JP2013085381A - Synchronous motor drive system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、同期電動機と同期電動機に互いに位相のずれた複数の三相交流を供給する複数の三相インバータとを備える同期電動機駆動システムに関する。 The present invention relates to a synchronous motor drive system including a synchronous motor and a plurality of three-phase inverters that supply a plurality of three-phase alternating currents that are out of phase with each other to the synchronous motor.
コンプレッサ、電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車等の種々の機器には、同期電動機駆動システムが組み込まれている。このような同期電動機駆動システムとして、同期電動機と、同期電動機に互いに位相のずれた複数の三相交流電力を供給する複数の三相インバータとを備えるものがある(例えば、特許文献1)。
図19は、特許文献1に係る同期電動機900の基本構成を示す図である。同期電動機900は、回転子901と固定子902を含む。回転子901は周方向に等間隔に配置された8個の磁極(永久磁石)905を有し、固定子902は、周方向に等間隔に配置された9個の固定子ティース903を有する。固定子ティース903の各々には、固定子巻線904U1,904V1,904W1,904U1’,904V1’,904W1’,904U2,904V2,904W2が集中巻に巻回されている。
A synchronous motor drive system is incorporated in various devices such as a compressor, an electric vehicle, a hybrid vehicle, and a fuel cell vehicle. As such a synchronous motor drive system, there is a system including a synchronous motor and a plurality of three-phase inverters that supply a plurality of three-phase AC powers that are out of phase with each other to the synchronous motor (for example, Patent Document 1).
FIG. 19 is a diagram showing a basic configuration of a
上記9種の固定子巻線のうち、固定子巻線904U1,904V1,904W1,904U1’,904V1’,904W1’の6つの巻線は、第1の三相インバータから電力供給を受けている。一方、固定子巻線904U2,904V2,904W2の3つの巻線は、第1の三相インバータとは別の第2の三相インバータから電力供給を受けている(特許文献1の図13参照)。第1の三相インバータと第2の三相インバータとは、互いに位相のずれた複数の三相交流を出力する。
Among the above nine types of stator windings, the six windings of the
このような同期電動機システムには、低振動、低騒音の要請から、低トルク脈動であることが求められる。しかしながら、特許文献1のように、隣接関係にある固定子ティースに巻回されている巻線が互いに異なる三相インバータに接続されている場合には、トルク脈動が増大するという課題がある。
複数の三相インバータは、これらの間で所定の位相差を保つように電流位相制御される必要があるところ、製造誤差や外部からのノイズの影響等の理由により、三相インバータにおける電流位相制御にバラツキが生じる場合がある。そうすると、この電流位相のバラツキの影響が各固定子ティースに作用するトルクのバラツキとなって現れる。このトルクのバラツキにより、トルク脈動が増大してしまう。
Such a synchronous motor system is required to have low torque pulsation due to demands for low vibration and low noise. However, as in
Several three-phase inverters need to be current-phase controlled so as to maintain a predetermined phase difference between them, and current phase control in the three-phase inverter due to the effects of manufacturing errors and external noise Variations may occur in Then, the influence of this current phase variation appears as a variation in torque acting on each stator tooth. Torque pulsation increases due to this torque variation.
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、複数の三相インバータ間の電流位相制御にバラツキが生じることによる、トルク脈動の増大を抑制することが可能な同期電動機駆動システムの提供を目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a synchronous motor drive system capable of suppressing an increase in torque pulsation due to variations in current phase control between a plurality of three-phase inverters. And
上記目的を達成するため、本発明に係る同期電動機駆動システムは、周方向に等間隔に配置された複数の磁極を有する回転子と、周方向に等間隔に配置された複数の固定子ティースを有する固定子と、を含む同期電動機と、前記同期電動機に互いに位相のずれた複数の三相交流を供給する、複数の三相インバータと、を備える同期電動機駆動システムであって、各固定子ティースには、1または2種類以上の巻線が集中巻に巻回されており、各固定子ティースに巻回された各巻線は、それぞれ前記複数の三相インバータのいずれかの相に接続されており、隣接関係にある一対の固定子ティースは、いずれも、少なくとも一方の固定子ティースに2種類以上の巻線が巻回されており、これらの巻線が互いに異なる三相インバータに接続されている。 In order to achieve the above object, a synchronous motor drive system according to the present invention includes a rotor having a plurality of magnetic poles arranged at equal intervals in the circumferential direction and a plurality of stator teeth arranged at equal intervals in the circumferential direction. A synchronous motor drive system comprising: a synchronous motor including a stator; and a plurality of three-phase inverters that supply a plurality of three-phase alternating currents that are out of phase with each other to the synchronous motor. 1 or two or more types of windings are wound in a concentrated winding, and each winding wound around each stator tooth is connected to one of the phases of the plurality of three-phase inverters. In each of the pair of stator teeth that are adjacent to each other, two or more types of windings are wound around at least one stator tooth, and these windings are connected to different three-phase inverters. .
本発明の同期電動機駆動システムによれば、各固定子ティースには、1または2種類以上の巻線が、隣接関係にある固定子ティース間の電気角位相差が各固定子ティース間で等しくなるように集中巻に巻回されている。このときに、本発明では、隣接関係にある一対の固定子ティースで見ると、いずれも、少なくとも一方の固定子ティースに2種類以上の巻線が巻回されており、これらの巻線が互いに異なる三相インバータに接続されるようにしている。このような構成とすることで、複数の三相インバータのうちの1台における電流位相が理想的な位相からαだけずれた場合であっても、2種類以上の巻線が巻回された固定子ティースに発生する磁界の位相に与える影響はαそのものではなく、2種類以上の巻線の巻数比に応じて、αから幾らか減じたものとなる。したがって、電流位相制御のバラツキの影響が現れる箇所がないため、従来と比較してトルク脈動の低減を図ることができる。 According to the synchronous motor drive system of the present invention, each stator tooth has one or more types of windings, and the electrical angle phase difference between adjacent stator teeth is equal between the stator teeth. So that it is wound in a concentrated volume. At this time, in the present invention, when viewed with a pair of adjacent stator teeth, at least one of the stator teeth is wound with two or more types of windings, and these windings are mutually connected. They are connected to different three-phase inverters. By adopting such a configuration, even when the current phase in one of the plurality of three-phase inverters deviates by α from the ideal phase, two or more types of windings are fixed. The influence on the phase of the magnetic field generated in the child teeth is not α itself, but is somewhat reduced from α depending on the turn ratio of two or more types of windings. Therefore, since there is no portion where the influence of the variation in the current phase control appears, the torque pulsation can be reduced as compared with the conventional case.
以上説明したように、本発明によれば、複数の三相インバータ間の電流位相制御にバラツキが生じることによる、トルク脈動の増加を抑制することが可能な同期電動機駆動システムを提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a synchronous motor drive system capable of suppressing an increase in torque pulsation due to variations in current phase control between a plurality of three-phase inverters. .
≪第1の実施形態≫
<構成>
図1は、第1の実施形態に係る同期電動機駆動システム1000の全体構成を示す図である。
同期電動機駆動システム1000は、同期電動機100と、同期電動機100に電力を供給する第1の三相インバータ101,第2の三相インバータ102からなる。
<< First Embodiment >>
<Configuration>
FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of a synchronous
The synchronous
直流電源BAは、電源系統を整流して得られる直流電源、または、バッテリタイプ(代表的には、ニッケル水素またはリチウムイオン等の二次電池)の直流電源である。
第1の三相インバータ101,第2の三相インバータ102は、直流電源BAから供給される直流電力を、位相が各々120[°](電気角で2π/3[rad])ずれたU相,V相,W相の三相交流に変換し、その三相交流を同期電動機100に供給する。U相の出力電流U1,U2はそれぞれU相アーム103u,104uから出力され、V相の出力電流V1,V2はそれぞれV相アーム103v,104vから出力され、W相の出力電流W1,W2はそれぞれW相アーム103w,104wから出力される。
The DC power supply BA is a DC power supply obtained by rectifying a power supply system, or a DC power supply of a battery type (typically a secondary battery such as nickel metal hydride or lithium ion).
