(57)【要約】第１の物体と第２の物体と永久磁石と巻線（１５、１６、１７）を有し、第１の物体と第２の物体の相対運動によって巻線に起電力を発生する電動機（１８）と、巻線に電流を供給し、起電力の大きさが異なると永久磁石に対する電流の位相が異なる特性を有する電源回路（１９）を有する。電源回路（１９）は、脱調時に電流の周波数を脱調前に対して変化させた後、電動機（１８）の再起動を行う。これにより、脱調状態を適切に判断して本来の機能を回復できる動力発生装置を提供する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の物体と第２の物体と永久磁石と巻線とを有し、前記第１の物体と前記第２の物体の相対運動によって前記巻線に起電力を発生する電動機と、
前記巻線に電流を供給し、前記起電力の大きさが異なると前記永久磁石に対する電流の位相が異なる特性を有する電源回路と、を有し、
前記電源回路は、脱調時における前記電流の周波数を、脱調前に対して変化させた後、前記電動機の再起動を行うように構成される動力発生装置。
【請求項２】
前記電源回路は、前記起電力の大きさが小さい場合、前記永久磁石に対する電流位相が進む特性を有し、
前記電動機の速度がゼロとなる脱調時において、前記巻線の前記電流の周波数が所定値を超えた後、前記電動機の再起動を行うように構成される請求項１に記載の動力発生装置。
【請求項３】
前記電源回路は、前記起電力の大きさが小さい場合、前記永久磁石に対する電流位相が遅れる特性を有し、
前記電動機の速度がゼロとなる脱調時において、前記巻線の前記電流の周波数が所定値以下になった後、前記電動機の再起動を行うように構成される請求項１に記載の動力発生装置。
【請求項４】
前記電源回路は、速度信号を出力する速度信号発生部と、前記速度信号を時間積分した位相信号を出力する積分部と、電圧信号出力部と、電流信号出力部と、第１の起電力計算部と、を有し、
前記電圧信号出力部は、前記位相信号が入力されると、前記巻線の電圧の第１の位相成分を出力し、
前記電流信号出力部は、前記位相信号が入力されると、前記巻線の電流の第１の位相成分と、前記巻線の電流の第１の位相成分と直交する前記巻線の電流の第２の位相成分を出力し、
前記第１の起電力計算部は、前記電圧信号出力部と前記電流信号出力部の出力に基づいて、前記起電力の第１の位相成分を計算して出力し、
前記速度信号発生部は、前記第１の起電力計算部の出力が第１の所定値となるように前記速度信号を加減するように構成される請求項１に記載の動力発生装置。
【請求項５】
前記電源回路は、巻線電流制御部を有し、
前記巻線電流制御部は、前記巻線の電流の位相信号に同期して回転する直交座標の２つの成分である第１の電流指令値と第２の電流指令値が等しくなるように、前記巻線に印加する電圧を加減するように構成される請求項１に記載の動力発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般家庭で使用される電気洗濯機、エアコン、冷蔵庫などの家電製品や、事務所、業務用、交通機関などの動力源として使用される動力発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、第１の速度推定部と、第１の速度推定部と異なる推定方法を備える第２の速度推定部を設けて、脱調を検出する動力発生装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。第１の速度推定部は、永久磁石を用いた電動機の回転子の軸誤差ΔθもしくはΔθｍがゼロに収束するように回転速度を推定し、第１の推定回転速度を出力する。第２の速度推定部は、第１の推定回転速度が速度指令に追従するように電動機を制御するとともに、異なる推定方法で推定した第２の推定回転速度を出力する。【０００３】
図１３は、特許文献１に記載の従来の動力発生装置のブロック図である。【０００４】
図１３に示すように、特許文献１の動力発生装置は、永久磁石を有する電動機１、ＰＷＭインバータ２、座標変換器３、４、電流制御部５、速度制御部６、磁束制御部７、第１速度推定部８、積分器９、第２速度推定部１０、脱調判断部１１を有する。第１速度推定部８は、電動機１の回転子の回転速度を推定し、得られた第１推定回転速度ωｅが速度指令ω＊に追従するように電動機１を制御する。第２速度推定部１０は、第１速度推定部８とは異なる推定方式を用いて、電動機１の回転子の回転速度を推定する。脱調判断部１１は、推定された第２速度推定部１０が得る第２推定回転速度ω２ｅと、第１推定回転速度ωｅまたは速度指令ω＊と、を比較する。そして、比較結果に基づいて、電動機１の脱調を検出し、電動機１の回転を制御する。【０００５】
また、電動機の起動時に、電流検出部から入力される電流値の相関値と、電動機に印加する電圧指令値に基づいて入力有効電力を算出し、入力有効電力が所定の閾値より小さい場合に、軸ロック（すなわち脱調）を検知する動力発生装置が開示されている（例えば、特許文献２参照）。【０００６】
図１４は、特許文献２に記載の従来の動力発生装置のブロック図である。【０００７】
図１４に示すように、特許文献２の動力発生装置は、電動機の起動時に、電動機の電流値の相関値であるＩｄｃ、Ｉｑｃ、および電動機に印加する電圧に対応する電圧指令値Ｖ＊ｄｃ、Ｖ＊ｑｃを、入力有効電力演算部１２で演算する。入力有効電力演算部１２は、得られた入力有効電力値Ｐｉを、軸ロック判定部１３に出力する。軸ロック判定部１３には、速度指令値ω１＊も入力される。そして、軸ロック判定部１３は、入力された入力有効電力値Ｐｉが速度指令値ω１＊の条件での閾値より小さい場合、電動機の軸ロックが発生していると判断し、電動機の駆動を停止させる。これにより、特許文献２の動力発生装置は、軸ロック検出部１４を構成している。【０００８】
つまり、上記従来の動力発生装置は、永久磁石を有する電動機の速度がかなり高い状態で、巻線に発生する誘導起電力が十分に高く、また巻線抵抗や誘導係数がある程度小さい場合における、脱調検知を目的としている。そのため、上述の条件が満たされない場合、脱調検知において、誤った判断をする虞がある。例えば、誤った判断として、実際には脱調していない正常な運転状態にも係わらず、脱調であると判断する場合がある。また、逆に、実際は脱調の状態にも係わらず、正常な運転状態であると判断する場合などがある。【０００９】
しかしながら、従来の動力発生装置は、誤った判断に対応できる脱調検知の構成を備えていない。【００１０】
つまり、特許文献１の動力発生装置は、電動機の低速回転で発生する誘導起電力が小さい条件の場合、軸誤差ΔθもしくはΔθｍがゼロ付近の微小な値となっている状態と算出しても、実際の軸誤差が大きい場合がある。また、巻線抵抗が大きく、トルクを要する運転中（力行）の場合、巻線抵抗による電圧降下は大で、かつ巻線抵抗のバラツキや温度による巻線抵抗の変化による変動も大となる。そのため、第２速度推定部１０で推定される第２推定回転速度の信頼性が低くなる。具体的には、例えばδ軸成分の電圧からの判断が不可能となる。【００１１】
つまり、低速でトルクを要する運転中（力行）の場合、電動機の回転によって発生する誘導起電力が小さく、巻線抵抗による電圧降下は大きくなる。さらに、巻線抵抗のバラツキや温度による巻線抵抗の変化による変動も大きくなる。これにより、第２速度推定部１０で推定される第２推定回転速度の信頼性が低くなるため、例えばδ軸成分の電圧からの判断が困難となる。【００１２】
また、特許文献２の動力発生装置は、上記と同様に、巻線抵抗が大きい設計仕様の場合、軸ロック検出の信頼性が低下する。さらに、起動直後に必要なトルクが大きい場合、軸ロックの有／無に係わらず、巻線抵抗で消費される電力（銅損）が大きくなる。そのため、入力有効電力演算部１２の出力差に基づいた軸ロックの有／無の判断が難しくなる。【００１３】
一方、逆に、必要なトルクが小さい場合、軸ロックしていない状態における電動機への入力電力も小さい。そのため、小さい入力電力よりも、さらに小さい閾値に基づいて、軸ロックの状態を判断することは困難である。【００１４】
また、近年、巻線に使用されていた銅線を、アルミ線に替えた電動機も多くなっている。そのため、巻線抵抗が、さらに増大する傾向にある。これにより、上記脱調の判断が、さらに困難になっている。【００１５】
また、電動機に発光素子、受光素子、ホール素子などを設けて、適宜、永久磁石の速度および位置に関する信号を利用する動力発生装置も存在する。つまり、上記動力発生装置は、離散的な速度・位置情報を補間する推定を行う。しかし、補間しながら推定する場合、電動機の脱調の検出遅れや、検出が困難となることがある。そのため、上記動力発生装置においても、同様に、脱調の判断が困難となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２００７−２８２３８９号公報
【特許文献２】特開２０１３−１４６１６２号公報
【発明の概要】
【００１７】
本発明は、電動機の脱調状態を適切に判断し、脱調状態と検知した場合、早期に、再起動可能な動力発生装置を提供する。
【００１８】
本発明の動力発生装置は、電動機の巻線に電流を供給し、起電力の大きさが異なると、永久磁石に対する電流の位相が異なる特性を有する電源回路を有し、電源回路は、脱調時に電流の周波数を変化させた後、再起動を行うように構成される。
【００１９】
この構成によれば、電動機の巻線抵抗が大きい仕様や、低速で誘導起電力が低い駆動条件などの場合においても、脱調の誤検知を低減できる。また、脱調状態から、電動機を適切で迅速に再起動できる。これにより、電気エネルギー、および時間の無駄が抑制可能な動力発生装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１における動力発生装置のブロック図である。
【図２】図２は、同実施の形態における動力発生装置のインバータ回路の回路図である。
【図３】図３は、同実施の形態における電動機と負荷の構成図である。
【図４】図４は、同実施の形態における動力発生装置のベクトル図である。
【図５Ａ】図５Ａは、同実施の形態における動力発生装置の正常動作時の速度波形図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、同実施の形態における動力発生装置の動作時に脱調が発生した状態の速度波形図である。
【図６Ａ】図６Ａは、同実施の形態における動力発生装置の正常動作時の位相波形図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、同実施の形態における動力発生装置の動作時に脱調が発生した状態の位相波形図である。
【図７】図７は、同実施の形態における動力発生装置のベクトル図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態２における動力発生装置のベクトル図である。
【図９Ａ】図９Ａは、同実施の形態における動力発生装置の正常動作時の速度波形図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、同実施の形態における動力発生装置の動作時に脱調が発生した状態の速度波形図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、同実施の形態における動力発生装置の正常動作時の位相波形図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、同実施の形態における動力発生装置の動作時に脱調が発生した状態の位相波形図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施の形態３における動力発生装置のブロック図である。
【図１２】図１２は、同実施の形態における動力発生装置のベクトル図である。
【図１３】図１３は、特許文献１に記載の従来の動力発生装置のブロック図である。
【図１４】図１４は、特許文献２に記載の従来の動力発生装置のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２２】
（実施の形態１）
まず、本発明の実施の形態１における動力発生装置の構成について、図１を参照しながら、説明する。
【００２３】
図１は、本発明の実施の形態１における動力発生装置のブロック図である。
【００２４】
図１に示すように、本実施の形態の動力発生装置は、巻線１５、１６、１７を有する電動機１８と、巻線１５、１６、１７に電流を供給する電源回路１９などから構成される。
【００２５】
電源回路１９は、巻線１５、１６、１７の電流を制御する巻線電流制御部２０、第１の起電力計算部２１、加算器２２、第１の所定値発生部２３、速度信号発生部２４、積分部２５、速度指令部２６、減算器２７、電流指令値発生部２８、再起動信号発生部２９などを含む。巻線電流制御部２０は、減算器３０、３１、電圧信号出力部３２、２相３相変換部３３、電流信号出力部３４、インバータ回路３５など含む。
【００２６】
以上のように、本実施の形態の動力発生装置は構成される。
【００２７】
つぎに、本実施の形態の動力発生装置のインバータ回路３５について、図２を参照しながら、説明する。
【００２８】
図２は、同実施の形態の動力発生装置のインバータ回路３５の回路図である。
【００２９】
インバータ回路３５は、図２に示すように、直流電源３７と、スイッチング素子３８、３９、４０、４１、４２、４３と、駆動回路４４と、ＰＷＭ変調部４５ａと、電流検知部４６などを含む。直流電源３７は、交流１００Ｖの商用電源を倍電圧整流する回路などで構成され、例えば２８０Ｖ程度の直流電圧をスイッチング素子３８、３９、４０、４１、４２、４３に出力する。スイッチング素子３８、３９、４０、４１、４２、４３は、コレクタ端子−エミッタ端子間にダイオードが接続された、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）で構成される。スイッチング素子３８と４１、スイッチング素子３９と４２、およびスイッチング素子４０と４３は、それぞれ直列に接続される。さらに、直列に接続された、一対のスイッチング素子３８、４１、一対のスイッチング素子３９、４２および一対のスイッチング素子４０、４３は、互いに並列に接続される。スイッチング素子３８、３９、４０のそれぞれのエミッタ端子は、対応するスイッチング素子４１、４２、４３のコレクタ端子と接続される。そして、接続された、それぞれの接続点からＵ、Ｖ、Ｗの３相の電圧ＶＵ、ＶＶ、ＶＷが、電動機１８に出力される。
【００３０】
駆動回路４４は、スイッチング素子３８、３９、４０、４１、４２、４３の、それぞれのゲート端子と接続される。駆動回路４４は、マイクロコンピュータ４５に含まれるＰＷＭ変調部４５ａからの、駆動信号ＵＰ、ＵＮ、ＶＰ、ＶＮ、ＷＰ、ＷＮに基づいて、スイッチング素子３８、３９、４０、４１、４２、４３を、所定の順序に従ってオン・オフ駆動する。
【００３１】
電流検知部４６は、低電位側となるスイッチング素子４１、４２、４３のそれぞれのエミッタ端子に接続されるシャント抵抗４７、４８、４９と、増幅器５０などを含む。電流検知部４６は、駆動回路４４がスイッチング素子４１、４２、４３をオンしている期間中に、シャント抵抗４７、４８、４９に生じる電圧を検知する。増幅器５０は、検知された電圧を増幅する。そして、３相のそれぞれの相を流れる電流に相当する、アナログ電圧信号およびそのデジタル変換値に対応するＩＵ、ＩＶ、ＩＷを、マイクロコンピュータ４５に出力する。入力されたＩＵ、ＩＶ、ＩＷに基づいて、マイクロコンピュータ４５は、ＰＷＭ変調部４５ａから、駆動信号ＵＰ、ＵＮ、ＶＰ、ＶＮ、ＷＰ、ＷＮを駆動回路４４に出力する。
【００３２】
なお、電流検知部４６は、上記の構成以外に、直流からの電流値を、３相巻線のうちの２相以上の巻線から、コアと磁気検知素子などで検知する、例えばＤＣＣＴ（ＤＣ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）と呼ばれる方法で検知する構成としてもよい。
【００３３】
また、電流検知部４６として、上述のシャント抵抗を１本のみで構成してもよい。この場合、それぞれの相の低電位側のスイッチング素子のオン時間との対応関係に基づいて、オン時間中において、個別に電流値を検知する。これにより、３相の全ての電流値を、１本のシャント抵抗のみで検知できる。
【００３４】
以上のように、本実施の形態の動力発生装置のインバータ回路３５は構成される。
【００３５】
つぎに、本実施の形態の動力発生装置の電動機１８と負荷６３の構成について、図３を参照しながら、説明する。
【００３６】
図３は、同実施の形態における電動機１８と負荷６３の構成図である。
【００３７】
図３に示すように、電動機１８は、第１の物体５１と、第２の物体５２などを含む。第１の物体５１は、一般にステータ（固定子）と称され、巻線１５、１６、１７で構成される。第２の物体５２は、一般にロータ（回転子）と称され、第１の物体５１に対して、回転自在に支持される。第２の物体５２は、例えば鉄芯５５の表面に永久磁石５６、５７、５８、５９が接着された状態で形成される。本実施の形態において、第２の物体５２は、永久磁石５６、５８の外側がＮ極、永久磁石５７、５９の外側がＳ極となるように着磁され、４極の極数で構成される。
【００３８】
