電動機駆動装置およびそれを搭載する車両
【課題】電機子巻線鎖交磁束量を調整可能な電動機を駆動するための電動機駆動装置において、電動機の力行時および回生時の両方で電動機の高出力化を可能とする。
【解決手段】電動機駆動装置は、界磁巻線Ｌ１を有するロータとステータとを備えるモータジェネレータ１３０を駆動する。電動機駆動装置は、電源装置１１０と、コンバータ１１５と、インバータ１２０と、ＥＣＵ３００とを備える。コンバータ１１５は、リアクトルを有し、界磁巻線Ｌ１をリアクトルの少なくとも一部として共用して、電源装置１１０からの電圧を電圧変換するとともに、電圧変換動作時に界磁電流を流すように構成される。インバータ１２０は、コンバータ１１５から供給される電力を変換してモータジェネレータ１３０を駆動する。ＥＣＵ３００は、モータジェネレータ１３０の力行時および回生時の両方の場合において、界磁巻線Ｌ１に流れる電流が同じ方向となるようにコンバータ１１５を制御する。
【解決手段】電動機駆動装置は、界磁巻線Ｌ１を有するロータとステータとを備えるモータジェネレータ１３０を駆動する。電動機駆動装置は、電源装置１１０と、コンバータ１１５と、インバータ１２０と、ＥＣＵ３００とを備える。コンバータ１１５は、リアクトルを有し、界磁巻線Ｌ１をリアクトルの少なくとも一部として共用して、電源装置１１０からの電圧を電圧変換するとともに、電圧変換動作時に界磁電流を流すように構成される。インバータ１２０は、コンバータ１１５から供給される電力を変換してモータジェネレータ１３０を駆動する。ＥＣＵ３００は、モータジェネレータ１３０の力行時および回生時の両方の場合において、界磁巻線Ｌ１に流れる電流が同じ方向となるようにコンバータ１１５を制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機駆動装置およびそれを搭載する車両に関し、より特定的には、電機子巻線鎖交磁束量を調整可能な電動機を駆動するための電動機駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境に配慮した車両として、蓄電装置（たとえば二次電池やキャパシタなど）を搭載し、蓄電装置に蓄えられた電力から生じる駆動力を用いて走行する車両が注目されている。このような車両には、たとえば電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池車などが含まれる。そして、これらの車両に搭載される蓄電装置を発電効率の高い商用電源により充電する技術が提案されている。
【０００３】
これらの車両においては、発進時や加速時に蓄電装置から電力を受けて走行のための駆動力を発生するとともに、制動時に回生制動によって発電を行なって蓄電装置に電気エネルギを蓄えるための回転電機（モータジェネレータ）を備える場合がある。このように、走行状態に応じてモータジェネレータを制御するために、車両にはインバータが搭載される。このような車両においては、インバータが必要とする電力は車両状態によって変動する。そして、インバータが必要とする電力を安定的に供給するために、蓄電装置とインバータとの間にコンバータが備えられる場合がある。このコンバータにより、インバータの入力電圧を蓄電装置の出力電圧より高くして、モータの高出力化ができるとともに、同一出力時のモータ電流を低減することで、インバータおよびモータの小型化，低コスト化を図ることができる。
【０００４】
また、このような車両の用いられる回転電機としては、回転子（以下、ロータとも称する。）に永久磁石を備え、その永久磁石による磁極と、固定子（以下、ステータとも称する。）において発生する回転磁界との磁気作用によって回転する永久磁石型モータや、ロータに界磁コイルを備え、界磁コイルに界磁電流を流すことによってロータに発生する磁界の回転軸と垂直方向の成分と、ステータにおいて発生する回転磁界との磁気作用によって回転する界磁巻線型モータなどが検討されている。
【０００５】
特開２００８−２２８５３４号公報（特許文献１）は、電動機駆動装置において、昇圧コンバータのリアクトルを電動機の界磁巻線と共用するとともに、このリアクトルに並列に接続されたスイッチング素子をスイッチング制御することによって、電動機の電機子巻線鎖交磁束量を調整することが可能な構成が界磁される。
【０００６】
特開２００８−２２８５３４号公報（特許文献１）に開示された電動機駆動装置によれば、電動機の状態に応じて電機子巻線鎖交磁束量を変化させることができるので、駆動装置の小型化と電動機の高出力化が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−２２８５３４号公報
【特許文献２】特開２００６−１１４６６２号公報
【特許文献３】特開２００９−２２０６８４号公報
【特許文献４】特開２００９−０６５７５８号公報
【特許文献５】特開２００２−０８４７５４号公報
【特許文献６】特開２０００−３５４３３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特開２００８−２２８５３４号公報（特許文献１）に界磁された構成においては、電動機が力行状態の場合の電動機の高出力化については可能であったが、電動機が回生状態の場合の電動機の高出力化については考慮されておらず、回生時には逆に電動機出力を低下させてしまうおそれがあった。
【０００９】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、電機子巻線鎖交磁束量を調整可能な電動機を駆動するための電動機駆動装置において、電動機の力行時および回生時の両方で電動機の高出力化を可能とすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明による電動機駆動装置は、界磁巻線を含み、界磁巻線に界磁電流を流すことによって形成される界磁極を有するロータとステータとを備える電動機を駆動するための電動機駆動装置であって、電源装置と、コンバータと、インバータと、制御装置とを備える。コンバータは、リアクトルを有し、界磁巻線をリアクトルの少なくとも一部として共用して、電源装置からの電圧を受けて、第１の電力線と第２の電力線との間で電圧変換するとともに、電圧変換動作時に界磁巻線に界磁電流を流すように構成される。インバータは、コンバータからの直流電力を受けて、電動機を駆動するための交流電力に変換する。そして、制御装置は、電動機の力行時および回生時の両方の場合において、界磁巻線に流れる電流が同じ方向となるようにコンバータを制御する。
【００１１】
好ましくは、コンバータは、力行時に電流が流れる第１の電流経路と、回生時に電流が流れる第２の電流経路とを切替えるための切替部を含む。そして、制御装置は、第１の電流経路および第２の電流経路のいずれにおいても、界磁巻線に流れる電流が同じ方向となるように切替部を制御する。
【００１２】
好ましくは、切替部は、昇圧用スイッチング素子と、界磁用スイッチング素子とを含む。昇圧用スイッチング素子は、界磁巻線の一方端である第１の端と電源装置の負極との間に、界磁巻線から電源装置の負極へ向かう方向を順方向として接続され、電源装置からの電圧を昇圧するためのスイッチング素子である。界磁用スイッチング素子は、界磁巻線に流れる電流を制御するためのスイッチング素子である。界磁巻線の他方端である第２の端は、第１の電力線と電気的に接続される。そして、制御装置は、昇圧用スイッチング素子および界磁用スイッチング素子をスイッチング制御することによって、界磁電流を制御してロータおよびステータ間の磁束密度を調整するとともに、コンバータから第２の電力線に出力される昇圧電流を制御して電源装置からの電圧を昇圧電圧の目標値に従った電圧に変換する。
【００１３】
好ましくは、制御装置は、目標設定部と、デューティ設定部と、制御信号設定部とを含む。目標設定部は、電動機の回転数および要求トルクに応じて、界磁電流の目標値および昇圧電圧の目標値を設定する。デューティ設定部は、界磁電流の目標値および昇圧電圧の目標値に基づいて、昇圧用スイッチング素子および界磁用スイッチング素子のデューティ比を設定する。制御信号設定部は、演算されたデューティ比に従って、昇圧用スイッチング素子および界磁用スイッチング素子をスイッチングするための制御信号を設定する。
【００１４】
好ましくは、界磁用スイッチング素子は、第１〜第３のスイッチング素子を含む。第１のスイッチング素子は、第２の電力線と界磁巻線の第２の端との間に、第２の電力線から第２の端に向かう方向を順方向として接続される。第２のスイッチング素子は、第１の端と第１の電力線との間に、第１の端から第１の電力線に向かう方向を順方向として接続される。第３のスイッチング素子は、第１の電力線と第２の端との間に、第１の電力線から第２の端に向かう方向を順方向として接続される。また、コンバータは、第１の端と第２の電力線との間に、第１の端から第２の電力線に向かう方向を順方向として接続された第１の整流素子と、第２の端と電源装置の負極との間に、電源装置の負極から第２の端に向かう方向を順方向として接続された第２の整流素子とを含む。
【００１５】
好ましくは、コンバータは、力行時は昇圧用スイッチング素子のデューティ比に応じた制御信号に基づいて電源装置からの電圧を昇圧し、回生時は第１のスイッチング素子のデューティ比に応じた制御信号に基づいてインバータからの電圧を降圧する。
【００１６】
好ましくは、コンバータは、界磁巻線に流れる電流を増加する第１の状態と、界磁巻線に流れる電流を減少する第２の状態と、界磁巻線に流れる電流を維持する第３の状態とを有する。デューティ設定部は、第３の状態において、昇圧用スイッチング素子および第１のスイッチング素子をオフに固定するとともに、第２のスイッチング素子および第３のスイッチング素子をオンに固定するように、デューティ比を設定する。
【００１７】
好ましくは、コンバータは、界磁巻線に流れる電流を増加する第１の状態と、界磁巻線に流れる電流を減少する第２の状態と、界磁巻線に流れる電流を維持する第３の状態とを有する。デューティ設定部は、第３の状態において、昇圧用スイッチング素子、第２のスイッチング素子および第３のスイッチング素子をオフに固定するとともに、第１のスイッチング素子をオンに固定するように、デューティ比を設定する。
【００１８】
好ましくは、界磁巻線は、直列に接続された第１の界磁巻線と第２の界磁巻線を含む。界磁用スイッチング素子は、第１の界磁巻線および第２の界磁巻線の接続ノードと、第２の電力線との間に、第２の電力線から接続ノードに向かう方向を順方向として接続された第１のスイッチング素子と、第１の端と第１の電力線との間に、第１の端から第１の電力線に向かう方向を順方向として接続された第２のスイッチング素子とを含む。コンバータは、第１の端と第２の電力線との間に、第１の端から第２の電力線へ向かう方向を順方向として接続された第１の整流素子と、接続ノードと電源装置の負極との間に、接続ノードから電源装置の負極へ向かう方向を順方向として接続された第２の整流素子と、第１の電力線と第２の端との間に、第２の端から第１の電力線に向かう方向を順方向として接続された第３の整流素子とを含む。
【００１９】
好ましくは、第１の界磁巻線のリアクタンスは、第２の界磁巻線のリアクタンスと等しい。
【００２０】
好ましくは、インバータは、昇圧用スイッチング素子のデューティ比に応じた制御信号に基づいて電源装置からの電圧を昇圧する一方で、第１のスイッチング素子のデューティ比に応じた制御信号に基づいてインバータからの電圧を降圧する。
【００２１】
好ましくは、コンバータは、界磁巻線に流れる電流を増加する第１の状態と、界磁巻線に流れる電流を減少する第２の状態と、界磁巻線に流れる電流を維持する第３の状態とを有する。デューティ設定部は、第３の状態において、昇圧用スイッチング素子および第２のスイッチング素子をオフに固定するとともに、第１のスイッチング素子をオンに固定するように、デューティ比を設定する。
【００２２】
本発明による車両は、電動機と、電動機を駆動するための電動機駆動装置と、駆動輪とを備える。電動機は、界磁巻線を含み、界磁巻線に界磁電流を流すことによって形成される界磁極を有するロータとステータとを備える。駆動輪は、電動機からの回転力によって車両を走行する。また、電動機駆動装置は、電源装置と、コンバータと、インバータと、制御装置とを含む。コンバータは、リアクトルを有し、界磁巻線をリアクトルの少なくとも一部として共用して、電源装置からの電圧を受けて、第１の電力線と第２の電力線との間で電圧変換するとともに、電圧変換動作時に界磁巻線に界磁電流を流すように構成される。インバータは、コンバータからの直流電力を受けて、電動機を駆動するための交流電力に変換する。制御装置は、電動機の力行時および回生時の両方の場合において、界磁巻線に流れる電流が同じ方向となるようにコンバータを制御する。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、電機子巻線鎖交磁束量を調整可能な電動機を駆動するための電動機駆動装置において、電動機の力行時および回生時の両方で電動機の高出力化を可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本実施の形態に従う電動機駆動装置を搭載した車両の全体ブロック図である。
【図２】図１で示したモータジェネレータの側断面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図である。
【図４】図２に示す界磁コイルの電流が供給された状態におけるモータジェネレータの側断面図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線における断面図である。
【図６】モータジェネレータのトルクと回転数との関係の一例を示す図である。
【図７】比較例の電動機駆動装置を搭載した車両の全体ブロック図である。
【図８】界磁電流の変化とトルクの増減との関係を説明するための図である。
【図９】比較例におけるモータジェネレータのトルクと回転数との関係の一例を示す図である。
【図１０】本実施の形態において、力行時にＥＣＵによって制御されるスイッチング素子の動作、および回路を流れる電流を説明するための第１の図である。
【図１１】本実施の形態において、力行時にＥＣＵによって制御されるスイッチング素子の動作、および回路を流れる電流を説明するための第２の図である。
【図１２】本実施の形態において、力行時にＥＣＵによって制御されるスイッチング素子の動作、および回路を流れる電流を説明するための第３の図である。
【図１３】本実施の形態において、力行時にＥＣＵによって制御されるスイッチング素子の動作、および回路を流れる電流を説明するための第４の図である。
【図１４】力行時のスイッチング制御の制御周期における界磁電流を説明するためのタイムチャートである。
【図１５】力行時において、各状態でのスイッチング素子の状態を示す図である。
【図１６】本実施の形態において、回生時にＥＣＵによって制御されるスイッチング素子の動作、および回路を流れる電流を説明するための第１の図である。
【図１７】本実施の形態において、回生時にＥＣＵによって制御されるスイッチング素子の動作、および回路を流れる電流を説明するための第２の図である。
【図１８】本実施の形態において、回生時にＥＣＵによって制御されるスイッチング素子の動作、および回路を流れる電流を説明するための第３の図である。
【図１９】本実施の形態において、回生時にＥＣＵによって制御されるスイッチング素子の動作、および回路を流れる電流を説明するための第４の図である。
【図２０】回生時のスイッチング制御の制御周期における界磁電流を説明するためのタイムチャートである。
【図２１】回生時において、各状態でのスイッチング素子の状態を示す図である。
【図２２】本実施の形態における、モータジェネレータのトルクと回転数との関係の一例を示す図である。
【図２３】本実施の形態において、ＥＣＵで実行されるスイッチング制御を説明するための機能ブロック図である。
【図２４】本実施の形態において、ＥＣＵで実行されるスイッチング制御処理の詳細を説明するためのフローチャートである。
【図２５】本実施の形態の変形例に従う電動機駆動装置を搭載した車両の全体ブロック図である。
【図２６】変形例において、力行時にＥＣＵによって制御されるスイッチング素子の動作、および回路を流れる電流を説明するための第１の図である。
【図２７】変形例において、力行時にＥＣＵによって制御されるスイッチング素子の動作、および回路を流れる電流を説明するための第２の図である。
【図２８】変形例において、力行時にＥＣＵによって制御されるスイッチング素子の動作、および回路を流れる電流を説明するための第３の図である。
【図２９】変形例の力行時において、各状態でのスイッチング素子の状態を示す図である。
【図３０】変形例において、回生時にＥＣＵによって制御されるスイッチング素子の動作、および回路を流れる電流を説明するための第１の図である。
【図３１】変形例において、回生時にＥＣＵによって制御されるスイッチング素子の動作、および回路を流れる電流を説明するための第２の図である。
【図３２】変形例において、回生時にＥＣＵによって制御されるスイッチング素子の動作、および回路を流れる電流を説明するための第３の図である。
【図３３】変形例の回生時において、各状態でのスイッチング素子の状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下において、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００２６】
［電動機駆動装置の構成］
図１は、本実施の形態に従う電動機駆動装置を搭載した車両１００の全体ブロック図である。本実施の形態においては、車両１００としてエンジンおよびモータジェネレータを搭載したハイブリッド車両を例として説明するが、車両１００の構成はこれに限定されるものではなく、蓄電装置からの電力により電動機を駆動して走行可能な車両であれば適用可能である。車両１００としては、ハイブリッド車両以外にたとえば電気自動車や燃料電池自動車などが含まれる。また、電動機を駆動する機器であれば、車両以外のものにも適用可能である。
【００２７】
図１を参照して、車両１００は、電源装置１１０と、コンバータ１１５と、インバータ１２０と、モータジェネレータ１３０と、電圧センサ１４０，１５０，１６０と、動力伝達ギア１７０と、駆動輪１８０と、エンジン１９０と、コンデンサＣ１，Ｃ２と、制御装置であるＥＣＵ（Electronic Control Unit）３００とを備える。
【００２８】
電源装置１１０は、充放電可能に構成された電力貯蔵要素である。電源装置１１０は、たとえば、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池あるいは鉛蓄電池などの二次電池や、電気二重層キャパシタなどの蓄電素子を含んで構成される。
【００２９】
電源装置１１０は、電力線ＰＬ１および接地線ＮＬ１を介してコンバータ１１５に接続される。また、電源装置１１０は、モータジェネレータ１３０で発電された電力を蓄電する。電源装置１１０の出力はたとえば２００Ｖ程度である。
【００３０】
電圧センサ１４０は、電源装置１１０の電圧ＶＢを検出し、その検出値をＥＣＵ３００へ出力する。
【００３１】
コンデンサＣ１は、電力線ＰＬ１と接地線ＮＬ１との間に接続される。コンデンサＣ１は、電力線ＰＬ１と接地線ＮＬ１との間の電圧変動を低減する。電圧センサ１５０は、コンデンサＣ１にかかる電圧ＶＬを検出し、その検出値をＥＣＵ３００へ出力する。
【００３２】
コンバータ１１５は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４と、ダイオードＤ１〜Ｄ５と、リアクトルＬ１とを含む。
