JP2023117007A - モータの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構造であってもモータのトルク特性又は出力特性を容易に制御することが可能なモータの制御方法を提供する。【解決手段】モータ１は、ステータコア４１を有するステータ４と、永久磁石３２を有するロータ３と、リアクトル６とを備える。リアクトル６は、アキシャル方向におけるステータコア４１の両端面４１４，４１５にそれぞれ対向配置された一対のリアクトルコア６１，７１と、一対のリアクトルコア６１，７１に巻回されたリアクトルコイル６２，６３，７２，７３とを有する。ステータコア４１は、リアクトルコイル６２，６３，７２，７３に流れるリアクトル電流により一方のリアクトルコア６１に発生した磁束を、アキシャル方向に沿って他方のリアクトルコア７１に通過させるように設けられている。モータ１の制御方法は、当該リアクトル電流の制御によって、永久磁石３２の回転に伴って発生する逆起電力を制御する。【選択図】図７

Description

本発明は、モータの制御方法に関する。

電動車両の動力源として電動のモータが使用されている。当該モータには、低速運転時の高トルク特性と、高速運転時の高回転特性が要求される。このような要求を満たすモータとして、ステータの磁気作用部とロータの磁気作用部とのオーバーラップ量を運転状況に応じて操作することによって界磁特性を変化させる可変界磁モータが知られている（例えば特許文献１）。

特許文献１に開示の可変界磁モータは、トルクカム機構によりロータを回転軸のアキシャル方向に変位させる。これにより、特許文献１に開示の可変界磁モータは、ロータの磁気作用部とステータの磁気作用部とのオーバーラップ量を操作することによって、界磁特性を変化させている。

特開２０１４－５０２５１号公報

しかしながら、特許文献１に開示の可変界磁モータでは、界磁特性を変化させるために、トルクカム機構のような機械的機構が必要となるので、モータの構造が複雑になる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、簡易な構造であってもモータのトルク特性又は出力特性を容易に制御することが可能なモータの制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るモータの制御方法は、ステータコアを有するステータと、永久磁石を有するロータと、を備えたモータの制御方法であって、前記モータは、リアクトルを更に備え、前記リアクトルは、前記モータの回転軸のアキシャル方向における前記ステータコアの両端面にそれぞれ対向配置された一対のリアクトルコアと、前記一対のリアクトルコアに巻回されたリアクトルコイルと、を有し、前記ステータコアは、磁気的等方性を有する磁性材料によって成形され、前記リアクトルコイルに流れるリアクトル電流により一方のリアクトルコアに発生した磁束を、前記アキシャル方向に沿って他方のリアクトルコアに通過させるように設けられており、前記制御方法は、前記リアクトル電流の制御によって、前記永久磁石の回転に伴って発生する逆起電力を制御することを特徴とする。

このような構成により、モータの制御方法は、リアクトル電流を制御することによって、ステータコアの磁気飽和の進行度合いを制御することができるので、永久磁石の回転に伴って発生する逆起電力を制御することができる。モータの制御方法は、弱め界磁制御を行ったり、機械的機構により界磁特性を変化させたりしなくても、車両の運転状況に応じて、モータ１のトルク特性又は出力特性を制御することができる。

本発明によれば、簡易な構造であってもモータのトルク特性又は出力特性を容易に制御することが可能なモータの制御方法を提供することができる。

本実施形態のモータの外観斜視図。 図１に示すロータ及びステータをアキシャル方向から視た上面図。 図１に示すリアクトルの斜視図。 ステータコアの磁気飽和の進行がモータ定数に与える影響を説明する図。 図４に示す飽和深さの各状態におけるモータのトルク－回転数曲線の計算結果を示す図。 図４に示すステータコアの飽和深さの各状態におけるモータの出力－回転数曲線の計算結果を示す図。 リアクトル電流を変化させた場合におけるモータのトルク－回転数曲線の計算結果を示す図。 リアクトル電流を変化させた場合におけるモータの出力－回転数曲線の計算結果を示す図。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。各実施形態において同一の符号を付された構成については、特に言及しない限り、各実施形態において同様の機能を有し、その説明を省略する。

