(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のコイルを巻線したステータと、
前記ステータと同軸に配置され、前記コイルに複合電流を流すことによって駆動される複数のロータを備えた回転電機において、
前記コイルに複合電流を供給するインバータを設け、
当該インバータからコイルにＮ相交流の複合電流を供給するように接続し、
複合電流を構成する対称Ｎ相交流のうち少なくとも一つの対称Ｎ相交流は、それぞれの電流または電圧の位相差が電気角で１８０ｄｅｇとなる位相差を有さないように前記インバータと前記コイルとを接続することを特徴とする回転電機。
【請求項２】
複合電流を構成する対称Ｎ相交流は、それぞれの電流または電圧の位相差が電気角で１８０ｄｅｇとならないことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
【請求項３】
前記対称Ｎ相交流の相数Ｎは、２より大きい実数であることを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機。
【請求項４】
前記ステータに形成されるスロットの数はＮ×Ｍ（Ｍは自然数）であり、
前記複数のロータは、前記ステータと同軸にかつ内側に配置された第１ロータと、前記ステータと同軸にかつ外側に配置された第２ロータとからなり、第１または第２ロータのいずれかの極対数はＭであって対称Ｎ相交流で駆動され、他方のロータの極対数は２×Ｍであって対称（Ｎ／２）相交流で駆動されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の回転電機。
【請求項５】
自己のロータと相関のある位相の電流は流れ、相手方は同相で電流が流れない相をひとつの中立点としてまとめるように、各ステータのコイルにおける中立点を複数に分割して接続し、両方のステータのコイルの各相をそれぞれ並列に接続して電源供給回路の対応する相に接続することを特徴とする請求項１から４のいずれかひとつに記載の回転電機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転電機、特に複合電流で駆動される複数のロータを備えた回転電機の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の複合電流で駆動される回転電機として特開平１１−２７５８２６号公報に記載のものがある。これは、図６に示すように中空円筒状のステータ２の外側と内側に所定のギャップを設けて中空円筒状の外側ロータ３と内側ロータ４とをステータ２と同軸に設置したものである。
【０００３】
内側ロータ４は半周をＳ極、残りの半周をＮ極とした一対の永久磁石で形成され、外側ロータ３は内側ロ−タ４の一極当たり２倍の極数を持つように永久磁石が配置される。またステータ２には外側ロータ３の１磁極当たり３個のコイル６で構成され、合計１２個のコイルが同一の円周上に等分に配置されている。さらに各コイル６に複合電流を供給する１２相インバータ１が設置され、内側ロータ４は１２相交流で、外側ロータ３は６相交流で駆動される。
【０００４】
したがって、このような構成としたことでロータの一方をモータとして、他の一方をジェネレータとして運転する場合に、モータ駆動電力と発電電力の差分の電流を共通のコイルに流すだけでよいことになり、効率を大幅に向上することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来の回転電機においては、インバータ１で線間電圧制御を行っても各相の最大相電圧はインバータ１から供給される交流電圧の半分でしかなく、電圧の利用率が低いと言う問題がある。
【０００６】
また複合電流を用いることで電流利用率を向上しても相電圧を大きくすることはできないため必要な皮相電力は小さくなる。
【０００７】
交流電圧をチョッパーを用いて昇圧する場合には、交流電圧が高くインバータ１の損失が大きくなる。
【０００８】
さらにインバータを構成するパワーデバイスの数が増加し、これに伴ってドライバー等の電子部品の数が増え、レイアウト自由度の制限やコストの上昇を招いていた。
【０００９】
そこで本発明の目的は、上記問題点を解決する回転電機を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、複数のコイルを巻線したステータと、前記ステータと同軸に配置され、前記コイルに複合電流を流すことによって駆動される複数のロータを備えた回転電機において、前記コイルに複合電流を供給するインバータを設け、当該インバータからコイルにＮ相交流の複合電流を供給するように接続し、複合電流を構成する対称Ｎ相交流のうち少なくとも一つの対称Ｎ相交流は、それぞれの電流または電圧の位相差が電気角で１８０ｄｅｇとなる位相差を有さないように前記インバータと前記コイルとを接続する構成とした。
