JP6681025B2 - 回転電機システム - Google Patents

Description

本発明は、降圧コンバータ回路と、電圧形インバータ回路と、降圧コンバータ回路の出力端から入力端に電流を流すダイオードとを備えた回転電機システムに関する。

従来、降圧コンバータ回路と、電圧形インバータ回路と、降圧コンバータ回路の出力端から入力端に電流を流すダイオードとを備えた回転電機システムとして、例えば以下の特許文献１に開示されている回転電機システムがある。

この回転電機システムは、モータと、直流電源と、チョッパ回路と、電圧形インバータ回路とを備えている。チョッパ回路は、降圧コンバータ回路と、降圧コンバータ回路の出力端から入力端に電流を流すダイオードとを備えている。

降圧コンバータ回路は、出力電流が所定電流になるように制御され、直流電源から供給される直流を降圧して出力する。電圧形インバータ回路は、降圧コンバータ回路から供給される直流を交流に変換してモータに供給する。ダイオードは、降圧コンバータ回路の出力端の電圧が入力端の電圧より大きくなった場合、出力端から入力端に電流を流す。つまり、降圧コンバータ回路、電圧形インバータ回路及びダイオードは、電流形インバータ回路として機能し、直流電源から供給される直流を交流に変換してモータに供給する。

回転電機システムは、電圧形インバータ回路のスイッチング素子のスイッチングに伴って降圧コンバータ回路の出力電圧が変化する。降圧コンバータ回路の出力端の電圧が入力端の電圧より大きくなった場合、ダイオードを介して出力端から入力端に電流が流れる。その結果、直流電源から供給される電流にリプルが発生する。

しかし、降圧コンバータ回路は、２つのリアクトルを備えている。２つのリアクトルは、磁気的に結合され、一方のリアクトルがコンデンサに直列接続されている。そのため、直列接続されたリアクトルとコンデンサからなる共振回路によって、降圧コンバータ回路内を流れる電流のリプルを除去することができる。その結果、直流電源から供給される電流に含まれるリプルを抑えることができる。

特開２０１３−２７２４１号公報

前述した回転電機システムにおいて、回転電機の回転速度を変化させた場合、電圧形インバータ回路のスイッチング素子のスイッチングタイミングも変化する。そのため、直流電源から供給される電流に含まれるリプルの周波数も変化する。しかし、抑えることができるリプルは、共振回路によって設定された所定周波数のリプルだけである。そのため、回転電機の回転速度を変化させた場合、直流電源から供給される電流に含まれるリプルを抑えることができない。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、降圧コンバータ回路と、電圧形インバータ回路と、降圧コンバータ回路の出力端から入力端に電流を流すダイオードとを備えた回転電機システムにおいて、回転電機の回転速度を変化させても、直流電源から供給される電流に含まれるリプルを抑えることができる回転電機システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明は、位相が異なるように配置された複数の多相巻線を有する回転電機と、直流電源と、多相巻線毎に設けられ、直流電源から供給される直流電圧を交流電圧に変換して多相巻線に供給する電力変換装置と、それぞれの電力変換装置を制御する制御装置と、を備えた回転電機システムであって、電力変換装置は、リアクトルを有し直流電源から供給される直流電圧を降圧する降圧コンバータ回路と、降圧コンバータ回路から供給される直流電圧を交流電圧に変換して多相巻線に供給する電圧形インバータ回路と、降圧コンバータ回路の出力端から入力端に電流を流すダイオードと、を有し、それぞれの降圧コンバータ回路のリアクトルは、他の降圧コンバータ回路のリアクトルと磁気的に結合し、制御装置は、それぞれの降圧コンバータ回路の出力電流が所定電流になるとともに、それぞれの降圧コンバータ回路が直流電源から供給される直流電圧を降圧するようにそれぞれの降圧コンバータ回路を制御し、それぞれの電圧形インバータ回路が降圧コンバータ回路から供給される直流電圧を交流電圧に変換するとともに、それぞれの電圧形インバータ回路によって変換された交流電圧の位相差がそれぞれの電圧形インバータ回路に接続される多相巻線に対応した所定位相差になるようにそれぞれの電圧形インバータ回路を制御する。

この構成によれば、回転電機は、複数の多相巻線を有している。電力変換装置は、多相巻線毎に設けられている。電力変換装置は、降圧コンバータ回路と、電圧形インバータ回路と、降圧コンバータ回路の出力端から入力端に電流を流すダイオードとを備えている。降圧コンバータ回路は、リアクトルを有している。それぞれの降圧コンバータ回路のリアクトルは、他の降圧コンバータ回路のリアクトルと磁気的に結合されている。ダイオードを介してある降圧コンバータ回路の出力端から入力端に電流が流れると、直流電源から供給される電流にリプルが発生する。その際、その降圧コンバータ回路のリアクトルに流れる電流も変化する。しかし、その降圧コンバータ回路のリアクトルは、他の降圧コンバータ回路のリアクトルと磁気的に結合されている。そのため、その降圧コンバータ回路のリアクトルに流れる電流が増加した場合、他の降圧コンバータ回路のリアクトルに流れる電流を減少させることができる。また、その降圧コンバータ回路のリアクトルに流れる電流が減少した場合、他の降圧コンバータ回路のリアクトルに流れる電流を増加させることができる。つまり、他の降圧コンバータ回路を、リプルを打ち消すように動作させることができる。従って、全体として見た場合、直流電源から供給される電流に含まれるリプルを抑えることができる。回転電機の回転速度を変化させた場合、電圧形インバータ回路のスイッチングタイミングも変化する。そのため、直流電源から供給される電流に含まれるリプルの周波数も変化する。しかし、この場合も、降圧コンバータ回路は、前述したように動作する。従って、回転電機の回転速度を変化させても、直流電源から供給される電流に含まれるリプルを抑えることができる。

