JP6203027B2 - 永久磁石式同期モータ、電気車駆動システム、及び電気車 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、永久磁石式同期モータ、電気車駆動システム、及び電気車に関する。

電気車は、走行中に駆動制御装置内のインバータが故障した場合の対処として、インバータ装置とモータとの間を電気回路として切り離すモータ開放接触器を備えている。一般的には、モータ開放接触器はインバータ装置内のインバータの近くに配置される（例えば、特許文献１、２参照）。

国際公開第２００９／１０７２３３号 国際公開第２０１１／０８０８２３号

ところで、インバータ装置内のインバータの近くにモータ開放接触器を備えた電気車において、車両内に配線された電線に短絡または地絡が発生した場合、モータ開放接触器を開状態にしても、モータを短絡または地絡が発生している箇所から切り離すことはできない。
モータが永久磁石同期モータである場合、電気車の車輪が回転している限りモータは発電し続けるため、短絡または地絡が発生している箇所へ短絡電流または地絡電流が流れ続け、モータが過熱する恐れがある。
本発明が解決しようとする課題は、電気車においてインバータ装置と永久磁石同期モータの間に配線された電線が短絡または地絡した場合に、永久磁石同期モータが過熱すること、および、短絡または地絡した箇所とモータとの間の配線が過熱することを防止する永久磁石式同期モータ、電気車駆動システム、及び電気車を提供することである。

実施形態の永久磁石式同期モータは、電気車の電気車駆動システムが備える永久磁石式同期モータである。永久磁石式同期モータは、自スイッチを遮断することにより、モータが備えるモータ部が発電した電圧が出力端子に加圧されないように制御するモータ開放スイッチを備える。

第一の実施形態による電気車システム２００の概略図一例を示す図である。 実施形態による永久磁石式同期モータ１の外観図の一例を示す図である。 第一の実施形態による電気車１００が備える電気車駆動システム１２０の一例を示す図である。 スイッチング素子１２をインバータ動作させるためのゲート信号の一例を示す図である。 第二の実施形態による電気車１００が備える電気車駆動システム１２０の一例を示す図である。 第三の実施形態による電気車１００が備える電気車駆動システム１２０の一例を示す図である。 第四の実施形態による電気車１００が備える電気車駆動システム１２０の一例を示す図である。

以下、実施形態による永久磁石式同期モータ１、電気車駆動システム１２０、及び電気車１００について図面を参照して説明する。

＜第一の実施形態＞
図１は、第一の実施形態による電気車システム２００の概略図一例を示す図である。
電気車システム２００は、電気車１００と、架線１１０とを備える。
電気車システム２００の架線１１０は、電気車１００の動力源となる電圧を供給する。架線１１０は、例えば１５００ボルトの直流電力を電気車１００に供給する。

電気車１００は、図１に示すように、永久磁石式同期モータ１と、インバータ装置４と、断流器収納箱５と、パンタグラフ６と、車輪７と、フィルタリアクトル２４とを備える。
電気車１００のパンタグラフ６は、架線１１０から電圧を取得する。
インバータ装置４は、断流器収納箱５とフィルタリアクトル２４とを介してパンタグラフ６から入力した直流電力を永久磁石式同期モータ１が駆動するための交流電力に変換する。例えば、インバータ装置４は、ＶＶＶＦ（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）インバータであり、架線電圧が１５００ボルトの場合、１５００ボルトの直流電力を０〜１１００ボルトの三相交流電力に変換する。そして、インバータ装置４は、変換した交流電力を永久磁石式同期モータ１に出力する。

永久磁石式同期モータ１は、モータ部２と、モータ開放スイッチ３とを備える。
永久磁石式同期モータ１が備えるモータ部２は、インバータ装置４が出力する三相交流電力に応じて回転する。
モータ開放スイッチ３は、インバータ装置４と永久磁石式同期モータ１との間の電線Ａが短絡または地絡した場合、開状態となり、短絡または地絡の箇所からモータ部２を分離する。モータ開放スイッチ３は、例えば、モータ開放接触器である。
車輪７は、モータ部２と直接あるいは間接的に接続されており（図示せず）、モータ部２の回転に応じて回転する。そして、電気車１００は、車輪７が回転することで走行する。
なお、図１で示したモータ部２は、１つのモータを意味するものではなく、車輪７の数量に応じた数のモータを備えるものである。また、インバータ装置４も同様に、モータの数と駆動方式に応じた数量のインバータを備えるものである。