【００１１】
第２の発明は、第１の発明において、複合電流を構成する対称Ｎ相交流は、それぞれの電流または電圧の位相差が電気角で１８０ｄｅｇとならない構成とした。
【００１２】
第３の発明は、第１または２の発明において、前記対称Ｎ相交流の相数Ｎは、２より大きい実数とした。
【００１３】
第４の発明は、第１から３のいずれかの発明において、前記ステータに形成されるスロットの数はＮ×Ｍ（Ｍは自然数）であり、前記複数のロータは、前記ステータと同軸にかつ内側に配置された第１ロータと、前記ステータと同軸にかつ外側に配置された第２ロータとからなり、第１または第２ロータのいずれかの極対数はＭであって対称Ｎ相交流で駆動され、他方のロータの極対数は２×Ｍであって対称（Ｎ／２）相交流で駆動される。
【００１４】
第５の発明は、第１から４のいずれかの発明において、自己のロータと相関のある位相の電流は流れ、相手方は同相で電流が流れない相をひとつの中立点としてまとめるように、各ステータのコイルにおける中立点を複数に分割して接続し、両方のステータのコイルの各相をそれぞれ並列に接続して電源供給回路の対応する相に接続する。
【００１５】
【発明の効果】
第１と２と４の発明では、複合電流の交流の位相差を１８０ｄｅｇ位相をずらした、つまり位相を進ませた或いは遅らせた相を持たないことにより、ＤＣ電圧の利用率を向上でき、また複合電流で駆動される回転電機の相電圧を改善し、必要なインバータ皮相電力を大きくすることができる。またインバータを構成するパワーデバイスの数を削減し、したがってドライバー等の電子部品の点数も削減でき、レイアウト自由度の向上やコスト削減が可能となる。
【００１６】
第３の発明では、相数を２を越える実数に限定することで、回転電機が確実に自己回転起動できる。
【００１７】
第５の発明では、このような結線とすることで、ステータと複数のロータで構成される、例えば２つのモータにはそれぞれ自己と相関のある電流、すなわち自己のロータを駆動する回転磁界を発生するための電流成分が流れ、相手と相関のある電流成分は流れないことになり、無効電流が流れなくなり、銅損や発熱の増大を防止できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の回転電機とその制御装置の概要を説明する図であり、回転電機１は円筒状のステータ２の内側に所定のギャップを持って、ステータ２と同軸に配置される内側ロータ３と、同様にステータ２の外側に所定のギャップを持ってステータ２と同軸に設置される外側ロータ４からなる。
【００１９】
ステータ２にはスロット５ａから５ｊがステータ２の回転中心に対して対称に形成されており、各々２つのスロット間に形成されるステータ部２ａから２ｊにそれぞれコイルＣ１からＣ１０が巻き付けられる。これらコイルＣ１からＣ１０の一端は端子台１１のコイルに対応する端子に接続され、他端はＮ端子に接続される。また各コイル毎の端子は電流センサ６を介して５相インバータ８に接続され、５相インバータ８はインバータコントローラ７によって制御される。このときにコイルＣ１とＣ６、Ｃ２とＣ７、Ｃ３とＣ８、Ｃ４とＣ９、Ｃ５とＣ１０に同じ電流が流れるように接続され、それぞれの瞬時電流を足し合わせると０になることから各コイルに流れる電流のうち４つの電流を検出する電流センサ６が設置される。
【００２０】
さらに５相インバータ８にはコンデンサ９と交流（ＤＣ）電源１０が接続される。
【００２１】
ステータ１の内側に配置された内側ロータ３には（ステータ２のスロット数／交流の相数）の極対数となるように、つまり本実施形態の場合には、１０／５＝２極対となるように永久磁石が９０ｄｅｇ毎にＮ極とＳ極とが入れ替わって配置される。
【００２２】
一方、外側ロータ４には内側ロータ３の極対数×２だけの極対数を有するように、つまり本実施形態では、２×２＝４極対数となるように永久磁石が４５ｄｅｇ毎にＮ極とＳ極とが入れ替わって配置されている。なお内側ロータ３と外側ロータ４の極対数は逆であってもよい。
【００２３】
ここで、本実施形態は、内ロータ３への制御電流と外ロータ４への制御電流とを複合して得られる複合電流を単一のインバータ８によって制御するものであり、ロータ３、４を駆動するためのＮ相交流のうち少なくとも一つの交流は電圧または電流に対して電気角で１８０ｄｅｇの位相を持たない、言い換えると１８０ｄｅｇだけ進ませた或いは遅れた相を持たないＮ相交流とする。具体的には、４相交流（位相が９０ｄｅｇ毎）、６相交流（位相が６０ｄｅｇ毎）等が１８０ｄｅｇの位相を有する交流であり、一方後述するように５相交流、７相交流等は１８０ｄｅｇの位相をもたず、本発明を適用できる。なお１．５相交流等も前述の位相の条件を満たすことになるが、２相以下の交流では、回転電機が自己回転起動することができないため、２相を超えるＮ相交流に限定する。
