JP4269408B2 - インバータ駆動モータ - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インバータの出力する交流電力を電力源とするインバータ駆動モータに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、バッテリーのような直流電源をインバータによって所定の周波数、電圧の交流電力に変換し、あるいは、交流電源をコンバータ又は整流回路によって直流電力に変換し、さらにこの直流電力をインバータによって所定の周波数、電圧の交流電力に再変換し、モータ電源とするインバータ駆動モータとして、図15に示す構成のものが知られている。
【0003】
この従来のインバータ駆動モータは、直流電源であるバッテリー1からの直流電力をリップル電流低減のための電解コンデンサー2を介してインバータ3に供給し、このインバータ3のスイッチング制御により、所定の周波数、電圧のUVW3相の交流電力に変換し、3相交流モータ4のステータのUVW各相の巻線に給電する構成である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような従来のインバータ駆動モータでは、次のような問題点があった。図16は、インバータ3の各スイッチング素子SW1〜SW6を矩形波駆動させた場合のスイッチング状態を示しているが、交流モータ4のUVW3相各相の巻線の中性点Nの電圧は、各相のスイッチング素子のスイッチングタイミングにより変動する。この結果、高周波漏洩電流が発生し、当該交流モータを車両駆動に利用する場合、車載ラジオ等の車載電気機器にノイズが発生する。
【0005】
この問題点を解決するために、図17に示すように、インバータ3の直流側、交流側にコモンモードリアクトルで成るノイズフィルタ5,6を直列に挿入することにより、高周波漏洩電流を低減することがある。
【0006】
しかしながら、このようなコモンモードリアクトルを採用しても高周波漏洩電流の低減に十分な効果が得られない問題点があり、また、リアクトルの容積が大きく、重量もあるので、インバータ3のケース容量が大きくなり、重量も重くなり、結果的に、車両への搭載性が悪くなる問題点があった。加えて、リアクトルが高価であるために、インバータの価格も高くなる問題点もあった。
【0007】
本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたもので、ノイズフィルタを設けることなく高周波漏洩電流の発生を抑制することができ、インバータのケース容積も重量も大きくせず、コスト的にも高騰させることのないインバータ駆動モータを提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明は、回転磁界を発生するステータ、前記ステータの前記回転磁界により回転して機械的動力を発生するロータ及び前記ステータに電力を供給する2系統の巻線を有し、インバータの2系統のスイッチング回路それぞれに当該2系統の巻線それぞれを接続し、当該2系統のスイッチング回路それぞれのスイッチング動作によって前記2系統の巻線それぞれに供給される電流を制御して前記ステータに前記回転磁界を発生させるインバータ駆動モータであって、前記巻線を並列に前記ステータに巻いた2系統とし、第1系統のスイッチング回路と第1の中性点との間に第1系統の巻線を接続し、第2系統のスイッチング回路と第2の中性点との間に、前記第1系統の巻線と前記第1の中性点との接続の場合とは逆向きに、第2系統の巻線を前記第2の中性点に接続し、前記第1系統のスイッチング回路から前記第1系統の巻線のある相に供給する電流と、前記第2系統のスイッチング回路から前記第1系統の巻線の前記相に対応する前記第2系統の巻線の相に供給する電流が逆向きに流れるようにスイッチング動作を制御するとともに、前記第1系統の巻線と前記第2系統の巻線に流れる電流が同じ向きに流れるようにスイッチング動作を制御することにより、前記第1の中性点の電圧と前記第2の中性点の電圧との総和がほぼ一定になるものである。
【0009】
請求項1の発明のインバータ駆動モータでは、第1の中性点電位の変動と第2の中性点電位の変動とが打ち消し合うことになり、インバータの直流側の電圧変動をなくし、高周波漏洩電流の発生を抑制する。
【0010】
請求項2の発明のインバータ駆動モータは、請求項1において、前記系統の巻線を同じスロットに2つ並列に巻き、それぞれの系統の巻線のそれぞれに前記インバータの2系統の前記スイッチング回路それぞれを接続し、前記中性点電圧の総和が時間とともにほぼ一定となるように各スイッチング回路のスイッチングタイミングを制御するものであり、各相の巻線の中性点電圧の総和をほぼ一定にすることにより、インバータの直流側の電圧変動をなくし、高周波漏洩電流の発生を抑制する。さらに、系統の巻線を並列に巻くことにより、表皮効果による巻線電流のロスを低減し、モータ効率を改善する。
