JP4822756B2 - モータ駆動回路および電磁サスペンション装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータ駆動回路および電磁サスペンション装置の改良に関する。

モータを駆動するモータ駆動回路にあっては、たとえば、図８に示すように、三相ブラシレスモータとして構成されるモータの出力トルク制御を可能とするためスイッチング素子７１，７２、スイッチング素子７３，７４、およびスイッチング素子７５，７６を各々直列に接続したアーム８１，８２，８３を複数電源に接続して構成された回路が知られ、このスイッチング素子７１，７２，７３，７４，７５，７６を開閉制御してモータを駆動する（特許文献１、２参照）。

また、モータの電磁力を利用する電磁サスペンション装置にあっては、モータに上記モータ駆動回路を接続し、モータの出力であるトルクや推進力をモータ駆動回路でコントロールしている。

具体的な電磁サスペンション装置としては、たとえば、ボール螺子ナットとボール螺子ナットに螺合する螺子軸と、螺子軸に連結されるモータとを備え、緩衝器が伸縮する際のボール螺子ナットと螺子軸との直線運動を螺子軸の回転運動に変換し、この螺子軸の回転運動がモータのロータに伝達できるように構成され、モータのトルクを上記モータ駆動回路でコントロールして上記螺子軸とボール螺子ナットとの軸方向の相対運動を抑制する荷重（制御力）を発生可能なようにしている（たとえば、特許文献３参照）。
特開２００１−２０４１９４号公報（段落番号００１２，図１） 特開２００３−３２４９８６号公報（段落番号００３８，図４） 特開２００３−１０４０２５号公報（発明の詳細な説明欄，図４および図１７）

そして、上記したような電磁サスペンション装置にあっては、車両に搭載されるため、できる限り消費電力を小さくしたい要望があり、またその一方で、ストローク速度が低速である領域においても充分に荷重を発生可能としたい要望がある。

上記省電力化と荷重の発生との両立を果たすためには、できるだけモータの巻線と駆動回路の抵抗を小さくしておくことが必要である。ここで、図９に示すように、モータの発電によって電源を充電可能な回生領域（図９中斜線部分）は、原点からモータの各相の巻線を短絡した状態での電磁サスペンション装置におけるストローク速度と荷重との関係である短絡特性に接するように引いた接線の傾きで仕切られ、上記抵抗が小さければ小さいほど上記接線の傾きが大きくなり、上記回生領域が大きくなる。そして、この回生領域内でストローク速度に対して荷重を発生させれば、電磁サスペンション装置は電力を消費しないのである。
なお、モータのロータの回転速度は、螺子軸とボール螺子ナットの相対速度、すなわち、電磁サスペンション装置のストローク速度に比例し、また、モータの出力トルクは電磁サスペンション装置の荷重に比例することから、上記した短絡特性は、モータ自体の回転速度とトルクの関係である短絡特性を上記電磁サスペンション装置のストローク速度と荷重との関係に変換したものである。そして、本明細書で短絡特性という場合、特に断らなければ、上記したようにモータを短絡した状態における電磁サスペンション装置のストローク速度と荷重との関係を言う。

上述したように、この電磁サスペンション装置にあっては、抵抗を小さくしておけば、回生領域が拡大されるので、それだけストローク速度が低速であっても回生領域内で必要な荷重を発生できる機会が増加することになり、これによって上記省電力化と荷重発生の両立が図られることになる。

転じて、通常、電磁サスペンション装置にあっては、電源に接続されモータ駆動回路のスイッチング素子を適切に制御することによってモータの発生トルクをコントロールし、電磁サスペンション装置が発生荷重を制御するようにしているが、上記スイッチング素子の制御が何らかの理由で不能となったとき、いわゆるフェール時に、そのままでは荷重の発生が困難となりうることから、そのような状態となった場合に採りうる措置としては、電源をモータ駆動回路から電気的に切り離し、モータの巻線を短絡することが挙げられる。

しかしながら、上記した短絡特性は、図９に示したごとく、電磁サスペンション装置のストローク速度が速くなると、荷重は、或るストローク速度で一端ピークを迎えるが、その後のストローク速度の増加に対しては荷重が漸減する特徴を有しており、また、抵抗を小さくする場合、上記短絡特性はストローク速度軸に沿って原点に向けて圧縮される性質を有している。

