JP2015164385A - 可変速電気機械 - Google Patents
可変速電気機械 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2015164385A JP2015164385A JP2014123242A JP2014123242A JP2015164385A JP 2015164385 A JP2015164385 A JP 2015164385A JP 2014123242 A JP2014123242 A JP 2014123242A JP 2014123242 A JP2014123242 A JP 2014123242A JP 2015164385 A JP2015164385 A JP 2015164385A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- phase
- winding
- mode
- electric machine
- torque
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Abstract
【課題】大きな低速トルク及び広い運転速度範囲をもつ可変速電気機械が提供される。また、重量を増加することなく損失の低減が可能な可変速発電機及び可変速モータが提供される。
【解決手段】
連結スイッチが2つの3相巻線の各1つの相巻線を接続する。連結スイッチをオンする巻数増加モードによれば、トルク又は発電電流を増加することができる。連結スイッチをオフする巻数低減モードによれば、高速時において銅損を減らしつつ発電することができる。また、高速時のトルク減少を抑制することができる。
【選択図】図16
【解決手段】
連結スイッチが2つの3相巻線の各1つの相巻線を接続する。連結スイッチをオンする巻数増加モードによれば、トルク又は発電電流を増加することができる。連結スイッチをオフする巻数低減モードによれば、高速時において銅損を減らしつつ発電することができる。また、高速時のトルク減少を抑制することができる。
【選択図】図16
Description
本発明は、可変速電気機械の改良に関する。
特に、本発明は可変速交流発電機及び可変速交流モータの改良に関する。この可変速交流モータはリニアモータを含む。
モータや発電機などの電気機械の多くは、車両用回転電機、風力発電機、舶用回転電機などの可変速用途において広く使用されている。可変速電気機械の電機子コイルに誘導される逆起電力(バックEMF)は、回転数及び巻数の積にほぼ比例する。したがって、電機子コイルの巻数は、可変速電気機械の回転数と、可変速電気機械に接続される電源の電圧との両方により決定される。
オルタネータとして知られている車両用交流発電機は、可変速電気機械の一つの例である。この車両用交流発電機に対する要望は、発電電流要求値が確保される条件内で損失及び重量を軽減することである。損失及び重量の軽減により、燃費を改善することができる。
図1は、従来のオルタネータの配線図を示す。界磁回路1は、界磁巻線11、界磁電流制御のためのトランジスタ12及びフリーホィーリングダイオード13を有する。電機子回路は、電機子コイル2の発電電圧を整流する3相整流器3を有する。電機子コイル2は、星形接続された3つの相巻線2U、2V及び2Wからなる。
図2は、このオルタネータの電流速度特性を示す。整流電圧がバッテリ電圧を超えると、発電電流Iが立ち上がる。発電電流Iは速度の増加に応じて増加する。最大の界磁電流が供給される時、発電電流Iは、アイドリング回転数Nthにてアイドリング電流Imに達する。車両の様々な電気負荷を駆動するために、所定のアイドリング電流値Imを確保することが必要である。
アイドリング電流Imは鉄重量及び電機子コイルの巻数に関係し、鉄重量は燃費に関係する。巻数の増加は、銅損を増加させる。結局、オルタネータのアイドリング電流、重量及び効率からなる3つの重要な因子のうちの2つを維持しつつ残る1つの因子を改善することは、本質的に困難であった。
エンジン始動可能なオルタネータは、始動発電機として知られている。スタータ装置をもたない始動発電機は、トータルの重量を低減により燃費を改善できる可能性を有している。しかし、高速回転状態での発電動作が要求されるオルタネータは、従来のスタータのような大きな減速比をもつことができない。したがって、始動発電機は大きな始動トルクを発生する必要がある。モータトルクはモータ重量に関係するので、始動発電機の重量は大幅に増加する。結局、従来の始動発電機は、従来のオルタネータ及びスタータ装置のペアと比べて強力な競争能力をもたなかった。
エンジンの始動と発電とを行う車両用発電電動機は、可変速電気機械のもう一つの例である。この車両用発電電動機に対する要望は、トルク要求値が確保される条件内で損失及び重量を低減することである。モータの損失及び重量の低減は、たとえば電気自動車(EV)の走行距離を改善する。
EVに装備されるトラクションモータは、可変速電気機械のもう一つの例である。図3は、従来のEV用トラクションモータの配線図である。3相インバータ3Aは、3相交流モータの電機子コイル2に3相交流電流を供給する。図4は、このモータのトルク速度特性を示す。トルクは、低速時におけるトルク最大値を意味する低速トルクTmaxをもつ。この低速トルクTmaxは、バッテリなどの電流供給限界などにより決定される。電機子コイル2のバックEMFは速度の増加により増加する。バッテリ電圧が一定であるため、バックEMFの増加は電流を減少させる。トルクTは電流に比例するため、トルクTは速度Vの増加により減少する。
モータに供給される電流の最大値が一定の限界をもつため、低速トルクTmaxを増大するために、磁束量を増加する必要がある。磁束量は、鉄重量に関係し、鉄重量の増加は、走行距離を悪化させる。電機子コイル2の巻数を増加することにより低速トルクTmaxを増大することも可能である。しかし、磁束量及び巻数の増加はバックEMFを増加させるので、有効トルクを発生可能な速度範囲すなわち有効速度範囲が狭くなってしまう。さらに、巻数の増加により、銅損が増加する。結局、車両駆動モータの低速トルク、重量及び効率からなる3つの重要な因子のうちの2つを維持しつつ残る1つの因子を改善することは、本質的に困難であった。
必要な低速トルク及び有効速度範囲を得るために、電機子コイルの巻数を切り換える巻数切換技術が提案されている。特許文献1が提案する巻数切換技術は、2つの短絡回路を有している。第1の短絡回路は、3つの相巻線の各中間点に接続されている。第2の短絡回路は、3つの相巻線の各終端に接続されている。フルモードによれば、第1の短絡回路がオフされ、第2の短絡回路がオンされる。3相電流は、3相巻線に全面的に供給される。ハーフモードによれば、第1の短絡回路がオンされ、第2の短絡回路がオフされる。3相電流は、3相巻線の半分だけに供給される。しかしながら、ハーフモードは電機子コイルの半分に電流を供給できないので、銅損が増大してしまう。また、電流が1つの短絡回路に常に流れるため、短絡回路の抵抗損失が増加してしまう。
必要な低速トルク及び有効速度範囲を得るために、ステータの極数を切り換える極数切換技術が提案されている。特許文献2は、2つの3相巻線を駆動する2つの3相インバータにより、誘導モータのステータ極数を切り換えることを提案している。第1の3相インバータが第1の相巻線に第1の3相電流を供給する。第2の3相インバータが第2の相巻線に第2の3相電流を供給する。弟2の3相電流の位相を逆転することにより、ステータの極数を半分にすることができる。極数は、トルク及びバックEMFに比例する。したがって、極数の切り換えにより誘導モータのトルク速度特性を切り換えることができる。
しかしながら、誘導モータは、永久磁石同期モータよりも小さい低速トルクをもつ。したがって、誘導モータが上記極数切換技術を採用したとしても、誘導モータが、重量トルク比が重視される車両用モータの分野で永久磁石同期モータと競争することは難しかった。
