JP3637837B2 - 回転電機の制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、２個のロータを備えた複合型の回転電機およびそれを用いた駆動システムに関し、特に一方のロータをジェネレータとして動作させ、他方のロータをモータとして動作させる際に好適な構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複合型の回転電機としては、特開平１１−２７５８２６号公報に記載された装置（本願出願人の先願発明）ものがある。この回転電機は、中空円筒状のステータの内側と外側に所定のギャップをおいて中空円筒状の外側ロータと内側ロータとが配置された構造になっている。そして外側ロータ軸と内側ロータ軸は同一軸上に並ぶように配置され、外側ロータと内側ロータは同軸上でそれぞれ独立に回転出来るようになっている（後記図７で詳細後述）。そして上記ステータに設けたコイルに流す複合電流を前記ロータの数と同数の回転磁場が発生するように制御することにより、２個のロータを独立に制御することが出来る。前記公報においては２個のロータの極対数比が１対１極対数比、３対１極対数比、２対１極対数比の場合における回転電機として成立できる旨が記載されている。なお、極対数比とは一方のロータと他方のロータの磁極対（ＮとＳで１対）の数の比を示す。例えば、１対１極対数比とは一方のロータの磁極対（ＮＳ）の数と他方のロータの磁極対の数とが同じ（ＮＳ１組とＮＳ１組やＮＳ２組とＮＳ２組）の場合、３対１極対数比とは一方のロータがＮＳ３組または６組で他方ロータがＮＳ１組または２組（極対数比は何れも３：１）のような場合を示す。
上記のごとき回転電機においては、一方のロータをジェネレータとして、他方のロータをモータとして運転する場合、いわゆるハイブリッドシステムとして動作させる場合に、発電電力とモータ駆動電力との差の分の電流を共通のコイルに流すだけでよいので、効率を大幅に向上させることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のごとき回転電機において、１対１極対数比の構成では、磁気カップリング効果が有るので、両方のロータを同速度（回転角速度ω１＝ω２）で回転させる場合には、ステータのコイルに電流を流さないで直結状態で駆動することも出来る（磁気カップリングモード：詳細後述）という利点がある。また、ロータが逆転（二つのロータが相互に逆方向に回る）する逆転モード（詳細後述）もある。しかし、磁気カップリングのために、一方のロータを回転させると他方のロータも回転するので意図しない場合に内燃機関や車両が動き出すおそれがあり、また、逆転モードのために内燃機関や車両の駆動軸が逆転するおそれもあるので、いわゆるハイブリット用モータとして構成しにくいという問題があった。
【０００４】
本発明は上記のごとき問題を解決するためになされたものであり、磁気カップリングで直結状態で駆動できるモードと、各ロータを独立に回転制御できるモードとを切り換えて制御する機能を持った回転電機の制御装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明においては特許請求の範囲に記載するように構成している。すなわち、請求項１に記載の発明においては、２個のロータは磁極を形成する永久磁石を１対１極対数比とし、かつ、何れか一方のロータには２ｎ個（ｎ＝１，２，３，…）の励磁コイルを備えた回転電機を用い、制御装置は、永久磁石による磁極と励磁コイルによる磁極とが異極で隣合うように励磁することによって前記回転電機を（ｎ＋１）対１極対数比で動作させるモードと、永久磁石による磁極と励磁コイルによる磁極とが同極で隣合うように励磁するか、若しくは励磁コイルに電流を流さないことによって回転電機を１対１極対数比で動作させるモードとを切り換えて制御するように構成している。
【０００６】
また、請求項２に記載の発明は、前記２つのモードを２個のロータの回転速度の相互関係に応じて切り換えるものであり、請求項３および請求項４においては、それらの詳細な構成を示している。また、請求項５においては、１対１極対数比モードと（ｎ＋１）対１極対数比モードとの切り換え時の制御を記載し、請求項６においては、１対１極対数比モードの場合には、励磁コイルの励磁電流を目標伝達トルクに応じて制御するように構成している。
【０００７】
【発明の効果】
請求項１においては、一方のロータに設けた励磁コイルの電流をオンオフするかまたは電流の方向を切り換えることにより、１対１極対数比モードと（ｎ＋１）対１極対数比モードとに切り換えて動作させることが出来る。そして（ｎ＋１）対１極対数比モードの場合には二つのロータを独立して制御することが出来、かつ、磁気カップリングモードや逆転モードはない。また、１対１極対数比モードの場合には磁気カップリングモードがあるので、例えば一方のロータを駆動装置で駆動して他方のロータを同速で回転させる場合にはステータコイルに電流を流さなくてもよい。したがって、例えば一方のロータ軸を内燃機関に接続し、他方のロータ軸を車軸に接続し、車両の動作状態に応じて両者を適宜切り換え動作させれば、良好な特性のみを利用出来る、という効果が得られる。
【０００８】
また、請求項２〜４においては、２つのロータの回転速度に応じて１対１極対数比モードと（ｎ＋１）対１極対数比モードとを切り換えることにより、それぞれのモードの特性に適応した動作を行わせる。すなわち、起動時や同期運転からの切り換え時には、制御性が良く、かつ起動トルクの大きな（ｎ＋１）対１極対数比モードを用い、磁気カップリング効果を有効に利用できる状態では１対１極対数比モードにすることができる。
【０００９】
