JPS6087686A - レンバータ駆動永久磁石励磁回転電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 この発明は、インバータを介して給電されかつ回転子に
配設された永久磁石により励磁される回転電機であって
、電機巻線の電流忙影響を及ぼす調節装置を備えるもの
に関する。

〔従来技術とその問題点〕

カカル電機は専門誌１１！ＩＴＺ第１００巻（１９７９
年）。

第１３８２ないし１３８６ページにより知られている。

この電機においては励磁、従って与えられた回転数にお
ける誘導電圧（起電力）は影響を受けない。・インバー
タの最大端子電圧と回転数に比例する電機の起電力とに
もとづき、この電機のトルク回転数の範囲は確定されて
しまう。

Ｈ，Ｇｒｏｔｓｔｏｌ　ｌｅｎ工学博士の大学教授資格
論文”電気サーボ駆動における三相交流技術入門”（１
９８２年）から、永久磁石励磁回転−ｉ機の場合にトル
ク回転数の範囲を広げるために電機の直情方向に減磁用
の定常電流を与えることが知られている。その際電流を
流している開だけ永久０石の可逆な減磁か行なわれ、永
久磁石は電流を止めた後は再びその当初の励磁状態に戻
る。界磁弱めのこの方法においては、電機に強い熱的過
負荷がかかるのが欠点である。何となればこのため付加
的に必要となる直軸方向の大きな定當ｄｉ泥による損失
が定格連転時の損失を遥かに越してしまうからである。

〔発明の目的〕

この発明は、電機に強い熱負荷を与えて大きい損失な発
生するような定常電流を用いることなしに、トルクと回
転数の範囲を変更することができるように永久磁石励磁
回転電機と付属調節装置を構成することを目的とする。

〔目的の達成手段〕

この目的は本発明によれば、冒頭記載のＲ機において、
一つ又は複数の運転量に依存して調節装置がその前に接
続された経過制御装置により制御され、これによって電
機巻線がインバータを介してＴｏ、機の直軸方向の電流
を短時間供給さ盪するようにし、との′電流のシーをこ
の電流により直軸方向に生じるアンペアターンにより永
久磁石の磁化状態の不可逆袈更を起こすような大きさに
することにより達成される。短時間だけ直軸方向に減磁
電流を与えることにより永久６Ｂ石を減磁することが可
能ンよので、永久磁石はより少ない永久（戯束密度を持
った新しい（ホ）化状態を採る。減磁１Ｗ流を止めた後
でもこの新しい（磁化状態は維持される。電機の弱めら
れた励磁磁界のためにトルクと回・１八〇の範囲をより
高い口伝数まで広げることが可能である。

電機の直軸に反対方向の電流を供給すると、永久磁石は
再び増磁でき、それにより励磁磁束が高められるので、
トルクと回転数の範囲は内び当初の限界に戻る。

かかる永久磁石の磁化状態の不可逆な変更による界磁弱
めの本発明の原理は、電機が電動機として運転されるか
発Ｆｋ機として運転されるかに関係しない。調節装置の
種類、すなわち電流調節器か電圧調節器かも重要でない
。ただ上記の原理にもとづいてａ機電流を流すことが医
証され１よければならないわけであるが、これは電流調
節器により特に容易に達成できる。

〔発明の実施態様〕

原理的圧は゛電機の励磁のために、その磁化状態が不可
逆的に影ｌ〃されうる単一の永久磁石拐ｌ［を用いるこ
とかできるが、製造技ル１１上の長所は、複数の部分磁
石を（ＩＢ磁気的並列又は直列に配置すると共に、少７
よくとも、残りの部分磁石より小さい保磁力を有する一
つの部分磁石の磁化状態が直軸電流により不可逆的に変
更されつるようにすることにより得られる。さりに、磁
極ごとに少ｌよくとも三つの部分磁石を磁気的に並列に
設け、これら部分磁石の内の中央に配置された部分１−
石が外側に配置された部分磁石より小さい保磁力を有す
るよ５にするのが良好なことが判明している。減磁ない
しは増磁のための磁界はとりわけ磁極中央に現われるの
で、上記の部分磁石は完全にこの磁界の中に含まれる。

外側の部分磁石はその磁化状態に不可逆的な変更を受け
ないので、最小励磁磁界は確実に維持される。このこと
は部分磁石の直列配置の場合にもあてはまる。

より小さい保磁力を有する部分磁石はｋｌ　Ｎ　ｔ、　
Ｃ。

磁石劇料又はＦｅ　Ｃｒ　Ｃｏ磁石材料で構成するのが
よい。これら劇料から成る磁石は高い残留磁束密度を有
するので、部分磁石の増磁状態では高い励磁磁束が得ら
れる。しかしながらこれら磁石はその小さい保磁力のた
めに容易に減磁又は増磁できる。・フェライト劇料は経
済面が大切な場合に磁化状態が切換えられるべき磁石と
して有利である。

