JP2005094932A - モータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の大型化を招くことなくコイルに発生する逆起電圧の抑制制御を行う。
【解決手段】永久磁石１８からステータ１２への鎖交磁束数を減少させるときは、いずれかのステータ１２のコイル２２が永久磁石１８とほぼ対向する状態で、そのステータ１２の固定を解除する。そして、そのステータ１２のコイル２２が発生する磁気力と永久磁石１８が発生する磁気力とが反発するように、コイル２２に流す電流を制御することにより、固定が解除されたステータ１２を半径方向外側へ移動させる。固定が解除されたステータ１２のコイル２２と永久磁石１８とが対向しなくなったら、そのステータ１２を固定する。この動作をすべてのステータ１２に対して行って、すべてのステータ１２を半径方向外側へ移動させる。
【選択図】図３

Description

本発明はラジアル型モータの駆動装置、特にコイルに発生する逆起電圧の抑制を図ったモータ駆動装置に関する。

従来のモータ駆動装置の一例が特許文献１〜３及び非特許文献１に開示されている。特許文献１においては、テーパ形状を有するロータが回転軸方向に摺動可能となっており、このロータを摺動させるための駆動力を油圧またはモータによって発生させている。そして、ロータとステータとの対向面積が減少し、ロータとステータとの間のギャップ量が増大する方向にロータを摺動させるように、油圧またはモータの制御を行うことにより、ロータの永久磁石からステータに鎖交する磁束を減少させている。これによって、ステータのコイルに発生する逆起電圧の抑制を図っている。

特許文献２においては、ロータ内部に可動磁石が埋め込まれており、ロータの回転に伴う遠心力の増大によってこの可動磁石がロータ外方向に移動する。この可動磁石のロータ外方向の移動によって、ロータ外周の永久磁石からステータに鎖交する磁束を減少させている。

特許文献３においては、ロータとともに回転して半径方向に摺動可能なウェイトが設けられており、このウェイトに加わる遠心力によりロータ外周の永久磁石を回転軸方向に移動させている。この永久磁石の移動によって永久磁石とステータとの対向面積を減少させることで、ロータ外周の永久磁石からステータに鎖交する磁束を減少させている。

非特許文献１においては、ロータに配設された永久磁石の磁束の一部を短絡するための可動円板がロータの両側に配置されている。そして、この可動円板をロータに近づけることにより、永久磁石からステータに鎖交する磁束を減少させている。

特開平５−１９９７０５号公報 特開平４−２５１５３４号公報 特開平５−３００７１２号公報 馬雷他、「可動円板を用いた埋込磁石構造ＰＭモータの弱め磁束制御」、平成１３年電気学会産業応用部門大会、ｐｐ．２２３−２２６，２００１

特許文献１においては、ロータを摺動させる駆動力を発生させるために、油圧装置やモータ等の専用のアクチュエータ及びその制御装置を必要とするため、装置全体が大型化してしまうという問題点がある。同様に、非特許文献１においても、可動円板を移動させる駆動力を発生させるためのアクチュエータ及びその制御装置が必要となる。一方、特許文献２，３においては、遠心力を利用して可動磁石及びウェイトをそれぞれ移動させることでステータへの鎖交磁束を減少させているが、可動磁石及びウェイトの位置は遠心力によって決まるため、ステータへの鎖交磁束をモータの運転状態に応じた望ましい磁束数に制御できているわけではない。

本発明は、装置の大型化を招くことなくコイルに発生する逆起電圧の抑制制御を行うことができるモータ駆動装置を提供することを目的とする。

本発明に係るモータ駆動装置は、回転軸に固定され、永久磁石が配設されたロータと、該永久磁石からの磁束が鎖交可能な位置にコイルが配設されたステータと、コイルに流す電流を制御する制御装置と、を有するラジアル型モータの駆動装置であって、ロータとステータとの間のギャップ量を変化させることができるように、ステータを移動可能な状態で支持する移動機構を有し、前記制御装置は、コイルの発生する磁気力と永久磁石の発生する磁気力とが反発するようにコイルに流す電流を制御することにより、ロータとステータとの間のギャップ量を増大させることを要旨とする。

この本発明においては、制御装置は、ステータのコイルの発生する磁気力とロータの永久磁石の発生する磁気力とが反発するようにコイルに流す電流を制御することにより、ロータとステータとの間のギャップ量を増大させている。このギャップ量の増大によって、ロータの永久磁石からステータに鎖交する磁束数を減少させることができ、コイルに発生する逆起電圧を抑制することができる。その際に、コイルに流す電流を利用してロータとステータとの間のギャップ量を増大させることができるので、ギャップ量を増大させる駆動力を発生させるために専用のアクチュエータ及びその制御装置を付加する必要がない。したがって、本発明によれば、装置の大型化を招くことなくコイルに発生する逆起電圧の抑制制御を行うことができる。

