JP4385185B2 - 電動機の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、アキシャルギャップ型の電動機の制御装置に関する。

永久磁石を有するロータと、該ロータの回転軸心方向で該ロータの両側に設けられた２つのステータと、各ステータに装着された電機子巻線とを備えたアキシャルギャップ型の電動機が従来より知られている（例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３を参照）。このようなアキシャルギャップ型の電動機は、電動機のロータの軸方向の長さを短くしつつ、比較的高い出力トルクを発生させることができる。
特開平１０−２７１７８４号公報 特開２００１−１３６７２１号公報 特開平６−２４５４５８号公報

ところで、アキシャルギャップ型の電動機を、その出力トルクとロータの回転速度とが微小なものとなる低トルク・低速運転状態で運転させると、出力トルクの変動が顕著に現れやすい。そして、このような電動機をハイブリッド車両もしくは電動車両に、車両の推進力発生源として搭載した場合には、車両の発進時などに、電動機の出力トルクの変動（所謂トルクリプル）に伴う車体の振動が発生する。

このため、低トルク・低速運転状態における電動機の出力トルクの変動を抑制することが望まれる。

しかるに、前記特許文献１、２に見られる技術では、電動機の出力トルクのトルク変動を抑制する対策がなされていない。

一方、特許文献３に見られる技術では、電動機の出力トルクの変動を抑制するために、一方のステータに対する電機子巻線の取り付け位置と、他方のステータに対する電機子巻線の取り付け位置とをそれらのステータの周方向（ロータの軸心まわりの方向）にずらすようにしている。あるいは、ロータの軸方向の一方の面に装着する永久磁石の位置と他方の面に装着する永久磁石の位置とをロータの周方向にずらすようにしている。この特許文献３に見られる技術では、電動機の運転状態によらずに、出力トルクの変動を抑制することが可能である。

しかるに、特許文献３に見られる技術では、電機子巻線の取り付け位置を両ステータで同じにした場合、あるいは、ロータの両面に装着する永久磁石の位置をその両面で同じにした場合に比べて、電動機が出力し得る最大トルクが低下し、あるいは、電動機のエネルギー効率が低下するという不都合がある。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、電動機の出力トルクの変動を抑制すべき運転状態においてのみ、出力トルクの変動を抑制し、他の運転状態では、電動機の出力トルクやエネルギー効率を十分に高め得るように該電動機の運転を行なうことができる電動機の制御装置を提供することを目的とする。

本発明の電動機の制御装置は、かかる目的を達成するために、永久磁石を有するロータと、該ロータの回転軸心方向で該ロータの両側に設けられた２つのステータと、各ステータに装着された電機子巻線とを備えたアキシャルギャップ型の電動機の制御装置であって、前記電動機の所定の運転状態において、一方のステータの電機子巻線の通電電流と他方のステータの電機子巻線の通電電流との間の位相差を、前記電動機の出力トルクの変動を抑制するスキューを電気的に発生させるように設定し、その設定した位相差を有する通電電流を各ステータの電機子巻線に流すように該通電電流を制御する通電制御手段を備え、前記通電制御手段は、前記電動機の運転状態が、前記所定の運転状態以外の運転状態であるときには、前記一方のステータの電機子巻線の通電電流と他方のステータの電機子巻線の通電電流とが互いに同一位相の電流になるように各ステータの電機子巻線に流す電流を制御することを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記電動機の所定の運転状態では、一方のステータの電機子巻線の通電電流と他方のステータの電機子巻線の通電電流との間の位相差を持たせることにより、電気的なスキューが発生することとなるので、電動機の出力トルクの変動が抑制される。すなわち、電動機の各ステータの電機子巻線の通電電流の電気的な制御によって、特別な機構を必要とすることなく、電動機の出力トルクの変動が抑制される。この場合、上記のようにステータの電機子巻線の通電電流と他方のステータの電機子巻線の通電電流との間の位相差を持たせる制御を行なう電動機の運転状態を前記所定の運転状態に限定することにより、該所定の運転状態以外の運転状態では、電動機の出力トルクや、エネルギー効率をより高めるように電動機の各ステータの電機子巻線の通電電流を制御できる。具体的には、前記電動機の運転状態が、前記所定の運転状態以外の運転状態であるときには、前記一方のステータの電機子巻線の通電電流と他方のステータの電機子巻線の通電電流とが互いに同一位相の電流になるように各ステータの電機子巻線に流す電流を制御することによって、前記電動機の運転状態が、前記所定の運転状態以外の運転状態であるときには、電動機が出力し得るトルクの最大値を高めると共に、電動機のエネルギー効率を高効率に確保することができる。

従って、本発明によれば、電動機の出力トルクの変動を抑制すべき所定の運転状態においてのみ、出力トルクの変動を抑制し、他の運転状態では、電動機の出力トルクやエネルギー効率を十分に高め得るように該電動機の運転を行なうことが可能となる。

かかる本発明では、前記所定の運転状態は、前記電動機の出力トルクの要求値が所定値以下となり、且つ、該電動機の回転速度が所定値以下となる低トルク・低速運転状態を少なくとも含むことが好適である。これにより、電動機の出力トルクの変動が顕著に現れやすい低トルク・低速運転状態において、電動機の出力トルクの変動を適切に抑制できる。特に、電動機が、ハイブリッド車両や電動車両の推進力発生源として該車両に搭載されているような場合には、該車両の発進時などに車両の振動を効果的に抑制できる。

