特開 2024-158379 電動モータにおける制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024158379

(43)【公開日】2024-11-08

(54)【発明の名称】電動モータにおける制御装置

(51)【国際特許分類】

   H02P 21/22 20160101AFI20241031BHJP

   H02P 27/06 20060101ALI20241031BHJP

【ＦＩ】

H02P21/22

H02P27/06

【審査請求】有

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023073531

(22)【出願日】2023-04-27

(11)【特許番号】

(45)【特許公報発行日】2024-05-16

(71)【出願人】

【識別番号】000000170

【氏名又は名称】いすゞ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002952

【氏名又は名称】弁理士法人鷲田国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】山根 太志

(72)【発明者】

【氏名】菊地 拓也

【テーマコード（参考）】

5H505

【Ｆターム（参考）】

5H505AA16

5H505BB04

5H505DD03

5H505DD08

5H505EE41

5H505GG04

5H505HB01

5H505JJ03

5H505JJ04

5H505JJ17

5H505LL45

(57)【要約】

【課題】乗り心地や、操縦安定性を向上することが可能な電動モータにおける制御装置を提供する。
【解決手段】電動モータにおける制御装置は、永久磁石または巻線の一方が配置されたロータと、永久磁石または巻線の他方が配置されたステータと、を備えた電動モータにおける制御装置であって、電動モータの起動時に、巻線の温度が所定温度未満である場合、巻線の温度が上がるようにｄ軸電流を制御し、かつ、ｄ軸電流による回転トルクがロータに発生する場合、回転トルクの方向と反対の方向であって、回転トルクと同じ大きさの回転トルクが前記ロータに発生するようにｑ軸電流を制御する制御部と、を備える。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

永久磁石または巻線の一方が配置されたロータと、
前記永久磁石または前記巻線の他方が配置されたステータと、
を備えた電動モータにおける制御装置であって、
前記電動モータの起動時に、前記巻線の温度が所定温度未満である場合、前記巻線の温度が上がるようにｄ軸電流を制御し、かつ、前記ｄ軸電流による回転トルクが前記ロータに発生する場合、前記回転トルクの方向と反対の方向であって、前記回転トルクと同じ大きさの回転トルクが前記ロータに発生するようにｑ軸電流を制御する制御部と、
を備える、
電動モータにおける制御装置。

【請求項2】

前記ｄ軸電流、前記ｑ軸電流および前記回転トルクのそれぞれの相互の関係を表す数式に基づいて前記ｑ軸電流の電流値を算出する算出部をさらに備える、
請求項１に記載の電動モータにおける制御装置。

【請求項3】

前記算出部は、以下の数式に基づいて、前記ｑ軸電流の電流値を算出する、
Ｔ＝Ｐｎ＊Ψａ＊ｉｑ＋Ｐｎ（Ｌｑ－Ｌｄ）ｉｄ＊ｉｑ
ここで、Ｔは回転トルク、Ｐｎは極対数、Ψａは鎖交磁束、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、ｉｄはｄ軸電流、ｉｑはｑ軸電流である、
請求項２に記載の電動モータにおける制御装置。

【請求項4】

前記算出部は、予め定られた前記ｄ軸電流の電流値に基づいて、前記ｑ軸電流の電流値を算出する、
請求項２または３に記載の電動モータにおける制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、電動モータにおける制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

電動車両（ＥＶ）はその走行に動力源として電動モータを用いる。電動モータは、永久磁石または巻線の一方が配置されたロータと、永久磁石または巻線の他方が配置されたステータとを備えている。このような電動モータでは、その巻線温度が所定温度未満である場合、起動させることができない。そこで、ｄ軸に電流を流して、巻線温度を起動可能温度まで上昇させることが行われている。

【0003】

例えば、特許文献１には、ｄ軸電流の指令値を変更することにより、モータの温度を上昇させることが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２１-１４１７４７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、電動モータにおいて、例えば、巻線に発生するＮ極と、永久磁石のＳ極とが対向していない状態で、ｄ軸電流が流れると、Ｎ極とＳ極とが対向するように、ロータが回転する。これにより、停車中の車両がロータの回転に応じて急激に動くため、乗り心地や、操縦安定性に大きな影響を与えるという問題がある。

