(57)【要約】  回転電機の制御装置は、２相以上の回転電機を制御するにあたり、前記回転電機が有する各相の巻線に、第１の電圧を印加する第１期間、前記第１期間の後に前記巻線に印加する電圧を０とする第２期間、前記第２期間の後に前記巻線に前記第１の電圧とは反対方向に第２の電圧を印加する第３期間、及び前記第３期間の後又は前記第１期間の前に前記巻線に印加する電圧を０とする第４期間を１周期とする電圧を印加するとともに、前記第２期間を、第１の値から、前記第１の値よりも大きく、かつ前記１周期を前記回転電機の相数で除した第２の値の間の値に制御する。
2017111101.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２相以上の回転電機を制御するにあたり、
前記回転電機が有する各相の巻線に、第１の電圧を印加して鎖交磁束を増加させる第１期間、前記第１期間の後に前記巻線に印加する電圧を０として前記鎖交磁束を保持する第２期間、前記第２期間の後に前記巻線に前記第１の電圧とは反対方向に第２の電圧を印加して前記鎖交磁束を減少させる第３期間、及び前記第３期間から次周期の前記第１期間まで前記巻線に印加する電圧を０として前記鎖交磁束を保持する第４期間を１周期とする電圧を印加するとともに、
前記第２期間を、第１の値から、前記第１の値よりも大きく、かつ前記１周期を前記回転電機の相数で除した第２の値の間の値に制御する、
回転電機の制御装置。
【請求項２】
前記第１期間と前記第２期間との和が前記第２の値となる、請求項１に記載の回転電機の制御装置。
【請求項３】
前記第１期間と前記第２期間との和が前記第２の値を超過する場合には、前記第２期間を前記第１の値に固定する、請求項１に記載の回転電機の制御装置。
【請求項４】
前記第１期間の開始時における鎖交磁束が０よりも大きく、前記巻線に連続して電流が流れる状態の制御において、前記第１期間の開始時における鎖交磁束を増加させる場合に、前記第３期間から前記第４期間への切り替えを早める、又は前記第４期間が０の場合には、前記第３期間の最後を前記第４期間に変更する、請求項１に記載の回転電機の制御装置。
【請求項５】
前記第１期間の開始時における鎖交磁束が０よりも大きく、前記巻線に連続して電流が流れる状態の制御において、前記第１期間の開始時における鎖交磁束を減少させる場合に、前記第４期間から次周期の前記第１期間への切り替えを遅延させる、又は前記第４期間が０の場合には、次周期の前記第１期間の最初を前記第４期間に変更する、請求項４に記載の回転電機の制御装置。
【請求項６】
前記回転電機の回転速度及びトルクの少なくとも一方を変更する場合、前記第２期間の中点の単位トルクあたりの変化量及び単位回転速度あたりの変化量に制限を設ける、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の回転電機の制御装置。
【請求項７】
前記２相以上の回転電機である２相以上のスイッチトリラクタンスモータと、
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の回転電機の制御装置と、
を含む、作業機械。
【請求項８】
２相以上の回転電機を制御するにあたり、
前記回転電機が有する各相の巻線に、第１の電圧を印加して鎖交磁束を増加させる第１期間、前記第１期間の後に前記巻線に印加する電圧を０として前記鎖交磁束を保持する第２期間、前記第２期間の後に前記巻線に前記第１の電圧とは反対方向に第２の電圧を印加して前記鎖交磁束を減少させる第３期間、及び前記第３期間から次周期の前記第１期間まで前記巻線に印加する電圧を０として前記鎖交磁束を保持する第４期間を１周期とする電圧を印加し、
前記第２期間を、第１の値から、前記第１の値よりも大きく、かつ前記１周期を前記回転電機の相数で除した第２の値の間の値に制御する、
回転電機の制御方法。
【請求項９】
前記第１期間と前記第２期間との和が前記第２の値となる、請求項８に記載の回転電機の制御方法。
【請求項１０】
前記第１期間と前記第２期間との和が前記第２の値を超過する場合には、前記第２期間を前記第１の値に固定する、請求項８に記載の回転電機の制御方法。
【請求項１１】
前記第１期間の開始時における鎖交磁束が０よりも大きく、前記巻線に連続して電流が流れる状態の制御において、前記第１期間の開始時における鎖交磁束を増加させる場合に、前記第３期間から前記第４期間への切り替えを早める、又は前記第４期間が０の場合には、前記第３期間の最後を前記第４期間に変更する、請求項８に記載の回転電機の制御方法。
【請求項１２】
前記第１期間の開始時における鎖交磁束が０よりも大きく、前記巻線に連続して電流が流れる状態の制御において、前記第１期間の開始時における鎖交磁束を減少させる場合に、前記第４期間から次周期の前記第１期間への切り替えを遅延させる、又は前記第４期間が０の場合には、次周期の前記第１期間の最初を前記第４期間に変更する、請求項１１に記載の回転電機の制御方法。
【請求項１３】
前記回転電機の回転速度及びトルクの少なくとも一方を変更する場合、前記第２期間の中点の単位トルクあたりの変化量及び単位回転速度あたりの変化量に制限を設ける、請求項８から請求項１２のいずれか１項に記載の回転電機の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電機の制御装置、作業機械及び回転電機の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
三相の回転電機として、スイッチトリラクタンスモータが知られている。例えば、特許文献１には、スイッチトリラクタンスモータを制御する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−２３３１８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、スイッチトリラクタンスモータのような回転電機は、固定子と回転子との間に発生する電磁力、特に半径方向の電磁力に起因して、大きな振動及び騒音が発生することがある。また、回転電機が有する固定子及び回転子の鉄損が、回転電機の効率を低下させる。さらにスイッチング回数が多い場合には、スイッチング損失が、回転電機の駆動装置の効率を大きく低下させる。【０００５】
本発明は、直流電源の電圧等の駆動条件にかかわらず、簡易な制御で確実に、回転電機の効率低下及び騒音を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、２相以上の回転電機を制御するにあたり、前記回転電機が有する各相の巻線に、第１の電圧を印加して鎖交磁束を増加させる第１期間、前記第１期間の後に前記巻線に印加する電圧を０として前記鎖交磁束を保持する第２期間、前記第２期間の後に前記巻線に前記第１の電圧とは反対方向に第２の電圧を印加して前記鎖交磁束を減少させる第３期間、及び前記第３期間から次周期の前記第１期間まで前記巻線に印加する電圧を０として前記鎖交磁束を保持する第４期間を１周期とする電圧を印加するとともに、前記第２期間を、第１の値から、前記第１の値よりも大きく、かつ前記１周期を前記回転電機の相数で除した第２の値の間の値に制御する、回転電機の制御装置である。【０００７】
前記第１期間と前記第２期間との和が前記第２の値となることが好ましい。【０００８】
前記第１期間と前記第２期間との和が前記第２の値を超過する場合には、前記第２期間を前記第１の値に固定することが好ましい。【０００９】
前記第１期間の開始時における鎖交磁束が０よりも大きく、前記巻線に連続して電流が流れる状態の制御において、前記第１期間の開始時における鎖交磁束を増加させる場合に、前記第３期間から前記第４期間への切り替えを早める、又は前記第４期間が０の場合には、前記第３期間の最後を前記第４期間に変更することが好ましい。【００１０】
前記第１期間の開始時における鎖交磁束が０よりも大きく、前記巻線に連続して電流が流れる状態の制御において、前記第１期間の開始時における鎖交磁束を減少させる場合に、前記第４期間から次周期の前記第１期間への切り替えを遅延させる、又は前記第４期間が０の場合には、次周期の前記第１期間の最初を前記第４期間に変更することが好ましい。【００１１】
前記回転電機の回転速度及びトルクの少なくとも一方を変更する場合、前記第２期間の中点の単位トルクあたりの変化量及び単位回転速度あたりの変化量に制限を設けることが好ましい。【００１２】
本発明は、２相以上の回転電機である２相以上のスイッチトリラクタンスモータと、前述した回転電機の制御装置と、を含む、作業機械である。【００１３】