なお、前記２つのステータのそれぞれの磁気回路断面積は、実質的に互いに同一であることが好ましい。すなわち、アキシャルギャップ型の電動機では、２つのステータ間で、永久磁石による磁束と電機子巻線の通電電流による磁束との閉回路が構成される。このため、仮に、各ステータの磁気回路断面積が互いに異なると、両ステータに通し得る最大磁束（磁束飽和を生じる磁束）が、両ステータのうちの磁気回路断面積の小さい方のステータによる制限を受けてしまい、磁気回路断面積の大きい方のステータに通し得る最大磁束よりも小さくなってしまう。ひいては、電動機が出力し得る最大トルクが減少してしまう。これに対して、両ステータのそれぞれの磁気回路断面積を、実質的に互いに同一にすることによって、該磁気回路断面積に応じた最大限の磁束を両ステータに通すことが可能となる。この結果、各ステータの磁路を最大限に活用して、電動機が出力し得る最大トルクを高めることができる。

本発明の一実施形態を図１〜図４を参照して説明する。

まず、図１を参照して、本実施形態の電動機を搭載した車両の概略構成を説明する。図１はその車両の概略構成を示す図である。

本実施形態の車両１は、パラレル型のハイブリッド車両であり、内燃機関（エンジン）２と電動機３とをそれぞれ車両１の主たる推進力発生源、補助的な推進力発生源として備える。電動機３は、詳細は後述するが、ロータ１１と、２つのステータ１２ａ，１２ｂとを備えたアキシャルギャップ型の電動機である。電動機３には、そのロータ１１の回転角度を検出する回転角度検出手段としてのレゾルバ１４が備えられている。

内燃機関２の出力軸２ａは、電動機３のロータ１１と一体に回転自在な回転軸３ａに同軸に直結されている。なお、内燃機関２の出力軸２ａと電動機３の回転軸３ａとを減速機などの動力伝達機構を介して接続してもよい。これらの出力軸２ａおよび回転軸３ａは、クラッチ４を介して変速機５の入力側に接続されている。変速機５の出力側は差動歯車ユニット６を介して車両１の駆動輪７，７に接続されている。

この車両１では、内燃機関２の出力トルク、あるいは、これに電動機３の出力トルク（力行トルク）を付加したトルクが、車両１の推進力として、クラッチ４、変速機５、および差動歯車ユニット６を介して駆動輪７，７に伝達される。これにより、車両１の走行が行なわれる。なお、電動機３は、駆動輪７，７側から該電動機３に伝達される車両１の運動エネルギーにより該電動機３の発電を行いつつ、その発電エネルギーを電動機３の電源たる蓄電器（図示省略）に充電する回生運転も可能である。その回生運転時に該電動機３が発生する回生トルクは、車両１の制動力として機能する。

また、車両１は、電動機３の動作制御を行なう制御装置８を備えている。この制御装置８には、前記レゾルバ１４からロータ１１の回転角度の検出値θm_sが入力されると共に、電動機３の出力トルクの要求値であるトルク指令値Ｔr_cが入力される。トルク指令値Ｔr_cは、車両１の統括的な運転制御を担う車両運転制御装置（図示省略）により、車両１のアクセルペダルの操作量やブレーキペダルの操作量、車速などに応じて決定される。そして、制御装置８は、トルク指令値Ｔr_cの出力トルクを電動機３に発生させるように各ステータ１２ａ，１２ｂの電機子巻線の通電電流を制御する。なお、本実施形態では、トルク指令値Ｔr_cは、電動機３の力行運転を行なうべき状況では正の値に設定され、回生運転を行なうべき状況では負の値に設定される。

図２（ａ），（ｂ）は、電動機３のロータ１１およびステータ１２ａ，１２ｂの構造を示す斜視図である。図２（ａ）はロータ１１およびステータ１２ａ，１２ｂを電動機３の組立状態で示し、図２（ｂ）はロータ１１およびステータ１２ａ，１２ｂを電動機３の分解状態で示している。

ロータ１１は、非磁性材からなる枠体１４と、この枠体１４に組み付けられた複数の永久磁石１５とから構成されている。枠体１４は、円板状の基体１６と、この基体１６の外周面と径方向に間隔を存して該基体１６の周囲に同軸心に設けられた円形の環状体１７と、これらの基体１６および環状体１７を連結する複数の仕切り板１８とを一体に形成して構成されている。基体１６には、図２（ａ）に仮想線で示す如く、回転軸３ａが同軸心に取り付けられる。

複数の仕切り板１８は、基体１６の外周面と環状体１７の内周面との間で放射状に延在し、ロータ１１の軸心回りに等角度間隔で配列されている。そして、基体１６の外周面と、環状体１７の内周面と、ロータ１１の周方向で互いに隣合う仕切り板１８，１８とで囲まれた各空間にこれと同形状（扇板形状）の永久磁石１５が嵌め込まれている。これにより、基体１６と環状体１７との間で複数の永久磁石１５がロータ１１の軸心まわりに等角度間隔で配列されている。

各永久磁石１５は、その厚み方向（ロータ１１の軸心方向）における一方の面がＮ極、他方の面がＳ極となる磁石である。そして、ロータ１１の周方向で互いに隣合う永久磁石１５，１５は、それらの厚み方向における同じ側の面の磁極が、図２（ｂ）の各永久磁石１５に記載した如く、互いに異なるものとされている。換言すれば、ロータ１１が有する複数の永久磁石１６は、該ロータ１１の周方向で隣り合う永久磁石１５，１５の磁束の向き（ロータ１１の軸方向での向き）が互いに逆向きになるように配列されている。なお、図示の例では、永久磁石１５の個数は８個であり、ロータ１１の極対数は４である。

補足すると、ロータ１１の軸心方向の一方の面側と他方の面側とにそれぞれ別個に永久磁石を配列するようにしてもよい。

各ステータ１２ａ，１２ｂは、いずれも同一構造であり、図２（ｂ）に示す如く、各々、リング状の基体１９の軸心方向における両端面のうちの一方の面から該基体１９の軸心方向に突設された複数のティース２０を、該基体１９の軸心まわりに等角度間隔で配列した構造のものである。基体１９およびティース２０は、磁性材により一体に形成されている。なお、図示の例では、各ステータ１２ａ，１２ｂのティース２０の個数は２４個である。

