JP2012227980A - 交流電動機の巻線切替装置及び交流電動機駆動システム - Google Patents

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Abstract

【課題】各電機子巻線に対する機能的悪影響を防止しつつ、２つの電機子巻線を円滑に切り替える。
【解決手段】インバータにより給電される３相交流モータ２に備えられた複数相の第１電機子巻線１１及び第２電機子巻線１２に係わる巻線切り替えを行う、交流電動機の巻線切替装置３であって、第１電機子巻線１１と第２電機子巻線１２とを直列に接続する接続導電路における当該第１電機子巻線１１と第２電機子巻線１２との間に配置され、第１電機子巻線１１と第２電機子巻線１２との間の電気的接続を遮断して第１電機子巻線１１のみにインバータからの供給電力を導く第１状態と、第１電機子巻線１１と第２電機子巻線１２とを電気的に直列接続して第１電機子巻線１１及び第２電機子巻線１２の両方にインバータからの供給電力を導く第２状態とを、切替可能な、半導体スイッチ素子で構成する第１スイッチＳ１と第２スイッチＳ２を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、交流電動機の巻線切替装置及び交流電動機駆動システムに関する。
従来より工作機械や車両などの駆動源として、交流可変周波数電源により駆動制御を行う交流電動機が広く利用されている。この交流電動機には、電機子として上記の交流可変周波数電源の相数と同じ数の巻線が備えられており、それらの接続構成として例えば３相の場合のＹ結線やデルタ結線などがある。さらに近年では、この交流電動機の速度制御やトルク制御を目的として、当該交流電動機がその内部に上記電源相数分の巻線の集合を２組備え、それら２組の巻線に対して交流可変周波数電源と接続を切り替えることにより電機子の界磁を段階的に変化させる巻線切替装置が提案されている。
従来の巻線切替装置の一例として、例えば、特許文献１に記載のものがある。この特許文献１に記載の巻線切替装置は、交流電動機がその内部に上述した２組の巻線を直列に接続して備え、各組の巻線のそれぞれの出力側（交流可変周波数電源から電力が供給される側と反対側）がそれぞれに対応する２つのスイッチの切り替えにより各相の配線の短絡と遮断を切替可能となっている。スイッチによりその出力側が短絡された巻線は、当該スイッチを中性点としてＹ結線で接続されることになる。つまり２つのスイッチの切り替えの組み合わせによって、２組の巻線のうち交流可変周波数電源に近い方の巻線のみでＹ結線する状態と、２組の巻線を直列に接続した全体でＹ結線する状態とに切り替えることが可能となる。
一つの巻線のみでＹ結線した状態では、インピーダンスが低いので高周波領域でも十分な電流を流すことが可能で高速運転に好適となる。また、直列に接続した２つの巻線全体でＹ結線した状態では、インピーダンスが高いので低周波領域でも十分な電圧を印加することができ、同一電流に対して大きいトルクを発生して低速運転に好適となる。
特許第３９４８００９号公報
しかしながら、上記従来技術の構成では、２つの巻線の間の電気的接続は常に維持されたままであったため、一方の巻線だけを利用する際にも、他方の巻線におけるリアクタンスや自己誘導起電力などの影響を受けて作動性能に影響を与える恐れがあった。
本発明の目的は、各電機子巻線に対する機能的悪影響を防止しつつ、２つの電機子巻線を円滑に切り替えることができる交流電動機の巻線切替装置及び交流電動機駆動システムを提供することにある。
上記目的を達成するために、第１の発明は、インバータにより給電される交流電動機に備えられた複数相の第１電機子巻線及び第２電機子巻線に係わる巻線切り替えを行う、交流電動機の巻線切替装置であって、前記第１電機子巻線と前記第２電機子巻線とを直列に接続する接続導電路における当該第１電機子巻線と第２電機子巻線との間に配置され、前記第１電機子巻線と前記第２電機子巻線との間の電気的接続を遮断することで前記第１電機子巻線及び前記第２電機子巻線のうち前記第１電機子巻線に前記インバータからの供給電力を導く第１状態と、前記第１電機子巻線と前記第２電機子巻線とを電気的に直列接続して前記第１電機子巻線及び前記第２電機子巻線の両方に前記インバータからの供給電力を導く第２状態とを、切替可能な、第１半導体スイッチ手段を有することを特徴とする。
本願第１発明では、第１電機子巻線にインバータからの供給電力を導いて作動させる第１状態においては、第１半導体スイッチ手段により第１電機子巻線と第２電機子巻線との間の電気的接続を遮断する。これにより、一方の電機子巻線だけを利用する際にも他方の電機子巻線における影響を受ける従来構造と異なり、第１電機子巻線は、第２電機子巻線からの電気的影響を受けずに定格通りの作動性能を発揮することができる。また、第１電機子巻線及び第２電機子巻線の両方にインバータからの供給電力を導いて作動させる第２状態においては、第１半導体スイッチ手段により第１電機子巻線と第２電機子巻線とを電気的に直列接続する。これにより、両方の電機子巻線の作動性能を定格通りに発揮することができる。
また、本願第１発明においては、半導体スイッチ素子で構成する第１半導体スイッチ手段により第１電機子巻線と第２電機子巻線との間の電気的な接続と遮断の切り替えを瞬時に行う。これにより、例えば機械的スイッチ手段の場合に生じるチャタリングなどの電気的衝撃を無くし、２つの電機子巻線の間で上記リアクタンスや自己誘電起電力などによる電磁気的影響を機能的に遮断することができる。
これらの結果、各電機子巻線に対する機能的悪影響を防止しつつ、２つの電機子巻線を円滑に切り替えることができる。
第２発明は、上記第１発明において、前記第１半導体スイッチ手段は、前記第１状態において当該第１状態に対応した第１電気的中性点と前記第１電機子巻線の前記インバータに接続される側と反対側の第１巻線出力端子とを接続するとともに、前記第２状態において前記第１電気的中性点と前記第１巻線出力端子とを遮断する、第１スイッチ手段と、前記第２状態において前記第１電機子巻線と前記第２電機子巻線とを直列に接続するとともに、前記第１状態において前記第１電機子巻線と前記第２電機子巻線とを遮断する、第２スイッチ手段と、を備え、前記第２電機子巻線は、前記第２スイッチ手段に接続される側と反対側の第２巻線出力端子が前記第２状態に対応した第２電気的中性点に接続していることを特徴とする。
このように第１半導体スイッチ手段を構成し、第１電気的中性点と第２電気的中性点とを接続することで、２つの電機子巻線を使用したＹ結線に対する上記第１状態と第２状態との切り替えを簡易な配線構成で実現することができる。また、第１電機子巻線にインバータからの供給電力を導いて作動させる第１状態においては、第２スイッチ手段が第１電機子巻線と第２電機子巻線との間の電気的接続を遮断することで、第１電機子巻線が第２電機子巻線からの電気的影響を受けずに定格通りの作動性能を確実に発揮することができる。また、第１電機子巻線と第２電機子巻線の両方が一つのハウジングに収納されて一つのモータを構成する場合、当該ハウジングの内部で上記第２電気的中性点が第２電機子巻線の巻き終わり部分に形成されることで、外部の配線を省略化して交流電動機の組み立てを容易にし、生産性を向上する効果もある。
第３発明は、上記第２発明において、前記第１半導体スイッチ手段は、さらに、前記第１電機子巻線と前記第２電機子巻線との間の電気的接続を遮断して前記第２電機子巻線に前記インバータからの供給電力を導く第３状態と、前記第１電機子巻線と前記第２電機子巻線とを電気的に並列接続して前記第１電機子巻線及び前記第２電機子巻線の両方に前記インバータからの供給電力を導く第４状態とを、切替可能であり、前記第３状態及び前記第４状態において前記第２電機子巻線の前記第２スイッチ手段に接続される側の第２巻線入力端子を前記インバータに接続するとともに、前記第１状態及び前記第２状態において前記第２巻線入力端子と前記インバータとを遮断する、第３スイッチ手段を備え、前記第１スイッチ手段は、前記第４状態において前記第１電気的中性点と前記第１電機子巻線とを接続し、前記第２スイッチ手段は、前記第３状態及び前記第４状態のいずれにおいても前記第１電機子巻線と前記第２電機子巻線とを遮断する、ことを特徴とする。
上記第２発明の構成に加えてこのように第１半導体スイッチ手段を構成し、第１電気的中性点と第２電気的中性点とを接続することで、第２電機子巻線にインバータからの供給電力を導いて作動させる第３状態と、第１電機子巻線及び第２電機子巻線の両方に並列に前記インバータからの供給電力を導いて作動させる第４状態とが可能となり、２つの電機子巻線を使用したＹ結線に対する上記４つの状態の切り替えを簡易な配線構成で実現することができる。また、第２電機子巻線にインバータからの供給電力を導いて作動させる第３状態においては、第２スイッチ手段が第１電機子巻線と第２電機子巻線との間の電気的接続を遮断することで、第２電機子巻線が第１電機子巻線からの電気的影響を受けずに定格通りの作動性能を発揮することができる。
