專利名稱：電動四輪驅(qū)動車及其控制裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及利用發(fā)動機產(chǎn)生的驅(qū)動力使前輪旋轉(zhuǎn)、利用電動機產(chǎn)生的驅(qū)動力使后輪旋轉(zhuǎn)而行駛的電動四輪驅(qū)動車及其控制裝置。
背景技術：
近幾年來，將電動機作為驅(qū)動源行駛的汽車，日益增多。它們是電動汽車及混合動力車所代表的環(huán)保汽車。作為其主要特征，可以列舉搭載電池、利用其電力使電動機產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩后進行驅(qū)動的功能。這時，在電動汽車中，利用車載或外置的充電器給電池充電；而在混合動力車中，則利用發(fā)動機驅(qū)動發(fā)電機(或者使電動發(fā)電機進行發(fā)電動作)，給電池充電。
進而，和以上這種環(huán)保汽車一起，用發(fā)動機直接驅(qū)動前輪、用電動機驅(qū)動后輪的電動四輪驅(qū)動車近來也開始普及。作為這種電動四輪驅(qū)動車，例如特開平2001-239852號公報所述，將專用發(fā)電機與發(fā)動機連接，利用發(fā)動機的旋轉(zhuǎn)力使發(fā)電機發(fā)電，作為后輪驅(qū)動用而搭載的DC(直流)電動機，使用發(fā)電機輸出的直流電力，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動車輛的情況已廣為人知。這種方式，與現(xiàn)有技術的機器4WD相比，是搭載性優(yōu)異、還能夠利用無電池等特長實現(xiàn)低成本化的系統(tǒng)。在該搭載DC電動機的電動四輪驅(qū)動車中，是將發(fā)電機的發(fā)電量(直流電力)直接(無電力變換地)供給DC電動機的非常穩(wěn)定的系統(tǒng)。搭載該DC電動機的電動4輪驅(qū)動系統(tǒng)，從搭載性的角度出發(fā)，主要用于1升等級的小型汽車。1升等級的小型汽車，車重也輕，而且只在從起動到低速為止的起步時使用電動機，所以作為DC電動機，使用2～4KW左右的小輸出的產(chǎn)品。
另外，作為電動4WD系統(tǒng)的類似系統(tǒng)，例如特開平2000-188804號公報所述，使發(fā)電機與發(fā)動機機械性地連接，再將發(fā)電機的輸出與大容量的蓄電池連接，并且使將電能變換成動力的永久磁鐵式同步電動機與其輸出部連接的混合式汽車，已廣為人知。在這種方式中，在來自發(fā)動機的旋轉(zhuǎn)力的作用下，發(fā)電機發(fā)電，利用發(fā)電機發(fā)出的電力，使同步電動機產(chǎn)生動力。另外，由于發(fā)電機的輸出部與蓄電池連接，所以在進行電氣制動的再生時，可以將電力回收到電池中。這種混合汽車，主要用于2升等級的大型汽車。2升等級的大型汽車，車重也重，而且在從發(fā)動到中速為止的寬廣的速度范圍內(nèi)使用電動機，所以作為永久磁鐵式同步電動機，使用20KW左右的大輸出的產(chǎn)品。
特開平2001-239852號公報[專利文獻2]特開平2000-188804號公報在現(xiàn)有技術的使用DC電動機的電動四輪驅(qū)動車中，從車輛搭載性的角度上說，增加DC電動機的輸出有限制，難以在大于1升的大型汽車上使用。
另外，作為電動四輪驅(qū)動車的優(yōu)點，除了搭載性、轉(zhuǎn)矩反應都比現(xiàn)有技術的利用發(fā)動機驅(qū)動4輪的機械4輪驅(qū)動車良好之外，成本也比機械4輪驅(qū)動車大大降低。在電動4輪驅(qū)動系統(tǒng)中，從降低成本上考慮，采用不搭載大容量的蓄電池的系統(tǒng)十分重要。其結果，因為不搭載蓄電池，所以不能夠容許在搭載了蓄電池的混合動力車中是可能的來自電動機的再生動作及來自發(fā)電機的必要電力以上的剩余發(fā)電，因而需要進行發(fā)電控制，以便能夠用發(fā)電機高精度地發(fā)出所需的電力。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供成本不超過現(xiàn)有技術的機械四輪驅(qū)動車、而且能夠在排氣量比DC電動機電動四輪驅(qū)動車大的汽車中采用的電動四輪驅(qū)動車及其控制裝置。
本發(fā)明提供成本不超過現(xiàn)有技術的機械4輪驅(qū)動車、而且能夠在排氣量比DC電動機電動四輪驅(qū)動車大的汽車中采用的電動四輪驅(qū)動車。
本發(fā)明的最典型的特征在于所述電動機，是交流電動機，具有被所述內(nèi)燃機的旋轉(zhuǎn)力驅(qū)動，輸出直流電力的發(fā)電機；將所述發(fā)電機輸出的直流電力，變換成交流電力的逆變器；控制所述發(fā)電機，以便由所述發(fā)電機輸出驅(qū)動所述交流電動機所需的能量Pm的控制單元。
另外，本發(fā)明提供成本不超過現(xiàn)有技術的機械4輪驅(qū)動車、而且能夠在排氣量比DC電動機電動四輪驅(qū)動車大的汽車中采用的電動四輪驅(qū)動車的控制裝置。
本發(fā)明的最典型的特征在于控制所述發(fā)電機，以便由所述發(fā)電機輸出驅(qū)動所述交流電動機所需的能量Pm。
采用本發(fā)明后，可以用低成本在大排量的汽車中采用電動四輪驅(qū)動車。
圖1是表示本發(fā)明的第1實施方式的電動四輪驅(qū)動車的結構的系統(tǒng)結構圖。
圖2是表示永久磁鐵式同步電動機和勵磁繞組型同步電動機的輸出特性圖。
圖3是使用不搭載大容量電池的交流電動機的電動四輪驅(qū)動車的能量流程圖。
圖4是表示本發(fā)明的第1實施方式的電動四輪驅(qū)動車的控制裝置的結構的系統(tǒng)結構圖。
圖5是表示本發(fā)明的第1實施方式的電動四輪驅(qū)動車的控制裝置的結構的方框圖。
圖6是表示本發(fā)明的第1實施方式的電動四輪驅(qū)動車的控制裝置的發(fā)電機控制部的動作的流程圖。
圖7是表示本發(fā)明的第1實施方式的電動四輪驅(qū)動車的控制裝置的電動機控制部的動作的流程圖。
圖8是表示發(fā)電機的發(fā)電特性的特性圖。
圖9是表示本發(fā)明的第1實施方式的電動四輪驅(qū)動車的控制裝置的控制動作的時序圖。
圖10是表示本發(fā)明的第1實施方式的電動四輪驅(qū)動車的控制裝置的第2結構的系統(tǒng)構成圖。
圖11是表示本發(fā)明的第1實施方式的電動四輪驅(qū)動車的控制裝置的第3結構的系統(tǒng)構成圖。
圖12是表示本發(fā)明的第2實施方式的電動四輪驅(qū)動車的結構的系統(tǒng)結構圖。
圖13是表示本發(fā)明的第2實施方式的電動四輪驅(qū)動車的控制內(nèi)容的流程圖。
圖14是表示本發(fā)明的電動四輪驅(qū)動車使用的第1勵磁繞組型同步電動機的整體結構的剖面圖。
圖15是本發(fā)明的電動四輪驅(qū)動車使用的第1勵磁繞組型同步電動機中的定子繞組的切槽內(nèi)配置的剖面展開圖。
圖16是表示本發(fā)明的電動四輪驅(qū)動車使用的第1勵磁繞組型同步電動機中的定子繞組的切槽內(nèi)插入狀態(tài)的立體圖。
圖17是表示本發(fā)明的電動四輪驅(qū)動車使用的第1勵磁繞組型同步電動機中的定子繞組的1相的繞組配置的展開圖。
圖18是表示本發(fā)明的電動四輪驅(qū)動車使用的第1勵磁繞組型同步電動機中的定子繞組的3相繞組的連接狀態(tài)的展開圖。
圖19是表示本發(fā)明的電動四輪驅(qū)動車使用的第1勵磁繞組型同步電動機中的轉(zhuǎn)子的結構的俯視圖。
圖20是圖19所示的串聯(lián)轉(zhuǎn)子中的感應電壓波形圖。
圖21是表示本發(fā)明的電動四輪驅(qū)動車使用的第1勵磁繞組型同步電動機中的定子繞組的3相繞組的連接狀態(tài)的展開圖。
圖22是表示本發(fā)明的電動四輪驅(qū)動車使用的第1勵磁繞組型同步電動機中的低振動性的說明圖。
圖23是表示本發(fā)明的電動四輪驅(qū)動車使用的第1勵磁繞組型同步電動機中的低脈動性的說明圖。
圖24是表示本發(fā)明的電動四輪驅(qū)動車使用的第2勵磁繞組型同步電動機的整體結構的剖面圖。