図２は、実施形態による永久磁石式同期モータ１の外観図の一例を示す図である。
図２で示す実施形態による永久磁石式同期モータ１の例では、モータ部２の上部にモータ開放スイッチ３が備えられている。モータ部２からモータ開放スイッチ３へは電線Ｂで接続されている。また、モータ開放スイッチ３は外部へ電線Ａを介して接続される。なお、ここで示した電線Ａは、図１で示した電線Ａに相当する電線である。

図３は、第一の実施形態による電気車１００が備える電気車駆動システム１２０の一例を示す図である。
ここで、図３を用いて、第一の実施形態による永久磁石式同期モータ１を備える電気車駆動システム１２０について説明する。なお、永久磁石式同期モータ出力端子２８は、永久磁石式同期モータ１の出力端子である。また、図３には電気車駆動システム１２０と共に、パンタグラフ６と車輪７とが示されている。

第一の実施形態による電気車駆動システム１２０は、永久磁石式同期モータ１と、インバータ装置４と、断流器収納箱５と、フィルタリアクトル２４とを備えている。
永久磁石式同期モータ１は、モータ部２と、モータ開放スイッチ３とを備える。
モータ部２は、モータ回転時の誘起電圧１３と、巻線のインピーダンス１４とを備える。

インバータ装置４は、フィルタコンデンサ１１と、スイッチング素子１２（１２ａ〜１２ｆ）と、フィルタコンデンサ過電圧抑制抵抗１５と、フィルタコンデンサ過電圧抑制用スイッチング素子１６と、制御部１８とを備える。
断流器収納箱５は、高速度遮断器８と、充電抵抗短絡用接触器９と、充電抵抗１０とを備える。

電気車駆動システム１２０が備えるインバータ装置４の起動時には、高速度遮断器８は閉状態にする。また、充電抵抗短絡用接触器９は開状態にする。このとき、インバータ装置４が備えるフィルタコンデンサ１１は、パンタグラフ６から高速度遮断器８と充電抵抗１０を介して充電される。
フィルタコンデンサ１１が十分に充電されると、充電抵抗短絡用接触器９を閉状態にすることで、パンタグラフ６とフィルタコンデンサ１１とは、フィルタリアクトル２４を介して接続されたことになる。
その後、制御部１８は、スイッチング素子１２、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）のゲート電圧を制御し、モータへ出力する電圧と周波数の双方を制御することで、スイッチング素子１２をＶＶＶＦインバータとして動作させる。

図４は、スイッチング素子１２をインバータ動作させるためのゲート信号（指令信号）の一例を示す図である。
例えば、制御部１８は、図４に示すような６パルス三相インバータのゲート信号をスイッチング素子１２に印加することで、永久磁石式同期モータ１を動作させるための三相交流電圧を生成する。

次に、図３を用いてインバータ装置４と永久磁石式同期モータ１との間の電線Ａが短絡または地絡した場合について説明する。
図３で示す電気車駆動システム１２０を備える電気車１００が走行中に電気車駆動システム１２０の電線Ａが短絡または地絡した場合、インバータ装置４から永久磁石式同期モータ１への電力供給を停止する。
しかしながら、電気車１００が走行中である場合、永久磁石式同期モータ１のモータ部２は、インバータ装置４からの電力供給がないにも関わらず、電気車１００の車輪７と連動して回転する。そして、モータ部２は、永久磁石を用いているため、回転すると誘起電圧１３が発生する。従って、永久磁石式同期モータ１のモータ部２は、電気車１００の車輪７が回転している間、誘起電圧が発生し、短絡または地絡した電線Ａに電流を流し続けることになる。
そこで、電線Ａが短絡または地絡した場合に、永久磁石式同期モータ１が備えるモータ開放スイッチ３を開状態にすることで、発生した誘起電圧が永久磁石式同期モータ出力端子２８へ加圧されることを防止する。

以上のように、第一の実施形態の永久磁石式同期モータ１は、電気車１００の電気車駆動システム１２０が備える永久磁石式同期モータであって、永久磁石式同期モータ１が発電した電圧を出力する出力端子である永久磁石式同期モータ出力端子２８に、自スイッチの遮断により電圧が加圧されないように制御するモータ開放スイッチ３を備える。
こうすることで、インバータ装置４と永久磁石式同期モータ１との間の電線Ａが短絡または地絡した場合に、永久磁石式同期モータ１が備えるモータ開放スイッチ３を開状態にすることで、発生した誘起電圧が永久磁石式同期モータ出力端子２８へ加圧されることを防止し、短絡電流、地絡電流が流れることを防止する。その結果、永久磁石同期モータが過熱すること、および、短絡または地絡した箇所とモータとの間の配線が過熱することを防止することができる。

