JP4239886B2 - 交流回転電機の磁気音制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、交流回転電機の磁気音制御方法に関する。
近年、電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車などが実用レベル又は開発レベルとなっている。これらの自動車では大出力の交流回転電機が走行動力発生用の主要要素となっているが、このような大出力交流回転電機ではその磁気音が大きいという問題があった。この磁気音の低減方法として、下記の特許文献1は、磁気加振力の変動情報に基づいてそれを補正するための電流波形を発生させて磁気音を低減することを提案している。
特開平11−341864号公報
しかしながら、上記した特許文献1の電流重畳による磁気音低減技術は、原理としては容易に首肯できるものの、それでは交流回転電機で優勢な特有周波数の磁気音の低減のために実際にどのような波形の電流を重畳すればよいかという点が不明であり、電流重畳によりかえって磁気音を増大してしまったり、あるいはほとんど磁気音低減効果を奏することができないという可能性も生じてしまう可能性も有していた。
すなわち、なんらかの電流を重畳すれば、この電流により生じる電磁力に関連する磁気音を変化させることができるであろうことまでは、当業者であれば容易に推考できることであるが、磁気音低減のために与えるべき電流波形特にその周波数について認識されていないために、磁気音を実際に精度良く低減することが困難であった。この問題は、運転状態が絶えず変化するたとえば走行トルク発生用の交流回転電機の磁気音低減において一層困難となる。
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、たとえば磁気音低減を有効に実現する交流回転電機の磁気音制御方法、ならびに磁気音を自在に制御可能な交流回転電機装置を提供することをその目的としている。
上記課題を解決する第1発明の交流回転電機の磁気音制御方法は、多相の交流回転電機の電機子に通電される多相交流電流の基本周波数成分の次数を1とする場合に、前記基本周波数成分に対して同じ相順をもつn1次(n1は自然数)の径方向振動制御用高調波電流と、前記基本周波数成分に対して逆の相順をもつn2次(n2は自然数)の径方向振動制御用高調波電流とを前記多相交流電流に加えることにより、前記交流回転電機が発生する又は外部から前記交流回転電機に入力される加振力により前記交流回転電機の回転軸の軸心を中心として放射状に発生する振動である径方向振動のうちの(n1+n2)次、(n1−1)次、(n2+1)次の高調波径方向振動成分を、前記径方向振動制御用高調波電流を加えない場合に比べて低減し、前記径方向振動制御用高調波電流は、下記の[数14]〜[数16]において実線で示された項を低減する振幅及び位相を有することを特徴としている。これにより、種々の大きさ、任意の出力状態の交流回転電機の磁気音を良好に低減することが初めて可能となった。
なお、同じ相順とは、径方向振動制御用高調波電流が形成する回転磁界の方向が等しい各相電流の通電順序を言い、逆の相順とは、径方向振動制御用高調波電流が形成する回転磁界の方向が反対である各相電流の通電順序を言うものとする。
径方向振動制御用高調波電流の位相や振幅として予め定めた値を採用してオープン制御を行ってもよく、あるいは検出した径方向振動制御用高調波電流の検出値と径方向振動制御用高調波電流の目標値との差分を0に収束させるフィードバック制御を行ってもよい。なお、上記予め定めた値は、予め記憶する基本波電流振幅や回転数と位相や振幅とのマップに基づいて運転状態に応じて変更することができる。
すなわちこの発明によれば電動動作または発電動作している交流回転電機のステータ電流に基本周波数成分と同じ相順をもつn1次(nは自然数)の径方向振動制御用高調波電流を重畳することにより、n1−1次の磁気音を増加または低減することができ、またステータ電流に基本周波数成分に対して逆の相順をもつn2次(nは自然数)の径方向振動制御用高調波電流を重畳することにより、n2+1次の磁気音を増加または低減することができる。さらにn1次とn2次の径方向振動制御用高調波電流を重畳することによりn1+n2次の磁気音を増加または低減することができる。これにより、きわめて静粛な交流回転電機を実現したり、所望の磁気音を有する交流回転電機を実現することができる。例えば、ハイブリッド車において、エンジンを停止して交流回転電機で走行する場合に、エンジンと同様の加速感を出すための回転音を発生させたりすることができる。また車両や交流回転電機の異常発生時や運転条件の変化時にこれに応じて磁気音を変更してドライバ−に情報を与えることができる。また運転者は好みに合わせて、磁気音のレベルや周波数を運転状態により予め設定することも可能となる。
以下、更に詳しく説明する。磁気音は、交流回転電機の鉄心の磁気力(磁気加振力)により形成される振動(磁気振動ともいう)に起因し、この磁気振動は周方向振動と径方向振動の合成振動となる。鉄心の周方向振動はトルクリップルを生じさせるが、ステータ鉄心又はロータ鉄心はほぼ円筒形状又は円柱形状を有しているため、これら鉄心が周方向に周期的に振動したとしても、この振動による鉄心に接する空気の振動すなわち騒音は小さい。これに対して、鉄心の径方向の振動はステータ鉄心又はロータ鉄心の外周面又は内周面の径方向振動を生じさせるが、これら外周面又は内周面は空気に接しているため、ステータ鉄心又はロータ鉄心の径方向振動により、これら外周面又は内周面が径方向に振動し、大きな騒音を生じさせる。つまり、磁気加振力の周方向成分を低減することによりトルク脈動が低減され、磁気加振力の径方向成分を低減することにより磁気音が低減される。
本発明では、通常はロータ起磁力及びステータ電流(基本周波数成分)により形成される磁気加振力の径方向成分(径方向磁気的加振力ともいう)の所定次数の高調波成分を目的の値に変更したり低減したりするために、この高調波成分とのベクトル和の振幅が目的の値となる(好適には小さくなる)位相、振幅をもつこの所定次数の磁気加振力を追加するべく、基本周波数成分と相順が同じであるn1次(n1は自然数)の径方向振動制御用高調波電流と、基本周波数成分に対して逆の相順をもつn2次(n2は自然数)の径方向振動制御用高調波電流とを前記多相交流電流に加える。これにより、(n1+n2)次、(n1−1)次、(n2+1)次の高調波径方向振動成分を発生させることができるため、これらの高調波径方向振動成分を変更することができる。
