WO2020250742A1

WO2020250742A1 - 永久磁石同期電動機の駆動装置、駆動方法、および鉄道車両

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Publication number: WO2020250742A1
Application number: PCT/JP2020/021672
Authority: WO
Inventors: 直希國廣; 健志篠宮; 和俊小川
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2019-06-14
Filing date: 2020-06-01
Publication date: 2020-12-17
Also published as: EP3985862A4; EP3985862A1; JP7289914B2; JPWO2020250742A1

Abstract

永久磁石同期電動機４のインバータ装置１は、永久磁石同期電動機４へ電圧を出力する電圧出力装置３と、トルク指令値に基づいて電圧出力装置の出力電圧を制御する制御装置２と、を有する。制御装置２は、永久磁石同期電動機４を駆動する駆動電圧の出力停止の制御を行っている場合に、永久磁石同期電動機４から電圧出力装置側への電流の流れ込みを検知したとき、永久磁石同期電動機４の誘起電圧を抑制する電圧を永久磁石同期電動機４へ出力するように電圧出力装置３を制御する惰行制御を行う。制御装置２は、惰行制御時において、トルク指令値を、永久磁石同期電動機４の回転周波数の上昇に応じた正の値である惰行制御時トルク指令値に設定する。

Description

永久磁石同期電動機の駆動装置、駆動方法、および鉄道車両

　本発明は、永久磁石同期電動機の駆動装置、駆動方法、および鉄道車両に関する。

　近年、鉄道車両用の駆動システムの小型化、高効率化を目的に、永久磁石同期電動機の適用が進んでいる。

　永久磁石同期電動機を搭載した鉄道車両においては、永久磁石同期電動機が回転子に永久磁石を内蔵するため、惰行時において、磁石磁束が永久磁石同期電動機の固定子巻線に鎖交することにより、固定子巻線に誘起電圧が発生する。この誘起電圧は速度に比例して高くなり、誘起電圧が、永久磁石同期電動機駆動用のインバータの直流電圧であるフィルタコンデンサ電圧よりも高くなった場合には、永久磁石同期電動機側からインバータ側へ充電電流が流れ、フィルタコンデンサ電圧の過電圧の発生や、充電電流が流れることで永久磁石同期電動機にブレーキトルクが発生する問題がある。

　そのため、誘起電圧がフィルタコンデンサ電圧よりも高くなる高速域で、永久磁石同期電動機のトルク出力を停止する惰行状態に移行する場合には、インバータの電圧出力を継続し、誘起電圧の大きさが、インバータの最大出力電圧以下になるように弱め磁束制御しつつ、トルクをゼロに制御する「惰行制御」が一般的に用いられる。

　この惰行制御に関して、充電電流によるブレーキトルクの発生を防ぐために、以下の技術が提案されている。例えば特許文献１には、惰行時に、充電電流によるブレーキトルクの発生を防止することを目的に、同期電動機の誘起電圧が第１の基準値以上になった場合、インバータ装置の直流側の電圧が誘起電圧に基づいて設定される第２の基準値以上になるように、インバータ装置の直流電圧を調整する技術が開示されている。

　また特許文献２には、トルク指令値ゼロの時に回生電流が流れて意図しない回生ブレーキがかかることを防止するために、回転速度検出値Ｎｍ０を超えた時に、正トルクを与える補正値をトルク指令値に加算する補正手段を備える技術が提案されている。

特開２０１０－１５４６６１号公報特開平１０－１６４７０１号公報

　本願発明者らは、永久磁石同期電動機の惰行制御時におけるブレーキトルクの更なる低減を目的に鋭意検討した結果、次の知見を得るに至った。

　特許文献１には、インバータの直流電圧が誘起電圧以上になるように昇圧することで、充電電流とブレーキトルクの発生を防止する技術が開示されている。しかし、直流電圧の大きさを制御できないインバータ装置には適用できない問題がある。

　さらに、インバータの直流電圧を同期電動機の誘起電圧よりも高くして電流をゼロにしても、惰行時には、回転子に備えられた永久磁石の磁束が、固定子鉄心中を交流で変化することにより鉄損が発生する。加えて、回転子シャフトに接続されたファンの通風抵抗や、回転子シャフトを支持するための軸受で発生する摩擦によって機械損も発生する。

　実際には、電動機の電流がゼロとなっている状態でも、これらの電動機の損失によって電動機の回転子シャフトには、ブレーキトルクが発生する問題がある。さらに、これらの鉄損や機械損は速度が高くなるほど増加するため、高速域での惰行時には、このモータ損失によるブレーキトルクの値も大きくなる。

　すなわち、特許文献１では、同期電動機側からインバータ側に充電電流が流れることによって発生するブレーキトルクの発生は防ぐことができても、高速域で増加する鉄損と機械損によるブレーキトルクを防げないという問題がある。

　また特許文献２には、トルク指令値をゼロにして駆動制御装置を運転し、制御誤差による出力トルクの変動を測定して、トルク指令値をゼロにした時に回生電流がゼロになるような値を補正値として設定し、回生電流の発生を防ぐ技術が開示されている。

　しかし特許文献２においても、特許文献１と同様に、電流をゼロに制御することを目的としているため、高速域で増加する鉄損や機械損によるブレーキトルクの発生は防止できない課題がある。

　また特許文献２には、充電電流によるブレーキトルクの発生を目的に、正のトルク指令値を補正する手段が開示されているものの、周波数に対して変化させるという記載はなく、鉄損や機械損によるブレーキトルクの発生を防止することはできない。

　以上の理由により、永久磁石同期電動機を用いた駆動システムの惰行制御中のブレーキトルク発生の防止については、更なる改善の余地がある。

　本発明の目的は、上述の点を考慮してなされたものであり、永久磁石同期電動機を用いた駆動システムの惰行制御中に鉄損や機械損によって発生するブレーキトルクを低減することを目的とする。