本発明は、２相以上の回転電機を制御するにあたり、前記回転電機が有する各相の巻線に、第１の電圧を印加して鎖交磁束を増加させる第１期間、前記第１期間の後に前記巻線に印加する電圧を０として前記鎖交磁束を保持する第２期間、前記第２期間の後に前記巻線に前記第１の電圧とは反対方向に第２の電圧を印加して前記鎖交磁束を減少させる第３期間、及び前記第３期間から次周期の前記第１期間まで前記巻線に印加する電圧を０として前記鎖交磁束を保持する第４期間を１周期とする電圧を印加し、前記第２期間を、第１の値から、前記第１の値よりも大きく、かつ前記１周期を前記回転電機の相数で除した第２の値の間の値に制御する、回転電機の制御方法である。【００１４】
前記第１期間と前記第２期間との和が前記第２の値となることが好ましい。【００１５】
前記第１期間と前記第２期間との和が前記第２の値を超過する場合には、前記第２期間を前記第１の値に固定することが好ましい。【００１６】
前記第１期間の開始時における鎖交磁束が０よりも大きく、前記巻線に連続して電流が流れる状態の制御において、前記第１期間の開始時における鎖交磁束を増加させる場合に、前記第３期間から前記第４期間への切り替えを早める、又は前記第４期間が０の場合には、前記第３期間の最後を前記第４期間に変更することが好ましい。【００１７】
前記第１期間の開始時における鎖交磁束が０よりも大きく、前記巻線に連続して電流が流れる状態の制御において、前記第１期間の開始時における鎖交磁束を減少させる場合に、前記第４期間と次周期の前記第１期間への切り替えを遅延させる、又は前記第４期間が０の場合には、次周期の前記第１期間の最初を前記第４期間に変更することが好ましい。【００１８】
前記回転電機の回転速度及びトルクの少なくとも一方を変更する場合、前記第２期間の中点の単位トルクあたりの変化量及び単位回転速度あたりの変化量に制限を設けることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は、直流電源の電圧等の駆動条件にかかわらず、簡易な制御で確実に、回転電機の効率低下及び騒音を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本実施形態に係る２相以上の回転電機と、これを制御する回転電機の制御装置とを示す図である。
【図２】図２は、本実施形態に係る回転電機を示す正面図である。
【図３】図３は、本実施形態に係る駆動装置の一例を示す図である。
【図４】図４は、回転電機の固定子と回転子との位置関係を示す図である。
【図５−１】図５−１は、本実施形態に係る制御装置の制御例を説明するための図である。
【図５−２】図５−２は、本実施形態に係る制御装置の制御例を説明するための図である。
【図６】図６は、本実施形態に係る制御装置の制御例を説明するための図である。
【図７】図７は、本実施形態に係る制御装置の指令に基づいて動作する駆動装置の動作を説明するための図である。
【図８】図８は、本実施形態に係る制御装置の指令に基づいて動作する駆動装置の動作を説明するための図である。
【図９】図９は、本実施形態に係る制御装置の指令に基づいて動作する駆動装置の動作を説明するための図である。
【図１０】図１０は、トルクが発生しやすい回転角度の例とトルクが発生しにくい回転角度の例とを示す図である。
【図１１】図１１は、巻線を流れる電流が矩形波となる制御におけるＡ相、Ｂ相及びＣ相の起振力の一例を示す図である。
【図１２】図１２は、制御装置による本実施形態の回転電機の制御方法におけるＡ相、Ｂ相及びＣ相の起振力の一例を示す図である。
【図１３】図１３は、本実施形態に係る制御装置が回転電機を制御したときの各相を流れる電流の一例を示す図である。
【図１４】図１４は、第４期間が０となる連続通電時において、巻線を流れる電流と電気角との関係を示した図である。
【図１５】図１５は、第４期間が０となる連続通電時において、巻線を流れる電流と電気角との関係を示した図である。
【図１６】図１６は、第４期間が０となる連続通電時において、巻線を流れる電流と鎖交磁束との関係を示した図である。
【図１７】図１７は、第４期間が０となる連続通電時において、巻線を流れる電流と鎖交磁束との関係を示した図である。
【図１８】図１８は、回転電機の１つの相における巻線を流れる電流と電気角との関係を示す図である。
【図１９】図１９は、回転電機のＡ相、Ｂ相、Ｃ相の巻線を流れる電流と電気角との関係を示す図である。
【図２０】図２０は、回転電機の回転速度を一定としてトルクを変化させたときの結果の一例を、還流の中点における鎖交磁束と巻線を流れる電流との関係で表した図である。
【図２１】図２１は、本実施形態に係る回転電機の制御方法を実現する回転電機の制御装置を備えた作業機械の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２２】
＜三相の回転電機について＞
図１は、本実施形態に係る２相以上の回転電機１と、これを制御する回転電機の制御装置５とを示す図である。回転電機とは、電動機の動作と発電機の動作とを行う電磁機械である。回転電機１の制御装置（以下、適宜制御装置という）５は、回転電機１のシャフト１Ｓの回転速度及びトルクの少なくとも一方を制御するための制御信号を生成する。制御装置５は、例えば、生成した制御信号を駆動装置６に与えることにより、駆動装置６を介して回転電機１のシャフト１Ｓの回転を制御する。制御装置５は、例えば、マイクロコンピュータが用いられるが、これに限定されるものではない。制御装置５は、本実施形態に係る回転電機の制御方法を実行する。駆動装置６としては、例えば、複数のスイッチング素子を有する装置が用いられる。
【００２３】
図２は、本実施形態に係る回転電機１を示す正面図である。本実施形態において、回転電機１は、３相のＳＲＭ（Switched  Reluctance  Motor）であり、固定子の極数と回転子の極数との比は６：４であるが、相数及び極数は前述の値に限定されない。例えば回転電機１の相、すなわち固定子２の独立した巻線の数は２以上であればよく、３に限定されない。また例えば３相のＳＲＭであれば、極数を６：４の整数倍等にしてもよい。
【００２４】
回転電機１は、固定子２と、回転子３と、巻線４と、回転角度センサ１１とを有する。固定子２は、環状の構造体である。固定子２は、例えば、複数の電磁鋼板を積層したものである。固定子２は、内周面から径方向内側に向かって突出する複数のティース２Ｔを有する。本実施形態において、固定子２は、６個のティース２Ｔを備えるが、ティース２Ｔの数はこれに限定されるものではない。
【００２５】
回転子３は、固定子２の内周部に配置される。回転子３は、回転中心軸Ｚｒを中心として固定子２の内周部で回転する。回転子３の回転方向は、例えば、図２の矢印Ｒで示す方向又は矢印Ｒとは反対方向である。本実施形態において、回転電機１はＳＲＭなので、回転子３は、例えば、複数の電磁鋼板が回転中心軸Ｚｒと平行な方向に積層された構造体である。回転子３は、外周面から径方向外側に向かって突出する複数のティース３Ｔを備える。本実施形態において、回転子３は、４個のティース３Ｔを備えるが、ティース３Ｔの数はこれに限定されるものではない。回転角度センサ１１は、回転子３の回転角である機械角θｍを計測し、図１に示される制御装置５へ出力する。図１に示される制御装置５は、回転角度センサ１１によって検出された値を取得する。
【００２６】
巻線４は、固定子２が備えるそれぞれのティース２Ｔに巻き回された導線である。巻線４は、例えば、銅の導線である。巻線４は、図２の矢印Ｒに向かって、＋Ａ相、−Ｂ相、＋Ｃ相、−Ａ相、＋Ｂ相、−Ｃ相の順、又は＋Ａ相、＋Ｂ相、＋Ｃ相、−Ａ相、―Ｂ相、−Ｃ相の順に配置される。本実施形態はいずれの順番でも成立するので、前者を例として説明する。また、Ａ相と、Ｂ相と、Ｃ相とにそれぞれ印加される回転電機１の電流Ｉｃ及び電圧Ｖは、それぞれ位相が１２０度ずれている。
【００２７】
以下において、それぞれの相を区別する場合、巻線４を、巻線４Ａ＋、４Ｂ−、４Ｃ＋、４Ａ−、４Ｂ＋、４Ｃ−と記載し、固定子２のティース２Ｔを、ティース２ＴＡ＋、２ＴＢ−、２ＴＣ＋、２ＴＡ−、２ＴＢ＋、２ＴＣ−と記載する。巻線４Ａ＋と巻線４Ａ−とは、回転子３の回転角度で互いに１８０度異なる位置に配置され、巻線４Ｂ＋と巻線４Ｂ−とは、回転子３の回転角度で互いに１８０度異なる位置に配置され、巻線４Ｃ＋と巻線４Ｃ−とは、回転子３の回転角度で互いに１８０度異なる位置に配置される。
【００２８】
巻線４Ａ＋及び巻線４Ａ−はＡ相であり、極性のみが異なる。これらの極性を区別しない場合は巻線４Ａと称する。巻線４Ｂ＋及び巻線４Ｂ−はＢ相であり、極性の区別のみが異なる。これらの極性を区別しない場合は巻線４Ｂと称する。巻線４Ｃ＋及び巻線４Ｃ−はＣ相であり、極性の区別のみが異なる。これらの極性を区別しない場合は巻線４Ｃと称する。
【００２９】
