JP6478114B2 - 回転電機駆動システム - Google Patents
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Description
スター結線された3相のステータ巻線(35)及び磁石トルクとリラクタンストルクを発生するロータ(20)を有する回転電機(1)と、前記ステータ巻線に電流を供給して前記回転電機を駆動する駆動装置(40)と、を備えた回転電機駆動システムにおいて、
前記駆動装置は、前記ロータの発生する磁石トルクがリラクタンストルクよりも大きくなる所定の低トルク領域では、1次波形に対して、3次及び3+6n次(nは1以上の自然数)のうちの1つ又は2以上が合成された高調波波形であって、前記1次波形が正の値をとる時の電流の総和が正であり、前記1次波形が負の値をとる時の電流の総和が負である特定高調波波形を重畳させた波形の制御電流を供給する。
ステータコア(31)に3相の相巻線(U,V,W)よりなるステータ巻線(35)が巻装されたステータ(30)、及び磁石トルクとリラクタンストルクを発生するロータ(20)を有する回転電機(1)と、前記ステータ巻線に電流を供給して前記回転電機を駆動する駆動装置(50)と、を備えた回転電機駆動システムにおいて、
前記ステータ巻線は、スター結線とデルタ結線とに切り替え可能に構成され、
前記駆動装置は、前記ロータの発生する磁石トルクがリラクタンストルクよりも大きくなる所定の低トルク領域では、前記デルタ結線に切り替えられた前記ステータ巻線に対して電流を供給する。
ステータコア(31)に3相の相巻線(U,V,W)よりなるステータ巻線(35)が巻装されたステータ(30)、及び磁石トルクとリラクタンストルクを発生するロータ(20)を有する回転電機(1)と、前記ステータ巻線に電流を供給して前記回転電機を駆動する駆動装置と、を備えた回転電機駆動システムにおいて、
前記ステータ巻線は、可聴域以下のPWM周波数でのPWM制御、または過変調制御を行う機能を持った駆動装置(40)とΔ結線され、
前記ロータは、周方向に極性が交互に異なる複数の磁極を形成する複数の永久磁石(23)を有し、
前記永久磁石から磁束が径方向に流れる範囲を示す角度であるアークレシオθaは、3次及び3+6n次(nは1以上の自然数)のうちの1つ又は2以上が合成された高調波波形であって、1次波形が正の値をとる時の電流の総和が正であり、前記1次波形が負の値をとる時の電流の総和が負である特定高調波波形を発生させるように電気角で120度未満に設定されている。
上記課題を解決するためになされた第四の発明は、
ステータコア(31)に3相の相巻線(U,V,W)よりなるステータ巻線(35)が巻装されたステータ(30)、及び磁石トルクとリラクタンストルクを発生するロータ(20)を有する回転電機(1)と、前記ステータ巻線に電流を供給して前記回転電機を駆動する駆動装置と、を備えた回転電機駆動システムにおいて、
前記ステータ巻線は、可聴域以下のPWM周波数でのPWM制御、または過変調制御を行う機能を持った駆動装置(40)とΔ結線され、
前記ロータは、周方向に極性が交互に異なる複数の磁極を形成する複数の永久磁石(23)を有し、
前記ステータコアは、前記ロータに向かって径方向へ突出し周方向に所定距離を隔てて配列された複数のティース(33)を有し、前記ティースの突出先端部には、周方向両側へそれぞれ突出する突出部(33a)が設けられ、前記ティースの突出先端部の周方向幅を電気角でαとし、前記ロータから出る磁束を受けている前記ティースの周方向範囲を電気角でθxとし、前記永久磁石から磁束が径方向に流れる範囲を示す角度であるアークレシオを電気角でθaとしたときに、θx=θa+α<120度を満たすようにされている。
上記課題を解決するためになされた第五の発明は、
ステータコア(31)に3相の相巻線(U,V,W)よりなるステータ巻線(35)が巻装されたステータ(30)、及び磁石トルクとリラクタンストルクを発生するロータ(20)を有する回転電機(1)と、前記ステータ巻線に電流を供給して前記回転電機を駆動する駆動装置と、を備えた回転電機駆動システムにおいて、