＜第二の実施形態＞
図５は、第二の実施形態による電気車１００が備える電気車駆動システム１２０の一例を示す図である。
ここで、図５を用いて、第二の実施形態による永久磁石式同期モータ１を備える電気車駆動システム１２０について説明する。
図５で示す第二の実施形態による電気車駆動システム１２０は、第一の実施形態による電気車駆動システム１２０に、モータ開放接触器駆動用コイル１７と、バッテリ電圧を供給する制御電源１９と、バッテリ電圧開放用スイッチ２０とを更に備える。なお、この場合、モータ開放スイッチ３は、モータ開放接触器３である。

モータ開放接触器３は、モータ開放接触器駆動用コイル１７が制御電源１９からバッテリ電圧開放用スイッチ２０を介して加圧されている場合に、閉状態となる。
そこで、電線Ａが短絡または地絡した場合に、バッテリ電圧開放用スイッチ２０を開状態にし、モータ開放接触器駆動用コイル１７への加圧を遮断することで、永久磁石式同期モータ１が備えるモータ開放スイッチ３を開状態にし、発生した誘起電圧が永久磁石式同期モータ出力端子２８へ加圧されることを防止する。

以上のように、第二の実施形態の永久磁石式同期モータ１は、電気車１００の電気車駆動システム１２０が備える永久磁石式同期モータであって、永久磁石式同期モータ１が発電した電圧を出力する出力端子である永久磁石式同期モータ出力端子２８に、自スイッチの遮断により電圧が加圧されないように制御するモータ開放接触器３を備える。また、第二の実施形態の永久磁石式同期モータ１は、モータ開放接触器駆動用コイル１７と、バッテリ電圧を供給する制御電源１９と、バッテリ電圧開放用スイッチ２０とを更に備える。
こうすることで、インバータ装置４と永久磁石式同期モータ１との間の電線Ａが短絡または地絡した場合に、永久磁石式同期モータ１が備えるモータ開放スイッチ３を開状態にすることで、発生した誘起電圧が永久磁石式同期モータ出力端子２８へ加圧されることを防止し、短絡電流、地絡電流が流れることを防止する。その結果、永久磁石同期モータが過熱すること、および、短絡または地絡した箇所とモータとの間の配線が過熱することを防止することができる。

＜第三の実施形態＞
図６は、第三の実施形態による電気車１００が備える電気車駆動システム１２０の一例を示す図である。
ここで、図６を用いて、第三の実施形態による永久磁石式同期モータ１を備える電気車駆動システム１２０について説明する。
図６で示す第三の実施形態による電気車駆動システム１２０は、第二の実施形態による電気車駆動システム１２０に、モータ開放接触器制御リレー２１と、故障検知部２２と、出力電流検出センサ２３とを更に備える。

制御部１８が備える故障検知部２２は、インバータ装置４が備える出力電流検出センサ２３により検出した電流があるしきい値以上であることを検出した場合に、インバータ装置４と永久磁石式同期モータ１との間の電線Ａが短絡または地絡したと判定する。
すると、故障検知部２２は、制御部１８が備えるモータ開放接触器制御リレー２１を開状態にする。モータ開放接触器制御リレー２１が開状態になると、モータ開放接触器駆動用コイル１７の加圧が遮断され、永久磁石式同期モータ１が備えるモータ開放接触器３が開状態になる。
また、電気車１００が車庫に入った後などには、インバータ装置４と永久磁石式同期モータ１との間の電線Ａが短絡または地絡したと判定されていない場合であっても、バッテリ電圧開放用スイッチ２０を開状態にし、モータ開放接触器駆動用コイル１７への加圧を遮断することで、永久磁石式同期モータ１が備えるモータ開放スイッチ３を開状態にし、発生した誘起電圧が永久磁石式同期モータ出力端子２８へ加圧されることを防止する。

