WO2023067882A1

WO2023067882A1 - 可変速動力装置及び制御方法

Info

Publication number: WO2023067882A1
Application number: PCT/JP2022/031347
Authority: WO
Inventors: 隆治広江; 強志若狭
Original assignee: 三菱重工業株式会社
Priority date: 2021-10-20
Filing date: 2022-08-19
Publication date: 2023-04-27

Abstract

可変速動力装置は、電機子巻線が設けられて電機子を形成する固定子と、磁極を有する第１の回転子と、前記第１の回転子と前記固定子との間に設けられて負荷を駆動する第２の回転子と、を有する同期機と、前記第１の回転子の第１角度と、前記第２の回転子の第２角度とに基づいて、前記電機子に発生する誘起電圧の電気角を推定する誘起電圧角度推定部と、推定された前記誘起電圧の電気角に基づいて、前記同期機を駆動する電力の周波数を調整する電力変換器と、を備える。

Description

可変速動力装置及び制御方法

　本開示は、可変速動力装置及び制御方法に関する。
　本願は、２０２１年１０月２０日に日本に出願された特願２０２１－１７１６１４号について優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　図２３には、一般的な同期機９０Ａを用いた可変速動力装置９Ａの一例が示されている。可変速動力装置９Ａは、同期機９０Ａと、可変速化のための電力変換器９１（インバータ）とにより構成される。同期機９０Ａは、固定子９０１Ａと、回転子９０２Ａとを有する。

　同期機９０Ａが発生するトルクには限度があるので、重量物を駆動するためには、一般には機械的な減速機９２（ギア）が用いられる。減速機９２は、同期機９０Ａの出力軸９４と連結され、同期機９０Ａの回転速度を減速して負荷に伝達するものである。しかし、減速機９２は、ギア同士が接触して動力を伝達するものであることから、摺動部のメンテナンスが必要となる。このため、減速機を用いない可変速動力装置として、第１の回転子と、第２の回転子の２つの回転子を有する同期機を用いた可変速動力装置が考えられている。２つの回転子を有する同期機は、磁気ギアードモータと呼ばれている。磁気ギアードモータは、磁力によって回転子同士が非接触で動力を伝達するため、摺動部のメンテナンスが不要となる他に、減速機を用いた構成と比較して部品点数が少ないことから、小型化かつ軽量化できるというメリットがある。

　図２４には、磁気ギアードモータ９０Ｂを用いた可変速動力装置９Ｂの一例が示されている。可変速動力装置９Ｂは、磁気ギアードモータ９０Ｂと、電力変換器９１とにより構成される。磁気ギアードモータ９０Ｂは、固定子９０１Ｂと、第１の回転子９０２Ｂと、固定子９０１Ｂ及び第１の回転子９０２Ｂの間に設けられた第２の回転子９０３Ｂとを有する。第１の回転子９０２Ｂは、出力軸９４Ａを介して他の負荷または動力に接続されても良い。

　同期機９０Ａ、及び磁気ギアードモータ９０Ｂを駆動する電力は一般的に三相交流である。一般の同期機９０Ａの回転数は、駆動する電力の周波数に同期する。電力の周波数を変更すると、それに同期して同期機９０Ａの回転数も変わり、負荷の速度も変わる。したがって、駆動する電力の周波数と、負荷の速度との関係を予め調べておけば、周波数を調節して負荷を希望の速度で動かすことができる。磁気ギアードモータ９０Ｂも一般の同期機９０Ａと同じであり、駆動する電力の周波数を調節して負荷の速度を変えることができる。

　一般の同期機９０Ａや磁気ギアードモータ９０Ｂにおいて、負荷が過大なときには脱調が発生する可能性がある。同期機９０Ａには出力できるトルクに上限があることを先に述べたが、負荷がトルクの上限を持続的に超えると電力に対し同期機９０Ａの回転が遅れ脱調する。脱調状態では、同期機９０Ａの回転数は駆動する電力の周波数と無関係となるので、負荷を希望の速度で動かすことはできない。そればかりか、脱調すると負荷となる機械に大きな振動や騒音が発生し、機械が壊れる可能性もある。したがって、同期機９０Ａ及び磁気ギアードモータ９０Ｂの運転では脱調させないことが重要である。

　一般的な同期機９０Ａでは、回転子９０２Ａの磁極が回転することにより電機子（固定子９０１Ａの電機子巻線）に発生する誘起電圧の電気角に、駆動する電力の電圧を同期させることにより脱調を防いでいる。より具体的には、誘起電圧の電気角と、駆動電力の電圧の角度すなわち電気角との差が±９０度を超えないように電力線９３の電圧の位相を調整している。これにより、電力変換器９１が出力する電力の位相または周波数は、回転子９０２Ａの回転角度または回転速度が反映され、例えば、負荷が過大であり回転子９０２Ａの回転が遅れたときには、駆動周波数を下げて、脱調を防ぐことが可能となる。

　誘起電圧は電機子に鎖交する磁束を時間微分したものである。鎖交磁束は回転子９０２Ａと共に回転するので、回転子９０２Ａの角度が分かれば鎖交磁束も、それを微分した誘起電圧もわかる。一般的な同期機９０Ａでは、回転子９０２Ａが一つなので、電機子に発生する誘起電圧は、一つの回転子９０２Ａの角度が分かれば十分であった。回転子９０２Ａは出力軸９４に接続されているため、出力軸９４に設けた回転角度センサ９５により、出力軸９４の角度、すなわち、回転子９０２Ａの角度を計測することができる。例えば、特許文献１には、回転角度センサによって出力軸の角度を測り、出力軸の回転に同期して駆動する交流電力を転流させる技術が記載されている。このようにすると、電力線を流れる電力の周波数は出力軸に同期する。

国際公開第２０１５／１８６７１４号公報

　磁気ギアードモータ９０Ｂは、同期機９０Ａの回転子９０２Ａに相当する第１の回転子９０２Ｂの他に、第２の回転子９０３Ｂを有している。例えば、特許文献１には、第１の回転子（第１ロータ）と第２の回転子（第２ロータ）とを有する磁気ギアードモータにおいて、第２の回転子から動力を出力する磁気ギアードモータがさらに記載されている。つまり、特許文献１に記載の磁気ギアードモータにおいて、出力軸の角度を測る回転角度センサは、第２の回転子の角度を計測している。

　磁気ギアードモータにおいて、電機子に発生する誘起電圧は、第２の回転子の角度のみならず第１の回転子の角度にも依存する。このため、特許文献１に記載の技術では、第１の回転子の影響を無視したことによる誤差が生じ得る。そうすると、誘起電圧が第２の回転子よりも、第１の回転子の角度により決まる状況では、脱調する可能性がある。

　本開示は、このような課題に鑑みてなされたものであって、同期機の脱調を抑制することができる可変速動力装置及び制御方法を提供する。

　本開示の一態様によれば、可変速動力装置は、電機子巻線が設けられて電機子を形成する固定子と、磁極を有する第１の回転子と、前記第１の回転子と前記固定子との間に設けられて負荷を駆動する第２の回転子と、を有する同期機と、前記第１の回転子の第１角度と、前記第２の回転子の第２角度とに基づいて、前記電機子に発生する誘起電圧の電気角を推定する誘起電圧角度推定部と、推定された前記誘起電圧の電気角に基づいて、前記同期機を駆動する電力の周波数を調整する電力変換器と、を備える。

　本開示の一態様によれば、可変速動力装置は、電機子巻線が設けられて電機子を形成する固定子と、磁極を有する第１の回転子と、前記第１の回転子と前記固定子との間に設けられる第２の回転子と、を有する同期機と、前記第１の回転子の電気角および前記第２の回転子の電気角のうち、前記同期機を駆動する電圧の電気角とのオフセットの絶対値が大きい方に基づいてＶ／ｆ制御を行い、前記同期機を駆動する電力の周波数を調整する電力変換器と、を備える。

　本開示の一態様によれば、電機子巻線が設けられて電機子を形成する固定子と、磁極を有する第１の回転子と、前記第１の回転子と前記固定子との間に設けられて負荷を駆動する第２の回転子と、を有する同期機の制御方法は、前記第１の回転子の第１角度と、前記第２の回転子の第２角度とに基づいて、前記電機子に発生する誘起電圧の電気角を推定するステップと、推定された前記誘起電圧の電気角に基づいて、前記同期機を駆動する電力の周波数を調整するステップと、を有する。

