JP6850267B2 - 回転電機の駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機の駆動装置に関するものである。

従来、回転電機における回転速度域の拡張を可能とするモータ駆動装置として、Ｙ結線されてなる各相の相巻線を、複数の巻線部が直列に接続された巻線群にて構成し、その巻線群において中性点とは反対側の巻線端部に第１インバータを接続するとともに、各巻線群において巻線部同士の間の中間端子に第２インバータを接続したものが提案されている（例えば特許文献１）。その駆動装置では、回転電機の動作状態に応じて、第１インバータ及び第２インバータのいずれかにより回転電機が駆動されるようになっており、低回転時には、第１インバータにより回転電機が駆動され、高回転時には、第２インバータにより回転電機が駆動される。

また、高回転時において第２インバータにより回転電機が駆動される場合には、動作が停止されている第１インバータ側の巻線端部に誘起電圧が印加されることが考えられる。そして、その誘起電圧が所定電圧以上になると、第１インバータに内蔵されている還流ダイオードを介して回生電流が流れ、それに起因して回転電機の動作が不安定になることが懸念される。そこで、特許文献１に記載の技術では、上述した電力回生を防止すべく、第１インバータの通電経路に遮断スイッチを設けておき、電力回生が生じる前に、遮断スイッチを開放することにより第１インバータの通電経路を遮断する構成としている。具体的には、第１インバータの高電位側経路、低電位側経路、巻線接続経路のいずれかにスイッチ回路を設ける構成としている。

特開２０１３−１２１２２２号公報

しかしながら、上記従来の構成では、低回転時において第１インバータにより回転電機が駆動される場合に、遮断スイッチをオン状態で保持しておく必要がある。そのため、導通経路上における直列素子数が増えることになり、経路抵抗の増加に伴う導通損失の増加が生じる。例えば電動車両用のインバータでは、低回転時である低速登坂時に熱的に厳しい状態になることが考えられる。そのため、遮断スイッチの追加により低回転時の損失（発熱）が増加すると、冷却性能の見直しが強いられるといった不都合が懸念される。

なお、巻線群の巻線始端部に第１インバータを接続するとともに、各巻線群の中間端子に第２インバータを接続した構成以外に、大ターン数の多相巻線に第１インバータを接続するとともに、小ターン数の多相巻線に第２インバータを接続し、第１インバータによる駆動と第２インバータによる駆動とを切り替える構成であっても、同様の不都合が生じ得ると考えられる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、導通損失の増加を抑制しつつ、適正な通電制御を実施することができる回転電機の駆動装置を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について説明する。

第１の手段は、
相ごとに、複数の巻線部が直列に接続された巻線群を有し、前記各巻線群の一端が中性点にて互いに接続されている多相の回転電機に適用され、その回転電機を駆動する駆動装置であって、
前記各巻線群において前記中性点とは反対側の巻線端部である始点端子に接続され、相ごとに上アームスイッチ及び下アームスイッチを有する第１インバータと、
前記各巻線群において前記巻線部同士の間に位置する中間端子に接続され、相ごとに上アームスイッチ及び下アームスイッチを有する第２インバータと、
前記第１インバータによる前記巻線群の通電と、前記第２インバータによる前記巻線群の通電とを選択的に実施する通電制御部と、
を備え、
前記第１インバータにおける前記上アームスイッチ及び前記下アームスイッチが、双方向での導通及び遮断の機能を有する。

上記構成では、各巻線群の始点端子（すなわち中性点とは反対側の巻線端部）に第１インバータが接続され、各巻線群の中間端子（すなわち巻線部同士の間となる中間位置する端子）に第２インバータが接続されている。そして、第１インバータにより各相の巻線群の全てに通電が行われる状態と、第２インバータにより各相の巻線群の一部に通電が行われる状態とが切り替えられる。

ここで、第２インバータにより各巻線群への通電が行われる場合、すなわち各巻線群の一部に対して通電が行われる場合には、停止状態の第１インバータにおいて誘起電圧の印加に伴い回生電流が流れるおそれがあるため、第１インバータの通電経路に回生電流遮断用のスイッチを設けることが考えられる。しかしながら、第１インバータの通電経路に回生電流遮断用のスイッチを設けることで、第１インバータによる駆動時において導通経路上の経路抵抗が増え、導通損失の増加が生じる。

この点、第１インバータにおける上アームスイッチ及び下アームスイッチを、双方向での導通及び遮断の機能を有するものとしたため、第１インバータにおいて、上下アームの各スイッチ以外に回生電流遮断用のスイッチを設けなくても、回生電流の抑制が可能となる。そのため、第１インバータによる駆動時において導通経路上の経路抵抗の増加による導通損失の増加を抑制しつつ、適正な通電制御を実施することができる。

第２の手段では、前記第１インバータにおける前記上アームスイッチ及び前記下アームスイッチは、互いに逆向きで並列接続された一対のＩＧＢＴを有する双方向スイッチである。

上アームスイッチ及び下アームスイッチとして、一対のＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）が互いに逆向きで並列接続されてなる双方向スイッチを用いることにより、第１インバータによる駆動時において、導通状態となる直列素子数が各相で２個ずつとなる。そのため、導通経路上の直列素子数の増加による導通損失の増加を抑制しつつ、適正な通電制御を実施することができる。また、双方向スイッチにおいて、還流ダイオードとしての機能を付与することも可能となる。

