CN110383639A - 旋转电机系统 - Google Patents

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Abstract

一种旋转电机系统，具备旋转电机(10)，该旋转电机(10)具有转子及设置有定子绕组的定子，定子绕组包括产生使转子旋转的旋转磁场的第1线圈组(C10)和通过由转子的旋转产生的感应电动势来产生电力的第2线圈组(C20)。

Description

旋转电机系统
技术领域
本发明涉及具有旋转电机的旋转电机系统。
背景技术
作为能源问题、环境问题的对策，要求马达等旋转电机的高效率化、节能化。例如，对于旋转电机在低速、中速、高速的大范围内运转的情况，探讨了整个运转区域中的旋转电机的高效率化(例如参照非专利文献1)。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：堺和人等，《マルチインバータ方式エレクトロニクスモータの極数変換の検討(多逆变器方式电子马达的极数转换的探讨)》，平成28年电气学会产业应用部门大会，p.125-130
发明内容
发明要解决的课题
通常，旋转电机被设计为，旋转电机的额定输出是连续运转时的最大输出状态，在最大输出状态下为高效率。但是，在大多情况下，旋转电机以旋转电机的负载为部分负载且比最大输出状态低的输出状态(以下称为“部分负载状态”)长时间进行运转。因此，旋转电机的效率降低。其结果，旋转电机的运转范围整体的综合消耗能量增大。例如，在旋转电机被用于驱动机构的电动汽车、混合动力汽车中，会导致每一次充电的行驶距离的减少、燃料消耗率的降低。
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种能够抑制效率降低的旋转电机系统。
用于解决课题的手段
根据本发明的1个方式，提供一种旋转电机系统，具备旋转电机，该旋转电机具有转子及设置有定子绕组的定子，定子绕组包括产生使转子旋转的旋转磁场的第1线圈组、以及通过由转子的旋转产生的感应电动势来产生电力的第2线圈组。
发明效果
根据本发明，能够提供一种能够抑制效率降低的旋转电机系统。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的旋转电机系统的构成的示意图。
图2是表示本发明的实施方式的旋转电机系统的驱动用多相交流电路的例子的电路图。
图3是表示本发明的实施方式的旋转电机系统的发电用多相交流电路的例子的电路图。
图4是表示用于分析本发明的实施方式的旋转电机系统的特性的IM模型的示意图。
图5是表示用于分析本发明的实施方式的旋转电机系统的特性的PM模型的示意图。
图6是本发明的实施方式的旋转电机系统的分析用电路图，图6的(a)是马达驱动动作的分析用电路图，图6的(b)是发电动作的分析用电路图。
图7是表示IM模型和PM模型的各要素的表。
图8是表示IM模型的特性的图表。
图9是表示PM模型的特性的图表。
图10是表示最大转矩时的发电量的表。
图11是表示机械输出和发电量的表。
图12是表示对转子条的电流进行FFT分析的结果的图表，图12的(a)表示参考例的旋转电机的分析结果，图12的(b)表示IM模型的分析结果。
图13是表示速度与转矩的关系的图表。
图14是表示对定子绕组的各个线圈连接了电力转换电路的例子的示意图。
图15是表示本发明的实施方式的旋转电机系统的第1应用系统的示意图。
图16是表示本发明的实施方式的旋转电机系统的第2应用系统的示意图。
图17是表示本发明的实施方式所涉及的旋转电机系统的第3应用系统的示意图，图17的(a)表示驱动电源为直流电源的情况，图17的(b)表示驱动电源为交流电源的情况。
图18是表示本发明的实施方式的旋转电机系统的运转特性和效率分布的图表。
图19是旋转电机系统的中高速旋转时的电压矢量图，图19的(a)是比较例的电压矢量图，图19的(b)是本发明的实施方式的旋转电机系统的电压矢量图。
图20是旋转电机系统的低速旋转时的电压矢量图，图20的(a)是比较例的电压矢量图，图20的(b)是本发明实施方式的旋转电机系统的电压矢量图。
图21是表示PM模型的线圈的配置例的示意图。
图22是表示PM模型以及M模型的相位电流与负载电压的关系的图表。
图23是表示PM模型以及M模型的功率因数的表。