The first three-
図2は、第1の実施形態に係る同期電動機100の全体構成を示す図であり、図3は、同期電動機100の詳細図である。
同期電動機100は、回転子105、固定子106から構成される。
回転子105は、回転子コア107および複数の永久磁石108を含み、永久磁石108は回転子コア107に回転子の周方向に等間隔に配置されている。永久磁石108によって構成される磁極109は、固定子106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[rad]となり、隣り合う磁極の配置間隔は電気角でπ[rad]となる。本実施形態では、回転子105の磁極が22極なので、機械角に対して電気角が11倍の関係となっている。
FIG. 2 is a diagram illustrating an overall configuration of the
The
The
回転子105の磁極間110、111は、回転子105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。磁極間110は、反時計方向にみてN極からS極に変わる磁極間であり、磁極間111は、反時計方向にみてS極からN極に変わる磁極間である。なお、磁極間111’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。
The
固定子106は、環状の固定子ヨーク112および固定子ヨーク112に周方向に等間隔に配置された複数の固定子ティース113を有する。各固定子ティース113には、固定子巻線114が集中巻に巻回されている。
回転子105の磁極109は周方向に等間隔で22個並べられており、機械角で360/22=16.4[°]の間隔となる。一方、固定子ティース113は、周方向に等間隔で24個並べられており、機械角で360/24=15[°]の間隔となる。このように、各固定子ティース113は、磁極109の配置間隔と異なる配置間隔で併設されており、磁極109と固定子ティース113とが半周当たり11/12だけずれて配置されている。また、各固定子ティース113の配置間隔は11π/12[rad]であり、電気角で165[°]である。
The
Twenty-two
本実施の形態においては、固定子ティース113の数を6Kとした場合、磁極109の数は6K±2で表される。同期電動機100は、固定子ティース113の数が24、磁極109の数が22あるので、K=4の場合について説明していることになる。固定子ティース113の数に対し、磁極109の数を上記のような関係とすることで、永久磁石108の磁束を有効に使うことができる。
In the present embodiment, when the number of
固定子巻線114は、その接続先で区別すると、図1の114U1,114U1’,114V1,114V1’,114W1,114W1’,114U2,114U2’,114V2,114V2’,114W2,114W2’で示すように12種ある。以下、各固定子巻線を区別しない場合には、単に固定子巻線114と記載することとする。
固定子巻線114U1,114U1’は第1の三相インバータ101のU相アーム103uに、固定子巻線114V1,114V1’は第1の三相インバータ101のV相アーム103vに、固定子巻線114W1,114W1’は第1の三相インバータ101のW相アーム103wに、それぞれ接続されている。同様に、固定子巻線114U2,114U2’は第2の三相インバータ102のU相アーム104uに、固定子巻線114V2,114V2’は第2の三相インバータ102のV相アーム104vに、固定子巻線114W2,114W2’は第2の三相インバータ102のW相アーム104wに、それぞれ接続されている。このように、各固定子巻線は、それぞれ第1および第2の三相インバータ101,102のいずれかの相に接続されている。
When the stator winding 114 is distinguished by its connection destination, 114U 1 , 114U 1 ′, 114V 1 , 114V 1 ′, 114W 1 , 114W 1 ′, 114U 2 , 114U 2 ′, 114V 2 , 114V 2 in FIG. There are 12 types as shown by ', 114W 2 , 114W 2 '. Hereinafter, when the stator windings are not distinguished, they are simply referred to as the
The stator windings 114U 1 and 114U 1 ′ are on the
図1に示す出力電流U1と出力電流U2との位相差は、同期電動機駆動システム1000に含まれる三相インバータの個数をL個とした場合に、上記のKを用いてL/K×(π/3[rad])で表される。本実施形態の場合、K=4、L=2であるから、出力電流U1と出力電流U2との位相差はπ/6[rad]である。したがって、固定子巻線114U1,114U2には、互いに位相がπ/6[rad]ずれた電力が供給されることになる。このことは、出力電流V1と出力電流V2との間、出力電流W1と出力電流W2との間でも同様である。
The phase difference between the output current U1 and the output current U2 shown in FIG. 1 is expressed as L / K × (π using the above K when the number of three-phase inverters included in the synchronous
また、図1に示すように、固定子巻線114U1と114U1’は巻回方向が互いに逆である。固定子巻線114U2,114U2’には共に出力電流U1が供給されるが、これらの巻線は互いに巻回方向が逆であるため、固定子巻線114U2および固定子巻線114U2’により生じる磁界の位相差はπ[rad]となる。固定子巻線114V1と114V1’、固定子巻線114W1と114W1’においても同様の関係となっている。この関係は、第2の三相インバータ102から電力供給を受ける固定子巻線についても同様である。ここで、固定子巻線114U1と114U1’等の巻回方向が互いに逆である場合について示したが、これに代えて、固定子巻線114U1と114U1’等の巻回方向が同じであって、入力端子と中性点端子の接続を互いに逆にしてもよい。
Further, as shown in FIG. 1, the winding directions of the stator windings 114U 1 and 114U 1 ′ are opposite to each other. While the stator winding 114U 2, 114U 2 output current U1 Both the 'is supplied, for the windings winding directions to each other are opposite, the stator windings 114U 2 and stator windings 114U 2 The phase difference of the magnetic field generated by 'is π [rad]. Stator winding 114V 1 and 114V 1 have a similar relationship also in ', the stator winding 114W 1 and 114W 1'. This relationship is the same for the stator winding that receives power supply from the second three-
なお、本実施形態のように磁極数を2で割った値(すなわち、極対数)が奇数の場合、換言するとKが偶数の場合、機械角で180[°]対称の位置にある固定子ティースに巻回されている固定子巻線同士は、巻回方向が逆となっている。
図3は、固定子巻線114U1が巻回されている固定子ティース1131,1132,1133付近の拡大図である。なお、固定子巻線114と同様に、各固定子ティースを区別しない場合には、単に固定子ティース113と記載することとする。
If the value obtained by dividing the number of magnetic poles by 2 (that is, the number of pole pairs) is an odd number as in this embodiment, in other words, if K is an even number, the stator teeth at a mechanical angle of 180 [°] are symmetrical. The winding directions of the stator windings wound around are reversed.
Figure 3 is an enlarged view of the
固定子ティース1131は、固定子ティース1132に対して機械角で−15[°]の位置(電気角では、π[rad]からさらに−π/12[rad]ずれた位置)に配置されている。また、固定子ティース1133は、固定子ティース1132に対して機械角で+15[°]の位置(電気角では、π[rad]からさらに+π/12[[rad]]ずれた位置)に配置されている。
The
本実施形態は、各固定子巻線114の巻き方に特徴を有する。以下、各固定子巻線114の巻き方について、各固定子巻線114の構造も含めて説明する。
まず、図3に示すように、固定子巻線114U1は、固定子ティース1131に巻回されたサブ巻線114U1aと、固定子ティース1132に巻回されたサブ巻線114U1bと、固定子ティース1133に巻回されたサブ巻線114U1cとからなる。すなわち、サブ巻線114U1a、114U1b、114U1cが、固定子ティース1131、1132、1133に亘って直列に接続されていることにより接続先が同一の固定子巻線114U1を構成している。図3で図示されていない他の固定子巻線においても同様の構成となっている。各固定子巻線を構成している各サブ巻線は、本発明の巻線に相当する。
The present embodiment is characterized in how to wind each stator winding 114. Hereinafter, how to wind each stator winding 114 will be described, including the structure of each stator winding 114.