第１インバータによる巻線群の通電時には、双方向スイッチにおいて一対のＩＧＢＴのうち一方のＩＧＢＴをスイッチング動作させ、他方のＩＧＢＴを閉状態のままとするとよい（第３の手段）。この場合、閉状態（常時オン）となる側のＩＧＢＴによりインバータの還流ダイオード機能が適正に実現される。また、スイッチング回数が必要最小限となるため、スイッチング損失を低減できる。

第４の手段では、前記第１インバータにおける前記上アームスイッチ及び前記下アームスイッチとして前記双方向スイッチを設け、前記第２インバータにおける前記上アームスイッチ及び前記下アームスイッチとして還流ダイオード付きの半導体スイッチング素子を設けている。

上記構成によれば、上下アームの各スイッチとして還流ダイオード付きの半導体スイッチング素子を用いた既存のインバータ構成を用いつつ、逆阻止型のＩＧＢＴを適所に配置することができる。

第５の手段では、前記巻線群は、３以上の前記巻線部が直列接続されており、前記各巻線群における２以上の前記中間端子に接続された前記第２インバータのうち、前記始点端子に近い側の前記中間端子に接続された前記第２インバータでは、前記上アームスイッチ及び前記下アームスイッチが、双方向での導通及び遮断の機能を有する。

各相において３以上の巻線部が直列接続された巻線群を有する回転電機では、２以上の中間端子にそれぞれ第２インバータが接続され、駆動状態が３つ以上に切り替えられることが考えられる。かかる構成において、始点端子に近い側の中間端子に接続された第２インバータでは、上アームスイッチ及び下アームスイッチが、双方向での導通及び遮断の機能を有するものであるとよい。これにより、導通経路上の経路抵抗の増加による導通損失の増加を抑制しつつ、駆動状態を３つ以上に好適に切り替えることができる。

第６の手段は、
各相の巻線部の一端が中性点にて共通に接続された第１多相巻線及び第２多相巻線を備えた回転電機に適用され、
相ごとに上アームスイッチ及び下アームスイッチを有し、前記第１多相巻線の他端に接続された第１インバータと、
相ごとに上アームスイッチ及び下アームスイッチを有し、前記第２多相巻線の他端に接続された第２インバータと、
前記第１インバータによる前記第１多相巻線の通電と、前記第２インバータによる前記第２多相巻線の通電とを選択的に実施する通電制御部と、
を備え、
前記第１多相巻線は、前記第２多相巻線よりもターン数が多い巻線であり、
前記第１インバータにおける前記上アームスイッチ及び前記下アームスイッチの少なくともいずれかが、双方向での導通及び遮断の機能を有する。

上記構成では、第１インバータにより大ターン数の巻線である第１多相巻線の通電が行われる状態と、第２インバータにより小ターン数の巻線である第２多相巻線の通電が行われる状態とが切り替えられる。

ここで、第２インバータにより第２多相巻線（小ターン数の巻線）への通電が行われる場合には、停止状態の第１インバータにおいて、第１多相巻線（大ターン数の巻線）にて生じる誘起電圧の印加に伴い回生電流が流れるおそれがあるため、第１インバータの通電経路に回生電流遮断用のスイッチを設けることが考えられる。しかしながら、第１インバータの通電経路に回生電流遮断用のスイッチを設けることで、第１インバータによる駆動時に導通経路上の直列素子数が増え、導通損失の増加が生じる。

この点、第１インバータにおける上アームスイッチ及び下アームスイッチの少なくともいずれかを、双方向での導通及び遮断の機能を有するものとしたため、第１インバータにおいて、上下アームの各スイッチ以外に回生電流遮断用のスイッチを設けることが不要となる。そのため、第１インバータによる駆動時において導通経路上の経路抵抗の増加による導通損失の増加を抑制しつつ、適正な通電制御を実施することができる。

回転電機の縦断面図。 回転子と固定子とを示す横断面図。 回転電機の制御システムを示す電気回路図。 第１インバータによる駆動時の動作を説明するためのタイムチャート。 第２インバータによる駆動時の動作を説明するためのタイムチャート。 各インバータによる駆動時の回転電機出力を示す図。 第１インバータの駆動を行わせる第１動作域と第２インバータの駆動を行わせる第２動作域とを示す図。 インバータ切替処理を示すフローチャート。 第２実施形態における回転電機の制御システムを示す電気回路図。 第２実施形態において各インバータによる駆動時の回転電機出力を示す図。 第３実施形態における回転電機の制御システムを示す電気回路図。 第３実施形態において各インバータによる駆動時の回転電機出力を示す図。 第４実施形態における回転電機の制御システムを示す電気回路図。

以下、実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態における回転電機は、例えば車両動力源として用いられるものとなっている。ただし、回転電機は、産業用、車両用、船舶用、航空機用、家電用、ＯＡ機器用、遊技機用などとして広く用いられることが可能となっている。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一又は均等である部分には、図中、同一符号を付しており、同一符号の部分についてはその説明を援用する。

