JP4985956B2

JP4985956B2 - 電動機の制御装置

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Publication number: JP4985956B2
Application number: JP2007105560A
Authority: JP
Inventors: 博文新
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2007-04-13
Filing date: 2007-04-13
Publication date: 2012-07-25
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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１，２を参照）。このようなアキシャルギャップ型の電動機によれば、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

特許文献１，２に記載された技術においては、アキシャルギャップ型の電動機の通電制御を、ロータの両側に配置された双方のステータの電機子巻線に通電することで、ステータの電機子巻線による磁束の漏れを低減して、電動機の出力トルクを増大させることができる。

そして、アキシャルギャップ型の電動機の出力トルクを増大させて、アキシャルギャップ型の電動機の回転数が増加すると、電動機の端子間に生じる誘起電圧が大きくなって、該誘起電圧と電機子巻線への印加電圧との差が縮小する。そのため、電動機に供給し得る電流が減少して、電動機を制御することができなくなる。

そこで、本発明は、アキシャルギャップ型の電動機の制御可能範囲を拡大して、アキシャル型の電動機をより高回転、高トルクで作動させる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。

本発明は上記目的を達成するためになされたものであり、永久磁石を有するロータと、該ロータの回転軸心方向に該ロータを介して対向して設けられた第１ステータ及び第２ステータとを備えたアキシャルギャップ型の電動機の制御装置に関する。
そして、本発明の第１の態様は、前記第２ステータの電機子巻線と該第２ステータの電機子巻線の駆動回路間を、導通状態と遮断状態とに切り換える切換スイッチと、前記第１ステータの電機子巻線に前記ロータを回転駆動する磁界を生じさせるトルク電流を供給すると共に、前記第２ステータの電機子巻線に前記ロータの永久磁石による磁束を強める界磁電流又は該磁束を弱める界磁電流を供給し、前記第２ステータの電機子巻線に、前記ロータの永久磁石の磁束を弱める磁束を生じさせる界磁電流及び前記ロータの永久磁石の磁束を強める磁束を生じさせる界磁電流を供給しないときは、前記切換スイッチにより、前記第２ステータの電機子巻線と前記第２ステータの電機子巻線の駆動回路間を遮断状態とする通電制御手段とを備えたことを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記通電制御手段は、前記第１ステータの電機子巻線に前記トルク電流を供給して前記ロータを回転駆動するときに、前記第２ステータの電機子巻線に前記ロータの永久磁石による磁束を強める界磁電流を供給することで、前記電動機の制御可能範囲の出力トルクの上限を拡げることができる。また、前記第２ステータの電機子巻線に前記ロータの永久磁石による磁束を弱める界磁電流を供給することで、前記第１ステータの電機子巻線の端子間に生じる誘起電圧を減少させて、前記電動機の制御可能範囲の回転数の上限を広げることができる。

さらに、本発明によれば、前記通電制御手段は、前記第２ステータの電機子巻線に前記ロータの磁束を強める界磁電流及び前記ロータの磁束を弱める界磁電流を供給しないときには、前記切換スイッチにより、前記第２ステータの電機子巻線と前記第２ステータの電機子巻線の駆動回路間を遮断状態とする。これにより、前記第２ステータの電機子巻線に界磁電流を供給することなく、前記第２ステータの電機子巻線の通電量を０とすることができるため、前記電動機への供給電力を減少させることができる。

