JP6824383B2 - 回転電機システム - Google Patents

Description

本発明は、回転電機を有する回転電機システムに関する。

エネルギー問題や環境問題の対策として、モータなどの回転電機の高効率化や省エネルギー化が求められている。例えば、回転電機が低速・中速・高速の広い範囲で運転されることに対して、全運転領域での回転電機の高効率化が検討されている（例えば非特許文献１参照。）。

堺 和人、他、「マルチインバータ方式エレクトロニクスモータの極数変換の検討」、平成２８年電気学会産業応用部門大会、ｐ．１２５−１３０

通常、回転電機の定格出力は連続運転時の最大出力状態であり、最大出力状態において高効率であるように回転電機は設計されている。しかし、回転電機の負荷が部分負荷であって最大出力状態よりも低い出力状態（以下において「部分負荷状態」という。）で、回転電機が長時間運転されることが多い。このため、回転電機の効率が低下する。その結果、回転電機の運転範囲全体の総合的な消費エネルギーが増大する。例えば、回転電機が駆動機関に使用される電気自動車、ハイブリッド自動車では、１回の充電当たりの走行距離の減少や燃費の低下につながる。

上記問題点に鑑み、本発明は、効率の低下を抑制できる回転電機システムを提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、固定子巻線を設けた固定子及び回転子を有する回転電機を備え、固定子巻線が、回転子を回転させる回転磁界を発生させる第１のコイル群と、回転子の回転による誘導起電力によって電力を発生させる第２のコイル群とからなり、回転子の円周方向に沿って配列された複数のスロットにそれぞれ配置された一連のコイルの一部を第１のコイル群として使用し、一連のコイルの残りのコイルを第２のコイル群として使用し、回転電機の出力および回転数に応じて第１のコイル群と第２のコイル群の構成を調整し、要求されるトルクが大きいほど第１のコイル群のコイルの個数を多くし且つ第２のコイル群のコイルの個数を少なくする回転電機システムが提供される。

本発明によれば、効率の低下を抑制できる回転電機システムを提供できる。

本発明の実施形態に係る回転電機システムの構成を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る回転電機システムの駆動用多相交流回路の例を示す回路図である。 本発明の実施形態に係る回転電機システムの発電用多相交流回路の例を示す回路図である。 本発明の実施形態に係る回転電機システムの特性を解析するためのＩＭモデルを示す模式図である。 本発明の実施形態に係る回転電機システムの特性を解析するためのＰＭモデルを示す模式図である。 本発明の実施形態に係る回転電機システムの解析用回路図であり、図６（ａ）はモータ駆動動作の解析用回路図であり、図６（ｂ）は発電動作の解析用回路図である。 ＩＭモデルとＰＭモデルの諸元を示す表である。 ＩＭモデルの特性を示すグラフである。 ＰＭモデルの特性を示すグラフである。 最大トルク時における発電量を示す表である。 機械的出力と発電量を示す表である。 ロータバーの電流をＦＦＴ解析した結果を示すグラフであり、図１２（ａ）は参考例の回転電機の解析結果を示し、図１２（ｂ）はＩＭモデルの解析結果を示す。 速度とトルクの関係を示すグラフである。 固定子巻線のコイルのそれぞれに電力変換回路を接続した例を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る回転電機システムの第１の応用システムを示す模式図である。 本発明の実施形態に係る回転電機システムの第２の応用システムを示す模式図である。 本発明の実施形態に係る回転電機システムの第３の応用システムを示す模式図であり、図１７（ａ）は駆動電源が直流電源である場合を示し、図１７（ｂ）は駆動電源が交流電源である場合を示す。 本発明の実施形態に係る回転電機システムの運転特性と効率分布を示すグラフである。 回転電機システムの中・高速回転時の電圧ベクトル図であり、図１９（ａ）は比較例の電圧ベクトル図であり、図１９（ｂ）は本発明の実施形態に係る回転電機システムの電圧ベクトル図である。 回転電機システムの低速回転時の電圧ベクトル図であり、図２０（ａ）は比較例の電圧ベクトル図であり、図２０（ｂ）は本発明の実施形態に係る回転電機システムの電圧ベクトル図である。 ＰＭモデルのコイルの配置例を示す模式図である。 ＰＭモデル及びＭモデルの位相電流と負荷電圧の関係を示すグラフである。 ＰＭモデル及びＭモデルの力率を示す表である。 本発明の実施形態の第１の変形例に係る回転電機システムの構成を示す模式図である。 本発明の実施形態の第２の変形例に係る回転電機システムの構成を示す模式図である。

次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。また、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであり、この発明の実施形態は、請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

本発明の実施形態に係る回転電機システムは、図１に示すように、固定子巻線を設けた固定子及び回転子を有する回転電機１０と、回転電機１０に接続された駆動用電力変換回路２０及び発電用電力変換回路３０を備える。回転電機１０の固定子巻線は、それぞれが複数のコイルＣから構成される第１のコイル群Ｃ１０と第２のコイル群Ｃ２０からなる。駆動用電力変換回路２０は第１のコイル群Ｃ１０と電気的に接続され、発電用電力変換回路３０は第２のコイル群Ｃ２０と電気的に接続されている。

回転電機１０には、固定子とその内部にエアギャップを隔てて挿入された回転子からなる構成を採用可能である。例えば、それぞれコイルが配置された複数のスロットが固定子鉄心に形成された固定子と、回転子鉄心に複数のロータバーが配置された回転子を有する、かご形誘導電動機などの誘導電動機の構造を採用できる。或いは、回転子の回転子鉄心に永久磁石を配置した永久磁石同期型電動機などの同期電動機の構造を採用することもできる。