圖25是表示本發(fā)明的電動四輪驅(qū)動車使用的第2勵磁繞組型同步電動機中的定子鐵心的第1配置的剖面圖。
圖26是表示本發(fā)明的電動四輪驅(qū)動車使用的第2勵磁繞組型同步電動機中的定子鐵心的第2配置的剖面圖。
圖27是表示本發(fā)明的電動四輪驅(qū)動車使用的第2勵磁繞組型同步電動機中的定子繞組的結構的立體圖。
具體實施例方式
下面，使用圖1～圖11，講述采用本發(fā)明的第1實施方式的電動四輪驅(qū)動車的結構。
首先，使用圖1，講述采用本實施方式的電動四輪驅(qū)動車的整體結構。
圖1是表示本發(fā)明的第1實施方式的電動四輪驅(qū)動車的結構的系統(tǒng)結構圖。
在本實施方式的電動四輪驅(qū)動車中，發(fā)動機(ENG)10輸出的驅(qū)動力，通過變速器(T/M)12，傳遞給前輪WH-FR、WH-FL，驅(qū)動前輪WH-FR、WH-FL。另外，發(fā)動機10還驅(qū)動發(fā)電機(ALT)14。發(fā)電機14，是發(fā)電輸出可變的發(fā)電機，例如可以變化到比向公稱電壓12V的電池等車載輔機供給電力的14V系電源用發(fā)電機高的電壓。發(fā)電機14發(fā)出的直流電力，通過平滑電容器22，供給逆變器(INV)16，變換成交流電力。該交流電力，被供給交流電動機(同步電動機)100的電樞繞組，驅(qū)動同步電動機100。交流電動機100輸出的驅(qū)動力(轉(zhuǎn)矩)，通過離合器18及差動齒輪20，傳遞給后輪WH-RR、WH-RL，驅(qū)動后輪WH-RR、WH-RL?？刂茊卧?CU)200，控制發(fā)電機14的勵磁電流，控制發(fā)電電壓。另外，控制單元200還控制逆變器16，控制供給電動機100的電壓，控制電動機100的驅(qū)動力。進而，控制單元200還控制流入交流電動機100的勵磁繞組的勵磁電流，控制其驅(qū)動能力。另外，控制單元200還控制離合器18的離·合。具體地說，從起步時起到所定的車速(中速)(交流電動機100的最高轉(zhuǎn)速)為止，合上離合器18，在速度比它高的區(qū)域中，則斷開離合器，只由發(fā)動機10進行前輪驅(qū)動。因此，在逆變器16的內(nèi)部，具有在控制單元200的作用下進行開關動作的功率元件，使功率元件進行開關動作的結果，逆變器16的輸入部的電力，就具有脈動。平滑電容器22，旨在將該脈動平滑化。
在現(xiàn)有技術的電動四輪驅(qū)動車中，作為驅(qū)動后輪的電動機，使用直流電動機。該直流電動機，安裝在差動齒輪20的附近，搭載在車體的下側，所以可以搭載的電動機的大小受到限制。另一方面，在小型的直流電動機中，可以產(chǎn)生的輸出不能夠太大，所以難以在大于1升的車輛中采用。
與此不同，在本實施方式中，作為驅(qū)動后輪的電動機，使用交流電動機，所以與直流電動機相比，可以產(chǎn)生較大的輸出，能夠在大排量的汽車中米用。
作為交流電動機，能夠使用永久磁鐵式同步電動機以及勵磁繞組型同步電動機。特別是使用勵磁繞組型同步電動機后，在以下方面非常有效。
作為電動四輪驅(qū)動車，驅(qū)動后輪的電動機所要求的性能，首先在于動作點寬廣。例如在深雪中起步時，只能用后輪起步，成為關鍵，需要在低速區(qū)域中輸出大轉(zhuǎn)矩。另外，到中速行駛區(qū)域為止，繼續(xù)4輪驅(qū)動時，作為電動機，需要進行非常高的旋轉(zhuǎn)。這樣，使用永久磁鐵式同步電動機時，就會損壞永久磁鐵的磁通，所以有時不能驅(qū)動到必要的高旋轉(zhuǎn)區(qū)域。因此，電動4輪驅(qū)動系統(tǒng)使用的交流電動機，使用勵磁繞組型的同步電動機后非常有效。
如果是勵磁繞組型的同步電動機，通過抑制高旋轉(zhuǎn)區(qū)域中的勵磁電流，可以減小磁通。其結果，就能降低感應電壓，因而一直能驅(qū)動到高旋轉(zhuǎn)區(qū)域。
在這里，使用圖2，講述永久磁鐵式同步電動機和勵磁繞組型同步電動機的輸出特性。
圖2是表示永久磁鐵式同步電動機和勵磁繞組型同步電動機的輸出特性圖。在圖2中，橫軸表示轉(zhuǎn)速(rpm)，縱軸表示轉(zhuǎn)矩(Nm)。
如圖2所示，永久磁鐵式同步電動機的最高轉(zhuǎn)速，在滿足(最高轉(zhuǎn)速/最大轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)速)≤10的范圍內(nèi)決定。因此，永久磁鐵式同步電動機的最高轉(zhuǎn)速比勵磁繞組型同步電動機的最高轉(zhuǎn)速低。勵磁繞組型同步電動機，能使用到最高轉(zhuǎn)速的范圍為止，超過最高轉(zhuǎn)速后，在同步電動機和后車輪之間配置的離合器就斷開，同步電動機便與后輪分離。
如前所述，在勵磁繞組型的同步電動機中，可以利用勵磁電流改變磁通。因此，在電動4輪驅(qū)動系統(tǒng)中，對于電動機的轉(zhuǎn)速而言，改變勵磁電流，能夠積極地改變產(chǎn)生的磁通。這樣，使用勵磁繞組型的同步電動機后，可以根據(jù)電動機的動作點，控制勵磁電流，從而可以在系統(tǒng)的最大電壓內(nèi)，在電動機容許的電流的范圍內(nèi)，驅(qū)動所需的電動機的動作點。
另外，在圖1所示的本實施方式的電動四輪驅(qū)動車中，其特征在于不搭載電動機100專用的電池。如果是普通的混合動力車等，在發(fā)電機和電動機之間，連接作為電力發(fā)生源和電力回收源使用的電池。該電池需要大容量?？墒牵陔妱铀妮嗱?qū)動車中，需要使成本低于現(xiàn)有技術的機械4輪驅(qū)動車，不能搭載大容量的電池。
下面，使用圖3，講述不搭載大容量電池的電動四輪驅(qū)動車的控制原理。
圖3是本實施方式中的使用不搭載大容量電池的交流電動機的電動四輪驅(qū)動車的能量流程圖。
在使用交流電動機的電動4輪驅(qū)動系統(tǒng)中，由于不具有吸收電力的電池，所以需要進行協(xié)調(diào)控制，以便使發(fā)動機給予旋轉(zhuǎn)力而由發(fā)電機輸出的發(fā)電能量Pg、與輸入逆變器·電動機的驅(qū)動能量Pm相等。發(fā)電能量Pg與驅(qū)動能量Pm失衡時，例如發(fā)電能量Pg比驅(qū)動能量Pm大時，剩余的電力就要流入平滑用電容器，DC總線(バス)的電壓就要上升。DC總線的電壓超過容許值時，就有損壞電容器及逆變器的功率元件的危險。另外，發(fā)電能量Pg比驅(qū)動能量Pm小時，雖然微小，但由于電容器存儲的電力被逆變器·電動機使用，所以其電壓降低，結果就不能輸出所需的轉(zhuǎn)矩。
在本發(fā)明中，為了解決這種問題，對發(fā)電機進行控制，以便能夠由發(fā)電機輸出驅(qū)動交流電動機所需的能量Pm。
另外，按照d-q坐標對逆變器·電動機進行電流控制后，能夠高應答地進行高精度的轉(zhuǎn)矩控制。與此不同，對發(fā)電機進行的發(fā)電控制，卻只能控制應答遲緩的勵磁電流。該發(fā)電機的發(fā)電控制，需要與逆變器·電動機的動態(tài)一致，高精度地進行。
因此，在本發(fā)明中，反饋控制發(fā)電機的輸出電壓，以便使逆變器的輸入側的電壓Vdc，成為旨在產(chǎn)生驅(qū)動交流電動機所要消耗的能量Pm的電壓指令值Vdc*；另外還反饋控制發(fā)電機的輸出電流，以便使逆變器的輸入側的電流Idc，成為旨在產(chǎn)生驅(qū)動交流電動機所要消耗的能量Pm的電流指令值Idc*。
此外，所謂“不搭載大容量的電池”，是指本發(fā)明不排除搭載小容量的電池。在這里，例如所謂“小容量的電池”是指，單獨使用電池不能在規(guī)定時間輸出電動機的最大輸出，而通過與發(fā)電機輸出同時使用來滿足電動機的最大輸出的容量的電池。另外，本發(fā)明對于具有電池的簡易的HEV系統(tǒng)也能適用。
下面，使用圖4～圖9，講述采用本實施方式的電動四輪驅(qū)動車的控制裝置的結構。
首先，使用圖4講述采用本實施方式的電動四輪驅(qū)動車的控制裝置的系統(tǒng)結構。
圖4是表示本發(fā)明的第1實施方式的電動四輪驅(qū)動車的控制裝置的結構的系統(tǒng)結構圖。此外，與圖1相同的符號，表示相同的部分。
