JP2011239570A - 回転電機装置 - Google Patents

Abstract

【課題】各巻線付き磁芯の巻線に流れる電流を制御するだけで、回転シャフトの軸受けロスを低減できる回転電機装置を提供する。
【解決手段】この回転電機装置では、回転子（１０）が配設された回転シャフト（４０）は、回転軸（Ｑ１）方向への移動が規制されつつ前記回転軸を中心に回転自在に配設されている。そして第１および第２固定子（２０，３０）と回転子（１０）との間に作用する磁気力の合力の回転軸（Ｑ１）方向の成分と、前記回転子に作用する前記磁気力以外の力の前記回転軸方向の成分との総合力（Ｆ１）は、一方側（Ｑ＋）から他方側（Ｑ−）に向かう方向を正として、正値と負値の間の値を選択的に取る様に、制御手段がインバータ手段を制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、アキシャルギャップ型回転電機を用いた回転電機装置に関し、特に回転シャフトにおいて回転軸方向に掛かる力を制御する技術に関する。

一般的にアキシャルギャップ型回転電機はラジアルギャップ型回転電機に比べて、回転軸方向に大きな磁気吸引力が発生する。その対策として回転子の回転軸両側に固定子を配し、回転子に掛かる回転軸方向の磁気吸引力を相殺するアキシャルギャップ型回転電機がある。そのアキシャルギャップ型回転電機は回転シャフトと回転子と第１および第２固定子とを備えている。回転シャフトは、その回転駆動中においてその回転軸方向への移動が規制される様に配設されている。回転子は、回転シャフトにおいて同心状に固定されて配設され、前記回転軸周りに環状に配置された複数の界磁部材を有している。第１固定子は、回転子に対して前記回転軸方向の一方側に配置され、その回転子側の面に、複数の界磁部材に対向する様に複数の巻線付き磁芯が配設されている。第２固定子は、回転子に対して前記回転軸方向の他方側に配置された磁性体である。

この様なアキシャルギャップ型回転電機では、各巻線付き磁芯の磁芯に電流が選択的に流されることで、第１および第２固定子と回転子との間に磁気力が発生し、その磁気力により回転子が回転制御される。

尚この様なアキシャルギャップ型回転電機として例えば特許文献１に記載されたものがある。

特開2008-187863号公報

第１および第２固定子と回転子との間に発生する磁気力には、回転軸方向の成分が含まれる。そのため、その回転軸方向の成分により回転シャフトが回転軸方向に押され、回転シャフトの軸受けにおいて軸受けロスが発生するという欠点がある。

この発明の課題は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、各巻線付き磁芯の巻線に流れる電流を制御するだけで、回転シャフトの軸受けロスを低減できるアキシャルギャップ型回転電機を提供することにある。

上記課題を解決する為に、本発明の第１の態様は、回転軸（Ｑ１）方向への移動が規制されつつ回転軸Ｑ１を中心に回転自在に配設された回転シャフト（４０）と、前記回転軸回りに環状に配置された複数の界磁部材（１０ｉ）を有し、前記回転シャフトに固定された回転子（１０）と、前記回転子に対して前記回転軸方向の一方側（Ｑ−）に配置され、その前記回転子側の面（２０ｄ）に、前記複数の界磁部材に対向する様に複数の巻線付き磁芯（２０ｂ）が配設された第１固定子（２０）と、前記回転子に対して前記回転軸方向の他方側（Ｑ＋）に配置された磁性体である第２固定子（３０）と、を含むアキシャルギャップ型回転電機（９０）と、前記各巻線付き磁芯の巻線（２０ａ）に電流を選択的に流すインバータ手段（８０）と、前記インバータ手段を制御して前記各巻線に電流を選択的に流して前記回転子を回転制御する制御手段（１００）と、を備え、前記第１および前記第２固定子と前記回転子との間に作用する磁気力の合力の前記回転軸方向の成分は、前記一方側から前記他方側に向かう方向を正として、正値と負値の間の値を選択的に取る様に、前記制御手段（１００）が前記インバータ手段を制御するものである。

本発明の第２の態様は、第１の態様に記載の回転電機装置であって、前記制御手段（１００）は、前記インバータ手段（８０）を制御して前記各巻線（２０ａ）に流れる電流の電流値および位相角（β）を制御することで、前記合力の前記回転軸（Ｑ１）方向の成分に前記正値と前記負値との間の値を選択的に取らせるものである。

本発明の第３の態様は、第１または２の態様に記載の回転電機装置であって、前記アキシャルギャップ型回転電機（９０）は、前記各巻線（２０ａ）の無通電状態において、前記合力の前記回転軸（Ｑ１）方向の成分と前記回転子（１０）の自重の前記回転軸方向の成分との総合力（Ｆ１）が負値（Ｆｓ）となる様に設定されるものである。

本発明の第４の態様は、第３の態様に記載の回転電機装置であって、前記制御手段（１００）は、前記総合力（Ｆ１）の絶対値が最小値となる様に前記回転子（１０）を回転制御するものである。

本発明の第１の態様によれば、合力の回転軸Ｑ１方向の成分（スラスト力）が正値と負値との間の値を選択的に取らせる事ができるので、スラスト力と回転子１０の自重の回転軸Ｑ１方向の成分との総和である総合力をモータ９０の出力トルクの下での最小値に制御できる。

本発明の第２の態様によれば、電流値および位相角の制御だけで、合力の回転軸Ｑ１方向の成分を制御できる。

本発明の第３の態様によれば、各巻線（２０ａ）の無通電状態において、総合力（Ｆ１）が負値（Ｆｓ）となる様に設定されるので、例えば正値になる様に設定される場合と比べて、総合力をゼロにするための位相角（β）をより小さく設定できる。

