JP2023054684A

JP2023054684A - motor

Info

Publication number: JP2023054684A
Application number: JP2021163681A
Authority: JP
Inventors: 宏之服部; Hiroyuki Hattori
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2021-10-04
Filing date: 2021-10-04
Publication date: 2023-04-14

Abstract

To reduce torque fluctuation in a structure for inducing field current in field winding of a rotor.SOLUTION: In a motor including field winding in a rotor, excitation current is conducted so that torque fluctuation by field current becomes an opposite phase to torque fluctuation determined by a structure of the motor while superimposing excitation current on three phase current of a stator and inducing the field current in the field winding of the rotor.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、モータに関する。 The present invention relates to motors.

特許文献１には、ロータに界磁巻線を備えた同期モータと、同期モータの平衡多相固定子巻線に電流を流すＰＷＭインバータと、ＰＷＭインバータを制御する波形演算指令回路と、を備えたモータ駆動システムが開示されている。この波形演算指令回路は、ロータ位置に同期したバイアス周波数の変調波形によって振幅変調された励磁交流成分の多相交流電流と、トルク電流成分の多相交流電流と、を平衡多相固定子巻線に流すようにＰＷＭインバータを制御する。 Patent Document 1 discloses a synchronous motor having a field winding in a rotor, a PWM inverter for supplying current to the balanced multiphase stator winding of the synchronous motor, and a waveform calculation command circuit for controlling the PWM inverter. A motor drive system is disclosed. This waveform calculation command circuit outputs a polyphase alternating current of an exciting alternating current component amplitude-modulated by a modulation waveform of a bias frequency synchronized with the rotor position and a polyphase alternating current of a torque current component to a balanced polyphase stator winding. control the PWM inverter so that

特開平０７－０９５７９０号公報JP-A-07-095790

特許文献１に記載の構成では、ロータに設けられた界磁巻線に界磁電流を誘導させる場合、電流が変動するためトルク変動が発生してしまう。 In the configuration disclosed in Patent Document 1, when the field current is induced in the field winding provided on the rotor, the current fluctuates, resulting in torque fluctuation.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、ロータの界磁巻線に界磁電流を誘導させる構成においてトルク変動を小さくすることができるモータを提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a motor capable of reducing torque fluctuations in a configuration in which a field current is induced in a field winding of a rotor.

本発明は、ロータに界磁巻線を備えたモータであって、ステータの三相電流に励磁電流を重畳して前記ロータの界磁巻線に界磁電流を誘導させつつ、前記界磁電流によるトルク変動が当該モータの構造で決まるトルク変動に対して逆位相となるように前記励磁電流を通電することを特徴とする。 The present invention relates to a motor having field windings in a rotor, in which an excitation current is superimposed on a three-phase current of a stator to induce field currents in the field windings of the rotor. The excitation current is supplied so that the torque fluctuation due to the motor is opposite in phase to the torque fluctuation determined by the structure of the motor.

この構成によれば、モータの構造で決まるトルク変動と界磁電流によるトルク変動とが相殺されて、合計のトルク変動が小さくなるため、ロータの界磁巻線に界磁誘導させるモータにおいてトルク変動を小さくすることができる。 According to this configuration, the torque fluctuation determined by the structure of the motor and the torque fluctuation due to the field current are offset, and the total torque fluctuation is reduced. can be made smaller.

また、前記励磁電流の周期を、当該モータの構造で決まるトルク変動の周期と同じにしてもよい。 Also, the period of the excitation current may be the same as the period of torque fluctuation determined by the structure of the motor.

この構成によれば、トルク変動を抑制するための余分な電流が不要になり、効率の悪化を抑制することができる。 This configuration eliminates the need for extra current for suppressing torque fluctuations, thereby suppressing deterioration in efficiency.

本発明では、モータの構造で決まるトルク変動と界磁電流によるトルク変動とが相殺されて、合計のトルク変動が小さくなるため、界磁巻線に界磁誘導させるモータにおいてトルク変動を小さくすることができる。 In the present invention, the torque fluctuations determined by the structure of the motor and the torque fluctuations due to the field current are offset to reduce the total torque fluctuations. can be done.

図１は、実施形態におけるモータ駆動システムを模式的に示す図である。FIG. 1 is a diagram schematically showing a motor drive system according to an embodiment. 図２は、トルク電流を示す波形図である。FIG. 2 is a waveform diagram showing torque current. 図３は、トルク変動を示す波形図である。FIG. 3 is a waveform diagram showing torque fluctuations.

以下、図面を参照して、本発明の実施形態におけるモータについて具体的に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。 Hereinafter, motors according to embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to embodiment described below.

