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公開番号2021016289
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210212
出願番号2019131298
出願日20190716
発明の名称誘導モータとその制御装置
出願人個人
代理人
主分類H02P 25/22 20060101AFI20210115BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】誘導モータの効率を改善し、また、最大トルクを増大する制御装置を提供する。
【解決手段】誘導モータの各相のステータ磁極の磁束密度について、円周方向の磁束密度の分布を矩形波に近い台形波状分布から正弦波分布まで任意の分布状態に制御し、特に低速回転から中速回転におけるモータ効率を向上する。また、ロータ巻線の漏れインダクタンスが小さくなるモータ構造とし、モータと制御の相互の適正化により、モータの最大トルクをより効果的に増大する。また、モータの高効率化により、駆動回路の小型化も可能となる。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項1】
ステータの円周方向の電気角360°の範囲の各位相に配置するステータ巻線SW1、SW2、SW3・・・・SW(N1)と、
ステータとロータ間のエアギャップ部近傍の円周方向区間であって、電気角360°の範囲に配置し、前記各相のステータ巻線の間に配置するステータ歯、あるいは、ステータ歯に相当して円周方向幅を表す磁性区間MG1、MG2、MG3・・・・MG(N2)と、
ロータの表面近傍に配置され、ステータ側からの励磁により誘導電流が流れる複数のロータ巻線RWと、
前記各ステータ巻線へ各相の電圧、電流を駆動する駆動回路DTRと、
前記各相のステータ巻線への電流指令値等を求め、前記駆動回路DTRで駆動するモータ制御手段MCMとを備え、
前記磁性区間ごとのエアギャップ部近傍の界磁磁束φm、あるいは、界磁磁束φmの磁束密度を励磁する起磁力、あるいは、界磁磁束励磁等の励磁電流成分を前記磁性区間ごとに個別の値として制御し、
ロータのロータ巻線に流れるロータ電流成分を前記各ステータ巻線へ重畳して通電して制御する
ことを特徴とする誘導モータとその制御装置。
ここで、(N1)は6以上の整数、(N2)は6以上の整数とする。
続きを表示(約 8,200 文字)【請求項2】
請求項1において、
ステータの界磁磁束φmのエアギャップ部近傍の磁束密度を円周方向に任意形状の目標とする分布状態の関数Dist1として設定し、
界磁磁束φmの回転制御では、ステータの歯などの前記磁性区間に制約して、円周方向に離散した分布状態の関数Dist2へ、前記磁性区間におけるエアギャップ部近傍の磁束密度の平均値がほぼ等しくなるように変換し、
前記分布形状Dist2に従った誘導モータの電流制御を行う
ことを特徴とする誘導モータとその制御装置。
【請求項3】
請求項1、請求項2において、
誘導モータのエアギャップ部の界磁磁束φmの進行方向先端部の近傍に、ロータ電流の遅れを補償するための補償磁束を付加する
ことを特徴とする誘導モータとその制御装置。
【請求項4】
請求項1、請求項2において、
誘導モータのロータ巻線へ通電したいロータ電流指令値Ircをロータ電流の電圧方程式へ代入してロータ巻線の電圧Vrcを求め、
ロータ電圧Vrcを発生可能な磁束密度Bgapを求め、
この磁束密度Bgapをエアギャップ部の磁束密度の目標とする分布状態の関数Dist1として制御する
ことを特徴とする誘導モータとその制御装置。
【請求項5】
請求項1、請求項2において、
ステータの界磁磁束φmのエアギャップ部の磁束密度の分布状態の関数Dist1、あるいは、前記関数Dist1から円周方向に離散した分布状態の関数Dist2から界磁磁束φmの大きさφvolを判断し、
界磁磁束φmの前記大きさφvolが急速に変化しないように制御する
ことを特徴とする誘導モータとその制御装置。
【請求項6】
請求項1、請求項2において、
ステータの界磁磁束φmのエアギャップ部近傍の、円周方向の目標とする磁束密度分布状態の関数Dist1を、ロータ回転角速度ωr、あるいは、トルク指令Tcの値に応じて可変して制御する
ことを特徴とする誘導モータとその制御装置。
【請求項7】
請求項1、請求項2において、
ステータの前記ステータ巻線と前記磁性区間を、円周方向にそれぞれ並列に配置した分布巻きの構成とし、
前記各ステータ巻線へ各相の電圧、電流を駆動して制御する
ことを特徴とする誘導モータとその制御装置。
【請求項8】
請求項1、請求項2、請求項3において、
界磁磁束φmの励磁電流成分とトルク電流成分のそれぞれを(N3)相の電流とし、界磁磁束φmの円周方向回転位置θmnを基準として回転する座標をMN座標とし、
界磁磁束φmの励磁電流成分とトルク電流成分のそれぞれを(N3)相の電流として固定した現実の座標を実軸座標とし、
