JP5085206B2 - 可変磁束ドライブシステム - Google Patents

Description

本発明は、可変磁石を有する可変磁束モータとこの可変磁束モータを駆動するインバータを備えた可変磁束ドライブシステムに関する。

従来の誘導電動機（ＩＭモータ）に代わり、効率に優れ、小型化や低騒音化も期待できる永久磁石同期電動機（ＰＭモータ）が普及し始めている。例えば、鉄道車両や電気自動車向けの駆動モータとしてＰＭモータが利用されるようになってきている。

ＩＭモータは、磁束自体をステータからの励磁電流によって作り出すため、励磁電流を流すことによる損失が発生する技術的な問題点がある。

他方、ＰＭモータは、ロータに永久磁石を備え、その磁束を利用してトルクを出力するモータであるので、このようなＩＭモータの抱える問題はない。しかしながら、ＰＭモータは、その永久磁石のために回転数に応じた誘起電圧（逆起電圧）が発生する。鉄道車両や自動車など、回転範囲が広い応用分野では、最高回転数において生じる誘起電圧によって、ＰＭモータを駆動制御するインバータが（過電圧によって）破壊しないことが条件となる。この条件を満たすためには、インバータの耐圧を十分に高いものとするか、あるいは逆に、モータに備える永久磁石の磁束を制限する必要がある。前者は、電源側への影響もあり、後者を選択することが多い。その場合の磁束量を、ＩＭモータの磁束量（ＩＭモータの場合には励磁電流によって作りだすギャップ磁束量）と比較すると、１：３程度になるケースもある。この場合、同一のトルクを発生させるためには、磁束量の小さいＰＭモータでは、大きな（トルク）電流を流す必要がある。したがって、低速域において、同一トルクを出力する電流をＩＭモータとＰＭモータとで比較した場合に、ＰＭモータは、より大きな電流を流す必要がある。

このため、ＩＭモータと比べて、ＰＭモータを駆動するインバータの電流容量は増加する。さらに、一般に低速ではインバータ内のスイッチング素子のスイッチング周波数が高く、発生する損失は電流値に依存して増大することから、ＰＭモータでは低速で大きな損失と発熱が生じることになる。

電車などは走行風によって冷却を期待することもあり、低速時に大きな損失が生じることになれば、冷却能力を向上させる必要性からインバータ装置が大型化してしまう。また逆に、誘起電圧が高い場合、弱め界磁制御を行うことになるが、そのときは、励磁電流を重畳することで効率が低下してしまう。

このようにＰＭモータは、磁石を内在するが故のメリットとデメリットがある。モータとしてはそのメリットの分が大きく、損失低減や小型化につながる面もあるが、一方では電車や電気自動車など可変速制御の場合には、従来のＩＭモータに比べて効率の悪い動作点も存在する。また、インバータにとっては電流容量が増大し、損失も増大することから、装置サイズが大きくなる。システムの効率自体は、モータ側が支配的であるため、ＰＭモータの適用によって総合効率は改善するが、一方ではインバータのサイズが増加することがシステムのデメリットとなり、好ましくない。

特許文献１には、低出力運転、高出力運転の何れにおいても電動機及びインバータを高効率で運転し、システム効率を高める電気自動車駆動用交流電動機が記載されている。この電気自動車駆動用交流電動機は、界磁磁極に埋め込んだ永久磁石による磁束と、必要に応じて励磁コイルによる磁束とにより界磁磁束を作り、電動機出力に応じて、界磁磁束発生源を永久磁石のみと永久磁石及び励磁コイル双方とに切り替えるとともに、回転変圧器を介して励磁電流を供給する。

したがって、この電気自動車駆動用交流電動機は、電動機出力に応じて、例えば低出力時は永久磁石のみの運転にすることができるため、運転効率が向上する。また、電動機の低速域での電動機電圧を高くすることができるため、電流を低減でき、電動機巻線の銅損やインバータの発生損失を小さくしてシステム効率を向上させることができる。特に、低・中速域で運転されることの多い電気自動車にとってこの効果は大きく、電流利用効率の向上、一充電走行距離の延長が可能である。

さらに、この電気自動車駆動用交流電動機は、永久磁石を減磁させないため、インバータ制御が簡単になるとともに、異常過電圧が発生せず、機器の保護を図ることができる。また、回転変圧器は高周波動作させることにより小形化が可能であり、電動機ないしシステム全体の小形軽量化を図ることができる。

これに対し、インバータによる電流によって磁石磁束を可変にすることが可能な可変磁束ドライブシステムがある。このシステムは、運転条件に合わせて永久磁石の磁束量を変化させることができるため、従来の磁石固定のＰＭモータドライブシステムに比べて効率の向上が期待できる。また、磁石が不要な際は磁束量を小さくすることで誘起電圧を極力抑制することも可能である。

図２３は、永久磁石同期電動機ドライブシステムの１例を示すブロック構成図である。主回路は、直流電源３、直流電力を交流電力に変換するインバータ４、このインバータ４の交流電力により駆動される永久磁石同期電動機１ａで構成される。そして、主回路には、モータ電流を検出するための電流検出器２、永久磁石同期電動機１ａのロータ回転角度を検出するための回転角度センサ１８が設置されている。インバータ４は、直流電源３からの直流電力を交流電力に変換し、永久磁石同期電動機１ａに供給する。永久磁石同期電動機１ａに供給される電流は、電流検出器２で検出され、電圧指令演算部１０に入力される。

次に、制御回路について説明する。ここでの入力は、トルク指令である。このトルク指令は、永久磁石同期電動機１ａが所望のトルクになるように生成されたものであり、適切な手段により出力される。電流指令演算部１１は、入力されたトルク指令に基づき、Ｄ軸電流とＱ軸電流を決定するためのＤ軸電流指令Ｉｄ＊、及びＱ軸電流指令Ｉｑ＊を生成して電圧指令演算部１０に出力する。また、永久磁石同期電動機１ａのロータ回転角度は、回転角度センサ１８で検出され、電圧指令演算部１０に出力される。

電圧指令演算部１０は、入力されたＤ軸電流指令Ｉｄ＊、Ｑ軸電流指令Ｉｑ＊に基づき、当該指令にＤ軸電流Ｉｄ及びＱ軸電流Ｉｑが一致するように電流が流れるように、ＤＱ軸電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を演算して生成する。その際、電圧指令演算部１０は、電流偏差にＰＩ制御を施し、ＤＱ軸電圧指令を求める。その後、電圧指令演算部１０は、ＤＱ軸電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を座標変換して、三相の電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を生成し、ＰＷＭ回路６に出力する。ここでは、電圧指令演算部１０がＤＱ軸電圧指令から三相の電圧指令への変換も行っているが、例えば座標変換部を設けて電圧指令の変換を演算させることも可能である。

ＰＷＭ回路６は、入力された三相の電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に基づき、インバータ４のスイッチング素子をオンオフ制御する。
特開平５−３０４７５２号公報

しかしながら、図２３に示すように、従来の永久磁石同期電動機ドライブシステムにおいては、負荷接触器９がインバータ４の交流側に設置される必要がある。永久磁石同期電動機１ａは、永久磁石を有しているため、インバータ４がゲートオフした場合において、惰性でモータが回転している限り、誘起電圧（逆起電圧）が発生する。誘起電圧が直流電源３の直流電圧より高い場合に、インバータ４に過電圧がかかるとともに、永久磁石同期電動機１ａに対してブレーキ力がかかる。

永久磁石同期電動機１ａやインバータ４が短絡や地絡を起こした場合、誘起電圧によって、電流が流れ続け、永久磁石同期電動機１ａやインバータ４の過熱・焼損といった問題を引き起こす可能性がある。

したがって、当該ドライブシステムにおいて、インバータ４は、ゲートオフされるとともに、負荷接触器９は、開放される。これにより、インバータ４に誘起電圧が印加されるのを防ぐとともに、永久磁石同期電動機１ａやインバータ４に故障電流が流れ続けるのを防ぐことができる。

ところが、負荷接触器９の寿命は、その開閉回数に大きく依存する。したがって、開閉頻度が高い負荷接触器９は、部品としての故障率が高く、寿命が短くなるという問題がある。システムの信頼性を向上するため、図２３に示すように、各相に負荷接触器９を２重化して設置するといったことが行われているが、根本的な解決になっておらず、また、コストもかかる。

さらに、インバータ４停止時に誘起電圧を抑えるために弱め界磁制御を行うことも考えられるが、励磁電流を流すことによる効率の低下や加熱が生じ、冷却装置の設置等も必要となることから、コスト面や装置の大型化といった問題も生じる。

本発明は上述した従来技術の問題点を解決するもので、永久磁石電動機に代えて、磁石磁束を可変に制御できる可変磁束モータを適用し、用いられる可変磁石の磁束に基づく逆起電圧を簡易な装置で状況に応じて抑え、高速域においてブレーキ力がかかるのを防ぐとともに、システムを安全に保護する可変磁束モータドライブシステムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る可変磁束モータドライブシステムは、少なくとも低保持力の永久磁石である可変磁石を有する永久磁石電動機と、前記永久磁石電動機を駆動するインバータと、前記可変磁石の磁束を制御するための磁化電流を供給する磁化部と、前記可変磁石に対して減磁を行うべきか否かを判断し、判断結果に基づき減磁信号を生成する減磁判断部と、前記減磁判断部により生成された減磁信号に基づき、前記可変磁石に対して減磁を行う１以上の減磁部と、前記可変磁石の磁束を推定又は検出するとともに、前記インバータが停止し且つ前記可変磁石の磁束が所定の値以上である場合に減磁要求信号を生成する磁束検出部とを備え、前記減磁判断部は、前記磁束検出部により生成された減磁要求信号に基づき、前記可変磁石に対して減磁を行うべきか否かを判断して、減磁信号を生成することを特徴とする。

