WO2020262204A1 - モータおよびモータ制御装置 - Google Patents
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- H02K2213/09—Machines characterised by the presence of elements which are subject to variation, e.g. adjustable bearings, reconfigurable windings, variable pitch ventilators
Definitions
- the present disclosure relates to a motor and a motor control device.
- the rotor shape is special, so that the motor structure may be complicated.
- the motor of one form according to the present disclosure includes a stator, a rotor, and a movable member.
- the stator has an annular back yoke and a plurality of teeth protruding radially inward from the inner circumference of the back yoke.
- the rotor is provided on the inner peripheral side of the stator.
- the movable member is a movable member provided along the outer peripheral surface of the back yoke, and by moving the movable member, the characteristics of the magnetic flux flowing through the back yoke are changed.
- FIG. 1 It is a schematic diagram which shows an example of the holding form of the electric wheel which concerns on embodiment of this disclosure. It is a figure which shows the result of having analyzed the effect obtained in principle in this embodiment. It is a figure which shows the result of having analyzed the effect obtained in principle in this embodiment. It is a figure which shows the result of having analyzed the effect obtained in principle in this embodiment. It is a figure which shows the result of having analyzed the effect obtained in principle in this embodiment. It is a figure which shows the result of having analyzed the effect obtained in principle in this embodiment. It is a figure which shows the result of having analyzed the effect obtained in principle in this embodiment. It is a figure for demonstrating the motor which rotates a movable member. It is a figure for demonstrating the motor which rotates a movable member.
- a plurality of components having substantially the same functional configuration may be distinguished by adding different numbers after the same reference numerals. However, if it is not necessary to distinguish each of the plurality of components having substantially the same functional configuration, only the same reference numerals are given.
- FIG. 1 is a schematic view showing an example of a holding mode of an electric wheel according to the embodiment of the present disclosure.
- the electric wheel 10 is mounted on a vehicle having a structure in which both sides are open, such as a two-wheeled vehicle.
- the two-wheeled vehicle is assumed to be a small light vehicle such as an electric kickboard.
- the electric wheel 10 is not limited to a two-wheeled vehicle, and may be mounted on a unicycle or a vehicle having three or more wheels. Further, the electric wheel 10 is not limited to the vehicle, and may be mounted as a wheel of an electric wheelchair, a mobile robot, or the like.
- the electric wheel 10 mounted on the two-wheeled vehicle is a wheel having a diameter of 8 inches (204 mm) in the embodiment.
- the electric wheel 10 includes a wheel portion 20 and a motor control device 30.
- the motor control device 30 includes a motor (so-called in-wheel motor) provided inside the wheel portion 20, and is a device that controls such a motor.
- Fixed shafts 12 are fixed on both sides of the motor control device 30.
- the fixed shaft 12 is coaxial with the rotating shaft R of the wheel portion 20.
- the wheel portion 20 rotates with respect to the fixed shaft 12.
- the electric wheel 10 is held by the support member 100.
- the support member 100 is, in the embodiment, a front fork of a two-wheeled vehicle.
- a general motor includes, for example, a stator, a rotor, a housing, an angle sensor, and the like.
- the stator is composed of an iron core (also called a core) and a coil.
- the iron core is composed of a thin iron plate generally called an electromagnetic steel plate laminated along the motor axial direction, or a powder steel core hardened with resin.
- a coil is a member through which an alternating current flows when an alternating voltage supplied from an external device is applied.
- An inverter is generally used as an external device. This inverter is a device that generates an AC voltage waveform from a DC voltage.
- the rotor is composed of an iron core and a permanent magnet, and a shaft, which is a rotating shaft, is passed through the center.
- the rotor rotates about the shaft with respect to the stator.
- the iron core of the rotor is generally composed of a laminated electromagnetic steel plate or a dust core, like the iron core of the stator.
- the magnet is, for example, a permanent magnet, and is mechanically fixed to the rotor by being embedded in the rotor core or attached to the rotor surface.
- the housing is a housing that houses each member of the motor, and plays the role of a case for the entire motor.
- the housing is mechanically fixed so that it does not move relative to the stator. Since the housing does not play the role of a magnetic circuit for driving the motor, aluminum or the like is used as the material.
- the angle sensor is used to detect the rotation angle of the rotor (the direction in which the magnet is facing).
- rotary encoders, hall sensors, resolvers and the like are generally used.
- the coil is composed of three phases of U phase, V phase and W phase. Then, in a general motor, a magnetic field is generated by passing a three-phase alternating current through the coil. Then, in a general motor, one rotating magnetic field can be obtained by synthesizing magnetic fields for three phases.
- the phase (current phase) and amplitude of the three-phase AC are determined by a control algorithm while sequentially sensing the magnetic pole directions of the rotor with an angle sensor.
- the first is a method in which a magnet is generally placed in a rotating magnetic field to generate torque (magnet torque) by magnetic attraction.
- the second method is to place an iron core in a rotating magnetic field to distort the magnetic field lines that pass through the magnetic circuit formed by the rotor core and the stator core, and generate torque (relactance torque) by trying to make them straight. Is.
- the magnetic field lines are always closed curves due to the nature of magnetism. Since the magnetic field lines have the property of trying to become a straight line as a physical law, a large force (torque) is generated where the strain of the magnetic force lines is large. Specifically, in the case of an inner rotor type brushless motor, the distortion of the magnetic field lines becomes large in the gap (air gap) between the rotor and the stator, so that a main torque is generated around this air gap. In order to generate these torques, the amplitude and phase of the current energizing the coil are controlled according to the rotation angle of the rotor. In addition, the magnetic flux density and the distribution of magnetic field lines in the motor change from moment to moment.
- the torque generated by the motor is proportional to the magnitude of the current, but in order to generate high torque, when the current flowing and the magnetic field generated accordingly increase with respect to the physique of the motor, a phenomenon called magnetic saturation Is generated, and torque is less likely to be generated with respect to the current. Then, when magnetic saturation occurs, the magnetic permeability of the iron core drops significantly.
- the magnetic permeability is a parameter indicating the ease of passing magnetic flux, in other words, a parameter indicating the magnitude of the magnetic resistance.
- the state in which magnetic saturation occurs corresponds to the state in which the resistance of the electric wiring increases and the current becomes difficult to flow. At this time, the motor is in a state where the torque output is reduced.
- the electric resistance does not change significantly (for example, several times) depending on the state, but in a magnetic circuit, the magnetic resistance increases depending on the amount and distribution of the magnetic flux passing through the stator core. It generally happens that it changes on the order of 1000 times.
- the present invention focuses on this magnetic characteristic in a magnetic circuit to realize a variable characteristic motor.
- the maximum efficiency of the motor is a level that reaches the efficiency in the high 90% range in the industry if it is designed with priority on efficiency, and there is little room for growth. Further, a general motor has a characteristic that one maximum efficiency point exists and the efficiency decreases as the distance from the maximum efficiency point increases.
- motors for mobility are required not only to improve performance in the "point” of maximum efficiency, but also to improve efficiency in the "face” in consideration of frequently used areas.
- high torque and high rotation are in a trade-off relationship with each other. Therefore, in general, in order to satisfy the above two requirements to some extent, the medium speed rotation and the medium torque region are designed to be highly efficient.
- Variable characteristic methods include mechanical, electric and magnetic methods. Since this embodiment corresponds to a mechanical type, the prior art and problems will be described below focusing on the mechanical type.
- the movable end plate is a method of arranging a movable end plate (magnetic material) on the side surface of the rotor.
- the magnetic flux generated from the permanent magnet is short-circuited by bringing the end plate into close contact with the rotor during high-speed rotation.
- the interlinkage magnetic flux to the stator is reduced, so that the torque constant of the motor is reduced and the torque generated with respect to the flowing current is reduced.
- the induced voltage of the terminal decreases, the operating range on the high-speed side is expanded (the speed at which the induced voltage balances with the power supply voltage shifts to the high-speed side).
- the physique of a motor theoretically correlates with torque ("torque” ⁇ "square of motor diameter” x “thickness”), so increase the physique of the motor to gain torque. If so, it is natural, but a motor with a movable end plate increases the physique of the motor (adds an end plate) in order to reduce torque and realize high-speed rotation. Therefore, the movable end plate has a problem in terms of miniaturization and weight reduction because the physique is unnecessarily increased from the viewpoint of the principle of torque generation.
- the iron piece insertion type is a method of inserting an iron piece into a flux barrier (a gap provided in the rotor) of the rotor.
- the magnet magnetic flux is short-circuited by inserting the iron piece into the rotor by an actuator during high-speed rotation.
- the interlinkage magnetic flux to the stator is reduced, the torque constant of the motor is lowered, and the induced voltage is lowered, so that high-speed rotation is realized.
- the mechanical structure may be complicated.
- the centrifugal force utilization type is a method in which an iron piece and a magnet for short-circuiting magnetic flux are added to the rotor, and the flux barrier is passively changed by utilizing the centrifugal force accompanying the rotation of the rotor.
- the centrifugal force utilization type during low-speed rotation, the iron piece for short-circuiting is pushed inward in the radial direction by the magnetic force, so that the short-circuiting effect of the magnet magnetic flux is almost eliminated.
- the iron pieces move outward in the radial direction due to centrifugal force, short-circuiting the magnetic flux of the magnet.
- the torque of the motor can be calculated by multiplying the interlinkage magnetic flux to the coil and the current flowing through the coil, based on Fleming's left-hand rule. If the relationship between the interlinkage magnetic flux, the current, and the magnetic circuit (magnetic resistance, etc.) of the motor is expressed as an equivalent model of the electric circuit, the correspondence between magnetism and electricity is as follows. -Magnetic flux-> current-magnetomotive force due to permanent magnet-> constant voltage source-magnetic resistance of rotor core-> electrical resistance-magnetic resistance of air gap-> electrical resistance-magnetomotive force generated by energization of windings-> voltage source (polarity and magnitude Change) ⁇ Magnetic resistance of stator core ⁇ Electrical resistance
- the smaller the magnetic resistance of the magnetic circuit the more the current that flows when the same voltage is applied, and the smaller the magnetic resistance of the magnetic circuit, the more the magnetomotive force generated by energizing the coil.
- the magnetic flux that flows with respect to is large. That is, when the magnetic resistance of the magnetic circuit is small, the magnetic flux passing through the coil (interlinkage magnetic flux) increases, and the torque of the motor increases.
- the present invention Based on the above physical characteristics of the motor, it is the basis of the present invention to change the characteristics of the motor into a high torque / low rotation type and a low torque / high rotation type by changing the magnetic resistance of the magnetic circuit of the motor. It is a principle. Regarding the part of the motor that changes the magnetic resistance, the present invention focuses on the stator. The reason is that since the rotor is a rotating body, the mechanism for changing its characteristics is more complicated than that of the stator, which is a stationary object. In addition, the magnetic resistance of the air gap changes by changing its width, but it is physically difficult to change the shape of the circular tubular air gap with a wide range of general cylindrical motors (radial gap type motors). Because there is.
