JP5298476B2 - 誘導同期モータ - Google Patents

Description

本発明は、誘導モータおよび同期モータとして回転する誘導同期モータに関する。

誘導同期モータに関する発明としては従来、例えば特許文献１に記載のごときものが知られている。
特許文献１に記載の電動発電機は、固定子であるステータコアに１次導体であるステータコイルを配置し、電動発電機の回転子（ロータ）の外周表面に複数個の２次導体を配置し、かつ回転子（ロータ）の内部には複数個の永久磁石を配置したものである。そして上記の２次導体は回転子（ロータ）の両端面で電気的結合して、いわゆるかご形の回転子を形成している。そして電動発電機の力行中は、上記のかご形の回転子が誘導モータとして作用する。また電動発電機の回生中は、低回転領域で上記のかご形の回転子が誘導発電機として作用し、高回転領域で上記の永久磁石を具えた回転子が永久磁石型同期発電機として作用する。よって全回転領域で良好な発電特性を得られるようにしたものである。
特開２００１−１０３６１０号公報

しかし、上記従来のような電動発電機にあっては、以下に説明するような問題を生ずる。 つまり、力行中は誘導モータのトルクしか得られず、永久磁石型同期モータとしてのトルクを出力として取り出すことができなかった。
また、回転子（ロータ）を誘導モータあるいは永久磁石型同期モータの一方のみに切り替えて活用するとしても、回転子（ロータ）の重量が、一般的な誘導モータの回転子や一般的な永久磁石型同期モータの回転子と比較して重くなり、トルクの出力効率が低下する。
さらに、誘導モータから永久磁石型同期モータに切り替える際、あるいはその逆に切り替える際、引用文献１記載の電動発電機ではヒステリシス領域を設けることから、運転効率の低下を回避することができない。

本発明は、上述の実情に鑑み、誘導モータとしても同期モータとしても運転可能な誘導同期モータを、効率的に運転することができる技術を提案するものである。

この目的のため本発明による誘導同期モータは、請求項１に記載のごとく、ステータのコイルとの間で作用する電磁誘導により誘導モータとして回転するＩＭロータと、前記コイルの回転磁界により同期モータとして回転するＰＭロータとを出力軸で結合した誘導同期モータであって、該誘導同期モータの温度を検出する温度検出手段を設け、前記ＩＭロータを回転させる誘導モータ用電流と、前記ＰＭロータを回転させる同期モータ用電流とを重畳して複合電流を生成し、該複合電流を前記コイルに流すよう構成し、該検出した温度が通常の温度領域を超える場合には、前記誘導モータ用電流の電流振幅を増大補正することを特徴としたものである。
また、本発明による誘導同期モータは、ステータのコイルとの間で作用する電磁誘導により誘導モータとして回転するＩＭロータと、前記コイルの回転磁界により同期モータとして回転するＰＭロータとを出力軸で結合した誘導同期モータであって、前記ＩＭロータを回転させる誘導モータ用電流と、前記ＰＭロータを回転させる同期モータ用電流とを重畳して複合電流を生成し、該複合電流を前記コイルに流すよう構成し、前記ＰＭロータが共振する回転数領域で、該ＰＭロータが回転する場合には、前記誘導モータ用電流の電流振幅を増大補正することを特徴としたものである。

かかる本発明の構成によれば、力行中にＩＭロータおよびＰＭロータを同時に駆動するため、力強いトルクを得ることが可能になる。従来の誘導同期モータと同等のトルク出力を要求するのであれば、従来よりも、PMロータの永久磁石を減らすことができ、モータ出力効率を向上することができる。
また、誘導モータから同期モータへ、あるいはその逆へ、切り替えて運転するものではないことから、ヒステリシス領域を設定する必要がなく、運転効率を損なうことがない。

以下、本発明の実施の形態を、図面に示す実施例に基づき詳細に説明する。
図１は本発明の第１実施例になる誘導同期モータを、回転軸Ｏを含む平面で一部破断し、その断面を見た状態を模式的に示す縦断面図である。
第１実施例になる誘導同期モータ１１は、ロータとステータとを軸線Ｏ方向に対向配置したアキシャルギャップ型の回転電機であって、ステータの軸線Ｏ方向両側に、それぞれロータ６およびロータ７を配置し、各ロータ６，７を共通するステータ１で力行・回生する２ロータ１ステータ構造である。

