专利名称：电机驱动车辆的电机控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电机驱动车辆的电机控制装置，该装置具有由一个电池供电的电机驱动系统驱动的车轮。
近年来，电机助动的自行车引起了公众的注意，在这种自行车中，施加在踏板上的蹬踏力和电机的助动力结合起来传递到驱动轮上。这种电机助动的自行车被构造成是根据蹬踏力的大小供应助动力的。也就是说，除非施加有蹬踏力，否则不会提供助动力。因此，当骑者因为坡度陡到即使提供了助动力也不能骑着车上坡而不得不推着自行车上坡时，就得不到助动力助动，而要求骑者付出更大的体力，因为自行车增加了额外的重量。
为了减轻上陡坡时的劳力，提出了这样一种结构布置，其中，车辆是以行走的速度自推进的(参见日本公开专利申请平-4-358988)。该结构被构造成当骑者通过按压一个按钮或其他同类物而选择了低速模式时，电机就以低速转动，或产生适当的动力，以便减轻上面所述的骑者的体力。
但是，由于电机一般都是高速型的，以便在高速下获得最佳的能量效率，从而产生了这样的问题，即当电机在低速下使用时，能量效率就降低了，电池的能量就消耗得很快，缩短了行驶路程。另一方面，如果采用在低速时具有高效的低速电机，电机的转动又不可能跟上车辆正常的行驶速度。
此处，为了改善高速电机在低速范围下的效率，可以想到采用高速减速比的旁路或这样一种装置，其中多个电机串联和并联在一起，并且通过继电器转换。但是，这样做的问题是，在前一种情况下，减速机构部分会变得非常笨重，其构成变得很复杂，而在后一种情况下，继电器会占据很大的空间。
同样，采用用于减小电池的排放速率的结构，其中主电池串联和并联在一起根据消耗量加以转换，则会产生这样的问题，即必须导引出中间分流。同样，在以DC-DC转换器减小电压的情况下，则会产生流过较大的电流而缩短电枢的寿命的问题。
还可以想到采用分开的特殊驱动源，例如特殊的电机，压缩空气，和弹簧。在这种情况下，成本会增加，因为增加了低速运转的部件。此外，限制电流的方法可靠性较差，也不那么便利。
基于上面所描述的常规情况所定的本发明的目的是提供一种用于电机驱动的车辆的电机控制装置，该装置能够改善低速范围的能量效率，而不会引起增加车辆车体的重量，缩短电机的寿命，以及增加成本等问题，并且不会损害原来用于高速运转的运转性能曲线。
权利要求1所述的本发明是一种用于设置有电池供电的电机驱动系统的电机驱动车辆电机控制装置，其特征在于该装置设置有用于根据车辆的运转范围来改变电机的运转性能曲线的电机性能控制装置。
权利要求2所述的本发明是一种用于权利要求1所述的电机驱动的车辆的电机控制装置，其特征在于该车辆设置有非常低速状态测定装置用于探测车辆处在非常低速的运转状态，该电机性能控制装置被构造成在非常低速运转状态被测出后将电机的运转性能转换到低速高扭矩模式下。
权利要求3所述的本发明是一种用于权利要求2所述的电机驱动的车辆的电机控制装置，其特征在于该电机是永久磁场型的，并且该电机性能控制装置被构造成当探测到非常低速的运转状态时在加强磁场的方向上给设置在永久磁铁周围的可变换极性的线圈供应电流。
如权利要求4所述的本发明是一种用于权利要求1所述的电机驱动的车辆的电机控制装置，其特征在于该电机性能控制装置被构造成当电机的转速超过规定的高值时在削弱磁场的方向上给可变换极性的线圈供应电流。
如权利要求5所述的本发明是一种用于如权利要求1所述的电机驱动的车辆的电机控制装置，其特征在于该装置设置有用于分辨和探测运转范围是否处在低速、高扭矩范围；低速、低扭矩范围；或高速、低扭矩范围的运转范围探测装置，并且该电机性能控制装置被构造成根据处在低速高扭矩范围，低速低扭矩范围或高速低扭矩范围，给设置在电机的永久磁铁周围的可变换极性的线圈分别提供加强磁场的电流，不提供电流或提供削弱磁场的电流。
下面将结合附图对本发明的实施例进行说明。
图1至5是用于说明作为本发明的一个实施例的用于电机助动的自行车的电机驱动装置。图1是电机助动的自行车的侧视图。图2示出了电机的横截面。图3示出了电机控制装置的构造。图4是用于说明所需电流下降的效应的性能曲线图。图5是用于说明运转范围的性能曲线图。
