(57)【要約】【課題】最大トルク状態での運転及び最大効率状態での運転を容易に行うことができるモータの運転方法を提供する。【解決手段】モータMは、インバータIにより駆動される。インバータIは、制御装置10により制御される。制御装置10は、ベクトル制御部11を具え、指令部12からの指令に基づき、適切な指令信号を演算し、インバータIに指令信号を出力する。この制御装置10は、モータを構成する磁性コアの透磁率に応じて、最大トルク時の電流位相と最大効率時の電流位相との差を演算する演算手段15を具える。演算手段15は、入力された透磁率xに基づき電流位相幅Δβを演算する第一演算部と、得られた電流位相幅に応じて、入力されていない他方の電流位相を演算する第二演算部とを具える。【選択図】図5
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性コアに配置されるコイルに給電してモータを駆動するモータの運転方法であって、
最大トルク時の電流位相と最大効率時の電流位相との差を磁性コアの透磁率に応じて演算し、得られた電流位相に基づいてモータを駆動することを特徴とするモータの運転方法。
【請求項２】
磁性コアは、圧粉成形体であることを特徴とする請求項1に記載のモータの運転方法。
【請求項３】
磁性コアの最大透磁率が400〜9000(emu)であることを特徴とする請求項1に記載のモータの運転方法。
【請求項４】
最大トルク時の電流位相と最大効率時の電流位相との差をΔβ、磁性コアの最大透磁率をx(emu)とするとき、以下の式(I)に基づいてΔβを演算することを特徴とする請求項1に記載のモータの運転方法。
(I)  Δβ＝a×x＋b
但し、a＝-0.0004±0.0002、bは、任意の定数とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁性材料からなるコアと、コアに配置されたコイルとを具えるモータを運転する方法に関するものである。特に、最大トルク状態での運転及び最大効率状態での運転の双方を容易に行うことができるモータの運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ローターとステーターとから構成されるモータが、種々の分野で利用されている。ステーターとして、鋼といった磁性材料からなるコアと、コアの外周に配置される巻回巻線からなるコイルとを具えるものが汎用されている。コアには、電磁鋼板を複数積層させた構成がよく知られている。その他、磁性材料からなる粉末を所定の金型に充填して加圧した圧粉成形体からなるコアが開発されてきている。圧粉成形体は、複雑な形状のコアを簡単に成形することができる、軽量である、磁気の方向性が一定である電磁鋼板の積層体と比較して磁気の方向性の自由度が大きい、といった利点がある。
【０００３】
また、従来より、直流電力を交流電力に変換するインバータを用いてモータを駆動することが行われている。インバータの制御方法として、モータの一次電流を励磁電流とトルク電流とに分けて制御し、二次鎖交磁束とトルク電流とが直交するように制御するベクトル制御が知られている。ベクトル制御では、予め設定したモータ定数(一次抵抗、漏れインダクタンスなど)に応じて指令信号を演算し、電流ベクトルを制御する。インバータは、制御装置からの指令信号に基づいてモータを駆動する。
【０００４】
一般に、モータは、大きなトルクを得たい、効率を優先したいといった要望に応じて設計される。そこで、モータを試作して実験したり、或いはシミュレーションによって最大トルクとなる電流位相や最大効率となる電流位相を求め、得られた電流位相に基づいてモータを運転することが行われている。また、最大トルク状態での運転と最大効率状態での運転との双方を望むモータの場合、最大トルク時の電流位相及び最大効率時の電流位相をそれぞれ求めて制御装置に入力し、指令部からの指令により制御装置は適宜切り換えを行って、要望に対応した運転が行えるようにしている。特許文献1には、ローターの回転位相を検出し、この回転位相に基づいて、最大トルク制御モード又は最大効率制御モードを選択し、選択したモードに最適な電流位相を設定するモータ制御装置が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開2003-88157号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一つのモータに対して、最大トルク状態での運転と、最大効率状態での運転との双方を行う場合、上述のように最大トルク状態となる電流位相と、最大効率状態となる電流位相との双方を予め求める必要がある。即ち、モータの試作による実験やシミュレーションを複数回行わなければならず、非常に手間がかかるという問題がある。最大トルク時の電流位相や最大効率時の電流位相は、モータの仕様(サイズなど)や、モータ定数(例えば一次抵抗、二次抵抗、漏れインダクタンスなど)によって異なるため、モータごとに求めなければならない。
