JP2014045584A - スイッチトリラクタンスモータ駆動回路 - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数が少ない簡単な構成で、駆動時の損失、発熱が少ない高効率なスイッチトリラクタンスモータ駆動回路を得る。
【解決手段】スイッチトリラクタンスモータに備えられた複数の巻線（Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ）のそれぞれの一端を接続した中性点側に共通して設けられた第１のスイッチング素子（ＴＲｏ）と、複数の巻線の中性線側とは反対側のそれぞれに巻線ごとに個別に設けられた第２のスイッチング素子（ＴＲａ、ＴＲｂ、ＴＲｃ）とを備えたスイッチトリラクタンスモータ駆動回路であって、第１のスイッチング素子は、第２のスイッチング素子と比較して、オン抵抗が低い特性を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、同一方向の回転トルクを継続的に得ることができるスイッチトリラクタンスモータの駆動回路に関するものであり、特に、駆動時の損失、発熱が少ない高効率なスイッチトリラクタンスモータ駆動回路に関する。

スイッチトリラクタンスモータ（以下、必要に応じてＳＲＭと略して記載する）は、固定子に配した複数の巻線に、順次通電、励磁し、回転子の突極部を吸引していくことで、回転トルクを発生する。図４は、一般的なＳＲＭの固定子および回転子の構成を示す図である（例えば、特許文献１参照）。図４（ａ）に示すように、固定子１０には、巻線Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃが２個ずつ対向して配置され、対向した巻線は、直列または並列に接続されている。一方、回転子２０には、４つの突極部２１が構成されている。

図４（ｂ）に示すように、回転子２０の回転角がθの時には、巻線Ｌａ（またはＬｂ、Ｌｃ）に通電すると、固定子１０と回転子２０の間に引張力Ｆ（θ）が発生する。この引張力Ｆ（θ）により、回転トルクＴ（θ）が発生する。通電時の回転角θによって回転トルクの方向が決まり、図４（ｃ）に示す回転角θ１では、図４（ｂ）とは逆方向の回転トルクＴ（θ１）が発生する。回転子の回転角θに応じて、各巻線への通電を順次切り替えることで、同一方向の回転トルクを継続的に得ることができる。

図５は、ＳＲＭの固定子巻線に通電するための一般的な駆動回路図である。巻線Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃの両端から引き出した接続線を、スイッチング素子ＴＲａ１、ＴＲａ２、ＴＲｂ１、ＴＲｂ２、ＴＲｃ１、ＴＲｃ２と、ダイオードＤａ１、Ｄａ２、Ｄｂ１、Ｄｂ２、Ｄｃ１、Ｄｃ２とにそれぞれ接続している。

ここで、従来の駆動回路で使用するスイッチング素子ＴＲａ１、ＴＲａ２、ＴＲｂ１、ＴＲｂ２、ＴＲｃ１、ＴＲｃ２、およびダイオードＤａ１、Ｄａ２、Ｄｂ１、Ｄｂ２、Ｄｃ１、Ｄｃ２には、通常のシリコン（Ｓｉ）半導体が用いられている。

各スイッチング素子ＴＲａ１、ＴＲａ２、ＴＲｂ１、ＴＲｂ２、ＴＲｃ１、ＴＲｃ２には、図示していない制御装置から制御信号が与えられ、スイッチング制御される。具体的には、スイッチング素子ＴＲａ１およびＴＲａ２は、巻線Ｌａへの通電を制御し、スイッチング素子ＴＲｂ１およびＴＲｂ２は、巻線Ｌｂへの通電を制御し、スイッチング素子ＴＲｃ１およびＴＲｃ２は、巻線Ｌｃへの通電を制御する。

ダイオードＤａ１、Ｄａ２と、Ｄｂ１、Ｄｂ２と、Ｄｃ１、Ｄｃ２のそれぞれは、励磁していたそれぞれの巻線Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃの通電をオフとした時に、巻線に蓄積されていた磁気エネルギーを、直流電源に回生するための転流ダイオードである。

