(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石界磁型の電動機の回転軸の周囲に同心円状に設けられ、前記電動機の固定子に対して同方向に回転する外側回転子及び内側回転子の相対変位角を制御する電動機の制御装置であって、
前記外側回転子又は前記内側回転子の単位時間当たりの回転数を検出する回転数検出部と、
正負の符号を含む要求されたトルク値及び前記回転数検出部によって検出された回転数に基づいて、±１８０°の範囲のいずれかの値を前記相対変位角の指令値として決定する指令値決定部と、
前記指令値決定部によって決定された前記相対変位角の指令値に応じて、前記電動機の前記外側回転子及び前記内側回転子の相対変位角を制御する制御部と、を備え、
前記外側回転子及び前記内側回転子の各磁石が同極で並ぶ状態の前記相対変位角を基準として、前記外側回転子及び前記内側回転子の各磁石が逆極で並ぶ状態に変更する際の前記相対変位角の指令値の符号は、前記電動機が力行時と回生時とでそれぞれ異なり、
前記制御部は、
前記指令値の符号が＋（正）の場合、前記外側回転子の回転方向に対する前記内側回転子の進角方向が同じになるよう前記相対変位角を制御し、
前記指令値の符号が−（負）の場合、前記外側回転子の回転方向に対する前記内側回転子の進角方向が逆になるよう前記相対変位角を制御することを特徴とする電動機の制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電動機の制御装置であって、
前記指令値決定部は、トルク値及び回転数の組み合わせ毎に最適な相対変位角が記録されたデータマップを参照して、前記相対変位角の指令値を決定することを特徴とする電動機の制御装置。
【請求項３】
請求項２に記載の電動機の制御装置であって、
前記データマップには、前記電動機の電源である蓄電器の出力電圧に応じて内容が異なる複数のテーブルが含まれ、
前記指令値決定部は、前記蓄電器の出力電圧に対応するテーブルを参照して、前記相対変位角の指令値を決定することを特徴とする電動機の制御装置。
【請求項４】
請求項１、２又は３に記載の電動機の制御装置であって、
前記電動機の前記外側回転子及び前記内側回転子の実際の相対変位角を検出する相対変位角検出部を備え、
前記制御部は、前記指令値決定部によって決定された前記相対変位角の指令値と前記相対変位角検出部によって検出された相対変位角の偏差が減少するよう制御することを特徴とする電動機の制御装置。
【請求項５】
永久磁石界磁型の電動機の回転軸の周囲に同心円状に設けられ、前記電動機の固定子に対して同方向に回転する外側回転子及び内側回転子の相対変位角を制御する電動機の制御装置であって、
前記外側回転子又は前記内側回転子の単位時間当たりの回転数を検出する回転数検出部と、
正負の符号を含む要求されたトルク値に基づいて、前記相対変位角の符号を決定し、かつ、前記トルク値及び前記回転数検出部によって検出された回転数に基づいて、前記電動機の誘起電圧定数の指令値を決定する指令値決定部と、
前記指令値決定部によって決定された前記相対変位角の符号及び前記誘起電圧定数の指令値に応じて、前記電動機の前記外側回転子及び前記内側回転子の相対変位角を制御する制御部と、を備え、
前記外側回転子及び前記内側回転子の各磁石が同極で並ぶ状態の前記相対変位角を基準として、前記外側回転子及び前記内側回転子の各磁石が逆極で並ぶ状態に変更する際の前記相対変位角の指令値の符号は、前記電動機が力行時と回生時とでそれぞれ異なり、
前記制御部は、
前記相対変位角の符号が＋（正）の場合、前記外側回転子の回転方向に対する前記内側回転子の進角方向が同じになるよう前記相対変位角を制御し、
前記相対変位角の符号が−（負）の場合、前記外側回転子の回転方向に対する前記内側回転子の進角方向が逆になるよう前記相対変位角を制御することを特徴とする電動機の制御装置。
【請求項６】
請求項５に記載の電動機の制御装置であって、
前記指令値決定部は、トルク値及び回転数の組み合わせ毎に最適な誘起電圧定数が記録されたデータマップを参照して、前記誘起電圧定数の指令値を決定することを特徴とする電動機の制御装置。
【請求項７】
請求項６に記載の電動機の制御装置であって、
前記データマップには、前記電動機の電源である蓄電器の出力電圧に応じて内容が異なる複数のテーブルが含まれ、
前記指令値決定部は、前記蓄電器の出力電圧に対応するテーブルを参照して、前記誘起電圧定数の指令値を決定することを特徴とする電動機の制御装置。
【請求項８】
請求項５、６又は７に記載の電動機の制御装置であって、
前記電動機の誘起電圧定数を算出する誘起電圧定数算出部を備え、