【００２４】
したがって、いま前述の位相の条件を満たす対称Ｎ相交流で駆動される内側ロータ３の極対数をＭ（ここでＭは自然数）とすると、ステータ２のスロットの総数は相数Ｎ×内側ロータ３の極対数Ｍで表される。一方で、外側ロータ４の極対数は前述のように、２×内側ロータ３の極対数Ｍで示され、外側ロータ４は対称（Ｎ／２）相交流によって駆動される。
【００２５】
次に具体的な例を用いて説明すると、本実施形態では対称５相交流を用いて内側ロータ３を駆動し、外側ロータ４を２．５相交流で駆動すると、その時の位相は、
0003671884.tif 000002
位相単位：ｅｌ．ｄｅｇ
となり、１８０ｄｅｇ位相のずれた相を有していないことがわかる。したがって内側ロータを５相交流で、外側ロータ４を２．５相交流で駆動し、内側ロータ３の極対数を２と定めると、ステータ部のスロット総数は５×２＝１０となり、また外側ロータ４の極対数は２×２＝４極対数と決まる。
【００２６】
次にコントローラ７が演算する各相の目標電圧は以下の式によって示される。
【００２７】
【数１】
0003671884.tif 000003
【００２８】
ここで、右辺は内側ロータ３への指令電圧と外側ロータ４への指令電圧を示している。
【００２９】
このときコントローラ７から内側ロータ３と外側ロータ４への指令電圧は共に１８０ｄｅｇ位相のずれた相がないため、中性点電位が大きく変動することになる。
【００３０】
ここで中性点電位をＶＮとすると、中性点電位は以下の式で表される。
【００３１】
【数２】
0003671884.tif 000004
【００３２】
ここで、ｍａｘ（Ｖ１〜Ｖ５）は各相の中での最大電圧を、ｍｉｎ（Ｖ１〜Ｖ５）は各相の中での最小電圧を示している。
【００３３】
式（１）と式（２）の関係をフェーザ図で示したものが図２であり、実際には周波数が異なるが便宜的に表したものである。ここで、実線のフェーザが５相交流の電圧を示し、破線のフェーザが２．５相交流での電圧を示す。各相での電圧は、それぞれのフェーザの和として示されるが、実際の電圧は破線フェーザ先端の縦軸成分または横軸成分として表され、いま、各相での電圧のうち、最大電圧をＶ１、最小電圧をＶ５とすれば、式（２）の中性点電圧はＶＮ＝（Ｖ１−Ｖ５）／２となる。ここで中性点電位ＶＮを各相の目標電圧から差し引いても達成される相電位に影響がないため新たに目標電圧から中性点電位を差し引いた値を目標電圧として設定し（式（３））、５相インバータ８のゲート（トランジスタのベース）駆動信号を生成する。
【００３４】
【数３】
0003671884.tif 000005
【００３５】
なお、５相インバータ８のＤＣ電圧は決まっており、図１の各相のベクトルをＸ軸またはＹ軸に写像し、足し合わせた時の最大の長さはＤＣ電圧を越えることはない。つまり、
【００３６】
【数４】
0003671884.tif 000006
【００３７】
ここでＶｋ：各相の電圧（ｋ＝１、２、３、４、５）
Ｖｍ：各相の電圧（ただし、ｍ≠ｋ）
ＶDC：ＤＣ電圧
次に本実施形態でのＤＣ電圧利用率について説明すると、図２においてＸ軸またはＹ軸でのフェーザ先端の距離が最大となる２．５相の５相に対する角度を決める。その角度は、
【００３８】
【数５】
0003671884.tif 000007
【００３９】
となり、θ＝０で電圧は最大値を得ることになり、したがって、
【００４０】
【数６】
0003671884.tif 000008
【００４１】
が求められる。ここで、２Ｖとしたのは内側ロータ３と外側ロータ４にそれぞれ電圧が供給されるためである。
【００４２】
対して、１８０ｄｅｇの位相のずれを有する、例えば通常の（複合電流を用いない）対称４相交流の場合には、フェーザ図は図３のようになり、ここで各相の電圧は、
【００４３】
【数７】
0003671884.tif 000009
【００４４】
の関係となる。ここでインバータのＤＣ電圧をＶDCとすると、
２Ｖ＝ＶDC
となる。
【００４５】
したがって、４相交流と５相交流との電圧利用率をインバータのＤＣ電圧をＶDC＝１００Ｖの場合で比較すると、４相交流ではその相電圧が最大で５０Ｖとなり、対して５相交流では６５Ｖとなり、４相交流に対して約３０％の効率向上となる。つまり、内ロータ３と外ロータ４とでそれぞれ３２．５Ｖを分担することができる。
【００４６】
