JP2015211575A - コントローラ、回転機制御システム、及び制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成で回転機における界磁磁束を制御可能なコントローラ及びこれを用いた回転機制御システム、並びに上記コントローラの機能を実現するための制御プログラムを提供する。
【解決手段】コントローラ２によって制御される回転機１は、回転軸Ｓを中心に回転するロータ１１と、ロータ１１内に設けられる永久磁石１２と、交流電流が供給されるステータ１３と、を備える。永久磁石１２の磁束の少なくとも一部は、交流電流がステータ１３に供給されていない場合に、ロータ１１内で短絡している。コントローラ２は、交流電流の位相及び大きさを制御可能に構成されている。コントローラ２は、交流電流がステータ１３に供給されるときに、交流電流によって発生する磁束が永久磁石１２の短絡路の一部を通過するよう交流電流の位相を決定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転機を制御するためのコントローラ、及びこのコントローラを用いた回転機制御システムに関する。また、本発明は、回転機を制御するための制御プログラムに関する。

従来、自動車や航空機等に設けられるスタータジェネレータが広く知られている。スタータジェネレータは、エンジンの始動時には動力をエンジンに供給する電動機として機能する一方、エンジンの始動後にはエンジンの回転に応じて発電する発電機として機能する。

特許文献１には、主機械と、励磁器と、永久磁石発電機（ＰＭＧ）と、を備えるスタータジェネレータシステムが開示されている。主機械では、ＩＧＢＴ／ダイオードブリッジから固定子に供給される交流電流によって磁界が発生する。また、主機械は、回転機を有しており、励磁器から整流器を介して回転子の巻線に交流電流が供給されることにより、磁界が発生する。固定子に供給される交流電流によって発生する磁界と、回転子に供給される交流電流によって発生する磁界とが相互作用し、主機械においてトルクを発生させる。

特開２０１２−２３５６９１号公報

ところで、特許文献１のシステムでは、主機械の回転子の巻線に供給する交流電流を制御することにより、主機械における界磁磁束が調整される。しかしながら、特許文献１のシステムは、主機械、励磁器、及びＰＭＧを備え、しかも主機械、励磁器、及びＰＭＧ各々が固定子及び回転子を有するという複雑な機器構成をとっている。このため、特許文献１では、各機器を制御する制御回路も複雑なものとなっていた。

そこで、本発明は、簡素な構成で回転機における界磁磁束を制御可能なコントローラ及びこれを用いた回転機制御システム、並びに上記コントローラの機能を実現するための制御プログラムを提供することを課題とする。

本発明は、回転機を制御するためのコントローラであって、回転機は、回転軸を中心に回転するロータと、ロータ内に設けられる永久磁石と、ロータに対向するよう配置され且つ巻線が形成される複数のステータティースを含み、交流電流が供給されるステータと、を備える。永久磁石の磁束の少なくとも一部は、交流電流がステータに供給されていない場合に、ロータ内で短絡している。コントローラは、交流電流の位相及び大きさを制御可能に構成されており、交流電流がステータに供給されるときに、交流電流によって発生する磁束が永久磁石の短絡路の一部を通過するよう交流電流の位相を決定する。

上記コントローラによって制御される回転機では、交流電流がスタータに供給されると、スタータが励磁されて磁束が発生する。このとき、コントローラは、交流電流によって発生する磁束が永久磁石の短絡路の一部を通過するよう、交流電流の位相を制御する。これにより、短絡路の一部において磁気抵抗が大きくなるため、永久磁石の磁束は、短絡路を通りにくくなってエアギャップへと向かい、界磁磁束として機能するようになる。また、コントローラは、交流電流の大きさを制御することにより、ステータが励磁されて生じる磁束の量及びエアギャップへと向かう永久磁石の磁束の量を調整する。このように、本発明に係るコントローラによれば、ステータに供給する交流電流の位相及び大きさを制御するという簡素な構成で、回転機における界磁磁束を制御することができる。

上記コントローラは、交流電流がステータに供給されるときに、基準位相から４５°±１５°ずれた範囲に収まるように交流電流の位相を決定するよう構成されていてもよい。基準位相は、回転機においてトルクを発生させないような交流電流の位相である。上記コントローラの制御対象となる回転機では、通常、基準位相から４５°±１５°ずれた範囲に交流電流の位相があるときにトルクが最大となる。つまり、上記のような構成によれば、上記コントローラによって制御される回転機から高い出力を得ることができる。

上記コントローラは、所定のタイミングにおいて、短絡路の一部で磁気飽和が生じるように交流電流の大きさを決定することができる。永久磁石の短絡路の一部で磁気飽和が生じると、永久磁石の磁束がロータ内で短絡しなくなり、永久磁石からエアギャップに向かう磁束の量が大きくなるため、回転機から高い出力を得ることができる。

本発明に係る回転制御システムは、上述のコントローラと、このコントローラによって制御される回転機と、を備える。回転機は、回転軸を中心に回転するロータと、ロータ内に設けられる永久磁石と、ロータに対向するよう配置され且つ巻線が形成される複数のステータティースを含み、交流電流が供給されるステータと、を有する。永久磁石の磁束の少なくとも一部は、交流電流がステータに供給されていない場合に、ロータ内で短絡している。

本発明は、回転機を制御するための制御プログラムであって、回転機は、回転軸を中心に回転するロータと、ロータ内に設けられる永久磁石と、ロータに対向するよう配置され且つ巻線が形成される複数のステータティースを含み、交流電流が供給されるステータと、を備える。永久磁石の磁束の少なくとも一部は、交流電流がステータに供給されていない場合に、ロータ内で短絡している。制御プログラムは、交流電流がステータに供給されるときに、交流電流によって発生する磁束が永久磁石の短絡路の一部を通過するよう交流電流の位相を制御するステップと、交流電流がステータに供給されるときに、交流電流の大きさを制御するステップと、をコンピュータに実行させる。

