JP2011223811A - 電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】同期モータにおいて、駆動トルクを発生させつつ、ロータを静止させておく場合に、相電流が一つの相に集中することを防止する。
【解決手段】同期モータ１２のステータ２４を、ロータ１８の回転軸線回りで回転させる超音波モータ１４を設ける。ロータ１８の回転速度の絶対値が所定値以下となったとき、超音波モータ１４によりステータ２４を回転駆動する。これにより、ロータ１８のステータに対する相対回転速度を、相電流が一つの相に集中することを防止できる速度とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機に関し、特に停止時および低速運転時の制御または動作に関する。

同期モータは、磁場の回転に対しロータが同期して回転する。したがって、ロータが回転していないときには、磁場も回転せず、磁場を形成するための各相の電流は一定値となる。同期モータをハイブリッド車両などの電動車両の動力装置として使用する場合、車両を停止させた状態で、モータの駆動トルクを発生させる操作が行われることがある。例えば、登坂路において、重力による登坂路を下がろうとする力に対抗するよう、アクセルペダルを操作して駆動トルクを発生させ、車両を停止状態を維持させる場合がある。この場合、ロータは停止しているが、モータには駆動トルクを発生させるための電力が供給されている。

下記特許文献１には、回転軸線方向に並べられた２個のステータを有するモータが開示され、このモータにおいては、一方のステータが他方のステータに対し回転して、互いの位相を変更可能となっている。

特開２００５−１６０２７８号公報

ロータの回転が停止した状態で駆動トルクを発生させる場合、各相の電流は、相ごとに一定の値となるが、相間では、一般的に同じ値とならない。例えば、３相のＵ相に、ロータが回転しているときの電流振幅の最大値の電流が流れる位相においては、他のＶ相、Ｗ相には、この半分の電流しか流れない。電流が集中した相においては、この相のコイル、トランジスタ等の回路素子が過熱する場合がある。また、ロータが完全に停止しなくても、極低速の場合、前記の相電流の集中が問題となる場合がある。

本発明は、ロータが回転を止めた状態、または極低速で回転している場合において、電流が１相に集中しないようにすることを目的とする。

本発明の電動機は、同期モータのステータを、ロータと同じ回転軸線回りで回転させる回転駆動手段を有する。ロータの回転速度の絶対値が所定値以下のとき、回転駆動手段によりステータを回転させて、ロータとステータの相対速度を大きくし、１相に電流が集中しないようにする。

例えば、ロータの回転を止める場合には、同期モータを、そのロータがステータに対して第１の速度で回転するように制御し、さらに回転駆動手段によりステータを第１の速度と逆向きで絶対値が同じ第２の回転速度で回転させるよう制御する。

前記の回転駆動手段を、内側回転駆動手段、外側回転駆動手段の２重の構成とすることもできる。内側回転駆動手段は、同期モータのステータを囲む駆動子を有し、この内側駆動子によって前記ステータを回転駆動する。つまり、同期電動機のステータが内側回転駆動手段の駆動対象となる。外側回転駆動手段は、前記内側駆動子の周囲に配置された駆動子を有し、この外側駆動子によって前記内側駆動子を回転駆動する。つまり、内側駆動子が外側回転駆動手段の駆動対象となる。

例えば、ロータの回転を止める場合には、同期モータをそのロータがステータに対して第１の速度で回転するように制御し、内側回転駆動手段を、同期モータのステータが内側駆動子に対し第２の回転速度で回転するように制御し、外側回転駆動手段を、内側駆動子が第３の回転速度で回転させるように制御する。そして、第２および第３の回転速度が、第１の回転速度と向きが逆であり、かつ第２および第３の回転速度のそれぞれの絶対値の和が、第１の回転速度の絶対値と等しくなるよう制御する。

回転駆動手段は超音波モータとすることができる。また、２重の回転駆動手段の内側および外側回転駆動手段のそれぞれも超音波モータとすることができる。

同期モータのロータの回転を止めるとき、または極低速で回転させるときでも、同期電動機のロータとステータが、所定の速度以上で相対的に回転させることができ、電流が、一つの相に集中することを避けることができる。

