CN112532119A - 电动机的控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电动机的控制装置，能够根据所要求的转矩适当地控制向电枢线圈和励磁线圈通电的电流值。在构成为具备：电枢线圈，设置于定子且通过被通电而形成相对于转子的旋转磁场；及励磁线圈，通过被通电而产生用于将磁体磁通加强的励磁磁通，并利用通过向电枢线圈通电而在转子产生的基础转矩和通过向励磁线圈通电而在转子产生的励磁转矩来控制转子的转矩的电动机的控制装置中，求出转子的目标转矩(步骤S3)，并控制基础转矩和励磁转矩以使得在目标转矩为预定转矩以上的情况下，与目标转矩小于预定转矩的情况相比使励磁转矩相对于目标转矩的比即分担率增大(步骤S4及步骤S5)。

Description

电动机的控制装置

技术领域

本发明涉及能够使与设置于转子的磁通产生部的磁通和作用于该磁通产生部的旋转磁场对应的转矩通过向该磁通产生部的磁通附加励磁磁通而增大的电动机的控制装置。

背景技术

在专利文献1中记载了电动机，该电动机具备：转子，设置有永磁体；环状的定子，与该转子配置于同一轴线上且以包围转子的方式设置；导线(以下，记为电枢线圈)，在定子的圆周方向上隔开预定的间隔而设置且根据通电的电流而产生旋转磁场；及励磁装置，连接于定子的轴线方向的端部。该励磁装置具备：励磁轭，由接合于定子的轴线方向的端面的圆筒部(以下，记为大径部)、构成为封闭该大径部的开口端的壁部及从壁部的内周部分向转子侧突出的圆筒部(以下，记为小径部)构成；及励磁线圈，通过在该向转子侧突出的圆筒部卷绕导线而构成。通过向该励磁线圈通电而产生的励磁磁通形成通过转子、定子及励磁轭的磁路。因此，励磁磁通在大径部和壁部的部分处弯折，因此在该弯折部处产生涡电流损失。因而，专利文献1所记载的电动机构成为，在同一磁场中，通过由涡电流损失比定子多且涡电流损失比励磁轭少的材料构成的固定部而将大径部与定子接合。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2012-157182号公报

发明内容

发明所要解决的课题

在专利文献1所记载的电动机中，形成与向电枢线圈通电的电流值对应的旋转磁场，其结果，产生与该旋转磁场的强度对应的转矩(以下，记为基础转矩)。另外，该基础转矩能够通过产生与磁体磁通同一方向的励磁磁通而增大。也就是说，通过向励磁线圈通电，能够辅助基础转矩。即，专利文献1所记载的电动机的输出转矩能够仅向电枢线圈通电来产生和除了电枢线圈之外还向励磁线圈通电来产生。电枢线圈由于被通入交流电流，因此经由变换器等控制器而从电源被供给电力，励磁线圈由于被通入直流电流，因此不经由上述那样的控制器而从电源被供给电力。也就是说，对电枢线圈和励磁线圈经由不同的电路而供给电力。因此，存在开发通过考虑变换器等控制器的特性等而决定用于满足向电动机要求的转矩的向电枢线圈通电而产生的转矩和向励磁线圈通电而产生的转矩各自的大小的控制装置的余地。

本发明着眼于上述的技术课题而完成，其目的在于，提供能够根据所要求的转矩适当地控制向电枢线圈和励磁线圈通电的电流值的电动机的控制装置。

用于解决课题的手段

为了达成上述的目的，本发明是一种电动机的控制装置，所述电动机构成为，具备：环状的转子，由磁性体构成；磁通产生部，在所述转子的圆周方向上的预定的位置产生磁通；定子，包围所述转子；电枢线圈，设置于所述定子且通过被通电而形成相对于所述转子的旋转磁场；励磁装置，具有通过被通电而产生将在所述磁通产生部产生的磁通加强的励磁磁通的励磁线圈，并利用通过向所述电枢线圈通电而在所述转子产生的基础转矩和通过向所述励磁线圈通电而在所述转子产生的励磁转矩来控制所述转子的转矩，所述电动机的控制装置的特征在于，所述电动机的控制装置具备控制所述基础转矩及所述励磁转矩的控制器，所述控制器求出所述转子的目标转矩，并控制所述基础转矩和所述励磁转矩以使得在所述目标转矩为预定转矩以上的情况下，与所述目标转矩小于所述预定转矩的情况相比使所述励磁转矩相对于所述目标转矩的比即分担率增大。

