JP2015177646A - Controller for rotary electric machine and rotary electric machine control system - Google Patents

Controller for rotary electric machine and rotary electric machine control system Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a controller and a control system capable of improving power generation efficiency of a rotary electric machine.SOLUTION: A vehicle comprises an engine 100, a power generator 200, and a motor 300. The power generator 200 is constituted by a variable-field rotary electric machine that comprises a main rotor and a sub rotor capable of relatively rotating along a rotation axis and changes a field magnetic flux by changing a phase angle between both rotors. An ECU 500 controls the phase angle between both rotors to increase/decrease the field magnetic flux of the power generator 200 depending on the engine 100's operation state. The ECU 500 minimizes the field magnetic flux to suppress a drag loss of the power generator 200 in an engine stop state; and maximizes the field magnetic flux in an engine operation state.

Description

本発明は、可変界磁型の回転電機の制御装置及び回転電機制御システムに関する。   The present invention relates to a control device for a variable field type rotating electrical machine and a rotating electrical machine control system.

下記の特許文献1には、永久磁石を有する内周側回転子と、永久磁石を有し内周側回転子の外側に相対回転可能に配置された外周側回転子とでモータジェネレータの回転子を構成し、両回転子の回転位相を操作して誘起電圧定数を変更し得る構成が記載されている。誘起電圧定数の変更に応じてエンジン駆動目標トルクを変更して発電トルクと出力トルクをバランスさせるとしている。   In Patent Document 1 below, a rotor of a motor generator includes an inner rotor having a permanent magnet and an outer rotor having a permanent magnet and arranged to be relatively rotatable outside the inner rotor. And the induced voltage constant can be changed by manipulating the rotational phase of both rotors. The engine drive target torque is changed according to the change of the induced voltage constant to balance the power generation torque and the output torque.

特開2008−94182号公報JP 2008-94182 A

しかしながら、従来技術では発電機において生じる損失について十分考慮されておらず、発電効率が必ずしも高くない問題がある。例えば、一般的なシリーズハイブリッドの構成のようにエンジンと発電機が直結している場合、エンジン停止時には必ず発電機も停止するためエンジン停止時の引きずり損を考慮する必要がないが、後述する図1に示すような構成のハイブリッド自動車等ではエンジンが停止した状態で走行する場合に発電機が連れ回される。このため、エンジン停止状態では発電機の引きずり損を抑制し、発電機でエンジンをクランキングして始動する時には発電機をモータとして機能させてそのトルクを増大させ、エンジン運転中にはエンジンの運転状況に応じて発電機のトルクを時々刻々制御するために誘起電圧定数を動的に変更する必要があるところ、従来技術ではこれら種々の状況において発電効率向上の観点からの誘起電圧定数変更については考慮されていない。   However, the conventional technology does not sufficiently consider the loss generated in the generator, and there is a problem that the power generation efficiency is not necessarily high. For example, when the engine and the generator are directly connected as in a general series hybrid configuration, the generator is always stopped when the engine is stopped, so there is no need to consider drag loss when the engine is stopped. In a hybrid vehicle or the like having a configuration as shown in FIG. 1, a generator is driven when the vehicle travels with the engine stopped. For this reason, when the engine is stopped, the dragging loss of the generator is suppressed, and when the engine is cranked and started by the generator, the generator functions as a motor to increase its torque. In order to control the generator torque from moment to moment according to the situation, it is necessary to dynamically change the induced voltage constant. Not considered.

本発明の目的は、回転電機の発電効率を一層向上させることができる回転電機の制御装置及び回転電機制御システムを提供することにある。   The objective of this invention is providing the control apparatus and rotary electric machine control system of a rotary electric machine which can further improve the electric power generation efficiency of a rotary electric machine.

本発明は、可変界磁型の回転電機を制御する制御装置であって、前記回転電機はエンジンのクランク軸に連結され、前記エンジンの動力により発電するものであり、前記回転電機は、ステータと、前記ステータと対向配置され、かつ、回転軸方向に互いに対向配置された第1ロータ要素及び第2ロータ要素を含み、前記第2ロータ要素は前記第1ロータ要素に対して相対回転可能なロータとを備えて構成され、少なくとも前記エンジンの運転状況を入力する入力手段と、前記運転状況に基づき、前記回転電機の目標界磁磁束を最大界磁磁束あるいは最小界磁磁束のいずれかに切り換える切換手段と、前記目標界磁磁束に基づき、前記第1ロータ要素に対する前記第2ロータ要素の位相角を制御するための制御指令を出力する制御手段とを備えることを特徴とする。   The present invention is a control device for controlling a variable field type rotating electric machine, wherein the rotating electric machine is connected to a crankshaft of an engine and generates electric power by the power of the engine. A first rotor element and a second rotor element that are arranged to face the stator and are arranged to face each other in the rotation axis direction, and the second rotor element is a rotor that is rotatable relative to the first rotor element. And switching means for switching the target field flux of the rotating electrical machine to either the maximum field flux or the minimum field flux based on the operation situation, at least input means for inputting the operation situation of the engine And control means for outputting a control command for controlling a phase angle of the second rotor element with respect to the first rotor element based on the target field magnetic flux. It is characterized in.

本発明の1つの実施形態では、前記切換手段は、前記エンジンの停止状態では最小界磁磁束を前記目標界磁磁束とし、前記エンジンの運転状態では最大界磁磁束を前記目標界磁磁束とすることを特徴とする。   In one embodiment of the present invention, the switching means uses the minimum field magnetic flux as the target field magnetic flux when the engine is stopped and the maximum field magnetic flux as the target field magnetic flux when the engine is operating. It is characterized by that.

本発明の他の実施形態では、前記演算手段は、前記エンジンのクランキング状態では最大界磁磁束を前記目標界磁磁束とすることを特徴とする。   In another embodiment of the present invention, the calculating means sets the maximum field magnetic flux as the target field magnetic flux in the cranking state of the engine.

