JP2017073901A - Rotary electric machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、回転電機に関する。 The present invention relates to a rotating electrical machine.
回転電機は、例えばロータと、ロータに設けられたロータコイルを有する電動モータとを備えている(例えば特許文献1参照)。また、特許文献1には、スリップリングを用いてロータコイルに給電を行うことが記載されている。 The rotating electrical machine includes, for example, a rotor and an electric motor having a rotor coil provided on the rotor (see, for example, Patent Document 1). Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-228867 describes that power is supplied to the rotor coil using a slip ring.
ここで、スリップリングを用いた電力伝送は、ブラシの摩耗が懸念される。また、スリップリングが対応可能な回転速度が予め定められている場合、回転電機の回転速度が制限される場合がある。 Here, in power transmission using a slip ring, there is a concern about wear of the brush. Moreover, when the rotational speed which a slip ring can respond | correspond is predetermined, the rotational speed of a rotary electric machine may be restrict | limited.
また、電動モータの一種として直流駆動の直流モータがある。当該直流モータを駆動させるためには、電力伝送方向を切り替える整流子が必要となり、構成の複雑化等が懸念される。 Moreover, there is a direct current drive direct current motor as a kind of electric motor. In order to drive the DC motor, a commutator that switches the power transmission direction is required, and there is a concern that the configuration may be complicated.
本発明は、上述した事情を鑑みてなされたものであり、その目的はブラシや整流子を用いることなく、直流モータを駆動させることができる回転電機を提供することである。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object thereof is to provide a rotating electrical machine capable of driving a DC motor without using a brush or a commutator.
上記目的を達成する回転電機は、ロータと、前記ロータに設けられたロータコイルを有する直流モータと、直流電源から出力される直流の電源電力を、予め定められた周波数の交流電力に変換するDC/AC変換動作を行う第1変換部と、前記ロータの回転に伴って回転しないように保持され且つ前記交流電力が入力される保持電極、及び、前記ロータに設けられ且つ前記保持電極から非接触で前記交流電力を受電する回転電極を有するものであって、前記保持電極及び前記回転電極で構成される結合コンデンサを介して非接触の電力伝送を行う非接触電力伝送部と、前記ロータに設けられ、前記回転電極によって受電された交流電力を直流電力に変換するAC/DC変換動作を行い、当該直流電力を前記ロータコイルに出力する第2変換部と、前記ロータの回転位置を把握する位置把握部と、を備え、前記第1変換部は、1次側スイッチング素子を有し、当該1次側スイッチング素子が周期的にON/OFFすることにより前記DC/AC変換動作を行うものであり、前記第2変換部は、2次側スイッチング素子を有し、当該2次側スイッチング素子が周期的にON/OFFすることにより前記AC/DC変換動作を行うものであり、且つ、前記1次側スイッチング素子の立ち上がりタイミングに対する前記2次側スイッチング素子の立ち上がりタイミングの遅延時間に応じて、前記ロータコイルに出力する直流電力の極性を切り替えるものであり、前記回転電機は、前記1次側スイッチング素子及び前記2次側スイッチング素子を制御する制御部を備え、前記制御部は、前記2次側スイッチング素子の立ち上がりタイミングが前記1次側スイッチング素子の立ち上がりタイミングよりも遅延時間だけ遅延するように前記両スイッチング素子を周期的にON/OFFさせ、且つ、前記位置把握部の把握結果に基づいて前記遅延時間を変更することにより、前記第2変換部から前記ロータの回転位置に対応した極性の直流電力を出力させることを特徴とする。 A rotating electrical machine that achieves the above object includes a rotor, a DC motor having a rotor coil provided in the rotor, and a DC power that converts a DC power source output from a DC power source into an AC power having a predetermined frequency. A first conversion unit that performs an AC conversion operation, a holding electrode that is held so as not to rotate in accordance with the rotation of the rotor and that receives the AC power, and a contact that is provided on the rotor and is not in contact with the holding electrode A non-contact power transmission unit for receiving non-contact power transmission via a coupling capacitor composed of the holding electrode and the rotation electrode, and a rotating electrode for receiving the alternating-current power. A second converter that performs an AC / DC conversion operation for converting AC power received by the rotating electrode into DC power and outputs the DC power to the rotor coil A position grasping unit that grasps the rotational position of the rotor, and the first conversion unit includes a primary side switching element, and the primary side switching element is periodically turned on and off to The second conversion unit has a secondary side switching element, and the secondary side switching element is periodically turned on / off to perform the AC / DC conversion operation. And switching the polarity of the DC power output to the rotor coil according to the delay time of the rise timing of the secondary side switching element with respect to the rise timing of the primary side switching element, The rotating electrical machine includes a control unit that controls the primary side switching element and the secondary side switching element. Both switching elements are periodically turned on and off so that the rising timing of the side switching elements is delayed by a delay time from the rising timing of the primary side switching elements, and based on the grasping result of the position grasping unit By changing the delay time, DC power having a polarity corresponding to the rotational position of the rotor is output from the second conversion unit.
かかる構成によれば、非接触電力伝送部によって、ロータへの非接触給電が実現されている。これにより、ブラシレス化を図ることができる。また、本構成によれば、遅延時間に応じて、第2変換部から出力される直流電力の極性が切り替わることに着目して、ロータの回転位置に応じて遅延時間が変更される。これにより、整流子を設けることなく、ロータの回転位置に応じた極性の直流電力を直流モータに入力させることができる。以上のことから、ブラシや整流子を設けることなく、直流モータを駆動させることができる。 According to this configuration, non-contact power feeding to the rotor is realized by the non-contact power transmission unit. Thereby, brushless-ization can be achieved. Further, according to this configuration, the delay time is changed according to the rotational position of the rotor, focusing on the fact that the polarity of the DC power output from the second conversion unit is switched according to the delay time. Thereby, the direct-current power of the polarity according to the rotation position of a rotor can be input into a direct-current motor, without providing a commutator. From the above, the DC motor can be driven without providing a brush or a commutator.
特に、本構成では、直流モータが採用されているため、第2変換部と直流モータとの間に、スイッチング素子を有するインバータ等を設ける必要がない。これにより、ロータの構成の簡素化を図ることができるとともに、スイッチング素子の数の削減を図ることができる。なお、本明細書において、直流電力とは、電力伝送方向が一定の電力を意味し、当該直流電力には、電力値が周期的に変化するものも含む。 In particular, in this configuration, since a DC motor is employed, it is not necessary to provide an inverter or the like having a switching element between the second conversion unit and the DC motor. Thereby, the configuration of the rotor can be simplified and the number of switching elements can be reduced. In the present specification, DC power means power having a constant power transmission direction, and the DC power includes that whose power value changes periodically.
上記回転電機について、前記制御部は、前記ロータの回転数に対応する切替周波数で、前記遅延時間を、正の直流電力に対応する正遅延時間と、負の直流電力に対応する負遅延時間とに交互に切り替えることにより、前記第2変換部から前記ロータコイルに対して正の直流電力と負の直流電力とを交互に出力させるとよい。 For the rotating electrical machine, the control unit has a switching frequency corresponding to the number of rotations of the rotor, the delay time, a positive delay time corresponding to positive DC power, and a negative delay time corresponding to negative DC power. It is preferable to alternately output positive DC power and negative DC power from the second conversion unit to the rotor coil by alternately switching to.
かかる構成によれば、直流モータに対して、ロータの回転数に対応させて、正の直流電力と負の直流電力とを交互に入力させることができる。これにより、ロータの回転と、ロータコイルに入力される直流電力の極性とを同期させることができ、直流モータを好適に回転させることができる。また、切替周波数を変更することにより、ロータの回転数を変更することができる。 According to this configuration, positive DC power and negative DC power can be alternately input to the DC motor in accordance with the rotational speed of the rotor. Thereby, rotation of a rotor and the polarity of the direct-current power input into a rotor coil can be synchronized, and a direct-current motor can be rotated suitably. Moreover, the rotation speed of the rotor can be changed by changing the switching frequency.
