可変磁束ドライブシステム
【課題】磁石磁束を可変に制御できる可変磁束モータを適用し、自己の可変磁束モータを適用する製品・装置がトルク及び回転数の異なる複数の運転モードを有する場合でも、損失を抑えた高効率のシステムを実現しうる可変磁束モータドライブシステムを提供する。
【解決手段】低保持力の永久磁石である可変磁石を有する可変磁束モータ１と、可変磁束モータ１を駆動するインバータ４と、可変磁石の磁束を制御するための磁化電流を供給する磁化部であるインバータ４と、複数の運転モードから１つの運転モードを選択する運転モード管理部２０と、運転モード管理部２０により選択された運転モードに基づき可変磁石の目標とする磁束値を演算して磁束値に対応した磁束指令を生成する磁束指令演算部３１とを備え、インバータ４は、磁束指令演算部３１により生成された磁束指令に応じた磁化電流を供給して可変磁石の磁束を制御する。
【解決手段】低保持力の永久磁石である可変磁石を有する可変磁束モータ１と、可変磁束モータ１を駆動するインバータ４と、可変磁石の磁束を制御するための磁化電流を供給する磁化部であるインバータ４と、複数の運転モードから１つの運転モードを選択する運転モード管理部２０と、運転モード管理部２０により選択された運転モードに基づき可変磁石の目標とする磁束値を演算して磁束値に対応した磁束指令を生成する磁束指令演算部３１とを備え、インバータ４は、磁束指令演算部３１により生成された磁束指令に応じた磁化電流を供給して可変磁石の磁束を制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変磁石を有する可変磁束モータとこの可変磁束モータを駆動するインバータを備えた可変磁束ドライブシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の誘導電動機（ＩＭモータ）に代わり、効率に優れ、小型化や低騒音化も期待できる永久磁石同期電動機（ＰＭモータ）が普及し始めている。例えば、鉄道車両や電気自動車向けの駆動モータとしてＰＭモータが利用されるようになってきている。
【０００３】
ＩＭモータは、磁束自体をステータからの励磁電流によって作り出すため、励磁電流を流すことによる損失が発生する技術的な問題点がある。
【０００４】
他方、ＰＭモータは、ロータに永久磁石を備え、その磁束を利用してトルクを出力するモータであるので、このようなＩＭモータの抱える問題はない。しかしながら、ＰＭモータは、その永久磁石のために回転数に応じた誘起電圧（逆起電圧）が発生する。鉄道車両や自動車など、回転範囲が広い応用分野では、最高回転数において生じる誘起電圧によって、ＰＭモータを駆動制御するインバータが（過電圧によって）破壊しないことが条件となる。この条件を満たすためには、インバータの耐圧を十分に高いものとするか、あるいは逆に、モータに備える永久磁石の磁束を制限する必要がある。前者は、電源側への影響もあり、後者を選択することが多い。その場合の磁束量を、ＩＭモータの磁束量（ＩＭモータの場合には励磁電流によって作りだすギャップ磁束量）と比較すると、１：３程度になるケースもある。この場合、同一のトルクを発生させるためには、磁束量の小さいＰＭモータでは、大きな（トルク）電流を流す必要がある。したがって、低速域において、同一トルクを出力する電流をＩＭモータとＰＭモータとで比較した場合に、ＰＭモータは、より大きな電流を流す必要がある。
【０００５】
このため、ＩＭモータと比べて、ＰＭモータを駆動するインバータの電流容量は増加する。さらに、一般に低速ではインバータ内のスイッチング素子のスイッチング周波数が高く、発生する損失は電流値に依存して増大することから、ＰＭモータでは低速で大きな損失と発熱が生じることになる。
【０００６】
電車などは走行風によって冷却を期待することもあり、低速時に大きな損失が生じることになれば、冷却能力を向上させる必要性からインバータ装置が大型化してしまう。また逆に、誘起電圧が高い場合、弱め界磁制御を行うことになるが、そのときは、励磁電流を重畳することで効率が低下してしまう。
【０００７】
このようにＰＭモータは、磁石を内在するが故のメリットとデメリットがある。モータとしてはそのメリットの分が大きく、損失低減や小型化につながる面もあるが、一方では電車や電気自動車など可変速制御の場合には、従来のＩＭモータに比べて効率の悪い動作点も存在する。また、インバータにとっては電流容量が増大し、損失も増大することから、装置サイズが大きくなる。システムの効率自体は、モータ側が支配的であるため、ＰＭモータの適用によって総合効率は改善するが、一方ではインバータのサイズが増加することがシステムのデメリットとなり、好ましくない。
【０００８】
特許文献１には、低出力運転、高出力運転の何れにおいても電動機及びインバータを高効率で運転し、システム効率を高める電気自動車駆動用交流電動機が記載されている。この電気自動車駆動用交流電動機は、界磁磁極に埋め込んだ永久磁石による磁束と、必要に応じて励磁コイルによる磁束とにより界磁磁束を作り、電動機出力に応じて、界磁磁束発生源を永久磁石のみと永久磁石及び励磁コイル双方とに切り替えるとともに、回転変圧器を介して励磁電流を供給する。
【０００９】
したがって、この電気自動車駆動用交流電動機は、電動機出力に応じて、例えば低出力時は永久磁石のみの運転にすることができるため、運転効率が向上する。また、電動機の低速域での電動機電圧を高くすることができるため、電流を低減でき、電動機巻線の銅損やインバータの発生損失を小さくしてシステム効率を向上させることができる。特に、低・中速域で運転されることの多い電気自動車にとってこの効果は大きく、電流利用効率の向上、一充電走行距離の延長が可能である。
【００１０】
さらに、この電気自動車駆動用交流電動機は、永久磁石を減磁させないため、インバータ制御が簡単になるとともに、異常過電圧が発生せず、機器の保護を図ることができる。また、回転変圧器は高周波動作させることにより小形化が可能であり、電動機ないしシステム全体の小形軽量化を図ることができる。
【特許文献１】特開平５−３０４７５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、どのような装置・製品でも、通常、トルク及び回転数の異なる複数の運転モードを有する。このように異なる条件下においては、一定の永久磁石磁束を用いた従来のＰＭモータは、その全ての条件に対して最適な状態を維持するのは困難であり、システムの効率低下や騒音等の問題を生じる。
【００１２】
これに対し、インバータによる電流によって磁石磁束を可変にすることが可能な可変磁束ドライブシステムがある。このシステムは、永久磁石の磁束量を変化させることができるため、従来の磁石固定のＰＭモータドライブシステムに比べて効率の向上が期待できる。また、磁石が不要な際は磁束量を小さくすることで誘起電圧を極力抑制することも可能である。
【００１３】
本発明は可変磁束ドライブシステムを利用して上述した従来技術の問題点を解決するもので、磁石磁束を可変に制御できる可変磁束モータを適用し、自己の可変磁束モータを適用する製品・装置がトルク及び回転数の異なる複数の運転モードを有する場合でも、損失を抑えた高効率のシステムを実現しうる可変磁束モータドライブシステムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明に係る可変磁束モータドライブシステムは、低保持力の永久磁石である可変磁石を有する永久磁石電動機と、前記永久磁石電動機を駆動するインバータと、前記可変磁石の磁束を制御するための磁化電流を供給する磁化部と、複数の運転モードから１つの運転モードを選択する運転モード管理部と、前記運転モード管理部により選択された運転モードに基づき前記可変磁石の目標とする磁束値を演算して前記磁束値に対応した磁束指令を生成する磁束指令演算部とを備え、前記磁化部は、前記磁束指令演算部により生成された磁束指令に応じた磁化電流を供給して前記可変磁石の磁束を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、トルクや回転数の異なる複数の運転モードを有する装置に当該可変磁束モータドライブシステムを適用した場合においても、各運転モードに最適な磁束値を選択してシステムの高効率化や騒音抑制を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の可変磁束モータドライブシステムの実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１７】
図１は、本発明の実施例１の可変磁束モータドライブシステムの構成を示すブロック図である。図１を説明する前に、永久磁石同期電動機としての可変磁束モータについて説明する。
【００１８】
可変磁束モータ１のイメージを図２に示す。ステータ側は従来のモータと同様と考えてよい。ロータ５１側には永久磁石として、磁性体の磁束密度が固定の固定磁石ＦＭＧと、磁性体の磁束密度が可変の可変磁石ＶＭＧとがある。従来のＰＭモータは、前者の固定磁石ＦＭＧのみであるのに対して、本可変磁束モータ１の特徴は、可変磁石ＶＭＧが備わっていることにある。
【００１９】
ここで固定磁石や可変磁石について、説明を加える。永久磁石とは、外部から電流などを流さない状態において磁化した状態を維持するものであって、いかなる条件においてもその磁束密度が厳密に変化しないというわけではない。従来のＰＭモータであっても、インバータなどにより過大な電流を流すことで減磁したり、あるいは逆に着磁したりする。よって、永久磁石とは、その磁束量が一定不変なものではなく、通常の定格運転中に近い状態ではインバータ等から供給される電流によって磁束密度が概ね変化しないもののことを指す。一方、前述の磁束密度が可変である永久磁石、つまり、可変磁石とは、上記のような運転条件においてもインバータ等で流し得る電流によって磁束密度が変化するものを指す。
【００２０】
このような可変磁石は、磁性体の材質や構造に依存して、ある程度の範囲で設計が可能である。例えば、最近のＰＭモータは、残留磁束密度Ｂｒの高いネオジム（ＮｄＦｅＢ）磁石を用いることが多い。この磁石の場合、残留磁束密度Ｂｒが１．２Ｔ程度と高いため、大きなトルクを小さい装置サイズにて出力可能であり、モータの高出力小型化が求められるハイブリッド車ＨＥＶや電車には好適である。従来のＰＭモータの場合、通常の電流によって減磁しないことが要件であるが、このネオジム磁石（ＮｄＦｅＢ）は約１０００ｋＡ／ｍの非常に高い保持力Ｈｃを有しているので、ＰＭモータ用に最適な磁性体である。ＰＭモータ用には、残留磁束密度が大きく、保磁力の大きい磁石が選定されるためである。
【００２１】
ここで、残留磁束密度が高く、保持力Ｈｃの小さいアルニコＡｌＮｉＣｏ（Ｈｃ＝６０〜１２０ｋＡ／ｍ）やＦｅＣｒＣｏ磁石（Ｈｃ＝約６０ｋＡ／ｍ）といった磁性体を可変磁石とする。通常の電流量（インバータによって従来のＰＭモータを駆動する際に流す程度の電流量という意味）によって、ネオジム磁石の磁束密度（磁束量）はほぼ一定であり、アルニコＡｌＮｉＣｏ磁石などの可変磁石の磁束密度（磁束量）は可変となる。厳密に言えば、ネオジム磁石は可逆領域で利用しているため、微小な範囲で磁束密度が変動するが、インバータ電流がなくなれば当初の値に戻る。他方、可変磁石は不可逆領域まで利用するため、インバータ電流がなくなっても当初の値にならない。
【００２２】
図２は、可変磁束モータ１を、簡単なイメージとしてモデル化したものである。同図において、可変磁石ＶＭＧであるアルニコ磁石の磁束量も、Ｄ軸方向の量が変動するだけで、Ｑ軸方向はほぼ０である。
【００２３】
図３は、可変磁束モータ１の具体的な構成例を示している。回転子（ロータ）５１は、回転子鉄心５２中に、ネオジム磁石（ＮｄＦｅＢ）などの高保磁力の永久磁石５４とアルニコ磁石（ＡｌＮｉＣｏ）などの低保磁力の永久磁石５３とを組み合わせて配置した構成である。可変磁石ＶＭＧである低保磁力永久磁石５３は、回転子鉄心５２の磁極部５５の両側に、それぞれ隣接する磁極部５５との境界域に径方向に配置してある。固定磁石ＦＭＧである高保磁力磁石５４は、回転子鉄心５２の磁極部５５において径に直交する方向に配置してある。この構造により、可変磁石ＶＭＧである低保磁力永久磁石５３はＱ軸方向とその磁化方向が直交するため、Ｑ軸電流の影響を受けず、Ｄ軸電流によって磁化される。
【００２４】
図４は、固定磁石と可変磁石のＢＨ特性（磁束密度−磁化特性）を例示している。また、図５は、図４の第２象限のみを定量的に正しい関係にて示したものである。ネオジム磁石とアルニコ磁石の場合、それらの残留磁束密度Ｂｒ１，Ｂｒ２には有意差はないが、保磁力Ｈｃ１，Ｈｃ２については、ネオジム磁石（ＮｄＦｅＢ）のＨｃ２に対し、アルニコ磁石（ＡｌＮｉＣｏ）のＨｃ１は１／１５〜１／８、ＦｅＣｒＣｏ磁石のＨｃ１は１／１５になる。
【００２５】
従来のＰＭモータドライブシステムにおいて、インバータの出力電流による磁化領域は、ネオジム磁石（ＮｄＦｅＢ）の保磁力より十分に小さく、その磁化特性の可逆範囲で利用されている。しかしながら、可変磁石は、保磁力が上述のように小さいため、インバータの出力電流の範囲において、不可逆領域（電流を０にしても、電流印加前の磁束密度Ｂに戻らない）での利用が可能で、磁束密度（磁束量）を可変にすることができる。
【００２６】
可変磁束モータ１の動特性の等価簡易モデルを、（１）式に示す。同モデルは、Ｄ軸を磁石磁束方向、Ｑ軸をＤ軸に直行する方向として与えたＤＱ軸回転座標系上のモデルである。
【数１】
【００２７】
ここに、Ｒ１：巻線抵抗、Ｌｄ：Ｄ軸インダクタンス、Ｌｑ：Ｑ軸インダクタンス、Φｆｉｘ：固定磁石の磁束量、Φｖａｒ：可変磁石の磁束量、ω１：インバータ周波数である。
【００２８】
図１に示す可変磁束モータドライブシステムは、可変磁束モータ１、電流検出器２ａ，２ｂ、直流電源３、直流電力を交流電力に変換するインバータ４、座標変換部５、ＰＷＭ回路６、座標変換部７、擬似微分器８、電圧指令演算部１０、電流基準演算部１１、回転数指令演算部１２、回転数制御器１４、回転角度センサ１８、運転モード管理部２０、磁化モード管理部２２、磁束指令演算部３１、及び磁化電流指令演算部３３で構成されている。
【００２９】
ここで、この可変磁束モータドライブシステムは、主回路と制御回路とに分けることができる。直流電源３、インバータ４、可変磁束モータ１、モータ電流を検出するための電流検出器２ａ，２ｂ、及び可変磁束モータ１の回転角度を検出するための回転角度センサ１８は、主回路を構成するものとする。また、座標変換部５、ＰＷＭ回路６、座標変換部７、擬似微分器８、電圧指令演算部１０、電流基準演算部１１、回転数指令演算部１２、回転数制御器１４、運転モード管理部２０、磁化モード管理部２２、磁束指令演算部３１、及び磁化電流指令演算部３３は、制御回路を構成するものとする。
【００３０】
可変磁束モータ１は、本発明の永久磁石電動機に対応し、低保持力の永久磁石である可変磁石（例えばアルニコ磁石）を有する。
【００３１】
インバータ４は、可変磁束モータ１を駆動する。すなわち、インバータ４は、直流電源３からの直流電力を交流電力に変換し、可変磁束モータ１に供給する。可変磁束モータ１に供給される電流Ｉｕ，Ｉｗは、電流検出器２ａ，２ｂにより検出され、座標変換部７に入力され、この座標変換部７でＤ軸電流Ｉｄ、Ｑ軸電流Ｉｑに変換され、電圧指令演算部１０に入力される。また、インバータ４は、本発明の磁化部にも対応し、可変磁束モータ１の有する可変磁石の磁束を制御するための磁化電流を供給する。
【００３２】
直流電源３は、インバータ４に直流電力を供給する二次電池でもよい。本発明を電気自動車等に適用する場合には、直流電源３は、二次電池であると考えられる。
【００３３】
また、可変磁束モータ１のロータ回転角度は、回転角度センサ１８により検出され、擬似微分器８に出力される。
【００３４】
次に、制御回路について説明する。ここでの入力は、運転指令Ｒｕｎ＊である。この運転指令Ｒｕｎ＊は、可変磁束モータ１に対する運転要求であり、適切な手段により出力される。
【００３５】
運転モード管理部２０は、運転指令Ｒｕｎ＊と回転子回転周波数ωＲに基づき、複数の運転モードから１つの運転モードを選択する。ここで、擬似微分器８は、回転角度センサ１８により検出された角度を微分して得た回転子回転周波数ωＲを回転数制御器１４、電圧指令演算部１０、及び運転モード管理部２０に出力する。運転モード管理部２０は、擬似微分器８により出力された回転子回転周波数ωＲに基づき、インバータ４の出力周波数を認識することができる。さらに、運転モード管理部２０は、選択した運転モードを回転数指令演算部１２及び磁束指令演算部３１に出力するとともに、ゲート指令ＧｓｔをＰＷＭ回路６に出力する。また、運転モード管理部２０は、運転モードを変更する際等において磁化を必要とする場合には、「磁化要求」フラグを立てて磁化モード管理部２２に出力する。
【００３６】
回転数指令演算部１２は、運転モード管理部２０により選択された運転モードに基づき、可変磁束モータ１の目標とする回転数を演算し、演算結果に対応した回転数指令を回転数制御器１４に出力する。
【００３７】
回転数制御器１４は、回転数指令演算部１２により出力された回転数指令と、擬似微分器８により出力された回転子回転周波数ωＲとに基づき、可変磁束モータ１が所望のトルクになるように生成されたトルク指令Ｔｍ＊を出力する。
【００３８】
磁束指令演算部３１は、運転モード管理部２０により選択された運転モードに基づき可変磁石の目標とする磁束値を演算して、磁束値に対応した磁束指令Φ＊を生成する。磁化部であるインバータ４は、磁束指令演算部３１により生成された磁束指令に応じた磁化電流を供給して可変磁石の磁束を制御する。
【００３９】
具体的には、運転モード管理部２０は、現在の可変磁束又は総磁束（固定磁石磁束＋可変磁石磁束）に対して、必要とする磁束の変化に対応した運転モードを選択する。一般的には、以下のような磁束の変化を必要とする。ただし、１例であり、これに限らない。
【００４０】
まず、可変磁束モータ１の回転数が増加した場合には、運転モード管理部２０は、可変磁石磁束を下げるための運転モードを選択する。可変磁束モータ１は、回転数が高いほど、逆起電圧が大きくなる。したがって、磁束指令演算部３１は、運転モードに基づき、磁束を下げる旨の磁束指令Φ＊を出力し、逆起電圧を下げる。
【００４１】
次に、トルクの増加を必要とする運転モードが選択された場合には、可変磁石磁束を下げる。可変磁束モータ１は、トルクが高いほど、高いモータ端子電圧を有するので、磁束指令演算部３１は、運転モードに基づき、磁束を下げる旨の磁束指令Φ＊を出力し、端子電圧を下げる。
【００４２】
なお、磁束指令演算部３１は、運転モード管理部２０により選択された運転モードに応じて、当該可変磁束モータドライブシステムの効率改善情報、安全性改善情報、及び騒音改善情報の少なくとも１つに基づき、可変磁石の目標とする磁束値を演算して、磁束値に対応した磁束指令を生成することもできる。この場合には、磁束指令演算部３１は、予め当該可変磁束モータドライブシステムの効率改善情報、安全性改善情報、及び騒音改善情報の少なくとも１つを有しており、選択された運転モードに対する最適な磁束値を演算する際に利用する。
【００４３】
電流基準演算部１１は、回転数制御器１４により出力されたトルク指令Ｔｍ＊と磁束指令演算部３１により出力された磁束指令Φ＊とに基づき、Ｄ軸電流基準ＩｄＲとＱ軸電流基準ＩｑＲとを演算する。ここで、トルクの一般式は、次式であり、Ｉｄ，Ｉｑを解くことにより決定される。
【００４４】
トルク＝φ×Ｉｑ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）×Ｉｄ×Ｉｑ…（２）
ここで、φは、総磁束（＝固定磁石磁束＋可変磁石磁束）を示す。また、Ｌｄは、Ｄ軸インダクタンスであり、Ｌｑは、Ｑ軸インダクタンスである。したがって、（２）式は、磁束量やトルクの関数となる。実際には、Ｌｄ、Ｌｑの非線形性があるため、電流基準演算部１１は、トルクと磁束に応じたテーブルデータを有することによりＩｄ、Ｉｑを求める。その際、電流基準演算部１１は、最小な電流値（√（Ｉｄ２＋Ｉｑ２））にて、所定トルクが得られるような関係を選ぶ。
【００４５】
磁化電流指令演算部３３は、回転数制御器１４により出力されたトルク指令Ｔｍ＊と磁束指令演算部３１により出力された磁束指令Φ＊とに基づき、必要な磁化電流を計算し、磁化電流指令ＩｄＭ，ＩｑＭを生成する。一般に、磁化電流は、可変磁石のそれに至るまでの過去の磁化の履歴に依存するものである。そこで、磁化電流指令演算部３３は、例えば過去の磁化の履歴と要求する磁束とに対する磁化電流をテーブル情報として有することにより、必要な磁化電流を算出することができる。磁化電流指令演算部３３は、今回の磁束指令Φ＊と可変磁石の磁化特性とに基づき、磁化電流目標値ＩｄＭ＊を算出して磁化モード管理部２２に出力する。磁化電流を流すためには、高速かつ精度よく流すことが必要であるため、ＰＩ制御に代わりヒステリシスコンパレータなどで実現してもよい。
【００４６】
電圧指令演算部１０は、電流基準演算部１１により演算されたＤ軸電流基準ＩｄＲとＱ軸電流基準ＩｑＲとに基づき、当該基準にＤ軸電流Ｉｄ及びＱ軸電流Ｉｑが一致するように電流が流れるように、ＤＱ軸電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を演算して生成する。その際、電圧指令演算部１０は、電流偏差にＰＩ制御を施し、ＤＱ軸電圧指令を求める。
【００４７】
ここで、磁化する際には、磁化部であるインバータ４は、可変磁束モータ１に過大な磁化電流を短時間で精度良く流すことが必要である。上述した電圧指令演算部１０によるＰＩ制御は、応答性が十分でなく、可変磁束モータ１に過大な磁化電流を短時間で精度良く流すことが困難となることも考えられる。そこで、電圧指令演算部１０は、例えば、磁化電流指令演算部３３により算出された磁化電流に基づき、それぞれのＤ軸電流Ｉｄ、Ｑ軸電流Ｉｑが一致するように、例えば、ヒステリシスコンパレータ方式等の瞬時比較制御方式を利用して、ＤＱ軸電圧指令を算出することもできる。
【００４８】
なお、磁化モード管理部２２により磁化モードのフラグが立っている場合には、電圧指令演算部１０は、磁化電流指令演算部３３により生成されたＤ軸磁化電流指令ＩｄＭとＱ軸磁化電流指令ＩｑＭとに基づき、当該指令にＤ軸電流Ｉｄ及びＱ軸電流Ｉｑが一致するように電流が流れるように、ＤＱ軸電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を演算して生成する。
【００４９】
座標変換部５は、電圧指令演算部１０により出力されたＤ軸電圧指令Ｖｄ＊、Ｑ軸電圧指令Ｖｑ＊を三相の電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に座標変換し、ＰＷＭ回路６に出力する。ＰＷＭ回路６は、運転モード管理部２０により出力されたゲート指令Ｇｓｔ、及び入力された三相の電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に基づき、インバータ４のスイッチング素子をオンオフ制御する。
【００５０】
磁化モード管理部２２は、運転モードに基づき可変磁石を磁化する際に、適切なタイミングで磁化電流の制御が行えるように各種フラグを出力する。磁化モード管理部２２の詳細な動作は、後述する。
【００５１】
次に、上述のように構成された本実施の形態の作用を説明する。まずは、磁化を必要としない場合について説明する。ここでの入力は、運転指令Ｒｕｎ＊である。運転モード管理部２０は、入力された運転指令Ｒｕｎ＊に基づき、複数の運転モードから１つの運転モードを選択する。
【００５２】
回転数指令演算部１２は、運転モード管理部２０により選択された運転モードに基づき、可変磁束モータ１の目標とする回転数を演算し、演算結果に対応した回転数指令を回転数制御器１４に出力する。
【００５３】