本発明の1つの目的は、必要な性能を確保しつつ損失及び/又は重量を低減可能な可変速電気機械を実現することである。本発明のもう1つの目的は、低速発電性能を改善可能な可変速発電機を提供することである。本発明のもう1つの目的は、エンジン始動トルク及び/又は効率を改善可能な発電電動機を提供することである。本発明のもう1つの目的は、大きな低速トルクと広い有効速度範囲とをもつ可変速モータを提供することである。
本発明の可変速電気機械は、6相コンバータに接続された2つの3相巻線をもつ。ここで言うコンバータとは、整流器及びインバータを含み、直流と交流との間の変換を行う回路を言う。可変速電気機械が発電機である時、6相コンバータは6相整流器を有する。可変速電気機械が電動機である時、6相コンバータは6相インバータを有する。本発明の特徴は、2つの3相巻線の各1つの相巻線を接続する連結スイッチが設けられている点にある。この連結スイッチをオンする巻数増加モードによれば、電気機械の等価的な巻数が増加される。この連結スイッチをオフする巻数低減モードによれば、電気機械の等価的な巻数が低減される。好適な態様において、連結スイッチにより接続される2つの相巻線は本質的に同相の相巻線である。
好適な態様によれば、連結スイッチは、単相全波整流器と短絡トランジスタとにより構成される。これにより、巻数を高速に切り換えることができる。その他、連結スイッチは、双方向スイッチであればよい。たとえば、連結スイッチは、リレー、トライアック、逆向きに直列接続された2つのトランジスタなどにより構成されることができる。
好適な態様によれば、この可変速電気機械は、6相全波整流器を有する車両用発電機である。この車両用発電機は、要求されるアイドリング電流値を確保しつつ、常用回転時の銅損を顕著に低減することができる。好適な態様によれば、アイドリング期間にて電流要求値が大きい時、巻数増加モードが採用される。
好適な態様によれば、この可変速電気機械は、4つのレグからなる4相インバータと、2つのレグからなる単相全波整流器とのペアを有する始動発電機である。これにより、エンジン始動トルクを増加し、発電時に銅損を大幅に低減することができる。
好適な態様によれば、この可変速電気機械は、6相インバータを有する車両用モータである。これにより、大きな低速トルクと広い有効速度範囲とを実現することができる。好適な態様によれば、この6相インバータは、大きい電流容量をもつ4つのレグと、小さい電流容量をもつ2つのレグとをもつ。これにより、インバータが小型となる。
好適な態様によれば、この可変速電気機械は、2つの3相巻線を有する6相誘導モータである。2つの3相巻線に流される2つの3相電流の相対的な位相を変更することにより、この6相誘導モータの極数が変更される。結局、この6相誘導モータは、巻数及び極数を互いに独立に切り換えることができる。その結果、永久磁石同期モータと競争可能な性能をもち、しかも安価な車両用モータを実現することができる。
好適な態様によれば、この可変速電気機械は、2つのバッテリを直列接続する直列モードと、並列接続する並列モードとを有する。バッテリ電圧及び巻数は、トルク及び回転数に応じて切り換えられる。これにより、4つの運転領域がトルク及び回転数に応じて決定される。これにより、トルク及び回転数により決定される運転領域を拡大することができるとともに、全体効率を向上することができる。
本発明の可変速電気機械の好適な実施形態が以下に説明される。
第1実施形態
オルタネータに適用された第1実施形態が以下に説明される。図5は、このオルタネータの電機子回路を示す配線図である。この電機子回路は、2つの3相巻線2A及び2Bを有する。3相巻線2Aは、星形接続されたU相巻線U1、V相巻線V1及びW相巻線W1からなる。3相巻線2Bは、星形接続されたU相巻線U2、V相巻線V2及びW相巻線W2からなる。これら6つの相巻線は、公知の集中巻き又は分布巻きによりステータコアに巻かれる。
第1実施形態
オルタネータに適用された第1実施形態が以下に説明される。図5は、このオルタネータの電機子回路を示す配線図である。この電機子回路は、2つの3相巻線2A及び2Bを有する。3相巻線2Aは、星形接続されたU相巻線U1、V相巻線V1及びW相巻線W1からなる。3相巻線2Bは、星形接続されたU相巻線U2、V相巻線V2及びW相巻線W2からなる。これら6つの相巻線は、公知の集中巻き又は分布巻きによりステータコアに巻かれる。
U相巻線U1及びU2は、ステータコアの同じスロットに収容されることができる。U相巻線U1及びU2は互いに隣接する2つのスロットに別々に収容されることができる。U相巻線U1及びU2は互いに電気角180度離れた2つのスロットに別々に収容されることができる。他の相巻線も同様に配置される。
この電機子回路は、6相の整流器3B及び連結スイッチ5Aからなる。6相整流器3Bは、3つのダイオードレグ3U、3V及び3Wからなる第1の整流器3Cと、3つのダイオードレグ5U、5V及び5Wからなる第2の整流器3Dとにより構成されている。互いに並列に接続されたこれら6つのダイオードレグはそれぞれ、直列接続された上アームダイオードと下アームダイオードからなる。第1の3相整流器3Cは、3相巻線2Aが発電する3相交流電圧を全波整流する。第2の3相整流器3Dは、3相巻線2Bが発電する3相交流電圧を全波整流する。整流器3Bは、整流された直流電圧を図略のバッテリに印加する。
この実施例によれば、U相巻線U1が発電するU相電圧Vuは、U相巻線U2が発電する-U相電圧-Vuと反対の位相をもつ。V相巻線V1が発電するV相電圧Vvは、V相巻線V2が発電する-V相電圧-Vvと反対の位相をもつ。W相巻線W1が発電するW相正圧Vwは、W相巻線W2が発電する-W相電圧-Vwと反対の位相をもつ。これら6つの相電圧は、略正弦波波形をもつ。結局、これら6つの相巻線は、各相間の位相角差が60度である6相交流電圧を発生する。
連結スイッチ5Aは、単相全波整流器5Cと短絡トランジスタ50とを有している。整流器5Cは、4つのダイオードからなるHブリッジにより構成されている。整流器5Cは、2つのW相巻線W1及びW2の間の交流電圧を整流する。整流された直流電圧は、短絡トランジスタ50に印加される。コントローラ4は、短絡トランジスタ50がオンされる巻数増加モードと、短絡トランジスタ50がオフされる巻数低減モードとをもつ。
最初に、巻数増加モードが説明される。短絡トランジスタ50がオンされる時、W相巻線W1及びW2が直列に接続される。その結果、U相巻線U1、U2及びW相巻線W1及びW2は、X相電圧Vx(=2(Vu-Vw))を出力する。このX相電圧Vxは、整流器3Bの2つのレグ3U及び5Uにより全波整流される。同様に、V相巻線V1、V2及びW相巻線W1及びW2は、Y相電圧Vy(=2(Vv-Vw))を出力する。このY相電圧Vyは、整流器3Bの2つのレグ3V及び5Vにより全波整流される。それぞれほぼ正弦波波形をもつX相電圧VxとY相電圧Vyとの間の位相角は60度である。結局、整流器3Bは、巻数増加モードにおいて2相全波整流器として動作する。
図6は、4つのレグ(3U、3V、5U及び5V)からなる上記2相全波整流器がバッテリに印加する整流電圧Vrの波形を示す。実際のオルタネータによれば、整流電圧Vrの波形はもう少し鈍っている。整流電圧Vrがバッテリ電圧Vbを超える時、2相全波整流器はバッテリを充電する。界磁電流のフィードバック制御により、整流電圧Vrは調整される。
次に、巻数低減モードが説明される。短絡トランジスタ50をオフすることにより、2つの3相巻線2A及び2Bは完全に分離される。W相レグ3W及び5Wは、短絡トランジスタ50のスイッチングにより発生するサージ電圧を吸収する。2つの3相整流器3C及び3Dはそれぞれ3相全波整流電圧をバッテリに印加する。
車両用エンジンにより駆動されるこのオルタネータの発電動作が図7を参照して説明される。図7は、発電電流Iと回転数Nとの関係を示す特性図である。回転数Nが所定の回転数しきい値N2を超える時、短絡トランジスタ50がオフされ、巻数低減モードが実行される。次に、回転数Nが所定の回転数しきい値N1未満となる時、短絡トランジスタ50がオンされ、巻数増加モードが実行される。このヒステリシス動作は、頻繁なモード切替を防止するためである。短絡トランジスタ50の状態変更は、W相巻線W1及びW2に流れるW相電流が小さい期間に実施することが好ましい。これにより、サージ電圧を低減することができる。