本発明のさらに他の実施形態では、前記制御手段は前記エンジンのクランキングの開始に先立って前記回転電機の界磁磁束を前記目標界磁磁束に制御することを特徴とする。   In still another embodiment of the present invention, the control means controls the field magnetic flux of the rotating electrical machine to the target field magnetic flux prior to the start of cranking of the engine.

また、本発明の回転電機制御システムは、可変界磁型の回転電機と、前記回転電機を制御する制御装置とを備え、前記回転電機は、エンジンのクランク軸に連結され、前記エンジンの動力により発電するものであり、ステータと、前記ステータと対向配置され、かつ、回転軸方向に互いに対向配置された第1ロータ要素及び第2ロータ要素を含み、前記第2ロータ要素は前記第1ロータ要素に対して相対回転可能なロータとを備え、前記制御装置は、少なくとも前記エンジンの運転状況を入力する入力手段と、前記運転状況に基づき、前記回転電機の目標界磁磁束を最大界磁磁束あるいは最小界磁磁束のいずれかに切り換える切換手段と、前記目標界磁磁束に基づき、前記第1ロータ要素に対する前記第2ロータ要素の位相角を制御するための制御指令を出力する制御手段とを備えることを特徴とする。   The rotating electrical machine control system of the present invention includes a variable field type rotating electrical machine and a control device that controls the rotating electrical machine, and the rotating electrical machine is connected to an engine crankshaft and is driven by the power of the engine. The power generation unit includes a stator, and a first rotor element and a second rotor element that are arranged to face the stator and are arranged to face each other in the rotation axis direction, and the second rotor element is the first rotor element The control device is configured to input at least an operation state of the engine and input a target field flux of the rotating electrical machine based on the operation state to a maximum field flux or Switching means for switching to any one of the minimum field magnetic flux and for controlling the phase angle of the second rotor element with respect to the first rotor element based on the target field magnetic flux And a controlling means for outputting a control command.

本発明の回転電機制御システムは、エンジンと回転電機で走行するハイブリッド自動車等の車両に搭載され得る。   The rotating electrical machine control system of the present invention can be mounted on a vehicle such as a hybrid vehicle that runs on an engine and the rotating electrical machine.

本発明によれば、エンジンの運転状況に応じ、回転電機の発電効率を一層向上させることができる。これにより、車両の燃費を向上し得る。   According to the present invention, the power generation efficiency of the rotating electrical machine can be further improved in accordance with the operating state of the engine. Thereby, the fuel consumption of the vehicle can be improved.

ハイブリッド自動車のシステム構成図である。1 is a system configuration diagram of a hybrid vehicle. 実施形態の発電機の基本構成図である。It is a basic lineblock diagram of the generator of an embodiment. 図2のA−A断面図である。It is AA sectional drawing of FIG. 主ロータと副ロータの位相関係を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the phase relationship of a main rotor and a subrotor. 実施形態のECUの機能ブロック図である。It is a functional block diagram of ECU of embodiment. エンジン回転数、エンジントルク、発電機トルク及び界磁磁束のタイミングチャートである。It is a timing chart of engine speed, engine torque, generator torque, and field magnetic flux. エンジン回転数、エンジントルク、発電機トルク及び界磁磁束のタイミングチャートである。It is a timing chart of engine speed, engine torque, generator torque, and field magnetic flux.

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、可変界磁型の回転電機を搭載したハイブリッド自動車の構成を示す。回転電機として発電機200及びモータ300が搭載される。発電機200は、エンジン100のクランク軸にプラネタリギヤを介して連結される。モータ300もプラネタリギヤに連結される。プラネタリギヤの出力軸は、ディファレンシャルギヤを介してタイヤ(駆動輪)400に連結される。発電機200及びモータ300は、それぞれ図示しないバッテリに電気的に接続され、電力送受が行われる。発電機200は、エンジン100の動力により発電するとともに、発電された電力をモータ300及びバッテリに供給する。モータ300は、バッテリからの電力と発電機からの電力を用いて走行用駆動力を発生してタイヤ400を駆動する。   FIG. 1 shows the configuration of a hybrid vehicle equipped with a variable field type rotating electrical machine. A generator 200 and a motor 300 are mounted as rotating electric machines. The generator 200 is connected to the crankshaft of the engine 100 via a planetary gear. The motor 300 is also connected to the planetary gear. The output shaft of the planetary gear is connected to a tire (drive wheel) 400 via a differential gear. The generator 200 and the motor 300 are each electrically connected to a battery (not shown), and power is transmitted and received. The generator 200 generates power using the power of the engine 100 and supplies the generated power to the motor 300 and the battery. The motor 300 generates a driving force for driving using the power from the battery and the power from the generator to drive the tire 400.

エンジン100、発電機200、モータ300及びタイヤ400は、動力分配機構により接続され、車両の走行状態に応じてアクセル操作量に対する走行用駆動力の出力特性を変更して、モータ300のみで駆動力を発生するモード(EV走行モード)と、モータ300とエンジン100の両方で駆動力を発生するモードを選択的に切り替える。   The engine 100, the generator 200, the motor 300, and the tire 400 are connected by a power distribution mechanism, and change the output characteristics of the driving force for driving with respect to the accelerator operation amount according to the driving state of the vehicle. Is selectively switched between a mode for generating the power (EV traveling mode) and a mode for generating the driving force in both the motor 300 and the engine 100.

発電機200及びモータ300のうち少なくとも発電機200は、可変界磁型の回転電機であり、界磁磁束(ステータの鎖交磁束)が可変の回転電機である。発電機200の具体的構成については後述する。   At least the generator 200 of the generator 200 and the motor 300 is a variable field type rotating electric machine, and is a rotating electric machine with variable field magnetic flux (linkage magnetic flux of the stator). A specific configuration of the generator 200 will be described later.

