特許 7515695 磁気ギャップ長推定装置、磁気ギャップ長推定方法および回転電機の駆動装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-04

(45)【発行日】2024-07-12

(54)【発明の名称】磁気ギャップ長推定装置、磁気ギャップ長推定方法および回転電機の駆動装置

(51)【国際特許分類】

   H02P 6/08 20160101AFI20240705BHJP

【ＦＩ】

H02P6/08

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2023508244

(86)(22)【出願日】2021-03-24

(86)【国際出願番号】 JP2021012144

(87)【国際公開番号】W WO2022201344

(87)【国際公開日】2022-09-29

【審査請求日】2023-03-23

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】504182255

【氏名又は名称】国立大学法人横浜国立大学

(74)【代理人】

【識別番号】110002941

【氏名又は名称】弁理士法人ぱるも特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】岡崎 広大

(72)【発明者】

【氏名】赤津 観

【審査官】三島木 英宏

(56)【参考文献】

【文献】特開平８－２２３８７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－５１４１６６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｐ ６／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

Ｍを自然数、Ｎを２以上の自然数とし、各相の電気角位相差が３６０／Ｎ度の結線で構
成され、インバータで駆動されるＭ群Ｎ相の回転電機における磁気ギャップ長を推定する
磁気ギャップ長推定装置であって、
無負荷時に前記結線に誘起される線間無負荷誘起電圧を取得する電圧取得部と、前記磁
気ギャップ長を推定する磁気ギャップ推定部とを備えており、
前記磁気ギャップ推定部は、
前記電圧取得部で取得された前記線間無負荷誘起電圧を周波数毎の振幅と位相とに変換す
るスペクトル解析部と、
前記スペクトル解析部で変換された周波数毎の振幅および位相から前記線間無負荷誘起電
圧の基本波成分とＮ次高調波成分の振幅および位相を抽出する周波数解析部と、
前記周波数解析部で抽出された前記線間無負荷誘起電圧の基本波成分とＮ次高調波成分と
の振幅および位相から前記磁気ギャップ長を推定する推定演算部とを備えたことを特徴と
する磁気ギャップ長推定装置。

【請求項2】

前記回転電機は、各群が３６０／Ｍ度の機械角位相差で配置されたコイルで構成されて
いることを特徴とする請求項１に記載の磁気ギャップ長推定装置。

【請求項3】

Ｋを自然数とし、前記回転電機がＭ群Ｎ相で各相がＫ個の前記コイルで構成されており
、ｍ群ｎ相ｋ番目の前記コイルをＣ（ｍ、ｎ、ｋ）と表記した場合、１≦ｍ≦Ｍ、１≦ｎ
≦Ｎ、１≦ｋ≦Ｋであり、前記コイルの空間配置が反時計回りに、Ｃ（１、１、１）、Ｃ
（１、１、２）・・・Ｃ（１、１、Ｋ）、Ｃ（１、２、１）・・・Ｃ（１、２、Ｋ）・・
・Ｃ（１、Ｎ、Ｋ）、Ｃ（２、１、１）・・・Ｃ（Ｍ、Ｎ、Ｋ）の順であることを特徴と
する請求項２に記載の磁気ギャップ長推定装置。

【請求項4】

前記回転電機の各群の前記コイルは、各相がそれぞれ直列接続されたＹ型結線で構成さ
れていることを特徴とする請求項２または３に記載の磁気ギャップ長推定装置。

【請求項5】

前記回転電機は、Ｙ型結線された各群の中性点同士が電気的に接続されていることを特
徴とする請求項４に記載の磁気ギャップ長推定装置。

【請求項6】

前記推定演算部は、推定結果を外部に出力する外部出力端子を有することを特徴とする
請求項１から５のいずれか１項に記載の磁気ギャップ長推定装置。

【請求項7】

請求項１から６のいずれか１項に記載の磁気ギャップ長推定装置と、
前記磁気ギャップ長推定装置で推定された前記磁気ギャップ長に基づいて前記インバー
タの制御パラメータを演算する制御パラメータ演算部とを備えたことを特徴とする回転電
機の駆動装置。

【請求項8】

Ｍを自然数、Ｎを２以上の自然数とし、各相の電気角位相差が３６０／Ｎ度の結線で構
成され、インバータで駆動されるＭ群Ｎ相の回転電機の駆動装置であって、
無負荷時に前記結線に誘起される線間無負荷誘起電圧を取得する電圧取得部と、前記回
転電機における磁気ギャップ長を推定する磁気ギャップ推定部とを備えており、
前記磁気ギャップ推定部は、
前記電圧取得部で取得された前記線間無負荷誘起電圧を周波数毎の振幅と位相とに変換す
るスペクトル解析部と、
前記スペクトル解析部で変換された周波数毎の振幅および位相から前記線間無負荷誘起
電圧の基本波成分とＮ次高調波成分の振幅および位相を抽出する周波数解析部と、
前記周波数解析部で抽出された前記線間無負荷誘起電圧の基本波成分とＮ次高調波成分
との振幅および位相から前記磁気ギャップ長を推定する推定演算部とを備え、
前記磁気ギャップ推定部で推定された前記磁気ギャップ長に基づいて前記インバータの
制御パラメータを演算する制御パラメータ演算部とを備えたことを特徴とする回転電機の
駆動装置。

【請求項9】

前記制御パラメータ演算部は、演算結果を外部に出力する外部出力端子を有することを
特徴とする請求項７または８に記載の回転電機の駆動装置。

【請求項10】

Ｍを自然数、Ｎを２以上の自然数とし、各相の電気角位相差が３６０／Ｎ度の結線で構
成され、インバータで駆動されるＭ群Ｎ相の回転電機における磁気ギャップ長を推定する
磁気ギャップ長推定方法であって、
無負荷時に前記結線に誘起される線間無負荷誘起電圧を取得する電圧取得ステップと、
前記磁気ギャップ長を推定する磁気ギャップ推定ステップとを備えており、
前記磁気ギャップ推定ステップは、
前記電圧取得ステップで取得された前記線間無負荷誘起電圧を周波数毎の振幅と位相とに
変換するスペクトル解析ステップと、
前記スペクトル解析ステップで変換された周波数毎の振幅および位相から前記線間無負荷
誘起電圧の基本波成分とＮ次高調波成分の振幅および位相を抽出する周波数解析ステップ
と、
前記周波数解析ステップで抽出された前記線間無負荷誘起電圧の基本波成分とＮ次高調波
成分との振幅および位相から前記磁気ギャップ長を推定する推定演算ステップとを備えた
ことを特徴とする磁気ギャップ長推定方法。

【請求項11】

前記推定演算ステップは、前記線間無負荷誘起電圧のＮ次高調波成分の振幅から前記磁
気ギャップ長の変位量の絶対値を推定する第１ステップと、
前記線間無負荷誘起電圧のＮ次高調波成分と相電圧のＮ次高調波成分との位相差が９０
°以上２７０°未満であれば前記磁気ギャップ長の変位量の符号が負であると判定し、前
記位相差が０°以上９０°未満または２７０°以上３６０°未満であれば前記磁気ギャッ
プ長の変位量の符号が正であると判定する第２ステップとを有することを特徴とする請求
項１０に記載の磁気ギャップ長推定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願は、磁気ギャップ長推定装置、磁気ギャップ長推定方法および回転電機の駆動装置に関する。

