(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
周方向に等間隔極性交互に配列された複数対の磁極を有するロータ、および、電気角で所定位相差ずつ離れて円周上に配列された複数の三相巻線をもつステータコイルを有する走行モータと、前記ステータコイルの各相巻線にそれぞれ前記位相差ずつ離れた三相交流電流を供給する制御装置とを備え、
前記ステータコイルは、電気角でπ／６ないしはπ／３ラジアンの位相差離れて円周上に配列されて、かつ、中性点が独立する二つの三相巻線を有し、
前記制御装置は、前記両三相巻線に電気角でπ／６ないしはπ／３ラジアンの位相差をもつ三相交流電流を供給する自動車用電動駆動装置において、
前記制御装置は、
同一の直流電源から給電されて前記両三相巻線に前記三相交流電流を個別に供給する一対のインバータ回路と、
前記両三相巻線のうち互いの位相差が小さい各一相の電流のベクトル和をそれぞれ検出する一対の電流センサと、
前記ロータの回転位置を検出する回転センサと、
検出した前記一対の電流のベクトル和及び回転位置に基づいて算出したｄ軸電流検出値Ｉｄ、ｑ軸電流検出値Ｉｑに基づいて前記両三相巻線用の電圧指令値を算出し、算出した前記両三相巻線用の電圧指令値を前記両インバータ回路に出力することにより前記一対のインバータ回路の各スイッチング素子を断続制御する一つのコントローラと、
を有することを特徴とする自動車用電動駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気自動車やハイブリッド電気自動車の走行動力発生用の自動車用電動駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電気自動車やハイブリッド電気自動車に用いられている自動車用電動駆動装置は、三相交流モータからなる走行モータと、直流電力を交流電力に変換して走行モータに給電する三相インバータ回路（単にインバータ回路ともいう）と、このインバータ回路を断続制御するコントローラとを有し、この三相交流モータとしては磁石式同期モータいわゆるブラシレスＤＣモータが採用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電気自動車の走行モータには、その運転中の安全性確保のために更に高い信頼性が要求されるとともに、電力消費節減のために更に高い運転効率が要求され、その上、従来の内燃機関式自動車のように高騒音のエンジンをもたないので更に高い静粛性が要求されていた。
【０００４】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、安全性、運転効率及び静粛性に優れた自動車用電動駆動装置を提供することを、その目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の自動車用電動駆動装置によれば、電気自動車の走行モータとして、複数の三相巻線を有する磁石式同期モータ（いわゆるブラシレスＤＣモータ）を用いることを特徴としている。
更に詳しく定義すると、本発明は、周方向に等間隔極性交互に配列された複数対の磁極を有するロータ、および、電気角で所定位相差ずつ離れて円周上に配列された複数の三相巻線をもつステータコイルを有する走行モータと、前記ステータコイルの各相巻線にそれぞれ前記位相差ずつ離れた三相交流電流を供給する制御装置とを備え、
前記ステータコイルは、電気角でπ／６ないしはπ／３ラジアンの位相差離れて円周上に配列されて、かつ、中性点が独立する二つの三相巻線を有し、前記制御装置は、前記両三相巻線に電気角でπ／６ないしはπ／３ラジアンの位相差をもつ三相交流電流を供給する自動車用電動駆動装置において、前記制御装置は、同一の直流電源から給電されて前記両三相巻線に前記三相交流電流を個別に供給する一対のインバータ回路と、前記両三相巻線のうち互いの位相差が小さい各一相の電流のベクトル和をそれぞれ検出する一対の電流センサと、前記ロータの回転位置を検出する回転センサと、検出した前記一対の電流のベクトル和及び回転位置に基づいて算出したｄ軸電流検出値Ｉｄ、ｑ軸電流検出値Ｉｑに基づいて前記両三相巻線用の電圧指令値を算出し、算出した前記両三相巻線用の電圧指令値を前記両インバータ回路に出力することにより前記一対のインバータ回路の各スイッチング素子を断続制御する一つのコントローラとを有することを特徴としている。
