JP2007195387A - インバータ - Google Patents

Abstract

【課題】モータの効率及び性能を高めることが目的とされる。
【解決手段】モータ１は、固定子１１，１２及び回転子１３を備える。回転子１３は、界磁用磁石１３１〜１３４を有する。界磁用磁石１３１〜１３４は、環状に配置され、当該環状の外周側と内周側とにそれぞれ異なる磁極面を呈する。固定子１１は、ティース１１２の複数を有し、回転子１３に対して外周側に設けられる。固定子１２は、ティース１２２の複数を有し、回転子１３に対して内周側に設けられる。インバータ１１１は、外周側固定子１１で弱め磁束制御を行う。インバータ１２１は、内周側固定子１２でセンサレス制御を行う。
【選択図】図１

Description

本発明はインバータに関し、特にダブルステータのモータを制御するインバータに関する。

高出力のモータを実現するために、環状を呈する回転子の外周側及び内周側のいずれにも固定子を備えるモータが採用されている。当該モータは、例えば下掲の特許文献１，２に開示されている。

特開２００２−３３５６５８号公報 特開２００２−３６９４６７号公報

しかし、従来技術では、モータの高出力化は実現されているが、モータの効率及び性能は低下している可能性がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなれたものであり、モータの効率及び性能を高めることが目的とされる。

この発明の請求項１にかかるインバータは、環状に配置され、前記環状の外周側と内周側とにそれぞれ異なる磁極面を呈する、界磁用磁石（１３１）の複数を有する回転子（１３）と、前記回転子に対して前記外周側に設けられた固定子である外周側固定子（１１）と、前記回転子に対して前記内周側に設けられた固定子である内周側固定子（１２）とを備えるモータ（１）を制御するインバータ（１１１，１２１）であって、前記内周側固定子及び前記外周側固定子のいずれか一方（１１）で弱め磁束制御を行い、前記内周側固定子及び前記外周側固定子の他方（１２）でセンサレス制御を行う。

この発明の請求項２にかかるインバータは、請求項１記載のインバータであって、前記内周側固定子及び前記外周側固定子の前記一方（１１）に流れる電流の、ｑ軸からの位相のずれである第１の電流位相（β１）を、他方（１２）に流れる電流の前記ｑ軸からの位相のずれである第２の電流位相（β２）よりも大きくする。

この発明の請求項３にかかるインバータは、請求項２記載のインバータであって、前記内周側固定子及び前記外周側固定子の前記一方（１１）の前記第１の電流位相（β１）を９０°近傍に制御する。

この発明の請求項４にかかるインバータは、請求項１記載のインバータであって、前記モータ（１）で発生するトルク（Ｔ１）の前記第１の電流位相（β１）での偏微分が０となる前記第１の電流位相で、前記内周側固定子及び前記外周側固定子の前記一方（１１）において前記弱め磁束制御を行う。

この発明の請求項５にかかるインバータは、請求項３または請求項４記載のインバータであって、前記モータ（１）で発生するトルク（Ｔ２）の前記第２の電流位相（β２）での偏微分が０となる前記第２の電流位相で、前記内周側固定子及び前記外周側固定子の前記他方（１２）において弱め磁束制御をも行う。

この発明の請求項６にかかるインバータは、請求項２乃至請求項５のいずれか一つに記載のインバータ（１１１，１２１）が行う制御のいずれか少なくとも２つを、前記モータ（１）の回転数及び負荷のいずれか少なくとも一方に基づいて切り替えて、前記内周側固定子（１１）及び前記外周側固定子（１２）での前記制御を行う。

この発明の請求項７にかかるインバータは、請求項１乃至請求項６のいずれか一つに記載のインバータであって、前記内周側固定子及び前記外周側固定子の前記一方（１１）での前記モータ（１）の駆動の制御を、前記他方（１２）での前記センサレス制御で得られる前記モータの回転位置角（θ）に基づいて行う。

この発明の請求項８にかかるインバータは、請求項１乃至請求項７のいずれか一つに記載のインバータであって、前記内周側固定子及び前記外周側固定子の前記一方（１１）に流れる電流のｄ軸成分（ｉｄ１）に基づいて、前記他方（１２）に流れる鎖交磁束（φａ）を求め、前記鎖交磁束に基づいて前記他方でセンサレス制御を行う。

