JPH06276778A

JPH06276778A - 車両用駆動装置及び永久磁石電動機装置

Info

Publication number: JPH06276778A
Application number: JP5056781A
Authority: JP
Inventors: Fumio Tajima; 文男田島; Nobuyoshi Muto; 信義武藤; Ryozo Masaki; 良三正木; Osamu Koizumi; 小泉　　修
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-03-17
Filing date: 1993-03-17
Publication date: 1994-09-30

Abstract

(57)【要約】【目的】フェールセイフ機能を備えた電気自動車用の駆
動装置と、それを達成するのに好適な永久磁石電動機装
置を提供すること。【構成】車両用駆動装置として、複数の独立した多相固
定子巻線を有する固定子鉄心とその空隙面に回転子とを
備えた駆動電動機と、複数の独立した多相固定子巻線に
接続されると共に、故障検出機構を持った複数の駆動制
御装置とを備える。さらに、永久磁石電動機装置として
電気的に３０度位相の異なる独立した二つの３相固定子
巻線を有する固定子鉄心とその空隙面に前記独立した二
つの複数の３相固定子巻線に共通に作用する永久磁石回
転子とを備えた駆動電動機と、二つの独立した３相固定
子巻線に接続される複数の駆動制御装置とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は車両用駆動装置及び永久
磁石電動機装置に係り、特に、フェールセイフ機能を備
えた車両用特に電気自動車用の駆動装置とそれを達成す
るのに好適な永久磁石電動機装置を提供するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】電気自動車の駆動モータは数十キロワッ
トの所要出力を要し、駆動方式としても１モータ方式あ
るいは２モータ方式あるいは車輪の中に組み入れたホイ
ールインモータ等の方式が試みられている。さて、アメ
リカにおける排気ガス規制により電気自動車の本格的な
実用化が目前に来ている。電気自動車の実用化に当たっ
て最も重要なことはバッテリやモータ，コントローラの
性能向上もさることながら安全性の確保，フェールセイ
フ機能の拡充が最も重要である。特に故障時においても
最小限の駆動機構が必要である。これに対する従来例と
して、特開平2−133006号公報で、４モータ方式を開示
している。また、電気自動車として好適な電動機として
特開平1−286758 号に突極性を持つ永久磁石電動機が開
示されている。この方式は、トルクが大きくかつ弱め界
磁ができるために電気自動車としては好ましいトルク特
性を有している。しかしこの突極性のために脈動トルク
が大きい欠点がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】以上開示例１によれ
ば、モータ及びその制御装置の故障時にも他のモータ及
びその制御装置によって走行ができる反面、モータを２
個あるいは４個必要とし、重量の増加，価格の増加を来
す欠点がある。また、開示例２によれば直巻特性を持
ち、電気自動車として好ましいトルク特性を持つが、し
かし、逆に脈動トルクが大きいという欠点がある。

【０００４】本発明は以上、示した従来例の欠点を除
き、小型軽量でかつフェールセイフの機能を有する車両
用駆動装置、あるいはそれに使用するに好適な永久磁石
電動機を提供するものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、車両用駆動装置として、複数の独立した多相固定
子巻線を有する固定子鉄心とその空隙面に回転子とを備
えた駆動電動機と、複数の独立した多相固定子巻線に接
続されると共に、故障検出機構を持った複数の駆動制御
装置とを備える。

【０００６】さらに、永久磁石電動機装置として電気的
に３０度位相の異なる独立した二つの３相固定子巻線を
有する固定子鉄心とその空隙面に前記独立した二つの複
数の３相固定子巻線に共通に作用する永久磁石回転子と
を備えた駆動電動機と、二つの独立した３相固定子巻線
に接続される複数の駆動制御装置とを備える。

【０００７】

【作用】以上の構成によれば、車両駆動装置として二つ
の駆動部を持つことができるために制御部の故障、ある
いは電動機の固定子巻線の一つの断線等による故障時に
も駆動力を確保できる。かつ、電動機は同一のハウジン
グの中に複数の独立した多相固定子巻線を有する構成と
しているために、電動機の体格の増加や、出力減少を伴
わずに上記の効果が発揮できる。

