JP2008259303A - 電動機の制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】アキシャルギャップ型の電動機を、電動機及び発電機として効率良く作動させることができる制御装置を提供する。
【解決手段】永久磁石を有するロータ１１と、ロータ１１の回転軸心方向にロータ１１を介して対向して設けられた第１ステータ１２ａ及び第２ステータ１２ｂとを備えたアキシャルギャップ型の電動機３の制御装置であって、第１の電源３８ａから第１ステータ１２ａの電機子巻線１３ａに駆動電流を供給してロータ１１を回転させる第１電流指令決定部３０，第１電流制御部４０ａと、第１ステータ１２ａの電機子巻線１３ａへの駆動電流の供給によりロータ１１が回転しているときに、第２ステータ１２ｂの電機子巻線１３ｂに生じる電力によって第２の電源３９を充電する第２電流指令決定部３７，第２電流制御部４０ｂとを備える。
【選択図】 図４

Description

本発明は、アキシャルギャップ型の電動機の制御装置に関する。
永久磁石を有するロータと、該ロータの回転軸心方向で該ロータの両側に設けられた２つのステータと、各ステータに装着された電機子巻線とを備えたアキシャルギャップ型の電動機が従来より知られている（例えば、特許文献１，２を参照）。このようなアキシャルギャップ型の電動機によれば、電動機のロータの軸方向の長さを短くしつつ、比較的高い出力トルクを発生させることができる。
特開平１０−２７１７８４号公報 特開２００１−１３６７２１号公報
特許文献１，２に記載された技術においては、アキシャルギャップ型の電動機の通電制御を、ロータの両側に配置された双方のステータの電機子巻線に通電することで、ステータの電機子による磁束の漏れを低減して、電動機の出力トルクを増大させることができる。
ここで、アキシャルギャップ型の電動機を発電機としても作動させて、駆動動作と発電動作とを行わせることが考えられる。しかし、引用文献１，２には、アキシャルギャップ型の電動機を発電機としても作動させる場合の構成についての記載はない。そこで、本発明は、アキシャルギャップ型の電動機を、電動機及び発電機として効率良く作動させることができる制御装置を提供することを目的とする。
本発明は上記目的を達成するためになされたものであり、永久磁石を有するロータと、該ロータの回転軸心方向に該ロータを介して対向して設けられた第１ステータ及び第２ステータとを備えたアキシャルギャップ型の電動機の制御装置に関する。
そして、第１の電源から前記第１ステータの電機子巻線に駆動電流を供給して前記ロータを回転させる第１通電制御手段と、前記第１ステータの電機子巻線への駆動電流の供給により前記ロータが回転しているときに、前記第２ステータの電機子巻線に生じる電力によって第２の電源を充電する第２通電制御手段とを備えたことを特徴とする。
かかる本発明によれば、前記第１ステータの電機子巻線と前記ロータにより前記電動機を回転させながら、前記第２ステータの電機子巻線と前記ロータの組み合わせにより前記電動機を発電機として動作させることができる。この場合、電動機と発電機を一体化させることで、電動機と発電機を別体とする場合に比べて、小型のパッケージとすることができる。また、前記電動機に対する要求トルクが小さく前記電動機の出力に余裕があるときに、前記第２通電制御手段により、前記第２ステータで生じる電力によって前記第２の電源を効率良く充電することができる。
また、前記第１ステータの電機子巻線と前記第２ステータの電機子巻線の特性が、前記第１通電制御手段により前記第１ステータの電機子巻線に所定電圧を印加して駆動電流を供給したときに、前記ロータの回転により前記第２ステータの電機子巻線に生じる誘起電圧が、該所定電圧よりも低くなる設定とされていることを特徴とする。
かかる本発明によれば、前記第２ステータの電機子巻線に生じる誘起電圧が前記第１ステータの電機子巻線に印加される電圧よりも低くなる。そのため、前記第２ステータの電機子巻線と接続される前記第２の電源の充電回路を低耐圧仕様とすることができ、これにより、該充電回路の小型化を図ることができる。
また、前記第２通電制御手段は、前記電動機の要求トルクに応じて、前記第２ステータの電機子巻線に生じる電力によって前記第２の電源を充電する発電モードと、前記第２の電源から前記第２ステータの電機子巻線に駆動電流を供給する駆動モードとを切り換えることを特徴とする。
かかる本発明によれば、前記第２通電制御手段は、前記電動機の要求トルクが高いときは、前記第２の電源から前記第２ステータの電機子巻線に駆動電流を供給する。そして、これにより、前記第１ステータの電機子巻線に供給される駆動電流により生じる磁束を、前記第２ステータの電機子巻線に供給される駆動電流により掃引させて、前記電動機の出力トルクを高めることができる。一方、前記電動機の要求トルクが低いときには、前記第２通電制御手段は、前記第２ステータの電機子巻線に生じる電力により前記第２の電源を充電する。これにより、前記電動機の要求トルクが小さいときに、前記第２の電源の充電量を確保することができる。
また、前記第２の電源の充電状態を検出する充電状態検出手段を備え、前記第２通電制御手段は、前記電動機の要求トルク及び前記第２の電源の充電状態に応じて、前記発電モードと前記駆動モードとを切り換えることを特徴とする。
