JP4768056B2 - 複数の固定子巻線を備えた電動機の駆動システム - Google Patents

Description

本発明は、それぞれ電気回路として独立した複数の多相固定子巻線を有する電動機の駆動システムに関する。

電動機の大容量化を実現する方法として、内部にそれぞれ電気回路として独立した複数の三相固定子巻線を有する１台の電動機を複数台のインバータで駆動することが行われている。下記特許文献１には、多重巻きされた複数の三相固定子巻線に接続された複数のインバータに対して同一の電流指令で駆動すると振動が発生するという問題を解決するために、全てのインバータを同一の電圧指令すなわちＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）指令にて駆動する方式が開示されている。

下記特許文献１に開示される多重巻き構造の電動機では、複数の巻線が同じティース（歯）に巻かれて同じスロットに挿入されるため、巻線相互の絶縁確保のために追加的に絶縁紙等が必要となる。絶縁紙を追加することは、スロット内に巻くことができる銅線が占める空間が制限され、銅線の断面を細くする必要が生じ、同じ電流での電動機の発熱が増加し、電動機の特性を落とすことにつながる。

一方、巻線の構成として絶縁紙が少なくなるように複数の巻線を周方向に分散させた電動機が知られている。下記特許文献２には、各巻線が周方向に分散された電動機の構造が開示されている。この構造の電動機では、回転子（ロータ）の軸心と固定子（ステータ）の軸心との間にずれ、すなわち、心ずれがあると、固定子と回転子との間のエアギャップが巻線ごとに異なるため、逆起電圧、インダクタンス等の巻線定数が異なってしまう。そのため、下記特許文献１に開示されるように全てのインバータを同じ電圧指令で駆動すると、心ずれに起因した顕著な電流アンバランスが発生してしまう。

特開平１０−４２５８９号公報 特公平５−６４５４４号公報

本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、複数の固定子巻線が分散して巻かれている電動機や、複数の固定子巻線が同一のティース又はティース群に多重巻きされている電動機に対して、固定子巻線ごとの電流のばらつきや、電流の振動を生じることがない最適な制御を与える電動機駆動システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の第一の面によれば、それぞれ電気回路として独立した複数の固定子巻線を有し、該複数の固定子巻線の各々が異なるティース又はティース群に巻かれている電動機と、該複数の固定子巻線の各々にそれぞれ接続される複数のインバータと、該複数のインバータの各々にそれぞれ接続され、上位制御装置から受取る同一の電流指令と、それぞれ対応する固定子巻線を流れる電流として検出される個別の電流フィードバックと、に基づいて、それぞれ対応するインバータへの電圧指令を計算して出力する複数のサーボ回路と、を具備する電動機駆動システムが提供される。

また、本発明の第二の面によれば、それぞれ電気回路として独立した複数の固定子巻線を有し、該複数の固定子巻線の各々が他の少なくとも一つの固定子巻線とともに同一のティース又はティース群に多重巻きされて複数の固定子巻線群が形成されている電動機と、該複数の固定子巻線の各々にそれぞれ接続される複数のインバータと、該固定子巻線群ごとに設けられ、それぞれ、対応する固定子巻線群に属する複数の固定子巻線に対応する複数のインバータに接続され、上位制御装置から受取る同一の電流指令と、該固定子巻線群に対応する複数の固定子巻線を流れる電流として検出される複数の電流フィードバックの合計値又は平均値と、に基づいて、該固定子巻線群に属する複数の固定子巻線に対応する複数のインバータへの同一の電圧指令を計算して出力する複数のサーボ回路と、を具備する電動機駆動システムが提供される。

電気的に独立な巻線同士が異なるティース又はティース群に巻かれている電動機の場合、回転子の軸心と固定子の軸心との間にずれ（心ずれ）があると、巻線ごとに巻線の電気的特性（逆起電圧、インダクタンス等）が異なってしまう。そのため、全ての巻線を同一の電圧指令（ＰＷＭ指令）にて駆動すると、巻線を流れる電流は巻線ごとに異なる電流値を持つこととなる。本発明の第一の面による電動機駆動システムにあっては、各巻線に対応するサーボ回路に同一の電流指令が与えられるため、各巻線の電流が同じ値となる。

