JP4599838B2

JP4599838B2 - 回転電機の駆動方法

Info

Publication number: JP4599838B2
Application number: JP2003428827A
Authority: JP
Inventors: 稔有満; 尚秋東島
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-12-25
Filing date: 2003-12-25
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2023-12-25
Also published as: JP2005192303A

Description

本発明は、ステータの内外に同軸構造で二つのロータを有する回転電機を駆動するための回転電機の駆動方法に関するものである。

従来、ステータと、ステータの外側に設けられたアウターロータと、から少なくとも構成される回転電機の一例として、円筒状のステータを挟み、内外周にアウターロータ及びインナーロータが配置され、ステータに巻回された多相コイルに複合電流を流すことで、アウターロータとインナーロータを独立して回転制御可能な複軸多層構造を有する回転電機が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−７８４０８号公報

上述した構成の複軸多層構造を有する回転電機では、その駆動のために二つの周波数成分を有する複合電圧を利用するが、そのため、従来のモータに対する種々の技術をそのまま利用できない問題があった。すなわち、通常のモータでモータ出力を大きくするためには、モータの取り得るＡＣ電圧振幅を上げれば良いがあまり高いＡＣ電圧振幅を利用することは得策ではない。電源電圧を高せずに行う他の方法として、現在は、通常の３相モータにおいて、線間電圧制御を用いて電源電圧を１５％向上させた例があり、また、単相モータにおいて、パルス駆動を実施して電源電圧を２７％向上させた例がある。しかし、上述した構成の複軸多層構造を有する回転電機では、線間電圧制御を用いて１５％電源電圧の向上が見込めるが、これ以上は困難であった。

本発明の目的は上述した問題点を解消して、電圧ピークを抑えながらモータ出力を大きく、特に各ロータのトルクを向上することができ、これによりモータ駆動範囲を広げることができる回転電機の駆動方法を提供しようとするものである。

本発明の回転電機の駆動方法は、ステータの内外に同軸構造で二つのロータを有する回転電機を、二つの周波数成分を有する複合電圧を利用して二つのローラを各別に駆動するための駆動方法において、二つのロータを各別に駆動するための二つの電圧振幅を実現するために、前記複合電圧に対し電源電圧／２の値でリミットをかけることで、駆動のために印加する電圧にその高調波を含有させるとともに、二つの正弦波状信号の和がリミット値以上である場合は、リミット前の正弦波状の電圧信号の振幅で決まる係数によって補正をかけることを特徴とするものである。

本発明の回転電機の駆動方法では、二つのロータを各別に駆動するための二つの電圧振幅を実現するために、駆動のために印加する電圧にその高調波を含有させることで、電圧ピークを抑えながら、各ロータのトルクを向上することが可能であり、これによりモータ駆動範囲を広げることができる。

なお、本発明の回転電機の駆動方法では、高調波として、各ロータのトルクの時間平均値がゼロとなり、かつ、ロータ間に干渉を生じさせない高調波を利用することができる。このように構成すれば、最適な高調波を利用することができ、モータ駆動範囲をさらに広げることができる。

また、本発明の回転電機の駆動方法では、二つの正弦波状の電圧信号を重畳した後、電源電圧／２の値でリミットをかけることで高調波を含有させることができる。このように構成すれば、高調波を含有させる方法の一例として、電源電圧／２でリミットをかけることで、得られた複合歪波には最大で電源電圧を４７％向上させることができる。また、構成が非常に簡単であり、コスト増大を招かない。単相の場合、正弦波振幅１に対し最も相電圧をとれるパルス波形でも２７％の電源電圧の向上にしかならず、本発明の効果が高いことがわかる。

さらに、本発明の回転電機の駆動方法では、要求されるそれぞれ二つの電圧振幅を実現するために、二つの正弦波状信号の和がリミット値以上である場合は、リミット前の正弦波状の電圧信号の振幅で決まる係数によって補正をかけることができる。このように構成すれば、要求される電圧振幅を最も安価に実現することができる。

