JP2011205741A - Drive controller of rotating-electric machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、回転電機の駆動制御装置に関し、特に、第1回転子と第2回転子との間、及び固定子と第2回転子との間にトルクを作用させることが可能な回転電機の駆動制御装置に関する。 The present invention relates to a drive control device for a rotating electrical machine, and more particularly, to a rotating electrical machine capable of applying a torque between a first rotor and a second rotor and between a stator and a second rotor. The present invention relates to a drive control device.
この種の回転電機の駆動制御装置の関連技術が下記特許文献1に開示されている。特許文献1による回転電機の駆動制御装置は、巻線が配設されエンジンに機械的に連結された第1ロータと、第1ロータの巻線と電磁気的に結合する磁石が配設され駆動軸に機械的に連結された第2ロータと、第2ロータの磁石と電磁気的に結合する巻線が配設されたステータと、第1ロータの巻線と電気的に接続されたスリップリングと、スリップリングと電気的に接触するブラシと、バッテリーとステータの巻線との間で電力を授受可能に制御する第1インバータと、スリップリング及びブラシを介してバッテリーと第1ロータの巻線との間で電力を授受可能に制御する第2インバータと、を備える。特許文献1においては、第1ロータに伝達されたエンジンからの動力は、第1ロータの巻線と第2ロータの磁石との電磁気結合によって第2ロータに伝達されるため、エンジンの動力により駆動軸を駆動することができる。さらに、第2インバータを介してバッテリーと第1ロータの巻線との間で電力の授受が可能になるため、第2インバータにより第1ロータの巻線の電力を制御することで、駆動軸の回転速度を制御することができる。その場合において、第1ロータの回転速度が第2ロータの回転速度よりも高いときは、第1ロータの巻線の発電電力が第2インバータを介してバッテリー側へ供給され、第1ロータの回転速度が第2ロータの回転速度よりも低いときは、バッテリーの電力が第2インバータを介して第1ロータの巻線に供給される。さらに、ステータの巻線と第2ロータの磁石との電磁気結合によって、バッテリー側から第1インバータを介してステータの巻線に供給された電力を用いて第2ロータに動力を発生させて駆動軸を駆動することができるため、第1インバータによりステータの巻線への電力供給を制御することで、駆動軸に伝達されるトルクを制御することができる。 The related art of this type of rotating electrical machine drive control device is disclosed in Patent Document 1 below. A drive control device for a rotating electrical machine according to Patent Document 1 includes a first rotor in which windings are disposed and mechanically coupled to an engine, and a magnet that is electromagnetically coupled to the windings of the first rotor. A second rotor mechanically coupled to the stator, a stator provided with a winding electromagnetically coupled to the magnet of the second rotor, a slip ring electrically connected to the winding of the first rotor, A brush that is in electrical contact with the slip ring, a first inverter that is controlled so as to be able to transfer power between the winding of the battery and the stator, and a winding of the battery and the first rotor via the slip ring and the brush. And a second inverter that is controlled so as to be able to exchange power. In Patent Document 1, the power from the engine transmitted to the first rotor is transmitted to the second rotor by electromagnetic coupling between the windings of the first rotor and the magnets of the second rotor. The shaft can be driven. Furthermore, since power can be transferred between the battery and the winding of the first rotor via the second inverter, by controlling the power of the winding of the first rotor by the second inverter, The rotation speed can be controlled. In this case, when the rotation speed of the first rotor is higher than the rotation speed of the second rotor, the generated power of the winding of the first rotor is supplied to the battery side via the second inverter, and the rotation of the first rotor When the speed is lower than the rotational speed of the second rotor, the battery power is supplied to the windings of the first rotor via the second inverter. Further, the electromagnetic coupling between the stator winding and the magnet of the second rotor causes the second rotor to generate power using the electric power supplied from the battery side to the stator winding via the first inverter. Therefore, the torque transmitted to the drive shaft can be controlled by controlling the power supply to the stator winding by the first inverter.
特許文献1において、第1ロータと第2ロータとの間に発生可能な最大トルクを増加させるためには、第2ロータの磁石により第1ロータに流れる界磁磁束を増加させることが望ましい。その一方で、第2ロータの回転時に第1ロータの巻線やステータの巻線に発生する逆起電圧を減少させるためには、第2ロータの磁石により第1ロータやステータに流れる界磁磁束を減少させることが望ましい。そこで、第2ロータの磁石により第1ロータやステータに流れる界磁磁束を制御できることが望ましい。ただし、界磁磁束を制御するための界磁巻線を第2ロータに別途追加すると、第2ロータの界磁巻線に電流を流すために、スリップリング及びブラシも別途追加する必要があり、構成の複雑化を招くことになる。 In Patent Document 1, in order to increase the maximum torque that can be generated between the first rotor and the second rotor, it is desirable to increase the field magnetic flux flowing through the first rotor by the magnet of the second rotor. On the other hand, in order to reduce the counter electromotive voltage generated in the first rotor winding and the stator winding during the rotation of the second rotor, the field magnetic flux that flows to the first rotor and the stator by the magnet of the second rotor. It is desirable to reduce Therefore, it is desirable that the field magnetic flux flowing through the first rotor and the stator can be controlled by the magnet of the second rotor. However, if a field winding for controlling the field magnetic flux is separately added to the second rotor, it is necessary to add a slip ring and a brush separately in order to pass a current through the field winding of the second rotor. This leads to a complicated configuration.
本発明は、第1回転子と第2回転子との間、及び固定子と第2回転子との間にトルクを作用させることが可能な回転電機の駆動制御装置において、構成の複雑化を招くことなく界磁制御を行うことを目的とする。 The present invention provides a drive controller for a rotating electrical machine capable of applying a torque between a first rotor and a second rotor, and between a stator and a second rotor. It aims at performing field control without inviting.
本発明に係る回転電機の駆動制御装置は、上述した目的を達成するために以下の手段を採った。 The drive control device for a rotating electrical machine according to the present invention employs the following means in order to achieve the above-described object.
本発明に係る回転電機の駆動制御装置は、回転子巻線が配設された第1回転子と、固定子巻線が配設された固定子と、第1回転子及び固定子と対向し、第1回転子に対し相対回転可能な第2回転子であって、第1回転子及び固定子に流れる界磁磁束を発生する磁石が配設された第2回転子と、を備え、回転子巻線に流れる交流電流と第1回転子に流れる磁石の界磁磁束との相互作用により、第1回転子と第2回転子との間にトルクが作用し、固定子巻線に流れる交流電流と固定子に流れる磁石の界磁磁束との相互作用により、固定子と第2回転子との間にトルクが作用する回転電機の駆動制御装置であって、回転子巻線に流れる交流電流を制御する回転子巻線電流制御部と、固定子巻線に流れる交流電流を制御する固定子巻線電流制御部と、を備え、第1回転子に流れる磁石の界磁磁束を制御する界磁制御を実行する場合には、固定子巻線電流制御部が固定子巻線のd軸電流を制御することで前記界磁制御を実行することを要旨とする。 A drive control device for a rotating electrical machine according to the present invention is configured to face a first rotor provided with a rotor winding, a stator provided with a stator winding, and the first rotor and the stator. A second rotor that is rotatable relative to the first rotor, wherein the second rotor is provided with a magnet that generates a field magnetic flux that flows through the first rotor and the stator. Torque acts between the first rotor and the second rotor due to the interaction between the alternating current flowing in the rotor winding and the field magnetic flux of the magnet flowing in the first rotor, and the alternating current flowing in the stator winding. A drive control device for a rotating electrical machine in which a torque acts between a stator and a second rotor due to an interaction between a current and a field magnetic flux of a magnet flowing in the stator, and an alternating current flowing in the rotor winding A rotor winding current control unit that controls the stator winding current control unit that controls an alternating current flowing in the stator winding, When performing field control for controlling the field magnetic flux of the magnet flowing through the first rotor, the stator winding current control unit executes the field control by controlling the d-axis current of the stator winding. This is the gist.
本発明の一態様では、固定子巻線電流制御部は、第1回転子と第2回転子との間にトルクが作用する状態で前記界磁制御を実行する場合には、回転子巻線に流れる交流電流が許容電流以下に制限される条件で第1回転子と第2回転子との間に作用するトルクが目標トルクとなるように固定子巻線のd軸電流を制御することが好適である。 In one aspect of the present invention, the stator winding current control unit flows to the rotor winding when the field control is executed in a state where torque acts between the first rotor and the second rotor. It is preferable to control the d-axis current of the stator winding so that the torque acting between the first rotor and the second rotor becomes the target torque under the condition that the alternating current is limited to the allowable current or less. is there.
本発明の一態様では、固定子巻線電流制御部は、前記界磁制御を実行する場合には、回転子巻線に発生する逆起電圧が設定電圧以下になるように固定子巻線のd軸電流を制御することが好適である。 In one aspect of the present invention, the stator winding current control unit, when executing the field control, sets the d-axis of the stator winding so that the counter electromotive voltage generated in the rotor winding is equal to or lower than the set voltage. It is preferable to control the current.
