JP2013219942A - 電気自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】 車速にかかわらず、効率良く且つ安定して駆動することができる電気自動車を提供する。
【解決手段】 電気自動車は、車輪駆動モータとして、永久磁石式の同期モータ６とインダクションモータ６Ａとを備える。判定手段３９は、車速演算手段３８で演算された車速が、中低速域か高速域かを判定する。使用モータ切換手段４０は、判定結果に基づき一方のモータを駆動し、他方のモータを自由回転とするように使用モータを切換える。例えば、中低速域において、モータ６を使用し、且つ、モータ６Ａを自由回転とする。高速域において、モータ６Ａを使用し、且つ、モータ６を自由回転とするように使用モータを切換える。
【選択図】 図６

Description

この発明は、車輪を駆動するモータを備えた電気自動車に関する。

従来、駆動源として誘導モータを用いる電気自動車が提案されている。しかし、市街地等において中低速域で車両を走らせるとき、前記誘導モータでは、励磁電流の分だけ消費電流が増えるため効率が下がり、限られたバッテリ容量下で航続距離を延ばすことが難しい。
近年、電気自動車では、限られたバッテリ容量下で航続距離を向上させるため、車輪を駆動するモータとして、例えば、高効率性能を有するネオジウム系磁石を使ったＩＰＭ型のモータ（埋込磁石型同期モータ）等の同期モータを利用することが提案されている（特許文献１）。

特開２０１１−１８８５４１号公報

前述の通り、誘導モータを用いた電気自動車では、中低速域で車両を走らせるとき、励磁電流の分だけ消費電流が増えるため効率が下がり、限られたバッテリ容量下で航続距離を延ばすことが難しい。
前記同期モータを用いた電気自動車では、例えば、車両の速度が高速域のとき、永久磁石による抵抗によってインダクションモータを用いた場合よりも、エネルギーロスが生じる。またネオジウム系磁石を使ったモータでは、永久磁石の耐熱温度が低く、車両を高速域で連続運転する等して不可逆減磁となった場合、駆動能力に支障を来たす。

この発明の目的は、車速にかかわらず、効率良く且つ安定して駆動することができる電気自動車を提供することである。

この発明の電気自動車は、車輪２，３を駆動するモータ６，６Ａとして、永久磁石式の同期モータとインダクションモータとを備え、定められた車速の範囲に応じて、前記同期モータと前記インダクションモータのいずれか一方を駆動し、他方を自由回転とするように使用モータを切換える使用モータ切換手段４０を有することを特徴とする。

この構成によると、車速を常時監視し、同期モータとインダクションモータのいずれか一方を駆動し、他方を自由回転とする。使用モータ切換手段４０は、例えば、中低速域において、同期モータを使用することで、励磁電流を必要とせずいわゆる低負荷領域の効率を、インダクションモータを使用する場合よりも高めることができる。これにより、限られたバッテリ容量下で航続距離を延ばすことが可能となる。高速域において、インダクションモータを使用するようにモータを切換えることで、高速域にて永久磁石８０の抵抗によるエネルギーロスを解消して効率良く駆動することができる。このように使用モータを切換えることで、車速にかかわらず、効率良く且つ安定して駆動することができる。また車両を高速域で連続運転する場合に、インダクションモータを駆動し、同期モータを自由回転とすることで、同期モータの永久磁石８０が定められた耐熱温度よりも高温になることを未然に防止し、不可逆減磁となることもない。

前記車輪２，３の前輪を駆動するモータとして、前記同期モータおよび前記インダクションモータのいずれか一方のモータを配置し、前記車輪２，３の後輪を駆動するモータとして、他方のモータを配置しても良い。この場合、車速に応じて、前輪駆動または後輪駆動する。また使用するモータを切換えるクラッチ等を必要とすることなく、電気自動車の駆動構成を簡単化することができる。
前記車輪２，３の前輪または後輪を駆動するモータとして、前記同期モータおよび前記インダクションモータの両方を配置し、使用モータ切換手段４０は、前記定められた車速の範囲に応じて、使用モータを切換えるものであっても良い。

