JP3757890B2 - 回転電機の駆動方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転電機の駆動方法に関し、特に、複合電流で駆動される複数のロータを有する回転電機の駆動方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の複合電流で駆動される複数のロータを有する回転電機の駆動方法としては、特開平11−356015号公報において開示されているものがある。この従来の回転電機は、2つのロータを間にステータを挟んで同軸に配置し、正弦波の和である複合電流を(2レベル)インバータから供給して駆動される。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
通常の2レベルインバータでは、0電圧を実現するためにON(+V)、OFF(−V)をデューティ比50%で繰り返しオン、オフしている。したがって、同軸の回転電機の特徴であるインバータ力率0ドライブ(一方のロータがモータとして作動し、他方のロータが発電機として作動する)に関して要求電圧が0でも、PWM駆動しているために、複合電流のピーク時のとき、電圧が0近傍でも前記オン、オフを繰り返すため、オンのとき短時間だが大電流がパワーデバイス部に流れ、大きな定常損失が発生していた。同時に、PWMは数kHzという高い周波数でオン、オフしているため、SW損失も大きかった。また、大電流に応じて損失が大きくなり、結果必要なパワーデバイス容量が大きくなっていた。DC電圧をVとすると、相電圧で利用できるのはV/2であり、このV/2に複数のロータ分の電圧を入れなければならないため、特に高回転域ではDC電圧が不足し、駆動範囲を広く取れなかった。高電圧で使用するために、高価格なパワーデバイスが必要であり、システムはコスト上の問題を抱えていた。また、通常モータにおけるパルス駆動では、PWM駆動に対して損失こそ小さくなるが、インバータ力率が高いのですべてのパワーデバイス電流容量を大きくする必要があり、複合電流のインバータ力率0ドライブに対して不利であった。
【0004】
本発明は、上記問題点を解決し、低容量化、低損失化、広い駆動領域を実現する回転電機の駆動方法を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の第1発明は、複合電流で駆動される複数のロータを有する回転電機の駆動方法において、前記複数のロータのうち少なくとも1つがモータとして作動し、他の少なくとも1つが発電機として作動する場合、ステータコイルに印加される電圧は、前記複数のロータの回転数に比例した周波数を含む矩形波が重ねあわされており、前記ステータコイルに印加される電圧は、駆動DC電圧V[V]に対して、V/2[V]を0[V]とするとNを3以上の奇数として±V/(N−1)[V]、±V/(N−3)[V]、、、±V/2[V]及び0[V]のNレベルの電位を持ち、これに応じて電源も2×N−1個のパワーデバイスで構成されたNレベルインバータであり、前記2×N−1個のパワーデバイスの容量を給電点からP側又はN側アームに向けて小さくすることを特徴とする。
【0008】
請求項2に記載の第2発明は、第1発明において、前記変換手段が、複合電流を給電する正規化された複合電圧(信号)に対してNレベルならばN−1個のスライスレベルを定め、各スライスレベルに応じて変換を行い、前記パワーデバイスの駆動パルスとすることを特徴とする。
【0009】
請求項3に記載の第3発明は、第1又は第2発明において、N=3であることを特徴とする。
【0010】
【発明の効果】