本実施形態の電動機１０の概略構成を示す断面図である。 一つの相への電流の集中を説明するための図である。 電動機１０の概略的な軸直交断面図である。 他の実施形態の電動機５０の概略構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態を、図面に従って説明する。図１は、本実施形態の電動機１０の概略構成を示す断面図である。電動機１０は、共通の回転軸線を有する同期モータ１２と超音波モータ１４を有する。同期モータ１２は、出力軸となるモータ軸１６と、モータ軸１６と一体となって回転するロータ１８を含む。ロータ１８は概略形状が円柱であり、円柱の外周部分に、周方向に配列された磁極（不図示）を有する。磁極は３相のコイルを有し、これらコイルには、モータ軸１６に設けられたスリップリング２０を介して３相の交流電力が供給される。ロータ１８の周囲には、インナハウジング２２上に設けられた略円筒形のステータ２４が配置され、このステータ２４には、ロータ１８の磁極と相互作用する永久磁石（不図示）が設けられている。インナハウジング２２の更に外側には、これを取り囲むようにアウタハウジング２６が配置される。アウタハウジングの内周面に圧電素子２８が配置され、インナハウジングの外周部３０は、圧電素子２８に密着するよう配置されている。圧電素子２８に高周波電力を供給すると、圧電素子２８には、周方向の進行波が形成され、これに接するインナハウジングの外周部３０が力を受けて回転する。つまり、圧電素子２８およびアウタハウジング２６が、インナハウジングの外周部３０を駆動する超音波モータ１４の駆動子として機能し、インナハウジング２２が超音波モータ１４の駆動対象子となる。

アウタハウジング２６は、回転方向において固定されている。インナハウジング２２は、アウタハウジング２６に、ベアリング３２，３４により回転可能に支持される。モータ軸１６は、ベアリング３６によりアウタハウジング２６に回転可能に支持され、さらにもう一つのベアリング３８によりインナハウジング２２に回転可能に支持されている。したがって、同期モータ１２のロータ１８および超音波モータの駆動対象子としてのインナハウジング２２は、固定されたアウタハウジング２６に対し、それぞれ独立して回転可能となっている。これらの回転要素の回転位置および回転速度を検出するためのセンサが設けられている。同期モータ１２のロータ１８の回転位置および速度を検出するために、モータ軸１６に対し、ロータ回転センサ４０が設けられている。また、インナハウジング２２に対してもインナハウジング回転センサ４２が設けられている。これらのセンサは、例えばレゾルバとすることができる。同期モータにおいては、ロータの回転位置に応じた位相の電力を供給する必要があるため、回転位置の検出が必要であり、ロータ回転センサ４０は、このためのセンサを利用することができる。回転速度は、回転位置に基づき算出することができる。

駆動制御部４４は、要求される出力トルクの値および同期モータのロータ１８とインナハウジング２２の回転位置に基づき、同期モータ１２および超音波モータ１４への電力供給の制御を行う。駆動制御部４４の同期モータ駆動部４６は、三相交流電力をスリップリング２０を介して同期モータのロータ１８に設けられたコイルに供給する。この電力により生じた回転磁界と同期モータのステータ２４の永久磁石の相互作用によりロータ１８が回転する。また、駆動制御部４４の超音波モータ駆動部４８は、アウタハウジング２６に設けられた圧電素子２８に電力を供給し、圧電素子２８上に周方向の進行波を形成し、これによりインナハウジング２２を回転させる。インナハウジング２２は、超音波モータの駆動対象子であると共に、ステータ２４を支持する支持部材である。よって、超音波モータ１４を駆動してインナハウジング２２を回転させると、同期モータのステータ２４が回転する。したがって、同期モータのロータ１８の回転（固定されたアウタハウジング２６に対する回転）は、インナハウジング２２の回転と、インナハウジング２２（ステータ２４）に対するロータ１８の回転を合成した回転となる。

図２には、同期モータ２００の基本的な回路構成が示されている。同期モータ２００はロータ２０２と、ステータ２０４を有し、ステータ２０４にＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相のコイルが配置されている。これらのコイルには、インバータ２０６より、相間で互いに１２０°位相がずれた三相交流電力が供給される。図２は、Ｕ相に最大の電力が流れている状態を示す。このとき、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の各電流Ｉu，Ｉv，Ｉw の大きさは、２：１：１となり、Ｕ相に電流が集中した状態となっている。もし、ロータ２０２が回転せずに、このままの電流が各コイルに流れると、インバータ２０６のＵ相のコイル、トランジスタ等の回路素子に電流が流れ続け、各素子が過熱するなどの問題が生じる。上述の電動機１０においては、ロータが止まっても、ロータとステータの間に相対運動が生じるようにすることにより、一つの相に電流が集中しないようすることが可能である。

