JP6320950B2 - 回転電機の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、可変界磁型の回転電機の制御装置に関する。

特許文献１には、ロータの構成および磁気回路の制約を抑制しつつ磁石磁束を適切に可変にすることを目的とした回転機が記載されている。回転軸の方向で対向する第１ロータおよび第２ロータと、第２ロータの回転トルクを第１ロータに伝達するトルク伝達状態とトルク非伝達状態とを切り替え可能なトルク伝達部と、第２ロータをケースに磁気的に結合可能な磁気結合部を備える。第１ロータは回転軸に固定され、第２ロータは回転軸に非固定であり、コイルに流れる電流が所定値未満の場合には磁気結合部によってケースに磁気的に結合され、電流が所定値以上の場合には回転し、トルク伝達部は第２ロータが回転するときにはトルク伝達状態になる構成が記載されている。

特開２０１４−２７７０５号公報

しかしながら、従来技術では、ロータは相対的にどちらにも回転できる構成であるため、例えば主軸がエンジンに連結されている場合、停止状態で第１ロータと第２ロータの位相角を変更すると、許容し得ないエンジン逆回転のおそれが生じ得る。そして、このような逆回転は、特にエンジン始動時やエンジン停止時に問題となり得る。

本発明は、可変界磁型の回転電機において、位相角度の変更に伴うエンジン等の慣性負荷の逆回転、あるいは正回転に対する逆方向トルクの発生を防止する装置を提供することにある。

本発明は、ステータと、前記ステータと対向配置され、かつ、回転軸方向に互いに対向配置された第１ロータ要素及び第２ロータ要素を含み、前記第２ロータ要素は前記第１ロータ要素に対して相対回転可能なロータとを備える回転電機を制御する制御装置であって、 前記第１ロータ要素は慣性負荷に接続され、前記第２ロータ要素を前記第１ロータ要素に対して相対回転させることで前記第１ロータ要素と第２ロータ要素の位相角度を変更する場合に、前記慣性負荷を停止状態から回転状態に移行させるときは、第１ロータ要素の回転方向が前記慣性負荷の前記停止状態から前記回転状態に移行するときの正回転方向と一致するように前記第２ロータ要素を相対回転させて前記正回転方向に対する逆方向トルクの発生を防止する制御手段を備えることを特徴とする。

本発明では、第１ロータ要素及び第２ロータ要素はともにステータに対向配置されており、ステータを共有しているため、第２ロータ要素を第１ロータ要素に対して相対回転させる場合に、第２ロータ要素のみならず第１ロータ要素も同時に回転トルクを受けることになる。そこで、慣性負荷を停止状態から回転状態に移行させるときは、第１ロータ要素の回転方向が接続機器の回転方向と一致するように第２ロータ要素を相対回転させることで、慣性負荷の逆回転、あるいは正回転に対する逆方向トルクを発生させることなく位相角度を所望の角度に変更する。

本発明の１つの実施形態では、前記制御手段は、前記慣性負荷を停止状態から回転状態に移行させるときは、前記第１ロータ要素と前記第２ロータ要素が逆極対向状態にあり前記位相角度が１８０度の状態から、前記第１ロータ要素と前記第２ロータ要素が同極対向状態にあり前記位相角度が０度の状態まで変更する。

本発明の他の実施形態では、前記制御手段は、前記慣性負荷を回転状態から停止状態に移行させるときは、第１ロータ要素の回転方向が前記慣性負荷の回転方向と一致するように前記第２ロータ要素を相対回転させる。

本発明のさらに他の実施形態では、前記制御手段は、前記慣性負荷を回転状態から停止状態に移行させるときは、前記第１ロータ要素と前記第２ロータ要素が同極対向状態にあり前記位相角度が０度の状態から、前記第１ロータ要素と前記第２ロータ要素が逆極対向状態にあり前記位相角度が１８０度の状態まで変更する。

