JP6834073B2

JP6834073B2 - 多重交流電動機駆動システム

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Publication number: JP6834073B2
Application number: JP2016201297A
Authority: JP
Inventors: 新中　新二; 新二新中
Original assignee: 有限会社シー・アンド・エス国際研究所
Priority date: 2016-09-25
Filing date: 2016-09-25
Publication date: 2021-02-24
Anticipated expiration: 2036-09-25
Also published as: JP2018050441A

Description

本発明は、バッテリ電気自動車、燃料電池電気自動車、ハイブリッド電気自動車等の主駆動交流電動機（永久磁石形同期電動機、界磁巻線形同期電動機、同期リラクタンス電動機、誘導電動機など）、広範囲にわたり効率駆動を求められる家電製品の電動機等に代表される、広範囲・効率駆動用の交流電動機駆動システムに関する。

本発明では、交流電動機において交流用巻線が施された部分を「固定子」と呼称する。本発明における「固定子」は、同期電動機では「電機子」と同義である。固定子に施される三相巻線には、Ｙ形とΔ形が存在する。当業者には周知のように、三相端子から評価した場合、Ｙ形巻線による特性とΔ形巻線による特性は互いに等価変換される。説明の簡明性を確保すべく、本明細書における技術説明は、Ｙ形結線を想定して行なう。等価変換の存在より明白なように、これにより、本発明の一般性を失うことなない。

本発明では、ｕ相巻線、ｖ相巻線、ｗ相巻線をＹ形あるいはこれと特性等価なΔ形で結線した三相巻線の１組を１巻線組と呼称する。「巻線組」は、広義の「巻線」に属するが、本発明では、複数の独立した巻線組を使用するため、「独立性」を明示すべく、「巻線組」なる新たな用語を使用する。また、複数の「巻線組」の総称として、狭義の「巻線」なる用語を使用する。

本発明では、２次元平面を極座標的に捉え、角度、空間的位置、空間的位相の３用語を同義で使用する。これらの単位は「ラジアン（ｒａｄ）」または「度（ｄｅｇｒｅｅ）」である。本発明における角度、空間的位置、空間的位相の正方向は、左周り（反時計周り）、右周り（時計周り）のいずれに定義してもよい。ただし、本明細書では、説明の簡明性を維持すべく、角度、空間的位置、空間的位相の正方向は左周り（反時計周り）と定義し、本発明を説明する。これにより、本発明の一般性を失うことはない。

本発明では、交流電動機に交流電力を供給するシステム的な装置を、電力変換装置と呼称する。電力変換装置の主要機器である電力変換器としては、インバータ、マトリックスコンバータなどが実用化されている。

交流電動機のための駆動システムとして、従来、固定子に２個の独立した三相巻線組を持たせ、各巻線組に独立に電力変換器を接続したものが知られている。この種の先行発明としては、例えば、特許文献１〜５、非特許文献１〜２がある。特許文献１〜３、非特許文献１〜２は、同期電動機を対象としたものであり、特許文献４〜５は誘導電動機を対象としたものである。当業者には周知の通り、同期電動機と誘導電動機の本質的相違は回転子にあり、両電動機の固定子は同一である。本発明は、交流電動機の固定子と固定子に供給すべき電力の発生・制御を担う電力変換装置に関するものであり、回転子の相違を問わない。このため、以下では、同期電動機を例に取り、本発明を説明する。

非特許文献１を参考に、従前の交流電動機（同期電動機）のための駆動システムの概要を、極対数ＮｐをＮｐ＝１とした場合を例に、図５に示した。１は交流電動機（回転子、固定子を含む）を、１−１は交流電動機の回転子を、１−２１は交流電動機固定子の第１巻線組を、１−２２は交流電動機固定子の第２巻線組を、２は電力変換装置を、２−２１は第１系統用電力変換器を、２−２２は第２系統用電力変換器を、おのおの示している。同図では、固定子の第１巻線組と第２巻線組との区別の明瞭化を図るべく、第１巻線組は実線で、第２巻線組は破線で表示している。また、第２巻線組が、巻線配置上第１巻線組と重なるため、描画上の重複を回避すべく、第２巻線組を意図的に右にシフトして描画している。電力変換器端子および電動機端子の表示に用いたｕ、ｖ、ｗは、おのおのｕ相、ｖ相、ｗ相の端子であることを示している。また、また各端子の脚符１、２は、おのおの第１系統、第２系統への帰属を意味している。