回転数制御器１４は、回転数指令演算部１２により出力された回転数指令と、擬似微分器８により出力された回転子回転周波数ωＲとに基づき、可変磁束モータ１が所望のトルクになるように生成されたトルク指令Ｔｍ＊を出力する。
【００５４】
磁束指令演算部３１は、運転モード管理部２０により選択された運転モードに基づき、可変磁石の目標とする磁束値を演算して、磁束値に対応した磁束指令Φ＊を生成する。
【００５５】
電流基準演算部１１は、回転数制御器１４により出力されたトルク指令Ｔｍ＊と磁束指令演算部３１により出力された磁束指令Φ＊とに基づき、Ｄ軸電流基準ＩｄＲとＱ軸電流基準ＩｑＲとを演算する。
【００５６】
電圧指令演算部１０は、電流基準演算部１１により演算されたＤ軸電流基準ＩｄＲとＱ軸電流基準ＩｑＲとに基づき、当該基準にＤ軸電流Ｉｄ及びＱ軸電流Ｉｑが一致するように電流が流れるように、ＤＱ軸電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を演算して生成する。
【００５７】
ここで、磁化を必要としないため、磁化モード管理部２２による「磁化モード」フラグはＬ（ロー）である。したがって、電圧指令演算部１０は、磁化電流指令演算部３３による磁化電流指令ではなく、電流基準演算部１１により出力されたＤＱ軸電流基準に基づき、ＤＱ軸電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を演算して生成する。
【００５８】
座標変換部５は、電圧指令演算部１０により出力されたＤ軸電圧指令Ｖｄ＊、Ｑ軸電圧指令Ｖｑ＊を三相の電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に座標変換し、ＰＷＭ回路６に出力する。ＰＷＭ回路６は、運転モード管理部２０により出力されたゲート指令Ｇｓｔ、及び入力された三相の電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に基づき、インバータ４のスイッチング素子をオンオフ制御する。
【００５９】
次に、磁化を必要とする場合について説明する。図６は、磁化を行う際の可変磁束モータドライブシステムの各部の状態を示すタイムチャート図である。時刻ｔ０までは、上述した磁化を必要としない場合の動作と同じである。
【００６０】
時刻ｔ０において、運転モード管理部２０は、運転モードが変化した等の事情により磁化が必要であると判断し、「磁化要求」フラグを立てる。すなわち、運転モード管理部２０は、Ｈ（ハイ）状態の磁化要求フラグとして磁化モード管理部２２に出力する。その際、運転モード管理部２０は、Ｈ（ハイ）状態の「磁化要求」フラグを出力するのは一瞬でよく、その後は、「磁化要求」フラグをＬ（ロー）状態に戻して出力する。
【００６１】
磁化モード管理部２２は、磁化要求フラグが入力されると、「磁化モード」フラグを立てるとともに、電圧指令演算部１０にＨ（ハイ）状態の磁化モードフラグを出力する。なお、この磁化モードフラグは、磁化の完了する時刻ｔ２までＨ（ハイ）の状態を維持する。
【００６２】
回転数指令演算部１２と回転数制御器１４とは、磁化を必要としない場合と同様の動作を行うので、重複した説明を省略する。
【００６３】
また、磁化モード管理部２２は、磁化要求フラグが入力されると、「磁化電流ＵＰ」フラグを立てるとともに、磁化電流指令演算部３３にＨ（ハイ）状態の磁化電流ＵＰフラグを出力する。
【００６４】
磁束指令演算部３１は、運転モード管理部２０により選択された運転モードに基づき、可変磁石の目標とする磁束値を演算して、磁束値に対応した磁束指令Φ＊を生成する。ここで、磁化を必要とする運転モードが選択されているため、磁束指令演算部３１は、時刻ｔ０において磁束指令Φ＊の値を増加させる。
【００６５】
磁化電流指令演算部３３は、回転数制御器１４により出力されたトルク指令Ｔｍ＊と磁束指令演算部３１により出力された磁束指令Φ＊とに基づき、必要な磁化電流を計算し、磁化電流指令ＩｄＭ，ＩｑＭを生成する。また、磁化電流指令演算部３３は、今回の磁束指令Φ＊と可変磁石の磁化特性とに基づき、磁化電流目標値ＩｄＭ＊を算出して磁化モード管理部２２に出力する。
【００６６】
ここで、磁化電流指令演算部３３は、Ｈ（ハイ）状態の磁化電流ＵＰフラグが入力されているため、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの間において、磁化電流すなわちＤ軸の磁化電流指令ＩｄＭを、その時刻におけるＤ軸電流Ｉｄの値から磁化電流目標値ＩｄＭ＊に向けて漸増させる。なお、磁石磁束Φは、時刻ｔ０−ｔ１間において、Ｄ軸電流増加に基づく磁化により増加する。
【００６７】
なお、磁化中（「磁化モード」フラグが立っている間）は、磁化電流（Ｄ軸電流）を短時間で通常値以上に流すため、トルク変動が生じる。このトルク変動を低減するため、Ｄ軸電流に応じてＱ軸電流を変化させる必要がある。リラクタンストルクが生じるモータでのトルク式は、上述したように（２）式で表される。磁束量Φは、その時点におけるＤ軸電流と予め把握している磁化特性から推定される。したがって、磁化電流指令演算部３３は、推定ΦとＤ軸電流指令とモータ定数であるＤ軸インダクタンスＬｄ及びＱ軸インダクタンスＬｑから、トルク変動が無くトルク指令Ｔｍ＊に一致するような磁化電流指令ＩｑＭを演算する。
【００６８】
例えば、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの間のように、負突極機で増磁する際には、磁化電流指令演算部３３は、Ｑ軸電流を増加させるように磁化電流指令ＩｑＭを演算して生成する。
【００６９】
磁化モード管理部２２により磁化モードのフラグが立っているので、電圧指令演算部１０は、磁化電流指令演算部３３により生成されたＤ軸磁化電流指令ＩｄＭとＱ軸磁化電流指令ＩｑＭとに基づき、当該指令にＤ軸電流Ｉｄ及びＱ軸電流Ｉｑが一致するように電流が流れるように、ＤＱ軸電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を演算して生成する。
【００７０】
なお、電流基準演算部１１は、時刻ｔ０において、回転数制御器１４により出力されたトルク指令Ｔｍ＊と磁束指令演算部３１により出力された磁束指令Φ＊とに基づき、Ｄ軸電流基準ＩｄＲとＱ軸電流基準ＩｑＲとを演算する。Ｄ軸電流ＩｄとＱ軸電流Ｉｑとは、磁化が完了した際に（時刻ｔ２）、それぞれＤ軸電流基準ＩｄＲとＱ軸電流基準ＩｑＲとに一致するように制御される。
【００７１】
次に、磁化モード管理部２２は、座標変換部７により出力されたＤ軸電流Ｉｄと磁化電流指令演算部３３により出力された磁化電流目標値ＩｄＭ＊とを監視し、Ｄ軸電流Ｉｄが磁化電流目標値ＩｄＭ＊に達すると（時刻ｔ１）、「磁化電流ＵＰ」フラグをＬ（ロー）に落とすとともに、「磁化電流印加完了」フラグをＨ（ハイ）状態にする。
【００７２】
ここで、磁化電流指令演算部３３は、Ｈ（ハイ）状態の磁化電流印加完了フラグが入力されているため、磁化電流すなわちＤ軸の磁化電流指令ＩｄＭを、その時刻（ｔ１）におけるＤ軸電流Ｉｄの値から通常運転時の目標であるＤ軸電流基準ＩｄＲに向けて漸減させる。また、この間にも、過渡トルクが生じないように、Ｑ軸電流を適正に流す。
【００７３】
次に、磁化モード管理部２２は、座標変換部７により出力されたＤ軸電流Ｉｄと電流基準演算部１１により出力されたＤ軸電流基準ＩｄＲとを監視し、Ｄ軸電流ＩｄがＤ軸電流基準ＩｄＲに達すると（時刻ｔ２）、「磁化モード」フラグをＬ（ロー）に落とすとともに、「磁化完了」フラグをＨ（ハイ）状態にする。
【００７４】
本実施例の可変磁束モータドライブシステムは、以上の動作をもって磁化が完了し、時刻ｔ２以降は通常制御になる。通常制御においては、上述した磁化を必要としない場合と同様であり、電圧指令演算部１０は、電流基準演算部１１により演算されたＤ軸電流基準ＩｄＲとＱ軸電流基準ＩｑＲとに基づき、当該基準にＤ軸電流Ｉｄ及びＱ軸電流Ｉｑが一致するように電流が流れるように、ＤＱ軸電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を演算して生成する。
【００７５】
なお、本実施例における可変磁束モータドライブシステムは、時刻ｔ１以降において磁石磁束Φが増加したため、時刻ｔ０以前に比して時刻ｔ２以降はＤ軸電流を増加させＱ軸電流を減少させてトルクを一定に維持する。
【００７６】
その他の作用は、上述した磁化を必要としない場合と同様であり、重複した説明を省略する。
【００７７】
上述のとおり、本発明の実施例１の形態に係る可変磁束モータドライブシステムによれば、トルクや回転数の異なる複数の運転モードを有する装置に当該可変磁束モータドライブシステムを適用した場合においても、運転モード管理部２０が状況に応じて運転モードを選択するとともに、磁束指令演算部３１が選択された運転モードに基づいて可変磁石の目標とする磁束値を演算するので、各運転モードに最適な磁束値が選択され、システムの高効率化や騒音抑制を図ることができる。
【００７８】
特に、磁束指令演算部３１は、当該可変磁束モータドライブシステムの効率改善情報、安全性改善情報、及び騒音改善情報のいずれかを有しており、運転モード管理部２０により選択された運転モードに応じて、上記情報に基づき、可変磁石の目標とする磁束値を演算する。すなわち、本実施例における可変磁束モータドライブシステムは、運転モードに応じて最適な磁束値を決定することができる。ここで、「最適」とは、様々な指標があるが、例えばシステムの効率であり、あるいは、一方のモードでは効率を優先して、他方のモードでは騒音抑制を優先するような場合がある。したがって、本システムは、適用する機器に適した「最適性」を向上することができる。
【実施例２】
【００７９】
図７は、本発明の実施例２の可変磁束モータドライブシステムの構成を示すブロック図である。実施例１の構成と異なる点は、荷重算出部１５が設けられている点である。また、本実施例における可変磁束モータドライブシステムは、エレベータに適用されている。
【００８０】
荷重算出部１５は、エレベータのかご内の積載荷重（乗車荷重）を算出し、磁束指令演算部３１ａに出力する。
【００８１】
運転モード管理部２０ａは、エレベータを加速させる場合の運転モード（加速モード）と、エレベータを減速させる場合の運転モード（減速モード）と、エレベータを定速運転させる場合の運転モード（定速モード）と、エレベータを停止させる場合の運転モード（停止モード）とを有する。
【００８２】
すなわち、本実施例において、運転モード管理部２０ａが有する複数の運転モードの少なくとも１つは、可変磁束モータ１のトルク及び回転数の少なくとも一方に基づく運転モードであるといえる。また、停止モードを有するため、運転モード管理部２０ａが有する複数の運転モードの少なくとも１つは、インバータ４の動作状態又は停止状態に基づく運転モードであるといえる。
【００８３】
磁束指令演算部３１ａは、運転モードのみならず、さらにエレベータのかご内の積載荷重に応じて可変磁石の目標とする磁束値を演算して、磁束値に対応した磁束指令を生成する。
【００８４】
回転数指令演算部１２ａは、運転モード管理部２０ａにより選択された運転モードに基づき、可変磁束モータ１の目標とする回転数を演算し、演算結果に対応した回転数指令を回転数制御器１４、運転モード管理部２０ａ、及び磁束指令演算部３１ａに出力する。
その他の構成は、実施例１と同様であり、重複した説明を省略する。
【００８５】
次に、上述のように構成された本実施の形態の作用を説明する。図８は、本実施例の可変磁束モータドライブシステムを適用したエレベータにおける制御の状態を示すタイムチャート図である。
【００８６】
最初に、停止しているエレベータを他の階に移すため、運転指令Ｒｕｎ＊が運転モード管理部２０ａに入力される。運転モード管理部２０ａは、入力された運転指令Ｒｕｎ＊に基づき、複数の運転モードから「加速モード」を選択する。また、運転モード管理部２０ａは、Ｈ（ハイ）状態のゲート指令ＧｓｔをＰＷＭ回路６に出力し、インバータ４の動作を開始させる。
【００８７】
回転数指令演算部１２ａは、運転モード管理部２０ａにより選択された加速モードに基づき、可変磁束モータ１の目標とする回転数を演算し、演算結果に対応した回転数指令を回転数制御器１４、運転モード管理部２０ａ、及び磁束指令演算部３１ａに出力する。
【００８８】
回転数制御器１４は、回転数指令演算部１２ａにより出力された回転数指令と、擬似微分器８により出力された回転子回転周波数ωＲとに基づき、可変磁束モータ１が所望のトルクになるように生成されたトルク指令Ｔｍ＊を出力する。図８に示すように、加速域において、可変磁束モータ１は、所定のトルクで目標とする回転数に向けて徐々に回転数を上げるように制御される。
【００８９】
磁束指令演算部３１ａは、運転モード管理部２０ａにより選択された運転モードと回転数指令演算部１２ａにより出力された回転数指令と荷重算出部１５により算出された乗車荷重とに基づき、可変磁石の目標とする磁束値を演算して、磁束値に対応した磁束指令Φ＊を生成する。
【００９０】
具体的には、磁束指令演算部３１ａは、入力される乗車荷重を必要トルクの決定に用いる。必要トルクが大きい場合には、磁束指令演算部３１ａは、必要トルクに応じた大きな磁束値を磁束指令として出力する必要があるからである。なお、必要トルクの決定に際し、磁束指令演算部３１ａは、乗車荷重に基づき、運動系の質量及び運動系に作用する外力を算出する。一般的にエレベータは、カウンターウェイトによって所定の乗車荷重で力が不要となるように設計されており、乗車荷重が増減すると、外力が必要となる。したがって、磁束指令演算部３１ａは、乗車荷重に基づき、運動系の質量及び運動系に作用する外力を算出して必要トルクを決定するとともに、運転モードと必要トルク（さらに必要に応じて回転数指令）に基づき、最適な磁束指令を出力する。
【００９１】
ここで、「最適」とは、様々な場合が考えられるが、例えば運転による損失を最小化してモータ・インバータを含めた最高効率となるような磁束量である場合や、音が静かな磁束量である場合等である。
【００９２】
磁束指令演算部３１ａは、運転モードと乗車荷重に基づいて磁束指令を決定する方法として、関数を用いてもよいし、テーブルを参照してもよい。なお、磁束指令演算部３１ａは、目標階によっては、後述する「定速モード」の回転数が異なる場合もあるため、運転モード、乗車荷重、及び回転数を入力として磁束指令を求めてもよい。また、上述したように、乗車荷重とはトルクを決定する一要素であるため、磁束指令演算部３１ａは、運転モード、必要トルク、及び回転数を入力として磁束指令を求めてもよい。
【００９３】
なお、磁束指令演算部３１ａは、基本的に運転モードが変更されない限り、可変磁石の磁束値を一定に保つように制御する。したがって、磁束指令演算部３１ａは、運転モードのモードチェンジ時にのみ磁化（可変磁石の磁束値の変更）を行い、運転モードの変更が完了した後は、その直前のモードチェンジ時に設定された磁束値を保つように磁束指令Φ＊を出力する。以降の実施例においても同様である。
【００９４】
加速モードにおけるその他の作用は、実施例１の磁化を必要としない場合と同様であり、重複した説明を省略する。
【００９５】
運転モード管理部２０ａは、回転数指令演算部１２ａにより出力された回転数指令と擬似微分器８により出力された回転子回転周波数ωＲとを監視しており、所定の回転数に達した際（時刻ｔ０）に、定速モードを選択して出力する。
【００９６】
時刻ｔ０において、運転モード管理部２０ａは、磁化が必要であると判断し、「磁化要求」フラグを立てる。すなわち、運転モード管理部２０ａは、Ｈ（ハイ）状態の磁化要求フラグとして磁化モード管理部２２に出力する。
【００９７】
時刻ｔ０の磁化時におけるその他の作用は、実施例１の磁化を必要とする場合と同様であり、重複した説明を省略する。ただし、時刻ｔ０においては、運転モードが「加速モード」から「定速モード」に変更されるため、大きなトルク値を必要とせず低トルク値でよい。特に、エレベータのかごとカウンターウェイトが釣り合う状態である場合には、定速モードにおけるトルク値は略０となる。また低トルクでよいため、当該可変磁束モータドライブシステムは、磁石磁束量に自由度があり、磁束値を低減して鉄損を減らすことができる。
【００９８】
したがって、本実施例の時刻ｔ０における磁化時には、磁化電流は減少方向に制御されるので、磁化モード管理部２２は、磁化要求フラグが入力されると、「磁化電流ＵＰ」フラグではなく、「磁化電流ＤＯＷＮ」フラグを立てる。磁化電流指令演算部３３は、Ｈ（ハイ）状態の磁化電流ＤＯＷＮフラグが入力されているため、磁化電流すなわちＤ軸の磁化電流指令ＩｄＭを、その時刻（ｔ０）におけるＤ軸電流Ｉｄの値から磁化電流目標値ＩｄＭ＊に向けて漸減させる。
【００９９】
本実施例において、可変磁束モータドライブシステムは、時刻ｔ０において瞬間的に磁化が終了し磁石磁束を減少させているが、実際には実施例１の磁化が必要な場合と同様の動作を経ている。
【０１００】
時刻ｔ０−ｔ１に間において、運転モード管理部２０ａは、定速モードを選択して出力する。したがって、回転数指令演算部１２ａは、加速モードにおいて目標とした可変磁束モータ１の回転数を維持するために、対応する回転数指令を回転数制御器１４、運転モード管理部２０ａ、及び磁束指令演算部３１ａに出力する。
【０１０１】
回転数制御器１４は、回転数指令演算部１２ａにより出力された回転数指令と、擬似微分器８により出力された回転子回転周波数ωＲとに基づき、可変磁束モータ１が所定の低トルク値（あるいは略０）を維持するように生成されたトルク指令Ｔｍ＊を出力する。図８に示すように、定速域において、可変磁束モータ１は、所定の低トルク及び所定の回転数を維持するように制御される。
【０１０２】
磁束指令演算部３１ａは、運転モード管理部２０ａにより選択された運転モード（定速モード）と回転数指令演算部１２ａにより出力された回転数指令と荷重算出部１５により算出された乗車荷重とに基づき、可変磁石の目標とする磁束値を演算して、磁束値に対応した磁束指令Φ＊を生成する。
【０１０３】
具体的には、磁束指令演算部３１ａは、時刻ｔ０の磁化時において低減させた磁束値を保つように磁束指令Φ＊を生成する。
【０１０４】
運転モード管理部２０ａは、エレベータのかごが予め決められた所定距離を移動するか、あるいは定速モードにおいて所定時間が経過した際（時刻ｔ１）に、減速モードを選択して出力する。
【０１０５】
時刻ｔ１において、運転モード管理部２０ａは、磁化が必要であると判断し、「磁化要求」フラグを立てる。すなわち、運転モード管理部２０ａは、Ｈ（ハイ）状態の磁化要求フラグとして磁化モード管理部２２に出力する。
【０１０６】
時刻ｔ１の磁化時におけるその他の作用は、時刻ｔ０の磁化時と同様であり、重複した説明を省略する。ただし、時刻ｔ１においては、運転モードが「定速モード」から「減速モード」に変更されるため、減速させるために所定のトルク値を必要とする。なお、減速させるために必要なトルクは、加速時におけるトルクと力の方向が逆であるが、図８におけるトルクは、絶対値を示しているため加速時と減速時でいずれも正の値を示す。
【０１０７】
また、加速モードにおける加速度と減速モードにおける減速度が等しい場合には、両モードにおけるトルクの絶対値は等しいものとなる。ただし、本実施例においては、図８に示すように、トルクの絶対値は加速域の方が減速域よりも大きい。例えば、エレベータのかごの乗車荷重がカウンターウェイトよりも重い場合にエレベータを上昇させると、可変磁束モータ１のトルク値は、図８に示すような値となる。
【０１０８】
減速させるために所定のトルク値を必要とするため、当該可変磁束モータドライブシステムは、時刻ｔ１の磁化時において、磁束値を増加させる。
【０１０９】
時刻ｔ１以後において、運転モード管理部２０ａは、減速モードを選択して出力する。したがって、回転数指令演算部１２ａは、可変磁束モータ１の目標とする回転数を０とし、回転数指令を回転数制御器１４、運転モード管理部２０ａ、及び磁束指令演算部３１ａに出力する。
【０１１０】
回転数制御器１４は、回転数指令演算部１２ａにより出力された回転数０を目標とする回転数指令と、擬似微分器８により出力された回転子回転周波数ωＲとに基づき、可変磁束モータ１が減速に必要なトルク値を維持するように生成されたトルク指令Ｔｍ＊を出力する。図８に示すように、減速域において、可変磁束モータ１は、所定のトルクを維持して回転数を徐々に減少させるように制御される。
【０１１１】
磁束指令演算部３１ａは、運転モード管理部２０ａにより選択された運転モード（減速モード）と回転数指令演算部１２ａにより出力された回転数指令と荷重算出部１５により算出された乗車荷重とに基づき、可変磁石の目標とする磁束値を演算して、磁束値に対応した磁束指令Φ＊を生成する。
【０１１２】
その後、運転モード管理部２０ａは、擬似微分器８により出力された回転子回転周波数ωＲに基づき回転数が０になると、停止モードを選択して出力する。可変磁束モータドライブシステムの各部は、停止に必要な処理を行った後、停止する。
【０１１３】
その他の作用は、実施例１と同様であり、重複した説明を省略する。
【０１１４】
上述のとおり、本発明の実施例２の形態に係る可変磁束モータドライブシステムによれば、実施例１の効果に加え、エレベータの有する「加速モード」、「減速モード」、「定速モード」、「停止モード」の４つのモードに対して、可変磁石の磁束値を適切な値に制御することができる。運転モード管理部２０ａが可変磁束モータ１のトルクや回転数、あるいはインバータ４の動作状態や停止状態に基づく運転モードを有するので、磁束指令演算部３１ａは、各運転モードに最適な磁束値を決定してシステムの効率化を図ることができる。
【０１１５】
具体的には、定速モードや停止モードの際のようにトルクを必要としない場合においては、磁束指令演算部３１ａは、可変磁石の磁束値を抑えて鉄損を減少させることができる。また、加速モードや減速モードにおいても、磁束指令演算部３１ａは、エレベータのかご内の乗車荷重に基づく必要トルクを考慮に入れ、磁束値に自由度がある場合には適切な磁束値に設定するので、損失を抑えてシステムの効率化を図ることができる。
【実施例３】
【０１１６】
図９は、本発明の実施例３の可変磁束モータドライブシステムの構成を示すブロック図である。実施例２の構成と異なる点は、荷重算出部１５の代わりに洗濯量算出部１６が設けられている点である。また、本実施例における可変磁束モータドライブシステムは、洗濯機に適用されている。
【０１１７】
洗濯量算出部１６は、洗濯機内の洗濯量（重量）を算出し、磁束指令演算部３１ｂに出力する。
【０１１８】
運転モード管理部２０ｂは、洗濯機により洗濯物を洗う場合の運転モード（洗いモード）と、洗濯機によりすすぎを行う場合の運転モード（すすぎモード）と、洗濯機により脱水を行う場合の運転モード（脱水モード）と、洗濯機により乾燥を行う場合の運転モード（乾燥モード）とを有する。
【０１１９】
磁束指令演算部３１ｂは、運転モードのみならず、さらに洗濯機内に収容されている洗濯物の量（重量）に応じて可変磁石の目標とする磁束値を演算して、磁束値に対応した磁束指令を生成する。
【０１２０】
回転数指令演算部１２ｂは、運転モード管理部２０ｂにより選択された運転モードに基づき、可変磁束モータ１の目標とする回転数を演算し、演算結果に対応した回転数指令を回転数制御器１４、運転モード管理部２０ｂ、及び磁束指令演算部３１ｂに出力する。
【０１２１】
その他の構成は、実施例２と同様であり、重複した説明を省略する。
【０１２２】
次に、上述のように構成された本実施の形態の作用を説明する。図１０は、本実施例の可変磁束モータドライブシステムを適用した洗濯機における制御の状態を示すタイムチャート図である。
【０１２３】
最初に、洗濯機内に収容されている洗濯物を洗うため、運転指令Ｒｕｎ＊が運転モード管理部２０ｂに入力される。運転モード管理部２０ｂは、入力された運転指令Ｒｕｎ＊に基づき、複数の運転モードから「洗いモード」を選択する。また、運転モード管理部２０ｂは、Ｈ（ハイ）状態のゲート指令ＧｓｔをＰＷＭ回路６に出力し、インバータ４の動作を開始させる。
