DE112014001803T5

DE112014001803T5 - Steuersystem für eine elektrische Drehmaschine und Verfahren zum Steuern derselben

Info

Publication number: DE112014001803T5
Application number: DE112014001803.1T
Authority: DE
Inventors: Tetsuya Miura; Yasuhide Yagyu; Takanori Kadota
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-04-02
Filing date: 2014-04-01
Publication date: 2016-01-07
Also published as: JP2014204517A; WO2014162192A3; CN105075078A; WO2014162192A2; US20160043677A1; JP5842852B2

Abstract

Ein Steuersystem 10 einer drehbaren elektrischen Maschine enthält eine Steuereinrichtung 70 und einen Rotor 28, der ein erstes Rotorelement 40 und ein zweites Rotorelement 42 aufweist, die innerhalb des Stators 24 drehbar angeordnet und so angebracht sind, dass sie gegenseitig voneinander in einer axialen Richtung getrennt sind. Das erste Rotorelement 40 weist einen ersten Magnet auf und ist an einem drehbaren Schaft 26 fest angebracht. Das zweite Rotorelement 42 weist einen zweiten Magnet auf und ist an dem drehbaren Schaft 26 drehbar vorgesehen. Die Steuereinrichtung 70 führt eine Vektorsteuerung des Statorspulenstroms für einen Übergang einer Inter-Rotor-Phase, nämlich einer relativen Phasendifferenz des zweiten Rotorelements 42 in Relation zu dem ersten Rotorelement 40, durch.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Steuersystem für eine drehbare elektrische Maschine bzw. eine elektrische Drehmaschine bzw. einen drehbaren Elektromotor, und auf ein Verfahren zum Steuern derselben bzw. desselben, und bezieht sich ferner auf eine Technik für die Veränderung einer effektiven Größe eines magnetischen Flusses eines Rotors.
2. Beschreibung von verwandter Technik
Drehbare elektrische Maschinen des Typs mit variablem magnetischen Fluss bzw. Magnetfluss sind bekannt, wie sie beispielsweise in der japanischen Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2010-154699 ( JP 2010-154699 A ) beschrieben sind. Die elektrische drehbare Maschine bzw. Drehmaschine, die in der JP 2010-154699 A beschrieben ist, ist dazu konfiguriert, eine Menge bzw. Größe eines effektiven magnetischen Flusses eines Rotors, der zu einem Drehmoment beiträgt, als Reaktion auf eine Veränderung hinsichtlich der Phasenbeziehung zwischen zwei Rotoren zu ändern, indem eine positionsmäßige Beziehung des Rotors, der mit zwei Magneten ausgestattet ist, die so angeordnet sind, dass sie in der Richtung einer Drehachse getrennt bzw. zu separieren sind, mittels eines Aktuators bzw. Aktors geändert wird.
Die in der JP 2010-154699 A beschriebene drehbare elektrische Maschine des Typs mit variablem magnetischen Fluss erfordert einen Aktuator bzw. Aktor, der als eine spezialisierte Antriebsquelle für die Veränderung der Größe des effektiven magnetischen Flusses des Rotors wirkt. Dies führt deshalb aber zu einem Anwachsen der Größe und der Kosten der drehbaren elektrischen Maschine.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung variiert die Größe eines elektiven magnetischen Flusses eines Rotors ohne eine Notwendigkeit hinsichtlich spezialisierter Antriebsquellen, und zwar in einem Steuersystem für eine drehbare elektrische Maschine, und in einem Verfahren für die Steuerung desselben.
Der erste Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Steuersystem. Das Steuersystem enthält eine drehbare elektrische Maschine und eine Steuereinrichtung. Die drehbare elektrische Maschine enthält einen Stator, der Statorwicklungen bzw. Statorspulen aufweist, die an mehreren Positionen in Umfangsrichtung angeordnet sind, und einen Rotor, der ein erstes Rotorelement und ein zweites Rotorelement aufweist, die drehbar innerhalb des Stators angeordnet und so positioniert sind, dass sie gegenseitig voneinander in axialer Richtung getrennt sind. Das erste Rotorelement weist eine Mehrzahl von ersten Magneten mit unterschiedlichen Polaritäten auf, die abwechselnd bzw. alternierend in der Umfangsrichtung angeordnet sind, und ist an einer drehbaren Achse bzw. einem drehbaren Schaft fest angebracht. Das zweite Rotorelement weist eine Mehrzahl von zweiten Magneten mit unterschiedlichen Polaritäten auf, die alternierend in der Umfangsrichtung angeordnet sind, und ist an einer drehbaren Achse bzw. einem drehbaren Schaft fest angebracht. Die Steuereinrichtung ist eine Komponente für die Steuerung eines Statorspulenstroms. Die Steuereinrichtung führt eine Vektorsteuerung des Statorspulenstroms für einen Übergang einer Inter-Rotor-Phase bzw. rotorinternen Phase aus, die eine relative Phasendifferenz des zweiten Rotorelements in Relation zu dem ersten Rotorelement ist.
Der zweite Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für die Steuerung eines Steuersystems, das eine drehbare elektrische Maschine und eine Steuereinrichtung enthält. Die drehbare elektrische Maschine weist einen Stator, der Statorwicklungen bzw. Statorspulen enthält, die an mehreren Positionen in Umfangsrichtung angeordnet sind, und einen Rotor auf, der einer erstes Rotorelement und ein zweites Rotorelement enthält, die drehbar innerhalb des Stators und so angeordnet sind, dass sie gegenseitig in axialer Richtung voneinander separiert sind. Das erste Rotorelement weist eine Mehrzahl von ersten Magneten mit unterschiedlichen Polaritäten auf, die alternierend bzw. abwechselnd in der Umfangsrichtung angeordnet sind, und ist an einem drehbaren Schaft bzw. einer drehbaren Achse fixiert bzw. fest angebracht. Das zweite Rotorelement weist eine Mehrzahl von zweiten Magneten mit unterschiedlichen Polaritäten auf, die alternierend in der Umfangsrichtung angeordnet sind, und ist an einem drehbaren Schaft bzw. einer drehbaren Achse fest angebracht bzw. fixiert. Die Steuereinrichtung ist eine Komponente für die Steuerung eines Statorspulenstroms. In dem Verfahren für die Steuerung derselben führt die Steuereinrichtung eine Vektorsteuerung des Statorspulenstroms für den Übergang einer rotorinternen Phase bzw. Inter-Rotor-Phase aus, die eine relative Phasendifferenz des zweiten Rotorelements in Relation zu dem ersten Rotorelement darstellt.
In Übereinstimmung mit dem Steuersystem der drehbaren elektrischen Maschine und dem Verfahren für die Steuerung derselben gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Phasenbeziehung zwischen dem ersten Rotorelement und dem zweiten Rotorelement zu ändern, ohne dass eine Notwendigkeit hinsichtlich spezialisierter Antriebsquellen besteht, um hierbei einen effektiven magnetischen Fluss des Rotors zu ändern.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Merkmale, Vorteile und technische sowie industrielle Bedeutung von als Beispiel dienenden Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen gleichartige Bezugszahlen gleichartige Elemente bezeichnen, und für die gilt:
1 zeigt eine Konfiguration eines Steuersystems für eine drehbare elektrische Maschine in Übereinstimmung mit dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines ersten Magneten eines ersten Rotorelements in einem Querschnitt A-A gemäß 1;
3 zeigt ein erstes Rotorelement und ein zweites Rotorelement in einer Betrachtung von der äußeren Durchmesserseite in 2;
4 zeigt eine schematische Ansicht des Rotors gemäß 3, der in der axialen Richtung gesehen und in Richtung zu der Seite des ersten Rotorelements von der Seite des zweiten Rotorelements ausgehend gesehen ist;
5 zeigt eine schematische Ansicht, die zeigt, dass ein Statormagnetfeld generiert wird, um hierdurch eine rotorinterne Phase bzw. Inter-Rotor-Phase in 3 zu ändern;
6 zeigt eine Ansicht, die eine Beziehung zwischen einer rotorinternen Phase bzw. Inter-Rotor-Phase θe und einem magnetischen Inter-Rotor-Drehmoment bzw. rotorinternen Drehmoment veranschaulicht, das zwischen Rotorelementen wirkt, und zwar in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
7 zeigt eine positive Richtung des magnetischen Inter-Rotor-Drehmoments bzw. rotorinternen Drehmoments in 6;
8A zeigt eine Ansicht, die einen Übergang von einem umgekehrten polaren Zustand bzw. polaren Umkehrzustand zu dem gleichen polaren Zustand bzw. Gleich-Pol-Zustandveranschaulicht, wobei ein polarer Umkehrzustand (magnetischer Fluss 0%) gezeigt ist, siehe 2;
8B zeigt eine Ansicht, die einen Übergang von einem polaren Umkehrzustand zu einem polaren Gleichzustand bzw. demselben polaren Zustand zeigt; wobei ein polarer Übergangszustand (magnetischer Fluss ≤ 50%) dargestellt ist, und zwar gemäß 2;
8C zeigt eine Ansicht, die einen Übergang von einem umgekehrten polaren Zustand zu einem gleichen polaren Zustand veranschaulicht, wobei ein polarer Übergangszustand (magnetischer Fluss ≥ 50%) dargestellt ist, gemäß 2;
8D zeigt eine Ansicht, die einen Übergang von einem umgekehrten polaren Zustand zu dem gleichen polaren Zustand bzw. dem polaren Gleichzustand veranschaulicht, wobei ein polarer gleicher Zustand bzw. Gleichzustand veranschaulicht ist (magnetischer Fluss 100%), und zwar gemäß 2;
9A entspricht der 8A und zeigt einen Zustand des Übergangs von dem polaren umgekehrten Zustand zu dem gleichen polaren Zustand, und zwar gesehen von der Seite des äußeren Durchmessers eines Rotors, wobei ein umgekehrter polarer Zustand dargestellt ist (magnetischer Fluss 0%);
9B entspricht der 8B und zeigt einen Zustand des Übergangs von einem polaren Umkehrzustand bzw. umgekehrten Polzustand bis zu einem polaren gleichen Zustand bzw. gleichen Polzustand, und zwar gesehen von der Seite des äußeren Durchmessers bzw. Außendurchmessers eines Rotors, wobei ein Zustand des Polaritätsübergangs dargestellt ist (magnetischer Fluss ≤ 50%);