この発明の請求項９にかかるインバータは、請求項１乃至請求項８のいずれか一つに記載のインバータであって、前記センサレス制御では、前記内周側固定子及び前記外周側固定子の前記他方（１２）で誘起される誘起電圧（Ｖ０）に基づいて回転位置角（θ）を求める。

この発明の請求項１にかかるインバータによれば、内周側固定子及び外周側固定子の一方で弱め磁束制御を行うことで、モータの回転数が増加しても、モータに印加される電圧を所定値以下にすることができる。しかも、内周側固定子及び外周側固定子の他方でセンサレス制御を行うことで、回転位置角を検出するためのセンサが不要であり、以って電磁ノイズによるモータ性能の低下がない。

この発明の請求項２にかかるインバータによれば、第２の電流位相を、センサレス制御が可能な値まで大きくすることができる。よって、当該他方において、センサレス制御を行いつつも、弱め磁束制御を行うことができる。

この発明の請求項３にかかるインバータによれば、当該一方に流れる鎖交磁束の減少が顕著であり、以ってモータに印加される電圧を所定値以下にしやすい。

この発明の請求項４にかかるインバータによれば、トルクの第１の電流位相での偏微分が０となる第１の電流位相で、内周側固定子及び外周側固定子の一方によって弱め磁束制御を行うことで、モータのトルクを、他方によってセンサレス制御をする際に用いる第２の電流位相における最大値に近づけることができる。

この発明の請求項５にかかるインバータによれば、トルクの第２の電流位相での偏微分が０となる第２の電流位相で、内周側固定子及び外周側固定子の他方によって弱め磁束制御を行うことで、モータのトルクを、一方によって弱め磁束制御をする際に用いる第１の電流位相における最大値に近づけることができる。

この発明の請求項６にかかるインバータによれば、モータの駆動状態に基づいて内周側固定子及び外周側固定子で行う制御を切り替えるので、効率良くモータを駆動することができる。

この発明の請求項７にかかるインバータによれば、内周側固定子及び外周側固定子の一方において、回転位置角を求める必要がない。また、当該一方で弱め磁束制御とともにセンサレス制御を行う場合に、電流位相が大きくなって回転位置角が得られなくなっても、他方のセンサレス制御で得られた回転位置角を用いれば、当該一方において精度良くモータの駆動の制御を行うことができる。

この発明の請求項８にかかるインバータによれば、内周側固定子及び外周側固定子の一方で行う弱め磁束制御による、他方に流れる鎖交磁束への影響を考慮して、当該他方でセンサレス制御を行うことができるので、回転位置角を精度良く求めることができる。

この発明の請求項９にかかるインバータによれば、回転位置角を精度良く求めることができる。

第１の実施の形態．
図１は、本発明にかかるインバータ１１１，１２１及びその制御対象であるモータ１を概念的に示す。

モータ１は、固定子１１，１２及び回転子１３を備える。回転子１３は、界磁用磁石１３１〜１３４を有する。界磁用磁石１３１〜１３４は、環状に配置され、当該環状の外周側と内周側とにそれぞれ異なる磁極面を呈する。具体的には、界磁用磁石１３１，１３３は、外周側にＳ極、内周側にＮ極をそれぞれ呈し、界磁用磁石１３２，１３４は、外周側にＮ極、内周側にＳ極をそれぞれ呈する。

固定子１１は、ティース１１２の複数を有し、回転子１３に対して外周側に設けられる。以下では、固定子１１を外周側固定子と称す。ティース１１２は、径方向に延在し、回転子１３に外周側から対向する。

固定子１２は、ティース１２２の複数を有し、回転子１３に対して内周側に設けられる。以下では、固定子１２を内周側固定子と称す。ティース１２２は、径方向に延在し、回転子１３に内周側から対向する。

インバータ１１１は、外周側固定子１１で弱め磁束制御を行う。具体的には、外周側固定子１１に負のｄ軸電流ｉｄ１を流すことで、ｄ軸電機子反作用による減磁効果を利用して、ｄ軸方向の磁束を減少させる。このときの、外周側固定子１１に流れる電流ｉ１のｑ軸からの位相のずれを、以下では電流位相β１と称す。

