JP7048469B2 - 回転機駆動システムおよび車両 - Google Patents

Description

本発明は、巻線切替装置を用いた回転機駆動システムおよび車両に関するものである。

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。機器の省エネルギー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とも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。

また回転機は、低速回転域において高インダクタンスとし、高速回転域において低インダクタンスとすることができれば、より幅広い回転範囲で駆動可能になることが知られているが、高速回転域において高インダクタンスであると、回転機の回転範囲が制限を受けるという問題がある。

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。特許文献１では、接続状態を自在に切り替えるために、専用の駆動装置を用いて巻線端子の接点を移動させる切替装置が開示されている。

特開２０１７－０７０１１２号公報

自動車や鉄道車両等に搭載される回転機は、大電流を流して高出力密度化することで小型化・軽量化を実現している。このような用途に巻線切替を適用する場合、巻線切替装置の追加分だけ、回転機全体のサイズが大きくなるほか、従来技術では巻線切替装置の構成が複雑なため大幅なコストアップとなる。したがって、巻線切替装置の小型化、低コスト化が課題となっていた。

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。このほか、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ため、上記の課題を解決することはできない。

本発明の目的は、簡素な構成の短絡導体を用いて、回転機駆動システムにおいて巻線切替装置を小型化することである。

上記目的を達成するために、本発明では、複数の巻線を有する回転機と、直流電源からの直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と前記インバータ回路による電力変換を制御する制御装置を含み、前記回転機を可変速運転するインバータ装置と、前記制御装置からの指令により前記複数の巻線の接続を切り替える巻線切替装置と、を備える回転機駆動システムにおいて、前記制御装置は、加減速により前記回転機の回転が低速回転域と高速回転域との間を遷移する際、前記巻線切替装置に前記巻線の接続切替を指令し、前記回転機の一相あたり少なくとも１組の巻線の始端と終端は、接続自由な状態で引き出され、前記巻線切替装置は、１台のアクチュエータで駆動される可動部を少なくとも１つ備え、前記可動部は、前記始端のうち少なくとも２つを短絡する第１短絡部と、前記終端のうち少なくとも２つを短絡する第２短絡部と、前記始端のうち少なくとも１つと前記終端のうち少なくとも１つを短絡する第３短絡部とを備え、前記第１短絡部、前記第２短絡部、および前記第３短絡部は、直方体または円柱状または円筒状の導体で構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、簡素な構成の短絡導体を用いて、回転機駆動システムにおいて巻線切替装置を小型化、低コスト化できる。

本発明の第１の実施例における回転機駆動システムの全体構成を表すブロック図。 本発明の第１の実施例における巻線切替装置の説明図。 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カーブおよび電流波形を表す図。 本発明の第１の実施例における１Ｙ／２Ｙ切替装置の説明図。 本発明の第１の実施例の変形例における１Ｙ／３Ｙ切替装置の説明図。 本発明の第２の実施例における１Ｙ／２Ｙ切替装置の説明図。 本発明の第３の実施例における１Ｙ／２Ｙ／４Ｙ切替装置の説明図。 本発明の第３の実施例の変形例における１Ｙ／４Ｙ／８Ｙ切替装置の説明図。 本発明の第３の実施例の変形例における１Ｙ／４Ｙ／８Ｙ切替装置の説明図。 本発明の第３の実施例の変形例における１Ｙ／４Ｙ／８Ｙ切替装置の説明図。 本発明の第４の実施例におけるＹ／Δ切替装置の説明図。 本発明の第５の実施例における鉄道車両に用いた回転機駆動システムの構成図。

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。以下の説明では、同一の構成要素には同一の記号を付してある。それらの名称および機能は同じであり、重複説明は避ける。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や、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、回転機は誘導機でもよいし永久磁石同期機でもよいし巻線型同期機でもよいし、シンクロナスリラクタンス回転機でもよい。また、固定子の巻線方式は集中巻でもよいし分布巻でもよい。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）でもよいし、その他の電力用半導体素子でもよい。

