JP2014176220A - 電動機の電気角調整方法および軸振動検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】超高速電動機においては、回転子のアンバランスに伴う軸振動を低減し、高速回転時のセンサ信号の遅れを補正する。
【解決手段】電動機の回転子側に取り付けられたセンサターゲットの歯部のエッジを検出する位置センサ信号と、通電していない状態での誘起電圧の位相を比較することにより、位置センサ信号から得られる機械角と電気角信号のオフセット量を回転数毎にメモリに記憶させ、記憶されたオフセット量に基づいて位置センサ信号を補正する。
【選択図】図２

Description

この発明は、インバータを用いて制御する電動機において、電動機の電気角と回転角度センサより求まる機械角の偏差を補正する電気角調整方法および軸振動検査方法に関するものである。

交流電動機、特に同期電動機は磁極位置に基づいて供給する電流を制御することが必要であるが、電動機の磁極位置を表わす電気角と電動機の機械的な回転角度を検出する機械角は、物理的に合致していないため、このようなずれを補正して電動機を駆動する技術が知られている。

すなわち、電動機回転子の磁極位置を検出する位置センサを用いて電動機を制御する電動機制御装置においては、位置センサを取り付ける際に生じる物理的な位置ずれ（取り付け誤差）によって、位置センサに基づく位相と実際の磁極位置との間にずれが生じることになり、この結果、制御特性の劣化を招き、例えば所望のトルク、効率が得られないといった問題が生じる可能性がある。
また、一般的な電動機と異なり、例えば７万rpm以上の超高速電動機においては、セン
サ自体が回転位置信号を検出してから制御用のマイクロコンコンピュータへ入力されるまでの遅れ時間もあり、位置センサに基づく位相と実際の磁極位置（電気角位相）の相関を取ることが難しい。

また、超高速モータにおいては、電動機の回転子にアンバランスがあると、電動機で所望のトルクが得られないといった問題だけでなく、高速回転時に軸振動が大きくなり軸受け部に損傷を与える可能性がある。このため、電動機の回転子側で機械的なバランス調整を取った後に固定子に組み付けることが一般的であるが、固定子側に組み付けた後、回転子と固定子の間で発生する磁気吸引力などにより応力が発生するため、最終的なバランス検査は、回転子を固定子に組み付けた状態で実施することが望ましい。

このような背景を受け、例えば特許文献１には、位置センサの位相を補正するために、磁極位置検出値と電機子の相電圧からモータ巻線と磁極位置が一致する点とエンコーダ出力信号との差分をオフセット量として調整演算するオフセット調節器を設けるものが示されている。

また、特許文献２には極性の異なる２種類の電流を固定子に通電して発生した２種類のトルクの和を計算し、和がゼロになった点をオフセット値として電気角と機械角のオフセットを調整するものが示されている。

また、特許文献３には回転子に複数の歯部を備えたものを取り付け、歯部を間に挟み、光学式のセンサを相互に対向する位置に配設して軸振動を検出するものが示されている。

また、特許文献４には回転子に固定子を組み付けた状態で、実際に駆動するインバータとは別にバランス修正用の専用のインバータを用いて駆動することによって、電動機のバランスを調整するものが示されている。

特開２００３−７９１８５号公報 特開平１０−２６２３９７号公報 特開２０１０−１８５８３８号公報 特開２００７−１８３２０３号公報

上述の特許文献１のように位置センサによる位相と電気角の位相の取り付け誤差に起因するオフセット量を調整しても、回転速度が上昇すると、得られたオフセット量で補正してもセンサ信号の遅れ誤差などにより所望の制御特性が得られないという課題がある。

また、特許文献２のものでは、所定の回転数のみで動かす電動機では有効であるが、様々な回転数で制御調整を行う電動機においては、制御調整の点数が増加し、また、センサ信号の遅れが考慮されていないため、所望の制御特性が得られないという課題がある。

さらに、特許文献３のものでは、光学式のセンサを対向に備え、軸振動を検出するものであるため、対向するセンサの処理速度に差異があった場合、正確に軸振動を計測できないという課題や、センサの取り付けに誤差があった場合、正確に軸振動を計測できないという課題がある。