【0011】
請求項3の発明のインバータ駆動モータは、請求項1において、1相当たり4つ以上のスロットを持ち、1相当たり2系統の巻線のそれぞれに前記インバータのそれぞれの系統のスイッチング回路から電力を供給し、前記中性点電圧の総和が時間とともに変動しないようにしたものであり、各系統の巻線の中性点電圧の総和をほぼ一定にすることにより、インバータの直流側の電圧変動をなくし、高周波漏洩電流の発生を抑制する。さらに、巻線を系統の並列巻きとすることにより、表皮効果による巻線電流のロスを低減し、モータ効率を改善する。
【0014】
請求項の発明のインバータ駆動モータは、請求項1〜において、前記インバータの直流側に電解コンデンサーを設けないようにしたものであり、電解コンデンサーをなくすことによってインバータの容積を小さくし、コスト的にも低廉化する。
【0015】
請求項の発明のインバータ駆動モータは、請求項1〜において、当該モータのケース内に前記インバータを収容したものであり、車両駆動用のモータとして使用する場合、エンジンルームのような他部品が多く存在する限られたスペースに搭載する際に、レイアウト上の制約を受けにくくなり、搭載性が向上する。
【0016】
【発明の効果】
以上のように請求項1の発明によれば、ステータの巻線を並列に前記ステータに巻いた2系統とするとともに、スイッチング回路を2系統備え、第1系統のスイッチング回路と第1の中性点との間に第1系統の巻線を接続し、第2系統のスイッチング回路と第2の中性点との間に、前記第1系統の巻線と前記第1の中性点との接続の場合とは逆向きに、第2系統の巻線を前記第2の中性点に接続し、前記第1系統のスイッチング回路から前記第1系統の巻線のある相に供給する電流と、前記第2系統のスイッチング回路から前記第1系統の巻線の前記相に対応する前記第2系統の巻線の相に供給する電流が逆向きに流れるようにスイッチング動作を制御するとともに、前記第1系統の巻線と前記第2系統の巻線に流れる電流が同じ向きに流れるようにスイッチング動作を制御するので、インバータの直流側の電圧変動をなくし、高周波漏洩電流の発生を抑制することができる。
【0017】
請求項2の発明によれば、系統の巻線を同じスロットに2つ並列に巻き、それぞれの系統の巻線のそれぞれにインバータの2系統のスイッチング回路それぞれを接続し、各系統の中性点電圧の総和が時間とともにほぼ一定となるように各スイッチング回路のスイッチングタイミングを制御するので、各相の巻線の中性点電圧の総和をほぼ一定にすることにより、インバータの直流側の電圧変動をなくし、高周波漏洩電流の発生を抑制することができる。さらに、系統の巻線を並列に巻くことにより、表皮効果による巻線電流のロスを低減し、モータ効率を改善できる。
【0018】
請求項3の発明によれば、このインバータ駆動モータは、1相当たり4つ以上のスロットを持ち、1相当たり2系統の巻線のそれぞれにインバータの2系統のスイッチング回路それぞれから電力を供給し、各中性点電圧の総和が時間とともに変動しないようにしたので、インバータの直流側の電圧変動をなくし、高周波漏洩電流の発生を抑制することができる。さらに、巻線を系統で並列に巻いたので、表皮効果による巻線電流のロスを低減し、モータ効率を改善する。
【0020】
請求項の発明によれば、電解コンデンサーをなくすことによってインバータの容積を小さくし、コスト的にも低廉化できる。
【0021】
請求項の発明によれば、モータのケース内にインバータを収容したので、車両駆動用のモータとして使用する場合、エンジンルームのような他部品が多く存在する限られたスペースに搭載する際に、レイアウト上の制約を受けにくくなり、搭載性が向上する。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。図1は本発明の第1の実施の形態の回路構成を示している。3相交流モータ4のステータには、巻線Aと巻線BがU相、V相、W相にそれぞれ並列に巻かれていて、巻線A、巻線Bそれぞれがインバータ3のスイッチング回路3A,3Bから3相交流電力を受けるように接続してある。
【0023】
インバータ3のA,B2系統のスイッチング回路3A,3Bは並列に構成してあり、スイッチング回路3Aには、スイッチング素子SW1〜SW6、スイッチング回路3Bには、スイッチング素子SW7〜SW12がブリッジに組み込んである。また、インバータ3のスイッチング素子SW1〜SW12各々のオン/オフ駆動のためにコントロールユニット10が備えられている。
【0024】
