(57)【要約】【課題】複数台の交流電動機を１台の駆動装置（電力変換器）により駆動可能とし、かつ、巻線の巻き方が同じ固定子を使用可能としてシステム全体のコスト上昇を抑えると共に、横流の発生を抑制して銅損を低減させた電動機駆動システムを提供する。【解決手段】ｎ（ｎは２以上の整数）台の交流電動機を１台のインバータ４００により駆動する電動機駆動システムにおいて、例えば、インバータ４００の出力可能な電圧の１／２以下の端子電圧を印加可能な２台の交流電動機１０１，２０１をタンデム結合し、かつ、これらの交流電動機１０１，２０１の巻線を相ごとに直列に接続すると共に、誘起電圧の位相を一致させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ（ｎは２以上の整数）台の交流電動機を１台の電力変換器により駆動する電動機駆動システムにおいて、
前記電力変換器の出力可能な電圧の１／ｎ以下の端子電圧を印加可能なｎ台の交流電動機をタンデム結合し、かつ、これらの交流電動機の巻線を相ごとに直列に接続すると共に、すべての交流電動機の誘起電圧の位相を一致させることを特徴とする電動機駆動システム。
【請求項２】
請求項１に記載した電動機駆動システムにおいて、
固定子の巻線の巻き方が同一である２台の交流電動機の回転軸同士を、負荷を介して同軸上に連結すると共に、前記負荷から見た各電動機の巻線の相順が互いに逆向きであることを特徴とする電動機駆動システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直列に結合（タンデム結合）された複数台の交流電動機をインバータ等の電力変換器により駆動する電動機駆動システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電動機の寸法、定格等には製造上制約があり、１台の電動機で必要な出力が得られない場合には、複数台の電動機をタンデム結合して必要な出力を得ることが知られている。
図８は、２台の交流電動機をタンデム結合した場合の概略的な構成図であり、１０１’，２０１’は例えば三相の永久磁石型電動機、１０２，２０２は各電動機１０１’，２０１’の回転軸、３００は負荷（カップリング）を示している。図８において、例えば１台の電動機の出力が１００〔ｋＷ〕であれば、２台合計で２００〔ｋＷ〕の出力を得ることができる。
【０００３】
ここで、特許文献１には、一軸に２台の回転電機子を固着させたものを複数組タンデム結合した回転電機が開示されている。しかし、この従来技術は、もっぱら回転電機の構造に関する発明であってその駆動方法については何ら記載されておらず、通常は回転電機子と同数の駆動装置が必要となると推測される。
【０００４】
さて、図８に示したようなシステムにおいて、負荷３００を一方向に回転させるには、電動機１０１’と電動機２０１’との回転方向を逆にしなければならない。その際、各電動機１０１’，２０１’を個別の駆動装置によって駆動するようにすれば、各駆動装置によって回転方向を決定できるので、電動機１０１’，２０１’の巻線の相順は問題にならない。すなわち、巻線の巻き方が同じ固定子を有する電動機を用いることが可能である。しかし、その反面、電動機（固定子）の台数分の駆動装置が必要になるので、コストの上昇を招く懸念がある。
【０００５】
これに対し、２台の電動機を１台の駆動装置によって駆動する場合には、各電動機の巻線の相順を逆にしなくてはならない。
例えば、図９は、図８に示した２台の電動機１０１’，２０１’の巻線の例（集中巻）であり、図８の負荷３００側から各電動機１０１’，２０１’を軸方向に見た状態を示している。この図９から明らかなように、一方の電動機１０１’では三相各相の巻線Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１，Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２を反時計方向に巻き、他方の電動機２０１’では巻線Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１，Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２を時計方向に巻く。すなわち、巻線の巻き方が異なる固定子を２台製作する必要がある。
なお、図９において、１０３，２０３は回転子コア、１０４，２０４は永久磁石、１０５，２０５は固定子コアを示す。
