JP2006187077A - 同軸モータのトルク制限設定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】膨大なメモリーは必要とせず、計算負荷が小さく、従って、システムに適合させ易い同軸モータのトルク制限設定方法を提供する。
【解決手段】ステータと、ステータの内側及び外側に同軸に設けたインナーロータとアウターロータと、から構成される同軸モータのトルク制限設定方法において、インナーロータとアウターロータとを軸にとる２次元マップを使用して、インナーロータ及びアウターロータのトルク発生可能範囲を制限を設定する。
【選択図】図３

Description

本発明は、ステータと、ステータの内側及び外側に同軸に設けたインナーロータとアウターロータと、から構成される同軸モータのトルク制限設定方法に関し、特に、インナーロータ及びアウターロータに対する指令トルクを制限することでインバータを保護する同軸モータのトルク制限設定方法に関するものである。

従来の同軸モータとして、円筒状のステータを挟み、内外周にインナーロータ及びアウターロータが配置され、ステータに巻回された多相コイルに複合電流を流すことで、インナーロータとアウターロータを独立して回転制御可能な複軸多層構造を有する回転電機が知られている（例えば、特許文献１参照）。上述した構成の同軸モータでは、インナーロータとアウターロータとが相互に影響し合うことから、インナーロータ及びアウターロータに対する指令トルクがインバータ等の過負荷とならない動作範囲を設定するにあたり、アウターロータの指示トルク、回転数、インナーロータの指示トルク、回転数の４つのパラメータからなる４次元マップを利用していた。
特開２００１−１０３７１７号公報

上述した４次元マップを用いた従来の方法では、まず、４次元マップを実装するための膨大なメモリーが必要となる問題があった。また、モータ動作点の設定に際し、４次元マップを検索が必要となり、かつ、制限エリア外の指令トルクを修正する方法が簡易には無いため、計算負荷が大きくなるとともにシステムに適合させることが難しいという問題もあった。

本発明の目的は上述した問題点を解消して、膨大なメモリーは必要とせず、計算負荷が小さく、従って、システムに適合させ易い同軸モータのトルク制限設定方法を提供しようとするものである。

本発明の同軸モータのトルク制限設定方法は、ステータと、ステータの内側及び外側に同軸に設けたインナーロータとアウターロータと、から構成される同軸モータのトルク制限設定方法において、インナーロータとアウターロータとを軸にとる２次元マップを使用して、インナーロータ及びアウターロータのトルク発生可能範囲を制限を設定することを特徴とするものである。

本発明では、インナーロータとアウターロータとを軸にとる２次元マップを使用して、インナーロータ及びアウターロータのトルク発生可能範囲を制限を設定することで、インナー／アウター各モータトルクの存在範囲が二次元で把握できるので、モータトルクの発生可能範囲を簡単に求めることができ、膨大なメモリーは必要とせず、計算負荷が小さく、従って、システムに適合させ易い同軸モータのトルク制限設定方法を得ることができる。その結果、モータトルクの制限エリア外の指令を修正する操作も簡単に行うことができる。

なお、本発明の同軸モータのトルク制限設定方法の好適例としては、インナーロータ及びアウターロータのトルク発生可能範囲を、ｎ乗円特性で近似的に求めた特性式を使用して求めることができる。このように構成することで、数式的にインナー／アウター各モータトルクの制限エリアを求めることができるので、モータの作動範囲をマップの実装無く設定できるため好ましい。

また、本発明の同軸モータのトルク制限設定方法の好適例としては、インナーロータ及びアウターロータから構成される各モータ特性値に基づき、ｎ乗円特性で近似的に求めた特性式を算出することができる。このように構成することで、各モータの特性値に応じて、具体的には、各ロータの回転数と各モータの磁束に応じて、各ロータの発生トルクが算出されることとなるので、各モータの動作状態に応じたモータのトルクを発生させることができるため好ましい。

さらに、本発明の同軸モータのトルク制限設定方法の好適例としては、スイッチング素子（ＩＰＭ）のジャンクション温度による電流特性に基づき、ｎ乗円特性で近似的に求めた特性式を算出することができる。このように構成することで、インバータのスイッチング素子（ＩＰＭ）のジャンクション温度による投入可能電流の特性が把握できるので、インバータの動作履歴に応じたモータへの電流投入ができるため好ましい。

