(57)【要約】【課題】複数種類の３相交流電力の供給を受けて動作する同期電動機を、３相交流電力を生成するインバータの個数の増加を抑えることができる同期電動機駆動システムを提供する。【解決手段】インバータ７と同期電動機４１との間にトランス１４を設ける。そしてインバータ７から出力された３相交流電力を入力として、トランス１４は、位相がずれた複数種類の３相交流電力を出力するように、トランス内部に２次側コイル５０、５１、５２を備える。２次側コイル５０、５２は、千鳥結線型のコイルである。２次側コイル５２は、１次側コイルに入力された３相交流電力の各相の位相が、π／９ラジアン進んだ３相交流電力を出力し、２次側コイル５０は、１次側コイルに入力された３相交流電力の各相の位相が、π／９ラジアン遅れた３相交流電力を出力する。【選択図】図１
2009291035.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力を３相交流電力に変換して出力するインバータと、
前記インバータから出力される前記３相交流電力が入力されて複数の３相交流電力を出力するものであって、出力される一つの３相交流電力の特定の相の交流電力の位相と、出力される他の３相交流電力における前記特定の相の交流電力の位相とは互いにずれている位相変換部と、
前記位相変換部から出力される複数の３相交流電力が入力されて回転する同期電動機と、
を備えたことを特徴とする同期電動機駆動システム。
【請求項２】
前記同期電動機は、
複数の磁極を含み、前記複数の磁極が周方向に等間隔に配設された回転子と、
集中巻に巻回された複数の固定子巻線を含み、前記複数の固定子巻線が周方向に並設された固定子とを備え、
前記複数の固定子巻線は、周方向に並ぶｍ個単位で（ｍは２以上の整数）固定子巻線組を構成し、
各固定子巻線組において、各固定子巻線は、それぞれ独立した外部端子に個別に接続されており、
前記位相変換部から前記複数の固定子巻線に３相交流電力を供給するにあたり、一つの固定子巻線組について、当該一つの固定子巻線組の中の一つの固定子巻線に前記一つの３相交流電力の特定の相の交流電力が供給され、当該一つの固定子巻線組中の他の固定子巻線に前記他の３相交流電力の特定の相の交流電力が供給されるように前記位相変換部と前記外部端子とは接続されている
ことを特徴とする請求項１記載の同期電動機駆動システム。
【請求項３】
前記位相変換部は、前記インバータと前記同期電動機とを絶縁する絶縁機能を備える
ことを特徴とする請求項２記載の同期電動機駆動システム。
【請求項４】
前記位相変換部は、入力された３相交流電力の電圧を昇圧して前記同期電動機に出力する
ことを特徴とする請求項２記載の同期電動機駆動システム。
【請求項５】
前記位相変換部は、前記インバータに接続される１次側コイルと、前記同期電動機に接続され、前記複数の３相交流電力それぞれに対応した複数の２次側コイルとを備えるトランスであり、
複数の２次側コイルの少なくとも一つは千鳥巻線型のコイルを含み、当該千鳥巻線型コイルは、１次側コイルに入力された３相交流電力に対して各相の位相がずれた３相交流電力を出力する
ことを特徴とする請求項２記載の同期電動機駆動システム。
【請求項６】
前記同期電動機駆動システムは、更に、
前記インバータから出力される３相交流電力を前記位相変換部を介さずに前記同期電動機へ供給する直通経路と、前記インバータから出力される３相交流電力を前記位相変換部を介して前記同期電動機へ供給する間接経路とのいずれかを選択し、前記選択された経路を通じて前記同期電動機へ３相交流電力を供給する切替手段を備え、
前記同期電動機は、前記直通経路より供給された３相交流電力を受けて回転する
ことを特徴とする請求項１記載の同期電動機駆動システム。
【請求項７】
前記一つの３相交流電力の特定の相と、前記他の３相交流電力における前記特定の相の位相のずれは、前記同期電動機における隣接する磁極と同期電動機の中心とがなす角度と、前記同期電動機における隣接する巻線と同期電動機の中心とがなす角度に基づき決定されたずれである
ことを特徴とする請求項１記載の同期電動機駆動システム。
【請求項８】
前記インバータは複数のスイッチング素子を含んで構成され、
前記スイッチング素子は、炭化珪素または窒化ガリウムを含むワイドバンドギャップ半導体により構成される
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の同期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、同期電動機と同期電動機を駆動するためのインバータを含む同期電動機駆動システムに関し、特に、固定子巻線に位相の異なる電流を供給する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
同期電動機駆動システムは、３相交流同期電動機と、直流電力を交流電力に変換して同期電動機に給電するインバータ回路と、インバータ回路を制御するコントローラとを含んで構成される。同期電動機駆動システムには、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車用のものなどがあり、走行用同期電動機としては、磁石式同期電動機、所謂ブラシレスＤＣモータが採用されている。
【０００３】
二組の３相巻線を有する同期電動機において、その二組の３相巻線に所望の電流位相差を与えるインバータにより構成される同期電動機駆動システムとしては、特許文献１に挙げられるものがある。
