JP2021061669A - 回転機駆動システム及び車両 - Google Patents

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Abstract

【課題】巻線切替装置を備えた回転機駆動システムにおいて、比較的簡単な構成で、切替摺動時の電気接点の摩耗を抑制可能な信頼性の高い回転機駆動システムを提供する。【解決手段】複数の巻線を有する回転機と、前記回転機を可変速運転するインバータ装置と、前記複数の巻線の接続を切り替える巻線切替装置と、を備え、前記巻線切替装置は、巻線端子と、前記巻線端子と対向する短絡部を有し、かつ、前記短絡部を有する面の反対側の面に第１の凸部が設けられた摺動部を有するセミ可動子と、前記セミ可動子の摺動部と対向し、前記セミ可動子の摺動部と対向する面に第２の凸部が設けられた摺動部を有する可動子と、を有し、前記セミ可動子に対し前記可動子をスライドさせることで、前記巻線端子と前記短絡部との接続を変更し、前記複数の巻線の接続を切り替えることを特徴とする。【選択図】 図３

Description

本発明は、モータ等の回転機を駆動制御する回転機駆動システムの構成に係り、特に、巻線切替装置を備えた回転機駆動システムに適用して有効な技術に関する。
インバータ装置によって可変速運転される回転機の効率は、一般に一定負荷条件で回転数を推移させて得られる効率カーブで表され、要求される回転範囲のうち一部の回転域で効率がピークとなる。機器の省エネ化を実現するためには、幅広い回転範囲において効率カーブを向上させ、回転機の電力損失を低減することが重要である。
回転機では、低速回転域において効率が低くなるが、回転機を設計段階で高インダクタンス化することで、電流値そのものを低減できると共に高調波成分を低減できることが知られている。これによって、低速回転域での効率向上を実現することが可能となるが、一方で高速回転域の効率が低下するなどの問題がある。
このような問題に対して、特許文献１のように低速回転域と高速回転域とで固定子巻線の接続を切り替える技術がある。回転機の駆動中に接続を切り替える場合、切替接点にアークが発生して接点寿命が低下する。特許文献１では、接点アークを回避する目的で巻線切替装置を圧縮コイル（バネ）と電極で構成する技術が開示されている。
特開２０１７−０７０１１２号公報 特開昭６１−４３８３１号公報
自動車や鉄道車両等に搭載される回転機は、軽量化のために高出力密度が求められており、大電流を流して高トルクを発生させることによってこの要求に応えている。このような用途に巻線切替を適用する場合、常時大電流を流すために切替接点の押し付け力をバネ機構等で維持する必要があり、従来技術では切替装置が大型化する課題があった。
これに対して特許文献１では、巻線端子の接点に対して、短絡配線パターンが異なる可動体を複数用意し、当該可動体を動かすことで接続状態を切り替える構成としている。しかしながら、開示されている構成では、短絡配線が複雑に交差しており製作が困難である。また、大電流に対応するためは短絡配線を導体面積の大きなバスバーなどで構成する必要があるが、バスバーの曲げ加工や組み付けが複雑なため大幅なコストアップを招く問題がある。
他の方法として、リレーを用いて切替装置を構成する方法があるが、大電流になるほどリレー装置が大型化し、かつ、コストアップとなる。また、巻線端子の短絡配線または短絡板を可動・摺動させる方式では、切替動作の繰り返しにより両者が摩耗し、機械寿命が短くなる課題がある。また、摺動摩擦に打ち勝つ必要があるため、アクチュエータの動力が大きくなる課題がある。
解決策として、接触部の押し付け力を弱くすることで摩耗を低減でき、アクチュエータ動力も小さくできるが、その場合は接触部の電気抵抗が大きくなり、当該部の発熱増加とシステム効率低下を招く。従って、従来の切替装置においては長寿命化も課題であった。
また、特許文献２の巻線切替装置では、リンク機構を用いることで切替接点の押し付け力確保と摺動レス化ならびに摩耗低減を図っているが、切替動作時に接点を押し付ける方向にバネの反発力が働くため、大きなアクチュエータ動力が必要となる課題がある。また、リンク機構が必要となるため切替え装置が大型化する課題があり、小型化を実現することは困難であった。
そこで、本発明の目的は、巻線切替装置を備えた回転機駆動システムにおいて、比較的簡単な構成で、切替摺動時の電気接点の摩耗を抑制可能な信頼性の高い回転機駆動システムとそれを用いた車両を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明は、複数の巻線を有する回転機と、前記回転機を可変速運転するインバータ装置と、前記複数の巻線の接続を切り替える巻線切替装置と、を備え、前記巻線切替装置は、巻線端子と、前記巻線端子と対向する短絡部を有し、かつ、前記短絡部を有する面の反対側の面に第１の凸部が設けられた摺動部を有するセミ可動子と、前記セミ可動子の摺動部と対向し、前記セミ可動子の摺動部と対向する面に第２の凸部が設けられた摺動部を有する可動子と、を有し、前記セミ可動子に対し前記可動子をスライドさせることで、前記巻線端子と前記短絡部との接続を変更し、前記複数の巻線の接続を切り替えることを特徴とする。