图24是表示本发明实施方式的第1变形例的旋转电机系统的构成的示意图。
图25是表示本发明的实施方式的第2变形例的旋转电机系统的构成的示意图。
具体实施方式
下面，参照附图说明本发明的实施方式。在以下的附图的记载中，对相同或类似的部分标注相同或类似的符号。另外，以下所示的实施方式对用于将本发明的技术思想具体化的装置、方法进行例示，本发明的实施方式在权利要求的范围内能够进行各种变更。
如图1所示，本发明的实施方式的旋转电机系统具备：旋转电机10，具有转子及设置有定子绕组的定子；以及与旋转电机10连接的驱动用电力转换电路20及发电用电力转换电路30。旋转电机10的定子绕组包括分别由多个线圈C构成的第1线圈组C10和第2线圈组C20。驱动用电力转换电路20与第1线圈组C10电连接，发电用电力转换电路30与第2线圈组C20电连接。
旋转电机10能够采用包括定子及隔着气隙插入到该定子内部的转子的构成。例如，能够采用笼型感应电动机等感应电动机的构造，该笼型感应电动机具有在定子铁心形成有分别配置了线圈的多个槽的定子、以及在转子铁心配置了多个转子条的转子。或者，也可以采用在转子的转子铁芯配置了永磁体的永磁体同步型电动机等同步电动机的构造。
第1线圈组C10产生使旋转电机10的转子旋转的旋转磁场。例如，构成第1线圈组C10的线圈C被配置成，通过在各个线圈C中流动使相位偏移了的电流来产生旋转磁场。产生旋转磁场的电流被从驱动用电力转换电路20供给至第1线圈组C10。即，驱动用电力转换电路20与第1线圈组C10连接，以便与第1线圈组C10一起构成使旋转电机10的转子旋转的驱动用多相交流电路。
第2线圈组C20被配置成，通过由旋转电机10的转子的旋转产生的感应电动势来产生电力。所产生的电力经由发电用电力转换电路30输出到外部。发电用电力转换电路30与第2线圈组C20连接，以构成使所发电出的电力输出到外部的发电用多相交流电路。
如此，旋转电机10的定子绕组被分为使旋转电机10进行动力运转的马达驱动动作用的第1线圈组C10、和通过旋转电机10输出电力的发电动作用的第2线圈组C20。由此，能够通过1个旋转电机10来实现同时进行使旋转电机10的转子旋转的马达驱动动作和产生电力的发电动作的旋转电机系统(以下，称为“M&G系统”)。
驱动用电力转换电路20通过控制第1线圈组C10中流动的电流的相位，使旋转电机10进行马达驱动动作。例如，在第1线圈组C10构成包括U相线圈、V相线圈及W相线圈的3相交流电路的情况下，通过调整各相线圈中流动的电流(U相电流、V相电流、W相电流)的相位，使得旋转电机10进行电机驱动动作。驱动用电力转换电路20例如能够采用逆变器电路。图2表示的例子为，第1线圈组C10包括U相线圈CU、V相线圈CV及W相线圈CW，驱动用电力转换电路20采用3相逆变器电路而构成了驱动用多相交流电路。通过由驱动用电力转换电路20调整第1线圈组C10的各线圈中流动的电流的电流值和相位，由此能够调整旋转电机10产生的转矩。
另外，在图1所示的旋转电机系统中，经由发电用电力转换电路30将由旋转电机10发电的电力向发电负载40输出。例如，通过发电用电力转换电路30采用转换器电路，能够对发电负载40进行充电，或者将蓄积在发电负载40中的电力返回旋转电机10而用于转子的旋转。
通过调整构成发电用电力转换电路30所采用的转换器电路的开关元件的接通状态和断开状态的期间，由此能够调整旋转电机10的马达驱动动作和发电动作的比率。图3表示的例子为，第2线圈组C20包括发电用线圈CP1、CP2、CP3，发电用电力转换电路30采用了3相转换器电路而构成了发电用多相交流电路。
如上所述，在图1所示的旋转电机系统中，对1个旋转电机10设定了2个独立的多相交流电路。由此，能够同时进行马达驱动动作和发电动作。
以下，对于旋转电机10，表示使用图4以及图5所示的9槽集中卷绕模型分析旋转电机系统的特性而得的结果。以下，对采用了3相交流方式的情况进行例示说明。即，第1线圈组C10构成用于马达驱动动作的3相交流电路，第2线圈组C20构成用于发电动作的3相交流电路。
图4是M&G系统的笼型感应电动机型的分析模型(以下称为“IM模型”)。在图4所示的IM模型中，定子具备：9槽的定子铁心11；分别配置在各槽中的U相线圈CU1、CU2、V相线圈CV1、CV2及W相线圈CW1、CW2；以及发电用线圈CP1、CP2、CP3。转子是沿转子铁心12的圆周方向配置了多个转子条13的构造。
