(57)【要約】【課題】単相永久磁石モータ制御装置に関し、特に、低価格でかつ出力トルクの平坦な低振動，低騒音の単相永久磁石モータ制御装置、及びこれを用いたファン並びにポンプに関する。【解決手段】上記の課題を達成するために、永久磁石を有する回転子と、単相の巻線を有する固定子とを有し、かつ両者の磁気作用によってコギングトルクを発生する機構を有する単相永久磁石モータと、直流電源より前記単相永久磁石モータに交流電流を供給する変換装置と、これを制御する制御装置とを有する単相永久磁石モータ制御装置であって、前記単相永久磁石モータのコギングトルクと誘起電圧の波形情報を持って、前記変換装置を制御する制御装置とを備える。【選択図】図１
2008029116.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石を有する回転子と、単相の巻線を有する固定子とを有し、かつ両者の磁気作用によってコギングトルクを発生する単相永久磁石モータを駆動する電力変換器を制御する単相永久磁石モータ制御装置であって、
前記単相永久磁石モータのコギングトルクと誘起電圧の波形情報を有することを特徴とする単相永久磁石モータ制御装置。
【請求項２】
請求項１において、単相永久磁石モータの固定子鉄心の空隙面の形状を回転方向によって異ならしめたことを特徴とする単相永久磁石モータ制御装置。
【請求項３】
請求項１において、温度検出機能を持ち、これによって温度によってコギングトルク、誘起電圧情報を修正する機能を有する単相永久磁石モータ制御装置。
【請求項４】
請求項１において、出力トルク及び出力電力を算出し、これを周波数分析して上で、各周波数毎に制御したことを特徴とする単相永久磁石モータ制御装置。
【請求項５】
請求項１において、周方向を複数の区間に分割し、その区間毎に制御することを特徴とする単相永久磁石モータ制御装置。
【請求項６】
請求項１において、積分制御を含まない制御であることを特徴とする単相永久磁石モータ制御装置。
【請求項７】
請求項１項記載の単相永久磁石モータ制御装置を備えたファン及びポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は単相永久磁石モータ制御装置に関し、特に、低価格でかつ出力トルクの平坦な低振動，低騒音の単相永久磁石モータ制御装置、及びこれを用いたファン並びにポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
ファンの駆動源として価格が安いことから単相の永久磁石モータ制御装置を使用している。単相永久磁石モータは原理上、単相の巻線に流した電流と永久磁石の磁束とによるトルクが少なくとも回転方向で、電気角１サイクルで、２回の零もしくは負のトルク領域を生じる。このために、固定子鉄心の周方向の空隙長を変化させて、固定子鉄心と永久磁石によるコギングトルクで前記零もしくは負のトルクを埋め合わせ、負のトルクが生じないように制御、もしくは固定子鉄心の形状を工夫している。
【０００３】
この単相永久磁石モータ制御装置は一般の３相モータに比較して、巻線が１組（３相では３組）で、ホール素子が１個（３相では３個要）で済み、かつ変換回路もＨブリッジですむために構成素子数も４個（３相では６個要）となり、価格メリットが大きい。一方、前記のような制約によって、運転時の出力トルクが平坦になりにくく、振動騒音が発生しやすい等の欠点があった。
【０００４】
また、用途としては、前記のファンの他に自動車用を主としたポンプへの応用が増加する傾向がある。自動車の燃費向上として、エンジンによるポンプ駆動に変わってモータ制御をすることによって省電力制御が達成できる点、あるいは、アイドルストップの実施でエンジンでのポンプ駆動が制約される点等が電気モータによるポンプ駆動の採用，拡大の大きな理由である。この場合、低価格が非常に重要であり、かつファン，ポンプの場合、大きな起動トルクを必要とせず、単相永久磁石モータの大きな欠点である起動トルクが出にくい等の欠点が問題とならない。このため、単相永久磁石モータを採用し易い点である。
