JP2020141504A - Dynamo-electric machine system and control method of induction rotary electric machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、回転電機システム及び誘導回転電機の制御方法に関する。 The present invention relates to a rotary electric machine system and a control method for an induction rotary electric machine.
誘導回転電機の一例に、誘導電動機又は誘導発電機がある。誘導電動機は、固定子によって発生される回転磁界により、電気伝導体の回転子に誘導電流が発生し、すべりに対応した回転トルクが発生する。 An example of an induction rotary electric machine is an induction motor or an induction generator. In an induction motor, an induced current is generated in the rotor of an electric conductor by a rotating magnetic field generated by a stator, and a rotational torque corresponding to slippage is generated.
誘導電動機は、永久磁石電動機と比較して、トルクや効率が劣り、可変速運転においても低速回転域および中速回転域でトルクが小さくなる。そこで、誘導電動機の回転子に永久磁石を備えることで、トルクの増加を図る磁石併用型の誘導電動機が提案されている。 The induction motor is inferior in torque and efficiency to the permanent magnet motor, and the torque is small in the low speed rotation range and the medium speed rotation range even in the variable speed operation. Therefore, a magnet-combined induction motor has been proposed in which the rotor of the induction motor is provided with a permanent magnet to increase the torque.
本発明は、上記事情に鑑みてなされており、磁石併用型の誘導回転電機の性能を向上させることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to improve the performance of a magnet-combined induction rotary electric machine.
本発明に係る誘導回転電機は、回転電機システムは、誘導回転電機とドライブシステムとを備える。誘導回転電機は、シャフトと、回転子と、固定子とを備える。回転子は、シャフトの外周側に配置されシャフトに対して回転可能に支持される円筒状の磁石回転子と、磁石回転子の外周側に配置されシャフトに対して固定的に支持される円筒状の回転子コアと、回転子コアの外周面に備えられる複数の回転子コイル又は導体とを備える。固定子は、回転子の外周側に配置され、円筒状の固定子コアと固定子コアの内周面に備えられる複数の固定子コイルとを備える。ドライブシステムは、複数の固定子コイルを流れる電流によって発生される回転磁界の中心軸と、磁石回転子の複数の磁極によって発生される磁束の方向であるd軸とがほぼ一致するように、電流の位相を制御する。 In the induction rotary electric machine according to the present invention, the rotary electric machine system includes an induction rotary electric machine and a drive system. The induction rotary electric machine includes a shaft, a rotor, and a stator. The rotors are a cylindrical magnet rotor arranged on the outer peripheral side of the shaft and rotatably supported with respect to the shaft, and a cylindrical shape arranged on the outer peripheral side of the magnet rotor and fixedly supported with respect to the shaft. The rotor core and a plurality of rotor coils or conductors provided on the outer peripheral surface of the rotor core are provided. The stator is arranged on the outer peripheral side of the rotor and includes a cylindrical stator core and a plurality of stator coils provided on the inner peripheral surface of the stator core. In the drive system, the current is such that the central axis of the rotating magnetic field generated by the currents flowing through the plurality of stator coils and the d-axis which is the direction of the magnetic flux generated by the plurality of magnetic poles of the magnet rotor are approximately the same. Control the phase of.
本発明によれば、誘導回転電機の性能を向上させることができる。 According to the present invention, the performance of the induction rotary electric machine can be improved.
以下、図面を参照して、発明の実施形態について説明する。なお、以下の説明において、実質的に同一の構成要素及び機能については、同一符号を付し、説明を省略するか又は必要に応じて説明を行う。 Hereinafter, embodiments of the invention will be described with reference to the drawings. In the following description, substantially the same components and functions are designated by the same reference numerals, and the description is omitted or the description will be given as necessary.
各実施形態においては、誘導回転電機の一例として、誘導電動機を用いて説明を行う。なお、各実施形態は、誘導電動機に代えて、例えば誘導発電機などのような他の種類の誘導回転電機に対しても適用可能である。 In each embodiment, an induction motor will be used as an example of the induction motor. It should be noted that each embodiment can be applied to other types of induction rotary electric machines such as an induction generator instead of the induction motor.
各実施形態に係る誘導電動機は、例えば、電気自動車、ハイブリッド自動車、鉄道、飛行機、モバイル機器、ロボット、省エネルギーシステムなどの様々な分野に適用可能である。 The induction motor according to each embodiment can be applied to various fields such as electric vehicles, hybrid vehicles, railways, airplanes, mobile devices, robots, and energy saving systems.
(第1の実施形態)
本実施形態では、誘導電動機に供給される電流の位相を制御することで、誘導電動機のトルクを増加させ、誘導電動機の効率及び力率を向上させる。
(First Embodiment)
In the present embodiment, by controlling the phase of the current supplied to the induction motor, the torque of the induction motor is increased, and the efficiency and power factor of the induction motor are improved.
図1は、本実施形態に係る電動機システム21の概略構成の一例を示す図である。この図1において、電動機システム21における誘導電動機1は、回転軸Aに垂直な断面(径方向の断面)を表す。
FIG. 1 is a diagram showing an example of a schematic configuration of the
図2は、本実施形態に係る誘導電動機1に備えられる回転子3の概略構成の第1の例を示す断面図である。この図2は、回転子3の回転軸Aに平行な断面を表す。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a first example of a schematic configuration of a
電動機システム21は、誘導電動機1とドライブシステムDSとを備える。
The
誘導電動機1は、主に、シャフト2と、回転子3と、固定子4と、ベアリング5a,5b,6a,6bとを備える。誘導電動機1は、さらに、固定子4を覆うブランケットなどを備えるが、図1では簡略化のため省略している。
The
シャフト2は、回転軸Aを持つ。シャフト2は、ベアリング5a,5bを介して例えば図示しないブランケット又は固定子4に対して回転可能に支持される。本実施形態において、シャフト2は、磁性材料により形成されてもよく、軽量化のために非磁性材料により形成されてもよい。 The shaft 2 has a rotation shaft A. The shaft 2 is rotatably supported via bearings 5a and 5b, for example, with respect to a blanket or stator 4 (not shown). In the present embodiment, the shaft 2 may be made of a magnetic material or may be made of a non-magnetic material for weight reduction.
