JP2018157624A - 回転電機の制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】回転電機の性能を最大限に発揮可能な回転電機の制御装置を提供すること。【解決手段】回転電機は、環状のステータヨークと、該ステータヨークから径方向一方に等間隔で突出する複数のティースと、を有するステータコアと、ティースに巻回された巻線によって形成されるコイルと、巻線の温度を測定する測温部とを備える。回転電機の制御装置は、測温部が測定した巻線の温度と所定のしきい値との比較結果に基づき、回転電機の出力を制限する制御を行う制御部を備える。制御部は、巻線を過熱から保護するための温度である所定のしきい値として、複数の異なる値の中から、回転電機の運転状況に応じた値を選択する。【選択図】図6

Description

本発明は、回転電機の制御装置に関する。
特許文献1には、電動モータの固定子コイルの異常な温度上昇の検知精度を向上させることができる電動モータの保護装置が記載されている。また、特許文献2には、電動モータ内の固定子鉄心の温度を直接検出することによりコイルの温度を推測し、コイルの焼損を未然に防止することを目的としたモータの保護装置が記載されている。
特開2009−303365号公報 実開平6−77469号公報
特許文献1及び特許文献2に記載のように、モータを過熱から保護することは重要である。このため、特許文献2に記載の保護装置は、コイルの温度が、コイル焼損危険温度(200℃)よりも低い設定値A(150℃)に達すると警告表示を行い、設定値B(180℃)に達すると電力回路を遮断してモータを停止させる制御を行っている。
しかし、モータの主な発熱箇所は、モータの運転状況によってコイルであったり鉄心であったりする。すなわち、モータの負荷が大きく回転数は低いときの主な発熱箇所はコイルであるが、モータの負荷は小さく回転数が高いときの主な発熱箇所は鉄心である。このため、モータ内の最高温度となる箇所は常に同じではなく、モータの運転状況によって異なる。一方、モータの温度を測定するサーミスタ等の測温部が設置される位置は変わらない。このため、モータ内の最高温度となる箇所の温度と、測温部が測定した温度との相違の大きさは、モータの運転状況によって異なる。このため、モータを過熱から保護するための設定値を上記相違の最大値に基づき一律に設定すると、モータの運転状況によっては当該設定した値が過保護な値となる。その結果、モータの運転状況によっては、モータの性能を最大限に発揮する前に、その出力が制限又は停止されてしまう。
本発明の目的は、回転電機の性能を最大限に発揮可能な回転電機の制御装置を提供することである。
上記の目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、
環状のステータヨーク(例えば、後述の実施形態でのステータヨーク21)と、該ステータヨークから径方向一方に等間隔で突出する複数のティース(例えば、後述の実施形態でのティース22)と、を有するステータコア(例えば、後述の実施形態でのステータコア12)と、
前記ティースに巻回された巻線によって形成されるコイル(例えば、後述の実施形態でのコイル15)と、
前記巻線の温度を測定する測温部(例えば、後述の実施形態での温度センサー16)と、を備える回転電機(例えば、後述の実施形態での第2モータジェネレータMG2)の制御装置であって、
前記測温部が測定した前記巻線の温度と所定のしきい値との比較結果に基づき、前記回転電機の出力を制限する制御を行う制御部(例えば、後述の実施形態でのECU105)を備え、
前記制御部は、前記巻線を過熱から保護するための温度である前記所定のしきい値として、複数の異なる値の中から、前記回転電機の運転状況に応じた値を選択する、回転電機の制御装置である。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、
前記回転電機の運転状況は、前記回転電機が出力するトルクに関連する値と、前記回転電機の回転数に関連する値と、に基づく。
請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の発明において、
前記測温部は、前記コイルのコイルエンド(例えば、後述の実施形態でのコイルエンド15e)を構成する部分の前記巻線の温度を測定する。