【０００６】
また、２台の電動機を１台の駆動装置によって駆動する場合には、図１０に示すように、駆動装置としての三相インバータ４００に対して２台の電動機１０１’，２０１’の固定子巻線を並列に接続する方法が考えられる。しかし、電動機１０１’，２０１’が永久磁石型電動機の場合には、電動機１０１’，２０１’の誘起電圧の位相が合致しないと、電動機１０１’，２０１’間に横流が発生するという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平４−１９０６６５号公報（第１図〜第４図等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述したように、２台の電動機を個別の駆動装置によってそれぞれ駆動する場合には、コストの上昇につながる。
また、１台の駆動装置により２台の電動機を駆動する場合には、巻線の巻き方が異なる固定子を２台製作する必要がある。更に、２台の永久磁石型電動機を並列接続して１台の駆動装置により駆動する場合には、各電動機において誘起電圧の位相が合致していないと横流が発生し、銅損の増加を招くという問題があった。
【０００９】
そこで、本発明の解決課題は、複数台の交流電動機を１台の駆動装置（電力変換器）により駆動可能とし、かつ、巻線の巻き方が同じ固定子を使用可能としてシステム全体のコスト上昇を抑えると共に、横流の発生を抑制して銅損を低減させた電動機駆動システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、請求項１に係る電動機駆動システムは、ｎ（ｎは２以上の整数）台の交流電動機を１台の電力変換器により駆動する電動機駆動システムにおいて、
前記電力変換器の出力可能な電圧の１／ｎ以下の端子電圧を印加可能なｎ台の交流電動機をタンデム結合し、かつ、これらの交流電動機の巻線を相ごとに直列に接続すると共に、すべての交流電動機の誘起電圧の位相を一致させるものである。
【００１１】
請求項２に係る電動機駆動システムは、請求項１記載の電動機駆動システムにおいて、固定子の巻線の巻き方が同一である２台の交流電動機の回転軸同士を、負荷を介して連結すると共に、前記負荷から見た各電動機の巻線の相順が互いに逆向きであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、複数台の交流電動機をインバータ等の１台の電力変換器により駆動することができ、巻線の巻き方が同じ固定子を使用可能としてシステム全体のコストを低く抑えることができる。また、各電動機の巻線を相ごとに直列に接続することで、横流の発生も抑制可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る電動機駆動システムの全体構成図である。
【図２】図１における２台の電動機の固定子巻線の概念的な結線図である。
【図３】図１におけるインバータの主要部の回路図である。
【図４】正弦波変調時におけるインバータの出力電圧指令及びキャリアの波形図である。
【図５】２アーム変調時におけるインバータの出力電圧指令及び線間電圧指令の波形図である。
【図６】台形波変調時におけるインバータの出力電圧指令及び線間電圧指令の波形図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る電動機駆動システムの全体構成図である。
【図８】２台の電動機をタンデム結合した場合の概略的な構成図である。
【図９】図８の各電動機の巻線の説明図である。
【図１０】２台の電動機を並列に接続して駆動する場合の概略的な構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１、図２は本発明の第１実施形態を示すものであり、図１は電動機駆動システムの全体構成図、図２は２台の電動機の固定子巻線の概念的な結線図である。
【００１５】
図１において、１０１，１０２はタンデム結合された三相の永久磁石型電動機であり、これらの回転軸１０２，２０２は負荷（カップリング）３００を介して同軸上に結合されている。
４００は電動機駆動装置としての電力変換器（三相インバータ）であり、その出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗ（図３参照）に一端が接続されたケーブル５０１の他端は、第１の電動機１０１の巻線入力端子１１１に接続されている。また、電動機１０１の巻線出力端子１１２は、ケーブル５０２を介して第２の電動機２０１の巻線入力端子２１１に接続されている。