永久磁石の構造は、軟磁性材料から成る磁極片を永久磁
石の全部又は一部の上に取り付けるように変形できる。

この磁極片により、トルクを発生させる横ｍ電流により
生じる電機子磁界が永久磁石から遠ざけられるので、不
可逆的に磁化状態を切換えられるべき磁石の寸法決定の
際に電機子の横磁界を特に考慮する竹材がなくなる。ま
た、ｕ転子の各ａ極は種々の態様に構成することができ
、例えば個々の磁極に対して選択的に直列又は並列構成
の部分磁石を用いたり、異なる磁石側斜を用いたりする
ことができる。

電機における磁化状態切換過程は、調節装置に影響を及
ぼす経過制御装置により協調的に調節するようにするの
が合目的である。その場合磁化状態切換過程は、あらか
じめ与えられた限界回転数に依存し始められるようにも
、また電機の端子電圧に依存して導入されるようにもで
きる。増磁及び減磁動作に対する限界値としては種々の
値を選択することができる。

電機のその時々の運転状態が磁化状態の切換に与える干
渉は、磁化状態切換過程中に少なくとも直軸における電
流の目標１直だけが経過ｉ１ｉ制御装置により与えられ
ることにより、排除される。この目標値の大きさは得よ
うとする磁化状態に応じて選ぶこともでき又はその値を
最大値に等しくすることもでき木。この目標値は経過制
御装置により、その時々に望まれる励磁磁束に応じた固
定のただし選択可能な時間のあいだ与えられるか、又は
直軸における電流の目標値と実際値との間の差の値が固
定のただし選択可能な値を下回わるまで与えられる。さ
らに、磁化状態切換過程のあいだは横軸電流の目標値を
ゼロに下げておくのが良いことが判明した。

さらに、永久磁石ないしはその部分磁石の不可逆な減磁
の後にも、付加的になお磁石の磁化状態の可逆変更を生
せしめるような直軸方向に作用する持続電流を前置され
た第２の調節装置により電機子巻線に供給するのが有利
である。これによりトルク回転数範囲をさらに広げるこ
とができる。

この励磁磁界の一層の弱めは永久磁石の減磁状態で行な
われるので、可逆減磁に対してそれ相応の僅かな持続電
流が必要とされるに過ぎず、これによって電機が熱的な
過負荷を受けることはない。

〔発明の実施例〕

つぎにこの発明にもとづく回転電機の二つの実施例とそ
の駆動回路の実施例とを示す図面を参照しながら本発明
の実施例を詳細に説明する。

第１図において、１は回転子に永久磁石励磁を備えた三
相交流回転電機で、これは３８０■の三相交流電源から
インバータ２を介して給電される。

インバータ２には電流調節器３が付属しており、この電
流調節器は過渡制御装置４から直軸’ｊ（−１、流に対
する目標値ｊｄｗ’と横軸電流に対する目標値ｉ１ｗ′
とを供給される。磁化変更が行なわれない運転期間中は
、経過制御装置４は前置された第２の調節装置４から直
軸電流に対する目標値ｉｄ□と横軸電流に対する目標値
１ｑ１ｖとを受け取り、これら目標値をそのまま電流調
節器３に引き継ぐ。電機に結合された回転数測定装置５
を介して経過制御装置４はその時々の電機の回転数を通
知される。電機回転数が限界に達すると経過制御装置４
が働き始め、電流調節器３に直軸電流に対する新しい目
標値１ｄｗ’を与える。電流調節器３かものこの目標値
に基づいてインバータ２を介して電機１の直軸方向に制
御された電流によって、回転子に配設された永久磁石は
不可逆的に減磁又は増磁される。直軸電流の目標値１ｄ
ｗ’と実際値ｉｄとの差の値が所定値を下回わったとき
に、経過制御装置４は磁化状態切換動作を終了する。電
機１にはさら忙角度測定器６（回転子位置センサ）が結
合されており、その出力信号は座標軸変換器７に供給さ
れる。またこの変換器には三つの電機電流’ａｎ　ｌｂ
、ｌｃに比例する信号が供給されている。座標軸変換に
より固定子に固定された座標系における電流の実際値ｌ
ａ、ｔｂ、　ｔｃは回転子に固定された座標系における
電流の実際値ｉｄ、　ｉ、に変換される。座標軸変換器
７の出力端は電流調整器３に結合されているので、′Ｉ
！ｌｔ苑調節器はその時々の実際値な受け取る。