控制單元200，具有發(fā)電控制部210和電動機控制部220。關于發(fā)電控制部210的結構及動作，將在后文使用圖5及圖6講述。它反饋控制發(fā)電機14的勵磁繞組的勵磁電壓指令Cl(Vgf*)，從而使電容器22的兩端電壓Vdc，與電動機控制部220輸出的電容器電壓值指令Vdc*一致。勵磁電壓指令Cl(Vgf*)，被輸入控制發(fā)電機14的勵磁電流的削波器(CH)電路32。
電動機控制部220，具有矩形波控制部220A和PWM控制部220B。關于電動機控制部220的結構及動作，將在后文使用圖5講述。它根據(jù)發(fā)動機控制單元30輸出的電動機轉(zhuǎn)矩指令Tr*、被同步電動機100具備的轉(zhuǎn)速傳感器檢出的電動機旋轉(zhuǎn)速度ωm、以及被同步電動機100具備的磁極位置傳感器檢出的磁極位置θ，輸出供給逆變器16的3相交流電壓指令Vu*、Vv*、Vw*，控制逆變器16，從而控制供給同步電動機100的電樞繞組的交流電力，控制同步電動機100輸出的驅(qū)動力。同步電動機100輸出的驅(qū)動力，被控制成隨著同步電動機100的轉(zhuǎn)速的增大，而使同步電動機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩減小。另外，電動機控制部220向控制同步電動機100的勵磁電流的削波器(CH)電路34輸出勵磁電流指令Imf*，控制削波器電路34，從而控制同步電動機100的勵磁電流If。
勵磁電流指令Imf*，在圖5所示的電流指令運算部222中，根據(jù)轉(zhuǎn)矩指令Tr*、電動機旋轉(zhuǎn)速度ωm而決定。作為一個例子，可以使用由轉(zhuǎn)矩指令Tr*、電動機旋轉(zhuǎn)速度ωm、以及勵磁電流指令Imf*構成的三維表格(圖表)，根據(jù)轉(zhuǎn)矩指令Tr*、電動機旋轉(zhuǎn)速度ωm，求出勵磁電流指令Imf*。一般來說，由于電動機轉(zhuǎn)速上升后，感應電壓就上升，所以使勵磁電流指令Imf*減少地進行控制。另外，還可以按照轉(zhuǎn)矩指令，使勵磁電流If變化。按照轉(zhuǎn)矩指令的大小，使勵磁電流If變化后，可以在勵磁電流恒定的前提下，提高電動機效率。根據(jù)這種邏輯，對于電流指令運算部222決定的勵磁電流指令值Imf*，反饋控制電動機勵磁電流檢出值后，使其按照勵磁電流指令值Imf*產(chǎn)生勵磁電流If。
這時，反饋控制運算勵磁電流If后獲得的輸出值，相當于勵磁電壓指令Vgf*。將該勵磁電壓指令Vgf*輸入削波器電路34后，使勵磁電流If流過。在這里，將削波器電路34作為H電橋的電路講述，但由于勵磁電流If流動的方向恒定，所以即使將1個開關元件與勵磁繞組串聯(lián)布線的電路，也能達到本發(fā)明的目的。
綜上所述，按照電動機的動作點，變更勵磁電流指令值Imf*，使實際的勵磁電流高精度地跟蹤該指令值地加以控制后，能夠在有限的電壓范圍內(nèi)實現(xiàn)高效率、高精度的轉(zhuǎn)矩控制。
電動機控制部220按照電動機速度，切換矩形波控制部220A和PWM控制部220B。例如停止·低速區(qū)域，用PWM控制驅(qū)動；中高速區(qū)域(例如5000rpm以上)，用矩形波控制驅(qū)動。
下面，使用圖5及圖6，講述采用本實施方式的電動四輪驅(qū)動車的控制裝置的結構。
圖5是表示本發(fā)明的第1實施方式的電動四輪驅(qū)動車的控制裝置的結構的方框圖。此外，與圖4相同的符號，表示相同的部分。圖6是表示本發(fā)明的第1實施方式的電動四輪驅(qū)動車的控制裝置的發(fā)電控制部的動作的流程圖。
如圖5所示，發(fā)電控制部210具有減法部212、電壓反饋控制部214和Duty(Cl)運算部216。
在圖6的步驟s10中，減法部212根據(jù)電動機控制部220輸出的電容器電壓值指令值Vdc*和電容器22的兩端電壓——電容器電壓Vdc，求出偏差ΔVdc。
接著，在圖6的步驟s20中，電壓反饋控制部214對減法部212求出的偏差ΔVdc，進行比例積分(PI)運算，輸出勵磁電壓指令Vgf*。此外，雖然將控制作為PI控制，但并不局限于此。另外，只有反饋控制系統(tǒng)在應答方面存在問題時，可以輸入前饋補償。
在圖6的步驟s30中，Duty(Cl)運算部216根據(jù)電壓反饋控制部214輸出的勵磁電壓指令Vgf*，將占空比Cl(VGf*)，作為Vgf*/Vdc求出，該占空比Cl(VGf*)信號，被供給發(fā)電機14的勵磁繞組，使電容器22的兩端電壓——電容器電壓Vdc與電容器電壓值指令值Vdc*一致地進行反饋控制。
下面，使用圖5及圖7、圖8，講述采用本實施方式的電動四輪驅(qū)動車的控制裝置的結構。
如圖5所示，電動機控制部220具有電流指令運算部222、電壓指令運算部224、3相電壓指令運算部226、DC電壓Vdc1運算部228、電容器電壓指令值Vdc*運算部232、以及PWM/矩形波信號處理部234。
電流指令運算部222，根據(jù)來自圖4所示ECU30的轉(zhuǎn)矩指令Tr*及同步電動機100具備的轉(zhuǎn)速傳感器檢出的電動機旋轉(zhuǎn)速度ωm，使用內(nèi)部的Id、Iq表格，求出對同步電動機100而言的d軸電流指令Id*、q軸電流指令Iq*、勵磁電流指令Imf*。勵磁電流指令Imf*被供給控制同步電動機100的勵磁電流的削波器(CH)電路34，控制削波器電路32，從而控制同步電動機100的勵磁電流If。
電壓指令運算部224，根據(jù)電流指令運算部222求出的d軸電流指令Id*、q軸電流指令Iq*，求出d軸電壓指令Id*、q軸電壓指令Iq*。
3相電壓指令運算部226，對電壓指令運算部224求出的d軸電壓指令Id*、q軸電壓指令Iq*，使用同步電動機100具備的磁極位置傳感器檢出的磁極位置θ，計算對同步電動機100而言的交流電壓指令Vu*、Vv*、Vw*。
PWM/矩形波信號處理部234，根據(jù)3相電壓指令運算部226求出的交流電壓指令Vu*、Vv*、Vw*，為了對逆變器16進行PWM控制或矩形波控制而生成逆變器16的內(nèi)部開關元件的驅(qū)動信號，向逆變器16輸出。
接著，使用圖7，講述DC電壓Vdc1運算部228的動作。
圖7是表示本發(fā)明的第1實施方式的電動四輪驅(qū)動車的控制裝置的電動機控制部的動作的流程圖。
DC電壓Vdc1運算部228，根據(jù)電壓指令運算部224求出的d軸電壓指令Id*、q軸電壓指令Iq*，計算發(fā)電機14的輸出電壓即電容器22的兩端電壓Vdc1。
在圖7的步驟s 100中，DC電壓Vdc1運算部228，根據(jù)d軸電壓指令Vd*、q軸電壓指令Vq*，計算DC電壓指令值Vdc1。DC電壓Vdc1運算部228，根據(jù)d軸電壓指令Vd*、q軸電壓指令Vq*，利用下列公式(1)，求出電動機的相電壓V。
V=(Vd*2+Vq*2)/3---(1)]]>進而，DC電壓Vdc1運算部228根據(jù)電動機的相電壓V，在PWM控制時，使用下列公式(2)求出DC電壓指令值Vdc1；在矩形波控制，使用下列公式(3)求出DC電壓指令值Vdc1。
Vdc1=(22)·V---(2)]]>Vdc1=((22)·V)/1.27---(3)]]>接著，在步驟s110中，電容器電壓指令值Vdc*運算部232，使用發(fā)電機的特性，在發(fā)動機的轉(zhuǎn)速ωg中，抽出發(fā)電機的輸出電壓成為Vdc1的動作點。在發(fā)動機10和發(fā)電機14之間，具有減速機構，將減速比例如作為2.5時，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速ωg＝600rpm，相當于發(fā)電機的轉(zhuǎn)速ωg’＝1500rpm。
在這里，使用圖8，講述發(fā)電機的發(fā)電特性。
圖8是表示發(fā)電機的發(fā)電特性的特性圖。
在圖8中，橫軸表示發(fā)電機的輸出電流，縱軸表示輸出電壓。發(fā)電機的輸出電壓·電流，如圖示的曲線那樣變化。另外，這時，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速ωg’變化(ωg’1＜ωg’2＜ωg’3)后，發(fā)電機的輸出電壓·電流，也如圖示的曲線那樣變化。
