JP2014204517A - 回転電機制御システム及び回転電機の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機制御システムにおいて、専用の駆動源を設けることなくロータの有効磁束量を変化させることである。【解決手段】回転電機制御システム１０は、ステータ２４の内側に回転可能で、互いに軸方向に分離して配置された第１ロータ要素４０及び第２ロータ要素４２を有するロータ２８と、制御装置７０とを含む。第１ロータ要素４０は第１磁石を含んで回転軸２６に固定され、第２ロータ要素４２は第２磁石を含んで回転軸２６に回転可能に設けられる。制御装置７０は第１ロータ要素４０に対する第２ロータ要素４２の相対位相差であるロータ間位相を遷移させるようにステータコイル電流をベクトル制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機制御システム及び回転電機の制御方法であって、ロータの有効磁束量を変化させる制御に関する。

従来から特許文献１に記載されるように磁束可変型の回転電機が知られている。特許文献１に記載された回転電機は、回転軸方向に分かれて配置された２つの磁石付ロータの回転軸方向の位置関係をアクチュエータによって変化させることで、２つのロータ間の位相関係を変化させ、トルクに寄与するロータの有効磁束量を変化させる構造である。

特開２０１０−１５４６９９号公報

特許文献１に記載された磁束可変型の回転電機では、ロータの有効磁束量を変化させるために専用の駆動源としてアクチュエータを必要とする。このため、回転電機の大型化及びコストが増大する要因となる。

本発明の目的は、回転電機制御システム及び回転電機の制御方法において、専用の駆動源を設けることなくロータの有効磁束量を変化させることである。

本発明に係る回転電機制御システムは、周方向複数個所に配置されたステータコイルを含むステータと、前記ステータの内側に回転可能で、互いに軸方向に分離して配置された第１ロータ要素及び第２ロータ要素を含み、前記第１ロータ要素は周方向に交互に配置された極性の異なる複数の第１磁石を含んで回転軸に固定され、前記第２ロータ要素は周方向に交互に配置された極性の異なる複数の第２磁石を含んで前記回転軸に回転可能に設けられたロータと、ステータコイル電流を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記第１ロータ要素に対する前記第２ロータ要素の相対位相差であるロータ間位相を遷移させるように前記ステータコイル電流をベクトル制御することを特徴とする。

本発明に係る回転電機の制御方法は、周方向複数個所に配置されたステータコイルを含むステータと、前記ステータの内側に回転可能で、互いに軸方向に分離して配置された第１ロータ要素及び第２ロータ要素を含み、前記第１ロータ要素は周方向に交互に配置された極性の異なる複数の第１磁石を含んで回転軸に固定され、前記第２ロータ要素は周方向に交互に配置された極性の異なる複数の第２磁石を含んで前記回転軸に回転可能に設けられたロータとを備える回転電機の制御方法であって、前記第１ロータ要素に対する前記第２ロータ要素の相対位相差であるロータ間位相を遷移させるように、前記ステータコイル電流をベクトル制御することを特徴とする。

本発明の回転電機制御システム及び回転電機の制御方法によれば、専用の駆動源を設けることなく第１ロータ要素及び第２ロータ要素の位相関係を変化させるので、ロータの有効磁束量を変化させることができる。

本発明の第１実施形態の回転電機制御システムの構成図である。 図１のＡ−Ａ断面において、第１ロータ要素の第１磁石を透視して示す図である。 図２において、第１ロータ要素及び第２ロータ要素を外径側から見た図である。 図３のロータを軸方向に見た模式図であって、第２ロータ要素側から第１ロータ要素側に見た図である。 図３において、ロータ間位相を変化させるようにステータ磁界を生成する様子を示す模式図である。 本発明の実施形態において、ロータ間位相θｅと、ロータ要素間に作用するロータ間磁石トルクとの関係を示す図である。 図６のロータ間磁石トルクの正方向を示す図である。 図２において、極性逆転状態から極性同一状態に遷移する状態を示す図である。 図８に対応して、極性逆転状態から極性同一状態に遷移する状態をロータの外径側から見た図である。 ロータ間位相θｅとロータ位相関係の安定性との関係を示す図である。 図２において、極性同一状態から極性逆転状態に遷移する状態を示す図である。 図１１に対応して、極性同一状態から極性逆転状態に遷移する状態をロータの外径側から見た図である。 本発明の第２実施形態の回転電機制御システムの構成を示す図である。 第２実施形態において、ロータ間位相θｅが異なる、軸回転角（電気角）とステータ誘起電圧との関係の４例を示す図である。 本発明の第３実施形態において、回転電機の断面を示す図である。 本発明の第４実施形態において、ステータ磁界により第２ロータ要素に発生させるトルク及びロータ間磁石トルクと、ロータ間位相θｅとの関係を示す図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。以下ではすべての図面において同様の要素には同一の符号を付して説明する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態の回転電機制御システム１０を示している。回転電機制御システム１０は、回転電機２０と、駆動回路であるインバータ１２と、電源である蓄電装置１４と、制御装置７０とを備える。回転電機制御システム１０は、例えばハイブリッド自動車、電気自動車、または燃料電池車のような電動車両に搭載されて、回転電機２０をモータとして用いて、図示しない車輪を回転電機２０により駆動するために用いる。回転電機２０は、発電機、またはモータ及び発電機の両方の機能を持つモータジェネレータとして用いてもよい。

回転電機２０は、ケース２２の内側に固定されたステータ２４と、ケース２２に軸受により回転可能に設けられた回転軸２６と、回転軸２６の周囲に設けられたロータ２８と、一方向クラッチ３０及び回転角センサ３２，３４とを含む。回転電機２０は、後述するようにロータ２８で発生しトルクに寄与する有効磁束を可変とする。