（第１実施形態）
本実施形態に係る回転電機１０は、インナロータ式（内転式）の多相交流モータであり、その概要を図１及び図２に示す。図１は、回転電機１０の回転軸１１に沿う方向での縦断面図であり、図２は、回転軸１１に直交する方向での回転子１２及び固定子１３の横断面図である。以下の記載では、回転軸１１が延びる方向を軸方向とし、回転軸１１を中心として放射状に延びる方向を径方向とし、回転軸１１を中心として円周状に延びる方向を周方向としている。

回転電機１０は、回転軸１１に固定された回転子１２と、回転子１２を包囲する位置に設けられる固定子１３と、これら回転子１２及び固定子１３を収容するハウジング１４とを備えている。回転子１２及び固定子１３は同軸に配置されている。ハウジング１４は、筒状をなす一対のハウジング部材１４ａ，１４ｂを有し、ハウジング部材１４ａ，１４ｂが開口部同士で接合された状態でボルト１５の締結により一体化されている。ハウジング１４には軸受け１６，１７が設けられ、この軸受け１６，１７により回転軸１１及び回転子１２が回転自在に支持されている。

回転子１２は回転子コア２１を有し、その回転子コア２１の外周部（すなわち固定子１３の内周部に対して径方向に対向する側）には、周方向に複数の永久磁石２２が並べて設けられている。回転子コア２１は、複数の電磁鋼板を軸方向に積層し、カシメ等により固定することで構成されている。

回転子コア２１の外周面には、周方向に磁極が交互となるようにして複数の永久磁石２２が設けられている。本実施形態では、回転子構造として、４極の表面磁石型構造が用いられている。ただし、回転子１２が埋め込み磁石型であってもよい。永久磁石は、希土類磁石でもフェライト磁石でもよい。

固定子１３は、円環状の固定子コア３１と、固定子コア３１の複数のスロット３２に巻装された３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の固定子巻線３３とを備えている。固定子コア３１は、円環状の複数の電磁鋼板を軸方向に積層し、カシメ等により固定することで構成されている。固定子コア３１は、円環状のヨーク３４と、ヨーク３４から径方向内側に延び周方向に等間隔で配列された複数のティース３５とを有し、隣り合うティース３５の間にスロット３２が形成されている。

図３に示すように、固定子巻線３３は、相ごとに、複数の巻線部が直列に接続された巻線群４１〜４３を有しており、各巻線群４１〜４３の一端が中性点Ｎ１にて互いに接続されている。より具体的には、固定子巻線３３は、Ｕ相巻線群４１とＶ相巻線群４２とＷ相巻線群４３とを有しており、これら各巻線群４１〜４３は、それぞれ２つの巻線部が直列に接続されて構成されている。各巻線群４１〜４３において２つの巻線部のターン数は同じである。なお、固定子コア３１では、同一スロットに同じ巻線群４１〜４３の各巻線部が収容されているとよい。極数や相数、スロット数、直列巻線数は任意である。

次に、回転電機１０を制御する制御システムの構成を、図３を用いて説明する。本制御システムは、第１インバータ５０と第２インバータ６０と制御装置７０とを備えている。第１インバータ５０は、固定子巻線３３の各巻線群４１〜４３において中性点Ｎ１とは反対側の巻線端部である始点端子に接続され、第２インバータ６０は、各巻線群４１〜４３において巻線部同士の間に位置する中間端子に接続されている。本実施形態では、各巻線群４１〜４３において２つの巻線部のターン数が同じであるため、第１インバータ５０の通電ターン数と第２インバータ６０の通電ターン数との比は２：１となっている。

各インバータ５０，６０は、固定子巻線３３の相数と同数の上下アームを有するフルブリッジ回路により構成されており、各アームに設けられたスイッチ（半導体スイッチング素子）のオンオフにより、各相における通電電流が調整される。

具体的には、第１インバータ５０は、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の各相において上アームスイッチ５１と下アームスイッチ５２との直列接続体をそれぞれ備えている。各相の上アームスイッチ５１の高電位側端子は直流電源７５の正極端子に接続され、各相の下アームスイッチ５２の低電位側端子は直流電源７５の負極端子（グランド）に接続されている。

上アームスイッチ５１は、半導体スイッチング素子により構成されており、具体的には、互いに逆向きで並列接続された一対のＩＧＢＴ５１ａ，５１ｂを備えている。この一対のＩＧＢＴ５１ａ，５１ｂは、逆並列に接続された逆阻止型ＩＧＢＴであり、双方向での通電及び遮断が可能な双方向スイッチとして機能する。より具体的には、一方のＩＧＢＴ５１ａではコレクタを高電位側、エミッタを低電位側とし、他方のＩＧＢＴ５１ｂではエミッタを高電位側、コレクタを低電位側として、これら一対のＩＧＢＴ５１ａ，５１ｂが互いに逆並列に接続されている。

また、下アームスイッチ５２は、上アームスイッチ５１と同様の構成を有しており、互いに逆向きに並列接続された一対のＩＧＢＴ５２ａ，５２ｂを備えている。この一対のＩＧＢＴ５２ａ，５２ｂは、双方向での通電及び遮断を可能にする双方向スイッチとして機能する。より具体的には、一方のＩＧＢＴ５２ａではコレクタを高電位側、エミッタを低電位側とし、他方のＩＧＢＴ５２ｂではエミッタを高電位側、コレクタを低電位側として、これら一対のＩＧＢＴ５２ａ，５２ｂが互いに逆並列に接続されている。

