動力出力装置及び電動車両
【課題】従来よりも高効率で動作することが出来る動力出力装置及び電動車両を提供することを目的とする。
【解決手段】電動車両が、副モータであり、ロータに永久磁石が搭載されていない１つまたは複数の永久磁石非搭載モータと、主モータであり、最大トルクが副モータの最大トルクより低トルクである永久磁石同期モータと、主モータ及び副モータの回転駆動により動力を出力する出力軸と、主モータである永久磁石同期モータの最大トルクを超えないトルク要求があった場合に、永久磁石同期モータのみを回転駆動し、永久磁石同期モータの最大トルクを超えるトルク要求があった場合に、副モータである永久磁石非搭載モータを回転駆動することによってトルクの不足分を補うモータ駆動制御部とを、具備する。
【解決手段】電動車両が、副モータであり、ロータに永久磁石が搭載されていない１つまたは複数の永久磁石非搭載モータと、主モータであり、最大トルクが副モータの最大トルクより低トルクである永久磁石同期モータと、主モータ及び副モータの回転駆動により動力を出力する出力軸と、主モータである永久磁石同期モータの最大トルクを超えないトルク要求があった場合に、永久磁石同期モータのみを回転駆動し、永久磁石同期モータの最大トルクを超えるトルク要求があった場合に、副モータである永久磁石非搭載モータを回転駆動することによってトルクの不足分を補うモータ駆動制御部とを、具備する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータの回転駆動によって動力を出力する動力出力装置及び当該動力出力装置を備える電動車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電動車両（電気自動車及びハイブリッド自動車等）の駆動用モータとして、効率の良さから永久磁石同期モータが広く用いられている。また、永久磁石同期モータ以外にも、電動車両の駆動用モータとして直流モータ及び誘導モータが用いられている。
【０００３】
そして、このような永久磁石同期モータ及び誘導モータを利用した発明として、下記特許文献１には、複数のモータを駆動源とすることで大出力化に対応し、かつ操舵フィーリングに優れた電動パワーステアリング装置が開示されている。当該電動パワーステアリング装置は、ラック軸にアシスト力を付与するラックアクチュエータと、コラムシャフトにアシスト力を付与するコラムアクチュエータと、これら各アクチュエータの駆動源である各モータへの駆動電力の供給によって該各アクチュエータの作動を制御するＥＣＵとを備える。そして、上記ラックアクチュエータのモータとして永久磁石モータが用いられるとともに、上記コラムアクチュエータのモータとして非永久磁石型モータが用いられる。
【０００４】
また、下記特許文献２には、迅速な起動特性のみならず、微力稼動から定格稼動までの何れの運転領域においても効率良く動作するタンデムスクリューコンプレッサが開示されている。当該タンデムスクリューコンプレッサは、第１軸に軸支され同軸結合された第１ギアと共に回転自在の第１スクリューと、第１軸とほぼ平行な第２軸に軸支され第１ギアと歯合して逆回転する第２ギアに同軸結合された第２スクリューと、を備え、逆ネジの関係にある第１スクリューと第２スクリューをかみ合わせた空間で流体を圧縮するタンデムスクリューコンプレッサであって、第１スクリューに同軸結合された主モータ（永久磁石同期モータ）と、第２スクリューに同軸結合された副モータ（誘導モータ）と、を備え、主モータと副モータの何れか一方は軽負荷時に遊動可能とする。
【０００５】
さらに、永久磁石同期モータのみを利用した技術として、下記特許文献３には、エネルギー効率をより向上することが出来る電動車両が開示されている。当該電動車両は、前記複数の電動機のうち、高トルク低回転数の領域内を主動作領域として、集中巻コイルにより形成された電動機が駆動制御され、低トルク高回転数の領域内を主動作領域として分布巻コイルにより形成された電動機が駆動制御される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−１２０２４１号公報
【特許文献２】特開２００８−２６１２２５号公報
【特許文献３】特許第４１９６５４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記従来技術における電動車両の電動車両用モータには、低速〜高速及び低トルク〜大トルクまで幅広い運転領域が要求される。そして、当該モータ及びそのドライバでは、発熱の問題がある為に、最大トルク及び最大出力を考慮した設計がなされている。しかしながら、一般的に、上記従来技術の電動車両で最も駆動時間が長い出力領域は市街地走行を中心とした低速及び低トルク領域である為に、最大トルク及び最大出力を考慮した設計のモータでは、効率の悪い出力領域での稼動が長時間続くことになってしまうとい問題があった。
【０００８】
そして、上記特許文献１では、ホイールを左右に動かすための比較的大トルクが必要なラックアクチュエータの駆動に永久磁石モータを、ステアリングをきるための比較的低トルクで済むコラムアクチュエータに誘導モータを適用している。しかし、上記特許文献１の発明は、コラムアクチュエータに永久磁石モータを適用した場合に生じるコギングトルクが原因の操舵性悪化を改善することを目的とした発明である為に、電動車両用モータのエネルギー効率を向上させることは困難である。
【０００９】
また、上記特許文献２では、ギアを介して対向回転する２軸のそれぞれを駆動するためのモータに永久磁石モータ及び誘導モータを適用しているが、あくまでコンプレッサの発明である為、電動車両の走行に利用される動力装置とは、構造が異なる。
さらに、特許文献３では、使用するモータはいずれも永久磁石同期モータを想定しており、それぞれのモータはギアやベルトにより結合されている為、一方のモータのみが稼動している場合に、他方のモータに鉄損が発生してしまう。