図２に示すように、ステータ２４は、電磁鋼板の積層体により形成されるステータコア３６と、複数相であるＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相のステータコイル３８ｕ，３８ｖ，３８ｗとを含む。３相のステータコイル３８ｕ，３８ｖ，３８ｗは、ステータコア３６の内周面に設けられた複数のティース３９に集中巻きまたは分布巻きで巻回されている。なお、以下では、ステータコイル３８ｕ，３８ｖ，３８ｗを単にステータコイル３８という場合もある。ステータコア３６は、磁性粉末を加圧成形した圧粉コアにより形成してもよい。

ステータコイル３８に３相の交流電流であるステータコイル電流が流れると複数のティース３９が磁化し、ステータ２４に回転磁界が生成される。

図１に示すように、ロータ２８は、ステータ２４の内側に回転可能で、互いに軸方向に分離して配置された第１ロータ要素４０（図における左側に設けられている）及び第２ロータ要素４２（図における右側に設けられている）を含む。第１ロータ要素４０は、回転軸２６の周囲に一体に設けられた円筒状突部４４の周囲に固定された円筒状の第１コア４６と、第１コア４６の周方向複数個所に配置された第１磁石４８ｎ，４８ｓとを含む。第１ロータ要素４０は、ステータコア３６の軸方向一方側部分（図における左側部分）と所定の空隙をあけて径方向内側に対向配置され、ステータ２４に対し回転可能である。ロータ２８は、ステータ２４の内側に、ステータコイル３８で発生する磁界が作用するような範囲で配置されることができる。

第２ロータ要素４２は、回転軸２６の周囲に第１ロータ要素４０と軸方向の別の部分（図における右側部分）に、ニードル軸受のような軸受５０により回転可能に設けられた内側保持部５２と、内側保持部５２の周囲に固定された第２コア５４と、第２コア５４の周方向複数個所に配置された第２磁石５６ｎ，５６ｓとを含む。第２ロータ要素４２は、ステータコア３６の軸方向他方側部分（図における右側部分）と所定の空隙をあけて径方向内側に対向配置され、ステータ２４に対し回転可能である。内側保持部５２は、鉄等の磁性材または非磁性金属により形成される。

各コア４６，５４は、電磁鋼板の積層体により形成される。各磁石４８ｎ，４８ｓ，５６ｎ，５６ｓは永久磁石であり、第１磁石４８ｎ，４８ｓは第１コア４６の周方向複数個所に軸方向に挿入配置され、第２磁石５６ｎ，５６ｓは第２コア５４の周方向複数個所に軸方向に挿入配置される。図２に示すように、各磁石４８ｎ，４８ｓ，５６ｎ，５６ｓは、各コア４６，５４の周方向複数個所に２つを１組としてＶ字形に配置されている。複数組の磁石４８ｎ，４８ｓ，５６ｎ，５６ｓの極性は、ロータ回転方向に交互に異なっており、複数組の第１磁石４８ｎ，４８ｓと複数組の第２磁石５６ｎ，５６ｓとの周方向の間隔は互いに等しくなっている。各磁石４８ｎ，５６ｎは外周側がＮ極であり、各磁石４８ｓ，５６ｓは外周側がＳ極である。各コア４６，５４は、圧粉コアにより形成されてもよい。

第１ロータ要素４０及び第２ロータ要素４２の位相関係が変化することでロータ２８の有効磁束量が変化する。「有効磁束量」は、２つのロータ要素４０，４２の合成磁束によりステータ２４に対し実質的に作用する磁束量をいう。例えば、２つのロータ要素４０，４２で同一極性の磁石４８ｎ，４８ｓ，５６ｎ，５６ｓが周方向の同位相に配置される極性同一状態の場合、有効磁束量が最大となる。この場合、有効磁束量は１００％となる。なお、有効磁束量を％で表す場合、極性同一状態の場合を１００％として、それに対する有効磁束量の割合をいう。一方、第２ロータ要素４２が回転軸２６に対し回転して２つのロータ要素４０，４２の同一極性の磁石４８ｎ，４８ｓ，５６ｎ，５６ｓ同士の周方向の位置ずれが生じると有効磁束量が減少する。例えば、２つのロータ要素４０，４２で同一極性の磁石４８ｎ，４８ｓ，５６ｎ，５６ｓが電気角で１８０度ずれて、逆極性の磁石４８ｎ，４８ｓ，５６ｎ，５６ｓ同士が周方向の同位相に配置される極性逆転状態の場合、有効磁束量は０となる。

一方向クラッチ３０は、第２ロータ要素４２の内側保持部５２と回転軸２６との周面同士の間に設けられ、回転軸２６に対する第２ロータ要素４２の一方向である図１、図２の矢印αとは逆方向の回転のみを許容し、矢印α方向の回転を阻止する。矢印α方向は、回転軸２６の正トルク発生方向である。

回転角センサ３２は、回転軸２６の回転角を検出し、その回転角を表す信号を制御装置７０に送信する。回転角センサ３４は、第２ロータ要素４２の回転角を検出し、その回転角を表す信号を制御装置７０に送信する。

回転電機２０は、回転電機制御システム１０のインバータ１２により駆動される。インバータ１２は、蓄電装置１４に接続され、制御装置７０により制御されて、蓄電装置１４からの直流電流をＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相の交流電流に変換する。蓄電装置１４は、キャパシタでもよい。なお、蓄電装置１４とインバータ１２との間に蓄電装置１４の電圧の大きさを変換してインバータ１２に供給する電圧変換装置を設けてもよい。