前記MN座標と前記実軸座標との間で相互に座標変換を行って、各磁束密度、電流などの(N3)相の変数、あるいは、自在に可変できる分布形状の状態を制御する
ことを特徴とする誘導モータとその制御装置。
ここで、(N3)は6以上の整数とする。
【請求項9】
請求項8において、
各相ごとに円周方向に離散値化された実軸座標の各変数とMN座標の各変数との座標変換において、該当する各変数の円周方向幅の平均値を取って座標変換後の値とする
ことを特徴とする誘導モータとその制御装置。
【請求項10】
請求項1、請求項2において、
前記励磁電流成分、あるいは、トルク電流成分を全節巻き巻線の全節巻き電流成分として表し、
前記励磁電流成分、あるいは、トルク電流成分を、必要に応じて、仮想の集中巻巻き線の集中巻き電流成分として表し、
前記励磁電流成分、あるいは、トルク電流成分を、必要に応じて、前記全節巻き電流成分と前記集中巻き電流成分とを相互に変換して制御に使用する
ことを特徴とする誘導モータとその制御装置。
【請求項11】
請求項1、請求項2において、
ステータの円周方向の電気角360°の範囲の各位相に配置する全節巻き巻線のステータ巻線SW1、SW2、SW3・・・・SW(N4)と、
前記各相のステータ巻線SW1とSW2の間が前記磁性区間MG1で、ステータ巻線SW2とSW3の間が前記磁性区間MG2で、ステータ巻線SW(N4)とSW1の間が前記磁性区間MG(N4)となるような各磁性区間と、
前記磁性区間MG(N4)とMG(1)の間に位置するスロットSL1、前記磁性区間MG(1)とMG(2)の間に位置するスロットSL1、前記磁性区間MG(2)とMG(3)の間に位置するスロットSL3、前記磁性区間MG(N4−1)とMG(N4)の間に位置するスロットSL(N4)とを備え、
前記ステータ巻線SW1を配置するスロットSL(1)の全節巻き巻線の電流がIaxである時、電気角で180°離れたスロット(N4/2+1)にもステータ巻線SW1の一部が配置され、逆向き電流(−Iax)を通電し、
前記磁性区間MG1、MG2、MG3・・・・MG(N4)のそれぞれに巻回する、前記全節巻き巻線と等価な機能を成す、仮想の集中巻き巻線CW1、CW2、CW3・・・・CW(N4)を想定し、
前記全節巻き巻線と前記仮想の集中巻き巻線の巻回数はNws/2とし、
前記仮想の集中巻き巻線の各電流値から等価な全節巻き巻線の各電流値を変換して求める場合は、その全節巻き巻線と同一のスロットに配置する2つの仮想の集中巻き巻線の電流値を、仮想の集中巻き巻線の起磁力の方向と全節巻き巻線の起磁力の方向とが一致する関係となる場合は正として、起磁力の方向が逆方向となる関係の場合は負として両電流値の和を求め、
同様にそれぞれの全節巻き巻線の電流値を求め、
前記全節巻き巻線の各電流値から等価な前記仮想の集中巻き巻線の各電流値を変換して求める場合は、全節巻き巻線の電流が発生する起磁力の方向とその仮想の集中巻き巻線を巻回する磁性区間に作用する起磁力の方向とが一致する関係となる場合は正とし、逆方向となる関係の場合は負として、全ての全節巻き巻線の電流値を足し合わせ、その合計値の1/2をその仮想の集中巻き巻線の等価電流値として求め、
同様にそれぞれの仮想の集中巻線の等価電流値を求める
ことを特徴とする誘導モータとその制御装置。
ここで、(N4)は6以上の整数とする。
【請求項12】
請求項1、請求項2において、
前記仮想の集中巻き巻線の各電圧値から等価な全節巻き巻線の各電圧値を変換して求める場合は、
仮想の集中巻き巻線がその磁性区間に作用する起磁力の方向と全節巻き巻線の電流が作用する起磁力の方向とが一致する関係となる場合は正とし、起磁力の方向が逆方向となる関係の場合は負として、全ての仮想の集中巻き巻線の電圧値を足し合わせ、その合計値の1/2をその全節巻き巻線の等価電圧とし、
同様にそれぞれの全節巻き巻線の等価電圧を求め、
前記全節巻き巻線の各電圧値から等価な仮想の集中巻き巻線の各電圧値を変換して求める場合は、前記の仮想の集中巻き巻線に関わる前記磁性区間の円周方向両隣に配置するスロットに巻回する2つの全節巻き巻線の電圧を、全節巻き巻線の電流が作用する起磁力の方向と仮想の集中巻き巻線の電流が作用する起磁力の方向と一致する関係となる場合は正として、起磁力の方向が逆方向となる関係の場合は負として両電圧値の和を求め、前記仮想の集中巻き巻線の等価電圧値とし、
同様にそれぞれの仮想の集中巻線の等価電圧値を求める
ことを特徴とする誘導モータとその制御装置。
【請求項13】
請求項1、請求項2において、
トルク指令Tcとロータ回転角速度ωrを入力とし、すべり角周波数ωsとエアギャップ部の磁束密度の任意形状の分布形状Dist1、あるいは、前記磁束密度に相当する励磁電流成分の任意形状の分布形状Dist1を求めて誘導モータの電流制御を行う
ことを特徴とする誘導モータとその制御装置。
【請求項14】
請求項1、請求項2において、
