JP2013255389A - 電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】効率を向上させることができる電動機を提供すること。
【解決手段】電動機１は、機械出力を取り出す回転軸を有する回転子に界磁を発生させる界磁巻線１１と、回転子の周囲に配置された固定子に装備された固定子巻線１２と、直流電圧を交流電圧に変換して固定子巻線１２に電流を流して交番磁界を発生させるブリッジ回路１３およびブリッジ制御部１４と、機械出力を維持しながら効率を向上させる向きに、界磁巻線１１に供給する界磁電流の値を調整する界磁制御部１５とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、乗用車やトラック等に搭載される電動機に関する。

従来から、磁石を外周面に装着したロータと界磁巻線とを組み合わせ、低回転時および高回転時のそれぞれにおいて界磁巻線に界磁電流を流すことにより、力行時および回生時の両方において高出力化を達成したインバータ駆動の車両用電動機が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この車両用電動機では、力行時には、低回転時に界磁巻線に界磁電流を流して強め界磁制御を行い、高回転時に界磁巻線に界磁電流を流して弱め界磁制御を行い、それ以外の回転域において界磁巻線に界磁電流を供給しない制御を行っている。

特開２０１１−２２３６８０号公報

上述した特許文献１に開示された電動機では、低回転時と高回転時以外については界磁巻線に界磁電流を供給せずに磁石により発生する界磁によって所定の出力を実現している。このような磁石による界磁は、界磁巻線に界磁電流を供給することによっても得ることができる。

ところで、界磁電流を界磁巻線に流して界磁を形成する場合に、界磁電流による損失が大きいとその分効率が低下するという問題があった。例えば、定格出力が５ｋＷの電動機の界磁電流が１０Ａ（５０Ｖ）の場合を考えた場合に、この電動機の出力を２ｋＷで動作させようとすると界磁電流１０Ａ（５０Ｖ）を維持しながらインバータ制御によってこの出力を実現することになる。界磁巻線で消費される電力（５００Ｗ）は、電動機の出力に直接寄与するものではないため、出力が小さい電動機ほど効率を低下させる要因となる。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、効率を向上させることができる電動機を提供することである。

上述した課題を解決するために、本発明の電動機は、機械出力を取り出す回転軸を有する回転子に界磁を発生させる界磁巻線と、回転子の周囲に配置された固定子に装備された固定子巻線と、直流電圧を交流電圧に変換し、固定子巻線に電流を流して交番磁界を発生させる電力変換器と、機械出力を維持しながら効率を向上させる向きに、界磁巻線に供給する界磁電流の値を調整する界磁電流調整手段とを備えている。機械出力を維持した状態で効率を向上させる向きに界磁電流の値を調整しているため、確実に効率を向上させることができる。

第１の実施形態の電動機の構成を示す図である。 効率を向上させるように界磁電流を調整する際の動作手順を示す流れ図である。 回転数ＮとトルクＴの関係を表すＮ−Ｔ曲線を示す図である。 第２の実施形態の界磁制御部を示す図である。 界磁電流テーブルを用いて最大効率となるように界磁電流を設定する際の第２の実施形態の動作手順を示す流れ図である。

以下、本発明を適用した一実施形態の電動機について、図面を参照しながら説明する。図１に示すように、第１の実施形態の電動機１は、界磁巻線１１、固定子巻線１２、ブリッジ回路１３、ブリッジ制御部１４、界磁制御部１５、電圧センサ２０、電流センサ２１、回転センサ２２、トルクセンサ２３を含んで構成されている。この電動機１は、例えば車両に搭載されており、回転数が指定されたときに、ある要求トルクを発生するように電動動作する。

界磁巻線１１は、機械出力を取り出す回転軸を有する回転子に界磁を発生させるためのものであり、界磁極（図示せず）に巻装されて回転子を構成してしている。固定子巻線１２は、多相巻線（例えばＵ相、Ｖ相、Ｗ相からなる三相巻線）であって、回転子の周囲に配置された固定子（電機子）の固定子鉄心に巻装されている。この固定子巻線１２の各相巻線には、ブリッジ回路１３から供給される交流電圧が印加されている。

ブリッジ回路１３は、上アーム素子（ハイサイド）および下アーム素子（ローサイド）のそれぞれがスイッチング素子としてのＭＯＳトランジスタによって構成された三相ブリッジ回路であり、これらのＭＯＳトランジスタを適宜オン／オフすることにより、電源５０から印加された直流電圧を交流電圧に変換する。なお、スイッチング素子は、ＭＯＳトランジスタ以外の素子、例えばＩＧＢＴ等を用いて構成するようにしてもよい。

