JP2007259575A - 界磁巻線型同期電動機及び電動駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両の低速域で高トルクを得ることができ、また、高速域ではトルクが減少しつつもより高速運転が可能なので、より排気量の大きな自動車に適用可能な電動駆動装置を提供する。
【課題手段】電動駆動装置は、固定子巻線が巻かれた固定子，固定子の内周側に隙間を介して回転可能に支持され、２つの爪磁極を持ち互いに軸方向に連接された第１及び第２の回転子、及び、爪磁極を磁化させるための界磁電流を互いに独立して供給することができるよう構成された第１及び第２の界磁巻線とを有する同期電動機１００と、回転子の回転数が大きくなるに従って、駆動トルクが小さくなるよう固定子巻線への供給電力を制御するとともに固定子と回転子が持つ爪磁極との間のギャップ磁束量が小さくなるようにそれぞれの界磁巻線に流れる界磁電流を制御する制御装置２００とを有する。
【選択図】図４

Description

本発明は、前輪をエンジンによる駆動力、後輪を電動機による駆動力で回転させて走行する電動４輪駆動車に用いて好適な界磁巻線型同期電動機及び電動駆動装置に関する。

近年、電気自動車やハイブリッド車に代表されるような、電動機を駆動源として走行する環境対応自動車が注目されてきている。これら環境対応自動車はバッテリを搭載し、その電力を利用して電動機からトルクを発生させて車輪を駆動する。電気自動車では、車載、あるいは外付けの充電器を用いてバッテリを充電し、またハイブリッド車ではエンジンにより発電機を駆動し（あるいは電動発電機を発電動作させて）、バッテリの充電を行う。

さらに、これら環境対応自動車とともに、最近、前輪をエンジンで直接駆動し、後輪を電動機で駆動するいわゆる電動４輪駆動自動車が普及し始めている。このような電動４輪駆動車では、例えば、特開平２００１−２３９８５２号公報に記載のように、専用の発電機がエンジンに接続されている。そして、エンジンの回転力により発電機を動作させて発電し、この発電電力により後輪駆動用として搭載されたＤＣ（直流）電動機を動作させてトルクを発生し、車両を駆動する。

この方式では、従来の機械式の４輪駆動車にくらべ搭載性に優れ、また専用のバッテリが不要なため低コスト化を実現できる。また、発電機の発電電力（直流電力）を電力変換することなく直接ＤＣ電動機に供給しているので、非常に安定なシステムが実現される。このようなＤＣ電動機を搭載した電動４輪駆動システムは、搭載性の点から主に１リッタークラスの小型自動車への適用が主流となっている。１リッタークラスの小型車は、車両重量も小さいこと、ならびに、スタート時から低速までの発進時のみに電動機を使用することから、ＤＣ電動機としては、２〜４ｋＷ程度の小出力のものが用いられている。

さらに、電動４輪駆動システムに類似したシステムとして、例えば、特開２０００−
１８８８０４号公報に記載されるようなハイブリッド自動車が知られている。ここに開示される技術では、エンジンに機械的に接続された発電機と、発電機の出力に接続された大容量の蓄電池とを備え、この出力部に電気エネルギーを動力に変換する永久磁石式同期電動機が接続される。この方式では、エンジンの回転力により発電機で発電された電力で同期電動機を動作させて動力を発生する。また、発電機の出力部に蓄電池が接続されているため、電気ブレーキを発生する回生時に電力をバッテリに回収することも可能である。このハイブリット自動車は、主に２リッタークラスの大型自動車に適用されている。２リッタークラスの大型車は、車両重量も大きく、また、スタート時から中速までの広い速度範囲で電動機を使用することから、永久磁石式同期電動機としては、２０ｋＷ程度の大出力のものが用いられている。

一方、このような車両に用いられる電動機として、例えば、特開平９−６５６２０号公報に記載されるような界磁巻線型の動機電動機が知られており、また、車両用交流発電機として、例えば、特許第３０４９７１５号公報に開示されるように、ルンデル型回転子の磁極表面に溝を設けたものが知られている。

特開２００１−２３９８５２号公報 特開２０００−１８８８０４号公報 特開平９−６５６２０号公報 特許第３０４９７１５号公報

電動４輪駆動車では、電動機が、デファレンシャルギアの近傍であって、車体の下側に搭載されるため、搭載可能な電動機の大きさに限度があった。また、直流電動機では、電動機出力を増加させると、ブラシから火花が発生しやすくなり、ブラシ寿命の限界から、発生可能な出力をそれほど大きくできないといった問題もある。このため、従来のＤＣ電動機を用いた電動４輪駆動車では、１リッタークラスより大型の自動車に適用することが困難であった。

また、電動４輪駆動車は、エンジン出力で４輪を駆動する従来の機械式４輪駆動車に対し搭載性に勝り、トルクレスポンスが良く、低コストで実現可能であるといったメリットを持つ。特に、低コストの観点から、電動４輪駆動車は、大容量の蓄電池を搭載することなくシステムを構築することが重要となる。このため、蓄電池を搭載したハイブリッド車で一般に行われる電動機での回生動作、あるいは、発電機における必要電力以上の余剰発電などは許容されず、発電機で必要電力を高精度に発電できるような発電制御が必要となる。また、電動機は車体の床下に搭載され、一般的には密閉型の構成となる。

上述した問題点に鑑み、本発明の目的は、車両の低速域で高トルクを得ることができ、また、高速域ではトルクが減少しつつもより高速運転が可能な電動駆動装置及びその同期電動機を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、より排気量の大きな自動車に適用可能な電動駆動装置及びその同期電動機を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、密閉型の構成に適した、低損失，低振動な同期電動機を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明による電動駆動装置は、要求される駆動トルクに応じた電力が供給される固定子巻線が巻かれた固定子，固定子の内周側に隙間を介して回転可能に支持され、それぞれＮ極，Ｓ極に磁化される２つの爪磁極を持ち、互いに軸方向に連接された第１及び第２の回転子、及び第１及び第２の回転子にそれぞれ内包され、爪磁極を磁化させるための界磁電流を互いに独立して供給することができるよう構成された第１及び第２の界磁巻線とを有する同期電動機と、第１及び第２の回転子の回転数が大きくなるに従って、駆動トルクが小さくなるよう固定子巻線への供給電力を制御するとともに、固定子と第１及び第２の回転子が持つ爪磁極との間のギャップ磁束量が小さくなるように第１及び第２の界磁巻線のそれぞれに流れる界磁電流を制御する制御装置とを有する。

また、本発明の他の観点によれば、要求される駆動トルクに応じた電力が供給される固定子巻線が巻かれた固定子と、該固定子の内周側に隙間を介して回転可能に支持され、それぞれＮ極，Ｓ極に磁化される２つの爪磁極を持ち、互いに軸方向に連接された第１及び第２の回転子と、第１及び第２の回転子にそれぞれ内包され、爪磁極を磁化させるための界磁電流を互いに独立して供給することができるよう構成された第１及び第２の界磁巻線とを有する同期電動機が提供される。

本発明によれば、車両の発進時等における低速時に高トルクを出力することができるとともに、高速域まで対応可能な電動駆動装置、及び、同期電動機が提供される。また、高速走行時に、低損失で低振動・低騒音な電動駆動装置、及び同期電動機を提供することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態による電動４輪駆動車の構成を示すシステム構成図である。