また、本発明の第２の態様は、前記第１ステータの電機子巻線の端子間電圧を検知する端子間電圧検出手段と、前記電動機の回転数を検出する回転数検出手段と、前記第１ステータの電機子巻線に前記ロータを回転駆動する磁界を生じさせるトルク電流を供給すると共に、前記第２ステータの電機子巻線に前記ロータの永久磁石による磁束を強める界磁電流又は該磁束を弱める界磁電流を供給し、前記ロータの回転時に前記第１ステータの電機子巻線の端子間電圧が所定電圧以上となるときには、前記第２ステータの電機子巻線に、前記ロータの永久磁石の磁束を弱める磁束を生じさせる前記界磁電流を供給し、前記ロータの回転時に前記第１ステータの電機子巻線の端子間電圧が所定電圧以上となり、且つ、前記電動機の回転数が所定回転数以上であるときには、前記第２ステータの駆動回路を構成し、前記第２ステータの各相毎に設けられて、各相の電機子巻線の入力部の高電位側への導通と遮断とを切り換える第１のスイッチング素子と、各相の電機子巻線の入力部の低電位側への導通と遮断とを切り換える第２のスイッチング素子とを、前記各第１のスイッチング素子をＯＮ状態として前記各第２のスイッチング素子をＯＦＦ状態とするか、又は前記各第１のスイッチング素子をＯＦＦ状態として前記各第２のスイッチング素子をＯＮ状態とする通電制御手段とを備えたことを特徴とする。

かかる本発明によれば、詳細は後述するが、前記ロータの回転時に前記第１ステータの電機子巻線の端子間電圧が所定電圧以上であって、且つ、前記電動機の回転数が前記所定回転数以上であるときに、前記通電制御手段は、前記各第１のスイッチング素子をＯＮ状態として前記各第２のスイッチング素子をＯＦＦ状態とするか、又は前記各第１のスイッチング素子をＯＦＦ状態として前記第２のスイッチング素子をＯＮ状態とする。これにより、詳細は後述するが、前記第２ステータの電機子巻線に界磁電流を供給する場合と同様に、前記第２ステータの電機子巻線に生じる誘起電圧によって流れる電流により、前記ロータの永久磁石の磁束を弱める効果を生じさせることができる。そのため、前記電動機に供給する電力を減少させることができる。

また、上記第１の態様及び第２の態様において、前記第１ステータと前記第２ステータの磁気回路断面積が、同一に設定されていることを特徴とする。
また、本発明の第３の態様は、前記第１ステータの電機子巻線に前記ロータを回転駆動する磁界を生じさせるトルク電流を供給すると共に、前記第２ステータの電機子巻線に前記ロータの永久磁石による磁束を強める界磁電流又は該磁束を弱める界磁電流を供給する通電制御手段を備え、前記第１ステータと前記第２ステータの磁気回路断面積が、同一に設定されていることを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記第１ステータと前記第２ステータの磁気回路抵抗がほぼ同一となるため、前記第２ステータの電機子巻線に前記界磁電流を供給することによる前記ロータの永久磁石による磁束を弱める効果及び該磁束を強める効果を高めることができる。

本発明の一実施形態を図１〜図６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ている。電動機３は、詳細は後述するが、ロータ１１と、第１ステータ１２ａ及び第２ステータ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及び回転軸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、或いは、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第１ステータ１２ａ及び第２ステータ１２ｂの電機子巻線の通電電流を制御する。

図２（ａ），（ｂ）は、電動機３のロータ１１と、第１ステータ１２ａ及び第２ステータ１２ｂの構造を示す斜視図である。図２（ａ）はロータ１１と第１ステータ１２ａ及び第２ステータ１２ｂを電動機３の組立状態で示し、図２（ｂ）はロータ１１と第１ステータ１２ａ及び第２ステータ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）に仮想線で示したように、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に記載したように、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１５は、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１２個であり、ロータ１１の極対数は６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。

第１ステータ１２ａ及び第２ステータ１２ｂは、厚みが異なる以外は同一の構造を有し、図２（ｂ）に示したように、各々、リング状の基体１９ａ，１９ｂ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１９ａ，１９ｂの軸心方向に突設された複数のティース２０ａ，２０ｂが、該基体１９ａ，１９ｂの軸心まわりに等角度間隔で配列されている。基体１９ａとティース２０ａ及び基体１９ｂと２０ｂ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、第１ステータ１２ａのティース２０ａ及び第２ステータ１２ｂのティース２０ｂの個数はそれぞれ３６個である。