特許文献１には、等間隔に配列された２Ｐの磁極を持つ回転子と、各々が電気角でπ／６ないしはπ／３ラジアンの位相差をもつ二組の３相巻線が円周上に配列された固定子とからなるブラシレスＤＣモータを同期電動機として用い、電気角でπ／６ないしはπ／３ラジアンの位相差の電流を複数台（特許文献１の場合は、２台）の３相交流電力を出力するインバータにより供給する技術が開示されている。複数台のインバータを使用することにより、より多種の位相差のある３相交流電力を生成することができる。
【特許文献１】特開２０００−４１３９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、インバータは、三つの位相の異なる電流を供給するために、都合六つのスイッチング素子（パワー半導体）を搭載している。そして、当該スイッチング素子の切替制御により、三つの位相の異なる電流を供給する。
特許文献１のように複数台のインバータを使用することは、とりもなおさずスイッチング素子の増大を招くことになり、同期電動機の駆動システムであるインバータ装置の構成が複雑になる。また、高速で切替が発生するスイッチング素子の増大は、スイッチング素子の故障の可能性を高めることから、システム全体としての信頼性の低下を招くことになる。
【０００５】
そこで、本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、単一のインバータを用いながらも、位相がずれた複数の３相交流電力を生成して同期電動機を駆動する同期電動機駆動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】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明は、直流電力を３相交流電力に変換して出力するインバータと、前記インバータから出力される前記３相交流電力が入力されて複数の３相交流電力を出力するものであって、出力される一つの３相交流電力の特定の相の交流電力の位相と、出力される他の３相交流電力における前記特定の相の交流電力の位相とは互いにずれている位相変換部と、前記位相変換部から出力される複数の３相交流電力が入力されて回転する同期電動機と、
を備えたことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００７】
上述のような構成によって、位相変換部が各巻線に供給すべき３相交流電力を複数生成することから、インバータを複数備えずとも、同期電動機に各相の位相がずれた交流電力を供給することができる。インバータを複数備えていないので、スイッチング素子は増大せず、スイッチング素子を多数用いることによるシステムの信頼性の低下を防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の一実施形態である同期電動機駆動システムについて図面を用いて説明する。
＜実施形態１＞
図１は、同期電動機駆動システムの構成を示した回路図である。
図１に示すように同期電動機駆動システム１００は、インバータ７と、トランス１４と、同期電動機４１とを含んで構成され、直流電源８からの電源供給を受けて動作する。
【０００９】
直流電源８は、電源系統を整流して得られる直流電源、もしくはバッテリタイプの直流電源である。バッテリタイプの直流電源としては、例えば、ニッケル水素あるいはリチウムイオンなどの二次電源がある。
インバータ７は、電圧型インバータ回路であり、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６により構成される。スイッチング素子Ｑ１とＱ２でＵ相アームを形成し、スイッチング素子Ｑ３でＱ４はＶ相アームを形成し、スイッチング素子Ｑ５でＱ６はＷ相アームを形成する。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）に代表されるパワー半導体素子が適用される。Ｕ相アーム、Ｖ相アーム、Ｗ相アームそれぞれから出力される交流電力１００ａ、１００ｂ、１００ｃは互いに２π／３ラジアンだけ位相がずれている。
【００１０】
なお、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のコレクタ−エミッタ間（またはドレイン−ソース間）には、エミッタ側（ソース側）からコレクタ側（ドレイン側）へ電流を流すためのダイオードＤ１〜Ｄ６が接続されている。また、当該ダイオードＤ１〜Ｄ６として、ＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードを使用する場合がある。インバータ７から出力される３相交流電力の各相の交流電力は、トランス１４の１次側コイル１２の対応するコイルに供給される。
【００１１】
トランス１４は、1次側コイル１２と、シールド１３と、２次側コイル５０、５１、５２とを含んで構成される。
1次側コイル１２は、３相交流電力の各相に対応するコイルを備え、スター結線されている。
シールド１３は、１次側コイル１２と、各２次側コイル間の磁気遮断やコイルと周辺機器との間の磁気遮断、または雷インパルスなどの異常電圧が印加した場合に同期電動機４１を保護する。
【００１２】
