JP5980047B2 - 電動機およびこの電動機を有する巻上機並びに電動機の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、電動機およびこの電動機を有する巻上機並びに電動機の制御方法に関する。

誘導電動機のロータ軸に設けられた吸引体が、ステータコイルが生成する磁束によって磁化され、ロータ軸に摺動可能に装着されたブレーキ盤を吸引することによりブレーキが解放される電動機がある（たとえば特許文献１参照）。この電動機は、ステータコイルが磁束を生成する通電時にブレーキが解放され、ステータコイルが磁束を生成しない無通電時にはブレーキがかかるようになっている。

この電動機は、ブレーキ機構が電動機と同一制御系であるため安全性が高く、応答性も良く、構造が簡単であるという利点がある。特に、この電動機は、重量物を巻き上げる電気チェーンブロック、ロープホイスト等の巻上機に利用するのに適する。たとえばこの電動機を有する巻上機は、重たい部材を吊り下げたままの状態で停止するときに、電動機のステータコイルへの通電を遮断することで電動機によって駆動される巻上機にブレーキがかかる。これによりこの巻上機は、停止時に、重たい部材をその停止位置に強固に保持しておくことができるという利点がある。

特開昭５８−２０１５５６号公報

上述した電動機は、専ら誘導電動機が用いられている。誘導電動機は、無負荷状態であっても、ステータコイルに電流を流し続けて磁束を生成している。このため、上述した吸引体は、ステータコイルが生成する磁束によって磁化されることで、ロータ側に吸引されて誘導電動機のブレーキを解放することができる。このため、無負荷時においてもチェーンを上げ下げできる。

他方で、省エネルギー化が重要視されている昨今の状況下において、誘導電動機に換えてロータに永久磁石を有することにより消費電力を小さくできる永久磁石式電動機を採用する動きが進んでいる。しかしながら従来の永久磁石式電動機は、無負荷時には、ステータコイルに流れる電流はゼロに近く、ステータコイルは磁束を生成しない。よって、吸引体が磁化されず、その結果、吸引体は吸引されず、無負荷時にブレーキを解放することができない。このため、従来の永久磁石式電動機に対し、上述したブレーキ機構（以下では、プルロータ式ブレーキと称する。）を採用することは難しい。

たとえば従来の永久磁石式電動機に対して無負荷時でもプルロータ式ブレーキを解放できる程度の磁束が生成されるような電流をステータコイルに流すとすれば、無負荷時のモータトルクが必要以上に高くなり、ロータの回転速度も必要以上に速くなる。このように単純に、無負荷時の電流量を増やすだけでは従来の永久磁石式電動機にプルロータ式ブレーキを採用することはできない。

本発明は、このような背景の下に行われたものであって、省電力であり、かつ無負荷時にブレーキを解放することができる電動機およびこの電動機を有する巻上機並びに電動機の制御方法を提供することを目的とする。

本発明の電動機は、ロータ軸に取り付けられ、ロータと一体またはロータに重ねられて配置される吸引体と、ロータ軸の軸方向に摺動可能に装着されたブレーキ盤と、ブレーキ盤が接離するフレームと、ブレーキ盤をフレームに接触する方向に動かそうとする力を付与する弾性体とを有し、ロータに対向して設けられるステータに巻回されるコイルへの通電時に吸引体によりブレーキ盤を吸引してブレーキ盤をフレームから離し、ブレーキを解放するように構成した電動機において、ロータは永久磁石を有して構成され、ステータに巻回されるコイルに供給される電流を、ステータが磁束を生成するための励磁分電流であるｄ軸電流成分とモータトルクを発生させるためのトルク分電流であるｑ軸電流成分とに分解して制御するベクトル制御を実施する制御部を有し、制御部は、コイルの通電時に、コイルに流れる電流が、吸引体がブレーキ盤を吸引するのに要するブレーキ解放最小電流に達しないときには、電動機の駆動中にｑ軸電流成分を変更することなくｄ軸電流成分を増大させてブレーキ解放電流を得るものである。

上述の本発明の電動機は、たとえば、永久磁石がロータに内包され、ロータの磁極が突極性を有するＩＰＭ(Interior Permanent Magnet)型であり、制御部は、コイルに供給する電流の電流位相角を突極性に適合するように制御することによりｄ軸電流成分およびｑ軸電流成分を制御し、最大効率運転となる電流位相角θ₁における運転電流をＩとし、ブレーキ解放最小電流をＩｐとするときに、制御部は、
Ｉ＜Ｉｐ
のときには、そのときのｑ軸電流成分を増大させない電流位相角の範囲で、かつ運転電流がブレーキ解放最小電流Ｉｐ以上となる運転を行うことができる。

あるいは、上述の本発明の電動機は、たとえば、永久磁石がロータの表面に配置されるＳＰＭ(Surface Permanent Magnet)型であり、ｄ軸電流成分をｉｄとし、ｑ軸電流成分をｉｑとし、ブレーキ解放最小電流をＩｐとするときに、制御部は、
√〔（ｉｄ）²＋（ｉｑ）²〕＜Ｉｐ
のときには、ｄ軸電流成分ｉｄを、
ｉｄ≧√〔（Ｉｐ）²−（ｉｑ）²〕
と制御することができる。

また、上述の本発明の電動機は、ステータの軸方向の長さの範囲内に、ロータおよび吸引体が収まるように配設されることが好ましい。

また、上述の本発明の電動機は、フレームは、その外周に配置される他のフレームに囲まれ、両フレームに挟まれる空間にロータ軸の回転と共に回転するファンが設けられているようにしてもよい。