【０００５】
単相永久磁石モータの代表的な制御の開示例を特開２００４−８８８７０号公報に示す。特開２００４−８８８７０号公報には単相永久磁石モータのトルク脈動を低減するために、モータの電気的に反サイクルの中で、電流が大きくなる２カ所に制限を設けることによってトルク脈動を小さくしようとする例を開示している。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−８８８７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特開２００４−８８８７０号公報では、簡単な構成で、トルクリプルをある程度低減する効果がある。
【０００８】
しかし、回転数が変わった場合、及び負荷が変わった場合、及び温度が変わった場合等には十分には対応できず、トルクリプルが発生し、振動，騒音を発生せしめる恐れがある。
【０００９】
本発明は、以上示した従来例の課題を解決し、負荷変動時にもある程度対応してトルクリプルを低減し、これによって、低振動，低騒音，低コストの単相永久磁石モータ制御装置及びこれを用いたファン並びにポンプを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一つの特徴は、永久磁石を有する回転子と、単相の巻線を有する固定子とを有し、かつ両者の磁気作用によってコギングトルクを発生する単相永久磁石モータを駆動する電力変換器を有する単相永久磁石モータ制御装置であって、前記単相永久磁石モータのコギングトルクと誘起電圧の波形情報を有することである。
【発明の効果】
【００１１】
低振動，低騒音，低コストの単相永久磁石モータ制御装置及びこれを用いたファン並びにポンプを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照し、説明する。
【００１３】
図１は、本発明対象の一実施形態による単相永久磁石モータ制御装置の構成を示す。図２はその要部の詳細を示す。図３はその動作説明図を示す。
【００１４】
図１において、単相永久磁石モータ制御装置１は単相永久磁石モータ２と，直流電源
Ｅdcから単相永久磁石モータ２に交流電力を供給する役目を持つ変換器５と，変換器５の出力電流を制御する制御回路６とから構成される。
【００１５】
単相永久磁石モータ２は固定子３と回転子４とから構成される。ここでは、固定子３が内周で、回転子４を外周に配置したいわゆる外転型モータで説明するが、内転型モータ、もしくはその他のモータでも同様である。また、回転子４は永久磁石の極数が４の例で示したが、本発明の効果は極数には依存しない。
【００１６】
図１で、固定子３は固定子鉄心９と固定子鉄心９に巻回した固定子巻線１０とその支持装置（ここでは図示せず）とから構成される。一般的に、固定子鉄心９は薄板の珪素鋼板を打ち抜き、積層したものが、一般使用されているが、圧粉鉄心等によって、作られたものでも良い。固定子鉄心９の突極は図示のように、４個で、回転子４の永久磁石７の個数４と等しくする。４個の固定子巻線１０は直列に接続されて変換器５に図示のように接続される。
【００１７】
また、回転子４は永久磁石７と，その外周に配置され、永久磁石７の磁気回路を構成すると共に出力軸であるシャフト（図示せず）への機械的な連結の役割を有する回転子鉄心８とから構成される。ここで磁石は一般には低価格のためにフェライトのゴム磁石、あるいはプラスチックの磁石が使用される。
【００１８】