以上のように、第三の実施形態の永久磁石式同期モータ１は、電気車１００の電気車駆動システム１２０が備える永久磁石式同期モータであって、永久磁石式同期モータ１が発電した電圧を出力する出力端子である永久磁石式同期モータ出力端子２８に、自スイッチの遮断により電圧が加圧されないように制御するモータ開放接触器３と、モータ開放接触器駆動用コイル１７と、バッテリ電圧を供給する制御電源１９と、バッテリ電圧開放用スイッチ２０とを備える。また、第三の実施形態の永久磁石式同期モータ１は、モータ開放接触器制御リレー２１と、故障検知部２２と、出力電流検出センサ２３とを更に備える。
こうすることで、インバータ装置４と永久磁石式同期モータ１との間の電線Ａが短絡または地絡したか否かを判定することができ、電線Ａが短絡または地絡したと判定した場合に、永久磁石式同期モータ１が備えるモータ開放スイッチ３を開状態にすることで、発生した誘起電圧が永久磁石式同期モータ出力端子２８へ加圧されることを防止し、短絡電流、地絡電流が流れることを防止する。その結果、永久磁石同期モータが過熱すること、および、短絡または地絡した箇所とモータとの間の配線が過熱することを防止することができる。

＜第四の実施形態＞
図７は、第四の実施形態による電気車１００が備える電気車駆動システム１２０の一例を示す図である。
ここで、図７を用いて、第四の実施形態による永久磁石式同期モータ１を備える電気車駆動システム１２０について説明する。
図７で示す第四の実施形態による電気車駆動システム１２０は、第二の実施形態による電気車駆動システム１２０に、モータ開放接触器制御リレー２１と、ゲート指令フィードバック不一致検出部２５と、スイッチング素子異常検知部２６と、インバータゲート指令演算部２７とを更に備える。

制御部１８が備えるインバータゲート指令演算部２７は、永久磁石式同期モータ１を駆動するために必要な交流三相電圧を発生させる指令信号を生成する。制御部１８は、指令信号をスイッチング素子１２に出力してスイッチング素子１２のオン／オフ動作を制御する。
制御部１８が備えるゲート指令フィードバック不一致検出部２５は、スイッチング素子１２の実際のオン／オフ動作を示すフィードバック信号が制御部１８がオン／オフ動作を制御する指令信号と不一致であると判定した場合、すなわち指令通りのオン／オフ動作ができていないことを検知した場合に、スイッチング素子１２が異常動作していると判定する。スイッチング素子１２の異常動作の原因は、スイッチング素子１２自体の故障と、その他の原因、例えばインバータ装置４と永久磁石式同期モータ１との間の電線Ａが短絡または地絡などが考えられる。そして、ゲート指令フィードバック不一致検出部２５は、異常な動作をしていると判定した場合、スイッチング素子１２についての指令信号とフィードバック信号とが不一致であることを示す不一致信号を制御部１８が備えるスイッチング素子異常検知部２６に出力する。
スイッチング素子異常検知部２６は、ゲート指令フィードバック不一致検出部２５から不一致信号を入力した場合、スイッチング素子１２が異常動作していると判定し、スイッチング素子異常検知信号をモータ開放接触器制御リレー２１に出力し、開状態にする。モータ開放接触器制御リレー２１が開状態になると、モータ開放接触器駆動用コイル１７の加圧が遮断され、永久磁石式同期モータ１が備えるモータ開放接触器３が開状態になる。

以上のように、第四の実施形態の永久磁石式同期モータ１は、電気車１００の電気車駆動システム１２０が備える永久磁石式同期モータであって、永久磁石式同期モータ１が発電した電圧を出力する出力端子である永久磁石式同期モータ出力端子２８に、自スイッチの遮断により電圧が加圧されないように制御するモータ開放接触器３と、モータ開放接触器駆動用コイル１７と、バッテリ電圧を供給する制御電源１９と、バッテリ電圧開放用スイッチ２０とを備える。また、第四の実施形態の永久磁石式同期モータ１は、モータ開放接触器制御リレー２１と、ゲート指令フィードバック不一致検出部２５と、スイッチング素子異常検知部２６と、インバータゲート指令演算部２７とを更に備える。
こうすることで、インバータ装置４が備えるスイッチング素子１２の異常動作を判定し、異常動作していると判定した場合に、永久磁石式同期モータ１が備えるモータ開放スイッチ３を開状態にすることで、発生した誘起電圧が永久磁石式同期モータ出力端子２８へ加圧されることを防止し、スイッチング素子１２の異常動作の原因の１つである電線Ａの短絡または地絡発生時に、短絡電流、地絡電流が流れることを防止する。その結果、永久磁石同期モータが過熱すること、および、短絡または地絡した箇所とモータとの間の配線が過熱することを防止することができる。