另外，在本发明中，可以是，所述转子的转速越高，则所述预定转矩被设定为越小的值。

另外，在本发明中，可以是，所述控制器具备针对由所述转子的转矩和所述转子的转速确定的每个运转点设定了所述分担率的映射，基于所述目标转矩、所述转子的转速及所述映射来求出所述分担率，基于所述分担率来控制所述基础转矩和所述励磁转矩。

另外，在本发明中，可以是，所述控制器以使能够满足所述目标转矩的所述基础转矩和所述励磁转矩中的由向所述电枢线圈通电引起的损失和由向所述励磁线圈通电引起的损失之和即总损失减小的方式设定所述分担率。

另外，在本发明中，可以是，所述总损失包括由向所述电枢线圈及所述励磁线圈通电引起的基于电阻的铜损。

并且，在本发明中，可以是，所述励磁装置由磁性体的励磁轭和所述励磁线圈构成，所述励磁轭具有与所述转子的轴线方向上的端面相向而配置的环状的壁部和从所述壁部的内周部分向所述转子侧突出的圆筒部，所述励磁线圈通过对所述圆筒部卷绕导线而构成。

发明效果

根据本发明的电动机，能够通过控制向电枢线圈及励磁线圈通电的电流值来控制转子的转矩。在目标转矩为预定转矩以上的情况下，以与目标转矩小于预定转矩的情况相比使励磁转矩相对于目标转矩的比即分担率增大的方式控制通过向该电枢线圈通电而产生的基础转矩和通过向励磁线圈通电而产生的励磁转矩。即，在要求了高转矩的情况下，构成为将励磁转矩输出得大。因此，与仅通过基础转矩来输出目标转矩的情况相比，能够减少用于输出基础转矩的铜损与用于输出励磁转矩的铜损之和即总损失，其结果，能够减少用于输出目标转矩的能量损失。

附图说明

图1是用于说明本发明的实施方式中的电动机的一例的示意性的剖视图。

图2是用于说明通过仅向电枢线圈通电而能够产生的转矩的图。

图3是用于说明励磁磁通的流动的局部剖视图。

图4是用于说明本发明的实施方式中的电动机的控制装置的一例的流程图。

图5是用于说明设定励磁转矩的分担率的映射的一例的图。

具体实施方式

将用于说明本发明的实施方式中的电动机的一例的剖视图的仅旋转中心轴线的上侧一半示于图1。图1所示的电动机1作为车辆的驱动力源而设置，基本结构与以往已知的作为混合动力车辆、电动汽车的驱动力源设置的埋入构造永磁体同步电动机(InteriorPermanent Magnet Synchronous Motor)是同样的。即，由与旋转轴2一体化且埋入有永磁体3的转子4和连结于未图示的固定部的定子5构成。该永磁体3相当于本发明的实施方式中的“磁通产生部”。

图1所示的转子4是将环状的钢板在轴线方向上层叠而得到的磁性体，在该转子4的外周部分形成有在圆周方向上隔开预定的间隔而在轴线方向上贯通的多个贯通孔6。在各贯通孔6中***有永磁体3。具体而言，相邻的永磁体3以使转子4的外周侧的极性成为相反的极性的方式***于各贯通孔6。也就是说，以“关于***于预定的贯通孔6的永磁体3，转子4的外周侧的极性成为N极，关于***于相对于该贯通孔6在转子4的圆周方向上相邻的其他贯通孔6的永磁体3，转子4的外周侧的极性成为S极”的方式，在各贯通孔6中***有永磁体3。

定子5是内径比转子4的外径大的磁性体，在图1所示的例子中，通过将环状的钢板在轴线方向上层叠而构成。另外，在其内周面上，以与转子4的外周面之间产生预定的间隙的方式，朝向内侧突出的定子齿在圆周方向上隔开预定的间隔而形成。以将该定子齿在轴线方向上捆束的方式卷绕有导线7。以下，将导线7记为电枢线圈7。

在这里所示的电动机1还设置有能够产生用于将永磁体3的磁通(以下，记为磁体磁通)加强的磁通(以下，记为励磁磁通)的励磁装置8。图1所示的励磁装置8配置于转子4的轴线方向上的两侧，双方的励磁装置8能够同样地构成，因此，在以下的说明中，仅对一方的励磁装置8的结构进行说明。

