JP2008043172A - 可変磁束ドライブシステム - Google Patents

Abstract

【課題】可変磁束モータを駆動する可変磁束ドライブシステムにあって、可変磁石の磁束の繰り返し精度を改善し、トルク精度を向上する。
【解決手段】永久磁石を用いた永久磁石電動機１と、永久磁石電動機を駆動するインバータ４と、永久磁石の磁束を制御するための磁化電流を流す磁化手段とを備え、永久磁石はその磁束密度がインバータ４からの磁化電流によって可変できる可変磁石であり、磁化手段は、可変磁石の磁性体の磁化飽和領域以上の磁化電流を流すことを特徴とする可変磁束ドライブシステム。
【選択図】図１

Description

本発明は、可変磁束ドライブシステムに関する。

従来の誘導電動機（ＩＭモータ）に代わり、効率に優れ、小型化や低騒音化も期待できる永久磁石同期電動機（ＰＭモータ）が普及し始めている。例えば、鉄道車両や電気自動車向けの駆動モータとしてＰＭモータが利用されるようになってきている。

ＩＭモータは、磁束自体をステータからの励磁電流によって作り出すため、励磁電流を流すことによる損失が発生する技術的な問題点がある。

他方、ＰＭモータは、ロータに永久磁石を備え、その磁束を利用してトルクを出力するモータであるので、このようなＩＭモータの抱える問題はない。しかしながら、ＰＭモータは、その永久磁石のために回転数に応じた誘起電圧が発生する。鉄道車両や自動車など、回転範囲が広い応用分野では、最高回転数において生じる誘起電圧によって、ＰＭモータを駆動制御するインバータが（過電圧によって）破壊しないことが条件となる。この条件を満たすためには、インバータの耐圧を十分に高いものとするか、あるいは逆に、モータに備える永久磁石の磁束を制限するかする必要がある。前者は、電源側への影響もあり、後者を選択することも多い。その場合の磁束量を、ＩＭモータの磁束量（ＩＭモータの場合には励磁電流によって作りだすギャップ磁束量）と比較すると１：３程度になるケースもある。この場合、同一のトルクを発生させるためには、磁束量の小さいＰＭモータでは、大きな（トルク）電流を流す必要がある。このことは、低速域において同一トルクを出力する電流をＩＭモータとＰＭモータとで比較すると、ＰＭモータの方が大きな電流を流す必要があることを意味する。

このため、ＩＭモータと比べて、ＰＭモータを駆動するインバータの電流容量は増加する。さらに、インバータ内のスイッチング素子のスイッチング周波数が高く、発生する損失は電流値に依存して増大することから、ＰＭモータでは低速で大きな損失と発熱が生じることになる。

電車などは走行風によって冷却を期待することもあり、低速時に大きな損失が生じることになれば、冷却能力を向上させる必要性からインバータ装置を大型化しなければならなくなってしまう。また逆に、誘起電圧が高い場合、弱め界磁制御を行うことになるが、そのときは、励磁電流を重畳することで効率が低下してしまう。

このようにＰＭモータは、磁石を内在するが故のメリットとデメリットがある。モータとしてはそのメリットの分が大きく、損失低減や小型化につながる面もあるが、一方では電車や電気自動車など可変速制御の場合には、従来のＩＭモータに比べて効率の悪い動作点も存在する。また、インバータにとっては電流容量が増大し、損失も増大することから、装置サイズが大きくなる。システムの効率自体は、モータ側が支配的であるため、ＰＭモータの適用によって総合効率は改善するが、一方ではインバータのサイズが増加することがシステムのデメリットとなり、好ましくない。

これに対し、インバータによる電流によって磁石磁束を可変にすることが可能な可変磁束ドライブシステムがある。このシステムは、運転条件に合わせて永久磁石の磁束量を変化させることができるため、従来の磁石固定のＰＭモータドライブシステムに比べて効率の向上が期待できる。また、磁石が不要な際は磁束量を小さくすることで誘起電圧を極力抑制することも可能である。

しかしながら、可変磁石のＢＨ特性（磁化−磁束密度特性）が、インバータからの磁化電流に対し急峻な応答を示すため、磁化の仕方によって磁束にばらつきが生じやすい。このような場合、トルクの繰り返し精度が損なわれ、品質の悪いドライブシステムとなり得る。
米国特許第６８００９７７号公報 米国特許第５９７７６７９号公報

本発明は、上述した従来技術の課題に鑑みてなされたもので、インバータからの磁化電流によって磁束量を可変に制御可能な可変磁束モータを駆動する可変磁束ドライブシステムであって、可変磁石の磁束の繰り返し精度を改善し、トルク精度を向上できる可変磁束ドライブシステムを提供することを目的とする。

本発明は、永久磁石を用いた永久磁石電動機と、前記永久磁石電動機を駆動するインバータと、前記永久磁石の磁束を制御するための磁化電流を流す磁化手段とを備え、前記永久磁石は、当該永久磁石の磁束密度が前記インバータからの磁化電流によって可変できる可変磁石を少なくとも一部に有し、前記磁化手段は、前記可変磁石の磁性体の磁化飽和領域以上の磁化電流を流すものである可変磁束ドライブシステムを特徴とする。

また本発明は、永久磁石を用いた永久磁石電動機と、前記永久磁石電動機を駆動するインバータと、前記永久磁石の磁束を制御するために磁化電流を流す可変磁束制御手段と、前記永久磁石電動機の電流を検出する手段と、前記永久磁石電動機へ印加した電圧、電流及びモータパラメータである巻線インダクタンスに基づき、磁束量を推定する磁束推定手段とを備え、前記永久磁石は、当該永久磁石の磁束密度が前記インバータからの磁化電流によって可変できる可変磁石を少なくとも一部に有する可変磁束ドライブシステムを特徴とする。

