(57)【要約】【課題】省エネルギーや発電量の増加、トルクや出力脈動の低減、振動や騒音の低減が図れる回転電機システムを実現する。【解決手段】複数のコイル各々に流れる電流の大きさと位相とを変化させることができる電力変換回路３０ａ〜３０ｉ、複数のコイル各々で成る巻線を有する固定子１０、及び、コイルまたは永久磁石または磁気的突極鉄心を有する回転子２０から構成される回転電機システムにおいて、電力変換回路３０ａ〜３０ｉは複数のコイル各々に流れる電流の大きさと位相とを個々に変化させることができるものとした回転電機システム。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のコイル各々に流れる電流の大きさと位相とを変化させることができる電力変換回路、前記複数のコイル各々で成る巻線を有する固定子、及び、コイルまたは永久磁石または磁気的突極鉄心を有する回転子から構成されることを特徴とする回転電機システム。
【請求項２】
複数のコイル各々に流れる電流の大きさと位相とを変化させることができる電力変換回路、前記複数のコイル各々で成る巻線を有する固定子、及び、コイルまたは永久磁石または磁気的突極鉄心を有する回転子から構成される回転電機システムにおいて、
前記電力変換回路は、前記複数のコイル各々に流れる電流の大きさと位相とを個々に変化させることができるものとしたことを特徴とする回転電機システム。
【請求項３】
複数のコイル各々に流れる電流の大きさと位相とを変化させることができる電力変換回路、前記複数のコイル各々で成る巻線を有する固定子、及び、コイルまたは永久磁石または磁気的突極鉄心を有する回転子から構成される回転電機システムにおいて、
前記電力変換回路は、前記コイルを複数のコイルを接続したグループ毎の巻線に分け、前記グループ毎の巻線に流れる電流の大きさと位相とを個々に変化させることができる電力変換回路としたことを特徴とする回転電機システム。
【請求項４】
前記複数のコイル各々に流れる電流の位相を可変にして相数を可変したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の回転電機システム。
【請求項５】
前記複数のコイル各々に流れる電流の位相を可変にして極数を可変にしたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の回転電機システム。
【請求項６】
前記複数のコイル各々に流れる電流の大きさと位相を可変にして前記複数のコイル各々で生じるトルク脈動波形と出力脈動波形を互いに逆位相にし、または位相をずらして前記脈動を低減する制御機能を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の回転電機システム。
【請求項７】
前記複数のコイル各々に流れる電流の大きさと位相を可変にして前記複数のコイル各々で生じるトルク脈動波形と出力脈動波形を互いに逆位相にするか、または位相をずらして前記脈動を低減する制御機能を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の回転電機システム。
【請求項８】
通電時の前記コイル全体で形成する回転磁界が極数の異なる複数の回転磁界を同時に形成する場合に、不要とする極数の回転磁界に対して逆位相の回転磁界を形成する電流を前記複数のコイル各々に流れる電流に重畳させた電流波形を、前記複数のコイル各々に流れる電流の大きさと位相を変化させて形成することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の回転電機システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、個別コイル電流制御方式の回転電機システムに関する。例えば、交通システムにおけるハイブリッド自動車、電気自動車、鉄道に利用でき、エネルギーシステムにおける火力、水力、風力、海流発電機にも利用でき、社会システム・家電におけるエレベータ、エアコン等家電機器、モータ駆動の産業装置にも利用できる回転電機システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、世界のエネルギー総消費量のおよそ５０％がモータによるものであると言われている。そのため、モータおよびドライブシステムの省エネルギー化・高効率化が求められている。
【０００３】