特定の社１４ルＯ１１特性を実現するためには、電流調
節器３には以上のほかに角匿測定器６の出力信号を供給
することがもちろん・必要である。

前置された第２の調節器８への入力信号は、回転数目標
値ｎＷと回転故実除値ｎとから成る。回転ａ測定器５の
出力信号が後者の役を果たす。この前置された第２の調
節装置８は、横軸゛電流を設定するための出力信号輸、
を供給する比例・積分動作の回転数調節器と、永久磁石
の磁化状態に不可逆的な変更な生せしめることがない持
続電流を回転数に応じて与えるための出力信号１ｄｗを
発する制御器とから成る。

第２図に示した構造において、極ピッチ１を有する一つ
の励磁ｍｗＬｙ関して三つの部分磁石１１　。

１２　、１３が磁気的に並列に接続されている。外側の
二つの部分磁石１１　、１２は高い保竺カを有する磁石
材料から成る。これら部分磁石の磁化状畔は磁化状態切
換動作処おいても不可逆な影響を受けない。

これに反して中央に配置直された部分磁石は小さい保磁
力を有する材料から成る。外側の部分磁石１１゜１２が
フェライト材料から成るときは、中央の部分磁石１３は
アルニコ磁石とすることができる。外側の部分磁石に希
土類コバルト磁石が用いられるときは、中央の部分磁石
はフェライト材料又はアルニコ製とすることができる。

中央の部分磁石１３の幅は極ピッチｔの約４分の１に等
しい。中央の部分磁石１３のこの寸法により、この部分
磁石の端部にもなお不可逆な磁化′状態の切換えに十分
な強さの磁界を発生させることが可能となる。増磁及び
減磁は電機の直軸方向の短時間の電流衝撃により行なわ
れる。その際の電流の大きさは希望の磁化状態及び永久
磁石の保磁力に依存する。さらに、第２図による複数部
分磁石からなる構造は中央の部分磁石１３の比較的高い
残留磁束密度のために、電機を十分に着磁させたとき磁
極面に沿う磁束分布が正弦曲線に非常に良く近似すると
いう長所を有する。かかる良好な近似は永久磁石励磁回
転電機では一般的にはあてはまらないものである。

第３図は二つの部分磁石３１　、３２の直列接続を示す
。部分磁石３２は部分磁石３１より／Ｊ１さい保磁力を
有し、かつ電機１の固定子に近い方に配置されている。

それにより直軸電流により生じる磁界により容易に減磁
される。なお、第２及び３図において磁石の構造はそれ
ぞれ回転子及び固定子の展開図で示されており、線９は
固定子を線１０は回転子を意味１−る。

第４図に示す磁化状態切換の調整のための過渡制御装置
４において、磁化状態切換動作は与えられた限界回転数
を越えたときに開路される。回転数の実際値の大きさＩ
ｎ＋は第１の比較器２１に供給される。この比較器の回
路はヒステリシスを有する。第１の比較器２１の出力端
におけるＩ（信号は、電機が低減した励磁磁界で運転さ
れるべきであることを意味し、Ｌ信号は十分な励磁磁界
により電機を運転すべきであることを示す。電機の増磁
に対する限界回転数は減磁に対する限界回転数より低く
選ぶのが良い。なぜならば増磁の際には増加する起電力
か増磁過程を妨げるが、一方減紡の際には低下する起電
力が減磁過程に有利に作用するからである。本発明にお
ける経過制御装置は、直軸電流の実際値ｉｄが所定の限
界値に達したときに磁化状態切換過程を終了するので、
直軸電流に対する第２の比較６四が必要である。この第
２の比較器ｎの出力端には、直軸電流の実際値信号ｉｄ
が第２の比較６四のしきい値により決定される限界値に
達したときに、Ｌ信号が現われ、実際値信号ｌｄがこの
限界値にまだ達しない限り、第２の比較６乙の出力端に
はＨ信号が現われる。第２の比較器ｎは、永久磁石の望
ましい磁化状態に応じて種々のしきい値をとり得る。

減磁動作は回転数実際値の大きさＩｎ＋が第１の比較器
２１のしきい１直に達したときに開始される。

それにより第１の比較器２１の出方端においてＬ信号か
らＨ信号への移行が行なわれる。Ｈ信号によりＤタイン
のフリ、ンフロ、７ステージるが減磁動作にセットされ
る。フリ、プフロ、フステージおの出力により０１１ゲ
ー）２５を介して制御される切換スイッチかによって、
前置された第２の調節器から供給される目標値１ｄｗは
電流調節器３から切り離される。同時に切換スイッチ薦
により、この実施例の場合は固定された最高値−１０Ｖ
である新しい目標値１ｄｗ’ｌが電流調節器３の目標値
入方端に入力される。第１の比較器２１の出力により制
御される別の切換スイッチｎにより新しい目標値２１の
極性があらかじめ設定されるので、この目標」直１ｄｗ
ｌの極性に応じて増磁又は減磁が行なわれる。