本発明の第４の態様によれば、総合力（Ｆ１）に起因する回転シャフト（４０）の軸受けロスを最小限に低減できる。

本発明の実施形態に係る回転電機装置の構成概略図である。 図１のモータ９０の断面図である。 図１のモータ９０の第１および第２固定子および回転子の分解斜視図である。 総合力Ｆ１と出力トルクＴと電流位相角βとの関係を示す実測図である。 モータ９０の出力トルクＴと電流位相角βとの相関の一例図である。 図５の相関に対応する、モータ９０の出力トルクＴとｑ軸電流指令値Ｉｑ＊およびｄ軸電流指令値Ｉｄ＊との相関図である。 図５の相関に対応する、モータ９０の出力トルクＴと各電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの絶対値Ｉａとの相関図である。 回転速度ωとモータ９０の出力トルクＴとの相関の一例図である。 出力トルクＴと総合力Ｆ１との関係を示す相関図である。

＜第１実施形態＞
この実施形態に係る回転電機装置１は、図１の様に、直流電源７０と、３相モータ９０と、直流電源７０の直流電力を３相交流電力に変換して３相モータ９０の各相Ｕ，Ｖ，Ｗに電流を供給するインバータ回路（インバータ手段）８０と、前記各相に流れる電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを検出する複数の電流センサ１２０ｕ，１２０ｖ、１２０ｗと、各電流センサ１２０ｕ，１２０ｖ、１２０ｗの検出結果に基づきインバータ回路８０を制御する制御回路（制御手段）１００とを備えている。直流電源は交流電源とコンバータによって形成されてもよい。

図２及び図３を参照してモータ９０は、回転子１０の両側に固定子２０，３０が配置され且つ回転子１０が回転軸Ｑ１方向への移動が規制されつつ回転軸Ｑ１を中心にして回転自在に配設された構造を有したセンサレス型のアキシャルギャップ型回転電機である。より詳細には、モータ９０は、図２および図３の様に、回転子１０と、第１および第２固定子２０，３０と、回転シャフト４０と、第１および第２軸受け５０，５１と、ハウジング６０とを備えている。

ハウジング６０は、箱状に形成されており、その内部に各構成要素１０，２０，３０，４０，５０，５１が収容配設される。ハウジング６０の一方側の面６０ａおよび反対側の面６０ｃにはそれぞれ孔６０ｂ，６０ｄが形成されており、各孔６０ｂ，６０ｄには、回転シャフト４０が回転軸Ｑ１を中心に回転自在に挿通配置される。

回転子１０は、複数の界磁部材１０ｉと、複数のコア部材１０ｆと、保持部材１０ｈと、鋼板１０ｇとを備えている。

各界磁部材１０ｉは、回転軸Ｑ１の周囲において相互に離間して環状に配置されている。各界磁部分１０ｉは、例えば平面視略台形状の板状に形成されており、界磁磁石１０ａと、コア部材１０ｃとを備えている。

界磁磁石１０ａは、例えばネオジム、鉄、ホウ素を主成分とした希土類磁石である。界磁磁石１０ａは、例えば平面視略台形状の板状に形成されている。ここでは、界磁磁石１０ａの前記略台形の下底に対応する辺１０ａ３は、円弧状に外周側に凸形成されている。界磁磁石１０ａは、その両側の主面１０ａ１，１０ａ２が磁極面となっている。各界磁磁石１０ａはそれぞれ、その両側の主面１０ａ１，１０ａ２が回転軸Ｑ１方向と略直交し、且つその下底に対応する辺１０ａ３が外側を向く様にして、回転軸Ｑ１の周囲において相互に離間して配置される。尚、各界磁磁石１０ａは、それらの同じ側（例えば回転軸Ｑ１方向のＱ−側）の主面（例えば主面１０ａ１）の磁極の極性が、回転軸Ｑ１に対する周方向Ｑ２に沿って交互に異なる様に、配置される。

コア部材１０ｃは、磁性材（例えば鉄等の軟磁性材）により、界磁磁石１０ａと同形同大の平面視形状（ここでは略台形状）の板状に形成されている。コア部材１０ｃは、界磁磁石１０ａの一方の主面１０ａ１に配設されている。

各コア部材１０ｆは、磁性材（例えば鉄等の軟磁性材）により例えば略直方体状に形成されている。各コア部材１０ｆは、その長手方向が回転軸Ｑ１に対する径方向Ｑ３に沿う様にして、隣合う各界磁部材１０ｉの間に配置される。

保持部材１０ｈは、複数の界磁部材１０ｉおよび複数のコア部材１０ｆを保持するものである。保持部材１０ｈは、非磁性材料、例えば非磁性金属からなり、内周枠部１０ｊと、外周枠部１０ｋと、複数の連結部１０ｍとを備えている。

内周枠部１０ｊは、環状（例えば略円環板状）に形成されている。ここでは内周枠部１０ｊの外周形状は、回転軸Ｑ１方向に沿って見た平面視で、例えば略六角形状に形成されている。また外周枠部１０ｋは、環状（例えば円環状）に形成されており、内周枠部１０ｊの外周側に同心軸状に配置される。内周枠部１０ｊの中央孔１０ｎには、回転シャフト４０が同心軸状に挿通されて固設される。