与えられたDC電圧の下でf1、f2を有する正弦波を重ね合わせるよりも、基本周波数f1、f2を有する矩形波を重ね合わせた方がf1、f2の振幅を大きくとれる。誘起電圧は回転数に比例するため、モータ駆動範囲が広がる。さらに、Nレベルの電圧を出せるので、PWM駆動のようにスイッチングしなくてもN値の電圧を使って階段状に波形を出せるため、高速なスイッチングをしなくても済み、インバータ部での損失が大幅に減少する。さらにNレベルインバータによりN個のレベルを持つ電圧を作れるので、PWM駆動と比べてインバータ損失を小さくできる。また、f1、f2の振幅を従来よりも大きくとれ、かつNを大きくすれば、階段状ではあるがより正弦波に近い波形を出せるため、高次高調波を軽減できる。さらに、Nレベルインバータの構成により、パワーデバイスの定格電圧を小さくとれ、インバータ力率0ドライブによりFWD以外のパワーデバイスの電流定格も小さくできるため、コスト的に有利である。さらにパワーデバイスの容量を給電点からP側又はN側アームに向けて小さくすることで、発電電動状態で動作する状態が非常に多い同軸回転電機に関して、パワーデバイスの容量を小さく、かつコストを低く抑えることができる。これは、力率0でドライブする場合、電圧が高い(VDC側のパワーデバイスがすべてONの)ときは電流はゼロ近傍であるため、電流容量を低減することができるからである。
【0013】
第2発明によれば、Nレベルのスライスレベルを決めて、これと大小比較するだけでよいため、メモリ容量、CPU能力を増強することなく実現することができ、従来の電流制御系を大幅に変更することなく小容量の制御ブロックを追加するだけで実現できるため、従来可能であったトルク制御、弱め界磁制御を当然行うことができる。
【0014】
第3発明によれば、N=3は、本発明の効果を奏するための必要最小限であり、インバータを構成するパワーデバイス部品点数が最もすくなく、低コストである。
【0015】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の回転電機の駆動方法を用いて駆動することができる回転電機の構成の一例を示す断面図である。本回転電機100は、インナーロータシャフト9の中心軸線(回転電機の中心軸線でもある)C上に、同心円状に、内側から、インナーロータシャフト9に取り付けられたインナーロータ7、ステータ1、アウターロータシャフト4に取り付けられたアウターロータ8の順で配置された多重ロータ構造を成し、アウターロータ8とインナーロータ7との2つのロータ間に位置するステータ1は、ステータコア2と、ステータコア2を軸方向両側から挟み込んで支持するブラケット5とを具える。ボルト6は、ブラケット5とステータコア2に設けられた穴を貫通し、これらの部材を固定することにより、ステータ1を形成している。ステータコア2は、周方向に配置された複数のステータピースに分割され、各々のステータピースにはコイルが巻装され、各々のステータピースは、複数枚のステータ鋼板を積層して形成される。
【0016】
従来の駆動方法においては、前記コイルには、各ロータの回転数に比例した周波数f1、f2の正弦波を重ね合わせた複合電流を流す。これにより、各ロータに関する回転磁界が生じ、各ロータは回転する。各々のロータに関する回転磁界は、他方のロータには影響しない。
【0017】
本発明による駆動方法においては、正弦波の代わりに矩形波を使用する。すなわち、各ロータの回転数に比例した周波数f1、f2の矩形波を重ね合わせた複合電流を前記コイルに流す。
【0018】
本発明による回転電機の駆動方法の第1実施例では、5レベル矩形波を用いる。図2の上段は、目標複合電圧デューティの波形を示すグラフである。縦軸は規格化電圧を示し、横軸は時間を示す。このグラフにおける複合波形は、周波数100[Hz]と200[Hz]を含んでいる。従来の駆動方法では、多相2レベルインバータによってこの目標複合電圧デューティにPWM変調を掛け、ステータコイルに印加する出力電圧を生成している。図2の下段は、上段の電圧の波形を5レベルの矩形波に変換した波形であり、本発明による駆動方法においてステータコイルに印加する出力電圧波形である。図3は、図2のそれぞれの波形のFFT解析結果を示すグラフである。図3の変換においては、スライスレベルとして0.3及び0.5の2値を用いている。これは、FFT解析により、高次高調波含有率が小さくなるように選んだものである。これらの図からわかるように、振幅0.5のスペクトルが5レベル矩形波とすることで0.5以上を示している。これは、相電圧を多くとれることを意味している。この例の場合において、複合電圧デューティの最大電圧が1(=0.5+0.5)でも、5レベル矩形波に変換することによって1.2(=0.64+0.56)の複合電圧を出力することができる。したがって、モータの駆動範囲が広がる。また、矩形波では高次高調波が発生しているが、高回転域で使用する場合、回転電機のLCのフィルタ作用により電流は小さくなり、トルク脈動などの影響は少なくなる。矩形波のレベル数を大きくすれば、このような高次高調波を軽減できる。また、PWM変調を行わないので高速なスイッチングを行う必要がないため、インバータの効率が向上する。