本実施形態では、モータ１の回転軸２を周回する方向（図１の符号θ）を、単に「周方向」とも称する。本実施形態では、モータ１の回転軸２のアキシャル方向（図１の符号ｚ）を、単に「アキシャル方向」とも称する。本実施形態では、モータ１の回転軸２のラジアル方向（図１の符号ｒ）を、単に「ラジアル方向」とも称する。

［モータの構成］
図１～図３を用いて、本実施形態のモータ１の構成について説明する。

図１は、本実施形態のモータ１の外観斜視図である。図２は、図１に示すロータ３及びステータ４をアキシャル方向から視た上面図である。図２では、リアクトル６の図示が省略されている。図３は、図１に示すリアクトル６の斜視図である。図３では、ステータ４が仮想線にて図示され、回転軸２及びロータ３の図示が省略されている。

モータ１は、電動車両の動力源として使用される電動のモータである。モータ１は、モータ１の駆動回路においてバッテリ電圧を昇圧するコンバータを構成するリアクトル６と、一体的に形成されている。

具体的には、モータ１は、図１に示すように、ロータ３と、ステータ４と、リアクトル６を備える。モータ１は、ラジアル方向におけるロータ３とステータ４との間にギャップ５が設けられたラジアルギャップモータである。モータ１は、永久磁石３２を有するロータ３を備えた永久磁石同期モータである。本実施形態では、モータ１として、ロータコア３１の外周部３１１の表面（ロータコア３１の外周面）に永久磁石３２が固定されたＳＰＭ型の永久磁石同期モータについて説明する。モータ１は、ロータコア３１の外周部３１１の内部に永久磁石３２が埋め込まれたＩＰＭ型の永久磁石同期モータであってもよい。

ロータ３は、モータ１の界磁子を構成する。ロータ３は、ロータコア３１と、永久磁石３２とを有する。ロータコア３１は、その中心軸が回転軸２と一致するように回転軸２に固定された円筒状を有する。ロータコア３１は、回転軸２の周方向に回転する。

ステータ４は、モータ１の電機子を構成する。ステータ４は、ステータコア４１と、ステータコイル４２とを有する。ステータコア４１は、その中心軸が回転軸２と一致し、ロータ３を周方向において覆う円筒状を有する。ステータコア４１は、不図示のケーシングに固定されている。ステータコア４１は、ティース４１１と、ヨーク４１３とを有する。ティース４１１は、ステータコア４１の内周部において周方向に間隔をあけて、ヨーク４１３からアキシャル方向内側に延びるように複数形成されている。隣り合うティース４１１，４１１同士の間には、スロット４１２が形成されている。ヨーク４１３は、ラジアル方向においてティース４１１及びスロット４１２よりも回転軸２から離隔するステータコア４１の部分である。ヨーク４１３は、ステータコア４１の外周部である。

ステータコイル４２は、ステータコア４１に巻回されたコイルである。ステータコイル４２は、スロット４１２に収容され、ティース４１１に巻回されている。ステータコイル４２の巻回方式（分布巻きや集中巻き、単層巻きや２層巻き等）は、特に限定されない。なお、図２では、一部のスロット４１２にだけステータコイル４２が収容されているように図示を簡略化しているが、ステータコイル４２は、全てのスロット４１２に収容されている。

ステータコア４１は、磁気的等方性を有する磁性材料によって成形されている。「磁気的等方性を有する磁性材料」とは、磁性材料の結晶粒の磁化容易軸が特定の方向に揃っておらず、磁気特性が等方的である磁性材料のことである。磁気的等方性を有する磁性材料は、例えば、絶縁被覆が施された軟磁性金属粉末である。すなわち、ステータコア４１は、圧粉磁心であってもよい。

リアクトル６は、図３に示すように、一対のリアクトルコア６１，７１と、リアクトルコイル６２，６３，７２，７３とを有する。一対のリアクトルコア６１，７１は、アキシャル方向におけるステータコア４１の両端面４１４，４１５にそれぞれ対向配置されている。リアクトルコイル６２，６３は、一方のリアクトルコア６１に巻回されている。リアクトルコイル７２，７３は、他方のリアクトルコア７１に巻回されている。