また、請求項５においては、２つのモードの切り換えを円滑に行うことができ、請求項６においては、伝達トルクに応じて励磁電流を変えることにより、効率を向上させることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
まず、本発明を適用する回転電機の例として、本出願人が以前に出願した特開平１１−２７５８２６号公報記載の回転電機の構造、およびその駆動回路について説明する。
【００１１】
図１４は、上記公報記載の回転電機の構造を示す図であり、（ａ）は回転電機全体の概略断面図、（ｂ）はロータとステータ部分の断面図〔（ａ）のＡ−Ａ’断面図、ただし軸や外枠部分は除き、ロータとステータのみを示す〕である。なお、図１４は外側ロータの磁極数が４、内側ロータの磁極数が２で、その比である磁極数比が２：１の場合を示している。なお、ロータに設けた磁極の対（ＮとＳで１対）の数である極対数で示せば、外側ロータは極対数が２、内側ロータは極対数が１であり、両者の比である極対数比はやはり２：１となる。
【００１２】
図１４において、中空円筒状のステータ２の外側と内側に所定のギャップをおいて中空円筒状の外側ロータ３と内側ロータ４が配置され、３層構造になっている。また、内側ロータ軸９と外側ロータ軸１０とは同一の軸上に並ぶように設けられ、内側ロータ４と外側ロータ３は同軸上でそれぞれ独立に回転出来るようになっている。なお、軸受等は図示を省略している。
【００１３】
内側ロータ４は半周をＳ極、もう半周をＮ極とした一対の永久磁石で形成され、これに対して、外側ロータ３は内側ロータ４の一極当たり２倍の極数を持つように永久磁石が配置される。つまり、外側ロータ３のＳ極、Ｎ極は各２個であり、９０度毎にＳ極とＮ極が入れ替わるように構成されている。
このように各ロータ３、４の磁極を配置すると、内側ロータ４の磁石は外側ロータ３の磁石により回転力を与えられることがなく、この逆に外側ロータ３の磁石が内側ロータ４の磁石により回転力を与えられることもない。
【００１４】
たとえば、内側ロータ４の磁石が外側ロータ３に及ぼす影響を考えてみる。簡単のため内側ロータ４は固定して考える。まず、内側ロータ４のＳ極とこれに対峙する外側ロータ３の上側磁石ＳＮとの関係において、図示の状態で仮に内側ロータ４のＳ極が出す磁力を受けて、外側ロータの上側磁石ＳＮが時計方向に回転しようとしたとすると、内側ロータ４のＮ極とこれに対峙する外側ロータ３の下側磁石ＳＮとの関係においては、内側ロータ４のＮ極により外側ロータ３の下側磁石ＳＮが反時計方向に回転しようとする。つまり、内側ロータ４のＳ極が外側ロータ３の上側磁石に及ぼす磁力と内側ロータ４のＮ極が外側ロータ３の下側磁石に及ぼす磁力とがちょうど相殺することになり、外側ロータ３は内側ロータ４と関係なく、ステータ２との関係だけで制御可能となるわけである。このことは、後述するようにステータコイルに発生する回転磁場とロータとの間でも同じである。
【００１５】
ステータ２のコイルは、外側ロータ３の１磁極当たり３個のコイル６で構成され、合計１２個（＝３×４）のコイル６が同一の円周上に等分に配置されている。丸で囲んだ数字はそれぞれコイルの巻線を示し、例えば１と１とが１つのコイルを形成し、それぞれ電流の方向が逆なことを示している。すなわち、１は紙面方向へ電流の流れる巻線であり、１はその逆方向に電流の流れる巻線である。この場合の巻線方法は集中巻である。
【００１６】
また、７はコイルが巻回されるコアで、コイル６と同数のコア７が円周上に等分に所定の間隔（ギャップ）８をおいて配列されている。なお、後述するように、１２個のコイルは番号で区別しており、この場合に６番目のコイルという意味でコイル６が出てくる。上記のコイル６という表現と紛らわしいが、意味するところは異なっている。
【００１７】
これら１２個のコイルには次のような複合電流Ｉ_１〜Ｉ_１２を流す。まず内側ロータ４に対する回転磁場を発生させる電流（三相交流）を流すため、［１，２］＝［７，８］、［３，４］＝［９，１０］、［５，６］＝［１１，１２］の３組のコイルに１２０度ずつ位相のずれた電流Ｉｄ、Ｉｆ、Ｉｅを設定する。
ここで、番号の下に付けたアンダーラインは反対方向に電流を流すことを意味させている。たとえば、１組のコイル［１，２］＝［７，８］に電流Ｉｄを流すとは、コイル１からコイル７に向けてＩｄの半分の電流を、かつコイル２からコイル８に向けてＩｄのもう半分の電流を流すことに相当する。１と２、７と８が円周上でそれぞれ近い位置にあるので、この電流供給により、内側ロータ４の磁極と同数（２極）の回転磁場を生じさせることが可能となる。
【００１８】
次に、外側ロータ３に対する回転磁場を発生させる電流（三相交流）を流すため、［１］＝［４］＝［７］＝［１０］、［２］＝［５］＝［８］＝［１１］、［３］＝［６］＝［９］＝［１２］の３組のコイルに１２０度ずつ位相がずれた電流Ｉａ、Ｉｃ、Ｉｂを設定する。たとえば、１組のコイル［１］＝［４］＝［７］＝［１０］に電流Ｉａを流すとは、コイル１からコイル４にＩａの電流をかつコイル７からコイル１０に向けてもＩａの電流を流すことに相当する。コイル１と７、コイル４と１０がそれぞれ円周上の１８０度ずつ離れた位置にあるため、この電流供給により、外側ロータ３の磁極と同数（４極）の回転磁場を生じさせることができる。この結果、１２個のコイルには次の各複合電流Ｉ_１〜Ｉ_１２を流せばよいことになる。
I_１＝(1/2)Id＋Ia
I_２＝(1/2)Id＋Ic
I_３＝(1/2)If＋Ib
I_４＝(1/2)If＋Ia
I_５＝(1/2)Ie＋Ic
I_６＝(1/2)Ie＋Ib
I_７＝(1/2)Id＋Ia
I_８＝(1/2)Id＋Ic
I_９＝(1/2)If＋Ib
I_１０＝(1/2)If＋Ia
I_１１＝(1/2)Ie＋Ic
I_１２＝(1/2)Ie＋Ib