上記回転電機について、前記交流電力の周波数は、前記切替周波数よりも高く設定されているとよい。
かかる構成によれば、非接触電力伝送部の大型化を抑制しつつ、結合コンデンサを介する非接触の電力伝送と、直流モータの駆動とを好適に行うことができる。
About the said rotary electric machine, the frequency of the said alternating current power is good to be set higher than the said switching frequency.
According to such a configuration, it is possible to suitably perform non-contact power transmission via the coupling capacitor and drive of the DC motor while suppressing an increase in the size of the non-contact power transmission unit.
上記回転電機について、前記第2変換部は、少なくとも前記2次側スイッチング素子を用いて構成されたものであって、双方向に電流を流すことができる双方向スイッチ回路を備え、前記双方向スイッチ回路は、前記ロータコイルに並列接続されているとよい。 In the rotating electrical machine, the second conversion unit is configured using at least the secondary-side switching element, and includes a bidirectional switch circuit capable of flowing a current bidirectionally, and the bidirectional switch The circuit may be connected in parallel to the rotor coil.
かかる構成によれば、遅延時間を変更することにより、第2変換部から出力される直流電力の極性を切り替えることができる。
上記回転電機について、前記1次側スイッチング素子は、前記直流電源に並列接続されており、前記2次側スイッチング素子は、前記ロータコイルに並列接続されており、前記第1変換部は、前記1次側スイッチング素子と前記直流電源との間に設けられ、前記直流電源に直列接続された1次側コイルと、前記1次側コイルと前記結合コンデンサとの間に設けられ、前記1次側スイッチング素子に並列接続された1次側シャントキャパシタと、を有し、前記第2変換部は、前記2次側スイッチング素子と前記ロータコイルとの間に設けられ、前記ロータコイルに直列接続された2次側コイルと、前記2次側コイルと前記結合コンデンサとの間に設けられ、前記2次側スイッチング素子に並列接続された2次側シャントキャパシタと、を有し、前記回転電機は、前記結合コンデンサと直列接続されたものであって前記結合コンデンサと協働して直列共振回路を構成する共振コイルを備え、前記直列共振回路は、前記1次側シャントキャパシタと前記2次側シャントキャパシタとの間に設けられており、前記第1変換部と前記直列共振回路とによってE級インバータが構成され、前記第2変換部と前記直列共振回路とによってE級コンバータが構成されているとよい。
According to this configuration, the polarity of the DC power output from the second conversion unit can be switched by changing the delay time.
In the rotating electrical machine, the primary side switching element is connected in parallel to the DC power source, the secondary side switching element is connected in parallel to the rotor coil, and the first converter is A primary side coil provided between the secondary side switching element and the DC power source and connected in series to the DC power source, and provided between the primary side coil and the coupling capacitor, the primary side switching A primary shunt capacitor connected in parallel to the element, and the second converter is provided between the secondary switching element and the rotor coil, and is connected in series to the rotor coil. A secondary coil, and a secondary shunt capacitor provided between the secondary coil and the coupling capacitor and connected in parallel to the secondary switching element, The rotary electric machine includes a resonance coil that is connected in series with the coupling capacitor and forms a series resonance circuit in cooperation with the coupling capacitor, the series resonance circuit including the primary shunt capacitor and the A class E inverter is configured by the first converter and the series resonant circuit, and a class E converter is configured by the second converter and the series resonant circuit. It is good to be.
かかる構成によれば、E級動作によってDC/AC変換動作及びAC/DC変換動作が実現されるため、両スイッチング素子のスイッチング損失を低減できる。これにより、直流電源から直流モータへの電力伝送の効率向上を図ることができる。 According to such a configuration, since the DC / AC conversion operation and the AC / DC conversion operation are realized by the class E operation, the switching loss of both switching elements can be reduced. Thereby, the efficiency improvement of the electric power transmission from DC power supply to a DC motor can be aimed at.
ここで、E級動作を実現するためには、直列共振回路が必要となる。この点、本構成によれば、電界結合式の非接触の給電を行うのに必須の構成である結合コンデンサが直列共振回路の一部として採用されている。そして、当該直列共振回路は、E級インバータ及びE級コンバータの双方に用いられている。よって、構成の簡素化を図ることができる。 Here, in order to realize the class E operation, a series resonance circuit is required. In this regard, according to this configuration, a coupling capacitor that is an essential configuration for performing electric field coupling type non-contact power feeding is employed as a part of the series resonance circuit. The series resonant circuit is used for both the class E inverter and the class E converter. Therefore, the configuration can be simplified.
この発明によれば、ブラシや整流子を用いることなく、直流モータを駆動させることができる。 According to the present invention, the DC motor can be driven without using a brush or a commutator.
以下、回転電機の一実施形態について説明する。
図1に示すように、本実施形態の回転電機10は、エンジン201及びバッテリ(蓄電装置)202を有する車両200に搭載されており、ハイブリッドトランスアクスルに用いられる。なお、バッテリ202は直流電源であり、バッテリ202の蓄電電力が「電源電力」に対応する。
Hereinafter, an embodiment of a rotating electrical machine will be described.
As shown in FIG. 1, the rotating
回転電機10は、回転可能なインナーロータ11及びアウターロータ12と、回転しないように保持されているステータ13とを備えている。例えば、インナーロータ11は柱状であり、アウターロータ12及びステータ13は筒状である。両ロータ11,12及びステータ13は、径方向内側から径方向外側に向かうに従って、インナーロータ11、アウターロータ12及びステータ13の順に同心円状に配置されている。
The rotating
回転電機10は、これら両ロータ11,12とステータ13とが収容されたハウジング14(図2参照)を備えている。両ロータ11,12は、ハウジング14に対して回転可能な状態で支持されている一方、ステータ13は、ハウジング14に固定されている。この場合、インナーロータ11とアウターロータ12とは、相対回転可能となっている。
