JP2013005490A - 回転電機制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】できるだけ少ない損失で可変磁束型の回転電機におけるトルクリップルを抑制する技術を提供する。
【解決手段】相対位置を調整可能な第１ロータ及び第２ロータを有するロータユニットを備えた可変磁束型の回転電機の相対位置を固定した状態でロータユニットを回転させた場合にロータユニットのトルクに現れるトルクリップルを抑制するように、ロータユニットの回転位置に応じて相対位置を変動させる。
【選択図】図１１

Description

本発明は、可変磁束型の回転電機を制御対象とする回転電機制御装置に関する。

今日、永久磁石型の回転電機（ＰＭＳＭ：permanent magnet synchronous motor）が広く用いられている。ＰＭＳＭでは、通常、永久磁石はロータコアに固定されているため、ロータから発生する磁束は一定である。このため、ＰＭＳＭでは、ロータの回転速度が上昇するに従ってステータコイルに発生する誘起電圧が高くなるが、この誘起電圧が駆動電圧を超えないように制御する必要がある。このため、ある回転速度以上では、トルクに寄与しない電流をステータコイルに流して永久磁石からの磁束を相殺し、ロータからの磁界を実質的に弱める弱め界磁制御が行われる。但し、弱め界磁制御を行うと回転電機から出力されるトルクに対してステータコイルに流れる電流が大きくなるため、銅損が大きくなり効率が低下する。また、永久磁石からステータに到達する磁束が一定のままでは、ロータの回転速度が高い領域において、ステータコアに生じる鉄損も大きくなり、効率が低下する。

そこで、ロータが備える永久磁石からステータに到達する磁束をロータの回転速度に応じて変化させる可変磁束型の回転電機が提案されている。特開２００２−５８２２３号公報（特許文献１）には、径外側ロータ（１００）と、このロータの径内側に収容される径内側ロータ（２００）とを有した回転電機が開示されている（符号は特許文献１のもの。以下、背景技術の説明において同様。）。ステータコア（３０１）の内周面に対面しつつ回転する径外側ロータ（１００）は、界磁束を形成する永久磁石（１０３）を有する。径内側ロータ（２００）は、径外側ロータの内周面に対面する外周面を有して回転自在に配接されるヨーク又は磁石ロータからなる。両ロータの周方向の相対位相は、ギヤハウジング（４）内に収納された遊星減速ギヤ機構により変更可能である（特許文献１：第２７〜３７段落、図１〜３、要約等。）。

ところで、永久磁石型の回転電機は、ロータが回転する際の鎖交磁束の変化に伴ってトルクが細かく変動し、トルクリップルやコギングトルクと称される脈動を生じることがある。トルクリップルは、回転電機の騒音や振動の原因ともなるので、これを抑制する技術が種々提案されてきた。上述したような可変磁束型の回転電機においても、このようなトルクリップルは生じるので、トルクリップルを抑制する対策が施されることが望ましい。トルクリップルは、回転電機に対する電流指令を調整することによって抑制することも可能であるが、トルクに寄与しない電流を流すと損失を増加させることにもつながる。従って、できるだけ少ない損失でトルクリップルを抑制する技術の提供が望まれる。

特開２００２−５８２２３号公報

上記背景に鑑みて、できるだけ少ない損失で可変磁束型の回転電機におけるトルクリップルを抑制する技術の提供が望まれる。

上記課題に鑑みた本発明に係る回転電機制御装置の特徴構成は、
相対位置を調整可能な第１ロータ及び第２ロータを有するロータユニットと、ステータコイルを有するステータとを備え、前記第１ロータ及び前記第２ロータの少なくとも一方に備えられた永久磁石により生じて前記ステータコイルに鎖交する界磁磁束が前記相対位置に応じて変化する可変磁束型の回転電機を制御対象とする回転電機制御装置であって、
前記相対位置を調整する相対位置制御部を備え、
前記相対位置制御部は、前記相対位置を固定した状態で前記ロータユニットを回転させた場合に前記ロータユニットのトルクに現れるトルクリップルを抑制するように、前記ロータユニットの回転位置に応じて前記相対位置を変動させるトルクリップル抑制制御を実行する点にある。

ロータユニットを構成する第１ロータと第２ロータとには、ステータからの電機子磁束（回転磁界）に応じてそれぞれトルクが生じる。これら２つのロータを有するロータユニットのトルクは、第１ロータに生じるトルクと第２ロータに生じるトルクとを合算したものである。ここで、第１ロータ及び第２ロータの何れか一方を基準として、ロータユニットのステータに対する相対位置（回転位置）を規定する。可変磁束型の回転電機では、この相対位置（回転位置）が同じであっても、電機子磁束や永久磁石による界磁磁束が通る経路が変動する。このため、第１ロータと第２ロータとの相対位置を変更することによって、第１ロータと第２ロータとにそれぞれ生じるトルクも変化し、これらが合成されたロータユニットのトルクも変化する。各トルクに現れるトルクリップルも同様に変化することになる。換言すれば、ロータユニットの回転位置に応じて適切に第１ロータと第２ロータとの相対位置を設定すれば、ロータユニットのそれぞれの回転位置においてロータユニットに所望のトルクを出力させることができる。この所望のトルクを一定の値に近づけるように制御すれば、ロータユニットのトルクからトルクリップルが除かれることになる。本構成によれば、２つのロータの相対位置を調整する相対位置調整部が、相対位置を固定した状態でロータユニットを回転させた場合にロータユニットのトルクに現れるトルクリップルを抑制するように、ロータユニットの回転位置に応じて相対位置を変動させるトルクリップル抑制制御を実行する。従って、トルクに寄与しない電流を流すようなことなく、少ない損失で可変磁束型の回転電機におけるトルクリップルを良好に抑制することができる。

第１ロータに生じるトルクの方向と、第２ロータに生じるトルクの方向とが同じ方向となるとは限らない。両ロータのトルクの方向が異なると、合算されたトルクであるロータユニットのトルクが相殺されて小さくなってしまう。トルクリップルを抑制するためであっても、ロータユニットのトルクを減少させてしまうことは好ましくないので、両ロータのトルクの方向が回転方向における同じ方向となる範囲で相対位置が変動されると好適である。１つの態様として、本発明に係る回転電機制御装置の前記相対位置制御部は、前記トルクリップル抑制制御において、前記第１ロータに生じる第１ロータトルクの方向と前記第２ロータに生じる第２ロータトルクの方向とが回転方向における同じ方向となる相対位置領域内で前記相対位置を変動させると好適である。