さらにまた、本発明の回転電機の駆動方法では、正弦波状の電圧信号の振幅を電源電圧により規格化し、ＰＷＭパルスを生成することもできる。このように構成すれば、汎用ＰＷＭ変調を用いた電流制御系に適用することができる。また、変調率オーバーによるワインドアップ減少を回避できる。

また、本発明の回転電機の駆動方法では、Ｎ結線モータに適用することもできる。このように構成すれば、通常結線以外にＮ結線のモータにも本発明を適用することができる。

以下に、この発明の実施の形態を、図面に基づき詳細に説明する。
図１は本発明の駆動制御方法を適用できる回転電機の一例としての複軸多層モータが適用されたハイブリッド駆動ユニットの全体図である。なお、以下に説明する複軸多層モータはその基本的な構成を説明するためのものであり、本発明の特徴部分については、後に詳細に説明する。図１において、Ｅはエンジン、Ｍは複軸多層モータ、Ｇはラビニョウ型複合遊星歯車列、Ｄは駆動出力機構、１はモータカバー、２はモータケース、３はギヤハウジング、４はフロントカバーである。

前記エンジンＥは、ハイブリッド駆動ユニットの主動力源であり、エンジン出力軸５とラビニョウ型複合遊星歯車列Ｇの第２リングギヤR2とは、回転変動吸収ダンパー６及び多板クラッチ７を介して連結されている。

前記複軸多層モータＭは、外観的には１つのモータであるが２つのモータジェネレータ機能を有する副動力源である。この複軸多層モータＭは、前記モータケース２に固定され、コイルを巻いた固定電機子としてのステータＳと、前記ステータＳの内側に配置し、永久磁石を埋設したインナーロータIRと、前記ステータＳの外側に配置し、永久磁石を埋設したアウターロータORと、を同軸上に三層配置することで構成されている。前記インナーロータIRに固定の第１モータ中空軸８は、ラビニョウ型複合遊星歯車列Ｇの第１サンギヤS1に連結され、前記アウターロータORに固定の第２モータ軸９は、ラビニョウ型複合遊星歯車列Ｇの第２サンギヤS2に連結されている。

前記ラビニョウ型複合遊星歯車列Ｇは、二つのモータ回転数を制御することにより無段階に変速比を変える無段変速機能を有する遊星歯車機構である。このラビニョウ型複合遊星歯車列Ｇは、互いに噛み合う第１ピニオンP1と第２ピニオンP2を支持する共通キャリヤＣと、第１ピニオンP1に噛み合う第１サンギヤS1と、第２ピニオンP2に噛み合う第２サンギヤS2と、第１ピニオンP1に噛み合う第１リングギヤR1と、第２ピニオンP2に噛み合う第２リングギヤR2との５つの回転要素を有して構成されている。前記第１リングギヤR1とギヤハウジング３との間には多板ブレーキ１０が介装されている。前記共通キャリヤＣには、出力ギヤ１１が連結されている。

前記駆動出力機構Ｄは、出力ギヤ１１と、第１カウンターギヤ１２と、第２カウンターギヤ１３と、ドライブギヤ１４と、ディファレンシャル１５と、ドライブシャフト１６，１６により構成されている。そして、出力ギヤ１１からの出力回転及び出力トルクは、第１カウンターギヤ１２→第２カウンターギヤ１３→ドライブギヤ１４→ディファレンシャル１５を経過し、ドライブシャフト１６，１６から図外の駆動輪へ伝達される。

すなわち、ハイブリッド駆動ユニットは、前記第２リングギヤR2とエンジン出力軸５を連結し、前記第１サンギヤS1と第１モータ中空軸８とを連結し、前記第２サンギヤS2と第２モータ軸９とを連結し、前記共通キャリヤＣに出力ギヤ１１を連結することにより構成されている。