　かかる課題を解決するため本発明においては、１つの目的を達成する一手段として、永久磁石同期電動機の駆動装置は、永久磁石同期電動機へ電圧を出力する電圧出力装置と、トルク指令値に基づいて前記電圧出力装置の出力電圧を制御する制御装置と、を有する。前記制御装置は、前記永久磁石同期電動機を駆動する駆動電圧の出力停止の制御を行っている場合に、前記永久磁石同期電動機から前記電圧出力装置側への電流の流れ込みを検知したとき、前記永久磁石同期電動機の誘起電圧を抑制する電圧を前記永久磁石同期電動機へ出力するように前記電圧出力装置を制御する惰行制御を行い、前記惰行制御時において、前記トルク指令値を、前記永久磁石同期電動機の回転周波数の上昇に応じた正の値である惰行制御時トルク指令値に設定する。

　本発明によれば、例えば、永久磁石同期電動機を用いた駆動システムの惰行制御中に鉄損や機械損によって発生するブレーキトルクを低減できる。

実施形態１に係る永久磁石同期電動機の駆動装置の機能ブロックの一例を示す図である。永久磁石同期電動機の鉄損と機械損の有無における鉄道車両の走行抵抗の比較を示す図である。実施形態１の変形例となる惰行制御時におけるトルク指令パターンの一例を示す図である。実施形態２に係る永久磁石同期電動機の駆動装置の機能ブロックの一例を示す図である。実施形態２の変形例となる惰行制御時におけるトルク指令パターンの一例を示す図である。実施形態３に係る永久磁石同期電動機の駆動装置の機能ブロックの一例を示す図である。実施形態４に係る永久磁石同期電動機の駆動装置の機能ブロックの一例を示す図である。鉄道車両用の台車の概略構成を示す図である。永久磁石同期電動機に発生するコギングトルクを示す図である。減速ギアの歯車の噛み合わせ部を説明する図である。継手の歯車の噛み合わせ部を説明する図である。実施形態５に係る鉄道車両の一例を示す図である。

　以下、本発明を実施するための形態として、実施形態１～５について、それぞれ図面に従い詳細に説明する。各実施形態において参照番号が同一のものは、同一の構成要件または類似の機能を備えた構成要件として示している。また後出の実施形態において、既出の実施形態と同一または類似の構成要件の説明を省略する場合がある。なお、以下に説明する構成は、あくまでも例として提示したものであり、本発明に係る実施態様は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、各実施形態は、本発明の技術思想の範囲内および整合する範囲内でその一部または全部を組み合せることができる。

［実施形態１］
　図１は、実施形態１に係る永久磁石同期電動機の駆動装置の機能ブロックの一例を示す図である。図１は、惰行制御時における鉄損と機械損によるブレーキトルクを低減するために、惰行制御時のトルク指令値を変化させる構成を機能ブロックとして示したものである。図１は、実施形態１に必要最小限の機能ブロックのみを示したもので、ＩＧＢＴ（Insulated　Gate　Bipolar　Transistor）等の駆動用トランジスタやダイオード等のパワーデバイスから構成される電力変換器およびこの電力変換器に対する制御構成については、電圧出力装置３のブロック図で示し、詳細な図示を省略している。

　図１に示すように、インバータ装置１は、パンタグラフ２４を介して架線２５と電力の授受を行い、高速度遮断器２３および断流器２２によって、架線側とインバータ側の電流を遮断できる構成としている。また、インバータ装置１には、電圧出力装置３と架線２５との間には、フィルタリアクトル２１とフィルタコンデンサ２０とから成る電流平滑用のＬＣフィルタ回路を備える。

　インバータ装置１では、電圧出力装置３が、制御装置２からのスイッチング指令に基づき、駆動回路および主回路（図示しないが電圧出力装置３に含まれる）を介して、３相交流電圧を永久磁石同期電動機４に印加する。

　永久磁石同期電動機４は、電圧出力装置３からの３相交流電圧の印加により固定子側に発生した回転磁界による磁極と、永久磁石同期電動機４の回転子の永久磁石の磁極との吸引および反発によって発生するマグネットトルクと、固定子の回転磁界による磁極と回転子の磁気的な突極との吸引力によって発生するリラクタンストルクとにより、回転トルクを発生する。

　交流接触器６は、電圧出力装置３と永久磁石同期電動機４との間に設けられ、制御装置２が出力する制御信号（図示は省略）を、交流接触器６に備えられた制御回路（図示は省略）で受信し、制御信号に従って開閉動作する。異常時やインバータ装置１の停止時に、インバータ装置１と永久磁石同期電動機４の間に流れる電流を遮断する。

　電流検出器５は、ホールＣＴ（Current　Transformer）等から構成され、永久磁石同期電動機４に流れるＵ相、Ｖ相およびＷ相の３相電流Ｉ_ｕ、Ｉ_ｖおよびＩ_ｗの波形をそれぞれ検出する。ただし、電流検出器５によって必ずしも３相全ての電流を検出する必要はなく、３相の内のいずれか２相を検出し、残る１相は３相電流が平衡状態であると仮定して演算により求める構成としてもよい。

　制御装置２には、負荷として接続する永久磁石同期電動機４を駆動制御するための制御プログラムが実装されている。制御装置２は、上位装置からの運転指令に応じて、トルク指令演算部１１において、トルク指令値Ｔ^＊を出力する。図１のトルク指令演算部１１では、力行と回生と惰行の３条件のみを図示しているが、実際には、乗車率等の情報に応じて、トルク指令値Ｔ^＊の大きさは適宜変更するものとする。

　電流指令演算部１０では、トルク指令値Ｔ^＊に対して、所定のトルクを得るためのｄｑ軸の電流指令値Ｉ_ｄ ^＊、Ｉ_ｑ ^＊を出力する。ｄ軸は回転子磁石の磁極のＮ極方向の位相であり、ｑ軸は電気角でｄ軸に直行する方向と定義する。図示は省略しているが、電流指令演算部１０では、フィルタコンデンサ２０の電圧の大きさや、永久磁石同期電動機４の回転周波数に基づいて、電圧出力装置３が出力可能な最大電圧を超えないように、適切な電流指令Ｉ_ｄ ^＊、Ｉ_ｑ ^＊を演算し、電流制御部９に出力する。

　座標変換器８は、電流検出器５で検出した永久磁石同期電動機４の３相電流Ｉ_ｕ、Ｉ_ｖおよびＩ_ｗを、制御装置２が認識するｄ軸位相θ（図示は省略）を用いて回転座標系のｄｑ座標に変換し、ｄｑ軸電流検出値（Ｉ_ｄおよびＩ_ｑ）として電流制御部９に出力する。