本実施形態の電動４輪駆動車において、エンジン（ＥＮＧ）１０が出力する駆動力は、変速機（Ｔ／Ｍ）１２を介して、前輪ＷＨ−ＦＲ，ＷＨ−ＦＬに伝達され、前輪ＷＨ−
ＦＲ，ＷＨ−ＦＬを駆動する。また、エンジン１０は、発電機（ＡＬＴ）１４を駆動する。発電機１４は、例えば、公称電圧１２Ｖのバッテリ等の車載補機に電力を供給する１４Ｖ系電源用発電機よりも高い電圧まで発電出力を可変できる発電機である。発電機１４で発電される直流電力は、コンデンサ２２を介してインバータ（ＩＮＶ）１６に供給され、交流電力に変換される。この交流電力は、同期電動機（交流電動機）１００の電機子巻線に供給され、同期電動機１００を駆動する。同期電動機１００が出力する駆動力(トルク)は、クラッチ１８及びデファレンシャギア２０を介して、後輪ＷＨ−ＲＲ，ＷＨ−ＲＬに伝達され、後輪ＷＨ−ＲＲ，ＷＨ−ＲＬを駆動する。

コントロールユニット（ＣＵ）２００は、発電機１４の界磁電流を制御して、発電電圧を制御する。また、コントロールユニット２００は、インバータ１６を制御して、同期電動機１００に供給する電圧を制御し、同期電動機１００の駆動力を制御する。さらに、コントロールユニット２００は、同期電動機１００の界磁巻線に流れる界磁電流を制御して、その駆動力を制御する。また、コントロールユニット２００は、クラッチ１８の解放・締結を制御する。具体的には、発進時から所定の車速（例えば、車両の中速域であって、同期電動機１００の最高回転数付近）まではクラッチ１８を締結し、それより高速領域ではクラッチ１８を解放して、エンジン１０による前輪駆動のみとする。

インバータ１６の内部には、コントロールユニット２００からの制御によってスイッチング動作するパワー素子が備えられている。パワー素子をスイッチング動作する結果、インバータ１６の入力部の電力は、脈動を持っている。コンデンサ２２は、この脈動を平滑化するために備えられている。

本実施形態では、後輪を駆動する電動機として、交流電動機を用いている。一般に、交流電動機は、直流電動機に比べて出力を大きくできるため、本実施形態のシステムは、従来の直流電動機を用いた電動４輪駆動車よりも大排気量の自動車に適当することが可能である。

電動４輪駆動車として、後輪駆動用電動機に求められる性能は、まず動作点が広いということである。例えば深雪の中で発進する場合、後輪のみで発進できることが重要となり、低速域で大トルクを出力する必要が生じる。また、中速走行域まで４輪駆動を継続する場合、電動機を非常に高回転にする必要が生じる。交流電動機には、誘導電動機，永久磁石式の同期電動機，界磁巻線型の同期電動機等があるが、誘導電動機は、低速・高トルク特性が充分でない。一方、永久磁石式同期電動機は、高速側の弱め界磁制御するので、回転数範囲が大きい場合は高速側のモータ効率が低下するとともに、温度上昇が大きくなる。また、永久磁石の磁束が災いするため、必要な高回転域まで駆動できない場合が生じる。

本実施形態では、交流電動機として、界磁制御が容易な爪磁極を有する界磁巻線型の同期電動機を用いている。界磁巻線型の同期電動機は、高回転域において界磁電流を抑えることにより磁束を小さくすることが可能で、その結果、誘起電圧を小さく抑え、高回転まで駆動でき、高トルク，高出力化に対応できる。

図２は、界磁巻線型同期電動機と永久磁石式同期電動機の出力特性図である。図２において、横軸は回転数(rpm) を示し、縦軸はトルク（Ｎｍ）を示している。

図２に示すように、永久磁石式同期電動機は、高性能永久磁石を用いるために特性Ａのように最大トルクを出す低速回転数では界磁巻線型動機電動機に比して高トルクが得られるが、高速回転数時はｄ軸電流を流して弱め界磁制御を行うので、高速側の損失が大きくなり、最高回転数は、“最高回転数／最大トルク時の回転数≦１０”を満たす範囲で決定される。そのため、永久磁石式同期電動機の最高回転数は、界磁巻線型同期電動機の最高回転数よりも低くなる。

界磁巻線型同期電動機には凸極形回転子とルンデル形（爪磁極）回転子構造があり、前者は高速回転に適していないのに対し、ルンデル形は爪磁極なので基本的に多極とすることができる。また、界磁巻線はシャフト外周の円筒状の磁気回路外周に円筒状に構成されるので基本的に遠心力に強い。このため高速回転が可能で、機械的にも最高回転数の範囲を広げられる。さらに界磁巻線の界磁電流を任意に制御することができるので弱め界磁制御を簡単に行うことができ、モータ効率も高くすることができる。システム的には回転数が最高回転数よりも高くなると、巻線界磁型同期電動機と後輪の間に配置されたクラッチが解放され、同期電動機は後輪から切り離される。

一方、爪磁極回転子のモータトルクは、爪磁極間の磁束漏れが大きいので、特性Ｂとして示すように、最大トルクは永久磁石同期電動機に比較して小さくなる。

このため本実施形態では、動機電動機の爪磁極間に永久磁石を設けている。これにより、発進時は界磁電流を大きくして界磁巻線起磁力で磁極からの発生磁束を大きくし、爪磁極の磁気回路を飽和させる。このとき、極間永久磁石は、爪磁極で短絡された磁気回路を構成しているが、爪磁極が飽和しているため、永久磁石の磁束がギャップ側に多く出てくる。このため、ギャップの有効磁束が増加し、特性Ａのような高トルクを出すことができる。

逆に、界磁電流が小さい弱め界磁のときは、界磁巻線の起磁力による磁束が減少すると同時に、爪磁極の磁気回路の飽和が小さくなるので永久磁石からの磁束は爪磁極の磁気回路で短絡され、ギャップに出てくる磁束が減少する。このため、高速回転での低トルク運転が可能となり、かつ電動機の効率を向上することができる。

このように、極間磁石付の界磁巻線型同期電動機を用いて、電動機の動作点により界磁電流を制御することにより、システムの最大電圧内で所要電動機動作点を許容電動機電流の範囲内で駆動することが可能となる。

図３は、本実施形態における電動４輪駆動車のエネルギーフロー図である。

本実施形態の電動４輪駆動システムでは、電力を吸収するバッテリを持たないため、エンジン１０からの回転力で発電機１４により出力される発電エネルギーＰｇと、インバータ１６，同期電動機１００に入力される駆動エネルギーＰｍが等しくなるように協調制御を行う必要がある。

発電エネルギーＰｇと駆動エネルギーＰｍのバランスが崩れた場合、例えば、発電エネルギーＰｇが駆動エネルギーＰｍよりも大きかった場合は、余剰の電力が平滑用のコンデンサ２２に流れ込み、ＤＣバスの電圧が上昇することになる。ＤＣバスの電圧が許容値を超えた場合には、コンデンサ２２やインバータ１６のパワー素子を破壊する恐れがある。また、発電エネルギーＰｇが駆動エネルギーＰｍよりも小さかった場合には、微小ではあるがコンデンサ２２に蓄えられた電力がインバータ１６，同期電動機１００に使われるため電圧が低下し、結果所要のトルクが出力できなくなる。

本実施形態では、このような問題を解決するために、同期電動機１００の駆動に必要なエネルギーＰｍが、発電機１４から出力されるように、発電機１４を制御する。

また、インバータ１６，同期電動機１００は、ｄ−ｑ座標での電流制御を行うことにより、高応答で高精度なトルク制御を行うことができる。それに対して発電機１４に対して行う発電制御は応答が遅い界磁電流を制御するしかない。発電機１４の発電制御はインバータ１６，同期電動機１００の挙動に合わせて高精度に行う必要がある。

そこで、本実施形態では、インバータ１６の入力側の電圧Ｖｄｃが、同期電動機１００の駆動で消費するエネルギーＰｍを発生するための電圧指令値Ｖｄｃ^* となるように、発電機の出力電圧をフィードバック制御し、また、インバータ１６の入力側の電流Ｉｄｃが、同期電動機１００の駆動で消費するエネルギーＰｍを発生するための電流指令値Ｉdc^* となるように、発電機１４の出力電流をフィードバック制御する。