また、図６は、ＳＲＭの固定子巻線に通電するための一般的な駆動回路図の別の形態である（例えば、特許文献２参照）。巻線Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃの一端同士を接続した中性点からの接続線と、中性点の反対側である他端からの接続線を、駆動回路に接続している。中性点からの接続線には、スイッチング素子ＴＲｏとダイオードＤｏが接続され、他端からのそれぞれの接続線には、スイッチング素子ＴＲａ、ＴＲｂ、ＴＲｃと、ダイオードＤａ、Ｄｂ、Ｄｃが接続されている。

この図６に示す駆動回路は、スイッチング素子とダイオードがそれぞれ４個、そして、ＳＲＭとの接続線が４本で構成されている。一方、先の図５に示す駆動回路は、スイッチング素子とダイオードがそれぞれ６個、そして、ＳＲＭとの接続線が６本で構成されている。

従って、図６に示す駆動回路は、図５に示す駆動回路よりも、少ない部品点数で構成することができる。その一方で、図６に示す駆動回路は、中性点に接続するスイッチング素子ＴＲｏが、巻線Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃに対して共通化されている。このため、いずれかの巻線を通電する際には、スイッチング素子ＴＲｏが必ず動作することとなる。

特開平５−２１９７８７号公報 特開平７−２７４５８６号公報

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
特許文献１で提示されたＳＲＭ駆動回路の構成は、ＳＲＭから引き出す接続線、スイッチング素子、およびダイオードが、各巻線の両端に必要となり、部品点数が多くなるという問題がある。

また、特許文献２で提示されたＳＲＭ駆動回路は、特許文献１のＳＲＭ駆動回路よりも部品手数の削減を図ることはできる。しかしながら、特許文献２のＳＲＭ駆動回路は、中性点に接続するスイッチング素子およびダイオードに通電する時間が他の素子に比べて長くなり、局所的に損失、発熱が大きくなるという問題点がある。特に、電流駆動期間においては、中性点に共通して接続するスイッチング素子での損失、発熱の増加が問題となる。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、部品点数が少ない簡単な構成で、駆動時の損失、発熱が少ない高効率なスイッチトリラクタンスモータ駆動回路を得ることを目的とする。

本発明に係るスイッチトリラクタンスモータ駆動回路は、スイッチトリラクタンスモータに備えられた複数の巻線のそれぞれの一端を接続した中性点側に共通して設けられた第１のスイッチング素子と、複数の巻線の中性線側とは反対側のそれぞれに巻線ごとに個別に設けられた第２のスイッチング素子とを備えたスイッチトリラクタンスモータ駆動回路であって、第１のスイッチング素子は、第２のスイッチング素子と比較して、オン抵抗が低い特性を有しているものである。

本発明に係るスイッチトリラクタンスモータ駆動回路によれば、中性点側に共通して第１のスイッチング素子を設ける構成とするとともに、中性点と反対側に設けられた第２のスイッチング素子と比較して電流駆動期間が長くなる第１のスイッチング素子に、オン抵抗が低い特性を有する素子を適用することにより、部品点数が少ない簡単な構成で、駆動時の損失、発熱が少ない高効率なスイッチトリラクタンスモータ駆動回路を得ることができる。

本発明の実施の形態１におけるスイッチトリラクタンスモータ駆動回路の概略構成図である。 本発明の実施の形態１のスイッチトリラクタンスモータ駆動回路において、回転子の回転角θと各巻線への通電期間との関係の一例を示すタイミングチャートである。 本発明の実施の形態１のスイッチトリラクタンスモータ駆動回路に備えられた巻線のいずれか一つの巻線に通電する時の電流を示す説明図である。 一般的なＳＲＭの固定子および回転子の構成を示す図である。 ＳＲＭの固定子巻線に通電するための一般的な駆動回路図である。 ＳＲＭの固定子巻線に通電するための一般的な駆動回路図の別の形態である。

以下、本発明のスイッチトリラクタンスモータ駆動回路の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。なお、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１におけるスイッチトリラクタンスモータ駆動回路の概略構成図である。図１におけるスイッチトリラクタンスモータ駆動回路は、３つの巻線Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ、巻線の中性点側に接続されたスイッチング素子ＴＲｏおよび転流ダイオードＤｏ、巻線の中性点とは反対側のそれぞれに接続されたスイッチング素子（ＴＲａ、ＴＲｂ、ＴＲｃ）および転流ダイオード（Ｄａ、Ｄｂ、Ｄｃ）を備えて構成されている。