２次側コイル５０は、出力される３相交流電力の各相の位相が1次側コイル１２に入力される３相交流電力の対応する各相の位相に対して電気角でπ／９ラジアン遅れになるように調整された千鳥結線型のコイルである。
２次側コイル５１は、1次側コイル１２と同様にスター結線されており、1次側コイル１２に入力される３相交流電力の各相について同位相の３相交流電力を出力する。
【００１３】
２次側コイル５２は、出力される３相交流電力の各相の位相が1次側コイル１２に入力される３相交流電力の対応する各相の位相に対して電気角でπ／９ラジアン進みになるように調整された千鳥結線型のコイルである。
千鳥結線型のコイルについてより具体的に図５を用いて説明する。図５は、２次側コイル５２の場合を示している。２次側コイルの各相は、２個のコイルにより構成され、各相の一つの巻線は、他相の一つの巻線に直列に接続し、自相のコイル長と直列に接続した他相のコイル長の比を調節することで、1次側コイルに入力された交流電力に対して所望の位相差を生じさせた交流電力を出力することができる。
【００１４】
例えば図５（ａ）に示すようにコイル長を１対１にした場合には、出力される電力の位相はπ／６ラジアンずれることになる。
本実施形態においては、Eu1とEv2とのコイル長の比、Ev1とEw2とのコイル長の比、Ew1とEu2のコイル長の比それぞれを１：０．５３にすることで、Eu1＋Ev2の位相をEu1に対してπ／９ラジアン、Ev1＋Ew2の位相をEv1に対してπ／９ラジアン、Ew1＋Eu2の位相をEw1に対してπ／９ラジアン進めることができる。
【００１５】
なお、図５は、２次側コイル５２のように位相を進める場合を説明したが、２次側コイル５０のように位相を遅らせる場合には、２次側コイルの結線の組み合わせを変える。具体的には、Eu1をEw2に、Ev1をEu2に、Ew1をEv2に接続すればよい。
ここで、各２次側コイルから出力される交流電力について述べておく。２次側コイル５０の出力電流１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃはそれぞれ２π／３ラジアンずつ位相がずれている。２次側コイル５１の出力電流１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃについても同様であり、２次側コイル５２の出力電流１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃについても同様である。
【００１６】
また、出力電流１０１ａ、１０２ａ、１０３ａはそれぞれπ／９ラジアンずつ位相がずれている。出力電流１０１ｂ、１０２ｂ、１０３ｂについても同様であり、出力電流１０１ｃ、１０２ｃ、１０３ｃについても同様である。
ここから同期電動機４１について図面を用いて詳細に説明する。図２は、本発明の第１の実施形態に係る同期電動機駆動システムを構成する同期電動機の平面図である。また、図３は、図２の同期電動機の詳細図である。
【００１７】
図２は、回転軸に垂直な面で同期電動機４１を切断した場合の、断面図である。
同期電動機４１は回転子２および固定子４３から構成される。
回転子２は、回転子コア４および複数の永久磁石５を含み、永久磁石５は回転子コア４に回転子の周方向に等間隔に配置されている。永久磁石５によって構成される磁極６は、固定子４３に対してＮ極、Ｓ極が交互に配置された磁極対を構成している。磁極対Ｎ極、Ｓ極は電気角で２πラジアンとなり、隣り合う磁極の配置間隔は電気角でπラジアンとなる。本実施形態では、回転子の磁極は２０極であり、機械角に対して電気角が１０倍の関係となっている。なお、図２において、永久磁石５とその磁極６について図面を見やすくするため、全ての永久磁石から引き出し線は引いていない。固定子巻線９や、固定子ティース４７も同様に全ての固定子巻線、ティースから引き出し線は引いていない。
【００１８】
固定子４３は、回転子２に対向配置されている複数の固定子ティース４７および各固定子ティース４７に集中巻に巻回された固定子巻線９を含む。複数の固定子ティース４７は、固定子の周方向に並ぶ３個単位で固定子ティース組４８を構成している。本実施形態では、固定子ティース組４８が６組、機械角で６０°の等間隔で配置されている。
回転子２の周方向に並べられた磁極数は全部で２０極であり、固定子ティースの数は全部で１８となっており、半周当り１０／９でずれて配置されている。
【００１９】
図２において、反時計回転方向を＋方向とすると、固定子ティース組４８ａに対して、固定子ティース組４８ｂは機械角で−６０°、電気角で＋２π／３ラジアンずれて配置されている。また、固定子ティース組４８ａに対して、固定子ティース組４８ｃは機械角で＋６０°、電気角で＋４π／３ラジアン（−２π／３ラジアン）ずれて配置されている。よって、固定子ティース組４８ａ、固定ティース組４８ｂ、固定子ティース組４８ｃは互いに電気角で２π／３ラジアンの間隔の配置となる。
【００２０】
なお、本実施形態の同期電動機は、固定子ティース組４８ａ、固定子ティース組４８ｂ、固定子ティース組４８ｃの組み合わせが周方向に２組、（固定子ティース組４８ａ’、固定子ティース組４８ｂ’、固定子ティース組４８ｃ’）繰り替えされた配置となる。