【００１０】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、従来よりも高効率で動作することが出来る動力出力装置及び電動車両を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明では、動力出力装置に係る第１の解決手段として、副モータであり、ロータに永久磁石が搭載されていない１つまたは複数の永久磁石非搭載モータと、主モータであり、最大トルクが前記副モータの最大トルクより低トルクである永久磁石同期モータと、前記主モータ及び前記副モータの回転駆動により動力を出力する出力軸と、主モータである前記永久磁石同期モータの最大トルクを超えないトルク要求があった場合に、前記永久磁石同期モータのみを回転駆動し、前記永久磁石同期モータの最大トルクを超えるトルク要求があった場合に、副モータである前記永久磁石非搭載モータを回転駆動することによってトルクの不足分を補うモータ駆動制御部とを、具備するという手段を採用する。
【００１２】
本発明では、動力出力装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記永久磁石非搭載モータは、誘導モータであるという手段を採用する。
【００１３】
本発明では、動力出力装置に係る第３の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記永久磁石非搭載モータは、リアクタンスモータであるという手段を採用する。
【００１４】
本発明では、動力出力装置に係る第４の解決手段として、上記第１〜第３いずれかの解決手段において、前記永久磁石同期モータと、前記前記永久磁石非搭載モータとは、同軸に配置されているという手段を採用する。
【００１５】
本発明では、動力出力装置に係る第５の解決手段として、上記第１〜第３いずれかの解決手段において、前記永久磁石同期モータと、前記前記永久磁石非搭載モータとは、遊星ギアを介して別軸に配置されているという手段を採用する。
【００１６】
また、本発明では、電動車両に係る第１の解決手段として、上記第１〜第３いずれかの解決手段を採用する動力出力装置を具備し、前記動力出力装置の出力軸から出力される動力によって車輪を回転するという手段を採用する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、電動車両が、副モータであり、ロータに永久磁石が搭載されていない１つまたは複数の永久磁石非搭載モータと、主モータであり、最大トルクが副モータの最大トルクより低トルクである永久磁石同期モータと、主モータ及び副モータの回転駆動により動力を出力する出力軸と、主モータである永久磁石同期モータの最大トルクを超えないトルク要求があった場合に、永久磁石同期モータのみを回転駆動し、永久磁石同期モータの最大トルクを超えるトルク要求があった場合に、副モータである永久磁石非搭載モータを回転駆動することによってトルクの不足分を補うモータ駆動制御部とを、具備する。
【００１８】
このように、動力出力装置では、主モータであり、最大トルクが低トルクである永久磁石同期モータと、副モータである永久磁石非搭載モータとを搭載し、モータ駆動制御部は、市街地等の低トルク走行時には、永久磁石同期モータ１を稼動し、永久磁石同期モータ１の最大トルクを超える高トルク走行時には、永久磁石同期モータを最大トルクで稼動させ、さらに不足分のトルクを誘導モータの回転によって補う。
このように、動力出力装置では、利用頻度の高い市街地等の走行時に、最大トルクが低トルクである永久磁石同期モータを駆動することで、従来よりも高効率で動作することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係る電動車両Ａの機能ブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る電動車両Ａの永久磁石同期モータ１と誘導モータ２とのモータ出力特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。本実施形態は、電気自動車及びハイブリッド自動車等の電動車両に関する。
まず、本実施形態に係る電動車両Ａの機能構成について、図１を参照して、説明する。図１は、本実施形態に係る電動車両Ａの機能ブロック図である。
【００２１】
本実施形態に係る電動車両Ａは、モータを動力として走行する電気自動車またはハイブリッド自動車であり、図１に示すように、永久磁石同期モータ１、誘導モータ２、回転軸３、ディファレンシャルギア４、車軸５（出力軸）、車輪６、バッテリ７、第１インバータ８、第２インバータ９、第１モータ駆動電流検出部１０、アクセル操作部１１及びモータ制御部１２を備えている。
【００２２】
なお、車軸５は、本実施形態における出力軸である。また、バッテリ７、第１インバータ８、第２インバータ９、第１モータ駆動電流検出部１０、アクセル操作部１１及びモータ制御部１２は、本実施形態におけるモータ駆動制御部を構成する。
【００２３】
永久磁石同期モータ１は、電動車両Ａの主モータであり、ロータ及びステータによって構成されている埋め込み型永久磁石モータ（ＩＰＭモータ：Interior Permanent Magnetモータ）である。
【００２４】
永久磁石同期モータ１のロータは、円筒状のロータコアと、複数枚の永久磁石とによって構成されている。ロータコアは、中空円盤形状の鋼鈑を複数枚積層した積層鋼板であり、その中心軸上に設けられた貫通孔に回転軸３が圧入・固定されている。永久磁石は、ロータコアの外周側にＮ極の極性を持つ永久磁石及びＳ極の極性を持つ永久磁石のそれぞれが、ロータコアの外周に沿って埋設されている。
【００２５】