【０００７】
そこで、本発明の主目的は、最大トルク状態での運転及び最大効率状態での運転を簡単に行うことができるモータの運転方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、モータを構成する磁性コアの材料特性に着目して検討した。具体的には、電磁鋼板からなるコアを具えるモータ(以下、鋼板モータと呼ぶ)と、圧粉成形体からなるコアを具えるモータ(以下、圧粉モータと呼ぶ)とを用意し、電流位相と効率との関係、電流位相とトルク(電流値)との関係、電流位相と鉄損との関係を調べた。両モータは、コアの材質が異なる以外は、モータの仕様を等しくし、運転条件は、DC電圧：220V、回転力：2.1Nm、回転速度：3600rpmとした。なお、モータの仕様は、サイズ：φ124mm×160mm、極対数：2、巻線抵抗：1.32〜1.33Ω、メカ損：14.8Wとした。その結果、以下の知見を得た。
【０００９】
1  図1,2に示すように圧粉モータにおける最大トルク時の電流位相、及び最大効率時の電流位相(図1,2において白丸で示す)が、鋼板モータにおけるそれ(図1,2において白四角で示す)と比較して、遅れている。
2  図3に示すように圧粉モータにおける最大トルク時の鉄損と最大効率時の鉄損との差が、鋼板モータにおけるそれと比較して大きい。
最大トルク時の電流位相β(deg)、効率(％)、鉄損(W)、最大効率時の電流位相β(deg)、効率(％)、鉄損(W)を表1に示す。
【００１０】
【表１】
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【００１１】
このようにモータの仕様を等しくしていても、磁性コアを構成する材料によって、特性が大きく異なる。そのため、例えば、鋼板モータの最大トルク時の電流位相、又は最大効率時の電流位相が予め求められており、このモータと仕様が等しい圧粉モータを利用するにあたり、鋼板モータにおける電流位相を転用しても、圧粉モータでは、最大トルク状態、又は最大効率状態とならない。逆も同様である。従って、モータの仕様が等しく、磁性コアの材質が異なるモータを利用する場合であっても、最大トルク時の電流位相及び最大効率時の電流位相の双方を求めるために試作による実験やシミュレーションが必要である。
【００１２】
一方、図1,2から、圧粉モータにおける最大トルク時の電流位相と最大効率時の電流位相との差(最大効率時の電流位相−最大トルク時の電流位相)は、鋼板モータにおけるそれと比較して大きいことがわかる。例えば、この試験では、最大トルク状態から最大効率状態に移行する際、鋼板モータでは、21(deg)→32(deg)に進める(位相差：＋11(deg))のに対して、圧粉モータでは、16(deg)→30(deg)に進める(位相差:＋14(deg))。
【００１３】
そこで、本発明者らは、磁性コアの特性と、最大トルク時の電流位相と最大効率時の電流位相との差について着目したところ、同差と磁性コアの透磁率との間に相関関係にあるとの知見を得て、本発明を構成するに至った。
【００１４】
本発明は、磁性コアに配置されるコイルに給電してモータを駆動するモータの運転方法であって、最大トルク時の電流位相と最大効率時の電流位相との差(以下、電流位相幅と呼ぶ)を磁性コアの透磁率に応じて演算し、得られた電流位相に基づいてモータを駆動することを特徴とする。
【００１５】
磁性コアの透磁率に応じて電流位相幅を求める構成とすることで、最大トルクとなる電流位相又は最大効率となる電流位相のいずれか一方のみを予め求めておくことで、他方の電流位相は、相関関係に基づき簡単に求めることができる。従って、本発明運転方法は、試作による実験やシミュレーションの回数を低減して、最大トルク状態での運転、及び最大効率状態での運転の双方を容易に行える。また、本発明運転方法は、最大トルク状態での運転を行うモータに対して、或いは最大効率状態での運転を行うモータに対して適用することで、最大トルク状態及び最大効率状態の双方の状態での運転を行うモータに変更することができる。
【００１６】
本発明運転方法は、公知の種々のモータに適用できる。例えば、モータを構成する磁性コアとして、電磁鋼板を積層させた構成のものや、磁性材料からなる粉末を所定の金型に充填して加圧した圧粉成形体からなるものが利用できる。特に、圧粉成形体からなる磁性コアは、電磁鋼板からなる磁性コアに比較して、効率やトルクが若干劣るものの、複雑な形状を簡単に形成することができる、軽量である、磁気の方向性の自由度が大きく磁気特性に優れる、といった利点がある。