本発明の可変磁束ドライブシステムによれば、インバータからの磁化電流によって可変磁石の磁束量を制御しながら可変磁束モータを駆動することができ、可変磁石の磁束の繰り返し精度を改善し、トルク精度を向上できる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。

（第１の実施の形態）図１は、本発明の第１の実施の形態の可変磁束ドライブシステムの制御ブロック図である。同図を説明する前に、永久磁石同期電動機としての可変磁束モータについて説明する。

可変磁束モータ１のイメージを図２に示す。ステータ側は従来のモータと同様と考えてよい。ロータ５１側には永久磁石として、磁性体の磁束密度が固定の固定磁石ＦＭＧと、磁性体の磁束密度が可変の可変磁石ＶＭＧとがある。従来のＰＭモータは、前者の固定磁石ＦＭＧのみであるのに対して、本可変磁束モータ１の特徴は、可変磁石ＶＭＧが備わっていることにある。

ここで固定磁石や可変磁石について、説明を加える。永久磁石とは、外部から電流などを流さない状態において磁化した状態を維持するものであって、いかなる条件においてもその磁束密度が厳密に変化しないというわけではない。従来のＰＭモータであっても、インバータなどにより過大な電流を流すことで減磁したり、あるいは逆に着磁したりする。よって、永久磁石とは、その磁束量が一定不変なものではなく、通常の定格運転中に近い状態ではインバータ等から供給される電流によって磁束密度が概ね変化しないもののことを指す。一方、前述の磁束密度が可変である永久磁石、つまり、可変磁石とは、上記のような運転条件においてもインバータ等で流し得る電流によって磁束密度が変化するものを指す。

このような可変磁石は、磁性体の材質や構造に依存して、ある程度の範囲で設計が可能である。例えば、最近のＰＭモータは、残留磁束密度Ｂｒの高いネオジム（ＮｄＦｅＢ）磁石を用いることが多い。この磁石の場合、残留磁束密度Ｂｒが１．２Ｔ程度と高いため、大きなトルクを小さい装置サイズにて出力可能であり、モータの高出力小型化が求められるハイブリッド車ＨＥＶや電車には好適である。従来のＰＭモータの場合、通常の電流によって減磁しないことが要件であるが、このネオジム磁石（ＮｄＦｅＢ）は約１０００ｋＡ／ｍの非常に高い保持力Ｈｃを有しているので、ＰＭモータ用に最適な磁性体である。ＰＭモータ用には、残留磁束密度が大きく、保磁力の大きい磁石が選定されるためである。

ここで、残留磁束密度が高く、保持力Ｈｃの小さいアルニコＡｌＮｉＣｏ（Ｈｃ＝６０〜１２０ｋＡ／ｍ）やＦｅＣｒＣｏ磁石（Ｈｃ＝約６０ｋＡ／ｍ）といった磁性体を可変磁石とする。通常の電流量（インバータによって従来のＰＭモータを駆動する際に流す程度の電流量という意味）によって、ネオジム磁石の磁束密度（磁束量）はほぼ一定であり、アルニコＡｌＮｉＣｏ磁石などの可変磁石の磁束密度（磁束量）は可変となる。厳密に言えば、ネオジム磁石は可逆領域で利用しているため、微小な範囲で磁束密度が変動するが、インバータ電流がなくなれば当初の値に戻る。他方、可変磁石は不可逆領域まで利用するため、インバータ電流がなくなっても当初の値にならない。

図２は、可変磁束モータ１を、簡単なイメージとしてモデル化したものである。同図において、可変磁石ＶＭＧであるアルニコ磁石の磁束量も、Ｄ軸方向の量が変動するだけで、Ｑ軸方向はほぼ０である。

図３は、可変磁束モータ１の具体的な構成例を示している。回転子（ロータ）５１は、回転子鉄心５２中に、ネオジム磁石（ＮｄＦｅＢ）などの高保磁力の永久磁石５４とアルニコ磁石（ＡｌＮｉＣｏ）などの低保磁力の永久磁石５３とを組み合わせて配置した構成である。可変磁石ＶＭＧである低保磁力永久磁石５３は、回転子鉄心５２の磁極部５５の両側に、それぞれ隣接する磁極部５５との境界域に径方向に配置してある。固定磁石ＦＭＧである高保磁力磁石５４は、回転子鉄心５２の磁極部５５において径に直交する方向に配置してある。この構造により、可変磁石ＶＭＧである低保磁力永久磁石５３はＱ軸方向とその磁化方向が直交するため、Ｑ軸電流の影響を受けず、Ｄ軸電流によって磁化される。

図４は、固定磁石と可変磁石のＢＨ特性（磁束密度−磁化特性）を例示している。また、図５は、図４の第２象限のみを定量的に正しい関係にて示したものである。ネオジム磁石とアルニコ磁石の場合、それらの残留磁束密度Ｂｒ１，Ｂｒ２には有意差はないが、保磁力Ｈｃ１，Ｈｃ２については、ネオジム磁石（ＮｄＦｅＢ）のＨｃ２に対し、アルニコ磁石（ＡｌＮｉＣｏ）のＨｃ１は１／１５〜１／８、ＦｅＣｒＣｏ磁石のＨｃ１は１／１５になる。