回転子3は、磁石回転子7と、回転子コア8と、複数の回転子コイル9とを備える。なお、回転子コイル9に代えて導体が用いられてもよい。本実施形態では、磁石回転子7は回転子3の一部であるとして説明を行うが、磁石回転子7と回転子3とはそれぞれ異なる部材として扱われてもよい。
The
磁石回転子7は、ベアリング6a,6bを介してシャフト2に対して回転可能に支持される。磁石回転子7は、中心部10と複数の永久磁石11とを備える。
The
中心部10は、磁性材の回転子コアである。中心部10は、シャフト2の外周側に配置される。中心部10は、磁石回転子コアと称してもよい。
The
永久磁石11は、中心部10の外周を覆うように配置される。図1では、8つの永久磁石11が中心部10の断面の円周部に、円周方向にそって配置されている。互いに隣接する2つの永久磁石11のうち、一方の永久磁石11の内周面(内径)側がN極、外周面(外径)側がS極である場合、他方の永久磁石11の内周面側はS極、外周面側がN極となる。このように、中心部10の外周面に配置される複数の永久磁石11の極性は、互い違いになる。図1では、永久磁石11の数を8つとしているが、この数は適宜変更可能である。
The
回転子コア8は、磁石回転子7の外周側に配置される。回転子コア8は、円筒形状であり、シャフト8に対して固定的に支持される。回転子コア8は、例えばカゴ形としてもよい。回転子コア8は、巻線回転子と称してもよい。回転子コア8は、軽量化のために非磁性材料によって形成されてもよい。
The
回転子コア8の外周面には複数のスロットが形成されており、当該複数のスロットのそれぞれに回転子コイル9が備えられる。
A plurality of slots are formed on the outer peripheral surface of the
固定子4は、回転子3の外周側に配置される。固定子4は、円筒状の固定子コア12と、複数の固定子コイル13とを備える。
The
固定子コア12の内周面には複数のスロットが形成されており、当該複数のスロットのそれぞれに固定子コイル13が備えられる。固定子コア12は、軽量化のために非磁性材料によって形成されてもよい。
A plurality of slots are formed on the inner peripheral surface of the
本実施形態において、磁石回転子7には、誘導電動機1の極数と同じ数の永久磁石11が、極性が交互になるように備えられている。シャフト2と連結されている回転子コア8は、固定子4によって発生される回転磁界から遅れてすべりを持って回転する。磁石回転子7は、固定子4によって発生される回転磁界と同期して、回転子コア8とは別に回転する。
In the present embodiment, the
ドライブシステムDSは、上記のような構成を持つ誘導電動機1を制御する。具体的には、ドライブシステムDSは、インバータ14を制御し、固定子4の固定子コイル13に電流を流すことと、固定子コイル13を流れる電流によって発生される回転磁界の中心軸と、磁石回転子7の磁極から生じる磁束の方向であるd軸とがほぼ一致するように、電流の位相を制御することと、を実行する。なお、ドライブシステムDSは、回転磁界の中心軸とd軸との角度差が所定の許容範囲内(回転磁界の中心軸とd軸とが一致する場合を含む)となるように、電流の位相を制御してもよい。
The drive system DS controls the
図3は、本実施形態に係る誘導電動機1に備えられる回転子3の概略構成の第2の例を示す断面図である。この図3は、上記の図2と同様に、回転子3の回転軸Aに平行な断面を表す。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a second example of the schematic configuration of the
図3の回転子3は、シャフト2に対して固定的に支持される円筒状の回転子コア8と、回転子コア8に対してベアリング6a,6bを介して回転可能に支持される円筒状の磁石回転子7とを備える。回転子コア8は、外周面に複数の回転子コイル9又は導体を備える。回転子コア8は、例えば、電磁鋼板を積層した鉄心としてもよい。この図3の構成を持つ回転子3においては、磁石回転子7は回転子コア8に対して相対速度で極めて遅いすべりの速度になるため、磁石回転子7と回転子コア8との間に設けた磁石回転子7用のベアリング6a,6bが高速回転に対応した高い特性を必要としないメリットがある。
The
図4は、d軸及びq軸の例を示す概念図である。この図4は、回転軸Aと垂直な磁石回転子7aの断面を表す。
FIG. 4 is a conceptual diagram showing an example of the d-axis and the q-axis. FIG. 4 shows a cross section of the
この図4の例では、磁石回転子7aは、中心部10aの外周面の第1の位置に第1の永久磁石11aを備えており、第1の位置に対して直径方向で対向する外周面の第2の位置に、第2の永久磁石11bを備えている。
In the example of FIG. 4, the
本実施形態において、d軸とは、磁石回転子7aの磁極によって生じた磁束の方向とする。言い換えれば、d軸は、磁石回転子7Aの回転軸Aから永久磁石11aの中心を通る半径方向の軸である。
In the present embodiment, the d-axis is the direction of the magnetic flux generated by the magnetic poles of the
q軸とは、d軸と磁気的に直交する方向とする。言い換えれば、q軸は、磁石回転子7aの回転軸Aから第1の永久磁石11aと第2の永久磁石11bとの間を通る半径方向の軸である。
The q-axis is a direction that is magnetically orthogonal to the d-axis. In other words, the q-axis is a radial axis that passes between the rotation axis A of the
図5は、本実施形態に係る誘導電動機1のドライブシステムDSの構成の一例を示すブロック図である。
FIG. 5 is a block diagram showing an example of the configuration of the drive system DS of the
ドライブシステムDSは、制御部15と、直流電源16と、インバータ14と、変換部17と、指令部18と、回転子3又は回転子3に直結された回転子コア8の回転角度(位置)を検出する角度(位置)センサ19aと、磁石回転子7の回転角度(位置)を検出する角度(位置)センサ19bと、磁石回転子7のトルクを検出するトルクセンサ20を備える。
The drive system DS includes a
なお、制御部15、変換部17、指令部18のうちの少なくとも2つは、制御回路によって実現されてもよい。この場合、制御回路は、メモリに格納されている制御プログラムを実行することにより、制御部15、変換部17、指令部18のうちの少なくとも2つとしての機能を実現してもよい。
また、磁石回転子7の角度センサ19bを用いる代わりに、例えば以下の第1の方法及び第2の方法を用いることにより、磁石回転子7の角度センサ19bを省略してもよい。
磁石回転子7の角度センサ19bに代えて利用可能な第1の方法は、ブラシレス磁石電動機で使用されている磁極センサ技術として簡単なホール素子による磁極の磁束を検出する方法である。
磁石回転子7の角度センサ19bに代えて利用可能な第2の方法は、一般的な磁石電動機のセンサレス制御として回転時に磁石が固定子コイルに発生する誘起電圧を用いて磁石の磁極位置を検出する方法である。
At least two of the
Further, instead of using the
The first method that can be used in place of the
A second method that can be used in place of the
制御部15は、指令部18から電流位相に関する指令値(例えば0度から360度のいずれかを示す値)を取得し、誘導電動機1に備えられている角度センサ19aから回転子3又は回転子3に直結された回転子コア8の回転角度を取得し、インバータ14の出力を変換部17によって変換したd軸実測値及びq軸実測値をフィードバックにより取得する。なお、回転角度に代えて、回転速度又は回転子3の位置情報などが用いられてもよい。
The
制御部15は、指令値、d軸実測値、q軸実測値、回転子3又は回転子コア8の回転角度、回転角度から算出された回転速度に基づいて、指令値に対応するd軸指令値及びq軸指令値を生成し、生成したd軸指令値及びq軸指令値をインバータ14に提供する。
The
インバータ14は、直流電源16から供給された電流(例えば定格電流)を、d軸指令値及びq軸指令値に基づいて交流のU相電流、V相電流、W相電流に変換し、U相電流、V相電流、W相電流を誘導電動機1に供給する。
The
インバータ14は、例えば、d軸指令値及びq軸指令値に基づいて複数のパワースイッチの切り替えを行い、直流−交流変換を行う。
The
変換部17は、U相電流実測値、V相電流実測値、W相電流実測値、角度センサ19aによって測定された回転子3又は回転子コア8の回転角度を取得し、このU相電流実測値、V相電流実測値、W相電流実測値を、d軸実測値及びq軸実測値に変換し、フィードバック制御のためにd軸実測値及びq軸実測値を制御部15に提供する。
The
なお、変換部17は、例えば、インバータ14内に備えられている電流センサによって測定されたU相電流実測値、V相電流実測値、W相電流実測値を取得する。
The
指令部18は、まず、制御部15へ提供する電流位相に関する指令値を0度から360度の間で変化させ、トルクセンサ20から各指令値に対応し磁石回転子7によって発生されるトルクを取得する。この結果得られる電流位相とトルクとの関係は、図8を用いて後で説明する。
また、指令部18は、磁石回転子7の角度センサ19bから取得した磁石回転子7の回転角度を示す信号を、その瞬間の磁石回転子7の磁極の位置(d軸)の情報として処理する。
First, the
Further, the
次に、指令部18は、例えば、磁石回転子7によって測定された回転角度から求められるd軸位置、及び/又は、測定又は磁界解析によって得られた電流位相と磁石回転子7のトルクとの関係に基づいて、トルクがほぼゼロになる電流位相を求め、磁石回転子7によって発生されるトルクがほぼゼロになる電流位相を指令値として決定し、決定した指令値を制御部15へ提供する。指令部18は、磁石回転子7によって発生されるトルクが所定のトルク許容範囲内(ゼロを含む)となる電流位相を指令値として決定してもよい。あるいは、指令部18は、磁石回転子7の角度センサ19bによって測定された回転角度からd軸の位置を求め、固定子コイル13を流れる電流によって発生される回転磁界の中心軸と、磁石回転子7の磁極から生じる磁束の方向であるd軸とがほぼ一致するように、電流の位相を決定してもよい。
Next, the
なお、指令部18は、電流位相とトルクとの関係を磁界解析の結果から取得してもよい。この場合、磁界解析によって得られた電流位相とトルクの値との関係を含む表データが生成され、この生成された表データが制御プログラムのデータとしてメモリなどに格納される。実際に誘導電動機1を駆動させる場合には、ドライブシステムDSの指令部18として機能する制御回路が、メモリに格納されている制御プログラムの表データを読み出し、磁石回転子7のトルクが許容範囲内となるように電流位相を決定する。そして、指令部18は、決定した電流位相に対応する指令値を制御部15へ提供する。この結果、インバータ16は、指令部18によって決定された電流位相の電流を誘導電動機1へ供給し、誘導電動機1は、許容範囲内の磁石回転子7のトルクにより駆動される。
The
図6は、本実施形態に係るドライブシステムDSの処理の一例を示すフローチャートである。 FIG. 6 is a flowchart showing an example of processing of the drive system DS according to the present embodiment.