したがって、上記のごとく抵抗を小さく設定するとストローク速度が低速である領域では省電力化と荷重発生の両立が可能であるメリットがある反面、ストローク速度が中高速となるとモータを短絡した状態では大荷重の発生が困難となるデメリットがあるので、上記したモータを短絡する措置を行うと、電磁サスペンション装置は、ストローク速度が中高速領域において充分な荷重を発生できない場合があることになる。

そこで、本発明は、上記した不具合を改善するために創案されたものであって、その目的とするところは、フェール時にあっても電磁サスペンション装置にストローク速度が中高速領域で充分な荷重を発生させることが可能なモータ駆動回路およびフェール時にあってもストローク速度が中高速領域で充分な荷重を発生することが可能な電磁サスペンション装置を提供することである。

上記した目的を達成するため、本発明の課題解決手段は、一方部材と、一方部材に対し相対運動を呈する他方部材と、該相対運動を少なくとも抑制可能なモータと、モータ駆動回路とを備え、モータ駆動回路が、スイッチング素子を直列に接続した複数のアームを電源に接続し、当該各アームのスイッチング素子間を上記モータの巻線に接続してなる電磁サスペンション装置において、上記モータの巻線を短絡する短絡手段と少なくとも短絡時に上記各巻線に直列となるように介装される抵抗と備え、上記モータの巻線を上記抵抗を介さずに短絡したときのストローク速度と荷重との関係である短絡特性における荷重が頻繁使用ストローク速度範囲内で最大値を採るように設定されることを特徴とする。

本発明の電磁サスペンション装置によれば、トルク定数を大きくして、通常時には回生領域を拡大して、この回生領域内で車体姿勢制御に必要な荷重を発生させるようにしておいても、フェールセーフ時には、モータの各巻線を短絡させると同時に、抵抗によって短絡特性を通常時の短絡特性から変化させることができ、ストローク速度が中高速領域となっても充分な荷重を発生させることが可能である。

したがって、裏を返せば、通常時には、電磁サスペンション装置におけるモータの短絡特性を抵抗を介さない場合の短絡特性とし、フェールセーフ時には抵抗を介した短絡特性にすることが可能ということであるので、通常時には、回生領域を大きくした短絡特性として、通常時には省電力化を図りつつ充分な荷重を発生でき、フェールセーフ時にあっても、ストローク速度が中高速領域となっても充分な荷重を発生させて車両における乗り心地を確保することができるのである。

また、車両走行中に頻繁に出現するストローク速度範囲内における回生領域が大きくなるので、回生によって電源を充電する機会を多くすることができ、モータによるエネルギ回生を効率的に行うことができ、省電力化を確実なものにし、さらには、車両における乗り心地を向上することができるのは言うまでも無いが、このように頻繁使用ストローク速度範囲を規格化しておくことによって電磁サスペンション装置の汎用性が向上し、製造コストも低減することができる。

以下、図に示した実施の形態に基づき、本発明を説明する。図1は、一実施の形態における電磁サスペンション装置を概念的に示した図である。図２は、モータ駆動回路の回路図である。図３は、モータを短絡した状態における電磁サスペンションの荷重とストローク速度との関係である短絡特性を示す図である。図４は、回生領域を示す図である。図５は、軽、小型および普通自動車に適用される緩衝器の伸長側と収縮側の発生荷重の設定頻度状況を示す図である。図６は、車両走行中の緩衝器の伸縮ストローク速度の頻度を示す図である。図７は、他の電磁サスペンション装置の概念図である。

一実施の形態における電磁サスペンション装置は、図１に示すように、一方部材たる螺子軸１と、螺子軸１に対し相対運動を呈するボール螺子ナット２と、モータＭと、モータ駆動回路Ｃとを備えて構成されている。

詳しくは、螺子軸１は、ボール螺子ナット２に回転自在に螺合されるとともに、螺子軸１の図１中上端は、モータＭのロータＲに連結されている。他方のボール螺子ナット２は、螺子軸１が挿入される筒４の上端に固着されており、この筒４を介して車両のバネ上部材およびバネ下部材のうち一方に連結することが可能なようになっている。

また、螺子軸１は、車両のバネ上部材およびバネ下部材の他方に回転自在に連結されるようになっており、具体的には、上記車両のバネ上部材およびバネ下部材の他方に設けたボールベアリングに軸支されるか、モータＭを上記車両のバネ上部材およびバネ下部材の他方に固定するなどとされる。