回転電機システムの回路図である。 第１の変形形態における回転電機システムの回路図である。 図２における磁気的に結合されたリアクトルの構造を説明するための平面図である。 第２の変形形態における回転電機システムの回路図である。 第３の変形形態におけるＦＥＴの構成を示す回路図である。

次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。まず、図１を参照して本実施形態の回転電機システムについて説明する。

図１に示す回転電機システム１は、バッテリ１１から供給される直流を交流に変換して回転電機１０に供給し、回転電機１０にトルクを発生させるシステムである。回転電機システム１は、回転電機１０と、バッテリ１１と、コンデンサ１２と、電力変換装置１３、１４と、電流センサ１７０、１７１と、制御装置１８とを備えている。

回転電機１０は、交流が供給されることでトルクを発生する機器である。回転電機１０は、３相巻線１００、１０１と、回転角センサ１０４とを備えている。

３相巻線１００は、３相交流が供給されることで磁束を発生する部材である。３相巻線１００は、相巻線１００ａ〜１００ｃをＹ結線して構成されている。相巻線１００ａ〜１００ｃの一端は共通接続され、他端は電力変換装置１３にそれぞれ接続されている。図示を省略しているが、３相巻線１００は、回転電機１０の固定子に設けられている。

３相巻線１０１は、３相交流が供給されることで磁束を発生する部材である。３相巻線１０１は、相巻線１０１ａ〜１０１ｃをＹ結線して構成されている。相巻線１０１ａ〜１０１ｃの一端は共通接続され、他端は電力変換装置１４にそれぞれ接続されている。図示を省略しているが、３相巻線１０１は、回転電機１０の固定子に設けられている。

３相巻線１００と３相巻線１０１は、位相が異なるように配置されている。３相巻線１００と３相巻線１０１は、１２０度矩形波通電による所定位相差を有する同一振幅の３相交流電流が供給された場合に、発生する合成磁束が正弦波状になる。例えば、３相巻線１００と３相巻線１０１は、電気角で約３０度位相をずらして配置されており、電気角で約３０度の位相差を有する３相交流が供給された場合、合成磁束が正弦波状になる。ここで、１２０度矩形波通電とは、電気角で１２０度の区間が正負交互に矩形波状に通電される周知の通電方式のことである。約３０度とは、３０度を含む３０度近傍の所定範囲内の角度のことである。

回転角センサ１０４は、回転電機１０の回転角度を検出センサである。図示を省略しているが、回転電機１０の回転子の回転角度を検出するセンサである。回転角センサ１０４は、回転子の回転角度を検出できるように配置されている。回転角センサ１０４の出力端は、制御装置１８に接続されている。

バッテリ１１は、直流を供給する直流電源である。バッテリ１１の正極端及び負極端は、コンデンサ１２にそれぞれ接続されている。

コンデンサ１２は、バッテリ１１から供給される直流を平滑化する素子である。コンデンサ１２の一端はバッテリ１１の正極端に、他端はバッテリ１１の負極端にそれぞれ接続されている。

電力変換装置１３、１４は、コンデンサ１２を介してバッテリ１１から供給される直流を降圧し、さらに３相交流に変換して３相巻線１００、１０１に供給する装置である。

電力変換装置１３は、降圧コンバータ回路１３０と、電圧形インバータ回路１３１と、ダイオード１３２とを備えている。

降圧コンバータ回路１３０は、コンデンサ１２を介してバッテリ１１から供給される直流を降圧する回路である。降圧コンバータ回路１３０は、ＦＥＴ１３０ａ、１３０ｂと、リアクトル１３０ｃと、コンデンサ１３０ｄとを備えている。

ＦＥＴ１３０ａ、１３０ｂは、相補的にスイッチングすることでリアクトル１３０ｃにエネルギーを蓄積又は蓄積したエネルギーをリアクトル１３０ｃから放出させるコンバータ用スイッチング素子である。ＦＥＴ１３０ａ、１３０ｂは、直列接続されている。具体的には、ＦＥＴ１３０ａのソースが、ＦＥＴ１３０ｂのドレインに接続されている。ＦＥＴ１３０ａのドレインはコンデンサ１２の一端に、ＦＥＴ１３０ｂのソースはコンデンサ１２の他端にそれぞれ接続されている。ＦＥＴ１３０ａ、１３０ｂの直列接続点は、リアクトル１３０ｃに接続されている。ＦＥＴ１３０ａ、１３０ｂのゲートは、制御装置１８にそれぞれ接続されている。

リアクトル１３０ｃは、エネルギーを蓄積又は放出する素子である。リアクトル１３０ｃは、後述するリアクトル１４０ｃと磁気的に結合している。リアクトル１３０ｃの巻始めである一端はＦＥＴ１３０ａ、１３０ｂの直列接続点に、巻終わりである他端はコンデンサ１３０ｄにそれぞれ接続されている。

