JP2017200284A

JP2017200284A - 動力出力装置

Info

Publication number: JP2017200284A
Application number: JP2016088176A
Authority: JP
Inventors: 徹井手; Toru Ide
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2016-04-26
Filing date: 2016-04-26
Publication date: 2017-11-02

Abstract

【課題】モータ駆動インバータとして最も汎用性が高い３相ハーフブリッジ回路を用いて、要求トルクの大きさに対応して低コストでＳＲモータを駆動する。【解決手段】動力出力装置１０は、星形結線された３相のコイルをステータに有するＳＲモータ１１と、電源１３からＳＲモータ１１に電力を供給するインバータ回路１２と、インバータ回路１２を制御する制御部１４を有する。星形結線の中性点Ｎは負極母線１８に接続される。インバータ回路１２は、互いに直列に接続された上アーム側スイッチング素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５と下アーム側スイッチング素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６とから構成されるスイッチング素子対を３相のコイル毎に有し、制御部１４は、３相のコイルの１相毎に電流を流す１相電流駆動モードと、２相毎に電流を流す２相電流駆動モードと、３相のコイルすべてに同時に電流を流す３相電流駆動モードとを切り替え可能に構成される。【選択図】図１

Description

本発明は、動力出力装置に係り、詳しくはスイッチトリラクタンスモータを備えた動力出力装置に関する。

スイッチトリラクタンスモータ（以下、ＳＲモータと略記する場合もある。）は、従来の交流モータに比較して小型化が可能で、構造的に簡単なため、低コスト化が図れるという特徴を有する。従来、ＳＲモータの駆動回路を構成するインバータのスイッチング素子の加熱保護を目的としたモータ制御装置が提案されている（特許文献１参照）。特許文献１には、図５（ａ）及び図５（ｂ）の回路図に示す構成のインバータ及びモータの組み合わせが開示されている。

図５（ａ）に示す構成では、インバータ５０は６つのスイッチング素子５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄ，５１ｅ，５１ｆと、６つのダイオード５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆを備えており、巻線５３ａ，５３ｂ，５３ｃと、直流電源５４に対して図５（ａ）のように接続されている。

図５（ｂ）に示す構成では、インバータ６０はＩＧＢＴ及びダイオードなどから構成されている８つのスイッチング素子６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄ，６１ｅ，６１ｆ，６１ｇ，６１ｈを備えている。スイッチング素子６１ａとスイッチング素子６１ｅ、スイッチング素子６１ｂとスイッチング素子６１ｆ、スイッチング素子６１ｃとスイッチング素子６１ｇ、スイッチング素子６１ｄとスイッチング素子６１ｈが４組のハーフブリッジ回路を構成している。各ハーフブリッジ回路には直流電源６４が接続されており、さらにモータ７０の三相の巻線端子及び中性点のうち一端子ずつが接続されている。

特開２００７−１６６８３０

図５（ａ）及び図５（ｂ）に示す構成では、スイッチング素子やダイオード等の数が多くなり、３相ハーフブリッジ回路と比べてコスト高となる。
また、最も汎用性が高い、３相ハーフブリッジ回路によりＳＲモータを駆動する場合、１相電流を流そうとすると、他の相にも電流が流れてしまい制御の自由度がなく、最適な制御が難しくなる。

本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、モータ駆動インバータとして最も汎用性が高い３相ハーフブリッジ回路を用いて、要求トルクの大きさに対応して低コストでＳＲモータを駆動することができる動力出力装置を提供することにある。

上記課題を解決する動力出力装置は、星形結線された３相のコイルをステータに有するスイッチトリラクタンスモータと、前記スイッチトリラクタンスモータに電力を供給可能なインバータ回路とを有する動力出力装置であって、前記インバータ回路は、互いに直列に接続された上アーム側スイッチング素子と下アーム側スイッチング素子とから構成されるスイッチング素子対を前記３相のコイル毎に有し、前記インバータ回路の正極母線と負極母線とに接続された電源を有し、前記星形結線の中性点は、前記インバータ回路の正極母線又は負極母線に接続され、前記インバータ回路の各スイッチング素子対を制御する制御部を有し、前記制御部は、前記３相のコイルのうち１相毎に電流を流す１相電流駆動モードと、前記３相のコイルのうち２相毎に電流を流す２相電流駆動モードと、前記３相のコイルすべてに同時に電流を流す３相電流駆動モードとを切り替え可能に構成される。