図３は、本実施形態に係る駆動装置６の一例を示す図である。本実施形態において、駆動装置６は、電源９からの電力を回転電機１の巻線４Ａ，４Ｂ，４Ｃに授受する。電源９は、直流電源である。駆動装置６は、Ａ相の巻線４Ａに電力を授受する第１駆動部７Ａと、Ｂ相の巻線４Ｂに電力を授受する第２駆動部７Ｂと、Ｃ相の巻線４Ｃに電力を授受する第３駆動部７Ｃと、各巻線４Ａ，４Ｂ，４Ｃに流れる電流を計測する電流センサ１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃと、電源９の電圧を計測する電圧センサ１３とを有する。図１に示される制御装置５は、電流センサ１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ及び電圧センサ１３によって検出された値を取得する。第１駆動部７Ａ、第２駆動部７Ｂ及び第３駆動部７Ｃは、いずれも複数のスイッチング素子を有する。本実施形態において、複数のスイッチング素子はＩＧＢＴ（Insulated  Gate  Bipolar  Transistor）であるが、これに限定されず、例えばＦＥＴ（Field  Effect  Transistor）であってもよい。
【００３０】
図１に示される制御装置５は、取得した回転角度センサ１１によって検出された値、電流センサ１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃによって検出された値、又は電圧センサ１３によって検出された値のうち少なくとも１つを用いて、回転電機１のシャフト１Ｓの回転速度及びトルクの少なくとも一方を制御するための制御信号を生成する。
【００３１】
第１駆動部７Ａは、４個のスイッチング素子８Ａａ，８Ａｂ，８Ａｃ，８Ａｄを有する。スイッチング素子８Ａａのコレクタは電源９の正極と接続される。スイッチング素子８Ａａのエミッタはスイッチング素子８Ａｂのコレクタに接続されるとともに、巻線４Ａの第１端に接続される。スイッチング素子８Ａｂのエミッタは電源９の負極に接続される。スイッチング素子８Ａｃのコレクタは電源９の正極と接続される。スイッチング素子８Ａｃのエミッタはスイッチング素子８Ａｄのコレクタに接続されるとともに、巻線４Ａの第２端に接続される。スイッチング素子８Ａｄのエミッタは電源９の負極に接続される。それぞれのスイッチング素子８Ａａ，８Ａｂ，８Ａｃ，８Ａｄは、エミッタからコレクタに電流を流すようにダイオードが並列に接続される。本実施形態において、スイッチング素子８Ａｂ及びスイッチング素子８Ａｃは常時オフであり、並列のダイオードのみが使用される。
【００３２】
第２駆動部７Ｂは、４個のスイッチング素子８Ｂａ，８Ｂｂ，８Ｂｃ，８Ｂｄを有する。スイッチング素子８Ｂａのコレクタは電源９の正極と接続される。スイッチング素子８Ｂａのエミッタはスイッチング素子８Ｂｂのコレクタに接続されるとともに、巻線４Ｂの第１端に接続される。スイッチング素子８Ｂｂのエミッタは電源９の負極に接続される。スイッチング素子８Ｂｃのコレクタは電源９の正極と接続される。スイッチング素子８Ｂｃのエミッタはスイッチング素子８Ｂｄのコレクタに接続されるとともに、巻線４Ｂの第２端に接続される。スイッチング素子８Ｂｄのエミッタは電源９の負極に接続される。それぞれのスイッチング素子８Ｂａ，８Ｂｂ，８Ｂｃ，８Ｂｄは、エミッタからコレクタに電流を流すようにダイオードが並列に接続される。本実施形態において、スイッチング素子８Ｂｂ及びスイッチング素子８Ｂｃは常時オフであり、並列のダイオードのみが使用される。
【００３３】
第３駆動部７Ｃは、４個のスイッチング素子８Ｃａ，８Ｃｂ，８Ｃｃ，８Ｃｄを有する。スイッチング素子８Ｃａのコレクタは電源９の正極と接続される。スイッチング素子８Ｃａのエミッタはスイッチング素子８Ｃｂのコレクタに接続されるとともに、巻線４Ｃの第１端に接続される。スイッチング素子８Ｃｂのエミッタは電源９の負極に接続される。スイッチング素子８Ｃｃのコレクタは電源９の正極と接続される。スイッチング素子８Ｃｃのエミッタはスイッチング素子８Ｃｄのコレクタに接続されるとともに、巻線４Ｃの第２端に接続される。スイッチング素子８Ｃｄのエミッタは電源９の負極に接続される。それぞれのスイッチング素子８Ｃａ，８Ｃｂ，８Ｃｃ，８Ｃｄは、エミッタからコレクタに電流を流すようにダイオードが並列に接続される。本実施形態において、スイッチング素子８Ｃｂ及びスイッチング素子８Ｃｃは常時オフであり、並列のダイオードのみが使用される。
【００３４】
駆動装置６の第１駆動部７Ａ、第２駆動部７Ｂ及び第３駆動部７Ｃは、図１に示される制御装置５の指令によってそれぞれのスイッチング素子をオン、オフさせることにより、それぞれの巻線４Ａ，４Ｂ，４Ｃに順次電圧Ｖを印加する。この処理によって、駆動装置６は、巻線４Ａ，４Ｂ，４Ｃの磁界を変化させ、回転子３のティース３Ｔを適切なタイミングで吸引することで、回転電機１を回転させる。
【００３５】
図４は、回転電機１の固定子２と回転子３との位置関係を示す図である。図４に示される例において、回転子３は、矢印Ｒで示される方向に、回転電機１とシャフト１Ｓを介して締結された内燃機関等によって、回転させられているものとする。このため、回転電機１が、矢印Ｒと同じ方向にトルクを発生する場合には動力を発生、すなわち力行する。また回転電機１が、矢印Ｒと反対方向にトルクを発生する場合には電力を発電、すなわち回生する。
【００３６】
電気角θｅは、電流波形の１周期を３６０度とした回転角であり、機械角θｍと回転子３の極数とで定義される。本実施形態において、回転電機１は回転子３の極数が４なので、電気角θｅと機械角θｍとの関係は、θｅ＝４×θｍとなる。本実施形態において、回転子３の１つのティース３Ｔａと固定子２の１つのティース２Ｔとが対向する状態の電気角θｅを０度とする。回転子３が回転して、回転子３のティース３Ｔａと隣接する次のティース３Ｔｂが固定子２のティース２Ｔに対向する状態の電気角θｅを３６０度とする。
【００３７】
電気角θｅが０度≦θｅ＜３６０度の範囲において、回転子３のティース３Ｔａに着目すると、ティース３Ｔａがティース３Ｔｂよりも固定子２のティース２Ｔに近い場合にティース２Ｔの巻線４に通電すると、回転電機１は電力を発電、すなわち回生する。これは電気角θｅが０度＜θｅ＜１８０度の範囲である。回転子３のティース３Ｔｂに着目すると、ティース３Ｔｂがティース３Ｔａよりも固定子２のティース２Ｔに近い場合にティース２Ｔの巻線４に通電すると、回転電機１は動力を発生、すなわち力行する。これは電気角θｅが１８０度＜θｅ＜３６０度の範囲である。また電気角θｅが０度と１８０度の場合には、巻線４に通電しても、トルクは発生しない。
【００３８】
図５−１、図５−２及び図６は、本実施形態に係る制御装置５の制御例を説明するための図である。図５−１、図５−２は、縦軸が巻線４を流れる電流Ｉｃ、横軸が電気角θｅである。図５−１は回転電機１が回生している状態を表し、図５−２は回転電機１が力行している状態を表す。図６は、縦軸が鎖交磁束ψ、横軸が巻線４を流れる電流Ｉｃである。図５−１、図５−２及び図６は、回転電機１の１つの相の電流Ｉｃ及び鎖交磁束ψを示している。鎖交磁束ψは、巻線４への印加電圧を時間積分した値で表される。図６中の点線ＯＰは固定子２のティース２Ｔと回転子３のティース３Ｔとが対向している状態（電気角θｅ＝０度）であり、点線ＩＭは回転子３のティース３Ｔａ，３Ｔｂの中間に固定子２のティース２Ｔがある状態（電気角θｅ＝１８０度）である。電気角θｅ＝１８０度は、非対向位置又は非対向状態である。以下の例も同様である。回転電機１が回生する場合、巻線４の鎖交磁束ψと巻線４を流れる電流Ｉｃによる軌跡は、図６の矢印Ｇで示す方向（図６において時計回り）に変化する。回転電機１が力行する場合、巻線４の鎖交磁束ψと巻線４を流れる電流Ｉｃによる軌跡は、図６の矢印Ｐで示す方向（図６において反時計回り）に変化する。スイッチトリラクタンスモータは、他種類のモータと比較して、鎖交磁束ψと電流との比率であるインダクタンスが大きく変動する。このため、本実施形態では、磁界を制御するためのスイッチングのタイミングを、電流ではなく、巻線４への印加電圧と印加時間とから決定することで、鎖交磁束ψを直接制御する。
【００３９】
図７から図９は、本実施形態に係る制御装置５の指令に基づいて動作する駆動装置６の動作を説明するための図である。図１０は、トルクが発生しやすい回転角度の例とトルクが発生しにくい回転角度の例とを示す図である。図７から図９において、第１駆動部７Ａ、第２駆動部７Ｂ及び第３駆動部７Ｃを区別しない場合、駆動部７と称し、それぞれのスイッチング素子は符号８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄで表す。
【００４０】