回転シャフト４０は、その回転軸Ｑ１方向の一方側Ｑ−が第１軸受け５０により支持され、その回転軸方向Ｑ１の他方側Ｑ＋が第２軸受け５１により支持されている。より詳細には、第１および第２軸受け５０，５１はそれぞれ、ハウジング６０に固定されており、回転シャフト４０を、回転軸Ｑ１回りには回転自在に支持し且つ回転軸Ｑ１方向には移動を規制する様に支持している。この様に回転シャフト４０が各軸受け５０，５１に支持されることで、回転子１０は、回転軸Ｑ１方向への移動が規制されつつ回転軸Ｑ１を中心に回転自在に配設されている。

尚ここでは、第１軸受け５０および第２軸受け５１はそれぞれ、例えば、ころがり軸受け（即ち内径部と外径部との間に配置された転動体のころがりを利用して摩擦抵抗を低減した軸受け、具体的には例えば玉軸受け）として構成されている。そして第１軸受け５０および第２軸受け５１の各々の内径部に、回転シャフト４０が挿通状に圧入されることで固定される。これにより第１軸受け５０および第２軸受け５１は、上記の様に、回転シャフト４０に対して、回転軸Ｑ１回りに回転自在で且つ回転軸Ｑ１方向への移動が規制される様に配設される。またハウジング６０の一方側Ｑ−の内面６０ｇには凹部６０ｈが形成されており、第１軸受け５０の外径部は、凹部６０ｈに圧入されることで、回転軸Ｑ１方向および径方向Ｑ３に移動しない様にハウジング６０に配設される。同様に、ハウジング６０の他方側Ｑ＋の内面６０ｅには凹部６０ｆが形成されており、第２軸受け５０の外径部は、凹部６０ｆに圧入されることで、回転軸Ｑ１方向および径方向Ｑ３に移動しない様にハウジング６０に配設される。尚、孔６０ｂは凹部６０ｈの底部に形成され、また孔６０ｄは凹部６０ｄの底部に形成されている。

各連結部１０ｍは、内周枠部１０ｊと外周枠部１０ｍとの間においてほぼ径方向Ｑ３に沿って配置されて、内周枠部１０ｊと外周枠部１０ｍとを連結する。隣り合う各連結部１０ｍの間隔は、相対的に小さい間隔と相対的に大きい間隔とが周方向Ｑ２に沿って交互に繰り返されている。前記相対的に小さい間隔に対応する区間１０ｐ１には、コア部材１０ｆが嵌合配設され、前記相対的に大きい間隔に対応する空間１０ｐ２には、界磁部材１０ｉが嵌合配設される。

即ち各界磁部材１０ｉは、回転軸Ｑ１の周囲に相互に離間して環状に配置し、且つ界磁磁石１０ａの一方側Ｑ＋の主面１０ａ２が保持部材１０ｈの同側Ｑ＋の主面１０ｈ２から露出すると共にコア部材１０ｃの他方側Ｑ−の主面（磁極面）１０ｃ１が保持部材１０ｈの同側Ｑ−の主面１０ｈ１から露出した状態で、保持部材１０ｈに配設される。またコア部材１０ｆは、保持部材１０ｈの両側の主面１０ｈ１，１０ｈ２の間を貫通する様に、隣り合う各界磁部材１０ｉの間に配設される。

鋼板１０ｇは、磁性材（例えば鉄等の軟磁性材）により例えば略環板状（例えば円環板状）に形成されており、各界磁磁石１０ａの主面１０ａ２を被覆する様に、保持部材１０ｈの一方側Ｑ＋の面に同心軸状に配設される。

第１固定子２０は、例えば、バックヨーク２０ｃと、複数の巻線付き磁芯２０ｅとを有している。第１固定子２０は、例えば、回転子１０と第１軸受け５０との間においてハウジング６０に固定されて配設されている。

バックヨーク２０ｃは、例えば略環板状（例えば円環板状）に形成され、その中央孔２０ｆに、回転シャフト４０が回転軸Ｑ１回りに回転自在に挿通されている。バックヨーク２０ｃは、回転子１０と第１軸受け５０との間において、回転子１０と同心軸状に配置する様にハウジング６０に固定されて配設されている。

各巻線付き磁芯２０ｅはそれぞれ、電機子磁芯２０ｂと電機子巻線２０ａとを備えている。電機子磁芯２０ｂは、例えば略台形柱状に形成されており、その外周に電機子巻線２０ａが巻回されている。電機子磁芯２０ｂは、バックヨーク２０ｃの回転子１０側の主面２０ｄにおいて、その略台形の下底に対向する側面２０ｂ３が外側を向く様にして、回転軸Ｑ１の周りに環状に複数配置されている。尚、電機子磁芯２０ｂは、電機子巻線２０ａが巻回される例えば略台形柱状の磁芯本体部２０ｂ１と、磁芯本体部２０ｂ１の回転子１０側の面に、磁芯本体部２０ｂ１の外周側に張り出す様に磁芯本体部２０ｂ１と一体的に形成された例えば略台形板状の幅広磁芯部２０ｂ２とを有している。

電機子巻線２０ａは、電機子磁芯２０ｂの外周に絶縁体（図示省略）を介して巻回される。尚、本願では特に断りのない限り、電機子巻線２０ａは、これを構成する導線の１本１本を指すのではなく、導線が一纏まりに巻回された態様を指すものとする。また、巻始めおよび巻終わりの引出線、および、それらの結線も図面においては省略している。各電機子巻線２０ａは、モータ９０を構成する様に配線接続されて、モータ９０に備えられた各相Ｕ，Ｖ，Ｗ毎の電極１１ｕ，１１ｖ，１１ｗに接続されている。