【００３３】
なお、スイッチング素子としては、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、電力用ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタ、あるいは、電力用バイポーラトランジスタ等を用いることができる。本実施の形態においては、スイッチング素子はＩＧＢＴの場合を例として説明する。
【００３４】
スイッチング素子Ｑ１とダイオードＤ１は、電力線ＨＰＬと接地線ＮＬ１との間に直列に接続される。ダイオードＤ１のカソードが電力線ＨＰＬに接続され、ダイオードＤ１のアノードはスイッチング素子Ｑ１のエミッタに接続される。スイッチング素子Ｑ１のコレクタは、接地線ＮＬ１に接続される。
【００３５】
リアクトルＬ１、ダイオードＤ４およびスイッチング素子Ｑ４は、ダイオードＤ１とスイッチング素子Ｑ１の接続ノードと電力線ＰＬ１との間に直列に接続される。リアクトルＬ１の一方端Ｐ２がダイオードＤ１とスイッチング素子Ｑ１の接続ノードに接続され、他方端Ｐ１がダイオードＤ４のカソードに接続される。スイッチング素子Ｑ４のコレクタはダイオードＤ４のアノードに接続され、スイッチング素子Ｑ４のエミッタは電力線ＰＬ１に接続される。
【００３６】
スイッチング素子Ｑ２とダイオードＤ２は、電力線ＨＰＬと、ダイオードＤ４のカソード（すなわち、ダイオードＤ４およびリアクトルＬ１の接続ノード）との間に、直列に接続される。スイッチング素子Ｑ２のエミッタは電力線ＨＰＬに接続され、スイッチング素子Ｑ２のコレクタはダイオードＤ２のアノードに接続される。ダイオードＤ２のカソードは、ダイオードＤ４のカソードに接続される。
【００３７】
ダイオードＤ５は、接地線ＮＬ１とダイオードＤ４のカソードとの間に、接地線ＮＬ１からダイオードＤ４に向かう方向を順方向として接続される。
【００３８】
ダイオードＤ３およびスイッチング素子Ｑ３は、直列に接続された状態で、直列に接続されたリアクトルＬ１、ダイオードＤ４およびスイッチング素子Ｑ４と並列に接続される。スイッチング素子Ｑ３のエミッタはダイオードＤ１とスイッチング素子Ｑ１の接続ノードに接続され、スイッチング素子Ｑ３のコレクタはダイオードＤ３のアノードに接続される。ダイオードＤ３のカソードは電力線ＰＬ１に接続される。
【００３９】
なお、図示しないが、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４については、それぞれダイオードが逆並列に接続される構成としてもよい。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４が、本発明における「切替部」を構成する。
【００４０】
スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は、ＥＣＵ３００からの制御信号ＳＥ１〜ＳＥ４によってオンまたはオフにそれぞれ制御される。
【００４１】
スイッチング素子Ｑ１、ダイオードＤ１およびリアクトルＬ１は、上述のような接続とすることで、昇圧チョッパ回路として動作する。そして、スイッチング素子Ｑ１のオン時間比率であるデューティ比に応じて、電力線ＰＬ１の電圧が昇圧されて電力線ＨＰＬへ出力される。逆に、スイッチング素子Ｑ２、リアクトルＬ１およびダイオードＤ５は、降圧チョッパ回路として動作する。そして、スイッチング素子Ｑ２のデューティ比に応じて、電力線ＨＰＬの電圧が降圧されて電力線ＰＬ１へ出力される。
【００４２】
すなわち、コンバータ１１５は、電源装置１１０からの出力電力を昇圧して、モータジェネレータ１３０を駆動するための電力をインバータ１２０へ供給する。また、コンバータ１１５は、モータジェネレータ１３０の回転力によって発電された電力を降圧して電源装置１１０へ充電電力を供給する。
【００４３】
また、本実施の形態においては、リアクトルＬ１は、図１に示されるように、モータジェネレータ１３０の界磁巻線としても使用される。このように、コンバータ１１５のリアクトルＬ１とモータジェネレータ１３０の界磁巻線とを共用する構成とし、リアクトルＬ１に流れる電流（すなわち界磁電流）を調整することによって、後述するように、モータジェネレータ１３０の出力トルクを増減することが可能となる。
【００４４】
また、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４を制御することによって、リアクトルＬ１に流れる電流の方向および大きさを調整することができる。
【００４５】
コンデンサＣ２は、電力線ＨＰＬと接地線ＮＬ１との間に接続される。コンデンサＣ２は、電力線ＨＰＬと接地線ＮＬ１との間の電圧変動を低減する。電圧センサ１６０は、コンデンサＣ２にかかる電圧ＶＨ、すなわちインバータ１２０に供給される電圧（以下、「システム電圧」とも称する。）を検出し、その検出値をＥＣＵ３００へ出力する。
【００４６】
インバータ１２０は、電力線ＨＰＬおよび接地線ＮＬ１を介してコンバータ１１５と接続される。インバータ１２０は、電力線ＨＰＬおよび接地線ＮＬ１の間に並列に設けられる、Ｕ相アーム１２１と、Ｖ相アーム１２２と、Ｗ相アーム１２３とを含む。各相アームは、電力線ＨＰＬおよび接地線ＮＬ１の間に直列接続されたスイッチング素子を含んで構成される。たとえば、Ｕ相アーム１２１はスイッチング素子Ｑ１５，Ｑ１６を含み、Ｖ相アーム１２２はスイッチング素子Ｑ１７，Ｑ１８を含み、Ｗ相アーム１２３はスイッチング素子Ｑ１９，Ｑ２０を含んで構成される。また、スイッチング素子Ｑ１５〜Ｑ２０には、逆並列ダイオードＤ１５〜Ｄ２０がそれぞれ接続されている。スイッチング素子Ｑ１５〜Ｑ２０のオン・オフは、ＥＣＵ３００からのスイッチング制御信号ＰＷＩによって制御される。
【００４７】
インバータ１２０の各相アームにおけるスイッチング素子の接続ノード点は、モータジェネレータ１３０の各相コイルの各相端に接続されている。すなわち、モータジェネレータ１３０は、３相同期モータであり、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルの一端が中性点に共通に接続される。Ｕ相コイルの他端がスイッチング素子Ｑ１５，Ｑ１６の接続ノードに、Ｖ相コイルの他端がスイッチング素子Ｑ１７，Ｑ１８の接続ノードに、Ｗ相コイルの他端がスイッチング素子Ｑ１９，Ｑ２０の接続ノードにそれぞれ接続されている。インバータ１２０は、ＥＣＵ３００からのスイッチング制御信号ＰＷＩに応答したスイッチング素子Ｑ１５〜Ｑ２０のスイッチング制御により、インバータ１２０とモータジェネレータ１３０との間で双方向の電力変換を行なう。
【００４８】
具体的には、インバータ１２０は、ＥＣＵ３００によるスイッチング制御に従って、電力線ＨＰＬから受ける直流電圧を３相交流電圧に変換し、その変換した３相交流電圧をモータジェネレータ１３０へ出力する。これにより、モータジェネレータ１３０は、指定されたトルクを発生するように駆動される。
【００４９】
また、インバータ１２０は、車両１００の回生制動時、モータジェネレータ１３０が発電した３相交流電圧をＥＣＵ３００によるスイッチング制御に従って直流電圧に変換し、その変換した直流電圧を電力線ＨＰＬへ出力する。
【００５０】
なお、ここで言う回生制動とは、車両１００を運転するドライバーによるフットブレーキ操作があった場合の回生発電を伴なう制動や、フットブレーキを操作しないものの、走行中にアクセルペダルをオフすることで回生発電をさせながら車速を減速（または加速を中止）させることを含む。
【００５１】
モータジェネレータ１３０は上述のように３相交流回転電機であり、たとえば、永久磁石が埋設されたロータを備える永久磁石型同期電動機である。
【００５２】
モータジェネレータ１３０の出力トルクは、減速機や動力分割機構によって構成される動力伝達ギア１７０を介して駆動輪１８０に伝達されて、車両１００を走行させる。モータジェネレータ１３０は、車両１００の回生制動動作時には、駆動輪１８０の回転力によって発電することができる。そして、その発電電力は、インバータ１２０によって電源装置１１０の充電電力に変換される。
【００５３】
また、モータジェネレータ１３０は、動力伝達ギア１７０を介してエンジン１９０とも結合される。そして、モータジェネレータ１３０およびエンジン１９０を協調的に動作させることによって、必要な車両駆動力が発生される。この場合、エンジン１９０の回転による発電電力を用いて、電源装置１１０を充電することも可能である。
【００５４】
さらに、モータジェネレータ１３０は界磁巻線を備える。この界磁巻線は、上述のように、コンバータ１１５のリアクトルＬ１と共用されている。そして、モータジェネレータ１３０は、コンバータ１１５により界磁巻線を流れる界磁電流が制御されることによって、大きなトルクを発生することができる。モータジェネレータ１３０の詳細な構造は、図２〜図５を用いて後述する。
【００５５】
なお、図１においては、インバータおよびモータジェネレータのペアを１つだけ備える構成について示しているが、インバータ，モータジェネレータの数はこれに限定されず、複数のインバータ，モータジェネレータを含む構成としてもよい。
【００５６】
ＥＣＵ３００は、コンバータ１１５やインバータ１２０などを制御するための制御信号を生成して出力する。また、ＥＣＵ３００は、電圧センサ１４０からの電源装置１１０の電圧ＶＢ、および図示しない電流センサによって検出される電源装置１１０の電流に基づいて、電源装置１１０の充電状態（以下、ＳＯＣ「State of Charge」とも称する。）を演算する。
【００５７】
なお、図１においては、ＥＣＵ３００を１つの制御装置とする構成としているが、たとえば、機能ごとまたは制御対象機器ごとに個別の制御装置を設ける構成としてもよい。
【００５８】
［電動機の構成］
次に、図２〜図５を用いて、電動機であるモータジェネレータ１３０の構成について説明する。
【００５９】
図２は、図１で示したモータジェネレータ１３０の側断面図であり、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図である。
【００６０】
図２および図３を参照して、モータジェネレータ１３０は、回転シャフト４１と、回転シャフト４１に固設されたロータ（回転子）４０と、ステータ（固定子）３０の外周に設けられた界磁ヨーク２１と、界磁コイル５０Ａ，５０Ｂとを備える。
【００６１】
ロータ４０とステータ３０との間には、エアギャップＧＰが設けられており、僅かに径方向に離間するように配置されている。
【００６２】
ロータ４０は、回転シャフト４１に固設されたロータコア４３と、ロータコア４３の外表面に設けられた磁石４４とを含む。
【００６３】
ロータコア４３は、円筒状に形成された積層ロータコア４３ａと、積層ロータコア４３ａの内周に設けられた圧粉ロータコア４３ｂとからなる。圧粉ロータコア４３ｂは、一体の磁性材料から構成されており、具体的には粉末成形磁性体（ＳＭＣ：Soft Magnetic Composites）から構成されている。
【００６４】
積層ロータコア４３ａは、複数の電磁鋼板を軸方向に積層して構成されており、この電磁鋼板間に生じる隙間によって、軸方向の磁気抵抗が径方向および周方向の磁気抵抗よりも大きくなっている。そのため、積層ロータコア４３ａの内部においては、磁石からの磁力線は、軸方向に流れ難く、径方向および周方向に流れ易くなっている。
【００６５】
これに対して、圧粉ロータコア４３ｂは、粉末成形磁性体から構成されているため、軸方向の磁気抵抗は、積層ロータコア４３ａの軸方向の磁気抵抗よりも小さくなる。そのため、圧粉ロータコア４３ｂの内部では、磁力線は軸方向に流れ易くなっている。
【００６６】
そして図３に示すように、積層ロータコア４３ａの外表面には、等間隔に隔てて設けられ、かつ、径方向外方に向けて突出する複数のロータティース（第１突極部）４５が形成されている。
【００６７】
隣り合うロータティース４５の間には、磁石４４が設けられる。ロータティース４５の外表面と磁石４４の外表面とは、いずれも、回転シャフト４１の中心軸線を中心とする仮
想の同一円周上に位置している。すなわち、磁石４４は、ロータ４０の周方向にロータティース４５と隣り合うように設けられ、かつ、各外周面が面一となるように設けられている。
【００６８】
磁石４４のＮ極（第１磁極）とＳ極（第２磁極）とは、ロータ４０の径方向に並ぶように配置されている。なお、本実施の形態においては、磁石４４のＮ極がロータコア４３の径方向外方に向けて配置され、磁石４４のＳ極がロータコア４３の径方向内方に向けて配置される例が示されるが、磁石の極が逆となるように配置されてもよい。
【００６９】
ステータ３０は、中空円筒状に形成されたステータコア２２と、ステータコア２２の内表面に形成され、ステータコア２２の径方向内方に向けて突出する複数のステータティース（第２突極部）２３と、ステータティース２３に巻き付けられたコイル２４とを含む。
【００７０】
ステータティース２３は、周方向に等間隔を隔てて形成されている。コイル２４の一部はＵ相コイルを構成し、残りの一部のコイル２４はＶ相コイルを構成し、残りのコイル２４はＷ相コイルを構成する。そして、Ｕ相コイル、Ｖ相コイルおよびＷ相コイルは、一方端が端子とされて図示しないインバータの三相ケーブル（Ｕ相ケーブル、Ｖ相ケーブルおよびＷ相ケーブル）にそれぞれ接続される。さらに、Ｕ相コイル、Ｖ相コイルおよびＷ相コイルは、他方端が１点に共通接続されて中性点とされる。
【００７１】
ＥＣＵ３００（図１）は、電動機駆動装置の外部に設けられたＥＣＵからトルク指令値を受けると、その受けたトルク指令値によって指定されたトルクを出力するように、モータジェネレータ１３０の各相に流す電流（モータ駆動電流）を制御する。制御されたモータ駆動電流は、三相ケーブルを介してコイル２４へ供給される。
【００７２】
ステータコア２２は、磁性鋼板を複数積層して形成されるため、磁性鋼板間にはエアギャップが生じている。そのため、ステータコア２２の径方向および周方向の磁気抵抗は、軸方向の磁気抵抗よりも小さくなっている。これにより、ステータコア２２内に入り込んだ磁力線は、ステータコア２２の周方向および径方向に流れ易く、軸方向に流れ難くなっている。
【００７３】
図２に示すように、界磁ヨーク２１は、ステータ３０およびロータ４０の両端部から軸方向に離間した位置に配置された天板部２１ａ，２１ｆと、この天板部２１ａ，２１ｆの周縁部に形成された円筒状の側壁部２１ｂと、天板部２１ａ，２１ｆにそれぞれ形成された円筒状の突部２１ｃ，２１ｅとを備えている。
【００７４】
天板部２１ａ，２１ｆの中央部には、貫通孔２１ｄ，２１ｇがそれぞれ形成されており、貫通孔２１ｄ，２１ｇ内には軸受４６ａ，４６ｂを介して、回転シャフト４１が挿入されている。側壁部２１ｂは、ステータコア２２の外表面に固設されている。
【００７５】
界磁ヨーク２１は、一体の磁性材料から構成されており、具体的には、３次元完全等方材料である粉末成形磁性体（ＳＭＣ）から構成されている。このため、界磁ヨーク２１の軸方向の磁気抵抗は、ステータコア２２の軸方向の磁気抵抗より小さくされている。
【００７６】
突部２１ｃ，２１ｅは、それぞれ天板部２１ａ，２１ｆの内表面に形成され、圧粉ロータコア４３ｂの軸方向端部に向けて突出している。そして、突部２１ｃ，２１ｅの端部と圧粉ロータコア４３ｂの端部との間で、磁力線が途切れない程度に、突部２１ｃ，２１ｅの端部と圧粉ロータコア４３ｂの端部とが近接している。
【００７７】
このため、磁石４４の表面からエアギャップＧＰおよびステータコア２２を介して界磁ヨーク２１に達し、界磁ヨーク２１内を軸方向に流れ、突部２１ｃ，２１ｅから圧粉ロータコア４３ｂ内に入り込み、磁石４４のＳ極に戻るという磁気回路（第１磁気回路）を形成することができる。
【００７８】
この磁気回路において、ステータコア２２の径方向の磁気抵抗は小さく抑えられており、界磁ヨーク２１内の磁気抵抗も小さく抑えられており、さらに、圧粉ロータコア４３ｂの磁気抵抗も小さく抑えられているため、磁気エネルギのロスを小さく抑えることができる。
【００７９】
なお、図２に示す例においては、円筒状の突部２１ｃ，２１ｅが界磁ヨーク２１に形成されているが、圧粉ロータコア４３ｂの端部に設けてもよい。
【００８０】
界磁コイル（巻線）５０Ａ，５０Ｂは、突部２１ｃ，２１ｅの外周面にそれぞれ巻き付けられている。この界磁コイル５０Ａ，５０Ｂに電流を流すことにより、突部２１ｃ，２１ｅの端部側にたとえば、Ｎ極の磁性を持たせるとともに、側壁部２１ｂにＳ極の磁性を持たせることができる。あるいは、突部２１ｃ，２１ｅの端部側にＳ極の磁性を持たせるとともに、側壁部２１ｂにＮ極の磁性を持たせることができる。なお、本実施の形態においては、界磁コイル５０Ａ，５０Ｂは、界磁ヨーク２１の突部２１ｃ，２１ｅに設けられているが、この位置に限られず界磁ヨーク２１に設けられておればよい。ここで、界磁コイル５０（以下、界磁コイル５０Ａ，５０Ｂを総称して「界磁コイル５０」とも称する。）が界磁ヨーク２１に設けられているとは、界磁コイル５０が界磁ヨーク２１の表面に当接している場合に限られず、界磁ヨーク２１内の磁力線の流れを制御可能な程度であれば、界磁ヨーク２１の表面から離間している場合も含む。なお、本実施の形態においては、界磁コイル５０Ａ，５０Ｂが直列接続されて図１のリアクトルＬ１を構成する。
【００８１】
上記のように構成されたモータジェネレータ１３０の動作について、図４および図５を用いて説明する。図４は、図２に示す界磁コイル５０の電流が供給された状態におけるモータジェネレータ１３０の側断面図であり、図５は、図４のＶ−Ｖ線における断面図である。
【００８２】
図４を参照して、界磁コイル５０に電流を流すことにより、磁力線ｍｔ４が発生される。この磁力線ｍｔ４は、界磁ヨーク２１の天板部２１ａを通り、側壁部２１ｂからステータコア２２内に入り込む。そして、磁力線ｍｔ４は、エアギャップＧＰを解して、ロータコア４３内に入り込み、ロータコア４３内を軸方向に進む。その後、磁力線ｍｔ４は、ロータコア４３の軸方向端面から、突部２１ｃの端面を介して、界磁ヨーク２１内に入り込む。なお、突部２１ｅ側についても同様である。
【００８３】
このような磁気回路を発生させることにより、界磁ヨーク２１の突部２１ｃ，２１ｅがＳ極の磁性を帯び、界磁ヨーク２１の側壁部２１ｂがＮ極の磁性を帯びることになる。
【００８４】
図５においては、磁石４４の端部のうち、ロータ４０の回転方向Ｐ前方側の端部側にステータティース２３ａが配置されており、磁石４４の外主面の周方向の中央部は、ステータティース２３ａの端面の周方向の中央部に回転方向Ｐの後方側に位置している。このステータティース２３ａの内径側の端面がＳ極とされている。
【００８５】
このため、磁石４４の外主面から出る磁力線ｍｔ１〜ｍｔ４は、径方向外方に向かうに従って、回転方向Ｐの前方側に向かうように傾斜し、ステータティース２３ａの端面に達する。このように、磁石４４およびステータティース２３ａ間の磁力線ｍｔ１〜ｍｔ３の磁気経路が傾斜し長くなっているので、磁気経路が最短となるようにロータ４０に応力が加えられる。すなわち、磁石４４は、ステータティース２３ａに向けて引っ張られることとなる。
【００８６】
ステータティース２３ａに対して、ロータ４０の回転方向Ｐ後方側には、ステータティース２３ｂが設けられており。このステータティース２３ｂは、磁石４４の中央部付近と
対向している。ステータティース２３ｂの内径側の端面は、Ｎ極とされており、磁石４４と反発している。
【００８７】
このため、ステータティース２３ａからステータコア２２内に入り込んだ磁力線ｍｔ１〜ｍｔ３は、ステータコア２２内を周方向に流れる。このとき、上述したように、界磁コイル５０に電流を流したことによって側壁部２１ｂの内壁面がＮ極となっている。そのため、磁石４４からの磁力線ｍｔ１〜ｍｔ３は、ステータティース２３ａの端面からステータコア２２内に入り込むと、ステータコア２２の周方向に沿って進む。すなわち、磁力線ｍｔ１〜ｍｔ３が、ステータティース２３ａに達した後、ステータコア２２内を径方向に流れ、界磁ヨーク２１に達するのが抑制されている。
