JP2012080621A - 駆動装置の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】周方向の相対位置を調整可能な複数のロータを有して界磁束を変更可能な回転電機を備えた駆動装置を最適化制御する技術を提供する。
【解決手段】周方向の相対位置を調整可能な第１ロータ２０及び第２ロータ１０を有する回転電機２と相対位置調整機構５０とを備えた駆動装置１を制御する制御装置３０は、要求トルクＴ^＊及び回転速度ωに基づいて、回転電機２の電気的損失と相対位置調整機構５０の機械的損失とを含むシステム損失が最小となる相対位置を示すロータ間位相指令ｐｈ^＊と回転電機２を駆動する電流指令ｉｄ^＊，ｉｑ^＊とを決定する制御指令決定部８と、電流指令ｉｄ^＊，ｉｑ^＊に基づいて回転電機２を制御すると共に、ロータ間位相指令ｐｈ^＊基づいて相対位置調整機構５０を制御する制御部９とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、周方向の相対位置を調整可能な複数のロータを有して界磁束を変更可能な可変磁束型の回転電機と相対位置を調整する機構とを備えた駆動装置の制御装置に関する。

内部に永久磁石を埋め込んだロータを備える埋め込み磁石型の回転電機（ＩＰＭＳＭ：interior permanent magnet synchronous motor）が広く用いられている。ＩＰＭＳＭでは、通常、永久磁石はロータコアに固定されているため、ロータから発生する磁束は一定である。ロータの回転速度が上昇するに従ってステータコイルに発生する誘起電圧は高くなり、誘起電圧が駆動電圧を超えると制御不能となる場合がある。これを回避するため、ある回転速度以上では、ロータからの磁界を実質的に弱める弱め界磁制御が行われる。但し、弱め界磁制御を行うと回転電機から出力されるトルクに対してステータコイルに流れる電流が大きくなるため、銅損が大きくなり効率が低下する。また、永久磁石からステータに到達する磁束が一定のままでは、ロータの回転速度が高い領域において、ステータコアにおいて生じる鉄損も大きくなり効率が低下する。

そこで、ロータが備える永久磁石からステータに到達する磁束をロータの回転速度に応じて変化させる可変磁束型の回転電機が提案されている。特開２００２−５８２２３号公報（特許文献１）には、径外側ロータ（１００）と、このロータの径内側に収容される径内側ロータ（２００）とを有した回転電機が開示されている（符号は特許文献１のもの。以下、背景技術の説明において同様。）。ステータコア（３０１）の内周面に対面しつつ回転する径外側ロータ（１００）は、界磁束を形成する永久磁石（１０３）を有する。径内側ロータ（２００）は、径外側ロータの内周面に対面する外周面を有して回転自在に配接されるヨーク又は磁石ロータからなる。両ロータの周方向の相対位相は、ギヤハウジング（４）内に収納された遊星減速ギヤ機構により変更可能である（特許文献１：第２７〜３７段落、図１〜３、要約等。）。また、特開２００４−７２９７８号公報（特許文献２）には、径内側ロータと径外側ロータとの双方に永久磁石を備えて、両ロータの相対位置を調整してステータに到達する界磁束を変更する構成が示されている（図１、図２等）。

回転電機の効率に影響する損失には、銅損や鉄損、インバータ損などがよく知られており、好適にはそのような損失が最も少なくなるような制御が実施される。上述したような可変磁束型の回転電機は、機械的に界磁束を変更することによって、弱め界磁電流を減らすことができ、銅損やインバータ損、さらには鉄損を抑制して回転電機の効率を上げることが可能である。一方、特許文献１の遊星減速ギヤ機構のように機械的に２つのロータの相対位相を調整する機構を設けると、ギヤ機構による損失も生じる。このギヤ機構における損失は、ロータの相対位相に対して一定ではない。従って、単純に銅損や鉄損、インバータ損などが最も少なくなる相対位相を選択して回転電機を制御した場合には、このようなギヤ機構まで考慮した装置全体の損失を最小化するような最適化制御が実現できていない可能性がある。

特開２００２−５８２２３号公報 特開２００４−７２９７８号公報

上記背景に鑑みて、周方向の相対位置を調整可能な複数のロータを有して界磁束を変更可能な回転電機を備えた駆動装置を最適化制御する技術の提供が望まれる。

上記課題に鑑みた本発明に係る駆動装置の制御装置の特徴構成は、
ステータと、周方向の相対位置を調整可能な第１ロータ及び第２ロータとを有する可変磁束型の回転電機と、これら両ロータの前記相対位置を調整する相対位置調整機構とを備えた駆動装置を制御する駆動装置の制御装置であって、
要求トルク及び回転速度に基づいて前記回転電機の銅損及び鉄損を含む電気的損失と前記相対位置調整機構の機械的損失とを少なくとも含むシステム損失が最小となる前記相対位置を示すロータ間位相指令と、前記回転電機を駆動する電流指令とを決定する制御指令決定部と、
前記電流指令に基づいて前記回転電機を制御すると共に、前記ロータ間位相指令に基づいて前記相対位置調整機構を制御する制御部と、を備える点にある。

電気的損失及び相対位置調整機構における機械的損失は、第１ロータと第２ロータとの相対位置によって異なる。従って、電気的損失と機械的損失とを合わせたシステム損失と両ロータの相対位置との関係に基づいて最適な相対位置を決定することが好ましい。本特徴構成によれば、駆動装置の要求トルク及び回転速度に基づいて、システム損失が最小となる両ロータの相対位置を示すロータ間位相指令と、回転電機を駆動する電流指令とが決定される。回転電機及び相対位置調整機構は、このように要求トルクを出力できる範囲で、システム損失が最小となるように決定された制御指令に基づいて制御される。従って、駆動装置のシステム損失が最小となるように最適化制御することが可能となる。

