JP2002112479A - 永久磁石モータとその制御方法 - Google Patents
永久磁石モータとその制御方法Info
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Abstract
して、減磁耐量が向上する内部永久磁石式モータを提供
する。 【解決手段】 積層された複数のケイ素鋼板により形成
されたヨークを有するロータコア2と、このロータコア
2の外周部に形成された複数のスロット4と、このスロ
ット4内に配設されて磁極を形成する界磁用の永久磁石
とを備える永久磁石モータにおいて、前記永久磁石が配
設されたスロット4の外周側におけるロータコアを、回
転軸の軸心(半径ra)とは異なる円心を持つ円弧(半
径rb)で形成して、前記永久磁石の両側部のギャップ
を中心部より大きし、等価ギャップを広げ、ギャップ磁
束密度波形を正弦波に近づけた。
Description
量低減の要求される用途、例えばギヤレスエレベータド
ライブ用その他の用途に用いられる内部永久磁石形の永
久磁石モータとその制御方法に関する。
実現する場合、多極構造とすると、力率の非常に悪いモ
ータとなり、インバータ容量、言い換えれば電源容量が
大きくなるという不都合が有った。一方、永久磁石モー
タを用いた場合、多極にしても力率を悪化させないため
ギヤレスモータ等の電源容量低減としての要求を満足で
きる。この種の永久磁石モータとしては、内部永久磁石
式として特開平7−231589号公報、表面永久磁石
式として特開平4−304132号公報が開示されてい
る。次に、ギヤレスモータで考慮すべき特性である振動
については、振動の加振源となるトルク脈動値に対し
て、インバータ方式をPWM(Pulse Width
Modulation)として電流波形の歪みによる
脈動は無視できるものとすると、モータ起磁力波形(下
式トルク定数)を正弦波にすれば、理論上トルク脈動は
存在しない。以下の式は3相の起磁力波形および電流波
形の瞬時値を表している。ktu=Kt cos pθ...U
相トルク定数(N−m/A) ktv=Kt cos (pθ−2 π/3)...V相トルク定数(N
−m/A) ktw=Kt cos (pθ−4 π/3)...W相トルク定数(N
−m/A) iu =Ip cos pθ... U相電流(A) iv =Ip cos (pθ−2 π/3)...V相電流(A) iw =Ip cos (pθ−4 π/3)...W相電流(A) 以上の式から、モータ発生トルクは次のように一定値で
表現される。モータ発生トルク=ktuxiu +ktvxi
v +ktwxiw =3Kt I/2もちろん、電流波形或い
は起磁力波形に高調波が含まれているときはモータ発生
トルクは一定値とはならず脈動波形を含有する。例えば
上記、起磁力波形に5次の高調波が存在すればモータ発
生トルクは6次の周期を持った脈動トルクが発生する。
このように、ギャップの磁束密度波形に含まれる高調波
を除去するためには、磁石の形状を正弦波状にして、低
次調波(5、7次)を低減させるか、高次調波(極数、
スロット数で決まる次数)を、巻線法を工夫することに
より起磁力高調波を低減しトルク脈動を小さくする方法
が取られていた。かかる永久磁石モータをベクトル制御
する場合、永久磁石の位置をインバータが認識して、そ
の位置から電気的に90°の位相にトルク電流を流して
ベクトル制御を行う。この永久磁石位置は一般に、エン
コーダの原点パルス(Z相)により認識するが、原点パ
ルスと永久磁石位置との位相関係は、モータを回転さ
せ、誘起電圧波形と原点パルスの位相関係で置き換え認
識する。また、モータに負荷がかかる用途では、その負
荷とつりあう負荷角をインバータが認識して永久磁石位
置を求めてベクトル制御を行い、回転させた時に原点パ
ルスが発生した位相と永久磁石位置との差が位相関係と
なる。また、永久磁石モータの起磁力波形の改善のため
