JP2021512576A - スロットレス同期永久磁石モータ - Google Patents

Abstract

本発明の開示は、回転子（５）と、回転子と電磁的に相互作用するように構成された固定子（３）とを含み、高調波回転子突出を生成するように構成された第１の導電金属層（５ａ）が回転子（５）に設けられたスロットレス同期永久磁石ＰＭモータ（１）に関する。【選択図】図１

Description

本発明の開示は、一般的に同期モータに関する。特に、それは、スロットレス同期永久磁石モータに関する。

スロットレス永久磁石モータは、工業アセンブリ及び衝撃ツールにおけるような高電力密度要件を有する用途に通常は好ましい。このタイプの用途は、モータに接続されてパルス幅変調（ＰＷＭ）によって作動される電力変換器によって典型的に達成される高度なモータ制御を必要とする。

上記で識別した用途に対して、駆動回路の速度制御ループ内の回転子位置検出フィードバックのための転流変換器又は角度符号器が多くの場合に利用される。変換器を使用する欠点は、モータモジュールの増大する複雑さ及びサイズである。

トミタ他による論文「渦電流を使用した円筒ブラシレスＤＣモータの回転子位置のセンサレス推定」、高度運動制御に関する第４回ＩＥＥＥ国際研究会の会議録、−ＡＭＣ’９６、−ＭＩＥ、１９９６年３月、第１巻、２４〜２８頁は、スロット付き固定子コアを有するモータ構造を開示している。渦電流を流すために非磁性材料が回転子面上に貼り付けられている。

トミタ他による論文「渦電流を使用した円筒ブラシレスＤＣモータの回転子位置のセンサレス推定」、高度運動制御に関する第４回ＩＥＥＥ国際研究会の会議録、−ＡＭＣ’９６、−ＭＩＥ、１９９６年３月、第１巻、２４〜２８頁

スロット付き機械のセンサレス回転子位置検出の一般的な方法は、突出極回転子設計の使用を伴う。回転子位置は、高調波位相電流を信号処理することによって検出することができる。スロットレスモータの突出回転子設計は、それらのスロット付き対応物とは対照的に、活性永久磁石材料の除去を必要とし、モータ動作の低下をもたらす。

以上に鑑みて、本発明の開示の目的は、上記に示した問題を解決する又は少なくとも軽減するスロットレス同期永久磁石モータを提供することである。

従って、本発明の開示の第１の態様により、回転子と、回転子と電磁的に相互作用するように構成された固定子とを含み、高調波回転子突出を生成するように構成された第１の導電金属層が回転子に設けられたスロットレス同期永久磁石ＰＭモータを提供する。

銅及びアルミニウムのような導電材料は、低周波で磁気の視点から空気のように挙動するが、レンツの法則に従って高周波磁束を反射する。この反射は、導電層の厚みｈよりも小さい表皮深さｄに対して有意になる。回転子に第１の金属層が設けられることに起因して、回転子の高周波突出を取得することができる。従って、本発明の設計により、回転子位置検出は、スロットレス同期ＰＭモータを制御するように構成された電力変換器のスイッチの高スイッチング周波数に対する突出回転子挙動に基づいて達成することができる。特に、モータ動作への影響を最小にした回転子位置検出を提供することができる。

更に、回転子位置を決定するのにセンサが不要であるので、スロットレス同期ＰＭモータは、より短く、より廉価に、かつより信頼性を高くすることができる。

トミタ他による論文に開示されたスロット付き構成に関連して、スロットレス同期ＰＭモータの回転子上に設けられた第１の導電層を有する構成は、回転子位置決定に関して驚くほど遥かに正確である。トミタによる論文により、回転子位置推定は２６°の最大誤差を有し、それは多くの制御スキームに対して有用ではないが、スロットレス同期ＰＭモータの場合に、精度は±５°未満であり、±２°まで下がる場合がある。これに加えて、スロット付きモータに関して、回転子位置推定は、モータ負荷に依存するが、それは、スロットレス同期ＰＭモータに関してはモータ負荷とは独立である。従って、提案するスロットレス同期ＰＭモータ構成は、回転子位置決定に関して遥かに有用である。例えば、トミタの場合であるとしなければならないと考えられるような６段階転流の代わりに、正弦波転流を伴うモータ制御を使用することができ、それによってトルクリップルを排除することができ、滑らかな運動及び正確なモータ制御を提供することができる。

「回転子位置」により、電気回転子位置が一般的に意味される。回転子位置は、例えば、αβ−フレームのような静止フレームとｄ−ｑフレームのような回転子基準フレームとの間の回転子角度であると考えられる。高調波回転子突出により、基本周波数に対する高調波に関する回転子突出が意味される。基本周波数は、毎秒の回転子回転数である。

第１の金属層は、第１の金属シート又は第１の金属被覆層であると考えられる。

第１の金属層の外部面は、回転子の外側面と同一平面である又は本質的に同一平面であると考えられる。

第１の金属層は、常磁性又は反磁性材料のような弱磁性材料で作ることができる。

一実施形態により、第１の金属層は、銅又はアルミニウムで作ることができる。第１の金属層は、例えば、銅又はアルミニウムから構成することができる。第１の金属層は、これに代えて、導電合金で作ることができると考えられる。

固定子には複数の巻線、すなわち、固定子相巻線を設けることができ、各巻線は、それぞれの電気位相に接続されるように構成される。特に、各巻線は、２つの巻線部分を有する。巻線の巻線部分は、電力変換器のそれぞれの端子に接続される。巻線に接続された端子は、同じ電気位相に関連付けられる。

第１の金属層が高調波回転子突出を与える唯一の金属層である例では、第１の金属層は、回転子のあらゆる回転位置で同時に電気位相の巻線の両方の巻線部分に位置合わせされるように構成することができる。

