(57)【要約】【課題】簡単な構成で高精度かつ低コストで広範囲の界磁制御が可能な永久磁石同期電動機システム及びその界磁制御方法を提供する。【解決手段】電圧及び周波数が可変な電源１５を備え、永久磁石同期電動機１１の基底速度を超えた高速運転の際に、永久磁石同期電動機１１の永久磁石の磁束を弱める向きに、永久磁石同期電動機１１の固定子側からｄ軸電流を流して界磁弱め制御を行う制御装置１２を有する永久磁石同期電動機システム１０において、永久磁石の磁束は、基底速度に対応する定格磁束より小さい値に設計され、制御装置１２は、基底速度以下の低速度領域で、ｄ軸電流と直交するｑ軸電流の値を定格磁束に対応する定格ｑ軸電流の値より大きくして、要求されるトルク特性を発生させる第１の速度制御系１３と、高速度領域で、d軸電流及びｑ軸電流の値をそれぞれ調整して要求される出力特性を発生させる第２の速度制御系１４とを有する。【選択図】図１
2010268579.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧及び周波数が可変な電源を備え、永久磁石同期電動機の基底速度を超えた高速運転の際に、該永久磁石同期電動機の回転子に装着された永久磁石の磁束を弱める向きに、該永久磁石同期電動機の固定子側からｄ軸電流を流して界磁弱め制御を行う制御装置を有する永久磁石同期電動機システムにおいて、
前記永久磁石同期電動機の永久磁石の磁束は、前記基底速度に対応する定格磁束より小さい値に設計され、
前記制御装置は、前記基底速度以下の低速度領域で、前記ｄ軸電流と直交するｑ軸電流の値を前記定格磁束に対応する定格ｑ軸電流の値より大きくして、該永久磁石同期電動機に要求されるトルク特性を発生させる第１の速度制御系と、前記基底速度を超える高速度領域で、前記d軸電流及び前記ｑ軸電流の値をそれぞれ調整して前記永久磁石同期電動機に要求される出力特性を発生させる第２の速度制御系とを有することを特徴とする永久磁石同期電動機システム。
【請求項２】
請求項１記載の永久磁石同期電動機システムにおいて、前記第１の速度制御系は、前記永久磁石同期電動機の固定子相電流が該永久磁石同期電動機の発生トルクに対して最小となるときの特性負荷角を演算し、該永久磁石同期電動機の負荷角を該特性負荷角に一致させることを特徴とする永久磁石同期電動機システム。
【請求項３】
請求項１及び２のいずれか１項に記載の永久磁石同期電動機システムにおいて、前記第２の速度制御系は、前記永久磁石同期電動機の速度が予め設定された臨界速度以下の速度領域では、前記ｄ軸電流を０又は前記永久磁石同期電動機の固定子相電流が該永久磁石同期電動機の発生トルクに対して最小となる特性負荷角に相当する値に保持して、前記ｑ軸電流の値及び固定子相電圧を調整し、前記臨界速度を超える速度領域では、前記ｄ軸電流の値を調整して界磁制御を行いながら前記ｑ軸電流の値を調整することを特徴とする永久磁石同期電動機システム。
【請求項４】
電圧及び周波数が可変な電源を用いて、永久磁石同期電動機の基底速度を超えた高速運転の際に、該永久磁石同期電動機の回転子に装着された永久磁石の磁束を弱める向きに、該永久磁石同期電動機の固定子側からｄ軸電流を流して界磁弱め制御を行う永久磁石同期電動機システムの界磁制御方法において、
前記永久磁石同期電動機の永久磁石の磁束を、前記基底速度に対応する定格磁束より小さい値に設計し、
前記基底速度以下の低速度領域では、前記ｄ軸電流と直交するｑ軸電流の値を前記定格磁束に対応する定格ｑ軸電流の値より大きくして、該永久磁石同期電動機に要求されるトルク特性を発生させ、前記基底速度を超える高速度領域では、前記d軸電流及び前記ｑ軸電流の値をそれぞれ調整して前記永久磁石同期電動機に要求される出力特性を発生させることを特徴とする永久磁石同期電動機システムの界磁制御方法。
【請求項５】
請求項４記載の永久磁石同期電動機システムの界磁制御方法において、前記低速度領域では、前記永久磁石同期電動機の固定子相電流が該永久磁石同期電動機の発生トルクに対して最小となるときの特性負荷角を演算し、該永久磁石同期電動機の負荷角を該特性負荷角に一致させることを特徴とする永久磁石同期電動機システムの界磁制御方法。
【請求項６】
請求項４及び５のいずれか１項に記載の永久磁石同期電動機システムの界磁制御方法において、前記高速度領域では、前記永久磁石同期電動機の速度が予め設定された臨界速度以下の場合、前記ｄ軸電流を０又は前記永久磁石同期電動機の固定子相電流が該永久磁石同期電動機の発生トルクに対して最小となる特性負荷角に相当する値に保持しながら前記ｑ軸電流の値及び固定子相電圧を調整し、前記臨界速度を超える場合、前記ｄ軸電流の値を調整して界磁制御を行いながら前記ｑ軸電流の値を調整することを特徴とする永久磁石同期電動機システムの界磁制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、界磁制御によって定出力特性及び逓減出力特性を得る永久磁石同期電動機システム及びその界磁制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１に記載のように、永久磁石同期電動機を、他励直流分巻電動機の界磁制御のように、電圧をほぼ一定にして、界磁弱めによって高速運転を行うには、永久磁石の磁束を弱める電流を固定子側から供給して磁束を弱め、永久磁石同期電動機の速度を大きくする方法が取られている。