CN105075078A - 旋转电机的控制系统以及控制该控制系统的方法 - Google Patents

Abstract

一种旋转电机控制系统(10)包括控制器(70)、以及转子(28)，该转子包括第一转子元件(40)和第二转子元件(42)，第一转子元件和第二转子元件能够在定子(24)的内侧旋转并且被布置为在轴向上彼此分离。第一转子元件(40)包括第一磁体并且被固定到旋转轴(26)上。第二转子元件(42)包括第二磁体，并且被可旋转地设置到旋转轴(26)上。控制器(70)执行定子线圈电流的向量控制以实现第二转子元件(42)相对于第一转子元件(40)的相对相位差，即转子间相位的转变。

Description

旋转电机的控制系统以及控制该控制系统的方法

技术领域

本发明涉及旋转电机的控制系统以及控制该控制系统的方法，还涉及用于改变转子的有效磁通量的技术。

背景技术

磁通可变型旋转电机是公知的，如公开号为2010-154699的日本专利申请(JP2010-154699A)中所述。JP2010-154699A中描述的旋转电机被配置为响应于两个转子之间的相位关系变化，通过借助致动器更改配备有两个磁体的转子的位置关系，来更改对转矩起作用的转子有效磁通量，其中两个磁体被布置为在旋转轴方向上分离。

JP2010-154699A中描述的磁通可变型旋转电机需要充当专用驱动源的致动器来更改转子的有效磁通量。因此，这导致旋转电机的大小和成本增加。

发明内容

本发明在旋转电机的控制系统和用于控制该控制系统的方法中，在不需要专用驱动源的情况下也能改变转子的有效磁通量。

本发明的第一方面涉及控制系统。所述控制系统包括旋转电机和控制器。所述旋转电机包括：定子，其包括定子线圈，所述定子线圈被布置在周向上的多个位置处；转子，其包括第一转子元件和第二转子元件，所述第一转子元件和第二转子元件能够在所述定子的内侧旋转并且被布置为在轴向上彼此分离。所述第一转子元件包括多个第一磁体，所述多个第一磁体具有沿周向交替布置的不同极性，所述第一转子元件被固定到旋转轴上。所述第二转子元件包括多个第二磁体，所述多个第二磁体具有沿周向交替布置的不同极性，所述第二转子元件被固定到旋转轴上。所述控制器是用于控制定子线圈电流的组件。所述控制器执行所述定子线圈电流的向量控制以实现转子间相位的转变，所述转子间相位是所述第二转子元件相对于所述第一转子元件的相对相位差。

本发明的第二方面涉及用于控制包括旋转电机和控制器的控制系统的方法。所述旋转电机包括：定子，其包括定子线圈，所述定子线圈被布置在周向上的多个位置处，以及转子，其包括第一转子元件和第二转子元件，所述第一转子元件和第二转子元件能够在所述定子的内侧旋转并且被布置为在轴向上彼此分离。所述第一转子元件包括多个第一磁体，所述多个第一磁体具有沿周向交替布置的不同极性，所述第一转子元件被固定到旋转轴上。所述第二转子元件包括多个第二磁体，所述多个第二磁体具有沿周向交替布置的不同极性，所述第二转子元件被固定到旋转轴上。所述控制器是用于控制定子线圈电流的组件。在用于控制所述控制系统的方法中，所述控制器执行所述定子线圈电流的向量控制，以实现转子间相位的转变，所述转子间相位是所述第二转子元件相对于所述第一转子元件的相对相位差。

根据本发明的旋转电机的控制系统以及用于控制该控制系统的方法，可以在不需要专用驱动源的情况下改变所述第一转子元件与所述第二转子元件之间的相位关系，从而改变转子的有效磁通量。

附图说明

下面将参考附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点、以及技术和工业意义，在所述附图中，相同的附图标记表示相同的部件，其中：