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５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、本発明の第１の実施例における回転機駆動システムの全体構成を表すブロック図である。図２は、本発明の第１の実施例における巻線切替装置の説明図である。図３は、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カーブと電流波形を表す図である。図４は、本発明の第１の実施例における１Ｙ／２Ｙ切替装置の説明図である。図５は、本発明の第１の実施例の変形例における１Ｙ／３Ｙ切替装置の説明図である。

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。ただし、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１４１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１４１のＩＧＢＴへのゲート信号を発生するゲート・ドライバ１４２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、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２を用いて切替装置の構成を説明するとともに、図３から図４を用いて、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が実現できる原理について説明する。

図２（ａ）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２（ａ）のＵ相巻線１５０ｕの始端Ｕ１と始端Ｕ２、終端Ｕ３と終端Ｕ４をそれぞれ短絡線１３０ｕ１、１３０ｕ２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２（ａ）のＵ相巻線１５０ｕ１の終端Ｕ３とＵ相巻線１５０ｕ２の始端Ｕ２を短絡線１３０ｕ３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。

図２（ａ）に示すように、並列接続（３相で見ると２Ｙ結線）の合成インダクタンスがＬ／２であるのに対して直列接続（３相で見ると１Ｙ結線）の合成インダクタンスが２Ｌであり、インダクタンスが４倍となる。したがって、直列接続とすることで、インバータ装置１０１から回転機１０３へ供給される電流の高調波成分は大幅に低減される。

従来回転機では回転範囲を拡大するためにインダクタンスが小さくなるように設計されるため、電流の高調波成分が大きくなり、図３（ａ）に示すように特に回転数Ｎについての低速回転域において効率が低くなる課題があった。この要因の一つとして、従来回転機では回転範囲を拡大するためにインダクタンスが小さくなるように設計されていることが挙げられる。インダクタンスが小さい従来回転機においては、電気角を横軸とし電流を縦軸とする図３（ｂ）のグラフで示すように、回転機に供給される略正弦波状の電流波形に対して、インバータ装置のスイッチング周波数に応じた高調波成分が重畳される。このため、回転機のコアに発生する鉄損の高調波成分や、固定子巻線の表皮効果および近接効果によって発生する交流銅損などが大きくなり、結果として回転機の効率低下を招く。

これに対して、回転機を設計段階で高インダクタンス化することで、図３（ｂ）のグラフで示すように、電流値そのものを低減できるととも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、図３（ａ）に示すように、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ほか、高速回転域まで駆動できず回転子が脱調してしまう問題がある。

このような問題に対して、巻線切替装置１２０を用いて低速回転域では直列接続（３相で見ると１Ｙ結線）とし、高速回転域では並列接続（３相で見ると２Ｙ結線）とすることで、要求される幅広い回転範囲での駆動を可能としつつ、幅広い回転範囲で効率カーブを向上でき、回転機１０３の電力損失を低減することが可能となる。また、低速回転域においては直列接続により回転機１０３が高インダクタンス化されるので、インバータ装置１０１から供給する電流値そのものを低減でき、インバータ装置１０１の電力損失を大幅に低減することが可能となる。

ただし、従来技術においては、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。この構成では、図２（ａ）に示すように短絡配線が複雑に交差してしまうため製作が困難である。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作業が複雑となるため大幅なコストアップを招く問題がある。

これらの課題は、図４に示すような切替接点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、低コスト化が実現できる原理について以下に詳しく説明する。

図４は、本発明の第１の実施例における１Ｙ／２Ｙ切替装置の説明図である。以下では、図４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、本発明の第１の実施例における切替接点の構成を説明する。