一実施形態により、回転子には、高調波回転子突出を生成するように構成された第２の導電金属層が設けられる。

第２の金属層は、第２の金属シート又は第２の金属被覆層であると考えられる。

第２の金属層の外部面は、回転子の外側面と同一平面である又は本質的に同一平面であると考えられる。

第２の金属層は、常磁性又は反磁性材料のような弱磁性材料で作ることができる。

第２の金属層は、銅又はアルミニウムで作ることができる。第２の金属層は、例えば、銅又はアルミニウムから構成することができる。第２の金属層は、これに代えて、導電合金で作ることができると考えられる。

第１の金属層及び第２の金属層を含む例では、第１の金属層及び第２の金属層は、第１の金属層及び第２の金属層が同時に電気位相のそれぞれの巻線部分に位置合わせすることができるように構成することができる。

一実施形態により、第１の導電金属層及び第２の金属層は、電気的に接続される。第１の導電金属層及び第２の導電金属層は、例えば、軸線方向に回転子の各末端部分又は端部で互いに接続することができる。第１の導電金属層及び第２の導電金属層は、従って、回転子の各末端部分又は端部で１つの２つの場所で接続されて短絡させることができる。第１の導電金属層及び第２の導電金属層に誘起された電流は、それによって互いに対して反対方向に流れることになり、電流は、従って、戻り経路を取得することになる。誘起電流のレベルは、それによってｄ−軸線方位電流を受ける時に増加することになり、従って、より高い回転子突出が取得されることになる。従って、より高いＳＮ比を有するより強い突出表示を取得することができる。回転子位置の推定は、それによってより正確にすることができる。

一実施形態により、回転子の断面では、第１の金属層は、回転子上に周囲に設けられ、第１の円形扇形の円弧を形成する。

第１の金属層のみを含む実施形態では、第１の円形扇形の中心角は、少なくとも１２０度、例えば１２０度である場合がある。この構成は、集中巻線タイプのスロットレス同期ＰＭモータに有利に使用される。この場合に、第１の金属層は、回転子の軸線方向に斜め方式で有益に配置することができる。これは、高調波回転子突出によって引き起こされる電気位相のインダクタンス変化の検出能を改善する。

一実施形態により、回転子の断面では、第２の金属層は、回転子上に周囲に設けられ、第２の円形扇形の円弧を形成し、第２の円形扇形の円弧の中心は、第１の円形扇形の円弧の中心に対してある角度にある。

一実施形態により、その角度は、約１８０°である。約１８０°の角度により、１８０°±２０°の範囲、例えば、１８０°±１０°の範囲が意味される。この角度は、これに代えて、１８０°とすることができると考えられる。

一実施形態により、第１の金属層は、回転子の磁石セグメント間に配置されて回転子の第１の中心平面を形成し、第２の金属層は、回転子の磁石セグメント間に配置されて、第１の中心平面に対して垂直な回転子の第２の中心平面を形成する。

一実施形態により、第１の金属層は、回転子の軸線方向長さの大部分に沿って延びる。第１の金属層は、特に、その一方の短い端部から反対側の短い端部まで連続構造を形成することができる。

第２の金属層は、回転子の軸線方向長さの大部分に沿って延びることができる。第２の金属層は、特に、その一方の短い端部から反対側の短い端部まで連続構造を形成することができる。

本発明の開示の第２の態様により、第１の態様によるスロットレス同期ＰＭモータと、同期ＰＭモータに電流又は電圧を注入するように構成された電力変換器と、電力変換器によって注入された電流又は電圧に起因して発生された同期ＰＭモータ内の電流を測定するように構成された電流センサと、電流センサによって測定された電流に基づいて回転子位置を決定するように構成された制御システムとを含むスロットレス同期ＰＭモータシステムを提供する。

各電流センサは、それぞれの電気位相での電流を測定するように構成することができる。電流センサは、特に、固定子のそれぞれの巻線内の電流を測定するように構成することができる。測定される電流の数は、従って典型的にスロットレス同期ＰＭモータの電気位相の数と同じであると考えられる。

電流センサによって測定される電流は、一部の実施形態では電流リップルである場合がある。この場合に、制御システムは、電流リップルに基づいて回転子位置を決定するように構成される。

電流リップルは、転流誘起電流リップルであると考えられる。転流は、極性が電気位相内で変化する時に発生する。

電力変換器は、広バンドギャップ半導体スイッチ、例えば、広バンドギャップトランジスタを含むことができる。

一実施形態により、電力変換器は、電力変換器のスイッチのスイッチング周波数を使用してスロットレス同期ＰＭモータに第１の金属層内の表皮深さδが第１の金属層の厚みｈ未満であるのに十分に高い電流を注入するように構成され、表皮深さは、

によって定義され、ここで、ρは第１の金属層の抵抗率、μは第１の金属層の透磁率、ｆはスイッチング周波数である。

回転子に１よりも多い金属層が設けられた時に、表皮深さ及び厚みに関する上記考察は、金属層の全てに、例えば第２の金属層にも適用される。

スロットレス同期ＰＭモータシステムは、高いスイッチング周波数を利用することができ、薄い第１／第２の金属層を使用することを可能にし、すなわち、モータ動作の障害を最小にする。

スイッチング周波数は、例えば、１００ｋＨｚの程度であると考えられる。

一実施形態により、注入される電圧は、高周波正弦電圧成分のような高周波電圧成分を含むことができる。高周波成分は、具体的には、回転子位置決定の目的で注入することができる。高周波成分は、スロットレス同期ＰＭモータの最大角周波数よりも高い角周波数を有することができる。