前記ステータ巻線は、可聴域以下のPWM周波数でのPWM制御、または過変調制御を行う機能を持った駆動装置(40)とΔ結線され、
前記ロータは、周方向に極性が交互に異なる複数の磁極を形成する複数の永久磁石(23A,29)を有し、
各前記磁極には、前記永久磁石から磁束が径方向に流れる範囲を示す角度であるアークレシオθaが電気角で120度以上に設定された第1磁石(23A)と、前記第1磁石の前記ステータ側に配置されて前記アークレシオθaよりも小さいアークレシオθbに設定された第2磁石(29)とが径方向に重なって配置されている。
なお、この欄及び特許請求の範囲で記載された各部材や部位の後の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的な部材や部位との対応関係を示すものであり、特許請求の範囲に記載された各請求項の構成に何ら影響を及ぼすものではない。
実施形態1に係る回転電機駆動システムは、本発明を回転電機としての車両用電動機に適用したものであり、図1に示すように、回転電機1と、回転電機1を駆動する駆動装置としてのインバータ40と、電源Bとを備えている。そして、回転電機1は、ハウジング10と、ハウジング10に回転可能に支持された回転軸13と、磁石トルクとリラクタンストルクを発生するロータ20と、ステータコア31及びスター結線された3相のステータ巻線35を有するステータ30と、を備えている。
T=pΨIq+p(Lq−Ld)IdIq ……… 式1
実施形態2ではインバータが図10に示されるものとなっており、ステータに旋回された巻線がΔ結線となっている。このためリラクタンストルク>磁石トルクの領域での効率アップは望めないが、車両用のインバータの特徴によっては通常のΔ結線とインバータの組み合わせよりも大きな恩赦を得ることができる。モータドライバーのPWM周波数は、民生品、中でも利用者の手元付近で操作されるような民生品の場合は、利用者の満足度を上げるため、可聴域より高い20kHz以上のものを利用する場合も多いが、現行の車両用のインバータのPWM制御においては、そのシステムの堅牢性の確保のため、可聴域以下、特に8・12kHz程度のものが使われることが多い。しかも、高電流領域では最大PWM周波数の半分以下とし、インバータのスイッチング損失を少なくして大電流を流すということが一般に行われる。このような状況では、PWM制御で生み出されたSin波には、インバータの励磁電流により生まれる3次、3(6n−1)次の電流波形が乗りやすい。また、利用領域を伸ばす過変調制御を使用するとなると、モータ端子に掛かる電圧を上げるためにSin波制御とすることをやめる制御とするため、3次、3(6n−1)次の電流波形が乗ることとなる。車両用回転機は発熱を抑えるためmΩオーダーでの巻線設計がされることが多く低ターン数で低インダクタンスのため、Δ結線内の中を通る循環電流の問題が懸念されていた。このため車両用モータではY結線が通例であるか、Δ結線とする場合は3次、3(n−1)次の循環電流に対する逆相の同振幅の電流を流入させ、循環電流を打ち消すのが一般的であったが、本実施形態の、人間の可聴域である20kHz以下のPWM制御を主体とする低周波PWM制御、または過変調制御を行うインバータと繋がっている回転機に、実施形態3、3に示す構成を適用することにより、この3次、3(6n−1)次の循環電流を利用することができるようになる。この効果により、Ψを増加させ、低トルク域での効率を大幅に増加させることができる。