には、ステータの巻線溝をスキューさせ、そのスキュー
溝にステータ巻線を施す方法が取られていた。そのた
め、ステータ巻線の機械設置は困難であった。更に、従
来の永久磁石モータにおいては、永久磁石の減磁を直接
検出する方法は無く、モータの過負荷やインバータの過
電流等により減磁を推測するしか無かった。
ち、表面永久磁石モータは一般的にギャップ磁束密度波
形整形に複雑な磁石形状を用いるため磁石コストの観点
において好ましくない。更に、インバータ制御の観点で
考えると逆磁束方向電流(弱め界磁電流)による電圧制
御が磁束方向のインピーダンスが小さいことと磁石動作
点が低く電機子反作用による不可逆減磁を引き起こすた
め、困難を極め、電圧変動を考えたモータ構造(弱め界
磁電流を流さない。)となる不都合を有した。一方、内
部永久磁石モータでは磁束密度波形自身がかなりの低次
高調波を含み巻線手法の改善により起磁力高調波を低減
することは可能であるが表面永久磁石モータと同様に製
作コストの観点において好ましくない。更に、モータの
インピーダンスが外部永久磁石モータに比べ大きいこと
と、ロータの巻線溝部分からの磁石の漏れ磁束量が大き
くなり磁気装荷が小さく電流制御のインバータ制御を考
えた場合、力率の非常に悪いモータとなる不都合を有し
た。永久磁石モータのベクトル制御のために、誘起電圧
波形と原点パルスの位相関係で置き換えて永久磁石位置
を認識する手法は、モータを発電機として回転させる機
構が必要となり現実的では無い。また、負荷角を用いる
方法にあっては、精度が芳しくないという不都合があっ
た。そこで、本発明の第一の目的は、トルク脈動が小さ
く、力率を向上させた内部永久磁石モータを提供するこ
とにある。また、本発明の第二の目的は、永久磁石位置
を簡単に認識できる永久磁石モータを提供することにあ
る。また、本発明の第三の目的は、起磁力波形の改善さ
れた低コストの永久磁石モータを提供することにある。
更に、本発明の第四の目的は、永久磁石の不可逆減磁を
リアルタイムで把握できる装置を備えた永久磁石モータ
を提供することにある。
成するために、請求項1記載の永久磁石モータの発明
は、積層された複数のケイ素鋼板により形成されたヨー
クを有するロータコアと、このロータコアの外周部に形
成された複数のスロットと、このスロット内に配設され
て磁極を形成する界磁用の永久磁石とを備える永久磁石
モータにおいて、前記永久磁石が配設されたスロットの
外周側におけるロータコアを、回転軸の軸心とは異なる
円心を持つ円弧で形成して、ギャップ磁束密度波形を正
弦波に近づけたことを特徴とする。請求項2記載の発明
は、請求項1記載の永久磁石モータにおいて、ロータと
ステータとの間の等価ギャップを広げてなることを特徴
とする。並びに請求項3記載の永久磁石モータの制御方
法の発明は、請求項1または2記載の永久磁石モータに
おいて、過負荷時に弱め界磁電流制御を行って電圧制限
することを特徴とする。本発明の第二の目的を達成する
ために、請求項4記載の発明は、請求項1または2記載
の永久磁石モータみおいて、ロータを軸支するシャフト
キーが垂直軸上にきたときに、ステータに配した巻線に
u相誘起電圧波形の零クロスの下がりで発生するよう
に、ロータとステータとを相互配置し、ロータのシャフ
トキーとエンコーダキーを一致させたことを特徴とす
る。並びに、請求項5記載の永久磁石モータの制御方法
の発明は、請求項4の永久磁石モータを用い、ロータの
回転に同期するエンコーダの原点パルスを検知して、ロ
ータの永久磁石軸を認識することを特徴とする。そし
て、本発明の第三の目的を達成するために、請求項6記
載の発明は、請求項1、2、または4記載の永久磁石モ
ータにおいて、ロータを軸方向に複数のブロックで構成
し、該ブロックの各々を周方向に任意の角度ずらして保
持したことを特徴とする。更に本発明の第四の目的を達
成するために、請求項7記載の発明は、請求項1、2、