つまり、電動機１８は、第１の物体５１に対して、第２の物体５２が回転自在に配設され、回転方向に相対運動が可能な状態で構成される。そのため、第１の物体と第２の物体の相対運動（すなわち回転運動）により、永久磁石５６、５７、５８、５９からの磁束と、巻線１５、１６、１７との鎖交する状態が、回転の角度によって変化する。これにより、第１の物体５１である巻線１５、１６、１７に、起電力（あるいは誘導起電力と称される）が発生する。
【００３９】
軸６０は、第２の物体５２と一体的に構成され、回転自在に設けられる。軸６０は、クラッチ６５、６６を有するカップリング６１および軸６２を介して、負荷６３に接続される。このとき、カップリング６１のクラッチ６５、６６が噛み合うことにより、第２の物体５２のトルクが負荷６３に伝達される。
【００４０】
なお、上記実施の形態では、第１の物体５１が固定され、第２の物体５２が相対運動（回転運動）する構成を例に説明したが、これに限られない。例えば、第２の物体５２を固定し、第１の物体５１の相対運動が可能な構成としてもよい。この場合、軸６０は、第１の物体５１に設けることが好ましい。さらに、相対運動は、上記回転運動以外に、直線運動を行う構成としてもよい。
【００４１】
また、上記実施の形態では、第１の物体５１に３相の巻線１５、１６、１７、第２の物体５２に４つの永久磁石５６、５７、５８、５９を設ける構成を例に説明したが、これに限られない。例えば、第１の物体５１あるいは第２の物体５２のいずれか一方に、巻線と永久磁石の両方を設ける構成としてもよい。この場合、他方は、巻線も永久磁石も設けない構成となる。しかし、例えば磁気回路を構成するクローポールなどを有する構成とすればよい。この構成によれば、第１の物体５１と第２の物体５２との相対運動により、永久磁石から発せられる磁束と、巻線との鎖交する度合いが変化する構成が実現される。つまり、相対運動によって起電力を発生させることができるため、上記構成も有効な構成となる。
【００４２】
以上のように、本実施の形態の動力発生装置の電動機１８と負荷６３は構成される。
【００４３】
つぎに、上記構成の動力発生装置の巻線電流制御部２０の制御動作について、図１を参照しながら、説明する。
【００４４】
電源回路１９の巻線電流制御部２０は、一般にベクトル制御と呼ばれる方法で制御を行う。
【００４５】
つまり、電動機１８の巻線１５、１６、１７に供給するアナログ電圧信号およびそのデジタル変換値に対応するＩＵ、ＩＶ、ＩＷは、電流信号出力部３４によって、推定ｄ軸（γ軸）と推定ｑ軸（δ軸）の直交座標に３相２相変換される。そして、電圧のγ軸とδ軸での値を、２相３相変換部３３を通じて変換し、電動機１８を制御するように構成される。
【００４６】
具体的には、２相３相変換部３３は、以下に示す式（１）を用いて、推定ｄ軸電圧Ｖγ（以下、Ｖγと略記する場合がある）、推定ｑ軸電圧Ｖδ（以下、Ｖδと略記する場合がある）、および後述する積分部２５から出力される推定位相である位相信号θに基づいて、Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに変換する。なお、Ｖγは、巻線の電圧の第１の位相成分に対応する。また、式（１）のＶｕ、Ｖｖ、Ｖｗは、上述ＶＵ、ＶＶ、ＶＷと同義である。
【００４７】
電流信号出力部３４は、式（２）を用いて、Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗと位相信号θから、推定ｄ軸電流Ｉγ（以下、Ｉγと略記する場合がある）、推定ｑ軸電流Ｉδ（以下、Ｉδと略記する場合がある）への変換、すなわち３相２相変換を行う。なお、Ｉγは巻線の電流の第１の位相成分、Ｉδは巻線の電流の第２の位相成分に対応する。また、式（２）のＩｕ、Ｉｖ、Ｉｗは、上述ＩＵ、ＩＶ、ＩＷと同義である。
【００４８】
上記のように、ベクトル制御は、まず、電流を直交座標の２つの成分に分ける。そして、２つの電流成分のそれぞれが所定の値となるように、直交座標の電圧成分を加減して制御する。そのため、本実施の形態の電源回路１９の巻線電流制御部２０は、上記ベクトル制御構成との適用性が高い。これにより、位相のズレを適切にゼロ近くに抑えながら、動力発生装置の運転が可能となる。
【００４９】
【数１】
2018123524.tif 000003
【００５０】
【数２】
2018123524.tif 000004
【００５１】
具体的には、巻線電流制御部２０は、電流指令値発生部２８から、推定ｄ軸電流指令値Ｉγｒ（以下、Ｉγｒと略記する場合がある）と、推定ｑ軸電流指令値Ｉδｒ（以下、Ｉδｒと略記する場合がある）と、を受ける。なお、Ｉγｒは、第１の電流指令値、Ｉδｒは第２の電流指令値に対応する。
【００５２】
そして、巻線電流制御部２０は、電流信号出力部３４から出力されるＩγおよびＩδと、受け付けたＩγｒおよびＩδｒとの誤差がゼロとなるようにＶγ、Ｖδを加減する。つまり、巻線電流制御部２０は、誤差増幅器として、動作する。
【００５３】
なお、本実施の形態においては、推定ｄ軸電流指令値Ｉγｒを、ゼロとしている。これにより、例えば鉄芯５５の表面に永久磁石５６、５７、５８、５９を接着して構成される表面磁石モータ（ＳＰＭ）において、トルク発生（動力発生）に関与しないｄ軸電流をゼロ（流さない）の状態で制御できる。これにより、最小の電流値で必要なトルクを確保することができる。そのため、巻線での電流による損失、すなわち銅損を最小限に抑えることができる。その結果、表面磁石モータの高効率の運転が可能になる。このとき、推定ｄ軸電流Ｉγは、ほぼゼロになる。その結果、必要なトルクに応じて加減された推定ｑ軸電流Ｉδの値で、電動機１８の運転制御が可能となる。
【００５４】
つまり、本実施の形態においては、位相信号θに同期して回転する直交座標γδの２つの成分であるＩγおよびＩδが、それぞれＩγｒおよびＩδｒと、等しくなるように、ＶγとＶδが加減される。そして、最終的に、インバータ回路３５から、電動機１８の第１の物体５１を構成する巻線１５、１６、１７に印加される３相の電圧ＶＵ、ＶＶ、ＶＷが加減される。
【００５５】
以上のように、動力発生装置の巻線電流制御部２０は動作する。
【００５６】
つぎに、電動機１８の速度信号ω１、ω２、および位相信号θの生成動作について、説明する。
【００５７】
まず、図１に示す第１の起電力計算部２１は、上記Ｖγ、Ｉγ、Ｉδから、式（３）を用いて、γ軸成分の起電力に相当する第１の起電力εγ（以下、εγと略記する場合がある）を計算する。なお、εγは、起電力の第１の位相成分に対応する。
【００５８】
【数３】
2018123524.tif 000005
【００５９】
ここで、Ｒａは巻線１５、１６、１７の抵抗値、Ｌは巻線１５、１６、１７のインダクタンス値（誘導係数）である。このとき、抵抗値Ｒａおよびインダクタンス値Ｌは、いずれも直交座標上での値である。
【００６０】
本実施の形態の電動機１８は、鉄芯５５の表面に永久磁石５６、５７、５８、５９を有するように構成される。そのため、インダクタンス値Ｌは、一定値で表すことができる。しかし、永久磁石を鉄芯の奥深くに埋め込むタイプの電動機構成の場合、インダクタンス値Ｌは、ｄｑ座標での位相（角度）によって変化する。この場合、上記式（３）のインダクタンス値Ｌの代わりに、ｑ軸でのインダクタンス値Ｌｑを用いて、γ軸成分の第１の起電力εγが計算される。
【００６１】
なお、式（３）において、Ｉγをゼロに設定し、かつその指令値に近い値で、電動機１８を制御する場合、右辺第２項を省略することができるケースがある。また、時間微分を示すｐは、必要がなければ省略してもよい。さらに、ωが小さい低速の条件の場合、式（３）の第３項を省いてもよい。つまり、式（３）において、十分な位相ズレに収まる範囲であれば、適宜、要素を選択して計算し、第１の起電力εγを求めればよい。
【００６２】
ここで、動力発生装置の動作時における電流および電圧の位相関係について、図４を用いて、説明する。
【００６３】
図４は、同実施の形態の動力発生装置において、正常な運転状態におけるベクトル図である。
【００６４】
図４において、ベクトルＡは起電力が大きい場合の起電力ベクトル、ベクトルＢは起電力が小さい場合の起電力ベクトルを、ベクトルＩは電流ベクトルを示している。
【００６５】
本実施の形態において、図１に示す速度信号発生部２４は、入力値μが正の場合、速度信号ω１およびω２を減少させる。一方、入力値μが負の場合、速度信号発生部２４は、速度信号ω１およびω２を増加させるように機能する。そして、積分部２５は、速度信号発生部２４からの速度信号ω１を時間積分して、位相信号θを生成する。位相信号θは、２相３相変換部３３および電流信号出力部３４に入力される。その結果、定常状態において、速度信号発生部２４は、入力値μをほぼゼロに近い微小な値に保つように動作する。
【００６６】
なお、本実施の形態において、速度信号ω１とω２は、センサレス制御のため、推定の速度信号である。具体的には、速度信号ω１は、速度制御を行う目的の値である。一方、速度信号ω２は、積分部２５の積分値である位相信号θを安定に保つ目的の値である。つまり、速度信号ω１とω２は、互いに目的が異なるため、入力値μを入力とした誤差増幅ゲインおよび応答性を最適化できるように、若干の違いを設けている。このとき、速度信号ω１とω２の下限値は、ゼロに設定している。
【００６７】
また、上記入力値μは、第１の所定値発生部２３の出力Ｖｂと、第１の起電力計算部２１の出力値εγ（式（３）の第１の起電力に相当）が、加算器２２で加算された値である。そのため、電動機１８が脱調せずに、正常に運転される定常状態において、図４に示すベクトルＡとベクトルＢのγ成分（すなわち出力値εγ）が、−Ｖｂとなるようにフィードバック制御がなされた状態となる。
【００６８】
なお、本実施の形態においては、第１の所定値として、第１の所定値発生部２３の出力Ｖｂ＝＋０．５Ｖという正の値に設定している。そのため、図４に示すベクトルＡとベクトルＢは、いずれも左に傾いたベクトルとなる。このとき、起電力が大きいベクトルＡと比較し、起電力が小さいベクトルＢは、より左に傾いたベクトルとなる。
【００６９】
この場合、起電力のベクトルＡとベクトルＢは、電動機１８の第１の物体５１と第２の物体５２との相対運動（回転運動）によって、永久磁石５６、５７、５８、５９と巻線１５、１６、１７との鎖交磁束の時間的変化によって発生する。つまり、ベクトルＡとベクトルＢは、常に、ｑ軸上に発生する。
【００７０】
このとき、ベクトルＡとベクトルＢに対するｑ軸は、それぞれｑＡ軸とｑＢ軸となる。一方、ベクトルＡとベクトルＢに対するｄ軸は、ｑ軸に対して９０度遅れたｄＡ軸とｄＢ軸となる。
【００７１】
図４に示すように、ベクトルＡとベクトルＢのどちらも、δ軸より、矢印Ｇで示す反時計回り方向となる。つまり、ｑ軸は、δ軸よりも、位相が進んでいる。言い方を変えると、δ軸が、ｑ軸より、矢印Ｈで示す時計回り方向に、位相が遅れている状態である。そのため、推定している位相信号θが、遅れているという表現もできる。さらに、ベクトルＢは、ベクトルＡよりも、より反時計回り方向にある。そのため、ベクトルＢは、ベクトルＡよりも、位相信号θの遅れが大きくなる。
【００７２】
一方、電流のベクトルＩ（以下、電流Ｉと記す場合がある）は、上述したようにＩγｒ＝０としている。そのため、電流のベクトルＩは、常に、δ軸上で制御される。つまり、起電力が小さいベクトルＢでの直交座標（ｄＢ、ｑＢ）は、起電力が大きいベクトルＡでの直交座標（ｄＡ、ｑＡ）よりも、電流のベクトルＩの位相が遅れることになる。
【００７３】
ここで、永久磁石の回転によって巻線に発生する起電力Ｅ［Ｖ］の大きさは、式（４）で示される。つまり、起電力Ｅ［Ｖ］は、第１の物体５１と第２の物体５２との相対運動の速度、すなわち電動機１８の運転速度（回転速度）を電気角速度ω［ｒａｄ／ｓ］で表した値と、永久磁石５６、５７、５８、５９の磁束Ψａ［Ｗｂ］との積に比例する。
【００７４】
【数４】
2018123524.tif 000006
【００７５】
したがって、電源回路１９は、起電力Ｅが異なると、永久磁石に対する電流の位相が異なる特性を備えることになる。
【００７６】
ここで、電源回路１９において、起電力Ｅが異なると、電流の位相が異なることを確認する方法として、下記の３つの確認方法が例示される。
【００７７】
第１の確認方法は、電気角速度ωを変化させる試験を行い、電動機１８の運転速度を変化させる。この場合、永久磁石の着磁状態が一定でも、運転速度を高／低と変化させると、電気角速度ωに比例して起電力Ｅが変化する条件となる。そこで、ｄｑ平面上での電流Ｉの位相、すなわち永久磁石に対する電流Ｉの位相の変化を確認する。このとき、電流の位相の変化が確認されると、本実施の形態の電源回路１９の構成が、有効に機能していると判断できる。
【００７８】
第２の確認方法は、まず、永久磁石の着磁の強さが異なり、磁束Ψａの値が異なる２台の電動機を用意する。そして、電動機を、同一速度、すなわち同一の電気角速度ω、かつ同一負荷で試験を行う確認方法である。
【００７９】
第３の確認方法は、第２の確認方法と同様に、まず、磁束Ψａの値が異なる２台の電動機を用意する。そして、電動機を、同一速度、すなわち同一の電気角速度ωとする一方で、電流の大きさが一定となるように負荷トルクを調整して試験を行う確認方法である。
【００８０】
つまり、第２と第３の確認方法の場合、どちらも磁束Ψａの値が異なる分、同一の電気角速度ωでも、起電力Ｅが異なる条件となる。このとき、永久磁石に対する電流Ｉの位相の変化を確認できれば、本実施の形態の電源回路１９の構成が、有効に機能していると判断できる。
【００８１】
また、第２と第３の確認方法の場合、上述したように、同一速度（ω値）で、起電力Ｅの大きさが異なる条件で確認を行う。そのため、例えば電気角速度ωの関数として推定座標上での電流Ｉの位相が変化する要素を、さらに加えた構成の場合、本実施の形態の電源回路１９の構成要素が有効に機能する状態かどうかの確認が困難な場合がある。しかし、電流Ｉの位相が変化する要素を加えた構成の場合でも、起電力Ｅの大きさが異なる条件での試験により、確実に、本実施の形態の電源回路１９の構成が機能していることを確認するのに有効である。
【００８２】
また、第２の確認方法において、永久磁石の着磁の強さの程度が異なる場合、Ｉｑ値の変化が発生する現象、すなわち負荷トルクが一定条件で現れる、磁束ΨａとＩｑの反比例関係から生ずる影響が発生する。つまり、第２の確認方法は、同一負荷としているため、着磁の強さの違い（電流に対するトルクの大きさ、すなわちトルク定数が異なる）により、電流Ｉの大きさ（ベクトルの絶対値）が異なる値となる。そのため、第１の起電力の計算に誤差を起こすなどの影響が発生する。しかし、第３の確認方法によれば、上記影響を除去することができるため、適切な確認が可能となる。
【００８３】
なお、第２および第３の確認方法において、永久磁石の着磁の強さは、以下の方法により確認できる。
【００８４】
まず、駆動用の電動機と、試験する電動機の軸を、カップリングなどを介して接続する。接続した状態で、同一の速度で２つの電動機をそれぞれ回転させる。このとき、開放状態とした入力端子間の電圧を、電圧計、デジタルパワーメータ、オシロスコープなどの計測器で、測定あるいは観測する。これにより、永久磁石の着磁の強さを確認できる。
【００８５】
また、第１から第３の確認方法において、永久磁石に対する電流Ｉの位相は、以下の方法により確認できる。
【００８６】
まず、例えば光学式のＡＢＺロータリエンコーダを電動機の軸などに取り付ける。このとき、ＡＢＺロータリエンコーダの原点を、電気角θ＝０、すなわちＮ極とＵ相から供給される起磁力による磁束と同方向となる位相に一致させる。そして、１つの相の電流波形、あるいは３相の電流値からの電流のベクトルＩの位相を解析する。これにより、永久磁石に対する電流Ｉの位相の確認が可能となる。
【００８７】
なお、第１から第３の確認方法において、電流の周波数はオシロスコープなどで確認できる。確認される電流の周波数は、電源回路１９内部での推定速度ω２である速度信号となる。
【００８８】
以上のように、第１から第３の確認方法のいずれかにより、起電力Ｅの違いによる電流Ｉの位相の違いが確認されれば、本実施の形態の電源回路１９の構成が機能していることを確認できる。
【００８９】
つまり、脱調時において、電動機１８の回転がゼロに低下する過程で、永久磁石に対する電流Ｉの位相は、脱調前に対して変化する。これにより、電流の周波数の変動（すなわち、推定速度の低下または上昇）が発生する。その結果、推定速度の変化から、適切な電動機１８の脱調検知が可能となる、本発明の効果が得られる。
【００９０】
また、本実施の形態において、永久磁石の着磁が弱い方の電動機は、図４に示すベクトルＢのように、ｄｑ軸が進み位相（矢印Ｇ）となる。そのため、ｄｑ座標に対する電流Ｉの位相は、より遅れ位相（矢印Ｈ）の傾向が現れる。
【００９１】
これにより、本実施の形態の電源回路１９の構成が、正常に成り立っているかどうかを、以下で示すように、適切に確認できる。
【００９２】
具体的には、永久磁石５６、５７、５８、５９が標準的な着磁状態の場合、電動機１８を、例えば３５ｒ／ｍｉｎの速度で回転させると、例えば５Ｖの起電力Ｅが発生する。この場合、電流Ｉの位相のｑ軸からの遅れは、５．７度となる。一方、標準的な着磁状態に対して、例えば永久磁石の着磁の強さを３０％減少した状態で、電動機１８を同じ条件で回転させると、例えば３．５Ｖの起電力Ｅが発生する。この場合、電流Ｉの位相のｑ軸からの遅れは、８．２度となる。つまり、電流Ｉの位相は、起電力Ｅの３０％の低下により、さらに２．５度遅れる。これにより、本実施の形態の電源回路１９の構成が、正常に成り立っていることが確認できる。