【０００８】また、永久磁石電動機装置としては電気的
に３０度位相の異なる独立した二つの３相固定子巻線を
有することによって、電気自動車として好適な直巻特性
を持つと共にトルクむらの少ない電動機とすることがで
きる。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。

【００１０】図１は本発明にかかわる車両用駆動装置の
構成を示す。

【００１１】固定子１内に独立した固定子巻線５Ａ，５
Ｂを有し、この固定子巻線５Ａ，５Ｂに共通の回転子２
を持つ。独立した固定子巻線５Ａ，５Ｂはそれぞれ独立
したインバータ１２Ａ，１２Ｂに接続されて、スイッチ
ＳＷ１，ＳＷ２を介して直流電源１１に接続された構成
とする。インバータ１２Ａ，１２Ｂにはそれぞれ独立の
制御回路Ｃ１，Ｃ２を持ち、その中には、故障検出機構
Ｆ１，Ｆ２を持つ。インバータ１２Ａ，１２Ｂ，制御回
路Ｃ１，Ｃ２，故障検出機構Ｆ１，Ｆ２は駆動制御装置
１９Ａ，１９Ｂを構成する。

【００１２】電動機は誘導電動機でも良いが、ここでは
突極性をもった２極の永久磁石電動機の例で示す。永久
磁石電動機の回転子２は固定子１側の固定子鉄心４内側
に空隙を介して配置される。回転子２はその外周面に永
久磁石８と、永久磁石８より高い透磁率を有する磁性体
２０（以下、補助磁極と称す）とが配置された構造とし
ている。一般に永久磁石８と補助磁極２０との分割比は
永久磁石８の方が補助磁極２０より大となるように選択
する。また、補助磁極２０の周方向幅は１個の永久磁石
８の例えばＮ極の周方向幅より小さくする、これによっ
て、永久磁石８の磁束量が確保でき、特性は安定する。
なお、補助磁極２０とヨーク７は共に高透磁率磁性体で
あることから、同１磁性材質、例えば、珪素鋼板等によ
って一体に作ることができる。なお、一極は図示のよう
に二つの永久磁石８と一つの補助磁極２０とで構成され
る。この補助磁極２０を設けることによって突極性を生
じさせることができる。また必要によっては、回転子２
の外周にステンレス材による図示しないが、保持リング
等（図示せず）を設ける構成とすることもできる。ま
た、回転子２は機械的に車両の車輪に接続して車両を駆
動する構成とする。

【００１３】図２に本発明の永久磁石電動機の断面構造
図を示す。

【００１４】固定子１はハウジング３と、このハウジン
グ３の内周面に固定された固定子鉄心４と、この固定子
鉄心４に巻き回された多相の固定子巻線５とからなる。
回転子２は図１で示した構成の永久磁石８と補助磁極２
０とからなり、さらに、シャフト６やヨーク７とで構成
される。また、シャフト６はベアリング１０，エンドブ
ラケット１１によって固定子１に回転自在に保持する。
ここで、ＰＳは回転子２の永久磁石磁極の位置を検出す
る位置検出器を、Ｅは電動機の位置を検出するエンコー
ダである。

【００１５】図３に本発明の駆動電動機の巻線を示す。

【００１６】図３において、固定子鉄心４はヨーク部４
ａ，鉄心歯部４ｂからなり、鉄心歯部４ｂ間には固定子
巻線５を収納する巻線溝４ｃが設けられる。ここでは、
特に、２極構造，２４の巻線溝，３相の電動機の例で示
した。従って、毎極毎相あたりの巻線溝数は４となり、
図で示すようにＵ相，Ｖ相，Ｗ相の固定子巻線５がそれ
ぞれ配置される。ここで、固定子巻線５のＵ＋とはＵ−
とで一つの固定子巻線５を構成する。Ｖ，Ｗ相の固定子
巻線５も同様である。別個の巻線溝に挿入された二つの
固定子巻線５を直列に接続して一つの相を形成し、それ
がＵ相，Ｖ相，Ｗ相の固定子巻線５をスター結線して一
つの独立の固定子巻線５を構成する。添字の１と２とは
それぞれ独立してスター結線される固定子巻線５を指し
ている。以上示した構成では明らかに独立した固定子巻
線５は電気角で３０度の位相差を持つ。