【０１２４】
回転数指令演算部１２ｂは、運転モード管理部２０ｂにより選択された洗いモードに基づき、可変磁束モータ１の目標とする回転数を演算し、演算結果に対応した回転数指令を回転数制御器１４、運転モード管理部２０ｂ、及び磁束指令演算部３１ｂに出力する。
【０１２５】
回転数制御器１４は、回転数指令演算部１２ｂにより出力された回転数指令と、擬似微分器８により出力された回転子回転周波数ωＲとに基づき、可変磁束モータ１が所望のトルクになるように生成されたトルク指令Ｔｍ＊を出力する。
【０１２６】
磁束指令演算部３１ｂは、運転モード管理部２０ｂにより選択された運転モードと回転数指令演算部１２ｂにより出力された回転数指令と洗濯量算出部１６により算出された洗濯量とに基づき、可変磁石の目標とする磁束値を演算して、磁束値に対応した磁束指令Φ＊を生成する。
【０１２７】
具体的には、磁束指令演算部３１ｂは、入力される洗濯量を必要トルクの決定に用い、運転モード及び洗濯量（必要であればさらに回転数）に基づき最適な磁束値を決定する。
【０１２８】
ここで、「最適」とは、様々な場合が考えられるが、例えば運転による損失を最小化してモータ・インバータを含めた最高効率となるような磁束量である場合や、音が静かな磁束量である場合等である。
【０１２９】
また、実施例２と同様に、洗濯量とはトルクを決定する一要素であるため、磁束指令演算部３１ｂは、運転モード、必要トルク、及び回転数を入力として磁束指令を求めてもよい。磁束指令を求める際に、磁束指令演算部３１ｂは、運転モードと洗濯量（又は必要トルク）と回転数とに基づいて磁束指令を決定する方法として、関数を用いてもよいし、テーブルを参照してもよい。
【０１３０】
洗いモードにおけるその他の作用は、実施例２の場合（例えば定速モード）と同様であり、重複した説明を省略する。
【０１３１】
運転モード管理部２０ｂは、予め決められた所定時間を経過した際（時刻ｔ０）に、すすぎモードを選択して出力する。なお、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの間において、洗いモードからすすぎモードへのモードチェンジが行われる。運転モード管理部２０ｂは、モードチェンジを行うための「チェンジモード」を運転モードの１つとして有していてもよい。
【０１３２】
時刻ｔ０−ｔ１間において、運転モード管理部２０ｂは、磁化が必要であると判断し、「磁化要求」フラグを立てる。すなわち、運転モード管理部２０ｂは、Ｈ（ハイ）状態の磁化要求フラグとして磁化モード管理部２２に出力する。
【０１３３】
また、回転数指令演算部１２ｂは、磁化部であるインバータ４により可変磁石の磁束が変更される際に可変磁束モータ１の目標とする回転数を現在の回転数未満の値に設定するか又は停止させる。また、回転数制御器１４は、磁化部であるインバータ４により可変磁石の磁束が変更される際に可変磁束モータ１の目標とするトルクを現在のトルク未満の値か又は零近傍に設定するためのトルク指令Ｔｍ＊を生成し出力する。すなわち、モードチェンジ中は、回転数やトルクが減少方向に制御され、その間に当該可変磁束モータドライブシステムは、磁化（可変磁石の磁束値の増加あるいは減少）を行う。
【０１３４】
モードチェンジ中の磁化時におけるその他の作用は、実施例１，２の磁化時と同様であり、重複した説明を省略する。
【０１３５】
その後、運転モード管理部２０ｂは、予め計画された時間等を考慮して、順次運転モードを「すすぎモード」、「脱水モード」、「乾燥モード」に移行する。また、運転モードを変更する際のモードチェンジ中には、当該可変磁束モータドライブシステムは、上述した洗いモードからすすぎモードへのモードチェンジ時と同様に、回転数やトルクを落とし、その間に磁化を行う。
【０１３６】
図１０に示すように、各運転モードは、それぞれ自己のモードにおける洗濯物に対する作用に応じて、異なる回転数やトルクを有する。したがって、磁束指令演算部３１ｂは、モードチェンジ中の磁化時において、運転モード管理部２０ｂにより選択された運転モードと回転数指令演算部１２ｂにより出力された回転数指令と洗濯量算出部１６により算出された洗濯量とに基づき、次の運転モードに最適な磁束値を演算して、磁束値に対応した磁束指令Φ＊を生成する。
【０１３７】
その他の作用は、実施例２と同様であり、重複した説明を省略する。
【０１３８】
上述のとおり、本発明の実施例３の形態に係る可変磁束モータドライブシステムによれば、実施例１及び実施例２の効果に加え、洗濯機の有する「洗いモード」、「すすぎモード」、「脱水モード」、「乾燥モード」の４つのモードに対して、可変磁石の磁束値を適切な値に制御することができる。
【０１３９】
また、磁化時には、過大な磁化電流を流すため、磁化部であるインバータ４は、定常電圧よりも大きな電圧を必要とする。したがって、回転数が高い場合には、出力電圧に余裕が無いため、インバータ４は、磁化を行うための磁化電流を流すことが困難である。そこで、本実施例の可変磁束モータドライブシステムは、モードチェンジの際に回転数を下げて電圧余裕がある状態にした後に磁化を行うので、インバータ４の耐圧を上げることやインバータ４に入力する電圧を上げる必要もなく、低コストで実現できる。
【０１４０】
さらに、トルクが０（あるいは零近傍）のときに磁化を行うので、トルクショックを小さくすることができる。本実施例においては、当該可変磁束モータドライブシステムは、モードチェンジの間にトルク０となる回転数０の状態にするので、磁化する際のトルクショックを抑制することができる。
【０１４１】
また、トルクショックを抑えることにより、装置や部品にかかるストレスを軽減して寿命や信頼性が向上するとともに、騒音を抑えることもできる。
【実施例４】
【０１４２】
図１１は、本発明の実施例４の可変磁束モータドライブシステムの構成を示すブロック図である。実施例３の構成と異なる点は、洗濯量算出部１６の代わりに温度測定部１７が設けられている点である。また、本実施例における可変磁束モータドライブシステムは、空調機に適用されている。
【０１４３】
温度測定部１７は、外気温度を測定し、磁束指令演算部３１ｃに出力する。
【０１４４】
運転モード管理部２０ｃは、空調機が急速冷暖房を行う場合の加速運転の運転モード（加速モード）と、空調機が目標温度に達した後に行う定常運転の運転モード（定常モード）と、運転モードの変更を行う場合の運転モード（モードチェンジモード）とを有する。また、運転モード管理部２０ｃは、空調機の停止時にインバータ４や可変磁束モータ１を停止するための停止モードを有してもよい。
【０１４５】
磁束指令演算部３１ｃは、運転モードのみならず、さらに温度測定部１７により測定された外気温度に応じて可変磁石の目標とする磁束値を演算して、磁束値に対応した磁束指令を生成する。
【０１４６】
回転数指令演算部１２ｃは、運転モード管理部２０ｃにより選択された運転モードに基づき、可変磁束モータ１の目標とする回転数を演算し、演算結果に対応した回転数指令を回転数制御器１４、運転モード管理部２０ｃ、及び磁束指令演算部３１ｃに出力する。
その他の構成は、実施例３と同様であり、重複した説明を省略する。
【０１４７】
次に、上述のように構成された本実施の形態の作用を説明する。図１２は、本実施例の可変磁束モータドライブシステムを適用した空調機における制御の状態を示すタイムチャート図である。
【０１４８】
最初に、空調機により設定された温度に調節するため、運転指令Ｒｕｎ＊が運転モード管理部２０ｃに入力される。運転モード管理部２０ｃは、入力された運転指令Ｒｕｎ＊に基づき、複数の運転モードから「加速モード」を選択する。また、運転モード管理部２０ｃは、Ｈ（ハイ）状態のゲート指令ＧｓｔをＰＷＭ回路６に出力し、インバータ４の動作を開始させる。
【０１４９】
回転数指令演算部１２ｃは、運転モード管理部２０ｃにより選択された加速モードに基づき、可変磁束モータ１の目標とする回転数を演算し、演算結果に対応した回転数指令を回転数制御器１４、運転モード管理部２０ｃ、及び磁束指令演算部３１ｃに出力する。
【０１５０】
回転数制御器１４は、回転数指令演算部１２ｃにより出力された回転数指令と、擬似微分器８により出力された回転子回転周波数ωＲとに基づき、可変磁束モータ１が所望のトルクになるように生成されたトルク指令Ｔｍ＊を出力する。
【０１５１】
磁束指令演算部３１ｃは、運転モード管理部２０ｃにより選択された運転モードと回転数指令演算部１２ｃにより出力された回転数指令と温度測定部１７により算出された外気温度とに基づき、可変磁石の目標とする磁束値を演算して、磁束値に対応した磁束指令Φ＊を生成する。
【０１５２】
具体的には、磁束指令演算部３１ｃは、入力される外気温度と加速モードが有する設定温度情報とを必要トルクの決定に用い、運転モード及び外気温度（必要であればさらに回転数）に基づき最適な磁束値を決定する。例えば、運転モード管理部２０ｃにより出力された運転モード（加速モード）が有する設定温度と外気温度の差が大きい場合には、高トルクや高回転数が必要となり、磁束指令演算部３１ｃは、状況に応じて効率が最大化するように磁束値を設定する必要がある。
【０１５３】
また、実施例３と同様に、外気温度とはトルクを決定する一要素であるため、磁束指令演算部３１ｃは、運転モード、必要トルク、及び回転数を入力として磁束指令を求めてもよい。
【０１５４】
加速モードにおけるその他の作用は、実施例３の場合（例えば洗いモード）と同様であり、重複した説明を省略する。
【０１５５】
運転モード管理部２０ｃは、運転指令Ｒｕｎ＊により設定された目標温度と実温度（例えば温度測定部１７による外気温度）を比較し、実温度が目標温度に達した場合（時刻ｔ０）には、複数の運転モードから「モードチェンジモード」を選択して出力し、その後「定常モード」を選択して出力する（時刻ｔ２）。
【０１５６】
回転数指令演算部１２ｃは、磁化部であるインバータ４により可変磁石の磁束が変更される際に可変磁束モータ１の目標とする回転数を現在の回転数未満の値に設定するか又は停止させる。また、回転数制御器１４は、磁化部であるインバータ４により可変磁石の磁束が変更される際に可変磁束モータ１の目標とするトルクを現在のトルク未満の値か又は零近傍に設定するためのトルク指令Ｔｍ＊を生成し出力する。すなわち、モードチェンジモード（時刻ｔ０から時刻ｔ２まで）の間は、回転数やトルクが減少方向に制御され、その間に当該可変磁束モータドライブシステムは、磁化（可変磁石の磁束値の増加あるいは減少）を行う（時刻ｔ１）。
【０１５７】
ここで、図１３は、本実施例の可変磁束モータドライブシステムを適用した空調機における制御の状態を示すタイムチャート図の別例である。図１２の場合と異なるのは、モードチェンジモード（時刻ｔ０から時刻ｔ２まで）の間において、可変磁束モータ１の回転数およびトルクが０である点である。空調機においては、図１３に示すようにモードチェンジ時に回転を一瞬止める方式は、局所的な冷暖房性能劣化を招くが、むしろ大局的に効く“効率”が向上するので、有効な方式である。磁化に要する時間は、せいぜい１秒以内であり、実用上の問題は生じない。
【０１５８】
なお、時刻ｔ０−ｔ２間において、運転モード管理部２０ｃは、磁化が必要であると判断し、「磁化要求」フラグを立てる。すなわち、運転モード管理部２０ｃは、Ｈ（ハイ）状態の磁化要求フラグとして磁化モード管理部２２に出力する。
【０１５９】
モードチェンジ中の磁化時（時刻ｔ１）におけるその他の作用は、実施例１乃至３の磁化時と同様であり、重複した説明を省略する。
【０１６０】
定常モードが選択されている間は、空調機は、設定温度に気温を保つための運転を行う。したがって、通常は軽負荷であり、回転数指令演算部１２ｃは、可変磁束モータ１の回転数を所定の値（加速モードよりも低い値）に保つ。
【０１６１】
その後、運転モード管理部２０ｃは、外気温度の変化や外部入力による設定温度の変更等に基づき、運転モードを「加速モード」と「定常モード」との間で変更する。また、運転モードを変更する際には「モードチェンジモード」が選択され、当該可変磁束モータドライブシステムは、回転数やトルクを落とし、その間に磁化を行う。
【０１６２】
磁束指令演算部３１ｃは、モードチェンジ中の磁化時において、運転モード管理部２０ｃにより次に選択される運転モード（現在のモードチェンジモードの次に選択される予定の運転モード）と回転数指令演算部１２ｃにより出力された回転数指令と温度測定部１７により算出された外気温度とに基づき、次の運転モードに最適な磁束値を演算して、磁束値に対応した磁束指令Φ＊を生成する。
【０１６３】
その他の作用は、実施例３と同様であり、重複した説明を省略する。
【０１６４】
上述のとおり、本発明の実施例４の形態に係る可変磁束モータドライブシステムによれば、実施例１乃至実施例３の効果に加え、空調機の有する「加速モード」及び「定常モード」の運転モードに対して、可変磁石の磁束値を適切な値に「モードチェンジモード」時に制御することができる。
【０１６５】
また、磁化時には、過大な磁化電流を流すため、磁化部であるインバータ４は、定常電圧よりも大きな電圧を必要とする。したがって、回転数が高い場合には、出力電圧に余裕が無いため、インバータ４は、磁化を行うための磁化電流を流すことが困難である。そこで、本実施例の可変磁束モータドライブシステムは、モードチェンジの際に回転数を下げて、磁石磁束による誘起電圧を下げて、電圧余裕がある状態にした後に磁化を行うので、インバータ４の耐圧を上げることやインバータ４に入力する電圧を上げる必要もなく、低コストで実現できる。
【０１６６】
さらに、トルクが０（あるいは零近傍）のときに磁化を行うので、トルクショックを小さくすることができる。磁化によるトルクショックは、トルク電流が零である方が低減できる。（２）式より、Ｉｑが零でない場合には、リラクタンストルクは、Ｉｄを増減したときに大きく変動する。これがトルクショックとなるからである。
【０１６７】
本実施例においては、当該可変磁束モータドライブシステムは、モードチェンジの間にトルク０となる回転数０の状態にするので、磁化する際のトルクショックを抑制することができる。
【０１６８】
また、トルクショックを抑えることにより、装置や部品にかかるストレスを軽減して寿命や信頼性が向上するとともに、騒音を抑えることもできる。
【実施例５】
【０１６９】
図１４は、本発明の実施例５の可変磁束モータドライブシステムの構成を示すブロック図である。実施例４の構成と異なる点は、温度測定部１７の代わりに応荷重算出部１９が設けられている点と、さらにトルク指令演算部２３及び切替器２５が設けられている点である。また、本実施例における可変磁束モータドライブシステムは、電車に適用されている。
【０１７０】
応荷重算出部１９は、電車の車両に対する応荷重（乗車人員の荷重）を算出し、磁束指令演算部３１ｄ及びトルク指令演算部２３に出力する。
【０１７１】
トルク指令演算部２３は、運転モード管理部２０ｄにより選択された運転モードに基づき可変磁束モータ１の目標とするトルクを演算する。また、トルク指令演算部２３は、磁化部であるインバータ４により可変磁石の磁束が変更される際に可変磁束モータ１の目標とするトルクを現在のトルク未満の値か又は零近傍に設定するものでもよい。
【０１７２】
また、切替器２５は、運転モード管理部２０ｄにより選択され出力された運転モードに応じて、トルク指令演算部２３又は回転数制御器１４のいずれかにより出力されたトルク指令Ｔｍ＊を選択して、電流基準演算部１１及び磁化電流指令演算部３３に出力する。
【０１７３】
運転モード管理部２０ｄは、鉄道車両（電車）を加速させる場合の運転モード（加速モード）と、鉄道車両を減速させる場合の運転モード（減速モード）と、鉄道車両を定速運転させる場合の運転モード（定速モード）と、鉄道車両を惰性走行させる場合の運転モード（惰行モード）と、鉄道車両を停止させる場合の運転モード（停止モード）とを有する。
【０１７４】
磁束指令演算部３１ｄは、運転モードのみならず、応荷重算出部１９により算出された応荷重（鉄道車両内の積載荷重）に応じて可変磁石の目標とする磁束値を演算して、磁束値に対応した磁束指令を生成する。
【０１７５】
擬似微分器８は、回転角度センサ１８により検出された角度を微分して得た回転子回転周波数ωＲを回転数制御器１４、トルク指令演算部２３、磁束指令演算部３１ｄ、電圧指令演算部１０、及び運転モード管理部２０ｄに出力する。
【０１７６】
その他の構成は、実施例４と同様であり、重複した説明を省略する。
【０１７７】
次に、上述のように構成された本実施の形態の作用を説明する。図１５は、本実施例の可変磁束モータドライブシステムを適用した電車における制御の状態を示すタイムチャート図である。
【０１７８】
最初に、時刻ｔ０において鉄道車両を加速させるため、運転士の操作に基づくノッチ（運転指令）が運転モード管理部２０ｄに入力される。時刻ｔ０において実施例１と同様の磁化が瞬間的に行われた後、運転モード管理部２０ｄは、入力されたノッチに基づき、複数の運転モードから「加速モード」を選択する。
【０１７９】
なお、本実施例においても今までの実施例と同様に、運転モードのモードチェンジ時において磁化が行われるが、磁束指令演算部３１ｄは、様々な要素に基づき最適な磁束値を演算する。例えば、最大トルクが必要な場合には、磁束指令演算部３１ｄは、最大磁石磁束に対応する磁束指令を出力するほか無いが、小中トルクでよい場合には磁石磁束量に自由度があり、最適な磁束値に制御できる。
【０１８０】
一般に、磁石磁束を大きくすれば、Ｑ軸電流Ｉｑが小さくなり鉄損が増加する。逆に、磁石磁束を小さくすれば、Ｑ軸電流Ｉｑが増加し、鉄損が減る。さらに、音について言えば、可変磁石の磁束を大きくすると、磁歪音（騒音）が大きくなる。
【０１８１】
したがって、磁束指令演算部３１ｄは、上述したような情報をもとに、予め当該可変磁束モータドライブシステムの効率改善情報、安全性改善情報、及び騒音改善情報の少なくとも１つを有しており、選択された運転モードに対する最適な磁束値を演算する際に利用する。
【０１８２】
また、運転モード管理部２０ｄは、Ｈ（ハイ）状態のゲート指令ＧｓｔをＰＷＭ回路６に出力し、インバータ４の動作を開始させる。さらに、切替器２５は、「加速モード」が選択されたことにより、トルク指令演算部２３により出力されたトルク指令Ｔｍ＊を選択して電流基準演算部１１及び磁化電流指令演算部３３に出力する。
【０１８３】
運転モード管理部２０ｄに入力されるノッチには、カ行ノッチとブレーキノッチとが存在する。運転モード管理部２０ｄは、カ行ノッチに応じて「加速モード」を選択し、ブレーキノッチに応じて「減速モード」を選択する。車種によるが、ノッチの段数として、カ行４段、ブレーキ７段等がある。
【０１８４】
ノッチは、回転数と応荷重に依存したトルクパターンを規定するものである。ただし、ノッチは、トルク指令というよりは加速度指令に相当するものである。
【０１８５】
トルク指令演算部２３は、運転モード管理部２０ｄにより選択された加速モードに基づき、可変磁束モータ１の目標とするトルクを演算し、演算結果に対応したトルク指令Ｔｍ＊を切替器２５に出力する。具体的には、トルク指令演算部２３は、ノッチ・回転数・応荷重に応じて、トルク指令Ｔｍ＊を生成する。すなわち、トルク指令演算部２３は、ノッチに相当する加速度が得られるように、応荷重によってトルク指令Ｔｍ＊を増減させる。
【０１８６】
図１５に示すように、加速域において、可変磁束モータ１は、所定のトルクで徐々に回転数を上げるように制御される。
【０１８７】
磁束指令演算部３１ｄは、運転モード管理部２０ｄにより選択された運転モードと擬似微分器８により出力された回転子回転周波数ωＲと応荷重算出部１９により算出された応荷重とに基づき、可変磁石の目標とする磁束値を演算して、磁束値に対応した磁束指令Φ＊を生成する。
【０１８８】
加速モードにおけるその他の作用は、例えば実施例２の加速モードと同様であり、重複した説明を省略する。
【０１８９】
運転モード管理部２０ｄは、定速指令が入力されると（時刻ｔ１）、複数の運転モードから「定速モード」を選択して出力する。
【０１９０】
定速モードにおいては、可変磁束モータ１は大きなトルクを必要としないが、回転数を維持する必要がある。そのため、トルク指令演算部２３の代わりに回転数制御器１４がトルク指令Ｔｍ＊を出力する。すなわち、定速モードにおいては、回転数指令演算部１２ｄと回転数制御器１４が有効になる。
【０１９１】
したがって、切替器２５は、「定速モード」が選択されたことにより、回転数制御器１４により出力されたトルク指令Ｔｍ＊を選択して電流基準演算部１１及び磁化電流指令演算部３３に出力する。
【０１９２】
また、磁束指令演算部３１ｄは、時刻ｔ１において瞬間的に最適な磁束値を演算して、磁束値に対応した磁束指令Φ＊を生成することで磁化を行う。
【０１９３】
回転数指令演算部１２ｄは、運転モード管理部２０ｄにより選択された定速モードに基づき、可変磁束モータ１の目標とする回転数を演算し、演算結果に対応した回転数指令を回転数制御器１４に出力する。
【０１９４】
回転数制御器１４は、回転数指令演算部１２ｄにより出力された回転数指令と、擬似微分器８により出力された回転子回転周波数ωＲとに基づき、可変磁束モータ１が目標回転数（速度）に一致するように生成されたトルク指令Ｔｍ＊を切替器２５に出力する。
【０１９５】
磁束指令演算部３１ｄは、運転モード管理部２０ｄにより選択された定速モードと応荷重算出部１９により算出された応荷重と（必要であれば回転数と）に基づき可変磁石の目標とする磁束値を演算して、磁束値に対応した磁束指令Φ＊を生成する。
【０１９６】
定速モードにおけるその他の作用は、他の実施例と同様であり、重複した説明を省略する。
【０１９７】
運転モード管理部２０ｄは、ノッチ及び定速指令のいずれもがオフ（入力されない）の場合、複数の運転モードから「惰行モード」を選択して出力する（時刻ｔ２）。この惰行モードは、電車の速度がある状態で、可変磁束モータ１の零トルク状態をつくり、惰性で走行するモードである。
【０１９８】
惰行モードにおいて、インバータ４を停止し且つ可変磁石が磁束を有する場合には、モータ端子に誘起電圧が発生する。ここで、当該可変磁束モータドライブシステムが惰行モードの場合でも、他のモータの駆動や勾配によって、車両の速度は、維持・増加する可能性がある。このような場合にインバータ４が停止していると、磁束値の制御を行うことができず、モータ端子間の誘起電圧は大きくなる。この誘起電圧の線間ピーク値がインバータ４直流電圧値以上になると、可変磁束モータ１に対してブレーキ力が生じて好ましくない。
【０１９９】
さらに、増大した誘起電圧は、インバータ４に耐圧以上の過電圧を印加して破壊する可能性もある。
【０２００】
したがって、磁束指令演算部３１ｄは、時刻ｔ２において瞬間的に小さな磁束量（あるいは零）に制御する旨の磁束指令Φ＊を生成することで磁化を行う。本実施例において、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの惰行中は、例えばインバータ４を停止させることにより磁石磁束の値が零に保たれているので、上述した誘起電圧に起因する問題点を解決することができる。
【０２０１】
なお、惰行モードにおいてインバータ４を停止させる場合は、トルクが零で回転数の制御もされていないため、回転数制御器１４あるいはトルク指令演算部２３によるトルク指令Ｔｍ＊の出力は不要である。
【０２０２】
また、惰行モードにおいてインバータ４動作継続させる場合には、トルク指令演算部２３は、トルクを零に制御するためのトルク指令Ｔｍ＊を出力する。
【０２０３】
惰行モードにおけるその他の作用は、他の実施例と同様であり、重複した説明を省略する。
【０２０４】
時刻ｔ３において鉄道車両を減速させるため、運転士の操作に基づくブレーキノッチ（運転指令）が運転モード管理部２０ｄに入力される。時刻ｔ３において減速時に最適な磁束値への磁化が瞬間的に行われた後、運転モード管理部２０ｄは、入力されたノッチに基づき、複数の運転モードから「減速モード」を選択する。
