JP5230250B2 - 電動機および電力供給制御装置 - Google Patents

Description

この発明は電動機および電力供給制御装置に関し、特に、多重巻線を備えた電動機および電力供給制御装置に関する。

従来より、多重巻線を持つ電動機の提案がなされている（例えば、特許文献１参照。）。

この種の電動機において、例えば、２組３相巻線で、組間の位相差が３０°の場合を考える。このとき、インバータ高調波のうち、５次高調波が１組目の巻線で発生する磁束は次式（１）で表される。

また、２組目の巻線で発生する磁束は次式（２）で表される。

ここで、式（１）と式（２）の和が、トータル磁束となるため、１組目の磁束と２組目の磁束が１８０°位相差であるため、磁束が消滅することがわかる。同様に、７次高調波においても、２組の巻線が発生する磁束の相互作用により、磁束が消滅する。この磁束が消滅する高調波は、２組３０°位相差の場合、５，７，１７，１９，２９，３１・・・次高調波であり、この高調波を特定高調波と呼ぶ。

３組２０°位相差の場合、特定高調波は５，７，１１，１３，２３，２５・・・次となり、４組１５°位相差では、５，７，１１，１３，１７，１９，２９，３１・・・・次となる。

特開２００１−０８６７９４号公報

特定高調波は、上記のようにトルクリップルや電磁加振力の元となる高調波磁束を発生させないため、電動機の特性を向上させる。しかしながら、印加電圧高調波に特定高調波があれば、磁束を発生させず、すなわち、インダクタンスが小さくなり、高調波電圧に対するインピーダンスが小さくなるという現象となる。言い換えると、特定高調波電圧が印加されると、インピーダンスが小さいため、その高調波電流が大きくなり、電流リップルが大きくなる。電流リップルが大きくなると、巻線の損失を増大させる以外に、電力供給制御装置の容量を増大させる必要があり、システムの大型化を招くという問題点があった。

さらに、上記の特定高調波電流を低減する目的で、平滑リアクトルを導入した場合、５次、７次などの比較的低次の高調波電流を抑制する必要があり、リアクトルの容量を大きくしなければならないという問題点があった。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、特定高調波のうち特に問題となる比較的低次の高調波電圧の発生を抑制することが可能な電動機および電力供給制御装置を得ることを目的としている。

この発明は、略等間隔にスロットが設けられた略環状の固定子鉄心と上記固定子鉄心に巻回された固定子巻線とから構成される固定子と、上記固定子鉄心の内側に回転自在に設けられた回転子とを備え、上記固定子巻線が２組以上の３相巻線から構成され、この各組の３相巻線がそれぞれの組ごとに別々の電力供給制御装置に接続されて、上記電力供給制御装置からの給電により駆動されるものであって、上記３相巻線の組数をｎ（ｎ≧２）としたとき、それぞれの組間の位相差を電気角で略（６０／ｎ）°とし、上記電力供給制御装置により供給される電圧波形のパルス数をｍとしたとき、当該パルス数ｍを、ｍ≧２ｎ−１を満たすパルス数としたことを特徴とする電動機である。

この発明は、略等間隔にスロットが設けられた略環状の固定子鉄心と上記固定子鉄心に巻回された固定子巻線とから構成される固定子と、上記固定子鉄心の内側に回転自在に設けられた回転子とを備え、上記固定子巻線が２組以上の３相巻線から構成され、この各組の３相巻線がそれぞれの組ごとに別々の電力供給制御装置に接続されて、上記電力供給制御装置からの給電により駆動されるものであって、上記３相巻線の組数をｎ（ｎ≧２）としたとき、それぞれの組間の位相差を電気角で略（６０／ｎ）°とし、上記電力供給制御装置により供給される電圧波形のパルス数をｍとしたとき、当該パルス数ｍを、ｍ≧２ｎ−１を満たすパルス数としたことを特徴とする電動機であるので、特定高調波のうち特に問題となる比較的低次の高調波電圧の発生を抑制することができる。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。
図１は、この発明の実施の形態１に係る電動機とその電力供給制御装置例を示した図である。図２は、図１に用いられる電動機の構成例である。図３は、電動機に用いられる固定子の構成を示した正面図および部分拡大図である。