【００１７】図４に図１の車両駆動装置を構成する二つ
の駆動制御装置１９Ａ，１９Ｂの構成及び制御を示す。

【００１８】図において、直流電源１１よりインバータ
１２を介して固定子１の電機子巻線５に電力を供給す
る。速度制御回路（ＡＳＲ）１３では、速度指令ωｓ
と、エンコーダＥよりの位置情報θからＦ／Ｖ変換器１
７を介して得られる実際の速度ωｆとから速度差ωｅを
算出し、これにＰＩ制御（Ｐ：比例項，Ｉ：積分項）等
によってトルク指令すなわち電流指令Ｉｓと必要に応じ
て位相シフト指令θ１を出力する。この速度制御は二つ
の制御回路Ｃ１，Ｃ２に共通の制御であり、どちらかが
もてば良い。以下の機能はそれぞれの制御回路Ｃ１，Ｃ
２で独立に持つ必要がある。

【００１９】一方、正弦波，余弦波発生器１４では、回
転子２の永久磁石磁極の位置を検出する位置検出器ＰＳ
とエンコーダＥよりのパルスすなわち回転子の位置情報
θあるいは位相シフト指令θ１などから、固定子巻線５
の各巻線（ここでは３相）の誘起電圧と同相の正弦波出
力、あるいは必要に応じて位相シフトした正弦波出力を
発生する。２相−３相変換回路１６においては、電流指
令Ｉｓと正弦波，余弦波発生器１４の出力に応じて各相
に電流指令Ｉｓａ，Ｉｓｂ，Ｉｓｃを出力する。各相は
それぞれ個別に電流制御系（ＡＣＲ）１５を持ち、電流
指令Ｉｓａ，Ｉｓｂ，Ｉｓｃと電流検出器ＣＴからの電
流検出信号Ｉｆａ，Ｉｆｂ，Ｉｆｃに応じた信号をイン
バータ１２に送って各相電流を制御する。この場合、各
相合成の電流は界磁磁束に直角、あるいは位相シフトし
た位置に常に形成され、これによって無整流子で、かつ
直流機と同等の特性を得ることができる。

【００２０】図５には、界磁磁束に直角、つまり誘起電
圧に対して同相に制御した場合の２相−３相変換回路１
６の出力信号と、電流指令出力信号を示す。各相には電
気角で１２０度の位相差を有する正弦波信号を出力す
る。また、この電流指令は、必要に応じて誘起電圧に対
して位相シフトさせることができる。

【００２１】図６（ａ）は、界磁磁束φｍに対して強め
る方向に位相シフトしたときのベクトル図で、二つの駆
動制御回路１９Ａ，１９Ｂによって固定子巻線５に流れ
る電流により生じる合成結果で示す。Ｉｑ成分は誘起電
圧と同相の成分を示すものである。一方、Ｉｄ成分は誘
起電圧と直交成分つまり界磁磁束φｍと同一方向であ
る。ここで各相電流成分のｄ軸成分であるＩｄは補助磁
極２０方向に向き、かつこの方向の磁気的な抵抗は補助
磁極２０の磁気抵抗がほぼゼロであるために空隙長のみ
となってかなり小さくなり、大きな磁束φａを発生する
ことができる。一方、ｑ軸にも各相電流成分のｑ軸成分
によって発生する磁束が当然発生する筈であるが、ｑ軸
の磁気的な抵抗は永久磁石８の透磁率が空気と同じ１で
あることから磁気抵抗は非常に大きく、この磁束は、永
久磁石の界磁磁束φｍ，補助磁極２０による磁束φａに
比較して非常に小さいために無視できる。ここで、永久
磁石の界磁磁束φｍと補助磁極２０による磁束φａとが
合成して、全体の磁束にφｔを作る。全体の磁束φｔの
大きさは、ｄ軸成分の電流Ｉｄの値、つまり全電流Ｉｍ
と位相シフト量θ１によってきまる。