本発明によれば、可変磁束モータドライブシステムの保護が必要とされる場合やインバータの停止時に減磁を行うので、逆起電圧が抑えられ、ブレーキ力がかかるのを防ぐとともに、システムを安全に保護することができる。

以下、本発明の可変磁束モータドライブシステムの実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１の可変磁束モータドライブシステムの構成を示すブロック図である。なお、図１および後述の各実施の形態を示す図において、図２３における構成要素と同一ないし均等のものは、前記と同一符号を以て示し、重複した説明を省略する。図１を説明する前に、永久磁石同期電動機としての可変磁束モータについて説明する。

可変磁束モータ１のイメージを図２に示す。ステータ側は従来のモータと同様と考えてよい。ロータ５１側には永久磁石として、磁性体の磁束密度が固定の固定磁石ＦＭＧと、磁性体の磁束密度が可変の可変磁石ＶＭＧとがある。従来のＰＭモータは、前者の固定磁石ＦＭＧのみであるのに対して、本可変磁束モータ１の特徴は、可変磁石ＶＭＧが備わっていることにある。

ここで固定磁石や可変磁石について、説明を加える。永久磁石とは、外部から電流などを流さない状態において磁化した状態を維持するものであって、いかなる条件においてもその磁束密度が厳密に変化しないというわけではない。従来のＰＭモータであっても、インバータなどにより過大な電流を流すことで減磁したり、あるいは逆に着磁したりする。よって、永久磁石とは、その磁束量が一定不変なものではなく、通常の定格運転中に近い状態ではインバータ等から供給される電流によって磁束密度が概ね変化しないもののことを指す。一方、前述の磁束密度が可変である永久磁石、つまり、可変磁石とは、上記のような運転条件においてもインバータ等で流し得る電流によって磁束密度が変化するものを指す。

このような可変磁石は、磁性体の材質や構造に依存して、ある程度の範囲で設計が可能である。例えば、最近のＰＭモータは、残留磁束密度Ｂｒの高いネオジム（ＮｄＦｅＢ）磁石を用いることが多い。この磁石の場合、残留磁束密度Ｂｒが１．２Ｔ程度と高いため、大きなトルクを小さい装置サイズにて出力可能であり、モータの高出力小型化が求められるハイブリッド車ＨＥＶや電車には好適である。従来のＰＭモータの場合、通常の電流によって減磁しないことが要件であるが、このネオジム磁石（ＮｄＦｅＢ）は約１０００ｋＡ／ｍの非常に高い保持力Ｈｃを有しているので、ＰＭモータ用に最適な磁性体である。ＰＭモータ用には、残留磁束密度が大きく、保磁力の大きい磁石が選定されるためである。

ここで、残留磁束密度が高く、保持力Ｈｃの小さいアルニコＡｌＮｉＣｏ（Ｈｃ＝６０〜１２０ｋＡ／ｍ）やＦｅＣｒＣｏ磁石（Ｈｃ＝約６０ｋＡ／ｍ）といった磁性体を可変磁石とする。通常の電流量（インバータによって従来のＰＭモータを駆動する際に流す程度の電流量という意味）によって、ネオジム磁石の磁束密度（磁束量）はほぼ一定であり、アルニコＡｌＮｉＣｏ磁石などの可変磁石の磁束密度（磁束量）は可変となる。厳密に言えば、ネオジム磁石は可逆領域で利用しているため、微小な範囲で磁束密度が変動するが、インバータ電流がなくなれば当初の値に戻る。他方、可変磁石は不可逆領域まで利用するため、インバータ電流がなくなっても当初の値にならない。

図２は、可変磁束モータ１を、簡単なイメージとしてモデル化したものである。同図において、可変磁石ＶＭＧであるアルニコ磁石の磁束量も、Ｄ軸方向の量が変動するだけで、Ｑ軸方向はほぼ０である。

図３は、可変磁束モータ１の具体的な構成例を示している。回転子（ロータ）５１は、回転子鉄心５２中に、ネオジム磁石（ＮｄＦｅＢ）などの高保磁力の永久磁石５４とアルニコ磁石（ＡｌＮｉＣｏ）などの低保磁力の永久磁石５３とを組み合わせて配置した構成である。可変磁石ＶＭＧである低保磁力永久磁石５３は、回転子鉄心５２の磁極部５５の両側に、それぞれ隣接する磁極部５５との境界域に径方向に配置してある。固定磁石ＦＭＧである高保磁力磁石５４は、回転子鉄心５２の磁極部５５において径に直交する方向に配置してある。この構造により、可変磁石ＶＭＧである低保磁力永久磁石５３はＱ軸方向とその磁化方向が直交するため、Ｑ軸電流の影響を受けず、Ｄ軸電流によって磁化される。

図４は、固定磁石と可変磁石のＢＨ特性（磁束密度−磁化特性）を例示している。また、図５は、図４の第２象限のみを定量的に正しい関係にて示したものである。ネオジム磁石とアルニコ磁石の場合、それらの残留磁束密度Ｂｒ１，Ｂｒ２には有意差はないが、保磁力Ｈｃ１，Ｈｃ２については、ネオジム磁石（ＮｄＦｅＢ）のＨｃ２に対し、アルニコ磁石（ＡｌＮｉＣｏ）のＨｃ１は１／１５〜１／８、ＦｅＣｒＣｏ磁石のＨｃ１は１／１５になる。

従来のＰＭモータドライブシステムにおいて、インバータの出力電流による磁化領域は、ネオジム磁石（ＮｄＦｅＢ）の保磁力より十分に小さく、その磁化特性の可逆範囲で利用されている。しかしながら、可変磁石は、保磁力が上述のように小さいため、インバータの出力電流の範囲において、不可逆領域（電流を０にしても、電流印加前の磁束密度Ｂに戻らない）での利用が可能で、磁束密度（磁束量）を可変にすることができる。

可変磁束モータ１の動特性の等価簡易モデルを、（１）式に示す。同モデルは、Ｄ軸を磁石磁束方向、Ｑ軸をＤ軸に直行する方向として与えたＤＱ軸回転座標系上のモデルである。

ここに、Ｒ１：巻線抵抗、Ｌｄ：Ｄ軸インダクタンス、Ｌｑ：Ｑ軸インダクタンス、Φｆｉｘ：固定磁石の磁束量、Φｖａｒ：可変磁石の磁束量、ω１：インバータ周波数である。

図１に示す可変磁束モータドライブシステムは、可変磁束モータ１、電流検出器２、直流電源３、直流電力を交流電力に変換するインバータ４、切替器５ａ、ＰＷＭ回路６、停止減磁判断部８ａ、電圧指令演算部１０、電流指令演算部１１、及び回転角度センサ１８で構成されている。ここで、この可変磁束モータドライブシステムは、主回路と制御回路とに分けることができる。直流電源３、インバータ４、可変磁束モータ１、モータ電流を検出するための電流検出器２、及び可変磁束モータ１の回転角度を検出するための回転角度センサ１８は、主回路を構成するものとする。また、切替器５ａ、ＰＷＭ回路６、停止減磁判断部８ａ、電圧指令演算部１０、及び電流指令演算部１１は、制御回路を構成するものとする。

可変磁束モータ１は、本発明の永久磁石電動機に対応し、低保持力の永久磁石である可変磁石（例えばアルニコ磁石）を有する。

インバータ４は、可変磁束モータ１を駆動する。また、インバータ４は、本発明の磁化部にも対応し、可変磁束モータ１の有する可変磁石の磁束を制御するための磁化電流を供給する。さらに、インバータ４は、本発明の減磁部にも対応し、停止減磁判断部８ａにより生成された減磁信号に基づき、可変磁石に対して減磁を行う。また、インバータ４は、可変磁束モータ１に直結されており、従来のように負荷接触器を必要としない。本実施例において、減磁部は、１つであるが、複数であってもよい。減磁部が複数ある場合の実施例については、後述する。

停止減磁判断部８ａは、本発明の減磁判断部に対応し、可変磁束モータ１の有する可変磁石に対して減磁を行うべきか否かを判断し、判断結果に基づき減磁信号を生成する。本実施例においては、停止減磁判断部８ａは、インバータ４が動作を停止する場合又は当該可変磁束モータドライブシステムの内外にて故障が生じ、当該ドライブを保護停止する場合に、可変磁石に対して減磁を行うべきであると判断して、減磁信号を生成する。

ＰＷＭ回路６、電圧指令演算部１０、電流指令演算部１１、及び回転角度センサ１８は、従来技術と同様であり、重複した説明を省略する。

切替器５ａは、停止減磁判断部８ａにより生成された減磁信号に応じて出力を切り替える。減磁信号が停止減磁判断部８ａから出力されていない場合（減磁フラグＦＬＧ＿ＤＥＭＡＧ＝０）には、切替器５ａは、電圧指令演算部１０により生成された三相の電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊をＰＷＭ回路６に出力する。

