JP2022059484A - モータ制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータにその径方向の内側及び外側からバランス良く弱め界磁制御を受けさせることで、逆起電圧の軽減を実現できるとともに、ロータの磁石において不可逆減磁の発生を抑制できるモータ制御方法を提供する。【解決手段】モータ制御方法は、磁石５２が取り付けられたロータ５と、ロータ５の径方向の第１位置である外側に配置された第１ステータ１０と、ロータ５の径方向の第２位置である内側に配置された第２ステータ２０とを備えるモータ１を制御するためのモータ制御方法であって、第１ステータ１０に対して、通電駆動制御を行うことと、第２ステータ２０に対して、弱め界磁制御のみを行うことと、を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、モータ制御方法に関する。

従来、モータのロータが高速回転するときに発生する逆起電圧を減少するために、モータのステータに対して弱め界磁制御を行うことが採用されている。

例えば、特許文献１には、永久磁石同期モータの回転を駆動輪に伝達する一方、モータは所定回転速度以上で弱め界磁制御される電動車両において、弱め界磁制御が効き始めるモータの回転速度を、車両の走行負荷の減少に対して高速側へ変化させる電動車両の制御装置が開示されている。

特開平６－１３３４０８号公報

ところで、一般的なモータは、１つのロータと、１つのロータの径方向の一方側（例えば、外側）に配置された１つのステータを有する。このように配置されたステータに対して弱め界磁制御を行うと、ロータの径方向の外側のみに、ロータ側の磁界をキャンセルするための逆磁界が発生する。一方、その逆磁界がロータに作用すると、ロータに取り付けられた永久磁石に渦電流が発生する。渦電流によって、永久磁石が発熱して高温になる。その結果、永久磁石に不可逆減磁が発生する可能性が高くなる。

本発明はこのような事情に鑑みて発明されたものであり、本発明の目的は、ロータにその径方向の内側及び外側からバランス良く弱め界磁制御を受けさせることで、逆起電圧の軽減を実現できるとともに、ロータの磁石において不可逆減磁の発生を抑制できるモータ制御方法を提供することである。

本発明の一態様に係るモータ制御方法は、磁石が取り付けられたロータと、ロータの径方向の第１位置に配置された第１ステータと、ロータの径方向の第２位置に配置された第２ステータとを備えるモータを制御するためのモータ制御方法であって、第１ステータに対して、通電駆動制御を行うことと、第２ステータに対して、弱め界磁制御のみを行うことと、を含む。

上記態様のモータ制御方法は、第１ステータに対して通電駆動制御を行うとともに、第２ステータに対して弱め界磁制御のみを行うことで、ロータにロータの径方向の外側及び内側からバランス良く弱め界磁制御を受けさせている。

具体的には、第１ステータに対して通電駆動制御を行うと、第１ステータによるロータに作用する第１磁界が発生する。それとともに、第１ステータに対して通電駆動制御を行うと、第２ステータによるロータに作用する第２磁界が発生する。こうして、ロータは、その径方向の外側及び内側から磁界作用を受ける状態になる。また、第１磁界及び第２磁界は、ロータにおいて、逆起電圧が起きるときにロータ側の磁界をキャンセルできる磁界を合成している。その結果、ロータにその径方向の一方側のみから弱め界磁制御を受けさせる制御方法に比べて、上記態様のモータ制御方法は、ロータにバランス良く弱め界磁制御を受けさせることできる。

また、この場合、上記態様のロータは、その径方向の両側から界磁制御を受けている。このため、ロータにその径方向の一方側のみから弱め界磁制御を受けさせる制御方法に比べて、上記態様のモータ制御方法は、ロータに対する弱め界磁制御の効率を向上させることができる。

また、上記態様のモータ制御方法は、ロータにバランス良く弱め界磁制御を受けさせている状態で、第１磁界と第２磁界とによって構成された合成磁界の作用によって、ロータの高速回転による逆起電圧の軽減を実現している。