【００１７】
磁性材料としては、強磁性材料である鉄系材料、具体的には、珪素鋼が挙げられる。圧粉成形体を形成する場合、磁性材料からなる粉末に更に絶縁材料を混合して各粉末表面に絶縁被膜を形成した被覆粉末を用いると、電気抵抗を高めて、渦電流の発生に伴う損失を低減できる。絶縁材料は、例えば、リン酸塩系の無機材料や、ポリイミド、ポリアミドイミドなどの有機材料などが挙げられる。
【００１８】
磁性コアは、任意の透磁率を有するものを利用できる。具体的には、最大透磁率が400〜9000(emu)の磁性コアが挙げられる。一般に、電磁鋼板は、最大透磁率が8000〜9000(emu)程度と比較的高く、圧粉成形体は、最大透磁率が400〜600(emu)程度と比較的低い。
【００１９】
透磁率に応じて電流位相幅(Δβ＝最大効率時の電流位相−最大トルク時の電流位相)を演算するには、具体的には、以下の式(I)を演算することが挙げられる。x(emu)は、磁性コアの最大透磁率とする。
Δβ＝a×x＋b  …式(I)
但し、a＝-0.0004±0.0002、bは、任意の定数とする。上記試験に基づくa,bは、a＝-0.0004,b＝14.208である(図4参照、鋼板モータの透磁率：8500、圧粉モータの透磁率：550)。透磁率やモータの仕様に応じて、a,bを選択する。モータのサイズが小さくなると、最大効率状態の電流位相が、最大トルク状態の電流位相よりも位相が進み(大きくなり)、モータサイズが大きくなると、最大トルク状態の電流位相が、最大効率状態の電流位相よりも位相が進む(大きくなる)傾向にある。
【００２０】
本発明運転方法を実現するためには、最大トルク時の電流位相及び最大効率時の電流位相のいずれか一方を試作による実験やシミュレーションなどで予め求めておく。また、モータに利用する磁性コアの透磁率を測定しておく。そして、透磁率を用いて上記式(I)により電流位相幅を演算手段により演算し、電流位相幅と予め求めた電流位相(以下、測定電流位相と呼ぶ)とにより、測定していない他方の電流位相を演算する(以下、この電流位相を演算電流位相と呼ぶ)。具体的には、演算電流位相は、モータの仕様などに応じて測定電流位相から電流位相幅分を減じる、或いは増加することで求められる。例えば、上記試験で用いたモータのように比較的小さいモータにおいて、最大トルク時の電流位相を予め求める場合、つまり、最大トルク時の電流位相を測定電流位相とする場合、最大効率状態となる電流位相は、最大トルク時の電流位相よりも電流位相幅分だけ増加することで演算される。逆に、最大効率時の電流位相を予め求める場合、つまり、最大効率時の電流位相を測定電流位相とする場合、最大トルク状態となる電流位相は、最大効率時の電流位相よりも電流位相幅分だけ減じることで求められる。これら測定電流位相及び演算電流位相をモータの制御装置に入力し、制御装置が両電流位相に基づいて電流制御を行うことで、本発明運転方法を実現できる。このとき、制御装置には、両電流位相を入力する入力手段、入力した電流位相を記憶する記憶手段、記憶手段から呼び出した電流位相に基づき電流を制御する制御手段とを具えておく。或いは、電流位相幅を演算する演算手段を具える制御装置を利用してもよい。具体的には、測定電流位相及び磁性コアの透磁率を入力する入力手段と、入力した透磁率と式(I)とに基づき、電流位相幅を演算し、電流位相幅と測定電流位相とにより演算電流位相を演算する演算手段と、測定電流位相と演算電流位相とに基づき電流を制御する制御手段とを具える制御装置を利用する。更に、既存の制御装置に、上記入力手段、記憶手段、演算手段を設けてもよい。
【００２１】
その他、モータの駆動には、三相交流電力により駆動する場合、インバータを利用することが好ましい。特に、電圧形PWMインバータが好適である。また、上記制御装置は、ベクトル制御を基本制御とする構成とすると、モータを高速、高精度に制御することができる他、弱め界磁制御なども行うことができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明運転方法によれば、モータの試作による実験やシミュレーションの回数を低減して、最大トルク状態及び最大効率状態の双方の運転を容易に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
