JP2020141504A - Dynamo-electric machine system and control method of induction rotary electric machine - Google Patents

Dynamo-electric machine system and control method of induction rotary electric machine Download PDF

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Abstract

To improve performance of induction rotary electric machine.SOLUTION: A dynamo-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 rotor includes: a cylindrical magnet rotor placed on the outer peripheral side of the shaft and supported rotatably for the shaft; a cylindrical rotor core placed on the outer peripheral side of the magnet rotor and supported fixedly for the shaft; and multiple rotor coils or conductors provided on the outer peripheral surface of the rotor core. The stator includes a cylindrical stator core placed on the outer peripheral side of the rotor, and multiple stator coils provided on the inner peripheral surface of the stator core. The drive system controls the phase of the current so that the medial axis of a revolving magnetic field generated by the current flowing through the multiple stator coils is substantially aligned with the d-axis, i.e., the direction of magnetic flux generated by multiple magnetic poles of the magnet rotor.SELECTED DRAWING: Figure 1

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.

特開2015−163028号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2015-163028

杉山直輝、堺和人、「磁石併用高トルク誘導機」、平成30年電気学会産業応用部門大会、3−16(2018)Naoki Sugiyama, Kazuto Sakai, "High Torque Induction Machine with Magnet", 2018 IEEJ Industrial Application Division Conference, 3-16 (2018) 岡安正憲、堺和人、「マルチインバータ方式エレクトロニクスモータのフォールトトレランスシステム」、平成29年電気学会全国大会、4−050(2017−3)Masanori Okayasu, Kazuto Sakai, "Fault Tolerance System for Multi-Inverter Electronics Motors", 2017 IEEJ National Convention, 4-050 (2017-3) 河内謙吾、岡安正憲、堺和人、「すべり周波数制御によるマルチインバータ方式エレクトロニクスモータの極数変換の検討」、平成29年電気学会全国大会、4−051(2017−3)Kengo Kawachi, Masanori Okayasu, Kazuto Sakai, "Examination of Pole Number Conversion of Multi-Inverter Electronics Motor by Slip Frequency Control", 2017 IEEJ National Convention, 4-051 (2017-3) 矢野秀征、堺和人、「マルチインバータモータの極数変換の制御特性」、平成30年電気学会全国大会、5−109(2018−3)Hideyuki Yano, Kazuto Sakai, "Control Characteristics of Pole Conversion of Multi-Inverter Motors", 2018 IEEJ National Convention, 5-109 (2018-3)

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.

第1の実施形態に係る電動機システムの概略構成の一例を示す図。The figure which shows an example of the schematic structure of the electric motor system which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る誘導電動機の回転子の概略構成の第1の例を示す断面図。FIG. 5 is a cross-sectional view showing a first example of a schematic configuration of a rotor of an induction motor according to a first embodiment. 第1の実施形態に係る誘導電動機の回転子の概略構成の第2の例を示す断面図。The cross-sectional view which shows the 2nd example of the schematic structure of the rotor of the induction motor which concerns on 1st Embodiment. d軸及びq軸の例を示す概念図。The conceptual diagram which shows the example of d-axis and q-axis. 第1の実施形態に係るドライブシステムの構成の一例を示すブロック図。The block diagram which shows an example of the structure of the drive system which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係るドライブシステムの処理の一例を示すフローチャート。The flowchart which shows an example of the processing of the drive system which concerns on 1st Embodiment. 第1の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。The flowchart which shows an example of the current phase determination processing which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る定格電流における電流位相と磁石回転子のトルクとの関係の一例を示すグラフ。The graph which shows an example of the relationship between the current phase and the torque of a magnet rotor in the rated current which concerns on 1st Embodiment. 電気角と磁束密度との関係の一例を示すグラフ。The graph which shows an example of the relationship between an electric angle and a magnetic flux density. 第1の実施形態に係る誘導電動機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。The graph which shows an example of the time change of the torque from the transient state to the steady state of the induction motor which concerns on 1st Embodiment. 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。The graph which shows an example of the time change of the torque from the transition state to the steady state of Comparative Example 1. 第2の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。The graph which shows an example of the control concept of the induction motor which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施形態に係るマルチインバータ電動機システムの概略構成の第1の例を示す図。The figure which shows 1st example of the schematic structure of the multi-inverter motor system which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施形態に係るマルチインバータ電動機システムの概略構成の第2の例を示す図。The figure which shows the 2nd example of the schematic structure of the multi-inverter motor system which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施形態に係るドライブシステムの構成の一例を示すブロック図。The block diagram which shows an example of the structure of the drive system which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施形態に係るドライブシステムの処理の一例を示すフローチャート。The flowchart which shows an example of the process of the drive system which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施形態に係る誘導電動機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、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。The time change of torque from the transient state to the steady state of the rotor before and after the pole number conversion when the induction motor according to the second embodiment converts the pole number, and the pole number conversion when the comparative example 2 converts the pole number. The figure which exemplifies the comparison result with the time change of the torque from the transient state to the steady state of the front and rear rotors.

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 electric motor system 21 according to the present embodiment. In FIG. 1, the induction motor 1 in the electric motor system 21 represents a cross section (diameter cross section) perpendicular to the rotation axis A.

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 rotor 3 provided in the induction motor 1 according to the present embodiment. FIG. 2 shows a cross section of the rotor 3 parallel to the rotation axis 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 electric motor system 21 includes an induction motor 1 and a drive system DS.

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 induction motor 1 mainly includes a shaft 2, a rotor 3, a stator 4, and bearings 5a, 5b, 6a, and 6b. The induction motor 1 is further provided with a blanket or the like for covering the stator 4, but is omitted in FIG. 1 for simplification.

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 rotor 3 includes a magnet rotor 7, a rotor core 8, and a plurality of rotor coils 9. A conductor may be used instead of the rotor coil 9. In the present embodiment, the magnet rotor 7 will be described as a part of the rotor 3, but the magnet rotor 7 and the rotor 3 may be treated as different members.