The rotating
インナーロータ11は、エンジン201の出力軸に機械的に連結されている。インナーロータ11は、エンジン201の動力が伝達されることにより、回転する。
インナーロータ11は、筒状のインナーロータコア21と、インナーロータコア21に捲回されたロータコイル22とを有している。ロータコイル22は、互いに直列接続された第1コイルパーツ22a及び第2コイルパーツ22bとから構成されている。インナーロータ11が回転した場合、ロータコイル22も回転する。
The inner rotor 11 is mechanically connected to the output shaft of the
The inner rotor 11 has a cylindrical
アウターロータ12は、車両200の車軸203に機械的に連結されている。このため、アウターロータ12の回転力は車軸203に伝達され、且つ、車軸203の回転力はアウターロータ12に伝達される。
The
アウターロータ12は、インナーロータコア21の外周面と対向する内周面を有する筒状のアウターロータコア23と、アウターロータコア23に埋設された永久磁石24,25とを備えている。両永久磁石24,25は、径方向にずれて埋設されている。両永久磁石24,25のうち内側に埋設されている第1永久磁石24とインナーロータ11とが対向している。
The
ステータ13は、アウターロータ12の外周面と対向する内周面を有する筒状のステータコア26と、ステータコア26に捲回されたステータコイル27とを備えている。ステータコイル27は、3つの相コイルで構成されている。ステータ13と、両永久磁石24,25のうち外側に埋設されている第2永久磁石25とが対向している。
The
かかる構成によれば、インナーロータ11(詳細にはロータコイル22)とアウターロータ12(詳細には第1永久磁石24)とによって第1電動モータ31が構成され、アウターロータ12(詳細には第2永久磁石25)とステータ13(詳細にはステータコイル27)とによって第2電動モータ32が構成されている。第1電動モータ31はインナーロータ11を回転させる直流駆動の直流モータである。第2電動モータ32はアウターロータ12を回転させる三相モータである。
According to this configuration, the first
図1に示すように、車両200には、バッテリ202の蓄電電力を、第2電動モータ32が駆動可能な交流の駆動電力に変換してステータコイル27に出力するステータインバータ33が搭載されている。ステータインバータ33は、両ロータ11,12の回転に伴って回転しないようにハウジング14又は車両200に固定されている。なお、ステータインバータ33は、回転電機10と一体化されていてもよいし、回転電機10とは別体であってもよい。
As shown in FIG. 1, the
本実施形態の回転電機10は、バッテリ202から出力される直流の蓄電電力を、結合コンデンサC1,C2を介して非接触で、第1電動モータ31に給電する電界結合式非接触給電システム40を備えている。当該電界結合式非接触給電システム40について以下に説明する。
The rotating
図1に示すように、電界結合式非接触給電システム40は、インナーロータ11に設けられ、ロータコイル22に対する給電を行うのに用いられる電子ユニット42を備えている。電子ユニット42は、インナーロータ11の回転に伴って回転する。
As shown in FIG. 1, the electric field coupling type non-contact
電界結合式非接触給電システム40は、蓄電電力を、予め定められた周波数を有する交流の伝送用電力(交流電力)に変換するDC/AC変換動作を行うステータ変換部(第1変換部)43と、ステータ変換部43によって変換された伝送用電力を電子ユニット42に伝送する非接触電力伝送部44とを備えている。なお、換言すれば、伝送用電力は非接触給電用電力とも言えるし、非接触電力伝送部44は、伝送用電力を電子ユニット42に給電する非接触給電部とも言える。
The electric field coupling type non-contact
電子ユニット42及び非接触電力伝送部44の詳細な構成について説明する。
図2に示すように、インナーロータ11は、回転軸51と、回転軸51に固定された筒状(詳細には円筒状)の絶縁部材52とを備えている。回転軸51は、エンジン201の出力軸に連結されている。絶縁部材52は、例えば樹脂等で形成されており、回転軸51を径方向外側から覆っている。回転軸51の軸線方向がインナーロータ11の軸線方向であり、絶縁部材52の軸線方向はインナーロータ11の軸線方向と一致している。
Detailed configurations of the
As shown in FIG. 2, the inner rotor 11 includes a
絶縁部材52の軸線方向の端部52aは、ハウジング14に形成された凹部14aに入り込んでいる。そして、絶縁部材52の軸線方向の端部52aと凹部14aの側壁面との間には、絶縁部材52を回転可能に支持する軸受53が設けられている。これにより、回転軸51及び絶縁部材52は、ハウジング14に対して回転可能に支持されている。
An
非接触電力伝送部44は、インナーロータ11に設けられ、インナーロータ11の回転に伴って回転する回転電極61,62と、インナーロータ11の回転に伴って回転しないように保持された保持電極71,72とを有している。回転電極61,62と保持電極71,72とは、電界結合しており、詳細には所定の間隔を隔てて対向配置されている。
The non-contact
回転電極61,62は、絶縁部材52の外周面に固定された筒状であり、回転電極61,62の軸線方向とインナーロータ11の軸線方向とは一致している。ちなみに、両回転電極61,62は、インナーロータ11の軸線方向に離間して配置されている。
The
両保持電極71,72は、回転電極61,62よりも長い内径を有する筒状(詳細には円筒状)である。保持電極71,72は、回転電極61,62と電界結合する位置に配置されている。詳細には、第1保持電極71は、第1回転電極61とインナーロータ11の径方向に対向しており、第2保持電極72は、第2回転電極62とインナーロータ11の径方向に対向している。
Both holding
非接触電力伝送部44は、両保持電極71,72をハウジング14に保持するための保持部材80を備えている。保持部材80は、例えば両保持電極71,72の内径と同一の内径を有する円筒状であり、絶縁性を有している。保持部材80の軸線方向とインナーロータ11の軸線方向とは一致している。保持部材80は、ハウジング14の内面のうち凹部14aの周囲からインナーロータ11の軸線方向に起立して設けられており、ハウジング14に固定されている。保持部材80の内周面における回転電極61,62と径方向に対向する位置には、当該内周面から凹んだ溝81,82が形成されている。保持電極71,72は、溝81,82に嵌り込んだ状態で保持部材80に固定されている。これにより、両保持電極71,72は、インナーロータ11の回転に伴って回転しないようになっている。また、電界結合式非接触給電システム40は、両保持電極71,72とステータ変換部43とを電気的に接続するステータ側配線83を備えている。両保持電極71,72には、ステータ側配線83を介して、ステータ変換部43から伝送用電力が入力される。
The non-contact
かかる構成によれば、電界結合している第1回転電極61及び第1保持電極71によって第1結合コンデンサC1が構成され、電界結合している第2回転電極62及び第2保持電極72によって第2結合コンデンサC2が構成されている。これら両結合コンデンサC1,C2を介して、回転する電子ユニット42と、回転しないステータ変換部43との間で伝送用電力の伝送が可能となっている。
According to this configuration, the first coupling capacitor C1 is configured by the first
この場合、両保持電極71,72が両回転電極61,62に伝送用電力を送電する「送電部」として機能し、両回転電極61,62が両保持電極71,72から伝送用電力を非接触で受電する「受電部」として機能する。
In this case, both holding
図2に示すように、電子ユニット42は、各種電子部品が実装される回路基板91を備えている。回路基板91は、例えば平板リング状であって、インナーロータ11に設けられている。詳細には、回路基板91は、非接触電力伝送部44に対して離れた位置にて、絶縁部材52が挿通された状態で絶縁部材52に固定されている。このため、回路基板91は、インナーロータ11の回転に伴って回転する。
As shown in FIG. 2, the
回路基板91には、伝送用電力を直流電力に変換するAC/DC変換動作を行うロータ変換部(第2変換部)92が搭載されている。ロータ変換部92と非接触電力伝送部44とは電気的に接続されている。詳細には、絶縁部材52には、第1回転電極61と接触している第1バスバー93aと、第2回転電極62と接触している第2バスバー93bとが埋設されている。両バスバー93a,93bは、互いに絶縁部材52の周方向にずれた位置に設けられており、インナーロータ11の軸線方向、詳細には電子ユニット42に向けて延びている。そして、両バスバー93a,93bは、ロータ変換部92に接続されている。これにより、両結合コンデンサC1,C2を介して伝送される伝送用電力は、両バスバー93a,93bを介して、ロータ変換部92に入力されることとなる。
Mounted on the
また、ロータ変換部92は、絶縁部材52に埋設された複数の配線94を介して、ロータコイル22に電気的に接続されている。ロータ変換部92は、変換した直流電力をロータコイル22に出力する。
The
更に、電子ユニット42は、ロータ変換部92を制御するロータコントローラ95を備えている。ロータコントローラ95は、回路基板91に実装されている。
図3に示すように、回転電機10は、ロータコントローラ95に動作電力を供給する動作電力供給部96を備えている。動作電力供給部96は、例えばハウジング14に固定された交流電源96aと、インナーロータ11に設けられた整流器96bと、交流電源96aから整流器96bに向けて非接触の電力伝送を行うのに用いられる動作電力用結合コンデンサCy1,Cy2とを備えている。動作電力用結合コンデンサCy1,Cy2は、ハウジング14に固定され、交流電源96aと電気的に接続された保持電極と、保持電極と対向する位置にてインナーロータ11に固定され、保持電極と電界結合されている回転電極とによって構成されている。なお、図2においては、動作電力用結合コンデンサCy1,Cy2の図示は省略する。
