JP2010268571A - ラジアルモータ - Google Patents

Abstract

【課題】アクチュエータ及びその制御器を設けることなく、ロータ位置を軸方向に変位させることができるモータを提供する。
【解決手段】 ラジアルモータ１は、ロータに設けられた磁石の形状又はステータに設けられたスロットの形状が回転軸に対して傾斜したスキューを有する。このラジアルモータ１の制御装置１００は、モータトルク指令値Ｔｍとモータ電気角周波数ωとに基づいて、ｄ軸の電流指令値ｉｄ＊及びｑ軸の電流指令値ｉｑ＊を演算する電流指令値演算部１０１と、ｄ軸電流指令値ｉｄ＊、ｑ軸電流指令値ｉｑ＊から電流位相角βを演算する電流位相角演算部１１０と、電流位相角演算部１１０によって演算された電流位相角βによって発生するモータの軸力を用いてステータに対する軸方向のロータ位置を制御する軸方向制御部１１１と、軸方向変位センサ１１２とを備える。
【選択図】図５

Description

本発明は、回転子の位置を軸方向に変位可能なラジアルモータに関する。

電気自動車駆動用モータは、車両発進時から高速走行時まで幅広い速度範囲が要求される。このようなモータにおいて、低回転域と高回転域の効率を両立させるためには、低回転側で磁石磁束を高める必要があり、一方高回転側では磁石磁束を減少させる必要がある。このため、永久磁石埋め込み型同期機において、回転子の位置を軸方向に変位可能としてリラクタンスを変化させる技術が知られている（例えば、特許文献１）。

特開２００５−２１０８０８号公報（第４頁、図１）

しかしながら特許文献１に記載の技術は、ロータ（回転子）の位置を軸方向に変位させるためのソレノイド等のアクチュエータ、及びアクチュエータを制御するための外部電源制御器を必要とするので、機器が大型化し、製造コストも増加するという問題点があった。

以上の問題点に鑑み、本発明の課題は、ロータ位置を軸方向に変位させるためのアクチュエータ及びその制御器を設けることなく、ロータ位置を軸方向に変位させて弱め界磁制御を行うことができるラジアルモータを提供することである。

上記課題を解決するために、本発明は、ロータに設けられた磁石の形状又はステータに設けられたスロットの形状が回転軸に対して傾斜したスキューを有するラジアルモータにおいて、モータトルク指令値とモータ電気角周波数とに基づいて、ｄ軸及び及びｑ軸の電流指令値を演算し、前記電流指令値から電流位相角を演算し、電流位相角によって発生するモータの軸力を用いてステータに対する軸方向のロータ位置を制御することを要旨とする。

本発明によれば、ロータ位置を軸方向に変位させるためのアクチュエータ及びその制御器を設けることなく、電流位相角βを制御することによりスキューを有するラジアルモータの軸方向力を制御して、ロータ位置の回転軸方向の変位と復元を行うことにより弱め界磁制御を行うことができるラジアルモータを提供できるという効果がある。