第１ロータに生じるトルクリップルは第１ロータを通る磁束の変化に伴って生じ、第２ロータに生じるトルクリップルは第２ロータを通る磁束の変化に伴って生じる。そして、ロータユニットのトルクリップルは、第１ロータ及び第２ロータのそれぞれに生じるトルクリップルの合算である。従って、ロータユニットの回転位置に応じて第１ロータと第２ロータとの相対位置を変動させることで、合算されたトルクリップルを小さくすることができる。より好適には、第１ロータトルクのトルクリップルと第２ロータトルクのトルクリップルとが互いに打ち消し合うように、両ロータのトルクを生じさせる相対位置が設定されるとよい。トルクリップルは、安定した直流成分（あるいは低周波数の交流成分）であることが望ましいロータユニットのトルクに対する交流成分である。従って、それぞれのロータに生じるリップル（交流成分）の位相を互いに異ならせることによって合算されたリップルの振幅を低減することができる。１つの態様として、本発明に係る回転電機制御装置の前記相対位置制御部は、前記トルクリップル抑制制御として、前記相対位置を変動させることによって前記第１ロータトルクと前記第２ロータトルクとに互いに異なる位相のトルクリップルを生じさせると共に、前記第１ロータトルクのトルクリップルと前記第２ロータトルクのトルクリップルとが互いに打ち消し合うように前記相対位置を前記ロータユニットの回転位置に応じて変動させる制御を実行すると好適である。

相対位置が磁束最大位置から離れるに従ってロータユニットのトルクは小さくなるため、相対位置が一定の範囲を超えると、必要なトルクを出力することができなくなる。このため、所定範囲内で相対位置を調整する必要がある。例えば、相対位置を漸次変化させていくことを、上述したような所定の範囲内において繰り返すようにすると、トルクリップルを安定的に抑制する上で好ましい。つまり、ロータの回転位置の変化に従って相対位置を次第に一方向に変化させた後、一気に逆方向に戻す制御が周期的に繰り返されると好適である。１つの態様として、本発明に係る回転電機制御装置の前記相対位置制御部は、所定の制御周期ごとに前記相対位置を決定するものであり、前記ロータユニットの回転位置の変化に応じて前記相対位置を複数回の前記制御周期にわたって一方向に次第に変化させた後、１回の前記制御周期で複数回の前記制御周期にわたる前記相対位置の変化量に相当する変化量を逆方向に変化させる制御を、周期的に繰り返すと好適である。

可変磁束型の回転電機は、第１ロータと第２ロータとの相対位置に応じて、ロータユニットが備える永久磁石からステータに到達する磁束を変化させることが可能である。例えば、ロータユニットの回転速度が高くなると、逆起電力も大きくなるので、磁束が少なくなるように両ロータの相対位置が変更することが可能である。相対位置制御部は、この相対位置を基準相対位置として、回転電機の動作状態（例えば、回転速度や目標トルクなど。）に応じて設定することが可能である（例えば、基準相対位置設定制御。）。さらに、相対位置制御部は、この基準相対位置においてロータユニットのトルクに現れるトルクリップルを抑制するために、上述したトルクリップル抑制制御を実施することが可能である。この際、基準相対位置におけるロータユニットの平均トルクを出力するように、トルクリップル抑制制御が実行されて相対位置が決定されると好適である。つまり、相対位置制御部は、基準相対位置における目標トルクを出力しつつ、トルクリップルを抑制可能なように両ロータの相対位置を調整することができる。

１つの好適な態様として、本発明に係る回転電機制御装置の前記相対位置制御部は、前記トルクリップル抑制制御とは別に、前記回転電機の動作状態に応じた前記界磁磁束を実現するための前記相対位置である基準相対位置を設定する基準位置設定制御を実行するように構成され、前記トルクリップル抑制制御において、前記基準相対位置における前記ロータユニットのトルクの平均トルクを出力する前記相対位置が規定されたリップル抑制位置マップに基づいて前記相対位置を変動させると好適である。

尚、始動時など、回転電機の動作状態が低回転で高トルクの場合には、誘起電圧は問題ではなく、高トルクを出力するために永久磁石からステータに到達する磁束が最大磁束となるように両ロータの相対位置が調整される。つまり、基準相対位置として、界磁磁束が最大となる相対位置が選択される。このような相対位置では、界磁磁束が強いために、トルクリップルも大きくなる。従って、トルクリップル抑制制御により、トルクリップルが抑制されると好適である。また、実質的にこのような相対位置は、初期位置として設定される場合が多いので、相対位置制御部は、基準相対位置設定制御にはほとんど演算負荷を掛けず、トルクリップル抑制制御を実行することができる。例えば、装置規模や演算時間などの制約により、基準相対位置設定制御とトルクリップル抑制制御との何れか一方しか実行できないような場合、少なくとも界磁磁束が最大となる相対位置においてトルクリップル抑制制御が実行可能な相対位置制御部が備えられていれば、良好にトルクリップルを抑制可能な回転電機制御装置を得ることができる。

可変磁束型の回転電機の構成の一例を示す模式図 ロータユニット及びステータの構造の一例を示す回転軸直交断面図 界磁磁束が最大となる相対位置（位相０度）の磁束分布の一例を示す図 界磁磁束が最小となる相対位相（位相９０度）の磁束分布の一例を示す図 回転電機制御装置の構成の一例を模式的に示すブロック図 各ロータのトルクとロータユニットのトルクの関係を示すグラフ ロータユニットの回転位置と第２ロータトルクとの関係を示すグラフ ロータユニットの回転位置と第１ロータトルクとの関係を示すグラフ ロータユニットの回転位置と合計トルクとの関係を示すグラフ 両ロータの位相差と捻り合いトルクとの関係を示すグラフ ロータユニットの平均トルクと両ロータの位相差との関係を示す波形図 各ロータのトルク、ロータユニットのトルク、両ロータの位相差の相対関係を示す波形図 ロータユニット及びステータの構造の他の例を示す回転軸直交断面図