ステータ１は円環状であり、外周縁でモータケース２に支持固定される。またステータ１の中央部には、孔３を設け、出力軸４を貫通させる。この出力軸４は軸受で回動自在に支持される。ステータ１のうち中心孔３より外径側の部位には、複数のステータ鉄心５を周方向に等間隔となるよう配置する。強磁性体材料からなるステータ鉄心５は、誘導同期モータ１１の回転軸Ｏ方向に延在し、両端がそれぞれ、後述するロータ６，７と向き合う。それぞれのステータ鉄心５の中程には、コイル８を巻回する。

ステータ１端面の一方には、エアギャップを介してＰＭロータ６を対向配置する。ＰＭロータ６は円盤状であり、ＰＭロータ６の中央に前述の出力軸４を結合する。ＰＭロータ６には、複数の永久磁石９を周方向に等間隔となるよう配置する。ＰＭロータ６は、ステータ１のコイル８の回転磁界により同期モータとして回転する。

ステータ１端面の他方には、エアギャップを介してＩＭロータ７を対向配置する。ＩＭロータ７は円盤状であり、ＩＭロータ７の中央に前述の出力軸４を結合する。ＩＭロータ７は、ステータ１の界磁により誘導モータとして回転する。ＩＭロータ７は、いわゆるかご型であってもよい。

本実施例では、ＰＭロータ６を駆動する間、ＰＭロータ６とステータ鉄心５とで形成される磁気回路が、ＩＭロータ７を通り易く、ＰＭロータ６およびＩＭロータ７を同時駆動することができる。

ＩＭロータ７とステータ１のコイル８との間で電磁誘導を作用させるべく、コイル８にはインバータ制御により交流電流を通電する。そして交流電流の振幅および周波数を制御することにより、ロータ６，７の出力トルクおよび回転数を任意に調整し、誘導同期モータ１１の運転を実行する。図２に示すグラフは、コイル８に通電する交流電流を表す。図２中、ＩＭはＩＭロータ７を回転させる誘導モータ用電流である。また、ＰＭは、ＰＭロータ６を回転させる同期モータ用電流である。そして、これら誘導モータ用電流および同期モータ用電流とを重畳して複合電流を生成し、該複合電流をステータ５のコイル８に流す。
なお、複合電流については本出願人による特開平１１−２７５８２６に記載の技術を用いる。

次に本発明の第２実施例について説明する。
図３は、第２実施例になる誘導同期モータを、回転軸Ｏを含む平面で一部破断し、その断面を見た状態を模式的に示す縦断面図である。
この第２実施例の基本構成は、上述した第１実施例と共通するため、同一部材については、共通する符号を付して説明を省略し、異なる構成について説明する。

第２実施例の誘導同期モータ２１も、２ロータ１ステータ構造である点で第１実施例の誘導同期モータ１１と共通するが、ＩＭロータ２７を円筒状に形成してステータ１の内径側に配置した点で相違する。つまり、誘導同期モータ２１は、ＰＭロータ６をアキシャルギャップ型とし、ＩＭロータ２７をラジアルギャップ型とした回転電機である。

このため図３に示すように、ステータ１端面の一方は、エアギャップを介してＰＭロータと対向する。また、ステータ１端面の他方では、ステータ鉄心５の端部５ｂをステータ１の他方端面１ｂから突出させる。そして、端部５ｂのうち回転軸Ｏに近い内径側部５ｂｎを、回転軸Ｏと同軸の凹んだ円弧形状に形成する。
内径側部５ｂｎよりも内径側には、エアギャップを介して円筒形状のＩＭロータ２７を配置する。これにより、径方向外側と内側にステータ１とＩＭロータ２７と配設して、ＰＭロータについては前述したアキシャルギャップ型、ＩＭロータに関してはラジアルギャップ型となる。複数あるステータ鉄心５の内径側部５ｂｎはＩＭロータ２７の外周表面を取り囲む。ＩＭロータ２７の中央には出力軸４の他端部を結合する。なお出力軸４の一端部にはＰＭロータ６を結合する。
ＩＭロータ２７は、ステータ１の界磁により誘導モータとして回転する。ＩＭロータ２７は、いわゆるかご型であってもよい。

次に本発明の第３実施例について説明する。
図４は、第３実施例になる誘導同期モータを、回転軸Ｏを含む平面で一部破断し、その断面を見た状態を模式的に示す縦断面図である。
この第３実施例の基本構成は、上述した第１実施例と共通するため、同一部材については、共通する符号を付して説明を省略し、異なる構成について説明する。