図１は、実施形態におけるモータ駆動システムを模式的に示す図である。図１に示すように、モータ駆動システム１は、直流電源１０と、インバータ２０と、モータ３０と、制御装置４０と、を備えている。例えば、モータ駆動システム１はモータ３０を動力源とする車両に搭載されている。この場合、モータ３０から出力された動力が車輪に伝達される。 FIG. 1 is a diagram schematically showing a motor drive system according to an embodiment. As shown in FIG. 1, the motor drive system 1 includes a DC power supply 10, an inverter 20, a motor 30, and a control device 40. For example, the motor drive system 1 is mounted on a vehicle using the motor 30 as a power source. In this case, the power output from the motor 30 is transmitted to the wheels.

直流電源１０は、モータ３０に供給するための電力を蓄えることが可能な蓄電装置である。この直流電源１０は、例えばニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの二次電池により構成されている。 DC power supply 10 is a power storage device capable of storing power to be supplied to motor 30 . The DC power supply 10 is composed of, for example, a secondary battery such as a nickel-metal hydride battery or a lithium-ion battery.

インバータ２０は、直流電源１０から供給される直流電力を交流電力に変換する電力変換装置である。このインバータ２０は制御装置４０と電気的に接続されており、制御装置４０によりその駆動状態が制御される。具体的には、インバータ２０は制御装置４０からの三相電圧指令に基づいて、モータ３０に三相電圧を印加する。つまり、インバータ２０は三相インバータである。 The inverter 20 is a power conversion device that converts the DC power supplied from the DC power supply 10 into AC power. The inverter 20 is electrically connected to the control device 40 and its driving state is controlled by the control device 40 . Specifically, inverter 20 applies a three-phase voltage to motor 30 based on a three-phase voltage command from control device 40 . That is, inverter 20 is a three-phase inverter.

このインバータ２０は、ｐ側スイッチング素子およびｎ側スイッチング素子を含むＵ相アームと、ｐ側スイッチング素子およびｎ側スイッチング素子を含むＶ相アームと、ｐ側スイッチング素子およびｎ側スイッチング素子を含むＷ相アームとを備えている。インバータ２０の各スイッチング素子は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などにより構成されている。また、インバータ２０の各相アームは、直流電源１０の正極に接続された正極線と直流電源１０の負極に接続された負極線との間に並列に接続されている。インバータ２０のスイッチング素子には、エミッタ側からコレクタ側へと電流を流すダイオードが接続されている。そして、各相アームのｐ側スイッチング素子とｎ側スイッチング素子との中間点は、それぞれモータ３０の各相コイル（Ｕ相コイル，Ｖ相コイル，Ｗ相コイル）に接続されている。 This inverter 20 includes a U-phase arm including a p-side switching element and an n-side switching element, a V-phase arm including a p-side switching element and an n-side switching element, and a W-phase arm including a p-side switching element and an n-side switching element. Arm and. Each switching element of the inverter 20 is composed of, for example, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Each phase arm of inverter 20 is connected in parallel between a positive line connected to the positive terminal of DC power supply 10 and a negative line connected to the negative terminal of DC power supply 10 . A switching element of the inverter 20 is connected to a diode that allows current to flow from the emitter side to the collector side. An intermediate point between the p-side switching element and the n-side switching element of each phase arm is connected to each phase coil (a U-phase coil, a V-phase coil, and a W-phase coil) of the motor 30 .

モータ３０は、ロータに界磁巻線を備えた同期モータである。このモータ３０は、ロータと、コイル（以下、ステータコイルという）が巻き回されたステータと、を備える。そして、インバータ２０によってモータ３０に三相電圧が印加されると、モータ３０のステータコイルに三相電流が流れる。モータ３０では、印加された三相電圧に応じて三相電流を流れ、トルクが発生する。三相電流は、モータ３０のＵ相コイルを流れるＵ相電流と、モータ３０のＶ相コイルを流れるＶ相電流と、モータ３０のＷ相コイルを流れるＷ相電流と含む。つまり、モータ３０は三相モータである。なお、各相コイルとステータコイルとは同じコイルを指す表現である。すなわち、Ｕ相コイルとＶ相コイルとＷ相コイルとは、ステータコイルに含まれる表現である。 The motor 30 is a synchronous motor with field windings on the rotor. The motor 30 includes a rotor and a stator around which coils (hereinafter referred to as stator coils) are wound. When the inverter 20 applies a three-phase voltage to the motor 30 , a three-phase current flows through the stator coils of the motor 30 . In the motor 30, a three-phase current flows according to the applied three-phase voltage, and torque is generated. The three-phase current includes a U-phase current flowing through a U-phase coil of motor 30 , a V-phase current flowing through a V-phase coil of motor 30 , and a W-phase current flowing through a W-phase coil of motor 30 . That is, the motor 30 is a three-phase motor. In addition, each phase coil and the stator coil are expressions indicating the same coil. That is, the U-phase coil, the V-phase coil, and the W-phase coil are expressions included in the stator coil.