本発明の他の観点は、本発明の電動機を動力として有する巻上機である。

本発明のさらに他の観点は、電動機の制御方法としての観点である。本発明の電動機の制御方法は、ロータ軸に取り付けられ、ロータと一体またはロータに重ねられて配置される吸引体と、ロータ軸の軸方向に摺動可能に装着されたブレーキ盤と、ブレーキ盤が接離するフレームと、ブレーキ盤をフレームに接触する方向に動かそうとする力を付与する弾性体とを有し、ロータに対向して設けられるステータに巻回されるコイルへの通電時に吸引体によりブレーキ盤を吸引してブレーキ盤をフレームから離し、ブレーキを解放するように構成した電動機の制御方法において、ロータは永久磁石を有して構成され、ステータに巻回されるコイルに供給される電流を、ステータが磁束を生成するための励磁分電流であるｄ軸電流成分とモータトルクを発生させるためのトルク分電流であるｑ軸電流成分とに分解して制御するベクトル制御を実施する制御部が、コイルの通電時に、コイルに流れる電流が、吸引体がブレーキ盤を吸引するのに要するブレーキ解放最小電流に達しないときには、電動機の駆動中にｑ軸電流成分を変更することなくｄ軸電流成分を増大させてブレーキ解放電流を得るステップを有するものである。

たとえば、永久磁石がロータに内包され、ロータの磁極が突極性を有するＩＰＭ型であり、制御部が、コイルに供給する電流の電流位相角を突極性に適合するように制御することによりｄ軸電流成分およびｑ軸電流成分を制御する制御ステップを有し、制御ステップの処理として、最大効率運転となる電流位相角θ₁における運転電流をＩとし、ブレーキ解放最小電流をＩｐとするときに、
Ｉ＜Ｉｐ
のときには、そのときのｑ軸電流成分を増大させない電流位相角の範囲で、かつ運転電流がブレーキ解放最小電流Ｉｐ以上となる運転を行うステップを実行することができる。

あるいは、永久磁石がロータの表面に配置されるＳＰＭ型であり、ｄ軸電流成分をｉｄとし、ｑ軸電流成分をｉｑとし、ブレーキ解放最小電流をＩｐとするときに、制御部が、
√〔（ｉｄ）²＋（ｉｑ）²〕＜Ｉｐ
のときには、ｄ軸電流成分ｉｄを、
ｉｄ≧√〔（Ｉｐ）²−（ｉｑ）²〕
と制御する制御ステップを有することができる。

本発明によれば、省電力であり、かつ無負荷時にブレーキを解放することができる電動機およびこの電動機を有する巻上機を提供することができる。

本発明の第一の実施の形態に係る電動機の全体構成図である。 図１のモータ部の側断面図であり、無通電状態を示す図である。 図２のモータ部の吸引体を軸方向から見た図である。 図３の吸引体を軸方向と直交する方向から見た図である。 図１のモータ部の側断面図であり、通電状態を示す図である。 図１のモータ部のＩＰＭ型のロータを示す平面図である。 図６のＩＰＭ型のロータに対向するステータのコイルに流れる電流Ｉの電流位相角θ_iの状態を示す図である。 図６のＩＰＭ型のロータを採用するモータ部の通常運転時のマグネットトルク、リラクタンストルク、トータルトルクを示す図である。 図６のＩＰＭ型のロータを採用するモータ部のブレーキ解放状態の電流位相角θ₁を示す図である。 図６のＩＰＭ型のロータを採用するモータ部の無負荷時でブレーキ解放状態に制御された電流Ｉｐ₁の電流位相角θ₂と無負荷時で制御されていない電流Ｉの電流位相角θ₁とを併せて示す図である。 図９のブレーキ解放状態を維持するための電流Ｉｐの電流位相角を０°〜１８０°変化されたときのトータルトルク（実線）と無負荷時の電流Ｉの電流位相角を０°〜１８０°変化されたときのトータルトルク（一点鎖線）とを示す図である。 図１のモータ部のＳＰＭ型のロータを示す平面図である。 図１２のＳＰＭ型のロータを採用するモータ部の高負荷時のｄ軸電流成分とｑ軸電流成分とをブレーキ解放最小電流Ｉｐと共に示す図である。 図１２のＳＰＭ型のロータを採用するモータ部の従来の無負荷時のｄ軸電流成分とｑ軸電流成分とをブレーキ解放最小電流Ｉｐと共に示す図である。 図１２のＳＰＭ型のロータを採用するモータ部の無負荷時でブレーキ解放状態のｄ軸電流成分とｑ軸電流成分とをブレーキ解放最小電流Ｉｐと共に示す図である。

（第一の実施の形態）
本発明の第一の実施の形態に係る電動機１について図１〜図１１を参照しながら説明する。まず電動機１の主要回路構成を図１を参照しながら説明する。電動機１は、ロータに永久磁石を入れることで消費電力を削減しているモータ部２を有する。モータ部２は、インバータ３から供給される電力によって駆動される。なお、以下の説明では、モータ部２を駆動する電力を構成する駆動電圧および駆動電流のうち駆動電流を制御する技術について主に説明し、駆動電圧についての説明は省略する。

インバータ３は、コンバータ４から供給される直流電流を入力とし、制御装置５によって制御された交流電流を駆動電流としてモータ部２に供給する。なお、コンバータ４は交流電源６から供給される交流電流を直流電流に変換してインバータ３に出力する。