本発明によれば、簡素な構成で回転機における界磁磁束を制御することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る回転機制御システムの模式図である。 図２は、図１の回転機制御システムにおける回転機の概略正面図である。 図３は、図１の回転機制御システムにおいて、始動モードにおけるコントローラの処理の概要を示すフローチャートである。 図４Ａは、図２の回転機において、始動モード時に発生する磁束を示す模式図である。 図４Ｂは、始動モードにおける図２の回転機のフェーザ図の例である。 図５は、図１の回転機制御システムにおいて、発電モードにおけるコントローラの処理の概要を示すフローチャートである。 図６Ａは、図２の回転機において、発電モード時に発生する磁束を示す模式図である。 図６Ｂは、発電モードにおける図２の回転機のフェーザ図の例である。 図７Ａは、実施例１に係る回転機の無負荷状態の磁束を示す模式図である。 図７Ｂは、実施例１に係る回転機の負荷状態の磁束を示す模式図である。 図７Ｃは、実施例１について、交流電流の位相とトルクとの関係を示す図である。 図８は、実施例１について、交流電流の位相と電圧との関係を示す図である。 図９Ａは、実施例２に係る回転機の無負荷状態の磁束を示す模式図である。 図９Ｂは、実施例２に係る回転機の負荷状態の磁束を示す模式図である。 図９Ｃは、実施例２について、交流電流の位相とトルクとの関係を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当する構成については同一の符号を付し、同じ説明を繰り返さない。

＜回転機制御システムの構成＞
図１に示すように、本実施形態に係る回転機制御システム１０は、回転機１と、コントローラ２と、を備えている。

［回転機］
図２は、コントローラ２によって制御される回転機１の模式図である。回転機１は、ロータ１１と、永久磁石１２と、ステータ１３と、を備える。本実施形態では、回転機１が航空機や自動車等に用いられるスタータジェネレータ（電動発電機）であるものとして説明する。ただし、回転機制御システム１０に用いられる回転機は、電動機としてのみ機能する回転機であってもよいし、発電機としてのみ機能する回転機であってもよい。

ロータ１１は、略円柱状に形成されており、回転軸Ｓ（図１）を中心に回転する。ロータ１１は、例えば、電磁鋼板、圧粉材、又はアモルファスなどの磁性材料で形成される。図１に示すように、回転軸Ｓの一方端は、航空機や自動車等の動力源であるエンジン３に対し、直接的又は間接的に連結されている。回転機１は、エンジン３の始動に際して電動機として機能し、必要な動力をエンジン３に供給する。回転軸Ｓの他方端には、後述する主回路部２２を介してバッテリ（図示略）が接続される。回転機１は、エンジン３の始動後に発電機として機能し、バッテリに必要な電力を供給する。

図２に示すように、永久磁石１２は、ロータ１１内に設けられている。本実施形態では、説明の便宜上、ロータ１１内に１つの永久磁石１２が配置されているものとしたが、２以上の永久磁石をロータ１１内に配置することもできる。永久磁石１２は、ロータ１１の径方向（図２における上下方向）に沿って延びている。永久磁石１２は、短手方向（図２における左右方向）に着磁されている。

図２において、ステータ１３に交流電流が供給されていない場合の永久磁石１２の磁束φ１_ｍａｇを矢印で示す。以下、ステータ１３に交流電流が供給されていない状態を無負荷状態と称し、ステータ１３に交流電流が供給されている状態を負荷状態と称する。

無負荷状態における永久磁石１２の磁束φ１_ｍａｇは、ロータ１１内で短絡している。すなわち、磁束φ１_ｍａｇは、永久磁石１２のＮ極から出て、ロータ１１の外部に出ることなくＳ極に戻る経路（短絡路）を通過している。図２の例では、磁束φ１_ｍａｇ全てがロータ１１の外部に漏れることなくロータ１１内で短絡している。しかしながら、無負荷状態における永久磁石１２の磁束φ１_ｍａｇは、その少なくとも一部がロータ１１内で短絡していればよい。このように、無負荷状態における磁束φ１_ｍａｇの少なくとも一部がロータ１１内で短絡するよう構成することにより、例えば回転機１の緊急停止を要する場合に、誘起電圧を速やかに低下させ、回転機１をスムーズに停止させることができる。さらに、回転機１をスムーズに停止させることができるため、回転機１の焼損も防ぐことができる。

ステータ１３は、例えば、電磁鋼板、圧粉材、又はアモルファスなどの磁性材料で形成される。ステータ１３は、ステータ本体１３１と、３つのステータティース１３２Ｕ，１３２Ｖ，１３２Ｗと、を含んでいる。本実施形態では、ステータ１３は、３つのステータティース１３２Ｕ，１３２Ｖ，１３２Ｗを有しているがこれに限定されるものではなく、２又は４以上のステータティースを有することもできる。

ステータ本体１３１は筒状に形成されている。ステータ本体１３１の内部には、ロータ１１が配置されている。各ステータティース１３２Ｕ，１３２Ｖ，１３２Ｗは、ステータ本体１３１の内周面から径方向内側に突出している。各ステータティース１３２Ｕ，１３２Ｖ，１３２Ｗは、ロータ１１に対向している。

