JP3562287B2

JP3562287B2 - マグネット内蔵誘導機の制御方法及び制御装置

Info

Publication number: JP3562287B2
Application number: JP01513898A
Authority: JP
Inventors: 由之柴田
Original assignee: Toyoda Koki KK
Current assignee: Toyoda Koki KK
Priority date: 1998-01-08
Filing date: 1998-01-08
Publication date: 2004-09-08
Anticipated expiration: 2018-01-08
Also published as: JPH11206168A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、回転磁界を発生する固定子と、軸に固定され該固定子内で回転する回転子と、該回転子内に形成された中空空間に配置され、外周に固定子の回転磁界と対向するようにマグネットが取り付けられ、軸に回転自在に支持されたマグネット保持部材と、を備えるマグネット内蔵誘導機の制御方法及び制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
誘導電動機は、堅牢で安価であり速度制御の必要がないため、従来から種々の産業分野で広く利用されている。また、可変速度で用いられる場合に従来は直流モータが主流であったのが、パワーエレクトロニクス素子の進歩、及び、ベクトル制御等の制御技術の発展により誘導電動機の可変速度運転が可能となり、現在直流モータに取って代わりつつある。この誘導電動機の原理は、固定子に配置された１次コイルに電流を流して磁束を発生させ、この磁束により回転子側に誘導電流を発生させ、該磁束と誘導電流との相互作用によりトルクを発生させるものである。この既存の誘導電動機は、固定子により発生される磁束がバイパスし（回転子の内側まで入らず）、トルクの発生に寄与する回転子の径方向への磁束密度が小さという課題があった。
【０００３】
この課題を解決する誘導電動機として、本出願人は、回転子内に、固定子の回転磁界と同期して回転するマグネットを備えるマグネット内蔵誘導機を、特開平８−１０３０５８、特開平８−２６６０８９、特開平８−２８９５１５号にて提案した。このマグネット内蔵誘導機の構成について、マグネット内蔵誘導機の縦断面を示す図６を参照して説明する。
【０００４】
固定子２２の内周には複数のスロット２４が設けられ、それぞれのスロット２４には巻線２３が配置されている。軸３２には、かごを組み込んだ回転子２６が固定されている。かごは従来のかご型誘導電動機と同様に１対の短絡環２８ｂ（図６中には一方のみ示す）と複数の二次導体２８ａとから成る。この回転子２６の内側には、鋼製の筒状ロータ３４が配置され、該筒状ロータ３４は１対のベアリング（図示せず）により軸３２に対して回転可能に支持されている。この筒状ロータ３４の外周には、マグネット内蔵誘導機２０の極（界磁）の数に対応させて４つの永久磁石３６が取り付けられている。
【０００５】
マグネット内蔵誘導機２０では、筒状ロータ３４の表面に固定子２２の回転磁界と対向するように磁石３６が取り付けられているため、固定子２２が励磁され回転磁界が発生するとこれに同期して該筒状部材３４が回転する。該固定子２２に発生される磁束は、対向する磁石３６へ向かうため、回転子２６に対して径方向に横切ることになる。即ち、回転子２６に対して磁束が径方向に横切るため、回転子２６に発生するトルクが大きくなる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このマグネット内蔵誘導機は、発生トルクが高まる反面、既存の誘導電動機と比較して、急激な加、減速、或いは、反転時には、応答性が低下することが判明した。
この応答性の実験結果について、図７のグラフを参照して説明する。図７（Ａ）は、既存の誘導電動機の測定結果を示している。また、図７（Ｂ）は、マグネット内蔵誘導機の測定結果を示している。ここでは、力率１で、駆動周波数を３１．２ＫＨｚ（パルス間隔約３（ｍｓ）：回転数９００ｒｐｍ）から５０．３ＫＨｚ（パルス間隔約２（ｍｓ）：回転数１５００ｒｐｍ）へ変化させたランプ入力に対する応答（加速時間０．１Ｓ）を測定した。