- the magnetic resistance of a substance is proportional to the length of the magnetic path (copper wire in an electric circuit) and inversely proportional to the cross-sectional area of the magnetic path and the magnetic permeability. Since the magnetic permeability depends on the physical properties of the stator core, it is generally difficult to change it freely. Therefore, in the present embodiment, attention is paid to geometric parameters such as the length and cross-sectional area of the magnetic path, and in particular, the magnetic resistance of the back yoke portion of the stator is mechanically variable.
- FIGS. 2A to 2E are diagrams showing the results of analyzing the effects obtained in principle in the present embodiment.
- FIG. 2A shows a schematic view (state 1) of the motor in which the back yoke of the stator has a normal thickness
- FIG. 2B shows a schematic view (state 2) of the motor in which the back yoke of the stator is extremely thin. That is, the state 1 is a state in which the magnetic resistance of the back yoke is reduced, and the state 2 is a state in which the magnetic resistance of the back yoke is increased.
- FIG. 2C shows the results of analyzing the motor characteristics of the motors in the states 1 and 2. In both cases, the conditions of the voltage and current applied to the motor are the same.
- the torque constant Kt the magnitude of the torque generated per unit current
- the motor in the state 1 is a high torque type
- the motor in the state 2 is a high rotation type.
- the air gap magnetic flux density (“average magnetic flux density (gap)”) is lower than that in the state 1, and it can be seen that the magnetic flux flowing through the magnetic circuit of the motor is reduced.
- FIG. 2D shows the relationship between torque and rotation speed
- FIG. 2E shows the relationship between rotation speed and efficiency.
- the maximum rotation speed is lower than that in the state 2, but the maximum torque is higher.
- the maximum torque is lower than that in the state 1, but the maximum rotation speed is high.
- the back yoke is changed from the state 1 to the state 2, that is, if the back yoke is changed to a state in which the magnetic resistance is large, the maximum torque decreases while the maximum rotation speed increases.
- FIG. 2E regarding the maximum efficiency, there is no big difference between the two in the rotation speed corresponding to each of the states 1 and 2. That is, it can be seen that even when the magnetic resistance of the back yoke is made variable, the effect on efficiency is small.
- variable characteristic motor can be realized in principle by changing the magnetic resistance of the back yoke of the stator.
- a motor configuration and a control algorithm for changing the magnetic resistance of the back yoke will be specifically described.
- the magnetic resistance of the back yoke is changed by a movable member provided on the outer peripheral side of the back yoke of the stator. That is, the movable member according to the embodiment changes the characteristics of the magnetic flux flowing through the back yoke.
- FIGS. 3 to 5 are views for explaining the motor 31 that rotates the movable member 315.
- the motor 31 according to the first embodiment includes a shaft 310, a rotor 311, a magnet 312, a stator 313, a coil 314, a movable member 315, and an actuator 316. Be prepared.
- the motor 31 also includes general motor configurations such as a housing and an angle sensor, but in the present embodiment, these configurations are not shown.
- the shaft 310 is a rotation shaft that is the center of rotation of the motor 31.
- the shaft 310 is rotatably provided around the rotation shaft R with respect to the fixed shaft 12 (see FIG. 1) of the electric wheel 10.
- the rotor 311 is a rotor in the motor 31.
- the rotor 311 is composed of, for example, a laminated electromagnetic steel plate or a dust core. Further, the rotor 311 is provided on the inner peripheral side of the stator 313. Specifically, the rotor 311 is arranged with a gap (air gap) between the rotor 311 and the teeth 313b (see FIG. 5) of the stator 313.
- the magnet 312 is a permanent magnet embedded in the rotor 311 and arranged. Specifically, the magnet 312 is arranged at a position closer to the outer circumference of the rotor 311. More specifically, the magnet 312 is a plate-shaped member, and in the present embodiment, the eight magnets 312 are arranged so as to be octagonal in top view (see FIG. 5).
- the stator 313 is a stator in the motor 31.
- the stator 313 is composed of an iron core (also referred to as a core).
- the iron core of the stator 313 is composed of a thin iron plate called an electromagnetic steel plate laminated along the axial direction of the shaft 310, or a powder steel core hardened with resin.
- the stator 313 has an annular back yoke 313a and a plurality of teeth 313b.
- the back yoke 313a is formed in a state as thin as possible.
- the plurality of teeth 313b are portions that protrude inward in the radial direction from the inner circumference of the back yoke 313a.
- the stator 313 shows the case where it has 12 teeth 313b, but the number of teeth 313b may be arbitrary.
- the coil 314 is a conductive wire member wound around each of the plurality of teeth 313b.
- the coil 314 is a member through which an alternating current flows by applying an alternating voltage supplied from an external device (not shown).
- the movable member 315 is a movable member provided along the outer peripheral surface of the back yoke 313a of the stator 313.
- the movable member 315 is moved by the actuator 316 to change the characteristics of the magnetic flux flowing through the back yoke 313a.
- the actuator 316 is electronically controlled by a control device 32 (see FIG. 9) described later, and this point will be described later in FIG.
- the movable member 315 has a first portion 315a and a second portion 315b.
- the first portion 315a has a first magnetic permeability, and is, for example, a portion having substantially the same magnetic permeability as the back yoke 313a.
- the second portion 315b is a portion having a second magnetic permeability lower than the first magnetic permeability.
- the first portion 315a is made of, for example, the same material as the back yoke 313a, that is, an electromagnetic steel plate or the like, and the second portion 315b is made of, for example, a resin. That is, the first portion 315a and the second portion 315b are materials having different magnetic permeability. The first portion 315a and the second portion 315b may have different magnetic permeability, and may have different thicknesses in the radial direction, for example. Specifically, the first portion 315a is configured to be thicker in the radial direction than the second portion 315b.
- first portion 315a and the second portion 315b are alternately arranged in the circumferential direction of the back yoke 313a.
- the movable member 315 is rotatably provided in the circumferential direction of the back yoke 313a.
- each second portion 315b of the movable member 315 is on an extension line in the radial direction of each tooth 313b. Be placed. That is, the second portion 315b is provided at a position corresponding to each of the plurality of teeth 313b. Further, the first portion 315a is arranged so as to be sandwiched between the second portion 315b. That is, the first portion 315a is provided at a corresponding position between two adjacent teeth 313b.
- the second portion 315b having a low magnetic permeability is located on the extension line of the teeth 313b, and the first portion having a high magnetic permeability is located at a position corresponding to the magnetic path of the back yoke 313a.
- Site 315a is located.
- the magnetic flux passing through the teeth 313b flows into the magnetic path while being divided into two hands by the back yoke 313a, but the magnetic path of the back yoke 313a is substantially provided with the first portion 315a.
- the width of the magnetic path is the total width of the back yoke 313a and the first portion 315a. Therefore, since the magnetic resistance of the magnetic path of the back yoke 313a does not decrease, the motor characteristics in which torque is likely to be generated, that is, high torque is obtained.
- the movable member 315 is rotated in the circumferential direction by the actuator 316. Specifically, the movable member 315 rotates until the positions of the first portion 315a and the second portion 315b are interchanged with each other.
- each first portion 315a is arranged on an extension line in the radial direction of each tooth 313b. That is, the first portion 315a is provided at a position corresponding to each of the plurality of teeth 313b. Further, the second portion 315b is arranged so as to be sandwiched between the first portion 315a. That is, the second portion 315b is provided at a corresponding position between two adjacent teeth 313b.
- the first portion 315a having a high magnetic permeability is located on the extension line of the teeth 313b, and the second portion having a low magnetic permeability is located at a position corresponding to the magnetic path of the back yoke 313a.
- Site 315b is located.
- the magnetic path of the back yoke 313a is provided with the second portion 315b, so that the actual width of the magnetic path is only the thickness of the back yoke 313a. Therefore, the width of the magnetic path of the back yoke 313a between the teeth 313b is extremely narrowed, so that the magnetic resistance becomes high. Therefore, the magnetic resistance of the magnetic path of the back yoke 313a is increased, so that the motor characteristics of high rotation are obtained.
- the operation of exchanging the first portion 315a and the second portion 315b that is, the case where the movable member 315 is a two-step operation is shown, but the movable member 315 can move in multiple stages. You may. As a result, the magnetic resistance can be gradually changed in multiple stages, so that the characteristics of the magnetic flux can be changed more finely.
- the thickness of the first portion 315a and the second portion 315b when the thickness of the first portion 315a and the second portion 315b is changed, the thickness may be gradually changed. That is, the thickness may be reduced for removal from the first portion 315a to the second portion 315b.
- the second embodiment is different from the first embodiment in that the movable member 315 expands in the radial direction, that is, the movable method is different from that of the first embodiment.
- 6 to 8B are diagrams for explaining the motor 31 that deploys the movable member 315.
- the movable member 315 according to the second embodiment has the same magnetic permeability as the first portion 315a described above, that is, the same magnetic permeability as the back yoke 313a.
- the movable member 315 can be made of the same material as the back yoke 313a.
- the movable member 315 according to the second embodiment is provided so as to be in contact with and detachable from the outer peripheral surface of the back yoke 313a.
- the movable member 315 has a plurality of division portions 315-1 to 315-4 divided in the circumferential direction of the back yoke 313a.
- FIG. 6 shows the divided portions 315-1 to 315-4 in which the movable member 315 is divided into four equal parts.
- the actuator 316 is provided on the shaft 310 and is connected to each of the divided portions 315-1 to 315-4 via the support portion 317. Then, the actuator 316 reciprocates the support portion 317 in the radial direction to bring the movable member 315 into a deployed or undeployed state.
- the movable member 315 when the motor 31 is in a high torque (low rotation) mode, the movable member 315 is in contact with the back yoke 313a, and a plurality of divided portions 315-1 to 315-4. Are arranged in a connected manner without separating. That is, in the case of high torque, the movable member 315 is not deployed.
- the width of the magnetic path of the back yoke 313a becomes the width that is the sum of the thicknesses of the back yoke 313a and the movable member 315. Therefore, the magnetic resistance of the magnetic path of the back yoke 313a does not decrease, and the motor characteristics that torque is easily generated. It becomes.
- the movable member 315 when the motor 31 is in the high rotation (low torque) mode, the movable member 315 has a plurality of divided portions 315-1 to 315-4 that move outward in the radial direction. Then, it leaves the back yoke 313a. Further, the plurality of divided portions 315-1 to 315-4 are separated from the adjacent divided portions 315-1 to 315-4 as they move outward in the radial direction. That is, in the case of high rotation, the movable member 315 expands.
- the magnetic permeability of air is generally one-thousandth of that of an electromagnetic steel plate (back yoke 313a). That is, when the movable member 315 is separated from the back yoke 313a, the width of the magnetic path of the back yoke 313a is substantially only the thickness of the back yoke 313a. Therefore, the width of the magnetic path of the back yoke 313a between the teeth 313b is extremely narrowed, so that the magnetic resistance becomes high. Therefore, the magnetic resistance of the magnetic path of the back yoke 313a is increased, so that the motor characteristics of high rotation are obtained.
- the movable member 315 may be movable so as to be deployed in multiple stages. That is, in the second embodiment, the movable member 315 may be deployed so as to gradually move away from the outer peripheral surface of the back yoke 313a. As a result, the magnetic resistance can be gradually changed in multiple stages, so that the motor characteristics can be changed more finely.