第２インバータ６０は、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の各相において上アームスイッチ６１と下アームスイッチ６２との直列接続体をそれぞれ備えている。各相の上アームスイッチ６１の高電位側端子は直流電源７５の正極端子に接続され、各相の下アームスイッチ６２の低電位側端子は直流電源７５の負極端子（グランド）に接続されている。上アームスイッチ６１及び下アームスイッチ６２は、それぞれ還流ダイオード付きの半導体スイッチング素子であり、より具体的には、逆並列となる向きで接続された還流ダイオード６３，６４を有するＩＧＢＴである。還流ダイオード６３，６４は、それぞれカソードが高電位側、アノードが低電位側となる向きで設けられている。

制御装置７０は、ＣＰＵや各種メモリからなるマイコンを備えており、回転電機１０における各種の検出情報や、力行駆動及び発電の要求に基づいて、インバータ５０，６０における各スイッチの開閉（オンオフ）により通電制御を実施する。回転電機１０の検出情報には、例えば、レゾルバ等の角度検出器により検出される回転子１２の回転角度（電気角情報）や、電圧センサにより検出される電源電圧（インバータ入力電圧）、電流センサにより検出される各相の通電電流が含まれる。なお、電流センサは、インバータ５０，６０ごとに設けられていてもよいし、インバータ５０，６０で共通に設けられていてもよい。制御装置７０は、インバータ５０，６０の各スイッチを操作する操作信号を生成して出力する。

本実施形態では、回転電機１０における固定子巻線３３の通電が第１インバータ５０、第２インバータ６０によりそれぞれ制御される。この場合、第１インバータ５０により回転電機１０が駆動される状態（すなわち、各相の巻線群の全てに通電が行われる状態）と、第２インバータ６０により回転電機１０が駆動される状態（すなわち、各相の巻線群の一部に通電が行われる状態）との切り替えが行われる。この切り替えにより、通電ターン数が可変となっている。図４には、第１インバータ５０による駆動時の各スイッチの制御態様を示し、図５には、第２インバータ６０による駆動時の各スイッチの制御態様を示す。なお、図４及び図５には、３相の固定子巻線３３のうちＵ相の動作のみを示すが、他相においても電気角で１２０度異なる位相で同様の動作が行われる。

図４に示すように、第１インバータ５０の駆動時には、第１インバータ５０において上アームスイッチ５１と下アームスイッチ５２とが相補的にオンオフされることにより、相ごとの巻線群４１〜４３において通電が行われる。詳しくは、上下アームの各スイッチ５１，５２において、それぞれ一方のＩＧＢＴ５１ａ，５２ａ（すなわちコレクタが高電位側となる各ＩＧＢＴ）が相補的にオンオフされ、他方のＩＧＢＴ５１ｂ，５２ｂがオン状態で保持される。このとき、常時オンとなる側のＩＧＢＴ５１ｂ，５２ｂにより、第１インバータ５０の還流ダイオードの役割が担われることとなっている。第１インバータ５０によれば、各巻線群４１〜４３では、直列接続された全ての巻線部での通電が行われる。また、第２インバータ６０では、上下アームの各スイッチ６１，６２がオフのまま保持される。

一方で、図５に示すように、第２インバータ６０の駆動時には、第２インバータ６０において上アームスイッチ６１と下アームスイッチ６２とが相補的にオンオフされることにより、相ごとの巻線群４１〜４３において通電が行われる。このとき、各巻線群４１〜４３では、直列接続された２連の巻線部のうち中性点Ｎ１側の巻線部において通電が行われる。また、第１インバータ５０では、上アームスイッチ５１（すなわちＩＧＢＴ５１ａ，５１ｂ）、下アームスイッチ５２（すなわちＩＧＢＴ５２ａ，５２ｂ）がオフのまま保持される。

ここで、第２インバータ６０による駆動が行われる場合、すなわち各巻線群４１〜４３において中性点Ｎ１側となる一方の巻線部のみが通電される場合には、停止状態の第１インバータ５０において誘起電圧の印加に伴い回生電流が流れ、回転電機の動作に支障を及ぼすことが懸念される。そのため、従来技術では、回生電流対策として、第１インバータ５０の通電経路に回生電流遮断用のスイッチを設けることが考えられている。しかしながら、第１インバータ５０の通電経路に回生電流遮断用のスイッチを設けることで、第１インバータ５０による駆動時において導通経路上の直列素子数が増え、導通損失の増加が生じる。

この点、本実施形態では、第１インバータ５０の上下アームの各スイッチ５１，５２を、双方向での導通及び遮断の機能を有するものとしたため、第１インバータ５０において、上下アームの各スイッチ５１，５２以外に回生電流遮断用のスイッチを設けなくても、回生電流の抑制が可能となる。またその上で、第１インバータ５０の駆動時には、第２インバータ６０の駆動時と同様に、各相の巻線群４１〜４３の通電に際して導通経路上の直列素子数が２個となる。そのため、直列素子数の増加による導通損失の増加が抑制されるようになっている。

制御装置７０は、回転電機１０の回転速度とトルクとに基づいて、第１インバータ５０により回転電機１０が駆動される状態と、第２インバータ６０により回転電機１０が駆動される状態との切り替えを実施する。具体的には、制御装置７０は、回転電機１０の低回転側の動作域では、第１インバータ５０の通電制御を実施し、回転電機１０の高回転側の動作域では、第２インバータ６０の通電制御を実施する。