一実施形態により、制御システムは、測定電流の電流リップルに基づいて各電気位相に対するインダクタンスを決定するように構成され、制御システムは、インダクタンスに基づいて回転子位置を決定するように構成される。

各位相に対するインダクタンスは、例えば、転流間の電流リップルの傾き又は導関数：

によって決定することができ、そこから電気位相に対するインダクタンスＬは、

によって取得することができ、ここでＵは相電圧である。

一実施形態により、回転子位置は、ルックアップテーブル内でインダクタンスを特定の回転子位置に関連付けられた基準インダクタンスと比較することによって決定される。特に、インダクタンスの組合せ及び特に適合する基準インダクタンスは、ルックアップテーブル内で単一回転子位置値を与える。

一実施形態により、電流センサは、測定電流の電流リップルをオーバーサンプルするように構成される。オーバーサンプリングは、ナイキスト周波数よりも高いサンプリング周波数として解釈されるものとする。

一実施形態により、固定子は、複数の固定子相巻線を有し、制御システムは、固定子相巻線の形状非対称性を補償するように構成される。

固定子相巻線の形状非対称性、すなわち、半径方向平面に沿った対称性が非理想的製造に起因して非完全であるような固定子の周方向の固定子相巻線のうちの１又は２以上の変位は、本発明者が行った研究によって回転子位置の推定に影響を与えることが判明している。特に、推定誤差は、形状非対称性によって増加する。形状非対称性を補償することにより、回転子位置の推定／決定は、より正確にすることができる。

一実施形態により、制御システムは、電力変換器に対する電圧基準の回転子基準フレームから３相フレームへの変換を利用することによって補償を実施するように構成された第１の変換ブロックを含み、変換は、形状非対称性を定める固定子の周方向の固定子相巻線の変位を考慮に入れる。

特に、各固定子相巻線の角変位は、補償を与えるために変換に使用することができる。変換は、例えば、回転子基準フレームとａｂｃ−フレーム間又は固定子基準フレームとａｂｃ−フレーム間の変換のためのマトリクスのような線形演算子である場合がある。

一実施形態により、制御システムは、電流センサによって測定された電流を変換してｄ−軸電流及びｑ−軸電流を取得するように構成された第２の変換ブロックと、ｑ−軸電流を復調するように構成された復調器ブロックと、回転子位置を決定するために復調されたｑ−軸電流のフィードフォワードを使用するように構成されたＰＩ−オブザーバーを含む推定器ブロックとを含む。

遷移挙動は、それによって改善されることになる。特に、遷移の事象では、推定誤差の非常に低い定常状態を迅速に取得することができる。

本発明の開示の第３の態様により、第１の態様によるスロットレス同期ＰＭモータの回転子の回転子位置を決定する方法を提供し、本方法は、スロットレス同期ＰＭモータの中に電流又は電圧を注入するように電力変換器を制御する段階と、注入電流に起因して発生されたスロットレス同期ＰＭモータ内で測定される電流を取得する段階と、電流に基づいて回転子位置を決定する段階とを含む。

一実施形態により、制御する段階は、第１の金属層内の表皮深さδが第１の金属層の厚みｈ未満であるのに十分に高い電力変換器のスイッチのスイッチング周波数を使用する段階を伴い、表皮深さは、

によって定義され、ここで、ρは、第１の金属層の抵抗率であり、μは、第１の金属層の透磁率であり、ｆは、スイッチング周波数である。

一実施形態により、固定子は、複数の固定子相巻線を有し、段階ａ）は、固定子相巻線の形状非対称性を補償する段階を伴う。

一実施形態により、補償する段階は、電力変換器に対する電圧基準の回転子基準フレームから３相フレームへの変換を利用する段階を伴い、変換は、形状非対称性を定める固定子の周方向の固定子相巻線の変位を考慮に入れる。

一実施形態により、決定する段階は、ｄ−軸電流及びｑ−軸電流を取得するために測定電流を変換する段階と、ｑ−軸電流を復調する段階と、復調されたｑ−軸電流のフィードフォワードを使用するＰＩ−オブザーバーを含む推定器ブロックを利用する段階とを伴う。

本発明の開示の第４の態様により、スロットレス同期ＰＭモータシステムの処理回路によって実行された時にスロットレス同期ＰＭモータシステムに第３の態様による方法の段階を実施させるコンピュータコードを含むコンピュータプログラムを提供する。

本発明の開示の第５の態様により、第１の態様によるスロットレス同期ＰＭモータを含む電動ツールを提供する。

本発明の開示の第６の態様により、第２の態様によるスロットレス同期ＰＭモータシステムを含む電動ツールを提供する。

一般的に、特許請求の範囲に使用される全ての用語は、本明細書で他に明示的に定義しない限り、技術分野での通常の意味に従って解釈されるものとする。「要素、装置、構成要素、手段など」への全ての言及は、他に明示的に陳述しない限り、「要素、装置、構成要素、手段など」の少なくとも１つの事例を参照するように開放的に解釈されるものとする。

ここで添付図面を参照して本発明の発明的概念の特定の実施形態を一例として以下に説明する。

スロットレス同期ＰＭモータの一例の断面を概略的に示す図である。 図１ａのスロットレス同期ＰＭモータの回転子の断面を概略的に示す図である。 スロットレス同期ＰＭモータの別の例の断面を概略的に示す図である。 スロットレス同期ＰＭモータの更に別の例の断面を概略的に示す図である。 スロットレス同期ＰＭモータシステムのブロック図を概略的に示す図である。 スロットレス同期ＰＭモータの回転子の回転子位置を決定する方法の流れ図である。 スロットレス同期ＰＭを制御するための代替制御スキームの一例を概略的に描く図である。