また、上記態様の制御方法は、ロータにバランス良く弱め界磁制御を受けさせているため、ロータの磁石に渦電流が発生することを抑制できる。よって、上記態様のモータ制御方法によれば、渦電流による磁石の発熱問題を解消することができ、磁石において不可逆減磁の発生を抑制することが可能になる。その結果、磁石の耐久性を向上させて、不可逆減磁が発生した磁石の交換等に係るコストの軽減や不可逆減磁を抑制するための工夫を不要にすることができる。

また、上記態様のモータ制御方法は磁石の発熱問題を解消したため、発熱による影響に耐えられる保磁力の高い高グレードの磁石を採用する必要がなくなる。言い換えれば、上記態様に係る磁石は、保磁力の低い低グレードの磁石を採用することができる。よって、磁石の製造コストの軽減を実現できる。

本発明によれば、ロータにその径方向の内側及び外側からバランス良く弱め界磁制御を受けさせることで、逆起電圧の軽減を実現できるとともに、ロータの磁石において不可逆減磁の発生を抑制できるモータ制御方法を提供することが可能になる。

本実施形態に係るモータの構成を示す断面模式図である。 比較例に係るモータの構成を示す断面模式図である。

以下に本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面の記載において同一又は類似の構成要素は同一又は類似の符号で表している。図面は例示であり、各部の寸法や形状は模式的なものであり、本発明の技術的範囲を当該実施の形態に限定して解するべきではない。

［本実施形態］
＜モータ１＞
まず、図１を参照しつつ、本実施形態に係るモータ１の構成について説明する。図１は、本実施形態に係るモータ１の構成を示す断面模式図である。なお、図１は、モータ１の一部の構成を表示している。

本実施形態に係るモータ１は、例えば、電気自動車やハイブリッド車両の走行駆動源又は発電機として使用される回転電機の一例である。また、以下の説明では、図１に示されたモータ１の状態を「組立状態」と呼ぶことがある。

モータ１は、ロータ５と、第１ステータ１０と、第２ステータ２０と、ハウジング３０とを備える。また、モータ１は、ロータ５、第１ステータ１０及び第２ステータ２０のそれぞれをハウジング３０に取り付けるための、回転支持構成６及び固定部材等の取付構成を備える。さらに、モータ１は、図示されていない、モータ１の動作を制御するための制御部を備える。

ここで、ロータ５、第１ステータ１０及び第２ステータ２０とも、円環状をなしている。組立状態において、ロータ５、第１ステータ１０及び第２ステータ２０は、ハウジング３０の内部に同軸に配置されている。具体的には、第１ステータ１０は、ロータ５の径方向の外側に配置されている。第２ステータ２０は、ロータ５の径方向の内側に配置されている。なお、ロータ５の径方向の「外側」及び「内側」のそれぞれは、ロータ５の径方向の「第１位置」の一例及び「第２位置」の一例である。

（ロータ５）
ロータ５は、シャフトレス構造を有するロータの一例である。組立状態において、ロータ５は、回転支持構成６によってハウジング３０に取り付けられている。回転支持構成６は、ロータ５を固定する支持部（例えば、ギアシャフト）６１と、支持部６１を回転可能に支持するベアリング６２と、支持部６１を回転可能に支持するベアリング６３とを有する。こうして、ロータ５は、支持部６１に固定された上で、ベアリング６２及びベアリング６３を介して、ハウジング３０に対して回転可能に取り付けられている。

また、ロータ５は、ロータコア５１と、ロータコア５１に取り付けられた複数の磁石５２と、ロータコア５１に形成された孔部５３とを有する。

ロータコア５１は、例えば、複数の電磁鋼板が積層されて構成された円環状の構成である。複数の磁石５２は、ロータコア５１に形成された磁石孔（図示せず）に固定されている。また、複数の磁石５２は、軸方向にてロータコア５１を貫通するように、かつ径方向にてロータコア５１の周縁側において等間隔に設けられている。