【００２２】同様に弱める方向に位相シフトすることも
できる。各相電流成分のｄ軸成分であるＩｄは補助磁極
２０の方向で磁束が永久磁石８の磁束を減らす方向に向
かわせる。すると、この方向の磁気的な抵抗は図５と逆
方向に前述と同様の原理によって、大きな磁束φａを発
生することができる。そこで、永久磁石８の界磁磁束φ
ｍと補助磁極２０による磁束φａとの合成の磁束φｔは
永久磁石８の界磁磁束φｍよりはるかに小さくなるまで
弱めることができる。

【００２３】図６（ｂ）に永久磁石のみの電動機の特性
と突極性電動機の特性との比較を示す。永久磁石のみの
電動機では界磁磁束が一定であるために図示のように直
流分巻モータと同じ特性を有する。この特性では、高速
にモータを回転することができない。一方突極性電動機
においては同一のモータ電流に対して低速時には大きな
トルクを発生できると共に、高速時には弱め界磁制御に
よって、その運転領域を拡大することができる。すなわ
ち、低速時では強め界磁制御によって大きなトルクを効
率良く得ることができ、かつ高速時には弱め界磁制御に
よって高速域まで回転可能にする、つまり直巻特性を得
ることができる。

【００２４】上記説明のように、複数の独立した多相固
定子巻線５を有する固定子鉄心４とその空隙面に回転子
２とを備えた駆動電動機と、複数の独立した多相固定子
巻線５に接続されると共に、故障検出機構Ｆ１，Ｆ２を
持った複数の駆動制御装置１９Ａ，１９Ｂとを備えるこ
とによって、車両駆動装置として二つの駆動部を持つこ
とができるために制御部の故障、あるいは電動機の固定
子巻線５の一つの断線等による故障時にも駆動力を確保
できる。かつ、電動機は同一のハウジングの中に複数の
独立した多相固定子巻線５を有する構成としているため
に、電動機の体格の増加や、出力減少を伴わずにフェー
ルセイフ機能を持つことができる。この時に必要に応じ
て故障したインバータ１２Ａ,１２ＢをスイッチＳＷ１,
ＳＷ２によって直流電源１１より切り離せば良い。

【００２５】なお、以上は固定子巻線５として、電気角
で３０度の位相差を有する場合について述べるが、トル
クむらが許容できれば、図１，図４で示した制御回路Ｃ
１，Ｃ２はインバータ１２Ａ，１２Ｂの共通のものが一
つ存在すれば良く、つまり共通のパルスによってインバ
ータ１２Ａ，１２Ｂを駆動でき、制御構成が非常に簡単
となる。さらに固定子巻線５を同相に巻回する構成とす
ることによって、二つの固定子巻線５の合成値を検出す
る一組の電流検出器で制御することができ、制御構成が
非常に簡単となる。

【００２６】また、永久磁石電動機装置としては電気的
に３０度位相の異なる独立した二つの３相固定子巻線５
を有することによって、電気自動車として好適な直巻特
性を持つと共にトルクむらの少ない電動機とすることが
できる。

