４に対して行う発電制御は応答が遅い界磁電流を制御するしかない。この発電機１４の発電制御はインバータ１６及び同期電動機１００の挙動に合わせて高精度に行う必要がある。
【００３４】
そこで、本発明では、インバータの入力側の電圧Ｖｄｃが、交流電動機の駆動で消費するエネルギーＰｍを発生するための電圧指令値Ｖｄｃ* となるように、発電機の出力電圧をフィードバック制御し、また、インバータの入力側の電流Ｉｄｃが、交流電動機の駆動で消費するエネルギーＰｍを発生するための電流指令値Ｉｄｃ* となるように、発電機の出力電流をフィードバック制御する。
【００３５】
尚、大容量のバッテリーを搭載しないということは、小容量のバッテリーを搭載することを、本発明は妨げないものである。ここで、たとえば、小容量のバッテリーとは、バッテリー単独では電動機の最大出力を規定時間出力することができず、発電機出力と併用することにより電動機の最大出力を満足する程度の容量のバッテリーである。また、本発明は、バッテリーを有する簡易的なＨＥＶシステムに対しても適用可能である。
【００３６】
次に、図４〜図９に基づいて、本実施形態による電動４輪駆動車の制御装置の構成について説明する。まず、図４を用いて、本実施形態による電動４輪駆動車の制御装置のシステム構成について説明する。図４は、本発明の第１の実施形態による電動４輪駆動車の制御装置の構成を示すシステム構成図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００３７】
コントロールユニット２００は、発電機制御部２１０と、モータ制御部２２０とを備えている。発電機制御部２１０の構成及び動作については、図５及び図６を用いて後述するが、平滑用コンデンサ２２の両端電圧Ｖｄｃが、モータ制御部２２０が出力するコンデンサ電圧値指令Ｖｄｃ*に一致するように、発電機１４の界磁巻線の界磁電圧指令Ｃｌ
（Ｖｇｆ*）をフィードバック制御する。界磁電圧指令Ｃｌ(Ｖｇｆ*) は、発電機１４の界磁電流を制御するチョッパ（ＣＨ）回路３２に入力する。
【００３８】
モータ制御部２２０は、矩形波制御部２２０Ａと、ＰＷＭ制御部２２０Ｂとを備えている。モータ制御部２２０の構成及び動作については、図５を用いて後述するが、エンジンコントロールユニット３０が出力するモータトルク指令Ｔｒ* ，同期電動機１００に備えられた回転数センサによって検出されたモータ回転速度ωｍ，同期電動機１００に備えられている磁極位置センサによって検出された磁極位置θに基づいて、インバータ１６に供給する３相の交流電圧指令Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ* を出力することにより、インバータ１６が制御され、これにより、同期電動機１００の電機子巻線に交流電力が供給される。このため、同期電動機１００が出力する駆動力が制御される。この同期電動機１００が出力する駆動力は、同期電動機１００の回転数が高くなるに従い同期電動機１００の駆動トルクが小さくなるよう制御される。また、モータ制御部２２０は、同期電動機１００の界磁電流を制御するチョッパ（ＣＨ）回路３４に界磁電流指令Ｉｍｆ* を出力し、チョッパ回路３４を制御することで、同期電動機１００の界磁電流Ｉｆを制御する。
【００３９】
界磁電流指令Ｉｍｆ*は、図５に示す電流指令演算部２２２において、トルク指令Ｔｒ*、モータ回転数ωｍに基づいて決定される。一例としては、トルク指令Ｔｒ* 、モータ回転数ωｍ、界磁電流指令Ｉｍｆ* からなる３次元テーブル（マップ）を用いて、トルク指令Ｔｒ* 、モータ回転数ωｍから界磁電流指令Ｉｍｆ* を求めることができる。基本的には、モータ回転数が上昇すると誘起電圧が上昇するため、界磁電流指令値Ｉｍｆ* を減少させるように動作させる。
【００４０】
また、トルク指令に応じて界磁電流Ｉｆを変化させることもできるようにする。トルク指令の大きさに応じて界磁電流Ｉｆを変えると界磁電流一定に対し、モータ効率を向上させることが可能となる。このようなロジックに基づき電流指令演算部２２２にて決定された界磁電流指令値Ｉｍｆ* に対し、モータ界磁電流検出値をフィードバック制御することにより界磁電流指令値Ｉｍｆ* 通りの界磁電流Ｉｆを発生させる。
【００４１】
このとき、界磁電流Ｉｆをフィードバック制御演算して得られた出力値は界磁電圧指令Ｖｇｆ*に相当し、この界磁電圧指令Ｖｇｆ*をチョッパ回路３４に入力して界磁電流Ｉｆを流す。ここで、チョッパ回路３４はＨブリッジ方の回路として説明したが、界磁電流
Ｉｆは流れる方向が一定であるため、スイッチング素子１つを界磁巻線に直列に配線した回路でも、本発明の目的は達成できる。
【００４２】
以上のように、モータの動作点に応じて界磁電流指令値Ｉｍｆ* を変更し、その指令値に精度良く実際の界磁電流が追従するように制御することにより、限られた電圧範囲内で高効率，高精度なトルク制御を実現することができる。
【００４３】
モータ制御部２２０は、モータ速度に応じて、矩形波制御部２２０Ａと、ＰＷＭ制御部２２０Ｂとを切り替える。例えば、停止・低速域はＰＷＭ制御で駆動し、中高速域（例えば、５０００rpm以上）では矩形波制御で駆動する。
【００４４】
次に、図５及び図６を用いて、本実施形態による電動４輪駆動車用制御装置の発電機制御部２１０の構成について説明する。図５は、本発明の第１の実施形態による電動４輪駆動車の制御装置の構成を示すブロック図である。なお、図４と同一符号は、同一部分を示している。図６は、本発明の第１の実施形態による電動４輪駆動車の制御装置における発電機制御部の動作を示すフローチャートである。
【００４５】
図５に示すように、発電機制御部２１０は、減算部２１２と、電圧フィードバック制御部２１４と、Ｄｕｔｙ(Ｃ１)演算部２１６とを備えている。
【００４６】