ステータティース１３２Ｕ，１３２Ｖ，１３２Ｗには、それぞれ、巻線５Ｕ，５Ｖ，５Ｗが形成されている。図２の例では、巻線５Ｕ，５Ｖ，５Ｗは、集中巻形式でステータティース１３２Ｕ，１３２Ｖ，１３２Ｗに形成されている。ただし、複数のステータティースに対し、分布巻形式で巻線を形成することもできる。

ステータ１３には、交流電流が供給される。より詳細には、ステータ１３の巻線５Ｕ，５Ｖ，５Ｗそれぞれに、Ｕ相交流電流Ｉｕ、Ｖ相交流電流Ｉｖ、及びＷ相交流電流Ｉｗが供給される。つまり、本実施形態の回転機１は３相電動発電機である。

［コントローラ］
コントローラ２は、回転機１を制御する。具体的には、コントローラ２は、ステータ１３に供給する交流電流の位相及び大きさを制御する。図１に示すように、コントローラ２は、制御部２１と、主回路部２２と、を備える。

制御部２１には、上位コントローラ（図示略）からトルク指令Ｔ及び速度指令ωが入力される。また、制御部２１には、ロータ１１に設けられる回転位置センサ（図示略）からロータ１１の回転位置を示す回転位置信号θが入力される。制御部２１には、さらに、回転機１と主回路部２２との間に配置される電流センサ（図示略）から、ステータ１３に流したＵ相交流電流Ｉｕ及びＷ相交流電流Ｉｗを示すフィードバック信号Ｉｕ_ｆ，Ｉｗ_ｆが入力される。

制御部２１は、トルク指令Ｔ、速度指令ω、回転位置信号θ、及びフィードバック信号Ｉｕ_ｆ，Ｉｗ_ｆに基づいて、回転機１のステータ１３に供給すべき交流電流の位相及び大きさを決定する。制御部２１は、決定した位相及び大きさの交流電流を示す制御信号Ｃを生成し、主回路部２２に出力する。

主回路部２２には、制御部２１から制御信号Ｃが入力される。主回路部２２は、制御信号Ｃに応じた３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを生成し、ステータ１３の巻線５Ｕ，５Ｖ，５Ｗに供給する。主回路部２２には、バッテリ（図示略）が接続されている。主回路部２２には、例えば交流電流を整流するためのコンバータ等、バッテリ以外の負荷が接続されていてもよい。

＜回転機制御システムの動作＞
次に、上述のように構成された回転機制御システム１０の動作について説明する。

［始動モード］
まず、エンジン３を始動させる際（始動モード）の回転機制御システム１０の動作について説明する。エンジン３を始動させる際、回転機１は、電動機として機能し、エンジン３に必要な動力を供給する。

（コントローラによる処理）
図３は、始動モードにおいてコントローラ２が行う処理の概要を示すフローチャートである。

まず、コントローラ２には、各種信号が入力される（ステップＳ１１）。具体的には、コントローラ２の制御部２１に、上位コントローラ（図示略）からトルク指令Ｔ及び速度指令ωが入力される。また、制御部２１には、回転位置センサ（図示略）から回転位置信号θが入力される。ステータ１３への通電が開始された後は、電流センサ（図示略）から制御部２１にフィードバック信号Ｉｕ_ｆ，Ｉｗ_ｆが入力される。

制御部２１は、３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの位相を決定する（ステップＳ１２）。３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの位相は、巻線５Ｕ，５Ｖ，５Ｗに供給される３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗによって発生する磁束φ_ＥＭ１，φ_ＥＭ２（後述の図４Ａ）が、無負荷状態における永久磁石１２の磁束φ１_ｍａｇ（図２）の短絡路の一部を通過するように決定される。以下、具体的に説明する。

まず、制御部２１は、回転機１においてトルクを発生させないようなＵ相交流電流Ｉｕの位相をＵ相基準位相［単位：°］として決定する。ここでの「トルク」は、回転機１におけるマグネットトルク及びリラクタンストルクを合成したものである。制御部２１は、Ｕ相基準位相−（４５°±１５°）の範囲に収まるように、Ｕ相交流電流Ｉｕの位相を決定する。

同様に、制御部２１は、回転機１においてトルクを発生させないＶ相交流電流Ｉｖ及びＷ相交流電流Ｉｗの位相を、それぞれＶ相基準位相及びＷ相基準位相［単位：°］とする。Ｖ相交流電流Ｉｖの位相は、Ｖ相基準位相−（４５°±１５°）の範囲に収まるように決定される。Ｗ相交流電流Ｉｗの位相は、Ｗ相基準位相−（４５°±１５°）の範囲に収まるように決定される。なお、３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの各位相は、電気角で１２０°ずつずれている。

例えば、巻線５Ｕの誘起電圧が０になるときのＵ相交流電流Ｉｕの位相を０°とすると、通常、Ｕ相交流電流Ｉｕの位相（電気角）が９０°のときに回転機１におけるトルクが０となる。よって、巻線５Ｕの誘起電圧が０になるときのＵ相交流電流Ｉｕの位相を０°とすれば、Ｕ相基準位相（電気角）は９０°である。この場合、制御部２１は、Ｕ相交流電流Ｉｕの位相を｛９０°−（４５°±１５°）｝の範囲、すなわち３０°〜６０°の範囲に設定する。

Ｖ相交流電流Ｉｖ及びＷ相交流電流Ｉｗの各位相も、Ｕ相交流電流Ｉｕの位相と同様に決定することができる。すなわち、巻線５Ｖの誘起電圧が０になるときのＶ相交流電流Ｉｖの位相を０°とすると、Ｖ相基準位相（電気角）は９０°となる。巻線５Ｗの誘起電圧が０になるときのＷ相交流電流Ｉｗの位相を０°とすると、Ｗ相基準位相（電気角）は９０°となる。よって、Ｖ相交流電流Ｉｖ及びＷ相交流電流Ｉｗの位相は、それぞれ、巻線５Ｖ，５Ｗの誘起電圧が０になるときのＶ相交流電流Ｉｖ及びＷ相交流電流Ｉｗの位相を０°として、９０°−（４５°±１５°）の範囲、すなわち３０°〜６０°の範囲に設定される。