本発明のさらに他の実施形態では、前記制御手段は、前記ステータに流れる電流を制御することにより、前記第２ロータ要素を前記第１ロータ要素に対して相対回転させる。

前記慣性負荷は、例えばハイブリッド自動車等のエンジンとすることができる。

本発明によれば、可変界磁型の回転電機において、エンジン等の慣性負荷の正回転に対する逆方向トルクの発生を防止しつつ位相角度を変更できる。

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。 主ロータと副ロータの回転方向説明図である。 逆極対向状態から同極対向状態に変更する場合のタイミングチャートである。 逆極対向状態から同極対向状態に変更する場合のタイミングチャートである。 電子制御装置（ＥＣＵ）の機能ブロック図である。 同極対向状態から逆極対向状態に変更する場合のタイミングチャートである。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。

＜回転電機の基本構成＞
まず、可変界磁型の回転電機の基本構成について説明する。

図１は、本実施形態における回転電機の基本構成図であり、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、ケーシングに固定されたステータ２４と、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。図１の例では、ロータ２８がステータ２４の内周側の位置でステータ２４と対向配置される。

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複数相であるＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相のステータコイル３８ｕ，３８ｖ，３８ｗを含む。３相のステータコイル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ステータ２４と径方向に対向配置された主ロータ（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は、回転軸方向にギャップを空けて対向配置される。図１では、主ロータ４０が副ロータ４２よりも回転軸方向一方側（図の左側）に配置され、主ロータ４０がステータコア３６の回転軸方向一方側と径方向に対向し、副ロータ４２がステータコア３６の回転軸方向他方側（図の右側）と径方向に対向する。

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及び拘束板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及び拘束板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。副ロータ４２と主ロータ４０の位相角のとり得る範囲に応じて位相角を制限するストッパを設けてもよい。

主ロータ４０と副ロータ４２の位相角が変化することで、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度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及び副ロータ４２のみを取り出した斜視図である。主ロータ４０の主永久磁石４８ｎ、４８ｓと、副ロータ４２の副永久磁石５６ｎ、５６ｓも併せて示す。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、位相角をγとすると、γ＝０度（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度（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の位相角が０度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の位相角が１８０度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の位相角を所望の値に制御する際に、位相角は０度あるいは１８０度のいずれかに制御されるが、０度と１８０度の間の任意の角度に制御する場合にも適用し得る。

具体的には、主ロータシャフト２６を車両のエンジンのクランク軸に接続した場合において、エンジンが停止中に回転電機が回転してもその鉄損を最小とするように主ロータ４０と副ロータ４２の位相角を１８０度に設定して逆極対向状態とし、他方、エンジンを始動する場合には所望のクランキングコイルを出力するための主ロータ４０と副ロータ４２の位相角を０度に設定して同極対向状態とする。従って、エンジン始動時及びエンジン停止時において、位相角は０度と１８０度との間で変更される。

図３は、主ロータシャフト２６を車両のエンジンのクランク軸に接続した場合の構成を示す。図３において、回転方向αは、エンジンの回転方向（正回転方向）を示す。

主ロータ４０と副ロータ４２の位相角γを変更する場合、エンジン等の慣性負荷に接続されていない副ロータ４２を主に主ロータ４０に対して相対的に回転させるが、その回転方向としては、図３に示すＡ方向とＢ方向の２方向がある。副ロータ４２を回転させるために印加するステータコイルの電流により、ステータ２４を共有する主ロータ４０にも同時にトルクが発生し、主ロータ４０も回転することになる。

図４は、逆極対向状態（位相角γ＝１８０度）から同極対向状態（位相角γ＝０度）に変更する場合であって、図３のＡ方向に副ロータ４２を回転させる場合（１８０度から徐々に減少させて０度に至る場合）の位相角度（ａ）、ロータ角度（ｂ）、及びコイル電流Ｉｄ、Ｉｑ（ｃ）の時間変化をそれぞれ示す。図４（ｂ）に示すように、副ロータ４２をＡ方向に回転させると、ステータ２４を副ロータ４２と共有する主ロータ４０は図３のＣ方向、すなわち副ロータ４２とは逆向きに回転する。このとき、エンジンの正回転方向αと主ロータ４０の回転方向は一致する。