第４発明は、上記第２又は第３発明において、第１スイッチ手段及び前記第２スイッチ手段のそれぞれは、少なくとも、前記複数相の相数と同数の絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ素子を備えることを特徴とする。
これにより、各半導体スイッチ手段における切り替え速度を瞬時に行うことが可能となり、切り替え速度が遅い場合に生じるトルク抜けや制動トルクの発生などの電気的衝撃を大幅に軽減させることができる。
第５発明は、上記第４発明において、前記交流電動機の３相の前記第１電機子巻線及び前記第２電機子巻線に対応して、前記第１スイッチ手段及び前記第２スイッチ手段のそれぞれは、３つの絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ素子を備えることを特徴とする。
これにより、一般的に使用されている３相交流電動機への適用が可能となり、各相にそれぞれ対応して個別に接続する各半導体スイッチの素子には耐電流値が比較的低い汎用的な仕様の絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ素子を使用できる。この結果、発熱を抑制できるとともに巻線切替装置の製造コストを抑えることが可能となる。
第６発明は、上記第５発明において、前記第１スイッチ手段の前記３つの絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ素子と、前記第２スイッチ手段の前記３つの絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ素子とは、１つの半導体モジュールとして一体化されていることを特徴とする。
これにより、巻線切替装置が第１スイッチ手段及び第２スイッチ手段として備える６つの絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ素子を、その周囲の接続配線も含めて汎用的な一つの半導体モジュールで構成することができる。この結果、巻線切替装置の全体における配線の省略化、小型化、及び軽量化が可能となり、例えば電気自動車に適用する場合などにおいて限定された設置空間における配置レイアウトの自由度が向上する。
第７発明は、上記第４乃至第６発明のいずれかにおいて、前記第１スイッチ手段の前記絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ素子は、ノーマリオンタイプのスイッチであり、前記第２スイッチ手段の前記絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ素子は、ノーマリオフタイプのスイッチであることを特徴とする。
第１スイッチ手段側にノーマリオンタイプを用いて、第２スイッチ手段側には上記と逆のノーマリオフタイプを用いることにより、第１状態と第２状態とで切り替えを行う際、第１スイッチ手段側と第２スイッチ手段側とで駆動信号を共通化することができる。
第８発明は、上記第４乃至第６発明のいずれかにおいて、前記第１スイッチ手段の前記絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ素子は、ノーマリオフタイプのスイッチであり、前記第２スイッチ手段の前記絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ素子は、ノーマリオンタイプのスイッチであることを特徴とする。
第２スイッチ手段側にノーマリオンタイプを用いて、第１スイッチ手段側には上記と逆のノーマリオフタイプを用いることにより、第１状態と第２状態とで切り替えを行う際、第１スイッチ手段側と第２スイッチ手段側とで駆動信号を共通化することができる。
第９発明は、上記第１発明において、前記インバータに対して前記第１電機子巻線と前記第２電機子巻線のいずれにも並列に配置され、前記第１状態においては、前記インバータと前記第２電機子巻線との間の電気的接続を遮断して前記第１電機子巻線のみでデルタ結線を構成する前記インバータへの接続と、前記第２状態においては、直列接続した前記第１電機子巻線と前記第２電機子巻線の両方でデルタ結線を構成する前記インバータへの接続とを、切替可能な、第２半導体スイッチ手段を有することを特徴とする。
これにより、第１半導体スイッチ手段と第２半導体スイッチ手段の切り替えを組み合わせることで、第１状態では第１電機子巻線のみでデルタ結線を構成してインバータに接続し、第２状態では直列接続した第１電機子巻線と第２電機子巻線の両方でデルタ結線を構成してインバータに接続することができる。そして第１状態においては、第１半導体スイッチ手段が第１電機子巻線と第２電機子巻線との間の直列的な電気的接続を遮断するとともに、第２半導体スイッチ手段がインバータと第２電機子巻線との間の電気的接続を遮断するため、このときデルタ結線を構成する第１電機子巻線は、第２電機子巻線からの電気的影響を受けずに定格通りの作動性能を発揮することができる。
そして、半導体スイッチ素子で構成する第２半導体スイッチ手段によってもインバータと第２電機子巻線との間の電気的な接続と遮断の切り替えを瞬時に行うため、第１半導体スイッチ手段と同様に電磁気的影響を機能的に遮断することができる。
第１０発明は、上記第９発明において、前記第１半導体スイッチ手段は、前記第２状態において前記第１電機子巻線と前記第２電機子巻線とを直列に接続するとともに、前記第１状態において前記第１電機子巻線と前記第２電機子巻線とを遮断する、第２スイッチ手段を備え、前記第２半導体スイッチ手段は、前記第１状態において前記第１電機子巻線のみでデルタ結線を構成するよう、前記第１電機子巻線の前記インバータに接続される側と反対側の第１巻線出力端子を前記インバータに接続するとともに、前記第２状態において前記第１電機子巻線の前記第１巻線出力端子と前記インバータとを遮断する、第４スイッチ手段と、前記第１状態において前記第２電機子巻線の前記第２スイッチ手段に接続される側と反対側の第２巻線出力端子と前記インバータとを遮断するとともに、第２状態において直列接続した前記第１電機子巻線と前記第２電機子巻線の両方でデルタ結線を構成するよう、前記第２電機子巻線の前記第２巻線出力端子と前記インバータとを接続する、第５スイッチ手段と、を備えることを特徴とする。
このように第１半導体スイッチ手段と第２半導体スイッチ手段を構成し、インバータと接続することで、２つの電機子巻線を使用したデルタ結線に対する上記第１状態と第２状態との切り替えを簡易な配線構成で実現することができる。なお、第１電機子巻線にインバータからの供給電力を導いて作動させる第１状態においては、第２スイッチ手段が第１電機子巻線と第２電機子巻線との間の電気的接続を遮断し、第５スイッチ手段が第２電機子巻線の第２巻線出力端子と前記インバータとの間の電気的接続を遮断することで、第１電機子巻線が第２電機子巻線からの電気的影響を受けずに定格通りの作動性能を発揮することができる。
第１１発明は、上記第１０発明において、前記第１半導体スイッチ手段と前記第２半導体スイッチ手段は、さらに、前記第１電機子巻線と前記第２電機子巻線との間の電気的接続を遮断して前記第２電機子巻線に前記インバータからの供給電力を導く第３状態と、前記第１電機子巻線と前記第２電機子巻線とを電気的に並列接続して前記第１電機子巻線及び前記第２電機子巻線の両方に前記インバータからの供給電力を導く第４状態とを、切替可能であり、前記第１半導体スイッチ手段は、前記第３状態及び前記第４状態において前記第２電機子巻線の前記第２スイッチ手段に接続される側の第２巻線入力端子を前記インバータに接続するとともに、前記第１状態及び前記代２状態において前記第２電機子巻線の前記第２巻線入力端子と前記インバータとを遮断する、第３スイッチ手段を備え、前記第２スイッチ手段は、前記第３状態及び前記第４状態のいずれにおいても前記第１電機子巻線と前記第２電機子巻線とを遮断し、前記第４スイッチ手段は、前記第３状態において前記第１電機子巻線の前記第１巻線出力端子と前記インバータとを遮断し、前記第４状態において前記第１電機子巻線のみでデルタ結線を構成するよう、前記第１電機子巻線の前記第１巻線出力端子を前記インバータに接続し、前記第５スイッチ手段は、前記第３状態及び前記第４状態のいずれにおいても前記第２電機子巻線のみでデルタ結線を構成するよう、前記第２電機子巻線の前記第２巻線出力端子を前記インバータに接続する、ことを特徴とする。
上記第１０発明の構成に加えてこのように第１半導体スイッチ手段及び第２半導体スイッチ手段を構成し、インバータと接続することで、第２電機子巻線にインバータからの供給電力を導いて作動させる第３状態と、第１電機子巻線及び第２電機子巻線の両方に並列に前記インバータからの供給電力を導いて作動させる第４状態とが可能となり、２つの電機子巻線を使用したデルタ結線に対する上記４つの状態の切り替えを簡易な配線構成で実現することができる。なお、第２電機子巻線にインバータからの供給電力を導いて作動させる第３状態においては、第２スイッチ手段が第１電機子巻線と第２電機子巻線との間の電気的接続を遮断することで、第２電機子巻線が第１電機子巻線からの電気的影響を受けずに定格通りの作動性能を発揮することができる。