9C entspricht der 8C und zeigt einen Zustand des Übergangs von einem polaren umgekehrten Zustand bzw. umgekehrten Polzustand zu einem polaren gleichen Zustand bzw. gleichen Polzustand, und zwar gesehen von der Seite des äußeren Durchmessers eines Rotors, wobei ein Zustand des Übergangs der Polarität dargestellt ist (magnetischer Fluss ≥ 50%);
9D entspricht der 8D und zeigt einen Zustand eines Übergangs von einem polaren umgekehrten Zustand zu einem gleichen polaren Zustand bzw. von einem umgekehrten Polzustand zu einem gleichen Polzustand, und zwar gesehen von der Seite des Außendurchmessers eines Rotors, wobei ein gleicher polarer Zustand bzw. Polaritätszustand dargestellt ist (magnetischer Fluss 100%);
10 zeigt eine Ansicht, die eine Beziehung zwischen der Inter-Rotor-Phase bzw. rotorinternen Phase θe und eine Stabilität der Rotorphasenbeziehung veranschaulicht;
11A zeigt eine Darstellung, die einen Übergang von einem gleichen polaren Zustand zu einem umgekehrten polaren Zustand veranschaulicht, wobei der gleiche polare Zustand dargestellt ist (magnetischer Fluss 100%), und zwar gemäß 2;
11B zeigt eine Ansicht, die einen Übergang von einem gleichen polaren Zustand zu dem umgekehrten polaren Zustand veranschaulicht, wobei ein Zustand des Polaritätsübergangs veranschaulicht ist, gemäß 2;
11C zeigt eine Ansicht, die einen Übergang von einem gleichen polaren Zustand bzw. Polaritätszustand zu dem umgekehrten polaren Zustand bzw. Polaritätszustand veranschaulicht, wobei ein umgekehrter polarer Zustand dargestellt ist (magnetischer Fluss 0%), in 2;
12A entspricht der 11A und zeigt einen Zustand eines Übergangs von einem polaren gleichen Zustand zu einem polaren umgekehrten Zustand, und zwar gesehen von der Seite des äußeren Durchmessers eines Rotors, wobei der gleiche polare Zustand bzw. Polaritätszustand veranschaulicht ist (magnetischer Fluss 100%);
12B entspricht der 11B und zeigt einen Zustand eines Übergangs von dem gleichen polaren Zustand zu dem umgekehrten polaren Zustand, gesehen von der Seite des äußeren Durchmessers eines Rotors, wobei ein Zustand des Übergangs der Polarität veranschaulicht ist;
12C entspricht der 11C und zeigt einen Zustand eines Übergangs von dem gleichen polaren Zustand zu dem umgekehrten polaren Zustand bzw. umgekehrten Polaritätszustand, gesehen von der Seite des äußeren Durchmessers eines Rotors, wobei ein umgekehrter polarer Zustand bzw. Polaritätszustand dargestellt ist (magnetischer Fluss 0%);
13 zeigt eine Konfiguration eines Steuersystems für eine drehbare elektrische Maschine in Übereinstimmung mit dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
14A zeigt eine Ansicht, in der eine Beziehung zwischen einem Achsendrehwinkel (elektrischer Winkel) und einer Stator-Induktionsspannung unter unterschiedlichen Inter-Rotor-Phasen θe bei einem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt ist, wobei der umgekehrte polare Zustand bzw. Polaritätszustand dargestellt ist (magnetischer Fluss 0%);
14B zeigt eine Ansicht, die eine Beziehung zwischen einem Achsendrehwinkel (elektrischer Winkel) und einer Stator-Induktionsspannung unter unterschiedlicher Inter-Rotor-Phase θe veranschaulicht, wobei ein Übergangszustand der Polarität (magnetischer Fluss ≤ 50%) bei dem zweiten Ausführungsbeispiel veranschaulicht ist;
14C zeigt eine Ansicht, die eine Beziehung zwischen dem Achsendrehwinkel (elektrischer Winkel) und der Stator-Induktionsspannung unter unterschiedlicher Inter-Rotor-Phase θe veranschaulicht, wobei der gleiche polare Zustand bzw. Polaritätszustand bei dem zweiten Ausführungsbeispiel dargestellt ist (magnetischer Fluss 100%);
14D zeigt eine Ansicht, die eine Beziehung zwischen dem Achsendrehwinkel (elektrischer Winkel) und der Stator-Induktionsspannung unter unterschiedlicher Inter-Rotor-Phase θe veranschaulicht, wobei ein Zustand des Übergangs der Polarität bei dem zweiten Ausführungsbeispiel dargestellt ist (magnetischer Fluss ≥ 50%);
15 zeigt eine Querschnittsansicht eines Steuersystems für eine drehbare elektrische Maschine in Übereinstimmung mit einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
16 zeigt eine Ansicht, in der eine Beziehung zwischen einer Inter-Rotor-Phase θe und einem Drehmoment veranschaulicht ist, das in dem zweiten Rotorelement durch das magnetische Statorfeld und durch das magnetische Drehmoment zwischen dem Rotor bzw. rotorintern generiert wird, und zwar in Übereinstimmung mit einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Im Folgenden werden dieselben Komponenten unter Verwendung derselben Symbole in allen Zeichnungen erläutert.
[Erstes Ausführungsbeispiel] 1 zeigt ein Steuersystem 10 einer drehbaren elektrischen Maschine in Übereinstimmung mit dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Steuersystem 10 der drehbaren elektrischen Maschine ist mit einer drehbaren elektrischen Maschine bzw. einem elektrischen Drehmotor 20, einem Inverter bzw. Wechselrichter 12, der als eine Treiberschaltung bzw. Antriebsschaltung agiert, einer elektrischen Speichereinrichtung 14, die als eine Leistungsquelle bzw. Energiequelle agiert, und einer Steuereinrichtung 70 versehen. Das Steuersystem 10 der drehbaren elektrischen Maschine ist an elektrischen Fahrzeugen bzw. Elektrofahrzeugen wie etwa Hybridfahrzeugen, Elektrofahrzeugen oder Brennstoffzellen-Fahrzeugen montiert und wird für den Antrieb von Rädern (nicht gezeigt) unter Einsatz der drehbaren elektrischen Maschine 20 als einem Motor verwendet. Die drehbare elektrische Maschine 20 kann als ein Generator, ein Motor oder als ein Motorgenerator mit Funktionen sowohl des Motors als auch des Generators verwendet werden.
Die elektrische drehende bzw. drehbare Maschine bzw. der elektrische Drehmotor 20 weist einen Stator 24, der innerhalb eines Gehäuses 22 fixiert bzw. befestigt ist, einen drehbaren Schaft bzw. eine Drehachse 26, der bzw. die drehbar an dem Gehäuse 22 mittels eines Lagers vorgesehen ist, einen Rotor 28, der an einer Peripherie bzw. einem Umfang des drehbaren Schafts 26 vorgesehen ist, eine für eine Richtung ausgelegte Kupplung bzw. Einwegkupplung 30 und Drehwinkelsensoren 32, 34 auf. Die drehbare elektrische Maschine 20 macht einen effektiven magnetischen Fluss variabel, der in dem Rotor 28 generiert wird, wie vorstehend erläutert, und trägt zu einem Drehmoment bei.
Wie in 2 gezeigt ist, umfasst der Stator 24 einen Statorkern 36, der aus einem Laminat aus elektromagnetischen Platten gebildet ist; Statorspulen mit bzw. für drei Phasen mit mehreren Phasen gemäß einer Phase U, einer Phase V und einer Phase W, 38u, 38v, 38w, Die Statorspulen 38u, 38v, 38w für drei Phasen sind durch konzentriertes Wickeln oder verteiltes Wickeln entlang einer Mehrzahl von Zähnen 39 gewickelt, die an einer inneren Umfangsoberfläche des Statorkerns 38 vorgesehen sind. Im Folgenden werden die Statorspulen 38u, 38v, 38w vereinfacht als eine Statorspule bzw. Statorwicklung 38 bezeichnet. Der Statorkern 36 kann durch einen Kern aus gepresstem Pulver gebildet werden, der durch Druckvergießen bzw. Kompressionsschmelzen von magnetischem Pulver gefertigt ist.
Wenn als ein Statorstrom ein alternierender Strom mit drei Phasen durch die Statorwicklung 38 fließt, wird eine Mehrzahl der Zähne 39 magnetisiert, um hierdurch in dem Stator 24 ein drehendes bzw. drehbares magnetisches Feld bzw. Drehmagnetfeld zu generieren.
Wie in 1 dargestellt ist, weist der Rotor 28 ein erstes Rotorelement 40 (das in der linken Seite gemäß der Zeichnung vorgesehen ist) und ein zweites Rotorelement 42 (an der rechten Seite der Zeichnung vorgesehen) auf, die im Inneren des Stators 24 drehbar und so angeordnet sind, dass sie in der axialen Richtung voneinander getrennt bzw. separiert sind. Das erste Rotorelement 40 weist einen rohrförmigen ersten Kern 46 auf, der an einer Peripherie eines rohrförmigen Vorsprungs 44 fixiert ist, der an einer Peripherie des Rotorschafts bzw. der Rotorwelle 26 integral vorgesehen ist, und enthält weiterhin erste Magnete 48n, 48s, die an mehreren Positionen in einer Umfangsrichtung des ersten Kerns 46 angeordnet sind. Das erste Rotorelement 40 ist an einer Innenseite in der Richtung des Durchmessers so angeordnet, dass es einem Seitenabschnitt in der axialen Richtung des Statorkerns 36 (linker Seitenabschnitt in der Zeichnung) mit einem vorbestimmten Intervall bzw. Abstand zugewandt ist, und in Relation zu dem Stator 24 drehbar ist. Der Rotor 28 kann innerhalb des Stators 24 derart angeordnet sein, dass er mit einem magnetischen Feld interagieren kann, das in der Statorspule 38 generiert wird.
Das zweite Rotorelement 42 enthält einen inneren Halteabschnitt 52, der drehbar an einem anderen Bereich (Abschnitt auf der rechten Seite in der Zeichnung) entfernt von dem ersten Rotorelement 40 in axialer Richtung in einer Peripherie des drehbaren Schafts 26 mittels eines Lages 50 wie etwa eines Nadellagers vorgesehen ist; einen zweiten Kern 54, der an einer Peripherie bzw. einem Umfang des inneren Halteabschnitts 52 befestigt ist; zweite Magnete 56n, 56s, die an mehreren Stellen in der Umfangsrichtung des zweiten Kerns 54 angeordnet sind. Das zweite Rotorelement 42 ist an einer Innenseite in der Richtung des Durchmessers angeordnet, um dem anderen seitlichen Abschnitt in der axialen Richtung des Statorkerns 36 (Abschnitt auf der rechten Seite in der Zeichnung) mit einem vorbestimmten Intervall bzw. Abstand zugewandt zu sein, und ist in Relation zu dem Stator 24 drehbar. Der innere Halteabschnitt 52 ist aus einem magnetischen Material wie etwa Eisen oder einem nicht magnetischen Metall gebildet.
