電動機
【課題】本発明は、電動機巻線の設置容積を減らすことなく振動抑制を可能とする電動機を提供することを課題とする。
【解決手段】回転トルク発生用の巻線１１ｕ，１１ｖ，１１ｗが設けられた固定子と、固定子に対して間隙を介して同心に配設された回転子を備える電動機であって、巻線１１ｕ，１１ｖ，１１ｗの途中に一端が結線される電線１４ｕ，１４ｖ，１４ｗと、電線１４ｕ，１４ｖ，１４ｗの他端が接続され、電線１４ｕ，１４ｖ，１４ｗを介して巻線１１ｕ，１１ｖ，１１ｗの途中から回転子の振動を抑制するための電流を供給する電流供給装置（振動抑制用インバータ）３３ｆを備えることを特徴とする。
【解決手段】回転トルク発生用の巻線１１ｕ，１１ｖ，１１ｗが設けられた固定子と、固定子に対して間隙を介して同心に配設された回転子を備える電動機であって、巻線１１ｕ，１１ｖ，１１ｗの途中に一端が結線される電線１４ｕ，１４ｖ，１４ｗと、電線１４ｕ，１４ｖ，１４ｗの他端が接続され、電線１４ｕ，１４ｖ，１４ｗを介して巻線１１ｕ，１１ｖ，１１ｗの途中から回転子の振動を抑制するための電流を供給する電流供給装置（振動抑制用インバータ）３３ｆを備えることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機に関する。
【背景技術】
【０００２】
電動機の小型化を考えた場合、小型化によって出力トルクが制限されるので、電動機の出力を高めるためには高回転化することが一般的である。しかし、電動機には構造上で決まる危険速度があるので、電動機の高回転化を進めてゆくと、電動機の回転速度が危険速度に入り、大きな振動が発生する。その危険速度での振動を抑制するために、電動機では、固定子に回転トルクを発生させるための電動機巻線とは別に支持巻線が設けられ、この支持巻線に電流を供給して振動抑制力を発生させている。図５には、２極電動機２極支持の電動機１００の一例を示しており、固定子には電動機巻線１０１とは別に支持巻線１０２が設けられている（図５では、Ｕ相のみ巻線を描いているが、他の相にも同様に巻線が施されている）。特許文献１に記載の電動機では、固定子に回転トルク発生用の第１巻線と、回転子の変位を検出するとともにその変位を打ち消す方向に電磁力を作用させるための第２巻線が設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１１０３８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の電動機のように電動機巻線とは別に支持巻線を設けた場合、電動機巻線の設置容積が減少するので、電動機巻線が少なくなり、回転加速度が抑制される。そのため、短時間で所望の高回転速度まで到達できない。また、支持巻線による振動抑制力が必要となるのは電動機の回転速度が危険速度のときであり、通常運転時には支持巻線は使用されない。
【０００５】
そこで、本発明は、電動機巻線の設置容積を減らすことなく振動抑制を可能とする電動機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】
【０００６】
本発明に係る電動機は、回転トルク発生用の巻線が設けられた固定子と、当該固定子に対して間隙を介して同心に配設された回転子を備える電動機であって、巻線の途中に一端が結線される電線と、電線の他端が接続され、電線を介して巻線の途中から回転子の振動を抑制するための電流を供給する電流供給装置とを備えることを特徴とする。
【０００７】
この電動機では、固定子に回転トルク発生用の巻線が設けられおり、その巻線の中間点と電流供給装置を電線で接続している。そして、電動機では、回転子に振動が発生する回転速度域になると、電流供給装置から電線を介して巻線の途中から回転子の振動を抑制するための電流を供給する。この電流の供給によって、巻線では、巻線の途中まで（巻線の一方側）は回転トルクを発生するための電流だけが流れ、巻線の途中から（巻線の他方側）は回転トルクを発生するための電流と回転子の振動を抑制するための電流が流れる。そのため、巻線の一方側と他方側とで電流量に不平衡が生じるため、固定子と回転子間の間隙に磁束の疎密が生じる。その磁束の疎密によって振動抑制力が発生し、回転子の振動を抑制する。このように、電動機では、巻線の途中から回転子の振動を抑制するための電流を供給できるようにすることにより、回転トルク発生用の巻線の設置容積を減らすことなく、振動を抑制することができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、巻線の途中から回転子の振動を抑制するための電流を供給できるようにすることにより、回転トルク発生用の巻線の設置容積を減らすことなく、振動を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施の形態に係る電動機システムの構成図である。
【図２】図１の電動機（特に、巻線）と電動機用インバータ及び振動抑制用インバータとの間の配線図である。
【図３】図１の電動機の断面図である。
【図４】図１の電動機システムにおける振動抑制力発生の説明図である。
【図５】従来の電動機の一例である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明に係る電動機の実施の形態を説明する。なお、各図において同一又は相当する要素については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１１】
本実施の形態では、本発明に係る電動機を、自動車などで用いられる高回転用の電動機システムに適用する。本実施の形態に係る電動機システムは、２極電動機４極支持制御システムであり、通常の回転速度域では電動機制御を行い、危険速度域では電動機制御に加えて振動抑制制御を行う。特に、本実施の形態に係る電動機システムは、振動抑制制御を行う場合、電動機の回転トルク発生用の巻線の一部を利用して振動抑制力を発生させる。
【００１２】
図１〜図４を参照して、電動機システム１について説明する。図１は、本実施の形態に係る電動機システムの構成図である。図２は、図１の電動機と電動機用インバータ及び振動抑制用インバータとの間の配線図である。図３は、図１の電動機の断面図である。図４は、図１の電動機システムにおける振動抑制力発生の説明図である。
【００１３】
電動機システム１は、電動機１０、ギャップセンサ２０，２１、回転角度位置センサ２２、制御装置３０を備えている。制御装置３０は、回転角度位置演算部３１、電動機制御部３２（電動機制御電流演算部３２ａ、電動機用インバータ３２ｂ）、振動抑制部３３（減算部３３ａ，３３ｂ、ＰＩＤ制御部３３ｃ、変調部３３ｄ、二相三相変換部３３ｅ、振動抑制用インバータ３３ｆ）を有している。
【００１４】