ステップS601において、指令部18は、第1に、電流位相の指令値を、0°から360°の間で順次変更しつつ、制御部15に提供する。指令部18は、第2に、磁石回転子7によって発生されるトルクがほぼゼロになる電流位相、あるいは、固定子コイル13を流れる電流によって発生される回転磁界の中心軸と磁石回転子7のd軸とがほぼ一致する電流位相、を指令値として制御部15に提供する。この指令部18の処理は、図7を用いて後で説明する。
In step S601, first, the
ステップS602において、制御部15は、指令値、例えばインバータ14内の電流センサによって測定された3相電流を2成分に換算したd軸実測値及びq軸実測値、回転角度、回転角度から算出された回転速度に基づいて、次のd軸指令値及びq軸指令値を決定し、決定したd軸指令値及びq軸指令値をインバータ14へ提供する。
In step S602, the
ステップS603において、インバータ14は、制御部15から取得したd軸指令値及びq軸指令値に基づいて、直流電源16から供給された直流電流を、交流のU相電流、V相電流、W相電流へ変換する。
In step S603, the
ステップS604において、インバータ14は、交流のU相電流、V相電流、W相電流を誘導電動機1へ供給し、誘導電動機1を駆動させる。
In step S604, the
ステップS605において、角度センサ19aは、回転子3又は回転子コア8の回転角度を測定し、この回転角度を制御部15及び変換部17へ提供する。磁石回転子7の角度センサ19bは、磁石回転子7の回転角度を測定し、この磁石回転子7の回転角度を指令部18へ提供する。トルクセンサ20は、磁石回転子7に生じているトルクを測定し、このトルクを指令部18へ提供する。変換部17は、インバータ14から出力されたU相電流の実測値、V相電流の実測値、W相電流の実施値を取得し、角度センサ19aによって測定された回転子3又は回転子コア8の回転角度を取得し、これらのU相電流実測値、V相電流実測値、W相電流実測値をd軸実測値及びq軸実測値に変換し、d軸実測値及びq軸実測値を制御部15へ提供する。
In step S605, the
ステップS606において、ドライブシステムDSは、誘導電動機1の駆動を終了させるか否か判断する。
In step S606, the drive system DS determines whether or not to terminate the drive of the
誘導電動機1の駆動を終了させない場合、処理はステップS601へ戻る。
誘導電動機1の駆動を終了させる場合、処理は終了する。
If the drive of the
When the drive of the
なお、この図6では、固定子コイル13を流れる電流の位相と磁石回転子7によって発生されるトルクとの関係を測定により求めているが、先に説明したように、電流の位相とトルクとの関係は磁界解析により求められてもよい。ドライブシステムDSがこの磁界解析の結果を用いて磁石回転子7のトルクを制御しつつ誘導電動機1を駆動させる処理を以下で具体的に説明する。
In FIG. 6, the relationship between the phase of the current flowing through the
磁界解析によって誘導電動機1における電流位相と磁石回転子7のトルクとの関係が取得されると、電流位相とトルクとの関係を示す表データが生成され、この表データが制御プログラムのデータとしてメモリに格納される。これにより、例えばプロセッサなどの制御回路が制御プログラムを実行した場合、当該制御回路は、表データをメモリから読み出すことができる。誘導電動機1の駆動開始後、指令部18は、磁石回転子7の回転角度(位置)信号で判定可能なd軸位置、及び/又は、読み出した表データに基づいて、磁石回転子7のトルクが許容範囲内となるような電流位相を決定し、決定した電流位相を示す指令値(制御信号)を制御部15へ提供する。このように、磁界解析の結果を用いる場合にはトルクセンサ20を削除することができる。
When the relationship between the current phase in the
制御部15は、変換部17から取得したd軸実測値、q軸実測値、回転子3又は回転子コア8の回転角度から算出された回転速度、駆動電源周波数から算出されたすべり周波数に基づいて、制御すべき磁石回転子7のトルクに対応するd軸指令値及びq軸指令値を生成し、d軸指令値及びq軸指令値をインバータ14へ提供する。この制御部15で実行される制御は、すべり周波数制御である。
The
図7は、本実施形態に係る電流位相の決定処理の一例を示すフローチャートである。 FIG. 7 is a flowchart showing an example of the current phase determination process according to the present embodiment.
ステップS701において、指令部18は、電流位相の指令値を制御部15へ提供する。
In step S701, the
ステップS702において、指令部18は、磁石回転子7の角度センサ19bによる磁石磁極の位置とトルクセンサ20から指令値に対応する磁石回転子7のトルクを取得する。
In step S702, the
ステップS703において、指令部18は、電流位相とトルクとの関係を、例えば、メモリに保存する。
In step S703, the
ステップS704において、指令部18は、指令値の順次変更が終了したか否か、言い換えれば、電流位相0°〜360°の間で順次指令値を出力したか否かを判断する。
In step S704, the
指令値の順次変更が終了していない場合、ステップS705において、指令部18は、電流位相を示す指令値を変更する。そして、処理はステップS701に戻る。
If the sequential change of the command value is not completed, in step S705, the
指令値の順次変更が終了した場合、ステップS706において、指令部18は、磁石回転子7によって発生されるトルクがほぼゼロになる適切な電流位相、あるいは、固定子コイル13を流れる電流によって発生される回転磁界の中心軸と磁石回転子7のd軸とがほぼ一致する電流位相、を示す指令値を決定する。
When the sequential change of the command value is completed, in step S706, the
ステップS707において、指令部18は、決定した電流位相の指令値を制御部15へ提供する。
In step S707, the
以下において、本実施形態に係る誘導電動機1に関する解析結果と、永久磁石11を空気に代えた比較例1の電動機に関する解析結果とを対比することにより、本実施形態に係る誘導電動機1によって得られる効果を説明する。
In the following, the
誘導電動機1は、例えばかご形の回転子コア8と磁石回転子7とを同じ回転軸A上に備えた2重回転子構造の永久磁石併用誘導電動機である。回転子コア8は、シャフト2と機械的に結合されている。回転子コア8は、回転磁界からすべりをもって回転する。磁石回転子7は、ベアリング6a,6bを介してシャフト2に備えられており、自由に回転可能である。磁石回転子7は、回転磁界と同期して回転する。このような構成を持つ誘導電動機1では、永久磁石11の磁束と固定子4の回転磁界の磁束とが結合して増強し、励磁磁束が増加する。その結果、トルクが増加し、効率も向上する。
The
表1は、磁界解析に用いられる本実施形態に係る誘導電動機1の特性(解析条件)の一例である。
Table 1 is an example of the characteristics (analysis conditions) of the
本実施形態に係る誘導電動機1において、永久磁石11は8極であり、対称性を持つ。このため、半円のモデルに周期境界条件を用いて磁界解析を行う。
In the
本実施形態に係る誘導電動機1のすべりは、0.05と設定して解析を行う。
The slip of the
これに対して、比較例1の電動機は、上述のように、磁石回転子7の永久磁石11を空気とし、永久磁石11を併用しない。比較例1の電動機の他の解析条件は上記の表1と同様とする。
On the other hand, in the electric motor of Comparative Example 1, as described above, the
図8は、磁界解析によって得られた誘導電動機1の電流位相と磁石回転子7のトルクとの関係の一例を示すグラフである。この図8は、定格電流におけるトルク−電流位相特性を表す。
FIG. 8 is a graph showing an example of the relationship between the current phase of the
図8では、電流位相が0°から360°に5°刻みで変化されている。トルクが0N・mの電流位相では、q軸電流はわずかであり、d軸電流が主に流れている。磁石回転子7の永久磁石11の磁極中心が固定子4によって発生される回転磁界の中心とほぼ一致し、磁石回転子7が回転磁界と同期してつれまわる状態とするためには、磁石回転子7のトルクが0N・mとなる電流位相を適用すればよい。
In FIG. 8, the current phase is changed from 0 ° to 360 ° in 5 ° increments. In the current phase where the torque is 0 Nm, the q-axis current is small and the d-axis current mainly flows. In order for the magnetic pole center of the
この図8の解析結果から、本実施形態に係る誘導電動機1の電流位相は、例えば、約180°から約230°までの間とする。より具体的には、誘導電動機1の電流位相を、例えば、約215°とする。
From the analysis result of FIG. 8, the current phase of the
また、図8において、磁石回転子7のトルクがマイナスになる電流位相は、回転子3の回転のブレーキとして作用する可能性があるが、磁石回転子7のトルクがプラスになる電流位相は、回転子3の回転のブレーキとして作用しない。このため、例えば、磁石回転子7のトルクがプラスになる約230°から約360°までの間の電流位相が適用されてもよい。
Further, in FIG. 8, the current phase in which the torque of the
図9は、本実施形態に係る誘導電動機1及び比較例1に関して、定格電流におけるすべりが0.05の状態の回転子コア8上のギャップ磁束密度の基本波の例を示すグラフである。この図9は、電気角と磁束密度との関係を表している。
FIG. 9 is a graph showing an example of a fundamental wave of the gap magnetic flux density on the
本実施形態に係る誘導電動機1では、永久磁石11が併用されるため、誘導電動機1の駆動によって発生される励磁磁束に対して永久磁石11の磁束が重畳され、総ギャップ磁束密度が比較例1の場合と比べて高くなる。本実施形態に係る誘導電動機1の基本波の振幅と比較例1の基本波の振幅とは、それぞれ1.18T、1.06Tである。このように、永久磁石11を併用する誘導電動機1のギャップ磁束密度の基本波の振幅は、比較例1のギャップ磁束密度の基本波の振幅よりも、約1.1倍に増加する。
In the
図10は、本実施形態に係る誘導電動機1の過渡状態から定常状態までのトルクの時間変化の一例を示すグラフである。
FIG. 10 is a graph showing an example of a time change of torque of the
また、図11は、比較例1の過渡状態から定常状態までのトルクの時間変化の一例を示すグラフである。 Further, FIG. 11 is a graph showing an example of a time change of torque from the transition state to the steady state of Comparative Example 1.