このために、直流電動機のように、速度増加に反比例して界磁電流を小さく制御すると云う方法は採用できず、速度増加にほぼ比例して大きくなる磁束弱め電流を電源から供給しなければならない。従って、界磁制御範囲が広い場合、例えば、定出力特性の要求に対して固定子電流がかなり大きくなるという問題があった。特に、可変電圧、可変周波数電源の必要電圧が、直流電動機の界磁弱め制御の場合に比べ非常に大きくなるという問題があった。このため、永久磁石同期電動機の広範囲の界磁制御には、標準化された電圧定格のインバータは、その適用が困難となっていた。そこで、インバータ電圧を昇圧する手段や、電動機の逆起電力を小さくするように永久磁石同期電動機の巻線を切替える方法（例えば、特許文献２参照）が提案され、実用に供されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１２９３８１号公報
【特許文献２】特開２００５−３５４８０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、電動機の巻線を切替える方法では、巻線切替回路とその制御装置が必要になるため、永久磁石同期電動機を駆動するインバータと永久磁石同期電動機の間に巻線切替回路とその制御装置を配置するスペースを確保しなければならないという問題が生じる。また、永久磁石同期電動機から巻線切替に必要な本数の動力線が引出されるので、配線数が増加するという問題も生じる。
【０００５】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、簡単な構成で高精度かつ低コストで広範囲の界磁制御が可能な永久磁石同期電動機システム及びその界磁制御方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的に沿う本発明に係る永久磁石同期電動機システムは、電圧及び周波数が可変な電源を備え、永久磁石同期電動機の基底速度を超えた高速運転の際に、該永久磁石同期電動機の回転子に装着された永久磁石の磁束を弱める向きに、該永久磁石同期電動機の固定子側からｄ軸電流を流して界磁弱め制御を行う制御装置を有する永久磁石同期電動機システムにおいて、
前記永久磁石同期電動機の永久磁石の磁束は、前記基底速度に対応する定格磁束より小さい値に設計され、
前記制御装置は、前記基底速度以下の低速度領域で、前記ｄ軸電流と直交するｑ軸電流の値を前記定格磁束に対応する定格ｑ軸電流の値より大きくして、該永久磁石同期電動機に要求されるトルク特性を発生させる第１の速度制御系と、前記基底速度を超える高速度領域で、前記d軸電流及び前記ｑ軸電流の値をそれぞれ調整して前記永久磁石同期電動機に要求される出力特性を発生させる第２の速度制御系とを有している。
【０００７】
本発明に係る永久磁石同期電動機システムにおいて、前記第１の速度制御系は、前記永久磁石同期電動機の固定子相電流が該永久磁石同期電動機の発生トルクに対して最小となるときの特性負荷角を演算し、該永久磁石同期電動機の負荷角を該特性負荷角に一致させることが好ましい。
【０００８】
本発明に係る永久磁石同期電動機システムにおいて、前記第２の速度制御系は、前記永久磁石同期電動機の速度が予め設定された臨界速度以下の速度領域では、前記ｄ軸電流を０又は前記永久磁石同期電動機の固定子相電流が該永久磁石同期電動機の発生トルクに対して最小となる特性負荷角に相当する値に保持して、前記ｑ軸電流の値及び固定子相電圧を調整し、前記臨界速度を超える速度領域では、前記ｄ軸電流の値を調整して界磁制御を行いながら前記ｑ軸電流の値を調整することが好ましい。
【０００９】
前記目的に沿う本発明に係る永久磁石同期電動機システムの界磁制御方法は、電圧及び周波数が可変な電源を用いて、永久磁石同期電動機の基底速度を超えた高速運転の際に、該永久磁石同期電動機の回転子に装着された永久磁石の磁束を弱める向きに、該永久磁石同期電動機の固定子側からｄ軸電流を流して界磁弱め制御を行う永久磁石同期電動機システムの界磁制御方法において、
前記永久磁石同期電動機の永久磁石の磁束を、前記基底速度に対応する定格磁束より小さい値に設計し、
前記基底速度以下の低速度領域では、前記ｄ軸電流と直交するｑ軸電流の値を前記定格磁束に対応する定格ｑ軸電流の値より大きくして、該永久磁石同期電動機に要求されるトルク特性を発生させ、前記基底速度を超える高速度領域では、前記d軸電流及び前記ｑ軸電流の値をそれぞれ調整して前記永久磁石同期電動機に要求される出力特性を発生させる。
【００１０】
本発明に係る永久磁石同期電動機システムの界磁制御方法において、前記低速度領域では、前記永久磁石同期電動機の固定子相電流が該永久磁石同期電動機の発生トルクに対して最小となるときの特性負荷角を演算し、該永久磁石同期電動機の負荷角を該特性負荷角に一致させることが好ましい。
【００１１】