電容器電壓指令值Vdc*運算部232，使用圖7所示的發(fā)電機的特性，例如在發(fā)動機的轉(zhuǎn)速ωg、發(fā)電機的轉(zhuǎn)速為ωg2’時，抽出發(fā)電機的輸出電壓成為Vdc1的動作點、即電流Idc1的點。
再接著，在圖7的步驟s120中，電容器電壓指令值Vdc*運算部232判定在檢出的動作點、即發(fā)電機以輸出電壓Vdc1、輸出電流Idc1驅(qū)動同步電動機100時，同步電動機100的驅(qū)動力(轉(zhuǎn)矩)是否滿足要求功率Pm(＝電動機轉(zhuǎn)速ωm×轉(zhuǎn)矩指令Tr*)。滿足時，進入步驟S130；不滿足時，進入步驟S140。
發(fā)電機的動作點滿足要求功率時，在步驟s130中，DC電壓Vdc1運算部228，重新計算對DC電壓指令值Vdc1而言，能夠使同步電動機100和發(fā)電機14效率最好地動作的電壓指令值Vdc2。就是說，電動機控制部220在其內(nèi)部具有對發(fā)電機的各動作點(發(fā)動機轉(zhuǎn)速、電壓、電流)而言的效率圖表，檢索在DC電壓指令值Vdc1以上、而且能夠輸出電動機的要求功率的范圍的電壓中，成為最大效率的電壓。然后，求出電壓指令值Vdc2后，電容器電壓指令值Vdc*運算部232就向發(fā)電控制部210輸出與該電壓指令值Vdc2對應的電壓指令值Vdc*。發(fā)電控制部210進行反饋控制，以便電容器電壓Vdc使成為電壓指令值Vdc*。
另外，發(fā)電機的動作點不滿足要求功率時，在步驟s140中，DC電壓Vdc1運算部228，在能夠取得必要的功率的范圍內(nèi)，重新計算DC電壓指令值Vdc3和轉(zhuǎn)矩指令Tr*。就是說，在發(fā)電機不能輸出電動機的要求功率時，首先計算現(xiàn)在的發(fā)動機旋轉(zhuǎn)中的發(fā)電機的最大功率可能輸出的電動機轉(zhuǎn)矩指令值。然后，計算該轉(zhuǎn)矩所需的DC電壓指令值。但是，由于用計算的DC電壓有時比電動機產(chǎn)生的感應電壓低，所以這時再降低電動機轉(zhuǎn)矩指令值，最終決定實際能夠輸出的DC電壓、電動機轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩指令Tr*被發(fā)送給電流指令運算部222后，再一次利用電流指令運算部222、電壓指令運算部224、3相電壓指令運算部226，求出3相電壓指令值Vu*、Vv*、Vw*。另外，電容器電壓指令值Vdc*運算部232向發(fā)電控制部210輸出與該電壓指令值Vdc3對應的電壓指令值Vdc*。發(fā)電控制部210進行反饋控制，以便使電容器電壓Vdc成為電壓指令值Vdc*。
在這里，使用圖9，講述采用本實施方式的電動四輪驅(qū)動車的控制裝置的控制動作。
圖9是表示本發(fā)明的第1實施方式的電動四輪驅(qū)動車的控制裝置的控制動作的時序圖。圖9(A)表示發(fā)動機轉(zhuǎn)速ωg，圖9(B)表示電動機轉(zhuǎn)速ωm。圖9(C)表示電動機轉(zhuǎn)矩Tm，圖9(D)表示需要的電容器電壓Vdc。此外，橫軸是時間(sec)。
如圖9(A)所示，發(fā)動機轉(zhuǎn)速ωg，在空載后，隨著1檔、2檔、3檔地變速，而增減。另一方面，如圖9(B)所示，電動機轉(zhuǎn)速ωm單調(diào)增加。在這里，如圖9(C)所示，在空載時，由于電動四輪驅(qū)動車還沒有起動，所以可以減小必要的電動機轉(zhuǎn)矩Tm。但在剛起動后的低速時，卻需要大轉(zhuǎn)矩。然后，隨著車速的上升，可以減小必要的電動機轉(zhuǎn)矩Tm。
在這里，如圖9(D)所示，在空載時(圖中的X1附近)，降低必要的電容器電壓Vdc，例如使發(fā)電機在圖8的點C附近動作。在起步時的低發(fā)動機旋轉(zhuǎn)區(qū)域(圖中的X2附近)，使發(fā)電機在低電壓大電流的、圖8的點B附近動作。進而，發(fā)動機轉(zhuǎn)速增高(圖中的X3附近)后，提高必要的電容器電壓Vdc，例如使發(fā)電機在圖8的點A附近動作，重視效率。這樣，對于發(fā)動機轉(zhuǎn)速而言，調(diào)整必要的Vdc，能夠有效地獲得必要的驅(qū)動力。
下面，使用圖10，講述采用本實施方式的電動四輪驅(qū)動車的控制裝置的第2系統(tǒng)結構。
圖10是表示本發(fā)明的第1實施方式的電動四輪驅(qū)動車的控制裝置的第2結構的系統(tǒng)構成圖。此外，與圖1、圖4相同的符號，表示相同的部分。
圖4所示的系統(tǒng)，反饋控制發(fā)電機14的勵磁繞組的勵磁電壓，以便使電容器22的兩端電壓Vdc，與電動機控制部220輸出的電容器電壓值指令Vdc*一致。
與此不同，在本例中，反饋控制發(fā)電機14的勵磁繞組的勵磁電流，以便使流入DC總線的DC電流Idc(發(fā)電機的發(fā)電電流)，與控制單元200A輸出的電容器電流值指令Idc*一致。
下面，使用圖11，講述采用本實施方式的電動四輪驅(qū)動車的控制裝置的第3系統(tǒng)結構。
圖11是表示本發(fā)明的第1實施方式的電動四輪驅(qū)動車的控制裝置的第3結構的系統(tǒng)構成圖。此外，與圖1、圖4相同的符號，表示相同的部分。
在本實施方式中，同時使用圖4所示的系統(tǒng)和圖10所示的系統(tǒng)，控制單元200B，反饋控制發(fā)電機14的勵磁繞組的勵磁電壓·勵磁電流，以便使電容器22的兩端電壓Vdc或流入DC總線的DC電流Idc(發(fā)電機的發(fā)電電流)，與電容器電壓值指令Vdc*或電容器電流值指令Idc*一致。采用電壓控制還是采用電流控制，按照發(fā)電機的動作范圍選擇。此外，關于發(fā)電機的動作范圍，可以使用圖7的步驟s110的方法判定。
發(fā)電機的發(fā)電特性，如圖8所示。此外，該例中的發(fā)電機的激勵方式是自勵方式，發(fā)電機的輸出電壓比12V系的電池電壓低時，則為他勵方式。在這里，在圖8中可以看出例如發(fā)電機轉(zhuǎn)速ωg1’具有非線性的發(fā)電特性，即在點A～點B之間的發(fā)電特性，是向右下降的特性；在點B～點C之間的發(fā)電特性，是向左下降的特性；進而，從點C起又成為向右下降的特性。因此，為了穩(wěn)定地控制具有這種發(fā)電特性的發(fā)電機，而對電壓控制和電流控制進行切換。
圖9所示的發(fā)電機的動作范圍中，在向右下降的區(qū)域(點A～點B、點C～)中，進行電壓反饋控制；在向左下降的區(qū)域(點B～點C)中，進行電流反饋控制。在圖7所示的發(fā)電機的動作范圍的向左下降的區(qū)域中，如圖4所示，在電壓反饋控制系統(tǒng)中，成為正邏輯，控制系統(tǒng)有可能發(fā)散。因此，在該區(qū)域中，為了保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需要使成為控制器的輸出的補償量的符號顛倒。與此不同，在本例中，在向左下降的區(qū)域中，通過電流反饋控制，從而不使補償量的符號顛倒，就能夠保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
綜上所述，采用本實施方式后，可以獲得成本不超過現(xiàn)有技術的機械4輪驅(qū)動車、而且能夠在大排量的汽車中采用的電動4輪驅(qū)動系統(tǒng)。
下面，使用圖12及圖13，講述采用本發(fā)明的第2實施方式的電動四輪驅(qū)動車的結構。
圖12是表示本發(fā)明的第2實施方式的電動四輪驅(qū)動車的結構的系統(tǒng)結構圖。圖13是表示本發(fā)明的第2實施方式的電動四輪驅(qū)動車的控制內(nèi)容的流程圖。在圖12中，與圖1相同的符號，表示相同的部分。