このコントロールユニット10は、モータ4のステータ巻線Aと巻線Bそれぞれに電流を供給するインバータ3のスイッチング回路3A,3Bでスイッチングを正反対に行わせるために、例えばU相においてはスイッチング素子SW1とスイッチング素子SW8、またスイッチング素子SW2とスイッチング素子SW7とを同じ信号で駆動するようにしてある。そしてコントロールユニット10は、図2(a),(b)に示すように両スイッチング回路3A,3Bのスイッチング素子SW1〜SW12を60°間隔でオン/オフ状態を切り替える制御をする。以下、説明を簡明にするために各スイッチング素子を矩形波駆動するものとして説明する。
【0025】
図2(a)はスイッチング回路3Aのスイッチング動作によるモータ巻線A側の電流状態を示している。ここで、“H”はスイッチングがオン状態、“L”はスイッチングがオフ状態を示すものとする。スイッチングは、60°間隔で“H”,“L”を切り替えることにより、同図のようなU,V,W各相の電流の流れができ、モータが回転する。
【0026】
このときのU,V,W相の中性点NAの電圧は、インバータ3の入力電圧をEdとした場合、1/3Edから2/3Edの間で変動する。
【0027】
これに対して、スイッチング回路3Bのスイッチング動作によるモータ巻線B側の電流状態は図2(b)に示したように、U,V,W各相での“H”,“L”のスイッチング動作を正反対に行なう。これにより、同図のようなU,V,W各相の電流の流れができ、このときのU,V,W相の中性点NBの電圧は、インバータ3の入力電圧をEdとした場合、やはり1/3Edから2/3Edの間で変動する。しかしながら、例えば、スイッチング素子SW1が“H”の時にはスイッチング素子SW7は“L”、スイッチング素子SW2が“L”の時にはスイッチング素子SW8は“H”というように、U,V,W各相でのスイッチングをスイッチング回路3A,3Bで正反対に行うので、スイッチングタイミングに対する電圧値は巻線Aに対するものとは異なる。
【0028】
モータ4の中性点電圧の総和は、巻線Aと巻線Bのそれぞれの中性点NA,NBの電圧の合計であり、図2(c)に示すようになる。この結果、モータ4の中性点電圧の総和は、スイッチングタイミングによらず常に3/3Edとなり、インバータ3の直流側に高周波電流が漏洩するのを抑えることができる。
【0029】
しかしながら、この状態ではまだ、交流モータ4の巻線A,Bの接続状態は図3に示した状態である。いま、位相角60°の状態で巻線Aに流れる電流は、U相からV相,W相に同時に流れ出す。そして、巻線Bに流れる電流は、V相,W相からU相に同時に流れ込む。したがって、巻線A,BでU,V,W各相の電流の流れる方向がちょうど逆向きになって、誘起される磁束が互いに打ち消し合うことになり、モータを回転駆動することができない。
【0030】
そこで、この実施の形態の場合、図1においてモータ4の部分に示しているように、スイッチング回路3Bと巻線Bにおける中性点NBとの接続を、スイッチング回路3Aと巻線Aにおける中性点NAとの接続の場合とは逆向きにし、巻線Bには図2(d)に示したように巻線Aと同じ向きの電流が流れるように接続し、この結果として、モータ4を正常に駆動できるようにしている。
【0031】
これにより、上述したように巻線A、巻線Bの中性点NA,NBの電圧の合計であるモータ4の中性点電圧の総和を一定にして、高周波電流が発生しない回路にして、モータのインバータ駆動が可能となる。
【0032】
なお、上記では、インバータ3のスイッチング素子SW1〜SW12のオン/オフ制御に図4(a)に示したような矩形波信号を用いたが、これに限定されるわけではなく、駆動波形は同図(b)に示したようなPWMによる正弦波駆動であってもよい。そしてこのPWMによる駆動の場合には、図5(a),(b)に示したように、各スイッチングSW1〜SW12それぞれにおける“H”,“L”の切替タイミングがきわめて速くなるが、制御原理的には上記の実施の形態の場合と同様であり、各タイミングにおいて、例えば、スイッチング素子SW1が“H”の時にはスイッチング素子SW7は“L”、スイッチング素子SW2が“L”の時にはスイッチング素子SW8は“H”というように、U,V,W各相でのスイッチングをスイッチング回路3A、3Bで正反対に行う。
【0033】
これにより、同図(c)に示したように、巻線Aと巻線Bのそれぞれの中性点NA,NBの電圧の合計であるモータ4の中性点電圧の総和は、スイッチングタイミングによらず常に3/3Edとなり、インバータ3の直流側に高周波電流が漏洩するのを抑えることができる。
【0034】
次に、ステータ巻線A,Bの巻き方を図6〜図9に基づいて説明する。従来は図18に示したように、各相の複数のスロットごとに順次コイルを巻き、各相のコイルの最終端を1点に接続して中性点とした巻線構造である。
【0035】
