JP2007236179A - モータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ブラシレスモータの、回転速度対トルクの静特性は、ほぼ直線特性を示す。これに対して、使用されるモータは、起動時は回転速度は停止または低速であるものの、大きなトルクを必要とし、その後、定常回転に達すると低トルクでよいが、高速回転を求められる場合が多い。すなわち、直線特性ではなく、両軸に漸近する双曲線に近い特性が求められる。
【解決手段】ブラシレスモータにおいて、直列接続された複数のステータ巻線をもち、各相の複数巻線の接続点にタップを設け、全相一括でタップを切り換えるか、もしくは複数の駆動装置の複数の駆動出力で各タップを一括で切り替えて、ステータ巻線をドライブすることにより、出力トルクの適当な値の前後において、巻線の巻数を変更する効果が得られる。これにより、変速機構を追加する場合に比べ、総合効率の低下やコスト増などを最小限に抑えたうえで、前述の実用上の要求を満たすことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、各相ごとに、直列接続された複数の巻線を有し、各相の複数巻線の接続点にタップを設け、全相一括でタップを切り換えるか、もしくは複数の駆動装置の複数の駆動出力で各タップを一括で切り替えて、ドライブすることができるブラシレスモータと駆動装置に関する。

ブラシレスモータの回転速度対トルクの静特性は、一般に、無負荷回転速度と呼ばれる最大回転速度値で回転速度軸と交わり、起動トルクと呼ばれる最大トルク値でトルク軸と交わる、ほぼ直線特性を示す。

これに対して、各種動力源として使用されるモータは、起動時は回転速度は停止または低速領域であるものの、モータ負荷を起動するための大きなトルクを必要とし、その後、定常回転に近づくにしたがって、モータ負荷の慣性モーメントにより、低トルクでよいが高速回転を求められる場合が多い。すなわち、直線特性ではなく、両軸に漸近する双曲線に近い特性が求められる。

従来、この要求を満たすために、ギアやベルトなどによる変速機構を用いることがあった。

前記、変速機構の採用は、総合効率の低下やコスト増、さらに、システムの大型化や重量増などのマイナス面を伴う。

本発明においては、ステータ各相巻線に中間タップを設け、高トルク領域では巻線全域を使用し、低トルク領域では電流供給を中間タップに切り替え、巻線の巻数を減じたと同様の効果を与え、その結果、低トルク領域の回転速度を増大させることができる。

低トルク領域において中間タップを使用し、巻数を減じると、巻線電流は増大するが、タップ切り替えを適当なトルク値に選ぶことにより、トルク全域で巻線全域を使用する場合に比べ、最大電流が大きくならないようにすることができる。

中間タップを切り替えるためにはスイッチが必要であるが、機械接点によるスイッチを用いると、切り替え時の接点間のアーク放電により、スイッチ接点が磨耗する可能性があるが、その対策を以下に述べる。

駆動装置内のモータ駆動用半導体スイッチング回路の全スイッチをＯＦＦとして、巻線電流を遮断後に、中間タップ切り替え用のスイッチを切り替え、さらにタップ切り替え後に、半導体スイッチング回路の動作を復帰させることにより、前記接点の磨耗を低減することができる。

前記のように、半導体スイッチング回路の動作を一時的に停止させることになるが、タップ切り替えスイッチの切り替えを、リレーなどと同様の電磁方式で行なえば、動作停止時間を短時間とすることができるので、モータ動作に与える影響は最小限にとどまる。

このような切換を行なうことにより、タップ切り替え接点は、巻線電流を通電するのみであるので、巻線電流を開閉しなければならない場合に比べ小型化が可能である。
小型化とともに、回転式とするなどにより薄型化をはかり、タップ切り替えスイッチをモータに内蔵することも可能となる。

本発明の、上記とは別の方式を以下に述べる。ステータ各相巻線に中間タップを設け、モータ駆動装置を２台設置する。駆動装置のうちの１台は各相巻線の全域を駆動し、他の１台は各相の中間タップを駆動する。この方式では前記方式で必要であった、タップ切り替えスイッチは不要である。

前記駆動装置のうちの前者は、高トルク領域で巻線を駆動し、後者は全スイッチをオフとし動作を停止する。駆動装置の後者は、低トルク領域で中間タップを通じて巻線を駆動し、前者は動作を停止する。適当なトルク値の前後で両者は動作、停止を交代する。

また、前記２台の駆動装置の出力電圧・電流定格を同一とせず、それぞれのトルク領域に、より適した定格とすれば、より望ましい全体特性を得ることができる。

以上述べたモータは、各相巻線が直列接続された二つの部分からなり、その接続点に一つの中間タップを設けたものである。

これに対し、各相巻線を直列接続された三つ以上の部分とし、各接続点から複数の中間タップを設け、より特性変化を滑らかにすることも可能である。

本発明は、以上に説明したように構成されているので、以下に記すような効果を奏する。

本発明によれば、低トルク領域では高回転速度、また、高トルク領域では低回転速度となる特性のモータが得られる。

電動自動車、電動運搬車または電動バイクなどの電動車両に使用されるモータに対しては、車両の起動時には低速回転ではあるが高トルクが、起動後の定常運転時には低トルクでよいが高速回転が必要であり、この両方を兼ね備えたモータが要求される。