前記のエアギャップ部の磁束密度の任意形状の分布形状Dist1から各ステータ歯の磁束密度の指令値B1c、B2c、B3c、B4c・・・・の値を求め、
これら磁束密度を励磁する、ステータの前記の仮想の集中巻き巻線CW1、CW2、CW3、CW4・・・・の励磁電流成分指令Isf1Cc、Isf2Cc、Isf3Cc、Isf4Cc・・・・を求める
ことを特徴とする誘導モータとその制御装置。
【請求項15】
請求項1、請求項2、請求項14において、
前記各磁性区間のエアギャップ部の磁束密度B1d、B2d、B3d、B4d・・・・より前記各磁性区間の励磁に要する仮想の集中巻き巻線の励磁電流成分検出値Isf1Cd、Isf2Cd、Isf3Cd、Isf4Cd・・・・を求め、
各相それぞれについて、界磁磁束の励磁電流成分指令値Isf1Cc、Isf2Cc、Isf3Cc、Isf4Cc・・・・から、前記の検出した励磁電流成分検出値Isf1Cd、Isf2Cd、Isf3Cd、Isf4Cd・・・・を差し引いて、各相の励磁電流成分誤差(Isf1Cc−Isf1Cd)、(Isf2C−Isf2Cd)、(Isf3Cc−Isf3Cd)、(Isf4Cc−Isf4Cd)・・・・を求めて、フィードバック制御する
ことを特徴とする誘導モータとその制御装置。
【請求項16】
請求項1、請求項2において、
ロータの円周上に仮想のロータ巻線RW11、RW12、RW13、RW14・・・・を配置し、
前記各ロータ巻線RWに流れるロータ電流Ir11、Ir12、Ir13、Ir14・・・・の値を、各ロータ巻線RWの巻線抵抗と漏れインダクタンスを含む電圧方程式に基づいて計算し、
前記各ロータ電流のそれぞれの値を継続的に求めて制御する
ことを特徴とする誘導モータとその制御装置。
【請求項17】
請求項1、請求項2、請求項16において、
ステータ巻線SW1、SW2、SW3、SW4・・・・と、
ロータ巻線を巻回したロータとを備え、
ロータの円周上に仮想のロータ巻線RW11、RW12、RW13、RW14・・・・を配置し、
前記仮想のロータ巻線に流れるロータ電流Ir11、Ir12、Ir13、Ir14・・・・を時間的に継続的にもとめ、
前記ロータ電流Ir11、Ir12、Ir13、Ir14・・・・の円周上の分布IrDistと、電流の巻回数積が同じ大きさで負の値となる様に、ステータのロータ電流成分の円周上の分布IsrDistを求め、
前記分布IsrDistに基づいてステータの各巻線のロータ電流成分を制御する
ことを特徴とする誘導モータとその制御装置。
【請求項18】
請求項1、請求項2、請求項16において、
前記ステータ巻線SW1、SW2、SW3、SW4・・・・の各相電流を検出するステータ電流検出手段MCDMを備え、
前記ステータ巻線の各電流値をIs1Fd、Is2Fd、Is3Fd、Is4Fd・・・・として検出し、
前記各磁性区間のエアギャップ部の磁束密度B1d、B2d、B3d、B4d・・・・より前記各磁性区間の励磁に要する励磁電流成分Isf1Fd、Isf2Fd、Isf3Fd、Isf4Fd・・・・を求め、
ステータ巻線の前記各電流値から前記励磁電流成分を差し引いて、各ロータ電流成分(Is1Fd−Isf1Fd)、(Is1Fd−Isf1Fd)、(Is1Fd−Isf1Fd)、(Is1Fd−Isf1Fd)・・・・を求めて、ロータ電流成分の検出値として制御する
ことを特徴とする誘導モータとその制御装置。
【請求項19】
請求項17において、
ステータのロータ電流成分の各相の指令値Isr1Fc、Isr1Fc、Isr1Fc、Isr1Fc・・・・から各相のロータ電流の検出値Isr1Fd、Isr2Fd、Isr3Fd、Isr4Fdを差し引いてフィードバック制御する
ことを特徴とする誘導モータとその制御装置。
【請求項20】
請求項1、請求項2において、
ロータの円周上に仮想のロータ巻線RW11、RW12、RW13、RW14・・・・を配置し、
前記各ロータ巻線RWに流れるロータ電流Ir11、Ir12、Ir13、Ir14・・・・の値を、各ロータ巻線RWの巻線抵抗と漏れインダクタンスを含む電圧方程式に基づいて計算し、
トルク指令Tcから前記ロータ電流Ir11、Ir12、Ir13、Ir14・・・・が発生するトルク計算値を差し引いてトルク誤差Terを求め、トルク誤差補正ωsterを求め、すべり角周波数ωsを修正する
ことを特徴とする誘導モータとその制御装置。
【請求項21】
請求項1、請求項2において、
各相のステータ巻線SW1、SW2、SW3、SW4・・・・のロータ電流成分の指令値Isr1Fc、Isr2Fc、Isr3Fc、Isr4Fc・・・・とステータ巻線に流れるロータ電流成分の検出値Isr1Fd、Isr2Fd、Isr3Fd、Isr4Fd・・・・との差分をロータ電流成分誤差Isr1Fe、Isr2Fe、Isr3Fe、Isr4Fe・・・・として求め、
これら各ロータ電流成分誤差からロータ電流誤差補正ωsier求め、すべり角周波数ωsを修正する
ことを特徴とする誘導モータとその制御装置。
【請求項22】
請求項1、請求項2において、