以下に、この発明の実施の形態を、図面に基づき詳細に説明する。
図１は本発明のトルク制限設定方法を用いる同軸モータの一例としての複軸多層モータが適用されたハイブリッド駆動ユニットの全体図である。なお、以下に説明する複軸多層モータはその基本的な構成を説明するためのものであり、本発明の特徴部分については、後に詳細に説明する。図１において、Ｅはエンジン、Ｍは複軸多層モータ、Ｇはラビニョウ型複合遊星歯車列、Ｄは駆動出力機構、１はモータカバー、２はモータケース、３はギヤハウジング、４はフロントカバーである。

前記エンジンＥは、ハイブリッド駆動ユニットの主動力源であり、エンジン出力軸５とラビニョウ型複合遊星歯車列Ｇの第２リングギヤR2とは、回転変動吸収ダンパー６及び多板クラッチ７を介して連結されている。

前記複軸多層モータＭは、外観的には１つのモータであるが２つのモータジェネレータ機能を有する副動力源である。この複軸多層モータＭは、前記モータケース２に固定され、コイルを巻いた固定電機子としてのステータＳと、前記ステータＳの内側に配置し、永久磁石を埋設したインナーロータIRと、前記ステータＳの外側に配置し、永久磁石を埋設したアウターロータORと、を同軸上に三層配置することで構成されている。前記インナーロータIRに固定の第１モータ中空軸８は、ラビニョウ型複合遊星歯車列Ｇの第１サンギヤS1に連結され、前記アウターロータORに固定の第２モータ軸９は、ラビニョウ型複合遊星歯車列Ｇの第２サンギヤS2に連結されている。

前記ラビニョウ型複合遊星歯車列Ｇは、二つのモータ回転数を制御することにより無段階に変速比を変える無段変速機能を有する遊星歯車機構である。このラビニョウ型複合遊星歯車列Ｇは、互いに噛み合う第１ピニオンP1と第２ピニオンP2を支持する共通キャリヤＣと、第１ピニオンP1に噛み合う第１サンギヤS1と、第２ピニオンP2に噛み合う第２サンギヤS2と、第１ピニオンP1に噛み合う第１リングギヤR1と、第２ピニオンP2に噛み合う第２リングギヤR2との５つの回転要素を有して構成されている。前記第１リングギヤR1とギヤハウジング３との間には多板ブレーキ１０が介装されている。前記共通キャリヤＣには、出力ギヤ１１が連結されている。

前記駆動出力機構Ｄは、出力ギヤ１１と、第１カウンターギヤ１２と、第２カウンターギヤ１３と、ドライブギヤ１４と、ディファレンシャル１５と、ドライブシャフト１６，１６により構成されている。そして、出力ギヤ１１からの出力回転及び出力トルクは、第１カウンターギヤ１２→第２カウンターギヤ１３→ドライブギヤ１４→ディファレンシャル１５を経過し、ドライブシャフト１６，１６から図外の駆動輪へ伝達される。

すなわち、ハイブリッド駆動ユニットは、前記第２リングギヤR2とエンジン出力軸５を連結し、前記第１サンギヤS1と第１モータ中空軸８とを連結し、前記第２サンギヤS2と第２モータ軸９とを連結し、前記共通キャリヤＣに出力ギヤ１１を連結することにより構成されている。

図２は、ラビニョオ型遊星歯車列と組み合わされて車両用ハイブリッド変速機を構成する、この発明のトルク制限設定方法を用いる同軸モータとしての複軸多層モータの一例をより詳細に示す図である。この複軸多層モータに、この発明の積層コア構造を適用することができる。図２に示す構成の複軸多層モータは、一個の円環状のステータ１０１と、その半径方向内方および外方にそれぞれ互いに同軸の所定回転軸線Ｏ上にて回転自在に配置したインナーロータ１０２およびアウターロータ１０３とよりなる三重構造とし、これらをハウジング１０４内に収納して構成する。

ここにおけるインナーロータ１０２およびアウターロータ１０３はそれぞれ、電磁鋼板などをプレス成形して造った板材のロータ軸線方向への積層になる積層コア１２４，１２５を具え、これら積層コア１２４，１２５に、ロータ軸線方向に貫通する永久磁石を円周方向等間隔に配置して設けた構成となす。インナーロータ１０２とアウターロータ１０３とでは、配置する磁極数を変えることで、両者の極対数を異ならせている。一例を示すと、磁石の個数自体はインナーロータ１０２とアウターロータ１０３で同一であり、１２個ずつであるが、インナーロータ１０２は２個の磁石で１極を成しているため、極対数としては３極対となり、アウターロータ１０３は１個の磁石で１極を成しているため、極対数としては６極対となる。