【０２０５】
切替器２５は、「減速モード」が選択されたことにより、トルク指令演算部２３により出力されたトルク指令Ｔｍ＊を選択して電流基準演算部１１及び磁化電流指令演算部３３に出力する。
【０２０６】
トルク指令演算部２３は、運転モード管理部２０ｄにより選択された減速モードに基づき、可変磁束モータ１の目標とするトルクを演算し、演算結果に対応したトルク指令Ｔｍ＊を切替器２５に出力する。具体的には、トルク指令演算部２３は、ノッチ・回転数・応荷重に応じて、トルク指令Ｔｍ＊を生成する。すなわち、トルク指令演算部２３は、ノッチに相当する減速度が得られるように、応荷重によってトルク指令Ｔｍ＊を増減させる。
【０２０７】
図１５に示すように、加速域において、可変磁束モータ１は、所定のトルクで徐々に回転数を下げるように制御される。
【０２０８】
減速モードにおけるその他の作用は、例えば実施例２の減速モードと同様であり、重複した説明を省略する。
【０２０９】
その後、回転数が零になる時刻ｔ４において、磁束指令演算部３１ｄにより磁石磁束が零又は十分小さな値に磁化された後、運転モード管理部２０ｄは、複数の運転モードから「停止モード」を選択する。可変磁束モータドライブシステムの各部は、停止に必要な処理を行った後、停止する。
【０２１０】
停止中にインバータ４が故障して起動できない場合、他のドライブ装置が健在であれば、電車は加速し得る。このとき、可変磁束モータ１の可変磁石が磁束値を有すると、誘起電圧が発生する。したがって、上述した惰行モードの場合と同様に、ブレーキ力やインバータ４破壊といった問題が生じる可能性があり、さらにインバータ４が仮に短絡している場合には、短絡電流が流れ続け、モータ・インバータが焼損する。停止モードにモードチェンジする際（時刻ｔ４）に磁石磁束値を下げるのは、上述した問題を回避して安全性を確保するためである。
【０２１１】
なお、再び加速させる際には、磁束指令演算部３１ｄは、加速モードになる直前に再度磁化して磁束を立ち上げる旨の磁束指令Φ＊を出力する。
【０２１２】
その他の作用は、実施例１乃至４と同様であり、重複した説明を省略する。
【０２１３】
図１６は、本実施例の可変磁束モータドライブシステムを適用した電車における制御の状態を示すタイムチャート図の別例である。図１５の場合と異なるのは、惰行モード（時刻ｔ２から時刻ｔ３まで）の間において、磁石磁束値が零とならずに前後の定速モード及び減速モードを通じて一定である点と、停止モード時（時刻ｔ４以降）においても磁石磁束を零とせずに小さな値を維持する点である。
【０２１４】
この場合には、時刻ｔ２及び時刻ｔ３は磁化を行うタイミングであるが、実際には、磁化を行う必要が無い。磁束指令演算部３１ｄは、定速モードにモードチェンジする際（時刻ｔ１）に、磁石磁束を低い値に磁化すればよい。
【０２１５】
図１６は、回転数センサレス制御を適用した可変磁束モータドライブシステムを想定した図となる。通常の可変磁束モータ１は、発生トルクを精度良く制御するために、電動機端に回転角度センサ１８のような速度センサを備えているが、センサとインターフェース回路のコスト、電動機取り付けスペース、部品点数削減による信頼性、及び配線艤装工数等の観点から回転数センサレス制御が行われる場合がある。
【０２１６】
回転数センサレス制御は、回転数に比例した誘起電圧に基づき回転数及び回転角度を推定する。したがって、再起動の際にも、回転数センサレス制御を適用した可変磁束モータドライブシステムは、誘起電圧に基づき初期位相を決定する。しかしながら、図１５に示すように惰行モードあるいは停止モードにおいて磁石磁束を零にしてしまうと、可変磁束モータ１は、誘起電圧を発生せず再起動する際の安全面からも好ましくない。
【０２１７】
そこで、回転数センサレス制御を適用した可変磁束モータドライブシステムは、図１６に示すように惰行モードあるいは停止モードにおいても、磁石磁束を零とせず小さな磁束値を保つことにより安全性に資する。
【０２１８】
また、上述したように、惰行モードでインバータ４を停止しない場合も考えられる。特に、回転数センサレス制御を適用した可変磁束モータドライブシステムは、惰行中にもインバータ４を停止しない場合がある。したがって、当該可変磁束モータドライブシステムは、誘起電圧の情報から磁石磁束方向を推測するので、惰行中も零磁束とせずに小さな磁束値を保つ。
【０２１９】
上述のとおり、本発明の実施例５の形態に係る可変磁束モータドライブシステムによれば、実施例１乃至実施例４の効果に加え、電車（鉄道車両）の有する「加速モード」、「定速モード」、「惰行モード」、「減速モード」、及び「停止モード」の各運転モードに対して、可変磁石の磁束値を適切な値に運転モード変更時に制御することができる。
【０２２０】
また、トルクを不要とする惰行モードや停止モードにおいて磁束値を零あるいは小さな値とするため、誘起電圧に起因するブレーキ力の発生やインバータ４に対する過電圧印加を防止することができるとともに、鉄損を低減し、安全面及び効率面の両方に効果がある。
【実施例６】
【０２２１】
図１７は、本発明の実施例６の可変磁束モータドライブシステムの構成を示すブロック図である。実施例５の構成と異なる点は、応荷重算出部１９が無い点と、トルク指令演算部２３と運転モード管理部２０ｅとの間にノッチ換算部２７が設けられている点である。また、本実施例における可変磁束モータドライブシステムは、電気自動車又はハイブリッド自動車に適用されている。
【０２２２】
トルク指令演算部２３は、電気自動車又はハイブリッド自動車に対するアクセル踏込量又はブレーキ踏込量に基づき可変磁束モータ１の目標とするトルクを演算する。
【０２２３】
ノッチ換算部２７は、トルク指令演算部２３により出力されたトルク指令Ｔｍ＊に基づき、トルクを段階的にレベル分けして、対応するノッチに換算するとともに、運転モード管理部２０ｅにノッチを出力する。本実施例にいうノッチとは、実施例５で説明した電車のノッチのように、離散化した状態量を指す。
【０２２４】
本実施例においては、アクセルを踏み込む際において、１００％トルクから７５％トルクまでをＰ４、７５％トルクから５０％トルクまでをＰ３、５０％トルクから２５％トルクまでをＰ２、２５％トルクから０％トルクまでをＰ１の４段階のカ行ノッチとする。
【０２２５】
また、ブレーキを踏み込む際において、０％トルクから−２５％トルクまでをＢ１、−２５％トルクから−５０％トルクまでをＢ２、−５０％トルクから−７５％トルクまでをＢ３、−７５％トルクから−１００％トルクまでをＢ４の４段階のブレーキノッチとする。
【０２２６】
また、切替器２５は、運転モード管理部２０ｅにより選択され出力された運転モードに応じて、トルク指令演算部２３又は回転数制御器１４のいずれかにより出力されたトルク指令Ｔｍ＊を選択して、電流基準演算部１１及び磁化電流指令演算部３３に出力する。
【０２２７】
運転モード管理部２０ｅは、電気自動車又はハイブリッド自動車を加速させる場合の運転モード（加速モード）と、電気自動車又はハイブリッド自動車を減速させる場合の運転モード（減速モード）と、電気自動車又はハイブリッド自動車を定速運転させる場合の運転モード（定速モード）と、電気自動車又はハイブリッド自動車を停止させる場合の運転モード（停止モード）とを有する。
【０２２８】
さらに、運転モード管理部２０ｅは、電気自動車又はハイブリッド自動車を惰性走行させる場合の運転モード（惰行モード）を有してもよい。また、運転モード管理部２０ｅは、加速モードの中にも各ノッチに対応した「Ｐ４モード」、「Ｐ３モード」、「Ｐ２モード」、「Ｐ１モード」を有し、減速モードの中にも各ノッチに対応した「Ｂ１モード」、「Ｂ２モード」、「Ｂ３モード」、「Ｂ４モード」を有する。
【０２２９】
運転モード管理部２０ｅは、トルク指令演算部２３により演算されたトルクに応じた運転モードを選択する。
【０２３０】
その他の構成は、実施例５と同様であり、重複した説明を省略する。
【０２３１】
次に、上述のように構成された本実施の形態の作用を説明する。図１８は、本実施例の可変磁束モータドライブシステムを適用した電気自動車又はハイブリッド自動車における制御の状態を示すタイムチャート図である。
【０２３２】
最初に、運転者は電気自動車又はハイブリッド自動車を加速させるため、アクセルを踏み込む。ここで、運転者の踏込量が８０％トルクに対応するものであるとすると、トルク指令演算部２３は、対応するトルク指令Ｔｍ＊を切替器２５及びノッチ換算部２７に出力する。
【０２３３】
ノッチ換算部２７は、トルク指令Ｔｍ＊に基づき、８０％トルクに対応するノッチＰ４を運転モード管理部２０ｅに出力する。
【０２３４】
運転モード管理部２０ｅは、入力されたノッチＰ４に基づき、複数の運転モードから「Ｐ４モード」を選択する。
【０２３５】
また、運転モード管理部２０ｅは、Ｈ（ハイ）状態のゲート指令ＧｓｔをＰＷＭ回路６に出力し、インバータ４の動作を開始させる。さらに、切替器２５は、「Ｐ４モード」が選択されたことにより、トルク指令演算部２３により出力されたトルク指令Ｔｍ＊を選択して電流基準演算部１１及び磁化電流指令演算部３３に出力する。
【０２３６】
図１８に示すように、Ｐ４域において、可変磁束モータ１は、所定のトルクで徐々に回転数を上げるように制御される。
【０２３７】
さらに時刻ｔ０において、運転者の踏込量が６０％トルクに対応するものであるとすると、トルク指令演算部２３は、対応するトルク指令Ｔｍ＊を切替器２５及びノッチ換算部２７に出力する。
【０２３８】
ノッチ換算部２７は、トルク指令Ｔｍ＊に基づき、６０％トルクに対応するノッチＰ３を運転モード管理部２０ｅに出力する。
【０２３９】
運転モード管理部２０ｅは、入力されたノッチＰ３に基づき、複数の運転モードから「Ｐ３モード」を選択する。
【０２４０】
なお、本実施例においても今までの実施例と同様に、磁束指令演算部３１ｅは、運転モードのモードチェンジ時において磁化を行う。基本的に本実施例の可変磁束モータドライブシステムは、実施例５における電車の場合と同様の制御がなされる。
【０２４１】
図１８に示すように、Ｐ３域においては、可変磁束モータ１は、Ｐ４域のトルクより低い所定のトルクで徐々に回転数を上げるように制御される。
【０２４２】
磁束指令演算部３１ｅは、運転モード管理部２０ｅにより選択された運転モードと擬似微分器８により出力された回転子回転周波数ωＲとに基づき、可変磁石の目標とする磁束値を演算して、磁束値に対応した磁束指令Φ＊を生成する。
【０２４３】
加速モードにおけるその他の作用は、実施例５の加速モードと同様であり、重複した説明を省略する。
【０２４４】
運転モード管理部２０ｅは、定速指令が入力されると（時刻ｔ１）、複数の運転モードから「定速モード」を選択して出力する。なお、運転モード管理部２０ｅは、回転数とノッチとに基づき、自己の判断で「定速モード」を選択するとしてもよい。
【０２４５】
定速モードにおいては、可変磁束モータ１は大きなトルクを必要としないが、回転数を維持する必要がある。そのため、トルク指令演算部２３の代わりに回転数制御器１４がトルク指令Ｔｍ＊を出力する。すなわち、定速モードにおいては、回転数指令演算部１２ｅと回転数制御器１４が有効になる。
【０２４６】
したがって、切替器２５は、「定速モード」が選択されたことにより、回転数制御器１４により出力されたトルク指令Ｔｍ＊を選択して電流基準演算部１１及び磁化電流指令演算部３３に出力する。
【０２４７】
なお、回転数制御器１４による回転数制御が行われるのは、定速モードの場合のみならず、自動運転の場合も考えられる。
【０２４８】
定速モードにおけるその他の作用は、実施例５と同様であり、重複した説明を省略する。
【０２４９】
運転モード管理部２０ｅは、ノッチ及び定速指令のいずれもがオフ（入力されない）の場合、複数の運転モードから「惰行モード」を選択して出力する（時刻ｔ２）。なお、自動車を運転する際にアクセルもブレーキも踏んでいない状態は想定し難いが、例えばハイブリッド自動車に当該可変磁束モータドライブシステムを適用し、且つ自動車の制御がエンジンによる制御に任されている場合に、当該可変磁束モータドライブシステムは惰行モードを選択すると考えられる。
【０２５０】
惰行モードにおけるその他の作用は、実施例５と同様であり、重複した説明を省略する。
【０２５１】
時刻ｔ３において運転者は、電気自動車又はハイブリッド自動車を減速させるため、ブレーキを踏み込む。ここで、運転者の踏込量が−７０％トルクに対応するものであるとすると、トルク指令演算部２３は、対応するトルク指令Ｔｍ＊を切替器２５及びノッチ換算部２７に出力する
ノッチ換算部２７は、トルク指令Ｔｍ＊に基づき、−７０％トルクに対応するノッチＢ３を運転モード管理部２０ｅに出力する。
【０２５２】
運転モード管理部２０ｅは、入力されたノッチＢ３に基づき、複数の運転モードから「Ｂ３モード」を選択する。
【０２５３】
また、時刻ｔ３において減速時に最適な磁束値への磁化が瞬間的に行われる。切替器２５は、「減速モード」が選択されたことにより、トルク指令演算部２３により出力されたトルク指令Ｔｍ＊を選択して電流基準演算部１１及び磁化電流指令演算部３３に出力する。
【０２５４】
図１８に示すように、Ｂ３域において、可変磁束モータ１は、所定のトルクで徐々に回転数を下げるように制御される。
【０２５５】
Ｂ３モード及びＢ４モードにおけるその他の作用は、実施例５の減速モードと同様であり、重複した説明を省略する。
【０２５６】
上述のとおり、本発明の実施例６の形態に係る可変磁束モータドライブシステムによれば、実施例１乃至実施例５の効果に加え、電気自動車又はハイブリッド自動車の有する「加速モード」、「定速モード」、「惰行モード」、「減速モード」の各運転モードに対して、可変磁石の磁束値を適切な値に運転モード変更時に制御することができる。
【０２５７】
また、アクセルやブレーキの踏込量に対応したトルクを段階的にノッチに換算するので、踏込量に応じた運転モードが選択され、当該可変磁束モータドライブシステムは、可変磁石の磁束値を運転モードに基づいて踏込量に応じた最適な磁束値に磁化することができる。
【０２５８】
また、本発明による可変磁束モータドライブシステムは、クリーナに対しても適用可能である。その場合には、運転モード管理部は、例えばクリーナへの指令である「強モード」と「弱モード」を有するものが考えられる。
【産業上の利用可能性】
【０２５９】
本発明に係る可変磁束モータドライブシステムは、洗濯機、エレベータ、鉄道車両や電気自動車等の駆動モータを使用する可変磁束モータドライブシステムに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０２６０】
【図１】本発明の実施例１の形態の可変磁束モータドライブシステムの構成を示すブロック図である。
【図２】可変磁束モータの簡易モデル図である。
【図３】本発明の実施例１の形態の可変磁束モータドライブシステムで使用される可変磁束モータの断面図である。
【図４】本発明の実施例１の形態の可変磁束モータドライブシステムで使用される可変磁束モータのＢＨ特性図である。
【図５】種々の材料の永久磁石のＢＨ特性図である。
【図６】本発明の実施例１の形態の可変磁束モータドライブシステムにおいて磁化を行う際の各部の状態を示すタイムチャート図である。
【図７】本発明の実施例２の形態の可変磁束モータドライブシステムの構成を示すブロック図である。
【図８】本発明の実施例２の形態の可変磁束モータドライブシステムを適用したエレベータにおける制御の状態を示すタイムチャート図である。
【図９】本発明の実施例３の形態の可変磁束モータドライブシステムの構成を示すブロック図である。
【図１０】本発明の実施例３の形態の可変磁束モータドライブシステムを適用した洗濯機における制御の状態を示すタイムチャート図である。
【図１１】本発明の実施例４の形態の可変磁束モータドライブシステムの構成を示すブロック図である。
【図１２】本発明の実施例４の形態の可変磁束モータドライブシステムを適用した空調機における制御の状態を示すタイムチャート図である。
【図１３】本発明の実施例４の形態の可変磁束モータドライブシステムを適用した空調機における制御の状態を示すタイムチャート図の別例である。
【図１４】本発明の実施例５の形態の可変磁束モータドライブシステムの構成を示すブロック図である。
【図１５】本発明の実施例５の形態の可変磁束モータドライブシステムを適用した電車における制御の状態を示すタイムチャート図である。
【図１６】本発明の実施例５の形態の可変磁束モータドライブシステムを適用した電車における制御の状態を示すタイムチャート図の別例である。
【図１７】本発明の実施例６の形態の可変磁束モータドライブシステムの構成を示すブロック図である。
【図１８】本発明の実施例６の形態の可変磁束モータドライブシステムを適用した電気自動車又はハイブリッド自動車における制御の状態を示すタイムチャート図である。
【符号の説明】
【０２６１】
１ 可変磁束モータ
２ａ，２ｂ 電流検出器
３ 直流電源
４ インバータ
５ 座標変換部
６ ＰＷＭ回路
７ 座標変換部
８ 擬似微分器
１０ 電圧指令演算部
１１ 電流基準演算部
１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ 回転数指令演算部
１４ 回転数制御器
１５ 荷重算出部
１６ 洗濯量算出部
１７ 温度測定部
１８ 回転角度センサ
１９ 応荷重算出部
２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅ 運転モード管理部
２２ 磁化モード管理部
２３ トルク指令演算部
２５ 切替器
２７ ノッチ換算部
３１，３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ，３１ｅ 磁束指令演算部
３３ 磁化電流指令演算部
５１ 回転子
５２ 回転子鉄心
５３ 低保磁力永久磁石
５４ 高保磁力永久磁石
５５ 鉄心の磁極部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変磁石を有する可変磁束モータとこの可変磁束モータを駆動するインバータを備えた可変磁束ドライブシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の誘導電動機（ＩＭモータ）に代わり、効率に優れ、小型化や低騒音化も期待できる永久磁石同期電動機（ＰＭモータ）が普及し始めている。例えば、鉄道車両や電気自動車向けの駆動モータとしてＰＭモータが利用されるようになってきている。
【０００３】
ＩＭモータは、磁束自体をステータからの励磁電流によって作り出すため、励磁電流を流すことによる損失が発生する技術的な問題点がある。
【０００４】
他方、ＰＭモータは、ロータに永久磁石を備え、その磁束を利用してトルクを出力するモータであるので、このようなＩＭモータの抱える問題はない。しかしながら、ＰＭモータは、その永久磁石のために回転数に応じた誘起電圧（逆起電圧）が発生する。鉄道車両や自動車など、回転範囲が広い応用分野では、最高回転数において生じる誘起電圧によって、ＰＭモータを駆動制御するインバータが（過電圧によって）破壊しないことが条件となる。この条件を満たすためには、インバータの耐圧を十分に高いものとするか、あるいは逆に、モータに備える永久磁石の磁束を制限する必要がある。前者は、電源側への影響もあり、後者を選択することが多い。その場合の磁束量を、ＩＭモータの磁束量（ＩＭモータの場合には励磁電流によって作りだすギャップ磁束量）と比較すると、１：３程度になるケースもある。この場合、同一のトルクを発生させるためには、磁束量の小さいＰＭモータでは、大きな（トルク）電流を流す必要がある。したがって、低速域において、同一トルクを出力する電流をＩＭモータとＰＭモータとで比較した場合に、ＰＭモータは、より大きな電流を流す必要がある。
【０００５】
このため、ＩＭモータと比べて、ＰＭモータを駆動するインバータの電流容量は増加する。さらに、一般に低速ではインバータ内のスイッチング素子のスイッチング周波数が高く、発生する損失は電流値に依存して増大することから、ＰＭモータでは低速で大きな損失と発熱が生じることになる。
【０００６】
電車などは走行風によって冷却を期待することもあり、低速時に大きな損失が生じることになれば、冷却能力を向上させる必要性からインバータ装置が大型化してしまう。また逆に、誘起電圧が高い場合、弱め界磁制御を行うことになるが、そのときは、励磁電流を重畳することで効率が低下してしまう。
【０００７】
このようにＰＭモータは、磁石を内在するが故のメリットとデメリットがある。モータとしてはそのメリットの分が大きく、損失低減や小型化につながる面もあるが、一方では電車や電気自動車など可変速制御の場合には、従来のＩＭモータに比べて効率の悪い動作点も存在する。また、インバータにとっては電流容量が増大し、損失も増大することから、装置サイズが大きくなる。システムの効率自体は、モータ側が支配的であるため、ＰＭモータの適用によって総合効率は改善するが、一方ではインバータのサイズが増加することがシステムのデメリットとなり、好ましくない。
【０００８】
特許文献１には、低出力運転、高出力運転の何れにおいても電動機及びインバータを高効率で運転し、システム効率を高める電気自動車駆動用交流電動機が記載されている。この電気自動車駆動用交流電動機は、界磁磁極に埋め込んだ永久磁石による磁束と、必要に応じて励磁コイルによる磁束とにより界磁磁束を作り、電動機出力に応じて、界磁磁束発生源を永久磁石のみと永久磁石及び励磁コイル双方とに切り替えるとともに、回転変圧器を介して励磁電流を供給する。
【０００９】
したがって、この電気自動車駆動用交流電動機は、電動機出力に応じて、例えば低出力時は永久磁石のみの運転にすることができるため、運転効率が向上する。また、電動機の低速域での電動機電圧を高くすることができるため、電流を低減でき、電動機巻線の銅損やインバータの発生損失を小さくしてシステム効率を向上させることができる。特に、低・中速域で運転されることの多い電気自動車にとってこの効果は大きく、電流利用効率の向上、一充電走行距離の延長が可能である。
【００１０】
さらに、この電気自動車駆動用交流電動機は、永久磁石を減磁させないため、インバータ制御が簡単になるとともに、異常過電圧が発生せず、機器の保護を図ることができる。また、回転変圧器は高周波動作させることにより小形化が可能であり、電動機ないしシステム全体の小形軽量化を図ることができる。
【特許文献１】特開平５−３０４７５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、どのような装置・製品でも、通常、トルク及び回転数の異なる複数の運転モードを有する。このように異なる条件下においては、一定の永久磁石磁束を用いた従来のＰＭモータは、その全ての条件に対して最適な状態を維持するのは困難であり、システムの効率低下や騒音等の問題を生じる。
【００１２】
これに対し、インバータによる電流によって磁石磁束を可変にすることが可能な可変磁束ドライブシステムがある。このシステムは、永久磁石の磁束量を変化させることができるため、従来の磁石固定のＰＭモータドライブシステムに比べて効率の向上が期待できる。また、磁石が不要な際は磁束量を小さくすることで誘起電圧を極力抑制することも可能である。
【００１３】