如圖12所示，發(fā)動機10除了產(chǎn)生旨在驅(qū)動前輪WH-FR、WH-FL的動力外，還與成為12V電池用發(fā)電機(ALT2)40、空調(diào)用壓縮機(COMP)42、作為后輪驅(qū)動用同步電動機(AC-M)100的動力源的60V高壓發(fā)電機14連接。另外，近來，如電動動力轉(zhuǎn)向(EPS)44及電動制動器(E-BR)46等那樣，各種車載執(zhí)行機構的電動化發(fā)展迅速，12V發(fā)電機40的負荷越來越大。因此，進行電動4輪驅(qū)動時，需要判斷用現(xiàn)在的發(fā)動機轉(zhuǎn)速，能否發(fā)出所需的后輪電動機輸出。例如，在本實施方式的電動4輪驅(qū)動系統(tǒng)中，后輪驅(qū)動用電動機100的輸出得到提高，成為十幾KW左右的容量。這樣，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速較低、發(fā)動機處于低輸出區(qū)域時，電動機要輸出最大轉(zhuǎn)矩，就有可能使發(fā)動機停止運轉(zhuǎn)。這樣，電動機的容量提高后，與發(fā)動機連接的各負荷的負荷調(diào)整，就十分重要。因此，控制單元(CU)200C，對發(fā)動機可輸出的功率和各負荷進行管理控制。
在圖13的步驟s200中，控制單元200C，在驅(qū)動4輪之際，計算后輪WH-RR、WH-RL輸出的同步電動機100所需的轉(zhuǎn)矩Tmreq。所需的轉(zhuǎn)矩Tmreq，可以根據(jù)加速器開度(節(jié)流閥開度)和車速、或加速器開度(節(jié)流閥開度)和前后輪車速求出。
接著，在步驟s210中，控制單元200C計算與發(fā)動機10連接的各負荷(12V電池用發(fā)電機40、空調(diào)用壓縮機42等，進而與12V電池用發(fā)電機40連接的各負荷(電動動力轉(zhuǎn)向用電動機44及電動制動器用電動機46等))現(xiàn)在的輸出狀態(tài)。
接著，在步驟s220中，控制單元200C根據(jù)現(xiàn)在的發(fā)動機10的動作點，計算可以輸出的功率Pe。
接著，在步驟s230中，控制單元200C判斷在步驟s200中計算出的所需轉(zhuǎn)矩Tmreq在可以輸出的功率Pe內(nèi)是否可以輸出。在這里，如果可以輸出，就進入步驟s290，控制單元200C將所需轉(zhuǎn)矩Tmreq作為實際的電動機驅(qū)動轉(zhuǎn)矩Tm。
另外，在步驟s230中判斷所需轉(zhuǎn)矩Tmreq在可以輸出的功率Pe內(nèi)不能輸出時，在步驟s240中，控制單元200C判斷除了后輪電動機100之外，能否減輕與發(fā)動機10連接的負荷。在步驟s240中，判斷能夠減輕負荷時，在步驟s250中，控制單元200C減輕負荷，其結果，可以輸出電動機的所需轉(zhuǎn)矩Tmreq時，在步驟s290中，控制單元200C將所需轉(zhuǎn)矩Tmreq作為實際的電動機驅(qū)動轉(zhuǎn)矩Tm。
在步驟s240中，不能夠減輕負荷時，在步驟s260中，控制單元200C考慮4輪驅(qū)動性能，判斷能否減輕所需轉(zhuǎn)矩Tmreq。
在這里，能夠減輕所需轉(zhuǎn)矩Tmreq時，控制單元200C減輕到在現(xiàn)在的發(fā)動機可以輸出的功率Pe內(nèi)能夠輸出的電動機轉(zhuǎn)矩Tm為止，在步驟s290中，控制單元200C就將該減輕的結果作為實際的電動機驅(qū)動轉(zhuǎn)矩Tm。
另外，在步驟s260中，4輪驅(qū)動性能在目前的行駛狀態(tài)中絕對需要，不能夠減輕所需轉(zhuǎn)矩Tmreq時，在步驟s270中，控制單元200C就在能夠輸出所需轉(zhuǎn)矩Tmreq的范圍內(nèi)，使發(fā)動機轉(zhuǎn)速增加。
然后，在步驟s290中，控制單元200C經(jīng)過這些處理之后，決定最終的電動機驅(qū)動轉(zhuǎn)矩Tm。
以上，是電動4輪驅(qū)動系統(tǒng)的功率管理處理的示例。在這里，關于講述的處理，對順序等沒有限制。進而，本管理是為了一邊在效率良好的動作點上驅(qū)動發(fā)動機，一邊有效地使電動4輪驅(qū)動系統(tǒng)動作。如果能達到這一個目的，其處理內(nèi)容，并不局限于圖13所示的流程圖的內(nèi)容。
采用本實施方式后，可以獲得成本不超過現(xiàn)有技術的機械4輪驅(qū)動車、而且能夠在大排量的汽車中采用的電動4輪驅(qū)動系統(tǒng)。
下面，使用圖14～圖22，講述本發(fā)明的電動四輪驅(qū)動車使用的勵磁繞組型同步電動機的結構。
首先，使用圖14，講述本發(fā)明的電動四輪驅(qū)動車使用的第1勵磁繞組型同步電動機的整體結構。
圖14是表示本發(fā)明的電動四輪驅(qū)動車使用的第1勵磁繞組型同步電動機的整體結構的剖面圖。
勵磁繞組型同步電動機100，是在定子的內(nèi)周側，在同一個主軸(輸出軸)上，設置2個被可旋轉(zhuǎn)支承的轉(zhuǎn)子的串聯(lián)型的勵磁繞組型同步電動機。
外殼102，由固定有背部側軸承109b的軸承座108和收納磁極位置檢出器120(例如分解器)的分解器座122構成。軸承座108，采用使收納前面?zhèn)容S承109a的座和外殼成為一體的結構。在各座的中心部，通過前面?zhèn)容S承109a及背部側軸承109b，支承著主軸115。在主軸115的一個端部，安裝著一對滑環(huán)19。
在外殼102的內(nèi)部，設置著定子103和轉(zhuǎn)子110。定子103，由定子鐵心105和定子繞組106構成。定子鐵心105嵌合后配置在外殼102內(nèi)。在定子鐵心105的切槽中，裝入定子繞組106。
在定子鐵心105的內(nèi)周側，通過機械性的間隙(空氣隙長)，轉(zhuǎn)子110可以旋轉(zhuǎn)地被軸承109a、109b支承著。轉(zhuǎn)子110，由爪形磁極111a、112a、111b、112b和勵磁繞組113a、113b及永久磁鐵130a、130b構成。由爪形磁極111a、112a和勵磁繞組113a及永久磁鐵130a，構成第1轉(zhuǎn)子。由爪形磁極111b、112b和勵磁繞組113b及永久磁鐵130b，構成第2轉(zhuǎn)子。一對爪形磁極111a、112a，位于各自的爪部相對的爪部之間地配置；另外，一對爪形磁極111b、112b，也位于各自的爪部相對的爪部之間地配置。在爪形磁極111a、112a之間，裝入繞線管114a；在爪形磁極111b、112b之間，裝入繞線管114b。勵磁繞組113a、113b，分別被卷繞裝入繞線管114a、114b。另外，在一對爪形磁極111a、112a及爪形磁極111b、112b之間，安裝著多個磁鐵130a、130b。在兩個滑環(huán)119中，分別可以滑動地安裝著電刷118，通過滑環(huán)119，向勵磁繞組113a、113b供給來自電池的直流電流。
爪形磁極111a、112a，通過電刷118，在勵磁繞組113a的作用下，在圓周方向上，N極S極被交替激勵。爪形磁極111b、112b，也通過電刷118，在勵磁繞組113b的作用下，在圓周方向上，N極S極被交替激勵。串聯(lián)的爪形磁極的極性，將兩者的爪形磁極相接的一側作為同極。另外，永久磁鐵130a、130b的極性，被磁化成和由勵磁繞組的激勵決定爪形磁極的極性的面上的磁性同極的磁性。
作為磁極位置檢出器120的吻合基準，在將爪形磁極轉(zhuǎn)子的串聯(lián)構成的一個，向圓周方向上偏移時，使兩者的中心與一致位置檢出器的基準吻合，或者與兩者的感應電壓的合成波形吻合。
在分解器架122上，收納分解器定子120。與分解器定子120相對，具有機械性的間隙(空氣隙長)，在主軸11的端部安裝著分解器轉(zhuǎn)子121。另外，在分解器架122上，還安裝著罩子123，拆下罩子后可以調(diào)整分解器定子120的位置。
下面，使用圖15及圖16，講述本實施方式的電動四輪驅(qū)動車使用的第1勵磁繞組型同步電動機中的定子繞組的切槽內(nèi)的配置。
圖15是本發(fā)明的電動四輪驅(qū)動車使用的第1勵磁繞組型同步電動機中的定子繞組的切槽內(nèi)配置的剖面展開圖。圖16是表示本發(fā)明的電動四輪驅(qū)動車使用的第1勵磁繞組型同步電動機中的定子繞組的切槽內(nèi)插入狀態(tài)的立體圖。
在定子鐵心104中，形成多個切槽140及多個齒141。各切槽140，在與爪形磁極111a、112a、111b、112b相對的內(nèi)周面，設置切槽開口部143。在本例中，示出在一個切槽內(nèi)配置4個導體的情況。
