JP5537393B2 - 巻線切替装置、およびこれを用いた回転電機 - Google Patents

Description

本発明は巻線切替装置、およびこれを用いた回転電機に関するものである。

特許文献１には、切替装置を設けて、巻線接続方式を直列又は並列に切り替える技術が開示されている。すなわち、電機子の各相に巻回された複数の巻線を直列接続とし、巻数を大きく設計した状態にすることにより、電動機は、インバータの電流許容値を小さく抑えたまま、大トルクを得ることを目的としている。また、電動機は、巻線を並列接続とし、巻数を少なく設計した状態とすることにより、高速回転領域を拡大することができる（図２参照）。

特許文献２には、電流を通電するのではなく永久磁石を用いることでＯＮ状態を維持する構成が開示されている。

特開２００５−３５４８０７号公報 特開２００４−２２７９６６号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術では、電動機の駆動時において常にスイッチング素子に通電するため、いわゆる導通損が発生する。すなわち、切替装置部分で新たなエネルギー損失が発生するため、インバータと電動機とを含むシステム全体のエネルギー効率向上という観点では、必ずしも得策とは言えない。したがって、巻線切替装置として、電動機駆動時のエネルギー損失が僅少な機械式リレーを用いることが望ましく、特に、双安定リレーを用いる方法が望ましい。

双安定リレーとは、複数端子を有し、かつそのうち２つの端子間に電流を通電することを可能にする装置である。一般に、電流の通電経路となる端子部と、端子部の接続形態を自在に調節することを可能にする電磁石部とで構成される。端子部は２接点、または３接点で構成されるものが多い。電磁石部は接点のＯＮ接続状態を維持するために、連続的に電流を通電するものが広く知られているが、電力消費抑制の観点では、特許文献２のように、電流を通電するのではなく永久磁石を用いることでＯＮ状態を維持する構成が望ましい。

ただし、上記特許文献２に記載の電磁石構成では、磁気的なギャップ長が大きく、接続状態を切り替えるときに大きな起磁力（巻線の巻数と通電電流の積）が必要となる。このため、電磁石巻線の巻数を多くしたり、電磁石巻線の線径を太くして大電流に耐えられるようにしたりする必要が生じ、電磁石巻線の大型化、ひいては巻線切替装置の大型化を招く、という課題がある。

本発明の目的は、配線の接続工程を簡略化でき、かつ小形な巻線切替装置及びこれを用いた回転電機を提供することである。

本発明の巻線切替装置を用いた回転電機を備える製品としては、例えば、圧縮機，電気自動車およびハイブリッド自動車，ファン，ポンプ等が考えられる。

上記課題を解決するために、制御電流が印加される巻線を具備したヨークと可動部とで構成される巻線切替装置において、前記ヨークは、中空の断面形状と前記ヨークの内側に向かって凸となるようなティース部を複数有し、前記ティース部は、互いに対向するように組を成し、このうちの少なくとも１組は、前記巻線を具備しており、前記巻線を具備したティースの組に挟まれた状態で所定の空間を介して前記可動部が配置されるように構成すればよい。

本発明によれば、配線の接続工程を簡略化でき、かつ小形な巻線切替装置を提供することができる。

本発明の一実施例による永久磁石同期機の電機子巻線と巻線切替回路の接続構成図。 電機子巻線の接続状態とトルク−回転数特性の関係図。 従来の機械式リレーを用いて構成した一相分の巻線切替装置の構成図。 本発明の一実施例による巻線切替装置の構成図。 本発明の一実施例による巻線切替装置の構成図。 本発明の一実施例による巻線切替動作部の断面構造図。 本発明の一実施例による巻線切替動作部の動作原理を示した模式図。 従来の巻線切替動作部の断面構造図。 本発明の一実施例による巻線切替動作部の断面構造図。 本発明の一実施例による巻線切替動作部の断面構造図。 本発明の一実施例による巻線切替動作部の断面構造図。 本発明の一実施例による巻線切替端子部の斜視図。 本発明の一実施例による巻線切替端子部の斜視図。 本発明の一実施例による巻線切替装置の斜視図。 本発明の一実施例による巻線切替端子部の斜視図。 本発明の一実施例による巻線切替端子部の斜視図。 本発明の一実施例による巻線切替端子部の上面図。 本発明の一実施例による巻線切替装置の斜視図。 本発明の一実施例による巻線切替端子部の斜視図。

以下、本発明の一実施例について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の第１実施形態である永久磁石同期機の電機子巻線と、巻線切替回路との接続構成を示した配線図である。この接続構成は、特許文献１で開示された内容に近いが、単一の巻線切替装置を用いて複数の端子接続部を一括で切り替えられる点で異なっており、切替端子の構成（図３〜図５にて後述）および電磁石部分の構成（図６にて後述）も、特許文献２に記載の構成とは異なる。

図１において、三相の永久磁石同期機３０と、切替端子４０とが、インバータ６０に接続されている。具体的に、三相の永久磁石同期機３０は、電機子巻線が各相２つの巻線（第１の巻線：Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１、第２の巻線：Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２）で構成されており、第１の巻線（Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１）の一端は、三相電源用の端子３１（図１では三相それぞれを３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗと表示）を介して、インバータ６０に接続されている。第１の巻線（Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１）の他端は、端子Ｔ_b1（Ｔ_b1U，Ｔ_b1V，Ｔ_b1W）に接続され、端子_Tb2（Ｔ_b2U，Ｔ_b2V，Ｔ_b2W）を介して中性点５０ａに接続され、Ｙ結線を構成するか、もしくは、端子Ｔ_b3（Ｔ_b3U，Ｔ_b3V，Ｔ_b3W）を介して、第２の巻線へと接続され、直列接続を構成する。第２の巻線（Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２）の一端は、中性点５０ｂに接続されＹ結線を構成し、他端は端子Ｔ_a2（Ｔ_a2U，Ｔ_a2V，Ｔ_a2W）に接続されている。また、端子Ｔ_a3（Ｔ_a3U，Ｔ_a3V，Ｔ_a3W）と端子Ｔ_b3（Ｔ_b3U，Ｔ_b3V，Ｔ_b3W）とは、互いに接続されている。