【００８８】
そして、ステータティース２３ｂに対して、ロータ４０の回転方向Ｐ後方側には、ステータティース２３ｃが設けられており、内径側の端面はＮ極とされている。このステータティース２３ｃはロータティース４５ａと対向している。
【００８９】
ここで、ロータティース４５ａに隣接する磁石４４の外表面はＮ極とされているため、ステータティース２３ｃの端面からロータティース４５ａに向かう磁力線ｍｔ１〜ｍｔ３は、この磁石４４のＮ極の影響を受けて、回転方向Ｐ後方に傾斜するようにロータティース４５ａに向けて流れる。そして、この経路長が最短となるように、ロータティース４５ａがステータティース２３ｃに向けて良好に引き寄せられる。
【００９０】
このように、磁力線ｍｔ１〜ｍｔ３は、磁石４４からエアギャップＧＰを介して、ステータティース２３ａに達してステータコア２２内を周方向に通り、その後、ステータティース２３ｃからエアギャップＧＰを介して積層ロータコア４３ａ内に達し、再度磁石４４に戻るという磁気回路Ｋ１を形成する。
【００９１】
一方、界磁コイル５０に電流が供給されていない状態では、磁石４４からの磁力線ｍｔ１〜ｍｔ３の一部（たとえば磁力線ｍｔ３）は、ステータティース２３ａに達した後、ステータコア２２内を径方向に流れ、界磁ヨーク２１に達する。そして、磁力線ｍｔ３は、界磁ヨーク２１を軸方向に通り、突部２１ｃから圧粉ロータコア４３ｂ内に入り込み、再度磁石４４に戻るという磁気回路Ｋ２（図示せず）を形成する。
【００９２】
すなわち、界磁コイル５０に電流を流すことによって、磁石４４から発せられる磁力線ｍｔ１〜ｍｔ３が磁気回路Ｋ２を通ることを抑制し、磁力線ｍｔ１〜ｍｔ３が磁気回路Ｋ１を通るように制御することができる。これにより、磁石４４から生じる一定の磁束量のうち、トルクの発生に大きく貢献する磁気回路Ｋ１を通る磁束量の割合を増加することができるため、大きなトルクを得ることができる。
【００９３】
さらに、界磁コイル５０によって生じる磁力線ｍｔ４は、図５に示すように、磁気回路Ｋ１の一部であって、ステータティース２３ｃからロータティース４５ａに達する経路を通り、その後、圧粉ロータコア４３ｂに達する。このため、磁力線ｍｔ４もトルクの発生に寄与する。
【００９４】
以上に説明したように、界磁コイル５０に電流を流すことによって、モータジェネレータ１３０には「強め界磁制御」が施される。図６は、モータジェネレータ１３０のトルクと回転数との関係を示す図である。
【００９５】
図６において、実線の曲線ｋ１は、界磁コイル５０に電流が供給されていない状態（界磁電流Ｉｆ＝０）におけるモータジェネレータ１３０の出力特性を示す。一方、破線の曲線ｋ２は、界磁コイル５０に電流が供給された状態（界磁電流Ｉｆ≠０）における電動機の出力特性を示す。
【００９６】
図６に示されるように、界磁コイル５０に電流を流してモータジェネレータ１３０に強め界磁制御を行なうことにより、回転数が低い領域においてトルクが大きくなっていることが分かる。その一方で、界磁が強まることによって電圧が上昇するため、運転可能な最高回転数は低下する。
【００９７】
なお、界磁コイル５０に流す電流の向きを反転することによりモータジェネレータ１３０に「弱め界磁制御」を施すこともできる。この場合、界磁コイル５０に電流を流すことによって、磁気回路Ｋ１を通る磁束量の割合が減少する。
【００９８】
また、本実施の形態によれば、ロータ４０の外周面のうち、磁石４４の表面は、磁力線を発する領域として機能しており、ロータティース４５は、発せられた磁力線を取り込む領域として機能している。そして、磁石４４およびロータティース４５は、ロータ４０の軸方向に亘って延在しているため、ロータ４０の外周面は、磁石４４の表面とロータティース４５の表面とから構成されている。そのため、ロータティース４５の外周面の略全面を、磁力線の出力領域および磁力線の取入領域として機能させることが可能となるため、ロータ４０の外周面の利用効率を向上することができる。その結果、小型のロータ４０であっても所要の磁束量の出し入れを行なうことができるため、ロータ４０自体をコンパクトに構成することができる。
【００９９】
［従来技術の問題点］
次に、図７を用いて、従来技術の問題点について説明する。
【０１００】
図７は、本実施の形態の比較例の電動機駆動装置を搭載した車両１００Ａの全体ブロック図である。この比較例の構成は、上述の特開２００８−２２８５３４号公報（特許文献１）に開示された電動機駆動装置の構成である。なお、図７においては、図１におけるコンバータ１１５が、コンバータ１１５Ａに置き換わったものとなっている。図７において、図１と重複する要素の説明は繰り返さない。
【０１０１】
図７を参照して、コンバータ１１５Ａは、スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１３と、ダイオードＤ１１〜Ｄ１３と、リアクトルＬ１とを含む。リアクトルＬ１は、図１と同様に、モータジェネレータ１３０の界磁巻線としても使用される。
【０１０２】
スイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２は、電力線ＨＰＬと接地線ＮＬ１との間に直列に接続される。ダイオードＤ１１，Ｄ１２は、それぞれスイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２に逆並列に接続される。
【０１０３】
リアクトルＬ１は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の接続ノードと電力線ＰＬ１とに接続される。
【０１０４】
スイッチング素子Ｑ１３およびダイオードＤ１３は直列に接続された状態で、リアクトルＬ１に並列に接続される。スイッチング素子Ｑ１３のエミッタはスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の接続ノードに接続され、スイッチング素子Ｑ１３のコレクタはダイオードＤ１３のアノードに接続される。ダイオードＤ１３のカソードは、電力線ＰＬ１に接続される。
【０１０５】
このような構成とすることで、コンバータ１１５Ａは、電力線ＰＬ１から電力線ＨＰＬへの昇圧動作と、電力線ＨＰＬから電力線ＰＬ１への降圧動作の双方向の電圧変換が可能である。また、スイッチング素子Ｑ１３を制御することによって、リアクトルＬ１に流れる電流、すなわちモータジェネレータ１３０の界磁電流を調整することができる。
【０１０６】
このようなコンバータ１１５Ａにおいては、力行状態の場合は、図７中の破線矢印ＡＲ２の方向に電流が流れる。一方、回生状態の場合には、実線矢印ＡＲ１の方向に電流が流れる。したがって、力行時と回生時において、リアクトルＬ１に流れる電流の方向が逆向きになる。そうすると、回生時には、図４，図５で説明した界磁電流によって発生する磁力線の向きが逆になり、磁石からの磁力線の一部が相殺されることによって、「界磁弱め」の状態となる。
【０１０７】
図８に示されるように、界磁電流が正の場合（図８中の曲線Ｗ１２）には、界磁電流がない場合（図８中の曲線Ｗ１１）に比べて、同じモータ電流でも高トルクが出力可能であるが、界磁電流が負の場合（図８中の曲線Ｗ１３）には、界磁電流がない場合（図８中の曲線Ｗ１１）に比べて、逆に発生トルクが減少する。すなわち、図９のように、力行状態で界磁電流を増加させると低回転数の領域でモータジェネレータ１３０のトルクを増加させることはできるが、回生状態で界磁電流を負の方向に増加させると、逆に低回転数の領域ではモータジェネレータ１３０のトルクを減少させることはできても増加させることはできない。これによって、たとえば、減速時に所望の減速トルクが発生できずに、減速にかかる距離や時間が長くなったり、トルク減少によって損失低減の効果が発揮できなくなったりするおそれがある。
【０１０８】
そこで、本実施の形態においては、図１に示した構成を有する電動機制御装置において、ＥＣＵ３００によってスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を制御することによって、力行時および回生時の両方の場合で、モータジェネレータ１３０によって発生するトルクを増加させることができる。
【０１０９】
［電動機制御装置の制御構造］
再び図１を参照して、ＥＣＵ３００は、いずれも図１には図示しないがＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置および入出力バッファを含み、各センサ等からの信号の入力や各機器への制御信号の出力を行なうとともに、車両１００および各機器の制御を行なう。なお、これらの制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア（電子回路）で処理することも可能である。
【０１１０】
ＥＣＵ３００は、上位のＥＣＵ（図示せず）から入力されたモータ指令に従ってモータジェネレータ１３０が動作するように、コンバータ１１５およびインバータ１２０のスイッチング制御を行なうための制御信号ＳＥ１〜ＳＥ４，ＰＷＩを生成し、コンバータ１１５およびインバータ１２０の電力変換動作を制御する。
【０１１１】
さらに、上述のように、ＥＣＵ３００は、コンバータ１１５のスイッチング素子を制御することによって、モータジェネレータ１３０の界磁コイル５０に流れる電流を制御する。
【０１１２】
本実施の形態においては、ＥＣＵ３００は、モータジェネレータ１３０の運転状態に応じてシステム電圧ＶＨの目標値ＶＨ＊を設定するとともに、界磁電流Ｉｆの目標値Ｉｆ＊を設定する。そして、この目標値ＶＨ＊，Ｉｆ＊に基づいて、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のデューティ比を設定する。以下、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のデューティ比の設定動作について説明する。
【０１１３】
図１０〜図２１は、ＥＣＵ３００によるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のスイッチング制御を説明するための図である。図１０〜図１５は力行時の動作を説明するためのものであり、図１６〜図２１は回生時の動作を説明するためのものである。
【０１１４】
まず、力行時の動作について説明する。
図１０〜図１３は、力行時におけるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の動作状態と、そのときに回路に流れる電流を示す図である。力行時には、図１４のタイムチャートに示すように、状態Ａから状態Ｃまでのパターンを制御の１周期として実行する。なお、状態Ｃについては、状態Ｃ−１（図１２）および状態Ｃ−２（図１３）の２つのパターンが示されているが、この２つのパターンのどちらを採用してもよい。各状態におけるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の状態を、図１５に示す。
【０１１５】
図１０を参照して、最初に、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ４がオンに設定されるとともに、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３がオフに設定される（状態Ａ）。これによって、電流が矢印ＡＲ１１のように流れ、リアクトルＬ１にエネルギが蓄積される。このとき、図１４の曲線Ｗ２１における、時刻ｔ１〜ｔ２，ｔ４〜ｔ５のように、リアクトルＬ１に流れるリアクトル電流ＩＬ（すなわち、モータジェネレータ１３０の界磁電流Ｉｆ）が増加する。
【０１１６】
次に、図１１の状態Ｂのように、スイッチング素子Ｑ１をオフに切替える（すなわち、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３をオフ、スイッチング素子Ｑ２をオンに設定する）。そうすると、リアクトルＬ１に蓄積されたエネルギに応じた電流が、矢印ＡＲ１２のように、リアクトルＬ１からダイオードＤ１を介してインバータ１２０側に流れる。このとき、図１４の時刻ｔ２〜ｔ３，ｔ５〜ｔ６のように、リアクトル電流ＩＬはエネルギの放出とともに徐々に減少する。
【０１１７】
その後、図１２の状態Ｃ−１のように、スイッチング素子Ｑ３をオンに切替える（すなわち、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をオフ、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４をオンに設定する）。そうすると、矢印ＡＲ１３のように、リアクトルＬ１からスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４を介して再びリアクトルＬ１に戻るような循環電流が流れる。このときは、図１４の時刻０〜ｔ１，ｔ３〜ｔ４などのように、リアクトル電流ＩＬは、リアクトルＬ１やスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４などの導通損失を除けば、ほぼ一定に維持される。
【０１１８】
この制御周期を繰り返すことによって、図１４の曲線Ｗ２４のような平均電流が界磁電流Ｉｆとしてモータジェネレータ１３０に供給される。また、状態ＢにおいてリアクトルＬ１から供給される電流によってシステム電圧ＶＨが昇圧される。そして、状態Ｂにおける平均電流とシステム電圧ＶＨとの積で示される電力がインバータ１２０に供給される。
【０１１９】
なお、状態Ｃについては、図１３の状態Ｃ−２とすることも可能である。この場合は、状態Ｂから、スイッチング素子Ｑ２をオンに切替えるとともに、スイッチング素子Ｑ４をオフに切替える（すなわち、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ４をオフ、スイッチング素子Ｑ２をオンに設定する）。これによって、矢印１４のように、リアクトルＬ１からダイオードＤ１およびスイッチング素子Ｑ２を介して再びリアクトルＬ１に戻る循環電流が流れるので、状態Ｃ−１の場合と同様に、リアクトルＬ１に流れる電流を維持することができる。ただし、状態Ｃ−１のほうが、状態Ｂからの遷移において切替えられるスイッチング素子の数が少ないので、より好適である。
【０１２０】
上記のようなスイッチング動作において、状態Ａ〜状態Ｃでの各スイッチング素子のデューティ比を適切に設定することによって、図１４中の破線Ｗ２２，Ｗ２３のように、界磁電流Ｉｆと昇圧電圧を独立して調整することが可能となる。なお、いずれの状態においても、リアクトル電流は、図中の点Ｐ１から点Ｐ２に向かう方向に流れる。
【０１２１】
一方、回生時における動作を図１６〜図２１を用いて説明する。
図１６〜図１９は、回生時におけるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の動作状態と、そのときに回路に流れる電流を示す図である。回生時には、図２０のタイムチャートに示すように、状態Ｄから状態Ｆまでのパターンを制御の１周期として実行する。なお、力行時の状態Ｃと同様に、状態Ｆについては、状態Ｆ−１（図１８）および状態Ｆ−２（図１９）の２つのパターンが示されているが、この２つのパターンのどちらを採用してもよい。各状態におけるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の状態を図２１に示す。
【０１２２】
図１６を参照して、最初に、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３がオンに設定されるとともに、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ４がオフに設定される（状態Ｄ）。これによって、電流が矢印ＡＲ２１のように、電力線ＨＰＬからスイッチング素子Ｑ２、リアクトルＬ１およびスイッチング素子Ｑ３を介して流れ、電源装置１１０が充電されるとともに、リアクトルＬ１にエネルギが蓄積される。このとき、図２０の曲線Ｗ３１における、時刻ｔ１１〜ｔ１２，ｔ１４〜ｔ１５のように、リアクトルＬ１に流れるリアクトル電流ＩＬ（界磁電流Ｉｆ）が増加する。
【０１２３】
次に、図１７の状態Ｅのように、スイッチング素子Ｑ２をオフに切替える（すなわち、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ４をオフ、スイッチング素子Ｑ３をオンに設定する）。そうすると、リアクトルＬ１に蓄積されたエネルギに応じた電流が、矢印ＡＲ２２のように、リアクトルＬ１からスイッチング素子Ｑ３を介して電源装置１１０側に流れ、充電を継続する。このとき、図２０の時刻ｔ１２〜ｔ１３，ｔ１５〜ｔ１６のように、リアクトル電流ＩＬはエネルギの放出とともに徐々に減少する。
【０１２４】
その後、図１８の状態Ｆ−１のように、スイッチング素子Ｑ４をオンに切替える（すなわち、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をオフ、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４をオンに設定する）。そうすると、ダイオードＤ５のカソード（図中の点Ｐ１）の電位が電源装置１１０の電圧と等しくなるために図１７の電流が止まり、矢印ＡＲ２３のように、リアクトルＬ１からスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４を介して再びリアクトルＬ１に戻るような循環電流が流れる。このときは、図２０の時刻０〜ｔ１１，ｔ１３〜ｔ１４などのように、リアクトル電流ＩＬは、ほぼ一定に維持される。
【０１２５】
これによって、図２０の曲線Ｗ３２のような平均電流が界磁電流Ｉｆとしてモータジェネレータ１３０に供給される。また、状態Ｄにおいて、電力線ＨＰＬ側から供給される電流によってシステム電圧ＶＨが降圧される。
【０１２６】
なお、状態Ｆについては、上述のように図１９の状態Ｆ−２とすることも可能である。この場合は、状態Ｅから、スイッチング素子Ｑ２をオンに切替えるとともに、スイッチング素子Ｑ３をオフに切替える（すなわち、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ４をオフ、スイッチング素子Ｑ２をオンに設定する）。そうすると、ダイオードＤ１のアノードの電位が上昇し、電力線ＨＰＬの電位よりも高くなると、ダイオードＤ１が導通する。これによって、矢印ＡＲ２４のように、リアクトルＬ１からダイオードＤ１およびスイッチング素子Ｑ２を介して再びリアクトルＬ１に戻る循環電流が流れるので、状態Ｆ−１の場合と同様にリアクトルＬ１に流れる電流を維持することができる。この場合も、力行時と同様に、状態Ｆ−１のほうが、状態Ｅからの遷移において切替えられるスイッチング素子の数が少ないので、より好適である。
【０１２７】
なお、回生時においても、図１６〜図１９で示したように、状態Ｄ〜状態Ｆのいずれの状態においても、電流は図中の点Ｐ１から点Ｐ２の方向に流れる。すなわち、力行時および回生時を通して、界磁電流Ｉｆによって発生する磁力線がロータの磁石により発生する磁力線を強める方向となる。したがって、図２２に示すように、力行時および回生時のいずれにおいても、界磁電流Ｉｆを増加させることによって、低回転数の領域において、発生するトルクを増加させることが可能となる。これによって、力行時だけでなく、回生時においてもトルクアップおよび損失低減による効率改善を図ることができる。なお、状態Ａ〜状態Ｃで流れる電流経路および状態Ｄ〜状態Ｆで流れる電流経路は、それぞれ本発明における「第１の電流経路」および「第２の電流経路」の一例である。