電子制御装置(ECU)500は、CPU及びメモリを備えるマイクロコンピュータで構成され、各種検出信号を入力して発電機200及びモータ300を制御する。特に、ECU500は、ハイブリッド自動車の運転状況、具体的にはエンジン100の停止、クランキング、運転の各状態に応じて発電機200での発電効率が増大するように界磁磁束(ステータの鎖交磁束)を切換制御する。ECU500は、ハイブリッド自動車全体を制御するハイブリッド用ECUと協働で動作する。   The electronic control unit (ECU) 500 includes a microcomputer including a CPU and a memory, and controls the generator 200 and the motor 300 by inputting various detection signals. In particular, the ECU 500 controls the field magnetic flux (stator linkage) so that the power generation efficiency of the generator 200 increases in accordance with the driving state of the hybrid vehicle, specifically, the engine 100 stop, cranking, and driving states. (Magnetic flux) is switched and controlled. ECU 500 operates in cooperation with a hybrid ECU that controls the entire hybrid vehicle.

図2及び図3は、本実施形態における回転電機としての発電機200の基本構成を示す。図2は、発電機200の回転軸方向と直交する方向から見た断面図を示し、図3は、図2のA−A断面に相当する図を示す。   2 and 3 show a basic configuration of a generator 200 as a rotating electrical machine in the present embodiment. FIG. 2 shows a cross-sectional view seen from a direction orthogonal to the rotation axis direction of the generator 200, and FIG. 3 shows a view corresponding to the AA cross-section of FIG.

発電機200は、ケーシングに固定されたステータ24と、径方向においてステータ24と所定のギャップを空けて対向し、ステータ24に対して相対回転可能なロータ28を備える。図2の例では、ロータ28がステータ24の内周側の位置でステータ24と対向配置される。   The generator 200 includes a stator 24 fixed to a casing, and a rotor 28 that faces the stator 24 with a predetermined gap in the radial direction and is rotatable relative to the stator 24. In the example of FIG. 2, the rotor 28 is disposed to face the stator 24 at a position on the inner peripheral side of the stator 24.

ステータ24は、ステータコア36と、ステータコア36にその周方向に沿って配設された複数相であるU相、V相、W相の3相のステータコイル38u,38v,38wを含む。3相のステータコイル38u,38v,38wに3相の交流電流が流れることでステータ周方向に回転する回転磁界が生じる。   The stator 24 includes a stator core 36 and three-phase stator coils 38u, 38v, and 38w of U phase, V phase, and W phase, which are a plurality of phases disposed on the stator core 36 along the circumferential direction thereof. When a three-phase alternating current flows through the three-phase stator coils 38u, 38v, and 38w, a rotating magnetic field that rotates in the circumferential direction of the stator is generated.

ロータ28は、回転軸方向に隣接した状態でステータ24と径方向に対向配置された主ロータ(第1ロータ要素)40と副ロータ(第2ロータ要素)42を含む。主ロータ40と副ロータ42は、回転軸方向にギャップを空けて対向配置される。図2では、主ロータ40が副ロータ42よりも回転軸方向一方側(図の左側)に配置され、主ロータ40がステータコア36の回転軸方向一方側と径方向に対向し、副ロータ42がステータコア36の回転軸方向他方側(図の右側)と径方向に対向する。   The rotor 28 includes a main rotor (first rotor element) 40 and a sub-rotor (second rotor element) 42 which are disposed to face the stator 24 in the radial direction in a state adjacent to the rotation axis direction. The main rotor 40 and the sub-rotor 42 are arranged to face each other with a gap in the rotation axis direction. In FIG. 2, the main rotor 40 is disposed on one side (left side in the drawing) in the rotation axis direction from the sub-rotor 42, the main rotor 40 is radially opposed to one side in the rotation axis direction of the stator core 36, and the sub-rotor 42 is It faces the other side (right side in the drawing) of the stator core 36 in the radial direction.

主ロータ40は、複数の電磁鋼板が回転軸方向に積層された主ロータコア46と、主ロータコア46にその周方向に沿って互いに等間隔で配設された複数の主永久磁石48n,48sを含む。図3では、主ロータ40の主永久磁石48n,48sを透視して示している。図3では、主永久磁石48n,48sは、主ロータコア46の周方向の複数位置に2つを1組としてV字型に埋設されるが、これに限定されない。主永久磁石48nは、外周側がN極であり、主永久磁石48sは外周側がS極である。主永久磁石48n,48sが周方向に交互に配置されることで、主永久磁石48n,48sの極性が周方向に交互に異なる。   The main rotor 40 includes a main rotor core 46 in which a plurality of electromagnetic steel plates are stacked in the rotation axis direction, and a plurality of main permanent magnets 48n and 48s disposed on the main rotor core 46 at equal intervals along the circumferential direction. . In FIG. 3, the main permanent magnets 48 n and 48 s of the main rotor 40 are shown through. In FIG. 3, the main permanent magnets 48 n and 48 s are embedded in a V shape as a pair at a plurality of positions in the circumferential direction of the main rotor core 46, but are not limited thereto. The main permanent magnet 48n has an N pole on the outer peripheral side, and the main permanent magnet 48s has an S pole on the outer peripheral side. Since the main permanent magnets 48n and 48s are alternately arranged in the circumferential direction, the polarities of the main permanent magnets 48n and 48s are alternately different in the circumferential direction.

副ロータ42は、複数の電磁鋼板が回転軸方向に積層された副ロータコア54と、副ロータコア54にその周方向に沿って互いに等間隔で配設された複数の副永久磁石56n,56sを含む。副永久磁石56n,56sは、副ロータコア54の周方向の複数位置に2つを1組としてV字型に埋設されるが、これに限定されない。副永久磁石56nは、外周側がN極であり、副永久磁石56sは外周側がS極である。副永久磁石56n,56sが周方向に交互に配置されることで、副永久磁石56n,56sの極性が周方向に交互に異なる。副永久磁石56n,56sの周方向間隔は主永久磁石48n,48sの周方向間隔に等しい。   The sub-rotor 42 includes a sub-rotor core 54 in which a plurality of electromagnetic steel plates are stacked in the rotation axis direction, and a plurality of sub-permanent magnets 56n and 56s disposed on the sub-rotor core 54 at equal intervals along the circumferential direction. . The sub permanent magnets 56n and 56s are embedded in a V shape as a pair at a plurality of positions in the circumferential direction of the sub rotor core 54, but are not limited thereto. The auxiliary permanent magnet 56n has an N pole on the outer peripheral side, and the auxiliary permanent magnet 56s has an S pole on the outer peripheral side. Since the secondary permanent magnets 56n and 56s are alternately arranged in the circumferential direction, the polarities of the secondary permanent magnets 56n and 56s are alternately different in the circumferential direction. The circumferential interval between the secondary permanent magnets 56n and 56s is equal to the circumferential interval between the main permanent magnets 48n and 48s.