次に例示的実施形態を示す添付図面を参照して、発明的概念を以下により完全に説明する。しかし、発明的概念は、多くの異なる形態に具現化することができ、かつ本明細書に説明する実施形態に限定するように解釈すべきではない。むしろ、これら実施形態は、結果としてこの開示が徹底的かつ完全であり、かつ発明的概念の範囲を当業者に十分に伝えるように一例として提供する。類似の番号は、説明全体を通して類似の要素を指す。

図１は、スロットレス同期ＰＭモータの例を示している。スロットレス同期ＰＭモータ１は、固定子３と、固定子３と電磁的に相互作用するように構成された回転子５とを含む。回転子５は、永久磁石式回転子である。固定子３は、複数の巻線、すなわち、固定子相巻線を有し、各々の固定子相巻線がそれぞれの電気位相Ａ、Ｂ、及びＣに接続される。この例では、巻線は、スロットレス同期ＰＭモータ１の断面では、同じ電気位相の巻線部分が互いに反対に配置されるように接続される。従って、Ａ＋及びＡ−に示す電気位相Ａの２つの巻線部分は、互いに反対に配置され、Ｂ＋及びＢ−に示す電気位相Ｂの２つの巻線部分も互いに反対に配置され、Ｃ＋とＣ−に示す電気位相Ｃの２つの巻線部分も互いに反対に配置される。

固定子相巻線の形状非対称性の場合に、巻線部分は、互いに正確に反対ではないことになる。特に、電気位相の反対の巻線部品間には、固定子３の周方向に小さい変位がある場合がある。これは、回転子位置の推定／決定での誤差をもたらす場合がある。一部の例により、以下で更に説明するように、この形状非対称性に関して補償を与えることができる。

スロットレス同期ＰＭモータ１は回転子シャフト７を含み、回転子５は、回転子シャフト６の周りに配置される。回転子５は、固定子３に回転可能に配置される。

回転子５は、導電性第１の金属層５ａ及び導電性第２の金属層５ｂを有する。以下に説明するように、第１の金属層５ａ及び第２の金属層５ｂは、高調波回転子突出を生成する。第１の金属層５ａは、回転子５の外部面の一部を形成する。第２の金属層５ｂは、回転子５の外部面の一部を形成する。第１の金属層５ａは、回転子５の軸線方向長さの大部分に沿って延びる。第１の金属層５ａは、非セグメント式であり、すなわち、それは、単一片の連続構造である。第２の金属層５ｂも、回転子５の軸線方向長さの大部分に沿って延びる。第２の金属層５ｂは、非セグメント式であり、すなわち、それは、単一片の連続構造である。一般的に、第１の金属層５ａと第２の金属層５ｂは、互いに同一又は本質的に同一とすることができる。

第１の金属層５ａは、第１の金属シート又はコーティングとすることができる。第２の金属層５ｂも、第２の金属シート又はコーティングとすることができる。

第１の金属層５ａと第２の金属層５ｂは、一変形により、互いに電気的に接続することができる。第１の金属層５ａと第２の金属層５ｂは、短絡させることができる。ここで、第１の金属層５ａと第２の金属層５ｂは、１又は２以上の低抵抗性接続部によって互いに電気的に接続することができる。典型的には、第１の金属層５ａ及び第２の金属層５ｂは、回転子５の軸線方向の各端部又は末端領域／部分で互いに接続される。１又は２以上の低抵抗性接続部は、例えば、第１の金属層５ａ及び／又は第２の金属層５ｂと同じ材料で作ることができる。

図１ｂは、回転子５をより詳細に示している。第１の金属層５ａは、回転子５に沿って周囲に周方向に延びる。第１の金属層５ａは、厚みｈを有する。第１の金属層５ａは、第１の中心角θ１を有する回転子５の第１の円形扇形７ａの円弧を形成する。第２の金属層５ｂは、回転子５に沿って周囲に周方向に延びる。第２の金属層５ｂは、第２の中心角θ２を有する回転子５の第２の円形扇形７ｂの円弧を形成する。第１の円形扇形７ａと第２の円形扇形７ｂは、互いに分断している。従って、第１の金属層５ａ及び第２の金属層５ｂは、回転子５の周りの分断部分に沿って配置される。例えば、第１の円形扇形７ａの円弧の中心９ａと第２の円形扇形７ｂの中心９ｂは、約１８０度の角度とすることができる。従って、第１の金属層５ａ及び第２の金属層５ｂは、回転子５の断面で反対に配置することができる。

第１の中心角θ１及び第２の中心角θ２は、一般的にスロットレス同期ＰＭモータ１の巻線構成によって決定することができる。例えば、２極構成について、第１の中心角θ１及び第２の中心角θ２は、各々、２π／（電気位相の数の２倍）に本質的に等しく、等しく、又はこれよりも大きいように決定することができ、金属層の数は、極の数と同じである。図１ａの例では、これは、第１の中心角θ１及び第２の中心角θ２が各々６０°、すなわち、３６０°／６に等しいか又はこれよりも大きいことを意味する。

図２は、スロットレス同期ＰＭモータの別の例を示している。スロットレス同期ＰＭモータ１は、図１ａ及び１ｂを参照して説明した例と類似している。しかし、回転子５’は、回転子５とは多少異なる。回転子５’は、第１の金属層５ａ’及び第２の金属層５ｂ’を有し、これらは高調波回転子突出を与える。第１の金属層５ａ’は、磁石セグメント１０ａ〜１０ｄ間に設けられ、かつ回転子５’の断面で回転子５’を２つの半体に分割する回転子５’を通って延びる第１の中心平面を形成する。従って、第１の金属層５ａ’は、回転子５’を通って半径方向に延びる。第２の金属層５ｂ’は、磁石セグメント１０ａ〜１０ｄの間に設けられ、かつ回転子５’の断面で回転子５’を２つの半体に分割する回転子５’ａを通って延びる第２の中心平面を形成する。第２の金属層５ｂ’は、回転子５’を通って半径方向に延びる。第１の中心平面と第２の中心平面は、互いに対してある角度にある。この例では、第１の中心平面と第２の中心平面は、互いに垂直である。