かかる本発明によれば、前記第２通電制御手段により、前記電動機の要求トルク及び前記第２の電源の充電状態のバランスを考慮して、前記発電モードと前記駆動モードを切り換えることができる。
また、前記第２の電源の充電状態を検出する充電状態検出手段と、前記第２ステータの電機子巻線と該第２ステータの電機子巻線の駆動回路間を、導通状態と遮断状態とに切り換える切換スイッチとを備え、前記第２通電制御手段は、前記電動機の要求トルク及び前記第２の電源の充電状態に応じて、前記第２ステータの電機子巻線に生じる電力によって前記第２の電源を充電する発電モードと、前記第２の電源から前記第２ステータの電機子巻線に駆動電流を供給する駆動モードと、前記切換スイッチにより、前記第２ステータの電機子巻線と前記第２ステータの電機子巻線の駆動回路間を遮断状態とする遮断モードとを切り換えることを特徴とする。
かかる本発明によれば、前記発電モード及び前記駆動モード以外の状態であるときに、前記遮断モードとして前記第２ステータの電機子巻線と前記第２ステータの電機子巻線の駆動回路間を遮断することによって、前記前記第２ステータの電機子巻線に誘起電圧が生じることを回避して、前記ロータの回転負荷を減らすことができる。
また、前記第２の電源の充電状態を検出する充電状態検出手段を備え、前記第２通電制御手段は、前記電動機の要求トルク及び前記第２の電源の充電状態に応じて、前記第２ステータの電機子巻線に生じる電力によって前記第２の電源を充電する発電モードと、前記第２の電源から前記第２ステータの電機子巻線に駆動電流を供給する駆動モードと、前記第２ステータの駆動回路を構成し、前記第２ステータの各相毎に設けられて、各相の電機子巻線の入力部の高電位側への導通と遮断とを切り換える第１のスイッチング素子と、各相の電機子巻線の入力部の低電位側への導通と遮断とを切り換える第２のスイッチング素子とを、共にＯＦＦ状態とする遮断モードとを切り換えることを特徴とする。
かかる本発明によれば、前記発電モード及び前記駆動モード以外の状態であるときに、前記遮断モードとして前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子を共にＯＦＦ状態とすることによって、前記ロータの回転により前記第２ロータの電機子巻線に生じる電流を減少させて、前記ロータの回転負荷を低減することができる。
また、前記電動機の回転数を検出する回転数検出手段を備え、前記第２通電制御手段は、前記遮断モードにおいて、前記電動機の回転数が所定回転数未満であるときは、前記各第１のスイッチング素子と前記各第２のスイッチング素子を共にＯＦＦ状態とし、前記電動機の回転数が前記所定速度以上であるときには、前記各第１のスイッチング素子をＯＮ状態として前記各第２のスイッチング素子をＯＦＦ状態とするか、又は前記各第１のスイッチング素子をＯＦＦ状態として前記各第２のスイッチング素子をＯＮ状態とすることを特徴とする。
かかる本発明によれば、前記電動機の回転数が高いときには、前記各第１のスイッチング素子をＯＮ状態として前記各第２のスイッチング素子をＯＦＦ状態とするか、又は前記各第１のスイッチング素子をＯＦＦ状態として前記各第２のスイッチング素子をＯＮ状態とすることによって、前記ロータの回転により前記第２ロータの電機子巻線に生じる電流をさらに減少させて、前記ロータの回転負荷を低減することができる。
また、前記第１ステータと前記第２ステータの磁気回路断面積が、同一に設定されていることを特徴とする。
かかる本発明によれば、前記駆動モードにおいて、前記第１ステータの電機子における磁気抵抗と前記第２ステータの電機子における磁気抵抗との整合性を高めて、前記第１ステータの電機子巻線及び前記第２ステータの電機子巻線により生じる磁束をより強めることができる。
本発明の一実施形態を図１〜図６を参照して説明する。
まず、図１を参照して、本実施形態の電動機を搭載した車両の概略構成を説明する。図１はその車両の概略構成を示す図である。
本実施形態の車両１は、パラレル型のハイブリッド車両であり、内燃機関（エンジン）２と電動機３とをそれぞれ車両１の主たる推進力発生源、補助的な推進力発生源として備えている。電動機３は、詳細は後述するが、ロータ１１と、第１ステータ１２ａ及び第２ステータ１２ｂとを備えたアキシャルギャップ型の電動機である。電動機３には、そのロータ１１の回転角度を検出する回転角度検出手段としてのレゾルバ１４が備えられている。
内燃機関１の出力軸２ａは、電動機３のロータ１１と一体に回転自在な回転軸３ａに同軸に直結されている。なお、内燃機関２の出力軸２ａと電動機３の回転軸３ａとを減速機などの動力伝達機構を介して接続してもよい。これらの出力軸２ａ及び回転軸３ａは、クラッチ４を介して変速機５の入力側に接続されている。変速機５の出力側は差動歯車ユニット６を介して車両１の駆動輪７，７に接続されている。
この車両１では、内燃機関２の出力トルク、或いは、これに電動機３の出力トルク（力行トルク）を付加したトルクが、車両１の推進力として、クラッチ４、変速機５、および差動歯車ユニット６を介して駆動輪７，７に伝達される。これにより、車両１の走行が行なわれる。なお、電動機３は、駆動輪７，７側から電動機３に伝達される車両１の運動エネルギーにより該電動機３の発電を行いつつ、その発電エネルギーを電動機３の電源たる蓄電器（図示省略）に充電する回生運転も可能である。その回生運転時に該電動機３が発生する回生トルクは、車両１の制動力として機能する。