（ａ）スキューを有するラジアルモータの形状を説明する部分斜視図、（ｂ）ロータとステータ間の軸方向の力を説明する周方向展開図である。 （ａ）軸方向変位が０の場合の電流位相角βに対する軸方向力Ｆｚを示す図、（ｂ）軸方向変位が＋ｚの場合の電流位相角βに対する軸方向力Ｆｚを示す図、（ｃ）軸方向変位が−ｚ場合の電流位相角βに対する軸方向力Ｆｚを示す図である。 （ａ）本発明に係るラジアルモータの実施例１の構造、及び軸方向力Ｆｚがバネ力より大きい状態を説明する断面図、（ｂ）電流位相角βが負、且つＦｚが３０［Ｎ］以上の領域αを示す図である。 （ａ）ガバナ機構の詳細を説明する断面図、（ｂ）低回転時のガバナ機構正面図、（ｃ）高回転時のガバナ機構正面図である。 実施例に共通の制御装置の構成を説明する概略ブロック図である。 （ａ）実施例１において、軸方向力Ｆｚがバネ力より小さいがロータシャフトがガバナ機構によりロックされている状態を説明する断面図、（ｂ）−４０≦β≦０，且つ０≦Ｆｚ＜３０の領域βを示す図である。 （ａ）実施例１において、軸方向力Ｆｚがバネ力より小さく、且つロータシャフトがガバナ機構によりアンロックされて−ｚ方向に変位している状態を説明する断面図、（ｂ）−９０≦β＜４０，且つ０≦Ｆｚ＜３０の領域γを示す図である。 （ａ）本発明に係るラジアルモータの実施例２の構造、及び軸方向力Ｆｚがバネ力より大きい状態を説明する断面図、（ｂ）電流位相角βが負、且つＦｚが３０［Ｎ］以上の領域αを示す図である。 （ａ）回転数−トルクマップ上の動作点Ａ，Ｃを示す図、（ｂ）動作点Ａにおける電流位相角βに対する軸方向力Ｆｚを示す図、（ｃ）動作点Ａにおけるモータの状態を示す断面図、（ｄ）動作点Ｃにおけるモータの状態を示す断面図である。 （ａ）回転数−トルクマップ上の動作点Ａ，Ｃを示す図、（ｂ）動作点Ｃから動作点Ａへの変位を説明するフローチャート、（ｃ）動作点Ａから動作点Ｃへの変位を説明するフローチャートである。 （ａ）回転数−トルクマップ上の動作点Ａ，Ｂ，Ｐを示す図、（ｂ）動作点Ａ，Ｐ，Ｂにおける電流位相角βに対する軸方向力Ｆｚを示す図、（ｃ）ｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑマップ上の動作点Ｐを介した動作点Ａから動作点Ｂへの遷移を説明する図である。 （ａ）動作点Ａにおけるモータの状態を示す断面図、（ｂ）動作点Ｐにおけるモータの状態を示す断面図、（ｃ）動作点Ｂにおけるモータの状態を示す断面図である。 （ａ）動作点Ａから動作点Ｂへの変位を説明するフローチャート、（ｂ）動作点Ｂから動作点Ａへの変位を説明するフローチャートである。 本発明におけるロータシャフト変位前と、変位後におけるモータ回転数に対するトルクを示す図である。

まず図１及び図２を参照して、本発明の原理を説明する。図１（ａ）は、スキューを有するラジアルモータの形状例を説明する電気角１周期分の部分斜視図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のモータにおけるロータとステータ間の軸方向の力を説明する周方向展開図である。ここで回転軸方向を＋ｚとする。

図１（ａ）に示すように、ステータ５がスキューしたラジアルモータは、ティース１３のエッジ１４がモータの回転軸方向に対して傾き角度θを有している。このため、図１（ｂ）に示すように、ティース１３ａがＮ極、ティース１３ｂがＳ極、ティース１３ｃがＮ極に励磁されている時に、ロータ１５の永久磁石１９ａ（Ｓ極）の下端部は、ティース１３ｂから反発力を受け、ロータ１５の永久磁石１９ｂ（Ｎ極）の上端部は、ティース１３ｂから吸引力を受ける。これら反発力及び吸引力は、ともにロータ１５を＋ｚ方向（回転軸方向）へ変位させようとする軸方向力Ｆｚとなる。本発明は、アクチュエータを用いることなく、スキューを有するラジアルモータの軸方向力Ｆｚを利用してロータの軸方向位置を変位させることにより、弱め界磁を実現するものである。

図２は、ある電流値における電流位相角βと軸方向力Ｆｚとの関係を示す図であり、（ａ）ロータの軸方向変位ｚが０の場合、（ｂ）ロータの軸方向変位ｚが＋の場合、（ｃ）ロータの軸方向変位ｚが−の場合をそれぞれ示す。

図２（ａ）に示すように、ｚ方向変位０の場合は、β＝０°付近で軸方向力Ｆｚが正の最大値をとり、βが±９０°（＋が強め界磁、−が弱め界磁）付近で軸方向力Ｆｚが０になっている。図２（ｂ）に示すように、ｚ方向変位が＋の場合は、軸方向力Ｆｚのピークが弱め界磁側に移り、β＝９０°ではＦｚ＜０、β＝−９０°ではＦｚ＞０となっている。一方、図２（ｃ）が−ｚに変位させた場合のβとＦｚの関係である。Ｆｚのピークが強め界磁側に移り、β＝９０°ではＦｚ＞０、β＝−９０°ではＦｚ＜０となっている。このことから、β＝９０°では変位に対して復元力が働く安定点、β＝−９０°では不安定点であることがわかる。従って、この性質を利用して電流位相角βを制御することにより軸方向力を制御することができる。