Furthermore, the
As shown in FIG. 3, the rotating
整流器96bは、動作電力用結合コンデンサCy1,Cy2を介して伝送された交流電力を整流して動作電力を生成する。そして、整流器96bは、その動作電力をロータコントローラ95に出力する。これにより、ロータコントローラ95への給電が行われる。なお、ロータコントローラ95への動作電力の給電は、常に行われている構成であってもよいし、必要な処理の前段階(例えば力行動作開始前)から行われる構成でもよい。
The
また、動作電力供給部96は、ロータ変換部92から出力される直流電力の一部が入力されるように構成されているものであって、ロータ変換部92から出力される直流電力の一部を、整流し、且つ、動作電力に降圧する降圧整流回路96cを備えている。そして、動作電力供給部96は、降圧整流回路96cから出力される動作電力が供給されるように構成されている。このため、仮にバッテリ202から第1電動モータ31への電力伝送が行われている場合には、交流電源96aからの給電が停止している場合であっても、ロータコントローラ95への動作電力の給電が行われる。
The operating
図1に示すように、電界結合式非接触給電システム40は、ステータ変換部43を制御するとともに、ステータインバータ33を制御するステータコントローラ97を備えている。ステータコントローラ97は、両ロータ11,12の回転に伴って回転しないようにハウジング14又は車両200に固定されている。なお、ステータコントローラ97は、回転電機10と一体化されていてもよいし、別体でもよい。
As shown in FIG. 1, the electric field coupling type non-contact
ロータコントローラ95とステータコントローラ97とは、互いに情報のやり取りが可能に構成されている。詳細には、図3に示すように、電界結合式非接触給電システム40は、インナーロータ11に設けられた2つの信号用回転電極とハウジング14に固定された2つの信号用保持電極とから構成された信号用結合コンデンサCz1,Cz2を備えている。両コントローラ95,97は、両信号用結合コンデンサCz1,Cz2及びインナーロータ11(詳細には回路基板91)に設けられた波形整形部98を介して電気的に接続されている。なお、図2においては、信号用結合コンデンサCz1,Cz2の図示は省略する。両コントローラ95,97が「制御部」に対応する。
The
図3に示すように、インナーロータ11には、当該インナーロータ11の回転角(回転位置)を検出する回転角センサ(回転位置センサ)99が設けられている。回転角センサ99は例えばレゾルバ等である。回転角センサ99は、その検出結果をロータコントローラ95に送信する。これにより、ロータコントローラ95は、インナーロータ11の回転角及び回転数を把握可能となっている。また、ロータコントローラ95は、これらの情報をステータコントローラ97に必要に応じて送信する。なお、インナーロータ11の回転角及び回転数を把握する具体的な構成は任意である。
As shown in FIG. 3, the inner rotor 11 is provided with a rotation angle sensor (rotation position sensor) 99 that detects the rotation angle (rotation position) of the inner rotor 11. The
ステータコントローラ97は、インナーロータ11の回転数及び回転角の他に、アクセル及びブレーキの動作状況と車両200の走行状況とを把握可能に構成されている。そして、ステータコントローラ97は、これらの状況に基づいて、バッテリ202の蓄電電力を用いて第1電動モータ31を駆動させる力行動作を行うか否かを決定する。そして、ステータコントローラ97は、力行動作を行うと決定した場合には、ロータコントローラ95と協働して、力行動作に対応する制御を行う。
The
以下、力行動作に係る制御について、電界結合式非接触給電システム40の電気的構成の詳細な説明と合わせて説明する。
まず、図3を用いて電界結合式非接触給電システム40の電気的構成について説明する。本実施形態の電界結合式非接触給電システム40は、等価回路的には、バッテリ202から第1電動モータ31のロータコイル22に向けて、ステータ変換部43、両結合コンデンサC1,C2(非接触電力伝送部44)及びロータ変換部92が順次設けられた構成となっている。
Hereinafter, the control related to the power running operation will be described together with the detailed description of the electrical configuration of the electric field coupling type non-contact
First, the electrical configuration of the electric field coupling type non-contact
ステータ変換部43は、バッテリ202に直列接続された1次側コイルL1と、バッテリ202に並列接続され、且つ、双方向の電力通電と電力遮断とを切替可能な1次側双方向スイッチ回路101と、1次側双方向スイッチ回路101に並列接続された1次側シャントキャパシタCs1とを備えている。1次側コイルL1は、1次側双方向スイッチ回路101とバッテリ202との間に設けられている。1次側シャントキャパシタCs1は、1次側双方向スイッチ回路101と両結合コンデンサC1,C2との間に設けられている。すなわち、1次側シャントキャパシタCs1は、1次側コイルL1と両結合コンデンサC1,C2との間に設けられている。
The
1次側双方向スイッチ回路101は、例えば、第1の1次側スイッチング素子Q1及び第1ダイオードD1の直列接続体と、第2の1次側スイッチング素子Q2及び第2ダイオードD2の直列接続体とを有している。両直列接続体は、互いに並列接続されている。この場合、両1次側スイッチング素子Q1,Q2は、バッテリ202に並列接続されていると言える。
The primary side
両1次側スイッチング素子Q1,Q2は例えばn型のパワーMOSFETで構成されている。1次側スイッチング素子Q1,Q2は、ソース・ドレイン間に接続されたボディダイオード(寄生ダイオード)Db1,Db2を有している。1次側双方向スイッチ回路101は、両1次側スイッチング素子Q1,Q2がON状態である場合には、どちらの方向にも電流を流すことができ、両1次側スイッチング素子Q1,Q2がOFF状態である場合には、いずれの方向に電圧が印加されても電流を流さない回路である。
Both the primary side switching elements Q1, Q2 are configured by, for example, n-type power MOSFETs. The primary side switching elements Q1, Q2 have body diodes (parasitic diodes) Db1, Db2 connected between the source and the drain. The primary side
第1の1次側スイッチング素子Q1のソースはバッテリ202の−端子に接続されている。第1の1次側スイッチング素子Q1のドレインは第1ダイオードD1のカソードに接続されている。第1ダイオードD1のアノードはバッテリ202の+端子に接続されている。第2の1次側スイッチング素子Q2のソースはバッテリ202の+端子に接続されている。第2の1次側スイッチング素子Q2のドレインは第2ダイオードD2のカソードに接続されている。第2ダイオードD2のアノードはバッテリ202の−端子に接続されている。
The source of the first primary side switching element Q <b> 1 is connected to the negative terminal of the
ロータ変換部92は、両結合コンデンサC1,C2と、第1電動モータ31(換言すればロータコイル22)との間に設けられている。ロータ変換部92は、両結合コンデンサC1,C2を介して、ステータ変換部43と左右対称の回路構成となっている。詳細には、ロータ変換部92は、ロータコイル22に直列接続された2次側コイルL2と、ロータコイル22に並列接続され、且つ、双方向の電力通電と電力遮断とを切替可能な2次側双方向スイッチ回路102と、2次側双方向スイッチ回路102に並列接続された2次側シャントキャパシタCs2とを備えている。2次側コイルL2は、2次側双方向スイッチ回路102とロータコイル22との間に設けられている。2次側シャントキャパシタCs2は、2次側双方向スイッチ回路102と両結合コンデンサC1,C2との間に設けられている。すなわち、2次側シャントキャパシタCs2は、2次側コイルL2と両結合コンデンサC1,C2との間に設けられており、両結合コンデンサC1,C2を介して、1次側シャントキャパシタCs1と並列接続されている。
The
2次側双方向スイッチ回路102は、1次側双方向スイッチ回路101と同様に、2つの2次側スイッチング素子Q3,Q4と2つのダイオードD3,D4とを有している。両2次側スイッチング素子Q3,Q4は例えばn型のパワーMOSFETで構成されており、ソース・ドレイン間に接続されたボディダイオード(寄生ダイオード)Db3,Db4を有している。両2次側スイッチング素子Q3,Q4は、ロータコイル22に並列接続されている。2次側双方向スイッチ回路102における各素子の具体的な接続態様及び動作(機能)は、1次側双方向スイッチ回路101における各素子の接続態様及び動作(機能)と同様であるため、詳細な説明を省略する。
Similar to the primary-side
電界結合式非接触給電システム40は、両コイルL1,L2とは別に第1結合コンデンサC1に直列接続されたものであって第1結合コンデンサC1と協働して直列共振回路103を構成する共振コイルL3を備えている。共振コイルL3は、両シャントキャパシタCs1,Cs2の間に設けられている。詳細には、共振コイルL3は、1次側コイルL1と第1保持電極71とを接続する配線上に設けられている。本実施形態では、ステータ変換部43が共振コイルL3を有している。
The electric field coupling type non-contact
かかる構成によれば、両1次側スイッチング素子Q1,Q2及び両2次側スイッチング素子Q3,Q4の双方が周期的にON/OFFすることにより、バッテリ202から第1電動モータ31に向かう電力伝送(換言すれば給電)が行われる。なお、各スイッチング素子Q1〜Q4のON状態とは導通状態とも言え、OFF状態は遮断状態(非導通状態)とも言える。
