JP4461120B2

JP4461120B2 - インバータ駆動回転機システム及びそれを用いる電動車両

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Publication number: JP4461120B2
Application number: JP2006174882A
Authority: JP
Inventors: 功治尾畑; 豊松延; 隆安原; 孝行小泉
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2006-06-26
Filing date: 2006-06-26
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2026-06-26
Also published as: CN101098110B; EP1873894A3; CN101098110A; US7764042B2; US20080007197A1; EP1873894A2; JP2008005666A

Description

本発明は、インバータ駆動回転機システム及びそれを用いる電動車両に関する。

近年、省エネルギー化を目的に回転機の可変速運転にインバータ電源が広く用いられている。しかしながら、インバータ電源で回転機を運転した場合、インバータの急峻なサージ電圧が原因と考えられる回転機の絶縁劣化が問題となる。このようなインバータサージ電圧に対しては、従来、回転機内部の絶縁を強化するなど、回転機側で対策していた。

ところで、近年、ハイブリッド自動車用インバータ駆動回転機システムでは、インバータ駆動回転機システムをさらに小型，高効率化するため、インバータ内部の直流電圧を高電圧化し、同一サイズでインバータ駆動回転機システムの出力密度を向上させるシステムが着目されるようになってきている。また、今後、エンジンをアシストするだけでなく、回転機が主駆動機となる燃料電池自動車や電気自動車ではインバータ駆動回転機システムの小型軽量、高効率化のために、さらに高電圧化が行われる可能性も考えられる。

しかしながら、インバータの直流電圧を高電圧化すると、インバータ内部のＩＧＢＴなどの高速パワー半導体素子が直流電圧をＯＮ／ＯＦＦした際に発生するサージ電圧や、このサージ電圧がインバータ側から回転機端に到達した際に回転機端で増倍するサージ電圧も大きくなる。

これらの高電圧サージに対して、回転機内部の絶縁強化をしようとすると、回転機が大型化することになる。

そこで、回転機内部の絶縁強化に加え、回転機外部でもサージ電圧を抑制する方法を組み合わせることが今後必要になると考える。

ここで、回転機外部でサージを抑制する方法としては、例えばケーブルと回転機のサージ電圧増倍現象を抑制する手段として、インバータ出力端に正弦波化フィルタやリアクトルを接続し、急峻サージ電圧の立ち上がり時間を緩和するか、あるいは回転機端にサージ電圧の急峻電圧成分を吸収するフィルタユニットを設けるものが知られている（例えば、非特許文献１）。

また、近年、サージ電圧を吸収するケーブルも提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２００５−１８３６５４号公報 GAMBICA/REMA：VARIABLE SPEED DRIVES AND MOTORS Motor Insualtion Voltage Stresses Under PWM Inverter Operation：A GAMBICA/REMA Technical Report No. 1

しかしながら、非特許文献１に記載のように、インバータ出力端に設置するフィルタやリアクトルはインバータ出力と回転機の間に直列に接続されるため、主駆動電流が流せるだけの直径の導体や、主駆動電流で飽和しないだけのコア断面積が必要となる。この結果、これらの装置の筐体寸法がインバータや回転機と同等かそれ以上の大きさになってしまい、インバータ駆動回転機システムが大型化する問題があった。

また、非特許文献１に記載のように、回転機側にサージ電圧の急峻電圧成分を吸収するフィルタユニットを設ける場合、吸収した急峻電圧によるユニットの発熱があり、これを大型のヒートシンクなどで放熱しなければならない問題があった。

さらに、特許文献１に記載のサージ電圧吸収ケーブルでは、ケーブル自体がサージ電圧を吸収し発熱するためケーブルの駆動線の導体発熱量を抑制するため、駆動電流を抑制しなければならない可能性があった。また、サージ吸収線の終端を高インピーダンスもしくは開放しているため当該部で電圧が発生する。このため、高インピーダンス部もしくは開放端部には専用の絶縁処理を行わなければならず、インバータ駆動回転機システムのケーブル敷設業者には新たな専用の絶縁技術指導および一定の技術水準の維持・確保を行わなければならない可能性があった。このような問題に対し、必要なケーブルの長さを決めて予め専用の絶縁処理を施したケーブルを購入、使用することもできるが、一般の産業プラントでは、インバータ駆動回転機システムの敷設先の機器配置、ケーブルダクトの寸法、構造に応じドラムに巻いたケーブルを任意の長さに切断して使用することが多く、敷設先での自由度が制限される問題があった。さらに、敷設後においても、ケーブル自身の発熱や、周囲の温度、湿度、塵埃、塩、振動などの状況で、開放端の絶縁処理部の絶縁劣化対策やメンテナンスが必要になる可能性があった。

本発明の目的は、絶縁信頼性の向上したインバータ駆動回転機システム及びそれを用いる電動車両を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、三相交流電力を出力するインバータと、このインバータの出力により駆動される回転機と、前記インバータの出力を前記回転機に供給するケーブルとを有するインバータ駆動回転機システムであって、一方の端部が前記インバータからの電力が供給される回転機の入力端子に接続され、他方の終端が、電圧固定端である，前記回転機の入力端子と同じ相のインバータ電圧出力端子，前記回転機の入力端子と同じ相の前記回転機の入力端子のいずれかに、抵抗、若しくは抵抗とコンデンサの組み合わせ回路を介して接続された追加ケーブルを備えるようにしたものである。
かかる構成により、絶縁信頼性を向上し得るものとなる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記追加ケーブルの他端は、抵抗、若しくは抵抗とコンデンサの組み合わせ回路を介して、前記電圧固定端に接続されるものである。

（３）上記（１）において、好ましくは、前記追加ケーブルは、高周波減衰特性が大きいケーブルであり、前記追加ケーブルの他方の終端を前記電圧固定端に直接接続したものである。

（４）上記（１）において、好ましくは、前記電圧固定端は、前記追加ケーブルを接続した回転機入力電圧端子と同じ相のインバータ電圧出力端子，前記回転機の同じ相の電圧入力端子，アース，前記インバータの内部の直流平滑コンデンサの端子，電池端子，前記インバータの入力側電源ライン，前記入力側電源ラインの中性点のいずれかである。