本発明に係る永久磁石同期電動機システムの界磁制御方法において、前記高速度領域では、前記永久磁石同期電動機の速度が予め設定された臨界速度以下の場合、前記ｄ軸電流を０又は前記永久磁石同期電動機の固定子相電流が該永久磁石同期電動機の発生トルクに対して最小となる特性負荷角に相当する値に保持しながら前記ｑ軸電流の値及び固定子相電圧を調整し、前記臨界速度を超える場合、前記ｄ軸電流の値を調整して界磁制御を行いながら前記ｑ軸電流の値を調整することが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る永久磁石同期電動機システム及びその界磁制御方法においては、永久磁石同期電動機の永久磁石の磁束を基底速度に対応する定格磁束より小さい値に設計しているので、電圧及び周波数が可変な電源を用いて永久磁石同期電動機の基底速度を超えた高速運転で界磁制御を行う際の最大電圧を低下させることが可能となり、例えば、電圧及び周波数が可変な電源の電圧を昇圧する昇圧装置又は電動機の巻線を切替える巻線切替回路及びその制御装置を付加する必要がなくなり、永久磁石同期電動機システムの構成が簡単になり、信頼性向上及びコスト低減が可能になる。
また、永久磁石同期電動機の永久磁石の磁束を定格磁束より小さい値に設計することで、例えば、高価な磁性材料であるレアメタルの使用を低減することができ、永久磁石同期電動機のコストを低減することができると共に、最近の脱レアメタルの要求にも合致できる。
【００１３】
本発明に係る永久磁石同期電動機システム及びその界磁制御方法において、永久磁石同期電動機の固定子相電流が永久磁石同期電動機の発生トルクに対して最小となるときの特性負荷角を求め、永久磁石同期電動機の負荷角を特性負荷角に一致させる場合、磁石磁束を定格値より小さく設計したことに起因する固定子相電流の増加を抑制することができる。
【００１４】
本発明に係る永久磁石同期電動機システム及びその界磁制御方法において、永久磁石同期電動機の高速速度領域に臨界速度を予め設定し、臨界速度以下の速度領域では、ｄ軸電流を０又は永久磁石同期電動機の固定子相電流が永久磁石同期電動機の発生トルクに対して最小となる特性負荷角に相当する値に保持して、ｑ軸電流の値及び固定子相電圧を調整し、臨界速度を超える速度領域では、ｄ軸電流の値を調整して界磁制御を行いながらｑ軸電流の値を調整する場合、磁石磁束を定格値より小さく設計したことに起因する固定子相電流の増加を抑制することができる。その結果、永久磁石同期電動機の基底速度を超えた高速運転での効率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施の形態に係る永久磁石同期電動機システムの説明図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る永久磁石同期電動機システムの界磁制御方法における固定子相電流とトルク及び負荷角の関係を示す説明図である。
【図３】同永久磁石同期電動機システムの界磁制御方法と負荷角９０°一定の従来方法における負荷角とトルクの関係を示す説明図である。
【図４】同永久磁石同期電動機システムの界磁制御方法における速度とｄ軸電流指令及びｑ軸電流指令の関係を示す説明図である。
【図５】同永久磁石同期電動機システムの界磁制御方法における運転速度をパラメータとした際のｑ軸電流とトルクの関係を示す説明図である。
【図６】変形例に係る永久磁石同期電動機システムの界磁制御方法における速度とトルク、電圧、及び相電流の関係を示す説明図である。
【図７】臨界速度以下の高速度領域で固定子相電圧の調整を行わない場合の速度とトルク、電圧、及び相電流の関係を示す説明図である。
【図８】従来の界磁制御方法における速度とトルク、電圧、及び相電流の関係を示す説明図である
【図９】本発明の一実施の形態に係る永久磁石同期電動機システムの界磁制御方法と従来の界磁制御方法における永久磁石同期電動機の効率の比較を示す説明図である。
【図１０】本発明の一実施の形態に係る永久磁石同期電動機システムの界磁制御方法で固定子抵抗を小さく設計した場合と従来の界磁制御方法における永久磁石同期電動機の効率を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１に示すように、本発明の一実施の形態に係る永久磁石同期電動機システム１０は、永久磁石同期電動機１１と、ベクトル制御による永久磁石同期電動機１１の界磁制御を行う制御装置１２を有している。ここで、永久磁石同期電動機１１の永久磁石の磁束は、定格磁束より小さい値、例えば７５％に設計されている。ここで、永久磁石の磁束設計の推奨値は、定格磁束の５０％以上７５％以下である。
【００１７】
そして、制御装置１２は、永久磁石同期電動機１１の速度（回転速度）が基底速度（定格回転速度）以下の低速度領域にある場合において、永久磁石同期電動機１１で要求されるトルク特性が得られるように、ｄ軸電流と直交するｑ軸電流の値を定格磁束に対応する定格ｑ軸電流の値より大きくする運転制御を行う第１の速度制御系１３と、永久磁石同期電動機１１の回転速度が基底速度を超える高速度領域にある場合において、永久磁石同期電動機１１で要求される出力特性、例えば定出力特性が得られるように、d軸電流及びｑ軸電流の値をそれぞれ調整する運転制御を行う第２の速度制御系１４とを有している。以下詳細に説明する。