本実施の形態における電動機１は、略環状の固定子鉄心１５と固定子鉄心１５に装着された固定子巻線１６とからなる固定子（ステータ）８と、固定子鉄心１５の内周側に空隙１８を介して回転可能に設けられた回転子（ロータ）７とから構成されている。本実施の形態においては、図１に示すように、固定子巻線が２組以上の３相巻線（図１の例では、４組３相巻線）から構成されており、この各組の３相巻線が、それぞれの組ごとに、別々の３相インバータ等からなる電力供給制御装置２に装着されている。電力供給制御装置２には、それらを駆動するための電源３が接続されている。また、電力供給制御装置２と電動機１との間には、交流リアクトル（ＡＣＲ）からなる平滑リアクトル４が接続されている。このように、図１に示した電動機１は、４組３相巻線を備えた４重巻線電動機であり、電力供給制御装置２および平滑リアクトル４は、組数分だけ設けられるので、のべ４個ずつ設けられている。

本実施の形態におけるシステムは、図２に示すように、回転子７と固定子８とから構成された電動機が組み込まれている。

回転子７は、回転子鉄心１７に回転子スロット１９が設けられ、電流を流して磁束を発生する界磁コイル１３と、制動作用をするダンパ回路２０などから構成され、シャフト２１を介して動力が伝達される。

固定子８は、図３（ａ）に示すように、環状（円筒状）の固定子鉄心１５の内縁に、軸線方向に延びるティース１５ａが周方向に略等間隔に（略所定ピッチで）複数個形成されている。これらのティース１５ａ間は、固定子スロット１５ｂとなっている。なお、固定子鉄心１５は、図３（ａ）に示すように環状（円筒状）であるが、図３（ｂ）では、平坦化して図示してある。この固定子鉄心１５の固定子スロット１５ｂには、図３においては図示していない導線が電気角α°の位相差で巻回されて２組以上の３相固定子巻線１６が形成される。固定子鉄心１５は、薄板鋼板を略等間隔に凹凸形状に打ち抜いて巻き重ね、あるいは、積層して、環状（円筒状）に構成されている。

図４は、２組３０°位相差（α°＝３０°）の巻線配置（以下、２組３０°位相差巻とする。）を示した図である。２組の３相固定子巻線１６は、それぞれ固定子スロット１５ｂ内に電気角３０°の位相差で設けられている。図５は、３組２０°位相差（α°＝２０°）の巻線配置（以下、３組２０°位相差巻とする。）を示した図である。３組の３相固定子巻線１６は、それぞれ固定子スロット１５ｂ内に電気角２０°の位相差で設けられている。図６は、４組１５°位相差（α°＝１５°）の巻線配置（以下、４組１５°位相差巻とする。）を示した図である。４組の３相固定子巻線１６は、それぞれ固定子スロット１５ｂ内に電気角１５°の位相差で設けられている。

なお、図１〜図３に示した電動機および電力供給制御装置の構成は一例に過ぎず、これに本願発明が限定されるものではない。これらの構成は適宜変更してもよく、本発明は誘導電動機、永久磁石同期電動機をはじめ任意の多重巻線を備えた電動機および電力供給制御装置に適用可能なものである。

本実施の形態における電動機は、上述したように、略環状の固定子鉄心１５とそれに巻回された固定子巻線１６とから構成されて固定設置されている固定子８と固定子鉄心１５の内側に回転自在に設けられた回転子７とを備え、固定子８を構成する固定子巻線１６に電力を供給することで、回転子７を回転させる電動機であって、固定子巻線１６が、２組以上の３相巻線から構成されており、この各組の３相巻線がそれぞれの組ごとに、別々の電力供給制御装置２に接続されているものである。このとき、組数をｎとしたとき、それぞれの組間の位相差が、図４〜図６に示す例のように、電気角で略（６０／ｎ）°にし、電力供給制御装置において、電圧波形を作るパルス数をｍとしたとき、ｍ≧２ｎ−１となるパルス数の電圧で駆動する。このようにしてパルス数を規定することにより、位相差巻により発生する特定高調波の最も低次成分（高調波として最も大きくなると推定される）をキャンセルする駆動電圧波形を生成することができる条件を備えるため、低次の特定高調波電圧の発生を抑制でき、その結果、特定高調波による電流リップルが低減できる。