定められた運転条件に応じて、前記同期モータおよび前記インダクションモータの両方を駆動するものとしても良い。定められた運転条件として、例えば、登坂路等の高トルクを必要とする場合、同期モータおよびインダクションモータの両方を駆動することで、必要な高トルクを発生させることができる。

前記モータ６，６Ａは、一部または全体が前記車輪２，３内に配置されて前記モータ６，６Ａと車輪用軸受４，５を含むインホイールモータ駆動装置８を構成するものであっても良い。インホイールモータ駆動装置８では、コンパクト化が図られる結果、モータに高速回転仕様のものが用いられることが多い。同期モータが高速回転すると、渦電流損失が大きく、渦電流損失による発熱が高くなる。そのため、同期モータの永久磁石が高温となり易く、高温による永久磁石の減磁が生じ易い。この構成では、高速域では同期モータを駆動せず、インダクションモータを駆動するため、同期モータにおける渦電流損失による発熱を低く抑えることができる。したがって、高温による永久磁石８０の減磁を未然に防止することができる。

前記インホイールモータ駆動装置８は、前記モータ６，６Ａの回転を減速して前記車輪２，３に伝える減速機７を含むものであっても良い。
前記減速機７はサイクロイド減速機であっても良い。
サイクロイド減速機によると、例えば、１／６以上の高減速比が得られる。

この発明の電気自動車は、車輪を駆動するモータとして、永久磁石式の同期モータとインダクションモータとを備え、定められた車速の範囲に応じて、前記同期モータと前記インダクションモータのいずれか一方を駆動し、他方を自由回転とするように使用モータを切換える使用モータ切換手段を有するため、車速にかかわらず、効率良く且つ安定して駆動することができる。

この発明の第１の実施形態に係る電気自動車の駆動源の概略構成を示す図である。 同電気自動車を平面図で示す概念構成のブロック図である。 同電気自動車の後輪のインホイールモータ駆動装置の破断正面図である。 図３のIV-IV 線断面となるモータ部分の断面図である。 同電気自動車の前輪におけるインホイールモータ駆動装置の要部の破断正面図である。 同電気自動車のインバータ装置の概念構成のブロック図である。 この発明の他の実施形態に係る電気自動車の駆動源の概略構成を示す図である。

この発明の第１の実施形態を図１ないし図６と共に説明する。図１に示すように、この電気自動車は、車体１の左右の後輪となる車輪２が駆動輪とされ、左右の前輪となる車輪３が駆動輪で且つ操舵輪とされた４輪駆動の自動車である。駆動輪となる車輪２，３は、いずれもタイヤを有し、それぞれ車輪用軸受４，５（図２）を介して車体１に支持されている。この例では、前輪となる車輪３を駆動するモータ６Ａとして、後述のインダクションモータを配置し、後輪となる車輪２を駆動するモータ６として、後述の同期モータを配置している。

図２は、電気自動車を平面図で示す概念構成のブロック図である。車輪用軸受４，５は、図２ではハブベアリングの略称「Ｈ／Ｂ」を付してある。左右の後輪となる車輪２，２は、それぞれ独立の走行用のモータ６，６により駆動される。モータ６の回転は、減速機７および車輪用軸受４を介して車輪２に伝達される。これらモータ６、減速機７、および車輪用軸受４は、互いに一つの組立部品であるインホイールモータ駆動装置８を構成しており、インホイールモータ駆動装置８は、一部または全体が車輪２内に配置される。各車輪２には、電動式のブレーキ９が設けられている。なおモータ６は、減速機７を介さずに直接に車輪２を回転駆動するものであっても良い。

図３に示すように、インホイールモータ駆動装置８は、車輪用軸受４とモータ６との間に減速機７を介在させている。インホイールモータ駆動装置８は、後輪である車輪２のハブと、モータ６の回転出力軸７４とを同軸上で連結している。減速機７は、減速比が１／６以上のものであるのが良い。この減速機７は、サイクロイド減速機であって、モータ６の回転出力軸７４に同軸に連結される回転入力軸８２に偏心部８２ａ，８２ｂを形成し、偏心部８２ａ，８２ｂにそれぞれ軸受８５を介して曲線板８４ａ，８４ｂを装着し、曲線板８４ａ，８４ｂの偏心運動を車輪用軸受４へ回転運動として伝達する構成である。なお、この明細書において、車両に取り付けた状態で車両の車幅方向の外側寄りとなる側をアウトボード側と呼び、車両の中央寄りとなる側をインボード側と呼ぶ。