【００１８】
第１、第２の速度制御系１３、１４は、永久磁石同期電動機１１を運転する電圧及び周波数が可変な電源の一例であるＰＷＭインバータ１５と、運転中の永久磁石同期電動機１１の負荷を検出する負荷検出器の一例である第１の絶対値エンコーダ１６と、運転中の永久磁石同期電動機１１の磁極位置（回転角度）θｒを検出する磁極位置検出器の一例である第２の絶対値エンコーダ１６aと、第２の絶対値エンコーダ１６aの出力から永久磁石同期電動機１１の回転速度ωｒｎを演算する速度検出器１７と、永久磁石同期電動機システム１０の図示しない運転操作盤から出力される速度指令ωｒｎ＊と速度検出器１７から出力される回転速度ωｒｎを比較し、その偏差をＰＩ増幅して原トルク指令Ｔｅｃを生成する速度制御用のＰＩ制御器１８を有している。
【００１９】
第１の速度制御系１３は、ＰＩ制御器１８から出力された原トルク指令Ｔｅｃからトルク指令Ｔｅｎ＊を生成するリミッタ１９と、リミッタ１９から出力されるトルク指令Ｔｅｎ＊に基づいて原相電流指令ｉｓｎｖ＊及び原負荷角指令δｖ＊をそれぞれ生成する関数発生器２０、２１とを有している。ここで、リミッタ１９は、原トルク指令Ｔｅｃ（トルク要求）に対するトルク指令Ｔｅｎ＊を許容値に制限するもので、例えば、トルク指令Ｔｅｎ＊は−２．０ｐ．ｕ．〜＋２．０ｐ．ｕ．の範囲にリミットされる。
【００２０】
ここで、関数発生器２０、２１では、永久磁石同期電動機１１の固定子相電流が永久磁石同期電動機１１の発生トルクに対して最小となるときの（発生トルク／固定子相電流の比が最大になるときの）の特性負荷角を演算し、永久磁石同期電動機１１の負荷角が特性負荷角に一致するように、トルク指令Ｔｅｎ＊から原相電流指令ｉｓｎｖ＊及び原負荷角指令δｖ＊を決定している。これによって、固定子相電流の増加を抑制しながら、永久磁石同期電動機１１の永久磁石の磁束を定格磁束より小さい値に設計したことによるトルク低下を補うことができる。
【００２１】
第２の速度制御系１４は、電圧及び界磁制御範囲にて、ＰＩ制御器１８の出力である原トルク指令Ｔｅｃと、速度検出器１７の出力である回転速度ωｒｎに基づいて、永久磁石同期電動機１１が要求される定出力特性となるように速度上昇に比例してｑ軸電流成分を低下せしめるように原ｑ軸電流指令ｉｑｓｎ＊を演算するｑ軸電流成分演算器２２と、速度検出器１７の出力である回転速度ωｒｎに基づいて、永久磁石同期電動機１１の永久磁石の磁束を界磁制御中に弱めるｄ軸電流成分を決める指令信号を生成する原ｄ軸電流指令ｉｄｓｎ＊を演算するｄ軸電流成分演算器２３と、原ｑ軸電流指令ｉｑｓｎ＊及び原ｄ軸電流指令ｉｄｓｎ＊からベクトル演算により原相電流指令ｉｓｎＦ＊及び原負荷角指令δＦ＊をそれぞれ生成する電圧及び界磁制御相電流演算器２４とを有している。これによって、永久磁石同期電動機１１の速度が、予め設定された速度、例えば基底速度の１５０％に相当する臨界速度以下の速度領域では、例えば、ｄ軸電流を永久磁石同期電動機１１の固定子相電流が永久磁石同期電動機１１の発生トルクに対して最小となる特性負荷角に相当する値に保持して、ｑ軸電流の値及び固定子相電圧を調整することができ、臨界速度を超える速度領域では、ｄ軸電流の値を調整して界磁制御を行いながらｑ軸電流の値を調整することができる。
【００２２】
また、第１、第２の速度制御系１３、１４は、永久磁石同期電動機１１の回転速度が基底速度以下では関数発生器２０からの出力である原相電流指令ｉｓｎｖ＊を相電流指令ｉｓｎ＊とし、永久磁石同期電動機１１の回転速度が基底速度を超える場合に電圧及び界磁制御相電流演算器２４からの出力である原相電流指令ｉｓｎＦ＊を相電流指令ｉｓｎ＊とする相電流指令選定器２５と、永久磁石同期電動機１１の回転速度が基底速度以下では関数発生器２１からの出力である原負荷角指令δｖ＊を負荷角指令δ＊とし、永久磁石同期電動機１１の回転速度が基底速度を超える場合に電圧及び界磁制御相電流演算器２４からの出力である原負荷角指令δＦ＊を負荷角指令δ＊とする負荷角指令選定器２６とを有している。
【００２３】
更に、第１、第２の速度制御系１３、１４は、負荷角指令選定器２６から出力される負荷角指令δ＊と第２の絶対値エンコーダ１６aの出力である永久磁石同期電動機１１の回転角度θｒとの和として求まる位相角指令θｓ＊及び相電流指令選定器２５から出力される相電流指令ｉｓｎ＊を、三相ａ、ｂ、ｃ座標の固定子相電流指令ｉａｓ＊、ｉｂｓ＊、ｉｃｓ＊に変換してＰＷＭインバータ１５に入力する電流指令器２７を有している。
【００２４】
ここで、ＰＷＭインバータ１５から永久磁石同期電動機１１に入力される固定子相電流ｉａｓ、ｉｂｓ、ｉｃｓの中で、例えば、固定子相電流ｉｃｓ及びｉｂｓは電流センサ２８、２９でそれぞれ検出され、PWMインバータ１５に入力される。一方、固定子相電流ｉａｓは、ｉｃｓ、ｉｂｓから公知のベクトル演算によって求める。そして、PWMインバータ１５は、得られた固定子相電流ｉａｓ、ｉｂｓ、ｉｃｓと電流指令器２７から入力された固定子相電流指令ｉａｓ＊、ｉｂｓ＊、ｉｃｓ＊を比較して、その偏差がゼロになるように電流制御を行う。
【００２５】
続いて、本発明の一実施の形態に係る永久磁石同期電動機システム１０の界磁制御方法について説明する。