そしてハウジング１０４内へのインナーロータ１０２およびアウターロータ１０３の収納に当たっては、アウターロータ１０３は、積層コア１２５の外周にトルク伝達シェル１０５を駆動結合して具え、該トルク伝達シェル１０５の両端をそれぞれベアリング１０７，１０８によりハウジング１０４に回転自在に支持し、トルク伝達シェル１０５をベアリング１０７の側でアウターロータシャフト１０９に結合する。

インナーロータ１０２は積層コア１２４の中心に、内部に上記アウターロータシャフト１０９を回転自在に貫通した中空のインナーロータシャフト１１０を貫通して具え、これらインナーロータ１０２の積層コア１２４およびインナーロータシャフト１１０間を駆動結合する。そしてインナーロータシャフト１１０の中間部をベアリング１１２により、固定のステータブラケット１１３内に回転自在に支持し、一端部（図１では左端部）をベアリング１１４によりトルク伝達シェル１０５の対応端壁に回転自在に支持する。

ステータ１０１は、電磁鋼板をプレス成形して造ったＴ字状のステータ鋼板をステータ軸線方向に積層してなる多数のステータティースを具える。個々のステータティースには、アウターロータ側ヨークおよびインナーロータ側ヨーク間におけるティースの箇所において図２に示す如く電磁コイル１１７を巻線し、これらコイル巻線済のステータティースを同一円周方向等間隔に、つまり円形に配列してステータコアとなし、このステータコアをステータ軸線方向両側のブラケット１１３，１１８間に何らかの手段で挟持すると共に全体的に樹脂１２０でモールドすることにより一体化してステータ１０１を構成する。
本発明のステータ構造の特徴は、ステータティースの構成にある。この特徴については、後に詳細に説明する。

なお、このモータの駆動に当たっては、回転センサ１４８および回転センサ１４７が検出するインナーロータ１０２およびアウターロータ１０３の回転位置、つまりこれらに上記のごとく設けられる永久磁石の位置に応じた両ロータ１０２，１０３用の位相の異なる駆動電流を複合して得られる複合電流をステータ１０１の電磁コイル１１７に供給し、これにより両ロータ１０２，１０３用の回転磁界をステータに個別に発生させることで、回転磁界に同期してロータ１０２，１０３を個別に回転駆動させることができる。

図３は本発明の同軸モータのトルク制限設定方法を実際に行う装置の一例の構成を示すブロック図である。図３に示す例において、２０１は駆動力指令に基づきインナーロータ及びアウターロータのトルク指令Ｔ１＿ｒｅｆ及びＴ２＿ｒｅｆを発生するモータトルク指令生成部、２０２はトルク指令Ｔ１＿ｒｅｆ、Ｔ２＿ｒｅｆが実際に発生可能トルク範囲にあるかどうかを判定し、実際のトルク指令Ｔ１＿ｒｅｆ２、Ｔ２＿ｒｅｆ２を発生するモータトルク制限部、２０３は実際のトルク指令Ｔ１＿ｒｅｆ２、Ｔ２＿ｒｅｆ２に基づき電流制限値（ＰＷＭ）を発生するモータコントローラ、２０４はＤＣ電流を供給するバッテリー、２０５はインバータ、２０６は上述した同軸モータであり、同軸モータ２０６の回転数などのモータ特性ｗ１、ｗ２及びインバータ２０５のスイッチング素子の温度Ｔｅｍｐ＿ＩＰＭは、モータトルク制限部２０２に供給される構成となっている。

モータトルク指令生成部２０１とモータトルク制限部２０２とでシステムコントローラを構成し、システムコントローラは運転者の意図する駆動力指令値より各モータのトルク配分を決定している。モータのトルク指令Ｔ１＿ｒｅｆ、Ｔ２＿ｒｅｆがモータのトルク制限エリア（トルク発生可能範囲）内にあるか判断する。その後、モータコントローラ２０３へトルク指令Ｔ１＿ｒｅｆ２、Ｔ２＿ｒｅｆ２を送り、モータのトルクを発生する。

以下、本発明の同軸モータのトルク制限設定方法について説明する。なお、本発明の同軸モータのトルク制限設定方法は、図３のモータトルク制御部２０２において実施される制御ロジックに対応している。