変形態様が以下に説明される。モード切替のための所定の過渡期間内にトランジスタ50のスイッチングを繰り返してもよい。これにより、切換ショックが低減される。回転数の代わりに、発電電流又は発電電圧に基づいてモードの切換を実行してもよい。好適には、推定した巻数増加モードの効率と巻数低減モードの効率に基づいて、より効率が高いモードが選択される。巻数低減モードをもつオルタネータは、車両制動指令に基づいて巻数増加モードを選択することができる。その結果、発電電力を直ちに増加できるので、素早い発電制動を実現することができる。3相巻線2Aを3相巻線2Bよりも周方向へシフトすることにより、3相巻線2Bの各相電圧を、3相巻線2Aの各相電圧に対してたとえば約30度ずらせることができる。これにより、磁気騒音を低減することができる。
第2実施形態
始動発電機に適用された第2実施形態が以下に説明される。図8は、この始動発電機の電機子回路を示す配線図である。この始動発電機の特徴は、図5に示される4つの
ダイオードレグ(3U、3V、5U及び5V)を、8つのトランジスタ(31T-34T及び51T-54T)からなる4つのスイッチングレグ(3U、3V、5U及び5V)に置換した点にある。ダイオードレグとは、ダイオードにより構成された整流用のレグを意味する。これ
ら4つスイッチングレグ(3U、3V、5U及び5V)は、4相インバータ3Eを構成する。4つのダイオードからなる2つのW相レグ3W及び5Wは、単相全波整流器3Fを構成している。スイッチングレグとは、2つのトランジスタを有するインバータのためのレグを意味する。
始動発電機に適用された第2実施形態が以下に説明される。図8は、この始動発電機の電機子回路を示す配線図である。この始動発電機の特徴は、図5に示される4つの
ダイオードレグ(3U、3V、5U及び5V)を、8つのトランジスタ(31T-34T及び51T-54T)からなる4つのスイッチングレグ(3U、3V、5U及び5V)に置換した点にある。ダイオードレグとは、ダイオードにより構成された整流用のレグを意味する。これ
ら4つスイッチングレグ(3U、3V、5U及び5V)は、4相インバータ3Eを構成する。4つのダイオードからなる2つのW相レグ3W及び5Wは、単相全波整流器3Fを構成している。スイッチングレグとは、2つのトランジスタを有するインバータのためのレグを意味する。
さらに、図5に示される連結スイッチ5Aの代わりに、リレーからなる連結スイッチ5Bが採用される。これにより、図5に示される整流器5Cの損失をほとんどゼロとすることができる。リレー5Bは、エンジン始動直後にオフされることが好ましい。その他の回路構成は、図5に示すオルタネータと本質的に同じである。この始動発電機の発電制御は、図5に示される第1実施形態のオルタネータと本質的に同じである。4相インバータ3Eは、発電時に2相全波整流器として動作する。
次に、4相インバータ3Eにより実行されるエンジン始動モードが図9を参照して説明される。このエンジン始動モードにおいて、連結スイッチ5Bはオンされる。2つのW相巻線W1及びW2は直列に接続される。U相レグ3Uは、U相電流IuをU相巻線U1に供給する。V相レグ3Vは、V相電流IvをV相巻線V1に供給する。U相レグ5Uは、U相巻線U2に-U相電流-Iuを供給する。V相レグ5Vは、V相巻線V2に-V相電流-Ivを供給する。これら4つの相電流は、正弦波波形をもつ。したがって、W相電流Iw(=-(Iu+Iv))がW相巻線W1に流れ、W相電流-Iw(=(Iu+Iv))がW相巻線W2に流れる。
図10は、これら6つの相電流の波形を示す。つまり、4相インバータ3Eが4つの相電流Iu、Iv、-Iu及び-Ivを3相巻線2A及び2Bに供給することにより、3相巻線2A及び2Bの6つの相巻線に適切な正弦波電流が供給される。
以下、連結スイッチ5Bの電圧Vnを基準として、各レグの出力電圧が説明される。6つの相巻線のインピーダンスは無視される。ロータの回転により、U相電圧Vuが相巻線U1に誘導され、V相電圧Vvが相巻線V1に誘導され、W相電圧Vwが相巻線W1に誘導される。同様に、-U相電圧-Vuが相巻線U2に誘導され、-V相電圧-Vvが相巻線V2に誘導され、-W相電圧-Vwが相巻線W2に誘導される。これらの相電圧Vu、Vv、-Vu及び-Vvは各相巻線のバックEMFである。
したがって、U相レグ3Uは、ベクトル電圧(Vu-Vw)に対抗してU相電流Iuを流す。V相レグ3Vは、ベクトル電圧(Vv-Vw)に対抗してU相電流Iuを流す。U相レグ5Uは、ベクトル電圧(Vw-Vu)に対抗してU相電流-Iuを流す。V相レグ5Vは、ベクトル電圧(Vw-Vv)に対抗して、V相電流-Ivを流す。
4つのレグ(3U、3V、5U、5V)が出力すべき相電圧が、連結スイッチの電圧Vnを基準として説明される。この電圧Vnは、各レグのPWMデユーティ比50%に相当する。各相巻線のインピーダンスによる電圧降下Viは無視される。U相レグ3UはVu-Vwを出力し、V相レグ3VはVv-Vwを出力する。つまり、U相レグ3UはW相電圧-Vwが重畳されたU相電圧Vuを出力し、V相レグ3VはW相電圧-Vwが重畳されたV相電圧Vvを出力する。
同様に、U相レグ5Uは-W相電圧Vwが重畳された-U相電圧-Vuを出力し、V相レグ5Vは-W相電圧Vwが重畳された-V相電圧-Vvを出力する。これにより、適切な6相電流が6つの相巻
線に適切に分配される。正弦波電圧である差電圧(Vu-Vw)及び差電圧(Vv-Vw)は、適切な振幅をもつ正弦波電圧の位相をシフトすることにより、容易に形成することができる。
線に適切に分配される。正弦波電圧である差電圧(Vu-Vw)及び差電圧(Vv-Vw)は、適切な振幅をもつ正弦波電圧の位相をシフトすることにより、容易に形成することができる。
図11は、モード切り換え制御を示すフローチャートを示す。まずエンジンを始動すべきか否かがステップS100にて判定される。始動すべきであれば、リレー5Bがオンされる(S102)。これにより、始動発電機が巻数増加モードを用いてエンジンを始動する。その後、始動発電機は発電機として動作する。次に、巻数増加モードの発電効率Eonと巻数低減モードの発電効率Eoffとが算出される(S104)。
この算出は、予め記憶するテーブルに必要な情報を代入することにより、実施される。情報として、回転数、発電電流指令値、界磁電流値などを採用することができる。このテーブルは、これらの情報と発電効率Eon及びEoffの関係を保持している。読み込んだ情報及びこのテーブルにより、発電効率Eon及びEoffが推定される。次に、発電効率Eoffが発電効率Eonと比較される(S106)。もし発電効率Eoffが発電効率Eonよりも高ければ、リレー5Bのオフにより巻数低減モードが選択される(S108)。もし発電効率Eoffが発電効率Eonよりも低ければ、リレー5Bのオンにより巻数増加モードが選択される(S110)。これにより、発電効率が高く、かつ、エンジン始動トルクが大きい始動発電機を実現することができる。
変形態様が図12及び図13を参照して説明される。図12は、リレー5Bがオンされた巻数増加モードを示す。この変形態様によれば、3相巻線2Bは、3相巻線2Aに対して電気角30度だけずれて巻かれている。この位相シフトに合わせて、U相レグ5Uは、正弦波電流-Iaを相巻線U2に供給し、V相レグ5Vは、正弦波電流-Ibを相巻線V2に供給する。これにより、正弦波電流-Icが相巻線W2に流れる。
さらに、この実施例によれば、図8に示されるダイオードレグ3Wの代わりに、直列接続された2つのトランジスタからなるスイッチンググレグ3Wを採用している。電流差(Iw-Ic)を補償するために、スイッチングレグ3Wは小さい電流(Iw-Ic)を供給する。相電流Iw及び-Icのベクトルが図13に示される。相電流Icは相電流Iwに対して電気角150度ずれている。これにより、巻数増加モードにおいて磁気騒音を低減することができる。
