特許ウォッチ

公開番号2025027940
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-02-28
出願番号2024005156
出願日2024-01-17
発明の名称ゼロ又は低速からの永久磁石補助型同期リラクタンスモーター制御用のシステム及び方法
出願人ウォーロンエレクトリックグループカンパニー,リミティド
代理人個人,個人,個人,個人,個人
主分類H02P 6/20 20160101AFI20250220BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】永久磁石支援型同期リラクタンス(PM-SyR)モーターの安定したセンサなし制御用のシステム及び方法を提供する。
【解決手段】システム及び方法は、既知の回転子位置/速度を有する、但し、回転子磁気異方性又は顕著性を有するモーターの未知の回転子磁気極性を有する、モーターのスタートアップ制御を含む。システム及び方法は、回転子障壁ブリッジ内の漏洩磁束経路によって生成されるインダクタンスの変動に基づいて回転子磁気極性を検出する且つ検出された回転子磁気極性を改善されたモータースタートアップのために利用するPM-SyRモーター用の回転子特性検出方法を含む。
【選択図】図1A-1B
特許請求の範囲【請求項１】
センサなし永久磁石支援型同期リラクタンスモーターであって、
三相固定子巻線構成を有する取り付けられた固定子と、
回転子であって、前記回転子内の磁束の流れを制御するために複数の主回転子磁束経路セグメントにコアを分割する複数の磁束障壁を有する透磁性コアを含み、前記複数の磁束障壁は、複数の永久磁石を保持し、前記透磁性コアは、前記複数の回転子磁束経路セグメントを１つに結合する複数の表面ブリッジを含み、前記回転子は、前記固定子の前記三相固定子巻線構成の励起を介して前記固定子との関係において回転可能であり、前記複数の永久磁石は、磁気極性を有する複数の回転子磁極を生成する、回転子と、
前記複数の回転子磁束経路セグメントの少なくとも１つと前記固定子の間の主磁束経路と、
前記複数の永久磁石の少なくとも１つによって生成される指向的に磁化された磁束密度を有する前記複数の表面ブリッジの少なくとも１つを通じた無負荷漏洩磁束経路と、
モーター制御システムであって、
電源、
前記固定子の１つ又は複数の電気特性を検知するように構成された検知回路、及び
コントローラ、を含み、
前記コントローラは、
前記三相固定子巻線構成に正電圧パルス及び負電圧パルスを印加し、前記正電圧及び前記負電圧の大きさが、
前記正電圧パルス及び前記負電圧パルスの一方が、前記複数の表面ブリッジの前記少なくとも１つ内の前記指向的に磁化された磁束密度を消磁し、且つ、
前記正電圧パルス及び前記負電圧パルスの他方のものが、前記複数の表面ブリッジの前記少なくとも１つ内の前記磁束密度を更に磁化する、
ように選択され、
前記正電圧パルスに対する電流応答及び前記負電圧パルスに対する電流応答を検出し、
前記正電圧パルスに対する前記電流応答及び前記負電圧パルスに対する前記電流応答の相対的な大きさに基づいて前記複数の磁極の前記磁気極性を判定し、
前記複数の磁極の前記判定された磁気極性に基づいてモーターのスタートアップの際に駆動コマンドを生成する、
ように構成されている、モーター制御システムと、
モーターのスタートアップの際に前記駆動コマンドに従って前記固定子の前記三相固定子巻線構成用の励起信号を生成する駆動回路と、
を有するモーター。
続きを表示（約 1,500 文字）【請求項２】
前記正電圧パルス及び前記負電圧パルスの一方に対する前記電流応答は、ｄ軸方向における電流応答であり、且つ、前記正電圧パルス及び前記負電圧パルスの他方のものに対する前記電流応答は、負のｄ軸方向における電流応答である請求項１に記載のセンサなし永久磁石支援型同期リラクタンスモーター。