ただし、電流記号の下につけたアンダーラインは逆向きの電流であることを表している。
【００１９】
さらに図１５を参照して複合電流の設定を説明すると、図１５は、図１４との比較のため、ステータ２の内周側と外周側に各ロータに対して別々の回転磁場を発生させる専用のコイルを配置したものである。つまり、内周側コイルｄ、ｆ、ｅの配列が内側ロータに対する回転磁場を、また外周側コイルａ、ｃ、ｂの配列が外側ロータに対する回転磁場を発生する。この場合に、２つの専用コイルを共通化して、図１４に示した共通のコイルに再構成するには、内周側コイルのうち、コイルｄに流す電流の半分ずつをコイルｄの近くにあるコイルａとｃに負担させ、同様にして、コイルｆに流す電流の半分ずつをコイルｆの近くにあるコイルｂとａに、またコイルｅに流す電流の半分ずつをコイルｅの近くにあるコイルｃとｂに負担させればよいわけである。上記複合電流Ｉ_１〜Ｉ_１２の式はこのような考え方を数式に表したものある。なお、電流設定の方法はこれに限られるものでなく、前記特開平１１−２７５８２６号公報に記載のように、他の電流設定方法でもかまわない。
【００２０】
このように電流設定を行うと、共通のコイルでありながら、内側ロータ４に対する回転磁場と外側ロータ３に対する回転磁場との２つの磁場が同時に発生するが、内側ロータ４の磁石は外側ロータ３に対する回転磁場により回転力を与えられることがなく、また外側ロータ３の磁石が内側ロータ４に対する回転磁場により回転力を与えられることもない。この点は前記特開平１１−２７５８２６号公報に記載のように、理論解析で証明されている。
【００２１】
上記Ｉｄ、Ｉｆ、Ｉｅの電流設定は内側ロータ４の回転に同期して、また上記Ｉａ、Ｉｃ、Ｉｂの電流設定は外側ロータ３の回転に同期してそれぞれ行う。トルクの方向に対して位相の進み遅れを設定するが、これは同期モータに対する場合と同じである。
【００２２】
図１６は上記回転電機を制御するための回路のブロック図である。上記複合電流Ｉ_１〜Ｉ_１２をステータコイルに供給するため、バッテリなどの電源１１からの直流電流を交流電流に変換するインバータ１２を備える。瞬時電流の全ての和は０になるためこのインバータ１２は、図１７に詳細を示したように、通常の３相ブリッジ型インバータを１２相にしたものと同じで、２４（＝１２×２）個のトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ２４とこのトランジスタと同数のダイオードから構成される。インバータ１２の各ゲート（トランジスタのベース）に与えるＯＮ、ＯＦＦ信号はＰＷＭ信号である。
【００２３】
各ロータ３、４を同期回転させるため、各ロータ３、４の位相を検出する回転角センサ１３、１４が設けられ、これらセンサ１３、１４からの信号が入力される制御回路１５では、外側ロータ３、内側ロータ４に対する必要トルク（正負あり）のデータ（必要トルク指令）に基づいてＰＷＭ信号を発生させる。
【００２４】
このように、前記特開平１１−２７５８２６号公報に記載の回転電機においては、２つのロータ３、４と１つのステータ２を三層構造かつ同一の軸上に構成すると共に、ステータ２に共通のコイル６を形成し、この共通のコイル６にロータの数と同数の回転磁場が発生するように複合電流を流すようにしたことから、ロータの一方をモータとして、残りをジェネレータとして運転する場合に、モータ駆動電力と発電電力の差の分の電流を共通のコイルに流すだけでよいので、効率を大幅に向上させることができる。
【００２５】
また、２つのロータに対してインバータが１つでよくなり、さらにロータの一方をモータとして、残りをジェネレータとして運転する場合には、上記のように、モータ駆動電力と発電電力の差の分の電流を共通のコイルに流すだけでよくなることから、インバータの電力スイッチングトランジスタのキャパシタンスを減らすことができ、これによってスイッチング効率が向上し、より全体効率が向上する。
【００２６】
これまでの説明は、極対数比が２：１の場合について主に説明したが、極対数比が１：１の場合、すなわち、外側ロータと内側ロータの極対数が同数の場合には、特殊な動作特性が生じる。以下説明する。
前記特開平１１−２７５８２６号公報の（８）式および（９）式は下記のようになる。
f_１=-μIm_１｛Im_２・sin((ω_２-ω_１)t-α)-(3/2)n・Ic・sin(β)｝ …（８）
f_２= μIm_２｛Im_１・sin((ω_１-ω_２)t-α)-(3/2)n・Ic・sin((ω_１-ω_２)t-α-β)
｝ …（９）
ただし、ｆ_１：外側ロータの駆動力
ｆ_２：内側ロータの駆動力
Ｉｍ_１：外側ロータの磁石の等価直流電流
Ｉｍ_２：内側ロータの磁石の等価直流電流
Ｉｃ：ステータコイルの電流
ω_１：外側ロータの回転角速度
ω_２：内側ロータの回転角速度
α：２つのロータの磁極の位相角
β：電流の位相差
μ：透磁率
ｎ：コイル定数
上記（８）式、（９）式において、まず、ステータコイルに回転磁界を発生する電流Ｉｃを流した場合に、両ロータの駆動力ｆ_１とｆ_２を考察する。
【００２７】
ステータコイルの電流Ｉｃ・ｓｉｎβによる駆動力ｆ_１、ｆ_２は外側ロータと内側ロータとの位相角αによって変化するので、以下、α＝０の場合とα＝πの場合とに分けて説明する。なお、α＝０とは図２（ａ）に示すように、二つのロータの磁極が同極（Ｎ−ＮとＳ−Ｓ）で対面している状態であり、α＝πとは図２（ｂ）に示すように、二つのロータの磁極が異極（Ｎ−Ｓ）で対面している状態である。
【００２８】
式を簡単にするために、ω_１＝ω_２とすれば、（８）式、（９）式から、
f_１=-μIm_１｛Im_２・sin(-α)-(3/2)n・Ic・sin(β)｝ …（数１）式