图1示出根据本发明的第一实施例的旋转电机的控制系统的配置；

图2示出图1的A-A截面中第一转子元件的第一磁体的透视图；

图3示出从图2的外径侧观察的第一转子元件和第二转子元件；

图4示出图3的转子的示意图，该示意图沿轴向观察，并且从第二转子元件侧朝着第一转子元件侧观察；

图5示出显示为了改变图3中的转子间相位而产生的定子磁场的示意图；

图6示出根据本发明的实施例，显示转子间相位θe与在转子元件间起作用的转子间磁矩之间的关系的视图；

图7示出图6中的转子间磁矩的正方向；

图8A示出显示图2中的从极性相反状态到极性相同状态的转变，示出极性相反状态(磁通0％)的视图；

图8B示出显示图2中的从极性相反状态到极性相同状态的转变，示出极性转变状态(磁通≤50％)的视图；

图8C示出显示图2中的从极性相反状态到极性相同状态的转变，示出极性转变状态(磁通≥50％)的视图；

图8D示出显示图2中的从极性相反状态到极性相同状态的转变，示出极性相同状态(磁通100％)的视图；

图9A对应于图8A，并且示出从转子外径侧观察的从极性相反状态到极性相同状态的转变状态，示出极性相反状态(磁通0％)；

图9B对应于图8B，并且示出从转子外径侧观察的从极性相反状态到极性相同状态的转变状态，示出极性转变状态(磁通≤50％)；

图9C对应于图8C，并且示出从转子外径侧观察的从极性相反状态到极性相同状态的转变状态，示出极性转变状态(磁通≥50％)；

图9D对应于图8D，并且示出从转子外径侧观察的从极性相反状态到极性相同状态的转变状态，示出极性相同状态(磁通100％)；

图10示出显示转子间相位θe与转子相位关系稳定性之间的关系的视图；

图11A示出显示图2中的从极性相同状态到极性相反状态的转变，示出极性相同状态(磁通100％)的视图；

图11B示出显示图2中的从极性相同状态到极性相反状态的转变，示出极性转变状态的视图；

图11C示出显示图2中的从极性相同状态到极性相反状态的转变，示出极性相反状态(磁通0％)的视图；

图12A对应于图11A，并且示出从转子外径侧观察的从极性相同状态到极性相反状态的转变状态，示出极性相同状态(磁通100％)；

图12B对应于图11B，并且示出从转子外径侧观察的从极性相同状态到极性相反状态的转变状态，示出极性转变状态；

图12C对应于图11C，并且示出从转子外径侧观察的从极性相同状态到极性相反状态的转变状态，示出极性相反状态(磁通0％)；

图13示出根据本发明的第二实施例的用于旋转电机的控制系统的配置；

图14A示出显示第二实施例中的不同转子间相位θe下，轴旋转角(电角)与定子感应电压之间的关系，示出极性相反状态(磁通0％)的视图；

图14B示出显示第二实施例中的不同转子间相位θe下，轴旋转角(电角)与定子感应电压之间的关系，示出极性转变状态(磁通≤50％)的视图；

图14C示出显示第二实施例中的不同转子间相位θe下，轴旋转角(电角)与定子感应电压之间的关系，示出极性相同状态(磁通100％)的视图；

图14D出显示第二实施例中的不同转子间相位θe下，轴旋转角(电角)与定子感应电压之间的关系，示出极性转变状态(磁通≥50％)的视图；

图15示出根据本发明的第三实施例的用于旋转电机的控制系统的截面图；

图16示出显示根据本发明的第四实施例的转子间相位θe、第二转子元件中由定子磁场产生的转矩、以及转子间磁矩之间的关系的视图。

具体实施方式

下面将参考附图解释本发明的实施例。在下文中，相同的部件在所有附图中使用相同附图标记来说明。

[第一实施例]图1示出根据本发明的第一实施例的旋转电机控制系统10。旋转电机控制系统10配备有旋转电机20、充当驱动电路的逆变器(inverter)12、充当电源的蓄电装置14、以及控制器70。旋转电机控制系统10被安装到诸如混合动力车辆、电动车辆或燃料电池车辆之类的电动车辆上，并且被用于使用旋转电机20作为电动机来驱动车轮(未示出)。旋转电机20可被用作发电机、电动机或兼具电动机和发电机这两者的功能的电动发电机。

旋转电机20包括：定子24，该定子被固定在壳体22的内侧；旋转轴26，该旋转轴通过轴承被可旋转地设置到壳体22上；转子28，该转子被设置在旋转轴26的周围；单向离合器30以及旋转角传感器32、34。旋转电机20产生可变的有效磁通，该磁通如下所述在转子28中产生并且对转矩起作用。

如图2所示，定子24包括定子磁芯36、该定子磁芯由电磁层压板形成；具有U相、V相和W相的多相的三相定子线圈38u、38v、38w。三相定子线圈38u、38v、38w由密集绕组或分布绕组沿着设置于定子磁芯36的内周表面上的多个齿39进行缠绕。在下文中，定子线圈38u、38v、38w可被简称为定子线圈38。定子磁芯36可以由压制的粉状磁芯形成，该压制的粉状磁芯由磁粉的模压成型(compressionmolding)形成。

当定子电流、三相交流电流过定子线圈38时，多个齿39被磁化以在定子24内产生旋转磁场。

如图1所示，转子28包括第一转子元件40(被设置在图的左侧)和第二转子元件42(被设置在图的右侧)，第一转子元件和第二转子元件能够在定子24的内侧旋转并且被布置为在轴向上彼此分离。第一转子元件40包括：管状第一磁芯46，其被固定在管状突出部44的周围，管状突出部44以一体的方式设置在旋转轴26的周围；以及第一磁体48n、48s，第一磁体48n、48s被布置在第一磁芯46的周向上的多个位置处。第一转子元件40被布置在直径方向上的内侧，以便以预定间隔面向定子磁芯36的轴向上的一个侧部(图中的左侧部)，并且第一转子元件40可相对于定子24旋转。转子28可被布置在定子24的内侧，以便与在定子线圈38中产生的磁场互相作用。

第二转子元件42包括：内侧保持部52，该内侧保持部通过诸如滚针轴承之类的轴承50，可旋转地、在轴向上与第一转子元件40远离地设置到旋转轴26的周围的另一部(附图中的右侧部)上；第二磁芯54，该磁芯被固定到内侧保持部52的周围；第二磁体56n、56s，第二磁体被布置在第二磁芯54的周向上的多个部位处。第二转子元件42被布置在直径方向上的内侧，以便以预定间隔面向定子磁芯36的轴向上的另一侧部(图中的右侧部)，并且该转子元件可相对于定子24旋转。内侧保持部52由诸如铁之类的磁性材料或非磁性金属形成。