ロータの円周上に仮想のロータ巻線RW11、RW12、RW13、RW14・・・・を配置し、
前記各ロータ巻線RWに流れるロータ電流Ir11、Ir12、Ir13、Ir14・・・・の値を、各ロータ巻線RWの巻線抵抗と漏れインダクタンスを含む電圧方程式に基づいて計算し、
トルク指令Tcから前記ロータ電流Ir11、Ir12、Ir13、Ir14・・・・が発生するトルク計算値を差し引いてトルク誤差Terを求め、トルク誤差補正ωsterを求め、
各相のステータ巻線SW1、SW2、SW3、SW4・・・・のロータ電流成分の指令値Isr1Fc、Isr2Fc、Isr3Fc、Isr4Fc・・・・とステータ巻線に流れるロータ電流成分の検出値Isr1Fd、Isr2Fd、Isr3Fd、Isr4Fd・・・・との差分をロータ電流成分誤差Isr1Fe、Isr2Fe、Isr3Fe、Isr4Fe・・・・として求め、
これら各ロータ電流成分誤差からロータ電流誤差補正ωsier求め、
すべり角周波数ωsとトルク誤差補正ωsterとロータ電流誤差補正ωsierを加算して修正したすべり角周波数ωs3を求める
ことを特徴とする誘導モータとその制御装置。
【請求項23】
請求項1、請求項2において、
各巻線の誘起電圧成分Vse1Fc、Vse2Fc、Vse3Fc、Vse4Fc・・・・などを求め、
これらの電圧成分を各相の電圧指令成分として加える
ことを特徴とする誘導モータとその制御装置。
ここで、(N2)はは6以上の整数とする。
【請求項24】
請求項1、請求項2において、
トルク指令Tcとロータ回転角速度ωrの制御条件における、界磁磁束φmの分布状態、すべり角速度ωs、各相電流IsnFの情報を、誘導モータ駆動のシミュレーション、あるいは、実際のモータ駆動などにより事前に得て、
それらのモータ制御情報CIJAをデータメモリーDMMへ記憶し、
トルク指令Tcとロータ回転角速度ωrの指令値に応じて、前記データメモリーDMMから必要となる界磁磁束φmの分布状態、すべり角速度ωs、各相電流IsnFのモータ制御情報CIJAを読み出し、
読み出した前記制御情報CIJAを使用して誘導モータを駆動して制御する
ことを特徴とする誘導モータとその制御装置。
【請求項25】
請求項1、請求項2において、
第1の誘導モータを構成する第1のステータ磁気回路構成と、
第1のロータと、
第2の誘導モータを構成する第2のステータ磁気回路構成と、
第1のロータと機械的に結合した第2のロータと、
第1の誘導モータのステータ巻線と第2の誘導モータのステータ巻線とを兼ねたトロイダル形状のステータ巻線を備え、
前記ステータ巻線へ電流を通電して制御する
ことを特徴とする誘導モータとその制御装置。
【請求項26】
請求項1、請求項2において、
ロータ巻線はステータへ対向するロータ表面の近傍にあり、各相のロータ巻線が円周方向に並んで配置する構成である
ことを特徴とする誘導モータとその制御装置。
【請求項27】
請求項26において、
ステータ巻線はロータへ対向するステータ表面の近傍にあり、各相のステータ巻線が円周方向に並んで配置する構成である
ことを特徴とする誘導モータとその制御装置。
【請求項28】
請求項26、請求項27において、
ロータの各ロータ巻線の円周方向の間に、ロータのバックヨークからエアギャップ部までの磁気抵抗を減少する軟磁性体を備える
ことを特徴とする誘導モータとその制御装置。
【請求項29】
請求項26、請求項27、請求項28において、
銅、アルミニウムなどの円筒形状の導体に、ロータ軸方向に絶縁用の細長い穴、あるいは、切断面を設け、ロータ両方向端は円周方向に短絡した円筒形状のロータ巻線を備える
ことを特徴とする誘導モータとその制御装置。
【請求項30】
ステータの円周方向の電気角360°の範囲の各位相に配置する超電導巻線のステータ巻線SW1、SW2、SW3・・・・SW(N5)と、
ステータとロータ間のエアギャップ部近傍の円周方向区間であって、電気角360°の範囲に配置し、前記各相のステータ巻線の間に配置するステータ歯、あるいは、ステータ歯に相当して円周方向幅を表す磁性区間MG1、MG2、MG3・・・・MG(N6)と、
ロータの表面近傍に配置する複数の超電導巻線のロータ巻線RWと、
前記各ステータ巻線へ各相の電圧、電流を駆動する駆動回路DTRと、
前記各相のステータ巻線への電流指令値等を求め、前記駆動回路DTRで駆動するモータ制御手段MCMとを備え、
ステータ電流Isは界磁磁束φmの励磁に関わる電流成分Isdifとロータ電流と共通の電流成分Iscomを各相に通電し、
ロータ巻線RWに、エアギャップを介して対向するステータのロータ電流成分Iscomと電流値と巻回数の積が等しく、電流の方向が逆向き電流成分(−Ircom)を各相に通電する
ことを特徴とするモータとその制御装置。
ここで、(N5)は6以上の整数、(N6)は6以上の整数とする。
(【請求項31】以降は省略されています)

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