これらの図10及び図11の横軸は時間を表し、縦軸はトルクを表す。また、図10及び図11は、それぞれ、定格電流ですべり0.05の動作点におけるトルク特性を表している。 The horizontal axis of FIGS. 10 and 11 represents time, and the vertical axis represents torque. Further, FIGS. 10 and 11 show torque characteristics at an operating point with a slip of 0.05 at a rated current, respectively.
図10に示す本実施形態に係る誘導電動機1のトルクは、定常状態で平均56.6N・mである。
The torque of the
一方、図11に示す比較例1のトルクは、定常状態で平均41.2N・mである。 On the other hand, the torque of Comparative Example 1 shown in FIG. 11 is 41.2 N · m on average in a steady state.
このように、本実施形態に係る誘導電動機1では、永久磁石11が併用されることにより、永久磁石11が併用されない比較例1よりも、トルクが15.4N・m増加しており、定格電流が供給されている状態で約1.4倍のトルクを得ることができる。
As described above, in the
表2は、本実施形態に係る誘導電動機1及び比較例1に関する定格電流時の効率及び力率を示している。
Table 2 shows the efficiency and power factor at the rated current of the
すべり0.05の場合、本実施形態の誘導電動機1の効率は83.7%であり、力率は0.51である。
When the slip is 0.05, the efficiency of the
一方、比較例1の効率は80.2%であり、力率は0.42である。 On the other hand, the efficiency of Comparative Example 1 is 80.2% and the power factor is 0.42.
このように、本実施形態に係る誘導電動機1では、永久磁石11が併用されることにより、比較例1よりも、効率が約3.5%向上し、力率が約1.2倍改善される。
As described above, in the
以上説明したように、本実施形態に係る誘導電動機1は、磁石回転子7によって発生されるトルクがゼロになる電流位相により駆動される。あるいは、誘導電動機1は、磁石回転子7によって発生されるトルクがプラスになる電流位相、言い換えれば、磁石回転子7によって発生されるトルクが回転子コア8によって発生されるトルクと同じ方向になる電流位相により駆動される。
As described above, the
これにより、本実施形態に係る磁石併用型の誘導電動機1においては、トルクを増加させることができ、力率及び効率を向上させることができ、性能向上を図ることができる。
As a result, in the magnet-combined
本実施形態に係る誘導電動機1においては、磁石回転子7が回転子コア8の回転方向に対して逆方向にトルクを発生させることを防止するため、電動機の回転駆動を安定させることができる。
In the
本実施形態に係る誘導電動機1においては、少ない電力でトルクを増加させることができ、バッテリーに蓄えられている電力の消費を抑制することができ、エネルギー効率を向上させることができる。
In the
(第2の実施形態)
本実施形態においては、複数のインバータ(マルチインバータ)を用いて、回転速度に応じて磁石併用型の誘導電動機の極数を高速に変換する電動機システムについて説明する。
(Second Embodiment)
In this embodiment, an electric motor system that uses a plurality of inverters (multi-inverters) to convert the number of poles of a magnet-combined induction motor at high speed according to the rotation speed will be described.
なお、磁石が併用されない電動機に対しても、同様に、複数のインバータを用いることで高速に極数を変換可能である。 Similarly, for an electric motor in which a magnet is not used in combination, the number of poles can be converted at high speed by using a plurality of inverters.
また、本実施形態は、上記第1の実施形態と組み合わされて適用されてもよい。具体的には、本実施形態において、上記の第1の実施形態の同様に、磁石回転子7によって発生されたトルクをゼロとするような電流位相を用いることにより、誘導電動機の例えばトルク、効率、力率などのような性能を向上させることができる。
Moreover, this embodiment may be applied in combination with the said 1st Embodiment. Specifically, in the present embodiment, as in the first embodiment described above, by using a current phase that makes the torque generated by the
図12は、本実施形態に係る誘導電動機の制御概念の一例を示すグラフである。この図12において、横軸は回転速度を示し、縦軸はトルクを示す。 FIG. 12 is a graph showing an example of the control concept of the induction motor according to the present embodiment. In FIG. 12, the horizontal axis represents the rotation speed and the vertical axis represents the torque.
自動車又は電車などの交通システムの駆動電動機のトルク対速度特性では、トルクは、低速回転域において大きくなり、高速回転域において小さくなる特性が要求される。また、多極の駆動電動機は低速回転で高トルクとなり、少極の駆動電動機は高速回転で小トルクとなる。本実施形態においては、回転速度が閾値T以下の場合に、例えば8極など誘導電動機の極数を多くし、回転速度が閾値Tを超えた場合に、例えば4極など誘導電動機の極数を少なくし、誘導電動機の省エネルギー化などの性能向上を実現する。 In the torque-to-speed characteristics of the drive electric motor of a traffic system such as an automobile or a train, the torque is required to be large in the low speed rotation range and small in the high speed rotation range. Further, the multi-pole drive motor has a high torque at low speed rotation, and the small pole drive motor has a small torque at high speed rotation. In the present embodiment, when the rotation speed is equal to or less than the threshold T, the number of poles of the induction motor such as 8 poles is increased, and when the rotation speed exceeds the threshold T, the number of poles of the induction motor such as 4 poles is increased. The number is reduced, and performance improvements such as energy saving of the induction motor are realized.
本実施形態においては、回転速度が閾値T以下の低速回転域で、固定子4の極数と磁石回転子7の極数とを同じにし(同期モード)、回転速度が閾値Tを超える高速回転域で、固定子4の極数と磁石回転子7の極数とを異なる数(例えば、固定子4の極数が磁石回転子7の極数より少ない数)とする(非同期モード)。
In the present embodiment, in the low speed rotation range where the rotation speed is equal to or less than the threshold T, the number of poles of the
本実施形態において、マルチインバータ電動機システムは、3相インバータと3相コイルとを1組とし、複数の組により構成される。複数の3相インバータは、それぞれに対応する3相コイルの電流を独立して制御可能である。 In the present embodiment, the multi-inverter motor system includes a three-phase inverter and a three-phase coil as one set, and is composed of a plurality of sets. The plurality of three-phase inverters can independently control the current of the corresponding three-phase coil.
ドライブシステムは、各インバータの相順と電流位相とを切り替えることで誘導電動機の駆動中に誘導電動機の極数を変換し、高効率の可変速運転を実現する。 The drive system converts the number of poles of the induction motor while driving the induction motor by switching the phase order and the current phase of each inverter, and realizes highly efficient variable speed operation.