【０１２８】
図２３は、本実施の形態において、ＥＣＵ３００で実行されるスイッチング制御を説明するための機能ブロック図である。図２３で説明される機能ブロック図に記載された各機能ブロックは、ＥＣＵ３００によるハードウェア的あるいはソフトウェア的な処理によって実現される。
【０１２９】
図１および図２３を参照して、ＥＣＵ３００は、目標設定部３１０と、デューティ設定部３２０と、制御信号設定部３３０とを含む。
【０１３０】
目標設定部３１０は、上位ＥＣＵ（図示せず）からのモータジェネレータ１３０のトルク指令値ＴＲ、および、図示しない回転センサによって検出されたモータジェネレータ１３０の回転速度ＭＲＮを受ける。そして、目標設定部３１０は、これらの情報に基づいて、予め定められたマップ等を用いることによって、システム電圧ＶＨの目標値ＶＨ＊、および界磁電流Ｉｆの目標値Ｉｆ＊を設定し、その設定値をデューティ設定部３２０に出力する。
【０１３１】
デューティ設定部３２０は、目標設定部３１０で設定された目標値ＶＨ＊，Ｉｆ＊、電圧センサ１５０，１６０からの電圧ＶＬ，ＶＨの検出値を受ける。デューティ設定部３２０は、これらの情報に基づいて、目標値ＶＨ＊，Ｉｆ＊を達成するための、コンバータ１１５に含まれるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４、およびインバータ１２０に含まれるスイッチング素子Ｑ１５〜Ｑ２０のそれぞれのデューティ比を設定する。そして、設定されたデューティ比指令ＤＵＴＹを制御信号設定部３３０へ出力する。
【０１３２】
制御信号設定部３３０は、デューティ設定部３２０からのデューティ比指令ＤＵＴＹに従った制御信号ＳＥ１〜ＳＥ４，ＰＷＩを生成し、コンバータ１１５およびインバータ１２０へ出力する。
【０１３３】
図２４は、本実施の形態において、ＥＣＵ３００で実行されるスイッチング制御処理の詳細を説明するためのフローチャートである。図２４に示すフローチャート中の各ステップについては、ＥＣＵ３００に予め格納されたプログラムが、メインルーチンから呼び出されて所定周期で実行されることによって実現される。あるいは、一部のステップについては、専用のハードウェア（電子回路）を構築して処理を実現することも可能である。
【０１３４】
図１および図２４を参照して、ＥＣＵ３００は、ステップ（以下、ステップをＳと略す。）１００にて、モータジェネレータ１３０のトルク指令値ＴＲおよびモータ回転速度ＭＲＮを取得する。また、Ｓ１１０にて、ＥＣＵ３００は、電圧センサ１５０，１６０による電圧ＶＬ，ＶＨの検出値を取得する。
【０１３５】
次に、ＥＣＵ３００は、Ｓ１２０にて、取得したモータ要求出力（ＴＲ，ＭＲＮ）に基づいて、システム電圧ＶＨの目標値ＶＨ＊および界磁電流Ｉｆの目標値Ｉｆ＊を、たとえばマップ等を参照することによって設定する。このとき、制御モードが力行であるか回生であるかについての判断も行なう。
【０１３６】
そして、ＥＣＵ３００は、Ｓ１３０にて、目標値ＶＨ＊，Ｉｆ＊、実際のセンサからの検出値ＶＬ，ＶＨおよび力行／回生の制御モードなどに基づいて、コンバータ１１５およびインバータ１２０に含まれる各スイッチング素子のデューティ比を演算する。
【０１３７】
そして、ＥＣＵ３００は、Ｓ１４０にて、演算されたデューティ比に従って、各スイッチング素子のスイッチング制御を行なう。
【０１３８】
このような処理に従って制御を行なうことによって、コンバータ１１５による電圧変換とモータジェネレータ１３０の界磁制御を独立して行なうことが可能となるとともに、力行時および回生時のいずれの場合においても、界磁コイル５０に同じ向きの界磁電流を流すことが可能となる。これによって、電動機駆動装置において、電動機の大型化を抑制しつつ、力行時および回生時の両方でトルクアップおよび損失低減を行なうことが可能となる。
【０１３９】
［変形例］
図２５は、本実施の形態に従う、他の例の電動機駆動装置を搭載した車両１００Ｂの全体ブロック図である。図２５は、図１におけるコンバータ１１５がコンバータ１１５Ｂに置き換わっており、さらにモータジェネレータ１３０がモータジェネレータ１３０Ｂに置き換わったものとなっている。図２５において、図１と重複する要素の説明は繰り返さない。
【０１４０】
図２５を参照して、モータジェネレータ１３０Ｂは、基本的な構造は、図２〜図５で説明したモータジェネレータ１３０と同じである。しかしながら、モータジェネレータ１３０では、界磁コイル５０Ａ，５０Ｂがモータジェネレータ１３０内で直列に接続された状態でコンバータ１１５に接続されていたものが、モータジェネレータ１３０Ｂにおいては、界磁コイル５０Ａ，５０Ｂが個別にコンバータ１１５Ｂと接続される構成となっている。
【０１４１】
コンバータ１１５Ｂは、図１におけるコンバータ１１５における、リアクトルＬ１の部分に界磁コイル５０ＡであるリアクトルＬ２が接続される。そして、ダイオードＤ２のカソードと、ダイオードＤ４のカソードとの間に、界磁コイル５０ＢであるリアクトルＬ３が接続される。また、コンバータ１１５Ｂにおいては、スイッチング素子Ｑ４が削減され、ダイオードＤ４のアノードが電力線ＰＬ１に接続される。残りの要素である、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３およびダイオードＤ１〜Ｄ３，Ｄ５の接続は、コンバータ１１５と同様である。
【０１４２】
このような構成とすることで、コンバータ内のスイッチング素子Ｑ４を削減することが可能となる。なお、リアクトルＬ２，Ｌ３については、モータジェネレータ１３０Ｂ内に発生する磁束のアンバランスが生じないようにするために、基本的には、それぞれの有するリアクタンスがほぼ同じになるようにすることが好ましい。
【０１４３】
図２５におけるコンバータ１１５Ｂのスイッチング素子のスイッチング状態と、回路を流れる電流の状態を、以下の図２６〜図３３を用いて説明する。なお、図２６〜図２９は力行時の場合を示しており、図３０〜図３３は回生時の場合を示している。
【０１４４】
図２６は、図１０で示した状態Ａに対応する場合であり、この場合は、スイッチング素子Ｑ１がオンに設定され、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３はオフに設定される。このときに回路に流れる電流は、矢印ＡＲ３１のように流れ、リアクトルＬ２、Ｌ３にエネルギが蓄積される。
【０１４５】
次に、図２７では、図１１で示した状態Ｂと同様に、スイッチング素子Ｑ１がオフに切替えられ、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３のすべてがオフに設定される。このとき、電流は、リアクトルＬ２，Ｌ３に蓄積されたエネルギに応じた電流が、ダイオードＤ１を介してインバータ１２０側へ供給される。
【０１４６】
そして、図２８では、スイッチング素子Ｑ２がオンに切替えられる。これによって、図１３で示した状態Ｃ−２のように、リアクトルＬ３からダイオードＤ１およびスイッチング素子Ｑ２を介して再びリアクトルＬ３に戻るような循環電流（図２８中の矢印ＡＲ３３）が流れる。その後、再度状態Ａに戻って次のスイッチング周期が開始される。
【０１４７】
図２９に、力行時のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３のスイッチング状態を示す。なお、図示しないが、状態Ｃにおいては、図１２で示した状態Ｃ−１のように、スイッチング素子Ｑ３をオンに設定することで、リアクトルＬ３から、スイッチング素子Ｑ３、ダイオードＤ４およびリアクトルＬ２を介して再びリアクトルＬ３に戻るような循環電流が流れるようにしてもよい。
【０１４８】
次に、図３０〜図３３を用いて回生時の状態について説明する。
図３０は、図１６で示した状態Ｄに対応する場合であり、この場合は、スイッチング素子Ｑ１がオフに設定され、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３がオンに設定される。このとき、電流は矢印ＡＲ４１のように流れ、リアクトルＬ３にエネルギが蓄積される。なお、この場合は、図中の点Ｐ１の電位が電力線ＰＬ１の電位よりも高いため、リアクトルＬ２には電流は流れない。
【０１４９】
次に、図３１では、図１７で示した状態Ｅと同様に、スイッチング素子Ｑ２がオフに切替えられ、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２がオフに設定されるとともに、スイッチング素子Ｑ３がオンに設定される。これによって、リアクトルＬ３に蓄えられたエネルギが放出されて、リアクトルＬ３からスイッチング素子Ｑ３を介して電源装置１１０へ電流が継続して流れる（図３１中の矢印ＡＲ４２）。
【０１５０】
そして、図３２では、スイッチング素子Ｑ３がオフに切替えられる。これによって、図１９の状態Ｆ−２のように、リアクトルＬ３からダイオードＤ１およびスイッチング素子Ｑ２を介して再びリアクトルＬ３に戻るような循環電流（図３２中の矢印ＡＲ４３）が流れる。
【０１５１】
図３３に、回生時のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３のスイッチング状態を示す。なお、回生時においては、リアクトルＬ２にエネルギが蓄積されていないため、図２０のような状態Ｆ−１とすることはできない。
【０１５２】
以上のように、図２５で示した変形例の構成においても、力行時および回生時のいずれの場合でも、同じ向きの界磁電流を流すことが可能となる。変形例においては、一部の状態において、リアクトルＬ３には電流が流れるがリアクトルＬ２には電流が流れず、エネルギが図１の構成と比べて小さくなる可能性がある。そうすると、界磁電流を流すことによるトルクの増加量が小さくなる可能性がある。しかしながら、一方でスイッチング素子Ｑ４を削減できることによって機器および制御の削減が可能となるために、全体のコストを低減することが可能となる。
【０１５３】
なお、本実施の形態における「スイッチング素子Ｑ１」は、本発明の「昇圧用スイッチング素子」の一例である。本実施の形態における「スイッチング素子Ｑ２」，「スイッチング素子Ｑ３」，「スイッチング素子Ｑ４」は、それぞれ本発明の「第１のスイッチング素子」，「第２のスイッチング素子」，「第３のスイッチング素子」の一例である。また、本実施の形態の「ダイオードＤ１」，「ダイオードＤ５」，「ダイオードＤ４」は、それぞれ本発明の「第１の整流素子」，「第２の整流素子」，「第３の整流素子」の一例である。本実施の形態における「電力線ＰＬ１」および「電力線ＨＰＬ」は、それぞれ本発明の「第１の電力線」および「第２の電力線」の一例である。
【０１５４】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１５５】
２１ 界磁ヨーク、２１ａ，２１ｆ 天板部、２１ｂ 側壁部、２１ｃ，２１ｅ 突部、２１ｄ，２１ｇ 貫通孔、２２ ステータコア、２３，２３ａ〜２３ｃ ステータティース、２４ コイル、３０ ステータ、４０ ロータ、４１ 回転シャフト、４３ ロータコア、４３ａ 積層ロータコア、４３ｂ 圧粉ロータコア、４４ 磁石、４５，４５ａ ロータティース、４６ａ，４６ｂ 軸受、５０，５０Ａ，５０Ｂ 界磁コイル、１００，１００Ａ，１００Ｂ 車両、１１０ 電源装置、１１５，１１５Ａ，１１５Ｂ コンバータ、１２０ インバータ、１２１ Ｕ相アーム、１２２ Ｖ相アーム、１２３ Ｗ相アーム、１３０，１３０Ｂ モータジェネレータ、１４０，１５０，１６０ 電圧センサ、１７０ 動力伝達ギア、１８０ 駆動輪、１９０ エンジン、３００ ＥＣＵ、３１０ 目標設定部、３２０ デューティ設定部、３３０ 制御信号設定部、Ｃ１，Ｃ２ コンデンサ、Ｄ１〜Ｄ５，Ｄ１１〜Ｄ１３，Ｄ１５〜Ｄ２０ ダイオード、ＧＰ エアギャップ、ＨＰＬ，ＰＬ１ 電力線、Ｋ１，Ｋ２ 磁気回路、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３ リアクトル、ｍｔ１〜ｍｔ４ 磁力線、ＮＬ１ 接地線、Ｑ１〜Ｑ４，Ｑ１１〜Ｑ１３，Ｑ１５〜Ｑ２０ スイッチング素子。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機駆動装置およびそれを搭載する車両に関し、より特定的には、電機子巻線鎖交磁束量を調整可能な電動機を駆動するための電動機駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境に配慮した車両として、蓄電装置（たとえば二次電池やキャパシタなど）を搭載し、蓄電装置に蓄えられた電力から生じる駆動力を用いて走行する車両が注目されている。このような車両には、たとえば電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池車などが含まれる。そして、これらの車両に搭載される蓄電装置を発電効率の高い商用電源により充電する技術が提案されている。
【０００３】
これらの車両においては、発進時や加速時に蓄電装置から電力を受けて走行のための駆動力を発生するとともに、制動時に回生制動によって発電を行なって蓄電装置に電気エネルギを蓄えるための回転電機（モータジェネレータ）を備える場合がある。このように、走行状態に応じてモータジェネレータを制御するために、車両にはインバータが搭載される。このような車両においては、インバータが必要とする電力は車両状態によって変動する。そして、インバータが必要とする電力を安定的に供給するために、蓄電装置とインバータとの間にコンバータが備えられる場合がある。このコンバータにより、インバータの入力電圧を蓄電装置の出力電圧より高くして、モータの高出力化ができるとともに、同一出力時のモータ電流を低減することで、インバータおよびモータの小型化，低コスト化を図ることができる。
【０００４】
また、このような車両の用いられる回転電機としては、回転子（以下、ロータとも称する。）に永久磁石を備え、その永久磁石による磁極と、固定子（以下、ステータとも称する。）において発生する回転磁界との磁気作用によって回転する永久磁石型モータや、ロータに界磁コイルを備え、界磁コイルに界磁電流を流すことによってロータに発生する磁界の回転軸と垂直方向の成分と、ステータにおいて発生する回転磁界との磁気作用によって回転する界磁巻線型モータなどが検討されている。
【０００５】
特開２００８−２２８５３４号公報（特許文献１）は、電動機駆動装置において、昇圧コンバータのリアクトルを電動機の界磁巻線と共用するとともに、このリアクトルに並列に接続されたスイッチング素子をスイッチング制御することによって、電動機の電機子巻線鎖交磁束量を調整することが可能な構成が界磁される。
【０００６】
特開２００８−２２８５３４号公報（特許文献１）に開示された電動機駆動装置によれば、電動機の状態に応じて電機子巻線鎖交磁束量を変化させることができるので、駆動装置の小型化と電動機の高出力化が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−２２８５３４号公報
【特許文献２】特開２００６−１１４６６２号公報
【特許文献３】特開２００９−２２０６８４号公報
【特許文献４】特開２００９−０６５７５８号公報
【特許文献５】特開２００２−０８４７５４号公報
【特許文献６】特開２０００−３５４３３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特開２００８−２２８５３４号公報（特許文献１）に界磁された構成においては、電動機が力行状態の場合の電動機の高出力化については可能であったが、電動機が回生状態の場合の電動機の高出力化については考慮されておらず、回生時には逆に電動機出力を低下させてしまうおそれがあった。
【０００９】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、電機子巻線鎖交磁束量を調整可能な電動機を駆動するための電動機駆動装置において、電動機の力行時および回生時の両方で電動機の高出力化を可能とすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明による電動機駆動装置は、界磁巻線を含み、界磁巻線に界磁電流を流すことによって形成される界磁極を有するロータとステータとを備える電動機を駆動するための電動機駆動装置であって、電源装置と、コンバータと、インバータと、制御装置とを備える。コンバータは、リアクトルを有し、界磁巻線をリアクトルの少なくとも一部として共用して、電源装置からの電圧を受けて、第１の電力線と第２の電力線との間で電圧変換するとともに、電圧変換動作時に界磁巻線に界磁電流を流すように構成される。インバータは、コンバータからの直流電力を受けて、電動機を駆動するための交流電力に変換する。そして、制御装置は、電動機の力行時および回生時の両方の場合において、界磁巻線に流れる電流が同じ方向となるようにコンバータを制御する。
【００１１】
好ましくは、コンバータは、力行時に電流が流れる第１の電流経路と、回生時に電流が流れる第２の電流経路とを切替えるための切替部を含む。そして、制御装置は、第１の電流経路および第２の電流経路のいずれにおいても、界磁巻線に流れる電流が同じ方向となるように切替部を制御する。
【００１２】
好ましくは、切替部は、昇圧用スイッチング素子と、界磁用スイッチング素子とを含む。昇圧用スイッチング素子は、界磁巻線の一方端である第１の端と電源装置の負極との間に、界磁巻線から電源装置の負極へ向かう方向を順方向として接続され、電源装置からの電圧を昇圧するためのスイッチング素子である。界磁用スイッチング素子は、界磁巻線に流れる電流を制御するためのスイッチング素子である。界磁巻線の他方端である第２の端は、第１の電力線と電気的に接続される。そして、制御装置は、昇圧用スイッチング素子および界磁用スイッチング素子をスイッチング制御することによって、界磁電流を制御してロータおよびステータ間の磁束密度を調整するとともに、コンバータから第２の電力線に出力される昇圧電流を制御して電源装置からの電圧を昇圧電圧の目標値に従った電圧に変換する。
【００１３】
好ましくは、制御装置は、目標設定部と、デューティ設定部と、制御信号設定部とを含む。目標設定部は、電動機の回転数および要求トルクに応じて、界磁電流の目標値および昇圧電圧の目標値を設定する。デューティ設定部は、界磁電流の目標値および昇圧電圧の目標値に基づいて、昇圧用スイッチング素子および界磁用スイッチング素子のデューティ比を設定する。制御信号設定部は、演算されたデューティ比に従って、昇圧用スイッチング素子および界磁用スイッチング素子をスイッチングするための制御信号を設定する。
【００１４】
好ましくは、界磁用スイッチング素子は、第１〜第３のスイッチング素子を含む。第１のスイッチング素子は、第２の電力線と界磁巻線の第２の端との間に、第２の電力線から第２の端に向かう方向を順方向として接続される。第２のスイッチング素子は、第１の端と第１の電力線との間に、第１の端から第１の電力線に向かう方向を順方向として接続される。第３のスイッチング素子は、第１の電力線と第２の端との間に、第１の電力線から第２の端に向かう方向を順方向として接続される。また、コンバータは、第１の端と第２の電力線との間に、第１の端から第２の電力線に向かう方向を順方向として接続された第１の整流素子と、第２の端と電源装置の負極との間に、電源装置の負極から第２の端に向かう方向を順方向として接続された第２の整流素子とを含む。
【００１５】