同じくこの場合に、一変形により、第１の金属層５ａ’と第２の金属層５ｂ’は、電気的に接続することができる。第１の金属層５ａ’と第２の金属層５ｂ’は、短絡させることができる。ここで、第１の金属層５ａ’と第２の金属層５ｂ’は、１又は２以上の低抵抗性接続部によって互いに電気的に接続することができる。一般的に、第１の金属層５ａ’及び第２の金属層５ｂ’は、回転子５の軸線方向の各端部又は末端領域／部分で互いに接続される。１又は２以上の低抵抗性接続部は、例えば、第１の金属層５ａ’及び／又は第２の金属層５ｂ’と同じ材料で作ることができる。

図３は、スロットレス同期ＰＭモータの別の例を示している。スロットレス同期ＰＭモータ１’’は、集中巻線タイプのものである。同じ電気位相に接続された巻線部分は、従って、図示のように互いに隣接して配置される。例えば、Ａ＋及びＡ−に示すＡ相の２つの巻線部分は、互いに隣接して配置される等々である。

同じくこの場合に、固定子相巻線の形状非対称性が存在すると考えられる。一部の例により、以下で更に説明するように、この形状非対称性に関して補償を与えることができる。

スロットレス同期ＰＭモータ１’’は、第１の金属層５ａ’’を有する回転子５’’を含む。特に、例示する回転子５’’には、単一金属層、すなわち、第１の金属層５ａ’’のみが設けられる。第１の金属層５ａ’’は、回転子５’’の周りに設けられる。第１の金属層５ａ’’は、中心角θ１である第１の円形扇形７ａ’’の円弧を形成する。中心角θ１は、２πを電気位相の数によって除した値に有益に本質的に等しく、等しく、又はこれよりも大きい場合がある。金属層の数は極対の数に等しい。すなわち、この例では、中心角θ１は、少なくとも１２０°、すなわち、３６０°／３、例えば１２０°とすることができる。従って、第１の金属層５’’は、巻線の２つの巻線部分と完全に位置合わせすることができる。

図４は、スロットレス同期ＰＭモータシステム１２の例を示している。スロットレス同期ＰＭモータシステム１２は、スロットレス同期ＰＭモータ１、１’、１’’、電力変換器１４、電流センサ１６、及び制御システム１８を含む。

電力変換器１４は、固定子３、３’の巻線に接続するように構成される。電力変換器１４は、複数のスイッチ又はスイッチングデバイスを含み、これらのスイッチは、スイッチング周波数で切り換わるように制御され、それによってスロットレス同期ＰＭモータ１、１’、１’’を作動させるために適切な電流を巻線に注入するように構成される。スイッチは、一般的に、半導体スイッチ、例えばトランジスタのようなパワーエレクトロニックスイッチとすることができる。スイッチは、例えば、炭化珪素又は窒化ガリウムパワーエレクトロニックスイッチのような広バンドギャップパワーエレクトロニックデバイスとすることができる。スイッチは、例えば、Ｈブリッジ又はハーフブリッジ構成、又はそれらの変形のような複数の異なる公知の方式で構成することができる。

電力変換器１４のスイッチは、例えばＰＷＭによって制御することができる。この目的のために、例えば、スイッチのゲートは、ＰＷＭを利用する制御信号に基づいてスイッチを開状態又は閉状態に選択的に設定するように制御することができる。

電力変換器１４及び電流センサ１６は、スロットレス同期ＰＭモータ１、１’、１’’のためのドライバ回路を形成する。

電流センサ１６は、固定子３、３’の巻線の電流を測定するように構成される。電流センサ１６は、それぞれの電気位相での、すなわち、それぞれの巻線での電流、例えば電流リップルを測定するように構成することができる。電流センサ１６は、電流のオーバーサンプリングを可能にする高い帯域幅を有益に有する。電流センサ１６の帯域幅は、電力変換器１４のスイッチのスイッチング周波数の帯域幅の２倍よりも大きいことが好ましい。帯域幅は、例えば、スイッチング周波数の帯域幅の３倍よりも大きく、４倍よりも大きく、５倍よりも大きく、又は６倍よりも大きいとすることができる。

制御システム１８は、回転子５、５’、５’’の回転子位置を電流センサ１６によって測定されたリップル電流に基づいて決定するように構成することができる。制御システム１８は、ストレージ媒体１８及び処理回路１８ｂを含むことができる。ストレージ媒体１８は、処理回路１８ｂによって実行された時に本明細書に開示するような方法の段階を制御システム１８に実施させるコンピュータコード又は命令を含む。

処理回路１８ｂは、例えば、電気的な回転子位置決定に関するあらゆる本明細書に開示する作動を実行することができる適切な中心演算処理装置（ＣＰＵ）、マルチプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）などのうちの１又は２以上のあらゆる組合せを使用することができる。

ストレージ媒体１８ａは、例えば、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読取専用メモリ（ＲＯＭ）、消去可能プログラマブル読取専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）、又は電気的消去可能プログラマブル読取専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）のようなメモリとして、より具体的には、ＵＳＢ（ユニバーサルシリアルバス）メモリ、又はコンパクトフラッシュ（登録商標）メモリのようなフラッシュメモリのような外部メモリ内のデバイスの不揮発性ストレージ媒体として具現化することができる。