この構成によれば、モータ駆動インバータとして最も汎用性が高い３相ハーフブリッジ回路を用いて、スイッチトリラクタンスモータの３相のコイルに電流が流れる状態を、３つのモードで切り替えることにより、３相のスイッチトリラクタンスモータが特別な制御回路構成を取らずに、３相ハーフブリッジ回路を用いて駆動制御される。したがって、モータ駆動インバータとして最も汎用性が高い３相ハーフブリッジ回路を用いて、要求トルクの大きさに対応して低コストでＳＲモータを駆動することができる。

前記動力出力装置は、前記中性点と前記正極母線又は負極母線との間に前記３相のコイルより大きなインダクタンス部を有する。この構成によれば、３相のコイルのうち１相毎に電流を流す１相電流駆動モードと、３相のコイルのうち２相毎に電流を流す２相電流駆動モードと、３相のコイルすべてに同時に電流を流す３相電流駆動モードとの切り替えを容易に行うことができる。

本発明によれば、モータ駆動インバータとして最も汎用性が高い３相ハーフブリッジ回路を用いて、要求トルクの大きさに対応して低コストでＳＲモータを駆動することができる。

第１の実施形態の動力出力装置の回路図。作用を示すフローチャート。１相電流駆動の電流の流れを示す回路図。２相電流駆動の電流の流れを示す回路図。（ａ），（ｂ）は従来技術の回路図。

以下、本発明を具体化した動力出力装置の実施形態を図１〜図４にしたがって説明する。
図１に示すように、動力出力装置１０は、星形結線された３相のコイルを有するＳＲモータ１１と、ＳＲモータ１１に電力を供給可能なインバータ回路１２と、電源１３と、インバータ回路１２を制御する制御部（制御装置）１４と、インバータ回路１２の入力側において電源１３に並列に接続されたコンデンサ１６とを有する。

ＳＲモータ１１は、３相のコイルとしてＵ相巻線１５Ｕ、Ｖ相巻線１５Ｖ及びＷ相巻線１５Ｗをステータに有する。
インバータ回路１２は、互いに直列に接続された上アーム側スイッチング素子Ｓ１と下アーム側スイッチング素子Ｓ２とから構成されるスイッチング素子対（Ｓ１，Ｓ２）をＵ相巻線１５Ｕに有し、上アーム側スイッチング素子Ｓ３と下アーム側スイッチング素子Ｓ４とから構成されるスイッチング素子対（Ｓ３，Ｓ４）をＶ相巻線１５Ｖに有し、上アーム側スイッチング素子Ｓ５と下アーム側スイッチング素子Ｓ６とから構成されるスイッチング素子対（Ｓ５，Ｓ６）をＷ相巻線１５Ｗに有する。すなわち、インバータ回路１２は、互いに直列に接続された上アーム側スイッチング素子と下アーム側スイッチング素子とから構成されるスイッチング素子対を３相のコイル（Ｕ相巻線１５Ｕ、Ｖ相巻線１５Ｖ、Ｗ相巻線１５Ｗ）毎に有する。

電源１３は、インバータ回路１２の正極母線１７と負極母線１８とに接続されている。ＳＲモータ１１の星形結線の中性点Ｎは、インバータ回路１２の負極母線１８に接続されている。中性点Ｎと負極母線１８との間に、３相のコイルより大きなインピーダンスを有するインダクタンス部２０を有する。この実施形態ではインダクタンス部２０としてコイルが使用されている。