4、または6記載の永久磁石モータにおいて、運転時の
トルク指令に基いて、その時の永久磁石モータの電流値
を推定するモータ電流演算器と、このモータ電流演算器
の出力するモータ電流推定演算値と実際のモータ電流検
出値との差を演算する加算器と、この加算器の検出電流
と減磁検出基準値とを比較して減磁量を検出する比較器
とから成る減磁量検出装置を備え、永久磁石減磁量を検
出可能にしたことを特徴とする。並びに、請求項8記載
の発明は、請求項7記載の永久磁石モータにおいて、モ
ータ巻線の温度または直流母線の電圧或いはその両者を
入力してモータ電流値を補正推定するモータ電流演算器
を備えたことを特徴とする。
の形態を説明する。図1は、本発明による永久磁石モー
タのロータコアモデルの作成手順を示している。図1
(a)は磁極率設定説明図、図1(b)は磁極基本計画
図、図1(c)は本発明によるロータコアの構成図であ
る。図1(a)において、回転軸1に固定されたロータ
コア2は外形ra 、ステータコア3の内径はRとする
と、ロータとステータとの間のギャップgは、 g=R−ra となる。この関係で先ず磁極率が決定される。その結
果、図1(b)に示す基本計画図が得られる。本発明に
よれば、この磁極部、即ち永久磁石が配設されるスロッ
ト4の外周側ロータコア2の曲面を回転軸1とは異なる
円心を持つ円弧、半径rbで形成する。この半径rbは、 ra ≧rb≧rc なる関係にあり、ギャップの磁束密度を計算して求め
る。図2にその計算概念が示されている。即ち、半径r
1 、r2 、r3 と順次ギャップの磁束密度を計算し、こ
れらの中でr3 が一番小さいので、このr3 を(r 1 )
とみなして、順次(r2 )、(r3 )と計算する。その
結果、(r2 )が最も磁束密度が小さく、低次調波も最
小となるので(r2 )を半径とする偏心円弧をスロット
4の外周側ロータコア2に形成する。その結果、ロータ
コア2の磁極形成部の中心線上の面は軸心から半径ra
の位置にあり、この点を通る半径rbの偏心した円弧が
形成されるため、磁極部の両側部のギャップが大きくな
り、等価ギャップが広がることになる。これにより、モ
ータインピーダンス、無効電力共に低減され、減磁耐量
が向上する。図3は、本発明による永久磁石モータのギ
ャップ磁束密度を示している。図示の通り、低次高調波
は殆ど無くなり正弦はに近い波形と成っていることが観
察できる。図4は、永久磁石モータのインダクタンス特
性図である。図より、本発明による永久磁石モータは、
従来の内部永久磁石モータよりもインダクタンスが低減
されて、従来の表面永久磁石モータの特性に近ずいてい
ることが判る。更に、図5は、定格出力3.7kw、回
転数93r/m、過負荷量200%の各種永久磁石モー
タの特性比較図である。この図より、本発明の永久磁石
モータは、従来の内部永久磁石モータに比較して、力率
が約6%向上していることがわかる。その上特筆すべき
ことは、本発明による永久磁石モータの過負荷量が表面
永久磁石モータとほぼ同等である点である。言い換える
ならば、表面永久磁石モータの場合と同様に、過負荷時
に弱め界磁電流を流すことで力率を改善させつつリラク
タンストルクを作用させることができる。
スロット数60、毎極毎相のスロット数の永久磁石モー
タの永久磁石磁極位置認識構造を示す説明図であって、
そのうち、図6は永久磁石モータのu相誘起電圧波形と
ロータ磁束波形の相関図であり、図7はロータキー溝と
ロータに設置された永久磁石との角度位置の説明図であ
り、図8はステータコアに設けられた巻線溝の中心とフ
レーム挿入マークとの角度位置の説明図であり、図9は
フレーム垂直軸と、フレーム挿入マークとの角度位置関
係の説明図である。ロータ5を軸支するシャフトキー6
が垂直軸上にきたときに、ステータ7に配した巻線8に
u相誘起電圧波形が零クロスの下がり(図6A部)で発
生する様にする。この時のロータ5に設けたスロット4