第１のコイル群Ｃ１０は、回転電機１０の回転子を回転させる回転磁界を発生させる。例えばそれぞれのコイルＣに位相をずらした電流を流すことによって回転磁界を生じさせるように、第１のコイル群Ｃ１０を構成するコイルＣが配置される。回転磁界を発生させる電流は、駆動用電力変換回路２０から第１のコイル群Ｃ１０に供給される。つまり、駆動用電力変換回路２０は、回転電機１０の回転子を回転させる駆動用多相交流回路を第１のコイル群Ｃ１０と構成するように、第１のコイル群Ｃ１０に接続されている。

第２のコイル群Ｃ２０は、回転電機１０の回転子の回転による誘導起電力によって電力を発生させるように配置されている。発生した電力は、発電用電力変換回路３０を介して外部に出力される。発電用電力変換回路３０は、発電された電力を外部に出力させる発電用多相交流回路を構成するように、第２のコイル群Ｃ２０に接続されている。

このように、回転電機１０の固定子巻線が、回転電機１０を力行させるモータ駆動動作のための第１のコイル群Ｃ１０と、回転電機１０により電力を出力する発電動作のための第２のコイル群Ｃ２０とに分けられている。これにより、回転電機１０の回転子を回転させるモータ駆動動作と、電力を発生させる発電動作とを同時に行う回転電機システム（以下において、「Ｍ＆Ｇシステム」という。）を、１つの回転電機１０で実現することができる。

駆動用電力変換回路２０は、第１のコイル群Ｃ１０に流れる電流の位相を制御することにより、回転電機１０にモータ駆動動作を行わせる。例えば、第１のコイル群Ｃ１０が、Ｕ相コイル、Ｖ相コイル及びＷ相コイルからなる３相交流回路を構成する場合には、各相のコイルを流れる電流（Ｕ相電流、Ｖ相電流、Ｗ相電流）の位相を調整することにより、回転電機１０がモータ駆動動作を行う。駆動用電力変換回路２０には、例えばインバータ回路を採用可能である。図２に、第１のコイル群Ｃ１０がＵ相コイルＣ_U、Ｖ相コイルＣ_V及びＷ相コイルＣ_Wからなり、駆動用電力変換回路２０に３相インバータ回路を採用して駆動用多相交流回路を構成した例を示す。駆動用電力変換回路２０によって第１のコイル群Ｃ１０の各コイルに流れる電流の電流値及び位相を調整することにより、回転電機１０の発生するトルクを調整することができる。

また、図１に示した回転電機システムでは、発電用電力変換回路３０を介して、回転電機１０によって発電された電力が発電負荷４０に出力される。例えば、発電用電力変換回路３０にコンバータ回路を採用することにより、発電負荷４０を充電したり、発電負荷４０に蓄電された電力を回転電機１０に戻して回転子の回転に使用したりできる。

発電用電力変換回路３０に採用したコンバータ回路を構成するスイッチング素子のオン状態とオフ状態の期間を調整することにより、回転電機１０のモータ駆動動作と発電動作の比率を調整することができる。図３に、第２のコイル群Ｃ２０が発電用コイルＣ_P1、Ｃ_P2、Ｃ_P3からなり、発電用電力変換回路３０に３相コンバータ回路を採用して発電用多相交流回路を構成した例を示す。

上記のように、図１に示した回転電機システムでは、１つの回転電機１０について２つの独立した多相交流回路を設定している。これにより、モータ駆動動作と発電動作を同時に行うことができる。

以下に、回転電機１０について図４及び図５に示す９スロット集中巻モデルを用いて、回転電機システムの特性を解析した結果を示す。以下では、３相交流方式を採用した場合について例示的に説明する。つまり、第１のコイル群Ｃ１０が、モータ駆動動作に使用される３相交流回路を構成し、第２のコイル群Ｃ２０が、発電動作に使用される３相交流回路を構成する。

図４は、Ｍ＆Ｇシステムのかご形誘導電動機型の解析モデル（以下において「ＩＭモデル」という。）である。図４に示したＩＭモデルでは、固定子が、９スロットの固定子鉄心１１と、各スロットにそれぞれ配置されたＵ相コイルＣ_U1、Ｃ_U2、Ｖ相コイルＣ_V1、Ｃ_V2、Ｗ相コイルＣ_W1、Ｃ_W2、及び、発電用コイルＣ_P1、Ｃ_P2、Ｃ_P3を備える。回転子は、回転子鉄心１２の円周方向に沿って複数のロータバー１３が配置された構造である。

図５は、Ｍ＆Ｇシステムの永久磁石同期型電動機型の解析モデル（以下において「ＰＭモデル」という。）である。図５に示したＰＭモデルでは、固定子はＩＭモデルと同様であり、回転子は、回転子鉄心１２に永久磁石１４を埋め込んだ構造である。

図４及び図５に示す解析モデルでは、固定子の９つのスロットのうち３つのスロットに配置された発電用コイルＣ_P1、Ｃ_P2、Ｃ_P3が第２のコイル群Ｃ２０を構成する。そして、固定子鉄心１１の残りの６つのスロットに配置されたコイルが、第１のコイル群Ｃ１０を構成する。