コンデンサ１３０ｄは、降圧された直流を平滑化する素子である。コンデンサ１３０ｄの一端はリアクトル１３０ｃの他端に、他端はＦＥＴ１３０ｂのソースにそれぞれ接続されている。

電圧形インバータ回路１３１は、降圧コンバータ回路１３０から供給される降圧された直流を３相交流に変換して３相巻線１００に供給する回路である。電圧形インバータ回路１３１は、ＦＥＴ１３１ａ〜１３１ｆを備えている。

ＦＥＴ１３１ａ〜１３１ｆは、スイッチングすることで直流を３相交流に変換するインバータ用スイッチング素子である。ＦＥＴ１３１ａ、１３１ｂ、ＦＥＴ１３１ｃ、１３１ｄ及びＦＥＴ１３１ｅ、１３１ｆは、それぞれ直列接続されている。具体的には、ＦＥＴ１３１ａ、１３１ｃ、１３１ｅのソースが、ＦＥＴ１３１ｂ、１３１ｄ、１３１ｆのドレインにそれぞれ接続されている。ＦＥＴ１３１ａ、１３１ｃ、１３１ｅのドレインはコンデンサ１３０ｄの一端に、ＦＥＴ１３１ｂ、１３１ｄ、１３１ｆのソースはコンデンサ１３０ｄの他端にそれぞれ接続されている。直列接続された３組のＦＥＴ１３１ａ、１３１ｂ、ＦＥＴ１３１ｃ、１３１ｄ及びＦＥＴ１３１ｅ、１３１ｆの直列接続点は、３相巻線１００にそれぞれ接続されている。具体的には、相巻線１００ａ、１００ｂ、１００ｃの他端にそれぞれ接続されている。

ダイオード１３２は、降圧コンバータ回路１３０の出力端から入力端に電流を流す素子である。ダイオード１３２のアノードは降圧コンバータ回路１３０の出力端であるコンデンサ１３０ｄの一端に、カソードは降圧コンバータ回路１３０の入力端であるＦＥＴ１３０ａのドレインにそれぞれ接続されている。

電力変換装置１４は、降圧コンバータ回路１４０と、電圧形インバータ回路１４１と、ダイオード１４２とを備えている。

降圧コンバータ回路１４０は、コンデンサ１２を介してバッテリ１１から供給される直流を降圧する回路である。降圧コンバータ回路１４０は、ＦＥＴ１４０ａ、１４０ｂと、リアクトル１４０ｃと、コンデンサ１４０ｄとを備えている。

ＦＥＴ１４０ａ、１４０ｂは、相補的にスイッチングすることでリアクトル１４０ｃにエネルギーを蓄積又は蓄積したエネルギーをリアクトル１４０ｃから放出させるコンバータ用スイッチング素子である。ＦＥＴ１４０ａ、１４０ｂは、直列接続されている。具体的には、ＦＥＴ１４０ａのソースが、ＦＥＴ１４０ｂのドレインに接続されている。ＦＥＴ１４０ａのドレインはコンデンサ１２の一端に、ＦＥＴ１４０ｂのソースはコンデンサ１２の他端にそれぞれ接続されている。ＦＥＴ１４０ａ、１４０ｂの直列接続点は、リアクトル１４０ｃに接続されている。ＦＥＴ１４０ａ、１４０ｂのゲートは、制御装置１８にそれぞれ接続されている。

リアクトル１４０ｃは、エネルギーを蓄積又は放出する素子である。リアクトル１４０ｃは、リアクトル１３０ｃと磁気的に結合している。リアクトル１４０ｃの巻始めである一端はＦＥＴ１４０ａ、１４０ｂの直列接続点に、巻終わりである他端はコンデンサ１４０ｄにそれぞれ接続されている。

コンデンサ１４０ｄは、降圧された直流を平滑化する素子である。コンデンサ１４０ｄの一端はリアクトル１４０ｃの他端に、他端はＦＥＴ１４０ｂのソースにそれぞれ接続されている。

電圧形インバータ回路１４１は、降圧コンバータ回路１４０から供給される降圧された直流を３相交流に変換して３相巻線１０１に供給する回路である。電圧形インバータ回路１４１は、ＦＥＴ１４１ａ〜１４１ｆを備えている。ＦＥＴ１４１ａ〜１４１ｆは、ＦＥＴ１３１ａ〜１３１ｆと同一の素子であり、同様に構成されている。

ダイオード１４２は、降圧コンバータ回路１４０の出力端から入力端に電流を流す素子である。ダイオード１４２は、ダイオード１３２と同一の素子であり、同様に構成されている。

電流センサ１７０、１７１は、降圧コンバータ回路１３０、１４０の出力電流を検出するセンサである。電流センサ１７０、１７１は、降圧コンバータ回路１３０、１４０と電圧形インバータ回路１３１、１４１を接続する配線に設けられている。具体的には、電流センサ１７０は、コンデンサ１３０ｄとＦＥＴ１３１ａ、１３１ｃ、１３１ｅを接続する配線に設けられている。電流センサ１７１は、コンデンサ１４０ｄとＦＥＴ１４１ａ、１４１ｃ、１４１ｅを接続する配線に設けられている。電流センサ１７０、１７１の出力端は、制御装置１８にそれぞれ接続されている。