同図は、当該システムの一般性を失うことなく、「三相結線におけるＹ結線とΔ結線の間には等価関係が存在する」ことを考慮し、三相結線の代表としてＹ結線を用いて作図している。当該システムは、引用元の文献に明記されているように、以下の特徴を有する。
▲１▼ 固定子は、２個の独立した三相巻線組を有する。第１巻線組と第２巻線組の互いの中性点は、独立性を確保すべく、接続されていない。
▲２▼ 各巻線組に電力を供給する電力変換装置は、各巻線組に、個別に、異なった三相電力を供給できるように、各巻線組専用の第１系統用電力変換器、第２系統用電力変換器から構成されている。
▲３▼ 第１巻線組と第２巻線組の特性を同一である。特に、巻線特性を支配する巻数は同一である。この結果、各巻線組に対応した電動機パラメータは同一である。

上記先行発明が期待した代表的効果は、次の２点である。
▲１▼ 第１巻線組と第２巻線組のいずれか１つの巻線組が故障を起こした場合にも、正常の巻線組を利用して交流電動機の運転を継続できる。すなわち、故障に対するシステムとしての耐故障性を向上できる。
▲２▼ 電力変換装置を、相対的に小容量の三相電力変換器を２個使用して構成することにより、量産効果、規格化効果を得ることができ、ひいては電力変換装置を廉価に製造することができる。

電力変換装置に供給される電力の電圧に制限がある。このため、図１に代表される電動機駆動システムを、広範囲駆動を求められる応用に用いる場合には、効率的に達成可能な最高速度は制限される。駆動速度を向上させる方法として、従来、弱め磁束制御、弱め界磁制御と呼ばれる電流制御が知られているが、この種の制御を施す場合には、駆動効率が著しく低下する。

伴在慶一郎・大林和良：「自動車用電動駆動装置」、特開第２０００−４１３９２号（１９９８−７−２３）鳥井孝史：「車両用同期電動機装置」、特開第２００３−１７４７９０号（２００１−１２−５）金澤宏至・小林孝司・日野徳昭・白川真司・増野敬一・土屋雅範：「車両用駆動発電システム」、特開第２００６−３３８９７号（２００４−７−１２）大川宏・長田正彦・谷口真：「車載用モータ装置」、特開第２００７−２９５７２０号（２００６−４−２５）大川宏・長田正彦・谷口真：「車載用モータ装置」、特開第２０１２−８０７７３号（２０１２−１−１９）

佐竹彰・加藤寛・今井晃：「多重巻線永久磁石モータのモデル化と非干渉制御方式」、電気学会産業応用部門大会講演論文集、Ｉ、ｐｐ．１９９−２０２（２００５）新中新二：「１８０度空間位相差の逆二重三相巻線をもつ三相永久磁石同期モータ（二重巻線配置、動的数学モデル、ベクトルシミュレータ）」、平成２８年電気学会産業応用部門大会講演論文集、ＩＩＩ、ｐｐ．２８５−２９０（２０１６）

本発明は上記背景の下になされたものであり、その目的は、従前システムによる主要効果（駆動システムとしての耐故障性の確保、量産・規格化効果およびこれによる廉価性の確保）を維持しつつ、従前システムが不可能であった、広範囲わたり効率駆動を達成できる交流電動機駆動システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、ｎを２以上の整数とするとき、回転子とｎ個の独立した三相巻線（巻線組と同義）を有する固定子とからなる交流電動機とｎ個の独立した三相巻線（巻線組と同義）に、個別に、異なった三相電力を供給できる電力変換装置とを有する交流電動機駆動システムであって、該交流電動機のｎ個の独立した三相巻線（巻線組と同義）の少なくとも１個が、他の独立した三相巻線（巻線組と同義）と異なる巻線起因の特性を持つように、ｎ個の独立した三相巻線（巻線組と同義）を構成したことを特徴とする

請求項２の発明は、請求項１記載の交流電動機駆動システムであって、該電力変換装置を、相対的に小容量の三相電力変換器を複数個用いて構成したことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１記載の交流電動機駆動システムであって、該交流電動機を、ｎを２とする同期電動機としたことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項３記載の交流電動機駆動システムであって、該同期電動機の２個の独立した三相巻線（巻線組と同義）に関し、いずれか１つの独立三相巻線（巻線組と同義）に低速大トルク特性をもたらすように、残りの１つの独立三相巻線（巻線組と同義）に高速低トルク特性をもたらすように、２個の独立した三相巻線（巻線組と同義）を構成したことを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項３記載の交流電動機駆動システムであって、該同期電動機の２個の独立した三相巻線（巻線組と同義）を、極対数を１とする空間において、あるいは極対数を２とする空間において、空間的位相差をもって交互に混在するように配置したことを特徴とする。