したがって、螺子軸１とボール螺子ナット２が軸方向の直線相対運動を呈すると、螺子軸１が回転運動を呈することになり、この螺子軸１の回転運動がモータＭのロータＲに伝達されることになる。ここで、螺子軸１の回転速度を歯車機構等で構成される減速機を介して減速して上記螺子軸１の回転運動をロータＲに伝達するようにしてもよい。

なお、上記螺子軸１とボール螺子ナット２が軸方向の直線相対運動を呈するときに、螺子軸１を回転不能として代わりにボール螺子ナット２を回転させるようにする場合には、このボール螺子ナット２の回転運動をモータＭのロータＲに伝達するようにしてもよい。具体的には、螺子軸１を車両のバネ上部材およびバネ下部材の一方に回転不能に連結し、他方のボール螺子ナット２を車両のバネ上部材およびバネ下部材の他方にボールベアリング等を介して回転自在に連結し、ボール螺子ナット２の回転運動を歯車機構や摩擦車機構等を介してモータＭのロータＲに伝達してやればよい。

そして、モータＭは、この場合、筒状のフレーム１０と、フレーム１０の内周側に設けた電機子であるステータと、フレーム１０に回転自在に軸支されるロータＲとを備え三相ブラシレスモータとして構成され、詳しくは、ステータは、複数のティースを備えた環状のステータコア１１と、各ティースに巻回されたＵ，Ｖ，Ｗ相の各相における巻線１２とを備えており、他方のロータＲは、シャフト１３と、シャフト１３の中間部外周に装着された駆動用磁石１４とを備えている。

なお、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の各巻線は、その一端でＹ字型に結線されているが、Δ結線とされてもよい。

そして、駆動用磁石１４は、所定数の極数を実現できるようにブロック化された磁石で構成されてシャフト１３に埋め込まれており、本モータＭは、埋め込み磁石型とされている。無論、駆動用磁石１４を所定数の極数を実現できるようにブロック化してシャフト１３の外周に接着したり、環状に形成して分割着磁されてシャフト１３の外周に嵌着するようにしたりしてもよい。

また、このモータＭには、ロータＲの回転角を検出するために、回転角センサ１５が搭載されており、具体的にはたとえば、回転角センサ１５は、シャフト１３設けたレゾルバコアとフレーム１０に設けられるレゾルバコアに対向するレゾルバステータとで構成されればよく、他にも、光学式のエンコーダを採用してもよいし、ロータＲにセンシング用磁石を設ける場合にはホール素子やＭＲ素子等の磁気センサをフレーム１０に設けるとした構成としてもよい。

さらに、モータＭのＵ，Ｖ，Ｗの各巻線１２に流れる電流を検出する図示しない電流センサが別途設けられており、上記回転角センサ１５と電流センサとが出力する信号は、制御装置２０に入力される。

そして、上記モータＭの巻線１２に流れる電流を制御するために、具体的には、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の巻線１２は、図２に示したモータ駆動回路Ｃに接続されている。

上記モータＭを駆動するモータ駆動回路Ｃは、図２に示すように、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４を直列に接続したアームＡ１と、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ５を直列に接続したアームＡ２と、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ６を直列に接続したアームＡ３と、モータＭの巻線を短絡する短絡手段Ｔと、抵抗６０とで構成され、各アームＡ１，Ａ２，Ａ３を並列に接続してあり、各アームＡ１，Ａ２，Ａ３のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ４，Ｓ２，Ｓ５，Ｓ３，Ｓ６間がモータＭに接続される出力端子Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３とされている。

また、各アームＡ１，Ａ２，Ａ３の図２中上方側の接続点は、リレーＬを介して車両のバッテリ等の電源Ｅに接続され、図２中下方側の接続点は接地されている。そして、電源Ｅからモータ駆動回路Ｃへの電流供給の可不可は、上記したリレーＬによって行われるが、リレーＬについては周知であり詳しくは説明しないが、リレーＬに内蔵されるコイルが励磁されている状態では、モータ駆動回路Ｃへ電流供給可能なように設定されている。

上記アームＡ１は、２つのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ４を直列に接続されて構成され、このアームＡ１のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ４間には、出力端子Ｐ１が設けられ、この出力端子Ｐ１は、モータＭの巻線１２のＵ相に接続される。