【背景技術】

【0002】

電動機をはじめとした回転電機においては、回転子の中心軸と固定子の中心軸とがずれる静的偏心、回転子の形状中心と回転中心とがずれる動的偏心が存在する。このような偏心によって、回転子と固定子との間の磁気ギャップに磁気的なアンバランスが生じる。この磁気的なアンバランスは、低周波の振動および騒音などの原因となる。磁気ギャップの磁気的なアンバランスの原因となる偏心は、回転電機の製造工程において、回転子の組立工程、固定子への回転子の挿入工程、挿入後に回転軸をブラケットで封じる工程などで発生する。また、このような偏心は、回転電機の駆動中において、回転子の軸受部に生じる不具合などでも発生する。そのため、回転電機における偏心の発生を完全になくすことは困難である。そこで、製造工程において偏心を検出して補正する技術、駆動中に回転電機の電流、電圧を分析して偏心を検出する技術が必要となる。

【0003】

回転電機の偏心を検出する方法として、磁気軸受システムを適用した電動機において、並列結線に流れる循環電流を検出することで偏心量を推定する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、別の方法として、ベアリングレスモータにおいて、位置制御巻線を用いて三相誘起電圧を検出することで偏心量を推定する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。さらに、別の方法として、駆動中の誘導機に電力を供給するインバータの相電圧および相電流を検出することで偏心量を推定する技術が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特許第６１９３３７７号公報

【文献】特許第３０４４５３９号公報

【文献】特許第３５６１８８２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

従来の並列結線に流れる循環電流を検出することで偏心量を推定する方法では、循環電流を検出する電流センサが必須となる。そのため、この方法を製造工程中の偏心検査に用いる場合には、検査装置の大型化につながるという問題がある。また、この方法は、近年の小型化を志向した電流センサレスの回転電機の駆動システムの流れに逆行する。また、三相誘起電圧を検出することで偏心量を推定する方法では、電圧検知のために電流負荷が必要となる。そのため、この方法を製造工程中の偏心検査に用いる場合にも、検査装置の大型化につながるという問題がある。さらに、インバータの相電圧および相電流を検出することで偏心量を推定する方法では、相電圧測定のために結線の中性点の電圧測定が必要となる。そのため、この方法を製造工程中の偏心検査に用いることは極めて困難であるという問題がある。また、この方法を回転電機の駆動システムに適用する場合、システムの大型化につながるという問題がある。

【0006】

本願は上述のような課題を解決するためになされたもので、電流センサおよび電流負荷が不要でかつ結線の中性点の電圧測定が不要な磁気ギャップ長推定装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本願の磁気ギャップ長推定装置は、Ｍを自然数、Ｎを２以上の自然数とし、各相の電気角位相差が３６０／Ｎ度の結線で構成され、インバータで駆動されるＭ群Ｎ相の回転電機における磁気ギャップ長を推定する磁気ギャップ長推定装置である。この磁気ギャップ長推定装置は、無負荷時に結線に誘起される線間無負荷誘起電圧を取得する電圧取得部と、回転電機の磁気ギャップ長を推定する磁気ギャップ推定部とを備えており、磁気ギャップ推定部は、電圧取得部で取得された線間無負荷誘起電圧を周波数毎の振幅と位相とに変換するスペクトル解析部と、スペクトル解析部で変換された周波数毎の振幅および位相から線間無負荷誘起電圧の基本波成分とＮ次高調波成分の振幅および位相を抽出する周波数解析部と、周波数解析部で抽出された線間無負荷誘起電圧の基本波成分とＮ次高調波成分との振幅および位相から回転電機の磁気ギャップ長を推定する推定演算部とを備えている。

【発明の効果】

【0008】

本願の磁気ギャップ長推定装置においては、磁気ギャップ推定部が電圧取得部で取得された線間無負荷誘起電圧を周波数毎の振幅と位相とに変換するスペクトル解析部と、線間無負荷誘起電圧の基本波成分とＮ次高調波成分の振幅および位相を抽出する周波数解析部と、回転電機の磁気ギャップ長を推定する推定演算部とを備えているので、電流センサおよび電流負荷が不要でかつ結線の中性点の電圧測定が不要となる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施の形態１に係る磁気ギャップ長推定装置の構成図である。

【図2】実施の形態１に係る磁気ギャップ推定部の構成図である。

【図3】実施の形態１に係る回転電機の構成図である。

【図4】実施の形態１に係る回転電機における結線図である。

【図5】実施の形態１に係る回転電機の模式図である。

【図6】実施の形態１における磁気ギャップ長の推定方法のフローチャートである。

【図7】実施の形態１の回転電機における相電圧の基本波成分を示した説明図である。

【図8】実施の形態１の回転電機における相電圧の３次高調波成分を示した説明図である。

【図9】実施の形態１における磁気ギャップ長の推定方法の説明図である。

【図10】実施の形態１における磁気ギャップ長の推定方法の説明図である。

【図11】実施の形態１における磁気ギャップ長の推定方法の説明図である。

【図12】実施の形態１における磁気ギャップ長の推定方法の説明図である。

【図13】実施の形態１の磁気ギャップ長推定装置の推定結果を示した図である。

【図14】実施の形態１に係る回転電機の構成図である。

【図15】実施の形態２に係る回転電機の駆動装置の構成図である。

【図16】実施の形態３に係る磁気ギャップ長推定装置の構成図である。

【図17】実施の形態３に係る回転電機の構成図である。

【図18】実施の形態３に係る回転電機の構成図である。

【図19】実施の形態３に係る回転電機の構成図である。

【図20】実施の形態４に係る磁気ギャップ長推定装置の構成図である。

【図21】実施の形態４に係る回転電機の構成図である。

【図22】実施の形態４の回転電機における相電圧の基本波成分を示した説明図である。

【図23】実施の形態５に係る磁気ギャップ長推定装置の構成図である。

【図24】実施の形態５に係る回転電機の構成図である。

【図25】実施の形態５に係る回転電機の構成図である。

【図26】実施の形態５の回転電機における相電圧の基本波成分を示した説明図である。

【図27】実施の形態６に係る回転電機の駆動装置の構成図である。

【図28】実施の形態１から６に係る磁気ギャップ長推定装置および回転電機の駆動装置のハードウェアの一例を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本願を実施するための実施の形態に係る磁気ギャップ長推定装置および回転電機の駆動装置について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一符号は同一もしくは相当部分を示している。

【0011】

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る磁気ギャップ長推定装置の構成図である。本実施の形態における磁気ギャップ長推定装置は、３群３相のインバータで駆動される回転電機を測定対象とした磁気ギャップ長推定装置である。本実施の形態の磁気ギャップ長推定装置１は、電圧取得部２と磁気ギャップ推定部３とを有している。電圧取得部２は、３つのインバータ４ａ、４ｂ、４ｃと回転電機５との間の９本の結線の電圧を取得する。磁気ギャップ推定部３は、磁気ギャップを推定する。この磁気ギャップ推定部は、外部出力端子６を有している。例えば、この外部出力端子６に外部モニタを接続することで、磁気ギャップの状態を可視化することができる。

【0012】

図２は、本実施の形態の磁気ギャップ推定部３の構成図である。この磁気ギャップ推定部３は、電圧取得部２から送信されたデータを保存するメモリ部３１、回転電機の基本特性を格納した基本特性格納部３２、磁気ギャップ長を推定するための基準となるデータを格納した推定基準格納部３３、メモリ部３１から送信されたデータに基づいて線間無負荷誘起電圧の基本波成分とＮ次高調波成分との振幅および位相を抽出する解析部３４、解析部３４で抽出されたデータに基づいて磁気ギャップ長を推定演算する推定演算部３５、および推定演算部３５で推定された演算結果を格納する演算結果格納部３６を有している。

