JP2005065415A - 永久磁石同期モータの磁極位置検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気飽和を利用することなく磁極位置を簡単に検出可能とした磁極位置検出装置を提供する。
【解決手段】ほぼ円筒状でＮ極及びＳ極の磁石を交互に配置した埋め込み磁石型回転子を有する永久磁石同期モータのｄ軸方向またはこれに直交するｑ軸方向の電圧指令値に高周波電圧を印加して回転磁界を生成し、その時のモータ電流を検出してｄ軸成分及びｑ軸成分に分離し、これら各成分の符号及び値に基づいてモータの磁極位置を検出する磁極位置検出装置に関する。前記高周波電圧の印加時に、モータの固定子巻線の本来の極数をその１／２以下に切り換えて回転磁界を発生させる手段を備え、かつ、Ｎ極磁石の厚さとＳ極磁石の厚さとを異ならせて突極性を持たせる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、エンコーダやレゾルバ等の磁極センサを用いずに、いわゆるセンサレス制御される永久磁石同期モータの磁極位置検出装置に関するものである。

近年、この種のセンサレス制御技術は各種提案されており、特に、モータ停止時に磁極位置を特定する方法としては、巻線に高周波電圧や電流を印加する方法が知られている。これらの方法はモータの突極性を利用したもので、回転子の鉄心表面形状に凹凸を持たせる方法（例えば、特公平５−８８０７７号公報、特開平１１−１６８８６７号公報、特開２０００−６００４０号公報）や、渦電流を利用する方法（特開平９−５６１９３号公報）等が知られている。

更に、空隙一様な円筒状の埋め込み磁石型回転子を有する永久磁石同期モータ（ＩＰＭモータ、埋め込み磁石型同期モータともいう）をインバータにより駆動する駆動装置において、ｄ軸電圧指令値、ｑ軸電圧指令値に高周波電圧を重畳して磁極位置（磁極中心位置）を検出する方法が、後述の特許文献１に記載されている。
以下、この従来技術による磁極位置検出原理を説明する。

図５は、一般的な４極の埋め込み磁石型回転子の断面構造を示している。図において、１は円筒状の回転子鉄心、２はＮ極磁極及びＳ極磁極を構成する永久磁石、３は界磁磁極軸としてのｄ軸（Ｎ極）、４はｄ軸３に対して電気的に直交するｑ軸、５は−ｄ軸（Ｓ極）を示している。
このような断面構造を有する回転子の鉄心は、一般にｄ軸３とｑ軸４とでインダクタンスが異なる性質、すなわち突極性を有する。

いま、回転子の磁極位置が不明であり、図６に示すように実際のモータのｄ−ｑ軸６に対して制御装置（インバータ）側のｄ−ｑ軸すなわちｄ_ｃ−ｑ_ｃ軸７が偏差角δだけずれているとする。このとき、ｄ_ｃ軸とｑ_ｃ軸とは直交しているので、突極性がなければｄ_ｃ−ｑ_ｃ間の相互インダクタンスは常にゼロであるが、突極性があると偏差角δの特定の値でのみ相互インダクタンスがゼロになる性質を持つ。
従って、一方の軸方向に印加した電圧成分によって他方の軸方向に流れる電流成分が生じ、かつ、その値は磁極位置に従って周期的に変動することになる。

特許文献１の段落［００３０］〜［００３４］（数式７，数式８）によれば、図６に示すように高周波電圧８（ｖ(ｔ)＝Ｖ_ａｓｉｎω_ａｔ）をｄ_ｃ軸方向に与えた場合の電流ｉ_ｄｃ，ｉ_ｑｃについて、モータの巻線抵抗を無視すると、モータの停止時に以下の数式１が成り立つ。

なお、数式１において、ｉ_ｄｃはモータ電流のｄ_ｃ軸成分、ｉ_ｑｃはｑ_ｃ軸成分、Ｌ_ｄは巻線のインダクタンスのｄ軸成分、Ｌ_ｑは同じくｑ軸成分である。

数式１から、ｉ_ｄｃ，ｉ_ｑｃの交番成分は、数式２，３となる。

数式２，３より、ｔａｎ２δの逆関数をとってδを求めると、数式４が得られる。

上記の数式４からｉ_ｄｃ，ｉ_ｑｃの値と符号とを確認することにより、偏差角δを−９０°＜δ＜＋９０°の範囲で特定することができる。
この偏差角δから磁極位置を検出する方法としては、制御装置側のｄ_ｃ−ｑ_ｃ軸の位相角に偏差角δを加算して磁極位置を直接求める方法のほか、以下に述べるようにｄ_ｃ−ｑ_ｃ軸がｄ−ｑ軸に一致するようにｄ_ｃ−ｑ_ｃ軸を回転させて磁極位置を間接的に検出する方法がある。