請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の発明において、
前記複数の異なる値には、前記トルクに関連する値が第1所定値以上であり、かつ、前記回転数に関連する値が第2所定値以下であるときに選択される第1しきい値(例えば、後述の実施形態でのパワーセーブ作動温度Tthc)と、該第1しきい値よりも低い第2しきい値(例えば、後述の実施形態でのパワーセーブ作動温度Tthi)と、が含まれ、
前記制御部は、前記測温部が測定した前記巻線の温度が前記所定のしきい値を超えると、前記回転電機の出力を制限する制御を行う。
請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の発明において、
前記回転電機は、車両の駆動源として用いられ、
前記第1しきい値が選択されるときの前記回転電機の運転状況に応じた前記車両は登坂走行しており、
前記第2しきい値が選択されるときの前記回転電機の運転状況に応じた前記車両は高速走行している。
請求項1の発明によれば、回転電機の巻線を過熱から保護するためのしきい値が、回転電機の運転状況に応じて複数の異なる値の中から1つ選択されるため、回転電機の出力制限を不必要に行ってしまう機会を低減できる。その結果、回転電機の性能を最大限に発揮できる。
請求項2の発明によれば、回転電機の運転状況はトルクと回転数とに基づくため、トルクと回転数のバランスが異なれば上記所定のしきい値としての適切な値が異なる場合であっても、回転電機の性能を最大限に発揮できる。
請求項3の発明によれば、測温部が測定する箇所は周囲の温度による影響を受けやすい位置であるため、回転電機のステータコアが主に発熱する運転状況では、回転電機内の最高温度となる箇所の温度と、測温部が測定した温度との相違が大きくなる一方で、回転電機のコイルが主に発熱する運転状況では、上記相違は小さくなる。このように、運転状況によって上記相違が異なる場合であっても、運転状況に応じた適切なしきい値が選択されるため、回転電機の性能を最大限に発揮できる。
請求項4の発明によれば、選択され得る複数の異なる値には、回転電機のトルクが大きく回転数が低いときに選択される第1しきい値と、該第1しきい値よりも低い第2しきい値とが含まれる。このため、回転電機のトルクが高く回転数が低いため主に巻線が発熱する運転状況では、小さな相違に対応した第1しきい値が選択されることによって、回転電機のトルクが高く回転数が低い場合であっても、回転電機の性能を最大限に発揮できる。
請求項5の発明によれば、回転電機の駆動力によって車両が高速走行しているときは第2しきい値が選択される一方、回転電機の駆動力によって車両が登坂走行しているときは、当該回転電機の共に巻線が発熱し上記相違は小さくなるため、第1しきい値が選択されることによって、登坂走行のための駆動源として利用される回転電機の性能を最大限に発揮できる。
シリーズ方式とパラレル方式とを切り換え可能なHEV(車両)の内部構成を示すブロック図である。 第2モータジェネレータのステータの径方向断面図である。 第2モータジェネレータのステータの側面図である。 図2及び図3に示すステータのステータコアの径方向断面図である。 車両の各走行モードでの動力及び電力の伝達を示す図である。 過熱保護対象の上限温度と、温度センサーに係る誤差と、パワーセーブ作動温度(しきい値)との関係、並びに、第2モータジェネレータの運転領域を示す図である。 第2モータジェネレータの運転状況に応じてパワーセーブ制御を開始する温度を選択するECUの処理の流れを示すフローチャートである。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
HEV(Hybrid Electrical Vehicle:ハイブリッド電気自動車)は、モータジェネレータ及びエンジンを備え、車両の走行状態に応じてモータジェネレータ及び/又はエンジンの駆動力によって走行する。HEVには、大きく分けてシリーズ方式とパラレル方式の2種類がある。シリーズ方式のHEVは、モータジェネレータの動力によって走行する。エンジンは主に発電のために用いられ、エンジンの動力によって別のモータジェネレータで発電された電力はバッテリに充電されるか、モータジェネレータに供給される。一方、パラレル方式のHEVは、モータジェネレータ及びエンジンのいずれか一方又は双方の駆動力によって走行する。また、これら両方式を切り換え可能なHEVも知られている。この種のHEVでは、走行状態に応じてクラッチを切断又は締結する(断接する)ことによって、駆動力の伝達系統をシリーズ方式及びパラレル方式のいずれかの構成に切り替える。