【0013】

基本特性格納部３２は、測定対象の回転電機５の寸法仕様、標準回転速度などの諸元を格納している。推定基準格納部３３は、磁気ギャップ長を推定するために必要な推定基準データを格納している。推定基準データとしては、例えば測定対象の回転電機５の線間無負荷誘起電圧と磁気ギャップ長との関係などである。この推定基準データは、予め測定によって取得しておくかまたは理論計算で算出しておく。ここで線間無負荷誘起電圧とは、電機子に電流を印加しない無負荷の状態において回転電機を定格回転速度で回転させたときにコイル間に誘起される電圧である。なお、これ以降、線間無負荷誘起電圧を単に線間電圧と称する。

【0014】

解析部３４は、メモリ部３１から取得したデータを周波数毎の振幅と位相との情報に変換するスペクトル解析部３７と、周波数毎の振幅および位相から相電圧の基本波成分およびＮ次高調波成分の振幅および位相を抽出する周波数解析部３８とを備えている。スペクトル解析部３７は、例えば高速フーリエ変換（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）のアルゴリズムを用いて振幅と位相との情報に変換するが、同様のスペクトル解析を実現できるアルゴリズムであれば別のアルゴリズムを用いてもよい。

【0015】

図３は、本実施の形態における測定対象となる回転電機５の構成図である。図３に示す回転電機５は、３群３相のインバータ駆動を想定された６極３６スロット構成の回転電機である。なお、図３において、回転子は省略されている。固定子５１はグループ１、グループ２およびグループ３の３群で独立してコイルが巻き回された構成であり、それぞれのグループが３６０／３＝１２０°の機械角位相差で固定子の周方向に配置されている。また、図３において、各コイルに流れる電流の方向は、２種類の記号でその方向を示している。丸印の中にばつ印の記号は、電流が紙面の手前から奥に向かって流れる方向を示し、丸印の中に黒丸の記号は、電流が紙面の奥から手前に向かって流れる方向を示している。本実施の形態の回転電機５の固定子５１は、複数個のスロットを跨いでコイルが配置された分布巻き構造である。３つのグループはそれぞれＵ、ＶおよびＷ相の３相で構成され、さらに各相は２つのコイルで構成されている。例えば、グループ１のＵ相のコイルを示すＵ１は、２つのコイルＵ１１、Ｕ１２を有している。図３において、グループ１の各コイルの巻き回される方向を矢印で示している。グループ２およびグループ３の各コイルの巻き回される方向は、グループ１と同じである。各グループにおける各コイルは、Ｕ、Ｗ、Ｖ相の順に周方向に連続するように巻き回されている。例えばグループ１では反時計回りにＵ１１、Ｕ１２、Ｗ１１、Ｗ１２、Ｖ１１、Ｖ１２の順番に配置されている。グループ２およびグループ３においても同様の配置である。

【0016】

すなわち、ＭおよびＫを自然数、Ｎを２以上の自然数としたときに、Ｍ群Ｎ相で各相がＫ個のコイルで構成された回転電機におけるｍ群ｎ相ｋ番目のコイルをＣ（ｍ、ｎ、ｋ）と表記した場合、本実施の形態の回転電機５は、１≦ｍ≦Ｍ、１≦ｎ≦Ｎ、１≦ｋ≦Ｋ、かつＭ＝３、Ｎ＝３、Ｋ＝２である。そして、この回転電機５のコイルは、グループ１から反時計回りに、Ｃ（１、１、１）、Ｃ（１、１、２）、Ｃ（１、２、１）、Ｃ（１、２、２）、Ｃ（１、３、１）、Ｃ（１、３、２）、Ｃ（２、１、１）、Ｃ（２、１、２）、Ｃ（２、２、１）、Ｃ（２、２、２）、Ｃ（２、３、１）、Ｃ（２、３、２）、Ｃ（３、１、１）、Ｃ（３、１、２）、Ｃ（３、２、１）、Ｃ（３、２、２）、Ｃ（３、３、１）、Ｃ（３、３、２）の順番に配置されている。このように各群各相のコイルを周方向に連続して配置することで、静的偏心および動的偏心に起因する磁気ギャップ長のアンバランスによる各相の電圧波形の振幅の差異が大きくなる。詳細は後述するが、各相の電圧波形の振幅の差異が大きくなると、磁気ギャップ長の推定に用いる各線間電圧のＮ次高調波成分の差異も大きくなるため、磁気ギャップ長の推定精度をより高めることができる。

【0017】

図４は、本実施の形態における回転電機の結線図である。各グループのコイルは、それぞれ独立したＹ型結線で構成されており、各相のコイルは直列接続されている。このような回路構成とすることで、各相の電圧波形の振幅の差異がより大きくなるため、上述と同様の理由で、磁気ギャップ長の推定精度をより高めることができる。また、各グループのコイルがＹ型結線でかつ各相のコイルが直列接続されているので循環電流が発生しない。そのため、循環電流に起因する誘起電圧の影響がないので、線間電圧の検出精度を向上させることができる。

【0018】

次に、本実施の形態の磁気ギャップ長推定装置１における磁気ギャップ長の推定方法について説明する。図５は、測定対象の回転電機において、静的偏心が発生した状態を示した模式図である。この回転電機５では、固定子５１の中心軸に対して回転子５２の中心軸がグループ３の方向に偏心していると仮定する。この場合、固定子５１と回転子５２との間の磁気ギャップは、周方向に不均一となっている。この図５に示す回転電機に対する磁気ギャップ長の推定方法を説明する。

【0019】

図６は、本実施の形態における磁気ギャップ長の推定方法のフローチャートである。ステップＳ１において、Ｕ１相を基準としてＵ１相と他の相との間で線間無負荷誘起電圧（以下、線間電圧と記す）を取得する。具体的には、磁気ギャップ長推定装置１の電圧取得部２が、Ｕ１－Ｖ１、Ｕ１－Ｗ１、Ｕ１－Ｕ２、Ｕ１－Ｖ２、Ｕ１－Ｗ２、Ｕ１－Ｕ３、Ｕ１－Ｖ３、Ｕ１－Ｗ３間の線間電圧を取得する。次にステップＳ２において、電圧取得部２は、取得した線間電圧のデータを磁気ギャップ推定部３に送信する。磁気ギャップ推定部３は、受信した線間電圧のデータをメモリ部３１に保存する。

【0020】

次にステップＳ３において、解析部３４のスペクトル解析部３７は、メモリ部３１に保存された線間電圧のデータに対してスペクトル解析を行う。具体的には、スペクトル解析部３７は線間電圧のデータに対して高速フーリエ変換のアルゴリズムを適用して、周波数毎の振幅と位相との情報に変換する。次にステップＳ４において、周波数解析部３８は、周波数毎の振幅および位相の情報から各線間電圧の基本波成分とＮ次高調波成分との振幅および位相を抽出する。

【0021】

ここで、相電圧および線間電圧の基本波成分およびＮ次高調波成分と磁気ギャップ長との関係について説明する。なお、本実施の形態においては、Ｎ＝３となる。
図７および図８は、回転電機５のグループ１およびグループ３におけるそれぞれの相電圧および線間電圧を示した説明図である。図７は基本波成分のベクトル表記、図８は３次高調波成分のベクトル表記である。図７および図８において、実線矢印はグループ１のベクトル、破線矢印はグループ３のベクトルである。仮に静的偏心が発生していない場合、つまり磁気ギャップ長が均一な場合は、各グループの相電圧の基本波成分は電気的に１２０°の位相差であり、各グループの３次高調波成分は位相が一致する。しかしなら、図５に示したようにグループ３における磁気ギャップ長が短くなっている場合、グループ３においては磁気ギャップの磁気抵抗が低下するためにコイルを透過する磁束量が増加する。そのため、磁気ギャップ長が均一な場合と比較してグループ３の相電圧は増加する。一方、グループ１における磁気ギャップ長は広くなっているので、グループ１における磁気ギャップの磁気抵抗が増加するためにコイルを透過する磁束量が減少する。そのため、磁気ギャップ長が均一な場合と比較してグループ１の相電圧は減少する。このことは、図７および図８において、グループ３のＵ３、Ｖ３およびＷ３相のベクトルの長さが、グループ１のＵ１、Ｖ１およびＷ１相のベクトルの長さよりもそれぞれ大きいことに対応している。