この方式では特に、逆の相順と同じ相順の径方向振動制御用高調波電流を用いるため、加えるべき径方向振動制御用高調波電流の次数を小さくして演算負担を減らしつつ、複数の高調波径方向振動成分を制御できるという優れた効果を奏することができる。なお、径方向振動制御用高調波電流の位相や振幅については、予め実験した好適値や後述する数式に基づいて計算した値を用いればよい。
好適な態様において、前記交流回転電機は、三相交流回転電機であり、前記基本周波数成分に対して相順が逆の前記径方向振動制御用高調波電流の次数は6k1−1次(k1は自然数)であり、前記基本周波数成分に対して相順が同じ前記径方向振動制御用高調波電流の次数は6k2+1次(k2は自然数)である。これにより、たとえば三相交流回転電機において優勢である6k次の高調波径方向振動成分と12k次の高調波径方向振動成分との両方を良好に低減することができる。
好適な態様において、相順が逆の前記径方向振動制御用高調波電流の次数は5次であり、相順が同じ前記径方向振動制御用高調波電流の次数は7次である。これにより6次の高調波径方向振動成分と12次の高調波径方向振動成分とを良好に低減することができる。
好適な態様において、相順が逆の前記径方向振動制御用高調波電流の次数は11次であり、相順が同じ前記径方向振動制御用高調波電流の次数は7次である。これにより6次の高調波径方向振動成分と12次の高調波径方向振動成分とを良好に低減することができる。
好適な態様において、相順が逆の前記径方向振動制御用高調波電流の次数は5次であり、相順が同じ前記径方向振動制御用高調波電流の次数は13次である。これにより6次の高調波径方向振動成分と12次の高調波径方向振動成分とを良好に低減することができる。
好適な態様において、相順が逆の前記径方向振動制御用高調波電流の次数は11次であり、相順が同じ前記径方向振動制御用高調波電流の次数は13次である。これにより12次の高調波径方向振動成分と24次の高調波径方向振動成分とを良好に低減することができる。
好適な態様において、相順が逆の前記径方向振動制御用高調波電流の次数は5次であり、相順が同じ前記径方向振動制御用高調波電流の次数は19次である。これにより6次の高調波径方向振動成分と24次の高調波径方向振動成分とを良好に低減することができる。
上記課題を解決する第2発明の交流回転電機の磁気音制御方法は、多相の交流回転電機の電機子に通電される多相交流電流の基本周波数成分の次数を1とする場合に、n1、n2、n3(n1、n2、n3は互いに異なる自然数)次数をもち、一つ又は二つは前記基本周波数成分に対して逆の相順をもつ径方向振動制御用高調波電流を前記多相交流電流に加えることにより、前記交流回転電機が発生する又は外部から前記交流回転電機に入力される加振力により前記交流回転電機の回転軸の軸心を中心として放射状に発生する振動である径方向振動のうち、前記各径方向振動制御用高調波電流間の次数差に相当する次数をもつ各高調波径方向振動成分と、前記各径方向振動制御用高調波電流の次数と1との間の次数差をもつ高調波径方向振動成分とを、前記径方向振動制御用高調波電流を加えない場合に比べて低減し、前記径方向振動制御用高調波電流は、下記の[数14]〜[数16]
において実線で示された項を低減する振幅及び位相を有することを特徴としている。これにより、種々の大きさ、任意の出力状態の交流回転電機の磁気音を良好に低減することが初めて可能となった。
なお、同じ相順とは、径方向振動制御用高調波電流が形成する回転磁界の方向が等しい各相電流の通電順序を言い、逆の相順とは、径方向振動制御用高調波電流が形成する回転磁界の方向が反対である各相電流の通電順序を言うものとする。
径方向振動制御用高調波電流の位相や振幅として予め定めた値を採用してオープン制御を行ってもよく、あるいは検出した径方向振動制御用高調波電流の検出値と径方向振動制御用高調波電流の目標値との差分を0に収束させるフィードバック制御を行ってもよい。なお、上記予め定めた値は、予め記憶する基本波電流振幅や回転数と位相や振幅とのマップに基づいて運転状態に応じて変更することができる。
以下、更に詳しく説明する。磁気音は、交流回転電機の鉄心の磁気力(磁気加振力)により形成される振動(磁気振動ともいう)に起因し、この磁気振動は周方向振動と径方向振動の合成振動となる。鉄心の周方向振動はトルクリップルを生じさせるが、ステータ鉄心又はロータ鉄心はほぼ円筒形状又は円柱形状を有しているため、これら鉄心が周方向に周期的に振動したとしても、この振動による鉄心に接する空気の振動すなわち騒音は小さい。これに対して、鉄心の径方向の振動はステータ鉄心又はロータ鉄心の外周面又は内周面の径方向振動を生じさせるが、これら外周面又は内周面は空気に接しているため、ステータ鉄心又はロータ鉄心の径方向振動により、これら外周面又は内周面が径方向に振動し、大きな騒音を生じさせる。つまり、磁気加振力の周方向成分を低減することによりトルク脈動が低減され、磁気加振力の径方向成分を低減することにより磁気音が低減される。
本発明では、通常はロータ起磁力及びステータ電流(基本周波数成分)により形成される磁気加振力の径方向成分(径方向磁気的加振力ともいう)の所定次数の高調波成分を目的の値に変更したり低減したりするために、この高調波成分とのベクトル和の振幅が目的の値となる(好適には小さくなる)位相、振幅をもつこの所定次数の磁気加振力を追加するべく、3つの次数の径方向振動制御用高調波電流を基本周波数成分に加える。3つの径方向振動制御用高調波電流のうち少なくとも一つは基本周波数成分と逆の相順をもち、少なくとも一つは基本周波数成分と同じ相順をもつ。このようにすると、三つの径方向振動制御用高調波電流と基本周波数成分とにより目的とする多数の高調波径方向振動成分を変更(好適には低減)することができる。