そして、永久磁石同期モータ１のステータは、略円筒形状のステータコアと当該ステータコアに巻回された巻線とから構成されている。ステータコアは、複数の金属製のコアプレートが積層されて構成されており、円環状に形成されたヨークから内周側に突設されたティースを等角度間隔に備えている。そして、このティースの先端部は、全体として略円管状の内周面を形成している。巻線は、ティースに複数巻き回されており、モールド剤によってティースに固定している。そして、この巻線は、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線及びＷ相巻線の３相の巻線から構成されており、第１インバータ８から供給される３相に応じた第１モータ駆動信号によって磁極の向きが切り替わる。上記構成のステータは、内周面が所定の隙間を介してロータの外周面に対向している。
【００２６】
誘導モータ２は、電動車両Ａの副モータであり、ロータ及びステータから構成されている。
誘導モータ２のロータは、円筒状のロータコアと、銅製のリング（銅リング）の間を複数の銅製の棒（銅棒）によってつないだカゴ形状の銅カゴとによって構成されている。
【００２７】
ロータコアは、中空円盤形状の鋼鈑を複数枚積層した積層鋼板であり、その中心軸上に設けられた貫通孔に回転軸３が圧入・固定されている。銅カゴは、ロータコアの外周面に軸方向に沿って設けられた複数の溝に埋め込まれた銅棒の両端に銅リングが接合することによって形成されている。そして、誘導モータ２のステータは、永久磁石同期モータ１のステータと同様の構造となっている。
【００２８】
上記構成の永久磁石同期モータ１及び誘導モータ２のモータ出力特性について、図２を参照して説明する。図２は、本実施形態に係る電動車両Ａの永久磁石同期モータ１と誘導モータ２とのモータ出力特性図である。なお、図２の縦軸がトルクを示し、横軸がモータ回転数を示す。
【００２９】
図２に示すように、電動車両において、主モータの永久磁石同期モータ１は、最大トルクが低トルクであり、市街地等を走行する際に最も電力効率がよくなるように低トルク中回転数領域ａｒ１が主動作領域である。また、副モータの誘導モータ２は、モータ制御部１２の制御の下、永久磁石同期モータ１の最大トルクと越えるトルクが必要な場合に、回転駆動によってトルクを発生する。
【００３０】
回転軸３は、円柱状部材であって、複数の径を有して多段状に形成されたものである。この回転軸３の最大径を有する部位に永久磁石同期モータ１及び誘導モータ２それぞれのロータコアが固定されており、永久磁石同期モータ１及び誘導モータ２の回転駆動によって生じた動力をディファレンシャルギア４へ伝達する。
ディファレンシャルギア４は、複数の歯車を組み合わせて構成された動力伝達機構（差動歯車）であり、回転軸３から伝夏された動力を、車軸５を介して車輪６へ伝達する。
【００３１】
車軸５は、円柱状部材であって、その両端に車輪６が取り付けられ、ディファレンシャルギア４から伝達された動力を車輪６へ伝達する。
車輪６は、左右一対からなる駆動輪（後輪）であり、ディファレンシャルギア４を介して永久磁石同期モータ１及び誘導モータ２から伝達される動力によって回転する。
バッテリ７は、負荷として接続された第１インバータ８及び第２インバータ９の負荷状況に応じて直流電圧を放電するものであり、例えば鉛蓄電池、ニッケル水素電池あるいはリチウムイオン電池である。
【００３２】
第１インバータ８は、モータ制御部１２から供給されるＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号に基づいてバッテリ７から供給される直流電圧をスイッチングすることにより、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相からなる３相の第１モータ駆動電流を生成し、当該第１モータ駆動電流を永久磁石同期モータ１へ供給する。すなわち、第１インバータ８は、第１モータ駆動電流によって永久磁石同期モータ１を回転駆動する駆動装置である。
【００３３】
第２インバータ９は、モータ制御部１２から供給されるＰＷＭ信号に基づいてバッテリ７から供給される直流電圧をスイッチングすることにより、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相からなる３相の第２モータ駆動電流を生成し、当該第２モータ駆動電流を誘導モータ２へ供給する。すなわち、第２インバータ９は、第２モータ駆動電流によって誘導モータ２を回転駆動する駆動装置である。
【００３４】
第１モータ駆動電流検出部１０は、第１インバータ８と永久磁石同期モータ１のＵ相巻線、Ｖ相巻線及びＷ相巻線のそれぞれとを接続するＵ相駆動信号線、Ｖ相駆動信号線及びＷ相駆動信号線に設けられており、第１インバータ８から永久磁石同期モータ１へ流れるＵ相、Ｖ相及びＷ相の３相からなる第１モータ駆動電流を検出し、検出結果に基づいて第１モータ駆動電流を示す検出信号をモータ制御部１２へ出力する。
【００３５】
アクセル操作部１１は、アクセルペダル等から構成されており、アクセルペダルの押下に応じた運転者の速度指示をモータ制御部１２へ出力する。
モータ制御部１２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）から構成される内部メモリ並びに上記第１インバータ８、第２インバータ９及びアクセル操作部１１と信号の入出力をそれぞれ行うインタフェース回路等から構成されており、上記ＲＯＭに記憶されたモータ制御プログラム及びアクセアクセス操作部が受け付けた速度指示に基づいて、第１インバータ８及びに第２インバータ９をＰＷＭ制御する。
【００３６】
次に、このように構成された電動車両Ａの動作について、詳しく説明する。
まず、電動車両Ａによって走行しようとする運転者は、アクセル操作部１１のアクセルペダルを踏み込むことによって、走行を電動車両Ａに開始させる。
モータ制御部１２は、アクセルペダルの踏み込みによってアクセル操作部１１が速度指示を受け付けると、速度指示に応じた第１モータ駆動電流を第１インバータ８に生成させ、当該第１モータ駆動電流を永久磁石同期モータ１へ供給させる。
【００３７】
第１モータ駆動電流検出部１０は、第１インバータ８から永久磁石同期モータ１への第１モータ駆動電流の供給の開始に伴って、第１モータ駆動電流に応じた検出信号をモータ制御部１２へ出力する。
