(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸の軸方向に離間して固定され、互いに各々の周方向に一定角度ずらしてスキュー配置される
複数のロータと、
前記複数のロータの各々に配置された複数の永久磁石と、
前記複数の永久磁石の磁束の変化を検出することで前記複数のロータの各々の回転位置を検出し、回転位置を示す位置信号を出力する複数のセンサと、
前記複数のロータの各々に同一トルクが発生するときの電流位相の変化前後において、前記複数のセンサの各々から出力された位置信号の値から求めた前記複数のロータ間のロータ位相差から出力トルクを推定してモータ制御装置に出力するトルク推定部と、
を備えたことを特徴とする永久磁石式モータ。
【請求項２】
回転軸の軸方向に離間して固定され、互いに各々の周方向に一定角度ずらしてスキュー配置される２つのロータと、
前記２つのロータの各々に配置された複数の永久磁石と、
前記２つのロータの内、一方のロータに設置され、他方のロータに配置された前記複数の永久磁石の磁束の変化を検出することで前記一方のロータと前記他方のロータとの相対的な回転位置を検出し、回転位置を示す位置信号を出力するセンサと、
前記２つのロータの各々に同一トルクが発生するときの電流位相の変化前後において、前記センサから出力された位置信号の値から求めた前記一方のロータと前記他方のロータとのロータ位相差から出力トルクを推定してモータ制御装置に出力するトルク推定部と、
を備えたことを特徴とする永久磁石式モータ。
【請求項３】
モータに通電される電流と前記モータの電流位相とを対応付けたテーブルを有し、
前記テーブルを用いて前記モータ制御装置で検出された電流に対応する前記電流位相を求めて前記出力トルクを推定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の永久磁石式モータ。
【請求項４】
回転軸の軸方向に離間して固定され、互いに各々の周方向に一定角度ずらしてスキュー配置される複数のロータと、前記複数のロータの各々に配置された複数の永久磁石と、前記複数の永久磁石の磁束の変化を検出することで前記複数のロータの各々の回転位置を検出し、回転位置を示す位置信号を出力する複数のセンサとを備えたモータのモータ制御装置であって、
前記複数のロータの各々に同一トルクが発生するときの電流位相の変化前後において、前記複数のセンサの各々から出力された位置信号の値から求めた前記複数のロータ間のロータ位相差から出力トルクを推定するトルク推定部を備えたことを特徴とするモータ制御装置。
【請求項５】
回転軸の軸方向に離間して固定され、互いに各々の周方向に一定角度ずらしてスキュー配置される２つのロータと、前記２つのロータの各々に配置された複数の永久磁石と、前記２つのロータの内、一方のロータに設置され、他方のロータに配置された前記複数の永久磁石の磁束の変化を検出することで前記一方のロータと前記他方のロータとの相対的な回転位置を検出し、回転位置を示す位置信号を出力するセンサとを備えたモータのモータ制御装置であって、
前記２つのロータの各々に同一トルクが発生するときの電流位相の変化前後において、前記センサから出力された位置信号の値から求めた前記一方のロータと前記他方のロータとのロータ位相差から出力トルクを推定するトルク推定部を備えたことを特徴とするモータ制御装置。
【請求項６】
モータに通電される電流と前記モータの電流位相とを対応付けたテーブルを有し、
前記テーブルを用いて前記モータ制御装置で検出された電流に対応する前記電流位相を求めて前記出力トルクを推定することを特徴とする請求項４または請求項５に記載のモータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータの出力トルクを推定するトルク推定機能を備えた永久磁石式モータ、およびモータ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
