JP6209372B2 - 回転電機及び回転電機の制御装置 - Google Patents
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Description
まず、図1及び図2を用いて、本実施形態に係る回転電機1の構成について説明する。図1に示すように、回転電機1は、固定子2と、回転子3とを備え、回転子3を固定子2の内側に備えたインナーロータ型のモータである。また当該回転電機1は、エンコーダなどの機械的なセンサを用いずに、電気的な処理によってその磁極位置を検出、制御するいわゆるセンサレス制御用の3相交流モータである(センサレス制御については、後の図3で詳述する)。固定子2は、回転子3と径方向に対向するようにフレーム4の内周面に環状の積層鉄心リング30を介して設けられている。この固定子2は、固定子鉄心5と、固定子鉄心5に装着されたボビン6と、ボビン6に巻回されたコイル線7(固定子巻線に相当)とを有している。ボビン6は、固定子鉄心5とコイル線7とを電気的に絶縁するために、絶縁性材料で構成されている。ボビン6の軸方向一方側(図1中左側)には基板8が設けられており、この基板8に設けられた回路とボビン6に巻き回されたコイル線7とが、角棒状の2つのピン端子9を介して電気的に接続されている。コイル線7の巻き始め及び巻き終わりの端部7aは、対応するピン端子9に巻き付けられ、図示を省略する半田等によって固定されている。
回転子鉄心20は、図2に示すように、シャフト10を囲む円筒部20Aと、円筒部20Aの半径方向外側に設けられた複数(図示する例では10個)の磁極部20Bと、永久磁石挿入用穴20bと、漏洩磁束防止用穴20dと、を有する。円筒部20Aは、その内周側にシャフト10が貫通する中心穴20aを有する。
図3は、上記回転電機1に対してセンサレス制御により速度制御を行う回転電機制御装置300の構成の一例を表している。なお、図3に示す制御ブロック図は伝達関数形式で表記されている。この図3において、回転電機制御装置300は、減算器321と、ベクトル制御器322と、電圧制御器323と、電流検出器324と、矩形波電圧発生器325と、座標変換器326と、磁極位置演算器327と、速度演算器328とを備えている。
次に、図4用いて軸方向直交断面における固定子2及び回転子3それぞれの磁極配置について説明する。なお、上記図2の軸方向直交断面における磁極配置はシャフト10の回転軸心に関して180°で点対称の配置となるため、図4では、上方の半円部だけが図示され、下方の半円部は図示が省略されている(後述の図5、図7〜図11においても同様)。上述のように本実施形態の回転電機1は、固定子2全体に12個のティース18を備え、回転子3全体に10個の磁極部20Bを備えた、いわゆる10P12S(P:ポール=磁極部数、S:スロット=ティース数)のスロットコンビネーション構成となっている。従ってこの図4では、固定子2側の半円部で6個のティース18が示され、回転子3側の半円部で6個の永久磁石21に挟まれた5個の磁極部20Bが示されている。
図5は、以上のような磁極配置の回転電動機1における、磁束の発生分布を表している。なお、回転子3が回転動作している最中のうち、1つのN型磁極部20BNの中心(及びそれを跨ぐq軸)がV相とW相の間の中間に位置するとともに、1つの永久磁石21の中心(及びそれを跨ぐd軸)がU相の中央位置に一致している状態を示している(後述の図7〜図11においても同様)。また、三相交流電動機では、U,V,Wの各相に互いに120°の位相差を持つ交流電流を印加するが、図5では、U相の電流瞬時値が0であり、V相からW相に瞬時電流が流れている状態の磁束分布を示している。
回転子3の磁気突極比をρ、q軸のインダクタンスをLq、d軸のインダクタンスをLdとすると、
ρ=Lq/Ld ・・・(1)
の関係となる。上述したように、センサレス制御において回転電機1の磁極位置θを高い精度で検出するためには、当該回転子3における磁気突極比ρが高いことが要求される。
φ=Li ・・・(2)
また、電圧v、電流iとインダクタンスLの関係は式(3)で表されるため、交流電圧に対する交流電流が大きいほどインダクタンスは小さくなる。
v=dφ/dt=Ldi/dt ・・・(3)
以上のインダクタンスの性質を利用し、センサレス制御では、矩形波電圧発生器325から出力される矩形波電圧(高周波電圧信号)を2相電圧指令値ΔVsd*、ΔVsq*に重畳し、d軸とq軸の間のインダクタンス偏差により生じる2相電流値isα、isβの振幅偏差に基づいて磁極位置θを推定する。
