JP2021035307A - Control device for motor - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、通電される電流値に応じた電磁力によってロータ軸を支持することができるモータの制御装置に関するものである。 The present invention relates to a motor control device capable of supporting a rotor shaft by an electromagnetic force corresponding to an energized current value.
特許文献1には、モータと、そのモータの軸線方向における両側に配置された磁気ベアリングとを備えた電動コンプレッサーが記載されている。この磁気ベアリングは、モータの出力軸に連結されたロータと、そのロータの外周側に配置されるとともに巻き線が巻き付けられたステータとにより構成されており、その巻き線に通電することにより電磁力を発生させてモータの出力軸を浮揚状態で支持するように構成されている。また、磁気ベアリングを貫通したモータの出力軸には、機械式のベアリングが取り付けられており、モータの始動あるいは停止動作中などに機械式のベアリングがモータの出力軸を支持するように構成されている。
特許文献1に記載された電動コンプレッサーは、モータの出力軸を支持する磁気ベアリングがモータの外部に設けられているため、装置が大型化する可能性がある。一方、装置を小型化するために、回転軸を支持する電磁力を発生させるコイルを、モータを構成するステータに設けるとすると、モータのトルクを発生させるための磁束と、回転軸を支持する電磁力を発生させるための磁束とがロータコアを通過することとなる。ロータコアを通過する磁束密度は、ロータコアの材料や大きさなどに応じたものとなるため、モータから高トルクを出力することが要求されている場合に回転軸を支持するための磁束を確保するためには、その磁束を発生させる電流を増大させ、または、ロータコアを大型化させることになる。
In the electric compressor described in
この発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであって、モータが大型化することを抑制しつつ、回転軸を支持することによるエネルギー損失の増大を抑制できるモータの制御装置を提供することを目的とするものである。 The present invention has been made by paying attention to the above technical problems, and provides a motor control device capable of suppressing an increase in energy loss due to supporting a rotating shaft while suppressing an increase in size of the motor. The purpose is to do.
上記の目的を達成するために、この発明は、回転軸に一体化されかつ磁石を有するロータと、前記ロータと同心円状に配置された環状のステータと、前記固定部材に嵌合しかつ前記回転軸が挿入された軸受と、前記ステータの円周方向に所定の間隔を空けて配置された複数のコイルとを備え、前記複数のコイルのうちの少なくともいずれか一つの駆動コイルに通電することにより前記ロータにトルクを発生させ、かつ前記駆動コイルまたは前記複数のコイルの他のいずれか一つの支持コイルに通電することにより前記回転軸を浮揚状態で支持するための電磁力を発生させることができるモータの制御装置において、前記駆動コイルおよび前記支持コイルに通電する電流を制御するコントローラを備え、前記コントローラは、前記モータに要求される要求トルクを求め、前記要求トルクが所定トルク未満の場合は、前記回転軸を支持するための電磁力に応じた電流を前記駆動コイルまたは前記支持コイルに通電し、前記要求トルクが前記所定トルク以上の場合は、前記要求トルクが前記所定トルク未満の場合よりも小さい前記電磁力となるように前記駆動コイルまたは前記支持コイルに通電し、または前記回転軸を支持するための電流を前記駆動コイルまたは前記支持コイルに通電しないように構成されていることを特徴とするものである。 In order to achieve the above object, the present invention includes a rotor integrated with a rotating shaft and having a magnet, an annular stator arranged concentrically with the rotor, and fitting the fixing member and rotating the rotor. By providing a bearing into which a shaft is inserted and a plurality of coils arranged at predetermined intervals in the circumferential direction of the stator, and energizing at least one drive coil of the plurality of coils. By generating torque in the rotor and energizing the drive coil or any other support coil of the plurality of coils, an electromagnetic force for supporting the rotating shaft in a floating state can be generated. The motor control device includes a controller that controls a current that energizes the drive coil and the support coil. The controller obtains the required torque required for the motor, and if the required torque is less than a predetermined torque, the required torque is obtained. When the drive coil or the support coil is energized with a current corresponding to an electromagnetic force for supporting the rotating shaft and the required torque is equal to or more than the predetermined torque, the required torque is smaller than the predetermined torque. The drive coil or the support coil is energized so as to have a small electromagnetic force, or the drive coil or the support coil is not energized with a current for supporting the rotating shaft. To do.