車輪用軸受４は、減速機７のハウジング８３ｂまたはモータ６のハウジング７２の外周部で、ナックル等の懸架装置（図示せず）を介して車体に固定される。車輪用軸受４は、内周に複列の転走面５３を形成した外方部材５１と、これら各転走面５３に対向する転走面５４を外周に形成した内方部材５２と、これら外方部材５１および内方部材５２の転走面５３，５４間に介在した複列の転動体５５とを有する。車輪用軸受４は、各転走面５３，５４の接触角が背面合わせとなる複列のアンギュラ玉軸受とされている。外方部材５１は、減速機７のアウトボード側のハウジング８３ｂに取り付けるフランジ５１ａを有し、このフランジ５１ａにボルト挿通孔６４が設けられている。ハウジング８３ｂには，ボルト挿通孔６４に対応する位置に、ボルト螺着孔９４が設けられている。取付ボルト６５をボルト螺着孔９４に螺着させ、外方部材５１がハウジング８３ｂに取り付けられる。

内方部材５２は回転側軌道輪となり、アウトボード側材５９と、インボード側材６０とを有する。アウトボード側材５９は、車輪取付用のハブフランジ５９ａを有し、インボード側材６０は、アウトボード側材５９の内周にアウトボード側が嵌合して加締めによってアウトボード側材５９に一体化されている。インボード側材６０の中心に貫通孔６１が設けられ、ハブフランジ５９ａには、ハブボルト６６の圧入孔６７が設けられている。
この車輪用軸受４には、例えば、磁気エンコーダと磁気センサとを含む回転センサ２４が設けられている。磁気エンコーダは、内方部材５２の外周に設けられ、円周方向に磁極Ｎ，Ｓを交互に着磁したリング状の部材である。磁気センサは、磁気エンコーダに対向して外方部材５１に設けられている。この例では、回転センサ２４は両列の転動体５５，５５間に配置しているが、車輪用軸受４の端部に設置しても良い。

モータ６は、円筒状のモータハウジング７２に固定したステータ７３と、回転出力軸７４に取り付けたロータ７５との間にラジアルギャップを設けたラジアルギャップ型のＩＰＭモータ（すなわち埋込磁石型の３相同期モータ）である。回転出力軸７４は、減速機７のインボード側のハウジング８３ａの筒部に２つの軸受７６で片持ち支持されている。モータハウジング７２の周壁部には、ステータ７３を冷却する冷却液流路９５が設けられている。

図４は、モータ６の断面図（図３のIV-IV 断面）を示す。モータ６のロータ７５は、軟質磁性材料からなるコア部７９と、このコア部７９に内蔵される永久磁石８０とを有する。永久磁石８０は、隣り合う２つの永久磁石がコア部７９内の同一円周上で断面ハ字状に互いに向き合うように配列される。永久磁石８０としては、例えば、ネオジウム系磁石が用いられている。ステータ７３は軟質磁性材料からなるコア部７７とコイル７８とを有する。コア部７７は外周面が断面円形とされたリング状で、その内周面に内径側に突出する複数のティース７７ａが円周方向に並んで形成されている。コイル７８は、コア部７７の各ティース７７ａに巻回されている。

図３に示すように、モータ６には、ステータ７３とロータ７５の間の相対回転角度を検出する角度センサ３６が設けられる。角度センサ３６は、ステータ７３とロータ７５の間の相対回転角度を表す信号を検出して出力する角度センサ本体７０と、この角度センサ本体７０の出力する信号から角度を演算する角度演算回路７１とを有する。角度センサ本体７０は、回転出力軸７４の外周面に設けられる被検出部７０ａと、モータハウジング７２に設けられ被検出部７０ａに径方向または軸方向に対向して近接配置される検出部７０ｂとを有する。このモータ６では、その効率を最大にするため、角度センサ３６の検出するステータ７３とロータ７５の間の相対回転角度に基づき、ステータ７３のコイル７８へ流す交流電流の各波の各相の印加タイミングを、モータコントロール部２９（図６）のモータ駆動制御部３３によって制御する。またモータ駆動制御部３３は、定められた車速に応じてモータ６を駆動する、具体的には後述するが、車輪用軸受４に付設の回転センサ２４等から求められた車速に応じてコイル７８へ電流を印加するか否かを決定する。