図３、４は５相インバータ８がゲート駆動信号を生成する状態を示したもので、図３（ａ）はインバータコントローラ７が演算している変調率のタイムチャートであり、図３（ｂ）はその時の相電流を示している。インバータコントローラ７が内外ロータ３、４に６５Ｖの電圧を指令しているとして、通常の例えば対称４相交流の場合には、図示しないがＤＣ電圧として２００Ｖを用いた時には６５×２＝１３０Ｖとなり３０％の過電圧となり、駆動することができないが、本実施形態においては、図３に示すように１８０ｄｅｇ位相が異なった相が存在しないために線間電圧制御によって変調率を１００％以下に制御することができる。この時、図４に示すように相電圧のスペクトルは２つともに６５Ｖを示している。
【００４７】
したがって、１８０ｄｅｇ位相をずらした、つまり位相を進ませた或いは遅らせた相を持たないことにより、ＤＣ電圧の利用率を向上でき、また複合電流で駆動される回転電機の相電圧を改善することができ、必要なインバータ皮相電力を大きくすることができる。さらには相電圧が小さい場合に電圧を昇圧させるためにチョッパーを用いた場合に生じるＤＣ電圧が高いためのインバータの損失を防止できる。またインバータを構成するパワーデバイスの数を削減し、したがってドライバー等の電子部品の点数も削減でき、レイアウト自由度の向上やコスト削減が可能となる。
【００４８】
さらに式（１）に示されるように内側ロータ３と外側ロータ４の基本正弦波パターンは類似しており、内側と外側のロータ３、４それぞれに正弦波のパターンを作成する必要がなく、インバータコントローラ７のメモリ容量を削減することができる。
【００４９】
なお本実施形態においては、ロータを駆動する対称Ｎ交流として２．５相と５相交流のどちらもが１８０ｄｅｇの位相を持たない交流を用いて説明したが、これに限らずどちらか一方のみ１８０ｄｅｇの位相を持たない交流を用いてもよい。
【００５０】
図５に示す第２の実施形態は、第１の実施形態に対してステータ部を１４箇所に増加したもので、ステータ部の増加に伴ってステータ部に巻き付けられるコイルが接続する端子台の端子の数も増加するが、他の構成は第１実施形態と同様に構成される。
【００５１】
インバータコントローラ７が演算する目標電圧は下式によって表される。
【００５２】
【数８】
0003671884.tif 000010
【００５３】
上式で第１実施形態の式（１）と同様に内側ロータ３と外側ロータ４への指令電圧の位相は共に１８０ｄｅｇずれた相を有していないので、中性点電位が大きく動き、その中性点電位はインバータコントローラ７によって下式で演算される。
【００５４】
【数９】
0003671884.tif 000011
【００５５】
ここでｍａｘ（Ｖ１〜Ｖ７）は各相中のの最大電圧を、ｍｉｎ（Ｖ１〜Ｖ７）は各相中の最小電圧を示している。
【００５６】
中性点電位ＶＮを各相の目標電圧から差し引いても達成される相電位に影響がないため新たに目標電圧から中性点電位を差し引いた値を目標電圧として設定し（式（１０））、５相インバータ８のゲート駆動信号を生成する。
【００５７】
【数１０】
0003671884.tif 000012
【００５８】
したがって、第１の実施形態と同様にＤＣ電圧の利用率の改善やインバータを形成するパワーデバイスの削減を可能とすることができる。
【００５９】
なお、本出願人の特許出願である特願２０００−３５８００４号（未公開）に記載の自己のロータと相関のある位相の電流は流れ、相手方は同相で電流が流れない相をひとつの中立点としてまとめるように、各ステータのコイルにおける中立点を複数に分割して接続し、両方のステータのコイルの各相をそれぞれ並列に接続してインバータの対応する相に接続するようにした、いわゆるＮ結線に本発明を適用することも可能である。
【００６０】
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の回転電機とその制御装置の概要を説明する図である。
【図２】同じく複合電流を説明するフェーザ図である。
【図３】対称４相交流の場合のフェーザ図である。
【図４】本発明を用いた場合の相電圧のスペクトル図である。
【図５】本発明の第２の実施形態の回転電機とその制御装置の概要を説明する図である。
【図６】従来技術を説明する図である。
【符号の説明】
１    回転電機
２    ステータ
３    内側ロータ
４    外側ロータ
５ａ〜５ｊ    スロット
６    電流センサ
７    インバータコントローラ
８    ５相インバータ
９    コンデンサ
１０  交流電源
Ｃ１〜Ｃ１０  コイル
【図１】
0003671884.tif 000013
【図２】
0003671884.tif 000014
【図３】
0003671884.tif 000015
【図４】
0003671884.tif 000016
【図５】
0003671884.tif 000017
【図６】
0003671884.tif 000018