- FIG. 9 is a block diagram showing the configuration of the motor control device 30 according to the embodiment.
- the motor control device 30 includes a motor 31, a control device 32, and an inverter 33.
- the control device 32 includes a control unit 321 and a storage unit 322.
- the control unit 321 includes a variable characteristic control unit 321a, a speed control unit 321b, and a current control unit 321c.
- the storage unit 322 stores the efficiency map information 322a and the motor parameter information 322b.
- control device 32 includes, for example, a computer having a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), a data flash, an input / output port, and various circuits.
- CPU Central Processing Unit
- ROM Read Only Memory
- RAM Random Access Memory
- data flash an input / output port
- various circuits for example, a computer having a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), a data flash, an input / output port, and various circuits.
- the CPU of the computer functions as the variable characteristic control unit 321a, the speed control unit 321b, and the current control unit 321c of the control unit 321 by reading and executing the program stored in the ROM, for example.
- variable characteristic control unit 321a the speed control unit 321b, and the current control unit 321c of the control unit 321 are used by hardware such as an ASIC (Application Specific Integrated Circuit) or an FPGA (Field Programmable Gate Array). It can also be configured.
- ASIC Application Specific Integrated Circuit
- FPGA Field Programmable Gate Array
- the storage unit 322 corresponds to, for example, RAM or data flash.
- the RAM or data flash can store efficiency map information 322a, motor parameter information 322b, information on various programs, and the like.
- the control device 32 may acquire the above-mentioned program and various information via another computer or a portable recording medium connected by a wired or wireless network.
- variable characteristic control unit 321a updates the motor parameters used in the speed control unit 321b and the current control unit 321c in real time while driving the actuator 316 of the motor 31.
- variable characteristic control unit 321a acquires information (torque and rotation speed information) about the operating point of the motor 31, and based on the acquired information about the operating point, the most efficient magnetism at the operating point. Determine the resistance value as the set value.
- variable characteristic control unit 321a determines the set value of the magnetoresistance based on the efficiency map information 322a stored in the storage unit 322.
- FIG. 10A is a diagram showing an example of efficiency map information 322a.
- the efficiency map information 322a is map information showing torque on the vertical axis, rotation speed on the horizontal axis, and efficiency on the height axis (Z axis), and is for each reluctance (number of change stages of actuator 316). Every) is set.
- FIG. 10A shows the efficiency map information 322a of six (six) magnetic resistances, the number of efficiency map information 322a, that is, the number of magnetic resistance values can be arbitrarily set. Further, each efficiency map information 322a shown in FIG. 10A shows the efficiency by contour lines, and the darker the shade, the better the efficiency.
- variable characteristic control unit 321a determines the most efficient magnetic resistance in the case of torque and rotation speed in the information regarding the operating point as a set value with reference to the efficiency map information 322a.
- variable characteristic control unit 321a drives the actuator 316 based on the determined magnetic resistance set value to move the movable member 315 so that the magnetic resistance in the back yoke 313a becomes the set value.
- the variable characteristic control unit 321a may acquire information on the actual torque and rotation speed from the detection value of the sensor provided in the motor 31 as the information regarding the operating point of the motor 31, and the command value to the motor 31. Information on the target torque and the target rotation speed based on the above may be acquired.
- variable characteristic control unit 321a determines the motor parameters used by the speed control unit 321b and the current control unit 321c based on the determined magnetic characteristic set values.
- the motor parameters include, for example, the stator interlinkage magnetic flux due to the magnet 312, the d-axis inductance, the q-axis inductance, and the like.
- the d-axis inductance and the q-axis inductance vary depending on the degree of magnetic saturation of the rotor 311 and the stator 313. Therefore, it is preferable that the d-axis inductance and the q-axis inductance generate the motor parameter information 322b associated with the d-axis current and the q-axis current (detection value or command value) having a strong correlation with the magnetic saturation in advance. ..
- FIG. 10B and 10C are diagrams showing an example of motor parameter information 322b.
- FIG. 10B shows the motor parameter information 322b regarding the d-axis inductance
- FIG. 10C shows the motor parameter information 322b regarding the q-axis inductance.
- the motor parameter information 322b is information in which the d-axis inductance is associated with the d-axis current value (Current [Arms]) and the d-axis current phase (Current Phase [deg]). .. Further, as shown in FIG. 10C, the motor parameter information 322b is information in which the q-axis inductance is associated with the q-axis current value (Current [Arms]) and the q-axis current phase (Current Phase [deg]). Is.
- variable characteristic control unit 321a determines the d-axis inductance and the q-axis inductance corresponding to the acquired d-axis current and q-axis current as motor parameters with reference to the motor parameter information 322b, and determines the speed control unit 321b and the speed control unit 321b. Notify the current control unit 321c.
- the speed control unit 321b and the current control unit 321c which will be described later, can grasp the changes in the motor parameters, so that the performance of the motor 31 can be realized in real time. Can be controlled to maximize the maximum.
- the speed control unit 321b calculates the target torque to be generated by the motor 31 at the next moment based on the difference between the acquired target speed and the speed based on the current rotation speed. Further, the speed control unit 321b calculates the target d-axis current and the q-axis current corresponding to the target torque based on the motor parameters acquired from the variable characteristic control unit 321a. Then, the speed control unit 321b notifies the current control unit 321c of the calculated target d-axis current and q-axis current (hereinafter, may be referred to as a target dq-axis current).
- the target speed acquired by the speed control unit 321b may be a speed calculated by the host system or a speed directly specified by the user. Further, the speed control unit 321b may acquire the target torque instead of the target speed. In this case, since the calculation processing of the target torque becomes unnecessary, the processing load of the speed control unit 321b can be reduced.
- the current control unit 321c applies the target dq axis current output from the speed control unit 321b to the motor 31 at the next moment based on the difference between the detected value of the dq axis current detected by the current sensor (not shown) of the inverter 33. Calculate the voltage to be calculated. Then, the current control unit 321c converts the calculated voltage into a gate drive signal for driving the power device of the inverter 33 and outputs it.
- the inverter 33 is driven, and when a voltage is applied to the motor 31, a current flows through the coil 314, and finally torque is generated in the motor 31.
- the current and rotor angle at this time are detected by a sensor and fed back to the variable characteristic control unit 321a, the speed control unit 321b, and the current control unit 321c, so that the motor 31 is driven while receiving feedback control.
- FIG. 11 is a flowchart showing a procedure of control processing executed by the motor control device 30 according to the embodiment.
- the motor control device 30 determines whether or not the control device 32 is ON (step S101), and when it is ON (step S101: Yes), the variable characteristic control unit 321a has torque and rotation speed. And the dq axis current is read (step S102). The motor control device 30 ends the process when the control device 32 is OFF (step S101: No).
- variable characteristic control unit 321a calculates the set value of the magnetic resistance based on the read torque and the rotation speed (step S103). Subsequently, the variable characteristic control unit 321a drives the actuator 316 based on the set value of the magnetic resistance (step S104-1), and proceeds to the process in step S101.
- variable characteristic control unit 321a calculates the motor parameters based on the read dq-axis current in parallel with step S104-1 (step S104-2). Subsequently, the variable characteristic control unit 321a updates the motor parameters of the speed control unit 321b and the current control unit 321c (step S105).
- the speed control unit 321b calculates the speed control system based on the updated motor parameters (step S106). Specifically, the speed control unit 321b calculates the target torque and the target dq-axis current.
- the current control unit 321c calculates the current control system based on the updated motor parameters (step S107). Specifically, the current control unit 321c calculates the voltage to be applied to the motor 31 at the next moment.
- the current control unit 321c converts the calculated voltage into a gate drive signal for driving the power device of the inverter 33 and outputs it (step S108), and proceeds to the process in step S101.
- the speed at the start of mobility is 0 km / h, and a high torque motor 31 is required to accelerate quickly from there. That is, since the motor 31 is required to have high torque and low-speed rotation characteristics, the high torque state shown in FIGS. 5 and 6 is appropriate for the movable member 315 in the motor 31.
- variable characteristic control unit 321a can drive the highly efficient motor 31 by automatically calculating an appropriate amount of movement in consideration of the efficiency characteristics of the motor 31 and moving the movable member 315.
- variable characteristic control unit 321a moves the movable member 315 in multiple stages, and when the speed of mobility finally reaches the maximum speed, the movable member 315 rotates at a high speed shown in FIGS. 5 and 6. It is controlled so that it becomes the state of.
- the magnetic resistance of the back yoke 313a is large in the high rotation state, it is not possible to sufficiently generate the high torque required at the time of starting, but the mobility can be run at a rotation speed that cannot be realized in the high torque state. Can be done.
- the above is the use case of the motor 31 from the start to the high-speed cruising. Further, for the use case from the high speed cruising state to the deceleration and finally the stop, highly efficient driving can be realized by reversing the above process.
- the above communication program may be stored in a disk device provided in a server device on a network such as the Internet so that it can be downloaded to a computer or the like.
- the above-mentioned functions may be realized by collaboration between the OS (Operating System) and the application software.
- the part other than the OS may be stored in a medium and distributed, or the part other than the OS may be stored in the server device so that it can be downloaded to a computer or the like.
- each component of each device shown in the figure is a functional concept, and does not necessarily have to be physically configured as shown in the figure. That is, the specific form of distribution / integration of each device is not limited to the one shown in the figure, and all or part of the device is functionally or physically dispersed / physically distributed in arbitrary units according to various loads and usage conditions. It can be integrated and configured.
- the motor 31 includes a stator 313, a rotor 311 and a movable member 315.
- the stator 313 has an annular back yoke 313a and a plurality of teeth 313b protruding inward in the radial direction from the inner circumference of the back yoke 313a.
- the rotor 311 is provided on the inner peripheral side of the stator 313.
- the movable member 315 is a movable member 315 provided along the outer peripheral surface of the back yoke 313a, and by moving the movable member 315, the characteristics of the magnetic flux flowing through the back yoke 313a are changed.
- the characteristics of the magnetic flux flowing through the back yoke 313a can be changed by moving the movable member 315.
- the movable member 315 on the outer peripheral side of the stator 313, it is not necessary to change the structure and configuration of the stator 313 and the rotor 311, so that the motor 31 can be prevented from becoming complicated. Therefore, the motor 31 according to the embodiment can realize variable motor characteristics with a simple configuration.
- the first portion 315a having a first magnetic permeability and the second portion 315b having a second magnetic permeability lower than the first magnetic permeability are alternately arranged in the circumferential direction of the back yoke 313a. Will be done.
- the movable member 315 is rotatably provided in the circumferential direction of the back yoke 313a.
- the magnetic resistance of the back yoke 313a can be changed by rotating the movable member 315, so that the motor characteristics can be changed with a simple configuration.
- first part 315a and the second part 315b are provided at a position where one part corresponds to each of the plurality of teeth 313b and the other part is provided at a position corresponding between the plurality of teeth 313b. Be done. By rotating the movable member 315 in the circumferential direction of the back yoke 313a, the position of one portion and the position of the other portion are interchanged with each other.
- first portion 315a and the second portion 315b according to the embodiment are materials having different magnetic permeability.
- first portion 315a and the second portion 315b according to the embodiment have different thicknesses in the radial direction of the back yoke 313a.