【００３８】
そして、モータ制御部１２では、第１モータ駆動電流検出部１０から検出信号が入力されると、当該検出信号に基づいて、永久磁石同期モータ１が最大トルクを出力する為に必要な第１モータ駆動電流に達したか否か判断することによって、永久磁石同期モータ１が図２に示す最大トルクまで達したか否か判断する。
【００３９】
モータ制御部１２は、永久磁石同期モータ１が図２に示す最大トルクまで達すると、速度指示に応じて永久磁石同期モータ１の最大トルクを超えるトルクが必要な場合に、第２モータ駆動電流を第２インバータ９に生成させ、当該第２モータ駆動電流を誘導モータ２へ供給させる。
【００４０】
以上のように、本実施形態に係る電動車両Ａでは、最大トルクが低トルクであり、市街地等を走行する際に最も電力効率がよくなるように低トルク中回転数領域ａｒ１が主動作領域である主モータである永久磁石同期モータ１と、副モータである誘導モータ２とを搭載し、モータ制御部１２は、市街地等の低トルク走行時には、永久磁石同期モータ１を稼動し、永久磁石同期モータ１の最大トルクを超える高トルク走行時には、永久磁石同期モータ１を最大トルクで稼動させ、さらに不足分のトルクを誘導モータ２の回転によって補う。
【００４１】
このように、電動車両Ａでは、利用頻度の高い市街地等の走行時に、最大トルクが低トルクでありかつ低トルク中回転数領域ａｒ１が主動作領域である永久磁石同期モータ１を駆動することで、従来よりも高効率で動作することが出来る
【００４２】
また、電動車両Ａでは、永久磁石同期モータ１は、最大トルクが低トルクであり、かつ市街地等を走行する際に最も電力効率がよくなるように、低トルク中回転数領域ａｒ１が主動作領域である為に、永久磁石同期モータ１を小型化することが出来る。これにより、永久磁石同期モータ１の製作に必要は永久磁石等の原料を節約することが出来る。
【００４３】
また、最大トルクが低トルクである永久磁石同期モータ１を搭載する為に、第１インバータの最大出力の低くすることが出来る。
さらに、電動車両Ａでは、永久磁石同期モータ１の稼動時に、遊転する誘導モータ２のロータには永久磁石が搭載されていない為、磁束の変化が生じない。これにより、電動車両Ａでは、鉄損が発生しない。
【００４４】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、例えば以下のような変形が考えられる。
（１）上記実施形態では、誘導モータ２を１つ搭載したが、本発明はこれに限定されない。
例えば、電動車両Ａでは、上記誘導モータ２を１つに限定せずに、複数搭載するようにしてもよい。
【００４５】
（２）上記実施形態では、永久磁石同期モータ１及び誘導モータ２を同軸（回転軸３）に配置したが、本発明はこれに限定されない。
例えば、永久磁石同期モータ１と誘導モータ２とを、遊星ギアを介して、別軸に配置するようにしてもよい。
【００４６】
（３）上記実施形態では、誘導モータ２を搭載したが、本発明はこれに限定されない。
例えば、誘導モータ２の代わりに、ロータに永久磁石が取り付けられていないリアクタンスモータを搭載するようにしてもよい。
【００４７】
（４）上記実施形態では、第１モータ駆動電流検出部１０をＵ相駆動信号線、Ｖ相駆動信号線及びＷ相駆動信号線に設け、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の３相からなる第１モータ駆動電流を検出したが、本発明はこれに限定されない。
【００４８】
例えば、電動車両Ａに、第１モータ駆動電流検出部１０をＵ相駆動信号線、Ｖ相駆動信号線及びＷ相駆動信号線のいずれか２つを配設する。そして、モータ制御部１２は、２つの第１モータ駆動電流検出部１０から入力される２相の第１モータ駆動電流から残り１相のモータ駆動電流を算出するようにしてもよい。
【００４９】
（５）上記実施形態では、永久磁石同期モータは、埋め込み型永久磁石モータ（ＩＰＭモータ）であるが、本願発明はこれに限定されない。
例えば、埋め込み型永久磁石モータの代わりに、表面永久磁石モータ（ＳＰＭモータ： Surface Permanent Magnetモータ）であってもよい。
【符号の説明】
【００５０】
Ａ…電動車両、１…永久磁石同期モータ、２…誘導モータ、３…回転軸、４…ディファレンシャルギア、５…車軸（出力軸）、６…車輪、７…バッテリ、８…第１インバータ、９…第２インバータ、９…第２インバータ、１０…第１モータ駆動電流検出部、１１…アクセル操作部、１２…モータ制御部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータの回転駆動によって動力を出力する動力出力装置及び当該動力出力装置を備える電動車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電動車両（電気自動車及びハイブリッド自動車等）の駆動用モータとして、効率の良さから永久磁石同期モータが広く用いられている。また、永久磁石同期モータ以外にも、電動車両の駆動用モータとして直流モータ及び誘導モータが用いられている。
【０００３】
そして、このような永久磁石同期モータ及び誘導モータを利用した発明として、下記特許文献１には、複数のモータを駆動源とすることで大出力化に対応し、かつ操舵フィーリングに優れた電動パワーステアリング装置が開示されている。当該電動パワーステアリング装置は、ラック軸にアシスト力を付与するラックアクチュエータと、コラムシャフトにアシスト力を付与するコラムアクチュエータと、これら各アクチュエータの駆動源である各モータへの駆動電力の供給によって該各アクチュエータの作動を制御するＥＣＵとを備える。そして、上記ラックアクチュエータのモータとして永久磁石モータが用いられるとともに、上記コラムアクチュエータのモータとして非永久磁石型モータが用いられる。
【０００４】
