JP2014007823A - 駆動装置及び電動機の巻線切り換え方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より簡単な構成で固定子巻線の接続形態を切り換え可能な駆動装置を提供する。
【解決手段】実施形態の駆動装置によれば、三相ブリッジ整流回路の各相の入力端子を、電動機の三相デルタ結線された固定子巻線の各相の中点にそれぞれ接続し、制御手段は、三相ブリッジ整流回路の出力端子間に接続される半導体スイッチング素子のオンオフを制御する。そして、半導体スイッチング素子をオンすることで固定子巻線をスター結線に切り換える。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、三相デルタ結線された固定子巻線を備えてなる電動機を駆動する駆動装置及び電動機の巻線切り換え方法に関する。

例えば電気自動車の走行駆動用に使用される交流電動機を可変速制御する場合には、低速走行領域では高トルク出力が要求される一方、高速走行領域ではより誘起電圧を低くすることが要求される。しかしながら、固定子巻線のターン数を前者の特性に合わせて設定すると、後者の特性が達成しにくくなるという問題がある。このような問題に対応する技術としては、例えば特許文献１に開示があるように、２組のインバータを組み合わせて、各インバータの制御方法を変更することで、スター結線とデルタ結線とを切り換える構成を採用したものがある。

特公平７−９９９５９号公報

しかしながら、特許文献１のように２組のインバータを使用すると、その分だけ構成が複雑にならざるを得ない。
そこで、より簡単な構成で固定子巻線の接続形態を切り換え可能な駆動装置及び電動機の巻線切り換え方法を提供する。

実施形態の駆動装置によれば、三相ブリッジ整流回路の各相の入力端子を、電動機の三相デルタ結線された固定子巻線の各相の中点にそれぞれ接続し、制御手段は、三相ブリッジ整流回路の出力端子間に接続される半導体スイッチング素子のオンオフを制御する。そして、半導体スイッチング素子をオンすることで固定子巻線をスター結線に切り換える。

また、実施形態の電動機の巻線切り換え方法によれば、三相デルタ結線された固定子巻線を備えてなる電動機について、固定子巻線の各相の中点を短絡することでスター結線に切り換える。

第１実施形態であり、電動機の駆動装置の構成を示す図 固定子巻線の切り換え制御を示すタイミングチャート 各相間巻線の巻装パターンを、固定子鉄心を展開した状態で示す図 固定子の一部について、各相間巻線の巻装状態をモデル的に示す平面図 電動機の駆動システムを搭載した電気自動車の構成を概略的に示す機能ブロック図 第２実施形態を示す図１相当図 図２相当図 スター結線からデルタ結線に切り換える場合の図２相当図

（第１実施形態）
以下、第１実施形態について図１ないし図５を参照して説明する。図１において、永久磁石型電動機１（以下、単に電動機と称す）の固定子巻線２は三相デルタ結線されており、固定子巻線２の各相端子Ｕ，Ｖ，Ｗは、インバータ回路３（駆動回路）の各相出力端子にそれぞれ接続されている。インバータ回路３は、６個のＩＧＢＴ４Ｕ（±），４Ｖ（±），４Ｗ（±）が三相ブリッジ接続されて構成されている。これらのＩＧＢＴ４のコレクタ，エミッタ間には、フリーホイールダイオードがそれぞれ接続されている。

固定子巻線２における各相間巻線の中点Ｘ，Ｙ，Ｚは、６つのダイオードを三相ブリッジ接続して構成される整流回路５の交流入力端子にそれぞれ接続されている。整流回路５の直流出力端子間には、ＩＧＢＴ６（半導体スイッチング素子），コンデンサ７及び抵抗素子８の並列回路が接続されている。以上が巻線切り換え装置９を構成している。そして、ＩＧＢＴ４及び６のオンオフは、制御回路１０（制御手段）により制御される。尚、以上の構成において、電動機１及び巻線切り換え装置９を除いたものがインバータ装置１００を構成している。

ここで、固定子巻線２を構成するＵＶ，ＶＷ，ＷＵの各相間巻線は、それぞれ２つの相間巻線ＵＶ１及びＵＶ２（第１及び第２巻線），ＶＷ１及びＶＷ２，ＷＵ１及びＷＵ２を直列に接続したものであり、それらの各共通接続点が前記中点Ｘ，Ｙ，Ｚに対応する。図３は各相間巻線の巻装パターンを、固定子鉄心１１を展開した状態で示したもので、各巻線を、ＵＶ１：破線（細），ＵＶ２：実線，ＶＷ１：二点鎖線，ＶＷ２：一点鎖線，ＷＵ１：破線（中），ＷＵ２：破線（粗）で示している。また図４は、固定子の一部を示す平面図であり、各相間巻線の巻装状態をモデル的に示している。