制御システム１８は、決定された回転子位置に基づいて電力変換器１４を制御するように構成されたコントローラを含むことができる。次に、図５を参照して、図４に説明した例での回転子位置決定に関する制御システム１２の作動をより詳細に説明する。

段階ａ）では、コントローラは、固定子の巻線に電流を注入するように電力変換器１４を制御する。この電流制御は、典型的には、上述のようにＰＷＭを使用してスイッチを切り換える段階を伴うと考えられる。

電力変換器１４のスイッチを制御するためのスイッチング周波数は、第１の金属層５ａ、５ａ’、５ａ’’での表皮深さδに対して十分に高く、かつ第２の金属層５ｂ、５’ｂを含む実施形態では、第１の金属層５ａ、５ａ’、５ａ’’／第２の金属層５ｂ、５’ｂの厚みｈ未満であることが好ましい。これは、電流リップルによって発生する高周波磁束パターンが、回転子５、５’、５’’が回転する時に第１の金属層５ａ、５ａ’、５ａ／第２の金属層５ｂ、５’ｂによって遮断され、従って、電気位相のためのインダクタンスに影響することを保証する。特に、高周波磁束パターンは、第１の金属層５ａ、５ａ’、５ａ’’／第２の金属層５ｂ、５’ｂが電気位相の通電した巻線部分に位置合わせされる時に遮断され、それによって回転子５、５’、５’’が回転する時に当該の電気位相のためのインダクタンスの正弦波又は準正弦波変化を引き起こす。具体的には、電気位相のためのインダクタンスは、第１の金属層５ａ、５ａ’、５ａ／第２の金属層５ｂ、５’ｂがその電気位相の通電した巻線部分に位置合わせされる時、すなわち、高周波磁束パターンが遮断される時に減少し、そうでなければ増加する。これは、高調波回転子突出をもたらし、角度符号器を使用することなく回転子位置検出を可能にする。

段階ｂ）では、電流センサ１６は、固定子の巻線内の電流リップルを測定する。各電気位相で測定される電流リップルは、典型的には、転流誘起電流リップルであり、それは、電力変換器１４のスイッチの切り換えから導出することができる。測定電流リップルは、制御システム１８によって取得される。

転流間の電流リップルの傾き又は導関数：

は、電流リップル測定に基づいて決定することができる。各電気位相の相電圧Ｕも測定することができる。

段階ｃ）では、回転子位置は、制御システム１８による電流リップルに基づいて決定される。本発明の例により、各位相に対する電流リップルの導関数：

に基づいて、各位相に対するインダクタンスＬは、相電圧Ｕを電流リップルの導関数：

で除することによって決定することができ、すなわち、インダクタンス

である。

各電気位相に対するインダクタンスＬが決定されると、各インダクタンスＬは、ルックアップテーブル内の対応する位相に対する基準インダクタンスと比較される。基準インダクタンスは、特定の回転子位置に関連付けられ、すなわち、決定されたインダクタンスに適合する基準インダクタンスを設定することにより、回転子位置、典型的に回転子角度を提供する。

回転子角度は、次に制御システム１８によって電力変換器を制御するのに使用することができる。従って、段階ｃ）に続く段階では、電力変換器は、回転子角度に基づいて制御することができる。

図６は、回転子位置を決定するための代替制御スキームの例を示している。図５に示す制御スキームは、処理回路１８ｂによってソフトウエア及び／又はハードウエアとして実施することができる。電力変換器１４及び電流センサ１６は、単純化の理由で示されていない。

例示する制御システム１８’は、高周波基準電圧成分を回転子基準フレーム又はｄｑ−フレームのｄ−軸及びｑ−軸に注入するように構成された高周波注入ブロック２１を含む。高周波電圧成分は、電圧基準：

及び

と組み合わされ、電力変換器１４に対して調節された電圧基準：

及び

を形成する。制御システム１８’は、変換ブロック２３を更に含み、変換ブロック２３は、電圧ｕ_a、ｕ_b、及びｕ_cを取得するために、第１の調節された電圧基準：

及び

を回転子基準フレームから３相フレーム又はａｂｃ−フレームに変換するように構成される。電流センサ１６は、位相の電流ｉ_a、ｉ_b、及びｉ_cを測定するように構成される。制御システム１８’は、測定電流ｉ_a、ｉ_b、及びｉ_cを回転子基準フレーム２８に変換するように構成された第２の変換ブロック２５を含む。

例示する制御システム１８’は、測定されたｑ−軸電流を復調するように構成された復調器ブロック２７を更に含む。復調器ブロック２７は、ｑ−軸電流の高周波成分を取得するためにｑ−軸電流をハイパスフィルタ処理するように構成されたハイパスフィルタブロック２７ａを含み、高周波電圧成分の角周波数ω_hは、高周波注入ブロック２１によって利用される注入された高周波電圧成分の角周波数である。ハイパスフィルタ処理されたｑ−軸電流は、次に、周波数ω_hを有する正弦波信号との乗算によって組み合わされる。復調器ブロック２７は、ｄｃ−信号を取得するために、組み合わされた信号をローパスフィルタ処理するように構成されたローパスフィルタブロック２７ｂを更に含むことができる。

例示する制御システム１８’は、ＰＩ−オブザーバーを含む推定器ブロック２９を含む。ｄｃ−信号は、ＰＩ処理のために推定器ブロック２９に入力される。ＰＩ−オブザーバーは、ｄｃ−信号のフィードフォワードを使用する。この明細書では、推定器ブロックは、ｄｃ−信号に積分係数ｋ_i及び比例定数ｋ_pが乗じられることに加えてｄｃ−信号が乗じられたフィードフォワード係数ｋ_fを含む。フィードフォワード係数ｋ_fが乗じられたｄｃ−信号は、ローパスフィルタ処理された測定ｑ−軸電流と組み合わされる。この組合せ信号は、積分係数ｋ_iが乗じられたｄｃ−信号に追加され、このｄｃ−信号は、推定回転子速度ω_estを取得するために推定器ブロック２９の第１の積分ブロック２９ａ内で積分される。推定回転子速度ω_estは、回転子速度誤差を取得するのに使用され、それによってｑ−軸電流基準