【0022】

また、静的偏心で各コイルを透過する磁束量が不均一となるため、相電圧の位相は磁気ギャップ長が均一なときの相電圧の位相からずれる。そのため、グループ１のベクトルの向きとグループ３のベクトルの向きとが異なっている。ここで図８に示す３次高調波成分に着目する。仮に磁気ギャップ長が均一な場合は、すべてのグループの相電圧のベクトルの長さと向きとが一致するために、相電圧のベクトルの差で表される線間電圧は発生しない。しかしながら、磁気ギャップ長が不均一な場合は、各グループの相電圧のベクトルの長さおよび向きに差異が生じる。そのため、図８に示すように、Ｕ１－Ｕ３、Ｕ１－Ｖ３およびＵ１－Ｗ３間の線間電圧が発生する。すなわち、線間電圧の３次高調波成分は、磁気ギャップ長に不均一が発生したときに現れる特徴量であることがわかる。

【0023】

次に、図６に示す磁気ギャップ長の推定方法のフローチャートの説明に戻る。
周波数解析部３８は、ステップＳ５において、各線間電圧の基本波成分を用いて相電圧の基本波成分および３次高調波成分を推定する。この推定においては、磁気ギャップ長が不均一なときの相電圧の位相と磁気ギャップ長が均一なときの相電圧の位相とのずれは小さいものと仮定してそのずれを無視し、線間電圧のベクトルと相電圧のベクトルとの理論的な相対関係を用いる。図９は、ステップＳ５におけるＵ１－Ｖ１の線間電圧からＵ１相の相電圧の基本波成分および３次高調波成分の位相を推定する方法を説明する説明図である。図９に示す推定方法は、Ｕ１相の相電圧波形として正弦波を仮定した場合の方法である。Ｕ１相の相電圧の基本波成分の位相は、Ｕ１－Ｖ１の線間電圧の基本波成分の位相より３０°遅れであり、さらにＵ１相の相電圧の３次高調波成分の位相は、Ｕ１相の相電圧の基本波成分の位相の３倍である。このことは、交流回路の理論、および図７並びに図８に示すベクトルの関係より明らかである。この関係を用いて、Ｕ１相の相電圧の３次高調波成分の位相を推定できる。なお、Ｕ１相の相電圧波形として余弦波を仮定した場合、Ｕ１相の相電圧の３次成分の位相は、Ｕ１相の相電圧の基本波成分の位相の３倍からさらに１８０°の位相差となることは明らかである。

【0024】

次に推定演算部３５は、線間電圧の３次高調波成分と相電圧の３次高調波成分とを用いて磁気ギャップ長を推定する。そのため、推定演算部３５は、ステップＳ６において、基準相のコイルが巻かれたグループの中心位置の磁気ギャップ長に対する、各相のコイルが巻かれたグループの中心位置の磁気ギャップ長の変位量の絶対値を推定する。次に推定演算部３５は、ステップＳ７において、線間電圧の３次高調波成分の位相とステップＳ５で推定された相電圧の３次高調波成分の位相との関係に基づいて、各相のコイルが巻かれたグループの中心位置の磁気ギャップ長の変位が基準相のコイルが巻かれたグループの中心位置の磁気ギャップ長に対して正方向または負方向であるかを推定する。

【0025】

図１０は、基準相と他の相との磁気ギャップ長の変位量と線間電圧の３次高調波成分の振幅との関係の一例を示す説明図である。ステップＳ５で説明したように、磁気ギャップ長が不均一なときの相電圧の位相と磁気ギャップ長が均一なときの相電圧の位相とのずれは小さいものと仮定した場合、磁気ギャップ長の変位量と線間電圧の３次高調波成分の振幅とは相関があり、概ね比例関係となる。この基準相と各相との磁気ギャップ長の変位量と線間電圧の３次高調波成分の振幅との関係は、予め理論計算、シミュレーション、実験などによりデータベース化して推定基準格納部３３に格納しておく。推定演算部３５は、ステップＳ６において、推定基準格納部３３に格納された基準相と他の相との磁気ギャップ長の変位量と線間電圧の３次高調波成分の振幅との関係を用いて、各相のコイルが巻かれたグループの磁気ギャップ長の変位量の絶対値を推定する。

【0026】

図１１および図１２は、磁気ギャップ長の縮小または拡大の方向を判定する方法の一例を示す説明図である。図１１および図１２は、ステップＳ５で推定された相電圧の３次高調波成分の位相の関係を示している。図１１はＶ３相の相電圧の３次成分がＵ１相の相電圧の３次成分より大きい場合を示しており、図１２はＶ３相の相電圧の３次成分がＵ１相の相電圧の３次成分より小さい場合を示している。図１１に示すように、Ｖ３相の相電圧の３次成分がＵ１相の相電圧の３次成分より大きい場合は、Ｖ３相のコイルが巻かれたグループ３の磁気ギャップ長がＵ１相のコイルが巻かれたグループ１の磁気ギャップ長よりも縮小している場合に対応している。このとき、Ｕ１－Ｖ３線間電圧の３次成分のベクトルの向きは、基準とするＵ１相の相電圧の３次成分のベクトルの向きに対して９０°以上２７０°未満の範囲である。一方、図１２に示すように、Ｖ３相の相電圧の３次成分がＵ１相の相電圧の３次成分より小さい場合は、Ｖ３相のコイルが巻かれたグループ３の磁気ギャップ長がＵ１相のコイルが巻かれたグループ１の磁気ギャップ長よりも拡大している場合に対応している。このとき、Ｕ１－Ｖ３線間電圧の３次成分のベクトルの向きは、基準とするＵ１相の相電圧の３次成分のベクトルの向きに対して０°以上９０°未満または２７０°以上３６０°未満の範囲である。このような関係を用いて推定演算部３５は、ステップＳ７において、各相のコイルが巻かれたグループの磁気ギャップ長の変位が基準相のコイルが巻かれたグループの磁気ギャップ長に対して正方向または負方向であるかを推定する。本実施の形態のように、グループ３の磁気ギャップ長が縮小する向きに静的偏心が発生している場合は図８に示す関係となり、この関係は図１１に示す関係と同様である。したがって、Ｖ３相のコイルが巻かれたグループ３の磁気ギャップ長が、Ｕ１相のコイルが巻かれたグループ１の磁気ギャップ長に対して縮小していると判定できる。

【0027】

このようにして本実施の形態の磁気ギャップ長推定装置１は、測定対象の回転電機の磁気ギャップ長を推定することができる。図１３は、本実施の形態の磁気ギャップ長推定装置１が図５に示す回転電機に対して磁気ギャップ長を推定した結果を示した図である。図１３において、円形の破線は偏心が発生していない場合の磁気ギャップ長、円形の実線は事前の解析データに基づく偏心発生時の磁気ギャップの理論計算値、黒丸は本実施の形態における磁気ギャップ長の推定値である。本実施の形態においては、３群３相の回転電機を対象に磁気ギャップ長の推定を行ったので、３×３＝９点における磁気ギャップ長を推定できる。なお、図１３においては、磁気ギャップ長の空間分布を視覚的に把握しやすくするため、９点の磁気ギャップ長の推定点の空間配置の関係が回転電機の実構造と対応するように、原点と各推定点とを結んだ線分がなす角度を回転電機の実構造における中心とグループの中心位置とを結んだ線分がなす角度と一致するように設定している。そして、原点から各推定点までの距離は、基準相の巻線位置における磁気ギャップ長を１とした場合の各推定点の変位量を加算または減算した相対値としている。

