JP2013135530A - 車両の制動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 摩擦ブレーキ装置を必要とすることなく、車輪に配設した永久磁石同期電動機の制御のみによって車輪が停止状態となるまで円滑且つ確実に制動力を付与する。
【解決手段】
永久磁石を有するロータ及びこのロータを回転駆動するステータを具備した永久磁石同期電動機ＩＰＭのロータが各車輪のホイールＷに連結され、一体的に回転する。そして、永久磁石同期電動機に電力を供給して各車輪に対し制動力を付与する電力供給型制動手段ＰＳＢが設けられている。例えば、ロータの回転方向のステータに対する励磁と同相にステータが励磁され、全車輪に対し励磁ブレーキが付与される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、車両の制動装置に関し、特に、車輪に配設した永久磁石同期電動機に電力を供給して車輪に対し制動力を付与する車両の制動装置に係る。

車両の制動装置としては、液圧制動を行う液圧ブレーキ装置が一般的であるが、近時の電動自動車あるいは所謂ハイブリッド自動車においては電動機による回生制動が利用されている。例えば、下記の特許文献１には回生側と力行側の双方にモータトルクの余裕代を作り出し、モータトルクの制御幅を拡大する制動力制御装置が開示されている。また、特許文献２には、回生制動と液圧制動の協調制御が行われている。一方、下記の特許文献３には、電動モータの回転を直進運動に変換してピストンを推進し、摩擦パッドをディスクロータに押圧して制動力を発生する電動ブレーキ装置が開示されている。このように、駆動用の電動機を備えた車両における制動装置としては、電動機による回生制動（回生ブレーキ）のほかに、液圧ブレーキ装置あるいは上記の電動ブレーキ装置のように機械式ブレーキ手段による摩擦制動が併用されている。

更に、下記の特許文献４には、モータを逆転させるように励磁することで逆相制動を行うことが提案されているが、これは、永久磁石を用いない誘導電動機において一般的な制動手段であり、鉄道車両で採用されている。即ち、鉄道車両（電気車）においては、誘導電動機のみによって停止可能とするため、回生ブレーキに加え電気ブレーキあるいは停止ブレーキを行うことによって純電気ブレーキあるいは全電気ブレーキを行う電気車の制御装置が提案されており、回生制動に加え逆相制動が用いられる。例えば、下記の特許文献５には、速度低下とともに前進ブレーキより後進力行に切り替えて制動力を得る逆相電気ブレーキが開示されている。但、実際の鉄道車両においては依然摩擦制動が併用されており、例えば空気ブレーキ装置も装着されている。

前述の電動自動車あるいはハイブリッド自動車に供する制動装置としては、一般的に、永久磁石を有するロータ及びこのロータを回転駆動するステータを具備し、車両の各車輪にロータを連結する永久磁石同期電動機と、この永久磁石同期電動機に電力を供給してステータを励磁するバッテリ等の電力蓄積手段を備え、永久磁石同期電動機によって車輪の回転を抑制するように構成されており、特に、永久磁石がロータに埋め込まれた埋込永久磁石界磁式同期電動機（ＩＰＭと呼ばれる）が用いられている。更に、電動機のロータ及びステータを車輪のホイール内に収容したインホイールモータ（ＩＷＭと呼ばれる）も提案されており、例えば下記の特許文献６に開示されているが、これも摩擦制動が併用され、ホイールには電動機に加えて液圧摩擦ブレーキ装置も装着されている。

特開２００７−１０６３８５号公報 特開平１１−４５０４号公報 特開２００３−２８７０６９号公報 特開２００４−１８７４４５号公報 特開平１１−２３４８０４号公報 特開２００７−１９６９０４号公報

上記のように、鉄道車両（電気車）においては誘導電動機のみによって停止可能とする技術が注目されているが、電動自動車あるいはハイブリッド自動車においては、永久磁石同期電動機による回生ブレーキに加え、液圧摩擦ブレーキ装置による摩擦ブレーキが併用されており、インホイールモータにおいても車輪を停止状態とするためには液圧摩擦ブレーキ装置が必須とされている。これは、ばね下荷重の低減に対する阻害要因であり、小型化に対しても制限となり、高価な装置となることは必至である。