【００９３】
つぎに、動力発生装置の動作時における電動機１８の速度制御について、図５Ａおよび図５Ｂを用いて、説明する。
【００９４】
図５Ａは、同実施の形態における動力発生装置の正常動作時の速度波形図である。図５Ｂは、同実施の形態における動力発生装置の動作時に脱調が発生した状態の速度波形図である。つまり、図５Ａは、正常時、すなわち脱調していない定常状態における速度波形を示す。一方、図５Ｂは、例えば過負荷などによって、電動機１８の速度が、動作途中でゼロに抑えられ、脱調した状態における速度波形を示す。なお、図５Ａおよび図５Ｂにおいて、指令速度を一点鎖線、推定速度である速度信号ω２を実線で示している。
【００９５】
図５Ａに示す動力発生装置は、十分な速度制御が実行されている。そのため、速度信号ω２は、指令速度とほぼ一致した３５ｒ／ｍｉｎ付近に保たれていることが分かる。
【００９６】
一方、図５Ｂに示す動力発生装置は、ｔ＝ｔ１時点で過負荷がかかり、電動機１８の速度がゼロになる。このとき、速度信号ω２は、次第に下降し、ｔ＝ｔ２時点で、下限値のゼロまで低下する。そして、ｔ＝ｔ２時点のタイミングで、電源回路１９は、電動機１８が脱調状態であることを検知する。
【００９７】
脱調状態を検知すると、図１に示す再起動信号発生部２９は、速度指令部２６に対して、一旦、速度をゼロとする命令を出力する。その後、ｔ＝ｔ２時点以降の所定の時間内に、再起動信号発生部２９は、速度指令部２６に対して、再起動する命令を出力する。これにより、脱調状態にあった電動機１８は、改めて速度ゼロからの起動動作が行われ、正常な速度に復帰する。
【００９８】
ここで、電動機１８の速度がゼロとなる脱調時において、速度信号ω２が低下する理由について、以下で説明する。
【００９９】
まず、起電力がゼロとなると、図４のベクトルＡやベクトルＢで示すような起電力Ｅのγ成分（Ｖｂ）を−０．５Ｖに保つ速度信号ω２の解が無くなる。なお、解が無いとは、γδ平面上でいかなる起電力Ｅの位相においても、そのγ成分（第１の起電力εγ）が−０．５Ｖになる位相が存在しない状態を意味する。そのため、図４に示す矢印Ｇの向き、すなわちｑ軸からの電流Ｉの位相が、どんどん遅れる。これにより、最終的に、推定速度である速度信号ω２がゼロとなる。
【０１００】
また、本実施の形態の電動機１８は、実際の運転速度が４ｒ／ｍｉｎにおいて、起電力Ｅが０．５Ｖとなる。そのため、脱調により、運転速度が４ｒ／ｍｉｎから、さらに低下した段階においては、確実に、上述した「解無し」の状態となる。
【０１０１】
このとき、速度信号ω２に相当する推定速度は、上述したように、外部から、電流の周波数として観測される。そのため、脱調の発生を判定する閾値として、例えば３ｒ／ｍｉｎ以下の運転速度の状態が、０．５秒間、継続した時点などと設定できる。
【０１０２】
なお、閾値は、上記に限られず、任意に設定可能である。例えば、指令速度と推定速度ω２との差、あるいは差の絶対値が大きくなった時点を閾値として設定してもよい。つまり、符号を問わず指令速度と推定速度ω２との差が、ゼロから閾値分以上、離れた状態となった場合、脱調検知を実行する。また、指令速度に所定の比率を乗じた閾値速度の範囲を脱した時点、またはそれらの状態の継続時間が所定時間となった時点を閾値として設定してもよい。さらに、指令速度と推定速度の差の時間積分などを閾値として設定してもよい。つまり、応用される動力発生装置の状態に応じて、さまざまな閾値の設定が可能である。
【０１０３】
また、上記実施の形態では、推定速度である速度信号ω２の下限をゼロとし、ゼロになった時点で脱調を検知する構成を例に説明したが、これに限られない。例えば、推定速度の正負を共に有効な値とし、回転の向きに応じて正負の値が取り得るように構成する。そして、推定速度の正負の符号が変わった時点で、脱調を検知してもよい。この場合でも、推定速度と反対の符号となることを禁止する制限を設ける構成として、脱調を検知してもよい。さらに、推定速度と逆の符号となった時点、あるいはその状態が所定時間、継続した時点で、脱調を検知する構成としてもよい。つまり、上記構成でも、本実施の形態における脱調の検知として、有効となる。
【０１０４】
また、上記実施の形態では、推定速度である速度信号ω２を、外部から、電流の周波数として測定する構成を例に説明した。具体的には、例えば３相の電動機１８の線電流の少なくとも１つを、カレントプローブとオシロスコープなどの計測器を用いて測定する。これにより、測定された線電流の推定周波数を、推定速度である速度信号ω２として用いることができる。
【０１０５】
つぎに、動力発生装置の動作時における電動機１８の位相波形について、図６Ａおよび図６Ｂを用いて、説明する。
【０１０６】
図６Ａは、同実施の形態における動力発生装置の正常動作時の位相波形図である。図６Ｂは、同実施の形態における動力発生装置の動作時に脱調が発生した状態の位相波形図である。つまり、図６Ａは、正常時、すなわち脱調していない定常状態における位相波形を示す。一方、図６Ｂは、例えば過負荷などによって、電動機１８の速度が、動作途中でゼロに抑えられ、脱調した状態における位相波形を示す。具体的には、図６Ａおよび図６Ｂは、ｑ軸に対する電流Ｉの位相の波形図を示している。
【０１０７】
図６Ａに示すように、動力発生装置は、定常状態において、電流Ｉの位相の遅れが、ほぼ５．７度の一定の遅れを持つ状態となる。
【０１０８】
一方、図６Ｂに示すように、ｔ＝ｔ１時点で脱調が発生すると、ｔ＝ｔ１時点以降、次第に電流Ｉの位相の遅れが増大する。そして、速度信号ω２＝０となるｔ＝ｔ２時点で、電流Ｉの位相の遅れは、以下に示すように、例えば８５度遅れの一定値の状態で落ち着く。電流Ｉの位相遅れは、上述したように、実際の速度と推定速度ω２の差（速度差）を時間積分した値である。つまり、脱調すると、実際の速度と推定速度ω２がゼロとなるため、上記速度差がゼロとなる。これにより、速度差の時間積分もゼロとなる。その結果、時間とともに位相が変化するような現象は起こらず、一定の位相差に収束する。
【０１０９】
つまり、本実施の形態の動力発生装置は、正常動作時および脱調時においても、ｑ軸からの電流Ｉの位相の遅れが一定値に落ち着く。つまり、例えば図６Ｂに示すｔ＝ｔ２以降に速度信号ω２＝０の状態が継続しているかどうかの監視時間を設ける場合でも、監視時間中におけるｑ軸に対する電流Ｉの位相の遅れが一定となる。そのため、監視時間として、例えば０．２秒間などの十分な時間を設けることができる。これにより、より確実な脱調の検知が可能となる。また、電流Ｉの位相の遅れが一定値に落ち着くため、騒音の発生が抑制される。
【０１１０】
なお、騒音は、例えば電流ベクトルの回転が継続すること、すなわちｄｑ面上での回転がある場合に発生する正負の交番トルクが機構に作用することで発生する。そのため、位相の遅れを一定の状態にすれば、交番トルクの発生はなく、静止（直流）トルクで済む。これにより、騒音の発生要素の一つを無くすことができる。その結果、騒音の発生を抑制できる。
【０１１１】
以下に、本実施の形態の動力発生装置の制御動作の別の例について、図７を用いて説明する。
【０１１２】
図７は、同実施の形態の動力発生装置において、正常な運転状態におけるベクトル図である。具体的には、図１に示す電流指令値発生部２８の設定を、図４から若干変化させた状態におけるベクトル図である。
【０１１３】
つまり、図７に示すように、電流指令値発生部２８は、電流Ｉを、δ軸上に一致させず、γδ座標上の第２象限に設定する。具体的には、例えば、推定ｄ軸電流指令値Ｉγｒ値を−０．１Ａ、推定ｑ軸電流指令値Ｉδｒ＝＋１．０Ａに設定する。つまり、δ軸に対して、電流Ｉが、５．７度の進み位相となるように設定する。これにより、電流Ｉの位相は、ほぼｑ軸と一致する。すなわち、起電力Ｅの位相と電流Ｉの位相とが一致する。このとき、電流Ｉの位相は、γδ座標では、ｄｑ座標に対して５．７度の遅れを有する状態となる。一方、電流Ｉの位相は、電動機１８の起電力Ｅの位相が合致する。この場合、電流Ｉの大きさ（ベクトルの長さ）が最小となるため、銅損などの損失が最小となる。これにより、電動機１８を、高効率で駆動することができる。
【０１１４】
つまり、図４に示すベクトル制御と比較して、電流Ｉの位相の遅れによる効率低下、脱調耐量の低下などが抑制される。その結果、さらに高効率で、安定性の高い動力発生装置を実現できる。
【０１１５】
この場合でも、同一速度での起電力に違いを設けると、δ軸に対する電流Ｉの位相の進み角が同一であれば、永久磁石５６、５７、５８、５９で定まるｑ軸に対する電流Ｉの位相は、起電力が小さくなるほど、遅れる。つまり、起電力の低下と電流Ｉの位相の遅れの変化については、図４の場合と同等となる。
【０１１６】
また、電動機１８が脱調した場合の動作に関しても、図５Ａおよび図５Ｂで説明した動作と同様である。つまり、速度信号ω２がゼロとなった時点で、脱調が検知される。そして、図１に示す再起動信号発生部２９などを介して、電動機１８を再起動することができる。これにより、騒音、不必要な電流、または不必要な時間の発生を低減できる。
【０１１７】
なお、上記実施の形態では、εγにＶｂを加算した上で、入力値μ＝０となるようにフィードバック制御する構成を例で説明したが、これに限られない。例えば、εγと−０．５Ｖとの差を誤差電圧とし、誤差電圧が０Ｖになるようにフィードバック制御する構成としてもよい。この場合でも、上記実施の形態と同等の動作で制御できる。そのため、どちらもフィードバック制御の構成として有効である。
【０１１８】
以上で説明したように、本実施の形態の動力発生装置は、第１の物体５１を構成する巻線１５、１６、１７と、第２の物体５２を構成する永久磁石５６、５７、５８、５９を有する。さらに、動力発生装置は、第１の物体５１と第２の物体５２の相対運動によって巻線に起電力を発生する電動機１８と、巻線に電流を供給し、起電力の大きさが異なると永久磁石に対する電流の位相が異なる特性を有する電源回路１９を有する。そして、電源回路１９は、脱調時に電流の周波数（推定速度ω２）を脱調前に対して変化させた後、電動機１８の再起動を行うように構成される。これにより、巻線抵抗が大きく、速度が低速の条件においても、脱調状態の発生を、短時間で適切に判断できる。そして、脱調状態と検知した場合、早期に再起動を行って動力発生装置本来の機能を回復させることができる。
【０１１９】
一方、低速の条件において、脱調状態の検知に時間がかかる場合、動力発生装置の停止時間が長くなる。そのため、動力発生装置の動作完了が、停止時間に応じて遅れ、さらに、再起動までの時間が長くなる。その結果、電気エネルギー、時間の損失が発生する。
【０１２０】
つまり、本実施の形態の構成によれば、低速の条件においても、脱調状態の発生を短時間で判断して、再起動できるため、電気エネルギー、時間の損失を抑制できる。
【０１２１】
（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２における動力発生装置について、図１を参照しながら、図８を用いて、説明する。
【０１２２】
図８は、本発明の実施の形態２における動力発生装置の正常な運転状態におけるベクトル図である。
【０１２３】
本実施の形態の動力発生装置は、第１の所定値発生部２３の出力Ｖｂ＝−０．５Ｖ（第１の所定値の相当）、すなわち負の値としている点で、実施の形態１と異なる。他の部分は、実施の形態１の構成要素と同等である。
【０１２４】
図８において、ベクトルＡは起電力が大きい場合の起電力ベクトル、ベクトルＢは起電力が小さい場合の起電力ベクトルを、ベクトルＩは電流ベクトルを示している。
【０１２５】
本実施の形態において、図１に示す速度信号発生部２４は、入力値μが正の場合、速度信号ω１およびω２を減少させる。一方、入力値μが負の場合、速度信号発生部２４は、速度信号ω１およびω２を増加させるように機能を有する。そして、図１に示す積分部２５は、速度信号発生部２４からの速度信号ω１を時間積分して、位相信号θを生成する。位相信号θは、２相３相変換部３３および電流信号出力部３４に入力される。その結果、定常状態において、速度信号発生部２４は、入力値μをほぼゼロに近い微小な値に保つように動作する。
【０１２６】
なお、本実施の形態においては、第１の所定値として、第１の所定値発生部２３の出力Ｖｂ＝−０．５Ｖという負の値に設定している。このとき、−Ｖｂ＝＋０．５Ｖとなる。そのため、図８に示すベクトルＡとベクトルＢは、いずれも右に傾いたベクトルとなる。このとき、起電力が大きいベクトルＡと比較し、起電力が小さいベクトルＢは、より右に傾いたベクトルとなる。つまり、ベクトルＢは、ベクトルＡよりも、より矢印Ｈ方向の遅れ側にある。そのため、ベクトルＢは、ベクトルＡよりも、位相信号θの進みが大きくなる。
【０１２７】
一方、電流のベクトルＩ（以下、電流Ｉと記す場合がある）は、本実施の形態でも、実施の形態１と同様に、Ｉγｒ＝０としている。そのため、電流のベクトルＩは、常に、δ軸上で制御される。つまり、起電力が小さいベクトルＢでの直交座標（ｄＢ、ｑＢ）は、起電力が大きいベクトルＡでの直交座標（ｄＡ、ｑＡ）よりも、電流のベクトルＩの位相が進むことになる。
【０１２８】
なお、本実施の形態のベクトル制御の構成が正しいかどうかの確認は、実施の形態１で説明した、永久磁石の着磁の強さが異なる電動機１８を用いた試験で、同様に確認できるため、説明は省略する。
【０１２９】
つぎに、動力発生装置の動作時における電動機１８の速度制御について、図９Ａおよび図９Ｂを用いて、説明する。
【０１３０】
図９Ａは、同実施の形態における動力発生装置の正常動作時の速度波形図である。図９Ｂは、同実施の形態における動力発生装置の動作時に脱調が発生した状態の速度波形図である。つまり、図９Ａは、正常時、すなわち脱調していない定常状態における速度波形を示す。一方、図９Ｂは、過負荷などによって、電動機１８の速度が、動作途中でゼロに抑えられ、脱調した状態における速度波形を示す。なお、図９Ａおよび図９Ｂにおいて、指令速度を一点鎖線、推定速度である速度信号ω２を実線で示している。
【０１３１】
図９Ａに示す動力発生装置は、十分な速度制御が実行されている。そのため、推定速度ω２は、指令速度とほぼ一致した３５ｒ／ｍｉｎ付近に保たれていることが分かる。
【０１３２】
一方、図９Ｂに示す動力発生装置は、ｔ＝ｔ１時点で過負荷がかかり、電動機１８の速度がゼロになる。このとき、速度信号ω２は、次第に上昇し、ｔ＝ｔ２時点で、脱調検知の閾値である、例えば１５０ｒ／ｍｉｎに達する。そして、ｔ＝ｔ２時点のタイミングで、電源回路１９は、電動機１８が脱調状態であることを検知する。
【０１３３】
脱調状態を検知すると、図１に示す再起動信号発生部２９は、速度指令部２６に対して、一旦、速度をゼロとする命令を出力する。その後、ｔ＝ｔ２時点以降の所定の時間内に、再起動信号発生部２９は、速度指令部２６に対して、再起動する命令を出力する。これにより、脱調状態にあった電動機１８は、改めて速度ゼロからの起動動作が行われ、正常な速度に復帰する。
【０１３４】
ここで、電動機１８の速度がゼロとなった脱調時において、速度信号ω２が上昇する理由について、以下で説明する。
【０１３５】
まず、起電力Ｅがゼロとなると、図８のベクトルＡやベクトルＢで示すような起電力のγ成分（Ｖｂ）を＋０．５Ｖに保つ速度信号ω２の解が無くなる。なお、解が無いとは、γδ平面上でいかなる起電力の位相においても、そのγ成分（第１の起電力εγ）が＋０．５Ｖになる位相が存在しない状態を意味する。そのため、図８に示す矢印Ｈの向き、すなわちｑ軸からの電流Ｉの位相が、どんどん進んでいく。これにより、推定速度である速度信号ω２が上昇を続ける。そして、最終的に、脱調有無の判断である閾値（１５０ｒ／ｍｉｎ）まで、速度信号ω２が上昇することになる。
【０１３６】
つぎに、動力発生装置の動作時における電動機１８の位相波形について、図１０Ａおよび図１０Ｂを用いて、説明する。
【０１３７】
図１０Ａは、同実施の形態における動力発生装置の正常動作時の位相波形図である。図１０Ｂは、同実施の形態における動力発生装置の動作時に脱調が発生した状態の位相波形図である。つまり、図１０Ａは、正常時、すなわち脱調していない定常状態における位相波形を示す。一方、図１０Ｂは、過負荷などによって、電動機１８の速度が、動作途中でゼロに抑えられ、脱調した状態における位相波形を示す。具体的には、図１０Ａおよび図１０Ｂは、ｑ軸に対する電流Ｉの位相の波形図を示している。
【０１３８】
図１０Ａに示すように、動力発生装置は、定常状態において、電流Ｉの位相が、ほぼ５．７度の一定の進みを持つ状態となる。
【０１３９】
一方、図１０Ｂに示すように、ｔ＝ｔ１時点で脱調が発生すると、ｔ＝ｔ１時点以降、電流Ｉの位相の進みが次第に増大する。
【０１４０】
なお、本実施の形態の電力発生装置は、脱調が発生すると、ｑ軸からの電流Ｉの位相進みが限りなく増大する。そのため、推定速度である速度信号ω２、あるいはω１が所定値（例えば、閾値に相当する１５０ｒ／ｍｉｎ）を超えた時点で、脱調と判断する。
【０１４１】
