(57)【要約】【課題】誘導回転電機の性能を向上させる。【解決手段】本発明に係る回転電機システムは、誘導回転電機とドライブシステムとを備える。誘導回転電機は、シャフトと、回転子と、固定子とを備える。回転子は、シャフトの外周側に配置されシャフトに対して回転可能に支持される円筒状の磁石回転子と、磁石回転子の外周側に配置されシャフトに対して固定的に支持される円筒状の回転子コアと、回転子コアの外周面に備えられる複数の回転子コイル又は導体とを備える。固定子は、回転子の外周側に配置され、円筒状の固定子コアと固定子コアの内周面に備えられる複数の固定子コイルとを備える。ドライブシステムは、複数の固定子コイルを流れる電流によって発生される回転磁界の中心軸と、磁石回転子の複数の磁極によって発生される磁束の方向であるｄ軸とがほぼ一致するように、電流の位相を制御する。【選択図】  図１
2020141504.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導回転電機と、
前記誘導回転電機を駆動させるためのドライブシステムと、
を具備し、
前記誘導回転電機は、
シャフトと、
前記シャフトの外周側に配置され前記シャフトに対して回転可能に支持される円筒状の磁石回転子と、前記磁石回転子の外周側に配置され前記シャフトに対して固定的に支持される円筒状の回転子コアと、前記回転子コアの外周面に備えられる複数の回転子コイル又は導体とを具備する回転子と、
前記回転子の外周側に配置され、円筒状の固定子コアと前記固定子コアの内周面に備えられる複数の固定子コイルとを具備する固定子と、
を具備し、
前記ドライブシステムは、前記複数の固定子コイルを流れる電流によって発生される回転磁界の中心軸と、前記磁石回転子の複数の磁極によって発生される磁束の方向であるｄ軸とがほぼ一致するように、前記電流の位相を制御する、
回転電機システム。
【請求項２】
前記ドライブシステムは、前記電流の位相を、前記磁石回転子によって発生される回転トルクがほぼゼロになるように制御する、
請求項１の回転電機システム。
【請求項３】
前記ドライブシステムは、複数のインバータを具備し、前記回転子の回転速度に基づいて、前記複数のインバータから前記複数の固定子コイルへ供給される前記電流の位相を制御することにより前記回転磁界の極数を変換する、
請求項１又は請求項２の回転電機システム。
【請求項４】
前記ドライブシステムは、前記回転速度が所定の閾値以下の場合に、前記磁石回転子によって発生される磁界の第１の極数と前記回転磁界の第２の極数とが同期する第１のモードで前記誘導回転電機を駆動させ、前記回転速度が所定の閾値以下の場合に、前記第１の極数と前記第２の極数とが非同期となる第２のモードで前記誘導回転電機を駆動させる、
請求項３の回転電機システム。
【請求項５】
誘導回転電機と、
前記誘導回転電機を駆動させるためのドライブシステムと、
を具備し、
前記誘導回転電機は、
シャフトと、
前記シャフトの外周側に配置され前記シャフトに対して回転可能に支持される円筒状の磁石回転子と、前記磁石回転子の外周側に配置され前記シャフトに対して固定的に支持される円筒状の回転子コアと、前記回転子コアの外周面に備えられる複数の回転子コイル又は導体とを具備する回転子と、
前記回転子の外周側に配置され、円筒状の固定子コアと前記固定子コアの内周面に備えられる複数の固定子コイルとを具備する固定子と、
を具備し、
前記ドライブシステムは、前記複数の固定子コイルを流れる電流の位相を、前記磁石回転子によって発生される第１の回転トルクが、前記回転子によって発生される第２の回転トルクと同じ方向となるように制御する、
回転電機システム。
【請求項６】
誘導回転電機の制御方法であって、
前記誘導回転電機は、
シャフトと、
前記シャフトの外周側に配置され前記シャフトに対して回転可能に支持される円筒状の磁石回転子と、前記磁石回転子の外周側に配置され前記シャフトに対して固定的に支持される円筒状の回転子コアと、前記回転子コアの外周面に備えられる複数の回転子コイル又は導体とを具備する回転子と、
前記回転子の外周側に配置され、円筒状の固定子コアと前記固定子コアの内周面に備えられる複数の固定子コイルとを具備する固定子と、
を具備し、
前記制御方法は、
前記複数の固定子の前記固定子コイルに電流を流すことと、
前記電流によって発生される回転磁界の中心軸と、前記磁石回転子の複数の磁極によって発生される磁束の方向であるｄ軸とがほぼ一致するように、前記電流の位相を制御することと、
を具備する、
制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電機システム及び誘導回転電機の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
誘導回転電機の一例に、誘導電動機又は誘導発電機がある。誘導電動機は、固定子によって発生される回転磁界により、電気伝導体の回転子に誘導電流が発生し、すべりに対応した回転トルクが発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−１６３０２８号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】杉山直輝、堺和人、「磁石併用高トルク誘導機」、平成３０年電気学会産業応用部門大会、３−１６（２０１８）
【非特許文献２】岡安正憲、堺和人、「マルチインバータ方式エレクトロニクスモータのフォールトトレランスシステム」、平成２９年電気学会全国大会、４−０５０（２０１７−３）
【非特許文献３】河内謙吾、岡安正憲、堺和人、「すべり周波数制御によるマルチインバータ方式エレクトロニクスモータの極数変換の検討」、平成２９年電気学会全国大会、４−０５１（２０１７−３）
【非特許文献４】矢野秀征、堺和人、「マルチインバータモータの極数変換の制御特性」、平成３０年電気学会全国大会、５−１０９（２０１８−３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
誘導電動機は、永久磁石電動機と比較して、トルクや効率が劣り、可変速運転においても低速回転域および中速回転域でトルクが小さくなる。そこで、誘導電動機の回転子に永久磁石を備えることで、トルクの増加を図る磁石併用型の誘導電動機が提案されている。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされており、磁石併用型の誘導回転電機の性能を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る誘導回転電機は、回転電機システムは、誘導回転電機とドライブシステムとを備える。誘導回転電機は、シャフトと、回転子と、固定子とを備える。回転子は、シャフトの外周側に配置されシャフトに対して回転可能に支持される円筒状の磁石回転子と、磁石回転子の外周側に配置されシャフトに対して固定的に支持される円筒状の回転子コアと、回転子コアの外周面に備えられる複数の回転子コイル又は導体とを備える。固定子は、回転子の外周側に配置され、円筒状の固定子コアと固定子コアの内周面に備えられる複数の固定子コイルとを備える。ドライブシステムは、複数の固定子コイルを流れる電流によって発生される回転磁界の中心軸と、磁石回転子の複数の磁極によって発生される磁束の方向であるｄ軸とがほぼ一致するように、電流の位相を制御する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、誘導回転電機の性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態に係る電動機システムの概略構成の一例を示す図。