そこで、本発明は、摩擦ブレーキ装置を必要とすることなく、車輪に配設した永久磁石同期電動機の制御のみによって車輪が停止状態となるまで円滑且つ確実に制動力を付与し得る車両の制動装置を提供することを課題とする。

上記の課題を達成するため、本発明は、請求項１に記載のように、永久磁石を有するロータ及び該ロータを回転駆動するステータを具備し、前記車両の車輪に当該ロータを連結する永久磁石同期電動機を備えると共に、該永久磁石同期電動機に電源手段の電力を供給して前記車輪に対し制動力を付与する電力供給型制動手段を備えることとしたものである。

上記制動装置において、請求項２に記載のように、前記車両の全車輪に前記永久磁石同期電動機を配設し、前記電力供給型制動手段及び前記永久磁石同期電動機によって前記全車輪に対し制動力を付与する構成とするとよい。

前記電力供給型制動手段は、請求項３に記載のように、前記電源手段の電力を変換して前記ステータを励磁し前記ロータの回転を制御する変換制御手段と、該変換制御手段の制御に応じた前記ロータの回転方向の前記ステータに対する励磁と同相に、前記ステータを励磁して前記車輪に対し励磁ブレーキを付与する同相励磁制御手段を具備したものとし、前記励磁ブレーキによって前記車輪に対し制動力を付与するように構成するとよい。

更に、請求項４に記載のように、前記永久磁石同期電動機を収容するハウジング内に配設し、該ハウジング内で前記永久磁石同期電動機に対して自己潤滑を行うと共に冷却を行う潤滑冷却手段を備えたものとするとよい。

また、請求項５に記載のように、前記永久磁石同期電動機を構成する前記ロータ及び前記ステータを、前記車輪を構成するホイール内に収容し、インホイールモータを構成してもよい。

前記電源手段は、請求項６に記載のように、前記永久磁石同期電動機に供給する電力を蓄積する電力蓄積手段を備えたものとするとよい。

そして、請求項７に記載のように、前記永久磁石同期電動機によって前記車輪に制動力を付与すると共に、駆動力を付与するように構成してもよい。

本発明は上述のように構成されているので以下の効果を奏する。即ち、請求項１に記載の装置においては、電力供給型制動手段によって永久磁石同期電動機に電源手段の電力を供給して車輪に対し制動力を付与するように構成されているので、摩擦ブレーキ装置を必要とすることなく、永久磁石同期電動機の制御のみによって円滑且つ確実に車輪を停止状態とすることができる。この結果、制動装置全体の小型軽量化、タイヤの小径化、居室の拡大が可能となり、燃費も向上する。

そして、上記制動装置によって、請求項２に記載のように構成すれば、全車輪に対し、車輪毎に永久磁石同期電動機に電力を供給して制動力を付与することができるので、複雑な制動力制御による車両の運動制御を容易に行うことができる。

特に、電力供給型制動手段を請求項３に記載のように構成すれば、励磁ブレーキによって車輪の低回転領域においても高回転領域と同等の制動力を発生させることができ、円滑且つ確実に車両を停止させることができる。

更に、請求項４に記載のように構成すれば、潤滑冷却手段によって永久磁石同期電動機の潤滑及び冷却を適切に行うことができる。

加えて、請求項５に記載のようにインホイールモータを構成すれば、制動装置全体の一層の小型軽量化が可能となる。

尚、電源手段は、請求項６に記載のように構成することができ、安定した電力を供給することができる。

更に、請求項７に記載のように構成すれば、各車輪に配設された永久磁石同期電動機によって駆動力及び制動力の制御を行うことができるので簡単な構成となるだけでなく、複雑な運動制御を容易に行うことができる。

本発明の一実施形態に係る制動装置の主要構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る制動装置を搭載した車両を示す構成図である。 本発明をインホイールモータに適用した実施形態におけるホイールの断面図である。 本発明の一実施形態における回転数と制動トルクとの関係を示すグラフである。 本発明の一実施形態における埋込永久磁石界磁式同期電動機のトルク特性と、各制御時のロータ角度と電流の関係を示す波形図である。 本発明の一実施形態における制動制御の処理を示すフローチャートである。