- the movable member 315 according to the embodiment is provided so as to be detachable from the outer peripheral surface of the back yoke 313a.
- the magnetic resistance of the back yoke 313a can be changed by bringing the movable member 315 into contact with each other, so that the motor characteristics can be changed with a simple configuration.
- the movable member 315 has a plurality of divided portions 315-1 to 315-4 divided in the circumferential direction of the back yoke 313a.
- the plurality of divided portions 315-1 to 315-4 come into contact with each other and separate from the outer peripheral surface of the back yoke 313a, the plurality of divided portions 315- 1-315-4 are separated from each other.
- the movable member 315 can move in multiple stages.
- the motor control device 30 includes a motor 31 and a control device 32 that electronically controls the motor.
- the control device 32 calculates a set value of the magnetic resistance in the back yoke 313a based on the information about the operating point of the motor 31, and moves the movable member 315 according to the set value.
- the present technology can also have the following configurations.
- a stator having an annular back yoke and a plurality of teeth protruding inward in the radial direction from the inner circumference of the back yoke.
- a rotor provided on the inner peripheral side of the stator and
- a motor including a movable member provided along the outer peripheral surface of the back yoke, which changes the characteristics of the magnetic flux flowing through the back yoke by moving the movable member.
- the movable member is The first portion of the first magnetic permeability and the second portion of the second magnetic permeability lower than the first magnetic permeability are alternately arranged in the circumferential direction of the back yoke.
- the movable member is The motor according to (1), which is provided so as to be rotatable in the circumferential direction of the back yoke. (3) The first part and the second part One part is provided at a position corresponding to each of the plurality of teeth. The other part is provided at a corresponding position between the plurality of teeth.
- the movable member is The motor according to (2), wherein the position of the one portion and the position of the other portion are exchanged with each other by rotating in the circumferential direction of the back yoke.
- the movable member is The motor according to any one of (1) to (5), which is provided so as to be detachable from the outer peripheral surface of the back yoke.
- the movable member is It has a plurality of division portions divided in the circumferential direction of the back yoke, and has a plurality of division portions. The movable member is When abutting on the outer peripheral surface of the back yoke, the plurality of divided portions abut on each other.
- the movable member is The motor according to any one of (1) to (7) above, which is movable in multiple stages.
- the motor according to any one of (1) to (8) above, A control device that electronically controls the motor and With The control device is A motor control device that calculates a set value of magnetic resistance in the back yoke based on information about an operating point of a motor and moves the movable member according to the set value.
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
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- Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)
Abstract
モータ(31)は、ステータ(313)と、ロータ(311)と、可動部材(315)とを備える。ステータ(313)は、環状のバックヨーク(313a)と、バックヨーク(313a)の内周から径方向内側へ突出する複数のティース(313b)とを有する。ロータ(311)は、ステータ(313)の内周側に設けられる。可動部材(315)は、バックヨーク(313a)の外周面に沿って設けられる可動部材であって、可動させることで、バックヨーク(313a)を流れる磁束の特性を変化させる。
Description
本開示は、モータおよびモータ制御装置に関する。
従来、例えば、キックスケータ等のモビリティにおいて、車輪の内部に搭載されるモータ、いわゆるインホイールモータが知られている。また、この種のモータでは、効率が良いモータ動作点(トルク、回転数)の範囲を拡張することが望まれている。この要望に対して、例えば、磁束路がモータケースをバイパスするようにロータの形状を工夫することで、磁束を可変にする技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、従来技術では、ロータ形状が特殊になるため、モータ構造が複雑化するおそれがあった。
そこで、本開示では、簡易な構成でモータ特性の可変を実現できるモータおよびモータ制御装置を提案する。
上記の課題を解決するために、本開示に係る一形態のモータは、ステータと、ロータと、可動部材とを備える。前記ステータは、環状のバックヨークと、前記バックヨークの内周から径方向内側へ突出する複数のティースとを有する。前記ロータは、前記ステータの内周側に設けられる。前記可動部材は、前記バックヨークの外周面に沿って設けられる可動部材であって、可動させることで、前記バックヨークを流れる磁束の特性を変化させる。
以下に、本開示の実施形態について図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の各実施形態において、同一の部位には同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。
また、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する複数の構成要素を、同一の符号の後に異なる数字を付して区別する場合もある。ただし、実質的に同一の機能構成を有する複数の構成要素の各々を特に区別する必要がない場合、同一符号のみを付する。
<実施形態に係る電動輪の構成>
まず、本開示の実施形態に係る電動輪10の構成について説明する。図1は、本開示の実施形態に係る電動輪の保持形態の一例を示す模式図である。本開示において、電動輪10は、二輪車等の両側が開放される構造の車両に搭載される。二輪車は、例えば、電動キックボード等の小型軽車両が想定される。なお、電動輪10は、二輪車に限定されず、一輪車や、3輪以上の車両に搭載されてもよい。また、電動輪10は、車両に限らず、電動車いすや、移動型ロボット等の車輪として搭載されてもよい。
まず、本開示の実施形態に係る電動輪10の構成について説明する。図1は、本開示の実施形態に係る電動輪の保持形態の一例を示す模式図である。本開示において、電動輪10は、二輪車等の両側が開放される構造の車両に搭載される。二輪車は、例えば、電動キックボード等の小型軽車両が想定される。なお、電動輪10は、二輪車に限定されず、一輪車や、3輪以上の車両に搭載されてもよい。また、電動輪10は、車両に限らず、電動車いすや、移動型ロボット等の車輪として搭載されてもよい。
また、二輪車に搭載される電動輪10は、実施形態において、直径8インチ(204mm)の車輪である。電動輪10は、車輪部20と、モータ制御装置30と、を含む。モータ制御装置30は、車輪部20の内部に設けられるモータ(いわゆるインホイールモータ)を備え、かかるモータを制御する装置である。モータ制御装置30の両側には、固定軸12が固定される。固定軸12は、車輪部20の回転軸Rと同軸である。車輪部20は、固定軸12に対して回転する。電動輪10は、支持部材100に保持される。支持部材100は、実施形態において、二輪車のフロントフォークである。
<一般的なモータの構成および動作原理>
ここで、実施形態に係るモータの説明に先立って、一般的なモータの構成および動作原理について説明する。なお、一般的なモータとして、インナーロータ型の永久磁石型交流同期モータを例に挙げる。
ここで、実施形態に係るモータの説明に先立って、一般的なモータの構成および動作原理について説明する。なお、一般的なモータとして、インナーロータ型の永久磁石型交流同期モータを例に挙げる。
まず、一般的なモータの構成について説明する。一般的なモータは、例えば、ステータや、ロータ、ハウジング、角度センサ等を備える。