【図２】第１の実施形態に係る誘導電動機の回転子の概略構成の第１の例を示す断面図。
【図３】第１の実施形態に係る誘導電動機の回転子の概略構成の第２の例を示す断面図。
【図４】ｄ軸及びｑ軸の例を示す概念図。
【図５】第１の実施形態に係るドライブシステムの構成の一例を示すブロック図。
【図６】第１の実施形態に係るドライブシステムの処理の一例を示すフローチャート。
【図７】第１の実施形態に係る電流位相の決定処理の一例を示すフローチャート。
【図８】第１の実施形態に係る定格電流における電流位相と磁石回転子のトルクとの関係の一例を示すグラフ。
【図９】電気角と磁束密度との関係の一例を示すグラフ。
【図１０】第１の実施形態に係る誘導電動機の過渡状態から定常状態までのトルクの時間変化の一例を示すグラフ。
【図１１】比較例１の過渡状態から定常状態までのトルクの時間変化の一例を示すグラフ。
【図１２】第２の実施形態に係る誘導電動機の制御概念の一例を示すグラフ。
【図１３】第２の実施形態に係るマルチインバータ電動機システムの概略構成の第１の例を示す図。
【図１４】第２の実施形態に係るマルチインバータ電動機システムの概略構成の第２の例を示す図。
【図１５】第２の実施形態に係るドライブシステムの構成の一例を示すブロック図。
【図１６】第２の実施形態に係るドライブシステムの処理の一例を示すフローチャート。
【図１７】第２の実施形態に係る誘導電動機が極数変換した時の極数変換前後の回転子の過渡状態から定常状態までのトルクの時間変化と、比較例２が極数変換した時の極数変換前後の回転子の過渡状態から定常状態までのトルクの時間変化との比較結果を例示する図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、発明の実施形態について説明する。なお、以下の説明において、実質的に同一の構成要素及び機能については、同一符号を付し、説明を省略するか又は必要に応じて説明を行う。
【００１１】
各実施形態においては、誘導回転電機の一例として、誘導電動機を用いて説明を行う。なお、各実施形態は、誘導電動機に代えて、例えば誘導発電機などのような他の種類の誘導回転電機に対しても適用可能である。
【００１２】
各実施形態に係る誘導電動機は、例えば、電気自動車、ハイブリッド自動車、鉄道、飛行機、モバイル機器、ロボット、省エネルギーシステムなどの様々な分野に適用可能である。
【００１３】
（第１の実施形態）
本実施形態では、誘導電動機に供給される電流の位相を制御することで、誘導電動機のトルクを増加させ、誘導電動機の効率及び力率を向上させる。
【００１４】
図１は、本実施形態に係る電動機システム２１の概略構成の一例を示す図である。この図１において、電動機システム２１における誘導電動機１は、回転軸Ａに垂直な断面（径方向の断面）を表す。
【００１５】
図２は、本実施形態に係る誘導電動機１に備えられる回転子３の概略構成の第１の例を示す断面図である。この図２は、回転子３の回転軸Ａに平行な断面を表す。
【００１６】
電動機システム２１は、誘導電動機１とドライブシステムＤＳとを備える。
【００１７】
誘導電動機１は、主に、シャフト２と、回転子３と、固定子４と、ベアリング５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂとを備える。誘導電動機１は、さらに、固定子４を覆うブランケットなどを備えるが、図１では簡略化のため省略している。
【００１８】
シャフト２は、回転軸Ａを持つ。シャフト２は、ベアリング５ａ，５ｂを介して例えば図示しないブランケット又は固定子４に対して回転可能に支持される。本実施形態において、シャフト２は、磁性材料により形成されてもよく、軽量化のために非磁性材料により形成されてもよい。
【００１９】
回転子３は、磁石回転子７と、回転子コア８と、複数の回転子コイル９とを備える。なお、回転子コイル９に代えて導体が用いられてもよい。本実施形態では、磁石回転子７は回転子３の一部であるとして説明を行うが、磁石回転子７と回転子３とはそれぞれ異なる部材として扱われてもよい。
【００２０】
磁石回転子７は、ベアリング６ａ，６ｂを介してシャフト２に対して回転可能に支持される。磁石回転子７は、中心部１０と複数の永久磁石１１とを備える。
【００２１】
中心部１０は、磁性材の回転子コアである。中心部１０は、シャフト２の外周側に配置される。中心部１０は、磁石回転子コアと称してもよい。
【００２２】
永久磁石１１は、中心部１０の外周を覆うように配置される。図１では、８つの永久磁石１１が中心部１０の断面の円周部に、円周方向にそって配置されている。互いに隣接する２つの永久磁石１１のうち、一方の永久磁石１１の内周面（内径）側がＮ極、外周面（外径）側がＳ極である場合、他方の永久磁石１１の内周面側はＳ極、外周面側がＮ極となる。このように、中心部１０の外周面に配置される複数の永久磁石１１の極性は、互い違いになる。図１では、永久磁石１１の数を８つとしているが、この数は適宜変更可能である。
【００２３】
回転子コア８は、磁石回転子７の外周側に配置される。回転子コア８は、円筒形状であり、シャフト８に対して固定的に支持される。回転子コア８は、例えばカゴ形としてもよい。回転子コア８は、巻線回転子と称してもよい。回転子コア８は、軽量化のために非磁性材料によって形成されてもよい。
【００２４】
回転子コア８の外周面には複数のスロットが形成されており、当該複数のスロットのそれぞれに回転子コイル９が備えられる。
【００２５】
固定子４は、回転子３の外周側に配置される。固定子４は、円筒状の固定子コア１２と、複数の固定子コイル１３とを備える。
【００２６】
固定子コア１２の内周面には複数のスロットが形成されており、当該複数のスロットのそれぞれに固定子コイル１３が備えられる。固定子コア１２は、軽量化のために非磁性材料によって形成されてもよい。
【００２７】
本実施形態において、磁石回転子７には、誘導電動機１の極数と同じ数の永久磁石１１が、極性が交互になるように備えられている。シャフト２と連結されている回転子コア８は、固定子４によって発生される回転磁界から遅れてすべりを持って回転する。磁石回転子７は、固定子４によって発生される回転磁界と同期して、回転子コア８とは別に回転する。
【００２８】
ドライブシステムＤＳは、上記のような構成を持つ誘導電動機１を制御する。具体的には、ドライブシステムＤＳは、インバータ１４を制御し、固定子４の固定子コイル１３に電流を流すことと、固定子コイル１３を流れる電流によって発生される回転磁界の中心軸と、磁石回転子７の磁極から生じる磁束の方向であるｄ軸とがほぼ一致するように、電流の位相を制御することと、を実行する。なお、ドライブシステムＤＳは、回転磁界の中心軸とｄ軸との角度差が所定の許容範囲内（回転磁界の中心軸とｄ軸とが一致する場合を含む）となるように、電流の位相を制御してもよい。
【００２９】
図３は、本実施形態に係る誘導電動機１に備えられる回転子３の概略構成の第２の例を示す断面図である。この図３は、上記の図２と同様に、回転子３の回転軸Ａに平行な断面を表す。
【００３０】