このようにすれば以下の作用効果を奏することができる。
【０００６】
まず、従来の三相交流モータ（三相ブラシレスＤＣモータ）では、走行中にステータコイルの相巻線の一つ又はインバータ回路のどれかの相インバータ（一つの相電流を発生する回路部）の一つが故障した場合、トルクは発生するものの二相運転モードの発生トルクは弱く、かつ不平衡回転磁界の影響で騒音が大きくなり、効率も低下し、その上、交差点などで停止してしまうと起動トルクが０もしくは非常に小さいので、ほとんど再走行不能状態に陥る可能性が大きいという問題が生じる。
【０００７】
これに対し、本構成では、ステータコイルが複数の三相巻線を有するので、走行中にステータコイルの相巻線の一つ又はインバータ回路のどれかの相インバータ（一つの相電流を発生する回路部）の一つが故障した場合、残る三つの相電流は正常に供給できるので円滑な回転電流磁界を形成することができ、発生トルクの減少は残った相巻線の負担増大で容易にカバーできるレベルに抑止でき、かつ騒音増大及び効率低下も抑止でき、更にその上、交差点などで停止してしても実用上十分に大きな起動トルクを確保することができ、電気自動車用走行モータとして優れた使用適性を確保することができる。
【０００８】
なお、複数の三相巻線をもつブラシレスＤＣモータとすることにより、相巻線数及びインバータ回路の相インバータ数は増大するものの、モータの定格出力が同じであれば各相巻線当たり又は相インバータ当たりの電流量は減少するので、装置コストの大幅な増大を生じることなしに上記利点を享受することができる。
【０００９】
また、上記異常が発生しない正常運転中でも電流により形成される回転電流磁界の変化はより円滑化（正弦波化）するので、耳障りな騒音を発生する高調波電磁音を大幅に低減できるという効果も期待することができる。
本発明よれば、ステータコイルは、互いに位相差がπ／６ないしはπ／３異なる二つの独立の三相巻線からなる。
【００１０】
このようにすれば、上述した作用効果に加えて更に次の作用効果を奏することができる。
まず、ステータコイルが互いに完全に独立な三相巻線（三相電機子巻線）からなるので、一方の三相巻線だけを運転し、他方の三相巻線を運転しないといった動作を行うことができ、更にこの場合に運転中の三相巻線から休止中の三相巻線に無用な電流が回り込む（たとえばインバータ回路のダイオードなどを通じて）可能性を完全に阻止することができ、安全性を向上でき、無用な電力損失や発熱を低減することができる。
【００１１】
また、ブラシレスＤＣモータでは各相巻線の電流すなわち各相電流の検出が必須であるが、もしこれら各三相巻線の中性点を短絡して６相化した場合には各相電流を正確に確定するに少なくとも５個の電流センサが必要となるのに対し、本構成では各三相巻線が互いに独立であるので、それぞれ二個の電流センサを設けるだけで全ての相電流を正確に確定することができ、高価な電流センサの必要数を低減しつつ正確な電流検出を行うことができる。
【００１２】
好適態様において、両三相巻線に給電する全相巻線給電モードと、両三相巻線の一方にのみ給電する半相巻線給電モードとを切り替える。
このようにすれば、たとえば走行負荷が大きい場合には全相巻線給電モードにより低騒音高効率の運転ができ、たとえば走行負荷が小さい場合には半相巻線給電モードにより、インバータ回路の全体としてのスイッチング損失を低減することができる。なお、インバータ回路のスイッチング素子の損失の多くは、スィッチング素子のオンからオフへ及びオフからオンへの過渡期間に発生するスイッチング損失により主に構成され、インバータ回路のスィッチング素子のスィッチング回数の低減によりこのスイッチング損失を低減することができる。
【００１３】
好適態様において、両三相巻線の一方の出力の異常が、相巻線の断線やそれに相電流を供給するインバータ回路の相インバータの故障で生じた場合、それを検出して他方の正常な三相巻線により半相巻線給電モード運転を実行する。
このようにすれば、上記出力異常時でも、全相巻線の一つだけオフする場合に比較して回転電流磁界の対称性が向上するので効率向上及び騒音低減を図ることができる。
【００１４】
好適態様において、走行負荷が所定値未満の軽い場合に、他方の正常な三相巻線により半相巻線給電モード運転を実行する。