各相間巻線は、間を５スロット空けて分布巻きされており、同じ相間に属する２つの巻線は、１スロットだけずらして巻装されている。これにより、同じ相間に属する２つの巻線の間には４つの空きスロットが存在するが、これらのスロットには、他の相間に属する巻線の一端が巻装されている。例えば、相間巻線ＵＶ１及びＵＶ２の間に位置するスロットには、相間巻線ＶＷ１及びＶＷ２，ＷＵ１及びＷＵ２の一端が巻装されている。

また、固定子巻線２のＵ相端子となる相間巻線ＵＶ１及びＷＵ２の一端と、Ｖ相端子となる相間巻線ＵＶ２及びＶＷ１の一端と、Ｗ相端子となる相間巻線ＶＷ２及びＷＵ１の一端とが、それぞれ隣り合うスロットに位置するように配置されている。固定子鉄心１１は４８スロットであり、各相間巻線ＵＶ１，ＵＶ２，ＶＷ１，ＶＷ２，ＷＵ１，ＷＵ２は、それぞれ４つの単位コイルを直列に連結したものである。

図５は、電動機１を走行駆動用の電動機とし、当該電動機１を駆動するシステムを搭載した電気自動車、あるいはハイブリッド車の構成を概略的に示す機能ブロック図である。１０００は自動車のシャーシであり、組電池パック４００内には図示しない組電池が単数あるいは複数組み込まれている。この電池パック４００のプラス、マイナス電極は、インバータ装置１００を含み電圧を変換すると共に、運転指令を受けて出力電流・電圧のレベル制御及び位相制御などを行う電圧変換及び運転制御部５００に接続されている。

電圧変換及び運転制御部５００の出力は、電動機１に駆動電力として供給される。電動機１の回転は、例えば差動ギアユニットを介して、駆動輪ＷＲ，ＷＬに伝達される。電池管理基板３００は、組電池の状態を管理すると共に通信を行うための回路（制御部、通信インターフェース、記憶部などを含む）が搭載されている。

次に、本実施形態の作用について図２を参照して説明する。制御回路１０は、運転者が操作する電気自動車のアクセルの操作量に応じて電動機１の制御指令が与えられると、その制御指令に応じてインバータ回路３を構成する各ＩＧＢＴ４のゲートにＰＷＭ信号を出力し、固定子巻線２に回転磁界を発生させて電動機１を回転駆動する。以上の構成において、ＩＧＢＴ６をオフにしておけば固定子巻線２はデルタ結線のままであるが、ＩＧＢＴ６をオンすると、各相間巻線の中点Ｘ，Ｙ，Ｚが整流回路５の出力側で短絡されることによりスター結線に切り換えられる。

ここで、固定子巻線２の各相間巻線のインピーダンスをＺとすると、一般的なデルタ／スター変換では、スター変換後のインピーダンスは３Ｚとなり増大する。しかし、本実施形態の固定子巻線２をスター結線に変換すると、相間巻線の中点におけるインピーダンスはＺ／２であり、各巻線の中点を短絡すれば各相のインピーダンスは更にその１／２となる。結果として、デルタ／スター変換後のインピーダンスは３Ｚ／４となり、インピーダンスがデルタ結線の状態よりも小さくなるように変換される。

電動機１を、電気自動車の走行駆動用電動機とする場合、低速走行時であれば出力トルクが大きい方が望ましいが、高速走行時には大きな出力トルクは不要である。そして、電動機の固定子巻線のインピーダンスが大きい方が低速回転時における出力トルクが高くなるが、高速回転時には巻線に発生する誘起電圧が大きくなるため回転数の上昇を妨げる。

そこで、図２に示すように、低速走行時（信号ＳＧ１＝Ｌ）にはＩＧＢＴ６をオフにして固定子巻線２をデルタ結線にしておき、インピーダンスを大きくすることで出力トルクを向上させる。一方、高速走行時（信号ＳＧ１＝Ｈ）には、ゲート信号ＳＧ２をハイレベルにしてＩＧＢＴ６をオンさせ、固定子巻線２をスター結線に切り換える。これにより、電動機１が高速で回転した状態で固定子巻線２に発生する誘起電圧レベルは低下するので、電動機１の最高回転数をより上昇させることができる。