ブリッジ制御部１４は、ＵＶＷの各相巻線に対応するブリッジ回路１３の上アーム素子および下アーム素子としての２つのＭＯＳトランジスタをオンオフすることにより、ＵＶＷの各相巻線に位相が１２０°異なる交流電圧を印加する制御を行う。ブリッジ回路１３とブリッジ制御部１４によって、直流電圧を交流電圧に変換し、固定子巻線１２に電流を流して交番磁界を発生させる電力変換器としてのインバータが構成されている。このインバータによって生成される交流電圧は、ＰＷＭ（パルス幅変調）駆動制御による正弦波波形の場合と、矩形波駆動による矩形波波形の場合の両方が考えられる。ブリッジ制御部１４は、回転数や界磁電流などを考慮した上で、可能な限り高効率となるように、交番磁界を発生させる制御方式（ＰＷＭ駆動制御／矩形波駆動制御）を適宜切り替える。なお、制御方式を切り替える場合には、発生するトルクの段差（大きな変動）を抑制するタイミングで行われる。例えば、ブリッジ回路１３から固定子巻線１２に印加される電圧の急激な変化が生じないタイミングで切り替えが行われる。

電圧センサ２０は、電源５０からブリッジ回路１３に印加される電圧を検出する。電流センサ２１は、電源５０からブリッジ回路１３に供給される電流を検出する。回転センサ２２は、電動機１の回転数を検出する。例えば、ホール素子などを用いて回転センサを構成することができる。トルクセンサ２３は、回転子の回転軸に発生するトルクを検出する。上述したブリッジ制御部１４による制御（ＰＷＭ駆動制御／矩形波駆動制御）は、電流センサ２１、回転センサ２２、トルクセンサ２３のそれぞれの出力に基づいて行われる。

界磁制御部１５は、機械出力を維持しながら効率を向上させる向きに、界磁巻線１１に供給する界磁電流の値を調整する。この界磁制御部１５が界磁電流調整手段に対応する。具体的には、界磁制御部１５は、同一回転数において発生可能な最大トルクよりも要求トルクが低いときに、効率が向上するように（望ましくは効率が最大となるように）界磁電流の値の調整を行う。このために、界磁制御部１５は、効率演算部３０、界磁電流設定部３２を備えている。

効率演算部３０は、電動機１の効率を算出する。この効率算出は、電圧センサ２０、電流センサ２１、回転センサ２２、トルクセンサ２３のそれぞれの出力に基づいて行われる。例えば、電圧センサ２０によって検出された電圧値をＶ、電流センサ２１によって検出された電流値をＩ、回転センサ２２によって検出された回転数をＮ、トルクセンサ２３によって検出されたトルク値をＴとすると、効率が以下の式で算出される。

１００×（Ｎ×Ｔ）／（Ｖ×Ｉ）
界磁電流設定部３２は、効率演算部３０によって算出された効率が入力されており、効率が向上するように界磁電流の値を増加あるいは減少させる。例えば、界磁電流設定部３２には、界磁巻線１１と直列に接続されたスイッチング素子（ＭＯＳ−ＦＥＴやバイポーラトランジスタ等）と、界磁巻線１１と並列に接続された環流ダイオードとが含まれており、スイッチング素子のオンデューティを可変することにより界磁電流を増減する制御が行われる。

本実施形態の電動機１はこのような構成を有しており、次に、効率を向上させるように界磁電流を調整する動作について説明する。図２に示す動作手順は、一定周期で繰り返し実施される。

まず、界磁電流設定部３２は、現在の界磁電流で要求トルクを発生可能か否かを判定する（ステップ１００）。図３に示すＮ−Ｔ曲線は、界磁電流Ｉｆ毎に、各回転数Ｎにおいて発生可能な最大トルクＴ₀ を示すものであり、回転数Ｎと界磁電流Ｉｆが決まれば、界磁電流設定部３２は、このＮ−Ｔ曲線に基づいてその時点で発生可能な最大トルクＴ₀ を知ることができ、要求トルクがこの最大トルクＴ₀ 以下であって発生可能かどうかを判定することができる。なお、要求トルクは、外部の制御装置（図示せず）から入力されるものとする。

要求トルクを発生することができる場合（要求トルクがその時点の最大トルクＴ₀ よりも小さくて界磁電流を下げることが可能な場合）には、ステップ１００の判定において肯定判断が行われる。次に、効率演算部３０は、その時点における電圧センサ２０、電流センサ２１、回転センサ２２、トルクセンサ２３のそれぞれの出力を取得して効率を算出する（ステップ１０２）。