他のアームＡ２，Ａ３もアームＡ１と同様の構成であって、それぞれの出力端子Ｐ２，Ｐ３は、モータＭの各巻線１２のＶ相、Ｗ相に接続されている。

したがって、たとえば、スイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ５をオンすると、モータＭの巻線１２のうちＵ相とＶ相に電流を流すことができ、同様にして適宜いずれか１つのアームＡ１，Ａ２，Ａ３のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３と他の２つのアームＡ１，Ａ２，Ａ３のうち１つのスイッチング素子Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６をオンすれば、モータＭの各巻線１２に通電することができ、具体的には、上記制御装置２０によってモータＭのＵ，Ｖ，Ｗ相の各巻線１２で回転磁界が形成されるように開閉制御される。

そして、スイッチング素子Ｓ１は、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ，ＦＥＴ：Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｅｒ）とされており、このＭＯＳＦＥＴはソース電極とドレイン電極とを接続する寄生ダイオードＫ１を内蔵している。なお、スイッチング素子としては上記ＭＯＳＦＥＴ以外のものを使用するとしてもよい。

他のスイッチング素子Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６についても、スイッチング素子Ｓ１と同様の構成であり、それぞれＭＯＳＦＥＴとされ、寄生ダイオードＫ２，Ｋ３，Ｋ４，Ｋ５，Ｋ６を内蔵している。これら、寄生ダイオードＫ１，Ｋ２，Ｋ３，Ｋ４，Ｋ５，Ｋ６は、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６のオフ動作時にモータＭの巻線に生じるサージ等を吸収するフライホイルダイオードとして機能して、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６を保護することができる。

そして、これらスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６は、それぞれ、上述した回転角センサ１５で検出するロータの回転角および各巻線１２に流れる電流に基づいて上記制御装置２０の通電位相切換制御によりゲート電極に電圧が印加され開閉制御されることによりモータＭは駆動され、さらに、ＰＷＭ制御によりモータＭの出力トルクおよびロータ回転速度が制御される。

なお、ＰＷＭ制御以外にも、ＰＡＭ（Ｐｕｌｓｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）、ＰＰＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）等の連続変調方式やＰＮＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｎｕｍｂｅｒ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）回路等の不連続変調方式を採用した制御を行ってもよい。

そして、このモータ駆動回路ＣにあってはＰＷＭ制御中、各スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６は、それぞれ制御装置２０の制御により所定のデューティ比を実現する所定のパルス幅期間にオンされ、他の期間にはオフされる制御が行われ、これにより、モータＭの発生トルクが制御されるようになっている。

したがって、この電磁サスペンション装置にあっては、駆動源をモータＭとしているので、モータＭにモータ駆動回路Ｃを介して電気エネルギを与えて駆動する場合には、モータＭの発生トルクで螺子軸１を回転駆動させて螺子軸１とボール螺子ナット２とを積極的に相対直線運動させる、すなわち、ストロークさせることができ、アクチュエータとしての機能を発揮できる。

また、モータＭは、螺子軸１から強制的に回転運動が入力されると、誘導起電力や電源Ｅからの電力によって巻線１２に電流が流れることで磁界が形成されて電磁力が発生し、螺子軸１の回転運動を抑制するトルクを発生するので、螺子軸１とボール螺子ナット２の相対直線運動を抑制するように機能する。

すなわち、この場合には、モータＭが外部から入力される運動エネルギを回生して電気エネルギに変換して得られる電力によって、あるいは、この回生に加えて電源から供給される電力によって、発生するトルクで螺子軸１とボール螺子ナット２の相対直線運動を抑制することができる。

さらに、この電磁サスペンション装置は、モータＭをアクチュエータとしてもジェネレータとしても機能させ得るので、上記螺子軸１とボール螺子ナット２の相対直線運動を抑制することができると同時に、アクチュエータとしての機能を生かして車両の車体の姿勢制御も同時に行うことができ、これにより、アクティブサスペンションとしての機能をも発揮することができる。

なお、上記制御装置２０は、ハードウェアとして図示はしないが、具体的にはたとえば、電流センサ、回転角センサおよび車体姿勢制御に必要な各種センサが出力する各信号を増幅するためのアンプと、アナログ信号をデジタル信号に変換する変換器と、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等の記憶装置、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）と、水晶発振子及びこれらを連絡するバスラインとを備えて構成され、車体姿勢制御のための所定の制御則に基づいて電磁サスペンション装置に発生させるべき荷重を演算するとともに、モータ駆動回路Ｃの各スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６にＰＷＭパルス信号としての制御信号を与えて電磁サスペンション装置に該荷重を発生させることができるようになっている。

