JP2003079114A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＤＣ電源電圧の利用率を向上する回転電機を
提供する。 【解決手段】 複数のコイルを巻線したステータ（２）
と、前記ステータと同軸に配置され、複合電流によって
駆動される複数のロータ（３、４）を備えた回転電機に
おいて、複合電流を構成する対称Ｎ相交流のうち少なく
とも一つの対称Ｎ相交流は、それぞれの電流または電圧
の位相差が電気角で１８０ｄｅｇとなる位相差を有さな
い構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転電機、特に複
合電流で駆動される複数のロータを備えた回転電機の改
良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の複合電流で駆動される回転電機と
して特開平１１−２７５８２６号公報に記載のものがあ
る。これは、図６に示すように中空円筒状のステータ２
の外側と内側に所定のギャップを設けて中空円筒状の外
側ロータ３と内側ロータ４とをステータ２と同軸に設置
したものである。

【０００３】内側ロータ４は半周をＳ極、残りの半周を
Ｎ極とした一対の永久磁石で形成され、外側ロータ３は
内側ロ−タ４の一極当たり２倍の極数を持つように永久
磁石が配置される。またステータ２には外側ロータ３の
１磁極当たり３個のコイル６で構成され、合計１２個の
コイルが同一の円周上に等分に配置されている。さらに
各コイル６に複合電流を供給する１２相インバータ１が
設置され、内側ロータ４は１２相交流で、外側ロータ３
は６相交流で駆動される。

【０００４】したがって、このような構成としたことで
ロータの一方をモータとして、他の一方をジェネレータ
として運転する場合に、モータ駆動電力と発電電力の差
分の電流を共通のコイルに流すだけでよいことになり、
効率を大幅に向上することができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来の回転電機においては、インバータ１で線間電圧制御
を行っても各相の最大相電圧はインバータ１から供給さ
れる交流電圧の半分でしかなく、電圧の利用率が低いと
言う問題がある。

【０００６】また複合電流を用いることで電流利用率を
向上しても相電圧を大きくすることはできないため必要
な皮相電力は小さくなる。

【０００７】交流電圧をチョッパーを用いて昇圧する場
合には、交流電圧が高くインバータ１の損失が大きくな
る。

【０００８】さらにインバータを構成するパワーデバイ
スの数が増加し、これに伴ってドライバー等の電子部品
の数が増え、レイアウト自由度の制限やコストの上昇を
招いていた。

【０００９】そこで本発明の目的は、上記問題点を解決
する回転電機を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、複数のコ
イルを巻線したステータと、前記ステータと同軸に配置
され、複合電流によって駆動される複数のロータを備え
た回転電機において、複合電流を構成する対称Ｎ相交流
のうち少なくとも一つの対称Ｎ相交流は、それぞれの電
流または電圧の位相差が電気角で１８０ｄｅｇとなる位
相差を有さない構成とした。

【００１１】第２の発明は、第１の発明において、複合
電流を構成する対称Ｎ相交流は、それぞれの電流または
電圧の位相差が電気角で１８０ｄｅｇとならない構成と
した。

【００１２】第３の発明は、第１または２の発明におい
て、前記対称Ｎ相交流の相数Ｎは、２より大きい実数と
した。

【００１３】第４の発明は、第１から３のいずれかの発
明において、前記ステータに形成されるスロットの数は
Ｎ×Ｍ（Ｍは自然数）であり、前記複数のロータは、前
記ステータと同軸にかつ内側に配置された第１ロータ
と、前記ステータと同軸にかつ外側に配置された第２ロ
ータとからなり、第１または第２ロータのいずれかの極
対数はＭであって対称Ｎ相交流で駆動され、他方のロー
タの極対数は２×Ｍであって対称（Ｎ／２）相交流で駆
動される。