図３の回転子３は、シャフト２に対して固定的に支持される円筒状の回転子コア８と、回転子コア８に対してベアリング６ａ，６ｂを介して回転可能に支持される円筒状の磁石回転子７とを備える。回転子コア８は、外周面に複数の回転子コイル９又は導体を備える。回転子コア８は、例えば、電磁鋼板を積層した鉄心としてもよい。この図３の構成を持つ回転子３においては、磁石回転子７は回転子コア８に対して相対速度で極めて遅いすべりの速度になるため、磁石回転子７と回転子コア８との間に設けた磁石回転子７用のベアリング６ａ，６ｂが高速回転に対応した高い特性を必要としないメリットがある。
【００３１】
図４は、ｄ軸及びｑ軸の例を示す概念図である。この図４は、回転軸Ａと垂直な磁石回転子７ａの断面を表す。
【００３２】
この図４の例では、磁石回転子７ａは、中心部１０ａの外周面の第１の位置に第１の永久磁石１１ａを備えており、第１の位置に対して直径方向で対向する外周面の第２の位置に、第２の永久磁石１１ｂを備えている。
【００３３】
本実施形態において、ｄ軸とは、磁石回転子７ａの磁極によって生じた磁束の方向とする。言い換えれば、ｄ軸は、磁石回転子７Ａの回転軸Ａから永久磁石１１ａの中心を通る半径方向の軸である。
【００３４】
ｑ軸とは、ｄ軸と磁気的に直交する方向とする。言い換えれば、ｑ軸は、磁石回転子７ａの回転軸Ａから第１の永久磁石１１ａと第２の永久磁石１１ｂとの間を通る半径方向の軸である。
【００３５】
図５は、本実施形態に係る誘導電動機１のドライブシステムＤＳの構成の一例を示すブロック図である。
【００３６】
ドライブシステムＤＳは、制御部１５と、直流電源１６と、インバータ１４と、変換部１７と、指令部１８と、回転子３又は回転子３に直結された回転子コア８の回転角度（位置）を検出する角度（位置）センサ１９ａと、磁石回転子７の回転角度（位置）を検出する角度（位置）センサ１９ｂと、磁石回転子７のトルクを検出するトルクセンサ２０を備える。
【００３７】
なお、制御部１５、変換部１７、指令部１８のうちの少なくとも２つは、制御回路によって実現されてもよい。この場合、制御回路は、メモリに格納されている制御プログラムを実行することにより、制御部１５、変換部１７、指令部１８のうちの少なくとも２つとしての機能を実現してもよい。
また、磁石回転子７の角度センサ１９ｂを用いる代わりに、例えば以下の第１の方法及び第２の方法を用いることにより、磁石回転子７の角度センサ１９ｂを省略してもよい。
磁石回転子７の角度センサ１９ｂに代えて利用可能な第１の方法は、ブラシレス磁石電動機で使用されている磁極センサ技術として簡単なホール素子による磁極の磁束を検出する方法である。
磁石回転子７の角度センサ１９ｂに代えて利用可能な第２の方法は、一般的な磁石電動機のセンサレス制御として回転時に磁石が固定子コイルに発生する誘起電圧を用いて磁石の磁極位置を検出する方法である。
【００３８】
制御部１５は、指令部１８から電流位相に関する指令値（例えば０度から３６０度のいずれかを示す値）を取得し、誘導電動機１に備えられている角度センサ１９ａから回転子３又は回転子３に直結された回転子コア８の回転角度を取得し、インバータ１４の出力を変換部１７によって変換したｄ軸実測値及びｑ軸実測値をフィードバックにより取得する。なお、回転角度に代えて、回転速度又は回転子３の位置情報などが用いられてもよい。
【００３９】
制御部１５は、指令値、ｄ軸実測値、ｑ軸実測値、回転子３又は回転子コア８の回転角度、回転角度から算出された回転速度に基づいて、指令値に対応するｄ軸指令値及びｑ軸指令値を生成し、生成したｄ軸指令値及びｑ軸指令値をインバータ１４に提供する。
【００４０】
インバータ１４は、直流電源１６から供給された電流（例えば定格電流）を、ｄ軸指令値及びｑ軸指令値に基づいて交流のＵ相電流、Ｖ相電流、Ｗ相電流に変換し、Ｕ相電流、Ｖ相電流、Ｗ相電流を誘導電動機１に供給する。
【００４１】
インバータ１４は、例えば、ｄ軸指令値及びｑ軸指令値に基づいて複数のパワースイッチの切り替えを行い、直流−交流変換を行う。
【００４２】
変換部１７は、Ｕ相電流実測値、Ｖ相電流実測値、Ｗ相電流実測値、角度センサ１９ａによって測定された回転子３又は回転子コア８の回転角度を取得し、このＵ相電流実測値、Ｖ相電流実測値、Ｗ相電流実測値を、ｄ軸実測値及びｑ軸実測値に変換し、フィードバック制御のためにｄ軸実測値及びｑ軸実測値を制御部１５に提供する。
【００４３】
なお、変換部１７は、例えば、インバータ１４内に備えられている電流センサによって測定されたＵ相電流実測値、Ｖ相電流実測値、Ｗ相電流実測値を取得する。
【００４４】
指令部１８は、まず、制御部１５へ提供する電流位相に関する指令値を０度から３６０度の間で変化させ、トルクセンサ２０から各指令値に対応し磁石回転子７によって発生されるトルクを取得する。この結果得られる電流位相とトルクとの関係は、図８を用いて後で説明する。
また、指令部１８は、磁石回転子７の角度センサ１９ｂから取得した磁石回転子７の回転角度を示す信号を、その瞬間の磁石回転子７の磁極の位置（ｄ軸）の情報として処理する。
【００４５】
次に、指令部１８は、例えば、磁石回転子７によって測定された回転角度から求められるｄ軸位置、及び／又は、測定又は磁界解析によって得られた電流位相と磁石回転子７のトルクとの関係に基づいて、トルクがほぼゼロになる電流位相を求め、磁石回転子７によって発生されるトルクがほぼゼロになる電流位相を指令値として決定し、決定した指令値を制御部１５へ提供する。指令部１８は、磁石回転子７によって発生されるトルクが所定のトルク許容範囲内（ゼロを含む）となる電流位相を指令値として決定してもよい。あるいは、指令部１８は、磁石回転子７の角度センサ１９ｂによって測定された回転角度からｄ軸の位置を求め、固定子コイル１３を流れる電流によって発生される回転磁界の中心軸と、磁石回転子７の磁極から生じる磁束の方向であるｄ軸とがほぼ一致するように、電流の位相を決定してもよい。
【００４６】
なお、指令部１８は、電流位相とトルクとの関係を磁界解析の結果から取得してもよい。この場合、磁界解析によって得られた電流位相とトルクの値との関係を含む表データが生成され、この生成された表データが制御プログラムのデータとしてメモリなどに格納される。実際に誘導電動機１を駆動させる場合には、ドライブシステムＤＳの指令部１８として機能する制御回路が、メモリに格納されている制御プログラムの表データを読み出し、磁石回転子７のトルクが許容範囲内となるように電流位相を決定する。そして、指令部１８は、決定した電流位相に対応する指令値を制御部１５へ提供する。この結果、インバータ１６は、指令部１８によって決定された電流位相の電流を誘導電動機１へ供給し、誘導電動機１は、許容範囲内の磁石回転子７のトルクにより駆動される。
【００４７】
図６は、本実施形態に係るドライブシステムＤＳの処理の一例を示すフローチャートである。
【００４８】
ステップＳ６０１において、指令部１８は、第１に、電流位相の指令値を、０°から３６０°の間で順次変更しつつ、制御部１５に提供する。指令部１８は、第２に、磁石回転子７によって発生されるトルクがほぼゼロになる電流位相、あるいは、固定子コイル１３を流れる電流によって発生される回転磁界の中心軸と磁石回転子７のｄ軸とがほぼ一致する電流位相、を指令値として制御部１５に提供する。この指令部１８の処理は、図７を用いて後で説明する。
【００４９】
ステップＳ６０２において、制御部１５は、指令値、例えばインバータ１４内の電流センサによって測定された３相電流を２成分に換算したｄ軸実測値及びｑ軸実測値、回転角度、回転角度から算出された回転速度に基づいて、次のｄ軸指令値及びｑ軸指令値を決定し、決定したｄ軸指令値及びｑ軸指令値をインバータ１４へ提供する。