図1は、シリーズ方式とパラレル方式とを切り換え可能なHEVの内部構成を示すブロック図である。図1に示すHEV(以下、単に「車両」という。)は、エンジンENGと、第1モータジェネレータMG1と、第2モータジェネレータMG2と、ロックアップクラッチ(以下、単に「クラッチ」という)CLと、ギアボックス(以下、単に「ギア」という。)GBと、バッテリBATと、車速センサー101と、VCU(Voltage Control Unit)103と、第1インバータINV1と、第2インバータINV2と、ECU(Electronic Control Unit)105とを備える。なお、図1中の太い実線は機械連結を示し、二重点線は電力配線を示し、細い実線の矢印は制御信号又は検出信号を示す。
エンジンENGは、クラッチCLが切断された状態で、第1モータジェネレータMG1を発電機として駆動する。クラッチCLが締結されると、エンジンENGが出力した動力は、車両が走行するための機械エネルギーとして、第1モータジェネレータMG1、クラッチCL、ギアGB、第2モータジェネレータMG2、ディファレンシャルギヤ8及び駆動軸9を介して、駆動輪DW,DWに伝達される。
第1モータジェネレータMG1は、エンジンENGの動力によって駆動され、電力を発生する。第2モータジェネレータMG2は、バッテリBAT及び第1モータジェネレータMG1の少なくとも一方からの電力供給によって電動機として動作し、車両が走行するための動力を発生する。第2モータジェネレータMG2で発生したトルクは、ディファレンシャルギヤ8及び駆動軸9を介して、駆動輪DW,DWに伝達される。
以下、図2〜図4を参照して、第2モータジェネレータMG2の構成について説明する。図2は、第2モータジェネレータMG2のステータの径方向断面図である。図3は、第2モータジェネレータMG2のステータの側面図である。図4は、図2及び図3に示すステータのステータコアの径方向断面図である。
図2及び図3に示すステータ10は、その内部に設けられる図示しないロータと組み合わされて第2モータジェネレータMG2を構成する。第2モータジェネレータMG2は、ステータ10のティース22に巻回されたコイル15に通電することによりロータが回転するように構成されている。
ステータ10は、ステータコア12と、コイル15と、温度センサー16とを有する。ステータコア12は、複数の鋼板が積層されて構成されている。各鋼板は、環状のステータヨーク21と、ステータヨーク21から径方向内側に等間隔で突出する複数のティース22と、隣り合うティース22間に周方向に等間隔で形成されたスロット23とを有する板状部材であり、電磁鋼板等をプレス抜きすることで形成されている。複数の鋼板を積層すると、ステータコア12には、軸方向に貫通する複数のスロット23が周方向に等間隔で形成される。スロット23には、ティース22に巻回された巻線によって形成されるコイル15が取り付けられる。
また、スロット23から周方向両側にはみ出したコイルエンド15e,15eの一方の外径側には、コイルエンド15eを構成する部分の巻線の温度を測定する温度センサー16が設けられている。温度センサー16は、サーミスタ等の感温部16aと、該感温部16aを収容する本体部16bとを有する。本体部16bは、例えば、合成樹脂で略矩形状又は円弧状に製作された箱体であり、ステータコア12に取り付けられる。感温部16aは、本体部16bに設けられた板バネの荷重によりコイルエンド15eに押し当てられる。感温部16aが検出した温度を示す信号は、第2モータジェネレータMG2の温度を示す信号としてECU105に送られる。
クラッチCLは、ECU105からの指示に応じて、エンジンENGから駆動輪DW,DWまでの動力の伝達経路を切断又は締結する(断接する)。クラッチCLが切断状態であれば、エンジンENGが出力した動力は駆動輪DW,DWに伝達されず、クラッチCLが接続状態であれば、エンジンENGが出力した動力は駆動輪DW,DWに伝達される。ギアGBは、変速段又は固定段を含み、エンジンENGからの動力を所定の変速比で変速して駆動輪DWに伝達する。ギアGBにおける変速比はECU105からの指示に応じて変更される。