磁芯46、54中的每一者由电磁层压金属板形成。磁体48n、48s、56n、56s中的每一者为顺磁体。第一磁体48n、48s被布置为沿第一磁芯46的轴向插入第一磁芯46的周向上的多个部位处。第二磁体56n、56s被布置为沿第二磁芯54的轴向插入第二磁芯54的周向上的多个部位处。如图2所示，磁体48n、48s、56n、56s被布置为在磁芯46、54中每一者的周向上的多个部位处形成两个磁体构成的V形对。磁体48n、48s、56n、56s构成的多个组的极性在转子的旋转方向上交替地不同。第一磁体48n、48s和第二磁体56n、56s构成的多个组的间隔在周向上彼此相等。每个磁体48n、56n的N极被置于外周侧。每个磁体48s、56s的S极被置于外周侧。磁芯46、54中的每一者可以由压制的粉状磁芯形成。

转子28的有效磁通量根据第一转子元件40与第二转子元件42之间的相位关系变化而改变。“有效磁通量”是指通过两个转子元件40、42的合成磁通实质上对定子24起作用的磁通量。例如，在极性相同状态(其中在两个转子元件40、42中，具有同极性的磁体48n、48s、56n、56s被布置为在周向上处于相同相位)下，有效磁通等于最大值。在这种情况下，有效磁通为100％。当使用％表示有效磁通量时，它指示有效磁通相对于极性相同状态下的100％有效磁通的比率。同时，当第二转子元件42相对于旋转轴26旋转以导致在转子元件40、42这两者中同极性磁体48n、48s、56n、56s的周向位置偏离时，有效磁通减少。在极性相反状态下，有效磁通为零，极性相反状态是指这样的状态：其中例如，同极性磁体48n、48s、56n、56s在转子元件40、42这两者中发生180度电角的偏离，而反极性磁体48n、48s、56n、56s被布置为在周向上实现相同相位。在极性相反状态下，有效磁通为0％。

单向离合器30被设置在第二转子元件42的内侧保持部52与旋转轴26的周面之间。单向离合器30允许第二转子元件42绕着旋转轴26仅沿一个与图1和图2所示的箭头α相反的方向旋转，从而阻止第二转子元件42沿箭头α方向旋转。箭头α方向是旋转轴26的正转矩产生方向。

旋转角传感器32检测旋转轴26的旋转角度，并且将指示旋转角度的信号发送到控制器70。旋转角传感器34检测第二转子元件42的旋转角度，并且将指示旋转角度的信号发送到控制器70。

旋转电机20由旋转电机控制系统10的逆变器12驱动。逆变器12被连接到蓄电装置14，由控制器70控制，并且将来自蓄电装置14的直流电转化为三相，U相、V相和W相交流电。蓄电装置14可以是电容器。电压转换装置可被设置在蓄电装置14与逆变器12之间，以转换要提供给逆变器12的蓄电装置14的电压的振幅。

控制器70包括具有CPU和存储器的微计算机，并且具有转子间相位获取部72、有效磁通量设定部74和电流向量控制部76。控制器70根据输入转矩指令值Tr，驱动转子28以沿图1和图2所示的箭头α方向旋转。例如，当旋转电机20被用作车辆的驱动电动机时，旋转电机20的转矩指令值Tr根据从车辆的加速踏板传感器(未示出)等输入的加速指令信号在另一控制器(未示出)中计算。控制器70根据从另一控制器输入的转矩指令值Tr，控制逆变器12的开关元件以驱动逆变器12控制旋转电机20。在这种情况下，电流向量控制部76根据转矩指令值Tr，计算由dq坐标系中的d轴电流指令Id*和q轴电流指令Iq*定义的电流向量指令，将电流向量指令转换为三相电流指令，然后执行电流向量控制以控制每个相位中的定子线圈电流。在这种情况下，在使用电流传感器(未示出)检测到两相或三相定子线圈电流之后，控制器70可使用从检测值中获取的d轴电流Id和q轴电流Iq执行定子电流的反馈控制。控制器70可通过根据功能划分的多个控制器来构成。加速指令信号可被输入控制器70以计算转矩指令值Tr。

控制器70还具有控制转子28的有效磁通量的功能。转子间相位获取部72根据从旋转角传感器32、34中的每一者获取的旋转轴26的旋转角度和第二转子元件42的旋转角度(请参阅图2)，获取指示第二转子元件42相对于第一转子元件40的相对相位差的转子间相位θe。相对相位差为正，或者为负，取决于偏离方向。

有效磁通量设定部74根据预定要求设定有效磁通量。当转子28的转速高时，例如，过高的有效磁通量可能增加来自转子28的对定子线圈38起作用的反向电压，从而导致输出减少。就这种情况而言，可通过将有效磁通减少到预定的所需值来抑制输出减少。

电流向量控制部76根据在有效磁通量设定部74设定的有效磁通量，通过电流向量控制来控制定子线圈电流。在这种情况下，电流向量控制部76允许根据每个转子元件40、42的磁体48n、48s、56n、56s的位置关系，以任意有效磁通量产生磁场。在这种情况下，电流向量控制部76产生允许第二转子元件42相对于第一转子元件40旋转的转矩，并且执行定子线圈电流的向量控制，以便产生定子磁场以转变两个转子元件40、42之间的转子间相位θe。“转子间相位θe”指示在电角方面，第二转子元件42相对于第一转子元件40的相对相位差。当在旋转轴26的方向上从第二转子元件42侧朝着第一转子元件40观察，第二转子元件42的作为基准磁体的同极性N极磁体或S极磁体相对于第一次转子元件40的N极磁体或S极磁体的位置沿图2的逆时针方向移位时，转子间相位θe被定义为正。当第二转子元件42的N极磁体或S极磁体沿图2的顺时针方向移位时，转子间相位θe被定义为负。极性相同状态通过0°的转子间相位θe实现。当转子间相位在正方向和负方向中的任一者上偏离180°时，实现极性相反状态。电流向量控制部76根据转子间相位θe的转变，改变转子28的有效磁通量。接下来，将解释用于控制有效磁通的电流向量控制及其控制方法的理念。