第１２発明は、上記第２乃至第１１発明のいずれかにおいて、前記インバータ又は前記交流電動機の異常検出状態に対応した、前記巻線切替装置の外部からの非常用切替制御信号に応じて、前記第１電機子巻線及び前記第２電機子巻線を含む複数の電機子巻線に加わる電圧を最小とする電流経路を形成するための、経路切替手段を有することを特徴とする。
これにより、各半導体スイッチ手段、特に２つの電機子巻線の間に配置されている半導体スイッチ手段を過電圧から保護することができる。この結果、交流電動機の駆動制御における安全性を向上することができる。
第１３発明は、上記第１２発明において、前記経路切替手段は、前記第１スイッチ手段及び前記第２スイッチ手段のうち少なくとも一方を兼ねることを特徴とする。
これにより、非常時のための専用のスイッチを別途設けることなく、簡易な構成で半導体スイッチ手段を過電圧から保護することができる。
第１４発明は、上記第１乃至１３発明のいずれかの交流電動機の巻線切替装置を備えた交流電動機駆動システムであって、前記交流電動機は、各相の巻数が同じである複数の電機子巻線を備え、前記巻線切替装置は、複数の半導体スイッチ素子の導通と遮断を適宜組み合わせることで前記複数の電気子巻線を少なくとも３つの巻線状態に切り替え可能とし、かつ、前記交流電動機を駆動するインバータと前記巻線切替装置の切り替え制御を行う切替制御装置を備えたことを特徴とする。
第１５発明は、上記第１４発明において、前記交流電動機駆動システム全体または前記交流電動機駆動システムを備えたアプリケーションにおける各種の異常を検出するセンサをさらに備え、前記切替制御装置が、前記センサの検出信号に基づいて前記巻線切替装置を切替制御することを特徴とするものである。
これらにより、交流電動機駆動システムあるいはこれらをアプリケーションに適用できる。
本発明によれば、各電機子巻線に対する機能的悪影響を防止しつつ、２つの電機子巻線を円滑に切り替えることができる。
本発明の実施形態に係る巻線切替装置を備えた交流電動機駆動システムの構成を模式的に示したブロック図である。 巻線切替装置及び３相交流モータの回路構成を示す図である。 第１スイッチと第２スイッチとを一体化した半導体モジュールを示す図である。 切替制御装置が巻線切替装置の各スイッチに対して行う切り替え制御の内容を示すテーブルである。 第１変形例における巻線切替装置及び３相交流モータの回路構成を示す図である。 第１変形例における切替制御装置が巻線切替装置の各スイッチに対して行う切り替え制御の内容を示すテーブルである。 第２変形例における巻線切替装置及び３相交流モータの回路構成を示す図である。 第２変形例における切替制御装置が巻線切替装置の各スイッチに対して行う切り替え制御の内容を示すテーブルである。 第３変形例における巻線切替装置及び３相交流モータの回路構成を示す図である。 第３変形例における切替制御装置が巻線切替装置の各スイッチに対して行う切り替え制御の内容を示すテーブルである。 第４変形例における巻線切替装置及び３相交流モータの回路構成を示す図である。 第４変形例における切替制御装置が巻線切替装置の各スイッチに対して行う切り替え制御の内容を示すテーブルである。
以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の一実施形態による巻線切替装置を備えた交流電動機駆動システムの構成を模式的に示したブロック図である。
この図１において、交流電動機駆動システム１００は、３相交流モータ２を駆動するものであり、インバータ１と、交流電動機としての上記３相交流モータ２と、巻線切替装置３と、センサ４と、切替制御装置５とを備えている。
インバータ１は、この例では半導体で構成する６つのスイッチ素子ＳＷを備えており、そのうち直列に接続した２つのスイッチ素子ＳＷを３組並列に接続したブリッジにより構成されている。このブリッジ全体に単相直流電力を供給し、６つのスイッチ素子ＳＷをそれぞれ適宜の順序により導通と遮断を繰り返すことで、各組における直列接続の２つのスイッチ素子ＳＷの間から３相交流電力Ｕ，Ｖ，Ｗがインバータ出力として出力される。
３相交流モータ２は、上記インバータ１から出力された３相交流電源により駆動されるモータであり、図中には電機子として界磁制御を行う巻線のみ示している。本実施形態において用いる３相交流モータ２は、同じ巻数である３つの巻線を３相交流の各相Ｕ，Ｖ，Ｗに対応して並列に配置した２つの電機子巻線、すなわち第１電機子巻線１１及び第２電機子巻線１２を備えている。これら２つの電機子巻線１１，１２同士は３相交流モータ２内において互いに電気的な接続はなく、それぞれに対し３相交流モータ２外部からの電気的接続が可能な入力端子及び出力端子が設けられている。第１電機子巻線１１は、３相交流モータ２外部に対し、第１入力端子（第１巻線入力端子）１１ａ（Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１）及び第１出力端子（第１巻線出力端子）１１ｂ（Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２）で電気的な接続が可能である。第２電機子巻線１２は、３相交流モータ２外部に対し、第２入力端子（第２巻線入力端子）１２ａ（Ｕ３，Ｖ３，Ｗ３）及び第２出力端子（第２巻線出力端子）１２ｂ（Ｕ４，Ｖ４，Ｗ４）で電気的な接続が可能である（ただし、後述するように第２出力端子１２ｂを外部からは接続させない例外あり）。なお、この３相交流モータ２は、誘導型または同期型、あるいは回転型または直動型のいずれにも適用可能であり、特に図示しないが、２つの電機子巻線１１，１２はそれら種別の違いに応じて適切に構成・配置すればよい。
巻線切替装置３は、後に詳述するように複数の半導体スイッチ素子を備えている。そして、それら複数の半導体スイッチ素子の導通と遮断とを適宜の組み合わせで切り替えることで、上述したインバータ出力Ｕ，Ｖ，Ｗ、第１入力端子１１ａ（Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１）、第１出力端子１１ｂ（Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２）、第２入力端子１２ａ（Ｕ３，Ｖ３，Ｗ３）、及び第２出力端子１２ｂ（Ｕ４，Ｖ４，Ｗ４）の間の導通と遮断とを切り替える。巻線切替装置３内部の接続回路構成は、本実施形態及び後述する各変形例でそれぞれ異なる（後に詳述）。
センサ４は、上記インバータ１、３相交流モータ２、及び巻線切替装置３を含めた本実施形態の交流電動機駆動システム１００の全体、及びこれを備えたアプリケーション（例えば、電車や電気自動車を含む車両や工作機械など）の全体における、各種の異常を検出し切替制御装置５に検出信号を出力する。
切替制御装置５は、特に図示しないＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、及びＡ／Ｄ変換器などで構成される。この切替制御装置５は、特に図示しない上位制御装置からの指令に基づいて、インバータ１に対し適宜の周波数で３相交流電力を出力させるよう、内部の６つのスイッチ素子ＳＷのそれぞれの導通と遮断の切り替え制御を行う。またこれとともに、切替制御装置５は、巻線切替装置３による、インバータ出力と各電機子巻線１１，１２の各端子１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂとの間の導通及び遮断の切り替え制御を行う。なお、本実施形態において、巻線切替装置３は、第１電機子巻線１１及び第２電機子巻線１２のうち、Ｙ結線とした第１電機子巻線１１のみにインバータ出力を導く第１状態と、第１電機子巻線１１と第２電機子巻線１２とを電気的に直列接続した全体をＹ結線として両方にインバータ出力を導く第２状態と、センサ４から異常が検出された際に各電機子巻線１１，１２に加わる電圧を最小にする非常時の状態と、の３つの状態を選択的に切り替える（後に詳述する）。
図２は、本実施形態における巻線切替装置３及び３相交流モータ２の回路構成を示す図である。この図２において、巻線切替装置３では、インバータ出力がそのまま第１入力端子１１ａに入力するよう、接続されている。また、第１出力端子１１ｂが、第１スイッチ手段としての第１スイッチＳ１を介して各相の配線を一点に短絡させる第１電気的中性点１３に接続されるとともに、第２スイッチ手段としての第２スイッチＳ２を介して第２入力端子１２ａに接続されている。なお、本実施形態では、前述の例外として、第２電機子巻線１２の第２出力端子１２ｂは巻線切替装置３に接続されず、３相交流モータ２の内部においてそのまま各相の配線が一点に短絡される第２電気的中性点１４に対し、接続されている。
このうち上記第１スイッチＳ１と第２スイッチＳ２は、それぞれ、３相に対応する各配線の電気的な導通と遮断を行う３つの半導体スイッチ素子の集合で構成されている。すなわち、上記切替制御装置５からの切り替え制御によって各スイッチＳ１，Ｓ２単位で個別に切り替え制御が行われ、各スイッチＳ１，Ｓ２のそれぞれにおける３つの半導体スイッチ素子が一括して同じ切り替え動作を行う。