このようにすれば、全相巻線の一つだけオフする場合に比較して回転電流磁界の対称性が向上するので、特に定格出力の５０％未満の出力においては効率向上及び騒音低減を図ることができる。
【００１５】
本発明によれば、制御装置は、同一の直流電源から給電されて両三相巻線に前記三相交流電流を個別に供給する一対のインバータ回路と、このインバータ回路を断続制御する一つのコントローラとを有する。
このようにすれば、コントローラは両インバータ回路で共用することができるので、回路構成を簡素化することができる。
【００１７】
本発明によれば、それぞれ両三相巻線の各一本の相巻線を流れる相電流のベクトル和である一対の合成電流に基づいて両三相巻線の各相電流を推定する。
このようにすれば、実質的に二つの三相巻線を用いるにもかかわらず高価な電流センサは二個で済ますことができ、回路構成を簡素化しつつ、両方の巻線電流を検出しているので、ショートなどの故障も検出し易くなる。
【００１８】
【発明を実施するための形態】
本発明の自動車用電動駆動装置の好適な態様を以下の実施例を参照して説明する。
【００１９】
【参考例１】
本発明の自動車用電動駆動装置の一参考例を図１を参照して以下に説明する。図１はこの自動車用電動駆動装置の回路図である。
１は、電気自動車の走行モータとして用いるブラシレスＤＣモータであって、固定子１１は、電気角で空間位相差がπ／６ないしπ／３ラジアン離れて巻装された二つの三相巻線１１１、１１２を有し、各三相巻線１１１、１１２はそれぞれ互いに電気角で空間位相差が２π／３ラジアン離れて巻装された三相分の相巻線を有している。１２は回転子、１３はレゾルバーである。
【００２０】
２は、三相巻線１１１、１１２に互いにπ／６ないしはπ／３の位相差を有する三相交流電流をそれぞれ給電する制御装置であり、ＩＧＢＴ等のパワースイッチング素子を用いた半導体スイッチングブリッジ回路（三相インバータ回路）２１、２２、電気自動車のアクセル信号により指定される必要トルクに相当する電流値を決定するコンピュータ（コントローラ）２３を有している。２４は、スイッチングノイズを吸収するコンデンサ、２５、２５’は各三相巻線１１１、１１２のそれぞれ二相分の相電流を検出する電流センサ、３は、走行電力蓄電用の電池である。なお、半導体スイッチングブリッジ回路（三相インバータ回路）２１、２２において、各パワースイッチング素子と逆並列にダイオードを接続するのが通常であるが、図示は省略するものとする。
【００２１】
図２、図３は、この参考例のブラシレスＤＣモータの巻線図であり、図４は従来の三相ブラシレスＤＣモータの巻線図である。
まず、従来の三相電動機の巻線を図４に従って説明すると、１２１、１２２は、回転子１２の永久磁石からなる磁極であって、互いに異極性を有し極性交互に複数対配列されている。１１３は固定子１１の鉄心のティースであり、１１４は固定子１１の鉄心のスロットである。三相電動機の場合、全節巻では一般に磁極数の３倍のティースとスロット数となる。１１１Ｘ、１１１Ｙ、１１１Ｚは、互いに２π／３ラジアンの電気角でスロット１１４に全節巻きされた三相巻線である。
【００２２】
これに対し、この参考例のブラシレスＤＣモータでは、図２に示すように、磁極数に対し２×３倍のティースとスロット数とを有し、スロットピッチは電気角でπ／６ラジアンとなっている。１１１Ｘ、１１１Ｙ、１１１Ｚは１磁極ピッチ（全節）で巻装された第１の三相巻線１１１の各相巻線であり、１１２Ｘ、１１２Ｙ、１１２Ｚは第１の三相巻線１１１に対してπ／６ラジアンの電気角位相差で全節巻きされた第２の三相巻線１１２の各相巻線である。
【００２３】
図３は、磁極ピッチに対して電気角位相差で２π／３短節巻きした場合の二つの三相巻線を持った巻線事例を示しており、二つの三相巻線はπ／３の電気角位相差を持つことになる。
コンピュータ２３は、三相巻線１１１の二つの相電流を検出する電流センサ２５’からの電流値及びレゾルバ１３で求めた回転角度に基づいて半導体スイッチングブリッジ回路（三相インバータ回路）２１に出力する信号電圧（電圧指令値）を決定し、同じく、三相巻線１１１の二つの相電流を検出する電流センサ２５からの電流値及びレゾルバ１３で求めた回転角度に基づいて半導体スイッチングブリッジ回路（三相インバータ回路）２２に出力する信号電圧（電圧指令値）を決定する。
【００２４】