好ましくは、コンバータは、力行時は昇圧用スイッチング素子のデューティ比に応じた制御信号に基づいて電源装置からの電圧を昇圧し、回生時は第１のスイッチング素子のデューティ比に応じた制御信号に基づいてインバータからの電圧を降圧する。
【００１６】
好ましくは、コンバータは、界磁巻線に流れる電流を増加する第１の状態と、界磁巻線に流れる電流を減少する第２の状態と、界磁巻線に流れる電流を維持する第３の状態とを有する。デューティ設定部は、第３の状態において、昇圧用スイッチング素子および第１のスイッチング素子をオフに固定するとともに、第２のスイッチング素子および第３のスイッチング素子をオンに固定するように、デューティ比を設定する。
【００１７】
好ましくは、コンバータは、界磁巻線に流れる電流を増加する第１の状態と、界磁巻線に流れる電流を減少する第２の状態と、界磁巻線に流れる電流を維持する第３の状態とを有する。デューティ設定部は、第３の状態において、昇圧用スイッチング素子、第２のスイッチング素子および第３のスイッチング素子をオフに固定するとともに、第１のスイッチング素子をオンに固定するように、デューティ比を設定する。
【００１８】
好ましくは、界磁巻線は、直列に接続された第１の界磁巻線と第２の界磁巻線を含む。界磁用スイッチング素子は、第１の界磁巻線および第２の界磁巻線の接続ノードと、第２の電力線との間に、第２の電力線から接続ノードに向かう方向を順方向として接続された第１のスイッチング素子と、第１の端と第１の電力線との間に、第１の端から第１の電力線に向かう方向を順方向として接続された第２のスイッチング素子とを含む。コンバータは、第１の端と第２の電力線との間に、第１の端から第２の電力線へ向かう方向を順方向として接続された第１の整流素子と、接続ノードと電源装置の負極との間に、接続ノードから電源装置の負極へ向かう方向を順方向として接続された第２の整流素子と、第１の電力線と第２の端との間に、第２の端から第１の電力線に向かう方向を順方向として接続された第３の整流素子とを含む。
【００１９】
好ましくは、第１の界磁巻線のリアクタンスは、第２の界磁巻線のリアクタンスと等しい。
【００２０】
好ましくは、インバータは、昇圧用スイッチング素子のデューティ比に応じた制御信号に基づいて電源装置からの電圧を昇圧する一方で、第１のスイッチング素子のデューティ比に応じた制御信号に基づいてインバータからの電圧を降圧する。
【００２１】
好ましくは、コンバータは、界磁巻線に流れる電流を増加する第１の状態と、界磁巻線に流れる電流を減少する第２の状態と、界磁巻線に流れる電流を維持する第３の状態とを有する。デューティ設定部は、第３の状態において、昇圧用スイッチング素子および第２のスイッチング素子をオフに固定するとともに、第１のスイッチング素子をオンに固定するように、デューティ比を設定する。
【００２２】
本発明による車両は、電動機と、電動機を駆動するための電動機駆動装置と、駆動輪とを備える。電動機は、界磁巻線を含み、界磁巻線に界磁電流を流すことによって形成される界磁極を有するロータとステータとを備える。駆動輪は、電動機からの回転力によって車両を走行する。また、電動機駆動装置は、電源装置と、コンバータと、インバータと、制御装置とを含む。コンバータは、リアクトルを有し、界磁巻線をリアクトルの少なくとも一部として共用して、電源装置からの電圧を受けて、第１の電力線と第２の電力線との間で電圧変換するとともに、電圧変換動作時に界磁巻線に界磁電流を流すように構成される。インバータは、コンバータからの直流電力を受けて、電動機を駆動するための交流電力に変換する。制御装置は、電動機の力行時および回生時の両方の場合において、界磁巻線に流れる電流が同じ方向となるようにコンバータを制御する。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、電機子巻線鎖交磁束量を調整可能な電動機を駆動するための電動機駆動装置において、電動機の力行時および回生時の両方で電動機の高出力化を可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本実施の形態に従う電動機駆動装置を搭載した車両の全体ブロック図である。
【図２】図１で示したモータジェネレータの側断面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図である。
【図４】図２に示す界磁コイルの電流が供給された状態におけるモータジェネレータの側断面図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線における断面図である。
【図６】モータジェネレータのトルクと回転数との関係の一例を示す図である。
【図７】比較例の電動機駆動装置を搭載した車両の全体ブロック図である。
【図８】界磁電流の変化とトルクの増減との関係を説明するための図である。
【図９】比較例におけるモータジェネレータのトルクと回転数との関係の一例を示す図である。
【図１０】本実施の形態において、力行時にＥＣＵによって制御されるスイッチング素子の動作、および回路を流れる電流を説明するための第１の図である。
【図１１】本実施の形態において、力行時にＥＣＵによって制御されるスイッチング素子の動作、および回路を流れる電流を説明するための第２の図である。
【図１２】本実施の形態において、力行時にＥＣＵによって制御されるスイッチング素子の動作、および回路を流れる電流を説明するための第３の図である。
【図１３】本実施の形態において、力行時にＥＣＵによって制御されるスイッチング素子の動作、および回路を流れる電流を説明するための第４の図である。
【図１４】力行時のスイッチング制御の制御周期における界磁電流を説明するためのタイムチャートである。
【図１５】力行時において、各状態でのスイッチング素子の状態を示す図である。
【図１６】本実施の形態において、回生時にＥＣＵによって制御されるスイッチング素子の動作、および回路を流れる電流を説明するための第１の図である。
【図１７】本実施の形態において、回生時にＥＣＵによって制御されるスイッチング素子の動作、および回路を流れる電流を説明するための第２の図である。
【図１８】本実施の形態において、回生時にＥＣＵによって制御されるスイッチング素子の動作、および回路を流れる電流を説明するための第３の図である。
【図１９】本実施の形態において、回生時にＥＣＵによって制御されるスイッチング素子の動作、および回路を流れる電流を説明するための第４の図である。
【図２０】回生時のスイッチング制御の制御周期における界磁電流を説明するためのタイムチャートである。
【図２１】回生時において、各状態でのスイッチング素子の状態を示す図である。
【図２２】本実施の形態における、モータジェネレータのトルクと回転数との関係の一例を示す図である。
【図２３】本実施の形態において、ＥＣＵで実行されるスイッチング制御を説明するための機能ブロック図である。
【図２４】本実施の形態において、ＥＣＵで実行されるスイッチング制御処理の詳細を説明するためのフローチャートである。
【図２５】本実施の形態の変形例に従う電動機駆動装置を搭載した車両の全体ブロック図である。
【図２６】変形例において、力行時にＥＣＵによって制御されるスイッチング素子の動作、および回路を流れる電流を説明するための第１の図である。
【図２７】変形例において、力行時にＥＣＵによって制御されるスイッチング素子の動作、および回路を流れる電流を説明するための第２の図である。
【図２８】変形例において、力行時にＥＣＵによって制御されるスイッチング素子の動作、および回路を流れる電流を説明するための第３の図である。
【図２９】変形例の力行時において、各状態でのスイッチング素子の状態を示す図である。
【図３０】変形例において、回生時にＥＣＵによって制御されるスイッチング素子の動作、および回路を流れる電流を説明するための第１の図である。
【図３１】変形例において、回生時にＥＣＵによって制御されるスイッチング素子の動作、および回路を流れる電流を説明するための第２の図である。
【図３２】変形例において、回生時にＥＣＵによって制御されるスイッチング素子の動作、および回路を流れる電流を説明するための第３の図である。
【図３３】変形例の回生時において、各状態でのスイッチング素子の状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下において、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００２６】
［電動機駆動装置の構成］
図１は、本実施の形態に従う電動機駆動装置を搭載した車両１００の全体ブロック図である。本実施の形態においては、車両１００としてエンジンおよびモータジェネレータを搭載したハイブリッド車両を例として説明するが、車両１００の構成はこれに限定されるものではなく、蓄電装置からの電力により電動機を駆動して走行可能な車両であれば適用可能である。車両１００としては、ハイブリッド車両以外にたとえば電気自動車や燃料電池自動車などが含まれる。また、電動機を駆動する機器であれば、車両以外のものにも適用可能である。
【００２７】
図１を参照して、車両１００は、電源装置１１０と、コンバータ１１５と、インバータ１２０と、モータジェネレータ１３０と、電圧センサ１４０，１５０，１６０と、動力伝達ギア１７０と、駆動輪１８０と、エンジン１９０と、コンデンサＣ１，Ｃ２と、制御装置であるＥＣＵ（Electronic Control Unit）３００とを備える。
【００２８】
電源装置１１０は、充放電可能に構成された電力貯蔵要素である。電源装置１１０は、たとえば、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池あるいは鉛蓄電池などの二次電池や、電気二重層キャパシタなどの蓄電素子を含んで構成される。
【００２９】
電源装置１１０は、電力線ＰＬ１および接地線ＮＬ１を介してコンバータ１１５に接続される。また、電源装置１１０は、モータジェネレータ１３０で発電された電力を蓄電する。電源装置１１０の出力はたとえば２００Ｖ程度である。
【００３０】
電圧センサ１４０は、電源装置１１０の電圧ＶＢを検出し、その検出値をＥＣＵ３００へ出力する。
【００３１】
コンデンサＣ１は、電力線ＰＬ１と接地線ＮＬ１との間に接続される。コンデンサＣ１は、電力線ＰＬ１と接地線ＮＬ１との間の電圧変動を低減する。電圧センサ１５０は、コンデンサＣ１にかかる電圧ＶＬを検出し、その検出値をＥＣＵ３００へ出力する。
【００３２】
コンバータ１１５は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４と、ダイオードＤ１〜Ｄ５と、リアクトルＬ１とを含む。
【００３３】
なお、スイッチング素子としては、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、電力用ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタ、あるいは、電力用バイポーラトランジスタ等を用いることができる。本実施の形態においては、スイッチング素子はＩＧＢＴの場合を例として説明する。
【００３４】
スイッチング素子Ｑ１とダイオードＤ１は、電力線ＨＰＬと接地線ＮＬ１との間に直列に接続される。ダイオードＤ１のカソードが電力線ＨＰＬに接続され、ダイオードＤ１のアノードはスイッチング素子Ｑ１のエミッタに接続される。スイッチング素子Ｑ１のコレクタは、接地線ＮＬ１に接続される。
【００３５】
リアクトルＬ１、ダイオードＤ４およびスイッチング素子Ｑ４は、ダイオードＤ１とスイッチング素子Ｑ１の接続ノードと電力線ＰＬ１との間に直列に接続される。リアクトルＬ１の一方端Ｐ２がダイオードＤ１とスイッチング素子Ｑ１の接続ノードに接続され、他方端Ｐ１がダイオードＤ４のカソードに接続される。スイッチング素子Ｑ４のコレクタはダイオードＤ４のアノードに接続され、スイッチング素子Ｑ４のエミッタは電力線ＰＬ１に接続される。
【００３６】
スイッチング素子Ｑ２とダイオードＤ２は、電力線ＨＰＬと、ダイオードＤ４のカソード（すなわち、ダイオードＤ４およびリアクトルＬ１の接続ノード）との間に、直列に接続される。スイッチング素子Ｑ２のエミッタは電力線ＨＰＬに接続され、スイッチング素子Ｑ２のコレクタはダイオードＤ２のアノードに接続される。ダイオードＤ２のカソードは、ダイオードＤ４のカソードに接続される。
【００３７】
ダイオードＤ５は、接地線ＮＬ１とダイオードＤ４のカソードとの間に、接地線ＮＬ１からダイオードＤ４に向かう方向を順方向として接続される。
【００３８】
ダイオードＤ３およびスイッチング素子Ｑ３は、直列に接続された状態で、直列に接続されたリアクトルＬ１、ダイオードＤ４およびスイッチング素子Ｑ４と並列に接続される。スイッチング素子Ｑ３のエミッタはダイオードＤ１とスイッチング素子Ｑ１の接続ノードに接続され、スイッチング素子Ｑ３のコレクタはダイオードＤ３のアノードに接続される。ダイオードＤ３のカソードは電力線ＰＬ１に接続される。
【００３９】
なお、図示しないが、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４については、それぞれダイオードが逆並列に接続される構成としてもよい。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４が、本発明における「切替部」を構成する。
【００４０】
スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は、ＥＣＵ３００からの制御信号ＳＥ１〜ＳＥ４によってオンまたはオフにそれぞれ制御される。
【００４１】
スイッチング素子Ｑ１、ダイオードＤ１およびリアクトルＬ１は、上述のような接続とすることで、昇圧チョッパ回路として動作する。そして、スイッチング素子Ｑ１のオン時間比率であるデューティ比に応じて、電力線ＰＬ１の電圧が昇圧されて電力線ＨＰＬへ出力される。逆に、スイッチング素子Ｑ２、リアクトルＬ１およびダイオードＤ５は、降圧チョッパ回路として動作する。そして、スイッチング素子Ｑ２のデューティ比に応じて、電力線ＨＰＬの電圧が降圧されて電力線ＰＬ１へ出力される。
【００４２】
すなわち、コンバータ１１５は、電源装置１１０からの出力電力を昇圧して、モータジェネレータ１３０を駆動するための電力をインバータ１２０へ供給する。また、コンバータ１１５は、モータジェネレータ１３０の回転力によって発電された電力を降圧して電源装置１１０へ充電電力を供給する。
【００４３】
また、本実施の形態においては、リアクトルＬ１は、図１に示されるように、モータジェネレータ１３０の界磁巻線としても使用される。このように、コンバータ１１５のリアクトルＬ１とモータジェネレータ１３０の界磁巻線とを共用する構成とし、リアクトルＬ１に流れる電流（すなわち界磁電流）を調整することによって、後述するように、モータジェネレータ１３０の出力トルクを増減することが可能となる。
【００４４】
また、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４を制御することによって、リアクトルＬ１に流れる電流の方向および大きさを調整することができる。
【００４５】
コンデンサＣ２は、電力線ＨＰＬと接地線ＮＬ１との間に接続される。コンデンサＣ２は、電力線ＨＰＬと接地線ＮＬ１との間の電圧変動を低減する。電圧センサ１６０は、コンデンサＣ２にかかる電圧ＶＨ、すなわちインバータ１２０に供給される電圧（以下、「システム電圧」とも称する。）を検出し、その検出値をＥＣＵ３００へ出力する。
【００４６】
インバータ１２０は、電力線ＨＰＬおよび接地線ＮＬ１を介してコンバータ１１５と接続される。インバータ１２０は、電力線ＨＰＬおよび接地線ＮＬ１の間に並列に設けられる、Ｕ相アーム１２１と、Ｖ相アーム１２２と、Ｗ相アーム１２３とを含む。各相アームは、電力線ＨＰＬおよび接地線ＮＬ１の間に直列接続されたスイッチング素子を含んで構成される。たとえば、Ｕ相アーム１２１はスイッチング素子Ｑ１５，Ｑ１６を含み、Ｖ相アーム１２２はスイッチング素子Ｑ１７，Ｑ１８を含み、Ｗ相アーム１２３はスイッチング素子Ｑ１９，Ｑ２０を含んで構成される。また、スイッチング素子Ｑ１５〜Ｑ２０には、逆並列ダイオードＤ１５〜Ｄ２０がそれぞれ接続されている。スイッチング素子Ｑ１５〜Ｑ２０のオン・オフは、ＥＣＵ３００からのスイッチング制御信号ＰＷＩによって制御される。
【００４７】
インバータ１２０の各相アームにおけるスイッチング素子の接続ノード点は、モータジェネレータ１３０の各相コイルの各相端に接続されている。すなわち、モータジェネレータ１３０は、３相同期モータであり、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルの一端が中性点に共通に接続される。Ｕ相コイルの他端がスイッチング素子Ｑ１５，Ｑ１６の接続ノードに、Ｖ相コイルの他端がスイッチング素子Ｑ１７，Ｑ１８の接続ノードに、Ｗ相コイルの他端がスイッチング素子Ｑ１９，Ｑ２０の接続ノードにそれぞれ接続されている。インバータ１２０は、ＥＣＵ３００からのスイッチング制御信号ＰＷＩに応答したスイッチング素子Ｑ１５〜Ｑ２０のスイッチング制御により、インバータ１２０とモータジェネレータ１３０との間で双方向の電力変換を行なう。
【００４８】
具体的には、インバータ１２０は、ＥＣＵ３００によるスイッチング制御に従って、電力線ＨＰＬから受ける直流電圧を３相交流電圧に変換し、その変換した３相交流電圧をモータジェネレータ１３０へ出力する。これにより、モータジェネレータ１３０は、指定されたトルクを発生するように駆動される。
【００４９】
また、インバータ１２０は、車両１００の回生制動時、モータジェネレータ１３０が発電した３相交流電圧をＥＣＵ３００によるスイッチング制御に従って直流電圧に変換し、その変換した直流電圧を電力線ＨＰＬへ出力する。
【００５０】
なお、ここで言う回生制動とは、車両１００を運転するドライバーによるフットブレーキ操作があった場合の回生発電を伴なう制動や、フットブレーキを操作しないものの、走行中にアクセルペダルをオフすることで回生発電をさせながら車速を減速（または加速を中止）させることを含む。
【００５１】
モータジェネレータ１３０は上述のように３相交流回転電機であり、たとえば、永久磁石が埋設されたロータを備える永久磁石型同期電動機である。
【００５２】
モータジェネレータ１３０の出力トルクは、減速機や動力分割機構によって構成される動力伝達ギア１７０を介して駆動輪１８０に伝達されて、車両１００を走行させる。モータジェネレータ１３０は、車両１００の回生制動動作時には、駆動輪１８０の回転力によって発電することができる。そして、その発電電力は、インバータ１２０によって電源装置１１０の充電電力に変換される。
【００５３】
また、モータジェネレータ１３０は、動力伝達ギア１７０を介してエンジン１９０とも結合される。そして、モータジェネレータ１３０およびエンジン１９０を協調的に動作させることによって、必要な車両駆動力が発生される。この場合、エンジン１９０の回転による発電電力を用いて、電源装置１１０を充電することも可能である。
【００５４】
さらに、モータジェネレータ１３０は界磁巻線を備える。この界磁巻線は、上述のように、コンバータ１１５のリアクトルＬ１と共用されている。そして、モータジェネレータ１３０は、コンバータ１１５により界磁巻線を流れる界磁電流が制御されることによって、大きなトルクを発生することができる。モータジェネレータ１３０の詳細な構造は、図２〜図５を用いて後述する。
【００５５】
なお、図１においては、インバータおよびモータジェネレータのペアを１つだけ備える構成について示しているが、インバータ，モータジェネレータの数はこれに限定されず、複数のインバータ，モータジェネレータを含む構成としてもよい。
【００５６】