このとき、推定速度＞指令速度となるため、電流Ｉの絶対値は、抑えられた状態となる。そのため、電流Ｉの位相の面において、図１０Ｂの、ｔ２以降の破線で示すように、位相の変動が激しくなっても、騒音が問題となることは少ない。つまり、小さい電流値の期間内で、脱調を検知できる。本実施の形態の場合、実施の形態１とは異なり、位相差が発散する状態となるが、騒音に関係するもう一つの要素である電流ベクトルＩの絶対値（長さ）が、ゼロ付近に収束する。そのため、騒音が小さくなる。
【０１４２】
なお、上記実施の形態では、推定速度である速度信号ω２、あるいはω１の閾値の所定値として１５０ｒ／ｍｉｎを設定し、所定値を超えた時点で、すぐに脱調と判断する構成を例に説明したが、これに限られない。例えば、式（５）に示す起電力Ｅの第２の位相成分εδを計算し、その値が第２の所定値以下である場合、脱調を検知するように構成してもよい。
【０１４３】
【数５】
2018123524.tif 000007
【０１４４】
つまり、推定速度がある程度、高速となった状態においては、起電力の第２の位相成分εδで脱調しているかどうかを判断する。これにより、脱調を、十分に高い精度で判断できる。その結果、非常に信頼性の高い脱調検知を実現できる。なお、上記ある程度の推定速度とは、式（５）の右辺の各要素の誤差（検知誤差やパラメータの設定誤差、バラツキ）があっても、確実に起電力Ｅとして検知が可能となる速度である。具体的には、例えばＥ＝１０Ｖとなる速度である。
【０１４５】
なお、式（５）についても、実施の形態１の式（３）で説明したように、時間微分を示すｐの項を省いてもよい。さらに、低速回転時において、ω項の比率が低い場合、式（５）の第３項を省いて、計算式を簡略化してもよい。
【０１４６】
（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３における動力発生装置の構成について、図１１を用いて、説明する。
【０１４７】
図１１は、本発明の実施の形態３における動力発生装置のブロック図である。
【０１４８】
図１１に示すように、本実施の形態の動力発生装置は、電源回路６９において、主に、電圧信号出力部７４および電流信号出力部７５が、巻線電流制御部７０に含まれない構成とした点で実施の形態１と異なる。他の構成要素は、実施の形態１の構成要素と同等であるので、同じ符号を付して説明する。
【０１４９】
つまり、本実施の形態の動力発生装置は、実施の形態１と同等の電動機１８と、電動機１８に電流を供給する電源回路６９などから構成される。
【０１５０】
電源回路６９は、巻線電流制御部７０などを含み、巻線電流制御部７０は電流誤差増幅器７１および３相２相変換部７２を含む。なお、電流誤差増幅器７１は、実施の形態１の電圧信号出力部３２と同等である。また、３相２相変換部７２は、実施の形態１の電流信号出力部３４と同等である。
【０１５１】
つまり、本実施の形態の電源回路６９は、上述のように、電圧信号出力部７４および電流信号出力部７５を、巻線電流制御部７０とは別の場所に設けている。そのため、電流誤差増幅器７１および３相２相変換部７２を異なる名称に変更し、新たな符号を付している。
【０１５２】
電源回路６９の電圧信号出力部７４は、実施の形態１で説明した式（２）とほぼ同等の計算式を用いて、３相１相変換を行う。式（２）と異なる点は、入力が電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの代わりに電圧信号Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗとする。これにより、左辺の計算結果は、ＩγおよびＩδの代わりに、ＶγおよびＶδとなる。このとき、電圧信号出力部７４は３相１相変換を行うため、左辺の計算結果として、利用しないＶδが不要で、Ｖγのみが計算される。
【０１５３】
なお、電源回路６９の電流信号出力部７５の構成は、実施の形態１の電流信号出力部３４および３相２相変換部７２と同等である。
【０１５４】
また、本実施の形態の電源回路６９は、加算器７６および位相値源７７を含む。
【０１５５】
そして、電流誤差増幅器７１および３相２相変換部７２は、上記加算器７６と位相値源７７によって、積分部２５の出力値である位相信号θ１にΔθ（＝＋５．７度）を加算した位相信号θ２が入力される。
【０１５６】
なお、上記で説明した以外の構成要素は、実施の形態１と同様に機能する。
【０１５７】
以上のように、本実施の形態の動力発生装置は構成される。
【０１５８】
以下に、動力発生装置の動作時における電流および電圧の位相関係および制御動作について、図１２を用いて、説明する。
【０１５９】
図１２は、同実施の形態の動力発生装置において、正常な運転状態におけるベクトル図である。
【０１６０】
なお、本実施の形態の動力発生装置は、電源回路６９内での推定位相となる値として、第１の推定位相である位相信号θ１と、第２の推定位相である位相信号θ２の２値が存在する。位相信号θ２の値は、位相信号θ１の値に対して、位相値源７７の出力値Δθに相当する５．７度が加算され、大きい値となる。そのため、位相信号θ２は、位相信号θ１より進んだ値となっている。
【０１６１】
そこで、図１２のベクトル図においては、位相信号θ１での直交座標をγ１、δ１とし、位相信号θ２での直交座標をγ２、δ２としている。
【０１６２】
この場合、位相信号θ１に関しては、実施の形態１で説明した動作が行われる。そのため、Ｖｂ＝＋０．５Ｖとした場合、標準的な着磁の強さを備える永久磁石５６、５７、５８、５９の起電力のベクトルＡの、３５ｒ／ｍｉｎにおけるγ１、δ１の座標軸は、実施の形態１でのγ、δ軸と全く同等の状態となる。つまり、推定位相である位相信号θ１は、実施の形態１と同様に、５．７度の位相遅れを有する状態となる。
【０１６３】
一方、第２の推定位相である位相信号θ２は、位相値源７７の出力値Δθである＋５．７度が加算器７６によって加算される。そのため、位相信号θ２は、位相信号θ１が有する５．７度の位相遅れがキャンセルされる。
【０１６４】
これにより、図１２に示すように、γ２は真のｄ軸であるｄＡ軸と等しく、δ２は真のｑ軸であるｑＡ軸と等しくなる。
【０１６５】
なお、本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、電流指令値発生部２８の出力である推定ｄ軸電流指令値Ｉγｒをゼロとし、トルクに比例する電流設定値として推定ｑ軸電流指令値Ｉδｒを出力するように構成している。そのため、電流Ｉはδ２軸上に乗るとともに、同時にｑＡ軸上に乗る。
【０１６６】
これにより、電動機１８から見た場合、電源回路６９内に存在する遅れた位相信号θ１に影響されず、磁束と電流の直交性を保つことができる。この場合、電流Ｉの大きさ（ベクトルの長さ）が最小となる。そのため、銅損などの損失が最小となる。その結果、電動機１８を高い効率で駆動できる、動力発生装置を実現できる。
【０１６７】
つまり、本実施の形態によれば、電源回路６９の内部に２つの推定位相を設ける。これにより、推定ｄ軸となるγ２軸における電流成分がゼロとなる。その結果、位相の遅れを持つ位相信号θ１の影響を受けずに、電流Ｉの制御が可能となる。
【０１６８】
本実施の形態の電源回路６９によるベクトル制御は、以下の場合、特に有効である。
【０１６９】
例えば、リラクタンストルクを有効に使用できる永久磁石埋込型の電動機の場合、意図的に電流Ｉの位相を進ませた状態になるように制御する場合がある。この場合、起電力の大小のいずれの条件においても、電流進み角βなどと称される、永久磁石に対して、進んだ電流Ｉの位相となることが起こり得る。
【０１７０】
このとき、起電力が小さい電動機と、起電力が大きい電動機とを、電流Ｉの位相を利用して、以下の方法で判別できる。
【０１７１】
まず、起電力の異なる電動機の電流Ｉの位相を、それぞれ永久磁石に対する位相を測定して比較する。このとき、電流進み角βの変化が観測された電動機を、「起電力の大きさが異なると、永久磁石に対する電流の位相が異なる特性を有する電動機」と、判定できる。
【０１７２】
なお、上記実施の形態では、３相２相変換と、２相３相変換を多用した構成を例に説明したが、これに限られない。２つの推定位相を用いた構成の場合、変換は、２相（γ１、δ１）から２相（γ２、δ２）への変換となる。そのため、より簡単な、例えば２行２列の一次変換で構成してもよい。これにより、簡単な変換構成で、十分な機能が得られる。
【０１７３】
以上のように、実施の形態１から３の構成によれば、電源回路は、内部に、実際の電動機１８内の位相と異なった推定位相を有する。そして、電源回路は、推定位相での第１の起電力の成分を、ゼロから、ずれた所定値となるように制御する。このとき、脱調して電動機１８が停止した場合、第１の起電力を所定値に保つことができなくなる。つまり、推定速度がゼロまで低下、あるいは逆に上昇する動作となる。これにより、推定速度を用いて、電動機１８の脱調の検知が可能となる。その結果、電動機１８を適切に再起動することができる。
【０１７４】
しかしながら、各実施の形態において、推定位相を電源回路内に設けることは必須ではない。例えば、まず、同一速度で起電力を大および小とした試験を行う。このとき、電流の位相が変化する特性を有する電源回路の場合、脱調によって起電力がほぼゼロとなると、試験において、起電力が小となった方向と同じ方向に電流の位相が変化する。その変化が遅れ方向であれば、推定速度がゼロとなる。一方、変化が進み方向であれば、推定速度が高速に跳ね上がるという動作を行わせることが可能となる。
【０１７５】
また、実施の形態１から３によれば、電源回路内にインバータ回路３５を備える。そのため、例えば１５．６２５ｋＨｚなどの十分に高いキャリア周波数で、インバータ回路３５の半導体素子をスイッチング（ＯＮとＯＦＦ）できる。これにより、インバータ回路３５から、高効率で電動機１８への電力供給が可能となる。しかしながら、スイッチング動作をインバータ回路で実現することは、必須ではない。例えば、能動状態でトランジスタを働かせるＡ級増幅器またはＢ級（プッシュプル）増幅器などで構成してもよい。これにより、脱調の検知の性能に関して、同等の効果が得られる。
【０１７６】
また、実施の形態１〜３によれば、３相構成の電動機１８を例に説明したが、これに限られない。例えば、電流Ｉの位相を確認できる構成の電動機であれば、２相以上のいかなる相の構成を有する電動機でもよい。そのため、相数に係わらず、本発明の効果を得ることができる。
【０１７７】
また、実施の形態１から３によれば、図３に示すカップリング６１のようにバックラッシュを有する動力伝達経路を有する構成を例に説明したが、これに限られない。上記動力伝達経路の場合、脱調状態でも、バックラッシュが動く際に、電動機に微小な起電力が発生することがある。さらに、動力伝達経路の弾性要素が、機構的に共振すると、同様に、電動機に微小な起電力が発生することがある。そこで、各実施の形態において、例えば第１の所定値となるＶｂ値の絶対値を、上記現象により発生する微小な起電力よりも大きくなるように設定する。これにより、バックラッシュなどによる動力発生装置の誤動作を、未然に防止できる。
【０１７８】
また、実施の形態１から３によれば、上述したように、電動機の脱調状態を的確に検知する。そして、再起動信号発生部から出力される再起動信号により、電動機を、再度、起動し直すことができる。このとき、再起動信号は、動力発生装置を、仕事ができる正常な運転状態に戻すように作用する。これにより、動力発生装置の正常な動作を、早期に回復できる。
【０１７９】
なお、実施の形態１〜３では、再起動信号による動力発生装置の動作について、特に言及しなかったが、以下の構成により、動作させることができる。
【０１８０】
具体的には、例えば電動機１８の位相と関係なく、固定の電流と位相の関数を供給する、強制同期、あるいは同期運転と称される構成を用いてもよい。
【０１８１】
また、高周波状の電流に対する応答から、インダクタンスの違いによる位相検知を行って、動作させる構成などがある。この場合、永久磁石が埋め込み構造など、インダクタンスの違いがある電動機に、より適している。
【０１８２】
つまり、上記いずれの構成でも、電動機を再起動させて、起電力の値が十分な値となった段階で、上記実施の形態で説明した力行運転に戻すことができる。そして、それ以降に発生する脱調に関しては、同様に、適切な検知を行って、再起動を実行できる。
【０１８３】
以上で説明したように、本発明の動力発生装置は、第１の物体と第２の物体と永久磁石と巻線とを有し、第１の物体と第２の物体の相対運動によって巻線に起電力を発生する電動機と、巻線に電流を供給し、起電力の大きさが異なると永久磁石に対する電流の位相が異なる特性を有する電源回路を有する。電源回路は、脱調時における電流の周波数を、脱調前に対して変化させた後、電動機の再起動を行うように構成される。
【０１８４】
また、本発明の動力発生装置の電源回路は、起電力の大きさが小さい場合、永久磁石に対する電流の位相が進む特性を有し、電動機の速度がゼロとなる脱調時において、巻線の電流の周波数が所定値を超えた後、電動機の再起動を行うように構成してもよい。
【０１８５】
また、本発明の動力発生装置の電源回路は、起電力の大きさが小さい場合、永久磁石に対する電流の位相が遅れる特性を有し、電動機の速度がゼロとなる脱調時において、巻線の電流の周波数が所定値以下になった後、電動機の再起動を行うように構成してもよい。
【０１８６】
また、本発明の動力発生装置の電源回路は、速度信号を出力する速度信号発生部と、速度信号を時間積分した位相信号を出力する積分部と、電圧信号出力部と、電流信号出力部と、第１の起電力計算部とを有する。電圧信号出力部は、位相信号が入力されると、巻線の電圧の第１の位相成分を出力する。電流信号出力部は、位相信号が入力されると、巻線の電流の第１の位相成分と、巻線の電流の第１の位相成分と直交する巻線の電流の第２の位相成分を出力する。第１の起電力計算部は、電圧信号出力部と電流信号出力部の出力の基づいて、起電力の第１の位相成分を計算して出力する。さらに、速度信号発生部は、第１の起電力計算部の出力が第１の所定値となるように速度信号を加減するように構成してもよい。これにより、一般にベクトル制御などと呼ばれる、電流を直交座標上の２つの成分に分けて制御する構成に、容易に適用できる。これにより、巻線の電流を応答性よく制御できる。
【０１８７】
また、本発明の動力発生装置の電源回路は、巻線電流制御部を有する。巻線電流制御部は、巻線の電流の位相信号に同期して回転する直交座標の２つの成分である第１の電流指令値と第２の電流指令値が等しくなるように、巻線の電圧を加減するように構成してもよい。
【０１８８】
これらの動力発生装置の構成によれば、電動機の巻線抵抗が大きく、速度が低い条件の場合でも、脱調状態を適切に判断できる。そして、電源回路は、脱調状態と検知した場合、早期に再起動を行って、動力発生装置の本来の機能を回復できる。これらにより、機能回復までの電気エネルギー、および時間の損失を抑制できる。
【産業上の利用可能性】
【０１８９】
本発明の動力発生装置は、適切な脱調状態の検知を行い、脱調時に電流の周波数を脱調前に対して変化させた後、電動機の再起動を行うことが可能となる。そのため、電気エネルギー、および時間の無駄の抑制など優れた性能が要望される動力源として使用される動力発生装置に適用できる。
【符号の説明】
【０１９０】
１，１８    電動機
２    ＰＷＭインバータ
３，４    座標変換器
５    電流制御部
６    速度制御部
７    磁束制御部
８    第１速度推定部
９    積分器
１０    第２速度推定部
１１    脱調判断部
１２    入力有効電力演算部
１３    軸ロック判定部
１４    軸ロック検出部
１５，１６，１７    巻線
１９，６９    電源回路
２０，７０    巻線電流制御部
２１    第１の起電力計算部
２２，７６    加算器
２３    第１の所定値発生部
２４    速度信号発生部
２５    積分部
２６    速度指令部
２７，３０，３１    減算器
２８    電流指令値発生部
３２，７４    電圧信号出力部
３３    ２相３相変換部
３４，７５    電流信号出力部
３５    インバータ回路
３７    直流電源
３８，３９，４０，４１，４２，４３    スイッチング素子
４４    駆動回路
４５    マイクロコンピュータ
４５ａ    ＰＷＭ変調部
４６    電流検知部
４７，４８，４９    シャント抵抗
５０    増幅器
５１    第１の物体
５２    第２の物体
５５    鉄芯
５６，５７，５８，５９    永久磁石
６０，６２    軸
６１    カップリング
６３    負荷
６５，６６    クラッチ
７１    電流誤差増幅器
７２    ３相２相変換部
７７    位相値源
【図１】
2018123524.tif 000008
【図２】
2018123524.tif 000009
【図３】
2018123524.tif 000010
【図４】
2018123524.tif 000011
【図５Ａ】
2018123524.tif 000012
【図５Ｂ】
2018123524.tif 000013
【図６Ａ】
2018123524.tif 000014
【図６Ｂ】
2018123524.tif 000015
【図７】
2018123524.tif 000016