ハイブリット自動車や電気自動車EVの駆動用モータ、家電用モータ、産業用モータ、および、それらの駆動回路、制御技術などに関わるものである。そして、誘導モータの高力率化、高効率化、小型軽量化、低コスト化、及び、それらの駆動回路の小型化、低コスト化、そして、誘導モータの制御技術と高性能化に関わる。ステータの巻線とロータの巻線を備えていて、ステータのある電流成分とロータの電流成分とがエアギャップ部を介して対向して逆向きに電流を通電するモータにも関わる。即ち、ステータ電流とロータ電流とを通電して相対的に制御するモータとその制御装置に関わる。
続きを表示(約 8,600 文字)【背景技術】
【0002】
誘導モータは、3相交流、200[V]、50/60[Hz]の商用電源を直入れして駆動可能なので、大変多くの用途に使用され、現在も主要な産業用モータである。電力の50%がモータで消費され、3相誘導モータは全モータの生産容量ベースで80%近くを占める。近年は、経済産業省よりいわゆるトップランナー規制で、IEC規格のIE3、さらにはIE4の高効率モータが推奨され、世界各国でも規制され、競争が激しくなっている。
【0003】
このような経済産業省主導の消費電力の低減、また、電気料金低減の要望により、誘導モータの高効率化だけでなく、インバータを用いることにより、より適した回転数へ可変速駆動することが一般的になってきている。これは、IGBTなどの電力素子、半導体の技術の進歩と、制御用のマイクロプロセッサ、メモリのめざましい発展が背景にある。IGBT等の低コスト化、制御回路等の高速化、高集積化、低コスト化などである。その結果、複雑な制御を演算処理時間を気にせず高速に実行できるようになり、メモリー容量のコスト的負担等を気にせず実現できるので、以前は困難であったことが可能になった。
【0004】
図88に従来の誘導モータの横断面図の例を示す。88Fはステータ、88Cはロータ軸である。881はA1相ステータ磁極、882はA1/相ステータ磁極、883はB1相ステータ磁極、884はB1/相ステータ磁極、885はC1相ステータ磁極、886はC1/相ステータ磁極である。前記各ステータ磁極はステータの各歯でもあり、歯の間は巻線を配置するスロットを構成している。887と888は、889をコイルエンドとして接続するAB1相の全節巻き巻線で、巻線ピッチは180°である。電流の通電方向は、巻線887、888を示す電流シンボルの方向で、巻線887の通電方向は紙面の表側から紙面の裏側へ通電し、巻線888はその逆方向である。同様に、コイルエンド88Aで示す巻線は、BC1相の全節巻き巻線である。コイルエンド88Bで示す巻線は、CA1相の全節巻き巻線である。88Dはロータの歯であり、ロータの外周側の円周上に均等に配置している。各歯の間はロータ巻線を配置するロータのスロットを構成し、88Eはロータ巻線の1つである。例えば、88Eはアルミニウムのダイカスト工法で製作されることが多い。
【0005】
AB1相巻線889、BC1相巻線88A、CA1相巻線88Bへ3相交流電圧、電流を印加し、その交流周波数Ffで回転する界磁磁束φmを作成し、前記交流周波数ωfとロータの回転周波数Frとの差であるすべり周波数Fsによりロータ巻線へロータ電流Irを誘導する。そして、界磁磁束φmの磁束密度Bとロータ電流Irとの積で力Frを発生し、そのトルクTによりロータを回転駆動することができる。この動作は、誘導モータの良く知られたトルク発生メカニズムである。また、この発生する力Frは、ローレンツ力として知られ、BとIrの各ベクトルの方向はフレミングの左手の法則で示される。なお、現在のモータ技術では、力を有限要素法による磁場解析で求めることが多い。例えば、後に(193)、(194)式に示す様な、マクスウェルの応力式より導いた力などでより正確に計算できる。しかし、多くの要素に分割して複雑になり、表現、記述が困難になる。ここでは、発生する力Frをローレンツ力で表現し、示す。
【0006】
次に、誘導モータの特有な構成と作用、そして、同期モータとの差異を示す。誘導モータは、ロータ巻線のインピーダンスとしてインダクタンス成分が含まれており、ロータ巻線に発生する電圧に対してロータ電流の位相が遅れる。ロータ巻線がロータ側は位置なので、ロータ電流の検出が容易ではない。また、永久磁石型同期モータに比較して、ロータ巻線が必要であり、ロータ電流によりロータ銅損が発生する。
【0007】
次に、従来の誘導モータの問題点を示す。まず、誘導モータの駆動、制御は正弦波電圧、正弦波電流を前提としている。図6に誘導モータの特性例を示す。水平軸はすべりSを示しており、左端は回転数が0ですべりSは1.0であり、右端は回転数が誘導モータ駆動用の電源周波数と同じ同期回転数であり、すべりSは0である。61はステータ電流Isfで、62はトルクT、63は力率cos(θpf)、64は出力パワー、65は効率ηの例である。
【0008】