First, as shown in FIG. 3, the stator windings 114U 1 is the
また、図3に示すように、固定子ティース1132には、固定子巻線114U1のみが巻回されている。一方、固定子ティース1131には、固定子巻線114U1と固定子巻線114W2’の2つの固定子巻線が巻回されており、固定子ティース1133には、固定子巻線114U1と固定子巻線114U2の2つの固定子巻線が巻回されている。このように、固定子巻線114U1は、複数の固定子ティース113に亘って巻回されている。
Further, as shown in FIG. 3, the
図4は、第1の実施形態に係る各固定子巻線114の固定子106における配置を示す図である。図4中の複数の長尺状の四角は、その1つ1つが各固定子巻線114を示している。本実施形態においては、固定子巻線114U1と同様に、各固定子巻線114に3つのサブ巻線が含まれている。また、図4に示すように、固定子巻線114U1以外の固定子巻線114についても、固定子巻線114U1と同様に複数の固定子ティース113に亘って巻回されている。
FIG. 4 is a diagram illustrating an arrangement of the
固定子106全体で見ると、固定子ティース1132,1134,1136,…,11322,11324のように1種類のサブ巻線のみが巻回されている固定子ティース113が複数個毎に配置されている。図4に示す例においては、1種類のサブ巻線のみが巻回されている固定子ティース113が2個毎にある。このように、1種類のサブ巻線のみが巻回されている固定子ティース113が含まれるような巻き方とすることで、1種類のサブ巻線のみが巻回されている固定子ティースが含まれない場合と比較して、各固定子ティースに巻回するサブ巻線の巻数を削減することができる。
Looking at the
そして、1種類のサブ巻線のみが巻回されている一対の固定子ティースの間に存在する固定子ティースには、当該一対の固定子ティースの一方に巻回されているサブ巻線と接続先が同一のサブ巻線と、他方に巻回されているサブ巻線と接続先が同一のサブ巻線とが巻回されている。具体的に、固定子ティース1132,1134を例に挙げて図3を用いて説明する。サブ巻線114U1bのみが巻回されている固定子ティース1132とサブ巻線114U2bのみが巻回されている固定子ティース1134の間に存在する固定子ティース1133には,サブ巻線114U1bと接続先(ここでの接続先は第1の三相インバータ101のU相アーム103uである。)が同一のサブ巻線114U1cと、サブ巻線114U2bと接続先(ここでの接続先は第2の三相インバータ102のU相アーム104uである。)が同一のサブ巻線114U2aとが巻回されている。
The stator teeth existing between the pair of stator teeth around which only one type of sub-winding is wound are connected to the sub-windings wound around one of the pair of stator teeth. A sub-winding having the same tip, a sub-winding wound around the other, and a sub-winding having the same connection destination are wound. Specifically, it will be described with reference to FIG. 3 by way of the
このような巻き方を各固定子巻線114についてすることで、隣接関係にある一対の固定子ティース113で見ると、いずれも、少なくとも一方の固定子ティース113に2以上のサブ巻線が巻回されており、これらのサブ巻線が互いに異なる三相インバータに接続されるようになっている。つまり、互いに接続先が異なるサブ巻線1つのみが巻回されている固定子ティース113同士が、隣り合うことはない。
Such winding is performed for each stator winding 114, so that when viewed with a pair of
各固定子ティース113に巻回された1以上のサブ巻線の巻数比は、隣接関係にある固定子ティース113間の電気角位相差が各固定子ティース間で等しくなるように調整されている。具体的に図3で説明すると、サブ巻線114U1bの巻数をN1、サブ巻線114U1aおよび114U1cの巻数をN2とした場合、次の関係が満たされている。
N2=N1/2(cos(π/3/K))
本実施形態においては、K=4であるので、
N2=N1/2(cos(π/12))
の関係を満たしていることになる。例えば、N1=50とした場合、N2=25.8≒26である。
The turn ratio of one or more sub-windings wound around the
N2 = N1 / 2 (cos (π / 3 / K))
In this embodiment, since K = 4,
N2 = N1 / 2 (cos (π / 12))
The relationship is satisfied. For example, when N1 = 50, N2 = 25.8≈26.
図3において、固定子巻線114U1が巻回されている固定子ティース1131,1132,1133からなる固定子ティース群において、隣接関係にある固定子ティースに巻回されているサブ巻線は、互いに巻回方向が逆である。具体的には、固定子ティース1131に巻回されているサブ巻線114U1aと、固定子ティース1132に巻回されているサブ巻線114U1bは互いに巻回方向が逆である。また、固定子ティース1132に巻回されているサブ巻線114U1bと、固定子ティース1133に巻回されているサブ巻線114U1cは互いに巻回方向が逆である。
3, 1 stator tooth 113 to the stator windings 114U 1 are wound, 113 2, 113 in 3 stator teeth groups of the sub-winding which is wound around the stator teeth in adjacency The winding directions of the lines are opposite to each other. Specifically, the sub-winding 114U 1 a wound around the
<効果>
各固定子巻線(各サブ巻線)を上記のような巻き方とすることで、例えば、第1の三相インバータ101に接続されているサブ巻線のみが巻回された第1の固定子ティースに隣接する固定子ティース(1種類のサブ巻線のみが巻回された固定子ティースの両隣りの固定子ティース)のうち、少なくとも一方の第2の固定子ティースには2以上のサブ巻線が巻回されていることになる。換言すると、第2の固定子ティースには、第1の三相インバータ101に接続されているサブ巻線と、第2の三相インバータ102に接続されているサブ巻線の両方が必ず巻回されていることになる。このため、第1の三相インバータ101,第2の三相インバータ102における電流位相制御にバラツキが生じた場合であっても、第2の固定子ティースに第2の三相インバータ102と接続されているサブ巻線のみが巻回されている場合(特許文献1の場合)と比較して、バラツキの影響が各固定子ティースに作用するトルクのバラツキとして現れにくい。
<Effect>
By setting each stator winding (each sub-winding) as described above, for example, the first fixed winding in which only the sub-windings connected to the first three-
この理由は以下のように説明することができる。まず、従来例(図19)における固定子巻線904V1が巻回された固定子ティース903と、固定子巻線904W2が巻回された固定子ティース903に注目する。固定子巻線904W2が巻回された固定子ティース903には、この固定子巻線904W2のみが巻回されている。そのため、第2の三相インバータにおける電流位相制御が、理想的な位相からα[rad]だけずれたとした場合、固定子巻線904W2が巻回された固定子ティース903に発生する磁界の位相に与える影響は、α[rad]そのものとなる。
The reason for this can be explained as follows. First, a
一方、本実施形態(図3)における固定子巻線114U1が巻回された固定子ティース1132と、固定子巻線114U2が巻回された固定子ティース1133に注目する。上述したように、固定子ティース1132における巻数が50である場合、固定子ティース1133における巻数は26である。したがって、第2の三相インバータ102における電流位相制御が、理想的な位相からα[rad]ずれた場合、固定子ティース1133に発生する磁界の位相に与える影響はα×26/50[rad]=α×0.52[rad]となり、従来例と比較して半減する。つまり、第2の三相インバータにおける電流位相制御がずれたとしても、その影響が半減される。
On the other hand, the
図5(a)は、第1の実施形態の同期電動機100に係るトルク変化をシミュレーションした結果を示す図であり、図5(b)は、特許文献1の同期電動機900に係るトルク変化をシミュレーションした結果を示す図である。各図において、横軸は回転角度(電気角)[°]、縦軸はトルク[p.u]である。実線は、第1および第2の三相インバータにおける電流位相制御において位相のずれがない場合の結果であり、破線は、第1および第2の三相インバータのいずれか一方における電流位相制御が電気角で20[°]ずれた場合の結果を示している。
FIG. 5A is a diagram showing a result of simulating the torque change related to the
図5(a)と図5(b)との比較により明らかなように、本実施形態の構成によれば、三相インバータに電流位相制御にずれがない場合(実線)、ずれがある場合(破線)ともに、トルク脈動が低減されていることが見て取れる。
以上説明したように、複数の三相インバータ間における電流位相制御にバラツキが生じた場合であっても、それによる電気角位相のずれ量を、従来と比較して減少させることができる結果、トルク脈動の増大を抑制することが可能である。
As is clear from a comparison between FIG. 5A and FIG. 5B, according to the configuration of the present embodiment, there is no deviation in the current phase control in the three-phase inverter (solid line), and there is a deviation ( It can be seen that the torque pulsation is reduced in both cases (broken line).
As described above, even when there is a variation in current phase control among a plurality of three-phase inverters, it is possible to reduce the amount of deviation of the electrical angle phase due to this, resulting in torque It is possible to suppress an increase in pulsation.
また、本実施の形態に係るサブ巻線の巻き方によれば、各固定子巻線を複数本の固定子ティースに亘って巻回しているため、同期電動機に対し三相交流を供給するのに必要な三相インバータの個数を削減することができる。本実施形態では、各固定子巻線を3本の固定子ティースに亘って巻回することで、図1で示したように、三相インバータ2台で駆動させることができる。三相インバータの個数を削減することで、同期電動機駆動システムの小型化および低コスト化を図ることができる。この構成は、本実施形態のように磁極および固定子ティースの個数が比較的多い、いわゆる多極の同期電動機を備える同期電動機駆動システムの場合に特に有効である。なお、本発明者は、三相インバータの個数を削減することによるトルクの減少はなく、三相インバータ2台で駆動させた場合と同等のトルク特性を得られることを確認している。 Further, according to the winding method of the sub-winding according to the present embodiment, since each stator winding is wound across a plurality of stator teeth, three-phase alternating current is supplied to the synchronous motor. It is possible to reduce the number of three-phase inverters required for the operation. In this embodiment, by winding each stator winding over three stator teeth, it can be driven by two three-phase inverters as shown in FIG. By reducing the number of three-phase inverters, the synchronous motor drive system can be reduced in size and cost. This configuration is particularly effective in the case of a synchronous motor drive system including a so-called multipolar synchronous motor in which the number of magnetic poles and stator teeth is relatively large as in the present embodiment. The present inventor has confirmed that there is no torque reduction by reducing the number of three-phase inverters, and that the same torque characteristics as when driven by two three-phase inverters can be obtained.