コントローラ２（主回路２２）に接続されるバッテリ（図示略）の電圧は、３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの位相に応じて変化する。制御部２１は、３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの位相に対応する電圧がバッテリの許容電圧を超えないように、必要に応じて３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの位相を調整する。

交流電流の位相の決定方法は、上述の方法に限定されるものではない。例えば、制御部２１は、回転機１で発生している磁束やトルク等の状態を検出しながら、３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが発生させた磁束φ_ＥＭ１，φ_ＥＭ２（図４Ａ）が上述の短絡路の一部を通過するよう、３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの各位相を調整することもできる。

制御部２１は、３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの大きさ（振幅）を決定する（ステップＳ１３）。始動モードにおける３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの大きさは、ステップＳ１１で制御部２１に入力された各種信号に応じて決定される。制御部２１は、３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗに応じた電圧が主回路部２２のバッテリ（図示略）の許容電圧を超えない範囲で、３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの大きさを決定する。

エンジン３の始動時においては、回転機１からエンジン３への出力が最大であることが好ましい。本実施形態の回転機１では、永久磁石１２の短絡路の一部において磁気飽和が生じ、且つ、許容量を超えない範囲で最大の電流が流れたときに出力が最大となる。よって、エンジン３の始動時には、通常、３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗに基づく磁束φ_ＥＭ１，φ_ＥＭ２（図４Ａ）によって永久磁石１２の短絡路の一部で磁気飽和が生じ、且つ３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが許容量を超えない範囲で最大となるよう、３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの大きさが決定される。

制御部２１は、ステップＳ１１で入力された各種信号、ステップＳ１２で決定した３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの位相、及びステップＳ１３で決定した３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの大きさに基づき、制御信号Ｃを生成する（ステップＳ１４）。制御部２１は、制御信号Ｃを主回路部２２に出力する。

主回路部２２は、制御部２１から受け取った制御信号Ｃに基づき、３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを回転機１におけるステータ１３の各巻線５Ｕ，５Ｖ，５Ｗに供給する（ステップＳ１５）。

コントローラ２におけるステップＳ１１〜ステップＳ１５の処理は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）及び主記憶装置を備えるコンピュータにプログラムを実行させることにより実現することができる。この場合、ステップＳ１１〜ステップＳ１５の処理をコンピュータに実行させるための制御プログラムは、ハードディスク等の補助記憶装置に記憶させておけばよい。ＣＰＵは、エンジン３を始動するに際し、制御プログラムを補助記憶装置から主記憶装置にロードして実行することができる。

（回転機の動作）
次に、始動モードにおいて、３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが供給された回転機１の動作について説明する。

回転機１では、ステータ１３の各巻線５Ｕ，５Ｖ，５Ｗに供給された３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗによって磁束が発生する。図４Ａの例では、回転機１において、ステータティース１３２Ｖからステータティース１３２Ｕに向かう磁束φ_ＥＭ１、及びステータティース１３２Ｖから１３２Ｗに向かう磁束φ_ＥＭ２が発生している。磁束φ_ＥＭ１，φ_ＥＭ２は、上述の短絡路の一部を通過し、通過した部分において磁気飽和を生じさせる。図４Ａでは、回転機１において磁気飽和を生じた部分（磁気飽和部）を符号ＭＳ_Ｍ１，ＭＳ_Ｍ２で示している。

回転機１において、３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗに基づく磁束φ_ＥＭ１，φ_ＥＭ２が短絡路の一部を通過すると、この部分における磁気抵抗が大きくなる。このため、永久磁石１２の磁束のうち、短絡路を通過する磁束φ１_ｍａｇの量が少なくなり、ロータ１１とステータ１２との間のエアギャップに向かう磁束φ２_ｍａｇの量が多くなる。３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが大きくなって磁気飽和が生じると、永久磁石１２の磁束はロータ１１内で短絡できなくなる。永久磁石１２の磁束φ２_ｍａｇは、３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが発生させた磁束φ_ＥＭ１，φ_ＥＭ２とともに、界磁磁束としてロータ１１の回転に寄与する。すなわち、３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが発生させた磁束φ_ＥＭ１，φ_ＥＭ２及び永久磁石１２の磁束φ２_ｍａｇの双方により、回転機１においてトルクが発生する。

図４Ｂに、始動モードにおけるフェーザ図の例を示す。図４Ｂにおいて、符号Ｉ_０は、回転機１に流れる電流を示し、符号Θは、電流Ｉ_０と永久磁石１２の磁束φ２_ｍａｇとがなす角度を示す。なお、Ｅ_ｆは誘導起電力、Ｖは端子電圧、ｊＸＩ_０は同期リアクタンスである。δは負荷角（誘導起電力−端子電圧間の角度）、つまり誘導起電力Ｅ_ｆと端子電圧Ｖとがなす角度であり、θは、端子電圧Ｖと電流Ｉ_０とがなす角度である。

一般に、永久磁石同期型の回転機では、電流Ｉ_０と負荷状態における永久磁石１２の磁束φ２_ｍａｇとの角度Θが９０°となるように調整される。しかしながら、図４Ｂの例では、角度Θは９０°になっていない。本実施形態において、始動モードの角度Θは、９０°よりも所定角度小さくなるように設定されている。なお、「所定角度」は、４５°±１５°の範囲の任意の角度とすることができる。すなわち、電流（交流電流）Ｉ_０の位相は、｛９０°−（４５°±１５°）｝の範囲とすることができる。

