JP2000175420A - 電動機及び電動機制御装置 - Google Patents

電動機及び電動機制御装置

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JP2000175420A
JP2000175420A JP10343355A JP34335598A JP2000175420A JP 2000175420 A JP2000175420 A JP 2000175420A JP 10343355 A JP10343355 A JP 10343355A JP 34335598 A JP34335598 A JP 34335598A JP 2000175420 A JP2000175420 A JP 2000175420A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 限られた電流容量のパワートランジスタで駆
動し、そのパワートランジスタの電流容量よりも十分に
大きな出力で駆動できるようにする。 【解決手段】 通常、電動機は界磁手段と電機子手段と
から構成される。界磁手段は界磁コアとこれに巻き回さ
れた界磁巻線とから構成されるものや永久磁石で構成さ
れるものなどがある。電機子手段は同相電流の流される
電機子巻線の組が２組以上巻回されて構成される。この
ような電動機において、２組以上の電機子巻線にそれぞ
れ別々に電流を供給するように端子手段を構成する。す
なわち、電機子巻線がに３相の交流電流が供給される場
合、従来はＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３つの相に対応した３つ
の端子だけが設けられていたが、この発明の電動機では
２組の３相巻線に３相交流電流を別々に供給するために
少なくとも６つの端子が設けられる。これによって、１
組の巻線に供給する電流の容量が分散できるので、電流
供給用のインバータ回路を構成するパワートランジスタ
の電流容量自体を小さくすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、電気自動車などの動力
源として使用される大出力用の電動機に関する。
【０００２】
【従来の技術】最近、電気自動車などの動力源として電
動機が使用されるようになってきた。このような電動機
の性能としては自動車を駆動させる程度の大出力のもの
でなければならず、それを制御するためのインバータ回
路も大出力で高価なものが必要であった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】例えば、３相交流電流
で駆動される３０〔ｋＷ〕出力の電動機の場合、大体６
００〔Ａ〕程度の電流を供給可能なパワートランジスタ
でインバータ回路を構成しなければならない。供給電流
６００〔Ａ〕のパワートランジスタは市販のものが存在
するが、電動機の出力が６０〔ｋＷ〕になった場合、パ
ワートランジスタの供給電流が１２００〔Ａ〕となる。
このようなパワートランジスタは市販されていないた
め、特注品となる。特注品のパワートランジスタは市販
品に比べて非常に高価である。そこで、従来は大出力の
電動機を構成するために、動力を伝達する軸に機械的に
複数の電動機を直結して、大出力の電動機を構成してい
た。インバータ回路もこれらの個々の電動機に対して電
流を供給すればよいので、特注品のような大容量のパワ
ートランジスタで構成しなくてもよい。