図６のステップｓ１０において、減算部２１２は、モータ制御部２２０が出力するコンデンサ電圧値指令値Ｖｄｃ* と、平滑用コンデンサ２２の両端電圧であるコンデンサ電圧Ｖｄｃから、偏差ΔＶｄｃを算出する。
【００４７】
次に、図６のステップｓ２０において、電圧フィードバック制御部２１４は、減算部
２１２で求められた偏差ΔＶｄｃに対して、比例積分（ＰＩ）演算を行い、界磁電圧指令Ｖｇｆ* を出力する。なお、制御はＰＩ制御としているが、これに限定されるものではない。また、フィードバック制御系のみでは応答に問題がある場合、フィードフォワード補償を入れてもよいものである。
【００４８】
図６のステップｓ３０において、Ｄｕｔｙ(Ｃ１)演算部２１６は、電圧フィードバック制御部２１２が出力する界磁電圧指令Ｖｇｆ*から、デュティＣ１(ＶＧｆ*)を、Ｖｇｆ*／Ｖｄｃとして求め、そのデュティＣ１(ＶＧｆ*) 信号は、発電機１４の界磁巻線に供給され、平滑用コンデンサ２２の両端電圧であるコンデンサ電圧Ｖｄｃがコンデンサ電圧値指令値Ｖｄｃ*に一致するように、フィードバック制御される。
【００４９】
次に、図５及び図７，図８を用いて、本実施形態による電動４輪駆動車の制御装置におけるモータ制御部２２０の構成について説明する。
【００５０】
図５に示すように、モータ制御部２２０は、電流指令演算部２２２と、電圧指令演算部２２４と、３相電圧指令演算部２２６と、ＤＣ電圧Ｖｄｃ１演算部２２８と、コンデンサ電圧指令値Ｖｄｃ*演算部２３２と、ＰＷＭ／矩形波信号処理部２３４とを備えている。
【００５１】
電流指令演算部２２２は、図４に示したＥＣＵ３０からのトルク指令Ｔｒ*、及び図４に示した同期電動機１００に備えられた回転数センサによって検出されたモータ回転速度ωｍに基づいて、内部のＩｄ，Ｉｑテーブルを用いて、同期電動機１００に対するｄ軸電流指令Ｉｄ* ，ｑ軸電流指令Ｉｑ*，界磁電流指令Ｉｍｆ*を算出する。界磁電流指令
Ｉｍｆ* は、同期電動機１００の界磁電流を制御するチョッパ（ＣＨ）回路３４に供給され、チョッパ回路３４を制御することで、同期電動機１００の界磁電流Ｉｆを制御する。
【００５２】
電圧指令演算部２２４は、電流指令演算部２２２によって算出されたｄ軸電流指令Ｉd*，ｑ軸電流指令Ｉｑ*から、ｄ軸電圧指令Ｖｄ*，ｑ軸電圧指令Ｖｑ*を算出する。
【００５３】
３相電圧指令演算部２２６は、電圧指令演算部２２４によって算出されたｄ軸電圧指令Ｖｄ*，ｑ軸電圧指令Ｖｑ*に対して、同期電動機１００に備えられている磁極位置センサによって検出された磁極位置θを用いて、同期電動機１００に対する交流電圧指令Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*を算出する。
【００５４】
ＰＷＭ／矩形波信号処理部２３４は、３相電圧指令演算部２２６によって算出された交流電圧指令Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ* に基づいて、インバータ１６をＰＷＭ制御若しくは矩形波制御するために、インバータ１６内部のスイッチング素子の駆動信号を生成し、インバータ１６に出力する。
【００５５】
次に、ＤＣ電圧Ｖｄｃ１演算部２２８の動作について、図７を用いて説明する。図７は、本発明の第１の実施形態による電動４輪駆動車の制御装置のモータ制御部の動作を示すフローチャートである。
【００５６】
ＤＣ電圧Ｖｄｃ１演算部２２８は、電圧指令演算部２２４が算出したｄ軸電圧指令Ｖd*，ｑ軸電圧指令Ｖｑ* に基づいて、発電機１４の出力電圧、すなわち、平滑用コンデンサ２２の両端電圧Ｖｄｃ１を算出する。
【００５７】
図７のステップｓ１００において、ＤＣ電圧Ｖｄｃ１演算部２２８は、ｄ軸電圧指令
Ｖｄ*，ｑ軸電圧指令Ｖｑ*に基づいて、ＤＣ電圧指令値Ｖｄｃ１を算出する。ＤＣ電圧
Ｖｄｃ１演算部２２８は、電動機の相電圧Ｖを、ｄ軸電圧指令Ｖｄ*，ｑ軸電圧指令Ｖｑ*に基づいて、以下の式（１）により、算出する。  
Ｖ＝（√（Ｖｄ*２＋Ｖｑ*２））／√３                                …（１）
さらに、ＤＣ電圧Ｖｄｃ１演算部２２８は、電動機の相電圧Ｖから、ＤＣ電圧指令値
Ｖｄｃ１を、ＰＷＭ制御の場合には、以下の式（２）に基づいて、また、矩形波制御の場合には、以下の式（３）に基づいて算出する。  
Ｖｄｃ１＝（２√２）・Ｖ                                            …（２）
Ｖｄｃ１＝（（２√２）・Ｖ）／１.２７                               …（３）
次に、ステップｓ１１０において、コンデンサ電圧指令値Ｖｄｃ* 演算部２３２は、発電機の特性を用いて、エンジンの回転数ωｇにおいて、発電機の出力電圧がＶｄｃ１となる動作点を抽出する。エンジン１０と発電機１４の間には減速機構が備えられており、減速比を例えば２.５とすると、エンジン回転数ωｇ＝６００rpmは、発電機回転数ωｇ′＝１５００rpmに相当する。
【００５８】
ここで、図８を用いて、発電機の発電特性について説明する。図８は、発電機の発電特性を示す特性図である。
【００５９】
図８において、横軸は発電機の出力電流を示し、縦軸は出力電圧を示している。発電機の出力電圧・電流は、図示の曲線のように変化する。また、このとき、発電機の回転数
ωｇ′が変化する（ωｇ１′＜ωｇ２′＜ωｇ２′）と、発電機の出力電圧・電流も、図示の曲線のように変化する。
【００６０】
コンデンサ電圧指令値Ｖｄｃ* 演算部２３２は、図７に示した発電機の特性を用いて、例えば、エンジンの回転数ωｇで、発電機の回転数がωｇ２′の場合において、発電機の出力電圧がＶｄｃ１となる動作点、すなわち、電流Ｉｄｃ１の点を抽出する。
【００６１】
次に、図７のステップｓ１２０において、コンデンサ電圧指令値Ｖｄｃ* 演算部２３２は、検出した動作点、すなわち、発電機の出力電圧がＶｄｃ１で、出力電流Ｉｄｃ１で同期電動機１００を駆動した場合に、同期電動機１００の駆動力（トルク）が要求パワー