［始動モードから発電モードへの切替時］
次に、電動機として機能している回転機１を発電機として機能させるよう切り替える際の回転機制御システム１０の動作について説明する。

エンジン３が目標とする回転数に達して始動した後、回転機制御システム１０は、始動モードから発電モードへと移行する。始動モードから発電モードへと移行する際における交流電流の位相及び大きさの制御は、特に限定されるものではない。

例えば、コントローラ２は、回転機１に供給されている３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを一旦０にし、その後、発電に適した位相となるよう３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを調整することができる。また、例えば、コントローラ２は、主回路部２２に接続されるバッテリ（図示略）の電圧を監視し、３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗがバッテリの許容電圧の上限を超えないよう、且つ許容電圧の下限を下回らないようにしつつ、３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの位相が発電に適したものになるように位相をずらすこともできる。３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの大きさは、必要とする電力等に応じて適宜決定すればよい。

始動モードから発電モードへの切り替えのために必要な処理も、コンピュータによって実行することができる。すなわち、コンピュータのＣＰＵは、始動モードから発電モードへと切り替える際、交流電流の大きさ及び位相を発電に適したものに調整する制御プログラムを補助記憶装置から主記憶装置にロードし、実行することができる。

［発電モード］
エンジン３が安定した後、回転機１は発電機として機能し（発電モード）、主回路部２２のバッテリ（図示略）に必要な電力を供給する。以下、発電モードにおける回転機制御システム１０の動作について説明する。

（コントローラによる処理）
図５は、発電モードにおいてコントローラ２が行う処理の概要を示すフローチャートである。

コントローラ２には、各種信号が入力される（ステップＳ２１）。具体的には、コントローラ２の制御部２１に、上位コントローラ（図示略）からトルク指令Ｔ及び速度指令ωが入力される。発電モードにおけるトルク指令Ｔは、回転機１を発電機として機能させるための、いわゆるブレーキトルク指令である。制御部２１には、回転位置センサ（図示略）から回転位置信号θが入力され、電流センサ（図示略）からフィードバック信号Ｉｕ_ｆ，Ｉｗ_ｆが入力される。発電モードにおけるフィードバック信号Ｉｕ_ｆ，Ｉｗ_ｆは、始動モードにおけるフィードバック信号Ｉｕ_ｆ，Ｉｗ_ｆと逆向きの電流を示す信号である。

制御部２１は、ステータ１３に供給するための３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの位相及び大きさを決定する（ステップＳ２２及びステップＳ２３）。制御部２１は、発電モードに適した３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗがステータ１３に供給されるよう、３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの位相及び大きさを決定する。

発電モードにおける３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの位相は、３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗに基づく磁束φ_ＥＧ１，φ_ＥＧ２（後述の図６Ａ）が永久磁石１２の短絡路の一部を通過するように決定される（ステップＳ２２）。発電モードにおける３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの位相は、始動モードにおける３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの位相とは異なる。以下、具体的に説明する。

発電モードにおいて、制御部２１は、Ｕ相基準位相＋（４５±１５°）の範囲に収まるように、Ｕ相交流電流Ｉｕの位相を決定する。また、制御部２１は、Ｖ相基準位相＋（４５±１５°）の範囲に収まるようにＶ相交流電流Ｉｖの位相を決定し、Ｗ相基準位相＋（４５±１５°）の範囲に収まるようにＷ相交流電流Ｉｗの位相を決定する。Ｕ相基準位相、Ｖ相基準位相、及びＷ相基準位相は、始動モードにおけるＵ相基準位相、Ｖ相基準位相、及びＷ相基準位相と同一である。３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの位相は、始動モードと同様、電気角で１２０°ずつずれている。

制御部２１は、巻線５Ｕの誘起電圧が０になるときのＵ相交流電流Ｉｕの位相を０°として、Ｕ相交流電流Ｉｕの位相（電気角）を｛９０°＋（４５°±１５°）｝の範囲、すなわち１２０°〜１５０°の範囲に設定してもよい。このとき、制御部２１は、巻線５Ｖの誘起電圧が０になるときのＶ相交流電流Ｉｖの位相を０°として、Ｖ相交流電流Ｉｖの位相（電気角）を１２０°〜１５０°の範囲に設定し、巻線５Ｗの誘起電圧が０になるときのＷ相交流電流Ｉｗの位相を０°として、Ｗ相交流電流Ｉｗの位相（電気角）を１２０°〜１５０°の範囲に設定する。

制御部２１は、始動モードと同様に、３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの位相に対応する電圧がバッテリ（図示略）の許容電圧の上限を超えないように、必要に応じて３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの位相を調節する。

なお、交流電流の位相の決定方法は、上述の方法に限定されるものではない。交流電流の位相は、例えば、回転機１における磁束やトルク等の状態を検出しながら適宜決定することもできる。

制御部２１は、３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの大きさを決定する（ステップＳ２３）。発電モードにおける３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの大きさは、ステップＳ１１で制御部２１に入力された各種信号に応じて決定される。３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの大きさは、３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗに応じた電圧が主回路部２２のバッテリ（図示略）の許容電圧の上限を超えない範囲で適宜決定すればよい。

制御部２１は、ステップＳ２１で入力された各種信号、ステップＳ２２で決定した交流電流の位相、及びステップＳ２３で決定した交流電流の大きさに基づき、制御信号Ｃを生成する（ステップＳ２４）。制御部２１は、制御信号Ｃを主回路部２２に出力する。

