JP6278221B2 - 回転電機、回転電機の制御装置、回転電機の制御方法 - Google Patents
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Description
以下、第1実施形態について図面を参照しつつ説明する。
まず、図1及び図2を用いて、第1実施形態に係る回転電機1の構成について説明する。図1に示すように、回転電機1は、固定子2と、回転子3とを備え、例えば回転子3を固定子2の内側に備えたインナーロータ型のモータとして構成される。また当該回転電機1は、エンコーダなどの機械的なセンサを用いずに、電気的な処理によってその磁極位置を検出、制御するいわゆるセンサレス制御用の例えば3相交流モータである(センサレス制御については、後の図3で詳述する)。固定子2は、回転子3と径方向に対向するようにフレーム4の内周面に円筒状のヨーク15を介して設けられている。この固定子2は、固定子鉄心5と、固定子鉄心5に装着されたボビン6と、ボビン6に巻回されたコイル線7(固定子巻線の一例)とを有している。ボビン6は、固定子鉄心5とコイル線7とを電気的に絶縁するために、絶縁性材料で構成されている。ボビン6の軸方向一方側(図1中左側)には基板8が設けられており、この基板8に設けられた回路とボビン6に巻き回されたコイル線7とが、角棒状の2つのピン端子9を介して電気的に接続されている。コイル線7の巻き始め及び巻き終わりの端部7aは、対応するピン端子9に巻き付けられ、図示を省略する半田等によって固定されている。なお、基板を用いずにコイル線7の端部7aを結線処理してもよい。
固定子鉄心5は、円筒状のヨーク15と、このヨーク15の内周側に等間隔に配置された複数(図示する例では12個)のティース18を備え、固定子鉄心5全体は、この例ではいわゆる電磁鋼板からなる。各ティース18は、円筒状のヨーク15より内周側に突出するように設けられた本体部18aと、その本体部18aの内周側先端に位置し円周方向の寸法が本体部18aよりも拡大された拡幅部18bと、を有する。拡幅部18bは、隣り合うティース18同士で相互に連結されている。つまり、固定子鉄心5は、円筒状のヨーク15と、拡幅部18bが連結されることにより円筒状に連結された複数のティース18とが、分離するように構成される。固定子2は、コイル線7が集中巻きで巻回されたボビン6が各ティース18に装着された円筒状の複数のティース18が、ヨーク15の内周に固定されることで組立てられる。このとき、図2に示すように、それぞれのティース18に装着したボビン6のコイル線7の巻回層は、相対する側部同士が間隙19を空けて配置される。上記円筒状の複数のティース18をヨーク15に固定することにより組み立てられた固定子2は、フレーム4の内周面に取り付けられる。その後、間隙19内に樹脂が圧入され、ボビン6やコイル線7等が樹脂でモールドされる。
回転子鉄心20は、図2に示すように、シャフト10を囲む円筒部20Aと、円筒部20Aの半径方向外側に設けられた複数(図示する例では10個)の磁極部20Bと、永久磁石挿入用穴20bと、漏洩磁束防止用穴20dと、を有する。円筒部20Aは、その内周側にシャフト10が貫通する中心穴20aを有する。
図3は、上記回転電機1に対してセンサレス制御により速度制御を行う回転電機の制御システム100及び制御装置300の構成の一例を表している。なお、図3に示す機能ブロック図は伝達関数形式で表記されている。この図3において、制御システム100は、回転電機1と、制御装置300とを有する。制御装置300は、q軸に負荷電流を付与し、d軸に高周波電圧を付与する。以下、より具体的に機能ブロックで実装した例を説明する。
次に、図4用いて軸方向直交断面における固定子2及び回転子3それぞれの磁極配置について説明する。なお、上記図2の軸方向直交断面における磁極配置はシャフト10の回転軸心に関して180°で点対称の配置となるため、図4では、上方の半円部だけが図示され、下方の半円部は図示が省略されている(後述の図5、図7〜図11においても同様)。上述のように本実施形態の回転電機1は、固定子2全体に12個のティース18を備え、回転子3全体に10個の磁極部20Bを備えた、いわゆる10P12S(P:ポール=磁極部数、S:スロット=ティース数)のスロットコンビネーション構成となっている。従ってこの図4では、固定子2側の半円部で6個のティース18が示され、回転子3側の半円部で6個の永久磁石21に挟まれた5個の磁極部20Bが示されている。