この発明によれば、回転軸を軸受によって支持することができ、かつ所定の駆動コイルまたは支持コイルに通電することによる電磁力によって支持することができる。モータから高トルクを出力するために駆動コイルに電流を通電すると、回転軸を支持する電磁力を発生させるための磁束密度が同一の磁場の強さに対して低下する。そのため、所定トルク以上のトルクが要求されている場合に、要求トルクが所定トルク未満の場合よりも小さい電磁力となるように駆動コイルまたは支持コイルに通電し、または回転軸を支持するための電流を駆動コイルまたは支持コイルに通電しないことにより、回転軸を支持するために通電する電流値を過剰に大きくする必要がない。そのため、回転軸を支持するために過剰な電流を通電することによる電気的な損失を低下させることができる。また、ロータを大型化すれば、比較的小さい磁束密度であっても、大きな電磁力などを発生させることができるものの、上記のように回転軸を支持するための電流を通電する領域を定めることにより、ロータが大型化することを抑制できる。 According to the present invention, the rotating shaft can be supported by a bearing, and can be supported by an electromagnetic force generated by energizing a predetermined drive coil or support coil. When a current is applied to the drive coil to output high torque from the motor, the magnetic flux density for generating the electromagnetic force that supports the rotating shaft decreases with respect to the strength of the same magnetic field. Therefore, when a torque of a predetermined torque or more is required, a current for energizing the drive coil or the support coil or supporting the rotating shaft so that the required torque becomes a smaller electromagnetic force than when the required torque is less than the predetermined torque. By not energizing the drive coil or the support coil, it is not necessary to excessively increase the current value to be energized in order to support the rotating shaft. Therefore, it is possible to reduce the electrical loss caused by energizing an excessive current to support the rotating shaft. Further, if the rotor is enlarged, a large electromagnetic force or the like can be generated even with a relatively small magnetic flux density, but as described above, a region for energizing a current for supporting the rotating shaft is defined. Therefore, it is possible to prevent the rotor from becoming large.
この発明の実施形態におけるモータの基本構成は、従来知られている永久磁石式の同期モータと同様に構成することができる。図1は、そのモータの一例を説明するための模式図である。図1に示すモータ1は、環状に形成されたステータ2と、そのステータ2の内周側に配置されかつ回転軸3と一体化されたロータ4とにより構成されている。
The basic configuration of the motor in the embodiment of the present invention can be configured in the same manner as the conventionally known permanent magnet type synchronous motor. FIG. 1 is a schematic diagram for explaining an example of the motor. The
図2は、図1におけるII-II線に沿う断面図であり、図2に示すようにステータ2およびロータ4は、ケース5に収容されている。このケース5は、図示しない固定部に取り付けられたものであって、円筒部6と、その両端を閉じるように設けられた壁部7とにより構成されている。
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II-II in FIG. 1, and as shown in FIG. 2, the
そして、円筒部6の内面にステータ2の外周部が固定されて一体化されている。このステータ2は、磁性材料により構成されたものであって、図1および図2に示す例では、鋼板を軸線方向に積層して構成されている。このステータ2には、ロータ4側に突出した複数のステータティース8が円周方向に所定の間隔を空けて形成されている。
Then, the outer peripheral portion of the
そして、ステータ2の円周方向における隣り合うステータティース8との間の窪んだ位置であるスロットを通って、銅線などの巻き線(以下、駆動コイルと記す)9が、積層されたそれぞれのステータティース8毎に、それらのステータティース8を巻き付けるように設けられている。なお、図1では、モータ1が動力を出力している場合に通電する電流の向きに応じて異なるシンボルで駆動コイル9を示してある。