図４が従来構成（図２）と異なる点は、短絡部１３０ｕ１、１３０ｕ２、１３０ｕ３がいずれも簡素な直方体の導体で構成されている点である。この構成を実現するための方法について図４（ａ）（ｂ）の右側図を用いて以下に説明する。図４（ａ）（ｂ）の右側図では各端子Ｕ１～Ｕ４と可動部１４０、短絡部１３０の関係にスコープするため、巻線１５０ｕの図示は割愛した。本実施例では、一相あたり２組の巻線それぞれの始端Ｕ１、Ｕ２と、終端Ｕ３、Ｕ４は、接続自由な状態で引き出され、巻線切替装置１２０は、１台のアクチュエータで駆動される可動部１４０を少なくとも１つ備え、可動部１４０は、始端Ｕ１、Ｕ２を短絡する第１短絡部１３０ｕ１と、終端Ｕ３、Ｕ４を短絡する第２短絡部１３０ｕ２と、始端Ｕ２と終端Ｕ３を短絡する第３短絡部１３０ｕ３とを備え、始端Ｕ２と終端Ｕ４との距離は、当該始端Ｕ２と始端Ｕ１との距離および当該始端Ｕ２と終端Ｕ３との距離よりも大きくなるように設けられる。可動部１４０は、樹脂等の絶縁性を有する素材の基板やブロックで構成される。

短絡部１３０ｕ１、１３０ｕ２、１３０ｕ３は直方体または円柱状または円筒状の導体で構成されている。短絡部１３０ｕ１、１３０ｕ２、１３０ｕ３は、可動部１４０に機械的に固定されている、あるいは接着剤により固定されているが、これらの固定方法に限られるものではない。また短絡部１３０ｕ１、１３０ｕ２、１３０ｕ３と接触する始端Ｕ１、Ｕ２および終端Ｕ３、Ｕ４の接触面は、十分な接触面積が確保されるように、短絡部１３０ｕ１、１３０ｕ２、１３０ｕ３の外周面に応じた形状となっているが、接触面積が十分に確保されていれば、この形状に限られるものではない。

このような構成とすることで、大電流に対応する場合においても可動部１４０を極めてコンパクトにできるので、巻線切替装置の小型化が実現できる。また、可動部１４０は簡素な直方体の導体を埋め込むだけで構成できるので、極めて低コストに製作することが可能となる。

可動部１４０は複数の短絡部１３０の絶縁が確保できるのであればどのような材質でもよい。短絡部１３０と可動部１４０とはプリント基板を用いて一体で構成してもよい。始端Ｕ１、Ｕ２、終端Ｕ３、Ｕ４は互いに絶縁が確保できるのであればどのように保持してもよく、巻線切替装置１２０を小型化する点では、端子のうち少なくとも２つは絶縁物で機械的に連結されて互いに固定されていることが望ましいが、機械的固定に限られるものではない。

また、図４では、短絡部１３０ｕ１と１３０ｕ２のセットに対して、短絡部１３０ｕ３をＸ軸方向に配置し、可動部１４０をＸ軸方向に移動する構成としているが、本発明の効果はこの配置に限定されるものではない。例えば、短絡部１３０ｕ１と１３０ｕ２のセットに対して、短絡部１３０ｕ３をＹ軸方向に配置し、可動部１４０をＹ軸方向に移動する構成としても、同様の効果が得られる。

また、図４では、始端Ｕ１、Ｕ２のセットに対して、終端Ｕ３、Ｕ４のセットはＺ軸方向に対向するように配置しているが、始端Ｕ１、Ｕ２のセットを、終端Ｕ３、Ｕ４のセットと全く同一構成として、かつ同一ＸＹ平面上に並ぶように、終端Ｕ３、Ｕ４のセットに対してＹ軸方向に配置にしてもよい。

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、低コスト化が実現できる原理について説明した。

（第１の実施例の変形例）
続いて、本発明を１Ｙ／３Ｙ切替装置に拡張した場合の説明図を図５に示す。図５が図４と異なる点は、Ｕ相巻線１５０ｕが３つの巻線１５０ｕ１、１５０ｕ２、１５０ｕ３で構成され、それぞれの巻線の始端（端子）Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３と終端（端子）Ｕ４、Ｕ５、Ｕ６が接続自由な状態で引き出されている点である。可動部１４０は、始端Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３を短絡する第１短絡部１３０ｕ１と、終端Ｕ４、Ｕ５、Ｕ６を短絡する第２短絡部１３０ｕ２と、始端Ｕ２と終端Ｕ４を短絡する第３短絡部１３０ｕ３と、始端Ｕ３と終端Ｕ５を短絡する第４短絡部１３０ｕ４とを備え、始端Ｕ３と終端Ｕ６との距離は、当該始端Ｕ３と始端Ｕ１との距離および当該始端Ｕ３と終端Ｕ４との距離よりも大きくなるように設けられる。