一方、インバータ６０は、直流電源６１が発生する直流電圧Ｅを三相の交流電圧に変換し、変換された交流電圧を、端子３１（３１ｕ，３１ｖ，３１ｗ）を介して、永久磁石同期機３０の電機子巻線に印加する。端子３１は、端子Ｔ_a1、及び第１の巻線に接続されている。

巻線切替動作部１を構成する電磁石巻線３２（３２ａ，３２ｂ）の端子３３ａ，３３ｂは切替制御装置７０に接続されている。これにより、切替端子４０（Ｓ_a，Ｓ_b）は、制御回路７０により同時に切り替えられる。制御回路７０は、トランジスタなどの半導体素子を用いて構成されている。第１の巻線（Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１）と第２の巻線（Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２）とを直列接続する場合は、図１に記載のように、制御回路７０は、端子Ｔ_b1と端子Ｔ_b3とを接続し、端子Ｔ_a3と端子Ｔ_a2とを接続する。一方、第１の巻線と第２の巻線とを並列接続する場合は、制御回路７０は、端子Ｔ_b1と端子Ｔ_b2とを接続させ、端子Ｔ_a1と端子Ｔ_a2とを接続する。このとき、中性点５０ａと５０ｂとは切り離してもよく、短絡してもよい。図１では第１の巻線と第２の巻線とは直列接続され、中性点５０ａと５０ｂとは切り離されている。なお、各相の切替端子を独立に操作できるよう巻線切替動作部１を複数個設けてもよい。

図２は、電機子巻線の接続状態に応じた、トルク−回転速度の特性図である。永久磁石同期機３０は、複数の電機子巻線を直列接続とし、巻数を多く設計した状態とすることにより、インバータの電流許容値を小さく抑えたまま、大トルクを発生することができる。一方、永久磁石同期機３０は、複数の電機子巻線を並列接続とし、巻数を小さく設計した状態とすることにより、高速回転領域を拡大することができる。なお、永久磁石同期機３０は、回転速度が低いときは定トルクで、回転速度が高くなると定出力で駆動されることが多い。

図３は、従来の機械式リレーを用いて構成した一相分の巻線切替装置で、図３に示す切替端子４０は図１のうち、Ｓ_aU，Ｔ_a1U，Ｔ_a2U，Ｔ_a3Uで構成される部分に相当する。図３において、図１と同一構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。図３のＳ_aUは、構造部材２０を介して巻線切替動作部１（図６にて詳述）の可動子４に連結されている。制御装置７０は、固定子２に巻き回された電磁石巻線３２へ通電制御を行い、可動子４を上下移動させることにより切替端子４０の接続状態を自在に切り替える構成となっている。端子Ｔ_a2Uは導体板４０１を介して端子Ｔ_a3Uに接続されるか、または導体板３０１を介して端子Ｔ_a1Uに接続される。

従来技術では三相永久磁石同期機の巻線切替装置を構成する場合、図３に示すような切替装置が計６個必要となる。すなわち、従来の機械式リレーを単純に組み合わせただけでは、端子部分の配線が複雑となり製造工程が複雑化するほか、巻線切替装置のサイズが大きくなる、という課題があった。したがって、端子部分の配線簡略化、および切替装置の小形化は実用上きわめて有用である。

図４および図５に、巻線切替装置の配線簡略化および小形化を実現した構成を示す。図４および図５に示す切替端子４０は、図１に示した三相分の切替端子Ｓ_a，Ｔ_a，Ｓ_b，Ｔ_bに相当する。図４および図５において、図１と同一構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。まず、図４側面図のように、切替端子Ｓ_aU，Ｓ_bUが紙面奥行き方向手前側に向かって順に並べられ、かつＳ_aU，Ｓ_bUが導体板２０１に接触している場合を考える。ここで、図示していないが、Ｓ_aU，Ｓ_bUの紙面奥行き方向手前側に向かってＳ_aV，Ｓ_bV，Ｓ_aW，Ｓ_bWがさらに順に並べられている。前記６つの切替端子は、構造部材２０を介して巻線切替動作部１（図６にて詳述）の可動子４に連結されている。制御装置７０は、固定子２に巻き回された電磁石巻線３２へ通電制御を行い、可動子４を上下移動させることにより切替端子４０の接続状態を自在に切り替える構成となっている。

図４上面図において、端子Ｔ_b1Uと端子Ｔ_a2Uとは導体板２０１を介して接続され、端子Ｔ_b1Vと端子Ｔ_a2Vとは導体板２０３を介して接続され、端子Ｔ_b1Wと端子Ｔ_a2Wとは導体板２０５を介してそれぞれ接続される。導体板２０１，２０３，２０５はそれぞれ絶縁材２１０で絶縁されている。この状態は、図１に示した第１巻線（Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１）と第２巻線（Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２）とが直列接続された状態に相当し、図１記載の端子Ｔ_a3UおよびＴ_b3Uによる短絡結線の役割を、図４の導体板２０１が担っている。図１記載の端子Ｔ_a3VおよびＴ_b3V，Ｔ_a3WおよびＴ_b3Wによる短絡結線の役割に関しても同様に、図４の導体板２０３，２０５が担っている。

