JP2016059153A - 回転電機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】第１のロータと第２のロータを備える回転電機に要求する特性を満たすことができる回転電機の制御装置を提供する。
【解決手段】車両１の走行時には、車両ＥＣＵ７は現在の車両１の走行状況においてダブルロータモータ３に最も要求されている性能と、βＡ，βＢ，βＣ，βＤの各点における電流進角βｉｎと電流進角βｏｕｔとの組み合わせを比較して、βＡ，βＢ，βＣ，βＤのうち最適な点を選択する。例えば、βＡの電流進角βｉｎと電流進角βｏｕｔとの組み合わせでダブルロータモータ３を運転するように、車両ＥＣＵ７が制御装置４に指示を出す。制御装置４は、βＡの電流進角βｉｎと電流進角βｏｕｔとの組み合わせでインナーロータ８及びアウターロータ９の電流進角制御を行う。
【選択図】図９

Description

この発明は、回転電機の制御装置に係り、特に第１のロータと第２のロータを備える回転電機を制御する回転電機の制御装置に関する。

近年、車両の走行用の動力を提供するために、エンジンと回転電機であるモータとの両方を備えるハイブリッド自動車（ＨＶ）やプラグインハイブリッド自動車（ＰＨＶ）等の車両が普及してきている。これらのＨＶやＰＨＶにおいて、第１のロータと第２のロータを備えるダブルロータモータを動力源として用いることが知られている。

特許文献１には、第１のロータであるインナーロータと第２のロータでアウターロータを備えるダブルロータモータを制御するための制御装置が記載されている。この制御装置においては、ダブルロータモータの界磁弱め制御が必要な領域（非直交領域）では、モータの運転効率が最大となるよう要求されたトルク値Ｔ及び回転数Ｎｍに応じてロータ位相差が調整される。

特開２００９−２１３２６６号公報

しかしながら、ダブルロータモータでは、ある電流でモータを駆動するとき、ある要求トルク値を満たす電流進角は最大４つ存在する。そして、アウターロータの回転数を高くしたい場合はアウターロータの逆起電圧が小さい電流進角を選ぶことや、インナーロータの効率を高くしたい場合はインナーロータの鉄損が小さい電流進角を選ぶこと等、ダブルロータモータに要求する特性によって最大４つの電流進角の中から最適な電流進角を選択してダブルロータモータを制御する必要がある。特許文献１に記載の発明では、これらの要求する特性に応じて電流進角を選択して電流進角制御をする方法が示されていないという問題点があった。

この発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、第１のロータと第２のロータを備える回転電機に要求する特性を満たすことができる、回転電機の制御装置を提供することを目的とする。

この発明に係る回転電機の制御装置は、第１のロータと、第２のロータとを備える回転電機の制御装置において、回転電機の運転時に第１のロータと第２のロータとが同時に各々の任意のトルクの要求値を満たすことのできる第１のロータの電流進角と第２のロータの電流進角とからなる四組以下の電流進角の組み合わせのうち一組を選択し、前記選択した電流進角の組み合わせは、前記回転電機の運転時に要求されている前記回転電機の性能を発揮する組み合わせであり、前記選択した電流進角の組み合わせで前記回転電機を運転する。
回転電機の運転時に要求されている回転電機の性能が、第１のロータ若しくは第２のロータのいずれか一方の力行運転時の出力を大きくすること又は第１のロータ若しくは第２のロータのいずれか一方の回生運転時の出力を大きくすることである場合に、電流進角の組み合わせのうち第１のロータの又は第２のロータのいずれか一方の回転数が最も大きくなる電流進角の組み合わせを選択してもよい。
回転電機の運転時に要求されている回転電機の性能が、第１のロータ若しくは第２のロータのいずれか一方の力行運転時の効率を大きくすること又は第１のロータ若しくは第２のロータのいずれか一方の回生運転時の効率を大きくすることである場合か、或いは第１のロータ若しくは第２のロータのいずれか一方の温度があらかじめ定めた閾値以上である場合に、電流進角の組み合わせのうち第１のロータ又は第２のロータのいずれか一方の鉄損が最も小さくなる電流進角の組み合わせを選択してもよい。

