JP4639429B2

JP4639429B2 - Inverter device

Info

Publication number: JP4639429B2
Application number: JP2000118980A
Authority: JP
Inventors: 和彦麻田; 知也藤濤; 保道小林
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-04-20
Filing date: 2000-04-20
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2020-04-20
Also published as: JP2001309631A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般家庭や工場、店舗、事務所などの産業用として使用される、空調機器、家事機器、回転調理器などに使用される電動機、またはエンジンや風車などの動力から電気パワーを得るための発電機等の電気機械と、この電気機械に電力を供給するまたは電力を引き出して直流の電気パワーに変換するインバータ回路と、前記電気機械とインバータ回路とを組み合わせたインバータ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のインバータ装置は、図１３に示している構成となっている。すなわち、直流電源１とインバータ回路２と電動機３の巻線を有しているものである。直流電源１は、１００Ｖで６０Ｈｚの商用電源４と、商用電源４に接続した整流回路５と、整流回路５の出力に接続した平滑用のチョークコイル６と平滑用のコンデンサ７を有している。
【０００３】
インバータ回路２は、直流電源１からの直流電圧を受けて動作するもので、スイッチング素子８、９、１０、１１、１２、１３と、ダイオード１４、１５、１６、１７、１８、１９と、各スイッチング素子のオンオフを制御する制御回路２０によって構成されている。
【０００４】
電動機３を構成する巻線２１，２２，２３は、前記インバータ回路２の出力に接続されている。
【０００５】
図１４は、電動機３の構成を示す断面図である。電動機３は、回転子２４と固定子２５を有しており、回転子２４は軸２６を中心に回転自在となっている。
【０００６】
また回転子２４は、４つの歯部のある鉄心２７で構成している。固定子２５は、コイル２９、３０、３１、３２、３３、３４を巻装した６つの歯部を有している鉄心２８で構成している。
【０００７】
図１５は、電動機３の各コイルの結線図を示したものである。コイル２９とコイル３０とは直列に接続して巻線２１となっており、３相電動機を構成する３相巻線の内の１相を構成し、同様にコイル３１とコイル３２とは直列に接続して巻線２２となっており他の１相を、またコイル３３とコイル３４とは直列に接続されて巻線２３となっており、さらに他の１相を構成している。巻線２１と巻線２２と巻線２３の両端は、端子ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆとなっている。
【０００８】
このとき、回転子２４と固定子２５の双方に設けている歯部の重なり度合いは、回転子２４の回転角度によって変化するものである。従って前記巻線２１，巻線２２，巻線２３の自己インダクタンスの値は、回転子２４の回転によって増減するものとなる。
【０００９】
以上の構成で、従来のインバータ装置は、制御回路２０がスイッチング素子８、９、１０、１１、１２、１３のオンオフを制御することによって回転子２７を回転駆動でき、直流電源１の電気パワーを動力パワーに変換して利用することができるものとなっている。すなわち、制御回路２０はスイッチング素子８、９、１０、１１、１２、１３のオンオフを正確に制御することによって、巻線２１、巻線２２、巻線２３に順序よく電流の供給が行われ、各巻線が発生する磁界によって回転子２７を駆動するトルクが発生するものである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の構成のものは、インバータ回路２を構成する部品の点数が多く、特にスイッチング素子を６個使用するため、構成が複雑で装置のコストが高くなり、形状も大となるという課題を有している。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、第２の物体が有する（３６０／Ｎ）度に配置したＮ個の巻線の接続を１個の共通端子とＮ個の電気機械端子に接続し、その内の１相の巻線は、前記共通端子から電流を流した際に発生する磁束の向きが、他の（Ｎ−１）相の巻線に対して逆となり、前記インバータ回路は、コンデンサと、少なくとも１個の電源端子と、ダイオードとスイッチング素子の直列回路をＮ個有し、それぞれダイオードとスイッチング素子の接続点を前記電気機械端子に接続し、前記Ｎ個の直列回路の内少なくとも１個は高電位側をスイッチング素子とし低電位側をダイオードとし、前記Ｎ個の直列回路の内少なくとも１個は低電位側をスイッチング素子とし高電位側をダイオードとし、前記Ｎ個の直列回路の両端は並列接続され、その一方の端子を前記電源端子とし、他の端子には前記コンデンサの一方の端子を接続し、前記コンデンサの他方の端子は、前記共通端子、および前記電源端子に接続される前記直流電源の一端子に接続した構成として、スイッチング素子の使用数を従来の技術に比較して少なく、またスイッチング素子の駆動回路の数も少ない簡単な構成で、低コスト化、小形化、軽量化したインバータ装置としている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載した発明は、直流電源と電気機械とインバータ回路を有し、前記電気機械は、永久磁石を有する第１の物体と、前記第１の物体と相対的に運動可能で前記永久磁石からの磁束を受けるＮ相の巻線を有する第２の物体と、１個の共通端子と、Ｎ個の電気機械端子を有し、前記巻線は互いにほぼ（３６０／Ｎ）度の電気角を隔てて設けており、前記巻線の一方の端子はいずれも前記共通端子に接続しており、かつ前記巻線の他方の端子は、前記電気機械端子であり、１相の巻線は前記共通端子から電流を流した際に発生する磁束の向きが、他の（Ｎ−１）相の巻線に対して逆となり、前記インバータ回路は、コンデンサと、少なくとも１個の電源端子と、ダイオードとスイッチング素子の直列回路をＮ個有し、それぞれダイオードとスイッチング素子の接続点を前記電気機械端子に接続し、前記Ｎ個の直列回路の内少なくとも１個は高電位側をスイッチング素子とし低電位側をダイオードとし、前記Ｎ個の直列回路の内少なくとも１個は低電位側をスイッチング素子とし高電位側をダイオードとし、前記Ｎ個の直列回路の両端は並列接続され、その一方の端子を前記電源端子とし、他の端子には前記コンデンサの一方の端子を接続し、前記コンデンサの他方の端子は、前記共通端子、および前記電源端子に接続される前記直流電源の一端子に接続した構成として、スイッチング素子の使用数を従来の技術に比較して少なく、またスイッチング素子の駆動回路の数も少ない簡単な構成で、低コスト化、小形化、軽量化したインバータ装置としている。
【００１３】
請求項２に記載した発明は、直流電源と電気機械とインバータ回路を有し、前記電気機械は、磁性体を有する第１の物体と、前記第１の物体と相対的に運動可能で運動によりインダクタンスが変化するＮ相の巻線を有する第２の物体と、１個の共通端子と、Ｎ個の電気機械端子を有し、前記巻線は互いにほぼ（３６０／Ｎ）度の電気角を隔てて設けており、前記巻線の一方の端子はいずれも前記共通端子に接続しており、かつ前記巻線の他方の端子は、前記電気機械端子であり、１相の巻線は前記共通端子から電流を流した際に発生する磁束の向きが、他の（Ｎ−１）相の巻線に対して逆となり、前記インバータ回路は、コンデンサと、少なくとも１個の電源端子と、ダイオードとスイッチング素子の直列回路をＮ個有し、それぞれダイオードとスイッチング素子の接続点を前記電気機械端子に接続し、前記Ｎ個の直列回路の内少なくとも１個は高電位側をスイッチング素子とし低電位側をダイオードとし、前記Ｎ個の直列回路の内少なくとも１個は低電位側をスイッチング素子とし高電位側をダイオードとし、前記Ｎ個の直列回路の両端は並列接続され、その一方の端子を前記電源端子とし、他の端子には前記コンデンサの一方の端子を接続し、前記コンデンサの他方の端子は、前記共通端子、および前記電源端子に接続される前記直流電源の一端子に接続した構成として、スイッチング素子の使用数を従来の技術に比較して少なく、またスイッチング素子の駆動回路の数も少ないでき、かつ減磁による性能の劣化がなく、また簡単な構成のインバータ装置としている。
【００１４】
請求項３に記載した発明は、特に、請求項１または２に記載した発明において、Ｎ＝３とした構成として、簡単な構成の３相式の電気機械を有するインバータ装置を実現している。
【００１５】
請求項４に記載した発明は、特に、請求項１〜３のいずれか１項に記載した発明において、電源端子に接続したスイッチング素子をオンさせてコンデンサを充電して起動し、直流電源からの電力を電気機械に供給するようにして、スイッチング素子がターンオフする際に各巻線のインダクタンスが蓄えたエネルギーを有効に再利用でき、スイッチング素子の使用数が少なく、また第１の物体と前記第２の物体との相対位置がいかなる条件であっても起動が容易にできる低コスト、小形、軽量のインバータ装置としている。
【００１６】
【実施例】
（実施例１）
以下、本発明の第１の実施例について説明する。本実施例は、電動機を駆動するあるいは制御するインバータ装置に関するものである。図１はこのインバータ装置の構成を示す回路図である。
【００１７】
本実施例のインバータ装置は、直流電源４１と、インバータ回路４２と、電動機４３によって構成している。
【００１８】
直流電源４１は、１００Ｖで６０Ｈｚの商用電源４４と、商用電源４４に接続した整流回路４５と、整流回路４５の出力に接続した平滑用のチョークコイル４６と平滑用のコンデンサ４７を有している。
【００１９】
ただし、直流電源４１は必ずしもこのような構成でなければならないというものではなく、例えば電解式のコンデンサを２個使用した倍電圧整流形のものを使用してもよく、またバッテリを使用したものであってもかまわない。
【００２０】
インバータ回路４２は、直流電源４１から供給される直流電圧を受けて動作するもので、コンデンサ４８と、電源端子４９と、３相の電動機４３を接続する３個の電気機械端子５０、５１、５２と、前記３相の電動機の共通端となっている共通端子６８と、直列回路５５，５８，６１と、制御回路６２を備えている。
【００２１】
直列回路５５は、ダイオード５３とスイッチング素子５４で、直列回路５８は、ダイオード５６とスイッチング素子５７で、直列回路６１はダイオード５９とスイッチング素子６０によって構成している。また前記各直列回路のダイオードとスイッチング素子の接続点は、前記電気機械端子５０、５１、５２に接続している。
【００２２】
また本実施例では、前記３個の直列回路５５、５８、６１の内の１個である直列回路６１については、直流電源４１の高電位側にスイッチング素子６０を、低電位側にダイオード５９を接続している。また直列回路５５、５８については、いずれも直流電源４１の低電位側にスイッチング素子５４またはスイッチング素子５７を、直流電源４１の高電位側にダイオード５３またはダイオード５６を接続している。
【００２３】
また３個の直列回路５５、５８、６１の両端は並列に接続しており、その低電位側を前記電源端子４９に、直流電源４１のマイナス側と共に接続している。
【００２４】
また、並列接続された３個の直列回路５５、５８、６１の高電位側の接続点には、コンデンサ４８のプラス側を接続しており、コンデンサ４８のマイナス側は、共通端子６８に接続している直流電源４１のプラス側に接続している。
【００２５】
なお、前記スイッチング素子５４、５７、６０のゲートは制御回路６２に接続されていて、制御回路６２は前記各スイッチング素子をオンオフ制御している。
【００２６】
