JP2015216801A - 電動機駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータ／ジェネレータのコア材に用いられる鉄材や電磁鋼板材の特性に係らず、鉄損および電磁騒音を低減して制御する電動機駆動装置を提供する。
【解決手段】蓄電デバイスの電力変換を行うインバータ装置と電動機の間にキャリア周波数領域でインダクタンスの変動幅を所定範囲内に維持できるリアクトルを直列に接続したことによって、使用するキャリア周波数領域でのインダクタンスの低下を抑制するようにした。
【選択図】図１

Description

この発明は、蓄電デバイスの充放電を制御して、蓄電デバイスから電動機に電力を供給することあるいは電動機の回生による電気エネルギーを蓄電デバイスに供給することを行う電動機駆動装置に関するものである。

近年、ガソリン車においては、燃費改善が強く求められ、それを実現する技術として、電気エネルギーを利用した自動車が注目されている。特に、蓄電デバイス（リチウムイオン電池やニッケル水素電池など）を搭載し、走行時には、蓄電デバイスから供給される直流電源をインバータで交流電源に変換して走行用の交流モータに供給して走行用の動力を得、逆に、減速時には、交流モータに加わる回生ブレーキによる電気エネルギーを蓄電デバイスに蓄えるシステムを既存のガソリン車に組み合わせたハイブリッド自動車や、更に外部から給電を行うことが可能なプラグインハイブリッド自動車などの環境対応車の普及が進んできている。

インバータにおいて、直流を交流に変換するには、一般に、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御を適用したインバータが用いられる。ＰＷＭ制御とは、搬送波（キャリア）と指令値を比較することで、ＰＷＭ波形を生成し、スイッチング素子を駆動する手法である。

昨今、スイッチング素子として大電力用途には絶縁型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）や電界効果型トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を用い、スイッチング周波数を数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚとしてスイッチング動作させて定電流波形の電流を得ることが行われている。しかし、電流には微細な変動またはリプルを含んでいるため、モータ／ジェネレータに流れる電流にも電流リプルが生じ、この電流リプルが大きい場合には、モータ／ジェネレータ内での鉄損や電磁騒音が大きくなり、モータ／ジェネレータの効率が低下する。

このため、特許文献１では、インバータでのスイッチング損失を不必要に増大させずにモータ／ジェネレータへの供給電流の電流リプル（電流脈動）を小さくすることで、モータ／ジェネレータでの鉄損および電磁騒音を低減させることが提案されている。

特開２００９−２９１０１９号公報（第１図〜第２図）

前記特許文献１では、外部から入力される電圧指令値の大きさに応じてキャリアの周波数を制御することが提案されており、電圧指令値が大きい領域ではキャリア周波数を高く設定し、電圧指令値が小さい領域ではキャリア周波数を低く設定するものである。この内容によって、モータ／ジェネレータでの鉄損及び電磁騒音が低減されることになる。しかし、実際には十分な効果が得られないことが生じていた。

この鉄損及び電磁騒音が十分に低減されない要因は、モータ／ジェネレータのコア材に用いられる鉄材や電磁鋼板材の特性にあった。すなわち、前記特許文献１の提案は、モータ巻線のインダクタンスが一定という前提の下での動作であるが、モータ／ジェネレータのコア材に用いられる鉄材や電磁鋼板材の透磁率には周波数依存性があり、この周波数依存性の特性が、インダクタンスに大きな影響を与えるためである。極低周波数領域（数Ｈｚ〜数百Ｈｚ）ではインダクタンスが十分な値であっても、あるキャリア周波数領域（数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚ）では大幅に透磁率が低下し、インダクタンスも大幅に低下する。その結果、電流リプルが大きくなり、モータ／ジェネレータの鉄損および電磁騒音が増大するという問題が生じていたのである。

この発明は、前述の問題を解消するためになされたもので、モータあるいはジェネレータなどの電動機において、使用するキャリア周波数領域で十分なインダクタンスを確保することによって、鉄損および電磁騒音を低減して制御する電動機駆動装置を提供することを目的としている。

なお、この説明において、モータ（電動機）またはジェネレータ（発電機）の総称として「電動機」を使用する。また、「電動機駆動装置」とは、駆動の対象となる電動機、電源となる蓄電デバイス、および蓄電デバイスと電動機との間の接続装置を含むシステム全体を表す用語として使用する。したがって、電動機は、発電と電動の機能の少なくともいずれかの機能を備えたものを示し、蓄電デバイスは、充電と放電の機能の少なくともいずれかの機能を備えたものを示す。

