JP2008043127A - Controller of motor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、永久磁石によりそれぞれ界磁を発生する2つのロータを有し、両ロータ間の位相差を変更可能とした電動機の制御装置に関する。 The present invention relates to a control device for an electric motor having two rotors each generating a field by a permanent magnet and capable of changing a phase difference between the two rotors.
永久磁石型の電動機においては、同軸に配置された2つのロータのそれぞれに界磁を発生する永久磁石を備えた2重ロータ構造の電動機が従来より知られている(例えば特許文献1を参照)。この種の電動機では、2つのロータは、それらの軸心回りに相対回転可能とされ、その相対回転によって、両ロータ間の位相差を変更可能としている。そして、両ロータ間の位相差を変更することによって、各ロータの永久磁石により発生する界磁を合成してなる合成界磁の強さ(磁束の大きさ)を変化させることが可能となる。 In a permanent magnet type electric motor, an electric motor having a double rotor structure that includes a permanent magnet that generates a magnetic field in each of two coaxially arranged rotors has been known (see, for example, Patent Document 1). . In this type of electric motor, the two rotors can rotate relative to each other about their axis, and the phase difference between the two rotors can be changed by the relative rotation. Then, by changing the phase difference between the two rotors, it is possible to change the strength (magnitude of magnetic flux) of the combined field formed by combining the fields generated by the permanent magnets of each rotor.
前記特許文献1に見られる電動機では、該電動機の回転速度に応じて機構的に両ロータ間の位相差が変化するようになっている。すなわち、両ロータが遠心力の作用により電動機の径方向に変位する部材を介して接続されている。なお、両ロータのうちの一方のロータは、電動機の発生トルクを外部に出力する出力軸と一体に回転可能とされている。そして、上記部材の変位に伴い、他方のロータが、出力軸と一体に回転可能な一方のロータに対して相対的に回転し、両ロータ間の位相差が変化するように構成されている。この場合、電動機が停止状態にあるときに、両ロータにそれぞれ備えた永久磁石の磁極の向き(磁束の向き)が互いに同一となって、それらの永久磁石の合成界磁の強さが最大となるように、各ロータの永久磁石が配列されている。そして、電動機の回転速度が高くなるに従って、遠心力により両ロータの間の位相差が変化して、両ロータの永久磁石の合成界磁の強さが弱くなる。
ところで、上記の如く、2つのロータの永久磁石の合成界磁の強さを変更可能な電動機では、その合成界磁を適切に変化させることによって、電動機の運転領域の拡大や電動機のエネルギー効率の向上などを効果的に図ることが可能である。 By the way, as described above, in an electric motor capable of changing the strength of the combined field of the permanent magnets of the two rotors, the operating field of the motor can be expanded and the energy efficiency of the motor can be improved by appropriately changing the combined field. It is possible to effectively improve.
しかるに前記特許文献1に見られる電動機では、単に出力軸の回転速度に応じて機構的にロータ間の位相差が変更されるだけなので、きめ細かな制御を行なうことが困難である。このため、電動機の運転領域の拡大や電動機のエネルギー効率の向上などを効果的に図ることが困難であった。
However, in the electric motor found in
そこで、本願出願人は、ロータ間の位相差をアクチュエータを介して能動的に制御することを試みている。このようにアクチュエータを使用してロータ間の位相差を制御することで、該位相差を所望の位相差に制御できる。 Therefore, the applicant of the present application attempts to actively control the phase difference between the rotors via the actuator. By controlling the phase difference between the rotors using the actuator in this way, the phase difference can be controlled to a desired phase difference.
一方、2つのロータのうちの一方のロータに備えた永久磁石と、他方のロータに備えた永久磁石との間に作用する磁力(吸引力または反発力)によって、両ロータ間には、その一方を他方に対して回転させようとするトルク(以下、磁力トルクということがある)が発生する。この磁力トルクは、ロータ間位相差に応じて変化し、その最大値が比較的大きなものとなる場合がある。特に、ハイブリッド車両や電動車両に車両の推進力発生源とて搭載される電動機は、それに要求されるトルクの最大値が高いことから、比較的大きな磁力を発生する永久磁石が使用される。このため、上記磁力トルクの最大値が大きなものとなりやすい。 On the other hand, due to the magnetic force (attraction force or repulsive force) acting between the permanent magnet provided in one of the two rotors and the permanent magnet provided in the other rotor, one of the rotors is A torque (hereinafter sometimes referred to as a magnetic torque) is generated to rotate the one with respect to the other. This magnetic torque changes according to the phase difference between the rotors, and its maximum value may be relatively large. In particular, an electric motor mounted as a driving force generation source of a vehicle on a hybrid vehicle or an electric vehicle has a high maximum value of torque required for it, and therefore a permanent magnet that generates a relatively large magnetic force is used. For this reason, the maximum value of the magnetic torque tends to be large.
このように、2つのロータの間の磁力トルクの最大値が比較的大きなものとなる電動機では、一方のロータを他方に対して相対回転させるために必要な駆動力(駆動トルク)の最大値が大きなものとなる。このため、ロータ間の位相差の変更を上記のようにアクチュエータにより行なおうとした場合、アクチュエータの負担が大きなものとなり、該アクチュエータやロータ間の位相差を変更するための機構の大型化を招きやすいという不都合があった。 Thus, in an electric motor in which the maximum value of the magnetic torque between the two rotors is relatively large, the maximum value of the driving force (driving torque) necessary for rotating one rotor relative to the other is It will be big. For this reason, if the actuator is used to change the phase difference between the rotors as described above, the load on the actuator becomes large, and the mechanism for changing the phase difference between the actuator and the rotor increases. There was inconvenience that it was easy.
本発明はかかる背景に鑑みてなされたものであり、2つのロータ間の位相差を変更するための駆動力を軽減し、その駆動力を発生するアクチュエータやロータ間の位相差の変更のための機構の小型化を図ることができる電動機の制御装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a background. For reducing the driving force for changing the phase difference between the two rotors, and for changing the phase difference between the actuator and the rotor that generate the driving force. An object of the present invention is to provide an electric motor control device capable of reducing the size of the mechanism.
本発明の電動機の制御装置は、かかる目的を達成するために、永久磁石によりそれぞれ界磁を発生する第1ロータおよび第2ロータと、両ロータのうちの第1ロータと一体に回転可能な出力軸とを互いに同軸に備えると共に、前記第2ロータが前記第1ロータに対して相対回転可能に設けられ、該第2ロータをアクチュエータにより第1ロータに対して相対回転させて、両ロータ間の位相差を変更することにより、各ロータの永久磁石の界磁を合成してなる合成界磁の強さを変更可能とした電動機の制御装置であって、前記両ロータ間の位相差を変更するとき、前記第1ロータの永久磁石と第2ロータの永久磁石との間に作用する磁力によって両ロータ間に生じるトルクである磁力トルクを弱めるように、前記電動機の電機子の通電電流のうちの界磁電流成分を制御する界磁電流制御手段を備えたことを特徴とする(第1発明)。 In order to achieve this object, the motor control device of the present invention has a first rotor and a second rotor that generate a magnetic field by permanent magnets, and an output that can rotate integrally with the first rotor of the two rotors. The second rotor is provided so as to be relatively rotatable with respect to the first rotor, and the second rotor is rotated relative to the first rotor by an actuator so that the second rotor is interposed between the two rotors. An electric motor control device capable of changing the strength of a composite field formed by combining the fields of permanent magnets of each rotor by changing the phase difference, and changing the phase difference between the two rotors When the energizing current of the armature of the motor is reduced so as to weaken the magnetic torque that is generated between the rotors by the magnetic force acting between the permanent magnets of the first rotor and the second rotor. Characterized by comprising a field current control means for controlling the field current component of the (first invention).
なお、本発明において、「界磁電流成分」は、電動機の電機子の通電電流のうち、前記両ロータの永久磁石の合成界磁と同方向もしくはほぼ同方向の界磁を発生する電流成分を意味する。その電流成分は、電動機をいわゆるd−qベクトル制御におけるd−q座標系で取り扱う場合におけるd軸(界磁軸)方向の電流成分に相当する。 In the present invention, the “field current component” refers to a current component that generates a field in the same direction or substantially the same direction as the combined field of the permanent magnets of the two rotors in the energization current of the armature of the motor. means. The current component corresponds to a current component in the d-axis (field axis) direction when the motor is handled in the dq coordinate system in so-called dq vector control.
電動機の電機子の通電電流のうちの前記界磁電流成分を操作することによって、前記各ロータの永久磁石の磁力を変化させ、ひいては、該磁力に起因して両ロータ間に生じる回転力(すなわち前記磁力トルク)を変化させることが可能である。そこで、第1発明においては、前記両ロータ間の位相差を変更するとき、前記界磁電流制御手段によって、前記各ロータの永久磁石の磁力によって両ロータ間に生じる回転力を弱めるように、前記電動機の電機子の通電電流のうちの界磁電流成分を制御する。これにより、前記第2ロータを第1ロータに対して相対回転させるために必要なトルク(駆動力)を界磁電流成分を操作しない場合(界磁電流成分を0とした場合)に比べて小さくすることができる。 By manipulating the field current component of the energization current of the armature of the motor, the magnetic force of the permanent magnet of each rotor is changed, and consequently, the rotational force generated between the two rotors due to the magnetic force (that is, The magnetic torque can be changed. Therefore, in the first invention, when changing the phase difference between the two rotors, the field current control means reduces the rotational force generated between the rotors by the magnetic force of the permanent magnets of the rotors. The field current component of the energization current of the armature of the motor is controlled. As a result, the torque (driving force) required to rotate the second rotor relative to the first rotor is smaller than when the field current component is not operated (when the field current component is set to 0). can do.
