(57)【要約】【課題】大電流を流しても低損失で動作することができるインバータを提供する。【解決手段】多相交流モータを制御するインバータ２００であって、このインバータ２００は、前記モータ１００をパルス駆動方式で制御するスイッチング素子（ＦＥＴ２２０）を含み、このスイッチング素子がＳｉＣより構成される。特に、制御対象のモータの磁極数は８極以上に多極化したものが好ましい。ＳｉＣ素子は、Ｓｉの素子に比べて損失が小さく、Ｓｉ素子を用いた場合に比較して大電流で駆動が可能となる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多相交流モータを制御するインバータであって、
このインバータは、前記モータをパルス駆動方式で制御するスイッチング素子を含み、
このスイッチング素子がＳｉＣより構成されることを特徴とするインバータ。
【請求項２】
前記スイッチング素子により生成されるモータ駆動交流信号の周波数ｆが２００Ｈｚ超であることを特徴とする請求項１に記載のインバータ。
【請求項３】
制御される多相交流モータの回転数をＭ（Ｈｚ）としたとき、このモータの各相の磁極数が１０００／Ｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載のインバータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多相交流モータを制御するインバータに関するものである。特に、大電流でも損失を低減でき、高速動作が可能なインバータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電気自動車や、バッテリとエンジンとを併用したハイブリッドカーの開発が進んでいる（例えば非特許文献１）。ハイブリッドカーの概略構成の一例を図２に示す。この図に示すように、ハイブリッドカーはエンジン１と交流モータ４とを有し、これらを選択的にあるいは複合して車両の駆動に用いている。エンジン１は、その動力を車軸に伝達すると共に、ジェネレータ２に接続されている。エンジンの駆動力で動作されたジェネレータ２は交流を発電し、発電電力をコンバータ３で直流に変換した後、必要に応じてバッテリ６に充電される。一方、バッテリ６の電力は、直流として出力され、インバータ５を介して交流に変換されてモータ４に供給される。通常、このモータの駆動はＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式により制御され、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのスイッチング素子がインバータ５に用いられている。その際、スイッチング素子はＳｉ素子により構成されていた。
【０００３】
【非特許文献１】
小幡篤臣，「商業車用ハイブリッドシステムの技術動向と将来展望」，「ＥＮＧＩＮＥ  ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ」，株式会社  山海堂，２００１年４月２６日，第３巻，第２号，通巻１３号，ｐ．１９，図６
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、Ｓｉのスイッチング素子を用いた上記のインバータでは、次のような問題があった。
【０００５】
▲１▼大電流でモータを駆動して高出力を得ることが難しい。
一般に、モータのトルクはモータの磁極に巻き付ける巻き線のターン数Ｎ、巻き線に流れる電流Ｉ、極数Ｋの積に比例する。そのため、電流Ｉを大きくして高トルクのモータとして運転することが考えられる。しかし、Ｓｉのスイッチング素子はオン抵抗が大きく、大電流を流した際の損失が大きいため、大電流でモータを駆動することが難しかった。その結果、巻き線のターン数Ｎが大きく巻き線構造が複雑なモータとしなければならなかった。
【０００６】
▲２▼スイッチング素子の制御周波数が低く、モータを多極化して高トルクのモータを得ることが難しい。