この発明による電動機駆動装置は、蓄電デバイス、電動機、前記蓄電デバイスと前記電動機との間で授受される電力を変換するインバータ装置、およびキャリア周波数領域でインダクタンスの変動幅を所定範囲内に維持できるリアクトルを備え、前記インバータ装置と前記電動機との間に直列に前記リアクトルを接続し、使用するキャリア周波数領域でのインダクタンスの低下を抑制するようにしたことを特徴とするものである。

また、前記電動機が三相交流電動機であって、各相の入力端子に接続された前記リアクトルのコアが結合されていることを特徴とするものである。

この発明による電動機駆動装置においては、使用するキャリア周波数領域で十分なインダクタンスを確保できることによって、電動機に流れる電流リプルを小さくでき、モータでの鉄損および電磁騒音を低減することができる。

また、三相交流電動機の各相に接続するリアクトルのコアを結合することによって装置を小型化できる。

この発明の実施の形態１による電動機駆動装置の構成図である。 この発明の実施の形態１による各構成要素の周波数−インダクタンスの関係を模式的に示した図である。 この発明の実施の形態１による各ＩＧＢＴの駆動信号と電動機の巻線に流れる電流を模式的に示した図である。 この発明の実施の形態２による電動機駆動装置の構成図である。 この発明の実施の形態３による電動機駆動装置の構成図である。

以下、この発明の電動機の駆動装置について、図面に基づいて説明する。
なお、各図において、同一符号は各々同一または相当部分を示す。

実施の形態１．
以下、この発明の電動機駆動装置を図に基づいて説明する。
図１は、この発明の実施の形態１による電動機駆動装置の構成図であって、図に示すように、電動機駆動装置２００は、蓄電デバイス１、インバータ装置１００および電動機７が直列に接続され、電動機７とインバータ装置１００との間に、電動機７の各相交流端子７ａ、７ｂ、７ｃに対応してリアクトル６ａ、６ｂ、６ｃが直列接続されている。

インバータ装置１００は、平滑コンデンサ２、ＩＧＢＴ３ａ〜ＩＧＢＴ５ｂ、ダイオード３ｃ〜ダイオード５ｄおよび制御回路１１によって構成されおり、電動機駆動装置２００は、蓄電デバイス１、インバータ装置１００、リアクトル６ａ〜リアクトル６ｃおよび電動機７を備えている。

蓄電デバイス１としては、リチウムイオン電池やニッケル水素電池などが用いられ、蓄電デバイス１は、平滑コンデンサ２に対して並列接続されている。

インバータ装置１００においては、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）３ａのエミッタ端子と、ＩＧＢＴ３ｂのコレクタ端子が接続（以後、ＩＧＢＴ３アームと称する）され、その接続点とリアクトル６ａの一端が接続されている。これと同様にして、ＩＧＢＴ４ａのエミッタ端子とＩＧＢＴ４ｂのコレクタ端子とが接続（以後、ＩＧＢＴ４アームと称する）され、その接続点とリアクトル６ｂの一端、およびＩＧＢＴ５ａのエミッタ端子とＩＧＢＴ５ｂのコレクタ端子とが接続（以後、ＩＧＢＴ５アームと称する）され、その接続点とリアクトル６ｃの一端がそれぞれ接続されている。

ＩＧＢＴ３アーム、ＩＧＢＴ４アームおよびＩＧＢＴ５アームが蓄電デバイス１に対して各々並列に接続されている。

なお、各ＩＧＢＴ３ａ〜５ｂには、エミッタ端子からコレクタ端子の向きに電流が流れるようにダイオード３ｃ、３ｄ、４ｃ、４ｄ、５ｃ、５ｄが、それぞれエミッタ端子とコレクタ端子の間に接続されている。電動機７の各相の交流端子７ａ、７ｂ、７ｃにはそれぞれリアクトル６ａ、６ｂ、６ｃが接続されている。すなわち、交流端子７ａに対してはリアクトル６ａの他端が接続され、交流端子７ｂにはリアクトル６ｂの他端、交流端子７ｃにはリアクトル６ｃの他端が接続されている。なお、図示を省略しているが、ＩＧＢＴ３ａ〜ＩＧＢＴ５ｂの各ゲート端子は制御回路１１の駆動端子に各々接続され、ゲート信号が供給されるようになっている。