图3示出从图2中的外径侧观察的第一转子元件40和第二转子元件42。图4示出在轴向上观察的图3的转子28的示意图，其是从第二转子元件42侧朝着第一转子元件40侧观察。在图4中，(N)、(S)指示被布置在第二转子元件42后面的第一转子元件40侧中的磁体48n、48s。为简单起见，图4中每个磁体48n、48s、56n、56s的数量小于实际数量。图3和图4示出实现每个转子元件40、42的具有反极性的磁体48n、48s、56n、56s的周向上的相位一致的极性相反状态。下面描述的图3和图5示出在其中磁体被移位以彼此远离的箭头方向上起作用的吸收力，以及在其中磁体被移位以彼此更接近的箭头方向上起作用的排斥力。在这种情况下，如图3所示，在两个转子元件40、42的磁体48n、48s、56n、56s中，吸收力产生于在轴向上彼此面向的反极性磁体之间，排斥力产生于在与轴向偏离的方向上彼此面向的同极性磁体之间。但是，在轴向上彼此面向的反极性磁体之间的吸收力更强。因此，形成了最强的转子相位关系，处于极性相反状态的转子元件40、42之间的相位关系。

接下来，在此状态下，为了将转子元件40、42之间的转子相位关系转变控制为其它转变关系，解释了这样的定子磁通：在该定子磁通中，明显的N极和S极磁极被布置在图4所示的d轴方向上的位置处。在这种情况下，当S极在第二转子元件42中位于图中的左上侧时，第二转子元件42通过定子磁通的磁吸引力沿β方向旋转。同时，当S极在第一转子元件40中位于图中的右上侧时，第一转子元件40通过定子磁通的磁吸引力沿γ方向旋转。在这种情况下，转子元件40、42两者沿相反方向旋转，从而产生不对转子28整体的旋转起作用的转矩。鉴于此，控制器70产生允许第一转子元件40和第二转子元件42沿相反方向旋转的转矩，以及执行定子线圈电流的向量控制，以便产生不对转子28整体的旋转起作用的转矩。例如，可以执行定子线圈电流的向量控制，以便产生允许在其中可产生这种转矩的位置转矩上产生磁通的定子磁场。如下面描述的那样，该配置允许可相对于旋转轴26旋转的第二转子元件42使被固定到旋转轴26上的第一转子元件40旋转。在这种情况下，可确定定子磁场，以便相对于两个转子元件40、42的合成磁通，在图4的d轴方向上产生定子磁通，以及产生转矩以使第二转子元件42相对于第一转子元件40旋转。此类定子磁通可通过执行电流向量控制以确定d-q坐标系中的电流指令来确定。图4示出这样的实例，其中在不产生q轴磁通的情况下产生d轴磁通，以及仅产生d轴电流。但是，为了使转子28沿图1和图2的α方向(转子28的正方向)旋转，也可以与d轴电流一起产生用于产生q轴磁通的q轴电流。

图5示出对应于图3的示意图，其中以此方式产生定子磁场。如图5中的虚框所示，在第一转子元件40的N与S之间的外径侧和第二转子元件42的S与N之间的外径侧中产生明显的公共N极，并且产生定子磁通以在周向两侧的外径侧中形成明显的S极。在这种情况下，第一转子元件40沿γ方向(图5的向上方向)转移，而第二转子元件42沿β方向(图5的向下方向)转移，以便形成允许转子沿相反方向旋转的转矩。控制器70通过产生此转矩执行从极性相反状态到极性相同状态的转子相位关系的转变。在这种情况下，发生上述转子间相位θe的转变(图2)。

例如，如图6所示，转子相位关系包括极性相反状态和极性相同状态。极性相同状态是实现每个转子元件40、42的具有同极性的磁体之间的相位在它们的周向上一致的状态。在转子相位关系位于极性相反状态与极性相同状态之间时，控制器70产生允许每个转子元件40、42沿相反方向旋转的转矩，以及执行定子线圈电流的向量控制，以便产生不对转子28整体的旋转起作用的转矩。例如，控制器70执行定子线圈电流的向量控制，以便产生在产生转矩的位置处导致磁通的定子磁通。在这种情况下，控制器70执行定子线圈电流的向量控制，以将转子间相位θe从极性相反状态转变为极性相同状态。

图6示出转子间相位θe与在转子元件40和42之间起作用的转子间磁矩之间的关系。“转子间磁矩”的正方向按照图7所示定义。如图6所示，当转子间相位θe为-180°<θe<0°时，转子间磁矩为“负”。在这种情况下，负方向上的转矩(即，指向θe＝-180°的转矩)通过每个转子元件40、42中的N极磁体48n、56n与S极磁体56s、56s之间的吸引力对转子元件40、42起作用。在这种情况下，转矩在与图7所示的方向相反的方向上对每个转子元件40、42起作用。鉴于此，为了在正方向上改变θe，需要在图7所示的方向(与上述方向相反)上产生转矩。