主回路部２２は、制御部２１から受け取った制御信号Ｃに基づき、３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを回転機１の各巻線５Ｕ，５Ｖ，５Ｗに供給する（ステップＳ２５）。発電モードでは、始動モードと逆向きの３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが供給される。また、発電モードにおける３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの大きさは、通常、始動モードにおける３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの大きさよりも小さい。

コントローラ２におけるステップＳ２１〜ステップＳ２５の処理は、コンピュータにプログラムを実行させることにより実現してもよい。この場合、コンピュータのＣＰＵは、ステップＳ２１〜ステップＳ２５の処理をコンピュータに実行させるための制御プログラムを補助記憶装置から主記憶装置にロードして実行することができる。

（回転機の動作）
次に、発電モードにおいて、３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが供給された回転機１の動作について説明する。

回転機１では、ステータ１３の各巻線５Ｕ，５Ｖ，５Ｗに供給された３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗによって磁束が発生する。図６Ａの例では、回転機１において、ステータティース１３２Ｕからステータティース１３２Ｖに向かう磁束φ_ＥＧ１、及びステータティース１３２Ｗから１３２Ｖに向かう磁束φ_ＥＧ２が発生している。すなわち、発電モードでは、始動モードにおける磁束φ_ＥＭ１，φ_ＥＭ２（図４Ａ）と逆向きの磁束φ_ＥＧ１，φ_ＥＧ２が発生する。磁束φ_ＥＧ１，φ_ＥＧ２は、永久磁石１２の短絡路の一部を通過する。

回転機１において、３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗに基づく磁束φ_ＥＧ１，φ_ＥＧ２が永久磁石１２の短絡路の一部を通過すると、この部分における磁気抵抗が大きくなる。このため、永久磁石１２の磁束のうち、短絡路を通過する磁束φ１_ｍａｇの量が少なくなり、エアギャップへと向かう磁束φ２_ｍａｇの量が多くなる。永久磁石１２の磁束φ２_ｍａｇは、始動モードと同様、３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが発生させた磁束φ_ＥＧ１，φ_ＥＧ２とともに、界磁磁束としてロータ１１の回転に寄与する。すなわち、３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが発生させた磁束φ_ＥＧ１，φ_ＥＧ２及び永久磁石１２の磁束φ２_ｍａｇの双方により、回転機１においてブレーキトルクが発生する。

回転機１の出力を最大にする場合、ロータ１１内で磁気飽和が生じる大きさであって、且つ、許容量を超えない範囲で最大の３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを流せばよい。図６Ａでは、３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗに基づく磁束φ_ＥＧ１，φ_ＥＧ２により磁気飽和が生じ得る部分（磁気飽和部）を、符号ＭＳ_Ｇ１，ＭＳ_Ｇ２で示している。３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが大きくなってロータ１１内で磁気飽和が生じ、且つ許容量を超えない範囲で最大の３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが回転機１に流れたとき、エアギャップに向かう永久磁石１２の磁束φ２_ｍａｇの量が最大となる。これにより、回転機１の出力を最大にすることができる。

図６Ｂに、発電モードにおけるフェーザ図の例を示す。図６Ｂに破線で示すように、本来、発電モード時の電流−Ｉ_０は始動モード時の電流Ｉ_０（図４Ｂ）と逆向きになる。しかしながら、図６Ｂでは、説明の便宜上、電流−Ｉ_０を逆ベクトルＩ_０とし、始動モードの電流Ｉ_０（図４Ｂ）と同一象限内に記載している。

図６Ｂに示すように、発電モード時の電流の逆ベクトルＩ_０と永久磁石１２の磁束φ２_ｍａｇとがなす角度（Θ−１８０°）は、９０°よりも所定角度小さくなっている。「所定角度」は、４５°±１５°の範囲の角度である。電流−Ｉ_０と永久磁石１２の磁束φ２_ｍａｇとがなす角度（交流電流の位相）は、（３６０°−Θ）であり、例えば１２０°〜１５０°の範囲に設定される。

［実施形態の効果］
上記回転機制御システム１０では、始動モード及び発電モードにおいて、スタータ１３に供給される３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが磁束φ_ＥＭ１，φ_ＥＭ２又は磁束φ_ＥＧ１，φ_ＥＧ２を発生させる。磁束φ_ＥＭ１，φ_ＥＭ２，φ_ＥＧ１，φ_ＥＧ２は、３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの位相に応じて永久磁石１２の短絡路の一部を通過し、エアギャップへと向かう永久磁石１２の磁束φ２_ｍａｇを発生させる。永久磁石１２の磁束φ２_ｍａｇは、磁束φ_ＥＭ１，φ_ＥＭ２，φ_ＥＧ１，φ_ＥＧ２はともに、回転機１において界磁磁束として機能する。３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗに基づく磁束φ_ＥＭ１，φ_ＥＭ２，φ_ＥＧ１，φ_ＥＧ２の量及び永久磁石１２の磁束φ２_ｍａｇの量は、３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの大きさを制御することで調整される。このように、上記回転機制御システム１０では、コントローラ２によって３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの位相及び大きさを制御するだけで、トルクの発生に寄与する成分とともに永久磁石１２の磁束をエアギャップに向かわせる成分を発生させ、且つ調整することができる。よって、回転機１における界磁磁束を容易に調整することができる。

上記実施形態において、始動モードでは、３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗは、各相基準位相−（４５°±１５°）の範囲に収まるように設定される。一方、発電モードでは、３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗは、各相基準位相＋（４５°±１５°）の範囲に収まるように設定される。このようにすることで、始動モードにおいて大きな動力をエンジン３に供給することができるとともに、発電モードにおいて大きな電力をバッテリ（図示省略）に供給することができる。