これに対して、本発明の場合、図6及び図7に示したように、従来の半分の線径のコイルを用い、従来と同様、各相のスロットごとに巻き付けて巻線Aを構成するとともに、これに並列に、同じ線径のコイルを同様に各相のスロットごとに巻き付けて巻線Bを構成し、インバータ3のスイッチング回路3A,3Bに図1に示したように接続する。
【0036】
また、巻線構造は図8及び図9に示したものにすることもできる。図8及び図9は、1相当たり4つ以上のスロットを持つ(ここでは、合計24個のスロットを持つ)場合の巻線構造を示している。この場合、各相の巻線が2個以上できるので、各相の巻線を二分し、それぞれにインバータ3のスイッチング回路3A,3Bを接続する。
【0037】
次に、本発明の第2の実施の形態を、図10に基づいて説明する。第2の実施の形態のインバータ駆動モータの特徴は、インバータ回路3の直流側に電解コンデンサーを設けないようにした点にある。すなわち、図1に示した回路では、インバータ3の直流側にリップル電流を除去するための電解コンデンサー2を設けているが、図10に示す第2の実施の形態の回路では、電解コンデンサーを省略している。
【0038】
このように電解コンデンサーを省略することができる理由を以下に説明する。図10(a)に示したような回路構成(図1に示した構成と同じ)のインバータとインバータ駆動モータ4を採用することにより、UVWの各相ごとに2系統以上巻かれた巻線それぞれに交流電力を供給するインバータ3のスイッチング回路3A,3Bでは、各相のスイッチング素子のオン/オフ制御を正反対に行う。そのため、同図(b),(c)に示したように、スイッチング回路3A,3Bに流れる電流波形はちょうど逆位相となる。この結果、バッテリー1に流れる電流は同図(d)に示したようにこれらの電流波形の合成波形でほぼ一定となる。また、スイッチング回路3A,3Bの間でその一方のスイッチング素子が“L”になるタイミングで発生するサージ電圧も他方のスイッチング素子が“H”となることで打ち消し合うことができる。この結果、電解コンデンサーを設けずとも、リップル電流を除去することができ、インバータ3の容積を小さくして車載性を改善し、またコスト低減が図れる。
【0039】
次に、本発明の第3の実施の形態を、図11及び図12に基づいて説明する。第3の実施の形態は、インバータ3に3相それぞれ独立にスイッチング動作するスイッチング回路3I〜3III を設け、交流モータ4の3相I〜III それぞれのコイルをこれらのスイッチング回路3I〜3III それぞれによって個別に駆動する構成を特徴としている。なお、スイッチング回路3Iはスイッチング素子SW1〜SW4のブリッジで構成され、スイッチング回路3IIはスイッチング素子SW5〜SW8のブリッジで構成され、スイッチング回路3III はスイッチング素子SW9〜SW12のブリッジで構成されている。
【0040】
そして、スイッチング回路3I〜3III それぞれは、図12に示すスイッチング制御によって、モータ4の中性点圧が時間的にほぼ一定となる電流の流れを作り出す設定である。例えば、0°〜60°のタイミングでは、スイッチング回路3I;3II;3III それぞれにおけるスイッチング素子SW1,SW4;SW5,SW8;SW9,SW12を“H”にすることによって実線矢印に示したようにI相巻線II相巻線III 相巻線それぞれに電流が流れる態様とする。次の60°〜120°のタイミングでは、スイッチング回路3I;3III におけるスイッチング素子SW1,SW4;SW9,SW12は“H”を維持し、スイッチング回路3IIにおけるスイッチング素子SW5,SW8は“L”にして、逆にスイッチング素子SW6,SW7を“H”にすることによって、鎖線矢印に示したようにI相巻線II相巻線III 相巻線それぞれに電流が流れる態様とする。以下、順次、スイッチング素子の“H”,“L”を切り替えることにより、第1の実施の形態の電流による回転磁界と同等の態様の回転磁界を作り出す。
【0041】
これにより、図12に示したようにモータ4のI〜III 相の中性点NI,NII,NIII の電圧はインバータ3の電圧Edに対してそれぞれ1/2Edとなり、モータの中性点圧が時間的にほぼ一定になる。
【0042】
なお、この実施の形態においても、電解コンデンサー2を省略することができる。
【0043】
次に、本発明の第4の実施の形態を、図13に基づいて説明する。第4の実施の形態は、図1に示した第1の実施の形態の回路構成を備えたインバータ駆動モータにあって、モータ4のケース11内にインバータ4及び電解コンデンサー2を組み込み、あるいはモータ4のケースとインバータ4のケースを一体化した構造を特徴とする。
【0044】
これにより、配線数が増加した本発明のインバータ駆動モータの全体をコンパクトにして、車載性を向上させることができる。
【0045】