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。はじめに、図１〜図５を利用して、本実施形態において例示する可変磁束型の回転電機の構造、制御形態について説明する。図１の模式図に示すように、本実施形態で例示する可変磁束型の回転電機１００は、回転機構部２０と、相対位置調整機構５０とを有して構成される。回転機構部２０は、本実施形態では、一定の範囲内で周方向の相対位置を調整可能な第１ロータ４１及び第２ロータ４２を有するロータユニット４０と、ステータコイル３２を有するステータ３０とを備えて構成されている。本例では、回転機構部２０は、相対的にステータ３０の内側にロータユニット４０が備えられたインナーロータ型の構造である。ロータユニット４０は、相対的に内側に配置される内側ロータ（第１ロータ４１）と相対的に外側に配置される外側ロータ（第２ロータ４２）とを有して構成されている。第１ロータ４１と第２ロータ４２との相対位置は、相対位置調整機構５０により調整可能である。ステータコイル３２に鎖交する界磁磁束は、この相対位置の調整により、つまり、第１ロータ４１と第２ロータ４２との周方向（ロータ回転方向）の相対位置に応じて変化する。即ち、回転電機１００は、ロータユニット４０に備えられた永久磁石により生じてステータコイル３２に鎖交する界磁磁束を、第１ロータ４１と第２ロータ４２との相対位置に応じて調整可能な可変磁束型の回転電機である。

ロータユニット４０を構成する第１ロータ４１及び第２ロータ４２の少なくとも一方には永久磁石が備えられる。本実施形態では、第１ロータ４１のみに永久磁石が備えられる例を示している。図２〜図４等に示すように、第１ロータ４１は、ロータコア（第１ロータコア４３）の内部に埋め込まれて、ステータコイル３２と鎖交する界磁磁束を提供する永久磁石２４（２４Ｎ，２４Ｓ）を備えて構成される。一方、第２ロータ４２は、界磁磁束に対して磁気抵抗となる磁気抵抗部としての空隙４８をロータコア（第２ロータコア４４）に備えて構成される。これら２つのロータ４１，４２の周方向の相対位置に応じてステータコイル３２に鎖交する界磁磁束が変化し、可変磁束型の回転機構部２０が実現される。図１に示すように、回転機構部２０は、第１ロータ４１と第２ロータ４２との周方向の相対位置を調整する相対位置調整機構５０と共に可変磁束型の回転電機１００を構成する。回転電機１００の駆動力（トルクと同義）は出力軸Ｘに伝達可能に構成されている。

回転機構部２０の電機子を構成するステータ３０は、ステータコア３１とステータコア３１に巻装されたステータコイル３２とを備えている。ステータコア３１は、本例では、複数枚の電磁鋼板を積層して構成されており、円筒状に形成されてケース（図示は省略）に固定されている。界磁を構成するロータユニット４０は、ステータ３０の径方向内側において、ステータ３０に対して回転軸周りに回転可能に上記ケースに支持されている（図示は省略）。第１ロータ４１の第１ロータコア４３及び第２ロータ４２の第２ロータコア４４は、本例では、ステータコア３１と同様に複数枚の電磁鋼板を積層して構成されている。ロータユニット４０を構成する第２ロータ４２は、一定の径方向厚さを有する円筒状に形成され、内側に第１ロータ４１を備えている。第１ロータ４１と第２ロータ４２とは、同軸に配置される。図１に示すように、第１ロータコア４３及び第２ロータコア４４は、径方向視において重複するように配置されている。本例では、第１ロータコア４３及び第２ロータコア４４は、軸方向に同じ長さ（軸方向長さ）を有し、径方向視において完全に重複するように配置されている。第１ロータ４１は、第１ロータコア４３を支持すると共に第１ロータコア４３と一体回転する第１ロータコア支持部材４５を備えている。また、第２ロータ４２は、第２ロータコア４４を支持すると共に第２ロータコア４４と一体回転する、第２ロータコア支持部材４６を備えている。

本実施形態では、図３に示すように、第２ロータコア４４は、界磁磁束に対して磁気抵抗となる空隙（磁極間空隙、磁気抵抗部）４８を備えている。この空隙４８は、両ロータ４１，４２の相対位置が所定の初期位置（相対位相γ＝０度）にある状態で、周方向に隣接する磁極の磁極端部の間（即ち、磁極間）に配置される。この空隙４８により、第１ロータ４１と第２ロータ４２との間の周方向の相対位置に応じてステータコイル３２に到達する鎖交磁束が変化する。以下、第１ロータ４１と第２ロータ４２との相対位置を電気的（磁気的）な位相によって表す場合には、適宜、相対位相や位相、位相差などと称する。

図３は、第１ロータ４１と第２ロータ４２との相対位置（相対位相γ）に応じた、マグネットトルクに関係する界磁磁束（ｄ軸磁束）を破線により例示している。相対位相γは、電気角で示されている。図３は、ロータユニット４０の軸直交断面を示しており、おおよそ電気角の１周期に相当する部分断面図である。例えば、図３は、永久磁石２４から第２ロータコア４４内を通る漏れ磁束が抑制されてステータ３０に到達する磁束（界磁磁束）が多くなる状態を例示している。一方、図４は、第２ロータコア４４内を通る漏れ磁束が多くなってステータ３０に到達する磁束が少なくなる状態を例示している。このように、永久磁石２４及び空隙４８は、ステータ３０に到達する磁束（界磁磁束）が多くなる状態（図３：γ＝０度）と、ステータ３０に到達する磁束が少なくなる状態（図４：γ＝９０度）との間で遷移可能に配置されている。つまり、第１ロータ４１と第２ロータ４２との間の周方向の相対位置を調整することによって、ステータコイル３２に到達する鎖交磁束が調整可能である。