そして、モータ駆動回路Ｃの各スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６を開閉制御してモータＭをＰＷＭ駆動するための制御処理手順は、プログラムとしてＲＯＭや他の記憶装置に予め格納されている。

さらに、この制御装置２０は、異常を検出する場合、たとえば、電流センサで検知したモータＭの巻線１２に流れる電流値と、制御装置２０で演算する電流指令値との差が所定閾値を所定時間超える場合や、電流センサや回転角センサの自己診断によって異常が検出された場合や、制御装置２０自体の自己診断の結果異常と判断される場合等、およそ制御系統に異常があると判断される場合には、後述するフェールセーフモードに移行するようになっている。

なお、このハードウェアとして制御装置２０は、車両に搭載されるＥＣＵに統合されてもよい。

つづいて、短絡手段Ｔについて説明すると、図示したところでは、この短絡手段Ｔは、各アームＡ１，Ａ２，Ａ３に対し並列に接続されるバイパスＢと、バイパスＢの途中に設けたスイッチング素子５０と、各アームＡ１，Ａ２，Ａ３の両端に接続されスイッチング素子５０を作動させるスイッチング回路Ｖとを備えて構成されている。

以下、詳細に説明すると、スイッチング素子５０は、Ｎチャンネル型のＭＯＳＦＥＴとされ、ゲート電極に電圧が印加された状態でオフとなり、通常は、スイッチング回路Ｖによって電圧が印加されないように維持され、オフ状態に維持されている。

また、バイパスＢの上記スイッチング素子５０のドレイン電極と各アームＡ１，Ａ２，Ａ３との接点との間には、抵抗６０が介装されている。そして、スイッチング素子５０をオンし、モータＭをＰＷＭ制御するためのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６をオフしてモータＭの各巻線１２をバイパスＢで短絡した場合に、電磁サスペンション装置に振動が入力され巻線１２に誘導起電力によって生じる回生電流は入力寄生ダイオードＫ１，Ｋ２，Ｋ３，Ｋ４，Ｋ５，Ｋ６によって整流されバイパスＢの図２中上端側が回生電流の流れの上流となり、該回生電流はバイパスＢを抵抗６０、スイッチング素子５０の順に通過して巻線１２に戻される。したがって、この抵抗６０は、この短絡状態では、各巻線１２に対し直列に接続されていることになる。

さらに、スイッチング回路Ｖは、抵抗６１とスイッチ５１と直列接続して構成され、抵抗６１側を各アームＡ１，Ａ２，Ａ３の上記短絡状態での回生電流の上流側に接続し、スイッチ５１側を各アームＡ１，Ａ２，Ａ３の上記短絡状態での電流の上流側に接続し、さらに、抵抗６１−スイッチ５１間の電圧を上記スイッチング素子５０のゲート電極に印加できるように、抵抗６１とスイッチ５１との間を該ゲート電極に接続してある。

すなわち、上記スイッチ５１がオン状態では、スイッチング素子５０のゲート電極は、接地されていることになり、電圧の印加が無く、該スイッチング素子５０はオフ状態に維持されるのでモータＭの各巻線１２は短絡されず、他方、スイッチ５１がオフに切換わると、スイッチング回路Ｖからゲート電極に電圧が印加される状態となって該スイッチング素子５０はオン状態となり、バイパスＢが開放されて、モータＭの各巻線１２は短絡されることになる。なお、抵抗６１は、スイッチング素子５０のゲート電極に電圧降下後の電圧を印加するために介装されているものであって、誘導起電力や各巻線１２のインダクタンスによる過大な電圧が直接スイッチング素子５０のゲート電極に印加されないようにして、スイッチング素子５０を保護している。

モータ駆動回路Ｃおよび電磁サスペンション装置は、以上のように構成され、以下に、その作動について説明する。

まず、通常時にあっては、上記のごとく、制御装置２０の制御によってモータ駆動回路Ｃのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６が所定制御則によって制御されることになる。

そして、制御装置２０は、制御系統に異常があると判断した場合には、フェールセーフモードに移行して、上記リレーＬへの電力供給、各スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６のゲート電極への制御信号出力を停止し、さらに、上記スイッチ５１をオフとする。

すると、電源Ｅからモータ駆動回路Ｃへの電力供給がリレーＬのオフによって中止され、他方、短絡手段Ｔにおけるスイッチング素子５０はオンされてバイパスＢが開放され、モータＭの各巻線１２は短絡されることになる。

