JPH09219908A - 電動車両のモータ制御装置 - Google Patents

電動車両のモータ制御装置

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JPH09219908A
JPH09219908A JP8025683A JP2568396A JPH09219908A JP H09219908 A JPH09219908 A JP H09219908A JP 8025683 A JP8025683 A JP 8025683A JP 2568396 A JP2568396 A JP 2568396A JP H09219908 A JPH09219908 A JP H09219908A
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low
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Nozomi Takada
望 高田
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Yamaha Motor Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 モータの基本動作特性を犠牲にすることなく
全運転領域にわたってモータ効率を向上できる電動車両
のモータ制御装置を提供する。 【解決手段】 バッテリ６４を電源とするモータ駆動系
を備えた電動車両のモータ制御装置を構成する場合に、
車両速度及び負荷トルクに基づいてモータ４４の動作特
性を変化させる界磁電流制御機能９１（モータ特性制御
手段）を設ける。そして微速走行状態のときにはモータ
４４の永久磁石に配置された補極コイル８６に界磁を強
める方向に電流を供給してモータ動作特性を低速高トル
ク型に切り替える。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、バッテリを電源と
するモータ駆動系により車輪を駆動するようにした電動
車両のモータ制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】最近、ペダルに入力される踏力と電動モ
ータからの補助動力との合力を駆動輪に供給するように
した電動補助自転車が注目されている。この種の電動補
助自転車は、ペダル踏力に応じた補助動力を付与するよ
うに構成されており、ペダル踏力が入力されないと補助
動力も付与されない。従って、補助動力が付与されても
登ることのできないほどの急坂路のために自転車を押し
て行かざるを得なくなった場合、補助動力は得られない
ので、車両重量が重い分だけより大きな労力が必要とな
る。
【０００３】このような急坂での労力を軽減するため
に、従来、車両を歩行速度程度で自走させるようにした
ものが提案されている（特開平４−３５８９８８号公報
参照）。これは、運転者が押ボタン等により微速モード
を選択することによってモータを低速で回転させたり、
あるいは相応の力を発生させたりするように構成されて
おり、これにより上記労力を軽減できる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記モータ
は高速回転でのエネルギー効率が最適になるように高速
型を用いるのが一般的であることから、このモータを微
速域で使用するとなるとエネルギー効率が悪化し、その
結果バッテリの消耗が激しくなり、航続距離の低下を招
くという問題がある。なお、低速域での効率が高い低速
型モータを採用すると、通常の走行速度にモータ回転数
が追従できなくなる。
【０００５】ここで、高速型モータで低速域での効率を
向上させる方法として、例えば高い減速比のバイパスル
ートを設けたり、複数のモータを直列，並列接続してリ
レーにより切り替えたりすることが考えられる。しかし
ながら、前者の場合には減速機構部分の重量の増大，構
造の複雑化の問題があり、後者の場合にはリレーの大型
化を招くという問題がある。
【０００６】また、バッテリ放電率を下げるために、メ
インバッテリを直列，並列接続して消費量に応じて切り
替えるようにした場合、中間タップの取り出しと接続が
必要があり、またＤＣ−ＤＣコンバータで降圧する方法
の場合、大電流が流れることからブラシ寿命が短くなる
という問題がある。
【０００７】さらに専用モータ，圧縮空気，蓄勢ばね等