孔部５３は、第２ステータ２０を配置するための孔である。また、孔部５３は、ロータ５の径方向の内側の中央に形成されている。孔部５３の直径は、第２ステータ２０の外径よりも大きい。また、孔部５３は、軸方向にて、ロータコア５１を貫通していない。こうして、孔部５３によって、第２ステータ２０は、ロータ５の内側においてロータ５と干渉せずに配置されることができる。

（第１ステータ１０）
第１ステータ１０は、ロータ５の外側に配置されるステータの一例である。組立状態において、第１ステータ１０は、ロータ５をその周囲から囲むように、図示されていないボルト等の固定部材によってハウジング３０に固定されている。

また、第１ステータ１０は、第１ステータコア１１と、第１ステータコア１１に巻回された第１コイル（図示せず）とを備える。

第１ステータコア１１は、例えば、複数の電磁鋼板が積層されて構成された円環状の構成である。第１ステータコア１１の内径は、ロータコア５１の外径よりも大きい。こうして、組立状態において、第１ステータ１０は、ロータ５の周囲においてロータ５に対して所定のギャップを隔て配置されることができる。

第１コイルは、第１ステータコア１１の内周面に形成された第１ティース（図示せず）及び第１スロット（図示せず）に装着されている。また、第１コイルは、モータ１の制御部に接続されている。

こうして、制御部が第１コイルに所定の電流を供給すると、第１ステータ１０に、その内側にあるロータ５に流れる第１磁束が発生する。よって、第１ステータ１０の内側に第１磁界が発生する。

（第２ステータ２０）
第２ステータ２０は、ロータ５の内側に配置されるステータの一例である。また、第２ステータ２０は、弱め界磁専用のステータである。図１に示すように、第２ステータ２０の大きさは、第１ステータ１０の大きさよりも小さい。組立状態において、第２ステータ２０は、ロータ５の孔部５３の内部に位置するように、ボルト等の固定部材によってハウジング３０に固定されている。

また、第２ステータ２０は、第２ステータコア２１と、第２ステータコア２１に巻回された第２コイル（図示せず）とを備える。

第２ステータコア２１は、例えば、複数の電磁鋼板が積層されて構成された円環状の構成である。第２ステータコア２１の外径は、ロータコア５１の孔部５３の内径よりも小さい。こうして、組立状態において、第２ステータ２０は、ロータ５の内側にて、ロータ５の孔部５３の内周面に対して所定のギャップを隔て配置されることができる。

第２コイルは、第２ステータコア２１の内周面に形成された第２ティース（図示せず）及び第２スロット（図示せず）に装着されている。また、第２コイルは、モータ１の制御部に接続されている。

こうして、制御部が第２コイルに所定の電流を供給すると、第２ステータ２０に、その外側にあるロータ５に流れる第２磁束が発生する。よって、第２ステータ２０の外側に第２磁界が発生する。

（ハウジング３０）
ハウジング３０は、ロータ５、第１ステータ１０及び第２ステータ２０を収容かつ支持するための構成の一例である。ハウジング３０は、箱状部材である。また、ハウジング３０は、円筒状の周壁部と、ハウジング３０の内部に形成されたリブとを有する。組立状態において、例えば、第１ステータ１０は、ハウジング３０の周壁部に固定されており、ロータ５を回転可能に支持する回転支持構成６及び第１ステータ１０は、ハウジング３０のリブに固定されている。

（制御部）
制御部は、モータ１の動作、すなわち、ロータ５、第１ステータ１０及び第２ステータ２０のそれぞれの動作を制御するための構成の一例である。制御部は、第１ステータ１０及び第２ステータ２０に電流を供給し、第１ステータ１０及び第２ステータ２０に磁束を発生させることによって、ロータ５を回転させる。