この方式では特に、逆の相順と同じ相順の径方向振動制御用高調波電流を用いるため、加えるべき径方向振動制御用高調波電流の次数を小さくして演算負担を減らしつつ、複数の高調波径方向振動成分を制御できるという優れた効果を奏することができる。なお、径方向振動制御用高調波電流の位相や振幅については、予め実験した好適値や後述する数式に基づいて計算した値を用いればよい。
好適な態様において、前記交流回転電機は、三相交流回転電機であり、前記基本周波数成分に対して相順が逆の前記径方向振動制御用高調波電流の次数は5次であり、前記基本周波数成分に対して相順が同じ2つの前記径方向振動制御用高調波電流の次数は11次と13次である。このようにすれば、6次、12次、18次、24次の高調波径方向振動成分を調整することができる。
好適な態様において、前記高調波径方向振動成分と前記径方向振動制御用高調波電流との関係を示す所定のマップ又は計算式に基づいて前記高調波径方向振動成分の目標値を得るために前記多相交流電流に加えるべき前記径方向振動制御用高調波電流の振幅及び位相を演算し、前記径方向振動制御用高調波電流の演算値を前記多相交流電流に加える。
すなわち、この態様では、予め装置に記憶させた高調波径方向振動成分と径方向振動制御用高調波電流との所定の関係(マップ又は計算式)を利用して、目的とする高調波径方向振動成分すなわち高調波径方向振動成分の目標値を発生させるための径方向振動制御用高調波電流を演算し、演算したこの径方向振動制御用高調波電流を通電することにより、この高調波径方向振動成分の目標値を発生させる。これにより、高調波径方向振動成分の目標値すなわち必要な高調波径方向振動成分を運転状況変化にもかかわらず任意に発生させることができる。
好適な態様において、前記電機子に通電された前記高調波電流成分を検出し、前記高調波電流成分の検出値と、前記高調波径方向振動成分の目標値を得るために前記多相交流電流に加えるべき前記径方向振動制御用高調波電流の演算値との間の振幅及び位相の偏差が0となるようにフィードバック制御を行う。これにより、確実に目標とする高調波径方向振動成分を発生することができる。
好適な態様において、前記高調波径方向振動成分又はそれに連動する電気パラメータを検出し、前記高調波径方向振動成分又はそれに連動する電気パラメータの検出値と前記高調波径方向振動成分又はそれに連動する電気パラメータの目標値との偏差に相当する前記径方向振動制御用高調波電流の振幅及び位相を前記マップ又は計算式に基づいて演算し、前記径方向振動制御用高調波電流の演算値を前記多相交流電流に加える。上記電気パラメータとしては、たとえば高調波径方向振動成分の原因となる径方向磁気加振力とすることができる。これにより、確実に目標とする高調波径方向振動成分を発生することができる。
(変形態様)
1.上記した径方向振動制御用高調波電流の逆相順、および同じ相順の次数(すなわち、基本周波数成分の周波数に対する径方向振動制御用高調波電流の周波数の各倍率)は、高調波電流発生回路の製造上の公差を含むことができることは当然である。
2.交流回転電機としては、種々の形式の同期機を採用することが好適であり、動作モードは、電動モードおよび発電モードのどちらで利用しても良い。また、すべての回転域で径方向振動制御用高調波電流を重畳してもよく、特に磁気音が問題となる回転域でのみ径方向振動制御用高調波電流を重畳してもよい。
3.所定の一つの次数の径方向振動制御用高調波電流を重畳することにより所定の一つの次数の径方向振動を低減してもよく、複数の次数の径方向振動制御用高調波電流を重畳することにより複数の次数の径方向振動を低減してもよい
4.上記した磁気音の変更特に低減は、車両用交流回転電機において静粛環境が要求される車両用エンジンの停止時やエンジン騒音が小さい減速時や回生制動時などの特定の期間にのみ選択的に実施することができる。
以下、本発明の好適態様を図面を用いて説明する。
(原理説明)
以下、本発明を3相交流回転電機に適用した場合の原理を以下に説明する。
図1は、3相交流回転電機の一相分の磁気回路を模式図示した図であり、図2は図1の等価磁気回路図である。同期機では磁束φはロータの磁極(コイル又は永久磁石により形成される)により形成され、ロータ起磁力Fmagは磁気回路におけるロータの磁極の起磁力すなわち磁界強度であり、ステータ起磁力Fcoilは、ステータ電流により磁気回路に形成される起磁力すなわち磁界強度である。Rgはステータとロータとの間のギャップの磁気抵抗である。なお、上記図及び下記の数式において、Icoilはステータ電流(電機子の相電流)、xはギャップ幅、Sはギャップ部対向面積、μ0は空気の透磁率、Nは電機子の各相コイルのターン数である。
磁束を数1にて、磁気エネルギーを数2にて、磁気加振力を数3にて、U相のロータ起磁力及びステータ電流を数4にて、V相のロータ起磁力及びステータ電流を数5にて、W相のロータ起磁力及びステータ電流を数6にて規定する。ここでは図1で模式化したロータは、実際の回転電機では回転するため、ロータ起磁力を正弦波の関数として表現している。すなわち、磁気加振力fは、ロータ起磁力の2乗と、ステータ起磁力の2乗と、ロータ起磁力とステータ起磁力との積との合計として定義される。ここでは、例としてロータ起磁力は、基本周波数成分(1次成分)にロータ形状などの影響により生じた3、5、7次の高調波成分を含んでいる。ここでは、ステータ電流は基本周波数成分のみからなると仮定する。もちろんロータ起磁力、ステータ電流共、これ以外の高調波成分を含んでいてもよい。
数4〜数6と数3とから、各相の磁気加振力(単に加振力とも言う)を計算すると、数7〜数9が得られる。
なお、Fi(iは下付き添え字である)はロータ起磁力のi次成分の振幅、Iiはステータ電流のi次成分の振幅、θはロータの回転角、α、β、γ、δ、s、t、uは位相角である。数7〜数9において、実線で示した項は、各相で位相が同一となる項であり、破線で示した項は各相ごとに120度位相がずれた項である。磁気音はこれら各相の加振力を合成した加振力により形成されるので、数7〜数9を加算すると数10となる。
