WO2018150511A1 - 回転電機の制御装置、回転電機、および回転電機の制御方法 - Google Patents

回転電機の制御装置、回転電機、および回転電機の制御方法 Download PDF

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electrical machine
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current phase
torque
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勇二 滝澤
迪 廣谷
岡崎 正文
阿久津 悟
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三菱電機株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a rotating electrical machine control device, a rotating electrical machine, and a rotating electrical machine control method having characteristics of small size, high output, and low torque ripple.
  • an IPM (Interior Permanent Magnet) motor in which a permanent magnet is embedded in a rotor core (see, for example, Patent Document 1).
  • the IPM motor can be driven so that the total torque of the magnet torque and the reluctance torque is maximized by energizing the reluctance torque. As a result, a motor with a reduced magnet amount is realized.
  • Patent Literature 1 the motor is driven by changing the current phase angle so that the total torque from the low current drive with a small energization current to the rated drive is maximized.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and has the characteristics of high output and low torque ripple after utilizing the reluctance torque, which is a feature of the IPM motor, to reduce the size of the motor. It is an object to obtain a control device for a rotating electrical machine, a rotating electrical machine, and a method for controlling the rotating electrical machine.
  • a control device for a rotating electrical machine is a control device for a rotating electrical machine that includes an armature, a rotating electrical machine including a rotor, and a controller that controls driving of the rotating electrical machine.
  • the child has an armature core including a plurality of magnetic teeth, and an armature winding formed of a multiphase winding group wound around the teeth and housed in a slot between the teeth. It has a rotor core with a permanent magnet embedded inside, is arranged via an armature and a magnetic gap, and is provided so as to be able to rotate around the rotation axis.
  • the rotating electrical machine is driven and controlled at a current phase angle ⁇ 1 different from the current phase angle ⁇ 1 at which the torque is maximized at a constant energization current below the rotational speed at which the field weakening current for cancellation is increased.
  • a rotating electrical machine according to the present invention is a rotating electrical machine that is driven and controlled by a controller in the controller for a rotating electrical machine according to the present invention, and the armature and the rotor have a current phase angle at which a torque is maximized at a rating. It has a structure in which the current phase angle at which torque ripple is minimized matches.
  • control method for a rotating electrical machine according to the present invention is a control method for a rotating electrical machine that is executed by a controller in the controller for a rotating electrical machine according to the present invention, and increases a field weakening current for canceling a counter electromotive force.
  • a first control step of driving and controlling the rotating electrical machine at a current phase angle ⁇ different from the current phase angle ⁇ 1 at which the torque is maximum when the energization current is constant below the rotation speed to be performed is included.
  • the reluctance torque which is a feature of the IPM motor, is utilized to reduce the motor size, and the current phase angle is shifted from the angle at which the total torque is maximized in driving other than the rated time. Even if the phase angle changes, it has a configuration that can suppress an increase in torque ripple.
  • the reluctance torque which is a feature of the IPM motor, is utilized to reduce the size of the motor, and a rotating electric machine control device, rotating electric machine, and rotating electric machine control method having high output and low torque ripple characteristics are obtained. be able to.
  • Embodiment 1 of this invention It is a cross-sectional view of the V-shaped IPM motor of Embodiment 1 of the present invention. It is the perspective view which looked at the rotor of the V-shaped IPM in Embodiment 1 of this invention from the axial direction. It is the perspective view which looked at the rotor of the V-shaped IPM for contrast with the arrangement
  • Embodiment 1 of this invention it is a figure which shows the relationship between the measured torque ripple 48th-order component and current phase angle at the time of rating and 1/2 rating.
  • Embodiment 1 of this invention it is a figure which shows the relationship between the measurement torque and current phase angle at the time of rating and 1/2 rating. It is a block diagram of the control apparatus of the rotary electric machine in Embodiment 1 of this invention.
  • Embodiment 1 FIG.
  • a case where the rotating electrical machine is a multiple multiphase winding permanent magnet motor will be described as an example. More specifically, a multi-phase multi-phase winding AC comprising a multi-phase and multi-phase armature winding, each winding being configured to share a magnetic path in the gap between the field pole and the armature A specific explanation will be given for a rotating electrical machine.
  • such a multi-phase winding permanent magnet motor can be applied to an electric power steering device as an example.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a V-shaped IPM motor according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the cross-sectional view corresponds to a cross section perpendicular to the direction of the rotating shaft 17 of the motor, which will be described later.
  • the multiplex multiphase winding permanent magnet motor corresponding to the rotating electrical machine in the first embodiment includes an armature 3 and a rotor 5.
  • the armature 3 includes an armature core 9 having a plurality of magnetic teeth 7, and an armature winding comprising a plurality of multiphase winding groups wound around the teeth 7 and housed in slots 11 between the teeth 7. Line 13.
  • FIG. 1 which is a plane with the rotation center as a perpendicular line, there is a substantially circular hole in the center of the armature core 9, and the rotor 5 is disposed in this hole.
  • the tips of the plurality of teeth 7 are located on one circumference.
  • the rotor 5 is arranged on the inner side in the circumferential direction of the armature 3 through the magnetic gap 15 with the armature 3 and is provided to be rotatable about the rotation shaft 17.