【００２７】図７に本発明の他の実施例を示す。電動機
として分割鉄心の固定子鉄心を使用した例を示す。分割
された固定子鉄心４には独立の固定子巻線５が施され
る。そして各固定子巻線５には図１で示したように独立
のインバータ１２Ａ，１２Ｂに接続される。一般には分
割固定子鉄心４を使用すると分割された固定子鉄心４に
巻回された固定子巻線５間の接続が必要となる。図７で
示した実施例ではそれぞれ独立のインバータ１２Ａ，１
２Ｂに接続するためにこのようなわずらわしさが無く、
分割固定子鉄心４の利点である製造の容易さ、あるいは
円形とする必要が無いために使用材料が少なくなる。特
に永久磁石回転子では回転子側に積層の鉄心が不要であ
ることから使用鉄心材料が少なくなる等の利点を有す
る。

【００２８】永久磁石電動機装置としては、図３で示し
たような電気的に３０度位相の異なる独立した二つの３
相固定子巻線５を有する固定子鉄心４とその空隙面に前
記独立した二つの複数の３相固定子巻線５に共通に作用
する永久磁石回転子とを備えた駆動電動機と、二つの独
立した３相固定子巻線５に接続される複数の駆動制御装
置１９Ａ，１９Ｂとを備える構成とする。これによっ
て、トルクむらの少ない永久磁石電動機装置とすること
ができる。また、永久磁石電動機装置としては、二つの
独立した３相固定子巻線５に接続される複数の駆動制御
装置１９Ａ，19Ｂとして１２０度通電方式の駆動制御装
置１９Ａ，１９Ｂを備えた場合にその効果が最も良く発
揮できる。それは、１２０度通電方式では永久磁石電動
機のトルクむらが大きく、そのために、本発明の採用に
よるトルクむらの改善効果が非常に大きい利点がある。

【００２９】また、永久磁石電動機として、図１，図６
（ａ）で示したように突極磁極形状の永久磁石回転子２
を持ち、１２０度通電方式の駆動制御装置１９Ａ，１９
Ｂを備えた場合にその効果が最も良く発揮できる。１２
０度通電方式での永久磁石電動機のトルクむらの大きい
ことに加え、突極磁極形状の永久磁石回転子２を持つこ
とによってさらにそのトルクむらは大きくなる。そのう
え、永久磁石回転子２の磁極位置検出器ＰＳの検出誤差
等があると、逆トルク発生領域ができ、最悪の場合には
起動しない領域ができる。本発明の効果により、この構
成でもトルクむらが少なく、かつ、突極磁極形状の永久
磁石回転子２の持つ高トルクの永久磁石電動機装置とす
ることができる。

【００３０】以上、前記実施例においては、本発明を回
転型のモータ駆動の適用した場合について示したが、永
久磁石電動機装置としてはリニアモータ駆動にも適用す
ることができる。また、多相の各巻線がラップしない集
中巻構成の固定子構造を持つ永久磁石電動機装置の場合
にも適用できる。

【００３１】

【発明の効果】車両用駆動装置として、複数の独立した
多相固定子巻線を有する固定子鉄心とその空隙面に回転
子とを備えた駆動電動機と、複数の独立した多相固定子
巻線に接続されると共に、故障検出機構を持った複数の
駆動制御装置とを備える。

【００３２】さらに、永久磁石電動機装置として電気的
に３０度位相の異なる独立した二つの３相固定子巻線を
有する固定子鉄心とその空隙面に前記独立した二つの複
数の３相固定子巻線に共通に作用する永久磁石回転子と
を備えた駆動電動機と、二つの独立した３相固定子巻線
に接続される複数の駆動制御装置とを備える。

【００３３】以上の構成によれば、車両駆動装置として
二つの駆動部をもつことができるために制御部の故障、
あるいは電動機の固定子巻線の一つの断線等による故障
時にも駆動力を確保できる。かつ、電動機は同一のハウ
ジングの中に複数の独立した多相固定子巻線を有する構
成としているために、電動機の体格の増加や、出力減少
を伴わずにフェールセイフ機能を持つことができる。

【００３４】また、永久磁石電動機装置としては電気的
に３０度位相の異なる独立した二つの３相固定子巻線を
有することによって、電気自動車として好適な直巻特性
を持つと共にトルクむらの少ない電動機とすることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の車両用駆動装置の構成図である。

