JP2014079057A - 回転電機制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機制御システムにおいて、回転磁界を発生させる電流ベクトルへの電流パルス重畳中のロータトルクの向上を図ることである。
【解決手段】回転電機制御システムは、回転電機を制御する制御装置を含む。制御装置は、電流パルス重畳前の第１電流ベクトルＩ₁の第１電流位相θ１と、ｄ軸電流を増大させｑ軸電流を減少させた第２電流ベクトルＩ₂の第２電流位相θ２との間にリラクタンストルク最大となる電流位相があるときに、第１電流位相θ１と第２電流位相θ２との間の中間位相θｍを有する中間電流ベクトルＩｍを設定する。中間電流ベクトルＩｍは、第１電流ベクトルＩ₁から第２電流ベクトルＩ₂へ一直線状にベクトル軌跡を変化させる場合の中間位相θｍでの仮想電流ベクトルＩｍａよりも大きくする。電流ベクトルを、Ｉ₁、Ｉｍ、Ｉ₂へ順に変化させ、Ｉｍ、Ｉ₁へ順に戻すことで電流パルスを生成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、回転電機制御システムに関し、特に電流ベクトルに電流パルスを重畳させる場合の制御に関する。

特許文献１には、回転磁界を発生させるステータと、ステータに対向して回転するロータとを備え、ロータはロータコイルとロータコイルに選択された極性で短絡されるダイオードとを含む電磁石型回転電機の制御装置が記載されている。この制御装置では、所定条件成立時にステータコイルに流れるステータ電流に電流パルスを重畳させる。

特開２０１１−４１４３３号公報

特許文献１に記載された回転電機において、ステータ電流に電流パルスを重畳させる方法として、回転磁界を発生させる電流ベクトルのｄ軸電流に増大してから減少するｄ軸パルスを重畳させ、電流ベクトルのｑ軸電流に減少してから増大するｑ軸パルスを重畳させることが考えられる。この構成によれば、電流パルスの重畳時に過度にステータ電流を大きくすることなく、電流パルス重畳後のロータトルクの向上を図れるが、電流パルス重畳中のロータトルクの向上を図る面からは改良の余地がある。

本発明の目的は、回転電機制御システムにおいて、回転磁界を発生させる電流ベクトルへの電流パルス重畳中のロータトルクの向上を図ることである。

本発明に係る回転電機制御システムは、回転磁界を発生するステータと、前記ステータに対向配置され、ロータスロットを通ってロータコアに巻装されたロータコイルと、前記ロータコイルに接続されロータコイル電流を一方向に整流する整流部とを有し、前記各ロータコイル電流によってロータ突極が周方向に交互に異なる極性となるロータとを含む回転電機と、前記回転磁界を発生させる電流ベクトルに電流パルスを重畳させる制御装置とを備え、前記制御装置は、前記電流パルス重畳前の第１電流ベクトルと、前記第１電流ベクトルから所定の増加分でｄ軸電流を増加させ所定の減少分でｑ軸電流を減少させた第２電流ベクトルとを設定し、前記電流ベクトルとｄ軸正方向との間での位相を電流位相として、前記第１電流ベクトルの第１電流位相と前記第２電流ベクトルの第２電流位相との間にリラクタンストルク最大となる電流位相があるときに、前記第１電流位相と前記第２電流位相との間の中間位相を有する中間電流ベクトルであって、前記第１電流ベクトルから前記第２電流ベクトルへ一直線状にベクトル軌跡を変化させる場合の前記中間位相での仮想電流ベクトルよりも大きい前記中間電流ベクトルを設定し、前記電流ベクトルを、前記第１電流ベクトルから前記第２電流ベクトルへ変化させ、さらに前記第２電流ベクトルから前記第１電流ベクトルに戻した場合に、前記第１電流ベクトルから前記第２電流ベクトルへの変化中及び前記第２電流ベクトルから前記第１電流ベクトルの変化中への少なくとも一方で、前記電流ベクトルを前記中間電流ベクトルに変化させることで前記電流パルスを生成することを特徴とする。

本発明に係る回転電機制御システムにおいて、好ましくは、前記第１電流ベクトル及び前記第２電流ベクトルの終点は、共通の電流制御円上に設定され、前記中間電流ベクトルの終点は、前記電流制御円上、または前記電流制御円の内側で、前記第１電流ベクトルから前記第２電流ベクトルへ一直線状に変化する仮想ベクトル軌跡よりも原点に対し反対側の領域に設定される。

本発明に係る回転電機制御システムにおいて、好ましくは、前記中間電流ベクトルは、リラクタンストルク最大となる電流位相を有し、前記中間電流ベクトルの前記終点は前記電流制御円上に設定される。

本発明に係る回転電機制御システムにおいて、好ましくは、前記第１電流ベクトルの終点は第１電流制御円上に設定され、前記第２電流ベクトルの終点は前記第１電流制御円よりも大きい第２電流制御円上に設定され、前記中間電流ベクトルの終点は、前記第２電流制御円上、または前記第２電流制御円の内側で、前記第１電流ベクトルから前記第２電流ベクトルへ一直線状に変化する仮想ベクトル軌跡よりも原点に対し反対側の領域に設定される。

本発明に係る回転電機制御システムにおいて、好ましくは、前記中間電流ベクトルは、リラクタンストルク最大となる電流位相を有し、前記中間電流ベクトルの終点は前記第２電流制御円上に設定される。

本発明の回転電機制御システムによれば、回転磁界を発生させる電流ベクトルへの電流パルス重畳中に中間電流ベクトルに変化することでリラクタンストルクが大きくなる。このため、電流パルス重畳中のロータトルクの向上を図れる。