Ｐｍ（＝モータ回転数ωｍ×トルク指令Ｔｒ* ）を満たすか否かを判定する。満たす場合には、ステップｓ１３０に進み、満たさない場合には、ステップｓ１４０に進む。
【００６２】
発電機の動作点が要求パワーを満たす場合には、ステップｓ１３０において、ＤＣ電圧Ｖｄｃ１演算部２２８は、ＤＣ電圧指令値Ｖｄｃ１に対して、同期電動機１００と発電機１４とが最も効率良く動作するような電圧指令値Ｖｄｃ２を再計算する。すなわち、モータ制御部２２０は、その内部に発電機の各動作点（エンジン回転数，電圧，電流）に対する効率マップを有しており、ＤＣ電圧指令値Ｖｄｃ１以上でかつ、モータの要求パワーを出力できる範囲の電圧のうち、最大効率となる電圧を検索する。そして、電圧指令値Vdc2が算出されると、コンデンサ電圧指令値Ｖｄｃ* 演算部２３２は、この電圧指令値Ｖdc２に対する電圧指令値Ｖｄｃ*を発電機制御部２１０に出力する。発電機制御部２１０は、コンデンサ電圧Ｖｄｃが電圧指令値Ｖｄｃ*となるように、フィードバック制御する。
【００６３】
また、発電機の動作点が要求パワーを満たさない場合には、ステップｓ１４０において、ＤＣ電圧Ｖｄｃ１演算部２２８は、必要なパワーを取れる範囲で、電圧指令値Ｖｄｃ３と、トルク指令値Ｔｒ* を再計算する。すなわち、モータの要求パワーを発電機が出力できない場合には、まず、現在のエンジン回転における発電機の最大パワーで出力可能なモータトルク指令値を演算する。そして、そのトルクに必要なＤＣ電圧指令値を演算する。ただし、演算されたＤＣ電圧では電動機の発生する誘起電圧より低い場合があるので、そのような場合にはよりモータトルク指令値を下げ、実際出力できるＤＣ電圧，モータトルクを最終的に決定する。トルク指令値Ｔｒ* は、電流指令演算部２２２に送られて、再度、電流指令演算部２２２と、電圧指令演算部２２４と、３相電圧指令演算部２２６とにより、３相電圧指令値Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ* が算出される。また、コンデンサ電圧指令値
Ｖｄｃ* 演算部２３２は、この電圧指令値Ｖｄｃ３に対する電圧指令値Ｖｄｃ* を発電機制御部２１０に出力する。発電機制御部２１０は、コンデンサ電圧Ｖｄｃが電圧指令値
Ｖｄｃ* となるように、フィードバック制御する。
【００６４】
ここで、図９を用いて、本実施形態による電動４輪駆動車の制御装置による制御動作について説明する。図９は、本発明の第１の実施形態による電動４輪駆動車の制御装置による制御動作を示すタイミングチャートである。図９（Ａ）はエンジン回転数ωｇを示し、図９（Ｂ）はモータ回転数ωｍを示している。図９（Ｃ）はモータトルクＴｍを示し、図９（Ｄ）は必要とするコンデンサ電圧Ｖｄｃを示している。なお、横軸は時間(sec) である。
【００６５】
図９（Ａ）に示すように、エンジン回転数ωｇは、アイドリングの後、１速，２速，３速と変速するに従って、増減する。一方、図９（Ｂ）に示すように、モータ回転数ωｍは、単調に増加する。ここで、図９（Ｃ）に示すように、アイドリング時は、電動４輪駆動車がまだ発進していないため、必要とするモータトルクＴｍは小さくてよいが、発進直後の低速時は、大トルクが必要である。そして、車速が上がるにつれて、必要とするモータトルクＴｍは小さくて済むものである。
【００６６】
そこで、図９（Ｄ）に示すように、アイドリング時（図中のＸ１付近）は、必要なコンデンサ電圧Ｖｄｃを低くして、例えば、図８の点Ｃ付近で発電機を動作させる。発進時の低エンジン回転域（図中のＸ２付近）では、低電圧大電流の、図８の点Ｂ付近で発電機を動作させる。さらに、エンジン回転数が高くなる（図中のＸ３付近）と、必要なコンデンサ電圧Ｖｄｃを高くして、例えば、図８の点Ａ付近で発電機を動作させ、効率を重視する。このように、エンジン回転数に対して、必要なＶｄｃを調整することで、効率よく必要とする駆動力を得ることができる。
【００６７】
次に、図１０を用いて、本実施形態による電動４輪駆動車用制御装置の第２のシステム構成について説明する。図１０は、本発明の第１の実施形態による電動４輪駆動車用制御装置の第２の構成を示すシステム構成図である。なお、図１，図４と同一符号は、同一部分を示している。
【００６８】
図４に示したシステムは、平滑用コンデンサ２２の両端電圧Ｖｄｃが、モータ制御部
２２０が出力するコンデンサ電圧値指令Ｖｄｃ* に一致するように、発電機１４の界磁巻線の界磁電圧をフィードバック制御していた。それに対して、本例では、ＤＣバスに流れるＤＣ電流Ｉｄｃ（発電機の発電電流）が、コントロールユニット２００Ａが出力するコンデンサ電流値指令Ｉｄｃ* に一致するように、発電機１４の界磁巻線の界磁電流をフィードバック制御するようにしている。
【００６９】
次に、図１１を用いて、本実施形態による電動４輪駆動車用制御装置の第３のシステム構成について説明する。図１１は、本発明の第１の実施形態による電動４輪駆動車用制御装置の第３の構成を示すシステム構成図である。なお、図１，図４と同一符号は、同一部分を示している。
【００７０】
本実施形態では、図４に示したシステムと、図１０に示したシステムを併用して、コントロールユニット２００Ｂは、平滑用コンデンサ２２の両端電圧Ｖｄｃ若しくはＤＣバスに流れるＤＣ電流Ｉｄｃ（発電機の発電電流）が、コンデンサ電圧値指令Ｖｄｃ* 若しくはコンデンサ電流値指令Ｉｄｃ* に一致するように、発電機１４の界磁巻線の界磁電圧・界磁電流をフィードバック制御するようにしている。電圧制御とするか電流制御とするかは、発電機の動作範囲に応じて選択するようにしている。なお、発電機の動作範囲については、図７のステップｓ１１０の方法にて判定できる。
【００７１】
