旋转电机的控制装置及其控制方法与流程

文档序号:19160439发布日期:2019-11-16 01:17阅读:322来源:国知局
旋转电机的控制装置及其控制方法与流程

本发明涉及旋转电机的控制装置,特别是涉及减小由绕组槽引起的磁通脉动或由齿槽转矩引起的转矩脉动。



背景技术:

永磁旋转电机具备定子及转子。定子具备:定子铁心,其形成有大致等间隔配置的绕组槽;定子绕组,其设置于所述绕组槽。定子绕组的磁动势分布是空间高次谐波叠加在正弦波(基波)上的分布,并与定子绕组电流成比例地随时波动。另外,在定子铁心的内侧,绕组槽的开口部和齿部大致等间隔交替存在,定子铁心的磁导率分布也具有以绕组槽为周期的脉动。因此,定子在定子铁心的气隙中产生的磁通密度为所述定子绕组的磁动势分布与定子铁心的磁导率的乘积,因此该磁通密度具有空间高次谐波分量。另外,转子具备插入转子铁心上间隔设置的槽部中的永磁体。因此,转子在所述气隙中产生的磁通密度也同样具有脉动,且由于旋转移动而会随着时间波动。

气隙的磁通密度是将定子产生的磁通密度与转子产生的磁通密度合成而成,该气隙的磁通密度具有高次谐波分量叠加在基波分量上的分布,随着时间波动。

作用于转子的转矩是存储在气隙中的磁能的角度微分,因此,若该气隙的磁通密度存在脉动,则会产生转矩脉动。而且,永磁旋转电机由于该转矩脉动可能会产生较大的振动或噪声。

为了减小转矩的脉动,提出了如下方法:在日本特开平11-55986号公报公开的永磁旋转电机的控制装置中,将由定子铁心的绕组槽引起的磁导率变化或由齿槽转矩引起的转矩脉动数据事先存储在转矩脉动存储装置中,通过转矩脉动消除信号产生电路读取该转矩脉动数据并生成转矩脉动消除信号,通过该转矩脉动消除信号修正转矩指令,从而修正定子绕组中流通的正弦波电流,以减小由绕组槽或齿槽转矩引起的转矩脉动。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:日本特开平11-55986号



技术实现要素:

发明要解决的问题

专利文献1的转矩脉动减小方法是通过叠加与转矩脉动的周期对应的高次谐波电流来消除转矩脉动的技术,但是高次谐波电流的叠加容易引起新的振动、噪声。另外,在基波电流上叠加高次谐波电流是指,由于基波幅值上叠加高次谐波幅值,因此最大电流幅值增大,即电流增大。这就是虽然除了专利文献1,各公司研究开发并申请了很多专利,但依然尚未实用的原因。

本发明的目的在于减小转矩脉动。

解决问题的技术手段

本发明的旋转电机的控制装置具备:正弦波产生电路,其产生与旋转电机的转子的磁极位置对应的正弦波信号;电流指令电路,其根据基于速度指令和实际速度信息而得到的转矩指令和所述正弦波信号产生电流指令;以及电流控制电路,其控制位于该定子绕组与直流电源之间的逆变器电路,以基于所述电流指令和旋转电机的定子绕组的电流检测信号向该定子绕组流入正弦波电流,在所述旋转电机以规定转矩、规定转速进行驱动时,所述电流控制电路使所述正弦波电流的电流相位周期性变化。

在此,“周期性”是指所述旋转电机中,在以规定转矩、规定转速进行驱动时,每旋转1圈,电流相位β的波形变化规定回数。进一步具体来说,在转子极数为12,定子槽数为36的旋转电机中,每旋转1圈,电流相位β的波形以36为周期(定子槽数)变化。另外,在转子极数为12,定子槽数为72的情况下,每极每相槽数为槽数(=72)/极数(=12)/相数(=3))=2,因此周期为定子槽数(=72)/每极每相槽数(=2)=36。

以上为分布式绕组的情况,但是在集中式绕组的情况下,在转子极数为16,定子槽数为24的旋转电机中,转子极数16与定子槽数24的最小公倍数48为槽配合,每旋转1圈电流相位β的波形以48为周期变化。集中式绕组存在许多变形,因此,作为另一例,在转子极数为10,定子槽数为12的旋转电机中,转子极数10与定子槽数12的最小公倍数60为槽配合,每旋转1圈以60为周期。在转子极数为8,定子槽数为9的旋转电机中,转子极数8与定子槽数9的最小公倍数72为槽配合,每旋转1圈以72为周期。