電動機１０は、固定子１１及び回転子１２を備えている。固定子１１には、各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の回転トルク発生用の巻線１１ｕ，１１ｖ，１１ｗが設けられている。回転子１２は、固定子１１の内側に固定子１１と同心となるように配設され、固定子１１との間にはエアギャップ（間隙）がある。回転子１２には、永久磁石が設けられている。回転子１２の中心部には、回転軸１３が取り付けられている。回転軸１３の両端部には、軸受け（図示せず）がそれぞれ配設されている。
【００１５】
図２に示すように、各相の巻線１１ｕ，１１ｖ，１１ｗの一端には、電動機用インバータ３２ｂが接続されている。各相の巻線１１ｕ，１１ｖ，１１ｗの中間点には、電線１４ｕ，１４ｖ，１４ｗの一端がそれぞれ接続されている。電線１４ｕ，１４ｖ，１４ｗの他端は、振動抑制用インバータ３３ｆに接続されている。各相の巻線１１ｕ，１１ｖ，１１ｗにおける中間点の位置は、電動機１０の設計上の各種条件で変わり、例えば、中間点で巻数が１対１で分かれるような中間点とする。なお、電線１４ｕ，１４ｖ，１４ｗが、特許請求の範囲に記載する電線に相当する。
【００１６】
このように電線１４ｕ，１４ｖ，１４ｗを配線することによって、電動機用インバータ３２ｂからの電動機駆動用の三相交流電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗに加えて、振動抑制用インバータ３３ｆからの振動抑制用の三相交流電流ｉｓｕ，ｉｓｖ，ｉｓｗを巻線１１ｕ，１１ｖ，１１ｗの途中から供給できる。したがって、Ｕ相の巻線１１ｕの中間点からの巻線ｕ２には電流ｉｕに加えて電流ｉｓｕが流れる。また、Ｖ相の巻線１１ｖの中間点からの巻線ｖ２には電流ｉｖに加えて電流ｉｓｖが流れる。また、Ｗ相の巻線１１ｗの中間点からの巻線ｗ２には電流ｉｗに加えて電流ｉｓｗが流れる。
【００１７】
ギャップセンサ２０，２１は、軸受けの内部に設けられ、回転軸１３の軸ずれを検出するセンサである。ギャップセンサ２０では、一定時間毎に、ｘ方向における回転軸１３の正常な支持位置からの軸ずれ量を検出し、その検出値ｘｇを制御装置３０に出力する。ギャップセンサ２１では、一定時間毎に、ｙ方向における回転軸１３の正常な支持位置からの軸ずれ量を検出し、その検出値ｙｇを制御装置３０に出力する。
【００１８】
回転角度位置センサ２２は、回転子１２に設けられ、回転子１２の回転角度位置を検出するためのセンサである。回転角度位置センサ２２は、例えば、エンコーダであり、回転子１２の回転角度位置に応じたパルス数をカウントする。回転角度位置センサ２２では、一定時間毎に、回転角度位置に応じた所定の値を検出し、その検出値を制御装置３０に出力する。
【００１９】
ここで、制御装置３０について具体的に説明する前に、巻線１１ｕ，１１ｖ，１１ｗの一部（ｕ２，ｖ２，ｗ２）を利用した振動抑制力を発生させる原理について説明しておく。
【００２０】
電動機１０の回転速度が高くなり、危険速度になると、回転子１２が振動し、回転軸１３が半径方向にたわみ振動する。このような振動が大きくなると、軸受け、回転軸１３、回転子１２、固定子１１が損傷する虞があるので、直ちに、振動を抑制する必要がある。なお、危険速度は、電動機１０の構造上決まり、予め判っている（共振周波数に応じた値）。
【００２１】
そこで、電動機１０の回転速度が危険速度になると、電動機用インバータ３２ｂから電動機駆動用の三相交流電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗに加えて、振動抑制用インバータ３３ｆから振動抑制用の三相交流電流ｉｓｕ，ｉｓｖ，ｉｓｗを供給する。これによって、図２に示すように、Ｕ相の巻線１１ｕには、電線１４ｕが接続される中間点までの巻線ｕ１には電流ｉｕだけが流れ、中間点からの巻線ｕ２には電流ｉｕに加えて電流ｉｓｕが流れる。Ｖ相の巻線１１ｖには、電線１４ｖが接続される中間点までの巻線ｖ１には電流ｉｖだけが流れ、中間点からの巻線ｖ２には電流ｉｖに加えて電流ｉｓｖが流れる。Ｗ相の巻線１１ｗには、電線１４ｗが接続される中間点までの巻線ｗ１には電流ｉｗだけが流れ、中間点からの巻線ｗ２には電流ｉｗに加えて電流ｉｓｗが流れる。このように、各相の巻線１１ｕ，１１ｖ，１１ｗでは、中間点までの巻線ｕ１，ｖ１，ｗ１に流れる各電流量と中間点からの巻線ｕ２，ｖ２，ｗ２に流れる各電流量とに不平衡が生じる。
【００２２】
この巻線ｕ１，ｖ１，ｗ１と巻線ｕ２，ｖ２，ｗ２間の電流量の不平衡によって、固定子１１と回転子１２との間のエアギャップに磁束の疎密が生じる。この磁束の疎密によって振動抑制力が発生する。この振動抑制力を危険速度時に回転子１２（回転軸１３）の半径方向の変位を適正な支持位置（中心位置）に戻すように制御することによって、振動を抑制することができる。このように、磁束の疎密による振動抑制力で振動を抑制することによって、回転子１２（特に、回転軸１３）を適正な支持位置で非接触で支持することができる。
【００２３】
図４を参照して、回転角度が９０度の場合に振動がｙ軸マイナス方向に発生しているときの振動抑制力について説明する。回転角度が９０度のときの電動機駆動用のＵ相の電流ｉｕ＝０Ａ、Ｖ相の電流ｉｖ＝−０．８７Ａ、Ｗ相の電流ｉｗ＝０．８７Ａとする。この場合、電動機１０の回転速度が危険速度に入るまでは、Ｕ相の巻線ｕ１と巻線ｕ２には電流が流れず、Ｖ相の巻線ｖ１と巻線ｖ２には−０．８７Ａの電流が流れ、Ｗ相の巻線ｗ１と巻線ｗ２には０．８７Ａの電流が流れる。
【００２４】
電動機１０の回転速度が危険速度になると、回転子１２の変位を適正な支持位置に戻すために振動抑制用インバータ３３ｆからＵ相のみに振動抑制用の電流ｉｓｕ（マイナス値）を供給する。これによって、Ｕ相の巻線ｕ２には電流ｉｓｕが流れる。
【００２５】
このとき、回転子１２の永久磁石のＮ極１２Ｎはｙ軸マイナス側に位置し、Ｓ極１２Ｓはｙ軸プラス側に位置している。この永久磁石のＮ極１２Ｎによる各磁束ＭＮ１、ＭＮ２，ＭＮ３，ＭＮ４，ＭＮ５の方向は、中心から外方向である。一方、永久磁石のＳ極１２Ｓによる各磁束ＭＳ１、ＭＳ２，ＭＳ３，ＭＳ４，ＭＳ５の方向は、中心方向である。また、振動抑制用の電流ｉｓｕによる鉄心Ｃ１での磁束ＭＦ１の方向は、中心から外方向である。振動抑制用の電流ｉｓｕによる鉄心Ｃ２での磁束ＭＦ２の方向は、中心方向である。振動抑制用の電流ｉｓｕによる鉄心Ｃ３での磁束ＭＦ３の方向は、中心から外方向である。振動抑制用の電流ｉｓｕによる鉄心Ｃ４での磁束ＭＦ４の方向は、中心方向である。
【００２６】
その結果、鉄心Ｃ１では、永久磁石のＮ極１２Ｎによる磁束ＭＮ１の方向と振動抑制用の電流ｉｓｕによる磁束ＭＦ１の方向とが同方向となり、エアギャップの磁束が密Ｄ１となる。鉄心Ｃ２では、永久磁石のＮ極１２Ｎによる磁束ＭＮ２の方向と振動抑制用の電流ｉｓｕによる磁束ＭＦ２の方向とが逆方向となり、エアギャップの磁束が疎Ｓ１となる。鉄心Ｃ３では、永久磁石のＳ極１２Ｓによる磁束ＭＳ１の方向と振動抑制用の電流ｉｓｕによる磁束ＭＦ３の方向とが逆方向となり、エアギャップの磁束が疎Ｓ２となる。鉄心Ｃ４では、永久磁石のＳ極１２Ｓによる磁束ＭＳ２の方向と振動抑制用の電流ｉｓｕによる磁束ＭＦ４の方向とが同方向となり、エアギャップの磁束が密Ｄ２となる。