f_２= μIm_２｛Im_１・sin(-α)-(3/2)n・Ic・sin(-α-β)｝ …（数２）式
α＝０の場合
（数１）式、（数２）式においてα＝０とすれば、下記（数３）式、（数４）式のようになる。
f_１=-μIm_１｛-(3/2)n・Ic・sin(β)｝ =μIm_１・(3/2)n・Ic・sin(β)…（数３）式
f_２= μIm_２｛-(3/2)n・Ic・sin(-β)｝=μIm_２・(3/2)n・Ic・sin(β)…（数４）式
よってμIm_１＝μIm_２とすれば、ｆ_１＝ｆ_２となる。
上記のように、α＝０の場合にはｆ_１＝ｆ_２となるので、二つのロータは同じ方向に駆動力を受け、同じ方向に回転する。
【００２９】
α＝πの場合
（数１）式、（数２）式においてα＝πとすれば、下記（数５）式、（数６）式のようになる。
f_１=μIm_１・(3/2)n・Ic・sinβ …（数５）式
f_２=μIm_２・(3/2)n・Ic・sin(-π-β)=-μIm_２・(3/2)n・Ic・sinβ …（数６）式
よってμIm_１＝μIm_２とすれば、ｆ_１＝−ｆ_２となる。
上記のようにα＝πの場合には、ｆ_１＝−ｆ_２となるので、二つのロータは逆方向に駆動力を受け、相互に逆方向に回転する。これが逆転モードである。
【００３０】
上記のようにステータコイルに電流を流して駆動する場合には、位相角αの値に応じて、正転モードと逆転モードとがある。
【００３１】
次に、ステータコイルに電流を流さない場合、すなわちＩｃ＝０の場合について説明する。Ｉｃ＝０の場合は前記（８）式、（９）式から下記（数７）式、（数８）式のようになる。
f_１=-μIm_１｛Im_２・sin((ω_２-ω_１)t-α)｝ …（数７）式
f_２= μIm_２｛Im_１・sin((ω_１-ω_２)t-α)｝ …（数８）式
（数７）式、（数８）式において、ω_１＝ω_２とすれば、
f_１=-μIm_１｛Im_２・sin(-α)｝ …（数９）式
f_２= μIm_２｛Im_１・sin(-α)｝ …（数１０）式
となり、常にｆ_１＝−ｆ_２となる。これは一見、逆方向に回転するように見えるが、実際には二つのロータ間に位相角αを与えた場合にα＝０の位置に戻ろうする力を示す。つまり一方のロータに外部から機械的な力を加えると、αが０からずれて、これを修正する力ｆ_１が発生し、同様に他方のロータにも修正方向である反対側の力ｆ_２が働くということである。したがって一方のロータを外部から機械的に回転させると他方のロータもα＝０を保つように同じ方向に回転することになる。これが磁気カップリングであり、ステータコイルに電流を流さない状態で、例えば外側ロータを内燃機関で駆動すれば、同方向に内側ロータを回転させることが出来る。
【００３２】
上記のように１対１極対数比の場合には、位相角α＝０でステータコイルに電流を流さない状態で一方のロータを外部から機械的に駆動すれば、磁気カップリングモードとなり、ステータのコイルに電流を流さないで、他方のロータを直結状態（同速度）で駆動することが出来る。また、２つのロータの磁石の位相角α＝πの場合は逆転モードとなり、外側ロータと内側ロータとが逆方向に回転することになる。
【００３３】
上記のような複合型の回転電機をハイブリッド車両に搭載し、一方のロータを内燃機関で駆動して発電し、その電力をステータコイルに流して他方のロータを回転させ、それで車両を駆動するシステムにおいて、内燃機関の始動時に、上記の内燃機関に結合されたロータをスタータモータとして始動を行うように構成した場合に、車両も内燃機関も停止している状態で、車両に結合されたロータを回転して車両を駆動すると、内燃機関に結合されたロータも回転してしまうおそれがある。逆に、内燃機関の始動時に内燃機関に結合された方のロータが回転すると、他方の車輪に結合されたロータも回転し、車両が動いてしまうおそれがある等の望ましくない特性がある。本発明は電流を流さないで駆動出来るという磁気カップリングの有利な特性を活かし、かつ、望ましくない特性は押さえるように改良したものである。
【００３４】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の実施の形態に用いる１対１極対数比の回転電機のロータとステータ部分の断面図であり、（ａ）は本発明の構成、（ｂ）は基本構成を示す。なお、回転電機全体の概略断面図は前記図１４（ａ）と同様である。
【００３５】
図１（ｂ）に示すように、１対１極対数比の回転電機の最も基本的な構造は、外側ロータ２１の磁石がＮＳの１極対で、内側ロータ２３も磁石がＮＳの１極対である。そして両ロータの中間にステータ２２が設けられている。ステータ２２に太字で示した１〜６の番号はステータコイルを示し、１〜６のように下線を付したものは電流が逆に流れるコイルを示す。また、各ロータの磁石は、ロータの表面に張られているＳＰＭ型モータを示したが、リラクタンストルクの出し得るＩＰＭ型でも同様である。また、コイルは分布巻きで表示してある。
また、図１では１対１極対数比の基本的な構成である外側ロータと内側ロータが共に１極対（ＮＳ１極のみ）の場合を例示しているが、２極対と２極対、３極対と３極対のように、極対数比が１対１であればよい。
【００３６】