第１ステータ１２ａ及び第２ステータ１２ｂには、図２（ｂ），図３に示したように、周方向で隣り合うティース２０ａ，２０ａ間の溝であるスロット２１ａに電機子巻線２２ａが装着され、ティース２０ｂ，２０ｂ間の溝であるスロット２１ｂに電機子巻線２２ｂが装着されている。図３は第１ステータ１２ａ及び第２ステータ１２ｂの断面図である。

本実施形態では、第１ステータ１２ａに装着される電機子巻線２２ａと第２ステータ１２ｂに装着される電機子巻線２２ｂは、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）分である。また、第１ステータ１２ａにおける電機子巻線２２ａの装着態様と、第２ステータ１２ｂにおける電機子巻線２２ｂの装着形態は、互いに同一である。

例えば、第１ステータ１２ａの各相の電機子巻線２２ａは、第１ステータ１２ａの軸心方向で見たときに、ロータ１１の永久磁石１５の個数と同数の巻き線ループが、第１ステータ１２ａの周方向に等角度間隔で形成されるように第１ステータ１２ａに装着される。第２ステータ１２ｂ側の電機子巻線２２ｂについても同様である。

また、第１ステータ１２ａ側の電機子巻線２２ａの巻き線パターンと第２ステータ１２ｂ側の電機子巻線２２ｂの巻き線パターンは同一で、第１ステータ１２ａの電機子巻線２２ａのターン数が第２ステータ２ｂの電機子巻線２２ｂのターン数よりも少なく設定されている。そして、これにより、第１ステータ１２ａの電機子巻線２２ａについては、交流インピーダンスを低くして通電量を大きくし、これにより電動機３の出力トルクを増大させている。一方、第２ステータ１２ｂの電機子巻線２２ｂについては、電流を供給したときに生じる磁束を大きくして、後述する界磁制御に必要となる通電量を減少させている。

また、巻き線の線径は、第１ステータ１２ａの電機子巻線２２ａの方が、第２ステータ１２ｂの電機子巻線２２ｂよりも大きく、これにより、第２ステータ２２ｂの厚みを第１ステータ２２ａよりも薄くしている。

第１ステータ１２ａ及び第２ステータ１２ｂは、電動機３の組立状態では、図２（ａ）に示したように、第１ステータ１２ａと第２ステータ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、第１ステータ１２ａのティース２０ａ及び第２ステータ１２ｂのティース２０ｂの先端面がロータ１１に近接して対向する。

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に、第１ステータ１２ａの各ティース２０ａの位置（軸心まわりの角度位置）と、第２ステータ１２ｂの各ティース２０ｂの位置（軸心まわりの角度位置）とが合致するように、第１ステータ１２ａ及び第２ステータ１２ｂが電動機３に組み付けられている。

すなわち、第１ステータ１２ａの個々のティース２０ａと第２ステータ１２ｂの個々のティース２０ｂとを、ロータ１１の軸心方向で正対させて組み付けられている。そして、第１ステータ１２ａの各相の電機子巻線２２ａと、これと同じ相の第２ステータ１２ｂの電機子巻線２２ｂとは、各相毎に、第１ステータ１２ａの電機子巻線２２ａの巻き線ループと第２ステータ１２ｂの電機子巻線２２ｂの巻き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に、第１ステータ１２ａ側の巻き線ループと第２ステータ１２ｂ側の巻き線ループとが互いに同じ角度位置に存するように）、第１ステータ１２ａ及び第２ステータ１２ｂに装着されている。

したがって、第１ステータ１２ａの各相の電機子巻線２２ａと、それと同じ相の第２ステータ１２ｂの電機子巻線２２ｂとに、同一位相の電流を通電したとき、各相毎に、第１ステータ１２ａの電機子巻線２２ａが発生する磁束と、第２ステータ１２ｂの電機子巻線２２ｂ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状態となる。なお、本実施形態では、第１ステータ１２ａ及び第２ステータ１２ｂは、厚みが異なる以外は同一の構造を有しているので、第１ステータ１２ａ及び第２ステータ１２ｂ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４を参照して、制御装置８の構成を詳細に説明する。図４は制御装置８の機能的構成を示すブロック図である。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４に示したように、第１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、第２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。