前記制御部は、前記指令値決定部によって決定された前記誘起電圧定数の指令値と前記誘起電圧定数算出部によって算出された誘起電圧定数の偏差が減少するよう制御することを特徴とする電動機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石界磁型の電動機の界磁弱め制御を、回転軸の周囲に同心円状に設けられた２つの回転子の相対変位角を変更することによって行う電動機の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石界磁型の回転電動機の回転軸の周囲に同心円状に設けた第１ロータ及び第２ロータを備え、回転速度に応じて第１ロータと第２ロータの位相差を変更することで界磁弱め制御を行う電動機が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図１８は、２重ロータを備えた電動機の断面図である。図１８に示す電動機１は、永久磁石１１ａ，１１ｂの界磁が周方向に沿って等間隔に配設された内側ロータ１１と、永久磁石１２ａ，１２ｂの界磁が周方向に沿って等間隔に配設された外側ロータ１２と、内側ロータ１１及び外側ロータ１２に対する回転磁界を発生させるための電機子１０ａを有するステータ１０とを備える。
【０００４】
内側ロータ１１と外側ロータ１２は、共に回転軸が電動機１の回転軸２と同軸となるように同心円状に配置されている。そして、内側ロータ１１においては、Ｎ極を回転軸２側とする永久磁石１１ａとＳ極を回転軸２側とする永久磁石１１ｂが交互に配設されている。同様に、外側ロータ１２においても、Ｎ極を回転軸２側とする永久磁石１２ａとＳ極を回転軸２側とする永久磁石１２ｂが交互に配設されている。
【０００５】
外側ロータ１２と内側ロータ１１の位相差は、少なくとも電気角で１８０度の範囲で進角側又は遅角側に変更することができる。このため、電動機１の状態は、外側ロータ１２の永久磁石１２ａ，１２ｂと内側ロータ１１の永久磁石１１ａ，１１ｂが異極同士を対向して配置された界磁強め状態と、外側ロータ１２の永久磁石１２ａ，１２ｂと内側ロータ１１の永久磁石１１ａ，１１ｂが同極同士を対向して配置された界磁弱め状態との間で、適宜設定可能である。
【０００６】
図１９は、電動機１の界磁強め状態（ａ）及び界磁弱め状態（ｂ）を示す図である。図１９（ａ）に示す界磁強め状態では、外側ロータ１２の永久磁石１２ａ，１２ｂの磁束Ｑ２と内側ロータ１１の永久磁石１１ａ，１１ｂの磁束Ｑ１の向きが同一であるため、合成された磁束Ｑ３は大きい。一方、図１９（ｂ）に示す界磁弱め状態では、外側ロータ１２の永久磁石１２ａ，１２ｂの磁束Ｑ２と内側ロータ１１の永久磁石１１ａ，１１ｂの磁束Ｑ１の向きが逆であるため、合成された磁束Ｑ３は小さい。
【０００７】
図２０は、界磁強め状態及び界磁弱め状態の各状態で、電動機１を所定回転数で作動させた場合にステータ１０の電機子１０ａに生じる誘起電圧を示すグラフである。当該グラフの縦軸は誘起電圧（Ｖ）、横軸は電気角（度）を示す。また、図中の符号ａは、電動機１が図１９（ａ）に示した界磁強め状態のときの誘起電圧を示し、符号ｂは、電動機１が図１９（ｂ）に示した界磁弱め状態のときの誘起電圧を示す。図２０に示すように、外側ロータ１２と内側ロータ１１の位相差を変更することで、生じる誘起電圧のレベルは大幅に変化する。
【０００８】
このように、２重ロータを備えた電動機１では、外側ロータ１２と内側ロータ１１の位相差を変更して、界磁の磁束を増減させることにより、電動機１の誘起電圧定数Ｋｅを変化させることができる。その結果、誘起電圧定数Ｋｅが一定である一つのロータを備えた一般的な電動機と比較して、電動機１の出力及び回転数に対する運転可能領域を拡大できる。また、電動機の制御として一般的なｄｑ座標におけるｄ軸（界磁軸）側の電機子に通電して界磁弱め制御を行う場合に比べて、２重ロータの位相差変更による界磁制御では銅損が減少するため、電動機の運転効率を高めることができる。
【０００９】
図２１は、２重ロータを備えた電動機１の界磁弱め制御が必要な領域を示すグラフである。当該グラフの縦軸は出力トルクＴｒ、横軸は回転数Ｎを示す。また、図中の符号ｕは、電動機の直交ライン（界磁弱め制御を行わずに電動機を作動させたとき、回転数と出力トルクの組合わせにより電動機の相電圧が電源電圧と等しくなる点を結んだ線）を示す。また、符号Ｘは、界磁弱め制御が不要な領域を示し、符号Ｙは界磁弱め制御が必要な領域を示す。
【００１０】
特許文献２に開示されている電動機の制御装置は、当該電動機が備える多重ロータの位相差であるロータ位相差を、アクチュエータ及び遊星歯車機構によって構成されたロータ位相差変更手段を利用して変更することで界磁制御を行う。ロータ位相差変更手段は、ｄ軸（界磁軸）側の電機子の通電量である界磁弱め電流指令値に応じたロータ位相差の指令値に基づいて動作する。
【００１１】
【特許文献１】特開２００２−２０４５４１号公報