内に嵌め込まれた永久磁石9とシャフトキー6との関係
は、図7のようになる。即ち、エンコーダキーと同一面
上に在るシヤフトキー6の中心と永久磁石軸10との成
す角度は、機械角で30°、電気角で150°となり、
永久磁石軸間は電気角で180°となる。図8に示す様
に、ステータ7の巻線溝11の溝ピッチは電気角で30
°となり、u相巻線軸12とフレーム挿入マークとは電
気角で15°離間している。従って、図9に示す様に、
フレーム14の垂直軸に対して電気角で165°(機械
角で33°)だけステータ7のフレーム挿入マークをず
らして固定する。これにより、シャフトキー6がフレー
ム垂直軸にきたとき原点パルスを出力し、u相誘起起電
力波形が零クロスの下がり部となる。従って、永久磁石
軸10と原点パルスとの位相差は一定(この場合0)と
なり、電気的手法では無く、モータ構造により原点パル
スと永久磁石位置を認識できるものとなる。
造を説明するためのロータの側面図、図10(b)は、
同じくロータの平面図である。なお、図10(a)は説
明を簡単にするため一部のロータコアと永久磁石のみ図
示している。ロータ5は、複数のブロックコア151 、
152 、...15n を備える。これらのブロックコア
151 、15n は、間に磁気遮蔽板16を挟んで軸方向
に積み重ね、各ブロックコアは相互に周方向にずらして
回転軸17に固定保持される。このように、ブロックコ
ア間に磁気遮蔽板16を挟むことにより,漏れ磁束を5
%以下に抑えることが可能になる。各々のブロックコア
151 〜15n には所定数の永久磁石9が取り付けら
れ、更に任意の角度の複数のキー溝18が設けられる。
かくして、治工具無しでロータコアの組立が可能とな
る。ロータ5の組立に際して、回転軸17に設けたキー
19にブロックコアのキー溝18を順次ずらして組み込
む。ロータ5の組立が完了すると、ブロックコアの厚み
にほぼ等しい厚みの着磁ヨークが用意され、このヨーク
内にロータ5を嵌め込み、ブロックコア毎に位置合わせ
をして順番に着磁を行う。
置のブロック図である。この減磁量検出装置において、
モータ電流演算器20は、運転時に速度制御系において
得られるトルク指令を入力して、その時の永久磁石モー
タの電流値を推定する。その際モータ電流演算器20
は、永久磁石モータの巻線温度θW あるいはドライブ装
置の直流母線電圧VPNまたは両者を入力して補正して検
出精度を向上させることができる。モータ電流演算器2
0の出力するモータ電流推定値I1Cは加算器21に入力
されて、実際のモータ電流検出値I1fb との差が演算さ
れる。加算器21の出力する検出電流ID は増幅器22
で増幅されて比較器23に供給され、ここで減磁検出基
準値と比較され、基準値を越えた場合に、不可逆減磁が
生じたものとして警告が出力される。この基準値は、モ
ータ特性により異なり、モータ負荷運転時の温度上昇、
電源変動を考慮した試験結果により決定される。
によれば、磁石形状は簡易なものとし、ロータの磁極形
成部の外径を偏心させることでギャップ磁束密度波形を
整形してトルク脈動を低減させる効果が得られる。ま
た、請求項2記載の発明によれば、ギャップ長を等価的
に広げることでq軸(横軸)インダクタンスを小さくし
無効電力を小さく言い換えれば力率を高くしたモータと
なりインハータ容量言い換えれば電源容量を低減させる
効果が得られる。請求項3記載の発明によれば、安価な
構成にもかかわらず、インバータ容量、言い換えれば電
源容量を低減できる効果が得られる。請求項4並びに請
求項5記載の発明によれば、煩雑な電気的手法を用いる
ことなく、永久磁石モータのロータキー位置にエンコー
ダを設置するだけで、簡単に永久磁石モータの永久磁石
位置を認識できるモータを提供でき、使い勝手の良いモ
ータとなる。請求項6記載の発明によれば、ロータを複
数のブロックコアの多段構造として、ブロックコア毎に