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 magnet rotor 7 is rotatably supported with respect to the shaft 2 via bearings 6a and 6b. The magnet rotor 7 includes a central portion 10 and a plurality of permanent magnets 11.

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 central portion 10 is a rotor core made of a magnetic material. The central portion 10 is arranged on the outer peripheral side of the shaft 2. The central portion 10 may be referred to as a magnet rotor core.

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 permanent magnet 11 is arranged so as to cover the outer periphery of the central portion 10. In FIG. 1, eight permanent magnets 11 are arranged along the circumferential direction on the circumferential portion of the cross section of the central portion 10. Of the two permanent magnets 11 adjacent to each other, when the inner peripheral surface (inner diameter) side of one permanent magnet 11 is the north pole and the outer peripheral surface (outer diameter) side is the south pole, the inner peripheral surface side of the other permanent magnet 11 Is the S pole, and the outer peripheral surface side is the N pole. In this way, the polarities of the plurality of permanent magnets 11 arranged on the outer peripheral surface of the central portion 10 are staggered. In FIG. 1, the number of permanent magnets 11 is eight, but this number can be changed as appropriate.

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 rotor core 8 is arranged on the outer peripheral side of the magnet rotor 7. The rotor core 8 has a cylindrical shape and is fixedly supported with respect to the shaft 8. The rotor core 8 may have a cage shape, for example. The rotor core 8 may be referred to as a winding rotor. The rotor core 8 may be made of a non-magnetic material for weight reduction.

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 rotor core 8, and a rotor coil 9 is provided in each of the plurality of slots.

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 stator 4 is arranged on the outer peripheral side of the rotor 3. The stator 4 includes a cylindrical stator core 12 and a plurality of stator coils 13.

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 stator core 12, and a stator coil 13 is provided in each of the plurality of slots. The stator core 12 may be made of a non-magnetic material for weight reduction.

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 magnet rotor 7 is provided with the same number of permanent magnets 11 as the number of poles of the induction motor 1 so that the polarities alternate. The rotor core 8 connected to the shaft 2 rotates with a slip behind the rotating magnetic field generated by the stator 4. The magnet rotor 7 rotates separately from the rotor core 8 in synchronization with the rotating magnetic field generated by the stator 4.

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 induction motor 1 having the above configuration. Specifically, the drive system DS controls the inverter 14 to pass a current through the stator coil 13 of the stator 4, the central axis of the rotating magnetic field generated by the current flowing through the stator coil 13, and a magnet. The phase of the current is controlled so that the d-axis, which is the direction of the magnetic field generated from the magnetic pole of the rotor 7, is substantially the same. In the drive system DS, the phase of the current is such that the angle difference between the central axis of the rotating magnetic field and the d-axis is within a predetermined allowable range (including the case where the central axis of the rotating magnetic field and the d-axis match). May be controlled.

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 rotor 3 provided in the induction motor 1 according to the present embodiment. FIG. 3 shows a cross section of the rotor 3 parallel to the rotation axis A, similar to FIG. 2 above.

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 rotor 3 of FIG. 3 has a cylindrical rotor core 8 fixedly supported with respect to the shaft 2 and a cylindrical shape rotatably supported with respect to the rotor core 8 via bearings 6a and 6b. The magnet rotor 7 of the above is provided. The rotor core 8 includes a plurality of rotor coils 9 or conductors on the outer peripheral surface. The rotor core 8 may be, for example, an iron core in which electromagnetic steel plates are laminated. In the rotor 3 having the configuration shown in FIG. 3, since the magnet rotor 7 has a sliding speed that is extremely slow relative to the rotor core 8, it is between the magnet rotor 7 and the rotor core 8. The provided bearings 6a and 6b for the magnet rotor 7 have an advantage that they do not require high characteristics corresponding to high-speed rotation.

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 magnet rotor 7a perpendicular to the rotation axis A.

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 magnet rotor 7a includes the first permanent magnet 11a at the first position on the outer peripheral surface of the central portion 10a, and the outer peripheral surface facing the first position in the radial direction. A second permanent magnet 11b is provided at the second position of 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 magnet rotor 7a. In other words, the d-axis is a radial axis passing through the center of the permanent magnet 11a from the rotation axis A of the magnet rotor 7A.

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 magnet rotor 7a and the first permanent magnet 11a and the second permanent magnet 11b.

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 induction motor 1 according to the present embodiment.

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 control unit 15, a DC power supply 16, an inverter 14, a conversion unit 17, a command unit 18, and a rotation angle (position) of a rotor 3 or a rotor core 8 directly connected to the rotor 3. An angle (position) sensor 19a for detecting the above, an angle (position) sensor 19b for detecting the rotation angle (position) of the magnet rotor 7, and a torque sensor 20 for detecting the torque of the magnet rotor 7 are provided.

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 control unit 15, the conversion unit 17, and the command unit 18 may be realized by a control circuit. In this case, the control circuit may realize the function as at least two of the control unit 15, the conversion unit 17, and the command unit 18 by executing the control program stored in the memory.
Further, instead of using the angle sensor 19b of the magnet rotor 7, the angle sensor 19b of the magnet rotor 7 may be omitted by using, for example, the following first and second methods.
The first method that can be used in place of the angle sensor 19b of the magnet rotor 7 is a method of detecting the magnetic flux of the magnetic pole by a Hall element, which is a simple magnetic pole sensor technique used in the brushless magnet electric motor.
A second method that can be used in place of the angle sensor 19b of the magnet rotor 7 is to detect the magnetic pole position of the magnet using the induced voltage generated by the magnet in the stator coil during rotation as a sensorless control of a general magnet motor. How to do it.