【図２】本発明の駆動電動機の断面構造図である。

【図３】本発明の駆動電動機の巻線を示す図である。

【図４】本発明の駆動電動機の制御装置の制御構成を示
す図である。

【図５】本発明の制御装置の制御構成の動作を示す図で
ある。

【図６】本発明の駆動電動機の動作説明図である。

【図７】本発明の他の実施例を示す図である。

【符号の説明】

１…固定子、２…回転子、３…ハウジング、４…固定子
鉄心、５…固定子巻線、６…シャフト、７…ヨーク、８
…永久磁石、９…エンドブラケット、１０…ベアリン
グ、１１…直流電源、１２…インバータ、１３…速度制
御回路、１４…正弦波，余弦波発生器、１５…電流制御
系、１６…２相−３相変換回路、１７…Ｆ／Ｖ変換器、
１８…位相シフト回路、１９…駆動制御装置、２０…補
助磁極、Ｃ…制御回路、Ｆ…故障検出機構、ＳＷ…スイ
ッチ、ＰＳ…位置検出器、Ｅ…エンコーダ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小泉修茨城県勝田市大字高場2520番地株式会社日立製作所自動車機器事業部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の独立した多相固定子巻線を有する固
定子鉄心とその空隙面に回転子とを備えた駆動電動機
と、複数の独立した多相固定子巻線に接続されると共
に、故障検出機構を持った複数の駆動制御装置とを備え
たことを特徴とする車両用駆動装置。
【請求項２】請求項１記載において、複数の独立した多
相固定子巻線に接続された複数の駆動制御装置が共通の
駆動パルスによって制御されることを特徴とする車両用
駆動装置。
【請求項３】請求項２記載において、位相の異なる複数
の独立した多相固定子巻線に接続された複数の駆動制御
装置が共通の駆動パルスによって制御される車両用駆動
装置補助磁極と永久磁石との空隙長を異ならしめたこと
を特徴とする永久磁石電動機装置。
【請求項４】請求項１記載において、フレーム内に配置
され、独立した多相固定子巻線を有する複数の分割固定
子鉄心とその空隙面に回転子とを備えた駆動電動機と、
複数の独立した多相固定子巻線に接続されると共に、故
障検出機構を持った複数の駆動制御装置とを備えたこと
を特徴とする車両用駆動装置。
【請求項５】請求項１記載において、故障検出機構から
の信号によって駆動電源から駆動制御装置を分離させる
機能を備えたことを特徴とする車両用駆動装置。
【請求項６】請求項１記載において、複数の独立した多
相固定子巻線を有する固定子鉄心とその空隙面に回転子
とを備えた駆動電動機として同期電動機を用いたことを
特徴とする車両用駆動装置。
【請求項７】請求項１記載において、複数の独立した多
相固定子巻線を有する固定子鉄心とその空隙面に回転子
とを備えた駆動電動機として誘導電動機を用いたことを
特徴とする車両用駆動装置。
【請求項８】請求項１記載において、複数の独立した多
相固定子巻線に接続された複数の駆動制御装置を制御す
る共通の電流検出器を備えたことを特徴とする車両用駆
動装置。
【請求項９】電気的に３０度位相の異なる独立した二つ
の３相固定子巻線を有する固定子鉄心とその空隙面に前
記独立した二つの複数の３相固定子巻線に共通に作用す
る永久磁石回転子とを備えた駆動電動機と、二つの独立
した３相固定子巻線に接続される複数の駆動制御装置と
を備えたことを特徴とする永久磁石電動機装置。
【請求項１０】請求項９記載において、二つの独立した
３相固定子巻線に接続される複数の駆動制御装置として
１２０度通電方式の駆動制御装置を備えたことを特徴と
する永久磁石電動機装置。
【請求項１１】請求項９記載において、独立した二つの
複数の３相固定子巻線に共通に作用する永久磁石回転子
として突極磁極形状の永久磁石回転子を備えたことを特
徴とする永久磁石電動機装置。