図１に示すように、相対位置調整機構５０は、第１ロータコア４３と一体回転する第１ロータコア支持部材４５と、第２ロータコア４４と一体回転する第２ロータコア支持部材４６との間の周方向の相対位置を調整する機構である。本実施形態では、相対位置調整機構５０は、第１差動歯車装置５１及び第２差動歯車装置５２の２つの差動歯車装置（差動歯車機構）を備えて構成される。第１差動歯車装置５１及び第２差動歯車装置５２は、本実施形態では、３つの回転要素を備えたシングルピニオン型の遊星歯車機構により構成されている。第１差動歯車装置５１は、複数のピニオンギヤを支持する第１キャリヤ５１ｂと、これらピニオンギヤにそれぞれ噛み合う第１サンギヤ５１ａ及び第１リングギヤ５１ｃとを回転要素として有している。また、第２差動歯車装置５２は、複数のピニオンギヤを支持する第２キャリヤ５２ｂと、これらピニオンギヤにそれぞれ噛み合う第２サンギヤ５２ａ及び第２リングギヤ５２ｃとを回転要素として有している。

第１サンギヤ５１ａは、第１ロータコア支持部材４５と一体回転するように駆動連結され、第２サンギヤ５２ａは、第２ロータコア支持部材４６と一体回転するように駆動連結されている。第１キャリヤ５１ｂ及び第２キャリヤ５２ｂは、出力軸Ｘと一体回転するように駆動連結されている。これにより、第１ロータコア支持部材４５及び第２ロータコア支持部材４６は、相対位置調整機構５０を介して出力軸Ｘに駆動連結される。即ち、本例では、第１ロータコア支持部材４５と第２ロータコア支持部材４６との双方が、相対位置調整機構５０を介して共通の出力軸Ｘに駆動連結されている。また、第２リングギヤ５２ｃは、リング状部材を介してケースの内壁８０に固定されている。

第１リングギヤ５１ｃの外周面（径方向外側を向く面、以下同様）にはウォームホイール５４ｂが設けられている。このウォームホイール５４ｂは、第１リングギヤ５１ｃの
回転位置（周方向位置）を調整するためのウォームギヤ５４ａと噛み合っている。ウォームギヤ５４ａは、モータなどの駆動力源（アクチュエータ）５６と接続されている（図５参照）。この駆動力源５６によりウォームギヤ５４ａを回転させることで、ウォームホイール５４ｂを介して第１リングギヤ５１ｃの回転位置（周方向位置）を変えることができる。第１リングギヤ５１ｃの回転位置の調整時には駆動力源５６によりウォームギヤ５４ａが回転駆動され、調整時以外では停止した駆動力源５６を介してウォームギヤ５４ａが固定される。つまり、第１リングギヤ５１ｃは、回転位置の調整時を除いて固定された状態となる。

本実施形態では、第１キャリヤ５１ｂと第２キャリヤ５２ｂとは一体的に一体キャリヤ５３を構成しており、一体キャリヤ５３が出力軸Ｘと一体回転するように駆動連結されている。また、本実施形態では、第１差動歯車装置５１と第２差動歯車装置５２とは互いに同径に構成され、第１差動歯車装置５１の歯数比（＝第１サンギヤ５１ａの歯数／第１リングギヤ５１ｃの歯数）と第２差動歯車装置５２の歯数比（＝第２サンギヤ５２ａの歯数／第２リングギヤ５２ｃの歯数）とは互いに等しく設定されている。そして、第１リングギヤ５１ｃの回転位置の調整時を除いて、第１リングギヤ５１ｃ及び第２リングギヤ５２ｃの双方は固定された状態となる。よって、第１サンギヤ５１ａに駆動連結された第１ロータコア支持部材４５と、第２サンギヤ５２ａに駆動連結された第２ロータコア支持部材４６とは、互いに同じ回転速度（ロータ回転速度）で回転する。本実施形態では、出力軸Ｘの回転速度は、ロータ回転速度に対して減速されたものとなり、出力軸Ｘには、回転機構部２０のトルクが増幅されて伝達される。

上述したように、本実施形態では、第２リングギヤ５２ｃがケースの内壁８０に固定されているのに対し、第１リングギヤ５１ｃは回転位置が調整可能となっている。即ち、キャリヤが一体的に形成された２つの遊星歯車機構において、一方のリングギヤを他方のリングギヤに対して周方向に相対移動（すなわち相対回転）させることが可能となっている。この相対回転に伴い、一方のサンギヤが他方のサンギヤに対して相対回転する。よって、第１リングギヤ５１ｃの回転位置を調整することで、第１サンギヤ５１ａと第２サンギヤ５２ａとの間の周方向の相対位置を調整することができる。その結果、第１ロータコア支持部材４５と第２ロータコア支持部材４６との間の周方向の相対位置を調整することができる。

ところで、本発明の回転電機制御装置は、このような回転機構部２０をロータユニット４０と同速度で回転する回転座標系に設定された直交ベクトル空間におけるベクトル制御によって制御する。また、本発明の回転電機制御装置は、一定の範囲内で周方向の相対位置を調整可能な第１ロータ４１及び第２ロータ４２を有するロータユニット４０の、当該相対位置を制御する。以下、図５も利用して、そのような回転電機制御装置の好適な実施形態について説明する。回転機構部２０及び相対位置調整機構５０を制御する各機能部は、好適にはマイクロコンピュータやＤＳＰ（digital signal processor）などのハードウェアと、当該ハードウェア上で実行されるプログラムなどのソフトウェアとの協働によって実現される。従って、各機能部は、一部又は全てにおいて、同一のハードウェアや、同一のプログラムモジュールが兼用されるものであってよい。

図５に示すように、回転電機制御装置は、主として相対位置調整機構５０を制御する機能部として、相対位置制御部１を備えて構成されている。相対位置制御部１により、不図示の駆動回路を介して駆動力源５６が駆動されることによって差動歯車装置５１，５２（特に第１差動歯車装置５１）が駆動制御される。また、回転電機制御装置は、主として回転機構部２０を制御する機能部として、インバータ制御部３を備えて構成されている。インバータ制御部３は、例えば、トルク制御部（電流指令演算部）、電流制御部（電圧指令演算部）、電圧制御部（駆動指令演算部）などを備えて構成される。インバータ制御部３により、直流電圧源８とステータコイル３２との間で直流交流変換を行うインバータ６が駆動制御される。