Jeder der Kerne 46, 54 ist aus einem Laminat aus elektromagnetischen metallischen Platten gebildet. Jeder der Magnete 48n, 48s, 56n, 56s ist ein Paramagnet. Die ersten Magnete 48n, 48s sind derart angeordnet, dass sie an mehreren Abschnitten in der Umfangsrichtung des ersten Kerns 46 in dessen axialer Richtung einzuführen sind bzw. einführbar sind. Die zweiten Magnete 56n, 56s sind derart angeordnet, dass sie an mehreren Abschnitten in der Umfangsrichtung des zweiten Kerns 54 in dessen axialer Richtung einführbar sind bzw. eingeführt werden. Wie in 2 dargestellt ist, sind die Magnete 48n, 48s, 56n, 56s so angeordnet, dass sie V-förmige Paare aus zwei Magneten an mehreren Abschnitten in der Umfangsrichtung von jedem der Kerne 46, 54 bilden. Polaritäten von mehreren Gruppen der Magnete 48n, 48s, 56n, 56s sind unterschiedlich abwechselnd in der Drehrichtung des Rotors. Die Intervalle bzw. Abstände von mehreren Gruppen aus den ersten Magneten 48n, 48s und den zweiten Magneten 56n, 56s sind in der Umfangsrichtung jeweils gleich groß wie die anderen. Ein N-Pol von jedem Magnet 48n, 56n ist an der äußeren Umfangsseite angeordnet. S-Pole von jedem Magnet 48s, 56s ist an einer äußeren peripheren Seite angeordnet. Jeder der Kerne 46, 54 kann als ein gepresster Pulverkern ausgebildet sein.
Die Größe des effektiven magnetischen Flusses des Rotors 28 ändert sich in Abhängigkeit von einer Veränderung in der Phasenbeziehung zwischen dem ersten Rotorelement 40 und dem zweiten Rotorelement 42. Die „Größe des effektiven magnetischen Flusses” bezieht sich auf eine Größe des Magnetflusses, der im Wesentlichen auf den Stator 24 aufgrund des kombinierten magnetischen Flusses der beiden Rotorelemente 40, 42 wirkt. Der effektive magnetische Fluss entspricht dem Maximum bei dem gleichen polaren Zustand, bei dem Magnete 48n, 48s, 56n, 56s mit der gleichen Polarität bzw. Homopolarität so angeordnet sind, dass sie die gleiche Phase in der Umfangsrichtung in den beiden Rotorelementen 40, 42 als ein Beispiel aufweisen. In diesem Fall beträgt der effektive magnetische Fluss 100%. Wenn die Größe des effektiven magnetischen Flusses unter Verwendung von % ausgedrückt wird, bezieht sie sich auf das Verhältnis des effektiven magnetischen Flusses mit Bezug zu dem effektiven magnetischen Fluss von 100% bei dem polaren Gleichzustand bzw. dem Zustand gleicher Polarität. Hierbei verringert sich der effektive magnetische Fluss, wenn das zweite Rotorelement 42 mit Bezug zu dem drehbaren Schaft 26 gedreht wird, um eine Abweichung der Umfangsrichtungspositionen von homopolaren bzw. gleichpolaren Magneten 48n, 48s, 56n, 56s in zwei von den Rotorelementen 40, 42 zu verursachen. Der effektive magnetische Fluss ist gegen bzw. gleich Null in einem Fall des umgekehrten polaren Zustands bzw. Polaritätszustands, bei dem die homopolaren bzw. gleichpolaren Magnete 48n, 48s, 56n, 56s um 180 Grad im elektrischen Winkel bei zwei der Rotorelemente 40, 42 voneinander abweichen und antipolare Magnete 48n, 48s, 56n, 56s so angeordnet sind, dass sie beispielsweise die gleiche Phase in der Umfangsrichtung annehmen. In dem umgekehrten polaren Zustand bzw. dem Zustand mit umgekehrter Polarität beträgt der effektive magnetische Fluss gleich 0%.
Die Einwegkupplung 30 ist zwischen dem inneren Halteabschnitt 52 des zweiten Rotorelements 42 und der Umfangsoberfläche des drehbaren Schafts 26 vorgesehen. Die Einwegkupplung 30 erlaubt es dem zweiten Rotorelement 42, um den drehbaren Schaft 26 in lediglich einer Richtung entgegengesetzt zu einem Pfeil α, der in 1 und 2 gezeigt ist, zu drehen, wodurch das zweite Rotorelement 42 daran gehindert wird, sich in der Richtung des Pfeils α zu drehen. Die Richtung des Pfeils α ist die Richtung zur Erzeugung des positiven Drehmoments des drehbaren Schafts 26.
Der Drehwinkelsensor 32 erfasst einen Drehwinkel des drehbaren Schafts bzw. der Drehwelle 26 und sendet ein Signal, das den Drehwinkel angibt, zu der Steuereinrichtung 70. Der Drehwinkelsensor 34 detektiert einen Drehwinkel des zweiten Rotorelements 42, und sendet ein Signal, das den Drehwinkel angibt, zu der Steuereinrichtung 70.
Die drehbare elektrische Maschine 20 wird durch einen Inverter bzw. Wechselrichter 12 des Steuersystems 10 der elektrischen drehbaren Maschine angetrieben bzw. angesteuert. Der Inverter 12 ist mit der Energiespeichereinrichtung 14, die durch die Steuereinrichtung 70 gesteuert wird, verbunden und wandelt einen Gleichstrom bzw. eine Gleichspannung von der Energiespeichereinrichtung 14 in Wechselströme mit drei Phasen, Phase U, Phase V und Phase W, um. Die Energiespeichereinrichtung 14 kann eine Kapazität bzw. ein Kondensator sein. Eine Spannungsumwandlungseinrichtung kann zwischen der Energiespeichereinrichtung 14 und dem Inverter 12 vorgesehen sein, um die Amplitude der Spannung der Energiespeichereinrichtung 14, die zu dem Inverter 12 zu speisen ist, umzuwandeln.
Die Steuereinrichtung 70 enthält einen Mikrocomputer, der eine Zentraleinheit CPU und einen Speicher aufweist, und weist einen Abschnitt 72 für die Gewinnung einer Inter-Rotor-Phase, einen Einstellabschnitt 74 für die Einstellung der Größe eines effektiven magnetischen Flusses und einen Stromvektorsteuerabschnitt 76 auf. Die Steuereinrichtung 70 steuert den Rotor 28 für die Drehung in der Richtung des Pfeils α, der in 1 und 2 gezeigt ist, in Abhängigkeit von einem eingegebenen Drehmomentbefehlswert bzw. Drehmomentsollwert Tr an. Wenn, als ein Beispiel, die drehbare elektrische Maschine 20 als ein Antriebsmotor eines Fahrzeugs benutzt wird, wird der Drehmomentbefehlswert Tr der drehbaren elektrischen Maschine 20 in einer anderen Steuereinrichtung (nicht gezeigt) in Abhängigkeit von einem Beschleunigungsbefehlssignal bzw. eines Beschleunigungssollsignals berechnet, das von einem (nicht gezeigten) Beschleunigungspedalsensor oder ähnlichem eines Fahrzeugs eingegeben wird. Die Steuereinrichtung 70 steuert das Schaltelement des Inverters 12 in Abhängigkeit von dem Drehmomentbefehlswert Tr, der bzw. das von der anderen Steuereinrichtung eingegeben wird, um den Inverter bzw. Wechselrichter 12 für die Steuerung der drehbaren elektrischen Maschine 20 anzutreiben bzw. anzusteuern. In diesem Fall berechnet der Stromvektorsteuerabschnitt 76 einen Stromvektorbefehl, der durch einen Strombefehl Id* für die d-Achse und einen Strombefehl Iq* für die q-Achse in einem dq-Koordinatensystem definiert ist, in Abhängigkeit von dem Drehmomentbefehlswert Tr, wandelt den Stromvektorbefehl in einen Strombefehl für drei Phasen um, und führt dann die Stromvektorsteuerung für die Steuerung des Statorspulenstroms in jeder Phase durch. In diesem Fall bzw. hierbei kann die Steuereinrichtung 70, nachdem der Statorspulenstrom für zwei oder drei Phasen mittels eines Stromsensors (nicht gezeigt) detektiert wird bzw. worden ist, eine Rückkopplungssteuerung des Statorstroms mittels des Stroms Id der d-Achse bzw. Achse d und des Stroms Iq für die Achse q, die von dem Detektionswert bzw. Erfassungswert erhalten wird, durchführen. Die Steuereinrichtung 70 kann durch eine Mehrzahl von Steuereinrichtungen konfiguriert sein, die entsprechend der Funktion separiert bzw. getrennt sind. Das Beschleunigungsbefehlssignal kann in die Steuereinrichtung 70 für die Berechnung des Drehmomentbefehlswerts Tr eingegeben werden.
Die Steuereinrichtung 70 weist auch eine Funktion für die Steuerung der Größe des effektiven magnetischen Flusses des Rotors 28 auf. Der Gewinnungsabschnitt 72 für die Gewinnung der Inter-Rotor-Phase gewinnt die Inter-Rotor-Phase θe, die eine relative Phasendifferenz des zweiten Rotorelements 42 in Relation zu dem ersten Rotorelement 40 anzeigt, in Entsprechung mit bzw. Abhängigkeit von dem Drehwinkel des drehbaren Schafts 26, der von jedem der Drehwinkelsensoren 32, 34 erhalten wird, und dem zweiten Rotorelement 42 (siehe 2). Die relative Phasendifferenz ist abhängig von der Richtung der Abweichung positiv oder negativ.
Der Einstellabschnitt 74 für die Einstellung der Größe des effektiven magnetischen Flusses legt eine Größe des effektiven magnetischen Flusses in Übereinstimmung mit einer vorbestimmten Anforderung fest. Wenn beispielsweise die Drehzahl des Rotors 28 hoch ist, kann eine zu hohe Größe des effektiven magnetischen Flusses eine Umkehrspannung bzw. umgekehrte Spannung, die auf die Statorspule 38 von dem Rotor 28 einwirkt, erhöhen, wodurch eine verringerte Ausgabe bzw. Ausgangsgröße hervorgerufen wird. Im Hinblick auf diesen Umstand ist es möglich, die Verringerung in dem Ausgang bzw. der Ausgangsgröße zu unterdrücken, indem der effektive magnetische Fluss auf einen vorbestimmten gewünschten Wert verringert wird.