制御装置５は、電気角θｅに基づいて回転電機１を制御する。回転電機１を制御するにあたり、第１期間Δθｅ１、第２期間Δθｅ２、第３期間Δθｅ３及び第４期間Δθｅ４を１周期、すなわち電気角θｅで３６０度として、各期間に対応する電圧Ｖを、駆動装置６を介して各相の巻線４Ａ，４Ｂ，４Ｃに印加する。制御装置５は、各相の巻線４Ａ，４Ｂ，４Ｃに印加する電圧Ｖを、それぞれ電気角θｅで３６０度を相数で除した値だけ、位相をずらして印加する。本実施形態では相数は３なので、位相を１２０度ずらして印加する。位相のずれと相数の積とは３６０度となるので、巻線４Ａ，４Ｂ，４Ｃのそれぞれに印加される電流Ｉｃの１周期と一致する。
【００４１】
第１期間Δθｅ１は、各相に第１の電圧を印加して鎖交磁束ψを増加させる期間である。第２期間Δθｅ２は、第１期間Δθｅ１の後に、各相に０ボルトを印加して、鎖交磁束ψを保持する期間である。第３期間Δθｅ３は、第２期間Δθｅ２の後に、各相に第１の電圧とは反対方向に第２の電圧を印加して鎖交磁束ψを減少させる期間である。第４期間Δθｅ４は、第３期間Δθｅ３の後から次周期の第１期間Δθｅ１まで、各相に０ボルトを印加して、鎖交磁束ψを保持する期間である。本実施形態において、第４期間Δθｅ４は０であってもよい。また鎖交磁束ψは、第２期間Δθｅ２で最大となるので、第２期間Δθｅ２は、図１０に示されるように、トルクが発生しやすい回転角度に設定することが望ましい。これは、図６において、第２期間Δθｅ２を、横方向に変化しやすい回転角度に設定することに相当する。
【００４２】
第１の電圧は、駆動装置６に供給される電源９の電圧であってもよいし、電源９の電圧が昇圧又は降圧された電圧であってもよい。第２の電圧は、第１の電圧とは極性が反対で絶対値が同じ電圧であり、巻線４Ａ，４Ｂ，４Ｃに印加されたとき、極性が第１の電圧とは反対となる。本実施形態では、同じ周期における、第１の電圧の変動及び第２の電圧の変動は無視できるとして、同じ値として説明するが、第１の電圧の変動及び第２の電圧の変動が無視できない場合には、電圧の変動の大きさに応じて各期間の長さを微調整してもよい。
【００４３】
制御装置５は、第２期間Δθｅ２を、第１の値から、第２の値の間の値に制御する。すなわち、第２期間Δθｅ２は、第１の値以上かつ第２の値以下の値に設定される。第２の値は、第１の値よりも大きく、かつ巻線４Ａ，４Ｂ，４Ｃに印加される電圧Ｖの１周期を回転電機１の相数で除した値である。本実施形態において、回転電機１は３相なので、第２の値は電気角で１２０度である。第１の値は第２の値の半分程度、例えば電気角で６０度程度（本実施形態では６０度）であるがこれに限定されず、回転電機１の仕様及び使用環境等によって変更される。
【００４４】
回転電機１の各相の巻線４Ａ，４Ｂ，４Ｃに印加される電圧の１周期は、力行及び回生のいずれの場合においても、第１期間Δθｅ１，第２期間Δθｅ２、第３期間Δθｅ３、第４期間Δθｅ４の順で表される。
【００４５】
第１期間Δθｅ１では、図７に示されるように、駆動部７のスイッチング素子８ａ，８ｄをオン、スイッチング素子８ｂ，８ｃをオフとすることで、電源９の電圧が巻線４に印加される。本実施形態においては、スイッチング素子８ｂ及びスイッチング素子８ｃはすべての期間でオフであり、並列のダイオードのみが使用される。このとき、巻線４のスイッチング素子８ａ側には電源９の正極の電圧（＋）が印加され、巻線４のスイッチング素子８ｄ側には電源９の負極の電圧（−）が印加される。巻線４に電源９の電圧が印加されることにより、図６に示されるように巻線４の鎖交磁束ψが増加して（励磁）、図５−１及び図５−２に示されるように巻線４の電流Ｉｃが増加する。
【００４６】
第２期間Δθｅ２では、図８に示されるように、第１期間Δθｅ１の状態から駆動部７のスイッチング素子８ａ，８ｄのいずれか一方のみをオフすることで、駆動部７のスイッチング素子８ａ，８ｃに並列なダイオードがオン、又はスイッチング素子８ｄ，８ｂに並列なダイオードがオンとなることで、巻線４の両端の電圧が等しくなる。その結果、巻線４には０ボルトが印加される。
【００４７】
巻線４の印加電圧が０ボルトの場合には、鎖交磁束ψの大きさが変化しないので、第１期間Δθｅ１の最後の鎖交磁束ψの値が維持される。この状態を還流という。第２期間Δθｅ２の鎖交磁束ψを図６に示すと、縦軸が一定値の直線となる。また図６の横軸が電流Ｉｃであることから、軌跡が矢印Ｇの方向（図６において時計回り）となる回生では、電気角θｅの増加とともに、直線部分である第２期間Δθｅ２の電流Ｉｃが図５−１に示されるように増加する。同様に軌跡が矢印Ｐの方向（図６において反時計回り）となる力行では、電気角θｅの増加とともに、直線部分である第２期間Δθｅ２の電流Ｉｃが図５−２に示されるように減少する。
【００４８】
第３期間Δθｅ３では、図９に示されるように、第２期間Δθｅ２の状態から駆動部７のスイッチング素子８ａ，８ｄの両方をオフとすることで、駆動部７のスイッチング素子８ｂに並列なダイオードと、スイッチング素子８ｃに並列なダイオードがオンとなることにより、電源９の電圧が巻線４に印加される。このとき、巻線４のスイッチング素子８ｃ側には電源９の正極の電圧（＋）が印加され、巻線４のスイッチング素子８ｂ側には電源９の負極の電圧（−）が印加される。すなわち、巻線４に印加される電圧の極性は、第１期間Δθｅ１とは反対になる。巻線４に電源９の電圧が反対方向に印加されることで、図６に示されるように巻線４の鎖交磁束ψが減少して（消磁）、図５−１及び図５−２に示されるように巻線４の電流Ｉｃが減少する。
【００４９】
第４期間Δθｅ４は、第３期間Δθｅ３の最後における鎖交磁束ψの値によって、スイッチング素子８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ、及びそれぞれに並列なダイオードが異なる状態となるが、いずれの場合でも巻線４の両端には０ボルトが印加される。このため第２期間Δθｅ２と同様に、鎖交磁束ψの値は変化しない。まず第３期間Δθｅ３の最後に鎖交磁束ψが０、つまり電流Ｉｃが０となった場合には、ダイオードが自動的にオフとなり、第４期間Δθｅ４に切り替わる。この場合にはすべてのスイッチング素子８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄと、それぞれに並列なダイオードがオフなので、巻線４の両端には電圧が印加されず０ボルトとなる。第３期間Δθｅ３の最後に鎖交磁束ψが残留しており、電流Ｉｃが流れている場合には、スイッチング素子８ａ，８ｄのいずれか片方をオンにすることで、第４期間Δθｅ４に切り替わる。この場合には第２期間Δθｅ２と同様に、図８に示される状態となるので、巻線４の両端電圧が等しくなり、０ボルトが印加される。本実施形態において、第４期間Δθｅ４は０であってもよい。
【００５０】
本実施形態において、制御装置５は、第１期間Δθｅ１中に駆動装置６のスイッチング素子を動作させた後は、第１期間Δθｅ１の終了時までは駆動装置６のスイッチング素子のオンオフ状態を変化させない。制御装置５は、第２期間Δθｅ２の開始時に駆動装置６のスイッチング素子を動作させ後は、第２期間Δθｅ２の終了時までは駆動装置６のスイッチング素子のオンオフ状態を変化させない。制御装置５は、第３期間Δθｅ３の開始時に駆動装置６のスイッチング素子を動作させた後は、第３期間Δθｅ３の終了時、又は第４期間Δθｅ４が０である場合は第１期間Δθｅ１の開始前の所定期間前まで、駆動装置６のスイッチング素子のオンオフ状態を変化させない。制御装置５は、第４期間Δθｅ４の開始時に駆動装置６のスイッチング素子を動作させた後は、第４期間Δθｅ４の終了時までは駆動装置６のスイッチング素子のオンオフ状態を変化させない。
【００５１】
本実施形態において、第２期間Δθｅ２を設けることで、この期間の鎖交磁束ψは一定になる。また、巻線４に印加される電圧の１周期において、第２期間Δθｅ２の鎖交磁束ψが最大値になる。制御装置５及び本実施形態の回転電機の制御方法は、第２期間Δθｅ２にも巻線４に電圧を印加する制御、例えば巻線４を流れる電流Ｉｃが矩形波となる場合と比較して、各相の巻線４Ａ，４Ｂ，４Ｃに発生する鎖交磁束ψの最大値を小さくすることができるとともに、鎖交磁束ψの変化量も小さくすることができる。鎖交磁束ψを巻線４のターン数で除した値は磁束なので、制御装置５及び本実施形態の回転電機の制御方法は、第２期間Δθｅ２にも巻線４に電圧を印加する制御、及び第２期間Δθｅ２に最小値が規定されていない制御と比較して、磁束の最大値も小さく、変化量も小さい。このように、制御装置５及び本実施形態の回転電機の制御方法は、第２期間Δθｅ２にも巻線４に電圧を印加する制御、及び第２期間Δθｅ２に最小値が規定されていない制御と比較して磁束の変化量が小さいので、鉄損が小さく回転電機１の効率の低下を抑制することができる。
【００５２】