その結果、前記第2ロータを第1ロータに対して相対回転させるための駆動力を発生する前記アクチュエータの負担を軽減することができる。ひいては、該アクチュエータや、両ロータ間の位相差を変化させるための機構の小型化を図ることができる。 As a result, it is possible to reduce the burden on the actuator that generates a driving force for rotating the second rotor relative to the first rotor. As a result, the actuator and the mechanism for changing the phase difference between the rotors can be reduced in size.
前記第1発明において、前記磁力トルクは、両ロータ間の位相差に応じて変化するそこで、前記第1発明では、前記界磁電流制御手段は、前記両ロータ間の位相差の変更開始時から終了時まで、前記両ロータ間の位相差に応じて前記界磁電流成分の操作量を逐次決定し、その操作量に応じて前記電動機の電機子の通電電流を制御することが好ましい(第2発明)。 In the first invention, the magnetic torque changes in accordance with the phase difference between the two rotors. Therefore, in the first invention, the field current control means starts the change of the phase difference between the two rotors. Until the end, it is preferable that the operation amount of the field current component is sequentially determined according to the phase difference between the two rotors, and the energization current of the armature of the motor is controlled according to the operation amount (second). invention).
この第2発明によれば、前記磁力トルクを、所望の形態で弱めるように、前記電動機の電機子の界磁電流成分を制御することが可能となる。なお、前記界磁電流成分の操作量としては、前記d−q座標系におけるd軸方向の電流成分の補正量などが挙げられる。また、界磁電流成分の操作量を決定するための両ロータ間の位相差は、適宜のセンサを使用して検出すればよいが、適当なモデルを使用して、電動機の電機子の通電電流の検出値やトルクの指令値(目標値)などに応じて推定するようにしてもよい。また、両ロータ間の位相差に応じて界磁電流成分の操作量を決定するときには、あらじめ定めた演算式などを使用してもよいが、該位相差と界磁電流成分の操作量との関係をあらかじめマップ化しておき、そのマップに基づいて界磁電流成分の操作量を決定するようにしてもよい。 According to the second aspect of the present invention, it is possible to control the field current component of the armature of the electric motor so as to weaken the magnetic torque in a desired form. Note that examples of the operation amount of the field current component include a correction amount of a current component in the d-axis direction in the dq coordinate system. In addition, the phase difference between the two rotors for determining the manipulated variable of the field current component may be detected using an appropriate sensor, but the current applied to the armature of the motor using an appropriate model. Alternatively, it may be estimated according to the detected value or the torque command value (target value). In addition, when determining the manipulated variable of the field current component according to the phase difference between the two rotors, a predetermined arithmetic expression may be used. However, the manipulated variable of the phase difference and the field current component may be used. And the operation amount of the field current component may be determined based on the map.
この第2発明では、前記界磁電流制御手段は、前記各ロータの永久磁石の磁力によって両ロータ間に生じる回転力の大きさが所定値以下となるように前記両ロータ間の位相差に応じて前記界磁電流成分の操作量を決定することが好ましい(第3発明)。 In the second invention, the field current control means responds to the phase difference between the rotors so that the magnitude of the rotational force generated between the rotors by the magnetic force of the permanent magnets of the rotors is a predetermined value or less. It is preferable to determine the manipulated variable of the field current component (third invention).
この第3発明によれば、前記各ロータの永久磁石の磁力によって両ロータ間に生じる回転力(前記磁力トルク)の大きさを所定値以下に制御できるので、前記第2ロータを第1ロータに対して相対回転させるために必要な駆動力の最大値を管理することが可能となる。ひいては、前記アクチュエータや両ロータ間の位相差を変化させるための機構の仕様の設計が容易になる。 According to the third aspect of the present invention, the magnitude of the rotational force (the magnetic torque) generated between the rotors by the magnetic force of the permanent magnets of the rotors can be controlled to a predetermined value or less, so the second rotor is used as the first rotor. On the other hand, it becomes possible to manage the maximum value of the driving force required for relative rotation. As a result, it becomes easy to design the specifications of the mechanism for changing the phase difference between the actuator and the rotors.
また、前記界磁電流成分は、前記各ロータの永久磁石の磁力を弱める方向の界磁を前記電動機の電機子に発生させるので、特に該永久磁石が比較的高温となっている状態では、該界磁電流成分が過大になると、該永久磁石の減磁が発生する恐れがある。 In addition, the field current component generates a field in the armature of the electric motor in a direction that weakens the magnetic force of the permanent magnet of each rotor. Therefore, particularly when the permanent magnet is at a relatively high temperature, If the field current component is excessive, demagnetization of the permanent magnet may occur.
そこで、前記第1発明では、前記界磁電流制御手段は、前記両ロータの永久磁石の温度状態に応じて前記界磁電流成分を制限する手段を備えることが好ましい(第4発明)。 Therefore, in the first invention, the field current control means preferably includes means for limiting the field current component according to the temperature state of the permanent magnets of the two rotors (fourth invention).
この第4発明によれば、前記各ロータの永久磁石の磁力を弱める界磁電流成分が過大になるのを防止して、該永久磁石の減磁が発生するのを防止することが可能となる。 According to the fourth aspect of the present invention, it is possible to prevent the field current component that weakens the magnetic force of the permanent magnet of each rotor from becoming excessive, and to prevent the demagnetization of the permanent magnet from occurring. .
この場合、より具体的には、前記第2発明または第3発明において、前記界磁電流制御制御手段は、前記両ロータ間の位相差に応じて決定した前記界磁電流成分の操作量が、前記両ロータの永久磁石の温度状態に応じて設定した許容値を超えているとき、該操作量を該許容値以下に制限する手段を備えるようにすればよい(第5発明)。 In this case, more specifically, in the second invention or the third invention, the field current control control means has an operation amount of the field current component determined according to a phase difference between the rotors, When the allowable value set according to the temperature state of the permanent magnets of the two rotors is exceeded, a means for limiting the manipulated variable to the allowable value or less may be provided (fifth invention).
この第5発明によれば、両ロータ間の位相差に応じて決定した前記界磁電流成分の操作量が、前記両ロータの永久磁石の温度状態に応じて設定した許容値を超えているとき、該操作量を該許容値以下に制限する(例えば、該操作量を許容値に制限する)ので、各ロータの永久磁石の磁力を弱める界磁電流成分が過大になるのを防止して、該永久磁石の減磁の発生を防止することが可能となる。 According to this fifth aspect, when the manipulated variable of the field current component determined according to the phase difference between the two rotors exceeds the allowable value set according to the temperature state of the permanent magnets of the two rotors Since the operation amount is limited to the allowable value or less (for example, the operation amount is limited to the allowable value), the field current component that weakens the magnetic force of the permanent magnet of each rotor is prevented from being excessive, Generation of demagnetization of the permanent magnet can be prevented.