【0028】

本実施の形態の磁気ギャップ長推定装置１は、図１３に示すように、基準相であるＵ１相が巻かれたグループ１の中心位置における磁気ギャップ長に対して、他のグループの中心位置における各相の磁気ギャップ長を相対値として推定できる。また、円形の実線で示す理論計算値と本実施の形態の磁気ギャップ長推定装置１で得られた磁気ギャップ長の推定値とはおおよそ一致していることがわかる。ただし、理論計算値と推定値との間には誤差も発生している。この誤差は、ステップＳ６において、磁気ギャップ長が不均一なときの相電圧の位相と磁気ギャップ長が均一なときの相電圧の位相とのずれは小さいものと仮定したことに起因すると思われる。本実施の形態の磁気ギャップ長推定装置は、多少の誤差があったとしても、偏心が発生した位置とその偏心の方向は明確に推定することができる。

【0029】

上述のように、本実施の形態の磁気ギャップ長推定装置は、無負荷時に誘起される線間電圧を取得する電圧取得部と、回転電機の磁気ギャップ長を推定する磁気ギャップ推定部とを備えている。そして、磁気ギャップ推定部は、線間電圧を周波数毎の振幅と位相とに変換するスペクトル解析部と、周波数毎の振幅および位相から線間電圧の基本波成分とＮ次高調波成分の振幅および位相を抽出する周波数解析部と、線間電圧の基本波成分とＮ次高調波成分との振幅および位相から回転電機の磁気ギャップ長を推定する推定演算部とを備えている。そのため、本実施の形態の磁気ギャップ長推定装置は、電流センサおよび電流負荷が不要でかつ結線の中性点の電圧測定が不要となる。

【0030】

なお、本実施の形態においては、Ｕ１相を基準相とする例を示したが、他の相のいずれかを基準相とした場合についても同様の効果が得られる。また、本実施の形態においては、グループ３の方向に磁気ギャップ長が縮小する静的偏心の例を示した。本実施の形態の磁気ギャップ長推定装置は、それ以外の方向に静的偏心が発生する場合についても同様の効果が得られる。また、この磁気ギャップ長推定装置は、動的偏心に対しても磁気ギャップ長が縮小または拡大する方向が時間変動する点を考慮して単位時間毎に磁気ギャップ長の推定を行うことで、同様の効果が得られる。さらには、静的偏心、動的偏心以外の要因で磁気ギャップ長のアンバランスが発生する場合についても、基準相と他の相との間における線間無負荷誘起電圧に差異が生じる場合は、本実施の形態の磁気ギャップ長推定装置を用いることで同様の効果が得られる。

【0031】

本実施の形態においては、３群３相の巻線の９本の結線すべてに対して磁気ギャップ長推定装置の電圧取得部が接続されている。本実施の形態の磁気ギャップ長推定装置は、各群の３本の結線のうち少なくとも２本に電圧取得部が接続されていれば、測定点が減少するものの磁気ギャップ長を推定することができる。

【0032】

図１４は、本実施の形態の磁気ギャップ長推定装置の測定対象となる別の回転電機の構成図である。なお、図１４において、回転子は省略されている。また、図１４において、各コイルに流れる電流の方向は、２種類の記号でその方向を示している。図１４に示す固定子５１は、１つのティースに集中巻きでコイルが巻かれた６極９スロットの構成である。この回転電機５は、ｍ群ｎ相ｋ番目のコイルをＣ（ｍ、ｎ、ｋ）と表記した場合、１≦ｍ≦Ｍ、１≦ｎ≦Ｎ、１≦ｋ≦Ｋ、かつＭ＝３、Ｎ＝３、Ｋ＝１である。そしてこの回転電機５のコイルは、グループ１から反時計回りに、Ｃ（１、１、１）、Ｃ（１、２、１）、Ｃ（１、３、１）、Ｃ（２、１、１）、Ｃ（２、２、１）、Ｃ（２、３、１）、Ｃ（３、１、１）、Ｃ（３、２、１）、Ｃ（３、３、１）の順番に配置されている。このような集中巻きの回転電機においても、各群各相のコイルが周方向に連続的に配置されていることで、偏心に起因する磁気ギャップ長のアンバランスによる各相の電圧波形の振幅の差異が大きくなる。そのため、各線間電圧の３次高調波成分の差異も大きくなるため、磁気ギャップ長の推定精度をより高めることができる。

【0033】

なお、本実施の形態の磁気ギャップ長推定装置においては、基準の相に対する他の相との間の線間電圧を測定している。この線間電圧には、異なるグループにそれぞれ属する２つの相の間の線間電圧も含まれている。各グループのコイルは、それぞれ独立したＹ型結線で構成されている。そのため、各グループのコイルが電気的に独立していることに起因する電位差のオフセット成分が、異なるグループにそれぞれ属する２つの相の間の線間電圧に含まれる可能性がある。このオフセット成分を取り除くために、各グループのコイルのＹ型結線の中性点同士を電気的に接続してもよい。

【0034】

実施の形態２．
図１５は、実施の形態２に係る回転電機の駆動装置の構成図である。本実施の形態における回転電機の駆動装置１０は、実施の形態１の磁気ギャップ長推定装置１と、３つのインバータ４ａ、４ｂ、４ｃに制御パラメータを送る制御パラメータ演算部７とを有している。制御パラメータ演算部７は、磁気ギャップ長推定装置１で推定された磁気ギャップ長に基づいて、回転電機５の各グループへの電流入力値を調整する制御パラメータを３つのインバータ４ａ、４ｂ、４ｃにそれぞれ送る。また、制御パラメータ演算部７は、外部出力端子８を有している。例えば、この外部出力端子８に外部モニタを接続することで、磁気ギャップの状態および制御パラメータを可視化することができる。

【0035】

例えば、実施の形態１で説明したように、回転電機５がグループ３の磁気ギャップ長が縮小する方向に静的偏心を有する場合、グループ３に属するコイルへの電流入力値をグループ１およびグループ２に属するコイルへの電流入力値より小さく設定する。このように制御することで、偏心に起因する振動および騒音を低減することができる。

【0036】

なお、本実施の形態においては、３群３相の巻線の９本の結線すべてに対して磁気ギャップ長推定装置の電圧取得部が接続されている。本実施の形態の回転電機の駆動装置は、各群の３本の結線のうち少なくとも１本に電圧取得部が接続されていれば、測定点が減少するものの磁気ギャップ長が変位する方向を推定して制御パラメータを演算することができる。

【0037】

実施の形態３．
図１６は、実施の形態３に係る磁気ギャップ長推定装置の構成図である。本実施の形態における磁気ギャップ長推定装置は、１群３相のインバータで駆動される回転電機を測定対象とした磁気ギャップ長推定装置である。本実施の形態の磁気ギャップ長推定装置１は、電圧取得部２と磁気ギャップ推定部３とを有している。本実施の形態の磁気ギャップ長推定装置１の構成は、実施の形態１の磁気ギャップ長推定装置の構成と同様である。ただし、電圧取得部２は、１つのインバータ４ａと回転電機５との間の３本の結線の電圧を取得する。本実施の形態の磁気ギャップ長推定装置１における磁気ギャップ長の推定方法は、実施の形態１の推定方法と同様である。