需要说明的是,本发明是通过使电流相位β周期性变化来减小转矩脉动的控制方法,因此在规定转矩、规定转速下,电流值恒定。这是与叠加高次谐波电流的专利文献1存在特征差异。

β的变化范围大致分为2个,包括若将产生最大转矩的β作为βtmax,则电流相位β周期性变化的范围为βtmax≤β的情况、以及β≤βtmax的情况。

βtmax≤β的范围即为所谓的弱磁区域,因此能够抑制旋转电机的电压。特别是在高旋转侧优选采用该范围。另一方面,在β≤βtmax的范围内,电压大于βtmax,因此在高旋转侧可能超过电池电压限制。但是,在不超过电池电压限制的转速区域中,可以采用该范围。

本发明的控制不限于在驱动旋转电机的整个区域中使用。其原因在于,转矩脉动引起的振动或噪声往往是由与其它零件的共振等产生的,这种情况下,可以仅在与该零件的共振频率范围采用本控制来减小转矩脉动。

通过采用本发明,理论上可以使转矩脉动为0,但是每个产品对转矩脉动均有允许值,因此也可以在旋转1圈过程中使本发明的电流相位β周期性变化的范围on/off,以使转矩脉动在该允许值以下。

发明的效果

通过采用本发明的旋转电机的驱动控制装置及具备该驱动控制装置的旋转电机的驱动装置,无论转子凸极的构造或永磁体的构造如何,都能够减小转矩脉动,而不会大于从逆变器输入的电流有效值的最大值。

附图说明

图1是本实施方式的永磁旋转电机的控制装置的电路框图。

图2是本实施方式的永磁旋转电机1的轴向剖面图。

图3是从图2的截面aa的箭头方向观察的永磁旋转电机1的剖面图。

图4是比较例中不实施本实施方式的发明的转矩脉动的说明图,左图是表示在横轴为电流相位,纵轴为转矩,使电流相位在0~90的范围内变化的情况下的各个最小转矩与最大转矩的图表。右图是表示左图中转矩最大的β=45度下的转矩脉动(1个磁极)的图表。

图5是采用本实施方式的发明的情况下的转矩脉动的说明图,左图是表示在横轴为电流相位,纵轴为转矩,使电流相位在0~90的范围内变化的情况下的各个最小转矩与最大转矩的图表。右图是在各电角下使β周期性变化用以与左图中β=45度下的最小转矩相等的图表。

图6是采用本实施方式的情况下的转矩脉动的详细说明图。

图7是表示n-t图上的车辆的jc08、la4、eudc等行驶模式下的电动机使用频率分布的例子的图。

图8是采用本实施方式的情况下的转矩脉动的说明图,左图是表示在横轴为电流相位,纵轴为转矩,使电流相位在0~90的范围内变化的情况下的各个最小转矩与最大转矩的图表。右图是在各电角下使β周期性变化用以与左图中β=45度下的平均转矩相等的图表。

图9是表示搭载有本实施方式的旋转电机的驱动装置的混合动力型电动汽车的概略构成的图。

具体实施方式

下面,利用附图说明本发明的实施例。

图1是本实施方式的永磁旋转电机1的控制装置的电路框图。图2是本实施方式的永磁旋转电机1的轴向剖面图。图3是从图2的截面aa的箭头方向观察的永磁旋转电机1的剖面图。

在图1~图3中,1为永磁旋转电机,2为转子,3为定子绕组。转子2具备嵌装于轴218的转子铁心252、及设置于该定子铁心252的永磁体254。轴218还安装有检测转子2的磁极位置的位置检测器6和检测旋转速度的编码器7。

另一方面,定子230具备定子铁心232、及设置于该定子铁心232上形成的槽240并产生旋转磁场的定子绕组3。槽240为形成于齿部236之间的空间。

外壳212恒定定子230。端架214封闭外壳212的开口部。轴承216是用于将轴218支承在端架214的部件。定子铁心232的轴向两端设有垫板226。

在定子铁心232中,磁间隙257形成于永磁体254的周向两端。

在控制该永磁旋转电机1的电路中,逆变器4从直流电源5向定子绕组3供给定子绕组电流。进行运算处理的控制系统往往采用微机构成,在这里,将其控制处理功能作为控制电路进行说明。