図１で、固定子鉄心９の空隙面には、回転子４と固定子３との空隙が回転方向ではほぼ一定に、反回転方向（ここでは回転子４は反時計方向に回転するものとする）では徐々に拡大するように、特に固定子鉄心９の反回転方向では９１で示すように空隙長が大きく、回転方向では９２で示すように空隙長が小さく一定になるような形状に選定する。単相永久磁石モータは原理上、単相の巻線に流した電流と永久磁石の磁束とによるトルクが少なくとも回転方向で、電気角１サイクルで、２回の零もしくは負のトルク領域を生じる。上記の形状を取ることによって、前記零もしくは負のトルクを埋め合わせうるコギングトルクを効果的に発生でき、低振動，低騒音にすることができる。
【００１９】
回転子４の永久磁石７の軸端には、固定子３に位置検出器１１（一般にはホール素子が使用され、永久磁石７の磁束を検出する方式である）が配置され、これによって、永久磁石７の位置を検出し、変換器５を介して、単相永久磁石モータ２に効果的な電流を通電させる役目を持っている。単相永久磁石モータの固定子巻線１０もしくは変換器５の中には電流センサ１８をもち、これによって、固定子巻線１０に通電する電流を常に監視する構成である。
【００２０】
制御回路６は前述の位置検出器１１と電流センサ１８の情報と、予め蓄えられたコギングトルク情報１３と誘起電圧情報１４とから単相永久磁石モータへ電力を供給する変換器５の制御を行う。
【００２１】
角度変換部１２は、位置検出器１１の情報を元に回転子４の電気角度θを推定する演算器であり、位置検出器１１の出力信号の正負の切り替えの周期で回転子４の平均速度を計算すると共に、制御周期における時間経過によって回転子の角度を計算推定することができる。また、位置検出器１１の正負の情報によって変換器５の通電方法の正負を決定するものである。
【００２２】
図２には本発明の一実施例の要部の詳細を示す。脈動トルク算出手段１６は電流センサ１８の出力，角度変換部１２の出力と、コギングトルク情報１３と、誘起電圧情報１４とから出力トルクを演算する出力トルク演算手段１７と、この出力トルク演算手段１７の平均値を算出する平均トルク演算手段１９と、脈動トルク算出手段２０とからなる。
【００２３】
以下、脈動トルクの算定方法について詳述する。
【００２４】
まず、永久磁石による磁束と固定子巻線に流れる電流との電磁気的なトルクＴｗ（θ）は以下の式によって表示できる。
【００２５】
【数１】
2008029116.tif 000003
ここで、ωは回転角速度の情報を
Ｅ０（θ）は各速度ωにおける角度θに対する誘起電圧情報を
Ｉ（θ）は電流センサにより得られた電流情報を示す。
ωは回転角速度の情報を示す。
【００２６】
従って、単相永久磁石モータが発生する全体のトルクＴｔ（θ）は
【００２７】
【数２】
2008029116.tif 000004
ここで、Ｔｃｏｇ（θ）は回転角に対するコギングトルクを示す。
【００２８】
一方、平均トルクＴａｖは全体のトルクＴｔ（θ）の電気角１サイクル（必要によっては半サイクルでも可能）分の平均を取って、以下の式で算出できる。
【００２９】
【数３】
2008029116.tif 000005
【００３０】
従って、脈動トルク分Ｔａｃ（θ）は次式で表示できる。
【００３１】
【数４】
2008029116.tif 000006
【００３２】
図１において、単相永久磁石モータは速度制御手段１５によって一般には速度指令Ｎｓになるように制御される。前述のように位置検出器１１の電気角１サイクルの周期から演算された速度フィードバック情報に基づいて必要に応じて、比例積分制御等を用いて制御を行うものとする。一方、脈動トルク算出手段１６によって算出された脈動トルク情報によって、位置検出器１１の１サイクルの中を細かく分割して補正信号を作る。速度制御手段１５と脈動トルク算出手段１６による補正信号とは駆動信号演算作成回路５１で合成し、変換器５を制御する。それによって補正制御を行うことで単相永久磁石モータの出力トルクを平坦にすることが可能である。
【００３３】
図３は本発明の上記の制御の動作説明図を示したものである。