一方、図５側面図のように、切替装置Ｓ_aU，Ｓ_bUが紙面奥行き方向手前側に並べられ、かつＳ_aU，Ｓ_bUが導体板３０１，３０２にそれぞれ接触している場合を考える。ここで、図４側面図と同様に、Ｓ_aU，Ｓ_bUの紙面奥行き方向手前側に向かってＳ_aV，Ｓ_bV，Ｓ_aW，Ｓ_bWがさらに順に並べられている。前記６つの切替端子は、構造部材２０を介して巻線切替動作部１（図６にて詳述）の可動子４に連結されており、図４では可動子４が上側に位置していたのに対し、図５では下側に位置する構成となっている。図５上面図において、端子Ｔ_b1Uと端子Ｔ_b1Vと端子Ｔ_b1Wとは導体板３０２を介して接続され、端子Ｔ_a1Uと端子Ｔ_a2Uとは導体板３０１を介して接続され、端子Ｔ_a1Vと端子Ｔ_a2Vとは導体板３０３を介して接続され、端子Ｔ_a1Wと端子Ｔ_a2Wとは導体板３０５を介してそれぞれ接続される。導体板３０１，３０２，３０３，３０５はそれぞれ絶縁材３１０で絶縁されている。この状態は、図１の回路図に示す第１巻線（Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１）と第２巻線（Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２）とが並列接続された状態に相当する。すなわち、図１では、端子Ｔ_b1U，Ｔ_b1V，Ｔ_b1Wが、端子Ｔ_b2U，Ｔ_b2V，Ｔ_b2Wを介して中性点５０ａで短絡されており、このうち端子Ｔ_b2U，Ｔ_b2V，Ｔ_b2Wおよび中性点５０ａによる短絡結線の役割を、図５の導体板３０２が担っている。

以上のように、巻線切替装置を図４および図５に示す構成とすることで、端子部分の配線簡略化および小形化が可能となる。巻線切替装置は、永久磁石同期機３０の電機子巻線内周側や外周側の空きスペースに設置してもよいし、他の空きスペースを有効活用できるのであれば、どこに設置してもよいし、永久磁石同期機３０とは別の設置スペースを新たに設けて設置してもよい。このような巻線切替装置を用いることで、インバータ容量を増加することなく可変速運転範囲を拡大できる。特に、低速運転時には直列接続とすることで、制御応答性向上や、最大トルク向上が可能となる。同時に、電流低減により、インバータ導通損の低減、ならびに半導体素子の温度上昇緩和、およびインバータ効率の向上を図ることができる。同時に、インダクタンス増加により、モータ電流のキャリア高調波成分が低減するため、鉄損低減、ならびにモータの温度上昇緩和といった効果が得られる。

なお、図４および図５に記載した切替端子４０の可動端子部４０１〜４０６は、接続状態を自在に切り替えられる構成であれば、一列に並べる必要はなく、どのような構成であってもよい。巻線切替動作部１の設置場所に関しても、可動端子部４０１〜４０６を自在に移動させられる構成であれば、どのような配置であってもよい。

また、永久磁石同期機３０の電機子巻線が各相ｎ個（ｎは自然数）の巻線で構成される場合においても、上記と同様に構成した巻線切替装置を用いることで、直列接続と並列接続とを切り替えることができる。また、永久磁石同期機３０の電機子巻線が各相２ｎ個の巻線で構成される場合は、２並列の巻線をｎ個直列に接続することもできる。同様に、永久磁石同期機３０の電機子巻線が各相ｍ×ｎ個（ｍは３以上の自然数）の巻線で構成される場合は、ｍ並列の巻線をｎ個直列に接続することもできる。また、上記において永久磁石同期機３０の電機子巻線を構成する複数の巻線全てに通電するのではなく、一部の巻線のみに通電するように接続してもよい。

また、上記と同様に構成した巻線切替装置を用いることで、永久磁石同期機３０の電機子巻線を、Ｙ結線およびΔ結線に自在に切り替えることもできる。

また、上記の巻線切替装置は発電機にも適用することができる。

また、上記の巻線切替装置は単相モータにも適用することができる。単相モータの場合、１スロットに格納されるコイルを、複数組のコイルで構成することで、効果的に直列接続と並列接続とを切り替えることが可能となる。

電磁石巻線３２の通電電流は、制御回路７０により制御する。制御回路はトランジスタなどの半導体素子を用いて構成する。なお、電動機の電機子巻線の端子と切替端子４０とを接続する場合、接点がオンとなった瞬間に大電流が流れ、接点にスパークを生じて焼き付きが起こる可能性がある。これを防ぐため、スパークキラー（コンデンサと抵抗器を直列に接続した電子部品）やバリスタ（過電圧を吸収する半導体素子）を用いて、接点と並列に接続してもよい。

図６は、本発明の一実施例による巻線切替動作部１の断面構造図である。可動子４の状態を切り替えるための制御電流が印加される巻線３２ａ（３２ａ１と３２ａ２の組），３２ｂ（３２ｂ１と３２ｂ２の組）と、これらを具備したティース５ａ，５ｂと、可動接点を備えた可動子４とで構成される巻線切替動作部において、ヨーク３が中空の断面形状を有するとともに、前記ヨーク３の内側に向かって凸となるようなティース部を複数有し、かつ、前記ティース部は互いに対向するように組を成し、このうちの少なくとも１組は、前記制御電流が印加される巻線３２ａ，巻線３２ｂを具備しており、前記巻線３２ａ，３２ｂを具備したティース５ａ，５ｂに挟まれるように、かつ、所定の空隙を介して前記可動子４が配置される。前記巻線３２ａ，３２ｂを具備したティース５ａ，５ｂとは別のティース組であって、かつ、前記巻線３２ａ，３２ｂを具備したティース５ａ，５ｂの対向軸とは異なる対向軸を有するティース６ａ，６ｂが、各々永久磁石７ａ，７ｂを有しており、永久磁石７ａ，７ｂの磁化容易方向は、永久磁石を有するティース６ａ，６ｂの凸方向であって、かつ、対向する永久磁石７ａ，７ｂの内側の磁極は同極となり、前記永久磁石を具備したティース６ａ，６ｂに挟まれるように、かつ、所定の空隙を介して前記可動子４が配置される。可動子４を構成する可動ヨーク９は磁性体で構成され、積層鋼板を用いても良いし、塊状鉄心等を用いても良く、また圧粉磁心等を成形したものでも良い。また、可動ヨーク９と永久磁石７とを、圧粉磁心とボンド磁石とで一体成形したものでもよい。

図７は、図６記載による巻線切替動作部の動作原理を示した模式図である。図７において、図６と同一構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。