本発明においては、図１（ａ）に示すように、外側ロータ２１にＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ（図面では丸で囲んだ符号で表示）の４個の励磁コイルを設けている。コイルは集中巻きでも分布巻きでも作用は同じである。この各励磁コイルに励磁電流を流して、本来の磁石による磁極とＮＳが交互になるように、つまり永久磁石による磁極と励磁コイルによる磁極とが異極で隣合うように、コイルＡをＳ極、コイルＢをＮ極、コイルＣをＳ極、コイルＤをＮ極に励磁すれば、コイルによる極対数は２になる。したがって外側ロータ２１は磁石の１極対と合わせて３極対になる。すなわち、この回転電機は３対１極対数比になる。一般的には励磁コイルの数を２ｎとすれば、極対数比は（ｎ＋１）対１になる。なお、図１の例では外側ロータ２１に励磁コイルを設けた例を示したが、内側ロータ２３に設けてもよい。また、上記と逆に、永久磁石による磁極と励磁コイルによる磁極とが同極で隣合うように、コイルＡをＮ極、コイルＢをＳ極、コイルＣをＮ極、コイルＤをＳ極に励磁すれば、外側ロータ２１の上半分が全て一繋がりのＮ極、下半分が全て一繋がりのＳ極になるので、この場合には極対数比は１対１のままである。
【００３７】
上記のように、図１（ａ）の構造によれば、ロータに設けた励磁コイルを励磁しない場合や磁極が繋がるように励磁した場合は図１（ｂ）に示した１対１極対数比の回転電機として動作し、磁極が分割して磁極数が増加するように励磁コイルを励磁すれば３対１極対数比の回転電機として動作する。この３対１極対数比の回転電機の場合は、前記図１４等で詳述した２対１極対数比の場合と同様に、外側ロータと内側ロータとを独立して制御することが出来、かつ、磁気カップリングモードや逆転モードはない。
【００３８】
図２は、１対１極対数比の回転電機の場合に、外側ロータ２１と内側ロータ２３との回転の位相角αを示す図であり、図２（ａ）はα＝０、すなわち二つのロータの磁極が同極（Ｎ−ＮとＳ−Ｓ）で対面している状態であり、図２（ｂ）はα＝π、すなわち、二つのロータの磁極が異極（Ｎ−Ｓ）で対面している状態である。
【００３９】
以下、励磁コイルに流す電流と磁極の関係について詳細に説明する。
【００４０】
図３は、ステータコイルと励磁コイルの位置について符号０〜１１を付した図であり、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは各励磁コイル（図１では丸で囲んだ符号に相当）、ＮとＳは永久磁石の磁極である。なお、図３においては、外側ロータ２１の磁極ＮとＳの範囲が２〜４および８〜１０の範囲に正確に一致しているが、これは磁気回路トルク設計のチューニングの範囲であって、これより広い範囲でも狭い範囲でも可能である。
【００４１】
図４は、永久磁石および励磁コイルによる磁界強度を示す図である。図４において、位置０〜１１は図３に示した位置に相当し、（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）および（Ｎ）、（Ｓ）は対応する励磁コイルまたは永久磁石の位置を示す。また、実線で示したＭ１とＭ２は永久磁石による磁界強度で、Ｍ１は内側ロータ２３の磁極、Ｍ２は外側ロータ２１の磁極によるものを示す。また、破線で示したＭ３は励磁コイルによる磁界強度を示す。
【００４２】
図４に示した例は、永久磁石による磁極と励磁コイルによる磁極とが異極で隣合うように、コイルＡをＳ極、コイルＢをＮ極、コイルＣをＳ極、コイルＤをＮ極に励磁し、外側ロータ２１を３極対にした場合を示す。つまり外側ロータ２１に関しては、位置０〜２の範囲では励磁コイル（Ａ）による磁界Ｍ３があり、位置２〜４の範囲では永久磁石Ｎによる磁界Ｍ２があり、両者の強さは同じ（方向は逆）である。このように永久磁石の磁界強度と磁束コイルによる磁界強度とが同じで、完全な３極対として動作する場合を完全３極対と名付ける。したがって図４のように励磁コイルを励磁すれば、この回転電機は完全３対１磁極対数比として動作する。
【００４３】
図５は、励磁コイルに流す電流を変化させた場合における磁界強度を示す図である。図５において、破線で示したＭ３、Ｍ４、Ｍ５、Ｍ６は励磁電流の大きさと方向による変化を示し、Ｍ３＞Ｍ４＞Ｍ５である。また、Ｍ６は励磁電流の方向を反対にして永久磁石による磁極と励磁コイルによる磁極とが同極で隣合うように、コイルＡをＮ極、コイルＢをＳ極、コイルＣをＮ極、コイルＤをＳ極に励磁したものである。この場合には外側ロータ２１の上半分が全て一繋がりのＮ極、下半分が全て一繋がりのＳ極になるので、極対数は１であり、回転電機は１対１磁極対数比で動作する。なお、一点鎖線で示したＭ７はＭ６とＭ２の包絡線であり、これが内側ロータ２３の１極対の磁界強度にほぼ相当（図４のＭ１、方向は逆）する。また、励磁コイルに全く電流を流さず、永久磁石のみ（図４のＭ１とＭ２のみ）による磁気カップリング効果だけで１対１磁極対数比として動作することもできる。
【００４４】
上記のように１対１磁極対数比モードの場合には、励磁コイルの励磁電流を０にする場合と、励磁電流を流しながら１対１磁極対数比にする場合とがある。前者の場合には消費電力を大幅に減少させることができるが、目標伝達トルクが磁気カップリングの力よりも大きくなると、同期回転ができなくなる。そのような場合には、図５のＭ６に示したような励磁電流を流して伝達トルクを大きくする。つまり、励磁電流の値を目標伝達トルクの値に応じて制御すれば良い。また、３対１磁極対数比モードで動作する場合も、上記と同様に、励磁電流の値を目標伝達トルクの値に応じて制御すれば良い。つまり、図５のＭ３、Ｍ４、Ｍ５のように伝達トルクが大きくなるにつれて電流値を大きくすれば良い。
【００４５】
図６は、目標伝達トルクＴと励磁電流の値を示す図であり、（ａ）は１対１磁極対数比モード、（ｂ）は３対１磁極対数比モードの場合を示す。なお、図６では１対１磁極対数比モード時の電流の方向（図５のＭ６）を正方向で示しているので、（ｂ）の３対１磁極対数比モード時の電流の方向（図５のＭ３、Ｍ４、Ｍ５）が負方向になっている。
【００４６】
上記のように、各励磁コイルに流す励磁電流を制御することにより、１対１磁極対数比モードと３対１磁極対数比モードとを任意に切り換えて動作させることができる。
以下、２つのモードを２個のロータの回転速度に応じて切り換える方法について説明する。