同时，当转子间相位θe为0°<θe<180°时，转子间磁矩为“正”。在这种情况下，正方向上的转矩(即，指向θe＝+180°的转矩)通过每个转子元件40、42中的N极磁体48n、56n与S极磁体56s、56s之间的吸引力在转子元件40、42之间起作用。在这种情况下，转矩在与图7所示的方向相同的方向上对每个转子元件40、42起作用。鉴于此，为了在正方向上改变θe，可以通过将θe改变为θe>0°来改变θe＝+180°(即使临时从θe＝0°开始)，而无需得自正转子间磁矩的外部驱动转矩。

同时，解释了实现-180°≤θe<0°的θe正方向转变的转子相位关系转变控制。图8A-D和图9A-D示出-180°≤θe<0°的θe正方向转变。在极性相反状态(θe＝-180°)下，可以对流过三相定子线圈38的定子线圈电流执行向量控制，以便产生实现沿特定方向的磁极的定子磁场。在这种情况下，为了在与基准磁体48s相同的方向上产生磁通，可以在这样的方向上产生定子磁场：该方向相对于第一转子元件40的第一磁体48s在相位上偏离θe/2，也就是说，该方向具有第一转子元件40和第二转子元件42的同极性磁体48s、56s的周向间隔，从而在与基准磁体48s相同的方向上产生磁通。在这种情况下，可以在正方向上产生转矩，也就是说，由于产生在定子磁场与每个转子元件40、42中的磁体的磁通之间起作用的磁吸引力，因此该转矩吸引每个转子元件40、42中的同极性磁体48s、56s。上述解释指的是对应于磁体48s、56s的定子磁通，并且可应用于对应于磁体48n、56n的定子磁通，除了方向相反。图8A-D示出沿箭头δ指示的两个方向的吸引力，该吸引力在定子磁场产生的由箭头N、S所示的磁通与转子28的磁体48n、48s、56n、56s之间起作用。

上述正方向上的转矩允许θe在正方向上转变。在这种情况下，需要控制通过向量控制产生的定子磁场的磁通方向，以便与θe转变同步。鉴于此，需要控制以产生定子磁场，该定子磁场实现在与检测每个转子元件40、42的旋转角度的两个旋转角传感器32、34的检测值(在控制器70中获取或接收)对应的方向上产生磁通。

通过定子磁场在转子元件40、42之间产生转矩。定子磁场只是两个转子元件40、42的合成磁场的d轴方向上的磁场(充当两个转子元件40、42的同极性磁体的磁场的相位中心)，以便不经由旋转轴26产生在外部起作用的转矩。

当转子28的有效磁通等于所需值时，可通过执行“正转矩产生操作”将定子磁场设定为零，从而实现上述在θe的正方向上的转子相位关系转变。例如，可以执行定子电流的向量控制，以便在源于定子磁场的d轴磁通和q轴磁通当中实现为零的d轴磁通。在这种情况下，转子间磁矩充当反转到状态θe＝-180°的转矩，沿图6的负方向在转子元件40、42之间起作用。但是，通过在第二转子元件42与旋转轴26之间设置的单向离合器30的功能，可以使转子相位关系在转子间相位θe上保持恒定作为“相位固定操作”，而无需将转子间相位θe改变到负方向。

图10示意性地示出转子间相位θe与转子相位关系稳定性之间的关系。为了进行从点P1处的极性相反状态朝着点P2处的极性相同状态的转子间相位θe沿正方向的转变，可以进行控制，以便产生实现上述d轴方向产生的定子磁场，从而沿箭头Q1方向改变转子间相位θe和稳定性。在这种情况下，针对实现零定子磁场的有效磁通的所需值，在实现R方向(即，相位稳定方向)转移的负方向上产生转子间磁矩。但是，通过单向离合器30的功能，可以保持所需状态，例如点P3和P4。在这种情况下，转子28的有效磁通量从极性相反状态下的零有效磁通起增加。

进一步的有效磁通增加可通过重复上述正转矩产生操作和相位固定操作来实现。通过此操作，可以实现从磁通0％状态到磁通100％状态的转子间相位转变。

接下来，解释实现0°≤θe<+180°的θe正方向转变的转子相位关系转变控制。图11A-C和图12A-C示出0°≤θe≤+180°的θe正方向转变。为了从极性相同状态θe＝0°开始的正方向转变，执行定子线圈电流的向量控制，以便至少在第二转子元件42的驱动初始状态下产生导致转子元件40、42之间相位差(即，正转子间相位θe)的定子磁场。在这种情况下，执行定子线圈电流的向量控制，以便在第二转子元件42的驱动初始状态下产生增加两个转子元件40、42的同极性磁体之间的相位差的定子磁场。例如，产生定子磁场，以便以特定振幅形成q轴磁通，该磁通在驱动初始状态下将沿箭头β方向(图11A-C)的转矩临时提供给转子28。

在这种情况下，执行定子线圈电流的向量控制，以便形成导致特定方向上的磁通的定子磁场。在该定子磁场中，如图1A和图12A所示，可以在这样的位置(例如，图11A中的箭头N指示的位置)处，通过相同相位形成与两个转子元件40、42的同极性磁体的磁通具有相同方向的定子磁通：该位置在转子间相位θe的正方向上发生偏离。在这种情况下，定子磁场产生β方向的转矩，该转矩与每个转子元件40、42具有相同大小，但是，与旋转轴26一体形成的第一转子元件40具有大转动惯量，而不与旋转轴26一体形成的第二转子元件42与第一转子元件40相比具有较小的转动惯量。为此，可通过图7所示的正方向上对第二转子元件42起作用的转矩，使第二转子元件42相对于第一转子元件40沿β方向旋转。