第２固定子３０は、磁性材により例えば略環板状（例えば円環板状）に形成されており、その中央孔３０ｃに、回転シャフト４０が回転軸Ｑ１回りに回転自在に挿通されている。第２固定子３０は、例えば、回転子１０と第２軸受け５０との間において、回転子１０と同心軸状に配置する様にハウジング６０に固定されて配設されている。

このモータ９０では、インバータ回路８０から各相Ｕ，Ｖ，Ｗの電極１１ｕ，１１ｖ，１１ｗを介して各電機子巻線２０ａに電流が供給されることで、各電機子巻線２０ａが励磁される。この励磁した電機子巻線２０ａと回転子１０の各界磁部材１０ｉとの間で磁気吸引力または磁気反発力が発生し、これらの力により回転子１０が回転軸Ｑ１回りに回転され、この回転力が回転シャフト４０を介して外部に出力される。

尚ここでは、このモータ９０は、回転軸Ｑ１が水平になる様に（即ちモータ９０の自重の回転軸Ｑ１方向の成分がゼロとなる様に）配置されている。

またこのモータ９０は、図４の様に、モータ９０の無通電状態（即ちモータ９０の停止状態）では、回転子１０と第１固定子２０および第２固定子３０との間に作用する磁気力の合力の回転軸Ｑ１方向の成分（以後、スラスト力と呼ぶ）と、回転子１０に作用する前記磁気力以外の力の回転軸Ｑ１方向の成分（例えば回転子１０の自重の回転軸Ｑ１方向の成分（この実施形態ではこの成分はゼロ））との総合力Ｆ１が負値（初期値）Ｆｓ（図４ではＦｓ≒−８０）となる様に設計されている。またモータ９０の通電状態（即ちモータ９０の回転状態）では、モータ９０の出力トルクが所定値以上の状態では、各巻線２０ａに流れる電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの位相角βに応じて総合力Ｆ１が正値から負値に変化する様に設計されている。尚、総合力Ｆ１は、回転軸Ｑ１方向の一方側（第２固定子３０側）Ｑ＋から他方側（第１固定子２０側）Ｑ−に向かう方向を正としている。

上記の設計に際しては、例えば、回転子１０と第１固定子２０および第２固定子３０との間の間隔ｄ１，ｄ２を調整してもよく、また鋼板１０ｇの厚みを調整してもよく、また磁芯２０ｅの回転子１０側の面２０ｇおよび第２固定子３０の回転子１０側の面３０ａの各々の形状または材質を変更してもよく、また各面２０ｇ，３０ａでの磁束密度を調整してもよく、また各面２０ｇ，３０ａを回転軸Ｑ１方向に対して傾斜させてもよい（尚、この実施形態では各面２０ｇ，３０ａは回転軸Ｑ１方向に対して直交している）。

尚、図４では、モータ９０の出力トルクが０[Ｎｍ]（無負荷状態）の場合（グラフｇ５）、０．５[Ｎｍ]の場合（グラフｇ４）、１．０[Ｎｍ]の場合（グラフｇ３）、２．０[Ｎｍ]の場合（グラフｇ２）および３．０[Ｎｍ]の場合（グラフｇ１）の総合力Ｆ１と位相角βとの関係が示されている。またモータ９０の出力トルクが１．０[Ｎｍ]の場合および２．０[Ｎｍ]の場合では、総合力Ｆ１は位相角βに応じて正値から負値に変化し、０．５[Ｎｍ]の場合および１．０[Ｎｍ]の場合では、総合力Ｆ１は位相角βの全範囲で負値となる様に設計されている。

インバータ回路８０は、図１の様に、複数（ここでは６個）のスイッチ素子ＳＵ１，ＳＵ２，ＳＶ１，ＳＶ２，ＳＷ１，ＳＷ２を備えている。各スイッチ素子ＳＵ１，ＳＵ２は、互いに直列接続された状態で直流電源７０の陽極および陰極間に接続されており、それらの間の電位が３相負荷９０のＵ相電極１１ｕに印加されている。また各スイッチ素子ＳＶ１，ＳＶ２は、互いに直列接続された状態で直流電源７０の陽極および陰極間に接続されており、それらの間の電位がモータ９０のＶ相電極１１ｖに印加されている。また各スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２は、互いに直列接続された状態で直流電源７０の陽極および陰極間に接続されており、それらの間の電位がモータ９０のＷ相電極１１ｗに印加されている。

各スイッチ素子ＳＵ１，ＳＵ２，ＳＶ１，ＳＶ２，ＳＷ１，ＳＷ２はそれぞれ、トランジスタＴと、トランジスタＴの主電極間に設けられたダイオードＤとを備えている。ダイオードＤは、その通電方向が、トランジスタＴの通電方向に対して逆向きになる様にトランジスタＴの主電極間に設けられている。各スイッチ素子の制御電極Ｇはそれぞれ、制御回路１００に接続されている。スイッチ素子ＳＵ１，ＳＵ２，ＳＶ１，ＳＶ２，ＳＷ１，ＳＷ２としては、還流ダイオードを備えたＩＧＢＴ等を使用する事ができる。

このインバータ回路８０は、制御回路１００により、各スイッチ素子ＳＵ１，ＳＵ２，ＳＶ１，ＳＶ２，ＳＷ１，ＳＷ２の制御電極Ｇに電圧が印加されて、それら各スイッチ素子の導通／非導通が制御される。これにより直流電源７０の直流電力が３相交流電力に変換されて、モータ９０の各相Ｕ，Ｖ，Ｗの電極１１ｕ，１１ｖ，１１ｗに電流が供給されて、モータ９０が回転駆動される。