また、インバータ３とモータ部２との間には、電流検出器７が入れられている。電流検出器７が検出したインバータ３から出力される交流電流の情報として、たとえば交流電流の位相に係る情報が制御装置５に伝達される。また、モータ部２からは制御装置５に対してモータ部２のロータ磁極位置センサ（不図示）によって検出されたロータ磁極位置情報および回転速度情報などが伝達される。なお、回転速度情報については、モータ部２が制御装置５に対して直接伝達する他に、制御装置５がモータ部２から伝達されるロータ磁極位置情報に基づいて算出するようにしてもよい。

制御装置５は、ｄ軸電流制御部８とｑ軸電流制御部９とを有する。ここでｄ軸とｑ軸とについての詳細は、図５を参照しつつ後述する。ｄ軸電流とは、モータ部２のステータのコイルを流れる電流成分のうちで、モータ部２のロータを構成する永久磁石によって生成される磁束の方向と磁気的に同方向の磁束を生み出す電流成分であり、モータ部２のステータのコイルの磁束を生成する役割を担う。一方、ｑ軸電流とは、モータ部２のステータのコイルを流れる電流成分のうちで、モータ部２のロータを構成する永久磁石によって生成される磁束の方向と磁気的に直角方向の磁束を生み出す電流成分であり、主に、ロータの回転力（トルク）を発生させる役割を担う。

制御装置５のｄ軸電流制御部８およびｑ軸電流制御部９は、制御装置５に対してユーザから指示された要求トルクに見合ったトルクをモータ部２が発生するように、モータ部２から伝達されるロータ磁極位置情報および回転速度情報と、電流検出部７から伝達される交流電流の情報と、に基づいてインバータ３から出力される駆動電流のｄ軸電流成分およびｑ軸電流成分をそれぞれ制御する。

モータ部２の構成を図２に示す。図２に示すモータ部２は、巻上機の部品の一つとして巻上機に取り付けられている状態を図示したものであり、その中でモータ部２に関する部分のみを抜き出して図示している。よって、図２に描かれていても説明しない部材については本発明のポイントとは直接関係の無い部材である。

モータ部２は、図２に示すように、前部フレーム１０と、後部フレーム１１と、を有して筐体が構成される。筐体内には、ステータ１２と、永久磁石３１を有するロータ１３と、ロータ軸１４と、前部軸受１５Ｆと、後部軸受１５Ｒと、後部軸受１５Ｒの係止リング１６と、後部軸受１５Ｒの係止部材１７ａ，１７ｂと、係止部材１７ａの座金１８と、を有して電動機１の動力発生機構が構成される。ロータ１３は、ロータ軸１４に固定されている。なお、図２における永久磁石３１の配置形態は、後述する図５のＩＰＭ(Interior Permanent Magnet)型と図１１のＳＰＭ(Surface Permanent Magnet)型があり、図２に描かれている永久磁石３１の位置は説明の便宜上模式的に図示した位置であり、実際の位置とは異なる。

さらにロータ１３と密着するように載置された吸引体１９と、吸引体１９に吸引される被吸引体としてのブレーキ盤２０と、吸引体１９とブレーキ盤２０とで形成される環状空間２１内に配設されたバネ２２と、後部フレーム１１の内方に、設けられる内部フレーム１１ａのブレーキ盤２０と当接する部分に設けられた摩擦板２３と、摩擦板２３がブレーキ盤２０と当接する部分に相当するブレーキ受２４と、を有して電動機１のブレーキ機構が構成される。ここで、前部フレーム１０、後部フレーム１１および内部フレーム１１ａによって固定したフレームが構成されている。

なお、吸引体１９は、ロータ１３に固定されていてもよいし、あるいは吸引体１９は、ロータ１３には固定されておらず、その代わりにロータ軸１４に吸引体１９が固定されていてもよい。もしくは、吸引体１９とロータ１３とは一体に成形されてもよい。あるいは、ロータ１３とロータ軸１４と吸引体１９とが互いに固定されていてもよい。一方、ロータ軸１４に対してブレーキ盤２０は、軸方向に対して摺動自在に取付けられている。また、ブレーキ盤２０は、ロータ軸１４の周方向に対しては回動しないように取付けられている。なお、バネ２２は、コイル状のバネを図示したが、皿バネやその他の形状のバネでもよい。あるいはゴム等の弾性材料をバネ２２として用いてもよい。

さらに、ブレーキ作動時の衝撃を緩和するために、係止リング１６とロータ軸１４の段部との間に、バネ２２と比べてバネ圧の弱い弾性部材２５が介挿される。なお、弾性部材２５は、皿バネを図示したが、コイルバネやその他の形状のバネでもよい。あるいはゴム等の弾性材料を弾性部材２５として用いてもよい。また、吸引体１９とロータ１３との間に、図示しない弾性部材を設け、ブレーキと同時に軸受１５Ｒに作用する衝撃を緩和するようにしてもよい。この場合、ロータ軸１４と吸引体１９とはスライド可能に固定（スプライン嵌合）されている（たとえば特公昭５１−２３６８３号公報参照）。

吸引体１９を軸方向から見た様子を図３に示す。また、吸引体１９を軸方向と直交する方向から見た様子を図４に示す。吸引体１９は、図３および図４に示すように、金属製ボス３２の外周に固定された非磁性材料製環体３３の周囲に多数の磁性体３４を埋設固定して構成する。金属性ボス３２の外周に形成された多数の突出部３５が非磁性材料製環体３３の内周に形成された多数の凹部３６に嵌合されている。

吸引体１９は、図３に示すように、ロータ軸１４が中心部を貫通している。吸引体１９は、ロータ軸１４に対し、周方向結合用溝３７によって嵌合し、ロータ軸１４と共に回転する。また、吸引体１９は、ロータ軸１４に対し、軸方向結合用環状溝４８によって軸方向にずれることなく固定される。