ステータは、鉄心(コアとも称される)と、コイルとから構成される。鉄心は、一般的に電磁鋼鈑とよばれる薄い鉄板をモータ軸方向に沿って積層したものや、圧粉鉄心を樹脂で固めたもので構成される。コイルは、外部機器から供給される交流電圧が印加されることで交流電流が流れる部材である。なお、外部機器として、一般的にはインバータが用いられる。このインバータは、直流電圧から交流電圧の波形を生成する機器である。
ロータは、鉄心と永久磁石から構成され、中心には回転軸であるシャフトが通される。ロータは、このシャフトを中心として、ステータに対して回転運動する。ロータの鉄心は、ステータの鉄心と同様に、一般的には積層電磁鋼鈑や圧粉鉄心で構成される。磁石は、例えば、永久磁石であり、ロータコアの中に埋め込んで配置されたり、ロータ表面に貼り付けて配置されたりするなどして、ロータに対して機械的に固定される。
ハウジングは、モータの各部材を収容する筐体であり、モータ全体のケースの役割を担う。ハウジングは、ステータとは相対運動しないように機械的に固定される。ハウジングは、モータ駆動のための磁気回路の役割は担わないため、材料はアルミなどが用いられる。
角度センサは、ロータの回転角度(磁石が向いている方向)を検出するために用いられる。例えば、ロータリーエンコーダ、ホールセンサ、レゾルバなどが一般的に用いられる。
次に、一般的なモータの動作原理について説明する。一般的な3相交流のモータの場合、コイルは、U相、V相およびW相の3相で構成される。そして、一般的なモータでは、コイルに3相交流を流すことで、磁界が発生する。そして、一般的なモータでは、3相分の磁界を合成することで、1つの回転磁界を得ることができる。なお、3相交流の位相(電流位相)や振幅は、角度センサによってロータの磁極方向を逐次センシングしながら制御アルゴリズムによって決定する。
ここで、一般的なモータにおけるトルクの発生原理は2種類ある。1つ目は、一般的に回転磁界の中に磁石を置くことで磁気的な吸引力によってトルク(マグネットトルク)を発生させる方法である。2つ目は、回転磁界の中に鉄心を置くことで、ロータコアとステータコアとから形成される磁気回路を通る磁力線が歪み、それが直線になろうとすることでトルク(リラクタンストルク)を発生させる方法である。
ここで、磁気回路において、磁力線は、磁気の性質上必ず閉曲線となる。そして、磁力線は、物理法則として、直線になろうとする性質があるため、磁力線の歪みが大きいところで大きな力(トルク)が発生する。具体的には、インナーロータ型のブラシレスモータの場合、ロータとステータとの隙間(エアギャップ)において、磁力線の歪みが大きくなることから、このエアギャップ周辺で主要なトルクが発生する。これらのトルクを発生させるために、ロータの回転角度にあわせてコイルに通電する電流の振幅と位相を制御する。これに、モータ内の磁束密度や磁力線の分布は時々刻々と変化する。
基本的に、モータの発生トルクは電流の大きさに比例するが、高トルクを発生させるために、モータの体格に対して、流す電流とそれに伴い発生する磁界が大きくなると、磁気飽和と呼ばれる現象が発生し、電流に対してトルクが発生しにくくなる。そして、磁気飽和が発生するとき、鉄心の透磁率は大幅に低下する。なお、透磁率とは、磁束の通しやすさを表すパラメータであり、換言すれば、磁気抵抗の大きさを示すパラメータである。
仮に、モータの磁気回路を電気回路に対応付けた場合、磁気飽和が発生した状態は、電気配線の抵抗が大きくなり、電流が流れにくくなる状態に対応する。このとき、モータとしては、トルクの出力が低下する状態となる。
なお、一般的な電気回路では電気抵抗が状態に応じて大幅(例えば、数倍)に変化することはないが、磁気回路では、ステータコアを通過する磁束量や分布に応じて、磁気抵抗が数千倍のオーダーで変化することが一般的に起こる。本発明は、磁気回路におけるこの磁気特性に着目して可変特性モータを実現する。
ここで、モータの最高効率は、効率優先で設計されたものであれば、業界的に90%台後半の効率まで達するレベルであり、伸びしろが少ない。また、一般的なモータは、最高効率点が1つ存在し、最高効率点から離れるに従って、効率が低下する特性を有する。
一方で、自動車等のモビリティでは、走行状態によって要求される動作点が幅広く変化する。以下に、要求される動作点の例を挙げる。
・低回転および高トルク(発進時)
・高回転および低トルク(巡航時)
・低回転および高トルク(発進時)
・高回転および低トルク(巡航時)
このように、モビリティ向けのモータでは、最高効率という「点」での性能向上でだけでなく、頻使用領域を考慮した「面」での高効率化が要求される。しかしながら、一般的なモータでは、トルク発生の原理として、高トルクと高回転とは互いにトレードオフの関係にある。このため、一般的には、上記2つの要求をある程度満たすために、中速回転および中トルク領域が高効率となるように設計する。
さらに、従来は、上記2つの要求を満たすために、要求される動作点に応じてモータ特性を可変にする技術が提案されている。可変特性の方式は、機械式、電気式および磁気式などがある。本実施形態は、機械式に相当するため、以下では機械式に焦点を当てて従来技術と問題点を述べる。
具体的には、従来の機械式として以下の3通りがある。それぞれの方式について、具体的に説明する。
(1)エンドプレート可動式
(2)鉄片挿入式
(3)遠心力利用式
(1)エンドプレート可動式
(2)鉄片挿入式
(3)遠心力利用式
<(1)エンドプレート可動式>
エンドプレート可動式とは、ロータの側面に可動式のエンドプレート(磁性体)を配置する方法である。エンドプレート可動式では、高速回転時にエンドプレートをロータに密着させることで、永久磁石から発生する磁束を短絡させる。これにより、ステータへの鎖交磁束が減少することで、モータのトルク定数が低下し、流した電流に対して発生するトルクが低下する。また、端子の誘起電圧が低下するため、高速側での動作範囲が拡大する(誘起電圧が電源電圧と釣り合う速度が高速側にシフトする)。
エンドプレート可動式とは、ロータの側面に可動式のエンドプレート(磁性体)を配置する方法である。エンドプレート可動式では、高速回転時にエンドプレートをロータに密着させることで、永久磁石から発生する磁束を短絡させる。これにより、ステータへの鎖交磁束が減少することで、モータのトルク定数が低下し、流した電流に対して発生するトルクが低下する。また、端子の誘起電圧が低下するため、高速側での動作範囲が拡大する(誘起電圧が電源電圧と釣り合う速度が高速側にシフトする)。
しかしながら、エンドプレート可動式は、回転するロータに対してさらに可動式の部材であるエンドプレートを追加する必要があるため、機械的な構造が複雑化するおそれがある。さらに、エンドプレートを駆動するためのアクチュエータも必要となる。
また、一般的には、モータの体格はトルクと理論的に相関(「トルク」∝「モータ直径の2乗」×「厚さ」)があるため、トルクを稼ぐためにモータの体格を増加させるのであれば自然であるが、エンドプレート可動式のモータは、トルクを低下させて高速回転を実現するためにモータの体格を増加させる(エンドプレートを追加する)。従って、エンドプレート可動式では、トルクの発生原理の観点からは不必要に体格を増加させることになるため、小型・軽量化の観点で問題がある。
<(2)鉄片挿入式>
鉄片挿入式とは、ロータのフラックスバリア(ロータに設けられた空隙)に鉄片を挿入する方法である。鉄片挿入式では、高速回転時にアクチュエータによって鉄片をロータに挿入することで、磁石磁束を短絡させる。これにより、ステータへの鎖交磁束が減少することで、モータのトルク定数が低下し、誘起電圧が低下することで高速回転を実現する。
鉄片挿入式とは、ロータのフラックスバリア(ロータに設けられた空隙)に鉄片を挿入する方法である。鉄片挿入式では、高速回転時にアクチュエータによって鉄片をロータに挿入することで、磁石磁束を短絡させる。これにより、ステータへの鎖交磁束が減少することで、モータのトルク定数が低下し、誘起電圧が低下することで高速回転を実現する。
しかしながら、鉄片挿入式は、回転するロータに対して鉄片を挿入するため、機械的な構造が複雑化するおそれがある。
<(3)遠心力利用式>
遠心力利用式とは、ロータに磁束短絡用の鉄片と磁石を追加し、ロータの回転に伴う遠心力を利用して受動的にフラックスバリアを変化させる方法である。遠心力利用式では、低速回転時は、短絡用の鉄片が磁力によりロータの径方向内側に押し込まれることで、磁石磁束の短絡効果がほぼ無い状態となる。一方、高速回転時は、遠心力で鉄片が径方向外側へ移動し、磁石磁束を短絡する。
遠心力利用式とは、ロータに磁束短絡用の鉄片と磁石を追加し、ロータの回転に伴う遠心力を利用して受動的にフラックスバリアを変化させる方法である。遠心力利用式では、低速回転時は、短絡用の鉄片が磁力によりロータの径方向内側に押し込まれることで、磁石磁束の短絡効果がほぼ無い状態となる。一方、高速回転時は、遠心力で鉄片が径方向外側へ移動し、磁石磁束を短絡する。
しかしながら、遠心力利用式は、磁束短絡用の鉄片の移動量と回転数(=等価的に遠心力)の関係を微調整しつつモータ特性をつくり込む必要があり、モータ設計が複雑化するおそれがある。
<本実施形態に係るモータ31について>
そこで、本実施形態では、モータの構造が複雑化することなく、モータ特性を可変にできる可動部材を設ける。
そこで、本実施形態では、モータの構造が複雑化することなく、モータ特性を可変にできる可動部材を設ける。
まず、実施形態に係るモータの基本原理と考え方について説明する。
<基本原理と考え方>
モータのトルクはフレミングの左手の法則に基づき考えると、コイルへの鎖交磁束とコイルに流れる電流との積で計算できる。仮に、鎖交磁束、電流、モータの磁気回路(磁気抵抗等)の関係を、電気回路の等価モデルとして表した場合、磁気と電気との対応関係は以下の通りである。
・磁束→電流
・永久磁石による起磁力→定電圧源
・ロータコアの磁気抵抗→電気抵抗
・エアギャップの磁気抵抗→電気抵抗
・巻線への通電で生じる起磁力→電圧源(極性や大きさは変化する)
・ステータコアの磁気抵抗→電気抵抗
モータのトルクはフレミングの左手の法則に基づき考えると、コイルへの鎖交磁束とコイルに流れる電流との積で計算できる。仮に、鎖交磁束、電流、モータの磁気回路(磁気抵抗等)の関係を、電気回路の等価モデルとして表した場合、磁気と電気との対応関係は以下の通りである。
・磁束→電流
・永久磁石による起磁力→定電圧源
・ロータコアの磁気抵抗→電気抵抗
・エアギャップの磁気抵抗→電気抵抗
・巻線への通電で生じる起磁力→電圧源(極性や大きさは変化する)
・ステータコアの磁気抵抗→電気抵抗
これらの対応関係から、電気回路の電気抵抗が小さい方が、同じ電圧を印加したときに流れる電流が増加するように、磁気回路の磁気抵抗が小さい方が、コイルへの通電によって発生させる起磁力に対して流れる磁束が大きくなる。つまり、磁気回路の磁気抵抗が小さい方が、コイルを通過する磁束(鎖交磁束)が増加し、モータのトルクが増加する。
一方、鎖交磁束が増加すると、ファラデーの電磁誘導の法則に基づき、モータの誘起電圧が増加する。一般的なモータは、モータの誘起電圧と電源電圧とが釣り合ったところでモータに電流を流し込めなくなるため、回転数が頭打ちになる。このため、磁気抵抗が小さいモータは、高トルクおよび低回転型となる。
次に、磁気抵抗が大きいモータの場合、磁気回路を流れる磁束が小さくなり、鎖交磁束が減少する。従って、モータのトルクは減少する。一方で、鎖交磁束が減少すると、誘起電圧が減少するため、最高回転数は増加する。従って、磁気抵抗が大きいモータは、低トルクおよび高回転型となる。
以上のモータの物理的特性を踏まえ、モータの磁気回路の磁気抵抗を変化させることで、モータの特性を高トルク・低回転型と低トルク・高回転型に変化させることが、本発明の基本原理である。磁気抵抗を変化させるモータの部位について、本発明ではステータに着目する。その理由として、ロータは回転体であるため、その特性を変化させるための仕組みは静止物体であるステータよりも複雑になるからである。また、エアギャップはその幅を変化させることで磁気抵抗が変化するが、広く一般的な円筒型モータ(ラジアルギャップ型モータ)では、円管状のエアギャップ形状を変化させることは物理的に困難であるからである。
ここで、物質(モータ)の磁気抵抗は、磁路(電気回路でいうところの銅線)の長さに比例し、磁路の断面積と透磁率とに反比例する。透磁率は、ステータコアの物性に依存するため、一般的には自在に変化させることは難しい。従って、本実施形態では、磁路の長さや断面積という幾何学的なパラメータに着目し、特にステータのバックヨーク部分の磁気抵抗を機械的に可変にする。
