(57)【要約】【課題】界磁電流のばらつきによって生じるモータトルクのばらつきを抑制する。【解決手段】界磁巻線７，８のそれぞれの一方の端子は、スリップリング１１ａ，１１ｂにそれぞれ接続されている。界磁巻線７，８のそれぞれの他方の端子は、スリップリング１１ｃに接続されている。ブラシ１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、それぞれスリップリング１１ａ、１１ｂ、１１ｃに摺動する。ブラシ１２ｃは、負極が接地された直流電源２２の正極に接続されている。ブラシ１２ａは、駆動素子２３のドレインに接続され、駆動素子２３のソースは接地されている。ブラシ１２ｂは、駆動素子２４のドレインに接続され、駆動素子２４のソースは接地されている。駆動信号入力端子２５，２６は、駆動素子２３，２４をオン／オフ、或いはＰＷＭ電流制御することにより、界磁巻線７，８を個別に駆動する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
界磁巻線型回転子を備えた界磁巻線型モータにおいて、
複数の界磁巻線と、
前記界磁巻線毎に電流を供給するスリップリングと、
前記界磁巻線毎に電流を供給する界磁電流制御回路と、
を備えたことを特徴とする界磁巻線型モータ。
【請求項２】
請求項１に記載の界磁巻線型モータの制御方法であって、
弱め界磁制御時に、第１の界磁巻線に順次低減する電流を供給し、第２の界磁巻線に飽和電流を供給することを特徴とする界磁巻線型モータの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、界磁巻線型回転子を有する界磁巻線型モータ及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
界磁巻線型回転子を有する界磁巻線型モータにおいて、弱め界磁制御を行う場合には、界磁巻線の電流を減少させて行っていた（例えば、特許文献１）。また、一対のランデル型回転子を有するランデル型モータの場合、２つの回転子巻線は、直列又は並列に接続されて、一対のスリップリングから界磁電流が供給されていた（例えば、特許文献２）。
【特許文献１】特開平１１−３１３４９８号公報
【特許文献２】特開２００２−１７１７３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記従来の界磁巻線型モータにおいて、弱め界磁制御を行う場合には、例え界磁巻線を２つ備えていても２つの界磁巻線同時に界磁電流を減少させていたため、弱め界磁制御時の磁束は、非飽和領域となり、界磁電流のばらつきによって生じる磁束量の変動によりモータトルクが大きくばらつくという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記問題点を解決するために本発明は、界磁巻線型回転子を備えた界磁巻線型モータにおいて、複数の界磁巻線と、界磁巻線毎に電流を供給するスリップリング及び界磁電流制御回路とを備える。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、界磁巻線毎に界磁電流を制御できるので、弱め界磁制御を行う際には、一方の界磁巻線を飽和領域で励磁しながら、他方の界磁巻線を非飽和領域で励磁或いは通電停止することにより、界磁電流のばらつきによるモータトルクのばらつきを抑制することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
次に、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明に係る界磁巻線型回転子を備えた界磁巻線型モータ１の実施例の構造を説明する断面図である。図２は、図１の界磁巻線型モータ１の界磁電流制御回路例を示す接続図である。図３は、界磁電流と発生トルクとの関係を示す図である。図４乃至図７は、実施例における弱め界磁制御時の各種通電パターンを示す図である。
【０００７】
図１において、界磁巻線型回転子を備えた界磁巻線型モータ１は、ハウジング１と、ハウジングに固定された固定子コア３と、固定子コア３に巻回された固定子巻線４とを備える。また界磁巻線型モータ１は、モータの軸方向に配置されたランデル型の回転子コア５，６と、回転子コア５，６にそれぞれ巻回された界磁巻線７，８とを備える。