【００１６】
次に、図２において、Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１は第１の電動機１０１の固定子の各相巻線であり、添字にｉｎを付した端子は前記巻線入力端子１１１に接続され、添字にｏｕｔを付した端子は前記巻線出力端子１１２に接続されている。また、Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２は第２の電動機１０２の固定子の各相巻線であり、添字にｉｎを付した端子は前記巻線入力端子２１１に接続され、更に、前記ケーブル５０２を介して第１の電動機１０１の各相巻線Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１の端子Ｕ１ｏｕｔ，Ｖ１ｏｕｔ，Ｗ１ｏｕｔにそれぞれ接続されている。
すなわち、電動機１０１，２０１の巻線Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１，Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２は相ごとに直列接続されている。
【００１７】
次いで、この実施形態における三相インバータ４００の出力可能な電圧について説明する。
図３はインバータ４００の主要部の回路図であり、直流中間回路に接続されたコンデンサＣ１，Ｃ２と、三相ブリッジ接続されたＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６とを備え、ＰＷＭ制御により所望の電圧を出力するように構成されている。
なお、図３では、直流中間回路の正負母線間電圧をｅｄｃとしてある（コンデンサＣ１，Ｃ２同士の接続点の電位を０とし、正側直流母線の電位を＋ｅｄｃ／２、負側直流母線の電位を−ｅｄｃ／２とする）。また、交流出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗの電圧をそれぞれｖｕ，ｖｖ，ｖｗとする。
【００１８】
図４は、通常の正弦波変調時におけるインバータ４００のＵ相の出力電圧指令ｖｕ＊とキャリア三角波の波形をそれぞれ示している。ここで、図４におけるＵ相電圧指令ｖｕ＊は最大となっている。
図４より、Ｕ相電圧指令ｖｕ＊のピーク値はｅｄｃ／２であるため、出力電圧実効値ｖｕｒｍｓは数式１によって表される。
【００１９】
【数１】
2011130525.tif 000003
【００２０】
直流中間回路の入力側にダイオード整流器を備えたインバータの場合、直流中間電圧ｅｄｃと入力電圧実効値ｖｉｎとの間にはｅｄｃ＝√２ｖｉｎの関係があるため、交流出力端子Ｕ，Ｖ間の線間電圧実効値ｖｕｖｒｍｓは、数式２となる。
【００２１】
【数２】
2011130525.tif 000004
【００２２】
従って、通常の正弦波変調におけるインバータの出力可能な線間電圧は、入力電圧（電源電圧）の約０．８６６倍となる。
以上より、通常の正弦波変調を用いたインバータにより、タンデム結合された２台の交流電動機を駆動する場合には、各電動機の端子電圧を電源電圧の約０．４３３倍以下とする必要がある。
【００２３】
ここで、三相ＰＷＭインバータの電圧利用率を向上させる手法として、２アーム変調や台形波変調、３倍調波重畳等が知られている（例えば、社団法人電気学会発行の「半導体電力変換回路（第２版）」，Ｐ.１２４〜１２５等を参照）。これらの手法を用いると、出力線間電圧を電源電圧と等しくすることができる。これらの手法は、相電圧指令を正弦波とせずに一定期間ひずませることにより、直流電圧の利用率を高め、線間電圧波形を正弦波にする方法である。
【００２４】
例えば、図５は、２アーム変調時のＵ相，Ｖ相の電圧指令ｖｕ＊，ｖｖ＊及び線間電圧指令ｖｕｖ＊の波形図である。すなわち、一相の電圧指令の半周期において６０度の期間は常時オンとし、三相すべての電圧指令にゼロ相分を重畳することにより、図５に示すような相電圧指令ｖｕ＊，ｖｖ＊を得る。
また、図６は、台形波変調時のＵ相，Ｖ相の電圧指令ｖｕ＊，ｖｖ＊及び線間電圧指令ｖｕｖ＊の波形図である。この場合、相電圧指令は正弦波を基準として、６０度の期間にわたって一定値に保つことにより、図６に示すような相電圧指令ｖｕ＊，ｖｖ＊を得る。
図５，図６共に、相電圧指令ｖｕ＊，ｖｖ＊は正弦波ではないが、線間電圧指令ｖｕｖ＊（＝ｖｕ＊−ｖｖ＊）は正弦波となっていることがわかる。
