JP4639429B2 - インバータ装置 - Google Patents
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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
【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
Claims (4)
- 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インバータ装置。
- 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インバータ装置。
- Ｎ＝３とした請求項１または２に記載したインバータ装置。
- 電源端子に接続したスイッチング素子を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請求項１〜３のいずれか１項に記載したインバータ装置。
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