通过该正方向上的转矩，可以实现转子间相位到θe＝+180°状态的转变。

在这种情况下，在图10中，在点P2处的极性相同状态下，用于以上述方式导致定子磁场的控制使得可以更改箭头Q2方向上的转子间相位θe和稳定性。在该情况下，图6中的正转子间磁矩总是在0°<θe<+180°区域中起作用，从而使得能够执行到极性相反状态(也就是说，相位稳定状态)的转变，而无需外部添加驱动转矩。

如上所述，为了产生在极性相同状态下形成沿着特定方向的磁极的定子磁场，可以采用这样的配置：在该配置中，执行定子线圈电流的向量控制，以便通过控制器70使两个转子元件40、42沿相同方向旋转，以及使第二转子元件42相对于第一转子元件40旋转。例如，可执行定子线圈电流的向量控制以在允许两个转子元件40、42沿相同方向旋转的位置处产生导致脉冲型磁通的定子磁场。

根据上述旋转电机控制系统10和用于控制旋转电机20的方法，可以在不需要诸如致动器之类的专用驱动源的情况下，通过改变两个转子元件40、42之间的转子相位关系来改变转子28的有效磁通量。此外，可以将有效磁通量控制为任意值，因为在不通过旋转轴26产生对旋转电机20的外部起作用的转矩的情况下，任意地控制转子元件40、42之间的转子相位关系。因此，与需要致动器的传统技术相比，可以不用增加致动器的成本和体积。

此外，单向离合器30被设置在第二转子元件与旋转轴26之间。单向离合器30针对从极性相反状态到极性相同状态的转子间相位θe的转变，通过对两个转子元件40、42起作用的转子间磁矩，阻止第二转子元件42相对于第一转子元件40旋转到极性相反状态。为此，在转子28的有效磁通量为所需值时，可以在不需要外部电矫顽力的情况下保持转子相位关系。为此，不需要使用致动器矫顽力保持转子相位关系，从而可减少能量损失。

此外，控制器70还执行定子线圈电流的向量控制以实现从极性相反状态到极性相同状态的转子相位θe的转变。因此，尽管存在由磁体间吸引力导致的负转子磁体转矩，但是在不需要提供诸如致动器之类的驱动力的情况下，也可执行转子相位关系到极性相同状态的转变。

此外，控制器70还执行定子线圈电流的向量控制，至少在第二转子元件42在从极性相同状态到极性相反状态的转变中的驱动初始时段期间，产生转子元件40、42之间的相位差。为此，由于转子元件40、42之间的转子磁矩，可以仅通过在驱动初始时段期间导致预定的定子磁场，在不需要外部驱动力的情况下将有效磁通量从100％减少为0％。

[第二实施例]图13示出根据本发明的第二实施例的旋转电机控制系统10的配置。旋转电机20未配备上述第一实施例中检测第二转子元件42的旋转角度的旋转角传感器34(图1)。相反，旋转电机控制系统10配备有检测至少单相位定子线圈38的感应电压的感应电压检测电路80。感应电压检测电路80检测定子线圈38处产生的感应电压，该感应电压由通过第一转子元件40和第二转子元件42的旋转产生的转子28的有效磁通量所导致。感应电压的检测值被发送到控制器70。

控制器70包括感应电压获取部90、旋转轴旋转角获取部92和转子间相位差计算部94。感应电压获取部90获取在控制器70中接收的感应电压的检测值。旋转轴旋转角获取部92接收和获取从旋转角传感器32发送的旋转轴26的旋转角度的检测值。转子间相位差计算部94基于感应电压的检测值和旋转角传感器32的检测值计算转子间相位θe作为转子间相对相位差。

图14A-D示出该实施例中的不同转子间相位θe下的轴旋转角(电角)与定子感应电压之间的关系的四个实例。图14A-D示出由双点虚线T1指示的第一转子元件40的磁通导致的感应电压，由单点虚线T2指示的第二转子元件42的磁通导致的感应电压，以及由实线TA指示的两个转子元件40、42的磁通合成导致的合成感应电压。虚线Ts示出信号检测值作为旋转角传感器32的检测信号。旋转角传感器32的信号检测值与被表示为电角的轴旋转角成比例。

如图14A-D所示，可以根据定子感应电压和旋转轴26的旋转角，在旋转轴26的几乎所有旋转角上计算与当前状态对应的转子间相位θe。例如，在旋转轴26的旋转角上获取合成感应电压V1、V2、V3和V4的情况下，转子间相位差计算部94确定转子间相位θe为-180°、-120°、0°、+60°中的一者，作为对应于当前状态的转子间相位θe。在这种情况下，可使用指示事先存储在存储部中的转子间相位θe、合成感应电压与旋转轴26的旋转角度之间的关系的映射，计算转子间相位θe。为了使用未存储在存储部中的关系计算转子间相位θe，可使用映射关系或预定的关系，通过插值法计算转子间相位θe。由于合成感应电压在极性相反状态下始终为零，因此不能与具有为零的合成感应电压的其它状态区分。在这种情况下，可以安排不使用状态的检测值计算转子间相位θe。