次に、第1実施形態のオルタネータYが図1に示される従来のオルタネータXと比較される。図14は、従来のオルタネータXの発電電圧と電機子抵抗との関係を示す。図15(A)は、巻数増加モードを採用するオルタネータYの発電電圧と電機子抵抗との関係を示す。図15(B)は、巻数低減モードを採用するオルタネータYの発電電圧と電機子抵抗との関係を示す。各オルタネータは、発電電流IGをバッテリに供給している。
図14は、オルタネータXの2つの相巻線2U及び2Vが発電電圧(Vu-Vw)を発生している状態を示す。オルタネータXの各相巻線はそれぞれ電気抵抗rをもち、電機子コイルは等価抵抗2rをもつ。
図15(A)は、オルタネータYの4つの相巻線(U1、W1、U2及びW2)が発電電圧(Vu-Vw)を発生している状態を示す。オルタネータYの1つの相巻線は、オルタネータXの1つの相巻線の半分の巻数と半分の電気抵抗とをもつ。結局、巻数増加モードをもつオルタネータYは、オルタネータXとほぼ銅損をもつ。
図15(B)は、オルタネータYの4つの相巻線(U1、W1、U2及びW2)が発電電圧(Vu-Vw)/2を発生している状態を示す。巻数低減モードを採用することにより、オルタネータYの銅損は、従来のオルタネータXの銅損の25%となる。
この銅損の大幅な低減は、電機子コイルの温度上昇により電気抵抗の増加を抑制する。さらに、電機子コイルの冷却のために生じる風損を低減する。
オルタネータYは、オルタネータXと比較して2つの整流器3C及び3Dを必要とする。しかし、電流が大幅に増加する巻数低減モードにおいて、整流器3C及び3Dは並列に電流を流すので、整流器3C及び3Dの損失合計はオルタネータXの整流器の損失に等しい。整流器50CはW相電流だけを整流するため、その損失は比較的小さい。
次に、高速時における巻数増加モードの採用モードが説明される。第1実施形態のオルタネータ及び第2実施形態の始動発電機は、高速領域において巻数増加モードを選択することが好ましい。この巻数低減モードの採用により発電電圧が増大する。これは、界磁電流の低減を意味する。これにより、界磁束量が減少するので、鉄損を低減することができる。鉄損は、高速領域における主要な損失をなす。結局、第1実施形態のオルタネータ及び第2実施形態の始動発電機は、低速領域及び高速領域にて巻数増加モードを採用し、中速領域にて巻数低減モードを採用する。これにより、効率の更なる向上が可能となる。
第3実施形態
永久磁石同期モータからなるEV用モータに適用された第3実施形態が以下に説明される。図16は、このEV用モータの電機子回路を示す配線図である。この電機子回路は、図8に示される始動発電機の電機子回路と本質的に同じである。ただし、図8に示されるダイオードレグ3W及び5Wの代わりに、スイッチングレグ3W及び5Wが採用される。W相レグ3Wは、直列接続された上アームスイッチ35T及び下アームスイッチ36Tからなる。W相レグ5Wは、直列接続された上アームスイッチ55T及び下アームスイッチ56Tからなる。
永久磁石同期モータからなるEV用モータに適用された第3実施形態が以下に説明される。図16は、このEV用モータの電機子回路を示す配線図である。この電機子回路は、図8に示される始動発電機の電機子回路と本質的に同じである。ただし、図8に示されるダイオードレグ3W及び5Wの代わりに、スイッチングレグ3W及び5Wが採用される。W相レグ3Wは、直列接続された上アームスイッチ35T及び下アームスイッチ36Tからなる。W相レグ5Wは、直列接続された上アームスイッチ55T及び下アームスイッチ56Tからなる。
3相巻線2Aに3相正弦波電圧を印加する3相インバータ3Gは、U相レグ3U、V相レグ3V及びW相レグ3Wからなる。3相巻線2Bに3相正弦波電圧を印加する3相インバータ5Gは、U相レグ5U、V相レグ5V及びW相レグ5Wからなる。図5に示される連結スイッチ5Aが、図8に示されるリレー5Bの代わりに採用される。図16に示される電機子回路は、巻数低減モードにおいてトルクを発生することができる。
コントローラ4は、入力されたモータの回転速度、トルク要求値及び各相電流検出値に基づいて、連結スイッチ5Aの短絡トランジスタ50及び3相インバータ3G及び5Gを制御する。良く知られているように、各レグの上アームスイッチ及び下アームスイッチはほぼ相補的にスイッチングされる。
始動発電機と同様に、巻数増加モードによれば、U相レグ3U及び5Uは相補的にPWM制御され、V相レグ3V及び5Vは相補的にPWM制御され、W相レグ3W及び5Wは休止される。後述する巻数低減モードによれば、U相レグ3U及び5Uは相補的にPWM制御され、V相レグ3V及び5Vは相補的にPWM制御され、W相レグ3W及び5Wは相補的にPWM制御される。6つの相電流は、電気角60度ずつ離れた位相をもつ。少なくとも巻数増加モードにおいて、6つの相電流はほぼ正弦波形をもつ。
巻数増加モードによるトルク発生動作は、第2実施形態の始動発電機と本質的に同じである。図17は、巻数増加モードにおける4相インバータによる電流の流れを示す模式配線図である。図17は図9と本質的に等しい。短絡トランジスタ50のオンにより、2つのW相巻線W1及びW2は、整流器5Cを通じて直列に接続される。W相レグ13及び16は休止される。3相巻線2A及び2Bは、4相インバータにより駆動される。
巻数低減モードによるトルク発生動作が、図18を参照して説明される。短絡トランジスタ50がオフされるので、2つの3相巻線2A及び2Bは完全に分離される。3相インバータ3Gは3相巻線2Aに3相電流を供給し、3相インバータ5Gは3相巻線2Bに3相電流を供給する。結局、この巻数低減モードにおいて、3相インバータ3G及び5Gは6相インバータとして動作する。
この巻数低減モードの利点は、互いに独立に給電される3相巻線2A及び2Bの巻数が半分となることである。したがって、高速時でもモータはトルクを発生することができる。さらに、2つの3相巻線2A、2Bが直列接続から並列接続に切り換えられるため、既述したように銅損は1/4となる。これは、電機子コイルの温度上昇の抑制を実現するため、電機子コイルの冷却機構が大幅に簡素化される。巻数増加モードの利点は、巻数が実質的に2倍となるので、トルクが増大することである。
モード切換動作の一例が図19に示されるフローチャートを参照して説明される。ステップS200にて、トルク要求値、回転速度、各相電流などの必要情報が読み込まれる。次に、読み込まれた情報に基づいて、モードの切換えが必要かどうかが判定される(S202)。モードの切換えの判断は、将来の運転状態の予測結果やシステム全体の効率を考慮してなされることが好ましい。
切換動作が実行されるべきであると判定された時、W相電流IWがゼロであるか否かが判定される(S204)。すなわち、W相電流IWがゼロであれば、モードの切り換えが指令される(S206)。これにより、短絡トランジスタ50の開閉時に発生するサージ電圧をゼロとすることができる。巻数増加モードにおいて、W相レグ3W及び5Wは休止される。巻数増加モードにおいて、W相レグ3W及び5Wは運転される。W相電流IWがゼロでない状態で、モードを切換えることも可能である。次に、トルク要求値に等しいトルクを発生するために、3相インバータ3G及び5Gに含まれる各トランジスタのPWMデユーティ比が調整される(S208)。
図20は、このモータのトルクTと速度Vとの関係を示すトルク速度特性の一例を示す。特性線101は、巻数増加モードにおけるトルク速度特性を示す。特性線102は、巻数低減モードにおけるトルク速度特性を示す。
特性線101及び102で囲まれる有効な運転領域は、3つの領域103-105に分割される。巻数増加モード及び巻数低減モードのどちらも共通領域103において運転可能である。しかし、連結スイッチ5Aの損失が無いこと、及び、2つの3相インバータ3G及び5Gの全てのレグをトルク発生に利用できることは、巻数低減モードが共通領域にて採用されるべきであることを示唆している。巻数増加モードは低速大トルク領域104にて採用され、巻数低減モードは高速領域105にて採用される。