　電流制御部９では、座標変換器８が出力したｄｑ軸電流検出値と、電流指令演算部１０が出力したｄｑ軸電流指令値の電流偏差がゼロになるように、ＰＩ（Proportional-Integral）制御等により電圧指令値Ｖ_ｄ ^＊、Ｖ_ｑ ^＊を生成して出力する。

　ＰＷＭ制御部７は、電流制御部９が出力したｄｑ軸の電圧指令値Ｖ_ｄ ^＊、Ｖ_ｑ ^＊に基づき、ＰＷＭ電圧（Pulse　Width　Modulation）のスイッチング指令を出力する。図示を省略しているが、ＰＷＭ制御部７は、制御装置２の基準位相θを用い、電圧波形の位相角を内部で演算している。

　以下に、本発明の要点となる永久磁石同期電動機４の惰行時におけるトルクについて説明する。永久磁石同期電動機４において、ｄｑ軸電流によって、回転子表面に発生するトルクτ_{ｒｏｔｏｒ}は次式で表される。

　ここで、Ｐ_ｍは極対数、Ｋ_ｅは磁石磁束（発電定数）、Ｉ_ｄはｄ軸電流、Ｉ_ｑはｑ軸電流、Ｌ_ｄはｄ軸インダクタンス、Ｌ_ｑはｑ軸インダクタンスとする。

　式（１）の第１項が、先述のマグネットトルク（回転磁界による磁極と回転子の永久磁石の磁極との吸引および反発によって発生するトルク）であり、式（１）の第２項が、先述のリラクタンストルク（固定子の回転磁界による磁極と回転子の磁気的な突極との吸引力によって発生するトルク）である。

　一般に、式（１）によってトルクτ_{ｒｏｔｏｒ}をゼロ、すなわちｑ軸電流Ｉ_ｑをゼロに制御することで、永久磁石同期電動機４に発生するトルクがゼロになると考えられることが多い。しかし、発明者らは、より正確にトルクをゼロにするためには、上記のようにｑ軸電流Ｉ_ｑをゼロに制御するのみでは不十分であると考えた。式（１）は、あくまでも永久磁石同期電動機４の回転子表面に発生するトルクであって、実際に、回転子シャフト３０（後述の図８に図示）に発生するトルクτ_{ｓｈａｆｔ}には、永久磁石同期電動機４で発生する機械損と鉄損の影響によってブレーキトルクが生じる。

　ｑ軸電流Ｉ_ｑをゼロに制御した時に、鉄損と機械損が発生することを説明するために、例として、永久磁石同期電動機４の電源線の端子を開放して物理的に電流が流れない状態（交流接触器６の開放と同意）を用いて説明する。永久磁石同期電動機４では、電流が流れていない状態であっても、回転子が回転すると、磁石磁束が固定子鉄心中を交流で変化するため鉄損が発生する。また、回転子シャフト３０には、回転子シャフト３０を永久磁石同期電動機４のフレームで支持するための軸受部での摩擦や、回転子シャフト３０に備え付けられたファンの通風抵抗による機械損が発生する。これらの損失は、どちらも電流がゼロの状態においても発生する損失であるため、回転子がフリーランとなっている状態を考えると、力としては回転を妨げる方向に作用する。以上のことから、機械損と鉄損は、電流がゼロでも発生するブレーキトルクであることがわかる。

　上記は、電源線の端子を開放状態にして物理的に電流をゼロにした場合の説明であるが、これは、インバータによって電流をゼロに制御した場合も同様である。また、ｑ軸電流Ｉ_ｑをゼロとし、磁束を弱めるようにｄ軸電流Ｉ_ｄを流した場合においても、鉄損の大きさが変わるのみで、上記のブレーキトルクが発生する現象は変わらない。

　以上より、電流をゼロに制御しただけでは、永久磁石同期電動機４の回転子シャフト３０にはブレーキトルクが発生し、惰行時のトルクを正確にゼロにできないことがわかる。

　上記に基づき、回転子シャフト３０に作用するトルクτ_{ｓｈａｆｔ}は、鉄損によるブレーキトルクτ_ｗｉと機械損によるブレーキトルクτ_ｗｍを考慮した場合、式（２）となる。

　ただし、鉄損によるブレーキトルクＴ_Ｗｉは、鉄損Ｗ_ｉと機械角の回転角周波数ω_ｒをもとに式（３）で算出し、機械損によるブレーキトルクＴ_Ｗｍは、機械損Ｗ_ｍと機械角の回転角周波数ω_ｒをもとに式（４）で算出する。

　機械損Ｗ_ｍは機械角の回転周波数の約２．０乗で、鉄損Ｗ_ｉは機械角の回転周波数の約１．０～２．０乗でそれぞれ近似されることが多く、例えば、以下の式（５）および式（６）で表される。

　ここで、Ｋ_ｍは機械損の係数、Ｋ_ｈはヒステリシス損の係数、Ｋ_ｅは渦電流損の係数、Ｂは磁束密度、ｆは基本波周波数である。

　式（５）と式（６）より、鉄損Ｗ_ｉや機械損Ｗ_ｍは、基本周波数が高くなるほど増加し、鉄道車両の高速域で惰行した場合においては、ブレーキトルクが増加する。つまり、式（１）でｑ軸電流Ｉ_ｑをゼロに制御してトルクをゼロに制御しようとした場合、実際には、式（２）から式（６）で示すように、基本周波数が高くなるに従って、鉄損Ｗ_ｉや機械損Ｗ_ｍによるブレーキトルクが増加する。

　惰行時の電動機の損失によるブレーキトルクに関して、機械損は、誘導電動機や永久磁石同期電動機４のようないずれの回転電機においても同様に発生するが、惰行時の鉄損によるブレーキトルクついては、回転子に磁石を備える永久磁石同期電動機４の特有の課題である。これは、電動機の動作原理が異なることに関係しており、例えば、誘導電動機であれば、固定子巻線に３相交流電圧を印可して固定子側に回転磁極を形成し、回転子に備えらえた二次導体に誘導電流を発生させて二次磁束を作る動作原理である。つまり、惰行中にインバータの電圧出力を停止すれば、回転子側の二次磁束は誘導電動機の等価回路定数によって決まる二次時定数に従って自然と消磁する。そのため、磁石を備えない誘導電動機において、惰行中に鉄損が発生することはない。