また、本発明は、回転電機と、バッテリと、前記バッテリの直流電力を交流電力に変換し、前記回転電機に供給する電力変換装置と、を備え、前記回転電機のトルクが変速機を介して車輪に伝達される車両であって、前記回転電機は、上記の特徴を有する回転機駆動システムが搭載されていることを特徴とする。
本発明によれば、巻線切替装置を備えた回転機駆動システムにおいて、比較的簡単な構成で、切替摺動時の電気接点の摩耗を抑制可能な信頼性の高い回転機駆動システムとそれを用いた車両を実現することができる。
これにより、回転機駆動システム及び車両の小型化、低コスト化、高信頼化（長寿命化）に寄与することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
本発明の実施例１における回転機駆動システムの全体構成を示すブロック図である。 従来技術における巻線切替装置の構成を示す図である。 従来技術における巻線切替による回転機特性を示す図である。 本発明の実施例１における１Ｙ／２Ｙ切替装置の一相分の動作を示す図である。 本発明と従来技術の得失比較を示す図である。 本発明の実施例２における１Ｙ／２Ｙ切替装置の一相分の動作を示す図である。 本発明の実施例２における１Ｙ／２Ｙ切替装置の一相分の動作を示す図である。 本発明の実施例３における１Ｙ／２Ｙ切替装置の一相分の動作を示す図である。 本発明の実施例３における１Ｙ／２Ｙ切替装置の一相分の動作を示す図である。 本発明の実施例３における１Ｙ／２Ｙ切替装置の一相分の動作を示す図である。 本発明の実施例３における１Ｙ／２Ｙ切替装置のセミ可動子と可動子を示す図である。 本発明の実施例３における１Ｙ／２Ｙ切替装置の三相分の構成を示す図である。 本発明の実施例４における車両を示す図である。
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。
また、以下の説明では数通りの並列接続数を対象としているが、本発明の効果はこれに限定されるものではなく、上記とは異なる並列接続数のＹ結線を切り替える構成や、Δ結線の並列接続数を切り替える構成、Ｙ結線とΔ結線を切り替える構成にも適用可能である。
また、巻線切替装置の構成は円筒型を対象としているが、平面状に構成したものやその他の構成にも適用可能である。また、回転機は誘導機でも良く、永久磁石同期機や巻線型同期機、シンクロナスリラクタンス回転機等でも良い。また、固定子の巻線方式は集中巻でも良いし分布巻でも良い。また、固定子巻線の相数も、実施例の構成に限定されるものではない。
また、インバータ装置の半導体スイッチング素子はＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を対象としているが、本発明の効果はこれに限定されるものではなく、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor）でも良く、その他の電力用半導体素子でも良い。
また、回転機の制御方式として、速度検出器や電圧検出器を使用しないベクトル制御を対象としているが、速度検出器や電圧検出器を使用した制御方式にも適用可能である。
以下、図１乃至図４を用いて、本発明の第１の実施例について説明する。図１は、本実施例における回転機駆動システムの全体構成を示すブロック図である。図２Ａおよび図２Ｂは、それぞれ従来技術における巻線切替装置の構成と回転機特性を示す図である。図３は、本実施例における１Ｙ／２Ｙ切替装置の一相分の動作を示す図である。図４は、本発明と従来技術の得失比較を示す図である。
本実施例の回転機駆動システムの全体構成について、図１を用いて説明する。図１において、インバータ装置１０１は、直流電源１０２の出力による直流電力を交流電力に変換し、交流電力を回転機１０３に出力するインバータ回路１０４と、インバータ回路１０４に接続された回転機１０３に流れる電流を検出する相電流検出回路１０６と、相電流検出回路１０６で検出された相電流情報１０６Ａを基に印加電圧指令パルス信号１０８Ａを用いて、インバータ回路１０４に対するインバータ制御（電力変換制御）を行って、回転機１０３を可変速運転する制御装置１０５で構成されている。