図５は、逆極対向状態（位相角γ＝１８０度）から同極対向状態（位相角γ＝０度）に変更する場合であって、図３のＢ方向に副ロータ４２を回転させる場合（１８０度から徐々に増大させて３６０度に至る場合）の位相角度（ａ）、ロータ角度（ｂ）、及びコイル電流Ｉｄ、Ｉｑ（ｃ）の時間変化をそれぞれ示す。図５（ｂ）に示すように、副ロータ４２をＢ方向に回転させると、ステータ２４を副ロータ４２と共有する主ロータ４０は図３のＤ方向、すなわち副ロータ４２とは逆向きに回転する。このとき、エンジンの正回転方向αと主ロータ４０の回転方向は逆向きとなる。

図４及び図５から分かるように、位相角γを変更するために副ロータ４２を回転させると、主ロータ４０も同時に回転し、副ロータ４２の回転の方向により主ロータ４０の回転の方向、すなわち回転トルクも変化する。従って、エンジン始動時にエンジンにクランキングトルクを出力すべく位相角を逆極状態から同極状態に変更する場合、単に副ロータ４２を任意の方向（具体的にはＢ方向）に回転させてしまうと、主ロータ４０にはエンジンの正回転方向αと逆向きのトルクが生じてしまい、効率が低下する。

そこで、本実施形態では、エンジンの始動に応じ、主トルク４０の回転方向がエンジンの始動／停止を妨げないような向きとなるように副ロータ４２の回転方向を切替制御する。

図６は、本実施形態におけるＥＣＵ７０の機能ブロック図である。ＥＣＵ７０は、機能ブロックとして、エンジン始動判定部７０１と、目標ロータ位相角度演算部７０２と、ロータ位相角度制御部７０３を備える。

エンジン始動判定部７０１は、アクセル開度、車速、電池ＳＯＣ、充電要求等の検出値及び指令値を入力し、エンジンを始動するか否かを判定して判定結果を出力する。

目標ロータ位相角度演算部７０２は、エンジン始動判定部７０１からエンジン始動の判定結果が出力された場合に、これに応じて目標位相角度を決定してロータ位相角度制御部７０３に出力する。

具体的には、目標ロータ位相角演算部７０２は、エンジン始動時に逆極対向状態から同極対向状態となるように位相角を変更するが、このとき、主ロータ４０の回転方向がエンジンの正回転方向と一致するように副ロータ４２をＡ方向に回転させるべく、目標位相角度を０度（３６０度でなく）に設定する。

ロータ位相角度制御部７０３は、目標位相角度となるように電流指令を出力し、ステータコイルの電流を制御する。

これにより、エンジン始動時に位相角を逆極対向状態から正極対向状態に変更するに際し、エンジンの正回転に対し逆方向トルクの発生を防止できる。

以上は、エンジン始動時に逆極対向状態から同極対向状態に変更する場合の例であるが、エンジン停止時に同極対向状態から逆極対向状態に変更する場合にも、同様に副ロータ４２の回転方向、つまり目標位相角度を設定することができる。

すなわち、図６の機能ブロック図において、エンジン始動判定部７０１は、エンジン始動に代えてエンジン停止か否かを判定して出力する。

目標ロータ位相角度演算部７０２は、エンジン停止時に同極対向状態から逆極対向状態となるように位相角を変更するが、このとき、主ロータ４０の回転方向がエンジンの正回転方向と一致するように副ロータ４２を回転させるべく、目標位相角度を設定する。

図７は、同極対向状態から逆極対向状態に変更する場合であって、図３のＢ方向に副ロータ４２を回転させる場合の位相角度（ａ）、ロータ角度（ｂ）、及びコイル電流Ｉｄ、Ｉｑ（ｃ）の時間変化をそれぞれ示す。図７（ｂ）に示すように、副ロータ４２をＢ方向に回転させると、ステータ２４を副ロータ４２と共有する主ロータ４０は図３のＣ方向、すなわちエンジンの正回転方向αと一致する方向となる。

