JP2017225231A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータ間位相角を正確に制御する。
【解決手段】ロータ２８は、相対移動可能であって、回転軸方向に対向配置された第１ロータ要素４０および第２ロータ要素４２を含む。リミッタは、第１ロータ要素４０および第２ロータ要素４２間の相対回転の範囲を機械的に制限することで、ロータ間位相角の可動範囲を制限する。リミッタの一方側から他方側へロータ間位相角を変更する場合には、変更前または変更後、または変更前後の両方で、第１ロータ要素および第２ロータ要素間に一定時間リミッタに押し付ける方向の相対回転を生起する押付制御を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転軸方向に対向配置された第１ロータ要素および第２ロータ要素を含み、第１および第２ロータ要素が相対回転可能なロータと、ロータに対する磁界を発生するステータと、を備える回転電機、特に第１ロータ要素および第２ロータ要素のロータ間位相角の制御に関する。

１つのシャフトに、永久磁石を備えるロータを２つ相対回転可能に設ける回転電機が知られている。この回転電機によれば、２つのロータの相対位置を調整することによって、ロータによる界磁を変更することができる。

例えば、特許文献１では、ロータに対するステータの電気角を進角させることによって、２つのロータの相対位置（位相差：ロータ間位相角）を変更することが示されている。

特開２００９-３８８６０号公報

ここで、ロータ間位相角によりロータ全体としての界磁磁束を変更できるので、運転状態により、ロータ間位相角を所望の一定値に切り替えたいという要求がある。

本発明は、回転軸方向に対向配置された第１ロータ要素および第２ロータ要素を含み、前記第１ロータ要素および第２ロータ要素が相対回転可能なロータと、前記ロータに対する磁界を発生するステータと、を備える回転電機であって、第１ロータ要素および第２ロータ要素間の相対回転の終点位置を目標ロータ間位相角に機械的に制限することで、ロータ間位相角の終点位置を制限するリミッタと、ステータによる磁界を制御することにより、第１ロータ要素および第２ロータ要素間に相対回転トルクを発生させてロータ間位相角を目標ロータ間位相角に変更する制御部と、を有することを特徴とする。

さらに、第１ロータ要素と第２ロータ要素間の相対回転をロックするロック機構を有し、制御部は、目標ロータ間位相角に達した場合に、前記ロック機構を動作させ、第１ロータ要素および第２ロータ要素のロータ間位相角を固定させることが好適である。

また、制御部は、リミッタの一方側から他方側へロータ間位相角を変更する場合には、変更前または変更後、または変更前後の両方で、前記ステータによる磁界を制御することにより、第１ロータ要素および第２ロータ要素間にリミッタに押し付ける方向の相対回転を生起する押付制御を行ってから、ロック機構を動作させて第１ロータ要素および第２ロータ要素のロータ間位相角を固定させることが好適である。

さらに、第１ロータ要素または第２ロータ要素の角加速度または角速度を検出するセンサを有し、制御部は、押付制御を行っている際に、前記センサによって検出した角加速度または角速度に変化が生じた際にロック機構を動作させて、第１ロータ要素および第２ロータ要素のロータ間位相角を固定させることが好適である。

また、制御部は、センサによって第１および第２ロータ要素のうちの慣性の小さな方のロータ要素の角加速度または角速度を検出する場合は、検出した角加速度または角速度の変化が生じ、かつその角加速度または角速度が所定の値以下になった場合にロック機構を動作させることが好適である。

また、押付制御を行っているときに、所定時間経過しても角加速度または角速度に変化が生じない場合に、ロック機構を動作させることが好適である。

また、押付制御を行っているときに、所定時間経過しても角加速度または角速度に変化が生じない場合であって、角加速度または角速度が所定値以下である場合に、ロック機構を動作させることが好適である。

また、制御部は、ロック機構を解除または作動の動作させる際に、その動作完了に必要な時間、第１および第２ロータ要素間にリミッタに押し付ける方向の相対回転を生起させるようにステータによる磁界を制御することが好適である。

また、制御部は、一方側からリミッタによって制限される他方側へのロータ間位相角の変更においては、リミットにより制限される終点の直前までロータ間位相角を変更するロータ間位相角制御を行い、その後押付制御を行うことが好適である。

また、リミッタは、第１ロータ要素および第２ロータ要素間のロータ間位相角を電気角０°〜１８０°間を可動範囲にすることが好適である。

また、リミッタは、第１ロータ要素および第２ロータ要素間のロータ間位相角を電気角−１８０°〜０°間を可動範囲にすることが好適である。

また、リミッタは、第１ロータ要素および第２ロータ要素間のロータ間位相角を電気角０°〜１８０°〜３６０°（＝０°）間を可動範囲にすることが好適である。

本発明によれば、リミッタを用いて、第１ロータ要素と第２ロータ要素のロータ間位相角を所定の値に切り替えることが容易になる。また、両ロータ要素間のロックを確実に行える。