【特許文献２】特開２００７−２５９５４９号公報
【特許文献３】特開２００２−３５９９５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
電動機のトルクは、磁石トルクとリラクタンストルクの合成トルクである。このため、電動機のロータの回転方向とトルク方向に適した磁気変化を生じさせる方向に、多重ロータの位相差を生じさせる必要がある。但し、トルク方向には、互いに逆方向である力行時の方向と回生時の方向の２方向がある。さらに、図２１に示したように、界磁弱め制御が必要な領域Ｙは、力行時と回生時とで異なる。このため、２重ロータを備えた電動機におけるロータ位相差の制御では、トルク方向の正負（力行及び回生）に応じた制御を行った方が望ましい。しかし、上記説明した特許文献２に開示されている電動機の制御装置は、ロータ位相差を電気角０度〜１８０度の範囲で変更しているため、力行及び回生のいずれか一方の性能特性に限定されてしまい、トルク特性や運転効率等のポテンシャルを十分に活かすことができない。
【００１３】
本発明の目的は、力行及び回生共に電動機のポテンシャルを十分に引き出すことのできる電動機の制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決して係る目的を達成するために、請求項１に記載の発明の電動機の制御装置は、永久磁石界磁型の電動機（例えば、実施の形態での電動機１）の回転軸（例えば、実施の形態での回転軸２）の周囲に同心円状に設けられ、前記電動機の固定子（例えば、実施の形態でのステータ１０）に対して同方向に回転する外側回転子（例えば、実施の形態での外側ロータ１２）及び内側回転子（例えば、実施の形態での内側ロータ１１）の相対変位角（例えば、実施の形態でのロータ位相差）を制御する電動機の制御装置であって、前記外側回転子又は前記内側回転子の単位時間当たりの回転数を検出する回転数検出部（例えば、実施の形態でのレゾルバ１０１及び回転数算出部１０３）と、正負の符号を含む要求されたトルク値（例えば、実施の形態でのトルク指令値Ｔ）及び前記回転数検出部によって検出された回転数（例えば、実施の形態での回転数Ｎｍ）に基づいて、±１８０°の範囲のいずれかの値を前記相対変位角の指令値（例えば、実施の形態でのロータ位相差の指令値θｃ）として決定する指令値決定部（例えば、実施の形態での指令値決定部１２１）と、前記指令値決定部によって決定された前記相対変位角の指令値に応じて、前記電動機の前記外側回転子及び前記内側回転子の相対変位角を制御する制御部（例えば、実施の形態でのロータ位相差制御部１２３）と、を備え、前記外側回転子及び前記内側回転子の各磁石が同極で並ぶ状態の前記相対変位角を基準として、前記外側回転子及び前記内側回転子の各磁石が逆極で並ぶ状態に変更する際の前記相対変位角の指令値の符号は、前記電動機が力行時と回生時とでそれぞれ異なり、前記制御部は、前記指令値の符号が＋（正）の場合、前記外側回転子の回転方向に対する前記内側回転子の進角方向が同じになるよう前記相対変位角を制御し、前記指令値の符号が−（負）の場合、前記外側回転子の回転方向に対する前記内側回転子の進角方向が逆になるよう前記相対変位角を制御することを特徴としている。
【００１５】
さらに、請求項２に記載の発明の電動機の制御装置では、前記指令値決定部は、トルク値及び回転数の組み合わせ毎に最適な相対変位角が記録されたデータマップ（例えば、実施の形態での最適θマップ）を参照して、前記相対変位角の指令値を決定することを特徴としている。
【００１６】
さらに、請求項３に記載の発明の電動機の制御装置では、前記データマップには、前記電動機の電源である蓄電器の出力電圧（例えば、実施の形態でのバッテリ電圧Ｖｄｃ）に応じて内容が異なる複数のテーブルが含まれ、前記指令値決定部は、前記蓄電器の出力電圧に対応するテーブルを参照して、前記相対変位角の指令値を決定することを特徴としている。
【００１７】
さらに、請求項４に記載の発明の電動機の制御装置では、前記電動機の前記外側回転子及び前記内側回転子の実際の相対変位角（例えば、実施の形態でのロータ位相差θｓ）を検出する相対変位角検出部（例えば、実施の形態でのロータ位相差検出部１１７）を備え、前記制御部は、前記指令値決定部によって決定された前記相対変位角の指令値と前記相対変位角検出部によって検出された相対変位角の偏差（例えば、実施の形態での偏差Δθ）が減少するよう制御することを特徴としている。
【００１８】