図６には、第１インバータ５０の駆動時における回転電機出力を実線で示すとともに、第２インバータ６０の駆動時における回転電機出力を破線で示す。この場合、各インバータ５０，６０の出力特性が一部重複している。そのため本実施形態では、第１インバータ５０による駆動を行わせる第１動作域と、第２インバータ６０による駆動を行わせる第２動作域とを図７のように定め、それら各動作域に応じてインバータ５０，６０の切替を実施することとしている。第１動作域は、回転電機１０の低回転側の領域に定められ、第２動作域は、回転電機１０の高回転側の領域に定められている。なお、図７では、第１動作域にハッチングが付されている。

第１動作域（すなわち回転電機１０の低回転域）では、第１インバータ５０により回転電機１０が駆動されることにより、各巻線群４１〜４３の全巻線部に対して通電が行われる。これにより、回転電機１０の低回転域において固定子巻線３３のアンペア・ターンに応じた高トルクを得ることができる。また、第２動作域（すなわち回転電機１０の高回転域）では、第２インバータ６０により回転電機１０が駆動されることにより、各巻線群４１〜４３の一部の巻線部に対して通電が行われる。この場合、第２インバータ６０にかかる回転電機１０の誘起電圧は第１インバータ５０の１／２になるため、同じ電源電圧でもより高回転域まで回転電機１０を駆動させることができる。

図８は、制御装置７０により実施されるインバータ切替処理を示すフローチャートであり、本処理は所定周期で繰り返し実施される。

ステップＳ１１では、回転電機１０の運転状態が第１動作域に入っているか否かを判定し、ステップＳ１２では、回転電機１０の運転状態が第２動作域に入っているか否かを判定する。ステップＳ１１，Ｓ１２では、例えば、回転子１２の回転情報に基づいて算出される回転速度と、回転電機１０に対する要求トルクとに基づいて、動作域の判定が行われるとよい。

回転電機１０の運転状態が第１動作域に入っている場合、ステップＳ１３に進み、第１インバータ５０の駆動を行わせ、かつ第２インバータ６０の駆動を停止させる旨を決定する。この場合、第１インバータ５０において上アームスイッチ５１と下アームスイッチ５２とを相補的にオンオフする。詳しくは、上アームの一対のＩＧＢＴ５１ａ，５１ｂのうち一方のＩＧＢＴ５１ａをオンオフさせ、かつ他方のＩＧＢＴ５１ｂをオン状態で保持する。また、下アームの一対のＩＧＢＴ５２ａ，５２ｂのうち一方のＩＧＢＴ５２ａをオンオフさせ、かつ他方のＩＧＢＴ５２ｂをオン状態で保持する。

また、回転電機１０の運転状態が第２動作域に入っている場合、ステップＳ１４に進み、第１インバータ５０の駆動を停止させ、かつ第２インバータ６０の駆動を行わせる旨を決定する。この場合、第２インバータ６０において上アームスイッチ６１と下アームスイッチ６２とを相補的にオンオフする。

以上詳述した本実施形態によれば、以下の優れた効果が得られる。

第２インバータ６０により各巻線群４１〜４３への通電が行われる場合、すなわち各巻線群４１〜４３の一部に対して通電が行われる場合には、停止状態の第１インバータ５０において誘起電圧の印加に伴い回生電流が流れるおそれがあるが、第１インバータ５０における上アームスイッチ５１及び下アームスイッチ５２を、双方向での導通及び遮断の機能を有するものとしたため、回生電流を好適に遮断できる。この場合、第１インバータ５０において、上下アームの各スイッチ以外に回生電流遮断用のスイッチを設けることが不要となるため、第１インバータ５０による駆動時において導通経路上の経路抵抗の増加による導通損失の増加を抑制できる。これにより、適正な通電制御を実施することができる。

第１インバータ５０における上アームスイッチ５１及び下アームスイッチ５２を、互いに逆向きで並列接続された一対のＩＧＢＴ５１ａ，５１ｂを有する双方向スイッチとしたため、第１インバータ５０による駆動時において、導通状態となる直列素子数は各相で２個ずつとなる。そのため、導通経路上の直列素子数の増加による導通損失の増加を抑制しつつ、適正な通電制御を実施することができる。また、双方向スイッチにおいて、還流ダイオードとしての機能を付与することも可能となる。

第１インバータ５０による巻線群４１〜４３の通電時に、上下アームの各スイッチ５１，５２において一方のＩＧＢＴ５１ａ，５２ａをスイッチング動作させ、他方のＩＧＢＴ５１ｂ，５２ｂを常時オン（閉状態のまま）とするようにした。この場合、常時オンとなる側のＩＧＢＴ５１ｂ，５２ｂによりインバータの還流ダイオード機能が適正に実現される。また、スイッチング回数が必要最小限となるため、スイッチング損失を低減できる。