また、界磁電流設定部３２は、界磁電流が減少傾向にあるか否かを判定する（ステップ１０４）。前回の界磁電流値が前々回の界磁電流値よりも減少していて減少傾向にある場合には肯定判断が行われ、次に、界磁電流設定部３２は、効率が前回の値に比べて向上しているか否かを判定する（ステップ１０６）。効率が前回の値よりも向上している場合には肯定判断が行われる。肯定判断が行われる場合とは、界磁電流を減少させたときに効率が向上したということであり、界磁電流設定部３２は、さらなる効率向上を実現すべく、界磁電流をさらに減少させる（ステップ１０８）。

反対に、効率が前回の値に対して向上していない場合にはステップ１０６の判定において否定判断が行われる。否定判断が行われる場合とは、界磁電流を減少させたときに効率が悪化したということであり、界磁電流設定部３２は、界磁電流を減少させることにより悪化した効率を元に戻すべく、界磁電流を増加する（ステップ１１２）。

一方、前回の界磁電流値が前々回の界磁電流値よりも増加していて界磁電流が増加傾向にある場合にはステップ１０４の判定において否定判断が行われる。次に、界磁電流設定部３２は、効率が前回の値に比べて向上しているか否かを判定する（ステップ１１０）。効率が前回の値よりも向上している場合には肯定判断が行われる。肯定判断が行われる場合とは、界磁電流を増加させたときに効率が向上したということであり、界磁電流設定部３２は、さらなる効率向上を実現すべく、界磁電流をさらに増加させる（ステップ１１２）。

反対に、効率が前回の値に対して向上していない場合にはステップ１１０の判定において否定判断が行われる。否定判断が行われる場合とは、界磁電流を増加させたときに効率が悪化したということであり、界磁電流設定部３２は、界磁電流を増加したことにより悪化した効率を元に戻すべく、界磁電流を減少させる（ステップ１０８）。

なお、現在の界磁電流で要求トルクを発生することができない場合（現在の界磁電流が少なすぎて要求トルクを発生させることができない場合）にはステップ１００の判定において否定判断が行われ、ステップ１１２に移行して界磁電流設定部３２による界磁電流の増加が行われる。

ステップ１０８あるいは１１２において界磁電流を変更（減少あるいは増加）した後、ブリッジ制御部１４は、変更後の界磁電流に対応して制御方式を変更する必要があるか否かを判定する（ステップ１１４）。制御方式を変更する必要がある場合には肯定判断が行われ、ブリッジ制御部１４は、回転数や要求トルク、変更後の界磁電流の値に合わせて、最大効率を得るために必要な制御方式をＰＷＭ駆動制御と矩形波駆動制御との間で切り替える（ステップ１１６）。その後、あるいは、制御方式の変更が不要の場合にはステップ１１４の判定において否定判断が行われた後、ブリッジ制御部１４は、ＰＷＭ駆動制御あるいは矩形波駆動制御において最大効率を得るために必要な制御定数に変更する（ステップ１１８）。なお、最大効率を得るために必要な制御方式や制御定数の内容は、回転数や界磁電流等の組み合わせに対応して予め決められており、ブリッジ制御部１４は、電流センサ２１、回転センサ２２、トルクセンサ２３のそれぞれの出力に基づいて、最大効率を得るために必要な制御方式（ステップ１１６）や制御定数（ステップ１１８）を設定し、ブリッジ回路１３に含まれる各ＭＯＳトランジスタをオン／オフする。

このように、本実施形態の電動機１では、機械出力を維持した状態（要求トルクを確保した状態）で効率を向上させる向きに界磁電流の値を調整しているため、確実に効率を向上させることができる。特に、要求トルクが最大トルクよりも小さい場合には界磁電流を可変しても機械出力（要求トルク）を維持することができ、界磁電流を調整することによる効率向上が可能となる。この結果、本実施形態の電動機１では、回転数や要求トルクなどに合わせて常に最大効率の状態を維持することができる。

また、界磁電流の値が変更されたときに、ブリッジ制御部１４によってブリッジ回路１３を制御する制御方式や制御定数を変更しており、界磁電流の変更に合わせて機械出力を維持しながら、効率向上を達成可能な電動機１の運転状態を実現することができる。

ところで、上述した実施形態では、毎回効率を算出し（図２のステップ１０２）、この算出した効率が前回の値よりも向上したか否かを判定（ステップ１０６、１１０）して界磁電流を増減（ステップ１０８、１１２）、毎回効率を算出して界磁電流を増減するのではなく、回転数や発生トルク等に対応して最大効率を実現可能な界磁電流の値を予め求めてテーブル（あるいはマップ）として格納しておいて、このテーブルを参照して界磁電流の値を設定するようにしてもよい。

図４に示す第２の実施形態の界磁制御部１５Ａは、界磁電流設定部３２Ａと界磁電流テーブル３４を含んで構成されている。なお、界磁制御部１５Ａ以外の構成については、図１に示した第１の実施形態の構成と同じであり、詳細な説明は省略する。

