JP3757890B2 - 回転電機の駆動方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転電機の駆動方法に関し、特に、複合電流で駆動される複数のロータを有する回転電機の駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の複合電流で駆動される複数のロータを有する回転電機の駆動方法としては、特開平１１−３５６０１５号公報において開示されているものがある。この従来の回転電機は、２つのロータを間にステータを挟んで同軸に配置し、正弦波の和である複合電流を（２レベル）インバータから供給して駆動される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
通常の２レベルインバータでは、０電圧を実現するためにＯＮ（＋Ｖ）、ＯＦＦ（−Ｖ）をデューティ比５０％で繰り返しオン、オフしている。したがって、同軸の回転電機の特徴であるインバータ力率０ドライブ（一方のロータがモータとして作動し、他方のロータが発電機として作動する）に関して要求電圧が０でも、ＰＷＭ駆動しているために、複合電流のピーク時のとき、電圧が０近傍でも前記オン、オフを繰り返すため、オンのとき短時間だが大電流がパワーデバイス部に流れ、大きな定常損失が発生していた。同時に、ＰＷＭは数ｋＨｚという高い周波数でオン、オフしているため、ＳＷ損失も大きかった。また、大電流に応じて損失が大きくなり、結果必要なパワーデバイス容量が大きくなっていた。ＤＣ電圧をＶとすると、相電圧で利用できるのはＶ／２であり、このＶ／２に複数のロータ分の電圧を入れなければならないため、特に高回転域ではＤＣ電圧が不足し、駆動範囲を広く取れなかった。高電圧で使用するために、高価格なパワーデバイスが必要であり、システムはコスト上の問題を抱えていた。また、通常モータにおけるパルス駆動では、ＰＷＭ駆動に対して損失こそ小さくなるが、インバータ力率が高いのですべてのパワーデバイス電流容量を大きくする必要があり、複合電流のインバータ力率０ドライブに対して不利であった。
【０００４】
本発明は、上記問題点を解決し、低容量化、低損失化、広い駆動領域を実現する回転電機の駆動方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の第１発明は、複合電流で駆動される複数のロータを有する回転電機の駆動方法において、前記複数のロータのうち少なくとも１つがモータとして作動し、他の少なくとも１つが発電機として作動する場合、ステータコイルに印加される電圧は、前記複数のロータの回転数に比例した周波数を含む矩形波が重ねあわされており、前記ステータコイルに印加される電圧は、駆動ＤＣ電圧Ｖ［Ｖ］に対して、Ｖ／２［Ｖ］を０［Ｖ］とするとＮを３以上の奇数として±Ｖ／（Ｎ−１）［Ｖ］、±Ｖ／（Ｎ−３）［Ｖ］、、、±Ｖ／２［Ｖ］及び０［Ｖ］のＮレベルの電位を持ち、これに応じて電源も２×Ｎ−１個のパワーデバイスで構成されたＮレベルインバータであり、前記２×Ｎ−１個のパワーデバイスの容量を給電点からＰ側又はＮ側アームに向けて小さくすることを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載の第２発明は、第１発明において、前記変換手段が、複合電流を給電する正規化された複合電圧（信号）に対してＮレベルならばＮ−１個のスライスレベルを定め、各スライスレベルに応じて変換を行い、前記パワーデバイスの駆動パルスとすることを特徴とする。
【０００９】
請求項３に記載の第３発明は、第１又は第２発明において、Ｎ＝３であることを特徴とする。
【００１０】
【発明の効果】