また、車両１は、電動機３の動作制御を行なう制御装置８を備えている。この制御装置８には、前記レゾルバ１４からロータ１１の回転角度の検出値θm_sが入力されると共に、電動機３の出力トルクの要求値であるトルク指令値Ｔr_cが入力される。トルク指令値Ｔr_cは、車両１の統括的な運転制御を担う車両運転制御装置（図示省略）により、車両１のアクセルペダルの操作量やブレーキペダルの操作量、車速などに応じて決定される。
そして、制御装置８は、トルク指令値Ｔr_cの出力トルクを電動機３に発生させるように第１ステータ１２ａ及び第２ステータ１２ｂの電機子巻線の通電電流を制御する。
図２（ａ），（ｂ）は、電動機３のロータ１１と、第１ステータ１２ａ及び第２ステータ１２ｂの構造を示す斜視図である。図２（ａ）はロータ１１と第１ステータ１２ａ及び第２ステータ１２ｂを電動機３の組立状態で示し、図２（ｂ）はロータ１１と第１ステータ１２ａ及び第２ステータ１２ｂを電動機３の分解状態で示している。
ロータ１１は、非磁性材からなる枠体１４と、この枠体１４に組み付けられた複数の永久磁石１５とから構成されている。枠体１４は、円板状の基体１６と、この基体１６の外周面と径方向に間隔を存して該基体１６の周囲に同軸心に設けられた円形の環状体１７と、これらの基体１６および環状体１７を連結する複数の仕切り板１８とを一体に形成して構成されている。基体１６には、図２（ａ）に仮想線で示したように、回転軸３ａが同軸心に取り付けられる。
複数の仕切り板１８は、基体１６の外周面と環状体１７の内周面との間で放射状に延在し、ロータ１１の軸心回りに等角度間隔で配列されている。そして、基体１６の外周面と、環状体１７の内周面と、ロータ１１の周方向で互いに隣合う仕切り板１８，１８とで囲まれた各空間にこれと同形状（扇板形状）の永久磁石１５が嵌め込まれている。これにより、基体１６と環状体１７との間で複数の永久磁石１５がロータ１１の軸心まわりに等角度間隔で配列されている。
各永久磁石１５は、その厚み方向（ロータ１１の軸心方向）における一方の面がＮ極、他方の面がＳ極となる磁石である。そして、ロータ１１の周方向で互いに隣合う永久磁石１５，１５は、それらの厚み方向における同じ側の面の磁極が、図２（ｂ）の各永久磁石１５に記載したように、互いに異なるものとされている。換言すれば、ロータ１１が有する複数の永久磁石１５は、ロータ１１の周方向で隣り合う永久磁石１５，１５の磁束の向き（ロータ１１の軸方向での向き）が互いに逆向きになるように配列されている。なお、図示の例では、永久磁石１５の個数は１２個であり、ロータ１１の極対数は６である。
補足すると、ロータ１１の軸心方向の一方の面側と他方の面側とにそれぞれ別個に永久磁石を配列するようにしてもよい。
第１ステータ１２ａ及び第２ステータ１２ｂは、厚みが異なる以外は同一の構造を有し、図２（ｂ）に示したように、各々、リング状の基体１９ａ，１９ｂの軸心方向における両端面のうちの一方の面から該基体１９ａ，１９ｂの軸心方向に突設された複数のティース２０ａ，２０ｂが、該基体１９ａ，１９ｂの軸心まわりに等角度間隔で配列されている。基体１９ａ，１９ｂ及びティース２０ａ，２０ｂは、磁性材により一体に形成されている。なお、図示の例では、第１ステータ１２ａ及び第２ステータ１２ｂのティース２０ａ，２０ｂの個数はそれぞれ３６個である。
第１ステータ１２ａ及び第２ステータ１２ｂには、図２（ｂ），図３に示したように、周方向で隣り合うティース２０ａ，２０ａ間の溝であるスロット２１ａに電機子巻線２２ａが装着され、ティース２０ｂ，２０ｂ間の溝であるスロット２１ｂに電機子巻線２２ｂが装着されている。図３は第１ステータ１２ａ及び第２ステータ１２ｂの断面図である。
本実施形態では、第１ステータ１２ａに装着される電機子巻線２２ａと第２ステータ１２ｂに装着される電機子巻線２２ｂは、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）分である。また、第１ステータ１２ａにおける電機子巻線２２ａの装着態様と、第２ステータ１２ｂにおける電機子巻線２２ｂの装着形態は、互いに同一である。
例えば、第１ステータ１２ａの各相の電機子巻線２２ａは、第１ステータ１２ａの軸心方向で見たときに、ロータ１１の永久磁石１５の個数と同数の巻き線ループが、第１ステータ１２ａの周方向に等角度間隔で形成されるように第１ステータ１２ａに装着される。第２ステータ１２ｂ側の電機子巻線２２ｂについても同様である。
また、第１ステータ１２ａ側の電機子巻線２２ａの巻き線パターンと第２ステータ１２ｂ側の電機子巻線２２ｂの巻き線パターンは同一で、ターン数は電機子巻線２２ａよりも電機子巻線２２ｂの方が少なく設定されている。そして、これにより、第１ステータ１２ａの電機子巻線２２ａに所定電圧の駆動電圧を印加してロータ１１を回転させたときに、第２ステータ１２ｂの電機子巻線２２ｂに生じる電圧が該所定電圧よりも低くなる設定とされている。