本発明の一態様では、回転子巻線に発生した交流電力を整流することが可能な整流器と、整流器で整流された直流電力を電圧変換することが可能なDC−DCコンバータと、DC−DCコンバータで電圧変換された直流電力を交流に変換して固定子巻線へ供給することが可能なインバータと、を備え、回転子巻線電流制御部は、DC−DCコンバータでの電圧変換を制御することで回転子巻線に流れる交流電流を制御し、固定子巻線電流制御部は、インバータでの電力変換を制御することで固定子巻線に流れる交流電流を制御することが好適である。 In one aspect of the present invention, a rectifier capable of rectifying AC power generated in a rotor winding, a DC-DC converter capable of converting voltage of DC power rectified by the rectifier, and DC-DC An inverter capable of converting the DC power converted by the converter into AC and supplying the stator winding, and the rotor winding current control unit controls voltage conversion in the DC-DC converter. By controlling the alternating current flowing through the rotor winding, it is preferable that the stator winding current control unit controls the alternating current flowing through the stator winding by controlling power conversion in the inverter. .
また、本発明に係る回転電機の駆動制御装置は、回転子巻線が配設された第1回転子と、固定子巻線が配設された固定子と、第1回転子及び固定子と対向し、第1回転子に対し相対回転可能な第2回転子であって、第1回転子及び固定子に流れる界磁磁束を発生する磁石が配設された第2回転子と、を備え、回転子巻線に流れる交流電流と第1回転子に流れる磁石の界磁磁束との相互作用により、第1回転子と第2回転子との間にトルクが作用し、固定子巻線に流れる交流電流と固定子に流れる磁石の界磁磁束との相互作用により、固定子と第2回転子との間にトルクが作用する回転電機の駆動制御装置であって、回転子巻線に流れる交流電流を制御する回転子巻線電流制御部と、固定子巻線に流れる交流電流を制御する固定子巻線電流制御部と、を備え、固定子に流れる磁石の界磁磁束を制御する界磁制御を実行する場合には、回転子巻線電流制御部が回転子巻線のd軸電流を制御することで前記界磁制御を実行することを要旨とする。 A drive control device for a rotating electrical machine according to the present invention includes a first rotor provided with a rotor winding, a stator provided with a stator winding, a first rotor and a stator, A second rotor that is opposed to and is rotatable relative to the first rotor, and is provided with a magnet that generates a field magnetic flux that flows through the first rotor and the stator. Due to the interaction between the alternating current flowing through the rotor winding and the field magnetic flux of the magnet flowing through the first rotor, torque acts between the first rotor and the second rotor, and the stator winding A drive control device for a rotating electrical machine in which a torque acts between a stator and a second rotor by an interaction between a flowing AC current and a field magnetic flux of a magnet flowing in the stator, and flows in the rotor winding Rotor winding current control unit that controls AC current and stator winding current control that controls AC current that flows through the stator winding When the field control for controlling the magnetic field flux of the magnet flowing through the stator is executed, the rotor winding current control unit executes the field control by controlling the d-axis current of the rotor winding. The gist is to do.
本発明によれば、界磁磁束を制御するための界磁巻線を第2回転子に別途追加することなく磁石量を見かけ上変化させたのと同等の効果を得ることができ、回転電機の構成の複雑化を招くことなく界磁制御を行うことができる。 According to the present invention, it is possible to obtain the same effect as apparently changing the magnet amount without separately adding a field winding for controlling the field magnetic flux to the second rotor. Field control can be performed without complicating the configuration of the above.
以下、本発明を実施するための形態(以下実施形態という)を図面に従って説明する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention (hereinafter referred to as embodiments) will be described with reference to the drawings.
図1,2は、本発明の実施形態に係る回転電機の駆動制御装置を備えるハイブリッド駆動装置の構成の概略を示す図であり、図1は全体構成の概略を示し、図2は回転電機10の構成の概略を示す。本実施形態に係るハイブリッド駆動装置は、動力(機械的動力)を発生可能な原動機として設けられたエンジン(内燃機関)36と、エンジン36と車輪38との間に設けられた変速機44と、エンジン36と変速機44との間に設けられた回転電機10と、を備える。なお、本実施形態に係るハイブリッド駆動装置については、例えば車両を駆動するための動力出力装置として用いることができる。
1 and 2 are diagrams showing an outline of a configuration of a hybrid drive device including a drive control device for a rotating electrical machine according to an embodiment of the present invention, FIG. 1 shows an overview of the overall configuration, and FIG. The outline of the structure of is shown. The hybrid drive device according to the present embodiment includes an engine (internal combustion engine) 36 provided as a prime mover capable of generating power (mechanical power), a
回転電機10は、図示しないステータケースに固定されたステータ16と、ステータ16に対し相対回転可能な第1ロータ28と、ロータ回転軸と直交する径方向においてステータ16及び第1ロータ28と所定の空隙を空けて対向し、ステータ16及び第1ロータ28に対し相対回転可能な第2ロータ18と、を有する。ステータ16は、第1ロータ28より径方向外側の位置に第1ロータ28と間隔を空けて配置されており、第2ロータ18は、径方向においてステータ16と第1ロータ28との間の位置に配置されている。つまり、第1ロータ28は第2ロータ18より径方向内側の位置で第2ロータ18と対向配置されており、ステータ16は第2ロータ18より径方向外側の位置で第2ロータ18と対向配置されている。第1ロータ28は回転電機10の入力軸34と機械的に連結され、入力軸34はエンジン36と機械的に連結されていることで、入力軸34(第1ロータ28)にはエンジン36からの動力が伝達される。一方、第2ロータ18は回転電機10の出力軸24と機械的に連結されており、出力軸24は変速機44を介して車輪38に機械的に連結されていることで、車輪38には出力軸24(第2ロータ18)からの動力が変速機44で変速されてから伝達される。なお、以下の説明では、第1ロータ28を入力側ロータとし、第2ロータ18を出力側ロータとする。
The rotating
ステータ16は、ステータコア(固定子鉄心)51と、ステータコア51にその周方向に沿って配設された複数相(例えば3相)のステータ巻線(固定子導体)20と、を含む。複数相のステータ巻線20に複数相(例えば3相)の交流電流が流れることで、ステータ巻線20は、ステータ周方向に回転する回転磁界を発生することができる。
The
入力側ロータ28は、ロータコア(第1回転子鉄心)52と、ロータコア52にその周方向に沿って配設された複数相(例えば3相)のロータ巻線(回転子導体)30と、を含む。複数相のロータ巻線30に複数相(例えば3相)の交流電流が流れることで、ロータ巻線30は、ロータ周方向に回転する回転磁界を発生することができる。
The input-
出力側ロータ18は、ロータコア(第2回転子鉄心)53と、ロータコア53にその周方向に沿って配設され界磁磁束を発生する複数の永久磁石33と、を含む。各永久磁石33は、ロータコア53の内周部に入力側ロータ28(ロータコア52)と対向して配設されている。