図７（ａ）は、可動子４が下側に位置する構成となっており、図５記載の構成に等しい。電磁石巻線３２ａ，３２ｂは励磁されていない。永久磁石７ａ，７ｂによる磁束１０ａ，１０ｂは実線で示すような経路となる。すなわち、永久磁石７ａ，７ｂから中空部分に向けて発生する磁束は、可動ヨーク９を介してティース５ｂ側へ透過し、ティース５ｂの根元側で二手に分かれ、それぞれ固定子ヨーク３を介して永久磁石７ａ，７ｂに還流する。このとき、可動ヨーク９とティース５ｂとは、ともに下向きに磁化されるため、両者の間には磁気的な吸引力が発生する。これによって、電磁石巻線３２に励磁していない状態でも、可動子４は下側に位置する状態で固定される、すなわち図５記載の状態で切替端子４０が保持される。

図７（ｂ）は、可動子４が下側に位置する状態で、電磁石巻線３２ａ，３２ｂに励磁した場合を示している。巻線３２ａには永久磁石７ａ，７ｂの磁化方向と同一方向の磁束を発生するよう励磁する（巻線３２ａ１には紙面から向かってくる方向に通電し、巻線３２ａ２には紙面奥行き方向に通電する）ことで、巻線３２ａによる磁束１１ａは点線で示すような経路となる。すなわち、ティース５ａを上向きに透過する磁束は、ティース５ａの根元側で二手に分かれ、それぞれ固定子ヨーク３を介して永久磁石７ａ，７ｂを透過し、そこから中空部分に向かい、可動ヨーク９を介してティース５ａ側へと還流する。このとき、可動ヨーク９下部とティース５ａとは、ともに上向きに磁化されるため、両者の間には磁気的な吸引力が発生する。一方で、巻線３２ｂには永久磁石７ａ，７ｂの磁化方向と逆向きの磁束を発生するよう励磁する（巻線３２ｂ１には紙面から向かってくる方向に通電し、巻線３２ｂ２には紙面奥行き方向に通電する）ことで、巻線３２ｂによる磁束１１ｂは点線で示すような経路となる。すなわち、ティース５ｂから中空部分に向けて発生する磁束は、可動ヨーク９を介して二手に分かれ、それぞれ永久磁石７ａ，７ｂを透過し、固定子ヨーク３を介してティース５ｂへと還流する。このとき、永久磁石７ａおよび７ｂによる磁束１０ａおよび１０ｂと、巻線３２ｂによる磁束１１ｂとは互いに逆向きに発生するため、可動ヨーク９上部とティース５ｂの磁化は小さくなり、図７（ａ）において両者の間に発生していた磁気的な吸引力は低下する。以上より、可動ヨーク９下部とティース５ａとの磁気的吸引力が支配的となり、可動子４はティース５ｂを離れてティース５ａ側に移動する。

図７（ｃ）は、図７（ｂ）と同様の励磁状態で可動子４が上側に移動した状態を示している。巻線３２ａ，３２ｂによる磁束１１ａ，１１ｂは点線で示すような経路となる。一方、永久磁石７ａ，７ｂによる磁束１０ａ，１０ｂは実線で示すような経路となる。すなわち、永久磁石７ａ，７ｂから中空部分に向けて発生する磁束は、可動ヨーク９を介してティース５ａ側へ透過し、ティース５ａの根元側で二手に分かれ、それぞれ固定子ヨーク３を介して永久磁石７ａ，７ｂに還流する。このとき、可動ヨーク９とティース５ａとは、ともに上向きに磁化されるため、両者の間には磁気的な吸引力が発生する。また、磁束１０ａ，１０ｂ，１１ａによる磁化が全て同一方向となるため、磁気吸引力の大きさは、図７（ａ），（ｂ）記載の場合と比較して大きくなる。このため、構造部材２０の機械強度は、図７（ｃ）記載の状態における磁気吸引力に耐えうるよう設計する必要があり、高強度材の適用によりコスト増を招く可能性もある。したがって、図７（ｃ）記載の状態における磁気吸引力を小さくするような設計が望ましく、これに関しては図９にて説明する。

図７（ｃ）の励磁状態を取り除くと、可動子４が上側に位置した状態で、巻線３２ａ，３２ｂによる磁束１１ａ，１１ｂが消え、永久磁石７ａ，７ｂによる磁束１０ａ，１０ｂが残る。このとき、可動ヨーク９とティース５ａとは、ともに上向きに磁化されるため、両者の間には磁気的な吸引力が発生する。この状態は、図７（ａ）記載の状態と相対である。以上より、電磁石巻線３２に励磁していない状態でも、可動子４は上側に位置する状態で固定される、すなわち図４記載の状態で切替端子４０が保持される。

図８は先行文献２記載の巻線切替動作部１の断面構造図である。図８において、図６と同一構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。図８の構成が図６と異なる点は、ティース５ａ，５ｂが無い点である。このような構成とする場合、巻線３２ａ，３２ｂいずれかの漏れ磁束が大きくなる（図８では巻線３２ａがこれに該当）ほか、可動ヨーク９と固定子ヨーク３の磁気的ギャップ長が大きくなる（図８では巻線３２ａ側のギャップがこれに該当）ため、電磁石巻線の巻数を多くしたり、電磁石巻線の線径を太くして大電流に耐えられるようにしたりする必要が生じ、電磁石巻線の大型化、ひいては巻線切替装置の大型化を招く。

以上より、本発明によれば、巻線切替動作部１の状態切替時において、コイルに流す制御電流を大幅に小さくしたりヨークおよびコイルを大幅に小型化したりすることができる。また、永久磁石の吸引力によって双安定リレーを動作状態および休止状態に維持することができるため、復帰バネなどを用いる必要がなくなるので、双安定リレーを小型化することができる。

図９は、本発明の一実施例による巻線切替動作部１の断面構造図である。図９において、図６と同一構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。図９の構成が図６と異なる点は、可動ヨーク９において奥行き方向のスリット２１が施されている点である。このような構成とすることで、図７（ｃ）記載の磁束１１ａによる磁化を小さくすることができ、機械強度の小さな構造部材２０でも構成可能となる。