試験装置またはフィルム巻取り装置といった一定トルクで運転する必要のある装置では、コギングトルクまたはトルクリップルを低減させるため、２つのロータを組み合わせて２つのロータの各々に設けられた永久磁石をスキュー配置したモータが用いられる。この種のモータでは、トルク定数から算出した電流をモータに印加する必要がある。ところが永久磁石の温度の変化に起因して誘起電圧が変動するためトルク定数が一定値とはならない。そのため低温時と高温時では電流値が同じ値であってもモータの出力トルクが異なり、要求されている一定トルクで運転することが困難である。またこの種のモータでは、ロータの回転による遠心力で曲げ応力に起因した歪みが発生するため、この歪みに起因したトルクの変動を検出する必要がある。特許文献１に示す従来技術では、連結部において軸方向に離間して配置された２つの回転体の各々に対応付けて設けられた２つの回転状態検出センサを備え、２つの回転状態検出センサの各々で検出される回転体の回転状態とに基づき連結部のねじれ状態を演算し、連結部のねじれ状態に基づくトルクＴを演算するように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１７３２６８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、特許文献１に示される従来技術では、２つの回転状態検出センサがモータの外部に配置されているため装置全体が大型化し、出力トルクの推定精度を低下させることなくモータの更なる小型化を図るというニーズに対応することが困難であるという課題があった。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、出力トルクの推定精度を低下させることなくモータの更なる小型化を図ることができる永久磁石式モータおよびモータ制御装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の永久磁石式モータは、回転軸の軸方向に離間して固定され、互いに各々の周方向に一定角度ずらしてスキュー配置される複数のロータと、複数のロータの各々に配置された複数の永久磁石と、複数の永久磁石の磁束の変化を検出することで複数のロータの各々の回転位置を検出し、回転位置を示す位置信号を出力する複数のセンサと、複数のロータの各々に同一トルクが発生するときの電流位相の変化前後において、複数のセンサの各々から出力された位置信号の値から求めた複数のロータ間のロータ位相差から出力トルクを推定してモータ制御装置に出力するトルク推定部と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、出力トルクの推定精度を低下させることなくモータの更なる小型化を図ることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施の形態１に係る永久磁石式モータと永久磁石式モータに接続されるモータ制御装置を模式的に表す図
【図２】スキューロータの断面図
【図３】モータが通常に運転する場合に第１のセンサと第２のセンサの各々で検出される位置信号の波形を示す図
【図４】図３に示す波形の部分拡大図
【図５】モータが同一トルクを発生しながら電流位相を変化させた場合に第１のセンサと第２のセンサの各々で検出される位置信号の波形を示す図
【図６】図５に示す波形の部分拡大図
【図７】実施の形態１に係る永久磁石式モータにおけるモータ発生トルクの演算動作を説明するためのフローチャート
【図８】実施の形態１に係る永久磁石式モータと永久磁石式モータに接続されたモータ制御装置を示す図
【図９】実施の形態２に係る永久磁石式モータとモータに内蔵されるロータを模式的に表す図
【図１０】実施の形態２に係る永久磁石式モータにおけるモータ発生トルクの演算動作を説明するためのフローチャート
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に、本発明の実施の形態に係る永久磁石式モータおよびモータ制御装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１０】
実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る永久磁石式モータと永久磁石式モータに接続されるモータ制御装置を模式的に表す図である。以下では永久磁石式モータを単にモータと称する。