CN105099332A - 电动机驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电动机驱动装置(200)，无论电动机/发电机的铁芯材料所使用的铁材料、电磁钢板材料的特性如何，该电动机驱动装置(200)均能降低并控制铁损耗和电磁噪声。在进行蓄电设备(1)的功率转换的逆变器装置(100)与电动机(7)之间，串联连接有电抗器(6a、6b、6c)，该电抗器在载波频率范围中能将电感的变动幅度维持在规定范围以内，从而能在所使用的载波频率范围内抑制电感的降低。

Description

电动机驱动装置
技术领域
本发明涉及电动机驱动装置，该电动机驱动装置对蓄电设备的充放电进行控制，从而从蓄电设备向电动机供电或者将电动机再生出的电能提供给蓄电设备。
背景技术
近年来，对汽油车的油耗改善的需求增强，作为实现油耗改善的技术，利用电能的汽车受到关注。尤其，将以下系统与现有汽油车相组合的混合动力汽车、能进一步从外部进行供电的插电式混合动力汽车等对环境友好的车辆正得到普及，在上述系统中，搭载有蓄电设备(锂离子电池、镍氢电池等)且在行驶时利用逆变器将蓄电设备所提供的直流电源转换成交流电源并提供给行驶用交流电动机从而得到行驶用动力，相反，在减速时将施加于交流电动机的再生制动所生成的电能存储到蓄电设备。
逆变器中，为了将直流转换成交流，一般使用进行PWM(PulseWidthModulation：脉冲宽度调制)控制的逆变器。所谓PWM控制是指，将载波(carrier)与指令值进行比较来生成PWM波形并驱动开关元件的方法。
近年来，在大功率用途中，开关元件使用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、场效应晶体管(MOSFET)等，以数kHz～数十kHz的开关频率来进行开关动作，从而得到恒流波形的电流。然而，电流含有微小的变动或纹波，因此，流向电动机/发电机的电流中也会发生电流纹波，当该电流纹波较大的情况下，电动机/发电机内的铁损耗、电磁噪声等增大，电动机/发电机的效率下降。
因此，在对比文献1中提出了无需不必要地增大逆变器的开关损失就能减小提供给电动机/发电机的电流纹波(电流脉动)，从而降低电动机/发电机中的铁损耗和电磁噪声的方案。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2009-291019号公报(图1～图2)
发明内容
发明所要解决的技术问题
在上述专利文献1提出的技术方案中，根据从外部输入的电压指令值的大小来控制载波频率，在电压指令值较大的区域，将载波频率设定为高，在电压指令值较小的区域，将载波频率设定为低。通过该内容，降低了电动机/发电机中的铁损耗和电磁噪声。然而，实际上有时无法得到充分的效果。
无法充分降低该铁损耗和电磁噪声的主要原因在于电动机/发电机的铁芯材料所使用的铁材料、电磁钢板材料的特性。即，上述专利文献1提出的方案是在电动机绕组的电感恒定的前提下进行的动作，但电动机/发电机的铁芯材料所使用的铁材料、电磁钢板材料的导磁率具有频率依赖性，该频率依赖特性对电感产生较大影响。即便在极低频率范围(数Hz～数百Hz)中电感是足够大的值，但在某一载波频率范围(数kHz～数十kHz)中，导磁率将大幅下降，电感也将大幅下降。其结果是发生如下问题，即，电流纹波变大、电动机/发电机的铁损耗和电磁噪声增大。
本发明是为了解决上述问题而完成的，目的在于在发动机或发电机等电动机中，提供如下电动机驱动装置，通过在所使用的载波频率范围内确保足够的电感，从而降低并控制铁损耗和电磁噪声。
另外，在本说明中，将发动机(motor)或发电机(generator)统称为“电动机”。此外，将“电动机驱动装置”用作表示包含驱动对象即电动机、电源即蓄电设备以及蓄电设备与电动机间的连接装置在内的整个系统的用语。因而，电动机表示具备发电和电动功能中的至少一种功能的设备，蓄电设备表示具备充电和放电功能中的至少一种功能的设备。
解决技术问题所采用的技术方案
本发明的电动机驱动装置的特征在于，包括：蓄电设备、电动机、对在所述蓄电设备与所述电动机之间交换的电力进行转换的逆变器装置、以及在载波频率范围内能将电感的变动幅度维持在规定范围内的电抗器，在所述逆变器装置与所述电动机之间串联连接所述电抗器，在所使用的载波频率范围内抑制电感的降低。
此外，所述电动机是三相交流电动机，其特征在于，与各相的输入端子相连接的所述电抗器的铁芯相耦合。
发明效果
本发明的电动机驱动装置中，在所使用的载波频率范围内能确保足够的电感，从而能减小流向电动机的电流纹波，能降低电动机中的铁损耗和电磁噪声。
此外，与三相交流电动机的各相相连接的电抗器的铁芯相耦合，从而能实现装置的小型化。
附图说明
图1是本发明的实施方式1的电动机驱动装置的结构图。
图2是示意性地表示本发明的实施方式1的各结构要素的频率-电感之间的关系的图。
图3是示意性地表示本发明的实施方式1的各IGBT的驱动信号与流向电动机的绕组的电流的图。
图4是本发明的实施方式2的电动机驱动装置的结构图。
图5是本发明的实施方式3的电动机驱动装置的结构图。
具体实施方式
下面，基于附图，对本发明的电动机的驱动装置进行说明。
另外，在各图中，相同标号表示相同或相当的部分。
实施方式1.