Then, a winding wire (hereinafter referred to as a drive coil) 9 such as a copper wire is laminated through a slot which is a recessed position between the
上記のステータティース8の先端との間に所定の間隔を空けてロータ4が設けられている。このロータ4は、磁性材料によって構成された円筒状の部材であって、永久磁石10がその円筒部に埋め込められ、または円筒部の外表面に貼り付けられている。図1に示す例では、環状に形成された鋼板を軸線方向に積層し、その積層鋼板の外周部分に、軸線方向に貫通した貫通孔を円周方向に所定の間隔を空けて形成し、その貫通孔に永久磁石10が挿入されて埋め込められている。
The
このロータ4と一体回転するように、ロータ4に回転軸3が挿入されており、その回転軸3の両端がケース5の壁部7に回転自在に保持されている。具体的には、壁部7には、貫通孔が形成されており、その貫通孔にボールベアリングなどのラジアル荷重を受ける機械式のベアリング11が嵌合し、そのインナーレースに回転軸3が嵌合している。なお、軸受は、アウターレースとインナーレースとを備えたベアリングに限らず、ブッシュなどであってもよい。
A rotating
上記のモータ1は、図示しないコントローラによって駆動コイル9および後述する支持コイル12に通電する電流を制御するように構成されている。そのコントローラは、モータ1に要求されるトルクを求め、その求められたトルクに応じて所定の駆動コイル9に通電することにより、その電流に応じた磁場を形成して要求されるトルクに応じたトルクを発生させるように構成されている。その磁場の強さは、駆動コイル9に通電する電流に応じて変化し、磁場の強さが大きくなるほど、ステータティース8を流れる磁束密度が大きくなる。すなわち、ステータティース8に形成される磁極が強くなる。したがって、永久磁石10の磁束が通る位置よりもロータ4の回転方向における先行側の駆動コイル9に、その永久磁石10の磁極とは反対の磁極が発生するように通電することで、永久磁石10に吸引力を作用させて、その吸引力に応じたトルクを発生させることができる。すなわち、駆動コイル9に通電する電流を制御して、ステータティース8に形成される磁極の強さを制御することにより、永久磁石10の磁極との吸引力を制御でき、その結果、モータ1で発生させるトルクを制御することができる。
The
また、図1に示すモータ1は、上記の駆動コイル9とは独立して、回転軸3を浮揚状態として支持するための電磁力を発生させる複数の巻き線(以下、支持コイルと記す)12が、ステータ2のうちの環状に形成された部分に、ステータ2の円周方向に所定の間隔を空けて巻き付けられている。この支持コイル12は、通電される電流に応じた電磁力を発生するものであって、ロータ4および回転軸3の自重以上の荷重が鉛直方向における下側から上側に向けて回転軸3に作用するように構成されている。図1では、ロータ4および回転軸3の自重を支持するように支持コイル12に通電した場合の電流の向きに応じて支持コイル12のシンボルを変更して示してある。なお、上記のモータ1を車両の駆動力源として備えている場合には、車両が振動するなどによって回転軸3に作用する上下方向および左右方向の荷重が変化するため、回転軸3の位置をセンサなどにより検出して、回転軸3が浮揚した状態を維持できるように、通電する支持コイル12を選択し、または通電する電流を制御するなどしてもよい。
Further, the
上述したように構成されたモータ1がトルクを出力している状態で、支持コイル12に通電することにより回転軸3を浮揚状態に支持した場合には、駆動コイル9に通電することにより発生する磁場と、支持コイル12に通電することにより発生する磁場とがモータ1の内部に形成される。それらの各磁場の強さは、通電される電流値に応じて大きくなる。
When the
一方、モータ1に要求されるトルクが大きくなることにより、駆動コイル9に通電する電流値が増加して、それに伴って磁束密度Bが大きくなるため、回転軸3を支持する電磁力を発生させるための磁束密度Bを確保することができなくなる可能性がある。
On the other hand, as the torque required for the
図3には、モータ1の出力トルクと、所定の電流を支持コイルに通電した場合における回転軸を支持する荷重(支持力)Fとの関係を示している。図3に示すように所定のトルクT1未満のトルクを出力している場合には、支持力Fは、ロータ4および回転軸3の自重に相当する必要支持力以上となる。それに対して、所定のトルクT1以上のトルクを出力すると、支持力Fは、トルクTの増加に対して急激に低下するとともに、必要支持力未満となる。つまり、所定のトルクT1以上を出力する場合には、ロータ4および回転軸3を浮揚状態で支持できない可能性がある。
FIG. 3 shows the relationship between the output torque of the
そのため、この発明の実施形態におけるモータ1は、図4に示すように所定のトルクT1以上の高トルクが要求されている場合(領域Aの場合)には、支持コイル12への通電を停止し、または所定トルクT1未満のトルクが要求されている場合に回転軸3を支持するために発生させる電磁力よりも小さい電磁力となるように支持コイル12に電流を通電するように構成されている。言い換えると、所定のトルクT1以上の高トルクが要求されている場合には、回転軸3を支持するために要するラジアル荷重のうちの一部を、ベアリング11が受け持つように構成されている。
Therefore, as shown in FIG. 4, the
上述したように所定のトルクT1以上の領域で支持コイル12への通電を停止し、またはその電流を低下させることにより、支持コイル12に通電する電流値を過剰に大きくする必要がない。そのため、支持コイル12に過剰な電流を通電することによる電気的な損失を低下させることができる。また、ロータ4を大型化すれば、比較的小さい磁束密度Bであっても、大きな電磁力などを発生させることができるものの、上記のように支持コイル12に通電する領域を定めることにより、ロータ4が大型化することを抑制できる。またさらに、上記の所定のトルクT1は、通常走行時に要求されるトルク以上のトルクとなるものであるため、常用域では、ベアリング11によって回転軸3を支持する機会が少なく、その結果、支持コイル12に通電する領域を定めたとしても、動力損失が過剰に増大することを抑制できる。