本実施形態の発電機の発電特性は、図８に示したようになっている。なお、この例の発電機の励磁方式は自励方式であり、発電機の出力電圧が１２Ｖ系バッテリー電圧よりも低くなった場合に他励方式となる。ここで、図８の例えば、発電機回転数ωｇ１′についてみると、点Ａ〜点Ｂまでの発電特性は右下がりの特性となり、点Ｂ〜点Ｃまでは左下がりの特性となり、さらに、点Ｃからは右下がりの特性となるように、非線形な発電特性を有している。そこで、このような発電特性を持つ発電機を安定に制御するために、電圧制御と電流制御を切り替えるようにしている。
【００７２】
図９に示す発電動作範囲のうち、右下がりの領域（点Ａ〜点Ｂ，点Ｃ〜）では、電圧フィードバック制御を行うようにし、左下がりの領域（点Ｂ〜点Ｃ）では、電流フィードバック制御を行うようにする。図７に示す発電動作範囲のうち左下がりの領域では、図４に示したように電圧フィードバック制御系では正論理となってしまい、制御系が発散する可能性がある。そこで、この領域において制御系の安定性を保つためには、制御器の出力となる補償量の符号を反転させる必要がある。それに対して、本例では、左下がりの領域では電流フィードバック制御することにより、補償量の符号を反転させることなく、制御系の安定性を保つことができる。
【００７３】
以上説明したように、本実施形態によれば、従来のメカ４輪駆動車に対しコストが上回ることなく、大排気量クラスの自動車に適用可能な電動４輪駆動システムを得ることができる。
【００７４】
次に、図１２及び図１３を用いて、本発明の第２の実施形態による電動４輪駆動車の構成について説明する。図１２は、本発明の第２の実施形態による電動４輪駆動車の構成を示すシステム構成図である。図１３は、本発明の第２の実施形態による電動４輪駆動車の制御内容を示すフローチャートである。図１２において、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００７５】
図１２に示すように、エンジン１０は、前輪ＷＨ−ＦＲ，ＷＨ−ＦＬを駆動するための動力を発生させるほか、１２Ｖバッテリー用発電機（ＡＬＴ２）４０，エアコン用コンプレッサ（ＣＯＭＰ）４２，後輪駆動用同期電動機（ＡＣ−Ｍ）１００の動力源となる６０Ｖ高圧発電機１４が接続される。また、最近では、電動パワステ（ＥＰＳ）４４や電動ブレーキ（Ｅ−ＢＲ）４６などのように、各種車載用アクチュエータの電動化が進み、１２Ｖ発電機４０の負荷も大きなものとなっている。よって、電動４輪駆動を行うときに、所要の後輪モータ出力が現在のエンジン回転数で出せるかどうかを判断する必要がある。
【００７６】
例えば、本実施形態の電動４輪駆動システムでは、後輪駆動用の同期電動機１００の出力が向上し、十数ｋＷ程度の容量となる。したがって、エンジン回転数が低く、エンジンが低出力領域であるとき、電動機から最大トルクを出そうとした場合は、エンジンが停止する可能性がある。このように電動機の容量が向上すると、エンジンに接続されている各負荷との負荷調整が重要となってくる。そこで、コントロールユニット（ＣＵ）２００Ｃは、エンジンの出力可能パワーと各負荷のマネージメント制御を行う。
【００７７】
図１３のステップｓ２００において、コントロールユニット２００Ｃは、４輪駆動する際に、後輪ＷＨ−ＲＲ，ＷＨ−ＲＬより出力する同期電動機１００の所要トルクＴｍreqを演算する。所要トルクＴｍreq は、アクセル開度（スロットル開度）と車速、若しくは、アクセル開度（スロットル開度）と前後輪車速によって求めることができる。
【００７８】
次に、ステップｓ２１０において、コントロールユニット２００Ｃは、エンジン１０に接続されている各負荷（１２Ｖバッテリー用発電機４０，エアコン用コンプレッサ４２など、さらに１２Ｖバッテリー用発電機４０に接続されている負荷（電動パワステ用電動機４４や電動ブレーキ用電動機４６など））の現在の出力状態を演算する。
【００７９】
次に、ステップｓ２２０において、コントロールユニット２００Ｃは、現在のエンジン１０の動作点に基づき、出力可能パワーＰｅを演算する。
【００８０】
次に、ステップｓ２３０において、コントロールユニット２００Ｃは、ステップｓ200に算出した所要トルクＴｍreqが、出力可能パワーＰｅ内で出力可能か否かを判断する。ここで、出力可能であれば、ステップｓ２９０に進み、コントロールユニット２００Ｃは、所要トルクＴｍreqを実際のモータ駆動トルクＴｍとする。
【００８１】
また、ステップｓ２３０において、所要トルクＴｍreq が出力可能パワーＰｅ内で出力可能でないと判断された場合は、ステップｓ２４０において、コントロールユニット200Cは、後輪同期電動機１００のほかにエンジン１０に接続されている負荷が軽減可能かを判断する。ステップｓ２４０において、負荷が軽減できる判断されると、ステップｓ２５０において、コントロールユニット２００Ｃは、エンジン負荷を軽減し、その結果モータの所要トルクＴｍreq が出力可能となった場合は、ステップｓ２９０において、コントロールユニット２００Ｃは、所要トルクＴｍreqを実際のモータ駆動トルクＴｍとする。
【００８２】
ステップｓ２４０において、エンジン負荷が軽減できない場合には、ステップｓ２６０において、コントロールユニット２００Ｃは、４輪駆動性能を考慮し、所要トルクＴmreqを軽減可能か判断する。
【００８３】
ここで、所要トルクＴｍreq が軽減可能であった場合、コントロールユニット２００Ｃは、現在のエンジン出力可能パワーＰｅ内で出力できるモータトルクＴｍまで軽減し、ステップｓ２９０において、コントロールユニット２００Ｃは、この軽減した結果を実際のモータ駆動トルクＴｍとする。
【００８４】
また、ステップｓ２６０において、４輪駆動性能が現状の走行状態において絶対必要であり、所要トルクＴｍreq が軽減できないと判断された場合は、ステップｓ２７０において、コントロールユニット２００Ｃは、所要トルクＴｍreq が出力可能となる範囲でエンジン回転数を増加させる。
【００８５】