吸引体１９の磁性体３４は、図４に示すようにＺ字型であり、図３に示すように放射状に等間隔で配置されている。磁性体３４が図４に示すようにＺ字型であるのは、ステータ１２の磁束の向きをブレーキ盤２０の側に向かわせて吸引体１９の吸引力を発生させるためである（たとえば実開昭５４−２９３０８号公報参照）。

また、被吸引体であるブレーキ盤２０は、少なくとも吸引体１９と対向する面は磁性材料により構成される。

ステータ１２の軸方向の長さは、ロータ１３の軸方向の長さに吸引体１９の軸方向の長さを加えた長さよりも長いかもしくは等しい。これによりステータ１２の軸方向の長さの範囲内に、ロータ１３および吸引体１９が収まるように配設される。なお、ステータ１２には、コイル１２ａが巻回されている。

その他の部材としては、ロータ軸１４は、巻上機を駆動するギア機構中の駆動軸２８の中空部と嵌合している。駆動軸２８の外周部は、前部軸受１５Ｆの内周部と当接し、ロータ軸１４と共に回転する。また、後部フレーム１１の座金１８側は、ファンカバー２９を形成する。ファンカバー２９は、多数の通風孔２９ａを有する。さらに通風孔２９ａの他にもロータ軸１４の端部の回転の様子が外部から見えるような孔を設けてもよい。また、ロータ軸１４の後部フレーム１１側に、空冷用のファン２７が設けられている。このファン２７は、後部フレーム１１と内部フレーム１１ａとにはさまれる空間内に配置されている。ファン２７は、ロータ軸１４の回転と共に回転し、ファンカバー２９に開けられた孔または通風孔２９ａから外気を取り込んでモータ部２の内部に流入させてモータ部２の内部を冷却する。

なお、一般的に、ロータ軸は、ロータ１３のための軸であるが、ここでロータ軸１４は、ロータ１３の回転中心を軸心に含む部位だけではなく、吸引体１９、ブレーキ盤２０、およびファン２７などが取り付けられている部位も全て含むものをいう。言い換えると、一般的にいうロータ軸とその延長軸とを含めてロータ軸１４が構成される。

モータ部２が無通電状態であるときには、ロータ１３が有する永久磁石が生成する磁束は、そのほとんどがロータ１３とステータ１２間に通っていて、吸引体１９側にはほとんどその磁束は通らない。そのため、吸引体１０がブレーキ盤２０を吸引する磁力はほとんど得られない。これによりブレーキ盤２０に貼り付けられている摩擦板２３は、バネ２２のバネ圧によって内部フレーム１１ａのブレーキ受２４に圧接し、モータ部２は、ブレーキが効いている状態（ブレーキ保持状態）になっている。

ここでモータ部２が通電状態になると、ステータ１２が生成する磁束により、バネ２２のバネ圧に逆らって吸引体１９がブレーキ盤２０を吸引するために十分な磁力を得ることができる。これによりモータ部２が通電状態になると、無通電状態では離れていた吸引体１９とブレーキ盤２０とが密着し、ブレーキ盤２０の摩擦板２３と内部フレーム１１ａのブレーキ受２４とが離れてモータ部２は、ブレーキ解放状態になる。

図２に示すモータ部２は、モータ部２が無通電の状態であり、ブレーキ受２４と摩擦板２３とが圧接している状態である。また、このときには、吸引体１９とブレーキ盤２０との間には隙間があいている。これに対し、図５に示すモータ部２は、モータ部２が通電された状態であり、ブレーキ受２４が摩擦板２３から離れている状態である。また、このときには、吸引体１９とブレーキ盤２０との間には隙間が無い。図５に示すブレーキ解放状態では、モータ部２のロータ軸１４は、自由に回転できるが、図２に示すブレーキ保持状態では、モータ部２のロータ軸１４は、ブレーキ受２４と摩擦板２３との摩擦力によって回転が阻止される。

電動機１におけるモータ部２のロータ１３は、図６に示すように、円柱状の珪素鋼板により形成されるロータ基部３０の内部に永久磁石３１が内包されたＩＰＭ型である。ＩＰＭ型のロータ１３では、磁極に突極性を有し、そのためリラクタンストルクが発生する。この結果、制御装置５は、最大効率制御を行う。図７に示すように、電流の大きさは一定にしてステータ１２の電流位相角θ_iを変化させたときのモータ部２のロータ軸１３のマグネットトルク、リラクタンストルク、およびトータルトルクを図８に示す。図８に示すように、モータ部２では、電流位相角は１２０°付近が最もトータルトルクが大きくなるため最も効率の良い電流位相角であることがわかる。よって、モータ部２が高負荷で運転する際には、電流位相角１２０°で運転する最大効率制御を行う。このように制御装置５は、ステータ１２のコイル１２ａに供給する電流の電流位相角θ_ｉをロータ１３の突極性に適合するように制御することによりｄ軸電流成分およびｑ軸電流成分を制御する。

一方、図９に示すように、モータ部２において、ブレーキ保持最低電流Ｉｐの電流位相角を０°〜１８０°変化させたときのトータルトルクを図１１に実線で示す。このときの最大効率位相角をθ₁とする。図１１の例では、θ₁は１２０°付近である。また、無負荷時のモータ部２における電流Ｉの電流位相角を０°〜１８０°変化させたときのトータルトルクを図１１に一点鎖線で示す。このときの最大効率位相角は、やはり１２０°付近（θ₁）である。