本発明の実施形態の回転電機制御システムにおいて、回転電機の周方向一部の断面と回転電機駆動部の構成とを示す図である。 図１に示した制御装置の機能ブロック図である。 本発明の実施形態において、ｄ‐ｑ座標系を用いて、電流パルス重畳時の電流ベクトルの変化を示す図である。 本発明の実施形態において、電流パルス重畳時のｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑと、ロータトルクＴｒとの時間的変化の１例を示す図である。 ロータ突極が１つのステータ突極に対しリラクタンストルク最大となる位相でずれた場合の回転電機の周方向一部の模式図である。 本発明の実施形態において、回転電機のリラクタンストルクと電流ベクトルの電流位相との関係を示す図である。 本発明の別の実施形態において、図３に対応する図である。 本発明の別の実施形態において、図４に対応する図である。 回転電機の別例において、ロータの周方向一部で、ロータコイルにダイオードを接続して示す回路実装図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。以下では、回転電機がモータジェネレータとしての機能を有し、ハイブリッド車両の駆動源として使用される場合を説明するが、これは例示であって、電気自動車等の他の電動車両の駆動源として使用されてもよい。また、回転電機は、単なる電動モータまたは単なる発電機の機能を持つ構成としてもよい。また、以下ではすべての図面において同様の要素には同一の符号を付して説明する。

図１は、本実施形態の回転電機制御システム１０を示す図であって、回転電機１２の周方向一部の断面と回転電機駆動部１４の構成とを示す図である。回転電機制御システム１０は、回転電機１２と、回転電機駆動部１４とを備える。回転電機１２は、図示しないハイブリッド車両の駆動輪を駆動するモータとしての機能を有するとともに、駆動輪の回生制動によって発電する発電機としての機能を有するモータジェネレータとしての機能を有する。

回転電機１２は、図示しないケースに固定されたステータ１６と、ステータ１６に対向配置され、回転するロータ１８とを備える。ステータ１６は、ステータコア２０と、ステータコア２０の突極に巻回されたｕ相、ｖ相、ｗ相の３相のステータコイル２２ｕ，２２ｖ，２２ｗとを含む。ステータコア２０は、電磁鋼板等の金属板の積層体等の磁性材料により形成される。ステータコア２０は、周方向に複数の等間隔位置に、ロータ１８へ向けて径方向内側へ突出して設けられた複数のステータ突極２４と、各ステータ突極２４の間に形成されたスロット２６とを含む。なお、「径方向」という場合、ロータ１８の回転中心軸に対し直交する放射方向をいう。また、「周方向」という場合、ロータ１８の回転中心軸を中心とするロータ円周方向をいう。また、「軸方向」という場合、ロータ１８の軸方向をいう。

ステータコイル２２ｕ，２２ｖ，２２ｗは、スロット２６を通って各ステータ突極２４にそれぞれ集中巻きで巻回される。ステータコイル２２ｕ，２２ｖ，２２ｗに３相のステータ電流が流れると各ステータ突極２４が磁化し、ステータ１６に回転磁界を発生する。

なお、ステータコイルは、ステータコア２０の環状部分の周方向複数個所に複数相のステータコイルを巻回するトロイダル巻きとしてもよい。

ロータ１８は、ステータ１６と所定の空隙をあけて径方向内側に対向配置され、ステータ１６に対し回転可能である。ロータ１８の中心軸孔には図示しないケースの軸受に支持された回転軸が挿入固定される。ロータ１８は、ロータコア３０と、このロータコア３０に巻回された複数のロータコイル３２ｎ，３２ｓと、整流部であるダイオード３４，３６とを含む。

ロータコア３０は、電磁鋼板等の金属板の積層体等の磁性材料により形成され、外周側に周方向等間隔の複数個所に設けられた磁極部であるロータ突極３８ｎ、３８ｓを含む。ロータ突極３８ｎは、後述するロータコイル３２ｎに流れるロータコイル電流によってＮ極に磁化される。ロータ突極３８ｓは、後述するロータコイル３２ｓに流れるロータコイル電流によってＳ極に磁化される。ロータ突極３８ｎとロータ突極３８ｓとは、周方向に交互に配置される。ロータコア３０の外周面の隣り合うロータ突極３８ｎ、３８ｓ間には、ロータコイル３２ｎ，３２ｓの配置空間を形成する溝状のスロット４０が形成される。

ロータコイル３２ｎ，３２ｓは、スロット４０を通ってロータ１８の周方向の１つおきのロータ突極３８ｎに集中巻きで巻装されたロータコイル３２ｎと、ロータ突極３８ｎと隣り合う別の１つおきのロータ突極３８ｓにスロット４０を通って集中巻きで巻装されたロータコイル３２ｓとから構成される。周方向の１つおきのロータコイル３２ｎは直列に接続されるとともに、一方向に短絡するように第１ダイオード３４が接続される。また、周方向の別の１つおきのロータコイル３２ｓも直列に接続されるとともに、他方向に短絡するように第２ダイオード３６が接続される。

なお、ロータコイル３２ｎ、３２ｓをすべて分離して、各ロータコイル３２ｎに一方向に短絡するように第１ダイオードをそれぞれ接続し、各ロータコイル３２ｓに他方向に短絡するように第２ダイオードをそれぞれ接続してもよい。また、各ロータコイル３２ｎ，３２ｓは、ロータ突極３８ｎ，３８ｓの周囲に複数層の複数列に整列して巻回される整列巻き型としてもよい。