Der Stromvektor-Steuerabschnitt 76 steuert den Statorspulenstrom durch eine Stromvektorsteuerung in Abhängigkeit von der Größe des effektiven magnetischen Flusses, die bei dem Einstellabschnitt 74 für die Einstellung der Größe des effektiven magnetischen Flusses eingestellt ist. In diesem Fall erlaubt es der Stromvektor-Steuerabschnitt 76, ein magnetisches Feld mit einer beliebigen Größe des effektiven magnetischen Flusses in Abhängigkeit von einer positionsmäßigen Beziehung der Magnete 48n, 48s, 56n, 56s von jedem Rotorelement 40, 42 zu generieren. In diesem Fall generiert der Stromvektor-Steuerabschnitt 76 ein Drehmoment, das es dem zweiten Rotorelement 42 erlaubt, sich in Relation zu dem ersten Rotorelement 40 zu drehen, und führt eine Vektorsteuerung des Statorspulenstroms durch, um hierbei ein Statormagnetfeld für den Übergang der Inter-RotorPhase θe zwischen zwei Rotorelementen 40, 42 zu generieren. Die „Inter-Rotor-Phase θe” bezieht sich auf die relative Phasendifferenz des zweiten Rotorelements 42 in Bezug zu dem ersten Rotorelement 40 im Hinblick auf den elektrischen Winkel. Die Inter-Rotor-Phase θe ist als positiv definiert, wenn der homopolare N-Pol Magnet oder S-Pol Magnet als der Referenzmagnet des zweiten Rotorelements 42 in der Gegenuhrzeigerrichtung gemäß 2 mit Bezug zu der Position des N-Pol Magnet oder S-Pol Magnet des ersten Rotorelements 40 verlagert ist, und zwar gesehen in der Richtung des drehbaren Schafts 26 von der Seite des zweiten Rotorelements 42 aus hin zu dem ersten Rotorelement 40. Die Inter-Rotor-Phase θe ist als negativ definiert, wenn der N-Pol Magnet oder S-Pol Magnet des zweiten Rotorelements 42 in der Uhrzeigerrichtung gemäß 2 verlagert ist. Ein polarer Gleichzustand bzw. der gleiche polare Zustand bzw. Polaritätszustand ist bei der Inter-Rotor-Phase θe von 0° erreicht. Ein polarer Umkehrzustand bzw. umgekehrter Polaritätszustand ist erreicht, wenn die Inter-Rotor-Phase um 180° in einer von der positiven und negativen Richtung abweicht. Der Stromvektor-Steuerabschnitt 76 ändert die Größe des effektiven magnetischen Flusses des Rotors 28 in Abhängigkeit von dem Übergang der Inter-Rotor-Phase θe.
Als nächstes wird eine Erläuterung gegeben, um eine Idee der Stromvektorsteuerung für die Steuerung des effektiven Magnetflusses und des Verfahrens zu dessen Steuerung zu vermitteln.
3 zeigt das erste Rotorelement 40 und das zweite Rotorelement 42, die von der Seite des äußeren Durchmessers in 2 betrachtet sind. 4 zeigt eine schematische Ansicht des Rotors 28 gemäß 3 gesehen in der axialen Richtung, wobei die Betrachtung in Richtung zu der Seite des ersten Rotorelements 40 von der Seite des zweiten Rotorelements 42 aus erfolgt. In 4 beziehen sich (N), (S) auf die Magnete 48n, 48s auf der Seite des ersten Rotorelements 40, das hinter dem zweiten Rotorelement 42 angeordnet ist. Die Anzahl von jedem Magneten 48n, 48s, 56n, 56s in 4 ist kleiner als die tatsächliche Anzahl derselben, und zwar aus Gründen der Vereinfachung. 3 und 4 zeigen den polaren Umkehrzustand bzw. umgekehrten Polaritätszustand, bei dem eine Koinzidenz hinsichtlich der Phase in den Umfangsrichtungen der Magnete 48n, 48s, 56n, 56s erreicht ist, wobei eine Antipolarität von jedem Rotorelement 40, 42 vorliegt. 3 und 5, die nachstehend beschrieben sind, zeigen eine Absorptionskraft bzw. Anziehungskraft, die in der Richtung eines Pfeils wirkt, in der die Magnete jeweils voneinander weg angeordnet sind, und zeigen weiterhin eine Abstoßungskraft, die in der Richtung eines Pfeils wirkt, bei der die Magnete jeweils näher beieinander angeordnet sind. In diesem Fall wird, wie dies in 3 gezeigt ist, in den Magneten 48n, 48s, 56n, 56s der beiden Rotorelemente 40, 42 eine Absorptionskraft zwischen antipolaren Magneten generiert, die einander in der axialen Richtung zugewandt sind, und es wird eine Abstoßungskraft zwischen homopolaren bzw. gleichnamigen Magneten generiert, die einander in einer Richtung zugewandt sind, die von der axialen Richtung abweicht. Allerdings ist hierbei die Absorptionskraft bzw. Anziehungskraft zwischen antipolaren Magneten, die einander in der axialen Richtung zugewandt sind, größer. Als ein Ergebnis wird die Beziehung der Rotorphase dann am stärksten, wenn sich die Phasenbeziehung zwischen den Rotorelementen 40, 42 in einem polaren Umkehrzustand bzw. umgekehrter Polarität befindet.
Als nächstes werden in diesem Zustand, zum Zwecke der Steuerung des Übergangs der Beziehung der Rotorphase zwischen den Rotorelementen 40, 42 zu einer anderen Übergangsbeziehung, Erläuterungen hinsichtlich des Statormagnetflusses gegeben, bei dem anscheinende bzw. in Erscheinung tretende N-Pol und S-Pol Magnetpole an Positionen in der Richtung der Achse d angeordnet sind, wie dies in 4 gezeigt ist. In diesem Fall dreht sich, da der S-Pol in einer oberen linken Seite gemäß der Zeichnung in dem zweiten Rotorelement 42 positioniert ist, das zweite Rotorelement 42 in der Richtung β durch die magnetische Anziehungskraft des Statormagnetflusses. Hierbei dreht sich das erste Rotorelement 40, da der S-Pol in der unteren rechten Seite gemäß der Zeichnung in dem ersten Rotorelement 40 positioniert ist, in der Richtung γ durch die magnetische Anziehungskraft des Statormagnetflusses. In diesem Fall drehen sich beide Rotorelemente 40, 42 in entgegengesetzten Richtungen, wodurch ein Drehmoment generiert wird, das nicht zu der Drehung des Rotors 28 insgesamt beiträgt. Im Hinblick hierauf generiert die Steuereinrichtung 70 das Drehmoment, das es dem ersten Rotorelement 40 und dem zweiten Rotorelement 42 erlaubt, in entgegengesetzten Richtungen zu drehen, und führt eine Vektorsteuerung des Statorspulenstroms durch, um hierbei das Drehmoment zu generieren, das nicht zu der Drehung der Gesamtheit des Rotors 28 beiträgt. Als ein Beispiel ist es möglich, eine Vektorsteuerung des Statorspulenstroms durchzuführen, um hierbei ein Statormagnetfeld zu generieren, das es ermöglicht, einen magnetischen Fluss an einer Position bzw. einem Positionsdrehmoment zu generieren, bei der ein solches Drehmoment generiert werden kann. Wie nachstehend beschrieben, erlaubt es diese Konfiguration dem zweiten Rotorelement in Relation zu dem drehbaren Schaft 26 drehbar zu sein, um das erste Rotorelement 40 zu drehen, das an dem drehbaren Schaft 26 fest angebracht ist. In diesem Fall ist es möglich, das Statormagnetfeld derart zu bestimmen, dass der Statormagnetfluss in der Richtung der Achse d der 4 generiert wird, und zwar mit Bezug zu dem kombinierten magnetischen Fluss von beiden Rotorelementen 40, 42, und das Drehmoment für die Drehung des zweiten Rotorelements 42 in Relation zu dem ersten Rotorelement 40 zu generieren. Ein solcher Magnetfluss des Stators kann dadurch bestimmt werden, dass die Stromvektorsteuerung für die Bestimmung des Strombefehls bzw. Stromsollwerts in dem d-q Koordinatensystem ausgeführt wird. 4 zeigt einen Fall, bei dem ein Magnetfluss der Achse d generiert wird, während ein Magnetfluss der Achse q nicht generiert wird, und lediglich ein Strom der Achse d generiert wird. Allerdings ist es, zum Zwecke des Drehens des Rotors 28 in einer Richtung α gemäß 1 und 2, also einer positiven Richtung des Rotors 28, auch möglich, den Strom der Achse q für die Erzeugung des Magnetflusses der Achse q zusammen mit dem Strom der Achse d zu generieren.
5 zeigt eine schematische Ansicht, die der 3 entspricht, und zwar für den Fall, dass das Statormagnetfeld in dieser Weise generiert wird. Wie in 5 durch einen gepunkteten Rahmen veranschaulicht ist, wird ein scheinbarer bzw. in Erscheinung tretender gemeinsamer N-Pol auf der Seite des äußeren Durchmessers zwischen N und S des ersten Rotorelements 40, und auf der Seite des äußeren Durchmessers zwischen S und N des zweiten Rotorelements 42 generiert, und es wird ein magnetischer Fluss des Stators generiert, um einen scheinbaren S-Pol auf den Seiten des äußeren Durchmessers von beiden Seiten der Umfangsrichtung zu bilden. In diesem Fall wird das erste Rotorelement 40 in der Richtung γ, der nach oben gerichteten Richtung gemäß 5, übertragen bzw. bewegt, wohingegen das zweite Rotorelement 42 in der Richtung β, in der nach unten weisenden Richtung gemäß 5, übertragen bzw. bewegt wird, um hierbei Drehmomente zu bilden, die es den Rotoren erlaubt, in entgegengesetzten Richtungen zu drehen. Die Steuereinrichtung 70 führt Übergänge der Rotorphasenbeziehung von dem umgekehrten polaren Zustand zu dem gleichen polaren Zustand bzw. polaren Gleichzustand durch, indem sie dieses Drehmoment generiert. In diesem Fall tritt der Übergang der vorstehend erwähnten Inter-Rotor-Phase θe auf (2).
Als ein Beispiel umfasst die Rotorphasenbeziehung, wie in 6 gezeigt ist, den polaren umgekehrten Zustand bzw. polaren Umkehrzustand und den polaren gleichen Zustand bzw. gleichpolaren Zustand. Der polare gleiche Zustand bzw. polare Gleichzustand ist ein Zustand, bei dem eine Koinzidenz hinsichtlich der Phase zwischen Magneten mit Homopolarität bzw. Gleichpolarität von jedem Rotorelement 40, 42 in deren Umfangsrichtungen erreicht ist. Die Steuereinrichtung 70 generiert das Drehmoment, das es jedem Rotorelement 40, 42 erlaubt, sich in entgegengesetzte Richtungen zu drehen, wenn die Rotorphasenbeziehung zwischen dem polaren umgekehrten Zustand und dem polaren gleichen Zustand liegt, und führt eine Vektorsteuerung des Statorspulenstroms derart durch, dass das Drehmoment generiert wird, das nicht zu einer Drehung der Gesamtheit des Rotors 28 beiträgt. Als ein Beispiel führt die Steuereinrichtung 70 eine Vektorsteuerung des Statorspulenstroms derart durch, dass ein magnetischer Fluss des Stators generiert wird, der einen magnetischen Fluss an Positionen hervorgerufen wird, an denen das Drehmoment generiert wird. In diesem Fall führt die Steuereinrichtung 70 eine Vektorsteuerung des Statorspulenstroms hinsichtlich von Übergängen der Inter-Rotor-Phase θe von dem polaren umgekehrten Zustand zu dem polaren gleichen Zustand aus.
