| 【発明の名称】 |
電動機の出力合成による車両の駆動特性の領域拡張方式 |
| 【発明者】 |
【氏名】堀江 竜郎
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| 【要約】 |
【課題】変速機なしに特殊車両の要求する低速トルクと常用最大トルクの比の大きい車両を駆動する場合に、複数の速度−トルク特性の異なる電動機の出力を合成して得る方式にすると、電動機の実質容量を下げそれにより駆動インバータの容量も十分小さくできる。
【解決手段】電動機によって駆動される車両において、速度−トルク特性の異なる複数の電動機の出力を合成して、車両の要求する特性を変速機を使用することにある。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】電動機によって駆動される車両において、速度−トルク特性の異なる複数の電動機の出力を合成して、車両の要求する特性を変速機を使用することなく実現することを特徴とする電動機の出力合成による車両の駆動特性の領域拡張方式。
【請求項２】電動機出力の合成方法は、電動機出力軸の結合による他に、車両の片側に複数の駆動輪を有する車両においては、地面等に対する各輪の駆動力で合成する方法と、キャタピラやチェン等の駆動力を合成するものにあっては、それらを駆動する各電動機のスプロケットとキャタピラやチェンによる駆動力を所望の特性に合成することを特徴とする電動機の出力合成による車両の駆動特性の領域拡張方式。
【請求項３】複数の電動機は交流電動機として、車両同一側面駆動用電動機は、同一交流電源（インバータ）より共通に駆動することができる様に車両駆動方式であることを特徴とする電動機の出力合成による車両の駆動特性の領域拡張方式。
【請求項４】速度−トルク特性の異なる電動機を複数個用いて駆動力を合成する方式において、制動時に異種の電動機のブレーキ力を合成することにより、単一特性の電動機を使用する場合より高いブレーキ力が広い速度範囲に得られる様に制御する方式であることを特徴とする電動機の出力合成による車両の駆動特性の領域拡張方式。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】引出し牽引力と高速時に必要とする牽引力の差が大きい車両全般、特に土木作業車，建設作業車，牽引用車両，戦闘用車両などに適する方式。
【０００２】
【従来の技術】従来はトルクコンバータやギヤ比を換えること（トランスミッションの使用）で実現していた。公知例を引用するまでもなく、現用の自動車，ブルドーザ等はトルクコンバータやトランスミッションで所要の特性を実現している。
【０００３】鉄道車両は、レールと車輪の粘着限界より牽引力の最大と、最大速度時の牽引力の比が、おおよそ２：１程度であるため、単一速度トルク特性の電動機で支障がない。
【０００４】強いて近い例は、コピ AUTOMOTIVE TEST RIG ELECTRIC DRIVE SYSTEM に明確には示されていないが、図に電動機を３台串刺しにした形状がみえる。しかし別図には電動機仕様は１種しか示しておらず、特性のちがう電動機を使用しているとは考えられない。
【０００５】一方ブロック図でも電動機は、単にMOTOR とあり、MOTORSではない。インバータは３台でモータをドライブしているのは、モータ３台とも受けとれるが、一方では３相インバータを表現していると思われる。とにかく、本発明と本公知資料の同一性はないと判断できる。
【０００６】また、ＫＡＭＡＮ社カタログ PERMANENT MAGNET BRUSHLESS MOTORS でKAMANがもつモータリストと特性表から、特性の異なる電動機を使っているとは考えられない。また別資料50 TONNE CLASS ELECTRIC DRIVE SYSTEM FOR TRACKEDVEHICLESの８７ページ，下２／３位の所に記述があるが、どの様な電動機を使用しているか不明であるが１６６ＫＷ電動機を６台使用とある。
【０００７】いずれにしろ公知例が本発明と関係しているという証明はない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】土木作業車両（ブルドーザの様なもの）や戦闘用車両は、最大所要牽引力と所要最小牽引力の比が通常１０倍以上必要とされる。これらの車両は、トランスミッションなどによる変速時に牽引力の中断があってはならないため、トルクコンバータ式の変速機が使用される。この本式ではトルクコンバータの損失が、運用時の車両のエネルギ損失の多くの割合を占めるため、この改善目的のために電気駆動方式が用いられる。
【０００９】しかし電動機は最大発生所要トルクの点で、電動機サイズが決まり、最大速度の点で機械的強度が決まるため、大型のロータの機械強度の保持と、最大トルクの大きさより、電動機出力はみかけ上、最大トルクと最大回転数の積に比例したものとなる。
【００１０】この結果、車両の基本動力減たる機関と発電機の出力は機関の最大回転数で出力電圧が制限されるため、電動機の特性としては起動時には極めて低電圧で大電流が必要とされ、最大速度時には最大電圧で極めて小電流となる。このために電動機を駆動する電源の設備容量も起動時の大電流と高速時の高電圧に耐える値でなければならず、極めて不経済な構成となる。
【００１１】本発明の目的は電動機の速度−トルク特性を車両の要求する特性に経済的に合わせるため、速度−トルク特性を複数に分割し、それぞれの分担する主たる特性域を決め、各電動機の速度−トルク特性を機械的に合成し、車両の所要の速度−牽引力特性を得ようとするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
（１）一例として、低速度で高トルクを発生するが、高速度ではトルクの発生ができない様な電動機と、低速時は工程トルクは発生しないが、中速度域でもほどほどのトルクを発生する電動機および高速域での使用を目的とした電動機の出力を機械的に結合し、結合後の合成トルクが所望の車両牽引力となる様にした駆動方式。