また、本発明に係るモータ駆動装置は、回転軸に固定され、永久磁石が配設されたロータと、該永久磁石からの磁束が鎖交可能な位置にコイルが配設されたステータと、コイルに流す電流を制御する制御装置と、を有するラジアル型モータの駆動装置であって、ロータとステータとの間のギャップ量を変化させることができるように、ステータを移動可能な状態で支持する移動機構と、ロータとステータとの間のギャップ量を増大させるための移動力をステータに付加する移動力付加手段と、を有し、前記制御装置は、ステータを鎖交する磁束が減少するようにコイルに流す電流を制御することにより、ロータとステータとの間のギャップ量を増大させることを要旨とする。

この本発明においては、ロータとステータとの間のギャップ量を増大させるための移動力が移動力付加手段によってステータに付加されている。そして、制御装置は、ステータを鎖交する磁束が減少するようにコイルに流す電流を制御することにより、ロータの永久磁石のステータを吸引する磁気力が減少して移動力付加手段の移動力より小さくなるため、この移動力によりステータが移動してロータとステータとの間のギャップ量を増大させることができる。これによって、ステータへの鎖交磁束数を減少させて、コイルに発生する逆起電圧を抑制することができる。ここでの移動力付加手段については、例えばばね等の簡単な構成によって実現することができる。したがって、本発明によれば、装置の大型化を招くことなくコイルに発生する逆起電圧を低減することができる。さらに、コイルに流す電流だけでなく移動力付加手段による移動力も利用してロータとステータとの間のギャップ量を増大させているので、ギャップ量を増大させるのに必要なコイルの電流を低減することができる。

この本発明に係るモータ駆動装置において、前記ギャップ量の異なる複数の所定位置にてステータを固定する固定機構を有し、前記制御装置により前記ギャップ量を増大させるときは、ステータの該固定機構による固定を解除するものとすることもできる。こうすれば、ステータを移動させないときはステータを確実に固定することができる。

この本発明に係るモータ駆動装置において、前記制御装置は、演算したｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値に基づいてコイルに流す電流を制御し、ｑ軸電流指令値が略０のときにｄ軸電流指令値に基づくコイルへの電流によって前記ギャップ量を増大させるものとすることもできる。こうすれば、ステータへの鎖交磁束数の減少によるトルク変動への影響を低減することができるとともに、トルクをほとんど発生しない低負荷運転時の効率を向上させることができる。

この本発明に係るモータ駆動装置において、前記制御装置は、コイルの発生する磁気力と永久磁石の発生する磁気力とが吸引するようにコイルに流す電流を制御することにより、ロータとステータとの間のギャップ量を減少させるものとすることもできる。こうすれば、コイルに流す電流を利用してロータとステータとの間のギャップ量を減少させることができるので、ステータへの鎖交磁束数を減少させる制御の実行をコイルに流す電流制御によって終了させることができる。

また、本発明に係るモータ駆動装置は、回転軸に固定され、永久磁石が配設されたロータと、該ロータの半径方向周囲を取り囲むように配置されたステータであって、永久磁石からの磁束が鎖交可能な位置にコイルが配設され、複数に分割可能なステータと、を有するラジアル型モータの駆動装置であって、ロータとステータとの間のギャップ量を変化させることができるように、ステータを分割させながら半径方向に移動可能な状態で支持する移動機構を有し、ステータの半径方向の移動によって、該ステータを鎖交する磁束の減少が可能であることを要旨とする。

以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。

図１，２は、本発明の実施形態に係るモータ駆動装置の構成の概略を示す図である。本実施形態のモータ駆動装置は、ラジアル型モータの駆動装置であり、ロータ１０、ステータ１２、移動機構１４、固定機構１６、制御装置３０、インバータ３２及びバッテリ３６を備えている。

ロータ１０は図示しない回転軸に固定されており、ロータ１０の半径方向の外周部には永久磁石１８が配設されている。

ステータ１２は、ロータ１０の半径方向周囲を取り囲むように配置されており、移動機構１４によって支持されている。ステータ１２における永久磁石１８からの磁束が鎖交する位置には、ロータ１０に向かって突出したティース２０が形成されており、ティース２０に導線が巻回されることでコイル２２が形成されている。ステータ１２については、コイル単位で複数に分割することが可能である。