（２）また、上記目的を達成するために、本発明は、三相交流電力を出力するインバータと、このインバータの出力により車輪を駆動する回転機と、前記インバータの出力を前記回転機に供給するケーブルとを有するインバータ駆動回転機システムを搭載する電動車両であって、一方の端部が前記インバータからの電力が供給される回転機の入力端子に接続され、他方の終端が、電圧固定端である，前記回転機の入力端子と同じ相のインバータ電圧出力端子，前記回転機の入力端子と同じ相の前記回転機の入力端子のいずれかに、抵抗、若しくは抵抗とコンデンサの組み合わせ回路を介して接続された追加ケーブルを備えるようにしたものである。
かかる構成により、絶縁信頼性を向上し得るものとなる。

以下、図１〜図３を用いて、本発明の第１の実施形態によるインバータ駆動回転機システムの構成について説明する。ここでは、本実施形態のインバータ駆動回転機システムを、ハイブリッド電気自動車の電機駆動システムに適用したものを一例として説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態によるインバータ駆動回転機システムのシステム構成図である。

ハイブリッド電気自動車の電機駆動システムは、フロントモータ・ジェネレータＦＭＧと、リアモータ・ジェネレータＲＭＧと、バッテリＢＡと、インバータＩＮＶとから構成される。

インバータＩＮＶは、２個のインバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２から構成されている。インバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２の構成は同じである。インバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２は、それぞれ、パワーモジュールＰＭ１，ＰＭ２と、ドライバユニットＤＵ１，ＤＵ２から構成される。ドライバユニットＤＵ１，ＤＵ２は、モータ制御ユニットＭＣＵによって制御される。パワーモジュールＰＭ１，ＰＭ２には、バッテリＢＡから直流電力が供給され、インバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２は、それぞれ、交流電力に変換して、モータ・ジェネレータＦＭＧ，ＲＭＧに供給する。また、モータ・ジェネレータＦＭＧ，ＲＭＧが発電機として動作するときには、発電機の出力は、インバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２によって直流電力に変換され、バッテリＢＡに蓄電される。

インバータＩＮＶ１のパワーモジュールＰＭ１は、６つのアームから構成され、車載用直流電源であるバッテリーＢＡから供給される直流を交流に変換して回転機であるモータ・ジェネレータＦＭＧ，ＲＭＧに電力を供給する。

Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の各相の上アーム（Ｐ）と下アーム（Ｎ）とは、それぞれ直列に接続されている。Ｕ相とＶ相とＷ相の各上アームのそれぞれのコレクタ端子（電力用ＭＯＳ‐ＦＥＴ使用の場合はドレーン端子）はバッテリＢＡの正極側に接続される。一方Ｕ相とＶ相とＷ相の各下アームのそれぞれのエミッタ端子（電力用ＭＯＳ‐ＦＥＴの場合はソース端子）は、バッテリＢＡの負極側に接続される。

Ｕ相上アームのエミッタ端子（電力用ＭＯＳ‐ＦＥＴの場合はソース端子）とＵ相下アームのコレクタ端子（電力用ＭＯＳ‐ＦＥＴの場合はドレーン端子）の接続点は、モータ・ジェネレータＦＭＧ（ＲＭＧ）のＵ相端子に接続され、Ｕ相電流が流れる。電機子巻線（永久磁石型同期モータの固定子巻線）がＹ結線の場合はＵ相巻線の電流が流れる。Ｖ相上アームのエミッタ端子（電力用ＭＯＳ‐ＦＥＴの場合はソース端子）とＶ相下アームのコレクタ端子（電力用ＭＯＳ‐ＦＥＴの場合はドレーン端子）の接続点は、モータ・ジェネレータＦＭＧ（ＲＭＧ）のＶ相の電機子巻線（固定子巻線）のＶ相端子に接続され、Ｖ相電流が流れる。固定子巻線がＹ結線の場合はＶ相巻線の電流が流れる。Ｗ相上アームのエミッタ端子（電力用ＭＯＳ‐ＦＥＴの場合はソース端子）と、Ｗ相下アームのコレクタ端子（電力用ＭＯＳ‐ＦＥＴの場合はドレーン端子）の接続点はモータ・ジェネレータＦＭＧ（ＲＭＧ）のＷ相端子に接続される。固定子巻線がＹ結線の場合はＷ相巻線の電流が流れる。バッテリＢＡから供給される直流電力を交流電力に変換して、モータ・ジェネレータＦＭＧ（ＲＭＧ）のステータを構成するＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相のステータコイルに供給することにより、三相のステータコイルに流れる電流によって発生する起磁力により、ロータが回転駆動する。

パワーモジュールＰＭ１の６つのアームは、半導体のスイッチング素子としてＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）を使用している。半導体のスイッチング素子としてはＩＧＢＴ以外に電力用ＭＯＳ‐ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor ‐ Field Effect Transistor）を使用することができる。

ＩＧＢＴは動作速度が速いメリットがある。昔は、電力用ＭＯＳ‐ＦＥＴが使用できる電圧が低かったので、高電圧用のインバータはＩＧＢＴで作られていた。しかし最近は電力用ＭＯＳ‐ＦＥＴの使用できる電圧が高くなり、車両用インバータではどちらも半導体スイッチング素子として使用可能である。電力用ＭＯＳ‐ＦＥＴの場合は半導体の構造がＩＧＢＴに比べてシンプルであり、半導体の製造工程がＩＧＢＴに比べ少なくなるメリットがある。

モータ制御ユニットＭＣＵによりゲート信号を発生するドライバユニットＤＵ１，ＤＵ２が制御され、各相のドライバユニットからゲート信号が各相の半導体スイッチング素子にゲート信号が供給される。このゲート信号により各アームの導通，非導通（遮断）が制御される。その結果、供給された直流は、三相交流に変換される。

図１に示した構成において、一般に、フロントモータ・ジェネレータＦＭＧと、バッテリＢＡと、インバータＩＮＶとは、ハイブリッド電気自動車の車体前部のエンジンルーム内に配置される。一方、リアモータ・ジェネレータＲＭＧは、後輪車軸の中央付近に配置されたデファレンシャルギアの近傍に配置される。