蓄電デバイス１の電圧Ｖｉｎが入力されると、制御回路１１によって制御され、ＩＧＢＴ３ａおよびＩＧＢＴ３ｂ、ＩＧＢＴ４ａおよびＩＧＢＴ４ｂ、ＩＧＢＴ５ａおよびＩＧＢＴ５ｂが相補的にオンオフ動作を繰り返す。また、ＩＧＢＴ３アーム、ＩＧＢＴ４アーム、ＩＧＢＴ５アームの間で電流の位相は１２０度ずつずらしている。また、電動機７の回転角θ、各巻線電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ、平滑コンデンサ電圧を検出し、それらの情報からＩＧＢＴ３ａ〜５ｂのオンオフ駆動信号Ｖｇｅ（３ａ）、Ｖｇｅ（３ｂ）、Ｖｇｅ（４ａ）、Ｖｇｅ（４ｂ）、Ｖｇｅ（５ａ）、Ｖｇｅ（５ｂ）を制御回路１１が生成し、ＩＧＢＴ３ａ〜ＩＧＢＴ５ｂの駆動制御を行っている。

この図１における、インバータ装置１００のＩＧＢＴ３ａ、ＩＧＢＴ３ｂ、ＩＧＢＴ４ａ、ＩＧＢＴ４ｂ、ＩＧＢＴ５ａ、ＩＧＢＴ５ｂへのオンオフ駆動信号のうち一部のオンオフ駆動信号Ｖｇｅ（３ａ）、Ｖｇｅ（３ｂ）、Ｖｇｅ（４ａ）、Ｖｇｅ（５ａ）と、インバータ装置１００の出力信号Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗとを模式的に表しているのが図２である。

次に、電流リプルの発生メカニズムについて図３を用いて説明を行う。

図３（ａ）は、図１におけるリアクトル６ａ、リアクトル６ｂ、リアクトル６ｃの部分の周波数とインダクタンスの関係を示すもので、キャリア周波数の増減に対してもインダクタンスがさほど変化していないことを示している。特に、この図３（ａ）に示すように、キャリア周波数領域でインダクタンスの変動幅を所定範囲内に維持できるリアクタンスを選定して使用することが必要である。図３（ｂ）は電動機７のキャリア周波数とインダクタンスとの関係を示すもので、周波数領域によっては著しくインダクタンスが低下する状況を例示したものである。

電動機７の巻線の一端にインバータ装置１００の出力から印加されるインバータ電圧Ｖｉｎｖと、電動機７の巻線の他端に誘起される回転速度に比例する誘起電圧Ｖｍｏｔとの差電圧が、リアクトル６ａ（リアクトル６ｂあるいはリアクトル６ｃ）と電動機７の巻線インダクタンスとの合成インダクタンスに印加されて単調増加で電流が増加し、次のタイミングでは合成インダクタンスに蓄積されたエネルギーを放出することによって単調減少で電流が減少することで電流リプルが生成される。

この結果、図３（ｃ）に示すように、従来では、電流リプルの振幅に起因する電動機７の巻線インダクタンスは、インバータのキャリア周波数領域では大幅にインダクタンスが低下するため電流リプルは増加することになる。しかし、この発明の実施の形態１ではキャリア周波数領域でもインダクタンスを維持できるリアクトル６ａ〜６ｃが電動機７に直列に付加しているため、電流リプルの振幅に起因するキャリア周波数領域での合成インダクタンスを大きくすることができ、電流リプルを小さくすることができることになる。
その結果、電動機の鉄損および電磁騒音を低減することが可能となる。

なお、この発明の実施の形態１では、スイッチング素子として絶縁型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を用いて説明を行ったが、バイポーラトランジスタ、または電界効果型トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、またはトランジスタ、またはシリコンカーバイドＭＯＳＦＥＴを用いても同様の効果が得られる。

実施の形態２．
以下、この発明の実施の形態２による電動機駆動装置について、図４を用いて説明を行う。

この発明の実施の形態２における電動機駆動装置の回路構成については、基本的に実施の形態１で示したものと同様であるため、重複する部分の説明は割愛する。異なる点は、キャリア周波数領域でもインダクタンスを維持するリアクトル６ａ〜リアクトル６ｃのコアを結合させた構成としているところである。その結果、リアクトル数を削減することが可能となる。

また、この発明の実施の形態２における電動機駆動装置２００の回路動作については、実施の形態１で示したものと同様である。

この発明の実施の形態２における電動機駆動装置は、実施の形態１における電動機駆動装置の効果に追加して、小型化の要求に応えることができる。
なお、この発明の実施の形態２では、スイッチング素子として絶縁型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を用いて説明を行ったが、バイポーラトランジスタ、または電界効果型トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、またはシリコンカーバイドトランジスタ、またはシリコンカーバイドＭＯＳＦＥＴを用いても同様の効果が得られる。

実施の形態３．
以下、この発明の実施の形態３による電動機駆動装置２００について、図５を用いて説明を行う。

この発明の実施の形態３における電動機駆動装置の回路構成については、基本的に実施の形態１で示したものと同様であるため、重複する部分の説明は割愛する。異なる点は、電動機７のコア材にキャリア周波数領域でもインダクタンスを維持する特性を有するリアクトルコア８を用いたことで、リアクトル６ａ〜リアクトル６ｃをリアクトルコア８に置き換えることが可能となり、更に、小型化の要求に応えることができる。