また、本実施形態では、各半導体スイッチ素子がＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ）素子で構成されている。そして、図３に示すように第１スイッチＳ１と第２スイッチＳ２とを合わせた６つのＩＧＢＴ素子１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄ，１５Ｅ，１５Ｆが、１つの半導体モジュール１６Ａとして一体化して設けられている。
この半導体モジュール１６Ａにおいては、直列に接続された２つのＩＧＢＴ素子１５Ａ，１５Ｄ（そして１５Ｂ，１５Ｅ、及び１５Ｃ，１５Ｆ）が３組並列に配置されており、各組の両端とそれぞれの直列接続の中間点がモジュール端子として接続可能となっている。このような配線構成で６つのＩＧＢＴ素子１５Ａ〜１５Ｆを備えた半導体モジュール１６Ａは、多様な構成の回路設計に利用できるため汎用性が高く、現在ではこの半導体モジュール１６Ａを１つ又は複数組み込んだ半導体パッケージが広く一般的に製造・流通されている。この結果、モジュール単位のコストを比較的低くすることができる。
本実施形態では、上記３組のそれぞれにおいて直列接続された２つのＩＧＢＴ素子１５Ａ，１５Ｄ（そして１５Ｂ，１５Ｅ、及び１５Ｃ，１５Ｆ）のうち、各組の一方側の３つのＩＧＢＴ素子１５Ｄ，１５Ｅ，１５Ｆを第１スイッチＳ１とし、各組の他方に対応側の３つのＩＧＢＴ素子１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃを第２スイッチＳ２として利用することができる。そして、対応する組み合わせの３つのモジュール端子（各組における上記直列接続の中間点）をそれぞれ第１出力端子１１ｂ、第２入力端子１２ａ、第１電気的中性点１３に接続することができる。
以上のように、第１電機子巻線１１と第２電機子巻線１２とを直列に接続する接続導電路における当該第１電機子巻線１１と第２電機子巻線１２との間に配置され、半導体スイッチ素子で構成された第１スイッチＳ１及び第２スイッチＳ２が、各請求項記載の第１半導体スイッチ手段を構成する。
図４は、本実施形態において切替制御装置５が巻線切替装置３の各スイッチＳ１，Ｓ２に対して行う切り替え制御の内容を示すテーブルである。
既に述べたように、本実施形態において巻線切替装置３は、Ｙ結線とした第１電機子巻線１１にインバータ出力を導く第１状態と、第１電機子巻線１１と第２電機子巻線１２とを電気的に直列接続した全体をＹ結線として両方にインバータ出力を導く第２状態と、センサ４から異常が検出された際に各電機子巻線１１，１２に加わる電圧を最小にする非常時の状態と、の３つの状態を選択的に切り替える。
具体的には、図４に示すように、第１状態を実現する際には、切替制御装置５が巻線切替装置３の第１スイッチＳ１をＯＮ（導通；以下同様）とし、第２スイッチＳ２をＯＦＦ（遮断；以下同様）とする。これにより、第１電気的中性点１３を接続してＹ結線された第１電機子巻線１１のみがインバータ１に接続される状態、言い換えると、第１電機子巻線１１と第２電機子巻線１２との間の電気的接続が遮断されて第１電機子巻線１１のみにインバータ１からの供給電力が導かれる、上記第１状態に切り替えられる。この際には、インピーダンスが低いため高周波領域でも十分な電流を流すことができ、３相交流モータ２を高速で駆動するのに好適な状態となる。
また、第２状態を実現する際には、切替制御装置５が巻線切替装置３の第１スイッチＳ１をＯＦＦとし、第２スイッチＳ２をＯＮとする。これにより、第１電機子巻線１１と第２電機子巻線１２とが直列に接続されその全体が第２電気的中性点１４を介したＹ結線となってインバータ１に接続される状態、言い換えると、第１電機子巻線１１と第２電機子巻線１２とが電気的に直列接続されて第１電機子巻線１１及び第２電機子巻線１２の両方にインバータ１からの供給電力が導かれる、上記第２状態に切り替えられる。この際には、インピーダンスが高いので低周波領域でも十分な電圧を印加することができ、同一電流に対して３相交流モータ２に大きいトルクを発生させることができ、低速駆動に好適な状態となる。
なお、以上の第１状態と第２状態との切り替えは、例えば３相交流モータ２の回転速度が所定の閾値速度より速い場合は第１状態、遅い場合は第２状態に切り替えるようにしてもよいし、誘起電圧と直流電圧との関係により切り替えるようにしてもよい。
そして上記センサ４から異常が検出された場合には、切替制御装置５が巻線切替装置３の第１スイッチＳ１をＯＮとし、第２スイッチＳ２をＯＦＦとすることで、２つの電機子巻線１１，１２それぞれに加わる電圧を最小にできる上記非常時の状態に切り替えられる。このとき異常を検出したセンサ４から出力される検出信号が各請求項記載の非常用切替制御信号を構成し、第１スイッチＳ１及び第２スイッチＳ２が経路切替手段を構成する。
以上説明したように、本実施形態においては、第１電機子巻線１１のみにインバータ１からの供給電力を導いて作動させる第１状態において、第２スイッチＳ２により第１電機子巻線１１と第２電機子巻線１２との間の電気的接続を遮断する。これにより、一方の電機子巻線だけを利用する際にも他方の電機子巻線における影響を受ける従来構造と異なり、第１電機子巻線１１は、第２電機子巻線１２におけるリアクタンスや自己誘導起電力などの電気的影響を受けずに定格通りの作動性能を発揮することができる。また、第１電機子巻線１１及び第２電機子巻線１２の両方にインバータ１からの供給電力を導いて作動させる第２状態においては、第２スイッチＳ２により第１電機子巻線１１と第２電機子巻線１２とを電気的に直列接続する。これにより、両方の電機子巻線１１，１２の作動性能を定格通りに発揮することができる。
また、半導体スイッチ素子で構成する第２スイッチＳ２により、第１電機子巻線１１と第２電機子巻線１２との間の電気的な導通と遮断の切り替えを瞬時に行う。これにより、例えば機械的スイッチ手段の場合に生じるチャタリングなどの電気的衝撃を無くし、２つの電機子巻線１１，１２の間で上記リアクタンスや自己誘電起電力などによる電磁気的影響を機能的に遮断することができる。以上の結果、本実施形態においては、各電機子巻線１１，１２に対する機能的悪影響を防止しつつ、２つの電機子巻線１１，１２を円滑に切り替えることができる。
また、この実施形態では特に、２つの電機子巻線１１，１２を使用したＹ結線に対する上記第１状態と第２状態との切り替えを、簡易な配線構成で実現することができる。なお、第１電機子巻線１１のみにインバータ１からの供給電力を導いて作動させる第１状態においては、第２スイッチＳ２が第１電機子巻線１１と第２電機子巻線１２との間の電気的接続を遮断することで、第１電機子巻線１１が第２電機子巻線１２からの電気的影響を受けずに定格通りの作動性能を確実に発揮することができる。また、第１電機子巻線１１と第２電機子巻線１２の両方を一つのハウジングに収納して一つの３相交流モータ２を構成するようにすれば、当該ハウジングの内部で上記第２電気的中性点１４が第２電機子巻線１２の巻き終わり部分に形成されることで、外部の配線を省略化して３相交流モータ２の組み立てを容易にし、生産性を向上する効果もある。
また、この実施形態では特に、３相交流モータ２の３相の第１電機子巻線１１及び第２電機子巻線１２に対応して、第１スイッチＳ１と第２スイッチＳ２のそれぞれが、相数と同数、すなわち３つのＩＧＢＴ素子１５Ａ〜１５Ｃ（又は１５Ｄ〜１５Ｆ）を備えている。これにより、各スイッチＳ１，Ｓ２における切り替え速度を瞬時に行うことが可能となり、切り替え速度が遅い場合に生じるトルク抜けや制動トルクの発生などの電気的衝撃を大幅に軽減させることができる。また、一般的に使用されている３相交流モータ２への適用が可能となり、各相にそれぞれ対応して個別に接続する各半導体スイッチ素子として、耐電流値が比較的低い汎用的な仕様のＩＧＢＴ素子を使用することができる。この結果、発熱を抑制できるとともに巻線切替装置３の製造コストを抑えることができる。
また、この実施形態では特に、第１スイッチＳ１の３つのＩＧＢＴ素子１５Ｄ，１５Ｅ，１５Ｆと、第２スイッチＳ２の３つのＩＧＢＴ素子１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃとが、１つの半導体モジュール１６Ｂとして一体化されている。これにより、巻線切替装置３が第１スイッチＳ１及び第２スイッチＳ２として備える６つのＩＧＢＴ素子１５Ａ〜１５Ｆを、その周囲の接続配線も含めて汎用的な１つの半導体モジュール１６Ｂで構成できる。この結果、巻線切替装置３の全体における配線の省略化、小型化、及び軽量化を行うことができ、例えば電気自動車に適用する場合などにおいて限定された設置空間における配置レイアウトの自由度が向上する。