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 control unit 15 acquires a command value related to the current phase (for example, a value indicating one of 0 degrees to 360 degrees) from the command unit 18, and the rotor 3 or the rotor from the angle sensor 19a provided in the induction motor 1. The rotation angle of the rotor core 8 directly connected to 3 is acquired, and the d-axis actual measurement value and the q-axis actual measurement value obtained by converting the output of the inverter 14 by the conversion unit 17 are acquired by feedback. In addition, instead of the rotation angle, the rotation speed or the position information of the rotor 3 may be used.

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 control unit 15 has a d-axis command corresponding to the command value based on the command value, the d-axis measured value, the q-axis measured value, the rotation angle of the rotor 3 or the rotor core 8, and the rotation speed calculated from the rotation angle. A value and a q-axis command value are generated, and the generated d-axis command value and the q-axis command value are provided to the inverter 14.

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 inverter 14 converts the current supplied from the DC power supply 16 (for example, the rated current) into AC U-phase current, V-phase current, and W-phase current based on the d-axis command value and the q-axis command value, and converts the current into U-phase. A current, a V-phase current, and a W-phase current are supplied to the induction motor 1.

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 inverter 14 switches a plurality of power switches based on, for example, the d-axis command value and the q-axis command value, and performs DC-AC conversion.

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 conversion unit 17 acquires the U-phase current measured value, the V-phase current measured value, the W-phase current measured value, and the rotation angle of the rotor 3 or the rotor core 8 measured by the angle sensor 19a, and this U-phase current measured. The value, the V-phase current measured value, and the W-phase current measured value are converted into a d-axis measured value and a q-axis measured value, and the d-axis measured value and the q-axis measured value are provided to the control unit 15 for feedback control.

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 conversion unit 17 acquires, for example, a U-phase current measured value, a V-phase current measured value, and a W-phase current measured value measured by a current sensor provided in the inverter 14.

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 command unit 18 changes the command value regarding the current phase provided to the control unit 15 from 0 degrees to 360 degrees, and causes the torque sensor 20 to correspond to each command value and generate torque generated by the magnet rotor 7. get. The relationship between the current phase and the torque obtained as a result will be described later with reference to FIG.
Further, the command unit 18 processes a signal indicating the rotation angle of the magnet rotor 7 acquired from the angle sensor 19b of the magnet rotor 7 as information on the position (d-axis) of the magnetic pole of the magnet rotor 7 at that moment. ..

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 command unit 18 determines, for example, the d-axis position obtained from the rotation angle measured by the magnet rotor 7 and / or the current phase obtained by measurement or magnetic field analysis and the torque of the magnet rotor 7. Based on the relationship, the current phase at which the torque becomes almost zero is obtained, the current phase at which the torque generated by the magnet rotor 7 becomes almost zero is determined as a command value, and the determined command value is provided to the control unit 15. .. The command unit 18 may determine the current phase in which the torque generated by the magnet rotor 7 is within a predetermined torque allowable range (including zero) as a command value. Alternatively, the command unit 18 obtains the position of the d-axis from the rotation angle measured by the angle sensor 19b of the magnet rotor 7, and has the central axis of the rotating magnetic field generated by the current flowing through the stator coil 13 and the magnet rotor. The phase of the current may be determined so that the d-axis, which is the direction of the magnetic field generated from the magnetic pole of 7, is substantially the same.

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 command unit 18 may acquire the relationship between the current phase and the torque from the result of the magnetic field analysis. In this case, table data including the relationship between the current phase and the torque value obtained by the magnetic field analysis is generated, and the generated table data is stored in a memory or the like as control program data. When actually driving the induction motor 1, the control circuit functioning as the command unit 18 of the drive system DS reads out the table data of the control program stored in the memory, and the torque of the magnet rotor 7 is within the allowable range. The current phase is determined so as to be. Then, the command unit 18 provides the control unit 15 with a command value corresponding to the determined current phase. As a result, the inverter 16 supplies the current of the current phase determined by the command unit 18 to the induction motor 1, and the induction motor 1 is driven by the torque of the magnet rotor 7 within the permissible range.

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 command unit 18 provides the control unit 15 with the command value of the current phase being sequentially changed from 0 ° to 360 °. Secondly, the command unit 18 has a current phase in which the torque generated by the magnet rotor 7 becomes almost zero, or the central axis of the rotating magnetic field generated by the current flowing through the stator coil 13 and the magnet rotor 7. A current phase that substantially coincides with the d-axis is provided to the control unit 15 as a command value. The processing of the command unit 18 will be described later with reference to FIG. 7.

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 control unit 15 is calculated from a command value, for example, a d-axis measured value obtained by converting a three-phase current measured by a current sensor in the inverter 14 into two components, a q-axis measured value, a rotation angle, and a rotation angle. The next d-axis command value and q-axis command value are determined based on the rotation speed, and the determined d-axis command value and q-axis command value are provided to the inverter 14.

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 inverter 14 uses the DC current supplied from the DC power supply 16 as the AC U-phase current, V-phase current, and W-phase based on the d-axis command value and the q-axis command value acquired from the control unit 15. Convert to electric current.

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 inverter 14 supplies AC U-phase current, V-phase current, and W-phase current to the induction motor 1 to drive the induction motor 1.

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 angle sensor 19a measures the rotation angle of the rotor 3 or the rotor core 8 and provides the rotation angle to the control unit 15 and the conversion unit 17. The angle sensor 19b of the magnet rotor 7 measures the rotation angle of the magnet rotor 7 and provides the rotation angle of the magnet rotor 7 to the command unit 18. The torque sensor 20 measures the torque generated in the magnet rotor 7 and supplies this torque to the command unit 18. The conversion unit 17 acquires the measured value of the U-phase current, the measured value of the V-phase current, and the actual value of the W-phase current output from the inverter 14, and the rotor 3 or the rotor core 8 measured by the angle sensor 19a. The rotation angle of is obtained, and these U-phase current measured values, V-phase current measured values, and W-phase current measured values are converted into d-axis measured values and q-axis measured values, and the d-axis measured values and q-axis measured values are converted. It is provided to the control unit 15.