The output-
入力側ロータ28、出力側ロータ18、及びステータ16のより詳細な構成例を図3,4に示す。図3では、周方向に関して入力側ロータ28、出力側ロータ18、及びステータ16の構成の一部を図示している。ただし、図3において図示を省略している残りの部分の構成は、図示している部分と同様の構成である。図3,4に示す例では、入力側ロータ28、出力側ロータ18、及びステータ16が同心円状に配置されている。ステータ16のステータコア51には、径方向内側へ(出力側ロータ18へ向けて)突出した複数のステータティース51aがステータ周方向に沿って間隔をおいて配列されており、各ステータ巻線20がこれらのステータティース51aに巻回されていることで、磁極が構成される。入力側ロータ28のロータコア52には、径方向外側へ(出力側ロータ18へ向けて)突出した複数のロータティース52aがロータ周方向に沿って間隔をおいて配列されており、各ロータ巻線30がこれらのロータティース52aに巻回されていることで、磁極が構成される。
3 and 4 show more detailed configuration examples of the
出力側ロータ18においては、複数の永久磁石33が入力側ロータ28と対向する内周面に露出した状態で周方向に沿って配列されている。図3,4に示す例では、複数の永久磁石33は、周方向に間隔を空けずに配列されている。各永久磁石33の着磁方向は、ロータ回転軸に直交する径方向(出力側ロータ18が入力側ロータ28及びステータ16と対向する方向)に一致(あるいはほぼ一致)しており、永久磁石33の内周面33a及び外周面33bが磁極面として機能する。図3,4に示す例では、各永久磁石33は湾曲した形状であり、各磁極面33a,33bが曲面である。複数の永久磁石33は、周方向(ロータ回転方向)において磁極面33a,33bの磁極が交互する(「N極」と「S極」が交互に並ぶ)ように、つまり隣接する永久磁石33同士で着磁方向が反転するように配置されている。各永久磁石33の内周側の磁極面33aは出力側ロータ18の内周面に露出した状態でロータティース52aと対向配置されており、各永久磁石33の磁極面33aで発生する界磁磁束は、入力側ロータ28に作用する。ロータコア53の内周面53aは永久磁石33の外周側の磁極面33bと結合され、ロータコア53の外周面53bはステータティース51aと対向配置されている。つまり、ロータコア53は、出力側ロータ18が入力側ロータ28及びステータ16と対向する径方向に関して、永久磁石33との結合面からステータ16との対向面にかけて設けられている。そして、出力側ロータ18におけるステータ16と対向する外周部には、永久磁石は設けられておらず、ロータコア53が配置されている。各永久磁石33の磁極面33bで発生する界磁磁束は、ロータコア53を介してステータ16に作用する。このように、入力側ロータ28に流れる界磁磁束を発生する永久磁石と、ステータ16に流れる界磁磁束を発生する永久磁石とが共通化されている。ロータコア53については、例えば薄い珪素鋼板(電磁鋼板)をロータ回転軸方向に積層して形成することが可能である。
In the
さらに、出力側ロータ18のロータコア53には、周方向に隣接する永久磁石33の磁極面33b間でロータコア53を通って回り込む漏れ磁束を抑制するための空隙54が複数形成されている。複数の空隙54は、永久磁石33よりもステータ16側(径方向外側)に配置されており、周方向に関して永久磁石33の幅と等しい(あるいはほぼ等しい)間隔をおいて配列されている。図4に示すように、ロータコア53の各空隙54は径方向に延びており、径方向内側の端部が永久磁石33の磁極面33b同士の隣接部分33c付近に位置し、径方向外側の端部がロータコア53の外周面53b付近に位置する。つまり、ロータコア53の各空隙54は、入力側ロータ28及びステータ16との対向方向である径方向に関して、永久磁石33の磁極面33b同士の隣接部分33c付近からステータ16と対向する外周面53b付近にかけて形成されている。出力側ロータ18においては、この空隙54により、ステータ16からの磁束が通る場合の磁気抵抗が回転方向に応じて変化し、空隙54の位置で磁気抵抗が高くなる。各空隙54の幅(周方向に関する長さ)については、ステータ16側(径方向外側端部)の長さaが永久磁石33側(径方向内側端部)の長さbよりも長く、永久磁石33側(径方向内側端部)からステータ16側(径方向外側端部)に向かうにつれて徐々に増大している。図4に示す例では、空隙54の径方向内側端部と永久磁石33の磁極面33b同士の隣接部分33cとの間に磁気的な橋絡部分53cが設けられ、空隙54の径方向外側端部と出力側ロータ18(ロータコア53)の外周面53bとの間に磁気的な橋絡部分53dが設けられている。ただし、磁気的な橋絡部分53cを省略して空隙54の径方向内側端部を永久磁石33の磁極面33b同士の隣接部分33cまで延ばすことも可能であるし、磁気的な橋絡部分53dを省略して空隙54の径方向外側端部をステータ16と対向する外周面53bまで延ばすことも可能である。また、周方向に隣接する永久磁石33の磁極面33b間でロータコア53を通って回り込む漏れ磁束を抑制するために、空隙54の代わりに非磁性体を出力側ロータ18に設けることも可能である。その場合は、上記の説明において、「空隙54」を「非磁性体」に置き換えたものを考えればよい。
Further, the
クラッチ48は、その係合/解放により、入力軸34(入力側ロータ28)と出力軸24(出力側ロータ18)との機械的係合及びその解除を選択的に行うことが可能である。クラッチ48を係合させて、入力側ロータ28と出力側ロータ18とを機械的に係合させることで、入力側ロータ28と出力側ロータ18とが一体となって等しい回転速度で回転する。一方、クラッチ48を解放して、入力側ロータ28と出力側ロータ18との機械的係合を解除することで、入力側ロータ28と出力側ロータ18との回転速度差が許容される。ここでのクラッチ48は、例えば油圧や電磁力を利用してその係合/解放を切り替えることが可能であり、さらに、クラッチ48に供給する油圧力や電磁力を調整することで、クラッチ48の締結力を調整することもできる。
The clutch 48 can selectively perform mechanical engagement between the input shaft 34 (input-side rotor 28) and the output shaft 24 (output-side rotor 18) and release thereof by engagement / release. By engaging the clutch 48 and mechanically engaging the input-
直流電源として設けられた充放電可能な蓄電装置42は、例えば二次電池により構成することができ、電気エネルギーを蓄える。インバータ40は、スイッチング素子と、スイッチング素子に対し逆並列接続されたダイオード(整流素子)とを備える公知の構成により実現可能であり、スイッチング素子のスイッチング動作により蓄電装置42からの直流電力を交流(例えば3相交流)に変換して、ステータ巻線20の各相に供給することが可能である。さらに、インバータ40は、ステータ巻線20の各相に流れる交流電流を直流に変換して、電気エネルギーを蓄電装置42に回収する方向の電力変換も可能である。このように、インバータ40は、蓄電装置42とステータ巻線20との間で双方向の電力変換を行うことが可能である。
The chargeable / dischargeable
スリップリング95は、入力側ロータ28と機械的に連結されており、さらに、ロータ巻線30の各相と電気的に接続されている。回転が固定されたブラシ96は、スリップリング95に押し付けられて電気的に接触する。スリップリング95は、ブラシ96に対し摺動しながら(ブラシ96との電気的接触を維持しながら)、入力側ロータ28とともに回転する。ブラシ96は、整流器93と電気的に接続されており、ブラシ96からの電力は整流器93へ供給される。このスリップリング95及びブラシ96により、入力側ロータ28のロータ巻線30の電力(交流電力)を取り出すための電力伝達部を構成することができ、取り出された交流電力は整流器93へ供給される。
The
整流器93は、スリップリング95及びブラシ96により取り出されたロータ巻線30からの交流電力をダイオード(整流素子)により整流して直流に変換する。昇圧コンバータ(DC−DCコンバータ)94は、スイッチング素子及びダイオード(整流素子)を備える公知の構成により実現可能であり、スイッチング素子のスイッチング動作により整流器93で整流された直流電力を昇圧(電圧変換)して出力する。昇圧コンバータ94で昇圧(電圧変換)された直流電力は、インバータ40で交流に変換されてからステータ巻線20の各相へ供給可能である。つまり、インバータ40は、昇圧コンバータ94で昇圧された直流電力と蓄電装置42からの直流電力とのいずれか(少なくとも一方)を交流に変換してステータ巻線20の各相へ供給することが可能である。そのため、ロータ巻線30とステータ巻線20との間で電力変換を行うことが可能である。また、昇圧コンバータ94で昇圧された直流電力を蓄電装置42に回収することも可能である。ここでの整流器93は、スリップリング95側から昇圧コンバータ94側への一方向のみの電力変換を行い、昇圧コンバータ94は、整流器93側から蓄電装置42側(あるいはインバータ40側)への一方向のみの電力変換を行う。そのため、整流器93及び昇圧コンバータ94は、ロータ巻線30側から蓄電装置42側(あるいはインバータ40側)への一方向のみの電力変換を行う。なお、昇圧コンバータ94の代わりに、DC−DCコンバータとして降圧コンバータや昇降圧コンバータを設けることも可能である。
The
電子制御ユニット50は、インバータ40のスイッチング素子のスイッチング動作を制御して、インバータ40での電力変換を制御することで、ステータ巻線20の各相に流れる交流電流を制御する。そして、電子制御ユニット50は、昇圧コンバータ94のスイッチング素子をスイッチング動作するときのデューティ比を制御して、昇圧コンバータ94での昇圧比(電圧変換比)を制御することで、ロータ巻線30の各相に流れる交流電流を制御する。そして、電子制御ユニット50は、クラッチ48の係合/解放を切り替えることで、入力側ロータ28と出力側ロータ18との機械的係合/その解除を切り替える制御も行う。さらに、電子制御ユニット50は、エンジン36の運転状態の制御、及び変速機44の変速比の制御も行う。
The
入力側ロータ28が出力側ロータ18に対し相対回転して入力側ロータ28(ロータ巻線30)と出力側ロータ18(永久磁石33)との間に回転差が生じるのに伴ってロータ巻線30に誘導起電力が発生し、この誘導起電力に起因してロータ巻線30に誘導電流(交流電流)が流れることで回転磁界が生じる。そして、ロータ巻線30の誘導電流による回転磁界と永久磁石33から入力側ロータ28へ流れる界磁磁束との電磁気相互作用によっても、出力側ロータ18にトルクを作用させることができ、出力側ロータ18を回転駆動することができる。このように、入力側ロータ28のロータ巻線30と出力側ロータ18の永久磁石33とが電磁気的に結合されていることで、ロータ巻線30で発生する回転磁界が出力側ロータ18に作用するのに応じて、入力側ロータ28と出力側ロータ18との間にトルク(磁石トルク)が作用する。そのため、入力側ロータ28と出力側ロータ18との間で動力(機械的動力)を伝達することができ、入力側ロータ28及び出力側ロータ18を誘導電磁カップリング部として機能させることができる。