１つの好適な態様として、前記相対位置調整機構が、第１ロータと第２ロータとを駆動連結するギヤ機構を備えて構成されているとき、前記機械的損失は以下のように決定される。即ち、前記相対位置調整機構の機械的損失は、両ロータの前記相対位置に応じて前記第１ロータに生じる第１ロータトルクと前記第１ロータに接続された前記ギヤ機構の損失率との積の絶対値と、両ロータの前記相対位置に応じて前記第２ロータに生じる第２ロータトルクと前記第２ロータに接続された前記ギヤ機構のギヤ損失率との積の絶対値との和に基づいて決定される。周方向に相対位置を調整可能な第１ロータと第２ロータとは、磁気回路の変化に応じて互いのロータ間に生じる吸引反発力によって、それぞれ回転電機の出力トルクと同方向のトルクが作用する場合と逆方向のトルクが作用する場合とがある。一方のロータに作用するトルクが逆方向のトルクの場合、ロータ全体としての合計トルク（回転電機の出力トルク）に対して両ロータのトルクの大きさの和は合計トルクの大きさに比べて大きくなる。つまり、両ロータのトルクの絶対値の和は合計トルクの絶対値に比べて大きくなる。ところで、両ロータがそれぞれギヤ機構を備えて構成されている場合、それぞれのギヤ機構においてギヤ損失が発生する。両ロータのトルクの絶対値の和が大きくなると、その分ギヤ損失の総和も大きくなる。つまり、ギヤ損失の総和は、合計トルクの大きさが同じであっても、ロータ間の吸引反発力による逆方向のトルクの絶対値が大きいほど大きくなり、ロストルクが増加して効率も低下する。ギヤによる損失は、それぞれのロータに接続されるギヤ機構において発生するから、合計トルクに対してギヤ損失率を乗じると、実際の機械的損失よりも小さい値となる。上述したように、それぞれのロータのトルクの絶対値に対してギヤ損失率を乗じることで、正確に機械的損失が算出される。

ここで、第１ロータと第２ロータとを駆動連結するギヤ機構が近似する構成であると、第１ロータのギヤ機構と第２ロータのギヤ機構とにおけるギヤ損失率がほぼ同一の値となる。従って、それぞれのロータのトルクとギヤ損失率との積を算出した後に、それらの絶対値を加算することなく、それぞれのロータのトルクの絶対値を加算した後、ギヤ損失率との積を求めることもできる。つまり、乗算の回数を減らして、演算負荷を軽減することもできる。１つの好適な態様として、前記第１ロータ及び前記第２ロータは、共に同一の出力部材に駆動連結され、前記相対位置調整機構は、以下のように構成される。即ち、前記相対位置調整機構は、前記ギヤ機構として、３つの回転要素を備えた第１差動歯車機構と、３つの回転要素を備えた第２差動歯車機構とを備える。前記第１差動歯車機構は、３つの回転要素として、前記第１ロータに駆動連結される第１ロータ連結要素と、前記出力部材に駆動連結される第１出力連結要素と、第１固定要素とを備える。前記第２差動歯車機構は、３つの回転要素として、前記第２ロータに駆動連結される第２ロータ連結要素と、前記出力部材に駆動連結される第２出力連結要素と、第２固定要素とを備える。前記第１固定要素及び前記第２固定要素の内のいずれか一方が、両ロータの前記相対位置を変更させる駆動源に連動する変位固定要素とされ、他方が非回転部材に固定される非変位固定要素とされる。前記変位固定要素が固定された状態での前記第１ロータ連結要素の回転速度と前記第２ロータ連結要素の回転速度とが互いに等しくなるように、前記第１差動歯車機構のギヤ比と前記第２差動歯車機構のギヤ比とが設定されている。

駆動装置の制御装置の全体構成を模式的に示すブロック図 駆動装置の軸方向断面図 相対位置調整機構のスケルトン図 ２つのロータの相対位置とトルクとの関係を示す図 ロータ間に捩り合いが生じている時の原理図と電流−トルク特性グラフ 両ロータに永久磁石が内蔵されている場合の捩り合いトルクと相対位置との関係の一例を示すグラフ 一方のロータに永久磁石が内蔵されている場合の捩り合いトルクと相対位置との関係の一例を示すグラフ 両ロータの相対位置とシステム損失との関係の一例を示すグラフ 両ロータの相対位置とシステム損失との関係の一例を示すグラフ

以下、本発明の好適な実施形態の一例を図面に基づいて説明する。本発明の回転電機は、第１ロータと第２ロータとの周方向の相対位置に応じてステータコイルに鎖交する界磁束が変化する可変磁束型の回転電機である。このため、本発明の回転電機は、第１ロータと第２ロータとの相対位置を変更する相対位置調整機構と回転電機とを有する駆動装置として構成されている。本発明の駆動装置の制御装置は、回転電機並びに相対位置調整機構を制御することにより、駆動装置を最適化制御する制御装置である。

図１に示すように、制御装置３０は、システム損失マップ７と、回転電機２及び相対位置調整機構５０の制御指令を決定する制御指令決定部８と、制御指令に基づいて回転電機２及び相対位置調整機構５０を制御する制御部９とを備えている。システム損失マップ７には、システム損失が最小となる相対位置と駆動装置１（又は回転電機２）の要求トルク（トルク指令）Ｔ^＊及び回転電機２の回転速度ωとの関係が規定されている。システム損失には、回転電機２の銅損及び鉄損を含む電気的損失と相対位置調整機構５０の機械的損失とが少なくとも含まれる。電気的損失には、銅損及び鉄損の他、回転電機２の駆動回路３２の一部を構成するインバータ回路の主にスイッチング素子における損失であるインバータ損も含まれていると好適である。システム損失マップ７は、回転電機２の回転速度及びトルクごとのシステム損失と相対位置（位相）との関係を実験やシミュレーション等によって得た損失データＲを集め、データ解析及びデータ最適化を行って生成される。尚、システム損失には、ここに例示したものの他、駆動装置における種々の損失を含めることができる。