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 induction motor 1.

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 induction motor 1 is not terminated, the process returns to step S601.
When the drive of the induction motor 1 is terminated, the process is terminated.

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 stator coil 13 and the torque generated by the magnet rotor 7 is obtained by measurement. However, as described above, the phase of the current and the torque The relationship may be determined by magnetic field analysis. The process in which the drive system DS drives the induction motor 1 while controlling the torque of the magnet rotor 7 using the result of this magnetic field analysis will be specifically described below.

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 induction motor 1 and the torque of the magnet rotor 7 is acquired by magnetic field analysis, table data showing the relationship between the current phase and torque is generated, and this table data is stored in memory as control program data. Stored in. As a result, when a control circuit such as a processor executes a control program, the control circuit can read table data from the memory. After the drive of the induction motor 1 is started, the command unit 18 determines the d-axis position that can be determined by the rotation angle (position) signal of the magnet rotor 7 and / or the torque of the magnet rotor 7 based on the read table data. Determines the current phase so that is within the permissible range, and provides the control unit 15 with a command value (control signal) indicating the determined current phase. In this way, the torque sensor 20 can be deleted when the result of the magnetic field analysis is used.

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 control unit 15 is based on the d-axis actual measurement value, the q-axis actual measurement value, the rotation speed calculated from the rotation angle of the rotor 3 or the rotor core 8, and the slip frequency calculated from the drive power supply frequency obtained from the conversion unit 17. The d-axis command value and the q-axis command value corresponding to the torque of the magnet rotor 7 to be controlled are generated, and the d-axis command value and the q-axis command value are provided to the inverter 14. The control executed by the control unit 15 is slip frequency control.

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 command unit 18 provides the command value of the current phase to the control unit 15.

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 command unit 18 acquires the position of the magnet magnetic pole by the angle sensor 19b of the magnet rotor 7 and the torque of the magnet rotor 7 corresponding to the command value from the torque sensor 20.

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 command unit 18 stores the relationship between the current phase and the torque in, for example, a memory.

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 command unit 18 determines whether or not the sequential change of the command value is completed, in other words, whether or not the command value is sequentially output between the current phases of 0 ° and 360 °.

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 command unit 18 changes the command value indicating the current phase. Then, the process returns to step S701.

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 command unit 18 is generated by an appropriate current phase in which the torque generated by the magnet rotor 7 becomes almost zero, or by the current flowing through the stator coil 13. A command value indicating a current phase in which the central axis of the rotating magnetic field and the d-axis of the magnet rotor 7 substantially coincide with each other is determined.

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 command unit 18 provides the command value of the determined current phase to the control unit 15.

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 induction motor 1 according to the present embodiment is obtained by comparing the analysis result regarding the induction motor 1 according to the present embodiment with the analysis result regarding the electric motor 1 of Comparative Example 1 in which the permanent magnet 11 is replaced with air. Explain the effect.

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 induction motor 1 is, for example, a permanent magnet combined induction motor having a double rotor structure in which a cage-shaped rotor core 8 and a magnet rotor 7 are provided on the same rotating shaft A. The rotor core 8 is mechanically coupled to the shaft 2. The rotor core 8 rotates with a slip from the rotating magnetic field. The magnet rotor 7 is provided on the shaft 2 via bearings 6a and 6b, and can rotate freely. The magnet rotor 7 rotates in synchronization with the rotating magnetic field. In the induction motor 1 having such a configuration, the magnetic flux of the permanent magnet 11 and the magnetic flux of the rotating magnetic field of the stator 4 are combined and strengthened, and the exciting magnetic flux is increased. As a result, torque is increased and efficiency is also improved.

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 induction motor 1 according to the present embodiment used for magnetic field analysis.

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 induction motor 1 according to the present embodiment, the permanent magnet 11 has 8 poles and has symmetry. Therefore, magnetic field analysis is performed on the semicircular model using the periodic boundary conditions.

Figure 2020141504
Figure 2020141504

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 induction motor 1 according to the present embodiment is set to 0.05 for analysis.

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 permanent magnet 11 of the magnet rotor 7 is used as air, and the permanent magnet 11 is not used in combination. Other analysis conditions for the electric motor of Comparative Example 1 are the same as those in Table 1 above.

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 induction motor 1 and the torque of the magnet rotor 7 obtained by the magnetic field analysis. FIG. 8 shows the torque-current phase characteristic at the rated current.

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 permanent magnet 11 of the magnet rotor 7 to substantially coincide with the center of the rotating magnetic field generated by the stator 4, and the magnet rotor 7 to be in a state of being entangled in synchronization with the rotating magnetic field, the magnet is rotated. A current phase in which the torque of the child 7 becomes 0 Nm may be applied.

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 induction motor 1 according to the present embodiment is, for example, between about 180 ° and about 230 °. More specifically, the current phase of the induction motor 1 is set to, for example, about 215 °.

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 magnet rotor 7 becomes negative may act as a brake for the rotation of the rotor 3, but the current phase in which the torque of the magnet rotor 7 becomes positive is determined. It does not act as a brake for the rotation of the rotor 3. Therefore, for example, a current phase between about 230 ° and about 360 ° at which the torque of the magnet rotor 7 becomes positive may be applied.

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 rotor core 8 in a state where the slip at the rated current is 0.05 with respect to the induction motor 1 and Comparative Example 1 according to the present embodiment. FIG. 9 shows the relationship between the electric angle and the magnetic flux density.

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 induction motor 1 according to the present embodiment, since the permanent magnet 11 is used in combination, the magnetic flux of the permanent magnet 11 is superposed on the exciting magnetic flux generated by driving the induction motor 1, and the total gap magnetic flux density is compared with Comparative Example 1. It will be higher than the case of. The amplitude of the fundamental wave of the induction motor 1 according to the present embodiment and the amplitude of the fundamental wave of Comparative Example 1 are 1.18T and 1.06T, respectively. As described above, the amplitude of the fundamental wave of the gap magnetic flux density of the induction motor 1 in which the permanent magnet 11 is used together increases about 1.1 times as much as the amplitude of the fundamental wave of the gap magnetic flux density of Comparative Example 1.