本発明の効果を説明する。まず請求項１の発明の効果を説明する。本発明におけるｎは、実用上の観点からは、ｎ＝２からｎ＝４程度である。ここでは、説明の簡明性を確保すべく、ｎ＝２の場合を例にとり、説明する。第１巻線組と第２巻線組の巻数を、有意の巻線起因の特性差がでるように異なったものとする。この場合のトルク／速度特性の例を図１に示した。図１（ａ）は、低速大トルクが得られるように巻数を大きくするなどした場合の特性例である。一方、図１（ｂ）は、高速低トルクがえられるように巻数を小さくするなどした場合の特性例である。同図では、巻線起因の特性が相対比評価で概ね２対１とした例を示している。図１の（ａ）、（ｂ）のトルク／速度特性図では、高効率が得られる領域を「網目」で概略的に示している。

図１においては、次の２点に注意を要する。
▲１▼ 図１（ａ）は、第１巻線組のみに通電し、第２巻線組を電力送受遮断している場合の特性である。同様に、図１（ｂ）は、第２巻線組のみに通電し、第１巻線組を電力送受遮断している場合の特性である。
▲２▼ 図１（ａ）と図１（ｂ）とでは、回転子には一切の変更を加えていない。すなわち、両図における回転子は同一である。

図２は、低速大トルクをもたらす第１巻線組と高速低トルクをもたらす第１巻線組とを併用した場合の特性例である。同図では、速度ω１以下の速度領域では低速大トルク特性をもたらす第１巻線組のみを使用し、速度ω１からω２の速度領域では低速大トルク特性をもたらす第１巻線組と高速低トルク特性をもたらす第２巻線組とを併用し、速度ω２以遠では高速低トルク特性をもたらす第２巻線組のみを利用する場合の特性を概略的に示している。図に明示しているように、高効率が得られる領域（網目）が広い範囲に拡大している。図２は、ｎ＝２とした場合の１特性例である。ｎを３、４と大きくし、かつ各巻線組の巻数を順次変化させるなどして、巻線起因の特性を順次変化させることにより、トルク／速度特性をよりスムーズなもとすること、さらには、速度領域をより拡大することもできる。

請求項１の発明によれば、交流電動機のｎ個の独立した三相巻線組におのおの異なる巻線起因の特性を持たせ、各巻線組単独でのトルク／速度特性を変更することができる。しかも、電力変換装置装置により、各巻線組に所要の三相電力を独立に供給できる。この結果、従前システムによる主要効果（駆動システムとしての耐故障性の確保、量産・規格化効果とこれによる廉価性の確保）を維持しつつ、広い速度範囲において、効率駆動を達成できると言う効果を得られる。

つづいて、請求項２の発明の効果を説明する。請求項２の発明によれば、電力変換装置を、相対的に小容量の三相電力変換器を複数個用いて構成できるようになる。この結果、電力変換装置の構成に際し、量産化の効果、規格化効果を高められ、ひいては製造コストを低減できると言う効果も高められるようになる。

つづいて、請求項３の発明の効果を説明する。永久磁石形同期電動機、同期リラクタンス電動機等の通常の同期電動機においては、回転子に起因した界磁は、一定である。一定の界磁をもつ同期電動機において広範囲で高効率な駆動を行なうには、効率低下を引起す弱め磁束制御、弱め界磁制御が不可欠である。本発明によれば、請求項１の効果の説明で明らかにしたように、弱め磁束制御、弱め界磁制御を行なうことなく、高効率を維持した状態で弱め磁束制御、弱め界磁制御に類したトルク／速度特性を得ることができる。この結果、請求項３の発明によれば、請求項１の発明の効果の最も高いレベルで享受できるようになるという効果を得られる。なお、ｎ＝２は本効果を得る最小数であり、本発明によれば、通常の同期電動機の対して最小の巻線変更で、請求項１の効果を享受できるようになると言う効果も得ることができる。

請求項４の発明の効果は、請求項１の発明効果の説明において、例題として既に説明した。すなわち、広い速度範囲において、効率駆動を達成できると言う効果を得られる。

つづいて、請求項５の発明の効果を説明する。請求項５の発明によれば、第１巻線組と第２巻線組が、極対数を１とする空間においてあるいは極対数を２とする空間において、空間的位相差をもって交互に混在することになる。この結果、両巻線組が通電している場合には、互いの巻線組に起因したトルクリプルを相殺的に低減できると言う効果が得られる（実施形態例の図３、図４参照）。また、いずれかの巻線組のみに通電している場合には、空間的な観点においてトルクリプルの平均とゼロとすることができ、回転中の回転子の偏芯を避けることができると言う効果が得られる（実施形態例の図３、図４参照）、以上ように、請求項５の発明によれば、トルクリプルの低減、影響低下に関し、新たな好ましい効果を得ることができる。