本発明は可変磁束ドライブシステムを利用して上述した従来技術の問題点を解決するもので、磁石磁束を可変に制御できる可変磁束モータを適用し、自己の可変磁束モータを適用する製品・装置がトルク及び回転数の異なる複数の運転モードを有する場合でも、損失を抑えた高効率のシステムを実現しうる可変磁束モータドライブシステムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明に係る可変磁束モータドライブシステムは、低保持力の永久磁石である可変磁石を有する永久磁石電動機と、前記永久磁石電動機を駆動するインバータと、前記可変磁石の磁束を制御するための磁化電流を供給する磁化部と、複数の運転モードから１つの運転モードを選択する運転モード管理部と、前記運転モード管理部により選択された運転モードに基づき前記可変磁石の目標とする磁束値を演算して前記磁束値に対応した磁束指令を生成する磁束指令演算部とを備え、前記磁化部は、前記磁束指令演算部により生成された磁束指令に応じた磁化電流を供給して前記可変磁石の磁束を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、トルクや回転数の異なる複数の運転モードを有する装置に当該可変磁束モータドライブシステムを適用した場合においても、各運転モードに最適な磁束値を選択してシステムの高効率化や騒音抑制を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の可変磁束モータドライブシステムの実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１７】
図１は、本発明の実施例１の可変磁束モータドライブシステムの構成を示すブロック図である。図１を説明する前に、永久磁石同期電動機としての可変磁束モータについて説明する。
【００１８】
可変磁束モータ１のイメージを図２に示す。ステータ側は従来のモータと同様と考えてよい。ロータ５１側には永久磁石として、磁性体の磁束密度が固定の固定磁石ＦＭＧと、磁性体の磁束密度が可変の可変磁石ＶＭＧとがある。従来のＰＭモータは、前者の固定磁石ＦＭＧのみであるのに対して、本可変磁束モータ１の特徴は、可変磁石ＶＭＧが備わっていることにある。
【００１９】
ここで固定磁石や可変磁石について、説明を加える。永久磁石とは、外部から電流などを流さない状態において磁化した状態を維持するものであって、いかなる条件においてもその磁束密度が厳密に変化しないというわけではない。従来のＰＭモータであっても、インバータなどにより過大な電流を流すことで減磁したり、あるいは逆に着磁したりする。よって、永久磁石とは、その磁束量が一定不変なものではなく、通常の定格運転中に近い状態ではインバータ等から供給される電流によって磁束密度が概ね変化しないもののことを指す。一方、前述の磁束密度が可変である永久磁石、つまり、可変磁石とは、上記のような運転条件においてもインバータ等で流し得る電流によって磁束密度が変化するものを指す。
【００２０】
このような可変磁石は、磁性体の材質や構造に依存して、ある程度の範囲で設計が可能である。例えば、最近のＰＭモータは、残留磁束密度Ｂｒの高いネオジム（ＮｄＦｅＢ）磁石を用いることが多い。この磁石の場合、残留磁束密度Ｂｒが１．２Ｔ程度と高いため、大きなトルクを小さい装置サイズにて出力可能であり、モータの高出力小型化が求められるハイブリッド車ＨＥＶや電車には好適である。従来のＰＭモータの場合、通常の電流によって減磁しないことが要件であるが、このネオジム磁石（ＮｄＦｅＢ）は約１０００ｋＡ／ｍの非常に高い保持力Ｈｃを有しているので、ＰＭモータ用に最適な磁性体である。ＰＭモータ用には、残留磁束密度が大きく、保磁力の大きい磁石が選定されるためである。
【００２１】
ここで、残留磁束密度が高く、保持力Ｈｃの小さいアルニコＡｌＮｉＣｏ（Ｈｃ＝６０〜１２０ｋＡ／ｍ）やＦｅＣｒＣｏ磁石（Ｈｃ＝約６０ｋＡ／ｍ）といった磁性体を可変磁石とする。通常の電流量（インバータによって従来のＰＭモータを駆動する際に流す程度の電流量という意味）によって、ネオジム磁石の磁束密度（磁束量）はほぼ一定であり、アルニコＡｌＮｉＣｏ磁石などの可変磁石の磁束密度（磁束量）は可変となる。厳密に言えば、ネオジム磁石は可逆領域で利用しているため、微小な範囲で磁束密度が変動するが、インバータ電流がなくなれば当初の値に戻る。他方、可変磁石は不可逆領域まで利用するため、インバータ電流がなくなっても当初の値にならない。
【００２２】
図２は、可変磁束モータ１を、簡単なイメージとしてモデル化したものである。同図において、可変磁石ＶＭＧであるアルニコ磁石の磁束量も、Ｄ軸方向の量が変動するだけで、Ｑ軸方向はほぼ０である。
【００２３】
図３は、可変磁束モータ１の具体的な構成例を示している。回転子（ロータ）５１は、回転子鉄心５２中に、ネオジム磁石（ＮｄＦｅＢ）などの高保磁力の永久磁石５４とアルニコ磁石（ＡｌＮｉＣｏ）などの低保磁力の永久磁石５３とを組み合わせて配置した構成である。可変磁石ＶＭＧである低保磁力永久磁石５３は、回転子鉄心５２の磁極部５５の両側に、それぞれ隣接する磁極部５５との境界域に径方向に配置してある。固定磁石ＦＭＧである高保磁力磁石５４は、回転子鉄心５２の磁極部５５において径に直交する方向に配置してある。この構造により、可変磁石ＶＭＧである低保磁力永久磁石５３はＱ軸方向とその磁化方向が直交するため、Ｑ軸電流の影響を受けず、Ｄ軸電流によって磁化される。
【００２４】
図４は、固定磁石と可変磁石のＢＨ特性（磁束密度−磁化特性）を例示している。また、図５は、図４の第２象限のみを定量的に正しい関係にて示したものである。ネオジム磁石とアルニコ磁石の場合、それらの残留磁束密度Ｂｒ１，Ｂｒ２には有意差はないが、保磁力Ｈｃ１，Ｈｃ２については、ネオジム磁石（ＮｄＦｅＢ）のＨｃ２に対し、アルニコ磁石（ＡｌＮｉＣｏ）のＨｃ１は１／１５〜１／８、ＦｅＣｒＣｏ磁石のＨｃ１は１／１５になる。
【００２５】
従来のＰＭモータドライブシステムにおいて、インバータの出力電流による磁化領域は、ネオジム磁石（ＮｄＦｅＢ）の保磁力より十分に小さく、その磁化特性の可逆範囲で利用されている。しかしながら、可変磁石は、保磁力が上述のように小さいため、インバータの出力電流の範囲において、不可逆領域（電流を０にしても、電流印加前の磁束密度Ｂに戻らない）での利用が可能で、磁束密度（磁束量）を可変にすることができる。
【００２６】
可変磁束モータ１の動特性の等価簡易モデルを、（１）式に示す。同モデルは、Ｄ軸を磁石磁束方向、Ｑ軸をＤ軸に直行する方向として与えたＤＱ軸回転座標系上のモデルである。
【数１】
【００２７】
ここに、Ｒ１：巻線抵抗、Ｌｄ：Ｄ軸インダクタンス、Ｌｑ：Ｑ軸インダクタンス、Φｆｉｘ：固定磁石の磁束量、Φｖａｒ：可変磁石の磁束量、ω１：インバータ周波数である。
【００２８】
図１に示す可変磁束モータドライブシステムは、可変磁束モータ１、電流検出器２ａ，２ｂ、直流電源３、直流電力を交流電力に変換するインバータ４、座標変換部５、ＰＷＭ回路６、座標変換部７、擬似微分器８、電圧指令演算部１０、電流基準演算部１１、回転数指令演算部１２、回転数制御器１４、回転角度センサ１８、運転モード管理部２０、磁化モード管理部２２、磁束指令演算部３１、及び磁化電流指令演算部３３で構成されている。
【００２９】
ここで、この可変磁束モータドライブシステムは、主回路と制御回路とに分けることができる。直流電源３、インバータ４、可変磁束モータ１、モータ電流を検出するための電流検出器２ａ，２ｂ、及び可変磁束モータ１の回転角度を検出するための回転角度センサ１８は、主回路を構成するものとする。また、座標変換部５、ＰＷＭ回路６、座標変換部７、擬似微分器８、電圧指令演算部１０、電流基準演算部１１、回転数指令演算部１２、回転数制御器１４、運転モード管理部２０、磁化モード管理部２２、磁束指令演算部３１、及び磁化電流指令演算部３３は、制御回路を構成するものとする。
【００３０】
可変磁束モータ１は、本発明の永久磁石電動機に対応し、低保持力の永久磁石である可変磁石（例えばアルニコ磁石）を有する。
【００３１】
インバータ４は、可変磁束モータ１を駆動する。すなわち、インバータ４は、直流電源３からの直流電力を交流電力に変換し、可変磁束モータ１に供給する。可変磁束モータ１に供給される電流Ｉｕ，Ｉｗは、電流検出器２ａ，２ｂにより検出され、座標変換部７に入力され、この座標変換部７でＤ軸電流Ｉｄ、Ｑ軸電流Ｉｑに変換され、電圧指令演算部１０に入力される。また、インバータ４は、本発明の磁化部にも対応し、可変磁束モータ１の有する可変磁石の磁束を制御するための磁化電流を供給する。
【００３２】
直流電源３は、インバータ４に直流電力を供給する二次電池でもよい。本発明を電気自動車等に適用する場合には、直流電源３は、二次電池であると考えられる。
【００３３】
また、可変磁束モータ１のロータ回転角度は、回転角度センサ１８により検出され、擬似微分器８に出力される。
【００３４】
次に、制御回路について説明する。ここでの入力は、運転指令Ｒｕｎ＊である。この運転指令Ｒｕｎ＊は、可変磁束モータ１に対する運転要求であり、適切な手段により出力される。
【００３５】
運転モード管理部２０は、運転指令Ｒｕｎ＊と回転子回転周波数ωＲに基づき、複数の運転モードから１つの運転モードを選択する。ここで、擬似微分器８は、回転角度センサ１８により検出された角度を微分して得た回転子回転周波数ωＲを回転数制御器１４、電圧指令演算部１０、及び運転モード管理部２０に出力する。運転モード管理部２０は、擬似微分器８により出力された回転子回転周波数ωＲに基づき、インバータ４の出力周波数を認識することができる。さらに、運転モード管理部２０は、選択した運転モードを回転数指令演算部１２及び磁束指令演算部３１に出力するとともに、ゲート指令ＧｓｔをＰＷＭ回路６に出力する。また、運転モード管理部２０は、運転モードを変更する際等において磁化を必要とする場合には、「磁化要求」フラグを立てて磁化モード管理部２２に出力する。
【００３６】
回転数指令演算部１２は、運転モード管理部２０により選択された運転モードに基づき、可変磁束モータ１の目標とする回転数を演算し、演算結果に対応した回転数指令を回転数制御器１４に出力する。
【００３７】
回転数制御器１４は、回転数指令演算部１２により出力された回転数指令と、擬似微分器８により出力された回転子回転周波数ωＲとに基づき、可変磁束モータ１が所望のトルクになるように生成されたトルク指令Ｔｍ＊を出力する。
【００３８】
磁束指令演算部３１は、運転モード管理部２０により選択された運転モードに基づき可変磁石の目標とする磁束値を演算して、磁束値に対応した磁束指令Φ＊を生成する。磁化部であるインバータ４は、磁束指令演算部３１により生成された磁束指令に応じた磁化電流を供給して可変磁石の磁束を制御する。
【００３９】
具体的には、運転モード管理部２０は、現在の可変磁束又は総磁束（固定磁石磁束＋可変磁石磁束）に対して、必要とする磁束の変化に対応した運転モードを選択する。一般的には、以下のような磁束の変化を必要とする。ただし、１例であり、これに限らない。
【００４０】
まず、可変磁束モータ１の回転数が増加した場合には、運転モード管理部２０は、可変磁石磁束を下げるための運転モードを選択する。可変磁束モータ１は、回転数が高いほど、逆起電圧が大きくなる。したがって、磁束指令演算部３１は、運転モードに基づき、磁束を下げる旨の磁束指令Φ＊を出力し、逆起電圧を下げる。
【００４１】
次に、トルクの増加を必要とする運転モードが選択された場合には、可変磁石磁束を下げる。可変磁束モータ１は、トルクが高いほど、高いモータ端子電圧を有するので、磁束指令演算部３１は、運転モードに基づき、磁束を下げる旨の磁束指令Φ＊を出力し、端子電圧を下げる。
【００４２】
なお、磁束指令演算部３１は、運転モード管理部２０により選択された運転モードに応じて、当該可変磁束モータドライブシステムの効率改善情報、安全性改善情報、及び騒音改善情報の少なくとも１つに基づき、可変磁石の目標とする磁束値を演算して、磁束値に対応した磁束指令を生成することもできる。この場合には、磁束指令演算部３１は、予め当該可変磁束モータドライブシステムの効率改善情報、安全性改善情報、及び騒音改善情報の少なくとも１つを有しており、選択された運転モードに対する最適な磁束値を演算する際に利用する。
【００４３】
電流基準演算部１１は、回転数制御器１４により出力されたトルク指令Ｔｍ＊と磁束指令演算部３１により出力された磁束指令Φ＊とに基づき、Ｄ軸電流基準ＩｄＲとＱ軸電流基準ＩｑＲとを演算する。ここで、トルクの一般式は、次式であり、Ｉｄ，Ｉｑを解くことにより決定される。
【００４４】
トルク＝φ×Ｉｑ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）×Ｉｄ×Ｉｑ…（２）
ここで、φは、総磁束（＝固定磁石磁束＋可変磁石磁束）を示す。また、Ｌｄは、Ｄ軸インダクタンスであり、Ｌｑは、Ｑ軸インダクタンスである。したがって、（２）式は、磁束量やトルクの関数となる。実際には、Ｌｄ、Ｌｑの非線形性があるため、電流基準演算部１１は、トルクと磁束に応じたテーブルデータを有することによりＩｄ、Ｉｑを求める。その際、電流基準演算部１１は、最小な電流値（√（Ｉｄ２＋Ｉｑ２））にて、所定トルクが得られるような関係を選ぶ。
【００４５】
磁化電流指令演算部３３は、回転数制御器１４により出力されたトルク指令Ｔｍ＊と磁束指令演算部３１により出力された磁束指令Φ＊とに基づき、必要な磁化電流を計算し、磁化電流指令ＩｄＭ，ＩｑＭを生成する。一般に、磁化電流は、可変磁石のそれに至るまでの過去の磁化の履歴に依存するものである。そこで、磁化電流指令演算部３３は、例えば過去の磁化の履歴と要求する磁束とに対する磁化電流をテーブル情報として有することにより、必要な磁化電流を算出することができる。磁化電流指令演算部３３は、今回の磁束指令Φ＊と可変磁石の磁化特性とに基づき、磁化電流目標値ＩｄＭ＊を算出して磁化モード管理部２２に出力する。磁化電流を流すためには、高速かつ精度よく流すことが必要であるため、ＰＩ制御に代わりヒステリシスコンパレータなどで実現してもよい。
【００４６】
電圧指令演算部１０は、電流基準演算部１１により演算されたＤ軸電流基準ＩｄＲとＱ軸電流基準ＩｑＲとに基づき、当該基準にＤ軸電流Ｉｄ及びＱ軸電流Ｉｑが一致するように電流が流れるように、ＤＱ軸電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を演算して生成する。その際、電圧指令演算部１０は、電流偏差にＰＩ制御を施し、ＤＱ軸電圧指令を求める。
【００４７】
ここで、磁化する際には、磁化部であるインバータ４は、可変磁束モータ１に過大な磁化電流を短時間で精度良く流すことが必要である。上述した電圧指令演算部１０によるＰＩ制御は、応答性が十分でなく、可変磁束モータ１に過大な磁化電流を短時間で精度良く流すことが困難となることも考えられる。そこで、電圧指令演算部１０は、例えば、磁化電流指令演算部３３により算出された磁化電流に基づき、それぞれのＤ軸電流Ｉｄ、Ｑ軸電流Ｉｑが一致するように、例えば、ヒステリシスコンパレータ方式等の瞬時比較制御方式を利用して、ＤＱ軸電圧指令を算出することもできる。
【００４８】
なお、磁化モード管理部２２により磁化モードのフラグが立っている場合には、電圧指令演算部１０は、磁化電流指令演算部３３により生成されたＤ軸磁化電流指令ＩｄＭとＱ軸磁化電流指令ＩｑＭとに基づき、当該指令にＤ軸電流Ｉｄ及びＱ軸電流Ｉｑが一致するように電流が流れるように、ＤＱ軸電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を演算して生成する。
【００４９】
座標変換部５は、電圧指令演算部１０により出力されたＤ軸電圧指令Ｖｄ＊、Ｑ軸電圧指令Ｖｑ＊を三相の電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に座標変換し、ＰＷＭ回路６に出力する。ＰＷＭ回路６は、運転モード管理部２０により出力されたゲート指令Ｇｓｔ、及び入力された三相の電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に基づき、インバータ４のスイッチング素子をオンオフ制御する。
【００５０】
磁化モード管理部２２は、運転モードに基づき可変磁石を磁化する際に、適切なタイミングで磁化電流の制御が行えるように各種フラグを出力する。磁化モード管理部２２の詳細な動作は、後述する。
【００５１】
次に、上述のように構成された本実施の形態の作用を説明する。まずは、磁化を必要としない場合について説明する。ここでの入力は、運転指令Ｒｕｎ＊である。運転モード管理部２０は、入力された運転指令Ｒｕｎ＊に基づき、複数の運転モードから１つの運転モードを選択する。
【００５２】
回転数指令演算部１２は、運転モード管理部２０により選択された運転モードに基づき、可変磁束モータ１の目標とする回転数を演算し、演算結果に対応した回転数指令を回転数制御器１４に出力する。
【００５３】
回転数制御器１４は、回転数指令演算部１２により出力された回転数指令と、擬似微分器８により出力された回転子回転周波数ωＲとに基づき、可変磁束モータ１が所望のトルクになるように生成されたトルク指令Ｔｍ＊を出力する。
【００５４】
磁束指令演算部３１は、運転モード管理部２０により選択された運転モードに基づき、可変磁石の目標とする磁束値を演算して、磁束値に対応した磁束指令Φ＊を生成する。
【００５５】
電流基準演算部１１は、回転数制御器１４により出力されたトルク指令Ｔｍ＊と磁束指令演算部３１により出力された磁束指令Φ＊とに基づき、Ｄ軸電流基準ＩｄＲとＱ軸電流基準ＩｑＲとを演算する。
【００５６】
電圧指令演算部１０は、電流基準演算部１１により演算されたＤ軸電流基準ＩｄＲとＱ軸電流基準ＩｑＲとに基づき、当該基準にＤ軸電流Ｉｄ及びＱ軸電流Ｉｑが一致するように電流が流れるように、ＤＱ軸電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を演算して生成する。
【００５７】
ここで、磁化を必要としないため、磁化モード管理部２２による「磁化モード」フラグはＬ（ロー）である。したがって、電圧指令演算部１０は、磁化電流指令演算部３３による磁化電流指令ではなく、電流基準演算部１１により出力されたＤＱ軸電流基準に基づき、ＤＱ軸電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を演算して生成する。
【００５８】
座標変換部５は、電圧指令演算部１０により出力されたＤ軸電圧指令Ｖｄ＊、Ｑ軸電圧指令Ｖｑ＊を三相の電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に座標変換し、ＰＷＭ回路６に出力する。ＰＷＭ回路６は、運転モード管理部２０により出力されたゲート指令Ｇｓｔ、及び入力された三相の電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に基づき、インバータ４のスイッチング素子をオンオフ制御する。
【００５９】
次に、磁化を必要とする場合について説明する。図６は、磁化を行う際の可変磁束モータドライブシステムの各部の状態を示すタイムチャート図である。時刻ｔ０までは、上述した磁化を必要としない場合の動作と同じである。
【００６０】
時刻ｔ０において、運転モード管理部２０は、運転モードが変化した等の事情により磁化が必要であると判断し、「磁化要求」フラグを立てる。すなわち、運転モード管理部２０は、Ｈ（ハイ）状態の磁化要求フラグとして磁化モード管理部２２に出力する。その際、運転モード管理部２０は、Ｈ（ハイ）状態の「磁化要求」フラグを出力するのは一瞬でよく、その後は、「磁化要求」フラグをＬ（ロー）状態に戻して出力する。
【００６１】
磁化モード管理部２２は、磁化要求フラグが入力されると、「磁化モード」フラグを立てるとともに、電圧指令演算部１０にＨ（ハイ）状態の磁化モードフラグを出力する。なお、この磁化モードフラグは、磁化の完了する時刻ｔ２までＨ（ハイ）の状態を維持する。
【００６２】
回転数指令演算部１２と回転数制御器１４とは、磁化を必要としない場合と同様の動作を行うので、重複した説明を省略する。
【００６３】
また、磁化モード管理部２２は、磁化要求フラグが入力されると、「磁化電流ＵＰ」フラグを立てるとともに、磁化電流指令演算部３３にＨ（ハイ）状態の磁化電流ＵＰフラグを出力する。
【００６４】
磁束指令演算部３１は、運転モード管理部２０により選択された運転モードに基づき、可変磁石の目標とする磁束値を演算して、磁束値に対応した磁束指令Φ＊を生成する。ここで、磁化を必要とする運転モードが選択されているため、磁束指令演算部３１は、時刻ｔ０において磁束指令Φ＊の値を増加させる。
【００６５】
磁化電流指令演算部３３は、回転数制御器１４により出力されたトルク指令Ｔｍ＊と磁束指令演算部３１により出力された磁束指令Φ＊とに基づき、必要な磁化電流を計算し、磁化電流指令ＩｄＭ，ＩｑＭを生成する。また、磁化電流指令演算部３３は、今回の磁束指令Φ＊と可変磁石の磁化特性とに基づき、磁化電流目標値ＩｄＭ＊を算出して磁化モード管理部２２に出力する。
【００６６】
ここで、磁化電流指令演算部３３は、Ｈ（ハイ）状態の磁化電流ＵＰフラグが入力されているため、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの間において、磁化電流すなわちＤ軸の磁化電流指令ＩｄＭを、その時刻におけるＤ軸電流Ｉｄの値から磁化電流目標値ＩｄＭ＊に向けて漸増させる。なお、磁石磁束Φは、時刻ｔ０−ｔ１間において、Ｄ軸電流増加に基づく磁化により増加する。
【００６７】
なお、磁化中（「磁化モード」フラグが立っている間）は、磁化電流（Ｄ軸電流）を短時間で通常値以上に流すため、トルク変動が生じる。このトルク変動を低減するため、Ｄ軸電流に応じてＱ軸電流を変化させる必要がある。リラクタンストルクが生じるモータでのトルク式は、上述したように（２）式で表される。磁束量Φは、その時点におけるＤ軸電流と予め把握している磁化特性から推定される。したがって、磁化電流指令演算部３３は、推定ΦとＤ軸電流指令とモータ定数であるＤ軸インダクタンスＬｄ及びＱ軸インダクタンスＬｑから、トルク変動が無くトルク指令Ｔｍ＊に一致するような磁化電流指令ＩｑＭを演算する。
【００６８】
例えば、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの間のように、負突極機で増磁する際には、磁化電流指令演算部３３は、Ｑ軸電流を増加させるように磁化電流指令ＩｑＭを演算して生成する。
【００６９】
磁化モード管理部２２により磁化モードのフラグが立っているので、電圧指令演算部１０は、磁化電流指令演算部３３により生成されたＤ軸磁化電流指令ＩｄＭとＱ軸磁化電流指令ＩｑＭとに基づき、当該指令にＤ軸電流Ｉｄ及びＱ軸電流Ｉｑが一致するように電流が流れるように、ＤＱ軸電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を演算して生成する。
【００７０】
なお、電流基準演算部１１は、時刻ｔ０において、回転数制御器１４により出力されたトルク指令Ｔｍ＊と磁束指令演算部３１により出力された磁束指令Φ＊とに基づき、Ｄ軸電流基準ＩｄＲとＱ軸電流基準ＩｑＲとを演算する。Ｄ軸電流ＩｄとＱ軸電流Ｉｑとは、磁化が完了した際に（時刻ｔ２）、それぞれＤ軸電流基準ＩｄＲとＱ軸電流基準ＩｑＲとに一致するように制御される。
【００７１】
次に、磁化モード管理部２２は、座標変換部７により出力されたＤ軸電流Ｉｄと磁化電流指令演算部３３により出力された磁化電流目標値ＩｄＭ＊とを監視し、Ｄ軸電流Ｉｄが磁化電流目標値ＩｄＭ＊に達すると（時刻ｔ１）、「磁化電流ＵＰ」フラグをＬ（ロー）に落とすとともに、「磁化電流印加完了」フラグをＨ（ハイ）状態にする。
【００７２】
ここで、磁化電流指令演算部３３は、Ｈ（ハイ）状態の磁化電流印加完了フラグが入力されているため、磁化電流すなわちＤ軸の磁化電流指令ＩｄＭを、その時刻（ｔ１）におけるＤ軸電流Ｉｄの値から通常運転時の目標であるＤ軸電流基準ＩｄＲに向けて漸減させる。また、この間にも、過渡トルクが生じないように、Ｑ軸電流を適正に流す。
【００７３】
次に、磁化モード管理部２２は、座標変換部７により出力されたＤ軸電流Ｉｄと電流基準演算部１１により出力されたＤ軸電流基準ＩｄＲとを監視し、Ｄ軸電流ＩｄがＤ軸電流基準ＩｄＲに達すると（時刻ｔ２）、「磁化モード」フラグをＬ（ロー）に落とすとともに、「磁化完了」フラグをＨ（ハイ）状態にする。
【００７４】