【００５０】
ステップＳ６０３において、インバータ１４は、制御部１５から取得したｄ軸指令値及びｑ軸指令値に基づいて、直流電源１６から供給された直流電流を、交流のＵ相電流、Ｖ相電流、Ｗ相電流へ変換する。
【００５１】
ステップＳ６０４において、インバータ１４は、交流のＵ相電流、Ｖ相電流、Ｗ相電流を誘導電動機１へ供給し、誘導電動機１を駆動させる。
【００５２】
ステップＳ６０５において、角度センサ１９ａは、回転子３又は回転子コア８の回転角度を測定し、この回転角度を制御部１５及び変換部１７へ提供する。磁石回転子７の角度センサ１９ｂは、磁石回転子７の回転角度を測定し、この磁石回転子７の回転角度を指令部１８へ提供する。トルクセンサ２０は、磁石回転子７に生じているトルクを測定し、このトルクを指令部１８へ提供する。変換部１７は、インバータ１４から出力されたＵ相電流の実測値、Ｖ相電流の実測値、Ｗ相電流の実施値を取得し、角度センサ１９ａによって測定された回転子３又は回転子コア８の回転角度を取得し、これらのＵ相電流実測値、Ｖ相電流実測値、Ｗ相電流実測値をｄ軸実測値及びｑ軸実測値に変換し、ｄ軸実測値及びｑ軸実測値を制御部１５へ提供する。
【００５３】
ステップＳ６０６において、ドライブシステムＤＳは、誘導電動機１の駆動を終了させるか否か判断する。
【００５４】
誘導電動機１の駆動を終了させない場合、処理はステップＳ６０１へ戻る。
誘導電動機１の駆動を終了させる場合、処理は終了する。
【００５５】
なお、この図６では、固定子コイル１３を流れる電流の位相と磁石回転子７によって発生されるトルクとの関係を測定により求めているが、先に説明したように、電流の位相とトルクとの関係は磁界解析により求められてもよい。ドライブシステムＤＳがこの磁界解析の結果を用いて磁石回転子７のトルクを制御しつつ誘導電動機１を駆動させる処理を以下で具体的に説明する。
【００５６】
磁界解析によって誘導電動機１における電流位相と磁石回転子７のトルクとの関係が取得されると、電流位相とトルクとの関係を示す表データが生成され、この表データが制御プログラムのデータとしてメモリに格納される。これにより、例えばプロセッサなどの制御回路が制御プログラムを実行した場合、当該制御回路は、表データをメモリから読み出すことができる。誘導電動機１の駆動開始後、指令部１８は、磁石回転子７の回転角度（位置）信号で判定可能なｄ軸位置、及び／又は、読み出した表データに基づいて、磁石回転子７のトルクが許容範囲内となるような電流位相を決定し、決定した電流位相を示す指令値（制御信号）を制御部１５へ提供する。このように、磁界解析の結果を用いる場合にはトルクセンサ２０を削除することができる。
【００５７】
制御部１５は、変換部１７から取得したｄ軸実測値、ｑ軸実測値、回転子３又は回転子コア８の回転角度から算出された回転速度、駆動電源周波数から算出されたすべり周波数に基づいて、制御すべき磁石回転子７のトルクに対応するｄ軸指令値及びｑ軸指令値を生成し、ｄ軸指令値及びｑ軸指令値をインバータ１４へ提供する。この制御部１５で実行される制御は、すべり周波数制御である。
【００５８】
図７は、本実施形態に係る電流位相の決定処理の一例を示すフローチャートである。
【００５９】
ステップＳ７０１において、指令部１８は、電流位相の指令値を制御部１５へ提供する。
【００６０】
ステップＳ７０２において、指令部１８は、磁石回転子７の角度センサ１９ｂによる磁石磁極の位置とトルクセンサ２０から指令値に対応する磁石回転子７のトルクを取得する。
【００６１】
ステップＳ７０３において、指令部１８は、電流位相とトルクとの関係を、例えば、メモリに保存する。
【００６２】
ステップＳ７０４において、指令部１８は、指令値の順次変更が終了したか否か、言い換えれば、電流位相０°〜３６０°の間で順次指令値を出力したか否かを判断する。
【００６３】
指令値の順次変更が終了していない場合、ステップＳ７０５において、指令部１８は、電流位相を示す指令値を変更する。そして、処理はステップＳ７０１に戻る。
【００６４】
指令値の順次変更が終了した場合、ステップＳ７０６において、指令部１８は、磁石回転子７によって発生されるトルクがほぼゼロになる適切な電流位相、あるいは、固定子コイル１３を流れる電流によって発生される回転磁界の中心軸と磁石回転子７のｄ軸とがほぼ一致する電流位相、を示す指令値を決定する。
【００６５】
ステップＳ７０７において、指令部１８は、決定した電流位相の指令値を制御部１５へ提供する。
【００６６】
以下において、本実施形態に係る誘導電動機１に関する解析結果と、永久磁石１１を空気に代えた比較例１の電動機に関する解析結果とを対比することにより、本実施形態に係る誘導電動機１によって得られる効果を説明する。
【００６７】
誘導電動機１は、例えばかご形の回転子コア８と磁石回転子７とを同じ回転軸Ａ上に備えた２重回転子構造の永久磁石併用誘導電動機である。回転子コア８は、シャフト２と機械的に結合されている。回転子コア８は、回転磁界からすべりをもって回転する。磁石回転子７は、ベアリング６ａ，６ｂを介してシャフト２に備えられており、自由に回転可能である。磁石回転子７は、回転磁界と同期して回転する。このような構成を持つ誘導電動機１では、永久磁石１１の磁束と固定子４の回転磁界の磁束とが結合して増強し、励磁磁束が増加する。その結果、トルクが増加し、効率も向上する。
【００６８】
表１は、磁界解析に用いられる本実施形態に係る誘導電動機１の特性（解析条件）の一例である。
【００６９】
本実施形態に係る誘導電動機１において、永久磁石１１は８極であり、対称性を持つ。このため、半円のモデルに周期境界条件を用いて磁界解析を行う。
【００７０】
【表１】
2020141504.tif 000003
【００７１】
本実施形態に係る誘導電動機１のすべりは、０．０５と設定して解析を行う。
【００７２】
これに対して、比較例１の電動機は、上述のように、磁石回転子７の永久磁石１１を空気とし、永久磁石１１を併用しない。比較例１の電動機の他の解析条件は上記の表１と同様とする。
【００７３】
図８は、磁界解析によって得られた誘導電動機１の電流位相と磁石回転子７のトルクとの関係の一例を示すグラフである。この図８は、定格電流におけるトルク−電流位相特性を表す。
【００７４】
図８では、電流位相が０°から３６０°に５°刻みで変化されている。トルクが０Ｎ・ｍの電流位相では、ｑ軸電流はわずかであり、ｄ軸電流が主に流れている。磁石回転子７の永久磁石１１の磁極中心が固定子４によって発生される回転磁界の中心とほぼ一致し、磁石回転子７が回転磁界と同期してつれまわる状態とするためには、磁石回転子７のトルクが０Ｎ・ｍとなる電流位相を適用すればよい。
【００７５】
この図８の解析結果から、本実施形態に係る誘導電動機１の電流位相は、例えば、約１８０°から約２３０°までの間とする。より具体的には、誘導電動機１の電流位相を、例えば、約２１５°とする。
【００７６】
また、図８において、磁石回転子７のトルクがマイナスになる電流位相は、回転子３の回転のブレーキとして作用する可能性があるが、磁石回転子７のトルクがプラスになる電流位相は、回転子３の回転のブレーキとして作用しない。このため、例えば、磁石回転子７のトルクがプラスになる約２３０°から約３６０°までの間の電流位相が適用されてもよい。
【００７７】
図９は、本実施形態に係る誘導電動機１及び比較例１に関して、定格電流におけるすべりが０．０５の状態の回転子コア８上のギャップ磁束密度の基本波の例を示すグラフである。この図９は、電気角と磁束密度との関係を表している。