【請求項３】
前記透磁性コアは、前記回転子の機械的完全性を増大させるために前記複数の回転子磁束経路セグメントを１つに結合する複数の内側ブリッジを含む請求項１に記載のセンサなし永久磁石支援型同期リラクタンスモーター。
【請求項４】
前記複数の永久磁石は、複数のフェライト磁石、複数のネオジム磁石、及び複数の希土類磁石の少なくとも１つを含む請求項１に記載のセンサなし永久磁石支援型同期リラクタンスモーター。
【請求項５】
前記複数の磁束障壁は、前記障壁内において前記磁石を位置決めするために前記磁石用のスロットを有するように構成されている請求項１に記載のセンサなし永久磁石支援型同期リラクタンスモーター。
【請求項６】
前記負電圧パルス及び前記正電圧パルスは、前記正電圧パルス及び前記負電圧パルスの一方が、前記複数の表面ブリッジの前記少なくとも１つ内の前記指向的に磁化された磁束密度を脱飽和させるように、且つ、前記正電圧パルス及び前記負電圧パルスの他方のものが、前記複数の表面ブリッジの前記少なくとも１つ内の前記指向的に磁化された磁束密度を飽和させるように、同一の大きさを有する請求項１に記載のセンサなし永久磁石支援型同期リラクタンスモーター。
【請求項７】
前記正電圧パルス及び負電圧パルスの前記大きさは、前記正電圧パルス及び前記負電圧パルスの一方が、前記無負荷漏洩磁束経路内の前記指向的に磁化された磁束密度の反対方向において前記複数の表面ブリッジの前記少なくとも１つを通じた前記漏洩磁束経路を実質的に指向的に飽和させることなしに、前記複数の表面ブリッジの前記少なくとも１つ内の前記指向的に磁化された磁束密度を脱飽和させるように、選択されている請求項１に記載のセンサなし永久磁石支援型同期リラクタンスモーター。
【請求項８】
前記正電圧パルス及び負電圧パルスの前記大きさは、前記正電圧パルス及び前記負電圧パルスの一方が、前記複数の表面ブリッジの前記少なくとも１つ内の前記指向的に磁化された磁束密度を約ゼロテスラに脱飽和させるように、選択されている請求項１に記載のセンサなし永久磁石支援型同期リラクタンスモーター。
【請求項９】
前記正電圧パルス及び負電圧パルスの前記大きさは、前記正電圧パルス及び前記負電圧パルスの一方が、前記複数の表面ブリッジの前記少なくとも１つ内の前記指向的に磁化された磁束密度を脱飽和させ、その結果、ｄ軸インダクタンスが既定の閾値超に増大するように、且つ、前記正電圧パルス及び前記負電圧パルスの他方のものが、前記複数の表面ブリッジの前記少なくとも１つ内の前記磁束密度を更に磁化し、その結果、ｄ軸インダクタンスが前記既定の閾値未満において留まるように、前記センサなし永久磁石支援型同期リラクタンスモーターの特性に基づいて選択されている請求項１に記載のセンサなし永久磁石支援型同期リラクタンスモーター。
【請求項１０】
前記正電圧パルス及び負電圧パルスの前記大きさは、前記センサなし永久磁石支援型同期リラクタンスモーターの特性に基づいて、且つ、ｄ軸インダクタンスの閾値差が前記正及び負電圧パルスに応答して生成されるように、選択されている請求項１に記載のセンサなし永久磁石支援型同期リラクタンスモーター。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、永久磁石支援型同期リラクタンスモーター（「ＰＭ－ＳｙＲ」）のロバスト制御に関する。様々な実施形態は、ゼロ又は低速から始動するセンサなしロバスト閉ループ制御に関する。
続きを表示（約 3,600 文字）【背景技術】
【０００２】