【０００７】
ここで、既存の誘導電動機は、立ち上がり時間が２１．４（ｍｓ）であったのに対して、マグネット内蔵誘導機は、２４．４（ｍｓ）であった。遅延時間は、既存の誘導電動機は、３０．８（ｍｓ）であったのに対して、マグネット内蔵誘導機は、３１．２（ｍｓ）であった。また、整定時間は、既存の誘導電動機は、１２５．４（ｍｓ）であったのに対して、マグネット内蔵誘導機は、２０４．３（ｍｓ）であった。行き過ぎ時間は、誘導電動機は、５０．２（ｍｓ）であったのに対して、マグネット内蔵誘導機は、６７．０（ｍｓ）であった。更に、行き過ぎ量は、誘導電動機は、５．２％であったのに対して、マグネット内蔵誘導機は、２９％であった。
【０００８】
このように応答性が低下する原因は、急激な加、減速、或いは、反転時に、筒状ロータ３４が、回転磁束の変化に追従できず、同期はずれを起こすことによるものと考えれる。
【０００９】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、応答性の高いマグネット内蔵誘導機の制御方法及び制御装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
また、請求項１では、回転磁界を発生する固定子と、軸に固定され該固定子内で回転する回転子と、該回転子内に形成された中空空間に配置され、外周に前記固定子の回転磁界と対向するようにマグネットが取り付けられ、前記軸に回転自在に支持されたマグネット保持部材と、を備えるマグネット内蔵誘導機の制御方法において、
前記回転子を回転させる速度指令値と実際の回転子の回転の速度値との差が所定値以内かを判断し、
前記差が所定値以内の時には、磁化電流を一定に保つ制御を行い、
前記差が所定値を越える時には、磁化電流を高める制御を行うことを技術的特徴とする。
【００１２】
また、請求項２のマグネット内蔵誘導機の制御方法においては、請求項１において、前記磁化電流を一定に保つ制御として、ベクトル制御を行うことを技術的特徴とする。
【００１３】
また、請求項３のマグネット内蔵誘導機の制御方法においては、請求項２において、前記磁化電流を高める制御として、磁化電流を速度指令値と実際の速度値との差に応じて高めることを技術的特徴とする。
【００１４】
また、請求項４のマグネット内蔵誘導機の制御方法においては、請求項２において、前記磁化電流を高める制御として、磁化電流を一定値高めることを技術的特徴とする。
【００１５】
上記の目的を達成するため、請求項５では、回転磁界を発生する固定子と、軸に固定され該固定子内で回転する回転子と、該回転子内に形成された中空空間に配置され、外周に前記固定子の回転磁界と対向するようにマグネットが取り付けられ、前記軸に回転自在に支持されたマグネット保持部材と、を備えるマグネット内蔵誘導機の制御装置において、
前記回転子を回転させる速度指令値と実際の回転子の回転の速度値との差が所定値以内かを判断し、
前記差が所定値以内の時には、磁化電流を一定に保つ制御を行い、
前記差が所定値を越える時には、磁化電流を高める制御を行う磁化電流制御手段を設けたことを技術的特徴とする。
【００１７】
請求項１のマグネット内蔵誘導機の制御方法によれば、速度指令値と実際の速度値の差が所定値以内かを判断し、差が所定値を越える時には、磁化電流を高めるので、固定子の回転磁界に、マグネット保持部材を追従させることができる。このため、マグネット内蔵誘導機の応答性を高めることが可能となる。
【００１８】
請求項２のマグネット内蔵誘導機の制御方法によれば、ベクトル制御により、速度変化が小さいときには、磁化電流を一定に保つため、マグネット内蔵誘導機を容易に速度制御することができる。
【００１９】
請求項３のマグネット内蔵誘導機の制御方法によれば、速度変化が大きいときには、磁化電流を速度指令値と実際の速度値との差に応じて高めるため、速度指令値と実際の速度値との差が大きいときにも、固定子の回転磁界にマグネット保持部材を追従させることができる。