主ロータシャフト26には、拘束板61,62が溶接等により固定される。拘束板61,62は、回転軸方向に互いに間隔をおいて配置され、拘束板62が拘束板61より回転軸方向一方側に配置され、主ロータ40が回転軸方向に拘束板61,62の間に挟持される。主ロータ40は、主ロータシャフト26とキー溝やスプライン等により係合し、主ロータシャフト26及び拘束板61,62と一体回転する。   Restraint plates 61 and 62 are fixed to the main rotor shaft 26 by welding or the like. The restraint plates 61 and 62 are arranged at intervals in the rotational axis direction, the restraint plate 62 is disposed on one side of the restraint plate 61 in the rotational axis direction, and the main rotor 40 is disposed on the restraint plates 61 and 62 in the rotational axis direction. Sandwiched between. The main rotor 40 is engaged with the main rotor shaft 26 by a keyway, a spline, or the like, and rotates integrally with the main rotor shaft 26 and the restraining plates 61 and 62.

副ロータシャフト52には、拘束板63,64が溶接等により固定される。拘束板63,64は、回転軸方向に互いに間隔をおいて配置され、拘束板63が拘束板64より回転軸方向一方側に配置され、副ロータ42が回転軸方向において拘束板63,64の間に挟持される。副ロータ42は、副ロータシャフト52とキー溝やスプライン等により係合し、副ロータシャフト52及び拘束板62,63と一体回転する。副ロータシャフト52はベアリング50により主ロータシャフト26に対して相対回転可能に支持され、副ロータ42が主ロータ40に対して相対回転可能である。   Restraint plates 63 and 64 are fixed to the sub-rotor shaft 52 by welding or the like. The restraint plates 63 and 64 are arranged at a distance from each other in the rotational axis direction, the restraint plate 63 is disposed on one side of the restraint plate 64 in the rotational axis direction, and the auxiliary rotor 42 is disposed on the restraint plates 63 and 64 in the rotational axis direction. Sandwiched between. The sub-rotor 42 is engaged with the sub-rotor shaft 52 by a keyway, a spline, or the like, and rotates integrally with the sub-rotor shaft 52 and the restraining plates 62 and 63. The auxiliary rotor shaft 52 is supported by the bearing 50 so as to be rotatable relative to the main rotor shaft 26, and the auxiliary rotor 42 is rotatable relative to the main rotor 40.

本実施形態の回転電機では、主ロータ40と副ロータ42の位相関係が変化することで、ステータ24に作用するロータ28の界磁磁束が変化する。主ロータ40と副ロータ42で同一極性の主永久磁石48nと副永久磁石56n(あるいは主永久磁石48sと副永久磁石56s)が周方向の同位相に配置される同極対向状態の場合、界磁磁束は最大となる。他方、副ロータ42が主ロータ40に対して相対回転し、主永久磁石48nと副永久磁石56n(あるいは主永久磁石48sと副永久磁石56s)が180度ずれる逆極対向状態の場合、界磁磁束は最小あるいはゼロとなる。   In the rotating electrical machine of the present embodiment, the field magnetic flux of the rotor 28 acting on the stator 24 is changed by changing the phase relationship between the main rotor 40 and the sub-rotor 42. When the main rotor 40 and the sub rotor 42 have the same polarity of the main permanent magnet 48n and the sub permanent magnet 56n (or the main permanent magnet 48s and the sub permanent magnet 56s) arranged in the same phase in the circumferential direction, Magnetic flux is maximized. On the other hand, when the sub-rotor 42 is rotated relative to the main rotor 40 and the main permanent magnet 48n and the sub-permanent magnet 56n (or the main permanent magnet 48s and the sub-permanent magnet 56s) are opposed to each other by 180 degrees, Magnetic flux is minimal or zero.

図4は主ロータ40及び副ロータ42のみを取り出した斜視図を示す。図4(a)は主ロータ40と副ロータ42が同極対向状態であり、位相角をγとすると、γ=0度(deg)の状態である。このとき、ステータ24に作用するロータ28の界磁磁束は最大となる。図4(b)は、主ロータ40と副ロータ42が逆極対向状態であり、γ=180度(deg)の状態である。このとき、ステータ24に作用するロータ28の界磁磁束は最小となる。このように、本実施形態の発電機200は主ロータ40と副ロータ42の位相関係を変化させる、つまり主ロータ40と副ロータ42を相対回転させて位相角γを変化させることでステータ24に作用するロータ28の界磁磁束を変化させる可変界磁型の回転電機として機能する。本実施形態では、位相角としてγ=0度、あるいはγ=180度のいずれかに制御して、界磁磁束を最大あるいは最小のいずれかに切換制御する。   FIG. 4 is a perspective view showing only the main rotor 40 and the sub-rotor 42 taken out. FIG. 4A shows a state where the main rotor 40 and the sub-rotor 42 are in the same pole facing state, and γ = 0 degrees (deg) when the phase angle is γ. At this time, the field magnetic flux of the rotor 28 acting on the stator 24 is maximized. FIG. 4B shows a state in which the main rotor 40 and the sub-rotor 42 are opposite to each other and γ = 180 degrees (deg). At this time, the field magnetic flux of the rotor 28 acting on the stator 24 is minimized. As described above, the generator 200 according to the present embodiment changes the phase relationship between the main rotor 40 and the sub-rotor 42, that is, changes the phase angle γ by relatively rotating the main rotor 40 and the sub-rotor 42 to the stator 24. It functions as a variable field type rotating electrical machine that changes the field magnetic flux of the acting rotor 28. In this embodiment, the phase angle is controlled to either γ = 0 degrees or γ = 180 degrees, and the field magnetic flux is switched to either maximum or minimum.