また、巻き線の線径は、第１ステータ１２ａの電機子巻線２２ａの方が、第２ステータ１２ｂの電機子巻線２２ｂよりも大きく、これにより、第２ステータ２２ｂの厚みを第１ステータ２２ａよりも薄くしている。
第１ステータ１２ａ及び第２ステータ１２ｂは、電動機３の組立状態では、図２（ａ）に示したように、第１ステータ１２ａと第２ステータ１２ｂの間にロータ１１を挟み込むようにして、ロータ１１の軸方向の両側にロータ１１と同軸心に配置され、電動機３の図示しないハウジングに固定される。この場合、第１ステータ１２ａのティース２０ａ及び第２ステータ１２ｂのティース２０ｂの先端面がロータ１１に近接して対向する。
また、本実施形態では、電動機３の組立状態においてロータ１１の軸心方向で見たときに、第１ステータ１２ａの各ティース２０ａの位置（軸心まわりの角度位置）と、第２ステータ１２ｂの各ティース２０ｂの位置（軸心まわりの角度位置）とが合致するように、第１ステータ１２ａ及び第２ステータ１２ｂが電動機３に組み付けられている。
すなわち、第１ステータ１２ａの個々のティース２０ａと第２ステータ１２ｂの個々のティース２０ｂとを、ロータ１１の軸心方向で正対させて組み付けられている。そして、第１ステータ１２ａの各相の電機子巻線２２ａと、これと同じ相の第２ステータ１２ｂの電機子巻線２２ｂとは、各相毎に、第１ステータ１２ａの電機子巻線２２ａの巻き線ループと第２ステータ１２ｂの電機子巻線２２ｂの巻き線ループとがロータ１１の軸心方向で互いに対向するように（ロータ１１の軸心方向で見たときに、第１ステータ１２ａ側の巻き線ループと第２ステータ１２ｂ側の巻き線ループとが互いに同じ角度位置に存するように）、第１ステータ１２ａ及び第２ステータ１２ｂに装着されている。
したがって、第１ステータ１２ａの各相の電機子巻線２２ａと、それと同じ相の第２ステータ１２ｂの電機子巻線２２ｂとに、同一位相の電流を通電したとき、各相毎に、第１ステータ１２ａの電機子巻線２２ａが発生する磁束と、第２ステータ１２ｂの電機子巻線２２ｂが発生する磁束とがロータ１１の軸心方向で最大限に互いに強め合う状態となる。なお、本実施形態では、第１ステータ１２ａ及び第２ステータ１２ｂは、厚みが異なる以外は同一の構造を有しているので、第１ステータ１２ａ及び第２ステータ１２ｂの各相毎の磁気回路断面積（磁路の断面積）は、互いに同一である。
次に、図４を参照して、制御装置８の構成を詳細に説明する。図４は制御装置８の機能的構成を示すブロック図である。制御装置８は、マイクロコンピュータなどを含む電子回路ユニットにより構成されたものである。なお、以降の説明では、図４に示したように、第１ステータ１２ａに装着された各相の電機子巻線に参照符号１３ａを付し、第２ステータ１２ｂに装着された各相の電機子巻線に参照符号１３ｂを付する。
先ず、制御装置８による電動機３の制御処理の概要を説明する。本実施形態では、いわゆるｄ−ｑベクトル制御により電動機３の第１ステータ１２ａ及び第２ステータ１２ｂの各相の電機子巻線１３ａ，１３ｂの通電電流（相電流）を制御する。すなわち、制御装置８は第１ステータ１２ａの３相分の電機子巻線１３ａ，１３ａ，１３ａと、第２ステータ１２ｂの３相分の電機子巻線１３ｂ，１３ｂ，１３ｂとを２相直流のｄ−ｑ座標系での等価回路に変換して取り扱う。
第１ステータ１２ａ及び第２ステータ１２ｂに対応する等価回路は、それぞれ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。なお、ｄ−ｑ座標系は、ロータ１１の永久磁石１５による界磁方向をｄ軸、ｄ軸と直交する方向をｑ軸として電動機３のロータ１１と一体に回転する回転座標系である。
そして、制御装置８は、外部から与えられるトルク指令値Ｔr_cのトルクを電動機３の回転軸３ａから出力させるように、電動機３の第１ステータ１２ａの電機子巻線１３ａ及び第２ステータ１２ｂの電機子巻線１３ｂの各相電流を制御する。
この場合、本実施形態では、トルク指令値Ｔr_cの大きさに応じて、第１ステータ１２ａの電機子巻線１３ａと第２ステータ１２ｂの電機子巻線１３ｂの双方に駆動電流を通電して電動機３を駆動する「両側ステータ駆動モード」と、第１ステータ１２ａの電機子巻線１３ａにのみ駆動電流を通電（第２ステータ１２ｂの電機子巻線１３ｂへの駆動電流の供給は停止）して電動機３を駆動する「片側ステータ駆動モード」とを切換える制御を行う。
さらに、制御装置８は、「片側ステータ駆動モード」において、ロータ１１の回転により第２ステータ１２ａの電機子巻線１３ｂに生じる電力によりバッテリを充電する「発電モーと」と、第２ステータ１２ａの電機子巻線１３ｂとその駆動回路間を遮断する「遮断モード」とを切換える制御を行う。
制御装置８は、その機能的構成として、第１ステータ１２ａのｄ軸電機子の電流（以下、ｄ軸電流という）の指令値であるｄ軸電流指令値Ｉd_c1、及びｑ軸電機子の電流（以下、ｑ軸電流という）の指令値であるｑ軸電流指令値Ｉq_c1を決定すると共に、「両側ステータ駆動モード」と「片側ステータ駆動モード」の切換えと、「片側ステータ駆動モード」における「発電モード」と「遮断モード」の切換えを行う第１電流指令決定部３０を備えている。
また、制御装置８は、第１ステータ１２ａのｄ軸電流指令値Ｉd_c1及びｑ軸電流指令値Ｉq_c1に応じて、第１ステータ１２ａのｄ軸電機子の電圧（以下、ｄ軸電圧という）の指令値であるｄ軸電圧指令値Ｖd_c1、及びｑ軸電機子の電圧（以下、ｑ軸電圧という）の指令値であるｑ軸電圧指令値Ｖq_c1を決定する第１電流制御部４０ａを備えている。
