WO2009084354A1

WO2009084354A1 - ３相交流電動機の巻線切替装置

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Publication number: WO2009084354A1
Application number: PCT/JP2008/071660
Authority: WO
Inventors: Koji Higashikawa; Kenji Yamada; Katsutoshi Yamanaka
Original assignee: Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki
Priority date: 2007-12-27
Filing date: 2008-11-28
Publication date: 2009-07-09
Also published as: TW200941917A; CN101911473A; TWI383575B; US20100237815A1; US20120206083A1; JPWO2009084354A1; US8269450B2; US8183817B2; JP4662316B2; CN101911473B

Abstract

　モータ電流の切替えを速くし、正弦波電流の乱れを最小限に抑え、さらに誤配線や部品異常を検知し、異常運転や装置破壊を未然に防ぐことを可能とする、３相交流電動機の巻線切替装置を提供する。　巻線切替部（２（１１））において、インバータ（７）の直流正側母線（９）と直流負側母線（１０）との間に正側充電抵抗器（５（１４））と負側充電抵抗器（２１（２２））とコンデンサ（６（１５））を直列接続し、コンデンサ正側をダイオード部（３（１２））のカソードと接続し、コンデンサ電位をインバータ直流母線電圧値と同一にした状態で、高速巻線と低速巻線の切替を行う。また、状態検出器（２５（２７））と比較器（２６（２８））により誤配線や部品異常を検知する。

Description

３相交流電動機の巻線切替装置

　本発明は、３相交流電動機の巻線を切替えることによって、速度制御範囲を拡大する３相交流電動機の巻線切替装置に関するものであり、車両駆動、工作機械主軸駆動、サーボ装置を含む産業分野を対象とするものである。

　インバータで駆動される工作機械の主軸や車両の駆動装置において、低速領域で十分に大きいトルクを得るとともに、高速領域での運転を可能にするための手段として、巻線切替方法が採用されている。（例えば特許文献1参照）
　図５は、従来の３相交流電動機の巻線切替装置の一例を示す図である。従来の巻線切替装置について図５に基づいて説明する。
　３相交流電動機１１１は、各相巻線が中間タップ（ＴＵ２、ＴＶ２、ＴＷ２）と各相巻線の巻き始め端子と巻き終り端子がモータ外部に設けてあり、各相巻線の巻き始め端子（ＴＵ１、ＴＶ１、ＴＷ１）がインバータ１１７に、巻き終り端子（ＴＵ３、ＴＶ３、ＴＷ３）が巻線切替部１２１の全波整流部１２２に、中間タップが巻線切替部１１２の全波整流部１１３に、各々接続される。全波整流部１１３の出力は、半導体スイッチ１１４に接続されるとともに、抵抗器１１６とコンデンサ１１５から成るスナバ回路に接続される。ダイオード１１９、１２０はスナバ回路から半導体スイッチ１１４への逆流防止のために挿入される。半導体スイッチ１１４は、インバータ１１７の制御部からの信号を受けるドライブ回路１１８によってオン／オフされる。ここでは、巻線切替部１１２に関してのみ説明したが、巻線切替部１２１に関しても同様の原理で接続される。
　以上の構成で、３相交流電動機１１１の運転を行う。低速で十分に大きいトルクを得る場合は、中間タップ（ＴＵ２、ＴＶ２、ＴＷ２）が接続される巻線切替部１１２の半導体スイッチ１１４をオフとし、各相巻線の巻き終り端子（ＴＵ３、ＴＶ３、ＴＷ３）が接続される巻線切替部１２１の半導体スイッチ１２３をオンとする。これにより巻線数を増やすことができ、大きいトルクを発生させることができる。また、高速領域で運転する場合は、３相交流電動機巻線による逆起電力を抑えるために、中間タップ（ＴＵ２、ＴＶ２、ＴＷ２）が接続される巻線切替部１１２の半導体スイッチ１１４をオンとし、各相巻線の巻き終り端子（ＴＵ３、ＴＶ３、ＴＷ３）が接続される巻線切替部１２１の半導体スイッチ１２３をオフとする。
　このように、従来の巻線切替装置は、巻線切替部の全波整流部出力を半導体スイッチによってオン／オフし、３相交流電動機の巻線数を速度領域に応じて切替えることで、幅広い出力特性を得ているのである。
特開２００３－１１１４９２号公報（第６頁、図１）