巻線が他の巻線とともに同一のティース又はティース群に多重巻きされて巻線群が形成されている電動機の場合、巻線群内の複数の巻線に対応する複数のインバータを同じ電流指令で個別にＰＷＭ駆動すると、一方の巻線に流れた電流によってティース内に発生する磁束が、他方の巻線の起電圧となり、電流制御が安定せず、電流が振動的になってしまう。本発明の第二の面による電動機駆動システムにあっては、同一の電圧指令（ＰＷＭ指令）にて電流の振動を抑えることが可能である。

本発明による電動機駆動システムの第一実施形態において対象となる電動機の巻線構造を示す図である。 本発明による電動機駆動システムの第一実施形態の構成を示す図である。 本発明による電動機駆動システムの第二実施形態において対象となる電動機の巻線構造を示す図である。 本発明による電動機駆動システムの第二実施形態の構成を示す図である。 本発明による電動機駆動システムの第三実施形態において対象となる電動機の巻線構造を示す図である。 本発明による電動機駆動システムの第三実施形態の構成を示す図である。 本発明による電動機駆動システムの第四実施形態において対象となる電動機の巻線構造を示す図である。 本発明による電動機駆動システムの第四実施形態の構成を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明による電動機駆動システムの第一実施形態において対象となる電動機の巻線構造を示す図であり、図２は、その第一実施形態の構成を示す図である。第一実施形態における電動機においては、コイル（単位巻線）Ｕ１、…、Ｕ４、Ｖ１、…、Ｖ４、Ｗ１、…、Ｗ４が図１に示されるように配置される。そして、図２に示されるように、Ｕ１、Ｕ２、Ｖ１、Ｖ２、Ｗ１、及びＷ２が接続され、電気回路として独立した三相固定子巻線Ｃ１が形成されている。同様に、Ｕ３、Ｕ４、Ｖ３、Ｖ４、Ｗ３、及びＷ４が接続され、電気回路として独立した三相固定子巻線Ｃ２が形成されている。

このように第一実施形態における電動機は、それぞれ電気回路として独立した２個の三相固定子巻線Ｃ１及びＣ２を備え、三相固定子巻線Ｃ１及びＣ２は、異なるティース群に巻かれている。そして、三相固定子巻線Ｃ１には、電力変換回路としてのＰＷＭインバータＩ１が接続されている。さらに、ＰＷＭインバータＩ１には、サーボ回路Ｓ１が接続されている。同様に、三相固定子巻線Ｃ２にはＰＷＭインバータＩ２が接続され、ＰＷＭインバータＩ２にはサーボ回路Ｓ２が接続されている。

サーボ回路Ｓ１及びＳ２には、共通の上位制御回路から同一の電流指令が与えられる。サーボ回路Ｓ１は、受取った電流指令と、三相固定子巻線Ｃ１を流れる電流として検出される電流フィードバックと、に基づいて、ＰＷＭインバータＩ１への電圧指令を計算して出力する。同様に、サーボ回路Ｓ２は、受取った電流指令と、三相固定子巻線Ｃ２を流れる電流として検出される電流フィードバックと、に基づいて、ＰＷＭインバータＩ２への電圧指令を計算して出力する。

このように、第一実施形態では、電気的に独立した複数の三相固定子巻線がそれぞれ異なるティース群に巻かれた電動機の場合に、各々の巻線はそれぞれインバータに接続され、各インバータはそれぞれサーボ回路に接続され、各サーボ回路は上位制御装置から同一の電流指令を受取る駆動システムとして構成されている。そして、各サーボ回路は、上位制御装置から受取った電流指令と電動機の電流フィードバックとから、インバータへの電圧指令を計算し、接続されているインバータに送る。

第一実施形態では、２個の三相固定子巻線が異なるティース群に巻かれているため、２個の三相固定子巻線を同一の電流指令で駆動しても電流が振動的にならない。また、心ずれがあった場合、三相固定子巻線の電気的特性が異なってくるが、２個の三相固定子巻線が同一の電流指令にて制御されるため、三相固定子巻線ごとの電流のばらつきを生じることなく制御することが可能である。なお、各相（Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相）のコイルの構成として、単一のコイルとして又は複数のコイルを直列または並列接続して構成することは、設計的な選択事項である。