　本開示に係る可変速動力装置及び制御方法によれば、同期機の脱調を抑制することができる。

本開示の第１の実施形態に係る可変速動力装置の機能構成を示す図である。本開示の第１の実施形態に係る同期機の断面図である。本開示の第１の実施形態に係る電力変換器の動作の概念を説明するための図である。本開示の第２の実施形態に係る可変速動力装置の機能構成を示す図である。本開示の第３の実施形態に係る第１の回転子の断面図である。本開示の第４の実施形態に係る第１の回転子の断面図である。本開示の第４の実施形態に係る第１の回転子の斜視図である。本開示の第５の実施形態に係る可変速動力装置の機能構成を示す図である。本開示の第６の実施形態に係る可変速動力装置の機能構成を示す図である。本開示の第７の実施形態に係る可変速動力装置の機能構成を示す図である。本開示の第８の実施形態に係る可変速動力装置の機能構成を示す図である。本開示の第８の実施形態に係る電力変換器の機能構成を示す図である。本開示の第９の実施形態に係る可変速動力装置の機能構成を示す図である。第９の実施形態に係る電力変換器の機能構成を示す図である。本開示の第９の実施形態に係る誘起電圧ベクトルの一例を示す図である。本開示の第１０の実施形態に係る可変速動力装置の機能構成を示す図である。本開示の第１０の実施形態に係る電力変換器の動作を説明するための図である。本開示の第１０の実施形態に係る負荷角の一例を示す図である。本開示の第１１の実施形態に係る可変速動力装置の機能構成を示す図である。本開示の第１２の実施形態に係る可変速動力装置の機能構成を示す図である。本開示の第１２の実施形態に係る電力変換器の機能構成を示す図である。本開示の少なくとも一の実施形態に係る可変速動力装置を構成する機器のハードウェア構成の一例を示す図である。従来の可変速動力装置の一例を示す第１の図である。従来の可変速動力装置の一例を示す第２の図である。

＜第１の実施形態＞
　以下、本開示の第１の実施形態に係る可変速動力装置１について、図を参照しながら説明する。

（可変速動力装置の機能構成）
　図１は、本開示の第１の実施形態に係る可変速動力装置の機能構成を示す図である。
　図１に示すように、可変速動力装置１は、同期機２と、制御装置３と、電力変換器４とを備えている。

　同期機２は、磁気ギアードモータである。磁気ギアードモータは、磁気ギアード発電機としての役割も果たす。したがって、本実施形態に係る同期機２は、モータ及び発電機の両方の役割を表す。なお、以降では、同期機２をモータとして使用する例について説明する。

　図２は、本開示の第１の実施形態に係る同期機の断面図である。
　図１及び図２に示すように、同期機２は、固定子２１と、第１の回転子２２と、第２の回転子２３と、出力軸２４と、出力軸２４Ａを有している。

　固定子２１は、第１の回転子２２及び第２の回転子２３の周囲を囲う環状の構造体である。固定子２１は、径方向の内側に突出する複数の歯２１１それぞれに電機子巻線２１２が設けられて電機子を形成する。

　第１の回転子２２は、回転軸Ｏを中心に回転するロータである。第１の回転子２２は、軟磁性材料で形成されたコア２２１と、複数の磁極２２２とを有する。磁極２２２は、例えば永久磁石である。なお、図２の例では、第１の回転子２２の磁極数は４であるが、これに限られることはない。他の実施形態では、第１の回転子２２の磁極数は変更してもよい。第１の回転子２２は、出力軸２４Ａを介して他の負荷または動力に接続される。

　また、図２の例では、第１の回転子２２のコア２２１の外周面を全て覆うように永久磁石を配置した構成が示されているが、これに限られることはない。他の実施形態では、第１の回転子２２は、外周面から径方向の外側に突出する複数の磁極（突極）がコア２２１と一体形成されている構成であってもよい。この場合、第１の回転子２２には、磁石または電磁石が設けられていなくてもよい。さらに他の実施形態では、第１の回転子２２のコア２２１を磁性鋼板のような軟磁性材料で形成し、コア２２１の外周面に間隔をあけて磁石を配置するようにしてもよい。すなわち、図２の例のようにコア２２１の外周面の全てを磁石で覆うのではなく、隣接する磁石と磁石との間（境界部）に軟磁性材料が露出する構成であってもよい。

　第２の回転子２３は、固定子２１と第１の回転子２２との間に設けられる。第２の回転子２３は、第１の回転子２２の周囲を囲う環状の構造体であり、回転軸Ｏを中心に回転する。図１に示すように、第２の回転子２３は、出力軸２４に連結され、出力軸２４に接続された負荷を駆動する。また、図２に示すように、第２の回転子２３は、磁極２３１と、非磁性部２３２とが周方向に交互に配置されたものである。磁極２３１は、磁性材料（軟磁性材料または硬磁性材料）からなる。非磁性部２３２は、非磁性材料からなる。なお、非磁性部２３２は、磁性材料を径方向に切り欠いて作った空隙であってもよい。

　また、図２の例のように、固定子２１と第２の回転子２３との間（固定子２１の歯２１１の内周面）に、複数の磁石２１３が環状に配設されていてもよい。なお、他の実施形態では、磁石２１３を省略してもよい。

　制御装置３は、同期機２の動作を制御するための装置である。本実施形態に係る制御装置３は、誘起電圧角度推定部３１を有している。誘起電圧角度推定部３１は、鎖交磁束推定部３１０と、算出部３１１とを有している。

　鎖交磁束推定部３１０は、第１の回転子２２の角度（第１角度）と、第２の回転子２３の角度（第２角度）とに基づいて電機子巻線２１２に鎖交する磁束の角度を推定する。なお、本実施形態に係る鎖交磁束推定部３１０は、第１の回転子２２に設けられた第１角度センサ１３から第１の回転子２２の角度を取得し、第２の回転子２３に設けられた第２角度センサ１４から第２の回転子２３の角度を取得する。

　算出部３１１は、推定された磁束の角度に基づいて、電機子の誘起電圧の電気角を算出する。算出した誘起電圧の電気角は、電力変換器４に出力される。

　電力変換器４は、電力線１１（同期機２の電機子巻線２１２）を介して同期機２と電気的に接続される。電力変換器４は、電力の周波数指令値と、制御装置３より入力された誘起電圧の電気角とに基づいて、Ｖ／ｆ制御やベクトル制御などの技術を用いて同期機２を駆動する電力の周波数、電圧、電流を調整する。

（制御装置の動作）
　次に、本実施形態に係る制御装置３の動作について詳細に説明する。一例として、第１の回転子２２はコア２２１の外周面を全て覆うように永久磁石を配置した構成について具体的に説明する。まず、鎖交磁束推定部３１０が実行する鎖交磁束の角度推定について説明する。一般の同期機は、第２の回転子を有さないので、鎖交磁束の角度は第１の回転子から直ちに定まる。このため角度推定の必要はない。角度推定は磁気ギアードモータのように複数の回転子を有するものに有効である。説明を簡単にするため、第１の回転子の角度は、その起磁力が最大になる方向を基準にすると、第１の回転子の基準方向から角度θ進んだ位置の起磁力は次式（１）で近似できる。ここに、ｐ_１は第１の回転子の極数である。磁石を有する回転子については、回転子の機械的な角度に極数を２で除した値を乗じたものは電気角と呼ばれる。回転子が機械的に１回転する間に、起磁力は電気角に従ってｐ_１／２交番する。

　固定子２１の一つの電機子を基準にして、第１の回転子２２の角度を測るとθ_１であったとする。このとき式（１）から、固定子２１の基準点からθ進んだ方向の前記起磁力は次式（２）となる。

　第２の回転子２３は、磁極２３１と非磁性部２３２とが周方向に交互に配置されているので、第２の回転子２３の磁束の通り易さ、すなわちパーミアンスは第２の回転子２３の角度、言い換えれば第２の回転子２３上の周方向の位置、によって変化する。第２の回転子の角度は、前記パーミアンスが最大になる周方向を基準にすると、第２の回転子の基準方向から第２の回転子上を角度θ進んだ位置の前記パーミアンスは次式（３）で近似できる。ここに、ｐ_２は第２の回転子２３の極数である。パーミアンスの変化により動力を得る回転子では、回転子の角度（機械的な角度）に極数を乗じた値が電気角となる。回転子が機械的に１周するとパーミアンスはｐ_２回増減の周期を繰り返す。また、Ｂ_２０≧Ｂ_２１＞０である。これは、パーミアンスは常に正であるという物理的な拘束条件を表している。

　固定子２１の一つの電機子を基準にして、第２の回転子２３の角度を測ったところθ_２であったとする。このとき、固定子２１の基準点からθ進んだ方向の前記パーミアンスは次式（４）となる。

　第１の回転子２２の角度がθ_１、第２の回転子２３の角度がθ_２であるとき、固定子２１の基準点からθ進んだ方向で電機子に鎖交する磁束は次式で表される。記号φ（θ）｜θ_１，θ_２は、「第１の回転子２２の角度がθ_１であり、第２の回転子２３の角度がθ_２である」との事前情報の下での角度θの磁束φを意味している。