リアクトルコア６１は、その中心軸が回転軸２と一致するように設けられたリング状を有する。リアクトルコア６１は、ステータコア４１の一端面４１４に対向配置されている。リアクトルコア６１は、不図示のケーシングに固定されている。リアクトルコア６１は、リング部６１１と、一対の突出部６１２，６１３とを有する。リング部６１１は、一対のリアクトルコイル６２，６３が巻回され、周方向に延びるリング状を有する。一対の突出部６１２，６１３のそれぞれは、リング部６１１の一部からステータコア４１の一端面４１４に向かって突出する。一対の突出部６１２，６１３のそれぞれのアキシャル方向の先端面は、ステータコア４１の一端面４１４とギャップ６５をあけて対向する。一対の突出部６１２，６１３は、回転軸２に対して対称の形状を有し、リング部６１１の周方向において等間隔をあけて配置されている。

一対のリアクトルコイル６２，６３は、突出部６１２又は突出部６１３を介して、リング部６１１の周方向に並ぶように配置されている。一対のリアクトルコイル６２，６３の各巻回方向は、周方向に沿って視た場合、互いに逆方向である。

リアクトルコア７１は、リアクトルコア６１と同様にリング状を有し、ステータコア４１の他端面４１５に対向配置されている。リアクトルコア７１は、リアクトルコア６１と同様に、一対のリアクトルコイル７２，７３が巻回され周方向に延びるリング部７１１と、リング部７１１の一部からステータコア４１の他端面４１５に向かって突出する一対の突出部７１２，７１３とを有する。一対の突出部７１２，７１３のそれぞれのアキシャル方向の先端面は、一対の突出部６１２，６１３と同様に、ステータコア４１の他端面４１５とギャップ７５をあけて対向する。一対のリアクトルコイル７２，７３は、一対のリアクトルコイル６２，６３と同様に、突出部７１２又は突出部７１３を介して、リング部７１１の周方向に並ぶように配置されている。一対のリアクトルコイル７２，７３の各巻回方向は、周方向に沿って視た場合、互いに逆方向である。

リアクトル６へのバッテリ電圧の印加時、リアクトルコイル６２，６３には直流電流（以下「リアクトル電流」とも称する）が流れる。このリアクトル電流により、リング部６１１には、リング部６１１を通過して突出部６１３に向かう磁束Ｍ６１，Ｍ６２が発生する。突出部６１３がステータコア４１の一端面４１４に対向配置されていることにより、リング部６１１に発生した磁束Ｍ６１，Ｍ６２は、突出部６１３において合流し、突出部６１３からステータコア４１の一端面４１４に流れ込む。ステータコア４１が磁気的等方性を有する磁性材料によって成形されていることにより、ステータコア４１の一端面４１４に流れ込んだ磁束Ｍ６３は、アキシャル方向に沿ってステータコア４１を通過する。他方のリアクトルコア７１の突出部７１３がステータコア４１の他端面４１５に対向配置されていることにより、ステータコア４１を通過する磁束Ｍ６３は、他端面４１５から突出部７１３に流れ込む。突出部７１３に流れ込んだ磁束Ｍ６３は、突出部７１３において磁束Ｍ６４，Ｍ６５に分流し、他方のリアクトルコア７１のリング部７１１を通過する。リング部７１１を通過する磁束Ｍ６４，Ｍ６５は、リアクトルコイル７２，７３を流れるリアクトル電流によって増幅され、突出部７１２に向かう。突出部７１２に向かう磁束Ｍ６４，Ｍ６５は、突出部７１２において合流し、突出部７１２からステータコア４１の他端面４１５に流れ込む。他端面４１５に流れ込んだ磁束Ｍ６６は、アキシャル方向に沿ってステータコア４１を通過する。ステータコア４１を通過する磁束Ｍ６６は、一端面４１４から突出部６１２に流れ込む。

このように、モータ１では、磁気的等方性を有する磁性材料によって成形されたステータコア４１が、一方のリアクトルコア６１及び他方のリアクトルコア７１と協働して、一方のリアクトルコア６１と他方のリアクトルコア７１との間において磁束Ｍ６３，Ｍ６６をアキシャル方向に通過させる閉磁路を形成することができる。すなわち、ステータコア４１は、ロータ３を回転駆動するラジアル方向に磁束を流すだけでなく、リアクトルのエネルギ蓄積機能を担保するためにアキシャル方向に磁束Ｍ６３，Ｍ６６を流すことができる。言い換えると、ステータコア４１は、少なくともラジアル方向及びアキシャル方向のそれぞれに磁束を流す３次元的な磁気回路を形成することができる。