具体的には、制御部が第１ステータ１０の第１コイルに通電すると、第１ステータ１０に第１磁束が発生し、また、第１磁束と、ロータコア５１に取り付けられた磁石５２との間に、磁気的な第１吸引力及び第１反発力が発生する。同様に、制御部が第２ステータ２０の第２コイルに通電すると、第２ステータ２０の外側に第２磁束が発生し、また、第２磁束と、ロータコア５１に取り付けられた磁石５２との間に、磁気的な第２吸引力及び第２反発力が発生する。その結果、第１吸引力及び第１反発力と、第２吸引力及び第２反発力との作用によって、ロータ５が回転し始める。言い換えれば、ロータ５は、第１ステータ１０及び第２ステータ２０のそれぞれに生じる磁界の作用によって、回転されている。

また、制御部は、ロータ５が高速回転するとき、所定のモータ制御方法に基づいて、第１ステータ１０及び第２ステータ２０のそれぞれに生じるロータ５に流れる磁束量を調整することで、ロータ５の回転状態を調整することができる。

＜モータ制御方法＞
次に、本実施形態に係るモータ制御方法について説明する。本実施形態に係るモータ制御方法は、ロータ５の高速回転によって生じる逆起電圧を軽減するためのモータ制御方法の一例である。

具体的には、モータ制御方法は、第１ステータ１０に対して、通電駆動制御を行うことと、第２ステータ２０に対して、弱め界磁制御のみを行うこととを含む。ここで、第１ステータ１０に対する通電駆動制御と、第２ステータ２０に対する弱め界磁制御とは、同時に実施されている。

また、第１ステータ１０に対する通電駆動制御は、必要に応じて、一般的な通電による界磁制御であってもよく、第２ステータ２０と同様の弱め界磁制御であってもよい。すなわち、第１ステータ１０に対する通電駆動制御は、ロータ５の回転状態に応じて切り替えられることができる。

＜モータ制御方法の効果＞
続いて、図１及び図２を参照し、比較例に係るモータ２の制御方法と比較しながら、本実施形態に係るモータ制御方法の効果について説明する。図２は、比較例に係るモータ２の構成を示す断面模式図である。

（比較例）
ここで、本実施形態に係るモータ制御方法の効果を説明する前に、まず、比較例に係るモータ２の構成、制御方法及び制御方法の効果について説明する。なお、以下の説明では、比較例の本実施形態と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点に係る内容を説明する。

図２に示すように、比較例に係るモータ２は、モータ２の外側に配置されたステータ４０のみを有するものである。言い換えれば、モータ２は、本実施形態に係る第２ステータ２０のようなモータ２の径方向の内側に配置されたステータを有しない。モータ２のロータ７は、回転支持構成８によってハウジング３０に対して回転可能に取り付けられている。

比較例に係るモータ２の制御方法は、ロータ７の高速回転によって生じる逆起電圧を軽減するために、ステータ４０に対して弱め界磁制御を行うことを含む。こうして、比較例に係るモータ２の制御方法は、ロータ７の径方向の外側のみに、ロータ７側の磁界をキャンセルするための逆磁界を発生させている。

比較例に係るモータ２の制御方法によれば、逆起電圧を軽減することができる。しかしながら、比較例では、ロータ７にその径方向の外側のみから弱め界磁制御を受けさせているため、比較例に係るロータ７の磁石７２に渦電流が生じ、発熱して高温となる可能性がある。その結果、比較例に係る磁石７２に不可逆減磁が発生する可能性がある。発熱による影響に耐えられるために、比較例に係る磁石７２は、保磁力の高い高グレードの磁石を採用する必要がある。

（本実施形態）
比較例に係るモータ２の制御方法に対して、本実施形態に係るモータ制御方法は、第１ステータ１０に対して通電駆動制御を行うとともに、第２ステータ２０に対して弱め界磁制御のみを行うことで、ロータ５にロータ５の径方向の外側及び内側からバランス良く弱め界磁制御を受けさせている。