このような構成とすることで、１Ｙ／３Ｙの切替装置においても可動部１４０を極めてコンパクトにできるので、巻線切替装置の小型化が実現できる。また、可動部１４０は簡素な直方体の導体を埋め込むだけで構成できるので、極めて低コストに製作することが可能となる。

以上の第１の実施例で述べた構成を１Ｙ／ｎＹ（ｎは２以上の整数）の切替装置に一般化した場合の構成は次のようになる。すなわち、一相あたりｎ組の巻線それぞれの始端Ｕ１、Ｕ２、…、Ｕｎと、このｎ組の巻線それぞれの終端Ｕｎ＋１、Ｕｎ＋２、…、Ｕ２ｎとは、接続自由な状態で引き出され、可動部１４０は、始端Ｕ１、Ｕ２、…、Ｕｎを短絡する第１短絡部と、終端Ｕｎ＋１、Ｕｎ＋２、…、Ｕ２ｎを短絡する第２短絡部と、始端Ｕｍと終端Ｕｎ＋ｍ－１を短絡する第ｍ＋１短絡部（ｍは２以上ｎ以下の全ての整数）とを備え、始端Ｕｎと終端Ｕ２ｎとの距離は、当該始端Ｕｎと始端Ｕ１との距離および当該始端Ｕｎと終端Ｕｎ＋１との距離よりも大きくなるように構成される。

巻線切替装置１２０を用いて、回転機１０３の回転数が第１の所定値未満の低速回転域では直列接続（３相で見ると１Ｙ結線）とし、回転機１０３の回転数が第１の所定値以上の高速回転域では並列接続（３相で見るとｎＹ結線）とすることで、上述した１Ｙ／２Ｙ切替装置および１Ｙ／３Ｙ切替装置と同様の効果を得ることができる。

図６を用いて本発明の第２の実施例について説明する。図６は、本発明の第２の実施例における１Ｙ／２Ｙ切替装置の説明図である。

図４との違いは、可動部１４０では、短絡部１３０ｕ１が始端Ｕ２と終端Ｕ３を短絡する第３短絡部を兼ねている点である。このような構成とすることで、第３短絡部１３０ｕ３が不要となるので、部品コストを低減することができるほか、部品点数が減るので組み付け作業を簡素化できるので、さらに低コストに製作することが可能となる。

なお、短絡部１３０ｕ２が始端Ｕ２と終端Ｕ３を短絡する第３短絡部を兼ねてもよい。

図７を用いて本発明の第３の実施例について説明する。図７は本発明の第３の実施例における１Ｙ／２Ｙ／４Ｙ切替装置の説明図である。第３の実施例における１Ｙ／２Ｙ／４Ｙ切替装置は、第１の実施例の１Ｙ／２Ｙ切替装置の拡張である。

図７が図４と異なる点は、Ｕ相巻線１５０ｕが４つの巻線１５０ｕ１、１５０ｕ２、１５０ｕ３、１５０ｕ４で構成され、それぞれの巻線の始端（端子）Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３、Ｕ４と終端（端子）Ｕ５、Ｕ６、Ｕ７、Ｕ８が接続自由な状態で引き出されている点と、接続状態を１Ｙ、２Ｙ、４Ｙの３段階に切り替える点である。可動部１４０は、始端Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３、Ｕ４を短絡する第１短絡部１３０ｕ１と、終端Ｕ５、Ｕ６、Ｕ７、Ｕ８を短絡する第２短絡部１３０ｕ２と、始端Ｕ３、Ｕ４と終端Ｕ５、Ｕ６を短絡する第３短絡部１３０ｕ３と、始端Ｕ２と終端Ｕ７を短絡する第４短絡部１３０ｕ４と、始端Ｕ３と終端Ｕ５を短絡する第５短絡部１３０ｕ５と、始端Ｕ４と終端Ｕ６を短絡する第６短絡部１３０ｕ６と、を備え、始端Ｕ４と終端Ｕ８との距離は、当該始端Ｕ４と始端Ｕ１との距離および当該始端Ｕ４と終端Ｕ５との距離よりも大きくなるように設けられる。