図１０は本発明の一実施例による巻線切替動作部１の断面構造図である。図１０において、図６と同一構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。図１０の構成が図６と異なる点は、ティース６ａ，６ｂが無く、永久磁石７ａ，７ｂが可動ヨーク９の左右端部に配置されている点である。このような構成でも、図６記載の巻線切替動作部と同様に、切替端子４０の切り替え、保持を実現できる。なお、可動ヨーク９にスリットを設けることで、図９で説明した効果と同様、機械強度の小さな構造部材２０でも構成可能となる。

図１１は、本発明の一実施例による巻線切替動作部１の断面構造図である。図１１において、図６と同一構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。図１１の構成が図６と異なる点は、固定子ヨーク３が上下に分割され固定子ヨーク３ａ，３ｂで構成されている点、および永久磁石７ａ，７ｂが可動ヨーク９に埋め込まれた形で配置されている点である。このような構成でも、図６記載の巻線切替動作部と同様に、切替端子４０の切り替え、保持を実現できる。なお、可動ヨーク９にスリットを設けることで、例えば図９で説明した効果と同様、機械強度の小さな構造部材２０でも構成可能となる。

図１２は切替端子４０の別の形態による一実施例の斜視図である。図１２において、図４および図５と同一構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。切替端子４０の可動部４００は、巻線切替動作部１（図示していない）により自在に上下に移動でき、切替端子４０の固定部２００および３００のいずれかと合致する構成となる。

可動部４００は非導電部材で構成され、互いに電気的に絶縁された導体板４０１〜４０６を具備している。導体板４０１には端子Ｔ_a2Uが接合されており、端子Ｔ_a2Uは面４０１ｃに直付けしてもよいし、面４０１ｃに突起状の端子接合部を設けて接合してもよいし、クラスタ等で前記突起部に嵌合させる構成としてもよい。また、他の導体板との電気的絶縁が保たれるのであれば、面４００ａの一部や他の部位など、どの部位に接合してもよい。他の導体板４０２〜４０６に関しても同様に、導体板４０２と端子Ｔ_b1Uが、導体板４０３と端子Ｔ_a2Vが、導体板４０４と端子Ｔ_b1Vが、導体板４０５と端子Ｔ_a2Wが、導体板４０６と端子Ｔ_b1Wがそれぞれ接合されている。導体板４０１〜４０６は、固定部２００と接する面４０１ｂ〜４０６ｂと、固定部３００と接する面４０１ｄ〜４０６ｄとを有しており、面４０１ｃ〜４０６ｃの反対側の面４００ａには導体板が無い。ただし、導体板どうしの電気的絶縁が保たれるのであれば、面４００ａに導体板を設けてもよいし、また、導体板４０１〜４０６の形状もそれぞれ異なっていてもよい。

固定部２００は、導体板２０１，２０３，２０５を具備しているが、図１２では固定部２００の影に位置しているため、固定部２００，３００および可動部４００を透明化した状態を図１３に示す。

図１３において、導体板２０１は面２０１ｂ，２１２，２０２ｂから成り、同様に、導体板２０３は面２０３ｂ，２３４，２０４ｂから成り、導体板２０５は面２０５ｂ，２５６，２０６ｂから成る。可動部４００が固定部２００と合致しているとき、可動部４００の面４０１ｂ，４０２ｂはそれぞれ固定部２００の面２０１ｂ，２０２ｂと接する、すなわち、面４０１ｃと４０２ｃにそれぞれ接合された端子Ｔ_a2UとＴ_b1Uとが導体板２０１によって電気的に短絡される。同様にして、可動部４００の面４０３ｂ，４０４ｂはそれぞれ固定部２００の面２０３ｂ，２０４ｂと、面４０５ｂ，４０６ｂはそれぞれ面２０５ｂ，２０６ｂと接する。すなわち、面４０３ｃと４０４ｃにそれぞれ接合された端子Ｔ_a2VとＴ_b1Vとが導体板２０３によって電気的に短絡され、面４０５ｃと４０６ｃにそれぞれ接合された端子Ｔ_a2WとＴ_b1Wとが導体板２０５によって電気的に短絡される。この状態は、図４記載の状態と等価であり、すなわち永久磁石同期機３０に巻き回された第１の巻線と第２の巻線（図１参照）が直列接続となる。図４の構成と異なる点は、導体板２０１，２０３，２０５が互いに段違いで配置されており、導体板２０１と２０３との間に面２２３が配されることで所定の絶縁距離を確保することが可能となり、同様に、導体板２０３と２０５との間にも面２４５が配されており、これによって図４記載の絶縁材２１０が不要となる点である。

一方、固定部３００は、導体板３０１，３０３，３０５を具備しており、導体板３０１は面３０１ｃ，３０１ｄから成り、同様に、導体板３０３は面３０３ｃ，３０３ｄから成り、導体板３０５は面３０５ｃ，３０５ｄから成り、導体板３０２は面３０２ｃ，３０２ｄ，３０４ｃ，３０４ｄ，３０６ｃ，３０６ｄから成る。

導体板３０１には端子Ｔ_a1Uが接合されており、端子Ｔ_a1Uは面３０１ｃに直付けしてもよいし、面３０１ｃに突起状の端子接合部を設けて接合してもよいし、クラスタ等を用いて前記突起部に嵌合させる構成としてもよい。また、他の導体板との電気的絶縁が保たれるのであれば、どの部位に接合してもよい。

