(57)【要約】【課題】複軸多層構造の回転電機において、指定された入力が変調可能領域にあっても過変調領域にあっても常に効率の良い回転を行うことができる電力変換装置の制御方法を提供する。【解決手段】ステータと、ステータの内外に同軸に設けたインナーロータとアウターロータと、を備えた回転電機を駆動するための、２つの異なる波形を複合した複合電流を生成する電力変換装置の制御方法において、指定された入力が、入力に対する出力の線形性が保たれる変調可能領域では電流制御を行い、指定された入力が、入力に対する出力の線形性が保たれていない過変調領域では電圧制御を行う。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータと、ステータの内外に同軸に設けたインナーロータとアウターロータと、を備えた回転電機を駆動するための、２つの異なる波形を複合した複合電流を生成する電力変換装置の制御方法において、指定された入力が、入力に対する出力の線形性が保たれる変調可能領域では電流制御を行い、指定された入力が、入力に対する出力の線形性が保たれていない過変調領域では電圧制御を行うことを特徴とする電力変換装置の制御方法。
【請求項２】
過変調領域の電圧制御において、予め両ロータを駆動するための入力と両ロータを駆動するための出力との関係をマップ化しておき、目標の出力を得ることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置の制御方法。
【請求項３】
過変調領域で制御を行う範囲外の入力がなされた場合、過変調領域で制御できる最大出力に入力値を変更して制御を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステータと、ステータの内外に同軸に設けたインナーロータとアウターロータと、を備えた回転電機を駆動するための、２つの異なる波形を複合した複合電流を生成する電力変換装置の制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の同軸モータとして、円筒状のステータを挟み、内外周にインナーロータ及びアウタ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、インナーロータとアウタ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）。このような複軸多層構造の回転電機では、電力変換装置からの複合電流をインバータ装置を介してステータに供給することで、インナーロータとアウターロータの独立した回転を可能にしている。
【特許文献１】特開２００１−１０３７１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
図９は、複軸多層構造を有する回転電機において、通常利用されている制御方法の一例として電流制御を説明するためのフローチャートである。本例では、インナーロータを６相の電流で駆動し、アウターロータを３相の電流で駆動する例について説明している。いずれのロータにおいても、６相あるいは３相の電流を一旦ｄｑ軸変換し、電流制御を行い、求めた目標ｄｑ軸電圧をさらに６相あるいは３相の電流に変換した後、それらを加算して複合電流を得ている。そして得られた複合電流を、インバータ装置のゲート信号として供給している。
【０００４】
上述した通常の電流制御において、指定された入力（図９の例では電流指令値）が入力に対する出力の線形性が保たれている変調可能領域で回転電機を駆動している場合は、効率の良い駆動を行うことができる。しかしながら、指定された入力が、入力に対する出力の線形性が保たれていない、言い換えると、変調率がオーバーしている過変調領域で回転電機を駆動させようとすると、入力に対する出力の非線形性が保たれなくなり、そのまま従来の電流制御を続けている、効率の良い駆動を行うことのできない問題があった。
【０００５】
本発明の目的は上述した課題を解消して、複軸多層構造の回転電機において、指定された入力が変調可能領域にあっても過変調領域にあっても常に効率の良い回転を行うことができる電力変換装置の制御方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の電力変換装置の制御方法は、ステータと、ステータの内外に同軸に設けたインナーロータとアウターロータと、を備えた回転電機を駆動するための、２つの異なる波形を複合した複合電流を生成する電力変換装置の制御方法において、指定された入力が、入力に対する出力の線形性が保たれる変調可能領域では電流制御を行い、指定された入力が、入力に対する出力の線形性が保たれていない過変調領域では電圧制御を行うことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明では、変調可能領域では通常の電流制御を行い、過変調時には電圧制御に切り替え制御を行うことで、過変調時のインナーロータとアウターロータとを制御する基本波電圧の非線形性を考慮した制御を行うことができ、複軸多層構造の回転電機において、指定された入力が変調可能領域にあっても過変調領域にあっても常に効率の良い回転を行うことができる電力変換装置の制御方法を得ることができる。
【０００８】
なお、本発明の電力変換装置の制御方法における好適例として、過変調領域の電圧制御において、予め両ロータを駆動するための入力と両ロータを駆動するための出力との関係をマップ化しておき、目標の出力を得ることができる。このように構成することで、入出力関係を予めマップ化しておくことによりマップにより入力を補正するロジックを加えるのみの簡単な構成で、上述した電力変換装置の制御方法を行うことができるため好ましい。
【０００９】
また、本発明の電力変換装置の制御方法における好適例として、過変調領域で制御を行う範囲外の入力がなされた場合、過変調領域で制御できる最大出力に入力値を変更して制御を行うことができる。このように構成することで、補正することができる領域外の入力が加わった場合でも、制御を続けて行うことができるため好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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は本発明の電力変換装置の制御方法の対象となる同軸モータ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。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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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、この発明の電力変換装置の制御方法の対象となる同軸モータとしての複軸多層モータの一例をより詳細に示す図である。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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
