(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流を流すと磁束を発生する主巻線が巻回された固定子と、
前記固定子と対向する位置の表面に磁気抵抗差を持つ複数の磁極から成る主磁極群を配置した可動子を備え、
前記主巻線が発生する磁束により主磁極群に駆動力を与え、可動子を駆動するリラクタンス型同期電動機であって、
前記可動子内部に空隙又は非磁性材から成る磁気抵抗部を設けることにより、主磁極群より少ない数の磁極から成る補助磁極群を形成し、
前記固定子には、前記補助磁極群に対応した極数の磁束を発生する補助巻線が前記主巻線と共に巻回され、
可動子の速度が小さいときは主巻線に電流を流し可動子の主磁極群を駆動し、可動子の速度が大きいときは補助巻線に電流を流し可動子の補助磁極群を駆動することを特徴とするリラクタンス型同期電動機。
【請求項２】
請求項１に記載のリラクタンス型同期電動機の制御方法であって、
主巻線と補助巻線はそれぞれ独立した電力変換器により電流が印加され、
可動子速度に基づいて、
可動子速度が任意速度以下では主巻線と補助巻線に同時に、又は主巻線のみに電流を印加し、
可動子速度が任意速度以上では補助巻線のみに電流を印加し、
前記任意速度以下において主巻線と補助巻線に同時に電流を印加する場合に、主巻線に電流を印加することにより固定子と可動子の間で発生する磁束の方向と、磁束の方向が一致するように補助巻線に電流を印加することを特徴とするリラクタンス型同期電動機の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リラクタンス型同期電動機、特に工作機械等に用いる同期電動機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
工作機械等では、主軸の制御、加工対象を載せるテーブルの制御等にリラクタンス同期電動機を用いている。図９に一般的な軟磁性材で構成される回転子構造を持つリラクタンス型同期電動機の構造を示す。
【０００３】
固定子１は回転子４と同じ珪素鋼板に代表されるような軟磁性材から構成され、その内部に巻線９１を納めるためのスロットが設けられている。回転子４には軸５が備えられており、特に図示はしないが軸５を介して回転子位置を検出するための検出器が備えられ、その回転子位置情報に応じて位相分配された電流を巻線９１に印加することで固定子１の内面に磁界が発生し、固定子１−回転子４間の空隙を介して回転子４と磁気回路を形成する。図９からわかるように回転子４は回転子表面が凹凸になるように溝状の空隙７を設け磁気的に突極構造とすることで、固定子１（巻線９１）から見た場合に回転方向に磁気抵抗差を持つようになり、この磁気抵抗差により固定子磁界との磁気的な平衡を保とうとする際、トルクを発生し回転力を得る。リラクタンス型同期電動機の場合、この磁気的な平衡を保とうとする力（＝リラクタンス力）を有効に利用するような制御が行われ、巻線９１から見た回転子４の回転方向に対するインダクタンスの大小に応じて、主磁束を発生させる電流位相ｄ軸、トルク発生磁束位相ｑ軸を設定し、制御装置にてｄ軸電流、ｑ軸電流をそれぞれ演算することで電流指令値とし、所望のトルクを得ることができる。また、特徴的なのは界磁成分であるｄ軸電流を弱めることで定格回転数より上の領域まで回転することができることである。しかし軟磁性材を回転子とするリラクタンス型電動機の場合、高速域になるにつれ固定子巻線と回転子間のインダクタンスが主要因となる電圧降下が発生し、制御装置の電圧制限により電流が流れなくなることでトルク低下が発生し、高速領域での安定した出力を得ることが難しくなっている。
【０００４】
そこで、高速領域での安定した制御性を求めるために、インダクタンスを下げる方法として固定子の巻線数を減らすことで低速領域のトルクを犠牲にする替わりに高速域のトルク特性を改善する方法と、高速域と低速域を公知の技術であるＹ−Δ等の巻線切替を用いて高速域の特性を改善するという方法がある。
【０００５】