【００１４】第５の発明は、第１から４のいずれかの発
明において、自己のロータと相関のある位相の電流は流
れ、相手方は同相で電流が流れない相をひとつの中立点
としてまとめるように、各ステータのコイルにおける中
立点を複数に分割して接続し、両方のステータのコイル
の各相をそれぞれ並列に接続して電源供給回路の対応す
る相に接続する。

【００１５】

【発明の効果】第１と２と４の発明では、複合電流の交
流の位相差を１８０ｄｅｇ位相をずらした、つまり位相
を進ませた或いは遅らせた相を持たないことにより、Ｄ
Ｃ電圧の利用率を向上でき、また複合電流で駆動される
回転電機の相電圧を改善し、必要なインバータ皮相電力
を大きくすることができる。またインバータを構成する
パワーデバイスの数を削減し、したがってドライバー等
の電子部品の点数も削減でき、レイアウト自由度の向上
やコスト削減が可能となる。

【００１６】第３の発明では、相数を２を越える実数に
限定することで、回転電機が確実に自己回転起動でき
る。

【００１７】第５の発明では、このような結線とするこ
とで、ステータと複数のロータで構成される、例えば２
つのモータにはそれぞれ自己と相関のある電流、すなわ
ち自己のロータを駆動する回転磁界を発生するための電
流成分が流れ、相手と相関のある電流成分は流れないこ
とになり、無効電流が流れなくなり、銅損や発熱の増大
を防止できる。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の回転電機とその
制御装置の概要を説明する図であり、回転電機１は円筒
状のステータ２の内側に所定のギャップを持って、ステ
ータ２と同軸に配置される内側ロータ３と、同様にステ
ータ２の外側に所定のギャップを持ってステータ２と同
軸に設置される外側ロータ４からなる。

【００１９】ステータ２にはスロット５ａから５ｊがス
テータ２の回転中心に対して対称に形成されており、各
々２つのスロット間に形成されるステータ部２ａから２
ｊにそれぞれコイルＣ１からＣ１０が巻き付けられる。
これらコイルＣ１からＣ１０の一端は端子台１１のコイ
ルに対応する端子に接続され、他端はＮ端子に接続され
る。また各コイル毎の端子は電流センサ６を介して５相
インバータ８に接続され、５相インバータ８はインバー
タコントローラ７によって制御される。このときにコイ
ルＣ１とＣ６、Ｃ２とＣ７、Ｃ３とＣ８、Ｃ４とＣ９、
Ｃ５とＣ１０に同じ電流が流れるように接続され、それ
ぞれの瞬時電流を足し合わせると０になることから各コ
イルに流れる電流のうち４つの電流を検出する電流セン
サ６が設置される。

【００２０】さらに５相インバータ８にはコンデンサ９
と交流（ＤＣ）電源１０が接続される。

【００２１】ステータ１の内側に配置された内側ロータ
３には（ステータ２のスロット数／交流の相数）の極対
数となるように、つまり本実施形態の場合には、１０／
５＝２極対となるように永久磁石が９０ｄｅｇ毎にＮ極
とＳ極とが入れ替わって配置される。

【００２２】一方、外側ロータ４には内側ロータ３の極
対数×２だけの極対数を有するように、つまり本実施形
態では、２×２＝４極対数となるように永久磁石が４５
ｄｅｇ毎にＮ極とＳ極とが入れ替わって配置されてい
る。なお内側ロータ３と外側ロータ４の極対数は逆であ
ってもよい。

【００２３】ここで、本実施形態は、内ロータ３への制
御電流と外ロータ４への制御電流とを複合して得られる
複合電流を単一のインバータ８によって制御するもので
あり、ロータ３、４を駆動するためのＮ相交流のうち少
なくとも一つの交流は電圧または電流に対して電気角で
１８０ｄｅｇの位相を持たない、言い換えると１８０ｄ
ｅｇだけ進ませた或いは遅れた相を持たないＮ相交流と
する。具体的には、４相交流（位相が９０ｄｅｇ毎）、
６相交流（位相が６０ｄｅｇ毎）等が１８０ｄｅｇの位
相を有する交流であり、一方後述するように５相交流、
７相交流等は１８０ｄｅｇの位相をもたず、本発明を適
用できる。なお１．５相交流等も前述の位相の条件を満
たすことになるが、２相以下の交流では、回転電機が自
己回転起動することができないため、２相を超えるＮ相
交流に限定する。