一方、減磁信号が停止減磁判断部８ａから出力されている場合（減磁フラグＦＬＧ＿ＤＥＭＡＧ＝１）には、切替器５ａは、０を出力する。この場合には、ＰＷＭ回路６は、Ｕ，Ｖ，Ｗ相のそれぞれが同時にオンオフを繰り返すような制御信号をインバータ４に出力する。したがって、インバータ４は、可変磁束モータ１の各線間を短絡し、可変磁石を減磁する。

なお、図６は、インバータ４の詳細な構成を示す図である。上述したように、停止減磁判断部８ａにより減磁信号が出力された場合には、三相の全てが全オン又は全オフするため、結果として、インバータ４は、可変磁束モータ１の各線間を短絡し、可変磁石を減磁する。また、可変磁束モータ１の有する可変磁石を減磁する方法として、インバータ４の６つのスイッチング素子のうちいずれか１つをオンにする方法も挙げられる。１つの素子をオンすることで、ロータ回転の位相角が所定の位相角になった場合に、誘起電圧を減磁させる減磁電流を流すことが可能になる。可変磁束モータ１の誘起電圧が問題になるのは、可変磁束モータ１が回転しているときであり、回転とともにロータの回転位相角は必ず所定の回転位相角を通過するため、可変磁石を減磁させることができる。

また別の方法として、インバータ４の出力電圧を低下させて減磁を行うこともできる。可変磁束モータ１の線間短絡を行うことは、インバータ４の出力電圧を０とすることと同義であるが、出力電圧を低下させるだけでも十分に減磁の効果は得られる。例えば、通常の磁化動作と同様に、減磁目標となる磁束を得るために流すべき磁化電流指令をＤ軸電流指令に与え、これを流すように減磁させることもできる。磁化電流を流しきる時間にもよるが、出力電圧は、磁石磁束の低下すなわち減磁とともに、低下する。

なお、本発明における減磁部が、可変磁束モータ１の線間の少なくとも１つを短絡して減磁を行う場合には、減磁電流の大きさが所定値に達するならば、その短絡する時間はごく短時間でよく、一瞬短絡するだけでも減磁の効果は得られる。

次に、上述のように構成された本実施の形態の作用を説明する。図７は、停止減磁判断部８ａの詳細な構成の１例を示すブロック図である。制御回路について説明する。ここでの入力は、保護信号ＰＲＯＴと運転指令ＲＵＮ＿ＣＭＤである。これらの信号は、システム内の適切な手段により生成されたものである。停止減磁判断部８ａは、これらの信号に基づき、インバータ４が動作を停止する場合又は当該可変磁束モータドライブシステムを保護する場合のタイミングを知ることができる。

基本的には、運転指令が入った場合に、運転指令を運転状態（ＲＵＮ＿ＣＭＤ＝１）にし、運転指令が停止を指示した場合には、運転指令を停止状態（ＲＵＮ＿ＣＭＤ＝０）にする。

まず通常の運転停止について説明する。図８（ａ）は、通常の運転停止における各信号の状態を時間軸に沿って示したものである。通常の運転状態にあるときには、運転指令ＲＵＮ＿ＣＭＤ＝１であり、保護信号ＰＲＯＴ＝０である。したがって、ＮＯＴ回路２０の出力は１であり、ＡＮＤ回路２１の出力も１となる。ここで、ＡＮＤ回路２１の出力は、保護を含めた運転指令であると言える。

これまで通常の運転が継続しているとすると、前回値保持回路２３の出力は１となる。また、ＮＯＴ回路２２の出力は０であるため、ＡＮＤ回路２４の出力は０となる。ＯＦＦＴＤ回路２５は、入力された値が１である場合に、所定時間経過後に０を出力する回路である。ここでは、０が継続してＯＦＦＴＤ回路２５に入力されているため、ＯＦＦＴＤ回路２５は、０を出力し続ける。以上により、減磁フラグＦＬＧ＿ＤＥＭＡＧ＝０となる。また、ＯＲ回路２６の出力は１となる。

一方、重故障判断回路２７は、適切な手段により、当該可変磁束モータドライブシステムの状態を取得することができる。この可変磁束モータドライブシステムが健全であるか、若しくは軽故障、他装置異常といった状態である場合には、重故障判断回路２７は、０を出力する。また、可変磁束モータドライブシステムが重故障である場合には、重故障判断回路２７は、１を出力する。ここでは、健全であるため、重故障判断回路２７は、０を出力する。したがって、ＮＯＴ回路２８の出力は、１となり、ＡＮＤ回路２９は、１を出力する。

以上より、停止減磁判断部８ａから出力されるゲート指令Ｇｓｔの値は、１となる。ＰＷＭ回路６は、停止減磁判断部８ａにより生成されたゲート指令Ｇｓｔに基づき、インバータ４に内在するスイッチング素子を制御（ゲートオン）する。

図８（ａ）の時刻ｔ_０に示すように、運転指令が停止を指示した場合（ＲＵＮ＿ＣＭＤ＝０）には、ＯＦＦＴＤ回路２５に１が入力され、減磁フラグはオン（ＦＬＧ＿ＤＥＭＡＧ＝１）となる。また、時刻ｔ_０において、ゲート指令Ｇｓｔは、１のままである。減磁フラグがオンであるため、上述したように、切替器５ａは、０を出力する。この場合には、ＰＷＭ回路６は、Ｕ，Ｖ，Ｗ相のそれぞれが同時にオンオフを繰り返すような制御信号をインバータ４に出力する。したがって、インバータ４は、可変磁束モータ１の各線間を短絡し、可変磁石を減磁する。

時刻ｔ_０から所定時間が経過した後、時刻ｔ_１においてＯＦＦＴＤ回路２５は、０を出力する。したがって、減磁フラグはオフ（ＦＬＧ＿ＤＥＭＡＧ＝０）となる。この減磁フラグがオンであった期間（時刻ｔ_０から時刻ｔ_１まで）にのみ、切替器５ａは０を出力し、インバータ４は減磁を行う。

時刻ｔ_１においてゲート指令Ｇｓｔは、０となる。したがって、インバータ４のスイッチング素子は、ゲートオフされ、インバータ４は、運転を停止する。

次に、軽故障における保護停止の場合について説明する。図８（ｂ）は、軽故障の保護停止における各信号の状態を時間軸に沿って示したものである。時刻ｔ_０において、保護信号ＰＲＯＴは、０から１となる。したがって、ＡＮＤ回路２１の出力である保護を含めた運転指令は、０となる。したがって、ＯＦＦＴＤ回路２５の出力は１となり、減磁フラグがオン（ＦＬＧ＿ＤＥＭＡＧ＝１）となるため、インバータ４による減磁が行われる。また、所定時間経過後の時刻ｔ_１において、ゲート指令Ｇｓｔは、０となる。したがって、インバータ４のスイッチング素子は、ゲートオフされ、インバータ４は、運転を停止する。通常の運転停止と異なる点は、運転指令が運転状態（ＲＵＮ＿ＣＭＤ＝１）のままであっても、保護信号ＰＲＯＴが１となった場合には、減磁を行った上でインバータ４を停止する点である。

最後に、重故障における保護停止の場合について説明する。図８（ｃ）は、重故障の保護停止における各信号の状態を時間軸に沿って示したものである。なお、軽故障と重故障の判定基準は、設計者や使用者等が自由に設計することができるが、通常は、自システムの故障によりゲート指令でゲートをオンすることが危険であり、一刻も早くシステムを停止する必要があるような故障は、重故障とする。時刻ｔ_０において、保護信号ＰＲＯＴは、０から１となる。それと同時に、重故障判断回路２７は、重故障であるとの判断に基づき１を出力する。したがって、ゲート指令Ｇｓｔは、０となり、インバータ４は、直ちに運転を停止する。

時刻ｔ_０において、ＯＦＦＴＤ回路２５の出力は１となり、減磁フラグがオン（ＦＬＧ＿ＤＥＭＡＧ＝１）となるが、インバータ４は停止しているため、減磁は行われない。

上述のとおり、本発明の実施例１の形態に係る可変磁束モータドライブシステムによれば、可変磁束モータドライブシステムの保護が必要とされる場合やインバータ４の停止時に減磁を行うので、逆起電圧が抑えられ、ブレーキ力がかかるのを防ぐとともに、システムを安全に保護することができる。

また、停止減磁判断部８ａから減磁信号が出力された場合に、インバータ４を制御して簡易に減磁を行うので、既存の装置を有効活用して本発明を実現することができる。さらに、減磁を行うことにより、逆起電圧が抑えられるため、図２３示すような負荷接触器９が不要となり、コストの削減につながる。

なお、本実施例において、インバータ４と可変磁束モータ１とは直結されているが、従来のように、インバータ４と可変磁束モータ１との間に、両者の電気的な接続を制御する接触器を備えてもよい。この場合、減磁判断部８ａは、インバータ４が動作を停止する場合又は当該可変磁束モータドライブシステムを保護する場合に、制御信号を出力して接触器を開放させる。このような構成にすることにより、当該可変磁束モータドライブシステムは、信頼性を高めることができる。この可変磁束モータドライブシステムは、インバータ４を減磁部として備えているため、接触器を各相に１個（二重化して入れない）のみ設置する構成としてもよい。