【００７８】
本実施形態に係る誘導電動機１では、永久磁石１１が併用されるため、誘導電動機１の駆動によって発生される励磁磁束に対して永久磁石１１の磁束が重畳され、総ギャップ磁束密度が比較例１の場合と比べて高くなる。本実施形態に係る誘導電動機１の基本波の振幅と比較例１の基本波の振幅とは、それぞれ１．１８Ｔ、１．０６Ｔである。このように、永久磁石１１を併用する誘導電動機１のギャップ磁束密度の基本波の振幅は、比較例１のギャップ磁束密度の基本波の振幅よりも、約１．１倍に増加する。
【００７９】
図１０は、本実施形態に係る誘導電動機１の過渡状態から定常状態までのトルクの時間変化の一例を示すグラフである。
【００８０】
また、図１１は、比較例１の過渡状態から定常状態までのトルクの時間変化の一例を示すグラフである。
【００８１】
これらの図１０及び図１１の横軸は時間を表し、縦軸はトルクを表す。また、図１０及び図１１は、それぞれ、定格電流ですべり０．０５の動作点におけるトルク特性を表している。
【００８２】
図１０に示す本実施形態に係る誘導電動機１のトルクは、定常状態で平均５６．６Ｎ・ｍである。
【００８３】
一方、図１１に示す比較例１のトルクは、定常状態で平均４１．２Ｎ・ｍである。
【００８４】
このように、本実施形態に係る誘導電動機１では、永久磁石１１が併用されることにより、永久磁石１１が併用されない比較例１よりも、トルクが１５．４Ｎ・ｍ増加しており、定格電流が供給されている状態で約１．４倍のトルクを得ることができる。
【００８５】
表２は、本実施形態に係る誘導電動機１及び比較例１に関する定格電流時の効率及び力率を示している。
【００８６】
【表２】
2020141504.tif 000004
【００８７】
すべり０．０５の場合、本実施形態の誘導電動機１の効率は８３．７％であり、力率は０．５１である。
【００８８】
一方、比較例１の効率は８０．２％であり、力率は０．４２である。
【００８９】
このように、本実施形態に係る誘導電動機１では、永久磁石１１が併用されることにより、比較例１よりも、効率が約３．５％向上し、力率が約１．２倍改善される。
【００９０】
以上説明したように、本実施形態に係る誘導電動機１は、磁石回転子７によって発生されるトルクがゼロになる電流位相により駆動される。あるいは、誘導電動機１は、磁石回転子７によって発生されるトルクがプラスになる電流位相、言い換えれば、磁石回転子７によって発生されるトルクが回転子コア８によって発生されるトルクと同じ方向になる電流位相により駆動される。
【００９１】
これにより、本実施形態に係る磁石併用型の誘導電動機１においては、トルクを増加させることができ、力率及び効率を向上させることができ、性能向上を図ることができる。
【００９２】
本実施形態に係る誘導電動機１においては、磁石回転子７が回転子コア８の回転方向に対して逆方向にトルクを発生させることを防止するため、電動機の回転駆動を安定させることができる。
【００９３】
本実施形態に係る誘導電動機１においては、少ない電力でトルクを増加させることができ、バッテリーに蓄えられている電力の消費を抑制することができ、エネルギー効率を向上させることができる。
【００９４】
（第２の実施形態）
本実施形態においては、複数のインバータ（マルチインバータ）を用いて、回転速度に応じて磁石併用型の誘導電動機の極数を高速に変換する電動機システムについて説明する。
【００９５】
なお、磁石が併用されない電動機に対しても、同様に、複数のインバータを用いることで高速に極数を変換可能である。
【００９６】
また、本実施形態は、上記第１の実施形態と組み合わされて適用されてもよい。具体的には、本実施形態において、上記の第１の実施形態の同様に、磁石回転子７によって発生されたトルクをゼロとするような電流位相を用いることにより、誘導電動機の例えばトルク、効率、力率などのような性能を向上させることができる。
【００９７】
図１２は、本実施形態に係る誘導電動機の制御概念の一例を示すグラフである。この図１２において、横軸は回転速度を示し、縦軸はトルクを示す。
【００９８】
自動車又は電車などの交通システムの駆動電動機のトルク対速度特性では、トルクは、低速回転域において大きくなり、高速回転域において小さくなる特性が要求される。また、多極の駆動電動機は低速回転で高トルクとなり、少極の駆動電動機は高速回転で小トルクとなる。本実施形態においては、回転速度が閾値Ｔ以下の場合に、例えば８極など誘導電動機の極数を多くし、回転速度が閾値Ｔを超えた場合に、例えば４極など誘導電動機の極数を少なくし、誘導電動機の省エネルギー化などの性能向上を実現する。
【００９９】
本実施形態においては、回転速度が閾値Ｔ以下の低速回転域で、固定子４の極数と磁石回転子７の極数とを同じにし（同期モード）、回転速度が閾値Ｔを超える高速回転域で、固定子４の極数と磁石回転子７の極数とを異なる数（例えば、固定子４の極数が磁石回転子７の極数より少ない数）とする（非同期モード）。
【０１００】
本実施形態において、マルチインバータ電動機システムは、３相インバータと３相コイルとを１組とし、複数の組により構成される。複数の３相インバータは、それぞれに対応する３相コイルの電流を独立して制御可能である。
【０１０１】
ドライブシステムは、各インバータの相順と電流位相とを切り替えることで誘導電動機の駆動中に誘導電動機の極数を変換し、高効率の可変速運転を実現する。 
【０１０２】
図１３は、本実施形態に係るマルチインバータ電動機システム２１１の概略構成の一例を示す図である。この図１３は、マルチインバータ電動機システム２１１が２台のインバータを備える場合を例示している。
【０１０３】
マルチインバータ電動機システム２１１は、２組の３相インバータ及び３相コイルで構成されている。
【０１０４】
マルチインバータ電動機システム２１１は、誘導電動機１Ａと、ドライブシステムＤＳ１とを備える。
【０１０５】
誘導電動機１Ａの固定子４の内周面には、円周方向に１２個のスロットが形成されている。１２個のスロットのそれぞれには、時計周りに、固定子コイルとして、ａ１コイル、ｂ２コイル、ｃ１コイル、ａ２コイル、ｂ１コイル、ｃ２コイル、ａ１コイル、ｂ２コイル、ｃ１コイル、ａ２コイル、ｂ１コイル、ｃ２コイルが配置される。
【０１０６】
２つのａ１コイルは、互いに、直径方向で互いに対向する位置に配置される。２つのｂ１コイル、２つのｃ１コイル、２つのａ２コイル、２つのｂ２コイル、２つのｃ２コイルも同様に、直径方向で互いに対向する位置に配置される。
【０１０７】
誘導電動機１Ａの他の構成は、例えば、上記第１の実施形態で説明した誘導電動機１と同様とする。
【０１０８】
ドライブシステムＤＳ１は、上記のような構成を持つ誘導電動機１Ａを制御する。具体的には、ドライブシステムＤＳ１は、第１及び第２のインバータ１４１，１４２を制御する。
【０１０９】
第１のインバータ１４１は、直流電流を交流電流であるａ１電流、ｂ１電流、ｃ１電流に変換し、ａ１電流を２つのａ１コイルに供給し、ｂ１電流を２つのｂ１コイルに供給し、ｃ１電流を２つのｃ１コイルに供給する。本実施形態において、第１のインバータ１４１は、ａ１電流、ｂ１電流、ｃ１電流の電流位相を制御する。
【０１１０】
第２のインバータ１４２は、直流電流を交流電流であるａ２電流、ｂ２電流、ｃ２電流に変換し、ａ２電流を２つのａ２コイルに供給し、ｂ２電流を２つのｂ２コイルに供給し、ｃ２電流を２つのｃ２コイルに供給する。本実施形態において、第２のインバータ１４２は、ａ２電流、ｂ２電流、ｃ２電流の電流位相を制御する。