制御装置１８は、外部装置から入力される指令、回転角センサ１０４及び電流センサ１７０、１７１の検出結果に基づいて、降圧コンバータ回路１３０、１４０及び電圧形インバータ回路１３１、１４１を制御する装置である。制御装置１８は、外部装置から入力される指令及び電流センサ１７０、１７１の検出結果に基づいて、降圧コンバータ回路１３０、１４０の出力電流が所定電流になるとともに、降圧コンバータ回路１３０、１４０がバッテリ１１から供給される直流を降圧して出力するように降圧コンバータ回路１３０、１４０を制御する。具体的には、ＦＥＴ１３０ａ、１３０ｂと、ＦＥＴ１４０ａ、１４０ｂのスイッチングを制御する。より具体的には、降圧コンバータ回路１３０のＦＥＴ１３０ａ、１３０ｂと降圧コンバータ回路１４０のＦＥＴ１４０ａ、１４０ｂを、互いに位相が異なる同一周波数でＰＷＭ駆動する。さらに、外部装置から入力される指令及び回転角センサ１０４の検出結果に基づいて、電圧形インバータ回路１３１、１４１が降圧コンバータ回路１３０、１４０から供給される降圧された直流を回転電機１０の回転角度に応じた３相交流に変換するように電圧形インバータ回路１３１、１４１を制御する。具体的には、ＦＥＴ１３１ａ〜１３１ｆと、ＦＥＴ１４１ａ〜１４１ｆのスイッチングを制御する。より具体的には、電圧形インバータ回路１３１のＦＥＴ１３１ａ〜１３１ｆと電圧形インバータ回路１４１のＦＥＴ１４１ａ〜１４１ｆを、１２０度矩形波通電になるようにＰＷＭ駆動する。その際、電圧形インバータ回路１３１、１４１によって変換された３相交流の位相差が３相巻線１００、１０１に対応した所定位相差になるように電圧形インバータ回路１３１、１４１を制御する。具体的には、ＦＥＴ１３１ａ〜１３１ｆと、ＦＥＴ１４１ａ〜１４１ｆのスイッチングのタイミングを制御する。制御装置１８は、回転角センサ１０４の出力端及び１７０、１７１の出力端にそれぞれ接続されている。また、降圧コンバータ回路１３０、１４０及び電圧形インバータ回路１３１、１４１に接続されている。具体的には、ＦＥＴ１３０ａ、１３０ｂ、１４０ａ、１４０ｂ、１３１ａ〜１３１ｆ、１４１ａ〜１４１ｆのゲートにそれぞれ接続されている。

全ての電力変換装置１３、１４及び制御装置１８は、回転電機１０に固定され、一体化されている。

次に、図１を参照して本実施形態における回転電機システムの動作について説明する。

図１に示す制御装置１８は、外部装置から入力される指令及び電流センサ１７０、１７１の検出結果に基づいて、降圧コンバータ回路１３０、１４０の出力電流が同一の所定電流になるとともに、降圧コンバータ回路１３０、１４０がバッテリ１１から供給される直流を降圧して出力するように、ＦＥＴ１３０ａ、１３０ｂとＦＥＴ１４０ａ、１４０ｂを、互いに位相が異なる同一周波数でＰＷＭ駆動する。その結果、降圧コンバータ回路１３０、１４０は、同一の所定電流を出力するとともに、バッテリ１１から供給される直流を降圧して出力する。

さらに、制御装置１８は、外部装置から入力される指令及び回転角センサ１０４の検出結果に基づいて、電圧形インバータ回路１３１、１４１が降圧コンバータ回路１３０、１４０から供給される降圧された直流を回転電機１０の回転角度に応じた３相交流に変換するように、ＦＥＴ１３１ａ〜１３１ｆとＦＥＴ１４１ａ〜１４１ｆをＰＷＭ駆動する。具体的には、１２０度矩形波通電になるようにＰＷＭ駆動する。その際、電圧形インバータ回路１３１、１４１によって変換された３相交流の位相差が３相巻線１００、１０１に対応した所定位相差になるように、ＦＥＴ１３１ａ〜１３１ｆとＦＥＴ１４１ａ〜１４１ｆのスイッチングのタイミングを制御する。その結果、電圧形インバータ回路１３１は、回転電機１０の回転角度に応じた、１２０度矩形波通電による３相交流電流を３相巻線１００に供給する。電圧形インバータ回路１４１は、回転電機１０の回転角度に応じた、１２０度矩形波通電による、電圧形インバータ回路１３１の３相交流に対して所定位相差を有する同一振幅の３相交流電流を３相巻線１０１に供給する。

ダイオード１３２は、電圧形インバータ回路１３１のＦＥＴ１３１ａ〜１３１ｆのスイッチングに伴って降圧コンバータ回路１３０の出力電圧が入力電圧より高くなった場合、降圧コンバータ回路１３０の出力端から入力端に電流を流して出力電圧の上昇を抑える。ダイオード１４２は、電圧形インバータ回路１４１のＦＥＴ１４１ａ〜１４ｆのスイッチングに伴って降圧コンバータ回路１４０の出力電圧が入力電圧より高くなった場合、降圧コンバータ回路１４０の出力端から入力端に電流を流して出力電圧の上昇を抑える。