図13は、本実施形態に係るマルチインバータ電動機システム211の概略構成の一例を示す図である。この図13は、マルチインバータ電動機システム211が2台のインバータを備える場合を例示している。
FIG. 13 is a diagram showing an example of a schematic configuration of the
マルチインバータ電動機システム211は、2組の3相インバータ及び3相コイルで構成されている。
The
マルチインバータ電動機システム211は、誘導電動機1Aと、ドライブシステムDS1とを備える。
The
誘導電動機1Aの固定子4の内周面には、円周方向に12個のスロットが形成されている。12個のスロットのそれぞれには、時計周りに、固定子コイルとして、a1コイル、b2コイル、c1コイル、a2コイル、b1コイル、c2コイル、a1コイル、b2コイル、c1コイル、a2コイル、b1コイル、c2コイルが配置される。
Twelve slots are formed in the circumferential direction on the inner peripheral surface of the
2つのa1コイルは、互いに、直径方向で互いに対向する位置に配置される。2つのb1コイル、2つのc1コイル、2つのa2コイル、2つのb2コイル、2つのc2コイルも同様に、直径方向で互いに対向する位置に配置される。 The two a1 coils are arranged at positions facing each other in the radial direction. Similarly, the two b1 coils, the two c1 coils, the two a2 coils, the two b2 coils, and the two c2 coils are also arranged at positions facing each other in the radial direction.
誘導電動機1Aの他の構成は、例えば、上記第1の実施形態で説明した誘導電動機1と同様とする。
The other configuration of the
ドライブシステムDS1は、上記のような構成を持つ誘導電動機1Aを制御する。具体的には、ドライブシステムDS1は、第1及び第2のインバータ141,142を制御する。
The drive system DS1 controls the
第1のインバータ141は、直流電流を交流電流であるa1電流、b1電流、c1電流に変換し、a1電流を2つのa1コイルに供給し、b1電流を2つのb1コイルに供給し、c1電流を2つのc1コイルに供給する。本実施形態において、第1のインバータ141は、a1電流、b1電流、c1電流の電流位相を制御する。
The
第2のインバータ142は、直流電流を交流電流であるa2電流、b2電流、c2電流に変換し、a2電流を2つのa2コイルに供給し、b2電流を2つのb2コイルに供給し、c2電流を2つのc2コイルに供給する。本実施形態において、第2のインバータ142は、a2電流、b2電流、c2電流の電流位相を制御する。
The
図14は、本実施形態に係るマルチインバータ電動機システム212の概略構成の一例を示す図である。この図14は、マルチインバータ電動機システム212が3台のインバータを備える場合を例示している。
FIG. 14 is a diagram showing an example of a schematic configuration of the
マルチインバータ電動機システム212は、3組の3相インバータ及び3相コイルで構成されている。
The
マルチインバータ電動機システム212は、誘導電動機1Bと、ドライブシステムDS2とを備える。
The
誘導電動機1Bの固定子4の内周面には、円周方向に18個のスロットが形成されている。18個のスロットのそれぞれには、時計周りに、固定子コイルとして、a1コイル、a3コイル、b2コイル、c1コイル、c3コイル、a2コイル、b1コイル、b3コイル、c2コイル、a1コイル、a3コイル、b2コイル、c1コイル、c3コイル、a2コイル、b1コイル、b3コイル、c2コイルが配置される。
Eighteen slots are formed in the circumferential direction on the inner peripheral surface of the
2つのa1コイルは、互いに、直径方向で対向する位置に配置される。2つのb1コイル、2つのc1コイル、2つのa2コイル、2つのb2コイル、2つのc2コイル、2つのa3コイル、2つのb3コイル、2つのc3コイルも同様に、直径方向で互いに対向する位置に配置される。 The two a1 coils are arranged at positions facing each other in the radial direction. Similarly, the positions of the two b1 coils, the two c1 coils, the two a2 coils, the two b2 coils, the two c2 coils, the two a3 coils, the two b3 coils, and the two c3 coils facing each other in the radial direction. Is placed in.
誘導電動機1Bの他の構成は、例えば、上記第1の実施形態で説明した誘導電動機1と同様とする。
Other configurations of the
ドライブシステムDS2は、上記のような構成を持つ誘導電動機1Bを制御する。具体的には、ドライブシステムDS2は、第1乃至第3のインバータ141,142,143を制御する。
The drive system DS2 controls the
第1のインバータ141は、上記図13の場合と同様に、直流電流をa1電流、b1電流、c1電流に変換し、a1電流を2つのa1コイルに供給し、b1電流を2つのb1コイルに供給し、c1電流を2つのc1コイルに供給する。第1のインバータ141は、a1電流、b1電流、c1電流の電流位相を制御する。
The
第2のインバータ142は、上記図13の場合と同様に、直流電流をa2電流、b2電流、c2電流に変換し、a2電流を2つのa2コイルに供給し、b2電流を2つのb2コイルに供給し、c2電流を2つのc2コイルに供給する。第2のインバータ142は、a2電流、b2電流、c2電流の電流位相を制御する。
The
第3のインバータ143は、直流電流を交流電流であるa3電流、b3電流、c3電流に変換し、a3電流を2つのa3コイルに供給し、b3電流を2つのb3コイルに供給し、c3電流を2つのc3コイルに供給する。本実施形態において、第3のインバータ143は、a3電流、b3電流、c3電流の電流位相を制御する。
The
表3は、上記のマルチインバータ電動機システム211,212で適用される極数と電流位相との関係の例を示す。3相インバータと3相コイルとが2組の場合に適用される電流位相が、表3のインバータ2台の欄に記載されている。3相インバータと3相コイルとが3組の場合に適用される電流位相が、表3のインバータ3台の欄に記載されている。 Table 3 shows an example of the relationship between the number of poles and the current phase applied in the above-mentioned multi-inverter motor system 211,212. The current phases applied when there are two sets of three-phase inverters and three-phase coils are listed in the column for two inverters in Table 3. The current phases applied when the three-phase inverter and the three-phase coil are three sets are listed in the column of three inverters in Table 3.
マルチインバータ電動機システム211では、回転速度が低速回転域の場合、8極の固定子4が適用される。この場合、固定子4の極数と磁石回転子7の極数とは同期状態であるとする。
In the
マルチインバータ電動機システム211において、第1のインバータ141は、8極適用時に、電流位相0°のa1電流、電流位相120°のb1電流、電流位相240°のc1電流を、それぞれa1コイル、b1コイル、c1コイルに供給する。
In the
マルチインバータ電動機システム211において、第2のインバータ142は、8極適用時に、電流位相0°のa2電流、電流位相120°のb2電流、電流位相240°のc2電流を、それぞれa2コイル、b2コイル、c2コイルに供給する。
In the
マルチインバータ電動機システム211では、回転速度が高速回転域の場合、4極の固定子4が適用される。この場合、固定子4の極数と磁石回転子7の極数とは非同期状態であり、固定子4の極数は、磁石回転子7の極数よりも少ない。
In the
マルチインバータ電動機システム211において、第1のインバータ141は、4極適用時に、電流位相0°のa1電流、電流位相240°のb1電流、電流位相120°のc1電流を、それぞれa1コイル、b1コイル、c1コイルに供給する。
In the
マルチインバータ電動機システム211において、第2のインバータ142は、4極適用時に、電流位相180°のa2電流、電流位相60°のb2電流、電流位相300°のc2電流を、それぞれa2コイル、b2コイル、c2コイルに供給する。
In the
このように、マルチインバータ電動機システム211は、電流位相を変更することで、駆動中に高速に極性変換を実現できる。
In this way, the
マルチインバータ電動機システム212では、回転速度が低速回転域の場合、8極の固定子4が適用される。この場合、固定子4の極数と磁石回転子7の極数とは同期状態であるとする。
In the
マルチインバータ電動機システム212において、第1のインバータ141は、8極適用時に、電流位相0°のa1電流、電流位相120°のb1電流、電流位相240°のc1電流を、それぞれa1コイル、b1コイル、c1コイルに供給する。
In the
マルチインバータ電動機システム212において、第2のインバータ142は、8極適用時に、電流位相40°のa2電流、電流位相160°のb2電流、電流位相280°のc2電流を、それぞれa2コイル、b2コイル、c2コイルに供給する。
In the
マルチインバータ電動機システム212において、第3のインバータ143は、8極適用時に、電流位相80°のa3電流、電流位相200°のb3電流、電流位相320°のc3電流を、それぞれa3コイル、b3コイル、c3コイルに供給する。
In the
マルチインバータ電動機システム212では、回転速度が高速回転域の場合、4極の固定子4が適用される。この場合、固定子4の極数と磁石回転子7の極数とは非同期状態であり、固定子4の極数は、磁石回転子7の極数よりも少ない。
In the
マルチインバータ電動機システム212において、第1のインバータ141は、4極適用時に、電流位相0°のa1電流、電流位相240°のb1電流、電流位相120°のc1電流を、それぞれa1コイル、b1コイル、c1コイルに供給する。
In the
マルチインバータ電動機システム212において、第2のインバータ142は、4極適用時に、電流位相200°のa2電流、電流位相80°のb2電流、電流位相320°のc2電流を、それぞれa2コイル、b2コイル、c2コイルに供給する。
In the
マルチインバータ電動機システム212において、第3のインバータ143は、4極適用時に、電流位相40°のa3電流、電流位相280°のb3電流、電流位相160°のc3電流を、それぞれa3コイル、b3コイル、c3コイルに供給する。
In the
このように、マルチインバータ電動機システム212は、電流位相を変更することにより高速に極性変換を実現できる。
As described above, the
図15は、本実施形態に係るドライブシステムDS1の構成の一例を示すブロック図である。 FIG. 15 is a block diagram showing an example of the configuration of the drive system DS1 according to the present embodiment.