数10において、数7〜数9の実線で示した項は同相であるため強め合い、数7〜数9の破線で示した項は3相ベクトル和が0となるためキャンセルされる。つまり、数10における丸数字2、3、4、6、7で示される6次成分と、丸数字5で示される12次成分が強め合う項であり、これらが3相交流回転電機の磁気音の原因となっている。更に細かい条件を入れて計算すると、3相交流回転電機の合成加振力は6の整数倍となり、磁気音の高調波成分は6k(kは自然数)次の成分をもつことが理解される。
次に、ステータ電流の基本周波数成分(1次成分)に、この基本周波数成分に二つの高調波電流成分を重畳した場合を以下に説明する。ここで非常に重要な点は、m次の高調波電流成分は基本周波数成分と逆の相順をもち、n次の高調波電流成分が基本周波数成分と同じ相順をもつ点である。具体的に説明すると、基本周波数成分の相順がU、V、Wの場合、m次高調波電流成分の相順はU、W、Vであり、n次の高調波電流成分の相順はU、V、Wとされる。
一般化のために、ロータ起磁力は1次、j次、k次、l次とする。この場合の各相のロータ起磁力とステータ電流とは数11〜数13により示されるので、この数11〜数13をそれぞれ上記と同様に計算すると、数14〜数16が得られる。
数14〜数16において、実線で示した項は、各相で位相が同一となる項であり、破線で示した項は各相ごとに120度位相がずれた項である。磁気音はこれら各相の加振力を合成した加振力により形成される。すなわち、逆相順のm次の高調波電流成分と、同相順のn次の高調波電流成分を加えると、m+1次と、n−1次、m+n次の加振力を発生できることがわかる。
つまり、m次、n次の高調波電流成分により、m+1次、n+1次、m−n次の加振力を自在に発生でき、これにより磁気音を増大させたり、低減させたりできる。
次に、上記解析結果を利用して、3相交流回転電機で問題となる6次、12次の磁気音低減のために、逆相順で5次、同相順で7次の高調波電流成分を重畳する場合を分析する。
数11〜数13にて、j=3、k=5、l=7、m=5、n=7とすることにより、1次、3次、5次、7次のロータ起磁力と、1次、5次(逆相順)、7次(同相順)のステータ電流を考えると、各相のロータ起磁力とステータ電流とは数17、数18、数19で示される。
これらの式から、上記と同様の演算により各相の加振力は数20〜数22にて示され、各相の加振力を合成した加振力は数23で示されることがわかる。
したがって、高調波電流成分を重畳しない場合の合成加振力の式を示す数10と、高調波電流成分を重畳した場合の合成加振力の式を示す数23とを比較すると、数10で生じていた6次、12次の加振力とは別に、逆相順である逆相順5次と、同相順7次の高調波電流成分の重畳により新たに6次、12次の加振力が生じたことがわかる。
つまり、逆相順5次、同相順7次の高調波電流成分の振幅及び位相を調整することにより、3相交流回転電機で問題となる6次、12次の磁気音(径方向振動)の大きさを制御できることがわかる。たとえば、数23において、6次の加振力の振幅と12次の加振力の振幅とを最小とすることができる逆相順5次、同相順7次の高調波電流成分の振幅及び位相を決定すればよい。もしくは、どちらかの一方の加振力を優先して許容可能な範囲内にて、他方の加振力を最小化すればよい。
6次の加振力を0とする場合における逆相順5次、同相順7次の高調波電流成分の条件を数24に示す。
数24において、磁気音項とキャンセル項の和を0とするように高調波電流成分の振幅、位相を定めればよい。12次の加振力を0とする場合における逆相順5次、同相順7次の高調波電流成分の条件を数25に示す。
数25において、磁気音項とキャンセル項の和を0とするように高調波電流成分の振幅、位相を定めればよい。
(変形態様1)
上記した数式演算は、3相交流回転電機を例として行ったが、他の相数の交流回転電機においても同じ方法により同様の演算結果を得ることができる。上記数式演算では、ロータ起磁力が1、3、5、7次で構成され、ステータ電流の基本周波数成分(1次)に逆相順5次、同相順7次の高調波電流成分を重畳する場合を説明したが、本発明がこれに限定されるものではないことはもちろんである。ロータ起磁力に9、11次を追加してもよく、ロータ起磁力を1、3、5次で構成してもよく、1、3、7次で構成してもよい。また、磁気音は6、12次の低減又は変更を図ったが、同様に18次、24次等の変更を行うこともできる。
本発明において重要な第1の点は、ステータ電流の基本周波数成分(1次)にそれと逆相順でx次の高調波電流成分を重畳すると、1−高調波電流成分の次数に等しい次数の加振力を発生できる点にある。すなわち、逆順であるx次の高調波電流成分の重畳により、(1−(−x))=1+xの加振力を発生することができる。なお、逆相順であるx次の高調波電流成分は基本周波数成分の相順を基準とすれば−x次の次数の高調波電流成分となる。つまり、加振力は、複数の周波数電流の次数差に等しい次数をもつため、ステータ電流の基本周波数成分に逆相順でx次の高調波電流成分を加えると、両者の次数差であるx+1の次数の加振力が発生する。交流回転電機のn次の磁気音を増加又は低減するために、n−1次の高調波電流を逆相順で好適な位相、好適な振幅で重畳すればよいという知見は、従来まったく知られていなかったものであり、今後の低騒音モータの開発において非常に重要である。更に説明すると、加振力は、複数の周波数電流の次数差に等しい次数をもつため、ステータ電流の基本周波数成分に逆相順でx次の高調波電流成分を加えると、両者の次数差であるx+1の次数の加振力が発生する。
また、ステータ電流の基本周波数成分(1次)にそれと同相順でy次の高調波電流成分を重畳する場合にも、高調波電流成分―1の次数に等しい次数の加振力を発生できる。すなわち、同順であるy次の高調波電流成分の重畳により、y―1次の加振力を発生することができる。つまり、加振力は、複数の周波数電流の次数差に等しい次数をもつため、ステータ電流の基本周波数成分に同相順でy次の高調波電流成分を加えると、両者の次数差であるy―1の次数の加振力が発生する。交流回転電機のn次の磁気音を増加又は低減するために、n−1次の高調波電流を同相順で好適な位相、好適な振幅で重畳すればよいという知見は、従来まったく知られていなかったものであり、今後の低騒音モータの開発において非常に重要である。また、基本周波数成分に対して同相順でm、n次の高調波電流成分を重畳することにより、(m−1)次、(n-1)次、(m−n)次の磁気加振力成分を同時に変更(増加又は低減)することもできることも従来知られていなかったことであり、これを利用して加えるm、n次の高調波電流成分の振幅、位相の調整により複数の加振力を調整することが可能となる。