【0038】

図１７は、本実施の形態における測定対象となる回転電機５の構成図である。図１７に示す回転電機５は、１群３相のインバータ駆動を想定された２極３６スロット構成の回転電機である。なお、図１７において、回転子は省略されている。固定子５１はグループ１のみの構成である。また、図１７において、各コイルに流れる電流の方向は、２種類の記号でその方向を示している。この回転電機５の固定子５１は、複数個のスロットを跨いでコイルが配置された分布巻き構造である。グループ１はＵ、ＶおよびＷ相の３相で構成され、さらに各相は６つのコイルから構成されている。例えば、Ｕ相のコイルを示すＵ１は、６つのコイルＵ１１、Ｕ１２、Ｕ１３、Ｕ１４、Ｕ１５、Ｕ１６を有している。各コイルは、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の順に周方向に連続するように巻き回されている。この回転電機５のコイルは、反時計回りにＵ１１、Ｕ１２、Ｕ１３、Ｕ１４、Ｕ１５、Ｕ１６、Ｖ１１、Ｖ１２、Ｖ１３、Ｖ１４、Ｖ１５、Ｖ１６、Ｗ１１、Ｗ１２、Ｗ１３、Ｗ１４、Ｗ１５、Ｗ１６の順番に配置されている。

【0039】

すなわち、Ｍ群Ｎ相で各相がＫ個のコイルで構成された回転電機におけるｍ群ｎ相ｋ番目のコイルをＣ（ｍ、ｎ、ｋ）と表記した場合、図１７に示す回転電機５は、１≦ｍ≦Ｍ、１≦ｎ≦Ｎ、１≦ｋ≦Ｋ、かつＭ＝１、Ｎ＝３、Ｋ＝６である。そして、この回転電機５のコイルは、反時計回りに、Ｃ（１、１、１）、Ｃ（１、１、２）、Ｃ（１、１、３）、Ｃ（１、１、４）、Ｃ（１、１、５）、Ｃ（１、１、６）、Ｃ（１、２、１）、Ｃ（１、２、２）、Ｃ（１、２、３）、Ｃ（１、２、４）、Ｃ（１、２、５）、Ｃ（１、２、６）、Ｃ（１、３、１）、Ｃ（１、３、２）、Ｃ（１、３、３）、Ｃ（１、３、４）、Ｃ（１、３、５）、Ｃ（１、３、６）の順番に配置されている。このように各群各相のコイルを周方向に連続して配置することで、磁気ギャップ長のアンバランスによる各相の電圧波形の振幅の差異が大きくなる。各相の電圧波形の振幅の差異が大きくなると、磁気ギャップ長の推定に用いる各線間電圧の３次高調波成分の差異も大きくなるため、磁気ギャップ長の推定精度をより高めることができる。

【0040】

図１８は、本実施の形態における測定対象となる別の回転電機５の構成図である。図１８に示す回転電機５は、１群３相のインバータ駆動を想定された２極３スロット構成の回転電機である。なお、図１８において、回転子は省略されている。固定子５１はグループ１のみの構成である。また、図１８において、各コイルに流れる電流の方向は、２種類の記号でその方向を示している。この回転電機５の固定子５１は、１つのティースに各相のコイルが集中巻きで巻き回された構造である。グループ１はＵ、ＶおよびＷ相の３相で構成されている。

【0041】

Ｍ群Ｎ相で各相がＫ個のコイルで構成された回転電機におけるｍ群ｎ相ｋ番目のコイルをＣ（ｍ、ｎ、ｋ）と表記すると、図１８に示す回転電機５は、１≦ｍ≦Ｍ、１≦ｎ≦Ｎ、１≦ｋ≦Ｋ、かつＭ＝１、Ｎ＝３、Ｋ＝１である。そして、この回転電機５のコイルは、反時計回りに、Ｃ（１、１、１）、Ｃ（１、２、１）、Ｃ（１、３、１）の順番に配置されている。このように集中巻きの回転電機においても３相のコイルを周方向に連続して配置することで、磁気ギャップ長のアンバランスによる各相の電圧波形の振幅の差異が大きくなり、磁気ギャップ長の推定精度をより高めることができる。

【0042】

図１９は、本実施の形態における測定対象となる別の回転電機５の構成図である。図１９に示す回転電機５は、１群３相のインバータ駆動を想定された８極９スロット構成の回転電機である。なお、図１９において、回転子は省略されている。固定子５１はグループ１のみの構成である。また、図１９において、各コイルに流れる電流の方向は、２種類の記号でその方向を示している。この回転電機５の固定子５１は、１つのティースに各相のコイルが集中巻きで巻き回された構造である。グループ１はＵ、ＶおよびＷ相の３相で構成されている。

【0043】

Ｍ群Ｎ相で各相がＫ個のコイルで構成された回転電機におけるｍ群ｎ相ｋ番目のコイルをＣ（ｍ、ｎ、ｋ）と表記すると、図１９に示す回転電機５は、１≦ｍ≦Ｍ、１≦ｎ≦Ｎ、１≦ｋ≦Ｋ、かつＭ＝１、Ｎ＝３、Ｋ＝３である。そして、この回転電機５のコイルは、反時計回りに、Ｃ（１、１、１）、Ｃ（１、１、２）、Ｃ（１、１、３）、Ｃ（１、２、１）、Ｃ（１、２、２）、Ｃ（１、２、３）、Ｃ（１、３、１）、Ｃ（１、３、２）、Ｃ（１、３、３）の順番に配置されている。このように集中巻きの回転電機においても３相のコイルを周方向に連続して配置することで、磁気ギャップ長のアンバランスによる各相の電圧波形の振幅の差異が大きくなり、磁気ギャップ長の推定精度をより高めることができる。

【0044】

このように構成された磁気ギャップ長推定装置においても、実施の形態１と同様に、電流センサおよび電流負荷が不要でかつ結線の中性点の電圧測定が不要となる。

【0045】

なお、本実施の形態においては、１群３相の巻線の３本の結線すべてに対して磁気ギャップ長推定装置の電圧取得部が接続されている。本実施の形態の磁気ギャップ長推定装置は、３本の結線のうち少なくとも２本に電圧取得部が接続されていれば、測定点が減少するものの磁気ギャップ長を推定することができる。

【0046】

なお、本実施の形態の磁気ギャップ長推定装置を用いて実施の形態２に示した回転電機の駆動装置を構成し、この駆動装置を図１９に示した８極９スロット構成の回転電機に適用した場合、この空間高調波の次数成分の巻線係数が低い極およびスロット数の組み合わせの回転電機においても、振動および騒音をさらに低減することができる。

【0047】

実施の形態４．
図２０は、実施の形態４に係る磁気ギャップ長推定装置の構成図である。本実施の形態における磁気ギャップ長推定装置は、１群６相のインバータで駆動される回転電機を測定対象とした磁気ギャップ長推定装置である。本実施の形態の磁気ギャップ長推定装置１は、電圧取得部２と磁気ギャップ推定部３とを有している。本実施の形態の磁気ギャップ長推定装置１の構成は、実施の形態１の磁気ギャップ長推定装置の構成と同様である。ただし、電圧取得部２は、１つのインバータ４ａと回転電機５との間の６本の結線の電圧を取得する。また、本実施の形態の磁気ギャップ長推定装置１における磁気ギャップ長の推定方法は、実施の形態１の推定方法と一部異なっている。

【0048】

図２１は、本実施の形態における測定対象の回転電機５の構成図である。図２１に示す回転電機５は、１群６相のインバータ駆動を想定された２極６スロット構成の回転電機である。なお、図２１において、回転子は省略されている。固定子５１はグループ１のみの構成である。また、図２１において、各コイルに流れる電流の方向は、２種類の記号でその方向を示している。本実施の形態の回転電機５の固定子５１は、１つのティースに各相のコイルが集中巻きで巻き回された構造である。グループ１はＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ相の６相で構成され、各コイルは、反時計回りにＡ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１、Ｅ１、Ｆ１の順番に配置されている。