制御回路１００は、（ｉ）モータ９０の回転速度ωが回転速度指令値ω＊に一致する様に、且つ（ii）モータ９０の回転状態において総合力Ｆ１の絶対値が最小値となる様に、インバータ回路８０を制御する。尚、上記（ii）の様に総合力Ｆ１を制御するために、制御回路１００は、インバータ回路８０を制御して各巻線２０ａに流れる電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの電流値および位相角βを制御することで、総合力Ｆ１が正値と負値との間の値を選択的に取る事ができる様に設定されている。

尚、ここでは簡略化の為にモータ９０の極対数Ｐn（Ｐn＝１／２Ｐ Ｐ：極数）を１と前提している。それにより機械回転速度ωと電気回転速度ωeが等しくなる。ωe＝Ｐn・ωの関係式がある為、極対数Ｐnが１に限らず例えば４の場合には、ωe＝４ωとなる。駆動電圧の演算には、磁束量やインダクタンスを時間微分することで求められるため、その際には電気回転数ωeを用いる必要があるが、以下ではω＝ωeとして特に機械回転速度と電気回転速度とを区別せずに説明する。又、回転速度ωの単位は[rad/s]で、正確には回転角速度であり、回転数N[r/s]との間にはω＝２・π・ｆ ｆ：周波数[Hz] の関係がある。本説明では特に説明しない限りは回転角速度の意味で回転速度ωと言う。ここで、以下の説明の為に、モータ９０のｄｑ軸モデル上における各定数を以下に定義する。詳しくは、「埋込磁石同期モータの設計と制御」武田洋次・松井信行・森本茂雄・本田 幸夫 共著 オーム社 １１頁に記載されている。
φa：永久磁石鎖交磁束 [wb]
Ｌｄ：電機子ｄ軸インダクタンス [H]
Ｌｑ：電機子ｑ軸インダクタンス [H]
Ｒａ：相抵抗 [Ω]
Ｉｄ：ｄ軸電機子電流 [A]
Ｉｑ：ｑ軸電機子電流 [A]
制御回路１００は、図１の様に、回転速度指令値生成部１００ｊと、ｄ軸電流指令値生成部１００ｄと、ｄ軸電圧指令値生成部１００ｅと、ｑ軸電流指令値生成部１００ｆと、ｑ軸電圧指令値生成部１００ｇと、第１の座標変換部１００ａと、第２の座標変換部１００ｈと、ＰＷＭ信号発生部１００ｉと、第３の座標変換部１００ｂと、第４の座標変換部１００ｃと、位置推定出部１００ｋと、回転速度算出部１００ｍと、初期回転推定部１００ｑとを備えている。

ＰＷＭ信号生成部１００ｉは、モータ９０の回転起動の直前に、インバータ回路８０の各制御電極ＧにＰＷＭ信号を印加して、インバータ回路８０からモータ９０の各電極１１ｕ，１１ｖ，１１ｗのうちの所定の２つ（例えば１１ｖ，１１ｗ）に所定の電圧（例えばモータ９０が動作反応しない程度の高周波電圧）を印加させる。これにより、モータ９０の回転停止状態で、モータ９０の各電極１１ｕ，１１ｖ，１１ｗのうちの所定の１つ（例えば１１ｕ）に電圧を発生させる。以後、前記所定の電圧が印加されなかった相を非導通相（ここではＵ相）と呼ぶ。

初期回転位置推定部１００ｑは、モータ９０の非通電相に対応する電流センサの検出結果および非導通相の電極に発生した電圧を用いて、回転子２０の初期回転位置θ０を検出する。より詳細には、モータ９０のインダクタンスはモータ９０の回転位置θに依存するので、初期回転位置推定部１００ｑは、非通電相に対応する電流センサの検出結果および非導通相の電極に発生した電圧からモータ９０のインダクタンスを推定し、その推定値からモータ９０の初期回転位置θ０を推定する。

第３の座標変換部１００ｂは、各電流センサ１２０ｖ，１２０ｗにより検出された電流Ｉｖ，Ｉｗに対し、所定の座標変換（即ち各相Ｕ，Ｖ，Ｗに対応する３軸の３次元座標系からα軸およびβ軸の２次元座標系（２相直交固定子座標系）への座標変換）を行って、α軸電流Ｉαおよびβ軸電流Ｉβを算出する。

第４の座標変換部１００ｃは、第２の座標変換部１００ｈにより算出された後述のＶ相電圧指令値Ｖｖ＊およびＷ相電圧指令値Ｖｗ＊に対し、所定の座標変換（即ち各相Ｕ，Ｖ，Ｗに対応する３軸の３次元座標系からα軸およびβ軸の２次元座標系（２相直交固定子座標系）への座標変換）を行って、α軸電圧指令値Ｖα＊およびβ軸電圧Ｖβ＊を算出する。

位置推定部１００ｋは、第３の座標変換部１００ｂにより算出されたα軸電流Ｉαおよびβ軸電流Ｉβと、第４の座標変換部１００ｃにより算出されたα軸電圧指令値Ｖα＊およびβ軸電圧指令値Ｖβ＊とに基づき、モータ９０の回転時の回転位置（位置推定値）θを算出する。

回転速度算出部１００ｍは、モータ９０の回転起動の直前は、初期回転位置推定部１００ｇにより推定された初期回転位置θ０に基づき、またモータ９０の回転時は、位置推定部１００ｋにより推定された回転位置θに基づき、モータ９０の回転速度ωを算出する。