を取得する。これに加えて、推定回転子速度ω_estは、ｄｃ−信号及び比例定数ｋ_pの乗算と組み合わされ、この組合せは、推定回転子位置θ_estを取得するために推定器ブロック２９の第２の積分器ブロック２９ｂ内で積分される。推定回転子位置θ_estは、回転子基準フレームとａｂｃ−フレーム間の変換を制御するために及び従って電力変換器１４を制御するために第１の変換ブロック２３及び第２の変換ブロックに提供される。

図６を参照して説明した方法は、従って、一般的な段階ａ）〜ｃ）において図５を参照して説明した方法と類似するが、電流リップルを測定かつ利用せず、インダクタンスを決定せず、例示された制御スキームでは、これに代えて高周波電圧成分を注入して相電流を測定かつ処理する。

一部の例では、固定子相巻線の形状非対称性を補償することができる。従って、制御システム１８、１８’は、固定子相巻線の形状非対称性を補償するように構成することができる。特に、制御システム１８、１８’は、回転子基準フレームからａｂｃ−フレームへの変換を実施するように構成された第１の変換ブロックを含むことができる。第１の変換ブロックは、電力変換器１４に対する電圧基準の回転子基準フレームから３相又はａｂｃ−フレームへの変換を利用することによって補償を実施するように構成することができる。同じ補償はまた、ａｂｃ−フレームから回転子基準フレームへの変換を実施するように構成された第２の変換ブロック内に提供することができる。

回転子基準フレームとａｂｃ−フレーム間の変換は、形状非対称性を定める固定子の周方向での固定子相巻線の変位又は角度変位を考慮に入れるように構成することができる。異なるフレーム間の変換は、典型的には、回転マトリクスによって実施される。回転マトリクス及び特に余弦関数及び正弦関数の引数は、固定子相巻線の角変位に関連するそれぞれの成分を含むことができる。

本明細書に提供する例の全てにおいて、回転子は、固定子によって受け入れられる。しかし、これらの例のいずれかに対する代替として、回転子が固定子の周りに配置される逆構成、いわゆる外側回転子機械も可能である。

本発明の概念を主として少数の例を参照して説明した。しかし、当業者によって容易に認められるように、以上に開示した実施形態以外の他の実施形態が添付の特許請求の範囲によって定められる本発明の概念の範囲内で等しく可能である。

１ スロットレス同期永久磁石モータ
３ 固定子
５ 回転子
５ａ、５ｂ 導電金属層
７ 回転子シャフト

Claims (22)

1. 回転子（５、５’、５’’）と、
   前記回転子（５、５’、５’’）と電磁的に相互作用するように構成された固定子（３、３’）と、
   を含み、
   前記回転子（５、５’、５’’）には、高調波回転子突出を生成するように構成された第１の導電金属層（５ａ、５ａ’、５ａ’’）が設けられる、
   ことを特徴とするスロットレス同期永久磁石ＰＭモータ（１、１’、１’’）。
2. 前記第１の金属層（５ａ、５ａ’、５ａ’’）は、銅又はアルミニウムで作られることを特徴とする請求項１に記載のスロットレス同期ＰＭモータ（１、１’、１’’）。
3. 前記回転子（５、５’、５’’）には、高調波回転子突出を生成するように構成された第２の導電金属層（５ｂ、５ｂ’）が設けられることを特徴とする請求項１又は２に記載のスロットレス同期ＰＭモータ（１、１’）。
4. 前記第１の導電金属層（５ａ、５ａ’）及び前記第２の金属層（５ｂ、５ｂ’）は、電気的に接続されることを特徴とする請求項３に記載のスロットレス同期ＰＭモータ（１、１’、１’’）。
5. 前記回転子（５、５’’）の断面では、前記第１の金属層（５ａ、５ａ’’）は、前記回転子上に周囲に設けられて第１の円形扇形（７ａ、７ａ’’）の円弧を形成することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のスロットレス同期ＰＭモータ（１、１’’）。
6. 前記回転子（５）の断面では、前記第２の金属層（５ｂ）は、前記回転子（５）上に周囲に設けられて第２の円形扇形（７ｂ）の円弧を形成し、該第２の円形扇形（７ｂ）の該円弧の中心（９ｂ）が、前記第１の円形扇形（７ａ）の前記円弧（９ａ）の中心（９ａ）に対してある角度（α）にあることを特徴とする請求項３又は４に従属する請求項５に記載のスロットレス同期ＰＭモータ（１）。
7. 前記角度（α）は、約１８０°であることを特徴とする請求項６に記載のスロットレス同期ＰＭモータ（１）。
8. 前記第１の金属層（５ａ’）は、前記回転子（５’）の第１の中心平面を形成するために該回転子（５’）の磁石セグメント（１０ａ〜１０ｄ）間に配置され、前記第２の金属層（５ｂ’）は、該第１の中心平面に対して垂直な該回転子（５’）の第２の中心平面を形成するために該回転子（５’）の磁石セグメント（１０ａ〜１０ｄ）間に配置されることを特徴とする請求項３に記載のスロットレス同期ＰＭモータ（１’）。
9. 第１の金属層（５ａ、５ａ’、５ａ’’）が、前記回転子（５、５’、５’’）の軸線方向長さの大部分に沿って延びることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のスロットレス同期ＰＭモータ（１、１’、１’’）。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載のスロットレス同期ＰＭモータ（１、１’、１’’）と、
    前記同期ＰＭモータ（１、１’、１’’）の中に電流又は電圧を注入するように構成された電力変換器（１４）と、
    前記電力変換器（１４）によって注入された前記電流又は電圧に起因して発生された前記同期ＰＭモータ（１、１’、１’’）内の電流を測定するように構成された電流センサ（１６）と、
    前記電流センサ（１６）によって測定された前記電流に基づいて回転子位置を決定するように構成された制御システム（１８）と、
    を含むことを特徴とするスロットレス同期ＰＭモータシステム（１２）。
11. 前記電力変換器（１４）は、前記第１の金属層（５ａ、５ａ’、５ａ’’）内の表皮深さδが該第１の金属層（５ａ、５ａ’、５ａ’’）の厚みｈ未満であるのに十分に高い該電力変換器（１４）のスイッチのスイッチング周波数を使用して前記同期ＰＭモータ（１、１’、１’’）に電流を注入するように構成され、該表皮深さは、
    