また、回転電機制御装置は、位置検出部９３と、速度検出部９４とを備えて構成されている。ステータ３０には、互いに直交する固定軸として例えばα軸及びβ軸が設定される。α軸及びβ軸により規定されるα−βベクトル空間は固定座標系である。ステータ３０に対するロータユニット４０の位置が所定の基準位置である場合、α軸はｄ軸と一致し、β軸はｑ軸と一致する。つまり、固定座標系のα−βベクトル空間と、回転座標系のｄ−ｑベクトル空間とが一致する。本実施形態の場合、第１ロータ４１と第２ロータ４２との相対位相γが変動するので、何れかのロータ、例えば外ロータである第２ロータ４２の位置を基準としてｄ軸及びｑ軸を規定する。

ロータユニット４０がステータ３０に対して回転すると、固定座標系のα軸と回転座標系のｄ軸との間には、電気角における回転角度θが生じる（β軸とｑ軸との間も同様）。ロータユニット４０の回転角度θは、レゾルバなどの回転センサ９２を利用して計測され、位置検出部９３においてα軸とｄ軸との角度として検出される。当然ながら、回転センサ９２が回転角度θを出力するように構成されていてもよい。この回転角度θを用いて、３相のステータコイル３２と、回転座標系のｄ−ｑベクトル空間との間における電気信号の座標変換が行われる。

相対位置制御部１は、界磁磁束を調整するための相対位置（相対位相γ）を示す位相指令γ^＊を設定し、相対位置調整機構５０を制御して相対位置を調整する機能部である。相対位置制御部１は、例えば、回転電機１００の動作状態に応じて規定されたγマップ７（位相マップ）に基づいて、位相指令γ^＊を決定して、第１ロータ４１と第２ロータ４２との相対位置を調整する（基準位置設定制御）。ここで、回転電機１００の動作状態とは、例えば目標トルクＴ^＊及び回転速度ωである。相対位置調整機構５０の実際の移動量は、センサ等によって検出された実際の相対位相、あるいは駆動回路に与えた駆動信号から予測される推測値として、相対位置制御部１により取得される。相対位置制御部１は、検出された相対位相や推測値としての相対位相を、相対位相γとしてインバータ制御部３に伝達してもよい。上述した位相指令γ^＊や相対位相γは、トルクリップルを抑制するためのトルクリップル抑制制御における位相指令γ^＊や相対位相γではなく、基準位置設定制御における位相指令γ^＊や相対位相γである。以下、トルクリップル抑制制御の説明を容易にするために、ここでは、基準位置設定制御における位相指令γ^＊がγ＝０に設定され、相対位相γがγ＝０（初期位置）である場合を例として説明する。

インバータ制御部３は、目標トルクＴ^＊及び回転速度ωに基づき、相対位相γに対応するトルクマップ（電流指令マップ）を参照してステータコイル３２に流す電流の指令である電流指令ｉｄ^＊，ｉｑ^＊を演算する。電流指令マップは、回転機構部２０のトルク特性（トルクマップ）に基づいて予め生成されたマップである。尚、必要に応じてインバータ制御部３は、直流電圧源８の正極Ｐと負極Ｎとの間の直流電圧に対するステータコイル３２の３相交流電圧の実効値の比率であり、変換率を示す変調率も用いて電流指令ｉｄ^＊，ｉｑ^＊を演算する。

次に、インバータ制御部３は、電流フィードバック制御を行って電圧指令ｖｄ^＊，ｖｑ^＊を演算する。具体的には、電流センサ９１によって測定された、実際にステータコイル３２を流れる実電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗをフィードバックし、電流指令ｉｄ^＊，ｉｑ^＊との偏差を取って比例積分（ＰＩ）制御や比例微積分（ＰＩＤ）制御を実施する。尚、本実施形態では、ホール効果を利用してバスバーなどの電流配線に近接して非接触で電流を検出する電流センサ９１を例示している。また、本実施形態では、３相全ての電流を検出する例を示しているが、３相は平衡しているので、２相のみを検出して残りの１相は演算により求めてもよい。ｕｖｗ相の３相のステータコイル３２を流れる実電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗは、３相交流であるからインバータ制御部３において２相のフィードバック電流に変換される。一般的には、３相から２相への変換に際しては、固定座標系であるα−βベクトル空間と回転座標系との角度、例えば、ロータユニット４０の回転角度θに基づいて座標変換される。

次に、インバータ制御部３は、電圧指令ｖｄ^＊，ｖｑ^＊に基づいてインバータ６を構成するＩＧＢＴなどのスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成して、インバータ６をスイッチング制御する。インバータ６は、よく知られているように、３相それぞれに対応する３レッグのブリッジ回路により構成される。直流電圧源８の正極Ｐと負極Ｎとの間に２つのＩＧＢＴが直列に接続され、この直列回路が３回線並列接続される。つまり、ｕ相、ｖ相、ｗ相に対応するステータコイル３２のそれぞれに１組の直列回路（アーム）が対応したブリッジ回路が構成される。対となる各相のＩＧＢＴによる直列回路の中間点、つまり、ＩＧＢＴの接続点はステータコイル３２にそれぞれ接続される。

駆動信号は、例えば各ＩＧＢＴのゲート駆動信号として生成される。一般的に、インバータを駆動するパワー系の電気回路と、マイクロコンピュータなどの電子回路とは、電源電圧が大きく異なる。このため、低電圧の電子回路により生成されたＩＧＢＴのゲート駆動信号は、ドライバ回路を介して高電圧のパワー系の電気回路に配置された各ＩＧＢＴに供給される。図５では、このドライバ回路もインバータ６に含むものとして図示している。

永久磁石型の回転電機は、ロータが回転する際の鎖交磁束の変化に伴ってトルクが細かく変動し、トルクリップルやコギングトルクと称される脈動を生じる。図６は、第１ロータ４１と第２ロータ４２との相対位相（位相差）γ＝０°の場合（基準相対位置が初期位置の場合）の第１ロータ４１及び第２ロータ４２の各トルク、及びロータユニット４０のトルクを示している。図６は、相対位置を位相差γ＝０°で固定した状態で、ロータユニット４０をおおよそ電気角６０°に相当する範囲で回転させた場合のトルクを示している。