  • the region where the magnetic air gap 15 is formed corresponds to a hole portion where the rotor 5 is not disposed, and is a hollow space.
  • a permanent magnet 21 is embedded in the rotor 5.
  • the rotor core 5a has a step skew structure with two or more steps, and a step skew structure in the rotation axis direction (the direction in which the rotation axis extends, that is, the direction in which the rotation center extends). Each row of is lined up. Further, magnets having different polarities at different stages are arranged so as not to overlap in the circumferential direction when viewed along the rotation axis direction.
  • the armature 3 includes a first armature winding, a second armature winding, and an armature core 9.
  • the armature core 9 includes an annular core back 9a made of a magnetic material such as an electromagnetic steel plate, and teeth 7 extending from the core back 9a inward in the circumferential direction. Although illustration is omitted, insulating paper or the like is inserted between the armature winding and the armature core 9 to ensure electrical insulation.
  • the armature core 9 in the first embodiment shown in FIG. 1 is formed to have a total of 48 teeth 7. Therefore, the number of slots 11 is 48. Further, in the example of FIG. 1, four slots of armature windings are stored in each slot 11.
  • the first armature winding is composed of three phases U1, V1 and W1
  • the second armature winding is composed of three phases U2, V2 and W2.
  • the arrangement of the armature windings is U1, U2, W1, W2, V1, V2 in order from the first slot, and in the order of U1, U2, W1, W2, V1, V2 after the seventh slot. Arranged in the same order up to the 48th.
  • the armature windings are arranged so that the current directions of U1 of the first slot and U1 of the seventh slot are opposite to each other. That is, it has a distributed winding configuration wound from the first slot to the seventh slot, and the armature winding straddles a total of six teeth.
  • a distributed winding configuration corresponds to an electrical angle of 180 degrees, and the short-pitch winding coefficient is 1.
  • the armature windings are driven with a phase difference of 30 degrees from each other. Therefore, as a result of the distributed winding coefficient being 1, the winding coefficient is 1, so that a small and high torque motor can be obtained. In other words, compared with a motor having a small winding coefficient, there is an effect that the amount of permanent magnets used is small and cost reduction can be realized.
  • Two permanent magnets 21 are assigned to one pole, and the two permanent magnets 21 are arranged in a V shape in each magnetic pole.
  • a total of 16 permanent magnets 21 are embedded and configured as an 8-pole rotor 5.
  • the permanent magnet 21 may be an anisotropic magnet.
  • each of the magnet housing holes 23 illustrated in FIG. 1 includes a pair of rectangular portions 23a, a pair of flux barrier portions 23b, and one center portion 23c.
  • the pair of rectangular portions 23a with respect to the same pole extends such that the portion located on the inner side in the radial direction is narrower in the circumferential direction.
  • a corresponding permanent magnet 21 is disposed in each of the pair of rectangular portions 23a.
  • One center portion 23c is located between the radially inner ends of the pair of rectangular portions 23a.
  • Each of the pair of flux barrier portions 23b is located further radially outward of the radially outer end of the corresponding rectangular portion 23a. That is, the flux barrier portion 23b is located between the end portion on the radially outer side of the corresponding rectangular portion 23a and the outer peripheral surface 5b of the rotor core 5a.
  • the outer shape of the rotor core 5a is a round flower shape partially having a radius smaller than the radius of the perfect circle with respect to the center of rotation in FIG.
  • the rotor core 5a is configured by laminating thin plate members made of a plurality of magnetic bodies such as a plurality of electromagnetic steel plates in the rotation axis direction.
  • the rotor core 5a has a two-stage skew structure.
  • the two-stage skew structure is a form in which two stages of rotor cores having the same shape at each stage are stacked in the direction of the rotation axis. For example, when the two-stage skew near the mechanical angle of 3.75 degrees is applied to the rotor core 5a, the electrical angle twelfth component of the cogging torque ripple can be reduced. As a result, a motor having a small cogging torque ripple can be obtained, and the driver's steering feeling can be improved.
  • the magnetic pole portions of the rotor core 5a are connected by a bridge 25. More specifically, a bridge 25 that is a part of the rotor core 5a exists between the flux barrier portions 23b of adjacent magnetic poles. Leakage magnetic flux flows in the rotor core 5a through the bridge 25. And the magnetic flux which generates the torque which flows into the armature 3 from the magnetic pole of the rotor 5 through a space
  • the bridge width is set to about the plate thickness of the rotor core, thereby achieving both a high motor output and a low torque ripple.
  • FIG. 2 is a perspective view of the V-shaped IPM rotor according to the first embodiment of the present invention viewed from the axial direction.
  • the rotor shown in FIG. 2 is configured such that the permanent magnets 21 having different polarities do not overlap each other at different stages.
  • the first pole permanent magnet 21 indicated by a relatively upper solid line and the second pole permanent magnet 21 indicated by a relatively lower dotted line are in the direction of the rotation axis. When it sees along, it arrange
  • FIG. 3 is a perspective view of the V-shaped IPM rotor viewed from the axial direction for comparison with the arrangement of FIG. FIG. 3 shows a rotor 105 as an example for comparison.
  • the rotor 105 has an angle at which torque ripples at each stage are canceled with each other.