この構成では、後述するようにステータ１６側からロータコイル３２ｎ，３２ｓに磁束が鎖交しステータ電流の変化に応じて誘導電流であるロータコイル電流が流れると、ロータコイル電流がダイオード３４，３６により一方向または他方向に整流され、ロータ突極３８ｎ、３８ｓが所望の極性に磁化する。ロータコイル３２ｎは、第１ダイオード３４の整流方向に応じてロータ突極３８ｎの先端にＮ極を形成する。ロータコイル３２ｓは、第２ダイオード３６の整流方向に応じてロータ突極３８ｓの先端にＳ極を形成する。ロータ突極３８ｎ、３８ｓが周方向に交互に配置されるので、各ロータコイル電流によってロータ突極３８ｎ、３８ｓが周方向に交互に異なる極性であるＮ極及びＳ極となる。

以上が回転電機１２の構成であり、次に回転電機駆動部１４を説明する。回転電機駆動部１４は、蓄電部４２と、インバータ４４と、制御装置４６とを含む。蓄電部４２は、直流電源として設けられ、二次電池により構成される。インバータ４４は、複数のトランジスタ、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子を含み、スイッチング素子のスイッチング動作により蓄電部４２からの直流電力を、ｕ相、ｖ相、ｗ相の交流電力に変換して各相のステータコイル２２ｕ，２２ｖ，２２ｗに供給する。なお、蓄電部４２とインバータ４４との間に蓄電部４２の電圧を昇圧してインバータ４４に出力する昇圧装置を設けてもよい。

制御装置４６は、ＣＰＵ、メモリ等を有するマイクロコンピュータを含むもので、インバータ４４のスイッチング素子のスイッチングを制御することにより回転電機１２の駆動を制御する。制御装置４６は、回転電機１２と一体に結合した構成としてもよいが、車体等において制御装置４６と回転電機１２とを分離して配置する構成としてもよい。また、制御装置４６は、Ｉｄ‐Ｉｑ生成部４７と、Ｉｄ‐Ｉｑパルス生成部４８と、Ｉｄパルス重畳部５０及びＩｑパルス重畳部５２とを有する。これについて、図２を用いて詳しく説明する。

図２は、図１に示した制御装置４６の機能ブロックと、電流センサ５４及び回転センサ５６とを示している。電流センサ５４は、回転電機１２のｖ相、ｗ相のステータコイルに流れるステータ電流Ｉｖ，Ｉｗを検出して、検出されたステータ電流を制御装置４６に送信する。ｕ相のステータコイルに流れるステータ電流Ｉｕは、ステータ電流Ｉｖ，Ｉｗの検出値から算出できるが、ステータ電流Ｉｕを別の電流センサにより検出してもよい。

回転センサ５６は、回転電機１２の回転角度ｘを検出し、検出した回転角度ｘを制御装置４６に送信する。回転センサ５６は、レゾルバ等により構成される。また、制御装置４６には、運転者のアクセルペダルの操作量に基づく目標トルクであるトルク指令値Ｔｒ＊が入力される。

制御装置４６は、ｄ‐ｑ軸ベクトル電流制御によりステータ電流を制御することで回転電機１２の駆動を制御する。制御装置４６は、電流指令生成部であるＩｄ‐Ｉｑ生成部４７と、Ｉｄパルス重畳部５０及びＩｑパルス重畳部５２と、減算器６０，６２と、ＰＩ制御部６４，６６と、２相／３相変換部６８と、ＰＷＭ生成部７０と、３相／２相変換部７２とを含む。

Ｉｄ‐Ｉｑ生成部４７にはトルク指令値Ｔｒ＊が入力される。Ｉｄ‐Ｉｑ生成部４７は、トルク指令値Ｔｒ＊に基づいてステータ１６に回転磁界を発生させる電流ベクトルのｄ軸電流指令値Ｉｄ（０）及びｑ軸電流指令値Ｉｑ（０）を生成する。ここで、ｄ軸とは、回転電機１２の周方向に関してロータコイル３２ｎ、３２ｓの巻回中心軸方向である磁極方向をいい、ｑ軸とはｄ軸に対し電気角で９０度進んだ方向をいう。例えば、図１のようにロータ１８の回転方向が規定される場合、ｄ軸方向、ｑ軸方向はそれぞれ図１の矢印で示す関係で規定される。

Ｉｄ‐Ｉｑ生成部４７で生成されたｄ軸電流指令値Ｉｄ（０）はＩｄパルス重畳部５０に出力され、ｑ軸電流指令値Ｉｑ（０）はＩｑパルス重畳部５２に出力される。なお、Ｉｄ‐Ｉｑ生成部４７では、回転角度ｘの検出値から算出されるモータ回転数と、図示しない電圧センサにより検出されたインバータ４４の蓄電部４２側の電圧と、トルク指令値Ｔｒ＊とに基づいてｄ軸電流指令値Ｉｄ（０）及びｑ軸電流指令値Ｉｑ（０）を生成してもよい。

Ｉｄパルス重畳部５０には、Ｉｄ‐Ｉｑパルス生成部４８で生成されたＩｄパルスの変化分が入力される。Ｉｄパルス重畳部５０は、ｄ軸電流指令値Ｉｄ（０）にＩｄパルスの変化分を所定タイミングで重畳させて、変化後のｄ軸電流指令値Ｉｄ（１）を減算器６０へ出力する。

Ｉｑパルス重畳部５２には、Ｉｄ‐Ｉｑパルス生成部４８で生成されたＩｑパルスの変化分が入力される。Ｉｑパルス重畳部５２は、ｑ軸電流指令値Ｉｑ（０）にＩｑパルスの変化分を所定タイミングで重畳させて、変化後のｑ軸電流指令値Ｉｑ（１）を減算器６２へ出力する。Ｉｄ‐Ｉｑパルス生成部４８については後で詳しく説明する。

減算器６０には、３相／２相変換部７２から電流値Ｉｄが入力される。減算器６０は、変更後のｄ軸電流指令値Ｉｄ（１）と電流値Ｉｄとの偏差を算出し、その算出した偏差をＰＩ制御部６４に出力する。