　以上の理由から、永久磁石同期電動機４を適用した鉄道車両においては、鉄損の影響により、誘導電動機を適用した鉄道車両よりも、惰行時のブレーキトルクは大きくなり、等価的に惰行時における鉄道車両の走行抵抗が増加したように見える。

　図２は、永久磁石同期電動機の鉄損と機械損の有無における鉄道車両の走行抵抗の比較を示す図である。鉄損と機械損によるブレーキトルクを考慮すると、高速域になるに従い、走行抵抗の差異が大きくなる。つまり、惰行期間が長いような路線においては、これらの損失の影響で、鉄道車両の運行で計画する運転曲線に従った走行ができなくなり、計画した運転時分を守れなくなる可能性がある。

　すなわち、惰行時の鉄損と機械損によるブレーキトルクの発生を防止するには、インバータ制御によって、永久磁石同期電動機４の惰行時における回転子表面のトルク指令値Ｔ_ｍ ^＊（τ_{ｒｏｔｏｒ}）を、ゼロではなく正の値とし、周波数の増加に伴って大きくすればよい。これにより、式（２）で示す回転子シャフト３０に発生するトルクτ_{ｓｈａｆｔ}を略ゼロにできる。

　図１のトルク指令演算部１１には、力行、回生、惰行のトルク指令値Ｔ^＊の一例を示している。惰行制御時のトルク指令値Ｔ^＊をゼロとはせず、正の値に設定し、かつ、周波数に応じて徐々に大きくする。これにより、鉄損や機械損によるブレーキトルクを抑制することができる。この惰行制御時のトルク指令値Ｔ^＊は、シミュレーションで算出した計算値を用いて設定してもよく、トルク計測器で惰行制御中の回転子シャフト３０に発生するトルクτ_{ｓｈａｆｔ}がゼロになるように調整したトルクの値τ_{ｒｏｔｏｒ}を用いて設定してもよい。

　図３に、実施形態１の変形例となる惰行制御時のトルク指令演算部１１で設定するトルク指令値を示す。基本周波数の増加に応じて、少なくとも１箇所でも惰行制御時のトルク指令値Ｔ^＊を増加させる構成になっていれば、惰行制御時におけるブレーキトルクを低減する効果が得られる。このため、図１に示すトルク指令パターンに限定されるわけではなく、近似的に、図３に示すようなトルク指令パターンにしてもよい。

　なお、このブレーキトルク発生の技術課題は、制御系の構成にも関係している。速度制御型の制御系であれば、これらの損失分の影響によりトルクに誤差が生じたとしても最終的に速度が一致するようにトルクを調整するため、永久磁石同期電動機４の損失分によるブレーキトルクの影響はそれ程気にする必要はないが、鉄道車両用のようなトルク制御型の制御系の場合には、惰行時のブレーキトルクの誤差が、走行抵抗の誤差となるため、これらの損失分の影響を考慮する必要がある。

　また、鉄道車両用の駆動システムのように、前進と後進との両方向に電動機が回転する必要がある場合に、後進時にトルクの符号の定義が反転するとき（制御で設定するトルク指令値Ｔ^＊を負とした時に、進行方向に対して正のトルクを出力する）には、惰行制御時に負側のトルク指令値Ｔ^＊を設定するものとし、あくまでも、進行方向に対して加速する方向にトルクを出力させるものとする。

　また、惰行制御を適用する必要がない低速域では、高速域に比べると鉄損や機械損が小さく、惰行時のブレーキトルクも小さいため、永久磁石同期電動機４の誘起電圧が、インバータ装置１の直流電圧を超過するような高速域のみ、永久磁石同期電動機４の損失分によるブレーキトルクを打ち消すように実施形態１を適用すればよい。

　なお、惰行制御は、次の場合に動作させる。すなわち、インバータ装置１の電圧出力の停止時において、下り勾配での惰行時に回転周波数が高くなった場合、架線電圧が低下してフィルタコンデンサ電圧が低下した場合、または、交流接触器６をオフからオンに切り替えた場合に、相電流や架線電流への回生電流の流れ込みを検知したとき、惰行制御の動作を開始させるものとする。もしくは、インバータ装置１が電圧を出力している状態から、電圧出力を停止しようとする場合に、回転周波数とモータ定数とフィルタコンデンサ電圧検出値に基づき、相電流や架線電流へ回生電流が流れ込むと予測したときに動作させるものとする。

　この惰行制御の動作判定に用いる周波数情報は、インバータ装置１が電圧出力して制御している状態であれば、制御に用いているインバータ周波数を用いる。インバータ装置１の電圧出力を停止して制御が停止している場合は、鉄道車両の運転台から制御装置２に取り込む速度情報や、速度発電機による速度情報や、永久磁石同期電動機の線間に取り付けた交流電圧センサによって推定する速度情報など、速度がわかるような情報であればどのような情報を用いてもよい。

　ここで、実施形態１と先行技術とを比較する。先行技術文献１（特開２０１０－１５４６６１号公報）と先行技術文献２（特開平１０－１６４７０１号公報）は、架線に流れる回生電流をゼロに制御する発明であり、充電動作によって発生するブレーキトルクの発生は防げても、鉄損や機械損によるブレーキトルクの発生は防げない。一方、実施形態１では、鉄損と機械損によるブレーキトルクを打ち消すことを目的に、惰行制御時に、架線電流を意図的に正側に制御する発明であるため、先行技術とは異なることがわかる。

　当然ではあるが、実施形態１では、インバータ装置１の入力電流となる架線電流をある程度の大きさで正側（架線側から永久磁石同期電動機側）に流すため、先行技術文献１と先行技術文献２に記載されるような、永久磁石同期電動機側からインバータ側に充電電流が流れてブレーキトルクが発生するという従来技術が解決しようとする課題も発生することはない。