【０００８】
回転子コア５，６は、共通のシャフト９に固定され、一体となって回転する。シャフト９はベアリング１０ａ，１０ｂにより、ハウジング１に軸支されている。シャフト９の図中右部には、３つのスリップリング１１ａ，１１ｂ，１１ｃがシャフト９と一体に設けられている。これらスリップリング１１ａ，１１ｂ，１１ｃのそれぞれに摺動しながら接触するブラシ１２ａ，１２ｂ，１２ｃが設けられている。
【０００９】
ブラシ１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、それぞれハウジング１に固定された筒状のブラシホルダ１３の中を上下に滑動可能に配置され、それぞれコイルバネ１４によりスリップリング側（図中下方）へ付勢されている。
【００１０】
またブラシ１２ａ，１２ｂ，１２ｃからは引出線１５が引き出されている。引出線１５は、図外の界磁電電流制御回路に接続され、界磁巻線７，８それぞれ独立に界磁電流を供給可能となっている。さらにシャフト９の図中右端部には、シャフト９の回転位置を検出する回転センサ１６が設けられている。回転センサ１６からは信号線１７が引き出され、例えば図外の界磁電電流制御回路やインバータに接続されている。
【００１１】
尚、図１では、２つの界磁巻線７，８を有する界磁巻線型回転子を備えた界磁巻線型モータ１を説明したが、本発明における界磁巻線の数は、２に限定されず３以上の整数Ｎでもよい。この場合には、スリップリング及びブラシの数は、Ｎ＋１となる。また、実施例では、回転子コア５，６に界磁巻線７，８が巻かれていて、界磁巻線７，８に通電することによって界磁磁束を発生する構造となっている。しかし回転子には磁束を補助する永久磁石を併用して界磁磁束を発生させる構造のものも含むこととする。
【００１２】
図２において、３相の固定子巻線４は、インバータ２０から駆動される。界磁巻線７，８のそれぞれの一方の端子は、スリップリング１１ａ，１１ｂにそれぞれ接続されている。界磁巻線７，８のそれぞれの他方の端子は、共通にスリップリング１１ｃに接続されている。
【００１３】
また、直流電源２２と、例えばＭＯＳ−ＦＥＴを用いた駆動素子２３，２４と、駆動信号入力端子２５，２６とを備えた界磁電流制御回路２１が設けられている。
【００１４】
スリップリング１１ｃに摺動するブラシ１２ｃは、負極が接地された直流電源２２の正極に接続されている。スリップリング１１ａに摺動するブラシ１２ａは、駆動素子２３のドレインに接続され、駆動素子２３のソースは接地されている。同様に、スリップリング１１ｂに摺動するブラシ１２ｂは、駆動素子２４のドレインに接続され、駆動素子２４のソースは接地されている。駆動素子２３，２４のそれぞれのゲートは、駆動信号入力端子２５，２６に接続されている。
【００１５】
界磁電流制御回路２１は、個別に配置された駆動信号入力端子２５，２６により、駆動素子２３，２４を個別にオン／オフ、或いはＰＷＭ電流制御することができる。従って、界磁電流制御回路２１は、界磁巻線７，８に個別に界磁電流を供給することができるようになっている。尚、図２では、図１と同様に２つの界磁巻線７，８を有する例を説明したが、界磁巻線の数を３以上の整数Ｎとしてもよい。この場合には、駆動素子の数は、Ｎとなる。
【００１６】
次に、本実施例の界磁電流制御回路２１による界磁巻線の駆動制御について説明する。
【００１７】
一般にモータの発生トルクは、下記の（１）式で表される。
Ｔ＝Ｐｎ×｛φａ×Ｉｑ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）×Ｉｄ×Ｉｑ｝              …（１）
ここで、Ｔ：トルク、Ｐｎ：極対数、φａ：鎖交磁束数、Ｌｄ：ｄ軸インダクタンス、Ｌｑ：ｑ軸インダクタンス、Ｉｄ：ｄ軸電流、Ｉｑ：ｑ軸電流である。
【００１８】
本発明に適用される界磁巻線型モータ１の場合、界磁の磁束を界磁電流Ｉｆによって制御することが可能なので、φａ＝φａ’×Ｉｆとすると（１）式は、（２）式へ書き換えることができる。