図３は、各回転要素の回転状態を説明するための、電動機１０の軸直交断面図である。アウタハウジング２６に対して、角度θ1 だけ、インナハウジング２２を回転させ、これと同時に、インナハウジング２２に対してロータ１８を角度θ2 回転させた状態が示されている。θ2 ＝−θ1 であれば、アウタハウジング２６に対してロータ１８は回転しない。また、角速度で表現すれば、アウタハウジング２６に対してインナハウジング２２を角速度ω1 で回転させ、同時にインナハウジング２２に対してロータ１８を角速度ω2 で回転させるとき、ロータ１８は、アウタハウジング２６に対し、角速度ω1 ，ω2 の合成された角速度（ω1＋ω2）で回転する。ω2 ＝−ω1 であれば、ロータ１８はアウタハウジング２６に対して静止する。

ロータ１８の回転が極低速となったときにも、一つの相に大きな電流が流れる継続時間が長くなる。この場合にも、ロータ停止時と同様に回路素子の過熱等の問題が生じる可能性がある。電動機１０においては、ロータの回転速度が、この問題が生じうる速度以下となったとき、超音波モータ１４を駆動して、同期モータ１２のロータ１８とステータ２４の相対速度を、過熱等の問題が生じない程度に大きな速度が維持されるようにする。

同期モータ１２のステータ２４を回転させるための手段は、超音波モータに限られないが、超音波モータは、電力供給がなされず停止しているときには、圧電素子が駆動対象を強固に固定する特性があるので有利である。つまり、同期モータ１２の通常回転中においては、超音波モータ１４に電力を供給しなくても、圧電素子２８がインナハウジングの外周部３０を拘束し、同期モータのステータ２４が固定される。

図４は、他の実施形態の電動機５０の概略構成を示す断面図である。電動機５０は、同期モータと、これと共通の回転軸線を有する２重に構成された超音波モータを組み合わせた電動機である。同期モータについては、電動機１０の同期モータ１２と同様の構成を有しており、これと同一の符号を付して説明を省略する。超音波モータ５２は、内側超音波モータ５４と、外側超音波モータ５６を含む２重の構成を有している。２重構成とすることで、単一の超音波モータよりも、同期モータのステータをより速く回転させることを可能としている。

同期モータのステータ２４は、第１インナハウジング５８の円筒部分に固定されている。第１インナハウジング５８の外側には、これを囲むように第２インナハウジング６０が配置され、更にその外側にはアウタハウジング６２が配置されている。これらのハウジングは、同心の円筒部分を有し、それらの対向する内周面と外周面に内側、外側超音波モータ５４，５６が構成される。

アウタハウジング６２の内周面には、圧電素子６４が配置され、圧電素子６４は第２インナハウジングの外周部６６に密着している。第２インナハウジング６０の内周面には、圧電素子６８が配置され、圧電素子６８は第１インナハウジング５８の外周部７０に密着している。圧電素子６４，６８に電力が供給されると、圧電素子６４，６８上に周方向に進む進行波が形成され、これにより密着している外周部６６，７０が回転駆動される。このように、圧電素子６４とアウタハウジング６２が、第２インナハウジングの外周部６６を駆動する外側超音波モータ５６の駆動子として機能し、第２インナハウジング６０が外側超音波モータ５６の駆動対象子となる。同様に、圧電素子６８と第２インナハウジング６０が第１インナハウジングの外周部７０を駆動する内側超音波モータ５４の駆動子として機能し、第２インナハウジング５８が内側超音波モータ５４の駆動対象子となる。

アウタハウジング６２は、回転方向において固定されている。第２インナハウジング６０は、アウタハウジング６２にベアリング７２，７４を介して回転可能に支持されている。第１インナハウジング５８は、第２インナハウジング６０にベアリング７６，７８を介して回転可能に支持されている。さらに、モータ軸１６は、前述の電動機１０と同様、ベアリング３６，３８を介して、第１インナハウジング５８に回転可能に支持されている。したがって、同期モータのロータ１８、第１および第２インナハウジング５８，６０は、固定されたアウタハウジング６２に対し、それぞれ独立して、共通の軸線回りに回転可能となっている。これらの回転要素の回転位置および回転速度を検出するためのセンサが設けられている。前述のように、モータ軸１６に対してはロータ回転センサ４０が設けられ、第１および第２インナハウジング５８，６０に対してはそれぞれ第１および第２インナハウジング回転センサ８０，８２が設けられている。