この図15では、2台のインバータ141,142を含むドライブシステムDS1を例として説明するが、3台以上のインバータ141,142,143を含むドライブシステムDS2も、インバータの数の増加に応じてインバータに対応する変換部、制御部を増設することにより、同様の構成を適用可能である。
In FIG. 15, the drive system DS1 including two
角度センサ19aは、回転子3又は回転子コア8の回転角度を測定し、測定した回転角度を第1の制御部151、第2の制御部152、指令部18Aへ提供する。なお、角度センサ19aに代えて、回転速度センサが用いられてもよい。
The
指定部18Aは、角度センサ19aから回転子3又は回転子コア8の回転角度を取得し、回転角度と図示しないタイマによって測定される時間に基づいて回転速度を算出する。
The
指定部18Aは、回転速度が閾値T以下の場合は低速回転域であると判断し、回転速度が閾値Tを超える場合は高速回転域であると判断する。
The
指定部18は、上記の表3の関係を用いて、低速回転域の場合には、a1電流の電流位相を0°とすることを示すa1指令値、b1電流の電流位相を120°とすることを示すb1指令値、c1電流の電流位相を240°とすることを示すc1指令値を決定し、決定したa1指令値、b1指令値、c1指令値を第1の制御部151へ提供する。
Using the relationship shown in Table 3 above, the
指定部18は、上記の表3の関係を用いて、低速回転域の場合には、a2電流の電流位相を0°とすることを示すa2指令値、b2電流の電流位相を120°とすることを示すb2指令値、c2電流の電流位相を240°とすることを示すc2指令値を決定し、決定したa2指令値、b2指令値、c2指令値を第2の制御部152へ提供する。
Using the relationship shown in Table 3 above, the
一方、指定部18は、上記の表3の関係を用いて、高速回転域の場合には、a1電流の電流位相を0°とすることを示すa1指令値、b1電流の電流位相を240°とすることを示すb1指令値、c1電流の電流位相を120°とすることを示すc1指令値を決定し、決定したa1指令値、b1指令値、c1指令値を第1の制御部151へ提供する。
On the other hand, the
指定部18は、上記の表3の関係を用いて、高速回転域の場合には、a2電流の電流位相を180°とすることを示すa2指令値、b2電流の電流位相を60°とすることを示すb2指令値、c2電流の電流位相を300°とすることを示すc2指令値を決定し、決定したa2指令値、b2指令値、c2指令値を第2の制御部152へ提供する。
Using the relationship shown in Table 3 above, the
第1の制御部151は、a1指令値、b1指令値、c1指令値、第1のd軸実測値、第1のq軸実測値、回転角度、回転角度から算出された回転速度に基づいて、第1のd軸指令値及び第1のq軸指令値を生成し、生成した第1のd軸指令値及び第1のq軸指令値を第1のインバータ14に提供する。
The first control unit 151 is based on the a1 command value, the b1 command value, the c1 command value, the first d-axis measured value, the first q-axis measured value, the rotation angle, and the rotation speed calculated from the rotation angle. , The first d-axis command value and the first q-axis command value are generated, and the generated first d-axis command value and the first q-axis command value are provided to the
第2の制御部152は、a2指令値、b2指令値、c2指令値、第2のd軸実測値、第2のq軸実測値、回転角度、回転角度から算出された回転速度に基づいて、第2のd軸指令値及び第2のq軸指令値を生成し、生成した第2のd軸指令値及び第2のq軸指令値を第2のインバータ14に提供する。
The
第1のインバータ141は、直流電源16から供給された直流電流を、第1のd軸指令値及び第1のq軸指令値に基づいて交流のa1電流、b1電流、c1電流に変換し、a1電流、b1電流、c1電流を誘導電動機1Aに供給する。
The
第2のインバータ142は、直流電源16から供給された直流電流を、第2のd軸指令値及び第2のq軸指令値に基づいて交流のa2電流、b2電流、c2電流に変換し、a2電流、b2電流、c2電流を誘導電動機1Aに供給する。
The
第1の変換部171は、フォードバック制御のためのa1電流実測値、b1電流実測値、c1電流実測値を取得し、角度センサ19aによって測定された回転子3又は回転子コア8の回転角度を取得し、このa1電流実測値、b1電流実測値、c1電流実測値を、第1のd軸実測値及び第1のq軸実測値に変換し、第1のd軸実測値及び第1のq軸実測値を第1の制御部151に提供する。
The
第2の変換部172は、フォードバック制御のためのa2電流実測値、b2電流実測値、c2電流実測値を取得し、角度センサ19aによって測定された回転子3又は回転子コア8の角度を取得し、このa2電流実測値、b2電流実測値、c2電流実測値を、第2のd軸実測値及び第2のq軸実測値に変換し、第2のd軸実測値及び第2のq軸実測値を第2の制御部152に提供する。
The
図16は、本実施形態に係るドライブシステムDS1の処理の一例を示すフローチャートである。なお、3台以上のインバータを含むドライブシステムDS2も、適宜変更の上、この図16と同様の処理を実行可能である。 FIG. 16 is a flowchart showing an example of processing of the drive system DS1 according to the present embodiment. The drive system DS2 including three or more inverters can also perform the same processing as in FIG. 16 with appropriate changes.