３相巻線１００、１０１は、回転電機１０の回転角度に応じた、１２０度矩形波通電による所定位相差を有する同一振幅の３相交流電流が供給されることで、正弦波状の合成磁束を発生する。その結果、回転電機１０は、リプルの少ないトルクを発生する。

ダイオード１３２を介して降圧コンバータ回路１３０の出力端から入力端に電流が流れると、バッテリ１１から供給される電流にリプルが発生する。その際、降圧コンバータ回路１３０のリアクトル１３０ｃに流れる電流も変化する。しかし、降圧コンバータ回路１３０のリアクトル１３０ｃは、降圧コンバータ回路１４０のリアクトル１４０ｃと磁気的に結合されている。そのため、リアクトル１３０ｃに流れる電流が増加した場合、リアクトル１４０ｃに流れる電流を減少させることができる。また、リアクトル１３０ｃに流れる電流が減少した場合、リアクトル１４０ｃに流れる電流を増加させることができる。つまり、降圧コンバータ回路１４０を、リプルを打ち消すように動作させることができる。従って、全体として見た場合、バッテリ１１から供給される電流に含まれるリプルを抑えることができる。

回転電機１０の回転速度を変化させた場合、電圧形インバータ回路１３１、１４１のＦＥＴ１３１ａ〜１３１ｆ、１４１ａ〜１４ｆのスイッチングタイミングも変化する。そのため、バッテリ１１から供給される電流に含まれるリプルの周波数も変化する。しかし、この場合も、降圧コンバータ回路１３０、１４０は、前述したように動作する。従って、回転電機１０の回転速度を変化させても、バッテリ１１から供給される電流に含まれるリプルを抑えることができる。

次に、本実施形態における回転電機システムの効果について説明する。

本実施形態によれば、回転電機１０は、２つの３相巻線１００、１０１を有している。電力変換装置１３、１４は、２つの３相巻線１００、１０１毎に設けられている。電力変換装置１３は、降圧コンバータ回路１３０と、電圧形インバータ回路１３１と、降圧コンバータ回路１３０の出力端から入力端に電流を流すダイオード１３２とを備えている。電力変換装置１４は、降圧コンバータ回路１４０と、電圧形インバータ回路１４１と、降圧コンバータ回路１４０の出力端から入力端に電流を流すダイオード１４２とを備えている。降圧コンバータ回路１３０、１４０は、リアクトル１３０ｃ、１４０ｃをそれぞれ有している。リアクトル１３０ｃは、リアクトル１４０ｃと磁気的に結合されている。そのため、前述したように、回転電機１０の回転速度を変化させても、バッテリ１１から供給される電流に含まれるリプルを抑えることができる。

本実施形態によれば、降圧コンバータ回路１３０はＦＥＴ１３０ａ、１３０ｂを、降圧コンバータ回路１４０はＦＥＴ１４０ａ、１４０ｂをそれぞれ有している。降圧コンバータ回路１３０はＦＥＴ１３０ａ、１３０ｂがスイッチングすることで、降圧コンバータ回路１４０はＦＥＴ１４０ａ、１４０ｂがスイッチングすることで、それぞれバッテリ１１から供給される直流を降圧する。制御装置１８は、降圧コンバータ回路１３０のＦＥＴ１３０ａ、１３０ｂと降圧コンバータ回路１４０のＦＥＴ１４０ａ、１４０ｂを、互いに位相が異なる同一周波数でＰＷＭ駆動する。そのため、降圧コンバータ回路１３０のＦＥＴ１３０ａ、１３０ｂと降圧コンバータ回路１４０のＦＥＴ１４０ａ、１４０ｂが異なるタイミングでスイッチングすることになる。従って、同一位相、同一周波数でＰＷＭ駆動する場合に比べ、バッテリ１０から降圧コンバータ回路１３０、１４０に供給される電流に含まれるリプルを抑えることができる。

本実施形態によれば、電圧形インバータ回路１３１はＦＥＴ１３１ａ〜１３１ｆを、電圧形インバータ回路１４１はＦＥＴ１４１ａ〜１４１ｆをそれぞれ有している。電圧形インバータ回路１３１はＦＥＴ１３１ａ〜１３１ｆがスイッチングすることで降圧コンバータ回路１３０から供給される直流を３相交流に変換し、電圧形インバータ回路１４１はＦＥＴ１４１ａ〜１４１ｆがスイッチングすることで降圧コンバータ回路１４０から供給される直流を３相交流に変換する。制御装置１８は、電圧形インバータ回路１３１のＦＥＴ１３１ａ〜１３１ｆを１２０度矩形波通電になるようにＰＷＭ駆動するとともに、電圧形インバータ回路１４１のＦＥＴ１４１ａ〜１４１ｆを１２０度矩形波通電になるようにＰＷＭ駆動する。そのため、正弦波通電になるようにＰＷＭ駆動する場合に比べ、制御を簡素化することができる。制御に関する負荷を軽減することができる。また、１８０度矩形波通電になるようＰＷＭ駆動する場合に比べ、電流をより適切に制御することができる。