【００２０】
請求項４のマグネット内蔵誘導機の制御方法によれば、速度変化が大きいときには、磁化電流を一定値高める。このため、複雑な演算が不要であり、制御が容易である。
【００２１】
請求項６のマグネット内蔵誘導機の制御装置によれば、速度指令値と実際の速度値の差が所定値以内かを判断し、差が所定値を越える時には、磁化電流を高めるので、固定子の回転磁界にマグネット保持部材を追従させることができる。このため、マグネット内蔵誘導機の応答性を高めることが可能となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１実施形態に係るマグネット内蔵誘導機の制御方法及び制御装置について図を参照して説明する。
図１（Ａ）は、本発明の第１実施形態に係る３相４極かご型マグネット内蔵誘導機４０の縦断面を示し、図１（Ｂ）は回転子２６の横断面を表している。図１（Ａ）に示すように固定子２２の内周には複数のスロット２４が設けられ、それぞれのスロット２４には巻線２３が配置されている。この固定子２２は従来のかご型誘導電動機と同じものが用いられている。
【００２３】
図１（Ｂ）に示すように、回転子２６は軸３２に固定され、この軸３２は１対のベアリング３０Ａ、３０Ｂにより回転自在に支持されている。回転子２６は、複数の二次導体２８ａが配設されたロータ２８ｂと、フレームリング２８Ｃ、２８Ｄとからなる。この固定子２６の内側には、鋼製の筒状ロータ３４が配設され、該筒状ロータ３４は１対のベアリング３８Ａ、３８Ｂにより軸３２に対して回転可能に支持されている。この筒状ロータ３４の外周には、固定子２２の極（界磁）の数に対応させて４つの永久磁石３６が取り付けられている。この永久磁石３６は、ネオジウム−鉄−ほう素磁石により構成されている。
【００２４】
このマグネット内蔵誘導機４０において、固定子２２の巻線２３に３相交流が通電されると、図中矢印Ａの向きに回転磁界が発生する。この回転磁界の磁束が回転子２６の各二次導体２８ａを横切ることにより、該二次導体２８ａに速度起電力が発生し、この速度起電力により該二次導体２８ａ内に電流が流れ、この電流と磁束との相互作用によりトルクが発生して回転子２６を磁界と同じ方向へ回転させる。この回転速度は、発生するトルクに関連してすべりを有し固定子２２側の回転磁界の速度よりも低い。他方、筒状ロータ３４は、固定子側に発生する磁力に各永久磁石３６が吸引されるため、固定子２２に発生する回転磁界にほぼ完全に同期して回転する（正確には、僅かな角度的な遅れを有している）。このマグネット内蔵誘導機２０では、磁束が対向する永久磁石３６へ向けられるため、回転子２６の二次導体２８ａに対して径方向に横切ることになる。即ち、二次導体２８ａに対して磁束が径方向に横切るため、回転子２６に発生するトルクが大きくなる。また、永久磁石３６から磁束が供給されるため、磁化電流の量を低減でき、力率が高まる。
【００２５】
このトルクの発生原理について、図２を参照して更に詳細に説明する。図２（Ａ）に示すように、巻線２３からの磁力線９０は対向する永久磁石３６側に向かうと共に、永久磁石３６からの磁力線９０は対向する巻線２３側に向かうことになる。即ち、磁束は回転子２６の径方向に向けれられる。従って、回転磁界の回転に伴い矢印Ｃ方向に磁束Ｂに対して速度ｖで相対的に移動している１つの二次導体２８ａに於ける速度起電力ｅは、フレミング右手の法則に従い有効な磁束成分と速度との積となる。ここで有効な磁束成分は、相対的な移動方向Ｃに対して垂直方向（即ち、回転子の径方向）の成分であるが、ここでは磁束が径方向に向けられているため全ての磁束Ｂが有効に働くことになる。従って、速度起電力ｅはｖＢＬで表される（ここでＬは、二次導体２８ａの長さを表している）。
【００２６】
更に、該二次導体２８ａで発生する力Ｆについて、図２（Ｂ）を参照して説明する。該二次導体２８ａを流れる電流ｉは、二次導体２８ａの抵抗分をＲとするとｉ＝ｅ／Ｒで表される。また、二次導体２８ａで電流と磁束の相互作用により発生する力Ｆは、フレミング左手の法則に従い、磁束Ｂと上記速度起電力ｅによる電流ｉとの積になりＦ＝（ｉ×Ｂ）Ｌで表される。この発生力Ｆは、径方向に向かう磁束Ｂに対して垂直方向（即ち回転子２６の接線方向）に発生するため、回転子２６を回転させる向きに発生することになる。従って、各二次導体２８ａで発生する力は、全て回転子２６のトルクとして有効に用いられることとなる。