与えられたＤＣ電圧の下でｆ１、ｆ２を有する正弦波を重ね合わせるよりも、基本周波数ｆ１、ｆ２を有する矩形波を重ね合わせた方がｆ１、ｆ２の振幅を大きくとれる。誘起電圧は回転数に比例するため、モータ駆動範囲が広がる。さらに、Ｎレベルの電圧を出せるので、ＰＷＭ駆動のようにスイッチングしなくてもＮ値の電圧を使って階段状に波形を出せるため、高速なスイッチングをしなくても済み、インバータ部での損失が大幅に減少する。さらにＮレベルインバータによりＮ個のレベルを持つ電圧を作れるので、ＰＷＭ駆動と比べてインバータ損失を小さくできる。また、ｆ１、ｆ２の振幅を従来よりも大きくとれ、かつＮを大きくすれば、階段状ではあるがより正弦波に近い波形を出せるため、高次高調波を軽減できる。さらに、Ｎレベルインバータの構成により、パワーデバイスの定格電圧を小さくとれ、インバータ力率０ドライブによりＦＷＤ以外のパワーデバイスの電流定格も小さくできるため、コスト的に有利である。さらにパワーデバイスの容量を給電点からＰ側又はＮ側アームに向けて小さくすることで、発電電動状態で動作する状態が非常に多い同軸回転電機に関して、パワーデバイスの容量を小さく、かつコストを低く抑えることができる。これは、力率０でドライブする場合、電圧が高い（ＶＤＣ側のパワーデバイスがすべてＯＮの）ときは電流はゼロ近傍であるため、電流容量を低減することができるからである。
【００１３】
第２発明によれば、Ｎレベルのスライスレベルを決めて、これと大小比較するだけでよいため、メモリ容量、ＣＰＵ能力を増強することなく実現することができ、従来の電流制御系を大幅に変更することなく小容量の制御ブロックを追加するだけで実現できるため、従来可能であったトルク制御、弱め界磁制御を当然行うことができる。
【００１４】
第３発明によれば、Ｎ＝３は、本発明の効果を奏するための必要最小限であり、インバータを構成するパワーデバイス部品点数が最もすくなく、低コストである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の回転電機の駆動方法を用いて駆動することができる回転電機の構成の一例を示す断面図である。本回転電機１００は、インナーロータシャフト９の中心軸線（回転電機の中心軸線でもある）Ｃ上に、同心円状に、内側から、インナーロータシャフト９に取り付けられたインナーロータ７、ステータ１、アウターロータシャフト４に取り付けられたアウターロータ８の順で配置された多重ロータ構造を成し、アウターロータ８とインナーロータ７との２つのロータ間に位置するステータ１は、ステータコア２と、ステータコア２を軸方向両側から挟み込んで支持するブラケット５とを具える。ボルト６は、ブラケット５とステータコア２に設けられた穴を貫通し、これらの部材を固定することにより、ステータ１を形成している。ステータコア２は、周方向に配置された複数のステータピースに分割され、各々のステータピースにはコイルが巻装され、各々のステータピースは、複数枚のステータ鋼板を積層して形成される。
【００１６】
従来の駆動方法においては、前記コイルには、各ロータの回転数に比例した周波数ｆ１、ｆ２の正弦波を重ね合わせた複合電流を流す。これにより、各ロータに関する回転磁界が生じ、各ロータは回転する。各々のロータに関する回転磁界は、他方のロータには影響しない。
【００１７】
本発明による駆動方法においては、正弦波の代わりに矩形波を使用する。すなわち、各ロータの回転数に比例した周波数ｆ１、ｆ２の矩形波を重ね合わせた複合電流を前記コイルに流す。
【００１８】
本発明による回転電機の駆動方法の第１実施例では、５レベル矩形波を用いる。図２の上段は、目標複合電圧デューティの波形を示すグラフである。縦軸は規格化電圧を示し、横軸は時間を示す。このグラフにおける複合波形は、周波数１００［Ｈｚ］と２００［Ｈｚ］を含んでいる。従来の駆動方法では、多相２レベルインバータによってこの目標複合電圧デューティにＰＷＭ変調を掛け、ステータコイルに印加する出力電圧を生成している。図２の下段は、上段の電圧の波形を５レベルの矩形波に変換した波形であり、本発明による駆動方法においてステータコイルに印加する出力電圧波形である。図３は、図２のそれぞれの波形のＦＦＴ解析結果を示すグラフである。図３の変換においては、スライスレベルとして０．３及び０．５の２値を用いている。これは、ＦＦＴ解析により、高次高調波含有率が小さくなるように選んだものである。これらの図からわかるように、振幅０．５のスペクトルが５レベル矩形波とすることで０．５以上を示している。これは、相電圧を多くとれることを意味している。この例の場合において、複合電圧デューティの最大電圧が１（＝０．５＋０．５）でも、５レベル矩形波に変換することによって１．２（＝０．６４＋０．５６）の複合電圧を出力することができる。したがって、モータの駆動範囲が広がる。また、矩形波では高次高調波が発生しているが、高回転域で使用する場合、回転電機のＬＣのフィルタ作用により電流は小さくなり、トルク脈動などの影響は少なくなる。矩形波のレベル数を大きくすれば、このような高次高調波を軽減できる。また、ＰＷＭ変調を行わないので高速なスイッチングを行う必要がないため、インバータの効率が向上する。