さらに、制御装置８は、第１ステータ１２ａの３相の電機子巻線１３ａ，１３ａ，１３ａのうちの２つの相、例えばＵ相、Ｗ相の電機子巻線１３ａ，１３ａのそれぞれの相電流を検出する電流検出手段である電流センサ３３ａ，３４ａと、これらの電流センサ３３ａ，３４ａの出力をＢＰフィルタ３５ａに通すことにより得られた第１ステータ１２ａのＵ相電機子巻線１３ａの電流検出値Ｉu_s1およびＷ相電機子巻線１３ａの電流検出値Ｉw_s1から、第１ステータ１２ａのｄ軸電流の検出値（推定値）としてのｄ軸電流検出値Ｉd_s1及びｑ軸電流の検出値（推定値）としてのｑ軸電流検出値Ｉq_s1を算出するｄｑ変換部３６ａとを備えている。ＢＰフィルタ３５ａは、電流センサ３３ａ，３４ａの出力からノイズ成分を除去するためのバンドパス特性のフィルタである。
ｄｑ変換部３６ａは、第１ステータ１２ａのＵ相電機子巻線１３ａの電流検出値Ｉu_s1と、Ｗ相電機子巻線１３ａの電流検出値Ｉw_s1と、これらから算出されるＶ相電機子巻線１３ａの電流検出値Ｉv_s1（＝−Ｉu_s1−Ｉw_s1）とを、ロータ１１の電気角θe（レゾルバ１４によるロータ１１の回転角度の検出値θm_sに、ロータ１１の対極数を乗じて算出される）に応じて、次式（１）により座標変換することによって、ｄ軸電流検出値Ｉd_s1及びｑ軸電流検出値Ｉq_s1を算出する。
Figure 2008259303
第１電流制御部４０ａは、ｄ軸電流指令値Ｉd_c1とｄ軸電流検出値Ｉd_s1との偏差ΔＩd1（＝Ｉd_c1−Ｉd_s1）を求める減算部４１ａと、該偏差ΔＩd1を解消する（０に近づける）ように、ＰＩ（比例・積分）制御則によるフィードバック制御により、ｄ軸電圧の基本指令値Ｖd1_c1を算出するｄ軸電流ＰＩ制御部４２ａと、ｑ軸電流指令値Ｉq_c1とｑ軸電流検出値Ｉq_s1との偏差ΔＩq1（＝Ｉq_c1−Ｉq_s1）を求める減算部４５ａと、該偏差ΔＩq1を解消する（０に近づける）ように、ＰＩ（比例・積分）制御則によるフィードバック制御により、ｑ軸電圧の基本指令値Ｖq1_c1を算出するｑ軸電流ＰＩ制御部４６ａと、ｄ軸及びｑ軸間で互いに干渉し合う速度起電力を打ち消すためのｄ軸電圧の補正量Ｖd2_c1およびｑ軸電圧の補正量Ｖq2_c1を求める非干渉制御部４４ａとを備えている。
なお、非干渉制御部４４ａは、ｄ軸側の補正量Ｖd2_c1をｑ軸電流指令値Ｉq_c1とロータ角速度（ロータ角度の検出値θm_sを微分して算出される）とから算出し、ｑ軸側の補正量Ｖq2_c1をｄ軸電流指令値Ｉd_c1とロータ角速度とから算出する。
さらに、第１電流制御部４０ａは、ｄ軸電圧の基本指令値Ｖd1_c1に補正量Ｖd2_c1を加えて、最終的なｄ軸電圧指令値Ｖd_c1を求める加算部４３ａと、ｑ軸電圧の基本指令値Ｖq1_c1に補正量Ｖq2_c1を加えて、最終的なｑ軸電圧指令値Ｖq_c1を求める加算部４７ａとを備えている。
また、制御装置８は、ｄ軸電圧指令値Ｖd_c1及びｑ軸電圧指令値Ｖq_c1から第１ステータ１２ａのＵ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれの電機子巻線１３ａの相電圧指令値Ｖu_c1，Ｖv_c1，Ｖw_c1を求める３相変換部３１ａと、これらの相電圧指令値Ｖu_c1，Ｖv_c1，Ｖw_c1に応じて第１ステータ１２ａの各相の電機子巻線１３ａに通電する第１ＰＤＵ（Power Drive Unit）３２ａと、第１ＰＤＵ３２ａに電力を供給するバッテリ３８ａ（本発明の第１の電源に相当する）とを備えている。
３相変換部３１ａは、ｄ軸電圧指令値Ｖd_c1及びｑ軸電圧変換値Ｖq_c1を、ロータ１１の電気角θeに応じて、以下の式（２）により座標変換することにより、前記相電圧指令値Ｖu_c1，Ｖv_c1，Ｖw_c1を算出する。なお、式（２）中のＡ(θe)Ｔは、上記式（１）の但し書きで定義した行列Ａ(θe)の転置行列である。
Figure 2008259303
なお、第１電流指令決定部３０、第１電流制御部４０ａ、３相変換部３１ａ、第１ＰＵＤ３２ａ、バッテリ３８ａ、電流センサ３３ａ，３４ａ、バンドパスフィルタ３５ａ、及びｄｑ変換部３６ａにより、本発明の第１通電制御手段が構成される。
また、制御装置８は、第２ステータ１２ｂの電機子巻線１３ｂのｄ軸電流指令値Ｉd_c2及びｑ軸電流指令値Ｉq_c2に応じて、第２ステータ１２ｂのｄ軸電圧指令値Ｖd_c2及びｑ軸電圧指令値Ｖq_c2を決定する第２電流制御部４０ｂと、第２ステータ１２ｂの３相の電機子巻線１３ｂ，１３ｂ，１３ｂのうちのＵ相、Ｗ相の電機子巻線１３ａ，１３ａのそれぞれの相電流を検出する電流センサ３３ｂ，３４ｂと、これらの電流センサ３３ｂ，３４ｂの出力をＢＰフィルタ３５ａに通すことにより得られた第２ステータ１２ｂのＵ相電機子巻線１３ｂの電流検出値Ｉu_s2及びＷ相電機子巻線１３ｂの電流検出値Ｉw_s2から、第２ステータ１２ｂのｄ軸電流検出値Ｉd_s2及びｑ軸電流検出値Ｉq_s2を算出するｄｑ変換部３６ｂと、を備えている。