導体板３０３，３０５に関しても同様に、導体板３０３に端子Ｔ_a1Vが、導体板３０５に端子Ｔ_a1Wがそれぞれ接合されている。可動部４００が固定部３００と合致しているとき、可動部４００の面４０１ｄ〜４０６ｄはそれぞれ固定部３００の面３０１ｄ〜３０６ｄと接する。すなわち、面４０１ｃに接合された端子Ｔ_a2Uと面３０１ｃに接合された端子Ｔ_a1Uが電気的に短絡され、同様にして、面４０３ｃに接合された端子Ｔ_a2Vと面３０３ｃに接合された端子Ｔ_a1Vが電気的に短絡される。また、面４０５ｃに接合された端子Ｔ_a2Wと面３０５ｃに接合された端子Ｔ_a1Wが電気的に短絡される。また、面４０２ｃに接合された端子Ｔ_b1Uと、面４０４ｃに接合された端子Ｔ_b1Vと、面４０６ｃに接合された端子Ｔ_b1Wは、いずれも導体板３０２によって電気的に短絡される。この状態は、図５記載の状態と等価である。すなわち永久磁石同期機３０が具備する第１の巻線と第２の巻線は並列接続となる（図１参照）。

図５の構成と異なる点は、導体板３０１〜３０６が互いに段違いで配置されており、導体板３０１〜３０６との間に面３１２，３２３，３３４，３４５，３５６が配されることで所定の絶縁距離を確保することが可能となり、これによって図５記載の絶縁材３１０が不要となる点である。

図１４は、図１２の構成を用いた一形態による全体構成の斜視図を示す。図１４において、図１２と同一構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。切替端子４０を構成する固定部２００および３００と、可動部４００は、図１２記載の構成と同様である。

固定部２００および３００には、嵌合用の凹部２２０および３２０が設けられ、支持機構５００に設けた嵌合用の凸部５２０および５３０をここに嵌合させることで、固定部２００を支持する。同様に、可動部４００にも、嵌合用の凹部４２０（図示していない）が設けられ、支持機構６００に設けた嵌合用の凸部６２０をここに嵌合させることで、可動部４００を支持する。さらに、支持機構６００には、構造部材２０を介して、巻線切替動作部１の可動子４が連結されており、支持機構６００ひいては可動部４００の上下移動、および状態保持を自在に操作することができる。

なお、巻線切替動作部１は、支持機構６００に連結するのではなく、支持機構５００に連結する構成としてもよく、この場合は、可動部と固定部の役割が前述と反対となるだけで、巻線切替装置としての動作原理、接続状態は不変である。なお、支持機構５００，６００は非導電性部材で構成することが望ましいが、切替端子４０との電気的絶縁が確保されるのであれば、他の材料で構成してもよい。また、支持機構５００，６００には、導線の引き出し溝（図示していない）を設けることが望ましい。

図１５に示すように、支持機構５００と６００は、固定部２００，３００および可動部４００を包含する構成となり、かつ、切替動作時における支持機構６００の移動（もしくは支持機構５００の移動）に干渉しないような構成となる。これにより、切替端子４０への異物混入や、外部短絡等を防止することが可能となり、コンプレッサー等の冷媒充填環境や、その他の劣悪な環境においても、本発明による巻線切替装置を容易に設置することができる。

また、永久磁石同期機３０の電機子巻線が各相ｎ個（ｎは３以上の自然数）の巻線で構成される場合においても、上記と同様に構成した巻線切替装置を用いることで、直列接続と並列接続とを切り替えることができる。この場合、切替端子４０（固定部２００，３００および可動部４００）をｎ段に重ね、支持機構５００および６００で支持し、単一の巻線切替動作部１に連結することで、ｎ個の並列接続とするか、直列接続とするか、を切り替える構成としてもよいし、図１４記載の巻線切替装置をｎ段に重ね、各段の装置を個別に制御することで、並列数を自在に制御できる構成としてもよい。

以上の構成により、巻線切替装置の端子部分の配線簡略化および小形化が可能となる。巻線切替装置は、永久磁石同期機３０の電機子巻線内周側や外周側の空きスペースに設置してもよいし、他の空きスペースを有効活用できるのであれば、どこに設置してもよいし、永久磁石同期機３０とは別の設置スペースを新たに設けて設置してもよい。このような巻線切替装置を用いることで、インバータ容量を増加することなく可変速運転範囲を拡大できる。

特に、低速運転時には直列接続とすることで、制御応答性向上や、最大トルク向上が可能となる。同時に、電流低減により、インバータ導通損の低減、ならびに半導体素子の温度上昇緩和、およびインバータ効率の向上を図ることができる。同時に、インダクタンス増加により、モータ電流のキャリア高調波成分が低減するため、鉄損低減、ならびにモータの温度上昇緩和といった効果が得られる。

図１６は、切替端子４０の別の形態による一実施例の斜視図である。図１６において、図１２と同一構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。図１６の構成が図１２と異なる点は、可動部４００および固定部２００が円環状で、かつ固定部２００には導体板２０１，２０３，２０５のほかに、導体板３０１〜３０６が具備されている点である。可動部４００は巻線切替動作部１（図示していない）により自在に回転可能で、固定部２００の面２０１ｂ〜２０６ｂと接するか、または面３０１ｄ〜３０６ｄと接する。

可動部４００は非導電部材で構成され、互いに電気的に絶縁された導体板４０１〜４０６を具備している。導体板４０１には端子Ｔ_a2Uが接合されており、端子Ｔ_a2Uは面４０１ｃに直付けしてもよいし、面４０１ｃに突起状の端子接合部を設けて接合してもよいし、クラスタ等で前記突起部に嵌合させる構成としてもよい。また、他の導体板との電気的絶縁が保たれるのであれば、面４００ａの一部や他の部位など、どの部位に接合してもよい。他の導体板４０２〜４０６に関しても同様に、導体板４０２と端子Ｔ_b1Uが、導体板４０３と端子Ｔ_a2Vが、導体板４０４と端子Ｔ_b1Vが、導体板４０５と端子Ｔ_a2Wが、導体板４０６と端子Ｔ_b1Wがそれぞれ接合されている。導体板４０１〜４０６は、導体板２０１ｂ〜２０６ｂと接する面４０１ｂ〜４０６ｂと、導体板３０１ｄ〜３０６ｄと接する面４０１ｄ〜４０６ｄとを有しており、面４０１ｃ〜４０６ｃの反対側の面４００ａには導体板が無い。ただし、導体板どうしの電気的絶縁が保たれるのであれば、面４００ａに導体板を設けてもよいし、また、導体板４０１〜４０６の形状もそれぞれ異なっていてもよい。