回転電機の基本構成図である。 主ロータと副ロータの位相関係説明図である。 フィードバック制御の構成図である。 逆極（１８０°）から同極（０°）に遷移する場合の電流パターン図である。 同極から逆極に遷移する場合の電流パターン図である。 リミッタの構成を説明する図である。 リミッタの作用を説明する図である。 リミッタの構成例を示す図である。 ロータ間位相角に応じた電流・トルクテーブルを示す図である。 ロータ間位相角切替処理の一例を示すフローチャートである。 ロータ間位相角切替処理の他の例を示すフローチャートである。 ロータ間位相角を変更した場合の各部の波形を示す図である。 位相角切替処理、押付処理の動作を説明する図である。 ロータ角加速度を用いた押付処理のフローチャートである。 ロータ角速度を用いた押付処理のフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。なお、本発明は、ここに記載される実施形態に限定されるものではない。

「基本構成」
まず、本発明に係るシステムの基本構成について説明する。なお、本出願人は、本件に関連して特願２０１５-００８９３９号（先願）を出願しており、基本的な構成は同様である。

図１は、回転電機の回転軸方向と直交する方向から見た断面図である。回転電機は、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。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Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相のステータコイル３８ｕ，３８ｖ，３８ｗを含み、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２４周方向に回転する回転磁界が生じる。

ロータ２８は、回転軸方向に隣接した状態で、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とは、回転軸方向にギャップを空けて対向配置され、相対移動可能である。

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。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。

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。

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および拘束板６１，６２と一体回転する。

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および拘束板６３，６４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。

また、副ロータ４２と主ロータ４０のロータ間位相角γ（位相差）のとり得る範囲に応じてロータ間位相角γを制限するリミッタが設けられている。このリミッタは、例えば拘束板６１の表面から突出する突起部と、拘束板６３に設けられ突起部を収容して相対回転の範囲を制限する、周方向に所定距離だけ伸びる円弧状の溝と、から構成することができる。図１においては、突起部８０ａを模式的に示してある。具体的な構成は、図６等に示し後述する。このリミッタによって、主ロータ４０と副ロータ４２のロータ間位相角γの変更幅を、電気角で０°〜１８０°、-１８０°〜０°、０°〜１８０°〜３６０°（＝０°）などに限定することができる。

さらに、副ロータシャフト５２と、主ロータシャフト２６の相対回転を禁止するロック機構７２が設けられている。ロック機構７２には、クラッチ、ブレーキなど各種の機構が採用可能である。この例では、副ロータシャフト５２と、主ロータシャフト２６間を半径方向に移動するブレーキで固定するものを模式的に示した。ロック機構７２は、拘束板６１，６３間の相対移動を禁止してもよい。さらに、リミッタにおける端部において固定するだけでもよく、キー溝とキーの組み合わせなどでもよい。なお、ブレーキ、クラッチなどのロック機構７２の駆動はモータ（図示省略）で行うことが好適である。

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）が電気角で１８０°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。

図２は、主ロータ４０および副ロータ４２のみを取り出した斜視図である。図２（ａ）は、主ロータ４０と副ロータ４２が同極対向状態であり、ロータ間位相角をγとすると、γ＝０°（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２（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°（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、本実施形態の回転電機は、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を相対回転させてロータ間位相角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。

可変界磁型の回転電機は、例えばハイブリッド自動車等の電動車両のモータジェネレータ（ＭＧ）として用いられる。そして、車載の電子制御装置（ＥＣＵ）７０によってＭＧを動作させる場合に主ロータ４０と副ロータ４２のロータ間位相角γが０°となるように制御してステータ２４の鎖交磁束を最大化し、ＭＧを動作させない場合に主ロータ４０と副ロータ４２のロータ間位相角γが１８０°となるように制御してステータ２４の鎖交磁束を最小化する。

本実施形態では、ＥＣＵ７０により主ロータ４０と副ロータ４２のロータ間位相角γを所望の値に制御する際に、ロータ間位相角γは０°あるいは１８０°のいずれかに制御されるが、０°と１８０°の間の任意の角度に制御する場合にも適用し得る。

「主ロータ４０と副ロータ４２のロータ間位相角γの制御」
次に、ＥＣＵ７０におけるロータ間位相角γの制御について説明する。ここで、この例では、副ロータ４２の回転のみを考慮してステータ電流の電流指令Ｉ^＊を生成する。

＜ロータ間位相角γのフィードバック制御＞
図３は、主ロータ４０に対して副ロータ４２を相対的に回転させてロータ間位相角γを所望の値に制御するためのＥＣＵ７０が備えるフィードバック制御構成図である。フィードバック制御器は、差分器１００，１０４，１１８、微分器１０６、増幅器１０２，１０８、トルク・電流変換マップ記憶部１１０、電流制御器１１２を備える。