変形態様が以下に説明される。この巻数切換技術は、星形接続された2つの3相巻線をもつ種々の交流モータに適用されることができる。たとえば、直列モードの採用により、同期リラクタンスモータや誘導モータの電流を低減することができる。巻数低減モードの相電流は、正弦波以外の波形をもつことができる。たとえば、巻数低減モードは、矩形波形状又は台形波形状の相電流を3相巻線2A及び2Bに供給することができる。これは、高速運転時のインバータ損失の低減のために有効である。
巻数低減モードにおいて、2つの3相インバータ3G及び5Gのどちらかを休止させることができる。このモードは、単独モードと呼ばれる。電機子回路の信頼性が向上する。3相巻線2Aは3相巻線2Bと異なる巻数をもつことができる。たとえば、3相巻線2A及び3相巻線2Bの巻数比率は、1.15:0.85とされる。非常に高速領域では、巻数が少ない3相巻線2Bだけに通電することができる。
巻数低減モードでのみ用いられる2つのレグ(3W、5W)は、巻数増加モードで用いられる4つのレグ(3U、3V、5U、5V)よりも小さい電流容量をもつことができる。これは、モータとして使用される時、巻数低減モードは、3相巻線2A及び2Bの高いバックEMFの故に、電流が小さいからである。
第4実施形態
極数切換式の6相誘導モータに適用された第4実施形態が図21-図25を参照して説明される。この実施例によれば、第3実施形態で説明された巻数切換技術が、公知の極数切換式の6相誘導モータの駆動に採用される。特許文献2の極数切換式誘導モータと同様に、2つの3相インバータの1つが供給する3相電流の方向を反転することにより、ステータの極数が切り換えられる。誘導モータにおいて、ロータの極数は、ステータ極数の切り換えに応じて自動的に切り換えられる。
極数切換式の6相誘導モータに適用された第4実施形態が図21-図25を参照して説明される。この実施例によれば、第3実施形態で説明された巻数切換技術が、公知の極数切換式の6相誘導モータの駆動に採用される。特許文献2の極数切換式誘導モータと同様に、2つの3相インバータの1つが供給する3相電流の方向を反転することにより、ステータの極数が切り換えられる。誘導モータにおいて、ロータの極数は、ステータ極数の切り換えに応じて自動的に切り換えられる。
この6相誘導モータの電機子回路は、図16に示される第3実施形態のモータ駆動回路と本質的に同じである。したがって、この電機子回路は、4相インバータを用いる巻数増加モードと、2つの3相インバータを用いる巻数低減モードとをもつ。
この実施形態によれば、この巻数低減モードは、極数増加モードと極数低減モードとに分割される。巻数低減モードの極数増加モードが図21及び図22を参照して説明される。図21の回路は、図18に示される巻数低減モードの回路と同じである。3相インバータ3Gが3相巻線2Aに第1の3相電流I1を通電し、3相インバータ5Gが3相巻線2Bに第2の3相電流I2を通電する。図22は、第1の3相電流I1及び第2の3相電流I2が形成する回転磁界を示すベクトル図である。
第1の3相電流I1は、U相電流Iu、V相電流Iv及びW相電流Iwにより構成される。U相電流IuはU相磁束Fu1を形成する。V相電流IvはV相磁束Fv1を形成する。W相電流IwはW相磁束Fw1を形成する。第2の3相電流I2は、-U相電流-Iu、-V相電流-Iv及び-W相電流-Iwにより構成される。-U相電流-IuはU相磁束Fu2を形成する。-V相電流-IvはV相磁束Fv2を形成する。-W相電流-IwはW相磁束Fw2を形成する。
2つのU相磁界Fu1及びFu2の間の電気角はゼロである。2つのV相磁界Fv1及びFv2の間の電気角はゼロである。2つのW相磁界Fw1及びFw2の間の電気角はゼロである。たとえば、6つの相巻線が、電気角360度の間にU1、V2、W1、U2、V1、W2の順に配置される時、4つのステータ磁極が6つの相巻線により形成される。言い換えれば、6つの相巻線U1、V2、W1、U2、V1及びW2は、電気角720度を占める。
巻数低減モードの極数低減モードが図23及び図24を参照して説明される。図23は、図21に示される極数低減モードと本質的に同じである。ただし、3相インバータ5Gが3相巻線2Bに流す第2の3相電流I2の方向は反転される。すなわち、第2の3相電流I2は、U相電流Iu、V相電流Iv及びW相電流Iwにより構成される。したがって、U相磁束Fu2、V相磁束Fv2及びW相磁束Fw2の方向はそれぞれ逆転する。
したがって、6つの相巻線が、電気角360度の間にU1、V2、W1、U2、V1、W2の順に配置される時、2つのステータ磁極が6つの相巻線により形成される。言い換えれば、6つの相巻線U1、V2、W1、U2、V1及びW2は、電気角360度を占める。図24は、第1の3相電流I1及び第2の3相電流I2が形成する回転磁界を示すベクトル図である。
つまり、第2の3相電流I2の位相を180度シフトすることにより、3相誘導モータの極数が切り換えられる。誘導モータのトルクは、極数に比例するため、この極数切換により、トルク速度特性を切り換えることができる。なお、上記説明された極数切換技術は、公知である。
この第4実施形態の特徴は、巻数切り換えと極数切換とを同一のモータ駆動回路(図16参照)により互いに独立に実行する点にある。言い換えれば、図16に示される巻数切り換えのための2つの3相インバータ及び2つの3相巻線は、回路構成を変更することなく極数切換も実行することができる。結局、3つのトルク速度特性を切り換えることにより、低速トルクの増加と有効速度範囲の拡大とが実現することができる。
この3段階切換式の誘導モータのトルク速度特性の一例が図25に示される。最大トルクT1をもつ特性線101は巻数及び極数が増加された状態を示す。最大トルクT2をもつ特性線102は巻数が低減され、極数が増加された状態を示す。最大トルクT3をもつ特性線106は巻数及び極数が低減された状態を示す。巻数及び極数が低減されたモードが優先的に採用されることが好ましい。トルク指令値が増加すると、極数が増加される。トルク指令値が更に増加すると、巻数が増加される。
これにより、永久磁石同期モータに匹敵する誘導モータを安価に実現することができる。この3段階切換式誘導モータは、インバータや直流電源の規模を増加することなく、かつ、永久磁石を使用することなく、広い速度範囲と強い低速トルクとの両方を実現することができる。
極数切換動作の一例が簡単に説明される。極数を切り換えるために、第2の3相電流I2の位相をゆっくりと180度までシフトすることが好適である。又は、第1の3相電流I1の位相と第2の3相電流I2の位相とを互いに反対方向へゆっくりとシフトしてもよい。6つの相電流の位相シフトが90度に達した時、位相シフトは停止される。位相シフトの代わりに、3相電流I2の振幅だけを徐々に変更してもよい。たとえば、第2の3相電流I2の振幅は、徐々に減少された後、反対方向に徐々に増加される。
第3実施形態及び第4実施形態によれば、必要な低速トルクを確保しつつ、直流電源の放電電流量を低減することができる。これは、特にバッテリ駆動式のモータ装置においてバッテリ寿命の延長を実現する。バッテリ寿命が大電流放電及びそれによる温度上昇に関係をもつことが知られている。次に、この巻数切り換え技術は、実質的に6相インバータにリレー又は簡単な連結スイッチを追加するのみで実施できるため、回路コスト及び回路損失の増加が抑制されることも重要な利点である。
第3実施形態及び第4実施形態で説明された6相インバータを巻数低減モードで駆動する時、本発明者により保有されている日本特許4764986号に記載されている一相変調法を採用することができる。この一相変調法は、3相インバータに印加されるDCリンク電圧に3相全波整流波形を与えることにより、3相インバータの2つのレグのPWMスイッチングを休止する技術である。3相全波整流波形のDCリンク電圧は、昇圧DCDCコンバータの昇圧率をモータの回転角に同期して制御することにより実施される。
巻数低減モードによれば、6相インバータは、並列動作する2つの3相インバータとして動作する。したがって、2つの3相インバータの各1つのレグだけがPWMスイッチングされるPWMレグとなる。ただし、これら2つのPWMレグのPWMデユーティ比は、目標とする相電圧を発生するために適切に調整される。2つのPWMレグは、互いに反対位相の相電圧を出力する第1のケースと、互いに同位相の相電圧を出力する第23のケースとをもつ。