図７は、上述した原理を利用して偏差角δを自動的に補正する（磁極位置を検出する）ための制御ブロック図であり、特許文献１の図２に記載されているものと実質的に同一である。
図７において、座標変換器１１には高周波の交番電圧が重畳されたｄ軸電圧指令値Ｖ_ｄｃが入力される（ｑ軸電圧指令値Ｖ_ｑｃはゼロとする）。このとき、インバータ１２を介して永久磁石同期モータＩＰＭに流れる各相の電流が電流検出器１３により検出され、座標変換器１４によりｉ_ｄｃ及びｉ_ｑｃが分離検出される。

これらの各成分ｉ_ｄｃ，ｉ_ｑｃは角度演算器１５に入力され、前述した数式４の演算によって偏差角δが算出される。この偏差角δを積分器１６（定数Ｋ）に入力してその出力を加算器１７を介し座標変換器１１，１４に入力することにより、結果として偏差角δがゼロになるように制御装置側のｄ_ｃ−ｑ_ｃ軸を回転させ、ｄ_ｃ−ｑ_ｃ軸をｄ−ｑ軸に一致させるものであり、加算器１７の出力が磁極位置検出値に相当することになる。

この方式は、回転子の突極性を利用し、ｄ軸電圧指令値に高周波電圧を重畳して磁極位置を検出する方法であるが、前述の数式２，３が２δで変化することから明らかなように、ｄ軸（Ｎ極）と−ｄ軸（Ｓ極）とは理論上、区別が付かず、偏差角δが何れの軸を基準としているのか判別できない。従って、ｄ_ｃ−ｑ_ｃ軸をｄ−ｑ軸に一致させるためには、別に磁極の極性を判別する手段が必要になる。

ここで、磁極の極性を判別する手段としては、例えば、鉄心の飽和を利用した方法が特許文献２に記載されている。この方法は、モータの固定子巻線に一定のｄ軸電圧を増磁・減磁方向に印加し、磁気飽和状態の違いによる透磁率の変化が検出電流に現れることを利用して磁極の極性を判別するものである。

特許第３３１２４７２号（請求項１〜３） 特許第３２７８０３２号（段落［０００８］等）

上述したように、従来の技術では、モータの停止時に磁極位置を検出するために、
（１）ｄ軸（Ｎ極）または−ｄ軸（Ｓ極）の位置を特定する。
（２）磁極の極性を判別する。
という２段階の手順が必要である。
特に、（２）の磁極の極性判別に当たり、前述した特許文献２のように磁気飽和を利用する方法では、極性判別を確実に行うために、磁石の磁束により回転子または固定子鉄心を適当な弱飽和状態（Ｂ−Ｈ曲線の屈曲点付近）におく必要があるが、この方法では磁石の温度特性などに影響されやすく不安定であるといった問題がある。

そこで本発明は、磁気飽和を利用することなく磁極位置の検出を簡単に行えるようにした永久磁石同期モータの磁極位置検出装置を提供しようとするものである。

上記課題を解決するため、本発明では、例えば埋め込み磁石型回転子におけるＮ極及びＳ極の磁石厚を異ならせることにより、Ｎ極磁極同士を結んで固定子に至る磁気経路とＳ極磁極同士を結んで固定子に至る磁気経路との磁気抵抗を異ならせ、これによって本来の極数の１／２以下の極数で突極性を持たせると共に、固定子巻線の極間接続部に中間タップ端子を設けて磁極位置検出時に極数を切り換えることにより、回転磁界を生じさせるようにしたものである。