本実施例の可変磁束モータドライブシステムは、以上の動作をもって磁化が完了し、時刻ｔ２以降は通常制御になる。通常制御においては、上述した磁化を必要としない場合と同様であり、電圧指令演算部１０は、電流基準演算部１１により演算されたＤ軸電流基準ＩｄＲとＱ軸電流基準ＩｑＲとに基づき、当該基準にＤ軸電流Ｉｄ及びＱ軸電流Ｉｑが一致するように電流が流れるように、ＤＱ軸電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を演算して生成する。
【００７５】
なお、本実施例における可変磁束モータドライブシステムは、時刻ｔ１以降において磁石磁束Φが増加したため、時刻ｔ０以前に比して時刻ｔ２以降はＤ軸電流を増加させＱ軸電流を減少させてトルクを一定に維持する。
【００７６】
その他の作用は、上述した磁化を必要としない場合と同様であり、重複した説明を省略する。
【００７７】
上述のとおり、本発明の実施例１の形態に係る可変磁束モータドライブシステムによれば、トルクや回転数の異なる複数の運転モードを有する装置に当該可変磁束モータドライブシステムを適用した場合においても、運転モード管理部２０が状況に応じて運転モードを選択するとともに、磁束指令演算部３１が選択された運転モードに基づいて可変磁石の目標とする磁束値を演算するので、各運転モードに最適な磁束値が選択され、システムの高効率化や騒音抑制を図ることができる。
【００７８】
特に、磁束指令演算部３１は、当該可変磁束モータドライブシステムの効率改善情報、安全性改善情報、及び騒音改善情報のいずれかを有しており、運転モード管理部２０により選択された運転モードに応じて、上記情報に基づき、可変磁石の目標とする磁束値を演算する。すなわち、本実施例における可変磁束モータドライブシステムは、運転モードに応じて最適な磁束値を決定することができる。ここで、「最適」とは、様々な指標があるが、例えばシステムの効率であり、あるいは、一方のモードでは効率を優先して、他方のモードでは騒音抑制を優先するような場合がある。したがって、本システムは、適用する機器に適した「最適性」を向上することができる。
【実施例２】
【００７９】
図７は、本発明の実施例２の可変磁束モータドライブシステムの構成を示すブロック図である。実施例１の構成と異なる点は、荷重算出部１５が設けられている点である。また、本実施例における可変磁束モータドライブシステムは、エレベータに適用されている。
【００８０】
荷重算出部１５は、エレベータのかご内の積載荷重（乗車荷重）を算出し、磁束指令演算部３１ａに出力する。
【００８１】
運転モード管理部２０ａは、エレベータを加速させる場合の運転モード（加速モード）と、エレベータを減速させる場合の運転モード（減速モード）と、エレベータを定速運転させる場合の運転モード（定速モード）と、エレベータを停止させる場合の運転モード（停止モード）とを有する。
【００８２】
すなわち、本実施例において、運転モード管理部２０ａが有する複数の運転モードの少なくとも１つは、可変磁束モータ１のトルク及び回転数の少なくとも一方に基づく運転モードであるといえる。また、停止モードを有するため、運転モード管理部２０ａが有する複数の運転モードの少なくとも１つは、インバータ４の動作状態又は停止状態に基づく運転モードであるといえる。
【００８３】
磁束指令演算部３１ａは、運転モードのみならず、さらにエレベータのかご内の積載荷重に応じて可変磁石の目標とする磁束値を演算して、磁束値に対応した磁束指令を生成する。
【００８４】
回転数指令演算部１２ａは、運転モード管理部２０ａにより選択された運転モードに基づき、可変磁束モータ１の目標とする回転数を演算し、演算結果に対応した回転数指令を回転数制御器１４、運転モード管理部２０ａ、及び磁束指令演算部３１ａに出力する。
その他の構成は、実施例１と同様であり、重複した説明を省略する。
【００８５】
次に、上述のように構成された本実施の形態の作用を説明する。図８は、本実施例の可変磁束モータドライブシステムを適用したエレベータにおける制御の状態を示すタイムチャート図である。
【００８６】
最初に、停止しているエレベータを他の階に移すため、運転指令Ｒｕｎ＊が運転モード管理部２０ａに入力される。運転モード管理部２０ａは、入力された運転指令Ｒｕｎ＊に基づき、複数の運転モードから「加速モード」を選択する。また、運転モード管理部２０ａは、Ｈ（ハイ）状態のゲート指令ＧｓｔをＰＷＭ回路６に出力し、インバータ４の動作を開始させる。
【００８７】
回転数指令演算部１２ａは、運転モード管理部２０ａにより選択された加速モードに基づき、可変磁束モータ１の目標とする回転数を演算し、演算結果に対応した回転数指令を回転数制御器１４、運転モード管理部２０ａ、及び磁束指令演算部３１ａに出力する。
【００８８】
回転数制御器１４は、回転数指令演算部１２ａにより出力された回転数指令と、擬似微分器８により出力された回転子回転周波数ωＲとに基づき、可変磁束モータ１が所望のトルクになるように生成されたトルク指令Ｔｍ＊を出力する。図８に示すように、加速域において、可変磁束モータ１は、所定のトルクで目標とする回転数に向けて徐々に回転数を上げるように制御される。
【００８９】
磁束指令演算部３１ａは、運転モード管理部２０ａにより選択された運転モードと回転数指令演算部１２ａにより出力された回転数指令と荷重算出部１５により算出された乗車荷重とに基づき、可変磁石の目標とする磁束値を演算して、磁束値に対応した磁束指令Φ＊を生成する。
【００９０】
具体的には、磁束指令演算部３１ａは、入力される乗車荷重を必要トルクの決定に用いる。必要トルクが大きい場合には、磁束指令演算部３１ａは、必要トルクに応じた大きな磁束値を磁束指令として出力する必要があるからである。なお、必要トルクの決定に際し、磁束指令演算部３１ａは、乗車荷重に基づき、運動系の質量及び運動系に作用する外力を算出する。一般的にエレベータは、カウンターウェイトによって所定の乗車荷重で力が不要となるように設計されており、乗車荷重が増減すると、外力が必要となる。したがって、磁束指令演算部３１ａは、乗車荷重に基づき、運動系の質量及び運動系に作用する外力を算出して必要トルクを決定するとともに、運転モードと必要トルク（さらに必要に応じて回転数指令）に基づき、最適な磁束指令を出力する。
【００９１】
ここで、「最適」とは、様々な場合が考えられるが、例えば運転による損失を最小化してモータ・インバータを含めた最高効率となるような磁束量である場合や、音が静かな磁束量である場合等である。
【００９２】
磁束指令演算部３１ａは、運転モードと乗車荷重に基づいて磁束指令を決定する方法として、関数を用いてもよいし、テーブルを参照してもよい。なお、磁束指令演算部３１ａは、目標階によっては、後述する「定速モード」の回転数が異なる場合もあるため、運転モード、乗車荷重、及び回転数を入力として磁束指令を求めてもよい。また、上述したように、乗車荷重とはトルクを決定する一要素であるため、磁束指令演算部３１ａは、運転モード、必要トルク、及び回転数を入力として磁束指令を求めてもよい。
【００９３】
なお、磁束指令演算部３１ａは、基本的に運転モードが変更されない限り、可変磁石の磁束値を一定に保つように制御する。したがって、磁束指令演算部３１ａは、運転モードのモードチェンジ時にのみ磁化（可変磁石の磁束値の変更）を行い、運転モードの変更が完了した後は、その直前のモードチェンジ時に設定された磁束値を保つように磁束指令Φ＊を出力する。以降の実施例においても同様である。
【００９４】
加速モードにおけるその他の作用は、実施例１の磁化を必要としない場合と同様であり、重複した説明を省略する。
【００９５】
運転モード管理部２０ａは、回転数指令演算部１２ａにより出力された回転数指令と擬似微分器８により出力された回転子回転周波数ωＲとを監視しており、所定の回転数に達した際（時刻ｔ０）に、定速モードを選択して出力する。
【００９６】
時刻ｔ０において、運転モード管理部２０ａは、磁化が必要であると判断し、「磁化要求」フラグを立てる。すなわち、運転モード管理部２０ａは、Ｈ（ハイ）状態の磁化要求フラグとして磁化モード管理部２２に出力する。
【００９７】
時刻ｔ０の磁化時におけるその他の作用は、実施例１の磁化を必要とする場合と同様であり、重複した説明を省略する。ただし、時刻ｔ０においては、運転モードが「加速モード」から「定速モード」に変更されるため、大きなトルク値を必要とせず低トルク値でよい。特に、エレベータのかごとカウンターウェイトが釣り合う状態である場合には、定速モードにおけるトルク値は略０となる。また低トルクでよいため、当該可変磁束モータドライブシステムは、磁石磁束量に自由度があり、磁束値を低減して鉄損を減らすことができる。
【００９８】
したがって、本実施例の時刻ｔ０における磁化時には、磁化電流は減少方向に制御されるので、磁化モード管理部２２は、磁化要求フラグが入力されると、「磁化電流ＵＰ」フラグではなく、「磁化電流ＤＯＷＮ」フラグを立てる。磁化電流指令演算部３３は、Ｈ（ハイ）状態の磁化電流ＤＯＷＮフラグが入力されているため、磁化電流すなわちＤ軸の磁化電流指令ＩｄＭを、その時刻（ｔ０）におけるＤ軸電流Ｉｄの値から磁化電流目標値ＩｄＭ＊に向けて漸減させる。
【００９９】
本実施例において、可変磁束モータドライブシステムは、時刻ｔ０において瞬間的に磁化が終了し磁石磁束を減少させているが、実際には実施例１の磁化が必要な場合と同様の動作を経ている。
【０１００】
時刻ｔ０−ｔ１に間において、運転モード管理部２０ａは、定速モードを選択して出力する。したがって、回転数指令演算部１２ａは、加速モードにおいて目標とした可変磁束モータ１の回転数を維持するために、対応する回転数指令を回転数制御器１４、運転モード管理部２０ａ、及び磁束指令演算部３１ａに出力する。
【０１０１】
回転数制御器１４は、回転数指令演算部１２ａにより出力された回転数指令と、擬似微分器８により出力された回転子回転周波数ωＲとに基づき、可変磁束モータ１が所定の低トルク値（あるいは略０）を維持するように生成されたトルク指令Ｔｍ＊を出力する。図８に示すように、定速域において、可変磁束モータ１は、所定の低トルク及び所定の回転数を維持するように制御される。
【０１０２】
磁束指令演算部３１ａは、運転モード管理部２０ａにより選択された運転モード（定速モード）と回転数指令演算部１２ａにより出力された回転数指令と荷重算出部１５により算出された乗車荷重とに基づき、可変磁石の目標とする磁束値を演算して、磁束値に対応した磁束指令Φ＊を生成する。
【０１０３】
具体的には、磁束指令演算部３１ａは、時刻ｔ０の磁化時において低減させた磁束値を保つように磁束指令Φ＊を生成する。
【０１０４】
運転モード管理部２０ａは、エレベータのかごが予め決められた所定距離を移動するか、あるいは定速モードにおいて所定時間が経過した際（時刻ｔ１）に、減速モードを選択して出力する。
【０１０５】
時刻ｔ１において、運転モード管理部２０ａは、磁化が必要であると判断し、「磁化要求」フラグを立てる。すなわち、運転モード管理部２０ａは、Ｈ（ハイ）状態の磁化要求フラグとして磁化モード管理部２２に出力する。
【０１０６】
時刻ｔ１の磁化時におけるその他の作用は、時刻ｔ０の磁化時と同様であり、重複した説明を省略する。ただし、時刻ｔ１においては、運転モードが「定速モード」から「減速モード」に変更されるため、減速させるために所定のトルク値を必要とする。なお、減速させるために必要なトルクは、加速時におけるトルクと力の方向が逆であるが、図８におけるトルクは、絶対値を示しているため加速時と減速時でいずれも正の値を示す。
【０１０７】
また、加速モードにおける加速度と減速モードにおける減速度が等しい場合には、両モードにおけるトルクの絶対値は等しいものとなる。ただし、本実施例においては、図８に示すように、トルクの絶対値は加速域の方が減速域よりも大きい。例えば、エレベータのかごの乗車荷重がカウンターウェイトよりも重い場合にエレベータを上昇させると、可変磁束モータ１のトルク値は、図８に示すような値となる。
【０１０８】
減速させるために所定のトルク値を必要とするため、当該可変磁束モータドライブシステムは、時刻ｔ１の磁化時において、磁束値を増加させる。
【０１０９】
時刻ｔ１以後において、運転モード管理部２０ａは、減速モードを選択して出力する。したがって、回転数指令演算部１２ａは、可変磁束モータ１の目標とする回転数を０とし、回転数指令を回転数制御器１４、運転モード管理部２０ａ、及び磁束指令演算部３１ａに出力する。
【０１１０】
回転数制御器１４は、回転数指令演算部１２ａにより出力された回転数０を目標とする回転数指令と、擬似微分器８により出力された回転子回転周波数ωＲとに基づき、可変磁束モータ１が減速に必要なトルク値を維持するように生成されたトルク指令Ｔｍ＊を出力する。図８に示すように、減速域において、可変磁束モータ１は、所定のトルクを維持して回転数を徐々に減少させるように制御される。
【０１１１】
磁束指令演算部３１ａは、運転モード管理部２０ａにより選択された運転モード（減速モード）と回転数指令演算部１２ａにより出力された回転数指令と荷重算出部１５により算出された乗車荷重とに基づき、可変磁石の目標とする磁束値を演算して、磁束値に対応した磁束指令Φ＊を生成する。
【０１１２】
その後、運転モード管理部２０ａは、擬似微分器８により出力された回転子回転周波数ωＲに基づき回転数が０になると、停止モードを選択して出力する。可変磁束モータドライブシステムの各部は、停止に必要な処理を行った後、停止する。
【０１１３】
その他の作用は、実施例１と同様であり、重複した説明を省略する。
【０１１４】
上述のとおり、本発明の実施例２の形態に係る可変磁束モータドライブシステムによれば、実施例１の効果に加え、エレベータの有する「加速モード」、「減速モード」、「定速モード」、「停止モード」の４つのモードに対して、可変磁石の磁束値を適切な値に制御することができる。運転モード管理部２０ａが可変磁束モータ１のトルクや回転数、あるいはインバータ４の動作状態や停止状態に基づく運転モードを有するので、磁束指令演算部３１ａは、各運転モードに最適な磁束値を決定してシステムの効率化を図ることができる。
【０１１５】
具体的には、定速モードや停止モードの際のようにトルクを必要としない場合においては、磁束指令演算部３１ａは、可変磁石の磁束値を抑えて鉄損を減少させることができる。また、加速モードや減速モードにおいても、磁束指令演算部３１ａは、エレベータのかご内の乗車荷重に基づく必要トルクを考慮に入れ、磁束値に自由度がある場合には適切な磁束値に設定するので、損失を抑えてシステムの効率化を図ることができる。
【実施例３】
【０１１６】
図９は、本発明の実施例３の可変磁束モータドライブシステムの構成を示すブロック図である。実施例２の構成と異なる点は、荷重算出部１５の代わりに洗濯量算出部１６が設けられている点である。また、本実施例における可変磁束モータドライブシステムは、洗濯機に適用されている。
【０１１７】
洗濯量算出部１６は、洗濯機内の洗濯量（重量）を算出し、磁束指令演算部３１ｂに出力する。
【０１１８】
運転モード管理部２０ｂは、洗濯機により洗濯物を洗う場合の運転モード（洗いモード）と、洗濯機によりすすぎを行う場合の運転モード（すすぎモード）と、洗濯機により脱水を行う場合の運転モード（脱水モード）と、洗濯機により乾燥を行う場合の運転モード（乾燥モード）とを有する。
【０１１９】
磁束指令演算部３１ｂは、運転モードのみならず、さらに洗濯機内に収容されている洗濯物の量（重量）に応じて可変磁石の目標とする磁束値を演算して、磁束値に対応した磁束指令を生成する。
【０１２０】
回転数指令演算部１２ｂは、運転モード管理部２０ｂにより選択された運転モードに基づき、可変磁束モータ１の目標とする回転数を演算し、演算結果に対応した回転数指令を回転数制御器１４、運転モード管理部２０ｂ、及び磁束指令演算部３１ｂに出力する。
【０１２１】
その他の構成は、実施例２と同様であり、重複した説明を省略する。
【０１２２】
次に、上述のように構成された本実施の形態の作用を説明する。図１０は、本実施例の可変磁束モータドライブシステムを適用した洗濯機における制御の状態を示すタイムチャート図である。
【０１２３】
最初に、洗濯機内に収容されている洗濯物を洗うため、運転指令Ｒｕｎ＊が運転モード管理部２０ｂに入力される。運転モード管理部２０ｂは、入力された運転指令Ｒｕｎ＊に基づき、複数の運転モードから「洗いモード」を選択する。また、運転モード管理部２０ｂは、Ｈ（ハイ）状態のゲート指令ＧｓｔをＰＷＭ回路６に出力し、インバータ４の動作を開始させる。
【０１２４】
回転数指令演算部１２ｂは、運転モード管理部２０ｂにより選択された洗いモードに基づき、可変磁束モータ１の目標とする回転数を演算し、演算結果に対応した回転数指令を回転数制御器１４、運転モード管理部２０ｂ、及び磁束指令演算部３１ｂに出力する。
【０１２５】
回転数制御器１４は、回転数指令演算部１２ｂにより出力された回転数指令と、擬似微分器８により出力された回転子回転周波数ωＲとに基づき、可変磁束モータ１が所望のトルクになるように生成されたトルク指令Ｔｍ＊を出力する。
【０１２６】
磁束指令演算部３１ｂは、運転モード管理部２０ｂにより選択された運転モードと回転数指令演算部１２ｂにより出力された回転数指令と洗濯量算出部１６により算出された洗濯量とに基づき、可変磁石の目標とする磁束値を演算して、磁束値に対応した磁束指令Φ＊を生成する。
【０１２７】
具体的には、磁束指令演算部３１ｂは、入力される洗濯量を必要トルクの決定に用い、運転モード及び洗濯量（必要であればさらに回転数）に基づき最適な磁束値を決定する。
【０１２８】
ここで、「最適」とは、様々な場合が考えられるが、例えば運転による損失を最小化してモータ・インバータを含めた最高効率となるような磁束量である場合や、音が静かな磁束量である場合等である。
【０１２９】
また、実施例２と同様に、洗濯量とはトルクを決定する一要素であるため、磁束指令演算部３１ｂは、運転モード、必要トルク、及び回転数を入力として磁束指令を求めてもよい。磁束指令を求める際に、磁束指令演算部３１ｂは、運転モードと洗濯量（又は必要トルク）と回転数とに基づいて磁束指令を決定する方法として、関数を用いてもよいし、テーブルを参照してもよい。
【０１３０】
洗いモードにおけるその他の作用は、実施例２の場合（例えば定速モード）と同様であり、重複した説明を省略する。
【０１３１】
運転モード管理部２０ｂは、予め決められた所定時間を経過した際（時刻ｔ０）に、すすぎモードを選択して出力する。なお、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの間において、洗いモードからすすぎモードへのモードチェンジが行われる。運転モード管理部２０ｂは、モードチェンジを行うための「チェンジモード」を運転モードの１つとして有していてもよい。
【０１３２】
時刻ｔ０−ｔ１間において、運転モード管理部２０ｂは、磁化が必要であると判断し、「磁化要求」フラグを立てる。すなわち、運転モード管理部２０ｂは、Ｈ（ハイ）状態の磁化要求フラグとして磁化モード管理部２２に出力する。
【０１３３】
また、回転数指令演算部１２ｂは、磁化部であるインバータ４により可変磁石の磁束が変更される際に可変磁束モータ１の目標とする回転数を現在の回転数未満の値に設定するか又は停止させる。また、回転数制御器１４は、磁化部であるインバータ４により可変磁石の磁束が変更される際に可変磁束モータ１の目標とするトルクを現在のトルク未満の値か又は零近傍に設定するためのトルク指令Ｔｍ＊を生成し出力する。すなわち、モードチェンジ中は、回転数やトルクが減少方向に制御され、その間に当該可変磁束モータドライブシステムは、磁化（可変磁石の磁束値の増加あるいは減少）を行う。
【０１３４】
モードチェンジ中の磁化時におけるその他の作用は、実施例１，２の磁化時と同様であり、重複した説明を省略する。
【０１３５】
その後、運転モード管理部２０ｂは、予め計画された時間等を考慮して、順次運転モードを「すすぎモード」、「脱水モード」、「乾燥モード」に移行する。また、運転モードを変更する際のモードチェンジ中には、当該可変磁束モータドライブシステムは、上述した洗いモードからすすぎモードへのモードチェンジ時と同様に、回転数やトルクを落とし、その間に磁化を行う。
【０１３６】
図１０に示すように、各運転モードは、それぞれ自己のモードにおける洗濯物に対する作用に応じて、異なる回転数やトルクを有する。したがって、磁束指令演算部３１ｂは、モードチェンジ中の磁化時において、運転モード管理部２０ｂにより選択された運転モードと回転数指令演算部１２ｂにより出力された回転数指令と洗濯量算出部１６により算出された洗濯量とに基づき、次の運転モードに最適な磁束値を演算して、磁束値に対応した磁束指令Φ＊を生成する。
【０１３７】
その他の作用は、実施例２と同様であり、重複した説明を省略する。
【０１３８】
上述のとおり、本発明の実施例３の形態に係る可変磁束モータドライブシステムによれば、実施例１及び実施例２の効果に加え、洗濯機の有する「洗いモード」、「すすぎモード」、「脱水モード」、「乾燥モード」の４つのモードに対して、可変磁石の磁束値を適切な値に制御することができる。
【０１３９】
また、磁化時には、過大な磁化電流を流すため、磁化部であるインバータ４は、定常電圧よりも大きな電圧を必要とする。したがって、回転数が高い場合には、出力電圧に余裕が無いため、インバータ４は、磁化を行うための磁化電流を流すことが困難である。そこで、本実施例の可変磁束モータドライブシステムは、モードチェンジの際に回転数を下げて電圧余裕がある状態にした後に磁化を行うので、インバータ４の耐圧を上げることやインバータ４に入力する電圧を上げる必要もなく、低コストで実現できる。
【０１４０】
さらに、トルクが０（あるいは零近傍）のときに磁化を行うので、トルクショックを小さくすることができる。本実施例においては、当該可変磁束モータドライブシステムは、モードチェンジの間にトルク０となる回転数０の状態にするので、磁化する際のトルクショックを抑制することができる。
【０１４１】
また、トルクショックを抑えることにより、装置や部品にかかるストレスを軽減して寿命や信頼性が向上するとともに、騒音を抑えることもできる。
【実施例４】
【０１４２】
図１１は、本発明の実施例４の可変磁束モータドライブシステムの構成を示すブロック図である。実施例３の構成と異なる点は、洗濯量算出部１６の代わりに温度測定部１７が設けられている点である。また、本実施例における可変磁束モータドライブシステムは、空調機に適用されている。
【０１４３】
温度測定部１７は、外気温度を測定し、磁束指令演算部３１ｃに出力する。
【０１４４】
運転モード管理部２０ｃは、空調機が急速冷暖房を行う場合の加速運転の運転モード（加速モード）と、空調機が目標温度に達した後に行う定常運転の運転モード（定常モード）と、運転モードの変更を行う場合の運転モード（モードチェンジモード）とを有する。また、運転モード管理部２０ｃは、空調機の停止時にインバータ４や可変磁束モータ１を停止するための停止モードを有してもよい。
【０１４５】
磁束指令演算部３１ｃは、運転モードのみならず、さらに温度測定部１７により測定された外気温度に応じて可変磁石の目標とする磁束値を演算して、磁束値に対応した磁束指令を生成する。
【０１４６】
回転数指令演算部１２ｃは、運転モード管理部２０ｃにより選択された運転モードに基づき、可変磁束モータ１の目標とする回転数を演算し、演算結果に対応した回転数指令を回転数制御器１４、運転モード管理部２０ｃ、及び磁束指令演算部３１ｃに出力する。
その他の構成は、実施例３と同様であり、重複した説明を省略する。
【０１４７】
次に、上述のように構成された本実施の形態の作用を説明する。図１２は、本実施例の可変磁束モータドライブシステムを適用した空調機における制御の状態を示すタイムチャート図である。
【０１４８】