图5是M&G系统的永磁体同步型电动机型的分析模型(以下称为“PM模型”)。在图5所示的PM模型中，定子与IM模型时相同，转子是在转子铁心12中埋入了永磁体14的构造。
在图4及图5所示的分析模型中，在定子的9个槽中的3个槽中配置的发电用线圈CP1、CP2、CP3构成第2线圈组C20。然后，在定子铁心11的其余6个槽中配置的线圈构成第1线圈组C10。
通过从驱动电源50经由驱动用电力转换电路20向第1线圈组C10的U相线圈、V相线圈、W相线圈错开相位地流动电流，由此转子旋转，旋转电机10进行马达驱动动作。并且，在马达驱动动作的同时，旋转电机10通过第2线圈组C20而进行发电动作。
图6的(a)表示第1线圈组C10的马达驱动动作的分析用电路图，图6的(b)表示第2线圈组C20的发电动作的分析用电路图。如图6的(b)所示，在发电用电力转换电路30使用整流电路、该整流电路上作为发电负载40而连接有负载电阻的情况下，对特性进行了分析。另外，假设旋转电机10的额定旋转速度为1500rpm、极数为4极，而进行了二维有限元法磁场分析。图7表示分析所使用的IM模型和PM模型的各要素。另外，使负载电阻的电阻值固定为100Ω。
图8表示根据过渡分析求出的IM模型的相对于滑动值的转矩特性。在图8中，特性T(IM)是IM模型的转矩特性，特性T(1)是比较例1的旋转电机的转矩特性。比较例1是3相交流方式的9槽的笼型感应电动机，各槽中配置的线圈全部被用于马达驱动动作。另外，通过IM模型的发电动作得到的发电量用特性W(IM)表示。
图9表示根据过渡分析求出的PM模型的相对于电流相位变化的转矩特性。在图9中，特性T(PM)是PM模型的转矩特性，特性T(2)是比较例2的旋转电机的转矩特性。比较例2是3相交流方式的9槽的永磁体同步型电动机，配置于各槽的线圈全部被用于马达驱动动作。
如图8以及图9所示，M&G系统的转矩小于比较例的旋转电机的转矩，该转矩之差起因于在马达驱动动作中使用的线圈数量。但是，在M&G系统中，通过发电功能产生电力，综合性的输出与比较例相同。
图10表示最大转矩时向发电负载40输出的发电量。在PM模型中，由于转子在磁铁的高磁场中旋转，所以PM模型的发电量比IM模型的发电量多。
接着，如图8所示，比较稳定驱动区域的转矩为0.17Nm时的、IM模型的马达驱动动作的机械输出和发电动作的发电量的总量与比较例1的马达驱动动作的机械输出。在此，“稳定驱动区域”是滑动值比转矩最大的区域小的区域。另外，“机械输出”是旋转电机10的动力运行的输出。另外，按照不考虑涡电流地进行分析而得的结果来进行探讨。图11表示通过分析得到的机械输出和发电量。
如图11所示，M&G系统的机械输出和发电量的总量为比较例1的机械输出的同等以上。即，在M&G系统中，与不具有发电功能的旋转电机相比，综合性的输出不会减少。
图12的(a)和图12的(b)表示在图8所示的分析结果的最大转矩时的滑动值中，对转子条13的电流进行了高速傅里叶转换(FFT)分析而得的结果。图12的(a)是比较例1的分析结果，图12的(b)是IM模型的分析结果。与比较例1相比，在IM模型中，基波以及40次附近和80次附近的高次谐波成分的减少。即，在M&G系统中，与比较例1相比损失减少。另外，如果高次谐波成分的减少是转子的反转引起的，则可以认为反转有助于发电动作而发电量增大。
如以上说明的那样，在本发明的实施方式的旋转电机系统中，沿着旋转电机10的转子的圆周方向排列的一系列线圈的一部分被用于马达驱动动作，剩余的线圈被用于发电动作。因此，旋转电机10在部分负载状态的情况下，同时进行马达驱动动作和发电动作。其结果，旋转电机成为全输出状态，能够实现高效率的动作。
因此，根据图1所示的旋转电机系统，能够降低消耗能量，抑制效率的降低。例如，该旋转电机系统对提高电动汽车及混合动力汽车的电力消耗率、燃料消耗率有效，每一次充电的行驶距离增加。
另外，通过发电用电力转换电路30使用转换器电路，并对发电用电力转换电路30连接蓄电池，由此，发电动作所产生的电力对蓄电池进行充电。蓄电池所蓄电的电力例如能够用于最大输出时的马达驱动动作。
在实施方式的旋转电机系统中，通过调整第1线圈组C10和第2线圈组C20的构成，能够根据旋转电机10的输出、转速来选择马达驱动动作和发电动作的输出比率，以成为高效率。由此，能够在从低输出到高输出、从低速到高速的大范围内提高效率。