相電流検出回路１０６は，ホールＣＴ（Current Transformer）等から成り、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相の電流波形Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを検出している。但し、相電流検出回路１０６によって必ずしも３相全ての電流を検出する必要はなく、いずれかの２相を検出し、３相電流が平衡状態であると仮定して他の１相を演算により求める構成でも良い。
インバータ回路１０４は、ＩＧＢＴとダイオード（還流ダイオード）などの複数の半導体スイッチング素子から構成されたインバータ主回路１０７と、インバータ制御部１０８からの印加電圧指令パルス信号１０８Ａに基づいてインバータ主回路１０７のＩＧＢＴへのゲート信号を発生するゲート・ドライバ１０９から構成されている。
回転機１０３は、例えば、複数の巻線を有する誘導機や永久磁石同期機で構成され、各巻線の結線を切り替えられるように一部の巻線の始端と終端が引き出され、巻線切替装置１２０に格納されている。
巻線切替装置１２０は、回転機１０３の巻線の結線を切り替え可能な回路構成を有し、回転機１０３の回転が低速回転域と高速回転域の間を遷移する際に巻線切替指令部１１０から出力される信号に基づいて巻線接続を切り替える。
制御装置１０５は、相電流検出回路１０６で検出された相電流情報１０６Ａを用いて印加電圧指令パルス信号１０８Ａを生成するインバータ制御部１０８と、巻線切替装置１２０に接続切替の信号を与える巻線切替指令部１１０から構成されている。
なお、本実施例において、回転機駆動システムは、少なくともインバータ装置１０１、回転機１０３、巻線切替装置１２０を含む構成である。
続いて、図２Ａから図４を用いて、巻線切替装置の構成を説明すると共に、従来技術の課題と解決手段、および本発明の目的である巻線切替装置の小型化と長寿命化が実現できる原理について説明する。
図２Ａは、回転機１０３の固定子のＵ相巻線１５０ｕに関して、２つのＵ相巻線１５０ｕ１、１５０ｕ２の始端（端子）Ｕ１、Ｕ２と終端（端子）Ｕ３、Ｕ４を引き出し、直列・並列を切り替える構成を模式的に示した図である。Ｖ相、Ｗ相については同様のため記載を省略した。図２Ａの上図のように、Ｕ相巻線１５０ｕの始端Ｕ１と始端Ｕ２、終端Ｕ３と終端Ｕ４をそれぞれ短絡部１４１ｕ１、１４１ｕ２で並列接続し、Ｖ相、Ｗ相も同様に並列接続し、３相の中性点１５１をＹ字状に結線した構成を２Ｙ結線と呼ぶ。
他方で、図２Ａの下図のようにＵ相巻線１５０ｕ１の終端Ｕ３とＵ相巻線１５０ｕ２の始端Ｕ２を短絡部１４１ｕ１で直列接続し、Ｖ相、Ｗ相も同様に直列接続し、３相の中性点１５１をＹ字状に結線した構成を１Ｙ結線と呼ぶ。
上述の巻線切替装置を用いて、図２Ｂに示すように、回転機１０３の回転数ｎに応じて１Ｙ結線と２Ｙ結線を切り替えることで、システム効率を向上できることが知られている。具体的に、低回転数では１Ｙ結線として電圧増加することで、電流が従来の１／２に低減する。これによってインバータ回路１０４を構成する半導体スイッチング素子の導通損およびスイッチング損が半減するのでインバータ効率が大幅に改善すると同時に、システム効率が向上するので省エネ化を図れる。
しかしながら、図２Ａの構成では、巻線端子Ｕ１〜Ｕ４と短絡部１４１が摺動するため、切替動作の繰り返しにより両者が摩耗し、機械寿命が短くなる課題がある。また、摺動摩擦に打ち勝つ必要があるため、アクチュエータの動力が大きくなる課題がある。
解決策として、接触部の押し付け力を弱くすることで摩耗を低減でき、アクチュエータ動力も小さくできるが、その場合は接触部の電気抵抗が大きくなり、当該部の発熱増加とシステム効率低下を招く。従って、従来技術においては長寿命化が課題であった。
他の方法として、リレーを用いて切替装置を構成する方法があるが、大電流になるほどリレー装置が大型化し、かつコストアップとなる。また、上記特許文献２のように、リンク機構を用いることで切替接点の押し付け力確保と摺動レス化ならびに摩耗低減を図る方法もあるが、切替動作時に接点を押し付ける方向にバネの反発力が働くため、大きなアクチュエータ動力が必要となる課題がある。また、リンク機構が必要となるため切替え装置が大型化する課題があり、小型化を実現することは困難であった。
以上の課題は、図３に示すような巻線切替装置の構成を採用することで解決することができる。具体的な解決方法と、本発明の目的である巻線切替装置の小型化、長寿命化が実現できる原理について以下に詳しく説明する。
図３は、本発明の第１の実施例における１Ｙ／２Ｙ切替装置の一相分（Ｕ相）の動作を示す図である。以下では、図３に示すように、水平方向をＸ軸とし、紙面奥行き方向をＹ軸とし、鉛直方向をＺ軸として定義したＸＹＺ座標系を用いて、本実施例における切替接点の構成を説明する。
図３に示す巻線切替装置の構成が従来構成（図２Ａ）と異なる点は、巻線端子Ｕ１〜Ｕ４と可動子１４０との間にセミ可動子１３０が配置されている点である。セミ可動子１３０は、短絡部１３１（１３１ｕ１，１３１ｕ２）、絶縁部１３２、摺動部１３３で構成され、可動子１４０は摺動部１４３を有するロッド１４４で構成される。