半導体スイッチングブリッジ回路（三相インバータ回路）２１は、コンピュータ２３からの上記信号電圧に基づいて、三相巻線１１１に第一の三相交流電流を給電し、半導体スイッチングブリッジ回路（三相インバータ回路）２２は三相巻線１１２に上記第一の三相交流電流に対して上記電気角位相差をもつ第二の三相交流電流を供給する。
【００２５】
次に、上述した二つの三相巻線１１１、１１２を有する固定子１１に上記電気角位相差を有する三相電流をそれぞれ独立に給電した場合の効果を、図４に示す従来巻線の場合と比較してπ／６位相差を有する全節巻の場合を事例として説明する。
図５〜図８は、従来の全節三相巻線の場合の三相交流電流による合成起磁力の時間的変化を示し、図９〜図１２は、π／６位相差を有する二つの三相巻線１１１、１１２を有する固定子１１にπ／６位相差を有する三相交流電流を供給した場合の合成起磁力の変化を示す。
【００２６】
図４に示す従来の三相巻線では、ｔ1 、ｔ2 、ｔ3 の時間経過ごとに三相巻線が作る合成起磁力が変化するのに対し、この実施例では二つの三相巻線１１１、１１２が作る合成起磁力はｔ1 、ｔ2 、ｔ3 において変化せず、従って、ロータ１２との間の電磁力が回転に伴なって変化しないので、電磁音を従来より格段に低減できることがわかった。
【００２７】
【参考例２】
本発明の自動車用電動駆動装置の他の参考例を図１３を参照して説明する。図１３は、自動車用電動駆動装置における他の制御方法を説明するブロック図である。この参考例では、三相巻線１１１、１１２への通電は周知のベクトル制御を用いて行う。なお、従来の制御方法すなわち単一の三相巻線へ通電するベクトル制御は、図１３に破線で囲った部分１０００だけで実施される。
【００２８】
モータ１の三相巻線巻線１１１のＵ相電流及びＷ相電流は電流センサ２５１、２５１で検出され、モータ１のロータ回転角度は三相巻線１１１を基準にレゾルバ１３で検出される。この電流測定値は回転位置に基づいて３相２相変換回路１００２により、ｄ，ｑ軸電流に変換され、この電流と電流指令に基づきｄ，ｑそれぞれの電流制御を電流制御回路１００４、１００６で行う。これら電流制御は、指令値と実測値に基づき、フィードバック制御やフィードバック＋フィードフォワード制御によりなされるが、この実施例の要旨ではないので説明は省略する。そして、得たｄ，ｑ軸電圧指令値を２相３相変換回路１００８で２相３相変換してＵ，Ｖ，Ｗ相の電圧指令値に変換し、インバータ１０１０を通じて三相巻線１１１を駆動する。
【００２９】
また、三相巻線１１２は、レゾルバ１３で検出した回転角度に２つの巻線１１１、１１２の位相差Δθを加算部１０２２で加算し、この加算値に基づいて２相３相変換回路１０２０で２相３相変換を行い、得たＵ，Ｖ，Ｗ相の電圧指令値をインバータ２２を通じて三相巻線１１１を駆動する。巻線１１２のＵ，Ｖ，Ｗの電圧指令を演算し、インバータ１０２４を用いて三相巻線１１２を駆動する。
【００３０】
本方法によれば、三相巻線１１２に対する電流センサ２５、２５を省略することができる。
【００３１】
【実施例１】
本発明の自動車用電動駆動装置の実施例１を図１４を参照して説明する。図１４は、本発明の自動車用電動駆動装置における制御方法を説明するブロック図である。この実施例では、三相巻線１１１、１１２への通電は周知のベクトル制御を用いて行う。なお、この実施例は、図１３に示すベクトル制御において、電流センサ１０３０、１０３２の配置を変更したものである。
【００３２】
この実施例では、三相巻線１１１、１１２のＵ相電流のベクトル和を電流センサ１０３０で検出し、三相巻線１１１、１１２のＷ相電流のベクトル和を電流センサ１０３２で検出し、三相巻線１１１を基準にしたロータ回転角度をレゾルバ１３で検出する。この回転角度と総電流値から３相２相変換回路１００２で３相２相変換して仮のｄ，ｑ軸相電流を演算する。次に、このｄ，ｑ軸電流と２つの三相巻線１１１、１１２間の空間位相差Δθから巻線１１１の電流を演算部１０３４で下式に基づき演算する。以下、実施例２と同じ制御方法となる。
【００３３】
１ｄ１＝１ｄ／（２×ｃｏｓ（Δθ／２））
１ｑ１＝１ｑ／（２×ｃｏｓ（Δθ／２））
なお、上記実施例では、レゾルバ１３の位置を巻線１１１を基準に設定したが、巻線１１１と巻線１１２の中間位置を基準に設定したりするなどの変更も当然可能てある。
【００３４】