【０１１１】
図１４は、本実施形態に係るマルチインバータ電動機システム２１２の概略構成の一例を示す図である。この図１４は、マルチインバータ電動機システム２１２が３台のインバータを備える場合を例示している。
【０１１２】
マルチインバータ電動機システム２１２は、３組の３相インバータ及び３相コイルで構成されている。
【０１１３】
マルチインバータ電動機システム２１２は、誘導電動機１Ｂと、ドライブシステムＤＳ２とを備える。
【０１１４】
誘導電動機１Ｂの固定子４の内周面には、円周方向に１８個のスロットが形成されている。１８個のスロットのそれぞれには、時計周りに、固定子コイルとして、ａ１コイル、ａ３コイル、ｂ２コイル、ｃ１コイル、ｃ３コイル、ａ２コイル、ｂ１コイル、ｂ３コイル、ｃ２コイル、ａ１コイル、ａ３コイル、ｂ２コイル、ｃ１コイル、ｃ３コイル、ａ２コイル、ｂ１コイル、ｂ３コイル、ｃ２コイルが配置される。
【０１１５】
２つのａ１コイルは、互いに、直径方向で対向する位置に配置される。２つのｂ１コイル、２つのｃ１コイル、２つのａ２コイル、２つのｂ２コイル、２つのｃ２コイル、２つのａ３コイル、２つのｂ３コイル、２つのｃ３コイルも同様に、直径方向で互いに対向する位置に配置される。
【０１１６】
誘導電動機１Ｂの他の構成は、例えば、上記第１の実施形態で説明した誘導電動機１と同様とする。
【０１１７】
ドライブシステムＤＳ２は、上記のような構成を持つ誘導電動機１Ｂを制御する。具体的には、ドライブシステムＤＳ２は、第１乃至第３のインバータ１４１，１４２，１４３を制御する。
【０１１８】
第１のインバータ１４１は、上記図１３の場合と同様に、直流電流をａ１電流、ｂ１電流、ｃ１電流に変換し、ａ１電流を２つのａ１コイルに供給し、ｂ１電流を２つのｂ１コイルに供給し、ｃ１電流を２つのｃ１コイルに供給する。第１のインバータ１４１は、ａ１電流、ｂ１電流、ｃ１電流の電流位相を制御する。
【０１１９】
第２のインバータ１４２は、上記図１３の場合と同様に、直流電流をａ２電流、ｂ２電流、ｃ２電流に変換し、ａ２電流を２つのａ２コイルに供給し、ｂ２電流を２つのｂ２コイルに供給し、ｃ２電流を２つのｃ２コイルに供給する。第２のインバータ１４２は、ａ２電流、ｂ２電流、ｃ２電流の電流位相を制御する。
【０１２０】
第３のインバータ１４３は、直流電流を交流電流であるａ３電流、ｂ３電流、ｃ３電流に変換し、ａ３電流を２つのａ３コイルに供給し、ｂ３電流を２つのｂ３コイルに供給し、ｃ３電流を２つのｃ３コイルに供給する。本実施形態において、第３のインバータ１４３は、ａ３電流、ｂ３電流、ｃ３電流の電流位相を制御する。
【０１２１】
表３は、上記のマルチインバータ電動機システム２１１，２１２で適用される極数と電流位相との関係の例を示す。３相インバータと３相コイルとが２組の場合に適用される電流位相が、表３のインバータ２台の欄に記載されている。３相インバータと３相コイルとが３組の場合に適用される電流位相が、表３のインバータ３台の欄に記載されている。
【０１２２】
【表３】
2020141504.tif 000005
【０１２３】
マルチインバータ電動機システム２１１では、回転速度が低速回転域の場合、８極の固定子４が適用される。この場合、固定子４の極数と磁石回転子７の極数とは同期状態であるとする。
【０１２４】
マルチインバータ電動機システム２１１において、第１のインバータ１４１は、８極適用時に、電流位相０°のａ１電流、電流位相１２０°のｂ１電流、電流位相２４０°のｃ１電流を、それぞれａ１コイル、ｂ１コイル、ｃ１コイルに供給する。
【０１２５】
マルチインバータ電動機システム２１１において、第２のインバータ１４２は、８極適用時に、電流位相０°のａ２電流、電流位相１２０°のｂ２電流、電流位相２４０°のｃ２電流を、それぞれａ２コイル、ｂ２コイル、ｃ２コイルに供給する。
【０１２６】
マルチインバータ電動機システム２１１では、回転速度が高速回転域の場合、４極の固定子４が適用される。この場合、固定子４の極数と磁石回転子７の極数とは非同期状態であり、固定子４の極数は、磁石回転子７の極数よりも少ない。
【０１２７】
マルチインバータ電動機システム２１１において、第１のインバータ１４１は、４極適用時に、電流位相０°のａ１電流、電流位相２４０°のｂ１電流、電流位相１２０°のｃ１電流を、それぞれａ１コイル、ｂ１コイル、ｃ１コイルに供給する。
【０１２８】
マルチインバータ電動機システム２１１において、第２のインバータ１４２は、４極適用時に、電流位相１８０°のａ２電流、電流位相６０°のｂ２電流、電流位相３００°のｃ２電流を、それぞれａ２コイル、ｂ２コイル、ｃ２コイルに供給する。
【０１２９】
このように、マルチインバータ電動機システム２１１は、電流位相を変更することで、駆動中に高速に極性変換を実現できる。
【０１３０】
マルチインバータ電動機システム２１２では、回転速度が低速回転域の場合、８極の固定子４が適用される。この場合、固定子４の極数と磁石回転子７の極数とは同期状態であるとする。
【０１３１】
マルチインバータ電動機システム２１２において、第１のインバータ１４１は、８極適用時に、電流位相０°のａ１電流、電流位相１２０°のｂ１電流、電流位相２４０°のｃ１電流を、それぞれａ１コイル、ｂ１コイル、ｃ１コイルに供給する。
【０１３２】
マルチインバータ電動機システム２１２において、第２のインバータ１４２は、８極適用時に、電流位相４０°のａ２電流、電流位相１６０°のｂ２電流、電流位相２８０°のｃ２電流を、それぞれａ２コイル、ｂ２コイル、ｃ２コイルに供給する。
【０１３３】
マルチインバータ電動機システム２１２において、第３のインバータ１４３は、８極適用時に、電流位相８０°のａ３電流、電流位相２００°のｂ３電流、電流位相３２０°のｃ３電流を、それぞれａ３コイル、ｂ３コイル、ｃ３コイルに供給する。
【０１３４】
マルチインバータ電動機システム２１２では、回転速度が高速回転域の場合、４極の固定子４が適用される。この場合、固定子４の極数と磁石回転子７の極数とは非同期状態であり、固定子４の極数は、磁石回転子７の極数よりも少ない。
【０１３５】
マルチインバータ電動機システム２１２において、第１のインバータ１４１は、４極適用時に、電流位相０°のａ１電流、電流位相２４０°のｂ１電流、電流位相１２０°のｃ１電流を、それぞれａ１コイル、ｂ１コイル、ｃ１コイルに供給する。
【０１３６】
マルチインバータ電動機システム２１２において、第２のインバータ１４２は、４極適用時に、電流位相２００°のａ２電流、電流位相８０°のｂ２電流、電流位相３２０°のｃ２電流を、それぞれａ２コイル、ｂ２コイル、ｃ２コイルに供給する。
【０１３７】
マルチインバータ電動機システム２１２において、第３のインバータ１４３は、４極適用時に、電流位相４０°のａ３電流、電流位相２８０°のｂ３電流、電流位相１６０°のｃ３電流を、それぞれａ３コイル、ｂ３コイル、ｃ３コイルに供給する。
【０１３８】
このように、マルチインバータ電動機システム２１２は、電流位相を変更することにより高速に極性変換を実現できる。
【０１３９】
図１５は、本実施形態に係るドライブシステムＤＳ１の構成の一例を示すブロック図である。
【０１４０】
この図１５では、２台のインバータ１４１，１４２を含むドライブシステムＤＳ１を例として説明するが、３台以上のインバータ１４１，１４２，１４３を含むドライブシステムＤＳ２も、インバータの数の増加に応じてインバータに対応する変換部、制御部を増設することにより、同様の構成を適用可能である。