【０００４】ところが、複数の電動機を直結すると、そ
れだけで電動機の占める容積が大きくなり、さらに複数
の電動機を直結するための構造物（フレームや継ぎ手な
ど）が必要となり、実用的ではないという問題もある。
【０００５】本発明は上述の点に鑑みてなされたもので
あり、限られた電流容量のパワートランジスタで駆動し
た場合でも、そのパワートランジスタの電流容量よりも
十分に大きな出力で駆動することのできる電動機及び電
動機制御装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】出願時の請求項１に記載
された発明に係る電動機は、界磁手段と、同相電流の流
される電機子巻線の組が２組以上巻回されて構成された
電機子手段と、前記２組以上の電機子巻線にそれぞれ別
々に電流を供給するように構成された端子手段とから構
成されるものである。界磁手段は界磁コアとこれに巻き
回された界磁巻線とから構成されるものや永久磁石で構
成されるものなどがある。電機子手段は電機子コアに巻
き回された電機子巻線から構成される。通常、電機子巻
線は集中巻や分布巻などで巻回された複数のコイル群か
ら構成される。複数のコイル群は同相電流の流されるも
の同士が共通に接続されて、端子台の１つの端子から電
機子電流の供給を共通に受けていた。これに対してこの
発明に係る電動機では、同相電流の流される電機子巻線
の組が少なくとも２組以上で構成されており、この巻線
の組に電機子電流を供給する端子が別々に設けてある。
すなわち、電機子巻線がに３相の交流電流が供給される
場合、従来はＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３つの相に対応した３
つの端子だけが設けられていたが、この発明の電動機で
は２組の３相巻線に３相交流電流を別々に供給するため
に少なくとも６個の端子が設けられる。これによって、
１組の巻線に供給する電流の容量が分散できるので、電
流供給用のインバータ回路を構成するパワートランジス
タの電流容量自体を小さくすることができる。
【０００７】出願時の請求項６に記載された発明に係る
電動機制御手段は、界磁手段と、２組以上の電機子巻線
の巻回された電機子手段と、前記２組以上の電機子巻線
にそれぞれ別々に電流を供給するように構成された端子
手段と、前記端子手段を介して前記電機子巻線のそれぞ
れに所定の電流を供給するように構成された２組以上の
インバータ手段とを備えたものである。この電動機制御
手段は、出願時の請求項１に記載の電動機を制御するも
のであり、端子手段の各端子に電流を供給するインバー
タ手段を設けたものである。
【０００８】
【実施例】以下、本発明の実施例を添付図面に従って詳
細に説明する。図１及び図２は本発明に係る電動機の実
施の形態の構成を示す図である。図１はこの電動機の回
転軸を含む一部断面構造（図２のＢ−Ｂ面）を示す図で
ある。図２は図１の電動機におけるＡ−Ａ面の断面構造
を示す図である。この電動機は磁極数が４極の３相交流
駆動型の回転形同期電動機である。この回転形同期電動
機は四隅に切欠きを有する電機子コア１と、この電機子
コア１の両側に設けられたフランジ２，３と、フランジ
２の軸受４及びフランジ３の軸受５に回転自在に設けら
れた回転軸６と、電機子コア１内に巻き回された電機子
巻線との接続端子を有する端子台８とから構成される。
回転軸６には永久磁石９１〜９４の取り付けられた回転
子７からなる界磁極が設けられている。
【０００９】電機子コア１は図２に示すような四隅に切