の専用駆動源を別途用いることが考えられるが、この場
合には稼働率の低いものが付属することからコストが上
昇する。また電流制限を行う方法は消極的対策でありメ
リットが小さい。
【０００８】本発明は、上記従来の状況に鑑みてなされ
たもので、車体重量の増大，モータ寿命の短縮，あるい
はコスト上昇等の問題を生じることなく、かつ高速域で
のモータ本来の動作特性を損なうことなく、低速域での
エネルギー効率を向上できる電動車両のモータ制御装置
を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、バッ
テリを電源とするモータ駆動系を備えた電動車両のモー
タ制御装置において、車両運転領域に基づいてモータの
動作特性を変化させるモータ特性制御手段を備えたこと
を特徴としている。
【００１０】請求項２の発明は、請求項１において、微
速走行状態であることを検出する微速状態検出手段を備
え、上記モータ特性制御手段が、微速走行状態検出時に
はモータの動作特性を低速高トルク型に切り替えるよう
に構成されていることを特徴としている。
【００１１】請求項３の発明は、請求項２において、上
記モータが永久磁石界磁式モータであり、上記モータ特
性制御手段が、微速走行状態検出時には上記永久磁石の
周囲に配置された補極コイルに界磁を強める方向に電流
を流すように構成されていることを特徴としている。
【００１２】請求項４の発明は、請求項１において、上
記モータ特性制御手段が、モータ回転数が所定の高速回
転数を越えた場合には、上記補極コイルに界磁を弱める
方向に電流を流すように構成されていることを特徴とし
ている。
【００１３】請求項５の発明は、請求項１において、車
両運転領域を、低速高トルク域，低速低トルク域，及び
低速高トルク域の何れかに判別検出する運転域検出手段
を備え、上記モータ特性制御手段が、永久磁石の周囲に
配置された補極コイルへの電流を、低速高トルク域，低
速低トルク域，高速低トルク域の場合には、それぞれ増
磁通電，無通電，減磁通電とするように構成されている
ことを特徴としている。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて説明する。図１ないし図５は、本発明の
一実施形態による電動補助自転車のモータ駆動装置を説
明するための図であり、図１は電動補助自転車の側面
図、図２は電動モータの断面図、図３はモータ制御装置
の構成図、図４は必要電流の減少効果を説明するための
特性図、図５は運転領域を説明するための特性図であ
る。
【００１５】図１において、１は電動補助自転車であ
り、該自転車１の車体フレーム１０はヘッドパイプ１２
と、該ヘッドパイプ１２から車体後方斜め下方に延びる
ダウンチューブ１４と、該ダウンチューブ１４の後部か
ら上方に起立するシートチューブ１６と、該ダウンチュ
ーブ１４の後端から後方に延びる左, 右一対のリヤアー
ム２０，２０と、該両リヤアーム２０，２０の後端部と
上記シートチューブ１６の上端部とを結合する左, 右一
対のシートステー２２，２２とを備えている。
【００１６】上記ヘッドパイプ１２には、下端で前輪２
８を軸支し、上端に操向ハンドル２６が固着された前フ
ォーク２４が左右に回動自在に軸支されている。また上
記シートチューブ１６にはシートポスト３０ａが高さ調
整可能に挿入されており、該シートポスト３０ａの上端
にはサドル３０が装着されている。さらにまた、上記リ
ヤアーム２０，２０の後端間には後輪３２が回転可能に
装着されており、この後輪３２のハブ３４には内装式変
速機が内蔵されている。
【００１７】また、４０は本自転車１の動力源となる動
力ユニットであり、この動力ユニット４０は、駆動機構
を内蔵する動力ケース４２と、この動力ケース４２から
斜前上方へ突出するように車体カバー４１内に配設され
た電動モータ４４とを備えている。上記動力ケース４２
は上記ダウンチューブ１４の後部１４ａ下方に取付けら
れ、上記電動モータ４４はダウンチューブ１４の後部１
４ａと平行になっている。
【００１８】６４は上記動力ユニット４０の電源となる
バッテリであり、これは多数の電池セルを直列接続して
ケース内に内蔵してなるもので、上記シートチューブ１
６と後輪３２の前縁との間の空間に配設された電池ケー
ス６０内に着脱可能に収納されている。なお、上記電池
ケース６０の上端開口部は上記左, 右のシートステー２
２の間に位置しかつ上方に突出しており、上記バッテリ