另外，在电梯等使用电动机的设备中，若由于停电等而来自外部的电力供给停止，则设备变得不动作。然而，通过将实施方式的旋转电机系统应用于这些设备，通过发电动作而被充电的蓄电池能够使设备动作。因此，例如，能够使由于停电而停止了的电梯移动到规定楼层，或者防止人被困在电梯中。
另外，上述探讨了旋转电机10为9槽的情况，但槽的数量当然也可以是9个以外的数量。例如，在第1线圈组C10以及第2线圈组C20构成3相交流电路的情况下，槽的总数只要为3的其他倍数即可。
另外，第1线圈组C10及第2线圈组C20也可以构成3相以外的交流电路。即，只要能够由第1线圈组C10构成产生使转子旋转的旋转磁场的多相交流电路，且由第2线圈组C20构成通过由转子旋转引起的感应电动势来产生电力的多相交流电路即可。
第1线圈组C10的线圈数量和第2线圈组C20的线圈数量能够根据旋转电机系统所要求的转矩等任意设定。例如，在驱动需要大转矩但不需要高速行驶的汽车的情况下，增加构成第1线圈组C10的线圈个数，减少构成第2线圈组C20的线圈个数。另一方面，在驱动需要高速行驶但转矩可以较小的汽车的情况下，减少构成第1线圈组C10的线圈个数，增多构成第2线圈组C20的线圈个数。
图13表示汽车的速度和转矩的关系。在图13中，在点P所示的位置为最高效率。越远离点P，效率越降低。如图13所示，在低速行驶区域R1和高速行驶区域R2的任1个区域中均不是最高效率。这是为了在从低速行驶到高速行驶的所有区域中维持一定以上的效率。
因此，在不具有发电功能的旋转电机中，低速行驶区域R1以及高速行驶区域R2中的效率与最高效率之差会导致效率降低。但是，在M&G系统中，由于与最高效率之间的差分被用于发电，因此抑制了效率降低。
另外，也可以将具有多个单相线圈的定子绕组设置于旋转电机10的定子。例如，如图14所示，对定子绕组的线圈C分别连接独立的电力转换电路60。在图14中表示了电力转换电路60由全桥的单相逆变器电路构成的例子。通过电力转换电路60，能够使各个线圈C中流动的电流的大小、相位分别独立地变化。由此，能够与马达驱动动作的负载和电力动作的负载对应地转换旋转电机10的相数、极数或者任意地设定构成第1线圈组C10的线圈和构成第2线圈组C20的线圈。
通常，若对旋转电机系统进行满足运转规格的最佳设计，则在额定输出附近被设计为最高效率，在部分负载状态下效率大幅度降低。因此，本发明的实施方式的旋转电机系统通过使用第1线圈组C10以连续额定输出进行马达驱动动作，使用第2线圈组C20进行发电动作或马达驱动动作，由此提高系统效率。
另外，在驱动动作中利用了马达的应用系统中，通过同时进行马达驱动动作和发电动作，能够得到与能量相关的优点。以下，关于代表性的应用系统，对此时的实施方式的旋转电机系统的作用进行说明。
[第1应用系统]
图15表示将实施方式的旋转电机系统和内燃机70组合而成的混合动力汽车用的应用系统的例子。汽车由旋转电机10和内燃机70驱动。作为发电负载40使用蓄电池40A，作为驱动电源50使用蓄电池50A。驱动用电力转换电路20是逆变器/转换器电路，发电用电力转换电路30是转换器/逆变器电路。
在图15所示的应用系统中，旋转电机系统在起步时作为马达进行驱动动作(动力运行)，在行驶时进行马达驱动动作和作为发电机的发电动作，在加速时和高速道路上的行驶时进行马达驱动动作，在减速和停止的制动时进行发电动作。在此，由两种线圈组同时进行作为不同的相反动作的马达驱动动作和发电动作的模式，特别在行驶时被执行。在行驶时为额定输出的10％～20％左右的低输出，是马达效率较差的运转区域。
在该模式中，马达驱动动作仅由第1线圈组C10进行，第2线圈组C20进行发电动作。因此，第1线圈组C10负担马达输出和发电输出的合计输出。此时，通过控制发电输出以使合计输出成为额定输出程度的状态，由此第1线圈组C10能够以最高效率运转。所发电的电力被蓄电到蓄电池40A中。
内燃机70的效率与马达相比大幅度降低，为10％～30％左右。另外，与马达相比，内燃机70的高效率范围更窄。因此，与上述同样地控制马达输出和发电输出的分配，以使内燃机70成为在高效率范围内驱动的动作点。因此，调整第1线圈组C10的马达驱动动作的输出和第2线圈组C20的发电动作的输出分配比率，以使旋转电机10在由旋转电机10驱动的内燃机70和旋转电机10的综合效率成为最高的动作点进行运转。由此，混合动力汽车的燃料消耗率大幅度提高。