第１の座標変換部１００ａは、各電流センサ１２０ｕ，１２０ｖ，１２０ｗにより検出された各電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗに対し、モータ９０の回転起動の直前は、初期位置推定部１００ｇにより算出された初期回転位置θ０を用いて、またモータ９０の回転時は、位置推定部１００ｋにより算出された回転位置θを用いて所定の座標変換（即ち各相Ｕ，Ｖ，Ｗに対応する３軸の３次元座標系からｄ軸およびｑ軸の２次元座標系への座標変換）を行って、ｄ軸電流Ｉｄおよびｑ軸電流Ｉｑを算出する。

尚、ｄ軸は、界磁磁石１０ａがＮ極を発生させる界磁磁束の向きに取った軸であり、ｑ軸は、回転方向に対してｄ軸より進角側のｄ軸に直交する軸である。ｄ軸電流Ｉｄは、電機子巻線２０ａの励磁により発生する磁界（電機子磁界）のｄ軸方向に寄与する電流成分であり、ｑ軸電流Ｉｑは、電機子巻線２０ａの励磁により発生する磁界のｑ軸方向に寄与する電流成分である。

回転速度指令値生成部１００ｊは、モータ９０を所望の回転速度ωで回転させるための回転速度指令値ω＊を生成する。

ｑ軸電流指令値生成部１００ｆは、回転速度算出部１００ｍにより算出された回転速度ωが、回転速度指令値生成部１００ｊからの回転速度指令値ω＊に近づく様に、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を生成する。具体的には、ｑ軸電流指令値生成部１００ｆは、回転速度ωと回転速度指令値ω＊との偏差を比例積分演算（ＰＩ制御）してｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を生成する。

ｄ軸電流指令値生成部１００ｄは、回転速度指令値生成部１００ｊからの回転速度指令値ω＊に応じて、ｑ軸電流指令値生成部１００ｆで生成されたｑ軸電流指令値Ｉｑ＊に対応するモータ９０の出力トルクの下で総合力Ｆ１の絶対値が最小値となる様に、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊を生成する。

ｑ軸電圧指令値生成部１００ｇは、第１の座標変換部１００ａにより算出されたｑ軸電流Ｉｑが、ｑ軸電流指令値生成部１００ｆにより生成されたｑ軸電流指令値Ｉｑ＊に近づく様に、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を生成する。先の参考文献の１１頁（1.6）式より、定常状態における電圧方程式においては微分演算子ｐ＝ｄ/ｄｔの項は無視できて、ｄ軸電圧Ｖｄおよびｑ軸電圧はそれぞれ（１）式および（２）式となる。
Ｖｄ＝ＲａＩｄ−ωＬｑＩｑ ・・・（１）
Ｖｑ＝ＲａＩｑ＋ωＬｄＩｄ＋ωφa ・・・（２）
そのため、具体的には、ｑ軸電圧指令値生成部１００ｇは、上記（２）式において、電圧降下分である第１項ＲａＩｑを求め、ｄ軸の電機子磁束ＬｄＩｄの時間微分値としての電圧値ωＬｄＩｄを求め、永久磁石鎖交磁束φaの時間微分であるωφaを求め、それらを足し合わせてｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を生成する。

ｄ軸電圧指令値生成部１００ｅは、第１の座標変換部１００ａにより算出されたｄ軸電流Ｉｄが、ｄ軸電流指令値生成部１００ｄにより生成されたｄ軸電流指令値Ｉｄ＊に近づく様に、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊を生成する。具体的には、ｄ軸電圧指令値生成部１００ｅは、上記（１）式において、電圧降下分である第１項ＲａＩｄを求め、ｑ軸の電機子磁束ＬｑＩｑの時間微分値としての電圧値ωＬｑＩｑを求めて、第１項から第２項の差分を取ることでｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊を生成する。

第２の座標変換１００ｈは、ｄ軸電圧指令値生成部１００ｅおよびｑ軸電圧指令値生成部１００ｇにより生成されたｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊に対し、モータ９０の回転起動前は、初期位置推定部１００ｇにより算出された初期回転位置θ０を用いて、またモータ９０の回転時は、位置推定部１００ｋにより算出された回転位置θを用いて所定の座標変換（即ちｄ軸およびｑ軸の２次元座標系から各相Ｕ，Ｖ，Ｗに対応する３軸の３次元座標系への座標変換）を行って、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ＊およびＷ相電圧指令値Ｖｗ＊を算出する。振幅はＶｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊であり、周波数はｆ（ｆ＝ω/（２π））の電圧指令値である。

またＰＷＭ信号生成部１００ｉは、モータ９０の回転時は、インバータ回路８０の各制御電極ＧにＰＷＭ信号を印加して、モータ９０の各相電極１１ｕ，１１ｖ，１１ｗにそれぞれ、第３の座標変換部１００ｂにより算出された各相電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に一致する電圧が印加される様に、インバータ回路８０を制御する。これにより、モータ９０の回転速度ωが回転速度指令値ω＊に一致する様に制御される。

次に図５〜図８に基づいて、回転電機装置１の要部の動作（即ちｑ軸電流指令値生成部１００ｆおよびｄ軸電流指令値生成部１００ｄの動作）を中心に説明する。以下では、回転速度指令値ω＊がゼロから最高回転速度ωmaxまで増大する場合（即ちモータ９０の回転速度ωがゼロから最高回転速度ωmaxまで増大する場合）を例に挙げて説明する。また以下では、説明便宜上、モータ９０が例えば圧縮機に用いられた場合で説明する。尚、ｑ軸電流ＩｑはＩｑmin≦Ｉｑ≦Ｉｑmaxの範囲に制限され、ｄ軸電流Ｉｄは−Ｉｄmax≦Ｉｄ≦Ｉｄminの範囲に制限されており、各電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの絶対値ＩａはＩａmin≦Ｉａ≦Ｉａmaxの範囲に制限されているものとする。