図３を用いて、固定子ティース組４８ａの構成を詳細に述べる。以下、固定子巻線の間の機械角を論ずるが、それぞれの固定子巻線が巻回された固定子ティースの中心（一点鎖線）間の角度を表す。固定子ティース組４８ａは、３個の隣接した固定子ティース６１ａ、６２ａ、６３ａから構成されている。固定子ティース６１ａ、６２ａ、６３ａには互いの巻回方向が逆向きとなるように集中巻に巻回された固定子巻線８１ａ、８２ａ、８３ａが配置されている。固定子巻線８２ａが巻回された固定子ティース６２ａに対して、固定子巻線８１ａが巻回された固定子ティース６１ａは、機械角で＋２０°の位置に配置されている。すなわち磁極間隔である電気角πラジアン（機械角１８°）からさらに＋π／９ラジアンずれて配置されている。また、同様に固定子巻線８２ａに対して、固定子巻線８３ａは、機械角で−２０°の位置に配置されている。すなわち磁極間隔である電気角πラジアンからさらに−π／９ラジアンずれて配置されている。ここで、固定子ティースは、周方向に等間隔で３６０／１８＝２０°の間隔で並べられている。一方、回転子の磁極は周方向に等間隔で２０個並べられており、３６０／２０＝１８°の間隔となる。
【００２１】
図２に示した他の２組の固定子ティース組４８ｂ、４８ｃも上記固定子ティース組４８ａ同様に、固定子ティース組内において、３個の巻線が磁極間隔である電気角πラジアンから電気角で＋π／９ラジアンと−π／９ラジアンずれて配置されている。
図４は、図２に示した同期電動機の固定子巻線の結線を説明するための図である。
図示した巻線端子番号末尾のａ、ｂ、ｃは、それぞれ固定子ティース組４８ａ、４８ｂ、４８ｃを構成する巻線に対応している。
【００２２】
固定子ティース組４８ａ内の３個の固定子巻線８１ａ、８２ａ、８３ａのそれぞれの端子３１ａ、３２ａ、３３ａは、個別に外部に出されていて、トランス１４の２次側コイル５０、５１、５２の接続端子に個別に接続されている。固定子ティース組４８ｂ内の３個の巻線の端子３１ｂ、３２ｂ、３３ｂ、および、固定子ティース組４８ｃの３個の巻線の端子３１ｃ、３２ｃ、３３ｃも同様に、個別に外部に出されていて、トランス１４の２次側コイル５０、５１、５２の接続端子に個別に接続されている。
【００２３】
また、異なる固定子ティース組４８ａ、４８ｂ、４８ｃで位相差が２π／３ラジアンとなる固定子巻線の端子は共通に中性点に接続されている。すなわち端子３４ａと端子３４ｂと端子３４ｃは第１の中性点に接続され、端子３５ａと端子３５ｂと端子３５ｃは第２の中性点に接続され、端子３６ａと端子３６ｂと端子３６ｃは第３の中性点に接続されている。この例では第１，第２および第３の中性点を電気的に分離させているが、このうちのいずれか二つの中性点あるいは全ての中性点を電気的に接続することとしてもよい。
【００２４】
また、本実施形態では固定子ティース組４８ａ、固定子ティース組４８ｂ、固定子ティース組４８ｃが２組ずつあり、末尾のａ、ｂ、ｃが同じ固定子ティース組どうしは回転子の磁極に対して電気角で同じ位置関係にある。そのため６組の固定子ティース組のうち隣接した３組の固定子ティース組どうしで中性点接続を構成してもよいし、一つ置きの３組の固定子ティース組どうしで中性点接続を構成してもよい、また、６組の全ての固定子ティース組で中性点接続を構成してもよい。
【００２５】
１８個の固定子ティースは、回転子の磁極間隔と異なる配置間隔で並び、かつ、周方向に並ぶ３個単位で固定子ティース組を構成している。また各固定子ティース組内の３個の固定子巻線は、それぞれ独立した外部端子に個別に接続されている。
ここで「個別」とは、ひとつの固定子ティース組に含まれている固定子巻線どうしの関係を示すものであり、異なる固定子ティース組にそれぞれ含まれている固定子巻線どうしの関係を示すものではない。従って、異なる固定子ティース組に含まれる固定子巻線どうしは、条件が許せば共通に接続される場合もある。例えば、固定子ティース組４８ａに含まれている固定子巻線８１ａと固定子ティース組４８ａ’に含まれている固定子巻線８１ａ’には同じ位相の電流が供給されるため、これらを共通の外部端子に接続することとしてもよい。もちろん個別に外部端子に接続することとしても何ら問題はない。
【００２６】
このように構成された同期電動機４１に対して、どのように交流電力を供給するかを図６及び図７を用いて説明する。
図６は、本発明の第１の実施形態の固定子と回転子の位置関係を示し、図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）は回転子２が反時計方向に各々機械角で２°（電気角でπ／９ラジアン）回転したときの固定子および回転子の位置関係を示している。また、図５は、第１の実施形態において各固定子巻線に流した電流の時間変化を示した図である。図７中の（ａ）（ｂ）（ｃ）で示される時間は、それぞれ図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）に示される位置関係に対応している。
【００２７】
図２、図３に、回転子の磁極間を１０、１１で示した。回転子の磁極間１０、１１は、回転子に配置された永久磁石で構成された磁極Ｎと磁極Ｓとの間の磁気中立点の位置を意味する。ここでは、機械的にも磁石と磁石との間の位置となっている。反時計方向にみてＮ極からＳ極に変わる磁極間を１０、反時計方向にみてＳ極からＮ極に変わる磁極間を１１で示している。なお、磁極間１１’は、磁極間１１に対して電気角では同じ位置であるが機械角では異なる位置にある。
【００２８】