　従来の巻線切替装置は、例えば、低速巻線から高速巻線に巻線を切替えた場合に、モータ巻線ＴＵ２‐ＴＵ３、ＴＶ２‐ＴＶ３、　ＴＷ２‐ＴＷ３に残っている電流が速やかにゼロにならないために、全波整流器１２２と半導体スイッチ１２３を介してモータ電流が流れ続ける。これにより本来、全波整流器１１３と半導体スイッチ１１４に流れる正弦波電流が乱れる。また、スナバ回路を構成する抵抗器１２５に電流が流れて正弦波電流が乱れる。
　このように、モータ巻線が励磁状態から非励磁状態に遷移する際に、モータ巻線インダクタンスに蓄えられたエネルギーを放出するために瞬時に電流が切替わらず、本来、正弦波であるべきモータ電流が乱れてしまうという問題があった。
　この問題は、例えば工作機械主軸駆動装置においては、出力トルクリップル、速度リップルを生じさせ、加工製品の品質に悪影響を与えてしまう。また、モータ電流の乱れにより、電流制御にも悪影響を与えていた。
　また、２つに分離された巻線切替部１１２、１２１が低速領域と高速領域の運転を別々に司るため、これらを制御する信号も低速巻線制御信号と高速巻線制御信号に分離されている。ところが、ユニット組立て時に低速側に高速側の制御信号、高速側に低速側の制御信号を誤って配線してしまった場合（通常は、このような誤配線をするものではないが）、低速領域の運転時には、所望のトルクを得るために必要な電流が大きく増加し、過電流等の異常運転を引き起こす。また、高速運転時にはモータ各相の誘起電圧が異常に上昇し、モータを駆動するインバータおよび巻線切替装置の電力用半導体スイッチ素子を過電圧破壊させる。また、巻線切替部の電力用半導体スイッチ素子が故障すると単相運転や過電流運転などの異常運転を引き起こす。
　本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、モータ電流の切替えを速くして、正弦波電流の乱れを最小限に抑えるとともに、誤配線や装置故障を検知し、異常運転や装置破壊を未然に防ぐことを可能とする３相交流電動機の巻線切替装置を提供することを目的とする。

　上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
　請求項１に記載の発明は、各相の巻線が中間タップを有し、前記中間タップと巻き始め端子と巻き終り端子とをモータ外部に設けた３相交流電動機と、前記３相交流電動機の前記各相巻線の前記巻き始め端子に可変周波の可変電圧を供給するインバータと、前記各相巻線の前記中間タップおよび前記巻き終り端子をそれぞれ適宜切替える複数の巻線切替部と、前記インバータからのドライブ信号を受け、前記巻線切替部を制御するドライブ回路とを備える３相交流電動機の巻線切替装置において、前記巻線切替部はそれぞれ、３個のダイオードの各カソードを互いに共通接続したダイオード部と、３個の電力用半導体スイッチ素子にそれぞれダイオードを逆並列接続し、前記電力用半導体スイッチ素子の各エミッタを互いに共通接続し、前記電力用半導体スイッチ素子の各コレクタを前記ダイオード部の各ダイオードのアノードにそれぞれ接続し、前記電力用半導体スイッチ素子の各コレクタと前記ダイオード部の各ダイオードのアノードとの各接続点を前記３相交流電動機の前記各相巻線の前記巻き終り端子または前記中間タップにそれぞれ接続した切替スイッチ部と、前記インバータ部の直流正側母線に正側充電抵抗器の一端を接続し、前記正側充電抵抗器の他端をコンデンサの正側に接続し、前記コンデンサの負側を負側充電抵抗器の一端に接続し、前記負側充電抵抗器の他端を前記インバータ部の直流負側母線に接続し、前記コンデンサの正側が前記ダイオード部の各ダイオードの互いに共通接続されたカソードに接続している電位固定部と、前記電位固定部のコンデンサの負側に各アノードをそれぞれ接続し、各カソードを前記ダイオード部の各ダイオードのアノードと前記切替スイッチ部の各電力用半導体スイッチ素子のコレクタとの各接続点にそれぞれ接続した保護ダイオード部とを備えることを特徴とするものである。