図2A~2Eは、本実施形態で原理的に得られる効果を解析した結果を示す図である。図2Aには、ステータのバックヨークが通常の厚みであるモータの模式図(状態1)を示し、図2Bには、ステータのバックヨークが極端に薄いモータの模式図(状態2)を示す。すなわち、状態1は、バックヨークの磁気抵抗を小さくした状態であり、状態2は、バックヨークの磁気抵抗を大きくした状態である。また、図2Cには、状態1および状態2のモータについてモータ特性を解析した結果を示す。両者とも、モータに印加する電圧と電流の条件は同じである。
図2Cに示すように、バックヨークの磁気抵抗を増加させた場合、モータのトルク定数Kt(単位電流にあたりに発生するトルクの大きさ)が減少する。つまり、状態1のモータは、高トルク型であるのに対し、状態2のモータは、高回転型である。また、状態2では、状態1に比べてエアギャップ磁束密度(「平均磁束密度(ギャップ)」)が低下しており、モータの磁気回路を流れる磁束が減少していることがわかる。
次に、図2Dおよび図2Eを用いて、状態1および状態2でモータのトルクおよび回転数特性と効率とを比較した結果について説明する。図2Dでは、トルクおよび回転数の関係を示し、図2Eでは、回転数および効率の関係を示す。図2Dに示すように、状態1では、状態2に比べて最高回転数が低いものの、最大トルクが高い。状態2は、状態1に比べて最高トルクが低いものの、最高回転数が高い。仮に、バックヨークを状態1から状態2へ変化させた場合、つまり、バックヨークを磁気抵抗が大きい状態に変化させた場合、最大トルクが減少する一方で、最高回転数が増加することなる。また、図2Eに示すように、最高効率については、状態1および状態2それぞれに対応する回転数では、両者に大きな差がない。つまり、バックヨークの磁気抵抗を可変にした場合であっても、効率への影響は小さいことがわかる。
以上より、ステータのバックヨークの磁気抵抗を変化させることによる可変特性モータが原理的に実現できることが確認できた。以下では、具体的にバックヨークの磁気抵抗を変化させるモータの構成および制御アルゴリズムについて説明する。
本実施形態では、ステータのバックヨークの外周側に設けられた可動部材によりバックヨークの磁気抵抗を変化させる。すなわち、実施形態に係る可動部材は、バックヨークに流れる磁束の特性を変化させる。
可動部材の具体例として、以下の2通りがある。それぞれについて具体的に説明する。
(1)可動部材を回転させる方法(第1の実施形態)
(2)可動部材を展開させる方法(第2の実施形態)
(1)可動部材を回転させる方法(第1の実施形態)
(2)可動部材を展開させる方法(第2の実施形態)
<(1)可動部材を回転させる方法>
第1の実施形態では、図3~図5を用いて、可動部材を回転させる方法について説明する。図3~図5は、可動部材315を回転させるモータ31を説明するための図である。図3~図5に示すように、第1の実施形態に係るモータ31は、シャフト310と、ロータ311と、マグネット312と、ステータ313と、コイル314と、可動部材315と、アクチュエータ316とを備える。なお、モータ31は、他にもハウジングや角度センサ等といった一般的なモータの構成を備えるが、本実施形態ではそれらの構成については図示を省略している。
第1の実施形態では、図3~図5を用いて、可動部材を回転させる方法について説明する。図3~図5は、可動部材315を回転させるモータ31を説明するための図である。図3~図5に示すように、第1の実施形態に係るモータ31は、シャフト310と、ロータ311と、マグネット312と、ステータ313と、コイル314と、可動部材315と、アクチュエータ316とを備える。なお、モータ31は、他にもハウジングや角度センサ等といった一般的なモータの構成を備えるが、本実施形態ではそれらの構成については図示を省略している。
シャフト310は、モータ31における回転中心となる回転軸である。シャフト310は、電動輪10における固定軸12(図1参照)に対して、回転軸R周りで回転可能に設けられる。
ロータ311は、モータ31における回転子である。ロータ311は、例えば、積層電磁鋼鈑や圧粉鉄心で構成される。また、ロータ311は、ステータ313の内周側に設けられる。具体的には、ロータ311は、ステータ313が有するティース313b(図5参照)との間に空隙(エアギャップ)を有して配置される。
マグネット312は、ロータ311に埋め込んで配置される永久磁石である。具体的には、マグネット312は、ロータ311の外周に寄せた位置に配置される。より具体的には、マグネット312は、板状の部材であり、本実施形態では、8個のマグネット312が上面視(図5参照)で八角形となるように配置される。
ステータ313は、モータ31における固定子である。ステータ313は、鉄心(コアとも称される)によって構成される。ステータ313の鉄心は、電磁鋼鈑とよばれる薄い鉄板をシャフト310の軸方向に沿って積層したものや、圧粉鉄心を樹脂で固めたもので構成される。
また、図5に示すように、ステータ313は、環状のバックヨーク313aと、複数のティース313bとを有する。第1の実施形態では、バックヨーク313aは、極力薄い状態で形成される。また、複数のティース313bは、バックヨーク313aの内周から径方向内側へ突出する部位である。本実施形態では、ステータ313は、12本のティース313bを有する場合を示しているが、ティース313bの本数は任意であってよい。
コイル314は、複数のティース313bそれぞれに巻かれる導電性の線部材である。コイル314は、図示しない外部機器から供給される交流電圧が印加されることで交流電流が流れる部材である。
可動部材315は、ステータ313のバックヨーク313aの外周面に沿って設けられる可動部材である。可動部材315は、アクチュエータ316によって可動させることで、バックヨーク313aに流れる磁束の特性を変化させる。なお、アクチュエータ316は、後述の制御装置32(図9参照)によって電子制御されるが、かかる点については、図9で後述する。
また、図4に示すように、第1の実施形態に係る可動部材315は、第1部位315aおよび第2部位315bを有する。第1部位315aは、第1透磁率であり、例えば、バックヨーク313aと略同じ透磁率の部位である。第2部位315bは、第1透磁率よりも低い第2透磁率の部位である。
第1部位315aは、例えば、バックヨーク313aと同じ素材、すなわち電磁鋼鈑等で構成され、第2部位315bは、例えば、樹脂で構成される。つまり、第1部位315aおよび第2部位315bは、透磁率が異なる素材である。なお、第1部位315aおよび第2部位315bは、透磁率が異なればよく、例えば、径方向への厚みが異なってもよい。具体的には、第1部位315aは、第2部位315bよりも径方向への厚みが厚くなるように構成される。
また、第1部位315aおよび第2部位315bは、バックヨーク313aの周方向に交互に配列される。そして、可動部材315は、バックヨーク313aの周方向に回転可能に設けられる。
具体的には、図5の左図に示すように、モータ31が高トルク(低回転)のモードの場合、可動部材315の各第2部位315bは、各ティース313bの径方向の延長線上に配置される。つまり、第2部位315bは、複数のティース313bそれぞれに対応する位置に設けられる。また、第1部位315aは、第2部位315bに挟まれて配置される。つまり、第1部位315aは、隣り合う2つのティース313bの間に対応する位置に設けられる。
このように、高トルク(低回転)のモードでは、透磁率が低い第2部位315bが、ティース313bの延長線上に位置し、バックヨーク313aの磁路に対応する位置に透磁率が高い第1部位315aが位置する。これにより、ティース313bを通る磁束は、バックヨーク313aで2手に分かれつつ磁路に流れていくことになるが、バックヨーク313aの磁路には、第1部位315aが設けられるため、実質的な磁路の幅は、バックヨーク313aおよび第1部位315aを合わせた幅となる。従って、バックヨーク313aの磁路の磁気抵抗は低下しないため、トルクが出やすいモータ特性、すなわち、高トルクとなる。
そして、図5の右図に示すように、モータ31が高トルクから高回転(低トルク)のモードに切り替わる場合、可動部材315は、アクチュエータ316によって周方向に回転する。具体的には、可動部材315は、第1部位315aと第2部位315bとの位置が互いに入れ替わるまで回転する。
より具体的には、各第1部位315aは、各ティース313bの径方向の延長線上に配置される。つまり、第1部位315aは、複数のティース313bそれぞれに対応する位置に設けられる。また、第2部位315bは、第1部位315aに挟まれて配置される。つまり、第2部位315bは、隣り合う2つのティース313bの間に対応する位置に設けられる。
このように、高回転(低トルク)のモードでは、透磁率が高い第1部位315aが、ティース313bの延長線上に位置し、バックヨーク313aの磁路に対応する位置に透磁率が低い第2部位315bが位置する。これにより、バックヨーク313aの磁路には、第2部位315bが設けられるため、実質的な磁路の幅は、バックヨーク313aの厚み分のみのとなる。このため、ティース313b間のバックヨーク313aの磁路の幅が極端に狭められるため、磁気抵抗が高くなる。従って、バックヨーク313aの磁路の磁気抵抗が高まることで、高回転のモータ特性となる。
なお、第1の実施形態では、第1部位315aおよび第2部位315bを入れ替える動作、すなわち、可動部材315が2段階の動作である場合を示したが、可動部材315は、多段的に可動してもよい。これにより、磁気抵抗を多段的に徐々に変化させることができるため、磁束の特性の変化をより細やかに行えるようになる。
なお、第1の実施形態において、第1部位315aおよび第2部位315bの厚みを変える場合、当該厚みを徐々に変化させるようにしてもよい。つまり、第1部位315aから第2部位315bに向かって除去に厚みが薄くなるようにしてもよい。
<(2)可動部材を展開させる方法>
次に、図6~図8Bを用いて、第2の実施形態について説明する。第2の実施形態は、可動部材315が径方向に展開する点で、すなわち、可動方法が第1の実施形態とは異なる。図6~8Bは、可動部材315を展開させるモータ31を説明するための図である。
次に、図6~図8Bを用いて、第2の実施形態について説明する。第2の実施形態は、可動部材315が径方向に展開する点で、すなわち、可動方法が第1の実施形態とは異なる。図6~8Bは、可動部材315を展開させるモータ31を説明するための図である。
また、第2の実施形態に係る可動部材315は、上記した第1部位315aと同じ透磁率、すなわち、バックヨーク313aと同じ透磁率である。例えば、可動部材315は、バックヨーク313aと同じ素材で構成可能である。
そして、第2の実施形態に係る可動部材315は、バックヨーク313aの外周面に対して接離可能に設けられる。具体的には、図6に示すように、可動部材315は、バックヨーク313aの周方向に分割された複数の分割部位315-1~315-4を有する。図6では、可動部材315を4つに等分した分割部位315-1~315-4を示している。これにより、12本あるティース313bに巻かれたコイル314に対して3相交流を流すとき、ティース313bを3本で1セットとできるため、電磁気的に対称にできる。可動部材315は、かかる分割部位315-1~315-4を展開もしくは非展開とすることで、バックヨーク313aに対して接離する。
また、図7A~図8Bに示すように、アクチュエータ316は、シャフト310に設けられ、支持部317を介して各分割部位315-1~315-4に連結される。そして、アクチュエータ316は、支持部317を径方向に往復移動させることで、可動部材315を展開もしくは非展開の状態にする。
例えば、図6の左図に示すように、モータ31が高トルク(低回転)のモードの場合、可動部材315は、バックヨーク313aに接しており、複数の分割部位315-1~315-4も離れず連結して配置される。つまり、高トルクの場合、可動部材315は、展開していない。
これにより、バックヨーク313aの磁路の幅が、バックヨーク313aおよび可動部材315の厚みを合わせた幅となるため、バックヨーク313aの磁路の磁気抵抗は低下せず、トルクが出やすいモータ特性となる。
また、図6の右図に示すように、モータ31が高回転(低トルク)のモードの場合、可動部材315は、複数の分割部位315-1~315-4が径方向外側へ可動することで、バックヨーク313aから離れる。また、複数の分割部位315-1~315-4は、径方向外側への可動に伴って、両隣りの分割部位315-1~315-4とも離れた状態となる。つまり、高回転の場合、可動部材315は、展開する。
これにより、可動部材315とバックヨーク313aとの間に空気が介在することとなる。そして、空気の透磁率は、一般的に、電磁鋼鈑(バックヨーク313a)と比較して数千分の1である。すなわち、可動部材315がバックヨーク313aから離れることで、実質的なバックヨーク313aの磁路の幅は、バックヨーク313aの厚み分のみのとなる。このため、ティース313b間のバックヨーク313aの磁路の幅が極端に狭められるため、磁気抵抗が高くなる。従って、バックヨーク313aの磁路の磁気抵抗が高まることで、高回転のモータ特性となる。
