JP2024130552A - モータ制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】よりエネルギ効率のよいモータ制御システムを提供する。【解決手段】モータ制御システムは、車両に搭載されるモータ制御システムであって、ステータと、Ｎ極とＳ極が交互に配列される第１ロータと、Ｎ極とＳ極が交互に配列される第２ロータと、前記第１ロータと前記第２ロータとの間でモータ軸周りの相対角度を変更可能な変更機構と、前記変更機構を作動させるアクチュエータと、を有するモータと、前記アクチュエータを制御し、前記相対角度を制御する制御装置と、を備える。【選択図】 図２

Description

本開示は、モータ制御システムに関する。

従来、車両に搭載されるインナーロータ型のモータが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１のモータは、インナーロータの周りにアウタステータが配置される。インナーロータは、永久磁石を有する。アウタステータは、コイルを有する。

特開２０１８－１１４７３号公報

近年、このように車両に搭載されるモータは、車両の運転状態に応じて効率よく制御される必要がある。特許文献１のモータは、インナーロータに対するアウタステータの位置を変化させることによって、モータの出力特性を変化させる。しかし、このようなモータは、アウタステータが大型化する。このため、特許文献１のモータを制御するモータ制御システムの場合、アウタステータを動かすアクチュエータが大型化する。アクチュエータが大型化すると、電力消費が大きくなる。

本開示の課題は、よりエネルギ効率のよいモータ制御システムを提供することである。

本開示に係るモータ制御システムは、車両に搭載されるモータ制御システムであって、ステータと、Ｎ極とＳ極が交互に配列される第１ロータと、Ｎ極とＳ極が交互に配列される第２ロータと、前記第１ロータと前記第２ロータとの間でモータ軸周りの相対角度を変更可能な変更機構と、前記変更機構を作動させるアクチュエータと、を有するモータと、前記アクチュエータを制御し、前記相対角度を制御する制御装置と、を備える。

このモータ制御システムによれば、第１ロータと第２ロータの相対角度を変更することによってモータの出力特性を変更できる。これにより、よりエネルギ効率のよいモータ制御システムを提供できる。

本開示の一実施形態による電動車両のシステム図。 本開示の一実施形態によるモータ制御システムのシステム図。 本開示の一実施形態によるアクチュエータおよびロータの作動状態を示す図。 本開示の一実施形態によるモータ出力特性の一例を示す図。 本開示の一実施形態による車両制御装置の制御手順の一例を示す図。

以下、本開示の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、モータ制御システム１は、モータ（ＦｒＭ）２と、減速機４と、車軸６と、インバータ８と、車両制御装置１０と、アクセル開度センサ１４と、を備える。本実施形態のモータ制御システム１は、電動車両（車両の一例）Ｃに搭載される。電動車両Ｃは、リチウムイオン電池などの二次電池で構成された駆動用電池（ＢＴ）１６から供給される電力によってモータ２を駆動する電気自動車である。

モータ２は、減速機４を介して車軸６を駆動する。図２に示すように、モータ２は、ステータ２１と、第１ロータ２２と、第２ロータ２４と、変更機構２６と、アクチュエータ２８と、を有する。

ステータ２１は、複数のコイルを有する。ステータ２１は、複数のコイルにインバータ８から供給される電流が流れることによって、磁束を形成する。ステータ２１は、円筒形に形成され、内部に第１ロータ２２と、第２ロータ２４と、を収容するアウタステータである。

第１ロータ２２は、ステータ２１に収容される円柱形の部材である。図２および図３に示すように、第１ロータ２２は、ステータ２１の内周面と対向する表面に、複数の永久磁石によって構成されるＮ極２２ａとＳ極２２ｂとが交互に配列される。ただし、第１ロータ２２は、図２、３の構造に限らず、第１ロータ２２の中に永久磁石を埋設したＩＰＭモータ（ＩＰＭは、Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔの略：埋込型永久磁石同期電動機）の構造を適用してもよい。さらに、第１ロータ２２は、第１ロータ２２の表面に永久磁石を配列したＳＰＭモータ（ＳＰＭは、Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔの略：表面型永久磁石同期電動機）などの構造も適用可能である。後述する第２ロータ２４についても、同様である。

図２に示すように、第２ロータ２４は、後述するインナモータ軸２６ａの軸方向に、第１ロータ２２と並んで配置される。図２および図３に示すように、第２ロータ２４は、ステータ２１の内周面と対向する表面に、複数の永久磁石によって構成されるＮ極２４ａとＳ極２４ｂとが交互に配列される。本実施形態では、第１ロータ２２のＮ極２２ａの数、Ｎ極２２ａの円周方向の幅、およびＮ極２２ａの配置間隔は、第２ロータ２４のＮ極２４ａと同じである。第１ロータ２２のＳ極２２ｂの数、Ｓ極２２ｂの円周方向の幅、およびＳ極２２ｂの配置間隔は、第２ロータ２４のＳ極２４ｂと同じである。