この発明によれば、第１のロータと、第２のロータとを備える回転電機の制御装置において、回転電機の運転時に第１のロータと第２のロータとが同時に各々の任意のトルクの要求値を満たすことのできる第１のロータの電流進角と第２のロータの電流進角とからなる四組以下の電流進角の組み合わせのうち一組を選択し、前記選択した電流進角の組み合わせは、前記回転電機の運転時に要求されている前記回転電機の性能を発揮する組み合わせであり、前記選択した電流進角の組み合わせで前記回転電機を運転するので、回転電機に要求する特性を満たすことができる。

この発明の実施の形態に係る回転電機の制御装置を搭載した車両の概略図である。 この発明の実施の形態に係るダブルロータモータの概略図である。 一般的なシングルロータモータの電流進角とトルクとの関係を示した概略図である。 一般的なシングルロータモータの電流進角と逆起電圧との関係を示した概略図である。 この発明の実施の形態に係るダブルロータモータのアウターロータの電流進角とアウターロータのトルクとの関係を示した概略図である。 この発明の実施の形態に係るダブルロータモータのインナーロータの電流進角とインナーロータのトルクとの関係を示した概略図である。 この発明の実施の形態に係るダブルロータモータのアウターロータのトルク要求値を満たすアウターロータの電流進角とインナーロータの電流進角との関係を示した概略図である。 この発明の実施の形態に係るダブルロータモータのインナーロータのトルク要求値を満たすアウターロータの電流進角とインナーロータの電流進角との関係を示した概略図である。 この発明の実施の形態に係るダブルロータモータのアウターロータのトルク要求値及びインナーロータのトルク要求値を満たすアウターロータの電流進角とインナーロータの電流進角との関係を示した概略図である。 この発明の実施の形態に係るダブルロータモータのインナーロータの電流進角とインナーロータの鉄損との関係を示した概略図である。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
この発明の実施の形態に係る回転電機の制御装置が設けられた車両を図１に示す。車両１はＰＨＶであり、エンジン２と回転電機であるダブルロータモータ３とダブルロータモータ３を制御するための制御装置４とを備えている。エンジン２とダブルロータモータ３とは車両１の動力であり、動力伝達部５によって互いに接続されている。ダブルロータモータ３と制御装置４とは電気的に接続されている。さらに車両１は、二次電池６と車両ＥＣＵ７とを備えている。二次電池６は、制御装置４と車両ＥＣＵ７とに電気的に接続されており、これらに電力を供給する。車両ＥＣＵ７は、エンジン２とダブルロータモータ３と制御装置４と二次電池６とに電気的に接続されており、これらの動作を制御する。

ダブルロータモータ３は、図２に示すように、第１のロータであるインナーロータ８と、第２のロータであるアウターロータ９と、ステータ１０をと備えている。インナーロータ８と、ステータ１０には、図示しない巻線コイルが設けられ、アウターロータ９には複数の永久磁石１１が設けられている。インナーロータ８は、図示しない回転軸を介してエンジン２（図１参照）のクランクシャフトに接続されている。アウターロータ９は、車両１（図１参照）の図示しない車軸の駆動部に接続されている。ダブルロータモータ３は三相交流同期モータであり、制御装置４により、インナーロータ８及びステータ１０のそれぞれの巻線コイルに印加される交流電流が制御される。インナーロータ８の巻線コイルの電流及びアウターロータ９の永久磁石１１の磁界の相互作用と、アウターロータ９の永久磁石１１の磁界及びステータ１０の巻線コイルの電流の相互作用とにより、インナーロータ８と、アウターロータ９とは、互いの磁界が干渉しながら回転する。