　一般に、磁束の角度θ_φとは、磁束の大きさが最大となる角度のことだから、θ_φは次式（６）で表される。式（５）の求解は、鎖交するθについての偏微分がゼロとなるように数値的な探索によってもよいし、数値的に解いてもよい。

　なお、ここでは、第２の回転子２３と固定子２１の歯２１１との間に磁石２１３が設けられていないタイプの同期機２を例に説明したが、他のタイプ（図２のように磁石２１３が設けられているタイプ）の同期機２についても同様に計算ができる。

　さらに、ここでは、鎖交磁束推定部３１０が、Ａ１やＢ２０、Ｂ２１などの定数から磁束の方向を計算で求めた。これに限らず、数値解析や実験で最大方向を求めることもできる。例えば、電機子の鎖交磁束を、第１の回転子２２の角度と第２の回転子２３の角度とから推定するテーブルを予め用意しておいてもよい。この場合、鎖交磁束推定部３１０は、第１の回転子２２の角度θ_１と第２の回転子２３の角度θ_２とをそれぞれ計測し、用意したテーブルから鎖交磁束の角度を算出する。

　また、鎖交磁束の角度から、誘起電圧の電気角（一般的には鎖交磁束を電気角でπ／２進めたものである）がわかる。算出部３１１は、鎖交磁束推定部３１０が推定した鎖交磁束の角度に基づいて、誘起電圧の電気角を算出する。算出した誘起電圧の電気角は、電力変換器４に出力される。

（電力変換器の動作）
　図３は、本開示の第１の実施形態に係る電力変換器の動作の概念を説明するための図である。本実施形態では、出力軸は第２の回転子に接続される。
　電力変換器４は、誘起電圧の電気角に基づくベクトル制御により同期機２を制御する例である。ベクトル制御は、一般に、同期機２の出力トルクを調節する。出力トルクの指令値は、ベクトル制御の上位に配置した速度制御器が出力する。速度制御器は、速度指令を表す電力の周波数指令と負荷軸の電気角周波数を入力し、例えば、比例積分制御の演算によりトルク指令を出力する。本実施形態では、第２の回転子２３が負荷軸に相当する。ベクトル制御器は誘起電圧の電気角と電力変換器４が出力する電力の電流とに基づき、電圧指令と周波数指令を出力する。電力変換器４は、電圧指令と周波数指令に従って電機子に電力を供給する。

（作用効果）
　以上のように、本実施形態に係る可変速動力装置１は、同期機２の第１の回転子２２の角度と、第２の回転子２３の角度とから電機子に発生する誘起電圧の電気角を推定する誘起電圧角度推定部３１と、推定された誘起電圧の電気角に基づいて、同期機２を駆動する電力の周波数を調整する電力変換器４とを備える。
　また、本実施形態に係る誘起電圧角度推定部３１は、第１の回転子２２の角度及び第２の回転子２３の角度に基づいて電機子巻線２１２に鎖交する磁束の角度を推定する鎖交磁束推定部３１０と、鎖交磁束の角度及び第２の回転子２３の角度に基づいて誘起電圧の電気角を算出する算出部３１１とを有する。

　電力変換器４にベクトル制御を採用すると、同期機２の機械的出力の速応性は、Ｖ／ｆ制御を採用するときより向上する。ベクトル制御を行うには誘起電圧の電気角が必要である。しかし、従来の技術では誘起電圧の電気角が不明であり、ベクトル制御が本来有する速応性を得ることができなかった。または、誘起電圧の電気角が不正確であるため、第１の回転子が振動し、脱調する場合があった。
　本実施形態によると、第１の回転子の角度と第２の回転子の角度に基づき推定した誘起電圧の電気角を用いてベクトル制御を行い、ベクトル制御本来の速応性により磁気ギアードモータの速応性を改善し、または、脱調を防止する効果が得られる。

＜第２の実施形態＞
　次に、本開示の第２の実施形態に係る可変速動力装置１について説明する。
　上述の実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。

　図４は、本開示の第２の実施形態に係る可変速動力装置の機能構成を示す図である。
　図４に示すように、本実施形態に係る制御装置３は、第１角度推定部３２をさらに有している。第１角度推定部３２は、例えば、試験や解析により事前に定める調整定数β_１とβ_２とを用いて、第２角度センサ１４が測定した第２の回転子２３の角度（第２角度）と電圧の電気角θ_Ｖとに基づいて、第１の回転子２２の角度（第１角度）を推定する。

（制御装置の動作）
　次に、本実施形態に係る制御装置３の動作について詳細に説明する。本実施形態に係る制御装置３は、第１の回転子２２の第１角度センサ１３の代わりに、第２の回転子２３の角度と、三相交流の電圧及び電流とから第１の回転子２２の角度を推定する第１角度推定部３２を用いる。

　第２の回転子２３の角度の計測値をθ_２、無負荷状態で第２の回転子２３が一周したときに第１の回転子が何周するかをｎ_１２で表すと、第２の回転子２３の角度の計測値θ_２から第１の回転子２２の角度は次の式（７）で表される伝達関数で近似できる。

　伝達関数のパラメータｎ_１２、Ｊ、Ｃ、及びＫは、同期機２に固有の値であり事前の試験などで定めることができる。ｎ_１２の値は、第２の回転子２３の極数ｐ_２と、第１の回転子の極数ｐ_１とから計算できる。第１の回転子２２の磁極２２２と、第２の回転子２３の磁極２３１とが共に永久磁石か電磁石を有する場合、または、それらが共に永久磁石も電磁石も有しない場合、「ｎ_１２＝ｐ_２／ｐ_１」である。第１の回転子２２の磁極２２２のみに永久磁石か電磁石を有する場合、「ｎ_１２＝２ｐ_２／ｐ_１」である。第２の回転子２３の磁極２３１のみに永久磁石か電磁石を有する場合、「ｎ_１２＝ｐ_２／（２ｐ_１）」である。第１角度推定部３２は、この伝達関数の演算を行う。事前の試験で、伝達関数のパラメータＫなどが同期機の出力トルクによって値を大きく変えることが分れば、Ｋなどの値を同期機の運転に応じて変更しても良い。

　鎖交磁束推定部３１０、及び算出部３１１の動作は、第１の実施形態と同様である。

（作用効果）
　以上のように、本実施形態に係る可変速動力装置１は、第２の回転子２３の角度に基づいて第１の回転子２２の角度を推定する第１角度推定部３２をさらに備える。

　このようにすることで、第１の回転子２２の角度を計測する第１角度センサ１３や、その配線を不要とすることができる。これにより、可変速動力装置１のコンパクト化、低コスト化を実現することができる。

＜第３の実施形態＞
　次に、本開示の第３の実施形態に係る可変速動力装置１について説明する。本実施形態では、出力軸は第２の回転子に接続される。
　上述の実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。

（第１の回転子の構成）
　図５は、本開示の第３の実施形態に係る第１の回転子の断面図である。
　図５に示すように、本実施形態に係る第１の回転子２２は、回転軸Ｏの周囲に形成された肉抜き部２２３を有している。肉抜き部２２３は、第１の回転子２２のコア２２１を肉抜きして形成したものである。

　第２の実施形態では、第１の回転子２２の第１角度センサ１３の代わりに、第１角度推定部３２が第１の回転子２２の角度を推定した。すなわち、第１の回転子２２の角度は実際の値ではなく推定値で代用した。第１の回転子２２の角度の推定値は、第１の回転子２２の慣性能率と、第１の回転子２２に作用する電磁的なトルクからなる運動方程式で計算する。第１の回転子２２の角度の推定値の精度は、運動方程式の特性根から決まる固有周波数ω_ｎが高いほど、また、減衰比ζが高いほど向上する。これらは、第２の回転子２３の慣性能率を下げることにより達成できる。

　慣性能率をＪ［ｋｇｍ２］、電磁的なトルクの機械角勾配をＫ［Ｎｍ／ｒａｄ］、電磁気的なトルクの機械角速度勾配をＣ［Ｎｍ／（ｒａｄ／ｓ）］と表すと、特性方程式は、「Ｊｓ^２＋Ｃｓ＋Ｋ＝０」と表される。特性根は、「－Ｃ±√（Ｃ^２－４ＫＪ）／２Ｊ」である。固有角周波数ω_ｎは「√（Ｋ／Ｊ）」、減衰比ζは「Ｃ／２√（ＫＪ）」である。

　第１の回転子２２の肉抜きをしない場合、慣性能率Ｊが大きいので固有角周波数ω_ｎは小さく、減衰比ζは小さくなり、第１の回転子２２の角度の推定精度が劣化する可能性がある。

　本実施形態は、第１の回転子２２の慣性能率Ｊを下げて固有角周波数と減衰比を共に上げて、第２の実施形態で述べた伝達関数（式７）を、以下の式（８）のように減衰の効いた１次遅れの応答にして、第１角度推定部３２における角度推定の誤差を小さくする。