ロータ間位相角γの指令値γ^＊と現在のロータ間位相角γの差分は差分器１００で算出され、増幅器１０２で係数Ｋｒが乗じられる。他方、現在のロータ間位相角γの変化速度が微分器１０６で算出され、増幅器１０８で係数Ｋｆが乗じられる。両者の差分が差分器１０４で算出され、この差分が副ロータ４２のトルク指令τ^＊となる。

トルク・電流変換マップ記憶部１１０は、副ロータ４２のトルク指令τ^＊と電流指令Ｉ^＊との対応関係を規定するテーブルであり、予め実験あるいはシミュレーションで定めてＥＣＵ７０のメモリに格納される。トルク・電流変換マップ記憶部１１０は、例えば電流当たりのトルクが最大となるように規定される。ＥＣＵ７０は、トルク・電流変換マップ記憶部１１０を用いて副ロータ４２のトルク指令τ^＊、すなわちロータ間位相角γの指令値γ^＊と現在のロータ間位相角γとの差分に基づきこの差分を解消するためのトルク指令τ^＊に対応する電流指令Ｉ^＊を生成し、さらに電流制御器１１２で電流指令Ｉ^＊を電圧指令Ｖ^＊に変換してステータコイル３８ｕ，３８ｖ，３８ｗにステータ電流を供給して回転電機（モータ）１１４を駆動する。主ロータ４０の回転角（位相角）θｍと副ロータ４２の回転角（位相角）θｓのロータ間位相角γ＝θｓ−θｍがロータ間位相角検出器としての差分器１１８で検出され、指令値γ^＊にフィードバックされる。また、モータ電流の検出値は、電流制御器１１２にフィードバックされ、電流制御器１１２がモータ電流をフィードバック制御する。

図４は、図３に示すフィードバック制御器で制御した場合の、副ロータ４２から見たときの電流パターンである。逆極（１８０°）から同極（０°）に遷移させる場合の電流パターンであり、ｄ軸電流ｉｄおよびｑ軸電流ｉｑの時間変化を示す。

また、図５は、図３に示すフィードバック制御器で制御した場合の、副ロータ４２から見たときの電流パターンである。図４の場合と逆に、同極（０°）から逆極（１８０°）に遷移させる場合の電流パターンである。

ここで、増幅器１０２、１０８での係数、すなわちゲインを調整することで、電流実効値が所定値を超えないように制御することができる。

ここで、上述したフィードバック制御では、主ロータ４０および副ロータ４２の位相角を検出するセンサが必要となる。

そこで、図４および図５に示す電流パターンを予め検出、あるいはシミュレーションで求めてマップ化する。これにより、逆極から同極に遷移する場合の副ロータ４２のｉｄ電流およびｉｑ電流の時間変化を示すマップと、同極から逆極に遷移する場合の副ロータ４２のｉｄ電流およびｉｑ電流の時間変化を示すマップが得られる。そして、得られた電流マップをメモリに記憶し、これらのマップを参照してフィードフォワード制御により副ロータ４２を相対的に回転させてロータ間位相角γを所望の値に制御する。フィードフォワード制御とすることで、現在のロータ間位相角γをフィードバックする必要がなくなり、検出器数が削減される。

なお、主ロータ４０と、副ロータ４２の慣性を異ならせることで、所定の方向の相対的な回転力を付与することができ、ロータ間位相角γが０°、１８０°においても相対的な駆動が可能となっている。

「リミッタの動作」
図６には、リミッタの構成が示してある。この例では、主ロータ４０（拘束板６１）の軸方向の表面から、円筒状の軸部８２ａと、この円筒状の軸部８２ａから半径方向に伸びる扇状の突起部８０ａが軸方向に突出形成されている。突起部８０ａは、円周方向に１３５度の幅を有している。副ロータ４２（拘束板６２）には、軸部８２ａを収容する軸受け部８２ｂと軸受け部８２ｂから半径方向に広がる扇状の溝８０ｂが形成されている。溝８０ｂは円周方向に１８０度の幅を有している。そして、突起部８０ａが溝８０ｂに収まり、軸部８２ａが軸受け部８２ｂ内に収まるように、主ロータ４０と副ロータ４２が重ねられる。従って、主ロータ４０に対し、副ロータ４２が物理的に４５度の範囲内で、相対回転できる。なお、ここでは突起部８０ａの円周方向の角度を１３５度として説明したが、これ以外の角度を設定することも可能であり、溝８０ｂの角度＝突起部８０ａの角度＋相対移動角度となる様に設定すればよい。

図７（ａ）には、主ロータ４０と、副ロータ４２の永久磁石の周方向位置が同位置になる界磁最大（同極）の状態が示されており、図７（ｂ）には、主ロータ４０と、副ロータ４２の永久磁石の周方向位置が反対の位置になる界磁最小（逆極）の状態が示されている。突起部８０ａは溝８０ｂにおいて物理的に４５度の範囲で移動可能であるが、これは、電気角で０°〜１８０°の範囲に対応しており、副ロータ４２が主ロータ４０に対し相対回転することで、同極〜逆極間で相対移動する。