先ず、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の第１ステータ１２ａ及び第２ステータ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、電動機３を、２相直流のｄ−ｑ座標系での等価回路に変換して扱う。

この等価回路は、ｄ軸上の電機子（以下、ｄ軸電機子という）と、ｑ軸上の電機子（以下、ｑ軸電機子という）とを有する。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。

ｄ−ｑベクトル制御においては、ｑ軸電機子の通電量を調節することにより、電動機３の出力トルクを制御することができる。また、ｄ軸電機子の通電量を調節することにより、ロータ１１の永久磁石１５による磁束を強める制御（界磁強め制御）と、ロータ１１の永久磁石１５による磁束を弱める制御（界磁弱め制御）とを行うことができる。そして、制御装置８は、第１ステータ１２ａの電機子巻線１３ａをｑ軸電機子の巻線とし、第２ステータ１２ｂの電機子巻線１３ｂをｄ軸電機子の巻線として、ｄ−ｑベクトル制御を行う。

制御装置８は、外部から与えられるトルク指令値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の第１ステータ１２ａの電機子巻線１３ａ及び第２ステータ１２ｂの電機子巻線１３ｂの各相電流を制御する。

制御装置８は、その機能的構成として、ｑ軸電機子の電流（本発明のトルク電流に相当する。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、及びｄ軸電機子の電流（本発明の界磁電流に相当する。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を決定する電流指令決定部３０を備えている。

電流指令決定部３０は、予め実験やコンピュータシミュレーション等により設定された電動機３の出力トルクＴr及び第１ステータ１２ａの電機子巻線１３ａの端子間電圧Ｖtと、ｄ軸電流Ｉd及びｑ軸電流Ｉqの対応マップに、トルク指令値Ｔr_cを適用して、ｑ軸電流指令値Ｉq_c及びｄ軸電流指令値Ｉd_cを決定する。なお、該対応マップのデータは、制御装置８のメモリ（図示しない）に保持されている。

また、制御装置８は、ｑ軸電流指令値Ｉq_c及びｄ軸電流指令値Ｉd_cに応じて、ｄ軸電機子の巻線の電圧（以下、ｄ軸電圧という）の指令値であるｄ軸電圧指令値Ｖd_c、及びｑ軸電機子の巻線の電圧（以下、ｑ軸電圧という）の指令値であるｑ軸電圧指令値Ｖq_cを決定する電流制御部４０を備えている。

さらに、制御装置８は、第１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３３ａ，３４ａと、これらの電流センサ３３ａ，３４ａの出力をＢＰフィルタ３５ａに通すことにより得られた第１ステータ１２ａのＵ相電機子巻線１３ａの電流検出値Ｉu_s1及びＷ相電機子巻線１３ａの電流検出値Ｉw_s1から、ｑ軸電流の検出値（推定値）としてのｑ軸電流検出値Ｉq_sを算出するｄｑ変換部３６ａとを備えている。ＢＰフィルタ３５ａは、電流センサ３３ａ，３４ａ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３６ａは、第１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（レゾルバ１４によるロータ１１の回転角度の検出値θm_sに、ロータ１１の対極数を乗じて算出される）に応じて、次式（１）により座標変換することによりｑ軸電流検出値Ｉq_sを算出する。

また、制御装置８は、第２ステータ１２ｂの３相の電機子巻線１３ｂ，１３ｂ，１３ｂのうちのＵ相、Ｗ相の電機子巻線１３ｂ，１３ｂのそれぞれの相電流を検出する電流センサ３３ｂ，３４ｂと、これらの電流センサ３３ｂ，３４ｂの出力をＢＰフィルタ３５ｂに通すことにより得られた第２ステータ１２ｂのＵ相電機子巻線１３ｂの電流検出値Ｉu_s2及びＷ相電機子巻線１３ｂの電流検出値Ｉw_s2から、上記式（１）と同様にｄ軸電流の検出値（推定値）としてのｄ軸電流検出値Ｉd_sを算出するｄｑ変換部３６ｂとを備えている。