≪第2の実施形態≫
<構成>
図6は、第2の実施形態に係る同期電動機駆動システム2000の全体構成を示す図である。
同期電動機駆動システム2000は、第1の実施形態に係る同期電動機駆動システム1000における同期電動機100が同期電動機200に変わったものである。
<< Second Embodiment >>
<Configuration>
FIG. 6 is a diagram showing an overall configuration of a synchronous
The synchronous
図7は、第2の実施形態に係る同期電動機200の全体構成を示す図であり、図8は、同期電動機200の詳細図である。
同期電動機200は、回転子205、固定子206から構成される。
本実施形態では回転子205に含まれる永久磁石208は28極である。したがって、機械角に対して電気角が14倍の関係となっている。また、固定子206は、周方向に等間隔に配置された30個の固定子ティース213を有する。各固定子ティース213には、固定子巻線214が集中巻に巻回されている。
FIG. 7 is a diagram illustrating an overall configuration of the
The
In the present embodiment, the
回転子205の磁極209は周方向に等間隔で28個並べられており、機械角で360/28≒12.9[°]の間隔となる。一方、固定子ティース213は、周方向に等間隔で30個並べられており、機械角で360/30=12[°]の間隔となる。このように、各固定子ティース213は、磁極209の配置間隔と異なる配置間隔で併設されており、磁極209と固定子ティース213とが半周当たり14/15だけずれて配置されている。また、各固定子ティース213の配置間隔は14π/15[rad]であり、電気角で168[°]である。
Twenty-eight
同期電動機200は固定子ティース213の数が30、磁極209の数が28であるので、本実施形態においても固定子ティース213の数を6Kとした場合、磁極209の数が6K±2であるという関係を満たしている。したがって、同期電動機200においても、永久磁石208の磁束を有効に使うことができる配置となっている。本実施形態においては、K=5の場合について説明している。
Since the number of
固定子巻線214は、その接続先で区別すると、図1の214U1,214U1’,214V1,214V1’,214W1,214W1’,214U2,214U2’,214V2,214V2’,214W2,214W2’で示すように12種ある。各々の接続先は、第1の実施形態における114U1,114U1’,…114W2,114W2’と同様である。
The
図6に示す出力電流U1と出力電流U2との位相差は、第1の実施形態の場合と同様に、同期電動機駆動システム2000に含まれる三相インバータの個数をL個とした場合に、上記のKを用いてL/K×(π/3[rad])で表される。本実施形態の場合、K=5、L=2であるから、出力電流U1と出力電流U2との位相差は2π/15[rad]である。したがって、固定子巻線214U1,214U2には、互いに位相が2π/15[rad]ずれた電力が供給されることになる。このことは、出力電流V1と出力電流V2との間、出力電流W1と出力電流W2との間でも同様である。
The phase difference between the output current U1 and the output current U2 shown in FIG. 6 is the same as that in the first embodiment when the number of three-phase inverters included in the synchronous
また、図6に示す固定子巻線214U1と214U1’は巻回方向が同じである。固定子巻線214V1と214V1’、固定子巻線214W1と214W1’においても同様の関係となっている。この関係は、第2の三相インバータ102から電力供給を受ける固定子巻線についても同様である。なお、本実施形態のように磁極数を2で割った値(すなわち、極対数)が偶数の場合、換言するとKが奇数の場合、機械角で180[°]対称の位置にある固定子ティースに巻回されている固定子巻線同士は、巻回方向が同じとなっている。
Further, stator windings 214U 1 and 214U 1 'shown in FIG. 6 winding direction is the same. Stator winding 214V 1 and 214V 1 have a similar relationship also in ', the stator winding 214W 1 and 214W 1'. This relationship is the same for the stator winding that receives power supply from the second three-
図8は、第2の実施形態に係る固定子巻線214U1が巻回されている固定子ティース2131,2132,2133,2134付近の拡大図である。固定子ティース2131は、固定子ティース2132に対して機械角で−12[°]の位置(電気角では、(π−π/15)[rad]ずれた位置)に配置されている。また、固定子ティース2133は、固定子ティース2132に対して機械角で+12[°]の位置(電気角では、(π−π/15)[rad]ずれた位置)に配置されている。
Figure 8 is an enlarged view of the second embodiment the stator teeth 213 stator windings 214U 1 according to the embodiment is wound 1, 213 2, 213 3, 213 around 4. The
次に、各固定子巻線214の巻き方について、各固定子巻線214の構造も含めて説明する。
まず、図8に示すように、固定子巻線214U1は、固定子ティース2131に巻回されたサブ巻線214U1aと、固定子ティース2132に巻回されたサブ巻線214U1bと、固定子ティース2133に巻回されたサブ巻線214U1cと、固定子ティース2134に巻回されたサブ巻線214U1dとからなる。サブ巻線214U1a、214U1b、214U1c、214U1dが、固定子ティース2131、2132、2133、2134に亘って直列に接続されていることにより接続先が同一の固定子巻線214U1を構成している。図8で図示されていない他の固定子巻線においても同様の構成となっている。
Next, how to wind each stator winding 214 will be described including the structure of each stator winding 214.
First, as shown in FIG. 8, the stator winding 214U 1 is the
また、図8に示すように、固定子ティース2133には、固定子巻線214U1のみが巻回されている。一方、固定子ティース2131,2132には、固定子巻線214U1と固定子巻線214W2’の2つの固定子巻線が巻回されており、固定子ティース2134には、固定子巻線214U1と固定子巻線214U2の2つの固定子巻線が巻回されている。このように、固定子巻線214U1は、複数の固定子ティース213に亘って巻回されている。
Further, as shown in FIG. 8, the
図9は、第2の実施形態に係る各固定子巻線214の固定子206における配置を示す図である。図9中の複数の長尺状の四角は、その1つ1つが各固定子巻線214を示している。本実施形態においては、固定子巻線214U1と同様に、各固定子巻線214に4つのサブ巻線が含まれている。また、図9に示すように、固定子巻線214U1以外の固定子巻線214についても、固定子巻線214U1と同様に複数の固定子ティース213に亘って巻回されている。
FIG. 9 is a diagram illustrating an arrangement of the
固定子206全体で見ると、固定子ティース2133,2135,2138,…,21328,21330のように1種類のサブ巻線のみが巻回されている固定子ティース213が複数個毎に配置されている。図9に示す例においては、1種類のサブ巻線のみが巻回されている固定子ティース213が2個毎に配置されている箇所と3個毎に配置されている箇所とがある。
Looking at the
本実施形態においても、1種類のサブ巻線のみが巻回されている一対の固定子ティースの間に存在する固定子ティースには、当該一対の固定子ティースの一方に巻回されているサブ巻線と接続先が同一のサブ巻線と、他方に巻回されているサブ巻線と接続先が同一のサブ巻線とが巻回されている。具体的に図8を用いて説明すると、サブ巻線214U1cのみが巻回されている固定子ティース2133とサブ巻線214W2’bのみが巻回されている固定子ティース21330の間には、固定子ティース2131,2132が存在する。固定子ティース2131には,サブ巻線214U1cと接続先が同一のサブ巻線214U1aと、サブ巻線214W2’bと接続先が同一のサブ巻線214W2’cとが巻回されている。また、固定子ティース2132には,サブ巻線214U1cと接続先が同一のサブ巻線214U1bと、サブ巻線214W2’bと接続先が同一のサブ巻線214W2’dとが巻回されている。
Also in the present embodiment, a stator tooth existing between a pair of stator teeth around which only one type of sub-winding is wound includes a sub coil wound around one of the pair of stator teeth. A sub-winding having the same winding and connection destination, and a sub-winding wound on the other side and a sub-winding having the same connection destination are wound. Specifically explaining with reference to FIG. 8, the sub-windings 214U 1 c only
このような巻き方を各固定子巻線214についてすることで、第1の実施形態と同様に、互いに接続先が異なるサブ巻線1つのみが巻回されている固定子ティース213同士が、隣り合うことはない。
1種類のサブ巻線のみが巻回されている固定子ティース213間に1本の固定子ティース213のみが配置されている場合、その固定子ティース213に巻回された1以上のサブ巻線の巻数比は、1種類のサブ巻線のみが巻回されている固定子ティース213、例えば固定子ティース2133に巻回されたサブ巻線214U1cの巻数をN1、2種類のサブ巻線が巻回されている固定子ティース213、例えば固定子ティース2134に巻回されたサブ巻線214U1dの巻数をN2とした場合、次の関係が満たされている。
By making such a winding method for each stator winding 214, similarly to the first embodiment, the
When only one
N2=N1/2(cos(π/3/K))
本実施形態においては、K=5であるので、
N2=N1/2(cos(π/15))
の関係を満たしていることになる。例えば、N1=50とした場合、N2=24.45≒24である。
N2 = N1 / 2 (cos (π / 3 / K))
In this embodiment, since K = 5,
N2 = N1 / 2 (cos (π / 15))
The relationship is satisfied. For example, when N1 = 50, N2 = 24.45≈24.