次に、上記したように逆相順で5次と、同相順で7次の高調波電流成分を加えると、逆相順で5次の高調波電流成分と基本周波数成分(1次)との存在により6次の加振力が生じ、同相順で7次と基本周波数成分との存在により6次の加振力を生じ、逆相順の5次と同相順の7次との高調波電流成分の存在により12次の加振力を生じると考えることができる。すなわち、逆相順の5次と同相順の7次の高調波電流成分を加えることにより、それらを単独で加える場合には6次の加振力を発生できるだけであるのに比べて、6次と12次という2種類の加振力を発生(好適には低減)できるわけである。
つまり、ステータ電流の基本周波数成分に逆相順のm次と同相順のn次の高調波電流成分を重畳することにより、m+1次、nー1次、n+m次の加振力を発生することができる。この場合、本出願人が先に説明した所定次数の加振力に対してそれよりも1だけ次数が大きい高調波電流成分を基本周波数成分に加える磁気音低減方法に比べて、重畳する高調波電流成分の次数すなわち周波数を大幅に低減でき、その発生や制御が容易であるということも、この発明の重要な利点である。つまり一例をあげて具体的に説明すると、同相順の高調波電流重畳のみの場合は、例えば6次、12次の磁気音を低減する場合は7次と13次の高調波電流重畳が必要である。また逆相順の高調波電流重畳のみの場合には5次と11次の高調波電流重畳が必要である。それに対し、本発明は同相順と逆相順の両方を重畳することで、5次と7次の高調波電流重畳で6次と12次の磁気音を低減できるため重畳する電流の周波数を大幅に低減できる。このことにより高い周波数の電流を制御する際に引き起こる種々な課題を解決できる。例えば電流制御の負荷を減らすことができる、また電流の位相等の精度悪化を防ぐことができるなど。
このように基本周波数成分に対して逆相順でm次、同相順でn次の高調波電流成分により、(m+1)次、(nー1)次、(n+m)次の磁気加振力成分を同時に変更(増加又は低減)することもできることも従来知られていなかったことであり、これを利用して加えるm、n次の高調波電流成分の振幅、位相の調整により複数の加振力を調整することが可能となる。
(変形態様2)
上記説明は、一つの逆相順高調波電流成分と一つの同相順高調波電流成分とをステータ電流の基本周波数成分に重畳させた場合に2種類の高調波径方向振動成分を発生させる点に関してであったが、同様の技術思想により、少なくとも一つの逆相順高調波電流成分と少なくとも一つの同相順高調波電流成分とを含む合計3つの互いに異なる次数の高調波電流成分を加えることにより、それらの間の次数差に等しい次数の種々の加振力の高調波成分を発生させることもできる。
たとえば、基本周波数成分(1次)に逆相順で5次の第1高調波電流成分と、逆相順で11次の第2高調波電流成分と、同相順で13次の第3高調波電流成分とを重畳すると、基本周波数成分と第1高調波電流成分とから6次の加振力が発生し、基本周波数成分と第2高調波電流成分とから12次の加振力が発生し、基本周波数成分と第3高調波電流成分とから12次の加振力が発生し、第1、第2高調波電流成分から6次の加振力が発生し、第1、第3高調波電流成分から18次の加振力が発生し、第2、第3高調波電流成分から24次の加振力が発生する。したがって、これら第1〜第3高調波電流成分の振幅、位相を上記数式や実験マップなどにより調整することにより、6次、12次、18次、24次と言う4つの加振力を制御又は低減することができる。もちろん、第1〜第3高調波電流成分に更に異なる次数の高調波電流成分を加えても良いし、4種類以上の異なる次数の高調波電流成分を加えても良い。
(回路構成例1)
上記した高調波電流の重畳を行う回路例を図3に示す。このモータ制御回路はモータ電流をフィードバック制御を行う実施例である。
10は三相同期機107のモータ電流を制御するモータ電流制御手段であり、以下の構成をもつ。100は、基本波に相当する電流指令値(三相交流座標系)の振幅、位相を指示する振幅・位相指令用の回路ブロックである。101は、所定次数の高調波電流(三相交流座標系)の振幅、位相を指示する振幅・位相指令用の回路ブロックである。
振幅・位相指令用の回路ブロック100は、たとえば車両制御ECUなどの外部制御装置から受け取った電流指令(基本波)に基づいて上記振幅、位相を決定する。また、回路ブロック100がこの車両制御ECUにより構成されてもよい。この外部制御装置は三相同期機107の回転角信号(回転位置信号)及びトルク指令に基づいてこの基本波としての電流指令値を演算する。
回路ブロック101は、上記した電流指令(基本波)電流の周波数、振幅、位相を上記した数式に入力して演算することにより、あらかじめ定められた所定次数の高調波電流の周波数、振幅、位相を決定し、それらを指示する振幅・位相指令を出力する。これら数式のうちの他の定数は目的に応じて予め設定されている。
たとえば、6次及び12次の磁気音を低減又はキャンセルする場合には、数24や数25に示す式の計算値が所定値以下となるように、5次と7次の高調波電流の振幅と位相とを決定すればよい。他の定数は交流回転電機に特有の数値として予め設定されている。いずれにせよ、重畳する逆相順の5次と同相順の7次の高調波電流の位相及び/振幅を調整することにより、6次/又は12次の磁気音すなわち磁気音の大部分を増幅したり、低減したり、キャンセルしたりすることができる。
なお、上記数式の計算の代わりに、予めこれらの数式に相当するマップ又はテーブルに上記基本周波数成分の周波数、位相、振幅を代入して、5次及び/又は7次の高調波電流の位相、振幅の値をサーチしてもよい。 これら基本波電流及び高調波電流に関する指令は、回路ブロック102に入力される。回路ブロック102は、入力された情報に基づいて決定される各相の基本波電流値及び高調波電流値を相ごとに加算して、定期的に合成三相交流電流値を算出する。