図３（ａ）に示すように、Ｕ相巻線１５０ｕの始端Ｕ１と始端Ｕ２、終端Ｕ３と終端Ｕ４をそれぞれ短絡部１３１ｕ１，１３１ｕ２で並列接続することで２Ｙ結線を構成する。このとき、セミ可動子摺動部１３３のＺ方向下側に凸の部分と、可動子摺動部１４３のＺ方向上側に凸の部分とは対向した状態にある。
図３（ｂ）に示すように、切替時には可動子１４０がＸ方向にスライドすることで、セミ可動子摺動部１３３の凸部分と可動子摺動部１４３の凸部分との対向状態が外れ、セミ可動子１３０はＺ方向にスライドする。この動作によって、巻線端子Ｕ１〜Ｕ４と短絡部１３１（１３１ｕ１，１３１ｕ２）との機械的な接触が解消される。
可動子１４０がさらにＸ方向にスライドすると、図３（ｂ）に示すように、セミ可動子摺動部１３３の凸部の側面と可動子摺動部１４３の凸部の側面とが接触しながら、セミ可動子１３０は可動子１４０と共にＸ方向にスライドする。
そして、図３（ｃ）に示すように、セミ可動子１３０がストッパ１３５に到達すると、可動子１４０のみがＸ方向のスライドを続け、セミ可動子摺動部１３３の凸部分と可動子摺動部１４３の凸部分とが対向した時点で可動子１４０は停止する。
この動作によって、Ｕ相巻線１５０ｕ１の終端Ｕ３とＵ相巻線１５０ｕ２の始端Ｕ２が短絡部１３１ｕ１で直列接続され、１Ｙ結線が構成される。
以上のような構成とすることで、巻線端子Ｕ１〜Ｕ４と短絡部１３１との摺動が無くなるので、切替動作の繰り返しによる両者の摩耗が無くなり、機械寿命を長期化できる。また、摺動摩擦が発生するのはセミ可動子摺動部１３３と可動子摺動部１４３との接触部に限定されるため、当該摺動部を摩擦係数の小さい材質で構成することで、小さなアクチュエータ動力でも、可動子１４０のＸ方向の移動と、セミ可動子のＺ方向の移動の両方を実現することができる。従って、巻線切替装置の小型化と長寿命化を同時に実現することができる。
また、セミ可動子摺動部１３３の凸部分と可動子摺動部１４３の凸部分との対向によって、巻線端子Ｕ１〜Ｕ４と短絡部１３１との間に十分な押し付け力を発生することができるので、摺動摩擦による寿命低下を回避しながら、接触部の電気抵抗を小さく抑えることが可能となる。また、セミ可動子１３０と可動子１４０はいずれも円筒状の簡素な部品で構成されるため、リンク機構のように部品点数の増加やサイズの増加を招くことが無く、大電流を流すような用途においても小型の巻線切替装置を提供することができる。
セミ可動子短絡部１３１ｕ１，１３１ｕ２は、いずれも円筒導体で構成される。両者は端子Ｕ１〜Ｕ４の接続パターンを切り替える役割を担うため、電気的に互いに絶縁される必要があり、図３では短絡部１３１ｕ１と１３１ｕ２のＸ方向間に所定の絶縁距離を設けている。
なお、セミ可動子短絡部１３１ｕ１，１３１ｕ２の材料には、例えば、真鍮やメッキ加工した金属材料など電気抵抗が低いものを用いるのが望ましい。
セミ可動子摺動部１３３の材質は金属でも良いし樹脂でも良いが、長期耐久性を確保する観点では金属が望ましい。また、低摩擦係数で、かつ、高硬度な材料を用いるのが望ましい。但し、セミ可動子摺動部１３３を金属で構成する場合には、当該部を介してセミ可動子短絡部１３１ｕ１と１３１ｕ２とが電気的に短絡することの無いよう、セミ可動子絶縁部１３２を設ける必要がある。
絶縁部１３２は円筒状のカラーで構成しても良いし、シート状の絶縁体を摺動部１３３に巻きつけることで構成しても良いし、短絡部１３１の内周側に絶縁体を貼り付けた上で摺動部１３３に組み付ける構成でも良い。摺動部１３３を樹脂などの非導電材料で構成する場合には、絶縁部１３２は設けなくても良い。
セミ可動子摺動部１３３と可動子摺動部１４３とが機械的に接触する部分、または両者の間の空隙には、摺動時の摩擦係数を低減する目的で潤滑材を塗布または充填すると良い。これによってアクチュエータ動力を小さくすることができるので、巻線切替装置の一層の小型化が可能となる。
潤滑剤としてグリスを使用する場合には、摺動部で発生する摩耗粉をグリスに吸着させることができるので、摺動部のカジリや、端子部に飛散して電気短絡を起こすなどの不具合を回避できる。
セミ可動子摺動部１３３によって内周側が密閉されるような構成とする場合には、潤滑油を充填することも可能であり、この場合は摩耗粉を密閉空間に閉じ込めることができるので、電気短絡の不具合が解消される。
このように、セミ可動子１３０を設けることで、電気的な短絡機能と、機械的な摺動機能を分離することが可能となるため、長寿命化の対策を施しやすくなるといったメリットもある。