バッテリBATは、直列に接続された複数の蓄電セルを有し、例えば100〜200Vの高電圧を供給する。蓄電セルは、例えば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池である。
車速センサー101は、車両の走行速度(車速VP)を検出する。車速センサー101によって検出された車速VPを示す信号は、ECU105に送られる。
VCU103は、第2モータジェネレータMG2が電動機として動作する際のバッテリBATの出力電圧を昇圧する。また、VCU103は、エンジンENGの駆動によって第1モータジェネレータMG1が発電して直流に変換された電力を降圧する。VCU103によって降圧された電力は、バッテリBATに充電される。
第1インバータINV1は、エンジンENGの駆動によって第1モータジェネレータMG1が発電した交流電圧を直流電圧に変換する。第2インバータINV2は、VCU103から出力された直流電圧を交流電圧に変換して3相電流を第2モータジェネレータMG2に供給する。
ECU105は、車両の状態に応じて、第1インバータINV1、第2インバータINV2及びVCU103の制御、並びに、クラッチCLの断接制御を行うことで、車両の状態に適した制御を行う。また、ECU105は、第2モータジェネレータMG2の主に巻線の過熱保護のために、第2モータジェネレータMG2のステータ10に設けられた温度センサー16による測定温度が所定のしきい値を超えると、第2モータジェネレータMG2の出力を制限する制御、いわゆるパワーセーブ制御を行う。ECU105による当該パワーセーブ制御の詳細については後述する。
(車両の走行モード)
上記説明した車両は、典型的に以下の走行モードを有している。図5は、各走行モードでの動力及び電力の伝達を示す図である。
MG2_EV走行モードに設定された車両では、クラッチCLは開放され、エンジンENGは停止している。車両は、加速走行時には、バッテリBATからの電力供給によって駆動する第2モータジェネレータMG2の動力によって走行する。シリーズ走行モードに設定された車両では、クラッチCLは開放される。車両は、アクセルペダル開度(AP開度)及び車速等に基づく要求駆動力を第2モータジェネレータMG2が出力可能な電力を供給するべく、バッテリBATからの電力供給と共に、エンジンENGの運転によって第2モータジェネレータMG2が発電した電力が供給される第2モータジェネレータMG2の動力によって走行する。
エンジン走行モードに設定された車両では、クラッチCLは締結される。車両は、エンジンENGが出力した動力によって走行する。なお、エンジン走行モードでの走行時、第1モータジェネレータMG1及び第2モータジェネレータMG2の各回転子は、エンジンENGの駆動と共に連れ回される。但し、ECU105は、第1モータジェネレータMG1及び第2モータジェネレータMG2がそれぞれ無負荷状態となるようゼロトルク制御を行う。パラレル走行モードに設定された車両では、クラッチCLは締結される。車両は、エンジンENGが出力した動力と、バッテリBATからの電力供給によって駆動する第2モータジェネレータMG2の動力の双方によって走行する。
(第2モータジェネレータMG2のパワーセーブ開始制御)
第2モータジェネレータMG2は、上述した4つの走行モードのうち、エンジン走行モードを除く3つの走行モードにおいて車両の駆動源として運転され、車両のあらゆる走行形態において使用される。しかし、過酷な使用による第2モータジェネレータMG2の過熱状迅速態は避ける必要がある。このため、ECU105は、第2モータジェネレータMG2のステータ10に設けられた温度センサー16による測定温度が所定のしきい値を超えると、第2モータジェネレータMG2の出力を制限するパワーセーブ制御を行う。ECU105がパワーセーブ制御を開始する温度である所定のしきい値は、第2モータジェネレータMG2の巻線等といった過熱保護対象の上限温度に基づき、温度センサー16に係る誤差等を鑑みて予め設定される。