本実施形態において、これらの制御は、コントロールユニット２００により実施される。

図４は、本実施形態における電動４輪駆動車の制御構成を示す制御ブロック図である。

コントロールユニット２００は、発電制御部２１０と、モータ制御部２２０とを備えている。

発電制御部２１０は、コンデンサ２２の両端の電圧Ｖｄｃが、モータ制御部２２０が出力するコンデンサ電圧値指令Ｖｄｃ^* に一致するように、発電機１４の界磁巻線の界磁電圧指令Ｃｌ（Ｖｇｆ^*）をフィードバック制御する。界磁電圧指令Ｃｌ（Ｖｇｆ^*）は、発電機１４の界磁電流を制御するチョッパ回路（ＣＨ）３２に入力される。

モータ制御部２２０は、矩形波制御部２２０Ａと、ＰＷＭ制御部２２０Ｂとを備えている。モータ制御部２２０は、エンジンコントロールユニット３０が出力するモータトルク指令Ｔｒ^* ，同期電動機１００に備えられた回転数センサによって検出されたモータ回転速度ωｍ，同期電動機１００に備えられている磁極位置センサによって検出された磁極位置θに基づいて、インバータ１６に供給する３相の交流電圧指令Ｖｕ^* ，Ｖｖ^* ，Ｖｗ^* を出力し、インバータ１６を制御し、同期電動機１００の電機子巻線に供給する交流電力を制御することで、同期電動機１００の出力を制御する。同期電動機１００が出力する駆動力は、回転数が高くなるに従い駆動トルクが小さくなるよう制御される。

後述するように、本実施形態の同期電動機１００は、２つの回転子を軸方向に連接して構成されタンデム型の回転子を備え、それぞれの回転子にそれぞれ独立した界磁巻線を有している。チョッパ回路３４は、各回転子の界磁巻線に対して供給する界磁電流をそれぞれ独立して制御できるよう、内部に２系等のチョッパ回路を備える。モータ制御部２２０は、同期電動機１００のタンデム回転子の各界磁巻線に供給される界磁電流を独立に制御するために、チョッパ回路３４に対して、それぞれの界磁回路に対する界磁電流指令
Ｉｍｆ^* を出力し、低速，高トルク領域ではチョッパ回路３４の通流率を大きくして大きな界磁電流を流し、高速回転，低トルク領域では両チョッパ通流率を小さくして界磁電流を小さくするか、もしくは回転子の一方にのみ界磁電流を流すようにする。

界磁電流指令Ｉｍｆ^* は、ＥＣＵ３０から与えられるトルク指令Ｔｒ^* 、同期電動機
１００に備えられた回転数センサにより検出されるモータ回転数ωｍに基づいて決定される。具体的には、トルク指令Ｔｒ^* ，モータ回転数ωｍ，界磁電流指令Ｉｍｆ^* からなる３次元テーブル（マップ）を用いて、トルク指令Ｔｒ^* 、モータ回転数ωｍから界磁電流指令Ｉｍｆ^* を求めることができる。基本的には、モータ回転数が上昇すると誘起電圧が上昇するため、モータ回転数が上昇するほど２つの界磁電流指令値Ｉｍｆ^* を減少させるように動作させる。

また、トルク指令Ｔｒ^* に応じて界磁電流Ｉｆを変化させることもできるようにする。トルク指令の大きさに応じて２つの界磁巻線の界磁電流Ｉｆを変えると２つの界磁電流一定に対し、モータ効率を向上させることが可能となる。このようなロジックに基づき電流指令演算部２２２にて決定された界磁電流指令値Ｉｍｆ^* に対し、モータ界磁電流検出値をフィードバック制御することにより界磁電流指令値Ｉｍｆ^* に従った界磁電流Ｉｆを発生させる。

このとき、界磁電流Ｉｆをフィードバック制御演算して得られた出力値は界磁電圧指令Ｖｇｆ^* に相当し、この界磁電圧指令Ｖｇｆ^* をチョッパ回路３４に入力して界磁電流
Ｉｆを流す。ここで、チョッパ回路３４はＨブリッジ方式の回路として説明したが、界磁電流Ｉｆは流れる方向が一定であるため、スイッチング素子１つを界磁巻線に直列に配線した回路でも、本発明の目的は達成できる。

以上のように、モータの動作点に応じて界磁電流指令値Ｉｍｆ^* を変更し、その指令値に精度良く実際の界磁電流が追従するように制御することにより、限られた電圧範囲内で高効率，高精度なトルク制御を実現することができる。

モータ制御部２２０は、モータ速度に応じて、矩形波制御部２２０Ａと、ＰＷＭ制御部２２０Ｂとを切り替える。例えば、停止・低速域はＰＷＭ制御で駆動し、中高速域（例えば、５０００rpm 以上）では矩形波制御で駆動する。

図５は、モータ制御部、及び発電制御部の詳細を示す制御ブロック図である。

発電制御部２１０は、減算部２１２と、電圧フィードバック制御部２１４と、Ｄｕｔｙ（Ｃ１）演算部２１６とを備えている。

図６は、発電制御部２１０の動作を示すフローチャートである。

発電制御部２１０は、減算部２１２において、モータ制御部２２０から出力されるコンデンサ電圧値指令値Ｖｄｃ^* と、コンデンサ２２の両端電圧であるコンデンサ電圧Ｖｄｃから、その偏差ΔＶｄｃを算出する（ステップｓ１０）。

次に、電圧フィードバック制御部２１４により、減算部２１２で求められた偏差ΔＶdcに対して、比例積分（ＰＩ）演算を行い、界磁電圧指令Ｖｇｆ^* を出力する。なお、本実施形態ではＰＩ制御を行っているが、本発明は、これに限定されるものではない。また、フィードバック制御系のみでは応答に問題がある場合、フィードフォワード補償を入れてもよい（ステップｓ２０）。

Ｄｕｔｙ（Ｃ１）演算部２１６は、電圧フィードバック制御部２１２より出力された界磁電圧指令Ｖｇｆ^* とコンデンサ電圧Ｖｄｃから、デュティＣ１（ＶＧｆ^*）を、Ｖｇｆ^*／Ｖｄｃとして求める。このデュティＣ１（ＶＧｆ^* ）信号は、発電機１４の界磁巻線に供給され、コンデンサ２２の両端電圧であるコンデンサ電圧Ｖｄｃがコンデンサ電圧値指令値Ｖｄｃ^* に一致するように、フィードバック制御される（ステップｓ３０）。

図５に戻り、モータ制御部２２０は、電流指令演算部２２２と、電圧指令演算部２２４と、３相電圧指令演算部２２６と、ＤＣ電圧Ｖｄｃ１演算部２２８と、コンデンサ電圧指令値Ｖｄｃ^* 演算部２３２と、ＰＷＭ／矩形波信号処理部２３４とを備えている。

電流指令演算部２２２は、ＥＣＵ３０からのトルク指令Ｔｒ^* 、及び同期電動機１００に備えられた回転数センサによって検出されたモータ回転速度ωｍに基づいて、内部に有するＩｄ，Ｉｑテーブルを用いて、同期電動機１００に対するｄ軸電流指令Ｉｄ^* ，ｑ軸電流指令Ｉｑ^* 、及び界磁電流指令Ｉｍｆ^* を算出する。界磁電流指令Ｉｍｆ^* は、同期電動機１００の界磁電流を制御するチョッパ回路３４に供給され、チョッパ回路３４を制御することで、同期電動機１００の界磁電流Ｉｆを制御する。

電圧指令演算部２２４は、電流指令演算部２２２によって算出されたｄ軸電流指令Ｉd^*，ｑ軸電流指令Ｉｑ^* から、ｄ軸電圧指令Ｖｄ^* ，ｑ軸電圧指令Ｖｑ^* を算出する。