【0006】

本開示の目的は、乗り心地や、操縦安定性を向上することが可能な電動モータにおける制御装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記の目的を達成するため、本開示における電動モータにおける制御装置は、
永久磁石または巻線の一方が配置されたロータと、
前記永久磁石または前記巻線の他方が配置されたステータと、
を備えた電動モータにおける制御装置であって、
前記電動モータの起動時に、前記巻線の温度が所定温度未満である場合、前記巻線の温度が上がるようにｄ軸電流を制御し、かつ、前記ｄ軸電流による回転トルクが前記ロータに発生する場合、前記回転トルクの方向と反対の方向であって、前記回転トルクと同じ大きさの回転トルクが前記ロータに発生するようにｑ軸電流を制御する制御部と、
を備える。

【発明の効果】

【0008】

本開示によれば、乗り心地や、操縦安定性を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は本開示の実施の形態におけるＩＰＭモータの断面図である。

【図2】図２は本開示の実施の形態におけるＩＰＭモータの等価モデルを示す図である。

【図3】図３は、図２に示す３相（ｕ，ｖ，ｗ）座標系を直流の２相（ｄ，ｑ）座標系で表したモータの概念図である。

【図4】図４は本開示の実施の形態におけるＩＰＭモータにおける制御装置の一例を機能的に示すブロック図である。

【図5】図５は本開示の実施の形態におけるＩＰＭモータにおける制御装置の動作の一例を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本開示の実施の形態におけるＩＰＭモータの断面図である。
ＩＰＭモータ１は、ロータ１０（回転子）とステータ２０（固定子）とを有し、ステータ２０の内側にロータ１０が配されたインナーロータ型のモータである。ＩＰＭモータ１は４極を有する。

【0011】

（ロータ１０）
ロータ１０は、シャフト１１とロータコア１２とを有している。

【0012】

シャフト１１は、円柱状の部材を有し、図１の紙面の奥行方向に延在している。

【0013】

ロータコア１２は、円筒状の部材を有し、軸線の方向（奥行方向）に沿うように軸孔１２ａを有している。軸孔１２ａにはシャフト１１が嵌め込まれている。これにより、ロータコア１２は、シャフト１１と軸回りに一体的に回転する。

【0014】

（永久磁石３０）
本実施の形態では、ロータ１０は、同一形状の４個の永久磁石３０を有している。４個の永久磁石３０は、永久磁石３０の対が軸線に関して均等な角度間隔で配置されている。永久磁石３０は、いずれもラジアル対向配置されており、Ｎ極を有するＮ極磁石３０Ａと、Ｓ極を有するＳ極磁石３０Ｂとが軸線回りに交互に配置されている。

【0015】

（ステータ２０）
ステータ２０は、円筒状のステータコア２１を有している。ステータコア２１は、ロータ１０の外周を囲むように配置されている。

【0016】

ステータコア２１の内周側には複数（ここでは、２４個）の巻線２２（コイル）が配置されている。複数の巻線２２は、ロータ１０の軸線に関して均等な角度間隔で配置されている。インバータ回路（不図示）から複数の巻線２２にＵ相、Ｖ相およびＷ相の３相交流電圧が印加されると、ステータコア２１の内側に磁界が発生する。

【0017】

図２は本開示の実施の形態におけるＩＰＭモータの等価モデルを示す図である。図２に、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）巻線に基づくモデルを示す。図２において、ｉｕはｕ相電気子電流、ｉｖはｖ相電気子電流、ｉｗはｗ相電気子電流、θは、Ｕ相からの永久磁石３０（回転子）の進み角、Ｒａは各相の電機子抵抗である。Ｍｕｖはｕ相ｖ相間相互インダクタンス、Ｍｖｗはｖ相ｗ相間相互インダクタンス、Ｍｗｕはｗ相ｕ相間相互インダクタンス、Ｌｕはｕ相自己インダクタンス、Ｌｖはｖ相自己インダクタンス、Ｌｗはｗ相自己インダクタンスである。