すなわち、請求項１に記載した永久磁石同期モータの磁極位置検出装置は、
ほぼ円筒状でＮ極及びＳ極の磁石を交互に配置した埋め込み磁石型回転子を有する永久磁石同期モータのｄ軸方向またはこれに直交するｑ軸方向の電圧指令値に高周波電圧を印加して回転磁界を生成し、その時のモータ電流を検出して前記ｄ軸成分及びｑ軸成分に分離すると共に、これら各成分の符号及び値に基づいてモータの磁極位置を検出する永久磁石同期モータの磁極位置検出装置において、
前記高周波電圧の印加時に、前記モータの固定子巻線の本来の極数をその１／２以下に切り換えて回転磁界を発生させる手段を備え、かつ、
前記永久磁石同期モータが、回転子の任意の磁極の中心から他の同極性磁極の中心に至るピッチを回転子が移動する間に、前記高周波電圧印加時の巻線インダクタンスが前記ピッチを１周期として周期的に変動し、かつ、その直流成分を除いた前記ピッチを周期とする基本波が支配的であるような変動を示す回転子構造を有するものである。

請求項２に記載した磁極位置検出装置は、請求項１において、
回転子のＮ極磁極同士を結んで固定子に至る閉回路をなす磁気経路の磁気抵抗と、Ｓ極磁極同士を結んで固定子に至る閉回路をなす磁気経路の磁気抵抗とが異なるように、Ｎ極磁極を構成する磁石の厚さとＳ極磁極を構成する磁石の厚さとを異ならせたものである。

請求項３に記載した磁極位置検出装置は、請求項１または請求項２において、
永久磁石同期モータの固定子巻線に、極数を切り換えるための中間タップ端子を設けたものである。

請求項４に記載した磁極位置検出装置は、請求項３において、
永久磁石同期モータの停止時の磁極位置を検出するために、前記中間タップ端子に接続を切り換えて前記高周波電圧を印加するものである。

本発明によれば、磁気飽和を利用せずに磁極の極性を安定して判別することができ、モータ停止時における磁極位置を迅速かつ容易に検出することができる。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、この実施形態に係る永久磁石同期モータの断面構造を示しており、図示する４極の埋め込み磁石型回転子は、図５の構造を改良したものである。

図１において、２０は回転子、２１は回転子鉄心、２３は一対のＮ極磁石、２４は一対のＳ極磁石、３０は空隙、４０は固定子、４１は固定子鉄心を示す。また、３は図５と同様にｄ軸、４は同じくｑ軸である。なお、Ｎ極磁石２３による磁極をＮ１極、Ｎ２極、Ｓ極磁石２４による磁極をＳ１極、Ｓ２極とする。
ここで、本実施形態では、回転子２０の任意の磁極（例えばＮ１極）の中心から他の同極性磁極（Ｎ２極）の中心に至るピッチを回転子２０が移動する間に、高周波電圧印加時の巻線インダクタンスが前記ピッチを１周期として周期的に変動し、かつ、その直流成分を除いた前記ピッチを周期とする基本波が支配的であるような変動を示す回転子構造を有している。
上記回転子構造を実現するため、具体的には、Ｎ極磁石２３及びＳ極磁石２４の厚さに関して、両者の厚さの合計値の２／３をＮ極磁石２３に、１／３をＳ極磁石２４にそれぞれ持たせるようにした（Ｎ極磁石２３の厚さ：Ｓ極磁石２４の厚さ＝２：１）。

いま、Ｎ極磁石２３及びＳ極磁石２４の厚さの相違に起因して、Ｎ１極、Ｎ２極を貫通して固定子鉄心４１を通る経路２５は磁気抵抗が高く、Ｓ１極、Ｓ２極を貫通して固定子鉄心４１を通る経路２６は磁気抵抗が低い。従って、Ｎ１極、Ｎ２極の貫通方向をｄ’軸、これに直交するＳ１極、Ｓ２極の貫通方向をｑ’軸と仮定した場合、鉄心の飽和を無視すると、両軸方向のインダクタンス比Ｌ_ｄ’：Ｌ_ｑ’は、ほぼ数式５のようになる。

数式５において、ｄ_Ｎ：ｄ_Ｓ＝２：１であるから、空隙長ｇを無視すると、Ｌ_ｄ’：Ｌ_ｑ’は約１：２となり、永久磁石同期モータとしては２極の突極構造の回転子により磁極位置検出が可能になる。

ここで、図２は、４極三相星形結線の永久磁石同期モータの固定子巻線図であり、Ｕ１，−Ｕ１，Ｖ１，−Ｖ１，Ｗ１，−Ｗ１，Ｕ２，−Ｕ２，Ｖ２，−Ｖ２，Ｗ２，−Ｗ２は各相コイルのコイル辺、４３は各相コイルの主端子（Ｕ，Ｖ，Ｗ）、ＮＬは中性線、４４は各相コイルの極間接続部から引き出した中間タップ端子（Ｕ’，Ｖ’，Ｗ’）を示している。図２では、回転子のＮ１極、Ｎ２極、Ｓ１極、Ｓ２極も併せて図示してある。
図２の巻線構成において、主端子４３を短絡すると全節巻、開放するとコイルピッチが磁極ピッチに対して０．５の短節巻の２極三相星形結線を構成する。