（ａ）に位置検出器１１の出力信号を示す。（ｃ）で示す誘起電圧に対して進ませておくことも可能である。この信号の半サイクルもしくは１サイクルの信号の周期より永久磁石回転子の速度情報が算出できる。
（ｂ）はモータの端子電圧である。基本的には位置検出器の負から正へのゼロクロス点で正の電圧信号を印加する。電圧の高さはＰＷＭ（Pulse width Modulation）等によって調節される。零クロス点から一定時間遅らせることによって、（ｃ）で示す誘起電圧に対して進ませることも、あるいは遅らせることも可能である。
（ｃ）は回転電気角に対する誘起電圧情報である。一般にはこの誘起電圧を回転速度でわり算した誘起電圧常数で格納され、回転速度を乗算することによって誘起電圧に変換することができる。
（ｄ）は電流情報であり、電流センサ１８より取り込まれる情報である。順次、測定してメモリに格納する。
（ｅ）は回転電機角に対するコギングトルク情報を示す。予め、測定してメモリに格納する。
（ｆ）は永久磁石による磁束（誘起電圧）と固定子巻線に流れる電流との電磁気的なトルクＴｗ（θ）で（１）式によって求められる。
（ｇ）は全体トルクを示し、上述のトルクＴｗ（θ）とコギングトルクの和で（２）式で示されるトルクである。
（ｈ）は脈動トルクを示すもので（３），（４）式によって算出されるものである。
【００３４】
駆動信号演算作成回路５１によって速度制御手段１５の出力と、脈動トルク算出手段
１６からの出力を合成して変換器５を制御する信号をつくる。以上の制御によって、図３（ｇ）のトルクリプルが修正され、トルクリプルの少ない単相永久磁石モータ制御装置を提供することができる。
【００３５】
上記の制御はファン，ポンプの制御であり、制御の応答周波数は数ヘルツ以下と非常にゆっくりしたものであるために、制御は安定的に行われる。
【００３６】
また、速度制御の周期は電気的に１サイクル毎、脈動トルクの補正はその整数倍毎に行うことも可能である。また、必要に応じて速度指令Ｎｓ信号を大きく変える過渡時にはその制御を停止させることも可能である。
【００３７】
単相永久磁石モータは３相モータに対して、図１で示したように、一般の３相モータに比較して巻線が１組で、ホール素子が１個（３相では３個要）で済み、かつ変換回路もＨブリッジで済むために構成素子数も４個となり、価格メリットが大きい、一方、前記のような制御によって、運転トルクを平坦化でき、３相モータに対して遜色のない低騒音，低振動の永久磁石モータ制御装置を提供することができる。
【００３８】
以上の構成で、コギングトルク情報１３，誘起電圧情報１４はそれぞれ空隙磁束密度の２乗に、あるいは比例する情報であり、空隙磁束密度は温度に比例する情報であるために例えば、単相永久磁石モータ制御装置内に温度センサを設け、それによってコギングトルク情報１３，誘起電圧情報１４を補正すれば、更に精度の良い制御を行うことができる。
【００３９】
また、速度制御を電気角の半周期毎に制御し、その周期内を複数分割して脈動トルク補正制御をすることによって高精度の制御が可能となる。
【００４０】
また、脈動トルク補正制御は各常数の精度，温度依存性等を考えると、積分制御による偏差零の制御よりは偏差は残るが、比例制御のみの方が、安定な制御が達成できる場合も選択できる。
【００４１】
なお、この単相永久磁石モータ制御装置を電動ファン、及び電動ポンプに採用し、備えることによって、簡単な構成で、低価格，小型軽量，低騒音，低振動の電動ファン，電動ポンプを提供することが可能である。
【００４２】
次に、本発明の他の実施例について説明する。
【００４３】
図４は、本発明対象の他の実施例の要部の詳細を示す。図５に本発明の他の実施例の動作説明図を示す。
【００４４】
前述の発明に対して１６の脈動トルク算出手段が異なるのみである。
【００４５】
前述と同様の制御によって、図４（ｈ）の脈動トルクが算出できる。
【００４６】
本実施例ではここから、脈動トルクを各周波数成分に分解してそれぞれの周波数毎の制御させたものである。ここでは、二つの周波数、例えば電気周波数の基本波の２倍成分及び４倍成分のトルク脈動を低減する方法を示したものである。