図２は、電動機４３の構成を示す断面図である。本実施例の電動機は、一般的に回転子またはロータと称されている第１の物体６３と、固定子またはステータと称されているを有している。第１の物体６３は、永久磁石９４、９５、９６、９７、９８、９９、１００、１０１と、バックヨークとも称されている鉄心１０２と、軸１０３を有している。軸１０３には、図示していない負荷を接続しており、第１の物体６３の回転を外部に伝達するようになっている。前記各永久磁石９４〜１０１と鉄心１０２とは磁路を構成している。軸１０３は第１の物体６３の中心を貫通するように設けており、第１の物体６３は軸１０３を中心に回転自在となっている。
【００２７】
第２の物体６４は、前記永久磁石９４〜１０１からの磁束を受けるように配置した３相の巻線を有している。前記永久磁石９４、９６、９８、１００は、外側、すなわち第２の物体６４に対向する側がＳ極となるように、また永久磁石９５、９７、９９、１０１は外側、すなわち第２の物体６４に対向する側がＮ極となるように着磁がなされている。
【００２８】
また第２の物体６４は、珪素鋼板を積層して構成した鉄心と、前記３相の巻線を構成するコイル８１、８２、８３、８４、８５、８６、８７、８８、８９、９０、９１、９２と、３個のホールＩＣ１０４，１０５，１０６を有している。すなわち、前記鉄心は等角度に設けた１２カ所の歯部を有しており、この歯部に前記コイル８１〜９２を巻装しているものである。また、前記３個のホールＩＣ１０４、１０５、１０６は、いずれも第１の物体６３に対向する各永久磁石９４〜１０１の極性を検知し、この信号を前記制御回路６２に伝達している。すなわち、本実施例のホールＩＣは、Ｎ極が対向している場合にはＨＩＧＨ信号を、Ｓ極が対向している場合にはＬＯＷ信号を出力するものである。制御回路６２は、この信号によって第１の物体６３の回転位置を検知するものである。
【００２９】
図３は、前記コイル８１〜９２の接続を説明する結線図である。本実施例では、外部回路に接続する端子は、共通端子６８と、端子６９、７０、７１の合計４個としている。すなわち、従来の技術が、インバータ回路と電動機の間に合計６本の配線を施す構成となっているのに対して、インバータ回路４２から電動機４３への配線が４本ですむ簡単な構成となっているものである。
【００３０】
巻線６５は、コイル８１とコイル８４とコイル８７とコイル９０とを直列に接続した構成としており、この一端は端子６９に接続しており、他端は共通端子６８に接続している。巻線６６は、コイル８２とコイル８５とコイル８８とコイル９１とを直列に接続した構成としており、一端は端子７０に他端は共通端子６８に接続している。また巻線６７は、コイル８３とコイル８６とコイル８９とコイル９２とを直列に接続した構成としており、一端は端子７１に他端は共通端子６８に接続している。
【００３１】
巻線６５と巻線６６と巻線６７は、互いに１２０度の電気角を隔てて配置しており、３相電動機の各巻線を構成している。
【００３２】
ただし各コイルは、黒丸印を付した側から電流を通じた場合には、各コイルに面している第１の物体６３側にＮ極が生ずる方向の磁界を発生するように構成されているものである。すなわち本実施例では、図３に明示しているように、３相巻線を構成する１相の巻線６７については、黒丸印の方向を巻線６５と巻線６６に対して逆としているものである。つまり共通端子６８から電流を流した際に発生する磁束の向きは、他の２相の巻線６５、６６に対して逆となるように構成しているものである。
【００３３】
なお本実施例では、前記しているように、コイル８１〜９２を第２の物体６４を構成する鉄心の突部分（ティースと呼ばれる）である歯部に集中して巻装している。このような構成は、突極集中巻などと呼ばれることもあるが、コイルエンド部分の銅線長が短くて済むことから銅損が少ない高効率の電動機を実現できるものである。また、例えば３相巻線を構成する各コイルを１２個の歯部に巻装した後、後から溶接等の方法で接続することができるため、製造が容易となるものである。
【００３４】
しかし、本発明は特にこのような突極集中巻の構成に限るものではなく、分布係数が１以下となる構成であってもよく、また各巻線の配置についても電気角１２０度に限るものでもなく、１８０度の３相巻線などであってもよい。
【００３５】
以下、本実施例の動作について説明する。図４は、本実施例の電動機４３を反時計方向に回転駆動している状態での各部の動作を示す波形図である。図４（ア）はホールＩＣ１０４の出力論理波形を、図４（イ）はホールＩＣ１０５の出力論理波形を、図４（ウ）はホールＩＣ１０６の出力論理波形を示している。また図４（エ）、図４（オ）、図４（カ）はいずれも制御回路６２のスイッチングを制御する制御信号を示す波形を示している。すなわち、図４（エ）はスイッチング素子５４に対する波形を、図４（オ）はスイッチング素子５７に対する波形を、図４（カ）はスイッチング素子６０に対する波形を示している。
【００３６】
時刻ｔ５では、第１の物体６３はちょうど図２に示している位置となっている。この状態で、スイッチング素子５４がオンされると共通端子６８から巻線６５を経て端子６９に電流が流れる。このため、第１の物体６３は、反時計方向にトルクを受けるものである。
【００３７】
また時刻ｔ６で、制御回路６２がスイッチング素子５４をオフすると、巻線６５のインダクタンスに蓄えられたエネルギーは、ダイオード５３を通ってコンデンサ４８に蓄えられる。時刻ｔ４におけるスイッチング素子５７のターンオフ時についても同様である。
【００３８】
時刻ｔ６〜時刻ｔ８の期間には、コンデンサ４８が前記充電した電荷を放電して、スイッチング素子６０から巻線６７に電流が流れる。このとき、巻線６７は他の２相の巻線６５、６６に対して逆の極性で巻かれているものである。このため、巻線６７に流れる電流の向きが、端子７１から共通端子６８への方向となっていても、やはり内側にＳ極を発生させる向きとなり、第１の物体６３は、依然として反時計方向のトルクを受けるものとなる。
【００３９】
時刻ｔ８でスイッチング素子６０がターンオフすると、巻線６７のインダクタンスに蓄えられた電荷が、ダイオード５９を通して放電されさらに若干の電流が巻線６７に流れ、インダクタンスに蓄えられた電荷が直流電源４１にほぼ完全に回収されたのち巻線６７の電流がなくなるものとなる。
【００４０】
以上の様に、本実施例では特に３相式の電動機を制御するインバータ装置として、３相で３石という極めて簡単な構成のものを実現するものである。また本実施例によれば、スイッチング素子のターンオフ時に巻線が有しているインダクタンスに電荷を蓄え、この電荷をコンデンサ４８に一旦蓄えた後、再び巻線を流れて、第１の物体６３を回転させる動力として利用しながら、直流電源４１に回生させるようにしているものである。すなわち、効率の高いインバータ装置を実現しているものである。
【００４１】
特に本実施例の接続構成とした場合には、直流電源から供給された電力は、第１の物体６３を回転させるエネルギーとして使用されると共に、残りのエネルギーのコンデンサ４８に一旦回生されて、３相巻線の内の１相を構成する巻線６７に流れるものである。このため、使用しているスイッチング素子の数を３石とでき、非常に簡単な構成とできるものである。また、使用する各スイッチング素子の定格もほぼ近いものとする事ができる。
【００４２】
図５は、本実施例のインバータ回路４２の起動時の動作を示す波形図である。図５（ア）はスイッチング素子５４のゲート信号、図５（イ）はスイッチング素子５７のゲート信号、図５（ウ）はスイッチング素子６０のゲート信号を示している。
【００４３】
制御回路６２は、電源端子４９に接続しているスイッチング素子５４とスイッチング素子５７を共に、時刻ｔ１から時刻ｔ２の期間内に、断続的に１２回オンオフして、コンデンサ４８を充電してから起動し、直流電源４１からの電力を電動機４３に供給している。
【００４４】
このとき、ホールＩＣ１０４，１０５，１０６の出力信号は、図示していないが、時刻ｔ１の時点では図４の時刻ｔ７〜時刻ｔ８に示す条件となっている。
【００４５】
すなわち、第１の物体６３と第２の物体６４の相対位置がこの位置である場合に、第１の物体６３を反時計方向に起動する場合には、巻線６７に端子７１から共通端子６８に向けて電流を流す必要がある。
【００４６】
しかしながら、図５の時刻ｔ１の時点でスイッチング素子６０をオンさせても、コンデンサ４８には電荷が蓄えられてないため、巻線６７には電流が供給されないものである。
【００４７】
この点本実施例では、制御回路６２は、時刻ｔ１から時刻ｔ２にかけて、スイッチング素子５４とスイッチング素子５７に対して１ｍｓオンの信号を、間に１ｍｓのオフ期間を挟んで１２回連続的に加えている。このため、スイッチング素子５４とスイッチング素子５７のターンオフの期間に、巻線６５と巻線６６のインダクタンスに蓄えられたエネルギーが、コンデンサ４８に蓄えられるものである。このため、時刻ｔ２でスイッチング素子６０がオンされた際に、前記コンデンサ４８が蓄積した充電電流が巻線６７に供給されるものである。この結果、第１の物体６３は起動トルクが得て、反時計方向に回転するものである。
【００４８】
したがって本実施例によれば、いずれの位置に第１の物体６３が停止していても、容易に起動できる起動性能の良いインバータ装置を実現できるものである。
【００４９】
（実施例２）
続いて本発明の第２の実施例について説明する。図６は、本実施例で使用している電動機の構成を示す断面図である。
【００５０】
本実施例では、第１の物体１１０は磁性体１１１によって構成している。磁性体１１１は例えば珪素鋼板の薄板を積層した構成の鉄心としている。また、磁性体１１１は十字型に形成した歯部を有しており、軸１２０を中心に回転自在となっている。第２の物体１１２は、実施例１と同様に珪素鋼板の薄板を積層して構成した鉄心１１３と、コイル１１４〜１１９を有している。鉄心１１３は、第１の物体１１０側に突出している歯部を有しており、この歯部に前記コイル１１４〜１１９を巻装している。
【００５１】
図７は、本実施例の電動機の各巻線の結線を示す結線図である。各コイルの片側に付した黒丸印は、コイルの極性を示している。すなわち黒丸印のある側から電流を流し込んだ場合には、コイルから発生する磁界が第２の物体１１２の内側、すなわち第２の物体１１２と対向している第１の物体１１０にＳ極を発生させることを示している。
【００５２】
コイル１１４とコイル１１５は直列に接続され巻線６５を構成し、コイル１１６とコイル１１７は直列に接続され巻線６６を構成し、コイル１１８とコイル１１９は直列に接続され巻線６７を構成している。こうして、巻線６５と巻線６６と巻線６７とは、３相式の電動機の各巻線を構成しているものである。すなわち、巻線６５と巻線６６と巻線６７とは、互いに電気角１２０度を隔てて配置した構成となっているものである。
【００５３】
本実施例では、第１の物体１１０を構成する磁性体１１１の歯部と、第２の物体１１２を構成する鉄心１１３の歯部との重なりの程度が、第１の物体１１０の回転の角度によって変化することから、第２の物体１１２に設けている巻線６５と巻線６６と巻線６７のインダクタンスの値は、回転運動に応じて変化するものとなる。
【００５４】
また、図７に示しているように、本実施例においても、巻線６５と巻線６６と巻線６７が有している端子数は合計４としている。すなわち、共通端子６８と、端子６９、端子７０、端子７１としている。すなわち、巻線６５と巻線６６と巻線６７とは、一端を共通端子６８に接続しており、他端は端子６９端子７０端子７１に接続しているものである。
【００５５】
このとき、図７に示しているように、３相巻線の一相を構成する巻線６７は、共通端子６８から電流を流した際に発生する磁界の向きが、他の２相の巻線６５、６６が発生する磁界の方向に対して逆となるように接続しているものである。
【００５６】
以下、本実施例の動作について説明する。本実施例の電動機を図１に示しているインバータ回路４２に接続して、図示してないスイッチをオンしたとする。制御回路６２の駆動信号によって、スイッチング素子５４がオンすると、共通端子６８から巻線６５を接続している端子６９に電流が流れて、巻線６５が図６に示すＡの方向に磁界を発生する。またスイッチング素子５７がオンすると、共通端子６８から巻線６６を接続している端子７０に電流が流れて、巻線６６が図６に示すＢの方向に磁界を発生する。スイッチング素子６０がオンすると、端子７１から巻線６７を接続している共通端子６８に電流が流れて、巻線６７は図６に示しているＣの方向に磁界を発生する。