図5は、ECU500の機能ブロック図を示す。発電機200を制御する機能ブロック図である。   FIG. 5 shows a functional block diagram of ECU 500. 3 is a functional block diagram for controlling a generator 200. FIG.

ECU500は、機能ブロックとして、発電機の目標界磁特性切換部502、発電機トルク制御部506、及び位相角制御部510を備える。   The ECU 500 includes a generator target field characteristic switching unit 502, a generator torque control unit 506, and a phase angle control unit 510 as functional blocks.

発電機の目標界磁特性切換部502は、エンジン状態(エンジンの動作/停止)に応じ、発電機200の目標界磁特性(目標界磁磁束)を設定する。すなわち、発電機の目標界磁特性切換部502は、ハイブリッドECUから供給されたエンジン状態に基づき、界磁特性を設定する。発電機200の発電量をW、発電機200の要求トルクをT、発電機200の角速度(回転数)をω、界磁磁束(ステータの鎖交磁束)をφとすると、トルクTは界磁磁束φ及び角速度ωの関数であり、発電機200の損失Qは要求トルクT,界磁磁束φ、角速度ωに依存するから、発電モデルは一般に
W=T(φ,ω)ω−Q(T(φ,ω),φ,ω)
と表すことができる。界磁磁束φを最小値φmin及びφmaxの2値として、発電量Wが増大するようにφmaxとφminのいずれかに切り換える。要求トルクTはバッテリの残容量(SOC)等に応じて設定される。上記の式において、エンジンが停止状態にあり要求トルクがゼロである場合には損失Qを最小とすべく界磁磁束φを最小値φminとする。また、エンジンが運転状態にあり要求トルクが増大した場合には界磁磁束φを最大値φmaxとする。発電機の目標界磁特性切換部502は、設定した目標界磁特性(目標界磁磁束)を位相角制御部510及び発電機トルク制御部506に出力する。
The target field characteristic switching unit 502 of the generator sets the target field characteristic (target field magnetic flux) of the generator 200 according to the engine state (engine operation / stop). That is, the target field characteristic switching unit 502 of the generator sets the field characteristics based on the engine state supplied from the hybrid ECU. Assuming that the power generation amount of the generator 200 is W, the required torque of the generator 200 is T, the angular velocity (number of rotations) of the generator 200 is ω, and the field magnetic flux (linkage flux of the stator) is φ, the torque T is the field Since the loss Q of the generator 200 depends on the required torque T, the field magnetic flux φ, and the angular velocity ω, the power generation model is generally W = T (φ, ω) ω−Q (T (Φ, ω), φ, ω)
It can be expressed as. The field magnetic flux φ is set to two values of the minimum values φmin and φmax, and is switched to either φmax or φmin so that the power generation amount W increases. The required torque T is set according to the remaining capacity (SOC) of the battery. In the above equation, when the engine is stopped and the required torque is zero, the field magnetic flux φ is set to the minimum value φmin so as to minimize the loss Q. When the engine is in an operating state and the required torque increases, the field magnetic flux φ is set to the maximum value φmax. The generator target field characteristic switching unit 502 outputs the set target field characteristic (target field magnetic flux) to the phase angle control unit 510 and the generator torque control unit 506.

位相角制御部510は、目標位相角、主ロータ40の角度、副ロータ42の角度に基づき、現在の主ロータ40及び副ロータ42の位相角から目標位相角に移行するために必要な電流値を演算して駆動回路に出力する。駆動回路が副ロータ42を主ロータ40に対して機械的に回転させるアクチュエータの場合、当該アクチュエータに対して電流指令を出力する。駆動回路としてアクチュエータを用いることなく、ステータ電流により副ロータ42を主ロータ40に対して相対回転させることもできる。この場合、位相角制御部510は主ロータ40及び副ロータ42に対して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全体に対しては回転に寄与しないトルクを発生させるようにステータ電流をベクトル演算する。   Based on the target phase angle, the angle of the main rotor 40, and the angle of the sub-rotor 42, the phase angle control unit 510 has a current value necessary for shifting from the current phase angle of the main rotor 40 and the sub-rotor 42 to the target phase angle. Is calculated and output to the drive circuit. When the drive circuit is an actuator that mechanically rotates the sub-rotor 42 with respect to the main rotor 40, a current command is output to the actuator. The sub-rotor 42 can be rotated relative to the main rotor 40 by the stator current without using an actuator as a drive circuit. In this case, the phase angle control unit 510 generates torque in a direction in which the main rotor 40 and the sub-rotor 42 are rotated in directions opposite to each other, and generates a torque that does not contribute to rotation for the entire rotor 28. Vector calculation of current.

発電機トルク制御部506は、要求トルク、角速度(回転数)、ステータ電流及び目標界磁特性に基づき、目標界磁特性を満たしつつ要求トルクを満たす電圧を演算し、発電機200のU相、V相、W相の3相ステータコイルに3相交流電流を供給するインバータに供給する。目標界磁特性が固定的であれば、発電機トルク制御部506は単に要求トルクを満たす電圧を演算してインバータに出力するが、本実施形態では目標界磁特性が最大値φmaxと最小値φminのいずれかに変化するため、これに応じてインバータに出力する電圧値も変化する。すなわち、発電効率を増大させるための目標界磁特性に依存して発電機200で発電するための制御パラメータも適応的に変化する。   The generator torque control unit 506 calculates a voltage that satisfies the required torque while satisfying the target field characteristics based on the required torque, angular velocity (rotation speed), stator current, and target field characteristics, This is supplied to an inverter that supplies a three-phase alternating current to the V-phase and W-phase three-phase stator coils. If the target field characteristic is fixed, the generator torque control unit 506 simply calculates a voltage satisfying the required torque and outputs it to the inverter. In this embodiment, the target field characteristic has the maximum value φmax and the minimum value φmin. Therefore, the voltage value output to the inverter also changes accordingly. That is, the control parameter for generating power with the generator 200 is adaptively changed depending on the target field characteristics for increasing the power generation efficiency.