従来、モータや発電機のような回転電機では、３相の交流電流が流れる３相のコイルを固定子に設けて相毎のコイルを接続して３相巻線を構成している。この３相巻線を持つ回転電機ではその３相の巻線それぞれの端子に外部の３相電力変換装置を接続してエネルギー変換し、回転子を回転させて回転力を取出し、あるいは回転子の回転によって固定子側から出力される電力を取り出す。
【０００４】
このような３相の回転電機では、トルク脈動や出力脈動を小さくするためにコイルの数や配置を最適化して起磁力を正弦波に近づける設計を行っている。しかしながら、スロット数を限りなく増やすことはできないので、高調波の低減量には限界がある。また巻線電流による電磁力で発生する振動や騒音を低減するのに電気的にスロット数や鉄心形状などで最適化しても、ある程度までしか低減できない。
【０００５】
またハイブリッド自動車や鉄道等の可変速モータや風力用可変速発電機では、低速から高速まで低損失であることが性能上最も重要となる。しかし、機器設計上で固定された極数では、極数によって良好な出力性能が得られる回転数範囲があるので、低速域から高速域まで広範囲で高効率にすることは困難である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】小川哲史・堺和人：「エレクトロニクスモータドライブシステムに関する基礎研究」、平成２５年電気学会産業応用部門大会、Ｙ−８０（２０１３年）
【非特許文献２】松井、他：「省レアアース・脱レアアースモータ」、日刊工業新聞社（２０１３年）
【非特許文献３】堺和人・湯澤成彰：「巻数切り替え無し極数変換永久磁石モータの原理と基本特性」、平成２５年度電会大、Ｎｏ．５−００８（２０１３年）
【非特許文献４】岡安正憲・小川哲史・堺和人：「エレクトロニクスモータドライブシステムの試作と実験」、平成２７年電気学会全国大会、４−０４８（２０１５年）
【非特許文献５】坪井和男・廣塚功・水野孝行・足利正：「ＥＶ用六相極数切換誘導電動機の円滑な極数切換法の考察」、平成１２年電学論Ｄ、１２０巻１１号ｐ．１３５１〜１３５９（１９９６年）
【非特許文献６】新妻孝則・倉持暁・堺和人：「極数・機器定数変換エレクトロニクスモータの研究」、平成２４年度電会大、Ｎｏ．５ｐｐ．３２−３３（２０１２年）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明はこのような従来の技術的な課題に鑑みてなされたもので、省エネルギーや発電量の増加、トルクや出力脈動の低減、振動や騒音の低減が図れる回転電機システム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】
【０００８】
本発明は、複数のコイル各々に流れる電流の大きさと位相とを変化させることができる電力変換回路、前記複数のコイルで成る巻線を有する固定子、及び、コイルまたは永久磁石または磁気的突極鉄心を有する回転子から構成される回転電機システムを特徴とする。
【０００９】
また本発明は、複数のコイル各々に流れる電流の大きさと位相とを変化させることができる電力変換回路、前記複数のコイル各々で成る巻線を有する固定子、及び、コイルまたは永久磁石または磁気的突極鉄心を有する回転子から構成される回転電機システムにおいて、前記電力変換回路は、前記複数のコイル各々に流れる電流の大きさと位相とを個々に変化させることができるものとした回転電機システムを特徴とする。
【００１０】
また本発明は、複数のコイル各々に流れる電流の大きさと位相とを変化させることができる電力変換回路、前記複数のコイル各々で成る巻線を有する固定子、及び、コイルまたは永久磁石または磁気的突極鉄心を有する回転子から構成される回転電機システムにおいて、前記電力変換回路は、前記コイルを複数のコイルを接続したグループ毎の巻線に分け、前記グループ毎の巻線に流れる電流の大きさと位相とを個々に変化させることができる電力変換回路とした回転電機システムを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の回転電機システムによれば、電力変換回路により固定子の巻線の複数のコイル各々に流れる電流の大きさと位相を個別に制御することによって省エネルギーや発電量の増加、トルクや出力脈動の低減、振動や騒音の低減、可変速運転範囲の拡大、軽負荷から高負荷及び低速から高速回転における省エネルギーなど性能の向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施の形態の回転電機システムの説明図。
【図２】上記第１の実施の形態の回転電機システムの回路図。