【００２４】したがって、いま前述の位相の条件を満た
す対称Ｎ相交流で駆動される内側ロータ３の極対数をＭ
（ここでＭは自然数）とすると、ステータ２のスロット
の総数は相数Ｎ×内側ロータ３の極対数Ｍで表される。
一方で、外側ロータ４の極対数は前述のように、２×内
側ロータ３の極対数Ｍで示され、外側ロータ４は対称
（Ｎ／２）相交流によって駆動される。

【００２５】次に具体的な例を用いて説明すると、本実
施形態では対称５相交流を用いて内側ロータ３を駆動
し、外側ロータ４を２．５相交流で駆動すると、その時
の位相は、 位相単位：ｅｌ．ｄｅｇ となり、１８０ｄｅｇ位相のずれた相を有していないこ
とがわかる。したがって内側ロータを５相交流で、外側
ロータ４を２．５相交流で駆動し、内側ロータ３の極対
数を２と定めると、ステータ部のスロット総数は５×２
＝１０となり、また外側ロータ４の極対数は２×２＝４
極対数と決まる。

【００２６】次にコントローラ７が演算する各相の目標
電圧は以下の式によって示される。

【００２７】

【数１】

【００２８】ここで、右辺は内側ロータ３への指令電圧
と外側ロータ４への指令電圧を示している。

【００２９】このときコントローラ７から内側ロータ３
と外側ロータ４への指令電圧は共に１８０ｄｅｇ位相の
ずれた相がないため、中性点電位が大きく変動すること
になる。

【００３０】ここで中性点電位をＶＮとすると、中性点
電位は以下の式で表される。

【００３１】

【数２】

【００３２】ここで、ｍａｘ（Ｖ１〜Ｖ５）は各相の中
での最大電圧を、ｍｉｎ（Ｖ１〜Ｖ５）は各相の中での
最小電圧を示している。

【００３３】式（１）と式（２）の関係をフェーザ図で
示したものが図２であり、実際には周波数が異なるが便
宜的に表したものである。ここで、実線のフェーザが５
相交流の電圧を示し、破線のフェーザが２．５相交流で
の電圧を示す。各相での電圧は、それぞれのフェーザの
和として示されるが、実際の電圧は破線フェーザ先端の
縦軸成分または横軸成分として表され、いま、各相での
電圧のうち、最大電圧をＶ１、最小電圧をＶ５とすれ
ば、式（２）の中性点電圧はＶＮ＝（Ｖ１−Ｖ５）／２
となる。ここで中性点電位ＶＮを各相の目標電圧から差
し引いても達成される相電位に影響がないため新たに目
標電圧から中性点電位を差し引いた値を目標電圧として
設定し（式（３））、５相インバータ８のゲート（トラ
ンジスタのベース）駆動信号を生成する。

【００３４】

【数３】

【００３５】なお、５相インバータ８のＤＣ電圧は決ま
っており、図１の各相のベクトルをＸ軸またはＹ軸に写
像し、足し合わせた時の最大の長さはＤＣ電圧を越える
ことはない。つまり、

【００３６】

【数４】

【００３７】 ここでＶｋ：各相の電圧（ｋ＝１、２、３、４、５） Ｖｍ：各相の電圧（ただし、ｍ≠ｋ） Ｖ_DC：ＤＣ電圧 次に本実施形態でのＤＣ電圧利用率について説明する
と、図２においてＸ軸またはＹ軸でのフェーザ先端の距
離が最大となる２．５相の５相に対する角度を決める。
その角度は、