図6は、本実施形態のエンジン100の回転数、エンジン100のトルク、発電機200のトルク、発電機200の界磁磁束のタイミングチャートである。   FIG. 6 is a timing chart of the rotational speed of the engine 100, the torque of the engine 100, the torque of the generator 200, and the field magnetic flux of the generator 200 according to the present embodiment.

図6(a)は、エンジン100の回転数であり、時間の経過とともにエンジン停止、エンジンクランキング、エンジン運転、及びエンジン停止の各状態に順次遷移する。エンジンクランキング状態ではエンジン回転数が増大し、エンジン運転状態では運転者のアクセル操作やバッテリの残容量(SOC)に応じてエンジン回転数が増減する。エンジン停止状態ではエンジン回転数が減少しやがてゼロとなる。   FIG. 6A shows the number of revolutions of the engine 100. The engine 100 sequentially changes to engine stop, engine cranking, engine operation, and engine stop states as time passes. In the engine cranking state, the engine speed increases, and in the engine operating state, the engine speed increases or decreases according to the driver's accelerator operation and the remaining battery capacity (SOC). When the engine is stopped, the engine speed decreases and eventually becomes zero.

図6(b)は、エンジン100のトルクであり、エンジン停止及びエンジンクランキングの各状態ではトルクはゼロであり、エンジン運転中は運転者のアクセル操作やバッテリのSOCに応じてエンジントルクが変動する。エンジン停止状態ではトルクは再びゼロとなる。エンジン100に対する要求トルクはハイブリッド自動車全体を制御するハイブリッド用ECUで演算される。ハイブリッドECUはバッテリのSOC等に基づいて発電が必要と判定すると発電指令をECU500に出力する。   FIG. 6B shows the torque of the engine 100. The torque is zero when the engine is stopped and when the engine is cranked. The engine torque varies depending on the driver's accelerator operation and battery SOC during engine operation. To do. When the engine is stopped, the torque becomes zero again. The required torque for engine 100 is calculated by a hybrid ECU that controls the entire hybrid vehicle. When the hybrid ECU determines that power generation is necessary based on the SOC of the battery, the hybrid ECU outputs a power generation command to ECU 500.

図6(c)は、発電機200のトルクであり、図6(d)は、発電機200の界磁磁束である。図6(c)の縦軸上方向(正方向)は電動トルクを示し、下方向(負方向)は発電トルクを示す。また、図6(d)の縦軸は界磁磁束の最大値φmaxを100%、最小値φminを0%としている。エンジン停止状態ではエンジン回転数及びエンジントルクはゼロであり、発電機200のトルクもゼロである。このとき、発電機200の界磁磁束は最小値の0%に設定される。これは、ハイブリッド自動車がモータ300のみで走行する際(EV走行モード)に発電機200の界磁磁束を最小として発電機200での引きずり損失(鉄損)を最小化するためである。   FIG. 6C shows the torque of the generator 200, and FIG. 6D shows the field magnetic flux of the generator 200. The upward direction (positive direction) of the vertical axis in FIG. 6C indicates electric torque, and the downward direction (negative direction) indicates power generation torque. Further, the vertical axis of FIG. 6D shows the maximum value φmax of the field magnetic flux as 100% and the minimum value φmin as 0%. When the engine is stopped, the engine speed and the engine torque are zero, and the torque of the generator 200 is also zero. At this time, the field magnetic flux of the generator 200 is set to 0% of the minimum value. This is for minimizing drag loss (iron loss) in the generator 200 by minimizing the field magnetic flux of the generator 200 when the hybrid vehicle runs only with the motor 300 (EV running mode).

エンジン停止状態からエンジンクランキング状態に遷移する場合、エンジン100のクランク軸に連結された発電機200をモータとして機能させてエンジン100をクランキングする。すなわち、ハイブリッドECUからトルク指令がECU500に出力され、ECU500は発電機200をモータとして機能させる。このため発電機200のトルクも電動トルクが増大する。このとき、発電機200の界磁磁束を最大値φmaxに切換制御する。これは、界磁磁束を増大させて発電機200でのトルク電流を抑制し効率的にモータとして駆動させるためである。エンジンクランキングが終了すると、発電機200のトルクは再びゼロとなり、発電に備える。   When transitioning from the engine stop state to the engine cranking state, the generator 100 connected to the crankshaft of the engine 100 is caused to function as a motor to crank the engine 100. That is, a torque command is output from the hybrid ECU to the ECU 500, and the ECU 500 causes the generator 200 to function as a motor. For this reason, the electric torque of the generator 200 also increases. At this time, the field magnetic flux of the generator 200 is controlled to be switched to the maximum value φmax. This is because the field magnetic flux is increased to suppress the torque current in the generator 200 and drive efficiently as a motor. When the engine cranking is completed, the torque of the generator 200 becomes zero again to prepare for power generation.

エンジンクランキング状態からエンジン運転状態に遷移する場合、エンジン100の動力により発電すべく、ECU500は発電機200のトルクを制御する。具体的には、ハイブリッドECUはバッテリのSOCに基づきバッテリが充電すべきパワーとしてバッテリ要求パワーを算出し、バッテリ要求パワーに基づきエンジン100から出力すべきエンジン要求パワーを設定する。そして、このエンジン要求パワーに基づきエンジン100の目標回転数と目標トルクを設定し、エンジン100の目標回転数に基づき発電機200の目標回転数を設定する。さらに、発電機200の目標回転数と現在の回転数に基づき発電機200の要求トルクを設定する。エンジントルク及び発電機トルクが増大すると、これに応じて界磁磁束を100%とする。これにより、発電機200での発電効率が増大する。なお、エンジンクランキング状態では界磁磁束は既に100%に設定されているから、エンジン始動後のエンジン運転中でもこの界磁磁束をそのまま維持するといえる。   When transitioning from the engine cranking state to the engine operating state, the ECU 500 controls the torque of the generator 200 in order to generate power using the power of the engine 100. Specifically, the hybrid ECU calculates the battery required power as the power to be charged by the battery based on the SOC of the battery, and sets the engine required power to be output from the engine 100 based on the battery required power. Then, the target rotational speed and target torque of engine 100 are set based on the engine required power, and the target rotational speed of generator 200 is set based on the target rotational speed of engine 100. Furthermore, the required torque of the generator 200 is set based on the target rotation speed of the generator 200 and the current rotation speed. When the engine torque and the generator torque increase, the field magnetic flux is set to 100% accordingly. Thereby, the power generation efficiency in the generator 200 increases. Since the field magnetic flux is already set to 100% in the engine cranking state, it can be said that this field magnetic flux is maintained as it is even during engine operation after the engine is started.