本実施形態によれば、回転電機１０は、３相巻線１００、１０１を備えている。そのため、電力変換装置を構成する電圧形インバータ回路として、一般的に広く用いられている３相の電圧形インバータ回路を利用することができる。従って、相数が３の倍数でない多相巻線を複数有している場合に比べ、電力変換装置を容易に構成することができる。

本実施形態によれば、回転電機システム１は、１つのバッテリ１１を有している。バッテリ１１は、全ての電力変換装置１３、１４に直流を供給する。そのため、回転電機システム１の構成を簡素化することができる。

本実施形態によれば、全ての電力変換装置１３、１４及び制御装置１８は、回転電機１０に固定されている。そのため、回転電機システム１を小型化することができる。

なお、本実施形態では、回転電機１０が２つの３相巻線１００、１０１を有する例を挙げているが、これに限られるものではない。回転電機１０は、複数の多相巻線を有していればよい。また、多相巻線の相数は、３の倍数であるとさらによい。電力変換装置を構成する電圧形インバータ回路として、一般的に広く用いられている３相の電圧形インバータ回路を利用することができる。

本実施形態では、回転電機１０が２つの３相巻線１００、１０１を有し、それに伴って２つの電力変換装置１３、１４と、２つの電流センサ１７０、１７１とを備えている例を挙げているが、これに限られるものではない。図２に示すように、回転電機１０が４つの３相巻線１００〜１０３を有し、それに伴って４つの電力変換装置１３〜１６と、４つの電流センサ１７０〜１７３とを備えていてもよい。

３相巻線１０２、１０３は、相巻線１０２ａ〜１０２ｃ、１０３ａ〜１０３ｃを備えている。３相巻線１０２、１０３は、３相巻線１００、１０１と同一構成である。３相巻線１００〜１０３は、位相が異なるように配置されている。

電力変換装置１５は、ＦＥＴ１５０ａ、１５０ｂ、リアクトル１５０ｃ及びコンデンサ１５０ｄによって構成される降圧コンバータ回路１５０と、ＦＥＴ１５１ａ〜１５１ｆによって構成される電圧形インバータ回路１５１とを備えている。電力変換装置１６は、ＦＥＴ１６０ａ、１６０ｂ、リアクトル１６０ｃ及びコンデンサ１６０ｄによって構成される降圧コンバータ回路１６０と、ＦＥＴ１６１ａ〜１６１ｆによって構成される電圧形インバータ回路１６１とを備えている。リアクトル１５０ｃの巻始めである一端はコンデンサ１５０ｄに、巻終わりである他端はＦＥＴ１５０ａ、１５０ｂの直列接続点にそれぞれ接続されている。リアクトル１６０ｃの巻始めである一端はコンデンサ１６０ｄに、巻終わりである他端はＦＥＴ１６０ａ、１６０ｂの直列接続点にそれぞれ接続されている。リアクトル１５０ｃ、１６０ｃの接続の仕方を除いて、降圧コンバータ回路１５０、１６０及び電圧形インバータ回路１５１、１６１は、降圧コンバータ回路１３０、１４０及び電圧形インバータ回路１３１、１４１と同一構成である。降圧コンバータ回路１５０はコンデンサ１２に、電圧形インバータ回路１５１は３相巻線１０２にそれぞれ接続されている。降圧コンバータ回路１６０はコンデンサ１２に、電圧形インバータ回路１６１は３相巻線１０３にそれぞれ接続されている。

リアクトル１４０ｃは、リアクトル１３０ｃと磁気的に結合している。リアクトル１６０ｃは、リアクトル１５０ｃと磁気的に結合している。リアクトル１３０ｃ、１４０ｃやリアクトル１５０ｃ、１６０ｃに比べ磁気的な結合の強度は低いが、リアクトル１５０ｃは、リアクトル１４０ｃと磁気的に結合している。

図３に示すように、リアクトル１３０ｃ、１４０ｃは、円弧状のコア１９０に巻回されている。リアクトル１５０ｃ、１６０ｃは、円弧状のコア１９１に巻回されている。コア１９０とコア１９１は、それぞれの端面を、隙間１９２、１９３を隔て対向させた状態で配置されている。リアクトル１３０ｃ、１４０ｃの巻始めである一端から電流が流れ込むと、コア１９０を時計回りに磁束φ１、φ２が流れる。リアクトル１５０ｃ、１６０ｃの巻終わりである他端から電流が流れ込むと、コア１９１を反時計回りに磁束φ３、φ４が流れる。

この場合も、回転電機１０の回転速度を変化させても、バッテリ１１から供給される電流に含まれるリプルを抑えることができる。

本実施形態では、制御装置１８が、降圧コンバータ回路１３０のＦＥＴ１３０ａ、１３０ｂと降圧コンバータ回路１４０のＦＥＴ１４０ａ、１４０ｂを、互いに位相が異なる同一周波数でＰＷＭ駆動する例を挙げているが、これに限られるものではない。制御装置１８は、降圧コンバータ回路１３０のＦＥＴ１３０ａ、１３０ｂと降圧コンバータ回路１４０のＦＥＴ１４０ａ、１４０ｂを、互いに異なる周波数でＰＷＭ駆動してもよい。互いに位相が異なる同一周波数でＰＷＭ駆動する場合に比べ効果は劣るが、バッテリ１０から降圧コンバータ回路１３０、１４０に供給される電流に含まれるリプルを抑えることができる。