次に、この発明の実施の形態に係る回転電機の制御装置の動作を説明する。
一般的に三相交流モータの制御を行う場合は、公知技術の通り、三相交流モータに印加する三相交流電流のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相電流を、ＵＶＷ三相座標系からα軸、β軸のαβ固定座標系に座標変換（クラーク変換）し、さらにαβ固定座標系をｄ軸、ｑ軸のｄｑ軸回転座標系に座標変換（パーク変換）することで、ベクトル制御による電流の制御が行われる。この時、ｄｑ軸回転座標系における電流ベクトルとｑ軸とのなす角度を電流進角と呼ぶ。

例えば、第１のロータのみを有する一般的なシングルロータモータでは、ある電流でシングルロータモータを運転する場合に、シングルロータモータのトルクは電流進角βによって変化し、電流進角βに対して単調減少するか又は一つの極大値を持つ。したがって、図３に示すように、このシングルロータモータの運転時にトルク要求値を発揮してトルク要求値を満たすことができる電流進角βは、０°≦β≦９０°の範囲でβ１とβ２との最大２つ存在する。よって、β１とβ２とのどちらの電流進角βでシングルロータモータを制御するかを選択する必要がある。その場合は、シングルロータモータに要求される性能に応じて電流進角βを選択する。例えば、シングルロータモータをなるべく高回転まで回したい場合は、図４に示すように、このシングルロータモータではβ２の方がシングルロータモータの逆起電圧が小さくなるので、高回転までシングルロータモータを回すことができる。そのため、この場合はβ２を選択し、電流進角βがβ２となるようにベクトル制御を行い電流進角βを制御する電流進角制御を行う。

次に、ダブルロータモータ３の電流進角制御を行う場合を考える。ある一定の大きさのアウターロータ９への電流でダブルロータモータ３を運転する場合、インナーロータ８とアウターロータ９の磁束が互いに干渉するために、図５に示すように、アウターロータ９のトルク特性がインナーロータ８の電流進角βｉｎによって変化する。この例では、アウターロータ９の電流進角βｏｕｔに対するアウターロータ９のトルクＴｏｕｔの曲線が、０°≦βｏｕｔ≦９０°の範囲で一つの極大値を持っている。そして、インナーロータ８の電流進角βｉｎがβｉｎ＝１０°の場合と、βｉｎ＝２０°の場合と、βｉｎ＝３０°の場合と、βｉｎ＝４０°の場合とでは、電流進角βｉｎが大きくなるに従い、同じ電流進角βｏｕｔに対するアウターロータ９のトルクＴｏｕｔは大きくなる。そして、車両１が走行する時のアウターロータ９のトルクの要求値をＴｏｕｔ１とすると、Ｔｏｕｔ１を満たすことのできる電流進角βｉｎと電流進角βｏｕｔとの関係は、βｉｎ＝２０°の時はβｏｕｔ＝２０°及びβｏｕｔ＝３０°であり、βｉｎ＝３０°の時はβｏｕｔ＝５°及びβｏｕｔ＝４５°である。

同様に、ある一定の大きさのインナーロータ８への電流でダブルロータモータ３を運転する場合、図６に示すように、インナーロータ８のトルク特性がアウターロータ９の電流進角によって変化する。この例では、βｉｎに対するインナーロータ８のトルクＴｉｎの曲線が、０°≦βｉｎ≦９０°の範囲で一つの極大値を持っている。そして、電流進角βｏｕｔがβｏｕｔ＝１０°の場合と、βｏｕｔ＝２０°の場合と、βｏｕｔ＝３０°の場合と、βｏｕｔ＝４０°の場合とでは、電流進角βｏｕｔが大きくなるに従い、同じ電流進角βｉｎに対するトルクＴｉｎは大きくなる。そして、車両１が走行する時のインナーロータ８のトルクの要求値をＴｉｎ１とすると、Ｔｉｎ１を満たすことのできる電流進角βｉｎと電流進角βｏｕｔとの関係は、βｏｕｔ＝２０°の時はβｉｎ＝２０°及びβｉｎ＝３０°であり、βｏｕｔ＝３０°の時はβｉｎ＝５°及びβｉｎ＝４５°である。