可動子ロッド１４０は、直動式のリニアアクチュエータで駆動しても良いし、ボールねじを用いた駆動機構でも良い。また、可動子摺動部１４３をＸ軸周りに渦を巻く螺旋構造とし、セミ可動子摺動部１３３も同様にＸ軸周りに渦を巻く螺旋構造とし、可動子ロッド１４０をロータリーアクチュエータによって回転させることで、両摺動部の対向状態を図３に示すように変化させる構成でも良い。
以上説明した本実施例の回転機駆動システムは、言い換えると、複数の巻線を有する回転機１０３と、回転機１０３を可変速運転するインバータ装置１０１と、回転機１０３の複数の巻線の接続を切り替える巻線切替装置１２０を備えており、巻線切替装置１２０は、巻線端子Ｕ１〜Ｕ４と、巻線端子Ｕ１〜Ｕ４と対向するセミ可動子短絡部１３１を有し、かつ、セミ可動子短絡部１３１を有する面の反対側の面に第１の凸部が設けられたセミ可動子摺動部１３３を有するセミ可動子１３０と、セミ可動子１３０のセミ可動子摺動部１３３と対向し、セミ可動子１３０のセミ可動子摺動部１３３と対向する面に第２の凸部が設けられた可動子摺動部１４３を有する可動子１４０と、を有し、セミ可動子１３０に対し可動子１４０をスライドさせることで、巻線端子Ｕ１〜Ｕ４とセミ可動子短絡部１３１との接続を変更し、回転機１０３の複数の巻線の接続を切り替えるように構成されている。
そして、第１の凸部と第２の凸部が対向することにより、巻線端子Ｕ１〜Ｕ４とセミ可動子短絡部１３１が機械的に接触する。
また、第１の凸部と第２の凸部が対向した状態から非対向状態に遷移することにより、巻線端子Ｕ１〜Ｕ４とセミ可動子短絡部１３１は機械的な接触状態から非接触状態に遷移する。
また、第１の凸部と第２の凸部が非対向状態で互いに接触しながらセミ可動子１３０に対し可動子１４０がスライドする。
以上にて、従来技術の課題と解決手段、および本発明の目的である巻線切替装置の小型化と長寿命化が実現できる原理について説明した。図４に従来技術と本発明の得失比較を示す。図４に示すように、本発明（本実施例）により、接触部押付力が強く、電気抵抗が低く、機械寿命が長く、アクチュエータ動力が小さい巻線切替装置を実現することができ、それを備えた回転機駆動システム及び車両の小型化、低コスト化、高信頼化（長寿命化）に寄与することができる。
なお、本実施例の回転機駆動システムを、回転機１０３、インバータ装置１０１、巻線切替装置１２０が１つのユニットに一体化された一体型トラクションモータシステムとして構成することで、各装置間の配線が不要または短くすることができ、回転機駆動システムの信頼性向上と小型化を図ることができる。
図５Ａおよび図５Ｂを用いて、本発明の第２の実施例について説明する。図５Ａおよび図５Ｂは、本実施例における１Ｙ／２Ｙ切替装置の一相分の動作を示す図である。
図５Ａおよび図５Ｂは、図３で示した構成をより詳細に示したものである。具体的に、セミ可動子１３０は、短絡部１３１（１３１ｕ１，１３１ｕ２）、絶縁部１３２、摺動部１３３、ガイド１３４、コイルバネ１３６で構成される。コイルバネ１３６は周方向に伸縮するバネであり、短絡部１３１の外周部に設けた環状溝に格納される。この構成によって、短絡部１３１には内周方向に収縮する力が働く。
但し、図５Ａの右図に示すように、短絡部１３１は周方向に３分割されており、絶縁部１３２、摺動部１３３と一体となってガイド１３４に支持される。周方向分割数は３分割に限定されるものではなく、短絡部１３１が径方向に伸縮できる構成であれば２分割でも良いし、４分割以上であっても良い。可動子１４０は、摺動部１４３を有するロッド１４４で構成される。
図５Ａに示すように、Ｕ相巻線１５０ｕの始端Ｕ１と始端Ｕ２、終端Ｕ３と終端Ｕ４をそれぞれ短絡部１３１ｕ１、１３１ｕ２で並列接続することで２Ｙ結線を構成する。巻線端子Ｕ１〜Ｕ４と短絡部１３１（１３１ｕ１，１３１ｕ２）との間の押し付け力は、セミ可動子摺動部１３３の凸部の斜面と、可動子摺動部１４３の凸部の斜面とを対向させることで、短絡部１３１に対して径方向内側から外側に向けて広がる力として発生させる。
そして、図５Ｂに示すように、切替時には可動子１４０がＸ方向にスライドすることで、セミ可動子摺動部１３３の凸部分と可動子摺動部１４３の凸部分との対向状態が外れ、コイルバネ１３６の収縮力によってセミ可動子１３０は内周方向に収縮する。
この動作によって、巻線端子Ｕ１〜Ｕ４と短絡部１３１との機械的な接触が解消される。可動子１４０がさらにＸ方向にスライドすると、図５Ｂに示すように、セミ可動子摺動部１３３の凸部の側面と可動子摺動部１４３の凸部の側面とが接触しながら、セミ可動子１３０は可動子１４０と共にＸ方向にスライドする。その後の動作は図３と同様である。
以上説明したように、本実施例の巻線切替装置１２０では、セミ可動子短絡部１３１は周方向に分割されており、セミ可動子１３０はコイルバネ１３６により可動子１４０の径方向に付勢されている。