  • magnets with different polarities overlap each other at different stages. Yes.
  • the six armatures in one cycle of the electrical angle are obtained by shifting the energization phases of the first armature winding and the second armature winding by 30 degrees.
  • the torque ripple is cancelled.
  • the mechanical angle between the step skews can be made smaller, it is relatively easy to configure the magnets having different polarities at different steps so as not to overlap each other.
  • the width of the magnetic pole must be reduced in order to prevent the overlapping region 31 from being generated after setting the step skew angle around 7.5 degrees.
  • the amount of magnets is reduced, the torque is reduced, and the configuration becomes unsuitable for a high output motor.
  • FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the 48th-order component of the actually measured torque ripple and the current phase angle at the time of rating and 1/2 rating in Embodiment 1 of the present invention. That is, FIG. 4 shows changes in the measured value of the 48th-order component of the torque ripple at the time of rating and at the time of 1/2 rating when the current phase angle is changed in the range of 0 to 80 degrees.
  • the time of 1/2 rating means the case where the energizing current is half of the rated value
  • the time of rating means the case where the energizing current is the rated value.
  • the torque ripple value is shown as a value where the maximum value at the time of rating is 1. As shown in FIG. 4, it can be seen that the torque ripple value is minimum when the current phase angle is around 13 degrees at both the 1 ⁇ 2 rating and rated time.
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the actually measured torque and the current phase angle at the time of rating and 1/2 rating in Embodiment 1 of the present invention. That is, FIG. 5 shows changes in the measured torque values at the rated time and at the 1 ⁇ 2 rated value when the current phase angle is changed in the range of 0 to 80 degrees.
  • the torque value is shown as a value where the maximum value at the time of rating is 1. For example, at the time of 1/2 rating, the current phase angle is 7 degrees, the maximum is 0.5147, the current phase angle is 13 degrees, 0.5054, and at the rated time, the torque value is 1.000 at the current phase angle of 13 degrees. It has become.
  • the torque ripple is minimum.
  • the torque phase becomes worse at 13 degrees with a current phase angle of 7 degrees at which the torque is maximum. Therefore, for example, by setting the current phase angle to 13 degrees at 1/2 rating, the torque ripple can be reduced compared to when the current phase angle is set to 7 degrees.
  • the torque when the current phase angle is set to 13 degrees is lower than that when the current phase angle is set to 7 degrees, but the reduction amount is only about 1.8%. Therefore, it is possible to prevent a decrease in torque only by increasing the current value by about 1.8%.
  • the torque is larger than when the current phase angle is set to 0 degrees, and the utilization of the reluctance torque, which is a feature of IPM, is not impaired.
  • the maximum torque of the motor can be realized at the time of rating by designing the motor so that the current phase angle at which the torque is maximized at the time of rating matches the current phase angle at which the torque ripple is minimized.
  • energization is performed at a current phase angle that minimizes the torque ripple except at the rated time. In this case, since there is a surplus in the energizing current, increasing the current value by several percent can suppress both the torque decrease and the torque ripple increase, and can obtain a remarkable effect that cannot be realized by the conventional technology. .
  • an 8-pole 48-slot motor has a distributed winding because it has a distributed winding
  • an 8-pole 12-slot motor has a concentrated winding, so a distributed winding coefficient is high.
  • a motor with large torque and small torque ripple can be realized by adopting the driving method according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a configuration diagram of the control device for the rotating electrical machine according to the first embodiment of the present invention.
  • the rotary electric machine described in the first embodiment is driven and controlled by the drive controller 50 shown in FIG.
  • a rotating electrical machine 60 shown in FIG. 6 includes the armature 3 and the rotor 5 described with reference to FIGS. That is, the armature 3 includes an armature core 9 having a plurality of magnetic teeth 7 and an armature winding comprising a multiphase winding group wound around the teeth 7 and housed in slots 11 between the teeth 7. Line 13.
  • the rotor 5 has a rotor core 5 a in which a permanent magnet 21 is embedded.
  • the rotor 5 is disposed via the armature 3 and the magnetic gap 15 and is rotatable about the rotation shaft 17. It has been.
  • the rotating electrical machine 60 having such a configuration is designed such that the current phase angle at which the torque is maximized at the time of rating coincides with the current phase angle at which the torque ripple is minimized.
  • the rotating electrical machine 60 is driven and controlled by the drive controller 50 as follows.
  • the drive controller 50 can minimize the torque ripple by performing drive control at a current phase angle at which the maximum torque of the rotating electrical machine 60 is obtained at the time of rating.
  • the drive controller 50 is energized at a current phase angle that minimizes the torque ripple at times other than the rated time, and drives and controls the rotating electrical machine 60.
  • the drive controller 50 can suppress both torque reduction and torque ripple increase by performing drive control that increases the current value by several percent.
  • the drive controller 50 has a current phase angle ⁇ different from the current phase angle ⁇ 1 at which the torque is maximized at a constant energization current at a rotation speed or less that increases the field weakening current for canceling the counter electromotive force.
  • the rotary electric machine 60 can be driven and controlled. As a result, it is possible to realize drive control of a rotating electrical machine having characteristics of small size, high output, and low torque ripple.