また、特許文献４のものでは、電動機のバランス修正を専用のモータドライバを用いて実施するものであるが、専用のバランス修正用のドライバで通電するため、検査用のモータドライバを準備する必要があるという課題がある。前述したとおり、電気角と機械角のオフセット量を正確に取らなければ、所望の制御特性が得られないという課題があり、専用のモータドライバで検査するモータの特性を記憶させることはシステムが複雑になることになる。

この発明は、上述した問題点を解決するためになされたもので、システムを複雑化させることなく、様々な回転数におけるセンサ信号の遅れに対応して制御することが可能な電動機の電気角調整方法および軸振動検査方法を提供するものである。

この発明に係る電動機の電気角調整方法は、電動機の回転子側に設けられ、歯部を有するセンサターゲットと、前記電動機の固定子側に設けられ、前記センサターゲットの歯部の立ち上り又は立ち下がりエッジを検出する位置センサを備え、 前記電動機を運転状態にして回転数を上昇させた後、前記電動機が無通電状態にあるときに前記電動機の誘起電圧を検出し、前記誘起電圧と前記位置センサの信号との関係から、前記位置センサから演算される機械角と前記回転子の磁極位置と前記固定子の巻線より求められる電気角の差分をオフセット量として算出するとともに、
前記電動機の回転数を異ならせて前記オフセット量を算出し、これらのオフセット量をメモリに記憶させ、前記電動機の運転時に前記回転数に応じて記憶された前記オフセット量に基づいて前記電動機を制御することを特徴とするものである。
また、電動機の電気角調整方法を用いて算出したオフセット量に基づき、回転子の軸振動を判定するようにしたものである。

この発明によれば、電動機の回転子部に取り付けられた歯部のエッジを検出する位置センサ信号と、通電していない状態での誘起電圧を比較することで、センサ信号から得られる機械角と電気角信号のオフセットをとり、また、オフセットは１点だけでなく、回転数ごとにマップを設けることで、機械角と電気角の取り付け誤差に起因するオフセットだけでなく、センサ応答遅れ・通信遅れを考慮したオフセットマップを設けることが可能とな
る。また、各エッジ毎のオフセット量を比較することで軸振動の大きさも把握できるため、軸振動の検査と同時にオフセット調整が可能となる。

この発明の実施の形態１に係る電動機の要部構成を示す模式図である。 この発明の実施の形態１に係る電動過給機の制御回路を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１に係るセンサオフセット特性を示す特性図である。 この発明の実施の形態１に係る電動機の電気角調整方法および軸振動検査方法を説明するためのフローチャートである。 この発明の実施の形態２に係る電動機の要部構成を示す概要図である。

実施の形態１．
以下、この発明を実施の形態である図面を参照して説明する。
図１は、この発明の好ましい形態の１つである電動機の要部構成を示す模式図で、説明を判り易くするために２極対の３相同期電動機を例にしているが、この発明が適用される電動機に制約はない。

図１において、電動機１は、３相の電流を流す固定子２と、この固定子２に対向して回転軸に取り付けられた２極対の回転子３と、この回転子３の極対数と同じ歯数の歯部を回転対象に有し、回転軸の一端に取り付けられたセンサターゲット４と、固定子２側に取り付けられ、センサターゲット４の歯部の立ち上がり又は立ち下がりのエッジを検出するホールセンサなどの位置センサ５とを備える。

ここで、回転子３とセンサターゲット４は、予め定められた取り付け角度で回転軸に圧入もしくはネジなどで締め付けて固定されており、これらの組立て体でバランス調整を実施したものを固定子２に組み付けることが望ましい。すなわち、予め回転子３とセンサターゲット４との組立て体でバランス調整を実施して置くことによって、これらを固定子２に組み付けた状態では組み付け時のアンバランスによる軸振動の検査を行うことのみによってバランス調整を済ませることができる。また、回転子３側でバランス調整を行っていない状態で固定子２に組み付けた場合に比し、軸振動を抑制して軸受けの損傷を防ぐことができる。

また、センサターゲット４と回転子３を固定する場合、磁極位置の電気角に対して機械的に取り付けたセンサによる機械角を誤差なく取り付けることは困難であるものの、できる限りの精度をもって取り付けることは可能である。したがって、組み付けの際にある程度電気角と機械角を合わせて置くことによって、最終的に電気角と機械角のオフセット値を設定する工程において一定以上の制御性能を確保することが可能となる。