本発明の第1実施形態を図1〜図9を参照して説明する。 A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
まず、図1および図2を参照して、本実施形態における電動機の概略構成を説明する。図1は電動機3の内部構成の要部を該電動機3の軸心方向で示す図、図2は該電動機3の2つのロータの間の位相差を変更するための駆動機構を示すスケルトン図である。なお、図1では駆動機構に関する図示は省略している。
First, a schematic configuration of the electric motor in the present embodiment will be described with reference to FIG. 1 and FIG. FIG. 1 is a diagram showing the main part of the internal configuration of the
図1を参照して、電動機3は、2重ロータ構造のDCブラシレスモータであり、第1ロータとしての外ロータ10と第2ロータとしての内ロータ11とを出力軸3aと同軸に備える。外ロータ10の外側には、電動機3のハウジング(図示省略)に固定されたステータ12を有し、このステータ12には図示を省略する電機子(3相分の電機子)が装着されている。
Referring to FIG. 1,
外ロータ10は環状に形成されており、その周方向にほぼ等間隔で配列された複数の永久磁石13を備える。この永久磁石13は、長尺の方形板状に形成されており、その長手方向を外ロータ10の軸方向に向け、且つ、法線方向を外ロータ10の径方向に向けた状態で、外ロータ10に埋め込まれている。
The
内ロータ11も環状に形成されている。この内ロータ11は、その外周面を外ロータ10の内周面に摺接させた状態で、外ロータ10の内側に該外ロータ10と同軸に配置されている。なお、内ロータ11の外周面と外ロータ10の内周面との間に若干のクリアランスが設けられていてもよい。さらに、この内ロータ11の軸心部を、該内ロータ11および外ロータ10と同軸に出力軸3aが貫通している。
The
また、内ロータ11は、その周方向にほぼ等間隔で配列された複数の永久磁石14を備える。この永久磁石14は、外ロータ10の永久磁石13と同形状で、外ロータ10の場合と同様の形態で、内ロータ11に埋め込まれている。内ロータ11の永久磁石14の個数は、外ロータ10の永久磁石13の個数と同じである。
Further, the
ここで、図1において、外ロータ10の永久磁石13のうちの白抜きで示す永久磁石13aと、点描を付した永久磁石13bとは、外ロータ10の径方向における磁極の向きが互いに逆になっている。例えば、永久磁石13aは、その外側(外ロータ10の外周面側)の面がN極、内側(外ロータ10の内周面側)の面がS極とされ、永久磁石13bは、その外側の面がS極、内側の面がN極とされている。同様に、内ロータ11の永久磁石14のうちの白抜きで示す永久磁石14aと、点描を付した永久磁石14bとは、内ロータ11の径方向での磁極の向きが互いに逆になっている。例えば、永久磁石14aは、その外側(内ロータ11の外周面側)の面がN極、内側(内ロータ11の内周面側)の面がS極とされ、永久磁石14bは、その外側の面がS極、内側の面がN極とされている。
Here, in FIG. 1, the
そして、本実施形態では、外ロータ10においては、互いに隣り合された永久磁石13a,13aの対と、互いに隣り合わされた永久磁石13b,13bの対とが、外ロータ10の周方向に交互に配列されている。同様に、内ロータ11においては、互いに隣り合された永久磁石14a,14aの対と、互いに隣り合わされた永久磁石14b,14bの対とが、内ロータ11の周方向に交互に配列されている。
In the present embodiment, in the
図2を参照して、外ロータ10は、電動機3の出力軸3aと一体に回転可能なように該出力軸3aに連結されている。そして、内ロータ11は、該外ロータ10および出力軸3aに対して相対回転可能に設けられている。この内ロータ11の相対回転によって、外ロータ10との間の位相差を変更可能とされている。本実施形態では、内ロータ11の相対回転を行なわせる(両ロータ10,11間の位相差を変化させる)手段として、例えば遊星歯車機構30を有する位相差変更装置15が備えられている。
Referring to FIG. 2,
この位相差変更装置15の遊星歯車機構30は、内ロータ11の内側の中空部に配置されている。該遊星歯車機構30は、本実施形態では、シングルピニオン型のものであり、外ロータ10と一体に回転可能なように該外ロータ10に固定された第1リングギヤR1と、内ロータ10と一体に回転可能なように該内ロータ10に固定された第2リングギヤR2とを内ロータ10および外ロータ11と同軸に備える。両リンクギヤR1,R2は、それらの軸心方向に配列されている。両リングギヤR1,R2の軸心部には、その両者について共通のサンギヤSが設けられ、このサンギヤSを一体に有するサンギヤ軸33が複数のベアリング34により回転自在に支持されている。
The
サンギヤSと第1リングギヤR1との間には、これらと噛合する複数の第1プラネタリギヤ31が設けられ、これらの第1プラネタリギヤ31が、第1キャリアC1に自転自在に保持されている。この場合、第1キャリアC1は、サンギヤSの軸心まわりに回転可能とされ、該第1キャリアC1の回転によって、各第1プラネタリギヤ31がサンギヤSのまわりで公転可能とされている。
A plurality of first
また、サンギヤ33と第2リングギヤR2との間には、これらと噛合する複数の第2プラネタリギヤ32が設けられ、これらの第2プラネタリギヤ32が第2キャリアC2に自転自在に保持されている。この場合、第2キャリアC2は、電動機3のステータ12(あるいはハウジング)に固定され、回転不能とされている。
Further, a plurality of second
なお、第1リングギヤR1と第1プラネタリギヤ31とサンギヤSとのギヤ比は、第2リングギヤR2と第2プラネタリギヤ32とサンギヤSとのギヤ比と同じである。
The gear ratio between the first ring gear R1, the first
上記のように構成された遊星歯車機構30では、第1キャリアC1を回転不能に保持した状態では、電動機3の出力軸3aおよび外ロータ10が回転すると、これらと同一の回転速度で且つ同方向に内ロータ11が第2リングギヤR2と一体に回転することとなる。従って、内ロータ11が外ロータ10と一体に回転することとなる。そして、第1キャリアC1を回転駆動すると、内ロータ11が外ロータ10に対して相対的に回転することとなる。これにより、内ロータ11と外ロータ10との間の位相差(以下、ロータ間位相差という)が変化することとなる。
In the
そこで、本実施形態の位相差変更装置15は、電動機、油圧アクチュエータなどのアクチュエータ25(回転駆動力発生源)により、遊星歯車機構30の第1キャリアC1を回転駆動することで、ロータ間位相差を変更する。この場合、アクチュエータ25は、第1キャリアC1と一体に回転可能に設けられた駆動軸35を介して該第1キャリアC1に接続され、該駆動軸35を介して第1キャリアC1に回転力(トルク)を付与するようにしている。
Therefore, the phase
補足すると、内ロータ11の永久磁石14a,14bと、外ロータ10の永久磁石13a,13bとの間に作用する磁力(吸引力または反発力)によって、内ロータ11は、その永久磁石14a,14bと、外ロータ10の永久磁石13a,13bとが異極同士を対向させた状態(永久磁石14a,14bがそれぞれ永久磁石13a,13bに対向する状態)で平衡しようとする。このため、その平衡状態から、内ロータ11を外ロータ10に対して回転させると、内ロータ11を平衡状態に戻そうとするトルクが発生する。このように、内ロータ11の永久磁石14a,14bと、外ロータ10の永久磁石13a,13bとの間に作用する磁力に起因して外ロータ10に対して内ロータ11に作用するトルクを、以降、磁力トルクという。前記位相差変更装置15によって、内ロータ11を外ロータ10に対して回転させるときには、前記磁力トルクに抗するトルクを遊星歯車機構30を介して内ロータ11に作用させる必要がある。なお、磁力トルクは、後述する図7(a)の実線の破線のグラフで示す如く、ロータ間位相差に応じて変化する。
Supplementally, the
以上が、本実施形態における電動機3とこの電動機3に対する位相差変更装置15の機構的な構成である。
The above is the mechanical configuration of the
なお、本実施形態では、シングルピニオン型の遊星歯車機構30を使用したが、例えばダブルピニオン型の遊星歯車機構を使用するようにしてもよい。また、本実施形態では、電動機3の出力軸3aと外ロータ10とが一体に回転するように構成したが、電動機3の出力軸3aと内ロータ11とが一体に回転するようにして、これらの出力軸3aおよび内ロータ11に対して外ロータ10が相対回転し得るように構成してもよい。また、位相差変更装置15の構成は、上記した構成に限られるものではない。例えば、内ロータ11の内側にベーンロータなどにより油圧室を形成し、その油圧室の圧力を操作することで、内ロータ11を外ロータ10に対して相対回転させるようにしてもよい。
In this embodiment, the single pinion type
前記位相差変更装置15によって、内ロータ11を外ロータ10に対して回転させ、ロータ間位相差を変化させることで、内ロータ11の永久磁石14a,14bによって発生する界磁と外ロータ10の永久磁石13a,13bによって発生する界磁との合成界磁の(ステータ12に向かう径方向の界磁)の強さ(合成界磁の磁束の強さ)が変化することとなる。以降、その合成界磁の強さが最大となる状態を界磁最大状態、該合成界磁の強さが最小となる状態を界磁最小状態という。図3(a)は界磁最大状態での内ロータ11と外ロータ10との位相関係を示す図であり、図3(b)は界磁最小状態での内ロータ11と外ロータ10との位相関係を示す図である。
By rotating the
図3(a)に示す如く、界磁最大状態は、内ロータ11の永久磁石14a,14bと、外ロータ10の永久磁石13a,13bとが異極同士を対向させた状態である。より詳しくは、この界磁最大状態では、内ロータ11の永久磁石14aが外ロータ10の永久磁石13aに対向すると共に、内ロータ11の永久磁石14bが外ロータ10の永久磁石13bに対向する。この状態では、径方向において、内ロータ11の永久磁石14a,14bのそれぞれの磁束Q1の向きと、外ロータ10の永久磁石13a,13bのそれぞれの磁束Q2の向きとが同一となるため、それらの磁束Q1,Q2の合成磁束Q3の強さ(合成界磁の強さ)が最大となる。なお、電動機3の運転停止状態で、内ロータ11が自由に回転し得る状態(前記遊星歯車機構30の第1キャリアC1にアクチュエータ25から回転力を付与していない状態)では、通常、ロータ間位相差は、界磁最大状態の位相差で平衡する。
As shown in FIG. 3A, the field maximum state is a state in which the
また、図3(b)に示す如く、界磁最小状態は、内ロータ11の永久磁石14a,14bと、外ロータ10の永久磁石13a,13bとが同極同士を対向させた状態である。より詳しくは、この界磁最小状態では、内ロータ11の永久磁石14aが外ロータ10の永久磁石13bに対向すると共に、内ロータ11の永久磁石14bが外ロータ10の永久磁石13aに対向する。この状態では、径方向において、内ロータ11の永久磁石14a,14bのそれぞれの磁束Q1の向きと、外ロータ10の永久磁石13b,13aのそれぞれの磁束Q2の向きとが逆向きとなるため、それらの磁束Q1,Q2の合成磁束Q3の強さ(合成界磁の強さ)が最小となる。
Further, as shown in FIG. 3B, the minimum field state is a state in which the
本実施形態では、前記界磁最大状態におけるロータ間位相差を0[deg]、前記界磁最小状態におけるロータ間位相差を180[deg]と定義する。 In this embodiment, the inter-rotor phase difference in the maximum field state is defined as 0 [deg], and the inter-rotor phase difference in the minimum field state is defined as 180 [deg].