移動機構１４は、図示しないハウジングに固定されており、ステータ１２を半径方向に移動可能な状態で支持する。ここでの移動機構１４は、例えば半径方向に延設された非磁性材料のレールによって実現することができ、ステータ１２はこの移動機構１４に沿って半径方向に摺動することができる。ステータ１２が移動機構１４に沿って半径方向に摺動すると、ロータ１０とステータ１２との間の半径方向に関するギャップ量が変化する。また、ステータ１２が半径方向外側に移動する際は、ステータ１２はコイル単位で複数に分割される。

固定機構１６は、半径方向における複数の異なる位置にてステータ１２を固定することができる。これによって、ギャップ量の異なる複数の所定位置にてステータ１２を固定することができる。ここでの固定機構１６は、例えば図２に示すように、アクチュエータによって回転軸方向に駆動可能である複数の非磁性材料のロックピンによって実現することができ、ステータ１２にはロックピンを差し込むための孔が設けられている。ここでのアクチュエータはロックピンを駆動するためのものであるため装置の大型化を招くことはない。なお、図２では２か所にてステータ１２を固定可能な場合を示しているが、ロックピンをさらに増やしてステータ１２の固定可能位置をさらに増やしてもよい。

制御装置３０は、ｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を演算し、このｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値に基づいてインバータ３２の駆動を制御することによりコイル２２に流す電流の制御を行う。バッテリ３６からの直流電圧はインバータ３２によって交流に変換されてコイル２２に交流電流が供給される。このコイル２２に供給される交流電流によって発生する回転磁界と永久磁石１８の発生する磁界との相互作用により、ロータ１０を回転駆動させるためのトルクを発生することができる。

このように、本実施形態に係るモータ駆動装置においては、ステータ１２が移動機構１４に沿って半径方向に摺動すると、ロータ１０とステータ１２との間の半径方向に関するギャップ量が変化するため、永久磁石１８からステータ１２への鎖交磁束数が変化する。このギャップ量の変化による鎖交磁束数の変化を利用して、ロータ１０がほとんどトルクを発生しない低負荷運転時には、ロータ１０とステータ１２との間のギャップ量を増大させることにより、永久磁石１８からステータ１２への鎖交磁束数を減少させる。これによって、低負荷運転時の効率を向上させる。

さらに、本実施形態において、ロータ１０とステータ１２との間のギャップ量を増大させる場合は、以下のようにして行う。まずいずれかのステータ１２のコイル２２が永久磁石１８とほぼ対向する状態で、そのステータ１２の固定機構１６による固定を解除する。そして、制御装置３０は、そのステータ１２のコイル２２が発生する磁気力と永久磁石１８が発生する磁気力とが反発するように、コイル２２に流す電流を制御する。この磁気力同士の反発を利用して、図３に示すように、固定が解除されたステータ１２を半径方向外側へ移動させる。固定が解除されたステータ１２のコイル２２と永久磁石１８とが対向しなくなったら、そのステータ１２を固定機構１６によって固定する。この動作をすべてのステータ１２に対して行うことにより、すべてのステータ１２を半径方向外側へ移動させる。ロータ１０とステータ１２との間のギャップ量をさらに増大させる場合は、同様の動作をすべてのステータ１２に対して繰り返す。以上の動作によって、ロータ１０とステータ１２との間のギャップ量を増大させることができ、永久磁石１８からステータ１２への鎖交磁束数を減少させることができる。

一方、ロータ１０の駆動トルクが必要になった場合は、ロータ１０とステータ１２との間のギャップ量を減少させる。このギャップ量を減少させる動作については、以下のようにして行う。まずいずれかのステータ１２のコイル２２が永久磁石１８とほぼ対向する状態で、そのステータ１２の固定機構１６による固定を解除する。そして、制御装置３０は、そのステータ１２のコイル２２が発生する磁気力と永久磁石１８が発生する磁気力とが吸引するように、コイル２２に流す電流を制御する。この磁気力同士の吸引を利用して、固定が解除されたステータ１２を半径方向内側へ移動させる。固定が解除されたステータ１２のコイル２２と永久磁石１８とが対向しなくなったら、そのステータ１２を固定機構１６によって固定する。この動作をすべてのステータ１２に対して行うことにより、すべてのステータ１２を半径方向内側へ移動させる。ロータ１０とステータ１２との間のギャップ量をさらに減少させる場合は、同様の動作をすべてのステータ１２に対して繰り返す。以上の動作によって、ロータ１０とステータ１２との間のギャップ量を減少させることができるので、ロータ１０の駆動トルクが必要になった場合は、永久磁石１８からステータ１２への鎖交磁束数を増大させることができる。