以上のような構成とすることで、巻線端子Ｕ１〜Ｕ４と短絡部１３１との摺動が無くなるので、切替動作の繰り返しによる両者の摩耗が無くなり、機械寿命を長期化できる。また、摺動摩擦が発生するのはセミ可動子摺動部１３３と可動子摺動部１４３との接触部に限定されるため、当該摺動部を摩擦係数の小さい材質で構成することで、小さなアクチュエータ動力でも、可動子１４０のＸ方向の移動と、セミ可動子のＺ方向の移動の両方を実現することができる。従って、巻線切替装置の小型化と長寿命化を同時に実現することができる。
また、セミ可動子摺動部１３３の凸部分と可動子摺動部１４３の凸部分との対向によって、巻線端子Ｕ１〜Ｕ４と短絡部１３１との間に十分な押し付け力を発生することができるので、摺動摩擦による寿命低下を回避しながら、接触部の電気抵抗を小さく抑えることが可能となる。また、セミ可動子１３０と可動子１４０はいずれも円筒状の簡素な部品で構成されるため、リンク機構のように部品点数の増加やサイズの増加を招くことが無く、大電流を流すような用途においても小型の巻線切替装置を提供することができる。
図６Ａ乃至図８を用いて、本発明の第３の実施例について説明する。図６Ａ乃至図６Ｃは、本実施例における１Ｙ／２Ｙ切替装置の一相分の動作を示す図である。図７は、本実施例における１Ｙ／２Ｙ切替装置のセミ可動子と可動子を示す図である。図８は、本実施例における１Ｙ／２Ｙ切替装置の三相分の構成を示す図である。
本実施例の巻線切替装置は、セミ可動子短絡部１３１とセミ可動子摺動部１３３とが１つの金属部品で一体的に構成されている点において、実施例１（図３）の巻線切替装置と異なっている。
より具体的に言えば、セミ可動子１３０は、短絡部１３１ｕ１（摺動部１３３ｕ１を兼ねる）、短絡部１３１ｕ２（摺動部１３３ｕ２を兼ねる）、絶縁部１３２ｕ１、絶縁部１３２ｕ２で構成され、可動子１４０は摺動部１４３ｕ１ａ、１４３ｕ１ｂ、摺動部１４３ｕ２ａ、１４３ｕ２ｂ、絶縁部１４２ｕ１、絶縁部１４２ｕ２、可動子ロッド１４４、ロッド絶縁部１４５で構成される。
図７（ａ）に示すように、セミ可動子短絡部１３１は円筒形状を有し、板バネ１３１ａとスリット１３１ｂ、内周側に凸となる摺動部１３３とで構成される。円筒の周方向に複数のスリット１３１ｂを配置することで、同じく円筒の周方向に複数配置された板バネ１３１ａは、径方向に動くことができる。従って、径方向内側から外側に広がる力を摺動部１３３に与えることで、板バネ１３１ａは径方向外側に広がる。一方で、摺動部１３３から径方向外側に働く力を取り除くと、板バネ１３１ａは復元力で径方向内側に収縮する。
図７（ｂ）に示すように、可動子１４０は摺動部１４３と、絶縁部１４２、可動子ロッド１４４、ロッド絶縁部１４５で構成される。さらに、可動子摺動部１４３は円筒形状を有し、Ｚ方向に凸となる１４３ａ，１４３ｂと、Ｚ方向に凹となる１４３ｃとで構成される。
つまり、セミ可動子短絡部１３１は一相あたり少なくとも２つ以上の円筒導体で構成され、互いに隣接する円筒導体同士の間には、円筒状の非導電性部材（絶縁部１３２）が設けられる。
このような構成によって、巻線切替装置を簡素な部品で構成しながら、小型化と長寿命化を実現することができる。具体的な動作原理について以下に詳しく説明する。
図６Ａに示すように、Ｕ相巻線１５０ｕの始端Ｕ１と始端Ｕ２、終端Ｕ３と終端Ｕ４をそれぞれセミ可動子短絡部１３１ｕ１，１３１ｕ２で並列接続することで２Ｙ結線を構成する。このとき、セミ可動子摺動部１３３ｕ１，１３３ｕ２と、可動子摺動部１４３ｕ１ｂ，１４３ｕ２ｂとはそれぞれ対向した状態にある。
そして、図６Ｂに示すように、切替時には可動子１４０がＸ方向にスライドすることで、セミ可動子摺動部１３３ｕ１，１３３ｕ２と、可動子摺動部１４３ｕ１ｂ，１４３ｕ２ｂとの対向状態がそれぞれ外れ、セミ可動子１３０はＺ方向にスライドする。
この動作によって、巻線端子Ｕ１〜Ｕ４と短絡部１３１との機械的な接触が解消される。可動子１４０がさらにＸ方向にスライドすると、図６Ｂに示すように、セミ可動子摺動部１３３ｕ１，１３３ｕ２と可動子摺動部１４３ｕ１ｃ，１４３ｕ２ｃとがそれぞれ接触しながら、セミ可動子１３０は可動子１４０と共にＸ方向にスライドする。
図６Ｃに示すように、セミ可動子１３０がストッパ１３５に到達すると、可動子１４０のみがＸ方向のスライドを続け、セミ可動子摺動部１３３ｕ１，１３３ｕ２と可動子摺動部１４３ｕ１ａ，１４３ｕ２ａとがそれぞれ対向した時点で可動子１４０は停止する。この動作によって、Ｕ相巻線１５０ｕ１の終端Ｕ３とＵ相巻線１５０ｕ２の始端Ｕ２が短絡部１３１ｕ１で直列接続され、１Ｙ結線が構成される。
以上のような構成とすることで、巻線端子Ｕ１〜Ｕ４と短絡部１３１との摺動が無くなるので、切替動作の繰り返しによる両者の摩耗が無くなり、機械寿命を長期化できる。また、摺動摩擦が発生するのはセミ可動子摺動部１３３と可動子摺動部１４３との接触部に限定されるため、当該摺動部を摩擦係数の小さい材質で構成することで、小さなアクチュエータ動力でも、可動子１４０のＸ方向の移動と、セミ可動子のＺ方向の移動の両方を実現することができる。従って、巻線切替装置の小型化と長寿命化を同時に実現することができる。