図4は、前記界磁最大状態と界磁最小状態とにおいて、電動機3の出力軸3aを所定の回転速度で作動させた場合に、ステータ12の電機子に誘起される誘起電圧を比較したグラフである。このグラフの縦軸と横軸とは、それぞれ、誘起電圧[V]、電気角での出力軸3aの回転角度[度]である。参照符号aを付したグラフが、界磁最大状態(ロータ間位相差=0[deg]の状態)でのグラフであり、参照符号bを付したグラフが、界磁最小状態(ロータ間位相差=180[deg]の状態)でのグラフである。図5から判るように、ロータ間位相差を0[deg]と180[deg]との間で変化させることで、誘起電圧のレベル(振幅レベル)を変化させることができる。なお、ロータ間位相差を0[deg]から180[deg]まで増加させていくと、合成界磁の強さが低下していき、これに伴い、誘起電圧のレベルが減少していく。
FIG. 4 is a graph comparing induced voltages induced in the armature of the
このようにロータ間位相差を変化させて、合成界磁の強さを増減させることにより、電動機3の誘起電圧定数を変化させることができる。なお、誘起電圧定数は、電動機3の出力軸3aの角速度と、この角速度に応じて電機子に生じる誘起電圧との関係を規定する比例定数である。誘起電圧定数の値は、ロータ間位相差を0[deg]から180[deg]まで増加させていくに伴い、小さくなる。
Thus, the induced voltage constant of the
補足すると、例えば、前記界磁最小状態でのロータ間位相差(最小界磁位相差)を0[deg]、界磁最大状態でのロータ間位相差(最大界磁位相差)を180[deg]と定義してもよいことはもちろんである。より一般的に言えば、ロータ間位相差の零点は任意に設定してよい。 Supplementally, for example, the rotor phase difference (minimum field phase difference) in the field minimum state is 0 [deg], and the rotor phase difference (maximum field phase difference) in the field maximum state is 180 [deg]. Of course, it may be defined as More generally speaking, the zero point of the phase difference between the rotors may be set arbitrarily.
次に、図5〜図9を参照して、本実施形態における電動機3の制御装置50を説明する。図5は、電動機3の制御装置50(以下、単に制御装置50という)の機能的構成を示すブロック図、図6は電動機3のロータ間位相差θdと誘起電圧定数Keとの関係を示すグフラフ、図7(a),(b)は制御装置50に備えたIr算出部57の処理を説明するためのグラフ、図8は該Ir算出部57の処理を示すフローチャート、図9(a),(b)は、Ir算出部57の処理による作用を説明するための図である。なお、図5では、電動機3を模式化して記載し、前記遊星歯車機構30を「位相可変機構」と表現している。
Next, the
図5を参照して、本実施形態の制御装置50は、いわゆるd−qベクトル制御により電動機3の通電を制御する。すなわち、制御装置50は、電動機3を、界磁方向をd軸としてd軸と直交する方向をq軸とする2相直流の回転座標系であるd−q座標系での等価回路に変換して取り扱う。その等価回路は、d軸上の電機子(以下、d軸電機子という)と、q軸上の電機子(以下、q軸電機子という)とを有する。d−q座標系は、電動機3の出力軸3aに対して固定された座標系である。そして、制御装置50は、外部から与えられるトルク指令値Tr_cに応じたトルクを電動機3の出力軸3aから出力させるように電動機3の電機子(3相分の電機子)の通電電流を制御する。また、制御装置50は、この通電制御と並行して、トルク指令値Tr_cなどに応じて電動機3の誘起電圧定数の指令値Ke_cを決定し、この指令値Ke_cに実際の誘起電圧定数を一致させるように前記位相差変更装置15を介してロータ間位相差を制御する。
Referring to FIG. 5, the
これらの制御を行なうために、本実施形態では、センサとして、電動機3の電機子の3相のうちの2つの相、例えばU相およびW相のそれぞれの電流を検出する電流センサ41,42(電流検出手段)と、電動機3の出力軸3aの回転位置θm(回転角度)(=外ロータ10の回転角度)を検出する位置センサ43(回転位置検出用センサ)と、ロータ間位相差を検出する位相差検出器44とが備えられている。位置センサ43は、例えばレゾルバから構成される。また、位相差検出器44は、例えば前記位相差変更装置15のアクチュエータ25による前記第1キャリアC1の回転位置(目標値または検出値)を基に、ロータ間位相差を検出する。なお、位相差変更装置として油圧式のものを使用した場合には、油圧室の油圧を基に、ロータ間位相差を検出するようにしてもよい。
In order to perform these controls, in the present embodiment, as sensors, current sensors 41 and 42 (for detecting currents in two phases of the three phases of the armature of the
補足すると、図5中の磁石温度センサ45は、後述する第2実施形態に係わるセンサであり、本実施形態では不要である。 Supplementally, the magnet temperature sensor 45 in FIG. 5 is a sensor according to a second embodiment to be described later, and is not necessary in this embodiment.
制御装置50は、CPU、メモリ等により構成される電子ユニットであり、その制御処理が所定の演算処理周期で逐次実行される。以下に、制御装置50の機能的な手段を具体的に説明する。
The
制御装置50は、その主要な機能的手段として、電動機3の各相の電機子の通電電流を制御する通電制御部51と、電動機3の出力軸3aの回転速度Nmを求める回転速度算出部52と、電動機3の実際の誘起電圧定数Keの推定値を求めるKe算出部53と、該誘起電圧定数Keの指令値Ke_c(以下、誘起電圧定数指令値Ke_cという)を決定するKe指令算出部54とを備える。
The
さらに制御装置50は、前記Ke指令算出部54およびKe算出部53によりそれぞれ求められた前記誘起電圧定数指令値Ke_cと実際の誘起電圧定数Keの推定値との偏差ΔKe(=Ke_c−Ke)を求める演算部55と、ロータ間位相差を制御するための制御指令を決定して位相差変更装置15に出力する位相制御部56と、ロータ間位相差を変更するときに、前記磁力トルクを弱めるための電動機3の電機子の通電電流の操作量Irを求めるIr算出部57とを備える。
Further, the
回転速度算出部52には、位置センサ43で検出された電動機3の出力軸3aの回転位置θm(外ロータ10の回転位置)の検出値が逐次入力される。そして、該回転速度算出部52は、入力された回転位置θmの検出値を微分することにより、電動機3の出力軸3aの回転速度Nm(=外ロータ10の回転速度)を算出する。
A detected value of the rotational position θm (rotational position of the outer rotor 10) of the output shaft 3a of the
Ke算出部53には、位相差検出器44からロータ間位相差θdの検出値が逐次入力される。そして、Ke算出部53は、入力されたロータ間位相差θdの検出値から、例えばあらかじめ定められたマップに基づいて、誘起電圧定数Keの推定値を求める。図6は、そのマップを示すグラフである。本実施形態では、前記した如く、ロータ間位相差が0[deg]から180[deg]まで増加するに伴い、両ロータ10,11の永久磁石13,14の合成界磁の強さが単調に小さくなる。従って、電動機3の誘起電圧定数は、ロータ間位相差の増加に伴い、単調に減少する。このため、図6のマップは、ロータ間位相差の増加に伴い、誘起電圧定数Keの推定値が単調に小さくなるように設定されている。
A detected value of the inter-rotor phase difference θd is sequentially input from the
Ke指令算出部54には、トルク指令値Tr_c(電動機3の出力軸3aに発生させる出力トルクの指令値)と、電動機3の電源電圧Vdc(目標値)と、前記Ke算出部53で求められた回転速度Nmとが逐次入力される。トルク指令値Tr_cおよび電源電圧Vdcは、本実施形態の制御装置50の外部で決定されるものである。トルク指令値Tr_cは、電動機3が例えば走行用動力源として車両(電動車両やハイブリッド車両)に搭載されたものである場合には、その車両のアクセル操作量(アクセルペダルの踏み込み量)や走行速度などに応じて設定される。なお、本実施形態では、トルク指令値Tr_cは、力行トルクの指令値と回生トルクの指令値とがある。そして、力行トルクのトルク指令値Tr_cは、正の値であり、回生トルクのトルク指令値Tr_cは負の値である。また、電源電圧Vdc(目標値)は、電動機3の電源としての蓄電器(図示省略)の出力電圧の検出値などに応じて設定される。
The Ke
そして、Ke指令算出部54は、上記の入力値Tr_c,Nm,Vdcからあらかじめ定められたマップに従って、誘起電圧定数指令値Ke_cを逐次決定する。
Then, the Ke
この場合、上記マップは、例えば、トルク指令値Tr_cと回転速度Nm(検出値)と電源電圧Vdcとの組に対して、電動機3のd軸電機子の発生電圧とq軸電機子の発生電圧との合成電圧(ベクトル和)の大きさが電源電圧Vdcを超えないようにしつつ、電動機3のエネルギー効率(入力エネルギーに対する出力エネルギーの割合)をできるだけ高めることができる誘起電圧定数指令値Ke_cが決定されるように設定されている。
In this case, the map shows, for example, the generated voltage of the d-axis armature and the generated voltage of the q-axis armature for the set of the torque command value Tr_c, the rotation speed Nm (detected value), and the power supply voltage Vdc. The induced voltage constant command value Ke_c is determined so that the energy efficiency (ratio of output energy to input energy) of the
ここで、一般的には、誘起電圧定数Keを小さくするほど(換言すれば、ロータ間位相差を大きくするほど)、電動機3の出力軸3aをより高速域で回転させることが可能となると共に、電動機3のエネルギー効率が高効率となる領域を高速回転側にずらすことができる。また、誘起電圧定数Keを大きくするほど(換言すれば、ロータ間位相差を小さくするほど)、電動機3の出力トルクを大きくすることができる。従って、誘起電圧定数指令値Ke_cは、上記のような誘起電圧定数Keに対する電動機3の特性と、電動機3の要求される運転形態とを考慮して設定すればよく、種々様々な設定の仕方が可能である。
Here, in general, the smaller the induced voltage constant Ke (in other words, the larger the phase difference between the rotors), the more the output shaft 3a of the