【0019】
図4は、図2に示すような5レベル矩形波を発生する5レベルインバータの1相分を示す回路図である。この5レベルインバータ1相分は、電源電圧VDCと、コンデンサC1、C2、C3、C4及びC5と、ダイオードDHP、DHN、DMP、DMN、DLP及びDLNと、パワーデバイスQP1、QP2、QP3、QP4、QN1、QN2、QN3及びQN4と、ゲートドライバ21と、複合電圧指令値生成部22とを具える。
【0020】
図4に示す5レベルインバータの動作を、図2を参照して説明する。目標複合電圧デューティをスライスレベルによって5レベルに分け、図2の下段5レベル矩形波が1のときP側全パワーデバイスをON、レベル0.5のときQP2、QP3、QP4、QN4をON、レベル0のときQP3、QP4、QN4、QN3をON、レベル−0.5のときQP4、QN4、QN3、QN2をON、レベル−1のときN側全パワーデバイスをONにし、以後これを繰り返す。
【0021】
本発明による回転電機の駆動方法の第2実施例では、3レベル矩形波を用いる。図5の上段は、目標複合電圧デューティの波形を示すグラフである。縦軸は規格化電圧を示し、横軸は時間を示す。このグラフにおける複合波形は、周波数100[Hz]と200[Hz]を含んでいる。図5の下段は、上段の電圧の波形を5レベルの矩形波に変換した波形であり、本発明による駆動方法においてステータコイルに印加する出力電圧波形である。図6は、図5のそれぞれの波形のFFT解析結果を示すグラフである。これらの図からわかるように、第1実施例と同様に、振幅0.5のスペクトルが3レベル矩形波とすることで0.5以上を示している。これは、相電圧を多くとれることを意味している。この例の場合において、複合電圧デューティの最大電圧が1(=0.5+0.5)でも、3レベル矩形波に変換することによって1.25(=0.60+0.65)の複合電圧を出力することができる。したがって、モータの駆動範囲が広がる。また、矩形波では高次高調波が発生しているが、高回転域で使用する場合、回転電機のLCのフィルタ作用により電流は小さくなり、トルク脈動などの影響は少なくなる。低周波成分も発生しているが、駆動パルスの点弧信号を低周波成分が少なくなるように最適化する等の対策によって、影響を防ぐことができる。
【0022】
図7は、図5に示すような3レベル矩形波を発生する3レベルインバータの1相分を示す回路図である。この3レベルインバータ1相分は、電源電圧VDCと、コンデンサC1及びC2と、ダイオードDMP及びDMNと、パワーデバイスQP1、QP2、QN1及びQN2と、ゲートドライバ31と、複合電圧指令値生成部32とを具える。このように3レベル矩形波を用いた例は、本発明の効果を奏するための必要最小限の構成であり、インバータを構成するパワーデバイス部品点数が最も少なく、低コストで実現可能である。
【0023】
図7に示す3レベルインバータの動作を、図5を参照して説明する。目標複合電圧デューティをスライスレベルによって3レベルに分け、図5の下段3レベル矩形波が1のときP側全パワーデバイスをON、レベル0のときQP2、QN2をON、レベル−1のときN側全パワーデバイスをONにし、以後これを繰り返す。
【0024】
図8は、上述したような複合電圧指令値生成部(図4における22、図7における32)の構成の一例を示すブロック図である。複合電圧指令値生成部は、ベクトル制御系42と、変換部43とを含む。本例において、12相(2ロータを同軸に配する回転電機において、インナー2極対、アウター3極対)の6相駆動を行うことを前提としている。相電流4相分と、目標電流ベクトル2つと、インナーロータ及びアウターロータの位置と、DC電圧とをベクトル制御系42に入力し、目標電流を実現すべく目標複合電圧デューディの6相分を演算する。この目標複合電圧デューティは、各ロータに関する周波数を持つ2つの正弦波の和である。この部分は、従来の制御と同様なので、さらに詳細には説明しない。目標複合電圧デューティと、インナーロータ及びアウターロータの位置とを、変換部43に入力して、最終的にNレベルの矩形波を生成する。この矩形波信号をゲートドライバへ導く。