図２に示すように、変更機構２６は、第１ロータ２２と第２ロータ２４との間でモータ軸周りの相対角度を変更可能な機構である。変更機構２６は、円柱形状のインナモータ軸２６ａと、円筒形状のアウタモータ軸２６ｂと、を有する。インナモータ軸２６ａは、アウタモータ軸２６ｂの内周に配置され、第２ロータ２４の中心に接続される。アウタモータ軸２６ｂは、第１ロータ２２の中心に接続される。インナモータ軸２６ａおよびアウタモータ軸２６ｂはアクチュエータ２８に接続される。インナモータ軸２６ａおよびアウタモータ軸２６ｂは複数の軸受け２６ｃに回転可能に保持される。

アクチュエータ２８は、インナモータ軸２６ａをアウタモータ軸２６ｂに対してモータ軸周りに回転させることによって、第１ロータ２２と第２ロータ２４との間でモータ軸周りの相対角度を制御する装置である。図３に示すように、アクチュエータ２８は、アウターシェル２８ａと、インナ部材２８ｂと、を有する。アウターシェル２８ａは、アウタモータ軸２６ｂと接続される。インナ部材２８ｂは、インナモータ軸２６ａに接続される。

本実施形態では、アクチュエータ２８は電動式アクチュエータである。図３に示すように、アクチュエータ２８は、アウターシェル２８ａに形成された第１凸部２８ｃ、および第２凸部２８ｄにコイルが埋め込まれる。インナ部材２８ｂの第３凸部２８ｅおよび第４凸部２８ｆには磁石が埋め込まれる。

図３（ａ）に示すように、アクチュエータ２８は、第１凸部２８ｃのコイルに電流が流れると、第３凸部２８ｅが第１凸部２８ｃと対向する。このとき、第１ロータ２２のＮ極２２ａと第２ロータ２４のＮ極２４ａが軸方向に並んだ状態となる。また、第１ロータ２２のＳ極２２ｂと第２ロータ２４のＳ極２４ｂも同様に、軸方向に並んだ状態となる。

図３（ｂ）に示すように、アクチュエータ２８は、第２凸部２８ｄのコイルに電流が流れると、第４凸部２８ｆが第２凸部２８ｄと対向する。このとき、第２ロータ２４が第１ロータ２２に対してモータ軸周りに回転する。これによって、第１ロータ２２のＮ極２２ａと第２ロータ２４のＮ極２４ａが、軸方向に並んだ状態からずれた状態に変化する。また、第１ロータ２２のＳ極２２ｂと第２ロータ２４のＳ極２４ｂも同様に、軸方向に並んだ状態からずれた状態に変化する。すなわち、第１ロータ２２のＳ極２２ｂおよびＮ極２２ａに対する、第２ロータ２４のＳ極２４ｂおよびＮ極２４ａのモータ軸周りの相対角度が変化する。このように、第１ロータ２２のＳ極２２ｂおよびＮ極２２ａに対する、第２ロータ２４のＳ極２４ｂおよびＮ極２４ａのモータ軸周りの相対角度が発生している状態を、以下明細書においてはスキュー有状態という。第１ロータ２２のＳ極２２ｂおよびＮ極２２ａに対する、第２ロータ２４のＳ極２４ｂおよびＮ極２４ａのモータ軸周りの相対角度が発生していない状態を、以下明細書においてはスキュー無状態という。

図４の破線で示すＰ１のグラフは、スキュー有状態におけるモータ２の各回転数における出力（トルク）特性を示す。図４の一点鎖線で示すＰ２のグラフは、スキュー無状態におけるモータ２の各回転数における出力（トルク）特性を示す。モータ２は、回転する際に永久磁石がコイルを通過することによって、誘起電圧Ｍｖが発生する。誘起電圧Ｍｖは、モータ２の回転数が上昇するほど高くなる。しかし、スキュー有状態では、スキューが無状態よりも誘起電圧Ｍｖが低下する。これによって、図４のＰ１およびＰ２のグラフに示すように、モータ２は、スキュー無状態（Ｐ２のグラフ参照）よりスキュー有状態（Ｐ１のグラフ参照）の方が、より高回転までトルクを発生できる。したがってスキュー有状態の方が、スキュー無状態よりも最大出力は向上する。しかし、スキュー有状態では、スキュー無状態よりも最大トルクは低下する。モータ２は、スキュー有状態とスキュー無状態を切り替えることによって、図４の実線で示すＰ３のグラフのような出力特性とすることができる。