ステータ１０１は、電磁鋼板をプレス成形して造ったＴ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。
【００２１】
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。
【００２２】
本発明の特徴は、上述した複軸多層構造を有する回転電機に対し、効率良くインナーロータとアウターロータとを各別に駆動できる複合電流を供給するための電力変換装置の制御方法にあり、指定された入力が、入力に対する出力の線形性が保たれる変調可能領域では電流制御を行い、指定された入力が、入力に対する出力の線形性が保たれていない過変調領域では電圧制御を行うことを特徴とする。このように構成することで、本発明では、過変調領域で制御を行う場合において、インナー及びアウターの出力基本波比率が入力比率と異なるが、出力比率と等しい入力で補正して駆動できるため、目標電圧を出力することができる。
【００２３】
以下、本発明の電力変換装置の制御方法について詳細に説明する。
【００２４】
図３はインナーロータ及びアウターロータの電圧出力基本波と電圧波形の一例を示すグラフである。図３に示す例において、グラフの横軸及び縦軸は、それぞれ、インナーロータ及びアウターロータを駆動するための電圧を変調可能最大電圧（つまりインバータに印加する直流電圧：ここでは一例として３５０Ｖとしてある）で規格化したものである。通常の３相モータはグラフのＸ軸もしくはＹ軸上のみが駆動範囲であるが、本発明が対象とする複軸多層型のモータの場合には、同時駆動では変調可能最大電圧はインナーとアウターの駆動電圧の和となる。
【００２５】
従って、変調可能最大電圧は、通常の３相モータでは過変調制御を使用しても最大１．２７倍（４／π倍）の基本波振幅しか得ることができないが（このときの電圧波形は矩形波となる）、本発明が対象とする複軸多層構造を有するモータの場合は、インナーとアウターの電圧出力基本波の和である、約１．６倍まで見かけ上、電源電圧の利用率を向上させることができる。
【００２６】
図４は過変調制御時の電圧出力基本波の非線形性について説明する図である。図４に示す例において、Ｌｉｎｅ２及びＬｉｎｅ３は、それぞれ、インナーとアウターの入力電圧振幅比を一定とした場合の電圧出力基本波の軌跡を示している。ここで、Ｔｒｉａｎｇｌｅ１で示している電源電圧範囲内（変調可能領域に対応する）で制御する場合は線形性を保っているが、その外側のＬｉｎｅ１までの過変調領域では非線形となる。そのため、Ｌｉｎｅ２上のＡの出力が得たい場合、Ａにおけるインナーとアウターの出力比率であるＬｉｎｅ３上の入力を加えた場合、Ａ’のポイントを出力してしまう。つまり、Ａのポイントを出力したい場合は、入力比率をＬｉｎｅ２の比率に補正して制御する必要がある。
【００２７】
図５はインナー及びアウターの目標出力電圧振幅に対するインナーの入力値計算マップの一例を示す図である。図６はインナー及びアウターの目標出力電圧振幅に対するアウターの入力値計算マップの一例を示す図である。図５及び図６に示す曲線はインナーまたはアウターどちらかの入力を一定とした場合、もう一方の入力を変化させたものであり、インナー、アウターの目標電圧出力値を用いてそれぞれのグラフから入力値を求めることができる。また、過変調領域の歪分を補正するための関数を用意しておき、その関数により入力に対して出力を補正することもできる。この場合は、データの保管を行う必要がないため演算時間を短縮することができる。
【００２８】
図７は本発明の電力変換装置の制御方法の一例を説明するためのフローチャートである。図７に示すフローチャートにおいて、本発明の電力変換装置の制御方法では、まず、ｄｑ軸電流指令値および予め用意されたモータパラメータ（コイル抵抗、無負荷磁束、ｄｑ軸インダクタンス）によりインナー、アウターの予測ｄｑ軸電圧を演算し、それらの和から複合ｄｑ軸電圧を演算する。この結果とインバータに印加される直流電圧値とから、過変調制御領域か変調可能領域かの判断を行う。変調可能領域内と判断された場合は、図９においてインナー及びアウターでそれぞれ行われる制御と同じ通常の電流制御を行う。一方、過変調制御領域と判断された場合は、図５及び図６に示した指令値補正マップより実際に指令を行うｄｑ軸電圧を演算することで、電圧制御を行っている。
【００２９】
図８は本発明の電力変換装置の制御方法の他の例を説明するための図である。図８に示す例においては、図４に示すＬｉｎｅ１で示した最大出力曲線よりも大きい出力が要求された場合の入力値補正方法を示している。ｙ＝ｘのラインよりもアウター出力が大きいｉ）の領域では、アウター入力の値は影響しないため変調率１００％の入力値よりも１０倍以上の一定入力で良い。ただし、インナー入力（＝α）の値を変化させることにより、インナーとアウターの出力の割合を変化させることができる。ｙ＝ｘのラインよりもインナー出力が大きいｉｉ）の領域では、アウターの入力（＝β）の値の大きさによって出力割合が変化する。例として、図８において、ポイントＡの出力要求をされた場合は、インナーとアウターの出力割合が同じポイントＡ’に補正する制御を行う必要があるが、その際、βの値と出力割合の関係を予め用意しておくことでβの値を定めことが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明の電力変換装置の制御方法によれば、ステータと、ステータの内外に同軸に設けたインナーロータとアウターロータと、を備えた複軸多層構造の回転電機において、指定された入力が変調可能領域にあっても過変調領域にあっても常に効率の良い回転を達成したい用途に好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】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。
【図２】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、本発明の電力変換装置の制御方法の対象となる同軸モータの一例としての複軸多層モータを示す縦断面図である。
【図３】インナーロータ及びアウターロータの電圧出力基本波と電圧波形の一例を示すグラフである。
【図４】過変調制御時の電圧出力基本波の非線形性について説明する図である。
【図５】インナー及びアウターの目標出力電圧振幅に対するインナーの入力値計算マップの一例を示す図である。
【図６】インナー及びアウターの目標出力電圧振幅に対するアウターの入力値計算マップの一例を示す図である。
【図７】本発明の電力変換装置の制御方法の一例を説明するためのフローチャートである。
【図８】本発明の電力変換装置の制御方法の他の例を説明するための図である。
【図９】従来の複軸多層構造を有する回転電機において、通常利用されている制御方法の一例として電流制御を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００３２】
１０１  ステータ
１０２  インナーロータ
１０３  アウターロータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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