速度控制电路(asr)16输入速度指令ωs和将来自编码器7的旋转量信息θ通过f/v转换器15进行转换得到的实际速度ωf,计算出它们的差ωe(ωe=ωs-ωf)。进一步地,速度控制电路16通过基于差ωe的pi控制(p:比例项,i:积分项)等,输出平均转矩指令tav,必要时输出相移指令θ1。

正弦波产生电路10由来自位置检测器6的磁极位置信息和来自编码器7的旋转量信息θ等产生与定子绕组3的各相(本实施方式中为3相)的感应电压同相的正弦波信号,或必要时产生相移后的正弦波信号。

在规定转速、规定转矩下,与上述正弦波信号同步地从转矩脉动存储装置13读取转矩脉动数据,周期性产生使输出转矩恒定(转矩脉动减小)的电流相位值。

2相-3相转换电路11根据从所述转矩指令ts和从正弦波产生电路10输出的正弦波信号,输出流向定子绕组3的各相的电流指令isa、isb、isc。控制定子绕组3的各相电流的相电流控制电路(acr)9a、9b、9c将与所述电流指令isa、isb、isc和来自相电流检测器8a、8b、8c的电流检测信号ifa、ifb、ifc对应的控制信号传输给逆变器4控制各相电流,产生与转子2的旋转位置同步的旋转磁场。

参考图4~图6说明这种永磁旋转电机1的转矩脉动。图4是比较例中不实施本实施方式的发明的转矩脉动的说明图,图4的右图是表示转矩最大的β=45度下的转矩脉动(1个磁极)的图表。

绘制了图4的右图的最小值与最大值的是左图中β=45的点,表示使电流相位在0~90的范围内变化的情况下的各个最小转矩与最大转矩的图表为左图。需要说明的是,横轴为电流相位,纵轴为转矩。未采用本实施方式的发明的情况下的脉动率(=(最大转矩-最小转矩)/平均转矩×100)为12%,平均转矩为388nm。

图5是采用本实施方式的发明的情况下的转矩脉动的说明图,左图与图4相同,是横轴为电流相位,纵轴为转矩,使电流相位在0~90的范围内变化的情况下的各个最小转矩与最大转矩的图表。右图是在各电角下使β周期性变化用以与左图中β=45度下的最小转矩相等的图表。

采用本实施方式的发明的情况下,脉动率(实际上存在各种误差因素,不可能完全为0)理论上可以为0%。另一方面,平均转矩为364nm,降低了6%。

图6详细说明了图5,表示β=0~45度下的各转矩脉动。在这里,若以β=45度下的最小转矩值364nm的值绘制点划线,则可知各电角(相当于转子的位置)下存在与该点划线交差的各β下的转矩波形。具体而言,若电角为1度,则β=35,若电角为3度,则β=30度,若电角为6度,则β=25度等。用图6的虚线表示(轴为右轴)绘制该β。图6仅示出了电角60度,但是该β是周期性重复的。1个电极(电角180度)中重复3次。

在本实施方式中,在转子极数为12,定子槽数为72的旋转电机中进行,每极每相槽数为槽数(=72)/极数(=12)/相数(=3))=2,因此定子槽数(=72)/每极每相槽数(=2)=36周期/1圈。

虽然槽数为72,但是周期为36的理由在于,每个电极的槽数为6,3相被通电,因此相的配置为“u、u、w、w、v、v”,每极每相槽数为槽数(=72)/极数(=12)/相数(=3))=2。

以上是分布式绕组的情况,但是在集中式绕组的情况下,在转子极数为16,定子槽数为24的旋转电机中,转子极数16与定子槽数24的最小公倍数48为槽配合,每旋转1圈,电流相位β的波形以48为周期变化。集中式绕组存在许多变形,因此,作为另一例,在转子极数为10,定子槽数为12的旋转电机中,转子极数10与定子槽数12的最小公倍数60为槽配合,每旋转1圈以60为周期。在转子极数为8,定子槽数为9的旋转电机中,转子极数8与定子槽数9的最小公倍数72为槽配合,每旋转1圈以72为周期。