上記インバータ１１１の制御は、例えば制御部１１１１と電力変換部１１１２とで実現される。具体的には、制御部１１１１は、電流位相β１に基づいて電力変換部１１１２の制御を行う。電流位相β１は、例えばインバータ１１１の外部から与えられる。電力変換部１１１２は、制御部１１１１からの制御に基づいて所望の電圧Ｖ１を出力する。電圧Ｖ１は、外周側固定子１１に印加される。

かかる制御（以下では、「第１の制御」という。）によれば、モータ１の回転数が増加しても、モータ１に印加される電圧Ｖを所定値Ｖｍ以下にすることができる。

特に電流位相β１を９０°とすれば（以下では、「第２の制御」という。）、ｄ軸方向の磁束を顕著に減少することができるので、電圧Ｖを所定値Ｖｍ以下にしやすい。ここで、所定値Ｖｍには、インバータ１１１から出力できる電圧の最大値が採用できる。

インバータ１２１は、制御部１２１１と電力変換部１２２２とを有し、内周側固定子１２でセンサレス制御を行う。

制御部１２１１は、例えば内周側固定子１２で誘起される誘起電圧Ｖ０、及び内周側固定子１２に流れる鎖交磁束φａに基づいて回転位置角θを求める。そして、回転位置角θに基づいて電力変換部１２２２の制御を行う。鎖交磁束φａは例えばインバータ１２１の外部から与えられる。

電力変換部１２１２は、制御部１２１１からの制御に基づく所望の電圧Ｖ２を出力する。電圧Ｖ２は、内周側固定子１２に印加される。

誘起電圧Ｖ０に基づくセンサレス制御には、例えば誘起電圧波形が回転位置角θの情報を含んでいることを利用する方法が採用できる。なお、センサレス制御には、例えばインダクタンスが持つ回転子位置依存性を用いる方法や、モータモデルを用いる制御理論的方法を採用しても良い。

かかる制御によれば、回転位置角θを検出するためのセンサが不要であり、以って電磁ノイズによるモータ性能の低下がない。

インバータ１２１は、内周側固定子１２で更に弱め磁束制御を行っても良い。このときの、内周側固定子１２に流れる電流ｉ２のｑ軸からの位相のずれを、以下では電流位相β２と称す。

電流位相β２は、例えばインバータ１２１の外部から制御部１２１１に与えられる（図１）。制御部１２１１は、回転位置角θ及び電流位相β２に基づいて、電力変換部１２１２を制御する。

センサレス制御において回転位置角θを精度良く得るためには、β２は４０°以下であることが望ましい。ただし、精度をあまり必要としなければ、β２は７０°程度まで大きくすることができる。

図２は、上述とは異なる制御を行うインバータ１１１，１１２を示す。すなわち、制御部１１１１は、制御部１２１１に電流位相β２を与える。制御部１１１１は、電流位相β２よりも大きい電流位相β１で電力変換部１１１２を制御する。その他の制御は、上述した制御と同様である。

かかる制御によれば、電流位相β２を、内周側固定子１２でセンサレス制御が可能な値まで大きくすることができ、以って内周側固定子１２において、センサレス制御を行いつつも弱め磁束制御を行うことができる。

第２の実施の形態．
図３は、本実施の形態にかかるインバータ１１１，１２１及びその制御対象であるモータ１を概念的に示す。インバータ１１１，１２１及びモータ１の構成は、第１の実施の形態で説明したモータ１（図１）と同様であるので、説明を省略する。

電流位相β１は、制御部１１１１で求めても良い。すなわち、制御部１１１１は、モータ１で発生するトルクＴの電流位相β１での偏微分が０となる電流位相β１を求める。そして、当該電流位相β１で電力変換部１１１２を制御することで、インバータ１１１は外周側固定子１１で弱め磁束制御を行う。

制御部１１１１は、例えば式（１）で電流位相β１を求める。ここで、符号Ｌｑ１，Ｌｄ１はそれぞれ固定子１１のインダクタンスのｑ軸成分及びｄ軸成分を表す。電流ｉ１、インダクタンスＬｑ１，Ｌｄ１及び鎖交磁束φａはそれぞれインバータ１１１の外部から制御部１１１１に与えられる。