下面，基于附图，对本发明的电动机驱动装置进行说明。
图1是本发明的实施方式1的电动机驱动装置的结构图，如图所示，电动机驱动装置200中，蓄电设备1、逆变器装置100和电动机7串联连接，在电动机7与逆变器装置100之间串联连接电抗器6a、6b、6c，该电抗器6a、6b、6c分别与电动机7的各相交流端子7a、7b、7c对应。
逆变器装置100由平滑电容器2、IGBT3a～IGBT5b、二极管3c～二极管5d以及控制电路11构成，电动机驱动装置200包括蓄电设备1、逆变器装置100、电抗器6a～电抗器6c以及电动机7。
将锂离子电池、镍氢电池等用作为蓄电设备1，蓄电设备1与平滑电容器2并联连接。
在逆变器装置100中，IGBT(绝缘栅双极型晶体管)3a的发射极端子与IGBT3b的集电极端子相连接(下面，称作IGBT3臂)，该连接点与电抗器6a的一端相连接。与此相同地，IGBT4a的发射极端子与IGBT4b的集电极端子相连接(下面，称作IGBT4臂)，该连接点与电抗器6b的一端相连接，IGBT5a的发射极端子与IGBT5b的集电极端子相连接(下面，称作IGBT5臂)，该连接点与电抗器6c的一端相连接。
IGBT3臂、IGBT4臂以及IGBT5臂与蓄电设备1分别并联连接。
另外，在各IGBT3a～5b的发射极端子和集电极端子之间分别连接有二极管3c、3d、4c、4d、5c以及5d，使得电流从发射极端子流向集电极端子。电动机7的各相的交流端子7a、7b、7c分别与电抗器6a、6b、6c相连接。即，交流端子7a与电抗器6a的另一端相连接，交流端子7b与电抗器6b的另一端相连接，交流端子7c与电抗器6c的另一端相连接。另外，虽然省略了图示，IGBT3a～IGBT5b的各栅极端子分别与控制电路11的驱动端子相连接，从而接收栅极信号。
若输入蓄电设备1的电压Vin，则由控制电路11进行控制，IGBT3a和IGBT3b、IGBT4a和IGBT4b、以及IGBT5a和IGBT5b重复进行互补的导通截止动作。此外，在IGBT3臂、IGBT4臂、IGBT5臂之间，电流相位分别错开120度。此外，检测出电动机7的旋转角θ、各绕组电流Iu、Iv、Iw、平滑电容器电压，控制电路11根据这些信息来生成IGBT3a～5b的导通截止驱动信号Vge(3a)、Vge(3b)、Vge(4a)、Vge(4b)、Vge(5a)、Vge(5b)，从而进行IGBT3a～IGBT5b的驱动控制。
图2示意性地表示提供给该图1中的、逆变器装置100的IGBT3a、IGBT3b、IGBT4a、IGBT4b、IGBT5a、IGBT5b的导通截止驱动信号中的一部分导通截止驱动信号Vge(3a)、Vge(3b)、Vge(4a)、Vge(5a)、以及逆变器装置100的输出信号Iu、Iv、Iw。
接下来，利用图3对电流纹波产生机制进行说明。
图3(a)表示图1中的电抗器6a、电抗器6b、电抗器6c的一部分频率与电感之间的关系，且示出即便对载波频率进行增减，电感也几乎不发生变化的情况。尤其，如该图3(a)所示，需要选定并使用在载波频率范围内能将电感的变动幅度维持在规定范围内的电抗。图3(b)表示电动机7的载波频率与电感之间的关系，例示出电感根据频率范围显著降低的状况。
从逆变器装置100输出并施加于电动机7的绕组的一端的逆变器电压Vinv与在电动机7的绕组的另一端感应出且与转速成比例的感应电压Vmot之间存在电压差，该电压差施加于电抗器6a(电抗器6b或电抗器6c)与电动机7的绕组电感形成的合成电感，当电压差单调增加时，电流增加，在接下来的定时释放出合成电感所存储的能量，从而电压差单调减小，电流随之减小，由此，生成电流纹波。
其结果如图3(c)所示，在以往，因电流纹波的振幅而产生的电动机7的绕组电感在逆变器的载波频率范围内其电感大幅降低，因此，电流纹波增加。然而，在本发明的实施方式1中，将能在载波频率范围内维持电感的电抗器6a～6c串联地附加于电动机7，因此，能将因电流纹波的振幅而产生的载波频率范围内的合成电感增大，能减小电流纹波。
其结果是，能降低电动机的铁损耗和电磁噪声。
另外，本发明的实施方式1中，将绝缘栅双极型晶体管(IGBT)用作为开关元件进行了说明，但使用双极型晶体管、或场效应晶体管(MOSFET)、或晶体管、或碳化硅MOSFET也能得到相同效果。
实施方式2.