As the
ロータ巻線30の誘導電流により入力側ロータ28と出力側ロータ18との間にトルク(以下、電磁カップリングトルクとする)を発生させる際には、電子制御ユニット50は、昇圧コンバータ94の出力電圧が蓄電装置42の電圧よりも高くなるように昇圧コンバータ94での昇圧比を制御する。これによって、昇圧コンバータ94から蓄電装置42とインバータ40間の配線へ電流が流れ、ロータ巻線30に誘導電流が流れるため、入力側ロータ28と出力側ロータ18との間に電磁カップリングトルクが作用する。その際には、電子制御ユニット50は、昇圧コンバータ94での昇圧比の制御によりロータ巻線30に流れる交流電流を制御することで、入力側ロータ28と出力側ロータ18との間に作用する電磁カップリングトルクを制御することができる(特許文献2,3も参照されたい)。一方、電子制御ユニット50は、インバータ40のスイッチング動作を行わない状態で昇圧コンバータ94の出力電圧が蓄電装置42の電圧よりも低くなるように昇圧コンバータ94での昇圧比を制御することで、入力側ロータ28と出力側ロータ18との間に回転差が生じてもロータ巻線30に誘導電流が流れなくなり、入力側ロータ28と出力側ロータ18との間に電磁カップリングトルクは作用しなくなる。また、昇圧コンバータ94内のスイッチング素子をオフ状態に維持して昇圧コンバータ94による昇圧(電圧変換)を停止させることによっても、ロータ巻線30に誘導電流が流れなくなり、入力側ロータ28と出力側ロータ18との間に電磁カップリングトルクは作用しなくなる。
When generating torque (hereinafter referred to as electromagnetic coupling torque) between the
入力側ロータ28と出力側ロータ18との間に電磁カップリングトルクを発生させる際には、図5に示すように、各永久磁石33の内周側磁極面33aが出力側ロータ18の内周面に露出した状態で入力側ロータ28と対向しているため、永久磁石33の内周側磁極面33aの磁束については、周方向に隣接する永久磁石33の内周側磁極面33a間を入力側ロータ28(ロータコア52)を介して流れることでトルク(磁石トルク)に寄与する有効磁束61が支配的となる。そのため、トルクに寄与する有効磁束61を増加させることができるとともに、トルクに寄与しない漏れ磁束を減少させることができる。したがって、ロータ巻線30に受動的に流れる誘導電流により発生する、入力側ロータ28と出力側ロータ18との間の磁石トルクを増大させることができ、ロータ巻線30に電力供給することなく入力側ロータ28と出力側ロータ18との間のトルクを増大させることができる。その結果、蓄電装置42の蓄電量が少ない場合や極低温時等においても、入力側ロータ28と出力側ロータ18との間のトルクを増大させることができる。さらに、ステータ巻線20の電力をロータ巻線30に供給することによる動力循環の発生も防ぐことができる。なお、本実施形態では、図5に示すように、周方向に隣接する永久磁石33の内周側磁極面33a間を入力側ロータ28を介さずに空隙を介して流れることでトルクに寄与しない漏れ磁束63も発生するが、この漏れ磁束63は僅かである。
When electromagnetic coupling torque is generated between the
また、インバータ40のスイッチング動作により複数相のステータ巻線20に複数相(例えば3相)の交流電流が流れることで、ステータ巻線20は、ステータ周方向に回転する回転磁界を発生する。そして、ステータ巻線20の交流電流による回転磁界と永久磁石33からステータ16へ流れる界磁磁束との電磁気相互作用(吸引及び反発作用)により、出力側ロータ18にトルク(磁石トルク)を作用させることができ、出力側ロータ18を回転駆動することができる。つまり、蓄電装置42からステータ巻線20に供給された電力を出力側ロータ18の動力(機械的動力)に変換することができ、ステータ16及び出力側ロータ18を同期電動機(PMモータ部)として機能させることができる。さらに、インバータ40は、ステータ巻線20の各相に流れる交流電流を直流に変換して、電気エネルギーを蓄電装置42に回収する方向の変換も可能である。その場合は、出力側ロータ18の動力がステータ巻線20の電力に変換されて蓄電装置42に回収される。このように、ステータ16のステータ巻線20と出力側ロータ18の永久磁石33とが電磁気的に結合されていることで、ステータ巻線20で発生する回転磁界を出力側ロータ18に作用させて、ステータ16と出力側ロータ18との間にトルク(磁石トルク)を作用させることができる。さらに、出力側ロータ18においては、ステータ16からの磁束が通る場合の磁気抵抗が空隙54により回転方向に応じて変化するため、ステータ16の発生する回転磁界が出力側ロータ18に作用するのに応じて、磁石トルクに加えてリラクタンストルクもステータ16と出力側ロータ18との間に作用する。電子制御ユニット50は、インバータ40のスイッチング動作により例えばステータ巻線20に流す交流電流の振幅や位相角を制御することで、ステータ16と出力側ロータ18との間に作用するトルク(以下、MGトルクとする)を制御することができる。
Further, when a plurality of phases (for example, three phases) of alternating current flows through the plurality of
ステータ16と出力側ロータ18との間にMGトルクを発生させる際には、図6に示すように、永久磁石33の外周側磁極面33bの磁束74がロータコア53を介してステータ16(ステータコア51)に作用する。そのため、この磁束74が、周方向に隣接する永久磁石33の外周側磁極面33b間をステータ16(ステータコア51)を介して流れることでトルク(磁石トルク)に寄与する有効磁束として働く。さらに、周方向に隣接する永久磁石33の外周側磁極面33b間でステータ16を介さずにロータコア53を通って回り込む漏れ磁束75が空隙54により抑制されるので、磁石トルクに寄与する有効磁束74を増加させることができる。その際には、空隙54の永久磁石33側(径方向内側端部)の幅bを小さくし、空隙54のステータ16側(径方向外側端部)の幅aを大きくすることで、永久磁石33の外周側磁極面33bにおける有効磁束74の流れが空隙54により阻害されるのを防ぎつつ、トルクに寄与しない漏れ磁束75を減少させることができる。そして、空隙54の永久磁石33側の幅bを小さくすることで、入力側ロータ28と出力側ロータ18との間のトルクに寄与する有効磁束61の減少を抑えることもできる。さらに、本実施形態では、ステータ巻線20に流れる電流により磁化したステータティース51a間をロータコア53を介して流れることでリラクタンストルクに寄与する有効磁束76も発生する。磁石トルクとともにリラクタンストルクも併用することで、ステータ16と出力側ロータ18との間のトルクを増大させることができる。空隙54の形状を変えることで、磁石トルクとリラクタンストルクとの配分等の磁気特性を変化させることも可能である。
When MG torque is generated between the
次に、本実施形態に係るハイブリッド駆動装置において、車輪38を駆動する動作について説明する。
Next, the operation of driving the
エンジン36が動力を発生している場合は、エンジン36の動力が入力側ロータ28に伝達され、入力側ロータ28がエンジン回転方向に回転駆動する。クラッチ48が解放されている状態で、入力側ロータ28の回転速度が出力側ロータ18の回転速度より高くなると、ロータ巻線30に誘導起電力が発生する。電子制御ユニット50は、昇圧コンバータ94の出力電圧が蓄電装置42の電圧よりも高くなるように昇圧コンバータ94での昇圧比を制御することで、スリップリング95及びブラシ96を介してロータ巻線30に誘導電流(交流電流)が流れ、この誘導電流と永久磁石33から入力側ロータ28へ流れる界磁磁束との電磁気相互作用により入力側ロータ28から出力側ロータ18にエンジン回転方向の電磁カップリングトルクが作用して出力側ロータ18がエンジン回転方向に回転駆動する。このように、入力側ロータ28に伝達されたエンジン36からの動力は、入力側ロータ28のロータ巻線30と出力側ロータ18の永久磁石33との電磁気結合によって、出力側ロータ18へ伝達される。出力側ロータ18に伝達された動力は、変速機44で変速されてから車輪38へ伝達されることで、車両の前進駆動等、負荷の正転駆動に用いられる。したがって、エンジン36の動力を用いて車輪38を正転方向に回転駆動することができ、車両を前進方向に駆動することができる。さらに、入力側ロータ28と出力側ロータ18との回転差を許容することができるため、車輪38の回転が停止してもエンジン36がストールすることはない。そのため、回転電機10を発進装置として機能させることができ、摩擦クラッチやトルクコンバータ等の発進装置を別に設ける必要がなくなる。
When the
さらに、ロータ巻線30に発生した交流電力は、スリップリング95及びブラシ96を介して取り出される。取り出された交流電力は整流器93で直流に整流され、整流された直流電力は昇圧コンバータ94で昇圧される。そして、昇圧コンバータ94からの直流電力がインバータ40で交流に変換されてからステータ巻線20に供給されることで、ステータ16に回転磁界が形成される。このステータ16の回転磁界と出力側ロータ18の永久磁石33からステータ16へ流れる界磁磁束との電磁気相互作用によっても、出力側ロータ18にエンジン回転方向のMGトルクを作用させることができる。これによって、出力側ロータ18のエンジン回転方向のトルクを増幅させるトルク増幅機能を実現することができる。また、昇圧コンバータ94からの直流電力を蓄電装置42に回収することも可能である。
Further, AC power generated in the rotor winding 30 is taken out via the
さらに、蓄電装置42からステータ巻線20へ電力供給するようにインバータ40のスイッチング動作を制御することで、エンジン36の動力を用いて車輪38を正転方向に回転駆動するとともに、ステータ巻線20への供給電力を用いて発生させた出力側ロータ18の動力により車輪38の正転方向の回転駆動をアシストすることができる。また、負荷の減速運転時には、電子制御ユニット50は、ステータ巻線20から蓄電装置42へ電力回収するようにインバータ40のスイッチング動作を制御することで、負荷の動力をステータ巻線20と永久磁石33との電磁気結合によってステータ巻線20の電力に変換して蓄電装置42に回収することができる。
Further, by controlling the switching operation of the