また、負荷の慣性モーメントが大きい、車両用以外の動力用モータにおいても同様の特性が要求される。

本発明によるモータは、上記要求を満たすものであり、これらの用途に広く利用できる。

本発明によるモータの基本構成要素は、ブラシレスモータとこれを駆動するための３相インバータを含む駆動装置であり、これら基本構成要素は、文献１に示すような従来技術がそのまま適用できる。

本発明の第１の実施例を図１を参照して説明する。
１は３相ブラシレスモータであり、各相はそれぞれ直列接続された２巻線からなる。１１ａ、１１ｂはＵ相巻線、１２ａ、１２ｂはＶ相巻線、１３ａ、１３ｂはＷ相巻線であり、添え字ａの付く３巻線および添え字ｂの付く３巻線は、各３巻線どうしはそれぞれ巻数、巻線径などは同一である。

モータ１は、回転式の切り替えスイッチをもち、図１に示すように、接続を切り替えることができる。
切り替えスイッチを構成する、１０１ａ、１０１ｂ〜１０３ａ、１０３ｂは接点であり、１０４はこれらの接点と図示のように接続される回転片である。１０５は回転片を回転させるための励磁コイルであり、一般のメカニカル電磁リレーのコイルに相当する。

励磁コイル１０５が非励磁の場合は、回転片１０４は、図１のＡ方向に回転し、接点１０１ａ、１０２ａ、１０３ａと接続し、各相２巻線、計６巻線は３相Ｙ接続される（Ａポジション）。

励磁コイル１０５が励磁されると、回転片１０４は、図１のＢ方向に回転し、接点１０１ｂ、１０２ｂ、１０３ｂと接続し、各相巻線１１ｂ、１２ｂ、１３ｂを３相Ｙ接続する。
このとき、巻線１１ａ、１２ａ、１３ａの端子はオープンとなる（Ｂポジション）。

２は駆動装置であり、ＤＣ電源装置２１ａとＵ１、Ｖ１、Ｗ１の３相出力をもつ３相ブリッジインバータ２２ａおよび制御装置２３ａからなる。

３相ブリッジインバータ２２ａのＳ１ａ〜Ｓ６ａは、パワーＭＯＳ ＦＥＴまたはバイポーラトランジスタなどの半導体スイッチ素子であり、ＤＣ電源装置２１ａから電源入力端子＋、−を経て供給される直流電力を３相交流電力に変換し、モータ１の３相各相の巻線に、駆動電力を供給する。ダイオードＤ１ａ〜Ｄ６ａはモータ巻線が発生する逆起電圧により導通し、巻線のインダクタンスに充電されたエネルギをＤＣ電源装置２１ａに回生する。

制御装置２３ａは、３相ブリッジインバータ２２ａの半導体スイッチＳ１ａ〜Ｓ６ａの開閉制御および励磁コイル１０５を通じて、切り替えスイッチを制御する。

制御装置２３ａの３相ブリッジインバータ２２ａに対する制御は、文献１に記載されている「３相１２０°通電矩形波駆動」や「３相正弦波駆動」などの従来技術がそのまま適用できる。

図５は、モータ１の静特性を表わす。横軸はモータの出力トルクＴ、縦軸はモータの回転速度Ｎ、および巻線電流Ｉである。モータ１の切り替えスイッチの回転片１０４が、図１のＡまたはＢポジションにあるときの特性は、それぞれ図５の特性ＡまたはＢとなる。

制御装置２３ａは、モータの出力トルクが、図５のトルクＴｃより大きい場合は、切り替えスイッチをＡポジションに、トルクＴｃより小さい場合は、Ｂポジションに設定する。すなわち、トルクＴｃにおいて、切り替えスイッチを切り替える。

この結果、第１の実施例の特性は、図５の実線で示すとおりとなる。すなわち、モータ起動時においては、回転数は停止もしくは低速でかつ大きなトルクが得られる特性となり、起動後の定常回転時には低トルクではあるが、高速回転が得られる特性となる。

前記モータ１内の切り替えスイッチは、半導体スイッチを使用してもよいし、またモータ１の外部に設置してもよいことは、いうまでもない。
また、本実施例においては、各相それぞれ２巻線であるが、３巻線以上とし、特性をより滑らかにすることも可能である。

切り替えスイッチの切り替え直前から切り替え直後までの短時間、３相ブリッジインバータ２２ａの半導体スイッチＳ１ａ〜Ｓ６ａをすべてＯＦＦとすることにより、切り替えスイッチの接点のアーク放電を防止し、接点の磨耗を低減することができる。

本発明の第２の実施例を図２を参照して説明する。
１は３相ブラシレスモータであり、各相はそれぞれ直列接続された２巻線からなる。１１ａ、１１ｂはＵ相巻線、１２ａ、１２ｂはＶ相巻線、１３ａ、１３ｂはＷ相巻線であり、添え字ａの付く３巻線および添え字ｂの付く３巻線は各３巻線どうしは、それぞれ巻数、巻線径などは同一である。