また、例えば、３相交流モータ２の高速回転時に巻線切替装置３が第２状態（低速適合状態）となった場合には、２つの電機子巻線１１，１２の間に誘起される電圧が半導体スイッチ素子の耐圧を超える可能性がある。この対策として、本実施形態では特に、インバータ１又は３相交流モータ２の異常検出状態に対応したセンサ４からの検出信号に応じて、第１スイッチＳ１と第２スイッチＳ２が、第１電機子巻線１１及び第２電機子巻線１２に加わる電圧を最小とする電流経路を形成する。すなわち、上記センサ４から異常が検出された場合、つまり、例えば３相交流モータ２に設けたロータリエンコーダなどの速度検出器（特に図示せず）の故障、各種信号線の断線、または速度演算器の誤作動などといった速度検出に関わる異常が検出された場合には、非常時とみなして、切替制御装置５が巻線切替装置３の第１スイッチＳ１をＯＮとし、第２スイッチＳ２をＯＦＦとする。この結果、２つの電機子巻線１１，１２それぞれに加わる電圧を最小として、各半導体スイッチ素子、特に２つの電機子巻線１１，１２の間に配置されている第２スイッチＳ２を過電圧から保護することができる。
このとき、本実施形態では特に、第１スイッチＳ１及び第２スイッチＳ２が、第１電機子巻線１１及び第２電機子巻線１２に加わる電圧を最小とする上記電流経路を形成する。ことにより、非常時のための専用のスイッチを別途設けることなく、簡易な構成で各半導体スイッチ素子を過電圧から保護することができる。
なお、上記図４の表に示すように、第１状態と第２状態のいずれにおいても、第１スイッチＳ１と第２スイッチＳ２は互いにＯＮ・ＯＦＦ状態が逆の関係にあり、また第１状態と第２状態の切り替えに伴って第１スイッチＳ１と第２スイッチＳ２がそれぞれ逆のＯＮ・ＯＦＦ状態に切り替わることが分かる。この点に着目して、第１スイッチＳ１をノーマリオンタイプのＩＧＢＴ素子で構成し、第２スイッチＳ２をノーマリオフタイプのＩＧＢＴ素子で構成して、両方のスイッチを共通の制御線で切替制御する構成としてもよい。
この場合、共通の制御線において駆動信号が出力されていな通常状態では、ノーマリオンタイプの第１スイッチＳ１がＯＮとなり、ノーマリオフタイプの第２スイッチＳ２がＯＦＦとなるので、巻線切替装置３は第１状態に切り替えられる。また、共通の制御線において駆動信号が出力された非通常状態では、ノーマリオンタイプの第１スイッチＳ１がＯＦＦとなり、ノーマリオフタイプの第２スイッチＳ２がＯＮとなるので、巻線切替装置３は第２状態に切り替えられる。これにより、切替制御装置５と巻線切替装置３との間の配線を省略化でき、システム全体の構成を簡易化できる。なお、逆に、第１スイッチＳ１をノーマリオフタイプとし、第２スイッチＳ２をノーマリオンタイプとしてもよく、この場合には共通の制御線における駆動信号の出力・非出力の切り替えで、上記と逆に第１状態と第２状態とが切り替わる。
なお、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、その趣旨及び技術的思想を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。以下、そのような変形例を順を追って説明する。なお、上記実施形態と同等の部分については、同じ符号を付し適宜説明を省略又は簡略化する。
（１）Ｙ結線で第１及び第２状態以外の状態（第３状態及び第４状態）にも切り替える場合
上記実施形態では、第１電機子巻線１１だけをＹ結線で利用する第１状態と、直列接続した第１電機子巻線１１と第２電機子巻線１２の全体をＹ結線で利用する第２状態の２通りだけに切り替える構成としていたが、本発明はこれに限られない。例えば、さらに第２電機子巻線１２だけをＹ結線で利用する第３状態と、第１電機子巻線１１と第２電機子巻線１２の両方をそれぞれＹ結線として並列に利用する第４状態にも切替可能に構成してもよい。
図５は、そのような第１変形例における巻線切替装置３Ａ及び３相交流モータ２Ａ（この例では上記３相交流モータ２と同様の構成である）の回路構成を示す図である。この図５において、巻線切替装置３Ａは、上記実施形態の図２に示した構成に加えて、第２入力端子１２ａが第３スイッチ手段としての第３スイッチＳ３を介してインバータ１に接続されている。特に図示しないが、この第３スイッチＳ３も、上記同様、また半導体スイッチ素子で構成され、第１スイッチＳ１及び第２スイッチＳ２とともに第１半導体スイッチ手段を構成する。
図６は、本変形例において切替制御装置５が巻線切替装置３Ａの各スイッチＳ１〜Ｓ３に対して行う切り替え制御の内容を示すテーブルである。
上述したように、本変形例において巻線切替装置３Ａは、第１状態、第２状態、及び非常時に加えて、第２電機子巻線１２だけをＹ結線で利用する第３状態と、第１電機子巻線１１と第２電機子巻線１２の両方をそれぞれＹ結線として並列に利用する第４状態の５つの状態を選択的に切り替えるものである。
具体的には、図６のテーブルに示すように、第１状態を実現する際には、切替制御装置５が、巻線切替装置３Ａの第３スイッチＳ３をＯＦＦとした状態で、第１スイッチＳ１をＯＮとし、第２スイッチＳ２をＯＦＦとする。これにより、上記第１状態へと切り替えられる。また、第２状態を実現する際には、切替制御装置５は、巻線切替装置３Ａの第３スイッチＳ３をＯＦＦとした状態で、第１スイッチＳ１をＯＦＦとし、第２スイッチＳ２をＯＮとする。これにより、上記第２状態へと切り替えられる。
さらに、第３状態を実現する際には、切替制御装置５が巻線切替装置３Ａの第１スイッチＳ１をＯＦＦとし、第２スイッチＳ２をＯＦＦとし、第３スイッチＳ３をＯＮとする。これにより、第２電気的中性点１４が接続されてＹ結線された第２電機子巻線１２のみがインバータ１に接続される状態、言い換えると、第１電機子巻線１１と第２電機子巻線１２との間の電気的接続が遮断されて第２電機子巻線１２のみにインバータ１からの供給電力が導かれる、上記第３状態に切り替えられる。この際には、第１状態と同等にインピーダンスが低いため高周波領域でも十分な電流を流すことができ、３相交流モータ２Ａを高速で駆動するのに好適な状態となる。
また、第４状態を実現する際には、切替制御装置５が巻線切替装置３Ａの第１スイッチＳ１をＯＮとし、第２スイッチＳ２をＯＦＦとし、第３スイッチＳ３をＯＮとする。これにより、それぞれＹ結線された第１電機子巻線１１と第２電機子巻線１２との両方が並列にインバータ１に接続される状態、言い換えると、第１電機子巻線１１と第２電機子巻線１２とが電気的に並列接続されて第１電機子巻線１１及び第２電機子巻線１２の両方にインバータ１からの供給電力を導かれる、上記第４状態に切り替えられる。この際には、第１状態と同等にインピーダンスが低いため高周波領域でも十分な電流を流すことができ、３相交流モータ２Ａを高速で駆動するのに好適な状態となる。
そして上記センサ４から異常が検出された場合には、切替制御装置５が巻線切替装置３Ａの第１スイッチＳ１をＯＮとし、第２スイッチＳ２をＯＦＦとし、第３スイッチＳ３をＯＮとすることで、２つの電機子巻線１１，１２それぞれに加わる電圧を最小にできる上記非常時の状態に切り替えられる。このとき、各スイッチＳ１〜Ｓ３が経路切替手段を構成する。
以上説明した本変形例によっても、上記実施形態と同様の効果を得る。また、本変形例においては、上記実施形態の第１状態及び第２状態に加えて、第２電機子巻線１２のみにインバータ１からの供給電力を導いて作動させる第３状態と、第１電機子巻線１１及び第２電機子巻線１２の両方に並列に前記インバータ１からの供給電力を導いて作動させる第４状態とが可能となる。これにより、２つの電機子巻線１１，１２を使用したＹ結線に対する上記４つの状態の切り替えを簡易な配線構成で実現することができる。なお、第２電機子巻線１２のみにインバータ１からの供給電力を導いて作動させる第３状態においては、第２スイッチＳ２が第１電機子巻線１１と第２電機子巻線１２との間の電気的接続を遮断することで、第２電機子巻線１２が第１電機子巻線１１からの電気的影響を受けずに定格通りの作動性能を発揮することができる。
なお、上記実施形態では第１スイッチＳ１と第２スイッチＳ２の組み合わせで、上記図３に示した一つの半導体モジュール１６Ａを構成したが、本変形例では第２スイッチＳ２と第３スイッチＳ３の組み合わせで一つの半導体モジュールを構成することもできる。
（２）デルタ結線で第１状態と第２状態とに切り替える場合
上記実施形態では、第１状態と第２状態でそれぞれ電機子巻線１１，１２をＹ結線で利用していたが、本発明はこれに限られない。例えば、第１状態と第２状態でそれぞれ電機子巻線１１，１２をデルタ結線で利用するよう構成してもよい。
図７は、そのような第２変形例における巻線切替装置３Ｂ及び３相交流モータ２Ｂの回路構成を示す図である。この図７において、巻線切替装置３Ｂでは、インバータ出力がそのまま第１入力端子１１ａに入力するよう、接続されている。また、第１出力端子１１ｂが、第２スイッチ手段としての第２スイッチＳ２を介して第２入力端子１２ａに接続されるとともに、第４スイッチ手段としての第４スイッチＳ４を介してインバータ１に接続されている。また、第２出力端子１２ｂは、第５スイッチ手段としての第５スイッチＳ５を介してインバータ１に接続されている。
ここで、第４スイッチＳ４を介した第１出力端子１１ｂとインバータ１との接続については、対応する相の配線同士を接続するのではなく、第１出力端子１１ｂのＵ相（図中のＵ２）をインバータ１のＶ相（図中のＶ）に接続し、第１出力端子１１ｂのＶ相（図中のＶ２）をインバータ１のＷ相（図中のＷ）に接続し、第１出力端子１１ｂのＷ相（図中のＷ２）をインバータ１のＵ相（図中のＵ）に接続している。これにより、第４スイッチＳ４を接続した際には、第１電機子巻線１１のみでデルタ結線を構成するようになっている。また、第５スイッチＳ５を介した第２出力端子１２ｂとインバータ１との接続についても同様となっている。