このときに図１０に示すように、最大効率位相角θ₁における電流Ｉは、電流Ｉｐ未満であるため、ブレーキの解放状態を保持できない。このため、図１１に示すように、無負荷時のモータ部２の最大トルクとなる最大効率位相角θ₁における電流Ｉのトルク（一点鎖線の頂点部の高さ）を維持できるブレーキ保持最低電流Ｉｐ線上の位相角を探すと、無負荷時のトルクと同じであり、かつブレーキ保持最低電流となる位置の電流位相角は、図１１に示す電流位相角θ₂またはθ₃（一点鎖線の頂点部と同じ高さ）となる。よって、モータ電流値を電流Ｉｐ（θ₂）または電流Ｉｐ（θ₃）で運転する。これにより、モータ部２の効率は多少犠牲になるもののモータ部２は、ブレーキ保持最低電流Ｉｐ（θ₂）（＝Ｉｐ）を確保することができる。なお、図１０に示すように、電流Ｉの電流位相角θ₁を電流Ｉｐ（θ₂）の電流位相角θ₂に変更してもｑ軸電流成分の大きさについては変化していない。すなわち無負荷時の電流Ｉの電流位相角θ₁を電流位相角θ₂に変更し、かつ電流値をＩｐに変更してもモータ部２が発生するトルクの大きさは変更されない。よって、無負荷時のモータ部２のトルクの大きさ（すなわち回転速度）には影響せず、かつブレーキを作動させることができる。

以上説明したように、制御装置５は、モータ部２の通電時に、ステータ１２のコイル１２ａに流れる電流が吸引体１９がブレーキ盤２０を吸引するのに要するブレーキ解放最小電流に達しないときには、ｄ軸電流成分ｉｄを増大させてブレーキ解放最小電流以上の電流を得るので、従来の誘導電動機に比べて低い消費電力の永久磁石式電動機を採用しつつプルロータ式ブレーキを有するモータ部２を実現することができる。また、ｑ軸電流成分ｉｑは変更せずに済むため、モータ部２の無負荷時におけるトルクおよび回転速度の特性は、誘導電動機を採用する場合と同じ特性にすることができる。

たとえば、モータ部２は、無負荷時におけるモータ部２が最大効率運転となる電流位相角θ₁の運転電流をＩとし、ブレーキ解放最小電流をＩｐとするときに、制御装置５は、
Ｉ＜Ｉｐ
のときには、そのときのｑ軸電流成分ｉｑを増大させない範囲で、ブレーキ解放最小電流Ｉｐとなる電流位相角θ₂またはθ₃によりモータ部２の運転を行うので、ｑ軸電流成分ｉｑは変更せずに済むため、モータ部２の無負荷時におけるトルクおよび回転速度の特性は、誘導電動機を採用する場合と同じ特性にすることができる。なお、電流値がＩｐで電流位相角をθ₂＜θ＜１８０度、またはθ₃＞θ＞０度とすることでトルクが低減しつつ無負荷時のブレーキ作動を行わせることができる。

また、ステータ１２の軸方向の長さは、ロータ１３の軸方向の長さに吸引体１９の軸方向の長さを加えた長さよりも長いかもしくは等しく、ステータ１２の軸方向の長さの範囲内に、ロータ１３および吸引体１９が収まるように配設されるので、モータ部２の通電時にステータ１２が生成する磁束を吸引体１９とブレーキ盤２０との間に効率良く通すことができる。これにより、モータ部２の通電時には、ブレーキの解放を高い効率により実現することができる。すなわちモータ部２の通電時には、ブレーキの解放を小さい消費電力により実現することができる。

（第二の実施の形態）
本発明の第二の実施の形態に係る電動機１Ａ（電動機１と区別する部材には符号にＡを付す。）について図１２〜図１５を参照しながら説明する。第一の実施の形態と第二の実施の形態とは一部が異なる。以下では、第一の実施の形態とは異なる部材および事項について主に説明し、第一の実施の形態と共通する部材および事項についての説明は省略または簡略化する。第二の実施の形態に係る電動機１Ａの回路主要構成は、図１に示す電動機１と同様であり、そのモータ部２Ａの構成は、図２〜図５に示すモータ部２とはロータ１３Ａを除き同様となっている。

モータ部２Ａのロータ１３Ａは、図１２に示すように、珪素鋼板で形成された円柱状のロータ基部３０Ａの周囲に、永久磁石３１Ａが配設されるＳＰＭ型である。この場合、磁極がつくる磁束の方向、すなわち永久磁石３１Ａの中心軸が前述したｄ軸に対応する。また、ｄ軸と電磁気的に直交するｑ軸は、図１２の例では、２つの永久磁石３１Ａの間に対応する。

モータ部２Ａが高負荷のときには、図１３に示すように、ｄ軸電流成分ｉｄ₁とｑ軸電流成分ｉｑ₁とが共に大きい。このとき、ステータ１２のコイル１２ａには、ｄ軸電流成分ｉｄ₁のベクトルとｑ軸電流成分ｉｑ₁のベクトルとを合成した電流Ｉ₁が流れる。また、吸引体１９がブレーキ盤２０を吸引するために必要となる最低電流は、図１３に二点鎖線の円で表した電流Ｉｐである。図１３の高負荷時には、電流Ｉ₁は、電流Ｉｐよりも十分に大きいので、ブレーキ盤２０は、吸引体１９に吸引されてブレーキは解放される。

これに対し、モータ部２Ａが無負荷のときには、従来は、図１４に示すように、ｄ軸電流成分ｉｄ₂とｑ軸電流成分ｉｑ₂とが共に小さい。このとき、ステータ１２のコイル１２ａには、ｄ軸電流成分ｉｄ₂のベクトルとｑ軸電流成分ｉｑ₂のベクトルとを合成した電流Ｉ₂が流れる。図１４の無負荷時には、電流Ｉ₂は、電流Ｉｐよりも小さいので、ブレーキ盤２０は、吸引体１９に吸引されずにブレーキは解放されない。