なお実施形態について説明したが、上述のインバータ装置４は、ＶＶＶＦインバータに限定するものではない。例えば、適切に永久磁石式同期モータ１を駆動する範囲におけるスイッチング電源であればどのような電源であってもよい。
また、モータ開放スイッチ３は、モータ開放用接触器に限定するものではない。例えば、適切に発生した誘起電圧が永久磁石式同期モータ出力端子２８へ加圧されることを防止する範囲において、どのようなスイッチであってもよい。例えば、モータ開放スイッチ３は、半導体スイッチであってもよい。

以上述べた少なくともひとつの実施形態の永久磁石式同期モータ１によれば、電気車においてインバータ装置と永久磁石同期モータの間に配線された電線が短絡または地絡した場合に、短絡または地絡が発生している箇所から永久磁石同期モータを切り離し、短絡電流、地絡電流が流れることを防止する。その結果、永久磁石同期モータが過熱すること、および、短絡または地絡した箇所とモータとの間の配線が過熱することを防止することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１・・・永久磁石式同期モータ
２・・・モータ部（モータの巻線を含む）
３・・・モータ開放スイッチ、モータ開放用接触器
４・・・インバータ装置
５・・・断流器収納箱
６・・・パンタグラフ
７・・・車輪
８・・・高速度遮断器
９・・・充電抵抗短絡用接触器
１０・・・充電抵抗器
１１・・・フィルタコンデンサ
１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｆ・・・スイッチング素子
１３・・・誘起電圧（モータ回転時）
１４・・・巻線のインピーダンス
１５・・・ファイルコンデンサ過電圧抑制抵抗
１６・・・フィルタコンデンサ過電圧抑制用スイッチング素子
１７・・・モータ開放接触器駆動用コイル
１８・・・制御部
１９・・・制御電源
２０・・・バッテリ電圧開放用スイッチ
２１・・・モータ開放接触器制御リレー
２２・・・故障検知部
２３・・・出力電流検出センサ
２４・・・フィルタリアクトル
２５・・・ゲート指令フィードバック不一致検出部
２６・・・スイッチング素子異常検知部
２７・・・インバータゲート指令演算部
２８・・・永久磁石式同期モータ出力端子
１００・・・電気車
１１０・・・架線
１２０・・・電気車駆動システム
２００・・・電気車システム

Claims (11)

1. 電気車の電気車駆動システムが備える永久磁石式同期モータであって、
   前記永久磁石式同期モータが備えるモータ部が発電した電圧が、前記永久磁石式同期モータの出力端子に加圧されないように遮断するモータ開放スイッチを備える永久磁石式同期モータ。
2. 前記モータ開放スイッチは、前記電気車が無加圧の時に、開状態となる
   請求項１に記載の永久磁石式同期モータ。
3. 前記モータ開放スイッチは、インバータが異常動作した場合に、前記インバータが備える制御部による制御に基づいて開状態となる
   請求項１または請求項２に記載の永久磁石式同期モータ。
4. 前記モータ開放スイッチは、前記インバータと自スイッチとの間の配線が短絡あるいは地絡した場合に、開状態となる
   請求項３に記載の永久磁石式同期モータ。
5. 前記モータ開放スイッチは、前記インバータのＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が短絡あるいは地絡した場合に、前記インバータが備える制御部による制御に基づいて開状態となる
   請求項３または請求項４に記載の永久磁石式同期モータ。
6. 前記モータ開放スイッチは、前記インバータが所定のしきい値以上の電流を流した場合に、前記インバータが備える制御部による制御に基づいて開状態となる
   請求項３から請求項５の何れか一項に記載の永久磁石式同期モータ。
7. 前記モータ開放スイッチは、モータ開放接触器である
   請求項１から請求項６の何れか一項に記載の永久磁石式同期モータ。
8. 前記モータ開放スイッチは、自スイッチを制御するモータ開放接触器駆動用コイルと、前記電気車が備えるバッテリとの間に備えられたバッテリ用スイッチが開状態となり、加圧が遮断された前記モータ開放接触器駆動用コイルの制御に基づいて、開状態となる
   請求項１から請求項７の何れか一項に記載の永久磁石式同期モータ。
9. 前記モータ開放スイッチは、半導体スイッチである
   請求項１から請求項８の何れか一項に記載の永久磁石式同期モータ。
10. 請求項１から請求項９の何れか一項に記載の永久磁石式同期モータを備える電気車駆動システム。
11. 請求項１から請求項９の何れか一項に記載の永久磁石式同期モータ、または、請求項１０に記載の電気車駆動システム、
    の何れかを備える電気車。

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