【００２７】
引き続き、該マグネット内蔵誘導機４０の制御機構について図３を参照して説明する。マグネット内蔵誘導機４０には回転数を検出するエンコーダ６０が取り付けられている。エンコーダ６０にて検出された回転数は制御装置８０に入力される。該制御装置８０は、マグネット内蔵誘導機４０に印加する電流量、電流の力率を検出し、印加電圧及び周波数を調整することで、マグネット内蔵誘導機の回転数を制御する。ここで、該制御装置８０は、通常時には、ベクトル制御方式で、界磁を一定にし、二次電流を増減させることでトルクを制御している。そして、速度変化が大きいときに、界磁を強め、永久磁石３６を載置する筒状ロータ３４の回転磁界に対する追従性を高め、応答性を上げる。
【００２８】
この制御装置８０による磁化電流の制御（磁化電流制御手段）動作について、図４のフローチャートを参照して更に詳細に説明する。
先ず、制御装置８０は、速度指令値とエンコーダ６０から入力された速度の実測値との差がしきい値δ以上か、即ち、速度指令値と速度実測値との差が大きいかを判断する（Ｓ１２）。ここで、差がしきい値δ未満の際（Ｓ１２がＮｏ）、即ち、速度変化がない場合及び速度変化が小さい場合には、磁束量を一定値φ０になるようにしてベクトル制御方式によりマグネット内蔵誘導機４０を制御する（Ｓ１４）。ここで、磁束量をφ０とする際には磁束を永久磁石３６のみで供給するため磁化電流は流さない。なお、この代わりに、永久磁石３６により磁束の一部を供給し、不足分を磁化電流により供給することも可能である。
【００２９】
一方、速度指令値と速度実測値との差がしきい値δ以上の際（Ｓ１２がＹｅｓ）、即ち、速度変化が大きい場合には、磁束量を一定にする制御を中断し、磁束量（磁化電流）を速度指令値と実際の速度値との差に応じて高める（Ｓ１６）。ここでは、磁束量として、定数ｋに速度指令値と実際の速度値との差を掛けた値を、常時の磁束量φ０に加えて制御目標値にする。これにより、界磁を強め、永久磁石３６を載置する筒状ロータ３４の回転磁界に対する追従性を高め、応答性を上げる。そして、二次電流を変化させることでトルクを指令値に対して高速で応答させる。なお、この第１実施形態の制御方法は、磁化電流を速度指令値と実際の速度値との差に応じて高めるため、速度指令値と実際の速度値との差が大きいときにも、固定子２２の回転磁界に、筒状ロータ３４を追従させることができる。
【００３０】
引き続き、本発明の第２実施形態に係る制御装置による磁化電流の制御（磁化電流制御手段）動作について、図５のフローチャートを参照して説明する。なお、第２実施形態のマグネット内蔵誘導機の構成及び制御装置の構成は図１、図３を参照して上述した第１実施形態と同様であるため図示及び説明を省略する。
【００３１】
先ず、制御装置８０は、速度指令値とエンコーダ６０から入力された速度の実測値との差がしきい値δ以上か、即ち、速度指令値と速度実測値との差が大きいかを判断する（Ｓ２２）。ここで、差がしきい値δ未満の際（Ｓ２２がＮｏ）、即ち、速度変化がない場合及び速度変化が小さい場合には、磁束量を一定値φ０になるようにしてベクトル制御方式によりマグネット内蔵誘導機４０を制御する（Ｓ２４）。ここでは、磁束を永久磁石３６のみで供給するため磁化電流は流さない。なお、この代わりに、永久磁石３６により磁束の一部を供給し、不足分を磁化電流により供給することも可能である。
【００３２】
一方、速度指令値と速度実測値との差がしきい値δ以上の際（Ｓ２２がＹｅｓ）、即ち、速度変化が大きい場合には、磁束量を一定にする制御を一時中断し、磁束量（磁化電流）をφ０から一定値φＫに高める（Ｓ２６）。これにより、界磁を強め、永久磁石３６を載置する筒状ロータ３４の回転磁界に対する追従性を高め、応答性を上げる。なお、上述した第１実施形態においては、磁束量を速度指令値と実際の速度値との差に応じて高めたが、この第２実施形態においては、磁束量をφ０よりも高いφＫ（一定値）に高める。その後、経過時間を表す変数ｎに１を加え（Ｓ２８）、そして、変数ｎの値が、予め設定された定数ｍを越えるか、即ち、一定時間が経過したかを判断する（Ｓ３０）。ここで、変数ｎの値が定数ｍを越えるまで、即ち、一定時間が経過するまでは（Ｓ３０がＮｏ）、ステップ２６に戻り、高い磁束量φＫを維持する。そして、一定時間が経過することにより（Ｓ３０がＹｅｓ）、ステップ２２に戻り、再び、速度指令値と速度実測値との差がしきい値δ以上のであるかを判断する。なお、この第２実施形態の制御方法は、速度指令値と実際の速度値との差とは無関係に速度指令値を高めるため、磁束指令値を演算する必要がなく、制御が容易である利点がある。