制御指令決定部８は、要求トルクＴ^＊及び回転速度ωに基づいてシステム損失マップ７を参照し、回転電機２を駆動する電流指令ｉｄ^＊，ｉｑ^＊及び後述する２つのロータ１０，２０の相対位置の制御目標であるロータ間位相指令ｐｈ^＊を決定する。本実施形態においては、汎用的なベクトル制御により回転電機２が制御される場合を例示し、永久磁石の磁束の方向であるｄ軸の電流指令ｉｄ^＊と、電気角においてｄ軸に直交するｑ軸の電流指令ｉｑ^＊とが決定される。ロータ間位相指令ｐｈ^＊は、２つのロータ１０，２０の電気角における位相差（相対位置）の制御目標を示している。制御部９は、電流指令ｉｄ^＊，ｉｑ^＊と電流センサ３５により検出されたステータ３のコイル３ｂの電流及び回転センサ５により検出されたロータ４の電気角θに基づいて電流フィードバック制御を行って回転電機２を制御する。また、制御部９は、ロータ間位相指令ｐｈ^＊に基づいて相対位置調整機構５０、具体的には差動歯車機構６０に駆動力を与える駆動源としてのアクチュエータ（モータなど）５６を駆動回路３４を介して制御する。回転電機２及び相対位置調整機構５０は、このように要求トルクＴ^＊を出力できる範囲で、システム損失が最小となるように決定された制御指令ｉｄ^＊，ｉｑ^＊，ｐｈ^＊に基づいて制御される。従って、制御装置３０は、駆動装置１を最適化制御することが可能となる。

〔回転電機及び駆動装置の構造〕
まず、回転電機２及び相対位置調整機構５０を備えた駆動装置１の構成例について説明する。図２に示すように、回転電機２は、相対位置が可変する２つのロータを有するインナロータ型の回転電機である。ロータ４は、ステータ３と対向して本実施形態では相対的に外側に配置される外ロータである第２ロータ１０と、相対的に内側に配置される内ロータである第１ロータ２０とから構成される。また、第１ロータ２０は、第１ロータコア２１と第１ロータコア２１の内部に埋め込まれた永久磁石とを備えて構成される。第２ロータ１０は、第２ロータコア１１と第２ロータコア１１に形成されたフラックスバリアを備えて構成される。第１ロータ２０と第２ロータ１０との相対位置に応じて、永久磁石とフラックスバリアとの位置関係が変わり、磁気回路が変わることによって界磁束が調整される。これらロータ１０，２０の構造の詳細については後述する。

以下の説明では、特に断らない限り、「軸方向Ｌ」、「径方向Ｒ」、「周方向」は、同軸配置された第１ロータコア２１及び第２ロータコア１１の軸心（すなわち回転軸Ｘ）を基準として定義している。また、以下の説明では、「軸第１方向Ｌ１」は図２における軸方向Ｌに沿った左方を表し、「軸第２方向Ｌ２」は図２における軸方向Ｌに沿った右方を表すものとする。また、「径内方向Ｒ１」は、径方向Ｒの内側（軸心側）へ向かう方向を表し、「径外方向Ｒ２」は、径方向Ｒの外側（ステータ側）へ向かう方向を表す。

図２に示すように、ステータ３及びロータ４を備えた回転電機２は、ケース８０の内部に収容されている。そして、回転電機２は、第１ロータ２０と第２ロータ１０の周方向の相対位置を調整する相対位置調整機構５０と共に駆動装置１を構成し、回転電機２の駆動力（トルクと同義）を出力軸としてのロータ軸６に伝達可能に構成されている。

ステータ３は、ケース８０の周壁部８５の内面に固定されている。ステータ３は、ステータコア３ａとステータコア３ａに巻装されたコイル（ステータコイル）３ｂとを備え、回転電機２の電機子を構成する。ステータコア３ａは、本例では、複数枚の電磁鋼板を積層して構成されており、円筒状に形成されている。ステータ３の径内方向Ｒ１側には、永久磁石を備えた界磁としてのロータ４が配置されている。ロータ４は、回転軸Ｘ周りに回転可能にケース８０に支持され、ステータ３に対して相対回転する。

ロータ４は、周方向の相対位置を調整可能な第１ロータ２０及び第２ロータ１０を備えて構成される。第１ロータ２０は、第２ロータ１０に対してステータ３とは反対側である径内方向Ｒ１側にあって、第２ロータコア１１と同軸配置された第１ロータコア２１を備えている。第１ロータコア２１は、径方向Ｒ視において第２ロータコア１１と重複するように配置されている。本例では、第１ロータコア２１は、第２ロータコア１１と同じ軸方向Ｌの長さを有し、径方向Ｒ視において第２ロータコア１１と完全に重複するように配置されている。また、本例では、第１ロータコア２１は、複数枚の電磁鋼板を積層して構成されている。第１ロータ２０は、第１ロータコア２１を支持すると共に第１ロータコア２１と一体回転する第１ロータコア支持部材２２を備えている。また、第１ロータ２０は、第１ロータコア２１の内部に埋め込まれてコイル３ｂと鎖交する界磁束を提供する永久磁石を備えて構成されている。

第１ロータコア支持部材２２は、第１ロータコア２１を径内方向Ｒ１側から当接支持するように構成されている。また、第１ロータコア支持部材２２は、第１ロータコア２１に対して軸第１方向Ｌ１側に配置された軸受（本例ではブッシュ）と、第１ロータコア２１に対して軸第２方向Ｌ２側に配置された軸受（本例ではブッシュ）とにより、第２ロータコア支持部材１２に対して回転可能に支持されている。そして、第１ロータコア支持部材２２の軸第１方向Ｌ１側部分の外周面には、相対位置調整機構５０が備える回転要素（本例では、第１サンギヤ５１ａ）とスプライン結合する第１スプライン歯２３が形成されている。

第２ロータ１０は、第２ロータコア１１を備えると共に、ステータ３と第１ロータ２０との間に配置される。外ロータである第２ロータ１０は、ステータ３に対して径内方向Ｒ１側において、ステータ３に対して径方向Ｒに対向するように配置され、第１ロータコア２１と同軸に配置される円筒状の第２ロータコア１１を備えている。本例では、第２ロータコア１１も、複数枚の電磁鋼板を積層して構成されている。また、第２ロータ１０は、第２ロータコア１１を支持すると共に第２ロータコア１１と一体回転する第２ロータコア支持部材１２を備えている。

第２ロータコア支持部材１２は、第２ロータコア１１を軸第１方向Ｌ１側から支持する第１支持部１２ａと、第２ロータコア１１を軸第２方向Ｌ２側から支持する第２支持部１２ｂと、を備えている。第１支持部１２ａと第２支持部１２ｂとは、第２ロータコア１１に形成された挿通孔に挿通された締結ボルト１４により軸方向Ｌに締結固定される。すなわち、第２ロータコア１１は、第１支持部１２ａと第２支持部１２ｂとの間に挟まれて固定保持される。