モータ１００は、モータ１００のステータに設置され、モータ１００の回転軸１に固定される第１のロータ２に配置された複数の永久磁石の磁束の変化を検出することで第１のロータ２の回転位置を検出し、回転位置を示す位置信号を出力する第１のセンサ３と、図示しないステータに設置され、第１のロータ２と離間して回転軸１に固定される第２のロータ４に配置された複数の永久磁石の磁束の変化を検出することで第２のロータ４の回転位置を検出し、回転位置を示す位置信号を出力する第２のセンサ５と、運転中のモータ１００の電流位相を変化させる前に第１のセンサ３と第２のセンサ５の各々から出力された位置信号の値から求めた第１のロータ２と第２のロータ４との間の第１のロータ位相差と、運転中のモータ１００の電流位相を変化させた後に第１のセンサ３と第２のセンサ５の各々から出力された位置信号の値から求めた第１のロータ２と第２のロータ４との間の第２のロータ位相差との差分を求め、前記差分からモータ１００の出力トルクを推定してモータ制御装置に出力するトルク推定部７とを備える。図１ではモータ１００のステータの図示が省略されている。第１のロータ２と第２のロータ４で構成されるスキューロータ６では、１つの回転軸１に第１のロータ２と第２のロータ４が中心軸を一致させて軸方向に離間して配置され、第１のロータ２と第２のロータ４が互いに各々の周方向に一定角度ずらして配置されて一体に構成されている。一定角度は予め設定されたスキュー角度である。第１のロータ２と第２のロータ４の各々は、複数の磁性鋼板を回転軸１の軸方向に積層して一体化されたロータコアに複数の永久磁石を配置して構成される。第１のセンサ３は第１のロータ２の軸方向端面と対向して配置され、第２のセンサ５は第２のロータ４の軸方向端部と対向して配置される。図１では第１のセンサ３が、第２のロータ４との対向面とは反対側の第１のロータ２の軸方向端面と対向して設けられているが、第１のセンサ３は、第２のロータ４との対向面側の第１のロータ２の軸方向端面と対向して設けてもよい。第２のセンサも同様である。第１のセンサ３で検出された位置信号と第２のセンサ５で検出された位置信号はトルク推定部７に入力される。第１のセンサ３と第２のセンサ５はモータ１００のステータコアの端部に嵌め込まれるブラケットに設置される。第１のセンサ３と第２のセンサ５はホールセンサである。
【００１１】
図２はスキューロータの断面図である。図２（Ａ）には第１のロータ２の断面が示され、図２（Ｂ）には第２のロータ４の断面が示される。第１のロータ２は、回転軸１が貫通する環状のロータコア２１と、ロータコア２１の周方向にＮ極とＳ極が交互に着磁された４つの永久磁石２２，２３を有する。同様に第２のロータ４は、回転軸１が貫通する環状のロータコア４１と、ロータコア４１の周方向にＮ極とＳ極が交互に着磁された４つの永久磁石４２，４３を有する。図２（Ａ）には４つの永久磁石の内、径方向に対向する２つの永久磁石２３の各々の周方向中心を通る実線ｄが示される。同様に図２（Ｂ）には４つの永久磁石の内、径方向に対向する２つの永久磁石４３の各々の周方向中心を通る実線ｄが示される。なお第１のロータ２と第２のロータ４の各々の磁極数とは４極に限定されるものではなく、４極以上であってもよい。図２（Ｃ）にはスキュー構造を有していないロータ６Ａの断面が示される。実施の形態１では図２（Ｃ）に示すロータ６Ａを標準ロータと称する。標準ロータは、回転軸１が貫通する環状のロータコア６１と、ロータコア６１の周方向にＮ極とＳ極が交互に着磁された４つの永久磁石６２，６３が配置される。２つの点線ａ，ｂは、回転軸１の中心で直交する仮想的な線であり。一方の点線ａは、４つの永久磁石の内、径方向に対向する２つの永久磁石６２の各々の周方向中心を通り、他方の点線ｂは、４つの永久磁石の内、径方向に対向する２つの永久磁石６３の各々の周方向中心を通る。図２（Ａ）に示す２つの永久磁石２３の各々の周方向中心位置は、図２（Ｃ）に示す２つの永久磁石６３の各々の周方向中心から反時計回りに電気角でδだけずれて配置される。図２（Ｂ）に示す２つの永久磁石４３の各々の周方向中心位置は、図２（Ｃ）に示す２つの永久磁石６３の各々の周方向中心から時計回りに電気角でδだけずれて配置される。従って永久磁石２２，２３の各々は永久磁石４２，４３に対して電気角で２δだけずれて配置され、図１に示すスキューロータ６では、第１のロータ２と第２のロータ４が電気角で２δ分スキューされている。なお第１のロータ２と第１のロータ２の各々に用いられる永久磁石の数は４つに限定されるものではなく、例えば４の整数倍の個数でもよい。
【００１２】
以下では、標準ロータを用いたモータで発生する出力トルクの演算方法と、スキューロータ６を用いたモータで発生する出力トルクの演算方法を説明する。
【００１３】