図３は、本実施形態の駆動回路の概略的な構成を示しており、平常時はインバータ５２から出力される三相交流電圧が切換スイッチ５３を介して永久磁石同期モータＩＰＭの主端子４３に供給され、磁極位置検出時には、切換スイッチ５３を図示のように切り換えて中簡タップ端子４４を磁極位置検出回路５１に接続する。
また、磁極位置検出時には、図３に示されるように、切換スイッチ５３によって主端子Ｕ，Ｗが短絡され、残りの主端子Ｖが開放されるように構成されている。

なお、図示されていないが、磁極位置検出時には、磁極位置検出回路５１から中間タップ端子４４を介して、モータＩＰＭのコイルに高周波電圧が重畳されたｄ軸電圧指令値が入力され（ｑ軸電圧指令値はゼロとする）、モータＩＰＭを流れる各相の電流が電流検出器により検出されて座標変換器により各軸成分が分離検出されるようになっている。
そして、磁極位置検出回路５１では、前述した数式１〜４の演算により、実際のモータＩＰＭの磁極軸と制御装置側の軸との偏差角を求め、プリセット値としてインバータ５２に出力可能である。

次に、図４は永久磁石同期モータＩＰＭの断面図であり、固定子コイル４５が図４のように配置される場合、Ｕ相（コイル辺Ｕ１，−Ｕ１，Ｕ２，−Ｕ２による）の起磁力軸４６を制御装置側のｄ_ｃ軸の基準位置（ゼロ点）とし、Ｗ’相（コイル辺Ｖ１，−Ｖ１，Ｖ２，−Ｖ２による）の起磁力軸４７をｄ_ｃ’軸の基準位置とし、かつ、Ｎ１極の方向をｄ’軸、Ｎ２極の方向を−ｄ’軸とすると、ｄ_ｃ’軸はδ’＝θ_ａの位置においてｄ’軸に一致し、δ’＝θ_ｂ（＝θ_ａ−１８０°）の位置で−ｄ’軸に一致する。
従って、図７を参照して説明した方法によりｄ_ｃ’−ｑ_ｃ’軸を回転させ、ｄ_ｃ’−ｑ_ｃ’軸をｄ’−ｑ’軸に一致させる磁極位置検出方法によって、δ’を−９０°＜δ’＜＋９０°の範囲で特定することができる。
また、δ’と本来の偏差角δとは電気角同士であって、数式６に示す関係がある。

［数６］
２δ’＝δ
このことから、偏差角δを特定できる範囲は−１８０°＜δ’＜＋１８０°となり、ベクトル空間の第１象限から第４象限までの全ての領域で偏差角δを特定できることになって、Ｎ極であるｄ’（ｄ）軸とＳ極である−ｄ’（−ｄ）軸との区別が付かない状態、言い換えれば磁極の極性（Ｎ極、Ｓ極）を誤判定する心配もない。

また、図４では、Ｗ’相の起磁力軸４７はＵ相の起磁力軸４６に対し、回転方向（矢印ａ方向）に沿って機械角Φ（＝６０°）だけ進んでいる。これから、本来のｄ軸（Ｎ極中心）のＵ相起磁力軸に対する偏差角δとしては、前述の数式６の関係を用いて、
δ_ａ＝２（６０°＋θ_ａ） （Ｎ１極の磁極中心），
δ_ｂ＝２（６０°＋θ_ｂ） （θ_ｂ＜０，Ｎ２極の磁極中心）
の何れかの値を得ることができ、何れにしてもモータＩＰＭの実際のｄ軸と制御装置側のｄ_ｃ軸とを一致させることができる。

なお、本発明の利点の一つとして、モータ本来の性能に余り影響を与えないことが挙げられる。すなわち、Ｎ極、Ｓ極にわたって閉じた磁気経路（図１における経路２７）において、空隙３０の合計寸法と磁石２３，２４の合計の厚さとの比が、従来のようにＮ極、Ｓ極の磁石の厚さが等しい場合と変わりなければ、磁石の動作点は変わらず、基本的にモータの能力は変わらない。