图1示出了一个电机助动的自行车1。自行车1的车架10包括一个车头管12，一个从该车头管12上向后下方倾斜地延伸的下管14，一个从该下管14的后部升起的座管16，从该下管14的后端延伸出的一对左右后臂20，20，和在后臂20，20的后端和座管16的顶端之间连接起来的左右座撑22。
一个前叉24以轴承支承着在车头管12上左右自由地转动。一个前轮以轴承支承在前叉24的下端处。一个座柱30a插入到座管16中以便能够调节高度。一个车座30装接到座柱30a的顶端上。一个后轮32可转动地设置在后臂20，20的后端之间。
标号40表示作为自行车1的动力源的动力部件，该部件包括一个装有一个驱动机构的动力罩42，和一个电机44，该电机设置在车体盖41内以便从该动力罩42向前上方倾斜地伸出。动力罩42装接在下管14的后侧部分14a下方。电机44与下管14的后侧部分14a平行。
作为动力部件40的动力源的蓄电池64包括多个串联地装在一个盒内的原电池，它可拆卸地装在一个设置在座管16和后轮32的前缘之间的空间内的蓄电池盒60内。随便说一句，蓄电池盒60的顶端开口处在左右座撑之间并从其上向上伸出，以便蓄电池64可以在竖直的方向上安装和卸下。
曲柄轴46在车的宽度方向上穿过动力罩42。曲柄48(图中仅示出一个)装接到曲柄轴46的两端。两个曲柄48都设置有一个曲柄踏板50。这样就构成了一个人力驱动系统75，其中施加到曲柄踏板50上的蹬踏力通过一条车链52传递到后轮32上。
施加到曲柄踏板50上的蹬踏力利用一个设置在动力罩42内的蹬踏力传感器进行探测。电机44的输出(助动力)用一个控制器54根据蹬踏力和曲柄轴的转速加以控制。这样就构成了一个电力驱动系统，其中与蹬踏力匹配的助动力被传递到后轮32上。
顺便说一句，踏板50上的蹬踏力和电机44的助动力是在动力罩42内合并在一起，其合力通过车链52传递到后轮32上。用于控制电机44的输出功率的控制器54装接在车体盖41的内侧，以便处在下管14的前侧部分14b的下侧。
用于选择非常低的速度运转模式的主开关56和自推进开关63设置在车架10与车头管12连接的部位处。主开关56和自推进运转选择开关63设置在一个在车体盖41上制出的开口41a内，以便能够从外侧够到它。
如图2所示那样的电机44是永久磁铁型直流电机，其中，一个带有一个绕在一个电枢磁芯上的电枢线圈的磁芯(转子)82设置在外罩80内，一个磁铁83设置成绕着该磁芯82。
外罩80构造有一个杯状前盖80a，一个后盖b，一个圆筒形轭架80c和多个将前面三个零件连接在一起的贯穿螺栓87。磁芯82的旋转轴81的后端部分和前端部分通过一个轴承88b和一个轴承88a分别以后盖80b和前盖80a支承着。而且，一个转换器84装接到旋转轴81的后侧部分。设置一个电枢85以便将蓄电池64的电流供应给磁芯82。电枢85用一个电枢架85a支承着并且用一个弹簧85b推向转换器84。
磁铁83设置成使N极和S极交替地处在轭架80c的内侧表面上。转换器线圈86，86绕磁铁83设置，以便在加强或削弱磁芯82产生的磁场的方向上产生磁场。
控制器54被构造成根据蹬踏力和曲柄轴转速由内置图计算助动力并且提供对应于助动力的电流。控制器54还具有一个如图3所示的电机转动控制功能部件90，采用该功能部件，当采用自推进运转开关63选择自推进运转模式时，对提供给电机44的电力的大小加以控制，以便电机的转速变成对应于步行速度的自推进运转速度。在图3中，还示出了一个用于控制供应给电机44的电力大小的开关零件92，和一个用于电机44的循环反电动势的续流二极管93。
此外，控制器54通过提供一个励磁电流控制功能部件91还起着用于可变地控制电机44的运转性能的装置的作用，该控制功能部件91将电流供应给转换器线圈，以便在加强或削弱由磁芯82产生的磁场的方向上产生磁场。