回転電機１の騒音の起振力は、各ティースにおける電磁力の半径方向成分の脈動であり、これを起振力Ｆｒとする。各ティースにおける起振力Ｆｒの瞬時値は、対向状態では公知の式（１）となる。また式（１）を変形すると、式（２）となる。
Ｆｒ＝（Ｂ2×Ａ）／（２×μ）・・・（１）
Ｆｒ＝ψ2／（２×μ×Ｎ2×Ａ）・・（２）
【００５３】
式（１）及び式（２）において、Ｂは磁束密度、μは真空の透磁率、Ｎは巻線４の極対のターン数、Ａは固定子２のティース２Ｔの断面積である。固定子２及び回転子３のティースが重ならない非対向付近においては、起振力Ｆｒがほとんど発生しない。対向状態から非対向付近までの区間では、ティースが重なる面積が減少すると電磁力の大きさは増加するが、電磁力が半径方向から接線方向に近づくことで、近似的には式（２）が成立する。
【００５４】
式（２）から分かるように、各ティースにおける起振力Ｆｒの脈動における最大値は、非対向付近を除いた、各相における鎖交磁束ψの最大値の２乗に比例すると近似できる。起振力Ｆｒは非対向付近において、ほぼ発生しないので、脈動の最小値は０と近似できる。制御装置５及び本実施形態の回転電機の制御方法は、第２期間Δθｅ２にも巻線４に電圧を印加する制御、及び第２期間Δθｅ２に最小値が規定されていない制御と比較して、鎖交磁束ψの最大値が小さいので、起振力Ｆｒの脈動が小さくなるので、各ティースにおける騒音及び振動が抑制される。
【００５５】
図１１は、巻線４を流れる電流Ｉｃが矩形波となる制御におけるＡ相、Ｂ相及びＣ相の起振力Ｆｒの一例を示す図である。図１１は、比較例を示す。図１２は、制御装置５による本実施形態の回転電機の制御方法におけるＡ相、Ｂ相及びＣ相の起振力Ｆｒの一例を示す図である。Δθｅｔは起振力Ｆｒの１周期である。図１１は、本実施形態よりも回転電機の極数が多く、各相の起振力Ｆｒが同じ箇所に集中するとみなせる場合に、巻線４を流れる電流Ｉｃが矩形波となる制御におけるＡ相、Ｂ相及びＣ相における起振力Ｆｒの合力の一例を示している。図１２は同様に、制御装置５による本実施形態の回転電機の制御方法におけるＡ相、Ｂ相及びＣ相における起振力Ｆｒの合力の一例を示している。図１１に示される場合、Ａ相、Ｂ相及びＣ相における起振力Ｆｒの合力は脈動が大きい。また高周波成分が多いので、機械的な共振が問題となりやすい。これに対して図１２に示される、制御装置５による本実施形態の回転電機の制御方法におけるＡ相、Ｂ相及びＣ相における起振力Ｆｒの合力は脈動が小さいので、騒音及び振動が抑制される。また高周波成分が少ないので、機械的な共振が問題となりにくい。よって、制御装置５による本実施形態の回転電機の制御方法は、回転電機の極数が少なく、起振力Ｆｒが各相で独立に近い場合と、回転電機１の極数が多く、起振力Ｆｒが各相の合力に近い場合の両方とで、騒音及び振動が抑制される。
【００５６】
回転電機１の固定子２のコア及び回転子３のコアの断面積は、少なくとも最大磁束が通過できる大きさが必要である。制御装置５及び本実施形態の回転電機の制御方法は、第２期間Δθｅ２にも巻線４に電圧を印加する制御、及び第２期間Δθｅ２に最小値が規定されていない制御と比較して最大磁束が小さいので、固定子２のコア及び回転子３のコアを小型化できる。
【００５７】
回転電機１の平均トルクは図６に示される鎖交磁束ψと巻線４に流れる電流Ｉｃによる軌跡で囲まれる面積（図６に示される例では実線ＲＴで囲まれた領域、以下ψＩｃ面積と称する）に比例する。ψＩｃ面積の高さは、図６に示されるように、印加電圧及び第１期間Δθｅ１に比例するので、印加電圧又は第１期間Δθｅ１を増加させることで、平均トルクを増加させることができる。制御装置５及び本実施形態の回転電機の制御方法は、実線ＲＴで囲まれた領域が、鎖交磁束ψが小さい領域から充填するように巻線４に電流Ｉｃを流すことで、ψＩｃ面積、すなわち平均トルクあたりの鎖交磁束ψの変化量を、大幅に低減させることが可能である。
【００５８】
制御装置５及び本実施形態の回転電機の制御方法は、巻線４に印加する電圧Ｖの１周期において、第４期間Δθｅ４でスイッチング素子８ａ，８ｄのいずれもオンさせない場合には、スイッチング素子８ａ，８ｄのオン、オフは各１回のみである。また第４期間Δθｅ４でスイッチング素子８ａ，８ｄのいずれかをオンさせる場合でも、次周期の第１期間Δθｅ１でスイッチング素子８ａ，８ｄのいずれかをオンさせる回数が減少するので、スイッチング素子８ａ，８ｄのオン、オフは各１回のままであるとみなせる。このため、制御装置５及び本実施形態の回転電機の制御方法は、駆動装置６のスイッチング損失を最小値に近づけることが可能なので、駆動装置６を高効率に制御できる。また、スイッチングに伴う磁束変動やψＩｃ面積の減少も除去できるため、回転電機１の鉄損をさらに低減可能である。
【００５９】
第１期間Δθｅ１を長くすることにより、第２期間Δθｅ２における鎖交磁束ψが増加するので、回転電機１が発生するトルクが大きくなる。このため、第２期間Δθｅ２を設定した場合でも、トルクを大きくするために第１期間Δθｅ１を長くし過ぎると、第２期間Δθｅ２が短くなる。すなわち、巻線４に印加する電圧Ｖの１周期において、環流の期間が短くなるため、鎖交磁束ψが一定の期間が短くなる。その結果、磁束が変化しない期間が減少して回転電機１の鉄損が増加する。また最大磁束が増加するので、固定子２のコア及び回転子３のコアが大きくなる。このため、本実施形態では、第２期間Δθｅ２に最小値を設けることにより、高トルク時においても環流の期間及び鎖交磁束ψが一定となる期間を確保して、回転電機１の鉄損の増加を抑制する。
【００６０】
スイッチトリラクタンスモータについては、先行技術として多くの電流波形が提案されているが、複雑な電流波形を生成する場合には、直流電源の電圧及びスイッチング周波数を充分に高く設定する必要がある。また、すべての回転速度及びトルクにおいて、電流波形を確実に生成できることを確認するためには、多大な労力を必要とする。本実施形態は、すべての回転速度及びトルクにおいて、簡易な制御ロジックのみで、駆動条件の範囲内で実現可能な高効率かつ低騒音な電流波形を、確実に生成できる。また、本実施形態は、直流電源の電圧が変動した場合においても、各期間で印加する電圧と印加時間の積を変動前と同程度とするように、各期間の長さを調整することで、容易に補正が可能である。
【００６１】
図１３は、本実施形態に係る制御装置５が回転電機１を制御したときの各相を流れる電流Ｉｃの一例を示す図である。制御装置５及び本実施形態の回転電機の制御方法では、第１期間Δθｅ１と第２期間Δθｅ２との和Δθｅｔが第２の値、本実施形態では巻線４に印加する電圧Ｖの１周期を回転電機１の相数で除した値とすることが好ましい。回転電機１が３相である場合、第１期間Δθｅ１と第２期間Δθｅ２との和であるΔθｅｔは、電気角で１２０度となる。本実施形態において、第１期間Δθｅ１は励磁の期間であり、第２期間Δθｅ２は環流の期間なので、励磁の期間と環流の期間との和Δθｅｔが、巻線４に印加する電圧Ｖの１周期を回転電機１の相数で除した値になる。
【００６２】
３相の回転電機１においては、Ａ相とＢ相とＣ相との位相が電気角で１２０度ずれている。第１期間Δθｅ１と第２期間Δθｅ２との和Δθｅｔが、巻線４に印加する電圧Ｖの１周期を回転電機１の相数で除した値となることで、Ａ相の第３期間Δθｅ３とＢ相の第１期間Δθｅ１とが重なり、Ｂ相の第３期間Δθｅ３とＣ相の第１期間Δθｅ１とが重なり、Ｃ相の第３期間Δθｅ３とＡ相の第１期間Δθｅ１とが重なる。すなわち、Ａ相の消磁のタイミングとＢ相の励磁のタイミングとが重なり、Ｂ相の消磁のタイミングとＣ相の励磁のタイミングとが重なり、Ｃ相の消磁のタイミングとＡ相の励磁のタイミングとが重なる。このようにすると、回転電機１全体の磁束の合計が一定となる。鉄損は磁束変化によって発生するので、回転電機１全体の磁束の合計を一定とすることで、各相の磁束変化の一部が回転子３及び固定子２で打ち消し合い、その結果、回転電機１の鉄損は低減される。
【００６３】
第１期間Δθｅ１と第２期間Δθｅ２との和Δθｅｔが、巻線４に印加する電圧Ｖの１周期を回転電機１の相数で除した値に定められている場合、第１期間Δθｅ１を長くすると相対的に第２期間Δθｅ２は短くなる。このため、前述したように、第２期間Δθｅ２に最小値を設けることにより、環流の期間及び鎖交磁束ψが一定となる期間を確保して、回転電機１の鉄損の増加及び騒音の増加を抑制できる。
【００６４】
第１期間Δθｅ１と第２期間Δθｅ２との和Δθｅｔを、巻線４に印加する電圧Ｖの１周期を回転電機１の相数で除した値とする場合、理想的には励磁と消磁とが完全に重なる。実際には巻線４の抵抗等によって、励磁のタイミングと消磁のタイミングとには僅かに誤差が発生する可能性がある。このため、制御装置５及び本実施形態の回転電機の制御方法は、前述した誤差を考慮して、第１期間Δθｅ１と第２期間Δθｅ２との和Δθｅｔを微調整してもよい。