減算器６２には、３相／２相変換部７２から電流値Ｉｑが入力される。減算器６２は、変更後のｑ軸電流指令値Ｉｑ（１）と電流値Ｉｑとの偏差を算出し、その算出した偏差をＰＩ制御部６６に出力する。

ＰＩ制御部６４，６６は、入力された偏差に対して予め設定されたＰＩゲインに基づいてＰＩ制御を行うことでｄ軸電圧Ｖｄ及びｑ軸電圧Ｖｑをそれぞれ算出し、その算出したｄ軸電圧Ｖｄ及びｑ軸電圧Ｖｑを２相／３相変換部６８に出力する。

２相／３相変換部６８は、入力されたｄ軸電圧Ｖｄ及びｑ軸電圧Ｖｑと、回転センサ５６から受信した回転角度ｘとに基づいて２相／３相変換することで３相電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを算出し、３相電圧Ｖｕ，Ｖｖ，ＶｗをＰＷＭ生成部７０に出力する。

ＰＷＭ生成部７０は、３相電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗと予め記憶された搬送波との電圧比較によって、インバータ４４の各相の上下のスイッチング素子をオンオフするスイッチング制御信号を生成し、インバータ４４に出力する。インバータ４４は、スイッチング制御信号に応じてインバータ４４の各スイッチング素子のオンオフ動作を行う。これにより回転電機１２の各相ステータコイルにステータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが流れる。

３相／２相変換部７２には、電流センサ５４からステータ電流Ｉｖ，Ｉｗが入力される。３相／２相変換部７２は、ステータ電流Ｉｖ，Ｉｗと回転センサ５６から受信した回転角度ｘとから３相／２相変換してｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑを算出し、ｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑをそれぞれ減算器６０，６２へ出力する。このような制御装置４６では、ｄ軸及びｑ軸の電流値Ｉｄ，Ｉｑと、変更後のｄ軸電流指令値Ｉｄ（１）及びｑ軸電流指令値Ｉｑ（１）とがそれぞれ一致するようにフィードバック制御が行われる。

ここでＩｄ‐Ｉｑパルス生成部４８を説明する。Ｉｄ‐Ｉｑパルス生成部４８は、ｄ軸電流指令Ｉｄ（０）に重畳させるＩｄパルスを構成する複数の変化分を複数回の制御周期で分けて生成し、ｑ軸電流指令Ｉｑ（０）に重畳させるＩｑパルスを構成する複数の変化分を複数回の制御周期で分けて生成する。

図３は、ｄ‐ｑ座標系を用いて、電流パルス重畳時の電流ベクトルの変化を示している。なお、図３の二点鎖線Ｐは、ロータコイル３２ｎ、３２ｓにより形成される電磁石を概念的に示している。

Ｉｄ‐Ｉｑパルス生成部４８は、電流パルス重畳前の第１電流ベクトルＩ₁と、電流パルス重畳中の第２電流ベクトルＩ₂とを設定している。第２電流ベクトルＩ₂は、第１電流ベクトルＩ₁から所定の増加分でｄ軸電流Ｉｄを増加させ、所定の減少分でｑ軸電流Ｉｑを減少させて設定される。また、電流ベクトルとｄ軸正方向との間での位相を電流位相として、第１電流ベクトルＩ₁の第１電流位相θ１と第２電流ベクトルＩ₂の第２電流位相θ２との間にリラクタンストルク最大となる４５°の電流位相θｍがある。

このときに、Ｉｄ‐Ｉｑパルス生成部４８は、第１電流位相θ１と第２電流位相θ２との間の中間位相として電流位相θｍを有する中間電流ベクトルＩｍを設定する。中間電流ベクトルＩｍは、第１電流ベクトルＩ₁から第２電流ベクトルＩ₂へ一直線状にベクトル軌跡を変化させる場合の中間位相θｍでの仮想電流ベクトルＩｍａよりも大きくする。

Ｉｄ‐Ｉｑパルス生成部４８は、電流ベクトルを第１電流ベクトルＩ₁から第２電流ベクトルＩ₂へ変化させ、さらに第２電流ベクトルＩ₂から第１電流ベクトルＩ₁に戻す。Ｉｄ‐Ｉｑパルス生成部４８は、この場合に、第１電流ベクトルＩ₁から第２電流ベクトルＩ₂への変化中と、第２電流ベクトルＩ₂から第１電流ベクトルＩ₁への変化中との両方で、電流ベクトルを中間電流ベクトルＩｍに変化させることでＩｄパルス及びＩｑパルスを生成する。

電流ベクトルＩ₁，Ｉｍ，Ｉ₂の終点Ａ，Ｂ，Ｃは、すべて共通の電流制御円Ｃｒ上に設定される。電流ベクトルＩ₁，Ｉｍ，Ｉ₂の始点は原点Ｏである。中間電流ベクトルＩｍの終点Ｂは、電流制御円Ｃｒ上で、電流制御円Ｃｒと、電流位相がθｍであるリラクタンストルク最大位相線αとの交点に設定される。

電流ベクトルＩ₁，Ｉｍ，Ｉ₂の終点は、電流パルス重畳開始時の点Ａから予め設定された第１所定時間Ｔ１後に点Ｂに達し、次の第２所定時間Ｔ２後に点Ｃに達し、同様の第２所定時間Ｔ２及び第１所定時間Ｔ１で点Ｂ、点Ａに順に戻る。すなわち、電流ベクトルＩ₁，Ｉｍ，Ｉ₂の終点は、Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｂ→Ａの順に変化する。Ａ，Ｂ間及びＢ，Ｃ間のそれぞれで、電流ベクトルＩ₁，Ｉｍ，Ｉ₂間のベクトル軌跡は直線状となる。第１電流ベクトルＩ₁と中間電流ベクトルＩｍとの間の移行時の第１所定時間Ｔ１は、中間電流ベクトルＩｍと第２電流ベクトルＩ₂との間の移行時の第２所定時間Ｔ２以下に設定する（Ｔ１≦Ｔ２）ことが好ましい。より好ましくは、Ｔ１＜Ｔ２とする。電流制御円Ｃｒの大きさは、インバータ４４等の部品で要求される許容電流から決定される。