【００１９】
図４は、図２に示すような５レベル矩形波を発生する５レベルインバータの１相分を示す回路図である。この５レベルインバータ１相分は、電源電圧ＶＤＣと、コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４及びＣ５と、ダイオードＤＨＰ、ＤＨＮ、ＤＭＰ、ＤＭＮ、ＤＬＰ及びＤＬＮと、パワーデバイスＱＰ１、ＱＰ２、ＱＰ３、ＱＰ４、ＱＮ１、ＱＮ２、ＱＮ３及びＱＮ４と、ゲートドライバ２１と、複合電圧指令値生成部２２とを具える。
【００２０】
図４に示す５レベルインバータの動作を、図２を参照して説明する。目標複合電圧デューティをスライスレベルによって５レベルに分け、図２の下段５レベル矩形波が１のときＰ側全パワーデバイスをＯＮ、レベル０．５のときＱＰ２、ＱＰ３、ＱＰ４、ＱＮ４をＯＮ、レベル０のときＱＰ３、ＱＰ４、ＱＮ４、ＱＮ３をＯＮ、レベル−０．５のときＱＰ４、ＱＮ４、ＱＮ３、ＱＮ２をＯＮ、レベル−１のときＮ側全パワーデバイスをＯＮにし、以後これを繰り返す。
【００２１】
本発明による回転電機の駆動方法の第２実施例では、３レベル矩形波を用いる。図５の上段は、目標複合電圧デューティの波形を示すグラフである。縦軸は規格化電圧を示し、横軸は時間を示す。このグラフにおける複合波形は、周波数１００［Ｈｚ］と２００［Ｈｚ］を含んでいる。図５の下段は、上段の電圧の波形を５レベルの矩形波に変換した波形であり、本発明による駆動方法においてステータコイルに印加する出力電圧波形である。図６は、図５のそれぞれの波形のＦＦＴ解析結果を示すグラフである。これらの図からわかるように、第１実施例と同様に、振幅０．５のスペクトルが３レベル矩形波とすることで０．５以上を示している。これは、相電圧を多くとれることを意味している。この例の場合において、複合電圧デューティの最大電圧が１（＝０．５＋０．５）でも、３レベル矩形波に変換することによって１．２５（＝０．６０＋０．６５）の複合電圧を出力することができる。したがって、モータの駆動範囲が広がる。また、矩形波では高次高調波が発生しているが、高回転域で使用する場合、回転電機のＬＣのフィルタ作用により電流は小さくなり、トルク脈動などの影響は少なくなる。低周波成分も発生しているが、駆動パルスの点弧信号を低周波成分が少なくなるように最適化する等の対策によって、影響を防ぐことができる。
【００２２】
図７は、図５に示すような３レベル矩形波を発生する３レベルインバータの１相分を示す回路図である。この３レベルインバータ１相分は、電源電圧ＶＤＣと、コンデンサＣ１及びＣ２と、ダイオードＤＭＰ及びＤＭＮと、パワーデバイスＱＰ１、ＱＰ２、ＱＮ１及びＱＮ２と、ゲートドライバ３１と、複合電圧指令値生成部３２とを具える。このように３レベル矩形波を用いた例は、本発明の効果を奏するための必要最小限の構成であり、インバータを構成するパワーデバイス部品点数が最も少なく、低コストで実現可能である。
【００２３】
図７に示す３レベルインバータの動作を、図５を参照して説明する。目標複合電圧デューティをスライスレベルによって３レベルに分け、図５の下段３レベル矩形波が１のときＰ側全パワーデバイスをＯＮ、レベル０のときＱＰ２、ＱＮ２をＯＮ、レベル−１のときＮ側全パワーデバイスをＯＮにし、以後これを繰り返す。
【００２４】
図８は、上述したような複合電圧指令値生成部（図４における２２、図７における３２）の構成の一例を示すブロック図である。複合電圧指令値生成部は、ベクトル制御系４２と、変換部４３とを含む。本例において、１２相（２ロータを同軸に配する回転電機において、インナー２極対、アウター３極対）の６相駆動を行うことを前提としている。相電流４相分と、目標電流ベクトル２つと、インナーロータ及びアウターロータの位置と、ＤＣ電圧とをベクトル制御系４２に入力し、目標電流を実現すべく目標複合電圧デューディの６相分を演算する。この目標複合電圧デューティは、各ロータに関する周波数を持つ２つの正弦波の和である。この部分は、従来の制御と同様なので、さらに詳細には説明しない。目標複合電圧デューティと、インナーロータ及びアウターロータの位置とを、変換部４３に入力して、最終的にＮレベルの矩形波を生成する。この矩形波信号をゲートドライバへ導く。