制御装置７０は、ＣＰＵ、メモリ等を有するマイクロコンピュータを含み、ロータ間位相取得部７２、有効磁束量設定部７４及び電流ベクトル制御部７６を有する。制御装置７０は、入力されたトルク指令値Ｔｒに応じてロータ２８を図１、図２の矢印α方向に回転駆動させる。例えば回転電機２０が車両の駆動モータとして利用される場合、車両の図示しないアクセルペダルセンサ等から入力される加速指令信号に応じて図示しない別の制御装置で回転電機２０のトルク指令値Ｔｒを算出する。制御装置７０は、別の制御装置から入力されたトルク指令値Ｔｒに応じて、インバータ１２のスイッチング素子を制御しインバータ１２を駆動して回転電機２０を制御する。この場合、電流ベクトル制御部７６がトルク指令値Ｔｒに応じてｄｑ座標系のｄ軸電流指令Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令Ｉｑ＊で規定される電流ベクトル指令を算出し、その電流ベクトル指令を３相の電流指令に変換してから各相のステータコイル電流を制御する電流ベクトル制御を行う。この場合、図示しない電流センサで２相または３相のステータコイル電流を検出し、制御装置７０は、その検出値から得られるｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑでステータ電流をフィードバック制御してもよい。制御装置７０は、機能ごとに分割された複数の制御装置により構成してもよい。制御装置７０で加速指令信号を入力しトルク指令値Ｔｒを算出してもよい。

また、制御装置７０は、ロータ２８の有効磁束量を制御する機能も有する。ロータ間位相取得部７２は、各回転角センサ３２，３４から取得した回転軸２６の回転角及び第２ロータ要素４２の回転角から、第１ロータ要素４０に対する第２ロータ要素４２の相対位相の差であるロータ間位相θｅを取得する（図２参照）。相対位相の差とは、後述するように正負で、ずれの方向も区別する意味である。

有効磁束量設定部７４は、予め設定された所定条件にしたがって有効磁束量を設定する。例えばロータ２８の回転速度が高い場合、有効磁束量が高すぎると、ステータコイル３８にロータ２８から作用する逆起電圧が大きくなり、出力低下を招く場合があるので、有効磁束量を予め設定した所望値に減少させることで出力低下を抑制できる。

電流ベクトル制御部７６は、有効磁束量設定部７４で設定された有効磁束量に応じてステータコイル電流を電流ベクトル制御で制御する。この場合、電流ベクトル制御部７６は、各ロータ要素４０，４２の磁石４８ｎ，４８ｓ，５６ｎ，５６ｓの位置関係に対応して、任意の有効磁束量で磁界を発生させることを可能とする。この場合、電流ベクトル制御部７６は、第１ロータ要素４０に対し第２ロータ要素４２を回転させるトルクを発生させて、２つのロータ要素４０，４２の間のロータ間位相θｅを遷移させるようにステータ磁界を生成するように、ステータコイル電流をベクトル制御する。「ロータ間位相θｅ」は、第１ロータ要素４０に対する第２ロータ要素４２の相対位相差を電気角で表すものである。ロータ間位相θｅは、第１ロータ要素４０のＮ極磁石またはＳ極磁石が配置される位置を基準として、第２ロータ要素４２側から第１ロータ要素４０を回転軸２６方向に見た場合に、第２ロータ要素４２の基準の磁石と同極性のＮ極磁石またはＳ極磁石が図２の反時計方向に位置ずれする場合を正とする。一方、第２ロータ要素４２のＮ極磁石またはＳ極磁石が図２の時計方向に位置ずれする場合を負とする。ロータ間位相θｅが０°である場合、極性同一状態が成立し、正負いずれかの方向に１８０度ずれた場合に、極性逆転状態が成立する。電流ベクトル制御部７６は、ロータ間位相θｅの遷移によって、ロータ２８の有効磁束量を変化させる。次に、有効磁束量の制御のための電流ベクトル制御の考え方とその制御方法とを説明する。

図３は、図２において、第１ロータ要素４０及び第２ロータ要素４２を外径側から見て示している。図４は、図３のロータ２８を軸方向に見た模式図で、第２ロータ要素４２側から第１ロータ要素４０側に見た図である。図４では、第２ロータ要素４２の後側に配置される第１ロータ要素４０側の磁石４８ｎ，４８ｓを（Ｎ）（Ｓ）で示している。また、図４では、磁石４８ｎ，４８ｓ，５６ｎ，５６ｓの数を実際の数よりも少なく簡略化して示している。図３、図４は、各ロータ要素４０，４２の逆極性の磁石４８ｎ，４８ｓ，５６ｎ，５６ｓ同士の周方向の位相が一致する極性逆転状態を示している。図３及び後述する図５では、互いに離れる向きの矢印で吸引力が作用することを表し、互いに近づく向きの矢印で反発力が作用することを表す。この場合、図３に示すように、２つのロータ要素４０，４２の磁石４８ｎ，４８ｓ，５６ｎ，５６ｓ間で、軸方向に対向する逆極性の磁石同士の間で吸引力が作用し、軸方向に対し傾斜した方向に対向する同極性の磁石同士の間で反発力が作用する。しかしながら、軸方向に対向する逆極性の磁石同士の吸引力が強いので、結果として、極性逆転状態でロータ要素４０，４２間の位相関係であるロータ位相関係が最も安定した状態となる。