以上より、２アーム変調や台形波変調等によってインバータの出力線間電圧を電源電圧と等しくすることが可能な場合には、交流電動機の端子電圧を電源電圧の０．５倍以下とする必要がある。
【００２５】
なお、上述したインバータの出力可能な電圧は、理想的な条件における値である。すなわち、インバータの上下アーム短絡防止のために設けるデッドタイムの影響や、デバイスのオン電圧の影響、電源電圧の変動等を考慮すると、インバータの出力可能な電圧は変動する。従って、交流電動機の端子電圧はこのような影響や電流歪みの影響等を含めて決定することが必要である。
【００２６】
次いで、各電動機１０１，２０１の巻線について説明する。
図２に示したように、第１の電動機１０１側はスター結線やデルタ結線を行わず、各相の巻線Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１の一端を入力端子、他端を出力端子とする。一方、第２の電動機２０１側は、各相の巻線Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２を中性点にて接続することにより、スター結線とする。なお、各電動機１０１，２０１の巻線の相順は、先の図９に示したように逆とする。
上記構成により、タンデム結合された２台の電動機１０１，２０１を１台のインバータ４００によって駆動することができる。このため、電動機ごとに駆動装置を備える場合に比べてコストが低く抑えられると共に、各電動機の巻線を相ごとに直列接続することによって横流の発生も抑制可能である。
【００２７】
なお、本実施形態では、各電動機１０１，２０１の巻線の相順を逆にする必要があるが、この点は後述する第２実施形態により改善可能である。
更に、この第１実施形態では、電動機１０１，２０１の誘起電圧の位相を合致させる必要がある。これらの位相が合致しない場合、両電動機１０１，２０１に同じ電流が流れると、各電動機１０１，２０１の出力トルクに差が生じて必要な出力を得られなくなるおそれがある。これを防ぐためには、電動機１０１，２０１の回転軸１０２，２０２にそれぞれ印をつけ、これらの印を合わせて両者を結合すればよい。
【００２８】
次に、図７は本発明の第２実施形態に係る電動機駆動システムの全体構成図である。
本実施形態では、巻線の巻き方が同じ固定子を備え、かつ、図７に示すように、巻線入力端子１１１，２１１が何れも例えば右側に配置されるように２台の電動機１０１，２０１Ａを構成する。すなわち、図７における第２の電動機２０１Ａは、図１における第２の電動機２０１の回転軸２０２を反対側（図１における左側）に突出させて負荷３００に連結した状態に相当する。これにより、巻線の巻き方が同じ固定子を有する２台の電動機１０１，２０１Ａを用いて、図９と同様に相順を逆にした構造を得ることができる。
よって、巻線の巻き方か異なる異種の固定子を使用せずに、タンデム結合された２台の電動機１０１，２０１Ａを運転することができ、コストの低減に寄与することができる。
【００２９】
上記各実施形態において、駆動対象である交流電動機としては、速度センサ、位置センサ等の有無を問わない共に、永久磁石を回転子表面に備えたＳＰＭモータ、または回転子内部に備えたＩＰＭモータの何れであっても良く、永久磁石の種類（希土類磁石、フェライト磁石等）も特に限定されるものではない。
更に、交流電動機の巻線方式は、図９に示したような集中巻のほか、分布巻であっても良い。
【符号の説明】
【００３０】
１０１，２０１，２０１Ａ：電動機
１０２，２０２：回転軸
１１１，２１１：巻線入力端子
１１２：巻線出力端子
３００：負荷（カップリング）
４００：三相インバータ
５０１，５０２：ケーブル
Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１，Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２：巻線
Ｕ１ｉｎ，Ｖ１ｉｎ，Ｗ１ｉｎ，Ｕ１ｏｕｔ，Ｖ１ｏｕｔ，Ｗ１ｏｕｔ，Ｕ２ｉｎ，Ｖ２ｉｎ，Ｗ２ｉｎ：端子
Ｃ１，Ｃ２：コンデンサ
Ｓ１〜Ｓ６：半導体スイッチング素子
Ｕ，Ｖ，Ｗ：交流出力端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2011130525.tif 000013
【図１０】
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