　また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の３相交流電動機の巻線切替装置において、前記切替スイッチ部を構成する電力用半導体スイッチ素子の導通状態を検出する状態検出器と、前記状態検出器の出力信号と前記ドライブ信号とに基づいて巻線切替部の異常を検出する比較器とを備えることを特徴とするものである。
　また、請求項３記載の発明は、請求項２記載の３相交流電動機の巻線切替装置において、前記状態検出器は、前記電力用半導体スイッチ素子のすべてが導通状態であること、および前記電力用半導体スイッチ素子のすべてが非導通状態であることを検出することを特徴とするものである。

　また、請求項４記載の発明は、請求項２記載の３相交流電動機の巻線切替装置において、前記状態検出器は、絶縁機能を有していることを特徴とするものである。
　また、請求項５記載の発明は、請求項２記載の３相交流電動機の巻線切替装置において、前記比較器は、排他的論理和回路を備え、前記状態検出器の出力信号と前記ドライブ信号との排他的論理和により巻線切替部の異常を検出することを特徴とするものである。

　請求項１に記載の発明によると、３相交流電動機の中間タップと、ダイオード部アノード端子が接続された切替スイッチ部の電力用半導体スイッチ素子を制御する際、巻線切替部のダイオード部のカソードの電位を直流母線電圧値に保つ電位固定部を備えているので、モータインダクタンスに蓄えられたエネルギーを放出することができ、瞬時に電流が切替わり、モータ電流波形を乱すことなく即座に３相交流電動機の巻線を切替えることを可能とする交流電動機の巻線切替装置を提供することができる。

　また、請求項２ないし５に記載の発明によると、切替スイッチ部の電力用半導体スイッチ素子の導通状態を状態検出器により検出し、状態検出器の出力信号と切替スイッチ部を駆動するドライブ信号とを比較することにより、巻線切替部の誤配線や切替スイッチ部の故障などの異常を検知し、異常運転や装置破壊を未然に防ぐことを可能とする３相交流電動機の巻線切替装置を提供することができる。
　また、請求項４に記載の発明によると、状態検出器が絶縁機能を有しているので、インバータの制御部ならびに主回路部および巻線切替部の動作電位が異なっていても巻線切替部の異常を検出することができる。

本発明の３相交流電動機の巻線切替装置の第1実施例を示す図本発明の３相交流電動機の巻線切替装置の第1実施例の巻線切替時の動作波形（シミュレーション波形）を示す図本発明の３相交流電動機の巻線切替装置の第２実施例を示す図本発明の３相交流電動機の巻線切替装置の第２実施例における状態検出器および比較器の回路構成の一例を示す詳細図従来の３相交流電動機の巻線切替装置の一例を示す図