さらに、位置センサ５は、磁束を計測することによってセンサターゲット４との距離を計測し、センサターゲット４のエッジが通過した瞬間を検出するが、複数の位置センサ５を備えてもよく、１つの場合より精度よく電気角と機械角のオフセット量を検出することが可能となる。

次に、図１に示す電動機を適用した電動過給機の制御動作を機能ブロックである図２を用いて説明する。

図２において、電動過給機１１は、位置センサ５を含む電動機１、この電動機１を制御する電流制御器１２、電力変換機１３、位相生成器１４などを備えており、このうち電流制御器１２、位相生成器１４はマイクロコンピュータで演算される機能ブロックであり、電力変換機１３は主にスイッチング素子などから成る回路ブロックである。この他の構成は省略している。

ここで、電流制御器１２は、上位のコントローラ（図示しない）から回転速度指令とバッテリ電圧を示す電圧センサ信号と位置センサ５の出力信号を受け、電動機１へ通電する電流の大きさを表す３相DUTY指令値と通電するタイミングを表す電圧位相の演算を行う。

この電圧位相の演算は、電気的な角度で演算されるため、実際の機械角度と合わせるためには電気角と機械角のオフセットを除去する必要があり、これを位相生成器１４により演算されるオフセット値を加算することにより除き、この結果、電動機１を高効率に運転させることが可能となる。

次に、位置センサ５の信号と電動機１の固定子巻線に生じる誘起電圧の関係ついて説明する。位置センサ５の信号は、電動機１の回転子３に取り付けられたセンサターゲット４の磁極位置に応じて出力されるため、位置センサ５の信号と固定子巻線に生じる誘起電圧は対応がとれる。例えば、位置センサ５の信号の立ち上がりと立ち下がりは、それぞれ誘起電圧の立ち上がりと立ち下がりと理想的には一致する。ただし、位置センサ５の取り付け誤差がある場合はずれが生じる。一般的に組み付け精度の限界があるので、電気角と機械角は一定のオフセットを持つことになる。

通常の電動機１の回転数であれば、この一定のオフセット値を補正することによって精度よくセンサ信号を利用することが可能であるが、電動過給機１１のように数万rpmで超高速に回転する電動機１に関しては、取り付け位置のオフセット補正をしても、高速回転域で運転する際にセンサ信号の遅れが生じるため、高効率に運転することが困難となる。

このため、この実施形態１では、位相生成器１４に予め電動機１の回転数に応じたオフセット値をマップとして持たせ、この出力に応じて電動機１を制御させることにより、センサ信号の遅れに対しても補正することが可能となる。なお、回転数毎のオフセット値の算出方法に関しては後述する。

次に、図３を用いてセンサオフセットと軸振動の関係に関して説明する。

図３は、実施の形態１における電動機１の電気角と位置センサ５により求めた機械角の回転数毎のオフセット値を示す。理想的には回転数毎のオフセットは、図中のReal_Offsetとなる。このとき、回転数毎にオフセット値がずれるのはセンサ信号に遅れがあり、回転数が上昇すると、オフセット値にずれが発生することを意味する。

ただし、実際には電動機１は、バランス調整後も若干のアンバランスが残っている場合やある回転数で共振する場合がある。よって、回転子３の１回転に立上りエッジを２ヶ所で検出してオフセットマップを算出すると、図３に示すように第一のエッジより算出される第一のオフセットOffset１と第二のエッジより算出される第二のOffset２のように２本のオフセットマップを計算することになる。この２本のオフセットマップはアンバランス量が大きければ大きいほど差分が大きくなる。

したがって、この発明においては、このオフセットマップを用いて電気角と機械角のオフセットを調整するとともにアンバランスに伴う軸振動を検査することが可能となる。
例えば、第一のオフセットOffset１と第二のオフセットOffset２にそれぞれ上限値Offset_ｕ、下限値Offset_ｌを設け、この範囲から外れる場合は、軸振動が大きいと判定することができる簡易的な軸振動の検査が可能となる。