ここで本実施の形態に係るモータ部２Ａでは、図１５に示すように、ｑ軸電流成分ｉｑ₂はそのままにしておき、ｄ軸電流成分ｉｄ₃を
ｉｄ₃≧√〔（Ｉｐ）²−（ｉｑ₂）²〕
の関係を満たすような値に設定する。ここでｄ軸電流成分ｉｄは、前述したように、ステータ１２の磁束を生成する電流であるため、ｄ軸電流成分を変更してもモータ部２Ａが発生するトルクの大きさは変更されない。これによれば、モータ部２Ａに流れる電流Ｉ₂を電流Ｉ₃（≧Ｉｐ＞Ｉ₂）まで増加させてもトルク電流となるｑ軸電流成分ｉｑ₂は変わらず無負荷時のモータ部２Ａのトルクの大きさ（すなわち回転速度）には影響しない。

以上説明したように、制御装置５Ａは、モータ部２Ａの通電時に、ステータ１２に流れる電流が吸引体１９がブレーキ盤２０を吸引するのに要するブレーキ解放最小電流に達しないときには、ｄ軸電流成分ｉｄを増大させてブレーキ解放最小電流以上の電流を得るようにしている。このため、誘導電動機に比べて低い消費電力の永久磁石式電動機を採用しつつプルロータ式ブレーキを有する電動機１Ａを実現することができる。また、ｄ軸電流成分ｉｄのみを増大させるので、モータ部２Ａの無負荷時におけるトルクおよび回転速度の特性は、従来の誘導電動機を採用する場合と同じ特性にすることができる。

たとえばモータ部２Ａは、永久磁石がロータ１３Ａの表面に配置されるＳＰＭ型であり、ｄ軸電流成分をｉｄとし、ｑ軸電流成分をｉｑとし、ブレーキ解放最小電流をＩｐとするときに、制御装置５Ａは、
√〔（ｉｄ）²＋（ｉｑ）²〕＜Ｉｐ
のときには、ｄ軸電流成分ｉｄを、
ｉｄ≧√〔（Ｉｐ）²−（ｉｑ）²〕
と制御する。この結果、ｑ軸電流成分ｉｑは変更せずに済むため、モータ部２Ａの無負荷時におけるトルクおよび回転速度の特性は、誘導電動機を採用する場合と同じ特性にすることができる。

また、ステータ１２の軸方向の長さは、ロータ１３Ａの軸方向の長さに吸引体１９の軸方向の長さを加えた長さよりも長いかもしくは等しく、ステータ１２の軸方向の長さの範囲内に、ロータ１３Ａおよび吸引体１９が収まるように配設されるので、モータ部２Ａの通電時には、ブレーキの解放を小さい消費電力により実現することができる。

（応用例）
上述した電動機１，１Ａは、たとえば巻上機に応用することができる。巻上機は、電動機の力で荷を垂直に上下移動させるものである。他の機器との組み合わせで吊り上げた荷を水平方向に移動させることができる。また、クレーンとの組み合わせで、荷物の上下、前後、左右の三次元移動も可能となる。巻上機は、巻上機の本体と、これを遠隔操作するためのリモコン部に分かれる。巻上機の本体は、モータ部２またはモータ部２Ａを有し、吊り下げフックを備えるチェーンの巻上機を有する。この巻上機は、モータ部２のロータ１３またはモータ部２Ａのロータ１３Ａの回転トルクをギアを介してチェーンを巻き取るスプロケットに伝え、吊り下げフックに引っかけられた荷を上下動させる。

巻上機の本体とリモコン部とは多芯ケーブルによって電気的に接続される。リモコン部は、巻上機の本体に収納されているモータ部２，２Ａに対し、チェーンの巻上機の正転または逆転および回転速度を指示するためのスイッチおよび表示パネルなどを有する。なお、モータ部２，２Ａや伝達ギアやスプロケットなどは、巻上機の本体に収納されるが、その他の構成部材（インバータ３、コンバータ４、制御装置５、電流検出器７など）については、リモコン部に収納されるようにしてもよい。

電動機１，１Ａを巻上機に採用することにより、プルロータ式ブレーキによって、ステータ１２のコイル１２ａが無通電時には、チェーンの巻上機に対して強固にブレーキをかけることができる。これにより吊り下げフックに重量物を吊り下げたまま電動機１，１Ａを無通電状態にしても吊り下げフックの位置を強固に保持することができる。さらには無負荷時においてもブレーキを解放することができる。

また、従来は誘導電動機を採用していたところを電動機１，１Ａでは、永久磁石式電動機を採用したことにより、従来と比べて省電力化を図ることができる。さらに、永久磁石式電動機のモータ部２，２Ａを採用しても無負荷時あるいは軽負荷時の回転速度の特性については、従来の誘導電動機と同様の特性とすることができる。これによれば従来の誘導電動機による巻上機を使い慣れているユーザに違和感を与えないようにすることができる。

（その他の実施の形態）
本発明の実施の形態は、その要旨を逸脱しない限り様々に変更が可能である。たとえば摩擦板２３を内部フレーム１１ａ側に固定したり、さらには摩擦板２３と対向するブレーキ受２４の側にも摩擦板２３と同様の摩擦材料を貼り付けてもよい。

また、図６に示すＩＰＭ型または図１２に示すＳＰＭ型のロータ１３，１３Ａにおけるロータ基部３０，３０Ａおよび永久磁石３１，３１Ａの形状および極数については、これに限定されることなく自由である。