制御部１４は、インバータ回路１２のスイッチング素子対（Ｓ１，Ｓ２）、スイッチング素子対（Ｓ３，Ｓ４）及びスイッチング素子対（Ｓ５，Ｓ６）を制御する。制御部１４は、図示しない駆動回路を備え、駆動回路は配線（図示せず）を介して各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６のゲートに接続されている。

制御部１４は、３相のコイルのうち１相毎に電流を流す１相電流駆動モードと、３相のコイルのうち２相毎に電流を流す２相電流駆動モードと、３相のコイルすべてに同時に電流を流す３相電流駆動モードとを切り替え可能に構成されている。１相電流駆動モードと、２相電流駆動モードと、３相電流駆動モードとの切り替えは、ＳＲモータ１１に対する要求トルクの大きさに対応して行われ、要求トルクが小さい順に１相電流駆動モード、２相電流駆動モード、３相電流駆動モードとなる。

詳述すると、制御部１４が行う駆動モードは、ＳＲモータ１１の回転数と要求トルクで決まり、要求トルクが大きくてもＳＲモータ１１の回転数によっては大きな要求トルクに対応する２相電流駆動モードあるいは３相電流駆動モードで駆動できない場合が生じる。そのため、制御部１４のメモリには、ＳＲモータ１１の回転数と電源１３の電圧との関係がマップとして記憶されており、制御部１４は、電源１３の電圧からどの電流駆動モードで駆動するかを判断する。

次に前記のように構成された動力出力装置１０の作用を説明する。
制御部１４は、図２のフローチャートにしたがって、ＳＲモータ１１を１相電流駆動モード、２相電流駆動モード及び３相電流駆動モードのどの電流駆動モードで駆動するかを判断する。制御部１４は、ＳＲモータ１１を効率優先モード、低振動モード及びそれ以外のモードで駆動するか否かの判断を行う。効率優先モードとは小さいトルクでＳＲモータ１１を効率よく駆動できる駆動モードを意味し、低振動モードとは効率優先モードに比べて振動を抑制できるモードを意味し、効率優先モードに比べてＳＲモータ１１のトルクは大きくなる。

制御部１４は、ステップＳ１１で効率優先モードか否かを判断する。効率優先モードであればステップＳ１２に進み、ステップＳ１２において１相電流駆動モードでＳＲモータ１１を駆動する。１相電流駆動モードでは、Ｕ相巻線１５Ｕ、Ｖ相巻線１５Ｖ、Ｗ相巻線１５Ｗのうち１相にのみ電流を流す状態を、順に繰り返すようにスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６のオン、オフ制御を行う。例えば、Ｕ相のみすなわちＵ相巻線１５Ｕのみに電流を流す場合は、Ｖ相のスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４及びＷ相のスイッチング素子Ｓ５，Ｓ６は駆動せずに、Ｕ相のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２を駆動する。

Ｕ相のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２を交互にオン、オフ駆動すると、図３に示すように、電流は電源１３から正極母線１７、スイッチング素子Ｓ１、Ｕ相巻線１５Ｕ、インダクタンス部２０、負極母線１８を経て電源１３に戻る。Ｕ相巻線１５Ｕに流れる電流を増やしたいときは、スイッチング素子Ｓ１をオン、スイッチング素子Ｓ２をオフにし、Ｕ相巻線１５Ｕに流れる電流を減らしたいときは、スイッチング素子Ｓ１をオフ、スイッチング素子Ｓ２をオンにする。

次にＶ相巻線１５Ｖにのみ電流を流す状態とするため、Ｕ相のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２及びＷ相のスイッチング素子Ｓ５，Ｓ６は駆動せずに、Ｖ相のスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４を駆動する。その状態では、電流は電源１３から正極母線１７、スイッチング素子Ｓ３、Ｖ相巻線１５Ｖ、インダクタンス部２０、負極母線１８を経て電源１３に戻る。Ｖ相巻線１５Ｖに流れる電流を増やしたいときは、スイッチング素子Ｓ３をオン、スイッチング素子Ｓ４をオフにし、Ｖ相巻線１５Ｖに流れる電流を減らしたいときは、スイッチング素子Ｓ３をオフ、スイッチング素子Ｓ４をオンにする。