  • the drive controller 50 sets the current phase angle ⁇ to a value that can reduce the torque ripple more than the above-described ⁇ 1, except for the rated time when the energization current is maximum, and performs drive control. carry out.
  • the drive controller 50 controls the current phase angle ⁇ at the time of drive control other than the rated time in a range where the torque is larger than the torque when the current phase angle is zero. As a result, the current phase angle is not zero, and the reluctance torque can be utilized by the IPM.
  • the drive controller 50 can set the current phase angle ⁇ used at the time of drive control other than the rated value to a value larger than ⁇ 1, as described above with reference to FIGS.
  • the rotating electrical machine 60 that is the control target can be distributed winding.
  • the rotating electrical machine 60 in this case one having the same short-turn coefficient of the fundamental wave and the harmonic can be used.
  • the rotating electric machine 60 can be a concentrated winding.
  • the rotating electrical machine 60 in this case one having the same distributed winding coefficient for the fundamental wave and the harmonic can also be used.
  • the reluctance torque which is a feature of the IPM motor, is utilized to reduce the motor physique, and the current phase from the angle at which the total torque becomes maximum in driving other than at the rated time. By shifting the angle, it is possible to suppress an increase in torque ripple even if the current phase angle changes.
  • the reluctance torque characteristic of the IPM motor is utilized to reduce the size of the motor, and a rotating electrical machine control device, a rotating electrical machine, and a rotating electrical machine control method having high output and low torque ripple characteristics are realized. it can.

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Abstract

IPMモータの特徴であるリラクタンストルクを活用して、モータ体格を小さくするとともに、定格時以外の駆動において、合計トルクが最大となる角度から電流位相角をずらすことで、電流位相角が変化してもトルクリップルの増加を抑制し、小型、高出力、低トルクリップルの特性を兼ね備えた回転電機を提供する。

Description

回転電機の制御装置、回転電機、および回転電機の制御方法
 本発明は、小型、高出力、低トルクリップルの特性を兼ね備えた回転電機の制御装置、回転電機、および回転電機の制御方法に関するものである。
 回転電機に関する従来技術としては、回転子鉄心内部に永久磁石が埋め込まれたIPM(Interior Permanent Magnet)モータがある(例えば、特許文献1参照)。この特許文献1は、リラクタンストルクを活用するように通電することにより、マグネットトルクとリラクタンストルクの合計トルクが最大になるように、IPMモータを駆動できる。この結果、磁石量を削減したモータを実現している。
特許第6015350号公報
 しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
 特許文献1は、通電電流が少ない低電流駆動時から、定格駆動時までの合計トルクが最大になるように、電流位相角を変化させてモータを駆動させている。
 このような場合、一般的には、トルクリップルの原因となるステータ起磁力高調波およびロータ起磁力高調波の位相が、電流位相角により大きく変化する。このため、特許文献1のような従来のモータでは、低電流駆動時から定格駆動時までの間に、トルクリップルが大きくなってしまう駆動状態が生じることとなる。
 この結果、合計トルクが最大になるように電流位相角を変化させて駆動することで体格の小さなモータが設計できたとしても、結局、電流位相角に応じたトルクリップルの増加が制約となり、トルクの大きなモータが実現できないといった課題がある。
 本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、IPMモータの特徴であるリラクタンストルクを活用してモータ体格を小さくした上で、高出力、低トルクリップルの特性を有する回転電機の制御装置、回転電機、および回転電機の制御方法を得ることを目的とする。
 本発明に係る回転電機の制御装置は、電機子と、回転子とを備えた回転電機と、回転電機を駆動制御する制御器とを含んで構成された回転電機の制御装置であって、電機子は、複数の磁性のティースを備える電機子鉄心と、ティースに巻回されティースの相互間のスロットに収められた多相巻線群からなる電機子巻線とを有し、回転子は、内部に永久磁石が埋め込まれた回転子鉄心を有し、電機子と磁気的空隙を介して配置され、かつ、回転軸を中心に回転可能に設けられており、制御器は、逆起電力を打ち消すための弱め界磁電流を増加させる回転数以下において、通電電流一定でトルクが最大になる電流位相角θ1とは異なる電流位相角θで回転電機を駆動制御するものである。
 また、本発明に係る回転電機は、本発明の回転電機の制御装置における制御器によって駆動制御される回転電機であって、電機子および回転子は、定格時にトルクが最大になる電流位相角とトルクリップルが最小になる電流位相角とが一致するような構造を有するものである。
 さらに、本発明に係る回転電機の制御方法は、本発明の回転電機の制御装置における制御器によって実行される回転電機の制御方法であって、逆起電力を打ち消すための弱め界磁電流を増加させる回転数以下において、通電電流一定でトルクが最大になる電流位相角θ1とは異なる電流位相角θで回転電機を駆動制御する第1制御ステップを有するものである。
 本発明によれば、IPMモータの特徴であるリラクタンストルクを活用して、モータ体格を小さくするとともに、定格時以外の駆動において、合計トルクが最大となる角度から電流位相角をずらすことで、電流位相角が変化してもトルクリップルの増加を抑制できる構成を備えている。この結果、IPMモータの特徴であるリラクタンストルクを活用してモータ体格を小さくした上で、高出力、低トルクリップルの特性を有する回転電機の制御装置、回転電機、および回転電機の制御方法を得ることができる。
本発明の実施の形態1のV字IPMモータの横断面図である。 本発明の実施の形態1におけるV字IPMのロータを軸方向から見た透視図である。 先の図2の配置と対比説明するためのV字IPMのロータを軸方向から見た透視図である。 本発明の実施の形態1において、定格時および1/2定格時の実測トルクリップル48次成分と電流位相角との関係を示す図である。 本発明の実施の形態1において、定格時および1/2定格時の実測トルクと電流位相角の関係を示す図である。 本発明の実施の形態1における回転電機の制御装置の構成図である。
 以下、本発明の回転電機の制御装置、回転電機、および回転電機の制御方法の好適な実施の形態について、添付図面に基づいて説明する。なお、図中、同一符号は、同一または対応部分を示すものとする。
 実施の形態1.