駆動電源５０から駆動用電力変換回路２０を介して、第１のコイル群Ｃ１０のＵ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルに位相をずらして電流を流すことにより、回転子が回転し、回転電機１０がモータ駆動動作を行う。そして、モータ駆動動作と同時に、第２のコイル群Ｃ２０によって回転電機１０が発電動作を行う。

図６（ａ）に、第１のコイル群Ｃ１０によるモータ駆動動作の解析用回路図を示し、図６（ｂ）に、第２のコイル群Ｃ２０による発電動作の解析用回路図を示す。図６（ｂ）に示すように、発電用電力変換回路３０に整流回路を使用し、この整流回路に発電負荷４０として負荷抵抗を接続した場合について特性を解析した。なお、回転電機１０の定格回転速度が１５００ｒｐｍ、極数が４極であるとして、２次元有限要素法磁界解析を行った。解析に用いたＩＭモデルとＰＭモデルの諸元を図７に示す。なお、負荷抵抗の抵抗値を１００Ωで一定とした。

図８に、過渡解析から求めたＩＭモデルのすべり値に対するトルク特性を示す。図８において、特性Ｔ（ＩＭ）がＩＭモデルのトルク特性であり、特性Ｔ（１）は比較例１の回転電機のトルク特性である。比較例１は３相交流方式の９スロットのかご形誘導電動機であり、各スロットに配置されたコイルの全部がモータ駆動動作に使用される。また、ＩＭモデルの発電動作により得られる発電量を特性Ｗ（ＩＭ）で示した。

図９に、過渡解析から求めたＰＭモデルの電流位相の変化に対するトルク特性を示す。図９において、特性Ｔ（ＰＭ）がＰＭモデルのトルク特性であり、特性Ｔ（２）は比較例２の回転電機のトルク特性である。比較例２は３相交流方式の９スロットの永久磁石同期型電動機であり、各スロットに配置されたコイルの全部がモータ駆動動作に使用される。

図８及び図９に示すように、Ｍ＆Ｇシステムのトルクは比較例の回転電機のトルクよりも小さいが、このトルクの差はモータ駆動動作に使用されるコイルの数に起因する。しかし、Ｍ＆Ｇシステムでは発電機能により電力が発生しており、総合的な出力は比較例と同等である。

図１０に、最大トルク時における発電負荷４０に出力される発電量を示す。ＰＭモデルでは磁石による高磁界中で回転子が回転するため、発電量はＩＭモデルよりもＰＭモデルで多い。

次に、図８に示したように安定駆動領域であるトルクが０．１７Ｎｍでの、ＩＭモデルのモータ駆動動作による機械的出力と発電動作による発電量の総量と、比較例１のモータ駆動動作による機械的出力とを比較する。ここで、「安定駆動領域」は、すべり値が、トルクが最大である領域からより小さい領域である。また、「機械的出力」は、回転電機１０の力行している出力である。なお、渦電流を考慮せずに解析した結果で検討する。解析により得られた機械的出力と発電量を、図１１に示す。

図１１に示すように、Ｍ＆Ｇシステムの機械的出力と発電量の総量は、比較例１の機械的出力と同等以上である。即ち、Ｍ＆Ｇシステムでは、発電機能を有さない回転電機よりも総合的な出力が減少することはない。

図１２（ａ）及び図１２（ｂ）に、図８に示した解析結果の最大トルク時でのすべり値において、ロータバー１３の電流を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）解析した結果を示す。図１２（ａ）は比較例１の解析結果であり、図１２（ｂ）はＩＭモデルの解析結果である。比較例１と比べて、ＩＭモデルでは、基本波、及び４０次付近と８０次付近の高調波成分の減少が見られる。つまり、Ｍ＆Ｇシステムでは、比較例１に比べて損失が減少する。また、高調波成分の減少が回転子の逆回転に起因するのであれば、逆回転が発電動作に寄与して発電量が増大したことが考えられる。

以上に説明したように、本発明の実施形態に係る回転電機システムでは、回転電機１０の回転子の円周方向に沿って配列された一連のコイルの一部がモータ駆動動作に使用され、残りのコイルが発電動作に使用される。このため、回転電機１０は、部分負荷状態である場合に、モータ駆動動作と発電動作を同時に行う。その結果、回転電機は全出力状態になり、高効率の動作を実現できる。

したがって、図１に示した回転電機システムによれば、消費エネルギーが低減され、効率の低下を抑制できる。例えば、この回転電機システムは、電気自動車やハイブリッド自動車の電費や燃費の向上に有効であり、一回の充電当たりの走行距離が拡大する。

なお、発電用電力変換回路３０にコンバータ回路を使用し、発電用電力変換回路３０にバッテリーを接続することにより、発電動作により発生させた電力がバッテリーを充電する。バッテリーに蓄電された電力は、例えば最大出力時のモータ駆動動作に使用することができる。

実施形態に係る回転電機システムでは、第１のコイル群Ｃ１０と第２のコイル群Ｃ２０の構成を調整することにより、回転電機１０の出力や回転数に応じて高効率になるようにモータ駆動動作と発電動作の出力の比率を選択することができる。これにより、低出力から高出力、低速から高速の広範囲に亘って、効率を向上できる。

また、エレベータなどの電動機を使用する設備では、停電などによって外部からの電力の供給が停止すると、設備が動作しなくなる。しかし、これらの設備に実施形態に係る回転電機システムを適用することにより、発電動作によって充電されたバッテリーによって設備を動作させることができる。このため、例えば、停電により停止したエレベータを所定の階まで移動させたり、エレベータでの人の閉じ込めを防止したりできる。