【００３３】
なお、上述した実施形態においては、かご型誘導電動機を例示したが、本発明の制御方法及び制御装置では、巻線型の誘導電動機を好適に制御することが可能である。同様に、マグネット内蔵誘導機として永久磁石３６を内蔵する誘導電動機を例示したが、本発明の制御方法及び装置では、電磁石を内蔵する誘導電動機の応答性を高めることもできる。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、速度を変化させる際に、磁化電流を高めるので、固定子の回転磁界に筒状ロータを追従させることができるため、マグネット内蔵誘導機の応答性を高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（Ａ）は、本発明の第１実施形態に係るマグネット内蔵誘導機の縦断面であり、図１（Ｂ）は、該マグネット内蔵誘導機の回転子の横断面図である。
【図２】図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は、第１実施形態のマグネット内蔵誘導機の速度起電力と発生トルクとの説明図である。
【図３】第１実施形態のマグネット内蔵誘導機の制御機構を示すブロック図である。
【図４】第１実施形態に係るマグネット内蔵誘導機の制御装置による処理を示すフローチャートである。
【図５】第２実施形態に係るマグネット内蔵誘導機の制御装置による処理を示すフローチャートである。
【図６】マグネット内蔵誘導機の構成を示す断面図である。
【図７】図７（Ａ）は、既存の誘導電動機の応答性の測定結果を示し、図７（Ｂ）は、マグネット内蔵誘導機の応答性の測定結果を示している。
【符号の説明】
２０マグネット内蔵誘導機
２２固定子
２６回転子
２８ａ二次導体
３４筒状ロータ（マグネット保持部材）
３６永久磁石（マグネット）
６０エンコーダ
８０制御装置

Claims

回転磁界を発生する固定子と、軸に固定され該固定子内で回転する回転子と、該回転子内に形成された中空空間に配置され、外周に前記固定子の回転磁界と対向するようにマグネットが取り付けられ、前記軸に回転自在に支持されたマグネット保持部材と、を備えるマグネット内蔵誘導機の制御方法において、
前記回転子を回転させる速度指令値と実際の回転子の回転の速度値との差が所定値以内かを判断し、
前記差が所定値以内の時には、磁化電流を一定に保つ制御を行い、
前記差が所定値を越える時には、磁化電流を高める制御を行うことを特徴とするマグネット内蔵誘導機の制御方法。
前記磁化電流を一定に保つ制御として、ベクトル制御を行うことを特徴とする請求項１のマグネット内蔵誘導機の制御方法。
前記磁化電流を高める制御として、磁化電流を速度指令値と実際の速度値との差に応じて高めることを特徴とする請求項２に記載のマグネット内蔵誘導機の制御方法。
前記磁化電流を高める制御として、磁化電流を一定値高めることを特徴とする請求項２に記載のマグネット内蔵誘導機の制御方法。
回転磁界を発生する固定子と、軸に固定され該固定子内で回転する回転子と、該回転子内に形成された中空空間に配置され、外周に前記固定子の回転磁界と対向するようにマグネットが取り付けられ、前記軸に回転自在に支持されたマグネット保持部材と、を備えるマグネット内蔵誘導機の制御装置において、
前記回転子を回転させる速度指令値と実際の回転子の回転の速度値との差が所定値以内かを判断し、
前記差が所定値以内の時には、磁化電流を一定に保つ制御を行い、
前記差が所定値を越える時には、磁化電流を高める制御を行う磁化電流制御手段を設けたことを特徴とするマグネット内蔵誘導機。