従来のＰＭモータドライブシステムにおいて、インバータの出力電流による磁化領域は、ネオジム磁石（ＮｄＦｅＢ）の保磁力より十分に小さく、その磁化特性の可逆範囲で利用されている。しかしながら、可変磁石は、保磁力が上述のように小さいため、インバータの出力電流の範囲において、不可逆領域（電流を０にしても、電流印加前の磁束密度Ｂに戻らない）での利用が可能で、磁束密度（磁束量）を可変にすることができる。

可変磁束モータ１の動特性の等価簡易モデルを、（１）式に示す。同モデルは、Ｄ軸を磁石磁束方向、Ｑ軸をＤ軸に直行する方向として与えたＤＱ軸回転座標系上のモデルである。

ここに、Ｒ１：巻線抵抗、Ｌｄ：Ｄ軸インダクタンス、Ｌｑ：Ｑ軸インダクタンス、Φｆｉｘ：固定磁石の磁束量、Φｖａｒ：可変磁石の磁束量、ω１：インバータ周波数である。

図１には、第１の実施の形態の可変磁束ドライブシステムの主回路及び制御回路を示してある。主回路は、直流電源３、直流電力を交流電力に変換するインバータ４、このインバータ４の交流電力にて駆動される可変磁束モータ１にて構成されている。そして、主回路には、モータ電力を検出するための交流電流検出器２、モータ速度を検出するための速度検出器１８が設置されている。

次に、制御回路について説明する。ここでの入力は、運転指令Ｒｕｎ＊とトルク指令Ｔｍ＊である。運転指令生成部１６は、運転指令Ｒｕｎ＊と保護判定部１７で判断された保護信号ＰＲＯＴとを入力とし、運転状態フラグＲｕｎを生成出力する。基本的には、運転指令が入った場合（Ｒｕｎ＊＝１）に、運転状態フラグＲｕｎを運転状態（Ｒｕｎ＝１）にし、運転指令が停止を指示した場合（Ｒｕｎ＊＝０）には、運転状態フラグＲｕｎを停止状態（Ｒｕｎ＝０）にする。さらに、保護検知の場合（ＰＲＯＴ＝１）には、運転指令Ｒｕｎ＊＝１であっても、運転状態は停止状態Ｒｕｎ＝０にする。

ゲート指令生成部１５は、運転状態フラグＲｕｎを入力し、インバータ４に内在するスイッチング素子へのゲート指令Ｇｓｔを生成出力する。このゲート指令生成部１５では、運転状態フラグＲｕｎが停止（Ｒｕｎ＝０）から運転（Ｒｕｎ＝１）に変わる場合、即時にゲートスタート（Ｇｓｔ＝１）とし、運転状態フラグＲｕｎが運転（Ｒｕｎ＝１）から停止（Ｒｕｎ＝０）に変わる場合、所定時間が経過した後に、ゲートオフ（Ｇｓｔ＝０）にするように作用する。

磁束指令演算部１２は、運転状態フラグＲｕｎとインバータ周波数ω１、すなわち、ロータ回転周波数ωＲを入力として、磁束指令Φ＊を、例えば次の（２）式のように生成して出力する。すなわち、運転停止（Ｒｕｎ＝０）の場合には、磁束指令Φ＊を最小Φｍｉｎにして、運転状態（Ｒｕｎ＝１）であって、かつ、回転周波数ωＲが所定値より低い場合には、磁束指令Φ＊を最大Φｍａｘとし、また、速度が所定値より高い場合、磁束指令Φ＊を最小Φｍｉｎとする。

ここに、Φｍｉｎ：可変磁束モータ１として取り得る最小磁束量（＞０）、Φｍａｘ：可変磁束モータ１として取り得る最大磁束量、ωＡ：所定の回転周波数である。尚、磁束量のΦｍｉｎ，Φｍａｘの設定については、後で可変磁束制御部１３のところで説明する。

電流基準演算部１１では、トルク指令Ｔｍ＊と磁束指令Φ＊とを入力として、Ｄ軸電流基準ＩｄＲとＱ軸電流基準ＩｑＲを次式（３），（４）のように演算する。

同（３），（４）式は、モータのリラクタンストルクを用いないことを想定し、モータ極数も０とした演算式である。Ｄ軸インダクタンスＬｄとＱ軸インダクタンスＬｑの差異ΔＬがある突極形モータであっても、差異のない非突極形のモータであってもよい。

しかしながら、効率の最適化や所定電流での最大出力を考える場合、リラクタンストルクを考慮することが有効である。この場合、例えば、次式のように演算する。

ここに、ＫはＤ軸電流とＱ軸電流との比率であり、前述の効率最適化や最大出力等、用途によって変わる値である。最適化を図るためには関数形をとり、その引数としてトルク、速度等を用いる。また、簡易な近似やテーブル化して用いることもできる。また、（５）式の磁束指令Φ＊は、後述する磁束推定値Φｈを用いても、動作は可能である。

磁化要求生成部２９の詳細な構成を図６に示す。この図６のブロックは、制御マイコンによって、所定時間ごとに制御がなされていると仮定する。磁束指令Φ＊は、前回値の保持部３１に入力され、その値が保持される。前回値の保持部３１の出力は、前回に記憶した磁束指令Φ＊であり、今回の磁束指令値Φ＊と共に、変化判定部３０に入力される。変化判定部３０では、入力２つの変化があった場合には１を、変化がない場合には０を出力する。すなわち、磁束指令Φ＊が変化した場合にのみ１が立つ。上記同様な回路を、磁束指令Φ＊に代わり、運転状態フラグＲｕｎについても有する。２つの変化判定部３０，３４の出力が論理和演算部（ＯＲ）３２に入力され、それらの論理和が磁化要求フラグＦＣｒｅｑとして出力される。