上記実施形態1では、インバータ(駆動装置)40から供給される電流を制御することにより高効率化を図るようにしていたのに対して、実施形態3では、駆動装置50の電流制御を用いずに高効率化を実現するようにしている点で実施形態1と異なる。即ち、実施形態3の回転電機駆動システムは、ロータ20の各磁極のアークレシオθaが、特定高調波波形を発生させるように電気角で120度未満に設定されている点と、回転電機1のステータ巻線35が、スター結線とデルタ結線とに切り替え可能に構成されている点と、駆動装置50が、所定の低トルク領域では、デルタ結線に切り替えられたステータ巻線35に対して電流を供給する点などで、実施形態1のものと異なる。よって、実施形態1と共通する要素については、同じ符号を付して詳しい説明は省略し、以下、異なる点及び重要な点について図11〜図23を参照して説明する。
Eu=Em1 sin(ωt−0°)+Em3 sin3ωt+Em5 sin(5ωt−0°)+・・・
Ev=Em1 sin(ωt−120°)+Em3 sin3ωt+Em5 sin(5ωt−240°)+・・・
Ew=Em1 sin(ωt−240°)+Em3 sin3ωt+Em5 sin(5ωt−120°)+・・・
本発明で利用する磁束は、同相の逆起電力を起こすEm3 sin3ωtであり、Em3 sin3ωtを発生させる必要がある。
Bt=Am1 sinωt+Am3 sin3ωt+Am5 sin(5ωt−a)+Am7 sin(7ωt−b)+・・・
(a)スター結線作動モード
例えば、回転電機を低速回転域で駆動する場合は、半導体スイッチ58をオンすると共に、第1インバータ54を常時オフした状態で第2インバータ55を作動させる。この場合、半導体スイッチ58がオンすることで、三相全波整流器56の正端子56a,56b間が短絡するため、相巻線U,V,Wの各一端が結線されて中性点を形成する。即ち、相巻線U,V,Wの一端が結線されて中性点を形成し、相巻線U,V,Wの他端がインバータに接続される、一般的なスター結線の三相モータと同様の回路構成となる。
例えば、回転電機を高速回転域で駆動する場合は、半導体スイッチ58をオフした状態で、第1インバータ54と第2インバータ55とを同期して作動させる。この場合、半導体スイッチ58がオフすることで、三相全波整流器56の正端子56a,56b間が開放されるため、相巻線U,V,Wの各一端が中性点として結線されることはなく、等価的にデルタ結線と同様の回路構成となる。
実施形態3において、アークレシオθaを規定する直線L1,L2が通る交点P1,P2は、ロータコア21の構造によって変化する。図24及び図25に示す変形例1の場合には、第1フラックスバリア25の形状が実施形態3のものと異なる。この場合、直線L1が通る交点P1は、磁石収容孔22の外周側壁面から第1フラックスバリア25に延長した延長壁面22aとブリッジ28の内周側壁面28aとが交わる交点である。また、直線L2が通る交点P2は、磁石収容孔22の外周側壁面から第1フラックスバリア25に延長した延長壁面22aとブリッジ28の内周側壁面28aとが交わる交点である。
図26に示す変形例2は、ロータコア21の外周面の磁極と対応する部位に、径方向外側に突出する凸部が設けられているものである。この凸部は、外周面21aと、外周面21aの周方向両端に向かって立ち上がる一対の傾斜面21bにより区画されている。この場合、直線L1が通る交点P1は、一方の傾斜面21bと外周面21aとが交わる交点であり、直線L2が通る交点P2は、他方の傾斜面21bと外周面21aとが交わる交点である。この2本の直線L1,L2によってアークレシオθaが規定される。なお、変形例2のロータ20は、各磁極に、永久磁石23が1つずつ配置されているタイプのものである。
図27に示す変形例3は、各磁極に一対の永久磁石23が配置されている点で変形例2と異なり、ロータコア21の外周面の磁極と対応する部位に、径方向外側に突出する凸部が設けられている点は変形例2と共通している。変形例3の場合、アークレシオθaを規定する直線L1,L2が通る交点P1,P2は、変形例2と同じであるので詳しい説明は省略する。
実施形態4の回転電機駆動システムは、ステータコア31の各ティース33の突出先端部に、周方向両側へそれぞれ突出する突出部33aが設けられている点で、実施形態3のものと異なり、その他の構成は同じである。よって、実施形態3と共通する要素については、同じ符号を付して詳しい説明は省略し、以下、異なる点及び重要な点について図28、図29及び図30を参照して説明する。