図９は、現行ドライブと本発明の可変磁束モータドライブとの間で磁束の制御を比較した図である。図９（ａ）は、現行ドライブであるＰＲＭの磁束の制御を示す。ＰＲＭの磁石磁束は、回転速度によらず一定であるため、発生する逆起電圧は、回転速度の上昇とともに、高くなる。ここで、電車やＥＶ／ＨＥＶ、そして船舶等、複数のドライブシステムで一つの対象を駆動するものがある。この場合、自身のドライブのみで対象の速度（モータ回転数）が決定できない場合があり、また、対象に作用する外力（風、勾配）によって、対象がさらに加速する場合もある。そのような場合、インバータを停止してモータが惰行している際においても回転速度が上昇することが考えられ、逆起電圧は、回転速度とともに上昇する。したがって、上述したように、この逆起電圧は、インバータ４の耐圧を超え、装置の破壊やモータに対するブレーキ力の発生、短絡による事故の誘因となり得る。

これに対して、図９（ｂ）に示す本発明の可変磁束モータドライブは、インバータ４を停止する際に減磁が行われ磁石磁束を最小値にするため、可変磁束モータ１が惰行している際に回転速度が上昇したとしても、逆起電圧が発生しておらず、システムを安全に保護することができる。また、低速域において、磁石磁束を大きくすることで可変磁束モータ１に流す電流を低減できるため、インバータ４の小型化・コストダウンが実現できる。

図１０は、本発明の実施例２の可変磁束モータドライブシステムの構成を示すブロック図である。実施例１の構成と異なる点は、切替器５ａが無い点、可変磁束モータ１の線間に接触器７ａ及び接触器７ｂが設けられている点、及び停止減磁判断部８ｂが減磁信号により接触器７ａ，７ｂを制御する点である。

接触器７ａ，７ｂは、本発明の減磁部に対応し、停止減磁判断部８ｂにより生成された減磁信号に基づき、可変磁石に対して線間を短絡することにより減磁を行う。したがって、本実施例において、減磁部は、２つ存在する。

停止減磁判断部８ｂは、実施例１と同様、インバータ４が動作を停止する場合又は当該可変磁束モータドライブシステムを保護する場合に、可変磁石に対して減磁を行うべきであると判断して、減磁信号を生成し、接触器７ａ，７ｂに出力する。

その他の構成は、実施例１と同様であり、重複した説明を省略する。

次に、上述のように構成された本実施の形態の作用を説明する。図１１は、停止減磁判断部８ｂの詳細な構成を示すブロック図である。制御回路について説明する。ここでの入力は、保護信号ＰＲＯＴと運転指令ＲＵＮ＿ＣＭＤである。これらの信号は、システム内の適切な手段により生成されたものである。

基本的には、運転指令が入った場合に、運転指令を運転状態（ＲＵＮ＿ＣＭＤ＝１）にし、運転指令が停止を指示した場合には、運転指令を停止状態（ＲＵＮ＿ＣＭＤ＝０）にする。

まず通常の運転停止について説明する。図１２（ａ）は、通常の運転停止における各信号の状態を時間軸に沿って示したものである。通常の運転状態にあるときには、運転指令ＲＵＮ＿ＣＭＤ＝１であり、保護信号ＰＲＯＴ＝０である。したがって、減磁フラグＦＬＧ＿ＤＥＭＡＧ＝０となる。また、停止減磁判断部８ｂから出力されるゲート指令Ｇｓｔの値は、１となる。ＰＷＭ回路６は、停止減磁判断部８ａにより生成されたゲート指令Ｇｓｔに基づき、インバータ４に内在するスイッチング素子を制御する。

図１２（ａ）の時刻ｔ_０に示すように、運転指令が停止を指示した場合（ＲＵＮ＿ＣＭＤ＝０）には、ＯＦＦＴＤ回路２５に１が入力され、減磁フラグはオン（ＦＬＧ＿ＤＥＭＡＧ＝１）となる。この際、停止減磁判断部８ｂは、減磁信号を接触器７ａ，７ｂに出力する。接触器７ａ，７ｂは、減磁信号に基づき、可変磁石に対して線間を短絡することにより減磁を行う。

また、実施例１と異なる点として、時刻ｔ_０において、ゲート指令Ｇｓｔは、０となる。したがって、インバータ４のスイッチング素子は、ゲートオフされ、インバータ４は、運転を停止する。実施例１の場合は、インバータ４が減磁部であったため、インバータ４を停止してしまうと減磁を行うことができなかったが、本実施例における可変磁束モータドライブシステムは、減磁部として接触器７ａ，７ｂを備えているので、インバータ４が運転を停止しているときにも、減磁を行うことができる。

時刻ｔ_０から所定時間が経過した後、時刻ｔ_１においてＯＦＦＴＤ回路２５は、０を出力する。したがって、減磁フラグはオフ（ＦＬＧ＿ＤＥＭＡＧ＝０）となり、接触器７ａ，７ｂは、線間短絡による減磁を停止する。

次に、軽故障における保護停止の場合について説明する。図１２（ｂ）は、軽故障の保護停止における各信号の状態を時間軸に沿って示したものである。時刻ｔ_０において、保護信号ＰＲＯＴは、０から１となる。したがって、ＯＦＦＴＤ回路２５の出力は１となり、減磁フラグがオン（ＦＬＧ＿ＤＥＭＡＧ＝１）となるため、接触器７ａ，７ｂによる減磁が行われる。それと同時に、ゲート指令Ｇｓｔは、０となる。したがって、インバータ４のスイッチング素子は、ゲートオフされ、インバータ４は、運転を停止する。通常の運転停止と異なる点は、運転指令が運転状態（ＲＵＮ＿ＣＭＤ＝１）のままであっても、保護信号ＰＲＯＴが１となった場合には、インバータ４を停止するとともに、減磁を行う点である。

最後に、重故障における保護停止の場合について説明する。図１２（ｃ）は、重故障の保護停止における各信号の状態を時間軸に沿って示したものである。時刻ｔ_０において、保護信号ＰＲＯＴは、０から１となる。それと同時に、重故障判断回路２７は、重故障であるとの判断に基づき１を出力する。したがって、ゲート指令Ｇｓｔは、０となり、インバータ４は、直ちに運転を停止する。したがって、本実施例において、停止減磁判断部８ｂを用いる場合は、当該可変磁束モータドライブシステムは、軽故障の場合も重故障の場合も同様の動作を示す。

図１３は、停止減磁判断部８ｂの別の構成例を示すブロック図である。まず通常の運転停止について説明する。図１４（ａ）は、通常の運転停止における各信号の状態を時間軸に沿って示したものである。通常の運転状態にあるときには、運転指令ＲＵＮ＿ＣＭＤ＝１であり、保護信号ＰＲＯＴ＝０である。したがって、減磁フラグＦＬＧ＿ＤＥＭＡＧ＝０となる。また、停止減磁判断部８ｂから出力されるゲート指令Ｇｓｔの値は、１となる。ＰＷＭ回路６は、停止減磁判断部８ａにより生成されたゲート指令Ｇｓｔに基づき、インバータ４に内在するスイッチング素子を制御する。

図１４（ａ）の時刻ｔ_０に示すように、運転指令が停止を指示した場合（ＲＵＮ＿ＣＭＤ＝０）には、減磁フラグはオン（ＦＬＧ＿ＤＥＭＡＧ＝１）となる。この際、停止減磁判断部８ｂは、減磁信号を接触器７ａ，７ｂに出力する。接触器７ａ，７ｂは、減磁信号に基づき、可変磁石に対して線間を短絡することにより減磁を行う。また、時刻ｔ_０において、ゲート指令Ｇｓｔは、０となる。したがって、インバータ４のスイッチング素子は、ゲートオフされ、インバータ４は、運転を停止する。この後は、減磁フラグはオンのままであり、減磁が継続して行われる。また、ゲート指令Ｇｓｔは、０のままである。

次に、軽故障における保護停止の場合について説明する。図１４（ｂ）は、軽故障の保護停止における各信号の状態を時間軸に沿って示したものである。時刻ｔ_０において、保護信号ＰＲＯＴは、０から１となる。したがって、減磁フラグがオン（ＦＬＧ＿ＤＥＭＡＧ＝１）となるため、接触器７ａ，７ｂによる減磁が行われる。それと同時に、ゲート指令Ｇｓｔは、０となる。したがって、インバータ４のスイッチング素子は、ゲートオフされ、インバータ４は、運転を停止する。

最後に、重故障における保護停止の場合について説明する。図１４（ｃ）は、重故障の保護停止における各信号の状態を時間軸に沿って示したものである。時刻ｔ_０において、保護信号ＰＲＯＴは、０から１となる。それと同時に、重故障判断回路２７は、重故障であるとの判断に基づき１を出力する。したがって、ゲート指令Ｇｓｔは、０となり、インバータ４は、直ちに運転を停止する。