図２は、ラビニョオ型遊星歯車列と組み合わされて車両用ハイブリッド変速機を構成する、この発明の対象となる複軸多層モータの一例をより詳細に示す図である。この複軸多層モータに、この発明のアウターロータ支持構造を適用することができる。図２に示す構成の複軸多層モータは、一個の円環状のステータ１０１と、その半径方向内方および外方にそれぞれ互いに同軸の所定回転軸線Ｏ上にて回転自在に配置したインナーロータ１０２およびアウターロータ１０３とよりなる三重構造とし、これらをハウジング１０４内に収納して構成する。

ここにおけるインナーロータ１０２およびアウターロータ１０３はそれぞれ、電磁鋼板などをプレス成形して造った板材のロータ軸線方向への積層になる積層コア１２４，１２５を具え、これら積層コア１２４，１２５に、ロータ軸線方向に貫通する永久磁石を円周方向等間隔に配置して設けた構成となす。インナーロータ１０２とアウターロータ１０３とでは、配置する磁極数を変えることで、両者の極対数を異ならせている。一例を示すと、磁石の個数自体はインナーロータ１０２とアウターロータ１０３で同一であり、１２個ずつであるが、インナーロータ１０２は２個の磁石で１極を成しているため、極対数としては３極対となり、アウターロータ１０３は１個の磁石で１極を成しているため、極対数としては６極対となる。

そしてハウジング１０４内へのインナーロータ１０２およびアウターロータ１０３の収納に当たっては、アウターロータ１０３は、積層コア１２５の外周にトルク伝達シェル１０５を駆動結合して具え、該トルク伝達シェル１０５の両端をそれぞれベアリング１０７，１０８によりハウジング１０４に回転自在に支持し、トルク伝達シェル１０５をベアリング１０７の側でアウターロータシャフト１０９に結合する。

インナーロータ１０２は積層コア１２４の中心に、内部に上記アウターロータシャフト１０９を回転自在に貫通した中空のインナーロータシャフト１１０を貫通して具え、これらインナーロータ１０２の積層コア１２４およびインナーロータシャフト１１０間を駆動結合する。そしてインナーロータシャフト１１０の中間部をベアリング１１２により、固定のステータブラケット１１３内に回転自在に支持し、一端部（図１では左端部）をベアリング１１４によりトルク伝達シェル１０５の対応端壁に回転自在に支持する。

ステータ１０１は、電磁鋼板をプレス成形して造ったＩ字状のステータ鋼板をステータ軸線方向に積層してなる多数のステータティースを具える。個々のステータティースには、アウターロータ側ヨークおよびインナーロータ側ヨーク間におけるティースの箇所において図２に示す如く電磁コイル１１７を巻線し、これらコイル巻線済のステータティースを同一円周方向等間隔に、つまり円形に配列してステータコアとなし、このステータコアをステータ軸線方向両側のブラケット１１３，１１８間に何らかの手段で挟持すると共に全体的に樹脂１２０でモールドすることにより一体化してステータ１０１を構成する。

なお、このモータの駆動に当たっては、回転センサ１４８および回転センサ１４７が検出するインナーロータ１０２およびアウターロータ１０３の回転位置、つまりこれらに上記のごとく設けられる永久磁石の位置に応じた両ロータ１０２，１０３用の位相の異なる駆動電流を複合して得られる複合電流をステータ１０１の電磁コイル１１７に供給し、これにより両ロータ１０２，１０３用の回転磁界をステータに個別に発生させることで、回転磁界に同期してロータ１０２，１０３を個別に回転駆動させることができる。

本発明の回転電機の駆動方法は、上述した構成の回転電機において、ステータ１０１の電磁コイル１１７に供給する駆動電圧を制御することにある。以下、本発明の回転電機の駆動方法を詳細に説明する。

まず、本発明の回転電機の駆動方法を実現するインバータ装置の一例、回転電機に供給される駆動電圧の電圧波形について説明する。図３はインバータ装置の一例の構成を示す図である。図３に示す例では、内側のロータが６極対の磁石を有し、外側のロータが３極対の磁石を有し、ステータスロットの数が１８の複軸多層モータを駆動するインバータ装置を示す。ここで、インバータ装置２０１は、６個のパワーデバイス２０２（ダイオード込み）、コンデンサ２０３、抵抗２０４、電源２０５及びドライバー２０６で構成されている。