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 induction motor 1 according to the present embodiment from a transient state to a steady state.

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 induction motor 1 according to the present embodiment shown in FIG. 10 is 56.6 Nm on average in a steady state.

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 induction motor 1 according to the present embodiment, by using the permanent magnet 11 together, the torque is increased by 15.4 Nm and the rated current is increased as compared with Comparative Example 1 in which the permanent magnet 11 is not used together. It is possible to obtain about 1.4 times the torque while the current is supplied.

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 induction motor 1 and Comparative Example 1 according to the present embodiment.

Figure 2020141504
Figure 2020141504

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 induction motor 1 of the present embodiment is 83.7%, and the power factor is 0.51.

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 induction motor 1 according to the present embodiment, by using the permanent magnet 11 together, the efficiency is improved by about 3.5% and the power factor is improved by about 1.2 times as compared with Comparative Example 1. To.

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 induction motor 1 according to the present embodiment is driven by a current phase in which the torque generated by the magnet rotor 7 becomes zero. Alternatively, the induction motor 1 has a current phase in which the torque generated by the magnet rotor 7 becomes positive, in other words, the torque generated by the magnet rotor 7 is in the same direction as the torque generated by the rotor core 8. It is driven by the current phase.

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 induction motor 1 according to the present embodiment, the torque can be increased, the power factor and efficiency can be improved, and the performance can be improved.

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 induction motor 1 according to the present embodiment, since the magnet rotor 7 is prevented from generating torque in the direction opposite to the rotation direction of the rotor core 8, the rotational drive of the electric motor can be stabilized.

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 induction motor 1 according to the present embodiment, the torque can be increased with a small amount of electric power, the consumption of the electric power stored in the battery can be suppressed, and the energy efficiency can be improved.

(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 magnet rotor 7 zero, for example, the torque and efficiency of the induction motor. , Power factor, etc. can be improved.

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 stator 4 and the number of poles of the magnet rotor 7 are made the same (synchronous mode), and the rotation speed exceeds the threshold T. In the region, the number of poles of the stator 4 and the number of poles of the magnet rotor 7 are different (for example, the number of poles of the stator 4 is less than the number of poles of the magnet rotor 7) (asynchronous mode).

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 multi-inverter motor system 211 according to the present embodiment. FIG. 13 illustrates a case where the multi-inverter motor system 211 includes two inverters.

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 multi-inverter motor system 211 is composed of two sets of three-phase inverters and three-phase coils.

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 multi-inverter motor system 211 includes an induction motor 1A and a drive system DS1.

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 stator 4 of the induction motor 1A. In each of the 12 slots, clockwise, as a stator coil, a1 coil, b2 coil, c1 coil, a2 coil, b1 coil, c2 coil, a1 coil, b2 coil, c1 coil, a2 coil, b1 coil. , C2 coil is arranged.

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 induction motor 1A is, for example, the same as that of the induction motor 1 described in the first embodiment.

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 induction motor 1A having the above configuration. Specifically, the drive system DS1 controls the first and second inverters 141 and 142.

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 first inverter 141 converts DC current into alternating currents a1 current, b1 current, and c1 current, supplies a1 current to two a1 coils, supplies b1 current to two b1 coils, and c1 current. Is supplied to the two c1 coils. In the present embodiment, the first inverter 141 controls the current phases of the a1 current, the b1 current, and the c1 current.

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 second inverter 142 converts the DC current into alternating currents a2 current, b2 current, and c2 current, supplies the a2 current to the two a2 coils, supplies the b2 current to the two b2 coils, and c2 current. Is supplied to the two c2 coils. In the present embodiment, the second inverter 142 controls the current phases of the a2 current, the b2 current, and the c2 current.

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 multi-inverter motor system 212 according to the present embodiment. FIG. 14 illustrates a case where the multi-inverter motor system 212 includes three inverters.

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 multi-inverter motor system 212 is composed of three sets of three-phase inverters and three-phase coils.

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 multi-inverter motor system 212 includes an induction motor 1B and a drive system DS2.

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 stator 4 of the induction motor 1B. In each of the 18 slots, clockwise, as a stator coil, a1 coil, a3 coil, b2 coil, c1 coil, c3 coil, a2 coil, b1 coil, b3 coil, c2 coil, a1 coil, a3 coil. , B2 coil, c1 coil, c3 coil, a2 coil, b1 coil, b3 coil, c2 coil are arranged.

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 induction motor 1B are, for example, the same as those of the induction motor 1 described in the first embodiment.

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 induction motor 1B having the above configuration. Specifically, the drive system DS2 controls the first to third inverters 141, 142, and 143.

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 first inverter 141 converts the direct current into a1 current, b1 current, and c1 current, supplies the a1 current to the two a1 coils, and transfers the b1 current to the two b1 coils, as in the case of FIG. It supplies and supplies the c1 current to the two c1 coils. The first inverter 141 controls the current phases of the a1 current, the b1 current, and the c1 current.

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 second inverter 142 converts the direct current into a2 current, b2 current, and c2 current, supplies the a2 current to the two a2 coils, and transfers the b2 current to the two b2 coils, as in the case of FIG. Supply and supply the c2 current to the two c2 coils. The second inverter 142 controls the current phases of the a2 current, the b2 current, and the c2 current.

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 third inverter 143 converts the DC current into AC currents a3 current, b3 current, and c3 current, supplies the a3 current to the two a3 coils, supplies the b3 current to the two b3 coils, and c3 current. Is supplied to the two c3 coils. In the present embodiment, the third inverter 143 controls the current phases of the a3 current, the b3 current, and the c3 current.