さらに、請求項５に記載の発明の電動機の制御装置では、永久磁石界磁型の電動機（例えば、実施の形態での電動機１）の回転軸（例えば、実施の形態での回転軸２）の周囲に同心円状に設けられ、前記電動機の固定子（例えば、実施の形態でのステータ１０）に対して同方向に回転する外側回転子（例えば、実施の形態での外側ロータ１２）及び内側回転子（例えば、実施の形態での内側ロータ１１）の相対変位角（例えば、実施の形態でのロータ位相差）を制御する電動機の制御装置であって、前記外側回転子又は前記内側回転子の単位時間当たりの回転数を検出する回転数検出部（例えば、実施の形態でのレゾルバ１０１及び回転数算出部１０３）と、正負の符号を含む要求されたトルク値（例えば、実施の形態でのトルク指令値Ｔ）に基づいて、前記相対変位角の符号（例えば、実施の形態でのθ符号）を決定し、かつ、前記トルク値及び前記回転数検出部によって検出された回転数（例えば、実施の形態での回転数Ｎｍ）に基づいて、前記電動機の誘起電圧定数の指令値（例えば、実施の形態での誘起電圧定数の指令値Ｋｅ＿ｃ）を決定する指令値決定部（例えば、実施の形態での指令値決定部２２１）と、前記指令値決定部によって決定された前記相対変位角の符号及び前記誘起電圧定数の指令値に応じて、前記電動機の前記外側回転子及び前記内側回転子の相対変位角を制御する制御部（例えば、実施の形態でのロータ位相差制御部２２３）と、を備え、前記外側回転子及び前記内側回転子の各磁石が同極で並ぶ状態の前記相対変位角を基準として、前記外側回転子及び前記内側回転子の各磁石が逆極で並ぶ状態に変更する際の前記相対変位角の指令値の符号は、前記電動機が力行時と回生時とでそれぞれ異なり、前記制御部は、前記相対変位角の符号が＋（正）の場合、前記外側回転子の回転方向に対する前記内側回転子の進角方向とが同じになるよう前記相対変位角を制御し、前記相対変位角の符号が−（負）の場合、前記外側回転子の回転方向に対する前記内側回転子の進角方向が逆になるよう前記相対変位角を制御することを特徴としている。
【００１９】
さらに、請求項６に記載の発明の電動機の制御装置では、前記指令値決定部は、トルク値及び回転数の組み合わせ毎に最適な誘起電圧定数が記録されたデータマップ（例えば、実施の形態での最適Ｋｅマップ）を参照して、前記誘起電圧定数の指令値を決定することを特徴としている。
【００２０】
さらに、請求項７に記載の発明の電動機の制御装置では、前記データマップには、前記電動機の電源である蓄電器の出力電圧（例えば、実施の形態でのバッテリ電圧Ｖｄｃ）に応じて内容が異なる複数のテーブルが含まれ、前記指令値決定部は、前記蓄電器の出力電圧に対応するテーブルを参照して、前記誘起電圧定数の指令値を決定することを特徴としている。
【００２１】
さらに、請求項８に記載の発明の電動機の制御装置では、前記電動機の誘起電圧定数（例えば、実施の形態での誘起電圧定数Ｋｅ）を算出する誘起電圧定数算出部（例えば、実施の形態でのＫｅ算出部２１９）を備え、前記制御部は、前記指令値決定部によって決定された前記誘起電圧定数の指令値と前記誘起電圧定数算出部によって算出された誘起電圧定数の偏差（例えば、実施の形態での偏差ΔＫｅ）が減少するよう制御することを特徴としている。
【発明の効果】
【００２２】
請求項１〜８に記載の発明の電動機の制御装置によれば、電動機の外側回転子及び内側回転子の相対変位角を±１８０°の範囲で進角側又は遅角側に変更することができ、当該相対変位角は、大きなトルクを発生できる符号の電気角度に設定されるため、力行及び回生のいずれの場合にも電動機のポテンシャルを十分に引き出すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２４】
本実施形態で用いられる電動機は、図１８に示した永久磁石界磁型の電動機１と同様であり、回転軸２の周囲に同心円状に設けた内側ロータ１１及び外側ロータ１２と、電機子１０ａを有するステータ１０とを備える。当該電動機は、例えばハイブリッド車両や電動車両の駆動源として使用され、ハイブリッド車両に搭載されたときは、電動機及び発電機として動作する。
【００２５】
本実施形態では、後述するロータ位相差変更部を用いて、外側ロータ１２と内側ロータ１１の位相差を、電気角で±１８０°の範囲で進角側又は遅角側に変更することができる。以下の説明では、ステータ１０に対する外側ロータ１２の回転方向と外側ロータ１２に対する内側ロータ１１の進角方向が同じときの２重ロータの位相差を＋（正）の値で表し、ステータ１０に対する外側ロータ１２の回転方向と外側ロータ１２に対する内側ロータ１１の進角方向が逆のときの２重ロータの位相差を−（負）の値で表す。
【００２６】
したがって、外側ロータ１２の磁石のＮＳ極間の中間に内側ロータ１１の磁石が位置する場合を「中間位相」と呼ぶと、中間位相の位相差には、位相差の絶対値を９０°とすると、図１（ａ）に示す＋９０°の場合と図１（ｂ）に示す−９０°の場合の２通りがある。また、半径方向に内側ロータ１１及び外側ロータ１２の磁石が逆極で並ぶ場合を「弱め位相」と呼ぶと、弱め位相の位相差には＋１８０°の場合と−１８０°の場合の２通りがあるが、これらは電動機の磁気構成上は区別がつかない。また、半径方向に内側ロータ１１及び外側ロータ１２の磁石が同極で並ぶ場合を「強め位相」と呼ぶと、強め位相の位相差は０°である。