上述のとおり、本発明の実施例２の形態に係る可変磁束モータドライブシステムによれば、実施例１の効果に加え、減磁部として接触器７ａ，７ｂを備えているので、インバータ４が動作を停止した後においても、減磁を行うことができる。また図２３に示すように、従来は、各相に直列に負荷接触器を接続する必要があったため、最低でも３個（二重化して入れる場合には６個）の負荷接触器が必要であったが、本実施例においては、２個で足りる。また、負荷接触器を各相に直列に接続する場合には、インバータ運転中は常に大きな電流が負荷接触器を流れるため、大きな容量を必要としたが、本実施例においては、接触器７ａ，７ｂは、減磁を行う短い時間にのみ電流を流すため、電流容量を低減して小型化を図るとともに、接触器の故障率も低くすることができる。

図１３に示すような停止減磁判断部８ｂを用いた場合は、内部を構成する回路を減らすことができ、小型化、コストダウンが期待できるが、インバータ４のゲートがオフしている間は、接触器７ａ，７ｂは、常に短絡して減磁を行う。そのため、安全ではあるが、定常的に電流が流れて、可変磁束モータ１に対してブレーキ力が発生する可能性がある。

また、減磁部を２つ（接触器７ａ，７ｂ）備えているので、いずれか片方が故障した場合においても減磁を行うことができ、当該可変磁束モータドライブシステムの信頼性が向上する。

図１５は、本発明の実施例３の可変磁束モータドライブシステムの構成を示すブロック図である。実施例２の構成と異なる点は、可変磁束モータ１の線間に接触器７ｃが設けられている点である。

接触器７ｃは、本発明の減磁部に対応し、停止減磁判断部８ｃにより生成された減磁信号に基づき、可変磁石に対して線間を短絡することにより減磁を行う。実施例２と異なり、本実施例における減磁部は、１線間のみを短絡する。この場合においても、可変磁束モータ１が回転することにより、可変磁石は、接触器７ｃが短絡した線間において減磁される。

図１６は、可変磁束モータ１の線間を短絡して減磁を行うことができる減磁部の例を示す図である。本実施例において、可変磁束モータ１の線間の少なくとも１つを短絡して減磁を行う減磁部は、図１６（ｃ）に示すような接触器７ｃであるが、半導体スイッチでもよい。例えば、この接触器７ｃの代わりに、本実施例における減磁部は、図１６（ａ）に示すサイリスタと逆阻止ダイオードを組み合わせたものでもよいし、図１６（ｂ）に示す自己消弧素子（ＧＴＯ、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ）と逆阻止ダイオードを組み合わせたものでもよい。なお、実施例２における接触器７ａ，７ｂも、上述したような半導体スイッチを用いた減磁部に代えることができる。

その他の構成は、実施例２と同様であり、重複した説明を省略する。

次に、上述のように構成された本実施の形態の作用を説明する。停止減磁判断部８ｃは、実施例２における停止減磁判断部８ｂの動作と同じである。したがって、停止減磁判断部８ｃは、インバータ４が動作を停止する場合又は当該可変磁束モータドライブシステムを保護する場合に、可変磁石に対して減磁を行うべきであると判断して、減磁信号を生成し、接触器７ｃに出力する。

接触器７ｃは、入力された減磁信号に基づき、可変磁束モータ１の線間を短絡し、可変磁石に対して減磁を行う。

上述のとおり、本発明の実施例３の形態に係る可変磁束モータドライブシステムによれば、実施例１及び実施例２の効果に加え、減磁部として接触器７ｃを備えているので、インバータ４が動作を停止した後においても、減磁を行うことができるとともに、負荷接触器の数が接触器７ｃの１個で足り、コストダウンが可能である。

図１７は、本発明の実施例４の可変磁束モータドライブシステムの構成を示すブロック図である。実施例１の構成と異なる点は、可変磁束モータ１の線間に接触器７ａ，７ｂが設けられている点である。したがって、本実施例において、インバータ４、及び接触器７ａ，７ｂは、いずれも本発明の減磁部に対応する。停止減磁判断部８ｄは、減磁信号に対応する減磁フラグ（ＦＬＧ＿ＤＥＭＡＧ１、ＦＬＧ＿ＤＥＭＡＧ２）を接触器７ａ，７ｂ、及び切替器５ｂに出力する。

停止減磁判断部８ｄは、インバータ４が動作を停止する場合又は当該可変磁束モータドライブシステムを保護する場合に、可変磁石に対して減磁を行うべきであると判断して、減磁信号を生成する。その際、停止減磁判断部８ｄは、減磁部（インバータ４、接触器７ａ，７ｂ）のいずれかが故障状態である場合には、故障状態でない減磁部に減磁を行わせるために減磁信号を生成する。

接触器７ａ，７ｂは、実施例２と同様に、停止減磁判断部８ｄにより生成された減磁信号に基づき、可変磁石に対して線間を短絡することにより減磁を行う。

その他の構成は、実施例１と同様であり、重複した説明を省略する。

次に、上述のように構成された本実施の形態の作用を説明する。本実施例において、保護信号ＰＲＯＴは、減磁部であるインバータ４、及び接触器７ａ，７ｂのそれぞれが、故障等のために保護が必要とされる状態（故障状態）であるか否かに関する情報を含むものとする。停止減磁判断部８ｄは、保護信号ＰＲＯＴに基づき、インバータ４、及び接触器７ａ，７ｂのそれぞれが、故障状態であるか否かを判断することができる。

図１８は、本実施例における停止減磁判断部８ｄの動作を示すフローチャート図である。まず、停止減磁判断部８ｄは、当該可変磁束モータドライブシステムを保護するか否かを判断する（ステップＳ１０１）。システムの保護が要求されていない場合、停止減磁判断部８ｄは、前回の運転指令が運転状態（ＲＵＮ＿ＣＭＤ＝１）であり、且つ今回の運転指令が停止を指示した場合（ＲＵＮ＿ＣＭＤ＝０）であるか否かを判断する（ステップＳ１０３）。この条件にあてはまらない場合には、これで動作は終了する。

ステップＳ１０３において、停止減磁判断部８ｄが、前回の運転指令が運転状態であり、且つ今回の運転指令が停止を指示した場合であると判断した場合、通常の減磁が行われる（ステップＳ１０７）。ここで、通常の減磁の動作は、どのような方法でもよい。例えば、停止減磁判断部８ｄは、減磁信号を切替器５ｂと接触器７ａ，７ｂの両方に出力（ＦＬＧ＿ＤＥＭＡＧ１＝１、ＦＬＧ＿ＤＥＭＡＧ２＝１）して、インバータ４による減磁と接触器７ａ，７ｂによる減磁を同時に行うことができる。また、停止減磁判断部８ｄは、通常は減磁信号を切替器５ｂにのみ出力（ＦＬＧ＿ＤＥＭＡＧ１＝１、ＦＬＧ＿ＤＥＭＡＧ２＝０）して、インバータ４による減磁のみを行うこともできる。これにより、接触器７ａ，７ｂの開閉回数を減らすとともに、故障率を下げて寿命を延ばすことができる。

ステップＳ１０１において、システム保護が要求される場合、停止減磁判断部８ｄは、主インバータであるインバータ４と、補助装置である接触器７ａ，７ｂの両方が故障状態であるか機能健全であるかを判断する（ステップＳ１０９）。主インバータと補助装置のいずれもが健全である（故障状態でない）場合、停止減磁判断部８ｄは、減磁信号を生成して、通常の減磁を行う（ステップＳ１０７）。

主インバータと補助装置とのいずれかが健全でない（故障状態である）場合、停止減磁判断部８ｄは、インバータ４が健全である（故障状態でない）か否かを判断する（ステップＳ１１１）。ここで、インバータ４が健全である場合には、停止減磁判断部８ｄは、故障状態でない減磁部であるインバータ４に減磁を行わせるために、減磁信号を生成して切替器５ｂに出力する（ＦＬＧ＿ＤＥＭＡＧ１＝１）。したがって、実施例１で説明したように、切替器５ｂは、０を出力する。そのため、インバータ４は、可変磁束モータ１の各線間を短絡し、可変磁石を減磁する（ステップＳ１１３）。したがって、接触器７ａ，７ｂは、減磁を行わない。

ステップＳ１１１において、インバータ４が健全でなく、故障状態である場合には、停止減磁判断部８ｄは、故障状態でない減磁部である接触器７ａ，７ｂに減磁を行わせるために、減磁信号を生成して接触器７ａ，７ｂに出力する（ＦＬＧ＿ＤＥＭＡＧ２＝１）。接触器７ａ，７ｂは、実施例２と同様に、停止減磁判断部８ｄにより生成された減磁信号に基づき、可変磁石に対して線間を短絡することにより減磁を行う（ステップＳ１１５）。したがって、インバータ４は、減磁を行わない。

上述のとおり、本発明の実施例４の形態に係る可変磁束モータドライブシステムによれば、実施例１乃至実施例３の効果に加え、停止減磁判断部８ｄは、１以上の減磁部のいずれかが故障状態である場合には、故障状態でない減磁部に減磁を行わせるために減磁信号を生成するので、故障状態である減磁部を用いることなく健全な減磁部のみを用いて減磁を行うことができ、システムを安全に保護することができる。