また、モータ３０では、ステータコイルの三相電流に励磁電流を重畳して、ロータの界磁巻線に界磁電流を誘導させる。モータ３０が駆動する際、ステータコイルには三相電流が流れるとともに、その三相電流に重畳して励磁電流が流れる。モータ３０は、この通電状態により、ロータの界磁巻線に界磁電流を誘導させることによって、ロータを回転させてトルクを出力する。 In the motor 30, the excitation current is superimposed on the three-phase current of the stator coil to induce the field current in the field winding of the rotor. When the motor 30 is driven, a three-phase current flows through the stator coils, and an exciting current superimposed on the three-phase current flows. The motor 30 rotates the rotor and outputs torque by inducing a field current in the field winding of the rotor in this energized state.

制御装置４０は、モータ駆動システム１の動作を制御する電子制御装置である。この電子制御装置はプロセッサとメモリとを備えている。そして、制御装置４０は、予めＲＯＭに格納されたプログラムをメモリの作業領域にロードして実行し、プログラムの実行を通じて各構成部などを制御することにより、所定の目的に合致した機能を実現する。さらに、制御装置４０は、予めＲＯＭに格納された制御プログラムに従って、モータ３０に生じるトルク変動を抑制するための制御（トルク変動低減制御）を実行可能である。 The control device 40 is an electronic control device that controls the operation of the motor drive system 1 . The electronic controller includes a processor and memory. The control device 40 loads a program stored in the ROM in advance into the work area of the memory, executes it, and controls each component through the execution of the program, thereby realizing a function that meets a predetermined purpose. . Furthermore, the control device 40 can execute control (torque variation reduction control) for suppressing torque variation occurring in the motor 30 according to a control program stored in the ROM in advance.

また、制御装置４０には各種センサからの信号が入力される。制御装置４０に入力される信号としては、モータ３０の回転位置を検出する回転位置センサからのモータ３０の回転位置や、モータ３０の電流を検出する電流センサからのモータ３０の電流値などがある。また、直流電源１０の電圧を検出する電圧センサからの直流電源１０の電圧や、直流電源１０の電流を検出する電流センサからの直流電源１０の電流値が挙げられる。そして、制御装置４０は、各種センサから入力された信号に基づいて各種の制御を実行する。例えば、制御装置４０は、回転位置センサから入力されたモータ３０の回転位置に基づいてモータ３０の電気角や回転数を演算する。 Signals from various sensors are input to the control device 40 . Signals input to the control device 40 include the rotational position of the motor 30 from a rotational position sensor that detects the rotational position of the motor 30 and the current value of the motor 30 from a current sensor that detects the current of the motor 30. . Further, the voltage of the DC power supply 10 from a voltage sensor that detects the voltage of the DC power supply 10 and the current value of the DC power supply 10 from a current sensor that detects the current of the DC power supply 10 are included. Then, the control device 40 executes various controls based on signals input from various sensors. For example, the control device 40 calculates the electrical angle and rotation speed of the motor 30 based on the rotational position of the motor 30 input from the rotational position sensor.

このように構成されたモータ駆動システム１では、モータ３０においてロータの界磁巻線に界磁電流が流れる際に、トルク変動が発生する。モータ３０が駆動する際、発生するトルク変動を小さくして、振動と騒音を低減することが望ましい。 In the motor drive system 1 configured in this manner, torque fluctuation occurs when the field current flows through the field winding of the rotor in the motor 30 . When the motor 30 is driven, it is desirable to reduce the torque fluctuations that occur to reduce vibration and noise.

そこで、制御装置４０がトルク変動低減制御を実行してインバータ２０を制御することにより、電流が所望の状態に制御される。この場合、モータ３０は、界磁電流によるトルク変動が、モータ３０の構造で決まるトルク変動と逆位相となるように、励磁電流を通電する。つまり、励磁電流は、モータ３０で生じるトルク変動を小さくすることができるように制御される。 Therefore, control device 40 executes torque variation reduction control to control inverter 20, thereby controlling the current to a desired state. In this case, the motor 30 supplies the exciting current so that the torque fluctuation due to the field current is in opposite phase to the torque fluctuation determined by the structure of the motor 30 . In other words, the exciting current is controlled so as to reduce torque fluctuations occurring in the motor 30 .