次に、この状態において、ロータ要素４０，４２間のロータ位相関係を異なる位相関係に遷移させるための制御として、図４で示すｄ軸方向位置に見かけ上のＮ極及びＳ極の磁極が配置されるステータ磁界を考える。この場合、第２ロータ要素４２では図における左上側にＳ極が位置しているので、ステータ磁束による磁気的吸引力で第２ロータ要素４２がβ方向に回転する。一方、第１ロータ要素４０では、図における右下側にＳ極が位置しているため、ステータ磁束による磁気的吸引力で第１ロータ要素４０はγ方向に回転する。この場合、両ロータ要素４０，４２同士で逆方向に回転するので、ロータ２８全体に対し回転に寄与しないトルクが作用する。このような考えから、制御装置７０は、第１ロータ要素４０及び第２ロータ要素４２に対し互いに逆方向に回転させる方向にトルクを発生させ、ロータ２８全体に対し回転に寄与しないトルクを発生させるようにステータコイル電流をベクトル制御する。例えば、このようなトルクを発生させる位置に磁束を発生させるようにステータ磁界を生成するように、ステータコイル電流をベクトル制御する。この構成により、後述するように回転軸２６に対し回転可能な第２ロータ要素４２が、回転軸２６に固定された第１ロータ要素４０に対し回転する。この場合、両ロータ要素４０，４２の合成磁束に対して、図４のｄ軸方向にステータ磁束が発生するようにステータ磁界を決定して、第２ロータ要素４２を第１ロータ要素４０に対して回転させるトルクを発生させる。このようなステータ磁界は、ｄ−ｑ座標系で電流指令を決定する電流ベクトル制御で決定できる。図４ではｄ軸磁束が発生するが、ｑ軸磁束は発生しない場合を示しており、ｄ軸電流のみが発生する。しかしながらロータ２８の正方向である図１、図２のα方向にロータ２８を回転させる場合にｑ軸磁束を発生させるためのｑ軸電流をｄ軸電流に合わせて発生させることもできる。

図５は、このようにステータ磁界を生成した場合の図３に対応する模式図を示している。図５の破線枠で示すように、第１ロータ要素４０のＮＳ間の外径側と第２ロータ要素４２のＳＮ間の外径側とに共通の見かけ上のＮ極が形成され、周方向両側の外径側に見かけ上のＳ極が形成されるようにステータ磁界が生成される。これにより、第１ロータ要素４０は図５の上方であるγ方向に変位し、第２ロータ要素４２は図５の下方であるβ方向に変位し、互いに逆方向に回転させるトルクが発生する。制御装置７０は、このトルクを発生させることで、ロータ位相関係を極性逆転状態から極性同一状態に向けて遷移させる。この場合、上記のロータ間位相θｅ（図２）が遷移する。

例えば、図６に示すように、ロータ位相関係には、極性逆転状態と極性同一状態とがある。極性同一状態は、各ロータ要素４０，４２の同極性の磁石同士の間で周方向の位相が一致する状態である。制御装置７０は、ロータ位相関係が極性逆転状態と極性同一状態との間にある場合に、各ロータ要素４０，４２に互いに逆方向に回転させる方向にトルクを発生させ、ロータ２８全体に対し回転に寄与しないトルクを発生させるように、ステータコイル電流をベクトル制御で制御する。例えば、このようなトルクを発生させる位置に磁束が発生するステータ磁界を生成するように、ステータコイル電流をベクトル制御する。この場合、制御装置７０は、ロータ間位相θｅが極性逆転状態から極性同一状態に向かって遷移するように、ステータコイル電流をベクトル制御する。

図６では、ロータ間位相θｅと、ロータ要素４０，４２間に作用するロータ間磁石トルクとの関係を示している。「ロータ間磁石トルク」は、図７のように正方向を規定する。図６で示すように、ロータ間位相θｅが−１８０°＜θｅ＜０°である場合、ロータ間磁石トルクは「負」となり、各ロータ要素４０，４２同士のＮ極磁石４８ｎ，５６ｎとＳ極磁石４８ｓ，５６ｓとの間の吸引力により、負方向のトルク、すなわちθｅ＝−１８０°の状態に向かう方向のトルクがロータ要素４０，４２に作用する。この場合、各ロータ要素４０，４２は、図７で示す方向と逆方向にトルクが作用する。このため、θｅを正方向に変化させる場合、これと逆方向である図７の矢印方向のトルクを発生させる必要がある。

一方、ロータ間位相θｅが０°＜θｅ＜１８０°である場合、ロータ間磁石トルクは「正」となり、各ロータ要素４０，４２同士のＮ極磁石４８ｎ，５６ｎとＳ極磁石４８ｓ，５６ｓとの間の吸引力により、正方向のトルク、すなわちθｅ＝＋１８０°の状態に向かう方向のトルクがロータ要素４０，４２間に作用する。この場合、各ロータ要素４０，４２は、図７で示す方向と同方向にトルクが作用する。このため、θｅを正方向に変化させる場合、θｅ＝０°の状態から少なくとも一時的でもθｅ＞０°の状態にすれば、正のロータ間磁石トルクによって外部から駆動トルクを加えることなく、θｅ＝＋１８０°の状態にまで変化させることが可能となる。

まず、−１８０°≦θｅ＜０°の場合にθｅが正方向に遷移するようにロータ位相関係を遷移させる制御を説明する。図８、図９の（ａ）から（ｄ）では、−１８０°≦θｅ≦０°でのθｅの正方向の遷移を示している。θｅ＝−１８０°の極性逆転状態では、所定の方向に磁極を形成するステータ磁界を発生させるように、３相のステータコイル３８に流れる電流であるステータコイル電流をベクトル制御する。この場合、第１ロータ要素４０及び第２ロータ要素４２の同極性の磁石４８ｓ、５６ｓの周方向間隔を２等分する方向として、第１ロータ要素４０の第１磁石４８ｓを基準として位相がθｅ／２ずれた方向に、その基準の磁石４８ｓと同方向の磁束が生じるようにステータ磁界を発生させる。これによって、ステータ磁界と各ロータ要素４０，４２の磁石磁束との間に磁気吸引力が発生し、各ロータ要素４０，４２間に同極性の磁石４８ｓ，５６ｓ同士を近づけるトルクである、正方向のトルクを発生させることができる。上記では、磁石４８ｓ、５６ｓに対応するステータ磁束を説明したが、磁石４８ｎ、５６ｎに対応するステータ磁束の場合も方向が逆になるだけで同様である。図８では、ステータ磁界が発生させる矢印Ｎ，Ｓで示す磁束とロータ２８の磁石４８ｎ，４８ｓ，５６ｎ，５６ｓとの間で作用するように示す両方向の矢印δで、吸引力が発生することを示している。