【００２７】
このようなエアギャップにおける磁束の疎密Ｄ１，Ｄ２，Ｓ１，Ｓ２によって、振動抑制力Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４が発生する。この振動抑制力Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４の場合、ｙ軸マイナス方向の振動抑制力Ｆ１，Ｆ２の合力よりもｙ軸プラス方向の振動抑制力Ｆ３，Ｆ４の合力が大きくなるので、振動抑制力Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４を合成した最終的な振動抑制力ＣＦは、ｙ軸プラス方向に作用する。このように、Ｕ相にマイナスの電流ｉｓｕを供給することよって、ｙ軸プラス方向に振動抑制力ＣＦが作用し、ｙ軸マイナス方向に発生している振動を抑制できる。
【００２８】
それでは、制御装置３０について具体的に説明する。制御装置３０は、電動機１０を駆動制御するとともに電動機１０の振動を抑制制御する制御装置である。そのために、制御装置３０は、回転角度位置演算部３１、電動機制御部３２、振動抑制部３３を有している。制御装置３０では、一定時間毎に、ギャップセンサ２０，２１、回転角度位置センサ２２からの各検出値を入力する。そして、制御装置３０では、電動機駆動用の三相交流電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを電動機１０に供給し、危険速度時には振動抑制用の三相交流電流ｉｓｕ，ｉｓｖ，ｉｓｗも電動機１０に供給する。
【００２９】
回転角度位置演算部３１では、一定時間毎に、回転角度位置センサ２２からの検出値を入力すると、その検出値から所定の演算式によって回転角度位置φを演算する。そして、回転角度位置演算部３１では、その回転角度位置φを変調部３３ｄに出力する。所定の演算式は、回転角度位置センサ２２で回転子１２の回転角度位置に応じたどのような値を検出するかによって決まる。
【００３０】
電動機制御部３２は、自動車の車両制御装置などからの回転速度指令値ω＊になるような電動機駆動用の三相交流電流指令値ｉｕ＊，ｉｖ＊，ｉｗ＊を求め、その三相交流電流指令値ｉｕ＊，ｉｖ＊，ｉｗ＊に応じて電動機駆動用の三相交流電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを電動機１０に供給する。そのために、電動機制御部３２は、電動機制御電流演算部３２ａ及び電動機用インバータ３２ｂを有している。
【００３１】
電動機制御電流演算部３２ａでは、回転速度指令値ω＊と電流指令値Ｉ＊が入力されると、その回転速度指令値ω＊と電流指令値Ｉ＊を用いて、式（１）により電動機駆動用の三相交流電流指令値ｉｕ＊，ｉｖ＊，ｉｗ＊を演算する。そして、電動機制御電流演算部３２ａでは、その三相交流電流指令値ｉｕ＊，ｉｖ＊，ｉｗ＊を電動機用インバータ３２ｂに出力する。
【数１】
【００３２】
電動機用インバータ３２ｂでは、電動機制御電流演算部３２ａから電動機駆動用の三相交流電流指令値ｉｕ＊，ｉｖ＊，ｉｗ＊を入力すると、三相交流電流指令値ｉｕ＊，ｉｖ＊，ｉｗ＊になるようにバッテリなどの電源装置からの直流電流を交流電流に変換する。そして、電動機用インバータ３２ｂでは、その変換した三相交流電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを電動機１０に供給する。
【００３３】
振動抑制部３３は、電動機１０の回転速度が危険速度になると、ギャップセンサ２０，２１で検出した軸ずれ（ｘｇ，ｙｇ）を正常な支持位置に戻すような振動抑制用の三相交流電流指令値ｉｓｕ＊，ｉｓｖ＊，ｉｓｗ＊を求め、その三相交流電流指令値ｉｓｕ＊，ｉｓｖ＊，ｉｓｗ＊に応じて振動抑制用の三相交流電流ｉｓｕ，ｉｓｖ，ｉｓｗを電動機１０に供給する。そのために、振動抑制部３３は、減算部３３ａ，３３ｂ、ＰＩＤ制御部３３ｃ、変調部３３ｄ、二相三相変換部３３ｅ、振動抑制用インバータ３３ｆを備えている。なお、本実施の形態では、振動抑制用インバータ３３ｆが特許請求の範囲に記載する電流供給装置に相当する。
【００３４】
減算部３３ａでは、ギャップセンサ２０からｘ方向の軸ずれｘｇが入力されると、ｘ方向の軸位置指令値ｘ＊からｘ方向の軸ずれｘｇを減算する。そして、減算部３３ａでは、その減算値（ｘ＊−ｘｇ）をＰＩＤ制御部３３ｃに出力する。減算部３３ｂでは、ギャップセンサ２１からｙ方向の軸ずれｙｇが入力されると、ｙ方向の軸位置指令値ｙ＊からｙ方向の軸ずれｙｇを減算する。そして、減算部３３ｂでは、その減算値（ｙ＊−ｙｇ）をＰＩＤ制御部３３ｃに出力する。軸位置指令値ｘ＊，ｙ＊は、回転子１２（回転軸１３）に対する正常な支持位置（例えば、中心位置）であり、予め設定される。
【００３５】
ＰＩＤ制御部３３ｃでは、減算部３３ａ，３３ｂから減算値（ｘ＊−ｘｇ），（ｙ＊−ｙｇ）が入力されると、減算値（ｘ＊−ｘｇ），（ｙ＊−ｙｇ）に対してＰＩＤ制御を行い、振動抑制力指令値（支持力指令値）Ｆｘ＊，Ｆｙ＊を生成する。そして、ＰＩＤ制御部３３ｃでは、振動抑制力指令値Ｆｘ＊，Ｆｙ＊を変調部３３ｄに出力する。この振動抑制力指令値Ｆｘ＊，Ｆｙ＊に相当する振動抑制力Ｆｘ，Ｆｙが回転子１２に作用することにより、回転子１２に発生している振動が抑制されることになる。
【００３６】
変調部３３ｄでは、ＰＩＤ制御部３３ｃから振動抑制力指令値Ｆｘ＊，Ｆｙ＊が入力されると、その振動抑制力指令値Ｆｘ＊，Ｆｙ＊と回転角度位置演算部３１からの回転角度位置φを用いて式（２）で変調を行い、二相電流指令値ｉｓａ＊，ｉｓｂ＊を演算する。そして、変調部３３ｄでは、その二相電流指令値ｉｓａ＊，ｉｓｂ＊を二相三相変換部３３ｅに出力する。二相電流指令値ｉｓａ＊，ｉｓｂ＊に相当する三相交流電流ｉｓｕ，ｉｓｖ，ｉｓｗを電動機１０に供給することにより、振動抑制力指令値Ｆｘ＊，Ｆｙ＊に相当する振動抑制力Ｆｘ，Ｆｙでありかつ回転子１２の永久磁石（Ｎ極、Ｓ極）の位置関係と同期がとれた振動抑制力Ｆｘ，Ｆｙを発生できる。
【数２】
【００３７】
二相三相変換部３３ｅでは、変調部３３ｄから二相電流指令値ｉｓａ＊，ｉｓｂ＊が入力されると、その二相電流指令値ｉｓａ＊，ｉｓｂ＊を式（３）で二相三相変換し、振動抑制用（支持用）の三相交流電流指令値ｉｓｕ＊，ｉｓｖ＊，ｉｓｗ＊を演算する。そして、二相三相変換部３３ｅでは、その振動抑制用の三相交流電流指令値ｉｓｕ＊，ｉｓｖ＊，ｉｓｗ＊を振動抑制用インバータ３３ｆに出力する。
【数３】
【００３８】
