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JP6349846B2 - Rotating electrical machine control device and rotating electrical machine control system - Google Patents

Rotating electrical machine control device and rotating electrical machine control system Download PDF

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JP6349846B2 JP2014063943A JP2014063943A JP6349846B2 JP 6349846 B2 JP6349846 B2 JP 6349846B2 JP 2014063943 A JP2014063943 A JP 2014063943A JP 2014063943 A JP2014063943 A JP 2014063943A JP 6349846 B2 JP6349846 B2 JP 6349846B2
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Description

本発明は、可変界磁型の回転電機の制御装置及び回転電機制御システムに関する。   The present invention relates to a control device for a variable field type rotating electrical machine and a rotating electrical machine control system.

下記の特許文献1には、永久磁石を有する内周側回転子と、永久磁石を有し内周側回転子の外側に相対回転可能に配置された外周側回転子とでモータジェネレータの回転子を構成し、両回転子の回転位相を操作して誘起電圧定数を変更し得る構成が記載されている。誘起電圧定数の変更に応じてエンジン駆動目標トルクを変更して発電トルクと出力トルクをバランスさせるとしている。   In Patent Document 1 below, a rotor of a motor generator includes an inner rotor having a permanent magnet and an outer rotor having a permanent magnet and arranged to be relatively rotatable outside the inner rotor. And the induced voltage constant can be changed by manipulating the rotational phase of both rotors. The engine drive target torque is changed according to the change of the induced voltage constant to balance the power generation torque and the output torque.

特開2008−94182号公報JP 2008-94182 A

しかしながら、従来技術では発電機において生じる損失について十分考慮されておらず、発電効率が必ずしも高くない問題がある。例えば、一般的なシリーズハイブリッドの構成のようにエンジンと発電機が直結している場合、エンジン停止時には必ず発電機も停止するためエンジン停止時の引きずり損を考慮する必要がないが、後述する図1に示すような構成のハイブリッド自動車等ではエンジンが停止した状態で走行する場合に発電機が連れ回される。このため、エンジン停止状態では発電機の引きずり損を抑制し、発電機でエンジンをクランキングして始動する時には発電機をモータとして機能させてそのトルクを増大させ、エンジン運転中にはエンジンの運転状況に応じて発電機のトルクを時々刻々制御するために誘起電圧定数を動的に変更する必要があるところ、従来技術ではこれら種々の状況において発電効率向上の観点からの誘起電圧定数変更については考慮されていない。   However, the conventional technology does not sufficiently consider the loss generated in the generator, and there is a problem that the power generation efficiency is not necessarily high. For example, when the engine and the generator are directly connected as in a general series hybrid configuration, the generator is always stopped when the engine is stopped, so there is no need to consider drag loss when the engine is stopped. In a hybrid vehicle or the like having a configuration as shown in FIG. 1, a generator is driven when the vehicle travels with the engine stopped. For this reason, when the engine is stopped, the dragging loss of the generator is suppressed, and when the engine is cranked and started by the generator, the generator functions as a motor to increase its torque. In order to control the generator torque from moment to moment according to the situation, it is necessary to dynamically change the induced voltage constant. Not considered.

本発明の目的は、回転電機の発電効率を一層向上させることができる回転電機の制御装置及び回転電機制御システムを提供することにある。   The objective of this invention is providing the control apparatus and rotary electric machine control system of a rotary electric machine which can further improve the electric power generation efficiency of a rotary electric machine.

本発明は、可変界磁型の回転電機を制御する制御装置であって、前記回転電機はエンジンのクランク軸に連結され、前記エンジンの動力により発電するものであり、少なくとも前記エンジンの運転状況を入力する入力手段と、前記運転状況に基づき、前記回転電機の目標界磁磁束を最大界磁磁束あるいは最小界磁磁束のいずれかに切り換える切換手段と、前記目標界磁磁束に基づき、前記回転電機の界磁磁束を前記目標界磁磁束に制御するための制御指令を出力する制御手段とを備えることを特徴とする。   The present invention is a control device for controlling a variable field type rotating electrical machine, wherein the rotating electrical machine is connected to a crankshaft of an engine and generates electric power by the power of the engine, and at least the operating state of the engine Input means for inputting, switching means for switching the target field magnetic flux of the rotating electrical machine to either the maximum field magnetic flux or the minimum field magnetic flux based on the operating state, and the rotating electrical machine based on the target field magnetic flux Control means for outputting a control command for controlling the field magnetic flux to the target field magnetic flux.

本発明の1つの実施形態では、前記切換手段は、前記エンジンの停止状態では最小界磁磁束を前記目標界磁磁束とし、前記エンジンの運転状態では最大界磁磁束を前記目標界磁磁束とすることを特徴とする。   In one embodiment of the present invention, the switching means uses the minimum field magnetic flux as the target field magnetic flux when the engine is stopped and the maximum field magnetic flux as the target field magnetic flux when the engine is operating. It is characterized by that.

本発明の他の実施形態では、前記切換手段は、前記エンジンのクランキング状態では最大界磁磁束を前記目標界磁磁束とすることを特徴とする。   In another embodiment of the present invention, the switching means sets the maximum field magnetic flux as the target field magnetic flux in the cranking state of the engine.

本発明のさらに他の実施形態では、前記制御手段は、前記エンジンのクランキングの開始に先立って前記回転電機の界磁磁束を最大値に制御することを特徴とする。   In still another embodiment of the present invention, the control means controls the field magnetic flux of the rotating electrical machine to a maximum value prior to the start of cranking of the engine.