次にＷ相巻線１５Ｗにのみ電流を流す状態とするため、Ｕ相のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２及びＶ相のスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４は駆動せずに、Ｗ相のスイッチング素子Ｓ５，Ｓ６を駆動する。その状態では、電流は電源１３から正極母線１７、スイッチング素子Ｓ５、Ｗ相巻線１５Ｗ、インダクタンス部２０、負極母線１８を経て電源１３に戻る。Ｗ相巻線１５Ｗに流れる電流を増やしたいときは、スイッチング素子Ｓ５をオン、スイッチング素子Ｓ６をオフにし、Ｗ相巻線１５Ｗに流れる電流を減らしたいときは、スイッチング素子Ｓ５をオフ、スイッチング素子Ｓ６をオンにする。

ステップＳ１１で効率優先モードでなければステップＳ１３に進み、ステップＳ１３において低振動モードか否かを判断する。低振動モードであればステップＳ１４に進み、ステップＳ１４において２相電流駆動モードでＳＲモータ１１を駆動する。

２相電流駆動モードでは、Ｕ相巻線１５Ｕ、Ｖ相巻線１５Ｖ、Ｗ相巻線１５Ｗのうち２相にのみ電流を流す状態を、順に繰り返すようにスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６のオン、オフ制御を行う。例えば、Ｕ相及びＶ相に電流を流す場合は、Ｗ相のスイッチング素子Ｓ５，Ｓ６は駆動せずに、Ｕ相の上側のスイッチング素子Ｓ１をオンにし、Ｖ相の下側のスイッチング素子Ｓ４をオンにする。

その状態では、図４に示すように、電流は電源１３から正極母線１７、スイッチング素子Ｓ１、Ｕ相巻線１５Ｕ、Ｖ相巻線１５Ｖ、下アーム側スイッチング素子Ｓ４、負極母線１８を経て電源１３に戻る。Ｕ相巻線１５Ｕ及びＶ相巻線１５Ｖに流れる電流を調整したいときは、スイッチング素子Ｓ１のオン、スイッチング素子Ｓ４のオフ時間を調整する。

次にＶ相及びＷ相に電流を流す状態とするため、Ｕ相のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２は駆動せずに、Ｖ相の上側のスイッチング素子Ｓ３をオンにし、Ｗ相の下側のスイッチング素子Ｓ６をオンにする。その状態では、電流は電源１３から正極母線１７、スイッチング素子Ｓ３、Ｖ相巻線１５Ｖ、Ｗ相巻線１５Ｗ、スイッチング素子Ｓ６、負極母線１８を経て電源１３に戻る。

次にＷ相及びＵ相に電流を流す状態とするため、Ｖ相のスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４は駆動せずに、Ｗ相の上側のスイッチング素子Ｓ５をオンにし、Ｕ相の下側のスイッチング素子Ｓ２をオンにする。その状態では、電流は電源１３から正極母線１７、スイッチング素子Ｓ５、Ｗ相巻線１５Ｗ、Ｕ相巻線１５Ｕ、スイッチング素子Ｓ２、負極母線１８を経て電源１３に戻る。

ステップＳ１３において低振動モードでなければステップＳ１５に進み、ステップＳ１５において３相電流駆動モードでＳＲモータ１１を駆動する。３相電流駆動モードでは、制御部１４は一般的な３相駆動ＰＷＭ制御を行う。