【図８】
2018123524.tif 000017
【図９Ａ】
2018123524.tif 000018
【図９Ｂ】
2018123524.tif 000019
【図１０Ａ】
2018123524.tif 000020
【図１０Ｂ】
2018123524.tif 000021
【図１１】
2018123524.tif 000022
【図１２】
2018123524.tif 000023
【図１３】
2018123524.tif 000024
【図１４】
2018123524.tif 000025
【手続補正書】
【提出日】令和1年5月22日(2019.5.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般家庭で使用される電気洗濯機、エアコン、冷蔵庫などの家電製品や、事務所、業務用、交通機関などの動力源として使用される動力発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、第１の速度推定部と、第１の速度推定部と異なる推定方法を備える第２の速度推定部を設けて、脱調を検出する動力発生装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。第１の速度推定部は、永久磁石を用いた電動機の回転子の軸誤差ΔθもしくはΔθｍがゼロに収束するように回転速度を推定し、第１の推定回転速度を出力する。第２の速度推定部は、第１の推定回転速度が速度指令に追従するように電動機を制御するとともに、異なる推定方法で推定した第２の推定回転速度を出力する。
【０００３】
図１３は、特許文献１に記載の従来の動力発生装置のブロック図である。
【０００４】
図１３に示すように、特許文献１の動力発生装置は、永久磁石を有する電動機１、ＰＷＭインバータ２、座標変換器３、４、電流制御部５、速度制御部６、磁束制御部７、第１速度推定部８、積分器９、第２速度推定部１０、脱調判断部１１を有する。第１速度推定部８は、電動機１の回転子の回転速度を推定し、得られた第１推定回転速度ωｅが速度指令ω＊に追従するように電動機１を制御する。第２速度推定部１０は、第１速度推定部８とは異なる推定方式を用いて、電動機１の回転子の回転速度を推定する。脱調判断部１１は、推定された第２速度推定部１０が得る第２推定回転速度ω２ｅと、第１推定回転速度ωｅまたは速度指令ω＊と、を比較する。そして、比較結果に基づいて、電動機１の脱調を検出し、電動機１の回転を制御する。
【０００５】
また、電動機の起動時に、電流検出部から入力される電流値の相関値と、電動機に印加する電圧指令値に基づいて入力有効電力を算出し、入力有効電力が所定の閾値より小さい場合に、軸ロック（すなわち脱調）を検知する動力発生装置が開示されている（例えば、
特許文献２参照）。
【０００６】
図１４は、特許文献２に記載の従来の動力発生装置のブロック図である。
【０００７】
図１４に示すように、特許文献２の動力発生装置は、電動機の起動時に、電動機の電流値の相関値であるＩｄｃ、Ｉｑｃ、および電動機に印加する電圧に対応する電圧指令値Ｖ＊ｄｃ、Ｖ＊ｑｃを、入力有効電力演算部１２で演算する。入力有効電力演算部１２は、得られた入力有効電力値Ｐｉを、軸ロック判定部１３に出力する。軸ロック判定部１３には、速度指令値ω１＊も入力される。そして、軸ロック判定部１３は、入力された入力有効電力値Ｐｉが速度指令値ω１＊の条件での閾値より小さい場合、電動機の軸ロックが発生していると判断し、電動機の駆動を停止させる。これにより、特許文献２の動力発生装置は、軸ロック検出部１４を構成している。
【０００８】
つまり、上記従来の動力発生装置は、永久磁石を有する電動機の速度がかなり高い状態で、巻線に発生する誘導起電力が十分に高く、また巻線抵抗や誘導係数がある程度小さい場合における、脱調検知を目的としている。そのため、上述の条件が満たされない場合、脱調検知において、誤った判断をする虞がある。例えば、誤った判断として、実際には脱調していない正常な運転状態にも係わらず、脱調であると判断する場合がある。また、逆に、実際は脱調の状態にも係わらず、正常な運転状態であると判断する場合などがある。
【０００９】
しかしながら、従来の動力発生装置は、誤った判断に対応できる脱調検知の構成を備えていない。
【００１０】
つまり、特許文献１の動力発生装置は、電動機の低速回転で発生する誘導起電力が小さい条件の場合、軸誤差ΔθもしくはΔθｍがゼロ付近の微小な値となっている状態と算出しても、実際の軸誤差が大きい場合がある。また、巻線抵抗が大きく、トルクを要する運転中（力行）の場合、巻線抵抗による電圧降下は大で、かつ巻線抵抗のバラツキや温度による巻線抵抗の変化による変動も大となる。そのため、第２速度推定部１０で推定される第２推定回転速度の信頼性が低くなる。具体的には、例えばδ軸成分の電圧からの判断が不可能となる。
【００１１】
つまり、低速でトルクを要する運転中（力行）の場合、電動機の回転によって発生する誘導起電力が小さく、巻線抵抗による電圧降下は大きくなる。さらに、巻線抵抗のバラツキや温度による巻線抵抗の変化による変動も大きくなる。これにより、第２速度推定部１０で推定される第２推定回転速度の信頼性が低くなるため、例えばδ軸成分の電圧からの判断が困難となる。
【００１２】
また、特許文献２の動力発生装置は、上記と同様に、巻線抵抗が大きい設計仕様の場合、軸ロック検出の信頼性が低下する。さらに、起動直後に必要なトルクが大きい場合、軸ロックの有／無に係わらず、巻線抵抗で消費される電力（銅損）が大きくなる。そのため、入力有効電力演算部１２の出力差に基づいた軸ロックの有／無の判断が難しくなる。
【００１３】
一方、逆に、必要なトルクが小さい場合、軸ロックしていない状態における電動機への入力電力も小さい。そのため、小さい入力電力よりも、さらに小さい閾値に基づいて、軸ロックの状態を判断することは困難である。
【００１４】
また、近年、巻線に使用されていた銅線を、アルミ線に替えた電動機も多くなっている。そのため、巻線抵抗が、さらに増大する傾向にある。これにより、上記脱調の判断が、さらに困難になっている。
【００１５】
また、電動機に発光素子、受光素子、ホール素子などを設けて、適宜、永久磁石の速度および位置に関する信号を利用する動力発生装置も存在する。つまり、上記動力発生装置は、離散的な速度・位置情報を補間する推定を行う。しかし、補間しながら推定する場合、電動機の脱調の検出遅れや、検出が困難となることがある。そのため、上記動力発生装置においても、同様に、脱調の判断が困難となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２００７−２８２３８９号公報
【特許文献２】特開２０１３−１４６１６２号公報
【発明の概要】
【００１７】
本発明は、電動機の脱調状態を適切に判断し、脱調状態と検知した場合、早期に、再起動可能な動力発生装置を提供する。
【００１８】
本発明の動力発生装置は、電動機の巻線に電流を供給し、起電力の大きさが異なると、永久磁石に対する電流の位相が異なる特性を有する電源回路を有し、電源回路は、脱調時に電流の周波数を変化させた後、再起動を行うように構成される。
【００１９】
この構成によれば、電動機の巻線抵抗が大きい仕様や、低速で誘導起電力が低い駆動条件などの場合においても、脱調の誤検知を低減できる。また、脱調状態から、電動機を適切で迅速に再起動できる。これにより、電気エネルギー、および時間の無駄が抑制可能な動力発生装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１における動力発生装置のブロック図である。
【図２】図２は、同実施の形態における動力発生装置のインバータ回路の回路図である。
【図３】図３は、同実施の形態における電動機と負荷の構成図である。
【図４】図４は、同実施の形態における動力発生装置のベクトル図である。
【図５Ａ】図５Ａは、同実施の形態における動力発生装置の正常動作時の速度波形図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、同実施の形態における動力発生装置の動作時に脱調が発生した状態の速度波形図である。
【図６Ａ】図６Ａは、同実施の形態における動力発生装置の正常動作時の位相波形図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、同実施の形態における動力発生装置の動作時に脱調が発生した状態の位相波形図である。
【図７】図７は、同実施の形態における動力発生装置のベクトル図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態２における動力発生装置のベクトル図である。
【図９Ａ】図９Ａは、同実施の形態における動力発生装置の正常動作時の速度波形図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、同実施の形態における動力発生装置の動作時に脱調が発生した状態の速度波形図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、同実施の形態における動力発生装置の正常動作時の位相波形図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、同実施の形態における動力発生装置の動作時に脱調が発生した状態の位相波形図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施の形態３における動力発生装置のブロック図である。
【図１２】図１２は、同実施の形態における動力発生装置のベクトル図である。
【図１３】図１３は、特許文献１に記載の従来の動力発生装置のブロック図である。
【図１４】図１４は、特許文献２に記載の従来の動力発生装置のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２２】
（実施の形態１）
まず、本発明の実施の形態１における動力発生装置の構成について、図１を参照しながら、説明する。
【００２３】
図１は、本発明の実施の形態１における動力発生装置のブロック図である。
【００２４】
図１に示すように、本実施の形態の動力発生装置は、巻線１５、１６、１７を有する電動機１８と、巻線１５、１６、１７に電流を供給する電源回路１９などから構成される。
【００２５】
電源回路１９は、巻線１５、１６、１７の電流を制御する巻線電流制御部２０、第１の起電力計算部２１、加算器２２、第１の所定値発生部２３、速度信号発生部２４、積分部２５、速度指令部２６、減算器２７、電流指令値発生部２８、再起動信号発生部２９などを含む。巻線電流制御部２０は、減算器３０、３１、電圧信号出力部３２、２相３相変換部３３、電流信号出力部３４、インバータ回路３５など含む。
【００２６】
以上のように、本実施の形態の動力発生装置は構成される。
【００２７】
つぎに、本実施の形態の動力発生装置のインバータ回路３５について、図２を参照しながら、説明する。
【００２８】
図２は、同実施の形態の動力発生装置のインバータ回路３５の回路図である。
【００２９】
インバータ回路３５は、図２に示すように、直流電源３７と、スイッチング素子３８、３９、４０、４１、４２、４３と、駆動回路４４と、ＰＷＭ変調部４５ａと、電流検知部４６などを含む。直流電源３７は、交流１００Ｖの商用電源を倍電圧整流する回路などで構成され、例えば２８０Ｖ程度の直流電圧をスイッチング素子３８、３９、４０、４１、４２、４３に出力する。スイッチング素子３８、３９、４０、４１、４２、４３は、コレクタ端子−エミッタ端子間にダイオードが接続された、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）で構成される。スイッチング素子３８と４１、スイッチング素子３９と４２、およびスイッチング素子４０と４３は、それぞれ直列に接続される。さらに、直列に接続された、一対のスイッチング素子３８、４１、一対のスイッチング素子３９、４２および一対のスイッチング素子４０、４３は、互いに並列に接続される。スイッチング素子３８、３９、４０のそれぞれのエミッタ端子は、対応するスイッチング素子４１、４２、４３のコレクタ端子と接続される。そして、接続された、それぞれの接続点からＵ、Ｖ、Ｗの３相の電圧ＶＵ、ＶＶ、ＶＷが、電動機１８に出力される。
【００３０】
駆動回路４４は、スイッチング素子３８、３９、４０、４１、４２、４３の、それぞれのゲート端子と接続される。駆動回路４４は、マイクロコンピュータ４５に含まれるＰＷＭ変調部４５ａからの、駆動信号ＵＰ、ＵＮ、ＶＰ、ＶＮ、ＷＰ、ＷＮに基づいて、スイッチング素子３８、３９、４０、４１、４２、４３を、所定の順序に従ってオン・オフ駆動する。
【００３１】
電流検知部４６は、低電位側となるスイッチング素子４１、４２、４３のそれぞれのエミッタ端子に接続されるシャント抵抗４７、４８、４９と、増幅器５０などを含む。電流検知部４６は、駆動回路４４がスイッチング素子４１、４２、４３をオンしている期間中に、シャント抵抗４７、４８、４９に生じる電圧を検知する。増幅器５０は、検知された電圧を増幅する。そして、３相のそれぞれの相を流れる電流に相当する、アナログ電圧信号およびそのデジタル変換値に対応するＩＵ、ＩＶ、ＩＷを、マイクロコンピュータ４５に出力する。入力されたＩＵ、ＩＶ、ＩＷに基づいて、マイクロコンピュータ４５は、ＰＷＭ変調部４５ａから、駆動信号ＵＰ、ＵＮ、ＶＰ、ＶＮ、ＷＰ、ＷＮを駆動回路４４に出力する。
【００３２】
なお、電流検知部４６は、上記の構成以外に、直流からの電流値を、３相巻線のうちの２相以上の巻線から、コアと磁気検知素子などで検知する、例えばＤＣＣＴ（ＤＣ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）と呼ばれる方法で検知する構成としてもよい。
【００３３】
また、電流検知部４６として、上述のシャント抵抗を１本のみで構成してもよい。この場合、それぞれの相の低電位側のスイッチング素子のオン時間との対応関係に基づいて、オン時間中において、個別に電流値を検知する。これにより、３相の全ての電流値を、１本のシャント抵抗のみで検知できる。
【００３４】
以上のように、本実施の形態の動力発生装置のインバータ回路３５は構成される。
【００３５】
つぎに、本実施の形態の動力発生装置の電動機１８と負荷６３の構成について、図３を参照しながら、説明する。
【００３６】
図３は、同実施の形態における電動機１８と負荷６３の構成図である。
【００３７】
図３に示すように、電動機１８は、第１の物体５１と、第２の物体５２などを含む。第１の物体５１は、一般にステータ（固定子）と称され、巻線１５、１６、１７で構成される。第２の物体５２は、一般にロータ（回転子）と称され、第１の物体５１に対して、回転自在に支持される。第２の物体５２は、例えば鉄芯５５の表面に永久磁石５６、５７、５８、５９が接着された状態で形成される。本実施の形態において、第２の物体５２は、永久磁石５６、５８の外側がＮ極、永久磁石５７、５９の外側がＳ極となるように着磁され、４極の極数で構成される。
【００３８】
つまり、電動機１８は、第１の物体５１に対して、第２の物体５２が回転自在に配設され、回転方向に相対運動が可能な状態で構成される。そのため、第１の物体と第２の物体の相対運動（すなわち回転運動）により、永久磁石５６、５７、５８、５９からの磁束と、巻線１５、１６、１７との鎖交する状態が、回転の角度によって変化する。これにより、第１の物体５１である巻線１５、１６、１７に、起電力（あるいは誘導起電力と称される）が発生する。
【００３９】
軸６０は、第２の物体５２と一体的に構成され、回転自在に設けられる。軸６０は、クラッチ６５、６６を有するカップリング６１および軸６２を介して、負荷６３に接続される。このとき、カップリング６１のクラッチ６５、６６が噛み合うことにより、第２の物体５２のトルクが負荷６３に伝達される。
【００４０】
なお、上記実施の形態では、第１の物体５１が固定され、第２の物体５２が相対運動（回転運動）する構成を例に説明したが、これに限られない。例えば、第２の物体５２を固定し、第１の物体５１の相対運動が可能な構成としてもよい。この場合、軸６０は、第１の物体５１に設けることが好ましい。さらに、相対運動は、上記回転運動以外に、直線運
動を行う構成としてもよい。
【００４１】
また、上記実施の形態では、第１の物体５１に３相の巻線１５、１６、１７、第２の物体５２に４つの永久磁石５６、５７、５８、５９を設ける構成を例に説明したが、これに限られない。例えば、第１の物体５１あるいは第２の物体５２のいずれか一方に、巻線と永久磁石の両方を設ける構成としてもよい。この場合、他方は、巻線も永久磁石も設けない構成となる。しかし、例えば磁気回路を構成するクローポールなどを有する構成とすればよい。この構成によれば、第１の物体５１と第２の物体５２との相対運動により、永久磁石から発せられる磁束と、巻線との鎖交する度合いが変化する構成が実現される。つまり、相対運動によって起電力を発生させることができるため、上記構成も有効な構成となる。
【００４２】
以上のように、本実施の形態の動力発生装置の電動機１８と負荷６３は構成される。
【００４３】
つぎに、上記構成の動力発生装置の巻線電流制御部２０の制御動作について、図１を参照しながら、説明する。