【図３】上記第１の実施の形態の回転電機システムの動作説明図。
【図４】上記第１の実施の形態の回転電機システムにおける９相電圧波形図。
【図５】上記第１の実施の形態の回転電機システムの出力トルク特性及びコギングトルク特性図。
【図６】従来の３相回転電機システムの出力トルク特性及びコギングトルク特性図。
【図７】本発明の第２の実施の形態の回転電機システムの説明図。
【図８】上記第２の実施の形態の回転電機システムによる４極運転時の回転磁界の分布図。
【図９】上記第２の実施の形態の回転電機システムによる８極運転時の回転磁界の分布図。
【図１０】可変速モータの可変速運転における低速運転時の極数と高速運転時の極数との極数変換を示す説明図。
【図１１】本発明の第３の実施の形態の回転電機システムのブロック図。
【図１２】上記第３の実施の形態の回転電機システムのモータ部の断面図。
【図１３】上記第３の実施の形態の回転電機システムにおけるインバータの出力パターン表。
【図１４】上記第３の実施の形態の回転電機システムのモータパラメータ表。
【図１５】上記第３の実施の形態の回転電機システムの無負荷時解析条件表。
【図１６Ａ】上記第３の実施の形態の回転電機システムにおけるインバータ出力電流特性図、インバータの出力電圧特性図、回転速度特性図。
【図１６Ｂ】上記第３の実施の形態の回転電機システムにおけるインバータの出力電圧特性図。
【図１６Ｃ】上記第３の実施の形態の回転電機システムのモータ回転速度特性図。
【図１７】上記第３の実施の形態の回転電機システムの負荷時解析条件表。
【図１８Ａ】上記第３の実施の形態の回転電機システムのモータの負荷時回転速度特性図。
【図１８Ｂ】上記第３の実施の形態の回転電機システムのモータの負荷時すべり特性図。
【図１８Ｃ】上記第３の実施の形態の回転電機システムのモータの負荷時トルク特性図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。
【００１４】
＜第１の実施の形態＞
図１、図２に示すように、第１の実施の形態の回転電機システムはモータ１であり、９スロットの固定子鉄心１１と固定子鉄心１１の各スロット１２内に配置したコイル１３（１３ａ〜１３ｉ）から成る固定子１０と、回転子鉄心２１内に永久磁石２２を埋め込んだ４極または８極の磁極を有する回転子２０とを備え、固定子１０の各スロット１２内のコイル１３ａ，１３ｂ，…，１３ｉ各々には個々に独立した電力変換回路３０ａ，３０ｂ，…，３０ｉそれぞれを接続した構成である。固定子１０の内周面と回転子２０の外周面との間にはエアギャップ４０を形成している。
【００１５】
本実施の形態における電力変換回路３０ａ，３０ｂ，…，３０ｉはフルブリッジの単相インバータ回路で構成している。これにより、固定子１０の複数のコイル１３ａ〜１３ｉ各々に電流位相を４０°ずつシフトした電流が流れるように複数のコイル１３ａ，１３ｂ，…，１３ｉ各々に接続された電力変換回路３０ａ，３０ｂ，…，３０ｉのパワー素子のスイッチング動作を制御して、モータ１の全体としては９個のコイル１３ａ〜１３ｉに電気角で４０°ずつ位相のずれた９相の電流を流すことができる。これによって、モータ１は９相モータとして駆動できる。
【００１６】
［トルクリプルの低減］
本実施の形態のモータ１の特性を検証するため、電磁界解析でモータ１の固定子１０のコイル１３ａ〜１３ｉに図４に示す電気角で４０°ずつ位相のずれた９相の電流を流して８極誘導モータとして無負荷運転したとき、図５に示す駆動特性が得られた。図６には参照のために従来の３相モータの駆動特性を示している。
【００１７】
図３〜図５に示すように、コイル１３ａ，１３ｂ，…，１３ｉ各々に電力変換回路３０ａ，３０ｂ，…，３０ｉ各々を接続している。例えば、ａ相の電力変換回路３０ａでは電気角で２π（４／９）位相の電流Ｉ４をコイル１３ａに流し、以下同様に、ｂ相の電力変換回路３０ｂでは２π（３／９）位相の電流Ｉ３をコイル１３ｂに流し、ｃ相の電力変換回路３０ｃでは２π（２／９）位相の電流Ｉ２をコイル１３ｃに流し、ｄ相の電力変換回路３０ｄでは２π（１／９）位相の電流Ｉ１をコイル１３ｄに流し、ｅ相の電力変換回路３０ｅでは２π（０／９）位相の電流Ｉ０をコイル１３ｅに流し、ｆ相の電力変換回路３０ｆでは２π（−１／９）＝２π（８／９）位相の電流Ｉ８をコイル１３ｆに流し、ｇ相の電力変換回路３０ｇでは２π（−２／９）＝２π（７／９）位相の電流Ｉ７をコイル１３ｇに流し、ｈ相の電力変換回路３０ｈでは２π（−３／９）＝２π（６／９）位相の電流Ｉ６をコイル１３ｈに流し、ｉ相の電力変換回路３０ｉでは２π（−４／９）＝２π（５／９）位相の電流Ｉ５をコイル１３ｉに流すというように、電気角で４０°の位相差を設けた単相電流をコイル１３ａ，１３ｂ，…，１３ｉ各々に流すことにより８極誘導モータとして駆動した。