図7〜図11は、上述したティース幅の変更による磁気突極比ρへの影響を具体的に示している。図7〜図11それぞれの(a)図は本実施形態に対応しており、各ティース本体部18aの円周方向幅がW1に設定されている。W1は、無負荷状態において磁極部20Bと対向したティース18が永久磁石21からの一定磁束のみにより実質的に磁気飽和するような値に設定されている。一方、図7〜図11それぞれの(b)図は比較例に対応しており、各ティース本体部18aの円周方向幅が上記W1よりも広いW2に設定されている。この比較例では、無負荷状態において磁極部20Bと対向したティース18は、永久磁石21からの一定磁束のみによって実質的に磁気飽和しない。また、図7は固定子2に交流電流を全く供給していない無負荷状態の磁束分布を示し、図8はq軸成分(トルク成分)の負荷交流電流(負荷電流に相当)を定格の50%供給した状態、図9は負荷交流電流を定格の100%供給した状態、図10は負荷交流電流を150%供給した状態、図11は負荷交流電流を200%供給した状態をそれぞれ示している。なお上記各図には、図5と同様にインダクタンスが最小となるd軸と、インダクタンスが最大となるq軸が示されている。
以上説明したように、本実施形態の回転電機1は、固定子鉄心5が、コイル線7の無通電状態において磁極部20Bと半径方向に対向したティース18が永久磁石21により実質的に磁気飽和するように構成される。これにより、d軸インダクタンスLdを小さく抑えることができる。
なお、以上説明した実施形態は、その趣旨及び技術的思想を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。
2 固定子
3 回転子
5、105 固定子鉄心
7 コイル線(固定子巻線)
10 シャフト
15、115 ヨーク
18、118 ティース
18a、118a 本体部
18b、118b 拡幅部
20 回転子鉄心
20A 円筒部
20B 磁極部
20BN N型磁極部
20BS S型磁極部
21 永久磁石
300 回転電機制御装置
Claims (3)
- 固定子と回転子を備え、位置及び速度センサを用いずにトルク制御、速度制御、位置制御の少なくともいずれかにより動作する回転電機であって、
円周方向に複数の磁極部を備えた回転子鉄心と、
前記回転子鉄心に設けられた複数の永久磁石と、
固定子巻線が巻回される複数のティースを備えた固定子鉄心と、
を有し、
前記複数のティースは、
円筒状のヨークより内周側に突出するように設けられた本体部と、
前記本体部の内周側先端に設けられ、前記円周方向の幅が拡大された拡幅部と、を有し、
前記ティースのうち少なくとも前記本体部の前記円周方向の幅が、前記固定子巻線の無通電状態になっているd軸方向の前記磁極部と半径方向に対向した際に前記本体部が前記永久磁石により実質的に磁気飽和し、かつ、前記固定子巻線の通電状態になっているq軸方向と半径方向に対向した際に前記本体部が実質的に磁気飽和しないように、設定され、
前記回転子鉄心は、
シャフトに固定され、前記複数の磁極部が外周側に配置される円筒部を備えており、
前記永久磁石は、
前記回転子鉄心の前記磁極部相互間において、前記円筒部の外周近傍より前記回転子鉄心の外周近傍まで半径方向に沿って配置されるよう前記回転子鉄心に埋め込まれて設けられ、
前記固定子巻線は、
前記ティースに集中巻きにより巻回され、
前記拡幅部は、
隣り合う前記ティース同士で相互に連結されており、
前記回転電機のスロットコンビネーションは、前記磁極部の数が10×n、前記ティースの数が12×n(n=自然数)のスロットコンビネーションである
ことを特徴とする回転電機。 - 前記固定子鉄心は、
前記ヨーク及び前記拡幅部が前記ティースごとに分割可能に構成される
ことを特徴とする請求項1記載の回転電機。 - 位置及び速度センサを用いずに請求項1又は2記載の回転電機のトルク制御、速度制御、位置制御の少なくともいずれかを行う回転電機の制御装置であって、
回転軸心より前記磁極の中心方向に延びる軸をd軸、前記中心方向と電気角において90度ずれた方向に延びる軸をq軸とした場合に、前記d軸及び前記q軸の少なくとも一方に高周波電圧信号を付与し、前記q軸に負荷電流を付与するように構成される
ことを特徴とする回転電機の制御装置。
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