图1所示的励磁装置8由利用磁性体构成的励磁轭9和用于产生励磁磁通的励磁线圈10构成。励磁轭9形成为与定子5大致相同的外径，由在中心轴线上形成有贯通孔的壁部11、从该壁部11的外周侧的侧面向定子5侧突出的圆筒部12及从壁部11的内周侧的侧面向转子4侧突出的圆筒部13构成。在该圆筒部13上卷绕导线而形成有励磁线圈10。需要说明的是，在形成于壁部11的贯通孔和圆筒部12中以能够旋转的方式***有旋转轴2。

因此，通过向励磁线圈10通入一方向的电流，产生从圆筒部13的前端侧朝向转子4侧的励磁磁通，通过向励磁线圈10通入其他方向的电流，产生经由壁部11而从圆筒部12朝向定子5侧的励磁磁通。

如上述那样构成的电动机1能够通过向电枢线圈7通电或者除了电枢线圈7之外还向励磁线圈10通电而产生转矩。具体而言，与以往已知的永磁体式的同步电动机同样，上述的电动机1具备U相、V相、W相这三相的电路。在该电路设置有将从蓄电池、电容器等蓄电装置(未图示)输出的直流电流变换为交流电流并向上述的各相通电的变换器(未图示)，通过控制该变换器，根据转子4的旋转角切换向各相通电的电流的相位。

通过这样切换向各相(电枢线圈7)通电的电流的相位，在定子5的内部产生旋转磁场。该旋转磁场的强度成为与向电枢线圈7通电的电流值对应的强度。并且，通过埋入于转子4的永磁体3被如上述那样产生的旋转磁场吸引或排斥，在转子4上作用旋转方向的载荷而产生转矩。

另外，与以往已知的同步电动机同样，图1所示的电动机1当以基底速度N1以上的转速旋转时，伴随于该旋转的反电动势(感应电压)比向电动机1施加的电压(输入电压)高，无法输出转矩，因此，在基底速度N1以上时，向永磁体3的磁通通过的方向即d轴方向(direct axis)的电枢线圈7以使该磁通下降的方式通入电流。也就是说，进行以往已知的弱励磁控制。上述的感应电压随着转子4的转速增加而增大，因此，伴随于此而提高向d轴方向的电枢线圈7通电的电流值。因此，随着转子4的转速增加，永磁体3的磁通下降，因此，通过仅向电枢线圈7通电而能够产生的转矩如图2的虚线所示那样伴随于转子4的转速的增加而逐渐下降。需要说明的是，图2中的实线的曲线是等输出线。

如上述那样构成的电动机1的转矩也能够通过附加与磁体磁通同一方向的磁通而增加。也就是说，能够通过加强磁体磁通而使电动机1的转矩增加。因而，在图1所示的电动机1中，构成为通过向励磁线圈10通电而加强磁体磁通。具体而言，如图3所示，形成“从转子4向定子5流动，之后，在定子5的内部在圆周方向上流动，再次从定子5向转子4流动”的磁体磁通F1。为了加强该磁体磁通F1，在图3所示的例子中，通过在C1所示的方向上向励磁线圈10通电，产生从圆筒部13的前端朝向转子4的励磁磁通F2。该励磁磁通F2成为沿着“从永磁体3的S极朝向N极经由永磁体3而从转子4的内周侧朝向外周侧流动后，从转子4向定子5流动，进一步从定子5的端面向圆筒部12流动”的磁路的流动。因此，在磁体磁通F1从转子4朝向定子5流动的部位，励磁磁通F2以加强该磁体磁通F1的方式发挥作用。其结果，能够使电动机1的转矩增大。

上述的励磁磁通F2成为与向励磁线圈10通电的电流值对应的大小。另外，在存在使电动机1的转矩增大的要求的情况下产生励磁磁通F2，该励磁磁通F2的朝向不会频繁地反转，因而，对于励磁线圈10，从蓄电装置不经由变换器而通入直流电流。即，向电枢线圈7通电的电路和向励磁线圈10通电的电路不同。