サイクロイド減速機である減速機７は、外形がなだらかな波状のトロコイド曲線で形成された２枚の曲線板８４ａ，８４ｂが、それぞれ軸受８５を介して回転入力軸８２の各偏心部８２ａ，８２ｂに装着してある。回転入力軸８２は、インボード側のハウジング８３ａと内方部材５２のインボード側材６０の内径面とに２つの軸受９０で両持ち支持されている。各曲線板８４ａ，８４ｂの偏心運動を外周側で案内する複数の外ピン８６を、それぞれハウジング８３ｂに差し渡して設け、内方部材２のインボード側材６０に取り付けた複数の内ピン８８を、各曲線板８４ａ，８４ｂの内部に設けられた複数の貫通孔８９に挿入状態に係合させてある。回転入力軸８２は、モータ６の回転出力軸７４とスプライン結合されて一体に回転する。

モータ６の回転出力軸７４が回転すると、これと一体回転する回転入力軸８２に取り付けられた各曲線板８４ａ，８４ｂが偏心運動を行う。各曲線板８４ａ，８４ｂの偏心運動が、内ピン８８と貫通孔８９との係合によって、内方部材５２に回転運動として伝達される。回転出力軸７４の回転に対して内方部材５２の回転は減速されたものとなる。例えば、１段のサイクロイド減速機で１／１０以下の減速比を得ることができる。

２枚の曲線板８４ａ，８４ｂは、互いに偏心運動が打ち消されるように１８０°位相をずらして回転入力軸８２の各偏心部８２ａ，８２ｂに装着されている。各偏心部８２ａ，８２ｂの軸方向両側には、カウンターウエイト９１，９１がそれぞれ装着されている。各カウンターウエイト９１，９１は、各曲線板８４ａ，８４ｂの偏心運動による振動を打ち消すように、各偏心部８２ａ，８２ｂの偏心方向と逆方向へ偏心させている。

図２に示すように、左右の前輪となる操舵輪である車輪３，３は、転舵機構１１を介して転舵可能であり、操舵機構１２により操舵される。転舵機構１１は、タイロッド１１ａを左右移動させることで、車輪用軸受５を保持した左右のナックルアーム１１ｂの角度を変える機構であり、操舵機構１２の指令によりＥＰＳ（電動パワーステアリング）モータ１３を駆動させ、回転・直線運動変換機構（図示せず）を介して左右移動させられる。操舵角は操舵角センサ１５で検出し、このセンサ出力はＥＣＵ２１に出力され、その情報は左右輪の加速・減速指令等に使用される。

左右の前輪となる車輪３，３は、それぞれ独立のモータ６Ａ，６Ａにより駆動される。モータ６Ａの回転は、減速機７および車輪用軸受４を介して車輪３に伝達される。これらモータ６Ａ、減速機７、および車輪用軸受４は、互いに一つの組立部品であるインホイールモータ駆動装置８を構成しており、インホイールモータ駆動装置８は、一部または全体が車輪３内に配置される。各車輪３には、電動式のブレーキ１０が設けられている。

図５は、前輪におけるインホイールモータ駆動装置８の要部の破断正面図である。前輪におけるインホイールモータ駆動装置８は、モータ６Ａとして、前述のＩＰＭモータに代えて、インダクションモータが採用されている。モータ６Ａ以外の構成は、後輪のインホイールモータ駆動装置８における、減速機７および車輪用軸受４と同一構成となっている。モータ６Ａは、インダクションモータとして、例えば、三相式の誘導モータが適用され、モータハウジング７２に固定したステータ７３と、回転出力軸７４に取り付けたロータ７５とを有する。モータコントロール部２９（図６）のモータ駆動制御部により、ステータ７３のコイル７８に電流を流すと、回転する磁界が発生し、ロータ７５に設けられた導線７５ａに誘導電流が流れることで、ロータ７５が回転する。またモータ駆動制御部は、定められた車速に応じてモータ６Ａを駆動する、具体的には後述するが、車輪用軸受５に付設の回転センサ２４等（図２）から求められる車速に応じてコイル７８へ電流を印加するか否かを決定する。