回転速度指令値ω＊（従って回転速度ω）がゼロのときは、図７の様に出力トルクＴは０である為、各電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの絶対値Ｉａも０とする。よってｄ軸電流指令値生成部１００ｄは、図６の様に、ｄ軸電流Ｉｄがゼロになる様にｄ軸電流指令値Ｉｄ＊をゼロにし、ｑ軸電流指令値生成部１００ｆは、図６の様に、ｑ軸電流Ｉｑがゼロになる様にｑ軸電流指令値Ｉｑ＊をゼロにする。これにより各電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗはゼロに制御されて、モータ９０の回転速度ωはゼロに制御される（即ちモータ９０は停止される）。この状態では、総合力Ｆ１は負の初期値Ｆｓとなる。

そして回転速度指令値ω＊（従って回転速度ω）が上昇して、制御回路１００の入力電圧の上限に達する回転速度ωLに達するまでの間は、モータ９０の出力トルクＴに応じて電流位相角βが図５の様に制御される。圧縮機の場合は、回転速度ωに対する圧縮トルクが冷媒条件やメカニカルロストルク等により勝手に決まってくるので、回転速度指令値ω＊を維持するための必要トルクが確保される様にｑ軸電流指令Ｉｑ＊が決定される。より具体的には、ｑ軸電流指令値生成部１００ｆは、回転速度指令値ω＊に対して回転速度ωが小さい場合は、回転速度指令値ω＊の周波数に依存してｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を増加させ、回転速度指令値ω＊に対して回転速度ωが大きい場合は、回転速度指令値ω＊の周波数に依存してｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を減少させる。これによりｑ軸電流指令値Ｉｑ＊は、図６の様に出力トルクＴの増大に伴って増大する。ｄ軸電流指令生成部１００ｄは、ｑ軸電流指令値生成部１００ｆで生成されたｑ軸電流指令値Ｉｑ＊に応じたｄ軸電流指令値Ｉｄ＊を生成する。

詳細には、図５の０＜Ｔ≦Ｔ１の領域では、ｄ軸電流指令値生成部１００ｄは、図６の様に、ｄ軸電流Ｉｄをゼロに維持するためにｄ軸電流指令値Ｉｄ＊をゼロに維持する。これにより各電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗは、位相角β＝０で、且つ回転速度指令値ω＊の回転速度を維持できる電流値に制御される。よってこの領域では（この領域では０＜Ｉｑ＊≦Ｉｑ１となる。）、図７および図９に示すように、各電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの絶対値Ｉａの増大に伴って、モータ９０の出力トルクＴが増大すると共に総合力Ｆ１が初期値Ｆｓからゼロに向かって増大する。換言すれば、この領域では、総合力Ｆ１は負値なので、総合力Ｆ１を最大にする様にβ＝０に制御する。これにより、総合力Ｆ１に起因する各軸受け５０，５１での軸受けロスが最小限に低減される。尚、図６中のＩｑ１およびＩｄ１はそれぞれ、トルクＴ１に対応するｑ軸電流の値およびｄ軸電流値の値である。

次に、図５のＴ１＜Ｔ≦Ｔ２の領域では、ｄ軸電流指令値生成部１００ｄは、図６の様に、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊に応じたｄ軸電流指令値Ｉｄ＊（Ｉｄ１（＝０）＜Ｉｄ＊≦Ｉｄ２）を生成する。これにより各電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗは、図５のＴ１からＴ２の間の位相角β（０°＜β≦１７°）で、且つ回転速度指令値ω＊の回転速度を維持できる電流値に制御される。よってこの領域では（この領域ではＩｑ１＜Ｉｑ＊≦Ｉｑ２となる。）、図７および図９に示すように各電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの絶対値Ｉａの増大に伴って、モータ９０の出力トルクＴが増大すると共に総合力Ｆ１はほぼ常にゼロに制御される。これにより、総合力Ｆ１に起因する各軸受け５０，５１での軸受けロスが最小限に低減される。尚、図６中のＩｑ２およびＩｄ２はそれぞれ、トルクＴ２に対応するｑ軸電流の値およびｄ軸電流値の値である。

次に、図５のＴ２＜Ｔ≦Ｔ３の領域では、ｄ軸電流指令値生成部１００ｄは、図６の様に、ｑ軸電流指令値Iｑ＊に応じたｄ軸電流指令値Ｉｄ＊（Ｉｄ２＜Ｉｄ＊≦Ｉｄ３）を生成する。これにより各電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗは、図５のＴ２からＴ３の間の位相角β（１７°＜β≦３７°）で、且つ回転速度指令値ω＊の回転速度を維持できる電流値に制御される。よってこの領域では（この領域ではＩｑ２＜Ｉｑ＊≦Ｉｑ３となる。）は、図７および図９に示すように各電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの絶対値Ｉａの増大に伴って、モータ９０の出力トルクＴが増大すると共に総合力Ｆ１はほぼ常にゼロに制御される。これにより、総合力Ｆ１に起因する各軸受け５０，５１での軸受けロスが最小限に低減される。尚、図６中のＩｑ３およびＩｄ３はそれぞれ、トルクＴ３に対応するｑ軸電流の値およびｄ軸電流値の値である。