したがって、インナーロータ８がＴｉｎ１を満たすためにはインナーロータ８の電流進角βｉｎとアウターロータ９の電流進角βｏｕｔとをそれぞれ制御する必要があるし、アウターロータ９が電流進角Ｔｏｕｔを満たすためにも同様にインナーロータ８の電流進角βｉｎとアウターロータ９のβｏｕｔとをそれぞれ制御する必要がある。

ここで、Ｔｏｕｔ１を満たすことができる０°≦βｉｎ≦９０°の範囲での電流進角βｉｎと０°≦βｏｕｔ≦９０°の範囲での電流進角βｏｕｔとの関係は、図５に示すＴｏｕｔ１と電流進角βｉｎと電流進角βｏｕｔとの値から、電流進角βｉｎを横軸に、電流進角βｏｕｔを縦軸にとって示すと、図７に示すように横向きのＶ字型の線で表される。また、Ｔｉｎ１を満たすことができる電流進角βｉｎと電流進角βｏｕｔとの関係は、図６のＴｉｎ１と電流進角βｉｎと電流進角βｏｕｔとの値から、図８に示すように、縦向きのＶ字型の線で表される。そして、アウターロータ９とインナーロータ８とが同時にＴｏｕｔ１とＴｉｎ１とを満たすことができる電流進角βｉｎと電流進角βｏｕｔとの電流進角の組み合わせは、図９に示すように、図７の横向きのＶ字型の線と図８の縦向きのＶ字型の線との交点であるβＡ，βＢ，βＣ，βＤの四つの点として求めることができる。これらのβＡ，βＢ，βＣ，βＤは、この順番が電流進角βｉｎの大きい順である。また、βＡ，βＤ，βＣ，βＤの順番が電流進角βｏｕｔの大きい順である。この、βＡ，βＢ，βＣ，βＤの四つの点と各点における電流進角βｉｎと電流進角βｏｕｔとをあらかじめ求めておき、車両ＥＣＵ７に記憶させておく。なお、ここではアウターロータ９のトルクＴｏｕｔがＴｏｕｔ１を満たすことのできる電流進角βｉｎと電流進角βｏｕｔとの関係を示す横向きのＶ字型の線と、インナーロータ８のトルクＴｉｎがＴｉｎ１を満たすことのできる電流進角βｉｎと電流進角βｏｕｔとの関係を示す縦向きのＶ字型の線との交点は四つ存在したが、交点は最大で四つ存在するのであり、ダブルロータモータ３の特性とＴｏｕｔ１とＴｉｎ１とによっては、三つ以下の交点が存在する場合がある。つまり、電流進角βｉｎと電流進角βｏｕｔとの電流進角の組み合わせは常に四組以下である。

βＡ，βＢ，βＣ，βＤでは、インナーロータ８がＴｉｎ１を満たし、アウターロータ９がＴｏｕｔ１を満たすことは共通しているが、電流進角βｉｎと電流進角βｏｕｔとの組み合わせにより、インナーロータ８とアウターロータ９とが発揮する性能が異なる。例えば、アウターロータ９の回転数はアウターロータ９で発生する逆起電圧に依存し、アウターロータ９で発生する逆起電圧は電流進角βｏｕｔに依存する。また、例えば、インナーロータ８の効率はインナーロータ８の鉄損に依存し、インナーロータ８の鉄損は電流進角βｉｎに依存する。したがって、βＡ，βＢ，βＣ，βＤのそれぞれにおいて、インナーロータ８の電流進角βｉｎとアウターロータ９の電流進角βｏｕｔとに依存する性能が異なる。