算出した合成三相交流電流値は座標軸変換用の回路ブロック103によりd−q軸系に座標変換され、減算器104にてそれらの検出値(d−q軸)と比較され、それらの差が電流増幅器400によりゲイン調節された後、座標軸変換用の回路ブロック104Aにて三相交流電流値に出力される。
回路ブロック104Aは、上記差を消去する各相のPWM制御電圧を回路ブロック105にて発生させ、この三相PWM制御電圧により三相インバータ106のスイッチング素子を断続制御し、この三相インバータ106の出力電圧を発電電動機である三相同期機107のステータコイルに印加する制御を行い、三相同期機107に流れる三相交流電流を回路ブロック100、101で指定される周波数、振幅、位相をもつ基本波電流と高調波電流との合計とする。この種のPWMフィードバック制御自体はもはや周知であるので、詳細な説明は省略する。
三相同期機107は回転角センサ108を内蔵しており、速度・位置信号処理用回路ブロック109は、回転角センサ108から出力される回転位置信号から速度信号と位置信号とを抽出し、それらを、回路ブロック104Aに入力する。もちろん回転角センサを用いないセンサレス方式でもよい。また、三相同期機107のステータコイル電流は、電流センサ110にて検出され、座標軸変換用回路ブロック111にてd軸電流検出値とq軸電流検出値とに変換され、減算器104に入力される。
(回路構成例2)
上記した高調波電流の重畳を行う回路例を図4に示す。
100は、基本波に相当する電流指令値(三相交流座表系)としての振幅、位相を指示する振幅・位相指令用の回路ブロックである。回路ブロック100から出力された指令値は回路構成例1と同様に三相交流座標系をd−q軸系に変換する回路ブロック300を介して減算器104aに出力する。FFT111は、電流検出から出力された相電流からその基本波成分(三相交流座標系)の検出値を抽出する。この検出値は、三相交流座標系をd−q軸系に変換する回路ブロック403により座標変換された後、減算器104aにて上記電流指令値と比較され、それらの差をゲイン調整用の電流制御器401を通じて座標軸変換用の回路ブロック104Bに出力する。回路ブロック104Bは上記差を解消する三相交流電流指令値を加算器112に出力する。
101は、所定次数の高調波に相当する電流指令値(三相交流座標系)としての振幅、位相を指示する振幅・位相指令用の回路ブロックである。回路ブロック100から出力された指令値は回路構成例1と同様に三相交流座標系をd−q軸系に変換する回路ブロック300を介して減算器104aに出力する。FFT111は、モータ電流から上記所定次数の高調波成分(三相交流座標系)の検出値を抽出する。この検出値は、三相交流座標系をd−q軸系に変換する回路ブロック404により座標変換された後、減算器104bにて上記電流指令値と比較され、それらの差をゲイン調整用の電流制御器402を通じて座標軸変換用の回路ブロック104Cに出力する。回路ブロック104Bは上記差を解消する三相交流電流指令値を加算器112に出力する。
回路ブロック104Cは上記差を解消する三相交流電流指令値を加算器112に出力する。回路ブロック109が検出した回転位置信号から位置信号と速度信号とを抽出して上記座標変換をなすための回路ブロック104B、104C、300、301に出力する。
加算器112にて加算された合成の三相交流電流指令値に対応する各相のPWM制御電圧を回路ブロック105にて発生させ、この三相PWM制御電圧により三相インバータ106のスイッチング素子を断続制御し、この三相インバータ106の出力電圧を発電電動機である三相同期機107のステータコイルに印加する制御を行い、三相同期機107に流れる三相交流電流を回路ブロック100、101で指定される周波数、振幅、位相をもつ基本波電流と高調波電流との合計とする。
(回路構成例3)
上記した高調波電流の重畳を行う回路例を図5に示す。この回路は、図4に示すFFT111に代えてローパスフィルタ113を採用し、基本波電流検出値と高調波電流検出値とを抽出するものである。
電流センサ110にて検出された相電流信号からその基本波成分(三相交流座標系)の検出値を抽出する。この検出値は、三相交流座標系をd−q軸系に変換する回路ブロック403により座標変換された後、減算器104aにて基本波用の電流指令値と比較され、それらの差をゲイン調整用の電流制御器401を通じて座標軸変換用の回路ブロック104Bに出力する。回路ブロック104Bは上記差を解消する三相交流電流指令値を加算器112に出力する。
減算器117は、電流センサ110にて検出された相電流信号(三相交流座標系)からその基本波成分(三相交流座標系)を減算し、その高調波成分を抽出する。検出された高調波成分は、三相交流座標系をd−q軸系に変換する回路ブロック404により座標変換された後、減算器104bにて高調波用の電流指令値と比較され、それらの差をゲイン調整用の電流制御器402を通じて座標軸変換用の回路ブロック104Cに出力する。回路ブロック104Cは上記差を解消する三相交流電流指令値を加算器112に出力する。これにより回路構成例2と同様の動作を行うことができる。
(回路構成例4)
上記した高調波電流の重畳を行う回路例を図6に示す。このモータ制御回路は三相交流座標系のみにてモータ電流をフィードバック制御を行う実施例である。
100は、基本波に相当する電流指令値(三相交流座標系)としての振幅、位相を指示する振幅・位相指令用の回路ブロックである。101は、所定次数の高調波電流(三相交流座標系)としての振幅、位相を指示する振幅・位相指令用の回路ブロックである。これらの回路ブロックの機能は、図3の場合と同じであり、高調波回路ブロック101は、回路ブロックから出力される周波数、位相、振幅を上記数式に基づいて算出するか、実質的に同じ演算処理をマップ又はテーブルを用いて行う。
回路ブロック100、101から出力された振幅・位相指令は、回路ブロック102に入力される。回路ブロック102は、入力された基本波電流指令値の振幅・位相指令と高調波電流指令値の振幅・位相指令、並びに、検出された回転位置信号に基づいて基本波電流指令値(三相交流座標系)と高調波電流指令値(三相交流座標系)とをU相とV相とでそれぞれ加算してU相合成電流指令値(三相交流座標系)iu、V相合成電流指令値(三相交流座標系)ivとして出力する。