実施形態5の回転電機駆動システムは、ロータ20の各磁極に、アークレシオθaが電気角で120度以上に設定された第1磁石23Aと、第1磁石23Aのステータ30側に配置されてアークレシオθaよりも小さいアークレシオθbに設定された第2磁石29とが径方向に重なって配置されている点で、実施形態4のものと異なり、その他の構成は同じである。よって、実施形態4と共通する要素については、同じ符号を付して詳しい説明は省略し、以下、異なる点及び重要な点について図31を参照して説明する。
図32に示す比較例1のように、第2磁石29が第1磁石23Aの反ステータ30側(径方向内側)に配置されている場合には、第1磁石23Aのアークレシオθaが120度以上に設定され、第2磁石29のアークレシオθbがアークレシオθaよりも小さく設定されていても、上記実施形態5のような位相の反転は発生しない。
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更することが可能である。
Claims (9)
- スター結線された3相のステータ巻線(35)及び磁石トルクとリラクタンストルクを発生するロータ(20)を有する回転電機(1)と、前記ステータ巻線に電流を供給して前記回転電機を駆動する駆動装置(40)と、を備えた回転電機駆動システムにおいて、
前記駆動装置は、前記ロータの発生する磁石トルクがリラクタンストルクよりも大きくなる所定の低トルク領域では、1次波形に対して、3次及び3+6n次(nは1以上の自然数)のうちの1つ又は2以上が合成された高調波波形であって、前記1次波形が正の値をとる時の電流の総和が正であり、前記1次波形が負の値をとる時の電流の総和が負である特定高調波波形を重畳させた波形の制御電流を供給する回転電機駆動システム。 - ステータコア(31)に3相の相巻線(U,V,W)よりなるステータ巻線(35)が巻装されたステータ(30)、及び磁石トルクとリラクタンストルクを発生するロータ(20)を有する回転電機(1)と、前記ステータ巻線に電流を供給して前記回転電機を駆動する駆動装置と、を備えた回転電機駆動システムにおいて、
前記ステータ巻線は、スター結線とデルタ結線とに切り替え可能に構成され、
前記駆動装置は、前記ロータの発生する磁石トルクがリラクタンストルクよりも大きくなる所定の低トルク領域では、前記デルタ結線に切り替えられた前記ステータ巻線に対して電流を供給する回転電機駆動システム。 - 前記ロータは、周方向に極性が交互に異なる複数の磁極を形成する複数の永久磁石(23)を有し、
前記永久磁石から磁束が径方向に流れる範囲を示す角度であるアークレシオθaは、3次及び3+6n次(nは1以上の自然数)のうちの1つ又は2以上が合成された高調波波形であって、1次波形が正の値をとる時の電流の総和が正であり、前記1次波形が負の値をとる時の電流の総和が負である特定高調波波形を発生させるように電気角で120度未満に設定されている請求項2に記載の回転電機駆動システム。 - 前記ロータは、周方向に極性が交互に異なる複数の磁極を形成する複数の永久磁石(23)を有し、
前記ステータコアは、前記ロータに向かって径方向へ突出し周方向に所定距離を隔てて配列された複数のティース(33)を有し、前記ティースの突出先端部には、周方向両側へそれぞれ突出する突出部(33a)が設けられ、前記ティースの突出先端部の周方向幅を電気角でαとし、前記ロータから出る磁束を受けている前記ティースの周方向範囲を電気角でθxとし、前記永久磁石から磁束が径方向に流れる範囲を示す角度であるアークレシオを電気角でθaとしたときに、θx=θa+α<120度を満たすようにされている請求項2に記載の回転電機駆動システム。 - 前記ロータは、周方向に極性が交互に異なる複数の磁極を形成する複数の永久磁石(23A,29)を有し、