図5は各変数のベクトル図である。51は界磁励磁電流Isfで、52は界磁磁束φmで、53はロータ巻線の誘起電圧Erで、54はロータ電流Ir、θsはロータ電圧Erとロータ電流Irの位相差である。発生トルクTは、界磁磁束φmとロータ電流Irの積に比例する。55はステータのロータ電流成分Isr、56はステータ電流Isである。57はステータ巻線の誘起電圧Esで、58はステータ巻線抵抗Rsの電圧降下Is×Rs、59は漏れリアクタンス降下Is×Xsで、5Aはステータ巻線の電圧Vsである。
【0009】
ここで、ロータ電流Irのロータ電圧Erに対する位相遅れθsが、誘導モータの特性に大きく影響している。ロータ電圧Erは界磁磁束φmとロータ巻線とのすべり周波数Fsにより生成されるので、ロータ電圧Erの振幅がすべり周波数Fsに比例し、ロータ電圧Erの周波数はすべり周波数Fsである。従って、誘導モータの発生トルクTが小さい領域でのロータ電流の位相遅れθsは小さく、界磁磁束φmとロータ電流Irでのトルク発生効果は良好である。しかし、誘導モータの発生トルクTが大きくなるとすべり周波数Fsが大きくなり、ロータ巻線の漏れインダクタンスにも関わって、位相遅れθsが大きくなる。そして、界磁磁束φmとロータ電流Irでのトルク発生効率が低下していく。なお、破線で示す66は、ロータ巻線の漏れインダクタンスが小さい場合の理想的なトルク特性である。
【0010】
これらの作用の結果を図6の特性に示している。すべり周波数Fsが大きくなると、トルクTの発生効率が破線で示す66より低下して行き、さらに、最大値を迎え、その後はトルクがむしろ低下する。従って、誘導モータは、トルクが大きくなると力率が低下する問題、効率が低下する問題、最大トルクが制約される問題がある。その他に、永久磁石型同期モータに比較し、ロータ銅損が発生する問題がある。その結果、モータが大型化する問題、生産コストが上昇する問題が発生する。また、誘導モータは正弦波交流で駆動することを前提としているので、電圧、電流の総数が3相など小さい場合には、ステータ歯幅が円周方向に広くなり、円周方向の磁束分布が離散的になるため、トルクリップル、及び、騒音が大きくなる問題がある。この離散性の問題を低減するために、ロータのスキューが必要となり、トルクが減少する問題がある。
【0011】
また、誘導モータをインバータを用いていわゆるベクトル制御で駆動する場合、ロータ電流の遅れを考慮する必要があるため、制御が複雑になる問題も発生する。また、誘導モータを原理的に忠実に正弦波交流で駆動しようとするため、モータの最大磁束密度が磁気飽和しないように制御することが多く、モータに使用する軟磁性体の利用効率が低下する傾向にある。
【0012】
誘導モータの特徴は、堅牢であること、界磁磁束の制御が容易であるため定出力制御、高速回転制御が容易であること、惰性回転時に永久磁石で発生するようないわゆる引きずりトルクが無く、その損失を低減できること、高価な永久磁石を必要とせず、低コストであること、永久磁石材料である希土類元素の資源問題が無いこと、誘導モータの大容量化が容易で実績も豊富なことなどがある。前記の問題点を低減し、電気自動車などの駆動用途、産業機械用途、家電用途など幅広い用途での活用が期待できる。
【0013】
特に、誘導モータの最大トルクの増大により適用範囲の拡大、用途の拡大が可能となる。小型、軽量、大出力により、性能の大幅向上が期待される用途も多くある。交通関係、航空機関係、ロボット関係などの用途である。その様な用途では、前記の最大トルクが制約される問題の解決が課題となる。後に、本発明例で説明する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0014】
特開平06−205570(図3)
特開2018−093695(図1)
【非特許文献】
【0015】
平成28年電気学会産業応用部門大会論文誌、3_36(式1)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0016】
本発明の誘導モータの用途例として、電気自動車の主機用モータがある。この主機用モータの回転数−トルク特性には、急坂道の登坂運転時に使用する低速回転での大トルク、高力率、高効率が必要であり、この改善によりモータの小型化、インバータの小型化が実現する。また、軽負荷時の効率向上も、総合効率を向上するために重要である。なお、誘導モータは、高速回転時の界磁弱め特性、定出力特性に優れている。
【0017】
誘導モータの高効率化を実現するために、本発明では、任意の台形波状などの分布形状から正弦波の分布形状までを可能とする制御技術を提案する。磁束分布、電流分布などの制御で、円周方向に自在な分布形状を可能とする。分布形状を実現するために、多相で独立した電流など各変数を表現する。自在な分布形状とステータの各歯の幅に離散値化した情報との相互変換を行う。任意の分布形状を表現するための手法として、各相のステータ磁極が発生する起磁力をそれぞれ個別に、自由に定義するために仮想の集中巻き巻線を用いて表現する。全節巻き巻線と前記仮想の集中巻線での、電流などの各変数の値を表現し、全節巻きと集中巻きとの巻線間の相互変換を行う。相互変換式を提案する。任意の分布形状を表現するための1手法として、多相の固定の実軸座標と回転座標とを用い、相互変換する。