本実施形態では、相対位置が位相差γ＝０°の場合には、第２ロータ４２に設けられた空隙４８がステータ３０からの界磁磁束の通り道とは外れた位置に配置されている。このため、永久磁石２４を備えた内側ロータである第１ロータ４１を通る磁束は、永久磁石２４の磁力によりほぼ拘束されることになり、磁力線の方向はロータユニット４０が回転してもほぼ一定となる。磁力線の方向がロータユニット４０の回転に応じて変化すると、この変化に応じたトルクが生じるが、相対位置が位相差γ＝０°の場合には、磁力線の方向がほぼ一定に維持されることにより、大きなトルクは生じない。図６に示すように、第１ロータ４１のトルクである第１ロータトルクの大きさは第２ロータのトルクである第２ロータトルクに比べて小さくなっている。また、磁力線の方向がほぼ一定に維持されることにより、トルクリップルも小さくなり、図６に示すように、第１ロータトルクはほぼ一定となっている。

一方、本実施形態では、第２ロータ４２には永久磁石２４が備えられておらず、第１ロータ４１に比べて回転磁界である電機子磁束の磁力線の向きが変わり易い。このため、ロータユニット４０の回転に応じて変化する磁力線の方向の変化に応じたトルクは大きくなり、図６に示すように第２ロータトルクは第１ロータトルクよりも大きなトルクとなる。また、磁力線の方向が変わりやすいことから、第２ロータトルクには第１ロータトルクに比べて大きなトルクリップルが現れる。このトルクリップルは、高調波成分として現れる。本実施形態のように、ステータ３０が４８スロット、永久磁石２４が４極対の場合には、１２次高調波が強く表れることが知られている。第１ロータトルクと第２ロータトルクとを合算した合計トルクがロータユニット４０のトルクであるロータユニットトルクとなる。上述したように、相対位置が位相差γ＝０°の場合には、第１ロータトルクにはほとんどトルクリップルはなく、ロータユニットトルクには、第２ロータトルクに重畳されるトルクリップルがほぼそのまま現れることになる。

本発明の回転電機制御装置では、このようなトルクリップルを抑制するために、相対位置制御部１によりトルクリップル抑制制御が実行される。具体的には、相対位置制御部１は、相対位置を固定した状態でロータユニット４０を回転させた場合にロータユニットトルクに現れるトルクリップルを抑制するように、ロータユニット４０の回転位置（回転角度θ）に応じて相対位置を変動させるトルクリップル抑制制御を実行する。

図７〜図９は、異なる相対位置で両ロータを固定した状態で、ロータユニット４０を電気角でおおよそ６０°回転させた範囲におけるロータユニット４０の回転位置と各トルクとの関係を示している。図に示すように、異なる相対位置として、位相差γ＝０°、１０°、２０°、３０°、−１０°、−２０°、−３０°の場合のトルクを例示している。また、図７は第２ロータトルクを示し、図８は第１ロータトルクを示し、図９は合計トルクであるロータユニットトルクを示している。

図７及び図８を参照すると、相対位置に応じて第２ロータトルク及び第１ロータトルクの大きさが大きく変化することが判る。ここで、相対位置とトルクの大きさとの関係は、第１ロータトルクと第２ロータトルクとで、ほぼ逆の関係となる。つまり、図７に示すように、第２ロータトルクは、位相差γ＝０°の相対位置の場合のトルクが最も大きく、位相差γの絶対値が大きくなるに従ってトルクが小さくなる傾向がある。一方、図８に示すように、第１ロータトルクは、位相差γ＝０°の相対位置の場合のトルクに比べて、位相差γが正方向に大きくなるに従ってトルクが大きくなる傾向がある。位相差γが負の場合には、位相差γ＝０°の場合よりもトルクが小さくなることがあるが、位相差γの絶対値が大きくなるに従ってトルクが大きくなる傾向が見られることは同様である。このため、図９に示すように、第１ロータトルクと第２ロータトルクとの合成トルクであるロータユニットトルクは、振幅中心（平均値）がほぼ同じような大きさのトルクとなる。

また、図７を参照すると、相対位置に応じて第２ロータトルクに現れるトルクリップルの位相が変化していることが判る。また、図８を参照すると、相対位置が位相差γ＝０°の場合にはほぼ一定であった第１ロータトルクにも、相対位置によってはトルクリップルが現れることが判る。また、そのトルクリップルは、第２ロータトルクと同様に相対位置に応じて変化していることが判る。上述したように、ロータユニットトルクは、振幅中心（平均値）がほぼ同じような大きさのトルクとなっている。従って、相対位置を適切に変動させることによって、ロータユニットトルクのトルクリップルを低減させて、ロータユニットトルクをほぼ一定の値とすることができる。

尚、図８に示すように、本実施形態では、第１ロータ４１と第２ロータ４２との相対位置によっては、第１ロータトルクの方向と第２ロータトルクの方向とが逆方向となる場合がある。図１０は、第１ロータ４１と第２ロータ４２との相対位置と、第１ロータトルクとの関係を示している。つまり、図１０は、ロータユニット４０がある回転位置（例えばθ＝１０°）の場合に、相対位置を位相差γ＝−３０°〜３０°の範囲で変動させた場合の第１ロータトルクの変化を示している。図１０から明らかなように、ブロック矢印Ｙ９で示す位相差領域（相対位置領域）では、第１ロータトルクが負の値となり、ロータユニット４０の回転方向（第２ロータトルクの方向及びロータユニットトルクの方向）とは逆方向となる。つまり、第１ロータトルクと第２ロータトルクとが互いに逆方向のトルクとなる「捻れ」が生じる。このような捻れが生じる位相差領域では、トルクが相殺されるために回転電機の効率が低下する。従って、相対位置を適切に変動させることによって、ロータユニットトルクのトルクリップルを低減させるに際しては、このような捻れが生じる位相差領域を外して、所定の位相差領域（所定の相対位置領域）が設定されると好適である。後述するように、位相差γ＝０°の相対位置を基準相対位置とする本実施形態では、おおよそ位相差γ＝０°からγ＝２０°（概ね十数°）までの範囲を所定の相対位置領域とする。