図７は、２つのモードと２個のロータの回転速度との関係を示す図である。まず、図７（ａ）は、内側ロータと外側ロータの回転速度が同じ場合、すなわち、両者が同期して回転する場合にのみ１対１磁極対数比モードとし、その他の場合は全て３対１磁極対数比モードとするものである。これは内側ロータと外側ロータが同期して回転する場合には、前記のごとき磁気カップリング効果があるので、それを有効に活用して消費電力を減少させ、また、２つのロータを異なった回転速度で独立に動作させる場合には、前記のように制御性の良い３対１磁極対数比で動作させるものである。
【００４７】
次に、図７（ｂ）は、２つのロータの何れか一方の回転速度が０を含む所定値ａ以下の範囲、および前記２つのロータの回転速度の差が同速度を含まない同速度から所定範囲内の場合には３対１極対数比モードとし、それ以外の範囲（図中のハッチングを付した領域）、および前記２つのロータの回転速度が同速度の場合には１対１極対数比モードで動作させるものである。すなわち、回転速度が所定値ａ以下の範囲とは、起動時（回転速度＝０）および低回転時であり、このような場合には、逆転モードや磁気カップリング効果がなく、制御性の良い３対１極対数比で動作させる方が良い。また、１対１磁極対数比と３対１磁極対数比とでは、理論的には起動トルクは同じであるが、前記図４の特性からも判るように、本発明のように励磁コイルで磁極を発生する構成の回転電機では、完全３対１磁極対数比の方が、１対１磁極対数比よりも磁界強度の合計面積が大きくなるので、実際的には起動トルクが大きくなり、その点でも有利である。また、２つのロータが同速度で同期運転している領域（線上）の両側では、同期運転から独立制御への移行領域なので、制御性の良い３対１磁極対数比モードで動作させる。そして起動範囲でもなく、上記の移行領域でもない範囲（図中のハッチングを付した領域）では１対１磁極対数比で動作させる。ただし、この場合には磁気カップリングで動作させるものではないので、１対１磁極対数比にしても特別の効果はなく、勿論、３対１磁極対数比モードで動作させてもよい。なお、前記特開平１１−２７５８２６号公報（１６）式、（１７）式に示されるように、ステータコイル電流に変調を加えれば、それぞれのロータの回転からトルク変動を解消することができ、ω１≠ω２の状態に於いても１対１次極対数比のモードで運転することが出来る。
【００４８】
次に、１対１磁極対数比モードと３対１磁極対数比モードとの切り換え制御について説明する。
図８は、切り換え時の励磁電流値の変化を示す図である。図８において、切換信号は“０”が１対１磁極対数比モード、“１”が３対１磁極対数比モードである。励磁電流値がＫ１１（１対１磁極対数比モード）で回転中に、切換信号が“０”から“１”に変化した場合には、その時点から所定時間ｔ１をかけて順次励磁電流値をＫ３１（３対１磁極対数比モード）まで変化させる。例えば、図５のＭ６のピーク値をＫ１１とすれば、その値を順次Ｍ６→０→Ｍ５→Ｍ４→Ｍ３（Ｋ３１に相当）と変化させる。逆に、３対１磁極対数比モードから１対１磁極対数比モードに切り換える場合も、同様に、励磁電流値を順次変化させれば良い。このようなランプ制御を行えば、１対１磁極対数比モードと３対１磁極対数比モードとの切り換えを円滑に行うことができる。
【００４９】
図９は上記の制御手順を示すフローチャートである。１対１磁極対数比モードと３対１磁極対数比モードを切り換えて動作する場合の励磁コイルの電流Ｉｆ（図９の最終ステップの式）は下記（数１１）式で示される。
【００５０】
Ｉｆ＝Ｋ・ｓｉｎ〔３（ｎ／１２）×２π〕 …（数１１）
ただし、ｎ＝０，１，４，５，６，７，１０，１１（０番コイルは位置０と１との間に存在するコイルとする）。
【００５１】
次に、図１０は、制御回路の構成を示すブロック図である。
【００５２】
図１０において、回転速度検出部４０は前記図１６の回転角センサ１４の信号に基づいて内側ロータ２３の回転速度Ｎ１を算出する。同様に、回転速度検出部４１は前記図１６の回転角センサ１３の信号に基づいて外側ロータ２１の回転速度Ｎ２を算出する。目標トルク演算部４２は、外部から与えられるトルク指令信号（前記図１６の外トルク指令、内トルク指令）に基づいて目標トルクを演算する。励磁パターン制御部４３は上記の各信号に基づき、かつ、前記図７〜図９で説明したような制御内容に基づいて、３対１磁極対数比モードと１対１磁極対数比モードとの何れで動作させるか、或いは切り換え制御中かの判断を行う。また、励磁電流・ステータ電流制御部４４は、上記の制御モードの判断および目標トルクなどに応じて励磁電流とステータコイルに流す電流値を演算し、それに応じてインバータを制御し、励磁コイルとステータコイルに電流を流す。なお、励磁電流・ステータ電流制御部４４は、前記図１６の制御回路１５に励磁電流の制御部を追加したものに相当する。また、本発明では、前記図１６のインバータ１２の他に、励磁コイルに流す電流を制御するインバータも必要である。
【００５３】
次に、図１１は、本発明の装置をいわゆるハイブリッドシステムに適用した場合を示すブロック図である。なお、回転電機の部分は前記図１４（ａ）の断面図の上半分のみを示している。図１１において、外側ロータ２１の各励磁コイル（図示省略）はスリップリング２４を介して励磁電流が与えられるように構成されている。また、外側ロータ２１の軸２５は内燃機関（図示省略）の出力軸に連結されている。また、内側ロータ２３の軸２６は車両の駆動軸２７に連結されている。
【００５４】
図１２は、前記の外側ロータ２１に設けた励磁コイルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの電流を制御する回路図であり、（ａ）は磁極の極性を切換えられる回路、（ｂ）は（ａ）において磁極の向きとモードとの関係を示す図表、（ｃ）は単純に励磁電流をオン・オフする回路である。