第1のケースは、巻数が低減される第3実施形態及び巻数が低減され極数が増加される第4実施形態において採用される。第2のケースは、巻数及び極数の両方が低減される第4実施形態において採用される。これにより、インバータ損失を大幅に低減できる。その結果、銅損及びインバータ損失の両方の低減が可能となるため、インバータをモータに内蔵することが容易となる。
第5実施形態
トラクションモータ装置に適用された第5実施形態が図26-図27を参照して説明される。図26は、このトラクションモータ装置を示す配線図である。このトラクションモータ装置は、第3実施形態で説明された電機子コイルの巻数切換え動作と、公知の2つのバッテリパックの直並列切換え動作との両方を実行することをその特徴としている。
トラクションモータ装置に適用された第5実施形態が図26-図27を参照して説明される。図26は、このトラクションモータ装置を示す配線図である。このトラクションモータ装置は、第3実施形態で説明された電機子コイルの巻数切換え動作と、公知の2つのバッテリパックの直並列切換え動作との両方を実行することをその特徴としている。
このトラクションモータ装置は、インバータ99により駆動されるトラクションモータ100を有する。このインバータ99は、一対のメインスイッチ96及び97を通じて直流電源101により給電される。インバータ99及び直流電源101は、コントローラ4により制御される。平滑キャパシタ98は、インバータ99と並列に接続されている。
3相モータであるトラクションモータ100は、第3実施例と同様に第1の3相巻線及び第2の3相巻線により構成された電機子コイルを有している。これら2つの3相巻線は、それぞれ星形接続されている。インバータ99は、2つの3相巻線の合計6つの相コイルをそれぞれ駆動する6つのスイッチングレグをもつ。第1の3相巻線の1つの相コイルと第2の3相巻線の1つの相コイルとは、リレーからなる連結スイッチ5Bにより連結されている。言い換えれば、6相インバータ99及び6相モータ100は、本質的に図16に示される第3実施形態のインバータ及びモータと同じである。
連結スイッチ5Bは、双方向スイッチであればよく、リレーの代わりにトライアックを採用することもできる。さらに、2つのパワートランジスタを逆向きに直列接続することにより、連結スイッチ5Bを構成することも可能である。
直流電源101は、互いにほぼ等しい電圧をもつ2つのバッテリ91-92と、直列リレー93と、2つの並列ダイオード94及び95からなる。バッテリ91の正極は、メインスイッチ96を通じてインバータ99の正端子に接続されてる。バッテリ92の負極は、メインスイッチ97を通じてインバータ99の負極子に接続されてる。バッテリ91の負極は、直列リレー93を通じてバッテリ92の正極に接続されている。並列ダイオード94は、バッテリ91の負極をバッテリ92の負極に接続している。並列ダイオード95は、バッテリ91の正極をバッテリ92の正極に接続している。
したがって、直列リレー93がオンされる直列モードにおいて、直流電源101は、1つのバッテリの電圧の2倍の電圧をインバータ99に印加する。直列リレー93がオフされる並列モードにおいて、直流電源101は、1つのバッテリの電圧とほぼ等しい電圧をインバータ99に印加する。
コントローラ4は、トルク指令値及びモータ回転数に基づいて、直列モード及び並列モードのどちらか1つを選択する。さらに、コントローラ4は、既述した巻数増加モード及び巻数低減モードのどちらか1つを選択する。直列モードによれば、バッテリ1及び2の電圧和がインバータ99に印加される。並列モードによれば、1つのバッテリの電圧がインバータ99に印加される。
巻数増加モードによれば、連結スイッチ5Bがオンされる。その結果、インバータ99は、連結スイッチ5Bにより連結された2つの3相巻線に4相交流電圧を印加する。巻数低減モードによれば、連結スイッチ5Bがオフされる。その結果、インバータ99は、互いに独立の2つの3相巻線にそれぞれ3相交流電圧を印加する。
図27は、直流電源電圧と巻数とにより決定される4つの運転領域を示す。トルク指令値が所定のしきい値トルクTtを超える時、巻数増加モードが採用される。トルク指令値がこのしきい値トルクTtを超えない時、巻数低減モードが採用される。
破線1007は、巻数増加モード及び並列モードが採用される時のトルク特性を示す。実線1008は、巻数増加モード及び直列モードが採用される時のトルク特性を示す。破線1009は、巻数低減モード及び並列モードが採用される時のトルク特性を示す。実線1010は、巻数低減モード及び直列モードが採用される時のトルク特性を示す。
結局、この実施形態によれば、巻数及びインバータ印加電圧が減少される運転領域103と、巻数が増加され、インバータ印加電圧が減少される運転領域104と、巻数が減少され、インバータ印加電圧が増加される運転領域105と、巻数及びインバータ印加電圧が増加される運転領域106とをもつ。自動車の実際の運転において、低速かつ低トルクの運転領域103が使用される確率は非常に高い。
この実施形態によれば、運転状態を運転領域103から運転領域106へ切り換える場合、バックEMFが増加する巻数の増加と、インバータ印加電圧の増加とを同期して実行することができるので、電流の変化を抑制することができる。これは、運転状態を運転領域106から運転領域104へ切り換える場合も同様である。さらに、運転状態を運転領域104と運転領域105との間で切り換える場合も同様である。
さらに、低速回転領域103及び104において、インバータ99に印加される直流電源電圧が並列モードの採用により低下される。その結果、装置の総合効率を改善することができる。特に、バッテリの内部抵抗損失は並列モードの採用により直流モードの1/4となるため、バッテリの損失が低減され、バッテリの高温劣化を抑制することが可能となる。
なお、この実施形態において、モータのステータ巻線の巻数の切換を公知の方法により実施することも可能である。さらに、巻数切換の代わりに、6相誘導モータの極数切換を採用してもよい。
なお、この実施形態において、モータのステータ巻線の巻数の切換を公知の方法により実施することも可能である。さらに、巻数切換の代わりに、6相誘導モータの極数切換を採用してもよい。
結局、本発明のモータ及び発電機は、双方向短絡スイッチをオンすることにより2つの3相コイルのほぼ同相の相コイルを直列接続する4相モードと、双方向短絡スイッチをオフすることにより2つの3相コイルを並列に動作させる6相モードとをもつ。
この4相モードにおいて、インバータのスイッチング損失を低減する方法を以下に説明する。たとえば図8に示されるスタータジエネレータにおいて、短絡スイッチ5Bがオンされている。この時の各相コイルU1、V1、U2及びV2に個別に流れる4相電圧の波形が図28に示される。
V2相レグ5Vの下アームスイッチ54Tは、0度ー90度の期間に常にオンされる。これにより、相コイルV2に印加される相電圧は0Vに固定される。他の3つの相レグ3U、3V及び5UはPWMスイッチングされる。
次に、U1相レグ3Uの下アームスイッチ32Tは、90度ー180度の期間に常にオンされる。これにより、相コイルU1に印加される相電圧は0Vに固定される。他の3つの相レグ3V、5U及び5VはPWMスイッチングされる。
次に、V1相レグ3Vの下アームスイッチ34Tは、180度ー270度の期間に常にオンされる。これにより、相コイルV1に印加される相電圧は0Vに固定される。他の3つの相レグ3U、5U及び5VはPWMスイッチングされる。
次に、U2相レグ5Uの下アームスイッチ52Tは、270度ー0度の期間に常にオンされる。これにより、相コイルU2に印加される相電圧は0Vに固定される。他の3つの相レグ3V、3U及び5VはPWMスイッチングされる。
これにより、4つのレグ3U、3V、5U及び5Vのうちの1つのレグのPWMスイッチングを停止することが可能となる。この駆動法は、従来の3相インバータの2相変調法に似ている。その結果、4相インバータ3Eのスイッチング損失を25%低減することができる。切換えに伴う相電圧のジャンプは非常に小さい。