そして、ステップｓ２９０において、コントロールユニット２００Ｃは、これらの処理を踏まえた上で最終的なモータ駆動トルクＴｍを決定する。
【００８６】
以上が電動４輪駆動システムのパワーマネージメント処理の例である。ここで、説明した処理については、順序等を制限されるものではない。さらに、本マネージメントはエンジンを効率よい動作点で駆動しながら、電動４輪駆動システムを有効に作用させることを念頭においている。この目的が達成されれば、その処理内容は、図１３に示すフローチャートの内容に限定されるものではない。
【００８７】
本実施形態によれば、従来のメカ４輪駆動車に対しコストが上回ることなく、大排気量クラスの自動車に適用可能な電動４輪駆動システムを得ることができる。
【００８８】
次に、図１４〜図２２を用いて、本発明の第１の実施形態及び第２の実施形態としての電動４輪駆動車に用いる電動モータとしての界磁巻線型同期電動機の構成について説明する。図１４は、本発明の第１の実施形態及び第２の実施形態としての電動４輪駆動車に用いる界磁巻線型同期電動機の全体構成を示す断面図である。
【００８９】
界磁巻線型同期電動機１００は、固定子の内周側に回転可能に支持された回転子が同一のシャフト（出力軸）上に２個設けられたタンデム型の界磁巻線型同期電動機である。
【００９０】
ハウジング１０２は、リア側ベアリング１０９ｂが固定されているベアリングブラケット１０８と、磁極位置検出器１２０（例えばレゾルバ）が収納されているレゾルバブラケット１２２からなる。ベアリングブラケット１０８は、フロント側ベアリング１０９ａが収納されるブラケットとハウジングとが一体で構成されている。各ブラケット中心部には、シャフト１１５がフロント側ベアリング１０９ａおよびリア側ベアリング１０９ｂを介して支持されている。シャフト１１５の一方の端部には、一対のスリップリング１１９が取り付けられている。
【００９１】
ハウジング１０２の内部には、固定子１０３と回転子１１０が設けられている。固定子１０３は、固定子鉄心１０５と、固定子の固定子巻線１０６からなる。ハウジング１０２には、固定子鉄心１０５が嵌合いにより配置されている。固定子鉄心１０５のスロットには、固定子巻線１０６が収納されている。
【００９２】
固定子鉄心１０５の内周側には、機械的ギャップ（エアギャップ長）を介して、回転子１１０が回転可能に、ベアリング１０９ａ，１０９ｂによって支持されている。回転子
１１０は、爪磁極１１１ａ，１１２ａ，１１１ｂ，１１２ｂと、界磁巻線１１３ａ，113bと、制動力付与手段としての永久磁石１３０ａ，１３０ｂとから構成されている。爪磁極１１１ａ，１１２ａと、界磁巻線１１３ａと、永久磁石１３０ａとによって、第１の回転子が構成される。
【００９３】
爪磁極１１１ｂ，１１２ｂと、界磁巻線１１３ｂと、永久磁石１３０ｂとによって、第２の回転子が構成される。一対の爪磁極１１１ａ，１１２ａは、それぞれの爪磁極部が対向する爪部の間に位置するように配置され、また、一対の爪磁極１１１ｂ，１１２ｂも、それぞれの爪部が対向する爪部の間に位置するように配置されている。爪磁極１１１ａ，１１２ａの間には、ボビン１１４ａが組み込まれ、爪磁極１１１ｂ，１１２ｂの間には、ボビン１１４ｂが組み込まれている。ボビン１１４ａ，１１４ｂには、それぞれ、界磁巻線１１３ａ，１１３ｂが巻装されている。また、一対の爪磁極１１１ａ，１１２ａ及び爪磁極１１１ｂ，１１２ｂ間の周方向極間には、永久磁石１３０ａ，１３０ｂが周方向に複数実装されている。２つのスリップリング１１９には、それぞれにブラシ１１８が摺動可能に取り付けられ、スリップリング１１９を介して界磁巻線１１３ａ，１１３ｂにバッテリーからの直流電流が供給される。
【００９４】
爪磁極１１１ａ，１１２ａは、ブラシ１１８を介して界磁巻線１１３ａによって、周方向にＮ極、Ｓ極が交互に励磁される。爪磁極１１１ｂ，１１２ｂも、ブラシ１１８を介して界磁巻線１１３ｂによって、周方向にＮ極、Ｓ極が交互に励磁される。タンデムの爪磁極の極性は、両者の爪磁極が接する軸方向中央の爪磁極を同極にする。例えば軸方向中央の爪磁極をＮ極にすると両端の爪磁極はＳ極になるように界磁巻線１１３の電流方向を決める。
【００９５】
逆に軸方向中央の爪磁極をＳ極にすると両端の爪磁極はＮ極になるように界磁巻線113の電流方向を決めることにより、固定子鉄心１０５と、固定子の固定子巻線１０６からなる電機子巻線に正常な誘起電圧、回転子にトルクを発生させることができる。
【００９６】
また、永久磁石１３０ａ，１３０ｂの極性は、界磁巻線の励磁により爪磁極に接する面の極性を爪磁極の極性と同極となるような極性に着磁するようにする。
【００９７】
磁極位置検出器１２０の合わせる基準として、爪磁極回転子の磁極中心位置にほぼ位置検出器の回転子の基準を合わせるようにしている。
【００９８】
レゾルバブラケット１２２には、レゾルバステータ１２０が収納されている。レゾルバステータ１２０に対して、機械的ギャップ（エアギャップ長）を持ってレゾルバロータ
１２１がシャフト１１５の端部に取り付けられている。また、レゾルバブラケット１２２には、カバー１２３が取り付けられており、これを取外すことでレゾルバステータ１２０の位置調整が可能である。
【００９９】
図１５は図１４のルンデル形タンデムモータの回転子外観斜視図を示し、同一部は同一番号で示している。
【０１００】
タンデム構成回転子で直結側に位置する第1の回転子側の爪磁極１１１ａ，１１２ａにおける両者の軸方向の間には、円筒状の樹脂製ボビン１１４ａに巻かれた界磁巻線113aが装着されている。第２の回転子の爪磁極１１１ｂ，１１２ｂの間にも同様に円筒状の樹脂製ボビン１１４ｂに巻かれた界磁巻線１１３ｂが装着されている。自動車の前進方向に対応した回転子の回転方向が図示の方向とした場合、磁極表面の回転方向側にベベル111ｃ，１１２ｃ，１１１ｄ，１１２ｄを設けている。