振動抑制用インバータ３３ｆでは、二相三相変換部３３ｅから振動抑制用の三相交流電流指令値ｉｓｕ＊，ｉｓｖ＊，ｉｓｗ＊を入力すると、三相交流電流指令値ｉｓｕ＊，ｉｓｖ＊，ｉｓｗ＊になるようにバッテリなどの電源装置からの直流電流を交流電流に変換する。そして、振動抑制用インバータ３３ｆでは、その変換した三相交流電流ｉｓｕ，ｉｓｖ，ｉｓｗを電動機１０に供給する。
【００３９】
図１〜図２を参照して、電動機システム１における動作について説明する。特に、電動機１０の回転速度が危険速度になったときの動作について詳細に説明する。
【００４０】
ギャップセンサ２０，２１では、一定時間毎に、各方向の軸ずれｘｇ，ｙｇを検出し、その各検出値を制御装置３０に出力している。回転角度位置センサ２２では、一定時間毎に、回転角度位置に応じた所定の値を検出し、その検出値を制御装置３０に出力している。制御装置３０では、回転角度位置センサ２２からの検出値を入力すると、その検出値から回転角度位置φを演算している。
【００４１】
回転速度指令値ω＊が入力されると、制御装置３０では、制御周期毎に、その回転速度指令値ω＊になるための電動機駆動用の三相交流電流指令値ｉｕ＊，ｉｖ＊，ｉｗ＊を演算し、電動機用インバータ３２ｂから三相交流電流指令値ｉｕ＊，ｉｖ＊，ｉｗ＊に応じた電動機駆動用の三相交流電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを電動機１０に供給する。電動機１０では、各相の巻線１１ｕ（ｕ１，ｕ２），１１ｖ（ｖ１，ｖ２），１１ｗ（ｗ１，ｗ２）に電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗがそれぞれ流れ、回転速度指令値ω＊に等しい回転速度なるように回転子１２が回転する。なお、三相交流電流指令値ｉｕ＊，ｉｖ＊，ｉｗ＊の値が０Ａのときにはその相の巻線には電流が流れず、プラス値のときにはその相の巻線には正方向に電流が流れ、マイナス値のときにはその相の巻線には逆方向に電流が流れる。
【００４２】
電動機１０の回転速度が高くなり、危険速度に到達すると、制御装置３０では、制御周期毎に、ｘ方向の軸位置指令値ｘ＊から軸ずれｘｇを減算するとともに、ｙ方向の軸位置指令値ｙ＊からｙ方向の軸ずれｙｇを減算する。そして、制御装置３０では、その減算値（ｘ＊−ｘｇ）、（ｙ＊−ｙｇ）をＰＩＤ制御して振動抑制力指令値Ｆｘ＊，Ｆｙ＊を生成する。さらに、制御装置３０では、その振動抑制力指令値Ｆｘ＊，Ｆｙ＊と回転角度位置φにより変調して二相電流指令値ｉｓａ＊，ｉｓｂ＊を生成する。そして、制御装置３０では、その二相電流指令値ｉｓａ＊，ｉｓｂ＊を二相三相変換して振動抑制用の三相交流電流指令値ｉｓｕ＊，ｉｓｖ＊，ｉｓｗ＊を生成する。
【００４３】
そして、制御装置３０では、振動抑制用インバータ３３ｆから三相交流電流指令値ｉｓｕ＊，ｉｓｖ＊，ｉｓｗ＊に応じた三相交流電流ｉｓｕ，ｉｓｖ，ｉｓｗを電動機１０に供給する。電動機１０では、各相の巻線１１ｕ，１１ｖ，１１ｗの途中から（すなわち、巻線ｕ２，ｖ２，ｗ２に）電流ｉｓｕ，ｉｓｖ，ｉｓｗがそれぞれ流れる。なお、三相交流電流指令値ｉｓｕ＊，ｉｓｖ＊，ｉｓｗ＊の値が０Ａのときにはその相の巻線の途中から電流が加えられず、プラス値のときにはその相の巻線の途中から正方向の電流が加えられ、マイナス値のときにはその相の巻線の途中から逆方向の電流が加えられる。
【００４４】
巻線の途中から電流が加えられた相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のうちの少なくとも１つの相）では、巻線における中間点までの巻線（ｕ１，ｖ１，ｗ１）に流れる電流量と中間点からの巻線（ｕ２，ｖ２，ｗ２）に流れる電流量とが異なる電流量となる。この電流量の不平衡によって、固定子１１と回転子１２間のエアギャップにおいて磁束が疎になる部分と密になる部分ができる。その磁束の疎密によって振動抑制力が発生し、その振動抑制力が回転子１２（回転軸１３）を正常な支持位置に戻すように作用する（すなわち、回転子１２の振動を抑制する）。
【００４５】
この電動機システム１によれば、各相の巻線１１ｕ，１１ｖ，１１ｗの途中から振動抑制用の三相交流電流ｉｓｕ，ｉｓｖ，ｉｓｗを供給できるようにすることにより、回転トルク発生用の巻線の設置容積を減らすことなく、振動を抑制することができる。これによって、回転トルク発生用の巻線が減らないので、電動機１０の性能を低下させることなく、高出力、高回転化を実現できる。特に、電動機１０では、高い回転加速度を発生させることができるので、短時間で高回転速度となる。また、大きな振動による軸受け、回転軸１３、回転子１２、固定子１１の損傷を防止できる。
【００４６】
以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく様々な形態で実施される。
【００４７】
例えば、本実施の形態では自動車などに適用する電動機としたが、高回転用の様々な用途に適用可能である。また、低回転域でも振動が発生する電動機がある場合にはそのような電動機にも適用可能である。
【００４８】
また、本実施の形態では２極電動機４極支持制御システムとしたが、この各極数については電動機の設計上の各種条件によって変わる。
【００４９】
また、本実施の形態では電動機の回転速度が危険速度になると振動抑制制御を行う構成としたが、ギャップセンサで検出される軸ずれ量が閾値より大きくなると振動抑制制御を行ってもよい。
【００５０】
また、本実施の形態では回転子（回転軸）を正常な支持位置に戻す振動抑制用の三相交流電流指令値を求めるための一つの方法を説明したが、他の方法によって振動抑制用の三相交流電流指令値を求めてもよい。
【００５１】
また、本発明に係る電動機を、ベアリングレス電動機に適用してもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１…電動機システム、１０…電動機、１１…固定子、１１ｕ，１１ｖ，１１ｗ…巻線、１２…回転子、１３…回転軸、１４ｕ，１４ｖ，１４ｗ…電線、２０，２１…ギャップセンサ、２２…回転角度位置センサ、３０…制御装置、３１…回転角度位置演算部、３２…電動機制御部、３２ａ…電動機制御電流演算部、３２ｂ…電動機用インバータ、３３…振動抑制部、３３ａ，３３ｂ…減算部、３３ｃ…ＰＩＤ制御部、３３ｄ…変調部、３３ｅ…二相三相変換部、３３ｆ…振動抑制用インバータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機に関する。
【背景技術】
【０００２】