図６（ａ）では、一点鎖線で示したように、固定子ティース６３ａの中心と回転子磁極間１１とが一致する位置関係で対向している。この位置関係のときに固定子巻線８３ａに流れる電流が最大になるように位相を調整して電流を供給すると、永久磁石によるトルクであるマグネットトルクが最大となる。なお図２で説明したように隣接する磁極どうしのなす角度（１８°）と隣接する固定子ティースどうしのなす角度（２０°）が異なるため、固定子ティース６３ａの中心と回転子磁極間１１とが一致する位置関係で対向していれば、固定子ティース６２ａの中心および回転子磁極間１０、ならびに固定子ティース６１ａの中心および回転子磁極間１１’はずれた位置関係で対向することになる。
【００２９】
図６（ｂ）では、図６（ａ）から回転子が反時計方向に機械角で２°（電気角でπ／９ラジアン）回転しており、一点鎖線で示したように、固定子ティース６２ａの中心と回転子磁極間１０とが一致する位置関係で対向している。この位置関係のときに固定子巻線８２ａに流れる電流が最大になるように位相を調整して電流を供給すると、永久磁石によるトルクであるマグネットトルクが最大となる。このとき固定子ティース６３ａの中心および回転子磁極間１１、ならびに固定子ティース６１ａの中心および回転子磁極間１１’はずれた位置関係で対向している。
【００３０】
図６（ｃ）では、図６（ｂ）から回転子が反時計方向に機械角で２°（電気角でπ／９ラジアン）回転しており、一点鎖線で示したように、固定子ティース６１ａの中心と回転子磁極間１１’とが一致する位置関係で対向している。この位置関係のときに固定子巻線８１ａに流れる電流が最大になるように位相を調整して電流を供給すると、永久磁石によるトルクであるマグネットトルクが最大となる。このとき固定子ティース６３ａの中心および回転子磁極間１１、ならびに固定子ティース６２ａの中心および回転子磁極間１０はずれた位置関係で対向している。
【００３１】
図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示した位置関係となる各時間に、すなわち、固定子ティース６１ａ、６２ａ、６３ａの固定子ティース中心が回転子磁極間と対向している各時間に、固定子巻線８１ａ、８２ａ、８３ａに流れる電流がそれぞれ最大になるように位相を調整して電流を供給する。そうすると固定子ティース毎にマグネットトルクを最大とすることができ、全体として高トルク化を図ることができる。
【００３２】
図７では、巻線端子３１ａ、３２ａ、３３ａに流した電流（ひいては固定子巻線８１ａ、８２ａ、８３ａに流した電流）が縦軸に、時間が横軸に示されている。図５に示すように、巻線端子３２ａに流す電流に対して巻線端子３１ａに流す電流はπ／９ラジアン進めてあり、巻線端子３２ａに流す電流に対して巻線端子３３ａに流す電流はπ／９ラジアン遅らせてある。
【００３３】
各固定子巻線の配置関係と各固定子巻線に流す電流とは以下の関係がある。
固定子巻線８２ａに対して固定子巻線８３ａは、電気角でπラジアンからさらに−π／９ラジアンずれて配置されている。このような配置関係であれば、固定子巻線８２ａに流す電流に対して固定子巻線８３ａに流す電流は、π／９ラジアン進んだ交流電力が供給される。一方、固定子巻線８２ａに対して固定子巻線８１ａは、電気角でπラジアンからさらに＋π／９ラジアンずれて配置されている。このような配置関係であれば、固定子巻線８２ａに流す電流に対して固定子巻線８１ａに流す電流は、π／９ラジアン遅らせた交流電力が供給される。このπ／９ラジアンのずれは、トランス１４の機能により生じている。インバータ７は、上述で示したタイミングで電流が供給されるように各スイッチング素子Q１〜Q６のON、OFFを制御している。
【００３４】
このように、磁極間に各固定子ティースが来たタイミングでその固定子ティースに対して供給している交流電力の位相が最大となるように供給し、磁極の個数と固定子ティースの本数の差によって生じる機械角のずれを考慮して、位相のずれた交流電力を供給するために、トランス１４をインバータ７と同期電動機４１の間に配し、千鳥巻線型の2次側コイルで位相をずらしたことが本実施の形態の特徴である。
【００３５】
トランス１４というパワー半導体に比して比較的信頼性の高い部品を用いることにより、インバータ７の増大を防ぎ、結果としてスイッチング素子の増大を防ぐことができるので、同期電動駆動システムの信頼性の低下を抑制することができる。
また、インバータと対地間との電位と、同期電動機のシャフトの対地間電位の変動に起因して、同期電動機の軸にコモンモード電流が生じて、ベアリングに電食が発生して破損することがあるが、トランス１４を用いることにより、コモンモード電流の同期電動機４１への通電を阻止することができ、耐ノイズ性能の高い同期電動機駆動システムを提供することができる。
＜実施形態２＞
上記実施形態１においては、トランス１４を介して、各相の位相が互いにずれた複数の３相交流電力を同期電動機４１に供給して、最大トルクが得られるようにして同期電動機を回転させることを示した。しかし、トランス１４を介することによって損失、つまりコイルの抵抗としての作用や、電力の熱への変換などが発生していることも否めない。
【００３６】
そこで、本実施形態２においては、この損失を抑制することを示す。
＜構成＞
図８は、本実施形態における同期電動機駆動システムの構成を示した回路図である。      
図８を見ればわかるように、インバータから直接同期電動機に交流電力が供給できる経路が設けられている。そしてこの経路上には、スイッチが設けられており、スイッチ２７がＯＦＦされ、スイッチ２８がＯＮされることで、インバータから出力された交流電力が直接同期電動機に供給される。