なお、上記では、回転電機１０が９スロットである場合を検討したが、スロットの数が９つ以外であってもよいことはもちろんである。例えば、第１のコイル群Ｃ１０及び第２のコイル群Ｃ２０が３相交流回路を構成する場合には、スロットの総数が３の他の倍数であればよい。

また、第１のコイル群Ｃ１０及び第２のコイル群Ｃ２０が３相以外の交流回路を構成してもよい。即ち、回転子を回転させる回転磁界を発生させる多相交流回路を第１のコイル群Ｃ１０によって構成し、且つ、回転子の回転による誘導起電力によって電力を発生させる多相交流回路を第２のコイル群Ｃ２０によって構成できればよい。

第１のコイル群Ｃ１０のコイル数と第２のコイル群Ｃ２０のコイル数は、回転電機システムに要求されるトルクなどに応じて任意に設定可能である。例えば、大きなトルクが必要であるが高速走行が不要な自動車を駆動する場合では、第１のコイル群Ｃ１０を構成するコイルの個数を多くし、第２のコイル群Ｃ２０を構成するコイルの個数を少なくする。一方、高速走行が必要であるがトルクは小さくてもよい自動車を駆動する場合では、第１のコイル群Ｃ１０を構成するコイルの個数を少なくし、第２のコイル群Ｃ２０を構成するコイルの個数を多くする。

図１３に、自動車の速度とトルクの関係を示す。図１３において、点Ｐで示した位置において最高効率である。点Ｐから離れるほど、効率は低下する。図１３に示すように、低速走行領域Ｒ１及び高速走行領域Ｒ２のいずれにおいても最高効率ではない。これは、低速走行から高速走行のすべての領域において一定以上の効率を維持するためである。

このため、発電機能を有さない回転電機では、低速走行領域Ｒ１及び高速走行領域Ｒ２における効率と最高効率との差が、効率の低下になる。しかし、Ｍ＆Ｇシステムでは、最高効率との差分が発電に使用されるため、効率の低下が抑制される。

ところで、単相のコイルを複数有する固定子巻線を回転電機１０の固定子に設けてもよい。例えば、図１４に示すように、固定子巻線のコイルＣのそれぞれに独立した電力変換回路６０を接続する。図１４では、電力変換回路６０がフルブリッジの単相インバータ回路で構成された例を示した。電力変換回路６０により、それぞれのコイルＣに流れる電流の大きさや位相を個別に変化させることができる。これにより、モータ駆動動作の負荷と電力動作の負荷に対応させて、回転電機１０の相数や極数を変換したり、第１のコイル群Ｃ１０を構成するコイルと第２のコイル群Ｃ２０を構成するコイルを任意に設定したりできる。

通常、回転電機システムについて運転仕様を満足する最適設計を行うと、定格出力近傍で最高効率に設計され、部分負荷状態には効率が大幅に低下する。そこで、本発明の実施形態に係る回転電機システムは、第１のコイル群Ｃ１０を用いて連続定格出力でモータ駆動動作を行い、第２のコイル群Ｃ２０を用いて発電動作またはモータ駆動動作を行うことで、システム効率を向上させる。

また、駆動動作にモータを利用した応用システムでは、モータ駆動動作と発電動作を同時に行うことで、エネルギーに関するメリットが得られる。このときの実施形態に係る回転電機システムの作用を、以下に代表的な応用システムについて説明する。

［第１の応用システム］
図１５に、実施形態に係る回転電機システムと内燃エンジン７０を組み合わせた、ハイブリッド自動車用の応用システムの例を示す。自動車は回転電機１０と内燃エンジン７０によって駆動される。発電負荷４０としてバッテリー４０Ａが使用され、駆動電源５０としてバッテリー５０Ａが使用される。駆動用電力変換回路２０はインバータ／コンバータ回路であり、発電用電力変換回路３０はコンバータ／インバータ回路である。

図１５に示した応用システムでは、回転電機システムは、発進時にモータとして駆動動作（力行）し、走行時はモータ駆動動作と発電機としての発電動作、加速時と高速道路での走行時はモータ駆動動作、減速と停止のブレーキ時には発電動作を行う。ここで、２種類のコイル群によって異なる逆の動作としてモータ駆動動作と発電動作を同時に行うモードは、特に走行時である。走行時では定格出力の１０％〜２０％くらいの低出力であり、モータ効率が悪い運転領域である。

このモードでは、モータ駆動動作は第１のコイル群Ｃ１０のみで行い、第２のコイル群Ｃ２０は発電動作を行う。したがって、第１のコイル群Ｃ１０は、モータ出力と発電出力の合計の出力を負担することになる。このとき、合計の出力が定格出力程度の状態になるように発電出力を制御することで、第１のコイル群Ｃ１０は最高効率で運転できることになる。発電された電力はバッテリー４０Ａに蓄電される。

内燃エンジン７０の効率は、モータよりも大幅に悪く、１０％〜３０％くらいである。また、内燃エンジン７０はモータよりも高効率範囲が更に狭い。このため、上記と同様に内燃エンジン７０が高効率範囲で駆動する動作点になるようにモータ出力と発電出力の配分を制御する。したがって、回転電機１０によって駆動される内燃エンジン７０と回転電機１０の総合効率が最高になる動作点で回転電機１０が運転されるように、第１のコイル群Ｃ１０によるモータ駆動動作の出力と第２のコイル群Ｃ２０による発電動作の出力との出力配分比率を調整する。これによって、ハイブリッド自動車の燃費は大幅に向上する。