また、エンジン36の動力を用いずに回転電機10の動力を用いて負荷を駆動する(車輪38を回転駆動する)EV(Electric Vehicle)走行を行う場合は、電子制御ユニット50は、インバータ40のスイッチング動作を制御することで、負荷の駆動制御を行う。例えば、電子制御ユニット50は、蓄電装置42からの直流電力を交流に変換してステータ巻線20へ供給するように、インバータ40のスイッチング動作を制御することで、ステータ巻線20への供給電力をステータ巻線20と永久磁石33との電磁気結合によって出力側ロータ18の動力に変換し、車輪38を回転駆動する。このように、エンジン36が動力を発生していなくても、ステータ巻線20への電力供給により車輪38を回転駆動することができる。なお、EV走行を行う場合は、クラッチ48を解放状態に制御する。
In addition, when EV (Electric Vehicle) traveling is performed by driving the load using the power of the rotating
本実施形態において、入力側ロータ28と出力側ロータ18との間に発生可能な電磁カップリングトルク(最大トルク)を増加させるためには、出力側ロータ18の永久磁石33により入力側ロータ28に流れる界磁磁束量を増加させることが望ましい。その一方で、出力側ロータ18の回転時にロータ巻線30やステータ巻線20に発生する逆起電圧を減少させるためには、出力側ロータ18の永久磁石33により入力側ロータ28やステータ16に流れる界磁磁束量を減少させることが望ましい。そこで、本実施形態では、出力側ロータ18の永久磁石33により流れる界磁磁束量を制御できることが望ましい。
In this embodiment, in order to increase the electromagnetic coupling torque (maximum torque) that can be generated between the input-
本実施形態の回転電機10において、入力側ロータ28、出力側ロータ18、及びステータ16に流れる磁束を計算した結果を図7,8に示す。図7は、ステータ巻線20に交流電流を流さずにロータ巻線30のみに交流電流を流した場合における磁束線の様子を示す。一方、図8は、ロータ巻線30だけでなくステータ巻線20にも交流電流を同時に流した場合における磁束線の様子を示す。図8では、ステータ巻線20の交流電流による磁束72の方向が永久磁石33による磁束71の方向と同方向(強め界磁方向)となるようにステータ巻線20に交流電流を流した場合における磁束線の様子を示している。本実施形態では、共通の永久磁石33による界磁磁束が、ステータ16(ステータティース51a)に流れてステータ巻線20の交流電流による磁束と電磁気的に相互作用するとともに、入力側ロータ28(ロータティース52a)に流れてロータ巻線30の交流電流による磁束と電磁気的に相互作用する。そのため、ステータ巻線20の交流電流による磁束の方向が永久磁石33による磁束の方向と同方向(強め界磁方向)となるようにステータ巻線20に交流電流(d軸電流)を流すことで、永久磁石33の外周側磁極面33bで発生しステータ巻線20に鎖交する界磁磁束量が増加するとともに、永久磁石33の内周側磁極面33aで発生しロータ巻線30に鎖交する界磁磁束量も増加する。一方、ステータ巻線20の交流電流による磁束の方向が永久磁石33による磁束の方向と逆方向(弱め界磁方向)となるようにステータ巻線20に交流電流(d軸電流)を流すことで、永久磁石33の外周側磁極面33bで発生しステータ巻線20に鎖交する界磁磁束量が減少するとともに、永久磁石33の内周側磁極面33aで発生しロータ巻線30に鎖交する界磁磁束量も減少する。そこで、本実施形態では、ステータ巻線20のd軸電流を制御することで、入力側ロータ28に流れる(ロータ巻線30に鎖交する)永久磁石33の界磁磁束量を制御する界磁制御を実行することができる。
In the rotating
ステータ巻線20に流れる交流電流及びロータ巻線30に流れる交流電流を制御するための電子制御ユニット50の機能ブロック図の一例を図9に示す。カップリングトルク指令値演算部151は、例えばアクセル開度A(車輪38の要求駆動力)と車速V(車輪38の回転速度)とに基づいて、入力側ロータ28と出力側ロータ18との間に作用する電磁カップリングトルクの指令値Tcoup_refを演算する。ロータ巻線電流指令値演算部152は、入力側ロータ28と出力側ロータ18との回転速度差ωin−ωoutと、カップリングトルク指令値演算部151で演算された電磁カップリングトルクの指令値Tcoup_refとに基づいて、ロータ巻線30の電流の指令値Icoup_refを演算する。ロータ巻線電流制御部153は、ロータ巻線30の電流Icoupがロータ巻線電流指令値演算部152で演算された指令値Icoup_refに一致するように、昇圧コンバータ94での昇圧比(電圧変換比)を制御する。これによって、入力側ロータ28と出力側ロータ18との間に作用する電磁カップリングトルクTcoupがカップリングトルク指令値演算部151で演算された指令値Tcoup_refに一致するように制御される。
An example of a functional block diagram of the
界磁磁束補正値演算部154は、入力側ロータ28と出力側ロータ18との回転速度差ωin−ωoutと、ロータ巻線電流指令値演算部152で演算されたロータ巻線30の電流の指令値Icoup_refとに基づいて、入力側ロータ28に流れる(ロータ巻線30に鎖交する)永久磁石33の界磁磁束の補正値ΔΦcoup_refを演算する。MGトルク指令値演算部155は、例えばアクセル開度A(車輪38の要求駆動力)と、カップリングトルク指令値演算部151で演算された電磁カップリングトルクの指令値Tcoup_refとに基づいて、ステータ16と出力側ロータ18との間に作用するMGトルクの指令値Tmg_refを演算する。d軸電流指令値演算部156は、出力側ロータ18の回転速度ωoutと、MGトルク指令値演算部155で演算されたMGトルクの指令値Tmg_refとに基づいて、ステータ巻線20のd軸電流の指令値Idmg_tempを演算する。q軸電流指令値演算部157は、MGトルク指令値演算部155で演算されたMGトルクの指令値Tmg_refに基づいて、ステータ巻線20のq軸電流の指令値Iqmg_tempを演算する。d軸電流指令値補正部158は、界磁磁束補正値演算部154で演算された界磁磁束の補正値ΔΦcoup_refに基づいて、ステータ巻線20のd軸電流の指令値Idmg_tempを補正し、補正後のd軸電流の指令値Idmg_refを出力する。q軸電流指令値補正部159は、d軸電流指令値補正部158で補正されたd軸電流の指令値Idmg_refに基づいて、ステータ巻線20のq軸電流の指令値Iqmg_tempを補正し、補正後のq軸電流の指令値Iqmg_refを出力する。ステータ巻線電流制御部160は、ステータ巻線20のd軸電流Idmg及びq軸電流Iqmgがd軸電流指令値補正部158で補正されたd軸電流の指令値Idmg_ref及びq軸電流指令値補正部159で補正されたq軸電流の指令値Iqmg_refにそれぞれ一致するように、インバータ40のスイッチング動作(インバータ40での電力変換)を制御する。これによって、入力側ロータ28と出力側ロータ18との間に作用するMGトルクTmgがMGトルク指令値演算部155で演算された指令値Tmg_refに一致するように制御される。さらに、入力側ロータ28に流れる永久磁石33の界磁磁束の補正量ΔΦcoupが界磁磁束補正値演算部154で演算された補正値ΔΦcoup_refに一致するように、ステータ巻線20のd軸電流Idmgが制御される。
The field magnetic flux correction
本実施形態では、入力側ロータ28と出力側ロータ18との差動回転速度ωin−ωoutに起因して、ロータ巻線30に逆起電圧が発生して電流Icoupが流れることで、入力側ロータ28と出力側ロータ18との間に電磁カップリングトルクTcoupが発生する。このとき、ロータ巻線30の外部回路の等価抵抗(昇圧コンバータ94での昇圧比)に変化が無ければ、ロータ巻線30の電流Icoupは差動回転速度ωin−ωoutと共に増加するが、電磁カップリングトルクTcoupは電流位相の変化に伴い、ある差動回転速度ωin−ωoutでピークとなる(図10参照)。電磁カップリングトルクTcoupの最大値は、入力側ロータ28に流れる永久磁石33の界磁磁束量を増すことで増加させることが可能であるが、永久磁石33の磁石量(厚み)の増加は、回転電機10のコストの増加を招くだけでなく、ロータ巻線30やステータ巻線20に発生する逆起電圧の増加を招く。そこで、本実施形態では、界磁磁束補正値演算部154が、入力側ロータ28に流れる永久磁石33の界磁磁束量を増加させるように界磁磁束の補正値ΔΦcoup_refを演算し、ステータ巻線電流制御部160が、ステータ巻線20のd軸電流Idmgを、界磁磁束の補正値ΔΦcoup_refに基づいて補正されたd軸電流の指令値Idmg_refに一致させるように制御することで、入力側ロータ28に流れる永久磁石33の界磁磁束量を増加させる強め界磁制御を実行する。この強め界磁制御によって、永久磁石33の磁石量を一時的に増加させたのと実質的に同等の効果を得ることで、電磁カップリングトルクTcoupの最大値を増加させる。ステータ巻線20のd軸電流制御による強め界磁制御を行う場合と、強め界磁制御を行わない場合とにおける、差動回転速度ωin−ωoutと電磁カップリングトルクTcoupとの関係を図11に示す。図11に示すように、ステータ巻線20のd軸電流制御による強め界磁制御を行うことで、電磁カップリングトルクTcoupの最大値を増加させることが可能となる。
In the present embodiment, due to the differential rotational speed ω in −ω out between the
入力側ロータ28と出力側ロータ18との間に電磁カップリングトルクTcoupを発生させる場合に電子制御ユニット50が実行する処理の一例を図12に示す。まずステップS101においては、電磁カップリングトルクの指令値Tcoup_refがカップリングトルク指令値演算部151で演算される。ステップS102においては、ステップS101で演算された電磁カップリングトルクの指令値Tcoup_refに基づいて、ロータ巻線30の電流の指令値Icoup_refがロータ巻線電流指令値演算部152で演算される。ステップS103においては、ステップS102で演算されたロータ巻線30の電流の指令値Icoup_refが許容電流値Icoup_lim以下であるか否かが界磁磁束補正値演算部154で判定される。ロータ巻線30の電流の指令値Icoup_refが許容電流値Icoup_lim以下である場合(ステップS103の判定結果がYESの場合)は、Idmg_ref=Idmg_temp、Iqmg_ref=Iqmg_tempとし、ステップS108に進む。一方、ロータ巻線30の電流の指令値Icoup_refが許容電流値Icoup_limより大きい場合(ステップS103の判定結果がNOの場合)は、ステップS104に進む。
An example of processing executed by the