したがって、インバータＩＮＶ２と、リアモータ・ジェネレータＲＭＧとは離れているため、インバータＩＮＶ２で生成された三相交流電圧は、ケーブルＣＡ１によって、リアモータ・ジェネレータＲＭＧに供給される。

インバータＩＮＶの外部ケースＩＮＶ−Ｃには、インバータ出力端子ＯＴ１が設けられている。インバータ出力端子ＯＴ１は、Ｕ相出力端子，Ｖ相出力端子，Ｗ相出力端子，アース端子の４個からなる。外部ケースＩＮＶ−Ｃの内部において、Ｕ相出力端子は、パワーモジュールＰＭ２のＵ相上アームとＵ相下アームの接続点に接続され、Ｖ相出力端子は、パワーモジュールＰＭ２のＶ相上アームとＶ相下アームの接続点に接続され、Ｗ相出力端子は、パワーモジュールＰＭ２のＷ相上アームとＷ相下アームの接続点に接続される。アース端子は、接地電位に接続される。

一方、リアモータジェネレータＲＭＧは、モータケースＲＭＧ−Ｃを備えている。モータケースＲＭＧ−Ｃには、モータ入力端子ＩＴ１が設けられている。モータ入力端子ＩＴ１は、Ｕ相入力端子，Ｖ相入力端子，Ｗ相入力端子，アース端子の４個からなる。モータケースＲＭＧ−Ｃの内部において、Ｕ相入力端子は、リアモータジェネレータＲＭＧのＵ相コイルに接続され、Ｖ相入力端子は、リアモータジェネレータＲＭＧのＶ相コイルに接続され、Ｗ相入力端子は、リアモータジェネレータＲＭＧのＷ相コイルに接続される。アース端子は、接地電位に接続される。

ケーブルＣＡ１は、４芯のケーブルの一般的な電気特性を有するケーブルである。ケーブルＣＡ１の一端は、インバータＩＮＶの外部ケースＩＮＶ−Ｃのインバータ出力端子ＯＴ１に接続され、他端は、リアモータ・ジェネレータＲＭＧのモータケースＲＭＧ−Ｃのモータ入力端子ＩＴ１に接続される。ケーブルＣＡ１の長さは、例えば、２〜３ｍである。

本実施形態では、さらに、サージ電圧の対策のために、追加ケーブルＣＡ２と、三相分の抵抗ＲU，ＲV，ＲWを備えている。追加ケーブルＣＡ２も４芯のケーブルで、ケーブルＣＡ１と同じ定格電圧，高周波損失であって、ゲーブルＣＡ１よりも細いケーブルである。追加ケーブルＣＡ２の一方の端部は、回転機端である、モータケースＲＭＧ−Ｃのモータ入力端子ＩＴ１に接続され、他方の端部は、電圧固定端である、インバータＩＮＶの外部ケースＩＮＶ−Ｃのインバータ追加端子ＡＴ１に接続される。追加端子ＡＴ１は、Ｕ相追加端子，Ｖ相追加端子，Ｗ相追加端子，アース端子の４個からなる。追加ケーブルＣＡ２の４芯のケーブルは、それぞれ、モータ入力端子ＩＴ１のＵ相入力端子，Ｖ相入力端子，Ｗ相入力端子，アース端子と、追加端子ＡＴ１のＵ相追加端子，Ｖ相追加端子，Ｗ相追加端子，アース端子とを対応づけて接続する。追加端子ＡＴ１のＵ相追加端子は、抵抗ＲUを介して、外部ケースＩＮＶ−Ｃのインバータ出力端子ＯＴ１のＵ相出力端子に接続され、Ｖ相追加端子は、抵抗ＲVを介して、外部ケースＩＮＶ−Ｃのインバータ出力端子ＯＴ１のＶ相出力端子に接続され、Ｗ相追加端子は、抵抗ＲWを介して、外部ケースＩＮＶ−Ｃのインバータ出力端子ＯＴ１のＷ相出力端子に接続される。追加端子ＡＴ１のアース端子は、抵抗を介することなく、直接、インバータ出力端子ＯＴ１のアース端子に接続される。

すなわち、本実施形態では、インバータＩＮＶ２とリアモータ・ジェネレータＲＭＧと接続するケーブルＣＡ１に対して並列に、追加ケーブルＣＡ２と抵抗の直列回路を接続する点に特徴がある。追加ケーブルＣＡ２と抵抗の直列回路は、回転機端と、電圧固定端の間に接続される。

次に、図２及び図３を用いて、本実施形態によるインバータ駆動回転機システムの動作について説明する。
図２及び図３は、本発明の第１の実施形態によるインバータ駆動回転機システムの動作説明図である。

図２に示すインバータＩＮＶの出力電圧が、時刻ｔ０においてステップ的に電圧０Ｖから電圧Ｖ１まで変化したとする。このとき、ステップ状電圧の立ち上がり時間は０．１μｓ程度であり、その結果、１〜１０ＭＨｚ程度の高周波帯域のサージ電圧が発生する。

インバータＩＮＶからリアモータ・ジェネレータＲＭＧに供給される電圧信号は、２種類ある。第１は、リアモータ・ジェネレータＲＭＧの駆動に利用される比較的低周波の駆動用の電圧信号である。リアモータ・ジェネレータＲＭＧの駆動に利用される比較的低周波の駆動用の電圧信号は、主として、ケーブルＣＡ１によりリアモータ・ジェネレータＲＭＧに供給される。

第２は、前述の高周波帯域のサージ電圧信号である。インバータＩＮＶからリアモータ・ジェネレータＲＭＧに供給される高周波帯域のサージ電圧信号は、３種類の経路を経て、リアモータ・ジェネレータＲＭＧに供給される。以下、このサージ電圧の挙動について説明する。