次に、本発明に係るラジアルモータの実施例１を説明する。図３（ａ）は、実施例１のラジアルモータの構造及び軸方向力Ｆｚがバネ力より大きい状態を説明する断面図である。図３（ｂ）は、電流位相角βが負、且つ軸方向力Ｆｚが３０［Ｎ］以上の領域αを示す図である。

図３において、ラジアルモータ１は、ハウジング３と、ステータ５と、ロータ１５とを備える。ステータ５は、例えば１枚毎に絶縁された電磁鋼板を積層して構成されたステータコア７と、ステータコア７に形成された図示しないスロット及びティースと、ティースの周囲に巻回されたコイル１１とを備える。

ロータ１５は、軟磁性体材料で形成された円筒状のロータコア１７と、ロータコア１７に埋め込まれた永久磁石１９と、ロータコア１７と一体に成型された円盤状のロータディスク２１と、ラジアルモータ１の回転軸部材であるロータシャフト２５とを備えている。

ロータシャフト２５は、ハウジング３に嵌め込まれた軸受２７，２９により軸支されている。またロータシャフト３５の中央部には、鍔状のフランジ（ロータ取り付け部材）２４が一体に成型されている。このフランジ２４にロータディスク２１をボルト２３でネジ止めすることによりロータ１５が形成されている。

また、ロータシャフト２５の図中左端部には、径が小さくなった中径部２５ａと、中径部２５より更に左端に近い部分に更に径が小さくなった小径部２５ｂが形成されている。

またハウジング３の図中左側端部には、軸受３９が設けられている。軸受３９は、円環状のディスク３３を回転可能に支持するとともにディスク３３の図中左側への移動を規制している。ディスク３３の左側には、継手５１を介してラジアルモータ１の出力を取り出す出力軸部材３７が接続されている。

またディスク３３の右側には、ガバナ機構３１が形成されている。ガバナ機構３１は、後に図４を参照して説明するように、ロータシャフト２５と軸方向に変位可能なスプライン３５により結合されてロータシャフト２５のトルクを伝える機構である。このガバナ機構３１は、ラジアルモータ１の回転速度が低速時には閉じ、高速時には遠心力により半径方向に開くことにより、ロータシャフト２５の小径部２５から中径部２５ａへ支持位置を変えることができるものである。

ロータシャフト２５の図中右側端部は、軸方向に垂直な端面２５ｃが形成されている。この端面２５ｃは、軸受４１を介して、バネ機構４３の圧力板４９により図中左方向（−ｚ方向）へ付勢されている。

バネ機構４３は、バネホルダ４５と、圧縮コイルバネであるバネ４７と、圧力板４９とを備えている。バネホルダ４５は、ラジアルモータ１のハウジング３が固定される図示しないフレーム等に固定され、バネ４７を保持するものである。圧力板４９は、バネ４７のバネ力をロータシャフト２５に伝達する部材である。

バネ４７のセット荷重は、ラジアルモータ１の高回転低負荷時の弱め界磁制御を行いたい回転数でガバナ機構３１が開いたときに、軸方向力Ｆｚに打ち勝ってロータシャフト２５を−ｚ方向に変位させる値に設定する。

次に、ロータの軸方向（ｚ方向）の振動について考察する。ロータの軸方向力Ｆｚは、ロータのステータとの相互作用であるので、ロータとステータ間の磁気抵抗の回転角度依存性によるコギングトルクと同じ周波数で軸方向力Ｆｚも変動する。軸方向力Ｆｚの変動は、軸方向変位の振動となって好ましくないので、ロータ質量とバネ４７のバネ力による共振周波数がモータの起動時を除いた常用回転数領域内のコギングトルク周波数より小さくなるようにバネ定数を設定する。これにより譬え過渡的に軸方向変位の振動が発生しても速やかに振動を減衰させることができる。

図３（ａ）に示したラジアルモータ１の状態は、電流位相角βの低い領域即ち低速高負荷時の状態である。この状態では、スキューにより生じる軸方向力Ｆｚがバネ４７のセット荷重を上回り、ロータシャフト２５に働く軸方向（ｚ方向）力はトータル＋であるが、圧力板４９がバネホルダ４５に接触してこれ以上変位できない状態であり、ロータシャフト２５はｚ変位０の初期位置にある状態である。