次に、図４のフローチャートに基づいて、電動機の電気角調整方法と軸振動検査方法に関する具体的な動作に関して説明する。

図において、まず、ステップＳ１では電動機１の固定子巻線に供給される信号などから回転数が所定値以上か否かを判定する。調整の際は、オフセットマップは、回転子３とセンサターゲット４の取り付けを行う際の目標オフセットを用いて駆動する。まずは目標オフセットを用いて電動機１を所定の回転数以上に駆動する。一般的に電動過給機１１は低回転時になると、自身のコギングトルクの影響や軸受けの調心機能が低下してくるため、回転が不安定となる。
すなわち、電動機１の低回転時は、機械角と電気角の関係を定めるのに適しておらず、回転数が所定値以上でなければ調整を終了し、回転数が所定値以上になるのを待って次のステップへ進む。

次に、回転数が所定値以上になると、電動機１への通電を停止する。（ステップＳ２）なお、電動機１に通電している状態では、電動機１に生じる誘起電圧と位置センサ５のオフセットの関係が一意に定まらないため、オフセットの補正を実施しない。

次に、電動機１に生じる誘起電圧と、センサターゲット４のエッジ通過により検出された位置センサ５の第一のエッジ信号および第二のエッジ信号とから電気角と機械角のオフセットを算出する。（ステップＳ３）

次に、ステップＳ３で算出された第一のオフセット値と第二のオフセット値の差分をとる。（ステップＳ４）このとき、検査として予め定められた回転数で差分の大きさが所定値以上の場合は、軸振動が大きいと検査で判定し、オフセット値の記憶を行なわず、処理を終了する。
この判定は、最終段階において、マイコンに記憶されたメモリのオフセット値を読み出すことにより回転数に対応するオフセット値がないことにより判定することが可能である。
なお、軸振動が大きいと判定された電動機１は、例えば、シャフトなどを削りバランス調整してステップＳ１に戻ってもよく、あるいは軸振動のレベルが大きい電動機１に関しては、固定子２と回転子３を分解してそれぞれの検査を行い、再組み立て後にステップＳ１に戻ってもよい。

次に、第一のオフセット値と第二のオフセット値の平均をオフセット値として算出し（ステップＳ５）、オフセット平均を位相補正量設定としてマイコンのメモリに記憶させる。（ステップＳ６）
このようなステップを回転数を変えて繰り返し、回転数毎のオフセット値をメモリに記憶させ、位相生成器１４の演算に利用させることになる。

なお、上記の実施例においては、ステップＳ４で差分の大きさが所定値以上の場合は、オフセット値の記憶を行なわないように構成したが、オフセット量をそのまま記憶させ、この記憶値を読み出して軸振動の検査を行なわせることも可能である。
また、本実施例では特に言及していないが、センサ遅れが一定値である場合は、図３に示したように全ての回転数で特性をとらず、例えば90000rpm、60000rpm、30000rpmなどの３点の特性をとり、補間演算などによりオフセットマップを近似させることが可能である。このようにすることによって着目したい回転数を見ることができ、測定点数を削減することによってより検査工数を低減し、しかも同様の効果を得ることが可能となる。

また、予め電動機１の作動回転数範囲内に共振点を持つことが判っている場合は、回転子３を固定子２に組み付けて検査する際の減衰効果を確認することが可能となる。例えば、一般的に回転子３の剛性などから決まる共振回転数を持つ場合、固定子２に組み付ける際に減衰の効果を期待するため、ゴムダンパなどを介して固定されるが、このときゴムダンパにより正しく減衰効果が得られるかは、回転子３と固定子２を組み付けた状態でなければ計測できない。
したがって、本発明のように電動機１の回転子３と固定子２を組み付けた状態で軸振動を検査することによって共振を持つ場合も減衰効果を確認することができる。

以上のような実施の形態１によれば、電動機１のセンサ信号から得られる機械角と電気角信号の機械的なずれに起因するオフセットの補正だけでなく、センサ応答遅れ、通信遅れを考慮したオフセットマップを設けることが可能となる。これにより超高速回転時にも、電動過給機の電動機１を効率良く運転させることが可能となる。また、複数のエッジ毎のオフセット量を比較することによって軸振動の大きさも把握することができるため、オフセット調整とともに軸振動の検査が可能となる。

なお、実施の形態１では、電動過給機の回転数に応じたオフセットマップを持たせるように構成したが、回転数毎のオフセット勾配が大きい場合は、センサ遅れが大きいと判断してセンサオフセット量の算出を停止し、検査品を不適格としてもよい。例えば、センサ信号の遅れが大きい場合は、回転数毎のオフセット勾配が大きくなる。所定の回転数毎のオフセット勾配を持つ位置センサを用いることでセンサ特性が異常なものを除去することが可能となる。