第２電流制御部４０ｂの構成は、上述した第１電流制御部４０ａと同様であり、ｄ軸電流指令値Ｉd_c2とｄ軸電流検出値Ｉd_s2との偏差ΔＩd2（＝Ｉd_c2−Ｉd_s2）を求める減算部４１ｂと、該偏差ΔＩd2を解消する（０に近づける）ように、ＰＩ（比例・積分）制御則によるフィードバック制御により、ｄ軸電圧の基本指令値Ｖd1_c2を算出するｄ軸電流ＰＩ制御部４２ｂと、ｑ軸電流指令値Ｉq_c2とｑ軸電流検出値Ｉq_s2との偏差ΔＩq2（＝Ｉq_c2−Ｉq_s2）を求める減算部４５ｂと、該偏差ΔＩq2を解消する（０に近づける）ように、ＰＩ（比例・積分）制御則によるフィードバック制御により、ｑ軸電圧の基本指令値Ｖq1_c2を算出するｑ軸電流ＰＩ制御部４６ｂと、ｄ軸及びｑ軸間で互いに干渉し合う速度起電力を打ち消すためのｄ軸電圧の補正量Ｖd2_c2およびｑ軸電圧の補正量Ｖq2_c2を求める非干渉制御部４４ｂとを備えている。
さらに、第２電流制御部４０ｂは、ｄ軸電圧の基本指令値Ｖd1_c2に補正量Ｖd2_c2を加えて、最終的なｄ軸電圧指令値Ｖd_c2を求める加算部４３ｂと、ｑ軸電圧の基本指令値Ｖq1_c2に補正量Ｖq2_c2を加えて、最終的なｑ軸電圧指令値Ｖq_c2を求める加算部４７ｂとを備えている。
また、制御装置８は、ｄ軸電圧指令値Ｖd_c2及びｑ軸電圧指令値Ｖq_c2から第２ステータ１２ｂのＵ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれの電機子巻線１３ｂの相電圧指令値Ｖu_c2，Ｖv_c2，Ｖw_c2を求める３相変換部３１ｂと、これらの相電圧指令値Ｖu_c2，Ｖv_c2，Ｖw_c2に応じて第２ステータ１２ｂの各相の電機子巻線１３ｂに通電する第２ＰＤＵ３２ｂと、第２ＰＤＵ３２ｂに電力を供給すると共に、第２ＰＵＤ３２ｂの出力電力により充電されるバッテリ３８ｂ（本発明の第２の電源に相当する）と、第２の電源３８ｂの出力電圧Ｖbat（本発明の充電状態に相当する）に応じた発電トルク指令値Ｔrbを第１電流指令決定部３０に出力する充電状態検出部３９（本発明の充電状態検出手段に相当する）とを備えている。
充電状態検出部３９は、バッテリ３８ｂの充電量が少ないほど発電トルク指令値Ｔrbを大きくし、バッテリ３８ｂが満充電状態であるときは発電トルク指令値Ｔrbを０とする。
第２ステータ１２ｂのｄ軸電流指令値Ｉd_c2及びｑ軸電流指令値Ｉq_c2は、第２電流指令決定部３７により決定される。第２電流指令値決定手段３７は、第１電流指令決定部３０により決定される第２ステータ１２ｂに対するトルク指令値Ｔr2_cを、予め設定されたトルクＴr_2とｄ軸電流Ｉd及びｑ軸電流Ｉqの対応マップ（該対応マップのデータは図示しないメモリに記憶されている）に適用して、ｄ軸電流指令値Ｉd_c2及びｑ軸電流指令値Ｉq_c2を決定する。
この場合、トルク指令値Ｔr2_cが正であるときは、第２ステータ１２ｂの電機子巻線１３ｂに駆動電流が供給される「駆動モード」となり、トルク指令値Ｔr2_cが負であるときには、ロータ１１の回転により第２ステータ１２ｂの電機子巻線１３ｂに生じる電力によって、バッテリ３８ｂが充電される「発電モード」なる。
また、トルク指令値Ｔr2_cが０であるときは、切換スイッチ５０の各相のスイッチがＯＦＦ（開放状態）されて、第２ＰＤＵ３２ｂと第２ステータ１２ｂの電機子巻線１３ｂ間が遮断された「遮断モード」となる。なお、「駆動モード」及び「発電モード」においては、切換スイッチ５０の各相のスイッチはＯＮされて、第２ＰＤＵ３２ｂと第２ステータ１２ｂの電機子巻線１３ｂが導通状態とされる。
また、第１電流指令決定部３０は、予め設定された電動機３に対するトルク指令値Ｔr_c及びバッテリ３９ｂの充電状態に応じた発電トルク指令値Ｔrbと、第１ステータ１２ａのｄ軸電流Ｉd，Ｉq及び第２ステータ１２ｂに対するトルク指令値Ｔr2_cとの対応マップ（該対応マップのデータは図示しないメモリに記憶されている）に、トルク指令値Ｔr_c及び発電トルク指令値Ｔrbを適用して、第２ステータ１２ｂに対するトルク指令値Ｔr2_cと、第１ステータ１２ａのｄ軸電流指令値Ｉd_c1及びｑ軸電流指令値Ｉq_c1を決定する。
ここで、図６は、電動機３の出力トルクＴrと通電電流Ｉとの関係を示したグラフであり、縦軸が出力トルクＴrに設定され、横軸が通電電流Ｉに設定されている。そして、図中ａは第１ステータ１２ａと第２ステータ１２ｂの双方に駆動電流を供給する「両側ステータ駆動モード」を示し、ｂは第１ステータ１２ａにのみ駆動電流を通電する「片側ステータ駆動モード」を示している。
図６より、「両側ステータ駆動モード」とすることで、電動機３の出力特性を高トルク仕様として、電動機３の出力トルクの上限を拡大することができる。また、図中Ｔr＜Ｔr1の低トルク領域では、同一の通電電流に対する「両側ステータ駆動モード」と「片側ステータ駆動モード」の出力トルクの差が小さくなる。
そこで、第１電流指令決定部３０における前記対応マップでは、トルク指令値Ｔr_cが予め設定された閾値Ｔr1以下であるときは「片側ステータ駆動モード」とし、トルク指令値Ｔr_cが閾値Ｔr1を超えているときは「両側ステータ駆動モード」とする。これにより、低トルク領域では、「片側ステータ駆動モード」となって、電動機３の出力特性が低トルク仕様となるため、第２ステータ１２ｂ側での電力損失を回避して電動機３の運転効率を向上させることができる。