図6は、過熱保護対象の上限温度と、温度センサー16に係る誤差と、パワーセーブ作動温度(しきい値)との関係、並びに、第2モータジェネレータMG2の運転領域を示す図である。図6に示すように、第2モータジェネレータMG2でのエネルギー損失は、トルクが低く回転数が高い運転領域では鉄損が支配的であり、トルクが高く回転数が低い運転領域では銅損が支配的である。すなわち、車両が高速走行時には、鉄損が支配的であるためステータコア12の発熱が大きく、車両が登坂走行時には、銅損が支配的であるためコイル15の発熱が大きい。ところで、上述したように、第2モータジェネレータMG2の温度を測定する温度センサー16は、コイルエンド15eの外径側に設けられており、コイルエンド15eを構成する部分の巻線の温度を測定している。このため、第2モータジェネレータMG2内の最高温度となる箇所の温度と温度センサー16による測定温度との相違は、鉄損が支配的な領域での運転時には大きく、銅損が支配的な領域での運転時には小さくなる。
本実施形態では、上記説明した第2モータジェネレータMG2内の最高温度と測定温度との相違が、第2モータジェネレータMG2の運転領域によって異なるといった特徴に基づき、ECU105は、第2モータジェネレータMG2のパワーセーブ制御を開始する温度を、複数の異なる値の中から、第2モータジェネレータMG2の運転状況に応じて選択する。なお、第2モータジェネレータMG2の運転状況は、車速センサー101が検出した車速VPに対応する第2モータジェネレータMG2の回転数Nmと、アクセルペダル開度(AP開度)及び車速VP等に基づく要求駆動力に対応した第2モータジェネレータMG2に要求されるトルクTmとに基づく。
ECU105がパワーセーブ制御を開始するしきい値として選択可能な上記複数の異なる値は2つある。1つは、第2モータジェネレータMG2の巻線等といった過熱保護対象の上限温度(Tmax)から、温度センサー16に係る誤差(se)に応じた値を引き、さらに、鉄損が支配的な領域での運転時に見込まれる第2モータジェネレータMG2内の最高温度と温度センサー16による測定温度との相違(di)分の値を引いて求められるパワーセーブ作動温度Tthiである。もう1つは、過熱保護対象の上限温度(Tmax)から、温度センサー16に係る誤差(se)に応じた値を引き、さらに、銅損が支配的な領域での運転時に見込まれる第2モータジェネレータMG2内の最高温度と温度センサー16による測定温度との相違(dc)分の値を引いて求められるパワーセーブ作動温度Tthcである。上述したように、鉄損が支配的な領域での温度の相違(di)は大きく、銅損が支配的な領域での温度の相違(dc)は小さいため、図6に示すように、パワーセーブ作動温度Tthiよりもパワーセーブ作動温度Tthcの方が高い。
図7は、第2モータジェネレータMG2の運転状況に応じてパワーセーブ制御を開始する温度を選択するECU105の処理の流れを示すフローチャートである。図7に示すように、ECU105は、第2モータジェネレータMG2に要求されるトルクTmが所定値Tth以上(Tm≧Tth)であるか否かを判断し(ステップS101)、Tm≧TthであればステップS103に進み、Tm<TthであればステップS107に進む。ステップS103では、ECU105は、第2モータジェネレータMG2の回転数Nmが所定値Nth以下(Nm≦Nth)であるか否かを判断し、Nm≦NthであればステップS105に進み、Nm>NthであればステップS107に進む。ステップS105では、ECU105は、パワーセーブ制御を開始するしきい値としてパワーセーブ作動温度Tthcを選択する。ステップS107では、ECU105は、パワーセーブ制御を開始するしきい値としてパワーセーブ作動温度Tthiを選択する。
以上説明したように、本実施形態では、車両の駆動源である第2モータジェネレータMG2の特に巻線を過熱から保護するために行われるパワーセーブ制御を開始するしきい値が、第2モータジェネレータMG2の運転状況に応じて、複数の異なる値(パワーセーブ作動温度Tthc,Tthi)の中から1つ選択される。仮に、図6に示した値が低い方のパワーセーブ作動温度Tthiが唯一のしきい値として用いられる場合には、第2モータジェネレータMG2の温度センサー16による測定温度がパワーセーブ作動温度Tthiを超えるとパワーセーブ制御が開始されるが、第2モータジェネレータMG2が図6にハッチングされた高トルクかつ低回転数の領域で用いられるときは、上記説明した第2モータジェネレータMG2内の最高温度と測定温度との相違が小さいため、本来、パワーセーブ制御を行う必要はない。しかし、パワーセーブ作動温度Tthiが一律に設定されているため、パワーセーブ制御が不必要に行われてしまう。