本実施形態では、Ke指令算出部54では、出力軸3aの回転速度Nmと電源電圧Vdcとを一定としたとき、誘起電圧定数指令値Ke_cは、基本的には、トルク指令値Tr_cの絶対値|Tr_c|が大きくなるほど、Ke_cの値が大きくなるように(換言すれば、両ロータ10,11の永久磁石13,14の合成界磁の強さを高くするように)設定される。
In the present embodiment, when the rotation speed Nm of the output shaft 3a and the power supply voltage Vdc are constant in the Ke
また、トルク指令値Tr_cと電源電圧Vdcとを一定としたとき、誘起電圧定数指令値Ke_cは、基本的には、回転速度Nmが高速となる領域で、該回転速度Nmが大きくなるほど、Ke_cの値が小さくなるように(換言すれば、両ロータ10,11の永久磁石13,14の合成界磁の強さを低くするように)設定される。また、トルク指令値Tr_cと回転速度Nmとを一定としたとき、誘起電圧定数指令値Ke_cは、基本的には、電源電圧Vdcが小さくなるほど、Ke_cの値が小さくなるように設定される。
Further, when the torque command value Tr_c and the power supply voltage Vdc are constant, the induced voltage constant command value Ke_c is basically a region where the rotational speed Nm is high, and the Ke_c increases as the rotational speed Nm increases. The value is set to be small (in other words, the strength of the composite field of the
補足すると、誘起電圧定数指令値Ke_cを設定するとき、電動機3の過熱防止などの要求を考慮して設定してもよい。
Supplementally, when setting the induced voltage constant command value Ke_c, it may be set in consideration of a request for preventing overheating of the
位相制御部56には、演算部55で算出される前記偏差ΔKe(=Ke_c−Ke)が入力されると共に、Ke指令算出部54から出力された誘起電圧定数指令値Ke_cが逐次入力される。そして、位相制御部56は、これらの入力値を基に、ΔKeを0に収束させるように(実際の誘起電圧定数Keを指令値Ke_cに一致させるように)、位相差変更装置15に対する制御指令を決定し、該制御指令を位相差変更装置15に出力する。本実施形態では、該制御指令として、例えばロータ間位相差の指令値θd_c(以下、位相差指令値θd_cという)が決定される。この場合、位相差指令値θd_cは、Ke_cに応じて定めたフィードフォワード値を、ΔKeに応じて定めたフィードバック補正量で補正することにより決定される。該フィードフォワード値は、Ke_cから、Ke算出部53で使用する前記図6のマップを用いて決定すればよい。また、フィードバック補正量は、ΔKeから比例則、PID則などのフィードバック制御則によって決定すればよい。
The
なお、位相差変更装置15は、位相制御部56から入力される位相差指令値θd_cに従って、アクチュエータ25を介してロータ間位相差θdを制御する。
The phase
補足すると、本実施形態では、位相差変更装置15に対する制御指令としてロータ間位相差指令値θd_cを使用したが、例えば位相差変更装置15のアクチュエータ25の動作量の指令値であってもよい。該制御指令は、位相差変更装置15のアクチュエータ25の動作を規定できるものであればよい。
Supplementally, in the present embodiment, the inter-rotor phase difference command value θd_c is used as a control command for the phase
また、位相差変更装置15は、位相差指令値θd_cと位相差検出器44により検出されるロータ間位相差θdとが一致しているとき(両者の差が所定値以下の微小量であるとき)には、図示しないロック機構によって、前記遊星歯車機構30の第1キャリアC1を回転不能に保持し、電動機3の外ロータ10と内ロータ11とが一体に回転するようにする。従って、この状態では、アクチュエータ25の駆動力は不要である。なお、位相差変更装置を油圧装置で構成した場合には、内ロータ11を外ロータ10に対して相対回転させる駆動力を発生する油圧室に通じる油通路を弁により遮断して、油圧室の作動油の流入・流出を禁止することで、外ロータ10と内ロータ11とが一体に回転し得るようにロックすることが可能である。
Further, the phase
前記Ir算出部57には、位相差検出器44で検出されたロータ間位相差θdと、位相制御部56で決定された位相差指令値θd_cとが逐次入力される。そして、Ir算出部57は、詳細は後述するが、これらの入力値を基に、ロータ間位相差θdの変更の要求があるか否かを判断する。そして、Ir算出部57は、その変更要求があるときに、電動機3の電機子の通電電流(詳しくは、d軸電機子の通電電流)の操作量Irをロータ間位相差θdの検出値に応じて決定する。操作量Irは、ロータ間位相差θdを変更するときに、前記磁力トルクを弱める(内ロータ11を外ロータ10に対して相対回転させるために必要なトルクを軽減する)ために、電動機3の電機子の通電電流のうちの界磁電流成分を操作する操作量としての意味を持つ。以下、操作量Irを駆動力軽減界磁操作電流Irという。
The
前記通電制御部51は、電動機3の出力トルク(出力軸3aの発生トルク)をトルク指令値Tr_cに従わせるように電動機3の各相の電機子の通電電流を制御するものである。
The
この制御を行なうために、通電制御部51は、前記電流センサ41,42の出力信号から不要成分を除去することで、電動機3の電機子のU相、W相のそれぞれの電流検出値Iu,Iwを得るバンドパスフィルタ61と、該電流検出値Iu,Iwと前記位置センサ43により検出された出力軸3aの回転位置θm(回転角度)とに基づいて、3相−dq変換によりd軸電機子の電流(以下、d軸電流という)の検出値Id_sおよびq軸電機子の電流(以下、q軸電流という)の検出値Iq_sを算出する3相−dq変換部62とを備える。
In order to perform this control, the
また、通電制御部51は、d軸電流の指令値であるd軸電流指令値Id_cとq軸電流の指令値であるq軸電流指令値Iq_cとを決定する電流指令算出部63と、該電流指令算出部63により決定されたd軸電流指令値Id_cに前記Ir算出部57で決定された駆動力軽減界磁操作電流Irを加えることでId_cを補正する演算部64と、その補正後のd軸電流指令値Id_c1(=Id_c+Ir)を補正する補正値Idvolを求める界磁制御部65と、該補正値Idvolをd軸電流指令値Idc_1に加えてなる値(Id_cをIrおよびIdvolにより補正してなる値)と前記3相−dq変換部62で求められたd軸電流の検出値Id_sとの偏差ΔId(=Id_c+Ir+Idvol−Id_s)を求める演算部66と、前記電流指令算出部63により決定されたq軸電流指令値Iq_cと前記3相−dq変換部62で求められたq軸電流の検出値Iq_sとの偏差ΔIq(=Iq_c−Iq_s)を求める演算部67とを備える。
The
ここで、界磁制御部65は、電動機3の電機子の相電圧(誘起電圧)の大きさが、前記電源電圧Vdc(目標値)に一致するようにd軸電流を操作するものである。このため、界磁制御部65には、電動機3の電源電圧Vdc(目標値)と、後述する電流フィードバック制御部68で決定されたd軸電機子およびq軸電機子のそれぞれの電圧指令値であるd軸電圧指令値Vd_cおよびq軸電圧指令値Vq_cとが入力される。なお、入力されるVd_c,Vq_cの値は、前回値(制御装置50の前回の演算処理周期で求められた値)である。そして、界磁制御部65は、入力されたd軸電圧指令値Vd_cおよびq軸電圧指令値Vq_cとから求まる相電圧が、前記電源電圧Vdcから求められる目標電圧円をトレースするように(換言すれば、Vd_c,Vq_cの合成ベクトルの大きさが目標電圧円の半径としてのVd_cに一致するように)、d軸電流Idを操作するための前記補正値Idvolを決定する。この場合、補正値Idvolは、例えば電源電圧Vdcと上記合成ベクトルの大きさ(=√(Vd_c2+Vq_c2))との偏差からPI制御則などのフィードバック制御則により決定される。
Here, the
さらに、通電制御部51は、上記の如く算出された偏差ΔId,ΔIqに応じて、それらの偏差ΔId,Iqを0に近づけるように、PI制御則などのフィードバック制御則により、d軸電圧指令値Vd_cおよびq軸電圧指令値Vq_cを決定する電流フィードバック制御部68を備える。なお、d軸電圧指令値Vd_cとq軸電圧指令値Vq_cとを決定するとき、偏差ΔId,IqからPI制御則などのフォードバック制御則によりそれぞれ求められるd軸電圧指令値、q軸電圧指令値に、d軸とq軸との間で干渉し合う速度起電力の影響を打ち消すための非干渉成分を付加することで、d軸電圧指令値Vd_cとq軸電圧指令値Vq_cを求めることが好ましい。
Further, the
さらに、制御装置50は、d軸電圧指令値Vd_cとq軸電圧指令値Vq_cとを成分とするベクトルを、その大きさV1の成分と、角度θ1の成分とに変換するrθ変換部69と、その大きさV1および角度θ1の成分を3相の交流電圧に変換して、図示を省略するインバータ回路を介してPWM制御により電動機3の各相の電機子に通電するPWM演算部70とを備える。なお、図5では図示を省略しているが、PWM演算部70には、上記V1、θ1を電動機3の各相の電機子の交流電圧に変換するために、前記位置センサ43で検出された出力軸3aの回転位置θmが入力される。
Further, the
通電制御部51の上記の如き機能によって、基本的には、電動機3の出力トルクをトルク指令値Tr_cに従わせるように(ΔId,ΔIqが0に収束するように)、電動機3の各相の電機子の通電電流が制御される。また、このとき、電動機3の電機子の相電圧が電源電圧Vdc(目標値)に一致するようにd軸電流が調整される。
By the function as described above of the
また、制御装置50の通電制御部51以外の機能(Ke算出部53、Ke指令算出部54、演算部55、位相差制御部56の機能)によって、電動機3の誘起電圧定数Keが誘起電圧定数指令値Ke_cになるように(永久磁石13,14の実際の合成界磁の強さがKe_cに対応する強さになるように)、位相差変更装置15を介してロータ間位相差θdが制御される。
Moreover, the induced voltage constant Ke of the
補足すると、前記通電制御部51とIr算出部57とによって、本発明における界磁電流制御手段が構成される。
Supplementally, the
次に、説明を後回しにした前記Ir算出部57の処理を図7〜図9を参照して詳細に説明する。
Next, the process of the
図7(a)に破線で示すグラフは、電動機3の電機子の通電電流の界磁電流成分(d軸電流)を0とした状態でのロータ間位相差θdと、前記磁力トルクとの関係を概略的に示すグラフである。以降、電動機3の電機子の通電電流の界磁電流成分(d軸電流)を0とした状態での磁力トルクを非軽減磁力トルクということがある。この破線のグラフで示すように、非軽減磁力トルクは、ロータ間位相差θdに対して、0[deg](前記界磁最大状態)と、180[deg](前記界磁最小状態)との間の中間的なロータ間位相差θdxで比較的大きなピーク値(極大値)を持つような凸形(山形)の特性を有する。すなわち、ロータ間位相差θdが、0[deg]からθdxまで増加するに伴い非軽減磁力トルクが増加し、ロータ間位相差θdがθdxを超えると、θdの増加に伴い非軽減磁力トルクが減少する。なお、ロータ間位相差θdが、0[deg]である場合と180[deg]である場合とでは、外ロータ10の永久磁石13と内ロータ11の永久磁石14との間に作用する磁力の方向が電動機3の径方向にほぼ一致する(該磁力の周方向の成分がほぼ0になる)ため、非軽減磁力トルクは0となる。