また、下記特許文献２には、迅速な起動特性のみならず、微力稼動から定格稼動までの何れの運転領域においても効率良く動作するタンデムスクリューコンプレッサが開示されている。当該タンデムスクリューコンプレッサは、第１軸に軸支され同軸結合された第１ギアと共に回転自在の第１スクリューと、第１軸とほぼ平行な第２軸に軸支され第１ギアと歯合して逆回転する第２ギアに同軸結合された第２スクリューと、を備え、逆ネジの関係にある第１スクリューと第２スクリューをかみ合わせた空間で流体を圧縮するタンデムスクリューコンプレッサであって、第１スクリューに同軸結合された主モータ（永久磁石同期モータ）と、第２スクリューに同軸結合された副モータ（誘導モータ）と、を備え、主モータと副モータの何れか一方は軽負荷時に遊動可能とする。
【０００５】
さらに、永久磁石同期モータのみを利用した技術として、下記特許文献３には、エネルギー効率をより向上することが出来る電動車両が開示されている。当該電動車両は、前記複数の電動機のうち、高トルク低回転数の領域内を主動作領域として、集中巻コイルにより形成された電動機が駆動制御され、低トルク高回転数の領域内を主動作領域として分布巻コイルにより形成された電動機が駆動制御される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−１２０２４１号公報
【特許文献２】特開２００８−２６１２２５号公報
【特許文献３】特許第４１９６５４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記従来技術における電動車両の電動車両用モータには、低速〜高速及び低トルク〜大トルクまで幅広い運転領域が要求される。そして、当該モータ及びそのドライバでは、発熱の問題がある為に、最大トルク及び最大出力を考慮した設計がなされている。しかしながら、一般的に、上記従来技術の電動車両で最も駆動時間が長い出力領域は市街地走行を中心とした低速及び低トルク領域である為に、最大トルク及び最大出力を考慮した設計のモータでは、効率の悪い出力領域での稼動が長時間続くことになってしまうとい問題があった。
【０００８】
そして、上記特許文献１では、ホイールを左右に動かすための比較的大トルクが必要なラックアクチュエータの駆動に永久磁石モータを、ステアリングをきるための比較的低トルクで済むコラムアクチュエータに誘導モータを適用している。しかし、上記特許文献１の発明は、コラムアクチュエータに永久磁石モータを適用した場合に生じるコギングトルクが原因の操舵性悪化を改善することを目的とした発明である為に、電動車両用モータのエネルギー効率を向上させることは困難である。
【０００９】
また、上記特許文献２では、ギアを介して対向回転する２軸のそれぞれを駆動するためのモータに永久磁石モータ及び誘導モータを適用しているが、あくまでコンプレッサの発明である為、電動車両の走行に利用される動力装置とは、構造が異なる。
さらに、特許文献３では、使用するモータはいずれも永久磁石同期モータを想定しており、それぞれのモータはギアやベルトにより結合されている為、一方のモータのみが稼動している場合に、他方のモータに鉄損が発生してしまう。
【００１０】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、従来よりも高効率で動作することが出来る動力出力装置及び電動車両を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明では、動力出力装置に係る第１の解決手段として、副モータであり、ロータに永久磁石が搭載されていない１つまたは複数の永久磁石非搭載モータと、主モータであり、最大トルクが前記副モータの最大トルクより低トルクである永久磁石同期モータと、前記主モータ及び前記副モータの回転駆動により動力を出力する出力軸と、主モータである前記永久磁石同期モータの最大トルクを超えないトルク要求があった場合に、前記永久磁石同期モータのみを回転駆動し、前記永久磁石同期モータの最大トルクを超えるトルク要求があった場合に、副モータである前記永久磁石非搭載モータを回転駆動することによってトルクの不足分を補うモータ駆動制御部とを、具備するという手段を採用する。
【００１２】
本発明では、動力出力装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記永久磁石非搭載モータは、誘導モータであるという手段を採用する。
【００１３】
本発明では、動力出力装置に係る第３の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記永久磁石非搭載モータは、リアクタンスモータであるという手段を採用する。
【００１４】
本発明では、動力出力装置に係る第４の解決手段として、上記第１〜第３いずれかの解決手段において、前記永久磁石同期モータと、前記前記永久磁石非搭載モータとは、同軸に配置されているという手段を採用する。
【００１５】
本発明では、動力出力装置に係る第５の解決手段として、上記第１〜第３いずれかの解決手段において、前記永久磁石同期モータと、前記前記永久磁石非搭載モータとは、遊星ギアを介して別軸に配置されているという手段を採用する。
【００１６】
また、本発明では、電動車両に係る第１の解決手段として、上記第１〜第３いずれかの解決手段を採用する動力出力装置を具備し、前記動力出力装置の出力軸から出力される動力によって車輪を回転するという手段を採用する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、電動車両が、副モータであり、ロータに永久磁石が搭載されていない１つまたは複数の永久磁石非搭載モータと、主モータであり、最大トルクが副モータの最大トルクより低トルクである永久磁石同期モータと、主モータ及び副モータの回転駆動により動力を出力する出力軸と、主モータである永久磁石同期モータの最大トルクを超えないトルク要求があった場合に、永久磁石同期モータのみを回転駆動し、永久磁石同期モータの最大トルクを超えるトルク要求があった場合に、副モータである永久磁石非搭載モータを回転駆動することによってトルクの不足分を補うモータ駆動制御部とを、具備する。