【００３７】
スイッチ２７、２８は、同期電動機駆動システムが搭載される装置（例えば、自動車）の制御装置によりＯＮ、ＯＦＦされる。どのようなタイミングでＯＮ、ＯＦＦするかは、使用されるシステムによって異なり、設計者により決定される。例えば、同期電動機駆動システムを自動車の車輪を回転させるために用いる場合には、車輪が回転していない状態から回転させ始めるときには、最大トルクを得るために、トランスを介して３相交流電力が同期電動機に供給されるようにスイッチ２７をＯＮし、スイッチ２８をＯＦＦする。そして、車輪の回転がある一定以上に安定すると、最大トルクを得られない代わりに、トランス１４を介することによる損失を低減すべくスイッチ２７をＯＦＦし、スイッチ２８をＯＮするように設定する。基本的に、大きなトルクを必要とするときには、スイッチ２７をＯＮし、スイッチ２８をＯＦＦする。そして安定して回転している状態では、スイッチ２７をＯＦＦし、スイッチ２８をＯＮする。
【００３８】
トランス１４を介して３相交流電力を同期電動機４１に供給する経路と、トランス１４を介さずに３相交流電力を同期電動機４１に供給する経路とを設けることにより、トランス１４を介して位相のずれた複数の３相交流電力を供給して同期電動機４１における最大トルクを得るか、トランス１４を介さずに３相交流電力を同期電動機４１に供給してトランス１４における損失を低減させるかの選択が可能になるので、より柔軟性のある同期電動機駆動システムを構成することができる。
＜実施形態３＞
実施形態３においては、実施形態１とはティースに対しての巻線の巻回方法を異ならせた場合を説明する。基本的な構成については、実施形態１に示したものと同様であるので、本実施形態３では実施形態１と異なる部分について説明する。
【００３９】
図９は、実施形態３における同期電動機駆動システムの構成を示した回路図である。そして、図１１が実施形態３における同期電動機４１の一つの固定子ティース組における巻線の巻回の仕方を示した詳細図である。実施形態３では、実施形態１とは、巻線の巻回方法と、巻線の巻回方法を異ならせることによって交流電力を供給する配線、トランスの構成などが異なる。
【００４０】
図９に示すように、実施形態１と異なり、トランス１４は２次側コイル５１を備えていない。また、それに伴い、同期電動機４１における巻線の個数も実施形態１よりも６少ない構成となっている。
２次側コイル５０は、出力される３相交流電力の各相の位相が1次側コイル１２に入力される３相交流電力の対応する各相の位相に対して電気角でπ／９ラジアン遅れになるように調整された千鳥結線型のコイルである。
【００４１】
２次側コイル５２は、出力される３相交流電力の各相の位相が1次側コイル１２に入力される３相交流電力の対応する各相の位相に対して電気角でπ／９ラジアン進みになるように調整された千鳥結線型のコイルである。
ここで、各２次側コイルから出力される交流電力について述べておく。２次側コイル５０の出力電流１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃはそれぞれ２π／３ラジアンずつ位相がずれている。２次側コイル５２の出力電流１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃについても同様である。
【００４２】
また出力電流１０１ａと１０３ａは２π／９ラジアンだけ位相がずれている。出力電流１０１ｂと１０３ｂについても同様であり、出力電流１０１ｃと１０２ｃについても同様である。
図１０は、実施形態３における同期電動機４１の平面図である。基本構成は実施形態１に示したものと同様であり、ここでは実施形態１とは巻線組にふった符号が異なる。
【００４３】
図１１は、実施形態３における同期電動機の詳細図であり、巻線の巻回方法が実施形態１とは異なることを示すための図である。
図１１に示すように、固定子ティース７１ａには固定子巻線９１ａの一部（巻回数Ｎ１）が巻回され、固定子ティース７３ａには固定子巻線９２ａの一部（巻回数Ｎ２）が巻回され、固定子ティース７２ａには固定子巻線９１ａの残余の部分（巻回数Ｎ２１）および固定子巻線９２ａの残余の部分（巻回数Ｎ２２）が巻回されている。
【００４４】
固定子巻線９１ａは、固定子ティース７１ａ、７２ａにそれぞれ巻回されている部分どうしが互いに逆極性の磁場を発生させる。同様に、固定子巻線９２ａは、固定子ティース７２ａ、７３ａにそれぞれ巻回されている部分どうしが互いに逆極性の磁場を発生させる。さらに固定子巻線９１ａ、９２ａに同位相の電流が供給されたとき固定子ティース７２ａに巻回されている部分どうしは同じ極性の磁場を発生させる。
【００４５】
また固定子巻線９１ａ、９２ａの巻回数に関しては、以下の関係が満たされている。
Ｎ１＝Ｎ２
Ｎ２１＝Ｎ２２＝（Ｎ１）／｛２ｃｏｓ（π／９）｝
上記関係を満たすことにより固定子ティース７１ａ、７２ａ、７３ａに生じる磁束の最大値を同等にすることができる。なおここでは便宜上イコール記号（＝）を用いているが、実際には完全に一致させることが困難な場合が多い。上記のイコール記号は、右辺が小数になる場合にはその小数に近い整数を採用する程度の一致を含み、さらには、設計上誤差として無視できる程度の一致を含むこととする。
【００４６】
図１２は、実施形態３における同期電動機の固定子巻線の結線を説明するための図である。