ステップS104においては、ステータ巻線20のd軸電流Idmgによる磁束の方向が永久磁石33による磁束の方向と同方向となることで入力側ロータ28に流れる永久磁石33の界磁磁束量を増加させる(強め界磁制御を行う)ように、界磁磁束の補正値ΔΦcoup_refに基づいてステータ巻線20のd軸電流の指令値Idmg_tempがd軸電流指令値補正部158で補正される。ステップS105においては、ステータ巻線20のd軸電流Idmgの補正によって入力側ロータ28と出力側ロータ18との間に作用するMGトルクTmgが変化しないように、ステップS104で補正されたd軸電流の指令値Idmg_refに基づいて、ステータ巻線20のq軸電流の指令値Iqmg_tempがq軸電流指令値補正部159で補正される。ステップS106においては、入力側ロータ28に流れる永久磁石33の界磁磁束量の補正(強め界磁制御)によって電磁カップリングトルクTcoupが変化(増加)しないように、電磁カップリングトルクの指令値Tcoup_refと界磁磁束の補正値ΔΦcoup_refとに基づいて、ロータ巻線30の電流の指令値Icoup_refがロータ巻線電流指令値演算部152で再度演算される。ステップS107においては、ステップS106で再度演算されたロータ巻線30の電流の指令値Icoup_refが許容電流値Icoup_lim以下であるか否かが界磁磁束補正値演算部154で判定される。ロータ巻線30の電流の指令値Icoup_refが許容電流値Icoup_limより大きい場合(ステップS107の判定結果がNOの場合)は、ステップS104に戻り、入力側ロータ28に流れる永久磁石33の界磁磁束量をさらに増加させるように界磁磁束の補正値ΔΦcoup_refに基づいてステータ巻線20のd軸電流の指令値Idmg_tempがd軸電流指令値補正部158で再度補正される。一方、ロータ巻線30の電流の指令値Icoup_refが許容電流値Icoup_lim以下である場合(ステップS107の判定結果がYESの場合)は、ステップS108に進む。
In step S104, the direction of the magnetic flux by the d-axis current Id mg of the stator winding 20 is the same as the direction of the magnetic flux by the
ステップS108においては、ロータ巻線30の電流IcoupがステップS102(ステップS103の判定結果がYESの場合)またはステップS106(ステップS107の判定結果がYESの場合)で演算された指令値Icoup_refに一致するようにロータ巻線電流制御部153で制御される。これによって、電磁カップリングトルクTcoupがステップS101で演算された指令値Tcoup_refに一致するように制御される。ステップS109においては、ステータ巻線20のd軸電流Idmg及びq軸電流Iqmgがd軸電流の指令値Idmg_ref及びq軸電流の指令値Iqmg_refにそれぞれ一致するようにステータ巻線電流制御部160で制御される。これによって、MGトルクTmgが指令値Tmg_refに一致するように制御されるとともに、入力側ロータ28に流れる永久磁石33の界磁磁束量が補正量ΔΦcoup分増加する(強め界磁制御を行う)ようにステータ巻線20のd軸電流Idmgが制御される。
In step S108, the current I cup of the rotor winding 30 is set to the command value I cup — ref calculated in step S102 (when the determination result of step S103 is YES) or step S106 (when the determination result of step S107 is YES). The rotor winding
以上説明した図12のフローチャートの処理によれば、入力側ロータ28と出力側ロータ18との間に電磁カップリングトルクTcoupが作用する状態で、入力側ロータ28に流れる永久磁石33の界磁磁束量を増加させる強め界磁制御を実行する場合には、ロータ巻線30の電流Icoupが許容電流値Icoup_lim以下に制限される条件で電磁カップリングトルクTcoupが指令値(目標トルク)Tcoup_refとなるように、ステータ巻線20のd軸電流Idmgがステータ巻線電流制御部160で制御される。このステータ巻線20のd軸電流制御による強め界磁制御を実行することで、永久磁石33の磁石量を見かけ上増加させたのと同等の効果を得ることができる。その結果、永久磁石33の磁石量を実際に増加させることなく、ロータ巻線30の電流Icoupを許容電流値Icoup_lim以下に抑制しつつ、入力側ロータ28と出力側ロータ18との間に作用する電磁カップリングトルクTcoupの最大値を増加させることができる。
According to the processing of the flowchart of FIG. 12 described above, the field of the
また、本実施形態では、界磁磁束補正値演算部154が、入力側ロータ28に流れる永久磁石33の界磁磁束量を減少させるように界磁磁束の補正値ΔΦcoup_refを演算し、ステータ巻線電流制御部160が、ステータ巻線20のd軸電流Idmgを、界磁磁束の補正値ΔΦcoup_refに基づいて補正されたd軸電流の指令値Idmg_refに一致させるように制御することで、入力側ロータ28に流れる永久磁石33の界磁磁束量を減少させる弱め界磁制御を実行することも可能である。この弱め界磁制御によって、永久磁石33の磁石量を一時的に減少させたのと実質的に同等の効果を得ることで、ロータ巻線30やステータ巻線20に発生する逆起電圧を低減することができる。ステータ巻線20のd軸電流Idmgを変化させてステータ巻線20の電流位相を変化させた場合にロータ巻線30に発生する逆起電圧の変化を調べた結果を図13に示す。図13に示すように、ステータ巻線20の電流位相を進角させることで、ロータ巻線30に発生する逆起電圧を低減することができる。
In the present embodiment, the field magnetic flux correction
ステータ16と出力側ロータ18との間に作用するMGトルクTmgによりEV走行を行う場合に電子制御ユニット50が実行する処理の一例を図14に示す。まずステップS201においては、MGトルクの指令値Tmg_refがMGトルク指令値演算部155で演算される。ステップS202においては、ステップS201で演算されたMGトルクの指令値Tmg_refに基づいて、ステータ巻線20のd軸電流の指令値Idmg_temp及びq軸電流の指令値Iqmg_tempがd軸電流指令値演算部156及びq軸電流指令値演算部157でそれぞれ演算される。ステップS203においては、出力側ロータ18の回転速度ωoutに基づいて演算されたロータ巻線30の逆起電圧Vcoupが設定電圧値Vcoup_lim以下であるか否かが界磁磁束補正値演算部154で判定される。ここでの設定電圧値Vcoup_limは、例えば蓄電装置42の電圧に基づいて設定される。ロータ巻線30の逆起電圧Vcoupが設定電圧値Vcoup_lim以下である場合(ステップS203の判定結果がYESの場合)は、Idmg_ref=Idmg_temp、Iqmg_ref=Iqmg_tempとし、ステップS207に進む。一方、ロータ巻線30の逆起電圧Vcoupが設定電圧値Vcoup_limより大きい場合(ステップS203の判定結果がNOの場合)は、ステップS204に進む。
FIG. 14 shows an example of processing executed by the
ステップS204においては、ステータ巻線20のd軸電流Idmgによる磁束の方向が永久磁石33による磁束の方向と逆方向となることで入力側ロータ28に流れる永久磁石33の界磁磁束量を減少させる(弱め界磁制御を行う)ように界磁磁束の補正値ΔΦcoup_refに基づいてステータ巻線20のd軸電流の指令値Idmg_tempがd軸電流指令値補正部158で補正される。ステップS205においては、ステータ巻線20のd軸電流Idmgの補正によって入力側ロータ28と出力側ロータ18との間に作用するMGトルクTmgが変化しないように、ステップS204で補正されたd軸電流の指令値Idmg_refに基づいて、ステータ巻線20のq軸電流の指令値Iqmg_tempがq軸電流指令値補正部159で補正される。ステップS206においては、出力側ロータ18の回転速度ωoutと界磁磁束の補正値ΔΦcoup_refとに基づいて演算されたロータ巻線30の逆起電圧Vcoupが設定電圧値Vcoup_lim以下であるか否かが界磁磁束補正値演算部154で判定される。ロータ巻線30の逆起電圧Vcoupが設定電圧値Vcoup_limより大きい場合(ステップS206の判定結果がNOの場合)は、ステップS204に戻り、入力側ロータ28に流れる永久磁石33の界磁磁束量をさらに減少させるように界磁磁束の補正値ΔΦcoup_refに基づいてステータ巻線20のd軸電流の指令値Idmg_tempがd軸電流指令値補正部158で再度補正される。一方、ロータ巻線30の逆起電圧Vcoupが設定電圧値Vcoup_lim以下である場合(ステップS206の判定結果がYESの場合)は、ステップS207に進む。
In step S204, the direction of the magnetic flux by the d-axis current Id mg of the stator winding 20 is opposite to the direction of the magnetic flux by the
ステップS207においては、ステータ巻線20のd軸電流Idmg及びq軸電流Iqmgがd軸電流の指令値Idmg_ref及びq軸電流の指令値Iqmg_refにそれぞれ一致するようにステータ巻線電流制御部160で制御される。これによって、MGトルクTmgが指令値Tmg_refに一致するように制御されるとともに、入力側ロータ28に流れる永久磁石33の界磁磁束量が補正量ΔΦcoup分減少する(弱め界磁制御を行う)ようにステータ巻線20のd軸電流Idmgが制御される。
In step S207, the stator winding current control is performed so that the d-axis current Id mg and the q-axis current Iq mg of the stator winding 20 coincide with the d-axis current command value Id mg_ref and the q-axis current command value Iq mg_ref , respectively. Controlled by the
以上説明した図14のフローチャートの処理によれば、入力側ロータ28に流れる永久磁石33の界磁磁束量を減少させる弱め界磁制御を実行する場合には、ロータ巻線30に発生する逆起電圧Vcoupが設定電圧値Vcoup_lim以下になるように、ステータ巻線20のd軸電流Idmgがステータ巻線電流制御部160で制御される。このステータ巻線20のd軸電流制御による弱め界磁制御を実行することで、永久磁石33の磁石量を見かけ上減少させたのと同等の効果を得ることができる。その結果、永久磁石33の磁石量を実際に減少させることなく、ロータ巻線30の逆起電圧Vcoupを設定電圧値Vcoup_lim以下(例えば蓄電装置42の電圧以下)に抑制し、EV走行時等における出力側ロータ18の最高回転速度(最高車速)を増加させることができる。