６４は左, 右シートステー２２，２２間を通って上下方
向に取付け，取外しされる。
【００１９】上記動力ケース４２にはクランク軸４６が
車幅方向に貫挿され、その両端にクランクアーム４８
（一方のみ図示）が固定されており、このクランクアー
ム４８にはクランクペダル５０が取付けられている。こ
れによりクランクペダル５０に加えられた踏力をチェー
ン５２を介して後輪３２に伝達する人力駆動系７５が構
成されている。
【００２０】上記クランクペダル５０に加えられた踏力
は動力ケース４２内に設けられた踏力センサにより検出
されており、上記電動モータ４４の出力（補助動力）
は、コントローラ５４により上記ペダル踏力及びクラン
ク軸回転速度に基づいて制御される。これにより踏力に
応じた補助動力を後輪３２に伝達する電力駆動系が構成
されている。
【００２１】なお、上記ペダル５０の踏力と電動モータ
４４の補助動力とは、動力ケース４２内で合成され、こ
の合成力がチェーン５２を介して後輪３２に伝えられ
る。また、上記モータ４４の出力制御を行うコントロー
ラ５４は、上記ダウンチューブ１４の前部１４ｂ下方に
位置するよう車体カバー４１内に取付けられている。
【００２２】上記車体フレーム１０のヘッドパイプ１２
への接続部近傍には、メインスイッチ５６と、微速走行
モードを選択する自走スイッチ６３とが配設されてお
り、該メインスイッチ５６，及び自走選択スイッチ６３
は車体カバー４１に形成された開口４１ａから外方に臨
んでいる。
【００２３】上記電動モータ４４は、図２に示すよう
に、永久磁石界磁式直流モータであり、これはハウジン
グ８０内に電機子鉄心に電機子巻線を巻回してなるコア
（回転子）８２を配設し、該コア８２を囲むようにマグ
ネット８３を配設した構造のものである。
【００２４】上記ハウジング８０は、碗状の前蓋８０
ａ，後蓋８０ｂ，及び円筒状のヨーク８０ｃを複数の通
しボルト８７で結合した構造のものである。上記コア８
２の回転軸８１の後端部は軸受８８ｂを介して後蓋８０
ｂで、前端部は軸受８８ａを介して前蓋８０ａでそれぞ
れ軸支されている。なお、８４は上記回転軸８１の後部
に固着された整流子、８５はコア８２に上記バッテリ６
４からの電流を供給するブラシであり、該ブラシ８５は
ブラシホルダ８５ａにより支持され、スプリング８５ｂ
によって整流子８４に押圧されている。
【００２５】上記マグネット８３は上記ヨーク８０ｃの
内面にＮ極，Ｓ極が交互に位置するように配設されてい
る。そして上記マグネット８３の周囲には補極コイル８
６，８６が配設されている。この補極コイル８６は上記
コア８２による界磁を弱める方向又は強める方向の磁界
を発生させるためのものである。
【００２６】上記コントローラ５４は、上述のように、
ペダル踏力及びクランク軸回転速度に基づいて内蔵する
マップから補助動力を演算し、該補助動力に対応した電
流をバッテリ６４から電動モータ４４に供給するように
構成されており、また上記自走スイッチ６３により自走
モードが選択された場合には、図３に示すように、モー
タ回転数が、歩行速度に対応した自走時回転数となるよ
うに電動モータ４４への給電量を制御するモータ回転制
御機能９０を備えている。なお、図３において、９２は
モータ４４への給電量を制御するスイッチング素子であ
り、９３は電動モータ４４の逆起電力を還流させるフラ
イホイールダイオードである。
【００２７】また上記コントローラ５４は、上記補極コ
イル８６に、上記コア８２による界磁を弱める方向、又
は強める方向の磁界を発生するように電流を供給する界
磁電流制御機能９１を果たすことにより、上記電動モー
タ４４の動作特性を可変制御する手段としても機能す
る。
【００２８】上記界磁電流制御機能９１によれば、上記
自走スイッチ６３によって自走モードが選択された時、
つまり上述の急坂押し上げ走行のような微速走行状態が
検出された時には、上記補極コイル８６に、上記界磁を
強める方向に電流を供給する増磁通電を行い、またモー
タ回転数が所定の高速回転数を越えた場合には上記補極
コイル８６に界磁を弱める方向に電流を供給する減磁通
電を行う。
【００２９】さらにまた本実施形態のコントローラ５４
は、図５に示すように、モータの運転領域を、モータ回
転速度と出力トルクとに基づいて低速高トルク域Ｃと、
低速低トルク域Ｂと、高速低トルク域Ａとに区分けする
マップを備えている。なおこれらの領域の境界をなす関