標準ロータを用いたモータは、ロータコアの外周面に永久磁石が配置された表面磁石（Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  Ｍａｇｎｅｔ：ＳＰＭ）式のロータを用いたＳＰＭモータと、ロータコアの内部に永久磁石が埋め込まれた永久磁石埋込（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ  Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  Ｍａｇｎｅｔ：ＩＰＭ）式のロータを用いたＩＰＭモータに区分される。
【００１４】
ＳＰＭモータのトルクは下記（１）式で表される。Ｔはトルクを表し、Ｐｎは極対数、すなわち磁極数を２で除した値を表し、Φｍは磁束量を表し、ｉｑはｑ軸電流を表す。
【００１５】
【数１】
0006472345.tif 000002
【００１６】
上記（１）式を書き直したものが下記（２）式である。Ｉは電流を表す。
【００１７】
【数２】
0006472345.tif 000003
【００１８】
ｑ軸電流は下記（３）式で表される。
【００１９】
【数３】
0006472345.tif 000004
【００２０】
ｄ軸電流は下記（４）式で表される。
【００２１】
【数４】
0006472345.tif 000005
【００２２】
電流Ｉは上記（３）と（４）式で求められたｑ軸電流とｄ軸電流により下記（５）式で表される。
【００２３】
【数５】
0006472345.tif 000006
【００２４】
ＳＰＭモータではθ＝０で運転されるケースが多い。一方、ＩＰＭモータでは、ロータの周方向でのインダクタンスの違いから、下記（６）式によりトルクが求められる。Ｌｄはｄ軸インダクタンスを表し、Ｌｑはｑ軸インダクタンスを表し、ｉｄはｄ軸電流を表す。
【００２５】
【数６】
0006472345.tif 000007
【００２６】
上記（６）式を書き直したものが下記（７）式である。
【００２７】
【数７】
0006472345.tif 000008
【００２８】
図１および図２に示す通りスキューロータ６では位相が異なる２つのロータが軸方向に離間して同一軸上に配置されている。そのため第１のロータ２が発生するトルクの値は第２のロータ４が発生するトルクの値と異なる。スキューロータ６を用いたＳＰＭモータで発生するトルクは下記（８）式と（９）式で表され、スキューロータ６を用いたＩＰＭモータで発生するトルクは下記（１０）式と（１１）式で表される。
【００２９】
【数８】
0006472345.tif 000009
【００３０】
【数９】
0006472345.tif 000010
【００３１】
【数１０】
0006472345.tif 000011
【００３２】
【数１１】
0006472345.tif 000012
【００３３】
以下では説明を簡単化するためＳＰＭモータで発生するトルクを説明する。軸方向にスキューされているＳＰＭモータのトルクはそれぞれ上記の（８）式と（９）式で表される。ＳＰＭモータではこれらの合算トルクを発生するが、ＳＰＭモータは一般的には同一トルクを発生する場合、電流が最小となる位相で運転される。このときＳＰＭモータで発生するトルクは下記（１２）式で表される。
【００３４】
【数１２】
0006472345.tif 000013
【００３５】
上記（１２）式を書き直したものが下記（１３）式である。
【００３６】
【数１３】
0006472345.tif 000014
【００３７】
上記（１３）式より、δによらずθ＝０において、同一電流でトルクが最大となり、言い換えると同一トルクを発生する場合、電流が最小となる。θ＝０とした場合のＳＰＭモータで発生するトルクは下記（１４）式で求められる。
【００３８】
【数１４】
0006472345.tif 000015
【００３９】
またＳＰＭモータを構成する第１のロータ２と第２のロータ４の各々で発生するトルクは下記（１５）式で求められ、各々のトルクの値は同一である。
【００４０】
【数１５】
0006472345.tif 000016
【００４１】