ここで、ロータ１０がほとんどトルクを発生していないときのｑ軸電流指令値は、ほぼ０である。したがって、磁気力同士の反発／吸引を利用してロータ１０とステータ１２との間のギャップ量を増大／減少させているときは、実質的にｄ軸電流指令値によってコイル２２に流す電流の制御が行われることになり、このときのｄ軸電流指令値はロータ１０の回転速度に基づいて算出される。

以上説明したように、本実施形態においては、ロータ１０がほとんどトルクを発生しない低負荷運転時に、ロータ１０とステータ１２との間の半径方向に関するギャップ量を増大させることにより、ステータ１２に鎖交する磁束数を減少させている。これによって、コイル２２に発生する逆起電圧を抑制し、低負荷運転時の効率を向上させている。その際に、制御装置３０は、ステータ１２のコイル２２が発生する磁気力とロータ１０の永久磁石１８が発生する磁気力とが反発するようにコイル２２に流す電流を制御することにより、ロータ１０とステータ１２との間の半径方向に関するギャップ量を増大させている。このように、コイル２２に流す電流を利用してロータ１０とステータ１２との間のギャップ量を増大させることができるので、このギャップ量を増大させる駆動力を発生させるために専用のアクチュエータ及びその制御装置を付加する必要がない。したがって、本実施形態によれば、装置の大型化を招くことなく、永久磁石１８からステータ１２への鎖交磁束数を減少させることができ、コイル２２に発生する逆起電圧の抑制制御を行うことができる。

一方、ロータ１０の駆動トルクが必要になったときは、制御装置３０は、ステータ１２のコイル２２が発生する磁気力とロータ１０の永久磁石１８が発生する磁気力とが吸引するようにコイル２２に流す電流を制御することにより、ロータ１０とステータ１２との間の半径方向に関するギャップ量を減少させることができる。したがって、専用のアクチュエータ及びその制御装置を付加することなく、ロータ１０とステータ１２との間のギャップ量を減少させることができ、永久磁石１８からステータ１２への鎖交磁束数を増大させることができる。

また、ｑ軸電流指令値がほぼ０である低負荷運転時に、ｄ軸電流指令値によって制御されるコイル２２への電流を利用してロータ１０とステータ１２との間のギャップ量を変化させているため、永久磁石１８からステータ１２への鎖交磁束数の変化によるトルク変動への影響を抑制することができる。

そして、ステータ１２を半径方向に移動させないときは固定機構１６によりステータ１２を固定するので、ロータ１０とステータ１２との間のギャップ量を変化させないときはステータ１２を確実に固定することができる。

本実施形態においては、図４に示すように、移動機構１４にばね２８を設けてもよい。ばね２８は、ロータ１０とステータ１２との間のギャップ量を増大させる方向の力、すなわち半径方向外側への引っ張り力をステータ１２に付加している。なお、ステータ１２の移動範囲内において、ばね２８がステータ１２を半径方向外側に引っ張る力が永久磁石１８がステータ１２を半径方向内側に吸引する磁気力より小さくなるように、ばね２８の引っ張り力が設定されている。なお、他の構成については、図１，２に示す構成と同様であるため説明を省略する。

ここで、永久磁石１８によるステータ１２を半径方向内側に吸引する磁気力が強いため、コイル２２に流す電流だけによってステータ１２を半径方向外側に移動させてロータ１０とステータ１２との間のギャップ量を増大させるためには、コイル２２に大電流を流す必要がある。そこで、図４に示す構成においては、ばね２８による半径方向外側への引っ張り力をステータ１２に予め付加している。このばね２８による引っ張り力が付加された状態において、いずれかのステータ１２のコイル２２が永久磁石１８とほぼ対向するときに、そのステータ１２の固定機構１６による固定を解除する。そして、制御装置３０は、ステータ１２に鎖交する磁束数が減少するようにコイル２２に流す電流を制御する。これによって、永久磁石１８がステータ１２を半径方向内側に吸引する磁気力が減少し、この磁気力がばね２８の引っ張り力より小さくなると、ばね２８の引っ張り力によってステータ１２が半径方向外側へ移動してロータ１０とステータ１２との間のギャップ量が増大する。ステータ１２の移動が終了したら、固定機構１６によりステータ１２を固定し、ステータ１２に鎖交する磁束数を減少させるためのコイル２２の電流制御を終了する。