【００１３】（２）車両の駆動輪が車両の片側に複数個あるときは、各駆動輪に電動機が結合されて、駆動する各車輪の駆動力として合成され、所望の車両性能を得る方式、このとき電動機は誘導電動機が望ましい。
【００１４】（３）１台のインバータで複数の電動機を駆動する場合、電動機の軸を直結する合には電動機は同期電動機でも誘導電動機でもよい上記（２）項の場合はインバータ１台で片側の電動機を駆動する場合は同期電動機ではやや困難で誘導電動機の必要がある。駆動輪径のアンバランスや、駆動輪のスリップ発生時には同期電動機での対応がむずかしいためである。
【００１５】（４）車両に電気的制動をかける場合は、それぞれのトルク−速度に対応した特性を用いる。この結果、高速域より低速域までのブレーキ力が経済的に得られる。
【００１６】
【発明の実施の形態】土木作業車の例えばブルドーザや戦車の様な装軌車両や、多軸車両は、最大速度走行時の駆動軸トルク値を１とすると、必要な最大牽引力を発揮する必要トルクは１０〜１５倍となる。この様子を図１に示す。このためこれらの車両は図２に電気自動車の一例を示すが、原動機と駆動輪の間にギヤ変速機やトルクコンバータを接続し、この目的を達している。
【００１７】最近ではギヤ変速機では駆動力の中断があって不都合ゆえ用いられなくなっている。これらの車両は運用時間中に機関がアイドリング状態にある時間がかなり長く、トルクコンバータのアイドリング時の損失馬力が大きく、経済的でないことが判っている。最近電気的なトルクコンバータ（謂ゆる電気駆動方式）ではアイドリング時の損失が極めて小さいため、電気駆動方式の利点がある。
【００１８】しかしながら電動機１台で連続した（駆動力の中断のない）駆動力を得るためには、最大トルク発生の回転数において電動機の磁極サイズとアンペアターンの決定をする必要がある。
【００１９】一方、最大回転数のときに誘起電圧が電源電圧以下でしかも所要のトルクが得られなければならないため、モータの実質出力が大きいものを必要とし、それに電圧，電流を供給する電源も、低速時の低電圧，大電流から高電圧，小電流を供給する必要があって、実質容量が極めて大きいものとする必要があった。
【００２０】本発明は図３に示す様に、車両として必要な合成出力，速度−牽引力特性(Ｄ)を得るため、速度−トルク特性の異なる３種類の電動機の出力を合成して車両特性を所望値にするものである。特性（Ａ）の電動機は低速度で高いトルクを得るに適した電動機であるが、速度の上昇とともに急激にトルクの減少する特性を有し、この電動機が主として低速時の車両の牽引力を発生させている。
【００２１】電動機自体は導体が沢山巻かれて、小さい電流で高いＡＴが得られる性格の電動機であるため、誘起電圧が高くなるため回転数の上昇とともに電流が減少し、速度の高い領域では駆動力が発揮できない。
【００２２】図３（Ｃ）の特性の電動機は高速域の車両の速度−牽引力を分担する電動機である。この電動機は導体の巻数も少なく、電流も少なく制御されるため低速域のトルクは小さく、高速域での誘起電圧も電源電圧以下になる様にして高速域の車両の牽引力を分担している。
【００２３】特性（Ｂ）の電動機は、特性（Ａ）と（Ｃ）の中間のもので、車両の中間特性を主として分担している。電動機を何台で車両性能を分担するかは、経済性，重量，大きさなどによって決められる。
【００２４】図４は特性の異なる電動機３台を軸直結で駆動輪に接続した原理図である。実用的には電動機と駆動輪の間に減速機が必要であったり各電動機は駆動輪に並列に入力されてもよい。但し図面には示していない。インバータと電動機の間にはスイッチを図では省略しているが、電動機の誘起電圧が電源電圧を越える場合、例えば図３の特性（Ａ）の電動機は、高速域での誘起電圧は、インバータの出力電圧をこえる可能性があり、スイッチなどでインバータより切放しておく必要がある。
【００２５】図５は駆動輪それぞれに速度−トルク特性の異なる電動機を取付け同一の電源で駆動する方式である。このとき電動機は誘導電動機を使用することが好ましい。各電動機の電源を個別に設ければ、同期電動機を使用することも容易であることは勿論である。
【００２６】
【発明の効果】
（１）一つの減算として電動機１台で１３トン車両を駆動するとき、電動機１台の設備容量（最大トルク×最大回転数）は９１７ＫＷとなるが、電動機３台に分割してそれぞれ特性を換えると設備容量は約２２５ＫＷとなり、それらの電動機に電力を供給するインバータの電源も、起動電流の３電動機の合計も、電動機１台の場合の約１／２に下げることができ、電源の設備容量の低下に費やする。
【００２７】（２）走行と同様にブレーキにおいても、各々の速度域で、電動機の速度−トルクに合った電動機が制動力を分担するので、高速から低速まで、有効な回生ブレーキ力が発揮できる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００５１０８
【氏名又は名称】株式会社日立製作所
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| 【出願日】 |
平成９年（１９９７）１０月３１日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】小川 勝男
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| 【公開番号】 |
特開平１１−１３６８０５ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）５月２１日 |
| 【出願番号】 |
特願平９−２９９９０８ |
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