減算器300は、検出されたU相電流検出値iu’と上記U相合成電流指令値iuとの差を求め、この差を電流制御器をなす回路ブロック302に出力する。減算器301は、検出されたV相電流検出値iv’と上記V相合成電流指令値ivとの差を求め、この差を電流制御器をなす回路ブロック302に出力する。回路ブロック302は上記差を解消するU相電圧、V相電圧を形成し、回路ブロック105はこれらU相電圧、V相電圧に相当するU相、V相のPWM電圧を演算出力する。また、減算反転回路303は、上記U相電圧、V相電圧の差のアナログ反転信号をW相電圧として算出し、回路ブロック105はこのW相電圧のPWM電圧を演算出力する。これら三相のPWM電圧に相当するデユーティに応じて三相インバータ106が断続制御される。
(回路構成例5)
上記した高調波電流の重畳を行う回路例を図7に示す。この回路は、図3に示す回路をオープン制御に変更したものである。
基本波回路ブロック100、高調波回路ブロック101から出力される基本波電流及び高調波電流に関する指令は、回路ブロック102に入力される。回路ブロック102は、入力された情報に基づいて決定される各相の基本波電流値及び高調波電流値を相ごとに加算して、定期的に合成三相交流電流値を算出する。算出した合成三相交流電流値は座標軸変換用の回路ブロック103によりd−q軸系に座標変換され、電流増幅器400によりゲイン調節された後、座標軸変換用の回路ブロック104Aにて三相交流電流値に出力される。
回路ブロック104Aは、各相のPWM制御電圧を回路ブロック105にて発生させ、この三相PWM制御電圧により三相インバータ106のスイッチング素子を断続制御し、この三相インバータ106の出力電圧を発電電動機である三相同期機107のステータコイルに印加する制御を行い、三相同期機107に流れる三相交流電流を回路ブロック100、101で指定される周波数、振幅、位相をもつ基本波電流と高調波電流との合計とする。
三相同期機107は回転角センサ108を内蔵しており、速度・位置信号処理用回路ブロック109は、回転角センサ108から出力される回転位置信号から速度信号と位置信号とを抽出し、座標変換のために回路ブロック103、104Aにそれらを入力する。
(実験例)
上記磁気音低減のためのFEM解析を図8に示す三相同期機(8極、24スロット、IPM)を用いて行った。なお、ステータ電流の基本周波数成分を70Aとし、ロータ位相角はトルクが最大となる状態にて、上記方式により演算した径方向振動制御用高調波電流、ここでは基本波と逆の相順をもつ5次高調波電流のみを振幅3Aで重畳したものと、さらにそれに加え基本波と同じ相順をもつ7次高調波電流を振幅1Aで重畳した場合と、径方向振動制御用高調波電流を重畳しなかった場合とにおいて得られた径方向磁気加振力の波形を図9に示し、そのスペクトルを図10に示す。5次高調波電流により6次加振力が低減でき、さらに7次高調波電流を重畳することにより、12次加振力を低減できることがわかった。なお振幅や位相は6次と12次の加振力がそれぞれ低減できるように調整したものである。
この加振力は3相分の合計となる隣り合う3つのティースに加わる加振力を合計たものである。
このように本発明は、基本波と相順が同じのn1次の径方向振動制御用高調波電流と基本波と相順が逆のn2次の径方向振動制御用高調波電流を重畳することで、n1−1次、n2+1次、n1+n2次の磁気音を制御できることが特徴であり、回転電機の極数やスロット数に関係なく適用できる。本例は極毎、相毎のティースが1の場合(24/8/3=1)を示したため3ティース分を合計したが、それ以外の場合でもよい。例えば8極、48スロットの場合には隣り合う6つのティースを合計すれば3相分の合計となるし、8極、96スロットであれば隣り合う12個のティースを合計すれば3相分の合計となる。また12極、18スロット等の集中巻の場合には、となり合う3つのティースで3相分となる。
(変形態様)
上記制御例では、目標電流値を用いたオープン制御やフィードバック電流制御を説明したが、たとえばマイクにより磁気音を直接検出し、その所定次数の高調波成分を抽出し、この高調波成分とその所定目標値との偏差を求め、この偏差を0とするべく、この偏差に相当する重畳径方向振動制御用高調波電流の振幅と位相とを計算又はマップから求め、この決定された重畳径方向振動制御用高調波電流をステータ電流に重畳するフィードバック制御を行ってもよい。
同じく、マイクにより磁気音を直接検出する代わりに、ステータコアに設けた振動センサや力検出センサ、その磁界を検出するサーチコイルやピックアップコイルなどの出力を用いて、それらが所定の目標値となるように上記と同様のフィードバック制御を行ってもよい。
3相交流回転電機の一相分の磁気回路を模式図示した図である。 図1の等価磁気回路図である。 本発明の磁気音変更方法を採用するモータ制御回路の例を示すブロック回路図である。 本発明の磁気音変更方法を採用するモータ制御回路の例を示すブロック回路図である。 本発明の磁気音変更方法を採用するモータ制御回路の例を示すブロック回路図である。 本発明の磁気音変更方法を採用するモータ制御回路の例を示すブロック回路図である。 本発明の磁気音変更方法を採用するモータ制御回路の例を示すブロック回路図である。 実験に用いた三相同期機の模式径方向断面である。 図8の三相同期機を用いた実験で得た径方向磁気加振力の波形を示す波形図である。 上記実験で得た径方向磁気加振力のスペクトルを示す図である。
符号の説明
10 モータ電流制御手段
106 インバータ
107 三相同期機(交流回転電機)
108 回転位置センサ
100 基本PWM信号発生手段
101 高調波PWM信号発生手段
Fcoil ステータ起磁力
Fmag ロータ起磁力
100 基本波回路ブロック
101 高調波回路ブロック
102 回路ブロック
103 回路ブロック
104A 回路ブロック
104B 回路ブロック
104C 回路ブロック
104 減算器
104a 減算器
104b 減算器
105 回路ブロック