ところで、ダブルロータモータ３は車両１の走行状況によって、力行運転時及び回生運転時に要求される性能が変化する。ゆえに、ダブルロータモータ３を運転する場合はダブルロータモータ３に要求される性能に応じて、βＡ，βＢ，βＣ，βＤの各点における電流進角βｉｎと電流進角βｏｕｔとの組み合わせの中から一つを選択する必要がある。

そこで、あらかじめ車両１の走行状況を例えば発進時、加速時、巡航時等に分類し、各分類毎のダブルロータモータ３に最も要求される電流進角に依存する性能を車両ＥＣＵ７に記憶しておく。そして、車両１の走行時には、車両ＥＣＵ７は現在の車両１の走行状況においてダブルロータモータ３に最も要求されている性能と、βＡ，βＢ，βＣ，βＤの各点における電流進角βｉｎと電流進角βｏｕｔとの組み合わせを比較して、βＡ，βＢ，βＣ，βＤのうち最適な点を選択する。例えば、力行運転時の出力及び回生運転時の出力を大きくするためにアウターロータ９の回転数を高くすることがダブルロータモータ３に最も要求されている性能の場合では、０°≦βｏｕｔ≦９０°の範囲でアウターロータ９の逆起電圧がより小さくなるように、なるべく大きな電流進角βｏｕｔでダブルロータモータ３を制御すればよい。ここでは、βＡの電流進角βｉｎ及び電流進角βｏｕｔの組み合わせでダブルロータモータ３を運転した場合に、βｏｕｔが最も大きくなるためアウターロータ９の逆起電圧が最も小さくなるので、βＡの電流進角βｉｎと電流進角βｏｕｔとの組み合わせでダブルロータモータ３を運転するように、車両ＥＣＵ７が制御装置４に指示を出す。制御装置４は、βＡの電流進角βｉｎと電流進角βｏｕｔとの組み合わせでインナーロータ８及びアウターロータ９の電流進角制御を行う。これにより、βＡ，βＢ，βＣ，βＤのうち車両１の走行状況に対するダブルロータモータ３の運転に最も要求されている性能を発揮するために最適な電流進角βｉｎと電流進角βｏｕｔを用いて、制御装置４がダブルロータモータ３の電流進角制御を行うことができる。同様に他の要求されている性能においても、最適な電流進角の組み合わせを選択してダブルロータモータ３の電流進角制御を行うことができる。

例えば、インナーロータ８の鉄損は、図１０に示すように電流進角βの値によって変化する。そこで、力行運転時の効率及び回生運転時の効率を大きくするために、インナーロータ８の鉄損を小さくすることがダブルロータモータ３に最も要求されている性能の場合又はインナーロータ８の温度があらかじめ定めたインナーロータ８の温度の閾値を超えており、ダブルロータモータ３を過剰な温度上昇から保護するために、力行運転時の効率及び回生運転時の効率を大きくしてインナーロータ８の鉄損を小さくすることがダブルロータモータ３に最も要求されている性能の場合では、βＡ，βＢ，βＣ，βＤのうちインナーロータ８の鉄損が最も小さくなる電流進角βｉｎと電流進角βｏｕｔとの組み合わせでダブルロータモータ３の電流進角制御を行いつつ運転するように、車両ＥＣＵ７が制御装置４に指示を出せばよい。

また、ユーザが車両１に設けられたボタン等を操作することにより、車両ＥＣＵ７が車両１の運転制御モードをエコモードに切り替えることが可能である。この場合は、車両ＥＣＵ７はインナーロータ８の効率を大きくすることをダブルロータモータ３に最も要求される性能とする。そして、車両ＥＣＵ７は、βＡ，βＢ，βＣ，βＤのうちインナーロータ８の効率が最も大きくなる電流進角βｉｎと電流進角βｏｕｔとの組み合わせでダブルロータモータ３の電流進角制御を行いつつ運転するように、制御装置４に指示を出す。