また、図３に示す磁性体３４の配置状態については、これに限定することなく自由である。たとえば図３に示す磁性体３４の配置状態において、磁性体３４を１つおきに間引いてもよい。あるいは、図３に示す磁性体３４の配置状態において、さらに磁性体３４の数を増やしてもよい。もしくは、図３に示す磁性体３４の配置状態において、さらに小さな形状の磁性体を磁性体３４の間に配置してもよい。

また、図２および図５の例では、ブレーキ盤２０は、バネ２２の反発力によって吸引体１９から内部フレーム１１ａに向かって押し上げられる機構になっているが、これに代わる機構として、内部フレーム１１ａの方向に、ブレーキ盤２０を引き付けるようなバネを、ブレーキ盤２０と内部フレーム１１ａとの間に設けてもよい。

また、モータ部２，２Ａは、インナーロータ型の例で説明したが、これをアウターロータ型に置き換えても同様に説明することができる。

また、電動機１，１Ａを巻上機に適用する例を説明したが、電動機１，１Ａの適用範囲をこれに限定するものではない。すなわち、無通電時には、ブレーキがかかり、通電時には、ブレーキが解放されることが必要なものであれば、電動機１，１Ａを広く適用することができる。

また、ステータ１２の軸方向の長さの範囲内に、ロータ１３および吸引体１９が収まるように配設されるとして説明したが、これは最良の要件であり、必須の要件ではない。すなわち、ステータ１２の軸方向の長さの範囲からロータ１３および吸引体１９の軸方向の長さが逸脱していても上述の説明の動作は可能である。

また、図２および図５の例では、冷却用のファン２７を有する構成を例示したが、ファン２７は必須の要件ではなく、無くしてもよい。たとえばモータ部２，２Ａの温度があまり上昇しないうちにモータ部２，２Ａを停止させるような使用方法を採ればファン２７は無くしてもよい。または、モータ部２，２Ａの発熱量が低いものを採用すればファン２７は無くしてもよい。あるいは、モータ部２，２Ａの周囲温度が低ければファン２７は無くしてもよい。もしくは、モータ部２，２Ａの外部に、空気の流れを作る扇風機などを配置すれば、ファン２７は無くしてもよい。

また、制御装置５，５Ａは、情報処理装置の一例であり、予めインストールされている所定のプログラムを情報処理装置が実行することによって、その情報処理装置に制御装置５，５Ａの機能が実現される。たとえば情報処理装置は、メモリ、ＣＰＵ(Central Processing Unit)、入出力ポートなどを有する。情報処理装置のＣＰＵは、メモリなどから所定のプログラムとして制御プログラムを読み込んで実行する。これにより、情報処理装置には、制御装置５，５Ａの機能が実現される。なお、上述したＣＰＵの代わりにＡＳＩＣ(Application Specific Integrated Circuit)、マイクロプロセッサ（マイクロコンピュータ）、ＤＳＰ(Digital Signal Processor)などを用いてもよい。

また、制御装置５，５Ａを構成する情報処理装置が実行するプログラムは、制御装置５，５Ａの出荷前に、情報処理装置のメモリなどに記憶されたものであっても、制御装置５，５Ａの出荷後に、情報処理装置のメモリなどに記憶されたものであってもよい。また、プログラムの一部が、制御装置５，５Ａの出荷後に、情報処理装置のメモリなどに記憶されたものであってもよい。制御装置５，５Ａの出荷後に、情報処理装置のメモリなどに記憶されるプログラムは、例えば、ＣＤ−ＲＯＭなどのコンピュータ読取可能な記録媒体に記憶されているものをインストールしたものであっても、インターネットなどの伝送媒体を介してダウンロードしたものをインストールしたものであってもよい。

また、プログラムは、情報処理装置によって直接実行可能なものだけでなく、ハードディスクなどにインストールすることによって実行可能となるものも含む。また、圧縮されたり、暗号化されたりしたものも含む。

このように、情報処理装置とプログラムによって制御装置５，５Ａの機能を実現することにより、大量生産や仕様変更（または設計変更）に対して柔軟に対応可能となる。

なお、コンピュータが実行するプログラムは、本明細書で説明する順序に沿って時系列に処理が行われるプログラムであってもよいし、並列に、あるいは呼び出しが行われたとき等の必要なタイミングで処理が行われるプログラムであってもよい。

また、上述の実施の形態では、モータ部２，２Ａのベクトル制御の際のｄ軸電流成分を制御してブレーキ機構を制御したが、これに対し、モータ部２，２Ａに供給される三相交流電源のうちのいずれか一相をベクトル制御から独立したブレーキ機構専用の電源として用いてもよい。これによれば、モータ部２，２Ａのベクトル制御とは別の制御によってブレーキ機構を制御することができる。

１，１Ａ…電動機、２，２Ａ…モータ部、３…インバータ、５，５Ａ…制御装置（制御部）、８…ｄ軸電流制御部（制御部の一部）、９…ｑ軸電流制御部（制御部の一部）、１０…前部フレーム、１１…後部フレーム（他のフレーム）、１１ａ…内部フレーム（フレーム）、１２…ステータ、１２ａ…コイル、１３，１３Ａ…ロータ、１４…ロータ軸、１５Ｒ…後部軸受（軸受）、１９…吸引体、２０…ブレーキ盤、２２…バネ、２３…摩擦板、２４…ブレーキ受、２７…ファン

Claims (9)