多極数構造のリラクタンス型同期電動機の場合、高速域で駆動電流または電圧の同期周波数が高くなるため、デジタル制御を行う場合、電流制御周期によっては制御サンプリングが粗くなり、電流波形に高調波が重畳してしまい鉄損等の高周波損の原因になる場合がある。また、電圧をＰＷＭ波形で制御している場合、ＰＷＭのキャリア周波数と電動機の同期周波数の干渉が発生し、電流波形にビートが生じるといった現象も発生することがあり安定した制御が得られない場合がある。
【０００６】
これらの問題に対して、回転子を２極等の低極数で設計すれば、多極数の場合より駆動時の同期周波数を低く設定でき、上記の現象を回避することができるが、多極数の場合と比較してインダクタンスが低くなることでリラクタンストルクが低下するというデメリットや、極構造に起因して発生するトルクリップルの周波数が低くなり電動機が取り付けられる機械の固有振動数に近い周波数のリップル周波数の場合には制御が不安定となる。また、工作機械の主軸や送り軸に適用した場合、トルクリップルが原因となる加工精度の低下といった問題が発生するため、６極、８極などの多極数で設計することが多い。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
リラクタンス型同期電動機で回転子４を高速で回転させるために、巻線に印加する電圧を高帯域化する場合、巻線のインダクタンスの影響により力率が低下し、駆動電圧が大きくなる傾向がある。そのため、高速領域ではインピーダンス降下により電源電圧に対して駆動電圧が飽和してしまい、安定した制御が得られなくなりトルクも低下してしまうといった問題がある。また、同期周波数が高くなると、電流制御周期のサンプリング周波数やＰＷＭキャリア周波数に近くなり制御性が不安定になる場合や、高周波損（鉄損等）に代表される損失が大きくなり効率が低下してしまうという問題がある。
【０００８】
その対策として同期周波数を下げるために回転子の低極数化を行うと、トルク定数が低下する上、トルクリップルが低周波数化し、制御が不安定となる問題がある。
【０００９】
本発明の目的はリラクタンス型同期電動機における高帯域化が実現でき、多極数の場合のメリットである電流に対する出力トルクの確保と低トルクリップルで安定した制御性を得られること、低極数の場合のメリットである同期周波数の低下による制御性の安定性や高周波損等の低下による効率の向上が可能な同期電動機を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る発明は、電流を流すと磁束を発生する主巻線が巻回された固定子と、前記固定子と対向する位置の表面に磁気抵抗差を持つ複数の磁極から成る主磁極群を配置した可動子を備え、前記主巻線が発生する磁束により主磁極群に駆動力を与え、可動子を駆動するリラクタンス型同期電動機であって、前記可動子内部に空隙又は非磁性材から成る磁気抵抗部を設けることにより、主磁極群より少ない数の磁極から成る補助磁極群を形成し、前記固定子には、前記補助磁極群に対応した極数の磁束を発生する補助巻線が前記主巻線と共に巻回され、可動子の速度が小さいときは主巻線に電流を流し可動子の主磁極群を駆動し、可動子の速度が大きいときは補助巻線に電流を流し可動子の補助磁極群を駆動することを特徴とするリラクタンス型同期電動機である。
【００１１】
請求項１の特徴的な構成により、可動子に効率的に主磁極群と補助磁極群を形成できるため、電動機を小型化できる。
【００１２】
本発明の請求項２に係る発明は、請求項１に記載のリラクタンス型同期電動機の制御方法であって、主巻線と補助巻線はそれぞれ独立した電力変換器により電流が印加され、可動子速度に基づいて、可動子速度が任意速度以下では主巻線と補助巻線に同時に、又は主巻線のみに電流を印加し、可動子速度が任意速度以上では補助巻線のみに電流を印加し、前記任意速度以下において主巻線と補助巻線に同時に電流を印加する場合に、主巻線に電流を印加することにより固定子と可動子の間で発生する磁束の方向と、磁束の方向が一致するように補助巻線に電流を印加することを特徴とするリラクタンス型同期電動機の制御方法である。
【００１３】
請求項２の特徴的な構成により、磁束の干渉が発生しないため、巻線に流した電流を効率良く駆動力に変換できるとともに、主磁極群を用いた駆動と補助磁極群を用いた駆動を同時に行うことで、大きな駆動を発生させることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。なお、特に断らない限り同じ符号の要素、信号等は同機能・性能を有するものである。