図６は、この電気自動車のインバータ装置２２の概念構成のブロック図である。
パワー回路部２８は、バッテリ１９のモータ６，６Ａの駆動に用いる３相の交流電力にそれぞれ変換するインバータ３１，３１Ａと、各インバータ３１，３１Ａを制御するＰＷＭドライバ３２，３２Ａとを有する。各インバータ３１，３１Ａは、複数の半導体スイッチング素子（図示せず）で構成され、ＰＷＭドライバ３２，３２Ａは、入力された電流指令をパルス幅変調し、前記各半導体スイッチング素子にオンオフ指令を与える。

モータコントロール部２９は、コンピュータとこれに実行されるプログラム、および電子回路により構成され、その基本となる制御部としてモータ駆動制御部３３を有する。モータ駆動制御部３３は、上位制御手段であるＥＣＵ２１から与えられるトルク指令等による加速・減速指令に従い、電流指令に変換してＰＷＭドライバ３２，３２Ａに電流指令を与える手段である。モータ駆動制御部３３は、インバータ３１，３１Ａからモータ６，６Ａに流すモータ電流値を電流センサ３５から得て、電流フィードバック制御を行う。また、モータ駆動制御部３３は、モータ６，６Ａのロータの回転角を角度センサ３６，３６から得て、ベクトル制御を行う。

この実施形態では、上記構成のモータコントロール部２９に、車速演算手段３８、判定手段３９、および使用モータ切換手段４０を設けている。なお車速演算手段３８、判定手段３９および使用モータ切換手段４０を、モータコントロール部２９に設ける構成に代えて、ＥＣＵ２１に設けても良い。
車速演算手段３３は、各車輪用軸受４，５に付設の回転センサ２４，２４にそれぞれ接続され、また各電流センサ３５，３５にそれぞれ接続されている。車速演算手段３８は、各回転センサ２４からタイヤ回転数の情報を得て車速を演算するか、または、各電流センサ３５からモータ電流値を得て、このモータ電流値に比例する車速のデータに基づき、車速を演算する。

判定手段３９は、車速演算手段３８で演算された車速が、中低速域（例えば車速が０ｋｍ／ｈより大きく８０ｋｍ／ｈ未満）か高速域（例えば車速が８０ｋｍ／ｈ以上）かを常時判定する。使用モータ切換手段４０は、この判定結果に基づき一方のモータを駆動し、他方のモータを自由回転とするように使用モータを切換える。例えば、中低速域において、ＩＰＭモータであるモータ６を使用し、且つ、インダクションモータであるモータ６Ａを自由回転とする。これによりモータ駆動制御部３３は、ＰＷＭドライバ３２への駆動指令を行うが、ＰＷＭドライバ３２Ａへの駆動指令を停止する。なおＰＷＭドライバ３２Ａへの駆動指令を停止するのに代えて、インバータ３１Ａの出力を遮断するものであっても良い。高速域において、モータ６Ａを使用し、且つ、モータ６を自由回転とするように使用モータを切換える。これによりモータ駆動制御部３３は、ＰＷＭドライバ３２Ａへの駆動指令を行うが、ＰＷＭドライバ３２への駆動指令を停止する。ＰＷＭドライバ３２への駆動指令を停止するのに代えて、インバータ３１の出力を遮断するものであっても良い。