【００２５】
図９は、図８に示す変換部の詳細を示すブロック図である。本例の変換部は、図７に示すような３レベルインバータ用である。この変換部は、比較器５１、５２及び５３と、ＯＲゲート５４及び５５とを具える。比較器５１、５２及び５３は、目標複合電圧デューティを受け、スライスレベル値の比較を行うことで４個のパワーデバイスの駆動信号を生成する。ここで、目標複合電圧デューティが、図５の上段に示すような波形ならば、スライスレベルを０．５とする。目標電圧デューティ＞スライスレベルの場合、比較器５１がオンとなり、ＱＰ１ゲート信号及びＱＰ２ゲート信号を出力する。−（スライスレベル）≦目標電圧デューティ≦スライスレベルの場合、比較器５２がオンとなり、ＱＰ２ゲート信号及びＱＮ２ゲート信号を出力する。目標電圧デューティ＜−（スライスレベル）の場合、比較器５３がオンとなり、ＱＮ２ゲート信号及びＱＮ１ゲート信号を出力する。このような構成をとることにより、Ｎレベルのスライスレベルを決めてこれと大小比較するだけなので、ロジックがきわめて簡単になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の回転電機の駆動方法を用いて駆動することができる回転電機の構成の一例を示す断面図である。
【図２】 目標複合電圧デューティの波形とこれを５レベルの矩形波に変換した波形を示すグラフである。
【図３】 図２のそれぞれの波形のＦＦＴ解析結果を示すグラフである。
【図４】 ５レベル矩形波を発生する５レベルインバータの１相分を示す回路図である。
【図５】 目標複合電圧デューティの波形とこれを３レベルの矩形波に変換した波形を示すグラフである。
【図６】 図５のそれぞれの波形のＦＦＴ解析結果を示すグラフである。
【図７】 ３レベル矩形波を発生する３レベルインバータの１相分を示す回路図である。
【図８】 複合電圧指令値生成部の構成の一例を示すブロック図である。
【図９】 変換部の詳細を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ ステータ
２ ステータコア
４ アウターロータシャフト
５ ブラケット
６ ボルト
７ インナーロータ
８ アウターロータ
９ インナーロータシャフト
２１、３１ ゲートドライバ
２２、３２ 複合電圧指令値生成部
４２ ベクトル制御系
４３ 変換部
５１、５２、５３ 比較器
５４、５５ ＯＲゲート
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５ コンデンサ
ＤＨＰ、ＤＨＮ、ＤＭＰ、ＤＭＮ、ＤＬＰ、ＤＬＮ ダイオード
ＱＰ１、ＱＰ２、ＱＰ３、ＱＰ４、ＱＮ１、ＱＮ２、ＱＮ３、ＱＮ４ パワーデバイス
ＶＤＣ 電源電圧

Claims (3)

1. 複合電流で駆動される複数のロータを有する回転電機の駆動方法において、前記複数のロータのうち少なくとも１つがモータとして作動し、他の少なくとも１つが発電機として作動する場合、ステータコイルに印加される電圧は、前記複数のロータの回転数に比例した周波数を含む矩形波が重ねあわされており、前記ステータコイルに印加される電圧は、駆動ＤＣ電圧Ｖ［Ｖ］に対して、Ｖ／２［Ｖ］を０［Ｖ］とするとＮを３以上の奇数として±Ｖ／（Ｎ−１）［Ｖ］、±Ｖ／（Ｎ−３）［Ｖ］、、、±Ｖ／２［Ｖ］及び０［Ｖ］のＮレベルの電位を持ち、これに応じて電源も２×Ｎ−１個のパワーデバイスで構成されたＮレベルインバータであり、前記２×Ｎ−１個のパワーデバイスの容量を給電点からＰ側又はＮ側アームに向けて小さくすることを特徴とする回転電機の駆動方法。
2. 請求項１に記載の回転電機の駆動方法において、前記変換手段が、複合電流を給電する正規化された複合電圧（信号）に対してＮレベルならばＮ−１個のスライスレベルを定め、各スライスレベルに応じて変換を行い、前記パワーデバイスの駆動パルスとすることを特徴とする回転電機の駆動方法。
3. 請求項２又は３に記載の回転電機の駆動方法において、Ｎ＝３であることを特徴とする回転電機の駆動方法。

Images