周方向に任意の角度ずつずらす事により、任意の高調波
成分を相殺できるので、構造が簡単となり、ブロック毎
の後着磁が可能であり、既存装置で製造でき、生産コス
トを低減できる効果が得られる。請求項7記載の発明に
よれば、間接的にしか検出できなかった永久磁石不可逆
減磁を、モータ電流とトルクの関係を参考にしてオンラ
インでリアルタイムで検出可能とするため、保守点検の
精度を向上できる効果が得られる。請求項8記載の発明
によれば、不可逆減磁の精度を向上できる効果が得られ
る。
図で、(a)は磁極率設定説明図、(b)は磁極部基本
形説明図、(c)は本発明によるロータコアの磁極部を
形成する偏心円弧部と永久磁石設置用スロットを示す説
明図である。
る。
束密度の特性図である。
永久磁石モータと表面永久磁石モータの横軸インダクタ
ンス特性図である。
00%の各種永久磁石モータを横軸電流制御した場合の
特性比較図である。
束波形の相関図である。
の角度位置の説明図である。
ーム挿入マークとの角度位置の説明図である。
度位置関係の説明図である。
石モータのロータコアの説明図であり、(a)はロータ
コアの側面図、(b)はロータコアの一部破断平面図で
ある。
置のブロック回路図である。
Claims (8)
- 【請求項1】 積層された複数のケイ素鋼板により形成
されたヨークを有するロータコアと、このロータコアの
外周部に形成された複数のスロットと、このスロット内
に配設されて磁極を形成する界磁用の永久磁石とを備え
る永久磁石モータにおいて、 前記永久磁石が配設されたスロットの外周側におけるロ
ータコアを、回転軸の軸心とは異なる円心を持つ円弧で
形成して、ギャップ磁束密度波形を正弦波に近づけたこ
とを特徴とする永久磁石モータ。 - 【請求項2】 ロータとステータとの間の等価ギャップ
を広げてなることを特徴とする請求項1記載の永久磁石
モータ。 - 【請求項3】 請求項1または2記載の永久磁石モータ
を用い、過負荷時に弱め界磁電流制御を行って電圧制限
することを特徴とする永久磁石モータの制御方法。 - 【請求項4】 ロータを軸支するシャフトキーが垂直軸
上にきたときに、ステータに配した巻線にu相誘起電圧
波形の零クロスの下がりで発生するように、ロータとス
テータとを相互配置し、ロータのシャフトキーとエンコ
ーダキーを一致させたことを特徴とする請求項1または
2記載の永久磁石モータ。 - 【請求項5】 請求項4記載の永久磁石モータを用い、
ロータの回転に同期するエンコーダの原点パルスを検知
して、ロータの永久磁石軸を認識することを特徴とする
永久磁石モータの制御方法。 - 【請求項6】 ロータを軸方向に複数のブロックで構成
し、該ブロックの各々を周方向に任意の角度ずらして保
持したことを特徴とする請求項1、2、または4記載の
永久磁石モータ。 - 【請求項7】 運転時のトルク指令に基いて、その時の
永久磁石モータの電流値を推定するモータ電流演算器
と、このモータ電流演算器の出力するモータ電流推定演
算値と実際のモータ電流検出値との差を演算する加算器
と、この加算器の検出電流と減磁検出基準値とを比較し
て減磁量を検出する比較器とから成る減磁量検出装置を
備え、永久磁石減磁量を検出可能にしたことを特徴とす
る請求項1、2、4、または6記載の永久磁石モータ。 - 【請求項8】 モータ巻線の温度または直流母線の電圧
或いはその両者を入力してモータ電流値を補正推定する
モータ電流演算器を備えたことを特徴とする請求項7記
載の永久磁石モータ。
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---|---|---|---|
JP2000294292A JP2002112479A (ja) | 2000-09-27 | 2000-09-27 | 永久磁石モータとその制御方法 |
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