【0018】

３相巻線に基づくモデルにおいて、３相電圧はαβ座標系電圧に変更可能である。さらに、αβ軸をステータ２０（固定子）から見た回転座標系のｄｑ軸へ変換し、ロータ１０（回転子）の永久磁石３０の磁束方向をｄ軸、それと直交方向をｑ軸に設定可能である。図３は、図２に示す３相座標系を直流の２相（ｄ，ｑ）座標系で表したモータの概念図である。図３において、ｉｄはｄ軸電機子電流、ｉｑはｑ軸電機子電流、Ｒａは各相電機子の抵抗、Ｌｄはｄ軸自己インダクタンス、Ｌｑはｑ軸自己インダクタンスである。なお、図３に示す２相座標系では、ロータ１０の永久磁石の磁束（Ｎ極）方向にｄ軸を定め、ｄ軸から正方向に９０度進んだ方向をｑ軸とする。

【0019】

ＩＰＭモータ１の基本トルクＴは、以下の数式（１）で表すことができる。
Ｔ＝Ｐｎ｛Ｋｅ－（Ｌｑ－Ｌｄ）ｉｄ｝ｉｑ…（１）
ここで、Ｐｎは極対数、Ｋｅは誘導起電圧定数、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、ｉｄはｄ軸電流、ｉｑはｑ軸電流である。

【0020】

なお、ＩＰＭモータ１の起動時に巻線温度が所定温度未満である場合、起動させることができない。そこで、ｄ軸に電流を流して、巻線温度を起動可能温度まで上昇させる。ところで、ＩＰＭモータ１において、例えば、巻線２２に発生するＮ極と、永久磁石３０のＳ極（Ｓ極磁石３０Ｂ）とが対向していない状態で、ｄ軸電流が流れると、Ｎ極とＳ極とが対向するように、ロータ１０（回転子）に回転トルクが発生する。これにより、停車中の車両がロータ１０の回転に応じて急激に動くため、乗り心地や、操縦安定性に大きな影響を与えるという問題がある。

【0021】

本実施の形態では、ｄ軸電流による回転トルクがロータ１０に発生しても、停車中の車両が動かないように、回転トルクの方向と反対の方向であって、回転トルクと同じ大きさの回転トルクがロータ１０に発生するようにｑ軸電流を制御する。

【0022】

図４は、本開示の実施の形態におけるＩＰＭモータにおける制御装置の一例を機能的に示すブロック図である。制御装置４０は、制御部４１と記憶部４５とを備える。図４において、矢印は主なデータの流れを示しており、図４に示していないデータの流れがあってもよい。図４において、各機能ブロックはハードウェア（装置）単位の構成ではなく、機能単位の構成を示している。そのため、図４に示す機能ブロックは単一の装置内に実装されてもよく、あるいは複数の装置内に分かれて実装されてもよい。機能ブロック間のデータの授受は、データバス、コントローラエリアネットワーク（ＣＡＮバス）等、任意の手段を介して行われてもよい。

【0023】

記憶部４５は、制御装置４０を実現するコンピュータのＢＩＯＳ（Basic Input Output System）等を格納するＲＯＭ（Read Only Memory）や制御装置４０の作業領域となるＲＡＭ（Random Access Memory）、ＯＳ（Operating System）やアプリケーションプログラム、当該アプリケーションプログラムの実行時に参照される種々の情報を格納するＨＤＤ（Hard Disk Drive）やＳＳＤ（Solid State Drive）等の記憶装置である。

【0024】

また、記憶部４５は、所定温度を格納する。所定温度は、ＩＰＭモータ１の性能や、構成等に応じており、実験やシミュレーションにより設定される。本実施の形態において、所定温度は、ＩＰＭモータ１が動作可能な温度範囲の下限値である。なお、所定温度は、温度センサの検出精度に応じて検出誤差が生じるため、所定温度は、所定の温度範囲を有してもよい。

【0025】

制御部４１は、制御装置４０のＣＰＵ（Central Processing Unit）やＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等のプロセッサであり、記憶部４５に記憶されたプログラムを実行することによって取得部４２、判定部４３及び算出部４４として機能する。

【0026】

なお、図４に示す制御装置４０が単一の装置で構成されている場合の例を示している。しかしながら、制御装置４０は、例えば複数のプロセッサやメモリ等の計算リソースによって実現されてもよい。この場合、制御部４１を構成する各部は、複数の異なるプロセッサの中の少なくともいずれかのプロセッサがプログラムを実行することによって実現される。