【００１８】
このように、動力出力装置では、主モータであり、最大トルクが低トルクである永久磁石同期モータと、副モータである永久磁石非搭載モータとを搭載し、モータ駆動制御部は、市街地等の低トルク走行時には、永久磁石同期モータ１を稼動し、永久磁石同期モータ１の最大トルクを超える高トルク走行時には、永久磁石同期モータを最大トルクで稼動させ、さらに不足分のトルクを誘導モータの回転によって補う。
このように、動力出力装置では、利用頻度の高い市街地等の走行時に、最大トルクが低トルクである永久磁石同期モータを駆動することで、従来よりも高効率で動作することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係る電動車両Ａの機能ブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る電動車両Ａの永久磁石同期モータ１と誘導モータ２とのモータ出力特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。本実施形態は、電気自動車及びハイブリッド自動車等の電動車両に関する。
まず、本実施形態に係る電動車両Ａの機能構成について、図１を参照して、説明する。図１は、本実施形態に係る電動車両Ａの機能ブロック図である。
【００２１】
本実施形態に係る電動車両Ａは、モータを動力として走行する電気自動車またはハイブリッド自動車であり、図１に示すように、永久磁石同期モータ１、誘導モータ２、回転軸３、ディファレンシャルギア４、車軸５（出力軸）、車輪６、バッテリ７、第１インバータ８、第２インバータ９、第１モータ駆動電流検出部１０、アクセル操作部１１及びモータ制御部１２を備えている。
【００２２】
なお、車軸５は、本実施形態における出力軸である。また、バッテリ７、第１インバータ８、第２インバータ９、第１モータ駆動電流検出部１０、アクセル操作部１１及びモータ制御部１２は、本実施形態におけるモータ駆動制御部を構成する。
【００２３】
永久磁石同期モータ１は、電動車両Ａの主モータであり、ロータ及びステータによって構成されている埋め込み型永久磁石モータ（ＩＰＭモータ：Interior Permanent Magnetモータ）である。
【００２４】
永久磁石同期モータ１のロータは、円筒状のロータコアと、複数枚の永久磁石とによって構成されている。ロータコアは、中空円盤形状の鋼鈑を複数枚積層した積層鋼板であり、その中心軸上に設けられた貫通孔に回転軸３が圧入・固定されている。永久磁石は、ロータコアの外周側にＮ極の極性を持つ永久磁石及びＳ極の極性を持つ永久磁石のそれぞれが、ロータコアの外周に沿って埋設されている。
【００２５】
そして、永久磁石同期モータ１のステータは、略円筒形状のステータコアと当該ステータコアに巻回された巻線とから構成されている。ステータコアは、複数の金属製のコアプレートが積層されて構成されており、円環状に形成されたヨークから内周側に突設されたティースを等角度間隔に備えている。そして、このティースの先端部は、全体として略円管状の内周面を形成している。巻線は、ティースに複数巻き回されており、モールド剤によってティースに固定している。そして、この巻線は、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線及びＷ相巻線の３相の巻線から構成されており、第１インバータ８から供給される３相に応じた第１モータ駆動信号によって磁極の向きが切り替わる。上記構成のステータは、内周面が所定の隙間を介してロータの外周面に対向している。
【００２６】
誘導モータ２は、電動車両Ａの副モータであり、ロータ及びステータから構成されている。
誘導モータ２のロータは、円筒状のロータコアと、銅製のリング（銅リング）の間を複数の銅製の棒（銅棒）によってつないだカゴ形状の銅カゴとによって構成されている。
【００２７】
ロータコアは、中空円盤形状の鋼鈑を複数枚積層した積層鋼板であり、その中心軸上に設けられた貫通孔に回転軸３が圧入・固定されている。銅カゴは、ロータコアの外周面に軸方向に沿って設けられた複数の溝に埋め込まれた銅棒の両端に銅リングが接合することによって形成されている。そして、誘導モータ２のステータは、永久磁石同期モータ１のステータと同様の構造となっている。
【００２８】
上記構成の永久磁石同期モータ１及び誘導モータ２のモータ出力特性について、図２を参照して説明する。図２は、本実施形態に係る電動車両Ａの永久磁石同期モータ１と誘導モータ２とのモータ出力特性図である。なお、図２の縦軸がトルクを示し、横軸がモータ回転数を示す。
【００２９】
図２に示すように、電動車両において、主モータの永久磁石同期モータ１は、最大トルクが低トルクであり、市街地等を走行する際に最も電力効率がよくなるように低トルク中回転数領域ａｒ１が主動作領域である。また、副モータの誘導モータ２は、モータ制御部１２の制御の下、永久磁石同期モータ１の最大トルクと越えるトルクが必要な場合に、回転駆動によってトルクを発生する。
【００３０】
回転軸３は、円柱状部材であって、複数の径を有して多段状に形成されたものである。この回転軸３の最大径を有する部位に永久磁石同期モータ１及び誘導モータ２それぞれのロータコアが固定されており、永久磁石同期モータ１及び誘導モータ２の回転駆動によって生じた動力をディファレンシャルギア４へ伝達する。
ディファレンシャルギア４は、複数の歯車を組み合わせて構成された動力伝達機構（差動歯車）であり、回転軸３から伝夏された動力を、車軸５を介して車輪６へ伝達する。
【００３１】
車軸５は、円柱状部材であって、その両端に車輪６が取り付けられ、ディファレンシャルギア４から伝達された動力を車輪６へ伝達する。
車輪６は、左右一対からなる駆動輪（後輪）であり、ディファレンシャルギア４を介して永久磁石同期モータ１及び誘導モータ２から伝達される動力によって回転する。