一方、ロータ１０とステータ１２との間のギャップ量を減少させるときは、ステータ１２に鎖交する磁束数を減少させるためのコイル２２の電流制御を行わない状態で、固定機構１６によるステータ１２の固定を解除する。このとき、永久磁石１８がステータ１２を半径方向内側に吸引する磁気力がばね２８がステータ１２を半径方向外側に引っ張る力より大きいため、永久磁石１８の磁気力によってステータ１２が半径方向内側へ移動してロータ１０とステータ１２との間のギャップ量が減少する。ステータ１２の移動が終了したら、固定機構１６によりステータ１２を固定する。

図４に示す構成においても、装置の大型化を招くことなく、永久磁石１８からステータ１２への鎖交磁束数を変化させることができる。さらに、図４に示す構成においては、コイル２２に流す電流だけでなくばね２８による引っ張り力も利用してロータ１０とステータ１２との間のギャップ量を増大させており、ステータ１２の固定を解除することだけでギャップ量を減少させている。したがって、ロータ１０とステータ１２との間のギャップ量を変化させるのに必要なコイル２２の電流を低減することができる。

なお、ステータ１２を半径方向外側に引っ張る力を付加する手段としては、ばね２８以外にアクチュエータも用いることができる。ステータ１２の移動の際にはコイル２２に流す電流も利用しているため、アクチュエータを用いた場合でもアクチュエータを小型化することができる。ただし、ばね２８のように受動的に力を付加する手段の方が構成が簡単となるため好ましい。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明の実施形態に係るモータ駆動装置の構成の概略を示す図である。 本発明の実施形態に係るモータ駆動装置の構成の概略を示す図である。 本発明の実施形態に係るモータ駆動装置の動作を説明する図である。 本発明の実施形態に係るモータ駆動装置の他の構成の概略を示す図である。

符号の説明

１０ ロータ、１２ ステータ、１４ 移動機構、１８ 永久磁石、２２ コイル、２８ ばね、３０ 制御装置。

Claims (6)

1. 回転軸に固定され、永久磁石が配設されたロータと、
   該永久磁石からの磁束が鎖交可能な位置にコイルが配設されたステータと、
   コイルに流す電流を制御する制御装置と、
   を有するラジアル型モータの駆動装置であって、
   ロータとステータとの間のギャップ量を変化させることができるように、ステータを移動可能な状態で支持する移動機構を有し、
   前記制御装置は、コイルの発生する磁気力と永久磁石の発生する磁気力とが反発するようにコイルに流す電流を制御することにより、ロータとステータとの間のギャップ量を増大させることを特徴とするモータ駆動装置。
2. 回転軸に固定され、永久磁石が配設されたロータと、
   該永久磁石からの磁束が鎖交可能な位置にコイルが配設されたステータと、
   コイルに流す電流を制御する制御装置と、
   を有するラジアル型モータの駆動装置であって、
   ロータとステータとの間のギャップ量を変化させることができるように、ステータを移動可能な状態で支持する移動機構と、
   ロータとステータとの間のギャップ量を増大させるための移動力をステータに付加する移動力付加手段と、
   を有し、
   前記制御装置は、ステータを鎖交する磁束が減少するようにコイルに流す電流を制御することにより、ロータとステータとの間のギャップ量を増大させることを特徴とするモータ駆動装置。
3. 請求項１または２に記載のモータ駆動装置であって、
   前記ギャップ量の異なる複数の所定位置にてステータを固定する固定機構を有し、
   前記制御装置により前記ギャップ量を増大させるときは、ステータの該固定機構による固定を解除することを特徴とするモータ駆動装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１に記載のモータ駆動装置であって、
   前記制御装置は、演算したｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値に基づいてコイルに流す電流を制御し、ｑ軸電流指令値が略０のときにｄ軸電流指令値に基づくコイルへの電流によって前記ギャップ量を増大させることを特徴とするモータ駆動装置。
5. 請求項１に記載のモータ駆動装置であって、
   前記制御装置は、コイルの発生する磁気力と永久磁石の発生する磁気力とが吸引するようにコイルに流す電流を制御することにより、ロータとステータとの間のギャップ量を減少させることを特徴とするモータ駆動装置。
6. 回転軸に固定され、永久磁石が配設されたロータと、
   該ロータの半径方向周囲を取り囲むように配置されたステータであって、永久磁石からの磁束が鎖交可能な位置にコイルが配設され、複数に分割可能なステータと、
   を有するラジアル型モータの駆動装置であって、
   ロータとステータとの間のギャップ量を変化させることができるように、ステータを分割させながら半径方向に移動可能な状態で支持する移動機構を有し、
   ステータの半径方向の移動によって、該ステータを鎖交する磁束の減少が可能であることを特徴とするモータ駆動装置。
   

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