最初に、本実施形態による追加ケーブルＣＡ２と抵抗Ｒがない場合について説明する。このとき、ケーブルＣＡ１のインピーダンスは３０〜１００Ωと小さいの対して、リアモータ・ジェネレータＲＭＧのインピーダンスは、数ｋΩと大きい。したがって、リアモータ・ジェネレータＲＭＧの入力端，すなわち、回転機端では、インピーダンスの不整合があるため、回転機端に入力しようとする電圧信号は、回転機端で反射される。サージ電圧の電圧をＶ１（例えば、３００Ｖ））とすると、リアモータ・ジェネレータＲＭＧの入力端には、サージ電圧の電圧Ｖ１に加えて、回転機端での反射によるサージ電圧（この電圧値は、サージ電圧の電圧値Ｖ１に等しい）が印加されるので、リアモータ・ジェネレータＲＭＧの入力端に入力するサージ電圧は、電圧Ｖ１の２倍（例えば、６００Ｖ）となる。

一方、本実施形態では、追加ケーブルＣＡ２と抵抗Ｒを備えたことで、インバータＩＮＶからリアモータ・ジェネレータＲＭＧに供給される高周波帯域のサージ電圧信号は、３種類の経路Ｘａ，Ｘｂ，Ｘｃを経て、リアモータ・ジェネレータＲＭＧに供給される。ここで、追加ケーブルＣＡ２のインピーダンスは、ケーブルＣＡ１のインピーダンスと等しく、Ｚ０（例えば、５０Ω）とする。抵抗Ｒの抵抗値を例えば１００Ωとする。

経路Ｘａは、インバータＩＮＶからケーブルＣＡ１を経てリアモータ・ジェネレータＲＭＧの入力端に至るものである。経路Ｘｂは、インバータＩＮＶから追加ケーブルＣＡ２を経てリアモータ・ジェネレータＲＭＧの入力端に至るものである。

ここで、ケーブルＣＡ１には、追加ケーブルＣＡ２が接続されており、両者のインピーダンスが等しいので、追加ケーブルＣＡ２がない場合のように、回転機端における反射は生じず、経路Ｘａで来た電圧信号は、追加ケーブルＣＡ２を経て、抵抗Ｒに至り、抵抗Ｒで反射されて、リアモータ・ジェネレータＲＭＧの入力端に至る、これが、経路Ｘｃである。

サージ電圧が電圧Ｖ１の場合、経路Ｘａからリアモータ・ジェネレータＲＭＧの入力端に至る電圧は、Ｖ１である。また、経路Ｘｂからリアモータ・ジェネレータＲＭＧの入力端に至る電圧は、抵抗Ｒと、追加ケーブルＣＡ２のインピーダンスで分圧されることとなり、例えば、抵抗Ｒが１００Ωで、追加ケーブルＣＡ２のインピーダンスが５０Ωとすると、（Ｖ１／３）となる。ケーブルＣＡ１と追加ケーブルＣＡ２の伝送遅れを等しいとすると、時刻ｔ１において、経路Ｘａと経路Ｘｂから伝送されたサージ電圧が重畳した信号が電圧Ｖ２の信号として現れる。時間（ｔ２−ｔ１）がケーブルＣＡ１と追加ケーブルＣＡ２の伝送遅れである。サージ電圧Ｖ２は、Ｖ１＋（Ｖ１／３）＝１．３３・Ｖ１となる。

さらに、経路Ｘｃを経たサージ電圧Ｖ３は、抵抗Ｒの入力端で、追加ケーブルＣＡ２のインピーダンス（５０Ω）と、抵抗Ｒの抵抗値（１００Ω）のインピーダンス不整合により、Ｖ１／３の反射波が生成されるため、（４／３）Ｖ１となる。また、伝送遅れにより、時刻ｔ２に現れる。

図３は、抵抗Ｒの抵抗値を種々変更したときの回転機端におけるサージ電圧の変化を示している。経路Ｘａ，Ｘｂによって生じる電圧Ｖ２は、一点鎖線で示すように、抵抗値Ｒが大きくなると減少する。経路Ｘｃによって生じる電圧Ｖ３は、点線で示すように、抵抗値Ｒが大きくなると増加する。電圧Ｖ２，Ｖ３の内、大きい方が最大サージ電圧となるため、最大サージ電圧をもっとも小さくなるのは、ケーブルＣＡ１と追加ケーブルＣＡ２のインピーダンスＺ０を５０Ωとしたとき、抵抗Ｒの抵抗値を１００Ωとしたときとわかり、そのときの最大サージ電圧は、（４／３）Ｖ１となる。

従来の追加ケーブルと抵抗を用いない場合には、サージ電圧の最大値は、Ｖ１を３００Ｖとすると、６００Ｖであったのに対して、本実施形態では、４００Ｖまで低減することができる。したがって、例えば、リアモータ・ジェネレータＲＭＧの耐サージ電圧が、６００Ｖであるとすると、インバータの直流電圧を１．５倍高電圧化しても、回転機外部でもサージ電圧を抑制できるので、回転機の内部の絶縁強化をすることなしで、絶縁性を向上することができる。

前述したように、リアモータ・ジェネレータＲＭＧの駆動に利用される比較的低周波の駆動用の電圧信号は、経路Ｘａを経て、すなわち、ケーブルＣＡ１を経てリアモータ・ジェネレータＲＭＧに供給されるため、ケーブルＣＡ１の芯線は、太めとする。例えば、断面積が１４ｍｍ^２程度とする。一方、追加ケーブルＣＡ２の芯線は、それよりは細くでき、例えば、断面積が０．７５ｍｍ^２程度とする。

以上説明したように、本実施形態によれば、回転機端の電圧増倍を抑制して、回転機外部のサージ電圧抑制ができる。特に、本実施形態では、ケーブルの長さを敷設現場やシステムに併せて変えられるため、一般のインバータ駆動回転機システムのケーブル敷設作業者でも容易に敷設ができる。また、ケーブルには従来からインバータ駆動に用いてきたケーブルを使用することができるため、システムの絶縁信頼性が高い。以上の回転機外部のサージ電圧抑制法を、回転機内部のサージ電圧対策法を組み合わせることで、従来よりもさらにインバータ電圧を高電圧化し、インバータ駆動回転機システムを小型，高効率化することができる。

次に、図４を用いて、本発明の第２の実施形態によるインバータ駆動回転機システムの構成について説明する。
図４は、本発明の第２の実施形態によるインバータ駆動回転機システムのシステム構成図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