【0018】
また、仮想の各ロータ巻線の各巻線電流を、等価的に、ステータ電流へ換算する。各ロータ巻線の各巻線電流の値を電圧方程式に基づいて求める。各ロータ電流の遅れを補い、補償する制御を行う。各相の電流制御において、電圧フィードフォワード制御を行い、より正確に電流を制御する。
【0019】
モータの構造、構成については、前記目的、前記制御に適するモータを示す。種々形態のモータが可能である。特に、大きなトルクを出力するためには、ロータ巻線の漏れインダクタンスの低減が必要である。そして、ロータ電流が発生する起磁力成分とステータ電流が発生する起磁力成分がそれらの外側の部分に与える起磁力の作用を相殺する効果とロータ電流とステータ電流とがエアギャップ部の円周方向磁束密度成分を生成する効果とを活用し、前記制御と組み合わせることにより、モータの最大トルクを増大する。即ち、モータと制御の相互の適正化により、モータの最大トルクをより効果的に増大できる。また、使用する軟磁性体の飽和磁束密度を超えるような大きな磁束密度で動作するモータを示す。また、超電導巻線の技術が進歩し、特に大きなトルク出力が必要な分野では実用的になっている。ステータ電流とロータ電流との反発力も応用できる。各相巻線の電圧、電流を駆動する駆動回路については、前記制御を実現できる構成を示す。前記制御をより精度良く実現するためには、各相の磁束検出、各ロータ電流の検出が有効である。
【課題を解決するための手段】
【0020】
請求項1に記載の発明は、ステータの円周方向の電気角360°の範囲の各位相に配置するステータ巻線SW1、SW2、SW3・・・・SW(N1)と、ステータとロータ間のエアギャップ部近傍の円周方向区間であって、電気角360°の範囲に配置し、前記各相のステータ巻線の間に配置するステータ歯、あるいは、ステータ歯に相当して円周方向幅を表す磁性区間MG1、MG2、MG3・・・・MG(N2)と、ロータの表面近傍に配置され、ステータ側からの励磁により誘導電流が流れる複数のロータ巻線RWと、前記各ステータ巻線へ各相の電圧、電流を駆動する駆動回路DTRと、前記各相のステータ巻線への電流指令値等を求め、前記駆動回路DTRで駆動するモータ制御手段MCMとを備え、前記磁性区間ごとのエアギャップ部近傍の界磁磁束φm、あるいは、界磁磁束φmの磁束密度を励磁する起磁力、あるいは、界磁磁束励磁等の励磁電流成分を前記磁性区間ごとに個別の値として制御し、ロータのロータ巻線に流れるロータ電流成分を前記各ステータ巻線へ重畳して通電して制御する誘導モータとその制御装置の構成である。ここで、(N1)は6以上の整数、(N2)は6以上の整数とする。
この構成によれば、誘導モータとその駆動回路を高効率化、小型化できる。
【0021】
請求項2に記載の発明は、請求項1において、ステータの界磁磁束φmのエアギャップ部近傍の磁束密度を円周方向に任意形状の目標とする分布状態の関数Dist1として設定し、界磁磁束φmの回転制御では、ステータの歯などの前記磁性区間に制約して、円周方向に離散した分布状態の関数Dist2へ、前記磁性区間におけるエアギャップ部近傍の磁束密度の平均値がほぼ等しくなるように変換し、前記分布形状Dist2に従った誘導モータの電流制御を行う誘導モータとその制御装置の構成である。
この構成によれば、誘導モータとその駆動回路を高効率化、小型化できる。
【0022】
請求項3に記載の発明は、請求項1、請求項2において、誘導モータのエアギャップ部の界磁磁束φmの進行方向先端部の近傍に、ロータ電流の遅れを補償するための補償磁束を付加する誘導モータとその制御装置の構成である。
この構成によれば、誘導モータとその駆動回路を高効率化、小型化できる。
【0023】
請求項4に記載の発明は、請求項1、請求項2において、誘導モータのロータ巻線へ通電したいロータ電流指令値Ircをロータ電流の電圧方程式へ代入してロータ巻線の電圧Vrcを求め、ロータ電圧Vrcを発生可能な磁束密度Bgapを求め、この磁束密度Bgapをエアギャップ部の磁束密度の目標とする分布状態の関数Dist1として制御する誘導モータとその制御装置の構成である。
この構成によれば、誘導モータとその駆動回路を高効率化、小型化できる。
【0024】
請求項5に記載の発明は、請求項1、請求項2において、ステータの界磁磁束φmのエアギャップ部の磁束密度の分布状態の関数Dist1、あるいは、前記関数Dist1から円周方向に離散した分布状態の関数Dist2から界磁磁束φmの大きさφvolを判断し、界磁磁束φmの前記大きさφvolが急速に変化しないように制御する誘導モータとその制御装置の構成である。
この構成によれば、ロータ巻線の無効電流を低減することができる。
【0025】