数ｆ１，ｆ２はモータ回転速度と発生トルクによって適
宜設定することができる。
【００３０】そして上記コントローラ５４により電動モ
ータ４４が何れの運転域にあるかが判別検出され、何れ
の運転域かに基づいて上記補極コイル８６への通電制御
が行われる。即ち、上記界磁電流制御機能９１によれ
ば、運転域が低速高トルク域Ｃ、低速低トルク域Ｂ、高
速低トルク域Ａであると判断された場合にはそれぞれ増
磁通電、無通電、減磁通電が行われる。なおこの通電制
御の切り替えには経過時間や複数の関数によるヒステリ
シスを持たせることが好ましい。
【００３１】本実施形態の作用効果について説明する。
本実施形態の電動モータ４４は、上記補極コイル８６に
通電しない場合には図４，及び図５に一点鎖線で示す基
本特性Ｄを有し、上記補極コイル８６に増磁通電を行っ
た場合には同図に実線で示す低速高トルク型の増磁特性
Ｅに変化し、上記補極コイル８６に減磁通電を行った場
合には同図に破線で示す減磁特性Ｆに変化する。
【００３２】そして補助動力走行時においては、コント
ローラ５４によってペダル踏力，クランク軸回転速度に
応じた補助動力が求められ、該補助動力が出力されるよ
うに電動モータ４４への電流量が制御される。このよう
な補助動力走行運転において、電動モータ４４の運転状
態が何れの運転域にあるかが回転速度，及び出力トルク
に基づいて判別される。そして上記補極コイル８６への
通電は、モータ運転状態が図５の低速低トルク運転域Ｂ
の場合には無通電となり、モータ４４は基本特性Ｄでも
って運転され、低速高トルク運転域Ｃの場合には増磁通
電となり、モータ４４は増磁特性Ｅで運転され、高速低
トルク運転域Ａの場合には減磁通電となり、モータ４４
は減磁特性Ｆで運転される。なお、モータ出力トルクの
代わりに、トルクと比例関係にある電機子電流を用いて
も良い。
【００３３】またモータ回転数が所定値を越えた場合に
は、モータの運転域に関係なく減磁通電が行われ、モー
タの動作特性は高速低トルク型の減磁特性Ｆとなる。
【００３４】また運転者が自走スイッチ６３を押して微
速走行モードを選択した場合には、モータの運転域に関
係なく増磁通電が行われ、モータの動作特性は低速高ト
ルク型の増磁特性Ｅとなる。
【００３５】このように本実施形態では、自走スイッチ
６３を押したときには、補極コイル８６に界磁を強める
方向に電流を供給してモータ動作特性を低速高トルク型
に切り替えるようにしたので、急坂で車体を押しながら
歩行する場合の労力を軽減できるとともに、必要な電流
値を小さくしてバッテリの消費電力を抑制でき、航続距
離を延長できる。
【００３６】ここで電流値を小さくできる点を図４につ
いて説明する。図４において、Ｇは基本特性Ｄのときの
トルク−電流特性、Ｈは増磁特性Ｅのときのトルク−電
流特性を示す。ここでＨはコイル電流ＩF 分かさ上げさ
れている。低速高トルクの動作点を図のように設定する
と基本特性Ｄに比べ増磁特性Ｅではデューティーを下げ
ることができる。また増磁特性Ｅでは、同じトルク発生
に必要な電機子電流ＩM は小さくなる。図より同じ回転
数Ｎ１，同じトルクのときの電流値（Ｉ1 ′＝ＩM ′＋
ＩF ）は基本特性Ｄにおける電流値Ｉ1 より小さいこと
が判る。
【００３７】上記モータ回転数が高くなると補極コイル
８６に界磁を弱める方向に電流を供給してモータ動作特
性を高速低トルク型に切り替えるようにしたので、高速
状態では同じ回転数のときのエネルギー効率を増加させ
ることができるとともに、より一層高速側での補助を行
うことができる。
【００３８】またモータ運転状態が、高速低トルク領域
Ａ，低速低トルク領域Ｂ，低速高トルク領域Ｃの何れの
運転域にあるかを判別し、高速低トルク領域Ａの場合に
は補極コイルへの電流を減磁電流通電とし、低速低トル
ク領域Ｂの場合には無通電とし、低速高トルク領域Ｃで
は増磁電流通電としたので、全運転領域にわたってモー
タ効率を向上でき、モータ回転子の発熱やバッテリの消
耗をより一層低減でき、航続距離を延ばすことができ
る。
【００３９】また本実施形態では、永久磁石８３に配置
した補極コイル８６への電流を制御して界磁を強めた
り，弱めたりすることによりモータ動作特性を切り替え
るようにしたので、上述のような車体重量の増大，構造
複雑化，コスト上昇等の問題が生じることはほとんどな
い。
【００４０】
【発明の効果】以上のように請求項１の発明に係る電動
車両のモータ制御装置によれば、車両運転領域に基づい