上記実施形態において、コントローラ２は、始動モード時又は発電モード時に、永久磁石１２の短絡路の一部で磁気飽和を生じさせるように３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの大きさを制御することができる。これにより、エアギャップに向かう永久磁石１２の磁束φ２_ｍａｇの量を大きくすることができるため、回転機１からの出力を高めることができる。

＜変形例＞
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、種々の変更が可能である。

例えば、上記実施形態では、コントローラ２は１極３スロットの回転機１を制御していたが、本発明に係るコントローラが制御する回転機の極数及びスロット数は特に限定されるものではない。

また、上記実施形態では、回転機１は３相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが供給されるよう構成されていたが、回転機に供給される交流電流の相数は特に限定されない。本発明に係るコントローラは、単相又は４相以上の交流電流が回転機に供給される場合であっても、上記実施形態と同様の方法で、交流電流の位相及び大きさを制御することができる。

また、上記実施形態では、インナーロータ型の回転機１が用いられていたが、アウターロータ型の回転機であっても本発明のコントローラによって制御することができる。

以下、各実施例によって本発明をさらに詳しく説明する。ただし、本発明は下記の各実施例に限定されるものではない。

［実施例１］
実施例１では、図７Ａに示す回転機１ａにおいて、３相交流電流をステータ１３ａの巻線５ａに供給した。巻線５ａに供給する交流電流の大きさを一定に保って位相を変化させ、トルクの変化を確認した。ステータ１３ａのステータティース１３２ａの数は６０であり、これらのステータティース１３２ａには分布巻形式で巻線５ａが形成されている。回転機１ａのロータ１１ａ内には、複数の永久磁石１２ａが配置されている。無負荷状態において、各永久磁石１２ａの磁束のうち、一部の磁束φ１ａ_ｍａｇがロータ１１ａ内で短絡している。

なお、実施例１に係る回転機１ａでは、ステータティースの数を変更することもできる。例えば、回転機１ａのステータティースの数は、分布巻形式で巻線５ａが形成される場合、１２の倍数とすることができる。また、集中巻形式で巻線５ａが形成される場合、例えば、回転機１ａのステータティースの数は６の倍数とすることができる。

巻線５ａに交流電流が供給されると、図７Ｂに示すように、回転機１ａにおいて磁束φａが発生する。磁束φａは、交流電流に基づく磁束φａ_Ｅと永久磁石１２ａからエアギャップに向かう磁束φ２ａ_ｍａｇとの合成磁束である。磁束φａ_Ｅは、永久磁石１２ａの短絡路の一部を通過している。巻線５ａに供給する交流電流が大きくなると、ロータ１１ａ内において磁気飽和を生じる部分ＭＳａが発生する。

図７Ｃは、巻線５ａに供給される交流電流のうちの任意の相（以下、Ａ相と称する）について、交流電流の大きさを一定に保ちながら位相を変化させたときのトルクの変化を示すグラフである。ここでのトルクは、リラクタンストルク及びマグネットトルクを合わせたものである。図７Ｃにおいて、横軸は、Ａ相交流電流の位相（電気角）であり、Ａ相の巻線５ａの誘起電圧が０となる位相を０°としている。縦軸は、Ａ相交流電流が供給された際に回転機１ａで発生するトルクである。

図７Ｃに示すように、Ａ相交流電流に応じて発生するトルクは、Ａ相交流電流の位相が９０°のときに０となる。よって、実施例１において、本発明の「基準位相」に該当する位相は９０°である。

回転機１ａを電動機として機能させる際のトルクのピーク値は、｛９０°−（４５°±１５°）｝の範囲に存在する。よって、回転機１ａを電動機として機能させる際、Ａ相交流電流の位相を｛９０°−（４５°±１５°）｝の範囲に設定すれば、高いトルクを発生させることができることがわかる。

一方、回転機１ａを発電機として機能させる際のトルク（ブレーキトルク）のピーク値は、｛９０°＋（４５°±１５°）｝の範囲に存在する。よって、回転機１ａを発電機として機能させる際、Ａ相交流電流の位相を｛９０°＋（４５°±１５°）｝の範囲に設定すれば、高いブレーキトルクを発生させることができることがわかる。

図８は、各相交流電流の位相と電圧との関係の例を示している。図８に示すように、各相交流電流の位相の変化に応じて、主回路部２２（図２）のバッテリに印加される電圧は変化する。各相交流電流の位相は、この位相に対応する電圧が図８における許容電圧ラインＬを超えないように設定される。回転機１ａの回転数が小さければ、許容電圧ラインＬは上昇する。すなわち、バッテリにおける許容電圧の上限値は、回転機１ａの回転数が小さいほど高くなる。

［実施例２］
実施例２では、図９Ａに示す回転機１ｂにおいて、３相交流電流をステータ１３ｂの巻線５ｂに供給した。巻線５ｂに供給する交流電流の大きさを一定に保って位相を変化させ、トルクの変化を確認した。ステータ１３ｂのステータティース１３２ｂの数は６であり、これらのステータティース１３２ｂには集中巻形式で巻線５ｂが形成されている。回転機１ｂのロータ１１ｂ内には、複数の永久磁石１２ｂが配置されている。無負荷状態において、各永久磁石１２ｂの磁束φ２ａ_ｍａｇは、ロータ１１ｂ内で短絡している。