例如在12極、36槽的U相時，在切槽140內(nèi)的外周側排列的導體160a，與在3切槽前端的切槽內(nèi)的內(nèi)周側排列的導體160c，是用1根導體形成的。同樣，在切槽140內(nèi)的外周側排列的導體160b，和在3切槽前端的切槽內(nèi)的內(nèi)周側排列的導體160d，作為1根導體形成。然后，被與磁極節(jié)距相離位置的導體依次連接，切槽內(nèi)的導體160a、160b，從卷繞始端到卷繞未端都串聯(lián)連接，構成波浪卷繞的第1繞組。另外，切槽140的同一切槽內(nèi)的導體160c、160d，分別用1根導體形成，和上述一樣，從卷繞始端到卷繞未端都串聯(lián)連接，構成波浪卷繞的第2繞組。另外，第1繞組和第2繞組，在卷繞始端的端子之間和卷繞未端的中性點162端子之間，彼此并聯(lián)。此外，在各槽內(nèi)，設置著很薄的絕緣紙142。
1個切槽內(nèi)的定子繞組，采用上側(外周側)導體160a、160b和下側(內(nèi)周側)導體161c、161d的雙層卷繞。另外，1個切槽內(nèi)的圓周方向?qū)w數(shù)，在串聯(lián)爪形磁極時為2。此外，在3串聯(lián)爪形磁極時，1個切槽內(nèi)的圓周方向?qū)w數(shù)為3。
下面，使用圖17，講述本實施方式的電動四輪驅(qū)動車使用的第1勵磁繞組型同步電動機中的定子繞組的1相的繞組配置。
圖17是表示本發(fā)明的電動四輪驅(qū)動車使用的第1勵磁繞組型同步電動機中的定子繞組的1相的繞組配置的展開圖。此外，在圖中，實線表示上側線圈，虛線表示下側線圈。
圖17表示將上述切槽內(nèi)導體排列展開到36槽內(nèi)時的1相的繞組配置。導體160和導體161構成的第1繞組和第2繞組，分別串聯(lián)后，如上所述，再并聯(lián)形成U相端子和中性點162。
例如，在12極、36槽、U相中，嵌入第7槽的上側線圈導體160a、160b，嵌入第10槽的下側線圈導體160c、160d，分別是1根導體；導體的卷繞始端160m，嵌入第4槽的下側，通過第1槽的上側、第34槽的下側、…、第7槽的上側后，作為一次卷繞，再將它串聯(lián)波形卷繞連接2次卷繞后，與卷繞末端160n連接。同樣，卷繞始端161m，嵌入第10槽的上側，通過第13槽的下側、第16槽的上側、…、第7槽的下側后，作為一次卷繞，再將它串聯(lián)波形卷繞連接2次卷繞后，與卷繞末端161n連接。該卷繞末端導體160n及卷繞末端導體161n，與中性點162連接，卷繞始端導體160m、卷繞始端導體161m并聯(lián)，構成U相繞組。
下面，使用圖18，講述本實施方式的電動四輪驅(qū)動車使用的第1勵磁繞組型同步電動機中的定子繞組的3相繞組的連接狀態(tài)。
圖18是表示本發(fā)明的電動四輪驅(qū)動車使用的第1勵磁繞組型同步電動機中的定子繞組的3相繞組的連接狀態(tài)的展開圖。
圖18表示在用圖17講述的U相的連接狀態(tài)中，再加上V相、W相繞組的導體的連接狀態(tài)。和U相一樣，V相的繞組末端導體163n、164n，與中性點162連接；V相的繞組始端導體163m、164m并聯(lián)，構成V相繞組。W相的繞組末端導體165n、166n，與中性點162連接；W相的繞組始端導體165m、166m并聯(lián)，構成W相繞組。
下面，使用圖19，講述本實施方式的電動四輪驅(qū)動車使用的第1勵磁繞組型同步電動機中的轉(zhuǎn)子的結構。
圖19是表示本發(fā)明的電動四輪驅(qū)動車使用的第1勵磁繞組型同步電動機中的轉(zhuǎn)子的結構的俯視圖。此外，與圖14相同的符號，表示相同的部分。
在本實施方式中，將串聯(lián)的爪形磁極轉(zhuǎn)子的磁極中心、即爪形磁極112a和112b的中心，在圓周方向上，以機械角(360度/(極數(shù)×相數(shù)×Ns))＝5度錯開。在這里，Ns是在同一切槽內(nèi)串聯(lián)的圓周方向的導體數(shù)。它還是將一對爪形磁極朝2個軸向排列的串聯(lián)的轉(zhuǎn)子數(shù)。就是說，圓周方向的導體數(shù)為2時，是串聯(lián)爪形磁極，形成2個爪形磁極。
進而，在同一切槽內(nèi)的圓周方向的導體數(shù)為3時，使Ns＝3，成為排列3個爪形磁極的串聯(lián)結構。這時，固定用一個爪形磁極11a、12a構成的一對爪形磁極，將以用另一個爪形磁極11b、12b構成的一對爪形磁極的中心為基準，使其朝圓周方向前進或后退。
在圖19的示例中，由于是12極、3相、串聯(lián)結構，所以機械性地朝圓周方向錯開5度。但如果是16極、48槽、3相、串聯(lián)結構，就機械性地朝圓周方向錯開3.75度。
下面，使用圖20，講述圖19所示的串聯(lián)轉(zhuǎn)子中的感應電壓波形。
圖20是表示圖19所示的串聯(lián)轉(zhuǎn)子中的感應電壓波形。
如圖19所示，如果將串聯(lián)轉(zhuǎn)子的磁極中心朝圓周方向錯開5°時，設第1轉(zhuǎn)子側的感應電壓為Ea，那么將磁極中心對該第1轉(zhuǎn)子而言朝圓周方向錯開5°的第2轉(zhuǎn)子側的感應電壓，就成為Eb。就是說，如果是12極、3相，機械性地朝圓周方向錯開5度后，電角就成為偏移30°相位。
下面，使用圖22，講述本實施方式的電動四輪驅(qū)動車使用的第1勵磁繞組型同步電動機中的定子繞組的3相繞組的連接狀態(tài)。
圖22是表示本發(fā)明的電動四輪驅(qū)動車使用的第1勵磁繞組型同步電動機中的定子繞組的3相繞組的連接狀態(tài)的展開圖。
U相、V相、W相的繞組，將同一切槽的導體串聯(lián)卷繞。但由于將串聯(lián)爪形磁極的一個，錯開5度的機械角(電角為30度)。所以切割各自的爪形磁極的磁通后感應的電壓，就產(chǎn)生電角為30度的相位差。
就是說，以U相定子繞組為例，對于串聯(lián)構成的轉(zhuǎn)子的第1轉(zhuǎn)子的上側定子繞組160U1而言，第2轉(zhuǎn)子的上側定子繞組160U2產(chǎn)生的電壓，電角的相位就錯開30度，圖示的狀態(tài)，用向量表示相位不同的電壓。另外，對于串聯(lián)構成的轉(zhuǎn)子的第1轉(zhuǎn)子的下側定子繞組160L1而言，第2轉(zhuǎn)子的下側定子繞組160L2產(chǎn)生的電壓，電角的相位也錯開30度。
下面，使用圖22及圖23，講述本實施方式的電動四輪驅(qū)動車使用的第1勵磁繞組型同步電動機中的低振動性。
圖22是表示本發(fā)明的電動四輪驅(qū)動車使用的第1勵磁繞組型同步電動機中的低振動性的說明圖。圖23是表示本發(fā)明的電動四輪驅(qū)動車使用的第1勵磁繞組型同步電動機中的低脈動性的說明圖。
在圖22中，圖22(A)表示本實施方式中的轉(zhuǎn)矩波動，圖22(B)表示現(xiàn)有技術中的轉(zhuǎn)矩波動。
如本實施方式所示，將串聯(lián)爪形磁極中的一個錯開5度的機械角(30度的電角)后，第1磁極產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波動TL1和第2磁極產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波動TL2，就如圖22(A)所示，錯開角度θ1(30度的電角)后產(chǎn)生。這時的轉(zhuǎn)矩波動的最大值，分別相等，為τ1。
另一方面，圖22(B)表示串聯(lián)爪形磁極的磁極中心不錯開時的轉(zhuǎn)矩波動TL3。這時，轉(zhuǎn)矩波動遍及定子鐵心的總長后，作用于沒有向圓周方向錯開的串聯(lián)磁極。這時的轉(zhuǎn)矩波動的最大值，為2τ1。
與此不同，在本實施方式中，對于串聯(lián)爪形磁極中的一個——第1磁極而言，將第2磁極錯開30度的電角后，由于軸向的磁極的長度，是在圓內(nèi)方向上不錯開時的一半，所以產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波動，就成為沒有錯開串聯(lián)爪形磁極時的一半(2τ1→τ1)。就是說，向圓周方向錯開串聯(lián)爪形磁極后，轉(zhuǎn)矩波動由2τ1減至τ1，可使沖擊力減少一半。由于振動及噪聲取決于沖擊力的大小，所以能夠降低振動、噪聲。