図３は、本発明による電動機駆動システムの第二実施形態において対象となる電動機の巻線構造を示す図であり、図４は、その第二実施形態の構成を示す図である。第二実施形態における電動機においては、コイル（単位巻線）Ｕ１、…、Ｕ４、Ｖ１、…、Ｖ４、Ｗ１、…、Ｗ４が図３に示されるように第一実施形態と同様に配置される。そして、図４に示されるように、Ｕ１、Ｖ１、及びＷ１が接続され、電気回路として独立した三相固定子巻線Ｃ１が形成されている。また、同様に、電気回路として独立した更に３個の三相固定子巻線Ｃ２、Ｃ３、及びＣ４が形成されている。

このように第二実施形態における電動機は、それぞれ電気回路として独立した４個の三相固定子巻線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、及びＣ４を備え、三相固定子巻線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、及びＣ４は、異なるティース群に巻かれている。そして、第一実施形態と同様に、三相固定子巻線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、及びＣ４に対応して、ＰＷＭインバータＩ１、Ｉ２、Ｉ３、及びＩ４、並びに、サーボ回路Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、及びＳ４が設けられている。各ＰＷＭインバータ及び各サーボ回路の動作は、第一実施形態における各ＰＷＭインバータ及び各サーボ回路の動作と同様である。

したがって、第二実施形態においても、４個の三相固定子巻線が異なるティース群に巻かれているため、４個の三相固定子巻線を同一の電流指令で駆動しても電流が振動的にならない。また、心ずれがあった場合、三相固定子巻線の電気的特性が異なってくるが、４個の三相固定子巻線が同一の電流指令にて制御されるため、三相固定子巻線ごとの電流のばらつきを生じることなく制御することが可能である。

図５は、本発明による電動機駆動システムの第三実施形態において対象となる電動機の巻線構造を示す図であり、図６は、その第三実施形態の構成を示す図である。第三実施形態における電動機においては、コイル（単位巻線）Ｕ１ａ、…、Ｕ４ａ、Ｖ１ａ、…、Ｖ４ａ、Ｗ１ａ、…、Ｗ４ａ、Ｕ１ｂ、…、Ｕ４ｂ、Ｖ１ｂ、…、Ｖ４ｂ、Ｗ１ｂ、…、Ｗ４ｂが図５に示されるように配置される。そして、図６に示されるように、Ｕ１ａ、Ｕ２ａ、Ｖ１ａ、Ｖ２ａ、Ｗ１ａ、及びＷ２ａが接続され、電気回路として独立した三相固定子巻線Ｃ１が形成されている。また、同様に、電気回路として独立した更に３個の三相固定子巻線Ｃ２、Ｃ３、及びＣ４が形成されている。

また、第三実施形態では、三相固定子巻線Ｃ１（Ｕ１ａ−Ｕ２ａ、Ｖ１ａ−Ｖ２ａ、Ｗ１ａ−Ｗ２ａで構成される）と、三相固定子巻線Ｃ２（Ｕ１ｂ−Ｕ２ｂ、Ｖ１ｂ−Ｖ２ｂ、Ｗ１ｂ−Ｗ２ｂで構成される）とが、図５に示されるように同じティース群に多重に巻かれ、１個の固定子巻線群Ｇ１を構成している。同様に、三相固定子巻線Ｃ３（Ｕ３ａ−Ｕ４ａ、Ｖ３ａ−Ｖ４ａ、Ｗ３ａ−Ｗ４ａで構成される）と、三相固定子巻線Ｃ４（Ｕ３ｂ−Ｕ４ｂ、Ｖ３ｂ−Ｖ４ｂ、Ｗ３ｂ−Ｗ４ｂで構成される）とが、同じティース群に多重に巻かれ、もう１個の固定子巻線群Ｇ２を構成している。

そして、図６に示されるように、第一実施形態及び第二実施形態と同様に、三相固定子巻線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、及びＣ４には、それぞれ、ＰＷＭインバータＩ１、Ｉ２、Ｉ３、及びＩ４が接続されている。

また、図６に示されるように、固定子巻線群Ｇ１に対してサーボ回路Ｓ１が設けられている。サーボ回路Ｓ１は、固定子巻線群Ｇ１に属する２個の三相固定子巻線Ｃ１及びＣ２に対応する２個のＰＷＭインバータＩ１及びＩ２に接続されている。同様に、固定子巻線群Ｇ２に対してサーボ回路Ｓ２が設けられている。サーボ回路Ｓ２は、固定子巻線群Ｇ２に属する２個の三相固定子巻線Ｃ３及びＣ４に対応する２個のＰＷＭインバータＩ３及びＩ４に接続されている。