回転速度ω（従って回転速度指令値ω＊）がゼロからωLまでの領域内にあれば、回転速度ωに対する出力トルクＴの値は自由に選択することができる。即ち、図８のラインａのように、回転速度ωと共に出力トルクを上昇させることもでき、又、ラインｂのように回転開始直後から最大トルク３Ｎｍを出力されることもでき、更にはラインｃのように、最大トルク３Ｎｍ未満の中で上下させることも任意である。もちろん回転速度ωに関しても、加速、減速または一定速の維持を行うこともでき、回転速度ωの全領域において総合力Ｆ１を最小限に制御することが可能である。

しかしながら、必要となるモータ９０の駆動電圧が制御回路１００の入力電圧の上限を超える領域（即ちω＞ωLの領域）においては、弱め磁束制御によってモータ９０の誘起電圧を削減することで、モータ９０の駆動電圧を抑えつつ高速回転させる必要がある為、例えば図８中のラインｄでは、電流位相角βはβ＞３７°となり、総合力Ｆ１は再び負値となり、徐々にスラストロスを生じることとなる。

一方で、出力トルクを最大トルク３Ｎｍから減じたトルクでの高速回転の場合、例えば図８中のラインｅまたはラインｆであれば、Ｉｑ、Ｉｄの各値はそれぞれＩｑ３、Ｉｄ３よりも小さい為にｄ軸電機子反作用電圧−ω・Ｌｑ・Ｉｑおよびｑ軸電機子反作用電圧ω・Ｌｄ・Ｉｄ共に−ω・Ｌｑ・Ｉｑ３、ω・Ｌｄ・Ｉｄ３よりは小さくなり、この為、この高速回転の場合の駆動電圧は最大トルク３Ｎｍの駆動時の駆動電圧よりは余裕が生まれ、結果として電流位相角βをさほど進角制御せずとも高速回転が可能となり、引き続き総合力Ｆ１に起因する各軸受け５０，５１でのスラストロス最小制御が可能となる。

以上の様に構成された回転電機装置１によれば、総合力Ｆ１は正値と負値の間の値を選択的に取る事ができるので、その選択により、総合力Ｆ１をモータ９０に要求される出力トルクの下での最小値に制御できる。これにより総合力Ｆ１に起因する各軸受け５０，５１での軸受けロスを最小値に低減できる。

また各巻線２０ａに流れる電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの電流値および位相角βの制御により（即ち簡単な制御により）、総合力Ｆ１を制御できる。

またモータ９０の無通電状態（即ち各巻線２０ｂの無通電状態）において、総合力Ｆ１が負値Ｆｓとなる様に設定されるので、例えば正値になる様に設定される場合と比べて、総合力Ｆ１をゼロにするための位相角βをより小さく設定できる。

尚この実施形態では、回転軸Ｑ１が水平である場合で説明したが、回転軸Ｑ１が水平でない場合は、回転子１０の自重の回転軸Ｑ１方向の成分が総合力Ｆ１に含まれるだけで、上記の動作説明は同じである。

１ 回転電機装置
１０ 回転子
２０ 第１固定子
２０ａ 電機子巻線
３０ 第２固定子
４０ 回転シャフト
８０ インバータ回路
９０ ３相モータ
１００ 制御回路
Ｑ１ 回転軸

Claims (4)

1. 回転軸（Ｑ１）方向への移動が規制されつつ前記回転軸を中心に回転自在に配設された回転シャフト（４０）と、
   前記回転軸回りに環状に配置された複数の界磁部材（１０ｉ）を有し、前記回転シャフトに固定された回転子（１０）と、
   前記回転子に対して前記回転軸方向の一方側（Ｑ−）に配置され、その前記回転子側の面（２０ｄ）に、前記複数の界磁部材に対向する様に複数の巻線付き磁芯（２０ｂ）が配設された第１固定子（２０）と、
   前記回転子に対して前記回転軸方向の他方側（Ｑ＋）に配置された磁性体である第２固定子（３０）と、
   を含むアキシャルギャップ型回転電機（９０）と、
   前記各巻線付き磁芯の巻線（２０ａ）に電流を選択的に流すインバータ手段（８０）と、
   前記インバータ手段を制御して前記各巻線に電流を選択的に流して前記回転子を回転制御する制御手段（１００）と、
   を備え、
   前記第１および前記第２固定子と前記回転子との間に作用する磁気力の合力の前記回転軸方向の成分と、前記回転子に作用する前記磁気力以外の力の前記回転軸方向の成分との総合力（Ｆ１）は、前記一方側から前記他方側に向かう方向を正として、正値と負値の間の値を選択的に取る様に、前記制御手段（１００）が前記インバータ手段を制御することを特徴とする回転電機装置。
2. 請求項１に記載の回転電機装置であって、
   前記制御手段（１００）は、前記インバータ手段（８０）を制御して前記各巻線（２０ａ）に流れる電流の電流値および位相角（β）を制御することで、前記総合力（Ｆ１）に前記正値と前記負値との間の値を選択的に取らせることを特徴とする回転電機装置。
3. 請求項１または２に記載の回転電機装置であって、
   前記アキシャルギャップ型回転電機（９０）は、前記各巻線（２０ａ）の無通電状態において、前記総合力（Ｆ１）が負値（Ｆｓ）となる様に設定されることを特徴とする回転電機装置。
4. 請求項３に記載の回転電機装置であって、
   前記制御手段（１００）は、前記総合力（Ｆ１）の絶対値が最小値となる様に前記回転子（１０）を回転制御することを特徴とする回転電機装置。

Images