３相電圧指令演算部２２６は、電圧指令演算部２２４によって算出されたｄ軸電圧指令Ｖｄ^*、ｑ軸電圧指令Ｖｑ^*に対して、同期電動機１００に備えられている磁極位置センサによって検出された磁極位置θを用いて、同期電動機１００に対する交流電圧指令Ｖｕ^* ，Ｖｖ^* ，Ｖｗ^* を算出する。

ＰＷＭ／矩形波信号処理部２３４は、３相電圧指令演算部２２６によって算出された交流電圧指令Ｖｕ^* ，Ｖｖ^* ，Ｖｗ^* に基づいて、インバータ１６をＰＷＭ制御若しくは矩形波制御するために、インバータ１６の内部のスイッチング素子の駆動信号を生成し、インバータ１６に出力する。

ＤＣ電圧Ｖｄｃ１演算部２２８は、電圧指令演算部２２４が算出したｄ軸電圧指令Ｖd^*，ｑ軸電圧指令Ｖｑ^* に基づいて、発電機１４の出力電圧、すなわち、コンデンサ２２の両端の電圧Ｖｄｃ１を算出する。また、コンデンサ電圧指令値Ｖｄｃ演算部２３２は、
ＥＣＵ３０から与えられるエンジン回転数ωｇを用いて、コンデンサ電圧値指令値Ｖdc^* を出力する。以下、ＤＣ電圧Ｖｄｃ１演算部２２８，電圧指令演算部２２４の動作について詳細に説明する。

図７は、ＤＣ電圧Ｖｄｃ１演算部２２８，電圧指令演算部２２４の動作を示すフローチャートである。

ステップｓ１００において、ＤＣ電圧Ｖｄｃ１演算部２２８は、ｄ軸電圧指令Ｖｄ^* ，ｑ軸電圧指令Ｖｑ^* に基づいて、ＤＣ電圧指令値Ｖｄｃ１を算出する。ＤＣ電圧Ｖｄｃ１演算部２２８は、ｄ軸電圧指令Ｖｄ^* ，ｑ軸電圧指令Ｖｑ^* に基づいて、以下の式（１）により電動機の相電圧Ｖを算出する。

Ｖ＝（√(Ｖｄ^*2＋Ｖｑ^*2)）／√３ …（１）
さらに、ＤＣ電圧Ｖｄｃ１演算部２２８は、電動機の相電圧Ｖから、ＤＣ電圧指令値
Ｖｄｃ１を、ＰＷＭ制御の場合には、以下の式（２）に基づいて、また、矩形波制御の場合には、以下の式（３）に基づいて算出する。

Ｖｄｃ１＝（２√２）・Ｖ …（２）
Ｖｄｃ１＝（（２√２）・Ｖ）／１.２７ …（３）
次に、ステップｓ１１０において、コンデンサ電圧指令値Ｖｄｃ^* 演算部２３２は、発電機１４の特性を用いて、エンジンの回転数ωｇにおいて、発電機の出力電圧がＶｄｃ１となる動作点を抽出する。エンジン１０と発電機１４の間には減速機構が備えられており、減速比を例えば２.５とすると、エンジン回転数ωｇ＝６００rpm は、発電機回転数
ωｇ′＝１５００rpm に相当する。

図８は、発電機の発電特性を示す特性図である。

図８において、横軸は発電機の出力電流を示し、縦軸は出力電圧を示している。発電機の出力電圧・電流は、図に示す曲線のように変化する。発電機１４の回転数ωｇ′が変化する（ωｇ１′＜ωｇ２′＜ωｇ２′）と、発電機の出力電圧・電流も、図示の曲線のように変化する。

コンデンサ電圧指令値Ｖｄｃ^* 演算部２３２は、図８に示した発電機１４の特性を用いて、例えば、エンジンの回転数ωｇで、発電機の回転数がωｇ２′の場合において、発電機の出力電圧がＶｄｃ１となる動作点、すなわち、電流Ｉｄｃ１の点を抽出する。

次に、ステップｓ１２０において、コンデンサ電圧指令値Ｖｄｃ^* 演算部２３２は、検出した動作点、すなわち、発電機１４の出力電圧がＶｄｃ１，出力電流Ｉｄｃ１で同期電動機１００を駆動した場合に、同期電動機１００の駆動力（トルク）が要求パワーＰｍ
（＝モータ回転数ωｍ×トルク指令Ｔｒ^* ）を満たすか否かを判定する。満たす場合には、ステップｓ１３０に進み、満たさない場合には、ステップｓ１４０に進む。

発電機１４の動作点が要求パワーを満たす場合、ステップｓ１３０において、ＤＣ電圧Ｖｄｃ１演算部２２８は、ＤＣ電圧指令値Ｖｄｃ１に対して、同期電動機１００と発電機１４とが最も効率良く動作するような電圧指令値Ｖｄｃ２を再計算する。すなわち、モータ制御部２２０は、その内部に発電機の各動作点（エンジン回転数，電圧，電流）に対する効率マップを有しており、ＤＣ電圧指令値Ｖｄｃ１以上でかつ、モータの要求パワーを出力できる範囲の電圧のうち、最大効率となる電圧を検索する。そして、電圧指令値
Ｖｄｃ２が算出されると、コンデンサ電圧指令値Ｖｄｃ^* 演算部２３２は、この電圧指令値Ｖｄｃ２に対する電圧指令値Ｖｄｃ^* を発電制御部２１０に出力する。

一方、発電機１４の動作点が要求パワーを満たさない場合、ステップｓ１４０において、ＤＣ電圧Ｖｄｃ１演算部２２８は、必要なパワーを取れる範囲で、電圧指令値Ｖｄｃ３と、トルク指令値Ｔｒ^* を再計算する。すなわち、モータの要求パワーを発電機が出力できない場合には、まず、現在のエンジン回転数における発電機１４の最大パワーで出力可能なモータトルク指令値を演算する。そして、そのトルクに必要なＤＣ電圧指令値を演算する。ただし、演算されたＤＣ電圧は、電動機の発生する誘起電圧より低い場合があるので、そのような場合には、モータトルク指令値を下げ、実際に出力できるＤＣ電圧，モータトルクを最終的に決定する。トルク指令値Ｔｒ^* は、電流指令演算部２２２に送られて、再度、電流指令演算部２２２，電圧指令演算部２２４、及び３相電圧指令演算部２２６とにより、３相電圧指令値Ｖｕ^* ，Ｖｖ^* ，Ｖｗ^* が算出される。また、コンデンサ電圧指令値Ｖｄｃ^*演算部２３２は、この電圧指令値Ｖｄｃ３に対する電圧指令値Ｖｄｃ^*を発電制御部２１０に出力する。

図９は、本実施形態における制御動作を示すタイミングチャートである。図９（Ａ）はエンジン回転数ωｇを示し、図９（Ｂ）はモータ回転数ωｍを示している。図９（Ｃ）はモータトルクＴｍを示し、図９（Ｄ）は必要とするコンデンサ電圧Ｖｄｃを示している。なお、横軸は時間(sec) である。

図９（Ａ）に示すように、エンジン回転数ωｇは、アイドリングの後、１速，２速，３速と変速するに従って、増減する。一方、図９（Ｂ）に示すように、モータ回転数ωｍは、単調に増加する。ここで、図９（Ｃ）に示すように、アイドリング時は、電動４輪駆動車はまだ発進していないため、必要とするモータトルクＴｍは小さくてよいが、発進直後の低速時は、大トルクが必要である。そして、車速が上がるにつれて、必要とするモータトルクＴｍは小さくて済むものである。