以上のように、第１電機子巻線１１と第２電機子巻線１２とを直列に接続する接続導電路における当該第１電機子巻線１１と第２電機子巻線１２との間に配置され、半導体スイッチ素子で構成された第２スイッチＳ２が、各請求項記載の第１半導体スイッチ手段を構成する。また、インバータ１に対して第１電機子巻線１１と第２電機子巻線１２のいずれにも並列に配置され、半導体スイッチ素子で構成される第４スイッチＳ４と第５スイッチＳ５とが各請求項記載の第２半導体スイッチ手段を構成する。
図８は、本変形例において切替制御装置５が巻線切替装置３Ｂの各スイッチＳ２，Ｓ４，Ｓ５に対して行う切り替え制御の内容を示すテーブルである。
上述したように、本変形例において巻線切替装置３Ｂは、デルタ結線とした第１電機子巻線１１のみにインバータ出力を導く第１状態、第１電機子巻線１１と第２電機子巻線１２とを電気的に直列接続した全体をデルタ結線として両方にインバータ出力を導く第２状態、及びセンサ４から異常が検出された際に各電機子巻線１１，１２に加わる電圧を最小にする非常時、の３つの状態を選択的に切り替える。
具体的には、図８のテーブルに示すように、第１状態を実現する際には、切替制御装置５が巻線切替装置３Ｂの第２スイッチＳ２をＯＦＦとし、第４スイッチＳ４をＯＮとし、第５スイッチＳ５をＯＦＦとする。これにより、インバータ１と第２電機子巻線１２との間の電気的接続が遮断されて第１電機子巻線１１のみでデルタ結線が構成されインバータ１へ接続される、上記第１状態に切り替えられる。この際には、インピーダンスが低いため高周波領域でも十分な電流を流すことができ、３相交流モータ２Ｂを高速で駆動するのに好適な状態となる。
また、第２状態を実現する際には、切替制御装置５が巻線切替装置３Ｂの第２スイッチＳ２をＯＮとし、第４スイッチＳ４をＯＦＦとし、第５スイッチＳ５をＯＮとする。これにより、直列接続した第１電機子巻線１１と第２電機子巻線１２との両方でデルタ結線が構成されインバータ１へ接続される、上記第２状態に切り替えられる。この際には、インピーダンスが高いので低周波領域でも十分な電圧を印加することができ、同一電流に対して３相交流モータ２Ｂに大きいトルクを発生させることができ、低速駆動に好適な状態となる。
なお、以上の第１状態と第２状態の切り替えは、例えば３相交流モータ２Ｂの回転速度が所定の閾値速度より速い場合は第１状態、遅い場合は第２状態に切り替えるようにしてもよいし、誘起電圧と直流電圧との関係により切り替えるようにしてもよい。
そして上記センサ４から異常が検出された場合には、切替制御装置５が巻線切替装置３Ｂの第２スイッチＳ２をＯＦＦとし、第４スイッチＳ４をＯＮとし、第５スイッチＳ５をＯＦＦとすることで、２つの電機子巻線１１，１２それぞれに加わる電圧を最小にできる上記非常時の状態に切り替えられる。このとき第２スイッチＳ２、第４スイッチＳ４、及び第５スイッチＳ５が経路切替手段を構成する。
以上説明したように、本変形例においては、第２スイッチＳ２、第４スイッチＳ４、及び第５スイッチＳ５の切り替えを組み合わせることで、第１状態では第１電機子巻線１１のみでデルタ結線を構成してインバータ１に接続し、第２状態では直列接続した第１電機子巻線１１と第２電機子巻線１２の両方でデルタ結線を構成してインバータ１に接続することができる。そして第１状態においては、第２スイッチＳ２が第１電機子巻線１１と第２電機子巻線１２との間の直列的な電気的接続を遮断するとともに、第５スイッチＳ５がインバータ１と第２電機子巻線１２との間の電気的接続を遮断する。これにより、このときデルタ結線を構成する第１電機子巻線１１が、上記実施形態と同様、第２電機子巻線１２からの電気的影響を受けずに定格通りの作動性能を発揮することができる。また、半導体スイッチ素子で構成する第５スイッチＳ５によってもインバータ１と第２電機子巻線１２との間の電気的な導通と遮断の切り替えを瞬時に行う。これにより、前述と同様、電磁気的影響を機能的に遮断することができる。
また、この変形例では特に、２つの電機子巻線１１，１２を使用したデルタ結線に対する上記第１状態と第２状態との切り替えを、簡易な配線構成で実現することができる。なお、第１電機子巻線１１のみにインバータ１からの供給電力を導いて作動させる第１状態においては、第２スイッチＳ２が第１電機子巻線１１と第２電機子巻線１２との間の電気的接続を遮断し、第５スイッチＳ５が第２電機子巻線１２の第２出力端子１２ｂとインバータ１との間の電気的接続を遮断することで、第１電機子巻線１１が第２電機子巻線１２からの電気的影響を受けずに定格通りの作動性能を発揮することができる。
なお、本変形例では第４スイッチＳ４と第５スイッチＳ５の組み合わせでも、上記図３に示したような一つの半導体モジュールを構成できる。
（３）デルタ結線で第３状態と第４状態とに切り替える場合
上記第２変形例では、第１電機子巻線１１だけをデルタ結線で利用する第１状態と、直列接続した第１電機子巻線１１と第２電機子巻線１２の全体をデルタ結線で利用する第２状態との、２通りだけに切り替える構成としていたが、これに限られない。例えば、さらに第２電機子巻線１２だけをデルタ結線で利用する第３状態と、第１電機子巻線１１と第２電機子巻線１２の両方をそれぞれデルタ結線として並列に利用する第４状態にも切替可能に構成してもよい。
図９は、そのような第３変形例における巻線切替装置３Ｃ及び３相交流モータ２Ｃの回路構成を示す図である。この図９において、巻線切替装置３Ｃでは、上記第２変形例の図７に示した構成に加えて、第２入力端子１２ａが、第３スイッチ手段としての第３スイッチＳ３を介してインバータ１に接続されている。この第３スイッチＳ３もまた半導体スイッチ素子で構成され、第２スイッチＳ２とともに第１半導体スイッチ手段を構成する。
図１０は、本変形例において切替制御装置５が巻線切替装置３Ｃの各スイッチＳ２〜Ｓ５に対して行う切り替え制御の内容を示すテーブルである。
上述したように、本変形例において巻線切替装置３Ｃは、第１状態、第２状態、及び非常時に加えて、第２電機子巻線１２だけをデルタ結線で利用する第３状態と、第１電機子巻線１１と第２電機子巻線１２の両方をそれぞれデルタ結線として並列に利用する第４状態の５つの状態を選択的に切り替える。
具体的には、図１０のテーブルに示すように、第１状態を実現する際には、切替制御装置５が巻線切替装置３Ｃの第２スイッチＳ２をＯＦＦとし、第３スイッチＳ３をＯＦＦとし、第４スイッチＳ４をＯＮとし、第５スイッチＳ５をＯＦＦとする。これにより、上記第１状態に切り替えられる。また、第２状態を実現する際には、第２スイッチＳ２をＯＮとし、第３スイッチＳ３をＯＦＦとし、第４スイッチＳ４をＯＦＦとし、第５スイッチＳ５をＯＮとする。これにより、第２状態に切り替えられる。
さらに、第３状態を実現する際には、切替制御装置５が巻線切替装置３Ｃの第２スイッチＳ２をＯＦＦとし、第３スイッチＳ３をＯＮとし、第４スイッチＳ４をＯＦＦとし、第５スイッチＳ５をＯＮとする。これにより、デルタ結線された第２電機子巻線１２のみがインバータ１に接続される状態、言い換えると第１電機子巻線１１と第２電機子巻線１２との間の電気的接続が遮断されて第２電機子巻線１２のみにインバータ１からの供給電力が導かれる、上記第３状態に切り替えられる。この際には、第２電機子巻線１２の巻数にもよるが、第１状態と同等にインピーダンスが低いため高周波領域でも十分な電流を流すことができ、３相交流モータ２Ｃを高速で駆動するのに好適な状態となる。
また、第４状態を実現する際には、切替制御装置５が巻線切替装置３Ｃの第２スイッチＳ２をＯＦＦとし、第３スイッチＳ３をＯＮとし、第４スイッチＳ４をＯＮとし、第５スイッチＳ５をＯＮとする。これにより、それぞれデルタ結線された第１電機子巻線１１と第２電機子巻線１２の両方が並列にインバータ１に接続される状態、言い換えると第１電機子巻線１１と第２電機子巻線１２とが電気的に並列接続されて第１電機子巻線１１及び第２電機子巻線１２の両方にインバータ１からの供給電力が導かれる、上記第４状態に切り替えられる。この際には、各電機子巻線１１，１２の巻数にもよるが、第１状態と同等にインピーダンスが低いため高周波領域でも十分な電流を流すことができ、３相交流モータ２Ｃを高速で駆動するのに好適な状態となる。
そして上記センサ４から異常が検出された場合には、切替制御装置５が巻線切替装置３Ｃの第２スイッチＳ２をＯＦＦとし、他の第３スイッチＳ３、第４スイッチＳ４、及び第５スイッチＳ５のいずれもＯＮとすることで、２つの電機子巻線１１，１２それぞれに加わる電圧を最小にできる、上記非常時の状態に切り替えられる。このとき第２スイッチＳ２、第３スイッチＳ３、第４スイッチＳ４、及び第５スイッチＳ５が経路切替手段を構成する。