暖房、換気、及び冷房（「ＨＶＡＣ」）システムのみならず、様々なその他の商用及び産業用モーター駆動型製品などの特定のファン及びブロワ駆動型用途へのセンサなし永久磁石同期モーター（「ＰＭＳＭ」）システムの配備が始まっている。センサなしＰＭＳＭ（センサなしＰＭＳＭシステムとも呼称される）は、先進的な電子制御型モーター（「ＥＣＭ」）又はＥＣＭシステムの１つのタイプである。センサなしＰＭＳＭシステムは、一般に、定格動作速度において高いピーク効率を供給し得るのみならず、相対的に大きな高効率動作速度範囲を有することができる。これに加えて、センサなしＰＭＳＭシステムの可変速度は、夜間などのオフピーク期間における低容量動作をも可能にしており、これは、有意なエネルギー節約をもたらし得る。これに加えて、これらの電子制御型ＰＭＳＭシステムは、動作エネルギーの節約、アクセス可能性、監視、安全性、及び信頼性を改善するために、クラウド通信などの様々な通信技術を通じた人工知能制御及び遠隔制御の機会を提供することもできる。
【０００３】
最近のＰＭＳＭは、回転子構造の内側に埋め込まれた磁石を有するように設計されており、これは、通常、内部ＰＭＳＭ（「ＩＰＭＳＭ」）と呼称されている。しばしば、ＩＰＭＳＭは、特定の電磁的、機械的、且つ経済的利益を有する高性能を供給するために、Ｎｅｄ－Ｆｅ－Ｂ希土類磁石を使用している。具体的には、Ｎｅｄ－Ｆｅ－Ｂに基づいたＩＰＭＳＭは、適切な冷房システム設計下において、小さなモーターボディサイズによって特定のパワー密度又はトルク密度のレートに到達することが可能であり、これは、電気自動車や相対的に小さなモーターサイズが利点を提供するその他の用途などの多くの用途において有用であり得る。既知のＩＰＭＳＭの設計規則及び原理は、産業用の駆動装置、電気自動車モーター、及び風力タービン発電機などの様々な用途において広く適用されている。これらの使用法は、Ｎｅｄ－Ｆｅ－Ｂ磁石に対する需要の高まりをもたらしている。但し、希土類磁石の限られた供給に起因して、Ｎｅｄ－Ｆｅ－Ｂ磁石の価格は、上昇を継続しており、これにより、ＩＰＭＳＭシステムの費用を増大させている。これ及びその他のものを理由として、低費用において匹敵する性能を供給し得る新しいタイプのモーターの開発が望まれている。
【０００４】
最近では、その性能及び低費用に起因して、永久磁石支援型同期リラクタンス（ＰＭ－ＳｙＲ）モーターが相対的に魅力的且つポピュラーなものになりつつある。一般に、ＰＭ－ＳｙＲモーターは、永久磁石及び同期リラクタンスモーターの両方のものの特徴を組み合わせた電気モーターである。これは、回転磁界を生成する巻線コイルを有する固定子と、北及び南磁極のパターンにおいて交互に変化する突極のみならず永久磁石をも有する回転子と、を有する。永久磁石を有する回転子磁気障壁の形状及び構成は、モーターの出力トルクに寄与するように、リラクタンストルクのみならず、ＰＭ磁束トルクを生成している。回転子内の永久磁石とリラクタンス効果の組合せは、高いトルク密度及び効率性を有するモーターを生成している。基本的に、ＰＭ－ＳｙＲモーターは、磁石を回転子磁気障壁内に挿入することにより、改善された性能を提供し、これにより、主には、力率のみならず、その他の性能メトリックを向上させるように、同期リラクタンスモーターから発展したものである。
【０００５】
通常、設計及び製造においては、低原価のフェライト磁石がモーター内において使用されている。同期リラクタンスモーターは、一般に、相対的に大きな顕著性（ｓａｌｉｅｎｃｙ）係数Ｌ
ｑ
／Ｌ
ｄ
（５～６）を有しており、且つ、リラクタンストルクが、磁石によって生成される主磁束トルクに加えて、合計トルク生成能力を支配している。その一方で、フェライト磁石の使用に起因して、主磁束は、Ｎｅｄ－Ｆｅ－Ｂ希土類永久磁石材料のものとの比較において、非常に小さくなり得る。
【０００６】