このような電流ベクトルＩ₁，Ｉｍ，Ｉ₂のｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑの変化分は、複数回の制御周期で分けられて、Ｉｄ‐Ｉｑパルス生成部４８からＩｄパルス重畳部５０及びＩｑパルス重畳部５２に出力され、変化前のｄ軸電流指令Ｉｄ（０）及びｑ軸電流指令Ｉｑ（０）に重畳されて、減算器６０，６２に出力される。このため、図４の上側のｄ軸電流Ｉｄの時間経過で示すように、ｄ軸電流Ｉｄには、点Ａに対応する重畳パルスなしの期間Ｔａの最後から急激に増大し、点Ｃを上限として急激に減少するＩｄパルスが重畳される。なお、図４は、ロータ１８が一定速度で回転する場合を示している。

また、図４の中間のｑ軸電流Ｉｑの時間経過で示すように、点Ａと点Ｂとではｑ軸電流Ｉｑはあまり変化しないが、点Ｂから急激に減少し、点Ｃを下限として急激に増大するＩｑパルスがｑ軸電流Ｉｑに重畳される。このようなＩｄパルス及びＩｑパルスの重畳は、電気的１周期の予め設定された所定タイミングで行われる。

次に、回転電機１２の動作と、回転電機制御システム１０の作用効果とを順に説明する。図１に示す３相のステータコイル２２ｕ，２２ｖ，２２ｗに３相の交流電流が流れることでステータ１６に回転磁界が形成される。この回転磁界は、起磁力分布として、正弦波分布だけでなく高調波成分を含んでいる。特に、集中巻きにおいては、各相のステータコイル２２ｕ，２２ｖ，２２ｗが互いに径方向に重なり合わないので、ステータ１６の起磁力分布に含まれる高調波成分の振幅レベルが増大する。例えば、３相の集中巻きの場合には、高調波成分としてステータコイル２２ｕ，２２ｖ，２２ｗの入力電流の周波数の時間的３次で空間的２次の高調波成分の振幅レベルが増大する。このような高調波成分は空間高調波と呼ばれる。ここで、回転磁界の基本波成分がロータ１８に作用すると、ステータ１６とロータ１８との間の磁気抵抗が小さくなるように、ロータ突極３８ｎ，３８ｓがステータ突極２４に吸引される。これによって、ロータ１８にリラクタンストルクが作用する。

また、回転磁界がステータ１６からロータ１８に作用すると、回転磁界に含まれる高調波成分の磁束変動により、ステータ１６からロータ１８のスロット４０内に漏れ出る漏れ磁束が発生し、その漏れ磁束が変動する。漏れ磁束の変動が大きい場合にはスロット４０に配置されたロータコイル３２ｎ，３２ｓの少なくともいずれかにロータコイル電流が発生する。ロータコイル電流が発生すると、そのロータコイル電流は、ダイオード４２，４４により整流されることで所定の一方向となる。そして、ダイオード４２，４４で整流された電流が各ロータコイル３２ｎ、３２ｓに流れるのに応じて各ロータ突極３８ｎ、３８ｓが磁化し、各ロータ突極３８ｎ、３８ｓが所望の極性の磁極として機能する。この場合、ダイオード４２，４４の整流方向の違いにより、各ロータコイル電流により生じる磁極として、周方向においてＮ極とＳ極とが交互に配置される。

このような回転電機１２では、ステータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗとロータ回転数とによってロータコイル電流の大きさが決まり、ある回転数以下ではロータ回転数が高くなるほどロータコイル電流は大きくなる。この場合、ロータトルクもロータコイル電流に応じて大きくなる。

一方、本発明と異なり、ｄ軸電流指令Ｉｄ（０）及びｑ軸電流パルス指令Ｉｑ（０）に電流パルスを重畳させない場合、ロータ１８の低回転数領域では、ステータ１６からロータコイル３２ｎ，３２ｓに鎖交する漏れ磁束の変動周波数が低いのでロータコイル電流が小さくなり、ロータトルクも小さくなる。本発明では、図３、図４に示したようにｑ軸電流指令Ｉｑ（０）にＩｑパルスを重畳させるので、ステータ１６からロータ１８のスロット４０内に漏れ出る漏れ磁束の変動を大きくでき、ロータコイル電流が大きくなる。しかも、ｄ軸電流指令Ｉｄ（０）にＩｄパルスを重畳させるので、図１のロータ１８及びステータ１６間のｄ軸方向に生成されるｄ軸磁路を通過する磁束の変動が大きくなる。ロータコイル３２ｎ，３２ｓにはこの変動を妨げるようにロータコイル電流が流れる。このため、ロータコイル電流がより大きくなる。したがって、低回転数領域においてロータトルクを大きくできる。

しかも、ｄ軸電流指令Ｉｄ（０）に、Ｉｑパルスと逆方向に変化するＩｄパルスを重畳させ、各電流ベクトルＩ₁、Ｉｍ、Ｉ₂の終点Ａ，Ｂ，Ｃをいずれも同一の電流制御円Ｃｒ上に位置させる。このため、電流ベクトルＩ₁、Ｉｍ、Ｉ₂で規定されるステータ電流を、電流パルス重畳前の電流ベクトルＩ₁が収まる電流制御円Ｃｒに収めることができる。一方、電流ベクトルＩａは、ｄ軸電流ＩｄにのみＩｄパルスを重畳させ、ｑ軸電流ＩｑにはＩｑパルスを重畳しない比較例の電流ベクトルである。この電流ベクトルＩａは、電流制御円Ｃｒから外側にはみ出し、ステータ電流が電流制限範囲を超えることが分かる。