需要说明的是,本发明是通过使电流相位β周期性变化来减小转矩脉动的控制方法,因此在规定转矩、规定转速下,电流值恒定。这是与叠加高次谐波电流的专利文献1的特征差异。

β的变化范围大致分为2个,包括若将产生最大转矩的β作为βtmax,则电流相位β周期性变化的范围为βtmax≤β的情况、以及β≤βtmax的情况。

图5示出了βtmax≤β的情况,图6示出了β≤βtmax的情况。βtmax≤β的范围即为所谓的弱磁区域,因此能够抑制永磁体式旋转电机1的电压。特别是在高旋转侧优选采用该范围。另一方面,在β≤βtmax的范围内,电压大于βtmax,因此在高旋转侧可能超过电池电压限制。但是,在不超过电池电压限制的转速区域中,可以采用该范围。

在电动汽车用的永磁体式旋转电机1中,低速区域的转矩脉动会造成振动或噪声的问题,高速区域的转矩脉动的问题很小。因此,在本实施方式的永磁旋转电机1的控制装置作为电动汽车的控制装置实施时,可以在预设速度以下的低速区域进行用于减小转矩脉动的控制,在大于设定速度的高速区域省略用于减小转矩脉动的控制。

通过进行这样的控制,具有如下优点:能够减小低速区域的转矩脉动问题,在高速区域省略电流相位控制,能够减轻控制系统(运算处理装置)的控制处理负担,能够将剩余处理能力用于其它控制处理。

作为参考,图7表示在n-t图上示出车辆的jc08、la4、eudc等行驶模式下的电动机使用频率分布的例子的图。

关于jc08,其前身的10-15模式为1991年作为燃料费测量方法设置,由于车辆使用环境的变化或测量技术的进步,为了更贴近更加实际的行驶,于2011年4月导入jc08。

la4是指在早上通勤时段在以洛杉矶市中心为中心的路线进行实际行驶的模式。

eudc(extraurbandrivingcycle,额外城市行驶工况)是构成1996年制定的nedc(新欧洲行驶工况)的燃料费测量时的行驶法的元素,由旧标准城市行驶工况和90km/h、120km/h的恒速行驶构成,在nedc中,将置换后置的2个恒速行驶的部分称为额外城市行驶工况。

可知多用于低速、低转矩区域。转矩脉动引起的振动或噪声往往是由与其它零件的共振等产生的,这种情况下,可以仅在与该零件的共振频率范围采用本控制来减小转矩脉动。

另外,通过采用本实施方式,理论上可以使转矩脉动为0,但是每个产品对转矩脉动均有允许值,因此也可以在旋转1圈过程中使本实施方式的电流相位β周期性变化的范围on/off,以使转矩脉动在该允许值以下。

图8表示局部采用本实施方式的发明的情况。图8的右图是在各电角下使β周期性变化用以与左图中β=45度下的平均转矩相等的图表。

在转矩脉动大于平均转矩的电角下,使β变化从而减小转矩脉动,在转矩脉动小于平均转矩的电角下,使β恒定(45度),转矩脉动不减小。右图的脉动率为5%,与未采用本实施方式的发明的图4的12%相比,能够减小7%。另一方面,平均转矩为382nm,与未采用本发明的图4的388nm相比,仅降低了2%。

以上,说明了本发明的实施方式的示例,但是本发明并不限于这些实施方式。本领域的技术人员可以在不影响本发明的特征的前提下进行各种变形。

图9表示搭载有本实施方式的旋转电机的驱动装置的混合动力型电动汽车的概略构成。混合动力型电动汽车包括所谓的插电式混合动力型电动汽车或串联式混合动力型电动汽车、能够在ev模式下行驶的并联式混合动力型电动汽车。另外,还包括电动汽车或燃料电池车等具有相同课题的车辆。

以旋转电机中的内转子式磁体嵌入型旋转电机为例进行说明,但也可以适用于外转子式或表面磁体型等或感应电机。另外,关于定子,主要说明了分布式绕组,但是也可以适用于集中式绕组、波形绕组、叠式绕组,每个磁极的槽数也可以适用于非3n倍(即3、6、9…)的分数槽。

符号说明

1…永磁体式旋转电机、2…转子、3…定子绕组、4…逆变器、5…直流电源、6…位置检测器、7…旋转变压器、8a…相电流检测器、8b…相电流检测器、8c…相电流检测器、9a…相电流控制电路、9b…相电流控制电路、9c…相电流控制电路、10…正弦波产生电路、11…2相-3相转换电路、13…转矩脉动存储装置、15…f/v转换器、16…速度控制电路、212…外壳、214…端架、216…轴承、218…轴、226…垫板、230…定子、232…定子铁心、236部…齿、240…槽、252…转子铁心、254…永磁体、257…磁间隙。

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