直列接続された各相の２巻線は３相Ｙ接続され、図２に示すように、Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１およびＵ２、Ｖ２、Ｗ２の２組の端子が外部に引き出されている。

２は駆動装置であり、ＤＣ電源装置２１ａとＵ１、Ｖ１、Ｗ１の３相出力をもつ３相ブリッジインバータ２２ａ、Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２の３相出力をもつ３相ブリッジインバータ２２ｂ、およびインバータ２２ａ、２２ｂをそれぞれ制御する、制御装置２３ａ、２３ｂからなる。

駆動装置２の各部の動作は、前述の第１の実施例と同様であり、従来技術がそのまま適用できる点についても同様である。

図５は、前述の第１の実施例と同様、モータ１の静特性を表わす。

モータの出力トルクが、図５のトルクＴｃより大きい場合は、３相ブリッジインバータ２２ａの３相出力Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１からモータ１が駆動され、３相ブリッジインバータ２２ｂの半導体スイッチＳ１ｂ〜Ｓ６ｂはすべてＯＦＦとなり、３相出力Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２の各端子はオープンとなる。

モータの出力トルクが、図５のトルクＴｃより小さい場合は、３相ブリッジインバータ２２ｂの３相出力Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２からモータ１が駆動され、３相ブリッジインバータ２２ａの半導体スイッチＳ１ａ〜Ｓ６ａはすべてＯＦＦとなり、３相出力Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１の各端子はオープンとなる。
以上により、トルクＴｃにおいて、駆動出力がＵ１、Ｖ１、Ｗ１およびＵ２、Ｖ２、Ｗ２間で切り替わることになる。

この結果、第２の実施例の特性は、図５の実線で示すとおりとなり、第１の実施例と同様の効果を得ることができる。
本実施例においても、第１の実施例同様、各相それぞれ３巻線以上とし、３相ブリッジインバータを各相巻線数分設置し、特性をより滑らかにすることも可能である。

本発明の第３の実施例を図３を参照して説明する。
第３の実施例が、第２の実施例に対して異なる点は、２台の３相ブリッジインバータ２２ａ、２２ｂにそれぞれＤＣ電源装置２１ａ、２１ｂが設置されていることである。

これにより、２台のＤＣ電源の電圧や最大電流を異なる値にすることができるため、図５の特性Ａ，Ｂをより最適化することができる。

文献１

「モータ技術実用ハンドブック（ＩＳＢＮ４−５２６−０４７１５−５）」（２００１年３月２３日、日刊工業新聞社）第３章３．２．２項。

本発明は、１台のモータの各相に複数の巻線を設け、特定のトルク値の前後において、巻数を変える効果を得ることによって、低トルク領域では高回転速度、また、高トルク領域では低回転速度となる特性のモータが得られる。

上記特性はたとえば、電動自動車、電動運搬車または電動バイクなどの電動車両に使用されるモータが、車両の起動時には低速回転ではあるが高トルクを、起動後の定常運転時には低トルクでよいが高速回転を必要とすることから、この両方を兼ね備えた本件モータが、これらの用途に好適に利用可能である。

本発明の第１の実施形態によるモータ装置である。 本発明の第２の実施形態によるモータ装置である。 本発明の第３の実施形態によるモータ装置である。 従来のモータ装置である。 本発明のモータ装置の動作特性図である。

符号の説明

１：モータ装置
１１ａ、１１ｂ〜１３ａ、１３ｂ：ステータ巻線
１０１ａ、１０１ｂ〜１０３ａ、１０３ｂ：切り替えスイッチの固定側接点
１０４：切り替えスイッチの回転片（可動側接点）
１０５：切り替えスイッチの励磁コイル
２：駆動装置
２１ａ、２１ｂ：ＤＣ電源装置
２２ａ、２２ｂ：３相ブリッジインバータ
Ｄ１ａ、Ｄ１ｂ〜Ｄ６ａ、Ｄ６ｂ：ダイオード
Ｓ１ａ、Ｓ１ｂ〜Ｓ６ａ、Ｓ６ｂ：半導体スイッチ素子
２３ａ、２３ｂ：制御装置

Claims (2)

1. 直列に接続された複数個のステータ巻線を各相に有し、各相巻線を３相接続し、複数個のステータ巻線の接続点にタップを設けた、３相ブラシレスモータと、複数個のステータ巻線の接続端子およびタップを選択切り替えするための機構と、該モータを駆動する駆動装置とからなり、動作特性を改善できることを特徴とするモータ装置。
2. 直列に接続された複数個のステータ巻線を各相に有し、各相巻線を３相接続し、複数個のステータ巻線の接続点にタップを設けた、３相ブラシレスモータと、複数個のステータ巻線の接続端子およびタップに、駆動電力を選択供給するための複数の駆動装置とからなり、動作特性を改善できることを特徴とするモータ装置。

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