既に述べたように、第２の切換スイッチ谷は第１の比較
器２１の出力信号に応じて切り換えられる。

直軸電流の実際°値ｉｄが希望する値に達すると、第２
の比較器ｎの出力端におけるＬ−１δ号によりフリ、ン
フロ、ブステージムは減速動作からリセットされる。こ
れにより切換スイッチあは、ｆＩ）び図示と逆の位置に
切り換えられるので、前置された第２の調節装置から出
された直軸及び横軸通流に対する目標値ｉｄｗｙ　’ｌ
ｑｗが再び電流調節器は３に与えられる。

増磁過程は原理的には全く同様に進行する。しかしなが
らこの際には同様にＤタイプに構成されたフリ、１フロ
、フステージ列が増磁過程にセットされる。このフリ、
フフロ、フステージ冴の出力信号が同様に０１１ゲート
５を介して切換スイッチあを制御する。この切換スイッ
チかにより新しい目標値１ｄｗｌが再び電流−筒器［３
に接続される。増磁過程においては第１の比較器２１の
出力端にはＬ信号が現われるので、第２の切換スイ、チ
谷は図示と逆の位置に制御される。そのために電流調節
器３は新しい目標値ｉ、ＩＷｌとして最高値＋ｌＯ■を
供給される。

インバータ２の負荷を軽減するために、磁化状態切換過
程のあいだ横軸電流の目標値ｉｑｗＩはゼロにされる。

これは切換スイッチ脚の別の接点により行なわれ、この
接点により目標値１ｑｖｒは電流調節器から切り離され
る。

なお、この実施例においては磁化変更動作が所定の限界
回転数に達したときに開始され、直軸電流ｊｄが所定値
に達したときに終了されることに注意すべきである。他
の若干の適用例においては、回転数と電流に対する上記
の限界値が電機の一つ又は複数の運転量に依存して与え
られるようにするのが有利である。もちろん、この場合
には両比較器２１．たのしきい電圧はかかる運転Ｍｌこ
応じた付加的な入力信号により設定されるようにしなけ
ればならない。

〔発明の効果〕

回転子に永久磁石から成る磁極を備えた同期機にインバ
ータを介して可変周波数の電力を供給して得られる可変
速回転’Ｋ　’ｒＲＪのトルクと回転数の範囲は、イン
バータの最大端子電圧と回転数に比例する電機のね電力
とにより定まる。このトルク回転赦彦囲な更に高い回転
数にまで拡大しようとするときは、界磁を弱めて電機の
起電力を：低下させなけれはならない。