図１１は、相対位置制御部１によるトルクリップル抑制制御の原理を示している。図１１においてトルクＴａｖは、相対位置がγ＝０°の場合の平均トルク（ロータユニットトルクの振幅中心）を示している。相対位置制御部１によるトルクリップル抑制制御における制御目標値は、この平均トルクＴａｖである。図１１に示すように、ロータユニット回転位置（回転角度θ）がＡのときには、相対位置がγ＝０°の場合のロータユニットトルクの値が平均トルクＴａｖとなる。また、ロータユニット位置がθ＝Ｂのときには、相対位置がγ＝１０°の場合のロータユニットトルクの値が平均トルクＴａｖとなる。図７〜図１０を利用して上述したように、各ロータのトルクやロータユニットトルクは相対位置に応じて変化する。ここで、図１１の下段に示すように、ロータユニット４０の回転位置がθ＝Ａのときの相対位置を位相差γ＝０°とし、ロータユニット４０の回転位置がθ＝Ｂのときの相対位置を位相差γ＝１０°として、θ＝Ａからθ＝Ｂへとロータユニット４０の回転位置が変化するに従って位相差γ＝０°からγ＝１０°へと相対位置を次第に変化させる。これにより、図１１の上段に破線のブロック矢印Ｙ１で示すように、ロータユニット４０がθ＝Ａからθ＝Ｂまで回転する間、ロータユニットトルクの値は平均トルクＴａｖとなり、トルクリップルが抑制される。

ロータユニット位置がθ＝Ｂからθ＝Ｃに向かう場合も同様である。図１１の上段に破線のブロック矢印Ｙ２で示すように、ロータユニット４０がθ＝Ｂからθ＝Ｃまで回転する間、ロータユニットトルクの値は平均トルクＴａｖとなり、トルクリップルが抑制される。ここで、ロータユニット位置がθ＝Ｃでは再び相対位置がγ＝０°の場合のロータユニットトルクの値が平均トルクＴａｖとなる。従って、この場合、ロータユニット４０の回転位置が変化するに従って次第に変化してきた相対位置は、ロータユニット４０の回転位置がθ＝Ｃに達すると直ちにγ＝０°に復帰している。

上述したように、回転電機制御装置は、好適にはマイクロコンピュータなどを中核として構成される。従って、相対位置制御部１は、所定の制御周期ごとに相対位置を決定すると好適である。例えば、相対位置制御部１は、ロータユニット４０の回転位置（回転角度θ）の変化に応じて相対位置（位相差γ）を複数回の制御周期にわたって一方向に次第に変化させた後、１回の制御周期で複数回の制御周期にわたる相対位置の変化量に相当する変化量を逆方向に変化させる制御を、周期的に繰り返す。つまり、図１１の下段に例示されるように、相対位置制御部１は、ロータユニット４０の回転位置（回転角度θ）の変化に応じて相対位置（位相差γ）をのこぎり波状に変化させる。尚、この際の「１回の制御周期で逆方向に変化させる変化量」は、「複数回の制御周期にわたって一方向に次第に変化した相対位置の総変化量」に「相当」するものであるが、「等価」な変化量に限定されるものではない。複数回の制御周期にわたって次第に変化する一方向とは逆方向に、当該一方向へ変化する際の単位変化量よりも大きな変化量で逆方向へ所定量変化すればよい。

図１２は、相対位置制御部１のトルクリップル抑制制御による相対位置（位相差γ）の変化と、各トルクとの関係を示している。図１２は、おおよそ、ロータユニット４０が電気角で６０°回転する範囲を示している。図１２の下段に示すように、トルクリップル抑制制御の実行により相対位置を変動させることによって第１ロータ４１に生じる第１ロータトルクと第２ロータ４２に生じる第２ロータトルクとに互いに異なる位相のトルクリップルが生じる。この相対位相は、第１ロータトルクのトルクリップルと第２ロータトルクのトルクリップルとが互いに打ち消し合うようにロータユニット４０の回転位置（回転角度θ）に応じて変動される。これにより、トルクリップルは抑制され、安定したロータユニットトルクが得られる。

尚、上述したように、一方向に次第に変化する相対位置の変化量と、その後に一気に逆方向へ変化する相対位置の変化量とは等価でなくてよい。また、図１２の上段の右側に例示するように、必ずしも常に基準相対位置（本実施形態ではγ＝０°）から一方向に次第に変化したり、常に基準相対位置に復帰したりしなくてもよい。

このようなロータユニット４０の回転位置（回転角度θ）に応じた相対位置（相対位相γ）は、相対位置制御部１により位相指令γ^＊として設定される。例えば、図５に示すγマップ７に、回転電機１００の動作状態（目標トルクＴ^＊及び回転速度ω）に応じた位相指令γ_ｔｍｐ ^＊と共に、この位相指令γ_ｔｍｐ ^＊を基準としてリップル抑制制御のために変動させる際の位相差Δγが記憶されていてもよい。相対位置制御部１は、例えば、目標トルクＴ^＊、回転速度ω、回転角度θを引数としてγマップ７から位相差Δγが加味された位相指令γ^＊を読み出して設定することができる。この場合、γマップ７は、トルクリップル抑制制御において、基準相対位置におけるロータユニットトルクの平均トルクを出力する相対位置が規定されたリップル抑制位置マップに相当する。

また、別の構成として、回転電機１００の動作状態（目標トルクＴ^＊及び回転速度ω）に応じた仮の位相指令γ_ｔｍｐ ^＊が格納されたマップ（例えばγマップ７）とは別にリップル抑制位置マップが備えられていてもよい。この場合、相対位置制御部１は、まず、回転電機１００の動作状態（目標トルクＴ^＊及び回転速度ω）に応じて、γマップ７から仮の位相指令γ_ｔｍｐ ^＊を取得する。そして、相対位置制御部１は、回転角度θ及び仮の位相指令γ_ｔｍｐ ^＊に基づいて、リップル抑制位置マップから位相指令γ^＊を読み出して設定する。

ところで、上記においては、相対位置制御部１が、常に基準位置設定制御とリップル抑制制御との双方を実行する場合を例として説明したが、何れか一方の制御を選択的に実行するように構成されていてもよい。基準位置設定制御は、主にロータユニット４０の回転速度ωが高く、誘起電圧が高くなることを抑制することを目的としている。一方、リップル抑制制御は、ロータユニット４０のトルクに現れるトルクリップルを抑制することを目的としている。そして、このようなトルクリップルは、回転電機１００の始動時や強いトルクが要求される場合に影響が大きい。このような始動時や強いトルクが要求される場合には、誘起電圧は問題とはならない。従って、高トルクを出力可能とするために、永久磁石からステータに到達する磁束が最大磁束となるように両ロータの相対位置が調整される。つまり、基準位置設定制御が実行されたとしても、両ロータの相対位置は、上述した初期位置（相対位相γ＝０°）に制御されることになる。例えば、基準位置設定制御を実行することなく、機械的な付勢力や油圧による初期化などによって相対位置を初期位置に設定することが可能であれば、基準位置設定制御を実行することなく、リップル抑制制御のみを実行することができる。