【０１０１】
タンデム爪磁極回転子で周方向の爪磁極の極間には制動力付与手段としての永久磁石
１３０ａ，１３０ｂを設ける。永久磁石１３０ａ，１３０ｂはタンデム爪磁極回転子の両端の爪磁極１１１ａ，１１２ｂからそれぞれの極間に挿入される。
【０１０２】
第１の回転子における永久磁石の極性は爪磁極１１１ａがＳ極であれば、爪磁極Ｓ極に接している側の永久磁石１３０ａをＳ極、爪磁極１１２ａのＮ極に接している側の永久磁石１３０ａの面をＮ極、第２の回転子の極性は爪磁極１１１ｂがＮ極なので、それに接する永久磁石１３０ｂの面がＮ極、爪磁極１１２ｂに接触する面をＳ極になるように着磁する。
【０１０３】
図１５でタンデム回転子の両端の爪磁極１１１ａと１１２ｂがＳ極、中央の接する爪磁極１１２ａと１１２ｂがＮ極とした場合で説明したが、爪磁極１１１ａと１１２ｂをＮ極、中央の接する爪磁極１１２ａと１１１ｂをＳ極にした場合は、永久磁石の極性を同様に反転させれば同様な特性を得ることができる。
【０１０４】
図１６はタンデム回転子の第１の回転子である直結側爪磁極の部分断面図を示し、爪磁極１１１ａと１１２ａの極間には永久磁石１３０ａが永久磁石保持具１３１に組み込まれて、爪磁極の鍔１１１ｅ，１１２ｅの内径側極間に挿入され、挿入された後に爪磁極の極性に接した側が同一極性になるように着磁される。ここで、永久磁石１３０ａは極間に入る寸法で略正方形とし、長さは磁気的に有効な長さに設定している。永久磁石１３０ａの長さは永久磁石付でない場合に対し、磁束をどの程度増加させるかにより長さを任意に決めることができる。
【０１０５】
永久磁石の磁束を有効に利用するために、大きなトルクが必要な発進時は界磁電流を大きく流すことにより爪磁極内の磁気回路が飽和するので、極間永久磁石の磁束はギャップを介して固定子側に入り、その後また回転子に戻る磁気通路となり、極間永久磁石が存在しない場合の磁束量に対し略１.５ 倍の磁束量が得られ、トルク増加を実現できる。
【０１０６】
逆に、界磁電流を小さくした場合は、爪磁極内の磁気飽和がなくなり、永久磁石は爪磁極の磁気回路で閉じた構成になっているので、ギャップ側に出る磁束量が減少し、極間永久磁石が無い場合の略１.１５倍の磁束量となる。
【０１０７】
本発明の構成で極間に永久磁石を設けた効果は図１７に示すように流しうる界磁電流の最大値を１００（％）にした場合で、界磁電流を２０（％）近傍にした場合はギャップ磁束量が略１２０（％）の増加、界磁電流が４０（％）以上では略１５０（％）増加することができた。すなわち極間に永久磁石を設けることにより、永久磁石の無い場合の発進時トルクに対し、略１.５倍増加することができる。
【０１０８】
すなわち永久磁石の磁束がギャップから固定子に多く通過するのは爪磁極の磁気飽和が大きいと多くなり、界磁電流が小さくなると減少することによるものである。これは界磁電流が小さいと磁気回路が飽和しないために、極間の永久磁石１３０ａから発生した磁束は爪磁極の両端面からヨーク（シャフト含む）からなる磁気回路が閉じた短絡磁気回路となるので、ギャップ側に磁束が出て行かない。しかし界磁電流が大きくなって爪磁極の磁気回路が磁気的に飽和すると、永久磁石からの磁束は回転子内部の磁気回路を通過しにくくなり、ギャップを介した固定子鉄心内の磁気回路を通過するようになるために、ギャップ磁束が増加し、モータトルクを増加することができる。
【０１０９】
このように界磁電流を制御することによりモータトルクを制御することが可能であるが、界磁電流を全く通電しない場合には、永久磁石の磁束により回転子に若干の負荷が生じる。このため、車速が高速領域となり、クラッチ１８を解放して、電動機と車輪との間の回転伝達をなくすと共に、界磁電流を全く通電せずエンジン１０のみによる前輪駆動となるときに、回転子が慣性力により回転し続けようとするのを早めに停止させることが可能である。尚、界磁電流を通電しないときには、クラッチ１８が解放されて、電動機と車輪との間の回転伝達がなくなっているので永久磁石の磁束がエンジンの負荷になるようなことはない。
【０１１０】
次に極間磁石を設けたルンデル形磁極回転子と極間に磁石を設けないルンデル形磁極回転子の特性を図２３に基づいて説明する。図２３において、縦軸は、固定子と回転子間のギャップ磁束量であり、横軸は、界磁電流である。この図によれば、界磁電流を全く通電しない状態では、極間に磁石を設けない場合、ギャップ磁束量はほぼゼロである。しかしながら、極間に磁石を設けた場合には、永久磁石による磁束によって若干のギャップ磁束量が得られる。更に界磁電流を大きくした場合、極間に磁石を設けたものでは、爪磁極内の磁気回路の飽和により大きなギャップ磁束量が得られるのに対して、極間に磁石を設けないものでは、ギャップ磁束量があまり得られない。
【０１１１】
しかし、ギャップ磁束の増加は、モータトルクを増加する効果があるが、逆に固定子巻線電流が流れることによる電機子反作用起磁力の増減磁作用で、爪磁極表面の磁束密度分布に疎密が生じ、回転子と固定子間の磁気吸引力が一様でなくなるために、振動・騒音の原因となる。このため自動車用モータとして一方向回転で運転されることが多いことに着目し、電機子反作用起磁力の増磁側となる側の爪磁極と固定子間のギャップ長を大きくするために、爪磁極の回転方向先端側表面にベベル加工を施している。
【０１１２】
図１８は直結側の第１の回転子である爪磁極に設けられる界磁巻線１１３ａの外観斜視図、図１９は断面構成を示している。界磁巻線１１３ａはボビン１１４ａに巻きつけられる。ボビン１１４ａは円筒状に構成されるが、円筒の両端に２つの鍔１１４ａ１，１１４ａ２を設け、両鍔は円板状にし、それぞれにはボビンの回り止めの突起１１４ａ４が設けられる。また界磁巻線の口出し線を固定するためのボビンの突起１１４ａ３が直径側の２個所に設けられ、界磁巻線の口出し線を固定する。ボビンの鍔１１４ａ１の外径寸法φ1と１１４ａ２の外径寸法φ２は界磁巻線１１３ａの口出し線を固定すると同時に、永久磁石の軸方向挿入時にボビンの鍔１１４ａ２に接触させて位置を決めている。このためボビンの鍔１１４ａ２の外径φ2 は１１４ａ１の外径φ1 よりも大きくしている。第２の回転子のボビンも同様で、界磁巻線の口出し線を出す側におけるボビンの鍔の外径を大きくする。この結果、極間永久磁石の爪磁極両端側からの挿入時に中央側のボビンの鍔に永久磁石が当たるので、位置決めが容易にできる。