ここで、式（１）の導出方法について説明する。例えば、モータ１で発生するトルクＴは、外周側固定子１１によって発生するトルクＴ１と、内周側固定子１２によって発生するトルクＴ２との和で表される。トルクＴ１，Ｔ２はそれぞれ、式（２）及び式（３）で表すことができる。ここで、符号Ｐは極対数、符号Ｌｑ２，Ｌｄ２はそれぞれ固定子１２のインダクタンスのｑ軸成分及びｄ軸成分を表す。

トルクＴ１が電流位相β１にのみ依存し、トルクＴ２が電流位相β２にのみ依存する場合には、トルクＴの電流位相β１の偏微分は、トルクＴ１の偏微分に等しくなり、これを０として電流位相β１について解けば、式（１）で表される電流位相β１が求められる。

かかる制御を行えば、モータ１のトルクＴを最大値に近づけることができる。ただし、トルクＴ１が電流位相β２にも依存し、トルクＴ２が電流位相β１にも依存する場合には、トルクＴを電流位相β１で偏微分して得た方程式を解くことで電流位相β１が求められる。いずれの場合においても、当該最大値は、導出した電流位相β１と、内周側固定子１２によってセンサレス制御を行う際に用いる電流位相β２とをトルクＴを表す式（式（２）と式（３）との和）に代入することで得られる。

電流位相β２は、制御部１２１１で求めても良い。すなわち、制御部１２１１は、トルクＴの電流位相β２での偏微分が０となる電流位相β２を求める。そして、当該電流位相β２で電力変換部１２１２を制御することで、インバータ１２１は内周側固定子１２でセンサレス制御を行う。

制御部１２１１は、例えば式（４）で電流位相β２を求める。電流ｉ２、極対数Ｐ、インダクタンスＬｑ２，Ｌｄ２及び鎖交磁束φａはそれぞれインバータ１２１の外部から制御部１２１１に与えられる。

式（４）は、式（３）で表されるトルクＴ２を電流位相β２で偏微分し、これを０として電流位相β２について解くことで導かれる。

かかる制御を行えば、モータ１のトルクＴを最大値に近づけることができる。ただし、トルクＴ１が電流位相β２にも依存し、トルクＴ２が電流位相β１にも依存する場合には、トルクＴを電流位相β２で偏微分して得た方程式を解くことで電流位相β２が求められる。いずれの場合であっても、当該最大値は、導出した電流位相β２と、外周側固定子１１によって弱め磁束制御を行う際に用いる電流位相β１とを、トルクＴを表す式に代入することで得られる。

例えば、電流位相β１、β２に対してトルクＴが最大になるように電流位相β１，β２を求めても良い。すなわち、電流位相β１，β２の関数であるトルクＴの全微分が０となるように、電流位相β１，β２を求める。これにより、トルクＴを最大値に近づけることができる。この場合、制御部１１１１，１２１１のそれぞれで電流位相β１、β２を求めても良いし、制御部１１１１，１２１１のいずれか一方１１１１（１２１１）で当該電流位相β１，β２を求め、他方１２１１（１１１１）に電流位相β２（β１）を与えても良い。

上述で求められる電流位相β１，β２において銅損が最小となる場合には、上述した制御（以下では、「第３の制御」という。）によって効率も高まる。しかし、エネルギー損失には銅損の他に鉄損が含まれ、鉄損は鎖交磁束φａが小さいほど小さくなる。そして、鎖交磁束φａは、電流位相β１，β２が９０°に近づくほど小さくなる。よって、上述で求められる電流位相β１，β２よりも少しだけ進んだ電流位相β１，β２において、エネルギー損失が最小となる。このため、当該電流位相β１，β２でインバータ１１１，１２１の制御（以下では、「第４の制御」という。）を行えば、より効率を高めることができる。

第３の実施の形態．
図４は、本実施の形態にかかるインバータ１１１，１２１及びその制御対象であるモータ１を概念的に示す。インバータ１１１，１２１及びモータ１の構成は、第１の実施の形態で説明したモータ１（図１）と同様であるので、説明を省略する。