According to such a configuration, both primary-side switching elements Q1 and Q2 and both secondary-side switching elements Q3 and Q4 are periodically turned ON / OFF, whereby electric power is transmitted from the
ここで、ステータ変換部43及び直列共振回路103が、E級動作によって蓄電電力を伝送用電力に変換するE級インバータEiを構成している。そして、直列共振回路103及びロータ変換部92が、E級動作によって伝送用電力を直流電力に変換するE級コンバータEcを構成している。換言すれば、電界結合式非接触給電システム40は、E級インバータEi及びE級コンバータEcの双方の一部として機能している直列共振回路103とを備えている。
Here, the
伝送用電力の電力値は、第1電動モータ31を駆動できる程度に設定されている。この場合、両結合コンデンサC1,C2のキャパシタンスは、上記伝送用電力を伝送できるように伝送用電力の周波数及び電圧値に対応させて設定されている。また、両シャントキャパシタCs1,Cs2のキャパシタンス及び各コイルL1,L2,L3のインダクタンスは、E級動作条件を満たすように、両結合コンデンサC1,C2のキャパシタンスに対応させて設定されている。E級動作条件とは、各スイッチング素子Q1〜Q4のターンオン時に各スイッチング素子Q1〜Q4の印加電圧が「0」であるとともに印加電圧波形の傾きが「0」となる条件である。
The power value of the transmission power is set to such an extent that the first
なお、両結合コンデンサC1,C2のキャパシタンスは、回転電極61,62及び保持電極71,72の軸線方向の長さや、回転電極61,62の径と保持電極71,72の径との比率等に基づいて決まる。この場合、両結合コンデンサC1,C2のキャパシタンスを高くしようとすると、非接触電力伝送部44は大型になり易い。
The capacitances of the coupling capacitors C1 and C2 depend on the axial lengths of the
ステータコントローラ97は、両1次側スイッチング素子Q1,Q2を周期的にON/OFFさせることにより、ステータ変換部43(換言すればE級インバータEi)にてDC/AC変換動作を実行させるものである。ちなみに、ステータコントローラ97は、両1次側スイッチング素子Q1,Q2を同時にON/OFFさせる。つまり、両1次側スイッチング素子Q1,Q2のスイッチング態様は同期している。換言すれば、両1次側スイッチング素子Q1,Q2のスイッチング波形は同一となっている。
The
ロータコントローラ95は、両2次側スイッチング素子Q3,Q4を周期的にON/OFFさせることにより、ロータ変換部92(換言すればE級コンバータEc)にてAC/DC変換動作を実行させるものである。ちなみに、ロータコントローラ95は、両2次側スイッチング素子Q3,Q4を同時にON/OFFさせる。つまり、両2次側スイッチング素子Q3,Q4のスイッチング態様は同期している。換言すれば、両2次側スイッチング素子Q3,Q4のスイッチング波形は同一となっている。
The
ここで、ステータコントローラ97は、周期的にHI/LOWに切り替わるクロック信号CKを用いて両1次側スイッチング素子Q1,Q2を周期的にON/OFFさせる。この場合、伝送用電力の周波数は、両1次側スイッチング素子Q1,Q2のスイッチング周波数と一致しており、クロック信号CKの周波数と一致している。
Here, the
更にステータコントローラ97は、上記クロック信号CKをロータコントローラ95に送信する。この場合、クロック信号CKは、信号用結合コンデンサCz1,Cz2を伝送する際に微分される。
Further, the
これに対して、インナーロータ11に設けられている波形整形部98は、クロック信号CKの微分波形からクロック信号CKを生成(復元)して、そのクロック信号CKをロータコントローラ95に送信する。これにより、ロータコントローラ95は、クロック信号CKを把握できる。
On the other hand, the
ロータコントローラ95は、クロック信号CKに基づいて、両1次側スイッチング素子Q1,Q2よりも遅延時間Tdだけ遅延させて両2次側スイッチング素子Q3,Q4を周期的にON/OFFさせることによりAC/DC変換動作を実行する。この場合、各スイッチング素子Q1〜Q4のスイッチング周波数は同一であり、詳細にはクロック信号CKの周波数と同一である。また、各スイッチング素子Q1〜Q4のオンオフのデューティ比は同一である。このため、図4(a)及び図4(b)に示すように、各スイッチング素子Q1〜Q4は、両1次側スイッチング素子Q1,Q2の立ち上がりタイミングに対して両2次側スイッチング素子Q3,Q4の立ち上がりタイミングが遅延時間Tdだけ遅れた状態で、同一の周期TでON/OFFしている。
Based on the clock signal CK, the
ここで、本発明者は、ロータ変換部92から出力される直流電力の極性や電力値が遅延時間Tdに依存している特性を見出した。当該特性について図5を用いて説明する。図5は、遅延時間Tdと、ロータ変換部92から出力される直流電力の極性や電力値との関係を示すグラフである。
Here, the present inventor has found characteristics in which the polarity and power value of the DC power output from the
ちなみに、ロータ変換部92から出力される直流電力とは、第1電動モータ31(詳細にはロータコイル22)に入力される直流電力である。当該直流電力は、電力伝送方向が一定の電力である。つまり、直流電力とは、電力伝送方向が一定である電力であればよく、電力値が周期的に変化しているものを含む。なお、図5のグラフは、周期的に変化している直流電力の単位時間当たりの平均値を示す。
Incidentally, the DC power output from the
図5に示すように、直流電力の極性は、遅延時間Tdに応じて異なっている。詳細には、直流電力の極性は、遅延時間Tdが0〜Tdxである場合に負となり、遅延時間TdがTdx〜Tである場合に正となる。本実施形態では、0〜Tdxが「負遅延時間」に対応し、Tdx〜Tが「正遅延時間」に対応する。 As shown in FIG. 5, the polarity of the DC power varies depending on the delay time Td. Specifically, the polarity of the DC power is negative when the delay time Td is 0 to Tdx, and is positive when the delay time Td is Tdx to T. In the present embodiment, 0 to Tdx corresponds to “negative delay time”, and Tdx to T correspond to “positive delay time”.
また、直流電力の電力値は、遅延時間Tdに応じて変動している。この場合、負の直流電力の電力値(絶対値)が最大となる遅延時間Tdを第1遅延時間Td1とする。正の直流電力の電力値が最大となる遅延時間Tdを第2遅延時間Td2とする。 Further, the power value of the DC power varies according to the delay time Td. In this case, the delay time Td that maximizes the power value (absolute value) of the negative DC power is defined as the first delay time Td1. The delay time Td at which the power value of the positive DC power is maximized is defined as a second delay time Td2.
ロータコントローラ95は、回転角センサ99によって検出されるインナーロータ11の回転角に基づいて、遅延時間Tdを決定する。例えばロータコントローラ95は、インナーロータ11の回転角が0〜πの範囲内である場合には正の直流電力に対応する正遅延時間の一例として第2遅延時間Td2を決定し、インナーロータ11の回転角がπ〜2πの範囲内である場合には負の直流電力に対応する負遅延時間の一例として第1遅延時間Td1を決定する。つまり、本実施形態では、ロータコントローラ95は、インナーロータ11の回転角に応じて、両1次側スイッチング素子Q1,Q2に対する両2次側スイッチング素子Q3,Q4の遅延時間Tdを可変制御することにより、第1電動モータ31に入力される直流電力の極性を可変制御する。
The
すなわち、ロータコントローラ95は、上記遅延時間Tdを周期的に変更することにより、ロータコイル22に正の直流電力と負の直流電力とを交互に入力させる。詳細には、ロータコントローラ95は、インナーロータ11の回転数に対応する切替周波数で、遅延時間Tdを、第2遅延時間Td2と第1遅延時間Td1とに交互に切り替えることにより、ロータ変換部92からロータコイル22に向けて正の直流電力と負の直流電力とを交互に出力させる。この場合、ロータコントローラ95は、切替周波数を可変制御することにより、第1電動モータ31の回転数の可変制御を行うことができる。切替周波数は、インナーロータ11の回転数の2倍である。ちなみに、伝送用電力の周波数(詳細には各スイッチング素子Q1〜Q4のスイッチング周波数)は、切替周波数よりも高く設定されている。
That is, the
次に本実施形態の作用について説明する。
図6(a)及び図6(b)に示すように、インナーロータ11の回転角(回転位置)に合わせて、遅延時間Tdが第2遅延時間Td2と第1遅延時間Td1とで交互に切り替わっている。このため、図6(c)に示すように、ロータ変換部92から出力される直流電力の極性が周期的に切り替わる。これにより、直流モータである第1電動モータ31が回転する。
Next, the operation of this embodiment will be described.