欠きを有する正方形状の成層鉄心で構成され、その内側
に図２に示すような回転軸６を中心とした半径方向に延
びた３６個のスロットを有する。この四隅の切欠き部分
は電動機を機械などに設置するための取付部材用の空間
を形成するものである。電機子コア１の各スロットには
同相電流の流される２組の３相電機子巻線が巻回されて
いる。電機子コア１の成層鉄心は薄いけい素鋼板を軸方
向に沿って複数枚積み重ねて構成されたものである。電
機子コア１に巻回されている２組の３相電機子巻線はそ
れぞれ電気角で１２０度ずれた位置に巻回された２組の
Ｕ相巻線Ｕａ，Ｕｂ、Ｖ相巻線Ｖａ，Ｖｂ及びＷ相巻線
Ｗａ，Ｗｂから構成される。
【００１０】すなわち、第１組目のＵ相巻線Ｕａは６個
のスロットを介してＵ１−ｕ１−Ｕ２−ｕ２−Ｕ３−ｕ
３の順番で電機子コア１に巻回されている。第２組目の
Ｕ相巻線Ｕｂは６個のスロットを介してＵ４−ｕ４−Ｕ
５−ｕ５−Ｕ６−ｕ６の順番で電機子コア１に巻回され
ている。同じく第１組目のＶ相巻線Ｖａは６個のスロッ
トを介してＶ１−ｖ１−Ｖ２−ｖ２−Ｖ３−ｖ３の順番
で電機子コア１に巻回されている。第２組目のＶ相巻線
Ｖｂは６個のスロットを介してＶ４−ｖ４−Ｖ５−ｖ５
−Ｖ６−ｖ６の順番で電機子コア１に巻回されている。
第１組目のＷ相巻線Ｗａは６個のスロットを介してＷ１
−ｗ１−Ｗ２−ｗ２−Ｗ３−ｗ３の順番で電機子コア１
に巻回されている。第２組目のＷ相巻線Ｗｂは６個のス
ロットを介してＷ４−ｗ４−Ｗ５−ｗ５−Ｗ６−ｗ６の
順番で電機子コア１に巻回されている。Ｕ相巻線Ｕａ，
ＵｂとＶ相巻線Ｖａ，Ｖｂとの間、Ｖ相巻線Ｖａ，Ｖｂ
とＷ相巻線Ｗａ，Ｗｂとの間は、それぞれ電気角で１２
０度ずれている。すなわち、図ではＶ相巻線ＶａはＵ相
巻線Ｕａに対して４個分だけ時計方向にずれた位置から
順番に巻回され、Ｗ相巻線ＷａはＶ相巻線Ｖａに対して
４個分だけ時計方向にずれた位置から、Ｕ相巻線Ｕａと
Ｖ相巻線Ｖａとの間の３つのスロットに向かって順番に
巻回される。Ｕ相巻線ＵｂはＷ相巻線Ｗａに対して４個
分だけ時計方向にずれた位置から順番に巻回される。同
様にＶ相巻線ＶｂはＵ相巻線Ｕｂに対して４個分だけ時
計方向にずれた位置から順番に巻回され、Ｗ相巻線Ｗｂ
はＶ相巻線Ｖａに対して４個分だけ時計方向にずれた位
置から、Ｕ相巻線ＵｂとＶ相巻線Ｖｂとの間の３つのス
ロットに向かって順番に巻回される。
【００１１】回転子７は、電機子コア１の内周面に沿っ
て設けられた永久磁石９１〜９４によって構成される。
永久磁石９１〜９４の各磁極（Ｎ極及びＳ極）から出る
磁束と、電機子コア１の各スロットから出る磁束とによ
って、回転子７すなわち回転軸６は回転する。電機子コ
ア１と永久磁石９１〜９４の表面との間隔は約０．５〜
３ｍｍ程度である。永久磁石９１〜９４によって生じた
磁極（Ｎ極及びＳ極）における磁界の磁束分布は回転方
向に沿って正弦波状となるように磁化されている。すな
わち、各永久磁石９１〜９４の最大磁束をΦｍ、磁極中
心をθ＝０とすると磁束Φ及び磁束密度Ｂは次のように
表される。
【００１２】Φ＝Φｍ・ｃｏｓθ Ｂ＝Ｂｍ・ｃｏｓθ 端子台８は、これらの各組の３相電機子巻線の各相Ｕ
ａ，Ｖａ，Ｗａ，Ｕｂ，Ｖｂ，Ｗｂの接続端子と、アー
ス端子Ｅを有する。電機子コア１の２組の３相電機子巻
線には、次のような互いに位相角で１２０度ずつずれた
３相の交流電流ＩＵａ，ＩＶａ，ＩＷａ及びＩＵｂ，Ｉ
Ｖｂ，ＩＷｂが各相Ｕａ，Ｖａ，Ｗａ，Ｕｂ，Ｖｂ，Ｗ
ｂの接続端子を介して供給される。