初期位置では、界磁磁束が強いために、トルクリップルも大きくなる傾向がある。従って、初期位置においては、トルクリップル抑制制御により、トルクリップルが抑制されると好適である。一方、ロータユニット４０の回転速度ωが高く、誘起電圧が高くなるような場面では、トルクリップルが目立たない場合も多い。従って、回転電機１００の動作条件や要求トルクなどに応じて、基準位置設定制御とリップル抑制制御との何れか一方の制御を選択的に実行するように相対位置制御部１が構成されていてもよい。

〔その他の実施形態〕
以下、本発明のその他の実施形態について説明する。尚、以下に説明する各実施形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。

（１）上記実施形態では、可変磁束型の回転機構部２０として、第１ロータ４１のみに永久磁石２４が備えられている構成を例として説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、第２ロータ４２のみに永久磁石２４が備えられ、第１ロータ４１に空隙が形成された構成とすることもできる。また、図１３に示すように、第１ロータ４１及び第２ロータ４２の双方に永久磁石２４が備えられてもよい。また、それぞれのロータ４１，４２が、永久磁石を備えると共に空隙を有していてもよい。当然ながら、永久磁石２４の配置方向及び形状、空隙の方向及び形状等も、本実施形態に限定されるものではない。尚、界磁磁束を変更するための機構は、上記各形態に限定されることなく、様々な形態及び方式を用いることが可能である。例えば、ロータ内の永久磁石の位置や向きを変更することによって可変磁束型の回転電機が実現されてもよい。

（２）上記実施形態においては、ロータユニットとステータとが径方向に重複して設置される構成を例示した。しかし、この構成に限定されることなく、ロータユニットとステータとが軸方向に重複して設置されるアキシャル型の回転電機であってもよい。また、第１ロータと第２ロータが、径方向に異なる位置に配置される構成に限らず、軸方向に異なる位置に配置されてもよい。また、上記実施形態では、インナロータ型の回転電機を例として説明したが、当然ながらアウタロータ型の回転電機に適用することもできる。その他の構成に関しても、本明細書において開示された実施形態は全ての点で例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されない。すなわち、本発明及び本発明と均等な構成を備え、発明の要旨を逸脱しなければ、上記実施形態の一部を適宜改変した構成も、当然に本発明の技術的範囲に属する。

本発明は、相対位置を調整可能な第１ロータ及び第２ロータを有するロータユニットと、ステータコイルを有するステータとを備え、前記第１ロータ及び前記第２ロータの少なくとも一方に備えられた永久磁石により生じて前記ステータコイルに鎖交する界磁磁束が前記相対位置に応じて変化する可変磁束型の回転電機を制御対象とする回転電機制御装置に適用することができる。

γ ：位相差、相対位相（相対位置）
θ ：回転角度
ω ：回転速度
１ ：相対位置制御部
７ ：γマップ（リップル抑制位置マップ）
２０ ：回転機構部
２４ ：永久磁石
３０ ：ステータ
３２ ：ステータコイル
４０ ：ロータユニット
４１ ：第１ロータ
４２ ：第２ロータ
５０ ：相対位置調整機構
１００ ：回転電機
Ｔａｖ ：平均トルク

Claims (5)

1. 相対位置を調整可能な第１ロータ及び第２ロータを有するロータユニットと、ステータコイルを有するステータとを備え、前記第１ロータ及び前記第２ロータの少なくとも一方に備えられた永久磁石により生じて前記ステータコイルに鎖交する界磁磁束が前記相対位置に応じて変化する可変磁束型の回転電機を制御対象とする回転電機制御装置であって、
   前記相対位置を調整する相対位置制御部を備え、
   前記相対位置制御部は、前記相対位置を固定した状態で前記ロータユニットを回転させた場合に前記ロータユニットのトルクに現れるトルクリップルを抑制するように、前記ロータユニットの回転位置に応じて前記相対位置を変動させるトルクリップル抑制制御を実行する回転電機制御装置。
2. 前記相対位置制御部は、前記トルクリップル抑制制御において、前記第１ロータに生じる第１ロータトルクの方向と前記第２ロータに生じる第２ロータトルクの方向とが回転方向における同じ方向となる相対位置領域内で前記相対位置を変動させる請求項１に記載の回転電機制御装置。
3. 前記相対位置制御部は、前記トルクリップル抑制制御として、前記相対位置を変動させることによって前記第１ロータトルクと前記第２ロータトルクとに互いに異なる位相のトルクリップルを生じさせると共に、前記第１ロータトルクのトルクリップルと前記第２ロータトルクのトルクリップルとが互いに打ち消し合うように前記相対位置を前記ロータユニットの回転位置に応じて変動させる制御を実行する請求項１又は２に記載の回転電機制御装置。
4. 前記相対位置制御部は、所定の制御周期ごとに前記相対位置を決定するものであり、前記ロータユニットの回転位置の変化に応じて前記相対位置を複数回の前記制御周期にわたって一方向に次第に変化させた後、１回の前記制御周期で複数回の前記制御周期にわたる前記相対位置の変化量に相当する変化量を逆方向に変化させる制御を、周期的に繰り返す請求項１から３の何れか一項に記載の回転電機制御装置。
5. 前記相対位置制御部は、前記トルクリップル抑制制御とは別に、前記回転電機の動作状態に応じた前記界磁磁束を実現するための前記相対位置である基準相対位置を設定する基準位置設定制御を実行するように構成され、
   前記トルクリップル抑制制御において、前記基準相対位置における前記ロータユニットのトルクの平均トルクを出力する前記相対位置が規定されたリップル抑制位置マップに基づいて前記相対位置を変動させる請求項１から４の何れか一項に記載の回転電機制御装置。

Images