6 zeigt eine Beziehung zwischen der Inter-Rotor-Phase θe und dem Inter-Rotor magnetischen Drehmoment, das zwischen den Rotorelementen 40 und 42 wirkt. Die positive Richtung des „Inter-Rotor magnetischen Drehmoments” ist so definiert, wie dies in 7 gezeigt ist. Wie in 6 dargestellt ist, ist das Inter-Rotor magnetische Drehmoment „negativ”, wenn die Inter-Rotor-Phase θe im Bereich –180° < θe < 0° liegt. In diesem Fall weist das Drehmoment in die negative Richtung, das heißt das Drehmoment, das in Richtung zu θe = –180° gerichtet ist, wirkt auf die Rotorelemente 40, 42 aufgrund einer Anziehungskraft zwischen N-Pol Magneten 48n, 56n und S-Pol Magneten 48s bzw. 56s, 56s in jedem Rotorelement 40, 42. In diesem Fall wirkt das Drehmoment auf jedes Rotorelement 40, 42 in einer Richtung, die entgegengesetzt ist zu der Richtung, die in 7 dargestellt ist. Im Hinblick hierauf ist es, um θe in der positiven Richtung zu ändern, notwendig, das Drehmoment in derjenigen Richtung zu generieren, die in 7 gezeigt ist, also entgegengesetzt zu der vorstehend genannten Richtung.
Hierbei ist das Inter-Rotor-magnetische-Drehmoment „positiv”, wenn die Inter-Rotor-Phase θe im Bereich 0° < θe < 180° liegt. In diesem Fall wirkt das Drehmoment in der positiven Richtung, das heißt, das Drehmoment ist in Richtung θe = +180° gerichtet, zwischen den Rotorelementen 40, 42 aufgrund einer Anziehungskraft zwischen N-Pol Magneten 48n, 56n und S-Pol Magneten 56s, 56s (siehe oben) in jedem Rotorelement 40, 42. In diesem Fall wirkt das Drehmoment auf jedes der Rotorelemente 40, 42 in der gleichen Richtung wie diejenige, die in 7 gezeigt ist. Im Hinblick hierauf ist es, um θe in der positiven Richtung zu ändern, möglich, θe = +180° zu ändern, indem θe in θe > 0° wenn gegebenenfalls auch nur zeitweilig von θe = 0° geändert wird, ohne dass eine Notwendigkeit hinsichtlich eines externen antreibenden Drehmoments besteht, das von dem positiven Inter-Rotor magnetischen Drehmoment abgeleitet wird.
Nunmehr werden Erläuterungen vorgestellt, und zwar hinsichtlich der Steuerung bezüglich des Übergangs der Rotorphasenbeziehung, durch den ein in positiver Richtung gerichteter Übergang von θe für –180° ≤ θe < 0° erzielt wird. 8A–D und 9A–D zeigen den Übergang in der positiven Richtung bezüglich θe für den Bereich –180° ≤ θe < 0°. In dem polaren umgekehrten Zustand von θe = –180° ist es möglich, eine Vektorsteuerung des Statorspulenstroms, der durch die Statorspule 38 mit drei Phasen fließt, derart auszuführen, dass das magnetische Statorfeld generiert wird, durch das ein magnetischer Pol in einer speziellen Richtung erhalten wird. In diesem Fall ist es, um den magnetischen Fluss in der gleichen Richtung wie der des Referenzmagneten 48s zu generieren, möglich, das magnetische Statorfeld in einer Richtung zu generieren, die hinsichtlich der Phase um θe/2 mit Bezug zu dem ersten Magneten 48s des ersten Rotorelements 40 abweicht, das heißt in einer Richtung, die eine Halbierung des Intervalls bzw. Abstands, gesehen in Umfangsrichtung, der homopolaren Magnete 48s, 56s des ersten Rotorelements 40 und des zweiten Rotorelements 42 bewirkt, um einen magnetischen Fluss in der gleichen Richtung wie demjenigen des Referenzmagneten 48s zu generieren. In diesem Fall ist es möglich, das Drehmoment in der positiven Richtung zu generieren, das heißt, ein Drehmoment, das die homopolaren bzw. gleichnamigen Magnete 48s, 56s in jedem Rotorelement 40, 42 anzieht, und zwar aufgrund der Erzeugung der magnetischen Anziehungskraft, die zwischen dem magnetischen Statorfeld und dem Magnetfluss von Magneten in jedem Rotorelement 40, 42 wirkt. Die vorstehende Erläuterung bezieht sich auf den magnetischen Fluss des Stators, der den Magneten 48s, 56s entspricht, und kann auch auf den magnetischen Fluss des Stators angewendet werden, der den Magneten 48n, 56n entspricht, mit der Ausnahme, dass die Richtung entgegengesetzt ist. 8A–D zeigt die Anziehungskraft, die in beiden Richtungen, die durch einen Pfeil δ angezeigt sind, zwischen dem magnetischen Fluss, der durch den Pfeil N, S angezeigt ist, der durch das magnetische Statorfeld generiert wird, und den Magneten 48n, 48s, 56n, 56s des Rotors 28 wirkt.
Das vorstehend erwähnte Drehmoment in der positiven Richtung erlaubt den Übergang von θe in der positiven Richtung. In diesem Fall ist es notwendig, die Richtung des magnetischen Flusses des magnetischen Statorfelds, das durch die Vektorsteuerung generiert wird, so zu steuern, dass es mit dem θe Übergang synchronisiert ist. Im Hinblick hierauf ist es notwendig, die Richtung des magnetischen Flusses des magnetischen Statorfelds, das durch die Vektorsteuerung generiert wird, derart zu steuern, dass sie mit dem Übergang von θe synchronisiert ist. Im Hinblick hierauf ist es notwendig, eine solche Steuerung auszuführen, dass das magnetische Statorfeld generiert wird, das die Erzeugung des magnetischen Flusses in der Richtung bewirkt, die Erfassungswerten von zwei Drehwinkelsensoren 32, 34 entspricht, die den Drehwinkel von jedem Rotorelement 40, 42 detektieren, die in der Steuereinrichtung 70 gewonnen oder aufgenommen werden.
Das Drehmoment wird zwischen den Rotorelementen 40, 42 durch das magnetische Feld des Stators generiert. Das magnetische Statorfeld ist lediglich ein Magnetfeld in der Richtung der Achse d des kombinierten Magnetfelds der zwei Rotorelemente 40, 42, die bzw. das als ein Phasenzentrum des Magnetfelds der homopolaren Magnete der zwei Rotorelemente 40, 42 dient, und zwar derart, dass das Drehmoment nicht generiert wird, das extern über den drehbaren Schaft 26 einwirkt.
Wenn der effektive magnetische Fluss des Rotors 28 einen gewünschten Wert erreicht, ist es möglich, das magnetische Statorfeld auf Null zu setzen, indem ein „Vorgang der Erzeugung eines positiven Drehmoments” für den Übergang der Rotorphasenbeziehung in der positiven Richtung von θe ausgeführt wird, wie dies vorstehend beschrieben ist. Als ein Beispiel ist es möglich, eine Vektorsteuerung des Statorstroms derart auszuführen, dass der magnetische Fluss der Achse d gleich Null erhalten wird, und zwar aus dem magnetischen Fluss der Achse d und dem magnetischen Fluss der Achse q heraus, die von dem magnetischen Statorfeld resultieren. In diesem Fall dient das Inter-Rotor magnetische Drehmoment als ein Drehmoment, das den Zustand von θe = –180° umkehrt, das zwischen den Rotorelementen 40, 42 in der negativen Richtung gemäß 6 einwirkt. Allerdings ist es mit der Funktion der Einwegkupplung 30, die zwischen dem zweiten Rotorelement 42 und dem drehbaren Schaft 26 vorgesehen ist, möglich, die Rotorphasenbeziehung bei der Inter-Rotor-Phase θe als „eine Phasenfesthaltungsoperation” konstant zu halten, ohne die Inter-Rotor-Phase θe in die negative Richtung zu ändern.
10 zeigt schematisch die Beziehung zwischen der Inter-Rotor-Phase θe und der Stabilität der Rotorphasenbeziehung. Für den Übergang der Inter-Rotor-Phase θe in der positiven Richtung in Richtung zu dem polaren gleichen Zustand an dem Punkt P2 ausgehend von dem polaren umgekehrten Zustand an dem Punkt P1 ist es möglich, eine solche Steuerung auszuführen, dass das magnetische Statorfeld generiert wird, das die Erzeugung in der Richtung der Achse d erreicht, wie dies vorstehend beschrieben ist, und zwar für den Zweck der Änderung der Inter-Rotor-Phase θe und der Stabilität in Richtung des Pfeils Q1. In diesem Fall wird das magnetische Inter-Rotor-Drehmoment in der negativen Richtung generiert, wodurch der Übergang in der Richtung R erhalten wird, das heißt in der Richtung der Stabilisierung der Phase, und zwar für den gewünschten Wert des effektiven magnetischen Flusses, der das magnetische Statorfeld von Null erzielt. Allerdings ist es mit der Funktion der Einwegkupplung 30 möglich, den gewünschten Zustand aufrecht zu erhalten, beispielsweise für Punkte P3 und P4. Unter dieser Bedingung erhöht sich die Größe des effektiven Magnetflusses des Rotors 28 von dem effektiven magnetischen Fluss von Null ausgehend in den polaren umgekehrten Zustand.
Eine weitere Erhöhung hinsichtlich des effektiven magnetischen Flusses kann dadurch erreicht werden, dass der Vorgang der Erzeugung des positiven Drehmoments und der Vorgang der Fixierung der Phase wiederholt werden. Mit diesem Vorgang bzw. diesen Vorgängen ist es möglich, einen Übergang der Inter-Rotor-Phase von dem Zustand des magnetischen Flusses von 0% zu dem Zustand des magnetischen Flusses von 100% zu erreichen.
Als nächstes werden Erläuterungen hinsichtlich der Steuerung bezüglich des Übergangs der Rotorphasenbeziehung gegeben, durch die ein positiv gerichteter Übergang von θe für 0° ≤ θe < +180° erreicht wird. 11A–C und 12A–C zeigen den Übergang in der positiven Richtung von θe für 0° ≤ θe ≤ +180° an. Für den Übergang in der positiven Richtung ausgehend von dem polaren gleichen Zustand von θe = 0° wird die Vektorsteuerung des Stroms der Statorspule derart ausgeführt, dass das magnetische Statorfeld generiert wird, das eine Phasendifferenz zwischen den Rotorelementen 40, 42 hervorruft, das einer positiven Inter-Rotor-Phase θe entspricht, und zwar mindestens bei einem anfänglichen Antriebszustand des zweiten Rotorelements 42. In diesem Fall wird die Vektorsteuerung des Stroms der Statorspulen bzw. Statorspule derart ausgeführt, dass das magnetische Statorfeld so generiert wird, dass sich die Phasendifferenz zwischen den homopolaren bzw. gleichnamigen Magneten der zwei Rotorelemente 40, 42 in dem anfänglichen Antriebszustand des zweiten Rotorelements 42 vergrößert. Als ein Beispiel wird das magnetische Statorfeld derart generiert, dass ein magnetischer Fluss für die Achse q mit einer spezifischen Amplitude hervorgerufen wird, die das Drehmoment in der Richtung des Pfeils θ (11A–C) zeitweilig auf den Rotor 28 in dem anfänglichen Antriebszustand gibt.