【００２７】
このように、位相差を±Ｘ°とすると、０＜Ｘ＜１８０のとき、＋Ｘ°の場合と−Ｘ°の場合とでは、内側ロータ１１及び外側ロータ１２の同極同士又は異極同士の磁石の重なりは、向きが異なるだけで面積は同じである。したがって、図２に示すように、位相差が＋９０°の時（ａ）と−９０°の時（ｂ）とでインダクタンス（Ｌ）の相電流位相（θ）に対する変化が同等、すなわち、リラクタンストルクの相電流位相（θ）に対する変化は同じ傾向になる。しかし、この場合、中間位相時の磁石磁束（Φ）の分布は線対称性を有していないため、位相差が＋９０°の時と−９０°の時とで磁石トルクには相対的に位相差が生じる。その結果、位相差が＋９０°の時と−９０°の時とでは、相電流位相に対する合成トルクの波形が異なる。
【００２８】
なお、電動機１の突極性が外側ロータ１２に依存する場合、図３に示すように、位相差が９０°以外の中間位相時、位相差が＋Ｘ°の時と−Ｘ°の時とでインダクタンス（Ｌ）の相電流位相（θ）に対する変化は同じであるが、磁石磁束（Φ）の分布には位相差が生じる。また、電動機１の突極性が外側ロータ１２及び内側ロータ１１に依存する場合、図４に示すように、位相差が９０°以外の中間位相時、リラクタンストルクの相電流位相（θ）に対する変化は、中間位相時のインダクタンス分布が線対称性を有していないため、位相差が＋Ｘ°の時と−Ｘ°の時とで異なる。同様に、中間位相時の磁石磁束分布も線対称性を有していないため、位相差が＋Ｘ°の時と−Ｘ°の時とで磁石トルクには位相差が生じる。
【００２９】
その結果、例えば図５に示すように、位相差の符号が−（負）のときの電気角に対する誘起電圧波形（図５（ａ））と、位相差の符号が＋（正）のときの電気角に対する誘起電圧波形（図５（ｂ））は、ほぼ対称ではあるが微妙に異なる。このため、位相差の符号が＋（正）のときと−（負）のときとでは電動機１のトルク特性が異なる。この位相差の符号によるトルク特性の相違は、力行時のトルク特性と回生時のトルク特性にも影響する。すなわち、所定の位相差（機械角）で力行運転されている電動機１が、その位相差のまま回生運転に切り替えられると、電気角での位相差は符号が反転する。このため、機械角で位相差が固定された状態の電動機１は、力行時と回生時とでトルク特性が異なる。
【００３０】
図６は、２重ロータの位相差が±９０°の中間位相時の、一定振幅の相電流位相に対するリラクタンストルク、磁石トルク及び合成トルクを示すグラフである。図６に示すように、リラクタンストルクの相電流位相に対する変化は、２重ロータの位相差の符号にかかわらず同じであるが、リラクタンストルクに対する磁石トルクの位相は、位相差の符号が＋（正）の場合と−（負）の場合とで異なる。このため、図６に示すように、リラクタンストルクと磁石トルクの合成である合成トルクも位相差の符号によって異なる。図６によれば、電動機１が力行トルクを発生する場合には２重ロータの位相差を＋９０°に設定し、回生トルクを発生する場合には位相差を−９０°に設定すれば、電動機１は、力行時にも回生時にもそれぞれ大きなトルクを発生することができる。
【００３１】
図７は、中間位相時の相電流に対する合成トルクを示すグラフである。図８は、中間位相時の相電流に対する電動機１の運転効率（モータ効率）を示すグラフである。図７及び図８に示すように、より大きなトルクを発生できる位相差の符号の方が、より大きなモータ効率を実現できる。このため、大きなトルクを発生できる符号の位相差に設定することによって、より良いモータ効率が得られる。
【００３２】
＜電動機１の制御装置＞
電動機１の制御装置（以下、単に「制御装置」という。）は、トルク指令値等に基づいて電動機１に供給する電流を制御する電流制御系と、トルク指令値、当該トルク指令値の符号によって示される運転形態（力行運転又は回生運転）及び回転数等に応じて電動機１の２重ロータの位相差を制御する位相差制御系とから構成される。なお、電動機１は、位相差制御系による制御に応じて、内側ロータ１１と外側ロータ１２の位相差であるロータ位相差を変更するロータ位相差変更部を内部に有する。
【００３３】
図９は、電動機１が有するロータ位相差変更部の内部構造を示す図である。図９に示すように、ロータ位相差変更部３０は、内側ロータ１１の内周側の中空部に配置されたシングルピニオン型の遊星歯車機構であり、外側ロータ１２と同軸且つ一体に形成された第１リングギアＲ１、内側ロータ１１と同軸且つ一体に形成された第２リングギアＲ２、第１リングギアＲ１と噛合する第１プラネタリギア３１、第２リングギアＲ２に噛合する第２プラネタリギア３２、第１プラネタリギア３１及び第２プラネタリギア３２と噛合するアイドルギアであるサンギアＳ、第１プラネタリギア３１を回転自在に支持すると共に回転軸２に回転可能に軸支された第１プラネタリキャリアＣ１、及び第２プラネタリギア３２を回転自在に支持すると共にステータ１０に固定された第２プラネタリキャリアＣ２を備える。