インバータ１１１，１２１は、第２の実施の形態で説明した制御と同様の制御を行い、しかも、制御部１２１１は、自身で求めた回転位置角θを制御部１１１１に与える。制御部１１１１は、回転位置角θと、自身で求めた電流位相β１とに基づいて、電力変換部１１１２を制御する。

かかる制御によれば、インバータ１１１において、回転位置角θを求める必要がない。

インバータ１１１では弱め磁束制御とともにセンサレス制御を行っても良いが、例えば、誘起電圧Ｖ０に基づくセンサレス制御では、電流位相β１が大きくなれば、ゼロクロス点が不明確になり、当該センサレス制御が不安定になる。他の方法を採用したセンサレス制御においても、電流位相β１が大きくなれば制御が不安定になる。

しかし、本実施の形態にかかる制御によれば、電流位相β１が大きくなって回転位置角θが得られなくなっても、インバータ１２１から回転位置角θが与えられるので、インバータ１１１において精度良くモータ１の駆動の制御を行うことができる。

なお、本実施の形態にかかる制御は、上述した第１の実施の形態にかかるインバータ１１１，１２１にも適用できる。

第４の実施の形態．
図５は、本実施の形態にかかるインバータ１１１，１２１及びその制御対象であるモータ１を概念的に示す。インバータ１１１，１２１及びモータ１の構成は、第１の実施の形態で説明したモータ１（図１）と同様であるので、説明を省略する。

インバータ１１１，１２１は、第３の実施の形態で説明した制御と同様の制御を行い、しかも、制御部１１１１は、自身で求めた電流位相β１によって求めることができるｄ軸電流ｉｄ１を制御部１２１１に与える。制御部１２１１は、ｄ軸電流ｉｄ１に基づいて、回転位置角θを求める際に用いる鎖交磁束φａを補正する。

具体的には、無負荷時の磁石１３１の界磁が、鎖交磁束φａとしてインバータ１２１に入力される場合には、インバータ１２１は、φａ＋Ｌｄ１・ｉｄ１（ｉｄ＜０）を新たな鎖交磁束φａとしてセンサレス制御を行う。

かかる制御によれば、鎖交磁束φａを補正するので、外周側固定子１１での弱め磁束制御による内周側固定子１２への影響を考慮して、内周側固定子１２でセンサレス制御を行うことができ、以って回転位置角θを精度良く求めることができる。

インダクタンスＬｄ１，Ｌｑ１とインダクタンスＬｄ２，Ｌｑ２とが干渉する場合には、実験やシミュレーションで予め求められた補正パラメータを用いて鎖交磁束φａを補正しても良い。

本実施の形態にかかる制御は、上述した第１及び第２の実施の形態にも適用できる。また、制御部１２１１から制御部１１１１に回転位置角θを与えない場合にも、適用できる。

第５の実施の形態．
上述の実施の形態にかかる制御のいずれか少なくとも２つを、モータ１の回転数及び負荷のいずれか少なくとも一方に基づいて切り替えて、インバータ１１１，１２１で外周側固定子１１及び内周側固定子１２をそれぞれ制御しても良い。

図６は、モータの回転数とトルクとに基づく制御の切換えを、領域Ａ〜Ｄで示す。

領域Ａは、モータの回転数及びトルクがそれぞれ所定値ｆ０，Ｔ０以下である範囲を示し、例えばモータの起動時の回転数及びトルクに相当する。領域Ａでは、例えば第２の実施の形態で説明した第３の制御を行う。

領域Ｂは、モータの回転数が所定値ｆ０より大きくてトルクが小さい範囲を示し、例えばモータの回転数が最大値ｆ１近傍でトルクが小さい場合に相当する。領域Ｂでは、例えば第１の実施の形態で説明した第２の制御を行う。