この状態で、車両走行中に、路面から振動が電磁サスペンション装置に入力されると、電磁サスペンション装置が伸縮するので、モータＭが強制的に回転することになる。

モータＭが上記のごとく強制回転せしめられることによって、各巻線１２には、誘導起電力が発生して、この誘導起電力により回生電流が流れることになるが、この回生電流はバイパスＢと各巻線１２を循環するように流れることになり、電磁サスペンション装置は、伸縮ストローク速度に対し短絡特性相当の荷重を発生することが可能である。

また、このフェールセーフモードでは、巻線が短絡されてバイパスＢを電流が流れることから、回生電流は抵抗６０をも通過することになる。ここで、抵抗６０の作用について説明すると、抵抗６０は、上記誘導起電力によって生じる電流値を小さくするように作用することから、図３に示すように、抵抗６０がない場合の短絡特性を、ストローク速度軸に沿って拡張させるように作用して、抵抗６０がない場合の短絡特性である曲線Ｙから曲線Ｚに変化させることになる。

すなわち、このモータ駆動回路にあっては、制御装置２０自体や制御系統の異常に対して、モータＭの各巻線１２を短絡させることが可能であるので、異常時にあっても、電磁サスペンション装置を確実にパッシブダンパとして機能させることが可能であり、また、電磁サスペンション装置にあっては、制御装置２０自体や制御系統の異常に対して、モータＭの各巻線１２を短絡させることが可能であるので、異常時にあっても、確実にパッシブダンパとして機能することが可能である。

そして、通常時にはモータＭの巻線１２およびモータ駆動回路の全体の抵抗を小さく保って回生領域Ｋを拡大しておき、この回生領域Ｋ内で車体姿勢制御に必要な荷重を発生させるようにしておいても、フェールセーフ時には、モータＭの各巻線１２を短絡させると同時に、抵抗６０によってモータＭの巻線１２およびモータ駆動回路の全体の抵抗を大きくして短絡特性を通常時の短絡特性から図３に示すがごとくに変化させることができ、ストローク速度が中高速領域となっても充分な荷重を発生させることが可能である。

したがって、裏を返せば、通常時には、電磁サスペンション装置におけるモータの短絡特性を抵抗６０を介さない場合の短絡特性とし、フェールセーフ時には抵抗６０を介した短絡特性にすることが可能ということであるので、通常時には、回生領域Ｋを大きくした短絡特性として、通常時には省電力化を図りつつ充分な荷重を発生でき、フェールセーフ時にあっても、ストローク速度が中高速領域となっても充分な荷重を発生させて車両における乗り心地を確保することができるのである。また、通常時には、電磁サスペンション装置に、ストローク速度０．１ｍ／ｓ付近での発生荷重を車両に搭載される一般的な油圧緩衝器が発生する荷重に設定しておけるので、油圧緩衝器と同等の乗り心地を実現することが可能である。

なお、スイッチ５１を、リレーＬと同様の構成のスイッチやＭＯＳＦＥＴ等としておき、電圧印加を中止することによってオフすることができるようにしておけば、制御装置２０の電源系統に異常が生じた場合にも、自動的に短絡手段ＴがモータＭの各巻線１２を短絡することができるので、確実にフェールセーフを実施することが可能である。

ところで、この電磁サスペンション装置は、上述のように、モータＭのロータＲが回転すると、ロータＲの駆動用磁石１４の磁束が巻線１２を横切るので、巻線１２に誘導起電力が生じて回生電流が流れることから、巻線１２には、電源Ｅによる電流と上記誘導起電力による回生電流が流れることになるが、モータＭの巻線１２の誘導起電力によって電源Ｅを充電可能な回生を行うことができる回生領域Ｋは、図４に示すように、原点を通り短絡特性に対して接する接線Ｘとストローク速度軸とで囲まれる範囲となり、この回生領域Ｋは、短絡特性によって決することができる。さらには、この接線Ｘにおける傾きは、モータＭのトルク定数およびモータＭのトルク定数およびの巻線１２とモータ駆動回路Ｃの全体の抵抗、すなわち回路中の抵抗器以外にもリード線の内部抵抗を含んだ全体の抵抗によっても決まる値であるので、トルク定数およびモータＭの巻線１２とモータ駆動回路Ｃの上記全体の抵抗によっても回生領域Ｋを決定することができる。また、上記接線Ｘの傾きは、螺子軸１のリードによっても調整することも可能である。