第１支持部１２ａは、第２ロータコア１１に対して軸第１方向Ｌ１側に配置された軸受（本例ではころがり軸受）により径方向Ｒに支持され、第２支持部１２ｂは、第２ロータコア１１に対して軸第２方向Ｌ２側に配置された軸受（本例ではころがり軸受）により径方向Ｒに支持されている。そして、第１支持部１２ａの軸第１方向Ｌ１側部分の内周面には、相対位置調整機構５０が備える回転要素（本例では、第２サンギヤ５２ａ）とスプライン結合する第２スプライン歯１３が形成されている。また、第２支持部１２ｂの軸第２方向Ｌ２側部分の外周面には、回転センサ５（本例ではレゾルバ）のセンサロータが一体回転するように取り付けられている。回転センサ５は、ステータ３に対するロータ４の回転位置（電気角θ）や回転速度ωを検出するためのセンサである。

ところで、実施形態の回転電機２は可変磁束型の回転電機であり、第１ロータコア２１及び第２ロータコア１１の少なくとも一方には永久磁石が備えられる。本例では、第１ロータコア２１のみに永久磁石が備えられている。一方、第２ロータコア１１には、フラックスバリアとなる空隙が形成されている。そして、永久磁石及びフラックスバリアは、第１ロータ２０と第２ロータ１０との周方向の相対位置に応じてステータ３に到達する界磁束が変化するように配置されている。例えば、永久磁石及びフラックスバリアは、第１ロータ２０と第２ロータ１０との周方向の相対位置に応じて、第２ロータコア２１内にバイパス路となる磁気回路が形成されて漏れ磁束が増加し、ステータ３に到達する磁束が少なくなる状態と、第２ロータコア１１内を通過する漏れ磁束が抑制されてステータ３に到達する磁束が多くなる状態との双方の状態をとり得るように配置することができる。

ロータ軸６は、駆動装置１としての駆動力を出力する出力軸である。ロータ軸６は、第１ロータコア２１及び第２ロータコア１２と同軸配置されており、第１ロータコア２１及び第２ロータコア１２と同様、相対位置調整機構５０の回転要素（本例では、第１キャリヤ５１ｂ及び第２キャリヤ５２ｂ）に駆動連結されている。周方向の相対位置の調整時を除いて、第１ロータコア２１及び第２ロータコア１１は互いに同じ回転速度（ロータ回転速度）で回転する。本実施形態においては、ロータ軸６は、第１ロータコア２１及び第２ロータコア１１に対して低速の回転速度で回転する。即ち、本例では、ロータ軸６の回転速度は、ロータ４の回転速度に対して減速されたものとなり、ロータ軸６には回転電機２のトルクが増幅されて伝達される。

相対位置調整機構５０は、差動歯車機構６０として、３つの回転要素を備えた第１差動歯車機構５１と、３つの回転要素を備えた第２差動歯車機構５２とを備えている。相対位置調整機構５０は、回転電機２に対して軸第１方向Ｌ１側に配置されており、第１差動歯車機構５１と第２差動歯車機構５２とは、第１差動歯車機構５１が第２差動歯車機構５２に対して軸第１方向Ｌ１側に位置するように、軸方向Ｌに並べて配置されている。そして、相対位置調整機構５０は、第１差動歯車機構５１に駆動連結された第１ロータコア支持部材２２と、第２差動歯車機構５２に駆動連結された第２ロータコア支持部材１２との周方向の相対位置を調整することで、第１ロータコア支持部材２２と一体回転する第１ロータコア２１と、第２ロータコア支持部材１２と一体回転する第２ロータコア１１との周方向の相対位置を調整する。

差動歯車機構６０を構成する第１差動歯車装置５１は、本実施形態では、３つの回転要素を備えたシングルピニオン型の遊星歯車機構により構成されている。即ち、第１差動歯車装置５１は、３つの回転要素として、第１ロータ２０に駆動連結される第１サンギヤ５１ａと、ロータ軸６に駆動連結される第１キャリヤ５１ｂと、第１リングギヤ５１ｃとを備えている。なお、第１サンギヤ５１ａ及び第１リングギヤ５１ｃの双方は、第１キャリヤ５１ｂが支持する複数のピニオンギヤに噛み合う回転要素である。第１サンギヤ５１ａ、第１キャリヤ５１ｂ、及び第１リングギヤ５１ｃは、それぞれ本発明における「第１ロータ連結要素」、「第１出力連結要素」、及び「第１固定要素」に相当する。

第１サンギヤ５１ａは、第１ロータコア支持部材１２と一体回転するように駆動連結（本例では、第１スプライン歯２３によるスプライン結合）されることで、第１ロータ２０に駆動連結されている。第１キャリヤ５１ｂは、ロータ軸６と一体回転するように駆動連結されている。第１リングギヤ５１ｃは、第１ロータ２０と第２ロータ１０との周方向の相対位置の調整時に回転位置が調整され、調整時以外では固定される。本実施形態では、第１リングギヤ５１ｃの外周面に、ウォームホイール５４が形成されている。つまり、ウォームホイール５４は、第１リングギヤ５１ｃに一体的に設けられており、第１リングギヤ５１ｃは、変位部材としてのウォームホイール５４に連動して一体回転する。第１リングギヤ５１ｃは本発明の「変位固定要素」に相当する。

相対位置調整機構５０は、ウォームホイール５４に加えて、ウォームホイール５４に係合するウォームギヤ５５と、ウォームギヤ５５を回転駆動する駆動源（アクチュエータ）としてのモータ５６とを備えている。ウォームギヤ５５がモータ５６の駆動力により回転すると、ウォームギヤ５５と噛み合うウォームホイール５４が周方向に移動し、第１リングギヤ５１ｃが回転する。つまり、モータ５６は、ウォームホイール５４を変位させる。図１に示すように、モータ５６は、相対位置調整機構５０の駆動回路３４を介して制御部９により制御される。なお、ウォームホイール５４の周方向への移動量、即ち、第１リングギヤ５１ｃの回転量は、ウォームギヤ５５の回転量に比例する。第１ロータ２０と第２ロータ１０との周方向の相対位置は、ウォームホイール５４の周方向位置に応じて定まる。回転電機２の動作中における第１ロータ２０と第２ロータ１０との周方向の相対位置の調整範囲は、例えば電気角で９０度や１８０度の範囲に設定される。尚、第１ロータ２０と第２ロータ１０との周方向の相対位置の調整範囲の大きさは、ウォームホイール５４の周方向の長さにより設定される。