一方、実際にモータを運転する場合、永久磁石の温度による誘起電圧の変動に影響され、第１のロータ２と第２のロータ４の各々で発生するトルクの値は一定ではない。そのため、試験装置またはフィルム巻取り装置といった一定トルクで運転する必要のある装置では、低温時と高温時では電流値が同じ値であってもモータの出力トルクが異なり、要求されている一定トルクで運転することが困難である。これは言い換えると、上記（１４）式または上記（１５）式に示される磁束量Φｍが温度により変化することを意味する。そのため同じ電流を印加していてもトルクが異なる場合がある。従って永久磁石式のモータではモータが発生しているトルクを精度良く推定することは重要である。また過度に永久磁石の温度が上昇した場合、トルク定数が低下するだけでなく、永久磁石が減磁してモータとしての機能を失う虞があるため、永久磁石の温度を検出してモータとしての機能を失う前に運転を停止させる必要がある。実施の形態１に係るモータ１００では、スキュー構造のロータを採用したモータで発生するトルクを精度良く推測することができるため、モータ１００で推定されたモータトルクを用いて電動機を制御するモータ制御装置では、要求されている一定トルクでモータを運転させることができ、またモータとしての機能を失う前に運転を停止させることができる。
【００４２】
ここで、必要なトルクを発生させる場合、一般に上記（１４）式を用いてトルクを演算する。また上記（１３）式より、θがπ／２に近い方が同一トルクを発生させる際に電流が小さくなり望ましい。なおθはπ／２とする必要はなく任意の値としてもよい。ただし第１のロータ２と第２のロータ４の各々に同一のトルクを発生させる必要があるため、θがπ／２である場合の添え字を０とし、位相を変化させた場合の添え字を１と仮定した場合のトルク演算式は下記（１６）式で表される。
【００４３】
【数１６】
0006472345.tif 000017
【００４４】
また電流Ｉ０は下記（１７）式で表される。
【００４５】
【数１７】
0006472345.tif 000018
【００４６】
この場合、第１のロータ２に発生するトルクＴＡは下記（１８）式で表され、第２のロータ４の各々に発生するトルクＴＢは下記（１９）式で表される。
【００４７】
【数１８】
0006472345.tif 000019
【００４８】
【数１９】
0006472345.tif 000020
【００４９】
トルクＴＡとトルクＴＢのトルク差は下記（２０）式で表される。
【００５０】
【数２０】
0006472345.tif 000021
【００５１】
ここまで標準ロータを用いたモータで発生する出力トルクの演算方法と、スキューロータ６を用いたモータで発生する出力トルクの演算方法を説明したが、以下では、実施の形態１に係るモータ１００によるトルク推定方法を具体的に説明する。
【００５２】
図３はモータが通常に運転する場合に第１のセンサと第２のセンサの各々で検出される位置信号の波形を示す図である。図４は図３に示す波形の部分拡大図である。モータが通常に運転する場合、図１に示す第１のロータ２と第２のロータ４では同一トルクが発生している。そのため図３，４に示す通り第１のセンサ３で検出される位置信号の波形は、第２のセンサ５で検出される位置信号の波形に対して電気角で２δだけずれている。δが電気角で１０°である場合、２δは電気角で２０°である。δは、モータの設計パラメータで機械的に固定されているものであるため、既知の値であるが、第１のセンサ３と第２のセンサ５の各々で検出された位置信号の波形により、例えば両者が０になる位置の差から計算することもでき、また級数展開することによる位相の差から計算することもできる。
【００５３】
図５はモータが同一トルクを発生しながら電流位相を変化させた場合に第１のセンサと第２のセンサの各々で検出される位置信号の波形を示す図である。図６は図５に示す波形の部分拡大図である。ｄｑ座標系におけるｑ軸電流を一定値としてｄ軸電流を増加させ、すなわち同一トルクを発生しながら電流位相を変化させた場合、第１のロータ２と第２のロータ４との間に位置する回転軸１のねじり剛性の値に応じて、第１のロータ２に対する第２のロータ４の回転方向における機械角度差、すなわち第１のロータ２と第２のロータ４と間のトルク差に起因したロータ位相差δＺが生じる。図５，６には第１のロータ２と第２のロータ４と間のトルク差に起因したロータ位相差δＺが生じた後の第１のセンサ３と第２のセンサ５の各々で検出される位置信号の波形が示される。ロータ位相差δＺは下記（２１）式で表される。ＫＺは回転軸１のねじり剛性を表し、ＴＺは第１のロータ２と第２のロータ４と間のトルク差を表す。
【００５４】
【数２１】
0006472345.tif 000022
【００５５】