第３実施例の誘導同期モータ３１も、２ロータ１ステータ構造のアキシャルギャップ型回転電機である点で第１実施例の誘導同期モータ１１と共通するが、ステータ１のコイル３８をトロイダル巻にした点で相違する。

このため図４に示すように、ステータ１には、複数個のコイル３８を周方向に均等な間隔で配置する。これらコイル３８はいずれも、軸Ｏと中心とする円環を共通の基準中心として巻回したトロイダル巻のものである。それぞれのコイル３８の中心には、強磁性体材料からなるステータコアを貫通させる。Ｏを中心として周方向に延在するこれらステータコアの両端は、軸Ｏ方向かつ径方向に拡幅して図４に示すよう矩形３５となる。矩形３５は、ロータ６，７と対向するに足りる周方向厚みを具える。つまり、ステータコア矩形部３５のうち軸Ｏ方向両端にあるそれぞれ辺のうち、一方の辺をなす平面３５ａを、ＰＭロータ６と対向させる。また他方の辺をなす平面３６ｂを、ＩＭロータ７と対向させる。そして、ステータコア矩形部３５のうち外径側の辺を樹脂３６でモータケース２に支持固定する。

次に本発明の第４実施例について説明する。
図５は、第４実施例になる誘導同期モータを、回転軸Ｏを含む平面で一部破断し、その断面を見た状態を模式的に示す縦断面図である。
この第４実施例の基本構成は、上述した第３実施例と共通するため、同一部材については、共通する符号を付して説明を省略し、異なる構成について説明する。

第４実施例の誘導同期モータ４１も、２ロータ１ステータ構造である点で第３実施例の誘導同期モータ３１と共通するが、ＩＭロータ４７を円筒状に形成してステータ１の内径側に配置した点で相違する。つまり、誘導同期モータ４１は、ＰＭロータ６をアキシャルギャップ型とし、ＩＭロータ４７をラジアルギャップ型とした回転電機である。

このため図５に示すように、ステータ１端面の一方は、エアギャップを介してＰＭロータ６と対向する。またステータ１の内径側には、エアギャップを介して円筒形状のＩＭロータ４７を配置する。これにより、径方向外側と内側にステータ１とＩＭロータ４７と配設することとなり、ラジアルギャップ型となる。ステータコア矩形部３５のうち内径側の辺３５ｃはＩＭロータ４７の外周表面と向き合う。ＩＭロータ４７の中央には出力軸４を結合する。なお出力軸４の一端にはＰＭロータ６を結合する。
ＩＭロータ４７は、ステータ１の界磁により誘導モータとして回転する。ＩＭロータ４７は、いわゆるかご型であってもよい。

つぎに、上述した各実施例の誘導同期モータ１１，２１，３１，４１の運転制御について説明する。

出力軸４のトルクおよび回転数を制御する図示しないモータコントローラは、図６に示す制御プログラムを実行することにより、ＰＭロータの出力トルク（以下、同期トルクという）およびＩＭロータの出力トルク（以下、非同期トルクという）を同時かつ最適に制御する。
ここで付言すると、同期トルクおよび非同期トルクを合計したトルクが出力軸４のトルク、すなわち誘導同期モータ１１，２１，３１，４１の出力トルク、となる。また、図１、図３〜図５から明らかなように、相互に結合したＰＭロータ６およびＩＭロータ７の回転数は出力軸４の回転数に一致する。

まず図６のステップＳ１においては、誘導同期モータ１１，２１，３１，４１に設けた図示しない回転数センサや、出力トルクセンサなどの各種センサからの出力軸４の回転数および出力トルクを読み込む。
また、誘導同期モータ１１，２１，３１，４１は電気自動車ないしハイブリッド車の動力源として用いられ、ステップＳ１においては運転者が操作するアクセルペダルの踏み込み量ＡＰＯおよび車速ＶＳＰを読み込む。

次のステップＳ２においては、ステップＳ１で読み込んだＡＰＯおよびＶＳＰから出力軸４の目標出力トルクｔＴを算出する。
またステップＳ２では、運転者の要望や、車両自身の運転状態や、車両外部の走行環境などから、
誘導同期モータを駆動する力行運転の効率が最大になる最大効率制御と、
誘導同期モータのモータ出力トルクが最大となる最大トルク制御と、
永久磁石９の温度が適正な使用状態における通常の温度領域を超えないよう保護する磁石温度制御と、
誘導同期モータの共振を防止する振動制御とのうち、いずれを選択するかを判断する。