 本実施の形態1では、回転電機が、多重多相巻線永久磁石モータである場合を例に説明する。より詳細には、多重化および多相化された電機子巻線を備え、界磁極と電機子とが対抗する間隙において各巻線が磁路を共有するように構成された多重多相巻線交流回転電機を対象に、具体的な説明を行う。
 なお、このような多重多相巻線永久磁石モータは、一例として、電動パワーステアリング装置に適用することができる。
 図1は、本発明の実施の形態1のV字IPMモータの横断面図である。なお、横断面図とは、後述するモータの回転軸17の方向に垂直な断面に相当する。
 本実施の形態1における回転電機に相当する多重多相巻線永久磁石モータは、電機子3と、回転子5とを備えて構成されている。電機子3は、複数の磁性のティース7を備える電機子鉄心9と、ティース7に巻回され、ティース7の相互間のスロット11に収められた多重の多相巻線群からなる電機子巻線13とを有する。
 回転中心を垂線とする平面である図1において、電機子鉄心9の中央には、ほぼ円形の穴があり、この穴には、回転子5が配置されている。また、複数のティース7の先端は、1つの円周上に位置している。
 すなわち、回転子5は、電機子3との磁気的空隙15を介して電機子3の周方向内側に配置され、かつ、回転軸17を中心に回転可能に設けられている。本実施の形態1において、この磁気的空隙15が形成される領域は、回転子5が配置されていない穴の部分に相当し、中空の空間である。
 回転子5の内部には、永久磁石21が埋め込まれている。後に、より詳細に説明するが、回転子鉄心5aは、2段以上の段スキュー構造を有しており、回転軸方向(回転軸の延びる方向、すなわち、回転中心の延びる方向)に段スキュー構造のそれぞれの段が並んでいる。また、異なる段で、異なる極性の磁石同士が、回転軸方向に沿って見たときに、周方向に重ならないように配置されている。
 以下、上記の構成を、より詳細に説明する。電機子3は、第1の電機子巻線、第2の電機子巻線および電機子鉄心9を備えている。電機子鉄心9は、電磁鋼板などの磁性体で構成される環状のコアバック9aと、コアバック9aから周方向内側に延びるティース7とを備えている。図示を省略するが、電機子巻線と電機子鉄心9との間には、絶縁紙等が挿入され、電気的絶縁が確保されている。
 一例として、図1に示した本実施の形態1における電機子鉄心9は、全部で48個のティース7を有するように形成されている。従って、スロット11も、48個となっている。また、図1の例では、1つのスロット11には、電機子巻線のコイルが4本ずつ納められている。
 第1の電機子巻線は、U1相、V1相、W1相の3相から構成され、第2の電機子巻線は、U2相、V2相、W2相の3相から構成されている。電機子巻線の配置は、1番目のスロットから順にU1、U2、W1、W2、V1、V2となっており、7番目のスロット以降も、U1、U2、W1、W2、V1、V2の順に配置されていて、48番目まで、同様の順に配置されている。
 ただし、例えば、1番目のスロットのU1と7番目のスロットのU1は、電流の向きが互いに逆になるように、電機子巻線が配置されている。すなわち、1番目のスロットから7番目のスロットに巻かれた分布巻の構成となっており、電機子巻線は、計6個のティースを跨っている。このような分布巻の構成は、電気角180度に相当し、短節巻係数が1となる。
 さらに、電機子巻線は、互いに電気角30度異なる位相差で駆動される。従って、分布巻係数が1となる結果、巻線係数は、1となるため、小型高トルクのモータが得られる。すなわち、巻線係数が小さいモータに比べて、永久磁石の使用量が少なく、低コスト化が実現できるという効果がある。
 1極につき2つの永久磁石21が割り当てられており、各磁極において、2つの永久磁石21は、V字状に並んでいる。図1に示した例では、合計16個の永久磁石21が埋め込まれており、8極の回転子5として構成されている。なお、一例であるが、永久磁石21は、異方性磁石を用いることができる。
 回転子鉄心5aには、8つの磁石収容孔23が形成されている。すなわち、1極につき1つの磁石収容孔23が割り当てられている。図1に例示した磁石収容孔23は、それぞれ、一対の矩形部23aと、一対のフラックスバリア部23bと、1つのセンター部23cとで構成されている。
 同極に関して一対の矩形部23aは、径方向内側に位置する部分ほど、周方向の間隔が狭くなるように延びている。これら一対の矩形部23aのそれぞれに、対応する永久磁石21が配置されている。1つのセンター部23cは、一対の矩形部23aの径方向内側の端部の間に位置している。
 一対のフラックスバリア部23bのそれぞれは、対応する矩形部23aの径方向外側の端部の、さらに径方向外側に位置している。すなわち、フラックスバリア部23bは、対応する矩形部23aの径方向外側の端部と、回転子鉄心5aの外周面5bとの間に位置している。
 回転子鉄心5aの外形は、図1において、回転中心に対して真円の半径よりも小さな半径を部分的に有する花丸形状である。回転子鉄心5aを花丸形状とすることで、トルクリップルを低減でき、トルクリップルの小さなモータが得られる。