また、固定子巻線２がデルタ結線されている場合、電流は例えばＵＶ相間では巻線ＵＶ１及びＵＶ２に直列に流れるが、スター結線された場合は、Ｕ相については、Ｕ相端子と中性点Ｎとの間に並列接続される巻線ＵＶ１及びＷＵ２に流れる。そして、各相間巻線を図３及び図４に示すパターンで配置することにより、デルタ結線時に巻線ＵＶ１及びＵＶ２に流れる電流と、スター結線時に巻線ＵＶ１及びＷＵ２に流れる電流とによって、それぞれ界磁磁束を適切に発生させることができる。

以上のように本実施形態によれば、整流回路５の各相の入力端子を、電動機１の三相デルタ結線された固定子巻線２の各相の中点Ｘ，Ｙ，Ｚにそれぞれ接続して、制御回路１０により整流回路５の出力端子間に接続されるＩＧＢＴ６のオンオフを制御し、ＩＧＢＴ６をオンすることで固定子巻線２をスター結線に切り換えるようにした。したがって、簡単な構成の巻線切り換え装置９により、固定子巻線２をデルタ結線，スター結線に変換できる。
そして、電気自動車が低速走行領域から高速走行領域に移行する際に、固定子巻線２をスター結線に変換してインピーダンスを低下させるので、例えば最高回転速度を上昇させるため弱め界磁制御を行う場合に通電電流量を低減ができ、電動機１の駆動効率を向上させることができる。

また、固定子巻線２を構成する、各相間巻線ＵＶ１及びＵＶ２，ＶＷ１及びＶＷ２，ＷＵ１及びＷＵ２を、それぞれ固定子鉄心１１に分布巻きする際に、同じ相間に属する２つの巻線を、互いに１スロットずらして巻装し、双方の巻線が共に分布する間のスロットに他の相間巻線の一端を挿入するように巻装した。これにより、デルタ結線時とスター結線時とにおいてそれぞれ界磁磁束を適切に発生させることができる。

（第２実施形態）
図６ないし図８は第２実施形態であり、第１実施形態と異なる部分について説明する。第２実施例では、固定子巻線２の接続を切り換える際に、リレースイッチ（機械式スイッチ）も併用する。各相間巻線の中点Ｘ，Ｙ，Ｚと整流回路５の入力端子との間には、３個で１組のリレースイッチ２１（Ｘ，Ｙ，Ｚ）が挿入されている。また、中点Ｘ，Ｙ，Ｘとリレースイッチ２１（第１機械式スイッチ群）との間には、同様に３個で１組のリレースイッチ２２（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の一端が接続されており、このリレースイッチ２２（第２機械式スイッチ群）の他端は共通に接続されている。リレースイッチ２１及び２２のオンオフ制御は、制御回路１０に換わる制御回路２３によって行われる。

次に、第２実施形態の作用について図７及び図８を参照して説明する。固定子巻線２をデルタ結線にしておく場合には、リレースイッチ２１及び２２を何れもオフにしておく。すなわち、中点Ｘ，Ｙ，Ｚに巻線切り換え装置９を接続しておくと、ＩＧＢＴ６をオフにした状態でも、当該ＩＧＢＴ６やコンデンサ７，抵抗素子８に電流が流れて消費されるので、この電流消費を遮断するためリレースイッチ２１をオフにする。

そして、電気自動車が高速走行領域に移行して信号ＳＧ１がハイレベルになると、図７に示すように、制御回路２３は、（ｄ）先ずリレースイッチ２１をオンして中点Ｘ，Ｙ，Ｚに巻線切り換え装置９を接続する。それから、（ｂ）ＩＧＢＴ６をオンして中点Ｘ，Ｙ，Ｚを短絡し、固定子巻線２をスター結線に切り換えると、（ｃ）続いてリレースイッチ２２をオンする。これにより、中点Ｘ，Ｙ，Ｚはリレースイッチ２２を介して短絡される。次に、制御回路２３は、（ｂ）ＩＧＢＴ６をオフにしてから（ｄ）リレースイッチ２１をオフにして巻線切り換え装置９を遮断する。したがって、以降はリレースイッチ２２のオン状態が継続されることで固定子巻線２のスター結線が維持される。

また図８は、上記の状態から、電気自動車が低速走行領域に移行して信号ＳＧ１がローレベルになった場合の切り換えシーケンスを示す。この場合も、制御回路２３は、（ｄ）先ずリレースイッチ２１をオンして中点Ｘ，Ｙ，Ｚに巻線切り換え装置９を接続してから、（ｂ）ＩＧＢＴ６をオンする。そして、ＩＧＢＴ６をオンしている間に（ｃ）リレースイッチ２２をオフすると、（ｂ）ＩＧＢＴ６をオフにする。これにより、固定子巻線２はデルタ結線に戻る。続いて、（ｄ）リレースイッチ２１をオフにして巻線切り換え装置９の接続を遮断する。