このように、副ロータ４２を主ロータ４０に対し、相対回転することで、電気角０°〜１８０°の範囲でロータ間位相角を変更することができる。特に、リミッタにより、移動範囲が電気角０°〜１８０°の範囲に限定されているため、０°、１８０°では、突起部８０ａの円周方向の端部を溝８０ｂの端部に押し付けることで、０°、１８０°に固定することができる。すなわち、リミッタの両端部において、突起部８０ａを溝８０ｂの端に押し付けるトルクが発生するように、ステータ２４に電流を流し、ロータ２８に対する界磁を制御する。

さらに、ロータ間位相角γの０°→１８０°、１８０°→０°の変更の際には、図４，５に示したようなパターンに代えて、終点を１８０°、０°にわずかに不足するように設定し、その後突起部８０ａを溝８０ｂの端部に押し付けるトルクを付与するとよい。これによって、ロータ間位相角γの変更制御と、終点近くでの制御を別の制御とすることができ、ロータ間位相角制御における終点がそれほど正確でなくてもよく、全体としての制御を容易に行える。直前は、例えば１°〜数度の範囲で適切な値に設定すればよい。

図８には、リミッタについての複数の例が示してある。図８（ａ）は、図７（ａ）、（ｂ）と同じ例であり、ロータ間位相角γについて、０°→１８０°、１８０°→０°の変更を行う。図８（ｂ）では、ロータ間位相角γについて、−１８０°→０°、０°→−１８０°、の変更を行う。この図８（ｂ）の例では、ロータ間位相角γを０°に維持する際のリミッタの押付（突起部８０ａの溝８０ｂの端部への押付）方向が反対になる。なお、ロータ間位相角γ１８０°と−１８０°とは、モータとしてみれば同様であり、リミッタへの押付方向が図８（ａ）の場合とは反対になる。

図８（ｃ）には、リミッタの溝８０ｂが、電気角で３６０°の範囲でロータ間位相角が移動可能に設けられている。そこで、０°→１８０°、１８０°→０°、１８０°→３６０°（＝０°）、３６０°（＝０°）→１８０°というロータ間位相角γの変更が可能となっている。そして、０°、３６０°においてリミッタの突起部８０ａが溝８０ｂの端部に押し付けられる。この例では、１８０°においてリミッタが作用しない。すなわち、１８０°においては、リミッタの溝８０ｂに端部が存在しない。このため、１８０°に固定する場合には、界磁制御によって、ロータ間位相角を１８０°に設定し、その後ロック機構７２によりロックしてもよい。一方、リミッタの両端部では、ロータ間位相角γを０°に維持でき、その際のリミッタの溝８０ｂの端部への突起部８０ａの押付方向が反対方向となる。このため、０度での押付トルク方向によってどちらの０°を使うか選択することができる。従って、ロータの回転状態（速度、加速度等）等の条件に応じてより適切な押付方向を選択することができる。この構成においてγ＝１８０°でロックしない場合は、ロック機構７２を省略可能である。

図９には、副ロータ４２の電流・トルクマップを明度で示してある。明度が同じ領域が、トルクが近い領域である。図における中央から離れるに従ってトルクが大きく、基本的にｑ軸電流が大きくなるに従ってトルクが大きくなる。そして、図９には、０ｒｐｍ，γ＝０°のときの所定のトルクを得るために決定されたｑ軸、ｄ軸電流として、白丸の連続で示してある（ｍａｐと表示）。

従って、このトルクマップを記憶しておき、必要なトルク指令に対するｄ軸電流、ｑ軸電流をフィードフォワード制御することができる。なお、回転数が大きくなると、誘起電圧が大きくなるため、所望のトルクを得るための相電圧が高くなる。そこで、高回転数の場合に、図において「電圧制限」と記載した電流（黒丸の連続で示すライン）を選択することも好適である。

「制御のフローチャート」
図１０には、ロータ間位相角γを切り替える際の制御のフローチャートの一例が示してある。

まず、モータの回転数、トルク指令などに応じて、ロータ間位相角γ（位相角）の切替要求があった場合（Ｓ１１）には、リミッタにおける突起部８０ａを溝８０ｂの端部に押し付ける押付トルクを出力する（Ｓ１２）。これによって、例えば０°や１８０°に固定できる。

この状態において、ロック機構７２を解除する（Ｓ１３）。解除が完了したかを判定し（Ｓ１４）、完了した場合には、押付トルクを０にして、押付制御を終了する（Ｓ１５）。なお、解除が完了したかは、解除完了までに必要な時間が経過したかを判定するとよい。

押付制御を終了した場合には、ロータ間位相角γ切替制御を行う（Ｓ１６）。すなわち、図４，５に示すようなステータ電流制御によってロータ間位相角γを０°→１８０°、１８０°→０°に変更する。なお、この場合に上述したように、目標となる位相角に至る直前にこの位相角切替制御を終了することが好適である。