このように、インナーロータ８と、アウターロータ９とを備えるダブルロータモータ３の制御装置４において、ダブルロータモータ３の運転時にインナーロータ８とアウターロータ９とが同時にＴｉｎ１とＴｏｕｔ１とを満たすことのできる電流進角βｉｎと電流進角βｏｕｔとからなる電流進角の組み合わせβＡ，βＢ，βＣ，βＤのうち、ダブルロータモータ３の運転時に要求されているダブルロータモータ３の性能を発揮するために電流進角の組み合わせβＡを選択し、電流進角の組み合わせβＡでダブルロータモータ３を運転するので、ダブルロータモータ３に要求する特性を満たすことができる。

この実施の形態では、図示しない回転軸を介してインナーロータ８がエンジン２に接続され、アウターロータ９が車両１の図示しない車軸の駆動部に接続されていたが、図示しない回転軸を介してアウターロータ９がエンジン２に接続され、インナーロータ８が車両１の図示しない車軸の駆動部に接続されていてもよい。

この実施の形態では、ダブルロータモータ３は、ＰＨＶである車両に設けられていたが、ＨＶなどのＰＨＶ以外の車両に設けられていてもよいし、車両以外の設備又はシステムに設けられていてもよい。

この実施の形態では、βＡ，βＢ，βＣ，βＤの四つの点をあらかじめ求めておき、車両ＥＣＵ７に記憶させておくことで、車両１の走行時にダブルロータモータ３を運転していたが、βＡ，βＢ，βＣ，βＤの四つの点を車両１の走行中に計算してもよい。また、この実施の形態では、車両１の走行状況をあらかじめ分類し、各分類毎のダブルロータモータ３に最も要求される電流進角に依存する性能を車両ＥＣＵに記憶していたが、これらの計算を車両１の走行中に行ってもよい。

この実施の形態では、ダブルロータモータ３は三相交流同期モータであったが、交流電流をベクトル制御して運転しているダブルロータモータであれば他の形式のモータであってもよい。例えば、三相交流誘導モータやスイッチドリラクタンスモータを用いてもよい。

３ ダブルロータモータ（回転電機）、４ 制御装置、８ インナーロータ（第１のロータ）、９ アウターロータ（第２のロータ）。

Claims (3)

1. 第１のロータと、第２のロータとを備える回転電機の制御装置において、
   前記回転電機の運転時に前記第１のロータと前記第２のロータとが同時に各々の任意のトルクの要求値を満たすことのできる前記第１のロータの電流進角と前記第２のロータの電流進角とからなる四組以下の電流進角の組み合わせのうち一組を選択し、前記選択した電流進角の組み合わせは、前記回転電機の運転時に要求されている前記回転電機の性能を発揮する組み合わせであり、前記選択した電流進角の組み合わせで前記回転電機を運転する回転電機の制御装置。
2. 前記回転電機の運転時に要求されている前記回転電機の性能が、前記第１のロータ若しくは前記第２のロータのいずれか一方の力行運転時の出力を大きくすること又は前記第１のロータ若しくは前記第２のロータのいずれか一方の回生運転時の出力を大きくすることである場合に、前記電流進角の組み合わせのうち前記第１のロータ又は前記第２のロータのいずれか一方の回転数が最も大きくなる前記電流進角の組み合わせを選択する請求項１に記載の回転電機の制御装置。
3. 前記回転電機の運転時に要求されている前記回転電機の性能が、前記第１のロータ若しくは前記第２のロータのいずれか一方の力行運転時の効率を大きくすること又は前記第１のロータ若しくは前記第２のロータのいずれか一方の回生運転時の効率を大きくすることである場合か、或いは前記第１のロータ若しくは前記第２のロータのいずれか一方の温度があらかじめ定めた閾値以上である場合に、前記電流進角の組み合わせのうち前記第１のロータ又は前記第２のロータのいずれか一方の鉄損が最も小さくなる前記電流進角の組み合わせを選択する請求項１に記載の回転電機の制御装置。

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