【００４４】
電源回路１９の巻線電流制御部２０は、一般にベクトル制御と呼ばれる方法で制御を行う。
【００４５】
つまり、電動機１８の巻線１５、１６、１７に供給するアナログ電圧信号およびそのデジタル変換値に対応するＩＵ、ＩＶ、ＩＷは、電流信号出力部３４によって、推定ｄ軸（γ軸）と推定ｑ軸（δ軸）の直交座標に３相２相変換される。そして、電圧のγ軸とδ軸での値を、２相３相変換部３３を通じて変換し、電動機１８を制御するように構成される。
【００４６】
具体的には、２相３相変換部３３は、以下に示す式（１）を用いて、推定ｄ軸電圧Ｖγ（以下、Ｖγと略記する場合がある）、推定ｑ軸電圧Ｖδ（以下、Ｖδと略記する場合がある）、および後述する積分部２５から出力される推定位相である位相信号θに基づいて、Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに変換する。なお、Ｖγは、巻線の電圧の第１の位相成分に対応する。また、式（１）のＶｕ、Ｖｖ、Ｖｗは、上述ＶＵ、ＶＶ、ＶＷと同義である。
【００４７】
電流信号出力部３４は、式（２）を用いて、Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗと位相信号θから、推定ｄ軸電流Ｉγ（以下、Ｉγと略記する場合がある）、推定ｑ軸電流Ｉδ（以下、Ｉδと略記する場合がある）への変換、すなわち３相２相変換を行う。なお、Ｉγは巻線の電流の第１の位相成分、Ｉδは巻線の電流の第２の位相成分に対応する。また、式（２）のＩｕ、Ｉｖ、Ｉｗは、上述ＩＵ、ＩＶ、ＩＷと同義である。
【００４８】
上記のように、ベクトル制御は、まず、電流を直交座標の２つの成分に分ける。そして、２つの電流成分のそれぞれが所定の値となるように、直交座標の電圧成分を加減して制御する。そのため、本実施の形態の電源回路１９の巻線電流制御部２０は、上記ベクトル制御構成との適用性が高い。これにより、位相のズレを適切にゼロ近くに抑えながら、動力発生装置の運転が可能となる。
【００４９】
【数１】
2018123524.tif 000026
【００５０】
【数２】
2018123524.tif 000027
【００５１】
具体的には、巻線電流制御部２０は、電流指令値発生部２８から、推定ｄ軸電流指令値Ｉγｒ（以下、Ｉγｒと略記する場合がある）と、推定ｑ軸電流指令値Ｉδｒ（以下、Ｉδｒと略記する場合がある）と、を受ける。なお、Ｉγｒは、第１の電流指令値、Ｉδｒは第２の電流指令値に対応する。
【００５２】
そして、巻線電流制御部２０は、電流信号出力部３４から出力されるＩγおよびＩδと、受け付けたＩγｒおよびＩδｒとの誤差がゼロとなるようにＶγ、Ｖδを加減する。つまり、巻線電流制御部２０は、誤差増幅器として、動作する。
【００５３】
なお、本実施の形態においては、推定ｄ軸電流指令値Ｉγｒを、ゼロとしている。これにより、例えば鉄芯５５の表面に永久磁石５６、５７、５８、５９を接着して構成される表面磁石モータ（ＳＰＭ）において、トルク発生（動力発生）に関与しないｄ軸電流をゼロ（流さない）の状態で制御できる。これにより、最小の電流値で必要なトルクを確保することができる。そのため、巻線での電流による損失、すなわち銅損を最小限に抑えることができる。その結果、表面磁石モータの高効率の運転が可能になる。このとき、推定ｄ軸電流Ｉγは、ほぼゼロになる。その結果、必要なトルクに応じて加減された推定ｑ軸電流Ｉδの値で、電動機１８の運転制御が可能となる。
【００５４】
つまり、本実施の形態においては、位相信号θに同期して回転する直交座標γδの２つの成分であるＩγおよびＩδが、それぞれＩγｒおよびＩδｒと、等しくなるように、ＶγとＶδが加減される。そして、最終的に、インバータ回路３５から、電動機１８の第１の物体５１を構成する巻線１５、１６、１７に印加される３相の電圧ＶＵ、ＶＶ、ＶＷが加減される。
【００５５】
以上のように、動力発生装置の巻線電流制御部２０は動作する。
【００５６】
つぎに、電動機１８の速度信号ω１、ω２、および位相信号θの生成動作について、説明する。
【００５７】
まず、図１に示す第１の起電力計算部２１は、上記Ｖγ、Ｉγ、Ｉδから、式（３）を用いて、γ軸成分の起電力に相当する第１の起電力εγ（以下、εγと略記する場合がある）を計算する。なお、εγは、起電力の第１の位相成分に対応する。
【００５８】
【数３】
2018123524.tif 000028
【００５９】
ここで、Ｒａは巻線１５、１６、１７の抵抗値、Ｌは巻線１５、１６、１７のインダクタンス値（誘導係数）である。このとき、抵抗値Ｒａおよびインダクタンス値Ｌは、いずれも直交座標上での値である。
【００６０】
本実施の形態の電動機１８は、鉄芯５５の表面に永久磁石５６、５７、５８、５９を有するように構成される。そのため、インダクタンス値Ｌは、一定値で表すことができる。しかし、永久磁石を鉄芯の奥深くに埋め込むタイプの電動機構成の場合、インダクタンス値Ｌは、ｄｑ座標での位相（角度）によって変化する。この場合、上記式（３）のインダクタンス値Ｌの代わりに、ｑ軸でのインダクタンス値Ｌｑを用いて、γ軸成分の第１の起電力εγが計算される。
【００６１】
なお、式（３）において、Ｉγをゼロに設定し、かつその指令値に近い値で、電動機１８を制御する場合、右辺第２項を省略することができるケースがある。また、時間微分を示すｐは、必要がなければ省略してもよい。さらに、ωが小さい低速の条件の場合、式（３）の第３項を省いてもよい。つまり、式（３）において、十分な位相ズレに収まる範囲であれば、適宜、要素を選択して計算し、第１の起電力εγを求めればよい。
【００６２】
ここで、動力発生装置の動作時における電流および電圧の位相関係について、図４を用いて、説明する。
【００６３】
図４は、同実施の形態の動力発生装置において、正常な運転状態におけるベクトル図である。
【００６４】
図４において、ベクトルＡは起電力が大きい場合の起電力ベクトル、ベクトルＢは起電力が小さい場合の起電力ベクトルを、ベクトルＩは電流ベクトルを示している。
【００６５】
本実施の形態において、図１に示す速度信号発生部２４は、入力値μが正の場合、速度信号ω１およびω２を減少させる。一方、入力値μが負の場合、速度信号発生部２４は、速度信号ω１およびω２を増加させるように機能する。そして、積分部２５は、速度信号発生部２４からの速度信号ω１を時間積分して、位相信号θを生成する。位相信号θは、２相３相変換部３３および電流信号出力部３４に入力される。その結果、定常状態において、速度信号発生部２４は、入力値μをほぼゼロに近い微小な値に保つように動作する。
【００６６】
なお、本実施の形態において、速度信号ω１とω２は、センサレス制御のため、推定の速度信号である。具体的には、速度信号ω１は、速度制御を行う目的の値である。一方、速度信号ω２は、積分部２５の積分値である位相信号θを安定に保つ目的の値である。つまり、速度信号ω１とω２は、互いに目的が異なるため、入力値μを入力とした誤差増幅ゲインおよび応答性を最適化できるように、若干の違いを設けている。このとき、速度信号ω１とω２の下限値は、ゼロに設定している。
【００６７】
また、上記入力値μは、第１の所定値発生部２３の出力Ｖｂと、第１の起電力計算部２１の出力値εγ（式（３）の第１の起電力に相当）が、加算器２２で加算された値である。そのため、電動機１８が脱調せずに、正常に運転される定常状態において、図４に示す
ベクトルＡとベクトルＢのγ成分（すなわち出力値εγ）が、−Ｖｂとなるようにフィードバック制御がなされた状態となる。
【００６８】
なお、本実施の形態においては、第１の所定値として、第１の所定値発生部２３の出力Ｖｂ＝＋０．５Ｖという正の値に設定している。そのため、図４に示すベクトルＡとベクトルＢは、いずれも左に傾いたベクトルとなる。このとき、起電力が大きいベクトルＡと比較し、起電力が小さいベクトルＢは、より左に傾いたベクトルとなる。
【００６９】
この場合、起電力のベクトルＡとベクトルＢは、電動機１８の第１の物体５１と第２の物体５２との相対運動（回転運動）によって、永久磁石５６、５７、５８、５９と巻線１５、１６、１７との鎖交磁束の時間的変化によって発生する。つまり、ベクトルＡとベクトルＢは、常に、ｑ軸上に発生する。
【００７０】
このとき、ベクトルＡとベクトルＢに対するｑ軸は、それぞれｑＡ軸とｑＢ軸となる。一方、ベクトルＡとベクトルＢに対するｄ軸は、ｑ軸に対して９０度遅れたｄＡ軸とｄＢ軸となる。
【００７１】
図４に示すように、ベクトルＡとベクトルＢのどちらも、δ軸より、矢印Ｇで示す反時計回り方向となる。つまり、ｑ軸は、δ軸よりも、位相が進んでいる。言い方を変えると、δ軸が、ｑ軸より、矢印Ｈで示す時計回り方向に、位相が遅れている状態である。そのため、推定している位相信号θが、遅れているという表現もできる。さらに、ベクトルＢは、ベクトルＡよりも、より反時計回り方向にある。そのため、ベクトルＢは、ベクトルＡよりも、位相信号θの遅れが大きくなる。
【００７２】
一方、電流のベクトルＩ（以下、電流Ｉと記す場合がある）は、上述したようにＩγｒ＝０としている。そのため、電流のベクトルＩは、常に、δ軸上で制御される。つまり、起電力が小さいベクトルＢでの直交座標（ｄＢ、ｑＢ）は、起電力が大きいベクトルＡでの直交座標（ｄＡ、ｑＡ）よりも、電流のベクトルＩの位相が遅れることになる。
【００７３】
ここで、永久磁石の回転によって巻線に発生する起電力Ｅ［Ｖ］の大きさは、式（４）で示される。つまり、起電力Ｅ［Ｖ］は、第１の物体５１と第２の物体５２との相対運動の速度、すなわち電動機１８の運転速度（回転速度）を電気角速度ω［ｒａｄ／ｓ］で表した値と、永久磁石５６、５７、５８、５９の磁束Ψａ［Ｗｂ］との積に比例する。
【００７４】
【数４】
2018123524.tif 000029
【００７５】
したがって、電源回路１９は、起電力Ｅが異なると、永久磁石に対する電流の位相が異なる特性を備えることになる。
【００７６】
ここで、電源回路１９において、起電力Ｅが異なると、電流の位相が異なることを確認する方法として、下記の３つの確認方法が例示される。
【００７７】
第１の確認方法は、電気角速度ωを変化させる試験を行い、電動機１８の運転速度を変化させる。この場合、永久磁石の着磁状態が一定でも、運転速度を高／低と変化させると、電気角速度ωに比例して起電力Ｅが変化する条件となる。そこで、ｄｑ平面上での電流Ｉの位相、すなわち永久磁石に対する電流Ｉの位相の変化を確認する。このとき、電流の位相の変化が確認されると、本実施の形態の電源回路１９の構成が、有効に機能している
と判断できる。
【００７８】
第２の確認方法は、まず、永久磁石の着磁の強さが異なり、磁束Ψａの値が異なる２台の電動機を用意する。そして、電動機を、同一速度、すなわち同一の電気角速度ω、かつ同一負荷で試験を行う確認方法である。
【００７９】
第３の確認方法は、第２の確認方法と同様に、まず、磁束Ψａの値が異なる２台の電動機を用意する。そして、電動機を、同一速度、すなわち同一の電気角速度ωとする一方で、電流の大きさが一定となるように負荷トルクを調整して試験を行う確認方法である。
【００８０】
つまり、第２と第３の確認方法の場合、どちらも磁束Ψａの値が異なる分、同一の電気角速度ωでも、起電力Ｅが異なる条件となる。このとき、永久磁石に対する電流Ｉの位相の変化を確認できれば、本実施の形態の電源回路１９の構成が、有効に機能していると判断できる。
【００８１】
また、第２と第３の確認方法の場合、上述したように、同一速度（ω値）で、起電力Ｅの大きさが異なる条件で確認を行う。そのため、例えば電気角速度ωの関数として推定座標上での電流Ｉの位相が変化する要素を、さらに加えた構成の場合、本実施の形態の電源回路１９の構成要素が有効に機能する状態かどうかの確認が困難な場合がある。しかし、電流Ｉの位相が変化する要素を加えた構成の場合でも、起電力Ｅの大きさが異なる条件での試験により、確実に、本実施の形態の電源回路１９の構成が機能していることを確認するのに有効である。
【００８２】
また、第２の確認方法において、永久磁石の着磁の強さの程度が異なる場合、Ｉｑ値の変化が発生する現象、すなわち負荷トルクが一定条件で現れる、磁束ΨａとＩｑの反比例関係から生ずる影響が発生する。つまり、第２の確認方法は、同一負荷としているため、着磁の強さの違い（電流に対するトルクの大きさ、すなわちトルク定数が異なる）により、電流Ｉの大きさ（ベクトルの絶対値）が異なる値となる。そのため、第１の起電力の計算に誤差を起こすなどの影響が発生する。しかし、第３の確認方法によれば、上記影響を除去することができるため、適切な確認が可能となる。
【００８３】
なお、第２および第３の確認方法において、永久磁石の着磁の強さは、以下の方法により確認できる。
【００８４】
まず、駆動用の電動機と、試験する電動機の軸を、カップリングなどを介して接続する。接続した状態で、同一の速度で２つの電動機をそれぞれ回転させる。このとき、開放状態とした入力端子間の電圧を、電圧計、デジタルパワーメータ、オシロスコープなどの計測器で、測定あるいは観測する。これにより、永久磁石の着磁の強さを確認できる。
【００８５】
また、第１から第３の確認方法において、永久磁石に対する電流Ｉの位相は、以下の方法により確認できる。
【００８６】
まず、例えば光学式のＡＢＺロータリエンコーダを電動機の軸などに取り付ける。このとき、ＡＢＺロータリエンコーダの原点を、電気角θ＝０、すなわちＮ極とＵ相から供給される起磁力による磁束と同方向となる位相に一致させる。そして、１つの相の電流波形、あるいは３相の電流値からの電流のベクトルＩの位相を解析する。これにより、永久磁石に対する電流Ｉの位相の確認が可能となる。
【００８７】
なお、第１から第３の確認方法において、電流の周波数はオシロスコープなどで確認できる。確認される電流の周波数は、電源回路１９内部での推定速度ω２である速度信号と
なる。
【００８８】
以上のように、第１から第３の確認方法のいずれかにより、起電力Ｅの違いによる電流Ｉの位相の違いが確認されれば、本実施の形態の電源回路１９の構成が機能していることを確認できる。
【００８９】
つまり、脱調時において、電動機１８の回転がゼロに低下する過程で、永久磁石に対する電流Ｉの位相は、脱調前に対して変化する。これにより、電流の周波数の変動（すなわち、推定速度の低下または上昇）が発生する。その結果、推定速度の変化から、適切な電動機１８の脱調検知が可能となる、本発明の効果が得られる。
【００９０】
また、本実施の形態において、永久磁石の着磁が弱い方の電動機は、図４に示すベクトルＢのように、ｄ軸およびｑ軸が進み位相（矢印Ｇ）となる。そのため、ｄｑ座標に対する電流Ｉの位相は、より遅れ位相（矢印Ｈ）の傾向が現れる。
【００９１】
これにより、本実施の形態の電源回路１９の構成が、正常に成り立っているかどうかを、以下で示すように、適切に確認できる。
【００９２】
具体的には、永久磁石５６、５７、５８、５９が標準的な着磁状態の場合、電動機１８を、例えば３５ｒ／ｍｉｎの速度で回転させると、例えば５Ｖの起電力Ｅが発生する。この場合、電流Ｉの位相のｑ軸からの遅れは、５．７度となる。一方、標準的な着磁状態に対して、例えば永久磁石の着磁の強さを３０％減少した状態で、電動機１８を同じ条件で回転させると、例えば３．５Ｖの起電力Ｅが発生する。この場合、電流Ｉの位相のｑ軸からの遅れは、８．２度となる。つまり、電流Ｉの位相は、起電力Ｅの３０％の低下により、さらに２．５度遅れる。これにより、本実施の形態の電源回路１９の構成が、正常に成り立っていることが確認できる。
【００９３】
つぎに、動力発生装置の動作時における電動機１８の速度制御について、図５Ａおよび図５Ｂを用いて、説明する。
【００９４】
図５Ａは、同実施の形態における動力発生装置の正常動作時の速度波形図である。図５Ｂは、同実施の形態における動力発生装置の動作時に脱調が発生した状態の速度波形図である。つまり、図５Ａは、正常時、すなわち脱調していない定常状態における速度波形を示す。一方、図５Ｂは、例えば過負荷などによって、電動機１８の速度が、動作途中でゼロに抑えられ、脱調した状態における速度波形を示す。なお、図５Ａおよび図５Ｂにおいて、指令速度を一点鎖線、推定速度である速度信号ω２を実線で示している。
【００９５】
図５Ａに示す動力発生装置は、十分な速度制御が実行されている。そのため、速度信号ω２は、指令速度とほぼ一致した３５ｒ／ｍｉｎ付近に保たれていることが分かる。
【００９６】
一方、図５Ｂに示す動力発生装置は、ｔ＝ｔ１時点で過負荷がかかり、電動機１８の速度がゼロになる。このとき、速度信号ω２は、次第に下降し、ｔ＝ｔ２時点で、下限値のゼロまで低下する。そして、ｔ＝ｔ２時点のタイミングで、電源回路１９は、電動機１８が脱調状態であることを検知する。
【００９７】
脱調状態を検知すると、図１に示す再起動信号発生部２９は、速度指令部２６に対して、一旦、速度をゼロとする命令を出力する。その後、ｔ＝ｔ２時点以降の所定の時間内に、再起動信号発生部２９は、速度指令部２６に対して、再起動する命令を出力する。これにより、脱調状態にあった電動機１８は、改めて速度ゼロからの起動動作が行われ、正常な速度に復帰する。
【００９８】
ここで、電動機１８の速度がゼロとなる脱調時において、速度信号ω２が低下する理由について、以下で説明する。
【００９９】