以下、本発明の望ましい実施形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施形態に係る車両の制動装置の全体構成を示し、埋込永久磁石界磁式同期電動機ＩＰＭ（以下、単に永久磁石同期電動機ＩＰＭという）は、図１では省略しているが、永久磁石を有するロータ及びこのロータを回転駆動するステータを具備して成り、ロータが車輪のホイール（図１にＷで示す）に連結され、一体的に回転するように構成されている。尚、図１において、車輪ＦＬは運転席からみて前方左側の車輪を示し、以下車輪ＦＲは前方右側、車輪ＲＬは後方左側、車輪ＲＲは後方右側の車輪を示している。

そして、永久磁石同期電動機ＩＰＭに電源手段ＰＳの電力を供給して各車輪に対し制動力を付与する電力供給型制動手段ＰＳＢが設けられている。この電力供給型制動手段ＰＳＢとしては、電力蓄積手段ＢＴを含む電源手段ＰＳの電力を変換してステータを励磁しロータの回転を制御する変換制御手段ＩＶと、変換制御手段ＩＶの制御に応じたロータの回転方向のステータに対する励磁と同相に、ステータを励磁して各車輪に対し励磁ブレーキを付与する同相励磁制御手段ＰＥＢを具備し、励磁ブレーキによって全ての車輪ＦＬ，ＦＲ，ＲＬ，ＲＲに対し制動力を付与するように構成することができ、その具体的構成例を図２に示す。

図２に示す実施形態においては、全車輪ＦＬ，ＦＲ，ＲＬ及びＲＲに対し、車輪毎に、駆動及び制動を行う手段として永久磁石同期電動機ＩＰＭを用いたモータジェネレータ（図３にＭＧで示す）を内蔵するインホイールモータＩＷＭが装着されている。従って、全車輪ＦＬ，ＦＲ，ＲＬ及びＲＲに対し、車輪毎に永久磁石同期電動機ＩＰＭを駆動し、駆動力を付与することができると共に、励磁ブレーキによる制動力を付与することができる。尚、図示は省略するが、ハイブリッド自動車を構成し、回生ブレーキによって蓄積した電力を車両の駆動及び（励磁ブレーキによる）制動に利用することとしてもよい。

図２においては、前述の電力蓄積手段ＢＴとしてバッテリＢ１、昇圧手段ＲＶとして昇圧回路Ｃ２、そして変換制御手段ＩＶとしてインバータＣ１が設けられ、これらが電子制御ユニットＥＣＵによって制御され、各車輪に対する駆動力の制御に加え、前述の同相励磁制御手段ＰＥＢとしての機能が実行される。本実施形態の永久磁石同期電動機ＩＰＭは、Ｕ、Ｖ及びＷの三相コイルを有し、各相コイルへの励磁電流が電子制御ユニットＥＣＵによってＰＷＭ制御され、駆動時は電動機として機能し、回生ブレーキ時には発電機として機能し、インバータＣ１を介してバッテリＢ１に充電される。バッテリＢ１は二次電池が用いられるが、燃料電池でもよく、電力蓄積手段ＢＴとしては大容量キャパシタを用いることとしてもよい。インバータＣ１は、バッテリＢ１の直流電圧をＰＷＭ信号に応じて交流電圧に変換し、永久磁石同期電動機ＩＰＭから所望のトルクを出力するように制御すると共に、回生ブレーキ時に永久磁石同期電動機ＩＰＭの発電交流電圧を直流電圧に変換して、バッテリＢ１に充電するように制御するもので、Ｕ、Ｖ及びＷの各相コイル毎に制御される。

尚、車輪ＦＬ，ＦＲ，ＲＬ，ＲＲには車輪速度センサ（図示せず）が配設され、これらが電子制御ユニットＥＣＵに接続されており、各車輪の回転速度、即ち車輪速度に比例するパルス数の車輪速度信号Ｓｗが電子制御ユニットＥＣＵに入力されるように構成されている。また、運転者によるアクセルペダル（図示せず）の踏み込み程度に応じたアクセル信号Ｓａを出力するアクセルセンサ（図示せず）、運転者によるブレーキペダル（図示せず）の踏み込み程度に応じたブレーキ信号Ｓｂを出力するブレーキペダルセンサ（図示せず）、変速装置（図示せず）のシフト位置に応じたシフト信号Ｓｓを出力するシフトポジションセンサ（図示せず）、車両前方の車輪ＦＬ，ＦＲの舵角θを検出する舵角センサ（図示せず）、車両のヨーレイトγを検出するヨーレイトセンサ（図示せず）、Ｕ、Ｖ及びＷの各相コイルの電流（図２には代表してＩｍで表す）を検出する電流センサ（図示せず）等が電子制御ユニットＥＣＵに接続されている。