永久磁石同期電動機システム１０の界磁制御方法は、電圧及び周波数が可変な電源の一例であるＰＷＭインバータ１５を用いて、永久磁石同期電動機１１の基底速度を超えた高速運転の際に、永久磁石同期電動機１１の回転子に装着された永久磁石の磁束を弱める向きに、永久磁石同期電動機１１の固定子側からｄ軸電流を流して界磁弱め制御を行うもので、永久磁石同期電動機１１の永久磁石の磁束を、基底速度に対応する定格磁束より小さい値に設計し、基底速度以下の低速度領域では、ｄ軸電流と直交するｑ軸電流の値を定格磁束に対応する定格ｑ軸電流の値より大きくして、永久磁石同期電動機１１に要求されるトルク特性を発生させ、基底速度を超える高速度領域では、d軸電流及びｑ軸電流の値をそれぞれ調整して永久磁石同期電動機１１に要求される出力特性を発生させている。以下、詳細に説明する。
【００２６】
低速度領域では、永久磁石同期電動機１１に要求トルクを発生させるためにｑ軸電流の値を大きくしなければならないが、このとき、ＰＷＭインバータ１５の負荷を小さくするために、固定子相電流の増加を抑制する必要がある。ここで、永久磁石同期電動機１１の固定子相電流は、ｄ軸電流とｑ軸電流のベクトル和となるので、永久磁石同期電動機１１の固定子相電流が永久磁石同期電動機１１の発生トルクに対して最小となるとき、すなわち、発生トルク／固定子相電流の比が最大になるときの特性負荷角を求め、永久磁石同期電動機１１の負荷角が特性負荷角に一致するようにｄ軸電流及びｑ軸電流を制御（永久磁石同期電動機１１のベクトル制御）する。
【００２７】
いま、永久磁石同期電動機１１の三相ａ、ｂ、ｃ座標の固定子相電流をｉａｓ、ｉｂｓ、ｉｃｓとする。各固定子相電流は、
ｉａｓ＝ｉｓｓｉｎ（ωｒｔ＋δ）                      ・・・・・（１）
ｉｂｓ＝ｉｓｓｉｎ（ωｒｔ＋δ−２π／３）     ・・・・・（２）
ｉｃｓ＝ｉｓｓｉｎ（ωｒｔ＋δ＋２π／３）    ・・・・・（３）
で与えられる。ここで、ｉｓは固定子相電流の振幅値（Ａ）、ωｒは回転子速度（ｒａｄ／ｓｅｃ）、δは負荷角（トルク角）で回転子磁界と固定子電流の各位相（ｒａｄ）、ｔは時間（ｓｅｃ）である。
【００２８】
固定子相電流をｉａｓ、ｉｂｓ、ｉｃｓの回転子基準座標ｄ、ｑ座標に於けるｄ軸電流ｉｄｓ、ｑ軸電流ｉｑｓは、（４）式で与えられる。
【００２９】
【数１】
2010268579.tif 000003
【００３０】
（４）式に（１）、（２）、（３）式を代入することにより、（５）式が得られる。
【００３１】
【数２】
2010268579.tif 000004
【００３２】
他方、回転子基準座標ｄ、ｑ軸で表した永久磁石同期電動機１１の電圧Ｖｄｓ（Ｖ）、Ｖｑｓ（Ｖ）は、（６）式によって与えられる。
【００３３】
【数３】
2010268579.tif 000005
【００３４】
また、トルクＴｅ（Ｎ−ｍ）は（７）式によって与えられる。
Ｔｅ＝（３／２）・（Ｐ／２）・〔λａｆｉｑｓ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）ｉｑｓｉｄｓ〕    ・・・・・（７）
なお、ＲＳは、ｑ軸、ｄ軸の固定子巻線抵抗（Ω）、Ｌｑ、Ｌｄは、ｑ軸、ｄ軸インダクタンス（Ｈ）、λａｆは回転子磁束鎖交（Ｗｂ−ｔｕｒｎ）、ｐは微分演算子＝ｄ／ｄｔ、Ｐは極数である。
【００３５】
ここで、発明の記述を簡明にするために、電圧、電流、速度、トルク、固定子巻線抵抗、ｄ軸インダクタンス、及びｑ軸インダクタンスを単位法（ｐ．ｕ．法）で表す。
いま、ベース電圧をＶＢ（Ｖ）、ベース電流をＩＢ（Ａ）、ベース速度（基底速度）をωＢ（ｒａｄ／ｓｅｃ）、ベース回転子磁束鎖交をλａｆＢ（Ｗｂ−ｔｕｒｎ）とすると、ベース抵抗ＲＢはＶＢ／ＩＢ（Ω）、ベースインダクタンスＬＢはＶＢ／（ωＢ・ＩＢ）（Ｈ）となり、単位法で表した固定子巻線抵抗ＲＳｎはＲＳ／ＲＢ（ｐ．ｕ．）、単位法で表したｄ軸インダクタンスＬｄｎ及びｑ軸インダクタンスＬｄｎはそれぞれＬｄ／ＬＢ（ｐ．ｕ．）、Ｌｑ／ＬＢ（ｐ．ｕ．）と決定できる。また、単位法で表したｑ軸電圧Ｖｑｓｎ及びd軸電圧ＶｄｓｎはそれぞれＶｑｓ／ＶＢ（ｐ．ｕ．）、Ｖｄｓ／ＶＢ（ｐ．ｕ．）となり、単位法で表した回転子速度ωｒｎはωｒ／ωＢ（ｐ．ｕ．）、単位法で表した回転子磁束鎖交λａｆｎはλａｆ／λａｆＢとなる。
【００３６】
ここで、ベーストルクＴＢ（Ｎ−ｍ）を、ＴＢ（Ｎ−ｍ）＝（３／２）・（Ｐ／２）・λａｆＢ・ＩＢと定義する。そうすると、トルクのｐ．ｕ．値はＴｅｎ＝Ｔｅ／ＴＢで表される。その結果、（６）式は（８）式のように単位法で表すことができる。
【００３７】
【数４】
2010268579.tif 000006
【００３８】
また、（７）式は（９）式のように単位法で表すことができる。
Ｔｅｎ＝ｉｓｎ〔λａｆｎｓｉｎδ＋（１／２）（Ｌｄｎ−Ｌｑｎ）ｉｓｎｓｉｎ２δ〕 ・・・（９）
【００３９】