【0049】

すなわち、Ｍ群Ｎ相で各相がＫ個のコイルで構成された回転電機におけるｍ群ｎ相ｋ番目のコイルをＣ（ｍ、ｎ、ｋ）と表記した場合、本実施の形態の回転電機５は、１≦ｍ≦Ｍ、１≦ｎ≦Ｎ、１≦ｋ≦Ｋ、かつＭ＝１、Ｎ＝６、Ｋ＝１である。そして、この回転電機５のコイルは、反時計回りに、Ｃ（１、１、１）、Ｃ（１、２、１）、Ｃ（１、３、１）、Ｃ（１、４、１）、Ｃ（１、５、１）、Ｃ（１、６、１）の順番に配置されている。このように各群各相のコイルを周方向に連続して配置することで、磁気ギャップ長のアンバランスによる各相の電圧波形の振幅の差異が大きくなる。各相の電圧波形の振幅の差異が大きくなると、磁気ギャップ長の推定に用いる各線間電圧のＮ次高調波成分の差異も大きくなるため、磁気ギャップ長の推定精度をより高めることができる。

【0050】

図２２は、本実施の形態の回転電機５における相電圧の基本波成分のベクトル表記である。図２２に示す相電圧の基本波成分は、偏心が発生していないときのベクトルを示している。各相の電気的な位相差は、３６０／６＝６０°であり、実施の形態１の図７と図８との関係を適用すると、偏心が発生していないときは相電圧の６次高調波成分の位相が一致して６次高調波成分のベクトルが重なることがわかる。すなわち、本実施の形態の回転電機においては、線間電圧の６次高調波成分が磁気ギャップ長に不均一が発生したときに現れる特徴量であることがわかる。そこで、本実施の形態における磁気ギャップ長の推定方法においては、線間電圧の６次高調波成分を用いる点が実施の形態１の磁気ギャップ長の推定方法と異なっている。つまり、本実施の形態の磁気ギャップ長推定装置においては、実施の形態１の図６のフローチャートにおいて、ステップＳ４およびステップＳ５のＮ次高調波成分として６次高調波成分を用いている。それ以外は実施の形態１と同様である。

【0051】

このように構成された磁気ギャップ長推定装置においても、実施の形態１と同様に電流センサおよび電流負荷が不要でかつ結線の中性点の電圧測定が不要となる。

【0052】

なお、本実施の形態においては、１群６相の巻線の６本の結線すべてに対して磁気ギャップ長推定装置の電圧取得部が接続されている。本実施の形態の磁気ギャップ長推定装置は、６本の結線のうち少なくとも２本に電圧取得部が接続されていれば、測定点が減少するものの磁気ギャップ長を推定することができる。

【0053】

実施の形態５．
図２３は、実施の形態５に係る磁気ギャップ長推定装置の構成図である。本実施の形態における磁気ギャップ長推定装置は、４群５相のインバータで駆動される回転電機を測定対象とした磁気ギャップ長推定装置である。本実施の形態の磁気ギャップ長推定装置１は、電圧取得部２と磁気ギャップ推定部３とを有している。本実施の形態の磁気ギャップ長推定装置１の構成は、実施の形態１の磁気ギャップ長推定装置の構成と同様である。ただし、電圧取得部２は、４つのインバータ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄと回転電機５との間の２０本の結線の電圧を取得する。また、本実施の形態の磁気ギャップ長推定装置１における磁気ギャップ長の推定方法は、実施の形態１の推定方法と一部異なっている。

【0054】

図２４は、本実施の形態における測定対象の回転電機５の構成図である。図２４に示す回転電機５は、４群５相のインバータ駆動を想定された８極８０スロット構成の回転電機である。なお、図２４において、回転子は省略されている。固定子５１のコイルはグループ１からグループ４の構成であり、それぞれのグループが３６０／４＝９０°の機械角位相差で配置されている。また、図２４において、各コイルに流れる電流の方向は、２種類の記号でその方向を示している。本実施の形態の回転電機５の固定子５１は、複数個のスロットを跨いでコイルが配置された分布巻き構造である。各グループのコイルは、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ相の５相で構成され、さらに各相は２つのコイルで構成されている。例えば、グループ１のＡ相は、２つのコイルＡ１１、Ａ１２を有している。各グループのコイルは、Ａ、Ｄ、Ｂ、Ｅ、Ｃ相の順に周方向に連続するように巻き回されている。例えば、グループ１のコイルは、反時計回りにＡ１１、Ａ１２、Ｄ１１、Ｄ１２、Ｂ１１、Ｂ１２、Ｅ１１、Ｅ１２、Ｃ１１、Ｃ１２の順番に配置されている。

【0055】

すなわち、Ｍ群Ｎ相で各相がＫ個のコイルで構成された回転電機におけるｍ群ｎ相ｋ番目のコイルをＣ（ｍ、ｎ、ｋ）と表記した場合、図２４に示す回転電機５は、１≦ｍ≦Ｍ、１≦ｎ≦Ｎ、１≦ｋ≦Ｋ、かつＭ＝４、Ｎ＝５、Ｋ＝２である。そして、この回転電機５のコイルは、反時計回りに、Ｃ（１、１、１）、Ｃ（１、１、２）、Ｃ（１、２、１）、Ｃ（１、２、２）、Ｃ（１、３、１）、Ｃ（１、３、２）、Ｃ（１、４、１）、Ｃ（１、４、２）、Ｃ（１、５、１）、Ｃ（１、５、２）、Ｃ（２、１、１）、Ｃ（２、１、２）、Ｃ（２、２、１）、Ｃ（２、２、２）、Ｃ（２、３、１）、Ｃ（２、３、２）、Ｃ（２、４、１）、Ｃ（２、４、２）、Ｃ（２、５、１）、Ｃ（２、５、２）、Ｃ（３、１、１）、Ｃ（３、１、２）、Ｃ（３、２、１）、Ｃ（３、２、２）、Ｃ（３、３、１）、Ｃ（３、３、２）、Ｃ（３、４、１）、Ｃ（３、４、２）、Ｃ（３、５、１）、Ｃ（３、５、２）、Ｃ（４、１、１）、Ｃ（４、１、２）、Ｃ（４、２、１）、Ｃ（４、２、２）、Ｃ（４、３、１）、Ｃ（４、３、２）、Ｃ（４、４、１）、Ｃ（４、４、２）、Ｃ（４、５、１）、Ｃ（４、５、２）の順番に配置されている。このように各群各相のコイルを周方向に連続して配置することで、磁気ギャップ長のアンバランスによる各相の電圧波形の振幅の差異が大きくなる。各相の電圧波形の振幅の差異が大きくなると、磁気ギャップ長の推定に用いる各線間電圧のＮ次高調波成分の差異も大きくなるため、磁気ギャップ長の推定精度をより高めることができる。

【0056】

図２５は、本実施の形態における測定対象の別の回転電機５の構成図である。図２５に示す回転電機５は、４群５相のインバータ駆動を想定された８極２０スロット構成の回転電機である。なお、図２５において、回転子は省略されている。固定子５１のコイルはグループ１からグループ４の構成であり、それぞれのグループが３６０／４＝９０°の機械角位相差で配置されている。また、図２５において、各コイルに流れる電流の方向は、２種類の記号でその方向を示している。この回転電機５の固定子５１は、複数個のスロットを跨いでコイルが配置された分布巻き構造である。各グループのコイルは、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ相の５相で構成されている。各グループのコイルは、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ相の順に周方向に連続するように巻き回されている。