図１９は、本発明の実施例５の可変磁束モータドライブシステムの構成を示すブロック図である。実施例２の構成と異なる点は、磁化用変換器３１、電流検出器３２、磁化電流指令演算部１２、電圧指令演算部１０ｂ、及びＰＷＭ回路６ｂを新たに備えた点である。

磁化用変換器３１は、本発明の磁化部に対応し、直流電源３に接続され、可変磁束モータ１の有する可変磁石の磁束を制御するための磁化電流を可変磁束モータ１に設けられた磁化巻線に供給する。また、磁化用変換器３１は、本発明の減磁部にも対応し、停止減磁判断部８ｅにより生成された減磁信号に基づき、可変磁石に対して減磁を行う。

磁化巻線に流れる電流は回生が不要であり、かつ、正負双方向の磁化電流を（増磁、減磁のため）流すことが必要であるので、磁化用変換器３１は、周知の単相フルブリッジ変換器の構成によって実現できる。

電流検出器３２は、磁化巻線に流れる磁化電流を検出し、電圧指令演算部１０ｂに出力する。

磁化電流指令演算部１２は、必要な磁化電流を計算し、磁化電流指令を生成して電圧指令演算部１０ｂに出力する。一般に、磁化電流は、可変磁石のそれに至るまでの過去の磁化の履歴に依存するものである。そこで、磁化電流指令演算部１２は、例えば過去の磁化の履歴と要求する磁束とに対する磁化電流をテーブル情報として有することにより、必要な磁化電流を算出することができる。磁化電流を流すためには、高速かつ精度よく流すことが必要であるため、ＰＩ制御に代わりヒステリシスコンパレータなどで実現してもよい。

電圧指令演算部１０ｂは、入力された磁化電流指令に基づき、当該指令に磁化用変換器３１の出力する磁化電流が一致するように、電圧指令を演算して生成し、ＰＷＭ回路６ｂに出力する。

ＰＷＭ回路６ｂは、入力された電圧指令に基づき、磁化用変換器３１のスイッチング素子をオンオフ制御する。

したがって、本実施例において、インバータ４、磁化用変換器３１、及び接触器７ｃは、いずれも本発明の減磁部に対応する。

このような構成とするので、磁化電流による磁界によって、可変磁石である低保磁力永久磁石５３を直接的に磁化制御できる。このため、従来のように主巻線のＤ軸電流を過大に流すことにより磁化することに対し、磁化巻線の磁化電流によって、可変磁石の磁束を可変に制御することができる。

この結果、インバータ４の電流容量を低減することができ、インバータ４の小型・軽量・コストダウンが期待できる。磁化巻線を例えば、特願２００６−３０４６８１（未公知、平成１８年１１月１０日出願）のように、回転子鉄心５２の内部に埋め込めば、ロータ内の磁化巻線に鎖交する磁束の時間変化がないため、同巻線に逆起電圧が発生しないことから、この磁化用変換器３１の容量は小さくてよい。

さらに、インバータ４で磁化する場合、インダクタンスの設計自由度が小さい。モータインダクタンスは、モータの出力や効率などを考慮して設計されるため、磁化における最適性が必ずしも優先されない。これに対し、専用の磁化巻線を備えると、そのインダクタンスの設計自由度が増加し、磁化に適正なインダクタンスをとることができる。

停止減磁判断部８ｅは、減磁信号に対応する減磁フラグ（ＦＬＧ＿ＤＥＭＡＧ１、ＦＬＧ＿ＤＥＭＡＧ２、ＦＬＧ＿ＤＥＭＡＧ３）を磁化電流指令演算部１２、電流指令演算部１１、及び接触器７ｃにそれぞれ出力する。

停止減磁判断部８ｅは、インバータ４が動作を停止する場合又は当該可変磁束モータドライブシステムを保護する場合に、可変磁石に対して減磁を行うべきであると判断して、減磁信号を生成する。その際、停止減磁判断部８ｅは、減磁部（インバータ４、磁化用変換器３１、接触器７ｃ）のいずれかが故障状態である場合には、故障状態でない減磁部に減磁を行わせるために減磁信号を生成する。

接触器７ｃは、実施例３と同様に、停止減磁判断部８ｅにより生成された減磁信号に基づき、可変磁石に対して線間を短絡することにより減磁を行う。

その他の構成は、実施例２と同様であり、重複した説明を省略する。

次に、上述のように構成された本実施の形態の作用を説明する。本実施例において、保護信号ＰＲＯＴは、減磁部であるインバータ４、磁化用変換器３１、及び接触器７ｃのそれぞれが、故障等のために保護が必要とされる状態（故障状態）であるか否かに関する情報を含むものとする。停止減磁判断部８ｅは、保護信号ＰＲＯＴに基づき、インバータ４、磁化用変換器３１、及び接触器７ｃのそれぞれが、故障状態であるか否かを判断することができる。

図２０は、本実施例における停止減磁判断部８ｄの動作を示すフローチャート図である。まず、停止減磁判断部８ｅは、当該可変磁束モータドライブシステムを保護するか否かを判断する（ステップＳ２０１）。システムの保護が要求されていない場合、停止減磁判断部８ｅは、前回の運転指令が運転状態（ＲＵＮ＿ＣＭＤ＝１）であり、且つ今回の運転指令が停止を指示した場合（ＲＵＮ＿ＣＭＤ＝０）であるか否かを判断する（ステップＳ２０２）。この条件にあてはまらない場合には、これで動作は終了する。

ステップＳ２０２において、停止減磁判断部８ｅが、前回の運転指令が運転状態であり、且つ今回の運転指令が停止を指示した場合であると判断した場合、磁化回路である磁化用変換器３１は、減磁を行う（ステップＳ２０５）。ここで、磁化用変換器３１に減磁を行わせるために、停止減磁判断部８ｅは、減磁信号を磁化電流指令演算部１２に出力（ＦＬＧ＿ＤＥＭＡＧ１＝１）する。磁化電流指令演算部１２は、磁化用変換器３１が減磁を行うのに必要な磁化電流を算出し、磁化電流指令を電圧指令演算部１０ｂに出力する。電圧指令演算部１０ｂ及びＰＷＭ回路６ｂの動作は、前述したとおりである。磁化用変換器３１は、磁化電流を流すことにより、可変磁石に対して減磁を行う。

ステップＳ２０１において、システム保護が要求される場合、停止減磁判断部８ｅは、磁化回路である磁化用変換器３１が故障状態であるか機能健全であるかを判断する（ステップＳ２０３）。磁化用変換器３１が健全である（故障状態でない）場合、停止減磁判断部８ｅは、減磁信号を磁化電流指令演算部１２に出力（ＦＬＧ＿ＤＥＭＡＧ１＝１）する。この減磁信号に基づき、磁化用変換器３１は、可変磁石に対して減磁を行う（ステップＳ２０５）。

磁化回路が健全でない（故障状態である）場合、停止減磁判断部８ｅは、インバータ４が健全である（故障状態でない）か否かを判断する（ステップＳ２０７）。ここで、インバータ４が健全である場合には、停止減磁判断部８ｅは、故障状態でない減磁部であるインバータ４に減磁を行わせるために、減磁信号を生成して電流指令演算部１１に出力する（ＦＬＧ＿ＤＥＭＡＧ２＝１）。電流指令演算部１１は、インバータ４が減磁を行うのに必要な電流を算出し、電流指令を電圧指令演算部１０ａに出力する。また、電流指令演算部１１は、電圧指令演算部１０ａが０を出力するように電流指令を生成することができる。この場合には、実施例１と同様に、インバータ４は、可変磁束モータ１の各線間を短絡し、可変磁石を減磁する（ステップＳ２０９）。

ステップＳ２０７において、インバータ４が健全でなく、故障状態である場合には、停止減磁判断部８ｅは、故障状態でない減磁部である接触器７ｃに減磁を行わせるために、減磁信号を生成して接触器７ｃに出力する（ＦＬＧ＿ＤＥＭＡＧ３＝１）。接触器７ｃは、実施例３と同様に、停止減磁判断部８ｅにより生成された減磁信号に基づき、可変磁石に対して線間を短絡することにより減磁を行う（ステップＳ２１１）。

上述のとおり、本発明の実施例５の形態に係る可変磁束モータドライブシステムによれば、実施例４と同様に、停止減磁判断部８ｅは、１以上の減磁部のいずれかが故障状態である場合には、故障状態でない減磁部に減磁を行わせるために減磁信号を生成するので、故障状態である減磁部を用いることなく健全な減磁部のみを用いて減磁を行うことができ、システムを安全に保護することができる。

また、磁化用変換回路３１を備えることにより、インバータ４の電流容量を低減することができ、インバータ４の小型・軽量・コストダウンが期待できる。

図２１は、本発明の実施例６の可変磁束モータドライブシステムの構成を示すブロック図である。実施例１の構成と異なる点は、直流電圧検出器１７、及び逆起電圧推定部１９を備えている点である。

直流電圧検出器１７は、本発明の第１電圧検出部に対応し、直流電源３からインバータ４に入力される直流電圧を検出する。

逆起電圧推定部１９は、インバータ４により出力される電圧で電流とに基づき、可変磁束モータ１の有する可変磁石の逆起電圧を推定する。

停止減磁判断部８ｆは、逆起電圧推定部１９により推定された逆起電圧が直流電圧検出器１７により検出された直流電圧以上である場合にのみ、可変磁石に対して減磁を行うべきであると判断して、減磁信号を生成する。