本実施形態では、ケーブルＣＡとして、図１におけるケーブルＣＡ１と、追加ケーブルＣＡ２が、同じケーブルシース内に納められた複合ケーブルを用いている。

本実施形態によれば、インバータ電圧を高電圧化し、インバータ駆動回転機システムを小型，高効率化することができる。また、単一のケーブルを用いるため、ケーブル敷設を容易に行える。

次に、図５を用いて、本発明の第３の実施形態によるインバータ駆動回転機システムの構成について説明する。
図５は、本発明の第３の実施形態によるインバータ駆動回転機システムのシステム構成図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

本実施形態では、追加ケーブルＣＡ２の一方の端部は、回転機端である、モータケースＲＭＧ−Ｃのモータ入力端子ＩＴ１に接続され、他方の端部は、それぞれ、抵抗ＲU，ＲV，ＲWを介して、電圧固定端であるモータケースＲＭＧ−Ｃの同じ相のモータ入力端子ＩＴ１に接続される。追加ケーブルＣＡ２の他方の端部は、モータケースＲＭＧ−Ｃのモータ追加端子ＡＴ２に接続される。追加端子ＡＴ２のＵ相追加端子は、抵抗ＲUを介して、モータ入力端子ＩＴ１のＵ相入力端子に接続され、Ｖ相追加端子は、抵抗ＲVを介して、モータ入力端子ＩＴ１のＶ相入力端子に接続され、Ｗ相追加端子は、抵抗ＲWを介して、モータ入力端子ＩＴ１のＷ相入力端子に接続される。追加端子ＡＴ２のアース端子は、抵抗を介することなく、直接、モータ入力端子ＩＴ１のアース端子に接続される。

本実施形態によっても、回転機端の電圧増倍を抑制して、回転機外部のサージ電圧抑制ができ、従来よりもさらにインバータ電圧を高電圧化し、インバータ駆動回転機システムを小型，高効率化することができる。

次に、図６を用いて、本発明の第４の実施形態によるインバータ駆動回転機システムの構成について説明する。
図６は、本発明の第４の実施形態によるインバータ駆動回転機システムのシステム構成図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

本実施形態では、追加ケーブルＣＡ２の一方の端部は、回転機端である、モータケースＲＭＧ−Ｃのモータ入力端子ＩＴ１に接続され、他方の端部は、それぞれ、抵抗ＲU，ＲV，ＲWとコンデンサＣU，ＣV，ＣWの直列回路を介して、電圧固定端であるアース電位に接続される。追加ケーブルＣＡ２の他方の端部は、インバータケースＩＮＶ−Ｃの追加端子ＡＴ１に接続される。追加端子ＡＴ１のＵ相追加端子は、抵抗ＲUとコンデンサＣUの直列回路を介して、アース電位に接続され、Ｖ相追加端子は、抵抗ＲVとコンデンサＣVの直列回路を介して、アース電位に接続され、Ｗ相追加端子は、抵抗ＲWとコンデンサＣWの直列回路を介して、アース電位に接続される。追加端子ＡＴ１のアース端子は、抵抗を介することなく、直接、アース電位に接続される。

以上、図１，図５，図６における特徴は、追加ケーブルＣＡ２の一方の端部は、回転機端である、モータケースＲＭＧ−Ｃのモータ入力端子ＩＴ１に接続され、他方の端部は、電圧固定端に接続される点にある。ここで、電圧固定端とは、インバータＩＮＶの外部ケースＩＮＶ−Ｃのインバータ追加端子ＡＴ１（図１），モータケースＲＭＧ−Ｃの同じ相のモータ入力端子ＩＴ１（図５）、アース電位（図６）などがあり、これら以外にも、電圧固定端としては、インバータ内部の直流平滑コンデンサの端子（図１の端子Ｐ，Ｎ）、蓄電池ＢＡの端子（図１の端子Ｐ，Ｎと同等）、インバータの入力側電源ライン（図１の端子Ｐ，Ｎと同等）、入力側電源ラインの中性点があげられる。図１の端子Ｐ，Ｎと同等の端子については、図６にて説明したように、追加ケーブルの他端には、抵抗とコンデンサの直列回路を接続する。また、例えば三相電圧の場合には、３本の電線の先にコンデンサをΔ型あるいはＹ型に接続して製作した仮想中性点を、電圧固定端として使用することができる。

次に、図７及び図８を用いて、本発明の第５の実施形態によるインバータ駆動回転機システムの構成について説明する。
図７は、本発明の第５の実施形態によるインバータ駆動回転機システムのシステム構成図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。図８は、本発明の第５の実施形態によるインバータ駆動回転機システムに用いる高周波減衰ケーブルの特性図である。

図７に示すように、本実施形態では、追加ケーブルとしては、高周波減衰ケーブルＨ−ＣＡ２を用い、その一方の端部は、回転機端である、モータケースＲＭＧ−Ｃのモータ入力端子ＩＴ１に接続され、他方の端部は、それぞれ、抵抗やコンデンサを介することなく、直接、電圧固定端である、インバータＩＮＶの外部ケースＩＮＶ−Ｃのインバータ出力端子ＯＴ１に同じ相に接続される。

ここで、図８に示すように、高周波減衰ケーブルＨ−ＣＡ２は、例えば、１ＭＨｚの周波数で、３ｄＢ減衰するような特性のものを用いることができる。なお、高周波減衰ケーブルＨ−ＣＡ２は、図４に示したように、ケーブルＣＡ１とまとめたものを使用することもできる。

次に、図９を用いて、本発明の各実施形態によるインバータ駆動回転機システムを搭載するハイブリッド自動車の構成について説明する。
図９は、本発明の各実施形態によるインバータ駆動回転機システムを搭載するハイブリッド自動車のシステム構成図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