サーボ回路Ｓ１及びＳ２には、共通の上位制御回路から同一の電流指令が与えられる。サーボ回路Ｓ１は、三相固定子巻線Ｃ１を流れる電流として検出される電流フィードバックと、三相固定子巻線Ｃ２を流れる電流として検出される電流フィードバックと、に基づいて、それらの電流フィードバックの合計値又は平均値を計算する。そして、サーボ回路Ｓ１は、受取った電流指令と、計算した合計値又は平均値と、に基づいて、ＰＷＭインバータＩ１及びＩ２への同一の電圧指令を計算して出力する。サーボ回路Ｓ２は、サーボ回路Ｓ１の動作と同様の動作をする。

このように、第三実施形態では、同じティース又はティース群に多重巻されている複数の巻線が一つの巻線群として構成される電動機の場合に、多重巻された巻線群内の複数の巻線がそれぞれ複数のインバータに接続され、一つの巻線群に対応する各インバータは一つのサーボ回路に接続され、サーボ回路から各インバータへは同一の電圧指令を与えるように構成されている。

第三実施形態に係る電動機においては、回転子の軸心と固定子の軸心との間にずれ（心ずれ）があった場合、同じ巻線群となる２個の巻線の電気的特性のばらつきは小さいが、異なる巻線群の２個の巻線の電気的特性のばらつきが大きくなる。図６においては、各巻線群の電流を制御するサーボ回路のそれぞれに同じ電流指令を与え、巻線群を構成する２個の巻線の合計電流値又は平均電流値に基いて電流を制御し、巻線群を構成する２個の巻線にそれぞれ接続されている２個のインバータにはサーボ回路から同じ電圧指令（ＰＷＭ指令）が与えられる。

第三実施形態に係る駆動システムによれば、異なる巻線群では異なるティース群に巻かれており、心ずれによって巻線群ごとの電気的特性が異なるが、巻線群ごとに同一の電流指令を与えるため、心ずれに起因する電流のばらつきを生じることなく制御することが可能である。また、各巻線群を構成する２個の巻線は同じティース群に多重巻きされているため、対応するインバータを個別にＰＷＭ制御すると電流が振動的になってしまうが、本駆動システムでは、巻線群を構成する２つの巻線に対応するインバータに同一の電圧指令（ＰＷＭ指令）を与えるため、電流が振動的にならない。

図７は、本発明による電動機駆動システムの第四実施形態において対象となる電動機の巻線構造を示す図であり、図８は、その第四実施形態の構成を示す図である。第三実施形態が４個の電気的に独立な三相固定子巻線により２個の固定子巻線群が形成される例であったのに対し、第四実施形態は、８個の電気的に独立な三相固定子巻線により２個の固定子巻線群が形成される例である。かかる相違点があるのみだけなので、その説明は省略する。

以上、本発明の実施形態について述べてきたが、もちろん本発明はこれに限定されるものではない。例えば、本実施形態においては、回転磁界発生用に三相交流が使用されているが、三相交流以外の多相交流が使用されてもよい。

Ｃ１、Ｃ２、…、Ｃ８ 三相固定子巻線
Ｇ１、Ｇ２ 固定子巻線群
Ｉ１、Ｉ２、…、Ｉ８ ＰＷＭインバータ
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４ サーボ回路

Claims (1)

1. それぞれ電気回路として独立した複数の固定子巻線が同一のティース群に多重巻きされて固定子巻線群が構成され、一つの固定子巻線群では一つのティース群に巻かれ、他の少なくとも一つの異なる固定子巻線群では他の少なくとも一つの異なるティース群に巻かれた、複数の固定子巻線群が形成されている電動機と、
   該複数の固定子巻線群を構成する複数の固定子巻線の各々にそれぞれ接続される複数のインバータと、
   該固定子巻線群ごとに設けられ、それぞれ、対応する固定子巻線群に属する複数の固定子巻線に対応する複数のインバータに接続され、上位制御装置から受取る同一の電流指令と、該固定子巻線群に対応する複数の固定子巻線を流れる電流として検出される複数の電流フィードバックの合計値又は平均値と、に基づいて、該固定子巻線群に属する複数の固定子巻線に対応する複数のインバータへの同一の電圧指令を計算して出力する複数のサーボ回路と、
   を具備する電動機駆動システム。

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