【0027】

取得部４２は、温度検出部（不図示）から巻線２２の温度を取得する。

【0028】

判定部４３は、巻線２２の温度が所定温度未満であるか否かを判定する。

【0029】

制御部４１は、ＩＰＭモータ１の起動時に、巻線２２の温度が所定温度未満である場合、巻線２２の温度が上がるようにｄ軸電流を制御し、かつ、ｄ軸電流による回転トルクがロータ１０に発生する場合、回転トルクの方向と反対の方向であって、回転トルクと同じ大きさの回転トルクがロータ１０に発生するようにｑ軸電流を制御する。

【0030】

算出部４４は、ｄ軸電流による回転トルクの方向と反対の方向であって、回転トルクと同じ大きさの回転トルクがロータ１０に発生するようにｑ軸電流の電流値を算出する。

【0031】

算出部４４は、ｄ軸電流、ｑ軸電流および回転トルクのそれぞれの相互の関係を表す数式（２）に基づいてｑ軸電流の電流値を算出する。なお、数式（２）は、上記の数式（１）から導くことができる。

【0032】

Ｔ＝Ｐｎ＊Ψａ＊ｉｑ＋Ｐｎ（Ｌｑ－Ｌｄ）ｉｄ＊ｉｑ…（２）
ここで、Ｔは回転トルク、Ｐｎは極対数、Ψａは鎖交磁束、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、ｉｄはｄ軸電流、ｉｑはｑ軸電流である。なお、ｄ軸電流の電流値は、巻線２２の温度に応じた電流値でもよく、また、巻線２２の温度に拘わらず、予め定められた電流値でもよい。

【0033】

次に、本開示の実施の形態におけるＩＰＭモータにおける制御装置の動作の一例について説明する。図５は本開示の実施の形態におけるＩＰＭモータにおける制御装置の動作の一例を示すフローチャートである。本フローは、ＩＰＭモータ１の起動時に開始される。

【0034】

先ず、ステップＳ１１０において、取得部４２は、巻線２２の温度を取得する。

【0035】

次に、ステップＳ１２０において、判定部４３は、巻線２２の温度が所定温度未満であるか否かを判定する。巻線２２の温度が所定温度未満である場合（ステップＳ１２０：ＹＥＳ）、処理はステップＳ１３０に遷移する。巻線２２の温度が所定温度以上である場合（ステップＳ１２０：ＮＯ）、本フローは終了する。

【0036】

ステップＳ１３０において、算出部４４は、ｄ軸電流の電流値を取得する。

【0037】

次に、ステップＳ１４０において、算出部４４は、ｄ軸電流の電流値に基づいて、上記数式（２）を参照してｑ軸電流の電流値を算出する。

【0038】

次に、ステップＳ１５０において、制御部４１は、ｄ軸電流の電流値、および、ｑ軸電流の電流値に基づいてＩＰＭモータ１を制御する。

【0039】

上記実施の形態におけるＩＰＭモータ１の制御装置４０は、永久磁石３０または巻線２２の一方が配置されたロータ１０と、永久磁石３０または巻線２２の他方が配置されたステータ２０と、を備えた電動モータにおける制御装置であって、ＩＰＭモータ１の起動時に、巻線２２の温度が所定温度未満である場合、巻線２２の温度が上がるようにｄ軸電流を制御し、かつ、ｄ軸電流による回転トルクがロータ１０に発生する場合、回転トルクの方向と反対の方向であって、回転トルクと同じ大きさの回転トルクがロータ１０に発生するようにｑ軸電流を制御する制御部４１と、を備える。

【0040】

上記構成によれば、ｄ軸電流を巻線２２に流すことにより、巻線２２の温度が上昇し、ＩＰＭモータ１を起動することが可能となる。また、ｑ軸電流を巻線２２に流すことにより、ｄ軸電流による回転トルクとｑ軸電流による回転トルクとが相殺されて、ロータ１０に回転トルクが発生しないため、停車中の車両がロータの回転に応じて急激に動くことがなく、乗り心地や、操縦安定性を向上することが可能となる。