これについて、以下に詳細に説明する。
まず、電圧波形ｖ（ｔ）のフーリエ級数展開は次式（３）で表される。

ここで、

とする。

この電圧波形ｖ（ｔ）に半周期反対称性ｖ（ｔ＋Ｔ）＝−ｖ（ｔ）を持たせることで、偶数次成分が消去される。さらに、１／４周期対称性ｖ（Ｔ／２−ｔ）＝ｖ（ｔ）を持たせることで、上記の式（４），（５），（６）は、それぞれ、以下の式（７），（８），（９）ようの簡略化できる。

よって、１／４周期の電圧波形でパルスパターンを検討することで、高調波が検討できる。

例えば、３パルス（３レベル）の１／４周期の波形は、図７に示すように、３つの電圧が変動する位相を持っている。この位相を、図７のように、α₁、β₁、α₂とすると、すなわち、０＜α_１＜β_１＜α_２＜π／２の関係を満たし、かつ、０〜α_１までの範囲が電圧値が０で、α_１〜β_１までの範囲が電圧値が１で、β_１〜α_２までの範囲が電圧値が０で、α_２〜π／２までの範囲が電圧値が１となるように、α₁、β₁、α₂を任意に選ぶと、式（９）のｎが奇数の場合は、次式（１０）で表される。なお、ｎが偶数の場合は、ｂ_ｋ＝０（ｋ：偶数）である。

式（１０）における、α₁、β₁、α₂は任意の値であるため、波形に関して３自由度が存在することになる。このうち、基本波電圧を決定するために１自由度を使うとしても、あと２自由度が残る。そこで、この２自由度を特定高調波除去のために使うことができる。

２組３０°位相差巻の場合、特定高調波は５次、７次が顕著であり、次は１７次、１９次であるため、かなり高周波になる。よって、特定高調波５次、７次を除去することが必要となる。パルス数は基本波電圧のために１自由度を使うため、パルス数ｍに対して高調波除去に使える自由度はｍ−１である。よって、ｎを組数としたとき、

とすれば、低次特定高調波を除去することが可能となる。

また、式（１１）を満たすパルス数であれば、式（１０）より計算できるパルスパターンを用いることで、低次特定高調波を除去できる。このように、与えられたパルス数の電圧が、特定高調波が消去できるように電圧波形を作成することで、位相差巻により発生する特定高調波の最も低次成分（高調波として最も大きくなると推定される）をキャンセルする駆動電圧波形を生成することができるため、特定高調波による電流リップルが低減できる。

これにより、電力供給制御装置２と電動機１との間のそれぞれの組に対して挿入した平滑リアクトル４の容量も低減することができる。すなわち、特定高調波による電流リップルを低減する目的で、平滑リアクトル４の導入が必要となる場合、平滑リアクトル４のインピーダンスは周波数にほぼ比例するため、低次高調波に対する平滑リアクトル４の容量が大きくなる。しかしながら、本実施の形態による上述の方法で低次特定高調波を除去するようにすれば、平滑リアクトル４の容量を低減することができる。

なお、本実施の形態の説明においては、３レベルインバータを用いる場合を例に挙げて説明したが、その場合に限らず、２レベルあるいは４レベル以上にしてもよく、その場合も同様の効果を奏することは言うまでもない。

４組１５°位相差巻では、固定子巻線１６のうち、図６に示すように、１組巻線と２組巻線および１組巻線と４組巻線は隣り合っているが、１組巻線と３組巻線は隣り合った位置にない。このため、１組巻線で発生したノイズが、２組巻線および４組巻線に与える影響と、３組巻線に与える影響とは異なる。このため、電流制御を設けてアンバランスを低減することがなされている。しかし、特定高調波により電流波形にリップル成分が大きくなると、電流制御ループの精度が十分ではなくなる傾向にある。すなわち、４組１５°位相差においては、１７，１９次などの高次特定高調波まで除去する必要がある。