【００３４】
第１リングギアＲ１及び第２リングギアＲ２は略同等のギア形状であり、第１プラネタリギア３１及び第２プラネタリギア３２も略同等のギア形状である。また、サンギアＳの回転軸３３は電動機１の回転軸２と同軸に配置されると共に、軸受け３４により回転可能に軸支されている。このため、第１プラネタリギア３１及び第２プラネタリギア３２がサンギアＳと噛合し、外側ロータ１２と内側ロータ１１が同期して回転する。さらに、第１プラネタリキャリアＣ１の回転軸３５は、電動機１の回転軸２と同軸に配置されると共にアクチュエータ２５に接続されており、第２プラネタリキャリアＣ２はステータ１０に固定されている。
【００３５】
アクチュエータ２５は、制御装置の位相差制御系から入力される制御信号に応じて、油圧により第１プラネタリキャリアＣ１を正転方向又は逆転方向に回転させ、或いは回転軸２回りの第１プラネタリキャリアＣ１の回転を規制する。アクチュエータ２５によって第１プラネタリキャリアＣ１が回転すると、外側ロータ１２と内側ロータ１１間の相対的な位置関係（位相差）が変化する。なお、油圧ではなく電動により第１プラネタリキャリアＣ１を回転させるアクチュエータを用いても良い。
【００３６】
（第１の実施例）
図１０は、電動機１の制御装置の第１の実施例を示すブロック図である。図１０に示すように、第１の実施例の制御装置は、レゾルバ１０１と、回転数算出部１０３と、電流制御系に含まれる電流指令算出部１０５、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１０７、３相−ｄｐ変換部１０９、電流ＦＢ制御部１１１、ｒθ変換部１１３及びＰＷＭ演算部１１５と、上記説明したアクチュエータ２５と、ロータ位相差検出部１１７と、Ｋｅ算出部１１９と、位相差制御系に含まれる指令値決定部１２１及びロータ位相差制御部１２３とを備える。
【００３７】
レゾルバ１０１は、外側ロータ１２の機械角度を検出し、検出した機械角度に応じた電気角度θｍを出力する。レゾルバ１０１から出力された電気角度θｍは、３相−ｄｑ変換部１０９及び回転数算出部１０３に送られる。回転数算出部１０３は、レゾルバ１０１から入力された電気角度θｍから外側ロータ１２の単位時間当たりの回転数Ｎｍを算出する。回転数算出部１０３から出力された回転数Ｎｍは、電流指令算出部１０５及び指令値決定部１２１に送られる。
【００３８】
電流指令算出部１０５は、外部から入力されたトルク指令値Ｔと、回転数算出部１０３によって算出された電動機１の回転数Ｎｍと、Ｋｅ算出部１１９によって算出された誘起電圧定数Ｋｅとに基づいて、ｄ軸側の電機子（以下「ｄ軸電機子」という。）に流す電流（以下「ｄ軸電流」という。）の指令値Ｉｄ＿ｃ及びｑ軸側の電機子（以下「ｑ軸電機子」という。）に流す電流（以下「ｑ軸電流」という。）の指令値Ｉｑ＿ｃを決定する。
【００３９】
３相−ｄｑ変換部１０９は、電流センサ１３１，１３３により検出されＢＰＦ１０７により不要成分が除去された電流検出信号Ｉｕ，Ｉｗと、レゾルバ７３によって検出された外側ロータ１２の電気角度θｍとに基づいて３相−ｄｑ変換を行って、ｄ軸電流の検出値Ｉｄ＿ｓ及びｑ軸電流の検出値Ｉｑ＿ｓを算出する。
【００４０】
電流ＦＢ制御部１１１は、ｄ軸電流の指令値Ｉｄ＿ｃと検出値Ｉｄ＿ｓの偏差ΔＩｄ及びｑ軸電流の指令値Ｉｑ＿ｃと検出値Ｉｑ＿ｓの偏差ΔＩｑが減少するよう、ｄ軸電機子の端子間電圧（以下「ｄ軸電圧」という。）の指令値Ｖｄ＿ｃ及びｑ軸電機子の端子間電圧（以下「ｑ軸電圧」という。）の指令値Ｖｑ＿ｃを決定する。なお、偏差ΔＩｄは、界磁制御部１４１によって制御される。また、偏差ΔＩｑは、電力制御部１４３によって制御される。
【００４１】
ｒθ変換部１１３は、ｄ軸電圧の指令値Ｖｄ＿ｃ及びｑ軸電圧の指令値Ｖｑ＿ｃを大きさＶ１と角度θの成分に変換する。ＰＷＭ演算部１１５は、大きさＶ１と角度θの成分をＰＷＭ制御により３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の交流電圧に変換する。
【００４２】
ロータ位相差検出部１１７は、実際のロータ位相差θｓを検出する。上述したように、ロータ位相差に応じて界磁の磁束が変化すると、電動機１の誘起電圧定数Ｋｅも変化する。したがって、Ｋｅ算出部１１９は、ロータ位相差検出部１１７によって検出された実際のロータ位相差θｓから誘起電圧定位数Ｋｅを算出する。
【００４３】