エンジン運転状態から再びエンジン停止状態に遷移する場合、エンジン回転数及びエンジントルクはゼロとなり、発電機200のトルクもゼロとなる。このとき、発電機200の界磁磁束を最小値φmin(=0%)として引きずり損を最小化する。   When transitioning from the engine operation state to the engine stop state again, the engine speed and the engine torque become zero, and the torque of the generator 200 also becomes zero. At this time, the drag loss is minimized by setting the field magnetic flux of the generator 200 to the minimum value φmin (= 0%).

このように、エンジン100の状態に応じ、発電機200の界磁磁束を適応的に切換制御して発電効率を増大させることで発電機200の効率的な運用が可能となり、結果として燃費が向上する。   In this way, the generator 200 can be efficiently operated by adaptively switching and controlling the field magnetic flux of the generator 200 according to the state of the engine 100, resulting in improved fuel efficiency. To do.

なお、図6のタイミングチャートでは、図6(d)に示すようにエンジンクランキングの開始と同時に発電機200の界磁磁束を最小値φmin(=0%)から最大値φmax(=100%)に増大させているため、エンジン100の始動に時間を要することになる。このためエンジン100の始動を早くすべく、発電機200の界磁磁束をより早めに切り換えても良い。   In the timing chart of FIG. 6, as shown in FIG. 6D, the field magnetic flux of the generator 200 is changed from the minimum value φmin (= 0%) to the maximum value φmax (= 100%) simultaneously with the start of engine cranking. Therefore, it takes time to start the engine 100. Therefore, the field magnetic flux of the generator 200 may be switched earlier in order to start the engine 100 earlier.

図7は、他のタイミングチャートを示す。図6と異なるのは、エンジンクランキング時の界磁電流の時間変化である。すなわち、図6(d)ではエンジンクランキングの開始と同時に界磁磁束を100%に増大しているが、図7(d)ではクランキングの開始タイミングより前に界磁磁束を100%とした後で発電機トルクを出力してクランキングを行う。要するに、エンジンクランキングの開始と同時に界磁磁束を変化させるのではなく、界磁磁束が最大値φmaxに達した後にエンジンクランキングを行う。これにより、エンジン100を迅速に始動できる。   FIG. 7 shows another timing chart. What is different from FIG. 6 is the time variation of the field current during engine cranking. That is, in FIG. 6D, the field magnetic flux is increased to 100% simultaneously with the start of engine cranking. In FIG. 7D, the field magnetic flux is set to 100% before the cranking start timing. Later, the generator torque is output and cranking is performed. In short, instead of changing the field magnetic flux simultaneously with the start of engine cranking, engine cranking is performed after the field magnetic flux reaches the maximum value φmax. Thereby, engine 100 can be started quickly.

以上説明したように、発電機200での発電効率が増大するように発電機200の界磁磁束を最大値φmaxと最小値φminの間で切換制御する、すなわち主ロータ40と副ロータ42の位相角を0度と180度の間で切換制御するので、エンジン100の動力により高効率で発電してバッテリを充電し、あるいはモータ300に電力を供給できる。特に、エンジン停止状態では界磁磁束を最小値φminとして発電機200での損失を最小化できるとともに、エンジン運転状態では界磁磁束を最大値φmaxとして発電機200での発電効率を増大できる。   As described above, the field magnetic flux of the generator 200 is switched between the maximum value φmax and the minimum value φmin so that the power generation efficiency of the generator 200 is increased, that is, the phases of the main rotor 40 and the sub-rotor 42. Since the angle is controlled to be switched between 0 degrees and 180 degrees, power can be generated with high efficiency by the power of the engine 100 to charge the battery, or power can be supplied to the motor 300. In particular, when the engine is stopped, the field magnetic flux can be set to the minimum value φmin to minimize the loss in the generator 200, and in the engine operating state, the field magnetic flux can be set to the maximum value φmax to increase the power generation efficiency of the generator 200.

本実施形態では、発電機200の界磁磁束を最大値φmaxとφminのいずれかに制御するため、制御が簡易化される利点がある。本実施形態において、主ロータ40と副ロータ42の位相角をγ=0度あるいはγ=180度のいずれかでロックするロック機構を設けてもよい。   In this embodiment, since the field magnetic flux of the generator 200 is controlled to either the maximum value φmax or φmin, there is an advantage that the control is simplified. In the present embodiment, a lock mechanism that locks the phase angle of the main rotor 40 and the sub-rotor 42 at either γ = 0 degrees or γ = 180 degrees may be provided.

また、本実施形態では、図5に示すように、エンジンの運転状況に基づき目標界磁特性を設定し、エンジン停止状態では目標界磁磁束を最小値φminとし、エンジンクランキング状態及びエンジン運転中は目標界磁磁束を最大値φmaxとしているが、より高精度に要求トルク、角速度、電圧、運転状況、発電機の温度に基づき目標界磁特性を設定してもよい。この場合、電圧や温度のパラメータはテーブル(あるいはマップ)に反映させてECU500のメモリに記憶しておけばよい。例えば、エンジン運転中であっても、発電機200で発電する必要がなく、要求トルクがゼロであれば界磁磁束を最小値φminに切換制御する等である。なお、電圧や温度に応じ、界磁磁束の最小値φminを別の最小値φmin’に変更し、あるいは最大値φmaxを別の最大値φmax’に変更して、エンジン100の運転状況に応じて発電機200の界磁磁束を最小値φmin’と最大値φmax’の間で切換制御してもよい。界磁磁束の変更に伴い、主ロータ40と副ロータ42の位相角も変更することは言うまでもない。   Further, in the present embodiment, as shown in FIG. 5, the target field characteristics are set based on the operating state of the engine, the target field magnetic flux is set to the minimum value φmin when the engine is stopped, and the engine cranking state and the engine are operating. Although the target field magnetic flux is set to the maximum value φmax, the target field characteristics may be set based on the required torque, angular velocity, voltage, operation status, and generator temperature with higher accuracy. In this case, the voltage and temperature parameters may be reflected in a table (or map) and stored in the memory of the ECU 500. For example, even when the engine is operating, it is not necessary to generate power with the generator 200, and if the required torque is zero, the field magnetic flux is switched to the minimum value φmin. Depending on the voltage and temperature, the minimum value φmin of the field magnetic flux is changed to another minimum value φmin ′, or the maximum value φmax is changed to another maximum value φmax ′. The field magnetic flux of the generator 200 may be switched between the minimum value φmin ′ and the maximum value φmax ′. It goes without saying that the phase angle of the main rotor 40 and the sub-rotor 42 is also changed with the change of the field magnetic flux.