電流制御部４０は、ｑ軸電流指令値Ｉq_cとｑ軸電流検出値Ｉq_sとの偏差ΔＩq（＝Ｉq_c−Ｉq_s）を求める減算部４１と、該偏差ΔＩqを解消する（０に近づける）ように、ＰＩ（比例・積分）制御則によるフィードバック制御により、ｑ軸電圧の基本指令値Ｖq1_cを算出するｑ軸電流ＰＩ制御部４２と、ｄ軸電流指令値Ｉd_cとｄ軸電流検出値Ｉd_sとの偏差ΔＩd（＝Ｉd_c−Ｉd_s）を求める減算部４５と、該偏差ΔＩdを解消する（０に近づける）ように、ＰＩ（比例・積分）制御則によるフィードバック制御により、ｄ軸電圧の基本指令値Ｖd1_cを算出するｄ軸電流ＰＩ制御部４６と、ｄ軸及び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ｑ軸電圧の補正量Ｖq2_cおよびｄ軸電圧の補正量Ｖd2_cを求める非干渉制御部４４とを備えている。

なお、非干渉制御部４４は、ｑ軸側の補正量Ｖq2_cをｄ軸電流指令値Ｉd_cとロータ角速度（ロータ角度の検出値θm_sを微分して算出される）とから算出し、ｄ軸側の補正量Ｖd2_cをｑ軸電流指令値Ｉq_cとロータ角速度とから算出する。

さらに、電流制御部４０は、ｑ軸電圧の基本指令値Ｖq1_cに補正量Ｖq2_cを加えて、最終的なｑ軸電圧指令値Ｖq_cを求める加算部４３と、ｄ軸電圧の基本指令値Ｖd1_cに補正量Ｖd2_cを加えて、最終的なｄ軸電圧指令値Ｖd_cを求める加算部４７とを備えている。

また、制御装置８は、ｑ軸電圧指令値Ｖq_cから第１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３１ａと、これらの相電圧指令値Ｖu_c1，Ｖv_c1，Ｖw_c1に応じて第１ステータ１２ａの各相の電機子巻線１３ａに通電する第１ＰＤＵ（Power Drive Unit）３２ａと、第１ＰＤＵ３２ａに電力を供給するバッテリ３８ａ（本発明の第１の電源に相当する）とを備えている。

なお、第１ＰＤＵ３２ａは、第１ステータ１２ａの電機子巻線１３ａの端子間電圧Ｖtを検知する機能（該機能を実現する構成が本発明の端子間電圧検出手段に相当する）を備えており、端子間電圧Ｖtの検出値が電流指令決定部３０に入力される。

３相変換部３１ａは、ｑ軸電圧指令値Ｖq_cを、ロータ１１の電気角θeに応じて、以下の式（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、上記式（１）の但し書きで定義した行列Ａ(θe)の転置行列である。

また、制御装置８は、ｄ軸電圧指令値Ｖd_cから、上記式（２）と同様にして第２ステータ１２ｂのＵ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれの電機子巻線１３ｂの相電圧指令値Ｖu_c2，Ｖv_c2，Ｖw_c2を求める３相変換部３１ｂと、これらの相電圧指令値Ｖu_c2，Ｖv_c2，Ｖw_c2に応じて第２ステータ１２ｂの各相の電機子巻線１３ｂに通電する第２ＰＤＵ３２ｂと、第２ＰＤＵ３２ｂに電力を供給するバッテリ３８ｂ（本発明の第２の電源に相当する）とを備えている。