ステップS1601において、指令部18Aは、角度センサ19aから取得した回転角度と時間とに基づいて回転速度を算出する。指令部18Aは、回転速度に基づいて低速回転域か高速回転域かを判断し、表3に基づいて判断結果に対応する電流位相を示すa1指令値、b1指令値、c1指令値、a2指令値、b2指令値、c2指令値を決定する。指令部18Aは、決定したa1指令値、b1指令値、c1指令値を第1の制御部151へ提供し、決定したa2指令値、b2指令値、c2指令値を第2の制御部152へ提供する。
In step S1601, the
ステップS1602において、第1の制御部151は、a1指令値、b1指令値、c1指令値、第1のd軸実測値、第1のq軸実測値、回転角度、回転角度から算出された回転速度に基づいて、第1のd軸指令値及び第1のq軸指令値を決定し、決定した第1のd軸指令値及び第1のq軸指令値を第1のインバータ141へ提供する。第2の制御部152は、a2指令値、b2指令値、c2指令値、第2のd軸実測値、第2のq軸実測値、回転角度、回転角度から算出された回転速度に基づいて、第2のd軸指令値及び第2のq軸指令値を決定し、決定した第2のd軸指令値及び第2のq軸指令値を第2のインバータ142へ提供する。
In step S1602, the first control unit 151 rotates the rotation calculated from the a1 command value, the b1 command value, the c1 command value, the first d-axis measured value, the first q-axis measured value, the rotation angle, and the rotation angle. The first d-axis command value and the first q-axis command value are determined based on the speed, and the determined first d-axis command value and the first q-axis command value are provided to the
ステップS1603において、第1のインバータ141は、第1の制御部151から取得した第1のd軸指令値及び第1のq軸指令値に基づいて、直流電源16から供給された直流電流を、交流のa1電流、b1電流、c1電流へ変換する。第2のインバータ142は、第2の制御部152から取得した第2のd軸指令値及び第2のq軸指令値に基づいて、直流電源16から供給された直流電流を、交流のa2電流、b2電流、c2電流へ変換する。
In step S1603, the
ステップS1604において、第1のインバータ141は、交流のa1電流、b1電流、c1電流を誘導電動機1へ供給し、第2のインバータ142は、交流のa2電流、b2電流、c2電流を誘導電動機1へ供給し、第1及び第2のインバータ141,142から供給される電流により誘導電動機1が駆動される。
In step S1604, the
ステップS1605において、角度センサ19aは、回転子3又は回転子コア8の回転角度を測定し、この回転角度を、第1の変換部171、第2の変換部172、指令部18A、第1の制御部151、第2の制御部152へ提供する。第1の変換部171は、インバータ14から出力されたa1電流の実測値、b1電流の実測値、c1電流の実施値を取得し、角度センサ19aによって測定された回転子3又は回転子コア8の回転角度を取得し、これらのa1電流実測値、b1電流実測値、c1電流実測値を、第1のd軸実測値及び第1のq軸実測値に変換し、第1のd軸実測値及び第1のq軸実測値を第1の制御部151に提供する。第2の変換部172は、インバータ14から出力されたa2電流の実測値、b2電流の実測値、c2電流の実施値を取得し、角度センサ19aによって測定された回転子3又は回転子コア8の回転角度を取得し、これらのa2電流実測値、b2電流実測値、c2電流実測値を、第2のd軸実測値及び第2のq軸実測値に変換し、第2のd軸実測値及び第2のq軸実測値を第2の制御部152に提供する。
In step S1605, the
ステップS1606において、ドライブシステムDS1は、誘導電動機1Aの駆動を終了させるか否か判断する。
In step S1606, the drive system DS1 determines whether or not to terminate the drive of the
誘導電動機1Aの駆動を終了させない場合、処理はステップS1601へ戻る。
誘導電動機1Aの駆動を終了させる場合、処理は終了する。
If the drive of the
When the drive of the
以下において、本実施形態に係る誘導電動機1Aのトルク特性と、誘導電動機1Aの永久磁石を空気に代えた比較例2の電動機のトルク特性とを対比することにより、本実施形態に係る誘導電動機1Aによって得られる効果を説明する。
In the following, by comparing the torque characteristics of the
図17は、本実施形態に係る誘導電動機1Aが極数変換した時の極数変換前後の回転子3の過渡状態から定常状態までのトルクの時間変化と、比較例2が極数変換した時の極数変換前後の回転子の過渡状態から定常状態までのトルクの時間変化との比較結果を例示する図である。この図17に含まれるグラフは、横軸で時間を示し、縦軸でトルクを示している。
FIG. 17 shows the time change of the torque of the
固定子4の極数変換を行う前と後のいずれでも、本実施形態に係る誘導電動機1Aの回転子3のトルクが、比較例2のトルクよりも、大きい。
The torque of the
具体的には、低速回転域において、本実施形態に係る誘導電動機1Aの回転子3のトルクは、定常状態で平均82.701N・mであり、比較例2のトルクは、定常状態で平均56.183N・mであり、本実施形態に係る誘導電動機1Aの回転子3のトルクの方が比較例2のトルクよりも約1.5向上している。
Specifically, in the low-speed rotation range, the torque of the
固定子4の極数が減少する高速回転域において、本実施形態に係る誘導電動機1Aの回転子3のトルクは、定常状態で平均20.330N・mであり、比較例2のトルクは、定常状態で平均17.993N・mであり、本実施形態に係る誘導電動機1Aの回転子3のトルクの方が比較例2のトルクよりも約1.13倍向上している。
In the high-speed rotation range where the number of poles of the
なお、本実施形態において、固定子4の回転磁界の極数の変換は、例えば、パワー素子を用いたスイッチング回路で各固定子コイル13の接続及び位相を切り替えることで実現可能であるが、固定子4の極数変換は他の方法で実現してもよい。優れた方法としては、本実施形態で説明したような複数のインバータ(マルチインバータ)による固定子4の回転磁界の極数変換が挙げられる。
In the present embodiment, the conversion of the number of poles of the rotating magnetic field of the
例えば、スイッチ回路を用いて誘導電動機1A,1Bの極数を変換してもよい。より具体的に説明すると、各固定子コイル13に対して電磁接触スイッチ回路を備え、スイッチ回路をオン/オフすることにより各固定子コイル13への通電の有無及びタイミングを制御することにより、相数を変更することができ、さらに、オン/オフ期間の調整により極数を変更することができる。また、固定子4のスロットに、極数の異なる2種類の固定子コイルを設けてこの2種類の固定子コイルを別々に利用してもよい。
For example, the number of poles of the
以上説明した本実施形態に係る誘導電動機1A,1Bの特徴を説明する。
The features of the
可変速運転電動機として、永久磁石電動機と誘導電動機とが広く利用されている。永久磁石電動機は、低速から中速の回転域において高トルクで高効率であるが、高速回転域又は軽負荷時(一定回転時)において効率が誘導電動機と同等もしくはそれ以下となる。一方、誘導電動機は、低速回転域において永久磁石電動機よりもトルクが小さくなり効率が低下する場合があるが、高速回転域において高効率となり、軽負荷時又は最高回転数域において永久磁石電動機よりも効率が上がる。 Permanent magnet motors and induction motors are widely used as variable speed motors. The permanent magnet motor has high torque and high efficiency in the low-speed to medium-speed rotation range, but the efficiency is equal to or less than that of the induction motor in the high-speed rotation range or at a light load (constant rotation). On the other hand, an induction motor may have a smaller torque than a permanent magnet motor in a low speed rotation range and its efficiency may decrease, but it becomes highly efficient in a high speed rotation range and is higher than a permanent magnet motor in a light load or a maximum rotation speed range. Increased efficiency.
本実施形態においては、電磁誘導作用によって回転子3に磁束を発生させ、さらに回転子3によって発生された磁束に磁石回転子7による磁束を重畳させる。さらに、本実施形態においては、本実施形態で説明したような複数のインバータと複数のグループの多相コイルを持つ固定子4によって回転磁界を極数変換することにより、又は、固定子4の固定子コイル13の接続を例えば電磁接触スイッチを用いて切り替えることにより、又は、パワー素子を用いたスイッチング回路により固定子コイル13の接続及び位相を切り替えることにより、誘導電動機1A,1Bの固定子4の回転磁界の極数を変換する。
In the present embodiment, a magnetic flux is generated in the
本実施形態においては、磁石回転子7が一定の極数を持ち、低速回転域において、固定子コイル13による多極の回転磁界と永久磁石11の磁界が同期・重畳し、トルクが向上する。本実施形態では、高速回転域において、固定子4の極数が磁石回転子7の極数より少なくなり、固定子コイル13によって発生される回転磁界の磁極数と永久磁石11による磁界の極数とが相違する状態となり、固定子コイル13による多極の回転磁界と永久磁石11の磁界が同期せず、回転子4によって発生されるトルクのほとんどが、3相電流の回転磁界のみの誘導作用で回転子コア8の回転子コイル9又は導体に生じる誘導電流と、この誘導電流と回転磁界の励磁磁界によって回転子コア8によって発生されるトルクとなる。
In the present embodiment, the
以上説明した本実施形態では、低速回転域において、固定子4の極数と磁石回転子7の極数とが同じになり、固定子コイル13による回転磁界と永久磁石11の磁界とが同期し、誘導電動機1A,1Bの高トルクが実現される。
In the present embodiment described above, the number of poles of the
また、本実施形態では、高速回転域において、固定子4の極数が少なくなるように変換され、固定子4の極数と磁石回転子7の極数とが相違する状態になり、固定子コイル13による回転磁界と永久磁石11の磁界とが非同期となる。この場合、高速回転域における永久磁石11の磁界で生じる誘導電圧の駆動電圧(基本周波数成分)の影響は低減され、駆動電圧を上限値以下に制限するための永久磁石磁束を低減させる弱め磁束制御が不要になり、弱め磁束制御のための電流も不要になり、出力と効率が向上する。
Further, in the present embodiment, the number of poles of the
したがって、本実施形態においては、回転速度に応じて複数のインバータを用いて固定子4の極数を変更することにより、低速から高速までの全駆動範囲で誘導電動機1A,1Bを高性能化することができる。
Therefore, in the present embodiment, the
本発明は上記で説明した実施形態に限定されず、各実施形態は、構成要素を削除、付加又は変更等をして実施することができる。また、各実施形態の各構成要素を適宜組み合わせ又は交換などをすることで、さらに異なる形態で実施することができる。このように、上記で説明した実施形態と直接的には異なる実施形態であっても、本発明と同様の趣旨のものは、本発明の実施形態として説明したものとして、その説明を省略している。 The present invention is not limited to the embodiments described above, and each embodiment can be implemented by deleting, adding, or modifying components. Further, by appropriately combining or exchanging each component of each embodiment, it can be implemented in a further different form. As described above, even if the embodiment is directly different from the embodiment described above, the embodiment having the same purpose as the present invention is described as the embodiment of the present invention, and the description thereof is omitted. There is.