そこで、図９（Ｄ）に示すように、アイドリング時（図中のＸ１付近）は、必要なコンデンサ電圧Ｖｄｃを低くして、例えば、図８の点Ｃ付近で発電機１４を動作させる。発進時の低エンジン回転域（図中のＸ２付近）では、低電圧大電流の、図８の点Ｂ付近で発電機１４を動作させる。さらに、エンジン回転数が高くなる（図中のＸ３付近）と、必要なコンデンサ電圧Ｖｄｃを高くして、例えば、図８の点Ａ付近で発電機１４を動作させ、効率を重視する。このように、エンジン回転数に対して、必要なＶｄｃを調整することで、効率よく必要とする駆動力を得ることができる。

図１０は、上述した実施形態における電動４輪駆動車の他の制御構成を示す制御ブロック図である。

図４に示した制御構成では、コンデンサ２２の両端電圧Ｖｄｃが、モータ制御部２２０が出力するコンデンサ電圧値指令Ｖｄｃ^* に一致するように、発電機１４の界磁巻線の界磁電圧をフィードバック制御している。これに対して、本例では、コントロールユニット２００Ａは、ＤＣバスに流れるＤＣ電流Ｉｄｃ（発電機の発電電流）が、コンデンサ電流値指令Ｉｄｃ^* に一致するように、発電機１４の界磁巻線の界磁電流をフィードバック制御する。

図１１は、本実施形態による電動４輪駆動車におけるさらに他の制御構成を示す制御ブロック図である。

図１１に示す制御構成は、図４に示した制御構成と、図１０に示した制御構成を併用している。コントロールユニット２００Ｂは、コンデンサ２２の両端電圧ＶｄｃまたはＤＣバスに流れるＤＣ電流Ｉｄｃ（発電機の発電電流）が、コンデンサ電圧値指令Ｖｄｃ^* またはコンデンサ電流値指令Ｉｄｃ^* に一致するように、発電機１４の界磁巻線の界磁電圧・界磁電流をフィードバック制御する。電圧制御とするか電流制御とするかは、発電機
１４の動作範囲に応じて選択する。なお、この例の発電機の励磁方式は自励方式であり、発電機の出力電圧が１２Ｖ系バッテリ電圧よりも低くなった場合に他励方式となる。

発電機１４の発電特性は、図８に示したように、例えば、発電機回転数ωｇ１′についてみると、点Ａ〜点Ｂまでの発電特性は右下がりの特性、点Ｂ〜点Ｃまでは左下がりの特性、さらに、点Ｃからは右下がりの特性となっており、非線形な発電特性を有している。そこで、このような発電特性を持つ発電機を安定に制御するために、電圧制御と電流制御を切り替える。

具体的には発電動作範囲のうち、特性が右下がりの領域（図８における点Ａ〜点Ｂ，点Ｃ〜）では、電圧フィードバック制御を行い、特性が左下がりの領域（図８における点Ｂ〜点Ｃ）では、電流フィードバック制御を行う。発電動作範囲のうち特性が左下がりの領域では、電圧フィードバック制御系では正論理となってしまい、制御系が発散する可能性がある。このため、電圧制御でこの領域における制御系の安定性を保つためには、制御器の出力となる補償量の符号を反転させる必要がある。それに対して、特性が左下がりの領域で電流フィードバック制御すれば、補償量の符号を反転させることなく制御系の安定性を保つことができる。

以上説明した実施形態によれば、従来の機械式４輪駆動車に対して、コストが上回ることなく、大排気量クラスの自動車に適用可能な電動４輪駆動システムを得ることができる。

なお、本実施形態では、同期電動機１００を駆動するための専用のバッテリを不要としているが、発電機１４と小容量のバッテリを併用しても良い。ここでいう小容量のバッテリとは、バッテリ単独では電動機の最大出力を規定時間出力することができず、発電機出力と併用することにより電動機の最大出力を満足する程度の容量のバッテリである。また、発電機１４の代わりにバッテリを設け、簡易的なＨＥＶシステムとして実現することも可能である。

図１２は、本発明の第２の実施形態による電動４輪駆動車の構成を示すシステム構成図である。図１２において、第１の実施形態と共通する部分については、図１と同一の符号を用いている。

図１２に示すように、エンジン１０は、前輪ＷＨ−ＦＲ，ＷＨ−ＦＬを駆動するための動力を発生させるほか、発電機（ＡＬＴ２）４０，エアコン用コンプレッサ（ＣＯＭＰ）４２，後輪駆動用同期電動機（ＡＣ−Ｍ）１００の動力源となる６０Ｖ高圧発電機１４′が接続される。また、最近では、電動パワーステアリング（ＥＰＳ）４４や電動ブレーキ（Ｅ−ＢＲ）４６などのように、各種車載用アクチュエータの電動化が進み、発電機４０の負荷も大きなものとなっている。このため、電動４輪駆動を行うときに、所要の後輪モータ出力が現在のエンジン回転数で出せるかどうか判断する必要が生じる。例えば、同期電動機１００の出力が十数ｋＷ程度の容量である場合、エンジン回転数が低く、低出力領域にあるときに、同期電動機１００から最大トルクを出そうとすると、エンジンが停止する可能性がある。このように同期電動機１００の容量が向上すると、エンジンに接続されている各負荷との負荷調整が重要となってくる。そこで、コントロールユニット（ＣＵ）２００Ｃは、エンジンの出力可能パワーと各負荷のマネージメント制御を行う。

図１３は、第２の実施形態における電動４輪駆動車の制御フローチャートである。

コントロールユニット２００Ｃは、４輪駆動する際に、後輪ＷＨ−ＲＲ，ＷＨ−ＲＬより出力する同期電動機１００の所要トルクＴmreqを演算する。所要トルクＴmreqは、アクセル開度（スロットル開度）と車速、若しくはアクセル開度（スロットル開度）と前後輪車速によって求めることができる（ステップｓ２００）。

次に、コントロールユニット２００Ｃは、エンジン１０に接続されている各負荷、具体的には、発電機４０，エアコン用コンプレッサ４２、さらには、発電機４０に接続されている電動パワステ用電動機４４や電動ブレーキ用電動機４６などの現在の出力状態を求める（ステップｓ２１０）。

次に、コントロールユニット２００Ｃは、現在のエンジン１０の動作点に基づき、出力可能パワーＰｅを演算する（ステップｓ２２０）。

ステップｓ２３０において、コントロールユニット２００Ｃは、ステップｓ２００で算出した所要トルクＴmreqが、出力可能パワーＰｅ内で出力可能か否かを判断する。出力可能であれば、コントロールユニット２００Ｃは、所要トルクＴmreqを実際のモータ駆動トルクＴｍとしてステップｓ２９０に進む。

ステップｓ２３０において、所要トルクＴmreqが出力可能パワーＰｅ内で出力可能でないと判断された場合、コントロールユニット２００Ｃは、同期電動機１００のほかにエンジン１０に接続されている負荷を軽減可能か判断する（ステップｓ２４０）。コントロールユニット２００Ｃは、負荷を軽減できる判断すると、エンジン負荷を軽減し、その結果モータの所要トルクＴmreqが出力可能となった場合は、所要トルクＴmreqを実際のモータ駆動トルクＴｍとしてステップｓ２９０に進む（ステップｓ２５０）。

ステップｓ２４０において、エンジン負荷が軽減できないと判断した場合、コントロールユニット２００Ｃは、４輪駆動性能を考慮し、所要トルクＴmreqを軽減可能か判断する（ステップ２６０）。

所要トルクＴmreqが軽減可能であった場合、コントロールユニット２００Ｃは、現在のエンジン出力可能パワーＰｅ内で出力できるモータトルクまで軽減し、そのモータトルクをモータ駆動トルクＴｍとしてステップｓ２９０に進む。