図４は回転電機に供給される駆動電圧の電圧波形の一例を示すグラフである。図４に示す例では、内側ロータまたは外側ロータだけを回転させている状態における一相分の相電圧波形デューティを示している。ここで、上限は±１で正弦されている。また、振幅は明らかに１である。図５は回転電機に供給される駆動電圧の電圧波形の他の例を示すグラフである。図５に示す例では、振幅±１のパルス波形を示しているが、このとき基本波振幅は１．２７となり、上下限を１で制限しても実際は１２７％すなわち振幅を２５％高くしたＡＣ電圧を供給できることになる。これが単相よりは効率が高いとされる３相モータの考え方である。

一方、図６に本発明の対象となる複軸多層モータに供給する複合電圧の電圧波形の一例を示す。図６に示す例では、振幅０．５で１００（Ｈｚ）及び２００（Ｈｚ）の周波数を有する二つの電圧波形（正弦波）を重畳した複合電圧波形を示している。図６に示す複合電圧波形をフーリエ変換して周波数特性を調べると、当然のことながら、図７に示すように１００（Ｈｚ）及び２００（Ｈｚ）の箇所にそれぞれ振幅が０．５の波形として表示される。

本発明の回転電機の駆動方法の最大の特徴は、図６及び図７に示す複合電圧波形に対し、二つの電圧波形の高調波を含有させることである。ここで、高調波の次数は特に限定しない。また、高調波としては、各ロータのトルクの時間平均値がゼロとなり、かつ、ロータ間に干渉を生じさせない高調波を利用することが好ましい。その理由は、そのような高調波は本発明における最適な高調波となり、モータ駆動範囲をさらに広げることができるためである。

図８は図６及び図７に示す複合波形に対し、高調波を含有させた場合の電圧波形の一例を示すグラフである。図８からわかるように、高調波を含有させることにより、電圧の最大ピークの部分が平らになり、台形に近い波形となる。そして、この波形をフーリエ変換してみると、図９に示すように、周波数１００（Ｈｚ）と２００（Ｈｚ）の箇所に振幅が０．５以上の値の波形が見られ、電圧の振幅を通常の場合よりも大きくできる、すなわち、複合電圧波形を得るために使用する二つの電圧波形の振幅は０．５のままで、複合波形の電圧の振幅を０．５以上にすることができることがわかる。なお、図９においてＨＣの部分に高調波を確認することができる。ここで、複合波形の電圧振幅をより高くするためには、図８において点線で示すように、複合波形の台形状の部分の頂部が振幅１となるように信号を重畳することで、そのことを達成することができる。

次に、高調波を具体的に含有させる方法について説明する。その一つの方法は、二つの正弦波状の電圧信号を重畳した後、電源電圧／２の値、すなわち、本例では±１の振幅の位置でリミットをかけることである。図１０はそれぞれ振幅１の正弦波を重畳して±１でリミットをかけた波形を示すグラフである。図１０に示す複合波形をフーリエ変換して周波数特性を調べると、図１１に示すように、周波数１００（Ｈｚ）及び２００（Ｈｚ）の箇所の振幅は０．７となる。これは、図７に示す高調波を含まない通常の複合波形の場合と比べて、４０％複合波形の電圧振幅が向上していることがわかる。

この際、要求されるそれぞれ二つの電圧振幅を実現するために、二つの正弦波状信号の和がリミット値以上である場合は、リミット前の正弦波状の電圧信号の振幅で決まる係数によって補正をかけることもできる。このようにすることで、要求される電圧振幅を最も安価に実現できる。