従って、目標ロータ位相角度演算部７０２は、主ロータ４０の回転方向がエンジンの正回転方向と一致するように副ロータ４２をＢ方向に回転させるべく、目標位相角度を１８０度（−１８０度でなく）に設定する。

逆極対向状態から同極対向状態に変更する場合と、同極対向状態から逆極対向状態に変更する場合とで、副ロータ４２の回転方向及び目標位相角度が異なる点に留意されたい。

このように、本実施形態では、主ロータ４０と副ロータ４２の位相角を変更する場合において、エンジン始動／停止に応じて位相角変更の態様、具体的には副ロータ４２の回転方向、すなわち目標位相角度を切替制御することで、エンジンの逆回転を防止できる。エンジンの逆回転を防止することで、エンジンの排気ガスの逆流を抑制し、エミッションの悪化を防止できる。

本実施形態は、回転方向が一方向に定められている機器が主ロータ４０に接続されている構成において、主ロータ４０と副ロータ４２の位相角を調整するためのステータコイル電流を流した場合に、当該ステータコイル電流で主ロータ４０が回転したとしても、慣性負荷が正回転するように回転方向あるいは発生トルクの方向を制御するといえる。

本実施形態では、回転電機の主ロータシャフト２６がエンジンに連結されている場合について例示したが、本発明はエンジンに限定されず任意の慣性負荷に接続されている場合にも同様に適用することができる。すなわち、慣性負荷を停止した状態から回転を開始させる場合に位相角を変更するとき、及び慣性負荷を回転した状態から停止させる場合に位相角を変更するときに、本実施形態の制御を実行できる。

２４ ステータ、２６ 主ロータシャフト、２８ ロータ、４０ 主ロータ（第１ロータ要素）、４２ 副ロータ（第２ロータ要素）、７０ 電子制御装置（ＥＣＵ）。

Claims (6)

1. ステータと、
   前記ステータと対向配置され、かつ、回転軸方向に互いに対向配置された第１ロータ要素及び第２ロータ要素を含み、前記第２ロータ要素は前記第１ロータ要素に対して相対回転可能なロータと、
   を備える回転電機を制御する制御装置であって、
   前記第１ロータ要素は慣性負荷に接続され、
   前記第２ロータ要素を前記第１ロータ要素に対して相対回転させることで前記第１ロータ要素と第２ロータ要素の位相角度を変更する場合に、前記慣性負荷を停止状態から回転状態に移行させるときは、第１ロータ要素の回転方向が前記慣性負荷の前記停止状態から前記回転状態に移行するときの正回転方向と一致するように前記第２ロータ要素を相対回転させて前記正回転方向に対する逆方向トルクの発生を防止する制御手段
   を備えることを特徴とする回転電機の制御装置。
2. 前記制御手段は、前記慣性負荷を停止状態から回転状態に移行させるときは、前記第１ロータ要素と前記第２ロータ要素が逆極対向状態にあり前記位相角度が１８０度の状態から、前記第１ロータ要素と前記第２ロータ要素が同極対向状態にあり前記位相角度が０度の状態まで変更する
   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. 前記制御手段は、前記慣性負荷を回転状態から停止状態に移行させるときは、第１ロータ要素の回転方向が前記慣性負荷の回転方向と一致するように前記第２ロータ要素を相対回転させる
   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。
4. 前記制御手段は、前記慣性負荷を回転状態から停止状態に移行させるときは、前記第１ロータ要素と前記第２ロータ要素が同極対向状態にあり前記位相角度が０度の状態から、前記第１ロータ要素と前記第２ロータ要素が逆極対向状態にあり前記位相角度が１８０度の状態まで変更する
   ことを特徴とする請求項３に記載の回転電機の制御装置。
5. 前記制御手段は、前記ステータに流れる電流を制御することにより、前記第２ロータ要素を前記第１ロータ要素に対して相対回転させる
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに回転電機の制御装置。
6. 前記慣性負荷は、エンジンである
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の回転電機の制御装置。

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