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.

Figure 2020141504
Figure 2020141504

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 multi-inverter motor system 211, when the rotation speed is in the low rotation speed range, the 8-pole stator 4 is applied. In this case, it is assumed that the number of poles of the stator 4 and the number of poles of the magnet rotor 7 are in a synchronized state.

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 multi-inverter motor system 211, the first inverter 141 applies a1 current with a current phase of 0 °, b1 current with a current phase of 120 °, and c1 current with a current phase of 240 ° to the a1 coil and b1 coil, respectively, when eight poles are applied. , C1 coil is supplied.

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 multi-inverter motor system 211, the second inverter 142 applies a2 current with a current phase of 0 °, b2 current with a current phase of 120 °, and c2 current with a current phase of 240 °, respectively, to the a2 coil and b2 coil, respectively. , C2 coil is supplied.

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 multi-inverter motor system 211, the 4-pole stator 4 is applied when the rotation speed is in the high-speed rotation range. In this case, the number of poles of the stator 4 and the number of poles of the magnet rotor 7 are in an asynchronous state, and the number of poles of the stator 4 is smaller than the number of poles of the magnet rotor 7.

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 multi-inverter motor system 211, when four poles are applied, the first inverter 141 applies a1 current with a current phase of 0 °, b1 current with a current phase of 240 °, and c1 current with a current phase of 120 °, respectively, to the a1 coil and b1 coil. , C1 coil is supplied.

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 multi-inverter motor system 211, the second inverter 142 applies a2 current with a current phase of 180 °, b2 current with a current phase of 60 °, and c2 current with a current phase of 300 ° to a2 coil and b2 coil, respectively, when four poles are applied. , C2 coil is supplied.

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 multi-inverter motor system 211 can realize high-speed polarity conversion during driving by changing the current phase.

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 multi-inverter motor system 212, when the rotation speed is in the low rotation speed range, the 8-pole stator 4 is applied. In this case, it is assumed that the number of poles of the stator 4 and the number of poles of the magnet rotor 7 are in a synchronized state.

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 multi-inverter motor system 212, the first inverter 141 applies a1 current with a current phase of 0 °, b1 current with a current phase of 120 °, and c1 current with a current phase of 240 °, respectively, to the a1 coil and b1 coil, respectively. , C1 coil is supplied.

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 multi-inverter motor system 212, the second inverter 142 applies a2 current with a current phase of 40 °, b2 current with a current phase of 160 °, and c2 current with a current phase of 280 ° to the a2 coil and b2 coil, respectively, when eight poles are applied. , C2 coil is supplied.

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 multi-inverter motor system 212, the third inverter 143 applies a3 current with a current phase of 80 °, b3 current with a current phase of 200 °, and c3 current with a current phase of 320 °, respectively, to the a3 coil and b3 coil, respectively. , C3 coil is supplied.

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 multi-inverter motor system 212, the 4-pole stator 4 is applied when the rotation speed is in the high-speed rotation range. In this case, the number of poles of the stator 4 and the number of poles of the magnet rotor 7 are in an asynchronous state, and the number of poles of the stator 4 is smaller than the number of poles of the magnet rotor 7.

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 multi-inverter motor system 212, the first inverter 141 applies a1 current with a current phase of 0 °, b1 current with a current phase of 240 °, and c1 current with a current phase of 120 ° to the a1 coil and b1 coil, respectively, when four poles are applied. , C1 coil is supplied.

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 multi-inverter motor system 212, the second inverter 142 applies a2 current with a current phase of 200 °, b2 current with a current phase of 80 °, and c2 current with a current phase of 320 ° to the a2 coil and b2 coil, respectively, when four poles are applied. , C2 coil is supplied.

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 multi-inverter motor system 212, the third inverter 143 applies a3 current with a current phase of 40 °, b3 current with a current phase of 280 °, and c3 current with a current phase of 160 ° to the a3 coil and b3 coil, respectively, when four poles are applied. , C3 coil is supplied.

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 multi-inverter motor system 212 can realize high-speed polarity conversion by changing the current phase.

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 inverters 141 and 142 will be described as an example, but the drive system DS2 including three or more inverters 141, 142 and 143 also has inverters as the number of inverters increases. The same configuration can be applied by adding a conversion unit and a control unit corresponding to the above.

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 angle sensor 19a measures the rotation angle of the rotor 3 or the rotor core 8 and provides the measured rotation angle to the first control unit 151, the second control unit 152, and the command unit 18A. A rotation speed sensor may be used instead of the angle sensor 19a.

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 designation unit 18A acquires the rotation angle of the rotor 3 or the rotor core 8 from the angle sensor 19a, and calculates the rotation speed based on the rotation angle and the time measured by a timer (not shown).

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 designation unit 18A determines that the rotation speed is in the low speed rotation range when the rotation speed is equal to or less than the threshold value T, and determines that the rotation speed is in the high speed rotation range when the rotation speed exceeds the threshold value T.

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 designation unit 18 sets the a1 command value indicating that the current phase of the a1 current is 0 ° and the current phase of the b1 current to 120 ° in the low speed rotation range. The b1 command value indicating that and the c1 command value indicating that the current phase of the c1 current is set to 240 ° are determined, and the determined a1 command value, b1 command value, and c1 command value are provided to the first control unit 151. ..

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 designation unit 18 sets the a2 command value indicating that the current phase of the a2 current is 0 ° and the current phase of the b2 current to 120 ° in the low speed rotation range. The b2 command value indicating that the c2 command value and the c2 command value indicating that the current phase of the c2 current is set to 240 ° are determined, and the determined a2 command value, b2 command value, and c2 command value are provided to the second control unit 152. ..

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 designation unit 18 uses the relationship shown in Table 3 above to set the a1 command value indicating that the current phase of the a1 current is 0 ° and the current phase of the b1 current to 240 ° in the high-speed rotation range. The b1 command value indicating that the current is to be set and the c1 command value indicating that the current phase of the c1 current is set to 120 ° are determined, and the determined a1 command value, b1 command value, and c1 command value are sent to the first control unit 151. provide.