磁化要求生成部２９の出力である磁化要求フラグＦＣｒｅｑは、磁束指令Φ＊が変化した場合、あるいは、運転状態フラグＲｕｎが変化した場合に磁化要求（ＦＣｒｅｑ＝１）となり、それ以外では要求なし（ＦＣｒｅｑ＝０）となる。尚、運転状態フラグＲｕｎが変化する状態とは、インバータが始動するとき、停止するとき、保護で停止するときなどである。また、ここでは磁束指令Φ＊を用いているが、後述する可変磁束制御部１３の磁化電流指令Ｉｍ＊（磁化電流テーブル２７の出力）の変化で磁化要求ＦＣｒｅｑを生成してもよい。

可変磁束制御部１３の詳細な構成を図７に示す。可変磁束制御部１３は、磁束指令演算部１２の出力である磁束指令Φ＊を入力し、Ｄ軸電流基準ＩｄＲを補正するＤ軸磁化電流差分量ΔＩｄｍ＊を出力する。この磁化電流差分量ΔＩｄｍ＊の生成は、以下の演算処理による。

可変磁石ＶＭＧを磁化するためには、図４の可変磁石のＢＨ特性に則り、所定の磁化電流指令Ｉｍ＊を求めればよい。特に、磁化電流指令Ｉｍ＊の大きさは、図４中のＨ１ｓａｔ以上、すなわち、可変磁石の磁化飽和領域となるように設定する。

磁化飽和領域まで磁化電流を流すため、磁束指令演算部１２で設定すべき磁束量ΦｍｉｎやΦｍａｘは、可変磁石の磁束（磁束密度）がプラス、ないしは、マイナスの最大（飽和）値に固定磁石分を加算した値として設定する。可変磁石ＶＭＧの磁束量の正の最大値をΦｖａｒｍａｘ（負の最大値の絶対値は正の最大値と等しいとする）、固定磁石ＦＭＧの磁束量をΦｆｉｘとすれば、次式である。

磁束指令Φ＊を入力とし、対応する磁化電流を記憶した磁化電流テーブル２７によって、磁束指令Φ＊を得るための磁化電流指令Ｉｍ＊を出力する。

基本的に、磁石の磁化方向をＤ軸としているので、磁化電流指令Ｉｍ＊は、Ｄ軸電流指令Ｉｄ＊に与えるようにする。本実施の形態では、電流基準演算部１１からの出力であるＤ軸電流基準ＩｄＲをＤ軸磁化電流指令差分ΔＩｄｍ＊で補正し、Ｄ軸電流指令Ｉｄ＊とする構成にしているので、減算器２６によってＤ軸磁化電流指令ΔＩｄｍ＊を次式によって求める。

尚、磁束切り替えの際には、Ｄ軸電流指令Ｉｄ＊に磁化電流Ｉｍ＊を直接与えるような構成とすることも可能である。

一方、磁化要求フラグＦＣｒｅｑは、磁束を切り替えたい要求の際に、少なくとも一瞬切り替え要求（ＦＣｒｅｑ＝１）が立つ。磁束を確実に可変とするために、磁化要求フラグＦＣｒｅｑを最小オンパルス器２８へと入力する。この出力である磁化完了フラグ（＝１：磁化中、＝０：磁化完了）は、一旦オン（＝１）が入力された場合、所定の時間の間はオフ（＝０）にならない機能を有する。所定時間を越えて入力がオン（＝１）である場合には、それがオフとなると同時に出力もオフとなる。

切り替え器２３には、磁化完了フラグが入力され、磁化中（磁化完了フラグ＝１）の場合、減算器２６の出力を、磁化完了（磁化完了フラグ＝０）の場合、０を出力する。

電圧指令演算部１０は、以上により生成されたＤＱ軸電流指令Ｉｄ＊，Ｉｑ＊に基づき、当該指令に一致する電流が流れるように電流制御器を含むＤＱ軸電圧指令Ｖｄ＊，Ｖｑ＊を生成する。

そして電圧指令演算部１０のＤＱ軸電圧指令Ｖｄ＊，Ｖｑ＊を、座標変換部５にて３相電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に変換し、この３相電圧指令によってＰＷＭ回路６がＰＷＭにてゲート信号を生成し、インバータ４をＰＷＭ制御する。尚、座標変換部７は電流検出器２の交流検出電流Ｉｕ，Ｉｗを２軸ＤＱ軸変換してＤＱ軸電流検出値Ｉｄ，Ｉｑに変換して電圧指令演算部１０に入力する。また、擬似微分器８は速度検出器１８の信号からインバータ周波数ω１を求める。尚、電圧指令演算部１０、座標変換部５，７、ＰＷＭ回路６には、従来同様の公知技術が採用されている。

図８には、各信号の動作のタイミングチャートの一例が示してある。ここでは保護信号は立っていない状況（ＰＲＯＴ＝０）だが、運転状態フラグＲｕｎの変化及び磁束指令Φ＊の変化にて磁化要求フラグが立ち、それを所定時間幅確保する磁化完了フラグが立ち、この磁化完了フラグの期間だけ、磁化電流指令Ｉｍ＊が値を持つ。

以上の構成により、本実施の形態によれば、次の作用効果を奏する。可変磁束モータ１は、図４のＢＨ特性のように、インバータ電流による磁化に対し特性変化が急である。このため、実用上、同一の制御を施したとしても、位置センサレス制御で生じやすいＤ軸と磁束軸が厳密に一致しないという軸ずれや電流応答の差異、また、モータ個体差などにより、同一の磁束を繰り返し得ることは困難である。磁束の繰り返し精度が悪い場合、トルク精度が劣化して、好ましくない。