【００５７】
前記巻線６７が発生する磁界の方向は、巻線６７を構成しているコイル１１８とコイル１１９の極性が、巻線６５と巻線６６を構成する各コイルとは逆の極性に設定しているため、結果的にＣの方向となるものである。
【００５８】
前記磁界の方向Ａ、Ｂ、Ｃは、機械角で１２０度ずつ離れた形となっているものである。このため、第１の物体１１０は起動が容易で、起動性能の高いインバータ装置を実現できるものである。
【００５９】
ただし、スイッチト・リラクタンス・モータと呼ばれるこの種の電動機は、発生するトルクの向きは、電流の極性には原理的には無関係であるので、特に巻線６５、巻線６６、巻線６７の距離が離れていて各巻線間の相互インダクタンスの値が小さい本実施例の巻線構成とした場合には、１相の巻線のみ逆の極性にすることは必要ではなく、全相の巻線を同極性としても、良好にトルクを発生するものとなる。
【００６０】
また本実施例とした場合には、第１の物体１１０は磁性体１１１によって構成しているため、例えば永久磁石を使用した構成とした場合に生ずる減磁を生ずるおそれがなく、信頼の高いインバータ装置を実現できるものである。
【００６１】
（実施例３）
続いて本発明の第３の実施例について説明する。図８は本実施例のインバータ装置の構成を示す回路図である。
【００６２】
本実施例では、インバータ回路４２は、コンデンサ４８と、電源端子４９と、３相の電動機４３の巻線を接続する３個の電気機械端子５０、５１、５２を有している。前記電気機械端子５０には、電動機４３の三相巻線の一相である巻線６５の一端を接続している端子６９と、直列回路５５とを接続している。直列回路５５は、ダイオード５３とスイッチング素子５４によって構成しており、ダイオード５３とスイッチング素子５４の接続点を前記電気機械端子５０に接続している。電気機械端子５１には、電動機４３の三相巻線の一相である巻線６６の一端を接続している端子７０と、直列回路５８を接続している。直列回路５８は、スイッチング素子５７とダイオード５６によって構成しており、スイッチング素子５７とダイオード５６の接続点を前記電気機械端子５１に接続している。電気機械端子５２には電動機４３の三相巻線の一相である巻線６７の一端を接続している端子７１と、直列回路６１を接続している。直列回路６１は、スイッチング素子６１とダイオード５９によって構成しており、スイッチング素子６０とダイオード５９の接続点を前記電気機械端子５２に接続している。また、巻線６５と巻線６６と巻線６７の他端は、共通端子６８に接続している。
【００６３】
前記直列回路５５と直列回路５８は、直流電源４１の高電位側をスイッチング素子５４、スイッチング素子５７側とし、低電位側をダイオード５３、ダイオード５６側としている。また、直列回路６１は、直流電源４１の低電位側をスイッチング素子６０とし高電位側をダイオード５９としている。また、３個の直列回路５５、５８、６１の両端は並列に接続し、そのプラス側の端子を電源端子４９として直流電源４１のプラス側の端子に接続している。また、並列接続した３個の直列回路５５、５８、６１のマイナス側の端子にはコンデンサ４８のマイナス側の端子が接続されている。コンデンサ４８のプラス側の端子は、電源端子４９に接続された直流電源４１のマイナス側の端子に接続している。
【００６４】
また、電動機４３の共通端子６８は直流電源４１のマイナス側の端子に接続している。
【００６５】
以下、本実施例の動作について説明する。制御回路６２はスイッチング素子５４、５７、６０を、図４に示しているタイミングでオンオフ制御している。従って、スイッチング素子５４とスイッチング素子５７のターンオフ時には、電動機４３の三相巻線を構成している巻線６５と巻線６６のインダクタンスに蓄えられたエネルギーによってコンデンサ４８を充電するものである。制御回路６２がスイッチング素子６０をオンすると、前記コンデンサ４８に充電された電荷が、共通端子６８から、共通端子６８と端子７１との間に接続している巻線６７に流れるものである。このため、前記実施例で説明したと同様に、電動機４３を構成している第１の物体は、トルクを受けて反時計方向に回転するものである。
【００６６】
このため本実施例によれば、コンデンサ４８に充電した電荷を有効に利用でき、効率の高いインバータ装置を実現できるものである。
【００６７】
（実施例４）
続いて、本発明の第４の実施例について説明する。図９は、本実施例の回路の構成を示す回路図である。
【００６８】
３個の直列回路５５、５８、６１の両端は並列に接続しており、そのマイナス側の端子を電源端子４９とし、プラス側の端子には、コンデンサ４８のプラス側の端子を接続している。コンデンサ４８のマイナス側の端子は、直流電源４１のマイナス側の端子、すなわち電源端子４９に接続している。
【００６９】
以上の構成で、本実施例は図４に示している動作波形で動作する。すなわち、制御回路６２によって、スイッチング素子５４、スイッチング素子５７がターンオフされた時に、巻線６５と巻線６６のインダクタンスに蓄えられた電荷がコンデンサ４８に流れてコンデンサ４８を充電する。こうして、次に制御回路６２がスイッチング素子６０をオンすると、コンデンサ４８に蓄えられていた電荷が、端子７１と共通端子６８の間に接続している巻線６７に流れるものである。このため、前記実施例で説明したと同様、電動機４３の第１の物体６３はトルクを受けて反時計方向に回転するものである。こうして、本実施例によってもコンデンサ４８に充電した電荷を有効に利用でき、効率の高いインバータ装置を実現できる。
【００７０】
なお本実施例によれば、コンデンサ４８の容量を実施例４で説明したものよりも小さい設定とできるものである。
【００７１】
（実施例５）
続いて本発明の第５の実施例について説明する。図１０は、本実施例のインバータ装置の構成を示す回路図である。本実施例では、直列回路５８を直流電源４１の高電位側に接続したスイッチング素子５７と、低電位側に接続したダイオード５６によって構成しているものである。
【００７２】
本実施例によれば、コンデンサ４８の充電は、スイッチング素子５４のターンオフの時にのみ行われるものである。このスイッチング素子４８のターンオフによって、コンデンサ４８に充電された電荷を、スイッチング素子５７とスイッチング素子６０を通じて電動機４３の３相巻線を構成している巻線６５と巻線６６に供給できるものである。
【００７３】
この構成としたときには、３相電動機の１相の巻線６９に流れる電流をスイッチング素子５４をターンオフしてコンデンサ４８に充電する構成としているため、巻線６９の巻き回数を少なくする等として、コイルのインダクタンスを小さくすることが好ましいものである。
【００７４】
また、本実施例の構成としたものは、例えば電動機４３を発電機として使用する場合に特に有効となるものである。
【００７５】
（実施例６）
続いて本発明の第６の実施例について説明する。図１１は、本実施例で使用している電動機の構成を示す平面図である。第１の物体１３０は、珪素鋼板の薄板を積層した鉄心等の磁性体１３１によって構成している。磁性体１３１は、２２個の小歯１４４を有する形状としている。前記小歯１４４は等角度間隔で設けている。設けている。また第２の物体１３２は、同じく珪素鋼板の薄板を積層した鉄心１３３と、コイル１１４〜１１９を有している。前記鉄心１３３は、本実施例では相数３の倍数である６個の歯部１３４、１３５、１３６、１３７、１３８、１３９を有している。この歯部１３４〜１３９には、それぞれコイル１１４、１１５、１１６、１１７、１１８、１１９を巻装している。また前記歯部１３４〜１３９は、それぞれ４個の小歯１４０，１４１，１４２，１４３を第１の物体１３０側に突出させた形で有している。なお、前記４個の小歯は、歯部１３５〜１３９のそれぞれにも設けているものであるが、図面が煩雑となりすぎることから番号は付していない。
【００７６】
前記コイル１１４〜１１９の結線は、図７に示したものと同じである。すなわち、共通端子６８を一端とし、端子６９、端子７０、端子７１に巻線６５、巻線６６、巻線６７の他端を接続した構成としている。また、巻線６５、巻線６６、巻線６７は互いに１２０度の電気角を隔てて配置しているものである。
【００７７】
このとき、３相の巻線６５、６６、６７を構成している各コイルが有しているインダクタンスは、第１の物体１３０の回転運動に応じて変化するものである。また、巻線６７については、コイルの極性を巻線６５と巻線６６が発生する磁界の方向に対して逆となるように設定している。
【００７８】
以下、本実施例の動作について説明する。本実施例では、第２の物体１３２を構成している鉄心１３３が有している６個の歯部１３４〜１３９のそれぞれに、４個の小歯１４０〜１４３を設けた構成としている。このため、第１の物体１３０の回転によって、コイル１１４〜１１９のインダクタンスの変化の周期が前記各実施例の４分の１となるものである。
【００７９】
このとき、発明者らによる実験によれば、コイル１１４〜１１９のインダクタンスの値の最大値と最小値の差は、コイルの巻き数を同一に設定したときには、図６で示した構成のものに比べて１３％程度の低下としかならないものである。このため、機械角に対するインダクタンスの変化率ｄＬ／ｄθは３倍以上となるものである。リラクタンストルクの大きさは、コイルに流れる電流Ｉの自乗に、インダクタンスの変化率ｄＬ／ｄθを乗じた値となるものであるから、同一の電流を巻線に供給したと仮定した場合には、３倍以上のトルクが得られるものとなる。すなわち、本実施例の構成とした場合には、非常に大きなトルクを得ることができるものとなる。
【００８０】
一方、高速時にも巻線に発生する誘導起電力の値を、印加電圧よりも低く抑える必要があるため、図１１の構成では巻数を減じる必要があり、少なくとも線の太さを保ったまま巻数を減ずるか、線を太くした上で巻数を減ずるかのいずれかが可能となる。
【００８１】
その場合にも銅量の削減もしくは銅損の低減のいずれかが可能となり、高性能の装置を実現することができるものとなる。
【００８２】
以上のように本実施例によれば、特に第２の物体１３２を構成する鉄心１３３の形状を６個の歯部１３４〜１３９のそれぞれに４個の小歯１４０〜１４３を設けた構成としているため、コイルのインダクタンスの変化率ｄＬ／ｄθを非常に大きくでき、この結果非常に大きなトルクを得ることができて、性能の高いインバータ装置を実現できるものである。
【００８３】
また本実施例とした場合には、実施例１で説明した巻線を切り換える度にインダクタンスに蓄えたエネルギーをコンデンサ４８に一旦回収した後に、再び巻線６７に放電する構成としたものに比べてもより格段に電力のムダが少ない高効率の運転が可能となるものである。
【００８４】
また本実施例の構成としたときには、前記したように小歯数を多くしているため、インバータ回路４２の駆動周波数、すなわち巻線の切換の周波数が高くものである。このため、コンデンサ４８の充放電が短い周期で行われるものとなり、従ってコンデンサ４８として静電容量の小さいものを使用できる。換言すれば、定格の低い部品を使用できるため、低コストのインバータ装置を実現できるものとなる。
【００８５】
（実施例７）
続いて本発明の第７の実施例について説明する。図１２は、本実施例のインバータ装置の構成を示す回路図である。
【００８６】
本実施例では、インバータ回路４２に電気機械端子１６０を設けている。電気機械端子１６０には、直列回路１６３と第２の物体６４の巻線１６５を接続している。前記直列回路１６３は、直流電源４１の、高電位側に接続したスイッチング素子１６２と、直流電源４１の低電位側に接続しているダイオード１６１によって構成しており、前記スイッチング素子１６２とダイオード１６１の接続点を前記電気機械端子１６０に接続をしている。
【００８７】
なお本実施例では、直列回路５５、５８、６１については、いずれも直流電源４１の低電位側にはスイッチング素子５４、５７、６０を接続し、直流電源４１の高電位側にダイオード５３、５６、５９を接続したものとしている。