また、セミ可動子摺動部１３３と可動子摺動部１４３との対向によって、巻線端子Ｕ１〜Ｕ４と短絡部１３１との間に十分な押し付け力を発生することができるので、摺動摩擦による寿命低下を回避しながら、接触部の電気抵抗を小さく抑えることが可能となる。また、セミ可動子１３０と可動子１４０はいずれも円筒状の簡素な部品の組み合わせで構成できるため、リンク機構のように部品点数の増加やサイズの増加を招くことが無く、大電流を流すような用途においても小型の巻線切替装置を提供することができる。
セミ可動子短絡部１３１ｕ１，１３１ｕ２は、電気的に互いに絶縁される必要があり、図６Ａ乃至図６Ｃでは両者のＸ方向間に絶縁部１３２ｕ１，１３２ｕ２を設けている。可動子摺動部１４３の材質は金属でも良いし樹脂でも良いが、長期耐久性を確保する観点では金属が望ましい。但し、可動子摺動部１４３を金属で構成する場合には、当該部を介してセミ可動子短絡部１３１ｕ１と１３１ｕ２とが電気的に短絡することの無いよう、可動子絶縁部１４２ｕ１，１４２ｕ２を設ける必要がある。
可動子絶縁部１４２は円筒状のカラーで構成しても良いし、シート状の絶縁体を可動子ロッド１４４に巻きつけて構成しても良い。さらに、可動子ロッド１４４を金属で構成する場合には、当該部を介してセミ可動子短絡部１３１ｕ１と１３１ｕ２とが電気的に短絡することの無いよう、可動子ロッド絶縁部１４５を設ける必要がある。
可動子摺動部１４３を樹脂などの非導電材料で構成する場合には、可動子絶縁部１４２や可動子ロッド絶縁部１４５は必ずしも設けなくても良い。
セミ可動子摺動部１３３と可動子摺動部１４３とが機械的に接触する部分、または両者の間の空隙には、摺動時の摩擦係数を低減する目的で潤滑材を塗布または充填すると良い。これによってアクチュエータ動力を小さくすることができるので、巻線切替装置の一層の小型化が可能となる。
潤滑剤としてグリスを使用する場合には、摺動部で発生する摩耗粉をグリスに吸着させることができるので、摺動部のカジリや、端子部に飛散して電気短絡を起こすなどの不具合を回避できる。
このように、本発明ではセミ可動子１３０の外周側と内周側とで、電気的な短絡機能と、機械的な摺動機能をそれぞれ分離することが可能となるため、長寿命化の対策を施しやすくなるといったメリットもある。
可動子ロッド１４４は、直動式のリニアアクチュエータで駆動しても良いし、ボールねじを用いた駆動機構でも良い。また、可動子摺動部１４３をＸ軸周りに渦を巻く螺旋構造とし、セミ可動子摺動部１３３も同様にＸ軸周りに渦を巻く螺旋構造とし、可動子ロッド１４４をロータリーアクチュエータによって回転させることで、両摺動部の対向状態を図６Ａ乃至図６Ｃに示すように変化させる構成でも良い。
図８に、本実施例（図６Ｃ）の巻線切替装置で三相分の切替装置を構成した場合の全体図を示す。各相の構成は図６Ａ乃至図６Ｃと同様なので詳細な説明は割愛するが、図８では１Ｙ結線を構成している。
図８に示すように、１Ｙ結線時においてＶ相のセミ可動子短絡部１３１ｖ１が端子Ｕ４に干渉しないよう、セミ可動子絶縁部１３２ｕ２のＸ方向長さは、絶縁部１３２ｕ１のＸ方向長さよりも大きく設定する。可動子ロッド１４４は三相分を一本で構成することで部品点数を抑えることができる。
図９を用いて、本発明の第４の実施例について説明する。図９は、上記の実施例１乃至実施例３のいずれかの巻線切替装置を備えた回転機駆動システムを搭載する車両を示す図である。
図９に示す回転電機７５１，７５２に本発明が適用される。図９に示すように、車両７００は例えばハイブリッド自動車、プラグインハイブリッド自動車を指し、エンジン７６０と回転電機７５１，７５２と、バッテリ７８０とが搭載されている。
バッテリ７８０は、回転電機７５１，７５２を駆動する場合、駆動用の電力変換装置７７０（インバータ装置）に直流電力を供給する。電力変換装置７７０は、バッテリ７８０からの直流電力を交流電力に変換して、この交流電力を回転電機７５１，７５２にそれぞれ供給する。
また、回生走行時には、回転電機７５１，７５２が車両７００の運動エネルギーに応じて交流電力を発生して電力変換装置７７０に供給する。電力変換装置７７０は、回転電機７５１，７５２からの交流電力を直流電力に変換し、この直流電力をバッテリ７８０に供給する。
エンジン７６０および回転電機７５１，７５２による回転トルクは、変速機７４０、デファレンシャルギア７３０および車軸７２０を介して車輪７１０に伝達される。
一般に、自動車には坂道発進での低速大トルクや、高速道路での高速低トルク、街乗りでの中速中トルクなど、広い運転範囲が要求される。このような広い運転範囲において、本発明の巻線切替装置を備えた回転機駆動システムを搭載する回転電機７５１，７５２では高効率な運転が可能となる。