さらに、制御装置４６は、回転磁界を発生させる電流ベクトルへの電流パルスの重畳中に、電流位相が４５°の中間位相である中間電流ベクトルＩｍに変化させ、第１電流ベクトルＩ₁から第２電流ベクトルＩ₂へ一直線状にベクトル軌跡を変化させる場合の中間位相θｍでの仮想電流ベクトルＩｍａよりも中間電流ベクトルＩｍを大きくするので、電流パルス重畳中のロータトルクを向上できる。これについて、図３から図５を用いて説明する。

図５は、回転電機１２の周方向一部の模式図であり、ロータ突極３８ｎがＱ位置の１つのステータ突極２４に対し４５°位相がずれている。ここでの「位相」は、ロータ１８のＮ極の中心とＳ極の中心との間の角度を１８０°と定義した場合のロータ１８の電気角を表しており、これより以前で説明した「電流位相」とは異なるものである。上記の１つのステータ突極２４は、ロータ突極３８ｎの回転方向前側に位置する。これは、電流ベクトルの終点が図３のリラクタンストルク最大位相線α上に位置する場合に対応する。

図６は、本実施形態において、回転電機１２のリラクタンストルクと電流ベクトルの電流位相θとの関係を示している。図６で、破線γは、電流ベクトルの終点が図３のリラクタンストルク最大位相線α上に設定される中間電流ベクトルＩｍの中間位相θｍに対応し、リラクタンストルクが最大となる。

この場合、中間電流ベクトルＩｍは、中間位相θｍでの仮想電流ベクトルＩｍａよりも大きくなるので、リラクタンストルクが最大となる場合のステータ突極２４の磁力を大きくできる。このため、図５に示すように、ロータ突極３８ｎとステータ突極２４との間で矢印δ方向に作用する磁気的吸引力を大きくして、リラクタンストルクを増大できる。このように、電流ベクトルへの電流パルス重畳中に中間電流ベクトルＩｍに変化することで電流パルス重畳中のロータトルクの向上を図れる。

また、中間電流ベクトルＩｍの終点Ｂは、第１電流ベクトルＩ₁及び第２電流ベクトルＩ₂の終点Ａ，Ｃが位置する同一の電流制御円Ｃｒ上に設定されるので、電流パルス重畳中のステータ電流を電流パルス重畳前のステータ電流と同じ大きさに維持でき、インバータ等の部品を有効に保護できる。しかも、終点Ｂは、電流制御円Ｃｒとリラクタンストルク最大位相線αとの交点に位置するので、リラクタンストルクが最大となる電流位相での図５のＱ位置のステータ突極２４の磁力を許容電流範囲で最大にして、ロータトルクをより高くできる。

図４では、下側にｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑに対応するロータトルクを示している。図４で破線ＩｄＣ、ＩｑＣ、ＴｒＣは、比較例の場合である。この比較例は、図３で破線矢印Ｒで示すように、電流ベクトルの電流軌跡が終点Ａから一直線状に終点Ｃに達し、終点Ｃから一直線状に終点Ａに戻るように電流ベクトルを変化させる。このような比較例では、ＡからＢへの移行時にｄ軸電流Ｉｄの増加するが、これを打ち消すようにロータ電流が急激に減少し０となる。また、比較例では電流パルス重畳中のリラクタンストルクの発生は小さいか、または０である。このような比較例では、電流パルス重畳中のトルク減少分が大きくなる。一方、本発明によれば、電流パルス重畳中のｄ軸電流Ｉｄが大きくなるが、ＡからＢへの移行時のロータ電流が減少する場合のリラクタンストルクが増大するので、斜線部β１で示すようにロータトルクの減少分を小さくできる。また、ＣからＡへの移行時のロータ電流増大時でも、斜線部β２で示すように、比較例に比べてリラクタンストルクの増大によりロータトルクを増大できる。

なお、回転電機１２では、ロータコイル３２ｎ、３２ｓに鎖交する磁束変動の周波数が回転数の増大に応じて増大することでロータコイル電流が大きくなり、ロータトルクが大きくなるが、図４では、この磁束変動周波数によるロータトルクの向上を考慮せず、電流パルスの重畳により発生するロータトルクのみを図示している。言い換えれば、電流パルスを重畳させない場合、図４のロータトルクは０のままである。また、実際には、ロータトルクは、パルス重畳をさせない時間Ｔａでロータコイルの直流抵抗成分に起因して時間的にかなり緩やかに徐々に低下するが、ｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑに繰り返し電流パルスを重畳させることで電流パルス重畳の後半でロータトルクを回復できる。

また、第１電流ベクトルＩ₁と中間電流ベクトルＩｍとの間の移行時の第１所定時間Ｔ１は、中間電流ベクトルＩｍと第２電流ベクトルＩ₂との間の移行時の第２所定時間Ｔ２以下とすれば、点ＡＢ間のｄ軸電流Ｉｄの変化幅を点ＢＣ間のＩｄの変化幅よりも大きくする場合に、点ＡＢ間のｄ軸電流Ｉｄを急激に変化でき、トルクの減少を小さくできる。