【0041】

また、上記実施の形態におけるＩＰＭモータ１の制御装置４０では、ｄ軸電流、ｑ軸電流および回転トルクのそれぞれの相互の関係を表す数式に基づいてｑ軸電流の電流値を算出する算出部４４をさらに備える。これにより、ｄ軸電流による回転トルクとｑ軸電流による回転トルクとを確実に相殺することが可能となる。

【0042】

また、上記実施の形態におけるＩＰＭモータ１の制御装置４０では、算出部４４は、以下の数式に基づいて、ｑ軸電流の電流値を算出する。
Ｔ＝Ｐｎ＊Ψａ＊ｉｑ＋Ｐｎ（Ｌｑ－Ｌｄ）ｉｄ＊ｉｑ
ここで、Ｔは回転トルク、Ｐｎは極対数、Ψａは鎖交磁束、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、ｉｄはｄ軸電流、ｉｑはｑ軸電流である。
上記構成により、算出部４４は、ｄ軸電流（ｉｄ）を上記の数式に代入することで、ｑ軸電流の電流値を直接的に算出することが可能となる。

【0043】

その他、上記実施の形態は、何れも本開示の実施をするにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本開示の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本開示はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

【産業上の利用可能性】

【0044】

本開示は、乗り心地や、操縦安定性を向上することが要求される電動モータにおける制御装置を備えた電動車両に好適に利用される。

【符号の説明】

【0045】

１ ＩＰＭモータ
１０ ロータ（回転子）
１１ シャフト
１２ ロータコア
１２ａ 軸孔
２０ ステータ（固定子）
２１ ステータコア
２２ 巻線
３０ 永久磁石
３０Ａ Ｎ極磁石
３０Ｂ Ｓ極磁石
４０ 制御装置
４１ 制御部
４２ 取得部
４３ 判定部
４４ 算出部
４５ 記憶部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【手続補正書】

【提出日】2024-03-25

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

永久磁石または巻線の一方が配置されたロータと、
前記永久磁石または前記巻線の他方が配置されたステータと、
を備え、車両に搭載される電動モータにおける制御装置であって、
前記電動モータの起動時に、前記巻線の温度が所定温度未満である場合、前記巻線の温度が上がるようにｄ軸電流を制御し、かつ、前記ｄ軸電流による回転トルクが前記ロータに発生する場合、前記発生した前記回転トルクにより停車中の前記車両が動かないように、前記回転トルクの方向と反対の方向であって、前記回転トルクと同じ大きさの回転トルクが前記ロータに発生するようにｑ軸電流を制御する制御部と、
を備える、
電動モータにおける制御装置。

【請求項2】

前記ｄ軸電流、前記ｑ軸電流および前記回転トルクのそれぞれの相互の関係を表す数式に基づいて前記ｑ軸電流の電流値を算出する算出部をさらに備える、
請求項１に記載の電動モータにおける制御装置。

【請求項3】

前記算出部は、以下の数式に基づいて、前記ｑ軸電流の電流値を算出する、
Ｔ＝Ｐｎ＊Ψａ＊ｉｑ＋Ｐｎ（Ｌｑ－Ｌｄ）ｉｄ＊ｉｑ
ここで、Ｔは回転トルク、Ｐｎは極対数、Ψａは鎖交磁束、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、ｉｄはｄ軸電流、ｉｑはｑ軸電流である、
請求項２に記載の電動モータにおける制御装置。

【請求項4】

前記算出部は、予め定られた前記ｄ軸電流の電流値に基づいて、前記ｑ軸電流の電流値を算出する、
請求項２または３に記載の電動モータにおける制御装置。

【手続補正2】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００７

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0007】

上記の目的を達成するため、本開示における電動モータにおける制御装置は、
永久磁石または巻線の一方が配置されたロータと、
前記永久磁石または前記巻線の他方が配置されたステータと、
を備え、車両に搭載される電動モータにおける制御装置であって、
前記電動モータの起動時に、前記巻線の温度が所定温度未満である場合、前記巻線の温度が上がるようにｄ軸電流を制御し、かつ、前記ｄ軸電流による回転トルクが前記ロータに発生する場合、前記発生した前記回転トルクにより停車中の前記車両が動かないように、前記回転トルクの方向と反対の方向であって、前記回転トルクと同じ大きさの回転トルクが前記ロータに発生するようにｑ軸電流を制御する制御部と、
を備える。