【００８８】
制御回路６２は、スイッチング素子５４とスイッチング素子５７とスイッチング素子６０とスイッチング素子１６２とを前記した順序でオンオフするゲート信号を出力するものとなっている。
【００８９】
また、本実施例では電動機４３は、４相の巻線構成となっている。すなわち、電気機械端子１６０に接続している巻線１６５と、電気機械端子５２に接続している巻線６５と、電気機械端子５１に接続している巻線６６と、電気機械端子５０に接続している巻線６７の４相の巻線を有している。前記４相の巻線は、互いに電気角で９０度ずつずらせた位置に設けている。
【００９０】
以下、本実施例の動作について説明する。コンデンサ４８は、スイッチング素子５４、スイッチング素子５７、スイッチング素子６０のそれぞれがターンオフした時点で、前記各巻線のインダクタンスが蓄えたエネルギーによって充電される。また、スイッチング素子１６２がオンした時点で、コンデンサ４８に充電されていた電荷が、スイッチング素子１６２を経て巻線１６５に供給されるものである。
【００９１】
このとき本実施例では、前記４相の巻線の１つを構成している巻線１６５の極性を他の３相の巻線に対して反対方向の設定としている。すなわち、共通端子６８から巻線に電流を供給した時に、第１の物体６３側に発生する磁界の向きが逆方向となっている。
【００９２】
このため前記各実施例で説明したと同様、第１の物体６３は、巻線に流れる電流によってトルクを受けて容易に回転するものである。なおこの構成は、第１の物体６３が永久磁石を有するタイプのものであっても、同様に動作するものである。
【００９３】
なお本実施例では、使用するスイッチング素子の数が４個となっているが、従来の技術で説明した構成のものに比較すると２石少ないものである。従って、依然として低コスト、小形、軽量とする効果は得られるものである。
【００９４】
このとき本実施例では、相数を４としているために、使用するスイッチング素子を電流定格の低いものとできる。
【００９５】
なお、本実施例よりも相数を増して、４とした場合にもおいても、高電位側にスイッチング素子を配する直列回路の個数ＮＨは少なくとも１個あればよく、また低電位側にスイッチング素子を配する直列回路の個数ＮＬも少なくとも１個有ればよい。
【００９６】
つまり、ＮＨ＝３でＮＬ＝１、ＮＨ＝ＮＬ＝２、ＮＨ＝１でＮＬ＝３の３通りの中から自由に設計することができるものである。
【００９７】
また本実施例では、第２の物体６４を４相の構成としているが、相数をさらに増して５相、６相、７相などとしても良い。
【００９８】
以上、実施例１から実施例７に示したように、いずれも従来の技術に対して、スイッチング素子の数が少ないインバータ回路で、低コスト、小形、軽量のインバータ装置を実現できるものとなる。
【００９９】
なお前記各実施例では、直流電源４１が供給する電力を、軸から機械パワーとして取り出す構成の、一般にモータ、もしくは電動機と称する構成のものとしているが、特にモータもしくは電動機に限定する必要はなく、発電機として他の電気機械を動作させるものとしても良いものである。
【０１００】
すなわち、制御回路６２から各スイッチング素子をオンオフさせる信号を、電流の向きが各実施例とは逆方向となるように制御することにより、発生するトルクの方向を逆向きとして、発電機４３が発生した電力を直流電源４１に逆流させるようにすることも可能である。
【０１０１】
その場合の構成と動作は、例えば実施例１において、コンデンサ４８には、巻線６５、６６のインダクタンスに蓄えられたエネルギーと共に、動力が電気パワーに変換された電荷も一旦蓄えられ、それが巻線６７を通じて直流電源４１に回生され、その回生電力の大きさは、スイッチング素子５４、５７がオンすることにより、巻線６５、６６に供給される電力よりも大となることにより、平均パワーとしては、直流電源４１へのエネルギー変換が行われるものとなり、さらに具体的には直流電源４１に並列に接続された直流系統の負荷に対しての電力供給がなされるものとなる。
【０１０２】
また前記各実施例では、電動機４３は、第１の物体６３が第２の物体６４の内側で回転自在となっている構成としているが、特にこのような構成に限る必要はなく、一般にアウターロータと称されているような、第１の物体が第２の物体の外側に回転自在に配置した構成としたもの、あるいは軸方向のギャップを隔てて、第１の物体と第２の物体が面で対向する形のもの、また第１の物体と第２の物体をいずれも直線状の形状として、直線運動を行わせるリニアモータと称される形のものであってもよいものである。また第１の物体が静止していて、第２の物体が運動する構成のもの、あるいは第１の物体と第２の物体のいずれもが運動する構成としても支障はないものである。
【０１０３】
【発明の効果】
請求項１に記載した発明は、直流電源と電気機械とインバータ回路を有し、前記電気機械は、永久磁石を有する第１の物体と、前記第１の物体と相対的に運動可能で前記永久磁石からの磁束を受けるＮ相の巻線を有する第２の物体と、１個の共通端子と、Ｎ個の電気機械端子を有し、前記巻線は互いにほぼ（３６０／Ｎ）度の電気角を隔てて設けており、前記巻線の一方の端子はいずれも前記共通端子に接続しており、かつ前記巻線の他方の端子は、前記電気機械端子であり、１相の巻線は前記共通端子から電流を流した際に発生する磁束の向きが、他の（Ｎ−１）相の巻線に対して逆となり、前記インバータ回路は、コンデンサと、少なくとも１個の電源端子と、ダイオードとスイッチング素子の直列回路をＮ個有し、それぞれダイオードとスイッチング素子の接続点を前記電気機械端子に接続し、前記Ｎ個の直列回路の内少なくとも１個は高電位側をスイッチング素子とし低電位側をダイオードとし、前記Ｎ個の直列回路の内少なくとも１個は低電位側をスイッチング素子とし高電位側をダイオードとし、前記Ｎ個の直列回路の両端は並列接続され、その一方の端子を前記電源端子とし、他の端子には前記コンデンサの一方の端子を接続し、前記コンデンサの他方の端子は、前記共通端子、および前記電源端子に接続される前記直流電源の一端子に接続した構成として、インバータ回路の構成要素として必要なスイッチング素子の数が従来の技術に比較して少なくでき、またスイッチング素子の駆動回路の数も少なくでき、構成が簡単になることから、低コスト化、小形化、軽量化したインバータ装置を実現するものである。
【０１０４】
請求項２に記載した発明は、直流電源と電気機械とインバータ回路を有し、前記電気機械は、磁性体を有する第１の物体と、前記第１の物体と相対的に運動可能で運動によりインダクタンスが変化するＮ相の巻線を有する第２の物体と、１個の共通端子と、Ｎ個の電気機械端子を有し、前記巻線は互いにほぼ（３６０／Ｎ）度の電気角を隔てて設けており、前記巻線の一方の端子はいずれも前記共通端子に接続しており、かつ前記巻線の他方の端子は、前記電気機械端子であり、１相の巻線は前記共通端子から電流を流した際に発生する磁束の向きが、他の（Ｎ−１）相の巻線に対して逆となり、前記インバータ回路は、コンデンサと、少なくとも１個の電源端子と、ダイオードとスイッチング素子の直列回路をＮ個有し、それぞれダイオードとスイッチング素子の接続点を前記電気機械端子に接続し、前記Ｎ個の直列回路の内少なくとも１個は高電位側をスイッチング素子とし低電位側をダイオードとし、前記Ｎ個の直列回路の内少なくとも１個は低電位側をスイッチング素子とし高電位側をダイオードとし、前記Ｎ個の直列回路の両端は並列接続され、その一方の端子を前記電源端子とし、他の端子には前記コンデンサの一方の端子を接続し、前記コンデンサの他方の端子は、前記共通端子、および前記電源端子に接続される前記直流電源の一端子に接続した構成として、インバータ回路の構成要素として必要なスイッチング素子の数が従来の技術に比較して少なくでき、またスイッチング素子の駆動回路の数も少なくでき、構成が簡単になることから、低コスト化、小形化、軽量化したインバータ装置を実現するものである。
【０１０５】
請求項３に記載した発明は、Ｎ＝３とした構成として、インバータ回路と組み合わせる際に前記インバータ回路に必要となるスイッチング素子の数を最小限とし、スイッチング素子の駆動回路の数も最小限とでき、低コスト化、小形化、軽量化したインバータ装置を実現するものである。
【０１０６】
請求項４に記載した発明は、電源端子に接続した少なくとも１個のスイッチング素子を一回以上オンさせることによってコンデンサを充電して起動し、直流電源の電力を電気機械に供給する構成として、起動特性が良好で、低コスト化、小型化、軽量化したインバータ装置を実現するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例であるインバータ装置の構成を示す回路図
【図２】同、電動機の構成を示す断面図
【図３】同、電動機の巻線の構成を示す結線図
【図４】同、インバータ回路の動作を説明する波形図
【図５】同、インバータ回路の起動時の動作を示す波形図
【図６】本発明の第２の実施例である電動機の構成を示す断面図
【図７】同、電動機の巻線の構成を示す結線図
【図８】本発明の第３の実施例であるインバータ装置の構成を示す回路図
【図９】本発明の第４の実施例であるインバータ装置の構成を示す回路図
【図１０】本発明の第５の実施例であるインバータ装置の構成を示す回路図
【図１１】本発明の第６の実施例である電動機の構成を示す断面図
【図１２】本発明の第７の実施例であるインバータ装置の構成を示す回路図
【図１３】従来の技術におけるインバータ装置の構成を示す回路図
【図１４】同、電動機の構成を示す断面図
【図１５】同、電動機の巻線の構成を示す結線図
【符号の説明】
４１直流電源
４２インバータ回路
４３電動機
４８コンデンサ
４９電源端子
５０電気機械端子
５１電気機械端子
５２電気機械端子
５３ダイオード
５４スイッチング素子
５５直列回路
５６ダイオード
５７スイッチング素子
５８直列回路
５９ダイオード
６０スイッチング素子
６１直列回路
６２制御回路
６３第１の物体
６４第２の物体
６５巻線
６６巻線
６７巻線
６８共通端子
６９端子
７０端子
７１端子
９４永久磁石
９５永久磁石
９６永久磁石
９７永久磁石
９８永久磁石
９９永久磁石
１００永久磁石
１０１永久磁石
１０４ホールＩＣ
１０５ホールＩＣ
１０６ホールＩＣ
１１０第１の物体
１１１磁性体
１１２第２の物体
１１３鉄心
１１４コイル
１１５コイル
１１６コイル
１１７コイル
１１８コイル
１１９コイル
１３０第１の物体
１３１磁性体
１３２第２の物体
１３３鉄心
１３４歯部
１３５歯部
１３６歯部
１３７歯部
１３８歯部
１３９歯部
１４０小歯
１４１小歯
１４２小歯
１４３小歯[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention obtains electric power from the power of an electric motor, an engine, a windmill, or the like used for an air conditioner, a housework device, a rotary cooker, or the like, which is used for industrial purposes such as a general home, factory, store, or office The present invention relates to an electric machine such as a generator, an inverter circuit that supplies electric power to the electric machine or extracts electric power and converts it into DC electric power, and an inverter device that combines the electric machine and the inverter circuit. .