図３（ｂ）は、ラジアルモータ１が図３（ａ）の状態をとる電流位相角βが負、且つＦｚが３０［Ｎ］以上の領域αを示す図である。

次に、図４を参照してガバナ機構３１の詳細を説明する。図４（ａ）は、ガバナ機構３１の断面図である。図４（ｂ）は、通常時（低速回転時）の＋ｚ方向からガバナ機構３１を見たときの正面図である。図４（ｃ）は、高速回転時の＋ｚ方向からガバナ機構３１を見たときの正面図である。

ガバナ機構３１は、円環状のディスク６１（図３ではディスク３３と表示）の外周部に接続する円筒状の側壁６３と、軸受片６７及び圧縮コイルバネを用いたバネ５６とを備える。ディスク６１の中央部には、スプライン６９（図３ではスプライン３５と表示）が設けられている。

軸受片６７は、軸受け部材を９０°毎に４分割したものである。バネ６５は、一端が側壁６３の内面に固定され、他端が軸受片６７の外周部に固定されている。この軸受片６７及びバネ６５を４組備えている。ラジアルモータの停止時または低速回転時には、バネ６５の伸張しようとする力が各軸受片６７をガバナ機構３１の中心側へ押しやる。ラジアルモータの高回転時には、各軸受片６７の質量と回転角速度から決まる遠心力がバネ６５の伸張力に打ち勝って、各軸受片６７が側壁６３側へ押しつけられ、４つの軸受片６７が囲む空間が拡大し、この中へ図３で示したロータシャフト２５の中径部２５ａが収容可能となる。

次に、図５の制御ブロック図を参照して、本発明に係るラジアルモータを制御する制御装置を説明する。図５において、ラジアルモータ１は、図１及び図３で説明した構造を有するラジアルモータ１であり、ここでは、３相永久磁石型同期モータとする。ラジアルモータ１は、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相の電流（Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ）を検出する電流センサ１０５と、ロータの電気角を検出する角度センサ１０７と、ロータシャフトの軸方向変位（ｚ）を検出する軸方向変位センサ１１２を備えている。

ラジアルモータ１を制御する制御装置１００は、外部から与えられるトルク指令値（Ｔｍ）とモータ電気角周波数（ω）とに基づいて、ｄ軸の電流指令値（ｉｄ＊）及びｑ軸の電流指令値（ｉｑ＊）を演算する電流指令値演算部１０１と、電流指令値演算部が演算した電流指令値に基づいて２相の電圧指令値（Ｖｄ＊，Ｖｑ＊）をＰＩ制御により演算するＰＩ制御部１０２と、２相電圧指令値を２相／３相変換して３相電圧指令値（Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊）を出力する２相／３相変換部１０３と、３相電圧指令値に基づいて直流電源から３相交流電圧を発生してラジアルモータ１へ供給するインバータ１０４と、角度センサ１０７が検出した電気角から電気角周波数（ω）を計算して電流指令値演算部１０１へ出力する速度演算部１０８と、電流センサ１０５が検出した各相電流値を３相／２相変換した２相電流値（ｉｄ，ｉｑ）をＰＩ制御部１０２へ出力する３相／２相変換部１０９とを備えている。

尚、電流指令値演算部１０１と、ＰＩ制御部１０２と、２相／３相変換部１０３と、インバータ１０４と、速度演算部１０８と、３相／２相変換部１０９とは、トルク指令値（Ｔｍ）に基づいてｄ軸電流，ｑ軸電流をベクトル制御することにより３相永久磁石型同期モータの回転を制御する通常の制御装置と変わる点はない。

また、制御装置１００は、本発明に特徴的な構成要素として、電流指令値演算部１０１が演算したｄ軸電流指令値（ｉｄ＊）及びｑ軸電流指令値（ｉｑ＊）から電流位相角（β）を演算する電流位相角演算部１１０と、電流位相角演算部１１０によって演算された電流位相角（β）によって発生するモータの軸力を用いてステータに対する軸方向のロータ位置を制御する軸方向制御部１１１を備えている。