なお、第2の実施形態において、可動部材315は、多段的に展開するように可動してもよい。つまり、第2の実施形態において、可動部材315は、バックヨーク313aの外周面から徐々に離れるように展開してもよい。これにより、磁気抵抗を多段的に徐々に変化させることができるため、モータ特性の変化をより細やかに行えるようになる。
次に、図9~図11を用いて、実施形態に係るモータ制御装置30の制御処理について説明する。図9は、実施形態に係るモータ制御装置30の構成を示すブロック図である。
図9に示すように、実施形態に係るモータ制御装置30は、モータ31と、制御装置32と、インバータ33とを備える。
制御装置32は、制御部321と、記憶部322とを備える。制御部321は、可変特性制御部321aと、速度制御部321bと、電流制御部321cとを備える。記憶部322は、効率マップ情報322aと、モータパラメータ情報322bとを記憶する。
ここで、制御装置32は、たとえば、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、データフラッシュ、入出力ポートなどを有するコンピュータや各種の回路を含む。
コンピュータのCPUは、たとえば、ROMに記憶されたプログラムを読み出して実行することによって、制御部321の可変特性制御部321a、速度制御部321bおよび電流制御部321cとして機能する。
また、制御部321の可変特性制御部321a、速度制御部321bおよび電流制御部321cの少なくともいずれか一つまたは全部をASIC(Application Specific Integrated Circuit)やFPGA(Field Programmable Gate Array)等のハードウェアで構成することもできる。
また、記憶部322は、たとえば、RAMやデータフラッシュに対応する。RAMやデータフラッシュは、効率マップ情報322aや、モータパラメータ情報322b、各種プログラムの情報等を記憶することができる。なお、制御装置32は、有線や無線のネットワークで接続された他のコンピュータや可搬型記録媒体を介して上記したプログラムや各種情報を取得することとしてもよい。
可変特性制御部321aは、モータ31が有するアクチュエータ316を駆動しつつ、速度制御部321bおよび電流制御部321cで用いられるモータパラメータをリアルタイムで更新する。
具体的には、可変特性制御部321aは、モータ31の動作点に関する情報(トルクおよび回転数の情報)を取得し、取得した動作点に関する情報に基づいて、当該動作点で最も効率が良い磁気抵抗の値を設定値として決定する。
より具体的には、可変特性制御部321aは、記憶部322に記憶された効率マップ情報322aに基づいて磁気抵抗の設定値を決定する。図10Aは、効率マップ情報322aの一例を示す図である。
図10Aに示すように、効率マップ情報322aは、縦軸にトルク、横軸に回転数、高さ軸(Z軸)に効率を示したマップ情報であり、磁気抵抗毎(アクチュエータ316の変化段数毎)に設定されている。なお、図10Aでは、6つ(6枚)の磁気抵抗の効率マップ情報322aを示しているが、効率マップ情報322aの数、すなわち、磁気抵抗の値の数は、任意に設定可能である。また、図10Aに示す各効率マップ情報322aは、効率を等高線で示しており、濃淡が濃いほど効率が良いことを示している。
可変特性制御部321aは、効率マップ情報322aを参照して、動作点に関する情報におけるトルクおよび回転数の場合に最も効率が良い磁気抵抗を設定値として決定する。
可変特性制御部321aは、決定した磁気抵抗の設定値に基づいて、アクチュエータ316を駆動することで、可動部材315を可動させ、バックヨーク313aにおける磁気抵抗が設定値となるようにする。
なお、可変特性制御部321aは、モータ31の動作点に関する情報として、モータ31に設けられたセンサの検出値から実際のトルクおよび回転数の情報を取得してもよく、モータ31への指令値に基づく目標トルクおよび目標回転数の情報を取得してもよい。
また、可変特性制御部321aは、決定した磁気特性の設定値に基づいて、速度制御部321bおよび電流制御部321cで用いるモータパラメータを決定する。モータパラメータとは、例えば、マグネット312によるステータ鎖交磁束や、d軸インダクタンスおよびq軸インダクタンス等である。
なお、d軸インダクタンスおよびq軸インダクタンスは、ロータ311およびステータ313の磁気飽和の程度によって変動する。このため、d軸インダクタンスおよびq軸インダクタンスは、磁気飽和と強い相関があるd軸電流およびq軸電流(検出値あるいは指令値)と対応付けたモータパラメータ情報322bを予め生成しておくことが好ましい。
図10Bおよび図10Cは、モータパラメータ情報322bの一例を示す図である。図10Bでは、d軸インダクタンスに関するモータパラメータ情報322bを示し、図10Cでは、q軸インダクタンスに関するモータパラメータ情報322bを示す。
図10Bに示すように、モータパラメータ情報322bは、d軸インダクタンスが、d軸電流値(Current[Arms])と、d軸電流位相(Current Phase[deg])とに対応付けられた情報である。また、図10Cに示すように、モータパラメータ情報322bは、q軸インダクタンスが、q軸電流値(Current[Arms])と、q軸電流位相(Current Phase[deg])とに対応付けられた情報である。
従って、可変特性制御部321aは、モータパラメータ情報322bを参照して、取得したd軸電流およびq軸電流に対応するd軸インダクタンスおよびq軸インダクタンスをモータパラメータとして決定して、速度制御部321bおよび電流制御部321cへ通知する。
これにより、磁気抵抗を変化させることで、モータパラメータが変化した場合であっても、後述の速度制御部321bおよび電流制御部321cは、モータパラメータの変化を把握できるため、リアルタイムでモータ31の性能を最大限に引き出す制御を行える。
速度制御部321bは、取得した目標速度と、現在の回転数に基づく速度との差分に基づき、次に瞬間にモータ31が発生すべき目標トルクを演算する。また、速度制御部321bは、可変特性制御部321aから取得したモータパラメータに基づき、目標トルクに対応する目標d軸電流およびq軸電流を演算する。そして、速度制御部321bは、演算した目標d軸電流およびq軸電流(以下、目標dq軸電流と記載する場合がある)を電流制御部321cへ通知する。
なお、速度制御部321bが取得する目標速度は、上位システムで演算された速度であってもよく、ユーザが直接指定した速度であってもよい。また、速度制御部321bは、目標速度に代えて、目標トルクを取得してもよい。この場合、目標トルクの演算処理が不要になるため、速度制御部321bの処理負荷を軽減できる。
電流制御部321cは、速度制御部321bから出力された目標dq軸電流と、インバータ33の図示しない電流センサで検出したdq軸電流の検出値との差分に基づき、次の瞬間にモータ31に印加すべき電圧を演算する。そして、電流制御部321cは、演算した電圧をインバータ33のパワーデバイスを駆動するためのゲート駆動信号に変換して出力する。
これにより、インバータ33が駆動され、モータ31に電圧が印加されることでコイル314に電流が流れ、最終的にモータ31にトルクが発生する。このときの電流やロータ角度をセンサによって検出し、可変特性制御部321a、速度制御部321bおよび電流制御部321cへとフィードバックすることでモータ31がフィードバック制御を受けつつ駆動される。
次に、図11を用いて、実施形態に係るモータ制御装置30が実行する制御処理の手順について説明する。図11は、実施形態に係るモータ制御装置30が実行する制御処理の手順を示すフローチャートである。
図11に示すように、モータ制御装置30は、制御装置32がONか否かを判定し(ステップS101)、ONの場合(ステップS101:Yes)、可変特性制御部321aは、トルク、回転数およびdq軸電流を読み込む(ステップS102)。なお、モータ制御装置30は、制御装置32がOFFの場合(ステップS101:No)、処理を終了する。
つづいて、可変特性制御部321aは、読み込んだトルクおよび回転数に基づいて、磁気抵抗の設定値を算出する(ステップS103)。つづいて、可変特性制御部321aは、磁気抵抗の設定値に基づいてアクチュエータ316を駆動し(ステップS104-1)、処理をステップS101へ進める。
また、可変特性制御部321aは、ステップS104-1と並行して、読み込んだdq軸電流に基づいてモータパラメータを算出する(ステップS104-2)。つづいて、可変特性制御部321aは、速度制御部321bおよび電流制御部321cのモータパラメータを更新する(ステップS105)。
つづいて、速度制御部321bは、更新されたモータパラメータに基づいて速度制御系の演算を行う(ステップS106)。具体的には、速度制御部321bは、目標トルクの演算および目標dq軸電流の演算を行う。
つづいて、電流制御部321cは、更新されたモータパラメータに基づいて電流制御系の演算を行う(ステップS107)。具体的には、電流制御部321cは、次の瞬間にモータ31に印加すべき電圧を演算する。
つづいて、電流制御部321cは、演算した電圧をインバータ33のパワーデバイスを駆動するためのゲート駆動信号に変換して出力し(ステップS108)、処理をステップS101に進める。
<ユースケース>
次に、実施形態に係るモータ31およびモータ制御装置30のユースケースについて説明する。
次に、実施形態に係るモータ31およびモータ制御装置30のユースケースについて説明する。
自動車等のモビリティにおける駆動用のモータ31では、発進時から高速巡航に至るまでの一連のプロセスが、モータ31における磁束の可変特性の有効性が発揮されるシチュエーションのひとつである。
例えば、モビリティの発進時における速度は0km/hであり、そこから速やかに加速するためには、高トルクのモータ31が要求される。すなわち、モータ31としては、高トルク・低速回転の特性が求められることから、モータ31における可動部材315は、図5および図6における高トルクの状態が適切となる。
そして、モビリティの速度が上がると、モータ31の回転数は頭打ちに近づく(誘起電圧と電源電圧がつり合い、モータ31に電流を流し込めずトルクが出せなくなる)ため、さらに速度を上げるためには、可動部材315を高回転の状態にする必要が生じる。
しかしながら、高トルクから高回転の状態に一気に変更すると、変更前後で効率が急激に落ちることがある(例えば、図2Eにおける4000rpm付近で状態1から状態2に遷移した場合等)。そこで、本発明では、可変特性制御部321aがモータ31の効率特性を鑑みながら適切な可動量を自動計算して可動部材315を可動することで、高効率なモータ31を駆動することができる。
つまり、可変特性制御部321aは、可動部材315を多段的に可動していき、最終的に、モビリティの速度が最高速度に到達するときに、可動部材315が図5および図6に示す高回転の状態となるように制御する。これにより、高回転の状態ではバックヨーク313aの磁気抵抗が大きいため、発進時に要求される高トルクを十分に発生させることができないが、高トルクの状態では実現できない回転速度でモビリティを走行させることができる。
なお、以上が、発進から高速巡航に至るまでの、モータ31のユースケースである。さらに、高速巡航状態から減速し、最終的に停止するまでのユースケースについては、上記のプロセスを逆にたどることで、高効率な駆動を実現できる。
また、上記通信プログラムをインターネット等のネットワーク上のサーバ装置が備えるディスク装置に格納しておき、コンピュータにダウンロード等できるようにしてもよい。また、上述の機能を、OS(Operating System)とアプリケーションソフトとの協働により実現してもよい。この場合には、OS以外の部分を媒体に格納して配布してもよいし、OS以外の部分をサーバ装置に格納しておき、コンピュータにダウンロード等できるようにしてもよい。
また、上記実施形態において説明した各処理のうち、自動的に行われるものとして説明した処理の全部又は一部を手動的に行うこともでき、あるいは、手動的に行われるものとして説明した処理の全部又は一部を公知の方法で自動的に行うこともできる。この他、上記文書中や図面中で示した処理手順、具体的名称、各種のデータやパラメータを含む情報については、特記する場合を除いて任意に変更することができる。例えば、各図に示した各種情報は、図示した情報に限られない。