一方、1種類のサブ巻線のみが巻回されている固定子ティース213間に2本の固定子ティース213が配置されている場合、それらの固定子ティース213に巻回された1以上のサブ巻線の巻数比は、以下のようになる。
2種類のサブ巻線が巻回されている固定子ティース213、例えば固定子ティース2132に巻回されたサブ巻線214のうち、1種類のサブ巻線のみが巻回されている隣接する固定子ティース213である、固定子ティース2133に巻回されたサブ巻線214U1cと同じ種類のサブ巻線214U1bの巻数をN3とし、他方のサブ巻線214W2’dの巻数をN4とした場合、次の関係が満たされている。
On the other hand, when two
Two
N3=N1×sin(2x)/sin(3x)
N4=N1×sin(x)/sin(3x)
但し、x=(π/3/K)である。
図8において、固定子巻線214U1が巻回されている固定子ティース2131,2132,2133,2134からなる固定子ティース群において、隣接関係にある固定子ティースに巻回されているサブ巻線は、互いに巻回方向が逆である。具体的には、サブ巻線214U1aとサブ巻線214U1b、サブ巻線214U1bとサブ巻線214U1c、サブ巻線214U1cとサブ巻線214U1dは互いに巻回方向が逆である。
N3 = N1 × sin (2x) / sin (3x)
N4 = N1 × sin (x) / sin (3x)
However, x = (π / 3 / K).
In FIG. 8, in the stator teeth group consisting of the
<効果>
本実施形態においても、隣接関係にある一対の固定子ティース213は、いずれも、少なくとも一方の固定子ティース213に2以上のサブ巻線が巻回されており、これらのサブ巻線が互いに異なる三相インバータに接続されるようになっている。したがって、本実施形態においても、第1の実施形態と同等のトルク脈動低減効果を得ることができる。
<Effect>
Also in the present embodiment, two or more sub-windings are wound around at least one
また、本実施形態のように、各固定子巻線を4本の固定子ティースに亘って巻回することで、図6で示したように、三相インバータ2台で駆動させることができる。したがって、本実施形態においても、同期電動機駆動システムの小型化および低コスト化を図ることができる。
≪第3の実施形態≫
第1および第2の実施形態においては、1種類のサブ巻線のみが巻回されている固定子ティースが含まれるような巻き方としていたが、本発明はこれに限定されない。本実施形態においては、1種類のサブ巻線のみが巻回されている固定子ティースが含まれない例について説明する。
Moreover, as shown in FIG. 6, it can drive by two three-phase inverters by winding each stator winding over four stator teeth like this embodiment. Therefore, also in this embodiment, the synchronous motor drive system can be reduced in size and cost.
<< Third Embodiment >>
In the first and second embodiments, the winding method includes a stator tooth around which only one type of sub-winding is wound. However, the present invention is not limited to this. In the present embodiment, an example will be described in which a stator tooth around which only one type of sub-winding is wound is not included.
図10は、第3の実施形態に係る同期電動機駆動システム3000の全体構成を示す図である。
同期電動機駆動システム3000は、同期電動機300と、同期電動機300に電力を供給する第1の三相インバータ301,第2の三相インバータ302,第3の三相インバータ303からなる。
FIG. 10 is a diagram illustrating an overall configuration of a synchronous
The synchronous
同期電動機300は、第1の実施形態に係る同期電動機100(図2)と同じ回転子105と固定子106を備えている。同期電動機300と同期電動機100との異なる点は、固定子巻線の数および各固定子巻線の巻き方である。
同期電動機300は、図10に示すように、314U1,314U1’,314V1,314V1’,314W1,314W1’,314U2,314U2’,314V2,314V2’,314W2,314W2’,314U3,314U3’,314V3,314V3’,314W3,314W3’で示す18種の固定子巻線を有する。
The
As shown in FIG. 10, the
固定子巻線314U1,314U1’は第1の三相インバータ301のU相アーム304uに、固定子巻線314V1,314V1’は第1の三相インバータ301のV相アーム304vに、固定子巻線314W1,314W1’は第1の三相インバータ301のW相アーム304wに、それぞれ接続されている。特に説明しないが、固定子巻線314U2,314U2’,314V2,314V2’,314W2,314W2’,314U3,314U3’,314V3,314V3’,314W3,314W3’についても同様の接続関係となっている。
The
図10に示す出力電流U1と出力電流U2との位相差、および出力電流U2と出力電流U3との位相差は、上記のKを用いて(π/3[rad])/Kで表される。本実施形態の場合、K=4であるから、出力電流U1と出力電流U2との位相差、および出力電流U2と出力電流U3との位相差は、π/12[rad]である。したがって、固定子巻線314U1,314U2には、互いに位相がπ/12[rad]ずれた電力が供給され、固定子巻線314U2,314U3には、互いに位相がπ/12[rad]ずれた電力が供給されることになる。このことは、出力電流V1と出力電流V2との間、出力電流V2と出力電流V3との間、出力電流W1と出力電流W2との間、および出力電流W2と出力電流W3でも同様である。
The phase difference between the output current U1 and the output current U2 and the phase difference between the output current U2 and the output current U3 shown in FIG. 10 are expressed by (π / 3 [rad]) / K using the above K. . In this embodiment, since K = 4, the phase difference between the output current U1 and the output current U2 and the phase difference between the output current U2 and the output current U3 are π / 12 [rad]. Therefore, the
図11は、第3の実施形態に係る各固定子巻線の固定子106における配置を示す図である。
本実施形態では、各固定子巻線を3本の固定子ティース113に亘って巻回するようにしている。さらに、いずれの固定子ティース113においても2以上のサブ巻線が巻回されるようにしており、固定子ティース1133,1137,11311,11315,11319,11323にあっては、3のサブ巻線が巻回されている。このような巻き方である結果、1種類のサブ巻線のみが巻回されている固定子ティース113は存在しない。
FIG. 11 is a diagram showing the arrangement of the stator windings in the
In this embodiment, each stator winding is wound over three
本実施形態のような巻き方であっても、隣接関係にある一対の固定子ティース113は、いずれも、少なくとも一方の固定子ティース113に2以上のサブ巻線が巻回されており、これらのサブ巻線が互いに異なる三相インバータに接続されるようになっている。したがって、従来と比較してトルク脈動を抑制することが可能である。
また、本実施形態では、各固定子巻線を3本の固定子ティース113に亘って巻回するようにしている。したがって、本実施形態によれば、図10に示すように、必要な三相インバータの台数を3台にすることが可能である。よって、本実施形態においても、同期電動機駆動システムの小型化および低コスト化を図ることができる。
Even in the winding method as in this embodiment, two or more sub-windings are wound around at least one
In the present embodiment, each stator winding is wound over three
≪第4の実施形態≫
本実施形態においても、第3の実施形態と同様に1種類のサブ巻線のみが巻回されている固定子ティースが含まれない例について説明する。
図12は、第4の実施形態に係る同期電動機駆動システム4000の全体構成を示す図である。
<< Fourth Embodiment >>
Also in this embodiment, an example will be described in which a stator tooth around which only one type of sub-winding is wound is not included as in the third embodiment.