本実施の形態の永久磁石同期電動機システム１０の界磁制御方法では、単位法で表した回転子磁束鎖交λａｆｎを１．０ｐ．ｕ．より小さく、例えば、０．７５ｐ．ｕ．に設計するので、１．０ｐ．ｕ．トルクを発生する固定子相電流ｉｓｎが１．０ｐ．ｕ．より大きくなる。このため、固定子相電流ｉｓｎが１．０ｐ．ｕ．より大きくなるのを抑制するため、Ｔｅｎ／ｉｓｎの比が最大になる負荷角δを演算し、この負荷角δを指令値として永久磁石同期電動機１１の負荷角がこの値δに一致するように、固定子相電流ｉｓｎの位相角を制御する。この場合、固定子相電流ｉｓｎと負荷角δ（ｒａｄ）の関係は、（９）式を、Ｔｅｎ／ｉｓｎの形にして、ｄ（Ｔｅｎ／ｉｓｎ）／ｄδ＝0として求めることができる。その結果は、（１０）式のようになる。ここで、ａ１＝Ｌｄｎ−Ｌｑｎ  である。
δ＝ｃｏｓ−１〔（−（λａｆｎ／４ａ１ｉｓｎ）−（（λａｆｎ／４ａ１ｉｓｎ）２
＋（１／２））１／２）          ・・・（１０）
従って、Ｔｅｎ／ｉｓｎを最大にする負荷角δは、Ｌｄｎ、Ｌｑｎ、λａｆｎが既知であれば、ｉｓｎに対して決定できることになる。
【００４０】
図2に、Ｌｄｎ＝０．４３４７ｐ．ｕ．、Ｌｑｎ＝０．６９８８ｐ．ｕ．、λａｆｎ＝１．０と０．７５ｐ．ｕ．として、固定子相電流ｉｓｎに対する負荷角δを（１０）式から、トルクＴｅｎを（９）式からそれぞれ計算した結果を示す。図2に示すように、λａｆｎが０．７５ｐ．ｕ．の場合、１．０ｐ．ｕ．のトルクを発生するには、約１．３ｐ．ｕ．の固定子相電流、２．０ｐ．ｕ．トルクを発生するには、約２．３ｐ．ｕ．の固定子相電流を要することが判る。λａｆｎを１．０ｐ．ｕ．に設計し、Ｔｅｎ／ｉｓｎを最大にする制御を採用した比較例に比べ、確かに性能が低下している。
【００４１】
しかしながら、通常採用されている負荷角が９０°（π／２ｒａｄ）一定制御に比べた場合、Ｔｅｎ／ｉｓｎを最大にする制御を採用することによって、性能が改善されていることが説明できる。すなわち、負荷角＝π／２（ｒａｄ）一定の従来方法では、１．０ｐ．ｕ．のトルクに対して、１．０ｐ．ｕ．の固定子電流、２．０ｐ．ｕ．のトルクに対して２．０ｐ．ｕ．の固定子電流となるが、永久磁石の磁束を０．７５ｐ．ｕ．と小さく設計したにもかかわらず、本発明の方法では、２．０ｐ．ｕ．トルクでは必要な固定子相電流は、２．６７ｐ．ｕ．ではなくて、約２．３ｐ．ｕ．となって固定子相電流が小さくなっている。もし、ａ１＝Ｌｄｎ−Ｌｑｎ  ＝−０．２６４１ｐ．ｕ．ではなくて、−０．３１６９ｐ．ｕ．であれば、２．０ｐ．ｕ．トルクに必要な固定子電流は、約２．２ｐ．ｕ．とすることができる。
【００４２】
なお、図2に示す特性から、トルクＴｅｎに対する固定子相電流ｉｓｎと負荷角δを求めることができるので、（１０）式の関数を関数発生器２０に設定すると、トルク指令Ｔｅｎ＊に基づいて原相電流指令ｉｓｎｖ＊を生成することができ、（９）式の関数を関数発生器２１に設定すると、トルク指令Ｔｅｎ＊に基づいて原負荷角指令δｖ＊を生成することができる。
【００４３】
図３に、Ｌｄｎ＝０．４３４７ｐ．ｕ．、Ｌｑｎ＝０．６９８８ｐ．ｕ．、λａｆｎ＝０．７５ｐ．ｕ．として、固定子相電流ｉｓｎが２．３ｐ．ｕ．及び１．３ｐ．ｕ．の場合における（１０）式で表される負荷角δと（９）式で表されるトルクＴｅｎの関係を示す。また、図３には、負荷角９０°一定の従来方法における固定子相電流ｉｓｎが２．０ｐ．ｕ．及び１．０ｐ．ｕ．の場合におけるトルクと負荷角の関係も併せて示している。図３は、２．０ｐ．ｕ．トルクを発生させるためには、負荷角９０°一定の従来方法に比べて、固定子相電流ｉｓｎを２．３ｐ．ｕ．に増加し、負荷角を９０°のＢ点からＢ’点の角度まで大きくすることで、トルクはＡ点をＡ‘点に移動し、同一トルクが発生可能であることを示している。
【００４４】
一方、高速度領域では、永久磁石同期電動機１１の速度が、予め設定された速度、例えば基底速度の１５０％に相当する臨界速度以下の速度領域では、ｄ軸電流を永久磁石同期電動機１１の固定子相電流が永久磁石同期電動機１１の発生トルクに対して最小となる特性負荷角に相当する値に保持しながらｑ軸電流の値及び固定子相電圧を調整し、臨界速度を超えた速度領域では、ｄ軸電流の値を調整して界磁制御を行いながらｑ軸電流の値を調整している。ここで、界磁制御の方法としては、永久磁石の磁束弱め電流成分であるｄ軸電流を永久磁石同期電動機１１の速度だけの関数として与える直接界磁弱め制御方式と、永久磁石同期電動機１１の速度及びトルクの関数として磁束弱め電流成分を与える間接界磁弱め制御方式の二つがある。ここでは、最も簡単な直接界磁弱め制御方式の場合について説明する。
【００４５】
ある速度で運転中の永久磁石同期電動機１１の電圧は、（８）式でｐ＝０とおいて（１１）、（１２）式のようになる。
Ｖｑｓｎ＝Ｒｓｎｉｑｓｎ＋ωｒｎ（Ｌｄｎｉｄｓｎ＋λａｆｎ）                               ・・・（１１）
Ｖｄｓｎ＝−ωｒｎＬｑｎｉｑｓｎ＋Ｒｓｎｉｄｓｎ                                           ・・・（１２）
ここで、ｉｑｓｎ＝０の場合の相電圧Ｖｓｎは、（１３）式で求まる。
Ｖｓｎ２＝Ｖｑｓｎ２＋Ｖｄｓｎ２
＝ωｒｎ２（Ｌｄｎｉｄｓｎ＋λａｆｎ）２＋Ｒｓｎ２ｉｄｓｎ２                                                          ・・・（１３）
【００４６】