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 designation unit 18 sets the a2 command value indicating that the current phase of the a2 current is 180 ° and the current phase of the b2 current to 60 ° in the high-speed rotation range. The b2 command value indicating that and the c2 command value indicating that the current phase of the c2 current is set to 300 ° are determined, and the determined a2 command value, b2 command value, and c2 command value are provided to the second control unit 152. ..

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 first inverter 14.

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 second control unit 152 is based on the a2 command value, the b2 command value, the c2 command value, the second d-axis measured value, the second q-axis measured value, the rotation angle, and the rotation speed calculated from the rotation angle. , A second d-axis command value and a second q-axis command value are generated, and the generated second d-axis command value and the second q-axis command value are provided to the second inverter 14.

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 first inverter 141 converts the DC current supplied from the DC power supply 16 into AC a1 current, b1 current, and c1 current based on the first d-axis command value and the first q-axis command value. The a1 current, b1 current, and c1 current are supplied to the induction motor 1A.

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 second inverter 142 converts the DC current supplied from the DC power supply 16 into AC a2 current, b2 current, and c2 current based on the second d-axis command value and the second q-axis command value. The a2 current, b2 current, and c2 current are supplied to the induction motor 1A.

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 first conversion unit 171 acquires the a1 current measured value, the b1 current measured value, and the c1 current measured value for Fordback control, and the rotation angle of the rotor 3 or the rotor core 8 measured by the angle sensor 19a. Is obtained, and the a1 current measured value, the b1 current measured value, and the c1 current measured value are converted into the first d-axis measured value and the first q-axis measured value, and the first d-axis measured value and the first The q-axis measured value of the above is provided to the first control unit 151.

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 second conversion unit 172 acquires the a2 current measured value, the b2 current measured value, and the c2 current measured value for Fordback control, and obtains the angle of the rotor 3 or the rotor core 8 measured by the angle sensor 19a. The a2 current measured value, the b2 current measured value, and the c2 current measured value are converted into the second d-axis measured value and the second q-axis measured value, and the second d-axis measured value and the second d-axis measured value are obtained. The q-axis measured value is provided to the second control unit 152.

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 command unit 18A calculates the rotation speed based on the rotation angle and the time acquired from the angle sensor 19a. The command unit 18A determines whether it is a low speed rotation range or a high speed rotation range based on the rotation speed, and a1 command value, b1 command value, c1 command value, a2 command indicating the current phase corresponding to the judgment result based on Table 3. The value, the b2 command value, and the c2 command value are determined. The command unit 18A provides the determined a1 command value, b1 command value, and c1 command value to the first control unit 151, and delivers the determined a2 command value, b2 command value, and c2 command value to the second control unit 152. provide.

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 first inverter 141. .. The second control unit 152 is based on the a2 command value, the b2 command value, the c2 command value, the second d-axis measured value, the second q-axis measured value, the rotation angle, and the rotation speed calculated from the rotation angle. , The second d-axis command value and the second q-axis command value are determined, and the determined second d-axis command value and the second q-axis command value are provided to the second inverter 142.

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 first inverter 141 transfers the DC current supplied from the DC power supply 16 based on the first d-axis command value and the first q-axis command value acquired from the first control unit 151. Converts to AC a1 current, b1 current, and c1 current. The second inverter 142 uses the DC current supplied from the DC power supply 16 as the AC a2 current based on the second d-axis command value and the second q-axis command value acquired from the second control unit 152. , B2 current, c2 current.

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 first inverter 141 supplies AC a1 current, b1 current, and c1 current to the induction electric motor 1, and the second inverter 142 supplies alternating current a2 current, b2 current, and c2 current to the induction electric motor 1. The induction motor 1 is driven by the current supplied to the first and second inverters 141 and 142.

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 angle sensor 19a measures the rotation angle of the rotor 3 or the rotor core 8, and measures the rotation angle by the first conversion unit 171 and the second conversion unit 172, the command unit 18A, and the first. It is provided to the control unit 151 and the second control unit 152. The first conversion unit 171 acquires the measured value of the a1 current output from the inverter 14, the measured value of the b1 current, and the actual value of the c1 current, and the rotor 3 or the rotor core 8 measured by the angle sensor 19a. The rotation angle of the above is acquired, and these a1 current measured value, b1 current measured value, and c1 current measured value are converted into the first d-axis measured value and the first q-axis measured value, and the first d-axis measured value is obtained. The value and the first q-axis measured value are provided to the first control unit 151. The second conversion unit 172 acquires the measured value of the a2 current, the measured value of the b2 current, and the actual value of the c2 current output from the inverter 14, and the rotor 3 or the rotor core 8 measured by the angle sensor 19a. The rotation angle of is obtained, and these a2 current measured value, b2 current measured value, and c2 current measured value are converted into a second d-axis measured value and a second q-axis measured value, and a second d-axis measured value is obtained. The value and the second q-axis measured value are provided to the second control unit 152.

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 induction motor 1A.

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 induction motor 1A is not terminated, the process returns to step S1601.
When the drive of the induction motor 1A is terminated, the process is terminated.

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 induction motor 1A according to the present embodiment with the torque characteristics of the electric motor of Comparative Example 2 in which the permanent magnet of the induction motor 1A is replaced with air, the induction motor 1A according to the present embodiment is compared. The effect obtained by is explained.

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 rotor 3 from the transient state to the steady state before and after the pole number conversion when the induction motor 1A according to the present embodiment converts the pole number, and when the comparative example 2 converts the pole number. It is a figure which illustrates the comparison result with the time change of the torque from the transient state to the steady state of the rotor before and after the pole number conversion of. In the graph included in FIG. 17, the horizontal axis represents time and the vertical axis represents torque.