このような同一トルクを発生しながら電流位相を変化させると、初期の位相差である第１のロータ位相差δに、トルク差によるロータ位相差δＺを加えることにより、合成位相差である第２のロータ位相差δＸを求めることができる。第１のロータ位相差δは既知であるため、第２のロータ位相差δＸから第１のロータ位相差δを差し引くことによりロータ位相差δＺの値を求めることができる。ねじり剛性ＫＺは既知であるため、上記（２１）式において、ねじり剛性ＫＺの値とロータ位相差δＺの値とを代入することにより、ロータトルク差ＴＺを求めることができる。上記（２０）式において、ロータトルク差ＴＺと磁束量Φｍ以外の要素は既知であるため、ロータトルク差ＴＺの値を代入することにより、磁束量Φｍを求めることができる。上記（１５）式において、磁束量Φｍの値を代入することにより、モータ発生トルクＴを求めることができる。
【００５６】
図７は実施の形態１に係る永久磁石式モータにおけるモータ発生トルクの演算動作を説明するためのフローチャートである。例えば図示しないモータ制御装置において必要トルクを最小電流で発生させる位相でモータ１００が運転される（Ｓ１）。すなわちｄｑ座標系におけるｑ軸電流を一定値としてｄ軸電流をゼロとしてモータ１００が運転される。トルク推定部７ではこのときに第１のセンサ３と第２のセンサ５で検出される位置信号により、第１のロータ位相差δを求める（Ｓ２）。すなわちトルク推定部７は、一定トルクで運転中のモータ１００の電流位相を変化させる前に第１のセンサ３と第２のセンサ５の各々から出力された位置信号の値から第１のロータ２と第２のロータ４との間の第１のロータ位相差δを求める。次にモータ制御装置では同一トルクを発生しながら電流位相が変化される（Ｓ３）。すなわちｄｑ座標系におけるｑ軸電流の値は一定値のまま変化させずにｄ軸電流が増加される。トルク推定部７ではこのときに第１のセンサ３と第２のセンサ５で検出される位置信号により合成位相差であるロータ位相差δＸを求める（Ｓ４）。すなわちトルク推定部７は、一定トルクで運転中のモータ１００の電流位相を変化させた後に第１のセンサ３と第２のセンサ５の各々から出力された位置信号の値から第１のロータ２と第２のロータ４との間の第２のロータ位相差δＸを求める。さらにトルク推定部７は、第１のロータ位相差δと第２のロータ位相差δＸより、ロータ位相差δＺを求め（Ｓ５）、上記（２０）式より磁束量Φｍを求め（Ｓ６）、上記（１５）式よりモータ発生トルクＴを求める（Ｓ７）。
【００５７】
図８は実施の形態１に係る永久磁石式モータと永久磁石式モータに接続されたモータ制御装置を示す図である。モータ制御装置２００は、主回路２１１を構成する複数のスイッチング素子のオンオフ動作を制御する主回路制御部２１０と、主回路制御部２１０から出力されるゲート信号により直流電力を交流電力に変換してモータ１００に供給する主回路２１１とを備える。図８のモータ制御装置２００では、実施の形態１のトルク推定部７で演算されたモータ発生トルクＴを用いる制御系のみが示され、その他の要素は省略されている。例えばモータ制御装置２００は、ｄｑ軸電流指令を生成して出力する電流指令演算部と、図示しない電流検出部で検出された相電流をｄｑ座標軸上でのｄｑ軸電流に変換して出力するｄｑ／三相変換部と、電流指令演算部から出力されたｄｑ軸電流指令とｄｑ／三相変換部から出力されたｄｑ軸電流とに基づいて電動機の角周波数およびｄｑ軸電圧指令を演算する演算部と、演算部で演算された角周波数を積分して位相として出力する位相演算部とを備えるものとする。主回路制御部２１０の比較部２１０ａではモータ１００内のトルク推定部７から出力されたモータ発生トルクＴとトルク指令との差分値が求められる。主回路制御部２１０のゲート信号生成部２１０ｂは、位相演算部と演算部で演算されたｄｑ軸電圧指令と位相により、比較部２１０ａから出力された差分値がゼロ、すなわちモータ１００で発生するトルクが要求されている一定トルクとなるようなゲート駆動信号を演算して主回路２１１へ出力する。
【００５８】
なお、実施の形態１のモータ１００は、第１のセンサ３と第２のセンサ５がモータ１００のステータコアの端部に嵌め込まれるブラケットに設置される例を説明したが第１のセンサ３と第２のセンサ５の設置場所はブラケットに限定されるものではない。例えばモータ１００のステータの軸方向端面と対向する位置に制御基板を設置してステータと制御基板が一体的に構成されている場合、第１のセンサ３はステータコアの軸方向の一端部に嵌め込まれるブラケットに設置され、第２のセンサ５はロータと対向するように制御基板に設置される。また実施の形態１では、一定トルクで運転中にモータ１００の電流位相を変化させる前と後で第１のセンサ３と第２のセンサ５の各々から出力された位置信号を用いてトルクを推定する構成例を説明したが、トルク推定動作はこれに限定されるものではなく、モータ１００のトルクが変動しているときでもよい。また実施の形態１ではトルク推定部７がモータ１００の内部に設けられている構成例を説明したが、トルク推定部７は、モータ制御装置２００の内部に設けてもよい。この場合、モータ１００は第１のセンサ３と第２のセンサ５とを備え、モータ制御装置２００は、第１のセンサ３と第２のセンサ５の各々から出力された位置信号の値からモータ１００の出力トルクを推定し、推定したトルクを図８に示す主回路制御部２１０へ出力するトルク推定部を備えるものとする。