また、スキュー有状態は、スキュー無状態に比べてトルクリップルおよびコギングトルクが小さい。トルクリップルは、モータ２に電流が流れた状態において、電流を流したときに発生するステータ２１と、第１ロータ２２および第２ロータ２４との磁束の相互作用で起きる脈動現象によって発生するトルクである。コギングトルクは、モータ２に電流が流れておらず、車軸６に連れまわされている状態において、ステータ２１と、第１ロータ２２および第２ロータ２４との磁束の相互作用で起きる脈動現象によって発生するトルクである。スキュー有状態は、スキュー無状態に比べてトルクリップルおよびコギングトルクが小さいため、モータ２の振動・騒音を抑えられる。

インバータ８は、駆動用電池１６から供給された直流電力を交流電力に変換するとともに、モータ２に供給する電力を調整することによって、モータ２の力行トルク（力行出力の一例）を制御する。また、インバータ８は、モータ２が回生する場合、モータ２から供給される交流電力を直流電力に変換するとともに、駆動用電池１６に供給する電力を調整することによって、モータ２の回生トルク（回生出力の一例）を制御する。

より具体的には、インバータ８は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのスイッチング素子を含む。インバータ８は、車両制御装置１０からモータ要求トルクＭＴｑの情報を取得すると、モータ２がモータ要求トルクＭＴｑとなるようにスイッチング素子を制御する。

インバータ８は、さらに、車両制御装置１０からの指示を受けて、モータ２をスキュー有状態からスキュー無状態へ、または、スキュー無状態からスキュー有状態へと切り替える。図２に示すように、インバータ８は、アクチュエータ２８が電動式アクチュエータの場合、アクチュエータ制御装置８ａを介して、アクチュエータ２８を制御してもよい。

車両制御装置１０は、各装置と電気的に接続され、各装置を制御する装置である。車両制御装置１０は、アクセルペダルの開度を検知するアクセル開度センサ１４などからアクセル開度Ｔｈを取得する。車両制御装置１０は、アクセル開度Ｔｈに基づいて、電動車両Ｃに求められる要求トルク（負荷の一例）Ｔｑを演算し取得する。車両制御装置１０は、要求トルクＴｑに基づいて、モータ２が出力すべきトルクであるモータ要求トルクＭＴｑを決定する。また、車両制御装置１０は、モータ２の実際の回転数であるモータ実回転数ＭＲｒと、モータ２の実際のトルクであるモータ実トルクＭＴｒを取得する。車両制御装置１０は、モータ実トルクＭＴｒを車軸６の回転数から演算してもよい。車両制御装置１０は、モータ実トルクＭＴｒがモータ要求トルクＭＴｑなるように、インバータ８を介してモータ２を制御する。

車両制御装置１０は、実際には、演算装置と、メモリと、入出力バッファ等とを含むマイクロコンピュータによって構成されるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒоｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）である。車両制御装置１０は、各装置と電気的に接続され、各装置を制御する。

次に、図５のフローチャートを用いて、車両制御装置１０が実行する制御手順について説明する。車両制御装置１０は、図示しないイグニッションスイッチがオンされると、制御手順を開始する。

ステップＳ１では車両制御装置１０は、モータ２のモータ実回転数ＭＲｒを取得する。以下明細書において、モータ実回転数ＭＲｒをモータ回転数と記す。車両制御装置１０は、モータ２のモータ回転数を取得すると、ステップＳ２に処理を進める。

ステップＳ２では車両制御装置１０は、モータ回転数が所定回転数ＭＲｔ以上か否か判断する。所定回転数ＭＲｔは、駆動用電池１６の電圧よりも誘起電圧Ｍｖが高くなる回転数である（図４のＭＲｔも参照）。車両制御装置１０は、モータ回転数が所定回転数ＭＲｔ以上であると判断した場合（ステップＳ２ ＹＥＳ）、ステップＳ３に処理を進める。

ステップＳ３では車両制御装置１０は、スキュー無状態からスキュー有状態に変更するスキュー制御を実行する。本実施形態では、アクチュエータ２８を作動させて第１ロータ２２に対して、第２ロータ２４をモータ軸周りに回転させる。車両制御装置１０は、スキュー制御を実行すると、ステップＳ１に処理を進める。

ステップＳ２においてモータ回転数が所定回転数ＭＲｔ未満であると車両制御装置１０が判断した場合（ステップＳ２ ＮＯ）、車両制御装置１０は、ステップＳ４に処理を進める。ステップＳ４以降において車両制御装置１０は、スキュー有状態とスキュー無状態のうち、モータ効率の良い方を選択する。

ステップＳ４およびステップＳ５は、車両制御装置１０がスキュー有状態とスキュー無状態のうち、モータ効率の良い方を選択する方法の一例を示している。ステップＳ４では、車両制御装置１０は要求トルクＴｑまたはモータ実トルクＭＴｒを取得する。本実施形態では、要求トルクＴｑを取得する例を説明する。車両制御装置１０は、要求トルクＴｑを取得すると、ステップＳ５に処理を進める。