この各ステータ１２ａ，１２ｂには、その周方向で隣り合うティース２０，２０の間の溝であるスロット２１に図示を省略する電機子巻線を収容するようにして、該電機子巻線が装着されている。本実施形態では、各ステータ１２ａ，１２ｂに装着される電機子巻線は、３相分（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の電機子巻線である。また、各ステータ１２ａ，１２ｂにおける電機子巻線の装着形態は、互いに同一である。例えば、ステータ１２ａ側の各相の電機子巻線は、ステータ１２ａの軸心方向で見たとき、ロータ１１の永久磁石１５の個数と同数の巻線ループが、ステータ１２ａの周方向に等角度間隔で形成されるようにステータ１２ａに装着される。ステータ１２ｂ側も同様である。

これらのステータ１２ａ，１２ｂは、電動機３の組立状態では、図２（ａ）に示す如く、該ステータ１２ａ，１２ｂの間にロータ１１を挟み込むようにして、ロータ１１の軸方向の両側に該ロータ１１と同軸心に配置され、電動機３の図示しないハウジングに固定される。この場合、各ステータ１２ａ，１２ｂのティース２０の先端面がロータ１１に近接して対向される。また、本実施形態では、電動機３の組立状態においてロータ１１の軸心方向で見たとき、ステータ１２ａの各ティース２０の位置（軸心まわりの角度位置）と、ステータ１２ｂの各ティース２０の位置（軸心まわりの角度位置）とが合致するように、ステータ１２ａ，１２ｂが電動機３に組み付けられる。すなわち、ステータ１２ａの個々のティース２０と、ステータ１２ｂの個々のティース２０とがロータ１１の軸心方向で正対するようになっている。そして、ステータ１２ａの各相の電機子巻線と、これと同じ相のステータ１２ｂの電機子巻線とは、各相毎に、ステータ１２ａ側の電機子巻線の巻線ループとステータ１２ｂ側の電機子巻線の巻線ループとがロータ１１の軸心方向で互いに対向するように（ロータ１１の軸心方向で見たとき、ステータ１２ａ側の巻線ループとステータ１２ｂ側の巻線ループとが互いに同じ角度位置に存するように）、各ステータ１２ａ，１２ｂに装着されている。従って、ステータ１２ａの各相の電機子巻線と、それと同じ相のステータ１２ｂの電機子巻線とに、同一位相の電流を通電したとき、各相毎に、ステータ１２ａの電機子巻線が発生する磁束と、ステータ１２ｂの電機子巻線が発生する磁束とがロータ１１の軸心方向で最大限に互いに強め合うようになっている。なお、本実施形態では、ステータ１２ａ，１２ｂは同一構造で、その各部のサイズも同一であるので、それらの各相毎の磁気回路断面積（磁路の断面積）は、互いに同一である。

次に、図３を参照して、前記制御装置８を詳細に説明する。図３は制御装置８の詳細な機能的構成を示すブロック図である。該制御装置８は、マイクロコンピュータなどを含む電子回路ユニットにより構成されたものである。なお、以降の説明では、図３に示す如く、ステータ１２ａに装着された各相の電機子巻線に参照符号１３ａを付し、ステータ１２ｂに装着された各相の電機子巻線に参照符号１３ｂを付する。

まず、制御装置８による電動機３の制御処理の概要を説明する。本実施形態では、いわゆるｄ−ｑベクトル制御により電動機３の各ステータ１２ａ，１２ｂの各相の電機子巻線１３ａ，１３ｂの通電電流（相電流）を制御する。すなわち、制御装置８は、ステータ１２ａの３相分の電機子巻線１３ａ，１３ａ，１３ａと、ステータ１２ｂの３相分の電機子巻線１３ｂ，１３ｂ，１３ｂとを２相直流のｄ−ｑ座標系での等価回路に変換して取り扱う。その各ステータ１２ａ，１２ｂに対応する等価回路は、それぞれｄ軸上の電機子巻線（以下、ｄ軸電機子巻線という）と、ｑ軸上の電機子巻線（以下、ｑ軸電機子巻線という）とを有する。なお、ｄ−ｑ座標系は、ロータ１１の永久磁石１５による界磁方向をｄ軸、ｄ軸と直交する方向をｑ軸として電動機３のロータ１１と一体に回転する回転座標系である。

そして、制御装置８は、外部から与えられる前記トルク指令値Ｔr_cのトルクを電動機３の回転軸３ａから出力させるように電動機３の各ステータ１２ａ，１２ｂの電機子巻線１３ａ，１３ｂの各相電流を制御する。この場合、本実施形態では、電動機３の所定の運転状態を除いて、ステータ１２ａの電機子巻線１３ａの相電流とステータ１２ｂの電機子巻線１３ｂの相電流とを、各相毎に互いに同一位相の相電流とするが、電動機３の所定の運転状態では、ステータ１２ａの電機子巻線１３ａの相電流とステータ１２ｂの電機子巻線１３ｂの相電流とを全ての相について所定の位相差だけずらす。この所定の運転状態は、本実施形態では、電動機３の出力トルクが低トルクで、且つ、該電動機３のロータ１１の回転速度が低速となる低トルク・低速運転状態である。