例えば、誘導同期モータの温度を検出するセンサからの信号が所定の閾値以上になった場合、磁石温度制御を選択する。

また例えば、出力軸４の回転数を検出するセンサからの信号が、ＰＭロータ６共振の固有振動数を含む所定範囲になった場合、振動制御を選択する。

次のステップＳ３においては、上記ステップＳ２で選択した制御に則って上記の目標トルクｔＴを実現するべく、予め記憶された算出式または図示しないマップを参照して、非同期トルクに対する同期トルクの割合である制御比率Ａを求める。制御比率Ａは、上述した最大効率制御なのか、最大トルク制御なのか、磁石温度制御なのか、振動制御なのかによって異なる。
そして、出力すべき目標トルクｔＴを制御比率Ａで配分して、目標同期トルクおよび目標非同期トルクを算出する。目標同期トルクについては次のステップＳ４以降で処理し、目標非同期トルクについては次のステップＳ６以降で処理する。

ステップＳ４においては、上記ステップＳ１で読み込んだ情報から誘導モータのすべり量を算出する。
次のステップＳ５においては、上記ステップＳ４で算出したすべり量に基づき、予め記憶されたＩＭ電流マップ（図示せず）を参照して、上述した目標非同期トルクを達成する誘導モータ用電流の目標電流を求める。

例えば、上記ステップＳ２で最大効率制御を選択する場合は、モータ効率が最大になるように誘導モータ用電流の電流振幅を設定する。

あるいは、上記ステップＳ２で最大トルク制御を選択する場合は、ＩＭロータ７の出力トルクが最大となるように誘導モータ用電流の電流振幅を設定する。

あるいは、上記ステップＳ２で磁石温度制御を選択する場合は、誘導モータ用電流の電流振幅を通常よりも増加させる。

あるいは、上記ステップＳ２で振動制御を選択する場合は、誘導モータ用電流の電流振幅を通常よりも増加させる。

またステップＳ６においては、予め記憶されたＰＭ電流マップ（図示せず）を参照して、上記ステップＳ３で算出した目標同期トルクを達成する同期モータ用電流の目標電流を求める。

例えば、ステップＳ２で最大効率制御を選択する場合は、モータ効率が最大になるように同期モータ用電流の電流振幅を設定する。

あるいは、上記ステップＳ２で最大トルク制御を選択する場合は、目標出力トルクｔＴが最大になるように同期モータ用電流の電流振幅を設定する。

そしてステップＳ７においては、上記ステップＳ５で算出した誘導モータ用目標電流と、上記ステップＳ６で算出した同期モータ用目標電流とからなる複合電流を生成するよう、図示しないインバータ回路に電流指令値を出力する。そして本制御を抜ける。

上述および図６に示す制御プログラムを実行することにより、誘導同期モータ１１，２１，３１，４１の出力トルクは、図７のグラフに破線で示す従来の誘導同期モータと比較して、図７のグラフに実線で示すような力強いものとなる。
図７において、横軸は出力軸４の回転数N[rpm]を、縦軸はモータ主力トルクＴ[Nm]を示す。また、実線は誘導同期モータ１１，２１，３１，４１の出力トルクを示す。破線は従来の誘導（ＩＭ）モータの出力トルクおよび従来の誘導（ＩＭ）モータの出力トルクを示し、誘導同期モータ１１，２１，３１，４１のうちのＰＭロータ６のみを力行する場合と、ＩＭロータ７のみを力行する場合に相当する。

これまでに説明したように誘導同期モータ１１，２１，３１，４１は、ステータ１のコイル８との間で作用する電磁誘導により誘導モータとして回転するＩＭロータ７と、コイル８の回転磁界により同期モータとして回転するＰＭロータ６とを出力軸４で結合した誘導同期モータであって、ＩＭロータ７を回転させる誘導モータ用電流と、ＰＭロータ６を回転させる同期モータ用電流とを重畳して複合電流を生成し、該複合電流をステータ１のコイル８に流すよう構成したことから、
力行中にＩＭロータおよびＰＭロータを同時に駆動するため、力強いトルクを得ることが可能になる。従来の誘導同期モータと同等のトルク出力を要求するのであれば、従来よりも、PMロータの永久磁石を減らすことができ、モータ出力効率を向上することができる。