　Ｊを小さくするには、第１の回転子２２のコア２２１（軟磁性体）に肉抜き部２２３を形成して、第１の回転子２２の慣性能率を小さくする。

　肉抜き部２２３は、磁極２２２の周方向の広がりの中央（磁極２２２の中央）で多く、隣接する磁極との間（磁極の中間）で少なくする。つまり、肉抜き部２２３の径方向の長さ（回転軸Ｏからの長さ）は、磁極２２２の中央に近付くほど長く、隣接する二つの磁極２２２の中間に近付くほど短くなるように設定される。

　第１の回転子２２は外部の負荷と無縁である。同期機の回転子は、負荷が無いとき、磁束が最大となる角度を向いて平衡する。このとき、図５に示すように、磁束の主成分は磁極の中央では径方向であり、周方向の成分は少ない。したがって、磁極の中央では深く肉抜きしても磁束を妨げない。

　肉抜き部２２３について、磁極２２２の中央で多く、磁極の中間で少なくするとは、具体的には、図５に示すように、肉抜きの長さｄを磁極の中央から計った角度θ_ｍに対して計るとき、次式（９）が成り立つことである。

　ここで、Ｅ（ｄ（θ_ｍ））は、ｄの平均値である。肉抜きの穴が複数ある場合は、一つ一つの肉抜きの穴についてｄを算出し、それを合計した値がＥ（ｄ（θ_ｍ））となる。

（作用、効果）
　以上のように、本実施形態に係る可変速動力装置１において、第１の回転子２２は、回転軸Ｏの周囲に肉抜き部２２３を有する。

　このようにすることで、第１の回転子２２の慣性能率を下げ、減衰比を高くすることができる。この結果、第１角度推定部３２における第１の回転子２２の角度の推定精度を向上させることができる。

　本実施形態では、このように第１の回転子２２の角度を精度よく推定できることから、鎖交磁束推定部３１０の処理を簡易化してもよい。具体的には、鎖交磁束推定部３１０は、第１の回転子２２の電気角を第２の回転子２３の電気角と電圧の電気角の加重和で近似して、鎖交磁束の角度を推定してもよい。

　また、肉抜き部２２３の径方向の長さは、磁極２２２の中央に近付くほど長くなるように設定される。

　このようにすることで、磁束を妨げることなく肉抜き部２２３を形成することができる。

＜第４の実施形態＞
　次に、本開示の第４の実施形態に係る可変速動力装置１について説明する。本実施形態では、出力軸は第２の回転子に接続される。
　上述の実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。

（第１の回転子の構成）
　図６は、本開示の第４の実施形態に係る第１の回転子の断面図である。
　図７は、本開示の第４の実施形態に係る第１の回転子の斜視図である。
　図６～図７に示すように、本実施形態に係る第１の回転子２２は、磁極２２２の中央を含む子午面内を貫く磁束と鎖交されるように巻回した制動巻線２２４をさらに有している。

　図７は、第１の回転子２２の周方向の一部を子午面に沿って切断したイメージである。磁極２２２の中央を含む子午面内を貫く磁束が鎖交するように制動巻線２２４を巻回するには、例えば、図７に示すように、磁極中央を含む子午面に導体を巻回すればよい。図７の例では、制動巻線２２４は、肉抜き部２２３の最も深く肉抜きされた部分（コア２２１の内周面）と、コア２２１の径方向の外周面とに巻回される。

　制動巻線２２４により追加的に発生する減衰係数をＣ_ｄと記すと、第１の回転子２２の伝達関数は次式（１０）で表される。

　これに加えて、本実施形態では、第３の実施形態と同様に肉抜きしてＪを小さくしているので、次式（１１）のように伝達関数は係数ｎ_１２で近似される。すなわち、第１の回転子２２は第２の回転子２３の角度に遅れなく追従することができるので、より確実に脱調を抑制することができる。

（作用、効果）
　以上のように、本実施形態に係る可変速動力装置１において、第１の回転子２２は、磁極２２２の中央を含む子午面内を貫く磁束と鎖交するように巻回した制動巻線２２４をさらに有する。

　このようにすることで、可変速動力装置１は、第３の実施形態よりもさらに脱調し難くなる。

＜第５の実施形態＞
　次に、本開示の第５の実施形態に係る可変速動力装置１について説明する。本実施形態では、出力軸は第２の回転子に接続される。
　上述の実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。

（可変速動力装置の機能構成）
　図８は、本開示の第５の実施形態に係る可変速動力装置の機能構成を示す図である。
　図８に示すように、本実施形態に係る可変速動力装置１は、第２の実施形態に係る構成に加えて、第１電動機５をさらに備えている。第１電動機５は、回転子５１（第３の回転子）と、電気線５２とを有している。なお、第１電動機５は、たとえば誘導電動機である。第１電動機５は、同期機２と同期速度が等しくなるように、または、同期機２と極数が等しくなるように構成される。

　第１電動機５の回転子５１は、同期機２の第１の回転子２２と機械的に接続される。

　電気線５２は、同期機２の電機子巻線２１２と電気的に並列に接続される。

（第１電動機及び電力変換器の動作）
　第３～第４の実施形態では、第１の回転子２２の肉抜き部２２３及び制動巻線２２４により、第１の回転子２２の運動の減衰比を改善した。しかし、第１の回転子２２は同期機２の内部にあるので場所の制約から、肉抜き部２２３や、制動巻線２２４だけでは十分に改善できない場合もある。

　このため、本実施形態では、第３～第４の実施形態に係る肉抜き部２２３及び制動巻線２２４の働きを外部に配置した第１電動機５に置き換える。第１電動機５は電力変換器４と接続されて、電力変換器４が同期機２に供給する三相交流電力の一部を消費する。第１電動機は誘導機の性質から電力の周波数により決まる第１電動機５の同期速度と、第１電動機５の回転速度の差に比例した減衰力を発生する。第１電動機５は第１の回転子２２に接続されるので、発生した減衰力は第１の回転子にも減衰力として作用する。このため、第１の回転子の減衰係数Ｃを大きくしたのと同じ効果が得られる。

　同期機２の第１の回転子２２は外部の負荷に接続されないので、負荷はかからない。したがって、第１電動機５は小型で充分である。

（作用効果）
　以上のように、本実施形態に係る可変速動力装置１は、同期機２の第１の回転子２２と極数が同数であり、第１の回転子２２と機械的に接続される回転子５１（第３の回転子）と、同期機２の電機子巻線２１２と電気的に並列に接続される電気線５２と、を有する第１電動機５をさらに備える。

　このようにすることで、第１角度推定部３２の精度が向上する。この結果、可変速動力装置１は、より急激な負荷変化に追従可能となり、脱調が回避できる範囲を広げることができる。つまり、さらに強固に脱調を抑制することができる。

＜第６の実施形態＞
　次に、本開示の第６の実施形態に係る可変速動力装置１について説明する。本実施形態では、出力軸は第２の回転子に接続される。
　上述の実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。

（可変速動力装置の機能構成）
　図９は、本開示の第６の実施形態に係る可変速動力装置の機能構成を示す図である。
　図９に示すように、本実施形態に係る可変速動力装置１は、第２の実施形態に係る構成に加えて、減速機６をさらに備えている。

　減速機６は、同期機２の第１の回転子２２と第２の回転子２３とを接続する継手６３を有している。継手６３は、弾性継手または粘性継手である。また、減速機６は、第１ギア６１及び第２ギア６２を有している。第１ギア６１は、同期機２の出力軸２４と連結される。したがって、第１ギア６１は、第２の回転子２３と同じ速度で回転する。第２ギア６２は、第１ギア６１から伝達された同期機２の第２の回転子２３の動力を、継手６３にさらに伝達する。継手６３は、第１の回転子２２と軸６４を介して連結される。これにより、第１の回転子２２の角度は、第２の回転子２３の角度に追従するようになる。減速機６の速度比を第１の回転子と第２の回転子の速度比と等しくすれば、定常的には減速機は無負荷で運転される。そして、両者に過渡的に速度差が生じたときに限り、粘弾性継手の働きによって、速度差に応じた減衰力が発生する。これは、第１の回転子２２の減衰係数Ｃが大きくなったのと同じ効果を与える。これにより、第１の回転子２２が第２の回転子２３に対して振動することを抑制することができる。これにより、第１角度推定部３２において、第１の回転子２２の角度を推定する精度を向上させることができる。

　なお、図９には、減速機６の各構成（第１ギア６１、第２ギア６２、継手６３、及び、継手６３と第１の回転子２２とを連結する軸６４）を同期機２の外部に配置する例が示されているが、これに限られることはない。他の実施形態では、減速機６は、例えば遊星歯車などにより構成され、同期機２の内部に配置される構成であってもよい。