また、回転電機が３つ以上の多相巻線を有している場合、電力変換装置も多相巻線毎に設けられることになる。この場合、制御装置は、少なくともいずれかの降圧コンバータ回路のＦＥＴを、他の降圧コンバータ回路とは位相が異なる同一周波数でＰＷＭ駆動してもよい。また、少なくともいずれかの降圧コンバータ回路のＦＥＴを、他の降圧コンバータ回路とは異なる周波数でＰＷＭ駆動してもよい。この場合も同様に、バッテリ１０から降圧コンバータ回路１３０、１４０に供給される電流に含まれるリプルを抑えることができる。

本実施形態では、回転電機１０が、３相巻線１００、１０１を有し、交流が供給されることでトルクを発生する機器である例を挙げているが、これに限られるものではない。回転電機１０は、同期電動機や誘導電動機であってもよい。複数の多相巻線を有していればよい。

本実施形態では、降圧コンバータ回路１３０がＦＥＴ１３０ａ、１３０ｂ、リアクトル１３０ｃ及びコンデンサ１３０ｄによって構成され、降圧コンバータ回路１４０がＦＥＴ１４０ａ、１４０ｂ、リアクトル１４０ｃ及びコンデンサ１４０ｄによって構成されている例を挙げているが、これに限られるものではない。降圧コンバータ回路１３０、１４０は、それぞれ複数の小容量降圧コンバータ回路を並列接続して構成されていてもよい。

図４に示すように、降圧コンバータ回路１３０は、ＦＥＴ１３０ｅ、１３０ｆ、リアクトル１３０ｇ及びコンデンサによって構成される小容量降圧コンバータ回路と、ＦＥＴ１３０ｉ、１３０ｊ、リアクトル１３０ｋ及びコンデンサによって構成される小容量降圧コンバータ回路とを並列接続して構成されていてもよい。ここで、コンデンサ１３０ｈは、２つの小容量降圧コンバータ回路のコンデンサの容量を合成したものである。降圧コンバータ回路１４０は、ＦＥＴ１４０ｅ、１４０ｆ、リアクトル１４０ｇ及びコンデンサによって構成される小容量降圧コンバータ回路と、ＦＥＴ１４０ｉ、１４０ｊ、リアクトル１４０ｋ及びコンデンサによって構成される小容量降圧コンバータ回路とを並列接続して構成されていてもよい。ここで、コンデンサ１４０ｈは、２つの小容量降圧コンバータ回路のコンデンサの容量を合成したものである。

リアクトル１３０ｇの巻始めである一端はＦＥＴ１３０ｅ、１３０ｆの直列接続点に、巻終わりである他端はコンデンサ１３０ｈにそれぞれ接続されている。リアクトル１３０ｋの巻始めである一端はコンデンサ１３０ｈに、巻終わりである他端はＦＥＴ１３０ｉ、１３０ｊの直列接続点にそれぞれ接続されている。リアクトル１４０ｇの巻始めである一端はＦＥＴ１４０ｅ、１４０ｆの直列接続点に、巻終わりである他端はコンデンサ１４０ｈにそれぞれ接続されている。リアクトル１４０ｋの巻始めである一端はコンデンサ１４０ｈに、巻終わりである他端はＦＥＴ１４０ｉ、１４０ｊの直列接続点にそれぞれ接続されている。

リアクトル１４０ｇは、リアクトル１３０ｇと磁気的に結合している。リアクトル１４０ｋは、リアクトル１３０ｋと磁気的に結合している。リアクトル１３０ｇ、１４０ｇやリアクトル１３０ｋ、１４０ｋに比べ磁気的な結合の強度は低いが、リアクトル１４０ｇは、リアクトル１３０ｋと磁気的に結合している。リアクトル１３０ｇ、１３０ｋ、１４０ｇ、１４０ｋは、図３と同様の構成となっている。

このように構成した場合、電流がそれぞれの小容量コンバータ回路に分散して流れることで、降圧コンバータ回路の発熱を抑えることができる。

本実施形態では、電圧形インバータ回路１３１、１４１のＦＥＴ１３１ａ〜１３１ｆ、１４１ａ〜１４１ｆが１つの素子で構成されている例を挙げているが、これに限られるものではない。図５に示すように、ＦＥＴ１３１ａは、小容量ＦＥＴ１３１ｇ、１３１ｈを並列接続して構成してもよい。具体的には、小容量ＦＥＴ１３１ｇ、１３１ｈのドレイン、ソース及びゲートをそれぞれ共通接続してＦＥＴ１３１ａのドレイン、ソース及びゲートを構成してもよい。他のＦＥＴ１３１ｂ〜１３１ｆ、１４１ａ〜１４１ｆも同様に構成すればよい。また、降圧コンバータ回路１３０、１４０のＦＥＴ１３０ａ、１３０ｂ、１４０ａ、１４０ｂも同様に構成してもよい。さらに、前述した変形形態におけるＦＥＴも同様に構成してもよい。この場合、電流が、それぞれの小容量ＦＥＴに分散して流れることで、ＦＥＴの発熱を抑えることができる。つまり、電圧形インバータ回路の発熱を抑えることができる。

以上、本発明の実施形態及びその変形形態を説明したが、本発明は、これらの形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、これらの形態を組み合わせて構成してもよい。