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 rotor 3 of the induction motor 1A according to the present embodiment is larger than the torque of Comparative Example 2 both before and after the pole number conversion of the stator 4.

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 rotor 3 of the induction motor 1A according to the present embodiment averages 82.701 Nm in the steady state, and the torque of Comparative Example 2 averages 56 in the steady state. It is .183 Nm, and the torque of the rotor 3 of the induction motor 1A according to the present embodiment is improved by about 1.5 from the torque of Comparative Example 2.

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 stator 4 decreases, the torque of the rotor 3 of the induction motor 1A according to the present embodiment averages 20.330 Nm in a steady state, and the torque of Comparative Example 2 is steady. The average is 17.993 Nm in the state, and the torque of the rotor 3 of the induction motor 1A according to the present embodiment is about 1.13 times higher than the torque of Comparative Example 2.

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 stator 4 can be realized by switching the connection and phase of each stator coil 13 in a switching circuit using a power element, but it is fixed. The pole number conversion of the child 4 may be realized by another method. An excellent method includes conversion of the number of poles of the rotating magnetic field of the stator 4 by a plurality of inverters (multi-inverters) as described in the present embodiment.

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 induction motors 1A and 1B may be converted by using a switch circuit. More specifically, an electromagnetic contact switch circuit is provided for each stator coil 13, and the phase is controlled by controlling the presence / absence and timing of energization of each stator coil 13 by turning on / off the switch circuit. The number can be changed, and the number of poles can be changed by adjusting the on / off period. Further, two types of stator coils having different numbers of poles may be provided in the slots of the stator 4, and the two types of stator coils may be used separately.

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 induction motors 1A and 1B according to the present embodiment described above will be described.

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 rotor 3 by an electromagnetic induction action, and a magnetic flux generated by the magnet rotor 7 is superimposed on the magnetic flux generated by the rotor 3. Further, in the present embodiment, the rotating magnetic field is converted into the number of poles by the stator 4 having a plurality of inverters and a plurality of groups of polyphase coils as described in the present embodiment, or the stator 4 is fixed. By switching the connection of the child coil 13 using, for example, an electromagnetic contact switch, or by switching the connection and phase of the stator coil 13 by a switching circuit using a power element, the stator 4 of the induction motors 1A and 1B Converts the number of poles in the rotating magnetic field.

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 magnet rotor 7 has a certain number of poles, and in the low speed rotation range, the multi-pole rotating magnetic field by the stator coil 13 and the magnetic field of the permanent magnet 11 are synchronized and superposed, and the torque is improved. In the present embodiment, in the high-speed rotation range, the number of poles of the stator 4 is smaller than the number of poles of the magnet rotor 7, the number of magnetic poles of the rotating magnetic field generated by the stator coil 13 and the number of poles of the magnetic field by the permanent magnet 11. The multi-pole rotating magnetic field of the stator coil 13 and the magnetic field of the permanent magnet 11 are not synchronized, and most of the torque generated by the rotor 4 is an induction action of only the rotating magnetic field of the three-phase current. The induced current generated in the rotor coil 9 or the conductor of the rotor core 8 and the torque generated by the rotor core 8 due to the induced current and the exciting magnetic field of the rotating magnetic field.

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 stator 4 and the number of poles of the magnet rotor 7 are the same in the low-speed rotation range, and the rotating magnetic field of the stator coil 13 and the magnetic field of the permanent magnet 11 are synchronized. , High torque of induction motors 1A and 1B is realized.

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 stator 4 is converted to be small in the high-speed rotation range, and the number of poles of the stator 4 and the number of poles of the magnet rotor 7 are different from each other. The rotating magnetic field generated by the coil 13 and the magnetic field of the permanent magnet 11 become asynchronous. In this case, the influence of the drive voltage (basic frequency component) of the induced voltage generated by the magnetic field of the permanent magnet 11 in the high-speed rotation range is reduced, and the weak magnetic flux control for reducing the permanent magnet magnetic flux for limiting the drive voltage to the upper limit value or less is reduced. Is no longer required, and the current for weakening magnetic flux control is also unnecessary, improving output and efficiency.

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 induction motors 1A and 1B are improved in performance in the entire drive range from low speed to high speed by changing the number of poles of the stator 4 by using a plurality of inverters according to the rotation speed. be able to.

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 ... Rotor core 8, 9 ... Rotor coil, 10 ... Center, 11 ... Permanent magnet 11, 12 ... Stator core, 13 ... Stator coil, 14 ... Inverter, 141 ... First inverter, 142 ... 2nd inverter, 143 ... 3rd inverter, 15 ... Control unit, 151 ... 1st control unit, 152 ... 2nd control unit, 16 ... DC power supply, 17 ... Conversion unit, 171 ... 1st Conversion unit, 172 ... Second conversion unit, 18 ... Command unit, 19a ... Angle sensor, 19b ... Magnet rotor angle sensor, 20 ... Torque sensor, 21 ... Electric motor system, 211,212 ... Multi-inverter motor system.

Claims (6)

誘導回転電機と、
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.
前記ドライブシステムは、前記電流の位相を、前記磁石回転子によって発生される回転トルクがほぼゼロになるように制御する、
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.
前記ドライブシステムは、複数のインバータを具備し、前記回転子の回転速度に基づいて、前記複数のインバータから前記複数の固定子コイルへ供給される前記電流の位相を制御することにより前記回転磁界の極数を変換する、
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.
前記ドライブシステムは、前記回転速度が所定の閾値以下の場合に、前記磁石回転子によって発生される磁界の第1の極数と前記回転磁界の第2の極数とが同期する第1のモードで前記誘導回転電機を駆動させ、前記回転速度が所定の閾値以下の場合に、前記第1の極数と前記第2の極数とが非同期となる第2のモードで前記誘導回転電機を駆動させる、
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.
誘導回転電機と、
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.
誘導回転電機の制御方法であって、
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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