各前記磁極には、前記永久磁石から磁束が径方向に流れる範囲を示す角度であるアークレシオθaが電気角で120度以上に設定された第1磁石(23A)と、前記第1磁石の前記ステータ側に配置されて前記アークレシオθaよりも小さいアークレシオθbに設定された第2磁石(29)とが径方向に重なって配置されている請求項2に記載の回転電機駆動システム。 - 前記所定の低トルク領域は、トルクをTとし、極対数をpとし、磁石磁束をΨとし、q軸電流をIqとし、d軸電流をIdとし、q軸インダクタンスをLqとし、d軸インダクタンスをLdとしたときに、下記の式1
T=pΨIq+p(Lq−Ld)IdIq ……… 式1
に基づいて設定される請求項1〜5の何れか一項に記載の回転電機駆動システム。 - ステータコア(31)に3相の相巻線(U,V,W)よりなるステータ巻線(35)が巻装されたステータ(30)、及び磁石トルクとリラクタンストルクを発生するロータ(20)を有する回転電機(1)と、前記ステータ巻線に電流を供給して前記回転電機を駆動する駆動装置と、を備えた回転電機駆動システムにおいて、
前記ステータ巻線は、可聴域以下のPWM周波数でのPWM制御、または過変調制御を行う機能を持った駆動装置(40)とΔ結線され、
前記ロータは、周方向に極性が交互に異なる複数の磁極を形成する複数の永久磁石(23)を有し、
前記永久磁石から磁束が径方向に流れる範囲を示す角度であるアークレシオθaは、3次及び3+6n次(nは1以上の自然数)のうちの1つ又は2以上が合成された高調波波形であって、1次波形が正の値をとる時の電流の総和が正であり、前記1次波形が負の値をとる時の電流の総和が負である特定高調波波形を発生させるように電気角で120度未満に設定されている回転電機駆動システム。 - ステータコア(31)に3相の相巻線(U,V,W)よりなるステータ巻線(35)が巻装されたステータ(30)、及び磁石トルクとリラクタンストルクを発生するロータ(20)を有する回転電機(1)と、前記ステータ巻線に電流を供給して前記回転電機を駆動する駆動装置と、を備えた回転電機駆動システムにおいて、
前記ステータ巻線は、可聴域以下のPWM周波数でのPWM制御、または過変調制御を行う機能を持った駆動装置(40)とΔ結線され、
前記ロータは、周方向に極性が交互に異なる複数の磁極を形成する複数の永久磁石(23)を有し、
前記ステータコアは、前記ロータに向かって径方向へ突出し周方向に所定距離を隔てて配列された複数のティース(33)を有し、前記ティースの突出先端部には、周方向両側へそれぞれ突出する突出部(33a)が設けられ、前記ティースの突出先端部の周方向幅を電気角でαとし、前記ロータから出る磁束を受けている前記ティースの周方向範囲を電気角でθxとし、前記永久磁石から磁束が径方向に流れる範囲を示す角度であるアークレシオを電気角でθaとしたときに、θx=θa+α<120度を満たすようにされている回転電機駆動システム。 - ステータコア(31)に3相の相巻線(U,V,W)よりなるステータ巻線(35)が巻装されたステータ(30)、及び磁石トルクとリラクタンストルクを発生するロータ(20)を有する回転電機(1)と、前記ステータ巻線に電流を供給して前記回転電機を駆動する駆動装置と、を備えた回転電機駆動システムにおいて、
前記ステータ巻線は、可聴域以下のPWM周波数でのPWM制御、または過変調制御を行う機能を持った駆動装置(40)とΔ結線され、
前記ロータは、周方向に極性が交互に異なる複数の磁極を形成する複数の永久磁石(23A,29)を有し、
各前記磁極には、前記永久磁石から磁束が径方向に流れる範囲を示す角度であるアークレシオθaが電気角で120度以上に設定された第1磁石(23A)と、前記第1磁石の前記ステータ側に配置されて前記アークレシオθaよりも小さいアークレシオθbに設定された第2磁石(29)とが径方向に重なって配置されている回転電機駆動システム。
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