[0002]
[Prior art]
  The conventional inverter device has a configuration shown in FIG. That is, it has a DC power source 1, an inverter circuit 2, and a motor 3 winding. The DC power source 1 has a commercial power source 4 of 100 V and 60 Hz, a rectifier circuit 5 connected to the commercial power source 4, a smoothing choke coil 6 connected to the output of the rectifier circuit 5, and a smoothing capacitor 7. .
[0003]
  The inverter circuit 2 operates by receiving a DC voltage from the DC power source 1, and includes switching elements 8, 9, 10, 11, 12, 13, diodes 14, 15, 16, 17, 18, 19, It is comprised by the control circuit 20 which controls on-off of a switching element.
[0004]
  The windings 21, 22 and 23 constituting the electric motor 3 are connected to the output of the inverter circuit 2.
[0005]
  FIG. 14 is a cross-sectional view showing the configuration of the electric motor 3. The electric motor 3 has a rotor 24 and a stator 25, and the rotor 24 is rotatable about a shaft 26.
[0006]
  The rotor 24 is composed of an iron core 27 having four teeth. The stator 25 is composed of an iron core 28 having six teeth around which coils 29, 30, 31, 32, 33, and 34 are wound.
[0007]
  FIG. 15 is a connection diagram of each coil of the electric motor 3. The coil 29 and the coil 30 are connected in series to form a winding 21, and constitute one phase of the three-phase windings that constitute the three-phase motor. Similarly, the coil 31 and the coil 32 are connected in series. The coil 22 is connected to the other one phase, and the coil 33 and the coil 34 are connected in series to form the coil 23, which constitutes another one phase. Both ends of the winding 21, the winding 22, and the winding 23 are terminals a, b, c, d, e, and f.
[0008]
  At this time, the overlapping degree of the tooth portions provided on both the rotor 24 and the stator 25 varies depending on the rotation angle of the rotor 24. Accordingly, the values of the self-inductances of the winding 21, winding 22, and winding 23 increase or decrease as the rotor 24 rotates.
[0009]
  With the above configuration, in the conventional inverter device, the control circuit 20 can rotationally drive the rotor 27 by controlling on / off of the switching elements 8, 9, 10, 11, 12, 13, and the electric power of the DC power supply 1 can be increased. It can be converted into motive power and used. That is, the control circuit 20 accurately controls on / off of the switching elements 8, 9, 10, 11, 12, and 13 to supply current to the winding 21, the winding 22, and the winding 23 in order. A torque for driving the rotor 27 is generated by the magnetic field generated by the line.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
  The conventional configuration has a problem that the number of parts constituting the inverter circuit 2 is large, and particularly because six switching elements are used, the configuration is complicated, the cost of the apparatus is increased, and the shape is increased. is doing.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
  In the present invention, the connection of N windings arranged every (360 / N) of the second object is connected to one common terminal and N windings.Electric machineThe one-phase winding connected to the terminal has a different direction of the magnetic flux generated when a current flows from the common terminal.(N-1)Reverse for phase windingThe inverter circuit has N capacitors, at least one power supply terminal, and a series circuit of a diode and a switching element, each connecting a connection point of the diode and the switching element to the electromechanical terminal, At least one of the series circuits has a high potential side as a switching element and a low potential side as a diode, and at least one of the N series circuits has a low potential side as a switching element and a high potential side as a diode, Both ends of the N series circuits are connected in parallel, one terminal thereof is the power supply terminal, the other terminal is connected to one terminal of the capacitor, and the other terminal of the capacitor is the common terminal, And connected to one terminal of the DC power supply connected to the power supply terminalAs a result, the number of switching elements used is small compared to conventional technologies.Also, the number of switching element drive circuits is smallLow cost, small size and light weight with simple configurationInverter deviceIt is said.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  The invention described in claim 1A DC power source, an electric machine, and an inverter circuit,A first object having a permanent magnet; and a second object having an N-phase winding that is movable relative to the first object and receives a magnetic flux from the permanent magnet;OneCommon terminalAnd NPiecesElectric machineThe windings are separated from each other by an electrical angle of approximately (360 / N) degrees.,in frontEither terminal of the windingAboveConnected to the common terminal, and the other terminal of the winding isThe electromechanical terminal,1 phaseWinding ofIndicates that the direction of the magnetic flux generated when current flows from the common terminal is opposite to that of the other (N-1) phase windings.The inverter circuit has N capacitors, at least one power supply terminal, and a series circuit of a diode and a switching element, each connecting a connection point of the diode and the switching element to the electromechanical terminal, At least one of the series circuits has a high potential side as a switching element and a low potential side as a diode, and at least one of the N series circuits has a low potential side as a switching element and a high potential side as a diode, Both ends of the N series circuits are connected in parallel, one terminal thereof is the power supply terminal, the other terminal is connected to one terminal of the capacitor, and the other terminal of the capacitor is the common terminal, And connected to one terminal of the DC power supply connected to the power supply terminalAs a result, the number of switching elements used is small compared to conventional technologies.Also, the number of switching element drive circuits is smallLow cost, small size and light weight with simple configurationInverter deviceIt is said.
[0013]
  The invention described in claim 2A DC power source, an electric machine, and an inverter circuit,A first object having a magnetic body, and a second object having an N-phase winding that is movable relative to the first object and whose inductance changes due to the movement;OneCommon terminalAnd NPiecesElectric machineThe windings are provided at an electrical angle of approximately (360 / N) degrees from each other, and one of the terminals of the windings isAboveConnected to the common terminal, and the other terminal of the winding isThe electromechanical terminal,1 phaseWinding ofIndicates that the direction of the magnetic flux generated when current flows from the common terminal is opposite to that of the other (N-1) phase windings.The inverter circuit has N capacitors, at least one power supply terminal, and a series circuit of a diode and a switching element, each connecting a connection point of the diode and the switching element to the electromechanical terminal, At least one of the series circuits has a high potential side as a switching element and a low potential side as a diode, and at least one of the N series circuits has a low potential side as a switching element and a high potential side as a diode, Both ends of the N series circuits are connected in parallel, one terminal thereof is the power supply terminal, the other terminal is connected to one terminal of the capacitor, and the other terminal of the capacitor is the common terminal, And connected to one terminal of the DC power supply connected to the power supply terminalAs a result, the number of switching elements used is small compared to conventional technologies.Also, the number of switching element drive circuits is smallCan be performed, and there is no performance degradation due to demagnetization.Inverter deviceTrying.
[0014]
  Claim3The invention described inIn particular, in the invention described in claim 1 or 2,A three-phase electric machine with a simple configuration as N = 3Inverter device havingHas realized.
[0015]
  Claim4The invention described inIn particular, in the invention described in any one of claims 1 to 3,The switching element connected to the power supply terminal is turned on to start charging and charging the capacitor, and the electric power from the DC power supply is supplied to the electric machine. When the switching element is turned off, the energy stored in the inductance of each winding is stored. Low cost, small size, and light weight that can be effectively reused, use a small number of switching elements, and can be easily started regardless of the relative positions of the first object and the second objectInverter deviceTrying.
[0016]
【Example】
  Example 1
  The first embodiment of the present invention will be described below. The present embodiment relates to an inverter device that drives or controls an electric motor. FIG. 1 is a circuit diagram showing the configuration of this inverter device.
[0017]
  The inverter device according to the present embodiment includes a DC power source 41, an inverter circuit 42, and an electric motor 43.
[0018]
  The DC power supply 41 includes a commercial power supply 44 of 100 V and 60 Hz, a rectifier circuit 45 connected to the commercial power supply 44, a smoothing choke coil 46 connected to the output of the rectifier circuit 45, and a smoothing capacitor 47. .
[0019]
  However, the DC power supply 41 does not necessarily have such a configuration. For example, a double voltage rectification type using two electrolytic capacitors may be used, or a battery is used. It does not matter.
[0020]
  The inverter circuit 42 operates by receiving a DC voltage supplied from the DC power supply 41, and three electromechanical terminals 50, 51, 52 connecting the capacitor 48, the power supply terminal 49, and the three-phase motor 43. And a common terminal 68 serving as a common end of the three-phase motor, series circuits 55, 58 and 61, and a control circuit 62.
[0021]
  The series circuit 55 includes a diode 53 and a switching element 54, the series circuit 58 includes a diode 56 and a switching element 57, and the series circuit 61 includes a diode 59 and a switching element 60. The connection point between the diode and the switching element of each series circuit is connected to the electromechanical terminals 50, 51, 52.
[0022]
  Further, in this embodiment, for the series circuit 61 that is one of the three series circuits 55, 58, 61, the switching element 60 is provided on the high potential side of the DC power supply 41, and the diode 59 is provided on the low potential side. Connected. As for the series circuits 55 and 58, the switching element 54 or the switching element 57 is connected to the low potential side of the DC power supply 41, and the diode 53 or the diode 56 is connected to the high potential side of the DC power supply 41.
[0023]
  Further, both ends of the three series circuits 55, 58, 61 are connected in parallel, and the low potential side thereof is connected to the power supply terminal 49 together with the negative side of the DC power supply 41.
[0024]
  The positive side of the capacitor 48 is connected to the connection point on the high potential side of the three series circuits 55, 58, 61 connected in parallel, and the negative side of the capacitor 48 is connected to the common terminal 68. Connected to the positive side of the direct current power supply 41.
[0025]
  The gates of the switching elements 54, 57, and 60 are connected to the control circuit 62, and the control circuit 62 performs on / off control of the switching elements.
[0026]
  FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the electric motor 43. The electric motor of the present embodiment has a first object 63 generally called a rotor or a rotor and a stator or a stator. The first object 63 includes permanent magnets 94, 95, 96, 97, 98, 99, 100, 101, an iron core 102, also called a back yoke, and a shaft 103. A load (not shown) is connected to the shaft 103 so as to transmit the rotation of the first object 63 to the outside. The permanent magnets 94 to 101 and the iron core 102 constitute a magnetic path. The shaft 103 is provided so as to penetrate the center of the first object 63, and the first object 63 is rotatable about the shaft 103.