100 エンジン、200 回転電機(発電機)、300 回転電機(モータ)、400 タイヤ、500 電子制御装置(ECU)。
100 engine, 200 rotating electric machine (generator), 300 rotating electric machine (motor), 400 tire, 500 electronic control unit (ECU).

Claims (6)

可変界磁型の回転電機を制御する制御装置であって、
前記回転電機はエンジンのクランク軸に連結され、前記エンジンの動力により発電するものであり、かつ、前記回転電機は、
ステータと、前記ステータと対向配置され、かつ、回転軸方向に互いに対向配置された第1ロータ要素及び第2ロータ要素を含み、前記第2ロータ要素は前記第1ロータ要素に対して相対回転可能なロータと、
を備えて構成され、
少なくとも前記エンジンの運転状況を入力する入力手段と、
前記運転状況に基づき、前記回転電機の目標界磁磁束を最大界磁磁束あるいは最小界磁磁束のいずれかに切り換える切換手段と、
前記目標界磁磁束に基づき、前記第1ロータ要素に対する前記第2ロータ要素の位相角を制御するための制御指令を出力する制御手段と、
を備えることを特徴とする回転電機の制御装置。
A control device for controlling a variable field type rotating electrical machine,
The rotating electrical machine is connected to a crankshaft of an engine and generates electric power by the power of the engine.
A stator, and a first rotor element and a second rotor element that are arranged to face the stator and are arranged to face each other in the rotation axis direction, and the second rotor element is rotatable relative to the first rotor element A rotor and
Configured with
Input means for inputting at least the operating status of the engine;
Switching means for switching the target field magnetic flux of the rotating electrical machine to either the maximum field magnetic flux or the minimum field magnetic flux based on the operation status;
Control means for outputting a control command for controlling a phase angle of the second rotor element with respect to the first rotor element based on the target field magnetic flux;
A control device for a rotating electrical machine comprising:
請求項1記載の回転電機の制御装置において、
前記切換手段は、前記エンジンの停止状態では最小界磁磁束を前記目標界磁磁束とし、前記エンジンの運転状態では最大界磁磁束を前記目標界磁磁束とすることを特徴とする回転電機の制御装置。
The control apparatus for a rotating electrical machine according to claim 1,
The switching means controls the rotating electric machine wherein the minimum field magnetic flux is the target field magnetic flux when the engine is stopped and the maximum field magnetic flux is the target field magnetic flux when the engine is operating. apparatus.
請求項2記載の回転電機の制御装置において、
前記切換手段は、前記エンジンのクランキング状態では最大界磁磁束を前記目標界磁磁束とすることを特徴とする回転電機の制御装置。
The control apparatus for a rotating electrical machine according to claim 2,
The control device for a rotating electrical machine, wherein the switching means sets a maximum field magnetic flux as the target field magnetic flux in a cranking state of the engine.
請求項3記載の回転電機の制御装置において、
前記制御手段は前記エンジンのクランキングの開始に先立って前記回転電機の界磁磁束を前記目標界磁磁束に制御する
ことを特徴とする回転電機の制御装置。
The control apparatus for a rotating electrical machine according to claim 3,
The control device of the rotating electrical machine, wherein the control means controls the field magnetic flux of the rotating electrical machine to the target field magnetic flux prior to the start of cranking of the engine.
可変界磁型の回転電機と、
前記回転電機を制御する制御装置と、
を備え、
前記回転電機は、エンジンのクランク軸に連結され、前記エンジンの動力により発電するものであり、ステータと、前記ステータと対向配置され、かつ、回転軸方向に互いに対向配置された第1ロータ要素及び第2ロータ要素を含み、前記第2ロータ要素は前記第1ロータ要素に対して相対回転可能なロータと、
を備え、
前記制御装置は、
少なくとも前記エンジンの運転状況を入力する入力手段と、
前記運転状況に基づき、前記回転電機の目標界磁磁束を最大界磁磁束あるいは最小界磁磁束のいずれかに切り換える切換手段と、
前記目標界磁磁束に基づき、前記第1ロータ要素に対する前記第2ロータ要素の位相角を制御するための制御指令を出力する制御手段と、
を備えることを特徴とする回転電機制御システム。
A variable field type rotating electrical machine,
A control device for controlling the rotating electrical machine;
With
The rotating electrical machine is connected to a crankshaft of an engine and generates electric power by the power of the engine, and a stator, a first rotor element disposed opposite to the stator and disposed opposite to each other in the direction of the rotation axis, and A second rotor element, the second rotor element being rotatable relative to the first rotor element;
With
The controller is
Input means for inputting at least the operating status of the engine;
Switching means for switching the target field magnetic flux of the rotating electrical machine to either the maximum field magnetic flux or the minimum field magnetic flux based on the operation status;
Control means for outputting a control command for controlling a phase angle of the second rotor element with respect to the first rotor element based on the target field magnetic flux;
A rotating electrical machine control system comprising:
請求項5記載の回転電機制御システムを備えた車両。
A vehicle comprising the rotating electrical machine control system according to claim 5.
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