なお、中間電流ベクトルＩｍの終点Ｂは、電流制御円Ｃｒとリラクタンストルク最大位相線αとの交点に設定している。ただし、この交点から外れた電流制御円Ｃｒ上に終点Ｂを設定してもよい。また、電流制御円Ｃｒの内側で、仮想電流ベクトルＩｍａの終点を通過する点Ａ、Ｃを結ぶ仮想ベクトル軌跡である直線ＡＣよりも原点Ｏとは反対側の図３の斜線部である外側領域ＡＯに終点Ｂを設定してもよい。例えば、終点Ｂは、図３の点Ｂ１、点Ｂ２、点Ｂ３のいずれか１つの位置に設定されてもよい。終点Ｂが点Ｂ１に設定される場合、ベクトル軌跡は点Ａ，点Ｂ１，点Ｃの間で変化し、リラクタンストルク最大位相線α上でも外側領域ＡＯを通過する。このため、比較例に比べてリラクタンストルクの増大によりロータトルクを向上できる。終点Ｂが点Ｂ２、点Ｂ３に設定される場合も同様である。

なお、電流ベクトルの第１電流ベクトルＩ₁から第２電流ベクトルＩ₂への変化中と、第２電流ベクトルＩ₂から第１電流ベクトルＩ₁への変化中との一方のみで中間電流ベクトルＩｍに変化させてもよい。この場合も、中間電流ベクトルＩｍに変化させる場合にロータトルクを向上できる。

また、制御装置４６は、回転電機１２の予め設定された所定回転数以下でのみ、ｄ軸電流指令Ｉｄ及びｑ軸電流指令Ｉｑに電流パルスを重畳させてもよい。

図７は、本発明の別の実施形態において、図３に対応する図であり、図８は、図４に対応する図である。本実施形態では、上記の図１から図６の実施形態において、図２のＩｄ‐Ｉｑパルス生成部４８は、ｄ‐ｑ座標系で、第１電流制御円である連続通電許可制御円Ｃｒ１と、連続通電許可制御円Ｃｒ１よりも大きい第２電流制御円である瞬時通電許可制御円Ｃｒ２とを設定し、電流パルス重畳前及び電流パルス重畳中の電流ベクトルを設定している。

この場合、第１電流ベクトルＩ₁の終点Ａは連続通電許可制御円Ｃｒ１上に設定され、第２電流ベクトルＩ₂の終点Ｃは瞬時通電許可制御円Ｃｒ２上に設定される。また、中間電流ベクトルＩｍの終点Ｂは、瞬時通電許可制御円Ｃｒ２上で、瞬時通電許可制御円Ｃｒ２とリラクタンストルクが最大となる中間位相θｍでのリラクタンストルク最大位相線αとの交点に設定される。このため、中間電流ベクトルＩｍは、リラクタンストルク最大となる４５°の電流位相を有する。

電流ベクトルＩ₁，Ｉｍ，Ｉ₂の終点は、電流パルス重畳開始時の点Ａから予め設定された第１所定時間Ｔ１後に点Ｂに達し、次の第２所定時間Ｔ２後に点Ｃに達し、同様の第２所定時間Ｔ２及び第１所定時間Ｔ１で点Ｂ、点Ａに順に戻る。このような構成でも、リラクタンストルク最大位相線α上の中間電流ベクトルＩｍが仮想電流ベクトルＩｍａよりも大きくなることで、リラクタンストルクを増大でき、電流パルス重畳中のロータトルクを向上できる。しかも、連続通電許可制御円Ｃｒ１の外側に瞬時通電許可制御円Ｃｒ２を設定し、パルス重畳時の電流ベクトルＩｍ，Ｉ₂の終点Ｂ，Ｃを瞬時通電許可制御円Ｃｒ２上に設定している。瞬時通電許可制御円Ｃｒ２は、インバータ等の部品保護のために短時間通電の許容電流の最大範囲を規定するもので、図３の電流制御円Ｃｒよりも大きく設定できる。このため、中間電流ベクトルＩｍ及び第２電流ベクトルＩ₂を第１電流ベクトルＩ₁よりも大きくでき、パルス重畳中のロータトルクを図１から図６の構成の場合に比べて大きくできる。図７、図８の構成によっても、電流パルス重畳時にステータ電流が過度に大きくなることを防止できる。

なお、中間電流ベクトルＩｍの終点Ｂは、瞬時通電許可制御円Ｃｒ２とリラクタンストルク最大位相線αとの交点に設定している。ただし、この交点から外れた瞬時通電許可制御円Ｃｒ２上に終点Ｂを設定してもよい。また、瞬時通電許可制御円Ｃｒ２の内側で、第１電流ベクトルＩ₁から第２電流ベクトルＩ₂へ一直線状に変化する仮想ベクトル軌跡である直線ＡＣよりも原点Ｏに対して反対側の領域ＡＯ１に終点Ｂを設定してもよい。この領域ＡＯ１のｄ軸電流は、第１電流ベクトルＩ₁のｄ軸電流よりも大きくなる。その他の構成及び作用は、図１から図６の場合と同様である。

なお、上記の各実施形態では、回転電機１２の各ロータ突極３８ｎ、３８ｓにロータコイルが１つずつのみ巻装された場合を説明したが、図９のロータコイルの配置構成を有する回転電機の制御に本発明を適用してもよい。図９は、回転電機の別例において、ロータ１８の周方向一部で、ロータコイル７４ｎ、７４ｓ、７６ｎ、７６ｓにダイオード３４，３６を接続して示している。ロータコイル７４ｎは、誘導コイルとしてロータ突極３８ｎの径方向外方の先端側に巻回され、ロータコイル７４ｓは、同様にロータ突極３８ｓに巻回される。

ロータコイル７６ｎは、共通コイルとしてロータ突極３８ｎの径方向内方の根元側に巻回され、ロータコイル７６ｓは、同様にロータ突極３８ｓに巻回される。ロータコイル７４ｎの一端は、ロータコイル７４ｓの一端に、第１ダイオード３４及び第２ダイオード３６を介して接続される。両方のダイオード３４，３６は、互いに順方向を逆向きにして接続点Ｆで接続される。