位相角切替制御の次には、押付トルクを出力し、リミッタにおける突起部８０ａを溝８０ｂの端部に押し付ける（Ｓ１７）。これによって、ロータ間位相角γを１８０°、０°に固定する。

この状態において、ロック機構７２を固定する（Ｓ１８）。次に、固定が完了したかを判定し（Ｓ１９）、完了した場合には、押付トルクを０にして、押付制御を終了する（Ｓ２０）。なお、固定が完了したかは、固定完了までに必要な時間が経過したかを判定するとよい。

このようにして、移動先においてロックが完了することで、ロータ間位相角γの切替制御の処理が終了する（Ｓ２１）。

図１０の例では、ロック解除およびロック固定の際に、押付トルクを出力するので、リミッタを用いて確実なロータ間位相角γの設定が可能である。

図１１には、ロック機構７２がなく、押付制御を行う場合の処理フローチャートを示してある。

まず、ロータ間位相角γ（位相角）の切替要求があった場合（Ｓ３１）には、リミッタにおける押付トルクを出力する（Ｓ３２）。これによって、変更前の時点でのロータ間位相角γを確実に、リミッタにより規定するロータ間位相角γに固定できる。

次に、位相角切替制御を行い（Ｓ３３）、ロータ間位相角γを変更する。この制御が終了した場合には、リミッタにおける押付トルクを出力する（Ｓ３４）。これによって、変更後のロータ間位相角γをリミッタにより規定される角度に固定できる。

このように、位相角切り替えが完了して場合には、位相角切替の処理を終了する（Ｓ３５）。

なお、図８（ｃ）のような構成では、１８０°において、リミッタを利用した固定ができないので、０°においてのみ押付トルク出力による押付固定を行う。

「各部の波形」
図１２には、上述したような制御により、ロータ間位相角γを０°から１８０°に変更した場合の各部の波形が示してある。

このように、時間に応じて、トルク指令τ^＊が決定される。トルク指令τ^＊に基づき、ｄ軸、ｑ軸電流の指令値が決定され、これに応じてモータ電流制御が行われた、ロータ間位相角γが目標通り０°から１８０°に変更されている。

そして、ロータ間位相角γを０°→１８０°に変更する際に、前半のトルク指令τ^＊が正、後半のトルク指令τ^＊が負であることがわかる。

このような制御によって、ｄ軸電流、ｑ軸電流とも、指令値通りのものとなり、ロータ間位相角γについて所望の制御が達成できる。すなわち、回転数が大きくなり誘起電圧が大きくなった場合や、引き摺りトルクが大きくなった場合にも適切な制御が行える。

そして、ロータ間位相角γの変更開始前、変更終了後において、トルク指令として、押付トルクを発生する、位相角切替の際のトルクと反対方向のトルク指令を出力する。これによって、リミッタを利用した位相角の確実な設定が行える。

「押付制御の終了制御」
本実施形態において、主ロータ（第１ロータ要素）４０は、副ロータ（第２ロータ要素）４２に比べ、慣性が大きい。すなわち、主ロータ４０は、回転電機（モータ）の回転軸（出力軸）に直結しており、この出力軸に負荷となる慣性が接続する。副ロータ（第２ロータ要素）４２は、単独で存在し、負荷となる慣性は接続されない。従って、主ロータ４０単体と副ロータ４２単体の慣性モーメントは同一であるものの、主ロータ４０には負荷慣性もついているため、副ロータ４２の慣性モーメントより大きくなる。すなわち、主ロータ４０側の慣性モーメントをＪ１、副ロータ４２の慣性モーメントをＪ２と表すと、Ｊ１＞Ｊ２である。

本実施形態では、ロータ間位相角の移動許容範囲を制限するリミッタを設けている。そして、２つのロータ要素のロータ間位相角を変更するように位相角切替制御を行った際に、リミッタで跳ね返ったり、リミッタまで到達しなかったりした場合でも、目標ロータ間位相角で維持するようリミッタに押し付けるトルクを印加する押付制御を行う。

以降、説明の簡略化のため、押付トルクとしてＴｐｓの一定値を入力するものとする。なお、押付トルクは、一定値に限定するものではなく、正弦波など平均値が一定値のものや、所定範囲内で変動するものでもよい。

次に、押付トルクを印加し、主ロータ４０と副ロータ４２に押付トルクが等分配されとした場合、主ロータ４０、副ロータ４２が一体となる前のロータ角加速度α１，α２は次式で与えられる。
主ロータ角加速度：α１＝Ｔｐｓ／（２・Ｊ１） ・・・（１）
副ロータ角加速度：α２＝Ｔｐｓ／（２・Ｊ２） ・・・（２）

押付トルクを印加してリミッタに押し当て、２つのロータが一体となった後のロータのロータ角加速度α３は次式で与えられる。
両ロータ角加速度：α３＝Ｔｐｓ／（Ｊｌ＋Ｊ２） ・・・（３）