ハイブリッド電気自動車は、内燃機関であるエンジンＥＮと、前述したインバータ駆動モータシステムのフロント側モータ・ジェネレータＦＭＧによって前輪ＷＨ−Ｆを、リア側モータ・ジェネレータＲＭＧによって後輪ＷＨ−Ｒをそれぞれ駆動するように構成された四輪駆動式のものである。尚、本実施形態では、エンジンＥＮとフロント側モータ・ジェネレータＦＭＧによって前輪ＷＨ−Ｆを、リア側モータ・ジェネレータＲＭＧによって後輪ＷＨ−Ｒをそれぞれ駆動する場合について説明するが、エンジンＥＮと実施例〜のフロント側モータ・ジェネレータＦＭＧによって後輪ＷＨ−Ｒを、リア側モータ・ジェネレータＲＭＧによって前輪ＷＨ−Ｆをそれぞれ駆動するようにしてもよい。

前輪ＷＨ−Ｆの前輪車軸ＤＳ−Ｆにはフロント側差動装置ＦＤＦを介して変速機ＴＭが機械的に接続されている。変速機ＴＭには出力制御機構（図示省略）を介してエンジンＥＮとモータ・ジェネレータＭＧが機械的に接続されている。出力制御機構（図示省略）は、回転出力の合成や分配を司る機構である。フロント側モータ・ジェネレータＭＧの固定子巻線にはインバータＩＮＶの交流側が電気的に接続されている。インバータＩＮＶは、直流電力を三相交流電力に変換する電力変換装置であり、モータ・ジェネレータＭＧの駆動を制御するものである。インバータＩＮＶの直流側にはバッテリＢＡが電気的に接続されている。

後輪ＷＨ−Ｒの後輪車軸ＤＳ−Ｒ１，ＤＳ−Ｒ２にはリア側差動装置ＲＤＦとリア側減速機ＲＧを介してリア側モータ・ジェネレータＲＭＧが機械的に接続されている。リア側モータ・ジェネレータＲＭＧの固定子巻線にはインバータＩＮＶの交流側が電気的に接続されている。ここで、インバータＩＮＶはフロント側モータ・ジェネレータＭＧＦとリア側モータ・ジェネレータＲＭＧに対して共用のものであり、モータ・ジェネレータＭＧ用の変換回路部と、リア側モータ・ジェネレータＲＭＧの変換回路部と、それらを駆動するための駆動制御部とを有する。

ハイブリッド電気自動車の始動時及び低速走行時（エンジンＥＮの運転効率（燃費）が低下する走行領域）は、フロント側モータ・ジェネレータＦＭＧによって前輪ＷＨ−Ｆを駆動する。尚、本実施例では、ハイブリッド電気自動車の始動時及び低速走行時、フロント側モータ・ジェネレータＦＭＧによって前輪ＷＨ−Ｆを駆動する場合について説明するが、フロント側モータ・ジェネレータＦＭＧによって前輪ＷＨ−Ｆを駆動し、リア側モータ・ジェネレータＲＭＧによって後輪ＷＨ−Ｒを駆動するようにしてもよい（四輪駆動走行をしてもよい）。インバータＩＮＶにはバッテリＢＡから直流電力が供給される。供給された直流電力はインバータＩＮＶによって三相交流電力に変換される。これによって得られた三相交流電力はフロント側モータ・ジェネレータＦＭＧの固定子巻線に供給される。これにより、フロント側モータ・ジェネレータＦＭＧは駆動され、回転出力を発生する。この回転出力は出力制御機構（図示省略）を介して変速機ＴＭに入力される。入力された回転出力は変速機ＴＭによって変速され、差動装置ＦＤＦに入力される。入力された回転出力は差動装置ＦＤＦによって左右に分配され、前輪ＷＨ−Ｆの一方における前輪車軸ＤＳ−Ｆと前輪ＷＨ−Ｆの他方における前輪車軸ＤＳ−Ｆにそれぞれ伝達される。これにより、前輪車軸ＤＳ−Ｆが回転駆動される。そして、前輪車軸ＤＳ−Ｆの回転駆動によって前輪ＷＨ−Ｆが回転駆動される。

ハイブリッド電気自動車の通常走行時（乾いた路面を走行する場合であって、エンジンＥＮの運転効率（燃費）が良い走行領域）は、エンジンＥＮによって前輪ＷＨ−Ｆを駆動する。このため、エンジンＥＮの回転出力は出力制御機構（図示省略）を介して変速機ＴＭに入力される。入力された回転出力は変速機ＴＭによって変速される。変速された回転出力はフロント側差動装置ＦＤＦを介して前輪車軸ＤＳ−Ｆに伝達される。これにより、前輪ＷＨ−Ｆが回転駆動される。また、バッテリＢＡの充電状態を検出し、バッテリＢＡを充電する必要がある場合は、エンジンＥＮの回転出力を、出力制御機構（図示省略）を介してフロント側モータ・ジェネレータＦＭＧに分配し、フロント側モータ・ジェネレータＦＭＧを回転駆動する。これにより、フロント側モータ・ジェネレータＦＭＧは発電機として動作する。この動作により、フロント側モータ・ジェネレータＦＭＧの固定子巻線に三相交流電力が発生する。この発生した三相交流電力はインバータＩＮＶによって所定の直流電力に変換される。この変換によって得られた直流電力はバッテリＢＡに供給される。これにより、バッテリＢＡは充電される。

ハイブリッド電気自動車の四輪駆動走行時（雪道などの低μ路を走行する場合であって、エンジンＥＮの運転効率（燃費）が良い走行領域）は、リア側モータ・ジェネレータＲＭＧによって後輪ＷＨ−Ｒを駆動する。また、上記通常走行と同様に、エンジンＥＮによって前輪ＷＨ−Ｆを駆動する。さらに、リア側モータ・ジェネレータＲＭＧの駆動によってバッテリＢＡの蓄電量が減少するので、上記通常走行と同様に、エンジンＥＮの回転出力によってフロント側モータ・ジェネレータＦＭＧを回転駆動してバッテリＢＡを充電する。リア側モータ・ジェネレータＲＭＧによって後輪ＷＨ−Ｒを駆動するめに、インバータＩＮＶにはバッテリＢＡから直流電力が供給される。供給された直流電力はインバータＩＮＶによって三相交流電力に変換され、この変換によって得られた交流電力がリア側モータ・ジェネレータＲＭＧの固定子巻線に供給される。これにより、リア側モータ・ジェネレータＲＭＧは駆動され、回転出力を発生する。発生した回転出力は、リア側減速機ＲＧによって減速され、差動装置ＲＤＦの入力される。入力された回転出力は差動装置ＲＤＦによって左右に分配され、後輪ＷＨ−Ｒの一方における後輪車軸ＤＳ−Ｒ１，ＤＳ−Ｒ２と後輪ＷＨ−Ｒの他方における後輪車軸ＤＳ−Ｒ１，ＤＳ−Ｒ２にそれぞれ伝達される。これにより、後輪車軸ＤＳ−Ｆ４回転駆動される。そして、後輪車軸ＤＳ−Ｒ１，ＤＳ−Ｒ２の回転駆動によって後輪ＷＨ−Ｒが回転駆動される。