また、図示した各装置の各構成要素は機能概念的なものであり、必ずしも物理的に図示の如く構成されていることを要しない。すなわち、各装置の分散・統合の具体的形態は図示のものに限られず、その全部又は一部を、各種の負荷や使用状況などに応じて、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。
また、上述の実施形態は、処理内容を矛盾させない領域で適宜組み合わせることが可能である。また、上述の実施形態のフローチャート及びシーケンス図に示された各ステップは、適宜順序を変更することが可能である。
<まとめ>
以上説明したように、本開示の一実施形態によれば、本実施形態に係るモータ31は、ステータ313と、ロータ311と、可動部材315とを備える。ステータ313は、環状のバックヨーク313aと、バックヨーク313aの内周から径方向内側へ突出する複数のティース313bとを有する。ロータ311は、ステータ313の内周側に設けられる。可動部材315は、バックヨーク313aの外周面に沿って設けられる可動部材315であって、可動させることで、バックヨーク313aを流れる磁束の特性を変化させる。
以上説明したように、本開示の一実施形態によれば、本実施形態に係るモータ31は、ステータ313と、ロータ311と、可動部材315とを備える。ステータ313は、環状のバックヨーク313aと、バックヨーク313aの内周から径方向内側へ突出する複数のティース313bとを有する。ロータ311は、ステータ313の内周側に設けられる。可動部材315は、バックヨーク313aの外周面に沿って設けられる可動部材315であって、可動させることで、バックヨーク313aを流れる磁束の特性を変化させる。
これにより、可動部材315の可動によりバックヨーク313aを流れる磁束の特性を変化させることができる。また、ステータ313の外周側に可動部材315を設けることで、ステータ313やロータ311の構造、構成を変更する必要がないため、モータ31が複雑化することを防ぐことができる。従って、実施形態に係るモータ31は、簡易な構成でモータ特性の可変を実現できる。
また、実施形態に係る可動部材315は、第1透磁率の第1部位315aと、第1透磁率よりも低い第2透磁率の第2部位315bとがバックヨーク313aの周方向に交互に配列される。そして、可動部材315は、バックヨーク313aの周方向に回転可能に設けられる。
これにより、可動部材315を回転させることで、バックヨーク313aの磁気抵抗を変化できるため、簡易な構成でモータ特性の可変を実現できる。
また、実施形態に係る第1部位315aおよび第2部位315bは、一方の部位が複数のティース313bそれぞれに対応する位置に設けられ、他方の部位が複数のティース313bの間に対応する位置に設けられる。可動部材315は、バックヨーク313aの周方向に回転することで、一方の部位の位置と他方の部位の位置とが互いに入れ替わる。
これにより、磁気抵抗が大きい状態と小さい状態とを最小限の回転距離で切り替えることができる。
また、実施形態に係る第1部位315aおよび第2部位315bは、透磁率が異なる素材である。
これにより、第1部位315aおよび第2部位315bの透磁率の設計を容易化できる。
また、実施形態に係る第1部位315aおよび第2部位315bは、バックヨーク313aの径方向である厚みが異なる。
これにより、第1部位315aおよび第2部位315bの透磁率の設計を容易化できる。
また、実施形態に係る可動部材315は、バックヨーク313aの外周面に対して接離可能に設けられる。
これにより、可動部材315を接離させることで、バックヨーク313aの磁気抵抗を変化できるため、簡易な構成でモータ特性の可変を実現できる。
また、実施形態に係る可動部材315は、バックヨーク313aの周方向に分割された複数の分割部位315-1~315-4を有する。可動部材315は、バックヨーク313aの外周面に当接する場合に、複数の分割部位315-1~315-4が互いに当接し、バックヨーク313aの外周面から離れる場合に、複数の分割部位315-1~315-4が互いに離れる。
可動部材315は、多段的に可動する。
これにより、細やかな磁束の変化をつけることができる。
また、実施形態に係るモータ制御装置30は、モータ31と、モータを電子制御する制御装置32とを備える。制御装置32は、モータ31の動作点に関する情報に基づいて、バックヨーク313aにおける磁気抵抗の設定値を算出し、当該設定値に応じて可動部材315を可動させる。
これにより、簡易な構成でモータ特性の可変を実現できる。
以上、本開示の各実施形態について説明したが、本開示の技術的範囲は、上述の各実施形態そのままに限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。また、異なる実施形態及び変形例にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
また、本明細書に記載された各実施形態における効果はあくまで例示であって限定されるものでは無く、他の効果があってもよい。
なお、本技術は以下のような構成も取ることができる。
(1)
環状のバックヨークと、前記バックヨークの内周から径方向内側へ突出する複数のティースとを有するステータと、
前記ステータの内周側に設けられるロータと、
前記バックヨークの外周面に沿って設けられる可動部材であって、可動させることで、前記バックヨークを流れる磁束の特性を変化させる可動部材と
を備えるモータ。
(2)
前記可動部材は、
第1透磁率の第1部位と、第1透磁率よりも低い第2透磁率の第2部位とが前記バックヨークの周方向に交互に配列され、
前記可動部材は、
前記バックヨークの周方向に回転可能に設けられる
前記(1)に記載のモータ。
(3)
前記第1部位および前記第2部位は、
一方の部位が前記複数のティースそれぞれに対応する位置に設けられ、
他方の部位が前記複数のティースの間に対応する位置に設けられ、
前記可動部材は、
前記バックヨークの周方向に回転することで、前記一方の部位の位置と前記他方の部位の位置とが互いに入れ替わる
前記(2)に記載のモータ。
(4)
前記第1部位および前記第2部位は、透磁率が異なる素材である
前記(2)または(3)に記載のモータ。
(5)
前記第1部位および前記第2部位は、前記バックヨークの径方向である厚みが異なる
前記(2)~(4)のいずれか1つに記載のモータ。
(6)
前記可動部材は、
前記バックヨークの外周面に対して接離可能に設けられる
前記(1)~(5)のいずれか1つに記載のモータ。
(7)
前記可動部材は、
前記バックヨークの周方向に分割された複数の分割部位を有し、
前記可動部材は、
前記バックヨークの外周面に当接する場合に、前記複数の分割部位が互いに当接し、
前記バックヨークの外周面から離れる場合に、前記複数の分割部位が互いに離れる
前記(6)に記載のモータ。
(8)
前記可動部材は、
多段的に可動する
前記(1)~(7)のいずれか1つに記載のモータ。
(9)
前記(1)~(8)のいずれかに記載のモータと、
前記モータを電子制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
モータの動作点に関する情報に基づいて、前記バックヨークにおける磁気抵抗の設定値を算出し、当該設定値に応じて前記可動部材を可動させる
モータ制御装置。
(1)
環状のバックヨークと、前記バックヨークの内周から径方向内側へ突出する複数のティースとを有するステータと、
前記ステータの内周側に設けられるロータと、
前記バックヨークの外周面に沿って設けられる可動部材であって、可動させることで、前記バックヨークを流れる磁束の特性を変化させる可動部材と
を備えるモータ。
(2)
前記可動部材は、
第1透磁率の第1部位と、第1透磁率よりも低い第2透磁率の第2部位とが前記バックヨークの周方向に交互に配列され、
前記可動部材は、
前記バックヨークの周方向に回転可能に設けられる
前記(1)に記載のモータ。
(3)
前記第1部位および前記第2部位は、
一方の部位が前記複数のティースそれぞれに対応する位置に設けられ、
他方の部位が前記複数のティースの間に対応する位置に設けられ、
前記可動部材は、
前記バックヨークの周方向に回転することで、前記一方の部位の位置と前記他方の部位の位置とが互いに入れ替わる
前記(2)に記載のモータ。
(4)
前記第1部位および前記第2部位は、透磁率が異なる素材である
前記(2)または(3)に記載のモータ。
(5)
前記第1部位および前記第2部位は、前記バックヨークの径方向である厚みが異なる
前記(2)~(4)のいずれか1つに記載のモータ。
(6)
前記可動部材は、
前記バックヨークの外周面に対して接離可能に設けられる
前記(1)~(5)のいずれか1つに記載のモータ。
(7)
前記可動部材は、
前記バックヨークの周方向に分割された複数の分割部位を有し、
前記可動部材は、
前記バックヨークの外周面に当接する場合に、前記複数の分割部位が互いに当接し、
前記バックヨークの外周面から離れる場合に、前記複数の分割部位が互いに離れる
前記(6)に記載のモータ。
(8)
前記可動部材は、
多段的に可動する
前記(1)~(7)のいずれか1つに記載のモータ。
(9)
前記(1)~(8)のいずれかに記載のモータと、
前記モータを電子制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
モータの動作点に関する情報に基づいて、前記バックヨークにおける磁気抵抗の設定値を算出し、当該設定値に応じて前記可動部材を可動させる
モータ制御装置。
10 電動輪
20 車輪部
30 モータ制御装置
31 モータ
32 制御装置
33 インバータ
100 支持部材
310 シャフト
311 ロータ
312 マグネット
313 ステータ
313a バックヨーク
313b ティース
314 コイル
315 可動部材
315a 第1部位
315b 第2部位
315-1~315-4 分割部位
316 アクチュエータ
317 支持部
321 制御部
321a 可変特性制御部
321b 速度制御部
321c 電流制御部
322 記憶部
322a 効率マップ情報
322b モータパラメータ情報
20 車輪部
30 モータ制御装置
31 モータ
32 制御装置
33 インバータ
100 支持部材
310 シャフト
311 ロータ
312 マグネット
313 ステータ
313a バックヨーク
313b ティース
314 コイル
315 可動部材
315a 第1部位
315b 第2部位
315-1~315-4 分割部位
316 アクチュエータ
317 支持部
321 制御部
321a 可変特性制御部
321b 速度制御部
321c 電流制御部
322 記憶部
322a 効率マップ情報
322b モータパラメータ情報
Claims (9)
- 環状のバックヨークと、前記バックヨークの内周から径方向内側へ突出する複数のティースとを有するステータと、
前記ステータの内周側に設けられるロータと、
前記バックヨークの外周面に沿って設けられる可動部材であって、可動させることで、前記バックヨークを流れる磁束の特性を変化させる可動部材と
を備えるモータ。 - 前記可動部材は、
第1透磁率の第1部位と、第1透磁率よりも低い第2透磁率の第2部位とが前記バックヨークの周方向に交互に配列され、
前記可動部材は、
前記バックヨークの周方向に回転可能に設けられる
請求項1に記載のモータ。 - 前記第1部位および前記第2部位は、
一方の部位が前記複数のティースそれぞれに対応する位置に設けられ、
他方の部位が前記複数のティースの間に対応する位置に設けられ、
前記可動部材は、
前記バックヨークの周方向に回転することで、前記一方の部位の位置と前記他方の部位の位置とが互いに入れ替わる
請求項2に記載のモータ。 - 前記第1部位および前記第2部位は、透磁率が異なる素材である
請求項2に記載のモータ。 - 前記第1部位および前記第2部位は、前記バックヨークの径方向である厚みが異なる
請求項2に記載のモータ。 - 前記可動部材は、
前記バックヨークの外周面に対して接離可能に設けられる
請求項1に記載のモータ。 - 前記可動部材は、
前記バックヨークの周方向に分割された複数の分割部位を有し、
前記可動部材は、
前記バックヨークの外周面に当接する場合に、前記複数の分割部位が互いに当接し、
前記バックヨークの外周面から離れる場合に、前記複数の分割部位が互いに離れる
請求項6に記載のモータ。 - 前記可動部材は、
多段的に可動する
請求項1に記載のモータ。 - 請求項1に記載のモータと、
前記モータを電子制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記モータの動作点に関する情報に基づいて、前記バックヨークにおける磁気抵抗の設定値を算出し、当該設定値に応じて前記可動部材を可動させる
モータ制御装置。
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