As described above, it is not necessary to excessively increase the current value of energizing the
なお、この発明の実施形態におけるモータ1は、所定の駆動コイル9に支持用の電流を通電すれば、回転軸3を支持する電磁力を発生できるため、上記のように回転軸3を支持する電磁力を発生するための支持コイル12を駆動コイル9と独立して設けていなくてもよい。また、そのように駆動コイル9のみを設けたモータ1は、ロータ4の回転角に応じて支持用電流を通電する駆動コイル9と、トルクを発生させるために通電する駆動コイル9とが同一のコイルとなる可能性がある。そのような場合には、所定のトルクT1以上のトルクが要求された場合に、その駆動コイル9に駆動用も電流のみを通電すればよい。
The
また、上記のように回転軸3を浮揚させるのは、ベアリング11の摩擦損失を低減し、またベアリング11が摺動することによる異音の発生を抑制するなどのためであり、したがって、モータ1(または回転軸3)が極低回転で回転する領域は、上記の所定のトルクT1以下であったとしても、支持コイル12に通電しなくてもよい。
Further, the reason why the
1…モータ、 2…ステータ、 3…回転軸、 4…ロータ、 5…ケース、 6…円筒部、 7…壁部、 8…ステータティース、 9…駆動コイル、 10…永久磁石、 11…ベアリング、 12…支持コイル。 1 ... motor, 2 ... stator, 3 ... rotating shaft, 4 ... rotor, 5 ... case, 6 ... cylindrical part, 7 ... wall part, 8 ... stator teeth, 9 ... drive coil, 10 ... permanent magnet, 11 ... bearing, 12 ... Support coil.
Claims (1)
前記駆動コイルおよび前記支持コイルに通電する電流を制御するコントローラを備え、
前記コントローラは、
前記モータに要求される要求トルクを求め、
前記要求トルクが所定トルク未満の場合は、前記回転軸を支持するための電磁力に応じた電流を前記駆動コイルまたは前記支持コイルに通電し、前記要求トルクが前記所定トルク以上の場合は、前記要求トルクが前記所定トルク未満の場合よりも小さい前記電磁力となるように前記駆動コイルまたは前記支持コイルに通電し、または前記回転軸を支持するための電流を前記駆動コイルまたは前記支持コイルに通電しないように構成されている
ことを特徴とするモータの制御装置。 A rotor integrated with a rotating shaft and having a magnet, an annular stator arranged concentrically with the rotor, a bearing fitted to the fixing member and into which the rotating shaft is inserted, and the circumference of the stator. A plurality of coils arranged at predetermined intervals in the direction are provided, and torque is generated in the rotor by energizing at least one drive coil of the plurality of coils, and the drive coil or the drive coil or In a motor control device capable of generating an electromagnetic force for supporting the rotating shaft in a floating state by energizing any one of the other supporting coils of the plurality of coils.
A controller for controlling the current energizing the drive coil and the support coil is provided.
The controller
Obtain the required torque required for the motor,
When the required torque is less than the predetermined torque, a current corresponding to the electromagnetic force for supporting the rotating shaft is applied to the drive coil or the support coil, and when the required torque is equal to or more than the predetermined torque, the drive coil or the support coil is energized. The drive coil or the support coil is energized so that the required torque is smaller than the case where the required torque is less than the predetermined torque, or a current for supporting the rotating shaft is applied to the drive coil or the support coil. A motor control device characterized in that it is configured not to.
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