蓄电池40A和蓄电池50A也可以构成为共用的蓄电池。即，成为共用的蓄电池与驱动用电力转换电路20和发电用电力转换电路30的双方连接的构成。从该共用的蓄电池输出的直流电力由驱动用电力转换电路20转换为交流电力而供给至第1线圈组C10，被用于马达驱动动作。而且，由第2线圈组C20发电的交流电力由发电用电力转换电路30转换为直流电力而返回到共用的蓄电池。如此，也可以由1个蓄电池构成马达驱动用蓄电池和发电用蓄电池而共同地使用。供给至驱动用电力转换电路20的供给电力与从发电用电力转换电路30返回的发电电力之差，从蓄电池来看成为由系统整体消耗了的电力。在从供给电力减去发电电力而得到的电力之差成为负的情况下，通过发电动作而增加了的电力被蓄积在蓄电池中。
[第2应用系统]
图16表示使用了实施方式的旋转电机系统的电动汽车用的应用系统的例子。作为发电负载40使用蓄电池40A，作为驱动电源50使用蓄电池50A。驱动用电力转换电路20是逆变器/转换器电路，发电用电力转换电路30是转换器/逆变器电路。
在图16所示的应用系统中，通过旋转电机系统的第1线圈组C10以连续额定输出时的大致恒定的转矩大致始终驱动，以高效率运转。另一方面，使用第2线圈组C20使输出可变地进行运转，并且根据运转状态的不同而马达驱动动作和发电动作也改变。
例如，由于起步时要求高转矩，因此以第2线圈组C20补充第1线圈组C10的连续额定转矩与起步时的高转矩之间的差分的方式进行马达驱动动作。如果在行驶时输出为平均的转矩，则设为使第2线圈组C20的输出为0的状态，仅通过第1线圈组C10进行运转。在行驶时的需要转矩低于连续额定转矩的情况下，按照连续转矩与行驶所需要的转矩之间的差分的力，使用第2线圈组C20进行发电动作，并将电力蓄积于蓄电池40A。所蓄积的电力在起步时、加速时用于马达驱动动作。或者，将第1线圈组C10的马达输出抑制到需要转矩地进行运转。无论成为哪种方式，都会以综合效率良好的模式进行运转。
其结果，第1线圈组C10、驱动用电力转换电路20和蓄电池50A始终为大致恒定输出。因此，若设为以连续输出成为最高效率的设计，则包含蓄电池的旋转电机系统的综合效率能够得到大致最高值，与蓄电池的急剧的输出变动相伴随的电力消耗、寿命也大幅度提高。另一方面，第2线圈组C20、发电用电力转换电路30和蓄电池40A负责始终变动的输出，并且输出在短时间内变动，在马达驱动动作和发电动作中能量的流动方向也相反。因此，通过使用双电荷层电容器来代替蓄电池，能够应对急速充放电，能够实现综合效率的进一步提高、或能量消耗量的降低。在最大发电量较多的系统中，并用蓄电池和双电荷层电容器。
另外，也可以与第1应用系统同样，将蓄电池40A和蓄电池50A构成为共用的蓄电池。在供给至驱动用电力转换电路20的电力与从发电用电力转换电路30返回的电力之差成为由系统整体消耗的电力、从供给电力减去发电电力而得到的电力差成为负的情况下，发电动作中增加的电力被蓄积到共用的蓄电池。
[第3应用系统]
图17的(a)以及图17的(b)表示在铁道用马达系统中使用了实施方式的旋转电机系统的应用系统的例子。作为发电负载40使用蓄电池40A，作为驱动电源50，如图17的(a)所示使用直流电源50B或如图17的(b)所示使用交流电源50C。如果架线为直流送电，则驱动用电力转换电路20是逆变器/转换器电路，发电用电力转换电路30是转换器/逆变器电路。如果架线为交流送电，则驱动用电力转换电路20为整流·逆变器/转换器电路，发电用电力转换电路30是转换器/逆变器电路。
在图17所示的应用系统中，在起步时全部是马达驱动动作，在减速时全部是发电动作。另一方面，在行驶时，通过第1线圈组C10以最高效率点的转矩进行马达驱动动作，并且通过第2线圈组C20进行发电动作，如果对蓄电池40A进行蓄电、或者充满电，则还经由架线向系统输送电力。
在铁道中，供给电力在通勤时间段瞬间成为最高值。此时，通过将上述的通过发电动作而蓄电到蓄电池40A中的电力用于马达驱动，能够抑制电力系统的最大供给电力。由此，能够增加铁道的电力系统的短时间的最大供给电力。或者，能够削减电力设备的电力容量。惯性运转时的发电也同样。图17所示的应用系统除了铁道用马达以外，还能够应用于工厂、大厦、电梯驱动用等。