1. ロータ軸に取り付けられ、ロータと一体またはロータに重ねられて配置される吸引体と、前記ロータ軸の軸方向に摺動可能に装着されたブレーキ盤と、前記ブレーキ盤が接離するフレームと、前記ブレーキ盤を前記フレームに接触する方向に動かそうとする力を付与する弾性体とを有し、前記ロータに対向して設けられるステータに巻回されるコイルへの通電時に前記吸引体により前記ブレーキ盤を吸引して前記ブレーキ盤を前記フレームから離し、ブレーキを解放するように構成した電動機において、
   ロータは永久磁石を有して構成され、前記ステータに巻回されるコイルに供給される電流を、前記ステータが磁束を生成するための励磁分電流であるｄ軸電流成分とモータトルクを発生させるためのトルク分電流であるｑ軸電流成分とに分解して制御するベクトル制御を実施する制御部を有し、
   前記制御部は、前記コイルの通電時に、前記コイルに流れる電流が、前記吸引体が前記ブレーキ盤を吸引するのに要するブレーキ解放最小電流に達しないときには、
   電動機の駆動中に前記ｑ軸電流成分を変更することなく前記ｄ軸電流成分を増大させて前記ブレーキ解放電流を得る、
   ことを特徴とする電動機。
2. 請求項１記載の電動機において、
   前記永久磁石が前記ロータに内包され、前記ロータの磁極が突極性を有するＩＰＭ(Interior Permanent Magnet)型であり、前記制御部は、前記コイルに供給する電流の電流位相角を前記突極性に適合するように制御することにより前記ｄ軸電流成分および前記ｑ軸電流成分を制御し、最大効率運転となる電流位相角θ₁における運転電流をＩとし、前記ブレーキ解放最小電流をＩｐとするときに、
   前記制御部は、
   Ｉ＜Ｉｐ
   のときには、そのときの前記ｑ軸電流成分を増大させない電流位相角の範囲で、かつ前記運転電流が前記ブレーキ解放最小電流Ｉｐ以上となる運転を行う、
   ことを特徴とする電動機。
3. 請求項１記載の電動機において、
   前記永久磁石が前記ロータの表面に配置されるＳＰＭ(Surface Permanent Magnet)型であり、前記ｄ軸電流成分をｉｄとし、前記ｑ軸電流成分をｉｑとし、前記ブレーキ解放最小電流をＩｐとするときに、
   前記制御部は、
   √〔（ｉｄ）²＋（ｉｑ）²〕＜Ｉｐ
   のときには、前記ｄ軸電流成分ｉｄを、
   ｉｄ≧√〔（Ｉｐ）²−（ｉｑ）²〕
   と制御する、
   ことを特徴とする電動機。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の電動機において、
   前記ステータの軸方向の長さの範囲内に、前記ロータおよび前記吸引体が収まるように配設される、
   ことを特徴とする電動機。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の電動機において、
   前記フレームは、その外周に配置される他のフレームに囲まれ、両フレームに挟まれる空間に前記ロータ軸の回転と共に回転するファンが設けられている、
   ことを特徴とする電動機。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の電動機を動力として有することを特徴とする巻上機。
7. ロータ軸に取り付けられ、ロータと一体またはロータに重ねられて配置される吸引体と、前記ロータ軸の軸方向に摺動可能に装着されたブレーキ盤と、前記ブレーキ盤が接離するフレームと、前記ブレーキ盤を前記フレームに接触する方向に動かそうとする力を付与する弾性体とを有し、前記ロータに対向して設けられるステータに巻回されるコイルへの通電時に前記吸引体により前記ブレーキ盤を吸引して前記ブレーキ盤を前記フレームから離し、ブレーキを解放するように構成した電動機の制御方法において、
   前記ロータは永久磁石を有して構成され、前記ステータに巻回されるコイルに供給される電流を、前記ステータが磁束を生成するための励磁分電流であるｄ軸電流成分とモータトルクを発生させるためのトルク分電流であるｑ軸電流成分とに分解して制御するベクトル制御を実施する制御部が、
   前記コイルの通電時に、前記コイルに流れる電流が、前記吸引体が前記ブレーキ盤を吸引するのに要するブレーキ解放最小電流に達しないときには、電動機の駆動中に前記ｑ軸電流成分を変更することなく前記ｄ軸電流成分を増大させて前記ブレーキ解放電流を得るステップを有する、
   ことを特徴とする電動機の制御方法。
8. 請求項７記載の電動機の制御方法において、
   前記永久磁石が前記ロータに内包され、前記ロータの磁極が突極性を有するＩＰＭ型であり、
   前記制御部が、前記コイルに供給する電流の電流位相角を前記突極性に適合するように制御することにより前記ｄ軸電流成分および前記ｑ軸電流成分を制御する制御ステップを有し、
   前記制御ステップの処理として、最大効率運転となる電流位相角θ₁における運転電流をＩとし、前記ブレーキ解放最小電流をＩｐとするときに、
   Ｉ＜Ｉｐ
   のときには、そのときの前記ｑ軸電流成分を増大させない電流位相角の範囲で、かつ前記運転電流が前記ブレーキ解放最小電流Ｉｐ以上となる運転を行うステップを実行する、
   ことを特徴とする電動機の制御方法。
9. 請求項７記載の電動機の制御方法において、
   前記永久磁石が前記ロータの表面に配置されるＳＰＭ型であり、前記ｄ軸電流成分をｉｄとし、前記ｑ軸電流成分をｉｑとし、前記ブレーキ解放最小電流をＩｐとするときに、
   前記制御部が、
   √〔（ｉｄ）²＋（ｉｑ）²〕＜Ｉｐ
   のときには、前記ｄ軸電流成分ｉｄを、
   ｉｄ≧√〔（Ｉｐ）²−（ｉｑ）²〕
   と制御する制御ステップを有する、
   ことを特徴とする電動機の制御方法。

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