In diesem Fall wird die Vektorsteuerung des Stroms der Statorspule bzw. Statorspulen so ausgeführt, dass das magnetische Statorfeld bzw. Magnetfeld des Stators derart gebildet wird, dass ein magnetischer Fluss in einer spezifischen bzw. speziellen Richtung hervorgerufen wird. In diesem magnetischen Feld des Stators ist es, wie in 1A bzw. 11A und 12A gezeigt ist, möglich, den magnetischen Fluss des Stators in der gleichen Richtung wie den magnetischen Fluss der homopolaren Magnete in den zwei Rotorelementen 40, 42 mit der gleichen Phase zu bilden, und zwar an einer Position, die in der positiven Richtung der Inter-Rotor-Phase θe abweicht, beispielsweise an der Position, die in 11A durch einen Pfeil N angezeigt ist. In diesem Zustand generiert das Magnetfeld des Stators ein β-gerichtetes Drehmoment mit der gleichen Dimension wie jedes Rotorelement 40, 42. Allerdings besitzt das erste Rotorelement 40, das einheitlich bzw. einstückig mit dem drehbaren Schaft 26 ausgebildet ist, eine große Trägheit in Drehrichtung, wohingegen das zweite Rotorelement 42, das nicht einheitlich mit dem drehbaren Schaft 26 ausgebildet ist, eine kleinere Trägheit in Drehrichtung als das erste Rotorelement 40 aufweist. Aus diesem Grund ist es möglich, das zweite Rotorelement 42 in der Richtung β in Relation zu dem ersten Rotorelement 40 zu drehen, und zwar aufgrund des Drehmoments in der positiven Richtung, die in 7 gezeigt ist, das auf das zweite Rotorelement 42 einwirkt.
Mit diesem Drehmoment in der positiven Richtung ist es möglich, einen Übergang der Inter-Rotor-Phase in den Zustand von θe = +180° zu erreichen.
In diesem Fall, gemäß 10, bei dem gleichen polaren Zustand an dem Punkt P2, ermöglicht es die Steuerung für die Bewirkung des magnetischen Statorfelds in der vorstehend angegebenen Weise, die Inter-Rotor-Phase θe und die Stabilität in der Richtung des Pfeils Q2 zu ändern. In diesem Zustand wirkt das positive magnetische Inter-Rotor-Drehmoment gemäß 6 stets in einer Region von 0° < θe < +180°, wodurch es möglich ist, den Übergang in den umgekehrten polaren Zustand auszuführen, das heißt in den Zustand stabiler Phase, ohne dass eine Notwendigkeit für die externe Zuführung von antreibendem Drehmoment besteht.
Wie vorstehend beschrieben, ist es für den Zweck der Erzeugung des magnetischen Statorfelds, das magnetische Pole in spezifischer Richtung in dem polaren gleichen Zustand ausbildet, möglich, eine Konfiguration einzusetzen, bei der die Vektorsteuerung des Stroms der Statorspule derart ausgeführt wird, dass die zwei Rotorelemente 40, 42 in der gleichen Richtung mittels der Steuereinrichtung 70 gedreht werden, und dass das zweite Rotorelement 42 in Relation zu dem ersten Rotorelement 40 gedreht wird. Als ein Beispiel kann die Vektorsteuerung des Stroms der Statorspule hinsichtlich einer Erzeugung des magnetischen Felds des Stators ausgeführt werden, durch das ein impulsförmiger magnetischer Fluss an einer Position hervorgerufen wird, die es den beiden Rotorelementen 40, 42 erlaubt, in der gleichen Richtung zu drehen.
In Übereinstimmung mit dem Steuersystem 10 der drehbaren elektrischen Maschine und dem Verfahren für die Steuerung der drehbaren elektrischen Maschine 20 gemäß der vorstehenden Beschreibung ist es möglich, die Größe des effektiven magnetischen Flusses des Rotors 28 dadurch zu ändern, dass die Rotorphasenbeziehung zwischen zwei Rotorelementen 40, 42 geändert wird, ohne dass eine Notwendigkeit hinsichtlich einer spezialisierten antreibenden Quelle wie etwa eines Aktuators besteht. Zudem ist es möglich, die Größe des effektiven magnetischen Flusses auf einen beliebigen Wert zu steuern, da die Rotorphasenbeziehung zwischen den Rotorelementen 40, 42 beliebig gesteuert werden kann, ohne dass ein Drehmoment generiert wird, das auf die Außenseite der drehbaren elektrischen Maschine 20 durch den drehbaren Schaft 26 einwirkt. Als ein Ergebnis dessen ist es möglich, frei zu sein von einem Anwachsen hinsichtlich der Kosten und der Größe des Körpers des Aktuators, und zwar im Vergleich mit konventionellen Techniken, bei denen der Aktuator erforderlich ist.
Zudem ist die Einwegkupplung 30 zwischen dem zweiten Rotorelement und dem drehbaren Schaft 26 vorgesehen. Die Einrichtungskupplung bzw. Einwegkupplung 30 verhindert, dass sich das zweite Rotorelement 42 in den polaren umgekehrten Zustand in Relation zu dem ersten Rotorelement 40 dreht, und zwar aufgrund des Inter-Rotor-magnetischen-Drehmoments, das auf die beiden Rotorelemente 40, 42 einwirkt, und zwar hinsichtlich des Übergangs der Inter-Rotor-Phase θe von dem polaren umgekehrten Zustand in den polaren gleichen Zustand. Aus diesem Grund ist es möglich, die Rotorphasenbeziehung ohne eine externe elektrische zwingende Kraft bzw. Zwangskraft aufrecht zu erhalten, wenn sich die Größe des effektiven magnetischen Flusses des Rotors 28 bei einem gewünschten Wert befindet. Aus diesem Grund ist es nicht notwendig, die Rotorphasenbeziehung mittels einer zwingenden Kraft seitens eines Aktuators aufrecht zu erhalten, wodurch Energieverluste reduziert werden können.
Zudem führt die Steuereinrichtung 70 eine Vektorsteuerung des Stroms der Statorspule für den Übergang der Rotorphase θe aus dem polaren umgekehrten Zustand in den polaren gleichen Zustand durch. Hierdurch ist es trotz des Vorhandenseins des negativen magnetischen Drehmoments des Rotors, das aus der Anziehungskraft zwischen Magneten resultiert, möglich, einen Übergang der Rotorphasenbeziehung in den polaren gleichen Zustand zu erreichen, ohne dass eine Notwendigkeit hinsichtlich des Vorsehens der antreibenden Kraft wie etwa eines Aktuators gegeben ist.
Ferner führt die Steuereinrichtung 70 die Vektorsteuerung des Spulenstroms des Stators derart durch, dass eine Phasendifferenz zwischen den Rotorelementen 40, 42 zumindest während einer anfänglichen antreibenden Periode bzw. Zeitspanne des zweiten Rotorelements 42 bei einem Übergang aus dem polaren gleichen Zustand zu dem polaren umgekehrten Zustand generiert wird. Aus diesem Grund ist es möglich, die Größe des effektiven magnetischen Flusses von 100% auf 0% herunter zu reduzieren, ohne dass eine externe antreibende Kraft eingesetzt wird, und zwar aufgrund des magnetischen Drehmoments des Rotors zwischen den Rotorelementen 40, 42, wobei dies allein dadurch erreicht wird, dass das vorbestimmte magnetische Feld des Stators während der anfänglichen antreibenden Periode bzw. des anfänglichen Antriebszeitintervalls hervorgerufen wird.
[Zweites Ausführungsbeispiel] 13 zeigt die Konfiguration des Steuersystems 10 der drehbaren elektrischen Maschine in Übereinstimmung mit dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die drehbare elektrische Maschine 20 ist nicht mit einem Drehwinkelsensor 34 (1) versehen, der bei dem vorstehend erläuterten ersten Ausführungsbeispiel den Drehwinkel des zweiten Rotorelements 42 erfasst. Stattdessen ist das Steuersystem 10 der drehbaren elektrischen Maschine mit einer Induktionsspannungserfassungsschaltung 80 versehen, die die Induktionsspannung bzw. induzierte Spannung von mindestens einer Phase der Statorspule 38 detektiert. Die Induktionsspannungserfassungsschaltung 80 detektiert eine Induktionsspannung, die an der Statorspule 38 generiert wird und von der effektiven Größe des magnetischen Flusses des Rotors 28 aufgrund der Drehung des ersten Rotorelements 40 und des zweiten Rotorelements 42 herrührt. Der Erfassungswert der Induktionsspannung wird zu der Steuereinrichtung 70 übertragen.
Die Steuereinrichtung 70 weist einen Induktionsspannungsgewinnungsabschnitt 90, einen Drehachsendrehwinkelerfassungsabschnitt 92 und einen Inter-Rotor-Phasendifferenzberechnungsabschnitt 94 auf. Der Gewinnungsabschnitt 90 für die Gewinnung der Induktionsspannung ermittelt den Erfassungswert der Induktionsspannung, der durch die Steuereinrichtung 70 empfangen wird. Der Gewinnungsabschnitt 92 für die Gewinnung des Drehwinkels der Drehachse empfängt und gewinnt den Erfassungswert des Drehwinkels des drehbaren Schafts 26, der von dem Drehwinkelsensor 32 gesendet bzw. zugeführt wird. Der Berechnungsabschnitt 94 für die Berechnung der Phasendifferenz der Inter-Rotor-Phase berechnet die Inter-Rotor-Phase θe als die relative Phasendifferenz der Inter-Rotor-Phase auf der Basis des Erfassungswerts der Induktionsspannung und des Erfassungswerts des Drehwinkelsensors 32.
14A–D zeigen vier Beispiele für die Beziehung zwischen dem Achsendrehwinkel (elektrischer Winkel) und der Induktionsspannung des Stators mit unterschiedlichen Inter-Rotor-Phasen θe bei diesem Ausführungsbeispiel. 14A–D zeigen die Induktionsspannung, die von dem magnetischen Fluss des ersten Rotorelements 40 herrührt, der durch die doppelpunktierte Linie T1 angezeigt ist, wobei die Induktionsspannung aus dem magnetischen Fluss des zweiten Rotorelements 42 resultiert, der durch eine punktierte Linie T2 mit Einzelpunkten angezeigt ist, und aus der kombinierten Induktionsspannung resultiert, die aus der Kombination des magnetischen Flusses der beiden Rotorelemente 40, 42 resultiert, die durch eine reale bzw. durchgezogene Linie TA angezeigt ist. Die punktierte Linie Ts zeigt einen Signalerfassungswert als das Erfassungssignal des Drehwinkelsensors 32 an. Der Signalerfassungswert des Drehwinkelsensors 32 ist proportional zu dem Drehwinkel der Achse, der als der elektrische Winkel ausgedrückt ist.