図示した巻線端子番号末尾のａ、ｂ、ｃは、それぞれ固定子ティース組８ａ、８ｂ、８ｃを構成する巻線に対応している。
固定子ティース組８ａ内の２個の固定子巻線９１ａ、９２ａのそれぞれの巻線端子２１ａ、２３ａは、個別に外部に出されていて、トランス１４の２次側コイル５０、５２の接続端子に接続されている。固定子ティース組８ｂ内の２個の巻線端子２１ｂ、２３ｂ、および、固定子ティース組８ｃの２個の巻線端子２１ｃ、２３ｃも同様に、個別に外部に出されていて、トランス１４の２次側コイル５０、５２の接続端子に個別に接続されている。
【００４７】
また、異なる固定子ティース組８ａ、８ｂ、８ｃで位相差が２π／３ラジアンとなる固定子巻線の端子は共通に中性点に接続されている。すなわち巻線端子２２ａと巻線端子２２ｂと巻線端子２２ｃは第１の中性点に接続され、巻線端子２４ａと巻線端子２４ｂと巻線端子２４ｃは第２の中性点に接続されている。この例では第１および第２の中性点を電気的に分離されているが、これらを電気的に接続することとしてもよい。
【００４８】
また、本実施形態では固定子ティース組８ａ、固定子ティース組８ｂ、固定子ティース組８ｃが２組ずつあり、末尾のａ、ｂ、ｃが同じ固定子ティース組どうしは回転子の磁極に対して電気角で同じ位置関係にある。そのため６組の固定子ティース組のうち隣接した３組の固定子ティース組どうしで中性点接続を構成してもよいし、一つ置きの３組の固定子ティース組どうしで中性点接続を構成してもよい、また、６組の全ての固定子ティース組で中性点接続を構成してもよい。
【００４９】
このように構成された同期電動機には、図１３に示すように、交流電力が供給される。図１３では、巻線端子２１ａ、２３ａに流した電流（固定子巻線９１ａ、９２ａに流した電流）が縦軸に、時間が横軸に示されている。図１３に示すように、巻線端子２１ａに流す電流に対して巻線端子２３ａに流す電流は２π／９ラジアン進めてある。この２π／９ラジアンのずれは、トランス１４の機能により生じている。
【００５０】
各固定子巻線の配置関係と各固定子巻線に流す電流とは以下の関係がある。
固定子ティース７２ａに対して固定子ティース７３ａは、電気角でπラジアンからさらに−π／９ラジアンずれて配置されている。一方、固定子ティース７２ａに対して固定子ティース７１ａは、電気角でπラジアンからさらに＋π／９ラジアンずれて配置されている。このような配置関係であれば、固定子巻線９１ａに流す電流に対して固定子巻線９２ａに流す電流は、２π／９ラジアン進めることとする。
【００５１】
図１１に示すように巻線が巻回された場合においても、固定子ティース組を構成する複数の固定子ティースのうちの少なくとも二つの固定子ティースには一つの巻線が巻回されるように構成されており、且つ他の固定子ティースには、二つの巻線に供給される交流電力によって発生する二つの磁界が合成されるような形で磁界を発生させる同期電動機４１に対して、二つの互いに対応する各相の位相がずれた交流電力を供給する場合において、トランス１４により、位相のずれを生じさせることができる。
＜その他の変形例＞
上記実施形態において、本発明の実施の手法について説明してきたが、本発明の実施形態がこれに限られないことは勿論である。以下、上記実施形態以外に本発明の思想として含まれる各種の変形例について説明する。
（１）上記実施形態においては、スイッチング素子や、ダイオードをSi（珪素）デバイスであると説明した。しかし、これはワイドバンドギャップを得るためにSiC（炭化珪素）デバイスやGaN（窒化ガリウム）デバイスなどであってもよい。SiC（炭化珪素）デバイスやGaN（窒化ガリウム）デバイスは、近年高耐熱性、低損失化が可能なデバイスとして注目されており、本発明においてもこれらのデバイスを用いることにより同様の効果、即ち高耐熱性などの効果を得られる。
（２）上記実施形態においては、同期電動機４１を回転子が固定子の外側に配置されたアウターロータ型の同期電動機で説明しているが、回転子を固定子の内側に配置したインナーロータ型の同期電動機や、回転子と固定子とが軸方向に空隙を持って配置された、いわゆる面対向のアキシャルギャップ式同期電動機や、それらを複数組み合わせた構造の同期電動機でも同じ効果があることは言うまでもない。
（３）上記実施形態においては、同期電動機４１は、固定子ティース４７の本数が１８で、永久磁石５の個数が２０という場合を説明したが、固定子ティース４７の数と永久磁石５の数とが一致せず、ロータが回転する条件を満たすならばいくつであってもよく、例えば、固定子ティース４７の本数が９本、永久磁石５の個数が１０という組み合わせであってもよいし、固定子ティース４７の本数が１５で、永久磁石の個数が１２という組み合わせであってもよい。
【００５２】
この場合、トランス１４にて生じさせる位相のずれは、隣接する磁極と同期電動機の中心がなす角度と、隣接するティースと同期電動機の中心がなす角度との差分に基づいて決定され、決定された位相のずれが生じるようにトランス１４の２次側コイルの千鳥結線の二つのコイルの巻線長比を調整する。
（４）上記実施形態において、インバータ７から出力される交流電力の電圧値について特に記載しなかったが、上記実施形態ではトランス１４を用いていることから、２次側コイルの巻数を調整することによって１次側コイルに入力された交流電力を昇圧させて２次側コイルから出力することができるので、インバータ７で発生させる交流電力の電圧を低電圧にすることができる。その結果、スイッチング素子耐圧の設計マージンを大きく確保できるため、システムの信頼性を向上することができる。
