JP5208400B2 - 可変磁束モータドライブシステム - Google Patents

Description

本発明は、固定磁石と可変磁石とを有した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。

近年、効率に優れ小型化や低騒音化が期待できる永久磁石同期電動機（ＰＭ）が、従来の誘導電動機ＩＭに代わり普及し始めている。例えば、鉄道車両や電気自動車向けの駆動モータとしても永久磁石同期電動機が適用されている。

永久磁石同期電動機は回転子に永久磁石を備え、その磁束を利用してトルクを出力するモータである。誘導電動機ＩＭは、磁束自体を固定子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ことがデメリットである。

永久磁石同期電動機は、その永久磁石のため回転数に応じた誘起電圧が発生する。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、永久磁石同期電動機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。すなわち、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かとなる。前者は電源側への影響もあり後者を選択することも多い。

その場合の磁束量を誘導電動機ＩＭ（ＩＭ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、磁束量の小さい永久磁石同期電動機では、大きな（トルク）電流を流す必要がある。すなわち、低速域において、同一トルクを出力する電流を、誘導電動機ＩＭと永久磁石同期電動機とを比較すると、永久磁石同期電動機の方が大きな電流を流す必要がある。

このため、永久磁石同期電動機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増大することから、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は、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、このときは、励磁電流を重畳することで効率が低下してしまう。

このように永久磁石同期電動機は、磁石を内在するが故のメリットとデメリットとがある。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、従来の誘導電動機ＩＭ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、また、損失も増大することからインバータが大型化する。システムの効率自体は、モータ側が支配的であるため、永久磁石同期電動機の適用によって総合効率は改善するが、一方で、インバータが大型化し、システムのデメリットとなり好ましくない。

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モータがある。運転条件に合わせて、永久磁石の磁束量を可変にすることができるため、従来の磁石固定の永久磁石同期電動機に比べ、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。

ここで、永久磁石電動機ＰＭを弱め磁束制御するときに、トルク精度を損なうことなく弱め磁束電流を低減し、インバータや電動機の損失，機器の電流定格値を下げるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−２９９２９７号公報

しかし、可変磁石の磁化を行う場合には、インバータから過大な電流を流すことが必要であり、その場合、固定子の飽和があり、可変磁石を減磁する場合に比べ、増磁する場合には、より大きな電流を流す必要がある。また、過大な電流が必要になると、インバータのスイッチング素子の電流容量が増大するだけでなく、インバータのスイッチング素子も耐圧を高くしなければならない。そのため、磁化処理のためだけにスイッチング素子容量が増大し、コストアップを引き起こす。また、過大な電流をかけることで、瞬時的な発熱もあり、インバータが短時間の発熱に耐えられるように熱容量を増加させる必要がある。

本発明の目的は、インバータの電流容量や熱容量を増加させることなく、簡便な回路によって可変磁石を磁化することができる可変磁束モータドライブシステムを提供することである。

本発明に係わる可変磁束モータドライブシステムは、固定磁石と可変磁石とを有した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おいて、前記可変磁束モータのトルクがトルク指令となるように前記インバータを制御する主制御部と、前記可変磁束モータの可変磁石を磁化する磁化巻線と、前記磁化巻線に磁化電流を供給する磁化回路とを備え、前記磁化巻線は、前記可変磁束モータの回転子に設けられたことを特徴とする。

本発明によれば、インバータの電流容量や熱容量を増加させることなく、簡便な回路によって可変磁石を磁化することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係わる可変磁束ドライブシステムの一例を示すブロック構成図である。まず、ドライブシステムの可変磁束モータ４を含む主回路について説明する。インバータ１は直流電源３からの直流電力を交流電力に変換し可変磁束モータ４に供給する。可変磁束モータ４に供給される電流Iu、Iwは電流検出器２で検出され、主制御部２２の座標変換部７に入力され、この座標変換部７でＤ軸電流Id、Ｑ軸電流Iqに変換され、電圧指令演算部１０に入力される。