（作用効果）
　以上のように、本実施形態に係る可変速動力装置１は、同期機に接続される減速機６をさらに備える。減速機６は、同期機２の第１の回転子２２及び前記第２の回転子を接続する継手６３を有する。

　このようにすることで、可変速動力装置１は、同期機２の第１の回転子２２が第２の回転子２３に対して不規則に振動することを抑制することができる。これにより、第１角度推定部３２において、第１の回転子２２の角度を推定する精度を向上させることができる。

＜第７の実施形態＞
　次に、本開示の第７の実施形態に係る可変速動力装置１について説明する。本実施形態では、出力軸は第２の回転子に接続される。
　上述の実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。

（可変速動力装置の機能構成）
　図１０は、本開示の第７の実施形態に係る可変速動力装置の機能構成を示す図である。
　図１０に示すように、本実施形態に係る可変速動力装置１は、第２の実施形態に係る構成に加えて、第２電動機７と、第２電力変換器８とをさらに備えている。

　第２電動機７は、回転子７１（第４の回転子）を有している。回転子７１は、同期機２の第１の回転子２２と機械的に接続される。第５の実施形態の第１電動機５と同様に、第２電動機７は、たとえば小型の誘導電動機、または小型の同期電動機である。

　第２電力変換器８は、第２電動機７を駆動する電力の周波数を調整することにより、同期機２の第１の回転子の回転数に第２の回転子２３の回転数が一致するよう第２電動機７に電力を供給する。さらに、第２電力変換器８は、同期機２を助勢するよう第２電動機７に電力を供給しても良い。

（第２電動機及び第２電力変換器の動作）
　図１０に示すように、同期機２の第１の回転子２２には、第２電動機７が接続されている。第２電動機７は、第２電力変換器８により電力が供給される。第２電力変換器８は、同期機２の第２の回転子２３の角度の時間微分値から得る第２の回転子２３の回転数［ｒｐｓ］にｐ_１ｎ_１２／２を乗じて、第２の回転子２３の回転数が第１の回転子２２の同期回転数となるよう第２電力変換器８の目標周波数を生成する。第２電力変換器８は、第１の回転子２２の回転数が、同期回転数に一致するように第２電動機７を駆動する電力の周波数や位相を調整する。さらに、第２電力変換器８は、同期機２を助勢するよう第２電動機７に電力を駆動する電力の電圧を追加的に進相させても良い。

（作用効果）
　以上のように、本実施形態に係る可変速動力装置１は、同期機２の第１の回転子２２と機械的に接続される第２電動機７と、同期機２の第２の回転子２３の速度に一致するように、第２電動機７を駆動する電力の周波数を調整する第２電力変換器８とをさらに備える。第２電力変換器８が第２電動機７に供給する電力は、第２電動機７および第１の回転子２２が第２の回転子２３に対して相対運動する場合には減衰力として作用し、この相対運動が制限される。さらに、第２電力変換器８と第２電動機７によって同期機２を助勢すると負荷の駆動能力が向上する。

　このようにすることで、可変速動力装置１は、同期機２の第１の回転子２２が第２の回転子２３に対して不規則に振動することを抑制することができる。これにより、第１角度推定部３２において、第１の回転子２２の角度を推定する精度を向上させることができる。この結果、可変速動力装置１は、より急激な負荷変化に追従可能となり、脱調が回避できる範囲を広げることができる。つまり、さらに強固に脱調を抑制することができる。

＜第８の実施形態＞
　次に、本開示の第８の実施形態に係る可変速動力装置１について説明する。
　上述の実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。

（可変速動力装置の機能構成）
　図１１は、本開示の第８の実施形態に係る可変速動力装置の機能構成を示す図である。
　図１１に示すように、本実施形態に係る可変速動力装置１は、鎖交磁束推定部３１０を有さない。鎖交磁束推定部３１０は、第１の回転子２２と第２の回転子２３とによる誘起電圧の電気角に基づいて、電力変換器４でベクトル制御を実施した。本実施形態では、電力変換器４において、ベクトル制御に変えてＶ／ｆ制御を用いることにより、誘起電圧の電気角の推定を不要とする。同期機の回転速度は駆動電力の周波数の同期速度に時間的に遅れをもって追従し、最終的に同期速度で整定することが知られている。本願の磁気ギアードモータも同期機に属すのでこの性質を有している。

　したがって、駆動電力の周波数の変更が時間的に急でないならば、磁気ギアードモータの回転は駆動電力の周波数から決まる同期速度に遅れながらも追従するので、速度調節は駆動電力の周波数により比較的簡単に達成できる。しかし、駆動電力の周波数を時間的に急に変更すると、回転の追従遅れが過大となり、脱調し、同期機本来の機能が失われる。

　磁気ギアードモータは、第１の回転子と第２の回転子を有するので、脱調の可能性はそれぞれにある。脱調は、駆動電力の電圧の電気角と回転子の電気角のオフセットが±９０°を超えると発生する。そこで、それぞれの回転子の前記オフセットを比較し、オフセットが大きい側の回転子のオフセットが±９０°を超えないように駆動電力の電圧を調節して脱調を回避する。第１角度センサ１３により第１の回転子２２の角度を計測する。誘起電圧角度推定部３１は、第１角度センサ１３により計測した値を、第１の回転子の極数ｐ_１の１／２で除して第１の回転子の電気角を得る。同様に、誘起電圧角度推定部３１は、第２角度センサ１４により計測した値を第２の回転子の極数ｐ_２で除して第２の回転子の電気角を得る。

　図１２を用いて詳細に説明する。電力変換器４は、第１の回転子２２の誘起電圧の電気角と第２の回転子２３の誘起電圧の電気角を入力し、それぞれ、電圧の電気角に対するオフセット１とオフセット２とを算出する。オフセット１とオフセット２を比較し、絶対値が大きい方の値を最終オフセットと定め、最終オフセットに基づいて同期機２を駆動する電力の電圧の電気角θ_Ｖを調節し、同期機２の脱調を回避する。この調節は、例えば、図１２に示すように、電力変換器４の内部の演算機能部４１の負荷調整器４１１において、最終オフセットが予め定めた許容範囲（例えば［－３０°，＋３０°］の範囲）内であれば、周波数指令の調整値はゼロである。最終オフセットが許容範囲を超えるときには、最終オフセットの絶対値が小さくなるように、最終オフセットに比例した値を調整値として周波数指令に加算するなどして調整する。

　電力の電圧の指令は、例えば、電力の周波数指令に基づいて予め設定した設定関数から定める。

（作用効果）
　以上のように、本実施形態に係る可変速動力装置１において、電力変換器４は、第１の回転子２２の電気角および第２の回転子２３の電気角のうち、電圧の電気角とのオフセットの絶対値が大きい方に基づいてＶ／ｆ制御を行い、同期機２を駆動する電力の周波数を調整する。

　本実施形態に係る可変速動力装置１は、例えば第１の実施形態に記載のベクトル制御を行うものと異なり、第１の回転子と第２の回転子とによる合成磁束の角度の推定が不要となるので、鎖交磁束推定部３１０の処理を省略することができる。緩やかな応答が求められる用途においては、本実施形態に係る可変速動力装置１を採用することにより、より簡易な処理で脱調を抑制することが可能となる。本実施形態の特徴は、第１の回転子２２と第２の回転子２３のうちで、脱調に近い側の回転子の誘起電圧の電気角に基づき駆動電力の特に周波数を調節する処である。なお、他の実施形態では、第１の回転子２２の誘起電圧の電気角を基準とするベクトル制御器と第２の回転子２３の誘起電圧の電気角を基準とするベクトル制御器とを有し、脱調に近い側の回転子のベクトル制御器を用いてベクトル制御を行う構成であっても良い。

＜第９の実施形態＞
　次に、本開示の第９の実施形態に係る可変速動力装置１について説明する。
　上述の実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。

　図１３は、本開示の第９の実施形態に係る可変速動力装置の機能構成を示す図である。
　図１３に示すように、本実施形態に係る制御装置３は、誘起電圧ベクトル推定部３１２を有している。

　誘起電圧ベクトル推定部３１２は、同期機２を駆動する電力線１１の電圧及び電流に基づいて、誘起電圧ベクトルの角度を推定して誘導電圧の電気角を出力する。算出した誘起電圧の電気角は、電力変換器４に出力される。

　図１４は、第９の実施形態に係る電力変換器の機能構成を示す図である。
　図１４に示すように、本実施形態に係る電力変換器４は、演算機能部４１に、ベクトル制御器に加え負荷調整器４１１を有する。負荷調整器４１１の具体的な構成は、第８の実施形態と同様である。

　演算機能部４１は、負荷調整器４１１において、電圧の電気角θ_Ｖと、負荷軸（本実施形態においては、第２の回転子２３）に設けられた第２角度センサ１４が測定した角度（第２角度）のオフセットに基づいて電力の周波数を調整し、負荷軸の脱調を防ぐ。