Wie in 14A–D gezeigt ist, ist es möglich, die Inter-Rotor-Phase θe, die dem aktuellen Zustand entspricht, bei nahezu allen Drehwinkeln der Drehwelle bzw. des drehbaren Schafts 26 anhand der Induktionsspannung des Stators und des Drehwinkels des drehbaren Schafts 26 zu berechnen. Als ein Beispiel bestimmt in dem Fall des Erhaltens von einer aus dem kombinierten Induktionsspannungen V1, V2, V3 und V4 bei dem Drehwinkel des drehbaren Schafts 26, der Berechnungsabschnitt 94 für die Berechnung der Inter-Rotor-Phasendifferenz, die Inter-Rotor-Phase θe als eine von –180°, –120°, 0°, +60° als die Inter-Rotor-Phase θe, die dem aktuellen Zustand entspricht. In diesem Fall ist es möglich, die Inter-Rotor-Phase θe unter Verwendung einer Karte bzw. eines Kennfelds zu berechnen, dass die Beziehung zwischen der Inter-Rotor-Phase θe, die in dem Speicherabschnitt vorab gespeichert ist, der kombinierten Induktionsspannung und dem Drehwinkel des drehbaren Schafts 26 angibt. Um die Inter-Rotor-Phase θe unter Benutzung einer Beziehung zu berechnen, die nicht in dem Speicherabschnitt gespeichert ist, kann die Inter-Rotor-Phase θe durch eine Interpolation berechnet werden, wobei hierfür eine Beziehung gemäß einer Karte bzw. eines Kennfelds oder eine vorbestimmte Beziehung benutzt werden. Da die kombinierte Induktionsspannung stets Null in dem polaren umgekehrten Zustand ist, kann dies möglicherweise nicht von anderen Zuständen unterschieden werden, bei denen die kombinierte Induktionsspannung gleich Null ist. In diesem Fall ist es möglich, eine Ausgestaltung vorzusehen, bei der keine Berechnung der Inter-Rotor-Phase θe unter Verwendung des Erfassungswerts des Zustands ausgeführt wird.
Mit der vorstehend angegebenen Konfiguration ist es möglich, die Inter-Rotor-Phase θe zu berechnen, indem die kombinierte Induktionsspannung und der Erfassungswert des Drehwinkels des drehbaren Schafts 26 während der Drehung des drehbaren Schafts 26 verwendet werden, und zwar für den Übergang der Inter-Rotor-Phase. Aus diesem Grund wird der Drehwinkelsensor nicht benötigt, um den Drehwinkel des zweiten Rotorelements 42 zu detektieren, wodurch Herstellungskosten verringert werden. Ferner ist es nicht notwendig, den Einstellabschnitt für den Drehwinkelsensor für die Erfassung des Drehwinkels des zweiten Rotorelements 42 für die drehbare elektrische Maschine 20 vorzusehen, was es erlaubt, eine verringerte Dimension bzw. verkleinerte Abmessungen zu erreichen. Die weitere Konfiguration und weitere Funktionen sind die gleichen wie bei der Konfiguration, die in den 1 bis 12A–C gezeigt sind.
[Drittes Ausführungsbeispiel] 15 zeigt eine geschnittene Oberfläche bzw. Ansicht der drehbaren elektrischen Maschine 20 in Übereinstimmung mit einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die drehbare elektrische Maschine 20 ist nicht mit einer Einwegkupplung 30 (1) versehen. Die drehbare elektrische Maschine 20 hat einen rohrförmigen Vorsprung 44, der an dem drehbaren Schaft 26 vorgesehen ist, der an dem ersten Rotorelement 40 fixiert bzw. fest angebracht ist, und einen Rückhaltemechanismus 96, der zwischen seitlichen Oberflächen in der axialen Richtung vorgesehen ist, die dem zweiten Rotorelement 42 zugewandt ist. Der Rückhaltemechanismus 96 behält den polaren gleichen Zustand bei, wenn das erste Rotorelement 40 und das zweite Rotorelement 42 miteinander hinsichtlich des Inter-Rotors bzw. der Inter-Rotor-Beziehung miteinander übereinstimmen, während der effektive magnetische Fluss gleich 100% ist. Der Rückhaltemechanismus 96 behält den gleichen polaren Zustand mittels der beiden Rotorelemente 40, 42 bei, wobei eine Federkraft auf eine Kugel ausgeübt wird, indem ein konkaver Abschnitt, der an der seitlichen Oberfläche in der Achsenrichtung des rohrförmigen Vorsprungs 44 vorgesehen ist, mit einem konkaven Abschnitt durch die Kugel in Eingriff gebracht werden, der an der seitlichen Oberfläche in der Achsenrichtung des inneren Halteabschnitts 52 vorgesehen ist.
Der Rückhaltemechanismus gibt die Verriegelung mittels des Inter-Rotor magnetischen Drehmoments nicht frei und erzeugt eine spezifische fixierende Kraft bzw. Haltekraft, um hierbei die Verriegelung durch die antreibende Kraft für den Übergang der Rotorphasenbeziehung freizugeben, die aus dem magnetischen Feld des Stators herrührt.
Zudem führt die Steuereinrichtung 70 eine Vektorsteuerung des Stroms der Statorspule aus, derart, dass die Inter-Rotor-Phase lediglich bei einem von zwei Schaltzuständen aufrecht erhalten wird, nämlich dem polaren umgekehrten Zustand mit der Größe des effektiven magnetischen Flusses von 0%, und dem polaren gleichen Zustand.
In Übereinstimmung mit der vorstehend erläuterten Konfiguration ist es nicht notwendig, die Einwegkupplung 40 für die Regulierung der Richtung der Drehung des zweiten Rotorelements 42 in nur einer Richtung vorzusehen, wodurch eine Verringerung der Kosten erreicht wird. Weitere Konfigurationen und Funktionen sind die gleichen wie bei den vorstehend erläuterten Konfigurationen, die in 1 bis 12A–C gezeigt sind. Bei den vorstehend erläuterten Konfigurationen, die in 1 bis 12A–C gezeigt sind, ist es auch möglich, den Rückhaltemechanismus bzw. Verriegelungsmechanismus 96 vorzusehen, wie er in der vorstehend beschriebenen 15 dargestellt ist. In diesem Fall ist es einfach, den gleichen polaren Zustand mit dem effektiven magnetischen Fluss von 100% beizubehalten. Zudem ist es auch, wie in dem Fall des gleichen polaren Zustands, oder anstelle dieses Falls möglich, den Rückhaltemechanismus bzw. Verriegelungsmechanismus an einem Abschnitt vorzusehen, um eine gewünschte Rotorphasenbeziehung, die eine andere ist als der gleiche polare Zustand, aufrecht zu erhalten. Ferner kann der Rückhaltemechanismus auch zwischen seitlichen Oberflächen des ersten Rotorelements 40 und des zweiten Rotorelements 42, die jeweils gegenseitig einander in der axialen Richtung zugewandt sind, vorgesehen sein.
[Viertes Ausführungsbeispiel] 16 zeigt die Beziehung zwischen dem Drehmoment, das durch das magnetische Feld des Stators in dem zweiten Rotorelement 42 generiert wird, dem Inter-Rotor-magnetischen-Drehmoment bzw. dem magnetischen Drehmoment zwischen den Rotoren, und der Inter-Rotor-Phase θe, und zwar in Übereinstimmung mit dem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel führt die Steuereinrichtung 70 wie bei der vorstehend angegebenen Konfiguration gemäß 15 eine Vektorsteuerung des Stroms der Statorspule durch, derart, dass die Inter-Rotor-Phase θe lediglich bei einem beliebigen von zwei Zuständen beibehalten wird, nämlich dem polaren umgekehrten Zustand mit einer effektiven Größe des magnetischen Flusses von 0%, und dem polaren gleichen Zustand mit einer Größe des effektiven magnetischen Flusses von 100%. In diesem Fall wird die Vektorsteuerung derart durchgeführt, dass eine Energie für einen Übergang auf θe = 0° bei der Bedingung von θe = –180° generiert wird, und zwar für einen Übergang der Inter-Rotor-Phase θe aus dem polaren umgekehrten Zustand in den polaren gleichen Zustand. In diesem Fall wird die Vektorsteuerung des Stroms der Statorspule bzw. Statorspulen durchgeführt, derart, dass die Anziehungsenergie, die aus dem magnetischen Drehmoment des Inter-Rotor-Magneten herrührt, das auf den Rotor 28 während des gesamten Übergangs von θe = –180° bis zu 0° einwirkt, und die Anziehungsenergie, die der Trägheitsenergie für die Drehung des zweiten Rotorelements 42 während der anfänglichen Antriebsperiode bzw. Antriebsdauer des zweiten Rotorelements 42 entspricht, sofort zugeführt werden bzw. bereit gestellt werden.
Für den Übergang aus dem polaren gleichen Zustand in den polaren umgekehrten Zustand wird die Vektorsteuerung des Stroms der Statorspule bzw. Statorspulen derart ausgeführt, dass die beiden Rotorelemente 40, 42 jeweils in der gleichen Richtung gedreht werden. Als ein Beispiel wird die Vektorsteuerung des Stroms der Statorspulen so ausgeführt, dass das magnetische Statorfeld generiert wird, das einen gepulsten bzw. pulsierenden magnetischen Fluss mit einer rechteckförmigen Wellenform oder dreieckförmigen Wellenform an einer Position bewirkt, die es den beiden Rotorelementen 40, 42 jeweils erlaubt, in der gleichen Richtung zu drehen. Das Drehmoment, das durch das Magnetfeld des Stators in diesem Fall generiert wird, kann kleiner sein als das Drehmoment, das für den Übergang aus dem polaren umgekehrten Zustand vorgesehen ist.
Bei der vorstehend beschriebenen Konfiguration ist es nicht notwendig, die Vektorsteuerung für die Erzeugung des Magnetflusses des Stators auf der Basis der Inter-Rotor-Phase θe über den gesamten Bereich des Vorgangs des Übergangs der Rotorphasenbeziehung hinweg auszuführen. Aus diesem Grund ist es nicht notwendig, die Inter-Rotor-Phase θe in dem gesamten Bereich für die Detektion der Inter-Rotor-Phasendifferenz einschließlich der Erfassung der Inter-Rotor-Phasendifferenz gemäß 13 zu detektieren. Aus diesem Grund ist es möglich, die Konfiguration der Hardware und die Konfiguration der Software für die Steuerung der Inter-Rotor-Phase zu vereinfachen. Weitere Konfigurationen und Funktionen sind die gleichen wie bei den vorstehend beschriebenen Konfigurationen, die in 1 bis 12A–C gezeigt sind.
Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind vorstehend erläutert. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf solche Ausführungsbeispiele beschränkt und kann in unterschiedlichen Konfigurationen ausgeführt werden, ohne dass der Umfang der vorliegenden Erfindung verlassen wird.
Die vorstehende Erläuterung ist im Hinblick auf die Konfiguration getroffen, bei der ein Paar aus zwei Magneten in einer V-förmigen Form in jedem Rotorelement 40, 42 angeordnet ist. Die vorliegende Erfindung ist hierauf nicht beschränkt, und es ist möglich, eine Konfiguration vorzusehen, bei der jeder Magnet beispielsweise entlang der Umfangsrichtung in jedem Rotorelement 40, 42 angeordnet ist.