最初に、空調機により設定された温度に調節するため、運転指令Ｒｕｎ＊が運転モード管理部２０ｃに入力される。運転モード管理部２０ｃは、入力された運転指令Ｒｕｎ＊に基づき、複数の運転モードから「加速モード」を選択する。また、運転モード管理部２０ｃは、Ｈ（ハイ）状態のゲート指令ＧｓｔをＰＷＭ回路６に出力し、インバータ４の動作を開始させる。
【０１４９】
回転数指令演算部１２ｃは、運転モード管理部２０ｃにより選択された加速モードに基づき、可変磁束モータ１の目標とする回転数を演算し、演算結果に対応した回転数指令を回転数制御器１４、運転モード管理部２０ｃ、及び磁束指令演算部３１ｃに出力する。
【０１５０】
回転数制御器１４は、回転数指令演算部１２ｃにより出力された回転数指令と、擬似微分器８により出力された回転子回転周波数ωＲとに基づき、可変磁束モータ１が所望のトルクになるように生成されたトルク指令Ｔｍ＊を出力する。
【０１５１】
磁束指令演算部３１ｃは、運転モード管理部２０ｃにより選択された運転モードと回転数指令演算部１２ｃにより出力された回転数指令と温度測定部１７により算出された外気温度とに基づき、可変磁石の目標とする磁束値を演算して、磁束値に対応した磁束指令Φ＊を生成する。
【０１５２】
具体的には、磁束指令演算部３１ｃは、入力される外気温度と加速モードが有する設定温度情報とを必要トルクの決定に用い、運転モード及び外気温度（必要であればさらに回転数）に基づき最適な磁束値を決定する。例えば、運転モード管理部２０ｃにより出力された運転モード（加速モード）が有する設定温度と外気温度の差が大きい場合には、高トルクや高回転数が必要となり、磁束指令演算部３１ｃは、状況に応じて効率が最大化するように磁束値を設定する必要がある。
【０１５３】
また、実施例３と同様に、外気温度とはトルクを決定する一要素であるため、磁束指令演算部３１ｃは、運転モード、必要トルク、及び回転数を入力として磁束指令を求めてもよい。
【０１５４】
加速モードにおけるその他の作用は、実施例３の場合（例えば洗いモード）と同様であり、重複した説明を省略する。
【０１５５】
運転モード管理部２０ｃは、運転指令Ｒｕｎ＊により設定された目標温度と実温度（例えば温度測定部１７による外気温度）を比較し、実温度が目標温度に達した場合（時刻ｔ０）には、複数の運転モードから「モードチェンジモード」を選択して出力し、その後「定常モード」を選択して出力する（時刻ｔ２）。
【０１５６】
回転数指令演算部１２ｃは、磁化部であるインバータ４により可変磁石の磁束が変更される際に可変磁束モータ１の目標とする回転数を現在の回転数未満の値に設定するか又は停止させる。また、回転数制御器１４は、磁化部であるインバータ４により可変磁石の磁束が変更される際に可変磁束モータ１の目標とするトルクを現在のトルク未満の値か又は零近傍に設定するためのトルク指令Ｔｍ＊を生成し出力する。すなわち、モードチェンジモード（時刻ｔ０から時刻ｔ２まで）の間は、回転数やトルクが減少方向に制御され、その間に当該可変磁束モータドライブシステムは、磁化（可変磁石の磁束値の増加あるいは減少）を行う（時刻ｔ１）。
【０１５７】
ここで、図１３は、本実施例の可変磁束モータドライブシステムを適用した空調機における制御の状態を示すタイムチャート図の別例である。図１２の場合と異なるのは、モードチェンジモード（時刻ｔ０から時刻ｔ２まで）の間において、可変磁束モータ１の回転数およびトルクが０である点である。空調機においては、図１３に示すようにモードチェンジ時に回転を一瞬止める方式は、局所的な冷暖房性能劣化を招くが、むしろ大局的に効く“効率”が向上するので、有効な方式である。磁化に要する時間は、せいぜい１秒以内であり、実用上の問題は生じない。
【０１５８】
なお、時刻ｔ０−ｔ２間において、運転モード管理部２０ｃは、磁化が必要であると判断し、「磁化要求」フラグを立てる。すなわち、運転モード管理部２０ｃは、Ｈ（ハイ）状態の磁化要求フラグとして磁化モード管理部２２に出力する。
【０１５９】
モードチェンジ中の磁化時（時刻ｔ１）におけるその他の作用は、実施例１乃至３の磁化時と同様であり、重複した説明を省略する。
【０１６０】
定常モードが選択されている間は、空調機は、設定温度に気温を保つための運転を行う。したがって、通常は軽負荷であり、回転数指令演算部１２ｃは、可変磁束モータ１の回転数を所定の値（加速モードよりも低い値）に保つ。
【０１６１】
その後、運転モード管理部２０ｃは、外気温度の変化や外部入力による設定温度の変更等に基づき、運転モードを「加速モード」と「定常モード」との間で変更する。また、運転モードを変更する際には「モードチェンジモード」が選択され、当該可変磁束モータドライブシステムは、回転数やトルクを落とし、その間に磁化を行う。
【０１６２】
磁束指令演算部３１ｃは、モードチェンジ中の磁化時において、運転モード管理部２０ｃにより次に選択される運転モード（現在のモードチェンジモードの次に選択される予定の運転モード）と回転数指令演算部１２ｃにより出力された回転数指令と温度測定部１７により算出された外気温度とに基づき、次の運転モードに最適な磁束値を演算して、磁束値に対応した磁束指令Φ＊を生成する。
【０１６３】
その他の作用は、実施例３と同様であり、重複した説明を省略する。
【０１６４】
上述のとおり、本発明の実施例４の形態に係る可変磁束モータドライブシステムによれば、実施例１乃至実施例３の効果に加え、空調機の有する「加速モード」及び「定常モード」の運転モードに対して、可変磁石の磁束値を適切な値に「モードチェンジモード」時に制御することができる。
【０１６５】
また、磁化時には、過大な磁化電流を流すため、磁化部であるインバータ４は、定常電圧よりも大きな電圧を必要とする。したがって、回転数が高い場合には、出力電圧に余裕が無いため、インバータ４は、磁化を行うための磁化電流を流すことが困難である。そこで、本実施例の可変磁束モータドライブシステムは、モードチェンジの際に回転数を下げて、磁石磁束による誘起電圧を下げて、電圧余裕がある状態にした後に磁化を行うので、インバータ４の耐圧を上げることやインバータ４に入力する電圧を上げる必要もなく、低コストで実現できる。
【０１６６】
さらに、トルクが０（あるいは零近傍）のときに磁化を行うので、トルクショックを小さくすることができる。磁化によるトルクショックは、トルク電流が零である方が低減できる。（２）式より、Ｉｑが零でない場合には、リラクタンストルクは、Ｉｄを増減したときに大きく変動する。これがトルクショックとなるからである。
【０１６７】
本実施例においては、当該可変磁束モータドライブシステムは、モードチェンジの間にトルク０となる回転数０の状態にするので、磁化する際のトルクショックを抑制することができる。
【０１６８】
また、トルクショックを抑えることにより、装置や部品にかかるストレスを軽減して寿命や信頼性が向上するとともに、騒音を抑えることもできる。
【実施例５】
【０１６９】
図１４は、本発明の実施例５の可変磁束モータドライブシステムの構成を示すブロック図である。実施例４の構成と異なる点は、温度測定部１７の代わりに応荷重算出部１９が設けられている点と、さらにトルク指令演算部２３及び切替器２５が設けられている点である。また、本実施例における可変磁束モータドライブシステムは、電車に適用されている。
【０１７０】
応荷重算出部１９は、電車の車両に対する応荷重（乗車人員の荷重）を算出し、磁束指令演算部３１ｄ及びトルク指令演算部２３に出力する。
【０１７１】
トルク指令演算部２３は、運転モード管理部２０ｄにより選択された運転モードに基づき可変磁束モータ１の目標とするトルクを演算する。また、トルク指令演算部２３は、磁化部であるインバータ４により可変磁石の磁束が変更される際に可変磁束モータ１の目標とするトルクを現在のトルク未満の値か又は零近傍に設定するものでもよい。
【０１７２】
また、切替器２５は、運転モード管理部２０ｄにより選択され出力された運転モードに応じて、トルク指令演算部２３又は回転数制御器１４のいずれかにより出力されたトルク指令Ｔｍ＊を選択して、電流基準演算部１１及び磁化電流指令演算部３３に出力する。
【０１７３】
運転モード管理部２０ｄは、鉄道車両（電車）を加速させる場合の運転モード（加速モード）と、鉄道車両を減速させる場合の運転モード（減速モード）と、鉄道車両を定速運転させる場合の運転モード（定速モード）と、鉄道車両を惰性走行させる場合の運転モード（惰行モード）と、鉄道車両を停止させる場合の運転モード（停止モード）とを有する。
【０１７４】
磁束指令演算部３１ｄは、運転モードのみならず、応荷重算出部１９により算出された応荷重（鉄道車両内の積載荷重）に応じて可変磁石の目標とする磁束値を演算して、磁束値に対応した磁束指令を生成する。
【０１７５】
擬似微分器８は、回転角度センサ１８により検出された角度を微分して得た回転子回転周波数ωＲを回転数制御器１４、トルク指令演算部２３、磁束指令演算部３１ｄ、電圧指令演算部１０、及び運転モード管理部２０ｄに出力する。
【０１７６】
その他の構成は、実施例４と同様であり、重複した説明を省略する。
【０１７７】
次に、上述のように構成された本実施の形態の作用を説明する。図１５は、本実施例の可変磁束モータドライブシステムを適用した電車における制御の状態を示すタイムチャート図である。
【０１７８】
最初に、時刻ｔ０において鉄道車両を加速させるため、運転士の操作に基づくノッチ（運転指令）が運転モード管理部２０ｄに入力される。時刻ｔ０において実施例１と同様の磁化が瞬間的に行われた後、運転モード管理部２０ｄは、入力されたノッチに基づき、複数の運転モードから「加速モード」を選択する。
【０１７９】
なお、本実施例においても今までの実施例と同様に、運転モードのモードチェンジ時において磁化が行われるが、磁束指令演算部３１ｄは、様々な要素に基づき最適な磁束値を演算する。例えば、最大トルクが必要な場合には、磁束指令演算部３１ｄは、最大磁石磁束に対応する磁束指令を出力するほか無いが、小中トルクでよい場合には磁石磁束量に自由度があり、最適な磁束値に制御できる。
【０１８０】
一般に、磁石磁束を大きくすれば、Ｑ軸電流Ｉｑが小さくなり鉄損が増加する。逆に、磁石磁束を小さくすれば、Ｑ軸電流Ｉｑが増加し、鉄損が減る。さらに、音について言えば、可変磁石の磁束を大きくすると、磁歪音（騒音）が大きくなる。
【０１８１】
したがって、磁束指令演算部３１ｄは、上述したような情報をもとに、予め当該可変磁束モータドライブシステムの効率改善情報、安全性改善情報、及び騒音改善情報の少なくとも１つを有しており、選択された運転モードに対する最適な磁束値を演算する際に利用する。
【０１８２】
また、運転モード管理部２０ｄは、Ｈ（ハイ）状態のゲート指令ＧｓｔをＰＷＭ回路６に出力し、インバータ４の動作を開始させる。さらに、切替器２５は、「加速モード」が選択されたことにより、トルク指令演算部２３により出力されたトルク指令Ｔｍ＊を選択して電流基準演算部１１及び磁化電流指令演算部３３に出力する。
【０１８３】
運転モード管理部２０ｄに入力されるノッチには、カ行ノッチとブレーキノッチとが存在する。運転モード管理部２０ｄは、カ行ノッチに応じて「加速モード」を選択し、ブレーキノッチに応じて「減速モード」を選択する。車種によるが、ノッチの段数として、カ行４段、ブレーキ７段等がある。
【０１８４】
ノッチは、回転数と応荷重に依存したトルクパターンを規定するものである。ただし、ノッチは、トルク指令というよりは加速度指令に相当するものである。
【０１８５】
トルク指令演算部２３は、運転モード管理部２０ｄにより選択された加速モードに基づき、可変磁束モータ１の目標とするトルクを演算し、演算結果に対応したトルク指令Ｔｍ＊を切替器２５に出力する。具体的には、トルク指令演算部２３は、ノッチ・回転数・応荷重に応じて、トルク指令Ｔｍ＊を生成する。すなわち、トルク指令演算部２３は、ノッチに相当する加速度が得られるように、応荷重によってトルク指令Ｔｍ＊を増減させる。
【０１８６】
図１５に示すように、加速域において、可変磁束モータ１は、所定のトルクで徐々に回転数を上げるように制御される。
【０１８７】
磁束指令演算部３１ｄは、運転モード管理部２０ｄにより選択された運転モードと擬似微分器８により出力された回転子回転周波数ωＲと応荷重算出部１９により算出された応荷重とに基づき、可変磁石の目標とする磁束値を演算して、磁束値に対応した磁束指令Φ＊を生成する。
【０１８８】
加速モードにおけるその他の作用は、例えば実施例２の加速モードと同様であり、重複した説明を省略する。
【０１８９】
運転モード管理部２０ｄは、定速指令が入力されると（時刻ｔ１）、複数の運転モードから「定速モード」を選択して出力する。
【０１９０】
定速モードにおいては、可変磁束モータ１は大きなトルクを必要としないが、回転数を維持する必要がある。そのため、トルク指令演算部２３の代わりに回転数制御器１４がトルク指令Ｔｍ＊を出力する。すなわち、定速モードにおいては、回転数指令演算部１２ｄと回転数制御器１４が有効になる。
【０１９１】
したがって、切替器２５は、「定速モード」が選択されたことにより、回転数制御器１４により出力されたトルク指令Ｔｍ＊を選択して電流基準演算部１１及び磁化電流指令演算部３３に出力する。
【０１９２】
また、磁束指令演算部３１ｄは、時刻ｔ１において瞬間的に最適な磁束値を演算して、磁束値に対応した磁束指令Φ＊を生成することで磁化を行う。
【０１９３】
回転数指令演算部１２ｄは、運転モード管理部２０ｄにより選択された定速モードに基づき、可変磁束モータ１の目標とする回転数を演算し、演算結果に対応した回転数指令を回転数制御器１４に出力する。
【０１９４】
回転数制御器１４は、回転数指令演算部１２ｄにより出力された回転数指令と、擬似微分器８により出力された回転子回転周波数ωＲとに基づき、可変磁束モータ１が目標回転数（速度）に一致するように生成されたトルク指令Ｔｍ＊を切替器２５に出力する。
【０１９５】
磁束指令演算部３１ｄは、運転モード管理部２０ｄにより選択された定速モードと応荷重算出部１９により算出された応荷重と（必要であれば回転数と）に基づき可変磁石の目標とする磁束値を演算して、磁束値に対応した磁束指令Φ＊を生成する。
【０１９６】
定速モードにおけるその他の作用は、他の実施例と同様であり、重複した説明を省略する。
【０１９７】
運転モード管理部２０ｄは、ノッチ及び定速指令のいずれもがオフ（入力されない）の場合、複数の運転モードから「惰行モード」を選択して出力する（時刻ｔ２）。この惰行モードは、電車の速度がある状態で、可変磁束モータ１の零トルク状態をつくり、惰性で走行するモードである。
【０１９８】
惰行モードにおいて、インバータ４を停止し且つ可変磁石が磁束を有する場合には、モータ端子に誘起電圧が発生する。ここで、当該可変磁束モータドライブシステムが惰行モードの場合でも、他のモータの駆動や勾配によって、車両の速度は、維持・増加する可能性がある。このような場合にインバータ４が停止していると、磁束値の制御を行うことができず、モータ端子間の誘起電圧は大きくなる。この誘起電圧の線間ピーク値がインバータ４直流電圧値以上になると、可変磁束モータ１に対してブレーキ力が生じて好ましくない。
【０１９９】
さらに、増大した誘起電圧は、インバータ４に耐圧以上の過電圧を印加して破壊する可能性もある。
【０２００】
したがって、磁束指令演算部３１ｄは、時刻ｔ２において瞬間的に小さな磁束量（あるいは零）に制御する旨の磁束指令Φ＊を生成することで磁化を行う。本実施例において、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの惰行中は、例えばインバータ４を停止させることにより磁石磁束の値が零に保たれているので、上述した誘起電圧に起因する問題点を解決することができる。
【０２０１】
なお、惰行モードにおいてインバータ４を停止させる場合は、トルクが零で回転数の制御もされていないため、回転数制御器１４あるいはトルク指令演算部２３によるトルク指令Ｔｍ＊の出力は不要である。
【０２０２】
また、惰行モードにおいてインバータ４動作継続させる場合には、トルク指令演算部２３は、トルクを零に制御するためのトルク指令Ｔｍ＊を出力する。
【０２０３】
惰行モードにおけるその他の作用は、他の実施例と同様であり、重複した説明を省略する。
【０２０４】
時刻ｔ３において鉄道車両を減速させるため、運転士の操作に基づくブレーキノッチ（運転指令）が運転モード管理部２０ｄに入力される。時刻ｔ３において減速時に最適な磁束値への磁化が瞬間的に行われた後、運転モード管理部２０ｄは、入力されたノッチに基づき、複数の運転モードから「減速モード」を選択する。
【０２０５】
切替器２５は、「減速モード」が選択されたことにより、トルク指令演算部２３により出力されたトルク指令Ｔｍ＊を選択して電流基準演算部１１及び磁化電流指令演算部３３に出力する。
【０２０６】
トルク指令演算部２３は、運転モード管理部２０ｄにより選択された減速モードに基づき、可変磁束モータ１の目標とするトルクを演算し、演算結果に対応したトルク指令Ｔｍ＊を切替器２５に出力する。具体的には、トルク指令演算部２３は、ノッチ・回転数・応荷重に応じて、トルク指令Ｔｍ＊を生成する。すなわち、トルク指令演算部２３は、ノッチに相当する減速度が得られるように、応荷重によってトルク指令Ｔｍ＊を増減させる。
【０２０７】
図１５に示すように、加速域において、可変磁束モータ１は、所定のトルクで徐々に回転数を下げるように制御される。
【０２０８】
減速モードにおけるその他の作用は、例えば実施例２の減速モードと同様であり、重複した説明を省略する。
【０２０９】
その後、回転数が零になる時刻ｔ４において、磁束指令演算部３１ｄにより磁石磁束が零又は十分小さな値に磁化された後、運転モード管理部２０ｄは、複数の運転モードから「停止モード」を選択する。可変磁束モータドライブシステムの各部は、停止に必要な処理を行った後、停止する。
【０２１０】
停止中にインバータ４が故障して起動できない場合、他のドライブ装置が健在であれば、電車は加速し得る。このとき、可変磁束モータ１の可変磁石が磁束値を有すると、誘起電圧が発生する。したがって、上述した惰行モードの場合と同様に、ブレーキ力やインバータ４破壊といった問題が生じる可能性があり、さらにインバータ４が仮に短絡している場合には、短絡電流が流れ続け、モータ・インバータが焼損する。停止モードにモードチェンジする際（時刻ｔ４）に磁石磁束値を下げるのは、上述した問題を回避して安全性を確保するためである。
【０２１１】
なお、再び加速させる際には、磁束指令演算部３１ｄは、加速モードになる直前に再度磁化して磁束を立ち上げる旨の磁束指令Φ＊を出力する。
【０２１２】
その他の作用は、実施例１乃至４と同様であり、重複した説明を省略する。
【０２１３】
図１６は、本実施例の可変磁束モータドライブシステムを適用した電車における制御の状態を示すタイムチャート図の別例である。図１５の場合と異なるのは、惰行モード（時刻ｔ２から時刻ｔ３まで）の間において、磁石磁束値が零とならずに前後の定速モード及び減速モードを通じて一定である点と、停止モード時（時刻ｔ４以降）においても磁石磁束を零とせずに小さな値を維持する点である。
【０２１４】
この場合には、時刻ｔ２及び時刻ｔ３は磁化を行うタイミングであるが、実際には、磁化を行う必要が無い。磁束指令演算部３１ｄは、定速モードにモードチェンジする際（時刻ｔ１）に、磁石磁束を低い値に磁化すればよい。
【０２１５】
図１６は、回転数センサレス制御を適用した可変磁束モータドライブシステムを想定した図となる。通常の可変磁束モータ１は、発生トルクを精度良く制御するために、電動機端に回転角度センサ１８のような速度センサを備えているが、センサとインターフェース回路のコスト、電動機取り付けスペース、部品点数削減による信頼性、及び配線艤装工数等の観点から回転数センサレス制御が行われる場合がある。
【０２１６】
回転数センサレス制御は、回転数に比例した誘起電圧に基づき回転数及び回転角度を推定する。したがって、再起動の際にも、回転数センサレス制御を適用した可変磁束モータドライブシステムは、誘起電圧に基づき初期位相を決定する。しかしながら、図１５に示すように惰行モードあるいは停止モードにおいて磁石磁束を零にしてしまうと、可変磁束モータ１は、誘起電圧を発生せず再起動する際の安全面からも好ましくない。
【０２１７】
そこで、回転数センサレス制御を適用した可変磁束モータドライブシステムは、図１６に示すように惰行モードあるいは停止モードにおいても、磁石磁束を零とせず小さな磁束値を保つことにより安全性に資する。
【０２１８】
また、上述したように、惰行モードでインバータ４を停止しない場合も考えられる。特に、回転数センサレス制御を適用した可変磁束モータドライブシステムは、惰行中にもインバータ４を停止しない場合がある。したがって、当該可変磁束モータドライブシステムは、誘起電圧の情報から磁石磁束方向を推測するので、惰行中も零磁束とせずに小さな磁束値を保つ。
【０２１９】
上述のとおり、本発明の実施例５の形態に係る可変磁束モータドライブシステムによれば、実施例１乃至実施例４の効果に加え、電車（鉄道車両）の有する「加速モード」、「定速モード」、「惰行モード」、「減速モード」、及び「停止モード」の各運転モードに対して、可変磁石の磁束値を適切な値に運転モード変更時に制御することができる。
【０２２０】
また、トルクを不要とする惰行モードや停止モードにおいて磁束値を零あるいは小さな値とするため、誘起電圧に起因するブレーキ力の発生やインバータ４に対する過電圧印加を防止することができるとともに、鉄損を低減し、安全面及び効率面の両方に効果がある。
【実施例６】
【０２２１】
図１７は、本発明の実施例６の可変磁束モータドライブシステムの構成を示すブロック図である。実施例５の構成と異なる点は、応荷重算出部１９が無い点と、トルク指令演算部２３と運転モード管理部２０ｅとの間にノッチ換算部２７が設けられている点である。また、本実施例における可変磁束モータドライブシステムは、電気自動車又はハイブリッド自動車に適用されている。
【０２２２】
トルク指令演算部２３は、電気自動車又はハイブリッド自動車に対するアクセル踏込量又はブレーキ踏込量に基づき可変磁束モータ１の目標とするトルクを演算する。
【０２２３】
ノッチ換算部２７は、トルク指令演算部２３により出力されたトルク指令Ｔｍ＊に基づき、トルクを段階的にレベル分けして、対応するノッチに換算するとともに、運転モード管理部２０ｅにノッチを出力する。本実施例にいうノッチとは、実施例５で説明した電車のノッチのように、離散化した状態量を指す。
【０２２４】
本実施例においては、アクセルを踏み込む際において、１００％トルクから７５％トルクまでをＰ４、７５％トルクから５０％トルクまでをＰ３、５０％トルクから２５％トルクまでをＰ２、２５％トルクから０％トルクまでをＰ１の４段階のカ行ノッチとする。
【０２２５】
また、ブレーキを踏み込む際において、０％トルクから−２５％トルクまでをＢ１、−２５％トルクから−５０％トルクまでをＢ２、−５０％トルクから−７５％トルクまでをＢ３、−７５％トルクから−１００％トルクまでをＢ４の４段階のブレーキノッチとする。
【０２２６】
また、切替器２５は、運転モード管理部２０ｅにより選択され出力された運転モードに応じて、トルク指令演算部２３又は回転数制御器１４のいずれかにより出力されたトルク指令Ｔｍ＊を選択して、電流基準演算部１１及び磁化電流指令演算部３３に出力する。
【０２２７】
運転モード管理部２０ｅは、電気自動車又はハイブリッド自動車を加速させる場合の運転モード（加速モード）と、電気自動車又はハイブリッド自動車を減速させる場合の運転モード（減速モード）と、電気自動車又はハイブリッド自動車を定速運転させる場合の運転モード（定速モード）と、電気自動車又はハイブリッド自動車を停止させる場合の運転モード（停止モード）とを有する。
【０２２８】
さらに、運転モード管理部２０ｅは、電気自動車又はハイブリッド自動車を惰性走行させる場合の運転モード（惰行モード）を有してもよい。また、運転モード管理部２０ｅは、加速モードの中にも各ノッチに対応した「Ｐ４モード」、「Ｐ３モード」、「Ｐ２モード」、「Ｐ１モード」を有し、減速モードの中にも各ノッチに対応した「Ｂ１モード」、「Ｂ２モード」、「Ｂ３モード」、「Ｂ４モード」を有する。