According to the processing of the flowchart of FIG. 14 described above, the counter electromotive voltage V generated in the rotor winding 30 is generated when the field weakening control for reducing the field magnetic flux amount of the
以上説明したように、本実施形態によれば、入力側ロータ28に流れる永久磁石33の界磁磁束量を制御する界磁制御を実行する場合には、ステータ巻線20のd軸電流Idmgを制御することで界磁制御を実行する。このステータ巻線20のd軸電流制御による界磁制御を実行することで、永久磁石33の磁石量を見かけ上変化させたのと同等の効果を得ることができ、界磁磁束を制御するための界磁巻線を出力側ロータ18に別途追加する必要も無い。その結果、回転電機10の構成の複雑化を招くことなく、入力側ロータ28に流れる永久磁石33の界磁磁束量を制御する界磁制御を実行することができる。
As described above, according to the present embodiment, when the field control for controlling the field magnetic flux amount of the
本実施形態では、例えば図15に示すように、インバータ41を設けることもできる。インバータ41は、スイッチング素子と、スイッチング素子に対し逆並列接続されたダイオード(整流素子)とを備える公知の構成により実現可能であり、スイッチング素子のスイッチング動作により蓄電装置42からの直流電力を交流(例えば3相交流)に変換して、ブラシ96及びスリップリング95を介してロータ巻線30の各相に供給することが可能である。さらに、インバータ41は、ロータ巻線30の各相に流れる交流電流を直流に変換する方向の電力変換も可能である。その際には、ロータ巻線30の交流電力がスリップリング95及びブラシ96により取り出され、この取り出された交流電力がインバータ41で直流に変換される。インバータ41で直流に変換された電力は、インバータ40で交流に変換されてからステータ巻線20の各相へ供給可能である。また、インバータ41で直流に変換された電力を蓄電装置42に回収することも可能である。このように、インバータ41は、蓄電装置42とロータ巻線30との間で双方向の電力変換を行うことが可能である。電子制御ユニット50は、インバータ41のスイッチング素子のスイッチング動作を制御することで、ロータ巻線30の各相に流れる交流電流を制御することができ、入力側ロータ28と出力側ロータ18との間に作用する電磁カップリングトルクを制御することができる。その際には、ロータ巻線電流制御部153が、ロータ巻線30のd軸電流Idcoup及びq軸電流Iqcoupがd軸電流の指令値Idcoup_ref及びq軸電流の指令値Iqcoup_refにそれぞれ一致するように、インバータ41のスイッチング動作(インバータ41での電力変換)を制御する。
In the present embodiment, for example, an
前述のように、本実施形態では、共通の永久磁石33による界磁磁束が、ステータ16に流れてステータ巻線20の交流電流による磁束と電磁気的に相互作用するとともに、入力側ロータ28に流れてロータ巻線30の交流電流による磁束と電磁気的に相互作用する。そのため、ロータ巻線30の交流電流による磁束の方向が永久磁石33による磁束の方向と同方向(強め界磁方向)となるようにロータ巻線30に交流電流(d軸電流)を流すことで、永久磁石33の内周側磁極面33aで発生しロータ巻線30に鎖交する界磁磁束量が増加するとともに、永久磁石33の外周側磁極面33bで発生しステータ巻線20に鎖交する界磁磁束量も増加する。一方、ロータ巻線30の交流電流による磁束の方向が永久磁石33による磁束の方向と逆方向(弱め界磁方向)となるようにロータ巻線30に交流電流(d軸電流)を流すことで、永久磁石33の内周側磁極面33aで発生しロータ巻線30に鎖交する界磁磁束量が減少するとともに、永久磁石33の外周側磁極面33bで発生しステータ巻線20に鎖交する界磁磁束量も減少する。そこで、本実施形態では、ロータ巻線電流制御部153がロータ巻線30のd軸電流Idcoupを制御することで、ステータ16に流れる(ステータ巻線20に鎖交する)永久磁石33の界磁磁束量を制御する界磁制御を実行することもできる。
As described above, in the present embodiment, the field magnetic flux generated by the common
ステータ16に流れる永久磁石33の界磁磁束量を増加させる強め界磁制御を実行する場合は、界磁磁束補正値演算部154は、ステータ16に流れる永久磁石33の界磁磁束量を増加させるように界磁磁束の補正値ΔΦcoup_refを演算し、ロータ巻線30のd軸電流Idcoupによる磁束の方向が永久磁石33による磁束の方向と同方向となるように、界磁磁束の補正値ΔΦcoup_refに基づいてロータ巻線30のd軸電流の指令値Idcoup_refが補正される。そして、ロータ巻線電流制御部153は、ロータ巻線30のd軸電流Idcoupを、界磁磁束の補正値ΔΦcoup_refに基づいて補正されたd軸電流の指令値Idcoup_refに一致させるように制御することで強め界磁制御を実行する。例えば、ステータ16と出力側ロータ18との間にMGトルクTmgが作用する状態で強め界磁制御を実行する場合には、ステータ巻線20の電流Imgが許容電流値Img_lim以下に制限される条件でMGトルクTmgが指令値(目標トルク)Tmg_refとなるように、ロータ巻線30のd軸電流Idcoupを制御することができる。このロータ巻線30のd軸電流制御による強め界磁制御を実行することで、永久磁石33の磁石量を見かけ上増加させたのと同等の効果を得ることができる。その結果、永久磁石33の磁石量を実際に増加させることなく、ステータ巻線20の電流Imgを許容電流値Img_lim以下に抑制しつつ、ステータ16と出力側ロータ18との間に作用するMGトルクTmgの最大値を増加させることができる。
When executing the strong field control for increasing the field magnetic flux amount of the
一方、ステータ16に流れる永久磁石33の界磁磁束量を減少させる弱め界磁制御を実行する場合は、界磁磁束補正値演算部154は、ステータ16に流れる永久磁石33の界磁磁束量を減少させるように界磁磁束の補正値ΔΦcoup_refを演算し、ロータ巻線30のd軸電流Idcoupによる磁束の方向が永久磁石33による磁束の方向と逆方向となるように、界磁磁束の補正値ΔΦcoup_refに基づいてロータ巻線30のd軸電流の指令値Idcoup_refが補正される。そして、ロータ巻線電流制御部153は、ロータ巻線30のd軸電流Idcoupを、界磁磁束の補正値ΔΦcoup_refに基づいて補正されたd軸電流の指令値Idcoup_refに一致させるように制御することで弱め界磁制御を実行する。例えば、ステータ巻線20に発生する逆起電圧Vmgが設定電圧値Vmg_lim以下になるように、ロータ巻線30のd軸電流Idcoupを制御することができる。このロータ巻線30のd軸電流制御による弱め界磁制御を実行することで、永久磁石33の磁石量を見かけ上減少させたのと同等の効果を得ることができる。その結果、永久磁石33の磁石量を実際に減少させることなく、ステータ巻線20の逆起電圧Vmgを設定電圧値Vmg_lim以下(例えば蓄電装置42の電圧以下)に抑制することができる。
On the other hand, when the field weakening control for reducing the field flux amount of the
次に、出力側ロータ18の他の構成例について説明する。
Next, another configuration example of the
図16に示す構成例では、図3,4に示す構成例と比較して、各永久磁石33がロータコア53の内周面(入力側ロータ28との対向面)に形成された溝内に装着されている。この場合は、ロータコア53が周方向に隣接する永久磁石33間にも位置する。この構成例によれば、入力側ロータ28への引付力及びロータ回転方向への力に対して、永久磁石33の貼り付け強度を向上させることができる。
In the configuration example shown in FIG. 16, each
また、図17に示す構成例では、図16に示す構成例と比較して、ロータコア53の内周面の溝内に装着された各永久磁石33が角型であり、内周側磁極面33a及び外周側磁極面33bが平面である。この構成例においても、入力側ロータ28への引付力及びロータ回転方向への力に対して、永久磁石33の貼り付け強度を向上させることができる。さらに、この構成例によれば、永久磁石33のコスト削減を図ることができる。
In the configuration example shown in FIG. 17, each
また、図18に示す構成例では、図3,4に示す構成例と比較して、複数の永久磁石33は、入力側ロータ28(ロータティース52a)と薄いロータコア(鉄心)の層53fを介して対向する状態で周方向に沿って配列されている。この構成例においても、入力側ロータ28への引付力及びロータ回転方向への力に対して、永久磁石33の貼り付け強度を向上させることができる。
In the configuration example shown in FIG. 18, compared to the configuration examples shown in FIGS. 3 and 4, the plurality of
本実施形態では、回転電機10の入力軸34と出力軸24とを入れ替えることもでき、第2ロータ18を入力軸34に機械的に連結し、第1ロータ28を出力軸24に機械的に連結することもできる。すなわち、第2ロータ18がエンジン36に機械的に連結され、第1ロータ28が変速機44を介して車輪38に機械的に連結されていてもよい。この場合は、エンジン36からの動力が入力軸34に連結された第2ロータ18に伝達され、出力軸24に連結された第1ロータ28からの動力が変速機44で変速されて車輪38に伝達されるため、第2ロータ18が入力側ロータとなり、第1ロータ28が出力側ロータとなる。
In the present embodiment, the
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。 As mentioned above, although the form for implementing this invention was demonstrated, this invention is not limited to such embodiment at all, and it can implement with a various form in the range which does not deviate from the summary of this invention. Of course.