「単一電力変換器、単一巻線組を用いた場合の交流電動機駆動システムのトルク／速度の特性例を示す図」「本発明による交流電動機駆動システムのトルク／速度の特性例を示す図」「三相永久磁石形同期電動機に本発明を適用した場合の交流電動機駆動システムの構成を示す図」「六相永久磁石形同期電動機に本発明を適用した場合の交流電動機駆動システムの構成を示す図」「２個の独立した巻線組をもつ永久磁石形同期電動機と２個の独立した電力変換器とを備えた交流電動機駆動システムの構成例を示す図」

以下、図面を用いて、本発明の好適な態様を具体的に説明する。

交流電動機として、回転子に永久磁石を備えた三相永久磁石形同期電動機を選定し、請求項１〜５の全発明を用いた実施形態例を図３に示した。１は交流電動機（回転子、固定子を含む）を、１−１は交流電動機の回転子を、１−２１は交流電動機固定子の第１巻線組を、１−２２は交流電動機固定子の第２巻線組を、２は電力変換装置を、２−１は第１系統用電力変換器を、２−２は第２系統用電力変換器を、それぞれ示している。同図では、固定子の第１巻線組１−２１と第２巻線組１−２２との区別の明瞭化を図るべく、第１巻線組は太線で、第２巻線組は細線で表示している。

図３の実施形態例は、ｎ＝２の例である。請求項１の発明に従い、第１巻線組と第２巻線組は独立しており、中性点は連結されていない。図より明白なように、これら巻線組は三相巻線である。また、各巻線組には、個別に、異なった三相電力を供給できる電力変換装置が連結されている。さらには、第１巻線組と第２巻線組では、巻数等の相違により巻線起因の特性は異なっている。なお、システムの構成概要を示した同図では、巻線起因の特性の相違を、巻線を表現した線の太さで概念的に表現している。

図３の実施形態例におけるシステムは、請求項２の発明に従い、ｎ＝２に対応したｎ＝２個の独立した電力変換器からなる電力変換装置を備えている。

図３の実施形態例におけるシステムは、交流電動機として、請求項３の発明に従い、ｎ＝２とした同期電動機（より具体的には永久磁石形同期電動機）としている。

図３の実施形態例におけるシステムは、請求項４の発明に従い、ｎ＝２とした同期電動機（より具体的には永久磁石形同期電動機）おいて、特に、低速高トルク特性をもたらす第１巻線組を太線で、高速低トルクをもたらす第２巻線組を細線で表現している。

図３の実施形態例におけるシステムは、請求項５の発明に従い、ｎ＝２とした同期電動機（より具体的には永久磁石形同期電動機）おいて、特に、極対数ＮｐをＮｐ＝２とする空間において、第１巻線組と第２巻線組は、π［ｒａｄ］の空間的位相差をもつ混在・配置となっている。より具体的には、第１巻線組のｕ１相巻線と第２巻線組のｕ２相巻線は、π［ｒａｄ］の空間的位相差をもっている。しかも、第１巻線組と第２巻線組は、各相巻線がｕ１、ｖ２、ｗ１、ｕ２のように交互に混在する形で配置されている。

交流電動機として、回転子に永久磁石を備えた六相永久磁石形同期電動機を選定し、請求項１〜５の全発明を用いた実施形態例を図４に示した。同図における、番号付き引出し線を用いて示した構成要素の意味は、図３の実施形態例と同一である。また、同図では、図３と同様に、固定子の第１巻線組１−２１と第２巻線組１−２２との区別の明瞭化を図るべく、第１巻線組は太線で、第２巻線組は細線で表示している。同図の実施形態例は、三相の同期電動機を扱った図３の実施形態例と異なり、六相の同期電動機を対象とした例である点には、特に注意を要する。

図４の実施形態例は、ｎ＝２の例である。請求項１の発明に従い、第１巻線組と第２巻線組は独立しており、中性点は連結されていない。図より明白なように、これら巻線組は三相巻線である。また、各巻線組には、個別に、異なった三相電力を供給できる電力変換装置が連結されている。さらには、第１巻線組と第２巻線組では、巻数等の相違により巻線起因の特性は異なっている。なお、システムの構成概要を示した同図では、巻線起因の特性の相違を、巻線を表現した線の太さで概念的に表現している。