如上所述，实施方式的旋转电机系统的发电用电力转换电路30还同时具有将蓄电在发电负载40中的电力供给至第2线圈组C20而产生使转子旋转的旋转磁场的功能。即，发电用电力转换电路30及发电负载40实现如下的功能：作为与将电力蓄电到发电负载40时相反的能量流动，将蓄电在发电负载40中的电力供给至第2线圈组C20，产生使旋转电机10的转子旋转的旋转磁场。
图18表示将旋转电机系统用于工业系统、社会系统的应用系统中的用于高效率运转的工作点的转移。图18是纵轴为转矩、横轴为速度、用等高线表示效率分布的图表，示出了运转特性和效率分布上的动作点。在图18中实线所示的箭头E的方向上效率增加，在中心的点P处效率最高。
在图18中，高负载时的高转矩Th与连续低负载时的连续额定转矩Tm之间的差分是马达驱动动作中的马达转矩TM。连续低负载时的连续额定转矩Tm与轻负载时的低转矩Tl之间的差分是发电动作中的发电转矩TW。
在起步时全部为马达驱动动作，在减速时全部为发电动作，但在轻负载的运转时，通过第1线圈组C10以最高效率点的转矩进行马达驱动动作，同时通过第2线圈组C20进行发电动作而对蓄电池40A进行蓄电。在工厂等产业系统中，当工厂、大厦的电源设备的供给电力在夏季下午瞬间成为最高值的情况下，通过将上述的通过发电动作而蓄电在蓄电池40A中的电力用于马达驱动动作，由此能够抑制电源设备的最大供给电力。由此，能够增加工厂、大厦等的电源设备的短时间的最大供给电力。或者，能够削减电力设备的电力容量。并且，即使在瞬时停电时，马达驱动动作也通过蓄电在蓄电池中的电力而继续，因此能够使工厂的生产线不停止地运转。
如上所述，通过同时进行马达驱动动作和发电动作，由此旋转电机系统的动作点向高效率区域转移。
在电梯的驱动用马达中应用了实施方式的旋转电机系统的情况下，在搭载重量较轻的情况下，通过第1线圈组C10以最高效率点的转矩进行马达驱动动作，并通过第2线圈组C20进行发电动作而对蓄电池40A进行蓄电。与工厂、大厦同样，在电源设备的供给电力在夏季下午瞬间成为最高值的情况下，通过将上述的通过发电动作而蓄电在蓄电池40A中的电力用于马达驱动动作，由此能够抑制电梯的电源设备的最大供给电力。由此，能够增加电梯的电源设备的短时间的最大供给电力。或者，能够削减电力设备的电力容量。并且，即使在瞬时停电时，马达驱动动作也通过蓄电在蓄电池中的电力而继续，因此不会被困在电梯中，在停电时也能够使电梯运转。
但是，在通过存在电压限制的电源使马达进行可变速运转的情况下，在作为混合动力汽车、电动汽车、节能设备用为主流的永磁体同步型电动机中，能够通过弱磁通控制进行可变速运转。弱磁通控制为，通过基于d轴电流的电枢反作用磁通使与励磁磁通合成的d轴磁通减少而抑制电压。但是，由于基于q轴电流的q轴磁通残留，因此基于该q轴磁通的电压无法抑制，若在高速旋转速度下成为高频，则即使进行弱磁通控制，也难以通过基于q轴磁通的电压进行驱动。
与此相对，实施方式的旋转电机系统为，通过第1线圈组C10进行马达驱动动作，通过第2线圈组C20进行发电动作。在这种情况下，决定转矩和输出的大小的q轴电流成为反方向。即，当将马达驱动动作的转矩电流设为正的q轴电流时，发电动作的转矩(输出)电流成为负的q轴电流。
因此，通过由q轴电流形成的q轴磁通产生的电压(在电路中为基于q轴电感Lq的电压V(Lq、Iq))彼此成为反方向成分。因此，合计的电压降低，还能够成为几乎为零(V(Lq、Iq)+V(Lq、-Iq)＝0)。因此，当应用本发明的实施方式的旋转电机系统时，合成的端子电压大幅度降低，并且只有基于励磁磁通的d轴磁通的感应电动势成为合成的电压，差分的电压扩大到合成的负载电压和电源电压，并且最高速度以与差分的电压相当的速度比率变高，能够扩大可变速范围。即，能够在从低速到高速的较大可变速范围内运转。
如上所述，在实施方式的旋转电机系统中，在第1线圈组C10中流动q轴电流，并且在第2线圈组C20中流动极性与第1线圈组C10相反的q轴电流，进行使负载时的旋转电机10的端子电压减小的控制。由此，可变速范围被扩大。以下，通过电压矢量图来表示上述内容。
图19的(a)、图19的(b)以及图20的(a)、图20的(b)是用于说明通过在进行可变速运转驱动的系统中应用实施方式的旋转电机系统而得到的电压降低效果的电压矢量图。图19的(a)、图19的(b)是中·高旋转速度、高输出(中·低转矩)运转的范围内的电压矢量图。图20的(a)、图20的(b)是低速旋转、高转矩的运转范围内的电压矢量图。此外，图19的(a)和图20的(a)是不具有发电功能而仅进行马达驱动动作的比较例的旋转电机系统的电压矢量图。图19的(b)和图20的(b)是实施方式的旋转电机系统的电压矢量图。