【００３８】

【数５】

【００３９】となり、θ＝０で電圧は最大値を得ること
になり、したがって、

【００４０】

【数６】

【００４１】が求められる。ここで、２Ｖとしたのは内
側ロータ３と外側ロータ４にそれぞれ電圧が供給される
ためである。

【００４２】対して、１８０ｄｅｇの位相のずれを有す
る、例えば通常の（複合電流を用いない）対称４相交流
の場合には、フェーザ図は図３のようになり、ここで各
相の電圧は、

【００４３】

【数７】

【００４４】の関係となる。ここでインバータのＤＣ電
圧をＶ_DCとすると、 ２Ｖ＝Ｖ_DC となる。

【００４５】したがって、４相交流と５相交流との電圧
利用率をインバータのＤＣ電圧をＶ _DC＝１００Ｖの場合
で比較すると、４相交流ではその相電圧が最大で５０Ｖ
となり、対して５相交流では６５Ｖとなり、４相交流に
対して約３０％の効率向上となる。つまり、内ロータ３
と外ロータ４とでそれぞれ３２．５Ｖを分担することが
できる。

【００４６】図３、４は５相インバータ８がゲート駆動
信号を生成する状態を示したもので、図３（ａ）はイン
バータコントローラ７が演算している変調率のタイムチ
ャートであり、図３（ｂ）はその時の相電流を示してい
る。インバータコントローラ７が内外ロータ３、４に６
５Ｖの電圧を指令しているとして、通常の例えば対称４
相交流の場合には、図示しないがＤＣ電圧として２００
Ｖを用いた時には６５×２＝１３０Ｖとなり３０％の過
電圧となり、駆動することができないが、本実施形態に
おいては、図３に示すように１８０ｄｅｇ位相が異なっ
た相が存在しないために線間電圧制御によって変調率を
１００％以下に制御することができる。この時、図４に
示すように相電圧のスペクトルは２つともに６５Ｖを示
している。

【００４７】したがって、１８０ｄｅｇ位相をずらし
た、つまり位相を進ませた或いは遅らせた相を持たない
ことにより、ＤＣ電圧の利用率を向上でき、また複合電
流で駆動される回転電機の相電圧を改善することがで
き、必要なインバータ皮相電力を大きくすることができ
る。さらには相電圧が小さい場合に電圧を昇圧させるた
めにチョッパーを用いた場合に生じるＤＣ電圧が高いた
めのインバータの損失を防止できる。またインバータを
構成するパワーデバイスの数を削減し、したがってドラ
イバー等の電子部品の点数も削減でき、レイアウト自由
度の向上やコスト削減が可能となる。

【００４８】さらに式（１）に示されるように内側ロー
タ３と外側ロータ４の基本正弦波パターンは類似してお
り、内側と外側のロータ３、４それぞれに正弦波のパタ
ーンを作成する必要がなく、インバータコントローラ７
のメモリ容量を削減することができる。

【００４９】なお本実施形態においては、ロータを駆動
する対称Ｎ交流として２．５相と５相交流のどちらもが
１８０ｄｅｇの位相を持たない交流を用いて説明した
が、これに限らずどちらか一方のみ１８０ｄｅｇの位相
を持たない交流を用いてもよい。

【００５０】図５に示す第２の実施形態は、第１の実施
形態に対してステータ部を１４箇所に増加したもので、
ステータ部の増加に伴ってステータ部に巻き付けられる
コイルが接続する端子台の端子の数も増加するが、他の
構成は第１実施形態と同様に構成される。

【００５１】インバータコントローラ７が演算する目標
電圧は下式によって表される。

【００５２】

【数８】

【００５３】上式で第１実施形態の式（１）と同様に内
側ロータ３と外側ロータ４への指令電圧の位相は共に１
８０ｄｅｇずれた相を有していないので、中性点電位が
大きく動き、その中性点電位はインバータコントローラ
７によって下式で演算される。