この発明においては、インバータがらＴＥ　ＭＡ巻線に
供給される九６１ｆ、を制御する調節器の前に経過制御
装置を設け、例えば電機の回転数がある限界値に達した
とき経過制御装置からの指令にもとづいて’ＩＥ　ｆｉ
ｇの直軸に短時間だけ大電流を供給し、この電流ににり
永久磁石を不可逆的に減磁するようにする。この減磁電
流が経過制御装置により断たれた後でも、弱め界磁は維
持されるので、従来のように弱め界磁を維持するために
直軸電流を継続して供給する必双はなく、電機に熱的な
過負荷を与えずまた電力損失を避けることができる。永
久磁石の値化状態を元に戻すには、過渡制御、装置から
の別の指令にもとづき、？ｉ！機の直軸に短時間だけ逆
方向電流を供給すればよい。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明にもとづくインバータ駆動永久磁石励
磁回転電機とその調節装置との実施例のプロ、り回路図
、第２，３図は第１図に示す回転電機の複数の部分磁石
から成る励磁磁極のそれぞれ異なる実施例を示す略図、
第４図はＭ１図に示す経過制御装置の実施例を示す回路
図、である。 図面において、ｌは永久磁石励磁回転電機、２はインバ
ータ、３は電流調節器、４は経過側４ＩｉＩ装置、８は
第２の調節器、１１　、１２　、１３　、３１　、３２
は部分磁石、ｌｄｗ’は磁化状態切換過程中の直軸電流
に対する目標値　ｉ１ｗ／は磁化状態切換過程中の横軸
電流に対する目標値、である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ｌ）インバータを介して給電されかつ回転子に配設され
   た永久磁石により励磁される回転電機であって、電機巻
   線の電流に影響を及ぼす調節装置を備えるものにおいて
   、一つ又は複数の運転量に依存してこの調節装置が前置
   された経過制御装置により制御されて、電機巻線がイン
   バータを介して電機の直軸方向の電流を短時間供給され
   、この電流の大きさがこの電流により直軸方向に生じる
   アンペアターンにより永久磁石の磁化状態を不可逆的に
   一変化させるような大きさに選ばれたことを特徴とする
   インバータ駆動永久磁石励磁回転電機。 ２、特許請求の範囲第１項忙記載の電機において、調節
   装置が電流調節器であることを特徴とするインバータ駆
   動永久磁石励磁回転電機◎ ３）特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の電機にお
   いて、毎極あたり複数個設けられた部分磁石が磁気的に
   並列又は直列に配置されると共に、少なくとも、残余の
   部分磁石より小さな保磁力を有する部分磁石の磁化状態
   が直軸電流により不可逆的に変更されるようにしたこと
   を特徴とするインバータ駆動永久磁石励磁回転電機。 ４）特許請求の範囲第３項に記載の電機において、磁極
   ととに少なくとも三つの部分磁石が磁気的に並列に設け
   られ、これら部分磁石の内の中央に配置された部分磁石
   が外側に配置された部分磁石より小さな保磁力を有する
   ことを特徴とするインバータ駆動永久磁石励磁回転電機
   。 ５）特許請求の範囲第３項忙記載の電機において、磁極
   ごとに少なくとも二つの部分磁石が磁気的に直列に設け
   られ、これら部分磁石の内の一つがより小さい保磁力を
   有することを特徴とするインバータ駆動永久磁石励磁回
   転電機。 ６）特許請求の範囲第１項から第５項までのいずれかに
   記載の電機において、軟磁性材料から成る磁極片が永久
   磁石の上に取り付けられていることを特徴とするインバ
   ータ駆動永久磁石励磁回転電機。 ７）特許請求の範囲第４項又は第６項に記載の電機にお
   いて、中央の部分磁石の上にだけ磁極片が取り符けられ
   ていることを特徴とするインバータ駆動永久磁石励磁回
   転電機。 ８）特許請求の範囲第１項から第７項までのいずれかに
   記載の電機において、電機の個々の磁極が異なる態様で
   構成されることを特徴とするインバータ駆動永久磁石励
   磁回転電機。 ９）特許請求の範囲第１項から第８項までのいずれかに
   記載の電機において、磁化状態切換過程があらかじめ与
   えられた限界回転数に依存して経過制御装置により導入
   されることを特徴とするインバータ駆動永久磁石回転電
   機。 １０）特許請求の範囲第１項から第９項までのいずれか
   に記載の電機において、磁化状態切換過程があらかじめ
   与えられた電機端子電圧の限界値に依存して経過種制御
   装置により導入されることを特徴とするインバータ駆動
   永久磁石励磁回転電機。 １１）特許請求の範囲第１項から第１Ｏ項までのいずれ
   かに記載の電機において、磁化状態切換過程の間食なく
   とも直軸電流に対する目標値だけが経過制御装置により
   与えられることを特徴とするインバータ駆動永久磁石励
   磁回転電機。 １２、特許請求の範囲第１１項記載の電機において、磁
   化状態切換過程の間の直軸電流に対する目標値が、この
   目標値と実際値との間の差の値が所定のただし選択自由
   な値を下回わるまで、経過制御装置により電気られるこ
   とを４’￥徴とするインバータ駆動永久磁石励磁回転電
   機。 １３）特許請求の範囲第１１項記載の電機において、磁
   化状態切換過程の間の直軸′電流に対する目標値が所定
   のただし選択可能な時間のあいだ与えられるようにした
   ことを特徴とするインバータ１駆動永久磁石励磁回転電
   機。 １４）特許請求の範囲第１２項又は第１３項に記載の電
   機において、磁化状態切換過程の間、横軸電流の目標値
   がゼロに設定されることを特徴とするインバータ駆動永
   久磁石励磁回転電機。 １５）特許請求の範囲第１項から第１４項までのいずれ
   かに記載の電機において、゛永久磁石ないしはその部分
   磁石の減磁状態においては、直軸電流に対する目標値が
   前置された第２の調節装置により与えられ、この目標値
   がこれに対応する直軸電流が永久磁石ないしはその部分
   磁石の磁化状態の可逆変更のみを起こすような大きさで
   あることを特徴・とするインバータ駆動永久磁石励磁回
   転電機。