Ｔ＝Ｐｎ×｛φａ’×Ｉｆ×Ｉｑ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）×Ｉｄ×Ｉｑ｝      …（２）
【００１９】
このときリラクタンストルクを表す第２項を無視すると（２）式は、（３）式となり、電機子のｑ軸電流Ｉｑが一定と仮定すると、トルクＴは界磁電流Ｉｆに比例する。
Ｔ＝Ｐｎ×φａ’×Ｉｆ×Ｉｑ                                      …（３）
Ｔ∝Ｉｆ                                                          …（４）
【００２０】
一方、モータを駆動する際には、モータによる誘起電圧がある程度高くなると、これ以上電機子電流を流し込めないことにより回転数が制限されてしまうので、弱め界磁制御により高回転を可能とする。
【００２１】
然しながら、界磁電流の減少による弱め界磁制御は、例えば図３のような磁束特性の場合、界磁電流を小さくすると界磁電流−磁束特性のグラフの傾きが大きくなることから、少し界磁電流のばらつきが、発生する磁束すなわちトルクへ大きく影響する。
【００２２】
図３は、界磁電流と誘起電圧との関係例を示す図である。ここで、誘起電圧は、界磁磁束とトルクに比例するので、縦軸の誘起電圧は、モータのトルクに読み替えることができる。図３において、界磁電流Ｉｆが３．０〔Ａ〕の非飽和領域において、誘起電圧は、４３〔Ｖ〕である。界磁電流Ｉｆが３．０〔Ａ〕±０．２〔Ａ〕の変動をした場合、誘起電圧は、４１〜４４〔Ｖ〕に変動し、その変動率は、約４．６％である。これに対して、界磁電流Ｉｆが７．０〔Ａ〕の飽和領域において、誘起電圧は、６６〔Ｖ〕である。界磁電流Ｉｆが７．０〔Ａ〕±０．２〔Ａ〕の変動をした場合、誘起電圧は、６５．５〜６６．５〔Ｖ〕に変動し、その変動率は、約０．７５％である。このように、同じ±０．２〔Ａ〕の界磁電流値のばらつきが、非飽和領域では、トルクの約４．６％のばらつきとなり、飽和領域では、トルクの約０．７５％のばらつきとなる。このように同じ大きさの界磁電流のばらつきによるトルクのばらつきは、飽和領域に比べて非飽和領域が非常に大きくなる。
【００２３】
特許文献１に記載されているとおり、電機子のｄ軸電流Ｉｄと界磁電流Ｉｆは構造上、相互に誘導するので、単なる界磁電流Ｉｆの電流制御の精度だけでなく、トルク急変動によって電機子のｄ軸電流Ｉｄの変化が大きい場合、それによって界磁電流Ｉｆも変動しやすくなる。このように従来例では、弱め界磁制御を行う場合、界磁巻線の電流−磁束特性の通り２つの界磁巻線とも非飽和域で通電するためトルクの変動が大きい。
【００２４】
本発明では、複数の界磁巻線を有するモータにおいて、界磁巻線毎に通電制御するので、界磁電流の変化に対してトルク変動が大きい界磁電流−磁束特性の非飽和領域の使用を減らして、トルクを安定させることができる。
【００２５】
本実施例では、一方の界磁巻線に定格電流を流すことにより、一方の回転子コアの磁束は飽和領域で使用できる。このとき他方の界磁巻線の電流は、例えばほぼゼロにでき、他方の回転子コアによって鎖交する磁束をゼロにすることができる。結果的に発生するトルクは、２つの界磁巻線を少ない電流で駆動させた弱め界磁制御時と同等のトルクを発生することができる。すなわちトルクを維持しながらトルクばらつきを低減することができるという効果がある。
【００２６】
次に、図４乃至図７を参照して、本実施例における弱め界磁制御時の界磁巻線の通電パターンを説明する。
【００２７】
図４の第１通電パターンは、従来のモータと同様な弱め界磁制御時の通電パターンである。一方の界磁巻線の界磁電流Ｉf1と、他方の界磁巻線の界磁電流Ｉf2とを同時に飽和領域の定格値ＩM から電流を下げる場合である。但し、第１通電パターンでは、本発明の効果はない。
【００２８】
図５の第２通電パターンは、一方の界磁巻線の界磁電流Ｉf1を減少させながら弱め界磁制御を行う際に、他方の界磁巻線の界磁電流Ｉf2は飽和領域の定格値ＩM を維持する場合である。弱め界磁制御の開始から時刻ｔａまでは、界磁電流Ｉf2は飽和領域の定格値ＩM を維持しながら、界磁電流Ｉf1を減少させる。このとき界磁電流Ｉf2は飽和領域の定格値ＩM であるので、界磁電流Ｉf1，Ｉf2のばらつきによるトルクばらつきは、第１通電パターンより小さくなるという効果がある。時刻ｔａで界磁電流Ｉf1が０となった後は、界磁電流Ｉf2を減少させる制御を行う。