具体的には、図６にフローチャートで示す演算処理を実行して、ステップＳ２で最大効率制御を選択する場合は、上述した誘導モータ用電流の電流振幅および上述した同期モータ用電流の電流振幅を、モータ効率が最大になるように設定する。

あるいはステップＳ２で最大トルク制御を選択する場合は、上記ステップＳ５およびＳ６で誘導モータ用電流の電流振幅および上記の同期モータ用電流の電流振幅を、モータ出力トルクが最大となるように設定する。

あるいはステップＳ２で磁石温度制御を選択する場合は、上記ステップＳ５で誘導モータ用電流の電流振幅を、磁石温度制御を選択しない通常の電流振幅よりも増大側に補正する。
これにより、永久磁石９が高温に晒され減磁しないよう、誘導同期モータを保護することが可能になる。

あるいはＰＭロータ６の回転数がＰＭロータ６共振の固有振動数を含む回転数領域である場合には、上記ステップＳ５で誘導モータ用電流の電流振幅を、振動制御を選択しない通常の電流振幅よりも増大側に補正する。
これにより、ＰＭロータ６の共振を回避乃至軽減することができる。

なお、上述したのはあくまでも本発明の一実施例であり、本発明はその主旨に逸脱しない範囲において種々変更が加えられうるものである。例えば、第１〜第４実施例の誘導同期モータ１１，２１，３１，４１の運転は、モータとして力行運転する他、発電機として回生運転も可能であること勿論である。
また図６のステップＳ２で振動制御を選択し、ＩＭロータ７が共振し得る場合に、ステップＳ６で同期モータ用電流の電流振幅を通常よりも増加させるものであってもよい。具体的には出力軸４の回転数がＩＭロータ７共振の固有振動数を含む所定範囲になった場合に、同期モータ用電流の電流振幅を通常よりも増加させる制御を実行する。

本発明の第１実施例になる誘導同期モータを模式的に示す縦断面図である。 同実施例においてステータの電機子コイルに流れる複合電流を示すグラフである。 本発明の第２実施例になる誘導同期モータを模式的に示す縦断面図である。 本発明の第３実施例になる誘導同期モータを模式的に示す縦断面図である。 本発明の第４実施例になる誘導同期モータを模式的に示す縦断面図である。 各実施例の制御プログラムを示す縦断面図である。 各実施例のモータ出力トルクを示すグラフである。

符号の説明

１ ステータ
２ モータケース
４ 出力軸
５ ステータコア
６ ＰＭロータ
７ ＩＭロータ
８ コイル
９ 永久磁石
１１，２１ 誘導同期モータ
２７ ＩＭロータ
３１ 誘導同期モータ
３８ コイル
４１ 誘導同期モータ
４７ ＩＭロータ

Claims (4)

1. ステータのコイルとの間で作用する電磁誘導により誘導モータとして回転するＩＭロータと、前記コイルの回転磁界により同期モータとして回転するＰＭロータとを出力軸で結合した誘導同期モータであって、
   該誘導同期モータの温度を検出する温度検出手段を設け、
   前記ＩＭロータを回転させる誘導モータ用電流と、前記ＰＭロータを回転させる同期モータ用電流とを重畳して複合電流を生成し、該複合電流を前記コイルに流すよう構成し、
   該検出した温度が通常の温度領域を超える場合には、前記誘導モータ用電流の電流振幅を増大補正することを特徴とする誘導同期モータ。
2. ステータのコイルとの間で作用する電磁誘導により誘導モータとして回転するＩＭロータと、前記コイルの回転磁界により同期モータとして回転するＰＭロータとを出力軸で結合した誘導同期モータであって、
   前記ＩＭロータを回転させる誘導モータ用電流と、前記ＰＭロータを回転させる同期モータ用電流とを重畳して複合電流を生成し、該複合電流を前記コイルに流すよう構成し、
   前記ＰＭロータが共振する回転数領域で、該ＰＭロータが回転する場合には、前記誘導モータ用電流の電流振幅を増大補正することを特徴とする誘導同期モータ。
3. 請求項１または請求項２に記載の誘導同期モータにおいて、
   前記誘導モータ用電流の電流振幅および前記同期モータ用電流の電流振幅を、モータ効率が最大になるように設定することを特徴とする誘導同期モータ。
4. 請求項１または請求項２に記載の誘導同期モータにおいて、
   前記誘導モータ用電流の電流振幅および前記同期モータ用電流の電流振幅を、モータ出力トルクが最大となるように設定することを特徴とする誘導同期モータ。

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