加えて、熱損失が軽減されるので、車両７００の安全性向上や長寿命化が可能になる。また、車両７００の航続距離を延ばすことが可能になる。なお、エンジン７６０を備えず、回転電機の動力だけで駆動される電気自動車においても本発明の回転電機を適用することにより同様の効果が得られる。
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
１０１：インバータ装置
１０２：直流電源
１０３：回転機
１０４：インバータ回路
１０５：制御装置
１０６：相電流検出回路
１０６Ａ：相電流情報
１０７：インバータ主回路
１０８：インバータ制御部
１０８Ａ：印加電圧指令パルス信号
１０９：ゲート・ドライバ
１１０：巻線切替指令部
１２０：巻線切替装置
１２１：巻線切替装置筐体
１３０：セミ可動子
１３１ａ：板バネ
１３１ｂ：スリット
１３１：（セミ可動子）短絡部
１３２：（セミ可動子）絶縁部
１３３：（セミ可動子）摺動部
１３４：（セミ可動子）ガイド
１３５：（セミ可動子）ストッパ
１３６：コイルバネ
１４０：可動子
１４１：（可動子）短絡部
１４２：（可動子）絶縁部
１４３：（可動子）摺動部
１４４：（可動子）ロッド
１４５：（可動子）ロッド絶縁部
１５０：巻線
１５１：中性点
７００：車両
７１０：車輪
７２０：車軸
７３０：デファレンシャルギア
７４０：変速機
７５１，７５２：回転電機
７６０：エンジン
７７０：電力変換装置
７８０：バッテリ

Claims (12)

  1. 複数の巻線を有する回転機と、
    前記回転機を可変速運転するインバータ装置と、
    前記複数の巻線の接続を切り替える巻線切替装置と、を備え、
    前記巻線切替装置は、巻線端子と、
    前記巻線端子と対向する短絡部を有し、かつ、前記短絡部を有する面の反対側の面に第１の凸部が設けられた摺動部を有するセミ可動子と、
    前記セミ可動子の摺動部と対向し、前記セミ可動子の摺動部と対向する面に第２の凸部が設けられた摺動部を有する可動子と、を有し、
    前記セミ可動子に対し前記可動子をスライドさせることで、前記巻線端子と前記短絡部との接続を変更し、前記複数の巻線の接続を切り替える回転機駆動システム。
  2. 請求項１に記載の回転機駆動システムであって、
    前記第１の凸部と前記第２の凸部が対向することにより、前記巻線端子と前記短絡部が機械的に接触する回転機駆動システム。
  3. 請求項２に記載の回転機駆動システムであって、
    前記第１の凸部と前記第２の凸部が対向した状態から非対向状態に遷移することにより、前記巻線端子と前記短絡部は機械的な接触状態から非接触状態に遷移する回転機駆動システム。
  4. 請求項３に記載の回転機駆動システムであって、
    前記第１の凸部と前記第２の凸部が非対向状態で互いに接触しながら前記可動子がスライドする回転機駆動システム。
  5. 請求項１に記載の回転機駆動システムであって、
    前記短絡部は少なくとも２つ以上の円筒導体で構成され、
    互いに隣接する円筒導体同士の間には、円筒状の非導電性部材が設けられる回転機駆動システム。
  6. 請求項１に記載の回転機駆動システムであって、
    前記セミ可動子の摺動部と前記可動子の摺動部の間に潤滑材が塗布または充填される回転機駆動システム。
  7. 請求項６に記載の回転機駆動システムであって、
    前記セミ可動子の摺動部と前記可動子の摺動部の間は密閉構造である回転機駆動システム。
  8. 請求項１に記載の回転機駆動システムであって、
    前記可動子は、直動式のリニアアクチュエータまたはボールねじ機構で駆動される回転機駆動システム。
  9. 請求項１に記載の回転機駆動システムであって、
    前記短絡部と前記セミ可動子の摺動部は一体の金属部品で構成される回転機駆動システム。
  10. 請求項１に記載の回転機駆動システムであって、
    前記短絡部は周方向に分割されており、
    前記セミ可動子はバネにより前記可動子の方向に付勢されている回転機駆動システム。
  11. 請求項１に記載の回転機駆動システムであって、
    前記回転機、前記インバータ装置、前記巻線切替装置が１つのユニットに一体化された一体型トラクションモータシステムである回転機駆動システム。
  12. 回転電機と、
    バッテリと、
    前記バッテリの直流電力を交流電力に変換し、前記回転電機に供給する電力変換装置と、を備え、
    前記回転電機のトルクが変速機を介して車輪に伝達される車両であって、
    前記回転電機は、請求項１から１１のいずれか１項に記載の回転機駆動システムが搭載されている車両。
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