上記の正方向のトルクによって、θｅを正方向に遷移させることが可能となる。この際、ベクトル制御により発生するステータ磁界の磁束方向はθｅの遷移に同期して制御する必要があるので、各ロータ要素４０，４２の回転角度を検出する２つの回転角センサ３２，３４の検出値を随時、制御装置７０で取得、すなわち受信して、その検出値に応じた方向に磁束を発生するステータ磁界が生成されるように制御する。

なお、ステータ磁界によってロータ要素４０，４２間にトルクが発生するが、ステータ磁界は２つのロータ要素４０，４２の同極性の磁石の磁束の位相中心である、２つのロータ要素４０，４２の合成磁束のｄ軸方向の磁界のみとなるので、回転軸２６を介して外部に作用するトルクは発生しない。

上記の方法でロータ位相関係をθｅの正方向に遷移させる「正トルク発生動作」を行うことで、ロータ２８の有効磁束量が所望値となった状態で、ステータ磁界を０とする。例えば、ステータ磁界で生じるｄ軸磁束及びｑ軸磁束のうち、ｄ軸磁束のみを０とするようにステータ電流をベクトル制御してもよい。この場合、θｅ＝−１８０°の状態に戻そうとするトルクとして、ロータ要素４０，４２間に図６の負方向のロータ間磁石トルクが作用する。しかしながら、第２ロータ要素４２と回転軸２６との間に設けられた一方向クラッチ３０の機能により、θｅが負方向に変化することなく、「位相固定動作」として、ロータ間位相θｅを一定としてロータ位相関係を維持することができる。

図１０は、ロータ間位相θｅとロータ位相関係の安定性との関係を概念的に示している。点Ｐ１の極性逆転状態から点Ｐ２の極性同一状態に向かってロータ間位相θｅが正方向に遷移する場合に、上記のようにｄ軸磁束が発生するステータ磁界が生成されるように制御することで、ロータ間位相θｅ及び安定性は矢印Ｑ１方向に変化する。この場合、有効磁束量の所望値でステータ磁界を０とすると、位相安定方向であるＲ方向に移動させる負方向のロータ間磁石トルクが作用する。しかしながら一方向クラッチ３０の機能により所望状態、例えば点Ｐ３，Ｐ４の状態で保持することが可能となる。この状態で、極性逆転状態の有効磁束０状態から、ロータ２８の有効磁束量が増大する。

さらに有効磁束量を大きくする場合、上記の正トルク発生動作と位相固定動作とを繰り返す。上記の動作により、ロータ間位相を磁束０％状態から磁束１００％状態に遷移させることが可能となる。

次に、０°≦θｅ＜＋１８０°の場合にθｅが正方向に遷移するようにロータ位相関係を遷移させる制御を説明する。図１１、図１２の（ａ）から（ｃ）では、０°≦θｅ≦＋１８０°でのθｅの正方向の遷移を示している。θｅ＝０°の極性同一状態から正方向に遷移させる場合、少なくとも初期時である第２ロータ要素４２の駆動初期において、各ロータ要素４０，４２間に位相差、すなわち正のロータ間位相θｅを発生させるステータ磁界を生成するように、ステータコイル電流をベクトル制御する。この場合、第２ロータ要素４２の駆動初期において、２つのロータ要素４０，４２の同極性の磁石同士の間で位相差を大きくするステータ磁界を生成するように、ステータコイル電流をベクトル制御する。例えば、駆動初期に一時的にロータ２８に矢印β（図１１）方向にトルクを与える所定の大きさのｑ軸磁束が発生するようにステータ磁界を生成する。

この場合、所定の方向に磁束を発生させるステータ磁界が形成されるように、ステータコイル電流をベクトル制御する。このステータ磁界では、図１１、図１２の（ａ）で示すように、同位相となっている２つのロータ要素４０，４２の同極性の磁石の磁束と同方向のステータ磁束が、ロータ間位相θｅの正方向にずれた位置、例えば図１１（ａ）で矢印Ｎの位置に形成されるようにする。これによって、ステータ磁界が各ロータ要素４０，４２に同じ大きさのβ方向のトルクを発生させるが、回転軸２６と一体構造の第１ロータ要素４０は回転慣性が大きく、回転軸２６と一体構造でない第２ロータ要素４２は第１ロータ要素４０よりも回転慣性が小さい。このため、第２ロータ要素４２に作用する図７の正方向のトルクによって、第２ロータ要素４２を第１ロータ要素４０に対して、β方向に回転させることができる。

この正方向のトルクによって、ロータ間位相を、θｅ＝＋１８０°となる状態に向かって遷移させることができる。

この場合、図１０で、点Ｐ２の極性同一状態において、上記のようにステータ磁界が発生するように制御することで、ロータ間位相θｅ及び安定性は矢印Ｑ２方向に変化する。この場合、０°＜θｅ＜＋１８０°の範囲で常に、図６の正のロータ間磁石トルクが作用するので、外部から駆動トルクを加えることなく、位相安定状態である極性逆転状態に遷移させることができる。

上記のように極性同一状態で所定の方向に磁極を形成するステータ磁界を発生させる場合に、制御装置７０は、２つのロータ要素４０，４２の両方に同方向に回転させるように、ステータコイル電流をベクトル制御して、第２ロータ要素４２を第１ロータ要素４０に対し回転させる構成を採用してもよい。例えば、２つのロータ要素４０，４２の両方に同方向に回転させる位置にパルス状に磁束が発生するステータ磁界を生成するように、ステータコイル電流をベクトル制御してもよい。