導体板２０１は面２０１ｂ，２０１ｃ，２０１ｄ，２０２ｂ，２０２ｃから成り、導体板２０３，２０５も同様の構成となる。いま、可動部４００が、固定部２００の面２０１ｂ〜２０６ｂと接しているときを考える。可動部４００の面４０１ｂ，４０２ｂはそれぞれ固定部２００の面２０１ｂ，２０２ｂと接する、すなわち、面４０１ｃと４０２ｃとにそれぞれ接合された端子Ｔ_a2UとＴ_b1Uとが導体板２０１によって電気的に短絡される。同様にして、可動部４００の面４０３ｂ，４０４ｂはそれぞれ固定部２００の面２０３ｂ，２０４ｂと、面４０５ｂ，４０６ｂはそれぞれ面２０５ｂ，２０６ｂと接する。すなわち、面４０３ｃと４０４ｃにそれぞれ接合された端子Ｔ_a2VとＴ_b1Vとが導体板２０３によって電気的に短絡され、面４０５ｃと４０６ｃにそれぞれ接合された端子Ｔ_a2WとＴ_b1Wとが導体板２０５によって電気的に短絡される。この状態は、図４記載の状態と等価であり、すなわち永久磁石同期機３０に巻き回された第１の巻線と第２の巻線（図１参照）が直列接続となる。図４の構成と異なる点は、導体板４０１〜４０６が円環状に３０°ずつ隔てて配置されることで、所定の絶縁距離を確保することが可能となり、図４記載の絶縁材２１０が不要となる点である。

導体板３０１は、面３０１ｃ，３０１ｄから成り、同様に、導体板３０３は面３０３ｃ，３０３ｄから成り、導体板３０５は面３０５ｃ，３０５ｄから成る。導体板３０１には端子Ｔ_a1Uが接合されており、端子Ｔ_a1Uは面３０１ｃに直付けしてもよいし、面３０１ｃに突起状の端子接合部を設けて接合してもよいし、クラスタ等を用いて前記突起部に嵌合させる構成としてもよい。また、他の導体板との電気的絶縁が保たれるのであれば、どの部位に接合してもよい。導体板３０３，３０５に関しても同様に、導体板３０３に端子Ｔ_a1Vが、導体板３０５に端子Ｔ_a1Wがそれぞれ接合されている。導体板３０２，３０４，３０６は内周側に配置された円環状の導体板で電気的に短絡されている。導体板３０２は面３０２ｃ，３０２ｄから成り、導体板３０４は面３０４ｃ，３０４ｄから成り、導体板３０６は面３０６ｃ，３０６ｄから成る。いま、可動部４００が、固定部２００の面３０１ｄ〜３０６ｄと接しているときを考える。面４０１ｃに接合された端子Ｔ_a2Uと面３０１ｃに接合された端子Ｔ_a1Uが電気的に短絡され、同様にして、面４０３ｃに接合された端子Ｔ_a2Vと面３０３ｃに接合された端子Ｔ_a1Vが電気的に短絡され、また、面４０５ｃに接合された端子Ｔ_a2Wと面３０５ｃに接合された端子Ｔ_a1Wが電気的に短絡される。また、面４０２ｃに接合された端子Ｔ_b1Uと、面４０４ｃに接合された端子Ｔ_b1Vと、面４０６ｃに接合された端子Ｔ_b1Wは、いずれも導体板３０２，２３０４，３０６を介して電気的に短絡される。この状態は、図５記載の状態と等価であり、すなわち永久磁石同期機３０が具備する第１の巻線と第２の巻線は並列接続となる（図１参照）。図５の構成と異なる点は、導体板３０１〜３０６が円環状に３０°ずつ隔てて配置されることで、所定の絶縁距離を確保することが可能となり、これによって図５記載の絶縁材３１０が不要となる点である。なお、このとき、固定部２００の面２０１ｄ，２０３ｄ，２０５ｄは可動部４００の非導電部材と接するため、導体板２０１，２０３，２０５は無通電状態となる。

図１７は、可動部４００が、固定部２００の面３０１ｄ〜３０６ｄと接しているときの上面図である。可動部４００は巻線切替動作部１（図示していない）により自在に回転可能である。なお、巻線切替動作部１は、可動部４００に連結するのではなく、固定部２００に連結する構成としてもよく、この場合は、可動部と固定部の役割が前述と反対となるだけで、巻線切替装置としての動作原理、接続状態は不変である。

図１８に図１６の構成を用いた一形態による全体構成の斜視図を示す。図１８において、図１６と同一構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。図１８では、固定部を４００とし、可動部を２００とした。固定部４００には、嵌合用の凹部４２０（図示していない）が設けられ、支持機構５００に設けた嵌合用の凸部５２０（図示していない）をここに嵌合させることで、固定部４００を支持する。可動部２００には、２基の巻線切替動作部１ａおよび１ｂが、構造部材２０ａ，２０ｂを介して連結されており、可動部２００の回転移動、および状態保持を自在に操作することができる。なお、巻線切替動作部１は、２基ではなく１機で構成してもよいし、３機以上で構成してもよい。また、支持機構５００は非導電性部材で構成することが望ましいが、切替端子４０との電気的絶縁が確保されるのであれば、他の材料で構成してもよい。また、支持機構５００には、導線の引き出し溝を設けることが望ましい。

図１９に示すように、支持機構５００は、固定部４００および可動部２００を包含する構成となり、かつ、切替動作時における可動部２００の回転移動に干渉しないような構成となる。導体板４０１〜４０６，３０１，３０３，３０５に接合された端子は略同一平面状に配置されており、各端子に接続された導線は引き出し線５５０から支持機構５００の外部に引き出される。このような構成により、切替端子４０への異物混入や、外部短絡等を防止することが可能となり、コンプレッサー等の冷媒充填環境や、その他の劣悪な環境においても、本発明による巻線切替装置を容易に設置することができる。また、円環状の構成とすることで、永久磁石同期機３０の巻線の軸方向端部、いわゆるコイルエンドにおけるデッドスペースを有効に活用することができる。例えば、回転子が固定子の内周側に配置された「内転形」においては、コイルエンドの内周側に、図１９記載の巻線切替装置を設置する。回転子が固定子の内周側に配置された「外転形」においては、コイルエンドの外周側に設置する。