A graph indicated by a broken line in FIG. 7A shows the relationship between the rotor phase difference θd and the magnetic torque when the field current component (d-axis current) of the energization current of the armature of the
そして、電機子の通電電流のうちの界磁電流成分(d軸電流)を0とした状態では、ロータ間位相差θdの急激な変化、あるいは過大なオーバーシュートを回避しつつ、該ロータ間位相差θdをある値から別の値に変更するためには、前記非軽減磁力トルクと逆向きに、該非軽減磁力トルクの大きさよりも若干大きいか、もしくはほぼ同等のトルクを内ロータ11に付与する必要がある。従って、特に非軽減磁力トルクの大きさがピークとなるθdxの近傍で、ロータ間位相差θdを変化させるときには、前記位相差変更装置15のアクチュエータ25から内ロータ11に付与すべきトルクの大きさが大きなものとなり、該アクチュエータ25の負担が大きなものとなる。
In the state where the field current component (d-axis current) of the energization current of the armature is 0, the rotor phase difference θd is avoided while avoiding a sudden change in the rotor phase difference θd or excessive overshoot. In order to change the phase difference θd from a certain value to another value, a torque slightly larger than or substantially equal to the magnitude of the non-relieving magnetic torque is applied to the
一方、電動機3の電機子の通電電流のうちの界磁電流成分、すなわち、d軸電流を操作することで、そのd軸電流によって電機子が発生する界磁によって、外ロータ10の永久磁石13と内ロータ11の永久磁石14との間に作用する磁力を弱めることができる。例えば図7(a)の実線のグラフで示すように、任意のロータ間位相差θdにおいて、磁力トルクを前記非軽減磁力トルクよりも小さくすることが可能である。この結果、ロータ間位相差θdを変更するときに内ロータ11を外ロータ10に対して回転駆動するのに必要なトルク(以下、位相差変更必要トルクという)を小さくすることが可能である。以降、上記のようにd軸電流の操作によって永久磁石13と14との間に作用する磁力を弱めたときの磁力トルクを軽減磁力トルクという。
On the other hand, by manipulating the field current component of the energization current of the armature of the
前記Ir算出部57は、上記のように磁力トルクを弱め、ひいては、前記位相差変更必要トルクの大きさを小さくするためのd軸電流の操作量として、前記駆動力軽減界磁操作電流Irを算出する。
The
このIr算出部57は、図8のフローチャートで示す処理によって、駆動力軽減界磁操作電流Irを決定する。
The
まず、STEP1において、Ir算出部57は、ロータ間位相差θdの変更の要求があるか否かを判断する。具体的には、Ir算出部57は、前記位相制御部56から入力される位相差指令値θd_cと、前記位相差検出器44で検出されたロータ間位相差θdとの差の絶対値が所定値を超えているときに、ロータ間位相差θdの変更の要求があると判断する。なお、前記Ke指令算出部54で決定された誘起電圧定数指令値Ke_cと、Ke算出部53で算出された誘起電圧定数Ke(推定値)との差の絶対値が所定値を超えているときに、ロータ間位相差θdの変更の要求があると判断してもよい。
First, in STEP1, the
STEP1の判断結果が否定的である場合には、Ir算出部57は、駆動力軽減界磁操作電流Irを0とする(STEP5)。そして、このIrを前記通電制御部51の演算部64に出力する(STEP4)。従って、この場合は、駆動力軽減界磁操作電流Irによるd軸電流の操作は実質的に行なわれない。なお、この状態では、位相差指令値θd_cと位相差検出器44により検出されるロータ間位相差θdとがほぼ一致しているので、前記したように、図示しないロック機構によって、内ロータ11が外ロータ10と一体に回転し得るようにロックされる。
If the determination result in
一方、STEP1の判断結果が肯定的である場合には、Ir算出部57は、現在のロータ間位相差θdの検出値を位相差検出器44から取得する(STEP2)
次いで、Ir算出部57は、取得したθdの検出値から、あらかじめ定められたマップに基づいて、駆動力軽減界磁操作電流Irを決定する(STEP3)。図7(b)の実線のグラフは、そのマップにおけるθdとIrとの関係を表すグラフである。図示の如く、このマップでは、Irは、0[deg]から180[deg]の範囲のθdに対して、前記非軽減磁力トルクと同様の波形(ピーク値を持つ凸形の波形)で変化するように設定されている。この場合、図7(b)の実線のグラフで示すマップは、それにより規定される駆動力軽減界磁操作電流Irを界磁電流成分として電機子に通電したときに発生する界磁によって、磁力トルク(軽減磁力トルク)のピーク値(最大値)が、図7(a)の実線のグラフで示す如く所定値Trx(<非軽減磁力トルクの最大値)以下となるように設定されている。なお、Irの値が大きいほど、永久磁石13,14の間に作用する磁力を弱める方向に駆動力軽減界磁操作電流Irによる電機子の界磁の強さ(磁束)が増加する。
On the other hand, if the determination result in
Next, the
次いで、Ir算出部57は、上記のようにロータ間位相差θdの検出値に応じて決定した駆動力軽減界磁操作電流Irを前記通電制御部51の演算部64に出力する(STEP4)。従って、この場合は、駆動力軽減界磁操作電流Irによる実質的なd軸電流(界磁電流成分)の操作が行なわれる。
Next, the
以上が、本実施形態におけるIr算出部57の処理の詳細である。
The above is the details of the processing of the
以上説明した本実施形態によれば、誘起電圧定数指令値Ke_cが変化し、ロータ間位相差θdの変更要求が生じたときには、前記した如く駆動力軽減界磁操作電流IrがIr算出部57により決定され、そのIrにより、d軸電流指令値Iq_cが補正される。すなわち、永久磁石13,14の間に作用する磁力を弱めるd軸電流(界磁電流成分)として機能する駆動力軽減界磁操作電流Irがd軸電流指令値Iq_cに付加される。その結果、永久磁石13,14の間に作用する磁力を弱め、磁力トルク(軽減磁力トルク)の最大値を所定値Trxに以下にすることができる。ひいては、位相差変更必要トルクを小さくすることができる。
According to the present embodiment described above, when the induced voltage constant command value Ke_c changes and a request to change the inter-rotor phase difference θd is generated, the driving force reducing field operation current Ir is obtained by the
この様子を図9(a),(b)を参照して説明する。図9(a),(b)はロータ間位相差θdが0[deg]と180[deg]との間の中間的な値であるときの永久磁石13,14の位置関係を模式的に示している。なお、図9(a),(b)では、前記図1で互いに隣り合う永久磁石13a,13aの対と、永久磁石13b,13bの対とをそれぞれ、1つの永久磁石13a、13bで表している。内ロータ11側の永久磁石14a,14bについても同様である。
This will be described with reference to FIGS. 9 (a) and 9 (b). 9A and 9B schematically show the positional relationship between the
ここで、図9(a),(b)の白抜きの矢印Ya,Ybの向きに内ロータ10を外ロータ11に対して回転させようとした場合を想定する。この場合、Ir=0としたときには、永久磁石13,14の間で作用する磁力(吸引力および反発力)が比較的大きいため、図9(a)の矢印Yaの大きさで示すように、内ロータ10を回転駆動するための位相差変更必要トルク(これは前記非軽減磁力トルクとほぼ同等の大きさのトルクとなる)が比較的大きなものとなる。これに対して、Irを前記したように決定し、d軸電流指令値Id_cに付加した場合には、図9(b)に矢印φで示すように、Irに起因する磁束が発生する。そして、この磁束φによって、外ロータ10の永久磁石13と内ロータ11の永久磁石14との間に作用する磁力が弱められる。すなわち、前記軽減磁力トルクが、前記非軽減磁力トルクよりも弱められる。これにより、図9(b)の矢印Ybの大きさで示す如く、位相差変更必要トルクが図9(a)の矢印Yaで示す位相差変更必要トルクよりも低下する。ひいては、位相差変更装置15のアクチュエータ25の負担を軽減することができる。そして、このように位相差変更必要トルクを小さくできることで、アクチュエータ25を含めた位相差変更装置15の小型化を図ることができる。
Here, it is assumed that the
また、本実施形態では、前記図7(b)のマップに基づいて駆動力軽減界磁操作電流Irが決定されるので、任意のロータ間位相差θdにおける磁力トルク(軽減磁力トルク)を、図7(a)の実線で示す如く、所定値Trx以下で、且つ、前記非軽減磁束トルクよりも小さくすることができる。ひいては、任意のロータ間位相差θdにおいて、位相差変更必要トルクを非軽減磁束トルクよりも小さくすることができる。 Further, in the present embodiment, since the driving force reducing field operation current Ir is determined based on the map of FIG. 7B, the magnetic torque (reduced magnetic torque) at an arbitrary rotor phase difference θd is shown in FIG. As shown by the solid line in FIG. 7 (a), it is less than the predetermined value Trx and smaller than the non-relieving magnetic flux torque. As a result, the phase difference change required torque can be made smaller than the non-reduced magnetic flux torque at any rotor phase difference θd.