As shown in FIGS. 6A and 6B, the delay time Td is alternately switched between the second delay time Td2 and the first delay time Td1 in accordance with the rotation angle (rotation position) of the inner rotor 11. ing. For this reason, as shown in FIG.6 (c), the polarity of the direct-current power output from the
以上詳述した本実施形態によれば以下の効果を奏する。
(1)回転電機10は、インナーロータ11と、インナーロータ11に設けられたロータコイル22を有する直流モータとしての第1電動モータ31と、バッテリ202の蓄電電力を、予め定められた周波数を有する交流の伝送用電力に変換するDC/AC変換動作を行うステータ変換部43とを備えている。回転電機10は、結合コンデンサC1,C2を介して非接触の電力伝送を行う非接触電力伝送部44を備えている。結合コンデンサC1,C2は、インナーロータ11の回転に伴って回転しないように保持され且つ伝送用電力が入力される保持電極71,72、及び、インナーロータ11に設けられ且つ保持電極71,72から非接触で伝送用電力を受電する回転電極61,62で構成されている。更に、回転電機10は、インナーロータ11に設けられ、回転電極61,62によって受電された伝送用電力を直流電力に変換するAC/DC変換動作を行い、当該直流電力をロータコイル22に出力するロータ変換部92を備えている。
According to the embodiment described above in detail, the following effects are obtained.
(1) The rotating
ステータ変換部43は、1次側スイッチング素子Q1,Q2を有し、当該1次側スイッチング素子Q1,Q2が周期的にON/OFFすることによりDC/AC変換動作を行う。ステータ変換部92は、2次側スイッチング素子Q3,Q4を有し、当該2次側スイッチング素子Q3,Q4が周期的にON/OFFすることによりAC/DC変換動作を行う。また、ステータ変換部92は、1次側スイッチング素子Q1,Q2の立ち上がりタイミングに対する2次側スイッチング素子Q3,Q4の立ち上がりタイミングの遅延時間Tdに応じて、ロータコイル22に出力する直流電力の極性が切り替わるように構成されている。
The
かかる構成において、回転電機10は、インナーロータ11の回転角を検出する回転角センサ99と、各スイッチング素子Q1〜Q4を制御する制御部としての両コントローラ95,97とを備えている。両コントローラ95,97は、2次側スイッチング素子Q3,Q4の立ち上がりタイミングが1次側スイッチング素子Q1,Q2の立ち上がりタイミングよりも遅延時間Tdだけ遅延するように各スイッチング素子Q1〜Q4を周期的にON/OFFさせる。そして、両コントローラ95,97は、回転角センサ99の検出結果に基づいて遅延時間Tdを変更することにより、ロータ変換部92からインナーロータ11の回転角に対応した極性の直流電力が出力されるように各スイッチング素子Q1〜Q4を制御する。
In this configuration, the rotating
かかる構成によれば、非接触電力伝送部44によって、インナーロータ11に対する非接触給電が実現されている。これにより、ブラシを設けることなく、インナーロータ11に給電することができる。また、本実施形態によれば、遅延時間Tdに応じて、ロータ変換部92から出力される直流電力の極性が切り替わることに着目して、インナーロータ11の回転角に応じて遅延時間Tdが変更されるようになっている。これにより、整流子を設けることなく、インナーロータ11の回転角に応じた極性の直流電力を第1電動モータ31に入力させることができる。以上のことから、ブラシや整流子を設けることなく、直流モータである第1電動モータ31を駆動させることができる。
According to this configuration, non-contact power feeding to the inner rotor 11 is realized by the non-contact
特に、本実施形態では、インナーロータ11を回転させるものとして直流モータが採用されている。これにより、インナーロータ11に、複数のスイッチング素子を有するものであってロータ変換部92から出力される直流電力を三相モータの駆動電力に変換するインバータ等を設ける必要がない。よって、インナーロータ11の構成の簡素化を図ることができるとともに、スイッチング素子の数の削減を図ることができる。
In particular, in the present embodiment, a DC motor is adopted as the one that rotates the inner rotor 11. Thereby, it is not necessary to provide the inner rotor 11 with an inverter or the like that has a plurality of switching elements and converts the DC power output from the
(2)両コントローラ95,97は、インナーロータ11の回転数に対応する切替周波数で、遅延時間Tdを、正の直流電力に対応する正遅延時間と、負の直流電力に対応する負遅延時間とに交互に切り替えることにより、ロータ変換部92からロータコイル22に対して正の直流電力と負の直流電力とを交互に出力させる。かかる構成によれば、第1電動モータ31に対して、インナーロータ11の回転数に対応させて、正の直流電力と負の直流電力とを交互に入力させることができる。これにより、インナーロータ11の回転と、ロータコイル22に入力される直流電力の極性とを同期させることができる。また、切替周波数を変更することにより、インナーロータ11の回転数を変更することができる。
(2) The
(3)ステータコントローラ97は、クロック信号CKを用いて両1次側スイッチング素子Q1,Q2を周期的にON/OFFさせるものであり、且つ、当該クロック信号CKをロータコントローラ95に送信する。ロータコントローラ95は、上記クロック信号CKに基づいて、両2次側スイッチング素子Q3,Q4の立ち上がりタイミングを両1次側スイッチング素子Q1,Q2の立ち上がりタイミングよりも遅延時間Tdだけ遅延させる。これにより、両1次側スイッチング素子Q1,Q2と、両2次側スイッチング素子Q3,Q4とを、別々のクロック信号を用いてON/OFFさせる構成と比較して、遅延時間Tdが所望値からずれる事態を抑制できる。
(3) The
(4)伝送用電力の周波数は、切替周波数よりも高く設定されている。かかる構成によれば、第1電動モータ31を好適に駆動させることができるとともに、両結合コンデンサC1,C2を介する非接触の電力伝送を好適に行うことができる。
(4) The frequency of the transmission power is set higher than the switching frequency. According to such a configuration, the first
詳述すると、第1電動モータ31を駆動させるためには、両結合コンデンサC1,C2を介する非接触の電力伝送が行われる伝送用電力の電力値を、ある程度大きく確保する必要がある。これに対して、例えば、伝送用電力の周波数を高くする、又は、両結合コンデンサC1,C2のキャパシタンスを高くすることが考えられる。この場合、両結合コンデンサC1,C2のキャパシタンスを高くしようとすると非接触電力伝送部44の大型化が懸念される。
More specifically, in order to drive the first
これに対して、本実施形態では、伝送用電力の周波数が切替周波数よりも高く設定されているため、非接触電力伝送部44の大型化の抑制を図りつつ、必要な大きさの伝送用電力をインナーロータ11に非接触で給電することができる。また、本構成によれば、上記のように伝送用電力の周波数を切替周波数よりも高く設定しても、第1電動モータ31の駆動に支障が生じにくい。
On the other hand, in the present embodiment, since the frequency of the transmission power is set higher than the switching frequency, the transmission power having a necessary magnitude is suppressed while suppressing the increase in size of the non-contact
(5)ロータ変換部92は、2次側スイッチング素子Q3,Q4を用いて構成されたものであって、双方向に電流を流すことができる2次側双方向スイッチ回路102を備えている。当該2次側双方向スイッチ回路102は、ロータコイル22に並列接続されている。これにより、遅延時間Tdに応じて、ロータ変換部92から出力される直流電力の極性を異ならせることができる。
(5) The
(6)回転電機10は、第1結合コンデンサC1と直列接続されたものであって第1結合コンデンサC1と協働して直列共振回路103を構成する共振コイルL3を備えている。そして、ステータ変換部43と直列共振回路103とによってE級動作を行うE級インバータEiが構成され、ロータ変換部92と直列共振回路103とによってE級動作を行うE級コンバータEcが構成されている。
(6) The rotating
詳細には、両1次側スイッチング素子Q1,Q2を有する1次側双方向スイッチ回路101は、バッテリ202に並列接続されている。ステータ変換部43は、1次側双方向スイッチ回路101とバッテリ202との間に設けられ、バッテリ202に直列接続された1次側コイルL1と、1次側コイルL1と両結合コンデンサC1,C2との間に設けられ、1次側双方向スイッチ回路101に並列接続された1次側シャントキャパシタCs1とを有している。
Specifically, the primary-side
ロータ変換部92は、2次側双方向スイッチ回路102とロータコイル22との間に設けられ、ロータコイル22に直列接続された2次側コイルL2と、2次側コイルL2と両結合コンデンサC1,C2との間に設けられ、2次側双方向スイッチ回路102に並列接続された2次側シャントキャパシタCs2とを有している。そして、直列共振回路103は、両シャントキャパシタCs1,Cs2の間に設けられている。