在图19的(a)中，感应电压V0(a1)是通过弱磁通控制或可变磁力而降低了的感应电压，感应电压V0(a2)是不进行弱磁通控制的情况下的励磁磁通所产生的感应电压。通过弱磁通控制或可变磁力而降低了的合成磁通的负载电压VL(a1)是马达驱动动作中的基于正的q轴电流的电压+Vd与感应电压V0(a1)的合成电压。负载电压VL(a1)大于感应电压V0(a1)。另一方面，不进行弱磁通控制的情况下的合成磁通的负载电压VL(a2)是电压+Vd与感应电压V0(a2)的合成电压。负载电压VL(a2)大于感应电压V0(a2)。
在图19的(b)中，感应电压V0(b1)是通过弱磁通控制或可变磁力而降低了的感应电压，感应电压V0(b2)是不进行弱磁通控制的情况下的感应电压。电压+Vd是马达驱动动作中的基于正的q轴电流的电压，电压-Vd是发电动作中的基于负的q轴电流的电压。如图19的(b)所示，如果忽略线圈电阻，则通过磁通控制或可变磁力而降低了的合成磁通的负载电压VL(b1)与感应电压V0(b1)大致相同。
通过图19的(a)所示的负载电压VL(a1)与图19的(b)所示的负载电压VL(b1)的比较可知，根据实施方式的旋转电机系统，与比较例相比，负载电压大幅度降低。因此，最高速度扩大。
在图20的(a)中，比较例的合成磁通的负载电压VL(a)是基于励磁磁通的感应电压V0(a)与马达驱动动作中的基于正的q轴电流的电压+Vd的合成电压。在图20的(b)中，实施方式的旋转电机系统的合成磁通的负载电压VL(b)与基于励磁磁通的感应电压V0(b)大致相等。通过图20的(a)与图20的(b)的比较也可知，根据实施方式的旋转电机系统，与比较例相比，负载电压也大幅度降低。因此，最高速度扩大。
以下，表示针对M&G系统的PM模型和仅进行马达驱动动作的比较例的M模型分析负载电压而得的结果。PM模型和M模型是3相交流方式的9槽的永磁体同步型电动机。
在比较例的M模型中，通过流动负的d轴电流来进行弱磁通控制。另一方面，在PM模型中，调整发电机侧的电流相位以仅抵消q轴方向的磁通。
另外，如图21所示，PM模型使用了在各个槽中配置了用于马达驱动动作的第1线圈组C10和用于发电动作的第2线圈组C20的双方的构成。即，遍及转子的整周配置有第1线圈组C10和第2线圈组C20。因此，能够使转子顺畅地旋转。例如，将各个槽的线圈分割为2：1，将中心侧的线圈作为第1线圈组C10使用，将外周侧的线圈作为第2线圈组C20使用。第1线圈组C10和第2线圈组C20例如由逆变器电路驱动。
分析所使用的PM模型的线圈的匝数为，第1线圈组C10为40，第2线圈组C20为20。另一方面，M模型的线圈的匝数为62。
图22表示PM模型以及M模型的与电流相位的变化相对的负载电压的特性。在图22中，特性PM是PM模型的负载电压的特性，特性M是M模型的负载电压的特性。另外，由于PM模型的第1线圈组C10的匝数为M模型的匝数的三分之二，因此对于PM模型表示使计算出的负载电压成为3/2倍的数值。如图22所示，在全部电流相位中，PM模型的负载电压小于M模型的负载电压。
在M模型中，流动负的d轴电流来进行弱磁通控制。由于流动不直接有助于马达驱动的电流，因此效率较差。特别是，越是高速旋转，越需要增大负的d轴电流，效率越降低。与此相对，在PM模型中，通过由发电用的线圈来抵消q轴方向的磁通，由此实现等效的弱磁通控制。由于不流动负的d轴电流，因此与M模型相比铁损减少，能够高效率化。另外，通过感应电压的降低，能够实现输出范围较大的马达。
图23表示对M模型和PM模型的功率因数进行分析而得的结果。如图23所示，PM模型的功率因数比M模型高。另外，在M模型中，电流从额定电流的2.75Arms增大到2倍的5.50Arms，由此功率因数降低。与此相对，在PM模型中，即使电流同样地增大，功率因数也不会降低。
＜第1变形例＞
图24表示本发明的实施方式的第1变形例。图24所示的旋转电机系统与图1的不同点在于，不具有发电用电力转换电路30。其他构成与图1所示的旋转电机系统相同。