【００５４】

【数９】

【００５５】ここでｍａｘ（Ｖ１〜Ｖ７）は各相中のの
最大電圧を、ｍｉｎ（Ｖ１〜Ｖ７）は各相中の最小電圧
を示している。

【００５６】中性点電位ＶＮを各相の目標電圧から差し
引いても達成される相電位に影響がないため新たに目標
電圧から中性点電位を差し引いた値を目標電圧として設
定し（式（１０））、５相インバータ８のゲート駆動信
号を生成する。

【００５７】

【数１０】

【００５８】したがって、第１の実施形態と同様にＤＣ
電圧の利用率の改善やインバータを形成するパワーデバ
イスの削減を可能とすることができる。

【００５９】なお、本出願人の特許出願である特願２０
００−３５８００４号（未公開）に記載の自己のロータ
と相関のある位相の電流は流れ、相手方は同相で電流が
流れない相をひとつの中立点としてまとめるように、各
ステータのコイルにおける中立点を複数に分割して接続
し、両方のステータのコイルの各相をそれぞれ並列に接
続してインバータの対応する相に接続するようにした、
いわゆるＮ結線に本発明を適用することも可能である。

【００６０】本発明は、上記した実施形態に限定される
ものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざま
な変更がなしうることは明白である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の回転電機とその制御装置の概要を説明
する図である。

【図２】同じく複合電流を説明するフェーザ図である。

【図３】対称４相交流の場合のフェーザ図である。

【図４】本発明を用いた場合の相電圧のスペクトル図で
ある。

【図５】本発明の第２の実施形態の回転電機とその制御
装置の概要を説明する図である。

【図６】従来技術を説明する図である。

【符号の説明】

１ 回転電機 ２ ステータ ３ 内側ロータ ４ 外側ロータ ５ａ〜５ｊ スロット ６ 電流センサ ７ インバータコントローラ ８ ５相インバータ ９ コンデンサ １０ 交流電源 Ｃ１〜Ｃ１０ コイル

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数のコイルを巻線したステータと、 前記ステータと同軸に配置され、複合電流によって駆動
   される複数のロータを備えた回転電機において、 複合電流を構成する対称Ｎ相交流のうち少なくとも一つ
   の対称Ｎ相交流は、それぞれの電流または電圧の位相差
   が電気角で１８０ｄｅｇとなる位相差を有さないことを
   特徴とする回転電機。
2. 【請求項２】複合電流を構成する対称Ｎ相交流は、それ
   ぞれの電流または電圧の位相差が電気角で１８０ｄｅｇ
   とならないことを特徴とする請求項１に記載の回転電
   機。
3. 【請求項３】前記対称Ｎ相交流の相数Ｎは、２より大き
   い実数であることを特徴とする請求項１または２に記載
   の回転電機。
4. 【請求項４】前記ステータに形成されるスロットの数は
   Ｎ×Ｍ（Ｍは自然数）であり、 前記複数のロータは、前記ステータと同軸にかつ内側に
   配置された第１ロータと、前記ステータと同軸にかつ外
   側に配置された第２ロータとからなり、第１または第２
   ロータのいずれかの極対数はＭであって対称Ｎ相交流で
   駆動され、他方のロータの極対数は２×Ｍであって対称
   （Ｎ／２）相交流で駆動されることを特徴とする請求項
   １から３のいずれかに記載の回転電機。
5. 【請求項５】自己のロータと相関のある位相の電流は流
   れ、相手方は同相で電流が流れない相をひとつの中立点
   としてまとめるように、各ステータのコイルにおける中
   立点を複数に分割して接続し、両方のステータのコイル
   の各相をそれぞれ並列に接続して電源供給回路の対応す
   る相に接続することを特徴とする請求項１から４のいず
   れかひとつに記載の回転電機。