また、本発明の回転電機制御システムは、可変界磁型の回転電機と、前記回転電機を制御する制御装置とを備え、前記回転電機はエンジンのクランク軸に連結され、前記エンジンの動力により発電するものであり、前記制御装置は、少なくとも前記エンジンの運転状況を入力する入力手段と、前記運転状況に基づき、前記回転電機の目標界磁磁束を最大界磁磁束あるいは最小界磁磁束のいずれかに切り換える切換手段と、前記目標界磁磁束に基づき、前記回転電機の界磁磁束を前記目標界磁磁束に制御するための制御指令を出力する制御手段を備えることを特徴とする。   The rotating electrical machine control system of the present invention includes a variable field type rotating electrical machine and a control device that controls the rotating electrical machine, the rotating electrical machine being connected to an engine crankshaft, and generating electric power by the engine power. The control device includes at least an input means for inputting an operating state of the engine, and based on the operating state, the target field magnetic flux of the rotating electrical machine is either a maximum field magnetic flux or a minimum field magnetic flux. And a control means for outputting a control command for controlling the field magnetic flux of the rotating electrical machine to the target field magnetic flux based on the target field magnetic flux.

本発明の回転電機制御システムは、エンジンと回転電機で走行するハイブリッド自動車等の車両に搭載され得る。   The rotating electrical machine control system of the present invention can be mounted on a vehicle such as a hybrid vehicle that runs on an engine and the rotating electrical machine.

本発明によれば、搭載される車両の運転状況に応じ、回転電機の発電効率を一層向上させることができる。これにより、車両の燃費を向上し得る。   According to the present invention, the power generation efficiency of the rotating electrical machine can be further improved according to the driving situation of the mounted vehicle. Thereby, the fuel consumption of the vehicle can be improved.

ハイブリッド自動車のシステム構成図である。1 is a system configuration diagram of a hybrid vehicle. 実施形態のECUの機能ブロック図である。It is a functional block diagram of ECU of embodiment. 他の実施形態のECUの機能ブロック図である。It is a functional block diagram of ECU of other embodiment. 界磁電流と界磁磁束との関係を示すグラフ図である。It is a graph which shows the relationship between a field current and a field magnetic flux. エンジン回転数、エンジントルク、発電機トルク及び界磁電流のタイミングチャートである。It is a timing chart of engine speed, engine torque, generator torque, and field current. エンジン回転数、エンジントルク、発電機トルク及び界磁電流のタイミングチャートである。It is a timing chart of engine speed, engine torque, generator torque, and field current. 他の実施形態のECUの機能ブロック図である。It is a functional block diagram of ECU of other embodiment.

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、可変界磁型の回転電機を搭載したハイブリッド自動車の構成を示す。回転電機として、発電機200及びモータ300が搭載される。発電機200は、エンジン100のクランク軸にプラネタリギヤを介して連結される。モータ300もプラネタリギヤに連結される。プラネタリギヤの出力軸は、ディファレンシャルギヤを介してタイヤ(駆動輪)400に連結される。発電機200及びモータ300は、それぞれ図示しないバッテリに電気的に接続され、電力送受が行われる。発電機200は、エンジン100の動力により発電するとともに、発電された電力をモータ300及びバッテリに供給する。モータ300は、バッテリからの電力と発電機からの電力を用いて走行用駆動力を発生してタイヤ400を駆動する。   FIG. 1 shows the configuration of a hybrid vehicle equipped with a variable field type rotating electrical machine. A generator 200 and a motor 300 are mounted as rotating electric machines. The generator 200 is connected to the crankshaft of the engine 100 via a planetary gear. The motor 300 is also connected to the planetary gear. The output shaft of the planetary gear is connected to a tire (drive wheel) 400 via a differential gear. The generator 200 and the motor 300 are each electrically connected to a battery (not shown), and power is transmitted and received. The generator 200 generates power using the power of the engine 100 and supplies the generated power to the motor 300 and the battery. The motor 300 generates a driving force for driving using the power from the battery and the power from the generator to drive the tire 400.

エンジン100、発電機200、モータ300及びタイヤ400は、動力分配機構により接続され、車両の走行状態に応じてアクセル操作量に対する走行用駆動力の出力特性を変更して、モータ300のみで駆動力を発生するモード(EV走行モード)と、モータ300とエンジン100の両方で駆動力を発生するモードを選択的に切り替える。   The engine 100, the generator 200, the motor 300, and the tire 400 are connected by a power distribution mechanism, and change the output characteristics of the driving force for driving with respect to the accelerator operation amount according to the driving state of the vehicle. Is selectively switched between a mode for generating the power (EV traveling mode) and a mode for generating the driving force in both the motor 300 and the engine 100.

発電機200及びモータ300のうち少なくとも発電機200は、可変界磁型の回転電機であり、界磁磁束(ステータの鎖交磁束)が可変の回転電機である。可変界磁型の回転電機には種々のタイプが存在するが、本実施形態では任意の対応の可変界磁型の回転電機を用い得る。例えば、永久磁石を有する内周側ロータと、永久磁石を有し内周側ロータの外側に相対回転可能な外周側ロータでロータを構成し、両ロータの回転位相を回転操作機構で操作して界磁磁束を可変としてもよい。あるいは、回転軸方向に隣接した状態でステータと径方向に対向配置された主ロータと副ロータを備え、主ロータと副ロータを回転軸方向にギャップを空けて対向配置するとともに副ロータを主ロータに対して相対回転可能となる構成として、副ロータの回転位相を回転操作機構ないしステータ電流で操作して界磁磁束を可変としてもよい。   At least the generator 200 of the generator 200 and the motor 300 is a variable field type rotating electric machine, and is a rotating electric machine with variable field magnetic flux (linkage magnetic flux of the stator). There are various types of variable field type rotating electrical machines, but any corresponding variable field type rotating electrical machine can be used in the present embodiment. For example, the rotor is composed of an inner rotor having a permanent magnet and an outer rotor having a permanent magnet and capable of rotating relative to the outside of the inner rotor, and the rotational phase of both rotors is operated by a rotation operation mechanism. The field magnetic flux may be variable. Alternatively, it includes a main rotor and a sub-rotor that are arranged radially opposite to the stator in a state adjacent to the rotation axis direction, and the main rotor and the sub-rotor are arranged to face each other with a gap in the rotation axis direction, and the sub-rotor is arranged as the main rotor As a configuration that allows relative rotation, the rotational phase of the sub-rotor may be manipulated by a rotational operation mechanism or a stator current to make the field magnetic flux variable.