これにより、ステータコア４１は、ステータコア４１の一部をリアクトル６のコアとして共用することができるので、リアクトル６のコアの重量及びコスト並びにモータ１の冷却構造の重量及びコストを削減することができる。加えて、ステータコア４１は、上記のような３次元的な磁気回路を形成できることから、磁気回路の設計自由度が高く、ロータ３を回転駆動する磁束とステータコア４１を通過する磁束Ｍ６３，Ｍ６６との干渉を抑制可能な磁気回路を簡単に形成することができる。したがって、モータ１は、モータ１及びリアクトル６の機能を損なうことなく、軽量化及び低コスト化を劇的に図ることができる。

［モータの制御方法］
図４～図８を用いて、本実施形態のモータ１の制御方法について説明する。

リアクトルコイル６２，６３又はリアクトルコイル７２，７３を流れるリアクトル電流が増大すると、ステータコア４１を通過するアキシャル方向の磁束Ｍ６３，Ｍ６６は増大するので、ステータコア４１のヨーク４１３における磁束密度が増大する。ステータコア４１の磁束密度が増大すると、ステータコア４１はやがて磁気飽和に到達する。モータ１は、このようなステータコア４１の磁気飽和が進行する現象を利用して、モータ定数を変化させることができる。モータ定数とは、具体的には、永久磁石３２による電機子鎖交磁束、及び、電機子の磁気インダクタンス等であり、モータ１の磁気的な特性を示す。

ところで、モータ１のような永久磁石同期モータでは、モータの回転駆動時に、ロータの回転に伴って永久磁石が回転する。この時、永久磁石の磁束は一定であるので、モータの回転数を上昇させるにつれて、永久磁石の回転に伴って発生する逆起電力が増大する。そして、モータの回転数が所定数に到達すると、当該逆起電力がモータの印加電圧と等しくなる。これにより、モータの回転数を当該所定数よりも上昇させることができなくなる。これを回避するため、永久磁石同期モータでは、弱め界磁制御が行われている。弱め界磁制御は、電機子コイルであるステータコイルに電流を供給して、永久磁石の磁束と逆方向の磁束をステータから発生させることによって、永久磁石の回転に伴って発生する逆起電力を小さくする。これにより、弱め界磁制御を行うモータは、モータの回転数を所定数より上昇させることができる。但し、弱め界磁制御においてステータコイルに供給される電流は、モータの回転駆動には使用されない電流である。弱め界磁制御を行うモータに投入される皮相電力は増大する。

本実施形態のモータ１は、ステータコア４１を通過するアキシャル方向の磁束Ｍ６３，Ｍ６６によってステータコア４１の磁気飽和が進行する現象を利用して、永久磁石３２の回転に伴って発生する逆起電力を低減する。これにより、モータ１は、弱め界磁制御を行ったり、機械的機構により界磁特性を変化させたりしなくても、車両の運転状況に応じて、モータ１のトルク特性又は出力特性を変化させることができる。

図４～図６を用いて、ステータコア４１の磁気飽和が進行する現象が、モータ１のモータ定数、トルク特性及び出力特性に与える影響について説明する。

図４は、ステータコア４１の磁気飽和の進行がモータ定数に与える影響を説明する図である。

図４の上段は、ステータコア４１の相対的な飽和深さの状態を示している。ステータコア４１の飽和深さは、ステータコア４１の磁気飽和の進行度合いを示す。飽和深さの値が小さいほど、ステータコア４１の磁気飽和の進行度合いが高いことを示す。図４の例では、ステータコア４１の飽和深さの状態１を基準（飽和深さ＝１）とする。図４の例では、ステータコア４１の飽和深さの状態が、状態１→状態２→状態３へと変化するに従って、飽和深さの値が小さくなっており、ステータコア４１の磁気飽和の進行度合いが高くなっている。また、ステータコア４１の磁気飽和の進行度合いが高くなると、磁気抵抗は大きくなる。なお、図４では、モータ１の極対数Ｐｎを２とし、リアクトル６に印加される直流電圧Ｖ_ＤＣ（バッテリ電圧）を１００Ｖとしている。