ところが、本実施の形態の可変磁束ドライブシステムによれば、可変磁石ＶＭＧの磁化特性のなかで磁化飽和域以上の磁化電流を流すように設定したことにより、磁化後の可変磁束量を確定し、その繰り返し精度を向上でき、よって、トルク精度を確保し、ドライブの信頼性を向上できる。

また、本実施の形態の可変磁束ドライブシステムによれば、磁化電流を流す時間の最小時間を設定しているため、中途半端な磁化状態で終了することがなく、これにより、磁化処理後の可変磁束量のばらつきを抑制し、トルク精度を向上できる。

（第２の実施の形態）図９〜図１２を用いて、本発明の第２の実施の形態の可変磁束ドライブシステムについて説明する。図９は、本発明の第２の実施の形態の可変磁束ドライブシステムにおいて制御対象とする可変磁束モータ１Ａの構造を示している。本実施の形態における可変磁束モータ１Ａは、図３に示した第１の実施の形態における可変磁束モータ１と比べ、可変磁石ＶＭＧを異なる低保磁力永久磁石２つ１対で構成している。

つまり、回転子５１は、回転子鉄心５２中に、ネオジム磁石（ＮｄＦｅＢ）などの高保磁力の永久磁石５４と２つ１対のアルニコ磁石（ＡｌＮｉＣｏ）などの低保磁力の永久磁石Ａ５３、低保磁力永久磁石Ｂ５６とを組み合わせて配置した構成である。固定磁石ＦＭＧである高保磁力磁石５４は、回転子鉄心５２の磁極部５５において径に直交する方向に配置してある。可変磁石ＶＭＧである一方の低保磁力永久磁石Ａ５３は、回転子鉄心５２の磁極部５５の両側に、それぞれ隣接する磁極部５５との境界域に径方向に配置してある。そしてもう一方の低保磁力永久磁石Ｂ５６は、高保磁力永久磁石５４よりも回転子５１の中心側に、かつ平行に配置している。これら２つの低保磁力永久磁石Ａ５３と低保磁力永久磁石Ｂ５６とは同一の磁性体であり、第１の実施の形態と同様にアルニコ磁石（ＡｌＮｉＣｏ）を用いている。

このように、可変磁石ＶＭＧを低保磁力永久磁石Ａ５３と低保磁力永久磁石Ｂ５６とで構成することにより、同一の磁性体を用いているが、その配置位置を異ならせているため、Ｄ軸磁化電流に対する磁化作用がこれら２つの低保磁力永久磁石Ａ５３と低保磁力永久磁石Ｂ５６との間で異なる。そのため、図１０に示したような２つのＢＨ特性を有した可変磁石構造となる。

図１０には、２つのＢＨ特性の異なる可変磁石のカーブＣ５３，Ｃ５６が存在する。この２つの可変磁石のカーブＣ５３，Ｃ５６は、同一の材質のアルニコ磁石であっても、空間的に異なる位置に配置したことによってもたらされるものである。尚、異なる材質の低保磁力永久磁石を２つ１対として用いても同様な２つのＢＨ特性が得られる。同一の材質の磁性体ではＢＨ特性は一致するが、それらをモータのどこに配置するかにより、電流による磁化Ｈに対する磁束Φに差異が生じる。図１０は、単に材質による特性を示したものではなく、インバータからの磁化電流と磁束の関係を示している。

本実施の形態の場合、上記のように可変磁束モータ１Ａの構造が第１の実施の形態と異なり、またそれらに対して磁束を可変する際の磁化電流の大きさの設定についても第１の実施の形態と異なる。尚、本実施の形態にあっても可変磁束ドライブシステムの構成は、図１に示した第１の実施の形態と同様である。ただし、可変磁束制御部１３の機能構成は、図１１に示したものであり、第１の実施の形態とは異なる。以下に、本実施の形態における可変磁束制御部１３の詳細について説明する。

保磁力の小さい可変磁石を可変磁石Ａと呼び、保磁力が高い磁石を可変磁石Ｂと呼ぶ。ここで、段階的に２つの磁化電流指令Ｉｍ＿Ａ，Ｉｍ＿Ｂが与えられるように設定する。

Ｉｍ＿Ａ：可変磁石Ａに対して磁化飽和領域、つまりＨｃＡｓａｔ近傍以上であり、可変磁石Ｂに対しては可逆領域である。

Ｉｍ＿Ｂ：可変磁石Ｂにも可変磁石Ａに対しても磁化飽和領域、つまりＨｃＢｓａｔ近傍以上である。

可変磁束制御部１３は、この２つの磁化電流指令（正負の組み合わせはある）を、要求される磁束指令Φ＊のレベルに応じて、選択して磁化電流指令Ｉｍ＊として与える。

可変磁束制御部１３は磁束指令Φ＊に基づき、磁化電流指令Ｉｍ＊を算出する。本実施の形態における可変磁束制御部１３は、図７に示した第１の実施の形態のものと比べ、前回値の保持部３５及び磁化電流テーブル２７の引数が２つになっている点が異なる。尚、ここでは、制御マイコンにより、所定の時間毎に制御処理が繰り返される。