FIG. 12 is a diagram showing an overall configuration of a synchronous
同期電動機駆動システム4000は、第3の実施形態に係る同期電動機駆動システム3000における同期電動機300が同期電動機400に変わったものである。
同期電動機400は、第2の実施形態に係る同期電動機200(図7)と同じ回転子205と固定子206を備えている。同期電動機400と同期電動機200との異なる点は、固定子巻線の数および各固定子巻線の巻き方である。
The synchronous
The
同期電動機400は、図12に示すように、414U1〜414U3,414U1’〜414U3’,414V1〜414V3,414V1’〜414V3’,414W1〜414W3,414W1’〜414W3’の18種の固定子巻線を有する。各固定子巻線の接続関係は、第3の実施形態におけるものと略同様である。但し、第3の実施形態と異なり、固定子巻線414U1と414U1’は巻回方向が同じである。
As shown in FIG. 12, the
図12に示す出力電流U1と出力電流U2との位相差、および出力電流U2と出力電流U3との位相差は、上記の実施形態の場合と同様に、上記のKを用いて(π/3[rad])/Kで表される。本実施形態の場合、K=5であるから、出力電流U1と出力電流U2との位相差、および出力電流U2と出力電流U3との位相差は、π/15[rad]である。したがって、固定子巻線414U1,414U2には、互いに位相がπ/15[rad]ずれた電力が供給され、固定子巻線414U2,414U3には、互いに位相がπ/15[rad]ずれた電力が供給されることになる。このことは、出力電流V1と出力電流V2との間、出力電流V2と出力電流V3との間、出力電流W1と出力電流W2との間、および出力電流W2と出力電流W3でも同様である。
The phase difference between the output current U1 and the output current U2 and the phase difference between the output current U2 and the output current U3 shown in FIG. 12 are obtained by using the above K (π / 3) as in the case of the above embodiment. [Rad]) / K. In this embodiment, since K = 5, the phase difference between the output current U1 and the output current U2 and the phase difference between the output current U2 and the output current U3 are π / 15 [rad]. Therefore, the
図13は、第4の実施形態に係る各固定子巻線の固定子206における配置を示す図である。
本実施形態では、各固定子巻線を4本の固定子ティース213に亘って巻回するようにしている。さらに、いずれの固定子ティース213においても2以上のサブ巻線が巻回されるようにしており、固定子ティース2132,2134,2137,2139,21312,21314,21317,21319,21322,21324,21327,21329にあっては、3種類のサブ巻線が巻回されている。このような巻き方である結果、第3の実施形態と同様に、1種類のサブ巻線のみが巻回されている固定子ティース213は存在しない。したがって、従来と比較してトルク脈動を抑制することが可能である。
FIG. 13 is a diagram illustrating an arrangement of the stator windings in the
In this embodiment, each stator winding is wound over four
本実施形態のように、各固定子巻線を4本の固定子ティース213に亘って巻回するようにした場合には、図12に示すように、必要な三相インバータの台数を3台にすることが可能である。したがって、本実施形態においても、同期電動機駆動システムの小型化および低コスト化を図ることができる。
≪変形例・その他≫
以上、第1〜第4の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限られない。例えば、以下のような変形例等が考えられる。
When each stator winding is wound over the four
≪Modifications ・ Others≫
Although the first to fourth embodiments have been described above, the present invention is not limited to these embodiments. For example, the following modifications can be considered.
(1)上記の実施形態においては、K=4およびK=5の場合について説明したが、本発明においては、Kの数値は特に限定されない。ここでは、K=6およびK=7の場合における各固定子巻線の巻き方について簡単に説明する。
図14は、K=6、L=2の場合における、各固定子ティースとそれに巻回されている固定子巻線を示す表である。図14に示す各表の上方には固定子ティースの番号を示している。本例ではK=6であるので、固定子ティースは1〜36番まである。図14に示す各表の左側には固定子巻線の種類を示している。本例ではL=2であるので、第1および第2の実施形態と同様に12種ある。例えば、「U1」は、第1のインバータのU相アームに接続されていることを示しており、「U2」は、第2のインバータのU相アームに接続されていることを示している。また、「U1’」は「U1」と同様に第1のインバータのU相アームに接続されているが、「U1」とは巻回方向が逆である。また、各固定子巻線は、この表で丸が付されている固定子ティースに巻回されている。例えば、「U1」は、1番〜5番の固定子ティースに巻回されていることを示している。
(1) In the above embodiment, the case of K = 4 and K = 5 has been described. However, in the present invention, the numerical value of K is not particularly limited. Here, how to wind each stator winding in the case of K = 6 and K = 7 will be briefly described.
FIG. 14 is a table showing the stator teeth and the stator windings wound around the stator teeth when K = 6 and L = 2. The numbers of the stator teeth are shown above each table shown in FIG. Since K = 6 in this example, there are 1 to 36 stator teeth. The types of stator windings are shown on the left side of each table shown in FIG. Since L = 2 in this example, there are 12 types as in the first and second embodiments. For example, “U1” indicates that it is connected to the U-phase arm of the first inverter, and “U2” indicates that it is connected to the U-phase arm of the second inverter. “U1 ′” is connected to the U-phase arm of the first inverter in the same manner as “U1”, but “U1” has a winding direction opposite to that of “U1”. Each stator winding is wound around a stator tooth which is circled in this table. For example, “U1” indicates that it is wound around the first to fifth stator teeth.
図14に示すように、各固定子巻線は、5本の固定子ティースに亘って巻回されている。つまり、各固定子巻線は5つのサブ巻線から構成されていることになる。1つのサブ巻線のみが巻回されている固定子ティースは、3番,6番,9番,…,30番,33番,36番であり、固定子ティース3個毎に1個存在する。3番の固定子ティースと6番の固定子ティースの間に存在する4番,5番の固定子ティースに着目すると、当該各固定子ティースには、3番の固定子ティースに巻回されている固定子巻線(U1)と接続先が同一のサブ巻線と、6番の固定子ティースに巻回されている固定子巻線(U2)と接続先が同一のサブ巻線とが巻回されている。 As shown in FIG. 14, each stator winding is wound over five stator teeth. That is, each stator winding is composed of five sub-windings. Stator teeth around which only one sub-winding is wound are No. 3, No. 6, No. 9,... No. 30, No. 33, No. 36, and there is one for every three stator teeth. . Focusing on the 4th and 5th stator teeth between the 3rd and 6th stator teeth, each stator tooth is wound around the 3rd stator teeth. The stator winding (U1) connected to the same sub-winding, and the stator winding (U2) wound around the No. 6 stator tooth and the sub-winding connected to the same winding are wound. It has been turned.
図15、16は、K=6、L=3の場合における、各固定子ティースとそれに巻回されている固定子巻線を示す表である。本例ではK=6なので、固定子ティースは1〜36番まである。また、本例ではL=3なので、固定子巻線は18種である。図15、16に示すように、各固定子巻線は3本の固定子ティースに亘って巻回されているため、各固定子巻線は3つのサブ巻線から構成されていることになる。1つのサブ巻線のみが巻回されている固定子ティースは、2番,4番,6番,…,32番,34番,36番であり、固定子ティース2個毎に1個存在する。2番の固定子ティースと4番の固定子ティースの間に存在する3番の固定子ティースに着目すると、2番の固定子ティースに巻回されている固定子巻線(U1)と接続先が同一のサブ巻線と、4番の固定子ティースに巻回されている固定子巻線(U2)と接続先が同一のサブ巻線とが巻回されている。 15 and 16 are tables showing the stator teeth and the stator windings wound around the stator teeth when K = 6 and L = 3. In this example, since K = 6, there are 1 to 36 stator teeth. In this example, since L = 3, there are 18 types of stator windings. As shown in FIGS. 15 and 16, each stator winding is wound over three stator teeth, so each stator winding is composed of three sub-windings. . Stator teeth around which only one sub-winding is wound are No. 2, No. 4, No. 6,..., No. 32, No. 34, No. 36, and there is one for every two stator teeth. . Focusing on the 3rd stator tooth existing between the 2nd and 4th stator teeth, the stator winding (U1) wound around the 2nd stator teeth and the connection destination Are wound around the same sub-winding, the stator winding (U2) wound around the fourth stator tooth, and the sub-winding having the same connection destination.