向上述的电枢线圈7及励磁线圈10通电的电流由电子控制装置(以下，记为ECU)14控制。该ECU14以主计算机为主体，从设置于车辆的各种传感器接受数据的输入，基于该输入的数据和预先存储的运算式、映射等来求出向电枢线圈7及励磁线圈10通电的电流，以使该求出的电流向电枢线圈7、励磁线圈10通入的方式，向变换器等输出指示信号。

向该ECU14输入的数据的一例是检测加速器踏板的操作量的加速器开度传感器、检测车速的车速传感器、检测电动机1的旋转角及转速的旋转变压器等。另外，存储于ECU14的映射的一例是用于根据加速器踏板的操作量和车速来求出要求驱动力的驱动力映射、根据电动机1的运转点设定了励磁转矩Tf相对于后述的目标转矩Ttgt的比即分担率Tf/Ttgt的映射等。并且，从ECU14输出的指示信号例如是向在未图示的转换器、变换器设置的开关元件输入的信号、向控制向励磁线圈10通电的电流值的元件输入的信号。

如上所述，能够仅向电枢线圈7通电而产生转矩、除了电枢线圈7之外还向励磁线圈10通电而产生转矩。因此，本发明的实施方式中的电动机的控制装置构成为，根据向电动机1(或转子4)要求的转矩，更具体而言，根据由电动机1的转速和转矩确定的电动机1的运转点，设定向励磁线圈10通电的电流值。将该控制的一例示于图4。需要说明的是，在以下的说明中，将向电枢线圈7通电而产生的转矩记为基础转矩Tb，将通过向励磁线圈10通电而增加(产生)的转矩记为励磁转矩Tf。

在图4所示的控制例中，首先，读入由车速传感器检测到的车速数据V和由加速器开度传感器检测到的加速器踏板的操作量数据θ(步骤S1)。根据在该步骤S1中读入的数据来算出向车辆要求的转矩Treq(步骤S2)。该步骤S2能够通过预先准备用于以加速器开度数据θ和车速数据V为参数而求出车辆的要求驱动力(或要求转矩)的映射来算出。

接着，基于在步骤S2中算出的要求转矩Treq来算出电动机1的目标转矩Ttgt(步骤S3)。该步骤S3能够根据车轮与电动机1之间的齿轮系的齿轮比等和在步骤S2中算出的要求转矩Treq而算出。

接在步骤S3之后，算出励磁转矩Tf相对于目标转矩Ttgt的比即分担率(Tf/Ttgt)(步骤S4)。该步骤S4能够针对由目标转矩Ttgt和当前的电动机1的转速确定的电动机1的每个运转点，将在该运转点下驱动电动机1的情况下的能量消耗量减少的分担率(Tf/Ttgt)作为映射而预先向ECU14存储，基于该映射来算出。该映射考虑由输出基础转矩Tb、励磁转矩Tf引起的与电阻对应的焦耳热的损失(铜损)等而设定。具体而言，以能够满足目标转矩Ttgt的基础转矩Tb和励磁转矩Tf中的由向电枢线圈7通电引起的损失和由向励磁线圈10通电引起的损失之和即总损失减小的方式设定分担率Tf/Ttgt。

上述的基础转矩Tb能够根据向电枢线圈7通电的电流值而增加，因此若将基础转矩Tb设为高转矩，则与电枢线圈7及向电枢线圈7供给电力的电路中的电阻对应的焦耳热增大。该焦耳热与通电的电流的平方成比例。因而，上述的映射优选以基础转矩Tb越大则励磁转矩Tf越大的方式(即分担率(Tf/Ttgt)越大的方式)设定。将该映射的一例示于图5。在图5中，在纵轴上取目标转矩Ttgt，在横轴上取转速，在比较低输出(或低转矩)的区域A中，以与高输出(或高转矩)的区域B相比使分担率(Tf/Ttgt)减小的方式设定。即，以随着目标转矩Ttgt增加或由于目标转矩Ttgt成为预定转矩以上而为了输出目标转矩Ttgt使励磁转矩Tf负担的比例增大的方式设定。另外，以电动机1的转速(或转子4的转速)越高则上述的预定转矩越低的方式设定。

并且，基于在步骤S4中求出的分担率(Tf/Ttgt)来算出基础转矩Tb和励磁转矩Tf(步骤S5)，基于该算出的基础转矩Tb和励磁转矩Tf来执行转矩控制(步骤S6)。之后，暂且结束该例程。该步骤S6与以往已知的电动汽车、混合动力车辆中的转矩控制同样地执行。