    

    によって定義され、ここで、ρは、該第１の金属層（５ａ、５ａ’、５ａ’’）の抵抗率であり、μは、該第１の金属層（５ａ、５ａ’、５ａ’’）の透磁率であり、ｆは、該スイッチング周波数であることを特徴とする請求項１０に記載のスロットレス同期ＰＭモータシステム（１２）。
12. 前記制御システム（１８）は、前記測定された電流の電流リップルに基づいて各電気位相に対するインダクタンスを決定するように構成され、
    前記制御システム（１８）は、前記インダクタンスに基づいて前記回転子位置を決定するように構成される、
    ことを特徴とする請求項１０又は１１に記載のスロットレス同期ＰＭモータシステム（１２）。
13. 前記回転子位置は、ルックアップテーブル内で前記インダクタンスを特定の回転子位置に関連付けられた基準インダクタンスと比較することによって決定されることを特徴とする請求項１２に記載のスロットレス同期ＰＭモータシステム（１２）。
14. 前記電流センサ（１６）は、前記測定された電流の電流リップルをオーバーサンプルするように構成されることを特徴とする請求項１０から１３のいずれか一項に記載のスロットレス同期ＰＭモータシステム（１２）。
15. 前記固定子（３）は、複数の固定子相巻線を有し、
    前記制御システム（１８、１８’）は、前記固定子相巻線の形状非対称性を補償するように構成される、
    ことを特徴とする請求項１０から１４のいずれか一項に記載のスロットレス同期ＰＭモータシステム（１２）。
16. 前記制御システム（１８、１８’）は、前記電力変換器（１４）に対する電圧基準の回転子基準フレームから３相フレームへの変換を利用することによって前記補償を実施するように構成された第１の変換ブロック（２３）を含み、該変換は、前記形状非対称性を定める前記固定子（３）の周方向での前記固定子相巻線の変位を考慮に入れることを特徴とする請求項１５に記載のスロットレス同期ＰＭモータシステム（１２）。
17. 前記制御システム（１８’）は、前記電流センサ（１６）によって測定された前記電流を変換してｄ−軸電流及びｑ−軸電流を取得するように構成された第２の変換ブロック（２５）と、該ｑ−軸電流を復調するように構成された復調器ブロック（２７）と、前記回転子位置を決定するために該復調されたｑ−軸電流のフィードフォワードを使用するように構成されたＰＩ−オブザーバーを含む推定器ブロック（２９）とを含むことを特徴とする請求項１０、１１、１５、又は１６に記載のスロットレス同期ＰＭモータシステム（１２）。
18. 請求項１から９のいずれか一項に記載のスロットレス同期ＰＭモータ（１、１’、１’’）の回転子の回転子位置を決定する方法であって、
    ａ）前記スロットレス同期ＰＭモータ（１、１’、１’’）の中に電流又は電圧を注入するように電力変換器（１４）を制御する段階と、
    ｂ）前記注入された電流又は電圧に起因して発生されて前記スロットレス同期ＰＭモータ（１、１’、１’’）内で測定された電流を取得する段階と、
    ｃ）前記電流に基づいて回転子位置を決定する段階と、
    を含むことを特徴とする方法。
19. 前記制御する段階は、前記第１の金属層（５ａ、５ａ’、５ａ’’）内の前記表皮深さδが該第１の金属層（５ａ、５ａ’、５ａ’’）の前記厚みｈ未満であるのに十分に高い前記電力変換器（１４）のスイッチのスイッチング周波数を使用する段階を伴い、該表皮深さは、
    

    

    によって定義され、ここで、ρは、該第１の金属層の抵抗率であり、μは、該第１の金属層（５ａ、５ａ’、５ａ’’）の透磁率であり、ｆは、該スイッチング周波数であることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
20. 前記固定子（３）は、複数の固定子相巻線を有し、
    段階ａ）は、前記固定子相巻線の形状非対称性を補償する段階を伴う、
    ことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
21. 前記補償する段階は、前記電力変換器（１４）に対する電圧基準の回転子基準フレームから３相フレームへの変換を利用する段階を伴い、該変換は、前記形状非対称性を定める前記固定子（３）の周方向での前記固定子相巻線の変位を考慮に入れることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
22. 前記決定する段階は、前記測定された電流を変換してｄ−軸電流及びｑ−軸電流を取得する段階と、該ｑ−軸電流を復調する段階と、該復調されたｑ−軸電流のフィードフォワードを使用するＰＩ−オブザーバーを含む推定器ブロックを利用する段階とを伴うことを特徴とする請求項１７、１９、又は２０に記載の方法。

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