本変形例においても、上記第２変形例と同様、上記実施形態と同様の効果を得る。また、本変形例においては、上述したように、上記第２変形例の第１状態及び第２状態に加えて、第２電機子巻線１２のみにインバータ１からの供給電力を導いて作動させる第３状態と、第１電機子巻線１１及び第２電機子巻線１２の両方に並列にインバータ１からの供給電力を導いて作動させる第４状態とが可能となり、２つの電機子巻線１１，１２を使用したデルタ結線に対する上記４つの状態の切り替えを簡易な配線構成で実現することができる。なお、第２電機子巻線１２のみにインバータ１からの供給電力を導いて作動させる第３状態においては、第２スイッチＳ２が第１電機子巻線１１と第２電機子巻線１２との間の電気的接続を遮断することで、第２電機子巻線１２が第１電機子巻線１１からの電気的影響を受けずに定格通りの作動性能を発揮することができる。
なお、本変形例では、第２スイッチＳ２と第３スイッチＳ３の組み合わせの他に、第３スイッチＳ３と第４スイッチＳ４の組み合わせや、第４スイッチＳ４と第５スイッチＳ５の組み合わせでも、上記図３に示したような一つの半導体モジュールを構成できる。
（４）Ｙ結線とデルタ結線でそれぞれ第１〜４状態に切り替える場合
上記実施形態及び各変形例では、電機子巻線１１，１２において、Ｙ結線かデルタ結線のいずれか一方だけを利用していたが、本発明はこれに限られない。例えば、Ｙ結線とデルタ結線とを切り替え可能に構成してもよい。
図１１は、そのような第４変形例における巻線切替装置３Ｄ及び３相交流モータ２Ｄ（この例では上記３相交流モータ２Ｃと同様の構成である）の回路構成を示す図である。この図１１において、巻線切替装置３Ｄは、上記第３変形例の図９に示した構成に加えて、第１出力端子１１ｂが第１スイッチ手段としての第１スイッチＳ１を介して第１電気的中性点１３に接続され、第２出力端子１２ｂが第６スイッチ手段としての第６スイッチＳ６を介して第２電気的中性点１４に接続されている。この第６スイッチＳ６もまた半導体スイッチ素子で構成されている。
図１２は、本変形例において切替制御装置５が巻線切替装置３Ｄの各スイッチＳ１〜Ｓ６に対して行う切り替え制御の内容を示すテーブルである。
基本的に、本変形例における巻線切替装置３Ｄは、上記実施形態及び各変形例が備えるスイッチを全て備えており、それらの切り替えの組み合わせによってＹ結線での第１〜第４状態と、デルタ結線での第１〜第４状態と、非常時の状態の合計９つの状態を選択的に切り替えるものである。
具体的には、図１２のテーブルに示すように、まずＹ結線において第１状態を実現する際には、切替制御装置５が巻線切替装置３Ｄの第１スイッチＳ１をＯＮとし、第２〜６スイッチＳ２〜Ｓ６を全てＯＦＦとする。これにより、Ｙ結線された第１電機子巻線１１のみがインバータ１に接続される上記第１状態に切り替えられる。
また、Ｙ結線において第２状態を実現する際には、第１スイッチＳ１をＯＦＦとし、第２スイッチＳ２をＯＮとし、第３〜５スイッチＳ３〜Ｓ５をＯＦＦとし、第６スイッチＳ６をＯＮとする。これにより、第１電機子巻線１１と第２電機子巻線１２とが直列に接続してその全体が第２電気的中性点１４を介したＹ結線となってインバータ１に接続される上記第２状態に切り替えられる。
また、Ｙ結線において第３状態を実現する際には、第１〜２スイッチＳ１〜Ｓ２をＯＦＦとし、第３スイッチＳ３をＯＮとし、第４〜５スイッチＳ４〜Ｓ５をＯＦＦとし、第６スイッチＳ６をＯＮとする。これにより、Ｙ結線された第２電機子巻線１２のみがインバータ１に接続される上記第３状態に切り替えられる。
また、Ｙ結線において第４状態を実現する際には、第１スイッチＳ１をＯＮとし、第２スイッチＳ２をＯＦＦとし、第３スイッチＳ３をＯＮとし、第４〜５スイッチＳ４〜Ｓ５をＯＦＦとし、第６スイッチＳ６をＯＮとする。これにより、それぞれＹ結線された第１電機子巻線１１と第２電機子巻線１２の両方を並列にインバータ１に接続される上記第４状態に切り替えられる。
また、デルタ結線において第１状態を実現する際には、第１〜３スイッチＳ１〜Ｓ３をＯＦＦとし、第４スイッチＳ４をＯＮとし、第５〜６スイッチＳ５〜Ｓ６をＯＦＦとする。これにより、デルタ結線された第１電機子巻線１１のみがインバータ１に接続される上記第１状態に切り替えられる。
また、デルタ結線において第２状態を実現する際には、第１〜第２スイッチＳ１〜Ｓ２をＯＦＦとし、第３スイッチＳ３をＯＮとし、第４スイッチＳ４をＯＦＦとし、第５スイッチＳ５をＯＮとし、第６スイッチＳ６をＯＦＦとする。これにより、第１電機子巻線１１と第２電機子巻線１２とが直列に接続してその全体がデルタ結線となってインバータ１に接続される上記第２状態に切り替えられる。
また、デルタ結線において第３状態を実現する際には、第１〜２スイッチＳ１〜Ｓ２をＯＦＦとし、第３スイッチＳ３をＯＮとし、第４スイッチＳ４をＯＦＦとし、第５スイッチＳ５をＯＮとし、第６スイッチＳ６をＯＦＦとする。これにより、デルタ結線された第２電機子巻線１２のみがインバータ１に接続される上記第３状態に切り替えられる。
また、デルタ結線において第４状態を実現する際には、第１〜２スイッチＳ１〜Ｓ２をＯＦＦとし、第３〜５スイッチＳ３〜Ｓ５をＯＮとし、第６スイッチＳ６をＯＦＦとする。これにより、それぞれデルタ結線された第１電機子巻線１１と第２電機子巻線１２の両方を並列にインバータ１に接続される上記第４状態に切り替えられる。
そして上記センサ４から異常が検出された場合には、切替制御装置５が巻線切替装置３Ｄの第１スイッチＳ１と第２スイッチＳ２だけをＯＮとし、他の第３〜第６スイッチＳ３〜Ｓ６をＯＦＦとすることで、２つの電機子巻線１１，１２それぞれに加わる電圧を最小にできる非常時の状態に切り替えられる。このとき全ての第１〜６スイッチＳ１〜Ｓ６が経路切替手段を構成する。
本変形例においても、上記実施形態と同様の効果を得る。また、上記したように、Ｙ結線での第１〜４状態と、デルタ結線での第１〜４状態の合計８つの状態を選択的に切り替える配線構成を実現できる。
（５）その他
以上においては、スイッチＳ１〜Ｓ６のいずれかが、経路切替手段を兼用したが、これに限られない。すなわち、スイッチＳ１〜Ｓ６とは別体の経路切替手段を設け、これによって、複数の電機子巻線に加わる電圧を最小とする電流経路を形成するようにしてもよい。
また、以上においては、３相交流モータ２，２Ａ〜Ｄを駆動制御する交流電動機駆動システムを例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、４相以上の多相の交流モータを駆動制御するシステムとしてもよい。この場合も同様の効果を得ることができる。また、３つ以上の電機子巻線を備えた交流モータに適用してもよく、その場合にも同様の効果を得ることができる。
また、各スイッチＳ１〜Ｓ６は、少なくとも半導体スイッチ素子で構成していればよく、上記ＩＧＢＴ素子以外の半導体スイッチ素子でもよい。この場合も、各電機子巻線に対する機能的悪影響を防止しつつ、２つの電機子巻線を円滑に切り替える、という本来の効果を得ることができる。
また、以上既に述べた以外にも、上記実施形態や各変形例による手法を適宜組み合わせて利用しても良い。
その他、一々例示はしないが、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。
１ インバータ
２ ３相交流モータ（交流電動機）
２Ａ〜Ｄ ３相交流モータ（交流電動機）
３ 巻線切替装置
３Ａ〜Ｄ 巻線切替装置
４ センサ
５ 切替制御装置
１１ 第１電機子巻線
１１ａ 第１入力端子
１１ｂ 第１出力端子
１２ 第２電機子巻線
１２ａ 第２入力端子
１２ｂ 第２出力端子
１３ 第１電気的中性点
１４ 第２電気的中性点
１５Ａ〜１５Ｆ ＩＧＢＴ素子
１６Ａ，１６Ｂ 半導体モジュール
１００ 交流電動機駆動システム
Ｓ１ 第１スイッチ
Ｓ２ 第２スイッチ
Ｓ３ 第３スイッチ
Ｓ４ 第４スイッチ
Ｓ５ 第５スイッチ
Ｓ６ 第６スイッチ
ＳＷ スイッチ素子

Claims (15)

  1. インバータにより給電される交流電動機に備えられた複数相の第１電機子巻線及び第２電機子巻線に係わる巻線切り替えを行う、交流電動機の巻線切替装置であって、
    前記第１電機子巻線と前記第２電機子巻線とを直列に接続する接続導電路における当該第１電機子巻線と第２電機子巻線との間に配置され、前記第１電機子巻線と前記第２電機子巻線との間の電気的接続を遮断することで前記第１電機子巻線及び前記第２電機子巻線のうち前記第１電機子巻線に前記インバータからの供給電力を導く第１状態と、前記第１電機子巻線と前記第２電機子巻線とを電気的に直列接続して前記第１電機子巻線及び前記第２電機子巻線の両方に前記インバータからの供給電力を導く第２状態とを、切替可能な、第１半導体スイッチ手段を有する
    ことを特徴とする交流電動機の巻線切替装置。
  2. 請求項１記載の交流電動機の巻線切替装置において、
    前記第１半導体スイッチ手段は、
    前記第１状態において当該第１状態に対応した第１電気的中性点と前記第１電機子巻線の前記インバータに接続される側と反対側の第１巻線出力端子とを接続するとともに、前記第２状態において前記第１電気的中性点と前記第１巻線出力端子とを遮断する、第１スイッチ手段と、
    前記第２状態において前記第１電機子巻線と前記第２電機子巻線とを直列に接続するとともに、前記第１状態において前記第１電機子巻線と前記第２電機子巻線とを遮断する、第２スイッチ手段と、を備え、