【００５３】
インバータ７で発生させる電圧を低電圧（例えば４２Ｖ以下）にすることにより感電の危険性が減るためフェールセーフの効果を奏する。また、低電圧にすることでケーブルを近接させて配置することも可能になるのでケーブルの引き回しに自由度が生じる。
さらには、インバータ７の高速スイッチングとケーブルのインピーダンスの影響によって過大なサージ電圧が発生する可能性があるが、低電圧にすることで、サージ電圧を含む電圧レベルを低下させることができる。これにより、インバータ７のスイッチング素子の破損の可能性を低下させるとともに、トランスにおけるコイルの絶縁性能の劣化を緩やかにすることができる。
（５）上記実施形態１において、同位相の交流電力については、トランス１４を介さずに直接同期電動機４１に供給する構成にしてもよい。
（６）上記実施形態において、ケーブルの長さについては特に言及しなかったが、インバータ７−トランス１４間、トランス１４−同期電動機のケーブルが長いときには、インバータ７のスイッチング素子による高速スイッチングと、ケーブルのインピーダンスの影響によって過大なサージ電圧が発生する。当該サージ電圧により、トランスやモータのコイルの絶縁が劣化し、焼損する可能性がある。よって、安全面、及び性能面から鑑みてケーブル長は短くすることが望ましい。
（７）上記実施形態においては、固定子ティース組に属する固定子ティースの本数を３としたが、これは２以上であればよい。
（８）上記実施形態３においては、実施形態１と比較しやすくするために、２次側コイル５０から出力される交流電力の位相を１次側コイルに入力された交流電力の位相に対してπ／９ラジアン進め、２次側コイル５２から出力される交流電力の位相を１次側コイルに入力された交流電力に対してπ／９ラジアン遅らせる構成とした。
【００５４】
しかし、これは、２次側コイル５０から出力される３相交流電力の各相の位相と、２次側コイル５２から出力される３相交流電力の対応する各相の位相とが互いに２π／９ラジアンずれていればよく、例えば、２次側コイル５０を１次側コイル１２と同様にスター結線で構成して１次側コイル１２に入力された３相交流電力と同位相の３相交流電力を出力させ、２次側コイル５２を１次側コイル１２に入力された３相交流電力の各相の位相に対して、２次側コイル５２から出力される３相交流電力の対応する各相の位相が２π／９ラジアン遅れになる千鳥結線型のコイルで構成してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明に係る同期電動機駆動システムは、同期電動機において最大トルクが得られるモータとして、例えば、自動車用の車輪を回すためのモータとして活用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】同期電動機駆動システムのシステム構成を示した回路図である。
【図２】同期電動機の平面図である。
【図３】同期電動機の一部分の詳細図である。
【図４】図１に示した同期電動機の固定子巻線の結線を説明するための図である。
【図５】（ａ）は、トランスにおける千鳥巻線型コイルの各相のコイルの接続構成を示しており、（ｂ）は、各相の位相を合成することで、各相の交流電力の位相をずらせることを示すためのベクトル図である。
【図６】実施形態１の固定子と回転子の位置関係を示しており、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の順に時間経過を示している。
【図７】実施形態１において各固定子巻線に流した電流の時間変化を示した図である。
【図８】実施形態２における同期電動機駆動システムの構成を示した回路図である。
【図９】実施形態３における同期電動機駆動システムの構成を示した回路図である。
【図１０】実施形態３における同期電動機の平面図である。
【図１１】実施形態３における一つの固定子ティース組での巻線の巻回方法を示した図である。
【図１２】実施形態３における同期電動機の固定子巻線の結線を説明するための図である。
【図１３】実施形態３において各固定子巻線に流した電流の時間変化を示した図である。
【符号の説明】
【００５７】
２  回転子
４  回転子コア
５  永久磁石
６  磁極
７  インバータ
８  直流電源
９  固定子巻線
１２  1次側コイル
１４  トランス
２７、２８  スイッチ
４１  同期電動機
４８ａ、４８ａ´、４８ｂ、４８ｂ´、３８ｃ、４８ｃ´  固定子ティース組
５０、５１、５２  ２次側コイル
【図１】
2009291035.tif 000003
【図２】
2009291035.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2009291035.tif 000007
【図６】
2009291035.tif 000008
【図７】
2009291035.tif 000009
【図８】
2009291035.tif 000010
【図９】
2009291035.tif 000011
【図１０】
2009291035.tif 000012
【図１１】
2009291035.tif 000013
【図１２】
2009291035.tif 000014
【図１３】
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