磁束指令Φ＊と磁化要求フラグＦＣｒｅｑは、前回値の保持部３５へ入力される。磁化要求フラグがアップエッジごとに、磁束指令Φ＊を記憶する。前回値の保持部３５の出力は、前回の磁化要求フラグがＦＣｒｅｑ＝１となったときの磁束指令Φ＊の値、すなわち、今回の磁化処理前の磁束指令値Φ＊である。ここでは、前回の磁束指令値はΦ＊ｏｌｄと呼ぶ。磁化電流テーブル２７には、今回の磁束指令値Φ＊と前回の磁束指令値Φ＊ｏｌｄとが入力される。

磁化電流テーブル２７は、図１２の表に示す設定である。可変磁石Ａ５３の最大磁束をΦｖａｒＡｍａｘとし、可変磁石Ｂ５６の最大磁束をΦｖａｒＢｍａｘとすると、磁束指令として取り得る値は、以下の４値である。

図１２の表から分かるように、磁化電流テーブル２７で特徴的なのは、同一の磁束を得る場合においても、前回の状態に応じて、磁化処理、つまり磁化電流が異なる点である。また、図１２の表において、例えば、前回の磁束指令値Φ＊ｏｌｄ＝Φ２で今回の磁束指令値Φ＊＝Φ３である場合の記載“Ｉｍ＿Ｂ⇒−Ｉｍ＿Ａ”は、まず、Ｉｍ＊＝Ｉｍ＿Ｂにて磁化処理し、続けて、Ｉｍ＊＝−Ｉｍ＿Ａとして磁化処理することを表す。単純には、磁化電流指令Φ＊を時間に応じて、Ｉｍ＿Ｂから−Ｉｍ＿Ａへと変化させればよいが、確実に磁化させるためには、まずＩｍ＿Ｂにて磁化して、第１の実施の形態あるいは後述する第３の実施の形態のように、確実に磁化が完了した段階にて磁束指令Φ＊を−Ｉｍ＿Ａに変えて、再度、磁化要求フラグを立てる。

本実施の形態の可変磁束ドライブシステムによれば、２つ以上の特性の異なる可変磁石Ａ５３、可変磁石Ｂ５６を有することで、可変磁束１つでは２つの磁束量しか設定できなかったものが、４つのレベルに磁束量を設定できるようになる。特に、磁化電流の設定が磁化可逆領域及び飽和領域になるように設定されているため、どの可変磁石も値が不定となることがない。よって、再現性のある繰り返し精度の高い磁束の設定が可能であり、トルク精度が向上できる。また、このように複数レベルの磁束値を取り得ることで、運転状況に応じたきめ細かな磁束量の設定が可能となり、可変磁束モータの特徴であるシステム効率の向上を促進できる。尚、本実施の形態は、２つの可変磁石Ａ，Ｂの組み合わせについて記載したが、３つ以上の可変磁石の組み合わせも同様に可能である。

（第３の実施の形態）図１３には、本発明の第３の実施の形態の可変磁束ドライブシステムを示している。尚、図１３において、図１に示した第１の実施の形態と共通の要素には同一の符号を付して示してある。

本実施の形態の可変磁束ドライブシステムは、図１に示した第１の実施の形態に対して、電圧指令演算部１０の出力する電圧指令Ｖｄ＊，Ｖｑ＊と座標変換部７の出力するＤＱ軸電流Ｉｄ，Ｉｑとロータ回転角周波数ω１を用いて磁束Φｈを推定し、可変磁束制御部１３に出力する磁束推定部９を追加的に備え、また可変磁束制御部１３が図１４の構成を備えたことを特徴とする。

磁束推定部９は、ＤＱ軸電圧指令Ｖｄ＊，Ｖｑ＊とＤＱ軸電流Ｉｄ，Ｉｑ、ロータ回転角周波数ω１（インバータ周波数）に基づき、次式によってＤ軸磁束量を推定する。

磁束推定値Φｈは、磁束指令演算部１２からの磁束指令Φ＊と共に可変磁束制御部１３に入力される。

本実施の形態における可変磁束制御部１３の詳細な構成を、図１４に示す。減算器１９にて磁束指令Φ＊と磁束推定値Φｈとの偏差が演算され、同偏差はＰＩ制御器２０に入力される。また、磁束指令Φ＊は磁化電流基準演算部２１に入力される。磁化電流基準演算部２１は、磁束指令Φ＊に応じた磁束に磁化されるように、磁化電流指令Ｉｍ＊をテーブルを利用して算定し、あるいは関数式に当てはめて算定する。この特性は、前述のＢＨ特性に基づき算定する。加算器２２において、磁化電流基準演算部２１の出力とＰＩ制御部２０の出力とを加算する。

この加算器２２が磁化電流指令Ｉｍ＊になる。磁化するためには、この磁化電流指令Ｉｍ＊をＤ軸電流指令Ｉｄ＊として与える。よって、本実施の形態の構成上、Ｉｄ＊がＩｍ＊と一致するように、減算器２６にて磁化電流指令Ｉｍ＊からＤ軸電流基準ＩｄＲを減算し、Ｄ軸磁化電流指令差分値ΔＩｄｍ＊を算出する。これにより、図１３における加算器１４にてＤ軸電流基準ＩｄＲと加算されるため、Ｄ軸電流指令Ｉｄ＊が磁化電流Ｉｍ＊と一致する。

可変磁束制御部１３における切り替え器２３では、後述の磁化完了フラグに基づき、２つの入力を選択して、磁化電流指令Ｉｄｍ＊として選択して出力する。磁化完了フラグ＝０（磁化完了）の場合、Ｄ軸磁化電流指令差分ΔＩｄｍ＊＝０とする。また、磁化完了フラグ＝１（磁化中）である場合、加算器２２の出力をΔＩｄｍ＊として出力する。