バッテリー４０Ａとバッテリー５０Ａは共通のバッテリーとして構成してもよい。つまり、共通のバッテリーが駆動用電力変換回路２０と発電用電力変換回路３０の両方に接続された構成とする。この共通のバッテリーから出力された直流電力は、駆動用電力変換回路２０で交流電力に変換されて第１のコイル群Ｃ１０に供給され、モータ駆動動作に使用される。そして、第２のコイル群Ｃ２０で発電された交流電力は、発電用電力変換回路３０で直流電力に変換されて共通のバッテリーに戻される。このように、モータ駆動用バッテリーと発電用バッテリーを１つのバッテリーで構成して共通に使用してもよい。駆動用電力変換回路２０に供給した供給電力と発電用電力変換回路３０から戻された発電電力の差が、バッテリーからみてシステム全体で消費した電力になる。供給電力から発電電力を引いた電力の差が負になる場合は、発電動作で増加した電力がバッテリーに蓄積される。

［第２の応用システム］
図１６に、実施形態に係る回転電機システムを用いた電気自動車用の応用システムの例を示す。発電負荷４０としてバッテリー４０Ａが使用され、駆動電源５０としてバッテリー５０Ａが使用される。駆動用電力変換回路２０はインバータ／コンバータ回路であり、発電用電力変換回路３０はコンバータ／インバータ回路である。

図１６に示した応用システムでは、回転電機システムの第１のコイル群Ｃ１０によって連続定格出力時のほぼ一定のトルクでほぼ常時駆動させ、高効率で運転することになる。一方、第２のコイル群Ｃ２０を用いて出力を可変して運転することになり、更に、運転状態によってはモータ駆動動作と発電動作も変わる。

例えば、発進時は高トルクが要求されるので、第１のコイル群Ｃ１０の連続定格トルクと発進時の高トルクの差分を、第２のコイル群Ｃ２０が補う様にモータ駆動動作を行う。走行時で出力が平均的なトルクであれば、第２のコイル群Ｃ２０による出力を０状態にし、第１のコイル群Ｃ１０のみで運転する。走行時の必要トルクが連続定格トルクを下回った場合は、連続トルクと走行に必要なトルクの差分の力で第２のコイル群Ｃ２０を用いて発電動作を行い、バッテリー４０Ａに電力を蓄える。蓄えた電力は、発進時や加速時にモータ駆動動作に使用する。または、第１のコイル群Ｃ１０によるモータ出力を必要トルクまで抑えて運転する。いずれにするかは、総合効率の良いパターンで運転することになる。

これらの結果、第１のコイル群Ｃ１０と駆動用電力変換回路２０とバッテリー５０Ａは、常時ほぼ定常出力である。このため、連続出力で最高効率になる設計にすると、バッテリーを含めた回転電機システムの総合効率はほぼ最高値が得られ、バッテリーの急な出力変動に伴う電力消耗や寿命も大幅に向上する。一方、第２のコイル群Ｃ２０と発電用電力変換回路３０とバッテリー４０Ａは常時変動した出力を担うことになり、更に出力は短時間で変動し、モータ駆動動作と発電動作でエネルギーの流れの方向も逆になる。そこで、バッテリーに代わりに電気二重層キャパシタを適用することで急速充放電に対応でき、さらに総合効率の向上、またはエネルギー消費量の低減が図れる。最大発電量が多いシステムでは、バッテリーと電気二重層キャパシタを併用する。

なお、第１の応用システムと同様に、バッテリー４０Ａとバッテリー５０Ａを共通のバッテリーとして構成してもよい。駆動用電力変換回路２０に供給した電力と発電用電力変換回路３０から戻された電力の差がシステム全体で消費した電力になり、供給電力から発電電力を引いた電力の差が負になる場合は、発電動作で増加した電力が共通のバッテリーに蓄積される。

［第３の応用システム］
図１７（ａ）及び図１７（ｂ）に、鉄道用モータシステムに実施形態に係る回転電機システムを用いた応用システムの例を示す。発電負荷４０としてバッテリー４０Ａが使用され、駆動電源５０として図１７（ａ）に示すように直流電源５０Ｂ又は図１７（ｂ）に示すように交流電源５０Ｃが使用される。架線が直流送電であれば、駆動用電力変換回路２０はインバータ／コンバータ回路であり、発電用電力変換回路３０はコンバータ／インバータ回路である。架線が交流送電であれば、駆動用電力変換回路２０は整流・インバータ／コンバータ回路であり、発電用電力変換回路３０はコンバータ／インバータ回路である。

図１７に示した応用システムでは、発進時は全てモータ駆動動作、減速時は全て発電動作である。一方、走行時には、第１のコイル群Ｃ１０によってモータ駆動動作を最高効率点のトルクで行い、且つ、第２のコイル群Ｃ２０による発電動作を行い、バッテリー４０Ａに蓄電するか、満充電であれば架線を介して系統にも電力を送る。

鉄道では、供給電力は通勤時間帯に瞬時的に最高値になる。このときに上記の発電動作によってバッテリー４０Ａに蓄電した電力をモータ駆動に使用することにより、電力システムの最大供給電力を抑えることができる。これによって、鉄道の電力システムの短時間的な最大供給電力を増加することができる。または、電力設備の電力容量を削減できる。惰行運転時の発電も同様である。図１７に示した応用システムは、鉄道用モータ以外にも、工場、ビル、エレベータ駆動用などに適用できる。