巻線５ｂに交流電流が供給されると、図９Ｂに示すように、回転機１ｂにおいて磁束φｂが発生する。磁束φｂは、交流電流に基づく磁束φｂ_Ｅと永久磁石１２ｂからエアギャップに向かう磁束φ２ｂ_ｍａｇとの合成磁束である。磁束φｂ_Ｅは、永久磁石１２ｂの短絡路の一部を通過している。巻線５ｂに供給する交流電流が大きくなると、ロータ１１ｂ内において磁気飽和を生じる部分ＭＳｂが発生する。

図９Ｃは、巻線５ｂに供給される交流電流のうちの任意の相（以下、Ａ相と称する）について、交流電流の大きさを一定に保ちながら位相を変化させたときのトルクの変化を示すグラフである。ここでのトルクは、リラクタンストルク及びマグネットトルクを合わせたものである。図９Ｃにおいて、横軸は、Ａ相交流電流の位相（電気角）であり、Ａ相の巻線５ｂの誘起電圧が０となる位相を０°としている。縦軸は、Ａ相交流電流が供給された際に回転機１ｂで発生するトルクである。

図９Ｃに示すように、Ａ相交流電流に応じて発生するトルクは、Ａ相交流電流の位相が９０°のときに０となる。よって、実施例２においても、実施例１と同様、本発明の「基準位相」に該当する位相は９０°である。

回転機１ｂを電動機として機能させる際のトルクのピーク値は、｛９０°−（４５°±１５°）｝の範囲に存在する。よって、回転機１ｂを電動機として機能させる際、各相交流電流の位相を｛９０°−（４５°±１５°）｝の範囲に設定すれば、高いトルクを発生させることができる。

一方、回転機１ｂを発電機として機能させる際のブレーキトルクのピーク値は、｛９０°＋（４５°±１５°）｝の範囲に存在する。よって、回転機１ｂを発電機として機能させる際、各相交流電流の位相を｛９０°＋（４５°±１５°）｝の範囲に設定すれば、高いブレーキトルクを発生させることができることがわかる。

なお、実施例２についても、実施例１と同様に、各相交流電流の位相は、その位相の交流電流を流したときにバッテリに印加される電圧が許容電圧の上限値を超えないように設定される。

上記実施例１及び２より、回転機の構成が変化した場合であっても、交流電流の位相を基準位相−４５°±１５°の範囲とすれば、高いトルクを得られることがわかる。また、上記実施例１及び２からは、回転機の構成が変化した場合であっても、交流電流の位相を基準位相＋４５°±１５°の範囲とすれば、高いブレーキトルクを得られることもわかる。なお、上記実施例１及び２では、巻線の誘起電圧が０のときの交流電流の位相を０°として、基準位相が９０°に設定されている。

１０ 回転機制御システム
１，１ａ，１ｂ 回転機
１１，１１ａ，１１ｂ ロータ
１２，１２ａ，１２ｂ 永久磁石
１３，１３ａ，１３ｂ ステータ
１３２Ｕ，１３２Ｖ，１３２Ｗ，１３２ａ，１３２ｂ ステータティース
５Ｕ，５Ｖ，５Ｗ，５ａ，５ｂ 巻線
２ コントローラ

Claims (5)

1. 回転機を制御するためのコントローラであって、
   前記回転機は、
   回転軸を中心に回転するロータと、
   前記ロータ内に設けられる永久磁石と、
   前記ロータに対向するよう配置され且つ巻線が形成される複数のステータティースを含み、交流電流が供給されるステータと、
   を備え、
   前記永久磁石の磁束の少なくとも一部は、前記交流電流が前記ステータに供給されていない場合に、前記ロータ内で短絡しており、
   前記コントローラは、前記交流電流の位相及び大きさを制御可能に構成されており、前記交流電流が前記ステータに供給されるときに、前記交流電流によって発生する磁束が前記永久磁石の短絡路の一部を通過するよう前記交流電流の位相を決定する、コントローラ。
2. 請求項１に記載のコントローラであって、
   当該コントローラは、前記交流電流が前記ステータに供給されるときに、基準位相から４５°±１５°ずれた範囲に収まるように前記交流電流の位相を決定し、
   前記基準位相は、前記回転機においてトルクを発生させないような前記交流電流の位相である、コントローラ。
3. 請求項１又は２に記載のコントローラであって、
   当該コントローラは、所定のタイミングにおいて、前記短絡路の一部で磁気飽和が生じるように前記交流電流の大きさを決定する、コントローラ。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載のコントローラと、
   前記コントローラによって制御される回転機と、
   を備え、
   前記回転機は、
   回転軸を中心に回転するロータと、
   前記ロータ内に設けられる永久磁石と、
   前記ロータに対向するよう配置され且つ巻線が形成される複数のステータティースを含み、交流電流が供給されるステータと、
   を有し、
   前記永久磁石の磁束の少なくとも一部は、前記交流電流が前記ステータに供給されていない場合に、前記ロータ内で短絡している、回転機制御システム。
5. 回転機を制御するための制御プログラムであって、
   前記回転機は、
   回転軸を中心に回転するロータと、
   前記ロータ内に設けられる永久磁石と、
   前記ロータに対向するよう配置され且つ巻線が形成される複数のステータティースを含み、交流電流が供給されるステータと、
   を備え、
   前記永久磁石の磁束の少なくとも一部は、前記交流電流が前記ステータに供給されていない場合に、前記ロータ内で短絡しており、
   前記制御プログラムは、
   前記交流電流が前記ステータに供給されるときに、前記交流電流によって発生する磁束が前記永久磁石の短絡路の一部を通過するよう前記交流電流の位相を制御するステップと、
   前記交流電流が前記ステータに供給されるときに、前記交流電流の大きさを制御するステップと、
   をコンピュータに実行させる、制御プログラム。

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