【０１１３】
図２０にタンデム回転子の爪磁極の軸方向断面図を示す。第１の爪磁極１１１ａ，112aと第２の爪磁極１１１ｂと１１２ｂのそれぞれの一対は２分割構成とし、その中にボビン１１４ａ，１１４ｂに巻かれた界磁巻線１１３ａ，１１３ｂを設ける。
【０１１４】
図２０（ａ）の場合は、両ボビン１１４ａと１１４ｂが対向する面に界磁巻線１１３ａ，１１３ｂの口出し線がくるようにし、磁気回路でもあるシャフトには界磁巻線による起磁力を白抜きの矢印のようにした場合と、黒染めの矢印の方向にした場合のみの何れかを採用することで、正常な誘起電圧，トルクが発生することになる。
【０１１５】
すなわちタンデム磁極で、各爪磁極にわたる固定子鉄心を１つで構成した場合には、それぞれの爪磁極に対応して固定子が独立していないので、誘起電圧の方向，トルクの発生方向が両爪磁極に対応した電機子巻線で一致させる必要がある。なお、本図に図示してないがタンデム爪磁極の界磁巻線１１３ａ，１１３ｂの口出し線は並列接続のためにボビンの直径方向にそれぞれ２本の口出し線を取りだし、スリップリング１１９ａ，１１９ｂ側に導くために、永久磁石１３０ｂを挿入する前に界磁巻線の口出しを固定するボビン端子１１４ａ３と１１４ｂ３を介して、界磁巻線外周の極間に配置して固定し、その後に永久磁石１３０ｂを挿入する構成としている。
【０１１６】
本実施例は上記記載したようにタンデム磁極に対応する固定子鉄心の積厚長を爪磁極のほぼ全長に近い寸法構成にしているので、スロットの軸方向の線上で爪磁極からの磁束の方向が一致させることによりモータトルクの最大値が得られるようにしている。
【０１１７】
このため、固定子鉄心のスロットにスキューを設けない場合はタンデム爪磁極中央の背中合わせの爪磁極は同極で、両端の爪磁極も同極に構成する。この結果空隙磁束が電機子巻線に鎖交して、トルクを発生させることができる。
【０１１８】
図２０（ａ）における白抜きの矢印の場合はタンデム爪磁極の中央側で背中合わせである爪磁極１１２ａと１１１ｂがＮ極になりタンデム磁極の両端の爪磁極１１１ａと112ｂがＳ極を構成し、矢印のような磁束の流れとなる。逆に、図２０（ｂ）のように黒染めの矢印の方向に界磁巻線起磁力を発生させた場合は、タンデム爪磁極の中央側で背中合わせである爪磁極１１２ａと１１１ｂがＳ極になりタンデム磁極の両端の爪磁極１１１ａと
１１２ｂがＮ極を構成し、矢印のような磁束の流れとなる。上記のいずれかの構成にしないと正常なトルクが得られないことになる。
【０１１９】
なお、図２０に図示している爪磁極間の永久磁石の極性は、図１６に記載したように爪磁極と接触する側の極性を爪磁極の極性に一致させることが前提である。
【０１２０】
図２１は回転子の界磁巻線１１３ａ，１１３ｂの回路構成を示し、界磁巻線１１３ａ，１１３ｂはスリップリング１１９ａ，１１９ｂに接続され、バッテリーなどの直流電源
１からの一方はチョッパ回路３４を介してブラシ保持器（図示なし）の中のブラシ118ａに接続され、もう一方の負極からの線はブラシ１１８ｂに接続される。両ブラシ１１８ａ、１１８ｂはブラシ保持器内に設けたブラシ加圧バネ１１６ａ，１１６ｂの押圧力でブラシ１１８ａ，１１８ｂを介して、それぞれのスリップリング１１９ａ，１１９ｂに摺動し、界磁巻線１１３ａ，１１３ｂに界磁巻線電流を供給する構成にしている。
【０１２１】
図２２はタンデム回転子において爪磁極表面に発生した表面損（渦電流損失とヒステリシス損）で爪磁極の温度が上昇して温度制限がある極間永久磁石に影響を及ぼさないように、爪磁極１１１ａ，１１２ａ，１１１ｂ，１１２ｂ表面に溝を設けた構成を示す。
【０１２２】
本実施例の爪磁極間永久磁石付ルンデル型巻線界磁型同期電動機は通常の永久磁石が存在しないルンデル型よりもギャップ磁束が増加するので、磁束密度の２乗に比例して表面損が増加することになる。このため爪磁極表面近傍の温度が上昇し、永久磁石１３０ａ，１３０ｂも表面損の熱が伝導して永久磁石の温度が上昇する。この温度が永久磁石の熱減磁する温度にいたらなければ問題ないが、熱減磁温度に至ると、減磁が発生し、所要のトルクを得ることができなくなる。
【０１２３】
表面損が発生する原因は、固定子鉄心１０５（図１４）の内周にスロット部とティース部（図示無し）が存在することにより、ギャップ磁束密度分布に疎密が生じ、かつ固定子巻線１０６に流れる電流の高調波成分により爪磁極表面に入射する磁束にも変化が生じると鉄心表面の抵抗と発生した渦電流で表面損失が生じることになる。
【０１２４】
このためモータ運転時には固定子巻線１０６の電流で電機子反作用が生じ、電機子反作用による減磁作用，増磁作用により磁束密度が周方向の爪磁極表面にて一様で無くなり、特に増磁作用側（電動機運転時は爪磁極表面の回転方向先端側）は磁束密度が高くなり、振動・騒音の原因となる電磁加振力も増加する。このため電機子反作用の増時側は図１５の爪磁極表面及び図１６の爪磁極断面図のようにベベル１１１ｃ，１１２ｃ，１１１ｄ，１１２ｄのような磁極構造にする。この結果、ベベル部の磁束密度が減少し、電磁加振力と表面損を低減することができる。しかし電機子反作用の減磁作用側でも表面損は発生するので、ベベル加工が無い部分からベベル加工の部分にかけて有効軸長に渡って溝を設ける構成とする。例えばベベル無しの領域での爪磁極表面の溝加工は溝の深さを約０.５mmで、おける溝ピッチは２.０mm 以下の溝を設ければ、爪磁極表面に発生する表面損を大幅に低減できる。