上記のように、実施形態に係る回転電機システムの発電用電力変換回路３０は、発電負荷４０に蓄電された電力を第２のコイル群Ｃ２０に供給し、回転子を回転させる回転磁界を発生させる機能も併せて有する。つまり、発電用電力変換回路３０及び発電負荷４０は、電力を発電負荷４０に蓄電する場合とは逆のエネルギーの流れとして、発電負荷４０に蓄電された電力を第２のコイル群Ｃ２０に供給し、回転電機１０の回転子を回転させる回転磁界を発生させる機能を実現する。

図１８に、回転電機システムを産業システムや社会システムに用いた応用システムにおける、高効率運転するための動作点のシフトを示す。図１８は、縦軸をトルク、横軸を速度とし、効率分布を等高線で示したグラフであり、運転特性と効率分布上での動作点を示している。図１８に実線で示した矢印Ｅの向きに効率は増加し、中心の点Ｐにおいて最も効率が高い。

図１８において、高負荷時の高トルクＴｈと連続低負荷時の連続定格トルクＴｍとの差分が、モータ駆動動作でのモータトルクＴＭである。連続低負荷時の連続定格トルクＴｍと軽負荷時の低トルクＴｌとの差分が、発電動作での発電トルクＴＷである。

起動時は全てモータ駆動動作、減速時は全て発電動作になるが、軽負荷での運転時では、第１のコイル群Ｃ１０により最高効率点のトルクでモータ駆動動作を行い、同時に、第２のコイル群Ｃ２０による発電動作を行ってバッテリー４０Ａに蓄電する。工場などの産業システムでは、工場やビルの電源設備の供給電力が夏期午後の瞬時的に最高値になる場合に、上記の発電動作によってバッテリー４０Ａに蓄電した電力をモータ駆動動作に使用することで、電源設備の最大供給電力を抑えることができる。これによって、工場やビルなどの電源設備の短時間的な最大供給電力を増加することができる。または、電力設備の電力容量を削減できる。更に、瞬時停電時にもバッテリーに蓄電された電力でモータ駆動動作が継続されるので、工場のラインが停止することなく稼働できる。

上記のように、モータ駆動動作と発電動作を同時に行うことによって、回転電機システムの動作点が高効率領域にシフトする。

エレベータの駆動用モータに実施形態に係る回転電機システムを適用した場合、搭載重量が軽い場合は第１のコイル群Ｃ１０によって最高効率点のトルクでモータ駆動動作を行い、第２のコイル群Ｃ２０による発電動作を行ってバッテリー４０Ａに蓄電する。工場やビルと同様に電源設備の供給電力が夏期午後の瞬時的に最高値になる場合は、上記の発電動作によってバッテリー４０Ａに蓄電した電力をモータ駆動動作に使用することで、エレベータの電源設備の最大供給電力を抑えることができる。これによって、エレベータの電源設備の短時間的な最大供給電力を増加することができる。または、電力設備の電力容量を削減できる。さらに瞬時停電時にもバッテリーに蓄電した電力でモータ駆動動作を継続できので、エレベータに閉じ込められることなく、停電時にもエレベータを稼働できる。

ところで、電圧制限がある電源でモータを可変速運転する場合において、ハイブリッド自動車や電気自動車、省エネルギー機器用として主流の永久磁石同期型電動機では、弱め磁束制御によって可変速運転が可能である。弱め磁束制御は、ｄ軸電流による電機子反作用磁束によって界磁磁束と合成のｄ軸磁束を減少させて電圧を抑制する。しかし、ｑ軸電流によるｑ軸磁束は残るので、これによる電圧は抑制できず、高速回転速度で高周波になると弱め磁束制御を行ってもｑ軸磁束による電圧で駆動が困難になる。

これに対し、実施形態に係る回転電機システムは、第１のコイル群Ｃ１０によりモータ駆動動作を行い、第２のコイル群Ｃ２０により発電動作を行う。この場合、トルクと出力の大きさを決めるｑ軸電流は逆方向になる。つまりモータ駆動動作のトルク電流を正のｑ軸電流とすると、発電動作のトルク（出力)電流は負のｑ軸電流になる。

したがって、ｑ軸電流で形成されたｑ軸磁束によって発生する電圧（電気回路的にはｑ軸インダクタンスＬｑによる電圧Ｖ(Lq、Iq)）は互いに逆方向成分になる。このため、合計の電圧は低減され、ほぼゼロ（Ｖ(Lq、Iq)＋Ｖ(Lq、-Iq)＝０）にすることもできる。したがって、本発明の実施形態に係る回転電機システムを適用すると、合成の端子電圧は大幅に低減され、更には界磁磁束によるｄ軸磁束の誘導起電力のみが合成の電圧となり、合成の負荷電圧と電源電圧まで差分の電圧が拡大し、更に差分の電圧に相当する速度比率で最高速度が高くなり、可変速範囲を拡張できる。即ち、低速から高速まで広い可変速範囲で運転できる。

上記のように、実施形態に係る回転電機システムでは、第１のコイル群Ｃ１０にｑ軸電流を流し、第２のコイル群Ｃ２０に第１のコイル群Ｃ１０とは逆の極性のｑ軸電流を流して、負荷時の回転電機１０の端子電圧を減少させる制御を行う。これにより、可変速範囲が拡張される。上記の内容を、以下に電圧ベクトル図によって示す。