ロータコイル７６ｓの一端は接続点Ｆに接続され、ロータコイル７６ｓの他端はロータコイル７６ｎの一端に接続される。ロータコイル７６ｎの他端は接続点Ｇで２つのロータコイル７４ｎ、７４ｓの他端に接続される。

この構成でも、ステータ側からロータコイル７４ｎ，７４ｓに磁束が鎖交してロータコイル電流が流れることで、ロータ突極３８ｎの先端にＮ極が形成され、ロータ突極３８ｓの先端にＳ極が形成される。なお、ロータで、すべてのＮ極のロータコイル７４ｎを直列接続して１つのＮ極の直列接続の誘導コイルとし、すべてのＳ極のロータコイル７４ｓを直列接続して１つのＳ極の直列接続の誘導コイルとして扱ってもよい。この場合、すべてのＮ極のロータコイル７６ｎを直列接続して１つのＮ極の直列接続の共通コイルとし、すべてのＳ極のロータコイル７６ｓを直列接続して１つのＳ極の直列接続の共通コイルとして扱う。その上で、図９の接続関係を用いることでロータ全体で２つのダイオードを共用することができる。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。例えば、ステータコイルはステータに集中巻きで巻線する場合を説明したが、ステータで高調波成分を含む回転磁界を生成できるのであればステータにステータコイルを分布巻きで巻線する構成としてもよい。

１０ 回転電機制御システム、１２ 回転電機、１４ 回転電機駆動部、１６ ステータ、１８ ロータ、２０ ステータコア、２２ｕ，２２ｖ，２２ｗ ステータコイル、２４ ステータ突極、２６ スロット、３０ ロータコア、３２ｎ，３２ｓ ロータコイル、３４ 第１ダイオード、３６ 第２ダイオード、３８ｎ、３８ｓ ロータ突極、４０ スロット、４２ 蓄電部、４４ インバータ、４６ 制御装置、４７ Ｉｄ‐Ｉｑ生成部、４８ Ｉｄ‐Ｉｑパルス生成部、５０ Ｉｄパルス重畳部、５２ Ｉｑパルス重畳部、５４ 電流センサ、５６ 回転センサ、６０，６２ 減算器、６４，６６ ＰＩ制御部、６８ ２相／３相変換部、７０ ＰＷＭ制御部、７２ ３相／２相変換部、７４ｎ、７４ｓ、７６ｎ、７６ｓ ロータコイル。

Claims (5)

1. 回転磁界を発生するステータと、前記ステータに対向配置され、ロータスロットを通ってロータコアに巻装されたロータコイルと、前記ロータコイルに接続されロータコイル電流を一方向に整流する整流部とを有し、前記各ロータコイル電流によってロータ突極が周方向に交互に異なる極性となるロータとを含む回転電機と、
   前記回転磁界を発生させる電流ベクトルに電流パルスを重畳させる制御装置とを備え、
   前記制御装置は、
   前記電流パルス重畳前の第１電流ベクトルと、
   前記第１電流ベクトルから所定の増加分でｄ軸電流を増加させ所定の減少分でｑ軸電流を減少させた第２電流ベクトルとを設定し、
   前記電流ベクトルとｄ軸正方向との間での位相を電流位相として、
   前記第１電流ベクトルの第１電流位相と前記第２電流ベクトルの第２電流位相との間にリラクタンストルク最大となる電流位相があるときに、
   前記第１電流位相と前記第２電流位相との間の中間位相を有する中間電流ベクトルであって、前記第１電流ベクトルから前記第２電流ベクトルへ一直線状にベクトル軌跡を変化させる場合の前記中間位相での仮想電流ベクトルよりも大きい前記中間電流ベクトルを設定し、
   前記電流ベクトルを、前記第１電流ベクトルから前記第２電流ベクトルへ変化させ、さらに前記第２電流ベクトルから前記第１電流ベクトルに戻した場合に、前記第１電流ベクトルから前記第２電流ベクトルへの変化中及び前記第２電流ベクトルから前記第１電流ベクトルへの変化中の少なくとも一方で、前記電流ベクトルを前記中間電流ベクトルに変化させることで前記電流パルスを生成することを特徴とする回転電機制御システム。
2. 請求項１に記載の回転電機制御システムにおいて、
   前記第１電流ベクトル及び前記第２電流ベクトルの終点は、共通の電流制御円上に設定され、
   前記中間電流ベクトルの終点は、前記電流制御円上、または前記電流制御円の内側で、前記第１電流ベクトルから前記第２電流ベクトルへ一直線状に変化する仮想ベクトル軌跡よりも原点に対し反対側の領域に設定されることを特徴とする回転電機制御システム。
3. 請求項２に記載の回転電機制御システムにおいて、
   前記中間電流ベクトルは、リラクタンストルク最大となる電流位相を有し、前記中間電流ベクトルの前記終点は前記電流制御円上に設定されることを特徴とする回転電機制御システム。
4. 請求項１に記載の回転電機制御システムにおいて、
   前記第１電流ベクトルの終点は第１電流制御円上に設定され、
   前記第２電流ベクトルの終点は前記第１電流制御円よりも大きい第２電流制御円上に設定され、
   前記中間電流ベクトルの終点は、前記第２電流制御円上、または前記第２電流制御円の内側で、前記第１電流ベクトルから前記第２電流ベクトルへ一直線状に変化する仮想ベクトル軌跡よりも原点に対し反対側の領域に設定されることを特徴とする回転電機制御システム。
5. 請求項４に記載の回転電機制御システムにおいて、
   前記中間電流ベクトルは、リラクタンストルク最大となる電流位相を有し、前記中間電流ベクトルの終点は前記第２電流制御円上に設定されることを特徴とする回転電機制御システム。

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