電圧指令演算部１０からのＤ軸電圧指令Vd*、Ｑ軸電圧指令Vq*は座標変換部５に入力され、三相の電圧指令Vu*、Vv*、Vw*に変換されてＰＷＭ回路６に入力される。ＰＷＭ回路６はゲート指令生成部１５からのゲート指令Gstによりインバータ１のスイッチング素子をオンオフ制御する。一方、可変磁束モータ４の回転角度は回転角度センサ１８で検出され、疑似微分器８で微分してインバータ周波数ω1が求められ、電圧指令演算部１０や磁束指令演算部１２に入力される。

磁束指令演算部１２では、運転指令Runとインバータ周波数ω1、すなわち、回転子回転周波数ωR（回転角度センサ１８で検出した角度を疑似微分器８で微分した回転子回転周波数をインバータ出力周波数として利用している）を入力として、磁束指令Φ*を演算する。また、電流基準演算部１１では、トルク指令Tm*と磁束指令Φ*とを入力として、Ｄ軸電流基準IdRとＱ軸電流基準IqRを演算する。可変磁束制御部１３は、インバータ１からの磁化電流によって磁束を可変させて可変磁石を磁化させるものであり、磁束指令Φ*に基づいて磁化補正量ΔIdm*を加算器１４でＤ軸電流基準IdRに加算し、Ｄ軸電流指令Id*として電圧指令演算部１０に出力する。また、電圧指令演算部１０にはＱ軸電流IqがＱ軸電流指令Iq*として出力される。

一方、可変磁束モータ４には後述の磁化巻線が設けられており、磁化回路９から磁化電流が供給される。磁化回路９は、磁化用変換器２０、直流電源２７、磁化電流制御部２３から構成され、磁化電流制御部２３は電流制御部１９を有している。すなわち、磁化巻線はスリップリング２１を介して磁化回路９の磁化用変換器２０に接続されている。磁化回路９の磁化用変換器２０には直流電源２７が接続され、磁化巻線に磁化電流が供給される。この磁化巻線に流れる電流は電流検出器２４で検出され、電流制御部１９により、検出された磁化電流が磁化電流指令値ImagRefに一致するように、磁化用変換器２０のゲート信号を生成する。

ここで、本発明の実施の形態における可変磁束モータ４について説明する。図２は本発明の実施の形態における可変磁束モータ４の簡易モデル図である。可変磁束モータ４の固定子側は既存の永久磁石同期電動機と同様であり、回転子側には磁石として、磁性体の磁束密度が固定の固定磁石５４と磁性体の磁束密度が可変の可変磁石５３とを有している。永久磁石同期電動機の場合は前者の固定磁石のみであり、可変磁束モータの特徴は、可変磁石が備わっていることである。いま、磁石の磁化方向をＤ軸とすると、固定磁石５４及び可変磁石５３はＤ軸方向に配置されている。また、図２中のLdはＤ軸インダクタンス、LqはＱ軸インダクタンスである。

次に、固定磁石５４や可変磁石５３について説明する。固定磁石（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る。なお、固定磁石と言えども、その磁束密度がいかなる条件においても厳密に変化しないわけではない。永久磁石同期電動機であっても、インバータ１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。つまり、固定磁石は、その磁束量が変化しないものではなく、通常の定格運転中に近い状態では、その電流によって磁束密度が概ね変化しないものを指すと考えればよい。

一方、可変磁石５３とは、通常の定格運転条件においても、インバータ１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と考えればよい。このような可変磁石５３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、最近の永久磁石同期電動機の固定磁石（永久磁石）としては、残留磁束密度Brの高いネオジム(NdFeB)磁石を用いことが多い。残留磁束密度Br(1.2T程度)が高いため、大きなトルクを小さい体格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ＨＥＶや電車には好適である。従来の永久磁石同期電動機の場合には、通常の電流によって減磁しないことが要件なので、ネオジム磁石(NdFeB)は非常に高い保持力Hc（約1000kA/m）を有している（残留磁束密度が大きく、保磁力の大きい磁石が永久磁石同期電動機用に選定されている）ことからも最適な磁性体である。