具体的には、第１ステータ１０に対して通電駆動制御を行うと、第１ステータ１０によるロータ５に作用する第１磁界が発生する。それとともに、第２ステータ２０に対して通電駆動制御を行うと、第２ステータ２０によるロータ５に作用する第２磁界が発生する。また、第１磁界の方向と第２磁界の方向とは逆である。こうして、ロータ５は、その径方向の外側及び内側から磁界作用を受ける状態になる。

ここで、第１磁界は、通電駆動制御によって生じるものであり、第２磁界は、弱め界磁制御によって生じるものである。また、第１磁界を生じる第１ステータ１０の大きさは、第２磁界を生じる第２ステータ２０の大きさよりも大きい。これらのことから、第１磁界は、第２磁界よりも強い。よって、第１磁界及び第２磁界がロータ５において合成されると、第１磁界の一部は、第２磁界によってキャンセルされる。言い換えれば、第１磁界及び第２磁界は、ロータ５において、逆起電圧が起きるときにロータ５側の磁界をキャンセルできる磁界を合成している。

その結果、比較例に係るロータ７にその径方向の外側のみから弱め界磁制御を受けさせる制御方法に比べて、本実施形態に係るモータ制御方法は、ロータ５にバランス良く弱め界磁制御を受けさせることできる。また、この場合、本実施形態に係るロータ５は、その径方向の両側から界磁制御を受けている。このため、比較例に係る制御方法に比べて、本実施形態に係るモータ制御方法は、ロータ５に対する弱め界磁制御の効率を向上させることができる。

また、本実施形態に係るモータ制御方法は、ロータ５にバランス良く弱め界磁制御を受けさせている状態で、第１磁界と第２磁界とによって構成された合成磁界の作用によって、ロータ５の高速回転による逆起電圧の軽減を実現している。

また、本実施形態に係るモータ制御方法は、ロータ５にバランス良く弱め界磁制御を受けさせているため、ロータ５の磁石５２に渦電流が発生することを抑制できる。よって、本実施形態に係るモータ制御方法によれば、渦電流による磁石５２の発熱問題を解消することができ、磁石において不可逆減磁の発生を抑制することが可能になる。その結果、磁石５２の耐久性を向上させて、不可逆減磁が発生した磁石の交換等に係るコストの軽減や不可逆減磁を抑制するための工夫を不要にすることができる。

また、本実施形態に係る磁石５２の発熱問題が解消されたため、本実施形態に係る磁石５２は、比較例に係る磁石７２のように、発熱による影響に耐えられる保磁力の高い高グレードの磁石を採用する必要がなくなる。言い換えれば、本実施形態に係る磁石５２は、比較例に係る磁石７２に比べて、保磁力の低い低グレードの磁石を採用することができる。よって、本実施形態に係る磁石５２の製造コストの軽減を実現できる。

以上のとおり、本実施形態に係るモータ制御方法は、ロータ５にその内側及び外側からバランス良く弱め界磁制御を受けさせることで、逆起電圧の軽減を可能にしているとともに、ロータ５の磁石５２において不可逆減磁の発生を抑制している。

なお、本実施形態に係るロータ５は、シャフトレス構造を有するものとして説明したが、それに限らない。ロータ５は、シャフトを有するものであってもよい。

また、本実施形態では、第２ステータ２０は、第１ステータ１０よりも小さいものとして説明したが、それに限らない。例えば、両者は同じ大きさを有するものであってもよい。また、第２ステータ２０は、第１ステータ１０よりも大きいものであってもよい。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることが可能である。

１…モータ、５…ロータ、１０…第１ステータ、１１…第１ステータコア、２０…第２ステータ、２１…第２ステータコア、３０…ハウジング、５１…ロータコア

Claims (1)

1. 磁石が取り付けられたロータと、前記ロータの径方向の第１位置に配置された第１ステータと、前記ロータの前記径方向の第２位置に配置された第２ステータとを備えるモータを制御するためのモータ制御方法であって、
   前記第１ステータに対して、通電駆動制御を行うことと、
   前記第２ステータに対して、弱め界磁制御のみを行うことと、を含む、
   モータ制御方法。

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