The
かかる構成によれば、E級動作によって電力変換動作が行われるため、各スイッチング素子Q1〜Q4のスイッチング損失を低減することができる。詳述すると、E級動作とは、各スイッチング素子Q1〜Q4のターンオン時における各スイッチング素子Q1〜Q4の印加電圧及び印加電圧の傾きが「0」となる動作モードである。この場合、ターンオン時にZVS動作が実現されるとともに、ターンオフ損失が最小となる。これにより、電界結合式非接触給電システム40の効率向上を図ることができる。
According to this configuration, since the power conversion operation is performed by the class E operation, the switching loss of each switching element Q1 to Q4 can be reduced. More specifically, the class E operation is an operation mode in which the applied voltage of each switching element Q1 to Q4 and the gradient of the applied voltage are “0” when the switching elements Q1 to Q4 are turned on. In this case, ZVS operation is realized at turn-on, and turn-off loss is minimized. Thereby, the efficiency improvement of the electric field coupling type non-contact electric
ここで、E級動作を実現するためには、直列共振回路が必要となる。この点、本実施形態では、電界結合式の非接触の電力伝送(換言すれば給電)を行うのに必須の構成である第1結合コンデンサC1が直列共振回路103の一部として採用されている。これにより、専用のコンデンサを別途設ける構成と比較して、構成の簡素化を図ることができる。換言すれば、第1結合コンデンサC1の多機能化を実現している。
Here, in order to realize the class E operation, a series resonance circuit is required. In this regard, in the present embodiment, the first coupling capacitor C <b> 1, which is an essential configuration for performing electric field coupling type non-contact power transmission (in other words, feeding), is employed as a part of the series
更に、直列共振回路103は、E級インバータEi及びE級コンバータEcの双方に用いられている。よって、E級インバータEi及びE級コンバータEcの双方においてそれぞれ専用の直列共振回路を設ける構成と比較して、構成の簡素化を図ることができる。
Further, the
(7)回転電機10は、インナーロータ11に対して径方向外側に配置され、インナーロータ11と個別に回転可能なアウターロータ12を備えている。第1電動モータ31は、インナーロータ11のロータコイル22とアウターロータ12の第1永久磁石24とによって構成されている。この場合、回転するインナーロータ11に設けられたロータコイル22に給電する必要が生じる。これに対して、本実施形態では、ロータコイル22に給電するものとして非接触電力伝送部44が採用されている。これにより、ダブルロータ型の回転電機10において、ブラシレス化を図ることができる。
(7) The rotating
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ ロータ変換部92が共振コイルL3を備えていてもよい。詳細には、共振コイルL3は、第1回転電極61と2次側コイルL2とを接続する配線上にあってもよい。
In addition, you may change the said embodiment as follows.
The
○ 結合コンデンサを構成する回転電極と保持電極との具体的な構成は任意である。例えば、両電極は、絶縁部材52が挿通された円板リング状であってインナーロータ11の軸線方向に互いに対向する構成であってもよい。
○ The specific configuration of the rotating electrode and the holding electrode constituting the coupling capacitor is arbitrary. For example, the two electrodes may have a disk ring shape through which the insulating
○ E級インバータEiは昇圧又は降圧の電圧値変換を行ってもよい。同様に、E級コンバータEcは昇圧又は降圧の電圧値変換を行ってもよい。
○ 直流電力の電力値が遅延時間Tdに応じて変動することに着目して、両コントローラ95,97は、遅延時間Tdを変更することにより、第1電動モータ31に入力される直流電力の電力値の可変制御を行ってもよい。つまり、遅延時間Tdは、電力値(絶対値)が最大となる第1遅延時間Td1又は第2遅延時間Td2に限られない。換言すれば、両コントローラ95,97は、回転角センサ99の検出結果に基づいて遅延時間Tdを連続的に変更して、直流電力の電力値及び極性の双方を変更する構成でもよい。
The class E inverter Ei may perform step-up or step-down voltage value conversion. Similarly, the class E converter Ec may perform step-up or step-down voltage value conversion.
○ Focusing on the fact that the power value of the DC power fluctuates according to the delay time Td, the
○ 図7に示すように、ステータコントローラ97が、両2次側スイッチング素子Q3,Q4を制御してもよい。この場合、回転角センサ99は、その検出結果をステータコントローラ97に送信する。そして、ステータコントローラ97は、回転角センサ99の検出結果に基づいて遅延時間Tdを決定し、クロック信号CKに対して当該遅延時間Tdだけ遅延させた制御信号SGを、波形整形部98を介して、両2次側スイッチング素子Q3,Q4に送信する。これにより、ロータコントローラ95の簡素化を図ることができる。
As shown in FIG. 7, the
○ 双方向スイッチ回路の具体的な構成は、実施形態のものに限られない。
例えば、図8に示すように、1次側双方向スイッチ回路111は、互いにドレイン同士が直列接続された2つの1次側スイッチング素子Q1,Q2であってもよい。同様に、2次側双方向スイッチ回路112は、互いにドレイン同士が直列接続された2次側スイッチング素子Q3,Q4でもよい。但し、ボディダイオードDb1〜Db4の整流効率が、ダイオードD1〜D4の整流効率よりも悪い点に着目すれば、実施形態のような構成の方が好ましい。
The specific configuration of the bidirectional switch circuit is not limited to that of the embodiment.
For example, as shown in FIG. 8, the primary-side
また、例えば図9に示すように、1次側双方向スイッチ回路121は、4つのダイオードからなるブリッジ回路121aと、ブリッジ回路121aの中間点同士を接続する配線121b上に設けられた1次側スイッチング素子Q1とを有する構成でもよい。同様に、2次側双方向スイッチ回路122は、4つのダイオードからなるブリッジ回路122aと、ブリッジ回路122aの中間点同士を接続する配線122b上に設けられた2次側スイッチング素子Q3とを有する構成でもよい。要は、双方向スイッチ回路は、双方向に電流を流すことができれば、その具体的な構成は任意であり、少なくとも1つのスイッチング素子を有する構成であればよい。
For example, as shown in FIG. 9, the primary
○ 1次側双方向スイッチ回路101に代えて、1次側片方向スイッチ回路を設けてもよい。詳細には、例えば、第2の1次側スイッチング素子Q2を省略してもよいし、第2の1次側スイッチング素子Q2に加えて、両ダイオードD1,D2を省略してもよい。つまり、ステータ変換部43とロータ変換部92とは、同一構成に限られない。
A primary side unidirectional switch circuit may be provided instead of the primary side
○ ステータ変換部43は、DC/AC変換動作を行うことができれば、その具体的な構成は任意であり、例えばE級動作条件を満たさなくてもよい。
○ ロータ変換部92は、AC/DC変換動作を行うことができ、且つ、出力する直流電力の極性を切り替えることができれば、その具体的な構成は任意であり、例えばE級動作条件を満たさなくてもよい。
As long as the
○ The
○ スイッチング素子は、n型のMOSFETに限られず、IGBT等任意である。
○ 結合コンデンサの数は任意であり、例えば互いに並列接続された複数の結合コンデンサを用いて非接触の電力伝送を行ってもよい。
O The switching element is not limited to an n-type MOSFET, but is arbitrary such as an IGBT.
The number of coupling capacitors is arbitrary. For example, non-contact power transmission may be performed using a plurality of coupling capacitors connected in parallel to each other.