106 三相インバータ
107 三相同期機
108 回転角センサ
109 位置信号処理用回路ブロック
110 電流センサ
111 座標軸変換用回路ブロック
112 加算器
113 ローパスフィルタ
117 減算器
300 回路ブロック
300 減算器
301 減算器
302 回路ブロック
303 減算反転回路
400 電流増幅器
401 電流制御器
402 電流制御器
403 回路ブロック
404 回路ブロック

Claims (12)

  1. 多相の交流回転電機の電機子に通電される多相交流電流の基本周波数成分の次数を1とする場合に、前記基本周波数成分に対して同じ相順をもつn1次(n1は自然数)の径方向振動制御用高調波電流と、前記基本周波数成分に対して逆の相順をもつn2次(n2は自然数)の径方向振動制御用高調波電流とを前記多相交流電流に加えることにより、前記交流回転電機が発生する又は外部から前記交流回転電機に入力される加振力により前記交流回転電機の回転軸の軸心を中心として放射状に発生する振動である径方向振動のうちの(n1+n2)次、(n1−1)次、(n2+1)次の高調波径方向振動成分を、前記径方向振動制御用高調波電流を加えない場合に比べて低減し、
    前記径方向振動制御用高調波電流は、下記の[数14]〜[数16]において実線で示
    された項を低減する振幅及び位相を有することを特徴とする交流回転電機の磁気音制御方法
  2. 請求項記載の交流回転電機の磁気音制御方法において、
    前記交流回転電機は、三相交流回転電機であり、
    前記基本周波数成分に対して相順が逆の前記径方向振動制御用高調波電流の次数は6k1−1次(k1は自然数)であり、前記基本周波数成分に対して相順が同じ前記径方向振動制御用高調波電流の次数は6k2+1次(k2は自然数)であることを特徴とする磁気音制御方法。
  3. 請求項記載の交流回転電機の磁気音制御方法において、
    相順が逆の前記径方向振動制御用高調波電流の次数は5次であり、相順が同じ前記径方向振動制御用高調波電流の次数は7次であることを特徴とする磁気音制御方法。
  4. 請求項記載の交流回転電機の磁気音制御方法において、
    相順が逆の前記径方向振動制御用高調波電流の次数は11次であり、相順が同じ前記径方向振動制御用高調波電流の次数は7次であることを特徴とする磁気音制御方法。
  5. 請求項記載の交流回転電機の磁気音制御方法において、
    相順が逆の前記径方向振動制御用高調波電流の次数は5次であり、相順が同じ前記径方向振動制御用高調波電流の次数は13次であることを特徴とする磁気音制御方法。
  6. 請求項記載の交流回転電機の磁気音制御方法において、
    相順が逆の前記径方向振動制御用高調波電流の次数は11次であり、相順が同じ前記径方向振動制御用高調波電流の次数は13次であることを特徴とする磁気音制御方法。
  7. 請求項記載の交流回転電機の磁気音制御方法において、
    相順が逆の前記径方向振動制御用高調波電流の次数は5次であり、相順が同じ前記径方向振動制御用高調波電流の次数は19次であることを特徴とする磁気音制御方法。
  8. 多相の交流回転電機の電機子に通電される多相交流電流の基本周波数成分の次数を1とする場合に、n1、n2、n3(n1、n2、n3は互いに異なる自然数)次数をもち、一つ又は二つは前記基本周波数成分に対して逆の相順をもつ径方向振動制御用高調波電流を前記多相交流電流に加えることにより、前記交流回転電機が発生する又は外部から前記交流回転電機に入力される加振力により前記交流回転電機の回転軸の軸心を中心として放射状に発生する振動である径方向振動のうち、前記各径方向振動制御用高調波電流間の次数差に相当する次数をもつ各高調波径方向振動成分と、前記各径方向振動制御用高調波電流の次数と1との間の次数差をもつ高調波径方向振動成分とを、前記径方向振動制御用高調波電流を加えない場合に比べて低減し、
    前記径方向振動制御用高調波電流は、下記の[数14]〜[数16]において実線で示
    された項を低減する振幅及び位相を有することを特徴とする交流回転電機の磁気音制御方法。
  9. 請求項記載の交流回転電機の磁気音制御方法において、
    前記交流回転電機は、三相交流回転電機であり、
    前記基本周波数成分に対して相順が逆の前記径方向振動制御用高調波電流の次数は5次であり、前記基本周波数成分に対して相順が同じ2つの前記径方向振動制御用高調波電流の次数は11次と13次であることを特徴とする磁気音制御方法。
  10. 請求項1又は記載の交流回転電機の磁気音制御方法において、
    前記高調波径方向振動成分と前記径方向振動制御用高調波電流との関係を示す所定のマップ又は計算式に基づいて前記高調波径方向振動成分の目標値を得るために前記多相交流電流に加えるべき前記径方向振動制御用高調波電流の振幅及び位相を演算し、前記径方向振動制御用高調波電流の演算値を前記多相交流電流に加えることを特徴とする交流回転電機の磁気音制御方法。
  11. 請求項10記載の交流回転電機の磁気音制御方法において、
    前記電機子に通電された前記高調波電流成分を検出し、前記高調波電流成分の検出値と、前記高調波径方向振動成分の目標値を得るために前記多相交流電流に加えるべき前記径方向振動制御用高調波電流の演算値との間の振幅及び位相の偏差が0となるようにフィードバック制御を行うことを特徴とする交流回転電機の磁気音制御方法。
  12. 請求項10記載の交流回転電機の磁気音制御方法において、
    前記高調波径方向振動成分又はそれに連動する電気パラメータを検出し、前記高調波径方向振動成分又はそれに連動する電気パラメータの検出値と前記高調波径方向振動成分又はそれに連動する電気パラメータの目標値との偏差に相当する前記径方向振動成分又はそれに連動する電気パラメータの差分に相当する前記径方向振動制御用高調波電流の振幅及び位相を前記マップ又は計算式に基づいて演算し、前記径方向振動制御用高調波電流の演算値を前記多相交流電流に加えることを特徴とする交流回転電機の磁気音制御方法。
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