（制御装置の動作）
　次に、本実施形態に係る制御装置３の動作について詳細に説明する。誘起電圧ベクトル推定部３１２は、電機子に発生する誘起電圧ベクトルを、電圧ベクトル及び電流ベクトルと、電機子のインピーダンスとから推定する。電流ベクトルと電圧ベクトルは、第２の回転子の電気角θ_ｅから、それぞれ式（１２）、式（１３）で算出する。

　ここで、ｉは同期機２に供給する交流の相電流、ｖは同期機２に供給する交流の相電圧、である。記号の「・」は複素数を示している。ｊは虚数単位である。

　同期機２は一般的に三相交流で駆動される。三相間に違いがあるときには、電圧ベクトルと電流ベクトルとはそれぞれ式（１４）、式（１５）で計算する。三相はＵ相、Ｖ相、Ｗ相であり、Ｖ相の電気角とＷ相の電気角は、同じ時刻のＵ相の電気角から、それぞれ１２０°（２π／３）と２４０°（４π／３）を差し引いたものである。このような相間の違いを考慮するものも本実施形態の範囲に含まれる。

　または、簡単に瞬時値から次式（１６）、（１７）で計算してもよい。

　電機子のインピーダンスをＺ＾・（Ｚの上部に「・」を付したもの。以下、同様。）で表すことにすると、誘起電圧ベクトルＥ＾・は、電圧ベクトルＶ＾・と電流ベクトルＩ＾・から以下の式（１８）で計算できる。

　ここで、インピーダンスは抵抗ＲとインダクタンスＬから次式（１９）で計算する。ＲとＬの値は予め定める。ω_ｅは、例えば、調整後の周波数指令の角周波数である。この他に、ω_ｅとして、第１の回転子２２の電気角周波数、第２の回転子２３の電気角周波数、誘起電圧の電気角周波数を用いても良い。

　図１５は、本開示の第８の実施形態に係る誘起電圧ベクトルの一例を示す図であり、負荷運転状態を表している。
　図１５は、第１の回転子２２の影響により誘起電圧ベクトルの角度が、第２の回転子２３の電気角に対してオフセットする様子を表している。図１５は、第１の回転子２２の誘起電圧ベクトルＥ_１＾・と第２の回転子２３の誘起電圧ベクトルＥ_２＾・の和である誘起電圧ベクトルＥ＾・の電気角が実軸となるよう描いている、δは電圧ベクトルＶ＾・と誘起電圧ベクトルＥ＾・の成す角度であり、負荷角と呼ばれる値である。εは誘起電圧Ｅ＾・と第２の回転子２３の誘起電圧の成す角度である。

　負荷運転状態において、磁気ギアードモータの誘起電圧Ｅ＾・の角度は、一般に、第１の回転子の角度だけから決まるものでも、第２の回転子の角度だけから決まるものでもない。ベクトル制御を行うには、誘起電圧の角度が必要であり、本願の第１の実施形態では、第１の回転子の角度を計測し、第２の回転子の角度を計測し、誘起電圧Ｅ＾・の電気角を推定した。第１の実施形態では、回転子の角度の計測が必要であった。これに対し、本実施形態は、電圧ベクトルＶ＾・と電流ベクトルＩ＾・の計測値から、式（１８）に基づき誘起電圧Ｅ＾・の電気角を求める。本実施例では、角度センサが不要となることが特徴である。

　第８の実施形態で述べたように、電圧ベクトルＶ＾・に対する負荷軸、例えば第２の回転子、のオフセットδ＋εが±９０°（±π／２）の範囲を超えると負荷軸は脱調する。ベクトル制御は、磁気ギアードモータに供給する電力を調節するものであり、第１の回転子または第２の回転子への配分を動的には調節することができない。そこで、電力変換器４は、図１４のように、第８の実施形態で述べた負荷調整器４１１を加えて、負荷軸のオフセットδ＋εが例えば±４５°などの予め定めた許容範囲となるよう、周波数指令を調節する。

　負荷調整器４１１は、周波数指令を入力し、調整後の周波数指令を出力する。速度制御器は、負荷軸の電気角周波数が調整後の周波数指令に一致するよう、例えば比例積分制御によりトルク指令を出力する。ここで言うトルク指令とは、誘起電圧の角周波数で回転する仮想的な回転軸のトルクである。ベクトル制御器は、誘起電圧の電気角に基づき周波数指令と電圧指令を調節して、磁気ギアードモータを迅速に整定させる。整定状態では、電力変換器４が供給した電力は損失分を除いて全て負荷軸で消費される。

（作用効果）
　以上のように、本実施形態に係る可変速動力装置１において、誘起電圧ベクトル推定部３１２は、同期機２を駆動する電圧及び電流と、に基づいて、誘起電圧ベクトルを推定し、誘起電圧の電気角を出力する。

　これにより、回転子の角度計がなくても、可変速動力装置１においてベクトル制御を実施することできる。

＜第１０の実施形態＞
　次に、本開示の第１０の実施形態に係る可変速動力装置１について説明する。
　上述の実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。

　図１６は、本開示の第１０の実施形態に係る可変速動力装置の機能構成を示す図である。
　図１６に示すように、本実施形態に係る誘起電圧ベクトル推定部３１２は、同期機２を駆動する電力の電圧、電流及び電圧の電気角周波数に基づいて、負荷角δを推定する。本実施形態では、第２の回転子２３の第２角度センサ１４は不要である。

（制御装置及び電力変換器の動作）
　第９の実施形態では、第２の回転子２３の角度を測るための第２角度センサ１４が必要であり、センサや配線のコストがかかった。一方、本実施形態は、角度を測るセンサや配線のコストを不要とする。具体的に、本実施形態では、電圧ベクトルを基準にして、電流ベクトルと誘起電圧ベクトルを計算する。

　図１７は、本開示の第１０の実施形態に係る電力変換器の動作の例を説明するための図である。
　電圧は電力変換器４の内部にある電圧の電気角指令に一致するように電力変換器４が出力する。よって、電圧の電気角は電圧の電気角指令θ_Ｖをそのまま用いる。電圧の振幅は電力変換器４の内部にある指令値｜Ｖ｜に従うとして、実軸をθ_ｖにとると、電圧ベクトルは次式（２１）で表される。

　電圧ベクトルの電気角θ_Ｖを基準にすると、電流ベクトルは次式（２２）のように表される。

　図１８は、本開示の第１０の実施形態に係る負荷角の一例を示す図である。
　誘起電圧ベクトルＥ＾・は、第８の実施形態と同様に、電圧ベクトルＶ＾・と電流ベクトルＩ＾・から、上記した式（１８）で計算できる。式（１９）におけるインピーダンスの計算には電圧Ｖの電気角周波数ω_ｅを用いる。本実施形態では、電圧ベクトルを基準に表しているので、図１８に示すように、誘起電圧ベクトルの電気角は負荷角δである。したがって、図１７に示すように、電力変換器４は、演算機能部４１において負荷角δを計算するのではなく、制御装置３から入力された誘起電圧ベクトルの電気角（負荷角δ）を使って周波数指令値の修正値を算出する。

（作用効果）
　以上のように、本実施形態に係る可変速動力装置１において、誘起電圧ベクトル推定部３１２は、同期機２を駆動する電力の電圧、電流及び電圧の電気角周波数に基づいて、負荷角δを推定する。

　このようにすることで、可変速動力装置１は、第１の回転子２２の第１角度の測定を不要とすることができる。これにより、第１角度センサ１３や配線のコストを削減することができる。

＜第１１の実施形態＞
　次に、本開示の第１１の実施形態に係る可変速動力装置１について説明する。
　上述の実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。

　図１９は、本開示の第１１の実施形態に係る可変速動力装置の機能構成を示す図である。
　図１９に示すように、本実施形態に係る制御装置３は、インピーダンス変更部３３をさらに有している。なお、図１９には、第１０の実施形態の構成（図１６）にインピーダンス変更部３３を加えた態様が例示されているが、これに限られることはない。他の実施形態では、第９の実施形態の構成（図１３）にインピーダンス変更部３３を加えた態様であってもよい。

　インピーダンス変更部３３は、同期機２の有効電力と、無効電力と、電圧の電気角周波数ω_ｅとに基づいて、電機子のインピーダンスの値を変更する。電気角周波数は電圧に限らない。例えば、電流、第１の回転子、第２の回転子の電気角周波数は、整定状態では電圧の電気角周波数に一致する。電圧の電気角周波数は、これらの電気角周波数で代用しても良い。

　また、本実施形態に係る誘起電圧ベクトル推定部３１２は、同期機２を駆動する電流と、電圧の電気角と、変更されたインピーダンスの値とに基づいて、誘起電圧ベクトルを推定する。