本実施形態において、差動歯車機構６０を構成する第２差動歯車機構５２も、３つの回転要素を備えたシングルピニオン型の遊星歯車機構により構成されている。即ち、第２差動歯車装置５２は、３つの回転要素として、第２ロータ１０に駆動連結される第２サンギヤ５２ａと、ロータ軸６に駆動連結される第２キャリヤ５２ｂと、第２リングギヤ５２ｃとを備えている。尚、第２サンギヤ５２ａ及び第２リングギヤ５２ｃの双方は、第２キャリヤ５２ｂが支持する複数のピニオンギヤに噛み合う回転要素である。第２サンギヤ５２ａ、第２キャリヤ５２ｂ、及び第２リングギヤ５２ｃは、それぞれ本発明における「第２ロータ連結要素」、「第２出力連結要素」、及び「第２固定要素」に相当する。第２サンギヤ５２ａは、第２ロータコア支持部材１２と一体回転するように駆動連結（本実施形態では、第２スプライン歯１３によるスプライン結合）されることで、第２ロータ１０に駆動連結されている。第２キャリヤ５２ｂは、ロータ軸６と一体回転するように駆動連結されている。第２リングギヤ５２ｃは、ケース８０の第１壁部８１に固定されており、本発明における「非変位固定要素」に相当する。

本実施形態では、第１キャリヤ５１ｂと第２キャリヤ５２ｂとが一体的に一体キャリヤ５３を構成している。すなわち、「第１出力連結要素」としての第１キャリヤ５１ｂと、「第２出力連結要素」としての第２キャリヤ５２ｂとが、一体回転するように駆動連結されている。また、第２リングギヤ５２ｃはケース８０に固定されている。よって、第１リングギヤ５１ｃを回転させると、第１サンギヤ５１ａが第２サンギヤ５２ａに対して相対回転し、第１サンギヤ５１ａと第２サンギヤ５２ａとの周方向の相対位置が変化する。第１サンギヤ５１ａには、第１ロータコア支持部材２２が一体回転するように駆動連結され、第２サンギヤ５２ａには、第２ロータコア支持部材１２が一体回転するように駆動連結されている。よって、第１リングギヤ５１ｃの回転位置（ウォームホイール５４の周方向位置）を調整することで、第１ロータコア支持部材２２（第１ロータ２０）と第２ロータコア支持部材１２（第２ロータ１０）との周方向の相対位置を調整することができる。

尚、第１リングギヤ５１ｃが固定された状態での第１サンギヤ５１ａの回転速度と第２サンギヤ５２ａの回転速度とが互いに等しくなるように、第１差動歯車機構５１のギヤ比と第２差動歯車機構５２のギヤ比とが設定されている。本実施形態では、第１差動歯車機構５１と第２差動歯車機構５２とは互いに同径に構成されている。そして、第１差動歯車機構５１の歯数比（＝第１サンギヤ５１ａの歯数／第１リングギヤ５１ｃの歯数）と第２差動歯車機構５２の歯数比（＝第２サンギヤ５２ａの歯数／第２リングギヤ５２ｃの歯数）とが互いに等しく設定されている。また、上述したように、第１キャリヤ５１ｂと第２キャリヤ５２ｂとが一体的に形成されているとともに、第１リングギヤ５１ｃの回転位置の調整時を除いて、第１リングギヤ５１ｃ及び第２リングギヤ５２ｃの双方が固定された状態となる。このような構成とすることで、第１リングギヤ５１ｃが固定状態において第１サンギヤ５１ａの回転速度と第２サンギヤ５２ａの回転速度とが互いに等しくなり、第１ロータコア２１（第１ロータ２０）の回転速度と第２ロータコア１１（第２ロータ１０）の回転速度とが互いに等しくなる。よって、第１ロータ２０と第２ロータ１０との周方向の相対位置を調整することで、２つのロータ１０，２０で構成されるロータ４は、両ロータ間の回転位相差（相対位置、相対位相）を保持した状態で、一体回転する。つまり、ロータ４は、両ロータ１０，２０の相対位相（相対回転位相）が調整された状態で一体回転する。

〔ロータ間の捩り合いトルクとシステム損失〕
上述した相対位置調整機構５０のような機械的に２つのロータ間の相対位置を調整する機構を設けると、ギヤ機構による機械的損失が生じる。そして、このギヤ機構による損失には、両ロータ１０，２０の相対位置に応じた捩り合いトルクが大きく影響する。以下、この捩り合いトルクの発生原理について図４を参照しながら説明する。捩り合いトルクの発生原理が明快に示されるため、図４では、上述したように一方のロータにのみ永久磁石が備えられる構造ではなく、両ロータに永久磁石が備えられる構造を例示している。図４においては、径方向内側に配置される内ロータ２０Ａ（上述した第１ロータ２０に対応）と径方向外側に配置される外ロータ１０Ａ（上述した第２ロータ１０に対応）とにより構成されるロータ４Ａがステータ３Ａの径方向内側に配置される。図４（ａ）は、両ロータ１０Ａ，２０Ａとの相対位置が基準位置であり、電気角における０度の位相である時を示している（位相差０度）。図４（ｂ）は、両ロータ１０Ａ，２０Ａとの相対位置が基準位置に対して、電気角で９０度ずれた時を示している（位相差９０度）。図４（ｃ）は、両ロータ１０Ａ，２０Ａとの相対位置が基準位置に対して、電気角で１８０度ずれた時を示している（位相差１８０度）。