一方、ステップｓ２６０において、４輪駆動性能が現状の走行状態において絶対必要であり、所要トルクＴmreqが軽減できないと判断された場合、コントロールユニット200Ｃは、所要トルクＴmreqをモータ駆動トルクＴｍとするとともに、所要トルクＴmreqが出力可能となる範囲でエンジン回転数を増加させる（ステップｓ２７０）。

そして、ステップｓ２９０において、コントロールユニット２００Ｃは、これらの処理を踏まえた上で最終的なモータ駆動トルクＴｍを決定する。

以上が電動４輪駆動システムのパワーマネージメント処理の例である。ここで、説明した処理については、実行順序等を制限されるものではない。さらに、本マネージメントはエンジンを効率よい動作点で駆動しながら、電動４輪駆動システムを有効に作用させることを念頭においている。この目的が達成されれば、その処理内容は、上述したフローチャートの内容に限定されるものではない。

本実施形態によれば、従来のメカ４輪駆動車に対しコストが上回ることなく、大排気量クラスの自動車に適用可能な電動４輪駆動システムを得ることができる。

次に、上述した各実施形態において適用可能な界磁巻線型同期電動機の構成について説明する。

図１４は、界磁巻線型同期電動機の全体構成を示す断面図である。

同期電動機１００は、固定子の内周側に回転可能に支持された回転子が同一のシャフト（出力軸）上に２個設けられたタンデム型の界磁巻線型同期電動機である。

ハウジング１０２は、リア側ベアリング１０９ｂが固定されているベアリングブラケット１０８と、磁極位置検出器１２０（例えばレゾルバ）が収納されているレゾルバブラケット１２２からなる。ベアリングブラケット１０８は、フロント側ベアリング１０９ａが収納されるブラケットとハウジングとが一体で構成されている。各ブラケット中心部には、シャフト１１５がフロント側ベアリング１０９ａおよびリア側ベアリング１０９ｂを介して支持されている。シャフト１１５の一方の端部には、３個のスリップリング１１９ａ，１１９ｂ，１１９ｃが取り付けられている。

ハウジング１０２の内部には、固定子１０３と回転子１１０が設けられている。固定子１０３は、固定子鉄心１０５と、固定子の電機子巻線１０６からなる。ハウジング１０２には、固定子鉄心１０５が嵌合いにより配置されている。電機子巻線１０６は、固定子鉄心１０５に設けられたスロットに収納されている。

固定子鉄心１０５の内周側には、機械的ギャップ（エアギャップ長）を介して、回転子１１０が回転可能に、ベアリング１０９ａ，１０９ｂによって支持されている。回転子
１１０は、爪磁極１１１ａ，１１２ａ，１１１ｂ,１１２ｂ、界磁巻線１１３ａ,１１３ｂ、及び永久磁石１３０ａ，１３０ｂを有して構成されている。爪磁極１１１ａ，１１２ａ，界磁巻線１１３ａ、及び永久磁石１３０ａによって、第１の回転子が構成され、爪磁極１１１ｂ，１１２ｂ，界磁巻線１１３ｂ、及び永久磁石１３０ｂによって、第２の回転子が構成される。

一対の爪磁極１１１ａ，１１２ａは、それぞれの爪磁極部が対向する爪部の間に位置するように配置され、また、一対の爪磁極１１１ｂ，１１２ｂも、それぞれの爪部が対向する爪部の間に位置するように配置されている。爪磁極１１１ａ，１１２ａの間には、ボビン１１４ａが組み込まれ、爪磁極１１１ｂ，１１２ｂの間には、ボビン１１４ｂが組み込まれている。ボビン１１４ａ，１１４ｂには、それぞれ、界磁巻線１１３ａ，１１３ｂが巻装されている。また、一対の爪磁極１１１ａ，１１２ａ及び爪磁極１１１ｂ，１１２ｂ間の周方向極間には、永久磁石１３０ａ，１３０ｂが周方向に複数実装されている。３つのスリップリング１１９ａ，１１９ｂ，１１９ｃには、それぞれにブラシ１１８ａ，118b，１１８ｃが摺動可能に取り付けられ、チョッパ回路３４を介して界磁巻線１１３ａ，
１１３ｂにバッテリからの直流電流が供給される。

爪磁極１１１ａ，１１２ａは、ブラシ１１８を介して界磁巻線１１３ａに供給される直流電流よって、周方向にＮ極，Ｓ極が交互に励磁される。爪磁極１１１ｂ，１１２ｂも、ブラシ１１８を介して界磁巻線１１３ｂに供給される直流電流によって、周方向にＮ極，Ｓ極が交互に励磁される。タンデムの爪磁極の極性は、両者の爪磁極が接する軸方向中央の爪磁極を同極にする。例えば、軸方向中央の爪磁極をＮ極にすると両端の爪磁極はＳ極になるように界磁巻線１１３ａ，１１３ｂの電流方向が決められる。

逆に軸方向中央の爪磁極をＳ極にすると両端の爪磁極はＮ極になるように界磁巻線113a，１１３ｂの電流方向を決めることにより、固定子鉄心１０５と、固定子の電機子巻線
１０６からなる電機子巻線に正常な誘起電圧，回転子にトルクを発生させることができる。また、永久磁石１３０ａ，１３０ｂの極性は、界磁巻線の励磁により爪磁極に接する面の極性を爪磁極の極性と同極となるような極性に着磁するようにする。

磁極位置検出器１２０は、爪磁極回転子の磁極中心位置に位置検出器の回転子の基準をほぼ合わせるように調整される。

レゾルバブラケット１２２には、レゾルバステータ１２０が収納されている。レゾルバステータ１２０に対して、機械的ギャップ（エアギャップ長）を持ってレゾルバロータ
１２１がシャフト１１５の端部に取り付けられている。また、レゾルバブラケット１２２には、カバー１２３が取り付けられており、これを取外すことでレゾルバステータ１２０の位置調整が可能である。

図１５は、同期電動機のタンデム回転子外観斜視図である。

タンデム構成された回転子１１０の直結側に位置する第１の回転子側の爪磁極１１１ａ，１１２ａの軸方向の間には円筒状の樹脂製ボビン１１４ａに巻かれた界磁巻線１１３ａが装着されている。第２の回転子の爪磁極１１１ｂ，１１２ｂの間にも同様に円筒状の樹脂製ボビン１１４ｂに巻かれた界磁巻線１１３ｂが装着されている。自動車の前進方向に対応した回転子の回転方向が図中矢印で示される方向であるとした場合、磁極表面の回転方向先端側にベベル１１１ｃ，１１２ｃ，１１１ｄ，１１２ｄが設けられている。

回転子１１０周方向の爪磁極の極間には、永久磁石１３０ａ，１３０ｂが設けられる。永久磁石１３０ａ，１３０ｂは回転子１１０の両端の爪磁極１１１ａ，１１２ｂからそれぞれの極間に挿入される。

第１の回転子に設けられる永久磁石の極性は、爪磁極１１１ａがＳ極であれば、爪磁極Ｓ極に接している側の永久磁石１３０ａをｓ極、爪磁極１１２ａのＮ極に接している側の永久磁石１３０ａの面をｎ極、第２の回転子の極性は爪磁極１１１ｂがＮ極なので、それに接する永久磁石１３０ｂの面がｎ極、爪磁極１１２ｂに接触する面をｓ極になるように着磁されている。

図では、回転子１１０の両端の爪磁極１１１ａ，１１２ｂがＳ極、中央の接する爪磁極１１２ａ，１１２ｂがＮ極として説明したが、爪磁極１１１ａ，１１２ｂをＮ極、中央の接する爪磁極１１２ａ，１１１ｂをＳ極にした場合は、永久磁石の極性を反転させれば同様な特性を得ることができる。