なお、電流指令決定部３０、電流制御部４０、３相変換部３１ａ、第１ＰＵＤ３２ａ、電流センサ３３ａ，３４ａ、バンドパスフィルタ３５ａ、ｄｑ変換部３６ａ、３相変換部３１ｂ、第２ＰＤＵ３２ｂ、電流センサ３３ｂ，３４ｂ、バンドパスフィルタ３５ｂ、及びｄｑ変換部３６ｂにより、本発明の通電制御手段が構成される。

また、電流指令決定部３０の前記対応マップにおいては、第１ステータ１２ａの電機子巻線１３ａの端子間電圧Ｖtが、第１の電源３８ａの出力電圧に基づいて設定された所定電圧以上となったときに、ｄ軸電流指令値Ｉd_cが負（−）に設定され、これにより第２ステータ１２ｂの電機子巻線１３ｂにロータ１１の永久磁石の磁束を弱める磁束を生じさせる界磁弱め制御が実行される。また、前記対応マップにおいては、トルク指令値Ｔr_cが所定値以上となったときに、ｄ軸電流指令値Ｉd_cが正（＋）に設定され、これにより第２ステータ１２ｂの電機子巻線１３ｂにロータ１１の永久磁石の磁束を強める磁束を生じさせる界磁強め制御が実行される。

このように、制御装置８は、第１ステータ１２ａの電機子巻線１３ａをｄ軸電機子の巻線とし、第２ステータ１２ｂの電機子巻線１３ｂをｑ軸電機子の巻線として、電動機３の作動を制御する。この場合、トルク制御用の第１ステータ１２ａの仕様と、界磁制御用の第２ステータ１２ｂの仕様を個別に独立して設定することができる。

ここで、第１ステータ１２ａの電機子巻線１３ａには、ロータ１１を回転させるために比較的大きな電流を供給する必要があるが、第２ステータ１２ｂの電機子巻線１３ｂには、ロータ１１の永久磁石１５の界磁弱め及び界磁強め制御のための小さな電流を供給できればよい。

そこで、本実施形態では、第２ステータ１２ｂ用の第２ＰＤＵ３２ｂに電力を供給するバッテリ３８ｂの出力電圧を、第１ステータ１２ａ用の第１ＰＤＵ３２ａに電力を供給するバッテリ３８ａの出力電圧よりも低く設定している。そして、これにより、バッテリ３８ｂ、第２ＰＤＵ３２ｂ、電流センサ３３ｂ，３４ｂ、及び第２ステータ１２ｂの電機子巻線１３ｂの耐圧を低く設定することができ、これらの小型化とコストの低減を図ることができる。

また、制御装置８は、第２ＰＤＵ３２ｂと第２ステータ１２ｂの電機子巻線１３ｂ間の導通と遮断とを切換える切換スイッチ５０を備えている。そして、切換スイッチ５０は、ｄ軸電流指令値Ｉd_cが０であるときにＯＦＦして、第２ＰＤＵ３２ｂと第２ステータ１２ｂの電機子巻線１３ｂ間を遮断状態とする。これにより、ｄ軸電流を０とするために第２ステータ１２ｂの電機子巻線１３ｂに電力供給する必要がなくなるため、電動機３における電力消費を低減することができる。

次に、図５は、第１ＰＤＵ３２ａに備えられたインバータ６０ａと、第２ＰＤＵ３２ｂに備えられたインバータ６０ｂの構成を示した図であり、第１ＰＤＵ３２ａは、第１ステータ１２ａの各相の電機子巻線１３ａの入力部を高電位側（図中Ｈｉで示した側）に導通／遮断するためのトランジスタ６２ａと、低電位側（図中Ｌo）に導通／遮断するためのトランジスタ６３ａとを有する切換回路６１ａを、各相の電機子巻線１３ａ毎に備えたインバータ６０ａを備えている。そして、第１ＰＤＵ３２ａは、各切換回路６１ａのトランジスタ６２ａ及びトランジスタ６３ａのＯＮ／ＯＦＦをＰＷＭ制御により切り換えることによって、各電機子巻線１３ａの通電量を変更する。