電子制御装置(ECU)500は、CPU及びメモリを備えるマイクロコンピュータで構成され、各種検出信号を入力して発電機200及びモータ300を制御する。特に、ECU500は、ハイブリッド自動車の運転状況、具体的にはエンジン100の停止、クランキング、運転の各状態に応じて発電機200での発電効率が増大するように界磁磁束(ステータの鎖交磁束)を可変する。ECU500は、ハイブリッド自動車全体を制御するハイブリッド用ECUと協働で動作するが、これについては後述する。   The electronic control unit (ECU) 500 includes a microcomputer including a CPU and a memory, and controls the generator 200 and the motor 300 by inputting various detection signals. In particular, the ECU 500 controls the field magnetic flux (stator linkage) so that the power generation efficiency of the generator 200 increases in accordance with the driving state of the hybrid vehicle, specifically, the engine 100 stop, cranking, and driving states. Varying the magnetic flux. ECU 500 operates in cooperation with a hybrid ECU that controls the entire hybrid vehicle, which will be described later.

図2は、ECU500の機能ブロック図を示す。発電機200を制御する機能ブロック図である。   FIG. 2 shows a functional block diagram of ECU 500. 3 is a functional block diagram for controlling a generator 200. FIG.

ECU500は、機能ブロックとして、発電機の目標界磁特性切換部502、界磁特性制御部504、及び発電機トルク制御部506を備える。   The ECU 500 includes a generator target field characteristic switching unit 502, a field characteristic control unit 504, and a generator torque control unit 506 as functional blocks.

発電機の目標界磁特性切換部502は、運転状況としてのエンジン状態(エンジンの動作/停止)に応じ、要求トルクを出力するために必要な発電機200の目標界磁特性(目標界磁磁束)を切り換える。すなわち、発電機の目標界磁特性切換部502は、ハイブリッドECUから供給されたエンジン状態に基づき、界磁特性を最大値と最小値の間で切り換える。発電機200の発電量をW、発電機200の要求トルクをT、発電機200の角速度(回転数)をω、界磁磁束(ステータの鎖交磁束)をφとすると、トルクTは界磁磁束φ及び角速度ωの関数であり、発電機200の損失Qは要求トルクT,界磁磁束φ、角速度ωに依存するから、発電モデルは一般に
W=T(φ,ω)ω−Q(T(φ,ω),φ,ω)
と表すことができる。界磁磁束φを最小値φmin及びφmaxの2値として、発電量Wが増大するようにφmaxとφminのいずれかに切り換える。要求トルクTはバッテリの残容量(SOC)等に応じて設定される。要求トルクT及び角速度ωは入力して与えられるから、上記の発電量モデルを用いてWが増大するような界磁磁束φを逆演算するといえる。上記の式において、例えば、エンジンが停止状態にあり要求トルクがゼロである場合には損失Qを最小とすべく界磁磁束φを最小値φminとする。また、エンジンが運転状態にあり要求トルクが増大した場合には界磁磁束φを最大値φmaxとする。T(φ,ω)及びQ(T(φ,ω),φ,ω)は、実験により、あるいはシミュレーション等により予め決定してメモリに記憶しておく。一例として、エンジン状態と界磁磁束との対応関係をテーブルとしてメモリに記憶しておき、テーブルを参照して界磁磁束を読み出す。発電機の目標界磁特性切換部502は、設定した目標界磁特性(目標界磁磁束)を界磁特性制御部504及び発電機トルク制御部506に出力する。
The target field characteristic switching unit 502 of the generator is configured to generate a target field characteristic (target field magnetic flux) of the generator 200 necessary for outputting a required torque in accordance with an engine state (engine operation / stop) as an operation state. ). That is, the target field characteristic switching unit 502 of the generator switches the field characteristic between the maximum value and the minimum value based on the engine state supplied from the hybrid ECU. Assuming that the power generation amount of the generator 200 is W, the required torque of the generator 200 is T, the angular velocity (number of rotations) of the generator 200 is ω, and the field magnetic flux (linkage flux of the stator) is φ, the torque T is the field Since the loss Q of the generator 200 depends on the required torque T, the field magnetic flux φ, and the angular velocity ω, the power generation model is generally W = T (φ, ω) ω−Q (T (Φ, ω), φ, ω)
It can be expressed as. The field magnetic flux φ is set to two values of the minimum values φmin and φmax, and is switched to either φmax or φmin so that the power generation amount W increases. The required torque T is set according to the remaining capacity (SOC) of the battery. Since the required torque T and the angular velocity ω are input and given, it can be said that the field magnetic flux φ in which W increases is inversely calculated using the power generation amount model. In the above equation, for example, when the engine is stopped and the required torque is zero, the field magnetic flux φ is set to the minimum value φmin so as to minimize the loss Q. When the engine is in an operating state and the required torque increases, the field magnetic flux φ is set to the maximum value φmax. T (φ, ω) and Q (T (φ, ω), φ, ω) are determined in advance by experiment or simulation or the like and stored in the memory. As an example, the correspondence between the engine state and the field magnetic flux is stored in a memory as a table, and the field magnetic flux is read with reference to the table. The generator target field characteristic switching unit 502 outputs the set target field characteristic (target field magnetic flux) to the field characteristic control unit 504 and the generator torque control unit 506.

界磁特性制御部504は、演算された目標界磁特性(目標界磁磁束)に基づき、界磁磁束を可変とするための界磁特性調整機構に特性調整指令を出力する。界磁特性調整機構が外周側ロータを内周側ロータに対して相対回転する回転操作機構であれば当該機構を駆動するための制御指令である。   The field characteristic control unit 504 outputs a characteristic adjustment command to a field characteristic adjustment mechanism for changing the field magnetic flux based on the calculated target field characteristic (target field magnetic flux). If the field characteristic adjusting mechanism is a rotational operation mechanism that rotates the outer peripheral rotor relative to the inner peripheral rotor, the control command is for driving the mechanism.