軸方向制御部１１１は、ラジアルモータ１の高回転低負荷時に電流位相角βの制御を介して軸方向力Ｆｚを制御することにより、ロータシャフト２５の位置を初期位置から−ｚ方向に変位させることにより、弱め界磁を実現する制御部である。

次に、図６の状態では、ラジアルモータ１の回転速度が低速で軸方向力Ｆｚがバネ４７のセット荷重を下回る場合である。この場合はガバナ機構３１が閉じているため、ロータシャフト２５は、−ｚ方向へ変位できない。

次に、図７の状態では、ラジアルモータ１の回転速度が高速で軸方向力Ｆｚがバネ４７のセット荷重を下回る場合である。この場合は、ガバナ機構３１が開くため、バネ４７の伸張力により−ｚ変位が発生する。このため、高回転の低負荷側でロータシャフト２５が変位し、ギャップ磁束を減少させることが可能となる。

次に、本実施例のラジアルモータにおける具体的な回転数−トルクマップ上の動作点の例と、各動作点間の遷移における制御装置の制御内容を詳細に説明する。

最初に、図９（ａ）の回転数−トルクマップに示すように、高回転低負荷（１００００［ｒｐｍ］、３０［Ｎｍ］、モータ電流１００［Ａ］）の動作点の例を点Ａとする。動作点Ａでは、高回転低負荷の領域であるため、図９（ｃ）に示すように、ラジアルモータのロータシャフト２５の位置が−ｚ方向に変位して弱め界磁制御している状態である。図９（ｂ）に動作点Ａにおける電流位相角βに対する軸方向力Ｆｚの特性グラフを示す。

また、高回転高負荷（１００００［ｒｐｍ］、７０［Ｎｍ］、モータ電流１５０［Ａ］）の動作点の例を点Ｃとする。動作点Ｃでは、高回転高負荷の領域であるために弱め界磁制御を必要とすることなく、ロータシャフト位置が変位していない状態である。

図１０（ａ）は、回転数−トルクマップ上の動作点Ａ、Ｃを示す図である。図１０（ｂ）は、動作点Ｃから動作点Ａへの変位の制御を説明するフローチャートである。まず、ステップ（以下、ステップをＳと略す）１０において、ラジアルモータが動作点Ｃの運転状態とする。動作点Ｃでは高回転のためガバナ機構３１は開いて、ロータシャフト２５は−ｚ方向へ変位可能であるが、電流位相角βに基づく軸方向力Ｆｚがバネ４７のセット荷重より大きくロータシャフト２５は−ｚ方向へ変位していない状態である。また動作点Ｃでは、ラジアルモータを制御する制御装置１００は、状態Ｃの回転数−トルクマップを参照するように設定されている。

次いで、Ｓ１２において、外部から制御装置の電流指令値演算部１０１へ与えられるトルク指令値Ｔｍが、７０［Ｎｍ］から３０［Ｎｍ］へ変更、即ち動作点Ｃから動作点Ａへ変更されたとする。これにより電流指令値演算部１０１は、状態Ｃの回転数−トルクマップを参照して、動作点Ａの電流指令値を演算して、ＰＩ制御部１０２及び電流位相角演算部１１０へ出力する。この電流指令値により、モータ電流が変化し、軸方向力Ｆｚがバネ４７のセット荷重より小さくなる。

次いで、Ｓ１４でバネ４７がロータシャフト２５を−ｚ方向へ変位させ、Ｓ１６の動作点Ａにおける運転状態となる。同時に、Ｓ１４のロータシャフト２５の軸方向変位量は、Ｓ２０で軸方向変位量センサ１１２が検出して、軸方向制御部１１１へ送信される。次いでＳ２４で、軸方向変位量センサ１１２から軸方向変位量を受信した軸方向制御部１１１は、回転数−トルクマップを状態Ａに切り換える。

図１０（ｃ）は、動作点Ａから動作点Ｃへの変位を説明するフローチャートである。まず、Ｓ３０において、ラジアルモータが動作点Ａの運転状態とする。動作点Ａでは高回転のためガバナ機構３１は開いて、電流位相角βに基づく軸方向力Ｆｚがバネ４７のセット荷重より小さくロータシャフト２５は−ｚ方向へ変位している状態である。また動作点Ａでは、ラジアルモータを制御する制御装置１００は、状態Ａの回転数−トルクマップを参照するように設定されている。