図４（ａ）に示すように、位相差が電気角で０度の場合には、外ロータ１０Ａと内ロータ２０Ａとの径方向において重複する磁極が同極となり、両ロータ間には互いに反発力が生じる。この力の方向は、ロータ４Ａの径方向であるから、トルクにはほとんど影響を与えない。また、図４（ｃ）に示すように、位相差が電気角で１８０度の場合には、外ロータ１０Ａと内ロータ２０Ａとの径方向において重複する磁極が異極となり、両ロータ間には互いに吸引力が生じる。この力の方向も、ロータ４Ａの径方向であるから、トルクにはほとんど影響を与えない。一方、図４（ｂ）に示すように、位相差が電気角で９０度の場合には、外ロータ１０Ａと内ロータ２０Ａとの径方向において重複する磁極が同極と異極とで交互に現れる。その結果、両ロータ間には径方向に対して交差する方向の吸引反発力が生じ、この吸引反発力がロータ４Ａの回転方向の力にベクトル分解されてトルクに影響を与える。尚、図を簡略化するために図４（ｂ）には吸引力のみを示した。

図５は、図４（ｂ）に示すように、位相差が電気角で９０度の場合の合計トルクを示している。図５（ａ）は、ステータ３Ａに界磁束を提供する、外ロータ１０Ａと内ロータ２０Ａとが合成されたロータ４Ａの永久磁石と、ステータ３Ａの回転磁界とにより生じるトルクを模式的に示している。便宜的に、このトルクの方向を正トルクとする。図５（ｂ）のグラフは、外ロータ１０Ａに生じるトルクＴ１と、内ロータ２０Ａに生じるトルクＴ２と、ロータ４Ａに生じるトルクとしての合計トルクＴ３との各トルクと、ステータ３Ａのコイルに流れる電流との関係を示している。トルクＴ４は、外ロータ１０Ａに生じるトルクＴ１と内ロータ２０Ａに生じる吸引反発力によるトルクを示している。尚、この際の界磁角は１５度である。

ステータ３Ａのコイルに流れる電流がゼロの時には、ステータ３Ａに回転磁界が生じていないため、ロータ４Ａの合計トルクＴ３はゼロである。図５（ａ）に示す正トルクの方向にロータ４Ａのトルクが生じるようにステータ３Ａのコイルに電流を流して回転磁界を発生させると、ロータ４Ａの合計トルクＴ３は電流の増加に伴って増加する。外ロータ１０Ａに生じるトルクは、内ロータ２０Ａとの吸引反発によるトルクＴ４と、回転磁界により生じるトルクとがある。内ロータ２０Ａとの吸引反発により外ロータ１０Ａに作用するトルクは、図４（ｂ）及び図５（ａ）に示したように、正トルクとは反対方向の負トルクである。従って、回転磁界によるトルクよりも吸引反発力によるトルクの方が大きい範囲Ｚでは、外ロータ１０Ａとしてのトルクは負トルクとなる。一方、外ロータ１０Ａとの吸引反発により内ロータ２０Ａに作用するトルクは正トルクである。

外ロータ１０Ａのトルクが負トルクの場合、ロータ４全体としての合計トルクに対して両ロータ１０Ａ，２０Ａのトルクの大きさの和は合計トルクの大きさに比べて大きくなる。つまり、両ロータ１０Ａ，２０Ａのトルクの絶対値の和は合計トルクの絶対値に比べて大きくなる。ところで、上述したように、外ロータ１０Ａ及び内ロータ２０Ａがそれぞれ差動歯車機構６０のようなギヤ機構を介して結合されている場合、両ロータに接続されるそれぞれのギヤ機構においてギヤ損失が発生する。両ロータ１０Ａ，２０Ａのトルクの絶対値の和が大きくなると、その分ギヤ損失の総和も大きくなる。つまり、ギヤ損失の総和は、外ロータ１０Ａに作用する負トルクの絶対値が大きいほど大きくなり、ロストルクが増加して効率も低下する。

ここで、例えば外ロータ１０Ａ及び内ロータ２０Ａのそれぞれの動力伝達機構が、上述した第１差動歯車機構５１及び第２差動歯車機構５２のように構成され、それぞれのギヤ効率＝９９％であるとする。そして、両ロータ間の吸引反発トルクＴ４＝１７０Ｎｍ、外ロータ１０ＡのトルクＴ１＝−６５Ｎｍ、内ロータ２０ＡのトルクＴ２＝１０５Ｎｍとする。この場合、２つの差動歯車機構を合わせた相対位置調整機構５０の全体の効率は以下のようになる。
外ロータ１０Ａのロストルク：｜−６５×（１−０．９９）｜＝０．６５［Ｎｍ］
内ロータ２０Ａのロストルク：｜１０５×（１−０．９９）｜＝１．０５［Ｎｍ］
総ロストルク：０．６５＋１．０５＝１．７０［Ｎｍ］
合計トルク：１０５−６５＝４０［Ｎｍ］
効率：（（４０−１．７）／４０）×１００＝９５．７５［％］

このように、一方のロータに負のトルクが生じる場合には、同じ大きさの合計トルクを得るために外ロータ１０Ａ及び内ロータ２０Ａが出力するトルクの絶対値の合計は大きくなり、その分、ロストルクも大きくなる。このトルクの絶対値は吸引反発トルクＴ４が大きくなるほど大きくなるから、総ロストルクも吸引反発トルクＴ４に応じて大きくなる。つまり、機械的損失に含まれるロストルクは、図４からも明らかなように外ロータ１０Ａと内ロータ２０Ａとの相対位置（ロータ間位相差）に応じて異なる。

図６及び図７は、ロータ間位相差に応じた外ロータ１０ＡのトルクＴ１と、内ロータ２０ＡのトルクＴ２と、両ロータ間の吸引反発トルクＴ４とを示している。図６は、図４及び図５に示したように外ロータ１０Ａ及び内ロータ２０Ａが共に永久磁石を備えている場合の例である。この場合には、吸引反発トルクＴ４は、相対位置（ロータ間位相差）が電気角で１８０度の間に１回のピークを有する。図７は、図２及び図３を利用して説明したような内ロータである第１ロータ２０にのみ永久磁石を備え、外ロータである第２ロータ１０にはフラックスバリアとしての空隙が備えられる場合の例である。この場合には、磁極が存在しない第２ロータ１０と第１ロータ２０との反発力は存在しないため、空隙の存在により第１ロータ２０が第２ロータ１０を吸引する吸引力の差がロータ間位相差に応じたトルクＴ４となる。このため、吸引反発トルク（この場合は吸引トルク）Ｔ４は、相対位置（ロータ間位相差）が電気角で１８０度の間に２回のピークを有する。