一方、車両には、車両走行中にバネ下部材に入力される振動をバネ上部材に伝達しにくくするためにバネ下部材とバネ上部材との間にバネ要素が介装され、また、その振動を抑制するために緩衝器がバネ下部材とバネ上部材との間に介装されるが、軽、小型および普通自動車に適用される緩衝器の伸長側と収縮側の発生荷重の設定頻度状況を示す図５から、伸長側では、おおよそ６００Ｎを中心として２００Ｎから１０００Ｎの範囲内で荷重を発生している緩衝器が多く、収縮側ではおおよそ３００Ｎを中心として０Ｎから６００Ｎの範囲内で荷重を発生している緩衝器が多く、上記のような自動車の車体振動を抑制するためには、緩衝器は伸長側で１０００Ｎ、収縮側で６００Ｎ程度の荷重を発生する必要がある。

また、車両走行中の緩衝器の伸縮ストローク速度の頻度を示す図６から、緩衝器は、収縮側ストローク速度を負の値として伸長側ストローク速度を正の値とすると、−０．１ｍ／ｓから０．１ｍ／ｓのストローク速度範囲内で頻繁に使用される。

上記したところから理解できるように、緩衝器の伸縮における頻繁使用ストローク速度範囲は０．１ｍ／ｓの範囲内（伸縮方向で正負の符号を付する場合には−０．１ｍ／ｓ以上０．１ｍ／ｓ以下の範囲内）であって、必要となる発生荷重は、１０００Ｎ以内である。

このことから、図４に示すように、上記した電磁サスペンション装置における通常時の短絡特性、すなわち、フェールセーフ時の抵抗６０を介さずにモータＭの巻線１２を短絡した状態の短絡特性における荷重が最大値となる頻繁使用ストローク速度範囲を０．１ｍ／ｓ以下の範囲とするようにしてある。

したがって、車両走行中に頻繁に出現するストローク速度範囲内における回生領域Ｋが大きくなるので、回生によって電源Ｅを充電する機会を多くすることができ、モータＭによるエネルギ回生を効率的に行うことができ、省電力化を確実なものにし、さらには、車両における乗り心地を向上することができるのは言うまでも無いが、このように頻繁使用ストローク速度範囲を規格化しておくことによって電磁サスペンション装置の汎用性が向上し、製造コストも低減することができる。

また、このときに、接線Ｘをストローク速度が０．１ｍ／ｓおよび荷重が１０００Ｎであるポイントより上を通過するように設定しておくこととすれば、電磁サスペンション装置が頻繁に使用されるストローク速度範囲内で緩衝器として発生することが必要とされる荷重範囲全体が回生領域Ｋ内でカバーされることになる。

したがって、このように設定される場合には、電磁サスペンション装置が頻繁に使用される場面では、常に回生して電源Ｅを充電するようになり電源Ｅの電力を消費することが無いので、より一層確実に省電力化が図られ、電源Ｅがあがってしまうような事態を防止でき、さらには、電気自動車等の駆動源をモータとするような車両に最適となる。

また、電磁サスペンション装置を、図７に示す他の電磁サスペンション装置のように、一方部材である筒３１と、筒３１に対し相対運動を呈する他方部材であるロッド３２と、該相対運動を少なくとも抑制可能なモータＭ２とで構成するようにしてもよい。

詳しくは、筒３１は、車両のバネ上部材およびバネ下部材の一方に連結され、この筒３１内には、車両のバネ上部材およびバネ下部材の他方に連結されるロッド３２が相通される。

また、モータＭ２は、ロッド３２の外周に軸方向にＳ極とＮ極が交互に現われるように装着される駆動用磁石３３と、筒３１内に駆動用磁石３３と対向する巻線３４とを備えて構成され、巻線３４は所定の長さにわたり筒３１の軸方向に添ってＵ，Ｖ，Ｗの各相が交互に並ぶように配置されている。

なお、筒３１に設けられた巻線３４は環状に成型され、少なくとも内周側は、樹脂等によってコーティングされ、この巻線３４の内周と、ロッド３２の外周あるいは駆動用磁石３３と、の間には図示しない環状の軸受が配在され、筒３１に対してロッド３２の軸ぶれが防止されている。