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５３とすることが考えられる。通常の電流量（インバータ１によって従来の永久磁石同期電動機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NdFeB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）は可変することが可能となる。厳密に言えば、ネオジムは可逆領域で利用しているため、微小な範囲で磁束密度の変動はするが、インバータ電流がなくなれば、当初の値に戻るものである。一方、可変磁石５３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、当初の値にならず磁石が可変した状態となる。図２において、可変磁石５３であるアルニコの磁束量も、Ｄ軸方向の量が変動するだけで、Ｑ軸方向は零（設計の都合なりで厳密に零ではないが）と考えてよい。

図３は、可変磁束モータ４の回転子５１の一例の構成図である。ネオジムNdFeBなどの高保磁力な固定磁石５４とアルニコAlNiCoなどの低保磁力の可変磁石５３とを組み合わせて回転子鉄心５２に配置している。可変磁石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することができる。また、回転子５１には磁化巻線５６が設けられ、この磁化巻線５６に磁化回路９から電流を流すことでその磁界が直接に可変磁石５３に作用する。

図４は、固定磁石５４と可変磁石５３のＢＨ特性（磁束密度−磁化特性）の特性図である。図４中のＳ５４は固定磁石５４のＢＨ特性、Ｓ５３は可変磁石５３のＢＨ特性、Br1は可変磁石５３の残留磁束密度、Br2は固定磁石５４の残留磁束密度である。また、H1satは可変磁石５３の飽和値、Hc1は可変磁石５３の保持力、Hc2は固定磁石５４の保持力である。さらに、Ｘはインバータの出力電流による磁化領域である。

また、図５は、図４の第２象限（Ｂ＞０、Ｈ＜０）のみを定量的に正しい関係にて示す特性図である。ネオジムNdFeBとアルニコAlNiCoの場合、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NdFeB磁石に対し、アルニコAlNiCo磁石で1/15〜1/8、FeCrCo磁石で1/15になる。 従来の永久磁石同期電動機において、インバータ１の出力電流による磁化領域Ｘは、ネオジムNdFeB磁石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。可変磁石５３は、保磁力が上述のように小さいため、インバータ１の出力電流の範囲において、不可逆領域（電流を零にしても、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。

次に、図１を参照しながら本発明の実施の形態における可変磁束モータ４の可変磁束ドライブシステムの特徴部分について説明する。

可変磁束モータドライブシステムの特有なブロックとして、磁束指令演算部１２と磁化要求生成部１７と可変磁束制御部１３とがある。

磁束指令演算部１２は、その時点での状況に合わせ、磁束（固定磁石磁束＋可変磁石磁束）がいくつであるべきかを演算している。磁化要求生成部１７では、磁束指令演算部１２からの出力である磁束指令Φ*が変化したときや、インバータが運転状態になった（Run*が０から１に変化）状態にて、可変磁石を磁化（減磁ないし増磁）するための磁化処理を要求するための磁化要求フラグFCReqを立てる。

可変磁束制御部１３では、磁化要求フラグFCReqが立っている場合、磁化後の磁束量が磁束指令Φ*になるように磁化処理を行う。これは、Ｄ軸電流基準IdRに磁化のための磁化補正量ΔIdm*を加えてＤ軸電流指令Id*を演算することで実現される。電圧指令演算部１０はＤ軸電流指令Id*に対してＤ軸電流が追従するようにＤ軸電圧指令Vd*を演算する。いわゆる電流ＰＩ制御などがこの電圧指令演算部１０に含まれている。

本発明の実施の形態で特徴的な部分として、可変速モータ４に図３に示すように回転子５１に磁化巻線５６が設けられ、スリップリング２１を介して磁化回路９から磁化巻線５６に磁化電流が供給されることである。

まず、可変磁束モータ４に備わる磁化巻線５６について説明する。図３に示すように、その回転子５１の可変磁石５３の近傍に磁化巻線５６が設けられており、この単相の磁化巻線５６は、スリップリング２１を介して磁化回路９の磁化用変換器２０に接続されている。磁化用変換器２０には直流電源２７が接続され磁化巻線５６に磁化電流Imagが供給される。この磁化巻線５６に流れる電流は電流検出器２４で検出され、電流制御部１９に入力される。電流制御部１９では、検出された磁化電流がその磁化電流指令値ImagRefに一致するように、磁化用変換器２０のゲート信号を生成する。