【００１３】 ＩＶａ＝ＩＶｂ＝Ｉｍ×ｓｉｎ（ωｔ−２π／３） ＩＷａ＝ＩＷｂ＝Ｉｍ×ｓｉｎ（ωｔ−４π／３） ここで、交流電流ＩＵａとＩＵｂ、ＩＶａとＩＶｂ、Ｉ
ＷａとＩＷｂがそれぞれ同相電流となる。この３相の交
流電流によってフレミングの法則によるトルクＴが発生
し、回転子７（回転軸６）は回転する。なお、このトル
クＴの大きさを制御するには、電機子巻線に流す電流の
大きさを制御するだけでよくなる。なお、界磁極が電磁
石で構成される場合には界磁電流を制御することによっ
てトルクＴを制御できることはいうまでもない。
【００１４】図３は、本発明の同期電動機を利用したＡ
Ｃサーボモータシステムのブロック構成を示す図であ
る。同期電動機の回転軸６には、回転速度と磁極位置を
検出するための位置検出器９（例えばロータリエンコー
ダやロータリレゾルバなど）が結合されている。図３で
は、同期電動機が回転軸６で直結されたような形で図示
しているが、実際には図１及び図２に示したように回転
子７に対して同相電流の流される２組の３相電機子巻線
が電機子コア１に巻き回された構成になっている。
【００１５】この位置検出器９からは同期電動機の回転
速度を示す信号Ｓ２が速度アンプ３１に、同期電動機の
界磁の回転位置すなわち磁極位置を示す信号Ｓ６がＰＷ
Ｍアンプ３３ａ及び３３ｂにフィードバックされる。速
度アンプ３１は回転速度指令Ｓ１と位置検出器９からの
同期電動機の回転速度信号Ｓ２とを入力し、両者の速度
偏差を求め、この速度偏差に応じた電流指令信号（トル
ク信号）Ｓ３を電流アンプ３２ａ及び３２ｂに出力す
る。電流アンプ３２ａは、電流検出アイソレータ３５ａ
で検出された電流フィードバック信号（Ｕａ相，Ｖａ
相，Ｗａ相の検出電流）Ｓ４ａと速度アンプ３１からの
電流指令信号Ｓ３との差を増幅し、それをＰＷＭアンプ
３３ａの入力信号Ｓ５ａとして出力する。ＰＷＭアンプ
３３ａは、電流アンプ３２ａからの入力信号Ｓ５ａと、
位置検出器９からの界磁の磁極位置信号Ｓ６とに基づい
て３相のＰＷＭ信号すなわちインバータ制御信号Ｓ７ａ
をインバータ３４ａに出力する。インバータ３４ａはイ
ンバータ制御信号Ｓ７ａに応じて駆動され、同期電動機
の第１組目の３相電機子巻線の各相（Ｕａ相，Ｖａ相，
Ｗａ相）に駆動電流ＩＵａ、ＩＶａ及びＩＷａを供給す
る。
【００１６】電流アンプ３２ｂは、電流検出アイソレー
タ３５ｂで検出された電流フィードバック信号（Ｕｂ
相，Ｖｂ相，Ｗｂ相の検出電流）Ｓ４ｂと、速度アンプ
３１からの電流指令信号Ｓ３との差を増幅し、それをＰ
ＷＭアンプ３３ｂの入力信号Ｓ５ｂとして出力する。Ｐ
ＷＭアンプ３３ｂは、電流アンプ３２ｂからの入力信号
Ｓ５ｂと位置検出器９からの界磁の磁極位置信号Ｓ６と
に基づいて３相のＰＷＭ信号すなわちインバータ制御信
号Ｓ７ｂをインバータ３４ｂに出力する。インバータ３
４ｂはインバータ制御信号Ｓ７ｂに応じて駆動され、同
期電動機の第２組目の３相電機子巻線の各相（Ｕｂ相，
Ｖｂ相，Ｗｂ相）に駆動電流ＩＵｂ、ＩＶｂ及びＩＷｂ
を供給する。
【００１７】なお、上述の実施例では、同相電流の流さ
れる２組の３相電機子巻線を電機子コア１に巻回す場合
について説明したが、３組の３相電機子巻線を巻回す場
合にも同様に適用できることは言うまでもない。この場
合は、電流アンプ、ＰＷＭアンプ、インバータ回路、電
流アイソレータからなる電流供給手段を３組設ければよ
い。また、上述の実施の形態では、回転型の電動機につ
いて説明したが、回転子７を直線方向に展開した構成さ