図４の下段は、図４の上段に示す飽和深さのそれぞれの状態でのモータ定数を示している。Ψａは、永久磁石３２による電機子鎖交磁束を示す。Ｌｄは、モータ１のｄ軸インダクタンスであり、Ｌｑは、モータ１のｑ軸インダクタンスである。ｄ軸及びｑ軸のそれぞれは、ロータ３と共に回転するｄ－ｑ回転座標系の座標軸である。図４の例では、ステータコア４１の飽和深さの状態が、状態１→状態２→状態３へと変化するに従って、Ψａ、Ｌｄ、Ｌｑが低減している。すなわち、ステータコア４１の磁気飽和の進行度合いが高くなると、Ψａ、Ｌｄ、Ｌｑが低減することが分かる。これは、ステータコア４１の磁気飽和の進行度合いが高くなると、永久磁石３２の回転に伴って発生する逆起電力が低減することを意味する。

図５は、図４に示す飽和深さの各状態におけるモータ１のトルク－回転数曲線（Ｔ－Ｎ曲線）の計算結果を示す図である。図６は、図４に示す飽和深さの各状態におけるモータ１の出力－回転数曲線（Ｐ－Ｎ曲線）の計算結果を示す図である。

図５に示すように、ステータコア４１の飽和深さの状態が状態１→状態２→状態３へと変化し、ステータコア４１の磁気飽和の進行度合いが高くなると、モータ１のトルクが低減する一方、モータ１の高回転数領域が拡大することが分かる。したがって、車両の運転状況が、大きなトルクを必要としない中速運転時から加速する運転状況、例えば、高速道路で追い越す状況や、高速道路の本線へ合流する状況の場合には、ステータコア４１の磁気飽和の進行度合いが高い状態が適していることが分かる。逆に、図５に示すように、ステータコア４１の飽和深さの状態が状態３→状態２→状態１へと変化し、ステータコア４１の磁気飽和の進行度合いが低くなると、モータ１の高回転数領域が縮小する一方、モータ１のトルクが増大していることが分かる。したがって、車両の運転状況が、大きなトルクを必要とする停車又は低速運転時から加速する運転状況、例えば、登坂する状況や段差を乗り越える状況の場合には、ステータコア４１の磁気飽和の進行度合いが低い状態が適していることが分かる。

図６に示すように、ステータコア４１の飽和深さの状態が状態１→状態２→状態３へと変化し、ステータコア４１の磁気飽和の進行度合いが高くなると、モータ１の高回転数領域が拡大することが分かる。また、図６から、ステータコア４１の磁気飽和の進行度合いが高くなると、モータ１の力率が高くなることが分かる。力率は、モータ１に投入される皮相電力に対する有効電力の比率であるので、ステータコア４１の磁気飽和の進行度合いが高くなると、有効電力が増大することが分かる。

このようなことから、モータ１は、ステータコア４１の磁気飽和の進行度合い（飽和深さ）を制御することによって、永久磁石３２の回転に伴って発生する逆起電力を制御することができる。これにより、モータ１は、車両の運転状況に応じてモータ１のトルク特性又は出力特性を制御することができると共に、力率の向上を図ることが期待できる。

図７及び図８を用いて、リアクトル電流がモータ１のトルク特性及び出力特性に与える影響について説明する。

図７は、リアクトル電流を変化させた場合におけるモータ１のトルク－回転数曲線の計算結果を示す図である。図８は、リアクトル電流を変化させた場合におけるモータ１の出力－回転数曲線の計算結果を示す図である。

上記のように、リアクトル６のリアクトル電流が増大すると、ステータコア４１を通過するアキシャル方向の磁束Ｍ６３，Ｍ６６は増大するので、ステータコア４１の磁気飽和の進行度合いが高くなる。また、上記のように、ステータコア４１の磁気飽和の進行度合いが高くなると、永久磁石３２の回転に伴って発生する逆起電力が低減され、モータ１の高回転数領域が拡大する。すなわち、モータ１は、図７及び図８に示すように、リアクトル電流を増大させることによって、モータ１の高回転数領域を拡大することができる。よって、モータ１のトルク特性又は出力特性を制御するべく、永久磁石３２の回転に伴って発生する逆起電力を制御するためには、リアクトル電流を制御して、ステータコア４１の磁気飽和の進行度合いを制御すればよい。