在图24所示的旋转电机系统中，由旋转电机10发电的电力从第2线圈组C20直接输出到外部。例如，在将旋转电机系统的发电动作作为单独的交流电源来利用的系统的情况下，也可以将在减速时等产生的再生能量保持交流电力的状态输出给负载。
＜第2变形例＞
图25表示本发明的实施方式的第2变形例。图25所示的旋转电机系统与图1的不同之处在于，不具有驱动用电力转换电路20。其他构成与图1所示的旋转电机系统相同。
在图25所示的旋转电机系统中，驱动旋转电机10的电力不经由驱动用电力转换电路20而直接输入至第1线圈组C10。例如，也可以将从商用电源供给的电力供给至第1线圈组C10来驱动旋转电机10。
(其他实施方式)
如上所述，本发明通过实施方式进行了记载，但不应理解为本发明受到构成该公开的一部分的论述及附图的限制。根据该公开，本领域技术人员能够明确各种代替实施方式、实施例以及运用技术。
例如，在上述中，对旋转电机10为笼型感应电动机、永磁体同步型电动机的构造的情况进行了探讨，但旋转电机10也可以为其他构造的感应电动机、同步电动机的构造。或者，也可以在旋转电机10中采用除感应电动机、同步电动机以外的例如直流马达等其他构造。
如此，本发明当然包括在此没有记载的各种实施方式等。
工业上可利用性
本发明的旋转电机系统能够利用于同时进行马达驱动动作和发电动作的旋转电机系统。

Claims (11)

1.一种旋转电机系统，其特征在于，
具备旋转电机，该旋转电机具有转子及设置有定子绕组的定子，
所述定子绕组包括：
第1线圈组，产生使所述转子旋转的旋转磁场；以及
第2线圈组，通过由所述转子的旋转产生的感应电动势来产生电力。
2.根据权利要求1所述的旋转电机系统，其特征在于，
还具备驱动用电力转换电路，该驱动用电力转换电路与所述第1线圈组一起构成使所述转子旋转的驱动用多相交流电路。
3.根据权利要求2所述的旋转电机系统，其特征在于，
通过在所述驱动用电力转换电路中调整所述第1线圈组中流动的电流的电流值及相位，来调整所述旋转电机产生的转矩。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的旋转电机系统，其特征在于，
还具备发电用电力转换电路，该发电用电力转换电路与所述第2线圈组一起构成将通过所述旋转电机的旋转而产生的所述电力向外部输出的发电用多相交流电路。
5.根据权利要求4所述的旋转电机系统，其特征在于，
通过调整构成所述发电用电力转换电路的转换器电路的开关元件的接通状态和断开状态的期间，来调整使所述转子旋转的马达驱动动作与产生所述电力的发电动作的比率。
6.根据权利要求4或5所述的旋转电机系统，其特征在于，
还具备对从所述发电用电力转换电路输出的所述电力进行蓄电的发电负载，
将蓄电在所述发电负载中的所述电力用于所述转子的旋转。
7.根据权利要求6所述的旋转电机系统，其特征在于，
所述发电用电力转换电路及所述发电负载实现如下功能：作为与将所述电力蓄电到所述发电负载中的情况相反的能量流动，将蓄电在所述发电负载中的所述电力供给至所述第2线圈组，产生使所述转子旋转的旋转磁场。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的旋转电机系统，其特征在于，
所述第1线圈组及所述第2线圈组分别构成3相交流电路。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的旋转电机系统，其特征在于，
调整所述第1线圈组的马达驱动动作的输出与所述第2线圈组的发电动作的输出的输出分配比率，以使所述旋转电机在所述旋转电机所驱动的装置和所述旋转电机的综合效率成为最高的动作点进行运转。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的旋转电机系统，其特征在于，
在所述第1线圈组中流动q轴电流，在所述第2线圈组中流动极性与所述第1线圈组相反的q轴电流。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的旋转电机系统，其特征在于，
在所述第1线圈组中流动q轴电流，在所述第2线圈组中流动极性与所述第1线圈组相反的q轴电流，进行使负载时的所述旋转电机的端子电压减小的控制。
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