発電機トルク制御部506は、要求トルク、角速度(回転数)、ステータ電流及び目標界磁特性に基づき、目標界磁特性を満たしつつ要求トルクを満たす電圧を演算し、発電機200のU相、V相、W相の3相ステータコイルに3相交流電流を供給するインバータに供給する。目標界磁特性が固定的であれば、発電機トルク制御部506は単に要求トルクを満たす電圧を演算してインバータに出力するが、本実施形態では目標界磁特性が最大値φmaxと最小値φminの間で切り換えられるため、これに応じてインバータに出力する電圧値も変化する。すなわち、発電効率を増大するための目標界磁特性に依存して発電機200で発電するための制御パラメータも適応的に変化する。   The generator torque control unit 506 calculates a voltage that satisfies the required torque while satisfying the target field characteristics based on the required torque, angular velocity (rotation speed), stator current, and target field characteristics, This is supplied to an inverter that supplies a three-phase alternating current to the V-phase and W-phase three-phase stator coils. If the target field characteristic is fixed, the generator torque control unit 506 simply calculates a voltage satisfying the required torque and outputs it to the inverter. In this embodiment, the target field characteristic has the maximum value φmax and the minimum value φmin. Therefore, the voltage value output to the inverter also changes accordingly. That is, the control parameter for generating power with the generator 200 is adaptively changed depending on the target field characteristics for increasing the power generation efficiency.

次に、本実施形態についてより具体的に説明する。発電機200の構成として、例えば特開2010−226808号公報に記載された可変界磁型の回転電機を例にとり説明する。   Next, this embodiment will be described more specifically. As a configuration of the generator 200, a variable field type rotating electrical machine described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-226808 will be described as an example.

この回転電機では、ロータはラジアルロータとアキシャルロータで構成される。アキシャルロータはラジアルロータと機械的・磁気的に結合される。ステータは環状コア部と、直流電流が流れることでラジアルロータとアキシャルロータと環状コア部とを通る界磁磁束を発生させる界磁巻線と、環状コア部にトロイダル巻きされ交流電流が流れることで界磁磁束と相互作用する磁界を発生する電機子巻線を有する。ラジアルロータは界磁巻線に直流電流が流れることで磁化するラジアル磁極部、及びラジアル磁極部に対してずらして配置されたラジアル永久磁石を有する。アキシャルロータは回転軸周りの周方向に関してラジアル磁極部に対してずらして配置され界磁巻線に直流電流が流れることでラジアル磁極部と逆の極性に磁化するアキシャル磁極部、及びアキシャル磁極部とラジアル永久磁石に対してずらして配置されラジアル永久磁石と逆極性のアキシャル永久磁石を有する。   In this rotating electrical machine, the rotor is composed of a radial rotor and an axial rotor. The axial rotor is mechanically and magnetically coupled to the radial rotor. The stator has an annular core portion, a field winding that generates a field magnetic flux that passes through the radial rotor, the axial rotor, and the annular core portion when a direct current flows, and a toroidal winding around the annular core portion to cause an alternating current to flow. It has an armature winding that generates a magnetic field that interacts with the field flux. The radial rotor has a radial magnetic pole portion that is magnetized when a direct current flows through the field winding, and a radial permanent magnet that is arranged so as to be shifted with respect to the radial magnetic pole portion. The axial rotor is arranged so as to be shifted from the radial magnetic pole portion with respect to the circumferential direction around the rotation axis, and an axial magnetic pole portion that is magnetized in a polarity opposite to that of the radial magnetic pole portion when a direct current flows through the field winding, and the axial magnetic pole portion, It has an axial permanent magnet which is arranged to be shifted with respect to the radial permanent magnet and has a polarity opposite to that of the radial permanent magnet.

ラジアル磁極部がラジアル永久磁石と逆極性に磁化し、アキシャル磁極部がアキシャル永久磁石と逆極性に磁化するように界磁巻線に直流電流を流すことで、界磁磁束(ステータの鎖交磁束)が増大する。また、ラジアル磁極部がラジアル永久磁石と同極性に磁化し、アキシャル磁極部がアキシャル永久磁石と同極性に磁化するように界磁巻線に直流電流を流すことで、界磁磁束(鎖交磁束)が減少する。従って、界磁巻線に流す直流電流の向きや大きさを制御することで、界磁磁束量を可変できる。   By applying a direct current to the field winding so that the radial magnetic pole part is magnetized in the opposite polarity to the radial permanent magnet and the axial magnetic pole part is magnetized in the opposite polarity to the axial permanent magnet, the field magnetic flux (interlinkage magnetic flux of the stator) ) Increases. In addition, by applying a direct current to the field winding so that the radial magnetic pole part is magnetized with the same polarity as the radial permanent magnet and the axial magnetic pole part is magnetized with the same polarity as the axial permanent magnet, ) Decreases. Therefore, the amount of field magnetic flux can be varied by controlling the direction and magnitude of the direct current flowing through the field winding.

なお、ラジアルロータをステータの径方向内側に配置するのではなく、ラジアルロータをステータの径方向外側に配置してもよい。また、ラジアルロータをステータの径方向の内側及び径方向外側に配置してもよい。また、アキシャルロータは1つのロータから構成してもよく、あるいは回転軸方向に隣接した2つのアキシャルロータから構成してもよい。   Instead of arranging the radial rotor inside the stator in the radial direction, the radial rotor may be arranged outside the stator in the radial direction. Moreover, you may arrange | position a radial rotor in the radial inside and radial outside of a stator. Further, the axial rotor may be composed of one rotor, or may be composed of two axial rotors adjacent in the rotation axis direction.

図3は、本実施形態におけるECU500の機能ブロック図を示す。図2と異なる点は、界磁特性制御部504に代えて、目標界磁電流生成部508及び界磁電流制御部510を備える点である。   FIG. 3 shows a functional block diagram of the ECU 500 in the present embodiment. The difference from FIG. 2 is that a target field current generation unit 508 and a field current control unit 510 are provided instead of the field characteristic control unit 504.