界磁電流テーブル３４は、回転数、トルク、ブリッジ回路１３に供給される電流値の組み合わせに対して最大効率を実現する界磁電流の値を格納したものである。界磁電流設定部３２Ａは、電流センサ２１、回転センサ２２、トルクセンサ２３のそれぞれの出力が入力されており、これらの各出力に基づいて界磁電流テーブル３４を参照してこれらの各出力に対応して最大効率を実現する界磁電流の値を決定し、この値となるように界磁電流を設定する。なお、界磁電流設定部３２Ａには、図１に示した界磁電流設定部３２と同様に、界磁巻線１１と直列に接続されたスイッチング素子と、界磁巻線１１と並列に接続された環流ダイオードとが含まれており、スイッチング素子のオンデューティを可変することにより界磁電流が所定値に設定される。

図５に示した第２の実施形態の動作手順は、図２に示した動作手順に対してステップ１０２〜１１０の動作をステップ２００、２０２の動作に置き換えたものである。以下、これらの置き換えられた各ステップの動作を中心に説明を行う。

まず、界磁電流設定部３２Ａは、現在の界磁電流で要求トルクを発生可能か否かを判定する（ステップ１００）。要求トルクを発生することができる場合には肯定判断が行われる。次に、界磁電流設定部３２Ａは、電流センサ２１、回転センサ２２、トルクセンサ２３のそれぞれの出力に基づいて界磁電流テーブル３４を参照することにより、最大効率を実現する界磁電流の値を決定し（ステップ２００）、この値となるように界磁電流を設定する（ステップ２０２）。このように、界磁電流テーブル３４を用いて最大効率に対応する界磁電流を設定することにより、状況に合わせて迅速に最大効率を実現することが可能となる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した第１の実施形態では、現在の界磁電流で要求トルクを発生することができない場合には界磁電流を徐々に増加させていたが（ステップ１１２）、要求トルクを増加させる場合などトルクの速やかな応答が必要な場合が考えられる。このような場合には、例えば、外部の制御装置から応答優先信号を送信し、界磁電流設定部３２、３２Ａは、この応答優先信号を受信している間、界磁電流を最大値に設定する。その後、応答優先信号の送信が停止された場合には、図２あるいは図５に示した動作手順にしたがって界磁電流の値が変更される。

また、上述した実施形態では、界磁電流設定部３２、３２Ａは、界磁電流の値を変更する際に、トルクセンサ２３によって検出されたトルク値を用いたが、このトルク値の代わりに、要求トルクの値を用いたり、その時点の界磁電流等を用いて算出された推定トルク値を用いるようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、電動機１による効率が最大となるように界磁電流の値を変更する場合について説明したが、効率が最大値に近づくように界磁電流を変更できればよい。

上述したように、本発明によれば、機械出力を維持した状態で効率を向上させる向きに界磁電流の値を調整しているため、確実に効率を向上させることができる。

１ 電動機
１１ 界磁巻線
１２ 固定子巻線
１３ ブリッジ回路
１４ ブリッジ制御部
１５、１５Ａ 界磁制御部
５０ 電源

Claims (7)

1. 機械出力を取り出す回転軸を有する回転子に界磁を発生させる界磁巻線（１１）と、
   前記回転子の周囲に配置された固定子に装備された固定子巻線（１２）と、
   直流電圧を交流電圧に変換し、前記固定子巻線に電流を流して交番磁界を発生させる電力変換器（１３、１４）と、
   前記機械出力を維持しながら効率を向上させる向きに、前記界磁巻線に供給する界磁電流の値を調整する界磁電流調整手段（１５、１５Ａ）と、
   を備えることを特徴とする電動機。
2. 請求項１において、
   前記界磁電流調整手段は、同一回転数において発生可能な最大トルクよりも要求トルクが低いときに界磁電流の値の調整を行うことを特徴とする電動機。
3. 請求項２において、
   前記界磁電流調整手段は、同一回転数において効率が最大となるように界磁電流の値を調整することを特徴とする電動機。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、
   前記電力変換器は、前記界磁電流調整手段によって界磁電流の値が変更されたときに、変更後の界磁電流に合わせて、交番磁界を発生させる制御定数を変更することを特徴とする電動機。
5. 請求項１〜４のいずれかにおいて、
   前記電力変換器は、前記界磁電流調整手段によって界磁電流が変更されたときに、変更後の界磁電流に合わせて、交番磁界を発生させる制御方式を切り替えることを特徴とする電動機。
6. 請求項５において、
   前記制御方式の切り替えは、発生するトルクの変動を抑制するタイミングで行われることを特徴とする電動機。
7. 請求項５または６において、
   前記制御方式の切り替えは、パルス幅変調駆動制御と矩形波駆動制御との間の変更であることを特徴とする電動機。

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