なお、図14に示したように、図11に示した第3の実施の形態の回路構成のインバータ駆動モータにおいても、同様にモータ4のケース11内にインバータ4及び電解コンデンサー2を組み込み、あるいはモータ4のケースとインバータ4のケースを一体化した構造とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態の回路図。
【図2】上記の実施の形態における交流モータの各相の巻線に流れる電流と中性点の電圧の電気角による変動を示す説明図。
【図3】 交流モータの2系統の中性点電圧の総和を時間的に一定にするインバータと交流モータの巻線の接続関係を示す回路(ただし、モータトルクを発生させることはできない回路)の回路図。
【図4】上記の実施の形態におけるインバータの矩形波駆動時、PWM駆動時それぞれの各相のスイッチング駆動波形を示す波形図。
【図5】上記の実施の形態のPWM駆動時の交流モータの各相の巻線に流れる電流と中性点の電圧の電気角による変動を示す説明図。
【図6】上記の実施の形態における1つの巻き方で巻いたモータ巻線を示す説明図。
【図7】上記の実施の形態におけるモータ巻線の上記の1つの巻き方を示す説明図。
【図8】上記の実施の形態における他の巻き方で巻いたモータ巻線を示す説明図。
【図9】上記の実施の形態におけるモータ巻線の上記の他の巻き方を示す説明図。
【図10】本発明の第2の実施の形態の回路図及び各部の電流波形図。
【図11】本発明の第3の実施の形態の回路図。
【図12】上記の実施の形態における交流モータの各相の巻線に流れる電流と中性点の電圧の電気角による変動を示す説明図。
【図13】本発明の第4の実施の形態の回路図。
【図14】上記の実施の形態の変形例の回路図。
【図15】従来例の回路図。
【図16】上記の従来例における交流モータの各相の巻線に流れる電流と中性点の電圧の電気角による変動を示す説明図。
【図17】他の従来例の回路図。
【図18】従来例におけるモータ巻線を示す説明図。
【符号の説明】
1 バッテリ
2 電解コンデンサー
3 インバータ
3A,3B スイッチング回路
3I,3II,3III スイッチング回路
4 交流モータ
SW1〜SW12 スイッチング素子
NA,NB 中性点
NI,NII,NIII 中性点

Claims (5)

  1. 回転磁界を発生するステータ、前記ステータの前記回転磁界により回転して機械的動力を発生するロータ及び前記ステータに電力を供給する2系統の巻線を有し、インバータの2系統のスイッチング回路それぞれに当該2系統の巻線それぞれを接続し、当該2系統のスイッチング回路それぞれのスイッチング動作によって前記2系統の巻線それぞれに供給される電流を制御して前記ステータに前記回転磁界を発生させるインバータ駆動モータであって、
    前記巻線を並列に前記ステータに巻いた2系統とし、
    第1系統のスイッチング回路と第1の中性点との間に第1系統の巻線を接続し、
    第2系統のスイッチング回路と第2の中性点との間に、前記第1系統の巻線と前記第1の中性点との接続の場合とは逆向きに、第2系統の巻線を前記第2の中性点に接続し、
    前記第1系統のスイッチング回路から前記第1系統の巻線のある相に供給する電流と、前記第2系統のスイッチング回路から前記第1系統の巻線の前記相に対応する前記第2系統の巻線の相に供給する電流が逆向きに流れるようにスイッチング動作を制御するとともに、前記第1系統の巻線と前記第2系統の巻線に流れる電流が同じ向きに流れるようにスイッチング動作を制御することにより、前記第1の中性点の電圧と前記第2の中性点の電圧との総和がほぼ一定になることを特徴とするインバータ駆動モータ。
  2. 前記系統の巻線を同じスロットに2つ並列に巻き、それぞれの系統の巻線のそれぞれに前記インバータの2系統の前記スイッチング回路それぞれを接続し、前記中性点電圧の総和が時間とともにほぼ一定となるように各スイッチング回路のスイッチングタイミングを制御することを特徴とする請求項1に記載のインバータ駆動モータ。
  3. 1相当たり4つ以上のスロットを持ち、1相当たり2系統の巻線のそれぞれに前記インバータのそれぞれの系統のスイッチング回路から電力を供給し、前記中性点電圧の総和が時間とともに変動しないようにしたことを特徴とする請求項1に記載のインバータ駆動モータ。
  4. 前記インバータの直流側に電解コンデンサーを設けないことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のインバータ駆動モータ。
  5. 当該モータのケース内に前記インバータを収容したことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のインバータ駆動モータ。
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