次に、図8に示されるスタータジエネレータを4相モードを用いて矩形波駆動する態様が図8及び図28を参照して説明される。0度ー90度の期間において、相間電圧(V1ーV2)が最大となる。したがって、この期間において、V1相レグ3Vの上アームスイッチ33TとV2相レグ5Vの下アームスイッチ54Tがオンされる。
次に、90度ー180度の期間において、相間電圧(U2ーU1)が最大となる。したがって、この期間において、U2相レグ5Uの上アームスイッチ51TとU1相レグ3Uの下アームスイッチ32Tがオンされる。
次に、180度ー270度の期間において、相間電圧(V2ーV1)が最大となる。したがって、この期間において、V2相レグ5Vの上アームスイッチ53TとV1相レグ3Vの下アームスイッチ34Tがオンされる。
次に、270度ー0度の期間において、相間電圧(U1ーU2)が最大となる。したがって、この期間において、U1相レグ3Uの上アームスイッチ31TとU2相レグ5Uの下アームスイッチ52Tがオンされる。
結局、図8に示されるスタータジエネレータを4相モードで駆動する時に4つの矩形波相電圧を順番に印加すれば、従来の3相インバータの矩形波駆動モード(いわゆるブラシレスDCモータ)と似た駆動を実現することができる。なお、各相電圧の矩形波の幅すなわち通電期間は90度に限定されない。
結局、本発明のモータ及び発電機は、双方向短絡スイッチをオンすることにより2つの3相コイルのほぼ同相の相コイルを直列接続する4相モードと、双方向短絡スイッチをオフすることにより2つの3相コイルを並列に動作させる6相モードとをもつ。
この4相モードにおいて、インバータのスイッチング損失を低減する方法を以下に説明する。たとえば図8に示されるスタータジエネレータにおいて、短絡スイッチ5Bがオンされている。この時の各相コイルU1、V1、U2及びV2に個別に流れる4相電圧の波形が図28に示される。
V2相レグ5Vの下アームスイッチ54Tは、0度ー90度の期間に常にオンされる。これにより、相コイルV2に印加される相電圧は0Vに固定される。他の3つの相レグ3U、3V及び5UはPWMスイッチングされる。
次に、U1相レグ3Uの下アームスイッチ32Tは、90度ー180度の期間に常にオンされる。これにより、相コイルU1に印加される相電圧は0Vに固定される。他の3つの相レグ3V、5U及び5VはPWMスイッチングされる。
次に、V1相レグ3Vの下アームスイッチ34Tは、180度ー270度の期間に常にオンされる。これにより、相コイルV1に印加される相電圧は0Vに固定される。他の3つの相レグ3U、5U及び5VはPWMスイッチングされる。
次に、U2相レグ5Uの下アームスイッチ52Tは、270度ー0度の期間に常にオンされる。これにより、相コイルU2に印加される相電圧は0Vに固定される。他の3つの相レグ3V、3U及び5VはPWMスイッチングされる。
これにより、4つのレグ3U、3V、5U及び5Vのうちの1つのレグのPWMスイッチングを停止することが可能となる。この駆動法は、従来の3相インバータの2相変調法に似ている。その結果、4相インバータ3Eのスイッチング損失を25%低減することができる。切換えに伴う相電圧のジャンプは非常に小さい。
次に、図8に示されるスタータジエネレータを4相モードを用いて矩形波駆動する態様が図8及び図28を参照して説明される。0度ー90度の期間において、相間電圧(V1ーV2)が最大となる。したがって、この期間において、V1相レグ3Vの上アームスイッチ33TとV2相レグ5Vの下アームスイッチ54Tがオンされる。
次に、90度ー180度の期間において、相間電圧(U2ーU1)が最大となる。したがって、この期間において、U2相レグ5Uの上アームスイッチ51TとU1相レグ3Uの下アームスイッチ32Tがオンされる。
次に、180度ー270度の期間において、相間電圧(V2ーV1)が最大となる。したがって、この期間において、V2相レグ5Vの上アームスイッチ53TとV1相レグ3Vの下アームスイッチ34Tがオンされる。
次に、270度ー0度の期間において、相間電圧(U1ーU2)が最大となる。したがって、この期間において、U1相レグ3Uの上アームスイッチ31TとU2相レグ5Uの下アームスイッチ52Tがオンされる。
結局、図8に示されるスタータジエネレータを4相モードで駆動する時に4つの矩形波相電圧を順番に印加すれば、従来の3相インバータの矩形波駆動モード(いわゆるブラシレスDCモータ)と似た駆動を実現することができる。なお、各相電圧の矩形波の幅すなわち通電期間は90度に限定されない。
Claims (16)
- 星形接続された第1の3相巻線(2A)の3相巻線(U1、V1、W1)に個別に接続された3つのレグ(3U、3V、3W)からなる第1のレグ群と、星形接続された第2の3相巻線(2B)の3相巻線(U2、V2、W2)に個別に接続された3つのレグ(5U、5V、5W)からなる第2のレグ群とを含む電機子回路を備える可変速電気機械において、
前記電機子回路は、前記第1レグ群の1つの相巻線(W1)と前記第2レグ群の1つの相巻線(W2)との接続を制御する双方向性の連結スイッチ(5A)と、前記連結スイッチ(5A)を制御するコントローラ(4)とを有し、
前記コントローラ(4)は、前記連結スイッチ(5A)を閉じる巻数増加モードと、前記連結スイッチ(5A)を開く巻数低減モードとを有することを特徴とする可変速電気機械。 - 前記連結スイッチ(5A)により接続される前記2つの相巻線(W1、W2)は、本質的に同相の相巻線である請求項1記載の可変速電気機械。
- 前記連結スイッチ(5A)は、前記2つの相巻線(W1、W2)の間の交流電圧を全波整流する整流器(5C)と、前記整流器(5C)を短絡する短絡トランジスタ(50)とを有する請求項1記載の可変速電気機械。
- 前記6つのレグにより構成された6相全波整流器を有する車両用発電機からなる請求項1記載の可変速電気機械。
- 前記コントローラ(4)は、アイドリング期間において少なくとも電流要求値が大きい時、前記巻数増加モードを採用する請求項4記載の可変速電気機械。
- 前記コントローラ(4)は、回転数がアイドリング回転数よりこ高い所定範囲にある時、前記巻数低減モードを採用する請求項5記載の可変速電気機械。
- 前記6つのレグにより構成された4相インバータ(3E)と単相全波整流器とのペアを有する始動発電機からなる請求項1記載の可変速電気機械。
- 前記コントローラ(4)は、エンジン始動期間において前記巻数増加モードを採用する請求項7記載の可変速電気機械。
- 前記コントローラ(4)は、回転数が所定範囲にある発電期間において前記巻数低減モードを採用する請求項8記載の可変速電気機械。
- 前記6つのレグにより構成された6相インバータを有する車両用モータからなる請求項1記載の可変速電気機械。
- 前記連結スイッチ(5A)により互いに接続される2つの前記レグ(3W、5W)は、他の前記レグ(3U、3V、5U、5V)よりも小さい電流容量をもつ請求項10記載の可変速電気機械。
- 前記コントローラ(4)は、トルク要求値が大きい低速期間に前記巻数増加モードを採用する請求項10記載の可変速電気機械。
- 前記コントローラ(4)は、前記低速期間よりも高い所定の速度期間に前記巻数低減モードを採用する請求項12記載の可変速電気機械。
- 前記2つの3相巻線(2A、2B)は、6相誘導モータの電機子コイルを構成し、
前記コントローラ(4)は、前記2つの3相巻線(2A、2B)に流す2つの3相電流の位相を変更することにより、前記6相誘導モータの極数を変更する請求項10記載の可変速電気機械。 - 前記コントローラ(4)は、低速でトルク要求値が大きいとき、極数及び巻数の両方を増加し、高速で極数及び巻数の両方を減少する請求項請求項14記載の可変速電気機械。
- 前記コントローラ(4)は、前記6相インバータに直流電源電圧を印加する直流電源(101)を有し、
前記直流電源(101)は、2つのバッテリ(91及び92)を直列接続する直列モードと、2つのバッテリ(91及び92)を並列接続する並列モードとを有し、