図１９（ａ）、図１９（ｂ）及び図２０（ａ）、図２０（ｂ）は、可変速運転駆動を行うシステムに実施形態に係る回転電機システムを適用することによる電圧低減効果を説明するための電圧ベクトル図である。図１９（ａ）、図１９（ｂ）は、中・高回転速度で高出力（中・低トルク）運転の範囲での電圧ベクトル図である。図２０（ａ）、図２０（ｂ）は、低速回転で高トルクの運転範囲での電圧ベクトル図である。なお、図１９（ａ）及び図２０（ａ）は、発電機能を有さず、モータ駆動動作のみを行う比較例の回転電機システムの電圧ベクトル図である。図１９（ｂ）及び図２０（ｂ）は、実施形態に係る回転電機システムの電圧ベクトル図である。

図１９（ａ）において、誘導電圧Ｖ０（ａ１）は弱め磁束制御や可変磁力で低減した誘導電圧であり、誘導電圧Ｖ０（ａ２）は弱め磁束制御なしでの界磁磁束による誘導電圧である。弱め磁束制御や可変磁力で低減した合成磁束の負荷電圧ＶＬ（ａ１）は、モータ駆動動作における正のｑ軸電流による電圧＋Ｖｄと誘導電圧Ｖ０（ａ１）との合成の電圧である。負荷電圧ＶＬ（ａ１）は、誘導電圧Ｖ０（ａ１）よりも大きい。一方、弱め磁束制御なしでの合成磁束の負荷電圧ＶＬ（ａ２）は、電圧＋Ｖｄと誘導電圧Ｖ０（ａ２）との合成の電圧である。負荷電圧ＶＬ（ａ２）は、誘導電圧Ｖ０（ａ２）よりも大きい。

図１９（ｂ）において、誘導電圧Ｖ０（ｂ１）は弱め磁束制御や可変磁力で低減した誘導電圧であり、誘導電圧Ｖ０（ｂ２）は弱め磁束制御なしでの誘導電圧である。電圧＋Ｖｄはモータ駆動動作における正のｑ軸電流による電圧であり、電圧−Ｖｄは発電動作における負のｑ軸電流による電圧である。図１９（ｂ）に示すように、磁束制御や可変磁力で低減した合成磁束の負荷電圧ＶＬ（ｂ１）は、巻線抵抗を無視すれば、誘導電圧Ｖ０（ｂ１）とほぼ同様である。

図１９（ａ）に示した負荷電圧ＶＬ（ａ１）と図１９（ｂ）に示した負荷電圧ＶＬ（ｂ１）との比較から、実施形態に係る回転電機システムによれば、比較例に比べて負荷電圧が大幅に低減される。このため、最高速度が拡大する。

図２０（ａ）において、比較例の合成磁束の負荷電圧ＶＬ（ａ）は、界磁磁束による誘導電圧Ｖ０（ａ）とモータ駆動動作における正のｑ軸電流による電圧＋Ｖｄとの合成の電圧である。図２０（ｂ）において、実施形態に係る回転電機システムの合成磁束の負荷電圧ＶＬ（ｂ）は、界磁磁束による誘導電圧Ｖ０（ｂ）とほぼ同等である。図２０（ａ）と図２０（ｂ）との比較においても、実施形態に係る回転電機システムによれば、比較例に比べて負荷電圧が大幅に低減される。このため、最高速度が拡大する。

以下に、Ｍ＆ＧシステムのＰＭモデルとモータ駆動動作のみを行う比較例のＭモデルについて、負荷電圧を解析した結果を示す。ＰＭモデルとＭモデルは、３相交流方式の９スロットの永久磁石同期型電動機である。

比較例のＭモデルでは、負のｄ軸電流を流すことによって弱め磁束制御を行う。一方、ＰＭモデルでは、発電機側の電流位相をｑ軸方向の磁束のみを打ち消すように調整する。

なお、ＰＭモデルには、図２１に示すように、それぞれのスロットにモータ駆動動作のための第１のコイル群Ｃ１０と発電動作ための第２のコイル群Ｃ２０の両方が配置された構成を使用した。即ち、回転子の全周にわたって第１のコイル群Ｃ１０と第２のコイル群Ｃ２０が配置されている。このため、回転子を滑らかに回転させることができる。例えば、それぞれのスロットのコイルを２：１に分割し、中心側のコイルを第１のコイル群Ｃ１０として使用し、外周側のコイルを第２のコイル群Ｃ２０として使用する。第１のコイル群Ｃ１０と第２のコイル群Ｃ２０は、例えばインバータ回路により駆動される。

解析に使用したＰＭモデルのコイルのターン数は、第１のコイル群Ｃ１０が４０、第２のコイル群Ｃ２０が２０である。一方、Ｍモデルのコイルのターン数は６２である。

図２２に、ＰＭモデル及びＭモデルの電流位相の変化に対する負荷電圧の特性を示す。図２２において、特性ＰＭがＰＭモデルの負荷電圧の特性であり、特性ＭがＭモデルの負荷電圧の特性である。なお、ＰＭモデルの第１のコイル群Ｃ１０のターン数がＭモデルのターン数の３分の２であるため、ＰＭモデルについては算出された負荷電圧を３／２倍した数値を示している。図２２に示すように、すべての電流位相において負荷電圧はＰＭモデルの方がＭモデルよりも小さい。