ここで、中性点側に設けられたスイッチング素子ＴＲｏは、ワイドバンドギャップ半導体の一つである炭化珪素（ＳｉＣ）を用いたスイッチング素子である。一方、その他のスイッチング素子（ＴＲａ、ＴＲｂ、ＴＲｃ）および全ての転流ダイオード（Ｄｏ、Ｄａ、Ｄｂ、Ｄｃ）は、従来と同様に、シリコン（Ｓｉ）半導体で構成されている。

図２は、本発明の実施の形態１のスイッチトリラクタンスモータ駆動回路において、回転子の回転角θと各巻線への通電期間との関係の一例を示すタイミングチャートである。図２においては、回転角θが−５０°から−１０°の期間と、１３０°から１７０°の期間では、巻線Ｌａに通電し、回転角θが１０°から５０°の期間では、巻線Ｌｂに通電し、回転角θが７０°から１１０°の期間では、巻線Ｌｃに通電する場合を例示している。

次に、図１、図２の構成に基づいて、各巻線Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃの通電時にスイッチトリラクタンスモータ駆動回路の各素子に流れる電流について説明する。図３は、本発明の実施の形態１のスイッチトリラクタンスモータ駆動回路に備えられた巻線Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃのいずれか一つの巻線に通電する時の電流を示す説明図である。

図３において、スイッチング素子ＴＲｏは、巻線Ｌの中性点側に共通して接続されたスイッチング素子であり、Ｄｏは、巻線Ｌの中性点側に共通して接続された転流ダイオードであり、先の図１に示したものと同じである。また、図３において、スイッチング素子ＴＲｎは、巻線Ｌ（巻線Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃのいずれか１つ）の他端側（中性点と反対側）に接続されたスイッチング素子（ＴＲａ、ＴＲｂ、ＴＲｃのいずれか１つに相当）であり、転流ダイオードＤｎは、他端側に接続された転流ダイオード（Ｄａ、Ｄｂ、Ｄｃのいずれか１つに相当）である。

図３（ａ）は、通電開始後のスイッチトリラクタンスモータ駆動回路の一状態を示しており、スイッチング素子ＴＲｏとＴＲｎは、どちらもオン状態である。そして、巻線Ｌには、図３（ａ）に示す電流Ｉ（ａ）が、図示していない電源から、スイッチング素子ＴＲｏとＴＲｎを介して流れる。

また、図３（ｂ）は、巻線Ｌへ通電中のスイッチトリラクタンスモータ駆動回路の一状態を示しており、スイッチング素子ＴＲｏは、オン状態であり、スイッチング素子ＴＲｎは、オフ状態である。

図３（ａ）の状態から図３（ｂ）の状態に移行した場合、すなわち、スイッチング素子ＴＲｎをオン状態からオフ状態にした場合には、巻線Ｌに逆起電力が発生する。その逆起電力によって、図３（ｂ）に示したように、電流Ｉ（ｂ）が転流ダイオードＤｎ側に流れることになる。通電期間中は、図３（ａ）と図３（ｂ）の状態を交互に繰り返すことで、巻線Ｌに流れる電流値の制御が行われることとなる。

また、図３（ｃ）は、巻線Ｌへの通電期間の終了時のスイッチトリラクタンスモータ駆動回路の状態を示しており、スイッチング素子ＴＲｏ、ＴＲｎがどちらもオフ状態である。図３（ａ）または図３（ｂ）のいずれかの状態から図３（ｃ）の状態に移行した場合には、巻線Ｌに発生した起電力による電流Ｉ（ｃ）が転流ダイオードＤｏ、Ｄｎ側を流れ、電流Ｉ（ｃ）が収束すると、巻線Ｌへの通電が終了となる。

図２に示したＳＲＭの通電期間において、上述した電流駆動が、各巻線（Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ）に対して順次行われることになる。そのため、各巻線（Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ）に共通して設けられた中性点側のスイッチング素子ＴＲｏは、他のスイッチング素子ＴＲｎ、および転流ダイオードＤｏ、Ｄｎに比べて、電流駆動期間が長くなる。