【００５９】
以上に説明したように実施の形態１のモータ１００は、ロータ回転中に発生する電流位相の変化前後において、複数のセンサの各々から出力された位置信号の値から求めた複数のロータ間のロータ位相差から、モータの出力トルクを推定してモータ制御装置に出力するトルク推定部を備える。この構成により、スキュー構造のロータを採用したモータで発生するトルクを精度良く推測することができるため、モータ１００で推定されたモータトルクを用いて電動機を制御するモータ制御装置では、要求されている一定トルクでモータを運転させることができ、またモータとしての機能を失う前に運転を停止させることができる。また前述した従来技術のように複数種類のセンサを用いることなく出力トルクを推定できるため、モータの更なる小型化を図ることができる。また、上記のトルク推定部を備えたモータ制御装置２００においても同様の効果を得ることができる。
【００６０】
実施の形態２．
図９は実施の形態２に係る永久磁石式モータとモータに内蔵されるロータを模式的に表す図である。実施の形態２ではモータ１００の代わりにモータ１００Ａが用いられ、モータ１００Ａでは、実施の形態１の２つの第１のセンサ３と第２のセンサ５の代わりに、第２のロータ４に設けられた１つのセンサ８が用いられる。センサ８は、モータの回転軸１に配置される第２のロータ４に設置され、第２のロータ４と離間して回転軸１に配置される第１のロータ２に配置された複数の永久磁石の磁束の変化を検出することで第１のロータ２と第２のロータ４との相対的な回転位置を検出し、回転位置を示す位置信号を出力する。センサ８で検出された位置信号を読み出すスリップリング９が設けられている。図９ではセンサ８が第２のロータ４の軸方向一端面に設置されている。第２のロータ４の軸方向一端面は第１のロータ２と対向する面である。センサ８は、第１のロータ２に配置された複数の永久磁石の内、１つの永久磁石、例えば図２（Ａ）に示す１つの永久磁石２３の周方向中心と対向する位置に設置されている。
【００６１】
図１０は実施の形態２に係る永久磁石式モータにおけるモータ発生トルクの演算動作を説明するためのフローチャートである。図示しないモータ制御装置において必要トルクを最小電流で発生させる位相でモータが運転される（Ｓ２１）。ここで、実施の形態１では第１のセンサ３と第２のセンサ５が例えばステータのブラケットに配置されているため、第１のセンサ３と第２のセンサ５で検出される位置信号の波形は略正弦波形状となる。一方、実施の形態２のセンサ８は第２のロータ４と共に回転するため、センサ８で検出される位置信号は直流値となる。同一トルクを発生しながら電流位相を変化させた場合、第１のロータ２と第２のロータ４との間に位置する回転軸１のねじり剛性の値に応じて、第１のロータ２に対する第２のロータ４の回転方向における機械角度差、すなわち第１のロータ２と第２のロータ４と間のトルク差に起因したロータ位相差δＺが生じる。ロータ位相差δＺが生じた場合、センサ８で検出される位置信号は直流値であるがその値が変化する。具体的例で説明すると、センサ８は、第１のロータ２の永久磁石２３の周方向中心と対向する位置に設置されており、Ｓ２１でモータ１００Ａが運転されたときにセンサ８で検出される位置信号の値をＢＸと仮定した場合、同一トルクを発生しながら電流位相を変化させたときにセンサ８で検出される位置信号の値はＢＸｃｏｓδＺで変化する。この値はロータ位相差δＺと相関性がある。そのため実施の形態２のトルク推定部７Ａは、ＢＸｃｏｓδＺの値からロータ位相差δＺの値を求める（Ｓ２２）。すなわちトルク推定部７Ａは、一定トルクで運転中のモータ１００Ａの電流位相を変化させる前のセンサ８から出力された位置信号の値と、一定トルクで運転中のモータ１００Ａの電流位相を変化させた後のセンサ８から出力された位置信号の値との差分より、ロータ位相差δＺの値を求める。そしてトルク推定部７Ａは、上記（２０）式より磁束量Φｍを求め（Ｓ２３）、上記（１５）式よりモータ発生トルクＴを求める（Ｓ２４）。実施の形態２のモータ１００Ａによればセンサの数を低減することができ、例えばモータ１００Ａの構造上の制約によりセンサをブラケットに設置することが困難である場合にも出力トルクを推定することができる。