【０２２９】
運転モード管理部２０ｅは、トルク指令演算部２３により演算されたトルクに応じた運転モードを選択する。
【０２３０】
その他の構成は、実施例５と同様であり、重複した説明を省略する。
【０２３１】
次に、上述のように構成された本実施の形態の作用を説明する。図１８は、本実施例の可変磁束モータドライブシステムを適用した電気自動車又はハイブリッド自動車における制御の状態を示すタイムチャート図である。
【０２３２】
最初に、運転者は電気自動車又はハイブリッド自動車を加速させるため、アクセルを踏み込む。ここで、運転者の踏込量が８０％トルクに対応するものであるとすると、トルク指令演算部２３は、対応するトルク指令Ｔｍ＊を切替器２５及びノッチ換算部２７に出力する。
【０２３３】
ノッチ換算部２７は、トルク指令Ｔｍ＊に基づき、８０％トルクに対応するノッチＰ４を運転モード管理部２０ｅに出力する。
【０２３４】
運転モード管理部２０ｅは、入力されたノッチＰ４に基づき、複数の運転モードから「Ｐ４モード」を選択する。
【０２３５】
また、運転モード管理部２０ｅは、Ｈ（ハイ）状態のゲート指令ＧｓｔをＰＷＭ回路６に出力し、インバータ４の動作を開始させる。さらに、切替器２５は、「Ｐ４モード」が選択されたことにより、トルク指令演算部２３により出力されたトルク指令Ｔｍ＊を選択して電流基準演算部１１及び磁化電流指令演算部３３に出力する。
【０２３６】
図１８に示すように、Ｐ４域において、可変磁束モータ１は、所定のトルクで徐々に回転数を上げるように制御される。
【０２３７】
さらに時刻ｔ０において、運転者の踏込量が６０％トルクに対応するものであるとすると、トルク指令演算部２３は、対応するトルク指令Ｔｍ＊を切替器２５及びノッチ換算部２７に出力する。
【０２３８】
ノッチ換算部２７は、トルク指令Ｔｍ＊に基づき、６０％トルクに対応するノッチＰ３を運転モード管理部２０ｅに出力する。
【０２３９】
運転モード管理部２０ｅは、入力されたノッチＰ３に基づき、複数の運転モードから「Ｐ３モード」を選択する。
【０２４０】
なお、本実施例においても今までの実施例と同様に、磁束指令演算部３１ｅは、運転モードのモードチェンジ時において磁化を行う。基本的に本実施例の可変磁束モータドライブシステムは、実施例５における電車の場合と同様の制御がなされる。
【０２４１】
図１８に示すように、Ｐ３域においては、可変磁束モータ１は、Ｐ４域のトルクより低い所定のトルクで徐々に回転数を上げるように制御される。
【０２４２】
磁束指令演算部３１ｅは、運転モード管理部２０ｅにより選択された運転モードと擬似微分器８により出力された回転子回転周波数ωＲとに基づき、可変磁石の目標とする磁束値を演算して、磁束値に対応した磁束指令Φ＊を生成する。
【０２４３】
加速モードにおけるその他の作用は、実施例５の加速モードと同様であり、重複した説明を省略する。
【０２４４】
運転モード管理部２０ｅは、定速指令が入力されると（時刻ｔ１）、複数の運転モードから「定速モード」を選択して出力する。なお、運転モード管理部２０ｅは、回転数とノッチとに基づき、自己の判断で「定速モード」を選択するとしてもよい。
【０２４５】
定速モードにおいては、可変磁束モータ１は大きなトルクを必要としないが、回転数を維持する必要がある。そのため、トルク指令演算部２３の代わりに回転数制御器１４がトルク指令Ｔｍ＊を出力する。すなわち、定速モードにおいては、回転数指令演算部１２ｅと回転数制御器１４が有効になる。
【０２４６】
したがって、切替器２５は、「定速モード」が選択されたことにより、回転数制御器１４により出力されたトルク指令Ｔｍ＊を選択して電流基準演算部１１及び磁化電流指令演算部３３に出力する。
【０２４７】
なお、回転数制御器１４による回転数制御が行われるのは、定速モードの場合のみならず、自動運転の場合も考えられる。
【０２４８】
定速モードにおけるその他の作用は、実施例５と同様であり、重複した説明を省略する。
【０２４９】
運転モード管理部２０ｅは、ノッチ及び定速指令のいずれもがオフ（入力されない）の場合、複数の運転モードから「惰行モード」を選択して出力する（時刻ｔ２）。なお、自動車を運転する際にアクセルもブレーキも踏んでいない状態は想定し難いが、例えばハイブリッド自動車に当該可変磁束モータドライブシステムを適用し、且つ自動車の制御がエンジンによる制御に任されている場合に、当該可変磁束モータドライブシステムは惰行モードを選択すると考えられる。
【０２５０】
惰行モードにおけるその他の作用は、実施例５と同様であり、重複した説明を省略する。
【０２５１】
時刻ｔ３において運転者は、電気自動車又はハイブリッド自動車を減速させるため、ブレーキを踏み込む。ここで、運転者の踏込量が−７０％トルクに対応するものであるとすると、トルク指令演算部２３は、対応するトルク指令Ｔｍ＊を切替器２５及びノッチ換算部２７に出力する
ノッチ換算部２７は、トルク指令Ｔｍ＊に基づき、−７０％トルクに対応するノッチＢ３を運転モード管理部２０ｅに出力する。
【０２５２】
運転モード管理部２０ｅは、入力されたノッチＢ３に基づき、複数の運転モードから「Ｂ３モード」を選択する。
【０２５３】
また、時刻ｔ３において減速時に最適な磁束値への磁化が瞬間的に行われる。切替器２５は、「減速モード」が選択されたことにより、トルク指令演算部２３により出力されたトルク指令Ｔｍ＊を選択して電流基準演算部１１及び磁化電流指令演算部３３に出力する。
【０２５４】
図１８に示すように、Ｂ３域において、可変磁束モータ１は、所定のトルクで徐々に回転数を下げるように制御される。
【０２５５】
Ｂ３モード及びＢ４モードにおけるその他の作用は、実施例５の減速モードと同様であり、重複した説明を省略する。
【０２５６】
上述のとおり、本発明の実施例６の形態に係る可変磁束モータドライブシステムによれば、実施例１乃至実施例５の効果に加え、電気自動車又はハイブリッド自動車の有する「加速モード」、「定速モード」、「惰行モード」、「減速モード」の各運転モードに対して、可変磁石の磁束値を適切な値に運転モード変更時に制御することができる。
【０２５７】
また、アクセルやブレーキの踏込量に対応したトルクを段階的にノッチに換算するので、踏込量に応じた運転モードが選択され、当該可変磁束モータドライブシステムは、可変磁石の磁束値を運転モードに基づいて踏込量に応じた最適な磁束値に磁化することができる。
【０２５８】
また、本発明による可変磁束モータドライブシステムは、クリーナに対しても適用可能である。その場合には、運転モード管理部は、例えばクリーナへの指令である「強モード」と「弱モード」を有するものが考えられる。
【産業上の利用可能性】
【０２５９】
本発明に係る可変磁束モータドライブシステムは、洗濯機、エレベータ、鉄道車両や電気自動車等の駆動モータを使用する可変磁束モータドライブシステムに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０２６０】
【図１】本発明の実施例１の形態の可変磁束モータドライブシステムの構成を示すブロック図である。
【図２】可変磁束モータの簡易モデル図である。
【図３】本発明の実施例１の形態の可変磁束モータドライブシステムで使用される可変磁束モータの断面図である。
【図４】本発明の実施例１の形態の可変磁束モータドライブシステムで使用される可変磁束モータのＢＨ特性図である。
【図５】種々の材料の永久磁石のＢＨ特性図である。
【図６】本発明の実施例１の形態の可変磁束モータドライブシステムにおいて磁化を行う際の各部の状態を示すタイムチャート図である。
【図７】本発明の実施例２の形態の可変磁束モータドライブシステムの構成を示すブロック図である。
【図８】本発明の実施例２の形態の可変磁束モータドライブシステムを適用したエレベータにおける制御の状態を示すタイムチャート図である。
【図９】本発明の実施例３の形態の可変磁束モータドライブシステムの構成を示すブロック図である。
【図１０】本発明の実施例３の形態の可変磁束モータドライブシステムを適用した洗濯機における制御の状態を示すタイムチャート図である。
【図１１】本発明の実施例４の形態の可変磁束モータドライブシステムの構成を示すブロック図である。
【図１２】本発明の実施例４の形態の可変磁束モータドライブシステムを適用した空調機における制御の状態を示すタイムチャート図である。
【図１３】本発明の実施例４の形態の可変磁束モータドライブシステムを適用した空調機における制御の状態を示すタイムチャート図の別例である。
【図１４】本発明の実施例５の形態の可変磁束モータドライブシステムの構成を示すブロック図である。
【図１５】本発明の実施例５の形態の可変磁束モータドライブシステムを適用した電車における制御の状態を示すタイムチャート図である。
【図１６】本発明の実施例５の形態の可変磁束モータドライブシステムを適用した電車における制御の状態を示すタイムチャート図の別例である。
【図１７】本発明の実施例６の形態の可変磁束モータドライブシステムの構成を示すブロック図である。
【図１８】本発明の実施例６の形態の可変磁束モータドライブシステムを適用した電気自動車又はハイブリッド自動車における制御の状態を示すタイムチャート図である。
【符号の説明】
【０２６１】
１ 可変磁束モータ
２ａ，２ｂ 電流検出器
３ 直流電源
４ インバータ
５ 座標変換部
６ ＰＷＭ回路
７ 座標変換部
８ 擬似微分器
１０ 電圧指令演算部
１１ 電流基準演算部
１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ 回転数指令演算部
１４ 回転数制御器
１５ 荷重算出部
１６ 洗濯量算出部
１７ 温度測定部
１８ 回転角度センサ
１９ 応荷重算出部
２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅ 運転モード管理部
２２ 磁化モード管理部
２３ トルク指令演算部
２５ 切替器
２７ ノッチ換算部
３１，３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ，３１ｅ 磁束指令演算部
３３ 磁化電流指令演算部
５１ 回転子
５２ 回転子鉄心
５３ 低保磁力永久磁石
５４ 高保磁力永久磁石
５５ 鉄心の磁極部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低保持力の永久磁石である可変磁石を有する永久磁石電動機と、
前記永久磁石電動機を駆動するインバータと、
前記可変磁石の磁束を制御するための磁化電流を供給する磁化部と、
複数の運転モードから１つの運転モードを選択する運転モード管理部と、
前記運転モード管理部により選択された運転モードに基づき前記可変磁石の目標とする磁束値を演算して前記磁束値に対応した磁束指令を生成する磁束指令演算部とを備え、
前記磁化部は、前記磁束指令演算部により生成された磁束指令に応じた磁化電流を供給して前記可変磁石の磁束を制御することを特徴とする可変磁束モータドライブシステム。
【請求項２】
前記運転モード管理部が有する複数の運転モードの少なくとも１つは、前記永久磁石電動機のトルク及び回転数の少なくとも一方に基づく運転モードであることを特徴とする請求項１記載の可変磁束モータドライブシステム。
【請求項３】
前記運転モード管理部が有する複数の運転モードの少なくとも１つは、前記インバータの動作状態又は停止状態に基づく運転モードであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の可変磁束モータドライブシステム。
【請求項４】
前記磁束指令演算部は、前記運転モード管理部により選択された運転モードに応じて、当該可変磁束モータドライブシステムの効率改善情報、安全性改善情報、及び騒音改善情報の少なくとも１つに基づき、前記可変磁石の目標とする磁束値を演算して前記磁束値に対応した磁束指令を生成することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の可変磁束モータドライブシステム。
【請求項５】
前記運転モード管理部により選択された運転モードに基づき前記永久磁石電動機の目標とする回転数を演算するとともに、前記磁化部により前記可変磁石の磁束が変更される際に前記永久磁石電動機の目標とする回転数を現在の回転数未満の値に設定するか又は停止させる回転数指令演算部を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の可変磁束モータドライブシステム。
【請求項６】
前記運転モード管理部により選択された運転モードに基づき前記永久磁石電動機の目標とするトルクを演算するとともに、前記磁化部により前記可変磁石の磁束が変更される際に前記永久磁石電動機の目標とするトルクを現在のトルク未満の値か又は零近傍に設定するトルク指令演算部を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の可変磁束モータドライブシステム。
【請求項７】
前記運転モード管理部は、エレベータを加速させる場合の運転モードと、前記エレベータを減速させる場合の運転モードと、前記エレベータを定速運転させる場合の運転モードと、前記エレベータを停止させる場合の運転モードとを有することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の可変磁束モータドライブシステム。
【請求項８】
前記磁束指令演算部は、さらに前記エレベータのかご内の積載荷重に応じて前記可変磁石の目標とする磁束値を演算して前記磁束値に対応した磁束指令を生成することを特徴とする請求項７記載の可変磁束モータドライブシステム。
【請求項９】
前記運転モード管理部は、洗濯機により洗濯物を洗う場合の運転モードと、前記洗濯機によりすすぎを行う場合の運転モードと、前記洗濯機により脱水を行う場合の運転モードと、前記洗濯機により乾燥を行う場合の運転モードとを有することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の可変磁束モータドライブシステム。
【請求項１０】
前記磁束指令演算部は、さらに前記洗濯機内に収容されている洗濯物の量に応じて前記可変磁石の目標とする磁束値を演算して前記磁束値に対応した磁束指令を生成することを特徴とする請求項９記載の可変磁束モータドライブシステム。
【請求項１１】
前記運転モード管理部は、空調機が急速冷暖房を行う場合の加速運転の運転モードと、前記空調機が目標温度に達した後に行う定常運転の運転モードとを有することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の可変磁束モータドライブシステム。
【請求項１２】
前記磁束指令演算部は、さらに外気温度に応じて前記可変磁石の目標とする磁束値を演算して前記磁束値に対応した磁束指令を生成することを特徴とする請求項１１記載の可変磁束モータドライブシステム。
【請求項１３】
前記運転モード管理部は、鉄道車両を加速させる場合の運転モードと、前記鉄道車両を減速させる場合の運転モードと、前記鉄道車両を定速運転させる場合の運転モードと、前記鉄道車両を惰性走行させる場合の運転モードと、前記鉄道車両を停止させる場合の運転モードとを有することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の可変磁束モータドライブシステム。
【請求項１４】
前記磁束指令演算部は、さらに前記鉄道車両内の積載荷重に応じて前記可変磁石の目標とする磁束値を演算して前記磁束値に対応した磁束指令を生成することを特徴とする請求項１３記載の可変磁束モータドライブシステム。
【請求項１５】
前記運転モード管理部は、電気自動車又はハイブリッド自動車を加速させる場合の運転モードと、前記電気自動車又は前記ハイブリッド自動車を減速させる場合の運転モードと、前記電気自動車又は前記ハイブリッド自動車を定速運転させる場合の運転モードと、前記電気自動車又は前記ハイブリッド自動車を停止させる場合の運転モードとを有することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の可変磁束モータドライブシステム。
【請求項１６】
前記電気自動車又は前記ハイブリッド自動車に対するアクセル踏込量又はブレーキ踏込量に基づき前記永久磁石電動機の目標とするトルクを演算するトルク指令演算部を備え、
前記運転モード管理部は、前記トルク指令演算部により演算されたトルクに応じた運転モードを選択することを特徴とする請求項１５記載の可変磁束モータドライブシステム。
【請求項１】
低保持力の永久磁石である可変磁石を有する永久磁石電動機と、
前記永久磁石電動機を駆動するインバータと、
前記可変磁石の磁束を制御するための磁化電流を供給する磁化部と、
複数の運転モードから１つの運転モードを選択する運転モード管理部と、
前記運転モード管理部により選択された運転モードに基づき前記可変磁石の目標とする磁束値を演算して前記磁束値に対応した磁束指令を生成する磁束指令演算部とを備え、
前記磁化部は、前記磁束指令演算部により生成された磁束指令に応じた磁化電流を供給して前記可変磁石の磁束を制御することを特徴とする可変磁束モータドライブシステム。
【請求項２】
前記運転モード管理部が有する複数の運転モードの少なくとも１つは、前記永久磁石電動機のトルク及び回転数の少なくとも一方に基づく運転モードであることを特徴とする請求項１記載の可変磁束モータドライブシステム。
【請求項３】
前記運転モード管理部が有する複数の運転モードの少なくとも１つは、前記インバータの動作状態又は停止状態に基づく運転モードであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の可変磁束モータドライブシステム。
【請求項４】
前記磁束指令演算部は、前記運転モード管理部により選択された運転モードに応じて、当該可変磁束モータドライブシステムの効率改善情報、安全性改善情報、及び騒音改善情報の少なくとも１つに基づき、前記可変磁石の目標とする磁束値を演算して前記磁束値に対応した磁束指令を生成することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の可変磁束モータドライブシステム。
【請求項５】
前記運転モード管理部により選択された運転モードに基づき前記永久磁石電動機の目標とする回転数を演算するとともに、前記磁化部により前記可変磁石の磁束が変更される際に前記永久磁石電動機の目標とする回転数を現在の回転数未満の値に設定するか又は停止させる回転数指令演算部を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の可変磁束モータドライブシステム。
【請求項６】
前記運転モード管理部により選択された運転モードに基づき前記永久磁石電動機の目標とするトルクを演算するとともに、前記磁化部により前記可変磁石の磁束が変更される際に前記永久磁石電動機の目標とするトルクを現在のトルク未満の値か又は零近傍に設定するトルク指令演算部を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の可変磁束モータドライブシステム。
【請求項７】
前記運転モード管理部は、エレベータを加速させる場合の運転モードと、前記エレベータを減速させる場合の運転モードと、前記エレベータを定速運転させる場合の運転モードと、前記エレベータを停止させる場合の運転モードとを有することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の可変磁束モータドライブシステム。
【請求項８】
前記磁束指令演算部は、さらに前記エレベータのかご内の積載荷重に応じて前記可変磁石の目標とする磁束値を演算して前記磁束値に対応した磁束指令を生成することを特徴とする請求項７記載の可変磁束モータドライブシステム。
【請求項９】
前記運転モード管理部は、洗濯機により洗濯物を洗う場合の運転モードと、前記洗濯機によりすすぎを行う場合の運転モードと、前記洗濯機により脱水を行う場合の運転モードと、前記洗濯機により乾燥を行う場合の運転モードとを有することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の可変磁束モータドライブシステム。
【請求項１０】
前記磁束指令演算部は、さらに前記洗濯機内に収容されている洗濯物の量に応じて前記可変磁石の目標とする磁束値を演算して前記磁束値に対応した磁束指令を生成することを特徴とする請求項９記載の可変磁束モータドライブシステム。
【請求項１１】
前記運転モード管理部は、空調機が急速冷暖房を行う場合の加速運転の運転モードと、前記空調機が目標温度に達した後に行う定常運転の運転モードとを有することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の可変磁束モータドライブシステム。
【請求項１２】
前記磁束指令演算部は、さらに外気温度に応じて前記可変磁石の目標とする磁束値を演算して前記磁束値に対応した磁束指令を生成することを特徴とする請求項１１記載の可変磁束モータドライブシステム。
【請求項１３】
前記運転モード管理部は、鉄道車両を加速させる場合の運転モードと、前記鉄道車両を減速させる場合の運転モードと、前記鉄道車両を定速運転させる場合の運転モードと、前記鉄道車両を惰性走行させる場合の運転モードと、前記鉄道車両を停止させる場合の運転モードとを有することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の可変磁束モータドライブシステム。
【請求項１４】
前記磁束指令演算部は、さらに前記鉄道車両内の積載荷重に応じて前記可変磁石の目標とする磁束値を演算して前記磁束値に対応した磁束指令を生成することを特徴とする請求項１３記載の可変磁束モータドライブシステム。
【請求項１５】
前記運転モード管理部は、電気自動車又はハイブリッド自動車を加速させる場合の運転モードと、前記電気自動車又は前記ハイブリッド自動車を減速させる場合の運転モードと、前記電気自動車又は前記ハイブリッド自動車を定速運転させる場合の運転モードと、前記電気自動車又は前記ハイブリッド自動車を停止させる場合の運転モードとを有することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の可変磁束モータドライブシステム。
【請求項１６】
前記電気自動車又は前記ハイブリッド自動車に対するアクセル踏込量又はブレーキ踏込量に基づき前記永久磁石電動機の目標とするトルクを演算するトルク指令演算部を備え、
前記運転モード管理部は、前記トルク指令演算部により演算されたトルクに応じた運転モードを選択することを特徴とする請求項１５記載の可変磁束モータドライブシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２００９−１５３２９６（Ｐ２００９−１５３２９６Ａ）
【公開日】平成２１年７月９日（２００９．７．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３２８８０４（Ｐ２００７−３２８８０４）
【出願日】平成１９年１２月２０日（２００７．１２．２０）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月９日（２００９．７．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月２０日（２００７．１２．２０）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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