電動機の小型化を考えた場合、小型化によって出力トルクが制限されるので、電動機の出力を高めるためには高回転化することが一般的である。しかし、電動機には構造上で決まる危険速度があるので、電動機の高回転化を進めてゆくと、電動機の回転速度が危険速度に入り、大きな振動が発生する。その危険速度での振動を抑制するために、電動機では、固定子に回転トルクを発生させるための電動機巻線とは別に支持巻線が設けられ、この支持巻線に電流を供給して振動抑制力を発生させている。図５には、２極電動機２極支持の電動機１００の一例を示しており、固定子には電動機巻線１０１とは別に支持巻線１０２が設けられている（図５では、Ｕ相のみ巻線を描いているが、他の相にも同様に巻線が施されている）。特許文献１に記載の電動機では、固定子に回転トルク発生用の第１巻線と、回転子の変位を検出するとともにその変位を打ち消す方向に電磁力を作用させるための第２巻線が設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１１０３８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の電動機のように電動機巻線とは別に支持巻線を設けた場合、電動機巻線の設置容積が減少するので、電動機巻線が少なくなり、回転加速度が抑制される。そのため、短時間で所望の高回転速度まで到達できない。また、支持巻線による振動抑制力が必要となるのは電動機の回転速度が危険速度のときであり、通常運転時には支持巻線は使用されない。
【０００５】
そこで、本発明は、電動機巻線の設置容積を減らすことなく振動抑制を可能とする電動機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】
【０００６】
本発明に係る電動機は、回転トルク発生用の巻線が設けられた固定子と、当該固定子に対して間隙を介して同心に配設された回転子を備える電動機であって、巻線の途中に一端が結線される電線と、電線の他端が接続され、電線を介して巻線の途中から回転子の振動を抑制するための電流を供給する電流供給装置とを備えることを特徴とする。
【０００７】
この電動機では、固定子に回転トルク発生用の巻線が設けられおり、その巻線の中間点と電流供給装置を電線で接続している。そして、電動機では、回転子に振動が発生する回転速度域になると、電流供給装置から電線を介して巻線の途中から回転子の振動を抑制するための電流を供給する。この電流の供給によって、巻線では、巻線の途中まで（巻線の一方側）は回転トルクを発生するための電流だけが流れ、巻線の途中から（巻線の他方側）は回転トルクを発生するための電流と回転子の振動を抑制するための電流が流れる。そのため、巻線の一方側と他方側とで電流量に不平衡が生じるため、固定子と回転子間の間隙に磁束の疎密が生じる。その磁束の疎密によって振動抑制力が発生し、回転子の振動を抑制する。このように、電動機では、巻線の途中から回転子の振動を抑制するための電流を供給できるようにすることにより、回転トルク発生用の巻線の設置容積を減らすことなく、振動を抑制することができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、巻線の途中から回転子の振動を抑制するための電流を供給できるようにすることにより、回転トルク発生用の巻線の設置容積を減らすことなく、振動を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施の形態に係る電動機システムの構成図である。
【図２】図１の電動機（特に、巻線）と電動機用インバータ及び振動抑制用インバータとの間の配線図である。
【図３】図１の電動機の断面図である。
【図４】図１の電動機システムにおける振動抑制力発生の説明図である。
【図５】従来の電動機の一例である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明に係る電動機の実施の形態を説明する。なお、各図において同一又は相当する要素については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１１】
本実施の形態では、本発明に係る電動機を、自動車などで用いられる高回転用の電動機システムに適用する。本実施の形態に係る電動機システムは、２極電動機４極支持制御システムであり、通常の回転速度域では電動機制御を行い、危険速度域では電動機制御に加えて振動抑制制御を行う。特に、本実施の形態に係る電動機システムは、振動抑制制御を行う場合、電動機の回転トルク発生用の巻線の一部を利用して振動抑制力を発生させる。
【００１２】
図１〜図４を参照して、電動機システム１について説明する。図１は、本実施の形態に係る電動機システムの構成図である。図２は、図１の電動機と電動機用インバータ及び振動抑制用インバータとの間の配線図である。図３は、図１の電動機の断面図である。図４は、図１の電動機システムにおける振動抑制力発生の説明図である。
【００１３】
電動機システム１は、電動機１０、ギャップセンサ２０，２１、回転角度位置センサ２２、制御装置３０を備えている。制御装置３０は、回転角度位置演算部３１、電動機制御部３２（電動機制御電流演算部３２ａ、電動機用インバータ３２ｂ）、振動抑制部３３（減算部３３ａ，３３ｂ、ＰＩＤ制御部３３ｃ、変調部３３ｄ、二相三相変換部３３ｅ、振動抑制用インバータ３３ｆ）を有している。
【００１４】
電動機１０は、固定子１１及び回転子１２を備えている。固定子１１には、各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の回転トルク発生用の巻線１１ｕ，１１ｖ，１１ｗが設けられている。回転子１２は、固定子１１の内側に固定子１１と同心となるように配設され、固定子１１との間にはエアギャップ（間隙）がある。回転子１２には、永久磁石が設けられている。回転子１２の中心部には、回転軸１３が取り付けられている。回転軸１３の両端部には、軸受け（図示せず）がそれぞれ配設されている。
【００１５】
図２に示すように、各相の巻線１１ｕ，１１ｖ，１１ｗの一端には、電動機用インバータ３２ｂが接続されている。各相の巻線１１ｕ，１１ｖ，１１ｗの中間点には、電線１４ｕ，１４ｖ，１４ｗの一端がそれぞれ接続されている。電線１４ｕ，１４ｖ，１４ｗの他端は、振動抑制用インバータ３３ｆに接続されている。各相の巻線１１ｕ，１１ｖ，１１ｗにおける中間点の位置は、電動機１０の設計上の各種条件で変わり、例えば、中間点で巻数が１対１で分かれるような中間点とする。なお、電線１４ｕ，１４ｖ，１４ｗが、特許請求の範囲に記載する電線に相当する。
【００１６】
このように電線１４ｕ，１４ｖ，１４ｗを配線することによって、電動機用インバータ３２ｂからの電動機駆動用の三相交流電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗに加えて、振動抑制用インバータ３３ｆからの振動抑制用の三相交流電流ｉｓｕ，ｉｓｖ，ｉｓｗを巻線１１ｕ，１１ｖ，１１ｗの途中から供給できる。したがって、Ｕ相の巻線１１ｕの中間点からの巻線ｕ２には電流ｉｕに加えて電流ｉｓｕが流れる。また、Ｖ相の巻線１１ｖの中間点からの巻線ｖ２には電流ｉｖに加えて電流ｉｓｖが流れる。また、Ｗ相の巻線１１ｗの中間点からの巻線ｗ２には電流ｉｗに加えて電流ｉｓｗが流れる。