本実施形態では、上記のような制御を行なうために、制御装置８は、その機能的構成として、各ステータ１２ａ，１２ｂのｄ軸電機子巻線の電流（以下、ｄ軸電流という）の指令値であるｄ軸電流指令値Ｉd_c、およびｑ軸電機子巻線の電流（以下、ｑ軸電流という）の指令値であるｑ軸電流指令値Ｉq_cを決定する電流指令決定部２１と、そのｄ軸電流指令値Ｉd_cおよびｑ軸電流指令値Ｉq_cに応じてステータ１２ａの電機子巻線１３ａの各相電流を制御する第１電流制御部２２ａと、該ｄ軸電流指令値Ｉd_cおよびｑ軸電流指令値Ｉq_cに応じてステータ１２ｂの電機子巻線１３ｂの各相電流を制御する第２電流制御部２２ｂとを備える。なお、本実施形態では、ｄ軸電流指令値Ｉd_cおよびｑ軸電流指令値Ｉq_cは、ステータ１２ａ，１２ｂの両者について共通である。

さらに、制御装置８は、ステータ１２ａの電機子巻線１３ａの相電流とステータ１２ｂの電機子巻線１３ｂの相電流との位相差の指令値であるスキュー指令sk_cを決定するスキュー指令決定部２３と、前記レゾルバ１４により検出されたロータ１１の回転角度θm_s（以下、ロータ角度検出値θm_sという）を微分することによりロータ１１の回転角速度ωm_sを算出するロータ速度算出部２４と、スキュー指令決定部２３により決定されたスキュー指令sk_cに応じてロータ角度検出値θm_sを補正する角度補正部２５とを備える。なお、本実施形態では、ロータ速度算出部２４で算出される回転角速度ωm_sは、ロータ１１の機械角の角速度であるが、これにロータ１１の極対数を乗じることで、ロータ１１の電気角の角速度に変換してもよい。

補足すると、本実施形態では、スキュー指令決定部２３、角度補正部２５、第１電流制御部２２ａ、および第２電流制御部２２ｂにより本発明における通電制御手段が構成される。

上記した制御装置８の各機能部の処理は、所定の制御処理周期で、以下に説明する如く逐次実行される。

前記スキュー指令決定部２３には、制御装置８に外部から与えられる前記トルク指令値Ｔr_cとロータ速度算出部２４で算出されたロータ１１の回転角速度ωm_s（以下、ロータ角速度ωm_sという）とが逐次入力される。そして、スキュー指令決定部２３は、これらの入力値を基に、電動機３の運転状態が前記低トルク・低速運転状態であるか否かを判断し、その判断結果に応じてスキュー指令sk_cを逐次決定する。

この場合、本実施形態では、スキュー指令決定部２３は、トルク指令値Ｔr_cの絶対値（大きさ）が所定値以下で、且つロータ角速度ωm_sが所定値以下であるとき、電動機３の運転状態が低トルク・低速運転状態であると判断する。そして、スキュー指令決定部２３は、電動機３の運転状態が低トルク・低速運転状態でないときには、sk_c＝０とする。なお、sk_c＝０とするということは、ステータ１２ａの電機子巻線１３ａの相電流とステータ１２ｂの電機子巻線１３ｂの相電流とを各相毎に同一位相にする（各相毎の相電流の位相差を０にする）ということを意味する。

また、スキュー指令決定部２３は、電動機３の運転状態が低トルク・低速運転状態であるときには、スキュー指令sk_cをあらかじめ定めた所定値（≠０）に設定する。その所定値は、本実施形態では、各ステータ１２ａ，１２ｂの互いに隣り合うティース２０，２０の角度間隔（互いに隣り合うティース２０，２０のそれぞれの角度位置の差）をθttとおくと、その角度間隔θttの半分の値である。より具体的には、本実施形態では、各ステータ１２ａ，１２ｂのティース２０の個数は、２４個であるので、θtt＝３６０／２４＝１５［ｄｅｇ］である。なお、本実施形態では、ロータ１１の極対数は４であるので、θttは、電気角に換算すると、１５×４＝６０［ｄｅｇ］である。従って、電動機３の運転状態が低トルク・低速運転状態であるときのスキュー指令sk_cは、機械角で１５／２＝７．５［ｄｅｇ］（電気角換算では、３０［ｄｅｇ］）に設定される。このように、スキュー指令sk_cを０でない所定値に設定するということは、ステータ１２ａの電機子巻線１３ａの各相電流とステータ１２ｂの電機子巻線１３ｂの各相電流との間に、各相毎にsk_cの値の位相差を持たせるということを意味する。

補足すると、電動機３の運転状態が低トルク・低速運転状態であるか否かの判断は例えば次のように行なうようにしてもよい。すなわち、トルク指令値Ｔr_cおよびロータ角速度ωm_sを２成分とする座標平面上の原点近傍に該原点を含む所定の領域（円形、三角形、四角形などの領域）を設定しておき、トルク指令値Ｔr_cおよびロータ角速度ωm_sの値から定まる点（Ｔr_c，ωm_s）がその所定の領域内に存在するか否かによって、電動機３の運転状態が低トルク・低速運転状態であるか否かを判断する。

角度補正部２５には、前記ロータ角度検出値θm_sとスキュー指令決定部２３で決定されたスキュー指令sk_cとが逐次入力される。そして、角度補正部２５は、ロータ角度検出値θm_sにスキュー指令sk_cを加えることにより、θm_sを補正してなる補正回転角度θm_s’を逐次求める。なお、ロータ角度検出値θm_sからスキュー指令sk_cを減じることにより、補正回転角度θm_s’を求めるようにしてもよい。