以上のように第２実施形態によれば、固定子巻線２の各相の中点Ｘ，Ｙ，Ｚと、整流回路５との間に３個１組のリレースイッチ２１を接続すると共に、一端が共通に接続され、他端が前記中点Ｘ，Ｙ，Ｚにそれぞれ接続される３個１組のリレースイッチ２２とを備える。そして、制御回路２３は、固定子巻線２をデルタ結線からスター結線に切り換える場合は、リレースイッチ２１，ＩＧＢＴ６，リレースイッチ２２の順でオンしてから、ＩＧＢＴ６，リレースイッチ２１の順でオフする。また、固定子巻線２をスター結線からデルタ結線に切り換える場合は、リレースイッチ２１，ＩＧＢＴ６の順でオンしてから、リレースイッチ２２，ＩＧＢＴ６，リレースイッチ２１の順でオフするようにした。

これにより、固定子巻線２の結線切り換えをＩＧＢＴ６によって高速に行い、電動機１の運転状態に影響を与えることなく切り換えることが可能となる。そして、ＩＧＢＴ６をオンしてスター結線に切り換えた後は、リレースイッチ２２をオンして結線状態を維持するので、巻線切り換え装置９において整流回路５を構成するダイオードや、ＩＧＢＴ６，コンデンサ７及び抵抗素子８により損失が発生することを回避できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態はその他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
半導体スイッチング素子はＩＧＢＴに限ることなく、バイポーラトランジスタやＭＯＳＦＥＴを用いても良い。
コンデンサ７及び抵抗素子８は、必要に応じて接続すれば良い。
電気自動車の走行駆動用に限ることなく、その他の装置等に適用される電動機に適用しても良い。

図面中、１は永久磁石電動機、２は固定子巻線、３はインバータ回路（駆動回路）、５は整流回路、６はＩＧＢＴ（半導体スイッチング素子）、９は巻線切り換え装置、１０は制御回路（制御手段）、１１は固定子鉄心、２１，２２はリレースイッチ（第１，第２機械式スイッチ群）、２３は制御回路（制御手段）を示す。

Claims (5)

1. 三相デルタ結線された固定子巻線を備えてなる電動機と、
   各相出力端子が前記固定子巻線に接続される駆動回路と、
   各相の入力端子が、前記固定子巻線の各相の中点にそれぞれ接続される三相ブリッジ整流回路と、
   この三相ブリッジ整流回路の出力端子間に接続される半導体スイッチング素子と、
   この半導体スイッチング素子のオンオフを制御する制御手段とを備え、
   前記半導体スイッチング素子をオンすることで、前記固定子巻線をスター結線に切り換えることを特徴とする駆動装置。
2. 前記固定子巻線の各相の中点と、前記三相ブリッジ整流回路との間に接続される３個１組の第１機械式スイッチ群と、
   一端が共通に接続され、他端が前記固定子巻線の各相の中点にそれぞれ接続される３個１組の第２機械式スイッチ群とを備えることを特徴とする請求項１記載の駆動装置。
3. 前記制御手段は、前記固定子巻線をデルタ結線からスター結線に切り換える場合は、前記第１機械式スイッチ群，前記半導体スイッチング素子，前記第２機械式スイッチ群の順でオンしてから、前記半導体スイッチング素子，前記第１機械式スイッチ群の順でオフし、
   前記固定子巻線をスター結線からデルタ結線に切り換える場合は、前記第１機械式スイッチ群，前記半導体スイッチング素子の順でオンしてから、前記第２機械式スイッチ群，前記半導体スイッチング素子，前記第１機械式スイッチ群の順でオフすることを特徴とする請求項２記載の駆動装置。
4. 前記固定子巻線は、各相間において、それぞれ直列に接続される第１及び第２巻線からなり、
   これらの各相間巻線は固定子鉄心に分布巻きされ、
   同じ相間に属する２つの巻線は、互いに１スロットずらして巻装され、双方の巻線が共に分布する間のスロットに、他の相間巻線の一端が挿入されていることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の駆動装置。
5. 三相デルタ結線された固定子巻線を備えてなる電動機について、
   前記固定子巻線の各相の中点を短絡することでスター結線に切り換えることを特徴とする電動機の巻線切り換え方法。

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