減算器１９の出力である磁束指令Φ＊と磁束推定値Φｈとの偏差は、磁化完了判定部２４へと入力される。この磁化完了判定部２４では、例えば磁束偏差の絶対値が所定値αより小さい場合には１を出力し、αより大きい場合には０を出力する。フリップフロップ（ＲＳ−ＦＦ）２５は、セットＳへの入力に磁化要求フラグＦＣｒｅｑを、リセットＲ側に磁化完了判定部２４の出力を入力する。このＲＳ−ＦＦ２５の出力が磁化完了フラグであり、ＰＩ制御部２０と切り替え器２３とに入力される。この磁化完了フラグが０であれば磁化完了、１であれば磁化中であることを示す。

また、磁束推定部９の出力である磁束推定値Φｈは電流基準演算部１１にも入力される。電流基準演算部１１では、第１の実施の形態での演算式での磁束指令Φ＊に代え、磁束推定値ΦｈによってＤＱ軸電流基準ＩｄＲ，ＩｑＲを次式にて求める。

以上の構成により、本実施の形態は、次のような作用効果を奏する。磁化要求があった場合、磁化要求フラグ＝１が少なくとも一瞬立つ。ＲＳ−ＦＦ２５がセットされることで、磁化完了フラグ＝１、すなわち磁化中になる。切り替え器２３がＰＩ制御器２０及び磁化電流基準演算部２１からの出力を磁化電流指令Ｉｍ＊として出力するようになる。この磁化電流基準演算部２１は、磁束指令Φ＊に磁化されるように、事前に把握しているＢＨ特性に基づく磁化電流をフィードフォワード的に与えることになる。これにより、指令値の近傍まで瞬時に磁化することができ、磁化に要する時間が低減されるため、不要なトルクの発生や損失の発生を抑えることができる。尚、ＢＨ特性は、予め実験的に求めたものを用いることもできる。

しかしながら、前述のように、厳密に磁束を所定値に一致させることは困難である。そこで、本実施の形態では、図１５に示すように、可変磁束制御部１３におけるＰＩ制御器２０の作用により磁束の偏差が０に近づくように磁化電流Ｉｍ＊を補正していく。これにより、最終的には磁束指令Φ＊と磁束推定値Φｈ（すなわち、推定誤差がなければ実磁束）とが一致することになる。このため、磁化処理における磁束量の繰り返しの精度が向上し、トルク精度が向上できる。

また、本実施の形態では、図１５に示すように、可変磁束制御部１３における磁化完了判定部２４で、磁束偏差の絶対値が所定値α以内となったことで事実上磁束は一致し磁化が完了したとして出力を１にし、ＲＳ−ＦＦ２５はこのリセット要求を受けて、出力である磁化完了フラグを０にする。よって、確実に磁束推定値がその指令である磁束指令Φ＊に一致したことをもって磁化処理を完了することができる。これにより、本実施の形態によれば、磁化処理における磁束量の繰り返し精度が向上し、トルク精度の向上が期待できる。

また、本実施の形態によれば、ＤＱ軸電流基準ＩｄＲ，ＩｑＲの生成に電圧電流より推定された磁束推定値Φｈを用いるため、仮に磁化処理によって磁束量にばらつきが生じても実態に応じてＤＱ軸電流指令が補正される。そしてこの指令に応じてＤＱ軸電流が流れるため、可変磁束量のばらつきがトルクに与える影響を低減することが可能であり、トルク精度が向上する。

尚、本実施の形態では、磁束推定値に基づき構成しているが、磁束推定器には、ＬｄやＬｑなどのモータインダクタンスが含まれる。これらの値は磁気飽和によって変動するが、特に可変磁束モータでは磁気飽和が可変磁束量によって大きく変動する。よって、可変磁束の推定値を入力として、モータインダクタンスを出力する関数あるいはテーブルを備えることは、磁束推定精度、ひいてはトルク精度の向上に有益である。

また、上述のようにテーブル化しても、インダクタンスの特性を精度良く把握することが困難な場合もある。その場合、磁束を推定する代わり、ホール素子などによって構成される磁束検出器を備え、検出された実磁束Φｒを上記の磁束推定値Φｈの代わりに用いることで、より一層の磁束推定精度の向上、ひいてはトルク精度の向上が図れる。

本発明の第１の実施の形態の可変磁束ドライブシステムのブロック図。 可変磁束モータの簡易モデル図。 本発明の第１の実施の形態で使用する可変磁束モータの断面図。 本発明の第１の実施の形態で使用する可変磁束モータのＢＨ特性図。 種々の材料の永久磁石のＢＨ特性図。 本発明の第１の実施の形態における磁化要求生成部の内部構成を示すブロック図。 本発明の第１の実施の形態における可変磁束制御部１３の内部構成を示すブロック図。 本発明の第１の実施の形態における可変磁束モータ制御のタイミングチャート。 本発明の第２の実施の形態の可変磁束ドライブシステムで使用する可変磁束モータの断面図。 本発明の第２の実施の形態で使用する可変磁束モータに採用する２つの可変磁石のＢＨ特性図。 本発明の第２の実施の形態における可変磁束制御部の内部構成を示すブロック図。 本発明の第２の実施の形態における可変磁束制御部が参照する磁化電流テーブル。 本発明の第３の実施の形態の可変磁束ドライブシステムのブロック図。 本発明の第３の実施の形態における可変磁束制御部の内部構成を示すブロック図。 本発明の第３の実施の形態における可変磁束モータ制御のタイミングチャート。