    前記第２電機子巻線は、
    前記第２スイッチ手段に接続される側と反対側の第２巻線出力端子が前記第２状態に対応した第２電気的中性点に接続していることを特徴とする交流電動機の巻線切替装置。
  3. 請求項２記載の交流電動機の巻線切替装置において、
    前記第１半導体スイッチ手段は、
    さらに、前記第１電機子巻線と前記第２電機子巻線との間の電気的接続を遮断して前記第２電機子巻線に前記インバータからの供給電力を導く第３状態と、前記第１電機子巻線と前記第２電機子巻線とを電気的に並列接続して前記第１電機子巻線及び前記第２電機子巻線の両方に前記インバータからの供給電力を導く第４状態とを、切替可能であり、
    前記第３状態及び前記第４状態において前記第２電機子巻線の前記第２スイッチ手段に接続される側の第２巻線入力端子を前記インバータに接続するとともに、前記第１状態及び前記第２状態において前記第２巻線入力端子と前記インバータとを遮断する、第３スイッチ手段を備え、
    前記第１スイッチ手段は、前記第４状態において前記第１電気的中性点と前記第１電機子巻線とを接続し、
    前記第２スイッチ手段は、前記第３状態及び前記第４状態のいずれにおいても前記第１電機子巻線と前記第２電機子巻線とを遮断する、
    ことを特徴とする交流電動機の巻線切替装置。
  4. 請求項２又は請求項３記載の交流電動機の巻線切替装置において、
    第１スイッチ手段及び前記第２スイッチ手段のそれぞれは、
    少なくとも、前記複数相の相数と同数の絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ素子を備える
    ことを特徴とする交流電動機の巻線切替装置。
  5. 請求項４記載の交流電動機の巻線切替装置において、
    前記交流電動機の３相の前記第１電機子巻線及び前記第２電機子巻線に対応して、
    前記第１スイッチ手段及び前記第２スイッチ手段のそれぞれは、
    ３つの絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ素子を備える
    ことを特徴とする交流電動機の巻線切替装置。
  6. 請求項５記載の交流電動機の巻線切替装置において、
    前記第１スイッチ手段の前記３つの絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ素子と、前記第２スイッチ手段の前記３つの絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ素子とは、１つの半導体モジュールとして一体化されている
    ことを特徴とする交流電動機の巻線切替装置。
  7. 請求項４乃至請求項６のいずれか１項記載の交流電動機の巻線切替装置において、
    前記第１スイッチ手段の前記絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ素子は、ノーマリオンタイプのスイッチであり、
    前記第２スイッチ手段の前記絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ素子は、ノーマリオフタイプのスイッチである
    ことを特徴とする交流電動機の巻線切替装置。
  8. 請求項４乃至請求項６のいずれか１項記載の交流電動機の巻線切替装置において、
    前記第１スイッチ手段の前記絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ素子は、ノーマリオフタイプのスイッチであり、
    前記第２スイッチ手段の前記絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ素子は、ノーマリオンタイプのスイッチである
    ことを特徴とする交流電動機の巻線切替装置。
  9. 請求項１記載の交流電動機の巻線切替装置において、
    前記インバータに対して前記第１電機子巻線と前記第２電機子巻線のいずれにも並列に配置され、前記第１状態においては、前記インバータと前記第２電機子巻線との間の電気的接続を遮断して前記第１電機子巻線のみでデルタ結線を構成する前記インバータへの接続と、前記第２状態においては、直列接続した前記第１電機子巻線と前記第２電機子巻線の両方でデルタ結線を構成する前記インバータへの接続とを、切替可能な、第２半導体スイッチ手段を有する
    ことを特徴とする交流電動機の巻線切替装置。
  10. 請求項９記載の交流電動機の巻線切替装置において、
    前記第１半導体スイッチ手段は、
    前記第２状態において前記第１電機子巻線と前記第２電機子巻線とを直列に接続するとともに、前記第１状態において前記第１電機子巻線と前記第２電機子巻線とを遮断する、第２スイッチ手段を備え、
    前記第２半導体スイッチ手段は、
    前記第１状態において前記第１電機子巻線のみでデルタ結線を構成するよう、前記第１電機子巻線の前記インバータに接続される側と反対側の第１巻線出力端子を前記インバータに接続するとともに、前記第２状態において前記第１電機子巻線の前記第１巻線出力端子と前記インバータとを遮断する、第４スイッチ手段と、
    前記第１状態において前記第２電機子巻線の前記第２スイッチ手段に接続される側と反対側の第２巻線出力端子と前記インバータとを遮断するとともに、第２状態において直列接続した前記第１電機子巻線と前記第２電機子巻線の両方でデルタ結線を構成するよう、前記第２電機子巻線の前記第２巻線出力端子と前記インバータとを接続する、第５スイッチ手段と、を備える
    ことを特徴とする交流電動機の巻線切替装置。
  11. 請求項１０記載の交流電動機の巻線切替装置において、
    前記第１半導体スイッチ手段と前記第２半導体スイッチ手段は、
    さらに、前記第１電機子巻線と前記第２電機子巻線との間の電気的接続を遮断して前記第２電機子巻線に前記インバータからの供給電力を導く第３状態と、前記第１電機子巻線と前記第２電機子巻線とを電気的に並列接続して前記第１電機子巻線及び前記第２電機子巻線の両方に前記インバータからの供給電力を導く第４状態とを、切替可能であり、
    前記第１半導体スイッチ手段は、
    前記第３状態及び前記第４状態において前記第２電機子巻線の前記第２スイッチ手段に接続される側の第２巻線入力端子を前記インバータに接続するとともに、前記第１状態及び前記代２状態において前記第２電機子巻線の前記第２巻線入力端子と前記インバータとを遮断する、第３スイッチ手段を備え、
    前記第２スイッチ手段は、前記第３状態及び前記第４状態のいずれにおいても前記第１電機子巻線と前記第２電機子巻線とを遮断し、
    前記第４スイッチ手段は、前記第３状態において前記第１電機子巻線の前記第１巻線出力端子と前記インバータとを遮断し、前記第４状態において前記第１電機子巻線のみでデルタ結線を構成するよう、前記第１電機子巻線の前記第１巻線出力端子を前記インバータに接続し、
    前記第５スイッチ手段は、前記第３状態及び前記第４状態のいずれにおいても前記第２電機子巻線のみでデルタ結線を構成するよう、前記第２電機子巻線の前記第２巻線出力端子を前記インバータに接続する、
    ことを特徴とする交流電動機の巻線切替装置。
  12. 請求項２乃至請求項１１のいずれか１項記載の交流電動機の巻線切替装置において、
    前記インバータ又は前記交流電動機の異常検出状態に対応した、前記巻線切替装置の外部からの非常用切替制御信号に応じて、前記第１電機子巻線及び前記第２電機子巻線を含む複数の電機子巻線に加わる電圧を最小とする電流経路を形成するための、経路切替手段を有する
    ことを特徴とする交流電動機の巻線切替装置。
  13. 請求項１２記載の交流電動機の巻線切替装置において、
    前記経路切替手段は、
    前記第１スイッチ手段及び前記第２スイッチ手段のうち少なくとも一方を兼ねる
    ことを特徴とする交流電動機の巻線切替装置。
  14. 請求項１乃至請求項１３のいずれか１項記載の交流電動機の巻線切替装置を備えた交流電動機駆動システムであって、
    前記交流電動機は、
    各相の巻数が同じである複数の電機子巻線を備え、
    前記巻線切替装置は、
    複数の半導体スイッチ素子の導通と遮断を適宜組み合わせることで前記複数の電気子巻線を少なくとも３つの巻線状態に切り替え可能とし、
    かつ、
    前記交流電動機を駆動するインバータと前記巻線切替装置の切り替え制御を行う切替制御装置を備えたことを特徴とする交流電動機駆動システム。
  15. 請求項１４記載の交流電動機駆動システムにおいて、
    前記交流電動機駆動システム全体または前記交流電動機駆動システムを備えたアプリケーションにおける各種の異常を検出するセンサをさらに備え、
    前記切替制御装置が、
    前記センサの検出信号に基づいて前記巻線切替装置を切替制御することを特徴とする交流電動機駆動システム。
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