指令値決定部１２１は、外部から入力されたトルク指令値Ｔと、回転数算出部１０３によって算出された電動機１の回転数Ｎｍと、外部から入力された図示しない蓄電器のバッテリ電圧Ｖｄｃとに基づいて、ロータ位相差の指令値θｃを決定する。指令値決定部１２１は、ロータ位相差の指令値θｃを決定する際に、図示しないメモリに格納された図１１に示す最適θマップを利用する。最適θマップは、図１２に示すグラフに基づき予め作成されて、メモリに格納される。図１２は、電動機１の回転数Ｎｍとトルクとの関係に最適なロータ位相差を示すグラフである。
【００４４】
また、最適θマップには、バッテリ電圧Ｖｄｃに応じて内容が異なる複数のテーブルが設けられている。例えば、図１１に示すように、バッテリ電圧ＶｄｃがＶ１程度のときに参照されるテーブル、Ｖ２程度のときに参照されるテーブル、Ｖ３程度のときに参照されるテーブルといった複数のテーブルが最適θマップに設けられている。
【００４５】
指令値決定部１２１は、図１３に示すように、外部から入力されたバッテリ電圧Ｖｄｃに対応するテーブルの最適θマップを用いて、トルク指令値Ｔ及び回転数Ｎｍに最適なロータ位相差θを決定し、ロータ位相差の指令値θｃを出力する。なお、ロータ位相差の指令値θｃは、電気角で−１８０°≦θｃ≦＋１８０°である。
【００４６】
ロータ位相差制御部１２３は、指令値決定部１２１から出力されたロータ位相差の指令値θｃとロータ位相差検出部１１７によって検出された実際のロータ位相差θｓの偏差Δθが減少するよう制御信号を出力し、アクチュエータ２５を制御する。
【００４７】
以上説明したように、第１の実施例の制御装置によれば、電動機１のロータ位相差を電気角で±１８０度の範囲で進角側又は遅角側に変更することができるため、力行及び回生のいずれの場合にもトルク特性や運転効率等のポテンシャルを十分に引き出すことができる。
【００４８】
（第２の実施例）
図１４は、電動機１の制御装置の第２の実施例を示すブロック図である。図１４に示すように、第２の実施例の制御装置は、レゾルバ１０１と、回転数算出部１０３と、電流制御系に含まれる電流指令算出部１０５、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１０７、３相−ｄｐ変換部１０９、電流ＦＢ制御部１１１、ｒθ変換部１１３及びＰＷＭ演算部１１５と、アクチュエータ２５と、Ｋｅ算出部２１９と、位相差制御系に含まれる指令値決定部２２１及びロータ位相差制御部２２３とを備える。図１４において、図１０と共通する構成要素（レゾルバ１０１、回転数算出部１０３、電流指令算出部１０５、ＢＰＦ１０７、３相−ｄｐ変換部１０９、電流ＦＢ制御部１１１、ｒθ変換部１１３、ＰＷＭ演算部１１５、アクチュエータ２５）には同じ参照符号が付され、第１の実施例と同様の動作であるため説明を省略する。
【００４９】
本実施形態のＫｅ算出部２１９は、以下の式（１）から誘起電圧定数Ｋｅを算出する。
Ｋｅ＝（Ｖｑ−ω・Ｌｄ・Ｉｄ−Ｒ・Ｉｑ）／ω  …（１）
（ω：電動機１の角速度、Ｒ：ｑ軸電機子及びｄ軸電機子の抵抗、Ｉq：ｑ軸電流、Ｖq：ｑ軸電機子の端子間電圧、Ｌd：ｄ軸電機子のインダクタンス、Ｉd：ｄ軸電流）
なお、本実施形態であっても、第１の実施例のように、ロータ位相差検出部１１７から得られた実際のロータ位相差から誘起電圧定位数Ｋｅを算出しても良い。
【００５０】
本実施形態の指令値決定部２２１は、外部から入力されたトルク指令値Ｔに基づいて、ロータ位相差の符号（以下「θ符号」という。）を決定し、かつ、トルク指令値Ｔと、回転数算出部１０３によって算出された電動機１の回転数Ｎｍと、外部から入力された図示しない蓄電器のバッテリ電圧Ｖｄｃとに基づいて、誘起電圧定数の指令値Ｋｅ＿ｃを決定する。指令値決定部２２１は、θ符号を決定する際、トルク指令値Ｔが０以上（Ｔ≧０）であればθ符号を＋（正）に、トルク指令値Ｔが０未満（Ｔ＜０）であればθ符号を−（負）に決定する。また、指令値決定部２２１は、誘起電圧定数の指令値Ｋｅ＿ｃを決定する際に、図示しないメモリに格納された図１５に示す最適Ｋｅマップを利用する。最適Ｋｅマップは、図１６に示すグラフに基づき予め作成されて、メモリに格納される。図１６は、電動機１の回転数Ｎｍとトルクとの関係に最適な誘起電圧定数及びθ符号を示すグラフである。
【００５１】
また、最適Ｋｅマップには、第１の実施例の最適θマップと同様に、バッテリ電圧Ｖｄｃに応じて異なる複数のテーブルが設けられている。例えば、図１５に示すように、バッテリ電圧ＶｄｃがＶ１程度のときに用いられるテーブル、Ｖ２程度のときに用いられるテーブル、Ｖ３程度のときに用いられるテーブルといった複数のテーブルが最適Ｋｅマップに設けられている。
【００５２】