図４の実施形態例におけるシステムは、請求項２の発明に従い、ｎ＝２に対応したｎ＝２個の独立した電力変換器からなる電力変換装置を備えている。

図４の実施形態例におけるシステムは、交流電動機として、請求項３の発明に従い、ｎ＝２とした同期電動機（より具体的には永久磁石形同期電動機）としている。

図４の実施形態例におけるシステムは、請求項４の発明に従い、ｎ＝２とした同期電動機（より具体的には永久磁石形同期電動機）おいて、特に、低速高トルク特性をもたらす高巻線数の第１巻線組を太線で、高速低トルクをもたらす低巻線数の第２巻線組を細線で表現している。

図４の実施形態例におけるシステムは、請求項５の発明に従い、ｎ＝２とした同期電動機（より具体的には永久磁石形同期電動機）おいて、特に、極対数ＮｐをＮｐ＝１とする空間において、第１巻線組と第２巻線組は、θ１２［ｒａｄ］の空間的位相差をもつ混在・配置となっている。より具体的には、第１巻線組のｕ１相巻線と第２巻線組のｕ２相巻線は、θ１２［ｒａｄ］の空間的位相差をもっている。しかも、第１巻線組と第２巻線組は、各相巻線がｕ１、ｕ２、ｖ１、ｖ２のように交互に混在する形で配置されている。なお、空間的位相差θ１２の代表的値は、π／６［ｒａｄ］、π／３［ｒａｄ］である。

図３、図４を用いた実施形態例では、ｎ＝２とした例を示した。これまでの説明により当業者には容易に理解されるように、請求項１〜２の発明は、これに限定されるものでなく、ｎを２以上とする場合にも、問題なく適用される。なお、当業者には、図３の極対数Ｎｐ＝２、図４の極対数Ｎｐ＝１の実施形態例を参照することで、極対数ＮｐをＮｐ＝３、４、５などに選定した場合の実施形態は容易に理解されるので、この説明は省略する。

図３、図４を用いた実施形態例では、交流電動機として、回転子に永久磁石を有する永久磁石形同期電動機を用いた例を示した。請求項１、請求項２の発明は、これに限定されるものではなく、回転子に永久磁石に代わって界磁巻線を有する界磁巻線形同期電動機、さらには回転子に界磁を有しない同期リラクタンス電動機、誘導電動機などにも、適用される。この場合の実施形態例は、図３、図４と実質的な相違はない。このため、これ以上の説明は省略する。

本発明は、バッテリ電気自動車、燃料電池電気自動車、ハイブリッド電気自動車の主駆動電動機（永久磁石形同期電動機、界磁巻線形同期電動機、同期リラクタンス電動機、誘導電動機など）、家電用高速電動機などに代表される広範囲にわたり効率駆動を要求される交流電動機の駆動システムに好適である。

１交流電動機
１−１交流電動機の回転子
１−２１交流電動機の固定子の第１巻線組
１−２２交流電動機の固定子の第２巻線組
２電力変換装置
２−１第１系統用電力変換器
２−２第２系統用電力変換器

Claims

ｎを２以上の整数とするとき、
単一回転子とｎ個の独立した（ひいては互いに中性点結線のない）三相巻線を有する単一固定子とからなる同期電動機とｎ個の独立した三相巻線に、個別かつ同時に、非ゼロの異なった三相電流を供給できる電力変換装置とを有する極対数不変の同期電動機駆動システムであって、
該同期電動機のｎ個の独立した三相巻線の少なくとも１個が、他の独立した三相巻線と異なる巻線起因の特性を持つように、ｎ個の独立した三相巻線を構成したことを特徴とする極対数不変の同期電動機駆動システム。
請求項１記載の極対数不変の同期電動機駆動システムであって、該電力変換装置を、相対的に小容量の三相電力変換器を複数個用いて構成したことを特徴とする極対数不変の同期電動機駆動システム。
請求項１記載の極対数不変の同期電動機駆動システムであって、該同期電動機におけるｎを２とし、該同期電動機の２個の独立した三相巻線に関し、いずれか１つの独立三相巻線に低速大トルク特性をもたらすように、残りの１つの独立三相巻線に高速低トルク特性をもたらすように、２個の独立した三相巻線を構成したことを特徴とする極対数不変の同期電動機駆動システム。
請求項１記載の極対数不変の同期電動機駆動システムであって、該同期電動機におけるｎを２とし、該同期電動機の２個の独立した三相巻線を、極対数を１とする空間において、あるいは極対数を２とする空間において、空間的位相差をもって交互に混在するように配置したことを特徴とする極対数不変の同期電動機駆動システム。