【００１７】
ギャップセンサ２０，２１は、軸受けの内部に設けられ、回転軸１３の軸ずれを検出するセンサである。ギャップセンサ２０では、一定時間毎に、ｘ方向における回転軸１３の正常な支持位置からの軸ずれ量を検出し、その検出値ｘｇを制御装置３０に出力する。ギャップセンサ２１では、一定時間毎に、ｙ方向における回転軸１３の正常な支持位置からの軸ずれ量を検出し、その検出値ｙｇを制御装置３０に出力する。
【００１８】
回転角度位置センサ２２は、回転子１２に設けられ、回転子１２の回転角度位置を検出するためのセンサである。回転角度位置センサ２２は、例えば、エンコーダであり、回転子１２の回転角度位置に応じたパルス数をカウントする。回転角度位置センサ２２では、一定時間毎に、回転角度位置に応じた所定の値を検出し、その検出値を制御装置３０に出力する。
【００１９】
ここで、制御装置３０について具体的に説明する前に、巻線１１ｕ，１１ｖ，１１ｗの一部（ｕ２，ｖ２，ｗ２）を利用した振動抑制力を発生させる原理について説明しておく。
【００２０】
電動機１０の回転速度が高くなり、危険速度になると、回転子１２が振動し、回転軸１３が半径方向にたわみ振動する。このような振動が大きくなると、軸受け、回転軸１３、回転子１２、固定子１１が損傷する虞があるので、直ちに、振動を抑制する必要がある。なお、危険速度は、電動機１０の構造上決まり、予め判っている（共振周波数に応じた値）。
【００２１】
そこで、電動機１０の回転速度が危険速度になると、電動機用インバータ３２ｂから電動機駆動用の三相交流電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗに加えて、振動抑制用インバータ３３ｆから振動抑制用の三相交流電流ｉｓｕ，ｉｓｖ，ｉｓｗを供給する。これによって、図２に示すように、Ｕ相の巻線１１ｕには、電線１４ｕが接続される中間点までの巻線ｕ１には電流ｉｕだけが流れ、中間点からの巻線ｕ２には電流ｉｕに加えて電流ｉｓｕが流れる。Ｖ相の巻線１１ｖには、電線１４ｖが接続される中間点までの巻線ｖ１には電流ｉｖだけが流れ、中間点からの巻線ｖ２には電流ｉｖに加えて電流ｉｓｖが流れる。Ｗ相の巻線１１ｗには、電線１４ｗが接続される中間点までの巻線ｗ１には電流ｉｗだけが流れ、中間点からの巻線ｗ２には電流ｉｗに加えて電流ｉｓｗが流れる。このように、各相の巻線１１ｕ，１１ｖ，１１ｗでは、中間点までの巻線ｕ１，ｖ１，ｗ１に流れる各電流量と中間点からの巻線ｕ２，ｖ２，ｗ２に流れる各電流量とに不平衡が生じる。
【００２２】
この巻線ｕ１，ｖ１，ｗ１と巻線ｕ２，ｖ２，ｗ２間の電流量の不平衡によって、固定子１１と回転子１２との間のエアギャップに磁束の疎密が生じる。この磁束の疎密によって振動抑制力が発生する。この振動抑制力を危険速度時に回転子１２（回転軸１３）の半径方向の変位を適正な支持位置（中心位置）に戻すように制御することによって、振動を抑制することができる。このように、磁束の疎密による振動抑制力で振動を抑制することによって、回転子１２（特に、回転軸１３）を適正な支持位置で非接触で支持することができる。
【００２３】
図４を参照して、回転角度が９０度の場合に振動がｙ軸マイナス方向に発生しているときの振動抑制力について説明する。回転角度が９０度のときの電動機駆動用のＵ相の電流ｉｕ＝０Ａ、Ｖ相の電流ｉｖ＝−０．８７Ａ、Ｗ相の電流ｉｗ＝０．８７Ａとする。この場合、電動機１０の回転速度が危険速度に入るまでは、Ｕ相の巻線ｕ１と巻線ｕ２には電流が流れず、Ｖ相の巻線ｖ１と巻線ｖ２には−０．８７Ａの電流が流れ、Ｗ相の巻線ｗ１と巻線ｗ２には０．８７Ａの電流が流れる。
【００２４】
電動機１０の回転速度が危険速度になると、回転子１２の変位を適正な支持位置に戻すために振動抑制用インバータ３３ｆからＵ相のみに振動抑制用の電流ｉｓｕ（マイナス値）を供給する。これによって、Ｕ相の巻線ｕ２には電流ｉｓｕが流れる。
【００２５】
このとき、回転子１２の永久磁石のＮ極１２Ｎはｙ軸マイナス側に位置し、Ｓ極１２Ｓはｙ軸プラス側に位置している。この永久磁石のＮ極１２Ｎによる各磁束ＭＮ１、ＭＮ２，ＭＮ３，ＭＮ４，ＭＮ５の方向は、中心から外方向である。一方、永久磁石のＳ極１２Ｓによる各磁束ＭＳ１、ＭＳ２，ＭＳ３，ＭＳ４，ＭＳ５の方向は、中心方向である。また、振動抑制用の電流ｉｓｕによる鉄心Ｃ１での磁束ＭＦ１の方向は、中心から外方向である。振動抑制用の電流ｉｓｕによる鉄心Ｃ２での磁束ＭＦ２の方向は、中心方向である。振動抑制用の電流ｉｓｕによる鉄心Ｃ３での磁束ＭＦ３の方向は、中心から外方向である。振動抑制用の電流ｉｓｕによる鉄心Ｃ４での磁束ＭＦ４の方向は、中心方向である。
【００２６】
その結果、鉄心Ｃ１では、永久磁石のＮ極１２Ｎによる磁束ＭＮ１の方向と振動抑制用の電流ｉｓｕによる磁束ＭＦ１の方向とが同方向となり、エアギャップの磁束が密Ｄ１となる。鉄心Ｃ２では、永久磁石のＮ極１２Ｎによる磁束ＭＮ２の方向と振動抑制用の電流ｉｓｕによる磁束ＭＦ２の方向とが逆方向となり、エアギャップの磁束が疎Ｓ１となる。鉄心Ｃ３では、永久磁石のＳ極１２Ｓによる磁束ＭＳ１の方向と振動抑制用の電流ｉｓｕによる磁束ＭＦ３の方向とが逆方向となり、エアギャップの磁束が疎Ｓ２となる。鉄心Ｃ４では、永久磁石のＳ極１２Ｓによる磁束ＭＳ２の方向と振動抑制用の電流ｉｓｕによる磁束ＭＦ４の方向とが同方向となり、エアギャップの磁束が密Ｄ２となる。
【００２７】
このようなエアギャップにおける磁束の疎密Ｄ１，Ｄ２，Ｓ１，Ｓ２によって、振動抑制力Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４が発生する。この振動抑制力Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４の場合、ｙ軸マイナス方向の振動抑制力Ｆ１，Ｆ２の合力よりもｙ軸プラス方向の振動抑制力Ｆ３，Ｆ４の合力が大きくなるので、振動抑制力Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４を合成した最終的な振動抑制力ＣＦは、ｙ軸プラス方向に作用する。このように、Ｕ相にマイナスの電流ｉｓｕを供給することよって、ｙ軸プラス方向に振動抑制力ＣＦが作用し、ｙ軸マイナス方向に発生している振動を抑制できる。
【００２８】
それでは、制御装置３０について具体的に説明する。制御装置３０は、電動機１０を駆動制御するとともに電動機１０の振動を抑制制御する制御装置である。そのために、制御装置３０は、回転角度位置演算部３１、電動機制御部３２、振動抑制部３３を有している。制御装置３０では、一定時間毎に、ギャップセンサ２０，２１、回転角度位置センサ２２からの各検出値を入力する。そして、制御装置３０では、電動機駆動用の三相交流電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを電動機１０に供給し、危険速度時には振動抑制用の三相交流電流ｉｓｕ，ｉｓｖ，ｉｓｗも電動機１０に供給する。