前記コントローラ(4)は、
トルクが小さく、速度が低い運転領域(103)にて、前記並列モード及び前記巻数低減モードモードを採用し、
トルクが大きく、速度が低い運転領域(104)にて、前記並列モード及び前記巻数増加モードを採用し、
トルクが小さく、速度が高い運転領域(105)にて、前記直列モード及び前記巻数低減モードモードを採用し、かつ、
トルクが大きく、速度が高い運転領域(106)にて、前記直列モード及び前記巻数増加モードを採用する請求項10記載の可変速電気機械。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014123242A JP2015164385A (ja) | 2013-11-18 | 2014-06-16 | 可変速電気機械 |
Applications Claiming Priority (7)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013237959 | 2013-11-18 | ||
JP2013237959 | 2013-11-18 | ||
JP2013249887 | 2013-12-03 | ||
JP2013249887 | 2013-12-03 | ||
JP2014015429 | 2014-01-30 | ||
JP2014015429 | 2014-01-30 | ||
JP2014123242A JP2015164385A (ja) | 2013-11-18 | 2014-06-16 | 可変速電気機械 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2015164385A true JP2015164385A (ja) | 2015-09-10 |
Family
ID=54187079
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2014123242A Pending JP2015164385A (ja) | 2013-11-18 | 2014-06-16 | 可変速電気機械 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2015164385A (ja) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2017081900A1 (ja) * | 2015-11-12 | 2017-05-18 | 田中 正一 | 巻数切替式電気機械 |
CN108390488A (zh) * | 2018-05-14 | 2018-08-10 | 西安清泰科新能源技术有限责任公司 | 一种三相电机绕组切换装置及控制方法 |
WO2019142316A1 (ja) * | 2018-01-19 | 2019-07-25 | 田中 正一 | 可変速モータ装置及びそのコントローラ |
WO2019180912A1 (ja) * | 2018-03-23 | 2019-09-26 | 田中 正一 | 電圧切替式直流電源 |
DE102021104567A1 (de) | 2021-02-25 | 2022-09-08 | Lsp Innovative Automotive Systems Gmbh | Umrichter sowie Verfahren zum Betrieb eines Umrichters |
-
2014
- 2014-06-16 JP JP2014123242A patent/JP2015164385A/ja active Pending
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2017081900A1 (ja) * | 2015-11-12 | 2017-05-18 | 田中 正一 | 巻数切替式電気機械 |
WO2018029989A1 (ja) * | 2015-11-12 | 2018-02-15 | 田中 正一 | 可変速電気機械 |
WO2019142316A1 (ja) * | 2018-01-19 | 2019-07-25 | 田中 正一 | 可変速モータ装置及びそのコントローラ |
WO2019180912A1 (ja) * | 2018-03-23 | 2019-09-26 | 田中 正一 | 電圧切替式直流電源 |
CN108390488A (zh) * | 2018-05-14 | 2018-08-10 | 西安清泰科新能源技术有限责任公司 | 一种三相电机绕组切换装置及控制方法 |
DE102021104567A1 (de) | 2021-02-25 | 2022-09-08 | Lsp Innovative Automotive Systems Gmbh | Umrichter sowie Verfahren zum Betrieb eines Umrichters |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6360442B2 (ja) | 永久磁石同期モータ、巻線切替モータ駆動装置、及び、それらを用いた冷凍空調機器、電動車両 | |
US7294984B2 (en) | Motor controller | |
JP5862125B2 (ja) | 電力変換装置の制御装置 | |
US20140239876A1 (en) | Electric drive with reconfigurable winding | |
CN100536291C (zh) | 可变磁阻电机及将其作为发电机运行的方法 | |
US20120206076A1 (en) | Motor-driving apparatus for variable-speed motor | |
JP2009303298A (ja) | 交流モータ装置 | |
CN110383639B (zh) | 旋转电机系统 | |
JP2010081786A (ja) | パワースイッチング回路 | |
JP2015164385A (ja) | 可変速電気機械 | |
US10903772B2 (en) | Multigroup-multiphase rotating-electric-machine driving apparatus | |
US20150097505A1 (en) | Current source inverter device | |
WO2018029989A1 (ja) | 可変速電気機械 | |
JP2003174790A (ja) | 車両用同期電動機装置 | |
Mese et al. | Investigating operating modes and converter options of dual winding permanent magnet synchronous machines for hybrid electric vehicles | |
JP2014039446A (ja) | 極数変換モータ装置 | |
JP2016163476A (ja) | モータ駆動装置、及びこれを備える機器、並びにモータ駆動方法 | |
US10027252B2 (en) | Rotating electric machine system | |
CN116470821A (zh) | 电机驱动装置及其控制方法 | |
US20140070750A1 (en) | Hybrid Motor | |
US7928676B2 (en) | Vehicle motor control apparatus | |
Elamin et al. | Performance improvement of the delta-connected SRM driven by a standard three phase inverter | |
JP2017112819A (ja) | 相数切換型電気機械 | |
JP2016086622A (ja) | 巻数切換型回転電機 | |
WO2019244212A1 (ja) | 可変速モータ装置 |