下面，使用圖23講述脈動。圖23(A)表示將串聯(lián)爪形磁極中的一個錯開15度的電角時，合成以下6個轉(zhuǎn)矩脈動的合成轉(zhuǎn)矩脈動Tl第1磁極的U相轉(zhuǎn)矩脈動U，與第1磁極錯開15度的電角的第2磁極的U相轉(zhuǎn)矩脈動U15，第1磁極的V相轉(zhuǎn)矩脈動V，與第1磁極錯開15度的電角的第2磁極的V相轉(zhuǎn)矩脈動V15，第1磁極的W相轉(zhuǎn)矩脈動W，與第1磁極錯開15度的電角的第2磁極的W相轉(zhuǎn)矩脈動W15。
圖23(B)表示如本實施方式那樣，將串聯(lián)爪形磁極中的一個錯開30度的電角時，合成以下6個轉(zhuǎn)矩脈動的合成轉(zhuǎn)矩脈動T2第1磁極的U相轉(zhuǎn)矩脈動U，與第1磁極錯開30度的電角的第2磁極的U相轉(zhuǎn)矩脈動U30，第1磁極的V相轉(zhuǎn)矩脈動V，與第1磁極錯開30度的電角的第2磁極的V相轉(zhuǎn)矩脈動V30，第1磁極的W相轉(zhuǎn)矩脈動W，和與第1磁極錯開30度的電角的第2磁極的W相轉(zhuǎn)矩脈動W30。
圖23(C)表示將串聯(lián)爪形磁極中的一個錯開60度的電角時，合成以下6個轉(zhuǎn)矩脈動的合成轉(zhuǎn)矩脈動T3第1磁極的U相轉(zhuǎn)矩脈動U，與第1磁極錯開60度的電角的第2磁極的U相轉(zhuǎn)矩脈動U60，第1磁極的V相轉(zhuǎn)矩脈動V，和與第1磁極錯開60度的電角的第2磁極的V相轉(zhuǎn)矩脈動V60，第1磁極的W相轉(zhuǎn)矩脈動W，和與第1磁極錯開60度的電角的第2磁極的W相轉(zhuǎn)矩脈動W60。
就是說，如圖23(B)所示，將勵磁繞組型發(fā)電電動機作為電動機運轉(zhuǎn)時，電動機的轉(zhuǎn)矩脈動，在將串聯(lián)爪形磁極中的一個錯開的角度定為30度的電角時，能夠成為最小。進而，將勵磁繞組型電動機作為電動機運轉(zhuǎn)時，將其輸出電壓全波整流時的電壓波形的脈動，在將串聯(lián)爪形磁極中的一個錯開的角度定為30度的電角時，也能夠成為最小。就是說，將串聯(lián)爪形磁極中的一個錯開5度的機械角(30度的電角)后，能夠在減少3相交流的脈動波形的脈動成分的同時，還能夠減少振動、噪聲。
此外，即使將串聯(lián)爪形磁極中的一個錯開30度的電角以外，也能夠在減少轉(zhuǎn)矩波動，減少振動、噪聲?？墒?，與錯開30度的電角相比，3相交流的脈動波形的脈動成分或多或少有所增加。
在這里，使用(表1)，表示切換倫德爾型串聯(lián)旋轉(zhuǎn)電機的極數(shù)時的槽數(shù)、機械角、電角的關系。機械角，在將轉(zhuǎn)子作為Ns個連接的串聯(lián)結構時，作為360度/(極數(shù)×相數(shù)×Ns)求出。
表1
作為使用爪形磁極的勵磁繞組型同步電動機，如特開2001-169490號公報所述，增多槽數(shù)，將分散配置到相鄰的兩個槽中的導體串聯(lián)，將其它位置的分散配置的導體也串聯(lián)，再將兩者并聯(lián)的定子繞組，已廣為人知?？墒?，該結構的槽數(shù)增多，接地絕緣面積增加，槽滿率減少。另外，加大電動機轉(zhuǎn)矩時，成為串聯(lián)結構，想要稍微加大導體載面積時，比較困難。
在電動4輪驅(qū)動用的車輛用旋轉(zhuǎn)電機中，由于成為低速·高轉(zhuǎn)矩、高速·低轉(zhuǎn)矩，所以要求到高速運轉(zhuǎn)為止的轉(zhuǎn)速控制范圍寬廣。特別是在低速時，需要低電壓、大電流。另外，汽車用的還迫切要求低振動·低噪聲。例如，低電壓、大電流的電動機時，需要減少定子的卷繞數(shù)，增大導體面積，減小繞組的電阻值。另外，車輛用旋轉(zhuǎn)電機由于迫切要求低振動·低噪聲，所以槽數(shù)較少時也存在低振動·低噪聲的課題。
與此不同，在本實施方式中，為了加大電動機轉(zhuǎn)矩，在使用串聯(lián)轉(zhuǎn)子的同時，還使串聯(lián)結構的轉(zhuǎn)子的爪形磁極中心錯開，從而使3相電動機的空間高頻及轉(zhuǎn)矩的脈動次數(shù)成為高次，能夠減少轉(zhuǎn)矩脈動，能夠?qū)崿F(xiàn)低振動、低噪聲的電動機。
下面，使用圖24～圖27，講述本發(fā)明的電動四輪驅(qū)動車使用的第2勵磁繞組型同步電動機的結構。
首先，使用圖24，講述本發(fā)明的電動四輪驅(qū)動車使用的第2勵磁繞組型同步電動機的整體結構。
圖24是表示本發(fā)明的電動四輪驅(qū)動車使用的第2勵磁繞組型同步電動機的整體結構的剖面圖。此外，與圖14相同的符號，表示相同的部分。
轉(zhuǎn)子110’，是由2個轉(zhuǎn)子構成的串聯(lián)，第1轉(zhuǎn)子110，由爪形磁極111a、112a、111b、112b和勵磁繞組113a、113b及永久磁鐵130a、130b構成；第2轉(zhuǎn)子，由爪形磁極111a、112a和勵磁繞組113a及永久磁鐵130a構成。在這一點上，與圖14的示例相同。可是，在本實施方式中，2個爪形磁極的中心不錯開，保持一致。
另一方面，在外殼102內(nèi)被支承的定子103A中，在軸向的中央附近，將定子鐵心分作兩個，一個定子鐵心104a和另一個定子鐵心104b的圓周方向位置，采用錯開360度/(極數(shù)×相數(shù)×Ns)角度的串聯(lián)定子。在這里，Ns和前文所述一樣，在同一切槽內(nèi)的圓周方向的導體數(shù)，和軸向排列的定子的分割數(shù)，成為相同的數(shù)值。分作兩個定子時，使s為2；3個定子串聯(lián)時，因為將定子分作3個，所以s成為3。這時，固定一個定子鐵心104a，將另一個定子鐵心104b的中心作為基準，使其朝圓周方向前進或后退。錯開的角度，例如是12極、3相、串聯(lián)結構，是機械性地錯開5度(30度的電角)。如果是16極、48槽、3相、串聯(lián)結構，就機械性地朝圓周方向錯開3.75度。
此外，定子鐵心，在來自轉(zhuǎn)子的磁通不容易到達空間的區(qū)域、即與爪形磁極的軸向端部對應的位置，分割成2個定子鐵心104a、104b。
下面，使用圖25～圖27，講述本實施方式的電動四輪驅(qū)動車使用的第2勵磁繞組型同步電動機中的定子鐵心及定子繞組的結構。
圖25是表示本發(fā)明的電動四輪驅(qū)動車使用的第2勵磁繞組型同步電動機的定子鐵心的第1配置的剖面圖。圖26是表示本發(fā)明的電動四輪驅(qū)動車使用的第2勵磁繞組型同步電動機的定子鐵心的第2配置的剖面圖。圖27是表示本發(fā)明的電動四輪驅(qū)動車使用的第2勵磁繞組型同步電動機的定子繞組的結構俯視圖。此外，與圖14相同的符號，表示相同的部分。
定子鐵心104a及104b，如圖25所示，或如圖26所示，朝著與圖23的錯開方向相反的方向，在圓周方向上錯開，在定子鐵心104a、104b的槽內(nèi)，配置著導體160a、160b、161a、161b。
然后，如圖27所示，導體160a、160b、161a、161b，在定子鐵心104a和104b的間隙之間，朝圓周方向折彎5°。
綜上所述，采用本實施方式后，將串聯(lián)結構的轉(zhuǎn)子的爪形磁極中心錯開后，3相電動機的空間高頻及轉(zhuǎn)矩的脈動次數(shù)成為高次，能夠減輕轉(zhuǎn)矩脈動，實現(xiàn)低振動、低噪音的電動機。
另外，采用上述結構后，例如使用36槽、12極的旋轉(zhuǎn)電極，可以獲得72槽、12極的旋轉(zhuǎn)電極和同樣的效果，將槽數(shù)減少一半后，能夠減少定子鐵心的槽內(nèi)絕緣材料的面積，提高槽滿率。另外，由于將定子鐵心分作2個后，設置了空間，所以能夠減少使用的原材料，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)電機的輕量化、低成本化。
權利要求