　実施形態１では、永久磁石同期電動機４のフリーラン中に鉄損と機械損によって発生するブレーキトルクを低減することを目的に、インバータ装置１は、永久磁石同期電動機４に対して任意の電圧を出力する電圧出力装置３と、電圧出力装置３の出力電圧を調整する制御装置２とを備えた。制御装置２は、電圧出力を停止している時または電圧出力を停止しようとした時に、電圧出力装置３が出力可能な最大電圧よりも、永久磁石同期電動機４の誘起電圧が高くなる、または高くなったと判断した場合に、永久磁石同期電動機４の誘起電圧を抑えるように電圧を出力する惰行制御機能を備える。そして、惰行制御時のトルク指令値Ｔ^＊を正の値とし、かつ、周波数の増加に応じて正のトルク指令値Ｔ^＊を大きくする箇所を設けることで、惰行制御時におけるブレーキトルクの発生を低減することが可能となる。

［実施形態２］
　実施形態２は、実施形態１と比べて、弱め磁束制御を用いる領域で、惰行制御のトルク指令値を小さくする箇所を設ける点で異なる。これにより、高速域での惰行制御中に弱め磁束制御によって磁石磁束を弱めた場合においても、実施例１よりも、永久磁石同期電動機の損失によって発生するブレーキトルクを相殺するために必要となるトルク指令値Ｔ^＊をより正確に算出でき、惰行制御時におけるブレーキトルクの発生をより精度良く低減できる。

　図４は、実施形態２に係る永久磁石同期電動機の駆動装置の機能ブロックの一例を示す図である。実施形態２では、インバータ装置１Ｂは、トルク指令演算部１１Ｂと、磁束推定演算部１３Ｂをさらに備える。トルク指令演算部１１Ｂは、磁束推定演算部１３Ｂの出力Φに応じて、惰行制御時のトルク指令値Ｔ^＊を変化させる。

　鉄損は、式（６）で示したように、磁束密度の約１．６～２．０乗の範囲で算出される。すなわち、実施形態１で説明したように、鉄損は、周波数のみではなく磁束密度によっても変化する。そのため、実施形態２では、磁束推定演算部１３Ｂによって、惰行制御中の磁束Φを演算する。

　磁束推定演算部１３Ｂは、制御装置２Ｂに設定している磁石磁束をΦ_ｍとして、ｄｑ軸電流１_ｄ、Ｉ_ｑと、ｄｑ軸のインダクタンスから、式（７）～式（９）に示す計算式で合成磁束の大きさΦを算出する。ただし、磁束Φの計算方法は式（７）～式（９）に限定されず、永久磁石同期電動機の電圧方程式から算出する方法など、磁束Φが計算できる方法であれば、どのような方法でもよい。

　鉄損は、磁束推定演算部１３Ｂで算出したΦをもとに、式（６）に基づいて算出する方法や、式（１０）に示すように、鉄損算出用に設定したべき乗数ｎ、係数Ｋ_ｗｉから算出する方法や、または、計算値に基づいて予め設定したテーブルデータ等に基づいて算出する方法を用いればよい。あるいは、計算値を用いずに、電流や速度に応じて予め測定した実測値をテーブルデータまたは近似式としてソフトウェア実装し、使用する構成としてもよい。

　式（１０）に基づいて算出した鉄損に基づいて、式（３）と同様に、機械角の回転角周波数ω_ｒで除算することで、弱め磁束制御の影響を考慮した補正後の鉄損によるトルクτ_ｗｉを算出する。

　なお、弱め磁束制御によって鉄損が減少しても、実施形態１で説明したように、機械損は周波数のみに依存するため、弱め磁束制御時の補正は不要である。

　図４のトルク指令演算部１１Ｂに示すように、高速域で弱め磁束制御によって磁束を弱めた場合には、鉄損が小さくなるため、損失分を打ち消すためのトルク指令値Ｔ^＊は、磁束を弱めない場合に比べて小さくなる。すなわち、弱め磁束制御の適用前後で、周波数の増加に対して、トルク指令値Ｔ^＊の増加の変化率が小さくなる箇所を設ける。

　図５を参照して、図４の実施例２の変形例となる惰行制御時のトルク指令演算部１１で設定するトルク指令値を示す。図５は、実施形態２の変形例となる惰行制御時におけるトルク指令パターンの一例を示す図である。

　図５に示すように、周波数の増加に対して、弱め磁束制御の速度域で、少なくとも１箇所でも惰行制御時のトルク指令値Ｔ^＊の増加の変化率が小さくなる構成になっていれば、弱め磁束制御時におけるブレーキトルクを打ち消すために必要なトルク指令値Ｔ^＊を適正化する効果が得られる。つまり、図４に示すトルク指令パターンに限定されるものではなく、弱め磁束制御による磁束操作量次第では、図５に示すように、弱め磁束制御前よりも、トルク指令値Ｔ^＊が減少するような構成となる場合もある。

　以上のとおり、実施形態２では、インバータ装置１Ｂは、トルク指令演算部１１Ｂと、磁束推定演算部１３Ｂを備え、磁束推定演算部１３Ｂによる推定磁束Φに基づいて、惰行制御時のトルク指令値Ｔ^＊を変化させる。これにより、惰行制御中に弱め磁束制御時を動作させた場合においても、トルク指令値Ｔ^＊を適確に算出でき、ブレーキトルクの発生を低減することが可能となる。

［実施形態３］
　実施形態３は、実施形態２と比べて、磁石の温度情報を用いて、鉄損計算に用いる磁束の大きさを変化させる点で異なる。動作中の温度変化によって、永久磁石同期電動機４の磁石磁束が変動した場合においても、電動機の損失がブレーキトルクに与える影響を低減できる。

　図６は、実施形態３に係る永久磁石同期電動機の駆動装置の機能ブロックの一例を示す図である。実施形態３では、インバータ装置１Ｃは、制御装置２Ｃを備え、制御装置２Ｃは、トルク指令演算部１１Ｃと、磁束推定演算部１３Ｃとを備える。磁束推定演算部１３Ｃは、磁石の温度情報Ｔ_ｍａｇに応じてトルク指令演算部１１へ出力する出力Φ_ｍを温度補正し、トルク指令演算部１１Ｃが出力するトルク指令値Ｔ^＊を変化させる。