同様に、第２ＰＤＵ３２ｂは、第２ステータ１２ｂの各電機子巻線１３ｂを高電位側に導通／遮断するためのトランジスタ６２ｂ（本発明の第１のスイッチング素子に相当する）と、低電位側に導通／遮断するためのトランジスタ６３ｂ（本発明の第２のスイッチング素子に相当する）とを有する切換回路６１ｂを、各相の電機子巻線１３ｂ毎に備えたインバータ６０ｂを備えている。

そして、本実施の形態では、ｄ軸指令電流Ｉd_cが０であるときに切換スイッチ５０の各相のスイッチ５０をＯＦＦして第２ＰＤＵ３２ｂと第２ステータ１２ｂの各相の電機子巻線１３ｂ間を遮断したが、切換スイッチ５０を備えずに、図５に示したインバータ６０ｂの全てのトランジスタ６２ｂ，６３ｂをＯＦＦ（ゲートオフ）としてもよい。さらに、電動機３の回転数が所定回転数を超えたときには、図６に示したインバータ６０ｂの高電位側のトランジスタ６２ｂを全てＯＮして低電位側のトランジスタ６３ｂを全てＯＦＦするか、或いはインバータ６０ｂの低電位側のトランジスタ６３ｂを全てＯＮして低電位側のトランジスタ６２ｂを全てＯＦＦする、いわゆる３相短絡状態としてもよい。

ここで、図６は、ｄ軸電機子の巻線に供給する界磁電流の大きさ及び方向を縦軸とし、電動機３の回転数ωを横軸として、界磁電流と電動機３の回転数ωとの関係を示したグラフである。図中ａはｄ軸電流の供給を制御して界磁弱め弱め制御を行う場合を示しており、低回転域（ω＜ω１）では、ｄ軸電流が０（Ｉd＝０）となるように、第２ステータ１２ｂの電機子巻線１３ｂに供給する電流を制御する。そして、電動機３の回転数ωがω1を超えたときは、ｄ軸電流を次第に増加させる。これにより、ロータ１１の永久磁石の磁束を弱める磁束を生じさせている。

そして、電動機３の回転数ωがω2以上となると、界磁弱め制御を行ったときと３相短絡状態としたときで、ｄ軸電流の大きさに差がなくなる。そこで、電動機３の回転数ωがω2以上の高回転域では、第２ステータ１２ａの電機子巻線１３ｂを３相短絡状態とすることで、ｄ軸電流を供給することなく界磁弱めの効果を得ることができる。この場合、制御装置８から第２ステータ１２ｂの電機子巻線１３ｂに電力供給する必要がないため、電力消費を低減することができる。

なお、本実施の形態では、本発明の電動機制御装置として、ハイブリッド車両に備えられたアキシャルギャップ型の電動機の作動を制御するものを示したが、他の用途に用いられるアキシャルギャップ型の電動機の制御装置に対しても、本発明の適用が可能である。

また、本実施の形態では、第２ステータ１２ｂ用の第２の電源３８ｂの出力電圧を、第１ステータ１２ａ用の第１の電源３８ａの出力電圧よりも低く設定したが、かかる設定としない場合であっても本発明の効果を得ることができる。

また、本実施の形態では、第１ステータ１２ａの電機子巻線１３ａのターン数を、第２ステータ１２ｂの電機子巻線１３ｂのターン数よりも少なく設定したが、かかる設定としない場合であっても本発明の効果を得ることができる。

また、本実施の形態では、第１ステータと第２ステータの磁気回路断面積を同一に設定したが、かかる設定としない場合であっても本発明の効果を得ることができる。

本発明の電動機の制御装置が搭載された車両の構成図。アキシャルギャップ型の電動機の構造の説明図。第１ステータ及び第２ステータにおける電機子巻線の装着態様の説明図。電動機の制御装置の機能的構成を示すブロック図。電動機の駆動回路の構成図。界磁弱め制御を行った場合と３相短絡状態とした場合を比較した説明図。