このような構成とすることで、並列接続数が多い場合においても可動部１４０を極めてコンパクトにできるので、巻線切替装置の小型化が実現できる。また、可動部１４０は簡素な直方体の導体を埋め込むだけで構成できるので、極めて低コストに製作することが可能となる。

（第３の実施例の変形例）
図８Ａ～図８Ｃを用いて本発明の第３の実施例の変形例について説明する。図８Ａ～図８Ｃは、本発明の第３の実施例の変形例における１Ｙ／４Ｙ／８Ｙ切替装置の説明図である。図８Ａ～図８Ｃでは、Ｕ相巻線１５０ｕが８つの巻線（１５０ｕ１～１５０ｕ８）で構成される場合を示しており、図７と同様に可動部１４０および短絡部１３０を構成することで、１Ｙ、４Ｙ、８Ｙの３段階に切り替えることができる。

可動部１４０は、始端Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３、Ｕ４、Ｕ５、Ｕ６、Ｕ７、Ｕ８を短絡する第１短絡部１３０ｕ１と、終端Ｕ９、Ｕ１０、Ｕ１１、Ｕ１２、Ｕ１３、Ｕ１４、Ｕ１５、Ｕ１６を短絡する第２短絡部１３０ｕ２と、始端Ｕ５、Ｕ６、Ｕ７、Ｕ８と終端Ｕ９、Ｕ１０、Ｕ１１、Ｕ１２を短絡する第３短絡部１３０ｕ３と、始端Ｕ２と終端Ｕ１３を短絡する第４短絡部１３０ｕ４と、始端Ｕ３と終端Ｕ１４を短絡する第５短絡部１３０ｕ５と、始端Ｕ４と終端Ｕ１５を短絡する第６短絡部１３０ｕ６と、始端Ｕ５と終端Ｕ９を短絡する第７短絡部１３０ｕ７と、始端Ｕ６と終端Ｕ１０を短絡する第８短絡部１３０ｕ８と、始端Ｕ７と終端Ｕ１１を短絡する第９短絡部１３０ｕ９と、始端Ｕ８と終端Ｕ１２を短絡する第１０短絡部１３０ｕ１０と、を備え、始端Ｕ８と終端Ｕ１６との距離は、当該始端Ｕ８と始端Ｕ１との距離および当該始端Ｕ８と終端Ｕ９との距離よりも大きくなるように設けられる。

なお図８Ｂに示すように、本変形例において、第３短絡部１３０ｕ３が始端Ｕ５、Ｕ６、Ｕ７、Ｕ８と終端Ｕ９、Ｕ１０、Ｕ１１、Ｕ１２を短絡するときには、第１短絡部１３０ｕ１は始端Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３、Ｕ４を短絡し、第２短絡部１３０ｕ２は終端Ｕ１３、Ｕ１４、Ｕ１５、Ｕ１６を短絡する。

以上の第３の実施例で述べた構成を１Ｙ／ｋＹ／ｎＹ（ｎは４以上の偶数、ｋ＝ｎ／２）の切替装置に一般化した場合の構成は次のようになる。すなわち、一相あたりｎ組の巻線それぞれの始端Ｕ１、Ｕ２、…、Ｕｎと、このｎ組の巻線それぞれの終端Ｕｎ＋１、Ｕｎ＋２、…、Ｕ２ｎとは、接続自由な状態で引き出され、可動部１４０は、始端Ｕ１、Ｕ２、…、Ｕｎを短絡する第１短絡部と、終端Ｕｎ＋１、Ｕｎ＋２、…、Ｕ２ｎを短絡する第２短絡部と、始端Ｕｋ＋１、Ｕｋ＋２、…、Ｕｎと終端Ｕｎ＋１、Ｕｎ＋２、…、Ｕ２ｎ－ｋを短絡する第３短絡部と、始端Ｕｍと終端Ｕｎ＋ｋ＋ｍ－１を短絡する第ｍ＋２短絡部（ｍは２以上ｋ以下の全ての整数）と、始端Ｕｊと終端Ｕｋ＋ｊを短絡する第ｊ＋２短絡部（ｊはｋ＋１以上ｎ以下の全ての整数）とを備え、始端Ｕｎと終端Ｕ２ｎとの距離は、当該始端Ｕｎと始端Ｕ１との距離および当該始端Ｕｎと終端Ｕｎ＋１との距離よりも大きくなるように構成される。