符号の説明

１，１Ａ 可変磁束モータ
２ 電流検出器
３ 直流電源
４ インバータ
５ 座標変換部
６ ＰＷＭ回路
７ 座標変換部
８ 擬似微分器
９ 磁束推定部
１０ 電圧指令演算部
１１ 電流基準演算部
１２ 磁束指令演算部
１３ 可変磁束制御部
１４ 加算器
１５ ゲート指令生成部
１６ 運転指令生成部
１７ 保護判定部
１８ 位置検出器
１９ 減算器
２０ ＰＩ制御器
２１ 磁化電流基準演算部
２２ 加算器
２３ 切り替え器
２４ 磁化完了判定部
２５ ＲＳフリップフロップ
２６ 減算器
２７ 磁化電流テーブル
２８ 最小オンパルス
２９ 磁化要求生成部
３０ 変化判定部
３１ 前回値の保持部
３２ 論理和回路
３３ 前回値の保持部
３４ 変化判定部
３５ 前回値の保持部
５１ 回転子
５２ 回転子鉄心
５３ 低保磁力永久磁石
５４ 高保磁力永久磁石
５５ 鉄心の磁極部
５６ 低保磁力永久磁石

Claims (16)

1. 永久磁石を用いた永久磁石電動機と、
   前記永久磁石電動機を駆動するインバータと、
   前記永久磁石の磁束を制御するための磁化電流を流す磁化手段とを備え、
   前記永久磁石は、当該永久磁石の磁束密度が前記インバータからの磁化電流によって可変できる可変磁石を少なくとも一部に備え、
   前記磁化手段は、前記可変磁石の磁性体の磁化飽和領域以上の磁化電流を流す能力を備えたものであることを特徴とする可変磁束ドライブシステム。
2. 前記可変磁石は、前記インバータの磁化電流からみて飽和領域が段階的なものとなるように２つ以上の可変磁石にて構成したことを特徴とする請求項１に記載の可変磁束ドライブシステム。
3. 前記２つ以上の可変磁石は、保磁力の異なる２つ以上の可変磁石から構成したことを特徴とする請求項２に記載の可変磁束ドライブシステム。
4. 前記２つ以上の可変磁石は、回転子の連続しない複数の領域それぞれに配置した、保磁力が等しい２つの可変磁石で構成したことを特徴とする請求項２に記載の可変磁束ドライブシステム。
5. 前記磁化手段は、前記磁化電流の大きさを磁束変化前の磁束量と磁束変化後の磁束量とに基づき決定することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の可変磁束ドライブシステム。
6. 前記磁化手段は、異なる磁化電流によって２回以上磁化させることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の可変磁束ドライブシステム。
7. 永久磁石を用いた永久磁石電動機と、
   前記永久磁石電動機を駆動するインバータと、
   前記永久磁石の磁束を制御するために磁化電流を流す可変磁束制御手段と、
   前記永久磁石電動機の電流を検出する手段と、
   前記永久磁石電動機へ印加した電圧、電流及びモータパラメータである巻線インダクタンスに基づき、磁束量を推定する磁束推定手段とを備え、
   前記永久磁石は、当該永久磁石の磁束密度が前記インバータからの磁化電流によって可変できる可変磁石を少なくとも一部に有することを特徴とする可変磁束ドライブシステム。
8. 前記磁束推定手段が推定した推定磁束量に基づき、前記永久磁石電動機の出力トルクがトルク指令に近づくように、Ｄ軸電流とＱ軸電流を補正するＤＱ軸電流補正手段を備えたことを特徴とする請求項７に記載の可変磁束ドライブシステム。
9. 前記ＤＱ軸電流補正手段は、前記磁束推定手段が推定した推定磁束量に基づき、ＤＱ軸電流指令を補正するものであることを特徴とする請求項８に記載の可変磁束ドライブシステム。
10. 前記可変磁束制御手段は、前記磁束推定手段が推定した推定磁束量が磁束指令値に一致するように磁化電流を調整する磁化電流補正手段を有していることを特徴とする請求項７に記載の可変磁束ドライブシステム。
11. 前記磁化電流補正手段は、前記磁束指令値に基づき当該磁束を得るに必要な磁化電流基準を算定する磁化電流基準演算手段を有し、当該磁化電流基準を前記磁化電流へのフィードフォワードターゲット電流とすることを特徴とする請求項１０に記載の可変磁束ドライブシステム。
12. 前記可変磁束制御手段は、磁化電流を流す時間の最小時間を設定し、最小時間以内の短い磁化電流が流れないように制御することを特徴とする請求項７〜１０のいずれかに記載の可変磁束ドライブシステム。
13. 前記可変磁束制御手段は、前記磁束推定手段が推定した推定磁束量と前記磁束指令値との差異が所定範囲内になったことにより、前記永久磁石の磁化を完了とすることを特徴とする請求項７〜１０のいずれかに記載の可変磁束ドライブシステム。
14. 前記磁束推定手段は、前記可変磁石量を前記巻線インダクタンスの関数若しくはテーブルを用いて前記磁束量を推定することを特徴とする請求項７〜１０、１３のいずれかに記載の可変磁束ドライブシステム。
15. 前記磁束を推定する磁束推定手段に代えて、磁束を検出する磁束検出手段を備え、
    前記可変磁束制御手段は、前記磁束推定手段が推定した推定磁束量の代わりに、前記磁束検出手段が検出した磁束検出値を用いて前記磁化電流を制御することを特徴とする請求項７〜１０、１３のいずれかに記載の可変磁束ドライブシステム。
16. 前記可変磁石の磁束密度を正の最大から負の最大まで利用することを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載の可変磁束ドライブシステム。

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