図８に示す７パルスの電圧波形は、式（１２）に示すように、α₁、α₂、α₃、α₄、β₁、β₂、β₃の７自由度を持つ。このうち、１自由度は基本波で使うため、高調波除去に用いられる自由度は６である。４組１５°位相差巻では、５，７，１１，１３，１７，１９次高調波が特定高調波となるため、この６個の高調波を除去するために６自由度を使うことで、電流ループの精度を確保することができる。

このように、本実施の形態においては、４組の３相巻線が別々の電力供給制御装置２に装着されており、この組間位相差が１５°（電気角）である電動機において、電力供給制御装置２は、それぞれ低次特定高調波を消去されるように駆動される７パルス以上の電圧を供給する。特に、２組３０°位相差巻、３組２０°位相差巻と比較して、４組巻線は、１組巻線と３組巻線との関係が、１組巻線と４組巻線あるいは１組巻線と２組巻線との関係と比べて、巻線配置上異なっており、そのため、詳細な電流制御が必要となるが、特定高調波電流が多く流れると電流制御誤差が大きくなる。

特定高調波を発生させる電圧高調波は、これまでに示したインバータ高調波だけではなく、回転子起磁力高調波からも発生する。回転子起磁力高調波の高調波成分を低減する方法として短節巻を形成する以外に毎極毎相のスロット数を多くすることで高調波に対する分布巻き係数を小さくすることが知られている。しかし、多重巻線位相差巻では、毎組毎極毎相のスロット数を多くとるとスロット数が多くなりすぎるために難しく、高調波に対する分布巻き係数を小さくすることが難しい。なお、誘起電圧は巻線係数に比例する。

本発明は、多重巻線位相差巻の電動機において、高調波に対する分布巻き係数を低減できる巻線方式を提案する。図９に、２組毎組毎極毎相のスロット数が３の本発明による巻線方式を示す。各組の相帯の端を隣のスロットと入れ替えている。この巻線方式を分散相帯と呼ぶ。

本方式を用いた場合と用いない場合の巻線係数を図１０〜図１２に比較する。ただし、特定高調波として５，７次高調波について検討している。なお、図１０は２組３０°位相差巻の場合、図１１は３組２０°位相差巻の場合、図１２は４組位相差巻の場合をそれぞれ示しており、いずれの図においても、３本の実線の折れ線グラフが、上から順に、基本波、５次高調波、７次高調波をそれぞれ示し、３本の破線の折れ線グラフが、上から順に、分散相帯基本波、分散相帯５次高調波、分散相帯７次高調波をそれぞれ示している。これらの図より、分散相帯を用いることで基本波に対する分布巻き係数はほとんど変化無しに特定高調波の低減に効果があることがわかる。

このように、図９に示すように、固定子巻線１６が２組以上の３相巻線から構成されており、この各組の３相巻線がそれぞれの組ごとに別々の電力供給制御装置２に装着されている電動機において、組数をｎとしたとき、それぞれの組間の位相差が、電気角で略（６０／ｎ）°で、毎組毎極毎相のスロット数が３以上である場合において、相帯の両端のスロットに入る巻線を隣の巻線と入れ替えて巻回することにより、回転子起磁力高調波による誘起電圧高調波を低減することで、誘起電圧高調波に含まれる特定高調波を低減し、特定高調波による電流リップルを低減することができる。

同様に、図１３に示す不等ピッチスロットを使用することでも、図１４に示す巻線係数の変化より、基本波の巻線係数を低下させることなく、特定高調波の巻線係数を低減することができる。なお、図１４において、３本の実線の折れ線のグラフが、上から順に、基本波、５次高調波、７次高調波を、それぞれ示している。

すなわち、図１３に示すように、固定子巻線１６が２組以上の３相巻線から構成されており、この各組の３相巻線がそれぞれの組ごとに別々の電力供給制御装置２に装着されている電動機において、組数をｎとしたとき、それぞれの組間の位相差が、電気角で略（６０／ｎ）°で、毎組毎極毎相のスロット数が２以上である場合において、組間位相差を電気角（６０／ｎ）°にしたまま、隣り合うスロット間隔を不等ピッチとすることにより、回転子起磁力高調波による誘起電圧高調波を低減することで、誘起電圧高調波に含まれる特定高調波を低減し、特定高調波による電流リップルを低減することができる。