ここで巻線切替装置１２０を用いて、回転機１０３の回転数が第２の所定値未満の低速回転域では直列接続（３相で見ると１Ｙ結線）とし、回転機１０３の回転数が第２の所定値以上かつ第１の所定値未満の中速回転域ではｋＹ結線とし、回転機１０３の回転数が第１の所定値以上の高速回転域では並列接続（３相で見るとｎＹ結線）とする。このように、回転機１０３の特性に基づく回転数に応じて結線をきめ細かく切り替えることで、低速回転域において、回転機１０３の効率カーブの向上、電力損失の低減、高インダクタンス化によるインバータ装置１０１から供給する電流値の低減、インバータ装置１０１の電力損失の大幅に低減をさらに図ることができる。

なお、本一般化例において、第３短絡部１３０ｕ３が始端Ｕｋ＋１、Ｕｋ＋２、…、Ｕｎと終端Ｕｎ＋１、Ｕｎ＋２、…、Ｕ２ｎ－ｋを短絡するときには、第１短絡部１３０ｕ１は始端Ｕ１、Ｕ２、…、Ｕｋを短絡し、第２短絡部１３０ｕ２は終端Ｕ２ｎ－ｋ＋１、Ｕ２ｎ－ｋ＋２、…、Ｕ２ｎを短絡する。

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は本発明の第４の実施例におけるＹ／Δ切替装置の説明図である。

Δ結線は、Ｙ結線と比較して、Ｕ相の巻線１５０ｕ、Ｖ相の巻線１５０ｖ、Ｗ相の巻線１５０ｗに加わる電圧（各相の相電圧）が√（３）倍となることから、より高回転領域での回転機の回転を可能とする。

図９では、各相の巻線それぞれの始端Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１と、各相の巻線それぞれの終端Ｕ３、Ｖ３、Ｗ３とが、接続自由な状態で引き出され、可動部１４０は終端Ｕ３、Ｖ３、Ｗ３を短絡する第１短絡部と、始端Ｕ１と終端Ｗ３を短絡する第２短絡部と、始端Ｖ１と終端Ｕ３を短絡する第３短絡部と、始端Ｗ１と終端Ｖ３を短絡する第４短絡部とを備え、始端Ｗ１と終端Ｗ３との距離は、当該始端Ｗ１と始端Ｕ１との距離および当該始端Ｗ１と終端Ｕ３との距離よりも大きくなるように設けられる。

このような構成とすることで、例えば、始動時に回転機の巻線をＹ結線とし、一定時間経過後もしくは所定回転数到達後にΔ結線に切り替えるように、Ｙ結線とΔ結線という異なる結線方式に切り替える場合においても可動部１４０を極めてコンパクトにできるので、巻線切替装置の小型化が実現できる。また、可動部１４０は簡素な直方体の導体を埋め込むだけで構成できるので、極めて低コストに製作することが可能となる。

図１０を用いて本発明の第５の実施例について説明する。図１０は、本発明の第５の実施例における鉄道車両に用いた回転機駆動システムの構成図である。

鉄道車両５００の駆動装置は、架線２から集電装置５を介して電力が供給され、電力変換装置１を経由して交流電力が回転機１０３に供給されることで回転機１０３を駆動する。回転機１０３は鉄道車両５００の車軸４と連結されており、回転機１０３により鉄道車両の走行が制御される。電気的なグランドはレール３を介して接続されている。ここで、架線２の電圧は直流および交流のどちらでもよい。