なお、軽減磁力トルクを任意のロータ間位相差θdにおいて、ほぼ0にすることもできる。この場合には、図7(b)に二点鎖線で示す如く、駆動力軽減界磁電流Irをロータ間位相差θdに対して設定するようにすればよい。 Note that the reduced magnetic torque can be made substantially zero at any rotor phase difference θd. In this case, as indicated by a two-dot chain line in FIG. 7B, the driving force reducing field current Ir may be set with respect to the inter-rotor phase difference θd.
次に、本発明の第2実施形態を図5、図10および図11を参照して説明する。図10は本実施形態におけるIr算出部57の処理を説明するためのグラフ、図11は該Ir算出部57の処理を示すフローチャートである。なお、本実施形態は、第1実施形態のものと一部の構成および処理のみが相違するので、その相違点を中心に説明し、第1実施形態と同一の部分については説明を省略する。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 5, FIG. 10, and FIG. FIG. 10 is a graph for explaining the processing of the
図5を参照して、本実施形態では、永久磁石13,14の温度を検出する磁石温度センサ45が備えられている。なお、磁石温度センサ45は、永久磁石13または14の温度を直接的に検出するものでもよいが、電動機3の、永久磁石13,14とほぼ同等の温度となる部位(例えばステータ12や電機子)の温度を検出するものでもよい。
With reference to FIG. 5, in this embodiment, the magnet temperature sensor 45 which detects the temperature of the
そして、本実施形態では、Ir算出部57には、ロータ間位相差θdの検出値および指令値θd_cに加えて、上記磁石温度センサ45により検出された温度Tm(以下、磁石温度Tmという)が入力されるようになっている。本実施形態では、制御装置50の制御処理は、このIr算出部57の処理だけが前記第1実施形態と相違する。その他の機構的な構成および制御処理は、前記第1実施形態と同じである。
In the present embodiment, the
ここで、前記駆動力軽減界磁操作電流Irは、永久磁石13,14の合成界磁の磁束の向きと逆向きの磁束を電動機3の電機子から発生させることによって、永久磁石13と14との間に働く磁力を弱める機能を持つ。
Here, the driving force reducing field operation current Ir is generated by generating a magnetic flux in the direction opposite to the direction of the magnetic flux of the combined field of the
一方、特に、電動機3の運転時の発熱などにより、永久磁石13,14の温度が比較的高温になっている状態では、駆動力軽減界磁操作電流Irによって発生する界磁の強さが過大になると、永久磁石13,14の減磁が発生しやすい。このことを図10を参照して説明する。図10は、互いに異なる磁石温度Tmにおける磁界Hと、永久磁石13または14による磁束密度Bとの関係を例示するグラフg1,g2,g3を示している。なお、図10では、永久磁石13または14の磁束密度Bの向きと同じ向きを磁界Hの正方向、逆向きを磁界Hの負方向としている。
On the other hand, particularly in a state where the temperature of the
同図に示す如く、磁界Hを負方向に増加させると、永久磁石13または14による磁束密度Bは基本的には単調に減少していく。ただし、磁石温度Tmが比較的高い場合(図10のグラフg1,g2)には、磁界Hをある値(図10の点P1,P2におけるHの値)以上に負方向に増加させると、永久磁石13または14の減磁が発生し、磁束密度Bが急激に低下する。なお、永久磁石13,14の減磁が発生する磁界Hの値は、磁石温度Tmが高いほど、0に近づく。
As shown in the figure, when the magnetic field H is increased in the negative direction, the magnetic flux density B by the
従って、磁石温度Tmが比較的高い状態で、前記駆動力軽減界磁操作電流Irが過大になると、永久磁石13,14の減磁が発生する恐れがある。
Therefore, if the driving force reducing field operation current Ir becomes excessive in a state where the magnet temperature Tm is relatively high, demagnetization of the
そこで、本実施形態では、この減磁の発生を防止するために、駆動力軽減界磁操作電流Irを磁石温度Tmに応じて制限する。 Therefore, in this embodiment, in order to prevent the occurrence of this demagnetization, the driving force reducing field operation current Ir is limited according to the magnet temperature Tm.
この場合、本実施形態におけるIr算出部57の処理は、図11のフローチャートで示す如く実行される。以下、説明すると、Ir算出部57は、まず、STEP11において前記図8のSTEP1と同じ判断(ロータ間位相差θdの変更の要求があるか否かの判断)を行う。この判断結果が否定的である場合には、Ir算出部57は、駆動力軽減界磁操作電流Irを0とし(STEP19)、さらに、このIrを前記通電制御部51の演算部64に出力する(STEP18)。従って、この場合は、駆動力軽減界磁操作電流Irによるd軸電流の操作は実質的に行なわれない。
In this case, the processing of the
一方、STEP11の判断結果が肯定的である場合には、Ir算出部57は、前記図8のSTEP2,3の処理と同じ処理をSTEP12,13で順次実行する。すなわち、現在のロータ間位相差θdの検出値から、前記図7(b)の実線のグラフ(または二点鎖線のグラフ)で示すマップに基づいて駆動力軽減界磁操作電流Irを求める。
On the other hand, if the determination result in
次いで、Ir算出部57は、前記磁石温度センサ45から磁石温度Tmの検出値を取得する(STEP14)。さらに、Ir算出部57は、この磁石温度Tmの検出値から、あらかじめ定められたマップに基づいて、永久磁石13,14の減磁の発生を防止し得る駆動力軽減界磁操作電流Irの最大値である許容最大界磁電流Irmaxを求める(STEP15)。この許容最大界磁電流Irmaxは、それを超える電流値を駆動力軽減界磁操作電流Irとして設定すると、そのIrによって電動機3の電機子が発生する磁界Hが過大になって、永久磁石13,14の減磁が発生する恐れがあることを意味する。この場合、前記したように、永久磁石13,14の減磁が発生する磁界Hの値は、磁石温度Tmが高いほど、0に近づく。また、駆動力軽減界磁操作電流Irが増加するに伴い、それにより発生する磁界Hは、負方向に増加する。このため、許容最大界磁電流Irmaxを決定するための上記マップは、磁石温度Tmが高くなるほど、Irmaxが0に近づくように(磁石温度Tmが低くなるほど、Irmaxが大きくなるように)に設定されている。この場合、例えば、前記図10の点P1,P2の磁界Hを発生する駆動力軽減界磁操作電流Irの値をそれぞれIr1、Ir2(Ir1>Ir2)とし、点P1,P2がそれぞれ存するグラフg2,g3に対応する磁石温度Tmを、Tm1,Tm2としたとき、磁石温度Tmの検出値が、Tm1であるときの許容最大界磁電流Irmaxは、Ir1と同じか、もしくは、それよりも若干小さい値に決定される。また、磁石温度Tmの検出値がTm2であるときの許容最大界磁電流Irmaxは、Ir2と同じか、もしくは、それよりも若干小さい値に決定される。
Next, the
上記のように許容最大界磁電流Irmaxを求めた後、Ir算出部57は、前記STEP13で求めた駆動力軽減界磁操作電流Irが、該許容最大界磁電流Irmax以下であるか否かを判断する(STEP16)。この判断結果が肯定的である場合には、Ir算出部57は、STEP13で求めた駆動力軽減界磁操作電流Irを最終決定値とし、そのIrをそのまま、前記通電制御部51の演算部64に出力する(STEP18)。また、STEP16の判断結果が否定的である場合には、Ir算出部57は、STEP17において、駆動力軽減界磁操作電流Irを許容最大界磁電流Irmax以下に制限する。例えば、Irの値を、Irmaxに設定し直す。そして、Ir算出部57は、その制限後の駆動力軽減界磁操作電流Irを最終決定値とし、そのIrを通電制御部51の演算部64に出力する(STEP18)。このように決定したIrによって、実質的なd軸電流の操作が前記通電制御部51により行なわれる。
After obtaining the allowable maximum field current Irmax as described above, the
以上が、本実施形態におけるIr算出部57の処理の詳細である。本実施形態によれば、永久磁石13,14の減磁が発生する恐れがある場合には、駆動力軽減界磁操作電流Irを制限するので、ロータ間位相差θdを変更するときに、永久磁石13,14の減磁の発生を防止しつつ、位相差変更装置15のアクチュエータ25の負荷を軽減できる。
The above is the details of the processing of the
なお、以上説明した各実施形態では、ロータ間位相差θdの検出値に応じて駆動力軽減界磁操作電流Irを決定するためのマップを図7(b)に示す如く設定し、軽減磁力トルクが、任意のロータ間位相差θdにおいて、前記非軽減磁力トルクよりも小さくなり、且つ、所定値Trx以下になるようにした。ロータ間位相差θdに応じたIrの設定形態は、これに限られるものではない。 In each of the embodiments described above, a map for determining the driving force reducing field operation current Ir according to the detected value of the inter-rotor phase difference θd is set as shown in FIG. However, at an arbitrary inter-rotor phase difference θd, it is smaller than the non-reduced magnetic torque and is equal to or less than a predetermined value Trx. The setting mode of Ir according to the inter-rotor phase difference θd is not limited to this.