ここで、Ｊｌ＞Ｊ２の関係より、Ｊｌ＋Ｊ２＜２・Ｊ１であり、（１）式、（３）式と、上式より、α３＞α１となる。

また、上述のように、Ｊ１＞Ｊ２の関係より、Ｊ１＋Ｊ２＞２・Ｊ２であり、（２）式、（３）式と、上式より、α３＜α２となる。

このように、主ロータ４０と、副ロータ４２が一体となった場合のロータ角加速度α３は、その前のロータ角加速度α１，α２の中間の値になる。従って、角加速度を検出し、検出値が変化したことで、２つのロータが一体となったことを検出することができる。

角加速度を積分することで、角加速度が得られる。従って、角加速度と各速度は一定の関係があり、角加速度によっても２つのロータが行ったとなったことを検出することができる。

＜全体動作＞
図１３にロータ間位相角制御の終了付近から押し付け制御の終了までの、（ａ）２つのロータについてのロータ角度、（ｂ）２つのロータについてのロータ回転数、（ｃ）２つのロータについてのロータ角速度、（ｄ）トルク指令、（ｅ）ロック機構の状態、を示す。

まず、ロータ間位相角を目標値（目標ロータ間位相角＝終点位置）に移動する（例えば、１８０°→０°）ため、トルク指令（後半）は、図１３（ｄ）に示すように、位相角制御において一旦正に立ち上がった後、負になり、０に戻る。そして、押付制御のために、若干正の状態を維持する。そして、押付制御の終了時に図１３（ｅ）に示すようにロック機構が作動して両ロータがロックされる。

このようなトルク制御によって、図１３（ａ）に示すように、主ロータ４０に対する副ロータ４２の角度が変化し、押付制御の終了時にロータ間位相角が０°になる。ロータ回転数は、トルク制御に応じて副ロータ４２の回転数が変化し、この例では、副ロータ４２の回転数が主ロータ４０の回転数より大きい状態から一旦小さくなり、押付制御の際にまた副ロータ４２の回転数の方が大きくなる。そして、押付制御の終了時に両者の回転数が同一になり、ロックされる。

また、ロータ角加速度は、主ロータ４０は一定であり、副ロータ４２の角加速度がトルク指令に応じて大きく変化し、押付制御において、主ロータ４０、副ロータ４２が一体になったことで、両者の中間の値に変化する。そして、この角加速度の変化は比較的大きい。そこで、ロータの角加速度の変化から２つのロータが一体となったことを検出することができる。また、ロータ回転数（＝角速度）の変化の検出でも、一体となったことを検出できる。

＜主ロータ４０の角加速度を用いる場合＞
主ロータ４０および副ロータ４２の両方の角加速度を検出してもよいが、一方のみでもよく、最初に主ロータ４０のみの角加速度をセンサで検出する場合を考える。この場合、次のような手法で、２つのロータの一体化を検出することができる。
１）主ロータ４０の角加速度をセンサ信号から導出し、角加速度の変化（角加速度が増加）を検出したら、ロック機構を動作させて２つのロータ（主ロータ４０と副ロータ４２）をロックする。ロック完了後、押付トルクを０として押付制御を終了する。
２）主ロータの角速度をセンサ信号から導出し、角速度の不連続な変化を検出したら、ロック機構を作動して主ロータ４０と副ロータ４２をロックする。ロックの完了後、押付トルクを０として押付制御を終了する。

＜副ロータ４２の角加速度を用いる場合＞
次に、副ロータ４２の角加速度を検出する場合について説明する。
１）副ロータの角加速度をセンサ信号から導出し、角加速度の変化（角加速度が減少）を検出したら、ロック機構を作動して２つのロータをロックする。ロック完了後、押付トルクを０として押付制御を終了する。
２）副ロータの角加速度をセンサ信号から導出し、角加速度の変化を検出し，かつ角加速度の絶対値がα３より小さくなったら、ロック機構を作動して２つのロータをロックする。ロック完了後、押付トルクを０として押付制御を終了する。ここで、２つのロータが一体となった後の理想的な加速度は（３）式のα３であるが、実際には摩擦などの影響があり、α３より小さな加速度となる。このため、判断基準をα３以下とする。なお、α３より所定のオフセット値Δだけ低い値（α３−Δ）を閾値としてもよい。
３）副ロータの角加速度の代わりに角速度を用い、角速度の不連続な変化を検出したらロック機構を作動し、押付制御を終了してもよい。

＜押付制御開始時に目標ロータ間位相角が維持されている場合＞
押付制御開始時に、目標ロータ間位相角が維持されている場合には、押付制御開始時から、２つのロータが一体となって動作するため、その後の角加速度、角速度に変化は発生しない。そこで、以下の手法のどれかでロック機構を動作させる。
１）所定の時間、回転数または角加速度が変化しなかった場合に、すでにリミッタに押し当てている（目標ロータ間位相角になっている）と判断し、ロック機構を作動し２つのロータ間をロックする。その後、押付トルクを０にする。
２）所定の時間、回転数または角加速度が変化しなかった場合、押付トルクを増加して再判断する。
３）副ロータの角加速度を利用する場合は、押付トルク印加後、角速度または角加速度の変化がなくても、角加速度の絶対値が｜α３｜以下の場合は、リミッタに押し当てていると判断し、ロック機構を作動し２つのロータ間をロックする。その後、押付トルクを０にする。