[0027]
  The second object 64 has three-phase windings arranged to receive magnetic flux from the permanent magnets 94 to 101. The permanent magnets 94, 96, 98, 100 are on the outside, that is, the side facing the second object 64 is the south pole, and the permanent magnets 95, 97, 99, 101 are on the outside, ie, the second object 64. Magnetization is performed such that the side facing the N pole is an N pole.
[0028]
  The second object 64 includes an iron core formed by laminating silicon steel plates and coils 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91 constituting the three-phase windings. , 92 and three Hall ICs 104, 105, 106. That is, the iron core has 12 tooth portions provided at equal angles, and the coils 81 to 92 are wound around the tooth portions. The three Hall ICs 104, 105, and 106 detect the polarities of the permanent magnets 94 to 101 facing the first object 63 and transmit this signal to the control circuit 62. That is, the Hall IC of this embodiment outputs a HIGH signal when the N poles are opposed to each other and outputs a LOW signal when the S poles are opposed. The control circuit 62 detects the rotational position of the first object 63 based on this signal.
[0029]
  FIG. 3 is a connection diagram for explaining the connection of the coils 81-92. In the present embodiment, the total number of terminals connected to the external circuit is four, that is, the common terminal 68 and the terminals 69, 70, and 71. In other words, the conventional technology has a configuration in which a total of six wires are provided between the inverter circuit and the motor, whereas the number of wires from the inverter circuit 42 to the motor 43 is four. It is what.
[0030]
  The winding 65 has a configuration in which a coil 81, a coil 84, a coil 87, and a coil 90 are connected in series, one end of which is connected to a terminal 69 and the other end is connected to a common terminal 68. The winding 66 has a configuration in which a coil 82, a coil 85, a coil 88, and a coil 91 are connected in series, with one end connected to a terminal 70 and the other end connected to a common terminal 68. The winding 67 has a configuration in which a coil 83, a coil 86, a coil 89, and a coil 92 are connected in series, with one end connected to the terminal 71 and the other end connected to the common terminal 68.
[0031]
  The winding 65, the winding 66, and the winding 67 are arranged with an electrical angle of 120 degrees from each other, and constitute each winding of the three-phase motor.
[0032]
  However, each coil is configured to generate a magnetic field in a direction in which an N pole is generated on the first object 63 side facing each coil when current is passed from the side marked with a black circle. It is. That is, in this embodiment, as clearly shown in FIG. 3, the direction of the black circle is reversed with respect to the winding 65 and the winding 66 for the one-phase winding 67 constituting the three-phase winding. Is. That is, the direction of the magnetic flux generated when a current flows from the common terminal 68 is configured to be opposite to that of the other two-phase windings 65 and 66.
[0033]
  In the present embodiment, as described above, the coils 81 to 92 are concentratedly wound around the tooth portion that is a protruding portion (called a tooth) of the iron core constituting the second object 64. Such a configuration is sometimes referred to as salient pole concentrated winding. However, since the copper wire length of the coil end portion can be short, a highly efficient electric motor with little copper loss can be realized. Further, for example, after each coil constituting the three-phase winding is wound around 12 tooth portions, it can be connected later by a method such as welding, so that the manufacture becomes easy.
[0034]
  However, the present invention is not particularly limited to such a salient pole concentrated winding configuration, and may have a configuration in which the distribution coefficient is 1 or less, and the arrangement of each winding is also limited to an electrical angle of 120 degrees. Alternatively, a 180-degree three-phase winding may be used.
[0035]
  Hereinafter, the operation of this embodiment will be described. FIG. 4 is a waveform diagram showing the operation of each part in a state where the electric motor 43 of this embodiment is rotationally driven counterclockwise. 4A shows the output logic waveform of the Hall IC 104, FIG. 4B shows the output logic waveform of the Hall IC 105, and FIG. 4C shows the output logic waveform of the Hall IC 106. 4 (D), FIG. 4 (O), and FIG. 4 (F) all show waveforms indicating control signals for controlling switching of the control circuit 62. FIG. 4D shows the waveform for the switching element 54, FIG. 4O shows the waveform for the switching element 57, and FIG. 4F shows the waveform for the switching element 60. FIG.
[0036]
  At time t5, the first object 63 is at the position shown in FIG. In this state, when the switching element 54 is turned on, a current flows from the common terminal 68 to the terminal 69 through the winding 65. Therefore, the first object 63 receives torque in the counterclockwise direction.
[0037]
  When the control circuit 62 turns off the switching element 54 at time t6, the energy stored in the inductance of the winding 65 is stored in the capacitor 48 through the diode 53. The same applies when the switching element 57 is turned off at time t4.
[0038]
  During the period from time t6 to time t8, the capacitor 48 discharges the charged electric charge, and a current flows from the switching element 60 to the winding 67. At this time, the winding 67 is wound with the opposite polarity to the other two-phase windings 65 and 66. For this reason, even if the direction of the current flowing through the winding 67 is the direction from the terminal 71 to the common terminal 68, it is still the direction in which the south pole is generated, and the first object 63 is still counterclockwise. It will receive the torque of.
[0039]
  When the switching element 60 is turned off at time t8, the electric charge stored in the inductance of the winding 67 is discharged through the diode 59, and a small amount of current flows through the winding 67. After complete recovery, the current in the winding 67 disappears.
[0040]
  As described above, in this embodiment, an inverter device for controlling a three-phase motor is realized with a very simple configuration of three stones for three phases. Further, according to the present embodiment, when the switching element is turned off, an electric charge is stored in the inductance of the winding. After the electric charge is temporarily stored in the capacitor 48, the first object 63 is made to flow again through the winding. The DC power supply 41 is made to regenerate while using it as power to rotate. That is, a highly efficient inverter device is realized.
[0041]
  Particularly, in the case of the connection configuration of the present embodiment, the power supplied from the DC power source is used as energy for rotating the first object 63 and is once regenerated by the capacitor 48 of the remaining energy to be 3 The current flows through the winding 67 constituting one phase of the phase windings. For this reason, the number of switching elements used can be three stones, and a very simple configuration can be achieved. Moreover, the rating of each switching element to be used can be made almost similar.
[0042]
  FIG. 5 is a waveform diagram showing the operation at the start-up of the inverter circuit 42 of the present embodiment. 5A shows the gate signal of the switching element 54, FIG. 5A shows the gate signal of the switching element 57, and FIG. 5C shows the gate signal of the switching element 60.
[0043]
  The control circuit 62 turns on and off the switching element 54 and the switching element 57 connected to the power supply terminal 49 intermittently 12 times during the period from the time t1 to the time t2, and charges the capacitor 48 to start. The electric power from the DC power supply 41 is supplied to the motor 43.
[0044]
  At this time, the output signals of the Hall ICs 104, 105, and 106 are not shown, but at the time t1, the conditions are as shown in the time t7 to the time t8 in FIG.
[0045]
  That is, when the relative position between the first object 63 and the second object 64 is this position, when the first object 63 is activated counterclockwise, the winding 67 is connected to the common terminal 68 from the terminal 71 to the winding 67. It is necessary to pass a current toward
[0046]
  However, even if the switching element 60 is turned on at time t1 in FIG. 5, no electric charge is stored in the capacitor 48, so that no current is supplied to the winding 67.
[0047]
  In this regard, in this embodiment, the control circuit 62 continuously applies a signal of 1 ms on to the switching element 54 and the switching element 57 from time t1 to time t2 12 times with an off period of 1 ms therebetween. ing. For this reason, the energy stored in the inductances of the winding 65 and the winding 66 during the turn-off period of the switching element 54 and the switching element 57 is stored in the capacitor 48. For this reason, when the switching element 60 is turned on at the time t2, the charging current accumulated in the capacitor 48 is supplied to the winding 67. As a result, the first object 63 obtains a starting torque and rotates counterclockwise.
[0048]
  Therefore, according to the present embodiment, it is possible to realize an inverter device with good start-up performance that can be easily started regardless of where the first object 63 is stopped.
[0049]
  (Example 2)
  Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 is a cross-sectional view showing the configuration of the electric motor used in this embodiment.
[0050]
  In this embodiment, the first object 110 is composed of a magnetic body 111. The magnetic body 111 is, for example, an iron core having a structure in which thin plates of silicon steel plates are laminated. The magnetic body 111 has a cross-shaped tooth portion and is rotatable about the shaft 120. Similar to the first embodiment, the second object 112 includes an iron core 113 formed by stacking thin silicon steel plates and coils 114 to 119. The iron core 113 has a tooth portion protruding toward the first object 110, and the coils 114 to 119 are wound around the tooth portion.
[0051]
  FIG. 7 is a connection diagram showing the connection of each winding of the electric motor of the present embodiment. A black circle mark on one side of each coil indicates the polarity of the coil. That is, when a current is supplied from the side with the black circle, the magnetic field generated from the coil generates the S pole inside the second object 112, that is, the first object 110 facing the second object 112. Shows that
[0052]
  Coil 114 and coil 115 are connected in series to form winding 65, coil 116 and coil 117 are connected in series to form winding 66, and coil 118 and coil 119 are connected in series to form winding 67. ing. Thus, the winding 65, the winding 66, and the winding 67 constitute each winding of the three-phase motor. That is, the winding 65, the winding 66, and the winding 67 have a configuration in which the electrical angle is 120 degrees apart from each other.
[0053]
  In this embodiment, the degree of overlap between the tooth portion of the magnetic body 111 constituting the first object 110 and the tooth portion of the iron core 113 constituting the second object 112 is the angle of rotation of the first object 110. Therefore, the inductance values of the winding 65, the winding 66, and the winding 67 provided in the second object 112 change according to the rotational motion.
[0054]
  Further, as shown in FIG. 7, also in this embodiment, the total number of terminals included in the winding 65, the winding 66, and the winding 67 is four. That is, a common terminal 68, a terminal 69, a terminal 70, and a terminal 71 are provided. In other words, the winding 65, the winding 66, and the winding 67 have one end connected to the common terminal 68 and the other end connected to the terminal 69 terminal 70 terminal 71.
[0055]
  At this time, as shown in FIG. 7, in the winding 67 constituting one phase of the three-phase winding, the direction of the magnetic field generated when a current flows from the common terminal 68 is different from that of the other two-phase winding. The lines 65 and 66 are connected so as to be opposite to the direction of the magnetic field generated.
[0056]
  Hereinafter, the operation of this embodiment will be described. It is assumed that the motor of this embodiment is connected to the inverter circuit 42 shown in FIG. 1 and a switch (not shown) is turned on. When the switching element 54 is turned on by the drive signal of the control circuit 62, a current flows from the common terminal 68 to the terminal 69 connecting the winding 65, and the winding 65 generates a magnetic field in the direction A shown in FIG. To do. When the switching element 57 is turned on, a current flows from the common terminal 68 to the terminal 70 connected to the winding 66, and the winding 66 generates a magnetic field in the direction B shown in FIG. When the switching element 60 is turned on, a current flows from the terminal 71 to the common terminal 68 connecting the winding 67, and the winding 67 generates a magnetic field in the direction C shown in FIG.
[0057]
  The direction of the magnetic field generated by the winding 67 is set so that the polarity of the coil 118 and the coil 119 constituting the winding 67 is opposite to that of each coil constituting the winding 65 and the winding 66. As a result, the direction C is obtained.
[0058]
  The magnetic field directions A, B, and C have a mechanical angle of 120 degrees apart. For this reason, the first object 110 is easy to start and can realize an inverter device with high starting performance.