根据上述配置，针对转子间相位的转变，可以在旋转轴26的旋转期间，通过利用合成感应电压和旋转轴26的旋转角度检测值来计算转子间相位θe。因此，不需要旋转角检测器来检测第二转子元件42的旋转角度，这样可降低生产成本。此外，也不需要向旋转电机20提供用于检测第二转子元件42的旋转角度的旋转角传感器的设定部，这样可减小尺寸。其它配置和功能与图1到图12A-C所示的配置相同。

[第三实施例]图15示出根据本发明的第三实施例的旋转电机20的横截面。旋转电机20不配备单向离合器30(图1)。旋转电机20具有：管状突出部44，其被设置到旋转轴26上，而旋转轴26被固定到第一转子元件40上；止动机构96，其被设置在面向第二转子元件42的轴向上的侧面之间。在有效磁通为100％期间，当第一转子元件40和第二转子元件42在转子间彼此一致时，止动机构96保持极性相同状态。通过将被设置到管状突出部44的轴向侧面上的凹部与被设置到内侧保持部52的轴向侧面上的凹部进行接合，借助被提供给该球的弹簧力，止动机构96保持两个转子元件40、42情况下的极性相同状态。

止动机构96不是通过转子间磁体转矩解除锁定，而是产生特定的固定力，以便通过驱动力解除锁定，从而转变由定子磁场产生的转子相位关系。

此外，控制器70还执行定子线圈电流的向量控制，以便仅将转子间相位保持为两个切换状态(具有0％有效磁通量的极性相反状态和极性相同状态)中的任一者。

根据上述配置，不需要设置用于沿一个方向调整第二转子元件42的旋转方向的单向离合器30，从而实现成本降低。其它配置和功能与图1到图12A-C所示的上述配置相同。在图1到图12A-C所示的上述配置中，还可设置上述图15所示的止动机构96。在这种情况下，很容易保持具有100％有效磁通的极性相同状态。另外，如在极性相同状态的情况下，或不在这种情况下，也可在一个部分上设置止动机构，以保持极性相同状态之外的所需转子相位关系。此外，也可在第一转子元件40与第二转子元件42的侧面(在轴向上彼此面向)之间设置止动机构。

[第四实施例]图16示出根据本发明的第四实施例的第二转子元件42中由定子磁场产生的转矩、转子间磁体转矩、以及转子间相位θe之间的关系。在该实施例中，如上述图15的配置所示，控制器70执行定子线圈电流的向量控制，以便仅将转子间相位θe保持为两个切换状态(具有0％有效磁通量的极性相反状态和具有100％有效磁通量的极性相同状态)中的任一者。在这种情况下，执行向量控制以产生能量，从而在θe＝-180°的状况下转变为θe＝0°，实现转子间相位θe从极性相反状态到极性相同状态的转变。在这种情况下，执行定子线圈电流的向量控制，以便在第二转子元件42的驱动初始时段期间，瞬间提供由在从θe＝-180°到0°的整个转变期间对转子28起作用的转子间磁体转矩引起的吸引能量，以及与用于第二转子元件42的旋转的惯性能量对应的吸引能量。

为实现从极性相同状态到极性相反状态的转变，执行定子线圈电流的向量控制，以便使两个转子元件40、42这两者沿相同方向旋转。例如，执行定子线圈电流的向量控制，以便在允许两个转子元件40、42这两者沿相同方向旋转的位置处产生引起具有矩形波形或三角波形的脉冲磁通的定子磁场。这种情况下由定子磁场产生的转矩可能小于为实现从极性相反状态的转变而提供的转矩。

根据上述配置，不需要执行向量控制以在转子相位关系的转变操作的整个范围内基于转子间相位θe产生定子磁通。因此，不需要在转子间相位差检测的整个范围(包括图13的转子间相位差检测)内检测转子间相位θe。因此，可以简化用于转子间相位控制的硬件配置和软件配置。其它配置和功能与图1到图12A-C所示的上述配置相同。

上面解释了本发明的实施例。本发明不限于这些实施例，并且在不偏离本发明范围的情况下，可通过各种配置实现。

上述说明是有关其中成对的两个磁体以V型形式布置于每个转子元件40、42中的配置。本发明不限于此，例如，可以采用其中每个磁体在每个转子元件40、42中沿周向布置的配置。

Claims (12)

1.一种控制系统，包括：

旋转电机，其包括：

定子，其包括定子线圈，所述定子线圈被布置在周向上的多个位置处；

转子，其包括第一转子元件和第二转子元件，所述第一转子元件和第二转子元件能够在所述定子的内侧旋转并且被布置为在轴向上彼此分离，所述第一转子元件包括多个第一磁体，所述多个第一磁体具有沿周向交替布置的不同极性，所述第一转子元件被固定到旋转轴上，所述第二转子元件包括多个第二磁体，所述多个第二磁体具有沿周向交替布置的不同极性，所述第二转子元件被可旋转地设置到所述旋转轴上；以及

控制器，其被配置为控制定子线圈电流，所述控制器被配置为执行所述定子线圈电流的向量控制以实现转子间相位的转变，所述转子间相位是所述第二转子元件相对于所述第一转子元件的相对相位差。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其中