【００１８】
これによって、図６の特性グラフに示したように従来の３相モータのトルクリプルは５．７０％であるのに対して、本実施の形態のモータ１では図５の特性グラフに示したようにトルクリプルが１．９９％であり、従来の３相モータに対して半分以下に大幅に低減できていることが確認できた。尚、コギングトルクに関しては同等であった。
【００１９】
［トルクと出力の変動低減］
複数のコイル１３ａ，１３ｂ，…，１３ｉ各々で発生する電磁力の接線方向成分を個々に調整することによって、これらの合計となるモータ１全体のトルクや出力の変動を低減できる。主には複数のコイル１３各々のｑ軸電流を可変することで個々の電磁力の接線方向成分を制御できる。
【００２０】
［振動と騒音の低減］
振動や騒音の発生要因はモータ１の電流で生じる電磁力の法線方向成分である。そこで複数のコイル１３ａ，１３ｂ，…，１３ｉ各々で発生する法線力を個々に調整することによって、モータ１全体に分布して現れる振動モードと騒音モードを低減するように複数のコイル１３ａ，１３ｂ，…，１３ｉ各々の電流を調整する。主には複数のコイル１３ａ，１３ｂ，…，１３ｉ各々のｄ軸電流を変化させることで個々の法線力を制御する。
【００２１】
このように、本実施の形態の回転電機システムによれば、次のような作用、効果を奏する。
【００２２】
（１）複数のコイル１３ａ，１３ｂ，…，１３ｉ各々の電流位相を変化させることによって多相交流のモータや発電機にできるので、相切替時の変動が小さくなってトルク脈動や出力脈動を低減できる。
【００２３】
（２）複数のコイル１３ａ，１３，…，１３ｉ各々の電流位相を可変にして相数や極数を変換することができるので、回転速度に応じて適切な相数や極数に切り替えて運転することができ、銅損や鉄損を低減できる。この結果、低速回転から高速回転まで広範囲で高効率のモータや発電機が得られ、総運転時間では省エネルギーや発電量の増加が図れる。
【００２４】
（３）複数のコイル１３ａ，１３ｂ，…，１３ｉ各々の電流Ｉ０，Ｉ１，…，Ｉ８の大きさや位相を制御して、モータや発電機の接線力であるトルク変動や出力変動をアクティブに低減できる。また、モータや発電機の法線力である振動や騒音をアクティブに低減できる。
【００２５】
＜第２の実施の形態＞
図７に示した第２の実施の形態の回転電機システムは、回転子２０’の構造として銅製の導体バー２３を備えたかご型ロータで構成している。固定子１０と電力変換回路３０の構造は第１の実施の形態と同様である。この固定子１０と回転子２０’によってかご形誘導モータ１’を構成する。
【００２６】
この第２の実施の形態のかご型誘導モータ１’では、回転子２０’に固定数の極がなく、固定子電流で形成される回転磁界で導体バー２３に誘導された電流で回転子２０に等価的な極が自動的に形成されて出力を生じる。
【００２７】
図８には４極回転磁界の場合、図９には８極回転磁界の場合を示している。このように、モータの極数を変換する場合は、固定子１０の複数のコイル１３ａ，１３ｂ，…，１３ｉ各々に流れる電流位相を変化させるだけでよく、回転子２０’の極数の変換は不要となる。これより極数変換も容易になり、極数変換時の瞬間的な電流の変動や出力の変動も小さくなる。
【００２８】
＜第３の実施の形態＞
第３の実施の形態は、３相インバータを２台使用し、３相入力でモータの極数を８極／４極に極数可変なエレクトロニクスモータドライブシステムである。回転速度に応じてモータの極数を可変にすると全運転範囲で高性能化が可能となる。図１０に示すように低速回転域では８極、高速回転域では４極に極数を変換する。高出力・高効率が得られる永久磁石モータの場合は、回転子の永久磁石の磁化を可変にして極数を変換し、さらに固定子巻線をパワー素子のスイッチング回路で接続切換えして極数の変換を行う。誘導モータの場合は、同様に固定子巻線をパワー素子のスイッチング回路で切換えて固定子の極数を変換し、各コイル電流により発生する固定子の回転磁界を制御して回転子の磁界を決定することにより、極数を変換する。
【００２９】
電気的な極数変換の方式は２方式がある。第１、第２の実施の形態に示したように各コイル１３にそれぞれインバータ３０を設置し、各コイル電流を個々に直接的に制御する方式（以下、「コイル電流直接制御方式」と称する。）と、６相インバータを用いて電流を制御する方式とがある。さらに３相インバータを複数台用いる方式も考えられる。（以下、「ｎ×３相インバータ制御方式」と称する。）