ギャップ磁束の増加は、モータトルクを増加する効果があるが、逆に固定子巻線電流が流れることによる電機子反作用起磁力の増減磁作用で、爪磁極表面の磁束密度分布に疎密が生じ、回転子と固定子間の磁気吸引力が一様でなくなるため、振動・騒音の原因となる。自動車用モータは、一方向回転で運転されることが多いことから、電機子反作用起磁力の増磁側となる側の爪磁極と固定子間のギャップ長を大きくするために、爪磁極の回転方向先端側表面にベベル加工が施されている。

図１６は、タンデム回転子の爪磁極の軸方向断面図である。

第１の爪磁極１１１ａ，１１２ａと第２の爪磁極１１１ｂ，１１２ｂのそれぞれの対は２分割構成とされ、その中にボビン１１４ａ，１１４ｂに巻かれた界磁巻線１１３ａ，
１１３ｂが設けられる。ボビン１１４ａ，１１４ｂが対向する面に界磁巻線１１３ａ，
１１３ｂの口出し線がくるようにされる。

図１６（ａ）では、タンデム爪磁極の中央側で背中合わせである爪磁極１１２ａと111bがＮ極になりタンデム磁極の両端の爪磁極１１１ａと１１２ｂがＳ極を構成する。このため、界磁巻線を流れる直流電流による磁束は、矢印で示される向きに生じ、磁気回路でもあるシャフトには、白抜きの矢印の方向に起磁力が発生する。逆に、図１６（ｂ）のように黒染めの矢印の方向に界磁巻線による起磁力を発生さることもできる。この場合は、タンデム爪磁極の中央側で背中合わせである爪磁極１１２ａと１１１ｂがＳ極となるようにし、タンデム磁極の両端の爪磁極１１１ａと１１２ｂがＮ極を構成するようにする。これらいずれかの構成にしないと正常なトルクを得ることができない。

タンデム磁極で、各爪磁極にわたる固定子鉄心を１つで構成した場合には、それぞれの爪磁極に対応して固定子鉄心１０５，電機子巻線１０６が独立していないので、誘起電圧の方向，トルクの発生方向が両爪磁極に対応した電機子巻線で一致させる必要がある。なお、図示されてないが、タンデム爪磁極の界磁巻線１１３ａ，１１３ｂの口出し線はそれぞれの電流を任意に流せるようにするためにボビンの直径方向に２本ずつ取り出され、それらは、３個のスリップリング１１９に接続される。

タンデム磁極に対応する固定子鉄心の積厚長を爪磁極のほぼ全長に近い寸法構成とし、スロットの軸方向の線上で爪磁極からの磁束の方向を一致させることによりモータトルクの最大値を得ることができる。このため、固定子鉄心のスロットにスキューを設けない場合は、タンデム爪磁極中央の背中合わせの爪磁極は同極で、両端の爪磁極も同極に構成する。この結果空隙磁束が電機子巻線に鎖交して、トルクを発生させることができる。

図１７は、タンデム回転子の界磁巻線の回路構成図である。

第１の回転子における界磁巻線１１３ａの口出し線の両端は、スリップリング１１９ａ，１１９ｃに接続され、第２の回転子における界磁巻線１１３ｂの口出し線の両端は、スリップリング１１９ｂ，１１９ｃに接続端子部を介して接続される。各スリップリング
１１９ａ，１１９ｂ，１１９ｃには、それぞれブラシ加圧バネで押圧されたブラシ118ａ，１１８ｂ，１１８ｃが摺動可能に接触している。ブラシ１１８ａは、チョッパ回路34ａを介して界磁巻線の電源であるバッテリ１の正極側に接続され、ブラシ１１８ｂは、チョッパ回路３４ｂを介してバッテリ１の正極側に接続される。図４に示すチョッパ回路３４は、これら２つのチョッパ回路３４ａ，３４ｂによって構成される。また、ブラシ118ｃは、バッテリ１の負極側と接続されている。界磁巻線１１３ａ，１１３ｂには、チョッパ回路３４ａ，３４ｂにより制御された界磁電流が流れる。界磁巻線電流の方向は、磁束の流れが、図１６（ａ），図１６（ｂ）の何れかに示す方向となるように決められる。

チョッパ回路３４ａ，３４ｂは、回転数の増加につれて界磁電流を小さくする弱め界磁を行うが、界磁巻線１１３ａ，１１３ｂの電流値が同じ値になるように制御することができる。また、高速で極端にトルクが小さい場合は、界磁巻線１１３ａ，１１３ｂの何れか一方にのみ界磁電流を流すこともできる。いずれか一方の界磁巻線のみに界磁電流を流した場合は、界磁磁束によって発生する鉄損と表面損が半減するので、損失を低減することができ、電動機の効率を向上させることが可能である。

図１８は、タンデム回転子の他の実施形態における外観斜視図である。

図１８に示すタンデム回転子は、爪磁極表面に発生した表面損（うず電流損失とヒステリシス損）で爪磁極の温度が上昇して温度制限がある極間永久磁石に影響を及ぼさないように、爪磁極表面１１１ａ，１１２ａ，１１１ｂ，１１２ｂに溝１２５ａ，１２５ｂが設けられている。

本実施形態における同期電動機は、永久磁石が存在しない通常のルンデル型電動機よりもギャップ磁束が増加するので、磁束密度の２乗に比例して表面損が増加することになる。このため爪磁極表面近傍の温度が上昇し、永久磁石１３０ａ，１３０ｂも表面損の熱が伝導してその温度が上昇する。この温度が、永久磁石の熱減磁が生じる熱減磁温度に至らなければ問題ないが、熱減磁温度に至ると、減磁が発生し、所要のトルクを得ることができなくなる。

タンデム回転子を用いた電動機では、固定子鉄心１０５の内周にスロット部とティース部（図示せず）が存在することにより、ギャップ磁束密度分布に疎密が生じ、かつ電機子巻線１０６に流れる電流の高調波成分により爪磁極表面に入射する磁束にも変化が生じると鉄心表面の抵抗と発生したうず電流により表面損失が生じることになる。

電動機運転時には電機子巻線１０６に流れる電流で電機子反作用が生じ、電機子反作用による減磁作用，増磁作用により磁束密度が周方向の爪磁極表面で一様ではなくなる。特に、増磁作用側（電動機運転時は爪磁極表面の回転方向先端側）は磁束密度が高くなり、振動，騒音の原因となる電磁加振力も増加する。このため電機子反作用の増磁側の爪磁極表面は、ベベル１１１ｃ，１１２ｃ，１１１ｄ，１１２ｄを有する磁極構造としている。ベベル部では、磁束密度が減少し、電磁加振力と表面損を低減することができる。しかし、電機子反作用の減磁作用側でも表面損は発生するので、ベベル加工が無い部分からベベル加工の部分にかけて有効軸長に渡って溝を設けることで表面損を低減することができる。例えば、ベベルの無い領域での爪磁極表面に、深さ約０.５mm，ピッチ２.０mm以下の溝を設ければ、爪磁極表面に発生する表面損を約７０％低減できる。

このように爪磁極表面にベベル加工とともに溝加工を施すことにより、ギャップ磁束密度分布が平坦化され、また、爪磁極表面の抵抗がより増加して表面損を減少させることができる。この結果、振動・騒音に影響を及ぼす電磁加振力が低減するともに表面損も低減し、表面損による温度上昇を極間永久磁石が熱減磁する温度以下に制限することができ、極間永久磁石の熱減磁を防止することができる。

図１９は、タンデム回転子のさらに他の実施形態における外観斜視図である。

先に述べたように、高速回転で低トルクのときに、一方の回転子、例えば、第２回転子の界磁巻線１１３ｂのみに界磁電流を流すようにしても効率の向上を図ることができる。この場合、図に示すように、界磁電流が流される側の回転子の爪磁極１１１ｂ，１１２ｂの表面に溝１２５を設けることで高速回転時に爪磁極表面に発生する表面損を低減することができる。