[0059]
  However, in this type of electric motor called a switched reluctance motor, the direction of the generated torque is irrelevant in principle to the polarity of the current. In the case of the winding configuration of the present embodiment where the distance is long and the mutual inductance value between the windings is small, it is not necessary to reverse the polarity of only one-phase winding, and all-phase windings Even if the same polarity is used, torque is generated satisfactorily.
[0060]
  In the case of this embodiment, since the first object 110 is composed of the magnetic body 111, there is no possibility of demagnetization that occurs, for example, when a permanent magnet is used, and a highly reliable inverter. A device can be realized.
[0061]
  Example 3
  Next, a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 8 is a circuit diagram showing the configuration of the inverter device of this embodiment.
[0062]
  In the present embodiment, the inverter circuit 42 includes a capacitor 48, a power supply terminal 49, and three electromechanical terminals 50, 51, 52 that connect the windings of the three-phase motor 43. The electromechanical terminal 50 is connected with a terminal 69 connected to one end of a winding 65 that is one phase of the three-phase winding of the electric motor 43 and a series circuit 55. The series circuit 55 includes a diode 53 and a switching element 54, and a connection point between the diode 53 and the switching element 54 is connected to the electromechanical terminal 50. The electromechanical terminal 51 is connected to a terminal 70 connected to one end of a winding 66 that is one phase of the three-phase winding of the electric motor 43 and a series circuit 58. The series circuit 58 includes a switching element 57 and a diode 56, and a connection point between the switching element 57 and the diode 56 is connected to the electromechanical terminal 51. A series circuit 61 and a terminal 71 connected to one end of a winding 67 that is one phase of the three-phase winding of the electric motor 43 are connected to the electromechanical terminal 52. The series circuit 61 includes a switching element 61 and a diode 59, and a connection point between the switching element 60 and the diode 59 is connected to the electromechanical terminal 52. The other ends of the winding 65, the winding 66, and the winding 67 are connected to the common terminal 68.
[0063]
  In the series circuit 55 and the series circuit 58, the high potential side of the DC power supply 41 is the switching element 54 and switching element 57 side, and the low potential side is the diode 53 and diode 56 side. In the series circuit 61, the low potential side of the DC power supply 41 is a switching element 60 and the high potential side is a diode 59. Further, both ends of the three series circuits 55, 58, 61 are connected in parallel, and the plus side terminal thereof is connected to the plus side terminal of the DC power source 41 as the power source terminal 49. The negative terminal of the capacitor 48 is connected to the negative terminal of the three series circuits 55, 58, 61 connected in parallel. The positive terminal of the capacitor 48 is connected to the negative terminal of the DC power supply 41 connected to the power supply terminal 49.
[0064]
  The common terminal 68 of the electric motor 43 is connected to the negative terminal of the DC power supply 41.
[0065]
  Hereinafter, the operation of this embodiment will be described. The control circuit 62 performs on / off control of the switching elements 54, 57, and 60 at the timing shown in FIG. Therefore, when the switching element 54 and the switching element 57 are turned off, the capacitor 48 is charged by the energy stored in the inductance of the winding 65 and the winding 66 constituting the three-phase winding of the motor 43. When the control circuit 62 turns on the switching element 60, the electric charge charged in the capacitor 48 flows from the common terminal 68 to the winding 67 connected between the common terminal 68 and the terminal 71. For this reason, as described in the above embodiment, the first object constituting the electric motor 43 receives torque and rotates counterclockwise.
[0066]
  For this reason, according to the present embodiment, the charge charged in the capacitor 48 can be used effectively, and an inverter device with high efficiency can be realized.
[0067]
  (Example 4)
  Subsequently, a fourth embodiment of the present invention will be described. FIG. 9 is a circuit diagram showing the configuration of the circuit of this embodiment.
[0068]
  Both ends of the three series circuits 55, 58, 61 are connected in parallel, the negative terminal thereof is used as a power supply terminal 49, and the positive terminal of the capacitor 48 is connected to the positive terminal. . The negative terminal of the capacitor 48 is connected to the negative terminal of the DC power supply 41, that is, the power supply terminal 49.
[0069]
  With the above configuration, this embodiment operates with the operation waveform shown in FIG. That is, when the switching element 54 and the switching element 57 are turned off by the control circuit 62, the charge stored in the inductances of the winding 65 and the winding 66 flows to the capacitor 48 and charges the capacitor 48. Thus, when the control circuit 62 next turns on the switching element 60, the charge stored in the capacitor 48 flows through the winding 67 connected between the terminal 71 and the common terminal 68. For this reason, as described in the above embodiment, the first object 63 of the electric motor 43 receives torque and rotates counterclockwise. Thus, according to the present embodiment, the charge charged in the capacitor 48 can be used effectively, and a highly efficient inverter device can be realized.
[0070]
  According to the present embodiment, the capacitance of the capacitor 48 can be set smaller than that described in the fourth embodiment.
[0071]
  (Example 5)
  Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. FIG. 10 is a circuit diagram showing the configuration of the inverter device of this embodiment. In this embodiment, the series circuit 58 is constituted by a switching element 57 connected to the high potential side of the DC power supply 41 and a diode 56 connected to the low potential side.
[0072]
  According to this embodiment, the capacitor 48 is charged only when the switching element 54 is turned off. When the switching element 48 is turned off, the electric charge charged in the capacitor 48 can be supplied to the winding 65 and the winding 66 constituting the three-phase winding of the electric motor 43 through the switching element 57 and the switching element 60. .
[0073]
  In this configuration, since the current flowing in the one-phase winding 69 of the three-phase motor is configured to charge the capacitor 48 by turning off the switching element 54, the number of turns of the winding 69 is reduced. It is preferable to reduce the inductance.
[0074]
  The configuration of the present embodiment is particularly effective when the motor 43 is used as a generator, for example.
[0075]
  (Example 6)
  Next, a sixth embodiment of the present invention will be described. FIG. 11 is a plan view showing the configuration of the electric motor used in this embodiment. The first object 130 is constituted by a magnetic body 131 such as an iron core in which thin plates of silicon steel plates are laminated. The magnetic body 131 has a shape having 22 small teeth 144. The small teeth 144 are provided at equiangular intervals. Provided. The second object 132 also has an iron core 133 in which thin sheets of silicon steel plates are laminated and coils 114 to 119. The iron core 133 has six tooth portions 134, 135, 136, 137, 138, 139 that are multiples of the number of phases 3 in this embodiment. Coils 114, 115, 116, 117, 118, and 119 are wound around the tooth portions 134 to 139, respectively. The tooth portions 134 to 139 have four small teeth 140, 141, 142, and 143 projecting toward the first object 130, respectively. The four small teeth are also provided in each of the tooth portions 135 to 139, but are not numbered because the drawing becomes too complicated.
[0076]
  The connections of the coils 114 to 119 are the same as those shown in FIG. That is, the common terminal 68 is one end, and the other ends of the winding 65, the winding 66, and the winding 67 are connected to the terminal 69, the terminal 70, and the terminal 71. In addition, the winding 65, the winding 66, and the winding 67 are arranged with an electrical angle of 120 degrees from each other.
[0077]
  At this time, the inductance of each coil constituting the three-phase windings 65, 66, and 67 changes according to the rotational motion of the first object 130. The winding 67 is set so that the polarity of the coil is opposite to the direction of the magnetic field generated by the winding 65 and the winding 66.
[0078]
  Hereinafter, the operation of this embodiment will be described. In the present embodiment, four small teeth 140 to 143 are provided in each of the six tooth portions 134 to 139 included in the iron core 133 constituting the second object 132. For this reason, the period of the inductance change of the coils 114 to 119 becomes a quarter of that in each of the above embodiments due to the rotation of the first object 130.
[0079]
  At this time, according to experiments by the inventors, the difference between the maximum value and the minimum value of the inductance values of the coils 114 to 119 is the same as that shown in FIG. 6 when the number of turns of the coil is set to be the same. Compared to a decrease of about 13%. For this reason, the inductance change rate dL / dθ with respect to the mechanical angle is three times or more. Since the magnitude of the reluctance torque is a value obtained by multiplying the square of the current I flowing through the coil by the inductance change rate dL / dθ, it is assumed that the same current is supplied to the winding. A torque of 3 times or more can be obtained. That is, in the case of the configuration of the present embodiment, a very large torque can be obtained.
[0080]
  On the other hand, since it is necessary to keep the value of the induced electromotive force generated in the windings lower than the applied voltage even at high speed, it is necessary to reduce the number of turns in the configuration of FIG. It is possible to either reduce the number of turns or reduce the number of turns after making the line thicker.
[0081]
  In such a case, either the amount of copper or the copper loss can be reduced, and a high-performance apparatus can be realized.
[0082]
  As described above, according to the present embodiment, the shape of the iron core 133 that constitutes the second object 132 is particularly configured such that the four small teeth 140 to 143 are provided in each of the six tooth portions 134 to 139. Therefore, the rate of change dL / dθ of the inductance of the coil can be made very large. As a result, a very large torque can be obtained, and a high-performance inverter device can be realized.
[0083]
  Further, in the case of the present embodiment, the energy stored in the inductance is once recovered in the capacitor 48 every time the winding described in the first embodiment is switched, and then discharged to the winding 67 again. In addition, highly efficient operation with much less power waste is possible.
[0084]
  Further, when the configuration of the present embodiment is adopted, the number of small teeth is increased as described above, so that the drive frequency of the inverter circuit 42, that is, the switching frequency of the winding is high. For this reason, charging / discharging of the capacitor 48 is performed in a short cycle. Therefore, a capacitor having a small capacitance can be used. In other words, since low-rated parts can be used, a low-cost inverter device can be realized.
[0085]
  (Example 7)
  Next, a seventh embodiment of the present invention will be described. FIG. 12 is a circuit diagram showing a configuration of the inverter device of the present embodiment.
[0086]
  In this embodiment, the electromechanical terminal 160 is provided in the inverter circuit 42. The electromechanical terminal 160 is connected to the series circuit 163 and the winding 165 of the second object 64. The series circuit 163 includes a switching element 162 connected to the high potential side of the DC power supply 41 and a diode 161 connected to the low potential side of the DC power supply 41, and the switching circuit 162 and the diode 161 are connected to each other. A connection point is connected to the electromechanical terminal 160.
[0087]
  In this embodiment, the series circuits 55, 58, 61 are all connected to switching elements 54, 57, 60 on the low potential side of the DC power supply 41, and diodes 53, 56 on the high potential side of the DC power supply 41. , 59 are connected.
[0088]
  The control circuit 62 outputs a gate signal for turning on and off the switching element 54, the switching element 57, the switching element 60, and the switching element 162 in the order described above.
[0089]
  In this embodiment, the electric motor 43 has a four-phase winding configuration. That is, the winding 165 connected to the electromechanical terminal 160, the winding 65 connected to the electromechanical terminal 52, the winding 66 connected to the electromechanical terminal 51, and the connection to the electromechanical terminal 50. The winding 67 has four-phase windings. The four-phase windings are provided at positions shifted from each other by 90 degrees in electrical angle.
[0090]
  Hereinafter, the operation of this embodiment will be described. The capacitor 48 is charged by the energy stored in the inductance of each winding when the switching element 54, the switching element 57, and the switching element 60 are turned off. Further, when the switching element 162 is turned on, the charge charged in the capacitor 48 is supplied to the winding 165 through the switching element 162.