目標界磁電流生成部508は、発電機の目標界磁特性切換部502で演算された目標界磁特性となるように目標界磁電流Ifrefを生成して界磁電流制御部510に出力する。目標界磁電流生成部508は、界磁巻線に流す直流電流の向き及び大きさと界磁磁束との所定の関係に基づき、目標界磁特性が得られる界磁電流Ifrefの向きと大きさを演算する。   The target field current generation unit 508 generates a target field current Ifref so as to achieve the target field characteristics calculated by the target field characteristic switching unit 502 of the generator, and outputs the target field current Ifref to the field current control unit 510. The target field current generation unit 508 determines the direction and magnitude of the field current Ifref that obtains the target field characteristics based on a predetermined relationship between the direction and magnitude of the direct current flowing through the field winding and the field magnetic flux. Calculate.

図4は、本実施形態における界磁電流と界磁磁束との関係を示す。図において、ラジアル磁極部がラジアル永久磁石と逆極性に磁化し、アキシャル磁極部がアキシャル永久磁石と逆極性に磁化するような通電方向を正とし、ラジアル磁極部がラジアル永久磁石と同極性に磁化し、アキシャル磁極部がアキシャル永久磁石と同極性に磁化するような通電方向を負と定義している。界磁電流If=0を境界として、正方向に界磁電流が増大するとこれに応じて界磁磁束も増大して最大値φmaxとなる。また、負方向に界磁電流が増大するとこれに応じて界磁磁束も減少して最小値φminとなる。目標界磁電流生成部508は、図4に示す対応関係をマップあるいは関数としてメモリに記憶しておき、演算された目標界磁特性(目標界磁磁束)に対応する界磁電流Ifrefを演算して界磁電流制御部510に出力する。本実施形態では、界磁磁束として最大値φmax及び最小値φminのいずれかを用いるから、これらに対応する界磁電流をマップとしてメモリに記憶しておく。勿論、界磁磁束は最大値φmax及び最小値φminの2者択一であるから、マップを用いることなく簡易に切り換えてもよい。   FIG. 4 shows the relationship between the field current and the field magnetic flux in the present embodiment. In the figure, the energizing direction is such that the radial magnetic pole part is magnetized in the opposite polarity to the radial permanent magnet, the axial magnetic pole part is magnetized in the opposite polarity to the axial permanent magnet, and the radial magnetic pole part is magnetized in the same polarity as the radial permanent magnet. An energizing direction in which the axial magnetic pole portion is magnetized to the same polarity as the axial permanent magnet is defined as negative. With the field current If = 0 as a boundary, when the field current increases in the positive direction, the field magnetic flux increases correspondingly and reaches the maximum value φmax. Further, when the field current increases in the negative direction, the field magnetic flux decreases correspondingly and becomes the minimum value φmin. The target field current generation unit 508 stores the correspondence shown in FIG. 4 in a memory as a map or function, and calculates a field current Ifref corresponding to the calculated target field characteristic (target field magnetic flux). To the field current control unit 510. In this embodiment, since either the maximum value φmax or the minimum value φmin is used as the field magnetic flux, the field current corresponding to these is stored in the memory as a map. Of course, since the field magnetic flux is one of the maximum value φmax and the minimum value φmin, it may be easily switched without using a map.

界磁電流制御部510は、演算された目標界磁電流Ifrefを流すように現在の界磁電流をフィードバック制御して界磁電流駆動回路に制御指令を出力する。界磁電流駆動回路は、例えばバッテリの正側端子と負側端子の間に互いに並列接続された2本のスイッチングアームを備えるDC/DCコンバータで構成され、2本のスイッチングアームのそれぞれの中点の間に界磁巻線が接続される。2本のスイッチングアームのスイッチング素子をオンオフ制御することで界磁巻線に正あるいは負の所望の直流電流を流すことができる。   The field current control unit 510 feedback-controls the current field current so that the calculated target field current Ifref flows, and outputs a control command to the field current drive circuit. The field current drive circuit is composed of, for example, a DC / DC converter including two switching arms connected in parallel to each other between a positive terminal and a negative terminal of a battery, and a midpoint of each of the two switching arms. A field winding is connected between the two. By controlling on / off the switching elements of the two switching arms, a desired positive or negative direct current can be passed through the field winding.

図5は、本実施形態のエンジン100の回転数、エンジン100のトルク、発電機200のトルク、発電機200の界磁電流のタイミングチャートである。   FIG. 5 is a timing chart of the rotational speed of the engine 100, the torque of the engine 100, the torque of the generator 200, and the field current of the generator 200 according to the present embodiment.

図5(a)は、エンジン100の回転数であり、時間の経過とともにエンジン停止、エンジンクランキング、エンジン運転、及びエンジン停止の各状態に順次遷移する。エンジンクランキング状態ではエンジン回転数が増大し、エンジン運転状態では運転者のアクセル操作やバッテリの残容量(SOC)に応じてエンジン回転数が増減する。エンジン停止状態ではエンジン回転数が減少しやがてゼロとなる。   FIG. 5A shows the number of revolutions of the engine 100, which sequentially transitions to each of the engine stop, engine cranking, engine operation, and engine stop states as time elapses. In the engine cranking state, the engine speed increases, and in the engine operating state, the engine speed increases or decreases according to the driver's accelerator operation and the remaining battery capacity (SOC). When the engine is stopped, the engine speed decreases and eventually becomes zero.

図5(b)は、エンジン100のトルクであり、エンジン停止及びエンジンクランキングの各状態ではトルクはゼロであり、エンジン運転中は運転者のアクセル操作やバッテリのSOCに応じてエンジントルクが変動する。エンジン停止状態ではトルクは再びゼロとなる。エンジン100に対する要求トルクはハイブリッド自動車全体を制御するハイブリッド用ECUで演算される。ハイブリッドECUは、バッテリのSOC等に基づいて発電が必要と判定すると発電指令をECU500に出力する。   FIG. 5B shows the torque of the engine 100. The torque is zero in each of the engine stop state and the engine cranking state, and the engine torque varies according to the driver's accelerator operation and the battery SOC during the engine operation. To do. When the engine is stopped, the torque becomes zero again. The required torque for engine 100 is calculated by a hybrid ECU that controls the entire hybrid vehicle. When the hybrid ECU determines that power generation is necessary based on the SOC of the battery, the hybrid ECU outputs a power generation command to the ECU 500.