 回転子鉄心5aは、複数の電磁鋼板などの複数の磁性体からなる薄板状部材を、回転軸方向に積層することで構成されている。
 本実施の形態1における回転子鉄心5aは、2段スキュー構造を有している。2段スキュー構造は、各段の形状が同じである回転子鉄心の段部分を、回転軸方向に2段積層した形態である。例えば、機械角3.75度付近の2段スキューを回転子鉄心5aに施した場合、コギングトルクリップルの電気角12次成分を小さくすることができる。この結果、コギングトルクリップルの小さなモータが得られ、ドライバーの操舵フィーリングを向上させることができる利点がある。
 回転子鉄心5aの磁極部分の間は、ブリッジ25で接続されている。より詳細には、隣り合う磁極のフラックスバリア部23bの間には、回転子鉄心5aの一部であるブリッジ25が存在する。このブリッジ25を介して回転子鉄心5a内で漏れ磁束が流れる。そして、本来、回転子5の磁極から空隙を介して電機子3に流れるトルクを発生させる磁束が、この漏れ磁束に起因して減少することとなる。
 隣り合う一対のフラックスバリア部23bの周方向距離に相当するブリッジ幅が厚いと、漏れ磁束が増大し、モータのトルクが減少する。従って、ブリッジ幅が厚い構造は、高出力モータには不適である。
 一方、ブリッジ幅を細くすれば、漏れ磁束は、低減できる。しかしながら、ブリッジ幅を狭くするためには、プレス加工時の難易度が上がり、生産性が低下する。
 通常、プレス加工では、回転子鉄心5aの板厚程度の打ち抜き幅を確保しないと、プレス加工時のダレにより、打ち抜く部分近傍の板厚が薄くなる。そして、板厚が薄くなってしまうと、ブリッジによる十分な保持ができなくなり、ブリッジにねじれが発生してしまう。この結果、ブリッジ部分の形状が安定しなくなり、ひいては、トルクリップルの増大を招き、ドライバーの操舵フィーリングが悪化する影響が出る。
 そこで、本実施の形態1では、ブリッジ幅を回転子鉄心の板厚程度とすることで、モータの高出力化と低トルクリップルを両立する構成としている。
 また、図2は、本発明の実施の形態1におけるV字IPMのロータを軸方向から見た透視図である。図2に示したロータは、異なる段同士で、異なる極性の永久磁石21が互いに重ならない構成となっている。
 すなわち、図2において、相対的に上段の実線で示された第1の極の永久磁石21と、相対的に下段の点線で示された第2の極の永久磁石21とは、回転軸方向に沿って見たときに、周方向に重ならないように配置されている。
 一方、図3は、先の図2の配置と対比説明するためのV字IPMのロータを軸方向から見た透視図である。この図3には、対比説明例としての回転子105が示されている。そして、この回転子105は、トルクリップルを低減させるために、各段でのトルクリップルが互いにキャンセルされる角度として、図3のように、異なる段同士で、異なる極性の磁石が互いに重なる構成としている。
 すなわち、図3では、回転軸117方向に沿って見たときに、異なる段同士における異なる極性の永久磁石が、周方向で互いに重なり、その結果、重なり領域31が発生している。
 本実施の形態1における2重3相巻線の永久磁石モータでは、第1の電機子巻線と第2の電機子巻線の通電位相を30度ずらすことで、電気角1周期で6山のトルクリップルをキャンセルしている。
 従って、6山のトルクリップルをキャンセルするために、機械角7.5度(電気角30度を極対数4で割った値)付近で大きな段スキュー角とする必要がなくなる。この結果、次に主要な12山のトルクリップル低減のため、3.75度付近の、より小さな段スキュー角とすればよくなる。
 このように、段スキュー同士の機械角をより小さな値にすることができることで、異なる段同士での異なる極性の磁石が、互いに重ならない構成とすることが、比較的容易となる。
 図3に示した説明例のモータでは、機械角7.5度付近の段スキュー角とした上で、重なり領域31を発生させなくするためには、磁極の幅を小さくしなければならない。この結果、磁石量が少なくなり、トルクが低下してしまい、高出力モータには、不適な構成となってしまう。
 図4は、本発明の実施の形態1において、定格時および1/2定格時の実測トルクリップル48次成分と電流位相角との関係を示す図である。すなわち、この図4は、電流位相角を0~80度の範囲で変化させた場合の、定格時および1/2定格時におけるトルクリップル48次成分の実測値の変化を示している。
 なお、1/2定格時とは、通電電流が定格値の半分の場合を意味しており、定格時とは、通電電流が定格値の場合を意味している。また、トルクリップル値は、定格時の最大値を1とした値で示している。図4に示すように、1/2定格時、定格時ともに、電流位相角が13度付近で、トルクリップル値が最小となっていることがわかる。
 一方、図5は、本発明の実施の形態1において、定格時および1/2定格時の実測トルクと電流位相角の関係を示す図である。すなわち、この図5は、電流位相角を0~80度の範囲で変化させた場合の、定格時および1/2定格時におけるトルクの実測値の変化を示している。