回転電機の効率に影響する損失には、銅損や鉄損、インバータ損などがよく知られており、好適にはそのような損失が最も少なくなるような制御が実施される。上述したような可変磁束型の回転電機は、機械的に界磁束を変更することによって、弱め界磁電流を減らすことができ、銅損やインバータ損、さらには鉄損を抑制して回転電機の効率を上げることが可能である。一方、差動歯車機構のように機械的に２つのロータの相対位相を調整する相対位置調整機構５０を設けると、上述したようなギヤ損失も生じる。そして、このギヤ損失は、図４から図７を用いて上述したように、ロータの相対位相に応じて異なる。従って、単純に銅損や鉄損、インバータ損などが最も少なくなる相対位相を選択して回転電機を制御した場合には、相対位置調整機構５０まで含めたシステム全体の最適化制御が実現できていない可能性がある。

そこで、本実施形態においては、回転電機２の銅損及び鉄損を含む電気的損失と相対位置調整機構５０のギヤ損失を含む機械的損失とを少なくとも含むシステム損失が最小となるように最適化制御が実施される。図８及び図９は、そのようなシステム損失と相対位置との関係の一例を示したグラフである。ここで、鉄損はコイル３ｂや永久磁石が発生させる磁界によりステータコア３ａ及びロータコア１１，２１を通る磁束が変化する際に失われるヒステリシス損や渦電流損などの電気エネルギーである。銅損は、コイル３ｂの導線の抵抗によりジュール熱となって失われる電気エネルギーである。インバータ損は、インバータを構成するスイッチング素子がスイッチングする際に失われる電気エネルギーである。これらは、電気的損失に含まれる。外側ロータ機械損失及び内側ロータ機械損失は、上述したように、相対位置調整機構５０のギヤ損失に代表される機械的損失である。尚、図８は、例えば４０００ｒｐｍ、８Ｎｍ程度の中速・中トルクの際のシステム損失を例示し、図９は、例えば８０００ｒｐｍ、１２Ｎｍ程度の高速・高トルクの際のシステム損失を例示している。

図８を参照すると、電気的損失のみに着目すれば、ロータ間位相（相対位置）が電気角で５６．２５度の時が最も損失が少ない。従って、電気的損失のみに基づいて回転電機２を制御する場合には、相対位置は当該位相に設定される。しかし、機械的損失も含めたシステム損失は、ロータ間位相が電気角で４５度の時に最も少なくなっている。従って、さらに回転電機２（駆動装置１）の効率を向上させて制御するには、システム損失に基づき相対位置が４５度に設定されることが好ましい。尚、図９に示すロータ間位相６７．５度のように、電気的損失が最小となるロータ間位相と、機械的損失も含めたシステム損失が最小となるロータ間位相とが同一となる場合もある。

システム損失を構成する電気的損失及び機械的損失は、関数などによって容易に一般化できるような相関関係を有していないことから、システム損失に基づいた制御を実施するには、図１に示したようにシステム損失マップ７を予め用意しておくと好適である。システム損失マップ７は、図８及び図９に示したように、回転電機２（駆動装置１）の回転速度及びトルクごとに、実験又は磁場解析シミュレーション等によって得られる損失データＲに基づいて生成される。

具体的には、まず、駆動装置１及び回転電機２の駆動範囲内で、回転電機２の要求トルク、回転速度に基づいて、ロータ間位相、コイル３ｂの電流振幅、電流位相などの電流指令が決定される。尚、電流指令は、ベクトル制御におけるｄ軸、ｑ軸の電流指令ｉｄ^＊，ｉｑ^＊であってもよい。次にこれら回転速度、ロータ間位相、電流指令を入力値として、実験やシミュレーションが実施される。そして、出力値として図８及び図９に示したような鉄損、銅損、インバータ損などの電気的損失と、内側ロータとしての第１ロータ２０及び外側ロータとしての第２ロータ１０のロータトルクが得られる。

上述したように、第１ロータ２０と第２ロータ１０とには捩り合いトルクとしての吸引反発トルクが生じるので、このトルクを考慮してロストルクが求められる。つまり、ロストルクは、両ロータ１０，２０の相対位置（ロータ間位相）に応じて第１ロータ２０に生じる第１ロータトルクと第１ロータ２０に接続されたギヤ機構の損失率との積の絶対値と、両ロータ１０，２０の相対位置に応じて第２ロータ１０に生じる第２ロータトルクと第２ロータ１０に接続されたギヤ機構のギヤ損失率との積の絶対値との和に基づいて決定される。上記において具体的な数値を用いて式及び計算例を示した通りである。

尚、計算上、各ロータ１０，２０のトルクとギヤ機構の損失率との積の絶対値をとることなく、各ロータ１０，２０のトルクの絶対値とギヤ機構の損失率との積を求めても等価であり、このような改変は言うまでもなく本発明の技術的範囲に属する。また、本実施形態における相対位置調整機構５０のように、両ロータ１０，２０に接続されるギヤ機構の構成が同じで、ギヤ損失率も等価であれば、各ロータ１０，２０のトルクとギヤ機構の損失率との積を求めて足し合わせることなく、各ロータ１０，２０のトルクの絶対値の和とギヤ機構の損失率との積を求めてもよい。算出されたロストルクと回転速度ωとの積を求めることによって、各回転速度ωにおける機械的損失である捩り合い損失が求められる。

これまでに得られた鉄損、銅損、インバータ損を含む電気的損失と、捩り合い損失を含む機械的損失とを合算して、図８及び図９に示したようなシステム損失（損失データＲ）が求められる。そして、図１に示すように、損失データＲに基づいて、システム損失が最小となる相対位置（ロータ間位相）と回転電機２（駆動装置１）の要求トルクＴ^＊及び回転速度ωとの関係が規定されたシステム損失マップ７が生成され、不揮発性メモリなどに記憶される。システム損失マップ７は、具体的には、システム損失が最小となる相対位置が、回転電機２（駆動装置１）の要求トルクＴ^＊及び回転速度ωごとに規定されたマップである。