そこで、本実施の形態１におけるスイッチトリラクタンスモータ駆動回路では、中性点側に共通して設けられたスイッチング素子ＴＲｏを、他のスイッチング素子ＴＲｎと比べてオン抵抗が小さい炭化珪素（ＳｉＣ）を用いたスイッチング素子で構成している。このようにして、炭化珪素を用いたことにより、駆動時の損失、発熱が少ない高効率な駆動を可能にするとともに、他のスイッチング素子ＴＲｎにも炭化珪素を用いる場合に比べて、効率的に（必要以上にコストアップすることなしに）駆動装置全体での抵抗損失を削減することができる。

以上のように、実施の形態１によれば、中性点側に共通して第１のスイッチング素子を設ける構成とするとともに、中性点とは反対側に設けられた第２のスイッチング素子と比較して電流駆動期間が長くなるこの第１のスイッチング素子に、第２のスイッチング素子と比較してオン抵抗が低い特性を有する素子を用いている。この結果、部品点数が少ない簡単な構成にできるとともに、駆動時の損失、発熱が少ない高効率なスイッチトリラクタンスモータ駆動回路を実現できる。

なお、上述した実施の形態１における中性点側のスイッチング素子ＴＲｏとしては、オン抵抗が低い特性を有するワイドバンドギャップ半導体の一例として、炭化珪素（ＳｉＣ）を用いる場合を例示した。しかしながら、本発明は、このような素子には限定されない。例えば、ワイドバンドギャップ半導体として、炭化珪素の代わりに、窒化ガリウム（ＧａＮ）またはダイヤモンドなど、抵抗損失の少ない素子（オン抵抗が低い特性を有する素子）を用いても、同様の効果を得ることができる。

このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子は、耐電圧性が高く、許容電流密度も高い。このため、スイッチング素子の小型化が可能であり、小型化されたスイッチング素子を用いることにより、スイッチトリラクタンスモータ駆動回路自体の小型化が可能になる。

また、耐熱性も高いため、ヒートシンクの放熱フィンの小型化や、水冷部の空冷化が可能であるので、スイッチトリラクタンスモータ駆動回路の一層の小型化が可能になる。さらに、電力損失が低いため、スイッチング素子の高効率化が可能であり、延いてはスイッチトリラクタンスモータ駆動回路の高効率化が可能になる。

なお、本実施の形態１では、中性点側に共通して設けられるスイッチング素子ＴＲｏのみをワイドバンドギャップ半導体によって形成する場合について説明した、しかしながら、他のスイッチング素子（ＴＲａ、ＴＲｂ、ＴＲｃ）、あるいはダイオード（Ｄｏ、Ｄａ、Ｄｂ、Ｄｃ）をさらにワイドバンドギャップ半導体によって形成することによっても、本実施の形態１に記載の効果を得ることができる。

さらに、上述した実施の形態１においては、三相のＳＲＭを用いて駆動回路の動作を説明したが、本発明は、三相のＳＲＭには限定されない。ＳＲＭの相数については、本発明の効果に影響しないものである。

Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ ＳＲＭに備えられた巻線、ＴＲｏ 巻線の中性点側に接続したスイッチング素子（第１のスイッチング素子）、Ｄｏ 巻線の中性点側に接続した転流ダイオード、ＴＲａ、ＴＲｂ、ＴＲｃ 巻線の中性点とは異なる端側に接続したスイッチング素子（第２のスイッチング素子）、Ｄａ、Ｄｂ、Ｄｃ 巻線の中性点とは異なる端側に接続した転流ダイオード。

Claims (3)

1. スイッチトリラクタンスモータに備えられた複数の巻線のそれぞれの一端を接続した中性点側に共通して設けられた第１のスイッチング素子と、前記複数の巻線の前記中性線側とは反対側のそれぞれに巻線ごとに個別に設けられた第２のスイッチング素子とを備えたスイッチトリラクタンスモータ駆動回路であって、
   前記第１のスイッチング素子は、前記第２のスイッチング素子と比較して、オン抵抗が低い特性を有している
   ことを特徴とするスイッチトリラクタンスモータ駆動回路。
2. 請求項１に記載のスイッチトリラクタンスモータ駆動回路において、
   前記第１のスイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されている
   ことを特徴とするスイッチトリラクタンスモータ駆動回路。
3. 請求項２に記載のスイッチトリラクタンスモータ駆動回路において、
   前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、またはダイヤモンドである
   ことを特徴とするスイッチトリラクタンスモータ駆動回路。

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