れた直線移動子を直線方向に駆動するリニアモータに適
用できることはいうまでもない。
【００１８】上述の実施の形態では、電動機を例に説明
したが、電機子巻線に発生する誘導起電力を取り出す発
電機として利用してもよい。上述の実施の形態では、４
極３６スロットの同期機について説明したが、極数とス
ロット数との関係はこれに限定されるものではなく、電
機子巻線の組を複数設けることができれば、任意の組み
合わせを適宜採用することができることはいうまでもな
い。また、電機子巻線を単層重巻を例に説明したが、こ
れに限らず、２層重巻にしてもよい。
【００１９】図３のＡＣサーボモータシステムでは、速
度アンプ３１が同じ電流指令信号Ｓ３を電流アンプ３２
ａ及び電流アンプ３２ｂに供給する場合について説明し
たが、速度アンプ３１がそれぞれ異なる電流指令信号Ｓ
３を電流アンプ３２ａ及び電流アンプ３２ｂに供給する
ようにしてもよいし、電流アンプ毎にそれぞれ速度アン
プを設けるようにしてもよい。
【００２０】なお、上述の実施の形態では、第１組目の
３相電機子巻線Ｕａ，Ｖａ，Ｗａを電機子コア１の１番
目のスロットから時計方向に１８番目のスロットに対し
て巻回し、第２組目の３相電機子巻線Ｕｂ，Ｖｂ，Ｗｂ
を電機子コア１の１９番目のスロットから時計方向に３
６番目のスロットに巻回して、合計２回路分の巻線の組
を構成する場合、すなわち、第１組目と第２組目の電機
子巻線をそれぞれ別々のスロットに巻回す場合について
説明したが、図４のように巻回してもよい。すなわち、
第１組目のＵ相巻線Ｕａは１２個のスロットを介してＵ
１−ｕ１−Ｕ２−ｕ２−Ｕ３−ｕ３−Ｕ４−ｕ４−Ｕ５
−ｕ５−Ｕ６−ｕ６の順番で電機子コア１に巻回され
る。第２組目のＵ相巻線Ｕｂは１２個のスロットを介し
てＵＡ−ｕＡ−ＵＢ−ｕＢ−ＵＣ−ｕＣ−ＵＤ−ｕＤ−
ＵＥ−ｕＥ−ＵＦ−ｕＦの順番で電機子コア１に巻回さ
れる。同じく第１組目のＶ相巻線Ｖａは１２個のスロッ
トを介してＶ１−ｖ１−Ｖ２−ｖ２−Ｖ３−ｖ３−Ｖ４
−ｖ４−Ｖ５−ｖ５−Ｖ６−ｖ６の順番で電機子コア１
に巻回される。第２組目のＶ相巻線Ｖｂは１２個のスロ
ットを介してＶＡ−ｖＡ−ＶＢ−ｖＢ−ＶＣ−ｖＣ−Ｖ
Ｄ−ｖＤ−ＶＥ−ｖＥ−ＶＦ−ｖＦの順番で電機子コア
１に巻回される。第１組目のＷ相巻線Ｗａは１２個のス
ロットを介してＷ１−ｗ１−Ｗ２−ｗ２−Ｗ３−ｗ３−
Ｗ４−ｗ４−Ｗ５−ｗ５−Ｗ６−ｗ６の順番で電機子コ
ア１に巻回される。第２組目のＷ相巻線Ｗｂは１２のス
ロットを介してＷＡ−ｗＡ−ＷＢ−ｗＢ−ＷＣ−ｗＣ−
ＷＤ−ｗＤ−ＷＥ−ｗＥ−ＷＦ−ｗＦの順番で電機子コ
ア１に巻回される。ここで、第１組目の３相電機子巻線
Ｕａ，Ｖａ，Ｗａは電機子コア１の１番目のスロットか
ら３６番目のスロットを使って巻回され、第２組目の３
相電機子巻線Ｕｂ，Ｖｂ，Ｗｂは電機子コア１の２番目
のスロットから１番目のスロットを使って巻回されて合
計２回路分の巻線の組が構成されている。すなわち、第
１組目の３相電機子巻線Ｕａ，Ｖａ，Ｗａと第２組目の
３相電機子巻線Ｕｂ，Ｖｂ，Ｗｂとは互いに１スロット
分時計方向にずれて巻回されている。これによって、位
相をずらすことができるのでトルクのリップルを少なく
することができるという効果がある。なお、スロットを
ずらして２組の電機子巻線を巻回す代わりに、図３の磁
極位置Ｓ６の磁極位置をずらしても同様の効果が得られ
ることは言うまでもない。この場合は、２組の電機子巻
線にそれぞれ位相のシフトされた電流が供給されること
になり、前述と同様にトルクのリップルを少なくするこ