例えば、図12(a)の実線のグラフで示す如く、非軽減磁力トルクが所定値Trx以上となるロータ間位相差θdの範囲[θd1,θd2]内でのみ、軽減磁力トルクが、非軽減磁力トルクよりも小さくなるように、d軸電流を操作する(Irを決定する)ようにしてもよい。この場合には、図12(b)の実線のグラフで示す如く、駆動力軽減界磁操作電流Irをロータ間位相差θdに応じて設定すればよい。すなわち、非軽減磁力トルクが所定値Trx以上となるロータ間位相差θdの範囲[θd1,θd2]内において、Irを非軽減磁力トルクと同様の凸形の波形で設定し、その範囲[θd1,θd2]外のロータ間位相差θdでは、Irを0にする。このようにIrを設定することで、図12(a)の実線のグラフで示すような形態で、任意のロータ間位相差θdにおける軽減磁力トルクを所定値Trx以下にすることができる。 For example, as shown by the solid line graph in FIG. 12A, the reduced magnetic force torque is not reduced only within the range [θd1, θd2] of the inter-rotor phase difference θd where the nonreduced magnetic torque is equal to or greater than a predetermined value Trx. The d-axis current may be manipulated (Ir is determined) so as to be smaller than the torque. In this case, as shown by the solid line graph in FIG. 12B, the driving force reducing field operation current Ir may be set according to the inter-rotor phase difference θd. That is, Ir is set in a convex waveform similar to the non-reduced magnetic torque within the range [θd1, θd2] of the rotor phase difference θd where the non-reduced magnetic torque is equal to or greater than the predetermined value Trx, and the range [θd1, [theta] d2] Ir is set to 0 at the phase difference θd between the rotors. By setting Ir in this manner, the reduced magnetic torque at an arbitrary inter-rotor phase difference θd can be made equal to or less than the predetermined value Trx in the form shown by the solid line graph in FIG.
また、永久磁石13,14の配列の仕方によっては、ロータ間位相差θdに対する非軽減磁力トルクの波形が図13(a)の破線のグラフで示す如く、複数のピークを持つような波形となることがある。このような場合において、図13(a)の破線のグラフで示す如く、非軽減磁力トルクの各ピーク部分に対応するロータ間位相差θdの近傍で、軽減磁力トルクが、非軽減磁力トルクよりも小さくなり、且つ、軽減磁力トルクが、ロータ間位相差θdに対して滑らかに変化するように、d軸電流を操作する(Irを決定する)ようにしてもよい。この場合には、図13(b)の実線のグラフで示す如く、駆動力軽減界磁操作電流Irをロータ間位相差θdに応じて設定すればよい。すなわち、非軽減磁力トルクの各ピーク部分に対応するロータ間位相差θdの近傍において、非軽減磁力トルクの各ピーク部分と目標とする軽減磁力トルクとの差分と同様の形態で、Irを設定する。そして、それ以外のロータ間位相差θdでは、Irを0とする。このようにIrを設定することで、図13(a)の実線のグラフで示すような形態で、軽減磁力トルクのピーク値(最大値)を非軽減磁力トルクの最大値よりも小さい所定値Trx以下にすることができると共に、軽減磁力トルクを(ひいては位相差変更必要トルクを)非軽減磁力トルクよりも滑らかに変化させるようにすることができる。
Further, depending on the arrangement of the
また、前記各実施形態では、前記図1に示したような形態で各ロータ10,11の永久磁石13,14を配列した例を示したが、その配列の形態は、これに限られるものではない。例えば、図14(a),(b)に例示するように、外ロータ10の永久磁石13と、内ロータ11の永久磁石14とを配列するようにしてもよい。この例では、内ロータ11の永久磁石14の配列形態は、図1のものと同様であるが、外ロータ10の永久磁石13は、その法線方向を外ロータ10の周方向に向けて該外ロータ10に埋め込まれている。外ロータ10の互いに隣り合う永久磁石13,13は、その同極同士が対面している。
Further, in each of the embodiments, the example in which the
この場合、d軸電流(界磁電流成分)を0とした状態では、図14(a)に示すように、外ロータ10の永久磁石13と内ロータ11の永久磁石14との間で磁力線Msが集中し、それらの永久磁石13,14の間に比較的大きな磁力が発生する。従って、図14(a)の白抜きの矢印Ycで示す向きに、内ロータ11を外ロータ10に対して相対回転させようとした場合、該矢印Ycの大きさで示す如く、位相差変更必要トルクが比較的大きなものとなる。一方、前記各実施形態で説明した如く駆動力軽減界磁電流成分Irをd軸電流の操作量として付加することで、図14(b)に示す如く、Irによる磁束φを発生させ、外ロータ10の永久磁石13の磁力線Msをステータ12の電機子との間に集中させると共に、該永久磁石13と内ロータ11の永久磁石14との間の磁力線を少なくできる。その結果、該永久磁石13と14との間に作用する磁力を図14(a)の場合よりも小さくすることができる。ひいては、図14(b)の白抜きの矢印Ydの大きさで示す如く、位相差変更必要トルクを図14(b)の場合よりも小さくできる。
In this case, in a state where the d-axis current (field current component) is zero, as shown in FIG. 14A, the magnetic field lines Ms between the
また、前記第2実施形態では、磁石温度Tmを温度センサ45により検出するようにしたが、電機子の通電電流の検出値などを基に、適当なモデルによって磁石温度Tmを推定するようにしてもよい。 In the second embodiment, the magnet temperature Tm is detected by the temperature sensor 45. However, the magnet temperature Tm is estimated by an appropriate model based on the detected value of the energization current of the armature. Also good.
また、前記各実施形態では、ロータ間位相差θdを位相差検出器44で検出するようにしたが、電機子の通電電流の検出値(Id_s、Iq_s)や、トルク指令値Tr_cもしくは電流指令値(Iq_c,Id_c)、回転速度Nmなどから適当なモデルを使用してロータ間位相差θdを推定するようにすることも可能である。
In each of the above embodiments, the inter-rotor phase difference θd is detected by the
3…電動機、3a…出力軸、10…外ロータ(第1ロータ)、11…内ロータ(第2ロータ)、13,14…永久磁石、15…位相差変更装置、25…アクチュエータ、50…制御装置、51…通電制御部(界磁電流制御手段)、57…Ir算出部(界磁電流制御手段)。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記両ロータ間の位相差を変更するとき、前記第1ロータの永久磁石と第2ロータの永久磁石との間に作用する磁力によって両ロータ間に生じるトルクである磁力トルクを弱めるように、前記電動機の電機子の通電電流のうちの界磁電流成分を制御する界磁電流制御手段を備えたことを特徴とする電動機の制御装置。 A first rotor and a second rotor, each generating a field by a permanent magnet, and an output shaft rotatable integrally with the first rotor of the two rotors are coaxially provided, and the second rotor is the first rotor. The second rotor is rotated relative to the first rotor by an actuator, and the phase difference between the two rotors is changed by changing the phase difference between the two rotors. A control device for an electric motor capable of changing the strength of a synthetic field formed by synthesis,
When the phase difference between the two rotors is changed, the magnetic torque, which is the torque generated between the two rotors by the magnetic force acting between the permanent magnets of the first rotor and the second rotor, is weakened. A motor control apparatus comprising field current control means for controlling a field current component of an energization current of an armature of the motor.
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