【０１４１】
角度センサ１９ａは、回転子３又は回転子コア８の回転角度を測定し、測定した回転角度を第１の制御部１５１、第２の制御部１５２、指令部１８Ａへ提供する。なお、角度センサ１９ａに代えて、回転速度センサが用いられてもよい。
【０１４２】
指定部１８Ａは、角度センサ１９ａから回転子３又は回転子コア８の回転角度を取得し、回転角度と図示しないタイマによって測定される時間に基づいて回転速度を算出する。
【０１４３】
指定部１８Ａは、回転速度が閾値Ｔ以下の場合は低速回転域であると判断し、回転速度が閾値Ｔを超える場合は高速回転域であると判断する。
【０１４４】
指定部１８は、上記の表３の関係を用いて、低速回転域の場合には、ａ１電流の電流位相を０°とすることを示すａ１指令値、ｂ１電流の電流位相を１２０°とすることを示すｂ１指令値、ｃ１電流の電流位相を２４０°とすることを示すｃ１指令値を決定し、決定したａ１指令値、ｂ１指令値、ｃ１指令値を第１の制御部１５１へ提供する。
【０１４５】
指定部１８は、上記の表３の関係を用いて、低速回転域の場合には、ａ２電流の電流位相を０°とすることを示すａ２指令値、ｂ２電流の電流位相を１２０°とすることを示すｂ２指令値、ｃ２電流の電流位相を２４０°とすることを示すｃ２指令値を決定し、決定したａ２指令値、ｂ２指令値、ｃ２指令値を第２の制御部１５２へ提供する。
【０１４６】
一方、指定部１８は、上記の表３の関係を用いて、高速回転域の場合には、ａ１電流の電流位相を０°とすることを示すａ１指令値、ｂ１電流の電流位相を２４０°とすることを示すｂ１指令値、ｃ１電流の電流位相を１２０°とすることを示すｃ１指令値を決定し、決定したａ１指令値、ｂ１指令値、ｃ１指令値を第１の制御部１５１へ提供する。
【０１４７】
指定部１８は、上記の表３の関係を用いて、高速回転域の場合には、ａ２電流の電流位相を１８０°とすることを示すａ２指令値、ｂ２電流の電流位相を６０°とすることを示すｂ２指令値、ｃ２電流の電流位相を３００°とすることを示すｃ２指令値を決定し、決定したａ２指令値、ｂ２指令値、ｃ２指令値を第２の制御部１５２へ提供する。
【０１４８】
第１の制御部１５１は、ａ１指令値、ｂ１指令値、ｃ１指令値、第１のｄ軸実測値、第１のｑ軸実測値、回転角度、回転角度から算出された回転速度に基づいて、第１のｄ軸指令値及び第１のｑ軸指令値を生成し、生成した第１のｄ軸指令値及び第１のｑ軸指令値を第１のインバータ１４に提供する。
【０１４９】
第２の制御部１５２は、ａ２指令値、ｂ２指令値、ｃ２指令値、第２のｄ軸実測値、第２のｑ軸実測値、回転角度、回転角度から算出された回転速度に基づいて、第２のｄ軸指令値及び第２のｑ軸指令値を生成し、生成した第２のｄ軸指令値及び第２のｑ軸指令値を第２のインバータ１４に提供する。
【０１５０】
第１のインバータ１４１は、直流電源１６から供給された直流電流を、第１のｄ軸指令値及び第１のｑ軸指令値に基づいて交流のａ１電流、ｂ１電流、ｃ１電流に変換し、ａ１電流、ｂ１電流、ｃ１電流を誘導電動機１Ａに供給する。
【０１５１】
第２のインバータ１４２は、直流電源１６から供給された直流電流を、第２のｄ軸指令値及び第２のｑ軸指令値に基づいて交流のａ２電流、ｂ２電流、ｃ２電流に変換し、ａ２電流、ｂ２電流、ｃ２電流を誘導電動機１Ａに供給する。
【０１５２】
第１の変換部１７１は、フォードバック制御のためのａ１電流実測値、ｂ１電流実測値、ｃ１電流実測値を取得し、角度センサ１９ａによって測定された回転子３又は回転子コア８の回転角度を取得し、このａ１電流実測値、ｂ１電流実測値、ｃ１電流実測値を、第１のｄ軸実測値及び第１のｑ軸実測値に変換し、第１のｄ軸実測値及び第１のｑ軸実測値を第１の制御部１５１に提供する。
【０１５３】
第２の変換部１７２は、フォードバック制御のためのａ２電流実測値、ｂ２電流実測値、ｃ２電流実測値を取得し、角度センサ１９ａによって測定された回転子３又は回転子コア８の角度を取得し、このａ２電流実測値、ｂ２電流実測値、ｃ２電流実測値を、第２のｄ軸実測値及び第２のｑ軸実測値に変換し、第２のｄ軸実測値及び第２のｑ軸実測値を第２の制御部１５２に提供する。
【０１５４】
図１６は、本実施形態に係るドライブシステムＤＳ１の処理の一例を示すフローチャートである。なお、３台以上のインバータを含むドライブシステムＤＳ２も、適宜変更の上、この図１６と同様の処理を実行可能である。
【０１５５】
ステップＳ１６０１において、指令部１８Ａは、角度センサ１９ａから取得した回転角度と時間とに基づいて回転速度を算出する。指令部１８Ａは、回転速度に基づいて低速回転域か高速回転域かを判断し、表３に基づいて判断結果に対応する電流位相を示すａ１指令値、ｂ１指令値、ｃ１指令値、ａ２指令値、ｂ２指令値、ｃ２指令値を決定する。指令部１８Ａは、決定したａ１指令値、ｂ１指令値、ｃ１指令値を第１の制御部１５１へ提供し、決定したａ２指令値、ｂ２指令値、ｃ２指令値を第２の制御部１５２へ提供する。
【０１５６】
ステップＳ１６０２において、第１の制御部１５１は、ａ１指令値、ｂ１指令値、ｃ１指令値、第１のｄ軸実測値、第１のｑ軸実測値、回転角度、回転角度から算出された回転速度に基づいて、第１のｄ軸指令値及び第１のｑ軸指令値を決定し、決定した第１のｄ軸指令値及び第１のｑ軸指令値を第１のインバータ１４１へ提供する。第２の制御部１５２は、ａ２指令値、ｂ２指令値、ｃ２指令値、第２のｄ軸実測値、第２のｑ軸実測値、回転角度、回転角度から算出された回転速度に基づいて、第２のｄ軸指令値及び第２のｑ軸指令値を決定し、決定した第２のｄ軸指令値及び第２のｑ軸指令値を第２のインバータ１４２へ提供する。
【０１５７】
ステップＳ１６０３において、第１のインバータ１４１は、第１の制御部１５１から取得した第１のｄ軸指令値及び第１のｑ軸指令値に基づいて、直流電源１６から供給された直流電流を、交流のａ１電流、ｂ１電流、ｃ１電流へ変換する。第２のインバータ１４２は、第２の制御部１５２から取得した第２のｄ軸指令値及び第２のｑ軸指令値に基づいて、直流電源１６から供給された直流電流を、交流のａ２電流、ｂ２電流、ｃ２電流へ変換する。
【０１５８】
ステップＳ１６０４において、第１のインバータ１４１は、交流のａ１電流、ｂ１電流、ｃ１電流を誘導電動機１へ供給し、第２のインバータ１４２は、交流のａ２電流、ｂ２電流、ｃ２電流を誘導電動機１へ供給し、第１及び第２のインバータ１４１，１４２から供給される電流により誘導電動機１が駆動される。
【０１５９】
ステップＳ１６０５において、角度センサ１９ａは、回転子３又は回転子コア８の回転角度を測定し、この回転角度を、第１の変換部１７１、第２の変換部１７２、指令部１８Ａ、第１の制御部１５１、第２の制御部１５２へ提供する。第１の変換部１７１は、インバータ１４から出力されたａ１電流の実測値、ｂ１電流の実測値、ｃ１電流の実施値を取得し、角度センサ１９ａによって測定された回転子３又は回転子コア８の回転角度を取得し、これらのａ１電流実測値、ｂ１電流実測値、ｃ１電流実測値を、第１のｄ軸実測値及び第１のｑ軸実測値に変換し、第１のｄ軸実測値及び第１のｑ軸実測値を第１の制御部１５１に提供する。第２の変換部１７２は、インバータ１４から出力されたａ２電流の実測値、ｂ２電流の実測値、ｃ２電流の実施値を取得し、角度センサ１９ａによって測定された回転子３又は回転子コア８の回転角度を取得し、これらのａ２電流実測値、ｂ２電流実測値、ｃ２電流実測値を、第２のｄ軸実測値及び第２のｑ軸実測値に変換し、第２のｄ軸実測値及び第２のｑ軸実測値を第２の制御部１５２に提供する。