【００４７】
基本的には、脈動トルクの中で２つの周波数成分の位相と大きさをそれぞれ算出し、それぞれの周波数毎に、比例，積分制御することによって全体トルクの脈動を低減することができる。
【００４８】
以下、具体的な実施例と動作を図に基づいて説明する。
【００４９】
図４の他の一実施形態による構成で、脈動トルク算出手段１６は電流センサ１８の出力、角度変換部１２の出力と、コギングトルク情報１３と、誘起電圧情報１４とから出力トルクを演算する出力トルク演算手段１７と、この出力トルク演算手段１７の平均値を算出する平均トルクと、脈動トルクを算出する脈動トルク算出手段２０とからなる。これは、図５に示した（ｈ）のように分解できる。この脈動トルクに対して例えば一つには基本周波数の２倍成分の位相，大きさの算出手段２１でその位相と大きさをフーリエ積分を用いて算出することができる。基本波の２倍成分の補正信号発生手段２２では基本波の２倍成分の目標を０とする制御であり、これによって算出された脈動トルクの基本波の２倍成分に対する補正トルクを発生させる。これによって、選択的に、脈動トルクの基本波の２倍成分の脈動を抑制することができる。
【００５０】
また、この脈動トルクの基本周波数の４倍成分についても同様に、位相，大きさをその算出手段２３でフーリエ積分を用いて算出することができる。さらに、基本波の４倍成分の補正信号発生手段２４では基本波の４倍成分の目標を０とする制御をおこない、これによって算出された脈動トルクの基本波の４倍成分に対する補正トルクを発生させる。更に補正信号合成手段２５によって、制御することによって、２つの周波数成分のトルク脈動を選択的に抑制することができる。
【００５１】
図５（ｉ）には図５に示した（ｈ）の脈動トルクを分析した基本周波数の２倍成分及び４倍成分のトルクを示すもので、基本周波数の２倍成分の位相，大きさの算出手段２１，基本周波数の４倍成分の位相，大きさの算出手段２３の出力成分をしめす。これから、効果的な補正信号を作ることによってトルク脈動を低減することが可能である。
【００５２】
一般的には、電動ポンプ，電動ファン等に発生する振動，騒音は電気角に整数倍の要因に基づくものが多く、従って各周波数毎にその要因を低減できる本方式は効果的であると考える。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の一実施例の単相永久磁石モータ駆動回路を示す。
【図２】本発明の一実施例の要部の詳細を示す。
【図３】本発明の一実施例の動作説明図を示す。
【図４】本発明の他の実施例の要部の詳細を示す。
【図５】本発明の他の実施例の動作説明図を示す。
【符号の説明】
【００５４】
１…単相永久磁石モータ制御装置、２…単相永久磁石モータ、３…固定子、４…回転子、５…変換器、６…制御回路、７…永久磁石、８…回転子鉄心、９…固定子鉄心、１０…固定子巻線、１１…位置検出器、１２…角度変換部，１３…コギングトルク情報、１４…誘起電圧情報，１５…速度制御手段、１６，２０…脈動トルク算出手段、１７…出力トルク演算手段、１８…電流センサ、１９…平均トルク演算手段、２１…基本周波数の２倍成分の位相，大きさの算出手段、２２…基本波の２倍成分の補正信号発生手段、２３…基本周波数の４倍成分の位相，大きさの算出手段、２４…基本波の４倍成分の補正信号発生手段、２５…補正信号合成手段、５１…駆動信号演算作成回路、Ｅｄｃ…直流電源、９１…固定子鉄心表面の空隙長大きい部分、９２…固定子鉄心表面の空隙長小さい部分。
【図１】
2008029116.tif 000007
【図２】
2008029116.tif 000008
【図３】
2008029116.tif 000009
【図４】
2008029116.tif 000010
【図５】
2008029116.tif 000011