図17は、K=7、L=2の場合における、各固定子ティースとそれに巻回されている固定子巻線を示す表である。本例ではK=7なので、固定子ティースは1〜42番まである。また、本例ではL=2なので、固定子巻線は12種である。図17に示すように、各固定子巻線は6本の固定子ティースに亘って巻回されているため、各固定子巻線は6つのサブ巻線から構成されていることになる。1つのサブ巻線のみが巻回されている固定子ティースは、4番,7番,11番,14番,…,32番,35番,39番,42番であり、固定子ティース3個毎に1個存在する箇所と、4個毎に1個存在する箇所とがある。4番の固定子ティースと7番の固定子ティースの間に存在する5番,6番の固定子ティースに着目すると、当該各固定子ティースには、4番の固定子ティースに巻回されている固定子巻線(U1)と接続先が同一のサブ巻線と、7番の固定子ティースに巻回されている固定子巻線(U2)と接続先が同一のサブ巻線とが巻回されている。 FIG. 17 is a table showing the stator teeth and the stator windings wound around the stator teeth when K = 7 and L = 2. Since K = 7 in this example, there are 1 to 42 stator teeth. In this example, since L = 2, there are 12 types of stator windings. As shown in FIG. 17, each stator winding is wound over six stator teeth, so each stator winding is composed of six sub-windings. Stator teeth around which only one sub-winding is wound are No. 4, No. 7, No. 11, No. 14,..., No. 32, No. 35, No. 39, No. 42, and three stator teeth. There are one location for every four and one location for every four. Focusing on the 5th and 6th stator teeth that exist between the 4th and 7th stator teeth, each of the stator teeth is wound around the 4th stator teeth. The stator winding (U1) connected to the same sub-winding, and the stator winding (U2) wound around the No. 7 stator tooth and the sub-winding connected to the same winding are wound. It has been turned.
このように、図14〜17に示した例では、隣接関係にある一対の固定子ティースは、いずれも、少なくとも一方の固定子ティースに2以上のサブ巻線が巻回されており、これらのサブ巻線が互いに異なる三相インバータに接続されるようにすることができる。したがって、従来と比較して、トルク脈動を抑制することが可能である。
(2)第1および第2の実施形態、図14〜17に示した例のように、三相インバータの個数を2/K以下のL個(但し、Lは2以上の整数)とすることで、1種類のサブ巻線のみが巻回されている固定子ティースを存在させることが可能である。したがって、三相インバータの個数を2/K以下のL個とすることで、各固定子ティースに巻回するサブ巻線の巻数を削減することができる。
As described above, in the examples shown in FIGS. 14 to 17, each of the pair of stator teeth that are adjacent to each other has two or more sub-windings wound around at least one of the stator teeth. The sub windings can be connected to different three-phase inverters. Therefore, it is possible to suppress torque pulsation compared to the conventional case.
(2) As in the examples shown in the first and second embodiments and FIGS. 14 to 17, the number of three-phase inverters is set to L of 2 / K or less (where L is an integer of 2 or more). Thus, it is possible to have a stator tooth around which only one type of sub-winding is wound. Therefore, the number of sub-windings wound around each stator tooth can be reduced by setting the number of three-phase inverters to L which is 2 / K or less.
(3)第1〜第4の実施形態においては、固定子ティースの数を6Kとした場合に、磁極の数が6K±2で表されることとしたが、これは単なる一例であり、必ずしもこの関係を満たしている必要はない。この関係を満たしていない同期電動機を含む同期電動機駆動システムであっても、当該同期電動機が複数の三相インバータから三相交流の供給を受けるものであれば、本発明を適用することが可能である。なお、6Kの固定子ティースと6K±2の磁極とを備える同期電動機は、全て2台の三相インバータで駆動することが可能である。 (3) In the first to fourth embodiments, when the number of stator teeth is 6K, the number of magnetic poles is represented by 6K ± 2, but this is merely an example, and is not necessarily It is not necessary to satisfy this relationship. Even in a synchronous motor drive system including a synchronous motor that does not satisfy this relationship, the present invention can be applied as long as the synchronous motor is supplied with three-phase alternating current from a plurality of three-phase inverters. is there. Note that all synchronous motors having 6K stator teeth and 6K ± 2 magnetic poles can be driven by two three-phase inverters.
(4)上述したようにKの数値は特に限定されないが、Kは4〜6とすることが望ましい。Kが4〜6であって、「固定子ティースの数を6Kとした場合に、磁極の数が6K±2で表される」という関係を満たしている場合、磁極数が22、26、28、32、34、38の多極電動機とすることができるため、高トルク化に有効である。
さらに、Kを4〜6とすることで次のような利点もある。例えば、電気自動車のタイヤを直接的に駆動するインホイールモータでは、最大回転数が1200〜1500[r/min]程度である。ここで、三相インバータのU相アーム、V相アーム、W相アームの各アームは、直列接続されたスイッチング素子で構成されている。スイッチング素子には、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)に代表されるパワー半導体素子が用いられており、このパワー半導体素子はパルス幅変調方式(PWM方式)に基づき駆動制御される。このパワー半導体素子を用いたPWM方式に基づき生成される、電動機の駆動電流波形の周波数は、現状では400[Hz]程度が実用の上限となっている。この条件を満たす電動機の極数は、32極〜40極程度となる。したがって、Kを4〜6とすることで実用的かつ高性能な電動機を構成することができる。
(4) As described above, the numerical value of K is not particularly limited, but K is preferably 4-6. When K is 4 to 6 and the relationship “the number of magnetic poles is represented by 6K ± 2 when the number of stator teeth is 6K” is satisfied, the number of magnetic poles is 22, 26, 28 , 32, 34, and 38 are effective for increasing torque.
Furthermore, there are the following advantages by setting K to 4-6. For example, in an in-wheel motor that directly drives a tire of an electric vehicle, the maximum rotational speed is about 1200 to 1500 [r / min]. Here, each of the U-phase arm, the V-phase arm, and the W-phase arm of the three-phase inverter is composed of switching elements connected in series. As the switching element, a power semiconductor element typified by an insulated gate bipolar transistor (IGBT) is used, and the power semiconductor element is driven and controlled based on a pulse width modulation method (PWM method). . The frequency of the drive current waveform of the electric motor generated based on the PWM method using this power semiconductor element is currently about 400 [Hz], which is the practical upper limit. The number of poles of the electric motor that satisfies this condition is about 32 to 40 poles. Therefore, a practical and high-performance electric motor can be configured by setting K to 4-6.
(5)第1〜第4の実施形態および図14〜19に示した各固定子巻線の巻き方は本発明の単なる一例である。各固定子ティースに巻回された1以上の巻線は、隣接関係にある一対の固定子ティースは、いずれも、少なくとも一方の固定子ティースに2以上のサブ巻線が巻回されており、これらのサブ巻線が互いに異なる三相インバータに接続されるようになっていれば、上記の巻き方には限定されない。 (5) The winding method of each stator winding shown in the first to fourth embodiments and FIGS. 14 to 19 is merely an example of the present invention. One or more windings wound around each stator tooth has a pair of stator teeth adjacent to each other, and two or more sub-windings are wound around at least one stator tooth. As long as these sub-windings are connected to different three-phase inverters, the winding method is not limited to the above.
(6)第1の実施形態で述べたように、当該第1の実施形態にように磁極数を2で割った値(すなわち、極対数)が奇数の場合、換言するとKが偶数の場合、機械角で180[°]対称の位置にある固定子ティースに巻回されている固定子巻線同士は、巻回方向が逆となっている。これは、第1の実施形態だけでなく、Kが偶数である第3の実施形態および図14〜16の場合でも当てはまることである。 (6) As described in the first embodiment, when the value obtained by dividing the number of magnetic poles by 2 (that is, the number of pole pairs) is an odd number as in the first embodiment, in other words, when K is an even number, The winding directions of the stator windings wound around the stator teeth at a mechanical angle of 180 [°] are opposite to each other. This is true not only in the first embodiment, but also in the third embodiment in which K is an even number and FIGS.
また、第2の実施形態で述べたように、当該第2の実施形態にように磁極数を2で割った値(すなわち、極対数)が偶数の場合、換言するとKが奇数の場合、機械角で180[°]対称の位置にある固定子ティースに巻回されている固定子巻線同士は、巻回方向が同じとなっている。これは、第2の実施形態だけでなく、Kが奇数である第4の実施形態および図17の場合でも当てはまることである。 Further, as described in the second embodiment, when the value obtained by dividing the number of magnetic poles by 2 (that is, the number of pole pairs) is an even number as in the second embodiment, in other words, when K is an odd number, The stator windings wound around the stator teeth at 180 [°] symmetrical positions at the corners have the same winding direction. This applies not only to the second embodiment, but also to the fourth embodiment in which K is an odd number and the case of FIG.