また、永久磁石同期機３０の電機子巻線が各相ｎ個（ｎは３以上の自然数）の巻線で構成される場合においても、上記と同様に構成した巻線切替装置を用いることで、直列接続と並列接続とを切り替えることができる。この場合、切替端子４０（固定部２００および可動部４００）をｎ段に重ね、支持機構５００で支持し、単一の巻線切替動作部１に連結することで、ｎ個の並列接続とするか、直列接続とするか、を切り替える構成としてもよいし、図１８記載の巻線切替装置をｎ段に重ね、各段の装置を個別に制御することで、並列数を自在に制御できる構成としてもよい。さらに、図１６記載の円環構造を、内周側または外周側にｎ層配置し、支持機構５００で支持し、単一の巻線切替動作部１に連結することで、ｎ個の並列接続とするか、直列接続とするか、を切り替える構成としてもよい。さらに、図１６記載の円環構造を、内周側または外周側にｎ層配置し、各層に独立の巻線切替動作部を設けて個別に制御することで、並列数を自在に制御できる構成としてもよい。

以上の構成により、巻線切替装置の端子部分の配線簡略化および小形化が可能となる。巻線切替装置は、永久磁石同期機３０の電機子巻線内周側や外周側の空きスペースに設置してもよいし、他の空きスペースを有効活用できるのであれば、どこに設置してもよく、永久磁石同期機３０とは別の設置スペースを新たに設けて設置してもよい。このような巻線切替装置を用いることで、インバータ容量を増加することなく可変速運転範囲を拡大できる。特に、低速運転時には直列接続とすることで、制御応答性向上や、最大トルク向上が可能となる。同時に、電流低減により、インバータ導通損の低減、ならびに半導体素子の温度上昇緩和、およびインバータ効率の向上を図ることができる。同時に、インダクタンス増加により、モータ電流のキャリア高調波成分が低減するため、鉄損低減、ならびにモータの温度上昇緩和といった効果が得られる。

１ 巻線切替動作部
２ 固定子
３ 固定子ヨーク
４ 可動接点を備えた可動子
５ 電磁石巻線３２を具備したティース
６ 永久磁石７を有するティース
７ 永久磁石
８，２１ スリット
９ 可動ヨーク
１０ 永久磁石７による磁束
１１ 電磁石巻線３２による磁束
２０ 構造部材
３０ 永久磁石同期機
３１ 電機子巻線の端子
３２ 電磁石巻線
３３ 電磁石の巻線の端子
４０ 切替端子
５０ 中性点
６０ インバータ（回路）
６１ 直流電源
６２，６３ 直流電源側の端子
７０ 制御回路
２００，３００ 切替端子４０の固定部（可動部）
２０１〜２０６，３０１〜３０６，４０１〜４０６ 導体板
２１０，３１０ 絶縁材
２２０，３２０，５２０，５３０，６２０ 嵌合部
４００ 切替端子４０の可動部（固定部）
５００，６００ 支持機構
５５０ 引き出し溝

Claims (6)

1. 双安定リレーの状態を切り替えるための制御電流が印加される巻線を具備したヨークと、
   可動接点を備えた可動部とで構成される巻線切替装置において、
   前記ヨークが中空の断面形状を有するとともに、前記ヨークの内側に向かって凸となるようなティース部を複数有し、かつ、
   前記ティース部は互いに対向するように組を成し、このうちの少なくとも１組は、前記制御電流が印加される巻線を具備しており、
   前記巻線を具備したティースの組に挟まれるように、かつ、所定の空隙を介して前記可動部が配置され、
   前記可動接点は三相永久磁石同期機の各相端子に接続されており、
   前記可動部と前記ヨークの吸引・反発作用により可動接点を動作させることで、第１の固定接点との接触、および第２の固定接点との接触を自在に切り替える構成であって、各相端子に接続された可動接点の全てが、１つの可動部に機械的に接続されることを特徴とする巻線切替装置。
2. 請求項１記載の巻線切替装置において、
   前記巻線を具備したティース組とは別のティース組であって、かつ、前記巻線を具備したティース組の対向軸とは異なる対向軸を有するティース組が、各々永久磁石を有しており、
   前記各々の永久磁石の磁化容易方向は、前記各々の永久磁石を有するティースの凸方向であって、かつ、対向する永久磁石の内側の磁極は同極となり、
   前記永久磁石を具備したティースの組に挟まれるように、かつ、所定の空隙を介して前記可動部が配置されることを特徴とする巻線切替装置。
3. 請求項１記載の巻線切替装置において、
   前記可動部は略方形状の断面形状を有する磁性体で構成され、
   前記磁性体の端面について、対向する１組の端面は、前記ティースの凸部の内側面と略平行となり、一方で、別の１組の端面は、前記ティースの凸方向と略平行となると同時に各々の端面が永久磁石を有し、
   前記永久磁石の対向方向と磁化容易方向は同一であり、かつ、対向する永久磁石の内側の磁極は同極となり、
   前記可動部は、中空の断面形状を有する前記ヨークの内側に配置され、かつ、所定の空隙を介して配置されることを特徴とする巻線切替装置。
4. 請求項１記載の巻線切替装置において、
   前記巻線切替装置の端子接続部にサージキラー，スパークキラー、およびバリスタを接続することを特徴とする巻線切替装置。
5. 請求項１記載の巻線切替装置において、
   前記巻線切替装置の端子接続部が、高耐熱樹脂または非導電性部材により覆われることを特徴とする巻線切替装置。
6. 請求項１乃至５いずれかに記載の巻線切替装置を備えた回転電機。

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