 なお、トルク値は、定格時の最大値を1とした値で示している。例えば、1/2定格時では、電流位相角7度で、最大0.5147、電流位相角13度で、0.5054、定格時では、電流位相角13度で最大1.000のトルク値となっている。
 定格時には、電流位相角が13度のときに、トルクが最大であり、かつトルクリップルが最小である。これに対して、1/2定格時には、トルクが最大となる電流位相角7度では、トルクリップルが13度の時と比べて悪化してしまうこととなる。そこで、例えば、1/2定格時に電流位相角を13度にすることで、電流位相角を7度にしたときよりも、トルクリップルを低減させることができる。
 電流位相角を13度にしたときのトルクは、電流位相角を7度にしたときよりは低下するが、その低下量は、わずか1.8%程度である。従って、電流値を1.8%程度増加させるだけで、トルク低下を防止することができる。
 また、電流位相角を13度にした場合であっても、電流位相角を0度にしたときよりもトルクが大きく、IPMの特徴であるリラクタンストルク活用を損なってはいない。
 すなわち、1/2定格時において、電流位相角をトルクが最大となる電流位相角度からずらすことで、IPMのリラクタンストルク活用によるモータ体格の小型化と、トルクリップルの低減の両立を実現できる。
 言い換えると、定格時にトルクが最大になる電流位相角とトルクリップルが最小になる電流位相角とが一致するようにモータを設計することで、定格時には、モータの最大トルクが実現できる。その一方で、定格時以外では、トルクリップルが最小となるような電流位相角で通電する。この場合には、通電電流に余裕があるので、電流値を数%増加させることで、トルク低下とトルクリップル増加をともに抑制することができ、従来技術では実現できない顕著な効果を得ることができる。
 トルクリップルは、ステータ起磁力高調波、ロータ起磁力高調波、ステータのスロット高調波などが原因で生じる。従って、基本波と高調波の巻線係数が高いモータ(巻線係数=分布巻係数×短節巻係数)では、高いトルクと低いトルクリップルの両立が難しい。
 例えば、8極48スロットのモータでは、分布巻であるため、短節巻係数が大きく、また、8極12スロットのモータでは、集中巻であるため、分布巻係数が高い。これに対して、分布巻、集中巻を問わず、IPMを適用した場合に、本実施の形態1による駆動方法を採用することにより、トルクが大きく、トルクリップルの小さなモータを実現できることとなる。
 次に、上述した回転電機の駆動制御方法について説明する。図6は、本発明の実施の形態1における回転電機の制御装置の構成図である。本実施の形態1で説明した回転電機は、図6に示した駆動制御器50によって駆動制御される。
 図6に示した回転電機60は、先の図1、図2で説明した電機子3および回転子5を備えて構成されている。すなわち、電機子3は、複数の磁性のティース7を備える電機子鉄心9と、ティース7に巻回され、ティース7の相互間のスロット11に収められた多相巻線群からなる電機子巻線13とを有している。
 また、回転子5は、内部に永久磁石21が埋め込まれた回転子鉄心5aを有し、電機子3と磁気的空隙15を介して配置され、かつ、回転軸17を中心に回転可能に設けられている。
 このような構成を備えた回転電機60は、上述したように、定格時にトルクが最大になる電流位相角と、トルクリップルが最小になる電流位相角とが一致するように設計されている。そして、回転電機60は、駆動制御器50によって、以下のように駆動制御される。
 駆動制御器50は、定格時には、回転電機60の最大トルクが得られる電流位相角で駆動制御することで、トルクリップルを最小とすることができる。一方、駆動制御器50は、定格時以外では、トルクリップルが最小となるような電流位相角で通電し、回転電機60を駆動制御する。定格時以外で駆動制御する際には、通電電流には余裕がある。そこで、駆動制御器50は、電流値を数%増加させる駆動制御を実施することで、トルク低下とトルクリップル増加をともに抑制することができる。
 具体的には、駆動制御器50は、逆起電力を打ち消すための弱め界磁電流を増加させる回転数以下において、通電電流一定でトルクが最大になる電流位相角θ1とは異なる電流位相角θで回転電機60を駆動制御することができる。この結果、小型、高出力、低トルクリップルの特性を兼ね備えた回転電機の駆動制御を実現できる。
 換言すると、駆動制御器50は、通電電流が最大である定格時以外において、電流位相角θが、上述したθ1とは異なり、トルクリップルをより低減できるような値に設定して、駆動制御を実施する。
 この結果、定格時においては、電流に余裕がないので、トルク最大の位相角で通電することで、モータ体格を最小にできる。一方、定格時以外においては、通電電流に余裕があるので、あえてトルクリップル最小の電流位相角で通電しても、通電電流を増加してやることで、トルクの回復を図ることができる。
 なお、駆動制御器50は、定格時以外の駆動制御時における電流位相角θを、電流位相角がゼロの時のトルクよりも、トルクが大きくなる範囲で制御する。この結果、電流位相角がゼロではなく、IPMでリラクタンストルクを活用することができる。