通过如上述那样以在高转矩域中分担率(Tf/Ttgt)增大的方式，也就是说，通过增大励磁转矩Tf负担的比例，与仅通过基础转矩Tb来输出目标转矩Ttgt的情况相比，能够增大与从蓄电装置输出的电力相对的电动机1的转矩。换言之，能够提高用于驱动电动机1的能量效率。另外，通过如上述那样输出励磁转矩Tf，即使执行了弱励磁控制，也能够抑制由执行弱励磁控制引起的转矩的下降。也就是说，能够沿着等输出线而驱动电动机1。

以上，虽然对本发明的实施方式进行了说明，但本发明不限定于上述的例子，也可以在达成本发明的目的的范围内适当变更。具体而言，励磁转矩Tf相对于基础转矩Ttgt的比即分担率能够基于焦耳损失来设定，该焦耳损失能够运算而求出，因此，也可以不如上述那样基于映射来求出该分担率，而通过在目标转矩确定了的时间点进行运算等而求出。另外，转子4、定子5不限于将磁性体的钢板层叠而得到，也可以由磁性体的材料一体成型。而且，永磁体3不限于埋入于转子4的内部，也可以安装于转子4的外周面，或者，也可以对铁芯卷绕导线，通过向该导线通电而产生电磁力。而且，励磁线圈10只要能够将励磁轭9磁化即可，因此，例如，也可以在壁部11的任一者形成卷绕励磁线圈10的两个缝隙，通过对该部分卷绕导线而形成励磁线圈10。

附图标记说明

1…电动机、2…旋转轴、3…永磁体、4…转子、5…定子、6…贯通孔、7…电枢线圈、8…励磁装置、9…励磁轭、10…励磁线圈、11…壁部、12、13…圆筒部、14…电子控制装置(ECU)、F1…磁体磁通、F2…励磁磁通。

Claims (6)

1.一种电动机的控制装置，所述电动机构成为，具备：

环状的转子，由磁性体构成；

磁通产生部，在所述转子的圆周方向上的预定的位置产生磁通；

定子，包围所述转子；

电枢线圈，设置于所述定子且通过被通电而形成相对于所述转子的旋转磁场；及

励磁装置，具有通过被通电而产生将在所述磁通产生部产生的磁通加强的励磁磁通的励磁线圈，

并利用通过向所述电枢线圈通电而在所述转子产生的基础转矩和通过向所述励磁线圈通电而在所述转子产生的励磁转矩来控制所述转子的转矩，

所述电动机的控制装置的特征在于，

所述电动机的控制装置具备控制所述基础转矩及所述励磁转矩的控制器，

所述控制器求出所述转子的目标转矩，并控制所述基础转矩和所述励磁转矩以使得在所述目标转矩为预定转矩以上的情况下，与所述目标转矩小于所述预定转矩的情况相比使所述励磁转矩相对于所述目标转矩的比即分担率增大。

2.根据权利要求1所述的电动机的控制装置，其特征在于，

所述转子的转速越高，则所述预定转矩被设定为越小的值。

3.根据权利要求1或2所述的电动机的控制装置，其特征在于，

所述控制器具备针对由所述转子的转矩和所述转子的转速确定的每个运转点设定了所述分担率的映射，

所述控制器基于所述目标转矩、所述转子的转速及所述映射来求出所述分担率，并基于所述分担率来控制所述基础转矩和所述励磁转矩。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的电动机的控制装置，其特征在于，

所述控制器以使能够满足所述目标转矩的所述基础转矩和所述励磁转矩中的由向所述电枢线圈通电引起的损失和由向所述励磁线圈通电引起的损失之和即总损失减小的方式设定所述分担率。

5.根据权利要求4所述的电动机的控制装置，其特征在于，

所述总损失包括由向所述电枢线圈及所述励磁线圈通电引起的基于电阻的铜损。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的电动机的控制装置，其特征在于，

所述励磁装置由磁性体的励磁轭和所述励磁线圈构成，所述励磁轭具有与所述转子的轴线方向上的端面相向而配置的环状的壁部和从所述壁部的内周部分向所述转子侧突出的圆筒部，所述励磁线圈通过对所述圆筒部卷绕导线而构成。

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