更に、前述した実施形態では、磁石より外側の鉄心形状は従来のままで変更しないため、本来のｄ軸、ｑ軸のインダクタンスは従来構造とさほど変わりがない。
従って、本発明によれば、空隙部の磁束分布やモータ定数に影響を与えることなく、磁極位置検出時にのみ顕著な２極突極構造を実現することが可能である。

また、固定子に関しては、磁極位置検出のために余分な検出コイルを設ける必要がなく、スロット空間の利用率を損なうおそれもない。
更に、永久磁石同期モータのセンサレス制御において、従来技術に比べて簡単な手順で磁極の初期位置と極性判別とを同時に行うことができ、処理が迅速になる。
ちなみに、実施形態では４極のモータを例示したが、本発明は一般に、８極、１２極、……のように４の倍数極のモータに対して適用することができる。

本発明の実施形態を示す永久磁石同期モータの断面図である。 本発明の実施形態が適用される４極三相星形結線の永久磁石同期モータの固定子巻線図である。 本発明の実施形態における駆動回路の概略的な構成図である。 本発明の実施形態における回転子及び固定子の断面図である。 従来技術における永久磁石同期モータの回転子の断面図である。 ｄ−ｑ軸、ｄ_ｃ−ｑ_ｃ軸及び偏差角δの説明図である。 従来技術において偏差角を自動的に補正するための制御ブロック図である。

符号の説明

３：ｄ軸
４：ｑ軸
６：ｄ−ｑ軸
７：ｄ_ｃ−ｑ_ｃ軸
８：高周波電圧
１１，１４：座標変換器
１２，５２：インバータ
１３：電流検出器
１５：角度演算器
１６：積分器
１７：加算器
２０：回転子
２１：回転子鉄心
２３：Ｎ極磁石
２４：Ｓ極磁石
２５，２６，２７：経路
３０：空隙
４０：固定子
４１：固定子鉄心
４３：主端子
４４：中間タップ端子
４５：固定子コイル
４６：Ｕ相起磁力軸
４７：Ｗ’相起磁力軸
５１：磁極位置検出回路
５３：切換スイッチ
ＩＰＭ：埋め込み磁石型回転子を有する永久磁石同期モータ

Claims (4)

1. ほぼ円筒状でＮ極及びＳ極の磁石を交互に配置した埋め込み磁石型回転子を有する永久磁石同期モータのｄ軸方向またはこれに直交するｑ軸方向の電圧指令値に高周波電圧を印加して回転磁界を生成し、その時のモータ電流を検出して前記ｄ軸成分及びｑ軸成分に分離すると共に、これら各成分の符号及び値に基づいてモータの磁極位置を検出する永久磁石同期モータの磁極位置検出装置において、
   前記高周波電圧の印加時に、前記モータの固定子巻線の本来の極数をその１／２以下に切り換えて回転磁界を発生させる手段を備え、かつ、
   前記永久磁石同期モータが、回転子の任意の磁極の中心から他の同極性磁極の中心に至るピッチを回転子が移動する間に、前記高周波電圧印加時の巻線インダクタンスが前記ピッチを１周期として周期的に変動し、かつ、その直流成分を除いた前記ピッチを周期とする基本波が支配的であるような変動を示す回転子構造を有することを特徴とする永久磁石同期モータの磁極位置検出装置。
2. 請求項１に記載した永久磁石同期モータの磁極位置検出装置において、
   回転子のＮ極磁極同士を結んで固定子に至る閉回路をなす磁気経路の磁気抵抗と、Ｓ極磁極同士を結んで固定子に至る閉回路をなす磁気経路の磁気抵抗とが異なるように、Ｎ極磁極を構成する磁石の厚さとＳ極磁極を構成する磁石の厚さとを異ならせたことを特徴とする永久磁石同期モータの磁極位置検出装置。
3. 請求項１または２に記載した永久磁石同期モータの磁極位置検出装置において、
   永久磁石同期モータの固定子巻線に、極数を切り換えるための中間タップ端子を設けたことを特徴とする永久磁石同期モータの磁極位置検出装置。
4. 請求項３に記載した永久磁石同期モータの磁極位置検出装置において、
   永久磁石同期モータの停止時の磁極位置を検出するために、前記中間タップ端子に接続を切り換えて前記高周波電圧を印加することを特徴とする永久磁石同期モータの磁極位置検出装置。

Images