【００６２】
なお、実施の形態２のモータ１００Ａでは、センサ８が第２のロータ４の軸方向一端面に設置されているがセンサ８は第１のロータ２の軸方向一端面に設置してもよい。この場合、センサ８は、第２のロータ４に配置された複数の永久磁石の磁束の変化を検出することで第１のロータ２と第２のロータ４との相対的な回転位置を検出し、回転位置を示す位置信号を出力する。また実施の形態２では、一定トルクで運転中にモータ１００Ａの電流位相を変化させる前と後でセンサ８から出力された位置信号を用いてトルクを推定する構成例を説明したが、トルク推定動作はこれに限定されるものではなく、モータ１００Ａのトルクが変動しているときでもよい。また実施の形態２ではトルク推定部７Ａがモータ１００Ａの内部に設けられている構成例を説明したが、トルク推定部７Ａは、モータ制御装置の内部に設けてもよい。この場合、モータ１００Ａはセンサ８を備え、モータ制御装置は、センサ８から出力された位置信号の値からモータ１００Ａの出力トルクを推定し、推定したトルクを主回路制御部へ出力するトルク推定部を備えるものとする。
【００６３】
なお、実施の形態１，２のモータ１００，１００Ａは、同一トルクを発生しながら電流位相を変えることで複数のロータ間にトルク差を生じさせたときに検出されるロータ位相差δＺより、モータが発生するトルクを推定する構成である。同一トルクを発生しながら電流位相を変えることとは、言い換えると、モータが発生するトルクが０となるような位相で電流値を増加させることである。ここで上記の（１２）式より、トルクが０となる電流と位相の関係は下記（２２）式により一意に決まる。
【００６４】
【数２２】
0006472345.tif 000023
【００６５】
ところがＩＰＭモータの場合には一意に決まらない。ＩＰＭモータにおいてモータが発生するトルクが０となる条件は、上記の（１０）式と（１１）式との和が０になる場合であるため、下記（２３）式と（２４）式の関係性を満たす必要がある。
【００６６】
【数２３】
0006472345.tif 000024
【００６７】
【数２４】
0006472345.tif 000025
【００６８】
これ以上の式展開を実施しても簡素化されないため、ここで留めるが、ＩＰＭモータではＳＰＭモータと異なり、一意にθが決まるわけではなく、モータ定数であるΦｍ、Ｌｄ、およびＬｑに依存することがわかる。一方、モータ定数は式の上では一定として扱うが、実際のモータでは磁気飽和により変化する変数である。そのため特に電流値によりモータ定数が変化するため、実際にトルクが０となる位相は電流値により変化する。そのためトルクが０となる状態を正確に計算することは困難である。そのため実施の形態１，２のモータ１００，１００Ａは、予め試験で測定した電流値と電流位相の値とを対応付けたテーブルを有し、例えば図８に示すモータ制御装置２００で検出された電流値を入力して、テーブルを参照することによりこの電流値に対応する電流位相の値からトルクを推定する構成とすることにより、高精度なトルク０の状態、すなわち同一トルクの状態を実現することが出来る。
【００６９】
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
【符号の説明】
【００７０】
１  回転軸、２  第１のロータ、３  第１のセンサ、４  第２のロータ、５  第２のセンサ、６  スキューロータ、６Ａ  ロータ、７，７Ａ  トルク推定部、８  センサ、９  スリップリング、２１  ロータコア、２２，２３  永久磁石、４１  ロータコア、４２，４３  永久磁石、６１  ロータコア、６２，６３  永久磁石、１００，１００Ａ  永久磁石式モータ、２００  モータ制御装置、２１０  主回路制御部、２１０ａ  比較部、２１０ｂ  ゲート信号生成部、２１１  主回路。
【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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