バッテリ７は、負荷として接続された第１インバータ８及び第２インバータ９の負荷状況に応じて直流電圧を放電するものであり、例えば鉛蓄電池、ニッケル水素電池あるいはリチウムイオン電池である。
【００３２】
第１インバータ８は、モータ制御部１２から供給されるＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号に基づいてバッテリ７から供給される直流電圧をスイッチングすることにより、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相からなる３相の第１モータ駆動電流を生成し、当該第１モータ駆動電流を永久磁石同期モータ１へ供給する。すなわち、第１インバータ８は、第１モータ駆動電流によって永久磁石同期モータ１を回転駆動する駆動装置である。
【００３３】
第２インバータ９は、モータ制御部１２から供給されるＰＷＭ信号に基づいてバッテリ７から供給される直流電圧をスイッチングすることにより、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相からなる３相の第２モータ駆動電流を生成し、当該第２モータ駆動電流を誘導モータ２へ供給する。すなわち、第２インバータ９は、第２モータ駆動電流によって誘導モータ２を回転駆動する駆動装置である。
【００３４】
第１モータ駆動電流検出部１０は、第１インバータ８と永久磁石同期モータ１のＵ相巻線、Ｖ相巻線及びＷ相巻線のそれぞれとを接続するＵ相駆動信号線、Ｖ相駆動信号線及びＷ相駆動信号線に設けられており、第１インバータ８から永久磁石同期モータ１へ流れるＵ相、Ｖ相及びＷ相の３相からなる第１モータ駆動電流を検出し、検出結果に基づいて第１モータ駆動電流を示す検出信号をモータ制御部１２へ出力する。
【００３５】
アクセル操作部１１は、アクセルペダル等から構成されており、アクセルペダルの押下に応じた運転者の速度指示をモータ制御部１２へ出力する。
モータ制御部１２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）から構成される内部メモリ並びに上記第１インバータ８、第２インバータ９及びアクセル操作部１１と信号の入出力をそれぞれ行うインタフェース回路等から構成されており、上記ＲＯＭに記憶されたモータ制御プログラム及びアクセアクセス操作部が受け付けた速度指示に基づいて、第１インバータ８及びに第２インバータ９をＰＷＭ制御する。
【００３６】
次に、このように構成された電動車両Ａの動作について、詳しく説明する。
まず、電動車両Ａによって走行しようとする運転者は、アクセル操作部１１のアクセルペダルを踏み込むことによって、走行を電動車両Ａに開始させる。
モータ制御部１２は、アクセルペダルの踏み込みによってアクセル操作部１１が速度指示を受け付けると、速度指示に応じた第１モータ駆動電流を第１インバータ８に生成させ、当該第１モータ駆動電流を永久磁石同期モータ１へ供給させる。
【００３７】
第１モータ駆動電流検出部１０は、第１インバータ８から永久磁石同期モータ１への第１モータ駆動電流の供給の開始に伴って、第１モータ駆動電流に応じた検出信号をモータ制御部１２へ出力する。
【００３８】
そして、モータ制御部１２では、第１モータ駆動電流検出部１０から検出信号が入力されると、当該検出信号に基づいて、永久磁石同期モータ１が最大トルクを出力する為に必要な第１モータ駆動電流に達したか否か判断することによって、永久磁石同期モータ１が図２に示す最大トルクまで達したか否か判断する。
【００３９】
モータ制御部１２は、永久磁石同期モータ１が図２に示す最大トルクまで達すると、速度指示に応じて永久磁石同期モータ１の最大トルクを超えるトルクが必要な場合に、第２モータ駆動電流を第２インバータ９に生成させ、当該第２モータ駆動電流を誘導モータ２へ供給させる。
【００４０】
以上のように、本実施形態に係る電動車両Ａでは、最大トルクが低トルクであり、市街地等を走行する際に最も電力効率がよくなるように低トルク中回転数領域ａｒ１が主動作領域である主モータである永久磁石同期モータ１と、副モータである誘導モータ２とを搭載し、モータ制御部１２は、市街地等の低トルク走行時には、永久磁石同期モータ１を稼動し、永久磁石同期モータ１の最大トルクを超える高トルク走行時には、永久磁石同期モータ１を最大トルクで稼動させ、さらに不足分のトルクを誘導モータ２の回転によって補う。
【００４１】
このように、電動車両Ａでは、利用頻度の高い市街地等の走行時に、最大トルクが低トルクでありかつ低トルク中回転数領域ａｒ１が主動作領域である永久磁石同期モータ１を駆動することで、従来よりも高効率で動作することが出来る
【００４２】
また、電動車両Ａでは、永久磁石同期モータ１は、最大トルクが低トルクであり、かつ市街地等を走行する際に最も電力効率がよくなるように、低トルク中回転数領域ａｒ１が主動作領域である為に、永久磁石同期モータ１を小型化することが出来る。これにより、永久磁石同期モータ１の製作に必要は永久磁石等の原料を節約することが出来る。
【００４３】
また、最大トルクが低トルクである永久磁石同期モータ１を搭載する為に、第１インバータの最大出力の低くすることが出来る。
さらに、電動車両Ａでは、永久磁石同期モータ１の稼動時に、遊転する誘導モータ２のロータには永久磁石が搭載されていない為、磁束の変化が生じない。これにより、電動車両Ａでは、鉄損が発生しない。
【００４４】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、例えば以下のような変形が考えられる。
（１）上記実施形態では、誘導モータ２を１つ搭載したが、本発明はこれに限定されない。
例えば、電動車両Ａでは、上記誘導モータ２を１つに限定せずに、複数搭載するようにしてもよい。
【００４５】
（２）上記実施形態では、永久磁石同期モータ１及び誘導モータ２を同軸（回転軸３）に配置したが、本発明はこれに限定されない。