Ｍモデルでは、負のｄ軸電流を流して弱め磁束制御を行う。モータ駆動に直接寄与しない電流を流すことになるため、効率が悪い。特に高速回転させるほど、負のｄ軸電流を増大させる必要があり、効率が低下する。これに対し、ＰＭモデルでは、ｑ軸方向の磁束を発電用のコイルによって打ち消すことにより等価的な弱め磁束制御を実現する。負のｄ軸電流を流さないため、Ｍモデルよりも鉄損が減少し、高効率化できる。また、誘起電圧の低減により出力範囲の広いモータを実現できる。

図２３に、ＭモデルとＰＭモデルの力率を解析した結果を示す。図２３に示すように、ＰＭモデルの方がＭモデルよりも力率が高い。また、Ｍモデルでは電流が定格電流の２．７５Ａｒｍｓから２倍の５．５０Ａｒｍｓまで増大することにより力率が低下する。これに対し、ＰＭモデルでは、電流が同様に増大しても力率は低下しない。

＜第１の変形例＞
図２４に、本発明の実施形態の第１の変形例を示す。図２４に示した回転電機システムは、発電用電力変換回路３０を有さない点が図１と異なる。その他の構成については、図１に示した回転電機システムと同様である。

図２４に示した回転電機システムでは、回転電機１０によって発電した電力が、第２のコイル群Ｃ２０から外部に直接出力される。例えば、回転電機システムの発電動作を単独の交流電源として利用するシステムの場合、減速時などに生じる回生エネルギーを交流電力のまま負荷に出力するようにしてもよい。

＜第２の変形例＞
図２５に、本発明の実施形態の第２の変形例を示す。図２５に示した回転電機システムは、駆動用電力変換回路２０を有さない点が図１と異なる。その他の構成については、図１に示した回転電機システムと同様である。

図２５に示した回転電機システムでは、回転電機１０を駆動する電力が、駆動用電力変換回路２０を介さずに、第１のコイル群Ｃ１０に直接入力する。例えば、商用電源から供給される電力を第１のコイル群Ｃ１０に供給して回転電機１０を駆動してもよい。

（その他の実施形態）
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

例えば、上記では回転電機１０がかご形誘導電動機や永久磁石同期型電動機の構造である場合について検討したが、回転電機１０が他の構造の誘導電動機や同期電動機の構造であってもよい。或いは、誘導電動機や同期電動機以外の、例えば直流電動機などの他の構造を回転電機１０に採用してもよい。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態などを含むことはもちろんである。

本発明の回転電機システムは、モータ駆動動作と発電動作を同時に行う回転電機システムに利用可能である。

Claims (11)

1. 固定子巻線を設けた固定子及び回転子を有する回転電機を備え、
   前記固定子巻線が、
   前記回転子を回転させる回転磁界を発生させる第１のコイル群と、
   前記回転子の回転による誘導起電力によって電力を発生させる第２のコイル群と
   からなり、
   前記回転子の円周方向に沿って配列された複数のスロットにそれぞれ配置された一連のコイルの一部を前記第１のコイル群として使用し、前記一連のコイルの残りのコイルを前記第２のコイル群として使用し、
   前記回転電機の出力および回転数に応じて前記第１のコイル群と前記第２のコイル群の構成を調整し、要求されるトルクが大きいほど前記第１のコイル群のコイルの個数を多くし且つ前記第２のコイル群のコイルの個数を少なくする
   ことを特徴とする回転電機システム。
2. 前記回転子を回転させる駆動用多相交流回路を前記第１のコイル群と構成する駆動用電力変換回路を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の回転電機システム。
3. 前記駆動用電力変換回路において前記第１のコイル群に流れる電流の電流値及び位相を調整することにより、前記回転電機の発生するトルクを調整することを特徴とする請求項２に記載の回転電機システム。
4. 前記回転電機の回転によって発生した前記電力を外部に出力させる発電用多相交流回路を前記第２のコイル群と構成する発電用電力変換回路を更に備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の回転電機システム。
5. 前記発電用電力変換回路を構成するコンバータ回路のスイッチング素子のオン状態とオフ状態の期間を調整することにより、前記回転子を回転させるモータ駆動動作と前記電力を発生させる発電動作の比率を調整することを特徴とする請求項４に記載の回転電機システム。
6. 前記発電用電力変換回路から出力される前記電力を蓄電する発電負荷を更に備え、
   前記発電負荷に蓄電された前記電力を前記回転子の回転に使用することを特徴とする請求項４又は５に記載の回転電機システム。
7. 前記発電用電力変換回路及び前記発電負荷が、前記電力を前記発電負荷に蓄電する場合とは逆のエネルギーの流れとして前記発電負荷に蓄電された前記電力を前記第２のコイル群に供給し、前記回転子を回転させる回転磁界を発生させる機能を実現することを特徴とする請求項６に記載の回転電機システム。
8. 前記第１のコイル群及び前記第２のコイル群のそれぞれが、３相交流回路を構成していることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の回転電機システム。
9. 前記回転電機によって駆動される装置と前記回転電機の総合効率が最高になる動作点で前記回転電機が運転されるように、前記第１のコイル群によるモータ駆動動作の出力と前記第２のコイル群による発電動作の出力との出力配分比率を調整することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の回転電機システム。
10. 前記第１のコイル群にq軸電流を流し、前記第２のコイル群に前記第１のコイル群とは逆の極性のq軸電流を流すことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の回転電機システム。
11. 前記第１のコイル群にq軸電流を流し、前記第２のコイル群に前記第１のコイル群とは逆の極性のq軸電流を流して、負荷時の前記回転電機の端子電圧を減少させる制御を行うことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の回転電機システム。

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