【０１２５】
このように爪磁極表面にベベル加工と同時に溝加工を施すことにより、ギャップ磁束密度分布が平坦化され、かつ爪磁極表面の抵抗がより増加して表面損を減少させることができる。この結果、振動・騒音に影響を及ぼす電磁加振力の低減と同時に、表面損も低減でき、極間永久磁石の熱減磁する温度以下に制限することができ、極間永久磁石の熱減磁を防止することができる効果が得られる。
【０１２６】
本実施例は、回転子をタンデム構成にし、かつ、それぞれの回転子の爪磁極間に永久磁石を設けることにより高トルクを得ることができ、この結果、大排気量クラスの自動車に適用可能とした。さらに、その要因が爪磁極表面の磁束密度が電機子反作用で局部的に大きくなることに起因しているので、増磁作用側にベベル加工を行い、減磁作用側に溝加工を行うことにより、表面損を低減でき、同時に低振動・低騒音化を実現することができた。
【０１２７】
以上、本発明の各実施例について説明したが、これらの電動４輪駆動車に用いられる電動モータには、制動力付与手段としての永久磁石が設けられているので、車両が所定車速以上となったときに電動モータと車輪間の回転伝達をなくして慣性力で回り続けようとする回転子を永久磁石の磁力によって制動させることができる。このため、電動モータと車輪間の回転伝達をなくしても異音や振動が発生することがない。また、界磁電流を大きくした場合には、爪磁極内の磁気回路の飽和により大きなギャップ磁束量が得られるので大きなトルクを得ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１２８】
【図１】本発明の第１の実施形態による電動４輪駆動車の構成を示すシステム構成図である。
【図２】界磁巻線型同期電動機と永久磁石式同期電動機の出力特性図である。
【図３】大容量バッテリーを搭載しない交流電動機を用いた電動４輪駆動車のエネルギーフロー図である。
【図４】本発明の第１の実施形態による電動４輪駆動車用制御装置の構成を示すシステム構成図である。
【図５】本発明の第１の実施形態による電動４輪駆動車用制御装置の構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の第１の実施形態による電動４輪駆動車用制御装置の発電機制御部の動作を示すフローチャートである。
【図７】本発明の第１の実施形態による電動４輪駆動車用制御装置の電動機制御部の動作を示すフローチャートである。
【図８】発電機の発電特性を示す特性図である。
【図９】本発明の第１の実施形態による電動４輪駆動車用制御装置による制御動作を示すタイミングチャートである。
【図１０】本発明の第１の実施形態による電動４輪駆動車用制御装置の第２の構成を示すシステム構成図である。
【図１１】本発明の第１の実施形態による電動４輪駆動車用制御装置の第３の構成を示すシステム構成図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態による電動４輪駆動車の構成を示すシステム構成図である。
【図１３】本発明の第２の実施形態による電動４輪駆動車の制御内容を示すフローチャートである。
【図１４】本発明の電動４輪駆動車に用いる界磁巻線型同期電動機の極間永久磁石付爪磁極同期電動機の全体構成を示す断面図である。
【図１５】本発明の電動４輪駆動車に用いる界磁巻線型同期電動機における極間永久磁石付の爪磁極回転子の外観を示す斜視図である。
【図１６】本発明の電動４輪駆動車に用いる界磁巻線型同期電動機における極間永久磁石付の爪磁極タンデム磁極回転子の部分断面図である。
【図１７】本発明の電動４輪駆動車に用いる爪磁極回転子で極間永久磁石が無い場合に対する極間永久磁石がある場合の界磁巻線電流に対するギャップ磁束の増加率を示す。
【図１８】本発明の電動４輪駆動車に用いる爪磁極回転子で界磁巻線を構成するボビンの構成を示す斜視図である。
【図１９】本発明の電動４輪駆動車に用いるタンデム構成の第１の界磁巻線型同期電動機における界磁巻線の断面構成を示す。
【図２０】本発明の界磁巻線を励磁した場合の有効な起磁力の方向と磁束の流れを示す説明図である。
【図２１】本発明の電動４輪駆動車に用いるタンデム回転子の界磁巻線型同期電動機における界磁巻線の接続を示す構成図である。
【図２２】本発明の電動４輪駆動車に用いる極間磁石を設けたタンデム回転子で、磁極表面に溝を設けた外観斜視図である。
【図２３】本発明の電動４輪駆動車に用いる極間磁石を設けたルンデル形磁極回転子と極間に磁石を設けないルンデル形磁極回転子の特性を比較した図である。
【符号の説明】
【０１２９】
１０…エンジン、１４…発電機、１６…インバータ、１８…クラッチ、２０…デファレンシャルギヤ、２２…平滑用コンデンサ、３０…エンジンコントロールユニット(ＥＣＵ)、４０…１２Ｖバッテリー用発電機、１００…同期電動機、１０２…ハウジング、１０３…固定子、１０５…固定子鉄心、１０６…固定子巻線、１１０…回転子、１１１ａ，111b，１１２ａ，１１２ｂ…爪磁極、１１３ａ，１１３ｂ…界磁巻線、１１４ａ，１１４ｂ…ボビン、１１８ａ，１１８ｂ…ブラシ、１３０ａ，１３０ｂ…永久磁石、２００…コントロールユニット、２１０…発電機制御部、２２０…モータ制御部。
【図１】
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【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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【図２２】
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【図２３】
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