（１３）式から、界磁弱め制御で達成可能な最大速度ωｒｎ（ｍａｘ）が（１４）式として求まり、最大許容界磁弱めｄ軸電流成分ｉｄｓｎが（１５）式として求まる。
ωｒｎ（ｍａｘ）＝（Ｖｓｎ２−Ｒｓｎ２ｉｄｓｎ２）１／２／（λａｆｎ＋Ｌｄｎｉｄｓｎ）・・・（１４）
ｉｄｓｎ＜−λａｆｎ／Ｌｄｎ                                                                                                                                                                 ・・・（１５）
すなわち、直接界磁制御では、（１５）式の制限を満足し、永久磁石同期電動機１１の速度の関数としてｉｄｓｎの指令値を発生せしめることになる。従って、図1のｄ軸電流成分演算器２３では、（１４）、（１５）式に基づいてｉｄｓｎの指令値を演算して出力する。
【００４７】
図4は、永久磁石同期電動機１１の速度の関数として求めた、永久磁石の磁束を弱めるｄ軸電流指令ｉｄｓｎ＊の特性の例を示している。この場合、臨界速度（基底速度より１．５倍の速度）までは、トルク／電流比を最大にする負荷角となるｄ軸電流成分ｉｄｓｎを、例えばｉｄｓｎ＝−０．４ｐ．ｕ．に設定する。図4に示すように、速度に対するｄ軸電流指令ｉｄｓｎ＊が決定されると、定出力特性を得るためのトルクからｑ軸電流指令ｉｑｓｎ＊が計算できる。これは、ｉｑｓｎｂ×（１／ωｒｎ）を最初の近似値ｉｑｓｎ１として採用し、ｉｄｓｎ＊とのベクトル和でｉｓｎ１を求め（９）式でトルクＴｅｎを計算する。
【００４８】
ここに、ｉｑｓｎｂ１は、臨界速度のｑ軸電流である。この値と定出力特性のトルクを比較し、その差が小さくなるように収束計算を行ってｉｓｎｎｎを求め、求まったｉｓｎｎｎを、ｉｑｓｎ＊として決定する。図4のｉｑｓｎ＊は、永久磁石の磁束が定格の７５％に設計した場合の１００％出力に対するｉｑｓｎ＊を以上に述べた手順で計算したものである。図4では、基底速度で定格トルクを発生するために、基底速度以下で電流が１００％以上の値となっている。
【００４９】
ｉｑｓｎ＊の演算は、図1のｑ軸電流成分演算器２２によって行われる。この関係を、運転速度をパラメータとして、トルクとｑ軸電流特性として求めたものが図5である。図５から、界磁電流が大きくなる高速運転では、同一トルク要求に対して、ｑ軸電流指令ｉｑｓｎ＊が若干小さくなっている。なお、ｑ軸電流成分演算器２２では、図5に示す特性の中で、例えばωｒｎを４．０ｐ．ｕ.に固定して、図4のｉｑｓｎ＊の近似値を発生するようにしてもよい。また、図5の特性から決まる正確なｉｑｓｎ＊をｑ軸電流成分演算器２２で発生することもできる。
【００５０】
このようにして、界磁制御においては、永久磁石の磁束の弱めに対応して小さくなる永久磁石同期電動機１１のトルクを界磁電流指令から計算し、速度制御器の制御偏差をＰＩ増幅したトルク要求トルクＴｅｃに一致するｑ軸電流指令ｉｑｓｎ＊を演算して設定している。ここで、ｉｄｓｎ＊とｉｑｓｎ＊が求まると、電圧及び界磁制御相電流演算器２４によって、原相電流指令ｉｓｎＦ＊と原負荷角指令δＦ＊が次式で計算される。
ｉｓｎＦ＊＝（ｉｄｓｎ＊2＋ｉｑｓｎ＊2）1/2                                                                                                            ・・・（１６）
δＦ＊＝ｔａｎ−１（ｉｑｓｎ＊／ｉｄｓｎ＊）                                                                                                       ・・・（１７）
【００５１】
電圧及び界磁制御相電流演算器２４の出力であるｉｓｎＦ＊とδＦ＊は、電流指令器２７に与えられ、基底速度を超える高速度領域での電圧及び界磁制御のベクトル制御を遂行する。但し、求めた原相電流指令ｉｓｎＦ＊がＰＷＭインバータ１５の最大許容電流を超える場合には、ｉｓｎＦ＊を許容電流に制限する。ここで、この機能は、電圧及び界磁制御相電流演算器２４に設けられている。なお、図4のｉｄｓｎ＊の最大値、すなわち、（１５）式が与える界磁制御最大電流は、ｉｄｓｎ＜−０．７５／０．４．３４７＝−１．７２５ｐ．ｕ.を満足している。
【００５２】
図6は、変形例に係る永久磁石同期電動機システム１０の界磁制御方法であって、１：６と云う広範囲の界磁制御の要求に対して、永久磁石の磁束を定格磁束の７５％、電圧制御範囲１：１．５、界磁制御範囲１：４として設計した場合で、Ｌｄｎ＝０．４ｐ．ｕ．、Ｌｑｎ＝０．６１６ｐ．ｕ．、Ｒｓｎ＝０．０４２ｐ．ｕ．であるときの、電圧、トルク、相電流と速度の関係を示したものである。
【００５３】
図７は、１：６と云う広範囲の界磁制御の要求に対して、永久磁石の磁束を定格磁束の７５％、電圧制御範囲１：１．５、界磁制御範囲１：４として設計した場合で、Ｌｄｎ＝０．４ｐ．ｕ．、Ｌｑｎ＝０．６１６ｐ．ｕ．、Ｒｓｎ＝０．０４２ｐ．ｕ．であるときに、臨界速度以下の高速度領域で固定子相電圧の調整を行わない場合の速度とトルク、電圧、及び相電流の関係を示す説明図である。