ここで、「両側ステータ駆動モード」においては、第１電流指令決定部３０から第２電流指令決定部３７に、正のトルク指令値Ｔr2_cが出力される。そして、これにより、第１ステータ１２ａの電機子巻線１３ａと第２ステータ１２ｂの電機子巻線１３ｂの双方に駆動電流を供給されて、電動機３の出力トルクが増大する。
また、前記第１電流指令決定部３０における前記対応マップは、「片側ステータ駆動モード」において、発電トルク指令値Ｔrbが出力されているときには、トルク指令値Ｔr_cと発電トルク指令値Ｔrbの合計トルクが、第１ステータ１２ａの電機子巻線１３ａへの駆動電流の供給によって生じるように、第１ステータ１２ａのｄ軸指令電流値Ｉd_c1及びｑ軸指令電流値Ｉq_c1を決定する。
そして、第２電流指令決定部３７に出力するトルク指令値Ｔr2_cを、発電トルク指令値Ｔrbに対応したものとする。これにより、ロータ１１の回転によって第２ステータ１３ｂに生じる電力により、第２ＰＤＵ３２ｂを介してバッテリ３８ｂが充電される前記「発電モード」となる。
ここで、上述したように、第１ステータ１２ａの電機子巻線１３ａに所定電圧を印加してロータ１１を回転させたときに、第２ステータ１２ｂの電機子巻線１３ｂに生じる誘起電圧は該所定電圧よりも低くなる。そのため、第２ＰＤＵ３２ｂの耐圧仕様を第１ＰＤＵ３２ａよりも低くすることができる。そして、これにより、第２ＰＤＵ３２ｂの小型化とコストを図ることができる。
また、第１ステータ１２ａ側のバッテリ３８ａよりも、第２ステータ１２ｂ側のバッテリ３８ｂの出力が低くなる。すなわち、電動機３をオルタネータとして機能させることができ、バッテリ３８ｂを低電圧仕様の機器用の電源として使用することができる。
また、発電トルク指令値Ｔrbが０であるときは、第１電流指令決定部３０から第２電流指令部３７に出力されるトルク指令値Ｔr2_cも０となる。そして、これにより、切換スイッチ５０の各相のスイッチがＯＦＦして前記「遮断モード」となる。この場合、第１ステータ１２ａの電機子巻線１３ａにのみ駆動電流を供給する前記「片側ステータ駆動モード」となるが、ロータ１１が回転したときに第２ステータ１２ｂの電機子巻線１３ｂに誘起電圧が生じないため、ロータ１１の回転負荷が低減される。
次に、図５は、第１ＰＵＤ３２ａに備えられたインバータ６０ａと、第２ＰＤＵ３２ｂに備えられたインバータ６０ｂの構成を示した図であり、第１ＰＤＵ３２ａは、第１ステータ１２ａの各相の電機子巻線１３ａの入力部を高電位側（図中Ｈｉで示した側）に導通／遮断するためのトランジスタ６２ａと、低電位側（図中Ｌo）に導通／遮断するためのトランジスタ６３ｂとを有する切換回路６１ａを、各相の電機子巻線１３ａ毎に備えたインバータ６０ａを備えている。そして、第１ＰＤＵ３２ａは、各切換回路６１ａのトランジスタ６２ａ及びトランジスタ６３ａのＯＮ／ＯＦＦをＰＷＭ制御により切り換えることによって、各電機子巻線１３ａの通電量を変更する。
同様に、第２ＰＤＵ３２ｂは、第２ステータ１２ｂの各電機子巻線１３ｂを高電位側に導通／遮断するためのトランジスタ６２ｂ（本発明の第１のスイッチング素子に相当する）と、低電位側に導通／遮断するためのトランジスタ６３ｂ（本発明の第２のスイッチング素子に相当する）とを有する切換回路６１ｂを、各相の電機子巻線１３ｂ毎に備えたインバータ６０ｂを備えている。
そして、本実施の形態では、前記「遮断モード」において、切換スイッチ５０の各相のスイッチをＯＦＦして第２ＰＤＵ３２ｂと第２ステータ１２ｂの各相の電機子巻線１３ｂ間を遮断したが、切換スイッチ５０を備えずに、図６に示したインバータ６０ｂの全てのトランジスタ６２ｂ，６３ｂをＯＦＦ（ゲートオフ）としてもよい。さらに、電動機３の回転数が所定回転数を超えたときには、図６に示したインバータ６０ｂの高電位側のトランジスタ６２ｂを全てＯＮして低電位側のトランジスタ６３ｂを全てＯＦＦするか、或いはインバータ６０ｂの低電位側のトランジスタ６３ｂを全てＯＮして低電位側のトランジスタ６２ｂを全てＯＦＦする、いわゆる３相短絡状態とすることで、第２のステータ１２ｂの各電機子巻線１３ｂの通電量をさらに減少させて電力損失を低減することができる。なお、電動機３の回転数は、レゾルバ１４によるロータ１１の回転角度の検出値θm_sを微分して検出することができ、このようにして、電動機３の回転数を検出する構成が本発明の回転数検出手段に相当する。
なお、本実施の形態では、「発電モード」において、第１ステータ１２ａの電機子巻線１３ａに印加される電圧よりも、第２ステータ１２ｂの電機子巻線１３ｂに生じる誘起電圧が低くなるように、電機子巻線１３ａと電機子巻線１３ｂの特性を設定したが、かかる特性としない場合であっても本発明の効果を得ることができる。
また、本実施の形態においては、電動機３に対するトルク指令値Ｔr_c及び第２ステータ１２ｂ側のバッテリ３８ｂの充電状態に応じて、「駆動モード」と「発電モード」を切換えたが、電動機３に対するトルク指令値Ｔr_cのみに応じて、「駆動モード」と「発電モード」を切換えるようにしてもよい。
また、本実施の形態においては、第２ステータ１２ｂに対するトルク指令値Ｔr2_cが０であるときに、第２ＰＤＵ３８ｂと第２ステータ１２ｂの電機子巻線１３ｂ間を遮断する「遮断モード」を設定したが、該「遮断モード」を設定しない場合であっても本発明の効果を得ることができる。