磁化巻線５６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Imag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２０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。電流制御部１９は、磁化電流指令値ImagRefに磁化電流Imagが一致するように、ＰＩ制御により電流制御する。磁化電流Imag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。なお、磁化電流指令ImagRefは、従来と同様に可変磁束制御部１３によって、生成される。

このような構成とするので、回転子５１に埋め込まれた磁化巻線５６に所定の磁化電流Imagを流すことが可能となり、磁化電流Imagによる磁界によって、可変磁石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５６の磁化電流Imagによって、可変磁石５３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１の電流容量を低減することができ、インバータ１の小型・軽量・コストダウンが期待できる。回転子鉄心５２の内部に埋め込んだ磁化巻線５６による磁束は磁石磁束と同期しているため、磁化巻線５６と鎖交し時間変化する磁束がない。そのため、磁化巻線５６には、逆起電圧が発生しないので、磁化用変換器２０の直流電圧はインバータ１に比べ格段に低くてよい。したがって、小容量・大電流の素子が利用できるため、この磁化用変換器２０の容量は小さくてよい。

さらに、従来のインバータ１によって磁化する場合、可変磁石５３の磁束を増磁するとき、つまり、可変磁石５３と固定磁石５４とが強め合う動作のときは、固定子側で磁束が飽和し固定子に磁化電流を流しこんでも、その磁界が可変磁石に作用しにくくなる。このように、可変磁石５３を減磁するときに比べ、可変磁石５３を増磁するときには、より過大な磁化電流を固定子巻線へ流すことが必要であった。この結果、インバータ１の素子定格がさらに増大し、コストアップや装置が大型化する可能性がある。

これに対し、本発明の実施の形態では、回転子５１に磁化巻線５６を設けているので、前述のように磁気飽和の影響を受けることなく、磁化用変換器２０からの最小限の電流にて、容易に可変磁石５３を磁化させることができる。

また、従来では過大な磁化電流を固定子のＤ軸電流として流す場合、その過渡的な電流応答によって過渡トルクが発生する場合があった。特に可変磁束モータに突極性がある場合、Ｄ軸電流を流すことでリラクタンストルクが変動し、可変速磁束モータ４のトルクが変動する。よって、磁化のために過大な磁化電流をＤ軸電流として流すことで、より一層の過大なトルク変動が生じることになる。これらトルク変動によって、車両の機械系の振動を誘発するなど、システム上、悪影響を及ぼすリスクがあった。車両などでは、乗客などへの乗り心地の劣化もあった。

これに対し、本発明の実施の形態では、必要最低限の磁化電流を流すだけでよいため、過渡トルクの発生も最小限にとどめることができる。特に、突極性を有した場合、磁化巻線５６に流す電流は直接リラクタンストルクになるものではないので、従来のインバータ１によって、固定子側から磁化する方式に比べ、格段に磁化にともなうトルク変動を抑制することが可能となる。

また、インバータ１から磁化電流を流す場合、電圧余裕が必要である。一般に速度に応じて出力電圧は変化するが、高速回転中は出力電圧を高くとり、また、損失を低減するような１パルスモードが採用されている。このようにインバータ１の出力電圧の最大を維持した運転中に、可変磁石５３の磁束を増加させるために、正の磁化電流、すなわち、正のＤ軸電流を流しこむ余裕がない。電圧に余裕がないと、磁化電流の立ち上がりが遅れるため、電流を流しこむ時間が増大する。この間、インバータ１の温度上昇が起こり、装置破壊が生じる可能性があるため、逆に、これを回避するために、冷却器を増強することが必要となる。

これに対し、本発明の実施の形態では、磁化巻線５６には逆起電圧が発生しないため、また、インバータ１のように、他の要因で磁化するための電圧余裕がないような状態が存在せず、常時任意に電圧を印加することで磁化電流を流すことができる。さらに、インバータ１で磁化する場合、インダクタンスの自由度がない。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５６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。

以上の説明では、磁化巻線５６が作る磁束によって可変磁石５３の磁束を磁化させるように、図３に示すように、磁化巻線５６を可変磁石５３の近傍に設けたが、図６に示すように、磁化巻線５６が作る磁束によって固定磁石５４の磁束を打ち消すように、固定磁石５４の近傍に磁化巻線５６を設けるようにしてもよい。