また、この発明の実施の形態３における電動機駆動装置２００の回路動作については、実施の形態１で示したものと同様である。

この発明の実施の形態３における電動機駆動装置２００は、実施の形態１における電動機駆動装置２００と同様の効果を得ることができる。
なお、この発明の実施の形態３では、スイッチング素子として絶縁型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を用いて説明を行ったが、バイポーラトランジスタ、または電界効果型トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、またはシリコンカーバイドトランジスタ、またはシリコンカーバイドＭＯＳＦＥＴを用いても同様の効果が得られる。

なお、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

１ 蓄電デバイス、 ２ 平滑コンデンサ、
３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂ ＩＧＢＴ、
３ｃ、３ｄ、４ｃ、４ｄ、５ｃ、５ｄ ダイオード、
６ａ、６ｂ、６ｃ リアクトル、 ７ 電動機、 ８ リアクトルコア、
１１ 制御回路、 １００ インバータ装置、 ２００ 電動機駆動装置

昨今、スイッチング素子として大電力用途には絶縁型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）や電界効果型トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を用い、スイッチング周波数を数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚとしてスイッチング動作させて定電流波形の電流を得ることが行われている。しかし、電流には微細な変動またはリプルを含んでいるため、モータあるいはジェネレータに流れる電流にも電流リプルが生じ、この電流リプルが大きい場合には、モータあるいはジェネレータ内での鉄損や電磁騒音が大きくなり、モータあるいはジェネレータの効率が低下する。

このため、特許文献１では、インバータでのスイッチング損失を不必要に増大させずにモータあるいはジェネレータへの供給電流の電流リプル（電流脈動）を小さくすることで、モータあるいはジェネレータでの鉄損および電磁騒音を低減させることが提案されている。

前記特許文献１では、外部から入力される電圧指令値の大きさに応じてキャリアの周波数を制御することが提案されており、電圧指令値が大きい領域ではキャリア周波数を高く設定し、電圧指令値が小さい領域ではキャリア周波数を低く設定するものである。この内容によって、モータあるいはジェネレータでの鉄損及び電磁騒音が低減されることになる。しかし、実際には十分な効果が得られないことが生じていた。

この鉄損及び電磁騒音が十分に低減されない要因は、モータあるいはジェネレータのコア材に用いられる鉄材や電磁鋼板材の特性にあった。すなわち、前記特許文献１の提案は、モータ巻線のインダクタンスが一定という前提の下での動作であるが、モータあるいはジェネレータのコア材に用いられる鉄材や電磁鋼板材の透磁率には周波数依存性があり、この周波数依存性の特性が、インダクタンスに大きな影響を与えるためである。極低周波数領域（数Ｈｚ〜数百Ｈｚ）ではインダクタンスが十分な値であっても、あるキャリア周波数領域（数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚ）では大幅に透磁率が低下し、インダクタンスも大幅に低下する。その結果、電流リプルが大きくなり、モータあるいはジェネレータの鉄損および電磁騒音が増大するという問題が生じていたのである。

この発明による電動機駆動装置は、蓄電デバイス、電動機、前記蓄電デバイスと前記電動機との間で授受される電力を変換するインバータ装置、およびキャリア周波数領域で前記電動機のモータ巻線のインダクタンスの変動幅を所定範囲内に維持できるリアクトルを備え、前記リアクトルが前記インバータ装置と前記電動機の入力端子との間に直列に前記リアクトルを接続し、使用するキャリア周波数領域でのインダクタンスの低下を抑制するようにしたことを特徴とするものである。

また、前記電動機が三相交流電動機であって、前記電動機の各相の入力端子に接続された前記リアクトルのコアが結合されていることを特徴とするものである。

Claims (3)

1. 蓄電デバイス、電動機、前記蓄電デバイスと前記電動機との間で授受される電力を変換するインバータ装置、およびキャリア周波数領域でインダクタンスの変動幅を所定範囲内に維持できるリアクトルを備え、前記リアクトルが前記インバータ装置と前記電動機との間に直列に接続されていることを特徴とする電動機駆動装置。
2. 前記電動機が三相交流電動機であって、各相の入力端子に接続された前記リアクトルのコアが結合されていることを特徴とする請求項１に記載の電動機駆動装置。
3. 前記電動機のコア材にキャリア周波数領域でもインダクタンスを維持する特性を有するリアクトルコアを用い、前記インバータ装置と前記電動機との間に直列に接続される前記リアクトルを前記リアクトルコアに置き換えたことを特徴とする請求項１に記載の電動機駆動装置。