すなわち、この他の電磁サスペンション装置にあっては、筒３１に対しロッド３２が進退して相対運動を呈すると、駆動用磁石３３が巻線３４に対して相対移動する、いわゆるリニアモータ型の構成となっており、この他の電磁サスペンション装置にあっても、上記した一実施の形態における電磁サスペンション装置と同様に、モータＭ２は、モータとしてもジェネレータとしても機能し、モータＭ２の動作はモータＭと同様であるので、上記モータ駆動回路Ｃを適用することにより、一実施の形態の電磁サスペンション装置と同様の作用効果を相することが可能である。

以上で、本発明の実施の形態についての説明を終えるが、本発明の範囲は図示されまたは説明された詳細そのものには限定されないことは勿論である。

一実施の形態における電磁サスペンション装置を概念的に示した図である。 モータ駆動回路の回路図である。 モータを短絡した状態における電磁サスペンションの荷重とストローク速度との関係である短絡特性を示す図である。 回生領域を示す図である。 軽、小型および普通自動車に適用される緩衝器の伸長側と収縮側の発生荷重の設定頻度状況を示す図である。 車両走行中の緩衝器の伸縮ストローク速度の頻度を示す図である。 他の電磁サスペンション装置の概念図である。 従来のモータ駆動回路の回路図である。 回生領域を示す図である。

符号の説明

１ 一方部材たる螺子軸
２ 他方部材たるボール螺子ナット
１０ フレーム
１１ ステータコア
１２，３３ 巻線
１３ シャフト
１４，３４ 駆動用磁石
１５ 回転角センサ
２０ 制御装置
３１ 一方部材である筒
３２ 他方部材であるロッド
５０，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６ スイッチング素子
５１ スイッチ
６０，６１ 抵抗
Ａ１，Ａ２，Ａ３ アーム
Ｂ バイパス
Ｃ モータ駆動回路
Ｅ 電源
Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３，Ｋ４，Ｋ５，Ｋ６ 寄生ダイオード
Ｌ リレー
Ｍ モータ
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３ 出力端子
Ｒ ロータ
Ｔ 短絡手段
Ｖ スイッチング回路

Claims (10)

1. 一方部材と、一方部材に対し相対運動を呈する他方部材と、該相対運動を少なくとも抑制可能なモータと、モータ駆動回路とを備え、モータ駆動回路が、スイッチング素子を直列に接続した複数のアームを電源に接続し、当該各アームのスイッチング素子間を上記モータの巻線に接続してなる電磁サスペンション装置において、上記モータの巻線を短絡する短絡手段と少なくとも短絡時に上記各巻線に直列となるように介装される抵抗と備え、上記モータの巻線を上記抵抗を介さずに短絡したときのストローク速度と荷重との関係である短絡特性における荷重が頻繁使用ストローク速度範囲内で最大値を採るように設定されることを特徴とする電磁サスペンション装置。
2. 上記短絡手段は、上記スイッチング素子の制御が不能となる場合に当該巻線を短絡することを特徴とする請求項１に記載の電磁サスペンション装置。
3. 上記短絡手段は、上記各アームの両端に接続されるバイパスと、バイパスの途中に設けたスイッチ手段とを備え、上記抵抗は上記バイパスの途中であって上記スイッチ手段より上流側に介装されることを特徴とする請求項１または２に記載の電磁サスペンション装置。
4. 上記各アームと上記電源と接続を遮断する遮断手段を設け、上記遮断手段は上記スイッチング素子の制御が不能となる場合に上記各アームと上記電源との接続を断つことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電磁サスペンション装置。
5. 上記スイッチ手段はドレイン電極およびソース電極がバイパスに接続されるＭＯＳトランジスタであって、当該ＭＯＳトランジスタのゲート電極は上記巻線の誘導起電力によって電圧印加されることを特徴とする請求項３または４に記載の電磁サスペンション装置。
6. 上記ゲート電極は上記スイッチング素子を介して接地されることを特徴とする請求項５に記載の電磁サスペンション装置。
7. 上記一方部材に対し上記他方部材が直線相対運動を呈すると当該一方部材が回転運動を呈し、当該一方部材の回転運動が上記モータに伝達されることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の電磁サスペンション装置。
8. 上記抵抗は、車両走行中に車両の空冷可能な個所に設置されることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の電磁サスペンション装置。
9. 上記頻繁使用ストローク速度範囲は、０．１ｍ／ｓ以下であることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の電磁サスペンション装置。
10. 原点を通り上記短絡特性に対して接する接線は、上記ストローク速度が０．１ｍ／ｓおよび上記荷重が１０００Ｎであるポイントより上を通過するように設定されることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の電磁サスペンション装置。

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