以上説明したように、回転子をタンデム構成にしてそれぞれの回転子の爪磁極間に永久磁石を設け、かつ各界磁巻線に独立して大きな界磁電流を流すことにより、低速回転で高トルクを得ることができる。このように、低速回転で高トルクを得るため、従来の電動４輪駆動車に比べて、より大排気量クラスの自動車の駆動用電動機として適用することが可能となる。また、増磁作用側にベベル加工を行い、また、減磁作用側に溝加工を行うことで、爪磁極表面における表面損を低減でき、低振動・低騒音化を実現することができる。

第１の実施形態における電動４輪駆動車の構成を示すシステム構成図である。 界磁巻線型同期電動機と永久磁石式同期電動機の出力特性図である。 本実施形態における電動４輪駆動車のエネルギーフロー図である。 第１の実施形態における電動４輪駆動車の制御構成を示す制御ブロック図である。 モータ制御部、及び発電制御部の詳細を示す制御ブロック図である。 発電制御部２１０の動作を示すフローチャートである。 ＤＣ電圧Ｖｄｃ１演算部，電圧指令演算部の動作を示すフローチャートである。 発電機の発電特性を示す特性図である。 制御動作を示すタイミングチャートである。 本発明の第１の実施形態における電動４輪駆動車の他の制御構成を示す制御ブロック図である。 本発明の第１の実施形態における電動４輪駆動車のさらに他の制御構成を示す制御ブロック図である。 第２の実施形態における電動４輪駆動車の構成を示すシステム構成図である。 第２の実施形態における電動４輪駆動車の制御フローチャートである。 界磁巻線型同期電動機の全体構成を示す断面図である。 同期電動機のタンデム回転子外観斜視図である。 タンデム回転子の爪磁極の軸方向断面図である。 タンデム回転子の界磁巻線の回路構成図である。 タンデム回転子の他の実施形態における外観斜視図である。 タンデム回転子のさらに他の実施形態における外観斜視図である。

符号の説明

１０…エンジン、１４…発電機、１６…インバータ、１８…クラッチ、２０…デファレンシャルギア、２２…コンデンサ、３０…エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）、
３４…界磁チョッパ回路、４０…発電機、１００…同期電動機、１０２…ハウジング、
１０３…固定子、１０５…固定子鉄心、１０６…電機子巻線、１１０…回転子、１１１ａ，１１１ｂ，１１２ａ，１１２ｂ…爪磁極、１１３ａ，１１３ｂ…界磁巻線、１１４ａ，１１４ｂ…ボビン、１１８ａ，１１８ｂ，１１８ｃ…ブラシ、１１９ａ，１１９ｂ，119c…スリップリング、１３０ａ，１３０ｂ…永久磁石、２００…コントロールユニット、
２１０…発電制御部、２２０…モータ制御部。

Claims (14)

1. 要求される駆動トルクに応じた電力が供給される固定子巻線が巻かれた固定子，該固定子の内周側に隙間を介して回転可能に支持され、それぞれＮ極，Ｓ極に磁化される２つの爪磁極を持ち、互いに軸方向に連接された第１及び第２の回転子、及び前記第１及び第２の回転子にそれぞれ内包され、前記爪磁極を磁化させるための界磁電流を互いに独立して供給することができるよう構成された第１及び第２の界磁巻線とを有する同期電動機と、
   前記第１及び第２の回転子の回転数が大きくなるに従って、駆動トルクが小さくなるよう前記固定子巻線への供給電力を制御するとともに、前記固定子と前記第１及び第２の回転子が持つ爪磁極との間のギャップ磁束量が小さくなるように前記第１及び第２の界磁巻線のそれぞれに流れる界磁電流を制御する制御装置とを有することを特徴とする車両の電動駆動装置。
2. 前記制御装置は、共通する電源に接続され、前記第１及び第２の界磁巻線に各々対応して設けられた第１及び第２のチョッパ回路を備え、前記第１及び第２のチョッパ回路の各々の流通率を独立して制御可能に構成されたことを特徴とする請求項１記載の電動駆動装置。
3. 前記制御装置は、前記第１の回転子の持つ前記爪磁極のうち前記第２の回転子と接する側の爪磁極と、前記第２の回転子の持つ前記爪磁極のうち前記第１の回転子と接する側の爪磁極とが互いに同一の極性となるように前記第１及び第２の界磁巻線に界磁電流を供給することを特徴とする請求項１または２記載の電動駆動装置。
4. 前記同期電動機は、前記第１及び第２の界磁巻線の一方の口出し端子が接続される第１のスリップリングと、前記第１の界磁巻線の他方の口出し端子が接続される第２のスリップリングと、前記第２の界磁巻線の他方の口出し線が接続される第３のスリップリングとを有し、前記第１，第２，第３のスリップリングを介して前記第１及び第２の開示巻線に界磁電流が供給されることを特徴とする請求項２記載の電動駆動装置。
5. 前記制御装置は、高速回転で必要トルクが小さい場合、前記第１及び第２界磁巻線のいずれか一方にのみに界磁電流を流すことを特徴とする請求項２記載の電動駆動装置。
6. 前記第１及び第２の回転子は、前記爪磁極間に挿入された永久磁石を備え、当該永久磁石は、前記爪磁極と向き合う面の極性が、前記界磁巻線の励磁により決定される対向する爪磁極の極性と一致するように着磁されていることを特徴とする請求項２記載の電動駆動装置。
7. 前記第１及び第２の回転子は、前記爪磁極表面の回転子回転方向一旦側に設けられたベベル部を有することを特徴とする請求項２記載の電動駆動装置。
8. 前記第１及び第２の回転子の少なくとも一方の前記爪磁極表面に複数の溝が設けられていることを特徴とする請求項７記載の電動駆動装置。
9. 前記制御装置は、高速回転で必要トルクが小さい場合、前記第１及び第２界磁巻線のいずれか一方にのみに界磁電流を流すように前記第１及び第２のチョッパ回路を制御し、前記複数の溝は、高速回転で必要トルクが小さい場合に界磁巻線が流される側の回転子の爪磁極表面にのみ設けられていることを特徴とする請求項８記載の電動駆動装置。
10. 要求される駆動トルクに応じた電力が供給される固定子巻線が巻かれた固定子と、
    該固定子の内周側に隙間を介して回転可能に支持され、それぞれＮ極，Ｓ極に磁化される２つの爪磁極を持ち、互いに軸方向に連接された第１及び第２の回転子と、
    前記第１及び第２の回転子にそれぞれ内包され、前記爪磁極を磁化させるための界磁電流を互いに独立して供給することができるよう構成された第１及び第２の界磁巻線とを有する同期電動機。
11. 前記第１及び第２の界磁巻線の一方の口出し端子が接続される第１のスリップリングと、前記第１の界磁巻線の他方の口出し端子が接続される第２のスリップリングと、前記第２の界磁巻線の他方の口出し線が接続される第３のスリップリングとを有し、前記第１，第２，第３のスリップリングを介して前記第１及び第２の開示巻線に界磁電流が供給されることを特徴とする請求項１０記載の同期電動機。
12. 前記第１及び第２の回転子は、前記爪磁極間に挿入された永久磁石を備え、当該永久磁石は、前記爪磁極と向き合う面の極性が、前記界磁巻線の励磁により決定される対向する爪磁極の極性と同じくなるように着磁されていることを特徴とする請求項１０記載の同期電動機。
13. 前記第１及び第２の回転子は、前記爪磁極表面の回転子回転方向一旦側に設けられたベベル部を有することを特徴とする請求項１２記載の同期電動機。
14. 前記第１及び第２の回転子の少なくとも一方の前記爪磁極表面に複数の溝が設けられていることを特徴とする請求項１３記載の電動駆動装置。
    
    
    

Images