JP7304786B2 - 回転機駆動システム及び車両 - Google Patents

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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、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車両である。
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. 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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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009278841A (ja) 2008-05-19 2009-11-26 Toyota Industries Corp 可動電機
JP2019154163A (ja) 2018-03-02 2019-09-12 株式会社日立製作所 回転機駆動システム

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6143831A (ja) 1985-08-09 1986-03-03 Nec Corp 論理信号入力回路
EP2782225A1 (de) * 2013-03-19 2014-09-24 Siemens Aktiengesellschaft Sternpunkt eines Generators
US10074497B2 (en) * 2014-11-06 2018-09-11 Rockwell Automation Technologies, Inc. Operator coil parameter based electromagnetic switching
JP6428551B2 (ja) 2015-09-30 2018-11-28 マツダ株式会社 巻線切替装置および電動機用駆動装置
JP2020521418A (ja) * 2017-05-23 2020-07-16 ディーピーエム テクノロジーズ インク. 可変コイル結線システム
JP6689465B2 (ja) * 2017-07-31 2020-04-28 三菱電機株式会社 電動機駆動装置及び冷凍サイクル適用機器
JP7278823B2 (ja) * 2019-03-25 2023-05-22 株式会社日立製作所 回転電機の巻線切替装置、回転電機駆動システム、並びに電動機器
JP7284671B2 (ja) * 2019-09-12 2023-05-31 日立Astemo株式会社 巻線切替装置、並びにそれを用いる回転電機駆動システム

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009278841A (ja) 2008-05-19 2009-11-26 Toyota Industries Corp 可動電機
JP2019154163A (ja) 2018-03-02 2019-09-12 株式会社日立製作所 回転機駆動システム

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