(7)第3の実施形態において(K=4、L=3)、第1の三相インバータにおける電流位相を0[rad]とした場合に、第2の三相インバータにおける電流位相をπ/12[rad]、第3の三相インバータにおける電流位相をπ/6[rad]とする例について説明したが、本発明はこれに限定されない。0[rad],(π/3)/K×1[rad],(π/3)/K×2[rad],(π/3)/K×3[rad]の4つの電流位相の中から、任意に3つの電流位相を選択することができる。なお、第3の実施形態においては、0[rad],(π/3)/K×1[rad],(π/3)/K×2[rad]を選択した例を示した。 (7) In the third embodiment (K = 4, L = 3), when the current phase in the first three-phase inverter is 0 [rad], the current phase in the second three-phase inverter is π / Although an example in which the current phase in the third three-phase inverter is π / 6 [rad] has been described, the present invention is not limited to this. Among the four current phases of 0 [rad], (π / 3) / K × 1 [rad], (π / 3) / K × 2 [rad], (π / 3) / K × 3 [rad] From these, three current phases can be arbitrarily selected. In the third embodiment, an example in which 0 [rad], (π / 3) / K × 1 [rad], (π / 3) / K × 2 [rad] is selected is shown.
(8)第1〜第4の実施形態では固定子巻線は固定子ティースに巻回されているが、本発明はこれに限らず、固定子ティースのない、いわゆるコアレスモータにも適用可能である。
(9)第1〜第4の実施形態では特に挙げていないが、固定子ティースが回転子の軸方向に進むほど周方向に最大で固定子ティースの配置間隔だけずれていくスキュー配置を施すこととしてもよい。
(8) In the first to fourth embodiments, the stator winding is wound around the stator teeth. However, the present invention is not limited to this, and can be applied to a so-called coreless motor without the stator teeth. is there.
(9) Although not specifically mentioned in the first to fourth embodiments, a skew arrangement in which the stator teeth are shifted in the circumferential direction by a maximum in the circumferential direction as the stator teeth proceed in the axial direction of the rotor is applied. It is good.
(10)第1〜第4の実施形態では、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に対しても適用することが可能である。図18は、インナーロータ型の同期電動機700の全体構成を示す図である。同期電動機700は、回転子705と固定子706を含む。回転子705には永久磁石708が周方向に等間隔に配置されている。固定子706には、永久磁石708に対向するように、固定子ティース713が周方向に等間隔に配置されている。固定子ティース713には、固定子巻線714が巻回されている。
(10) In the first to fourth embodiments, the outer rotor type synchronous motor in which the rotor is disposed outside the stator is described, but the inner rotor type in which the rotor is disposed inside the stator. The present invention can also be applied to other synchronous motors. FIG. 18 is a diagram illustrating an overall configuration of an inner rotor type
本発明は、さらに、インナーロータ型の同期電動機だけでなく、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、こ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得られる。
(11)第1〜第4の実施形態では、回転子の磁極を永久磁石により構成したが、磁気抵抗の差で構成したリラクタンストルクを利用した同期電動機、回転子に両者を組み合わせた同期電動機でも適用可能である。
The present invention further includes not only an inner rotor type synchronous motor, but also a so-called face-facing axial gap synchronous motor in which a rotor and a stator are arranged with a gap in the axial direction, and a combination thereof. The same effect can be obtained with a synchronous motor having a structure.
(11) In the first to fourth embodiments, the magnetic poles of the rotor are constituted by permanent magnets. However, a synchronous motor using reluctance torque constituted by a difference in magnetic resistance, or a synchronous motor combining both of them with a rotor. Applicable.
(12)本発明は、同期回転機に限らず、同期発電機、また、直動駆動されるリニア同期電動機、リニア同期発電機にも適用できる。
(13)各図は、本発明が理解できる程度に配置関係を概略的に示してあるに過ぎず、従って、本発明は図示例に限定されるものではない。また、図を分かり易くするために、一部省略した部分がある。
(12) The present invention can be applied not only to a synchronous rotating machine, but also to a synchronous generator, a linear synchronous motor driven linearly, and a linear synchronous generator.
(13) Each drawing only schematically shows the arrangement relationship to such an extent that the present invention can be understood. Therefore, the present invention is not limited to the illustrated examples. In addition, some parts are omitted for easy understanding of the drawing.
(14)上記の実施形態および変形例は単なる好適例に過ぎず、何らこれに限定されない。また、これらの実施形態および変形例に挙げた構成を適宜好適に組み合わせることも可能である。 (14) The above-described embodiments and modifications are merely preferred examples, and the present invention is not limited thereto. Moreover, it is also possible to combine suitably the structure quoted in these embodiment and the modified example suitably.
本発明は、低振動性および低騒音性が要求される、コンプレッサ用、電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車等の同期電動機駆動システムに好適に利用可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be suitably used for a synchronous motor drive system for a compressor, an electric vehicle, a hybrid vehicle, a fuel cell vehicle, and the like that require low vibration and noise.
100、200、300,400、700、900 同期電動機
101、301 第1の三相インバータ
102、302 第2の三相インバータ
103u、304u U相アーム
103v、304v V相アーム
103w、304w W相アーム
104u U相アーム
104v V相アーム
104w W相アーム
105、205、705、901 回転子
106、206、706、806、902 固定子
107 回転子コア
108、208、708 永久磁石
109、209、905 磁極
110、111 回転子磁極間
112 固定子ヨーク
113、213、713、813、903 固定子ティース
114、214、314、414、714、904U1、904V1、904W1、904U1’、904V1’、904W1’、904U2、904V2、904W2 固定子巻線
303 第3の三相インバータ
1000、2000、3000、4000 同期電動機駆動システム
BA 電源
100, 200, 300, 400, 700, 900
Claims (6)
前記同期電動機に互いに位相のずれた複数の三相交流を供給する、複数の三相インバータと、を備える同期電動機駆動システムであって、
各固定子ティースには、1または2種類以上の巻線が集中巻に巻回されており、
各固定子ティースに巻回された各巻線は、それぞれ前記複数の三相インバータのいずれかの相に接続されており、
隣接関係にある一対の固定子ティースは、いずれも、
少なくとも一方の固定子ティースに2種類以上の巻線が巻回されており、これらの巻線が互いに異なる三相インバータに接続されている、
同期電動機駆動システム。 A synchronous motor including a rotor having a plurality of magnetic poles arranged at equal intervals in the circumferential direction and a stator having a plurality of stator teeth arranged at equal intervals in the circumferential direction;
A synchronous motor drive system comprising a plurality of three-phase inverters for supplying a plurality of three-phase alternating currents out of phase with each other to the synchronous motor,
Each stator tooth has one or more types of windings wound around a concentrated winding.
Each winding wound around each stator tooth is connected to one of the plurality of three-phase inverters,
The pair of stator teeth that are adjacent to each other
Two or more types of windings are wound around at least one stator tooth, and these windings are connected to different three-phase inverters.
Synchronous motor drive system.
1種類の巻線のみが巻回されている一対の固定子ティースの間に存在する固定子ティースには、当該一対の固定子ティースの一方に巻回されている巻線と接続先が同一の巻線と、他方に巻回されている巻線と接続先が同一の巻線とが巻回されている、
請求項1に記載の同期電動機駆動システム。 Stator teeth around which only one type of winding is wound are arranged for each of the plurality,
A stator tooth existing between a pair of stator teeth around which only one type of winding is wound has the same connection destination as the winding wound around one of the pair of stator teeth. A winding and a winding wound on the other side and a winding having the same connection destination are wound.
The synchronous motor drive system according to claim 1.
前記複数の固定子ティースの個数は6Kである、
請求項2に記載の同期電動機駆動システム。 The number of the plurality of magnetic poles is 6K ± 2.
The number of the plurality of stator teeth is 6K.
The synchronous motor drive system according to claim 2.
請求項3に記載の同期電動機駆動システム。 The number of the plurality of three-phase inverters is K or less L (where L is an integer of 2 or more).
The synchronous motor drive system according to claim 3.
隣接関係にある固定子ティースに巻回されている巻線は、互いに巻回方向が逆である、
請求項2に記載の同期電動機駆動システム。 The windings wound around a plurality of adjacent stator teeth are connected in series with each other, so that the connection destination is the same, and the plurality of windings with the same connection destination are wound. In the stator teeth group consisting of the stator teeth,
The windings wound around the adjacent stator teeth have opposite winding directions.
The synchronous motor drive system according to claim 2.
請求項1〜5のいずれか1項に記載の同期電動機駆動システム。 The turn ratio of each winding wound around each stator tooth is adjusted so that the electrical angle phase difference between adjacent stator teeth is equal between each stator tooth.
The synchronous motor drive system of any one of Claims 1-5.
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