第１インバータ５０において、上アームスイッチ５１及び下アームスイッチ５２として逆阻止型ＩＧＢＴからなる双方向スイッチを設けるとともに、第２インバータ６０において、上アームスイッチ６１及び下アームスイッチ６２として還流ダイオード付きＩＧＢＴを設ける構成とした。この場合、上下アームの各スイッチとして還流ダイオード付きＩＧＢＴを用いた既存のインバータ構成を用いつつ、適所に逆阻止型のＩＧＢＴを配置することができる。

回転電機１０の低回転域で第１インバータ５０による駆動を行わせ、高回転域で第２インバータ６０による駆動を行わせるようにしたため、車両要求に応じた広い回転速度範囲で回転電機１０を好適に駆動させることができる。これにより、電動車両の動力性能を向上させることが可能となる。

また、第１インバータ５０による駆動と第２インバータ６０による駆動とが半導体スイッチング素子による電子制御で切り替えられるため、例えば車両加速時においても切り替えが滑らかに行われる。したがって、電動車両の電費向上や乗り心地の改善を実現できる。

また、複数のインバータ５０，６０を備えることで、駆動系を冗長化でき、システム信頼性を向上できる。

以下に、上記第１実施形態の構成の一部を変更した第２〜第４実施形態について説明する。なお、制御システムの構成として上記第１実施形態と同様のものは、同じ符号を付してその説明を省略する。

（第２実施形態）
上記第１実施形態では、第１インバータ５０及び第２インバータ６０の通電ターン数の比を２：１としたが、第２実施形態では、各通電ターン数の比を変更し、これにより第２インバータ６０による駆動範囲を変更している。

図９では、固定子巻線３３の巻線群４１〜４３が、それぞれ３つの巻線部が直列に接続されて構成されている。そして、第１インバータ５０が、各巻線群４１〜４３の始点端子に接続され、第２インバータ６０が、各巻線群４１〜４３において２つの中間端子のうち始点端子側の中間端子に接続されている。この場合、各巻線部のターン数が同じであれば、第１インバータ５０の通電ターン数と第２インバータ６０の通電ターン数との比は３：２となる。

上記のとおり各インバータ５０，６０の通電ターン数の比を変更することにより、各インバータ５０，６０の駆動時における回転電機１０の出力特性が変わる。図１０には、第１インバータ５０及び第２インバータ６０の通電ターン数の比を３：２とした場合における回転電機１０の出力特性を示す。通電ターン数の比を２：１とした場合の出力特性を示す図６と、通電ターン数の比を３：２とした場合の出力特性を示す図１０とを比べると、第２インバータ６０の駆動時における出力特性が低回転側にシフトしていることが確認できる。

なお、第２インバータ６０が、各巻線群４１〜４３において２つの中間端子のうち中性点側の中間端子に接続される構成であってもよい。この場合には、各インバータ５０，６０の通電ターン数の比は３：１となる。各巻線群４１〜４３が、４以上の巻線部が直列接続されている構成であってもよい。

（第３実施形態）
第３実施形態では、固定子巻線３３の各巻線群４１〜４３において、３以上の巻線部が直列接続されており、その固定子巻線３３に３以上のインバータが接続されている。図１１は、第３実施形態における回転電機の制御システムを示す電気回路図である。

図１１では、固定子巻線３３の巻線群４１〜４３が、それぞれ３つの巻線部が直列に接続されて構成されている。そして、第１インバータ５０が各巻線群４１〜４３の始点端子に接続されている。また、各巻線群４１〜４３において２つの中間端子のうち始点端子側の中間端子にインバータ６０Ａが接続され、中性点側の中間端子にインバータ６０Ｂが接続されている。本実施形態では、インバータ６０Ａ，６０Ｂがそれぞれ第２インバータに相当する。

各インバータ５０，６０Ａ，６０Ｂのうち、各巻線群４１〜４３の始点端子に接続されている第１インバータ５０と、各巻線群４１〜４３の始点端子側の中間端子に接続されているインバータ６０Ａとは、上アームスイッチ及び下アームスイッチとして、双方向での導通及び遮断が可能な双方向スイッチを有している。その構成は、図３に示す第１インバータ５０と同じものである。インバータ６０Ａでは、上アームスイッチ６５として、互いに逆向きで並列接続された一対のＩＧＢＴ６５ａ，６５ｂが設けられている。また、下アームスイッチ６６として、互いに逆向きで並列接続された一対のＩＧＢＴ６６ａ，６６ｂが設けられている。なお、インバータ６０Ｂは、図３に示す第２インバータ６０と同じ構成を有する。

図１２には、各インバータ５０，６０Ａ，６０Ｂによる駆動時の出力特性の違いを示す。各インバータ５０，６０Ａ，６０Ｂでは、通電対象となる巻線のターン数が相違していることから、５０→６０Ａ→６０Ｂの順に出力特性が高回転側にシフトする。

制御装置７０は、回転電機１０の回転速度とトルクとに基づいて、第１インバータ５０により回転電機１０が駆動される状態と、インバータ６０Ａにより回転電機１０が駆動される状態と、インバータ６０Ｂにより回転電機１０が駆動される状態との切り替えを実施する。各インバータ５０，６０Ａ，６０Ｂの動作域は、図１２の関係に基づいて定められているとよい。