本実施形態の電子制御ユニットＥＣＵは一般的な構成であるので、図示は省略するが、バスを介して相互に接続されたＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート等から成るマイクロコンピュータを備えており、上記車輪速度信号Ｓｗ、アクセル信号Ｓａ、ブレーキ信号Ｓｂ、シフト信号Ｓｓ、舵角θ、ヨーレイトγ等が夫々入力ポートからＣＰＵに入力されるように構成されている。また、出力ポートからはインバータＣ１等に制御信号が出力されるように構成されている。而して、電子制御ユニットＥＣＵにおいては、駆動時のロータの回転方向のステータに対する励磁と同相に、ステータを励磁して励磁ブレーキを付与する同相励磁制御が行われる。更に、励磁ブレーキ時には、昇圧回路Ｃ２を介して昇圧した電力をインバータＣ１に供給しステータを励磁するように構成されている。

尚、図２に破線で示すように、永久磁石同期電動機ＩＰＭに生ずる回生電力をバッテリＢ１に蓄積して回生ブレーキを付与する回生制御が行われるように構成してもよい。この場合には、各相コイルの電流Ｉｍに基づいて演算される回生電力とブレーキ信号Ｓｂ等に基づいて演算される必要制動力との差に基づき、回生ブレーキから励磁ブレーキへの切換タイミングが調整される。

次に、永久磁石同期電動機ＩＰＭをホイールＷ内に収容してインホイールモータＩＷＭを構成した実施形態の具体的構造について、図３を参照して説明すると、車輪を構成するホイールＷの内側にハブ２が固定され、このハブ２に出力シャフト３がスプライン結合されている。図３では、駆動及び制動を行う手段としてモータジェネレータＭＧを示しているが、これは図１の永久磁石同期電動機ＩＰＭに対応するものであり、その構成部品たるステータ４にコイル４ｃが巻回され、モータケース１０の内側に固定されている。そして、永久磁石（図示せず）が埋め込まれたロータ５がステータ４の内側に配設され、ハブ２の中心軸周りを回転可能に支持されている。

更に、ロータ５の中央にフランジ部５ｆが延出形成されており、これにサンギヤ６が装着されている。一方、モータケース１０の内側にはリングギヤ８が固定されており、このリングギヤ８とサンギヤ６に噛合する遊星ギヤ７にキャリア９が装着されている。そして、キャリア９は出力シャフト３とスプライン結合し、これらが一体となって回転するように構成され、遊星歯車減速機構ＲＭ（以下、単に減速機構ＲＭという）が構成されている。而して、モータジェネレータＭＧによるロータ５の回転は、サンギヤ６、遊星ギヤ７及びリングギヤ８を介して出力シャフト３に伝達され、ホイールＷが減速回転駆動される。これに対し、車両減速時には、上記とは逆に、ホイールＷの回転力がロータ５に伝達される。

モータケース１０にはカバー１１及びオイルポンプカバー１２が固着され、これらで形成されるハウジング内にオイルポンプ１３が内蔵されている。このオイルポンプ１３は前述の潤滑冷却手段を構成し、上記のキャリア９によって駆動されて潤滑油を汲み上げるように構成されている。即ち、図３において、Ｓは車両停止時におけるハウジング内の潤滑油溜の油面を示し、ホイールＷの回転に応じてオイルポンプ１３が駆動されると、油面Ｓ下方の潤滑油がオイルポンプ１３によって汲み上げられる。このようにして汲み上げられた潤滑油は、その流れを図３内に矢印で示すように、出力シャフト３の中心部に形成された油路Ａや、オイルポンプカバー１２及びモータケース１０に設けられた油路Ｂ、Ｃ、Ｄ及びＥを介して、減速機構ＲＭに供給されると共に、ステータ４周りに供給され、これらが冷却された後、ハウジング内の空間Ｆを介して潤滑油溜に戻される。このように、ハウジング内を潤滑油が循環することによって、モータジェネレータＭＧに対する自己潤滑及び冷却が適切に行われる。尚、モータケース１０はその外周部で、アッパアーム１４及びロアアーム１５に接合され、他のサスペンション部材（図示せず）等を介して車体（図示せず）に連結されている。