【００６５】
回転電機１のトルクを増加させるために第１期間Δθｅ１を長くしていくと、第１期間Δθｅ１と第２期間Δθｅ２との和Δθｅｔが第２の値を超過する。この場合には第２期間Δθｅ２を最小値に固定した状態で、第１期間Δθｅ１を次第に長くしてトルクを増加させることが好ましい。この場合には、Δθｅｔが第２の値を超過した時点で、鎖交磁束ψが既に大きな値となっている。このため励磁と消磁とが完全に重ならないことによる鎖交磁束ψの影響が、相対的には小さくなり、回転電機１の鉄損の増加や騒音の増加を抑制する効果が得られる。
【００６６】
図１４及び図１５は、第４期間Δθｅ４が０となる連続通電時において、巻線４を流れる電流Ｉｃと電気角θｅとの関係を示した図である。図１６及び図１７は、第４期間Δθｅ４が０となる連続通電時において、巻線４を流れる電流Ｉｃと鎖交磁束ψとの関係を示した図である。図１４及び図１６は、次周期の第１期間Δθｅ１の開始時における鎖交磁束ψを増加させており、回転電機１のトルクを増加させることができる。図１５及び図１７は、次周期の第１期間Δθｅ１の開始時における鎖交磁束ψを減少させており、回転電機１の増加させたトルクを元に戻すことができる。
【００６７】
巻線４に印加する電圧Ｖの１周期のうち、第１期間Δθｅ１の開始時における鎖交磁束ψが０よりも大きくなる場合には、電流Ｉｃが途絶えずに流れ続ける。これを連続通電と称する。このとき、第４期間Δθｅ４は図１４及び図１５に示されるように０でもよい。
【００６８】
各相の巻線４Ａ，４Ｂ，４Ｃが前述の連続通電となっている状態の制御において、制御装置５は、第３期間Δθｅ３から第４期間Δθｅ４への切り替えを、それまでよりも、例えば前回の制御周期よりも早めることで、次周期の第１期間Δθｅ１の開始時における鎖交磁束ψを増加できる。また第４期間Δθｅ４が０の場合には、第３期間Δθｅ３の最後を第４期間Δθｅ４に変更することで、同様に次周期の第１期間Δθｅ１の開始時における鎖交磁束ψを増加できる。例として、図１４に示される期間Δθｅｕの間を第４期間Δθｅ４に変更することで、図１６に示されるように鎖交磁束ψが増加する方向（矢印Ｕで示される方向）に移動し、巻線４の鎖交磁束ψと巻線４を流れる電流Ｉｃとの関係も、全体として増加する方向に移動する（図１４の実線から一点鎖線への移動）。その結果、ψＩｃ面積が大きくなる。前述したように、回転電機１のトルクはψＩｃ面積によって決まるので、制御装置５は、第３期間Δθｅ３と第４期間Δθｅ４の切り替えを早める、又は第３期間Δθｅ３の最後を第４期間Δθｅ４に変更することで回転電機１のトルクを増加させることができる。
【００６９】
各相の巻線４Ａ，４Ｂ，４Ｃが前述の連続通電となっている状態の制御において、前述したように鎖交磁束ψが増加されている場合に、第４期間Δθｅ４から次周期の第１期間Δθｅ１への切り替えを、それまでよりも、例えば前回の制御周期よりも遅延させることで、次周期において鎖交磁束ψの増加を元に戻すことができる。また、第４期間Δθｅ４が０の場合には、次周期の第１期間Δθｅ１の最初を第４期間Δθｅ４に変更することで、次周期において鎖交磁束ψの増加を元に戻すことができる。例として、図１５に示される期間Δθｅｄの間、第１期間Δθｅ１を第４期間Δθｅ４に変更することで、図１７に示されるように鎖交磁束ψが減少する方向（矢印Ｄで示される方向）に移動し、巻線４の鎖交磁束ψと巻線４を流れる電流Ｉｃとの関係も、全体として減少する方向に移動する（図１５の一点鎖線から実線への移動）。その結果、増加していたψＩｃ面積が小さくなる。制御装置５は、第４期間Δθｅ４と次周期の第１期間Δθｅ１との期間の切り替えを、それまでよりも、例えば前回の制御周期よりも遅延させる、又は第４期間Δθｅ４が０の場合には、次周期の第１期間Δθｅ１の最初を第４期間Δθｅ４に変更することで、増加させていた回転電機１のトルクを減少させることができる。
【００７０】
本実施形態では各相の巻線４Ａ，４Ｂ，４Ｃのすべてを同様に連続通電としたが、本実施形態は全相を同様に連続通電とする場合に限定されない。例えば、巻線４Ａのみを連続通電としてもよいし、各相で鎖交磁束ψの増加量が異なってもよい。
【００７１】
制御装置５及び本実施形態の回転電機の制御方法は、励磁の開始前又は消磁の最後のみを変化させるので、回転電機１のトルクを決定するψＩｃ面積の変化が鎖交磁束ψ及び電流Ｉｃがともに０の付近の小さな領域のみとすることができる。その結果、制御装置５及び本実施形態の回転電機の制御方法は、連続通電を実行しても回転電機１のトルクの誤差を小さくすることができる。また、制御装置５及び本実施形態の回転電機の制御方法は、励磁の開始前又は消磁の最後で巻線４に印加する電圧を０として巻線４に環流を発生させる部分を除けば、巻線４に印加する電圧の指令値は変化しない。このため、制御装置５及び本実施形態の回転電機の制御方法は、連続通電において、簡易な制御ロジックで確実にトルクを調整することができる。さらに、鎖交磁束ψを調整する量は、巻線４に印加する電圧と期間Δθｅｕ，Δθｅｄ、すなわち還流させる期間の変化量との積となるので、制御における計算が容易になるという利点もある。さらに、制御装置５及び本実施形態の回転電機の制御方法は、連続通電においても回転電機１の磁束変化を小さくでき、かつ駆動装置６のスイッチング回数を少なくすることができるので、回転電機１及び駆動装置６の効率低下を抑制し、かつ回転電機１の騒音及び振動を抑制できる。
【００７２】
制御装置５及び本実施形態の回転電機の制御方法は、鎖交磁束ψを１回で調整してもよいし、複数回に分けて調整してもよい。巻線４の抵抗等によって、巻線４を流れる実際の電流Ｉｃと、電流Ｉｃの指令値とは僅かに異なる可能性がある。このため、制御装置５及び本実施形態の回転電機の制御方法は、実測した電流Ｉｃと電流Ｉｃの指令値との差が０になるように、電流Ｉｃの指令値をフィードバック制御することで、巻線４を流れる実際の電流Ｉｃと電流Ｉｃの指令値との差が０になるようにしてもよい。
【００７３】
図１８は、回転電機１の１つの相における巻線４を流れる電流Ｉｃと電気角θｅとの関係を示す図である。図１９は、回転電機１のＡ相、Ｂ相、Ｃ相の巻線４を流れる電流Ｉｃと電気角θｅとの関係を示す図である。図２０は、回転電機１の回転速度を一定としてトルクを変化させたときの結果の一例を、還流の中点における鎖交磁束ψと巻線４を流れる電流Ｉｃとの関係で表した図である。
【００７４】
本実施形態において、制御装置５及び本実施形態の回転電機の制御方法は、回転電機１の回転速度及びトルクの少なくとも一方を変更する場合、第２期間Δθｅ２の中点Δθｅ２ｃの単位トルクあたりの変化量及び単位回転速度あたりの変化量に制限を設ける。第２期間Δθｅ２の中点Δθｅ２ｃは、図１８に示されるように、第２期間Δθｅ２の開始時点の角度θｅｓと、第２期間Δθｅ２の終了時点の角度θｅｆとの中間の角度である。中点Δθｅ２ｃは、（θｅｓ＋θｅｆ）／２で求めることができる。角度θｅｓ，θｅｆは、第２期間Δθｅ２を決定するための指令値なので、制御装置５は、第２期間Δθｅ２の中点Δθｅ２ｃを簡易に求めることができる。
【００７５】
本実施形態において、制御装置５は、第２期間Δθｅ２の中点Δθｅ２ｃの単位トルクあたりの変化量を、例えば１度／Ｎｍとしたり、単位回転速度あたりの変化量を、例えば０．１度／ｒｐｍ（revolution  per  minute）としたりすることができる。単位トルクあたりの変化量及び単位回転速度あたりの変化量は、この例に限定されない。制御装置５は、回転電機１の回転速度及びトルクの少なくとも一方を変更する場合、第２期間Δθｅ２の中点Δθｅ２ｃの単位トルクあたりの変化量を前述した変化量以下とすることにより、第２期間Δθｅ２の中点Δθｅ２ｃの単位トルクあたりの変化量に制限を設ける。
【００７６】
このようにすることで、第２期間Δθｅ２の中点Δθｅ２ｃは、回転電機１の回転速度及びトルクの少なくとも一方が変化した場合に、急変が抑制される。その結果、回転電機１の回転速度及びトルクの少なくとも一方が変化した場合でも、巻線４の励磁の期間と消磁の期間とが安定して一定量重複するので、回転電機１の効率低下及び騒音が抑制され、結果として回転電機１は高効率かつ低騒音となる。また、制御装置５は、中点Δθｅ２ｃを基準にすることにより、第２期間Δθｅ２の長さが変化しても、巻線４の励磁の期間と消磁の期間とを一定量重複させて、回転電機１の効率低下及び騒音が抑制されるので、結果として回転電機１は高効率かつ低騒音となる。
【００７７】