ハイブリッド電気自動車の加速時は、エンジンＥＮとフロント側モータ・ジェネレータＦＭＧによって前輪ＷＨ−Ｆを駆動する。尚、第４実施例では、ハイブリッド電気自動車の加速時、エンジンＥＮとフロント側モータ・ジェネレータＦＭＧによって前輪ＷＨ−Ｆを駆動する場合について説明するが、エンジンＥＮとフロント側モータ・ジェネレータＦＭＧによって前輪ＷＨ−Ｆを駆動し、リア側モータ・ジェネレータＲＭＧによって後輪ＷＨ−Ｒを駆動するようにしてもよい（四輪駆動走行をしてもよい）。エンジンＥＮとフロント側モータ・ジェネレータＦＭＧの回転出力は出力制御機構（図示省略）を介して変速機ＴＭに入力される。入力された回転出力は変速機ＴＭによって変速される。変速された回転出力は差動装置ＦＤＦを介して前輪車軸ＤＳ−Ｆに伝達される。これにより、前輪ＷＨ−Ｆが回転駆動される。

ハイブリッド電気自動車の回生時（ブレーキを踏み込み時，アクセルの踏み込みを緩めた時或いはアクセルの踏み込みを止めた時などの減速時）は、前輪ＷＨ−Ｆの回転出力を前輪車軸ＤＳ−Ｆ，差動装置ＦＤＦ、変速機ＴＭ、出力制御機構（図示省略）を介してフロント側モータ・ジェネレータＦＭＧに伝達し、フロント側モータジェネレータＦＭＧを回転駆動する。これにより、フロント側モータ・ジェネレータＦＭＧは発電機として動作する。この動作により、フロント側モータ・ジェネレータＦＭＧの固定子巻線に三相交流電力が発生する。この発生した三相交流電力はインバータＩＮＶによって所定の直流電力に変換される。この変換によって得られた直流電力はバッテリＢＡに供給される。これにより、バッテリＢＡは充電される。一方、後輪ＷＨ−Ｒの回転出力を後輪車軸ＤＳ−Ｒ１，ＤＳ−Ｒ２，車両用出力伝達装置１００の差動装置ＲＤＦ、減速機ＲＧを介してリア側モータ・ジェネレータＲＭＧに伝達し、リア側モータ・ジェネレータＲＭＧを回転駆動する。これにより、リア側モータ・ジェネレータＲＭＧは発電機として動作する。この動作により、リア側モータ・ジェネレータＲＭＧの固定子巻線に三相交流電力が発生する。この発生した三相交流電力はインバータＩＮＶによって所定の直流電力に変換される。この変換によって得られた直流電力はバッテリＢＡに供給される。これにより、バッテリＢＡは充電される。

本例のインバータ駆動システムを使用した場合、高電圧サージを抑制できるので、回転電機の絶縁をコンパクト、低コスト化でき、回転電機の車両への搭載省スペース化を図ることができるので、車両の小型化，軽量化及び低コスト化に寄与することができる。

次に、図１０を用いて、本発明の第６の実施形態によるインバータ駆動回転機システムの構成について説明する。ここでは、本実施形態のインバータ駆動回転機システムを、一般汎用システムに適用したものを一例として説明する。
図１０は、本発明の第６の実施形態によるインバータ駆動回転機システムのシステム構成図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

本実施形態の一般汎用インバータ駆動システムは、入力電源ＩＰＳと、インバータＩＮＶ’と、回転機Ｍとから構成される。

入力電源ＩＰＳは、入力側電源トランスＰＳＴ１と、出力側電源トランスＰＳＴ２とを有し、例えば、６６００Ｖの三相高圧電力を、２２０Ｖの三相低圧電力に変換し、インバータＩＮＶ’に供給する。

インバータＩＮＶ’は、順変換器ＣＯＮ１と、逆変換器ＣＯＮ２と、平滑コンデンサＣ１，Ｃ２とから構成されている。順変換器ＣＯＮ１は、入力電源ＩＰＳから入力した三相交流電力を直流電力に変換するものであり、ダイオード等から構成される。逆変換器ＣＯＮ２は、直流電力を三相交流電力に変換するものであり、例えば、図１のインバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２のように構成される。

逆変換器ＣＯＮ２で生成された三相交流電圧は、ケーブルＣＡ１によって、回転機Ｍに供給される。インバータＩＮＶ’の外部ケースＩＮＶ−Ｃには、インバータ出力端子ＯＴ１が設けられている。インバータ出力端子ＯＴ１は、Ｕ相出力端子，Ｖ相出力端子，Ｗ相出力端子，アース端子の４個からなる。外部ケースＩＮＶ−Ｃの内部において、Ｕ相出力端子は、逆変換器ＣＯＮ２のＵ相上アームとＵ相下アームの接続点に接続され、Ｖ相出力端子は、逆変換器ＣＯＮ２のＶ相上アームとＶ相下アームの接続点に接続され、Ｗ相出力端子は、逆変換器ＣＯＮ２のＷ相上アームとＷ相下アームの接続点に接続される。アース端子は、接地電位に接続される。

一方、回転機Ｍは、モータケースＭ−Ｃを備えている。モータケースＭ−Ｃには、モータ入力端子ＩＴ１が設けられている。モータ入力端子ＩＴ１は、Ｕ相入力端子，Ｖ相入力端子，Ｗ相入力端子，アース端子の４個からなる。モータケースＭ−Ｃの内部において、Ｕ相入力端子は、回転機ＭのＵ相コイルに接続され、Ｖ相入力端子は、回転機ＭのＶ相コイルに接続され、Ｗ相入力端子は、回転機ＭのＷ相コイルに接続される。アース端子は、接地電位に接続される。