作用効果について説明する。
以上説明した電気自動車によると、車速を常時監視し、同期モータであるモータ６と、インダクションモータであるモータ６Ａのいずれか一方を駆動し、他方を自由回転とする。例えば、中低速域において、同期モータであるモータ６を使用することで、励磁電流を必要とせずいわゆる低負荷領域の効率を、インダクションモータを使用する場合よりも高めることができる。これにより、限られたバッテリ容量下で航続距離を延ばすことが可能となる。高速域において、インダクションモータであるモータ６Ａを使用するようにモータを切換えることで、高速域にて永久磁石８０の抵抗によるエネルギーロスを解消して効率良く駆動することができる。このように使用モータを切換えることで、車速にかかわらず、効率良く且つ安定して駆動することができる。また車両を高速域で連続運転する場合に、モータ６Ａを駆動し、モータ６を自由回転とすることで、モータ６の永久磁石８０が定められた耐熱温度よりも高温になることを未然に防止し、不可逆減磁となることもない。
また車速に応じて、使用モータを切換えることで前輪駆動または後輪駆動とするだけで足りるため、使用モータを切換えるクラッチ等を必要とすることなく、電気自動車の駆動構成を簡単化することができる。

インホイールモータ駆動装置８はコンパクト化が図られる結果、モータ６，６Ａに高速回転仕様のものが用いられることが多い。同期モータが高速回転すると、渦電流損失が大きく、渦電流損失による発熱が高くなる。そのため、同期モータの永久磁石が高温となり易く、高温による永久磁石の減磁を生じ易い。この構成では、高速域では同期モータを駆動せず、インダクションモータを駆動するため、同期モータにおける渦電流損失による発熱を低く抑えることができる。したがって、高温による永久磁石８０の減磁を未然に防止することができる。

他の実施形態について説明する。
定められた運転条件に応じて、同期モータであるモータ６およびインダクションモータであるモータ６Ａの両方を駆動するものとしても良い。定められた運転条件として、例えば、登坂路等の高トルクを必要とする場合、同期モータおよびインダクションモータの両方を駆動することで、必要な高トルクを発生させることができる。モータ６，６Ａの駆動トルクや車輪回転速度の検出値、その他図示しないセンサ等から、定められた運転条件を満たすか否かが判断される。
モータ６のＩＰＭモータに代えて、ロータ表面に永久磁石が設けられたＳＰＭモータを適用することも可能である。

図７に示すように、前輪３または後輪２を駆動するモータとして、同期モータ６およびインダクションモータ６Ａの両方を配置し、使用モータ切換手段４０により、車速に応じて使用モータを切換える構成としても良い。前記使用モータ切換手段４０として、例えば、クラッチ等が用いられる。例えば、同期モータ６、インダクションモータ６Ａの各回転出力軸がクラッチに連結され、このクラッチにデファレンシャルユニット４１等を介して車輪が連結されている。この場合、前記各実施形態と同様の作用効果を図れるうえ、同期モータ６およびインダクションモータ６Ａをユニット化して車体に取付け可能となり、工数低減を図れる。また既存のガソリンエンジン車のクラッチやデファレンシャルユニット等を適用可能となる。

２，３…車輪
４，５…車輪用軸受
６，６Ａ…モータ
７…減速機
８…インホイールモータ駆動装置
４０…使用モータ切換手段

Claims (7)

1. 車輪を駆動するモータとして、永久磁石式の同期モータとインダクションモータとを備え、定められた車速の範囲に応じて、前記同期モータと前記インダクションモータのいずれか一方を駆動し、他方を自由回転とするように使用モータを切換える使用モータ切換手段を有することを特徴とする電気自動車。
2. 請求項１において、前記車輪の前輪を駆動するモータとして、前記同期モータおよび前記インダクションモータのいずれか一方のモータを配置し、前記車輪の後輪を駆動するモータとして、他方のモータを配置した電気自動車。
3. 請求項１において、前記車輪の前輪または後輪を駆動するモータとして、前記同期モータおよび前記インダクションモータの両方を配置し、前記使用モータ切換手段は、前記定められた車速の範囲に応じて、使用モータを切換える電気自動車。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、定められた運転条件に応じて、前記同期モータおよび前記インダクションモータの両方を駆動する電気自動車。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記モータは、一部または全体が前記車輪内に配置されて前記モータと車輪用軸受を含むインホイールモータ駆動装置を構成する電気自動車。
6. 請求項５において、前記インホイールモータ駆動装置は、前記モータの回転を減速して前記車輪に伝える減速機を含む電気自動車。
7. 請求項６において、前記減速機はサイクロイド減速機である電気自動車。

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