図5(c)は、発電機200のトルクであり、図5(d)は発電機200の界磁電流である。図5(c)の縦軸上方向(正方向)は電動トルクを示し、下方向(負方向)は発電トルクを示す。また、図5(d)の縦軸は界磁磁束が最大値φmaxとなる界磁電流を100%としている。エンジン停止状態ではエンジン回転数及びエンジントルクはゼロであり、発電機200のトルクもゼロである。このとき、発電機200の界磁電流Ifrefは負の値となる。これは、ハイブリッド自動車がモータ300のみで走行する際(EV走行モード)に発電機200の界磁磁束を最小として発電機200での引きずり損失(鉄損)を最小化するためであり、図4に示すように界磁電流が負の最大電流であるときに界磁磁束が最小値φminとなることに基づく。   5C shows the torque of the generator 200, and FIG. 5D shows the field current of the generator 200. The upward direction (positive direction) of the vertical axis in FIG. 5C indicates electric torque, and the downward direction (negative direction) indicates power generation torque. Further, the vertical axis of FIG. 5D represents the field current at which the field magnetic flux becomes the maximum value φmax as 100%. When the engine is stopped, the engine speed and the engine torque are zero, and the torque of the generator 200 is also zero. At this time, the field current Ifref of the generator 200 takes a negative value. This is for minimizing drag loss (iron loss) in the generator 200 by minimizing the field magnetic flux of the generator 200 when the hybrid vehicle runs only by the motor 300 (EV running mode). This is based on the fact that the field magnetic flux becomes the minimum value φmin when the field current is a negative maximum current.

エンジン停止状態からエンジンクランキング状態に遷移する場合、エンジン100のクランク軸に連結された発電機200をモータとして機能させてエンジン100をクランキングする。すなわち、ハイブリッドECUからトルク指令がECU500に出力され、ECU500は発電機200をモータとして機能させる。このため発電機200のトルクも電動トルクが増大する。このとき、発電機200の界磁電流Ifrefは界磁磁束の最大値φmaxが得られる100%とする。これは、界磁磁束を増大させて発電機200での駆動電流を抑制し効率的にモータとして駆動させるためである。エンジンクランキングに成功すると、エンジン100が始動してエンジン回転数及びエンジントルクが増大し始める。エンジンクランキングが終了すると、発電機200のトルクは再びゼロとなり、発電に備える。   When transitioning from the engine stop state to the engine cranking state, the generator 100 connected to the crankshaft of the engine 100 is caused to function as a motor to crank the engine 100. That is, a torque command is output from the hybrid ECU to the ECU 500, and the ECU 500 causes the generator 200 to function as a motor. For this reason, the electric torque of the generator 200 also increases. At this time, the field current Ifref of the generator 200 is set to 100% at which the maximum value φmax of the field magnetic flux can be obtained. This is because the field magnetic flux is increased to suppress the drive current in the generator 200 and drive efficiently as a motor. If the engine cranking is successful, the engine 100 starts and the engine speed and engine torque begin to increase. When the engine cranking is completed, the torque of the generator 200 becomes zero again to prepare for power generation.

エンジンクランキング状態からエンジン運転状態に遷移する場合、エンジン100の動力により発電すべく、発電機200のトルクを制御する。具体的には、ハイブリッドECUは、バッテリのSOCに基づきバッテリが充電すべきパワーとしてバッテリ要求パワーを算出し、バッテリ要求パワーに基づきエンジン100から出力すべきエンジン要求パワーを設定する。そして、このエンジン要求パワーに基づきエンジン100の目標回転数と目標トルクを設定し、エンジン100の目標回転数に基づき発電機200の目標回転数を設定する。さらに、発電機200の目標回転数と現在の回転数に基づき発電機200の要求トルクを設定する。エンジントルク及び発電機トルクが増大すると、これに応じて界磁電流Ifrefを100%として界磁磁束を最大値φmaxとする。これにより、発電機200での発電効率が増大する。なお、エンジンクランキング状態では界磁電流は既に100%に設定されているから、エンジン始動後のエンジン運転中でもこの界磁電流をそのまま維持するといえる。   When transitioning from the engine cranking state to the engine operating state, the torque of the generator 200 is controlled to generate power using the power of the engine 100. Specifically, the hybrid ECU calculates the battery required power as the power to be charged by the battery based on the SOC of the battery, and sets the engine required power to be output from the engine 100 based on the battery required power. Then, the target rotational speed and target torque of engine 100 are set based on the engine required power, and the target rotational speed of generator 200 is set based on the target rotational speed of engine 100. Furthermore, the required torque of the generator 200 is set based on the target rotation speed of the generator 200 and the current rotation speed. When the engine torque and the generator torque are increased, the field current Ifref is set to 100% and the field magnetic flux is set to the maximum value φmax. Thereby, the power generation efficiency in the generator 200 increases. Since the field current is already set to 100% in the engine cranking state, it can be said that this field current is maintained as it is even during engine operation after engine startup.

エンジン運転状態から再びエンジン停止状態に遷移する場合、エンジン回転数及びエンジントルクはゼロとなり、発電機200のトルクもゼロとなる。このとき、発電機200の界磁電流Ifrefは再び負の値となり、界磁磁束を最小値φminとして引きずり損を最小化する。   When transitioning from the engine operation state to the engine stop state again, the engine speed and the engine torque become zero, and the torque of the generator 200 also becomes zero. At this time, the field current Ifref of the generator 200 again becomes a negative value, and the field flux is set to the minimum value φmin to minimize the drag loss.

このように、エンジン100の状態に応じ、発電機200の界磁磁束を適応的に制御して発電効率を増大することで発電機200の効率的な運用が可能となり、結果として燃費が向上する。   Thus, according to the state of the engine 100, the field magnetic flux of the generator 200 is adaptively controlled to increase the power generation efficiency, whereby the generator 200 can be efficiently operated, and as a result, the fuel efficiency is improved. .