図5は、以上のような磁極配置の回転電機1における、磁束の発生分布を表している。なお、回転子3が回転動作している最中のうち、1つのN型磁極部20BNの中心(及びそれを跨ぐq軸)がV相とW相の間の中間に位置するとともに、1つの永久磁石21の中心(及びそれを跨ぐd軸)がU相の中央位置に一致している状態を示している(後述の図7〜図11においても同様)。また、三相交流モータでは、U,V,Wの各相に互いに120°の位相差を持つ交流電流を印加するが、図5では、U相の電流瞬時値が0であり、V相からW相に瞬時電流が流れている状態の磁束分布を示している。
回転子3の磁極突極比(「磁気突極比」ともいう)をρ、q軸のインダクタンスをLq、d軸のインダクタンスをLdとすると、
ρ=Lq/Ld ・・・(1)
の関係となる。上述したように、センサレス制御において回転電機1の磁極位置θを高い精度で検出するためには、当該回転子3における磁極突極比ρが高いことが要求される。
φ=Li ・・・(2)
また、電圧v、電流iとインダクタンスLの関係は式(3)で表されるため、一定の交流電圧に対して、インダクタンスが小さいほど交流電流の時間的偏差が大きくなる。
v=dφ/dt=Ldi/dt ・・・(3)
以上のインダクタンスの性質を利用し、センサレス制御では、矩形波電圧発生器325から出力される矩形波電圧(高周波電圧の一例)を2相電圧指令値ΔVsd*,ΔVsq*に重畳し、d軸とq軸の間のインダクタンス偏差により生じる2相電流値isα,isβの振幅偏差に基づいて磁極位置θを推定する。
図7〜図11それぞれのA図は、上述した凹部32によるティース幅の変更による磁極突極比ρへの影響を具体的に示している。図7〜図11それぞれのA図は本実施形態に対応している。前述のように、各ティース本体部18aの円周方向両側には凹部32が設けられ、凹部32の形成位置におけるティース本体部18aの円周方向幅がW1に設定されている。W1は、無負荷状態において磁極部20Bと対向したティース18が永久磁石21からの一定磁束のみにより実質的に磁気飽和するような値に設定されている。
以上説明したように、本実施形態の回転電機1は、固定子鉄心5が備える複数のティース18の各々が、軸方向一端から他端まで軸方向に沿って延びる凹部32を有するので、次のような効果を奏する。
次に、第2実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図14〜図18に示すように、本実施形態に係る回転電機1では、各ティース18の本体部18aに、凹部32の代わりに、軸方向に貫通する貫通孔34が形成されている。その他の構成は第1実施形態と基本的に同様であるので、本実施形態に係る回転電機1を表す軸方向断面図や横断面図等は省略する。
図14は固定子2に交流電流を全く供給していない無負荷状態の磁束分布を示し、図15はq軸成分(トルク成分)の負荷交流電流(負荷電流に相当)を定格の50%供給した状態、図16は負荷交流電流を定格の100%供給した状態、図17は負荷交流電流を150%供給した状態、図18は負荷交流電流を200%供給した状態をそれぞれ示している。なお上記各図のd軸、q軸とティース18の位置関係は図5と同様である。
以上説明したように、本第2実施形態では、固定子鉄心5が備える複数のティース18の各々が、軸方向に貫通する貫通孔34を有するので、上記第1実施形態と同様な効果を奏する。
なお、以上説明した第1及び第2の実施形態は、その趣旨及び技術的思想を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。
次に、図21を参照しつつ、上記で説明したCPU901が実行するプログラムにより実装された電圧制御器323や矩形波電圧発生器325等による処理を実現する制御装置300のハードウェア構成例について説明する。なお、図21中では、制御装置300の回転電機1に駆動電力を給電する機能に係る構成を適宜省略して図示している。
2 固定子
3 回転子
5,105 固定子鉄心
7 コイル線(固定子巻線の一例)