図5は、本発明モータの運転方法に利用されるモータ制御システムの機能ブロック図である。モータMは、直流電源DCの直流電力を三相交流電力に変換するインバータIに接続され、インバータIにより駆動される。インバータIには、インバータIの制御を行う制御装置10が接続され、制御装置10により制御される。制御装置10は、モータMに供給する電流i、電圧vを測定器(図示せず)により測定し、測定された電流i及び電圧vを利用してベクトル制御を行うベクトル制御部11を具え、指令部12からの指令に基づき、適切な指令信号を演算し、インバータIに指令信号を出力する。この制御装置10の特徴とするところは、モータを構成する磁性コアの透磁率に応じて、最大トルク時の電流位相と最大効率時の電流位相との差(以下、電流位相幅と呼ぶ)を演算し、得られた電流位相に基づいてインバータIを制御し、モータMを運転するところにある。
【００２４】
具体的には、制御装置10は、磁性コアの透磁率と、予め求めた最大トルク時の電流位相及び最大効率時の電流位相のいずれか一方を入力する入力手段13と、入力したデータを記憶する記憶手段14と、記憶手段14から呼び出した透磁率を用いて、電流位相幅を演算する演算手段15とを具える。演算手段15は、更に、演算した電流位相幅に基づき、入力されていない他方の電流位相を演算する。そして、入力された電流位相と、演算により求めた電流位相とをベクトル制御部11に出力する。このような制御装置10を利用することで、最大トルク状態及び最大効率状態の双方の運転を行うことができる。
【００２５】
磁性コアの透磁率と、最大トルク時の電流位相及び最大効率時の電流位相のいずれか一方とは、予め測定しておく。電流位相は、モータMに倣った実験用のモータを作製して求めたり、シミュレーションにより求める。測定した透磁率及び電流位相は、入力手段13に入力する。入力手段13は、これらのデータが任意に入力できる構成としている。従って、例えば、設計初期において最大効率状態の運転を想定しているモータに対して、使用開始後に最大トルク状態での運転を望む場合、このモータを構成する磁性コアの透磁率を入力手段13に入力することで、最大トルク状態での運転に切り替えることができる。
【００２６】
演算手段15には、入力された透磁率xに基づき電流位相幅Δβ(Δβ＝最大効率時の電流位相−最大トルク時の電流位相)を演算する第一演算部と、得られた電流位相幅に応じて、入力されていない他方の電流位相を演算する第二演算部とを具える。第一演算部は、Δβ＝-0.0004x＋14.208に基づいて、電流位相幅を演算する。第二演算部は、入力された電流位相から演算された電流位相幅を増減して、他方の電流位相を演算する。得られた電流位相及び入力された電流位相を設定値とし、制御装置10は、この設定値に基づいてベクトル制御を行う。双方の電流位相が設定された場合、運転状態の切り替えは、指令部12からの信号に基づいて行う。制御装置10は、最大トルク状態及び最大効率状態のうち、一方の状態から他方の状態に移行する際、現在の電流位相から電流位相幅分だけ電流位相を進める或いは遅らせて、所望の運転状態となるようにする。
【００２７】
その他、インバータIは、公知の電圧形PMWインバータ、ベクトル制御部11は、公知の構成のものである。また、モータを構成する磁性コアは、圧粉成形体からなるものである(最大透磁率：550(emu))。
【００２８】
演算手段15を有することで制御装置10は、最大トルク時の電流位相及び最大効率時の電流位相のいずれか一方のみを入力することで、最大トルク時の電流位相及び最大効率時の電流位相の双方を取得することができる。従って、このような制御装置を具えるモータ制御システムを構築することで、最大トルク状態及び最大効率状態での運転を行うにあたり、試作モータの実験回数やシミュレーションの回数を低減することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明モータの運転方法は、種々のモータの運転に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】鋼板モータ及び圧粉モータにおいて、電流位相β(deg)と電流(Arms)との関係を示すグラフである。
【図２】鋼板モータ及び圧粉モータにおいて、電流位相β(deg)と効率(％)との関係を示すグラフである。
【図３】鋼板モータ及び圧粉モータにおいて、電流位相β(deg)と鉄損(W)との関係を示すグラフである。
【図４】電流位相幅Δβ(deg)と最大透磁率(emu)との関係を示すグラフである。
【図５】本発明モータの運転方法に利用されるモータ制御システムの機能ブロック図である。
【符号の説明】
【００３１】
10  制御装置  11  ベクトル制御部  12  指令部  13  入力手段
14  記憶手段  15  演算手段
【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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