ケーブルＣＡ１は、４芯のケーブルの一般的な電気特性を有するケーブルである。ケーブルＣＡ１の一端は、インバータＩＮＶ’の外部ケースＩＮＶ−Ｃのインバータ出力端子ＯＴ１に接続され、他端は、回転機ＭのモータケースＭ−Ｃのモータ入力端子ＩＴ１に接続される。

本実施形態では、さらに、サージ電圧の対策のために、追加ケーブルＣＡ２と、三相分の抵抗ＲU，ＲV，ＲWを備えている。追加ケーブルＣＡ２も４芯のケーブルの一般的な電気特性を有するケーブルである。追加ケーブルＣＡ２の一方の端部は、回転機端である、モータケースＭ−Ｃのモータ入力端子ＩＴ１に接続され、他方の端部は、電圧固定端である、インバータＩＮＶ’の外部ケースＩＮＶ−Ｃのインバータ追加端子ＡＴ１に接続される。追加端子ＡＴ１は、Ｕ相追加端子，Ｖ相追加端子，Ｗ相追加端子，アース端子の４個からなる。追加ケーブルＣＡ２の４芯のケーブルは、それぞれ、モータ入力端子ＩＴ１のＵ相入力端子，Ｖ相入力端子，Ｗ相入力端子，アース端子と、追加端子ＡＴ１のＵ相追加端子，Ｖ相追加端子，Ｗ相追加端子，アース端子とを対応づけて接続する。追加端子ＡＴ１のＵ相追加端子は、抵抗ＲUを介して、外部ケースＩＮＶ−Ｃのインバータ出力端子ＯＴ１のＵ相出力端子に接続され、Ｖ相追加端子は、抵抗ＲVを介して、外部ケースＩＮＶ−Ｃのインバータ出力端子ＯＴ１のＶ相出力端子に接続され、Ｗ相追加端子は、抵抗ＲWを介して、外部ケースＩＮＶ−Ｃのインバータ出力端子ＯＴ１のＷ相出力端子に接続される。追加端子ＡＴ１のアース端子は、抵抗を介することなく、直接、インバータ出力端子ＯＴ１のアース端子に接続される。

すなわち、本実施形態では、インバータＩＮＶ２’と回転機Ｍと接続するケーブルＣＡ１に対して並列に、追加ケーブルＣＡ２と抵抗の直列回路を接続する点に特徴がある。追加ケーブルＣＡ２と抵抗の直列回路は、回転機端と、電圧固定端の間に接続される。ここで、電圧固定端としては、インバータＩＮＶ’の外部ケースＩＮＶ−Ｃのインバータ追加端子ＡＴ１，モータケースＭ−Ｃの同じ相のモータ入力端子ＩＴ１，アース電位などの他に、インバータ内部の直流平滑コンデンサの端子（図１０のコンデンサＣ１，Ｃ２の両端）、インバータの入力側電源ライン（図１０の入力電源ＩＰＳとインバータＩＮＶ’の間の電源ライン）、入力側電源ラインの中性点（図１０の電源トランスＰＳＴ１，ＰＳＴ２の中性点）がある。

なお、本発明のインバータ回転機駆動システムは、電気自動車、ハイブリッド電気自動車などの自動車用機器、鉄鋼、圧延、ファン、ポンプなどの産業用機器、その他、鉄道、可変速発電機などインバータを用いて回転機を駆動するシステムに適用できる。

本発明の第１の実施形態によるインバータ駆動回転機システムのシステム構成図である。本発明の第１の実施形態によるインバータ駆動回転機システムの動作説明図である。本発明の第１の実施形態によるインバータ駆動回転機システムの動作説明図である。本発明の第２の実施形態によるインバータ駆動回転機システムのシステム構成図である。本発明の第３の実施形態によるインバータ駆動回転機システムのシステム構成図である。本発明の第４の実施形態によるインバータ駆動回転機システムのシステム構成図である。本発明の第５の実施形態によるインバータ駆動回転機システムのシステム構成図である。本発明の第５の実施形態によるインバータ駆動回転機システムに用いる高周波減衰ケーブルの特性図である。本発明の各実施形態によるインバータ駆動回転機システムを搭載するハイブリッド自動車のシステム構成図である。本発明の第６の実施形態によるインバータ駆動回転機システムのシステム構成図である。

符号の説明

ＢＡ…バッテリ
ＣＡ１…ケーブル
ＣＡ２…追加ケーブル
ＣＯＮ１…順変換器
ＣＯＮ２…逆変換器
ＦＭＧ…フロントモータ・ジェネレータ
ＩＮＶ，ＩＮＶ’，ＩＮＶ１，ＩＮＶ２…インバータ
ＩＰＳ…入力電源
Ｒ…抵抗
ＲＭＧ…リアモータ・ジェネレータ

Claims

三相交流電力を出力するインバータと、このインバータの出力により駆動される回転機と、前記インバータの出力を前記回転機に供給するケーブルとを有するインバータ駆動回転機システムであって、
一方の端部が前記インバータからの電力が供給される回転機の入力端子に接続され、他方の終端が、電圧固定端である，前記回転機の入力端子と同じ相のインバータ電圧出力端子，前記回転機の入力端子と同じ相の前記回転機の入力端子のいずれかに、抵抗、若しくは抵抗とコンデンサの組み合わせ回路を介して接続された追加ケーブルを備えることを特徴とするインバータ駆動回転機システム。
三相交流電力を出力するインバータと、このインバータの出力により車輪を駆動する回転機と、前記インバータの出力を前記回転機に供給するケーブルとを有するインバータ駆動回転機システムを搭載する電動車両であって、
一方の端部が前記インバータからの電力が供給される回転機の入力端子に接続され、他方の終端が、電圧固定端である，前記回転機の入力端子と同じ相のインバータ電圧出力端子，前記回転機の入力端子と同じ相の前記回転機の入力端子のいずれかに、抵抗、若しくは抵抗とコンデンサの組み合わせ回路を介して接続された追加ケーブルを備えることを特徴とする電動車両。