本発明の同軸モータのトルク制限設定方法の特徴は、インナーロータトルクとアウターロータトルクを軸にとる２次元マップを使用して、インナーロータ及びアウターロータのトルク発生可能範囲を求め、求めたトルク発生可能範囲外にトルク指令がある場合は、そのトルク指令を変更してトルク発生可能範囲内とすることで、同軸モータのトルク制限設定を行う点である。すなわち、図４に示すように、インナーロータトルクとアウターロータトルクを軸にとる２次元マップ上に、ここでは一例として楕円で示すトルク発生可能範囲を設定し、インナーロータのトルク指令とアウターロータのトルク指令とが、このトルク発生可能範囲内に存在するかしないかを判定することで、本発明の同軸モータのトルク制限設定方法を実施することができる。

図５は本発明におけるトルク発生可能範囲の一例を示す図である。図５に示す例では、インナートルクとアウタートルクを軸にとる２次元平面上にモータの特性（磁束、回転数、印加電圧など）とインバータの投入可能電流に基づいて発生可能トルクを算出している。図５に示す例において、斜線で示したエリアが実際のモータが発生可能なトルク範囲を示している。図５に示すようなマップをメモリーに持っていれば、インナーロータ及びアウターロータのそれぞれのトルク指令が供給された時点で、マップをテーブルルックアップすることで、それぞれのトルク指令がトルク発生可能範囲内にあるのは範囲外なのかを知ることができる。範囲内であれば、トルク指令に応じた電流をインナーロータ及びアウターロータに供給し、範囲外の場合は、図３中斜線で示すトルク発生可能範囲内にトルク指令を変更し、変更したトルク指令に応じた電流をインナーロータ及びアウターロータに供給し、インナーロータとアウターロータの回転制御を行っている。

上述したように、図５に示すようなテーブルをモータの特性毎に持つことで本発明を達成することができるが、テーブルが必要なければメモリーを必要としないことで本発明を好適に実施することができる。すなわち、図５の斜線で示すトルク発生可能範囲の境界を近似した特性式が求まれば、テーブルを持たずともインナーロータとアウターロータのそれぞれのトルク指令がトルク発生可能範囲内にあるかどうかを即座に算出することができる。その観点で、図５においてｎ乗円特性を考えたところ、ｎ乗円特性のうち２（ｎ）乗楕円を示す特性方程式を用いることで、トルク発生可能範囲のほぼ全域をカバーできることがわかった。このように２（ｎ）乗楕円特性方程式を使うことによって、マップの搭載が必要なく、モータの作動可能エリアを把握することができる。

図５に示す２（ｎ）乗特性方程式の一例を以下に示す。
（Ｔ１＿ｒｅｆ／（Ｔ１＿ｍａｘ・ｋ１））^ｎ＋
（Ｔ２＿ｒｅｆ／（Ｔ２＿ｍａｘ・ｋ２））^ｎ＝１
ここで、Ｔ１＿ｒｅｆ、Ｔ２＿ｒｅｆはインナーロータとアウターロータのトルク指令、Ｔ１＿ｍａｘ、Ｔ２＿ｍａｘはインナーロータとアウターロータの最大トルク、ｋ１、ｋ２は係数である。

インナートルク及びアウタートルクのトルク指令Ｔ１＿ｒｅｆ、Ｔ２＿ｒｅｆのいずれかあるいは両方が最大トルクＴ１＿ｍａｘ、Ｔ２＿ｍａｘより大きい場合、すなわち、図５において斜線で示すトルク発生範囲外にトルク指令Ｔ１＿ｒｅｆ、Ｔ２＿ｒｅｆのいずれかあるいは両方が存在する場合（径方向の距離（ｋｉ）が楕円上よりも大きな場合）、実際にモータトルクを制限するには、トルク指令Ｔ１＿ｒｅｆ、Ｔ２＿ｒｅｆに逆数をかけて、楕円内に指令値を再設定する。これはトルク指令を原点方向に修正することと同様であり、修正量と修正方向を設定できる。これによりトルク指令を楕円特性内に設定する。以上のようにトルク指令に制限を加えて再設定することで、インバータを保護することができる。