前述のように、モータのトルクはモータの巻き線のターン数Ｎ、巻き線に流れる電流Ｉ、極数Ｋの積に比例する。そのため、ターン数Ｎと極数Ｋを稼ぐことで高トルク化することが考えられるが、ターン数Ｎを増やすには巻き線構造が複雑になる。そこで、一極当たりのターン数Ｎを少なくして多極化することが考えられる。ところが、インバータの交流駆動周波数ｆは、モータの回転数Ｍと極数Ｋの半分（Ｋ／２）の積で得られるため、多極化すれば交流駆動周波数ｆが高くならざるを得ない。その場合、Ｓｉのスイッチング素子を用いたインバータでは高周波での動作が難しく、ＰＷＭ方式のスイッチングを行う際の高速応答性に欠けるため、多極化したモータを制御することには限界があった。
【０００７】
従って、本発明の主目的は、大電流を流しても低損失で動作することができるインバータを提供することにある。
【０００８】
また、本発明の他の目的は、高速動作が可能なインバータを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、インバータに用いられるスイッチング素子をＳｉＣからなる素子とすることで上記の目的を達成する。
【００１０】
即ち、本発明インバータは、多相交流モータを制御するインバータであって、このインバータは、前記モータをパルス駆動方式で制御するスイッチング素子を含み、このスイッチング素子がＳｉＣより構成されることを特徴とする。
【００１１】
ＳｉＣの素子は、Ｓｉの素子に比べて損失が１／１００程度であり、Ｓｉ素子の１０倍程度の大電流で駆動が可能となる。そのため、モータの巻き線のターン数ＮもＳｉ素子を用いたインバータで駆動する場合の１／１０程度に抑えることができ、巻き線構造が簡潔で製造性に優れるモータを用いることができる。
【００１２】
また、ＳｉＣ素子はその応答性の高さからＰＷＭ制御等により１ｋＨｚ以上の高周波で正弦波駆動が可能であり、モータを駆動する交流信号の周波数ｆが高周波化しても支障なく動作することができる。そのため、多極化したモータでも駆動することが可能で、極数増加に伴うモータのトルク向上が期待できる。
【００１３】
ここで、インバータで制御されるモータの巻き線のターン数Ｎは極力少ないことが望ましい。より具体的にはＳｉ素子を用いたインバータで駆動する場合の１／１０以下、例えば２〜３ターン以下とすることが好適である。特に１ターン以下とすることが一層望ましい。ターン数を極力少なくすることで、巻き線構造を簡略化し、製造性に優れたモータを用いることができる。
【００１４】
また、前記スイッチング素子により生成されるモータを駆動する交流信号の周波数ｆが２００Ｈｚ超であることが好ましい。従来より用いられている代表的なモータとして４極（ｋ＝４）のモータがある。電気自動車などでは、求められるモータの回転数が６０００ｒ．ｐ．ｍ．（周波数に換算してＭ＝１００Ｈｚ）程度であり、その場合の交流駆動周波数ｆは２００Ｈｚとなる。そのため、駆動周波数ｆを高周波化することで、より多極のモータを用いることができる。この交流駆動周波数は、より好ましくは４００Ｈｚ以上、更に好ましくは６００Ｈｚ以上とする。
【００１５】
本発明により高い交流駆動周波数でモータを駆動できることに伴い、多極化したモータを利用してモータのトルク向上が見込まれる。例えば８極のモータを利用することができる。特に、モータの回転数をＭ（Ｈｚ）としたとき、このモータの各相の磁極数が１０００／Ｍ以上となるモータの利用が好適である。例えば、１２極や１６極以上のモータが利用できる。
【００１６】
なお、インバータのスイッチング素子として用いるＳｉＣスイッチング素子には、ＩＧＢＴやＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などが利用できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明インバータを用いたモータの制御機構を示す概略構成図である。
【００１８】
この制御機構は、３相交流モータ１００と、そのモータを駆動制御するインバータ２００とを具えている。
【００１９】
このモータ１００は、各相１極、合計３極のモータである。モータ１００の中心側にはローター１１０となる磁石を具え、その外周にステーター１２０を具える。ステーター１２０は、芯材１２１と芯材に巻回される導線１２６とから構成される。芯材１２１は、ローター１１０と同軸状に配されたリング部１２２と、このリング部１２２から中心に向かって突出して磁極を構成する複数のＴ型部１２３とからなる。各Ｔ型部１２３は、リング部１２２につながる脚部１２４と、脚部１２４の先端から互いに離反する方向に伸びる翼部１２５を有し、この脚部１２４外周に導線１２６を巻きつけてコイルが形成される。通常、コイルとＴ型部１２３との間には絶縁材（図示せず）が介在されている。このモータでは、ホール素子１３０を使って磁石の回転位置を検出し、インバータ２００にフィードバックしてコイルへの給電を制御する。