Claims

Steuersystem, mit einer drehbaren elektrischen Maschine, die aufweist: einen Stator, der Statorspulen enthält, die an mehreren Positionen in einer Umfangsrichtung angeordnet sind, einen Rotor, der ein erstes Rotorelement und ein zweites Rotorelement enthält, die im Inneren des Stators drehbar und so angeordnet sind, dass sie voneinander in einer axialen Richtung getrennt sind, wobei das erste Rotorelement eine Mehrzahl von ersten Magneten mit unterschiedlichen Polaritäten enthält, die abwechselnd in der Umfangsrichtung angeordnet sind, wobei das erste Rotorelement an einem drehbaren Schaft fest angebracht ist, wobei das zweite Rotorelement eine Mehrzahl von zweiten Magneten mit unterschiedlichen Polaritäten enthält, die alternierend in der Umfangsrichtung angeordnet sind, wobei das zweite Rotorelement drehbar an dem drehbaren Schaft angeordnet ist; und einer Steuereinrichtung, die konfiguriert ist, um einen Statorspulenstrom zu steuern, wobei die Steuereinrichtung dazu konfiguriert ist, eine Vektorsteuerung des Statorspulenstroms für einen Übergang einer Inter-Rotor-Phase auszuführen, wobei die Inter-Rotor-Phase eine relative Phasendifferenz des zweiten Rotorelements in Relation zu dem ersten Rotorelement ist.
Steuersystem nach Anspruch 1, bei dem die Steuereinrichtung dazu konfiguriert ist, eine Vektorsteuerung des Statorspulenstroms auszuführen, derart, dass ein Übergang von mindestens der Inter-Rotor-Phase aus der Inter-Rotor-Phase in einem polaren umgekehrten Zustand in die Inter-Rotor-Phase in einen polaren gleichen Zustand erreicht wird, wobei der polare umgekehrte Zustand ein Zustand ist, bei dem eine Koinzidenz hinsichtlich der Phase zwischen dem ersten Magnet und dem zweiten Magnet mit Antipolarität in ihren Umfangsrichtungen erreicht ist, wobei der polare gleiche Zustand ein Zustand ist, bei dem eine Koinzidenz hinsichtlich der Phase zwischen dem ersten Magnet und dem zweiten Magnet mit Homopolarität bzw. Gleichnamigkeit in ihren Umfangsrichtungen erzielt ist.
Steuersystem nach Anspruch 2, bei dem die Steuereinrichtung dazu konfiguriert ist, eine Vektorsteuerung des Statorspulenstroms auszuführen, derart, dass ein Drehmoment generiert wird, das es dem ersten Rotorelement und zweiten Rotorelement erlaubt, in entgegengesetzte Richtungen zu drehen, wobei ein Drehmoment generiert wird, das nicht zu einer Drehung des Rotors beiträgt, wenn die Inter-Rotor-Phase zwischen der Inter-Rotor-Phase in dem polaren umgekehrten Zustand und der Inter-Rotor-Phase in dem polaren gleichen Zustand positioniert ist.
Steuersystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Steuereinrichtung dazu konfiguriert ist, eine Vektorsteuerung des Statorspulenstroms auszuführen, derart, dass eine Phasendifferenz zwischen dem ersten Rotorelement und dem zweiten Rotorelement während einer anfänglichen Antriebsperiode bzw. Antriebszeitdauer für den drehenden Antrieb des zweiten Rotorelements in Relation zu dem ersten Rotorelement vergrößert wird, um hiermit mindestens die Inter-Rotor-Phase von einem vorbestimmten Wert zu ändern.
Steuersystem nach Anspruch 4, bei dem die Steuereinrichtung dazu konfiguriert ist, eine Vektorsteuerung des Statorspulenstroms auszuführen, derart, dass die Phasendifferenz mindestens während einer anfänglichen antreibenden Periode bzw. Zeitdauer des zweiten Rotorelements in einem Übergang von der Inter-Rotor-Phase in dem polaren gleichen Zustand zu der Inter-Rotor-Phase in dem polaren umgekehrten Zustand generiert wird, wobei die Inter-Rotor-Phase ein vorbestimmter Wert ist, wobei der polare gleiche Zustand ein Zustand ist, bei dem eine Koinzidenz hinsichtlich der Phase zwischen dem ersten Magnet und dem zweiten Magnet mit Homopolarität bzw. Gleichnamigkeit in ihren Umfangsrichtungen erreicht ist, wobei der polare umgekehrte Zustand ein Zustand ist, bei dem eine Koinzidenz hinsichtlich der Phase zwischen dem ersten Magnet und dem zweiten Magnet mit Antipolarität in ihren Umfangsrichtungen erzielt ist.
Steuersystem nach Anspruch 5, bei dem die Steuereinrichtung dazu konfiguriert ist, eine Vektorsteuerung des Statorspulenstroms auszuführen, derart, dass das zweite Rotorelement in Relation zu dem ersten Rotorelement gedreht wird und beide von dem ersten Rotorelement und dem zweiten Rotorelement in der gleichen Richtung gedreht werden, und zwar mindestens während einer anfänglichen antreibenden Periode des zweiten Rotorelements bei einem Übergang von dem polaren gleichen Zustand in den polaren umgekehrten Zustand.
Steuersystem nach Anspruch 4, bei dem die Steuereinrichtung dazu konfiguriert ist, eine Vektorsteuerung des Statorspulenstroms auszuführen, derart, dass eine Anziehungskraftenergie für eine kurze Zeit für einen Übergang des zweiten Rotorelements in den polaren gleichen Zustand während einer anfänglichen Antriebsperiode des zweiten Rotorelements bei einem Übergang aus einem polaren umgekehrten Zustand in den polaren gleichen Zustand zugeführt wird, wobei die Inter-Rotor-Phase ein vorbestimmter Wert ist, wobei der polare umgekehrte Zustand ein Zustand ist, bei dem eine Koinzidenz hinsichtlich der Phase zwischen dem ersten Magnet und dem zweiten Magnet mit Antipolarität in ihren Umfangsrichtungen erreicht ist, wobei der polare gleiche Zustand ein Zustand ist, bei dem eine Koinzidenz hinsichtlich der Phase zwischen dem ersten Magnet und dem zweiten Magnet mit Homopolarität in ihren Umfangsrichtungen erreicht ist.
Steuersystem nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 7, das weiterhin umfasst: eine Einwegkupplung, die zwischen dem zweiten Rotorelement und dem drehenden Schaft vorgesehen ist, wobei die Einwegkupplung dazu konfiguriert ist, eine Drehung zu verhindern, die es dem zweiten Rotorelement erlauben würde, zu dem polaren umgekehrten Zustand in Relation zu dem ersten Rotorelement zurückzukehren, wobei hierbei ein magnetisches Inter-Rotor-Drehmoment vorhanden ist, das zwischen dem ersten Rotorelement und dem zweiten Rotorelement bei einem Übergang der Inter-Rotor-Phase aus der Inter-Rotor-Phase in dem polaren umgekehrten Zustand zu der Inter-Rotor-Phase in dem polaren gleichen Zustand wirkt, wobei der polare umgekehrte Zustand ein Zustand ist, bei dem eine Koinzidenz in der Phase zwischen dem ersten Magnet und dem zweiten Magnet mit Antipolarität in ihren Umfangsrichtungen erreicht ist, wobei der polare gleiche Zustand ein Zustand ist, bei dem eine Koinzidenz in der Phase zwischen dem ersten Magnet und dem zweiten Magnet mit Homopolarität in ihren Umfangsrichtungen erreicht ist.
Steuersystem nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 8, das weiterhin umfasst: einen Drehwinkelsensor, der einen Drehwinkel des drehbaren Schafts detektiert; wobei die Steuereinrichtung dazu konfiguriert ist, die Inter-Rotor-Phase auf der Basis eines Erfassungswerts einer Induktionsspannung, die in der Statorspule als Resultat aus der Drehung des ersten Rotorelements und des zweiten Rotorelements generiert wird, und eines Detektionswerts des Drehwinkelsensors zu berechnen.
Steuersystem nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 9, das weiterhin umfasst: einen Rückhaltemechanismus, der zwischen dem zweiten Rotorelement und entweder dem ersten Rotorelement oder einem Element, das mit dem ersten Rotorelement fest verbunden ist, vorgesehen ist, wobei der Rückhaltemechanismus den polaren gleichen Zustand aufrecht erhält, wenn die Inter-Rotor-Phase die Inter-Rotor-Phase in dem polaren gleichen Zustand ist, wobei der polare gleiche Zustand ein Zustand ist, bei dem eine Koinzidenz in der Phase zwischen dem ersten Magnet und dem zweiten Magnet mit Homopolarität in ihren Umfangsrichtungen erzielt ist.
Steuersystem nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die Steuereinrichtung dazu konfiguriert ist, eine Vektorsteuerung des Statorspulenstroms durchzuführen, derart, dass die Inter-Rotor-Phase lediglich bei der Inter-Rotor-Phase in entweder dem polaren umgekehrten Zustand oder dem polaren gleichen Zustand aufrecht erhalten wird, wobei der polare umgekehrte Zustand ein Zustand ist, bei dem eine Koinzidenz in der Phase zwischen dem ersten Magnet und dem zweiten Magnet mit Antipolarität in ihren Umfangsrichtungen erzielt ist, wobei der polare gleiche Zustand ein Zustand ist, bei dem eine Koinzidenz in der Phase zwischen dem ersten Magnet und dem zweiten Magnet mit Homopolarität in ihren Umfangsrichtungen erzielt ist.
Verfahren zum Steuern eines Steuersystems, das eine drehbare elektrische Maschine und eine Steuereinrichtung aufweist, wobei die drehbare elektrische Maschine enthält: einen Stator, der Statorspulen aufweist, die an einer Mehrzahl von Positionen in einer Umfangsrichtung angeordnet sind, und einen Rotor, der ein erstes Rotorelement und ein zweites Rotorelement aufweist, die innerhalb des Stators drehbar sind und so angeordnet sind, dass sie gegenseitig voneinander in der axialen Richtung getrennt sind, wobei das erste Rotorelement eine Mehrzahl von ersten Magneten mit unterschiedlichen Polaritäten aufweist, die abwechselnd in Umfangsrichtung angeordnet sind, wobei das erste Rotorelement an dem drehbaren Schaft fest angebracht ist, wobei das zweite Rotorelement eine Mehrzahl von zweiten Magneten mit unterschiedlichen Polaritäten aufweist, die abwechselnd in der Umfangsrichtung angeordnet sind, wobei das zweite Rotorelement drehbar an dem drehbaren Schaft vorgesehen ist; und wobei die Steuereinrichtung dazu konfiguriert ist, einen Statorspulenstrom zu steuern, wobei das Verfahren aufweist: Durchführen, mittels der Steuereinrichtung, einer Vektorsteuerung des Statorspulenstroms für einen Übergang einer Inter-Rotor-Phase, die eine relative Phasendifferenz des zweiten Rotorelements in Relation zu dem ersten Rotorelement ist.