次に、上述した考え方を用いて、インバータ装置への指令複合電圧を演算する方法について説明する。図１２はインバータ装置への指令複合電圧の演算方法の一例を示すブロック図である。図１２に示す例において、インナーロータを駆動するためのインナー目標電圧とアウターロータを駆動するためのアウター目標電圧を、二つのルックアップテーブル２１１と２１２に入力する。一方のルックアップテーブル２１１では、予め高調波を含ませた場合において求めたアウター目標電圧に対するインナー目標電圧とインナー指令電圧との関係を示すグラフが格納されており、他方のルックアップテーブル２１２では、予め高調波を含ませた場合において求めたインナー目標電圧に対するアウター目標電圧とアウター指令電圧との関係を示すグラフが格納されている。なお、各ルックアップテーブル２１１、２１２は片方の電圧が大きいほど他方は低下する特性としている。

次に、ルックアップテーブル２１１から得られるインナー指令電圧とルックアップテーブル２１２から得られるアウター指令電圧とを、加算回路２１３で重畳し、さらに、波形成形回路２１４で複合波形の電圧波形における最大振幅の部分が最大電圧となるよう波形を成形して、指令複合電圧を示す信号を得る。その後、得られた信号を、図３に示すドライバー２０６に送り、ドライバー２０６でＰＷＮ変調をかけることで振幅１．４の電圧を実現することができる。図１２の演算で求めた具体例として、例えばインナー電圧１．４、アウター電圧１．４を実現したい場合は、インナー電圧１．９、アウター電圧１．９を複合し上下限を±１でリミットをかけた波形をデューティとすればよい。

本発明の回転電機の駆動方法は、一例として、内外にロータを有し、ロータ間にステータを有する３層構造の回転電機において、電圧ピークを抑えながらモータ出力を大きく、特に各ロータのトルクを向上することができ、これによりモータ駆動範囲を広げる用途に好適に使用することができる。

複軸多層モータが適用されたハイブリッド駆動ユニットを示す概略全体図である。ラビニョオ型遊星歯車列と組み合わされて車両用ハイブリッド変速機を構成する、本発明の回転電機の駆動方法の対象の一例となる複軸多層モータを示す縦断側面図である。インバータ装置の一例の構成を示す図である。回転電機に供給される駆動電圧の電圧波形の一例を示すグラフである。回転電機に供給される駆動電圧の電圧波形の他の例を示すグラフである。本発明の対象となる複軸多層モータに供給する複合電圧の電圧波形の一例を示すグラフである。図６に示す複合電圧波形をフーリエ変換して求めた周波数特性を示すグラフである。図６及び図７に示す複合波形に対し、高調波を含有させた場合の電圧波形の一例を示すグラフである。図８に示す複合電圧波形をフーリエ変換して求めた周波数特性を示すグラフである。それぞれ振幅１の正弦波を重畳して±１でリミットをかけた波形を示すグラフである。図１０に示す複合電圧波形をフーリエ変換して求めた周波数特性を示すグラフである。インバータ装置への指令複合電圧の演算方法の一例を示すブロック図である。

符号の説明

１０１ステータ
１０２インナーロータ
１０３アウターロータ
２０１インバータ装置
２０２パワーデバイス
２０３コンデンサ
２０４抵抗
２０５電源
２０６ドライバー
２１１、２１２ルックアップテーブル
２１３加算回路
２１４波形成形回路

Claims

ステータの内外に同軸構造で二つのロータを有する回転電機を、二つの周波数成分を有する複合電圧を利用して二つのローラを各別に駆動するための駆動方法において、二つのロータを各別に駆動するための二つの電圧振幅を実現するために、前記複合電圧に対し電源電圧／２の値でリミットをかけることで、駆動のために印加する電圧にその高調波を含有させるとともに、二つの正弦波状信号の和がリミット値以上である場合は、リミット前の正弦波状の電圧信号の振幅で決まる係数によって補正をかけることを特徴とする回転電機の駆動方法。
高調波として、各ロータのトルクの時間平均値がゼロとなり、かつ、ロータ間に干渉を生じさせない高調波を利用することを特徴とする請求項１に記載の回転電機の駆動方法。
正弦波状の電圧信号の振幅を電源電圧により規格化し、ＰＷＭパルスを生成することを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機の駆動方法。
Ｎ結線モータに適用する事を特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電機の駆動方法。