図１に示すように、駆動装置１の制御装置３０は、このシステム損失マップ７を利用して駆動装置１（回転電機２）を最適化制御する。制御装置３０の制御指令決定部８は、要求トルクＴ^＊及び回転速度ωに基づいてシステム損失マップ７を参照し、回転電機２を駆動する電流指令（例えば、ｉｄ^＊，ｉｑ^＊）及び相対位置を示すロータ間位相指令ｐｈ^＊を決定する。制御部９は、この電流指令及びロータ４の磁極位置（回転角）θに基づいて回転電機２を制御すると共に、ロータ間位相指令ｐｈ^＊に基づいて相対位置調整機構５０を制御する。尚、システム損失マップ７ではなく、要求トルクＴ^＊及び回転速度ωに基づき、直接的に、相対位置を示すロータ間位相指令ｐｈ^＊及び電流指令（例えば、ｉｄ^＊，ｉｑ^＊）が規定されたマップが備えられていてもよい。また、このようなマップは、１つに限らず、複数備えられていても良い。例えば、要求トルクＴ^＊及び回転速度ωに基づく最適な相対位置が規定されたマップからロータ間位相指令ｐｈ^＊が決定され、要求トルクＴ^＊、回転速度ω、相対位置（ロータ間位相指令ｐｈ^＊）に基づいて電流指令が規定されたマップから電流指令が決定されてもよい。

〔他の実施形態〕
（１）上記実施形態においては、周方向の相対位置を調整可能な外ロータ及び内ロータの双方に永久磁石が備えられる例と、内ロータに永久磁石が備えられ、外ロータにフラックスバリアが形成される例とを示した。しかし、これに限定されることなく、外ロータに永久磁石が備えられ、内ロータにフラックスバリアが形成されてもよい。また、それぞれのロータは、永久磁石を備えると共にフラックスバリアが形成されていてもよい。

（２）また、上記実施形態では、インナロータ型の回転電機を例として説明したが、当然ながらアウタロータ型の回転電機に適用することもできる。その他の構成に関しても、本明細書において開示された実施形態は全ての点で例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されない。すなわち、本発明及び本発明と均等な構成を備え、発明の要旨を逸脱しなければ、上記実施形態の一部を適宜改変した構成も、当然に本発明の技術的範囲に属する。

本発明は、永久磁石による界磁束を調整可能な可変磁束型の回転電機に利用することができる。

１：駆動装置
２：回転電機
３：ステータ
６：ロータ軸（出力部材）
７：システム損失マップ
９：制御部
１０：第２ロータ
２０：第１ロータ
３０：駆動装置の制御装置
５０：相対位置調整機構
５１：第１差動歯車機構
５１ａ：第１サンギヤ（第１ロータ連結要素）
５１ｂ：第１キャリヤ（第１出力連結要素）
５１ｃ：第１リングギヤ５１ｃ（第１固定要素）、変位固定要素
５２：第２差動歯車機構
５２ａ：第２サンギヤ（第２ロータ連結要素）
５２ｂ：第２キャリヤ（第２出力連結要素）
５２ｃ：第２リングギヤ５１ｃ（第２固定要素）、非変位固定要素
６０：差動歯車機構、ギヤ機構
ｉｄ^＊，ｉｑ^＊：電流指令
ｐｈ^＊：ロータ間位相指令
Ｔ^＊：要求トルク
ω：回転速度

Claims (3)

1. ステータと、周方向の相対位置を調整可能な第１ロータ及び第２ロータとを有する可変磁束型の回転電機と、これら両ロータの前記相対位置を調整する相対位置調整機構とを備えた駆動装置を制御する駆動装置の制御装置であって、
   要求トルク及び回転速度に基づいて前記回転電機の銅損及び鉄損を含む電気的損失と前記相対位置調整機構の機械的損失とを少なくとも含むシステム損失が最小となる前記相対位置を示すロータ間位相指令と、前記回転電機を駆動する電流指令とを決定する制御指令決定部と、
   前記電流指令に基づいて前記回転電機を制御すると共に、前記ロータ間位相指令に基づいて前記相対位置調整機構を制御する制御部と、
   を備える駆動装置の制御装置。
2. 前記相対位置調整機構は、第１ロータと第２ロータとを駆動連結するギヤ機構を備え、
   前記相対位置調整機構の機械的損失は、両ロータの前記相対位置に応じて前記第１ロータに生じる第１ロータトルクと前記第１ロータに接続された前記ギヤ機構の損失率との積の絶対値と、両ロータの前記相対位置に応じて前記第２ロータに生じる第２ロータトルクと前記第２ロータに接続された前記ギヤ機構のギヤ損失率との積の絶対値との和に基づいて決定される請求項１に記載の駆動装置の制御装置。
3. 前記第１ロータ及び前記第２ロータは、共に同一の出力部材に駆動連結され、
   前記相対位置調整機構は、前記ギヤ機構として、３つの回転要素を備えた第１差動歯車機構と、３つの回転要素を備えた第２差動歯車機構と、を備え、
   前記第１差動歯車機構は、３つの回転要素として、前記第１ロータに駆動連結される第１ロータ連結要素と、前記出力部材に駆動連結される第１出力連結要素と、第１固定要素と、を備え、
   前記第２差動歯車機構は、３つの回転要素として、前記第２ロータに駆動連結される第２ロータ連結要素と、前記出力部材に駆動連結される第２出力連結要素と、第２固定要素と、を備え、
   前記第１固定要素及び前記第２固定要素の内のいずれか一方が、両ロータの前記相対位置を変更させる駆動源に連動する変位固定要素とされ、他方が非回転部材に固定される非変位固定要素とされ、
   前記変位固定要素が固定された状態での前記第１ロータ連結要素の回転速度と前記第２ロータ連結要素の回転速度とが互いに等しくなるように、前記第１差動歯車機構のギヤ比と前記第２差動歯車機構のギヤ比とが設定されている請求項２に記載の駆動装置の制御装置。

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