【００１５】
説明するにあたり、２ｎ極（ｎは整数）、２ｍ極（ｍは整数、ｎ＞ｍ）をｎ＝３、ｍ＝１とした場合を例にあげる。（多極数＝６極、低極数＝２極）
【００１６】
図１は本発明の第一の実施形態のリラクタンス型同期電動機の構成図である。固定子１の内部に第１の固定子巻線（主巻線）２と第２の固定子巻線（補助巻線）３がスロット内部に内挿されており、この第１の固定子巻線２に電流を流した場合６極の磁極が固定子１に発生し、第２の固定子巻線３に電流を流した場合、２極の磁極が固定子１に発生するように巻回されている。軟磁性材で構成される回転子（可動子）４の外周に溝状の空隙７を設けることで６極の突極磁極（主磁極群）を形成し、また、内部に磁気抵抗部であるスリット状の空隙６を設けることで、６極内の２極を２極突極構造（補助磁極群）としている。なお、空隙６には樹脂等の非磁性材等を充填して回転子４の強度を上げることも可能である。回転子４内部には軸５があり、機械出力はこの軸５を介して取り出される。回転子４と固定子１との間には空隙があり、この空隙を介して固定子１で発生する磁束を回転子４に伝達し磁気回路を形成する。
【００１７】
図２を参照して、第一の実施形態の電動機の２極駆動時の電流の制御方法および磁束の状態を説明する。なお、ｄ軸は一般的に主磁束の方向を意味するが、本発明では制御上の電流制御軸を念頭に置いているため、主磁束を発生させる電流位相をｄ軸、トルク発生磁束位相をｑ軸と定義している。
【００１８】
図２に示すようにｄ軸はｄ−ａｘｉｓ（０）で表記され、電流を印加することで主磁束を発生させる。また、ｑ軸はｑ−ａｘｉｓ（０）で表記されている。ｄ軸上のコイルＣＤＰ０、及びｑ軸上のコイルＣＱＰ０については、○の中に×がある記号で示したように図面の奥に電流が流れるように制御し、また、ｄ軸上のコイルＣＤＮ０、及びｑ軸上のコイルＣＱＮ０については、反対に○の中に小さな●がある記号で示したように図面の手前に電流が流れるように制御すると、磁束ＣＭＦ０が矢印の方向に発生する。リラクタンス型電動機は、この磁束ＣＭＦ０に対する磁気抵抗が少なくなるように（磁束が平衡するように）回転力を発生するので回転方向ＲＤの方向に回転子４は回転する。
【００１９】
図３は６極駆動時の電流の制御方法および磁束の例を示した図である。図２の２極駆動の場合と同様にｄ軸はｄ−ａｘｉｓ（１）〜（３）で示され、ｑ軸はｑ−ａｘｉｓ（１）〜（３）で表記してある。ｄ軸とｑ軸が複数存在するのは、極対数に対してそれぞれｄ軸、ｑ軸が存在するためであり、６極（３極対）の場合はｄ軸とｑ軸が３組存在する。基本的な動作原理は２極の場合と同じで、それぞれｄ軸上のコイルＣＤＰ、ＣＤＮ、ｑ軸上のコイルＣＱＰ、ＣＱＮに電流を印加することで、磁束ＣＭＦ１３，ＣＭＦ１２，ＣＭＦ２３を発生し磁気抵抗差により回転方向ＲＤに回転力を得る。
【００２０】
図４は、図２で説明した２極駆動と図３で説明した６極駆動を同時に行う場合であるハイブリッド駆動時の電流および磁束の状態を示した図である。２極駆動時の磁束ＣＭＦ０は固定子１から回転子４内に移行する部位にて、６極駆動時の磁束ＣＭＦ１２とＣＭＦ２３と磁束方向が一致しており、磁束が干渉しない。また、空隙６により、２極駆動時の磁束ＣＭＦ０と６極駆動時の磁束ＣＭＦ１３，ＣＭＦ１２，ＣＭＦ２３は回転子４内で磁束の方向が異なるが、空隙６によりそれぞれの磁束が流れる箇所が隔てられているため、磁束が内部で干渉しにくくなっている。このため有効に磁束が利用できるようになっている。ここで特徴的なのは２極駆動時のｑ軸であるｑ−ａｘｉｓ（０）と６極駆動時のｑ軸であるｑ−ａｘｉｓ（１）が一致していることであり、常に同じ電流極性を示すことである。これにより極数の違う固定子磁束を回転子４内で磁束の方向を一致させることが可能になり、安定した制御が得られるようになった。
【００２１】
図５は本発明のリラクタンス型同期電動機の制御電流のベクトル図例である。ｄ軸電流ＳＩＤＣとｑ軸電流ＳＩＱＣをベクトル合成し、合成電流ＳＩＯＣを固定子巻線に印加する。その時の磁束ＣＭＦと電圧ＶＥＭＦとのｄ−ｑ軸上での位相関係は図で示されるようになっている。