上記の回転電機制御システム１０及び回転電機２０の制御方法によれば、アクチュエータのような専用の駆動源を設けることなく、２つのロータ要素４０，４２のロータ位相関係を変化させ、ロータ２８の有効磁束量を変化させることができる。また、回転軸２６に回転電機２０の外部に作用するトルクを発生させることなく、ロータ要素４０，４２間のロータ位相関係を任意に制御できるので、有効磁束量を任意の所望値に制御することが可能となる。この結果、アクチュエータを必要とする従来技術に比べて、アクチュエータ分のコスト及び体格の増大がない。

また、第２ロータ要素４２と回転軸２６との間に一方向クラッチ３０が設けられている。この一方向クラッチ３０は、ロータ間位相θｅが極性逆転状態から極性同一状態に向かって遷移する場合に、２つのロータ要素４０，４２間に作用するロータ間磁石トルクで、第２ロータ要素４２が第１ロータ要素４０に対し極性逆転状態に戻る方向の回転を阻止する。このため、ロータ２８の有効磁束量が所望値である場合にロータ位相関係を外部からの電気的な保磁力なしで保持できる。このため、アクチュエータの保磁力でロータ位相関係を保持する必要がなくなり、エネルギ損失の低減を図れる。

また、制御装置７０は、ロータ間位相θｅが極性逆転状態から極性同一状態に向かって遷移するようにステータコイル電流をベクトル制御するので、磁石同士の吸引力による負のロータ磁石間トルクが作用するのにもかかわらず、アクチュエータのような駆動源を設けることなく、ロータ位相関係を極性同一状態に向かって遷移させることができる。

また、制御装置７０は、極性同一状態から極性逆転状態に遷移する際の第２ロータ要素４２の少なくとも駆動初期において、ロータ要素４０，４２間で位相差を発生させるように、ステータコイル電流をベクトル制御する。このため、駆動初期の所定のステータ磁界を生じさせるだけで、ロータ要素４０，４２間のロータ磁石間トルクを利用して、外部駆動力なしで有効磁束量を１００％から０％に減少させることができる。

［第２実施形態］
図１３は、本発明の第２実施形態において、回転電機制御システム１０の構成を示している。回転電機２０には、上記の第１実施形態において、第２ロータ要素４２の回転角度を検出する回転角センサ３４（図１）が設けられていない。その代わりに、回転電機制御システム１０は、少なくとも１相のステータコイル３８の誘起電圧を検出する誘起電圧検出回路８０を備える。誘起電圧検出回路８０は、第１ロータ要素４０及び第２ロータ要素４２の回転に伴ってロータ２８の有効磁束量に起因してステータコイル３８に発生する誘起電圧を検出する。誘起電圧の検出値は、制御装置７０に送信される。

制御装置７０は、誘起電圧取得部９０と、回転軸回転角取得部９２と、ロータ間位相差算出部９４とを有する。誘起電圧取得部９０は、制御装置７０で受信した誘起電圧の検出値を取得する。回転軸回転角取得部９２は、回転角センサ３２から送信された回転軸２６の回転角の検出値を受信して取得する。ロータ間位相差算出部９４は、誘起電圧の検出値と、回転角センサ３２の検出値とに基づいて、ロータ間の相対位相差としてのロータ間位相θｅを算出する。

図１４は、本実施形態において、ロータ間位相θｅが異なる、軸回転角（電気角）とステータ誘起電圧との関係の４例を示す図である。図１４では、二点鎖線Ｔ１で第１ロータ要素４０の磁束による誘起電圧を、一点鎖線Ｔ２で第２ロータ要素４２の磁束による誘起電圧を、実線ＴＡで２つのロータ要素４０，４２の磁束合成による合成誘起電圧を示している。破線Ｔｓで回転角センサ３２の検出信号である信号検出値を示している。回転角センサ３２の信号検出値は、電気角で表す軸回転角に比例する。

図１４に示すように、ステータ誘起電圧と回転軸２６の回転角とから、ほぼすべての回転軸２６の回転角で、現在の状態に対応するロータ間位相θｅを求めることができる。例えば同じ回転軸２６の回転角で合成誘起電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４のいずれか１つが得られた場合、ロータ間位相差算出部９４は、現在の状態に対応するロータ間位相θｅとして、−１８０°、−１２０°、０°、＋６０°のいずれかの状態であることを算出する。この場合、予め記憶部で記憶させたロータ間位相θｅと合成誘起電圧と回転軸２６の回転角との関係を表すマップを用いて、ロータ間位相θｅが算出される。また、記憶部で記憶していない関係からロータ間位相θｅを算出する場合、マップの関係から補間で求めたり、予め設定した関係式からロータ間位相θｅを算出してもよい。また、極性逆転状態では合成誘起電圧が常に０となるので、他の状態の合成誘起電圧の０となる場合との区別ができない場合があるが、その場合には、その状態の検出値を用いたロータ間位相θｅの算出を行わないようにすることもできる。

上記の構成によれば、ロータ間位相を遷移させる場合に、回転軸２６の回転中において、合成誘起電圧と回転軸２６の回転角の検出値とを利用して、ロータ間位相θｅの算出が可能となる。このため、第２ロータ要素４２の回転角度を検出する回転角センサが不要となって、低コスト化を図れる。また、回転電機２０に第２ロータ要素４２の回転角度検出用の回転角センサの設置部分を設ける必要がないので、回転電機２０の小型化を図れる。その他の構成及び作用は、上記の図１から図１２に示した構成と同様である。