電流指令決定部２１には、前記トルク指令値Ｔr_cと、ロータ角速度ωm_sと、スキュー指令決定部２３で決定されたスキュー指令sk_cとが逐次入力される。そして、電流指令決定部２１は、これらの入力値から、あらかじめ定められたマップに従って、ｄ軸電流指令値Ｉd_cおよびｑ軸電流指令値Ｉq_cを決定する。この場合、基本的には、sk_c＝０であるときには、ｑ軸電流指令値Ｉq_cは、トルク指令値Ｔr_cに比例した値に決定される。また、ｄ軸電流指令値Ｉd_cは、ｑ軸電流指令値Ｉq_cとｄ軸電流指定値Ｉd_cとロータ角速度ωm_sとに応じて定まるｄ軸電機子巻線の電圧（以下、ｄ軸電圧という）とｑ軸電機子巻線の電圧（以下、ｑ軸電圧という）との合成ベクトルの大きさが、電動機３の電源電圧に対応して定まる所定値を超えないように決定される。また、sk_c≠０であるときには、ｄ軸電流指令値Ｉd_cおよびｑ軸電流指令値Ｉd_cは、sk_c＝０であるときのｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指令値を修正した値に決定される。これは、sk_c≠０であるときには、ステータ１２ａの電機子巻線１３ａの相電流とステータ１２ｂの電機子巻線１３ｂの相電流との間に、いずれの相でもスキュー指令sk_cの値の位相差が生じるため、ｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指令値がsk_c＝０である場合と同じであっても、電動機３の出力トルクがsk_c＝０である場合と異なるものとなるからである。

第１電流制御部２２ａは、ステータ１２ａの３相の電機子巻線１３ａ，１３ａ，１３ａのうちの２つの相、例えばＵ相、Ｗ相の電機子巻線１３ａ，１３ａのそれぞれの相電流を検出する電流検出手段である電流センサ２６ａ，２７ａと、これらの電流センサ２６ａ，２７ａの出力をＢＰフィルタ２８ａに通すことにより得られたステータ１２ａのＵ相電機子巻線１３ａの電流検出値Ｉu_s1およびＷ相電機子巻線１３ａの電流検出値Ｉw_s1から、ステータ１２ａ側のｄ軸電流およびｑ軸電流のそれぞれの検出値（推定値）としてのｄ軸電流検出値Ｉd_s1およびｑ軸電流検出値Ｉq_s1を算出するｄｑ変換部２９ａとを備える。ＢＰフィルタ２８ａは、電流センサ２６ａ，２７ａの出力からノイズ成分を除去するためのバンドパス特性のフィルタである。

ｄｑ変換部２９ａは、ステータ１２ａのＵ相電機子巻線１３ａの電流検出値Ｉu_s1と、Ｗ相電機子巻線１３ａの電流検出値Ｉw_s1と、これらから算出されるＶ相電機子巻線１３ａの電流検出値Ｉv_s1（＝−Ｉu_s1−Ｉw_s1）とを、ロータ１１の電気角θeに応じて次式（１）により座標変換することによりｄ軸電流検出値Ｉd_s1およびｑ軸電流検出値Ｉq_s1を算出する。

ここで、ステータ１２ａの電機子巻線１３ａの実際の各相電流の瞬時値を、ｄ軸電流指令値Ｉd_cおよびｑ軸電流指令値Ｉq_cに従って制御する（Ｉd_c，Ｉq_cと、ロータ１１の現実の回転角度（ｄｑ座標系の回転位相）とから規定される各相電流の指令値に制御する）場合には、式（１）の右辺の演算に用いる電気角θeの値を、現在のロータ角度検出値θm_sに対応するロータ１１の電気角（＝θm_s×ロータ１１の極対数）に設定すればよい。

但し、本実施形態では、第１電流制御部２２ａは、ステータ１２ａの電機子巻線１３ａの実際の相電流がｄ軸電流指令値Ｉd_cおよびｑ軸電流指令値Ｉq_cに対応するステータ１２ａの電機子巻線１３ａの相電流の指令値を前記スキュー指令sk_cの位相差だけずらした値に一致するように、ステータ１２ａの電機子巻線１３ａの各相電流を制御する。このため、第１電流制御部２２ａのｄｑ変換部２９ａには、前記角度補正部２５から補正回転角度θm_s’（＝θm_s＋sk_c）が入力される。そして、ｄｑ変換部２９ａは、式（１）のθeの値として、前記補正回転角度θm_s’を電気角に換算してなる値（＝θm_s’×ロータ１１の極対数）を使用して、ｄ軸電流検出値Ｉd_s1およびｑ軸電流検出値Ｉq_s1を算出する。換言すれば、ｄｑ変換部２９ａは、ロータ１１の実際の回転角度が、補正回転角度θm_s’であると見なしてｄ軸電流検出値Ｉd_s1およびｑ軸電流検出値Ｉq_s1を算出する。

第１電流制御部２２ａは、さらに、前記ｄ軸電流指令値Ｉd_cとｄ軸電流検出値Ｉd_s1との偏差ΔＩd1（＝Ｉd_c−Ｉd_s1）を求める演算部３０ａと、前記ｑ軸電流指令値Ｉq_cとｑ軸電流検出値Ｉq_s1との偏差ΔＩq1（＝Ｉq_c−Ｉq_s1）を求める演算部３１ａと、それぞれの偏差ΔＩd1，ΔＩq1から、それぞれフィードバック制御則としてのＰＩ制御則（比例・積分制御則）により該偏差ΔＩd1，ΔＩq1を解消する（０に近づける）ようにｄ軸電圧の基本指令値Ｖd1_c1およびｑ軸電圧の基本指令値Ｖq1_c1を各々算出するＰＩ制御部３２ａ，３３ａと、ｄ軸およびｑ軸間で互いに干渉し合う速度起電力を打ち消すためのｄ軸電圧の補正量Ｖd2_c1およびｑ軸電圧の補正量Ｖq2_c1を求める非干渉制御部３４ａとを備える。なお、非干渉制御部３４ａは、ｄ軸側の補正量Ｖd2_c1をｑ軸電流指令値Ｉq_cとロータ角速度ωm_sとから算出し、ｑ軸側の補正量Ｖq2_c1をｄ軸電流指令値Ｉd_cとロータ角速度ωm_sとから算出する。