【００２２】
図６を参照して、本発明の電動機の第二の実施形態を説明する。図６は第二の実施形態の電動機に備えられる回転子の斜視図であり、２極突極回転子６１と６極突極回転子６２を軸５方向に直列に配置している。主旨を逸脱しない範囲で図１に示すような本発明の固定子１と第１の固定子巻線２、第２の固定子巻線３を用いることにより第一の実施形態と同原理にて駆動可能である。
【００２３】
図７は第一、第二の実施形態に係る電動機を制御するための制御装置の制御のブロック図の一例である。
【００２４】
図７では、図示されない上位制御装置から速度指令値ＳＶＣが入力され、速度制御器７１にてｑ軸電流指令値ＳＩＱＣ０、ｄ軸電流指令値ＳＩＤＣ０を演算する。また重付関数発生器７３は回転子速度ＳＶＤとｑ軸電流指令値ＳＩＱＣ０に基づいて、２極の磁極に対応した巻線に対するｄｑ軸電流指令値と６極の磁極に対応した巻線に対するｄｑ軸電流指令値の割合を示す重付値ＳＭＯＤＥを演算しｄｑ電流分配器７２に出力する。なお、この重付値ＳＭＯＤＥは回転子速度ＳＶＤとｑ軸電流指令値ＳＩＱＣ０を入力とする関数となるが、重付関数発生器７３内のメモリに、（回転子速度ＳＶＤ，ｑ軸電流指令値ＳＩＱＣ０）に対応した値を記憶しておき、入力に対応した値を読み出すように構成すれば、この関数は任意に設定が可能になる。ｑ軸電流指令値ＳＩＱＣ０、ｄ軸電流指令値ＳＩＤＣ０は入力される重付値ＳＭＯＤＥに応じた割合でｄｑ電流分配器７２にて２極駆動のｑ軸電流指令ＳＩＱＣ１、ｄ軸電流指令ＳＩＤＣ１を演算し、同時に６極駆動のｑ軸電流指令ＳＩＱＣ２、ｄ軸電流指令ＳＩＤＣ２を演算する。２極駆動、および６極駆動のｄｑ軸電流指令は、それぞれＩ−Ｖ指令演算器７６，７７に出力される。Ｉ−Ｖ指令演算器７６，７７では、位相演算器７４による出力である２極の磁極に対応した位相値ＳＰＨＳ１、６極の磁極に対応した位相値ＳＰＨＳ２に基づいて位相分配が行われ、その後、ベクトル演算、電流−電圧指令変換等の処理が行われ電圧指令（ＳＶＵ１、ＳＶＶ１、ＳＶＷ１およびＳＶＵ２、ＳＶＶ２、ＳＶＷ２）が演算される。電圧指令（ＳＶＵ１、ＳＶＶ１、ＳＶＷ１およびＳＶＵ２、ＳＶＶ２、ＳＶＷ２）は２極用の電力変換器１（７８）、６極用の電力変換器２（７９）に入力され、電圧指令に基づいて電圧制御が行われ電動機ＭＰＲＭ７１０に電圧が印加され、電流が図１の固定子巻線２および３に流れる。
【００２５】
図８を参照して、第一、第二の実施形態の効果を説明する。図８（ａ）は回転数−トルク特性を示した図である。図８（ｂ）は各駆動時の損失を示した図である。図８（ｃ）は、各駆動時の駆動電圧を示した図である。
【００２６】
実施形態では回転子が２極と６極の磁極を持つ場合について説明したので、図８（ａ）において、２ｎ極は６極（ｎ＝３）を意味し、２ｍ極は２極（ｍ＝１）を意味する。６極単独駆動の場合、回転子速度ＳＶＤ１以下ではτ２のトルクを発生し、回転子速度ＳＶＤ１以上では点ｅ→ｆ→ｇ→ｈのような特性となり、インダクタンスによる影響からインピーダンス降下やインダクタンス比の低下によりトルクが大幅に低下する。（曲線８２）また、２極単独駆動の場合、回転子速度ＳＶＤ２以下ではτ１のトルクを発生し、回転子速度が大きいＳＶＤ２以上では点ｂ→ｃ→ｄのような特性となるので、２極の磁極のみで回転子を駆動すれば、６極に比べてより高い回転子速度ＳＶＤ４まで制御が行える。（曲線８３）２極および６極のハイブリッド駆動の場合、回転子速度ＳＶＤ１以下はトルクτ３を発生し、回転子速度ＳＶＤ１からＳＶＤ２まで点ａ→ｂのようなトルクがより高い特性を得ることが可能である。回転子速度ＳＶＤ２以上は２極単独駆動の特性点ｂ→ｃ→ｄを利用して高速域まで回転することが可能になっている。なお、制御方法としては図７に示した重付関数発生器７３による演算にて重付値ＳＭＯＤＥを変更することで回転子速度ＳＶＤ１までは６極駆動、回転子速度ＳＶＤ１〜ＳＶＤ２は２極と６極のハイブリッド駆動を行い点ｅ→ｂの特性を得て、また回転子速度ＳＶＤ２以上は２極の単独駆動である点ｂ→ｃ→ｄのような特性を得る制御が可能であり、用途によって任意に選択が可能になっている。
【００２７】