本実施形態において、制御装置５は、Ａ相、Ｂ相及びＣ相の第２期間Δθｅ２＿Ａ，Δθｅ２＿Ｂ，Δθｅ２＿Ｃの中点Δθｅ２ｃ＿Ａ，Δθｅ２ｃ＿Ｂ，Δθｅ２ｃ＿Ｃの単位トルクあたりの変化量及び単位回転速度あたりの変化量に制限を設ける。すると、回転電機１の回転速度及びトルクの少なくとも一方が変化した場合に、期間θｅＡと期間θｅＢとの差の急変が抑制される。期間θｅＡは、Ａ相の第２期間Δθｅ２＿Ａの中点Δθｅ２ｃ＿ＡとＢ相の第２期間Δθｅ２＿Ｂの中点Δθｅ２ｃ＿Ｂとの間の期間であり、θｅＢは、Ｂ相の第２期間Δθｅ２＿Ｂの中点Δθｅ２ｃ＿ＢとＣ相の第２期間Δθｅ２＿Ｃの中点Δθｅ２ｃ＿Ｃとの間の期間である。
【００７８】
その結果、回転電機１が定常状態である場合に限らず、回転電機１が過渡応答時である場合においても、巻線４の励磁の期間と消磁の期間とを安定して重ねることができる。その結果、回転電機１全体の磁束変動が抑制されるので、回転電機１の効率低下及び騒音が抑制され、結果として回転電機１は高効率かつ低騒音となる。
【００７９】
図２０に示されるように、回転電機１が同じ回転速度の状態でトルクが変化すると、第２期間Δθｅ２の中点Δθｅ２ｃを示すＴ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４は、単調増加の曲線ＣＶ上にプロットされる。Ｔ１のトルク＜Ｔ２のトルク＜Ｔ３のトルク＜Ｔ４のトルクである。回転速度が変化した場合、制御装置５は、第２期間Δθｅ２の中点Δθｅ２ｃを変化させなくてもよいし、変化させてもよい。例えば、制御装置５は、第２期間Δθｅ２の中点Δθｅ２ｃを固定又は単位トルクあたりの変化量及び単位回転速度あたりの変化量に制限を設けて、第２期間Δθｅ２のみを変化させてもよい。
【００８０】
本実施形態に係る回転電機の制御方法及びこれを実現する回転電機の制御装置の例を説明したが、本実施形態ではスイッチング素子の最大電流定格は充分に大きい場合について説明した。本実施形態に係る回転電機の制御方法等の適用対象は、スイッチング素子の最大電流定格が充分に大きい場合に限定されない。図６に示されるように、本実施形態における最大電流は、第２期間Δθｅ２の鎖交磁束ψが一定となる直線部の右端で発生する。このため、スイッチング素子の最大電流定格が不足した場合に、例えば第２期間Δθｅ２の鎖交磁束ψが一定となる直線部の右端でスイッチングを追加することで、最大電流をスイッチング素子の定格以内に保持してもよい。この場合、図６の直線部の右端における、微小な領域のみが変化するため、回転電機１は前述のように高効率かつ低騒音な制御を維持できる。
【００８１】
＜作業機械に対する適用例＞
図２１は、本実施形態に係る回転電機の制御方法を実現する回転電機の制御装置を備えた作業機械の一例を示す図である。次においては、作業機械として、ハイブリッド油圧ショベル１０を例として説明するが、本実施形態に係る回転電機の制御方法及びこれを実現する制御装置５の適用対象は、ハイブリッド油圧ショベル１０に限定されるものではなく、ハイブリッドホイールローダー又は電気式ダンプトラック等であってもよい。
【００８２】
ハイブリッド油圧ショベル１０は、駆動源としてのエンジン１７、油圧ポンプ１８及び回転電機１を有する。回転電機１は、発電機及び電動機として機能する。回転電機１は、ＳＲＭである。エンジン１７としてディーゼルエンジンが用いられ、油圧ポンプ１８として可変容量型油圧ポンプが用いられる。エンジン１７の駆動軸２０には、油圧ポンプ１８及び回転電機１が機械的に連結されており、エンジン１７が回転することで、油圧ポンプ１８及び回転電機１が回転する。
【００８３】
ハイブリッド油圧ショベル１０の油圧駆動系は、操作弁３３、ブーム用油圧シリンダ１４、アーム用油圧シリンダ１５、バケット用油圧シリンダ１６、右走行用油圧モータ３４及び左走行用油圧モータ３５等を有している。油圧ポンプ１８は、油圧駆動系への作動油供給源となってこれらの油圧機器を駆動する。
【００８４】
電気駆動系は、第１駆動装置２１と、第２駆動装置２２と、昇圧器２６と、蓄電装置２５と、旋回モータ２３等とを含む。第１駆動装置２１は、回転電機１にパワーケーブルを介して接続される。第２駆動装置２２は、第１駆動装置２１にバスバー等の大電流用配線を介して接続される。昇圧器２６は、第１駆動装置２１と第２駆動装置２２との間に、バスバー等の大電流用配線を介して設けられる。蓄電装置２５は、昇圧器２６に接続される。旋回モータ２３は、第２駆動装置２２にパワーケーブルを介して接続される。本実施形態において、第１駆動装置２１及び第２駆動装置２２は、例えば、インバータ内部の構成部品として設置される。
【００８５】
旋回モータ２３は、機械的にスイングマシナリ２４に連結している。回転電機１が発電した電力及び蓄電装置２５に蓄えられた電力の少なくとも一方が旋回モータ２３を駆動させる電力となる。旋回モータ２３は、回転電機１と蓄電装置２５との少なくとも一方から供給される電力で駆動されて力行動作することで上部旋回体２８を旋回させる。また、旋回モータ２３は、上部旋回体２８が旋回減速する際に回生動作し、その回生動作により発電された電力（回生エネルギ）を蓄電装置２５に供給（充電）、又は回転電機１を電動機として使用する場合の電力として供給する。
【００８６】
回転電機１は、エンジン１７によって駆動されて発電した電力を蓄電装置２５に供給（充電）するとともに、状況に応じて旋回モータ２３に電力を供給する。回転電機１は、エンジン１７の出力が不足する場合は電動機として機能し、エンジン１７の出力をアシストする。本実施形態において、回転電機１はＳＲＭである。回転電機１は、シャフトがエンジン１７の駆動軸２０に機械的に結合されている。このような構造により、回転電機１は、エンジン１７の駆動によって回転電機１の回転子３が回転し、発電、又はアシストする。
【００８７】
昇圧器２６は、回転電機１及び旋回モータ２３と蓄電装置２５との間に設けられる。昇圧器２６は、第１駆動装置２１又は第２駆動装置２２を介して回転電機１又は旋回モータ２３に供給される電力（蓄電装置２５に蓄えられた電気エネルギ）の電圧を昇降圧する。昇降圧された電圧は、旋回モータ２３を力行動作（旋回加速）させる際には旋回モータ２３に印加され、エンジン１７の出力をアシストする際には回転電機１へ印加される。
【００８８】
回転電機１及び旋回モータ２３は、ハイブリッドコントローラＣ２による制御のもと、それぞれ第１駆動装置２１及び第２駆動装置２２によって回転速度又はトルクが制御される。ハイブリッドコントローラＣ２は、本実施形態に係る回転電機の制御方法を実行して、回転電機１を制御する。このように、ハイブリッドコントローラＣ２は、本実施形態に係る回転電機の制御装置として機能する。ハイブリッドコントローラＣ２は、回転電機１のみならず、任意の機器を併せて制御してもよい。
【００８９】
ハイブリッドコントローラＣ２は、蓄電装置２５の充電量（蓄電装置２５の電圧等）を監視して、回転電機１が発電する電力を蓄電装置２５へ供給（充電）するか、旋回モータ２３へ供給（力行作用のための電力供給）するかといったエネルギマネージメントを実行する。
【００９０】
蓄電装置２５は、前述したように、回転電機１が発電した電力を蓄電する。また、蓄電装置２５は、上部旋回体２８が旋回減速する際に旋回モータ２３が回生動作することによって発電された電力を蓄電する。さらに、旋回モータ２３としては、例えば、永久磁石式同期回転電機が用いられるが、これに限定されるものではない。例えば、旋回モータ２３にもＳＲＭを用いてもよい。
【００９１】
コントローラＣ１は、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）等の演算装置及びメモリ（記憶装置）を組み合わせたものであり、例えば、マイクロコンピュータである。コントローラＣ１は、エンジン１７及び油圧ポンプ１８を制御する。エンジン１７は、コントローラＣ１によって燃料噴射量が適切に制御されることで、目標とするエンジン出力を得ることが可能である。すなわち、コントローラＣ１は、ハイブリッド油圧ショベル１０の負荷状態に応じて、エンジン１７の回転速度及び出力可能なトルクを設定して、エンジン１７を駆動する。
【００９２】
ハイブリッドコントローラＣ２は、ＣＰＵ等の演算装置及びメモリ（記憶装置）を組み合わせたものであり、例えば、マイクロコンピュータである。ハイブリッドコントローラＣ２は、コントローラＣ１との協調制御のもと、前述したように第１駆動装置２１、第２駆動装置２２及び昇圧器２６を制御して、回転電機１、旋回モータ２３及び蓄電装置２５の電力の授受を制御する。ハイブリッドコントローラＣ２は、本実施形態に係る回転電機の制御方法の処理手順をマイクロコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラムを記憶装置に記憶している。ハイブリッドコントローラＣ２は、本実施形態に係る回転電機の制御方法を実行する場合、前述したコンピュータプログラムを記憶装置から読み出し、これに記述されている命令を実行することにより、本実施形態に係る回転電機の制御方法によって回転電機１を制御する。