○ 直流電源はバッテリ202であったが、これに限られず、充放電が可能な蓄電装置であれば、任意であり、例えば電気二重層キャパシタ等でもよい。
○ 回転電機10は、コイルが設けられたロータを少なくとも1つ有していればよい。例えば、回転電機は、1つのロータとステータとを有する構成であってもよい。また、回転電機は、ステータ13が省略され、2つのロータを有する構成であってもよい。
The DC power source is the
The rotary
○ 回転電機10は、ハイブリッドトランスアクスルに用いられていたが、他の用途に用いられてもよい。また、車両は、エンジンと蓄電装置とを有する車両に限られず任意である。
The rotary
次に、上記実施形態及び別例から把握できる好適な一例について以下に記載する。
(イ)前記ロータはインナーロータであり、前記回転電機は、前記インナーロータに対して径方向外側に設けられ、前記インナーロータとは個別に回転可能なアウターロータを備え、前記アウターロータは永久磁石を有している請求項1〜5のうちいずれか一項に記載の回転電機。
Next, a preferable example that can be grasped from the embodiment and another example will be described below.
(A) The rotor is an inner rotor, and the rotating electrical machine is provided on an outer side in the radial direction with respect to the inner rotor, and includes an outer rotor that can rotate independently from the inner rotor, and the outer rotor is a permanent magnet. The rotating electrical machine according to
10…回転電機、11…インナーロータ、12…アウターロータ、13…ステータ、22…ロータコイル、31…第1電動モータ、32…第2電動モータ、40…電界結合式非接触給電システム、42…電子ユニット、43…ステータ変換部、44…非接触電力伝送部、61,62…回転電極、71,72…保持電極、92…ロータ変換部、95…ロータコントローラ、97…ステータコントローラ、99…回転角センサ(位置把握部)、101,111,121…1次側双方向スイッチ回路、102,112,122…2次側双方向スイッチ回路、103…直列共振回路、200…車両、202…バッテリ(直流電源)、C1,C2…結合コンデンサ、L1…1次側コイル、L2…2次側コイル、L3…共振コイル、Q1,Q2…1次側スイッチング素子、Q3,Q4…2次側スイッチング素子、Cs1…1次側シャントキャパシタ、Cs2…2次側シャントキャパシタ、Ei…E級インバータ、Ec…E級コンバータ、Td…遅延時間。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記ロータに設けられたロータコイルを有する直流モータと、
を備えている回転電機において、
直流電源から出力される直流の電源電力を、予め定められた周波数の交流電力に変換するDC/AC変換動作を行う第1変換部と、
前記ロータの回転に伴って回転しないように保持され且つ前記交流電力が入力される保持電極、及び、前記ロータに設けられ且つ前記保持電極から非接触で前記交流電力を受電する回転電極を有するものであって、前記保持電極及び前記回転電極で構成される結合コンデンサを介して非接触の電力伝送を行う非接触電力伝送部と、
前記ロータに設けられ、前記回転電極によって受電された交流電力を直流電力に変換するAC/DC変換動作を行い、当該直流電力を前記ロータコイルに出力する第2変換部と、
前記ロータの回転位置を把握する位置把握部と、
を備え、
前記第1変換部は、1次側スイッチング素子を有し、当該1次側スイッチング素子が周期的にON/OFFすることにより前記DC/AC変換動作を行うものであり、
前記第2変換部は、2次側スイッチング素子を有し、当該2次側スイッチング素子が周期的にON/OFFすることにより前記AC/DC変換動作を行うものであり、且つ、前記1次側スイッチング素子の立ち上がりタイミングに対する前記2次側スイッチング素子の立ち上がりタイミングの遅延時間に応じて、前記ロータコイルに出力する直流電力の極性を切り替えるものであり、
前記回転電機は、前記1次側スイッチング素子及び前記2次側スイッチング素子を制御する制御部を備え、
前記制御部は、前記2次側スイッチング素子の立ち上がりタイミングが前記1次側スイッチング素子の立ち上がりタイミングよりも遅延時間だけ遅延するように前記両スイッチング素子を周期的にON/OFFさせ、且つ、前記位置把握部の把握結果に基づいて前記遅延時間を変更することにより、前記第2変換部から前記ロータの回転位置に対応した極性の直流電力を出力させることを特徴とする回転電機。 A rotor,
A direct current motor having a rotor coil provided in the rotor;
In a rotating electrical machine comprising:
A first converter that performs a DC / AC conversion operation for converting a DC power source output from a DC power source into an AC power having a predetermined frequency;
A holding electrode that is held so as not to rotate with the rotation of the rotor and that receives the AC power, and a rotating electrode that is provided on the rotor and receives the AC power in a non-contact manner from the holding electrode And a non-contact power transmission unit that performs non-contact power transmission through a coupling capacitor constituted by the holding electrode and the rotating electrode,
A second conversion unit that is provided in the rotor, performs an AC / DC conversion operation for converting AC power received by the rotating electrode into DC power, and outputs the DC power to the rotor coil;
A position grasping unit for grasping the rotational position of the rotor;
With
The first conversion unit includes a primary side switching element, and performs the DC / AC conversion operation when the primary side switching element is periodically turned ON / OFF.
The second conversion unit includes a secondary side switching element, and performs the AC / DC conversion operation when the secondary side switching element is periodically turned ON / OFF, and the primary side According to the delay time of the rising timing of the secondary side switching element with respect to the rising timing of the switching element, the polarity of the DC power output to the rotor coil is switched,
The rotating electrical machine includes a control unit that controls the primary side switching element and the secondary side switching element,
The control unit periodically turns both the switching elements on and off so that the rising timing of the secondary switching element is delayed by a delay time from the rising timing of the primary switching element, and the position A rotating electrical machine characterized in that, by changing the delay time based on a grasping result of a grasping unit, a DC power having a polarity corresponding to a rotational position of the rotor is output from the second conversion unit.
前記双方向スイッチ回路は、前記ロータコイルに並列接続されている請求項1〜3のうちいずれか一項に記載の回転電機。 The second conversion unit is configured using at least the secondary-side switching element, and includes a bidirectional switch circuit capable of flowing a current bidirectionally,
The rotary electric machine according to claim 1, wherein the bidirectional switch circuit is connected in parallel to the rotor coil.
前記2次側スイッチング素子は、前記ロータコイルに並列接続されており、
前記第1変換部は、
前記1次側スイッチング素子と前記直流電源との間に設けられ、前記直流電源に直列接続された1次側コイルと、
前記1次側コイルと前記結合コンデンサとの間に設けられ、前記1次側スイッチング素子に並列接続された1次側シャントキャパシタと、
を有し、
前記第2変換部は、
前記2次側スイッチング素子と前記ロータコイルとの間に設けられ、前記ロータコイルに直列接続された2次側コイルと、
前記2次側コイルと前記結合コンデンサとの間に設けられ、前記2次側スイッチング素子に並列接続された2次側シャントキャパシタと、
を有し、
前記回転電機は、前記結合コンデンサと直列接続されたものであって前記結合コンデンサと協働して直列共振回路を構成する共振コイルを備え、
前記直列共振回路は、前記1次側シャントキャパシタと前記2次側シャントキャパシタとの間に設けられており、
前記第1変換部と前記直列共振回路とによってE級インバータが構成され、前記第2変換部と前記直列共振回路とによってE級コンバータが構成されている請求項1〜4のうちいずれか一項に記載の回転電機。 The primary side switching element is connected in parallel to the DC power source,
The secondary side switching element is connected in parallel to the rotor coil,
The first converter is
A primary coil provided between the primary side switching element and the DC power source and connected in series to the DC power source;
A primary shunt capacitor provided between the primary coil and the coupling capacitor and connected in parallel to the primary switching element;
Have
The second converter is
A secondary coil provided between the secondary switching element and the rotor coil and connected in series to the rotor coil;
A secondary shunt capacitor provided between the secondary coil and the coupling capacitor and connected in parallel to the secondary switching element;
Have
The rotating electrical machine includes a resonance coil that is connected in series with the coupling capacitor and forms a series resonance circuit in cooperation with the coupling capacitor;
The series resonant circuit is provided between the primary shunt capacitor and the secondary shunt capacitor,
The class E inverter is constituted by the first conversion part and the series resonance circuit, and the class E converter is constituted by the second conversion part and the series resonance circuit. The rotating electrical machine described in 1.
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JPWO2019044900A1 (en) * | 2017-08-29 | 2020-09-24 | 株式会社ExH | Power transmission system and manufacturing method of power transmission system |
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