JP4032370B2

JP4032370B2 - 同期電動機及び同期電動機制御装置

Info

Publication number: JP4032370B2
Application number: JP34335598A
Authority: JP
Inventors: 篤藏関山; 敏西田; 静生木田
Original assignee: 株式会社名機製作所
Priority date: 1998-12-02
Filing date: 1998-12-02
Publication date: 2008-01-16
Anticipated expiration: 2018-12-02
Also published as: JP2000175420A

Description

【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同期電動機及び同期電動機制御装置に関する。
【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６００〔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同期電動機及び同期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】
請求項１に記載された発明に係る同期電動機は、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、電機子コアの内周部に形成されたスロットに通されることにより該電機子コアに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、前記界磁手段は永久磁石から構成され、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、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。
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従来技術に対して、この発明に係る同期電動機では、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、この発明の同期電動機では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】
請求項２に記載された発明に係る同期電動機制御装置は、請求項１に記載の同期電動機における前記２組以上の電機子巻線に前記端子手段を介してそれぞれ別々に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を備えたことを特徴とする。
この同期電動機制御装置は、請求項１に記載の同期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。
なお、便宜上、本発明の実施例の説明に先立って、図１及び図２に基づいて、参考例を説明する。
図１及び図２は、参考例としての同期電動機〔以下、単に電動機ともいう。〕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−ｕ３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−Ｕ５−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１２０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Ｕａ，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，ＩＶｂ，ＩＷｂが各相Ｕａ，Ｖａ，Ｗａ，Ｕｂ，Ｖｂ，Ｗｂ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、ＩＷａ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。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ＰＷＭ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ＰＷＭアンプ３３ｂの入力信号Ｓ５ｂとして出力する。ＰＷＭ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３４ｂ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。
【００２０】
ここで、本発明の一実施例の同期電動機及び同期電動機制御装置を図４に基づき、図３を参照して説明する。
この一実施例では、上述の参考例と同様に、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に巻回す場合を例にする。また、この一実施例では、上述の参考例と同様に、４極３６スロットの同期機（同期電動機）が用いられている。さらに、上述の参考例と同様に、電機子巻線が単層重巻である場合を例にする。
上述の参考例では、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３６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、本発明の一実施例の同期電動機では、第１組目と第２組目の電機子巻線を図４に示すように巻回している。
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Ｕ１−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−ＶＤ−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。
また、図４に示される同期電動機が上述した参考例を示す図３のＡＣサーボモータシステムで利用された同期電動機に代えて用いられて本発明の一実施例の同期電動機制御装置（ＡＣサーボモータシステム）が構成されている。この場合、図３のＡＣサーボモータシステムと同様に、速度アンプ３１が同じ電流指令信号Ｓ３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いる。
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。
上述の実施例では、４極３６スロットの同期機（同期電動機）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、本実施例では、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。
本実施例においてＡＣサーボモータシステム（同期電動機制御装置）では、速度アンプ３１が同じ電流指令信号Ｓ３を電流アンプ３２ａ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Ｓ３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。
【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】参考例としての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】図１の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】本発明の一実施例に係る回転形同期電動機の巻線を、図２に対応して示す図である。

Claims

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、電機子コアの内周部に形成されたスロットに通されることにより該電機子コアに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、前記界磁手段は永久磁石から構成され、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、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同期電動機。
請求項１に記載の同期電動機における前記２組以上の電機子巻線に前記端子手段を介してそれぞれ別々に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を備えたことを特徴とする同期電動機制御装置。