実施の形態２．
以下、この発明の実施の形態２について説明する。
この実施の形態２は、図５に示すように電動機１の回転子３に取り付けられたセンサターゲット４の取付け側と反対側に気体を圧縮するコンプレッサインペラ２０を配置したものである。

このような構成のもとで、具体的なオフセット調整は、実施の形態１と同様であるが、軸振動が大きく、再度バランス調整することが必要となった場合、コンプレッサインペラ２０は圧縮特性への影響があり、バランス調整が困難である。一方でセンサターゲット４は、エッジ部以外は特性に影響がないため、バランス調整に適している。

したがって、このように超高速電動機を電動過給機へ適用した場合は、回転子３の一端にセンサターゲット４を、反対側にコンプレッサインペラ２０を配置することにより、バランス調整をセンサターゲット４で行うことにより、電動機１およびコンプレッサインペラ２０の圧縮性能を確保しながらバランス調整を容易に行なわせることが可能となる。

以上、本発明の実施の形態を詳述したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その発明の範囲内において、適宜、変形、省略することが可能である。

１：電動機、 ２：固定子、 ３：回転子、 ４：センサターゲット、
５：位置センサ、 １１：電動過給機 １２：電流制御器、
１３：電力変換機、 １４：位相生成器、 ２０：コンプレッサインペラ

この発明に係る電動機の電気角調整方法は、電動機の回転子側に設けられ、歯部を有するセンサターゲットと、前記電動機の固定子側に設けられ、前記センサターゲットの歯部の立ち上り又は立ち下がりエッジを検出する位置センサを備え、
前記電動機を運転状態にして回転数を上昇させた後、前記電動機が無通電状態にあるときに前記電動機の誘起電圧を検出し、前記誘起電圧と前記位置センサの信号との関係から、前記位置センサから演算される機械角と前記回転子の磁極位置と前記固定子の巻線より求められる電気角の差分をオフセット量として算出するとともに、
前記電動機の回転数を異ならせて前記オフセット量を算出し、これらのオフセット量をメモリに記憶させ、前記電動機の運転時に前記回転数に応じて記憶された前記オフセット
量に基づいて前記電動機を制御するものであって、
前記回転数毎の前記オフセット量よりオフセット勾配を算出し、前記オフセット勾配が所定値以上の場合は、センサオフセット量の算出を停止することを特徴とするものである。
また、電動機の電気角調整方法を用いて算出したオフセット量またはオフセット勾配に基づき、回転子の軸振動を判定するようにしたものである。

Claims (6)

1. 電動機の回転子側に設けられ、歯部を有するセンサターゲットと、前記電動機の固定子側に設けられ、前記センサターゲットの歯部の立ち上り又は立ち下がりエッジを検出する位置センサを備え、
   前記電動機を運転状態にして回転数を上昇させた後、前記電動機が無通電状態にあるときに前記電動機の誘起電圧を検出し、前記誘起電圧と前記位置センサの信号との関係から、前記位置センサから演算される機械角と前記回転子の磁極位置と前記固定子の巻線より求められる電気角の差分をオフセット量として算出するとともに、
   前記電動機の回転数を異ならせて前記オフセット量を算出し、これらのオフセット量をメモリに記憶させ、
   前記電動機の運転時に前記回転数に応じて記憶された前記オフセット量に基づいて前記電動機を制御することを特徴とする電動機の電気角調整方法。
2. 前記オフセット量の算出は、前記通電を停止したとき、前記電動機が所定の回転数以上で実施されることを特徴とする請求項１に記載の電動機の電気角調整方法。
3. 前記センサターゲットの歯部は、少なくとも２極以上としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の電動機の電気角調整方法。
4. 前記回転数毎の前記オフセット量より前記回転数毎のオフセット勾配を算出し、前記回転数毎のオフセット勾配が所定値以上の場合は、センサオフセット量の算出を停止することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電動機の電気角調整方法。
5. 前記電動機は回転子の一端側にセンサターゲットを、反対側にコンプレッサインペラを配置したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電動機の電気角調整方法。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電気角調整方法を用い、検出した前記オフセット量に基づき、回転子の軸振動を判定するようにした電動機の軸振動検査方法。