［第３実施形態］
図１５は、本発明の第３実施形態において、回転電機２０の断面を示している。回転電機２０には、一方向クラッチ３０（図１）が設けられていない。また、回転電機２０は、第１ロータ要素４０に固定された回転軸２６が有する円筒状突部４４と、第２ロータ要素４２との互いに対向する軸方向側面間に設けられたディテント機構９６を有する。ディテント機構９６は、有効磁束量が１００％となる場合で、第１ロータ要素４０及び第２ロータ要素４２のロータ間位相が極性同一状態である場合に、極性同一状態を保持する。ディテント機構９６は、円筒状突部４４の軸方向側面に設けられた凹部と内側保持部５２の軸方向側面の凹部とにボールを係合させるように、このボールにバネでバネ力を付与して、２つのロータ要素４０，４２間の位相を維持する。

ディテント機構９６は、ロータ間磁石トルクではロックが解除されず、ステータ磁界によるロータ位相関係を遷移させるための駆動力でロックが解除されるように所定の固定力を発生させる。

また、制御装置７０は、ロータ間位相が、有効磁束量の０％の極性逆転状態と極性同一状態との２つの切替状態のいずれかのみで保持されるように、ステータコイル電流をベクトル制御する。

上記の構成によれば、第２ロータ要素４２の回転方向を一方向に規制する一方向クラッチ３０を設ける必要がなくなり、低コスト化が可能となる。その他の構成及び作用は、上記の図１から図１２に示した構成と同様である。なお、上記の図１から図１２に示した構成で、上記の図１５のようにディテント機構９６を設けることもできる。この場合、有効磁束量１００％の同一極性状態を維持しやすくなる。また、同一極性状態の場合とともに、またはこれに代えて、同一極性状態以外の所望のロータ位相関係を保持する部分にディテント機構を設けることもできる。また、ディテント機構を第１ロータ要素４０と第２ロータ要素４２との軸方向に対向する軸方向側面間に設けることもできる。

［第４の実施形態］
図１６は、本発明の第４実施形態において、ステータ磁界により第２ロータ要素４２に発生させるトルク及びロータ間磁石トルクと、ロータ間位相θｅとの関係を示している。本実施形態では、上記の図１５の構成と同様に、制御装置７０は、ロータ間位相θｅが、有効磁束量の０％の極性逆転状態と、有効磁束量が１００％の極性同一状態との２つの切替状態のいずれかのみで保持されるように、ステータコイル電流をベクトル制御する。この場合、極性逆転状態から極性同一状態にロータ間位相θｅを遷移させる場合に、θｅ＝−１８０°の状態で、θｅ＝０°に遷移できるだけのエネルギを発生させるようにベクトル制御する。この場合、θｅ＝−１８０°からθｅ＝０°までの遷移全体でロータ２８に作用するロータ間磁石トルクによる吸引力エネルギと、第２ロータ要素４２を回転移動させる慣性エネルギとに見合う吸引力エネルギを、第２ロータ要素４２の駆動初期に瞬間的に付与するように、ステータコイル電流をベクトル制御する。

また、極性同一状態から極性逆転状態に遷移させる場合に、２つのロータ要素４０，４２の両方に同方向に回転させるように、ステータコイル電流をベクトル制御する。例えば、２つのロータ要素４０，４２の両方に同方向に回転させる位置に矩形波または三角波のパルス状に磁束が発生するステータ磁界を生成するように、ステータコイル電流をベクトル制御する。この場合のステータ磁界による発生トルクは、極性逆転状態から遷移させる場合に加えるトルクよりも小さくできる。

上記構成によれば、ロータ位相関係の遷移動作領域全域ではロータ間位相θｅに基づいたステータ磁束を発生するベクトル制御を行う必要がなくなる。このため、図１３のロータ間位相差の検出も含めてロータ間位相差の検出として、ロータ間位相θｅの全域での検出は不要となる。このため、ロータ間位相の制御のハード構成及びソフト構成の簡素化を図れる。その他の構成及び作用は、上記の図１から図１２の構成と同様である。

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ら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。

また、上記では、各ロータ要素４０，４２に配置される磁石が２つを１組としてＶ字形配置される場合を説明したが、本発明はこれに限定せず、例えば各ロータ要素４０，４２に各磁石が周方向に沿って配置される構成を採用してもよい。

１０ 回転電機制御システム、１２ インバータ、１４ 蓄電装置、２０ 回転電機、２２ ケース、２４ ステータ、２６ 回転軸、２８ ロータ、３０ 一方向クラッチ、３２，３４ 回転角センサ、３６ ステータコア、３８ｕ，３８ｖ，３８ｗ ステータコイル、４０ 第１ロータ要素、４２ 第２ロータ要素、４４ 円筒状突部、４６ 第１コア、４８ｎ、４８ｓ 第１磁石、５０ 軸受、５２ 内側保持部、５４ 第２コア、５６ｎ，５６ｓ 第２磁石、７０ 制御装置、７２ ロータ間位相取得部、７４ 有効磁束量設定部、７６ 電流ベクトル制御部、８０ 誘起電圧検出回路、９０ 誘起電圧取得部、９２ 回転軸回転角取得部、９４ ロータ間位相差算出部、９６ ディテント機構。

Claims (12)