とができる。
【００２１】
【発明の効果】本発明によれば、限られた電流容量のパ
ワートランジスタで駆動した場合に、通常の出力よりも
十分に大きな出力で駆動することができるという優れた
効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明に係る同期機の一実施例である回転
形同期電動機の回転軸を含む一部断面構造を示す図であ
る。
【図２】 図１の回転形同期電動機におけるＡ−Ａ面の
断面構造を示す図である。
【図３】 本発明に係る同期電動機を利用したＡＣサー
ボモータシステムのブロック構成を示す図である。
【図４】 図１の回転形同期電動機の巻線の変形例を示
す図である。
【符号の説明】
１…電機子コア、２，３…フランジ、４，５…軸受、６
…回転軸、７…回転子、８…端子台、９１〜９４…永久
磁石
フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H019 AA00 BB03 BB04 BB17 CC03 CC09 DD01 DD09 DD10 EE01 EE14 5H560 AA08 BB01 BB04 BB07 BB15 DA07 DA10 DB07 DB20 DC12 EB01 EC01 RR10 XA02 XA04 XA12 5H619 AA00 BB01 BB02 BB06 BB13 PP01 PP14 PP31 5H621 BB01 BB07 BB10 GA01 GA04 GB14 HH01 JK14

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 界磁手段と、 同相電流の流される電機子巻線の組が２組以上巻回され
    て構成された電機子手段と、 前記２組以上の電機子巻線にそれぞれ別々に電流を供給
    するように構成された端子手段とを備えたことを特徴と
    する電動機。
  2. 【請求項２】 前記界磁手段は永久磁石から構成される
    ことを特徴とする請求項１に記載の電動機。
  3. 【請求項３】 前記電機子巻線の組はそれぞれ異なるス
    ロットを介して別々に巻回されることを特徴とする請求
    項１に記載の電動機。
  4. 【請求項４】 前記電機子巻線の組はそれぞれ同じスロ
    ットを介して巻回されることを特徴とする請求項１に記
    載の電動機。
  5. 【請求項５】 同じスロットを介して巻回された前記２
    組以上の電機子巻線の駆動電流の位相をそれぞれずらし
    たことを特徴とする請求項４に記載の電動機。
  6. 【請求項６】 界磁手段と、 同相電流の流される電機子巻線の組が２組以上巻回され
    て構成された電機子手段と、 前記２組以上の電機子巻線にそれぞれ別々に電流を供給
    するように構成された端子手段と前記端子手段を介して
    前記電機子巻線のそれぞれに所定の電流を供給するよう
    に構成された２組以上のインバータ手段とを備えたこと
    を特徴とする電動機制御装置。
  7. 【請求項７】 前記界磁手段は永久磁石から構成される
    ことを特徴とする請求項６に記載の電動機制御装置。
  8. 【請求項８】 前記インバータ手段は前記同相電流の位
    相をずらして前記２組以上の電機子巻線に供給すること
    を特徴とする請求項６に記載の電動機制御装置。
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