全体として、ＰＭ－ＳｙＲモーターは、基本的には、ＩＰＭＳＭの特殊なタイプであることから、一般には、安定した閉ループスタートアップ制御及び過酷な動作条件下におけるロバスト制御などのファン又はブロワ駆動型用途用の制御技術をＰＭ－ＳｙＲモーターにも同様に適用可能である。一般には、例えば、１）２０２０年９月２２日付けでＢｏｊｏｉ他に付与された「ＳＹＳＴＥＭＡＮＤＭＥＴＨＯＤＦＯＲＩＮＴＥＲＩＯＲＰＥＲＭＡＮＥＮＴＭＡＧＮＥＴＳＹＮＣＨＲＯＮＯＵＳＭＯＴＯＲＣＯＮＴＲＯＬＦＲＯＭＺＥＲＯＯＲＬＯＷＳＰＥＥＤ」という名称の米国特許第１０，７８４，８０５号明細書、２）２０２０年１０月２７日付けでＢｏｊｏｉ他に付与された「ＲＯＢＵＳＴＳＴＡＲＴＩＮＧＳＹＳＴＥＭＡＮＤＭＥＴＨＯＤＦＯＲＩＮＴＥＲＩＯＲＰＥＲＭＡＮＥＮＴＭＡＧＮＥＴＳＹＮＣＨＲＯＮＯＵＳＭＯＴＯＲＣＯＮＴＲＯＬ」という名称の米国特許第１０，８１９，２６４号明細書、及び３）２０２２年２月１日付けでＢｏｊｏｉ他に付与された「ＳＹＳＴＥＭＳＡＮＤＭＥＴＨＯＤＳＦＯＲＩＮＴＥＲＩＯＲＰＥＲＭＡＮＥＮＴＭＡＧＮＥＴＳＹＮＣＨＲＯＮＯＵＳＭＯＴＯＲＣＯＮＴＲＯＬ」という名称の米国特許第１１，２３９，７７２号明細書において開示されている技法、方法、及び制御方式をＰＭ－ＳｙＲモーター制御に適用することが可能であり、これらの特許文献のすべては、引用により、そのすべてが本明細書において包含される。ＩＰＭＳＭ制御方法は、ＰＭ－ＳｙＲモーターに対する適用を有し得るが、その特定の特性に基づいたＰＭ－ＳｙＲモーター制御に対する改善の余地が存在している。例えば、本開示は、特に極性検出を目的として、モーターのスタートアップの際の（即ち、ゼロ又は非常に低い速度における）ＰＭ－ＳｙＲモーター用の改善されたモーター制御を提供している。
【０００７】
例えば、大きな費用節約を伴って相対的に高い性能を供給するその能力に起因して、相対的に多くの商用及び産業用ファン及びブロワがＰＭ－ＳｙＲモーターシステムによって駆動されていることから、ＰＭ－ＳｙＲモーターに固有の新しい制御システム及び方法に対するニーズが存在している。例えば、商用及び産業用のファン及びブロワ駆動型用途の高効率の且つ安定した速度制御を提供するために、スタートアップ（例えば、ゼロ又は非常に低い速度）におけるＰＭ－ＳｙＲモーターの固有の問題を処理し得る制御方式に対するニーズが存在している。
【発明の概要】
【０００８】
本発明は、永久磁石支援型同期リラクタンス（ＰＭ－ＳｙＲ）モーターの安定したセンサなし制御用のシステム及び方法を提供している。システム及び方法は、ゼロモーター速度又は低いモーター速度の範囲を含む停止状態からの閉ループ制御を使用するモーターのスタートアップ制御を含む。回転子特性検出方法は、本開示の一実施形態によれば、回転子磁気異方性又は顕著性を有するモーターの回転子位置、回転子速度、及び回転子磁気極性などの特定の回転子特性を検出し得る信号注入方法を含む。
【０００９】
ＰＭ－ＳｙＲモーター、特にフェライトＰＭ－ＳｙＲモーター、の固有の特性に起因して、従来のＩＰＭＳＭ回転子特性検出方法は正確ではない。本開示は、回転子障壁ブリッジ内の漏洩磁束経路によって生成されるインダクタンスの変動に基づいて回転子位置、回転子速度、及び回転子磁気極性を検出し得るＰＭ－ＳｙＲモーター用の改善された回転子特性検出方法を提供している。
【００１０】
回転子障壁ブリッジ内の漏洩磁束経路によって生成されるインダクタンスの変動は、極性検出プロセスにおける小さな電流パルスによる極性検出の安定性及び信頼性を向上させている。モーター設計における主磁束経路及び漏洩磁束経路内の磁束密度は、極性検出の際の基礎となる特性に影響を及ぼし、且つ、更には、その有効性の要因の一つとなっている。極性検出の有効性は、例えば、高周波注入方法などから判定された初期回転子速度／位置に基づいた停止又は低速範囲からの適切な始動を保証するように、モーター設計ステージにおいて検証することができる。
（【００１１】以降は省略されています）

関連特許