【００２９】
図６は、図５の第２通電パターンの変形例であり、３つの界磁巻線を備えた場合である。弱め界磁制御の開始から時刻ｔａまでは、第１界磁巻線の界磁電流Ｉf1を減少させながら、第２、第３界磁巻線の界磁電流Ｉf2，Ｉf3は飽和領域の定格値ＩM を維持する。時刻ｔａで第１界磁巻線の界磁電流Ｉf1が０となった後は、第３界磁巻線の界磁電流Ｉf3を飽和領域の定格値ＩM に維持しながら第２界磁巻線の界磁電流Ｉf2を減少させる制御を行う。時刻ｔｂで第２界磁巻線の界磁電流Ｉf2が０となった後は、第３界磁巻線の界磁電流Ｉf3を減少させる制御を行う。４以上の界磁巻線を有する場合も同様で、他の界磁巻線の界磁電流を維持しながら、一つずつの界磁巻線の界磁電流を０まで減少させる制御を行う。界磁巻線の数が３以上であっても弱め界磁制御時のトルク変動を抑制することができる。
【００３０】
図７は、第３通電パターンを説明する図である。第３通電パターンでは、最初に第１界磁巻線の界磁電流Ｉf1と第２界磁巻線の界磁電流Ｉf2とをそれぞれ飽和領域の定格値ＩM から同時に減少を開始させる。ある時刻ｔｄで、界磁電流Ｉf1が電流値Ｉ1 に達したときの界磁電流Ｉf2が電流値Ｉ2 であったとする。このとき、界磁電流Ｉf1を飽和領域の定格値ＩM に増加させるとともに、界磁電流Ｉf2を０にする。以後、界磁電流Ｉf2を０に維持したまま、界磁電流Ｉf1を減少させる制御を行う。この第３通電パターンにおいても一方の界磁電流を飽和領域に近いところで使用することになるので、界磁電流のばらつきによるトルクばらつきを低減させることができるという効果がある。
【００３１】
以上の第１乃至第３通電パターンは、それぞれのモータ設計に応じてトルク性能、トルクばらつき、熱性能などに応じて、最適な設定をすることができる。
【００３２】
尚、図示しなかったが本実施例において、界磁巻線毎にその温度を検出する温度センサを設けて、温度センサの検出値に基づいて、各界磁巻線の電流を制御することもできる。即ち、モータは連続運転によって温度が上昇する。過度な温度上昇は保護機能が作動して、出力制限や出力停止となる。界磁巻線毎の温度を温度センサで検出し、温度が最も高い界磁巻線の電流を減じ、温度が最も低い界磁巻線の電流を増加させる制御を行うことにより、温度保護機能が作動する前になるべく長くモータを運転させることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係る界磁巻線型モータの実施例の構造を説明する断面図である。
【図２】図１の界磁巻線型モータと界磁電流制御回路例との接続を示す接続図である。
【図３】界磁電流と、誘起電圧（∝発生磁束∝トルク）との関係例を示す図である。
【図４】実施例における弱め界磁制御の第１通電パターンを示す図である。
【図５】実施例における弱め界磁制御の第２通電パターンを示す図である。
【図６】第２通電パターンの変形例を示す図である。
【図７】実施例における弱め界磁制御の第３通電パターンを示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
１…界磁巻線型モータ、２…ハウジング、３…固定子コア、４…固定子巻線、５…回転子コア、６…回転子コア、７…界磁巻線、８…界磁巻線、９…シャフト、１０ａ，１０ｂ…ベアリング、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ…スリップリング、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ…ブラシ、１３…ブラシホルダ、１４…コイルバネ、１５…引出線、１６…回転センサ、１７…信号線、２０…インバータ、２１…界磁電流制御回路、２２…直流電源、２３，２４…駆動素子、２５，２６…駆動信号入力端子。
【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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