なお、図5のタイミングチャートでは、図5(d)に示すようにエンジンクランキングの開始と同時に発電機200の界磁電流を負の値から増大させて界磁磁束を最小値φminから最大値φmaxに切り換えているため、エンジン100の始動に時間を要することになる。このためエンジン100の始動を早くすべく、発電機200の界磁磁束をより早めに増大させてもよい。   In the timing chart of FIG. 5, as shown in FIG. 5 (d), the field current of the generator 200 is increased from a negative value simultaneously with the start of engine cranking, and the field magnetic flux is changed from the minimum value φmin to the maximum value. Since it is switched to φmax, it takes time to start the engine 100. Therefore, the field magnetic flux of the generator 200 may be increased earlier in order to speed up the start of the engine 100.

図6は、他のタイミングチャートを示す。図5と異なるのは、エンジンクランキング時の界磁電流の時間変化である。すなわち、図5(d)ではエンジンクランキングの開始と同時に界磁電流を100%に増大しているが、図6(d)ではクランキングの開始タイミングより前に界磁電流を増大させ始め、界磁電流が100%に達した後で発電機トルクを出力してクランキングを行う。要するに、エンジンクランキングの開始と同時に界磁磁束を変化させるのではなく、界磁磁束が最大値φmaxに達した後にエンジンクランキングを行う。これにより、エンジン100を迅速に始動できる。   FIG. 6 shows another timing chart. What is different from FIG. 5 is the time variation of the field current during engine cranking. That is, in FIG. 5D, the field current is increased to 100% simultaneously with the start of engine cranking. In FIG. 6D, the field current starts to increase before the cranking start timing. After the field current reaches 100%, the generator torque is output and cranking is performed. In short, instead of changing the field magnetic flux simultaneously with the start of engine cranking, engine cranking is performed after the field magnetic flux reaches the maximum value φmax. Thereby, engine 100 can be started quickly.

また、本実施形態では、ECU500の発電機トルク制御部506は、演算された目標界磁特性に応じて発電機200の制御パラメータ、具体的にはインバータの電圧値を制御しているが、発電機の目標界磁特性切換部502とは別個に目標界磁特性を簡易に推定し、推定した目標界磁特性に応じて発電機200の制御パラメータを制御してもよい。   In this embodiment, the generator torque control unit 506 of the ECU 500 controls the control parameters of the generator 200, specifically the voltage value of the inverter, according to the calculated target field characteristics. The target field characteristics may be simply estimated separately from the target field characteristic switching unit 502 of the machine, and the control parameters of the generator 200 may be controlled according to the estimated target field characteristics.

図7は、ECU500の他の機能ブロック図を示す。図3と異なるのは、発電機の目標界磁特性切換部502とは別個に界磁特性推定部512を備え、目標界磁特性が最大値φmaxあるいは最小値φminのいずれであるかを推定して発電機トルク制御部506に出力する構成である。   FIG. 7 shows another functional block diagram of ECU 500. The difference from FIG. 3 is that a field characteristic estimation unit 512 is provided separately from the target field characteristic switching unit 502 of the generator to estimate whether the target field characteristic is the maximum value φmax or the minimum value φmin. And output to the generator torque control unit 506.

界磁特性推定部512は、発電機200の角速度、ステータ電流、電圧指令値に基づいて目標界磁特性を推定して発電機トルク制御部506に出力する。具体的には、発電機200のロータが回転軸方向に隣接した主ロータと副ロータから構成され、副ロータを主ロータに対して相対回転させる際にステータ電流により副ロータを回転させる場合、ステータ電流にはトルク用の電流成分と相対回転用電流成分が重畳することになるから、ステータ電流を検出することで目標界磁特性を推定することができる。具体的には、エンジン停止状態において界磁磁束を最小値φminとすべく界磁電流を負の値に設定すると、ステータ電流には負の値の界磁電流が重畳されることになり、界磁特性推定部512はステータ電流を検出することで目標界磁特性が最小値φminであると推定し得る。以後は図3の場合と同様である。   The field characteristic estimation unit 512 estimates target field characteristics based on the angular velocity, the stator current, and the voltage command value of the generator 200 and outputs them to the generator torque control unit 506. Specifically, when the rotor of the generator 200 is composed of a main rotor and a sub rotor adjacent to each other in the rotation axis direction, and the sub rotor is rotated by a stator current when the sub rotor is rotated relative to the main rotor, the stator is Since the current component for torque and the current component for relative rotation are superimposed on the current, the target field characteristics can be estimated by detecting the stator current. Specifically, when the field current is set to a negative value so that the field magnetic flux becomes the minimum value φmin when the engine is stopped, a negative field current is superimposed on the stator current. The magnetic characteristic estimation unit 512 can estimate that the target field characteristic is the minimum value φmin by detecting the stator current. The subsequent steps are the same as in FIG.

以上説明したように、発電機200での発電効率が増大するように発電機200の界磁磁束を適応的に最大値φmaxと最小値φminの間で切換制御するので、エンジン100の動力により高効率で発電してバッテリを充電し、あるいはモータ300に電力を供給できる。特に、エンジン停止状態では界磁磁束を最小値φminとして発電機200での損失を最小化できるとともに、エンジン運転状態では界磁磁束を最大値φmaxとして発電機200での発電効率を増大できる。   As described above, the field magnetic flux of the generator 200 is adaptively switched between the maximum value φmax and the minimum value φmin so that the power generation efficiency of the generator 200 is increased. Power can be generated with efficiency to charge the battery, or power can be supplied to the motor 300. In particular, when the engine is stopped, the field magnetic flux can be set to the minimum value φmin to minimize the loss in the generator 200, and in the engine operating state, the field magnetic flux can be set to the maximum value φmax to increase the power generation efficiency of the generator 200.

本実施形態では、発電機200の界磁磁束を最大値φmaxとφminのいずれかに制御するため、制御が簡易化される利点がある。   In this embodiment, since the field magnetic flux of the generator 200 is controlled to either the maximum value φmax or φmin, there is an advantage that the control is simplified.