モータトルクを制限する具体的な一例として、スイッチング素子（ＩＰＭ）のジャンクション温度Ｔｅｍｐ＿ＩＰＭによる電流特性に基づき、トルク指令Ｔ１＿ｒｅｆ、Ｔ２＿ｒｅｆを修正する方法がある。図６はそのようなモータトルクを制限する方法の一例を示すフローチャートである。図６の例では、Ｔｍｅｐ＿ＩＰＭによりｋｉをマップ等により検索し、それに応じて、ｋｉが１以下であるときはトルク発生可能範囲内にトルク指令が存在するため、そのままＴ１＿ｒｅｆ、Ｔ２＿ｒｅｆをＴ１＿ｒｅｆ２、Ｔ２＿ｒｅｆ２として発生させ、一方、ｋｉが１を超える場合はトルク発生可能範囲内にトルク指令が存在しないため、トルク指令Ｔ１＿ｒｅｆ、Ｔ２＿ｒｅｆをｋｉで除算した値をＴ１＿ｒｅｆ２、Ｔ２＿ｒｅｆ２として発生させている。なお、図７はＴｅｍｐ＿ＩＰＭとｋｉとの関係を示すマップの一例を示す図である。本例では、ＩＰＭ背面温度が上昇するとモータに投入できる電流量が減少することから、インナーロータ、アウターロータの両トルク指令の最大値を同比率で減らしている。これにより、ＩＰＭ背面温度に応じたモータトルク制限が可能になる。

モータトルクを制限する具体的な他の例として、インナーロータ及びアウターロータから構成される各モータ特性値（回転数、磁束など）に基づき、トルク指令Ｔ１＿ｒｅｆ、Ｔ２＿ｒｅｆを修正する方法がある。各回転数とトルクから算出される磁束によって係数ｋ１、ｋ２を、ωｉφｉ：ω０：φ０＝ｋ２：ｋ１の関係に基づいて設定してｎ乗円特性式に基づきモータトルクを制限している。本例では、モータの誘起電圧に起因する制限を、トルク（指令）から算出される時速と実回転数に応じて制限をかけることによって実行している。磁束はトルク指令からマップ検索（又は近似式）することで入手可能である。これによりモータの動作点に応じたトルク制限の設定が可能になる。

なお、上述したモータトルクを制限する具体的な例は、その一例であって、他の方法でも同じ作用効果を有する方法であればどのような方法でも用いることができる。また、上述したモータトルクを制限する具体的な２つの例を同時に用いることもできる。

本発明の同軸モータのトルク制限設定方法では、ステータと、ステータの内側及び外側に同軸に設けたインナーロータとアウターロータと、から構成される同軸モータにおいて、膨大なメモリーは必要とせず、計算負荷が小さく、従って、システムに適合させ易い同軸モータのトルク制限を設定する用途に好適に用いることができる。

複軸多層モータが適用されたハイブリッド駆動ユニットを示す概略全体図である。 ラビニョオ型遊星歯車列と組み合わされて車両用ハイブリッド変速機を構成する、本発明のトルク制限設定方法の対象となる同軸モータの一例としての複軸多層モータを示す縦断面図である。 本発明の同軸モータのトルク制限設定方法を実際に行う装置の一例の構成を示すブロック図である。 本発明における同軸モータの発生トルク範囲の一例を示すグラフである。 本発明におけるインナートルクとアウタートルクとの関係を示す図である。 本発明においてモータトルクを制限する方法の一例を示すフローチャートである。 図６に示す方法においてＴｅｍｐ＿ＩＰＭとｋｉとの関係を示すマップの一例を示す図である。

符号の説明

１０１ ステータ
１０２ インナーロータ
１０３ アウターロータ
２０１ モータトルク指令生成部
２０２ モータトルク制限部
２０３ モータコントローラ
２０４ バッテリー
２０５ インバータ
２０６ 同軸モータ

Claims (4)

1. ステータと、ステータの内側及び外側に同軸に設けたインナーロータとアウターロータと、から構成される同軸モータのトルク制限設定方法において、インナーロータとアウターロータとを軸にとる２次元マップを使用して、インナーロータ及びアウターロータのトルク発生可能範囲を制限を設定することを特徴とする同軸モータのトルク制限設定方法。
2. インナーロータ及びアウターロータのトルク発生可能範囲を、ｎ乗円特性で近似的に求めた特性式を使用して求めることを特徴とする請求項１に記載の同軸モータのトルク制限設定方法。
3. インナーロータ及びアウターロータから構成される各モータ特性値に基づき、ｎ乗円特性で近似的に求めた特性式を算出することを特徴とする請求項２に記載の同軸モータのトルク制限設定方法。
4. スイッチング素子（ＩＰＭ）のジャンクション温度による電流特性に基づき、ｎ乗円特性で近似的に求めた特性式を算出することを特徴とする請求項２に記載の同軸モータのトルク制限設定方法。

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