1. 周方向複数個所に配置されたステータコイルを含むステータと、
   前記ステータの内側に回転可能で、互いに軸方向に分離して配置された第１ロータ要素及び第２ロータ要素を含み、前記第１ロータ要素は周方向に交互に配置された極性の異なる複数の第１磁石を含んで回転軸に固定され、前記第２ロータ要素は周方向に交互に配置された極性の異なる複数の第２磁石を含んで前記回転軸に回転可能に設けられたロータと、
   ステータコイル電流を制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記第１ロータ要素に対する前記第２ロータ要素の相対位相差であるロータ間位相を遷移させるように前記ステータコイル電流をベクトル制御することを特徴とする回転電機制御システム。
2. 請求項１に記載の回転電機制御システムにおいて、
   前記制御装置は、
   少なくとも前記ロータ間位相が、逆極性の前記第１磁石及び前記第２磁石同士の周方向の位相が一致する極性逆転状態から、同極性の前記第１磁石及び前記第２磁石同士の周方向の位相が一致する極性同一状態に向かって遷移するように、前記ステータコイル電流をベクトル制御することを特徴とする回転電機制御システム。
3. 請求項２に記載の回転電機制御システムにおいて、
   前記制御装置は、
   前記ロータ間位相が極性逆転状態と極性同一状態との間にある場合に、前記第１ロータ要素及び前記第２ロータ要素に対し互いに逆方向に回転させる方向にトルクを発生させ、ロータ全体に対し回転に寄与しないトルクを発生させるように、前記ステータコイル電流をベクトル制御することを特徴とする回転電機制御システム。
4. 請求項１または請求項２に記載の回転電機制御システムにおいて、
   前記制御装置は、
   少なくとも前記ロータ間位相の所定値から変化させるように前記第２ロータ要素を前記第１ロータ要素に対し回転駆動する駆動初期において、前記第１ロータ要素及び前記第２ロータ要素の間の位相差を大きくするように、前記ステータコイル電流をベクトル制御することを特徴とする回転電機制御システム。
5. 請求項４に記載の回転電機制御システムにおいて、
   前記制御装置は、
   前記ロータ間位相の所定値であり、同極性の前記第１磁石及び前記第２磁石同士の周方向の位相が一致する極性同一状態から、逆極性の前記第１磁石及び前記第２磁石同士の周方向の位相が一致する極性逆転状態に遷移する際の前記第２ロータ要素の少なくとも駆動初期において、前記位相差を発生させるように、前記ステータコイル電流をベクトル制御することを特徴とする回転電機制御システム。
6. 請求項５に記載の回転電機制御システムにおいて、
   前記制御装置は、
   極性同一状態から極性逆転状態に遷移する際の前記第２ロータ要素の少なくとも駆動初期において、前記第１ロータ要素及び前記第２ロータ要素の両方に同方向に回転させるように、前記ステータコイル電流をベクトル制御することにより、前記第１ロータ要素に対し前記第２ロータ要素を回転させることを特徴とする回転電機制御システム。
7. 請求項４に記載の回転電機制御システムにおいて、
   前記制御装置は、
   前記ロータ間位相の所定値であり、逆極性の前記第１磁石及び前記第２磁石同士の周方向の位相が一致する極性逆転状態から、同極性の前記第１磁石及び前記第２磁石同士の周方向の位相が一致する極性同一状態に遷移する際の前記第２ロータ要素の駆動初期において、前記第２ロータ要素に極性同一状態に遷移させる吸引力エネルギを瞬間的に付与するように、前記ステータコイル電流をベクトル制御することを特徴とする回転電機制御システム。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１に記載の回転電機制御システムにおいて、
   前記第２ロータ要素及び前記回転軸の間に設けられ、前記ロータ間位相が、逆極性の前記第１磁石及び前記第２磁石同士の周方向の位相が一致する極性逆転状態から、同極性の前記第１磁石及び前記第２磁石同士の周方向の位相が一致する極性同一状態に向かって遷移する場合に前記第１ロータ要素及び前記第２ロータ要素間に作用するロータ間磁石トルクで、前記第２ロータ要素が前記第１ロータ要素に対し極性逆転状態に戻る方向の回転を阻止する一方向クラッチを備えることを特徴とする回転電機制御システム。
9. 請求項１から請求項８のいずれか１に記載の回転電機制御システムにおいて、
   前記回転軸の回転角度を検出する回転角センサを備え、
   前記制御装置は、
   前記第１ロータ要素及び前記第２ロータ要素の回転に伴って前記ステータコイルに発生する誘起電圧の検出値と、前記回転角センサの検出値とに基づいて、前記第１ロータ要素に対する前記第２ロータ要素の相対位相差を算出することを特徴とする回転電機制御システム。
10. 請求項１から請求項９のいずれか１に記載の回転電機制御システムにおいて、
    前記第１ロータ要素または前記第１ロータ要素に固定された部材と前記第２ロータ要素との間に設けられ、前記第１ロータ要素及び前記第２ロータ要素の位相関係が、同極性の前記第１磁石及び前記第２磁石同士の周方向の位相が一致する極性同一状態である場合に、極性同一状態を保持するディテント機構を備えることを特徴とする回転電機制御システム。
11. 請求項１から請求項１０のいずれか１に記載の回転電機制御システムにおいて、
    前記制御装置は、
    前記ロータ間位相が、逆極性の前記第１磁石及び前記第２磁石同士の周方向の位相が一致する極性逆転状態と、同極性の前記第１磁石及び前記第２磁石同士の周方向の位相が一致する極性同一状態との２つの切替状態のいずれかのみで保持されるように、前記ステータコイル電流をベクトル制御することを特徴とする回転電機制御システム。
12. 周方向複数個所に配置されたステータコイルを含むステータと、
    前記ステータの内側に回転可能で、互いに軸方向に分離して配置された第１ロータ要素及び第２ロータ要素を含み、前記第１ロータ要素は周方向に交互に配置された極性の異なる複数の第１磁石を含んで回転軸に固定され、前記第２ロータ要素は周方向に交互に配置された極性の異なる複数の第２磁石を含んで前記回転軸に回転可能に設けられたロータとを備える回転電機の制御方法であって、
    前記第１ロータ要素に対する前記第２ロータ要素の相対位相差であるロータ間位相を遷移させるように、前記ステータコイル電流をベクトル制御することを特徴とする回転電機の制御方法。

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