さらに、第１電流制御部２２ａは、ｄ軸電圧の前記基本指令値Ｖd1_c1に補正量Ｖd2_c1を加えることで、最終的なｄ軸電圧指令値Ｖd_c1を求める演算部３５ａと、ｑ軸電圧の前記基本指令値Ｖq1_c1に補正量Ｖq2_c1を加えることで、最終的なｑ軸電圧指令値Ｖq_c1を求める演算部３６ａと、それらの、ｄ軸電圧指令値Ｖd_c1およびｑ軸電圧指令値Ｖq_c1からステータ１２ａのＵ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれの電機子巻線１３ａの相電圧指令値Ｖu_c1，Ｖv_c1，Ｖw_c1を求める３相変換部３７ａと、これらの相電圧指令値Ｖu_c1，Ｖv_c1，Ｖw_c1に応じてステータ１２ａの各相の電機子巻線に通電するパワードライブユニット（ＰＤＵ）３８ａとを備える。ＰＤＵ３８ａは、その詳細な図示は省略するが、電動機３の電源たる蓄電器（図示省略）に接続されたインバータ回路（図示省略）を含む回路ユニットであり、ＰＷＭ制御によりインバータ回路のスイッチ素子のオン・オフを制御して、ステータ１２ａの各相の電機子巻線１３ａと蓄電器との間の通電を制御する。

前記３相変換部３７ａは、ｄ軸電圧指令値Ｖd_c1およびｑ軸電圧指令値Ｖq_c1を、ロータ１１の電気角θeに応じ、次式（２）により座標変換することにより、前記相電圧指令値Ｖu_c1，Ｖv_c1，Ｖw_c1を算出する。なお、式（２）中のＡ(θe)^Ｔは、前記式（１）の但し書きで定義した行列Ａ(θe)の転置行列である。

この場合、本実施形態では、第１電流制御部２２ａは、前記したように、ステータ１２ａの電機子巻線１３ａの実際の相電流がｄ軸電流指令値Ｉd_cおよびｑ軸電流指令値Ｉq_cに対応するステータ１２ａの電機子巻線１３ａの相電流の指令値を前記スキュー指令sk_cの位相差だけずらした値に一致するように、ステータ１２ａの電機子巻線１３ａの各相電流を制御する。このため、第１電流制御部２２ａの３相変換部３７ａには、前記角度補正部２５から補正回転角度θm_s’（＝θm_s＋sk_c）が入力される。そして、３相変換部３７ａは、ｄｑ変換部２９ａの場合と同様に、式（２）のθeの値として、前記補正回転角度θm_s’を電気角に換算してなる値（＝θm_s’×ロータ１１の極対数）を使用して、相電圧指令値Ｖu_c1，Ｖv_c1，Ｖw_c1を算出する。換言すれば、ロータ１１の実際の回転角度が、補正回転角度θm_s’であると見なして相電圧指令値Ｖu_c1，Ｖv_c1，Ｖw_c1を算出する。

以上説明した第１電流制御部２２ａの各機能部の制御処理により、ステータ１２ａの電機子巻線１３ａの各相電流がｄ軸電流指令値Ｉd_cおよびｑ軸電流指令値Ｉq_cに対応するステータ１２ａの電機子巻線１３ａの各相電流の指令値（ロータ１１の電気角θeの値をロータ角度検出値θm_sにロータ１１の極対数を乗じた値に一致させた場合にＩd_c，Ｉq_cに応じて規定される各相電流の指令値）を前記スキュー指令sk_cの位相差だけずらした値に一致するように制御される。

前記第２電流制御部２２ｂは、第１電流制御部２２ａと同様に、ステータ１２ｂの２つの相（本実施形態ではＵ相、Ｗ相）の電機子巻線１３ｂ，１３ｂの相電流を検出する電流センサ２６ｂ，２７ｂ、この電流センサ２６ｂ，２７ｂの出力をＢＰフィルタ２８ｂに通すことにより得られるステータ１２ｂのＵ相電機子巻線１３ｂの電流検出値Ｉu_s2およびＷ相電機子巻線１３ｂの電流検出値Ｉw_s2から、ステータ１２ｂ側のｄ軸電流検出値Ｉd_s2およびｑ軸電流検出値Ｉq_s2を算出するｄｑ変換部２９ｂとを備える。この場合、ｄｑ変換部２９ｂは、前記式（１）の左辺のＩd_s1、Ｉq_s1をそれぞれＩd_s2、Ｉq_s2に置き換え、且つ、式（１）の右辺のＩu_s1、Ｉvs_1、Ｉw_s1をそれぞれＩu_s2、Ｉv_s2（＝−Ｉu_s2−Ｉw_s2）、Ｉw_s2に置き換えた式によって、ｄ軸電流検出値Ｉd_s2およびｑ軸電流検出値Ｉq_s2を算出する。但し、第２電流制御部２２ｂのｄｑ変換部２９ｂには、ロータ角度検出値θm_sがそのまま入力される。そして、ｄｑ変換部２９ｂは、ロータ１１の電気角θeの値として、ロータ角度検出値θm_sそのものを電気角に変換してなる値（＝θm_s×ロータ１１の極対数）を使用して、ｄ軸電流検出値Ｉd_s2およびｑ軸電流検出値Ｉq_s2を算出する。