本発明の電動機の制御装置が搭載された車両の構成図。 アキシャルギャップ型の電動機の構造の説明図。 第１ステータ及び第２ステータにおける電機子巻線の装着態様の説明図。 電動機の制御装置の機能的構成を示すブロック図。 電動機の駆動回路の構成図。 両側ステータ駆動モードと片側ステータ駆動モードの動作態様の説明図。
符号の説明
１…車両、２…内燃機関、３…アキシャルギャップ型の電動機、８…電動機の制御装置、１１…ロータ、１２ａ…第１ステータ、１２ｂ…第２ステータ、１３ａ，１３ｂ…電機子巻線、３０ａ…第１電流指令決定部、３０ｂ…第２電流指令決定部、３８ｂ…バッテリ（第２の電源）、５０…切換スイッチ、６０ａ，６０ｂ…インバータ、６２ａ，６３ａ，６２ｂ，６３ｂ…スイッチング素子

Claims (8)

  1. 永久磁石を有するロータと、該ロータの回転軸心方向に該ロータを介して対向して設けられた第１ステータ及び第２ステータとを備えたアキシャルギャップ型の電動機の制御装置であって、
    第１の電源から前記第１ステータの電機子巻線に駆動電流を供給して前記ロータを回転させる第１通電制御手段と、前記第１ステータの電機子巻線への駆動電流の供給により前記ロータが回転しているときに、前記第２ステータの電機子巻線に生じる電力によって第２の電源を充電する第２通電制御手段とを備えたことを特徴とする電動機の制御装置。
  2. 請求項１記載の電動機の制御装置において、
    前記第１ステータの電機子巻線と前記第２ステータの電機子巻線の特性が、前記第１通電制御手段により前記第１ステータの電機子巻線に所定電圧を印加して駆動電流を供給したときに、前記ロータの回転により前記第２ステータの電機子巻線に生じる誘起電圧が、該所定電圧よりも低くなる設定とされていることを特徴とする電動機の制御装置。
  3. 請求項１又は請求項２記載の電動機の制御装置において、
    前記第２通電制御手段は、前記電動機の要求トルクに応じて、前記第２ステータの電機子巻線に生じる電力によって前記第２の電源を充電する発電モードと、前記第２の電源から前記第２ステータの電機子巻線に駆動電流を供給する駆動モードとを切り換えることを特徴とする電動機の制御装置。
  4. 請求項３記載の電動機の制御装置において、
    前記第２の電源の充電状態を検出する充電状態検出手段を備え、
    前記第２通電制御手段は、前記電動機の要求トルク及び前記第２の電源の充電状態に応じて、前記発電モードと前記駆動モードとを切り換えることを特徴とする電動機の制御装置。
  5. 請求項１又は請求項２記載の電動機の制御装置において、
    前記第２の電源の充電状態を検出する充電状態検出手段と、
    前記第２ステータの電機子巻線と該第２ステータの電機子巻線の駆動回路間を、導通状態と遮断状態とに切り換える切換スイッチとを備え、
    前記第２通電制御手段は、前記電動機の要求トルク及び前記第２の電源の充電状態に応じて、前記第２ステータの電機子巻線に生じる電力によって前記第２の電源を充電する発電モードと、前記第２の電源から前記第２ステータの電機子巻線に駆動電流を供給する駆動モードと、前記切換スイッチにより、前記第２ステータの電機子巻線と前記第２ステータの電機子巻線の駆動回路間を遮断状態とする遮断モードとを切り換えることを特徴とする電動機の制御装置。
  6. 請求項１又は請求項２記載の電動機の制御装置において、
    前記第２の電源の充電状態を検出する充電状態検出手段を備え、
    前記第２通電制御手段は、前記電動機の要求トルク及び前記第２の電源の充電状態に応じて、前記第２ステータの電機子巻線に生じる電力によって前記第２の電源を充電する発電モードと、前記第２の電源から前記第２ステータの電機子巻線に駆動電流を供給する駆動モードと、前記第２ステータの駆動回路を構成し、前記第２ステータの各相毎に設けられて、各相の電機子巻線の入力部の高電位側への導通と遮断とを切り換える第１のスイッチング素子と、各相の電機子巻線の入力部の低電位側への導通と遮断とを切り換える第２のスイッチング素子とを、共にＯＦＦ状態とする遮断モードとを切り換えることを特徴とする電動機の制御装置。
  7. 請求項６記載の電動機の制御装置において、
    前記電動機の回転数を検出する回転数検出手段を備え、
    前記第２通電制御手段は、前記遮断モードにおいて、前記電動機の回転数が所定回転数未満であるときは、前記各第１のスイッチング素子と前記各第２のスイッチング素子を共にＯＦＦ状態とし、前記電動機の回転数が前記所定回転数以上であるときには、前記各第１のスイッチング素子をＯＮ状態として前記各第２のスイッチング素子をＯＦＦ状態とするか、又は前記各第１のスイッチング素子をＯＦＦ状態として前記各第２のスイッチング素子をＯＮ状態とすることを特徴とする電動機の制御装置。
  8. 請求項１から請求項７のうちいずれか１項記載の電動機の制御装置において、
    前記第１ステータと前記第２ステータの磁気回路断面積が、同一に設定されていることを特徴とする電動機の制御装置。
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