本実施例によれば、第１から第４の実施例の回転機駆動システムを鉄道車両システムに搭載することで、鉄道車両の回転機駆動システムを高効率に運転することが可能となる。また、同様の効果は、自動車や建機などの車両においても得ることができる。

本実施例において鉄道や自動車、建機などの車両が備える回転機駆動システムは、１つのインバータ装置１０１と１つの回転機１０３とを組合せて駆動される１Ｃ１Ｍの構成である。あるいは鉄道や自動車、建機などの車両が備える回転機駆動システムは、１つのインバータ装置１０１と少なくとも２つの回転機１０３とを組合せて駆動される１ＣｉＭ（ｉ＝２、３、４、…）の構成である。そして、本実施例において鉄道や自動車、建機などの車両が備える回転機駆動システムは、少なくとも２群以上のインバータ装置１０１と回転機１０３との組合せで構成される場合もある。

本発明は、上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限り、本発明の技術思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。例えば、上述の実施例で例示した構成および処理は、実装形態や処理効率に応じて適宜統合または分離させてもよい。また、例えば、上述の実施例および変形例は、矛盾しない範囲で、その一部または全部を組合せてもよい。

１：電力変換装置
２：架線
３：レール
４：車軸
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、１０５ｂ：制御装置
１０６：相電流検出回路
１０８：インバータ制御部
１１０：巻線切替指令部
１２０：巻線切替装置
１３０：短絡部
１４０：可動部
１４１：インバータ主回路
１４２：ゲート・ドライバ
１５０：巻線
１５１：中性点
５００：鉄道車両

Claims (9)