第２電流制御部２２ｂは、さらに、第１電流制御部２２ａと同様に、前記ｄ軸電流指令値Ｉd_cとｄ軸電流検出値Ｉd_s2との偏差ΔＩd2（＝Ｉd_c−Ｉd_s2）、および、前記ｑ軸電流指令値Ｉq_cとｑ軸電流検出値Ｉq_s2との偏差ΔＩq2（＝Ｉq_c−Ｉq_s2）をそれぞれ求める演算部３０ｂ，３１ｂと、それぞれの偏差ΔＩd2，ΔＩq2から、それぞれフィードバック制御則としてのＰＩ制御則により該偏差ΔＩd2，ΔＩq2を解消する（０に近づける）ようにｄ軸電圧の基本指令値Ｖd1_c2およびｑ軸電圧の基本指令値Ｖq1_c2を各々算出するＰＩ制御部３２ｂ，３３ｂと、ｄ軸およびｑ軸間で互いに干渉し合う速度起電力を打ち消すためのｄ軸電圧の補正量Ｖd2_c2およびｑ軸電圧の補正量Ｖq2_c2を求める非干渉制御部３４ｂとを備える。なお、非干渉制御部３４ｂは、ｄ軸側の補正量Ｖd2_c2をｑ軸電流指令値Ｉq_cとロータ角速度ωm_sとから算出し、ｑ軸側の補正量Ｖq2_c2をｄ軸電流指令値Ｉd_cとロータ角速度ωm_sとから算出する。この場合、本実施形態では、ステータ１２ａの電機子巻線１３ａとステータ１２ｂの電機子巻線１３ｂとはほぼ同一の仕様であり、且つ、それらのｄ軸電流指令値Ｉd_cおよびｑ軸電流指令値Ｉq_cも互いに同一であるため、非干渉制御部３４ｂで算出される補正量Ｖd2_c2，Ｖq2_c2は、第１電流制御部２２ａの非干渉制御部３４ａで算出される補正量Ｖd2_c1，Ｖq2_c1に一致する。従って、非干渉制御部３４ａ，３４ｂのいずれか一方で算出された補正量を第１電流制御部２２ａと第２電流制御部２２ｂとで共用してもよい。

さらに、第２電流制御部２２ｂは、第１電流制御部２２ａと同様に、ｄ軸電圧の前記基本指令値Ｖd1_c2に補正量Ｖd2_c2を加えることで、最終的なｄ軸電圧指令値Ｖd_c2を求める演算部３５ｂと、ｑ軸電圧の前記基本指令値Ｖq1_c2に補正量Ｖq2_c2を加えることで、最終的なｑ軸電圧指令値Ｖq_c2を求める演算部３６ｂと、それらのｄ軸電圧指令値Ｖd_c2およびｑ軸電圧指令値Ｖq_c2からステータ１２ｂのＵ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれの電機子巻線の相電圧指令値Ｖu_c2，Ｖv_c2，Ｖw_c2を求める３相変換部３７ｂと、これらの相電圧指令値Ｖu_c2，Ｖv_c2，Ｖw_c2に応じてステータ１２ｂの各相の電機子巻線１３ｂに通電するパワードライブユニット（ＰＤＵ）３８ｂとを備える。ＰＤＵ３８ｂは、第１電流制御部２２ａのＰＤＵ３８ａと同様に、インバータ回路のＰＷＭ制御により、ステータ１２ｂの各相の電機子巻線１３ｂと蓄電器との間の通電を制御する。

この場合、第２電流制御部２２ｂの３相変換部３７ｂは、前記式（２）の左辺のＶu_c1、Ｖv_c1、Ｖw_c1をそれぞれ、Ｖu_c2、Ｖv_c2、Ｖw_c2に置き換え、且つ、式（２）の右辺のＶd_c1、Ｖq_c1をそれぞれＶd_c2、Ｖq_c2に置き換えた式によって、相電圧指令値Ｖu_c2，Ｖv_c2，Ｖw_c2を算出する。但し、３相変換部３７ｂには、ロータ角度検出値θm_sがそのまま入力される。そして、３相変換部３７ｂは、ロータ１１の電気角θeの値として、ロータ角度検出値θm_sそのものを電気角に変換してなる値（＝θm_s×ロータ１１の極対数）を使用して、相電圧指令値Ｖu_c2，Ｖv_c2，Ｖw_c2を算出する。

以上説明した第２電流制御部２２ｂの各機能部の制御処理により、ステータ１２ｂの電機子巻線１３ｂの各相電流がｄ軸電流指令値Ｉd_cおよびｑ軸電流指令値Ｉq_cに対応するステータ１２ｂの電機子巻線１３ｂの各相電流の指令値（ロータ１１の電気角θeの値をロータ角度検出値θm_sにロータ１１の極対数を乗じた値に一致させた場合にＩd_c，Ｉq_cに応じて規定される各相電流の指令値）に一致するように制御される。

従って、sk_c≠０となる電動機３の運転状態、すなわち、低トルク・低速運転状態では、ステータ１２ａの電機子巻線の各相電流と、ステータ１２ｂの電機子巻線の各相電流とは、各相毎に、スキュー指令sk_cの位相差を有するように制御されることとなる。

この結果、電動機３の低トルク・低速運転状態では、電動機３の出力トルクの変動を抑制することができる。ここで、図４の実線で示すグラフａは、電動機３の運転状態が低トルク・低速運転状態であるときに、本実施形態の制御装置８を使用して電動機３の運転制御を行なった場合における電動機３の実際の出力トルクの経時変化の例（実施例）を示している。なお、この場合、トルク指令値Ｔr_cとロータ１１の回転速度とは一定に保持されている。また、図４の二点鎖線で示すグラフｂは、グラフａの場合と同一のトルク指令値Ｔr_cおよび回転速度で、スキュー指令sk_cを強制的に０に保持した場合における電動機３の実際の出力トルクの経時変化の例（比較例）を示している。実施例における電動機３の出力トルクの変化幅Δ１は、比較例における電動機３の出力トルクの変化幅Δ２に比べて小さくなっている。このように、本実施形態の制御装置８によれば、低トルク・低速運転状態での電動機３の出力トルクの変動を適切に抑制できる。