【0025】
図9は、図8に示す変換部の詳細を示すブロック図である。本例の変換部は、図7に示すような3レベルインバータ用である。この変換部は、比較器51、52及び53と、ORゲート54及び55とを具える。比較器51、52及び53は、目標複合電圧デューティを受け、スライスレベル値の比較を行うことで4個のパワーデバイスの駆動信号を生成する。ここで、目標複合電圧デューティが、図5の上段に示すような波形ならば、スライスレベルを0.5とする。目標電圧デューティ>スライスレベルの場合、比較器51がオンとなり、QP1ゲート信号及びQP2ゲート信号を出力する。−(スライスレベル)≦目標電圧デューティ≦スライスレベルの場合、比較器52がオンとなり、QP2ゲート信号及びQN2ゲート信号を出力する。目標電圧デューティ<−(スライスレベル)の場合、比較器53がオンとなり、QN2ゲート信号及びQN1ゲート信号を出力する。このような構成をとることにより、Nレベルのスライスレベルを決めてこれと大小比較するだけなので、ロジックがきわめて簡単になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の回転電機の駆動方法を用いて駆動することができる回転電機の構成の一例を示す断面図である。
【図2】 目標複合電圧デューティの波形とこれを5レベルの矩形波に変換した波形を示すグラフである。
【図3】 図2のそれぞれの波形のFFT解析結果を示すグラフである。
【図4】 5レベル矩形波を発生する5レベルインバータの1相分を示す回路図である。
【図5】 目標複合電圧デューティの波形とこれを3レベルの矩形波に変換した波形を示すグラフである。
【図6】 図5のそれぞれの波形のFFT解析結果を示すグラフである。
【図7】 3レベル矩形波を発生する3レベルインバータの1相分を示す回路図である。
【図8】 複合電圧指令値生成部の構成の一例を示すブロック図である。
【図9】 変換部の詳細を示すブロック図である。
【符号の説明】
1 ステータ
2 ステータコア
4 アウターロータシャフト
5 ブラケット
6 ボルト
7 インナーロータ
8 アウターロータ
9 インナーロータシャフト
21、31 ゲートドライバ
22、32 複合電圧指令値生成部
42 ベクトル制御系
43 変換部
51、52、53 比較器
54、55 ORゲート
C1、C2、C3、C4、C5 コンデンサ
DHP、DHN、DMP、DMN、DLP、DLN ダイオード
QP1、QP2、QP3、QP4、QN1、QN2、QN3、QN4 パワーデバイス
VDC 電源電圧
Claims (3)
- 複合電流で駆動される複数のロータを有する回転電機の駆動方法において、前記複数のロータのうち少なくとも1つがモータとして作動し、他の少なくとも1つが発電機として作動する場合、ステータコイルに印加される電圧は、前記複数のロータの回転数に比例した周波数を含む矩形波が重ねあわされており、前記ステータコイルに印加される電圧は、駆動DC電圧V[V]に対して、V/2[V]を0[V]とするとNを3以上の奇数として±V/(N−1)[V]、±V/(N−3)[V]、、、±V/2[V]及び0[V]のNレベルの電位を持ち、これに応じて電源も2×N−1個のパワーデバイスで構成されたNレベルインバータであり、前記2×N−1個のパワーデバイスの容量を給電点からP側又はN側アームに向けて小さくすることを特徴とする回転電機の駆動方法。
- 請求項1に記載の回転電機の駆動方法において、前記変換手段が、複合電流を給電する正規化された複合電圧(信号)に対してNレベルならばN−1個のスライスレベルを定め、各スライスレベルに応じて変換を行い、前記パワーデバイスの駆動パルスとすることを特徴とする回転電機の駆動方法。
- 請求項2又は3に記載の回転電機の駆動方法において、N=3であることを特徴とする回転電機の駆動方法。
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