「押付制御、ロック」
＜角加速度で判定＞
図１４には、主ロータ４０または副ロータ４２に角加速度センサを取付、角加速度を検出して、押付制御およびロック機構の作動を制御する場合のフローチャートを示してある。

まず、位相角制御の終了に伴い押付トルクを出力し（Ｓ４１）、押付制御を開始する。そして、主ロータ４０または副ロータ４２の角加速度を検出する（Ｓ４２）。

副ロータ４２の角加速度検出かを判定し（Ｓ４３）、副ロータ４２の角加速度検出であれば（Ｓ４３でＹｅｓ）、角加速度の絶対値が｜α３｜より小さいかを判定する（Ｓ４４）。ここで、α３は、上述したように押付トルクＴｐｓ印加時において２つのロータが一体化したときの加速度であり、押付トルク、主ロータ４０および副ロータ４２の慣性モーメントＪ１，Ｊ２とから決定される値である。

副ロータ４２の角加速度がα３以上であれば（Ｓ４４でＮｏ）、押付トルクを印加し始めてから所定時間経過したかを判定する（Ｓ４５）。所定時間経過していなかった（Ｓ４５でＮｏ）場合には、角加速度の変化が変化しているかを判定する（Ｓ４６）。上述のように２つのロータが一体化した場合に、角加速度に比較的大きな変化が生じるので、Ｓ４６にてロータが一体化したか検出する。なお、Ｓ４６においては、変化が、ロータが一体化の際に生じる所定の変化量（閾値）以上であるかを判定するとよい。

また、Ｓ４３でＮｏであれば、主ロータ４０の角加速度を検出しており、角加速度の変化は比較的小さいため、Ｓ４４の判定は行わず、Ｓ４５の所定時間経過したかの判定に移る。

角加速度に変化がない（Ｓ４６でＮｏ）場合には、Ｓ４２に戻り、上述の処理を繰り返す。

Ｓ４３でＹｅｓであり（副ロータの検出であり）、角加速度が｜α３｜以下（Ｓ４４でＹｅｓ）であれば、すでに一体化していると考えられる。そこで、Ｓ４７に移り、ロック機構によりロックして両ロータ間を固定する。

また、Ｓ４５において、主ロータ４０、副ロータ４２のいずれでも、所定時間を経過した場合には（Ｓ４５でＹｅｓ）、すでに２つのロータが一体化していると判断して、Ｓ４７のロック機構による固定を行う。

さらに、角加速度に変化がある（Ｓ４６でＹｅｓ）場合、２つのロータが一体化したと考えられ、Ｓ４７に移り、ロック機構を作動し、２つのロータ間を固定する。

このようにして、Ｓ４７により、ロック機構によるロックが行われた場合には、ロックか完了したかを判定し（Ｓ４８）、Ｎｏの場合は判定を繰り返し、ロックが完了した（Ｓ４８でＹｅｓ）場合に、押付トルクを０にして（Ｓ４９）、処理を終了する。ロックの完了は所定時間を経過したことで判定すればよい。

＜回転数（角速度）で判定＞
図１５には、主ロータ４０または副ロータ４２に回転数（角速度）センサを取付、角速度を検出して、押付制御およびロック機構の作動を制御する場合のフローチャートを示してある。

まず、押付トルクを出力し（Ｓ５１）、押付制御を開始する。そして、主ロータ４０または副ロータ４２の角速度を検出する（Ｓ５２）。

次に、押付トルクを印加し始めてから所定時間経過したかを判定する（Ｓ５３）。所定時間経過していなかった（Ｓ５３でＮｏ）場合には、角速度の変化が変化しているかを判定する（Ｓ５４）。２つのロータが一体化した場合に、角速度に比較的大きな変化が生じるので、Ｓ５４にてロータが一体化したか検出する。なお、変化が、ロータが一体化の際に生じる所定の変化量（閾値）以上であるかで、一体化を判定するとよい。角速度に変化がない（Ｓ５４でＮｏ）場合には、Ｓ５２に戻り、上述の処理を繰り返す。

また、Ｓ５３において所定時間が経過している（Ｓ５３でＹｅｓ）場合、２つのロータが一体化していると考えられ、ロック機構を作動し、２つのロータ間を固定する（Ｓ５５）。

Ｓ５５により、ロック機構によるロックが行われた場合には、ロックか完了したかを判定し（Ｓ５６）、Ｎｏの場合は判定を繰り返し、ロックが完了した（Ｓ５６でＹｅｓ）場合に、押付トルクを０にして（Ｓ５７）、処理を終了する。