10 シャフト
15 ヨーク
18,118 ティース
18a,118a 本体部
18b,118b 拡幅部
20 回転子鉄心
20A 円筒部
20B 磁極部
21 永久磁石
32 凹部
34 貫通孔
100 制御システム
300 制御装置
323 電圧制御器(負荷電流付与部の一例)
325 矩形波電圧発生器(高周波電圧付与部の一例)
Claims (9)
- 固定子と回転子を備え、位置及び速度センサを用いずにトルク制御、速度制御、位置制御の少なくともいずれかにより動作する回転電機であって、
円周方向に複数の磁極部を備えた回転子鉄心と、
前記回転子鉄心に設けられた複数の永久磁石と、
軸方向に貫通する貫通孔、及び、軸方向一端から他端まで軸方向に沿って延びる凹部、の少なくとも一方が形成されて固定子巻線が巻回される複数のティースを備えた固定子鉄心と
を有し、
前記ティースは、
円筒状のヨークより内周側に向けて突出した本体部と、
前記本体部の内周側先端に位置し、円周方向の寸法が前記本体部より拡大された拡幅部と、を有し、
前記貫通孔又は前記凹部は、前記本体部に形成され、
前記貫通孔又は前記凹部の前記円周方向の寸法は、
前記固定子巻線の無通電状態において、d軸方向の前記磁極部と半径方向に対向した前記ティースの前記本体部が前記貫通孔又は前記凹部の形成位置において前記永久磁石により実質的に磁気飽和するように設定され、かつ、前記固定子巻線の通電状態において、q軸方向の前記磁極部と半径方向に対向した前記ティースの前記本体部が前記貫通孔又は前記凹部の形成位置において実質的に磁気飽和しないように設定されている
ことを特徴とする回転電機。 - 前記貫通孔は、
前記ティースの円周方向中心位置に形成される
ことを特徴とする請求項1に記載の回転電機。 - 前記凹部は、
前記ティースの円周方向両側に同じ半径方向位置となるように形成される
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の回転電機。 - 前記拡幅部は、
隣り合う前記ティース同士で相互に連結されており、
前記固定子鉄心は、
円筒状に連結された前記ティースが前記ヨークの内周に固定されて構成される
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の回転電機。 - 前記永久磁石は、
前記回転子鉄心の内部に設けられる
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の回転電機。 - 前記回転子鉄心は、
シャフトに固定され前記複数の磁極部が外周に配置される円筒部を有しており、
前記永久磁石は、
前記回転子鉄心の前記磁極部相互間において、前記円筒部の外周近傍から前記回転子鉄心の外周近傍まで半径方向に沿って配置される
ことを特徴とする請求項5に記載の回転電機。 - 前記固定子巻線は、
前記ティースに集中巻きにより巻回される
ことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の回転電機。 - 位置及び速度センサを用いずに請求項1乃至7のいずれか1項記載の回転電機のトルク制御、速度制御、位置制御の少なくともいずれかを行う回転電機の制御装置であって、
回転軸心より前記磁極部の中心方向に延びる軸をd軸、前記中心方向と電気角において90度ずれた方向に延びる軸をq軸とした場合に、
前記d軸及び前記q軸の少なくとも一方に高周波電圧を付与するように構成された高周波電圧付与部と、
前記q軸に負荷電流を付与するように構成された負荷電流付与部と、
を有する
ことを特徴とする回転電機の制御装置。 - 位置及び速度センサを用いずに請求項1乃至7のいずれか1項記載の回転電機のトルク制御、速度制御、位置制御の少なくともいずれかを行う回転電機の制御方法であって、
回転軸心より前記磁極部の中心方向に延びる軸をd軸、前記中心方向と電気角において90度ずれた方向に延びる軸をq軸とした場合に、
前記d軸及び前記q軸の少なくとも一方に高周波電圧を付与することと、
前記q軸に負荷電流を付与することと、
を有することを特徴とする回転電機の制御方法。
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