（制御装置の動作）
　誘起電圧ベクトルの推定には電機子のインピーダンスを用いる。このインピーダンスは、一定値ではなく、第１の回転子２２と第２の回転子２３の運動や、磁気飽和により同期機２内部の磁気回路の磁束の通り易さ（パーミアンス）により変動する。本実施形態では、同期機２の有効電力、無効電力、及び回転数に応じて、インピーダンスの値を変更する。

　インピーダンスの初期値は、事前の試験などで設定する。電圧Ｖの電気角周波数は、第２の回転子の電気角周波数で代用してもよい。

　有効電力Ｐとは、負荷を駆動する動力となる電力であり、電圧ベクトルＶ＾・と電流ベクトルＩ＾・から次式（２３）で計算する。

　ここに、記号＊は共役な複素数を、Ｒｅは複素数の実数部を表す。

　そして、無効電力Ｑとは、負荷の駆動ではなく主に磁気エネルギーとして保存される電力であり次式（２４）で計算する。

　式（２４）において、Ｉｍは複素数の虚数部を表す。

（作用効果）
　以上のように、本実施形態に係る可変速動力装置１は、同期機２の有効電力と、無効電力と、電圧の電気角周波数とに基づいてインピーダンスの値を変更するインピーダンス変更部３３をさらに有している。また、誘起電圧ベクトル推定部３１２は、同期機２を駆動する電流と、電圧の電気角と、変更したインピーダンスの値とに基づいて誘起電圧ベクトルを推定する。

　このようにすることで、可変速動力装置１は、インピーダンスの変化を誘起電圧ベクトルの計算に反映することができるので、より精度よく誘起電圧ベクトルを推定することができる。

＜第１２の実施形態＞
　次に、本開示の第１２の実施形態に係る可変速動力装置１について説明する。
　上述の実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。

　図２０は、本開示の第１２の実施形態に係る可変速動力装置の機能構成を示す図である。
　本実施形態に係る制御装置３は、第９の実施形態に係る制御装置３を改良したものである。具体的には、図２０に示すように、本実施形態に係る制御装置３は、誘起電圧ベクトル推定部３１２に加えて、位相補償部３１４をさらに有している。

　位相補償部３１４（位相補償器）は、第２の回転子２３の電気角に基づいて、第１の回転子２２の慣性を位相補償する位相補償信号を生成する。

　また、本実施形態に係る誘起電圧ベクトル推定部３１２は、同期機２を駆動する電力の電圧、電流及び電圧の電気角周波数に基づいて、誘起電圧の電気角に加えて第１の回転子２２の電気角θ_ｅ１を推定する。

（制御装置の動作）
　磁気ギアードモータは、第１の回転子２２と第２の回転子２３を有する。二つの回転子に対し、電機子は共通である。このため、例えば第２の回転子２３に電機子から動力を与えようとしても、その一部は第１の回転子２２の運動を励起し、第１の回転子２２は振動する。本実施形態は、第１の回転子２２に減衰力を与えて、第１の回転子２２の振動を抑制することが狙いである。

　第１の回転子２２の誘起電圧ベクトルＥ_１＾・は、整定状態では電圧ベクトルＶ＾・に一致する。しかし、過渡状態では第１の回転子２２もそれ自身の慣性を加速または減速するために動力を使うので、両者は一致しない。そこで、式（２５）から第１の回転子２２の誘起電圧ベクトルＥ_１＾・を推定する。

　第２の回転子２３の誘起電圧ベクトルＥ_２＾・は、大きさＡ_Ｅ２を事前に試験して取得してあるものとする。電圧ベクトルの角度θ_Ｖ、電流ベクトルの角度θ_Ｉ、第２の回転子２３の電気角θ_ｅ２の計測値を用いると、第１の回転子２２の誘起電圧ベクトルは、式（２６）で表すことができる。

　従って、誘起電圧ベクトルの角度、すなわち、第１の回転子２２の電気角θ_ｅ１が式（２７）により得られる。

　位相補償部３１４は、第１の回転子２２の電気角θ_ｅ１に基づき、補償トルクを演算し、出力する。補償トルクＴ_Ｄは、例えば、式（２８）のように、第１の回転子２２の速度に比例して発生させる。ｋＤ、τＤは調整定数である。ｓはラプラス演算子である。

（電力変換器の動作）
　図２１は、本開示の第１２の実施形態に係る電力変換器の機能構成を示す図である。
　図２１に示すように、電力変換器４は補償トルクを入力し、演算機能部４１において、速度制御器が出力するトルク指令からトルク補償信号を差し引いて、補償後のトルク指令を演算する。ベクトル制御器は補償後のトルク指令に従って、電力の周波数と電圧を調節する。

（作用効果）
　以上のように、本実施形態に係る可変速動力装置１において、誘起電圧角度推定部３１は、同期機２を駆動する電力の電圧、電流及び電圧の電気角周波数に基づいて、誘起電圧の電気角に加えて第１の回転子２２の電気角θ_ｅ１を推定する。

　このようにすることで、可変速動力装置１は、同期機２の脱調を抑制しつつ、第１の回転子２２の振動等を減衰させることができる。

＜ハードウェア構成＞
　図２２は、本開示の少なくとも一の実施形態に係る可変速動力装置を構成する機器のハードウェア構成の一例を示す図である。
　以下、図２２を参照しながら、可変速動力装置１を構成する制御装置３、電力変換器４、及び第２電力変換器８のハードウェア構成の一例について説明する。

　図２２に示すように、コンピュータ１０００は、プロセッサ１００１、主記憶装置１００２、補助記憶装置１００３、インタフェース１００４を備える。

　上述の各実施形態に記載の制御装置３、電力変換器４、及び第２電力変換器８は、それぞれコンピュータ１０００に実装される。そして、上述した各処理部の動作は、プログラムの形式で補助記憶装置１００３に記憶されている。プロセッサ１００１は、プログラムを補助記憶装置１００３から読み出して主記憶装置１００２に展開し、当該プログラムに従って上記処理を実行する。また、プロセッサ１００１は、プログラムに従って、各種処理に用いる記憶領域を主記憶装置１００２に確保する。また、プロセッサ１００１は、プログラムに従って、処理中のデータを記憶する記憶領域を補助記憶装置１００３に確保する。

　プログラムは、コンピュータ１０００に発揮させる機能の一部を実現するためのものであってもよい。例えば、プログラムは、補助記憶装置１００３に既に記憶されている他のプログラムとの組み合わせ、または他の装置に実装された他のプログラムとの組み合わせによって機能を発揮させるものであってもよい。なお、他の実施形態においては、コンピュータ１０００は、上記構成に加えて、または上記構成に代えてＰＬＤ（Programmable Logic Device）などのカスタムＬＳＩ（Large Scale Integrated Circuit）を備えてもよい。ＰＬＤの例としては、ＰＡＬ（Programmable Array Logic）、ＧＡＬ（Generic Array Logic）、ＣＰＬＤ（Complex Programmable Logic Device）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）が挙げられる。この場合、プロセッサ１００１によって実現される機能の一部または全部が当該集積回路によって実現されてよい。

　補助記憶装置１００３の例としては、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ（Compact Disc Read Only Memory）、ＤＶＤ－ＲＯＭ（Digital Versatile Disc Read Only Memory）、半導体メモリ等が挙げられる。補助記憶装置１００３は、コンピュータ１０００のバスに直接接続された内部メディアであってもよいし、インタフェース１００４または通信回線を介してコンピュータ１０００に接続される外部記憶装置１０１０であってもよい。また、このプログラムが通信回線によってコンピュータ１０００に配信される場合、配信を受けたコンピュータ１０００が当該プログラムを主記憶装置１００２に展開し、上記処理を実行してもよい。少なくとも１つの実施形態において、補助記憶装置１００３及び外部記憶装置１０１０は、一時的でない有形の記憶媒体である。

　以上のとおり、本発明に係るいくつかの実施形態を説明したが、これら全ての実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態及びその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

＜付記＞
　上述の実施形態に記載の可変速動力装置及び制御方法は、例えば以下のように把握される。

（１）本開示の第１の態様によれば、可変速動力装置（１）は、電機子巻線（２１２）が設けられて電機子を形成する固定子（２１）と、磁極（２２２）を有する第１の回転子（２２）と、第１の回転子（２２）と固定子（２１）との間に設けられて負荷を駆動する第２の回転子（２３）と、を有する同期機（２）と、第１の回転子（２２）の第１角度と、第２の回転子（２３）の第２角度とに基づいて、電機子に発生する誘起電圧の電気角を推定する誘起電圧角度推定部（３１）と、推定された誘起電圧の電気角に基づいて、同期機（２）を駆動する電力の周波数を調整する電力変換器（４）と、を備える。