まず、起電力がゼロとなると、図４のベクトルＡやベクトルＢで示すような起電力Ｅのγ成分（Ｖｂ）を−０．５Ｖに保つ速度信号ω２の解が無くなる。なお、解が無いとは、γδ平面上でいかなる起電力Ｅの位相においても、そのγ成分（第１の起電力εγ）が−０．５Ｖになる位相が存在しない状態を意味する。そのため、図４に示す矢印Ｇの向き、すなわちｑ軸からの電流Ｉの位相が、どんどん遅れる。これにより、最終的に、推定速度である速度信号ω２がゼロとなる。
【０１００】
また、本実施の形態の電動機１８は、実際の運転速度が４ｒ／ｍｉｎにおいて、起電力Ｅが０．５Ｖとなる。そのため、脱調により、運転速度が４ｒ／ｍｉｎから、さらに低下した段階においては、確実に、上述した「解無し」の状態となる。
【０１０１】
このとき、速度信号ω２に相当する推定速度は、上述したように、外部から、電流の周波数として観測される。そのため、脱調の発生を判定する閾値として、例えば３ｒ／ｍｉｎ以下の運転速度の状態が、０．５秒間、継続した時点などと設定できる。
【０１０２】
なお、閾値は、上記に限られず、任意に設定可能である。例えば、指令速度と推定速度ω２との差、あるいは差の絶対値が大きくなった時点を閾値として設定してもよい。つまり、符号を問わず指令速度と推定速度ω２との差が、ゼロから閾値分以上、離れた状態となった場合、脱調検知を実行する。また、指令速度に所定の比率を乗じた閾値速度の範囲を脱した時点、またはそれらの状態の継続時間が所定時間となった時点を閾値として設定してもよい。さらに、指令速度と推定速度の差の時間積分などを閾値として設定してもよい。つまり、応用される動力発生装置の状態に応じて、さまざまな閾値の設定が可能である。
【０１０３】
また、上記実施の形態では、推定速度である速度信号ω２の下限をゼロとし、ゼロになった時点で脱調を検知する構成を例に説明したが、これに限られない。例えば、推定速度の正負を共に有効な値とし、回転の向きに応じて正負の値が取り得るように構成する。そして、推定速度の正負の符号が変わった時点で、脱調を検知してもよい。この場合でも、推定速度と反対の符号となることを禁止する制限を設ける構成として、脱調を検知してもよい。さらに、推定速度と逆の符号となった時点、あるいはその状態が所定時間、継続した時点で、脱調を検知する構成としてもよい。つまり、上記構成でも、本実施の形態における脱調の検知として、有効となる。
【０１０４】
また、上記実施の形態では、推定速度である速度信号ω２を、外部から、電流の周波数として測定する構成を例に説明した。具体的には、例えば３相の電動機１８の線電流の少なくとも１つを、カレントプローブとオシロスコープなどの計測器を用いて測定する。これにより、測定された線電流の推定周波数を、推定速度である速度信号ω２として用いることができる。
【０１０５】
つぎに、動力発生装置の動作時における電動機１８の位相波形について、図６Ａおよび図６Ｂを用いて、説明する。
【０１０６】
図６Ａは、同実施の形態における動力発生装置の正常動作時の位相波形図である。図６Ｂは、同実施の形態における動力発生装置の動作時に脱調が発生した状態の位相波形図である。つまり、図６Ａは、正常時、すなわち脱調していない定常状態における位相波形を示す。一方、図６Ｂは、例えば過負荷などによって、電動機１８の速度が、動作途中でゼ
ロに抑えられ、脱調した状態における位相波形を示す。具体的には、図６Ａおよび図６Ｂは、ｑ軸に対する電流Ｉの位相の波形図を示している。
【０１０７】
図６Ａに示すように、動力発生装置は、定常状態において、電流Ｉの位相の遅れが、ほぼ５．７度の一定の遅れを持つ状態となる。
【０１０８】
一方、図６Ｂに示すように、ｔ＝ｔ１時点で脱調が発生すると、ｔ＝ｔ１時点以降、次第に電流Ｉの位相の遅れが増大する。そして、速度信号ω２＝０となるｔ＝ｔ２時点で、電流Ｉの位相の遅れは、以下に示すように、例えば８５度遅れの一定値の状態で落ち着く。電流Ｉの位相遅れは、上述したように、実際の速度と推定速度ω２の差（速度差）を時間積分した値である。つまり、脱調すると、実際の速度と推定速度ω２がゼロとなるため、上記速度差がゼロとなる。これにより、速度差の時間積分もゼロとなる。その結果、時間とともに位相が変化するような現象は起こらず、一定の位相差に収束する。
【０１０９】
つまり、本実施の形態の動力発生装置は、正常動作時および脱調時においても、ｑ軸からの電流Ｉの位相の遅れが一定値に落ち着く。つまり、例えば図６Ｂに示すｔ＝ｔ２以降に速度信号ω２＝０の状態が継続しているかどうかの監視時間を設ける場合でも、監視時間中におけるｑ軸に対する電流Ｉの位相の遅れが一定となる。そのため、監視時間として、例えば０．２秒間などの十分な時間を設けることができる。これにより、より確実な脱調の検知が可能となる。また、電流Ｉの位相の遅れが一定値に落ち着くため、騒音の発生が抑制される。
【０１１０】
なお、騒音は、例えば電流ベクトルの回転が継続すること、すなわちｄｑ面上での回転がある場合に発生する正負の交番トルクが機構に作用することで発生する。そのため、位相の遅れを一定の状態にすれば、交番トルクの発生はなく、静止（直流）トルクで済む。これにより、騒音の発生要素の一つを無くすことができる。その結果、騒音の発生を抑制できる。
【０１１１】
以下に、本実施の形態の動力発生装置の制御動作の別の例について、図７を用いて説明する。
【０１１２】
図７は、同実施の形態の動力発生装置において、正常な運転状態におけるベクトル図である。具体的には、図１に示す電流指令値発生部２８の設定を、図４から若干変化させた状態におけるベクトル図である。
【０１１３】
つまり、図７に示すように、電流指令値発生部２８は、電流Ｉを、δ軸上に一致させず、γδ座標上の第２象限に設定する。具体的には、例えば、推定ｄ軸電流指令値Ｉγｒ値を−０．１Ａ、推定ｑ軸電流指令値Ｉδｒ＝＋１．０Ａに設定する。つまり、δ軸に対して、電流Ｉが、５．７度の進み位相となるように設定する。これにより、電流Ｉの位相は、ほぼｑ軸と一致する。すなわち、起電力Ｅの位相と電流Ｉの位相とが一致する。このとき、電流Ｉの位相は、γδ座標では、ｄｑ座標に対して５．７度の遅れを有する状態となる。一方、電流Ｉの位相は、電動機１８の起電力Ｅの位相が合致する。この場合、電流Ｉの大きさ（ベクトルの長さ）が最小となるため、銅損などの損失が最小となる。これにより、電動機１８を、高効率で駆動することができる。
【０１１４】
つまり、図４に示すベクトル制御と比較して、電流Ｉの位相の遅れによる効率低下、脱調耐量の低下などが抑制される。その結果、さらに高効率で、安定性の高い動力発生装置を実現できる。
【０１１５】
この場合でも、同一速度での起電力に違いを設けると、δ軸に対する電流Ｉの位相の進
み角が同一であれば、永久磁石５６、５７、５８、５９で定まるｑ軸に対する電流Ｉの位相は、起電力が小さくなるほど、遅れる。つまり、起電力の低下と電流Ｉの位相の遅れの変化については、図４の場合と同等となる。
【０１１６】
また、電動機１８が脱調した場合の動作に関しても、図５Ａおよび図５Ｂで説明した動作と同様である。つまり、速度信号ω２がゼロとなった時点で、脱調が検知される。そして、図１に示す再起動信号発生部２９などを介して、電動機１８を再起動することができる。これにより、騒音、不必要な電流、または不必要な時間の発生を低減できる。
【０１１７】
なお、上記実施の形態では、εγにＶｂを加算した上で、入力値μ＝０となるようにフィードバック制御する構成を例で説明したが、これに限られない。例えば、εγと−０．５Ｖとの差を誤差電圧とし、誤差電圧が０Ｖになるようにフィードバック制御する構成としてもよい。この場合でも、上記実施の形態と同等の動作で制御できる。そのため、どちらもフィードバック制御の構成として有効である。
【０１１８】
以上で説明したように、本実施の形態の動力発生装置は、第１の物体５１を構成する巻線１５、１６、１７と、第２の物体５２を構成する永久磁石５６、５７、５８、５９を有する。さらに、動力発生装置は、第１の物体５１と第２の物体５２の相対運動によって巻線に起電力を発生する電動機１８と、巻線に電流を供給し、起電力の大きさが異なると永久磁石に対する電流の位相が異なる特性を有する電源回路１９を有する。そして、電源回路１９は、脱調時に電流の周波数（推定速度ω２）を脱調前に対して変化させた後、電動機１８の再起動を行うように構成される。これにより、巻線抵抗が大きく、速度が低速の条件においても、脱調状態の発生を、短時間で適切に判断できる。そして、脱調状態と検知した場合、早期に再起動を行って動力発生装置本来の機能を回復させることができる。
【０１１９】
一方、低速の条件において、脱調状態の検知に時間がかかる場合、動力発生装置の停止時間が長くなる。そのため、動力発生装置の動作完了が、停止時間に応じて遅れ、さらに、再起動までの時間が長くなる。その結果、電気エネルギー、時間の損失が発生する。
【０１２０】
つまり、本実施の形態の構成によれば、低速の条件においても、脱調状態の発生を短時間で判断して、再起動できるため、電気エネルギー、時間の損失を抑制できる。
【０１２１】
（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２における動力発生装置について、図１を参照しながら、図８を用いて、説明する。
【０１２２】
図８は、本発明の実施の形態２における動力発生装置の正常な運転状態におけるベクトル図である。
【０１２３】
本実施の形態の動力発生装置は、第１の所定値発生部２３の出力Ｖｂ＝−０．５Ｖ（第１の所定値の相当）、すなわち負の値としている点で、実施の形態１と異なる。他の部分は、実施の形態１の構成要素と同等である。
【０１２４】
図８において、ベクトルＡは起電力が大きい場合の起電力ベクトル、ベクトルＢは起電力が小さい場合の起電力ベクトルを、ベクトルＩは電流ベクトルを示している。
【０１２５】
本実施の形態において、図１に示す速度信号発生部２４は、入力値μが正の場合、速度信号ω１およびω２を減少させる。一方、入力値μが負の場合、速度信号発生部２４は、速度信号ω１およびω２を増加させるように機能を有する。そして、図１に示す積分部２５は、速度信号発生部２４からの速度信号ω１を時間積分して、位相信号θを生成する。
位相信号θは、２相３相変換部３３および電流信号出力部３４に入力される。その結果、定常状態において、速度信号発生部２４は、入力値μをほぼゼロに近い微小な値に保つように動作する。
【０１２６】
なお、本実施の形態においては、第１の所定値として、第１の所定値発生部２３の出力Ｖｂ＝−０．５Ｖという負の値に設定している。このとき、−Ｖｂ＝＋０．５Ｖとなる。そのため、図８に示すベクトルＡとベクトルＢは、いずれも右に傾いたベクトルとなる。このとき、起電力が大きいベクトルＡと比較し、起電力が小さいベクトルＢは、より右に傾いたベクトルとなる。つまり、ベクトルＢは、ベクトルＡよりも、より矢印Ｈ方向の遅れ側にある。そのため、ベクトルＢは、ベクトルＡよりも、位相信号θの進みが大きくなる。
【０１２７】
一方、電流のベクトルＩ（以下、電流Ｉと記す場合がある）は、本実施の形態でも、実施の形態１と同様に、Ｉγｒ＝０としている。そのため、電流のベクトルＩは、常に、δ軸上で制御される。つまり、起電力が小さいベクトルＢでの直交座標（ｄＢ、ｑＢ）は、起電力が大きいベクトルＡでの直交座標（ｄＡ、ｑＡ）よりも、電流のベクトルＩの位相が進むことになる。
【０１２８】
なお、本実施の形態のベクトル制御の構成が正しいかどうかの確認は、実施の形態１で説明した、永久磁石の着磁の強さが異なる電動機１８を用いた試験で、同様に確認できるため、説明は省略する。
【０１２９】
つぎに、動力発生装置の動作時における電動機１８の速度制御について、図９Ａおよび図９Ｂを用いて、説明する。
【０１３０】
図９Ａは、同実施の形態における動力発生装置の正常動作時の速度波形図である。図９Ｂは、同実施の形態における動力発生装置の動作時に脱調が発生した状態の速度波形図である。つまり、図９Ａは、正常時、すなわち脱調していない定常状態における速度波形を示す。一方、図９Ｂは、過負荷などによって、電動機１８の速度が、動作途中でゼロに抑えられ、脱調した状態における速度波形を示す。なお、図９Ａおよび図９Ｂにおいて、指令速度を一点鎖線、推定速度である速度信号ω２を実線で示している。
【０１３１】
図９Ａに示す動力発生装置は、十分な速度制御が実行されている。そのため、推定速度ω２は、指令速度とほぼ一致した３５ｒ／ｍｉｎ付近に保たれていることが分かる。
【０１３２】
一方、図９Ｂに示す動力発生装置は、ｔ＝ｔ１時点で過負荷がかかり、電動機１８の速度がゼロになる。このとき、速度信号ω２は、次第に上昇し、ｔ＝ｔ２時点で、脱調検知の閾値である、例えば１５０ｒ／ｍｉｎに達する。そして、ｔ＝ｔ２時点のタイミングで、電源回路１９は、電動機１８が脱調状態であることを検知する。
【０１３３】
脱調状態を検知すると、図１に示す再起動信号発生部２９は、速度指令部２６に対して、一旦、速度をゼロとする命令を出力する。その後、ｔ＝ｔ２時点以降の所定の時間内に、再起動信号発生部２９は、速度指令部２６に対して、再起動する命令を出力する。これにより、脱調状態にあった電動機１８は、改めて速度ゼロからの起動動作が行われ、正常な速度に復帰する。
【０１３４】
ここで、電動機１８の速度がゼロとなった脱調時において、速度信号ω２が上昇する理由について、以下で説明する。
【０１３５】
まず、起電力Ｅがゼロとなると、図８のベクトルＡやベクトルＢで示すような起電力の
γ成分（Ｖｂ）を＋０．５Ｖに保つ速度信号ω２の解が無くなる。なお、解が無いとは、γδ平面上でいかなる起電力の位相においても、そのγ成分（第１の起電力εγ）が＋０．５Ｖになる位相が存在しない状態を意味する。そのため、図８に示す矢印Ｈの向き、すなわちｑ軸からの電流Ｉの位相が、どんどん進んでいく。これにより、推定速度である速度信号ω２が上昇を続ける。そして、最終的に、脱調有無の判断である閾値（１５０ｒ／ｍｉｎ）まで、速度信号ω２が上昇することになる。
【０１３６】
つぎに、動力発生装置の動作時における電動機１８の位相波形について、図１０Ａおよび図１０Ｂを用いて、説明する。
【０１３７】
図１０Ａは、同実施の形態における動力発生装置の正常動作時の位相波形図である。図１０Ｂは、同実施の形態における動力発生装置の動作時に脱調が発生した状態の位相波形図である。つまり、図１０Ａは、正常時、すなわち脱調していない定常状態における位相波形を示す。一方、図１０Ｂは、過負荷などによって、電動機１８の速度が、動作途中でゼロに抑えられ、脱調した状態における位相波形を示す。具体的には、図１０Ａおよび図１０Ｂは、ｑ軸に対する電流Ｉの位相の波形図を示している。
【０１３８】
図１０Ａに示すように、動力発生装置は、定常状態において、電流Ｉの位相が、ほぼ５．７度の一定の進みを持つ状態となる。
【０１３９】
一方、図１０Ｂに示すように、ｔ＝ｔ１時点で脱調が発生すると、ｔ＝ｔ１時点以降、電流Ｉの位相の進みが次第に増大する。
【０１４０】
なお、本実施の形態の電力発生装置は、脱調が発生すると、ｑ軸からの電流Ｉの位相進みが限りなく増大する。そのため、推定速度である速度信号ω２、あるいはω１が所定値（例えば、閾値に相当する１５０ｒ／ｍｉｎ）を超えた時点で、脱調と判断する。
【０１４１】
このとき、推定速度＞指令速度となるため、電流Ｉの絶対値は、抑えられた状態となる。そのため、電流Ｉの位相の面において、図１０Ｂの、ｔ２以降の破線で示すように、位相の変動が激しくなっても、騒音が問題となることは少ない。つまり、小さい電流値の期間内で、脱調を検知できる。本実施の形態の場合、実施の形態１とは異なり、位相差が発散する状態となるが、騒音に関係するもう一つの要素である電流ベクトルＩの絶対値（長さ）が、ゼロ付近に収束する。そのため、騒音が小さくなる。
【０１４２】
なお、上記実施の形態では、推定速度である速度信号ω２、あるいはω１の閾値の所定値として１５０ｒ／ｍｉｎを設定し、所定値を超えた時点で、すぐに脱調と判断する構成を例に説明したが、これに限られない。例えば、式（５）に示す起電力Ｅの第２の位相成分εδを計算し、その値が第２の所定値以下である場合、脱調を検知するように構成してもよい。
【０１４３】
【数５】
2018123524.tif 000030
【０１４４】
つまり、推定速度がある程度、高速となった状態においては、起電力の第２の位相成分εδで脱調しているかどうかを判断する。これにより、脱調を、十分に高い精度で判断できる。その結果、非常に信頼性の高い脱調検知を実現できる。なお、上記ある程度の推定速度とは、式（５）の右辺の各要素の誤差（検知誤差やパラメータの設定誤差、バラツキ）があっても、確実に起電力Ｅとして検知が可能となる速度である。具体的には、例えば
Ｅ＝１０Ｖとなる速度である。
【０１４５】
なお、式（５）についても、実施の形態１の式（３）で説明したように、時間微分を示すｐの項を省いてもよい。さらに、低速回転時において、ω項の比率が低い場合、式（５）の第３項を省いて、計算式を簡略化してもよい。
【０１４６】
（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３における動力発生装置の構成について、図１１を用いて、説明する。
【０１４７】
図１１は、本発明の実施の形態３における動力発生装置のブロック図である。
【０１４８】