下面，利用图4，对本发明的实施方式2的电动机驱动装置进行说明。
本发明的实施方式2的电动机驱动装置的电路结构基本上与实施方式1所示的电路结构相同，因此，重复部分的说明将被省略。不同点在于，使能在载波频率范围内维持电感的电抗器6a～电抗器6c的铁芯进行耦合的结构。其结果是，能削减电抗器的数量。
此外，本发明的实施方式2的电动机驱动装置200的电路动作与实施方式1的相同。
本发明的实施方式2的电动机驱动装置能得到实施方式1的电动机驱动装置的效果，除此之外，还能应对小型化需求。
另外，本发明的实施方式2中，将绝缘栅双极型晶体管(IGBT)用作为开关元件进行了说明，但使用双极型晶体管、或场效应晶体管(MOSFET)、或碳化硅晶体管、或碳化硅MOSFET也能得到相同效果。
实施方式3.
下面，利用图5，对本发明的实施方式3的电动机驱动装置200进行说明。
本发明的实施方式3的电动机驱动装置的电路结构基本上与实施方式1所示的电路结构相同，因此，重复部分的说明将被省略。不同点在于，对于电动机7的铁芯材料，使用了具有在载波频率范围内维持电感的特性的电抗器铁芯8，从而，能将电抗器6a～电抗器6c置换成电抗器铁芯8，能进一步应对小型化需求。
此外，本发明的实施方式3的电动机驱动装置200的电路动作与实施方式1的相同。
本发明的实施方式3的电动机驱动装置200能得到与实施方式1的电动机驱动装置200相同的效果。
另外，本发明的实施方式3中，将绝缘栅双极型晶体管(IGBT)用作为开关元件进行了说明，但使用双极型晶体管、或场效应晶体管(MOSFET)、或碳化硅晶体管、或碳化硅MOSFET也能得到相同效果。
另外，本发明可以在其发明范围内对各实施方式进行自由组合，或者对各实施方式适当地进行变形、省略。
标号说明
1蓄电设备、
2平滑电容器、
3a、3b、4a、4b、5a、5bIGBT、
3c、3d、4c、4d、5c、5d二极管、
6a、6b、6c电抗器、
7电动机、
8电抗器铁芯、
11控制电路、
100逆变器装置、
200电动机驱动装置

Claims (3)

1.一种电动机驱动装置，其特征在于，包括：
蓄电设备(1)、电动机(7)、对在所述蓄电设备(1)与所述电动机(7)之间交换的电力进行转换的逆变器装置(100)、以及在载波频率范围中能将电感的变动幅度维持在规定范围内的电抗器(6a、6b、6c)，所述电抗器(6a、6b、6c)串联连接在所述逆变器装置(100)与所述电动机(7)之间。
2.如权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于，
所述电动机(7)是三相交流电动机，与各相的输入端子(7a、7b、7c)相连接的所述电抗器(6a、6b、6c)的铁芯相耦合。
3.如权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于，
对于所述电动机(7)的铁芯材料，使用电抗器铁芯(8)，该电抗器铁芯(8)具有在载波频率范围内维持电感的特性，将串联连接在所述逆变器装置(100)与所述电动机(7)之间的所述电抗器(6a、6b、6c)置换成所述电抗器铁芯(8)。
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