一方、本実施形態では、車両が登坂走行しているため第2モータジェネレータMG2が高トルクかつ低回転数の領域で用いられるときは、パワーセーブ作動温度Tthiよりも高い値のパワーセーブ作動温度Tthcがしきい値として選択されるため、パワーセーブ制御を不必要に行ってしまう機会を低減できる。その結果、第2モータジェネレータMG2の性能を最大限に発揮できる。
また、温度センサー16の設置箇所は、コイルエンド15eの外径側といった周囲の温度による影響を受けやすい位置であるため、第2モータジェネレータMG2のステータコア12が主に発熱する運転状況では、第2モータジェネレータMG2内の最高温度と温度センサー16の測定温度との相違が大きくなる一方で、第2モータジェネレータMG2のコイル15が主に発熱する運転状況では、上記相違は小さくなる。このように、運転状況によって上記相違が異なる場合であっても、運転状況に応じた適切なしきい値が選択されるため、第2モータジェネレータMG2の性能を最大限に発揮できる。
なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。
10 ステータ
12 ステータコア
15 コイル
15e コイルエンド
16 温度センサー
16a 感温部
16b 本体部
21 ステータヨーク
22 ティース
23 スロット
101 車速センサー
103 VCU
105 ECU
BAT バッテリ
CL ロックアップクラッチ
ENG エンジン
GB ギアボックス
INV1 第1インバータ
INV2 第2インバータ
MG1 第1モータジェネレータ
MG2 第2モータジェネレータ

Claims (5)

  1. 環状のステータヨークと、該ステータヨークから径方向一方に等間隔で突出する複数のティースと、を有するステータコアと、
    前記ティースに巻回された巻線によって形成されるコイルと、
    前記巻線の温度を測定する測温部と、を備える回転電機の制御装置であって、
    前記測温部が測定した前記巻線の温度と所定のしきい値との比較結果に基づき、前記回転電機の出力を制限する制御を行う制御部を備え、
    前記制御部は、前記巻線を過熱から保護するための温度である前記所定のしきい値として、複数の異なる値の中から、前記回転電機の運転状況に応じた値を選択する、回転電機の制御装置。
  2. 請求項1に記載の回転電機の制御装置であって、
    前記回転電機の運転状況は、前記回転電機が出力するトルクに関連する値と、前記回転電機の回転数に関連する値と、に基づく、回転電機の制御装置。
  3. 請求項2に記載の回転電機の制御装置であって、
    前記測温部は、前記コイルのコイルエンドを構成する部分の前記巻線の温度を測定する、回転電機の制御装置。
  4. 請求項3に記載の回転電機の制御装置であって、
    前記複数の異なる値には、前記トルクに関連する値が第1所定値以上であり、かつ、前記回転数に関連する値が第2所定値以下であるときに選択される第1しきい値と、該第1しきい値よりも低い第2しきい値と、が含まれ、
    前記制御部は、前記測温部が測定した前記巻線の温度が前記所定のしきい値を超えると、前記回転電機の出力を制限する制御を行う、回転電機の制御装置。
  5. 請求項4に記載の回転電機の制御装置であって、
    前記回転電機は、車両の駆動源として用いられ、
    前記第1しきい値が選択されるときの前記回転電機の運転状況に応じた前記車両は登坂走行しており、
    前記第2しきい値が選択されるときの前記回転電機の運転状況に応じた前記車両は高速走行している、回転電機の制御装置。
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CN113771645A (zh) * 2021-09-29 2021-12-10 珠海格力电器股份有限公司 汽车的电机控制方法、装置、汽车、存储介质及处理器

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JP2008187862A (ja) * 2007-01-31 2008-08-14 Nissan Motor Co Ltd モータ制御装置、及びモータ制御方法
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