図１２（ａ）の回路は、トランジスタＴ１とＴ２およびＴ３とＴ４がそれぞれ直列に結線されたスイッチング回路を用い、４個の励磁コイルＡ、Ｃ、Ｂ、Ｄを直列にした回路の両端を上記スイッチング回路の中点（Ｔ１とＴ２の接続点およびＴ３とＴ４の接続点）に接続したものであり、励磁コイルＡ、Ｃと、励磁コイルＢ、Ｄとは、同じ向きの電流が流れた場合に相互に逆方向の磁極となるように接続している。なお、３１と３２はスリップリングである。
【００５５】
この回路において、トランジスタＴ１とＴ４をオン、トランジスタＴ２とＴ３をオフにすれば、励磁コイルＡ、Ｃ側（図の左側）から電流が流れ、このとき各励磁コイルの極性はＡ：Ｓ、Ｂ：Ｎ、Ｃ：Ｓ、Ｄ：Ｎとなり、図１２（ｂ）に示すように３対１極対数比モードになる。逆に、トランジスタＴ１とＴ４をオフ、トランジスタＴ２とＴ３をオンにすれば、励磁コイルＢ、Ｄ側（図の右側）から電流が流れ、このとき各励磁コイルの極性はＡ：Ｎ、Ｂ：Ｓ、Ｃ：Ｎ、Ｄ：Ｓとなり、図１２（ｂ）に示すように１対１極対数比モードになる。このように励磁電流を流しながら１対１極対数比にする構成では、励磁コイルの電流の大きさによって磁気カップリングの強さを変えることが出来る。また、上記の回路では、４個の励磁コイルを用いながら２個のスリップリングだけで良いので、構成が簡略になり、安価に実現出来る。なお、全ての励磁コイルを直列または並列に接続すれば励磁コイルの数が幾つであってもスリップリングは２個で済むので、構成が簡略になる。また、トランジスタＴ１とＴ３をオフにすれば、全ての励磁コイルの電流が０になり、いわゆるカップリング効果のみで駆動することもできる。
【００５６】
また、図１２（ｃ）の回路においては、トランジスタＴ５がオンになれば、励磁コイルＡ、Ｃ、Ｂ、Ｄに電流が流れて、励磁コイルの極性はＡ：Ｓ、Ｂ：Ｎ、Ｃ：Ｓ、Ｄ：Ｎとなり、３対１極対数比モードになる。また、トランジスタＴ５がオフになれば、励磁電流がなくなり、磁石だけの基本的な１対１極対数比になる。この回路は磁気カップリングの強さを変えることは出来ないが、構成がさらに簡単になり、かつ、１対１極対数比の場合に励磁コイルに電流を流さないので効率が向上する。
【００５７】
図１１に示したハイブリッドシステムの構成では、外側ロータ２１に設けた励磁コイルの電流をオンオフするかまたは電流の方向を切り換えことにより、１対１極対数比と３対１極対数比とに切り換えて動作させることが出来る。そして３対１極対数比の場合には外側ロータ２１と内側ロータ２３とを独立して制御することが出来、かつ、磁気カップリングモードや逆転モードはない。また、１対１極対数比の場合には磁気カップリングモードがあるので、外側ロータ２１を内燃機関で駆動して内側ロータ２３を同速で回転させる場合にはステータコイルに電流を流さなくてもよい。したがって、車両の動作状態に応じて１対１極対数比と３対１極対数比とに切り換えて動作させれば、両者の良い点のみを用いることが出来る。
【００５８】
例えば、内燃機関の始動時においては、励磁コイルを３対１極対数モードになるように励磁し、３対１極対数比の回転電機にする。これにより、磁気カップリングモードや逆転モードがなくなるので、車両や内燃機関の停止時に内側ロータ２３を回転させて車両を駆動しても内燃機関が駆動されるおそれがなく、また、外側ロータ２１をスタータモータとして用いて内燃機関を始動しても、車輪に連結されている内側ロータ２３が回転するおそれがない。
【００５９】
また、車両の走行中は、外側ロータ２１を内燃機関で駆動してジェネレータとして動作させ、それで発電した電力で内側ロータ２３駆動することにより、内側ロータ２３の回転速度やトルクを任意に制御することが出来る。例えばステータコイルに流す電流を制御することにより、低速大トルクにも高速低トルクにもできる。損失を０と仮定すれば、出力＝回転数×トルクが一定になるように制御することも出来る。
【００６０】
また、走行中に磁気カップリングモードにしたい場合には、ω１＝ω２となる時に励磁コイルの電流をオフにするか若しくは前記図１２（ａ）で説明したように電流の方向を切り換えれば、１対１極対数比の回転電機になり、磁気カップリングモードに入る。この状態では外側ロータ２１を内燃機関で駆動すればステータコイルに電流を流さなくても内側ロータ２３を同速度で駆動することが出来る。また、励磁コイルの電流を流しながら１対１極対数比にした場合には、励磁コイルの電流の大きさによって磁気カップリングの強さを変えることが出来る。したがって伝達トルクの大きさに応じて上記の電流を制御すれば、伝達トルクが変化しても磁気カップリングモード（同速回転）を継続することが出来る。また、３対１極対数比から１対１極対数比に極対数比を切り換える際には前記のように励磁コイルに印加する電圧を反転すればよいが、その際に伝達トルクに応じて励磁コイルに印加する反転電圧を決定するように構成してもよい。
【００６１】
また、少なくとも一つのロータを停止状態から回転させる際には、３対１極対数比となるように励磁コイルを励磁すれば、１対１極対数比の構成における逆転モードがないので、逆回転になるおそれがなく、かつ、他方のロータが意図しないのに動きだすおそれもない。また、一方のロータが停止状態であり、他方のロータが回転状態の場合にも、３対１極対数比となるように励磁コイルを励磁すれば、１対１極対数比の構成における磁気カップリング効果がないので、停止中のロータが意図しない場合に回転するおそれがない。
【００６２】
上記の内容をまとめると図１３に示すようになる。すなわち、始動時と独立回転時は３対１極対数比にし、カップリング時および独立回転時には１対１極対数比にする。独立回転は３対１極対数比と１対１極対数比の何れでも可能であるから適宜選択する。詳細内容は前記図７ですでに説明しているとおりである。