次いで、Ｓ３２において、外部から制御装置の電流指令値演算部１０１へ与えられるトルク指令値Ｔｍが、３０［Ｎｍ］から７０［Ｎｍ］へ変更、即ち動作点Ａから動作点Ｃへ変更されたとする。これにより電流指令値演算部１０１は、状態Ａの回転数−トルクマップを参照して、動作点Ｃの電流指令値を演算して、ＰＩ制御部１０２及び電流位相角演算部１１０へ出力する。この電流指令値により、モータ電流が変化し、軸方向力Ｆｚがバネ４７のセット荷重より大きくなる。

次いで、Ｓ３４で軸方向力Ｆｚがロータシャフト２５を−ｚ変位状態から変位０の初期位置状態へ戻し、Ｓ３６の動作点Ｃにおける運転状態となる。同時に、Ｓ３４のロータシャフト２５の軸方向変位量は、Ｓ４０で軸方向変位量センサ１１２が検出して、軸方向制御部１１１へ送信される。次いでＳ４４で、軸方向制御部１１１は、回転数−トルクマップを状態Ｃに切り換える。

次に、図１１（ａ）の回転数−トルクマップに示すように、高回転低負荷（１００００［ｒｐｍ］、３０［Ｎｍ］）の動作点を点Ａ、中回転低負荷（７０００［ｒｐｍ］、３０［Ｎｍ］）の動作点を点Ｂとし、動作点Ａ，Ｂ間の遷移におけるロータシャフトの軸方向位置制御を説明する。この場合には、動作点Ａから動作点Ｂへ遷移する場合に、一旦動作点Ｐを介して遷移するという特徴がある。ここで動作点Ｐは、動作点Ｂと同じ回転速度及びトルクを有するが、強め界磁となる動作点である。

高回転側から中回転側への変化の場合には、ガバナ機構３１にロータシャフト２５の中径部２５ａが入った状態から軸を戻すため、いったん動作点Ａと同トルクで軸方向力Ｆｚ＞バネ力となる動作点Ｐで速度を落として運転し、ガバナ機構３１が閉じた後に動作点Ｂでの運転を行う。

図１１（ｂ）は、動作点Ａ，Ｂ，Ｐを電流位相角β−軸方向力Ｆｚマップ上に示した図である。弱め界磁制御領域の動作点Ａから、同じ弱め界磁制御領域の動作点Ｂへ遷移する際に、一旦、トルクは、動作点Ａ，Ｂと同じで、軸方向力Ｆｚがバネ４７のセット荷重より大きくなる動作点Ｐを介して状態遷移することが示されている。

図１１（ｃ）は、電流ベクトルｉｄ、ｉｑマップ上に動作点Ａ，Ｂ，Ｐを示した図である。動作点Ａから動作点Ｂへ遷移する際に、一旦動作点Ａとトルク及び電流が等しく電流位相角βが異なる動作点Ｐへ遷移させる。この動作点Ｐは、軸方向力Ｆｚがバネ４７のセット荷重より大きく、ロータシャフト２５の−ｚ変位状態から初期状態に戻すべく、ロータシャフト２５の中径部２５ａをガバナ機構３１から外して、小径部２５ｂがガバナ機構３１に保持させるために設けられた動作点である。

図１２（ａ）は動作点Ａにおけるラジアルモータの状態を示す断面図、（ｂ）は動作点Ｐにおけるラジアルモータの状態を示す断面図、（ｃ）は動作点Ｂにおけるラジアルモータの状態を示す断面図である。図１２（ａ）に示すように、動作点Ａでは、ガバナ機構３１は開き、ロータシャフト２５は、−ｚに変位した状態である。図１２（ｂ）に示すように、動作点Ｐでは、ガバナ機構３１は開き、ロータシャフト２５は、−ｚ変位状態から変位０の初期状態に復帰している状態である。図１２（ｃ）に示すように、動作点Ｂでは、変位０の初期状態に復帰しているロータシャフト２５をガバナ機構３１は閉じて保持する状態である。

次に、図１３（ａ）を参照して、動作点Ａから動作点Ｂへの変位を説明する。まず、Ｓ５０において、ラジアルモータが動作点Ａの運転状態とする。動作点Ａでは高回転のためガバナ機構３１は開いて、電流位相角βに基づく軸方向力Ｆｚがバネ４７のセット荷重より小さくロータシャフト２５は−ｚ方向へ変位している状態である。また動作点Ａでは、ラジアルモータを制御する制御装置１００は、状態Ａの回転数−トルクマップを参照するように設定されている。