采用上面描述的励磁电流控制功能部件91，当用自推进运转开关63选择自推进运转模式时，或当探测到非常低速运转状态时，例如当如上述那样将车辆推上坡时，就在加强磁场的方向上给转换器线圈86供应电流。而当电机的转速超过规定的高转速时，就在削弱磁场的方向上给转换器线圈86供应电流。
此实施例的控制器54还设置有一个示于图5中的曲线图，其中，电机的运转范围根据电机的转速和输出扭矩分成低速高扭矩范围C，低速低扭矩范围B，和高速低扭矩范围A。随便说一句，形成这些范围之间的边界的函数f1和f2可以根据电机转速和产生的扭矩适当地设定。
电机44所处的运转区域是用控制器54确定和探测的并且施加到转换器86上的电流是根据所探测的结果控制的。也就是说，采用励磁电流控制功能部件91，当运转范围被确定为低速高扭矩范围C，低速低扭矩范围B，或高速低扭矩范围A时，就分别施加了加强用的励磁电流，没有施加电流，或施加了削弱用励磁电流。随便说一句，电流施加控制器之间的开关最好借助过程时间和多个功能部件而具有滞后现象。
下面将对本发明的实施例的功能和效应进行说明。
该实施例的电机44在没有施加有电流时具有图4和5中的点划线所示的基本性能曲线D。当对转换器线圈86施加加强磁场的电流时，该性能曲线变化到在图中以实线示出的加强磁场的性能曲线E。当对转换器线圈86施加削弱磁场的电流时，该性能曲线变化到削弱磁场的性能曲线F。
在助动运转过程中，控制器54确定与蹬踏力和曲柄轴转速相当的助动力，并将电流施加到电机44上，以便产生所确定的助动力。在这样的助动运转中，根据转速和输出扭矩确定电机运转的范围。当电机运转状态处在图5所示的低速低扭矩运转范围B时，转换器线圈86上没有施加电流，电机44是以基本性能曲线D运转的。当处在低速高扭矩运转范围C时，就施加了加强磁场的电流，电机44以加强磁场的性能曲线E运转。当处在高速低扭矩运转范围A时，就施加了削弱磁场的电流，而电机44以削弱磁场的性能曲线F运转。另一种方法是，可以使用与电机输出扭矩成正比的电枢电流来代替电机输出扭矩。
当电机转速超过一个特定值时，不管电机处在那个运转范围内，都施加削弱磁场的电流，就使电机的运转性能曲线成为低速高扭矩型的削弱磁场性能曲线F。
当骑者通过按压自推进运行开关63选择非常低速运转模式时，不管电机是处在那个运转范围内，都施加加强磁场的电流，就使电机的运转性能曲线成为低速高扭矩型的加强磁场性能曲线E。
因此，由于此实施例设置成当按压下自推进运转开关63时，电流在加强磁场的方向上提供给转换器86，以便将电机运转性能曲线变化到低速高扭矩型曲线，这样就能够减轻骑者在上陡坡时推车和步行的体力。同时，减小必要的电流值以便电池消耗的电力，这样可以延长骑行路程。
此处，将结合附图4对电流是如何减小的进行说明。在图4中，假定电机在同样的运转点(Tq1，N1)处运转。这里，如果加强磁场而电压值没有变化，则性能曲线将转换为性能曲线E。因此，通过降低电压值将运转点维持在同一运转点处。符号E′示出了此时的加强磁场性能曲线。符号G表示与基本性能曲线D相应的的扭矩-电流性能曲线，而符号H表示与加强磁场性能曲线E′相应的扭矩-电流性能曲线。性能曲线H此处提高了相当于线圈电流IF的值。已经证明，采用这种结构布置，产生同样扭矩所需要的电枢电流与采用较大扭矩范围下的基本性能曲线时所需的电枢电流相比要小些。例如，当与图4中的运转点处电流相比时，虽然采用基本性能曲线时电机电流＝电枢电流＝I1，但是采用加强磁场性能曲线时，电机电流＝电枢电流IM′+线圈电流IF＝I1′，可以清楚地看出，I1′＜I1。
由于是这样安置，即当电机转速增加时，电流在削弱磁场的方向上施加到转换器线圈86上以便将电机的运转性能曲线转换成高速低扭矩型，这样，在高速状态下，同样转速下的能量效率就增加了，并且可以以较高的速度提供助动力。
此外，由于要确定电流运转状态是处在高速低扭矩范围A，低速低扭矩范围B，和低速高扭矩范围C中的那一个，并且当处在高速低扭矩范围A时给转换器线圈施加削弱磁场的电流，当处在低速低扭矩范围B时不施加电流，以及当处在低速高扭矩范围C时施加加强磁场的电流，从而在整个运转范围内改善了电机的效率，电机转子中所产生的热量和电池的消耗得到进一步的减小，这样就可以得到较长的运转距离。