以上のように、本実施の形態によれば、固定子巻線１６が２組以上の３相巻線から構成されて、この各組の３相巻線がそれぞれの組ごとに別々の電力供給制御装置２に装着されている電動機において、組数をｎとしたとき、それぞれの組間の位相差が、電気角で略（６０／ｎ）°とし、電力供給制御装置において電圧波形を作るパルス数をｍとしたとき、ｍ≧２ｎ−１となるパルス数の電圧で駆動するようにしたので、位相差巻きにより発生する特定高調波の最も低次成分（高調波として最も大きくなると推定される）をキャンセルする駆動電圧波形を生成することができる条件を備えるため、低次の特定高調波をキャンセルでき、その結果、特定高調波による電流リップルを低減することができる。

この発明の実施の形態１に係る電動機の駆動回路例を示した構成図である。 この発明の実施の形態１に係る電動機の断面図である。 この発明の実施の形態１に係る電動機の固定子の構成を示した説明図である。 この発明の実施の形態１に係る電動機の固定子の構成を示した説明図である。 この発明の実施の形態１に係る電動機の固定子の構成を示した説明図である。 この発明の実施の形態１に係る電動機の固定子の構成を示した説明図である。 この発明の実施の形態１に係る電動機に供給される電圧のパルスパターン例を示した説明図である。 この発明の実施の形態１に係る電動機に供給される電圧のパルスパターン例を示した説明図である。 この発明の実施の形態１に係る電動機の固定子の分散相帯による構成を示した説明図である。 この発明の実施の形態１に係る電動機の分散相帯による分布巻き係数の低減効果をグラフで示した説明図である。 この発明の実施の形態１に係る電動機の分散相帯による分布巻き係数の低減効果をグラフで示した説明図である。 この発明の実施の形態１に係る電動機の分散相帯による分布巻き係数の低減効果をグラフで示した説明図である。 この発明の実施の形態１に係る電動機の固定子の不等ピッチによる構成を示した説明図である。 この発明の実施の形態１に係る電動機の固定子の不等ピッチ角度と分布巻き係数との関係をグラフで示した説明図である。

符号の説明

１ 電動機、２ 電極供給制御装置、３ 電源、４ 平滑リアクトル、７ 回転子、８固定子、１５ 固定子鉄心、１６ 固定子巻線、１５ａ ティース、１５ｂ 固定子スロット。

Claims (7)

1. 略等間隔にスロットが設けられた略環状の固定子鉄心と上記固定子鉄心に巻回された固定子巻線とから構成される固定子と、
   上記固定子鉄心の内側に回転自在に設けられた回転子と
   を備え、
   上記固定子巻線が２組以上の３相巻線から構成され、
   この各組の３相巻線がそれぞれの組ごとに別々の電力供給制御装置に接続されて、上記電力供給制御装置からの給電により駆動されるものであって、
   上記３相巻線の組数をｎ（ｎ≧２）としたとき、それぞれの組間の位相差を電気角で略（６０／ｎ）°とし、上記電力供給制御装置により供給される電圧波形のパルス数をｍとしたとき、当該パルス数ｍを、ｍ≧２ｎ−１を満たすパルス数としたことを特徴とする電動機。
2. 上記パルス数ｍの電圧の電圧波形は、特定高調波が消去できるパルスパターンとなるように所定の演算により求められることを特徴とする請求項１記載の電動機。
3. 上記組数ｎが４で、組間の位相差が１５°（電気角）のとき、上記電力供給制御装置は７以上のパルス数の電圧を供給することを特徴とする請求項１または２に記載の電動機。
4. 上記各組の３相巻線と上記電力供給制御装置との間に各組ごとにリアクトルが接続されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電動機。
5. 毎組毎極毎相のスロット数が３以上で、相帯の両端のスロットに入る巻線を隣の巻線と入れ替えて巻回する分散相帯としたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の電動機。
6. 隣り合うスロット間隔を不等ピッチとしたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の電動機。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載の電動機を備えたことを特徴とする電力供給制御装置。

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