ＥＣＵ３００は、コンバータ１１５やインバータ１２０などを制御するための制御信号を生成して出力する。また、ＥＣＵ３００は、電圧センサ１４０からの電源装置１１０の電圧ＶＢ、および図示しない電流センサによって検出される電源装置１１０の電流に基づいて、電源装置１１０の充電状態（以下、ＳＯＣ「State of Charge」とも称する。）を演算する。
【００５７】
なお、図１においては、ＥＣＵ３００を１つの制御装置とする構成としているが、たとえば、機能ごとまたは制御対象機器ごとに個別の制御装置を設ける構成としてもよい。
【００５８】
［電動機の構成］
次に、図２〜図５を用いて、電動機であるモータジェネレータ１３０の構成について説明する。
【００５９】
図２は、図１で示したモータジェネレータ１３０の側断面図であり、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図である。
【００６０】
図２および図３を参照して、モータジェネレータ１３０は、回転シャフト４１と、回転シャフト４１に固設されたロータ（回転子）４０と、ステータ（固定子）３０の外周に設けられた界磁ヨーク２１と、界磁コイル５０Ａ，５０Ｂとを備える。
【００６１】
ロータ４０とステータ３０との間には、エアギャップＧＰが設けられており、僅かに径方向に離間するように配置されている。
【００６２】
ロータ４０は、回転シャフト４１に固設されたロータコア４３と、ロータコア４３の外表面に設けられた磁石４４とを含む。
【００６３】
ロータコア４３は、円筒状に形成された積層ロータコア４３ａと、積層ロータコア４３ａの内周に設けられた圧粉ロータコア４３ｂとからなる。圧粉ロータコア４３ｂは、一体の磁性材料から構成されており、具体的には粉末成形磁性体（ＳＭＣ：Soft Magnetic Composites）から構成されている。
【００６４】
積層ロータコア４３ａは、複数の電磁鋼板を軸方向に積層して構成されており、この電磁鋼板間に生じる隙間によって、軸方向の磁気抵抗が径方向および周方向の磁気抵抗よりも大きくなっている。そのため、積層ロータコア４３ａの内部においては、磁石からの磁力線は、軸方向に流れ難く、径方向および周方向に流れ易くなっている。
【００６５】
これに対して、圧粉ロータコア４３ｂは、粉末成形磁性体から構成されているため、軸方向の磁気抵抗は、積層ロータコア４３ａの軸方向の磁気抵抗よりも小さくなる。そのため、圧粉ロータコア４３ｂの内部では、磁力線は軸方向に流れ易くなっている。
【００６６】
そして図３に示すように、積層ロータコア４３ａの外表面には、等間隔に隔てて設けられ、かつ、径方向外方に向けて突出する複数のロータティース（第１突極部）４５が形成されている。
【００６７】
隣り合うロータティース４５の間には、磁石４４が設けられる。ロータティース４５の外表面と磁石４４の外表面とは、いずれも、回転シャフト４１の中心軸線を中心とする仮
想の同一円周上に位置している。すなわち、磁石４４は、ロータ４０の周方向にロータティース４５と隣り合うように設けられ、かつ、各外周面が面一となるように設けられている。
【００６８】
磁石４４のＮ極（第１磁極）とＳ極（第２磁極）とは、ロータ４０の径方向に並ぶように配置されている。なお、本実施の形態においては、磁石４４のＮ極がロータコア４３の径方向外方に向けて配置され、磁石４４のＳ極がロータコア４３の径方向内方に向けて配置される例が示されるが、磁石の極が逆となるように配置されてもよい。
【００６９】
ステータ３０は、中空円筒状に形成されたステータコア２２と、ステータコア２２の内表面に形成され、ステータコア２２の径方向内方に向けて突出する複数のステータティース（第２突極部）２３と、ステータティース２３に巻き付けられたコイル２４とを含む。
【００７０】
ステータティース２３は、周方向に等間隔を隔てて形成されている。コイル２４の一部はＵ相コイルを構成し、残りの一部のコイル２４はＶ相コイルを構成し、残りのコイル２４はＷ相コイルを構成する。そして、Ｕ相コイル、Ｖ相コイルおよびＷ相コイルは、一方端が端子とされて図示しないインバータの三相ケーブル（Ｕ相ケーブル、Ｖ相ケーブルおよびＷ相ケーブル）にそれぞれ接続される。さらに、Ｕ相コイル、Ｖ相コイルおよびＷ相コイルは、他方端が１点に共通接続されて中性点とされる。
【００７１】
ＥＣＵ３００（図１）は、電動機駆動装置の外部に設けられたＥＣＵからトルク指令値を受けると、その受けたトルク指令値によって指定されたトルクを出力するように、モータジェネレータ１３０の各相に流す電流（モータ駆動電流）を制御する。制御されたモータ駆動電流は、三相ケーブルを介してコイル２４へ供給される。
【００７２】
ステータコア２２は、磁性鋼板を複数積層して形成されるため、磁性鋼板間にはエアギャップが生じている。そのため、ステータコア２２の径方向および周方向の磁気抵抗は、軸方向の磁気抵抗よりも小さくなっている。これにより、ステータコア２２内に入り込んだ磁力線は、ステータコア２２の周方向および径方向に流れ易く、軸方向に流れ難くなっている。
【００７３】
図２に示すように、界磁ヨーク２１は、ステータ３０およびロータ４０の両端部から軸方向に離間した位置に配置された天板部２１ａ，２１ｆと、この天板部２１ａ，２１ｆの周縁部に形成された円筒状の側壁部２１ｂと、天板部２１ａ，２１ｆにそれぞれ形成された円筒状の突部２１ｃ，２１ｅとを備えている。
【００７４】
天板部２１ａ，２１ｆの中央部には、貫通孔２１ｄ，２１ｇがそれぞれ形成されており、貫通孔２１ｄ，２１ｇ内には軸受４６ａ，４６ｂを介して、回転シャフト４１が挿入されている。側壁部２１ｂは、ステータコア２２の外表面に固設されている。
【００７５】
界磁ヨーク２１は、一体の磁性材料から構成されており、具体的には、３次元完全等方材料である粉末成形磁性体（ＳＭＣ）から構成されている。このため、界磁ヨーク２１の軸方向の磁気抵抗は、ステータコア２２の軸方向の磁気抵抗より小さくされている。
【００７６】
突部２１ｃ，２１ｅは、それぞれ天板部２１ａ，２１ｆの内表面に形成され、圧粉ロータコア４３ｂの軸方向端部に向けて突出している。そして、突部２１ｃ，２１ｅの端部と圧粉ロータコア４３ｂの端部との間で、磁力線が途切れない程度に、突部２１ｃ，２１ｅの端部と圧粉ロータコア４３ｂの端部とが近接している。
【００７７】
このため、磁石４４の表面からエアギャップＧＰおよびステータコア２２を介して界磁ヨーク２１に達し、界磁ヨーク２１内を軸方向に流れ、突部２１ｃ，２１ｅから圧粉ロータコア４３ｂ内に入り込み、磁石４４のＳ極に戻るという磁気回路（第１磁気回路）を形成することができる。
【００７８】
この磁気回路において、ステータコア２２の径方向の磁気抵抗は小さく抑えられており、界磁ヨーク２１内の磁気抵抗も小さく抑えられており、さらに、圧粉ロータコア４３ｂの磁気抵抗も小さく抑えられているため、磁気エネルギのロスを小さく抑えることができる。
【００７９】
なお、図２に示す例においては、円筒状の突部２１ｃ，２１ｅが界磁ヨーク２１に形成されているが、圧粉ロータコア４３ｂの端部に設けてもよい。
【００８０】
界磁コイル（巻線）５０Ａ，５０Ｂは、突部２１ｃ，２１ｅの外周面にそれぞれ巻き付けられている。この界磁コイル５０Ａ，５０Ｂに電流を流すことにより、突部２１ｃ，２１ｅの端部側にたとえば、Ｎ極の磁性を持たせるとともに、側壁部２１ｂにＳ極の磁性を持たせることができる。あるいは、突部２１ｃ，２１ｅの端部側にＳ極の磁性を持たせるとともに、側壁部２１ｂにＮ極の磁性を持たせることができる。なお、本実施の形態においては、界磁コイル５０Ａ，５０Ｂは、界磁ヨーク２１の突部２１ｃ，２１ｅに設けられているが、この位置に限られず界磁ヨーク２１に設けられておればよい。ここで、界磁コイル５０（以下、界磁コイル５０Ａ，５０Ｂを総称して「界磁コイル５０」とも称する。）が界磁ヨーク２１に設けられているとは、界磁コイル５０が界磁ヨーク２１の表面に当接している場合に限られず、界磁ヨーク２１内の磁力線の流れを制御可能な程度であれば、界磁ヨーク２１の表面から離間している場合も含む。なお、本実施の形態においては、界磁コイル５０Ａ，５０Ｂが直列接続されて図１のリアクトルＬ１を構成する。
【００８１】
上記のように構成されたモータジェネレータ１３０の動作について、図４および図５を用いて説明する。図４は、図２に示す界磁コイル５０の電流が供給された状態におけるモータジェネレータ１３０の側断面図であり、図５は、図４のＶ−Ｖ線における断面図である。
【００８２】
図４を参照して、界磁コイル５０に電流を流すことにより、磁力線ｍｔ４が発生される。この磁力線ｍｔ４は、界磁ヨーク２１の天板部２１ａを通り、側壁部２１ｂからステータコア２２内に入り込む。そして、磁力線ｍｔ４は、エアギャップＧＰを解して、ロータコア４３内に入り込み、ロータコア４３内を軸方向に進む。その後、磁力線ｍｔ４は、ロータコア４３の軸方向端面から、突部２１ｃの端面を介して、界磁ヨーク２１内に入り込む。なお、突部２１ｅ側についても同様である。
【００８３】
このような磁気回路を発生させることにより、界磁ヨーク２１の突部２１ｃ，２１ｅがＳ極の磁性を帯び、界磁ヨーク２１の側壁部２１ｂがＮ極の磁性を帯びることになる。
【００８４】
図５においては、磁石４４の端部のうち、ロータ４０の回転方向Ｐ前方側の端部側にステータティース２３ａが配置されており、磁石４４の外主面の周方向の中央部は、ステータティース２３ａの端面の周方向の中央部に回転方向Ｐの後方側に位置している。このステータティース２３ａの内径側の端面がＳ極とされている。
【００８５】
このため、磁石４４の外主面から出る磁力線ｍｔ１〜ｍｔ４は、径方向外方に向かうに従って、回転方向Ｐの前方側に向かうように傾斜し、ステータティース２３ａの端面に達する。このように、磁石４４およびステータティース２３ａ間の磁力線ｍｔ１〜ｍｔ３の磁気経路が傾斜し長くなっているので、磁気経路が最短となるようにロータ４０に応力が加えられる。すなわち、磁石４４は、ステータティース２３ａに向けて引っ張られることとなる。
【００８６】
ステータティース２３ａに対して、ロータ４０の回転方向Ｐ後方側には、ステータティース２３ｂが設けられており。このステータティース２３ｂは、磁石４４の中央部付近と
対向している。ステータティース２３ｂの内径側の端面は、Ｎ極とされており、磁石４４と反発している。
【００８７】
このため、ステータティース２３ａからステータコア２２内に入り込んだ磁力線ｍｔ１〜ｍｔ３は、ステータコア２２内を周方向に流れる。このとき、上述したように、界磁コイル５０に電流を流したことによって側壁部２１ｂの内壁面がＮ極となっている。そのため、磁石４４からの磁力線ｍｔ１〜ｍｔ３は、ステータティース２３ａの端面からステータコア２２内に入り込むと、ステータコア２２の周方向に沿って進む。すなわち、磁力線ｍｔ１〜ｍｔ３が、ステータティース２３ａに達した後、ステータコア２２内を径方向に流れ、界磁ヨーク２１に達するのが抑制されている。
【００８８】
そして、ステータティース２３ｂに対して、ロータ４０の回転方向Ｐ後方側には、ステータティース２３ｃが設けられており、内径側の端面はＮ極とされている。このステータティース２３ｃはロータティース４５ａと対向している。
【００８９】
ここで、ロータティース４５ａに隣接する磁石４４の外表面はＮ極とされているため、ステータティース２３ｃの端面からロータティース４５ａに向かう磁力線ｍｔ１〜ｍｔ３は、この磁石４４のＮ極の影響を受けて、回転方向Ｐ後方に傾斜するようにロータティース４５ａに向けて流れる。そして、この経路長が最短となるように、ロータティース４５ａがステータティース２３ｃに向けて良好に引き寄せられる。
【００９０】
このように、磁力線ｍｔ１〜ｍｔ３は、磁石４４からエアギャップＧＰを介して、ステータティース２３ａに達してステータコア２２内を周方向に通り、その後、ステータティース２３ｃからエアギャップＧＰを介して積層ロータコア４３ａ内に達し、再度磁石４４に戻るという磁気回路Ｋ１を形成する。
【００９１】
一方、界磁コイル５０に電流が供給されていない状態では、磁石４４からの磁力線ｍｔ１〜ｍｔ３の一部（たとえば磁力線ｍｔ３）は、ステータティース２３ａに達した後、ステータコア２２内を径方向に流れ、界磁ヨーク２１に達する。そして、磁力線ｍｔ３は、界磁ヨーク２１を軸方向に通り、突部２１ｃから圧粉ロータコア４３ｂ内に入り込み、再度磁石４４に戻るという磁気回路Ｋ２（図示せず）を形成する。
【００９２】
すなわち、界磁コイル５０に電流を流すことによって、磁石４４から発せられる磁力線ｍｔ１〜ｍｔ３が磁気回路Ｋ２を通ることを抑制し、磁力線ｍｔ１〜ｍｔ３が磁気回路Ｋ１を通るように制御することができる。これにより、磁石４４から生じる一定の磁束量のうち、トルクの発生に大きく貢献する磁気回路Ｋ１を通る磁束量の割合を増加することができるため、大きなトルクを得ることができる。
【００９３】
さらに、界磁コイル５０によって生じる磁力線ｍｔ４は、図５に示すように、磁気回路Ｋ１の一部であって、ステータティース２３ｃからロータティース４５ａに達する経路を通り、その後、圧粉ロータコア４３ｂに達する。このため、磁力線ｍｔ４もトルクの発生に寄与する。
【００９４】
以上に説明したように、界磁コイル５０に電流を流すことによって、モータジェネレータ１３０には「強め界磁制御」が施される。図６は、モータジェネレータ１３０のトルクと回転数との関係を示す図である。
【００９５】
図６において、実線の曲線ｋ１は、界磁コイル５０に電流が供給されていない状態（界磁電流Ｉｆ＝０）におけるモータジェネレータ１３０の出力特性を示す。一方、破線の曲線ｋ２は、界磁コイル５０に電流が供給された状態（界磁電流Ｉｆ≠０）における電動機の出力特性を示す。
【００９６】
図６に示されるように、界磁コイル５０に電流を流してモータジェネレータ１３０に強め界磁制御を行なうことにより、回転数が低い領域においてトルクが大きくなっていることが分かる。その一方で、界磁が強まることによって電圧が上昇するため、運転可能な最高回転数は低下する。
【００９７】
なお、界磁コイル５０に流す電流の向きを反転することによりモータジェネレータ１３０に「弱め界磁制御」を施すこともできる。この場合、界磁コイル５０に電流を流すことによって、磁気回路Ｋ１を通る磁束量の割合が減少する。
【００９８】
また、本実施の形態によれば、ロータ４０の外周面のうち、磁石４４の表面は、磁力線を発する領域として機能しており、ロータティース４５は、発せられた磁力線を取り込む領域として機能している。そして、磁石４４およびロータティース４５は、ロータ４０の軸方向に亘って延在しているため、ロータ４０の外周面は、磁石４４の表面とロータティース４５の表面とから構成されている。そのため、ロータティース４５の外周面の略全面を、磁力線の出力領域および磁力線の取入領域として機能させることが可能となるため、ロータ４０の外周面の利用効率を向上することができる。その結果、小型のロータ４０であっても所要の磁束量の出し入れを行なうことができるため、ロータ４０自体をコンパクトに構成することができる。
【００９９】
［従来技術の問題点］
次に、図７を用いて、従来技術の問題点について説明する。
【０１００】
図７は、本実施の形態の比較例の電動機駆動装置を搭載した車両１００Ａの全体ブロック図である。この比較例の構成は、上述の特開２００８−２２８５３４号公報（特許文献１）に開示された電動機駆動装置の構成である。なお、図７においては、図１におけるコンバータ１１５が、コンバータ１１５Ａに置き換わったものとなっている。図７において、図１と重複する要素の説明は繰り返さない。
【０１０１】
図７を参照して、コンバータ１１５Ａは、スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１３と、ダイオードＤ１１〜Ｄ１３と、リアクトルＬ１とを含む。リアクトルＬ１は、図１と同様に、モータジェネレータ１３０の界磁巻線としても使用される。
【０１０２】
スイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２は、電力線ＨＰＬと接地線ＮＬ１との間に直列に接続される。ダイオードＤ１１，Ｄ１２は、それぞれスイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２に逆並列に接続される。
【０１０３】
リアクトルＬ１は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の接続ノードと電力線ＰＬ１とに接続される。
【０１０４】
スイッチング素子Ｑ１３およびダイオードＤ１３は直列に接続された状態で、リアクトルＬ１に並列に接続される。スイッチング素子Ｑ１３のエミッタはスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の接続ノードに接続され、スイッチング素子Ｑ１３のコレクタはダイオードＤ１３のアノードに接続される。ダイオードＤ１３のカソードは、電力線ＰＬ１に接続される。
【０１０５】
このような構成とすることで、コンバータ１１５Ａは、電力線ＰＬ１から電力線ＨＰＬへの昇圧動作と、電力線ＨＰＬから電力線ＰＬ１への降圧動作の双方向の電圧変換が可能である。また、スイッチング素子Ｑ１３を制御することによって、リアクトルＬ１に流れる電流、すなわちモータジェネレータ１３０の界磁電流を調整することができる。
【０１０６】
このようなコンバータ１１５Ａにおいては、力行状態の場合は、図７中の破線矢印ＡＲ２の方向に電流が流れる。一方、回生状態の場合には、実線矢印ＡＲ１の方向に電流が流れる。したがって、力行時と回生時において、リアクトルＬ１に流れる電流の方向が逆向きになる。そうすると、回生時には、図４，図５で説明した界磁電流によって発生する磁力線の向きが逆になり、磁石からの磁力線の一部が相殺されることによって、「界磁弱め」の状態となる。
【０１０７】
図８に示されるように、界磁電流が正の場合（図８中の曲線Ｗ１２）には、界磁電流がない場合（図８中の曲線Ｗ１１）に比べて、同じモータ電流でも高トルクが出力可能であるが、界磁電流が負の場合（図８中の曲線Ｗ１３）には、界磁電流がない場合（図８中の曲線Ｗ１１）に比べて、逆に発生トルクが減少する。すなわち、図９のように、力行状態で界磁電流を増加させると低回転数の領域でモータジェネレータ１３０のトルクを増加させることはできるが、回生状態で界磁電流を負の方向に増加させると、逆に低回転数の領域ではモータジェネレータ１３０のトルクを減少させることはできても増加させることはできない。これによって、たとえば、減速時に所望の減速トルクが発生できずに、減速にかかる距離や時間が長くなったり、トルク減少によって損失低減の効果が発揮できなくなったりするおそれがある。
【０１０８】
そこで、本実施の形態においては、図１に示した構成を有する電動機制御装置において、ＥＣＵ３００によってスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を制御することによって、力行時および回生時の両方の場合で、モータジェネレータ１３０によって発生するトルクを増加させることができる。
【０１０９】
［電動機制御装置の制御構造］
再び図１を参照して、ＥＣＵ３００は、いずれも図１には図示しないがＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置および入出力バッファを含み、各センサ等からの信号の入力や各機器への制御信号の出力を行なうとともに、車両１００および各機器の制御を行なう。なお、これらの制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア（電子回路）で処理することも可能である。
【０１１０】