コイル電流直接制御方式は、各コイル電流を制御できるため、制御による出力脈動の低減や高調波成分の低減、運転範囲の拡大などのモータドライブ性能の向上が期待できる。ｎ×３相インバータ制御方式は前者と比べ制御の自由度は制限されるものの、従来のインバータ制御回路を利用できる点や現行の制御方式への適応が比較的に容易である。本実施の形態は、ｎ×３相インバータ制御方式の回転電機システムである。
【００３０】
極数変換エレクトロニクスモータの構成はＰＭモータタイプとＩＭモータタイプとがある。ＰＭモータは、１２個のスロットに集中巻コイルを設けた固定子と、１６個の低保磁力の磁石を放射状に配置した回転子とで構成される。ＩＭモータは、固定子の各コイルを独立させた集中巻かご型誘導機である。
【００３１】
以下、図１１、図１２を用いて第３の実施の形態の回転電機システムとして、ロータ極数の変換が不要なＩＭモータ１”について説明する。固定子１０”側にある固定子鉄心１１”内のスロット１２”に設置した１２個の各コイル１３”を対角線にあるコイル２個を並列に接続し、等価的に６個のコイル１３”の電流を３相インバータＩＮＶ０，ＩＮＶ１の２台で制御する。コントローラ５０はインバータＩＮＶ０の出力ａ，ｂ，ｃとインバータＩＮＶ１の出力ａ’，ｂ’，ｃ’とを同期させ制御をする。回転子２０”は第２の実施の形態と同様、導体バー２３を設置したかご型ロータである。
【００３２】
コントローラ５０はオープンループ制御のＶＶＶＦ制御である。加えて極数変換関数を定義し、制御変数により８極の回転磁界と４極の回転磁界を制御変数により切り替える。図１２にモータコイルを並列に接続した構成とインバータ接続構成を示す。また、インバータ出力パターンを図１３に示す。
【００３３】
［３相８極／４極変換のシミュレーション］
それぞれ独立したインバータＩＮＶ０，ＩＮＶ１でドライブ制御を行い、極数変換は主回路電源のオンオフで行う。制御系はオープンループのＶＶＶＦ制御を適応する。シミュレーション上のモータパラメータは汎用かご型誘導機のものを用いる。極数以外のパラメータは同等として設定する。図１４にモータパラメータを示す。
【００３４】
［３相８極／４極無負荷時極数変換特性］
回路シミュレータを使用し、無負荷時に極数変換を行った時の過渡応答特性を得た。図１５に解析条件を示す。また、図１６Ａ〜図１６Ｃに８極から４極への極数変換時の各インバータ出力電流、線間電圧、回転速度の過渡応答特性を示す。Ｉｕ，Ｉｖ，ＩｗはインバータＩＮＶ０，ＩＮＶ１の出力電流を合成した値である。図１６Ａと図１６Ｂから８極から４極へ極数変換した時に電流と電圧の周期が２倍に変化し、安定に駆動できていることが確認できる。
【００３５】
［３相８極／４極負荷時極数変換特性］
次に、負荷時に極数変換を行った時の過渡応答特性を説明する。図１７に解析条件を示す。また、図１８Ａ〜図１８Ｃに８極／４極変換時の回転速度、すべり、トルクの過渡応答特性を示す。ＶＶＶＦ制御を適用し変調率ゲインを無負荷時と同等にしたため、インバータ出力電流および線間電圧は同一の波形を確認した。これら図１８Ａ〜図１８Ｃから８極から４極に変換すると、同一トルク（同量の負荷）におけるすべりが大きくなっていることが確認できる。
【００３６】
以上のように第３の実施の形態の回転電機システムによれば、ｎ×３相インバータ制御方式で極数変換制御運転ができ、コイル電流直接制御方式に対して制御の自由度は制限されるものの、従来のインバータ制御回路を利用でき、また現行の制御方式への適応が比較的に容易である利点がある。
【符号の説明】
【００３７】
１，１’，１”  モータ
１０，１０”  固定子
１１  固定子鉄心
１２，１２”  スロット
１３ａ，１３ｂ，…，１３ｉ，１３”  固定子コイル
２０，２０’，２０”  回転子
２１  回転子鉄心
２２  永久磁石
２３  導体バー
３０ａ，３０ｂ，…，３０ｉ  電力変換回路
４０  エアギャップ
５０  コントローラ
ＩＮＶ０，ＩＮＶ１  インバータ
【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１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１８Ｃ】
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