1. 複数の巻線を有する回転機と、
   直流電源からの直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と前記インバータ回路による電力変換を制御する制御装置を含み、前記回転機を可変速運転するインバータ装置と、
   前記制御装置からの指令により前記複数の巻線の接続を切り替える巻線切替装置と、
   を備える回転機駆動システムにおいて、
   前記制御装置は、加減速により前記回転機の回転が低速回転域と高速回転域との間を遷移する際、前記巻線切替装置に前記巻線の接続切替を指令し、
   前記回転機の一相あたり少なくとも１組の巻線の始端と終端は、接続自由な状態で引き出され、
   前記巻線切替装置は、１台のアクチュエータで駆動される可動部を少なくとも１つ備え、
   前記可動部は、前記始端のうち少なくとも２つを短絡する第１短絡部と、前記終端のうち少なくとも２つを短絡する第２短絡部と、前記始端のうち少なくとも１つと前記終端のうち少なくとも１つを短絡する第３短絡部とを備え、
   前記第１短絡部、前記第２短絡部、および前記第３短絡部は、直方体または円柱状または円筒状の導体で構成されていることを特徴とする回転機駆動システム。
2. 一相あたりｎ組（ｎは２以上の整数）の巻線で構成され、
   前記ｎ組の巻線それぞれの始端Ｕ１、Ｕ２、…、Ｕｎと、前記ｎ組の巻線それぞれの終端Ｕｎ＋１、Ｕｎ＋２、…、Ｕ２ｎとは、接続自由な状態で引き出され、
   前記巻線切替装置は、１台のアクチュエータで駆動される可動部を少なくとも１つ備え、
   前記可動部は、
   前記始端Ｕ１、Ｕ２、…、Ｕｎを短絡する第１短絡部と、
   前記終端Ｕｎ＋１、Ｕｎ＋２、…、Ｕ２ｎを短絡する第２短絡部と、
   前記始端Ｕｍと前記終端Ｕｎ＋ｍ－１を短絡する第ｍ＋１短絡部（ｍは２以上ｎ以下の全ての整数）と、を備え、
   前記始端Ｕｎと前記終端Ｕ２ｎとの距離は、当該始端Ｕｎと前記始端Ｕ１との距離および当該始端Ｕｎと前記終端Ｕｎ＋１との距離よりも大きくなるように設けられる
   ことを特徴とする請求項１記載の回転機駆動システム。
3. 一相あたり２組の巻線で構成され、
   前記２組の巻線それぞれの始端Ｕ１、Ｕ２と、前記２組の巻線それぞれの終端Ｕ３、Ｕ４とは、接続自由な状態で引き出され、
   前記巻線切替装置は、１台のアクチュエータで駆動される可動部を少なくとも１つ備え、
   前記可動部は、
   前記始端Ｕ１、Ｕ２を短絡する第１短絡部と、
   前記終端Ｕ３、Ｕ４を短絡する第２短絡部と、を備え、
   前記第１短絡部または前記第２短絡部のいずれかは、前記始端Ｕ２と前記終端Ｕ３を短絡する短絡部を兼ね、
   前記始端Ｕ２と前記終端Ｕ４との距離は、当該始端Ｕ２と前記始端Ｕ１との距離および当該始端Ｕ２と前記終端Ｕ３との距離よりも大きくなるように設けられる
   ことを特徴とする請求項１記載の回転機駆動システム。
4. 一相あたりｎ組（ｎは４以上の偶数）の巻線で構成され、
   前記ｎ組の巻線それぞれの始端Ｕ１、Ｕ２、…、Ｕｎと、前記ｎ組の巻線それぞれの終端Ｕｎ＋１、Ｕｎ＋２、…、Ｕ２ｎとは、接続自由な状態で引き出され、
   前記巻線切替装置は、１台のアクチュエータで駆動される可動部を少なくとも１つ備え、
   前記可動部は、
   前記始端Ｕ１、Ｕ２、…、Ｕｎを短絡する第１短絡部と、
   前記終端Ｕｎ＋１、Ｕｎ＋２、…、Ｕ２ｎを短絡する第２短絡部と、
   前記始端Ｕｋ＋１、Ｕｋ＋２、…、Ｕｎと前記終端Ｕｎ＋１、Ｕｎ＋２、…、Ｕ２ｎ－ｋを短絡する第３短絡部（ｋ＝ｎ／２）と、
   前記始端Ｕｍと前記終端Ｕｎ＋ｋ＋ｍ－１を短絡する第ｍ＋２短絡部（ｍは２以上ｋ以下の全ての整数）と、
   前記始端Ｕｊと前記終端Ｕｋ＋ｊを短絡する第ｊ＋２短絡部（ｊはｋ＋１以上ｎ以下の全ての整数）と、を備え、
   前記始端Ｕｎと前記終端Ｕ２ｎとの距離は、当該始端Ｕｎと前記始端Ｕ１との距離および当該始端Ｕｎと前記終端Ｕｎ＋１との距離よりも大きくなるように設けられる
   ことを特徴とする請求項１記載の回転機駆動システム。
5. 各相の巻線それぞれの始端Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１と、各相の巻線それぞれの終端Ｕ３、Ｖ３、Ｗ３とは、接続自由な状態で引き出され、
   前記巻線切替装置は、１台のアクチュエータで駆動される可動部を少なくとも１つ備え、
   前記可動部は、
   前記終端Ｕ３、Ｖ３、Ｗ３を短絡する第１短絡部と、
   前記始端Ｕ１と前記終端Ｗ３を短絡する第２短絡部と、
   前記始端Ｖ１と前記終端Ｕ３を短絡する第３短絡部と、
   前記始端Ｗ１と前記終端Ｖ３を短絡する第４短絡部と、を備え、
   前記始端Ｗ１と前記終端Ｗ３との距離は、当該始端Ｗ１と前記始端Ｕ１との距離および当該始端Ｗ１と前記終端Ｕ３との距離よりも大きくなるように設けられる
   ことを特徴とする請求項１記載の回転機駆動システム。
6. １つの前記インバータ装置と１つの前記回転機とを組合せて駆動される１Ｃ１Ｍの構成であることを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の回転機駆動システム。
7. １つの前記インバータ装置と少なくとも２つの前記回転機とを組合せて駆動される１ＣｉＭ（ｉ=２、３、４、…）の構成であることを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の回転機駆動システム。
8. 少なくとも２群以上の前記インバータ装置と前記回転機との組合せで構成されることを特徴とする請求項６または７に記載の回転機駆動システム。
9. 請求項１～８のいずれか１項に記載の回転機駆動システムを備えた車両。

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