図６に示すように、磁化巻線５６が高保磁力磁石である固定磁石５４の近傍に配置されている。これにより、磁化巻線５６に磁化電流を流すことで、固定磁石５４の磁束を弱めることができる。

前述のとおり、インバータ１によって、磁化電流を流すことの問題は、可変磁石５３を増磁させる場合に、固定子側が磁気飽和することで、完全に増磁するためには、過大な固定子電流を流す必要がある。この過大な電流を流すことで、磁化に伴うトルク変動が発生したり、インバータ１の電流容量増加によるコストダウンや装置体格増といった問題を引き起こしていた。

そこで、図６のように固定磁石５４の磁束を弱めるように磁化巻線５６を配置すると、磁化巻線５６が固定磁石５４に作用し、その磁束を相殺して打ち消すように作用することで、固定子側の磁気飽和を軽減し、インバータ１から、より小さい磁化電流にて、可変磁石５３を増磁させることが可能となる。

この場合、磁化用変換器２０は、マイナスの磁化電流を流すだけの１象限動作が可能なシンプルな構成で実現すればよい。例えば、図７に示すように、磁化用変換器２０は１個のスイッチング素子２８と１個のダイオードＤとで構成できる。一方、双方向の磁化電流を流すことが必要がある場合には、２象限動作が可能なフルブリッジ変換器が必要であるので、例えば、図８に示すように、４個のスイッチング素子２８を用いてフルブリッジ回路を構成し、磁化巻線５６に正負の電流を流すことができるように磁化用変換器２０を構成する。このように、磁化用変換器２０を簡易な回路で実現できることから、小型化・コストダウンが図れる。

次に、図９は磁化巻線５６を用いて磁化を行う場合の波形の一例を示す波形図である。図９では、磁化巻線５６による磁化のみならず、従来のインバータ１による磁化をも合わせて行っている一例を示している。磁束指令演算部１２で演算された磁束指令Φ*が変化するとき、磁化要求生成部１７にて、磁化要求フラグFCReqを一瞬「１」にする。この磁化要求フラグFCReqを受け、可変磁束制御部１３では、所定時間Taの間において磁化処理を行う。磁化処理では、磁化巻線５６の磁化電流指令値ImagRefとインバータ１の主制御部２２による磁化のための電流指令であるＤ軸電流指令Id*とを与える。

磁化電流Imagやインバータ１のＤ軸電流Idによる電流制御によって、この電流を流すように動作する。磁化電流ImagおよびＤ軸電流Idの作り出す磁界によって、可変磁石が変化する。図９では、時点ｔ１〜ｔ２の磁化にて可変磁石５３を増磁し、時点ｔ３〜ｔ４の磁化にて可変磁石５３を減磁している。

増磁側は減磁側に比べ、磁気飽和のために磁化しにくいため、磁化巻線５６とともに、インバータ１からも同時に磁化させる。一方、減磁側は増磁側に比べ、容易に磁化できるため、磁化巻線５６のみで作用させる。

インバータ１による磁化を行うと、少なからず、トルク変動が生じて好ましくないが、磁化巻線５６のみでは磁化作用が不足する場合、協調をとって磁化させることで磁化を容易に行うことができる。

図１０は、磁化処理の他の一例の波形図である。磁化巻線５６は増磁側のみで作用する。前述のように、増磁側に比べ減磁側の磁化は容易であることから、インバータ１がこれを担い、磁化回路９を動作させず磁化巻線５６に磁化電流を流さない。この場合には、磁化用変換器２０を図７に示した１象限動作のみ可能な簡単な回路構成で実現できる。よって、装置の小型・軽量化に寄与できる。なお、磁化用変換器２０のゲートは、磁化処理の間（時点ｔ１〜ｔ２、ｔ３〜ｔ４の間）だけオンさせればよい。

次に、１台のインバータ１により複数の可変磁束モータ４を一括して駆動するように構成することも可能である。図１１はその場合の構成図である。図１では、１台のインバータ１が１台の可変磁束モータ４を駆動する構成であったのに対して、図１１では１台のインバータ１が４台の可変磁束モータ４を駆動する場合を示している。