ステップＳ５において車両制御装置１０は、要求トルクＴｑが所定トルクＴｔ以上か否か判断する。所定トルクＴｔは、例えば図４に示すようにモータ回転数が０ｒｐｍの点から所定回転数ＭＲｔにおけるスキュー有状態の最大トルクを結んだ線であってもよい。ステップＳ５において、要求トルクＴｑが所定トルクＴｔ以上であると車両制御装置１０が判断した場合（ステップＳ５ ＹＥＳ）、車両制御装置１０は、ステップＳ３に処理を進めスキュー制御を実行する。

ステップＳ５において、要求トルクＴｑが所定トルクＴｔ未満であると車両制御装置１０が判断した場合（ステップＳ５ ＮＯ）、車両制御装置１０は、ステップＳ１に処理を進める。

以上説明した通り、本開示のモータ制御システム１によれば、電動車両Ｃの負荷（要求トルクＴｑ、またはモータ実トルクＭＴｒ）に応じて、モータ２のスキュー有状態とスキュー無状態を切り替える。これによって、モータ制御システム１は、負荷に応じて異なるモータ２の出力特性を得ることができる。この結果、このモータ制御システム１は、高トルクと高出力を実現することができる。ここで、高トルクとは、モータ実回転数ＭＲｒが低回転から中回転において、より高いトルクが発生することを示す。高出力は、モータ実回転数ＭＲｒがより高回転数までトルクが発生する状態を示す。さらに、モータ２の高回転領域において、トルクリップルおよびコギングトルクも減少させることができる。この結果、よりエネルギ効率のよいモータ制御システム１が実現できる。

＜他の実施形態＞
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。特に、本明細書に書かれた複数の変形例は必要に応じて任意に組合せ可能である。

（ａ）上記実施形態では、電動車両Ｃは、電気自動車を例に説明したが、本開示はこれに限定されない。電動車両Ｃは、電気自動車に限らず、ハイブリッド自動車、外部充電または外部給電が可能なプラグインハイブリッド自動車（ＰＨＥＶ）などであってもよい。

（ｂ）上記実施形態では、アクチュエータ２８は、電動式のアクチュエータを例に説明したが、本開示はこれに限定されない。アクチュエータ２８は、油圧式など種々の方式のものでもよい。

１：モータ制御システム，２：モータ
１０：車両制御装置，１４：アクセル開度センサ
１６：駆動用電池，２１：ステータ
２２：第１ロータ，２２ａ：Ｎ極，２２ｂ：Ｓ極
２４：第２ロータ，２４ａ：Ｎ極，２４ｂ：Ｓ極
２６：変更機構，２８：アクチュエータ
Ｃ：電動車両
ＭＲｑ：モータ要求回転数，ＭＲｒ：モータ実回転数
ＭＲｔ：所定回転数
ＭＴｑ：モータ要求トルク，ＭＴｒ：モータ実トルク
Ｍｖ：誘起電圧，Ｔｑ：要求トルク

Claims (5)

1. 車両に搭載されるモータ制御システムであって、
   ステータと、Ｎ極とＳ極が交互に配列される第１ロータと、Ｎ極とＳ極が交互に配列される第２ロータと、前記第１ロータと前記第２ロータとの間でモータ軸周りの相対角度を変更可能な変更機構と、前記変更機構を作動させるアクチュエータと、を有するモータと、
   前記アクチュエータを制御し、前記相対角度を制御する制御装置と、
   を備えるモータ制御システム。
2. 前記第２ロータのＳ極およびＮ極の配列が、前記第１ロータのＳ極およびＮ極の配列と同じ間隔で配列されており、
   前記変更機構は、前記第１ロータに対して、前記第２ロータをモータ軸周りに移動させることによって、前記第１ロータのＳ極およびＮ極に対する、前記第２ロータのＳ極およびＮ極のモータ軸周りの前記相対角度を変更する、
   請求項１に記載のモータ制御システム。
3. 前記制御装置は、前記モータの回転数を取得し、
   前記モータの回転数が所定回転数以上の場合、前記第１ロータのＳ極およびＮ極の対する、前記第２ロータのＳ極およびＮ極がずれた位置の前記相対角度に変更するスキュー制御を実行する、請求項１または２に記載のモータ制御システム。
4. 前記所定回転数は、前記モータの誘起電圧が前記モータに電力を供給する駆動用電池の電圧よりも高くなる回転数である、
   請求項３に記載のモータ制御システム。
5. 前記制御装置は、前記車両の負荷を取得し、
   前記所定回転数未満の場合、前記負荷に応じて前記スキュー制御を実行する、
   請求項４に記載のモータ制御システム。