また、本実施形態では、図2等に示すように、エンジンの運転状況のみに基づき目標界磁特性を切り換え、エンジン停止状態では目標界磁磁束を最小値φminとし、エンジンクランキング状態及びエンジン運転中は目標界磁磁束を最大値φmaxとしているが、要求トルク、角速度、電圧、運転状況、発電機の温度に基づき目標界磁特性を設定してもよい。この場合、電圧や温度のパラメータはテーブル(あるいはマップ)に反映させてECU500のメモリに記憶しておけばよい。例えば、エンジン運転中であっても、発電機200で発電する必要がなく、要求トルクがゼロであれば界磁磁束を最小値φminに切換制御する等である。なお、電圧や温度に応じ、界磁磁束の最小値φminを別の最小値φmin’に変更し、あるいは最大値φmaxを別の最大値φmax’に変更して、エンジン100の運転状況に応じて発電機200の界磁磁束を最小値φmin’と最大値φmax’の間で切換制御してもよい。   Further, in the present embodiment, as shown in FIG. 2 and the like, the target field characteristics are switched based only on the engine operating state, the target field magnetic flux is set to the minimum value φmin when the engine is stopped, the engine cranking state and the engine operation While the target field magnetic flux is set to the maximum value φmax, the target field characteristics may be set based on the required torque, angular velocity, voltage, operating condition, and generator temperature. In this case, the voltage and temperature parameters may be reflected in a table (or map) and stored in the memory of the ECU 500. For example, even when the engine is operating, it is not necessary to generate power with the generator 200, and if the required torque is zero, the field magnetic flux is switched to the minimum value φmin. Depending on the voltage and temperature, the minimum value φmin of the field magnetic flux is changed to another minimum value φmin ′, or the maximum value φmax is changed to another maximum value φmax ′. The field magnetic flux of the generator 200 may be switched between the minimum value φmin ′ and the maximum value φmax ′.

100 エンジン、200 回転電機(発電機)、300 回転電機(モータ)、400 タイヤ、500 電子制御装置(ECU)。
100 engine, 200 rotating electric machine (generator), 300 rotating electric machine (motor), 400 tire, 500 electronic control unit (ECU).

Claims (6)

可変界磁型の回転電機を制御する制御装置であって、
前記回転電機はエンジンのクランク軸に連結され、前記エンジンの動力により発電するものであり、
少なくとも前記エンジンの運転状況を入力する入力手段と、
前記運転状況に基づき、前記回転電機の目標界磁磁束を最大界磁磁束あるいは最小界磁磁束のいずれかに切り換える切換手段と、
前記目標界磁磁束に基づき、前記回転電機の界磁磁束を前記目標界磁磁束に制御するための制御指令を出力する制御手段と、
を備えることを特徴とする回転電機の制御装置。
A control device for controlling a variable field type rotating electrical machine,
The rotating electrical machine is connected to an engine crankshaft and generates electric power by the engine power;
Input means for inputting at least the operating status of the engine;
Switching means for switching the target field magnetic flux of the rotating electrical machine to either the maximum field magnetic flux or the minimum field magnetic flux based on the operation status;
Control means for outputting a control command for controlling the field magnetic flux of the rotating electric machine to the target field magnetic flux based on the target field magnetic flux,
A control device for a rotating electrical machine comprising:
請求項1記載の回転電機の制御装置において、
前記切換手段は、前記エンジンの停止状態では最小界磁磁束を前記目標界磁磁束とし、前記エンジンの運転状態では最大界磁磁束を前記目標界磁磁束とすることを特徴とする回転電機の制御装置。
The control apparatus for a rotating electrical machine according to claim 1,
The switching means controls the rotating electrical machine to use the minimum field magnetic flux as the target field magnetic flux when the engine is stopped and the maximum field magnetic flux as the target field magnetic flux when the engine is operating. apparatus.
請求項2記載の回転電機の制御装置において、
前記切換手段は、前記エンジンのクランキング状態では最大界磁磁束を前記目標界磁磁束とすることを特徴とする回転電機の制御装置。
The control apparatus for a rotating electrical machine according to claim 2,
The control device for a rotating electrical machine, wherein the switching means sets a maximum field magnetic flux as the target field magnetic flux in a cranking state of the engine.
請求項3記載の回転電機の制御装置において、
前記制御手段は、前記エンジンのクランキングの開始に先立って前記回転電機の界磁磁束を最大界磁磁束に制御することを特徴とする回転電機の制御装置。
The control apparatus for a rotating electrical machine according to claim 3,
The control unit controls a rotating electrical machine to a maximum field magnetic flux before the cranking of the engine is started.
可変界磁型の回転電機と、
前記回転電機を制御する制御装置と、
を備え、
前記回転電機はエンジンのクランク軸に連結され、前記エンジンの動力により発電するものであり、
前記制御装置は、
少なくとも前記エンジンの運転状況を入力する入力手段と、
前記運転状況に基づき、前記回転電機の目標界磁磁束を最大界磁磁束あるいは最小界磁磁束のいずれかに切り換える切換手段と、
前記目標界磁磁束に基づき、前記回転電機の界磁磁束を前記目標界磁磁束に制御するための制御指令を出力する制御手段と、
を備えることを特徴とする回転電機制御システム。
A variable field type rotating electrical machine,
A control device for controlling the rotating electrical machine;
With
The rotating electrical machine is connected to an engine crankshaft and generates electric power by the engine power;
The controller is
Input means for inputting at least the operating status of the engine;
Switching means for switching the target field magnetic flux of the rotating electrical machine to either the maximum field magnetic flux or the minimum field magnetic flux based on the operation status;
Control means for outputting a control command for controlling the field magnetic flux of the rotating electric machine to the target field magnetic flux based on the target field magnetic flux,
A rotating electrical machine control system comprising:
請求項5記載の回転電機制御システムを備えた車両。
A vehicle comprising the rotating electrical machine control system according to claim 5.
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