1,1A,1B…誘導電動機、DS,DS1,DS2…ドライブシステム、2…シャフト、A…回転軸、3…回転子、4…固定子、5a,5b,6a,6b…ベアリング、7…磁石回転子、8…回転子コア8、9…回転子コイル、10…中心部、11…永久磁石11、12…固定子コア、13…固定子コイル、14…インバータ、141…第1のインバータ、142…第2のインバータ、143…第3のインバータ、15…制御部、151…第1の制御部、152…第2の制御部、16…直流電源、17…変換部、171…第1の変換部、172…第2の変換部、18…指令部、19a…角度センサ、19b…磁石回転子の角度センサ、20…トルクセンサ、21…電動機システム、211,212…マルチインバータ電動機システム。
1,1A, 1B ... Induction motor, DS, DS1, DS2 ... Drive system, 2 ... Shaft, A ... Rotor shaft, 3 ... Rotor, 4 ... Stator, 5a, 5b, 6a, 6b ... Bearing, 7 ... Magnet Rotor, 8 ...
Claims (6)
前記誘導回転電機を駆動させるためのドライブシステムと、
を具備し、
前記誘導回転電機は、
シャフトと、
前記シャフトの外周側に配置され前記シャフトに対して回転可能に支持される円筒状の磁石回転子と、前記磁石回転子の外周側に配置され前記シャフトに対して固定的に支持される円筒状の回転子コアと、前記回転子コアの外周面に備えられる複数の回転子コイル又は導体とを具備する回転子と、
前記回転子の外周側に配置され、円筒状の固定子コアと前記固定子コアの内周面に備えられる複数の固定子コイルとを具備する固定子と、
を具備し、
前記ドライブシステムは、前記複数の固定子コイルを流れる電流によって発生される回転磁界の中心軸と、前記磁石回転子の複数の磁極によって発生される磁束の方向であるd軸とがほぼ一致するように、前記電流の位相を制御する、
回転電機システム。 Induction rotary electric machine and
A drive system for driving the induction rotary electric machine and
Equipped with
The induction rotary electric machine
With the shaft
A cylindrical magnet rotor arranged on the outer peripheral side of the shaft and rotatably supported with respect to the shaft, and a cylindrical shape arranged on the outer peripheral side of the magnet rotor and fixedly supported with respect to the shaft. Rotor core, and a rotor including a plurality of rotor coils or conductors provided on the outer peripheral surface of the rotor core.
A stator arranged on the outer peripheral side of the rotor and having a cylindrical stator core and a plurality of stator coils provided on the inner peripheral surface of the stator core.
Equipped with
In the drive system, the central axis of the rotating magnetic field generated by the currents flowing through the plurality of stator coils and the d-axis which is the direction of the magnetic flux generated by the plurality of magnetic poles of the magnet rotor are substantially aligned with each other. In addition, the phase of the current is controlled.
Rotating electrical system.
請求項1の回転電機システム。 The drive system controls the phase of the current so that the rotational torque generated by the magnet rotor is substantially zero.
The rotary electric machine system of claim 1.
請求項1又は請求項2の回転電機システム。 The drive system includes a plurality of inverters, and controls the phase of the current supplied from the plurality of inverters to the plurality of stator coils based on the rotation speed of the rotor to control the phase of the rotating magnetic field. Convert the number of poles,
The rotary electric system according to claim 1 or 2.
請求項3の回転電機システム。 The drive system has a first mode in which the first pole number of the magnetic field generated by the magnet rotor and the second pole number of the rotating magnetic field are synchronized when the rotation speed is equal to or less than a predetermined threshold value. Drives the induction rotary electric machine with, and when the rotation speed is equal to or less than a predetermined threshold value, the induction rotary electric machine is driven in a second mode in which the number of the first pole and the number of the second poles are asynchronous. Let,
The rotary electric system of claim 3.
前記誘導回転電機を駆動させるためのドライブシステムと、
を具備し、
前記誘導回転電機は、
シャフトと、
前記シャフトの外周側に配置され前記シャフトに対して回転可能に支持される円筒状の磁石回転子と、前記磁石回転子の外周側に配置され前記シャフトに対して固定的に支持される円筒状の回転子コアと、前記回転子コアの外周面に備えられる複数の回転子コイル又は導体とを具備する回転子と、
前記回転子の外周側に配置され、円筒状の固定子コアと前記固定子コアの内周面に備えられる複数の固定子コイルとを具備する固定子と、
を具備し、
前記ドライブシステムは、前記複数の固定子コイルを流れる電流の位相を、前記磁石回転子によって発生される第1の回転トルクが、前記回転子によって発生される第2の回転トルクと同じ方向となるように制御する、
回転電機システム。 Induction rotary electric machine and
A drive system for driving the induction rotary electric machine and
Equipped with
The induction rotary electric machine
With the shaft
A cylindrical magnet rotor arranged on the outer peripheral side of the shaft and rotatably supported with respect to the shaft, and a cylindrical shape arranged on the outer peripheral side of the magnet rotor and fixedly supported with respect to the shaft. Rotor core, and a rotor including a plurality of rotor coils or conductors provided on the outer peripheral surface of the rotor core.
A stator arranged on the outer peripheral side of the rotor and having a cylindrical stator core and a plurality of stator coils provided on the inner peripheral surface of the stator core.
Equipped with
In the drive system, the phase of the current flowing through the plurality of stator coils is such that the first rotational torque generated by the magnet rotor is in the same direction as the second rotational torque generated by the rotor. To control,
Rotating electrical system.
前記誘導回転電機は、
シャフトと、
前記シャフトの外周側に配置され前記シャフトに対して回転可能に支持される円筒状の磁石回転子と、前記磁石回転子の外周側に配置され前記シャフトに対して固定的に支持される円筒状の回転子コアと、前記回転子コアの外周面に備えられる複数の回転子コイル又は導体とを具備する回転子と、
前記回転子の外周側に配置され、円筒状の固定子コアと前記固定子コアの内周面に備えられる複数の固定子コイルとを具備する固定子と、
を具備し、
前記制御方法は、
前記複数の固定子の前記固定子コイルに電流を流すことと、
前記電流によって発生される回転磁界の中心軸と、前記磁石回転子の複数の磁極によって発生される磁束の方向であるd軸とがほぼ一致するように、前記電流の位相を制御することと、
を具備する、
制御方法。 It is a control method for induction rotary electric machines.
The induction rotary electric machine
With the shaft
A cylindrical magnet rotor arranged on the outer peripheral side of the shaft and rotatably supported with respect to the shaft, and a cylindrical shape arranged on the outer peripheral side of the magnet rotor and fixedly supported with respect to the shaft. Rotor core, and a rotor including a plurality of rotor coils or conductors provided on the outer peripheral surface of the rotor core.
A stator arranged on the outer peripheral side of the rotor and having a cylindrical stator core and a plurality of stator coils provided on the inner peripheral surface of the stator core.
Equipped with
The control method is
To pass an electric current through the stator coils of the plurality of stators,
Controlling the phase of the current so that the central axis of the rotating magnetic field generated by the current and the d-axis, which is the direction of the magnetic flux generated by the plurality of magnetic poles of the magnet rotor, substantially coincide with each other.
Equipped with
Control method.
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JP2019036225A JP2020141504A (en) | 2019-02-28 | 2019-02-28 | Dynamo-electric machine system and control method of induction rotary electric machine |
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Publications (1)
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