例えば、ｑ軸電流であるトルク電流は、図２に示す波形となるように制御される。また、励磁電流は、図３に示すように、ロータの界磁巻線に界磁電流を誘導させることにより生じるトルク変動が、モータ３０の構造で決まるトルク変動と逆位相となるように制御される。トルク変動について、図３に示すように、モータ３０の構造で決まるトルク変動と界磁電流によるトルク変動とが相殺されて、合計のトル変動が小さくなる。さらに、モータ３０は、励磁電流の周期を、モータ３０の構造で決まるトルク変動の周期と同じにすることが可能である。 For example, the torque current, which is the q-axis current, is controlled to have the waveform shown in FIG. 3, the excitation current is controlled so that the torque fluctuation caused by inducing the field current in the field winding of the rotor is in opposite phase to the torque fluctuation determined by the structure of the motor 30. be. As for the torque fluctuation, as shown in FIG. 3, the torque fluctuation determined by the structure of the motor 30 and the torque fluctuation due to the field current cancel each other out, so that the total torque fluctuation is reduced. Furthermore, the motor 30 can make the period of the exciting current the same as the period of torque fluctuation determined by the structure of the motor 30 .

以上説明した通り、実施形態によれば、ロータに界磁巻線を備えるモータ３０において、モータ３０の構造で決まるトルク変動と界磁電流によるトルク変動とが相殺されて、合計のトル変動が小さくなるので、モータ３０の駆動時に生じるトルク変動を小さくできる。そのため、振動と騒音とを低減することができる。 As described above, according to the embodiment, in the motor 30 having the field winding in the rotor, the torque fluctuation determined by the structure of the motor 30 and the torque fluctuation due to the field current cancel each other, so that the total torque fluctuation is small. Therefore, the torque fluctuation that occurs when the motor 30 is driven can be reduced. Therefore, vibration and noise can be reduced.

また、巻線界磁型モータにおいて、ブラシレスとトルク変動抑制とを両立することができる。仮に、界磁巻線に電流を流すためにブラシを設けた構成では、ブラシが摩耗するためメンテナンスが必要になる。メンテナンスフリー（ブラシレス）にするためには、外部から界磁巻線に界磁電流を誘導させる手法をとることができる。しかしながら、界磁巻線に界磁電流を誘導させる場合、電流が変動するためトルク変動が発生する。この場合、従来構成では、トルク変動を抑制するために余分な電流が必要になるため、効率が悪化し、入力（電源）を大きくする必要がある。これに対して、実施形態では、トルク変動を抑制するための余分な電流が不要になり、効率の悪化を抑制することができる。また、モータ３０への入力、すなわち直流電源１０を大きくしなくてもよい。 Further, in the wound field motor, it is possible to achieve both brushless and torque fluctuation suppression. Hypothetically, in a configuration in which a brush is provided for passing current through the field winding, maintenance is required because the brush is worn. In order to make it maintenance-free (brushless), it is possible to adopt a method of inducing a field current in the field winding from the outside. However, when a field current is induced in the field winding, the current fluctuates, resulting in torque fluctuations. In this case, in the conventional configuration, an extra current is required to suppress the torque fluctuation, so the efficiency deteriorates and it is necessary to increase the input (power supply). On the other hand, in the embodiment, an extra current for suppressing torque fluctuation is not required, and deterioration of efficiency can be suppressed. Also, the input to the motor 30, that is, the DC power supply 10 does not have to be increased.

なお、モータ駆動システム１が搭載される車両は、モータ３０のみを動力源とする電気自動車や、モータ３０とエンジンとを動力源とするハイブリッド車や、モータ３０を搭載した電車（鉄道車両）などであってもよい。また、モータ駆動システム１は、車両に限らず、様々な装置に適用することが可能である。 The vehicle on which the motor drive system 1 is mounted includes an electric vehicle using only the motor 30 as a power source, a hybrid vehicle using both the motor 30 and an engine as power sources, and an electric train (railway vehicle) equipped with the motor 30. may be In addition, the motor drive system 1 can be applied to various devices without being limited to vehicles.

１モータ駆動システム
１０直流電源
２０インバータ
３０モータ
４０制御装置 1 Motor Drive System 10 DC Power Supply 20 Inverter 30 Motor 40 Control Device

Claims

A motor having a field winding on a rotor,
While the excitation current is superimposed on the three-phase current of the stator to induce the field current in the field winding of the rotor, the torque fluctuation due to the field current is in the opposite phase to the torque fluctuation determined by the structure of the motor. A motor characterized in that the excitation current is energized so as to

2. The motor according to claim 1, wherein the period of the excitation current is the same as the period of torque fluctuation determined by the structure of the motor.