符号の説明

１…車両、２…内燃機関、３…アキシャルギャップ型の電動機、８…電動機の制御装置、１１…ロータ、１２ａ…第１ステータ、１２ｂ…第２ステータ、１３ａ，１３ｂ…電機子巻線、３０…電流指令決定部、３８ａ…バッテリ（第１の電源）、３８ｂ…バッテリ（第２の電源）、５０…切換スイッチ、６０ａ，６０ｂ…インバータ、６２ａ，６３ａ，６２ｂ，６３ｂ…スイッチング素子

Claims

永久磁石を有するロータと、該ロータの回転軸心方向に該ロータを介して対向して設けられた第１ステータ及び第２ステータ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、
前記第２ステータの電機子巻線と該第２ステータの電機子巻線の駆動回路間を、導通状態と遮断状態とに切り換える切換スイッチと、
前記第１ステータの電機子巻線に前記ロータを回転駆動する磁界を生じさせるトルク電流を供給すると共に、前記第２ステータの電機子巻線に前記ロータの永久磁石による磁束を強める界磁電流又は該磁束を弱める界磁電流を供給し、
前記第２ステータの電機子巻線に、前記ロータの永久磁石の磁束を弱める磁束を生じさせる界磁電流及び前記ロータの永久磁石の磁束を強める磁束を生じさせる界磁電流を供給しないときは、前記切換スイッチにより、前記第２ステータの電機子巻線と前記第２ステータの電機子巻線の駆動回路間を遮断状態とする通電制御手段と
を備えたことを特徴とする電動機の制御装置。
永久磁石を有するロータと、該ロータの回転軸心方向に該ロータを介して対向して設けられた第１ステータ及び第２ステータ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、
前記第１ステータの電機子巻線の端子間電圧を検知する端子間電圧検出手段と、
前記電動機の回転数を検出する回転数検出手段と、
前記第１ステータの電機子巻線に前記ロータを回転駆動する磁界を生じさせるトルク電流を供給すると共に、前記第２ステータの電機子巻線に前記ロータの永久磁石による磁束を強める界磁電流又は該磁束を弱める界磁電流を供給し、
前記ロータの回転時に前記第１ステータの電機子巻線の端子間電圧が所定電圧以上となるときには、前記第２ステータの電機子巻線に、前記ロータの永久磁石の磁束を弱める磁束を生じさせる前記界磁電流を供給し、
前記ロータの回転時に前記第１ステータの電機子巻線の端子間電圧が所定電圧以上となり、且つ、前記電動機の回転数が所定回転数以上であるときには、前記第２ステータの駆動回路を構成し、前記第２ステータの各相毎に設けられて、各相の電機子巻線の入力部の高電位側への導通と遮断とを切り換える第１のスイッチング素子と、各相の電機子巻線の入力部の低電位側への導通と遮断とを切り換える第２のスイッチング素子とを、前記各第１のスイッチング素子をＯＮ状態として前記各第２のスイッチング素子をＯＦＦ状態とするか、又は前記各第１のスイッチング素子をＯＦＦ状態として前記各第２のスイッチング素子をＯＮ状態とする通電制御手段と
を備えたことを特徴とする電動機の制御装置。
請求項１又は請求項２に記載の電動機の制御装置において、
前記第１ステータと前記第２ステータの磁気回路断面積が、同一に設定されていることを特徴とする電動機の制御装置。
永久磁石を有するロータと、該ロータの回転軸心方向に該ロータを介して対向して設けられた第１ステータ及び第２ステータ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、
前記第１ステータの電機子巻線に前記ロータを回転駆動する磁界を生じさせるトルク電流を供給すると共に、前記第２ステータの電機子巻線に前記ロータの永久磁石による磁束を強める界磁電流又は該磁束を弱める界磁電流を供給する通電制御手段を備え、
前記第１ステータと前記第２ステータの磁気回路断面積が、同一に設定されていることを特徴とする電動機の制御装置。