駆動制御部８４は、要求される出力トルクの値および同期モータのロータ１８および第１および第２インナハウジング５８，６０の回転位置に基づき、同期モータ１２および超音波モータ５２への電力供給の制御を行う。駆動制御部８４の超音波モータ駆動部８６は、圧電素子６４，６８にそれぞれ電力を供給し、圧電素子上に周方向の進行波を形成し、これにより第１および第２インナハウジング５８，６０を回転させる。同期モータのロータ１８の回転（固定されたアウタハウジング６２に対する回転）は、アウタハウジング６２に対する第２インナハウジング６０の回転と、第２インナハウジング６０に対する第１インナハウジング５８の回転と、第１インナハウジング５８（ステータ２４）に対するロータ１８の回転を合成した回転となる。

前述の電動機１０と同様、電動機５０においても、同期モータ１２の回転速度が、電流が一つの相に集中するような極低速となったとき、超音波モータ５２により同期モータのステータ２４を回転駆動するようにできる。これにより、同期モータのロータ１８とステータ２４の相対回転速度を大きくし、電流の集中を防止する。ステータ２４に対するロータ１８の角速度をω1 、第２インナハウジング６０に対する第１インナハウジング５８（ステータ２４）の角速度をω2 、アウタハウジング６２に対する第２インナハウジング６０の角速度をω3 としたとき、ω2＋ω3＝−ω1 となるよう制御すれば、ロータ１８はアウタハウジング６２に対して静止する。

超音波モータは、更に多重に、つまり３重以上に構成されてもよい。これにより、同期モータのステータをより速い速度で回転させることが可能になる。

１０ 電動機、１２ 同期モータ、１４ 超音波モータ、１８ ロータ、２２ インナハウジング、２４ ステータ、２６ アウタハウジング、２８ 圧電素子、４０ ロータ回転センサ、４２ インナハウジング回転センサ、４４ 駆動制御部。

Claims (6)

1. ロータとステータを有する同期モータと、
   前記ステータを前記ロータの回転軸線と同軸で回転させる回転駆動手段と、
   前記ロータの回転速度を検出する回転速度センサと、
   を有し、
   前記回転駆動手段は、回転速度センサにより検出されたロータ回転速度の絶対値が所定値以下のとき、前記ロータの、前記ステータに対する相対回転速度が前記所定値超えとなるように前記ステータを回転させる、
   電動機。
2. 請求項１に記載の電動機であって、
   前記回転速度センサにより検出されたロータ回転速度が０のとき、
   前記同期モータは、前記ロータが前記ステータに対して第１の回転速度で回転するように制御され、
   前記回転駆動手段は、前記ステータを第１の速度と逆向きで絶対値が同じ第２の回転速度で回転させる、
   電動機。
3. 請求項１に記載の電動機であって、
   前記回転駆動手段は、内側回転駆動手段と外側回転駆動手段を有し、
   内側回転駆動手段は、前記同期モータのステータを駆動対象子とし、かつ前記同期モータのステータを取り囲んでこれを回転駆動する内側駆動子を有し、
   外側回転駆動手段は、内側駆動子を駆動対象子とし、かつ内側回転駆動手段ステータの周囲に配置されてこれを回転駆動する外側駆動子を有する、
   電動機。
4. 請求項３に記載の電動機であって、
   前記回転速度センサにより検出されたロータの回転速度が０のとき、
   前記同期モータは、前記ロータが前記ステータに対して第１の回転速度で回転するように制御され、
   前記内側回転駆動手段は、前記ステータが、前記内側駆動子に対し第２の回転速度で回転するように制御し、
   前記外側回転駆動手段は、前記内側駆動子を第３の回転速度で回転させ、
   前記第２および第３の回転速度は、第１の回転速度と向きが逆であり、かつ第２および第３の回転速度のそれぞれの絶対値の和が、第１の回転速度の絶対値と等しい、
   電動機。
5. 請求項１または２に記載の電動機であって、
   前記回転駆動手段は、前記同期モータのステータを駆動対象子とし、かつ前記同期モータのステータの周囲に配置されてこれを回転駆動する駆動子を有する超音波モータである、
   電動機。
6. 請求項３または４に記載の電動機であって、内側回転駆動手段および外側回転駆動手段は、超音波モータである、電動機。

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