次いで、Ｓ５１において、外部から制御装置１００へ与えられる回転数指令値が、１００００［ｒｐｍ］から７０００［ｒｐｍ］へ変更、即ち動作点Ａから動作点Ｐ（Ｂ）へ変更されたとする。これにより電流指令値演算部１０１は、状態Ａの回転数−トルクマップを参照して、動作点Ｐの電流指令値を演算して、ＰＩ制御部１０２及び電流位相角演算部１１０へ出力する。次いでＳ５２において、モータ回転数が変化する。次いで、Ｓ５３で軸方向制御部１１１により動作点Ｐへ変位するように軸方向変位指令が発せされる。これにより電流位相角βが変化し、動作点Ｐへ遷移する。次いで、Ｓ５４では、図１１（ｃ）に示したように動作点Ｐの軸方向力Ｆｚが強くバネ４７のセット荷重を超えて、ロータシャフト２５は、−ｚ変位状態から０変位へ＋ｚ方向に変位し、初期位置へ復帰する。次いでＳ５６で動作点Ｂの運転状態となる。Ｓ５４のロータシャフト２５の軸方向変位は、Ｓ６０で同時に軸方向変位量センサ１１２で検出されて、軸方向制御部１１１へ送信される。次いでＳ６４で、軸方向制御部１１１は、回転数−トルクマップを状態Ｂに切り換える。

次に、図１３（ｂ）を参照して、動作点Ｂから動作点Ａへの変位を説明する。まず、Ｓ７０において、ラジアルモータが動作点Ｂの運転状態とする。動作点Ｂでは中回転のためガバナ機構３１は、ロータシャフト２５の小径部２５ｂを保持して閉じている状態である。また動作点Ｂでは、ラジアルモータを制御する制御装置１００は、状態Ｂの回転数−トルクマップを参照するように設定されている。

次いで、Ｓ５１において、外部から制御装置１００へ与えられる回転数指令値が、７０００［ｒｐｍ］から１００００［ｒｐｍ］へ変更、即ち動作点Ｂから動作点Ａへ変更されたとする。これにより電流指令値演算部１０１は、状態Ｂの回転数−トルクマップを参照して、動作点Ａの電流指令値を演算して、ＰＩ制御部１０２及び電流位相角演算部１１０へ出力する。次いでＳ７２において、モータ回転数が変化する。次いで、Ｓ７４では、モータ回転数の増加によりガバナ機構３１が開くとともに、軸方向力Ｆｚがバネ４７のセット荷重より小さいため、バネ４７の力によりロータシャフト２５が−ｚ方向に変位する。次いでＳ７６で動作点Ａの運転状態となる。Ｓ７４のロータシャフト２５の軸方向変位は、Ｓ８０で同時に軸方向変位量センサ１１２で検出されて、軸方向制御部１１１へ送信される。次いでＳ８４で、軸方向制御部１１１は、回転数−トルクマップを状態Ａに切り換える。

以上説明した本実施例によれば、ロータ位置を軸方向に変位させるためのアクチュエータ及びその制御器を設けることなく、電流位相角βを制御することによりスキューを有するラジアルモータの軸方向力を制御して、ロータ位置の回転軸方向の変位と復元を行うことにより弱め界磁制御を行うことができるモータを提供できるという効果がある。

また本実施例によれば、モータの回転数に応じて軸方向のロータシャフト保持位置を変えるガバナ機構と、セット荷重により軸方向の変位開始点および変位量を調整するバネ機構と、ロータシャフトの軸方向変位量を検出する軸方向変位量検出手段と、を備え、軸方向変位量検出手段が検出した軸方向変位量に基づいて参照する回転数−トルク指令マップを切り換えるので、バネ機構のセット荷重によりロータ位置を軸方向変位させる運転範囲を所望の範囲に設定することができるという効果がある。

また本実施例によれば、ロータシャフトの軸方向変位状態から初期位置状態に遷移を伴ってモータ回転数を低下させる際に、電流位相角βを所定の強め界磁側角度として軸方向変位を戻した後に、モータ回転数を低下させることにより、トルク変動を避けながら軸方向力を制御することができるという効果がある。