　磁石磁束は、温度依存性を持ち、例えば、ネオジム磁石の場合であれば、温度変動に応じて－０．１％／Ｋ程度の割合で変化する。そのため、磁石温度が１００Ｋ上昇すると、磁石磁束は－１０％することとなる。

　さらに、鉄損としては、式（６）に示すように、磁束の変化に対して、おおよそ１．６から２．０乗で影響を受ける。図６のトルク指令演算部１１Ｃに示すように、磁石の低温時と高温時においては、鉄損と機械損を打ち消すためのトルク指令値Ｔ^＊は、大きく変化する。

　磁束推定演算部１３Ｃは、磁石の温度係数をα［％／Ｋ］とすると、ソフトウェアで設定する磁石磁束Φ_ｍの基準温度をＴ_０［℃］、実際の磁石温度情報をＴ_ｍａｇ［℃］として、式（１１）によりΦ_ｍを温度補正したΦ_ｍ’を出力する。温度係数αは、例えば－０．１％／Ｋなどを用いる。

　本実施形態では、式（７）～式（９）で算出した磁石磁束Φ_ｍを、式（１１）で温度補正した磁石磁束Φ_ｍ’を、トルク指令演算部１１に出力する。トルク指令演算部１１Ｃでは、温度補正後の磁束Φ_ｍ’に基づいて、温度補正後の鉄損Ｗ_ｉを算出し、補正後のトルク指令値Ｔ^＊を出力する。

　なお、磁石温度情報Ｔ_ｍａｇは、公知技術により算出した磁石温度の推定値や、フレームや固定子巻線の温度測定値を用いて推定演算した値を用いる。

　以上のとおり、実施形態３では、磁束推定演算部１３Ｃにて温度情報を用いて温度補正した磁石磁束Φ_ｍ’で、鉄損Ｗ_ｉを補正することで、磁石の温度変動時においても惰行制御時のトルク指令値Ｔ^＊を適確に算出でき、惰行制御時のブレーキトルクの発生を低減することが可能となる。

［実施形態４］
　実施形態４は、実施形態１～３と比べて、惰行制御時のトルク指令値Ｔ^＊に下限値を設ける点で異なる。本実施形態では、惰行制御時に、永久磁石同期電動機が接続される継手やギアといった機械部品で発生する機械的な振動を抑制し、惰行制御時の低騒音化が可能である。

　図７は、実施形態４に係る永久磁石同期電動機の駆動装置の機能ブロックの一例を示す図である。実施形態４では、インバータ装置１Ｄは、制御装置２Ｄを備える。制御装置２Ｄにおけるトルク指令演算部１１Ｄは、実施形態１～３のトルク指令演算部１１、１１Ｂ、１１Ｃと比べて、惰行制御時のトルク指令値Ｔ^＊の算出に正の値の下限リミット機能を設けた点で異なる。図７では、磁束推定演算部１３Ｃは、必須ではない。

　図８は、鉄道車両用の台車の概略構成図を示す。台車３１には、永久磁石同期電動機４が備え付けられており、永久磁石同期電動機４の回転子シャフト３０が、継手３４を介して小歯車３２に動力を伝達し、小歯車３２と大歯車３３から構成される減速ギアによって車軸３５を回転させ、車軸３５に接続された車輪２７を回転させる。

　図９は、永久磁石同期電動機に発生するコギングトルクを示す図である。永久磁石同期電動機４では、永久磁石同期電動機４の構造に起因して、固定子と回転子との磁気吸引力が、回転子位置によって変化するため、回転子の回転に応じて、正負の脈動トルク（コギングトルク）が発生する。

　鉄道用途の永久磁石同期電動機４において、コギングトルクの脈動周波数を決定する主な要因は、固定子巻線を収納する固定子スロット部の非透磁率（約１）と、鉄心部の非透磁率（数千から数万）である。これらが差を持つことで、固定子と回転子の間の空隙部の透磁率が空間的な脈動を持つことにより、コギングトルクが発生する。回転子が電気角で１周期回転する間に、固定子スロット部の数Ｎ_ｓ１に応じて、式（１２）に従った脈動が発生する。

　コギングトルクは、回転子位置に応じて発生するものであって、電流がゼロの時でも発生する。つまり、惰行制御時に、式（１）によってｑ軸電流Ｉ_ｑをゼロに制御して、トルクをゼロに制御していても、コギングトルクによって、式（１２）に示す高周波成分のトルク脈動が発生する。

　図１０を参照して、図８のＡ－Ａ側面図で、小歯車３２と大歯車３３から構成される減速ギアの接触部の拡大図を示し、図１１に、図８のＢ－Ｂ断面図で、継手内側歯車３４ａと継手外側歯車３４ｂの接触部の拡大図を示す。図１０は、減速ギアの歯車の噛み合わせ部を説明する図である。図１１は、継手の歯車の噛み合わせ部を説明する図である。図１０および図１１において、歯車は円形で簡略図示しており、拡大図のみ歯車の歯を図示している。

　減速ギアを構成する小歯車３２および大歯車３３や継手３４に用いられる歯車は、互いの歯が干渉して回転しなくなることを防ぐために、噛み合わせた際に、バックラッシュ部と呼ばれる空隙を設けている。このバックラッシュ部が、経年劣化の摩耗により増大した場合、振動や騒音の発生や、これに伴い周辺の機械部品の寿命の低下し、鉄道車両においては乗客の乗り心地の悪化にもつながる。

　通常の加減速運転時（力行または回生でトルクを出力している状態）では、これらの歯車同士が電動機トルクによって押し当てられるため、基本的には振動や騒音は発生しないが、惰行制御中などのトルクを略ゼロにする状態でコギングトルクによって正負のトルク脈動が発生すると、バックラッシュ部があるため、ギアの歯車が当たったり離れたりを繰り返す状態となり、減速ギアを構成する小歯車３２および大歯車３３や継手３４において機械的な振動や騒音が発生する。

　これに対し、図７のトルク指令演算部１１Ｄに示すように、惰行制御時のトルク指令値Ｔ^＊を、コギングトルク以上の大きさに設定することで、惰行制御時に、正負のトルク脈動が発生しても、これらの歯車同士を押し当てた状態で保持できるため、減速ギアを構成する小歯車３２および大歯車３３や継手３４で発生する振動や騒音を低減し、機械部品の寿命低下を防止することができる。