インバータ１の主制御部２２は、図１に示したものと同一構成であり、各々の可変磁束モータ４には各々の磁化回路９の磁化電流制御部２３及び磁化用変換器２０が設けられている。また、直流電源２７は共通で設けられている。磁化電流制御部２３には、安定化制御器２６が追加して設けられ、磁化電流指令ImagRefに安定化制御部２６の出力が加算されている。安定化制御部２６は、駆動する可変磁束モータの回転数WRxを入力し、例えば、それを微分した上でゲインを乗じて出力することで磁化電流指令ImagRefを補正するものである。

一般に、１台のインバータ１で複数台の同期電動機を駆動する場合には、可変磁束モータ４の負荷がアンバランスになると、同期電動機の回転数が振動し不安定化する現象が発生する。インバータ１には、個々の同期電動機を安定化する手段がないため、負荷のアンバランスの条件により脱調し、運転不能となることがある。このため、同期電動機を並列に駆動するという事例は少ない。したがって、１台の同期電動機である可変磁束モータ４に１台のインバータが必要となることから、誘導電動機など並列駆動できるドライブシステムに比べコストが増加する。

これに対し、図１１の構成によれば、負荷のアンバランスによって各々の可変磁束モータ４の回転数が振動的になった場合でも、安定化制御器２６で、それを抑制するような磁化電流を流すことで、各々の可変磁束モータ４の回転数を安定化することができる。

可変磁束モータ４のトルクは、磁石磁束と固定子電流とによって決まる。固定子電流は、共通であるため制御不能であるが、可変磁石５３を磁化巻線５６の電流によって増減することで、総磁束を制御することが可能である。回転数を安定化するためには、回転数の変動をフィードバックして、（粘性摩擦と等価になるため）トルクの次元に与えればよいが、それは回転数の微分をフィードバックすることで実現される。よって、各々の可変磁束モータ４に磁化巻線５６を備えることで、従来は不可能であった同期電動機である可変磁束モータ４を並列駆動することが可能となる。これにより、集中的なインバータ１を実現すればよく、装置の小型化やコストダウンが図れる。

前述のように、回転子５１に備わる磁化巻線５６では、逆起電圧が生じないことから必要な電圧は小さく、基本的には、巻線抵抗に相応する電圧を印加すればよい。インバータ１などで磁化するのに比べ、可変磁石５３の磁化が非常に容易であり、磁化巻線５６によってトルクを、常時、個別に容易に制御できる。

次に、磁化回路９から回転子５１の磁化巻線５６への電力供給を非接触で行うようにすることも可能である。図１２はその場合の構成図である。図１では、磁化用変換器２０からスリップリング２１によって磁化巻線５６に電力供給していたのに対し、図１２では、回転トランス３２によって非接触で磁化巻線に電力供給する。回転トランス３２は、固定子に備えられた給電側コイル３０と、回転子に備えられた受電側コイル２９とから成る。

磁化用変換器２０は、磁化巻線５６に磁化電流指令に一致した高周波電圧を印加する。回転トランス３２である受電側コイル２９には同電圧が誘起される。受電コイル２９には中性点があり、整流回路３３によって全波整流される。整流回路３３の出力に磁化巻線５６が接続されており、全波整流によって変換された直流が磁化巻線５６にかかり、磁化電流が流れることで可変磁石５３の磁束を変化させる。

よって、スリップリング２１を用いた場合に比較し非接触にて励磁が可能であり、保守性・信頼性が向上できる。受電側の回路はダイオードのみであり、回転子５１に設置され、温度上昇もあるがSiCなどの半導体技術の向上により、温度の点でも問題はない。したがって、前述のように、磁化巻線５６に要する電圧は小さいくてよく、回転トランス３２も大きなスペースを必要としない。