 また、駆動制御器50は、定格時以外の駆動制御時に用いる電流位相角θを、先の図4、図5で説明したように、θ1よりも大きい値とすることができる。
 制御対象である回転電機60は、分布巻とすることができる。この場合の回転電機60としては、基本波と高調波の短節巻係数が同じものを用いることもできる。
 また、回転電機60は、集中巻とすることができる。この場合の回転電機60としても、基本波と高調波の分布巻係数が同じものを用いることもできる。
 以上のように、実施の形態1によれば、IPMモータの特徴であるリラクタンストルクを活用して、モータ体格を小さくするとともに、定格時以外の駆動において、合計トルクが最大となる角度から電流位相角をずらすことで、電流位相角が変化してもトルクリップルの増加を抑制できる構成を備えている。
 この結果、IPMモータの特徴であるリラクタンストルクを活用してモータ体格を小さくした上で、高出力、低トルクリップルの特性を有する回転電機の制御装置、回転電機、および回転電機の制御方法を実現できる。
 3 電機子、5 回転子、5a 回転子鉄心、7 ティース、9 電機子鉄心、11 スロット、13 電機子巻線、15 磁気的空隙、17 回転軸、21 永久磁石、25 ブリッジ、50 駆動制御器、60 回転電機。

Claims (11)

  1.  電機子と、回転子とを備えた回転電機と、
     前記回転電機を駆動制御する制御器と
     を含んで構成された回転電機の制御装置であって、
     前記電機子は、複数の磁性のティースを備える電機子鉄心と、前記ティースに巻回され前記ティースの相互間のスロットに収められた多相巻線群からなる電機子巻線とを有し、
     前記回転子は、内部に永久磁石が埋め込まれた回転子鉄心を有し、前記電機子と磁気的空隙を介して配置され、かつ、回転軸を中心に回転可能に設けられており、
     前記制御器は、逆起電力を打ち消すための弱め界磁電流を増加させる回転数以下において、通電電流一定でトルクが最大になる電流位相角θ1とは異なる電流位相角θで前記回転電機を駆動制御する
     回転電機の制御装置。
  2.  前記制御器は、
      通電電流が最大である定格時において、前記電流位相角θ1により前記回転電機を駆動制御し、
      前記定格時以外において、前記電流位相角θ1とは異なる電流位相角θにより前記回転電機を駆動制御する
     請求項1に記載の回転電機の制御装置。
  3.  前記制御器は、前記定格時以外において、電流位相角がゼロのときのトルクよりも大きいトルクを出力できる電流位相角として前記電流位相角θを選定し、前記回転電機を駆動制御する
     請求項2に記載の回転電機の制御装置。
  4.  前記制御器は、前記定格時以外において、前記回転電機を駆動制御するに当たって、
      θ>θ1
    の関係を有するように、前記電流位相角θを選定する
     請求項2または3に記載の回転電機の制御装置。
  5.  請求項1から4のいずれか1項に記載の回転電機の制御装置における前記制御器によって駆動制御される回転電機であって、
     前記電機子および前記回転子は、定格時にトルクが最大になる電流位相角とトルクリップルが最小になる電流位相角とが一致するような構造を有する回転電機。
  6.  前記回転電機は、
      多重多相巻線永久磁石モータであり、
      回転子鉄心が2段以上の段スキュー構造を有しており、
      異なる段同士で、異なる極性の永久磁石同士が、回転軸方向に沿って見たときに、周方向に重ならないように配置されている
     請求項5に記載の回転電機。
  7.  前記電機子は、前記多相巻線群として第1の電機子巻線と第2の電機子巻線を有しており、
     前記第1の電機子巻線の通電位相に対して前記第2の電機子巻線の通電位相が30度ずれるように構成されている
     請求項5または6に記載の回転電機。
  8.  前記回転子鉄心の外形は、回転中心に対して真円の半径よりも小さな半径を部分的に有する花丸形状として形成されている
     請求項5から7のいずれか1項に記載の回転電機。
  9.  前記多相巻線群は、分布巻で構成されている
     請求項5から8のいずれか1項に記載の回転電機。
  10.  前記多相巻線群は、集中巻で構成されている
     請求項5から8のいずれか1項に記載の回転電機。
  11.  請求項1から4のいずれか1項に記載の回転電機の制御装置における前記制御器によって実行される回転電機の制御方法であって、
     逆起電力を打ち消すための弱め界磁電流を増加させる回転数以下において、通電電流一定でトルクが最大になる電流位相角θ1とは異なる電流位相角θで前記回転電機を駆動制御する第1制御ステップ
     を有する回転電機の制御方法。
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