上記の永久磁石同期電動機ＩＰＭを構成し回生ブレーキ及び励磁ブレーキを行う場合のモータジェネレータＭＧに関し、図４を参照して制動時のトルク特性を説明する。先ず、車両走行状態から制動要求を受けて回生制御状態となると、そのときの回転数に応じて、図４に実線で示すように制動トルクＴを発生しながら、回転数Ｎが低下する。即ち、図４の右側の定出力領域から定トルク領域に至る。そして、回転制御を継続するとモータジェネレータＭＧ特有の所定回転数（Ｎｃ）を下回り、目標制動力たる目標制動トルク（Ｔｔ）から所定トルク差ΔＴを減じた所定トルク（Ｔｔ−ΔＴ）を下回ったと判定されると、励磁ブレーキ制御領域（Ｂｐｅ）に入ったと判定される。而して、電子制御ユニットＥＣＵによって同相励磁制御が行われ、図４に実線で示すように目標制動トルク（Ｔｔ）が維持される。尚、所定回転数（Ｎｃ）を下回ると、制動トルクＴは図４に破線で示すように低下するので、そのときの回生電力に基づき実制動力を推定することができ、この実制動力の検出結果に基づき、励磁ブレーキ制御領域（Ｂｐｅ）への移行を判定することができる。

ここで、永久磁石同期電動機ＩＰＭによる回生ブレーキ時及び励磁ブレーキ時の動作原理を図５を参照して説明する。図５は、永久磁石同期電動機ＩＰＭのトルク特性と、駆動時、回生ブレーキ時及び励磁ブレーキ時のロータ角度と電流の関係を示す波形図で、（Ｂ）乃至（Ｄ）におけるＵ、Ｖ、Ｗは三相コイルの各相電流を示す。図５（Ａ）は永久磁石同期電動機ＩＰＭのトルク特性例で、一定電流を印加したときの通電位相と出力トルクの関係を示し、正トルク範囲と負トルク範囲が交互に生ずる。次に、図５（Ｂ）は力行時（駆動時）のロータ角度と駆動電流の一般的な関係を示し、図５（Ａ）のモータ特性で最もトルクが大きい位相（ｂ点）で通電される。逆に、図５（Ｃ）は回生ブレーキ時のロータ角度と回生電流の一般的な関係を示し、図５（Ａ）のモータ特性で最もトルクが小さい位相（ｃ点）で通電される。そして、図５（Ｄ）は励磁ブレーキ時の一例として、図５（Ａ）に対し位相をずらすと共に（ｄ点）、必要に応じて昇圧回路Ｃ２によって昇圧し、通電電流を増大（ΔＩｄ）させて制動継続電流としている。これにより、回生ブレーキによる制動力が小さくなっても、励磁ブレーキによって必要な制動力が確保される。

上記のモータジェネレータＭＧ及び減速機構ＲＭによってホイールＷの回転が抑制され、車両が停止するまで制動制御が行われるが、この制動制御例について、図６を参照して以下に説明する。尚、モータジェネレータＭＧによる駆動制御についての説明は省略するが、何れの制御も図２の電子制御ユニットＥＣＵによって必要時に所定の時間間隔で繰り返し実行される。図６において、ブレーキペダルセンサ（図示せず）の検出ブレーキ信号Ｓｂ信号に基づき、ステップ１０１にて運転者の制動要求が判定される。ここで運転者の制動要求有と判定されるとステップ１０２に進み、モータジェネレータＭＧによる回生制御に移行し、回生ブレーキが開始する。