1.一種電動四輪驅(qū)動車，其特征在于用內(nèi)燃機驅(qū)動前輪、用電動機驅(qū)動后輪，所述電動機是交流電動機，所述電動四輪驅(qū)動車，具有被所述內(nèi)燃機的旋轉(zhuǎn)力驅(qū)動，輸出直流電力的發(fā)電機；將所述發(fā)電機輸出的直流電力，變換成交流電力的逆變器；以及控制所述發(fā)電機的控制單元，其使所述發(fā)電機輸出驅(qū)動所述交流電動機所需的能量Pm。
2.如權利要求1所述的電動四輪驅(qū)動車，其特征在于所述控制單元，反饋控制所述發(fā)電機的輸出電壓，以便使所述逆變器的輸入側的電壓Vdc，成為用于產(chǎn)生因驅(qū)動所述交流電動機所要消耗的能量Pm的電壓指令值Vdc*。
3.如權利要求1所述的電動四輪驅(qū)動車，其特征在于所述控制單元，反饋控制所述發(fā)電機的輸出電流，以便使所述逆變器的輸入側的電流Idc，成為用于產(chǎn)生因驅(qū)動所述交流電動機所要消耗的能量Pm的電流指令值Idc*。
4.如權利要求1所述的電動四輪驅(qū)動車，其特征在于所述控制單元，按照所述發(fā)電機的動作范圍，對電壓反饋控制與電流反饋控制進行切換控制，其中，所述電壓反饋控制，反饋控制所述發(fā)電機的輸出電壓，以便使所述逆變器的輸入側的電壓Vdc，成為用于產(chǎn)生驅(qū)動所述交流電動機所要消耗的能量Pm的電壓指令值Vdc*；所述電流反饋控制，反饋控制所述發(fā)電機的輸出電流，以便使所述逆變器的輸入側的電流Idc，成為用于產(chǎn)生驅(qū)動所述交流電動機所要消耗的能量Pm的電流指令值Idc*。
5.一種電動四輪驅(qū)動車，其特征在于用內(nèi)燃機驅(qū)動前輪、用電動機驅(qū)動后輪，所述電動機，是具有勵磁繞組的勵磁繞組型的同步電動機，所述電動四輪驅(qū)動車，具有被所述內(nèi)燃機的旋轉(zhuǎn)力驅(qū)動，輸出直流電力的發(fā)電機；和將所述發(fā)電機輸出的直流電力變換成交流電力，并控制所述同步電動機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的逆變器。
6.如權利要求5所述的電動四輪驅(qū)動車，其特征在于還具有控制所述發(fā)電機的控制單元，其使所述發(fā)電機輸出所述同步電動機產(chǎn)生所述驅(qū)動轉(zhuǎn)矩所必需的能量Pm。
7.一種電動四輪驅(qū)動車，其特征在于用內(nèi)燃機驅(qū)動前輪、用電動機驅(qū)動后輪，所述電動機，是具有勵磁繞組的勵磁繞組型的同步電動機，所述電動四輪驅(qū)動車，具有發(fā)電機，其被所述內(nèi)燃機的旋轉(zhuǎn)力驅(qū)動，輸出直流電力；逆變器，其將所述發(fā)電機輸出的直流電力，變換成交流電力；第1控制單元，其通過控制所述逆變器，控制供給所述同步電動機的電樞繞組的交流電力，以便使同步電動機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩隨著所述同步電動機的轉(zhuǎn)速的增高而變小，并且，通過控制，使流入所述同步電動機的勵磁繞組的勵磁電流隨著所述同步電動機的轉(zhuǎn)速的增高而減??；以及第2控制單元，其控制所述發(fā)電機，以便使所述發(fā)電機輸出所述同步電動機產(chǎn)生所述驅(qū)動轉(zhuǎn)矩所必需的能量Pm。
8.如權利要求7所述的電動四輪驅(qū)動車，其特征在于所述第2控制單元，反饋控制所述發(fā)電機的輸出電壓，以便使所述逆變器的輸入側的電壓Vdc，與用于產(chǎn)生因驅(qū)動所述交流電動機所要消耗的能量Pm的電壓指令值Vdc*之間取得平衡。
9.一種電動四輪驅(qū)動車，其特征在于，具有供給前輪驅(qū)動力的內(nèi)燃機；與所述內(nèi)燃機連接，在所述內(nèi)燃機的旋轉(zhuǎn)力的作用下，輸出直流電力的發(fā)電機；將所述發(fā)電機輸出的直流電力，變換成交流電力的逆變器；在所述發(fā)電機與所述逆變器之間連接的平滑用電容器；被所述逆變器控制，驅(qū)動后輪的交流電動機，通過控制所述逆變器，控制供給所述交流電動機的電樞繞組的交流電力，并且，反饋控制所述發(fā)電機的輸出電壓，以便使所述電容器的兩端電壓Vdc，成為用于產(chǎn)生因驅(qū)動所述交流電動機所要消耗的能量Pm的電壓指令值Vdc*。
10.一種電動四輪驅(qū)動車，其特征在于，具有供給前輪驅(qū)動力的內(nèi)燃機；與所述內(nèi)燃機連接，在所述內(nèi)燃機的旋轉(zhuǎn)力的作用下，輸出直流電力的發(fā)電機；將所述發(fā)電機輸出的直流電力，變換成交流電力的逆變器；在所述發(fā)電機與所述逆變器之間連接的平滑用電容器；被所述逆變器控制，驅(qū)動后輪的交流電動機，通過控制所述逆變器，控制供給所述交流電動機的電樞繞組的交流電力，并且，反饋控制所述發(fā)電機的輸出電流，以便使所述電容器的兩端電流Idc，成為用于產(chǎn)生因驅(qū)動所述交流電動機所要消耗的能量Pm的電流指令值Idc*。
11.一種電動四輪驅(qū)動車，其特征在于用內(nèi)燃機驅(qū)動前輪、用電動機驅(qū)動后輪，具有與所述內(nèi)燃機連接，在所述內(nèi)燃機的旋轉(zhuǎn)力的作用下，輸出直流電力的所述電動機用的發(fā)電機；與所述內(nèi)燃機連接，在所述內(nèi)燃機的旋轉(zhuǎn)力的作用下，輸出直流電力的輔機用發(fā)電機；與所述內(nèi)燃機連接，被所述內(nèi)燃機驅(qū)動的至少一個執(zhí)行機構；以及控制單元，其至少在所述前輪的驅(qū)動力、驅(qū)動所述后輪的所述電動機的驅(qū)動力、所述輔機用發(fā)電機的發(fā)電功率、以及所述執(zhí)行機構的驅(qū)動力之間，對由所述內(nèi)燃機輸出的功率進行分配控制。
12.如權利要求11所述的電動四輪驅(qū)動車，其特征在于所述控制單元，當在目前的行駛條件中，得出需要四輪驅(qū)動的判斷時，變更所述輔機用發(fā)電機及執(zhí)行機構的功率分配，并優(yōu)先給所述電動機分配發(fā)動機功率。
13.如權利要求12所述的電動四輪驅(qū)動車，其特征在于所述控制單元，與所述功率分配變更無關，在后輪驅(qū)動轉(zhuǎn)矩不足時，增大所述內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)速，進而將功率分配給所述后輪驅(qū)動用的電動機。
14.一種電動四輪驅(qū)動車，其特征在于用內(nèi)燃機驅(qū)動前輪、用電動機驅(qū)動后輪，所述電動機是交流電動機，所述電動四輪驅(qū)動車，具有被所述內(nèi)燃機的旋轉(zhuǎn)力驅(qū)動，輸出直流電力的發(fā)電機；將所述發(fā)電機輸出的直流電力，變換成交流電力的逆變器；以及控制所述發(fā)電機，以便使驅(qū)動所述交流電動機所需的能量Pm，與所述發(fā)電機輸出的能量之間取得平衡的控制單元。
15.一種電動四輪驅(qū)動車的控制裝置，其特征在于用于用內(nèi)燃機驅(qū)動前輪，使用被所述內(nèi)燃機驅(qū)動后輸出直流電力的發(fā)電機的輸出、用交流電動機驅(qū)動后輪的電動四輪驅(qū)動車中，控制所述發(fā)電機，以便使驅(qū)動所述交流電動機所需的能量Pm，與所述發(fā)電機輸出的能量之間取得平衡。
全文摘要
一種電動四輪驅(qū)動車及其控制裝置，用內(nèi)燃機(10)驅(qū)動前輪、用交流電動機(100)驅(qū)動后輪。發(fā)電機(14)，被內(nèi)燃機(10)的旋轉(zhuǎn)力驅(qū)動，輸出直流電力。逆變器(16)，將發(fā)電機(14)輸出的直流電力，變換成交流電力?？刂茊卧?200)，控制發(fā)電機(14)，以便由發(fā)電機(14)輸出驅(qū)動交流電動機(100)所需的能量Pm。實現(xiàn)成本不超過現(xiàn)有技術的機械4輪驅(qū)動車、而且能夠在排氣量比DC電動機電動四輪驅(qū)動車大的汽車中采用。
文檔編號B60L15/00GK1833933SQ200610005920
公開日2006年9月20日 申請日期2006年1月19日 優(yōu)先權日2005年3月14日
發(fā)明者金子悟, 山本立行, 伊藤勝, 清水尚也, 勝濱健太 申請人:株式會社日立制作所