指令値決定部２２１は、図１７に示すように、トルク指令値Ｔに応じてθ符号を決定し、かつ、外部から入力されたバッテリ電圧Ｖｄｃに対応するテーブルの最適Ｋｅマップを用いて、トルク指令値Ｔ及び回転数Ｎｍに最適な誘起電圧定数Ｋｅを決定し、θ符号及び誘起電圧定数の指令値ｋｅ＿ｃを出力する。
【００５３】
本実施形態のロータ位相差制御部２２３は、指令値決定部２２１から出力された誘起電圧定数の指令値Ｋｅ＿ｃとＫｅ算出部２１９によって算出された誘起電圧定数Ｋｅの偏差ΔＫｅが減少するよう、指令値決定部２２１から出力されたθ符号に応じて制御信号を出力し、アクチュエータ２５を制御する。なお、アクチュエータ２５によってロータ位相差が変わると界磁の磁束が変化するため、電動機１の誘起電圧定数Ｋｅも変化する。
【００５４】
以上説明したように、第２の実施例の制御装置によれば、誘起電圧定数Ｋｅ及びθ符号の２つのパラメータに基づいて、電動機１のロータ位相差を電気角で±１８０度の範囲で進角側又は遅角側に変更することができるため、力行及び回生のいずれの場合にもトルク特性や運転効率等のポテンシャルを十分に引き出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】中間位相時の内側ロータ及び外側ロータの状態を示す図
【図２】位相差が±９０°の中間位相時のインダクタンス分布及び磁石磁束分布を示す図
【図３】電動機の突極性が外側ロータに依存する場合の、位相差が±Ｘ°の中間位相時のインダクタンス分布及び磁石磁束分布を示す図
【図４】電動機の突極性が外側ロータ及び内側ロータに依存する場合の、位相差が±Ｘ°の中間位相時のインダクタンス分布及び磁石磁束分布を示す図
【図５】中間位相時の誘起電圧波形を示す図
【図６】２重ロータの位相差が±９０°の中間位相時の、一定振幅の相電流位相に対するリラクタンストルク、磁石トルク及び合成トルクを示すグラフ
【図７】中間位相時の相電流に対する合成トルクを示すグラフ
【図８】中間位相時の相電流に対する電動機の運転効率（モータ効率）を示すグラフ
【図９】電動機１が有するロータ位相差変更部の内部構造を示す図
【図１０】電動機１の制御装置の第１の実施例を示すブロック図
【図１１】第１の実施例の制御装置で用いられる最適θマップを示す図
【図１２】電動機１の回転数Ｎｍとトルクとの関係に最適なロータ位相差を示すグラフ
【図１３】第１の実施例の制御装置が備える指令値決定部１２１の動作を示すフローチャート
【図１４】電動機１の制御装置の第２の実施例を示すブロック図
【図１５】第２の実施例の制御装置で用いられる最適Ｋｅマップを示す図
【図１６】電動機１の回転数Ｎｍとトルクとの関係に最適な誘起電圧定数及びθ符号を示すグラフ
【図１７】第２の実施例の制御装置が備える指令値決定部２２１の動作を示すフローチャート
【図１８】２重ロータを備えた電動機の断面図
【図１９】電動機の界磁強め状態（ａ）及び界磁弱め状態（ｂ）を示す図
【図２０】界磁強め状態及び界磁弱め状態の各状態で、電動機を所定回転数で作動させた場合にステータの電機子に生じる誘起電圧を示すグラフ
【図２１】２重ロータを備えた電動機の界磁弱め制御が必要な領域を示すグラフ
【符号の説明】
【００５６】
１  電動機
２  回転軸
１１  内側ロータ
１２  外側ロータ
１０ａ  電機子
１０  ステータ
３０  ロータ位相差変更部
Ｒ１  第１リングギア
Ｒ２  第２リングギア
３１  第１プラネタリギア
３２  第２プラネタリギア
３３，３５  回転軸
３４  軸受け
Ｓ  サンギア
Ｃ１  第１プラネタリキャリア
Ｃ２  第２プラネタリキャリア
１０１  レゾルバ
１０３  回転数算出部
１０５  電流指令算出部
１０７  バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）
１０９  ３相−ｄｐ変換部
１１１  電流ＦＢ制御部
１１３  ｒθ変換部
１１５  ＰＷＭ演算部
２５  アクチュエータ
１１７  ロータ位相差検出部
１１９，２１９  Ｋｅ算出部
１２１，２２１  指令値決定部
１２３，２２３  ロータ位相差制御部
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
0005212697.tif 000016
【図１６】
0005212697.tif 000017
【図１７】
0005212697.tif 000018
【図１８】
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【図１９】
0005212697.tif 000020
【図２０】
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【図２１】
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