【0057】

すなわち、Ｍ群Ｎ相で各相がＫ個のコイルで構成された回転電機におけるｍ群ｎ相ｋ番目のコイルをＣ（ｍ、ｎ、ｋ）と表記した場合、図２５に示す回転電機５は、１≦ｍ≦Ｍ、１≦ｎ≦Ｎ、１≦ｋ≦Ｋ、かつＭ＝４、Ｎ＝５、Ｋ＝１である。そして、この回転電機５のコイルは、反時計回りに、Ｃ（１、１、１）、Ｃ（１、２、１）、Ｃ（１、３、１）、Ｃ（１、４、１）、Ｃ（１、５、１）、Ｃ（２、１、１）、Ｃ（２、２、１）、Ｃ（２、３、１）、Ｃ（２、４、１）、Ｃ（２、５、１）、Ｃ（３、１、１）、Ｃ（３、２、１）、Ｃ（３、３、１）、Ｃ（３、４、１）、Ｃ（３、５、１）、Ｃ（４、１、１）、Ｃ（４、２、１）、Ｃ（４、３、１）、Ｃ（４、４、１）、Ｃ（４、５、１）の順番に配置されている。このように各群各相のコイルを周方向に連続して配置することで、磁気ギャップ長のアンバランスによる各相の電圧波形の振幅の差異が大きくなる。各相の電圧波形の振幅の差異が大きくなると、磁気ギャップ長の推定に用いる各線間電圧のＮ次高調波成分の差異も大きくなるため、磁気ギャップ長の推定精度をより高めることができる。

【0058】

図２６は、本実施の形態の回転電機５における相電圧の基本波成分のベクトル表記である。図２６に示す相電圧の基本波成分は、偏心が発生していないときのベクトルを示している。各相の電気的な位相差は、３６０／５＝７２°であり、実施の形態１の図７と図８との関係を適用すると、偏心が発生していないときは相電圧の５次高調波成分の位相が一致して５次高調波成分のベクトルが重なることがわかる。すなわち、本実施の形態の回転電機においては、線間電圧の５次高調波成分が磁気ギャップ長に不均一が発生したときに現れる特徴量であることがわかる。そこで、本実施の形態における磁気ギャップ長の推定方法においては、線間電圧の５次高調波成分を用いる点が実施の形態１の磁気ギャップ長の推定方法と異なっている。つまり、本実施の形態の磁気ギャップ長推定装置においては、実施の形態１の図６のフローチャートにおいて、ステップＳ４およびステップＳ５のＮ次高調波成分として５次高調波成分を用いている。それ以外は実施の形態１と同様である。

【0059】

このように構成された磁気ギャップ長推定装置においても、実施の形態１と同様に電流センサおよび電流負荷が不要でかつ結線の中性点の電圧測定が不要となる。

【0060】

なお、本実施の形態においては、４群５相の巻線の２０本の結線すべてに対して磁気ギャップ長推定装置の電圧取得部が接続されている。本実施の形態の磁気ギャップ長推定装置は、各群の５本の結線のうち少なくとも２本に電圧取得部が接続されていれば、測定点が減少するものの磁気ギャップ長を推定することができる。

【0061】

実施の形態６．
図２７は、実施の形態６に係る回転電機の駆動装置の構成図である。本実施の形態における回転電機の駆動装置１０は、実施の形態５の磁気ギャップ長推定装置１と、４つのインバータ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄに制御パラメータを送る制御パラメータ演算部７とを有している。制御パラメータ演算部７は、磁気ギャップ長推定装置１で推定された磁気ギャップ長に基づいて、回転電機５の各グループへの電流入力値を調整する制御パラメータを４つのインバータ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄにそれぞれ送る。また、制御パラメータ演算部７は、外部出力端子８を有している。例えば、この外部出力端子８に外部モニタを接続することで、磁気ギャップの状態および制御パラメータを可視化することができる。

【0062】

例えば、回転電機５がグループ３の磁気ギャップ長が縮小する方向に静的偏心を有する場合、グループ３に属するコイルへの電流入力値をグループ１、グループ２およびグループ４に属するコイルへの電流入力値より小さく設定する。このように制御することで、偏心に起因する振動および騒音を低減することができる。

【0063】

なお、本実施の形態においては、４群５相の巻線の２０本の結線すべてに対して磁気ギャップ長推定装置の電圧取得部が接続されている。本実施の形態の回転電機の駆動装置は、各群の５本の結線のうち少なくとも１本に電圧取得部が接続されていれば、測定点が減少するものの磁気ギャップ長が変位する方向を推定して制御パラメータを演算することができる。

【0064】

実施の形態１、３から５で説明した磁気ギャップ長推定装置は、３群３相または１群３相の回転電機に対しては線間電圧の３次高調波成分、１群６相の回転電機に対しては線間電圧の６次高調波成分、４群５相の回転電機に対しては線間電圧の５次高調波成分を用いて磁気ギャップ長を推定している。これまで説明した磁気ギャップ長推定装置は、それ以外の回転電機としてＭ群Ｎ相の回転電機において、線間電圧のＮ次高調波成分を用いて磁気ギャップ長を推定することができる。

【0065】

また、Ｍ群Ｎ相で各相がＫ個のコイルで構成された回転電機におけるｍ群ｎ相ｋ番目のコイルをＣ（ｍ、ｎ、ｋ）と表記した場合、１≦ｍ≦Ｍ、１≦ｎ≦Ｎ、１≦ｋ≦Ｋであり、コイルの空間配置が反時計回りに、Ｃ（１、１、１）、Ｃ（１、１、２）・・・Ｃ（１、１、Ｋ）、Ｃ（１、２、１）・・・Ｃ（１、２、Ｋ）・・・Ｃ（１、Ｎ、Ｋ）、Ｃ（２、１、１）・・・Ｃ（Ｍ、Ｎ、Ｋ）の順であれば、磁気ギャップ長のアンバランスによる各相の電圧波形の振幅の差異が大きくなる。各相の電圧波形の振幅の差異が大きくなると、磁気ギャップ長の推定に用いる各線間電圧のＮ次高調波成分の差異も大きくなるため、磁気ギャップ長の推定精度をより高めることができる。

【0066】

なお、実施の形態１、３から５に係る磁気ギャップ長推定装置１および実施の形態２、６の回転電機の駆動装置１０は、ハードウェアの一例を図２８に示すように、プロセッサ１００と記憶装置１０１から構成される。記憶装置１０１は、図示していないが、ランダムアクセスメモリなどの揮発性記憶装置と、フラッシュメモリなどの不揮発性の補助記憶装置とを具備する。また、フラッシュメモリの代わりにハードディスクの補助記憶装置を具備してもよい。プロセッサ１００は、記憶装置１０１から入力されたプログラムを実行する。この場合、補助記憶装置から揮発性記憶装置を介してプロセッサ１００にプログラムが入力される。また、プロセッサ１００は、演算結果などのデータを記憶装置１０１の揮発性記憶装置に出力してもよいし、揮発性記憶装置を介して補助記憶装置にデータを保存してもよい。

【0067】

本願は、様々な例示的な実施の形態が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、および機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
したがって、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

【符号の説明】

【0068】

１ 磁気ギャップ長推定装置、２ 電圧取得部、３ 磁気ギャップ推定部、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ インバータ、５ 回転電機、６、８ 外部出力端子、７ 制御パラメータ演算部、１０ 駆動装置、３１ メモリ部、３２ 基本特性格納部、３３ 推定基準格納部、３４ 解析部、３５ 推定演算部、３６ 演算結果格納部、３７ スペクトル解析部、３８ 周波数解析部、５１ 固定子、５２ 回転子、１００ プロセッサ、１０１ 記憶装置。

【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19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】