例えば、永久磁石同期モータ１と誘導モータ２とを、遊星ギアを介して、別軸に配置するようにしてもよい。
【００４６】
（３）上記実施形態では、誘導モータ２を搭載したが、本発明はこれに限定されない。
例えば、誘導モータ２の代わりに、ロータに永久磁石が取り付けられていないリアクタンスモータを搭載するようにしてもよい。
【００４７】
（４）上記実施形態では、第１モータ駆動電流検出部１０をＵ相駆動信号線、Ｖ相駆動信号線及びＷ相駆動信号線に設け、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の３相からなる第１モータ駆動電流を検出したが、本発明はこれに限定されない。
【００４８】
例えば、電動車両Ａに、第１モータ駆動電流検出部１０をＵ相駆動信号線、Ｖ相駆動信号線及びＷ相駆動信号線のいずれか２つを配設する。そして、モータ制御部１２は、２つの第１モータ駆動電流検出部１０から入力される２相の第１モータ駆動電流から残り１相のモータ駆動電流を算出するようにしてもよい。
【００４９】
（５）上記実施形態では、永久磁石同期モータは、埋め込み型永久磁石モータ（ＩＰＭモータ）であるが、本願発明はこれに限定されない。
例えば、埋め込み型永久磁石モータの代わりに、表面永久磁石モータ（ＳＰＭモータ： Surface Permanent Magnetモータ）であってもよい。
【符号の説明】
【００５０】
Ａ…電動車両、１…永久磁石同期モータ、２…誘導モータ、３…回転軸、４…ディファレンシャルギア、５…車軸（出力軸）、６…車輪、７…バッテリ、８…第１インバータ、９…第２インバータ、９…第２インバータ、１０…第１モータ駆動電流検出部、１１…アクセル操作部、１２…モータ制御部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
副モータであり、ロータに永久磁石が搭載されていない１つまたは複数の永久磁石非搭載モータと、
主モータであり、最大トルクが前記副モータの最大トルクより低トルクである永久磁石同期モータと、
前記主モータ及び前記副モータの回転駆動により動力を出力する出力軸と、
主モータである前記永久磁石同期モータの最大トルクを超えないトルク要求があった場合に、前記永久磁石同期モータのみを回転駆動し、前記永久磁石同期モータの最大トルクを超えるトルク要求があった場合に、副モータである前記永久磁石非搭載モータを回転駆動することによってトルクの不足分を補うモータ駆動制御部とを、
具備することを特徴とする動力出力装置。
【請求項２】
前記永久磁石非搭載モータは、誘導モータであることを特徴とする請求項１に記載の動力出力装置。
【請求項３】
前記永久磁石非搭載モータは、リアクタンスモータであることを特徴とする請求項１に記載の動力出力装置。
【請求項４】
前記永久磁石同期モータと、前記前記永久磁石非搭載モータとは、同軸に配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の動力出力装置。
【請求項５】
前記永久磁石同期モータと、前記前記永久磁石非搭載モータとは、遊星ギアを介して別軸に配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の動力出力装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の動力出力装置を具備し、
前記動力出力装置の出力軸から出力される動力によって車輪を回転することを特徴とする電動車両。
【請求項１】
副モータであり、ロータに永久磁石が搭載されていない１つまたは複数の永久磁石非搭載モータと、
主モータであり、最大トルクが前記副モータの最大トルクより低トルクである永久磁石同期モータと、
前記主モータ及び前記副モータの回転駆動により動力を出力する出力軸と、
主モータである前記永久磁石同期モータの最大トルクを超えないトルク要求があった場合に、前記永久磁石同期モータのみを回転駆動し、前記永久磁石同期モータの最大トルクを超えるトルク要求があった場合に、副モータである前記永久磁石非搭載モータを回転駆動することによってトルクの不足分を補うモータ駆動制御部とを、
具備することを特徴とする動力出力装置。
【請求項２】
前記永久磁石非搭載モータは、誘導モータであることを特徴とする請求項１に記載の動力出力装置。
【請求項３】
前記永久磁石非搭載モータは、リアクタンスモータであることを特徴とする請求項１に記載の動力出力装置。
【請求項４】
前記永久磁石同期モータと、前記前記永久磁石非搭載モータとは、同軸に配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の動力出力装置。
【請求項５】
前記永久磁石同期モータと、前記前記永久磁石非搭載モータとは、遊星ギアを介して別軸に配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の動力出力装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の動力出力装置を具備し、
前記動力出力装置の出力軸から出力される動力によって車輪を回転することを特徴とする電動車両。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１０−２５９２５３（Ｐ２０１０−２５９２５３Ａ）
【公開日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１０７８７４（Ｐ２００９−１０７８７４）
【出願日】平成２１年４月２７日（２００９．４．２７）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月２７日（２００９．４．２７）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
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