１・・・回転電機システム、１０・・・回転電機、１００、１０１・・・３相巻線、１１・・・バッテリ、１３、１４・・・電力変換装置、１３０、１４０・・・降圧コンバータ回路、１３０ｃ、１４０ｃ・・・リアクトル、１３１、１４１・・・電圧形インバータ回路、１３２、１４２・・・ダイオード、１８・・・制御装置

Claims (10)

1. 位相が異なるように配置された複数の多相巻線（１００〜１０３）を有する回転電機（１０）と、
   直流電源（１１）と、
   前記多相巻線毎に設けられ、前記直流電源から供給される直流電圧を交流電圧に変換して前記多相巻線に供給する電力変換装置（１３〜１６）と、
   それぞれの前記電力変換装置を制御する制御装置（１８）と、
   を備えた回転電機システムであって、
   前記電力変換装置は、
   リアクトル（１３０ｃ、１３０ｇ、１３０ｋ、１４０ｃ、１４０ｋ、１４０ｇ、１５０ｃ、１６０ｃ）を有し前記直流電源から供給される直流電圧を降圧する降圧コンバータ回路（１３０、１４０、１５０、１６０）と、
   前記降圧コンバータ回路から供給される直流電圧を交流電圧に変換して前記多相巻線に供給する電圧形インバータ回路（１３１、１４１、１５１、１６１）と、
   前記降圧コンバータ回路の出力端から入力端に電流を流すダイオード（１３２、１４２、１５２、１６２）と、
   を有し、
   それぞれの前記降圧コンバータ回路の前記リアクトルは、他の前記降圧コンバータ回路の前記リアクトルと磁気的に結合し、
   前記制御装置は、それぞれの前記降圧コンバータ回路の出力電流が所定電流になるとともに、それぞれの前記降圧コンバータ回路が前記直流電源から供給される直流電圧を降圧するようにそれぞれの前記降圧コンバータ回路を制御し、それぞれの前記電圧形インバータ回路が前記降圧コンバータ回路から供給される直流電圧を交流電圧に変換するとともに、それぞれの前記電圧形インバータ回路によって変換された交流電圧の位相差がそれぞれの前記電圧形インバータ回路に接続される前記多相巻線に対応した所定位相差になるようにそれぞれの前記電圧形インバータ回路を制御する回転電機システム。
2. 前記降圧コンバータ回路は、コンバータ用スイッチング素子（１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｅ、１３０ｆ、１３０ｉ、１３０ｊ、１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｅ、１４０ｆ、１４０ｉ、１４０ｊ、１５０ａ、１５０ｂ、１６０ａ、１６０ｂ）を有し、前記コンバータ用スイッチング素子がスイッチングすることで前記直流電源から供給される直流電圧を降圧し、
   前記制御装置は、少なくともいずれかの前記降圧コンバータ回路の前記コンバータ用スイッチング素子を、他の前記降圧コンバータ回路とは位相が異なる同一周波数でＰＷＭ駆動する請求項１に記載の回転電機システム。
3. 前記制御装置は、それぞれの前記降圧コンバータ回路の前記コンバータ用スイッチング素子を、互いに位相が異なる同一周波数でＰＷＭ駆動する請求項２に記載の回転電機システム。
4. 前記降圧コンバータ回路は、コンバータ用スイッチング素子（１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｅ、１３０ｆ、１３０ｉ、１３０ｊ、１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｅ、１４０ｆ、１４０ｉ、１４０ｊ、１５０ａ、１５０ｂ、１６０ａ、１６０ｂ）を有し、前記コンバータ用スイッチング素子がスイッチングすることで前記直流電源から供給される直流電圧を降圧し、
   前記制御装置は、少なくともいずれかの前記降圧コンバータ回路の前記コンバータ用スイッチング素子を、他の前記降圧コンバータ回路とは異なる周波数でＰＷＭ駆動する請求項１に記載の回転電機システム。
5. 前記制御装置は、それぞれの前記降圧コンバータ回路の前記コンバータ用スイッチング素子を、互いに異なる周波数でＰＷＭ駆動する請求項４に記載の回転電機システム。
6. 前記電圧形インバータ回路は、インバータ用スイッチング素子（１３１ａ〜１３１ｆ、１４１ａ〜１４１ｆ、１５１ａ〜１５１ｆ、１６１ａ〜１６１ｆ）を有し、前記インバータ用スイッチング素子がスイッチングすることで前記降圧コンバータ回路から供給される直流電圧を交流電圧に変換し、
   前記制御装置は、それぞれの前記電圧形インバータ回路の前記インバータ用スイッチング素子を１２０度矩形波通電になるようにＰＷＭ駆動する請求項１〜５のいずれか１項に記載の回転電機システム。
7. 前記多相巻線の相数は、３の倍数である請求項１〜６のいずれか１項に記載の回転電機システム。
8. 前記直流電源（１１）は１つである請求項１〜７のいずれか１項に記載の回転電機システム。
9. 前記回転電機は、誘導電動機である請求項１〜８のいずれか１項に記載の回転電機システム。
10. 全ての前記電力変換装置及び前記制御装置は、前記回転電機に固定されている請求項１〜９のいずれか１項に記載の回転電機システム。

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