（２）本開示の第２の態様によれば、第１の態様に係る可変速動力装置（１）において、誘起電圧角度推定部（３１）は、第１角度及び第２角度に基づいて、電機子巻線（２１２）に鎖交する鎖交磁束の角度を推定する鎖交磁束推定部（３１０）と、鎖交磁束の角度に基づいて、誘起電圧の電気角を推定する算出部（３１１）と、を有する。

（３）本開示の第３の態様によれば、第２の態様に係る可変速動力装置（１）において、鎖交磁束推定部（３１０）は、第１の回転子（２２）に設けられた第１角度センサ（１３）が測定した第１角度と、第２の回転子（２３）に設けられた第２角度センサ（１４）が測定した第２角度とに基づいて鎖交磁束の角度を推定する。

（４）本開示の第４の態様によれば、第２の態様に係る可変速動力装置（１）は、第２の回転子（２３）に設けられた第２角度センサ（１４）が測定した第２角度と、同期機（２）を駆動する電圧の電気角とに基づいて第１角度を推定する第１角度推定部（３２）をさらに備える。

（５）本開示の第５の態様によれば、第４の態様に係る可変速動力装置（１）において、第１の回転子（２２）は、回転軸の周囲に形成された肉抜き部（２２３）を有する。

（６）本開示の第６の態様によれば、第５の態様に係る可変速動力装置（１）において、肉抜き部（２２３）の第１の回転子（２２）の径方向の長さは、第１の回転子（２２）の磁極（２２２）の中央に近付くほど長くなるように設定される。

（７）本開示の第７の態様によれば、第５または第６の態様に係る可変速動力装置（１）において、第１の回転子（２２）は、磁極（２２２）の中央を含む子午面内を貫く磁束と鎖交するように巻回した制動巻線（２２４）をさらに有する。

（８）本開示の第８の態様によれば、第４の態様に係る可変速動力装置（１）は、同期機（２）の第１の回転子（２２）に機械的に接続される第３の回転子（５１）と、同期機（２）の電機子巻線（２１２）と電気的に並列に接続される電気線（５２）と、を有し、同期機（２）と同期速度が等しい、または、同期機（２）と極数が等しい第１電動機（５）をさらに備える。

（９）本開示の第９の態様によれば、第４の態様に係る可変速動力装置（１）は、同期機（２）に接続される減速機（６）をさらに備え、減速機（６）は、同期機（２）の第１の回転子（２２）と第２の回転子（２３）とを接続する継手（６３）を有する。

（１０）本開示の第１０の態様によれば、第４の態様に係る可変速動力装置（１）は、同期機（２）の第１の回転子（２２）に接続される第２電動機（７）と、同期機（２）の第２の回転子（２３）の第２角度に基づいて、第２電動機（７）を駆動する電力の周波数を調整する第２電力変換器（８）と、をさらに備える。

（１１）本開示の第１１の態様によれば、可変速動力装置（１）は、電機子巻線（２１２）が設けられて電機子を形成する固定子（２１）と、磁極（２２２）を有する第１の回転子（２２）と、第１の回転子（２２）と固定子（２１９との間に設けられる第２の回転子（２３）と、を有する同期機（２）と、第１の回転子（２２）の電気角および第２の回転子（２３）の電気角のうち、同期機（２）を駆動する電圧の電気角とのオフセットの絶対値が大きい方に基づいてＶ／ｆ制御を行い、同期機（２）を駆動する電力の周波数を調整する電力変換器（４）と、を備える。

（１２）本開示の第１２の態様によれば、電機子巻線（２１２）が設けられて電機子を形成する固定子（２１）と、磁極（２２２）を有する第１の回転子（２２）と、第１の回転子（２２）と固定子（２１）との間に設けられて負荷を駆動する第２の回転子（２３）と、を有する同期機（２）の制御方法は、第１の回転子（２２）の第１角度と、第２の回転子（２３）の第２角度とに基づいて、電機子に発生する誘起電圧の電気角を推定するステップと、推定された誘起電圧の電気角に基づいて、同期機（２）を駆動する電力の周波数を調整するステップと、を有する。

１　可変速動力装置
１１　電力線
１３　第１角度センサ
１４　第２角度センサ
２　同期機
２１　固定子
２１１　歯
２１２　電機子巻線
２１３　磁石
２２　第１の回転子
２２１　コア
２２２　磁極
２２３　肉抜き部
２２４　制動巻線
２３　第２の回転子
２３１　磁極
２３２　非磁性部
２４　出力軸
３　制御装置
３１　誘起電圧角度推定部
３１０　鎖交磁束推定部
３１１　算出部
３１２　誘起電圧ベクトル推定部
３１４　位相補償部
３１５　負荷角推定部
３２　第１角度推定部
３３　インピーダンス変更部
４　電力変換器
４１　演算機能部
５　第１電動機
５１　回転子（第３の回転子）
５２　電気線
６　減速機
６１　第１ギア
６２　第２ギア
６３　継手
６４　軸
７　第２電動機
７１　回転子（第４の回転子）
８　第２電力変換器
１０００　コンピュータ
１００１　プロセッサ
１００２　主記憶装置
１００３　補助記憶装置
１００４　インタフェース
１０１０　外部記憶装置

Claims

　電機子巻線が設けられて電機子を形成する固定子と、磁極を有する第１の回転子と、前記第１の回転子と前記固定子との間に設けられて負荷を駆動する第２の回転子と、を有する同期機と、
　前記第１の回転子の第１角度と、前記第２の回転子の第２角度とに基づいて、前記電機子に発生する誘起電圧の電気角を推定する誘起電圧角度推定部と、
　推定された前記誘起電圧の電気角に基づいて、前記同期機を駆動する電力の周波数を調整する電力変換器と、
　を備える可変速動力装置。
　前記誘起電圧角度推定部は、
　前記第１角度及び前記第２角度に基づいて、前記電機子巻線に鎖交する鎖交磁束の角度を推定する鎖交磁束推定部と、
　前記鎖交磁束の角度に基づいて、前記誘起電圧の電気角を算出する算出部と、
　を有する請求項１に記載の可変速動力装置。
　前記鎖交磁束推定部は、前記第１の回転子に設けられた第１角度センサが測定した前記第１角度と、前記第２の回転子に設けられた第２角度センサが測定した前記第２角度とに基づいて前記鎖交磁束の角度を推定する、
　請求項２に記載の可変速動力装置。
　前記第２の回転子に設けられた第２角度センサが測定した前記第２角度と、前記同期機を駆動する電圧の電気角とに基づいて前記第１角度を推定する第１角度推定部をさらに備える、
　請求項２に記載の可変速動力装置。
　前記第１の回転子は、回転軸の周囲に形成された肉抜き部を有する、
　請求項４に記載の可変速動力装置。
　前記肉抜き部の前記第１の回転子の径方向の長さは、前記第１の回転子の前記磁極の中央に近付くほど長くなるように設定される、
　請求項５に記載の可変速動力装置。
　前記第１の回転子は、前記磁極の中央を含む子午面内を貫く磁束と鎖交するように巻回した制動巻線をさらに有する、
　請求項５または６に記載の可変速動力装置。
　前記同期機の前記第１の回転子に機械的に接続される第３の回転子と、前記同期機の前記電機子巻線と電気的に並列に接続される電気線と、を有し、前記同期機と同期速度が等しい、または、前記同期機と極数が等しい第１電動機をさらに備える、
　請求項４に記載の可変速動力装置。
　前記同期機に接続される減速機をさらに備え、
　前記減速機は、前記同期機の前記第１の回転子と前記第２の回転子とを接続する継手を有する、
　請求項４に記載の可変速動力装置。
　前記同期機の前記第１の回転子に接続される第２電動機と、
　前記同期機の前記第２の回転子の前記第２角度に基づいて、前記第２電動機を駆動する電力の周波数を調整する第２電力変換器と、
　をさらに備える請求項４に記載の可変速動力装置。
　電機子巻線が設けられて電機子を形成する固定子と、磁極を有する第１の回転子と、前記第１の回転子と前記固定子との間に設けられる第２の回転子と、を有する同期機と、
　前記第１の回転子の電気角および前記第２の回転子の電気角のうち、前記同期機を駆動する電圧の電気角とのオフセットの絶対値が大きい方に基づいてＶ／ｆ制御を行い、前記同期機を駆動する電力の周波数を調整する電力変換器と、
　を備える可変速動力装置。
　電機子巻線が設けられて電機子を形成する固定子と、磁極を有する第１の回転子と、前記第１の回転子と前記固定子との間に設けられて負荷を駆動する第２の回転子と、を有する同期機の制御方法であって、
　前記第１の回転子の第１角度と、前記第２の回転子の第２角度とに基づいて、前記電機子に発生する誘起電圧の電気角を推定するステップと、
　推定された前記誘起電圧の電気角に基づいて、前記同期機を駆動する電力の周波数を調整するステップと、
　を有する制御方法。