てモータの動作特性を変化させるようにしたので、例え
ば低速運転域では低速高トルク型に、高速運転域では高
速低トルク型に動作特性を変化させることにより、モー
タ本来の基本動作特性を損なうことなく全運転領域にわ
たってモータ効率を向上でき、バッテリの消耗を抑制し
て航続距離を延長できる効果がある。
【００４１】請求項２の発明では、微速走行状態のとき
にはモータの動作特性を低速高トルク型に切り替えるよ
うにしたので、例えば急坂のような車体を押しながら歩
行する場合の労力を軽減できるとともに、バッテリ消耗
を抑制して航続距離を延長できる効果がある。
【００４２】請求項３の発明では、永久磁石の周囲に配
置された補極コイルに界磁を強める方向に電流を供給し
て低速高トルク型に切り替えるようにしたので、車体重
量の増大，構造の複雑化，コスト上昇等の問題を生じる
ことなく、簡単な構造でモータ効率を向上できる効果が
ある。
【００４３】請求項４の発明では、モータ回転数が所定
の高速回転数を越えると補極コイルに界磁を弱める方向
に電流を供給して高速低トルク型に切り替えるようにし
たので、高速状態では同じ回転数でみた場合の効率を向
上できるように設定でき、高速回転域でのモータ効率を
向上できるとともに、同じモータでより高速側の補助が
可能となる効果がある。
【００４４】請求項５の発明では、運転領域が低速高ト
ルク域，低速低トルク域，高速低トルク域の場合には補
極コイルに対してそれぞれ増磁通電，無通電，減磁通電
を行うようにしたので、全運転領域にわたってモータを
高効率で運転でき、モータコアの発熱，バッテリ消耗を
抑制でき、航続距離をさらに延長できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態によるモータ制御装置を備
えた電動補助自転車の側面図である。
【図２】上記自転車の電動モータの構成を示す断面図で
ある。
【図３】上記モータ制御装置の構成を示す図である。
【図４】上記電動モータの回転速度−トルク−電流の関
係を示す特性図である。
【図５】上記モータ制御装置のモータ運転域を示すマッ
プ図である。
【符号の説明】
１ 電動補助自転車（電動車両） ４４ 電動モータ ６４ バッテリ ８３ 永久磁石 ８６ 補極コイル ９１ 界磁電流制御機能（モータ特性制御手
段） Ａ 高速低トルク領域 Ｂ 低速低トルク領域 Ｃ 低速高トルク領域

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 バッテリを電源とするモータ駆動系を備
    えた電動車両のモータ制御装置において、車両運転領域
    に基づいてモータの動作特性を変化させるモータ特性制
    御手段を備えたことを特徴とする電動車両のモータ制御
    装置。
  2. 【請求項２】 請求項１において、微速走行状態である
    ことを検出する微速状態検出手段を備え、上記モータ特
    性制御手段が、微速走行状態検出時にはモータの動作特
    性を低速高トルク型に切り替えるように構成されている
    ことを特徴とする電動車両のモータ制御装置。
  3. 【請求項３】 請求項２において、上記モータが永久磁
    石界磁式モータであり、上記モータ特性制御手段が、微
    速走行状態検出時には上記永久磁石の周囲に配置された
    補極コイルに界磁を強める方向に電流を流すように構成
    されていることを特徴とする電動車両のモータ制御装
    置。
  4. 【請求項４】 請求項１において、上記モータ特性制御
    手段が、モータ回転数が所定の高速回転数を越えた場合
    には、上記補極コイルに界磁を弱める方向に電流を流す
    ように構成されていることを特徴とする電動車両のモー
    タ制御装置。
  5. 【請求項５】 請求項１において、運転領域を低速高ト
    ルク域，低速低トルク域，及び高速低トルク域の何れか
    に判別検出する運転域検出手段を備え、上記モータ特性
    制御手段が、モータの永久磁石の周囲に配置された補極
    コイルへの電流を、低速高トルク域，低速低トルク域，
    高速低トルク域の場合にはそれぞれ増磁通電，無通電，
    減磁通電とするように構成されていることを特徴とする
    電動車両のモータ制御装置。
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