【００２９】
回転角度位置演算部３１では、一定時間毎に、回転角度位置センサ２２からの検出値を入力すると、その検出値から所定の演算式によって回転角度位置φを演算する。そして、回転角度位置演算部３１では、その回転角度位置φを変調部３３ｄに出力する。所定の演算式は、回転角度位置センサ２２で回転子１２の回転角度位置に応じたどのような値を検出するかによって決まる。
【００３０】
電動機制御部３２は、自動車の車両制御装置などからの回転速度指令値ω＊になるような電動機駆動用の三相交流電流指令値ｉｕ＊，ｉｖ＊，ｉｗ＊を求め、その三相交流電流指令値ｉｕ＊，ｉｖ＊，ｉｗ＊に応じて電動機駆動用の三相交流電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを電動機１０に供給する。そのために、電動機制御部３２は、電動機制御電流演算部３２ａ及び電動機用インバータ３２ｂを有している。
【００３１】
電動機制御電流演算部３２ａでは、回転速度指令値ω＊と電流指令値Ｉ＊が入力されると、その回転速度指令値ω＊と電流指令値Ｉ＊を用いて、式（１）により電動機駆動用の三相交流電流指令値ｉｕ＊，ｉｖ＊，ｉｗ＊を演算する。そして、電動機制御電流演算部３２ａでは、その三相交流電流指令値ｉｕ＊，ｉｖ＊，ｉｗ＊を電動機用インバータ３２ｂに出力する。
【数１】
【００３２】
電動機用インバータ３２ｂでは、電動機制御電流演算部３２ａから電動機駆動用の三相交流電流指令値ｉｕ＊，ｉｖ＊，ｉｗ＊を入力すると、三相交流電流指令値ｉｕ＊，ｉｖ＊，ｉｗ＊になるようにバッテリなどの電源装置からの直流電流を交流電流に変換する。そして、電動機用インバータ３２ｂでは、その変換した三相交流電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを電動機１０に供給する。
【００３３】
振動抑制部３３は、電動機１０の回転速度が危険速度になると、ギャップセンサ２０，２１で検出した軸ずれ（ｘｇ，ｙｇ）を正常な支持位置に戻すような振動抑制用の三相交流電流指令値ｉｓｕ＊，ｉｓｖ＊，ｉｓｗ＊を求め、その三相交流電流指令値ｉｓｕ＊，ｉｓｖ＊，ｉｓｗ＊に応じて振動抑制用の三相交流電流ｉｓｕ，ｉｓｖ，ｉｓｗを電動機１０に供給する。そのために、振動抑制部３３は、減算部３３ａ，３３ｂ、ＰＩＤ制御部３３ｃ、変調部３３ｄ、二相三相変換部３３ｅ、振動抑制用インバータ３３ｆを備えている。なお、本実施の形態では、振動抑制用インバータ３３ｆが特許請求の範囲に記載する電流供給装置に相当する。
【００３４】
減算部３３ａでは、ギャップセンサ２０からｘ方向の軸ずれｘｇが入力されると、ｘ方向の軸位置指令値ｘ＊からｘ方向の軸ずれｘｇを減算する。そして、減算部３３ａでは、その減算値（ｘ＊−ｘｇ）をＰＩＤ制御部３３ｃに出力する。減算部３３ｂでは、ギャップセンサ２１からｙ方向の軸ずれｙｇが入力されると、ｙ方向の軸位置指令値ｙ＊からｙ方向の軸ずれｙｇを減算する。そして、減算部３３ｂでは、その減算値（ｙ＊−ｙｇ）をＰＩＤ制御部３３ｃに出力する。軸位置指令値ｘ＊，ｙ＊は、回転子１２（回転軸１３）に対する正常な支持位置（例えば、中心位置）であり、予め設定される。
【００３５】
ＰＩＤ制御部３３ｃでは、減算部３３ａ，３３ｂから減算値（ｘ＊−ｘｇ），（ｙ＊−ｙｇ）が入力されると、減算値（ｘ＊−ｘｇ），（ｙ＊−ｙｇ）に対してＰＩＤ制御を行い、振動抑制力指令値（支持力指令値）Ｆｘ＊，Ｆｙ＊を生成する。そして、ＰＩＤ制御部３３ｃでは、振動抑制力指令値Ｆｘ＊，Ｆｙ＊を変調部３３ｄに出力する。この振動抑制力指令値Ｆｘ＊，Ｆｙ＊に相当する振動抑制力Ｆｘ，Ｆｙが回転子１２に作用することにより、回転子１２に発生している振動が抑制されることになる。
【００３６】
変調部３３ｄでは、ＰＩＤ制御部３３ｃから振動抑制力指令値Ｆｘ＊，Ｆｙ＊が入力されると、その振動抑制力指令値Ｆｘ＊，Ｆｙ＊と回転角度位置演算部３１からの回転角度位置φを用いて式（２）で変調を行い、二相電流指令値ｉｓａ＊，ｉｓｂ＊を演算する。そして、変調部３３ｄでは、その二相電流指令値ｉｓａ＊，ｉｓｂ＊を二相三相変換部３３ｅに出力する。二相電流指令値ｉｓａ＊，ｉｓｂ＊に相当する三相交流電流ｉｓｕ，ｉｓｖ，ｉｓｗを電動機１０に供給することにより、振動抑制力指令値Ｆｘ＊，Ｆｙ＊に相当する振動抑制力Ｆｘ，Ｆｙでありかつ回転子１２の永久磁石（Ｎ極、Ｓ極）の位置関係と同期がとれた振動抑制力Ｆｘ，Ｆｙを発生できる。
【数２】
【００３７】
二相三相変換部３３ｅでは、変調部３３ｄから二相電流指令値ｉｓａ＊，ｉｓｂ＊が入力されると、その二相電流指令値ｉｓａ＊，ｉｓｂ＊を式（３）で二相三相変換し、振動抑制用（支持用）の三相交流電流指令値ｉｓｕ＊，ｉｓｖ＊，ｉｓｗ＊を演算する。そして、二相三相変換部３３ｅでは、その振動抑制用の三相交流電流指令値ｉｓｕ＊，ｉｓｖ＊，ｉｓｗ＊を振動抑制用インバータ３３ｆに出力する。
【数３】
【００３８】
振動抑制用インバータ３３ｆでは、二相三相変換部３３ｅから振動抑制用の三相交流電流指令値ｉｓｕ＊，ｉｓｖ＊，ｉｓｗ＊を入力すると、三相交流電流指令値ｉｓｕ＊，ｉｓｖ＊，ｉｓｗ＊になるようにバッテリなどの電源装置からの直流電流を交流電流に変換する。そして、振動抑制用インバータ３３ｆでは、その変換した三相交流電流ｉｓｕ，ｉｓｖ，ｉｓｗを電動機１０に供給する。
【００３９】
図１〜図２を参照して、電動機システム１における動作について説明する。特に、電動機１０の回転速度が危険速度になったときの動作について詳細に説明する。
【００４０】
ギャップセンサ２０，２１では、一定時間毎に、各方向の軸ずれｘｇ，ｙｇを検出し、その各検出値を制御装置３０に出力している。回転角度位置センサ２２では、一定時間毎に、回転角度位置に応じた所定の値を検出し、その検出値を制御装置３０に出力している。制御装置３０では、回転角度位置センサ２２からの検出値を入力すると、その検出値から回転角度位置φを演算している。
【００４１】
回転速度指令値ω＊が入力されると、制御装置３０では、制御周期毎に、その回転速度指令値ω＊になるための電動機駆動用の三相交流電流指令値ｉｕ＊，ｉｖ＊，ｉｗ＊を演算し、電動機用インバータ３２ｂから三相交流電流指令値ｉｕ＊，ｉｖ＊，ｉｗ＊に応じた電動機駆動用の三相交流電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを電動機１０に供給する。電動機１０では、各相の巻線１１ｕ（ｕ１，ｕ２），１１ｖ（ｖ１，ｖ２），１１ｗ（ｗ１，ｗ２）に電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗがそれぞれ流れ、回転速度指令値ω＊に等しい回転速度なるように回転子１２が回転する。なお、三相交流電流指令値ｉｕ＊，ｉｖ＊，ｉｗ＊の値が０Ａのときにはその相の巻線には電流が流れず、プラス値のときにはその相の巻線には正方向に電流が流れ、マイナス値のときにはその相の巻線には逆方向に電流が流れる。