【００９３】
ハイブリッド油圧ショベル１０は、本実施形態に係る回転電機の制御装置として機能するハイブリッドコントローラＣ２を有するので、回転電機１の効率低下及び騒音を抑制できるので、結果として回転電機を高効率かつ低騒音で制御できる。回転電機１、エンジン１７及び油圧ポンプ１８は、ハイブリッド油圧ショベル１０の車体内に搭載されるが、車体内のスペースには限りがあるため、回転電機１の大きさは極力小さい方が好ましい。本実施形態に係る回転電機の制御装置によって制御される回転電機１は、前述したように固定子２のコア及び回転子３のコアが小型化できるので、回転電機１も小型化できる。このため、本実施形態に係る回転電機の制御装置及びこれによって制御される回転電機１は、ハイブリッド油圧ショベル１０に好適である。
【００９４】
本実施形態に係る回転電機の制御方法及びこれを実現する回転電機の制御装置を作業機械に適用した例を説明したが、本実施形態に係る回転電機の制御方法等の適用対象はこれに限定されない。本実施形態に係る回転電機の制御方法等は、例えば、電動自動車等の電動車両の走行用回転電機又は圧縮機若しくはポンプの駆動用回転電機等に適用されてもよい。
【００９５】
以上、本実施形態を説明したが、前述した内容により本実施形態が限定されるものではない。本実施形態の構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、本実施形態の構成要素は適宜組み合わせることが可能である。さらに、本実施形態の要旨を逸脱しない範囲で本実施形態の構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。
【符号の説明】
【００９６】
１  回転電機
２  固定子
２Ｔ  ティース
３  回転子
３Ｔ，３Ｔａ，３Ｔｂ  ティース
４，４Ａ，４Ｂ，４Ｃ  巻線
５  制御装置
６  駆動装置
７  駆動部
７Ａ  第１駆動部
７Ｂ  第２駆動部
７Ｃ  第３駆動部
９  電源
１０  ハイブリッド油圧ショベル
１１  回転角度センサ
１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ  電流センサ
１３  電圧センサ
Ｃ２  ハイブリッドコントローラ
Δθｅ１  第１期間
Δθｅ２，Δθｅ２＿Ａ，Δθｅ２＿Ｂ，Δθｅ２＿Ｃ  第２期間
Δθｅ２ｃ，Δθｅ２ｃ＿Ａ，Δθｅ２ｃ＿Ｂ，Δθｅ２ｃ＿Ｃ  第２期間の中点
Δθｅ３  第３期間
Δθｅ４  第４期間
【図１】
2017111101.tif 000003
【図２】
2017111101.tif 000004
【図３】
2017111101.tif 000005
【図４】
2017111101.tif 000006
【図５−１】
2017111101.tif 000007
【図５−２】
2017111101.tif 000008
【図６】
2017111101.tif 000009
【図７】
2017111101.tif 000010
【図８】
2017111101.tif 000011
【図９】
2017111101.tif 000012
【図１０】
2017111101.tif 000013
【図１１】
2017111101.tif 000014
【図１２】
2017111101.tif 000015
【図１３】
2017111101.tif 000016
【図１４】
2017111101.tif 000017
【図１５】
2017111101.tif 000018
【図１６】
2017111101.tif 000019
【図１７】
2017111101.tif 000020
【図１８】
2017111101.tif 000021
【図１９】
2017111101.tif 000022
【図２０】
2017111101.tif 000023
【図２１】
2017111101.tif 000024
【手続補正書】
【提出日】平成29年5月22日(2017.5.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２相以上の回転電機を制御するにあたり、
前記回転電機が有する各相の巻線に、第１の電圧を継続して印加して鎖交磁束を増加させる第１期間、前記第１期間の後に前記巻線に印加する電圧を０として前記鎖交磁束を保持する第２期間、前記第２期間の後に前記巻線に前記第１の電圧とは反対方向に第２の電圧を印加して前記鎖交磁束を減少させる第３期間、及び前記第３期間から次周期の前記第１期間まで前記巻線に印加する電圧を０として前記鎖交磁束を保持する第４期間を１周期とする電圧を印加するとともに、
前記第２期間を、第１の値から、前記第１の値よりも大きく、かつ前記１周期を前記回転電機の相数で除した第２の値の間の値に制御する、
回転電機の制御装置。
【請求項２】
前記第１期間と前記第２期間との和が前記第２の値となる、請求項１に記載の回転電機の制御装置。
【請求項３】
前記第１期間と前記第２期間との和が前記第２の値を超過する場合には、前記第２期間を前記第１の値に固定する、請求項１に記載の回転電機の制御装置。
【請求項４】
前記第１期間の開始時における鎖交磁束が０よりも大きく、前記巻線に連続して電流が流れる状態の制御において、前記第１期間の開始時における鎖交磁束を増加させる場合に、前記第３期間から前記第４期間への切り替えを早める、又は前記第４期間が０の場合には、前記第３期間の最後を前記第４期間に変更する、請求項１に記載の回転電機の制御装置。
【請求項５】
前記第１期間の開始時における鎖交磁束が０よりも大きく、前記巻線に連続して電流が流れる状態の制御において、前記第１期間の開始時における鎖交磁束を減少させる場合に、前記第４期間から次周期の前記第１期間への切り替えを遅延させる、又は前記第４期間が０の場合には、次周期の前記第１期間の最初を前記第４期間に変更する、請求項４に記載の回転電機の制御装置。
【請求項６】
前記回転電機の回転速度及びトルクの少なくとも一方を変更する場合、前記第２期間の中点の単位トルクあたりの変化量及び単位回転速度あたりの変化量に制限を設ける、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の回転電機の制御装置。
【請求項７】
前記２相以上の回転電機である２相以上のスイッチトリラクタンスモータと、
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の回転電機の制御装置と、
を含む、作業機械。
【請求項８】
２相以上の回転電機を制御するにあたり、
前記回転電機が有する各相の巻線に、第１の電圧を継続して印加して鎖交磁束を増加させる第１期間、前記第１期間の後に前記巻線に印加する電圧を０として前記鎖交磁束を保持する第２期間、前記第２期間の後に前記巻線に前記第１の電圧とは反対方向に第２の電圧を印加して前記鎖交磁束を減少させる第３期間、及び前記第３期間から次周期の前記第１期間まで前記巻線に印加する電圧を０として前記鎖交磁束を保持する第４期間を１周期とする電圧を印加し、
前記第２期間を、第１の値から、前記第１の値よりも大きく、かつ前記１周期を前記回転電機の相数で除した第２の値の間の値に制御する、
回転電機の制御方法。
【請求項９】
前記第１期間と前記第２期間との和が前記第２の値となる、請求項８に記載の回転電機の制御方法。
【請求項１０】
前記第１期間と前記第２期間との和が前記第２の値を超過する場合には、前記第２期間を前記第１の値に固定する、請求項８に記載の回転電機の制御方法。
【請求項１１】
前記第１期間の開始時における鎖交磁束が０よりも大きく、前記巻線に連続して電流が流れる状態の制御において、前記第１期間の開始時における鎖交磁束を増加させる場合に、前記第３期間から前記第４期間への切り替えを早める、又は前記第４期間が０の場合には、前記第３期間の最後を前記第４期間に変更する、請求項８に記載の回転電機の制御方法。
【請求項１２】
前記第１期間の開始時における鎖交磁束が０よりも大きく、前記巻線に連続して電流が流れる状態の制御において、前記第１期間の開始時における鎖交磁束を減少させる場合に、前記第４期間から次周期の前記第１期間への切り替えを遅延させる、又は前記第４期間が０の場合には、次周期の前記第１期間の最初を前記第４期間に変更する、請求項１１に記載の回転電機の制御方法。
【請求項１３】
前記回転電機の回転速度及びトルクの少なくとも一方を変更する場合、前記第２期間の中点の単位トルクあたりの変化量及び単位回転速度あたりの変化量に制限を設ける、請求項８から請求項１２のいずれか１項に記載の回転電機の制御方法。
【国際調査報告】
2017111101.tif 000025
2017111101.tif 000026
2017111101.tif 000027
2017111101.tif 000028