ここで、逆起電圧の推定について説明する。インバータ４が停止中（ゲートオフ）である場合、逆起電圧は、可変磁束モータ１の線間電圧を測定して知ることができる。しかしながら、インバータ４が動作中である場合には、直接逆起電圧を測定することはできない。本実施例において、停止減磁判断部８ｆは、インバータ４が動作を停止する場合又は当該可変磁束モータドライブシステムを保護停止させる場合に、可変磁石に対して減磁を行うべきであると判断して、減磁信号を生成する。したがって、逆起電圧推定部１９は、インバータ４が動作中に、逆起電圧を推定する必要がある。

ここでは、公知のＤＱ軸回転座標系上で説明する。Ｄ軸を磁石磁束ベクトルと同一方向となるように定義すると、定常状態における特性方程式は、以下のように表される。

Ｖｄ＝Ｒ×Ｉｄ−ω×Ｌｑ×Ｉｑ…（２）
Ｖｑ＝Ｒ×Ｉｑ＋ω×Ｌｄ×Ｉｄ＋Ｅ…（３）
ここで、Ｒは、巻線抵抗である。また、Ｌｄ，Ｌｑは、それぞれＤ軸インダクタンスとＱ軸インダクタンスである。さらに、Ｖｄ，Ｖｑは、それぞれＤ軸電圧とＱ軸電圧である。また、Ｉｄ，Ｉｑは、それぞれＤ軸電流とＱ軸電流である。ωは、ロータの回転角周波数（電気角）である。そして、Ｅは逆起電圧である。

推定された逆起電圧をＥｈとすると、（３）式より、
推定Ｅｈ＝Ｖｑ−Ｒ×Ｉｑ−ω×Ｌｄ×Ｉｄ…（４）
となり、逆起電圧を算出することができる。

電流検出器２は、可変磁束モータ１に供給される電流を検出し、電圧指令演算部１０及び逆起電圧推定部１９に出力する。逆起電圧推定部１９は、入力されたＵ相電流及びＷ相電流を座標変換によりＤＱ軸電流に変換し、Ｄ軸電流Ｉｄ及びＱ軸電流Ｉｑを得ることができる。

また、逆起電圧推定部１９は、切替器５ｃが出力した３相電圧指令に基づき、座標変換によってＤ軸電圧Ｖｄ及びＱ軸電圧Ｖｑを得ることができる。なお、逆起電圧推定部１９は、直接実電圧を測定してＤＱ軸電圧を得ることもできる。

その他の構成は、実施例１と同様であり、重複した説明を省略する。

次に、上述のように構成された本実施の形態の作用を説明する。インバータ４が動作している間に、逆起電圧推定部１９は、インバータ４により出力される電圧と電流とに基づき、可変磁石の逆起電圧を推定する。（４）式に基づき算出された推定ＥｈがＤＱ軸座標上の逆起電圧であり、ＤＱ軸電圧＝線間電圧ＲＭＳであるため、線間電圧に換算した逆起電圧の振幅Ｅｈ´は、次のように表される。

Ｅｈ´＝Ｅｈ×√２…（５）
逆起電圧推定部１９は、算出したＥｈ´を停止減磁判断部８ｆに出力する。また、直流電圧検出器１７は、直流電源３からインバータ４に入力される直流電圧Ｖｄｃを検出し、停止減磁判断部８ｆに出力する。

停止減磁判断部８ｆは、インバータ４が動作を停止する場合又は当該可変磁束モータドライブシステムを保護する場合に、逆起電圧Ｅｈ´と直流電圧Ｖｄｃとの比較を行い、可変磁石に対して減磁を行うべきか否かを判断する。逆起電圧Ｅｈ´は、逆起電圧のピーク電圧を示す。したがって、停止減磁判断部８ｆは、逆起電圧Ｅｈ´が直流電圧Ｖｄｃ以上である（Ｖｄｃ≦Ｅｈ´）場合に、逆起電圧のピーク電圧が直流電圧Ｖｄｃを超える可能性があるため、可変磁石に対して減磁を行うべきであると判断して、減磁信号を生成し、切替器５ｃに出力する（ＦＬＧ＿ＤＥＭＡＧ＝１）。

また、停止減磁判断部８ｆは、逆起電圧Ｅｈ´が直流電圧Ｖｄｃ未満である（Ｖｄｃ＞Ｅｈ´）場合には、減磁信号を生成しない。

その他の動作は、実施例１と同様であり、重複した説明を省略する。

上述のとおり、本発明の実施例６の形態に係る可変磁束モータドライブシステムによれば、実施例１の効果に加え、逆起電圧推定部１９により推定された逆起電圧と直流電圧検出器１７により検出された直流電圧とを比較して減磁するか否かを判断するので、逆起電圧が直流電源３の直流電圧より低い場合には減磁を行わず、不要な減磁の回数を減らして各素子の寿命を延ばすことができる。

逆起電圧が直流電源３の直流電圧以上である場合は、インバータ４に大電流が流れ込み、素子破壊や過熱といった問題を起こす可能性や、可変磁束モータ１にブレーキ力が生じるため、停止減磁判断部８ｆは、減磁信号を生成して出力し、インバータ４に過電圧がかかるのを防ぐとともに、インバータ４に大電流が流れるのを防ぎ、ブレーキ力がかかることを回避できる。

本実施例では、直流電圧と逆起電圧との比較のみで停止減磁判断を行っているが、電車やＥＶ／ＨＥＶ、そして船舶等、複数のドライブシステムで一つの対象を駆動するものがある。この場合、自身のドライブのみで対象の速度（モータ回転数）が決定できない場合があり、また、対象に作用する外力（風、勾配）によって、対象がさらに加速する場合もある。このように、対象システムの運転計画における最高回転数や、外乱による速度（回転数）アップの余裕を考慮して、減磁の判断を行うことも有効である。

図２２は、本発明の実施例７の可変磁束モータドライブシステムの構成を示すブロック図である。実施例１の構成と異なる点は、電圧検出器１３、過電圧判定部１４、タイマー１５、及びＯＲ回路１６を備えている点である。

電圧検出器１３は、本発明の第２電圧検出部に対応し、可変磁束モータ１の線間電圧を検出する。

過電圧判定部１４は、インバータ４が停止し、且つ電圧検出器１３により検出された線間電圧が所定の値以上である場合に減磁要求信号を生成し、ＯＲ回路１６に出力する。

タイマー１５は、本発明の計時部に対応し、時間を計時するとともに、インバータ４が停止している場合に、所定の時間が経過する毎に減磁要求信号を生成し、ＯＲ回路１６に出力する。

なお、停止減磁判断部８ｇは、ゲート指令ＧｓｔをＰＷＭ回路６、過電圧判定部１４、及びタイマー１５に出力する。したがって、過電圧判定部１４とタイマー１５とは、ゲート指令Ｇｓｔに基づき、インバータ４が停止しているか否かを知ることができる。

ＯＲ回路１６は、過電圧判定部１４又はタイマー１５のいずれかにより減磁要求信号を入力された場合に、停止減磁判断部８ｇに減磁要求信号を出力する。

停止減磁判断部８ｇは、過電圧判定部１４により生成された減磁要求信号又はタイマー１５により生成された減磁要求信号に基づき、可変磁石に対して減磁を行うべきか否かを判断して、減磁信号を生成して切替器５ｄに出力する。

なお、停止減磁判断部８ｇは、インバータ４が動作を停止する場合又は当該可変磁束モータドライブシステムを保護する場合には、実施例１と同様に、可変磁石に対して減磁を行うべきであると判断して、減磁信号を生成する。過電圧判定部１４やタイマー１５が動作するのは、インバータ４が停止した後である。

また、図２２には示されていないが、例えば、可変磁石の磁束を推定又は検出するとともに、インバータ４が停止し且つ可変磁石の磁束が所定の値以上である場合に減磁要求信号を生成する磁束検出部を備えてもよい。この場合も、停止減磁判断部８ｇは、磁束検出部により生成された減磁要求信号に基づき、可変磁石に対して減磁を行うべきか否かを判断して、減磁信号を生成して切替器５ｄに出力する。

その他の構成は、実施例１と同様であり、重複した説明を省略する。

次に、上述のように構成された本実施の形態の作用を説明する。インバータ４が動作を停止する場合又は当該可変磁束モータドライブシステムを保護する場合に、可変磁石に対して減磁を行う動作は、実施例１と同様である。

インバータ４が動作を停止している間（停止減磁判断部８ｇが出力するゲート指令Ｇｓｔ＝０）に、過電圧判定部１４は、電圧検出器１３により検出された線間電圧が所定の値以上であるか否かを判定する。ここで、電圧検出器１３により検出される線間電圧は、インバータ４が停止しているため、逆起電圧となる。すなわち、過電圧判定部１４は、逆起電圧が所定の値以上であるか否かを判断する。所定の値については、設計者や操作人が自由に設定できるものとしてもよいし、過電圧判定部１４に予め設定されているものとしてもよい。過電圧判定部１４は、電圧検出器１３により検出された線間電圧（逆起電圧）が所定の値以上である場合に減磁要求信号を生成し、ＯＲ回路１６に出力する。