本実施形態では、各相の巻線群４１〜４３の各中間端子に接続された２つの第２インバータ６０Ａ，６０Ｂのうち始点端子側の中間端子に接続されたインバータ６０Ａにおいて、第１インバータ５０と同様に、上下アームの各スイッチ６５，６６を、双方向での導通及び遮断の機能を有するものとした。これにより、導通経路上の経路抵抗の増加（すなわち直列素子数の増加）による導通損失の増加を抑制しつつ、回転電機１０における３つの駆動状態を好適に切り替えることができる。

なお、各巻線群４１〜４３が、４以上の巻線部が直列接続されている構成であってもよい。各巻線群４１〜４３が、４つの巻線部が直列接続されている構成である場合には、３つの中間端子にそれぞれ第２インバータが接続される。この場合、３つの第２インバータのうち、始点端子に１番目に近い側の中間端子に接続された第２インバータ、又は始点端子に１番目及び２番目に近い側の各中間端子に接続された第２インバータにおいて、上アームスイッチ及び下アームスイッチを、双方向での導通及び遮断の機能を有するものとするとよい。

（第４実施形態）
第４実施形態では、図１３に示すように、回転電機１０の固定子巻線３３として第１多相巻線３３Ａと第２多相巻線３３Ｂとを有している。これら各多相巻線３３Ａ，３３Ｂは３相巻線であり、各相の巻線部の一端がそれぞれの中性点にて共通に接続されている。第１多相巻線３３Ａは、第２多相巻線３３Ｂよりもターン数が多い巻線となっている。つまり、第１多相巻線３３Ａのターン数をＮ１、第２多相巻線３３Ｂのターン数をＮ２とする場合、Ｎ１＞Ｎ２である。なお、各多相巻線３３Ａ，３３Ｂは、それぞれ固定子コア３１のスロット３２に収容された状態で巻装されている。

そして、第１多相巻線３３Ａに第１インバータ８０が接続され、第２多相巻線３３Ｂに第２インバータ９０が接続されている。第１インバータ８０は、相ごとに上アームスイッチ８１及び下アームスイッチ８２を有しており、第２インバータ９０は、相ごとに上アームスイッチ９１及び下アームスイッチ９２を有している。

詳しくは、第１インバータ８０は、上アームスイッチ８１として、互いに逆向きで並列接続された一対のＩＧＢＴ８１ａ，８１ｂを備えている。この一対のＩＧＢＴ８１ａ，８１ｂは、逆並列に接続された逆阻止型ＩＧＢＴであり、双方向での通電及び遮断が可能な双方向スイッチとして機能する。

また、第１インバータの８０の下アームスイッチ８２と、第２インバータ９０の上アームスイッチ９１及び下アームスイッチ９２とは、それぞれ還流ダイオード付きの半導体スイッチング素子であり、より具体的には、逆並列となる向きで接続された還流ダイオードを有するＩＧＢＴである。

制御装置７０は、第１インバータ８０による第１多相巻線３３Ａの通電と、第２インバータ９０による第２多相巻線３３Ｂの通電とを選択的に実施する。この場合、各インバータ８０，９０における通電制御は、基本的に図４及び図５で説明したものと同じである。ただし、第１インバータ８０では、下アームスイッチ８２が還流ダイオード付きのＩＧＢＴにより構成されており、第１インバータの８０の駆動時には、上アーム側のＩＧＢＴ８１ａと下アームスイッチ８２とが互いに相補的にスイッチングされるとよい。

本実施形態では、第１インバータ８０による第１多相巻線３３Ａの通電と、第２インバータ９０による第２多相巻線３３Ｂの通電とのいずれか一方が択一的に実施される。これにより、第１インバータ８０により大ターン数の巻線である第１多相巻線３３Ａの通電が行われる状態と、第２インバータにより９０小ターン数の巻線である第２多相巻線３３Ｂの通電が行われる状態とが切り替えられる。

ここで、第２インバータ９０により第２多相巻線３３Ｂ（小ターン数の巻線）への通電が行われる場合には、停止状態の第１インバータ８０において、第１多相巻線３３Ａ（大ターン数の巻線）にて生じる誘起電圧の印加に伴い回生電流が流れるおそれがあるため、第１インバータ８０の通電経路に回生電流遮断用のスイッチを設けることが考えられる。しかしながら、第１インバータ８０の通電経路に回生電流遮断用のスイッチを設けることで、第１インバータ８０による駆動時に導通経路上の直列素子数が増え、導通損失の増加が生じる。

この点、第１インバータ８０の上アームスイッチ８１を、双方向での導通及び遮断の機能を有するものとしたため、第１インバータ８０において、上下アームの各スイッチ以外に回生電流遮断用のスイッチを設けることが不要となる。そのため、第１インバータ８０による駆動時において導通経路上の直列素子数の増加による導通損失の増加を抑制しつつ、適正な通電制御を実施することができる。

なお、制御装置７０が、両インバータ８０，９０による各多相巻線３３Ａ，３３Ｂの通電を同時に実施してもよい。この場合、各多相巻線３３Ａ，３３Ｂにおいて同相の巻線部が同時通電されることにより、回転電機１０の高トルク運転が可能となる。