所述控制器被配置为执行所述定子线圈电流的向量控制，以便至少实现从处于极性相反状态的转子间相位到处于极性相同状态的转子间相位的转子间相位转变，

所述极性相反状态是实现具有反极性的所述第一磁体与所述第二磁体之间的相位在它们的周向上一致的状态，

所述极性相同状态是实现具有同极性的所述第一磁体与所述第二磁体之间的相位在它们的周向上一致的状态。

3.根据权利要求2所述的控制系统，其中

所述控制器被配置为执行所述定子线圈电流的向量控制，以便在所述转子间相位位于处于所述极性相反状态的转子间相位与处于所述极性相同状态的转子间相位之间时，产生允许所述第一转子元件和所述第二转子元件沿相反方向旋转的转矩，以及产生不导致所述转子的旋转的转矩。

4.根据权利要求1或2所述的控制系统，其中

所述控制器被配置为执行所述定子线圈电流的向量控制，以便在用于相对于所述第一转子元件旋转地驱动所述第二转子元件，以至少从预定值起更改所述转子间相位的驱动初始时段期间，增大所述第一转子元件与所述第二转子元件之间的相位差。

5.根据权利要求4所述的控制系统，其中

所述控制器被配置为执行所述定子线圈电流的向量控制，以便至少在所述第二转子元件在从处于所述极性相同状态的转子间相位到处于所述极性相反状态的转子间相位的转变中的驱动初始时段期间，产生所述相位差，所述转子间相位为预定值，

所述极性相同状态是实现具有同极性的所述第一磁体与所述第二磁体之间的相位在它们的周向上一致的状态，

所述极性相反状态是实现具有反极性的所述第一磁体与所述第二磁体之间的相位在它们的周向上一致的状态。

6.根据权利要求5所述的控制系统，其中

所述控制器被配置为执行所述定子线圈电流的向量控制，以便至少在所述第二转子元件在从所述极性相同状态到所述极性相反状态的转变中的驱动初始时段期间，使所述第二转子元件相对于所述第一转子元件旋转，以及使所述第一转子元件和所述第二转子元件这两者沿相同方向旋转。

7.根据权利要求4所述的控制系统，其中

所述控制器被配置为执行所述定子线圈电流的向量控制，以便在所述第二转子元件在从所述极性相反状态到所述极性相同状态的转变中的驱动初始时段期间，短时间提供吸引力能量以使所述第二转子元件转变为所述极性相同状态，所述转子间相位为预定值，

所述极性相反状态是实现具有反极性的所述第一磁体与所述第二磁体之间的相位在它们的周向上一致的状态，

所述极性相同状态是实现具有同极性的所述第一磁体与所述第二磁体之间的相位在它们的周向上一致的状态。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的控制系统，进一步包括：

单向离合器，其被设置在所述第二转子元件与所述旋转轴之间，所述单向离合器被配置为在从处于所述极性相反状态的转子间相位到处于所述极性相同状态的转子间相位的转子间相位转变中，借助在所述第一转子元件与所述第二转子元件之间起作用的转子间磁矩，阻止允许所述第二转子元件相对于所述第一转子元件反转到所述极性相反状态的旋转，

所述极性相反状态是实现具有反极性的所述第一磁体与所述第二磁体之间的相位在它们的周向上一致的状态，

所述极性相同状态是实现具有同极性的所述第一磁体与所述第二磁体之间的相位在它们的周向上一致的状态。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的控制系统，进一步包括：

旋转角传感器，其检测所述旋转轴的旋转角度，

其中所述控制器被配置为基于由所述第一转子元件和所述第二转子元件的旋转导致的在所述定子线圈中产生的感应电压的检测值、以及所述旋转角传感器的检测值，计算所述转子间相位。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的控制系统，进一步包括：

止动机构，其被设置在所述第二转子元件与所述第一转子元件和被固定到所述第一转子元件的构件中的任一者之间，其中在所述转子间相位为处于极性相同状态的转子间相位时，所述止动机构保持所述极性相同状态，其中所述极性相同状态是实现具有同极性的所述第一磁体与所述第二磁体之间的相位在它们的周向上一致的状态。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的控制系统，其中

所述控制器被配置为执行所述定子线圈电流的向量控制，以便仅将所述转子间相位保持为处于所述极性相反状态和所述极性相同状态中的任一者的转子间相位，

所述极性相反状态是实现具有反极性的所述第一磁体与所述第二磁体之间的相位在它们的周向上一致的状态，

所述极性相同状态是实现具有同极性的所述第一磁体与所述第二磁体之间的相位在它们的周向上一致的状态。

12.一种用于控制包括旋转电机和控制器的控制系统的方法，所述旋转电机包括：

定子，其包括定子线圈，所述定子线圈被布置在周向上的多个位置处，以及

转子，其包括第一转子元件和第二转子元件，所述第一转子元件和第二转子元件能够在所述定子的内侧旋转并且被布置为在轴向上彼此分离，所述第一转子元件包括多个第一磁体，所述多个第一磁体具有沿周向交替布置的不同极性，其中所述第一转子元件被固定到旋转轴上，所述第二转子元件包括多个第二磁体，所述多个第二磁体具有沿周向交替布置的不同极性，所述第二转子元件被可旋转地设置到所述旋转轴上；并且

所述控制器被配置为控制定子线圈电流，

所述方法包括：

通过所述控制器执行所述定子线圈电流的向量控制，以实现转子间相位的转变，所述转子间相位是所述第二转子元件相对于所述第一转子元件的相对相位差。