また、電動機３の運転状態が低トルク・低速運転状態でない場合には、スキュー指令sk_cが０に設定されるので（θm_s’＝θm_sとなるので）、第１電流制御部２２ａのｄｑ変換部２９ａおよび３相変換部３７ａの演算でそれぞれ使用されるロータ１１の電気角θeは、第２電流制御部２２ｂのｄｑ変換部２９ｂおよび３相変換部３７ｂの演算でそれぞれ使用されるロータ１１の電気角θeに一致する。このため、ステータ１２ａの電機子巻線１３ａの各相電流と、ステータ１２ｂの電機子巻線１３ｂの各相電流とは、各相毎に同一位相の相電流となる。この結果、ステータ１２ａのＶ相、Ｕ相、Ｗ相のそれぞれの電機子巻線１３ａがロータ１１の軸心方向で発生する磁束と、ステータ１２ｂのＶ相、Ｕ相、Ｗ相のそれぞれの電機子巻線１３ｂがロータ１１の軸心方向で発生する磁束とが、最大限に強め合うようになる。このため、低トルク・低速運転状態以外の電動機３の運転状態では、電動機３を高いエネルギー効率で（エネルギー損失を少なくして）、運転することができ、あるいは、電動機３の出力トルクを高トルクにすることができる。

また、本実施形態では、両ステータ１２ａ，１２ｂの磁気回路断面積が互いに同一であるので、各ステータ１２ａ，１２ｂにその磁気回路断面積に応じた最大限の磁束を通すことができる。その結果、電動機３の出力トルクの最大値を高めることができる。

なお、以上説明した実施形態では、第１電流制御部２２ａおよび第２電流制御部２２ｂのうちの、第１電流制御部２２ａで補正回転角度θm_s’を使用してｄｑ変換部２９ａおよび３相変換部３７ａの演算を行なうようにしたが、第１電流制御部２２ａでは、ロータ角度検出値θm_sをそのまま使用してｄｑ変換部２９ａおよび３相変換部３７ａの演算を行ない、第２電流制御部２２ｂでは、補正回転角度θm_s’を使用してｄｑ変換部２９ｂおよび３相変換部３７ｂの演算を行なうようにしてもよい。

あるいは、ロータ角度検出値θm_sに、スキュー指令sk_cをα倍（０＜α＜１）してなる値を加えたものを第１補正回転角度（＝θm_s＋α・sk_c）とすると共に、ロータ角度検出値θm_sから、スキュー指令sk_cを（１−α）倍してなる値を減算したものを第２補正回転角度（＝θm_s−（１−α）・sk_c）とし、第１補正回転角度および第２補正回転角度のいずれか一方を第１電流制御部２２ａで使用してｄｑ変換部２９ａおよび３相変換部３７ａの演算を行い、他方を第２電流制御部２２ｂで使用してｄｑ変換部２９ｂおよび３相変換部３７ｂの演算を行うようにしてもよい。

また、前記実施形態では、スキュー指令sk_cを０でない値に設定する電動機３の運転状態を低トルク・低速運転状態だけにしたが、これ以外の運転状態で、必要に応じて、スキュー指令sk_cを０でない値に設定するようにしてもよい。

また、前記実施形態では、電動機３をパラレル型のハイブリッド車両１に搭載した場合を例に採って説明したが、電動機３を電動車両もしくはシリーズ型のハイブリッド車両に、推進力発生源として搭載するようにしてもよい。

本発明の一実施形態における電動機を搭載した車両の概略構成を示す図。 図２（ａ），（ｂ）は実施形態の電動機のロータおよびステータの構造を、それぞれ電動機の組立状態、分解状態で示す斜視図。 実施形態の電動機の制御装置の機能的構成を示すブロック図。 低トルク・低速運転状態のおける電動機の出力トルクの経時変化の例を示すグラフ。

符号の説明

３…電動機、１１…ロータ、１２ａ，１２ｂ…ステータ、１３ａ，１３ｂ…電機子巻線、１５…永久磁石、２２ａ…第１電流制御部（通電制御手段）、２２ｂ…第２電流制御部（通電制御手段）、２３…スキュー指令決定部２３（通電制御手段）、２５…角度補正部（通電制御手段）。

Claims (3)

1. 永久磁石を有するロータと、該ロータの回転軸心方向で該ロータの両側に設けられた２つのステータと、各ステータに装着された電機子巻線とを備えたアキシャルギャップ型の電動機の制御装置であって、
   前記電動機の所定の運転状態において、一方のステータの電機子巻線の通電電流と他方のステータの電機子巻線の通電電流との間の位相差を、前記電動機の出力トルクの変動を抑制するスキューを電気的に発生させるように設定し、その設定した位相差を有する通電電流を各ステータの電機子巻線に流すように該通電電流を制御する通電制御手段を備え、
   前記通電制御手段は、前記電動機の運転状態が、前記所定の運転状態以外の運転状態であるときには、前記一方のステータの電機子巻線の通電電流と他方のステータの電機子巻線の通電電流とが互いに同一位相の電流になるように各ステータの電機子巻線に流す電流を制御することを特徴とする電動機の制御装置。
2. 請求項１記載の電動機の制御装置において、前記所定の運転状態は、前記電動機の出力トルクの要求値が所定値以下となり、且つ、該電動機の回転速度が所定値以下となる低トルク・低速運転状態を少なくとも含むことを特徴とする電動機の制御装置。
3. 請求項１又は２記載の電動機の制御装置において、前記２つのステータのそれぞれの磁気回路断面積は、実質的に互いに同一であることを特徴とする電動機の制御装置。

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