[0091]
  At this time, in the present embodiment, the polarity of the winding 165 constituting one of the four-phase windings is set in the opposite direction with respect to the other three-phase windings. That is, when a current is supplied from the common terminal 68 to the winding, the direction of the magnetic field generated on the first object 63 side is opposite.
[0092]
  For this reason, as described in the above embodiments, the first object 63 is easily rotated by receiving torque from the current flowing through the winding. This configuration operates in the same manner even when the first object 63 is a type having a permanent magnet.
[0093]
  In this embodiment, the number of switching elements to be used is four. However, the number of switching elements is two stones less than that of the configuration described in the prior art. Therefore, the effect of reducing the cost, size and weight can still be obtained.
[0094]
  At this time, in this embodiment, since the number of phases is 4, the switching element to be used can have a low current rating.
[0095]
  Even in the case where the number of phases is increased to 4 compared to the present embodiment, the number NH of the series circuits in which the switching elements are arranged on the high potential side may be at least one, and on the low potential side. The number NL of the series circuits in which the switching elements are arranged may be at least one.
[0096]
  That is, it is possible to design freely from among three types of NH = 3, NL = 1, NH = NL = 2, NH = 1, and NL = 3.
[0097]
  In the present embodiment, the second object 64 has a four-phase structure, but the number of phases may be further increased to five, six, seven, or the like.
[0098]
  As described above, as shown in the first to seventh embodiments, each of the inverter circuits can be realized with a low cost, a small size, and a light weight with an inverter circuit having a smaller number of switching elements than the conventional technology.
[0099]
  In each of the above embodiments, the electric power supplied from the DC power supply 41 is taken out as mechanical power from the shaft, and is generally called a motor or an electric motor. However, it is not particularly limited to the motor or electric motor. It is good also as what operates another electric machine as a generator.
[0100]
  That is, the generator 43 is generated with the direction of the torque to be generated in the opposite direction by controlling the signal for turning on / off each switching element from the control circuit 62 so that the direction of the current is opposite to that in each embodiment. It is also possible to cause the generated power to flow backward to the DC power supply 41.
[0101]
  In the configuration and operation in that case, for example, in the first embodiment, the capacitor 48 temporarily stores the electric charge converted into electric power as well as the energy stored in the inductances of the windings 65 and 66, The power is regenerated to the DC power source 41 through the line 67, and the magnitude of the regenerative power is larger than the power supplied to the windings 65 and 66 when the switching elements 54 and 57 are turned on. In other words, energy conversion to the DC power supply 41 is performed, and more specifically, power is supplied to a load of a DC system connected in parallel to the DC power supply 41.
[0102]
  In each of the embodiments described above, the electric motor 43 is configured such that the first object 63 is rotatable inside the second object 64. However, the electric motor 43 is not particularly limited to such a configuration, and is generally an outer rotor. The first object and the second object are arranged so that the first object is rotatably arranged outside the second object, or the first object and the second object are separated by an axial gap. And a shape called a linear motor that causes the first object and the second object to have a linear shape and perform linear motion. Further, there is no problem even if the first object is stationary and the second object moves, or the first object and the second object move.
[0103]
【The invention's effect】
  The invention described in claim 1A DC power source, an electric machine, and an inverter circuit,A first object having a permanent magnet; and a second object having an N-phase winding that is movable relative to the first object and receives a magnetic flux from the permanent magnet;OneCommon terminalAnd NPiecesElectric machineThe windings are separated from each other by an electrical angle of approximately (360 / N) degrees.,in frontEither terminal of the windingAboveConnected to the common terminal, and the other terminal of the winding isThe electromechanical terminal,1 phaseWinding ofIndicates that the direction of the magnetic flux generated when current flows from the common terminal is opposite to that of the other (N-1) phase windings.The inverter circuit has N capacitors, at least one power supply terminal, and a series circuit of a diode and a switching element, each connecting a connection point of the diode and the switching element to the electromechanical terminal, At least one of the series circuits has a high potential side as a switching element and a low potential side as a diode, and at least one of the N series circuits has a low potential side as a switching element and a high potential side as a diode, Both ends of the N series circuits are connected in parallel, one terminal thereof is the power supply terminal, the other terminal is connected to one terminal of the capacitor, and the other terminal of the capacitor is the common terminal, And connected to one terminal of the DC power supply connected to the power supply terminalAs a result, the number of switching elements required as a component of the inverter circuit can be reduced compared to the conventional technology,In addition, the number of switching element drive circuits can be reduced,Since the configuration is simple, the cost, size, and weight have been reduced.Inverter deviceIs realized.
[0104]
  The invention described in claim 2A DC power source, an electric machine, and an inverter circuit,A first object having a magnetic body, and a second object having an N-phase winding that is movable relative to the first object and whose inductance changes due to the movement;OneCommon terminalAnd NPiecesElectric machineThe windings are provided at an electrical angle of approximately (360 / N) degrees from each other, and one of the terminals of the windings isAboveConnected to the common terminal, and the other terminal of the winding isThe electromechanical terminal,1 phaseWinding ofIndicates that the direction of the magnetic flux generated when current flows from the common terminal is opposite to that of the other (N-1) phase windings.The inverter circuit has N capacitors, at least one power supply terminal, and a series circuit of a diode and a switching element, each connecting a connection point of the diode and the switching element to the electromechanical terminal, At least one of the series circuits has a high potential side as a switching element and a low potential side as a diode, and at least one of the N series circuits has a low potential side as a switching element and a high potential side as a diode, Both ends of the N series circuits are connected in parallel, one terminal thereof is the power supply terminal, the other terminal is connected to one terminal of the capacitor, and the other terminal of the capacitor is the common terminal, And connected to one terminal of the DC power supply connected to the power supply terminalAs a result, the number of switching elements required as a component of the inverter circuit can be reduced compared to the conventional technology,In addition, the number of switching element drive circuits can be reduced,Since the configuration is simple, the cost, size, and weight have been reduced.Inverter deviceIs to realize.
[0105]
  Claim3In the invention described in (3), when N = 3, the number of switching elements required for the inverter circuit when combined with the inverter circuit can be minimized, and the number of drive circuits for the switching element can be minimized. Reduced cost, size, and weightInverter deviceIs to realize.
[0106]
  Claim4The invention described in the above has a good start-up characteristic as a configuration in which a capacitor is charged and started by turning on at least one switching element connected to a power supply terminal once or more and power of a DC power supply is supplied to an electric machine. Reduced cost, size, and weightInverter deviceIs to realize.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of an inverter device according to a first embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the electric motor
FIG. 3 is a connection diagram showing the configuration of the motor windings.
FIG. 4 is a waveform diagram for explaining the operation of the inverter circuit.
FIG. 5 is a waveform diagram showing the operation of the inverter circuit when starting up
FIG. 6 is a sectional view showing the configuration of an electric motor that is a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a connection diagram showing the configuration of the motor windings.
FIG. 8 is a circuit diagram showing a configuration of an inverter device according to a third embodiment of the present invention;
FIG. 9 is a circuit diagram showing a configuration of an inverter device according to a fourth embodiment of the present invention;
FIG. 10 is a circuit diagram showing a configuration of an inverter device according to a fifth embodiment of the present invention;
FIG. 11 is a sectional view showing the configuration of an electric motor that is a sixth embodiment of the present invention;
FIG. 12 is a circuit diagram showing a configuration of an inverter device according to a seventh embodiment of the present invention;
FIG. 13 is a circuit diagram showing the configuration of an inverter device in the prior art.
FIG. 14 is a cross-sectional view showing the configuration of the electric motor
FIG. 15 is a connection diagram showing the configuration of the motor windings;
[Explanation of symbols]
  41 DC power supply
  42 Inverter circuit
  43 Electric motor
  48 capacitors
  49 Power supply terminal
  50 Electromechanical terminals
  51 Electromechanical terminal
  52 Electromechanical terminal
  53 Diode
  54 Switching elements
  55 Series circuit
  56 diodes
  57 Switching element
  58 Series circuit
  59 Diode
  60 switching elements
  61 Series circuit
  62 Control circuit
  63 First object
  64 Second object
  65 windings
  66 Winding
  67 Winding
  68 Common terminal
  69 terminals
  70 terminals
  71 terminals
  94 Permanent magnet
  95 Permanent magnet
  96 Permanent magnet
  97 Permanent magnet
  98 Permanent magnet
  99 Permanent magnet
100 Permanent magnet
101 Permanent magnet
104 Hall IC
105 Hall IC
106 Hall IC
110 First object
111 Magnetic material
112 second object
113 Iron core
114 coils
115 coils
116 coils
117 coil
118 coils
119 coil
130 First object
131 Magnetic material
132 Second object
133 Iron core
134 teeth
135 teeth
136 teeth
137 teeth
138 teeth
139 Teeth
140 small teeth
141 small teeth
142 small teeth
143 small teeth

Claims

A DC power source, an electric machine, and an inverter circuit, wherein the electric machine has a first object having a permanent magnet and an N-phase that is movable relative to the first object and receives a magnetic flux from the permanent magnet. a second object having a winding, and one common terminal has N electromechanical terminal, wherein the winding is provided at a substantially (360 / N) degrees of electrical angle from each other, before any one of the terminals of Kimakisen are connected to the common terminal and the other terminal of the winding, the an electrical machine terminals, one phase of winding current is applied from the common terminal the direction of the magnetic flux generated when is Ri Do opposite with respect to the windings of the other (N-1) phase, wherein the inverter circuit includes a capacitor, and at least one power supply terminal, a diode in series with the switching element There are N circuits, each connecting a diode and a switching element Is connected to the electromechanical terminal, at least one of the N series circuits is a high potential side as a switching element and a low potential side is a diode, and at least one of the N series circuits is a low potential side. Is a switching element, a high-potential side is a diode, both ends of the N series circuits are connected in parallel, one terminal thereof is the power supply terminal, the other terminal is connected to one terminal of the capacitor, The other terminal of the capacitor is an inverter device connected to one terminal of the DC power supply connected to the common terminal and the power supply terminal .

A DC power source, an electric machine, and an inverter circuit, wherein the electric machine has a first object having a magnetic material, and an N-phase winding that is movable relative to the first object and whose inductance changes due to movement. and the second object with a single common terminal has N electromechanical terminal, wherein the winding is provided at a substantially (360 / N) degrees of electrical angle from one another, said winding is any one terminal of which is connected to the common terminal and the other of said winding terminals, wherein an electromechanical terminal, one phase winding occurs when a current flows from the common terminal magnetic flux direction which is Ri Do opposite with respect to the windings of the other (N-1) phase, wherein the inverter circuit includes a capacitor, and at least one power supply terminal, a series circuit of a diode and a switching element N Each with a connection between the diode and the switching element. A point is connected to the electromechanical terminal, at least one of the N series circuits is a high potential side switching element and a low potential side is a diode, and at least one of the N series circuits is a low potential. The side is a switching element, the high potential side is a diode, both ends of the N series circuits are connected in parallel, one terminal thereof is the power supply terminal, the other terminal is connected to one terminal of the capacitor, The other terminal of the capacitor is an inverter device connected to the common terminal and one terminal of the DC power supply connected to the power supply terminal .

The inverter device according to claim 1 or 2 , wherein N = 3.

The inverter device according to any one of claims 1 to 3, wherein a switching element connected to a power supply terminal is turned on to charge and start a capacitor to supply electric power from a DC power supply to an electric machine.