請求項6に記載の発明は、請求項1、請求項2において、ステータの界磁磁束φmのエアギャップ部近傍の、円周方向の目標とする磁束密度分布状態の関数Dist1を、ロータ回転角速度ωr、あるいは、トルク指令Tcの値に応じて可変して制御する誘導モータとその制御装置の構成である。
この構成によれば、誘導モータをその運転状態に応じて高効率に駆動できる。
【0026】
請求項7に記載の発明は、請求項1、請求項2において、ステータの前記ステータ巻線と前記磁性区間を、円周方向にそれぞれ並列に配置した分布巻きの構成とし、前記各ステータ巻線へ各相の電圧、電流を駆動して制御する誘導モータとその制御装置の構成である。
この構成によれば、誘導モータの高調波成分を低減し、トルクリップルの低減、低騒音かなどができる。
【0027】
請求項8に記載の発明は、請求項1、請求項2、請求項3において、界磁磁束φmの励磁電流成分とトルク電流成分のそれぞれを(N3)相の電流とし、界磁磁束φmの円周方向回転位置θmnを基準として回転する座標をMN座標とし、界磁磁束φmの励磁電流成分とトルク電流成分のそれぞれを(N3)相の電流として固定した現実の座標を実軸座標とし、前記MN座標と前記実軸座標との間で相互に座標変換を行って、各磁束密度、電流などの(N3)相の変数、あるいは、自在に可変できる分布形状の状態を制御する誘導モータとその制御装置の構成である。
この構成によれば、誘導モータの制御の複雑な制御を、より容易に制御することができる。
【0028】
請求項9に記載の発明は、請求項8において、各相ごとに円周方向に離散値化された実軸座標の各変数とMN座標の各変数との座標変換において、該当する各変数の円周方向幅の平均値を取って座標変換後の値とする誘導モータとその制御装置の構成である。
この構成によれば、誘導モータの制御の複雑な制御を、より容易に制御することができる。
【0029】
請求項10に記載の発明は、請求項1、請求項2において、前記励磁電流成分、あるいは、トルク電流成分を全節巻き巻線の全節巻き電流成分として表し、前記励磁電流成分、あるいは、トルク電流成分を、必要に応じて、仮想の集中巻巻き線の集中巻き電流成分として表し、前記励磁電流成分、あるいは、トルク電流成分を、必要に応じて、前記全節巻き電流成分と前記集中巻き電流成分とを相互に変換して制御に使用する誘導モータとその制御装置の構成である。
この構成によれば、各相のトルク電流成分と前記各磁性区間ごとの励磁電流成分とを認識して制御することができる。
【0030】
請求項11に記載の発明は、請求項1、請求項2において、ステータの円周方向の電気角360°の範囲の各位相に配置する全節巻き巻線のステータ巻線SW1、SW2、SW3・・・・SW(N4)と、前記各相のステータ巻線SW1とSW2の間が前記磁性区間MG1で、ステータ巻線SW2とSW3の間が前記磁性区間MG2で、ステータ巻線SW(N4)とSW1の間が前記磁性区間MG(N4)となるような各磁性区間と、前記磁性区間MG(N4)とMG(1)の間に位置するスロットSL1、前記磁性区間MG(1)とMG(2)の間に位置するスロットSL1、前記磁性区間MG(2)とMG(3)の間に位置するスロットSL3、前記磁性区間MG(N4−1)とMG(N4)の間に位置するスロットSL(N4)とを備え、前記ステータ巻線SW1を配置するスロットSL(1)の全節巻き巻線の電流がIaxである時、電気角で180°離れたスロット(N4/2+1)にもステータ巻線SW1の一部が配置され、逆向き電流(−Iax)を通電し、前記磁性区間MG1、MG2、MG3・・・・MG(N4)のそれぞれに巻回する、前記全節巻き巻線と等価な機能を成す、仮想の集中巻き巻線CW1、CW2、CW3・・・・CW(N4)を想定し、前記全節巻き巻線と前記仮想の集中巻き巻線の巻回数はNws/2とし、前記仮想の集中巻き巻線の各電流値から等価な全節巻き巻線の各電流値を変換して求める場合は、その全節巻き巻線と同一のスロットに配置する2つの仮想の集中巻き巻線の電流値を、仮想の集中巻き巻線の起磁力の方向と全節巻き巻線の起磁力の方向とが一致する関係となる場合は正として、起磁力の方向が逆方向となる関係の場合は負として両電流値の和を求め、同様にそれぞれの全節巻き巻線の電流値を求め、前記全節巻き巻線の各電流値から等価な前記仮想の集中巻き巻線の各電流値を変換して求める場合は、全節巻き巻線の電流が発生する起磁力の方向とその仮想の集中巻き巻線を巻回する磁性区間に作用する起磁力の方向とが一致する関係となる場合は正とし、逆方向となる関係の場合は負として、全ての全節巻き巻線の電流値を足し合わせ、その合計値の1/2をその仮想の集中巻き巻線の等価電流値として求め、同様にそれぞれの仮想の集中巻線の等価電流値を求める誘導モータとその制御装置の構成である。
この構成によれば、全節巻き巻線の各電流値と仮想の集中巻き巻線の各電流値との変換ができる。
(【0031】以降は省略されています)

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