【００２０】
一方、コイルへの給電を制御するインバータ２００は、直流電源３００とモータ１００との間に介在され、ＳｉＣからなるＦＥＴ２２０とダイオード２３０を組み合わせた三相ブリッジ回路２１０を有し、各ＦＥＴ２２０を制御する制御回路２４０と接続されている。各ＦＥＴ２２０は、図示しないＰＷＭ信号発生回路で生成された正弦波に相当するＰＷＭ信号に基づいてスイッチングされ、インバータ２００はモータ１００のコイルへと所定の交流を出力する。
【００２１】
ここで、スイッチング素子となるＦＥＴ２２０に、Ｓｉ素子に比べて損失が小さいＳｉＣ素子を用いることで、Ｓｉ素子を用いた場合に比べてはるかに大きな電流でインバータ２００を駆動することが可能となる。そのため、モータ１００のコイルのターン数ＮもＳｉ素子を用いたインバータで駆動する場合よりも格段に抑えることができ、巻き線構造が簡潔で製造性に優れるモータを用いることができる。
【００２２】
また、ＳｉＣ素子はＳｉ素子と比べ高速応答性を有するため１ｋＨｚ以上の交流信号でモータを駆動することができる。このためインバータの交流駆動周波数ｆが高周波化しても支障なく動作することができる。そのため、多極化したモータでも駆動することが可能で、極数増加に伴うモータのトルク向上が期待できる。
【００２３】
以上の実施例では各相１極のモータを例に説明したが、多極のモータとして構成することも好ましい。例えば、求められるモータの回転数が６０００ｒ．ｐ．ｍ．（周波数に換算してＭ＝１００Ｈｚ）の場合、磁極数ｋ＝１６（１２）極のモータとしても交流駆動周波数ｆは８００（６００）Ｈｚとなり、１ｋＨｚ以上の高周波で正弦波駆動が可能なＳｉＣのＦＥＴが十分に動作可能であることがわかる。
【００２４】
さらに、インバータを構成するスイッチング素子だけでなく、ダイオードもＳｉＣで構成することにより、モータを発電機として使用する電力回生時に低損失化が期待できる。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明インバータによれば、次の効果を奏することができる。
【００２６】
インバータのスイッチング素子にＳｉＣ素子を用いることで、Ｓｉ素子に比べて大電流での駆動が可能となる。そのため、モータの巻き線のターン数ＮもＳｉ素子を用いたインバータで駆動する場合に比べて遥かに少なくでき、巻き線構造が簡潔で製造性に優れるモータを用いることができる。
【００２７】
また、ＳｉＣ素子はその高速応答性から、例えばＰＷＭ制御等を用いることにより１ｋＨｚ以上の高周波で正弦波を発生させることが可能であり、モータを駆動する交流信号の周波数ｆが高周波化しても支障なく動作することができる。そのため、多極化したモータでも駆動することが可能で、極数増加に伴うモータのトルク向上が期待できる。
【００２８】
従って、電気自動車やハイブリッドカーなどの駆動用モータの制御などに本発明インバータを効果的に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明車載電源機構の概略構成図である。
【図２】ハイブリッドカーの概略構成図である。
【符号の説明】
１    エンジン
２    ジェネレータ
３    コンバータ
４    交流モータ
５    インバータ
６    バッテリ
１００    ３相交流モータ
１１０    ローター
１２０    ステーター
１２１    芯材
１２２    リング部
１２３    Ｔ型部
１２４    脚部
１２５    翼部
１２６    導線
１３０    ホール素子
２００    インバータ
２１０    三相ブリッジ回路
２２０    ＦＥＴ
２３０    ダイオード
２４０    制御回路
３００    直流電源
【図１】
2004289935.tif 000003
【図２】
2004289935.tif 000004