　また、惰行制御時のトルク指令値Ｔ^＊を負の値にしても、バックラッシュ部で発生する振動や騒音は防止することはできるが、実施形態１で説明の通り、永久磁石同期電動機４の損失分によるブレーキトルクを増加させる方向に作用してしまうため、トルク指令値Ｔ^＊は正の値にする必要がある。

　さらに、別の観点で、鉄道車両に適用して、仮に負の値に設定した場合、周辺に力行している電車が無い、または、別の電車が回生ブレーキを動作させて架線電圧自体が上昇している状態で、自車が回生ブレーキをかけると、フィルタコンデンサ電圧が上昇し、過電圧が発生する問題が生じる。そのため、惰行制御時のトルク指令値Ｔ^＊は正の値にして、永久磁石同期電動機４に電力を消費させた状態でギアの噛み合いを保持させることで、惰行制御時にフィルタコンデンサ電圧が上昇して過電圧が発生することを防止する効果も得られる。

　なお、本実施形態で設定する下限値は、実施形態１に適用可能であるのみならず、実施形態２で示したように弱め磁束制御を考慮した磁束によって変化させてもよく、実施形態３で示したように磁石温度によって変化させてもよい。

　以上のとおり、実施形態４では、トルク指令演算部１１Ｄで演算するトルク指令値Ｔ^＊にコギングトルク以上の大きさの下限値を設けることで、惰行制御時に継手や減速ギアで発生するバックラッシュ部での振動と騒音を低減し、機械部品の長寿命化を実現できる。

［実施形態５］
　実施形態１～４は、鉄道車両に適用した場合に好適である。以下、実施形態１～４を鉄道車両に適用した場合を、実施形態５として説明する。実施形態５は、複数台の永久磁石同期電動機によって動力を得る駆動システムを搭載した鉄道車両に関する。駆動システムの動作効率が最大となるように、一部の永久磁石同期電動機４のトルク出力を略ゼロにし、一部の永久磁石同期電動機４の出力を相対的に大きくする「選択制御」を適用した鉄道車両システムにおいて、選択制御時に出力を略ゼロにする永久磁石同期電動機に、実施形態１～４のいずれかを適用する。

　図１２は、実施形態５に係る鉄道車両の一例を示す図である。台車３１や車輪２７は、永久磁石同期電動機４によって動力を得るＭ（Ｍｏｔｏｒ）車のみ記載しており、電動機を備えないＴ（Ｔｒａｉｌｅｒ）車の台車部については、図示を省略している。ただし、図１２に示す車両数（５両）や、Ｍ車とＴ車の組み合わせについては、あくまでも一例に過ぎず、これに限定されるものではない。

　また、車輪２７は、添字ａ～ｌによって各軸を区別しており、車輪が黒塗りになっている箇所は、永久磁石同期電動機４によって動力を出力させる軸で、白塗りになっている箇所は、電動機による出力を停止させる軸を意味する。

　図１２（ａ）は、選択制御を適用しない状態を示しており、全ての永久磁石同期電動機４によってトルクを出力し、鉄道車両の編成の動力を得ている。

　図１２（ｂ）は、選択制御を適用して、インバータ装置１ｂによって動作する車輪２７ｅ、２７ｆ、２７ｇ、２７ｈの車軸に接続された永久磁石同期電動機４のトルク出力を略ゼロにする。ただし、本実施形態では、選択制御時においてトルクを出力しない軸に接続された永久磁石同期電動機４については、交流接触器６等を開放させて電流を遮断することなく、トルクを出力しない軸においても、実施形態１～４のいずれかの構成を適用して惰行制御状態として動作させる。

　仮に、選択制御時に、永久磁石同期電動機４に電流が流れないように、交流接触器６等を開放して、永久磁石同期電動機４の電源線を開放状態にしてフリーラン状態にした場合には、実施形態１で説明した通り、永久磁石同期電動機４の損失の影響によってブレーキトルクが発生してしまう。特に、永久磁石同期電動機４の電源線を開放状態にした場合は、インバータ装置１によって制御できない状態となるため、弱め磁束制御によって磁束を弱めることができず、高速域での鉄損が他の実施形態に比べて更に大きくなり、走行抵抗の誤差の影響が大きくなる。

　この選択制御において、一部の車両の永久磁石同期電動機４がトルクを出力した状態で、トルクの出力を停止している車両の永久磁石同期電動機４に大きなブレーキトルクが発生した状態は、これらの車両間の加速度が相反する方向に作用した状態となるため、トルクの出力開始時や停止時に、車両同士がぶつかることで衝動が発生し、乗客の乗り心地を悪化させる問題が発生する。

　そのため、本実施形態では、選択制御時の力行や回生時において、トルクを出力しない永久磁石同期電動機４においても交流接触器６等を開放することなく、常に惰行制御状態として、実施形態１から実施形態４のいずれかの構成を適用してトルクを出力する。これにより、開放した車両に発生する鉄損と機械損によるブレーキトルクの発生を防止し、起動や停止時における車両間に生じる衝動を防止できる。

　なお、力行や回生時における、実施形態１から実施形態４のいずれかの構成を適用した選択制御は、図１２（ｂ）のように車両毎に制御しても、図１２（ｃ）に示すように軸毎に制御してもよい。

　以上のとおり、実施形態５では、選択制御を適用する鉄道車両において、出力を停止させる車両に対して、実施形態１から実施形態４に記載のいずれかの構成を適用することで、ブレーキトルクの発生や車両間で生じる衝動を低減することが可能となる。

　なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例を含む。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換・統合・分散をすることが可能である。また実施形態で示した各処理は、処理効率または実装効率に基づいて適宜分散または統合してもよい。