ＥＣＵ３００は、上位のＥＣＵ（図示せず）から入力されたモータ指令に従ってモータジェネレータ１３０が動作するように、コンバータ１１５およびインバータ１２０のスイッチング制御を行なうための制御信号ＳＥ１〜ＳＥ４，ＰＷＩを生成し、コンバータ１１５およびインバータ１２０の電力変換動作を制御する。
【０１１１】
さらに、上述のように、ＥＣＵ３００は、コンバータ１１５のスイッチング素子を制御することによって、モータジェネレータ１３０の界磁コイル５０に流れる電流を制御する。
【０１１２】
本実施の形態においては、ＥＣＵ３００は、モータジェネレータ１３０の運転状態に応じてシステム電圧ＶＨの目標値ＶＨ＊を設定するとともに、界磁電流Ｉｆの目標値Ｉｆ＊を設定する。そして、この目標値ＶＨ＊，Ｉｆ＊に基づいて、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のデューティ比を設定する。以下、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のデューティ比の設定動作について説明する。
【０１１３】
図１０〜図２１は、ＥＣＵ３００によるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のスイッチング制御を説明するための図である。図１０〜図１５は力行時の動作を説明するためのものであり、図１６〜図２１は回生時の動作を説明するためのものである。
【０１１４】
まず、力行時の動作について説明する。
図１０〜図１３は、力行時におけるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の動作状態と、そのときに回路に流れる電流を示す図である。力行時には、図１４のタイムチャートに示すように、状態Ａから状態Ｃまでのパターンを制御の１周期として実行する。なお、状態Ｃについては、状態Ｃ−１（図１２）および状態Ｃ−２（図１３）の２つのパターンが示されているが、この２つのパターンのどちらを採用してもよい。各状態におけるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の状態を、図１５に示す。
【０１１５】
図１０を参照して、最初に、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ４がオンに設定されるとともに、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３がオフに設定される（状態Ａ）。これによって、電流が矢印ＡＲ１１のように流れ、リアクトルＬ１にエネルギが蓄積される。このとき、図１４の曲線Ｗ２１における、時刻ｔ１〜ｔ２，ｔ４〜ｔ５のように、リアクトルＬ１に流れるリアクトル電流ＩＬ（すなわち、モータジェネレータ１３０の界磁電流Ｉｆ）が増加する。
【０１１６】
次に、図１１の状態Ｂのように、スイッチング素子Ｑ１をオフに切替える（すなわち、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３をオフ、スイッチング素子Ｑ２をオンに設定する）。そうすると、リアクトルＬ１に蓄積されたエネルギに応じた電流が、矢印ＡＲ１２のように、リアクトルＬ１からダイオードＤ１を介してインバータ１２０側に流れる。このとき、図１４の時刻ｔ２〜ｔ３，ｔ５〜ｔ６のように、リアクトル電流ＩＬはエネルギの放出とともに徐々に減少する。
【０１１７】
その後、図１２の状態Ｃ−１のように、スイッチング素子Ｑ３をオンに切替える（すなわち、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をオフ、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４をオンに設定する）。そうすると、矢印ＡＲ１３のように、リアクトルＬ１からスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４を介して再びリアクトルＬ１に戻るような循環電流が流れる。このときは、図１４の時刻０〜ｔ１，ｔ３〜ｔ４などのように、リアクトル電流ＩＬは、リアクトルＬ１やスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４などの導通損失を除けば、ほぼ一定に維持される。
【０１１８】
この制御周期を繰り返すことによって、図１４の曲線Ｗ２４のような平均電流が界磁電流Ｉｆとしてモータジェネレータ１３０に供給される。また、状態ＢにおいてリアクトルＬ１から供給される電流によってシステム電圧ＶＨが昇圧される。そして、状態Ｂにおける平均電流とシステム電圧ＶＨとの積で示される電力がインバータ１２０に供給される。
【０１１９】
なお、状態Ｃについては、図１３の状態Ｃ−２とすることも可能である。この場合は、状態Ｂから、スイッチング素子Ｑ２をオンに切替えるとともに、スイッチング素子Ｑ４をオフに切替える（すなわち、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ４をオフ、スイッチング素子Ｑ２をオンに設定する）。これによって、矢印１４のように、リアクトルＬ１からダイオードＤ１およびスイッチング素子Ｑ２を介して再びリアクトルＬ１に戻る循環電流が流れるので、状態Ｃ−１の場合と同様に、リアクトルＬ１に流れる電流を維持することができる。ただし、状態Ｃ−１のほうが、状態Ｂからの遷移において切替えられるスイッチング素子の数が少ないので、より好適である。
【０１２０】
上記のようなスイッチング動作において、状態Ａ〜状態Ｃでの各スイッチング素子のデューティ比を適切に設定することによって、図１４中の破線Ｗ２２，Ｗ２３のように、界磁電流Ｉｆと昇圧電圧を独立して調整することが可能となる。なお、いずれの状態においても、リアクトル電流は、図中の点Ｐ１から点Ｐ２に向かう方向に流れる。
【０１２１】
一方、回生時における動作を図１６〜図２１を用いて説明する。
図１６〜図１９は、回生時におけるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の動作状態と、そのときに回路に流れる電流を示す図である。回生時には、図２０のタイムチャートに示すように、状態Ｄから状態Ｆまでのパターンを制御の１周期として実行する。なお、力行時の状態Ｃと同様に、状態Ｆについては、状態Ｆ−１（図１８）および状態Ｆ−２（図１９）の２つのパターンが示されているが、この２つのパターンのどちらを採用してもよい。各状態におけるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の状態を図２１に示す。
【０１２２】
図１６を参照して、最初に、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３がオンに設定されるとともに、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ４がオフに設定される（状態Ｄ）。これによって、電流が矢印ＡＲ２１のように、電力線ＨＰＬからスイッチング素子Ｑ２、リアクトルＬ１およびスイッチング素子Ｑ３を介して流れ、電源装置１１０が充電されるとともに、リアクトルＬ１にエネルギが蓄積される。このとき、図２０の曲線Ｗ３１における、時刻ｔ１１〜ｔ１２，ｔ１４〜ｔ１５のように、リアクトルＬ１に流れるリアクトル電流ＩＬ（界磁電流Ｉｆ）が増加する。
【０１２３】
次に、図１７の状態Ｅのように、スイッチング素子Ｑ２をオフに切替える（すなわち、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ４をオフ、スイッチング素子Ｑ３をオンに設定する）。そうすると、リアクトルＬ１に蓄積されたエネルギに応じた電流が、矢印ＡＲ２２のように、リアクトルＬ１からスイッチング素子Ｑ３を介して電源装置１１０側に流れ、充電を継続する。このとき、図２０の時刻ｔ１２〜ｔ１３，ｔ１５〜ｔ１６のように、リアクトル電流ＩＬはエネルギの放出とともに徐々に減少する。
【０１２４】
その後、図１８の状態Ｆ−１のように、スイッチング素子Ｑ４をオンに切替える（すなわち、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をオフ、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４をオンに設定する）。そうすると、ダイオードＤ５のカソード（図中の点Ｐ１）の電位が電源装置１１０の電圧と等しくなるために図１７の電流が止まり、矢印ＡＲ２３のように、リアクトルＬ１からスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４を介して再びリアクトルＬ１に戻るような循環電流が流れる。このときは、図２０の時刻０〜ｔ１１，ｔ１３〜ｔ１４などのように、リアクトル電流ＩＬは、ほぼ一定に維持される。
【０１２５】
これによって、図２０の曲線Ｗ３２のような平均電流が界磁電流Ｉｆとしてモータジェネレータ１３０に供給される。また、状態Ｄにおいて、電力線ＨＰＬ側から供給される電流によってシステム電圧ＶＨが降圧される。
【０１２６】
なお、状態Ｆについては、上述のように図１９の状態Ｆ−２とすることも可能である。この場合は、状態Ｅから、スイッチング素子Ｑ２をオンに切替えるとともに、スイッチング素子Ｑ３をオフに切替える（すなわち、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ４をオフ、スイッチング素子Ｑ２をオンに設定する）。そうすると、ダイオードＤ１のアノードの電位が上昇し、電力線ＨＰＬの電位よりも高くなると、ダイオードＤ１が導通する。これによって、矢印ＡＲ２４のように、リアクトルＬ１からダイオードＤ１およびスイッチング素子Ｑ２を介して再びリアクトルＬ１に戻る循環電流が流れるので、状態Ｆ−１の場合と同様にリアクトルＬ１に流れる電流を維持することができる。この場合も、力行時と同様に、状態Ｆ−１のほうが、状態Ｅからの遷移において切替えられるスイッチング素子の数が少ないので、より好適である。
【０１２７】
なお、回生時においても、図１６〜図１９で示したように、状態Ｄ〜状態Ｆのいずれの状態においても、電流は図中の点Ｐ１から点Ｐ２の方向に流れる。すなわち、力行時および回生時を通して、界磁電流Ｉｆによって発生する磁力線がロータの磁石により発生する磁力線を強める方向となる。したがって、図２２に示すように、力行時および回生時のいずれにおいても、界磁電流Ｉｆを増加させることによって、低回転数の領域において、発生するトルクを増加させることが可能となる。これによって、力行時だけでなく、回生時においてもトルクアップおよび損失低減による効率改善を図ることができる。なお、状態Ａ〜状態Ｃで流れる電流経路および状態Ｄ〜状態Ｆで流れる電流経路は、それぞれ本発明における「第１の電流経路」および「第２の電流経路」の一例である。
【０１２８】
図２３は、本実施の形態において、ＥＣＵ３００で実行されるスイッチング制御を説明するための機能ブロック図である。図２３で説明される機能ブロック図に記載された各機能ブロックは、ＥＣＵ３００によるハードウェア的あるいはソフトウェア的な処理によって実現される。
【０１２９】
図１および図２３を参照して、ＥＣＵ３００は、目標設定部３１０と、デューティ設定部３２０と、制御信号設定部３３０とを含む。
【０１３０】
目標設定部３１０は、上位ＥＣＵ（図示せず）からのモータジェネレータ１３０のトルク指令値ＴＲ、および、図示しない回転センサによって検出されたモータジェネレータ１３０の回転速度ＭＲＮを受ける。そして、目標設定部３１０は、これらの情報に基づいて、予め定められたマップ等を用いることによって、システム電圧ＶＨの目標値ＶＨ＊、および界磁電流Ｉｆの目標値Ｉｆ＊を設定し、その設定値をデューティ設定部３２０に出力する。
【０１３１】
デューティ設定部３２０は、目標設定部３１０で設定された目標値ＶＨ＊，Ｉｆ＊、電圧センサ１５０，１６０からの電圧ＶＬ，ＶＨの検出値を受ける。デューティ設定部３２０は、これらの情報に基づいて、目標値ＶＨ＊，Ｉｆ＊を達成するための、コンバータ１１５に含まれるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４、およびインバータ１２０に含まれるスイッチング素子Ｑ１５〜Ｑ２０のそれぞれのデューティ比を設定する。そして、設定されたデューティ比指令ＤＵＴＹを制御信号設定部３３０へ出力する。
【０１３２】
制御信号設定部３３０は、デューティ設定部３２０からのデューティ比指令ＤＵＴＹに従った制御信号ＳＥ１〜ＳＥ４，ＰＷＩを生成し、コンバータ１１５およびインバータ１２０へ出力する。
【０１３３】
図２４は、本実施の形態において、ＥＣＵ３００で実行されるスイッチング制御処理の詳細を説明するためのフローチャートである。図２４に示すフローチャート中の各ステップについては、ＥＣＵ３００に予め格納されたプログラムが、メインルーチンから呼び出されて所定周期で実行されることによって実現される。あるいは、一部のステップについては、専用のハードウェア（電子回路）を構築して処理を実現することも可能である。
【０１３４】
図１および図２４を参照して、ＥＣＵ３００は、ステップ（以下、ステップをＳと略す。）１００にて、モータジェネレータ１３０のトルク指令値ＴＲおよびモータ回転速度ＭＲＮを取得する。また、Ｓ１１０にて、ＥＣＵ３００は、電圧センサ１５０，１６０による電圧ＶＬ，ＶＨの検出値を取得する。
【０１３５】
次に、ＥＣＵ３００は、Ｓ１２０にて、取得したモータ要求出力（ＴＲ，ＭＲＮ）に基づいて、システム電圧ＶＨの目標値ＶＨ＊および界磁電流Ｉｆの目標値Ｉｆ＊を、たとえばマップ等を参照することによって設定する。このとき、制御モードが力行であるか回生であるかについての判断も行なう。
【０１３６】
そして、ＥＣＵ３００は、Ｓ１３０にて、目標値ＶＨ＊，Ｉｆ＊、実際のセンサからの検出値ＶＬ，ＶＨおよび力行／回生の制御モードなどに基づいて、コンバータ１１５およびインバータ１２０に含まれる各スイッチング素子のデューティ比を演算する。
【０１３７】
そして、ＥＣＵ３００は、Ｓ１４０にて、演算されたデューティ比に従って、各スイッチング素子のスイッチング制御を行なう。
【０１３８】
このような処理に従って制御を行なうことによって、コンバータ１１５による電圧変換とモータジェネレータ１３０の界磁制御を独立して行なうことが可能となるとともに、力行時および回生時のいずれの場合においても、界磁コイル５０に同じ向きの界磁電流を流すことが可能となる。これによって、電動機駆動装置において、電動機の大型化を抑制しつつ、力行時および回生時の両方でトルクアップおよび損失低減を行なうことが可能となる。
【０１３９】
［変形例］
図２５は、本実施の形態に従う、他の例の電動機駆動装置を搭載した車両１００Ｂの全体ブロック図である。図２５は、図１におけるコンバータ１１５がコンバータ１１５Ｂに置き換わっており、さらにモータジェネレータ１３０がモータジェネレータ１３０Ｂに置き換わったものとなっている。図２５において、図１と重複する要素の説明は繰り返さない。
【０１４０】
図２５を参照して、モータジェネレータ１３０Ｂは、基本的な構造は、図２〜図５で説明したモータジェネレータ１３０と同じである。しかしながら、モータジェネレータ１３０では、界磁コイル５０Ａ，５０Ｂがモータジェネレータ１３０内で直列に接続された状態でコンバータ１１５に接続されていたものが、モータジェネレータ１３０Ｂにおいては、界磁コイル５０Ａ，５０Ｂが個別にコンバータ１１５Ｂと接続される構成となっている。
【０１４１】
コンバータ１１５Ｂは、図１におけるコンバータ１１５における、リアクトルＬ１の部分に界磁コイル５０ＡであるリアクトルＬ２が接続される。そして、ダイオードＤ２のカソードと、ダイオードＤ４のカソードとの間に、界磁コイル５０ＢであるリアクトルＬ３が接続される。また、コンバータ１１５Ｂにおいては、スイッチング素子Ｑ４が削減され、ダイオードＤ４のアノードが電力線ＰＬ１に接続される。残りの要素である、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３およびダイオードＤ１〜Ｄ３，Ｄ５の接続は、コンバータ１１５と同様である。
【０１４２】
このような構成とすることで、コンバータ内のスイッチング素子Ｑ４を削減することが可能となる。なお、リアクトルＬ２，Ｌ３については、モータジェネレータ１３０Ｂ内に発生する磁束のアンバランスが生じないようにするために、基本的には、それぞれの有するリアクタンスがほぼ同じになるようにすることが好ましい。
【０１４３】
図２５におけるコンバータ１１５Ｂのスイッチング素子のスイッチング状態と、回路を流れる電流の状態を、以下の図２６〜図３３を用いて説明する。なお、図２６〜図２９は力行時の場合を示しており、図３０〜図３３は回生時の場合を示している。
【０１４４】
図２６は、図１０で示した状態Ａに対応する場合であり、この場合は、スイッチング素子Ｑ１がオンに設定され、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３はオフに設定される。このときに回路に流れる電流は、矢印ＡＲ３１のように流れ、リアクトルＬ２、Ｌ３にエネルギが蓄積される。
【０１４５】
次に、図２７では、図１１で示した状態Ｂと同様に、スイッチング素子Ｑ１がオフに切替えられ、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３のすべてがオフに設定される。このとき、電流は、リアクトルＬ２，Ｌ３に蓄積されたエネルギに応じた電流が、ダイオードＤ１を介してインバータ１２０側へ供給される。
【０１４６】
そして、図２８では、スイッチング素子Ｑ２がオンに切替えられる。これによって、図１３で示した状態Ｃ−２のように、リアクトルＬ３からダイオードＤ１およびスイッチング素子Ｑ２を介して再びリアクトルＬ３に戻るような循環電流（図２８中の矢印ＡＲ３３）が流れる。その後、再度状態Ａに戻って次のスイッチング周期が開始される。
【０１４７】
図２９に、力行時のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３のスイッチング状態を示す。なお、図示しないが、状態Ｃにおいては、図１２で示した状態Ｃ−１のように、スイッチング素子Ｑ３をオンに設定することで、リアクトルＬ３から、スイッチング素子Ｑ３、ダイオードＤ４およびリアクトルＬ２を介して再びリアクトルＬ３に戻るような循環電流が流れるようにしてもよい。
【０１４８】
次に、図３０〜図３３を用いて回生時の状態について説明する。
図３０は、図１６で示した状態Ｄに対応する場合であり、この場合は、スイッチング素子Ｑ１がオフに設定され、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３がオンに設定される。このとき、電流は矢印ＡＲ４１のように流れ、リアクトルＬ３にエネルギが蓄積される。なお、この場合は、図中の点Ｐ１の電位が電力線ＰＬ１の電位よりも高いため、リアクトルＬ２には電流は流れない。
【０１４９】
次に、図３１では、図１７で示した状態Ｅと同様に、スイッチング素子Ｑ２がオフに切替えられ、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２がオフに設定されるとともに、スイッチング素子Ｑ３がオンに設定される。これによって、リアクトルＬ３に蓄えられたエネルギが放出されて、リアクトルＬ３からスイッチング素子Ｑ３を介して電源装置１１０へ電流が継続して流れる（図３１中の矢印ＡＲ４２）。
【０１５０】
そして、図３２では、スイッチング素子Ｑ３がオフに切替えられる。これによって、図１９の状態Ｆ−２のように、リアクトルＬ３からダイオードＤ１およびスイッチング素子Ｑ２を介して再びリアクトルＬ３に戻るような循環電流（図３２中の矢印ＡＲ４３）が流れる。