この場合には、磁化巻線５６の電流は一方向であるため、図９の波形図のように、例えば、インバータ１で磁化する際に、固定子が磁気飽和して過大な固定子電流を必要とすることを回避できる。また、図１０の波形図のように、磁化電流を双方向に流す場合には、図１３のように、整流器３３の直流出力側に、第２の磁化用変換器３４を備えればよい。このように実現することで磁化巻線５６に双方向の磁化電流を流すことが可能である。また、磁化回路９を可変磁束モータ４の回転子５１に設けるようにしてもよい。この場合には、スリップリング２１や回転トランス３２が必要なくなる。

本発明の実施の形態に係わる可変磁束ドライブシステムの一例を示すブロック構成図。 本発明の実施の形態における可変磁束モータの簡易モデル図。 本発明の実施の形態における可変磁束モータの回転子の一例の構成図。 本発明の実施の形態における固定磁石と可変磁石のＢＨ特性（磁束密度−磁化特性）の特性図。 図４の第２象限（Ｂ＞０、Ｈ＜０）のみを定量的に正しい関係にて示す特性図。 本発明の実施の形態における可変磁束モータの回転子の他の一例の構成図。 本発明の実施の形態における磁化用変換器の一例を示す回路図。 本発明の実施の形態における磁化用変換器の他の一例を示す回路図。 本発明の実施の形態における磁化巻線を用いて磁化を行う場合の波形の一例を示す波形図。 本発明の実施の形態における磁化巻線を用いて磁化を行う場合の波形の他の一例を示す波形図。 本発明の実施の形態に係わる可変磁束ドライブシステムの他の一例を示すブロック構成図。 本発明の実施の形態における磁化回路から回転子の磁化巻線への電力供給を非接触で行う場合の一例を示す構成図。 本発明の実施の形態における磁化回路から回転子の磁化巻線への電力供給を非接触で行う場合の他の一例を示す構成図。

符号の説明

１…インバータ、２…電流検出器、３…直流電源、４…可変磁束モータ、５…座標変換部、６…ＰＷＭ回路、７…座標変換部、８…擬似微分器、９…磁化回路、１０…電圧指令演算部、１１…電流基準演算部、１２…磁束指令演算部、１３…可変磁束制御部、１４…加算器、１５…ゲート指令生成部、１６…運転指令生成部、１７…磁化要求生成部、１８…回転角度センサ、１９…電流制御部、２０…磁化用変換器、２１…スリップリング、２２…主制御部、２３…磁化巻線制御部、２４…磁化電流検出器、２５…加算器、２６…安定化制御器、２７…直流電源、２８…スイッチング素子、２９…受電側コイル、３０…給電側コイル、３２…回転トランス、３３…整流回路、３４…第２の磁化用変換器、５１…回転子、５２…回転子鉄心、５３…可変磁石、５４…固定磁石、５６…磁化巻線

Claims (7)

1. 固定磁石と可変磁石とを有した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おいて、前記可変磁束モータのトルクがトルク指令となるように前記インバータを制御する主制御部と、前記可変磁束モータの可変磁石を磁化する磁化巻線と、前記磁化巻線に磁化電流を供給する磁化回路とを備え、前記磁化巻線は、前記可変磁束モータの回転子に設けられたことを特徴とする可変磁束モータドライブシステム。
2. 前記磁化巻線は、前記磁化巻線が作る磁束によって前記可変磁石の磁束を磁化させるように、前記可変磁石の近傍に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の可変磁束モータドライブシステム。
3. 前記磁化巻線は、前記磁化巻線が作る磁束によって前記固定磁石の磁束を打ち消すように、前記固定磁石の近傍に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の可変磁束モータドライブシステム。
4. 前記可変磁石を変化する際には、前記磁化回路による磁化と、前記主回路による磁化とを併用して行うことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の可変磁束モータドライブシステム。
5. 前記磁化回路は、前記可変磁束モータの回転子に設けられたことを特徴とする請求項２に記載の可変磁束モータドライブシステム。
6. 前記磁化回路から前記回転子の磁化巻線への電力供給は、非接触で行われることを特徴とする請求項２に記載の可変磁束モータドライブシステム。
7. １台のインバータにより複数の可変磁束モータを一括して駆動するように構成し、各々の可変磁束モータ毎に前記磁化巻線を励磁する前記磁化回路を設けたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の可変磁束モータドライブシステム。

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