具体的には、大きなトルクを必要としない中速運転時から加速する運転状況である場合、モータ１の制御方法としては、リアクトル電流を大電流に制御して、ステータコア４１の磁気飽和の進行度合いを高くし、モータ１の高回転数領域を拡大する。また、大きなトルクを必要とする停車又は低速運転時から加速する運転状況である場合、モータ１の制御方法としては、リアクトル電流を小電流に制御して、ステータコア４１の磁気飽和の進行度合いを低くし、モータ１のトルクを大きくする。

以上のように、本実施形態のモータ１の制御方法は、ステータコア４１及びステータコイル４２を有するステータ４と、永久磁石３２を有するロータ３と、を備えたモータ１の制御方法である。モータ１は、リアクトル６を更に備える。リアクトル６は、モータ１の回転軸２のアキシャル方向におけるステータコア４１の両端面４１４，４１５にそれぞれ対向配置された一対のリアクトルコア６１，７１と、一対のリアクトルコア６１，７１に巻回されたリアクトルコイル６２，６３，７２，７３と、を有する。ステータコア４１は、磁気的等方性を有する磁性材料によって成形されている。ステータコア４１は、リアクトルコイル６２，６３，７２，７３に流れるリアクトル電流により一方のリアクトルコア６１に発生した磁束を、アキシャル方向に沿って他方のリアクトルコア７１に通過させるように設けられている。モータ１の制御方法は、当該リアクトル電流の制御によって、永久磁石３２の回転に伴って発生する逆起電力を制御する。

これにより、本実施形態のモータ１の制御方法は、車両の運転状況に応じてリアクトル電流を制御することによって、ステータコア４１の磁気飽和の進行度合いを制御することができるので、永久磁石３２の回転に伴って発生する逆起電力を制御することができる。したがって、本実施形態のモータ１の制御方法は、弱め界磁制御を行ったり、機械的機構により界磁特性を変化させたりしなくても、車両の運転状況に応じて、モータ１のトルク特性又は出力特性を制御することができる。よって、本実施形態のモータ１の制御方法は、簡易な構造であってもモータ１のトルク特性又は出力特性を容易に制御することが可能なモータの制御方法を提供することができる。本実施形態のモータ１の制御方法は、弱め界磁制御や機械的機構により界磁特性の変化を必要としないので、モータ１の省電力化及びカーボンニュートラル等の実現に貢献することができる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の変更を行うことができる。本発明は、或る実施形態の構成を他の実施形態の構成に追加したり、或る実施形態の構成を他の実施形態と置換したり、或る実施形態の構成の一部を削除したりすることができる。

１…モータ、２…回転軸、３…ロータ、３１…ロータコア、３２…永久磁石、４…ステータ、４１…ステータコア、４１４…一端面、４１５…他端面、６…リアクトル、６１…リアクトルコア、６２，６３…リアクトルコイル、７１…リアクトルコア、７２，７３…リアクトルコイル、ｚ…アキシャル方向

Claims (1)

1. ステータコアを有するステータと、永久磁石を有するロータと、を備えたモータの制御方法であって、
   前記モータは、リアクトルを更に備え、
   前記リアクトルは、前記モータの回転軸のアキシャル方向における前記ステータコアの両端面にそれぞれ対向配置された一対のリアクトルコアと、前記一対のリアクトルコアに巻回されたリアクトルコイルと、を有し、
   前記ステータコアは、
   磁気的等方性を有する磁性材料によって成形され、
   前記リアクトルコイルに流れるリアクトル電流により一方のリアクトルコアに発生した磁束を、前記アキシャル方向に沿って他方のリアクトルコアに通過させるように設けられており、
   前記制御方法は、前記リアクトル電流の制御によって、前記永久磁石の回転に伴って発生する逆起電力を制御する
   ことを特徴とするモータの制御方法。

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