また、インバータ４が動作を停止している間（停止減磁判断部８ｇが出力するゲート指令Ｇｓｔ＝０）に、タイマー１５は、時間を計時するとともに、インバータ４が停止している場合に、所定の時間が経過する毎に減磁要求信号を生成して、ＯＲ回路１６に出力する。ここで、所定の時間についても、設計者や操作人が自由に設定できるものとしてもよいし、タイマー１５に予め設定されているものとしてもよい。

ＯＲ回路１６は、過電圧判定部１４又はタイマー１５のいずれかにより減磁要求信号を入力された場合に、停止減磁判断部８ｇに減磁要求信号を出力する。停止減磁判断部８ｇは、過電圧判定部１４により生成された減磁要求信号又はタイマー１５により生成された減磁要求信号に基づき、可変磁石に対して減磁を行うべきか否かを判断して、減磁信号を生成して切替器５ｄに出力する。

その他の動作は、実施例１と同様であり、重複した説明を省略する。

上述のとおり、本発明の実施例７の形態に係る可変磁束モータドライブシステムによれば、実施例１の効果に加え、過電圧判定部１４を備えているので、インバータ４が停止した後であっても、逆起電圧が所定の値以上である場合に減磁を行い、逆起電圧の上昇を抑えることができる。

さらに、タイマー１５を備えているので、インバータ４が停止した後であっても、所定時間毎に減磁を行い、逆起電圧の上昇を抑えることができる。

また、上述した磁束検出部を備えている場合には、インバータ４が停止した後であっても、可変磁石の磁束が所定の値以上である場合に減磁を行い、逆起電圧の上昇を抑えることができる。

その結果、ブレーキ力がかかるのを防ぐとともに、システムを安全に保護することができる。

本発明に係る可変磁束モータドライブシステムは、鉄道車両や電気自動車向けの駆動モータを使用する可変磁束モータドライブシステムに利用可能である。

本発明の実施例１の形態の可変磁束モータドライブシステムの構成を示すブロック図である。 可変磁束モータの簡易モデル図である。 本発明の実施例１の形態の可変磁束モータドライブシステムで使用される可変磁束モータの断面図である。 本発明の実施例１の形態の可変磁束モータドライブシステムで使用される可変磁束モータのＢＨ特性図である。 種々の材料の永久磁石のＢＨ特性図である。 本発明の実施例１の形態の可変磁束モータドライブシステムで使用されるインバータの詳細な構成を示す図である。 本発明の実施例１の形態の可変磁束モータドライブシステムで使用される停止減磁判断部の詳細な構成の１例を示すブロック図である。 本発明の実施例１の形態の可変磁束モータドライブシステムにおける減磁制御のタイミングチャートを示す図である。 現行ドライブと本発明の実施例１の形態の可変磁束モータドライブとの間で磁束の制御を比較した図である。 本発明の実施例２の形態の可変磁束モータドライブシステムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施例２の形態の可変磁束モータドライブシステムで使用される停止減磁判断部の詳細な構成の１例を示すブロック図である。 本発明の実施例２の形態の可変磁束モータドライブシステムにおける減磁制御のタイミングチャートを示す図である。 本発明の実施例２の形態の可変磁束モータドライブシステムで使用される停止減磁判断部の詳細な構成の１例を示すブロック図である。 本発明の実施例２の形態の可変磁束モータドライブシステムにおける減磁制御のタイミングチャートを示す図である。 本発明の実施例３の形態の可変磁束モータドライブシステムの構成を示すブロック図である。 可変磁束モータの線間を短絡して減磁を行うことができる減磁部の例を示す図である。 本発明の実施例４の形態の可変磁束モータドライブシステムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施例４の形態の可変磁束モータドライブシステムにおける停止減磁判断部の動作を示すフローチャート図である。 本発明の実施例５の形態の可変磁束モータドライブシステムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施例５の形態の可変磁束モータドライブシステムにおける停止減磁判断部の動作を示すフローチャート図である。 本発明の実施例６の形態の可変磁束モータドライブシステムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施例７の形態の可変磁束モータドライブシステムの構成を示すブロック図である。 従来の可変磁束モータドライブシステムの構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 可変磁束モータ
１ａ 永久磁石同期電動機
２ 電流検出器
３ 直流電源
４ インバータ
５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ 切替器
６，６ａ，６ｂ ＰＷＭ回路
７ａ，７ｂ，７ｃ 接触器
８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ，８ｅ，８ｆ，８ｇ 停止減磁判断部
９，９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅ，９ｆ 負荷接触器
１０，１０ａ，１０ｂ 電圧指令演算部
１１ 電流指令演算部
１２ 磁化電流指令演算部
１３ 電圧検出器
１４ 過電圧判定部
１５ タイマー
１６ ＯＲ回路
１７ 直流電圧検出器
１８ 回転角度センサ
１９ 逆起電圧推定部
２０ ＮＯＴ回路
２１ ＡＮＤ回路
２２ ＮＯＴ回路
２３ 前回値保持回路
２４ ＡＮＤ回路
２５ ＯＦＦＴＤ回路
２６ ＯＲ回路
２７ 重故障判断回路
２８ ＮＯＴ回路
２９ ＡＮＤ回路
３０ ＮＯＴ回路
３１ 磁化用変換器
３２ 電流検出器
５１ 回転子
５２ 回転子鉄心
５３ 低保磁力永久磁石
５４ 高保磁力永久磁石
５５ 鉄心の磁極部

Claims (12)

1. 低保持力の永久磁石である可変磁石を有する永久磁石電動機と、
   前記永久磁石電動機を駆動するインバータと、
   前記可変磁石の磁束を制御するための磁化電流を供給する磁化部と、
   前記可変磁石に対して減磁を行うべきか否かを判断し、判断結果に基づき減磁信号を生成する減磁判断部と、
   前記減磁判断部により生成された減磁信号に基づき、前記可変磁石に対して減磁を行う１以上の減磁部と、
   前記可変磁石の磁束を推定又は検出するとともに、前記インバータが停止し且つ前記可変磁石の磁束が所定の値以上である場合に減磁要求信号を生成する磁束検出部とを備え、
   前記減磁判断部は、前記磁束検出部により生成された減磁要求信号に基づき、前記可変磁石に対して減磁を行うべきか否かを判断して、減磁信号を生成することを特徴とする可変磁束モータドライブシステム。
2. 低保持力の永久磁石である可変磁石を有する永久磁石電動機と、
   前記永久磁石電動機を駆動するインバータと、
   前記可変磁石の磁束を制御するための磁化電流を供給する磁化部と、
   前記可変磁石に対して減磁を行うべきか否かを判断し、判断結果に基づき減磁信号を生成する減磁判断部と、
   前記減磁判断部により生成された減磁信号に基づき、前記可変磁石に対して減磁を行う１以上の減磁部と、
   前記永久磁石電動機の線間電圧を検出する第２電圧検出部と、
   前記インバータが停止し且つ前記第２電圧検出部により検出された線間電圧が所定の値以上である場合に減磁要求信号を生成する過電圧判定部とを備え、
   前記減磁判断部は、前記過電圧判定部により生成された減磁要求信号に基づき、前記可変磁石に対して減磁を行うべきか否かを判断して、減磁信号を生成することを特徴とする可変磁束モータドライブシステム。
3. 前記減磁判断部は、前記インバータが動作を停止する場合又は当該可変磁束モータドライブシステムに故障が生じた場合に、前記可変磁石に対して減磁を行うべきであると判断して、減磁信号を生成することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の可変磁束モータドライブシステム。
4. 前記１以上の減磁部の少なくとも１つは、前記インバータの出力電圧を低下させて減磁を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の可変磁束モータドライブシステム。
5. 前記１以上の減磁部の少なくとも１つは、前記永久磁石電動機の線間の少なくとも１つを短絡して減磁を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の可変磁束モータドライブシステム。
6. 前記１以上の減磁部の少なくとも１つは、接触器であることを特徴とする請求項５記載の可変磁束モータドライブシステム。
7. 前記１以上の減磁部の少なくとも１つは、半導体スイッチであることを特徴とする請求項５記載の可変磁束モータドライブシステム。
8. 前記１以上の減磁部の少なくとも１つは、前記磁化部であることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の可変磁束モータドライブシステム。
9. 前記減磁判断部は、前記１以上の減磁部のいずれかが故障状態である場合には、故障状態でない減磁部に減磁を行わせるために減磁信号を生成することを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載の可変磁束モータドライブシステム。
10. 時間を計時するとともに、前記インバータが停止している場合に所定の時間が経過する毎に減磁要求信号を生成する計時部を備え、
    前記減磁判断部は、前記計時部により生成された減磁要求信号に基づき、前記可変磁石に対して減磁を行うべきか否かを判断して、減磁信号を生成することを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項記載の可変磁束モータドライブシステム。
11. 前記インバータと前記永久磁石電動機とが接触器を介さずに直結されたことを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか１項記載の可変磁束モータドライブシステム。
12. 前記インバータと前記永久磁石電動機との間の電気的な接続を制御する接触器を備え、
    前記減磁判断部は、前記インバータが動作を停止する場合又は当該可変磁束モータドライブシステムを保護する場合に、前記接触器を開放させることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか１項記載の可変磁束モータドライブシステム。

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