10 回転電機、16 ステータ、18 第2ロータ(出力側ロータ)、20 ステータ巻線、24 出力軸、28 第1ロータ(入力側ロータ)、30 ロータ巻線、33 永久磁石、34 入力軸、36 エンジン、38 車輪、40,41 インバータ、42 蓄電装置、44 変速機、48 クラッチ、50 電子制御ユニット、93 整流器、94 昇圧コンバータ(DC−DCコンバータ)、95 スリップリング、96 ブラシ、151 カップリングトルク指令値演算部、152 ロータ巻線電流指令値演算部、153 ロータ巻線電流制御部、154 界磁磁束補正値演算部、155 MGトルク指令値演算部、156 d軸電流指令値演算部、157 q軸電流指令値演算部、158 d軸電流指令値補正部、159 q軸電流指令値補正部、160 ステータ巻線電流制御部。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
固定子巻線が配設された固定子と、
第1回転子及び固定子と対向し、第1回転子に対し相対回転可能な第2回転子であって、第1回転子及び固定子に流れる界磁磁束を発生する磁石が配設された第2回転子と、
を備え、
回転子巻線に流れる交流電流と第1回転子に流れる磁石の界磁磁束との相互作用により、第1回転子と第2回転子との間にトルクが作用し、
固定子巻線に流れる交流電流と固定子に流れる磁石の界磁磁束との相互作用により、固定子と第2回転子との間にトルクが作用する回転電機の駆動制御装置であって、
回転子巻線に流れる交流電流を制御する回転子巻線電流制御部と、
固定子巻線に流れる交流電流を制御する固定子巻線電流制御部と、
を備え、
第1回転子に流れる磁石の界磁磁束を制御する界磁制御を実行する場合には、固定子巻線電流制御部が固定子巻線のd軸電流を制御することで前記界磁制御を実行する、回転電機の駆動制御装置。 A first rotor provided with a rotor winding;
A stator provided with a stator winding;
A second rotor that is opposed to the first rotor and the stator and is rotatable relative to the first rotor is provided with a magnet that generates a field magnetic flux that flows through the first rotor and the stator. A second rotor,
With
Due to the interaction between the alternating current flowing through the rotor winding and the field magnetic flux of the magnet flowing through the first rotor, a torque acts between the first rotor and the second rotor,
A drive control device for a rotating electrical machine in which a torque acts between a stator and a second rotor by an interaction between an alternating current flowing in a stator winding and a field magnetic flux of a magnet flowing in the stator,
A rotor winding current control unit for controlling an alternating current flowing in the rotor winding;
A stator winding current control unit for controlling an alternating current flowing in the stator winding;
With
When performing field control for controlling the field magnetic flux of the magnet flowing in the first rotor, the stator winding current control unit executes the field control by controlling the d-axis current of the stator winding. Electric drive control device.
固定子巻線電流制御部は、第1回転子と第2回転子との間にトルクが作用する状態で前記界磁制御を実行する場合には、回転子巻線に流れる交流電流が許容電流以下に制限される条件で第1回転子と第2回転子との間に作用するトルクが目標トルクとなるように固定子巻線のd軸電流を制御する、回転電機の駆動制御装置。 A drive control device for a rotating electrical machine according to claim 1,
When the stator winding current control unit executes the field control in a state where torque acts between the first rotor and the second rotor, the alternating current flowing through the rotor winding is less than the allowable current. A drive control device for a rotating electrical machine that controls a d-axis current of a stator winding so that a torque acting between a first rotor and a second rotor becomes a target torque under restricted conditions.
固定子巻線電流制御部は、前記界磁制御を実行する場合には、回転子巻線に発生する逆起電圧が設定電圧以下になるように固定子巻線のd軸電流を制御する、回転電機の駆動制御装置。 A drive control device for a rotating electrical machine according to claim 1 or 2,
The stator winding current control unit, when executing the field control, controls the d-axis current of the stator winding so that the counter electromotive voltage generated in the rotor winding is equal to or lower than a set voltage. Drive control device.
回転子巻線に発生した交流電力を整流することが可能な整流器と、
整流器で整流された直流電力を電圧変換することが可能なDC−DCコンバータと、
DC−DCコンバータで電圧変換された直流電力を交流に変換して固定子巻線へ供給することが可能なインバータと、
を備え、
回転子巻線電流制御部は、DC−DCコンバータでの電圧変換を制御することで回転子巻線に流れる交流電流を制御し、
固定子巻線電流制御部は、インバータでの電力変換を制御することで固定子巻線に流れる交流電流を制御する、回転電機の駆動制御装置。 It is a drive control apparatus of the rotary electric machine of any one of Claims 1-3,
A rectifier capable of rectifying AC power generated in the rotor winding; and
A DC-DC converter capable of converting the DC power rectified by the rectifier into a voltage;
An inverter capable of converting the direct current power converted by the DC-DC converter into alternating current and supplying it to the stator winding;
With
The rotor winding current control unit controls the AC current flowing in the rotor winding by controlling the voltage conversion in the DC-DC converter,
The stator winding current control unit is a drive control device for a rotating electrical machine that controls an alternating current flowing in the stator winding by controlling power conversion in an inverter.
固定子巻線が配設された固定子と、
第1回転子及び固定子と対向し、第1回転子に対し相対回転可能な第2回転子であって、第1回転子及び固定子に流れる界磁磁束を発生する磁石が配設された第2回転子と、
を備え、
回転子巻線に流れる交流電流と第1回転子に流れる磁石の界磁磁束との相互作用により、第1回転子と第2回転子との間にトルクが作用し、
固定子巻線に流れる交流電流と固定子に流れる磁石の界磁磁束との相互作用により、固定子と第2回転子との間にトルクが作用する回転電機の駆動制御装置であって、
回転子巻線に流れる交流電流を制御する回転子巻線電流制御部と、
固定子巻線に流れる交流電流を制御する固定子巻線電流制御部と、
を備え、
固定子に流れる磁石の界磁磁束を制御する界磁制御を実行する場合には、回転子巻線電流制御部が回転子巻線のd軸電流を制御することで前記界磁制御を実行する、回転電機の駆動制御装置。 A first rotor provided with a rotor winding;
A stator provided with a stator winding;
A second rotor that is opposed to the first rotor and the stator and is rotatable relative to the first rotor is provided with a magnet that generates a field magnetic flux that flows through the first rotor and the stator. A second rotor,
With
Due to the interaction between the alternating current flowing through the rotor winding and the field magnetic flux of the magnet flowing through the first rotor, a torque acts between the first rotor and the second rotor,
A drive control device for a rotating electrical machine in which a torque acts between a stator and a second rotor by an interaction between an alternating current flowing in a stator winding and a field magnetic flux of a magnet flowing in the stator,
A rotor winding current control unit for controlling an alternating current flowing in the rotor winding;
A stator winding current control unit for controlling an alternating current flowing in the stator winding;
With
When performing field control for controlling the field magnetic flux of the magnet flowing through the stator, the rotor winding current control unit executes the field control by controlling the d-axis current of the rotor winding. Drive control device.
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