この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）動力出力装置１０は、星形結線された３相のコイル（Ｕ相巻線１５Ｕ、Ｖ相巻線１５Ｖ、Ｗ相巻線１５Ｗ）をステータに有するＳＲモータ１１と、ＳＲモータ１１に電力を供給可能なインバータ回路１２とを有する。インバータ回路１２は、互いに直列に接続された上アーム側スイッチング素子Ｓ１と下アーム側スイッチング素子Ｓ２、上アーム側スイッチング素子Ｓ３と下アーム側スイッチング素子Ｓ４、上アーム側スイッチング素子Ｓ５と下アーム側スイッチング素子Ｓ６から構成される３対のスイッチング素子対（Ｓ１，Ｓ２）、（Ｓ３，Ｓ４）、（Ｓ５，Ｓ６）を３相の各コイル毎に有する。また、インバータ回路１２の正極母線１７と負極母線１８とに接続された電源１３を有し、星形結線の中性点Ｎは、インバータ回路１２の負極母線１８に接続されている。また、動力出力装置１０は、インバータ回路１２の各スイッチング素子対を制御する制御部１４を有する。制御部１４は、３相のコイルのうち１相毎に電流を流す１相電流駆動モードと、３相のコイルのうち２相毎に電流を流す２相電流駆動モードと、３相のコイルすべてに同時に電流を流す３相電流駆動モードとを切り替え可能に構成される。この構成によれば、モータ駆動インバータとして最も汎用性が高い３相ハーフブリッジ回路を用いて、ＳＲモータ１１の３相のコイルに電流が流れる状態を、３つのモードで切り替えることにより、３相のＳＲモータ１１が特別な制御回路構成を取らずに、３相ハーフブリッジ回路を用いて駆動制御される。したがって、モータ駆動インバータとして最も汎用性が高い３相ハーフブリッジ回路を用いて、要求トルクの大きさに対応して低コストでＳＲモータ１１を駆動することができる。

（２）動力出力装置１０は、中性点Ｎと負極母線１８との間に３相のコイルより大きなインダクタンス部２０を有する。この構成によれば、３相のコイルのうち１相毎に電流を流す１相電流駆動モードと、３相のコイルのうち２相毎に電流を流す２相電流駆動モードと、３相のコイルすべてに同時に電流を流す３相電流駆動モードとの切り替えを容易に行うことができる。

実施形態は前記両実施形態に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ インダクタンス部２０はコイルに限らず、３相のコイルより大きなインピーダンスを有するものであればよく、例えば、細い導線で形成されてもよい。

○ インダクタンス部２０は、中性点Ｎと負極母線１８との間ではなく、中性点Ｎと正極母線１７との間に設けてもよい。
○ インバータ回路１２の効率に合わせて、ＳＲモータ１１を１相電流駆動モード、２相電流駆動モード及び３相電流駆動モードのどの電流駆動モードで駆動するかを判断するようにしてもよい。

Ｎ…中性点、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６…スイッチング素子、１０…動力出力装置、１１…ＳＲモータ、インバータ回路１２、１３…電源、１４…制御部、１５Ｕ…３相のコイルとしてのＵ相巻線、１５Ｖ…３相のコイルとしてのＶ相巻線、１５Ｗ…３相のコイルとしてのＷ相巻線、１７…正極母線、１８…負極母線、２０…インダクタンス部。

Claims

星形結線された３相のコイルをステータに有するスイッチトリラクタンスモータと、前記スイッチトリラクタンスモータに電力を供給可能なインバータ回路とを有する動力出力装置であって、
前記インバータ回路は、互いに直列に接続された上アーム側スイッチング素子と下アーム側スイッチング素子とから構成されるスイッチング素子対を前記３相のコイル毎に有し、
前記インバータ回路の正極母線と負極母線とに接続された電源を有し、
前記星形結線の中性点は、前記インバータ回路の正極母線又は負極母線に接続され、
前記インバータ回路の各スイッチング素子対を制御する制御部を有し、
前記制御部は、前記３相のコイルのうち１相毎に電流を流す１相電流駆動モードと、前記３相のコイルのうち２相毎に電流を流す２相電流駆動モードと、前記３相のコイルすべてに同時に電流を流す３相電流駆動モードとを切り替え可能に構成されることを特徴とする動力出力装置。
前記中性点と前記正極母線又は負極母線との間に前記３相のコイルより大きなインダクタンス部を有する請求項１に記載の動力出力装置。