図１１に示すように、本実施の形態の動力発生装置は、電源回路６９において、主に、電圧信号出力部７４および電流信号出力部７５が、巻線電流制御部７０に含まれない構成とした点で実施の形態１と異なる。他の構成要素は、実施の形態１の構成要素と同等であるので、同じ符号を付して説明する。
【０１４９】
つまり、本実施の形態の動力発生装置は、実施の形態１と同等の電動機１８と、電動機１８に電流を供給する電源回路６９などから構成される。
【０１５０】
電源回路６９は、巻線電流制御部７０などを含み、巻線電流制御部７０は電流誤差増幅器７１および３相２相変換部７２を含む。なお、電流誤差増幅器７１は、実施の形態１の電圧信号出力部３２と同等である。また、３相２相変換部７２は、実施の形態１の電流信号出力部３４と同等である。
【０１５１】
つまり、本実施の形態の電源回路６９は、上述のように、電圧信号出力部７４および電流信号出力部７５を、巻線電流制御部７０とは別の場所に設けている。そのため、電圧信号出力部３２および電流信号出力部３４を異なる名称に変更し、新たな符号を付して、電流誤差増幅器７１および３相２相変換部７２としている。
【０１５２】
電源回路６９の電圧信号出力部７４は、実施の形態１で説明した式（２）とほぼ同等の計算式を用いて、３相１相変換を行う。式（２）と異なる点は、入力が電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの代わりに電圧信号Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗとする。これにより、左辺の計算結果は、ＩγおよびＩδの代わりに、ＶγおよびＶδとなる。このとき、電圧信号出力部７４は３相１相変換を行うため、左辺の計算結果として、利用しないＶδが不要で、Ｖγのみが計算される。
【０１５３】
なお、電源回路６９の電流信号出力部７５の構成は、実施の形態１の電流信号出力部３４および３相２相変換部７２と同等である。
【０１５４】
また、本実施の形態の電源回路６９は、加算器７６および位相値源７７を含む。
【０１５５】
そして、電流誤差増幅器７１および３相２相変換部７２は、上記加算器７６と位相値源７７によって、積分部２５の出力値である位相信号θ１にΔθ（＝＋５．７度）を加算した位相信号θ２が入力される。
【０１５６】
なお、上記で説明した以外の構成要素は、実施の形態１と同様に機能する。
【０１５７】
以上のように、本実施の形態の動力発生装置は構成される。
【０１５８】
以下に、動力発生装置の動作時における電流および電圧の位相関係および制御動作について、図１２を用いて、説明する。
【０１５９】
図１２は、同実施の形態の動力発生装置において、正常な運転状態におけるベクトル図である。
【０１６０】
なお、本実施の形態の動力発生装置は、電源回路６９内での推定位相となる値として、第１の推定位相である位相信号θ１と、第２の推定位相である位相信号θ２の２値が存在する。位相信号θ２の値は、位相信号θ１の値に対して、位相値源７７の出力値Δθに相当する５．７度が加算され、大きい値となる。そのため、位相信号θ２は、位相信号θ１より進んだ値となっている。
【０１６１】
そこで、図１２のベクトル図においては、位相信号θ１での直交座標をγ１、δ１とし、位相信号θ２での直交座標をγ２、δ２としている。
【０１６２】
この場合、位相信号θ１に関しては、実施の形態１で説明した動作が行われる。そのため、Ｖｂ＝＋０．５Ｖとした場合、標準的な着磁の強さを備える永久磁石５６、５７、５８、５９の起電力のベクトルＡの、３５ｒ／ｍｉｎにおけるγ１、δ１の座標軸は、実施の形態１でのγ、δ軸と全く同等の状態となる。つまり、推定位相である位相信号θ１は、実施の形態１と同様に、５．７度の位相遅れを有する状態となる。
【０１６３】
一方、第２の推定位相である位相信号θ２は、位相値源７７の出力値Δθである＋５．７度が加算器７６によって加算される。そのため、位相信号θ２は、位相信号θ１が有する５．７度の位相遅れがキャンセルされる。
【０１６４】
これにより、図１２に示すように、γ２は真のｄ軸であるｄＡ軸と等しく、δ２は真のｑ軸であるｑＡ軸と等しくなる。
【０１６５】
なお、本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、電流指令値発生部２８の出力である推定ｄ軸電流指令値Ｉγｒをゼロとし、トルクに比例する電流設定値として推定ｑ軸電流指令値Ｉδｒを出力するように構成している。そのため、電流Ｉはδ２軸上に乗るとともに、同時にｑＡ軸上に乗る。
【０１６６】
これにより、電動機１８から見た場合、電源回路６９内に存在する遅れた位相信号θ１に影響されず、磁束と電流の直交性を保つことができる。この場合、電流Ｉの大きさ（ベクトルの長さ）が最小となる。そのため、銅損などの損失が最小となる。その結果、電動機１８を高い効率で駆動できる、動力発生装置を実現できる。
【０１６７】
つまり、本実施の形態によれば、電源回路６９の内部に２つの推定位相を設ける。これにより、推定ｄ軸となるγ２軸における電流成分がゼロとなる。その結果、位相の遅れを持つ位相信号θ１の影響を受けずに、電流Ｉの制御が可能となる。
【０１６８】
本実施の形態の電源回路６９によるベクトル制御は、以下の場合、特に有効である。
【０１６９】
例えば、リラクタンストルクを有効に使用できる永久磁石埋込型の電動機の場合、意図的に電流Ｉの位相を進ませた状態になるように制御する場合がある。この場合、起電力の大小のいずれの条件においても、電流進み角βなどと称される、永久磁石に対して、進んだ電流Ｉの位相となることが起こり得る。
【０１７０】
このとき、起電力が小さい電動機と、起電力が大きい電動機とを、電流Ｉの位相を利用
して、以下の方法で判別できる。
【０１７１】
まず、起電力の異なる電動機の電流Ｉの位相を、それぞれ永久磁石に対する位相を測定して比較する。このとき、電流進み角βの変化が観測された電動機を、「起電力の大きさが異なると、永久磁石に対する電流の位相が異なる特性を有する電動機」と、判定できる。
【０１７２】
なお、上記実施の形態では、３相２相変換と、２相３相変換を多用した構成を例に説明したが、これに限られない。２つの推定位相を用いた構成の場合、変換は、２相（γ１、δ１）から２相（γ２、δ２）への変換となる。そのため、より簡単な、例えば２行２列の一次変換で構成してもよい。これにより、簡単な変換構成で、十分な機能が得られる。
【０１７３】
以上のように、実施の形態１から３の構成によれば、電源回路は、内部に、実際の電動機１８内の位相と異なった推定位相を有する。そして、電源回路は、推定位相での第１の起電力の成分を、ゼロから、ずれた所定値となるように制御する。このとき、脱調して電動機１８が停止した場合、第１の起電力を所定値に保つことができなくなる。つまり、推定速度がゼロまで低下、あるいは逆に上昇する動作となる。これにより、推定速度を用いて、電動機１８の脱調の検知が可能となる。その結果、電動機１８を適切に再起動することができる。
【０１７４】
しかしながら、各実施の形態において、推定位相を電源回路内に設けることは必須ではない。例えば、まず、同一速度で起電力を大および小とした試験を行う。このとき、電流の位相が変化する特性を有する電源回路の場合、脱調によって起電力がほぼゼロとなると、試験において、起電力が小となった方向と同じ方向に電流の位相が変化する。その変化が遅れ方向であれば、推定速度がゼロとなる。一方、変化が進み方向であれば、推定速度が高速に跳ね上がるという動作を行わせることが可能となる。
【０１７５】
また、実施の形態１から３によれば、電源回路内にインバータ回路３５を備える。そのため、例えば１５．６２５ｋＨｚなどの十分に高いキャリア周波数で、インバータ回路３５の半導体素子をスイッチング（ＯＮとＯＦＦ）できる。これにより、インバータ回路３５から、高効率で電動機１８への電力供給が可能となる。しかしながら、スイッチング動作をインバータ回路で実現することは、必須ではない。例えば、能動状態でトランジスタを働かせるＡ級増幅器またはＢ級（プッシュプル）増幅器などで構成してもよい。これにより、脱調の検知の性能に関して、同等の効果が得られる。
【０１７６】
また、実施の形態１〜３によれば、３相構成の電動機１８を例に説明したが、これに限られない。例えば、電流Ｉの位相を確認できる構成の電動機であれば、２相以上のいかなる相の構成を有する電動機でもよい。そのため、相数に係わらず、本発明の効果を得ることができる。
【０１７７】
また、実施の形態１から３によれば、図３に示すカップリング６１のようにバックラッシュを有する動力伝達経路を有する構成を例に説明したが、これに限られない。上記動力伝達経路の場合、脱調状態でも、バックラッシュが動く際に、電動機に微小な起電力が発生することがある。さらに、動力伝達経路の弾性要素が、機構的に共振すると、同様に、電動機に微小な起電力が発生することがある。そこで、各実施の形態において、例えば第１の所定値となるＶｂ値の絶対値を、上記現象により発生する微小な起電力よりも大きくなるように設定する。これにより、バックラッシュなどによる動力発生装置の誤動作を、未然に防止できる。
【０１７８】
また、実施の形態１から３によれば、上述したように、電動機の脱調状態を的確に検知
する。そして、再起動信号発生部から出力される再起動信号により、電動機を、再度、起動し直すことができる。このとき、再起動信号は、動力発生装置を、仕事ができる正常な運転状態に戻すように作用する。これにより、動力発生装置の正常な動作を、早期に回復できる。
【０１７９】
なお、実施の形態１〜３では、再起動信号による動力発生装置の動作について、特に言及しなかったが、以下の構成により、動作させることができる。
【０１８０】
具体的には、例えば電動機１８の位相と関係なく、固定の電流と位相の関数を供給する、強制同期、あるいは同期運転と称される構成を用いてもよい。
【０１８１】
また、高周波状の電流に対する応答から、インダクタンスの違いによる位相検知を行って、動作させる構成などがある。この場合、永久磁石が埋め込み構造など、インダクタンスの違いがある電動機に、より適している。
【０１８２】
つまり、上記いずれの構成でも、電動機を再起動させて、起電力の値が十分な値となった段階で、上記実施の形態で説明した力行運転に戻すことができる。そして、それ以降に発生する脱調に関しては、同様に、適切な検知を行って、再起動を実行できる。
【０１８３】
以上で説明したように、本発明の動力発生装置は、第１の物体と第２の物体と永久磁石と巻線とを有し、第１の物体と第２の物体の相対運動によって巻線に起電力を発生する電動機と、巻線に電流を供給し、起電力の大きさが異なると永久磁石に対する電流の位相が異なる特性を有する電源回路を有する。電源回路は、脱調時における電流の周波数を、脱調前に対して変化させた後、電動機の再起動を行うように構成される。
【０１８４】
また、本発明の動力発生装置の電源回路は、起電力の大きさが小さい場合、永久磁石に対する電流の位相が進む特性を有し、電動機の速度がゼロとなる脱調時において、巻線の電流の周波数が所定値を超えた後、電動機の再起動を行うように構成してもよい。
【０１８５】
また、本発明の動力発生装置の電源回路は、起電力の大きさが小さい場合、永久磁石に対する電流の位相が遅れる特性を有し、電動機の速度がゼロとなる脱調時において、巻線の電流の周波数が所定値以下になった後、電動機の再起動を行うように構成してもよい。
【０１８６】
また、本発明の動力発生装置の電源回路は、速度信号を出力する速度信号発生部と、速度信号を時間積分した位相信号を出力する積分部と、電圧信号出力部と、電流信号出力部と、第１の起電力計算部とを有する。電圧信号出力部は、位相信号が入力されると、巻線の電圧の第１の位相成分を出力する。電流信号出力部は、位相信号が入力されると、巻線の電流の第１の位相成分と、巻線の電流の第１の位相成分と直交する巻線の電流の第２の位相成分を出力する。第１の起電力計算部は、電圧信号出力部と電流信号出力部の出力に基づいて、起電力の第１の位相成分を計算して出力する。さらに、速度信号発生部は、第１の起電力計算部の出力が第１の所定値となるように速度信号を加減するように構成してもよい。これにより、一般にベクトル制御などと呼ばれる、電流を直交座標上の２つの成分に分けて制御する構成に、容易に適用できる。これにより、巻線の電流を応答性よく制御できる。
【０１８７】
また、本発明の動力発生装置の電源回路は、巻線電流制御部を有する。巻線電流制御部は、巻線の電流の位相信号に同期して回転する直交座標の２つの成分である第１の電流指令値と第２の電流指令値が等しくなるように、巻線の電圧を加減するように構成してもよい。
【０１８８】
これらの動力発生装置の構成によれば、電動機の巻線抵抗が大きく、速度が低い条件の場合でも、脱調状態を適切に判断できる。そして、電源回路は、脱調状態と検知した場合、早期に再起動を行って、動力発生装置の本来の機能を回復できる。これらにより、機能回復までの電気エネルギー、および時間の損失を抑制できる。
【産業上の利用可能性】
【０１８９】
本発明の動力発生装置は、適切な脱調状態の検知を行い、脱調時に電流の周波数を脱調前に対して変化させた後、電動機の再起動を行うことが可能となる。そのため、電気エネルギー、および時間の無駄の抑制など優れた性能が要望される動力源として使用される動力発生装置に適用できる。
【符号の説明】
【０１９０】
１，１８    電動機
２    ＰＷＭインバータ
３，４    座標変換器
５    電流制御部
６    速度制御部
７    磁束制御部
８    第１速度推定部
９    積分器
１０    第２速度推定部
１１    脱調判断部
１２    入力有効電力演算部
１３    軸ロック判定部
１４    軸ロック検出部
１５，１６，１７    巻線
１９，６９    電源回路
２０，７０    巻線電流制御部
２１    第１の起電力計算部
２２，７６    加算器
２３    第１の所定値発生部
２４    速度信号発生部
２５    積分部
２６    速度指令部
２７，３０，３１    減算器
２８    電流指令値発生部
３２，７４    電圧信号出力部
３３    ２相３相変換部
３４，７５    電流信号出力部
３５    インバータ回路
３７    直流電源
３８，３９，４０，４１，４２，４３    スイッチング素子
４４    駆動回路
４５    マイクロコンピュータ
４５ａ    ＰＷＭ変調部
４６    電流検知部
４７，４８，４９    シャント抵抗
５０    増幅器
５１    第１の物体
５２    第２の物体
５５    鉄芯
５６，５７，５８，５９    永久磁石
６０，６２    軸
６１    カップリング
６３    負荷
６５，６６    クラッチ
７１    電流誤差増幅器
７２    ３相２相変換部
７７    位相値源
【手続補正２】
【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】
第１の物体と第２の物体と永久磁石と巻線とを有し、前記第１の物体と前記第２の物体の相対運動によって前記巻線に起電力を発生する電動機と、
前記巻線に電流を供給し、前記起電力の大きさが異なると前記永久磁石に対する電流の位相が異なる特性を有する電源回路と、を有し、
前記電源回路は、脱調時における前記電流の周波数を、脱調前に対して変化させた後、前記電動機の再起動を行うように構成される動力発生装置。
【請求項２】
前記電源回路は、前記起電力の大きさが小さい場合、前記永久磁石に対する電流位相が進む特性を有し、
前記電動機の速度がゼロとなる脱調時において、前記巻線の前記電流の周波数が所定値を超えた後、前記電動機の再起動を行うように構成される請求項１に記載の動力発生装置。
【請求項３】
前記電源回路は、前記起電力の大きさが小さい場合、前記永久磁石に対する電流位相が遅れる特性を有し、
前記電動機の速度がゼロとなる脱調時において、前記巻線の前記電流の周波数が所定値以下になった後、前記電動機の再起動を行うように構成される請求項１に記載の動力発生装置。
【請求項４】
前記電源回路は、速度信号を出力する速度信号発生部と、前記速度信号を時間積分した位相信号を出力する積分部と、電圧信号出力部と、電流信号出力部と、第１の起電力計算部と、を有し、
前記電圧信号出力部は、前記位相信号が入力されると、前記巻線の電圧の第１の位相成分を出力し、
前記電流信号出力部は、前記位相信号が入力されると、前記巻線の電流の第１の位相成分と、前記巻線の電流の第１の位相成分と直交する前記巻線の電流の第２の位相成分を出力し、
前記第１の起電力計算部は、前記電圧信号出力部と前記電流信号出力部の出力に基づいて、前記起電力の第１の位相成分を計算して出力し、
前記速度信号発生部は、前記第１の起電力計算部の出力が第１の所定値となるように前記速度信号を加減するように構成される請求項１に記載の動力発生装置。
【請求項５】
前記電源回路は、巻線電流制御部を有し、
前記巻線電流制御部は、前記巻線の電流の位相信号に同期して回転する直交座標の２つの
成分である第１の電流指令値と第２の電流指令値が等しくなるように、前記巻線に印加する電圧を加減するように構成される請求項１に記載の動力発生装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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