上述した各実施例によれば、原理的に電磁音を小さく出来るので、従来の自動車用電動駆動装置に比べ制御装置のスイッチング周波数を従来の１０ＫＨｚから５ＫＨｚ以下に下げても耳障りな高周波数の電磁音が発生せず、また、スイッチング損失を従来の１／２以下に出来るという効果がある。
【００３５】
【実施例２】
また、一方の巻線のみで駆動する場合は、駆動するべき巻線の電流指令値のみを位相差に基づいて制御すればよい。たとえば、巻線１１１、１１２の一方が故障したり、２つのインバータ１０１０、１０２４の一方が不良となっても正常な１つの組合せで正常な三相交流駆動を行うことができ、最大トルクは減少するだけで部分負荷運転では走行にまったく支障が生じることがない。
【００３６】
コンピュータ２３により実行されるこの場合のフローチャートを図１５を参照して説明する。
まず、アクセル開度を入力して（Ｓ１００）、アクセル開度が直前の所定期間ずっと小さくかつ現在も小さいかどうかを調べ（Ｓ１０２）、そうでなければＳ１０４へ進む。
【００３７】
Ｓ１０４では、更に三相巻線１１１、１１２の一方の電流がたとえば巻線１１１、１１２の一方が故障したり、２つのインバータ１０１０、１０２４の一方が不良となったりするなどの原因で電流指令値に比較して直前の所定期間ずっと外れておりかつ現在も外れているかどうかを調べ（Ｓ１０２）、そうでなければ二つの三相巻線１１１、１１２への給電を行う（Ｓ１０６）。
【００３８】
一方、Ｓ１０２において、アクセル開度が直前の所定期間ずっと小さくないか又は現在大きければ（Ｓ１０２）、Ｓ１０８へ進む。
同様に、Ｓ１０４において、三相巻線１１１、１１２の一方の電流が電流指令値に比較して直前の所定期間ずっと外れておりかつ現在も外れていれば、正常な方の三相巻線にだけ給電を行う（Ｓ１０８）。
【００３９】
このようにすれば、小走行負荷時に電力損失を低減でき、かつ、上記異常発生時でも低騒音かつ高効率の走行動力発生を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  参考例の自動車用電動駆動装置の回路図である。
【図２】  図１のブラシレスＤＣモータの巻線図である。
【図３】  図１のブラシレスＤＣモータの巻線図である。
【図４】  従来のブラシレスＤＣモータの巻線図である。
【図５】従来の全節三相巻線の場合の三相交流電流による各相起磁力の時間的変化を示すタイミングチャートである。
【図６】図５に示す従来の全節三相巻線の場合の三相交流電流による合成起磁力の時間的変化を示すタイミングチャートである。
【図７】図５に示す従来の全節三相巻線の場合の三相交流電流による合成起磁力の時間的変化を示すタイミングチャートである。
【図８】図５に示す従来の全節三相巻線の場合の三相交流電流による合成起磁力の時間的変化を示すタイミングチャートである。
【図９】  参考例の三相交流電流による各相起磁力の時間的変化を示すタイミングチャートである。
【図１０】図９に示す従来の全節三相巻線の場合の三相交流電流による合成起磁力の時間的変化を示すタイミングチャートである。
【図１１】図９に示す従来の全節三相巻線の場合の三相交流電流による合成起磁力の時間的変化を示すタイミングチャートである。
【図１２】図９に示す従来の全節三相巻線の場合の三相交流電流による合成起磁力の時間的変化を示すタイミングチャートである。
【図１３】  本発明の自動車用電動駆動装置の参考例の制御方法を説明するブロック図である。
【図１４】  本発明の自動車用電動駆動装置の実施例の制御方法を説明するブロック図である。
【図１５】  本発明の自動車用電動駆動装置の他の実施例の制御動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１はブラシレスＤＣモータ（走行モータ）、２は制御装置、１１はステータ、１２はロータ、１３はレゾルバ、２５、２５’は電流センサ、１１１、１１２は三相巻線、２１、２２は半導体スイッチングブリッジ回路（インバータ回路）、２３はコンピュータ（コントローラ）、Ｓ１０６、Ｓ１０８は給電モード切り替え手段
【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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