１，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１ａ，１ｂ，１ｃ…インバータ装置、２，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ…制御装置、３…電圧出力装置、４…永久磁石同期電動機、５…電流検出器、６…交流接触器、７…ＰＷＭ制御部、８…座標変換器、９…電流制御部、１０…電流指令演算部、１１，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ…トルク指令演算部、１２…トルク指令演算部、１３Ｂ，１３Ｃ…磁束推定演算部、２０…フィルタコンデンサ、２１…フィルタリアクトル、２２…断流器、２３…高速度遮断器、２４…パンタグラフ、２５…架線、２７，２７ａ～２７ｌ…車輪、３０…回転子シャフト、３１…台車、３２…小歯車、３３…大歯車、３４…継手、３４ａ…継手内側歯車、３４ｂ…継手外側歯車、３５…車軸、３６…レール、３７…車両

Claims

　永久磁石同期電動機へ電圧を出力する電圧出力装置と、
　トルク指令値に基づいて前記電圧出力装置の出力電圧を制御する制御装置と、を有し、
　前記制御装置は、
　前記永久磁石同期電動機を駆動する駆動電圧の出力停止の制御を行っている場合に、前記永久磁石同期電動機から前記電圧出力装置側への電流の流れ込みを検知したとき、前記永久磁石同期電動機の誘起電圧を抑制する電圧を前記永久磁石同期電動機へ出力するように前記電圧出力装置を制御する惰行制御を行い、
　前記惰行制御時において、前記トルク指令値を、前記永久磁石同期電動機の回転周波数の上昇に応じた正の値である惰行制御時トルク指令値に設定する
　ことを特徴とする永久磁石同期電動機の駆動装置。
　前記惰行制御は、
　前記永久磁石同期電動機を駆動する駆動電圧の出力停止の制御を行う際に、前記永久磁石同期電動機から前記電圧出力装置側への電流の流れ込みが発生すると予測したとき、前記永久磁石同期電動機の誘起電圧を抑制する電圧を前記永久磁石同期電動機へ出力するように前記電圧出力装置を制御することを含む
　ことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石同期電動機の駆動装置。
　前記惰行制御時トルク指令値は、少なくとも１つの特定の前記回転周波数において増加する
　ことを特徴とする請求項１または２に記載の永久磁石同期電動機の駆動装置。
　前記制御装置は、
　前記永久磁石同期電動機の推定磁束を演算し、
　前記惰行制御時において、前記推定磁束に基づいて前記惰行制御時トルク指令値を変化させる
　ことを特徴とする請求項１または２に記載の永久磁石同期電動機の駆動装置。
　前記惰行制御時トルク指令値は、少なくとも１つの特定の前記回転周波数において前記回転周波数の上昇に応じた変化率が小さくなる
　ことを特徴とする請求項４に記載の永久磁石同期電動機の駆動装置。
　前記制御装置は、
　前記永久磁石同期電動機の磁石温度情報に基づいて前記永久磁石同期電動機の推定磁束を演算し、
　前記惰行制御時において、前記磁石温度情報に基づき演算した前記推定磁束に基づいて前記惰行制御時トルク指令値を変化させる
　ことを特徴とする請求項１～５の何れか１項に記載の永久磁石同期電動機の駆動装置。
　前記制御装置は、
　前記惰行制御時において、前記永久磁石同期電動機で発生するコギングトルクよりも大きいトルク値を、前記惰行制御時トルク指令値の下限値に設定する
　ことを特徴とする請求項１～６の何れか１項に記載の永久磁石同期電動機の駆動装置。
　永久磁石同期電動機の駆動装置が行う駆動方法であって、
　前記駆動装置は、
　前記永久磁石同期電動機へ電圧を出力する電圧出力装置と、
　トルク指令値に基づいて前記電圧出力装置の出力電圧を制御する制御装置と、を有し、
　前記制御装置が、
　前記永久磁石同期電動機を駆動する駆動電圧の出力停止の制御を行っている場合に、前記永久磁石同期電動機から前記電圧出力装置側への電流の流れ込みを検知したとき、前記永久磁石同期電動機の誘起電圧を抑制する電圧を前記永久磁石同期電動機へ出力するように前記電圧出力装置を制御する惰行制御を行い、
　前記惰行制御時において、前記トルク指令値を、前記永久磁石同期電動機の回転周波数の上昇に応じた正の値である惰行制御時トルク指令値に設定する
　ことを特徴とする永久磁石同期電動機の駆動方法。
　前記惰行制御が、
　前記永久磁石同期電動機を駆動する駆動電圧の出力停止の制御を行う際に、前記永久磁石同期電動機から前記電圧出力装置側への電流の流れ込みが発生すると予測したとき、前記永久磁石同期電動機の誘起電圧を抑制する電圧を前記永久磁石同期電動機へ出力するように前記電圧出力装置を制御することを含む
　ことを特徴とする請求項８に記載の永久磁石同期電動機の駆動方法。
　前記制御装置が、
　前記永久磁石同期電動機の推定磁束を演算し、
　前記惰行制御時において、前記推定磁束に基づいて前記惰行制御時トルク指令値を変化させる
　ことを特徴とする請求項８または９に記載の永久磁石同期電動機の駆動方法。
　前記制御装置が、
　前記永久磁石同期電動機の磁石温度情報に基づいて前記永久磁石同期電動機の推定磁束を演算し、
　前記惰行制御時において、前記磁石温度情報に基づき演算した前記推定磁束に基づいて前記惰行制御時トルク指令値を変化させる
　ことを特徴とする請求項８～１０の何れか１項に記載の永久磁石同期電動機の駆動方法。
　前記制御装置が、
　前記惰行制御時において、前記永久磁石同期電動機で発生するコギングトルクよりも大きいトルク値を、前記惰行制御時トルク指令値の下限値に設定する
　ことを特徴とする請求項８～１１の何れか１項に記載の永久磁石同期電動機の駆動方法。
　請求項１～７の何れか１項に記載の永久磁石同期電動機の駆動装置を備えたことを特徴とする鉄道車両。
　複数の前記永久磁石同期電動機の駆動装置を備え、
　前記駆動装置は、
　力行および回生による加減速運転時に、前記複数の前記永久磁石同期電動機のうち、特定の永久磁石同期電動機に対しては前記トルク指令値を前記加減速運転時の値とし、他の永久磁石同期電動機に対しては前記トルク指令値に前記惰行制御時トルク指令値を設定する
　ことを特徴とする請求項１３に記載の鉄道車両。