【００６３】
なお、これまでの説明は、内側ロータとステータと外側ロータとが三層構造になっている回転電機を用いる場合について説明したが、二つのロータを直列方向に設けて２軸の回転電機とすることも出来る。例えば本出願人の先願（特願平１１−２７３３０３号：未公開）の図１１のような構成でもよい。つまり、磁気回路とステータコイルを共有する２個のロータを備え、ステータコイルに流す複合電流を前記ロータの数と同数の回転磁場が発生するように制御する回転電機であれば、本発明を適用出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に用いる１対１極対数比の回転電機のロータとステータ部分の断面図であり、（ａ）は本発明の構成、（ｂ）は基本構成を示す図。
【図２】１対１極対数比の回転電機の場合に、外側ロータ２１と内側ロータ２３との回転の位相角αを示す図。
【図３】ステータコイルと励磁コイルの位置について符号０〜１１を付した図。
【図４】永久磁石および励磁コイルによる磁界強度を示す図。
【図５】励磁コイルに流す電流を変化させた場合における磁界強度を示す図。
【図６】目標伝達トルクＴと励磁電流の値を示す図であり、（ａ）は１対１磁極対数比モード、（ｂ）は３対１磁極対数比モードの場合。
【図７】２つのモードと２個のロータの回転速度との関係を示す図。
【図８】切り換え時の励磁電流値の変化を示す図。
【図９】切り換え時の制御手順を示すフローチャート。
【図１０】制御回路の構成を示すブロック図。
【図１１】本発明の装置をいわゆるハイブリッドシステムに適用した場合を示すブロック図。
【図１２】外側ロータ２１に設けた励磁コイルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの電流を制御する回路図であり、（ａ）は磁極の極性を切換えられる回路、（ｂ）は（ａ）において磁極の向きとモードとの関係を示す図表、（ｃ）は単純に励磁電流をオン・オフする回路。
【図１３】３対１磁極対数比と１対１磁極対数比とにおける動作可能なモードを示す図表。
【図１４】本発明を適用する回転電機の一例の構造を示す図であり、（ａ）は回転電機全体の概略断面図、（ｂ）はロータとステータ部分の断面図。
【図１５】ステータ２の内周側と外周側に専用コイルを配置した回転電機本体の概略断面図。
【図１６】回転電機を制御するための回路のブロック図。
【図１７】インバータの一例の回路図。
【符号の説明】
２１…外側ロータ ２２…ステータ
２３…内側ロータ ２４…スリップリング
２５…外側ロータ２１の軸 ２６…内側ロータ２３の軸
２７…車両の駆動軸 ２９…制動装置
３１、３２…スリップリング ４０、４１…回転速度検出部
４２…目標トルク演算部 ４３…励磁パターン制御部
４４…励磁電流・ステータ電流制御部
Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５…トランジスタ
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ（図面では丸で囲んだ符号で表示）…外側ロータ２１に設けた励磁コイル

Claims (6)

1. 磁気回路とステータコイルを共有する２個のロータを備え、前記ステータコイルに各ロータに対応する電流を加え合わせた複合電流を流し、前記ロータの数と同数の回転磁場が発生するように制御する回転電機であって、
   前記２個のロータの磁極を形成する永久磁石を１対１極対数比とし、かつ、何れか一方のロータには２ｎ個（ｎ＝１，２，３，…）の励磁コイルを備えた回転電機を用い、
   制御装置は、前記永久磁石による磁極と前記励磁コイルによる磁極とが異極で隣合うように励磁することによって前記回転電機を（ｎ＋１）対１極対数比で動作させるモードと、前記永久磁石による磁極と前記励磁コイルによる磁極とが同極で隣合うように励磁するか、若しくは励磁コイルに電流を流さないことによって前記回転電機を１対１極対数比で動作させるモードとを切り換えて制御するように構成したことを特徴とする回転電機の制御装置。
2. 前記２つのモードを、前記２個のロータの回転速度の相互関係に応じて切り換えることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の制御装置。
3. 前記２つのロータの回転速度が同速度の場合には１対１極対数比モードとし、回転速度が異なる場合は（ｎ＋１）対１極対数比モードとすることを特徴とする請求項２に記載の回転電機の制御装置。
4. 前記２つのロータの何れか一方の回転速度が０を含む所定値ａ以下の範囲、および前記２つのロータの回転速度の差が同速度を含まない同速度から所定範囲内の場合には（ｎ＋１）対１極対数比モードとし、それ以外の範囲、および前記２つのロータの回転速度が同速度の場合には１対１極対数比モードとすることを特徴とする請求項２に記載の回転電機の制御装置。
5. 前記１対１極対数比モードと、前記（ｎ＋１）対１極対数比モードとの切り換え時には、励磁電流を所定時間で順次変化させるランプ制御を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかに記載の回転電機の制御装置。
6. 前記１対１極対数比モードの場合には、前記励磁コイルの励磁電流を目標伝達トルクに応じて制御することを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れかに記載の回転電機の制御装置。

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