（他の実施形態）
上記実施形態を例えば次のように変更してもよい。

・図１３に示す第１インバータ８０において、上アームスイッチ８１として逆阻止型ＩＧＢＴからなる双方向スイッチを設け、かつ下アームスイッチ８２として還流ダイオード付きＩＧＢＴを設ける構成に代えて、上アームスイッチ８１として還流ダイオード付きＩＧＢＴを設け、かつ下アームスイッチ８２として逆阻止型ＩＧＢＴからなる双方向スイッチを設ける構成としてもよい。又は、上アームスイッチ８１及び下アームスイッチ８２として逆阻止型ＩＧＢＴからなる双方向スイッチを設ける構成としてもよい。

・上記各実施形態では、上下アームの各スイッチにおいて半導体スイッチング素子としてＩＧＢＴを用いる構成としたが、これを変更してもよい。例えば、半導体スイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴを用いてもよい。この場合、基本的には、上下アームの各スイッチとして還流ダイオード付きＭＯＳＦＥＴを用いる。また、双方向スイッチを用いる箇所においては、ワイドギャップ半導体で構成されたＭＯＳＦＥＴを逆向きに直列接続して、双方向での導通及び遮断の機能を付与したものを用いるとよい。ワイドギャップ半導体で構成されたＭＯＳＦＥＴとして、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）系材料や、ＧａＮ（窒化ガリウム）系材料などによって構成されたワイドギャップ半導体素子を使用することが好ましい。ワイドギャップ半導体素子を用いることにより、オン抵抗の低減を図ることができる。そのため、上下アームの各スイッチ以外に回生電流遮断用のスイッチを設ける構成に比べて、第１インバータによる駆動時において導通経路上の経路抵抗の増加による導通損失の増加を抑制しつつ、適正な通電制御を実施することができる。

・回転電機１０は、３相交流モータに限られず、例えば５相交流モータであってもよい。

・回転電機１０は、磁石ロータ構造以外であってもよく、例えば誘導ロータ構造のものであってもよい。また、インナロータ構造に代えて、アウタロータ構造であってもよい。

１０…回転電機、４１〜４３…巻線群、５０…第１インバータ、５１…上アームスイッチ、５２…下アームスイッチ、６０…第２インバータ、６１…上アームスイッチ、６２…下アームスイッチ、７０…制御装置（通電制御部）。

Claims (6)

1. 相ごとに、複数の巻線部が直列に接続された巻線群（４１〜４３）を有し、前記各巻線群の一端が中性点（Ｎ１）にて互いに接続されている多相の回転電機（１０）に適用され、その回転電機を駆動する駆動装置であって、
   前記各巻線群において前記中性点とは反対側の巻線端部である始点端子に接続され、相ごとに上アームスイッチ（５１）及び下アームスイッチ（５２）を有する第１インバータ（５０）と、
   前記各巻線群において前記巻線部同士の間に位置する中間端子に接続され、相ごとに上アームスイッチ（６１）及び下アームスイッチ（６２）を有する第２インバータ（６０）と、
   前記第１インバータによる前記巻線群の通電と、前記第２インバータによる前記巻線群の通電とを選択的に実施する通電制御部（７０）と、
   を備え、
   前記第１インバータにおける前記上アームスイッチ及び前記下アームスイッチが、双方向での導通及び遮断の機能を有する回転電機の駆動装置。
2. 前記第１インバータにおける前記上アームスイッチ及び前記下アームスイッチは、互いに逆向きで並列接続された一対のＩＧＢＴ（５１ａ，５１ｂ）を有する双方向スイッチである請求項１に記載の回転電機の駆動装置。
3. 前記第１インバータによる前記巻線群の通電時に、前記一対のＩＧＢＴのうち一方のＩＧＢＴをスイッチング動作させ、他方のＩＧＢＴを閉状態のままとする請求項２に記載の回転電機の駆動装置。
4. 前記第１インバータにおける前記上アームスイッチ及び前記下アームスイッチとして前記双方向スイッチを設け、
   前記第２インバータにおける前記上アームスイッチ及び前記下アームスイッチとして還流ダイオード付きの半導体スイッチング素子を設けた請求項２又は３に記載の回転電機の駆動装置。
5. 前記巻線群は、３以上の前記巻線部が直列接続されており、
   前記各巻線群における２以上の前記中間端子に接続された前記第２インバータのうち、前記始点端子に近い側の前記中間端子に接続された前記第２インバータ（６０Ａ）では、前記上アームスイッチ及び前記下アームスイッチが、双方向での導通及び遮断の機能を有する請求項１〜４のいずれか１項に記載の回転電機の駆動装置。
6. 各相の巻線部の一端が中性点にて共通に接続された第１多相巻線（３３Ａ）及び第２多相巻線（３３Ｂ）を備えた回転電機（１０）に適用され、
   相ごとに上アームスイッチ（８１）及び下アームスイッチ（８２）を有し、前記第１多相巻線の他端に接続された第１インバータ（８０）と、
   相ごとに上アームスイッチ（９１）及び下アームスイッチ（９２）を有し、前記第２多相巻線の他端に接続された第２インバータ（９０）と、
   前記第１インバータによる前記第１多相巻線の通電と、前記第２インバータによる前記第２多相巻線の通電とを選択的に実施する通電制御部（７０）と、
   を備え、
   前記第１多相巻線は、前記第２多相巻線よりもターン数が多い巻線であり、
   前記第１インバータにおける前記上アームスイッチ及び前記下アームスイッチの少なくともいずれかが、双方向での導通及び遮断の機能を有する回転電機の駆動装置。

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