さらに本実施例によれば、バネ機構に用いるバネのバネ定数は、該バネと前記ロータの質量からなるバネマス系の共振周波数がモータの常用回転数におけるコギングトルクの周波数より小さくなるように設定するので、軸方向の振動を低減することができるという効果がある。

図８は、本発明に係るラジアルモータの実施例２の構造を説明する断面図である。図３に示した実施例１と異なる点は、ロータシャフト２５の図中左側の先端部にテーパ部２５ｄを設けたことである。

本実施例においては、ガバナ機構３１がモータの回転速度の上昇に従って連続的に開度が増加し、ロータシャフト２５のテーパ部２５ｄが回転軸方向へ連続的な変位が可能となる。従って、実施例２によれば、ステータに対するロータの軸方向位置を連続的に変位させることができるので、より細かく弱め界磁制御が可能となるという効果がある。

次に、図１４の回転数−トルク特性曲線を参照して、本発明により得られる効果の一例を示す。尚、図１４に示したモータは、以上の実施例１、２で説明したモータとは異なるモータであることを断っておく。図中Ｔ-orgで示す線がロータの軸方向変位がなく、ロータとステータが正対している場合のトルク曲線である。図中Ｔで示す線がロータとステータとが正対する軸方向長さＬに対して、ロータの軸方向位置をＬの５％だけ変位させた場合のトルク曲線である。回転速度５０００［ｒｐｍ］程度までは、変位させない方がトルクが大きいが、５０００［ｒｐｍ］を超えるとロータシャフトを変位させた方が弱め界磁によりトルクが大きくなっている。またロータの位置を変位させた場合の最高回転速度が９７００［ｒｐｍ］であるのに対して、変位させない場合が９１００［ｒｐｍ］となり、最高回転速度を６００［ｒｐｍ］向上させることができた。

１ ラジアルモータ
５ ステータ
１５ ロータ
２５ ロータシャフト
３１ ガバナ機構
３５ スプライン
３７ 出力軸
４３ バネ機構
１００ 制御装置
１０１ 電流指令値演算部（電流指令値演算手段）
１１０ 電流位相角演算部（電流位相角演算手段）
１１１ 軸方向制御部（軸方向制御手段）
１１２ 軸方向変位量センサ（軸方向変位量検出手段）

Claims (5)

1. ロータに設けられた磁石の形状又はステータに設けられたスロットの形状が回転軸に対して傾斜したスキューを有するラジアルモータにおいて、
   モータトルク指令値とモータ電気角周波数とに基づいて、ｄ軸の電流指令値及びｑ軸の電流指令値を演算する電流指令値演算手段と、
   前記ｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値から電流位相角を演算する電流位相角演算手段と、
   前記電流位相角演算手段によって演算された電流位相角によって発生するモータの軸力を用いて前記ステータに対する軸方向のロータ位置を制御する軸方向制御手段と、
   を制御装置として備えたことを特徴とするラジアルモータ。
2. 前記軸方向制御手段は、
   モータの回転数に応じて軸方向のロータシャフト保持位置を変えるガバナ機構と、
   セット荷重により軸方向の変位開始点および変位量を調整するバネ機構と、
   ロータシャフトの軸方向変位量を検出する軸方向変位量検出手段と、を備え、
   前記制御装置は、前記軸方向変位量検出手段が検出した軸方向変位量に基づいて参照する回転数−トルク指令マップを切り換えることを特徴とする請求項１に記載のラジアルモータ。
3. 前記制御装置は、
   前記ロータシャフトの軸方向変位状態から初期位置状態に遷移を伴ってモータ回転数を低下させる際に、電流位相角βを所定の強め界磁側角度として軸方向変位を戻した後に、モータ回転数を低下させることを特徴とする請求項２に記載のラジアルモータ。
4. 前記バネ機構に用いるバネのバネ定数は、該バネと前記ロータの質量からなるバネマス系の共振周波数がモータの常用回転数におけるコギングトルクの周波数より小さくなるように設定されていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のラジアルモータ。
5. 前記ガバナ機構と対向するロータシャフトの接触面がテーパ状であることを特徴とする請求項２乃至請求項４の何れか１項に記載のラジアルモータ。

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