【００４２】
電動機１０の回転速度が高くなり、危険速度に到達すると、制御装置３０では、制御周期毎に、ｘ方向の軸位置指令値ｘ＊から軸ずれｘｇを減算するとともに、ｙ方向の軸位置指令値ｙ＊からｙ方向の軸ずれｙｇを減算する。そして、制御装置３０では、その減算値（ｘ＊−ｘｇ）、（ｙ＊−ｙｇ）をＰＩＤ制御して振動抑制力指令値Ｆｘ＊，Ｆｙ＊を生成する。さらに、制御装置３０では、その振動抑制力指令値Ｆｘ＊，Ｆｙ＊と回転角度位置φにより変調して二相電流指令値ｉｓａ＊，ｉｓｂ＊を生成する。そして、制御装置３０では、その二相電流指令値ｉｓａ＊，ｉｓｂ＊を二相三相変換して振動抑制用の三相交流電流指令値ｉｓｕ＊，ｉｓｖ＊，ｉｓｗ＊を生成する。
【００４３】
そして、制御装置３０では、振動抑制用インバータ３３ｆから三相交流電流指令値ｉｓｕ＊，ｉｓｖ＊，ｉｓｗ＊に応じた三相交流電流ｉｓｕ，ｉｓｖ，ｉｓｗを電動機１０に供給する。電動機１０では、各相の巻線１１ｕ，１１ｖ，１１ｗの途中から（すなわち、巻線ｕ２，ｖ２，ｗ２に）電流ｉｓｕ，ｉｓｖ，ｉｓｗがそれぞれ流れる。なお、三相交流電流指令値ｉｓｕ＊，ｉｓｖ＊，ｉｓｗ＊の値が０Ａのときにはその相の巻線の途中から電流が加えられず、プラス値のときにはその相の巻線の途中から正方向の電流が加えられ、マイナス値のときにはその相の巻線の途中から逆方向の電流が加えられる。
【００４４】
巻線の途中から電流が加えられた相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のうちの少なくとも１つの相）では、巻線における中間点までの巻線（ｕ１，ｖ１，ｗ１）に流れる電流量と中間点からの巻線（ｕ２，ｖ２，ｗ２）に流れる電流量とが異なる電流量となる。この電流量の不平衡によって、固定子１１と回転子１２間のエアギャップにおいて磁束が疎になる部分と密になる部分ができる。その磁束の疎密によって振動抑制力が発生し、その振動抑制力が回転子１２（回転軸１３）を正常な支持位置に戻すように作用する（すなわち、回転子１２の振動を抑制する）。
【００４５】
この電動機システム１によれば、各相の巻線１１ｕ，１１ｖ，１１ｗの途中から振動抑制用の三相交流電流ｉｓｕ，ｉｓｖ，ｉｓｗを供給できるようにすることにより、回転トルク発生用の巻線の設置容積を減らすことなく、振動を抑制することができる。これによって、回転トルク発生用の巻線が減らないので、電動機１０の性能を低下させることなく、高出力、高回転化を実現できる。特に、電動機１０では、高い回転加速度を発生させることができるので、短時間で高回転速度となる。また、大きな振動による軸受け、回転軸１３、回転子１２、固定子１１の損傷を防止できる。
【００４６】
以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく様々な形態で実施される。
【００４７】
例えば、本実施の形態では自動車などに適用する電動機としたが、高回転用の様々な用途に適用可能である。また、低回転域でも振動が発生する電動機がある場合にはそのような電動機にも適用可能である。
【００４８】
また、本実施の形態では２極電動機４極支持制御システムとしたが、この各極数については電動機の設計上の各種条件によって変わる。
【００４９】
また、本実施の形態では電動機の回転速度が危険速度になると振動抑制制御を行う構成としたが、ギャップセンサで検出される軸ずれ量が閾値より大きくなると振動抑制制御を行ってもよい。
【００５０】
また、本実施の形態では回転子（回転軸）を正常な支持位置に戻す振動抑制用の三相交流電流指令値を求めるための一つの方法を説明したが、他の方法によって振動抑制用の三相交流電流指令値を求めてもよい。
【００５１】
また、本発明に係る電動機を、ベアリングレス電動機に適用してもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１…電動機システム、１０…電動機、１１…固定子、１１ｕ，１１ｖ，１１ｗ…巻線、１２…回転子、１３…回転軸、１４ｕ，１４ｖ，１４ｗ…電線、２０，２１…ギャップセンサ、２２…回転角度位置センサ、３０…制御装置、３１…回転角度位置演算部、３２…電動機制御部、３２ａ…電動機制御電流演算部、３２ｂ…電動機用インバータ、３３…振動抑制部、３３ａ，３３ｂ…減算部、３３ｃ…ＰＩＤ制御部、３３ｄ…変調部、３３ｅ…二相三相変換部、３３ｆ…振動抑制用インバータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転トルク発生用の巻線が設けられた固定子と、当該固定子に対して間隙を介して同心に配設された回転子を備える電動機であって、
前記巻線の途中に一端が結線される電線と、
前記電線の他端が接続され、前記電線を介して前記巻線の途中から前記回転子の振動を抑制するための電流を供給する電流供給装置と
を備えることを特徴とする電動機。
【請求項１】
回転トルク発生用の巻線が設けられた固定子と、当該固定子に対して間隙を介して同心に配設された回転子を備える電動機であって、
前記巻線の途中に一端が結線される電線と、
前記電線の他端が接続され、前記電線を介して前記巻線の途中から前記回転子の振動を抑制するための電流を供給する電流供給装置と
を備えることを特徴とする電動機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−４５１６３（Ｐ２０１１−４５１６３Ａ）
【公開日】平成２３年３月３日（２０１１．３．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１８９９５１（Ｐ２００９−１８９９５１）
【出願日】平成２１年８月１９日（２００９．８．１９）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（８０３０００１１５）学校法人東京理科大学 (545)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月３日（２０１１．３．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月１９日（２００９．８．１９）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（８０３０００１１５）学校法人東京理科大学 (545)
【Ｆターム（参考）】
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