領域Ｃは、モータの回転数が所定値ｆ０より大きく、トルクも大きい範囲を示す。領域Ｃでは、例えば第１の実施の形態で説明した第１の制御を行う。

領域Ｄは、領域Ａ内の一部を示し、例えば定格負荷で使用される場合に相当する。領域Ｄでは、例えば第２の実施の形態で説明した第４の制御を行う。

かかる制御によれば、モータ１の駆動状態に基づいて制御を切り替えるので、効率良くモータ１を駆動することができる。

なお、制御の切換えは、最大トルク、最大効率などを示す電流ベクトル（ｉｄ，ｉｑ）（符号ｉｑはｑ軸電流を示す。）の軌跡に基づいて行っても良い。

上述したいずれの実施の形態においても、インバータ１１１で内周側固定子１２に同様の制御を行い、インバータ１２１で外周側固定子１１に同様の制御を行っても良い。

第１の実施の形態にかかる、インバータの制御を示すブロック図である。 第１の実施の形態にかかる、インバータの制御を示すブロック図である。 第２の実施の形態にかかる、インバータの制御を示すブロック図である。 第３の実施の形態にかかる、インバータの制御を示すブロック図である。 第４の実施の形態にかかる、インバータの制御を示すブロック図である。 第５の実施の形態にかかる、インバータの制御を示す図である。

符号の説明

１ モータ
１１ 外周側固定子
１２ 内周側固定子
１３ 回転子
１１１，１２１ インバータ
１３１ 界磁用磁石
β１，β２ 電流位相
Ｔ１，Ｔ２ トルク
φａ 鎖交磁束
ｉｄ１ ｄ軸電流
Ｖ０ 誘起電圧
θ 回転位置角

Claims (9)

1. 環状に配置され、前記環状の外周側と内周側とにそれぞれ異なる磁極面を呈する、界磁用磁石（１３１）の複数を有する回転子（１３）と、
   前記回転子に対して前記外周側に設けられた固定子である外周側固定子（１１）と、
   前記回転子に対して前記内周側に設けられた固定子である内周側固定子（１２）と
   を備えるモータ（１）を制御するインバータ（１１１，１２１）であって、
   前記内周側固定子及び前記外周側固定子のいずれか一方（１１）で弱め磁束制御を行い、
   前記内周側固定子及び前記外周側固定子の他方（１２）でセンサレス制御を行う、インバータ。
2. 前記内周側固定子及び前記外周側固定子の前記一方（１１）に流れる電流の、ｑ軸からの位相のずれである第１の電流位相（β１）を、他方（１２）に流れる電流の前記ｑ軸からの位相のずれである第２の電流位相（β２）よりも大きくする、請求項１記載のインバータ。
3. 前記内周側固定子及び前記外周側固定子の前記一方（１１）の前記第１の電流位相（β１）を９０°近傍に制御する、請求項２記載のインバータ。
4. 前記モータ（１）で発生するトルク（Ｔ１）の前記第１の電流位相（β１）での偏微分が０となる前記第１の電流位相で、前記内周側固定子及び前記外周側固定子の前記一方（１１）において前記弱め磁束制御を行う、請求項１記載のインバータ。
5. 前記モータ（１）で発生するトルク（Ｔ２）の前記第２の電流位相（β２）での偏微分が０となる前記第２の電流位相で、前記内周側固定子及び前記外周側固定子の前記他方（１２）において弱め磁束制御をも行う、請求項３または請求項４記載のインバータ。
6. 請求項２乃至請求項５のいずれか一つに記載のインバータ（１１１，１２１）が行う制御のいずれか少なくとも２つを、前記モータ（１）の回転数及び負荷のいずれか少なくとも一方に基づいて切り替えて、前記内周側固定子（１１）及び前記外周側固定子（１２）での前記制御を行う、インバータ。
7. 前記内周側固定子及び前記外周側固定子の前記一方（１１）での前記モータ（１）の駆動の制御を、前記他方（１２）での前記センサレス制御で得られる前記モータの回転位置角（θ）に基づいて行う、請求項１乃至請求項６のいずれか一つに記載のインバータ。
8. 前記内周側固定子及び前記外周側固定子の前記一方（１１）に流れる電流のｄ軸成分（ｉｄ１）に基づいて、前記他方（１２）に流れる鎖交磁束（φａ）を求め、
   前記鎖交磁束に基づいて前記他方でセンサレス制御を行う、請求項１乃至請求項７のいずれか一つに記載のインバータ。
9. 前記センサレス制御では、前記内周側固定子及び前記外周側固定子の前記他方（１２）で誘起される誘起電圧（Ｖ０）に基づいて回転位置角（θ）を求める、請求項１乃至請求項８のいずれか一つに記載のインバータ。
   

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