【０１６０】
ステップＳ１６０６において、ドライブシステムＤＳ１は、誘導電動機１Ａの駆動を終了させるか否か判断する。
【０１６１】
誘導電動機１Ａの駆動を終了させない場合、処理はステップＳ１６０１へ戻る。
誘導電動機１Ａの駆動を終了させる場合、処理は終了する。
【０１６２】
以下において、本実施形態に係る誘導電動機１Ａのトルク特性と、誘導電動機１Ａの永久磁石を空気に代えた比較例２の電動機のトルク特性とを対比することにより、本実施形態に係る誘導電動機１Ａによって得られる効果を説明する。
【０１６３】
図１７は、本実施形態に係る誘導電動機１Ａが極数変換した時の極数変換前後の回転子３の過渡状態から定常状態までのトルクの時間変化と、比較例２が極数変換した時の極数変換前後の回転子の過渡状態から定常状態までのトルクの時間変化との比較結果を例示する図である。この図１７に含まれるグラフは、横軸で時間を示し、縦軸でトルクを示している。
【０１６４】
固定子４の極数変換を行う前と後のいずれでも、本実施形態に係る誘導電動機１Ａの回転子３のトルクが、比較例２のトルクよりも、大きい。
【０１６５】
具体的には、低速回転域において、本実施形態に係る誘導電動機１Ａの回転子３のトルクは、定常状態で平均８２．７０１Ｎ・ｍであり、比較例２のトルクは、定常状態で平均５６．１８３Ｎ・ｍであり、本実施形態に係る誘導電動機１Ａの回転子３のトルクの方が比較例２のトルクよりも約１．５向上している。
【０１６６】
固定子４の極数が減少する高速回転域において、本実施形態に係る誘導電動機１Ａの回転子３のトルクは、定常状態で平均２０．３３０Ｎ・ｍであり、比較例２のトルクは、定常状態で平均１７．９９３Ｎ・ｍであり、本実施形態に係る誘導電動機１Ａの回転子３のトルクの方が比較例２のトルクよりも約１．１３倍向上している。
【０１６７】
なお、本実施形態において、固定子４の回転磁界の極数の変換は、例えば、パワー素子を用いたスイッチング回路で各固定子コイル１３の接続及び位相を切り替えることで実現可能であるが、固定子４の極数変換は他の方法で実現してもよい。優れた方法としては、本実施形態で説明したような複数のインバータ（マルチインバータ）による固定子４の回転磁界の極数変換が挙げられる。
【０１６８】
例えば、スイッチ回路を用いて誘導電動機１Ａ，１Ｂの極数を変換してもよい。より具体的に説明すると、各固定子コイル１３に対して電磁接触スイッチ回路を備え、スイッチ回路をオン／オフすることにより各固定子コイル１３への通電の有無及びタイミングを制御することにより、相数を変更することができ、さらに、オン／オフ期間の調整により極数を変更することができる。また、固定子４のスロットに、極数の異なる２種類の固定子コイルを設けてこの２種類の固定子コイルを別々に利用してもよい。
【０１６９】
以上説明した本実施形態に係る誘導電動機１Ａ，１Ｂの特徴を説明する。
【０１７０】
可変速運転電動機として、永久磁石電動機と誘導電動機とが広く利用されている。永久磁石電動機は、低速から中速の回転域において高トルクで高効率であるが、高速回転域又は軽負荷時（一定回転時）において効率が誘導電動機と同等もしくはそれ以下となる。一方、誘導電動機は、低速回転域において永久磁石電動機よりもトルクが小さくなり効率が低下する場合があるが、高速回転域において高効率となり、軽負荷時又は最高回転数域において永久磁石電動機よりも効率が上がる。
【０１７１】
本実施形態においては、電磁誘導作用によって回転子３に磁束を発生させ、さらに回転子３によって発生された磁束に磁石回転子７による磁束を重畳させる。さらに、本実施形態においては、本実施形態で説明したような複数のインバータと複数のグループの多相コイルを持つ固定子４によって回転磁界を極数変換することにより、又は、固定子４の固定子コイル１３の接続を例えば電磁接触スイッチを用いて切り替えることにより、又は、パワー素子を用いたスイッチング回路により固定子コイル１３の接続及び位相を切り替えることにより、誘導電動機１Ａ，１Ｂの固定子４の回転磁界の極数を変換する。
【０１７２】
本実施形態においては、磁石回転子７が一定の極数を持ち、低速回転域において、固定子コイル１３による多極の回転磁界と永久磁石１１の磁界が同期・重畳し、トルクが向上する。本実施形態では、高速回転域において、固定子４の極数が磁石回転子７の極数より少なくなり、固定子コイル１３によって発生される回転磁界の磁極数と永久磁石１１による磁界の極数とが相違する状態となり、固定子コイル１３による多極の回転磁界と永久磁石１１の磁界が同期せず、回転子４によって発生されるトルクのほとんどが、３相電流の回転磁界のみの誘導作用で回転子コア８の回転子コイル９又は導体に生じる誘導電流と、この誘導電流と回転磁界の励磁磁界によって回転子コア８によって発生されるトルクとなる。
【０１７３】
以上説明した本実施形態では、低速回転域において、固定子４の極数と磁石回転子７の極数とが同じになり、固定子コイル１３による回転磁界と永久磁石１１の磁界とが同期し、誘導電動機１Ａ，１Ｂの高トルクが実現される。
【０１７４】
また、本実施形態では、高速回転域において、固定子４の極数が少なくなるように変換され、固定子４の極数と磁石回転子７の極数とが相違する状態になり、固定子コイル１３による回転磁界と永久磁石１１の磁界とが非同期となる。この場合、高速回転域における永久磁石１１の磁界で生じる誘導電圧の駆動電圧（基本周波数成分）の影響は低減され、駆動電圧を上限値以下に制限するための永久磁石磁束を低減させる弱め磁束制御が不要になり、弱め磁束制御のための電流も不要になり、出力と効率が向上する。
【０１７５】
したがって、本実施形態においては、回転速度に応じて複数のインバータを用いて固定子４の極数を変更することにより、低速から高速までの全駆動範囲で誘導電動機１Ａ，１Ｂを高性能化することができる。
【０１７６】
本発明は上記で説明した実施形態に限定されず、各実施形態は、構成要素を削除、付加又は変更等をして実施することができる。また、各実施形態の各構成要素を適宜組み合わせ又は交換などをすることで、さらに異なる形態で実施することができる。このように、上記で説明した実施形態と直接的には異なる実施形態であっても、本発明と同様の趣旨のものは、本発明の実施形態として説明したものとして、その説明を省略している。
【符号の説明】
【０１７７】
１，１Ａ，１Ｂ…誘導電動機、ＤＳ，ＤＳ１，ＤＳ２…ドライブシステム、２…シャフト、Ａ…回転軸、３…回転子、４…固定子、５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ…ベアリング、７…磁石回転子、８…回転子コア８、９…回転子コイル、１０…中心部、１１…永久磁石１１、１２…固定子コア、１３…固定子コイル、１４…インバータ、１４１…第１のインバータ、１４２…第２のインバータ、１４３…第３のインバータ、１５…制御部、１５１…第１の制御部、１５２…第２の制御部、１６…直流電源、１７…変換部、１７１…第１の変換部、１７２…第２の変換部、１８…指令部、１９ａ…角度センサ、１９ｂ…磁石回転子の角度センサ、２０…トルクセンサ、２１…電動機システム、２１１，２１２…マルチインバータ電動機システム。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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