而且采用该实施例，由于电机运转性能曲线是通过加强和削弱磁场的方式加以转换，而这种加强和削弱又是通过控制施加到设置在永久磁铁83周围的转换器线圈86上的电流进行的，因此很少发生例如上面所述的重量增加，结构复杂，和成本增加的问题。
如上面所述的那样，用于权利要求1所述的本发明的电机驱动车辆的电机控制装置被构造成根据车辆的运转范围转换电机的运转性能曲线。因此，提供了这样的效应，即通过在低速运转范围内将电机运转性能曲线转换到例如低速高扭矩型，在高速运转范围内转换到高速低扭矩型，就在整个运转范围内改善了电机的效率，并且降低了电池的消耗，从而加长了运行的距离。
权利要求2所述的本发明的车辆被构造成电机的运转性能曲线在非常低速的运转状态下转换成低速高扭矩型。因此，可以提供这样的效应，即当在一个较陡的上坡中步行和推动车辆时减小骑者的所付出的体力，并且降低了电池的消耗，从而加长了运行的路程。
权利要求3所述的本发明的车辆被构造成通过将电流提供给设置在永久磁铁周围的转换器线圈的方式将电机的运转性能曲线转换到低速高扭矩型。因此，可以提供这样的效应，即用简单的结构改善了电机的效率而没有导致象车辆重量增加，结构复杂和成本增加的问题。
权利要求4所述的本发明的车辆被构造成当电机的转速超过一个特定的较高值时，电机的运转范围是通过将电流在削弱磁场的方向上提供给转换器线圈的方式转换到高速低扭矩型的。因此，就提供了这样的效应，即可以给出这样的设定，使得在同样的转速下的高速状态的效率得到改善，从而改善了电机在高速范围下的效率。同时，还可以用同样的电机在较高的速度下提供助动力。
权利要求5所述的本发明的车辆被构造成当运转状态处在低速高扭矩范围，低速低扭矩范围，或高速低扭矩范围中的一个范围时，转换器上分别施加有加强磁场的电流，没有施加电流，或施加有削弱磁场的电流。因此，可以提供这样的效应，即在整个运转范围内，电机都以高的效率运转，减小了电机磁芯中所产生的热和电池的消耗，进一步增加了骑行的路程。
权利要求
1.一种用于设置有电池供电的电机驱动系统的电机驱动车辆的电机控制装置，其特征在于该装置设置有用于根据车辆的运转范围来改变电机的运转性能曲线的电机性能控制装置。
2.如权利要求1所述的用于电机驱动车辆的电机控制装置，其特征在于该车辆设置有非常低速状态测定装置用于探测车辆处在非常低速的运转状态，该电机性能控制装置被构造成在非常低速运转状态被测出后将电机的运转性能曲线转换到低速高扭矩模式下。
3.如权利要求2所述的用于电机驱动车辆的电机控制装置，其特征在于该电机是永久磁场型的，并且该电机性能控制装置被构造成当探测到非常低速的运转状态时在加强磁场的方向上给设置在永久磁铁周围的可变换极性的线圈供应电流。
4.如权利要求1所述的用于电机驱动车辆的电机控制装置，其特征在于该电机性能控制装置被构造成当电机的转速超过规定的高值时在削弱磁场的方向上给可变换极性的线圈供应电流。
5.如权利要求1所述的电机驱动的车辆的电机控制装置，其特征在于该装置设置有用于分辨和探测运转范围是否处在低速、高扭矩范围；低速、低扭矩范围；或高速、低扭矩范围的运转范围探测装置，并且该电机性能控制装置被构造成根据处在低速高扭矩范围，低速低扭矩范围或高速低扭矩范围，给设置在电机的永久磁铁周围的可变换极性的线圈分别提供加强磁场的电流，不提供电流或提供削弱磁场的电流。
全文摘要
提供一种能够在整个运转范围内改善电机效率而不会损害电机的基本运转性能曲线的电机驱动车辆的电机控制装置。该装置设置有以电池64供电的电机驱动系统，并且构造有一个磁场电流控制功能部件91(电机性能控制装置)用于根据车速和载荷扭矩来改变电机44的性能曲线。在非常低速运转状态下，将电流在加强磁场的方向上施加到设置在电机44的永久磁铁周围的转换器线圈86上，以便将电机的运转性能曲线转换到低速高扭矩型。
文档编号B60L15/28GK1158798SQ97101848
公开日1997年9月10日 申请日期1997年2月13日 优先权日1996年2月13日
发明者高田望 申请人:雅马哈发动机株式会社