而して、図５の実線に沿って回生ブレーキトルクを発生しながら回転数が低下する。この結果、モータジェネレータＭＧによる起磁力が低下し、回生ブレーキトルクのみによって目標制動トルク（Ｔｔ）を充足することができなくなり、図５のトルク（Ｔｔ−ΔＴ）を下回り、ステップ１０３においてトルク差（ΔＴ）が所定値αを上回ったと判定されると、回生ブレーキのみでは目標制動力を維持することができないので、ステップ１０４に進み前述の同相励磁制御が行なわれ、励磁ブレーキが開始する。この場合において、ロータ５の極とステータ４の極関係は駆動状態と同じ距離が保たれるので、駆動状態に匹敵する制動力を発生させることができる。即ち、駆動状態ではステータ４に対する励磁がロータ５の回転に先行する形で行われるのに対して、制動時には、逆にロータ５の回転が先行する形で励磁されるので、駆動状態の出力と略同等の制動力を発生させることができ、前掲の特許文献４に開示された逆相制動を永久磁石同期電動機ＩＰＭに適用した場合に比べ、大きな制動力を発生させることができる。また、ロータの回転が励磁に対して先行する制御状態を保つことにより安定した制動力を得ることが出来、逆相制御のような大きなトルク脈動を回避できる。

そして、ステップ１０５において回転数Ｎが所定値Ｋｂを下回ったと判定され、車両が停止状態と判定されると、ステップ１０６に進み、励磁制御が停止され、永久磁石同期電動機ＩＰＭがロックされる。尚、ロック手段としては、例えば係合部材（図示せず）を、ロータ又はロータと一体的に回転する部材（例えばホイールＷ、あるいはこれに一体的に接合される部材）に対して係脱自在に前述のハウジングに装着し、これによってホイールＷの回転を阻止するように構成すれば、以後、電力の供給を必要とすることなく、車輪の停止状態を維持することができる。

Ｗ ホイール
ＩＰＭ 永久磁石同期電動機
ＰＳ 電源手段
ＢＴ 電力蓄積手段
ＩＶ 変換制御手段
ＰＳＢ 電力供給型制動手段
ＰＥＢ 同相励磁制御手段
ＥＣＵ 電子制御ユニット
ＭＧ モータジェネレータ
ＲＭ 遊星歯車減速機構
２ ハブ
３ 出力シャフト
４ ステータ
５ ロータ
１０ モータケース
１１ カバー
１３ オイルポンプ

Claims (7)

1. 永久磁石を有するロータ及び該ロータを回転駆動するステータを具備し、前記車両の車輪に当該ロータを連結する永久磁石同期電動機を備えると共に、該永久磁石同期電動機に電源手段の電力を供給して前記車輪に対し制動力を付与する電力供給型制動手段を備えたことを特徴とする車両の制動装置。
2. 前記車両の全車輪に前記永久磁石同期電動機を配設し、前記電力供給型制動手段及び前記永久磁石同期電動機によって前記全車輪に対し制動力を付与することを特徴とする請求項１記載の車両の制動装置。
3. 前記電力供給型制動手段は、前記電源手段の電力を変換して前記ステータを励磁し前記ロータの回転を制御する変換制御手段と、該変換制御手段の制御に応じた前記ロータの回転方向の前記ステータに対する励磁と同相に、前記ステータを励磁して前記車輪に対し励磁ブレーキを付与する同相励磁制御手段を具備し、前記励磁ブレーキによって前記車輪に対し制動力を付与することを特徴とする請求項１又は２記載の車両の制動装置。
4. 前記永久磁石同期電動機を収容するハウジング内に配設し、該ハウジング内で前記永久磁石同期電動機に対して自己潤滑を行うと共に冷却を行う潤滑冷却手段を備えたことを特徴とする請求項３記載の車両の制動装置。
5. 前記永久磁石同期電動機を構成する前記ロータ及び前記ステータを、前記車輪を構成するホイール内に収容し、インホイールモータを構成することを特徴とする請求項４記載の車両の制動装置。
6. 前記電源手段が、前記永久磁石同期電動機に供給する電力を蓄積する電力蓄積手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の車両の制動装置。
7. 前記永久磁石同期電動機によって前記車輪に制動力を付与すると共に、駆動力を付与することを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の車両の制動装置。

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