「実施形態の効果」
このように、本実施形態によれば、押付制御を行った際に、その終了を検出し、ロック機構を作動するとともに、押付制御を終了することができる。従って、目標ロータ間位相角の制御を効果的に行うことができる。

２４ ステータ、２６ 主ロータシャフト、２８ ロータ、３６ ステータコア、３８ｕ，３８ｖ，３８ｗ ステータコイル、４０ 主ロータ、４２ 副ロータ、４６ 主ロータコア、４８ｎ，４８ｓ 主永久磁石、５０ ベアリング、５２ 副ロータシャフト、５４ 副ロータコア、５６ｎ，５６ｓ 副永久磁石、６１，６２，６３，６４ 拘束板、７２ ロック機構、１００，１０４，１１８ 差分器、１０２，１０８ 増幅器、１０６ 微分器、１１０ トルク・電流変換マップ記憶部、１１２ 電流制御器、１１４ モータ。

Claims (12)

1. 回転軸方向に対向配置された第１ロータ要素および第２ロータ要素を含み、前記第１ロータ要素および第２ロータ要素が相対回転可能なロータと、
   前記ロータに対する磁界を発生するステータと、
   を備える回転電機であって、
   第１ロータ要素および第２ロータ要素間の相対回転の終点位置を目標ロータ間位相角に機械的に制限することで、ロータ間位相角の終点位置を制限するリミッタと、
   ステータによる磁界を制御することにより、第１ロータ要素および第２ロータ要素間に相対回転トルクを発生させてロータ間位相角を目標ロータ間位相角に変更する制御部と、
   を有する、
   回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機であって、
   さらに、
   第１ロータ要素と第２ロータ要素間の相対回転をロックするロック機構を有し、
   制御部は、
   目標ロータ間位相角に達した場合に、前記ロック機構を動作させ、第１ロータ要素および第２ロータ要素のロータ間位相角を固定させる、回転電機。
3. 請求項２に記載の回転電機であって、
   制御部は、
   リミッタの一方側から他方側へロータ間位相角を変更する場合には、変更前または変更後、または変更前後の両方で、前記ステータによる磁界を制御することにより、第１ロータ要素および第２ロータ要素間にリミッタに押し付ける方向の相対回転を生起する押付制御を行ってから、ロック機構を動作させて第１ロータ要素および第２ロータ要素のロータ間位相角を固定させる、
   回転電機。
4. 請求項３に記載の回転電機であって、
   さらに、第１ロータ要素または第２ロータ要素の角加速度または角速度を検出するセンサを有し、
   制御部は、
   押付制御を行っている際に、前記センサによって検出した角加速度または角速度に変化が生じた際にロック機構を動作させて、第１ロータ要素および第２ロータ要素のロータ間位相角を固定させる、
   回転電機。
5. 請求項４に記載の回転電機であって、
   制御部は、
   センサによって第１および第２ロータ要素のうちの慣性の小さな方のロータ要素の角加速度または角速度を検出する場合は、検出した角加速度または角速度の変化が生じ、かつその角加速度または角速度が所定の値以下になった場合にロック機構を動作させる、
   回転電機。
6. 請求項４に記載の回転電機であって、
   押付制御を行っているときに、所定時間経過しても角加速度または角速度に変化が生じない場合に、ロック機構を動作させる、
   回転電機。
7. 請求項４に記載の回転電機であって、
   押付制御を行っているときに、所定時間経過しても角加速度または角速度に変化が生じない場合であって、角加速度または角速度が所定値以下である場合に、ロック機構を動作させる、
   回転電機。
8. 請求項２〜７のいずれか１つに記載の回転電機であって、
   制御部は、
   ロック機構を解除または作動の動作させる際に、その動作完了に必要な時間、第１および第２ロータ要素間にリミッタに押し付ける方向の相対回転を生起させるようにステータによる磁界を制御する、
   回転電機。
9. 請求項２〜８のいずれか１つに記載の回転電機であって、
   制御部は、
   一方側からリミッタによって制限される他方側へのロータ間位相角の変更においては、リミットにより制限される終点の直前までロータ間位相角を変更するロータ間位相角制御を行い、その後押付制御を行う、
   回転電機。
10. 請求項１〜９のいずれか１つに記載の回転電機であって、
    リミッタは、第１ロータ要素および第２ロータ要素間のロータ間位相角を電気角０°〜１８０°間を可動範囲にする、
    回転電機。
11. 請求項１〜９のいずれか１つに記載の回転電機であって、
    リミッタは、第１ロータ要素および第２ロータ要素間のロータ間位相角を電気角−１８０°〜０°間を可動範囲にする、
    回転電機。
12. 請求項１〜９のいずれか１つに記載の回転電機であって、
    リミッタは、第１ロータ要素および第２ロータ要素間のロータ間位相角を電気角０°〜１８０°〜３６０°（＝０°）間を可動範囲にする、
    回転電機。