図８（ｂ）には、回転数に対する損失のグラフが示されている。損失には、巻線に電流が流れたときの発熱による損失である銅損と、回転子及び固定子における渦電流損失とヒステレシス損失の和である鉄損と、軸受け損、風損等の機械的損失の和である機械損とが含まれている。このうち機械損については、２極駆動、６極駆動、ハイブリッド駆動のいずれの場合であっても、同じ電動機であるので同じである。したがって、図８（ｂ）のグラフから、２極駆動時の特性曲線８６において、駆動周波数が小さくなるために、特に鉄損、銅損の高周波損失が減少し、より少ない損失、つまり高効率にて駆動が可能なことが理解できる。
【００２８】
図８（ｃ）には、各駆動時の回転数に対する駆動電圧が示されているが、曲線８１０は電圧制限線であり、これ以下でしか電動機の駆動ができない。図７に示した重付関数発生器７３による重付値ＳＭＯＤＥで、この電圧制限線以下で駆動できるような制御パターンを選択することになる。
【００２９】
以上に本発明の第一、第二の実施形態の説明をしたが、主旨を逸脱しない範囲で以下の変更を行っても良い。
【００３０】
・実施形態では回転機について説明を行ったが、リニア型同期電動機に本発明の技術を適用しても良い。この場合、極数の多い磁極は固定子の表面に溝等の磁気抵抗の大きい部分を作ることにより形成され、また、極数の少ない磁極は、可動子の極数の多い磁極が形成された位置より内側にスリット等の磁気抵抗の大きい部分を設けることにより、形成されることが考えられる。
【００３１】
・実施形態では、６極の磁極を形成するために回転子の表面に溝を付け突極構造としたが、軟磁性材の内部の表面近傍にスリット状の空隙を複数設けることでフラックスバリア型リラクタンス電動機としても良い。
【００３２】
・実施形態では固定子が回転子に対して発生する磁束において、巻線方式が全節巻を想定して説明したが、集中巻を適用しても良い。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、可動子に主磁極群と補助磁極群とを備え、固定子にそれぞれの磁極群に対応した主巻線と補助巻線を備え、可動子の速度が任意速度以下のときは主巻線と補助巻線に同時に、又は主巻線のみに電流を流し可動子の主磁極群を駆動し、可動子の速度が任意速度以上のときは補助巻線のみに電流を流し可動子の補助磁極群を駆動する構成としたので、リラクタンス型同期電動機における高帯域化が実現でき、多極数の場合のメリットである電流に対する出力トルクの確保およびより低いトルクリップルで安定した制御性を得られること、低極数の場合のメリットである同期周波数の低下による制御性の安定性や高周波損等の低下による効率が高い制御が可能な同期電動機を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の同期電動機の第一の実施形態の構成を示す説明図である。
【図２】  第一の実施形態の同期電動機の２極駆動時の動作原理を示す説明図である。
【図３】  第一の実施形態の同期電動機の６極駆動時の動作原理を示す説明図である。
【図４】  第一の実施形態の同期電動機の２極＋６極駆動時（ハイブリッド駆動）の動作原理を示す説明図である。
【図５】  同期電動機の制御ベクトル図を示す説明図である。
【図６】  第二の実施形態の同期電動機に適用される回転子構造の別例である。
【図７】  第一、第二の実施形態の同期電動機の制御ブロック図である。
【図８】  第一、第二の実施形態の同期電動機の特性例である。
【図９】  従来の同期電動機の構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１  固定子、２  第１の固定子巻線、３  第２の固定子巻線、４  回転子、５軸、６  空隙（非磁性材）、７  空隙、６１  ２極突極回転子、６２  ６極突極回転子、７１０  電動機、７１１  位置検出器、９１  巻線。
【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】
0003742323.tif 000008
【図８】
0003742323.tif 000009
【図９】
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