【００５４】
図6に示すように、基底速度の6倍と云う高速運転を行うにもかかわらず、必要電圧の最大値は、ベース電圧の約２５０％に抑えられている。しかも、最高速度に於ける相電流が、図７に示す１：１．５の電圧制御を行わない場合の特性より若干低下している。但し、この場合、電圧は、２５０％以下である。
【００５５】
図8は、永久磁石の磁束を定格磁束の１００％として、界磁制御範囲１：６とする従来方法の界磁制御を行った場合の特性を求めたものである。最高速度に於ける電圧は、約３５０％と高くなっている。確かに、図６の場合では、基底速度以下の電流が１００％を超えているが、界磁制御範囲においては、磁石磁束を１００％に設計した場合の図8の電流より小さくなっている。このことは、界磁制御最高速度での永久磁石同期電動機１１の効率が改善されることを意味する。
【００５６】
図9は、鉄損を無視し、機械損を定格容量の１％、風損を最高速度で定格容量の２％と仮定した場合の効率特性を計算したものである。図示のように、基底速度以下では、磁束を定格以下に設計したため銅損の増加よって効率が低下しているが、速度が４ｐ．ｕを超える最高速度側では、本発明の効率が従来方法より高くなっている。
【００５７】
以上説明したように、本実施の形態では、永久磁石の磁束を定格値の１００％より小さく設計して界磁制御での電圧上昇を抑制すると共に、同一トルク特性を得るための電流の増加を抑制するために、基底速度以下の低速度領域では、トルク／電流比が最大になる負荷角を演算指令する。また、臨界速度以下の高速度領域では、トルク／電流比が最大になる負荷角を演算指令すると共に固定子相電圧を調整して定出力特性を実現することにより電流増加を抑制する。更に、臨界速度を超える高速度領域では、ｄ軸電流を調整して界磁制御を行いながらｑ軸電流を調整する。
【００５８】
このように制御することによって、PWMインバータ１５の最大電圧を定格電圧以下に抑えることが可能になり、広範囲の定出力、界磁制御を実現することが可能になる。つまり、ハイブリッドカーで要求される１：６という界磁制御による広範囲な定出力制御において、PWMインバータ１５の電圧を昇圧する手段やあるいは、モータの巻線を切替え使用する等の手段が必要でなくなる。それだけ、制御装置１２が簡単になり、ハイブリッドカー用として信頼性が向上し、コストが低下する利点がある。
【００５９】
また、永久磁石の磁束を定格値以下に設計した場合の基底速度以下での電流増加の問題を、トルク／電流比が最大になる負荷角を演算して指令することによって、必要トルクに対する電流を極力小さくする対策を説明した。勿論、電流増加に起因する永久磁石同期電動機１１の温度上昇を低減する対策としては、永久磁石同期電動機１１の冷却能力の増加や永久磁石同期電動機１１の固定子抵抗を小さく設計するという公知の対策が採用できる。永久磁石同期電動機１１の固定子抵抗を小さく設計する対策を採用すれば、図１０に示すように、速度制御全範囲において、従来方法よりも効率が優れた特性が得られる。なお、図１０には、図９と同じ条件で固定子抵抗を６０％に設計した場合を示している。
【００６０】
以上、本発明を、実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載した構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。
例えば、界磁制御方式として、直接界磁弱め制御方式による場合で説明したが、間接界磁弱め制御方式にも適用可能であることは当然である。この場合には、公知のように、相互磁束鎖交と永久磁石同期電動機の最大トルクがほぼ直線の関係になることを利用して、界磁制御時の最適なd軸電流指令ｉｄｓｎ＊を試行錯誤的に求め、次に、必要なｑ軸電流指令ｉｑｓｎ＊をトルクから逆算して決定する方法が取られる。図1の関数発生器が、このような手順で求めた電流を発生するようにすれば、間接界磁弱め制御方式による永久磁石同期電動機システム及びその界磁制御方法が実現できることは明らかである。
また、永久磁石同期電動機の速度が臨界速度以下の速度領域では、ｄ軸電流を０とし、ｑ軸電流の値及び固定子相電圧を調整し、臨界速度を超えた速度領域で、ｄ軸電流の値を調整して界磁制御を行いながらｑ軸電流の値を調整するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００６１】
１０：永久磁石同期電動機システム、１１：永久磁石同期電動機、１２：制御装置、１３：第１の速度制御系、１４：第２の速度制御系、１５：ＰＷＭインバータ、１６：第１の絶対値エンコーダ、１６a：第２の絶対値エンコーダ、１７：速度検出器、１８：ＰＩ制御器、１９：リミッタ、２０、２１：関数発生器、２２：ｑ軸電流成分演算器、２３：ｄ軸電流成分演算器、２４：電圧及び界磁制御相電流演算器、２５：相電流指令選定器、２６：負荷角指令選定器、２７：電流指令器、２８、２９：電流センサ
【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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