【０１５１】
図３３に、回生時のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３のスイッチング状態を示す。なお、回生時においては、リアクトルＬ２にエネルギが蓄積されていないため、図２０のような状態Ｆ−１とすることはできない。
【０１５２】
以上のように、図２５で示した変形例の構成においても、力行時および回生時のいずれの場合でも、同じ向きの界磁電流を流すことが可能となる。変形例においては、一部の状態において、リアクトルＬ３には電流が流れるがリアクトルＬ２には電流が流れず、エネルギが図１の構成と比べて小さくなる可能性がある。そうすると、界磁電流を流すことによるトルクの増加量が小さくなる可能性がある。しかしながら、一方でスイッチング素子Ｑ４を削減できることによって機器および制御の削減が可能となるために、全体のコストを低減することが可能となる。
【０１５３】
なお、本実施の形態における「スイッチング素子Ｑ１」は、本発明の「昇圧用スイッチング素子」の一例である。本実施の形態における「スイッチング素子Ｑ２」，「スイッチング素子Ｑ３」，「スイッチング素子Ｑ４」は、それぞれ本発明の「第１のスイッチング素子」，「第２のスイッチング素子」，「第３のスイッチング素子」の一例である。また、本実施の形態の「ダイオードＤ１」，「ダイオードＤ５」，「ダイオードＤ４」は、それぞれ本発明の「第１の整流素子」，「第２の整流素子」，「第３の整流素子」の一例である。本実施の形態における「電力線ＰＬ１」および「電力線ＨＰＬ」は、それぞれ本発明の「第１の電力線」および「第２の電力線」の一例である。
【０１５４】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１５５】
２１ 界磁ヨーク、２１ａ，２１ｆ 天板部、２１ｂ 側壁部、２１ｃ，２１ｅ 突部、２１ｄ，２１ｇ 貫通孔、２２ ステータコア、２３，２３ａ〜２３ｃ ステータティース、２４ コイル、３０ ステータ、４０ ロータ、４１ 回転シャフト、４３ ロータコア、４３ａ 積層ロータコア、４３ｂ 圧粉ロータコア、４４ 磁石、４５，４５ａ ロータティース、４６ａ，４６ｂ 軸受、５０，５０Ａ，５０Ｂ 界磁コイル、１００，１００Ａ，１００Ｂ 車両、１１０ 電源装置、１１５，１１５Ａ，１１５Ｂ コンバータ、１２０ インバータ、１２１ Ｕ相アーム、１２２ Ｖ相アーム、１２３ Ｗ相アーム、１３０，１３０Ｂ モータジェネレータ、１４０，１５０，１６０ 電圧センサ、１７０ 動力伝達ギア、１８０ 駆動輪、１９０ エンジン、３００ ＥＣＵ、３１０ 目標設定部、３２０ デューティ設定部、３３０ 制御信号設定部、Ｃ１，Ｃ２ コンデンサ、Ｄ１〜Ｄ５，Ｄ１１〜Ｄ１３，Ｄ１５〜Ｄ２０ ダイオード、ＧＰ エアギャップ、ＨＰＬ，ＰＬ１ 電力線、Ｋ１，Ｋ２ 磁気回路、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３ リアクトル、ｍｔ１〜ｍｔ４ 磁力線、ＮＬ１ 接地線、Ｑ１〜Ｑ４，Ｑ１１〜Ｑ１３，Ｑ１５〜Ｑ２０ スイッチング素子。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
界磁巻線を含み、前記界磁巻線に界磁電流を流すことによって形成される界磁極を有するロータとステータとを備える電動機を駆動するための電動機駆動装置であって、
電源装置と、
リアクトルを有し、前記界磁巻線を前記リアクトルの少なくとも一部として共用して、前記電源装置からの電圧を受けて、第１の電力線と第２の電力線との間で電圧変換するとともに、電圧変換動作時に前記界磁巻線に界磁電流を流すように構成されたコンバータと、
前記コンバータからの直流電力を受けて、前記電動機を駆動するための交流電力に変換するように構成されたインバータと、
前記電動機の力行時および回生時の両方の場合において、前記界磁巻線に流れる電流が同じ方向となるように前記コンバータを制御するための制御装置とを備える、電動機駆動装置。
【請求項２】
前記コンバータは、
力行時に電流が流れる第１の電流経路と、回生時に電流が流れる第２の電流経路とを切替えるための切替部を含み、
前記制御装置は、前記第１の電流経路および前記第２の電流経路のいずれにおいても、前記界磁巻線に流れる電流が同じ方向となるように前記切替部を制御する、請求項１に記載の電動機駆動装置。
【請求項３】
前記切替部は、
前記界磁巻線の一方端である第１の端と前記電源装置の負極との間に、前記界磁巻線から前記電源装置の負極へ向かう方向を順方向として接続され、前記電源装置からの電圧を昇圧するための昇圧用スイッチング素子と、
前記界磁巻線に流れる電流を制御するための界磁用スイッチング素子とを含み、
前記界磁巻線の他方端である第２の端は、前記第１の電力線と電気的に接続され、
前記制御装置は、前記昇圧用スイッチング素子および前記界磁用スイッチング素子をスイッチング制御することによって、前記界磁電流を制御して前記ロータおよび前記ステータ間の磁束密度を調整するとともに、前記コンバータから前記第２の電力線に出力される昇圧電流を制御して前記電源装置からの電圧を昇圧電圧の目標値に従った電圧に変換する、請求項２に記載の電動機駆動装置。
【請求項４】
前記制御装置は、
前記電動機の回転数および要求トルクに応じて、前記界磁電流の目標値および前記昇圧電圧の目標値を設定する目標設定部と、
前記界磁電流の目標値および前記昇圧電圧の目標値に基づいて、前記昇圧用スイッチング素子および前記界磁用スイッチング素子のデューティ比を設定するデューティ設定部と、
演算された前記デューティ比に従って、前記昇圧用スイッチング素子および前記界磁用スイッチング素子をスイッチングするための制御信号を設定する制御信号設定部とを含む、請求項３に記載の電動機駆動装置。
【請求項５】
前記界磁用スイッチング素子は、
前記第２の電力線と前記界磁巻線の前記第２の端との間に、前記第２の電力線から前記第２の端に向かう方向を順方向として接続された第１のスイッチング素子と、
前記第１の端と前記第１の電力線との間に、前記第１の端から前記第１の電力線に向かう方向を順方向として接続された第２のスイッチング素子と、
前記第１の電力線と前記第２の端との間に、前記第１の電力線から前記第２の端に向かう方向を順方向として接続された第３のスイッチング素子とを含み、
前記コンバータは、
前記第１の端と前記第２の電力線との間に、前記第１の端から前記第２の電力線に向かう方向を順方向として接続された第１の整流素子と、
前記第２の端と前記電源装置の負極との間に、前記電源装置の負極から前記第２の端に向かう方向を順方向として接続された第２の整流素子とを含む、請求項４に記載の電動機駆動装置。
【請求項６】
前記コンバータは、力行時は前記昇圧用スイッチング素子のデューティ比に応じた前記制御信号に基づいて前記電源装置からの電圧を昇圧し、回生時は前記第１のスイッチング素子のデューティ比に応じた前記制御信号に基づいて前記インバータからの電圧を降圧する、請求項５に記載の電動機駆動装置。
【請求項７】
前記コンバータは、前記界磁巻線に流れる電流を増加する第１の状態と、前記界磁巻線に流れる電流を減少する第２の状態と、前記界磁巻線に流れる電流を維持する第３の状態とを有し、
前記デューティ設定部は、前記第３の状態において、前記昇圧用スイッチング素子および前記第１のスイッチング素子をオフに固定するとともに、前記第２のスイッチング素子および前記第３のスイッチング素子をオンに固定するように、前記デューティ比を設定する、請求項５に記載の電動機駆動装置。
【請求項８】
前記コンバータは、前記界磁巻線に流れる電流を増加する第１の状態と、前記界磁巻線に流れる電流を減少する第２の状態と、前記界磁巻線に流れる電流を維持する第３の状態とを有し、
前記デューティ設定部は、前記第３の状態において、前記昇圧用スイッチング素子、前記第２のスイッチング素子および前記第３のスイッチング素子をオフに固定するとともに、前記第１のスイッチング素子をオンに固定するように、前記デューティ比を設定する、請求項５に記載の電動機駆動装置。
【請求項９】
前記界磁巻線は、
直列に接続された第１の界磁巻線と第２の界磁巻線を含み、
前記界磁用スイッチング素子は、
前記第１の界磁巻線および前記第２の界磁巻線の接続ノードと、前記第２の電力線との間に、前記第２の電力線から前記接続ノードに向かう方向を順方向として接続された第１のスイッチング素子と、
前記第１の端と前記第１の電力線との間に、前記第１の端から前記第１の電力線に向かう方向を順方向として接続された第２のスイッチング素子とを含み、
前記コンバータは、
前記第１の端と前記第２の電力線との間に、前記第１の端から前記第２の電力線へ向かう方向を順方向として接続された第１の整流素子と、
前記接続ノードと前記電源装置の負極との間に、前記接続ノードから前記電源装置の負極へ向かう方向を順方向として接続された第２の整流素子と、
前記第１の電力線と前記第２の端との間に、前記第２の端から前記第１の電力線に向かう方向を順方向として接続された第３の整流素子とを含む、請求項４に記載の電動機駆動装置。
【請求項１０】
前記第１の界磁巻線のリアクタンスは、前記第２の界磁巻線のリアクタンスと等しい、請求項９に記載の電動機駆動装置。
【請求項１１】
前記インバータは、前記昇圧用スイッチング素子のデューティ比に応じた前記制御信号に基づいて前記電源装置からの電圧を昇圧する一方で、前記第１のスイッチング素子のデューティ比に応じた前記制御信号に基づいて前記インバータからの電圧を降圧する、請求項９に記載の電動機駆動装置。
【請求項１２】
前記コンバータは、前記界磁巻線に流れる電流を増加する第１の状態と、前記界磁巻線に流れる電流を減少する第２の状態と、前記界磁巻線に流れる電流を維持する第３の状態とを有し、
前記デューティ設定部は、前記第３の状態において、前記昇圧用スイッチング素子および前記第２のスイッチング素子をオフに固定するとともに、前記第１のスイッチング素子をオンに固定するように、前記デューティ比を設定する、請求項９に記載の電動機駆動装置。
【請求項１３】
車両であって、
界磁巻線を含み、前記界磁巻線に界磁電流を流すことによって形成される界磁極を有するロータとステータとを備える電動機と、
前記電動機を駆動するための電動機駆動装置と、
前記電動機からの回転力によって、前記車両を走行するための駆動輪とを備え、
前記電動機駆動装置は、
電源装置と、
リアクトルを有し、前記界磁巻線を前記リアクトルの少なくとも一部として共用して、前記電源装置からの電圧を受けて、第１の電力線と第２の電力線との間で電圧変換するとともに、電圧変換動作時に前記界磁巻線に界磁電流を流すように構成されたコンバータと、
前記コンバータからの直流電力を受けて、前記電動機を駆動するための交流電力に変換するように構成されたインバータと、
前記電動機の力行時および回生時の両方の場合において、前記界磁巻線に流れる電流が同じ方向となるように前記コンバータを制御するための制御装置とを含む、車両。
【請求項１】
界磁巻線を含み、前記界磁巻線に界磁電流を流すことによって形成される界磁極を有するロータとステータとを備える電動機を駆動するための電動機駆動装置であって、
電源装置と、
リアクトルを有し、前記界磁巻線を前記リアクトルの少なくとも一部として共用して、前記電源装置からの電圧を受けて、第１の電力線と第２の電力線との間で電圧変換するとともに、電圧変換動作時に前記界磁巻線に界磁電流を流すように構成されたコンバータと、
前記コンバータからの直流電力を受けて、前記電動機を駆動するための交流電力に変換するように構成されたインバータと、
前記電動機の力行時および回生時の両方の場合において、前記界磁巻線に流れる電流が同じ方向となるように前記コンバータを制御するための制御装置とを備える、電動機駆動装置。
【請求項２】
前記コンバータは、
力行時に電流が流れる第１の電流経路と、回生時に電流が流れる第２の電流経路とを切替えるための切替部を含み、
前記制御装置は、前記第１の電流経路および前記第２の電流経路のいずれにおいても、前記界磁巻線に流れる電流が同じ方向となるように前記切替部を制御する、請求項１に記載の電動機駆動装置。
【請求項３】
前記切替部は、
前記界磁巻線の一方端である第１の端と前記電源装置の負極との間に、前記界磁巻線から前記電源装置の負極へ向かう方向を順方向として接続され、前記電源装置からの電圧を昇圧するための昇圧用スイッチング素子と、
前記界磁巻線に流れる電流を制御するための界磁用スイッチング素子とを含み、
前記界磁巻線の他方端である第２の端は、前記第１の電力線と電気的に接続され、
前記制御装置は、前記昇圧用スイッチング素子および前記界磁用スイッチング素子をスイッチング制御することによって、前記界磁電流を制御して前記ロータおよび前記ステータ間の磁束密度を調整するとともに、前記コンバータから前記第２の電力線に出力される昇圧電流を制御して前記電源装置からの電圧を昇圧電圧の目標値に従った電圧に変換する、請求項２に記載の電動機駆動装置。
【請求項４】
前記制御装置は、
前記電動機の回転数および要求トルクに応じて、前記界磁電流の目標値および前記昇圧電圧の目標値を設定する目標設定部と、
前記界磁電流の目標値および前記昇圧電圧の目標値に基づいて、前記昇圧用スイッチング素子および前記界磁用スイッチング素子のデューティ比を設定するデューティ設定部と、
演算された前記デューティ比に従って、前記昇圧用スイッチング素子および前記界磁用スイッチング素子をスイッチングするための制御信号を設定する制御信号設定部とを含む、請求項３に記載の電動機駆動装置。
【請求項５】
前記界磁用スイッチング素子は、
前記第２の電力線と前記界磁巻線の前記第２の端との間に、前記第２の電力線から前記第２の端に向かう方向を順方向として接続された第１のスイッチング素子と、
前記第１の端と前記第１の電力線との間に、前記第１の端から前記第１の電力線に向かう方向を順方向として接続された第２のスイッチング素子と、
前記第１の電力線と前記第２の端との間に、前記第１の電力線から前記第２の端に向かう方向を順方向として接続された第３のスイッチング素子とを含み、
前記コンバータは、
前記第１の端と前記第２の電力線との間に、前記第１の端から前記第２の電力線に向かう方向を順方向として接続された第１の整流素子と、
前記第２の端と前記電源装置の負極との間に、前記電源装置の負極から前記第２の端に向かう方向を順方向として接続された第２の整流素子とを含む、請求項４に記載の電動機駆動装置。
【請求項６】
前記コンバータは、力行時は前記昇圧用スイッチング素子のデューティ比に応じた前記制御信号に基づいて前記電源装置からの電圧を昇圧し、回生時は前記第１のスイッチング素子のデューティ比に応じた前記制御信号に基づいて前記インバータからの電圧を降圧する、請求項５に記載の電動機駆動装置。
【請求項７】
前記コンバータは、前記界磁巻線に流れる電流を増加する第１の状態と、前記界磁巻線に流れる電流を減少する第２の状態と、前記界磁巻線に流れる電流を維持する第３の状態とを有し、
前記デューティ設定部は、前記第３の状態において、前記昇圧用スイッチング素子および前記第１のスイッチング素子をオフに固定するとともに、前記第２のスイッチング素子および前記第３のスイッチング素子をオンに固定するように、前記デューティ比を設定する、請求項５に記載の電動機駆動装置。
【請求項８】
前記コンバータは、前記界磁巻線に流れる電流を増加する第１の状態と、前記界磁巻線に流れる電流を減少する第２の状態と、前記界磁巻線に流れる電流を維持する第３の状態とを有し、
前記デューティ設定部は、前記第３の状態において、前記昇圧用スイッチング素子、前記第２のスイッチング素子および前記第３のスイッチング素子をオフに固定するとともに、前記第１のスイッチング素子をオンに固定するように、前記デューティ比を設定する、請求項５に記載の電動機駆動装置。
【請求項９】
前記界磁巻線は、
直列に接続された第１の界磁巻線と第２の界磁巻線を含み、
前記界磁用スイッチング素子は、
前記第１の界磁巻線および前記第２の界磁巻線の接続ノードと、前記第２の電力線との間に、前記第２の電力線から前記接続ノードに向かう方向を順方向として接続された第１のスイッチング素子と、
前記第１の端と前記第１の電力線との間に、前記第１の端から前記第１の電力線に向かう方向を順方向として接続された第２のスイッチング素子とを含み、
前記コンバータは、
前記第１の端と前記第２の電力線との間に、前記第１の端から前記第２の電力線へ向かう方向を順方向として接続された第１の整流素子と、
前記接続ノードと前記電源装置の負極との間に、前記接続ノードから前記電源装置の負極へ向かう方向を順方向として接続された第２の整流素子と、
前記第１の電力線と前記第２の端との間に、前記第２の端から前記第１の電力線に向かう方向を順方向として接続された第３の整流素子とを含む、請求項４に記載の電動機駆動装置。
【請求項１０】
前記第１の界磁巻線のリアクタンスは、前記第２の界磁巻線のリアクタンスと等しい、請求項９に記載の電動機駆動装置。
【請求項１１】
前記インバータは、前記昇圧用スイッチング素子のデューティ比に応じた前記制御信号に基づいて前記電源装置からの電圧を昇圧する一方で、前記第１のスイッチング素子のデューティ比に応じた前記制御信号に基づいて前記インバータからの電圧を降圧する、請求項９に記載の電動機駆動装置。
【請求項１２】
前記コンバータは、前記界磁巻線に流れる電流を増加する第１の状態と、前記界磁巻線に流れる電流を減少する第２の状態と、前記界磁巻線に流れる電流を維持する第３の状態とを有し、
前記デューティ設定部は、前記第３の状態において、前記昇圧用スイッチング素子および前記第２のスイッチング素子をオフに固定するとともに、前記第１のスイッチング素子をオンに固定するように、前記デューティ比を設定する、請求項９に記載の電動機駆動装置。
【請求項１３】
車両であって、
界磁巻線を含み、前記界磁巻線に界磁電流を流すことによって形成される界磁極を有するロータとステータとを備える電動機と、
前記電動機を駆動するための電動機駆動装置と、
前記電動機からの回転力によって、前記車両を走行するための駆動輪とを備え、
前記電動機駆動装置は、
電源装置と、
リアクトルを有し、前記界磁巻線を前記リアクトルの少なくとも一部として共用して、前記電源装置からの電圧を受けて、第１の電力線と第２の電力線との間で電圧変換するとともに、電圧変換動作時に前記界磁巻線に界磁電流を流すように構成されたコンバータと、
前記コンバータからの直流電力を受けて、前記電動機を駆動するための交流電力に変換するように構成されたインバータと、
前記電動機の力行時および回生時の両方の場合において、前記界磁巻線に流れる電流が同じ方向となるように前記コンバータを制御するための制御装置とを含む、車両。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【公開番号】特開２０１１−２２３６８０（Ｐ２０１１−２２３６８０Ａ）
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−８７８６２（Ｐ２０１０−８７８６２）
【出願日】平成２２年４月６日（２０１０．４．６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（３０４０２１２７７）国立大学法人 名古屋工業大学 (784)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月６日（２０１０．４．６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（３０４０２１２７７）国立大学法人 名古屋工業大学 (784)
【Ｆターム（参考）】
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