符号の説明

１、１１１　３相交流電動機
２、１１、１１２、１２１　巻線切替部
３、１２　ダイオード部
４、１３　切替スイッチ部
５、１４　正側充電抵抗器
６、１５、１１５、１２４　コンデンサ
７、１１７　インバータ
８、１６、１１８、１２７　ドライブ回路
９　直流正側母線
１０　直流負側母線
１７、１８　ドライブ信号
１９、２０　保護ダイオード部
２１、２２　負側充電抵抗器
２３、２４　電位固定部
２５、２７　状態検出器
２６、２８　比較器
１１３、１２２　全波整流部
１１４、１２３　半導体スイッチ
１１６、１２５　抵抗器
１１９、１２０、１２８、１２９　ダイオード
２５１　フォトカプラ
２５２　プルアップ抵抗器
２５３　ＮＯＲゲート
２５４　ＮＡＮＤゲート
２５５、２７５　巻線切替部オン状態信号
２５６、２７６　＊巻線切替部オフ状態信号
２６１、２６２　ＸＯＲゲート
２６３　ＯＲゲート
２６４、２８４　巻線切替部異常信号

　以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
　実際のインバータには様々な機能や手段が内蔵されているが、図には本発明に関係する機能や手段のみを記載し説明することとする。また、以下同一名称には極力同一符号を付け重複説明を省略する。

　図１は、本発明の３相交流電動機の巻線切替装置の第1実施例を示す図である。図１において、１は３相交流電動機、２および１１は巻線切替部、３および１２はダイオード部、４および１３は切替スイッチ部、５および１４は正側充電抵抗器、６および１５はコンデンサ、７はインバータ、８および１６はドライブ回路、９は直流正側母線、１０は直流負側母線、１７および１８はドライブ信号、２１および２２は負側充電抵抗器、２３および２４は電位固定部である。
　インバータ７は、制御部と主回路から構成される。
　３相交流電動機１は、各相の巻線に、それぞれ１つの中間タップ（ＴＵ２、ＴＶ２、ＴＷ２）と各相巻線の巻き始め端子（ＴＵ１、ＴＶ１、ＴＷ１）および巻き終り端子（ＴＵ３、ＴＶ３、ＴＷ３）がモータ外部に設けてある。

　３相交流電動機１の各相巻線の巻き始め端子（ＴＵ１、ＴＶ１、ＴＷ１）はインバータ７に、巻き終り端子（ＴＵ３、ＴＶ３、ＴＷ３）は巻線切替部１１に、中間タップ（ＴＵ２、ＴＶ２、ＴＷ２）は巻線切替部２に、各々接続される。
　ドライブ回路８は、インバータ７の制御部からドライブ信号１７を受信し、巻線切替部２を駆動し、切替スイッチ部４に制御信号を出力する。また、ドライブ回路１６は、インバータ７の制御部からドライブ信号１８を受信し、巻線切替部１１を駆動し、切替スイッチ部１３に制御信号を出力する。

　ここで先ず、巻線切替部２に関して説明する。
　巻線切替部２は、ダイオード部３、切替スイッチ部４、電位固定部２３、および保護ダイオード部１９から構成される。
　ダイオード部３は、３個のダイオードから成り、各ダイオードのカソードは互いに共通接続されている。
　切替スイッチ部４は、３個の電力用半導体スイッチ素子とこれにそれぞれ逆並列接続されたダイオードとから成り、各電力用半導体スイッチ素子のコレクタはダイオード部３の各ダイオードのアノードにそれぞれ接続し、各電力用半導体スイッチ素子のエミッタは互いに共通接続されている。
　ダイオード部３の各ダイオードのアノードと切替スイッチ部４の各電力用半導体スイッチ素子のコレクタとの各接続点は、各相毎に３相交流電動機１の各相巻線の中間タップ（ＴＵ２、ＴＶ２、ＴＷ２）と各々接続されている。
　電位固定部２３は、正側充電抵抗器５とコンデンサ６と負側充電抵抗器２１から成り、正側充電抵抗器５の一端はインバータ部７の直流正側母線９に接続され、正側充電抵抗器５の他端はコンデンサ６の正側に接続される。コンデンサ６の負側は負側充電抵抗器２１の一端に接続され、負側充電抵抗器２１の他端は直流負側母線１０に接続される。コンデンサ６の正側と充電抵抗器５との接続点はダイオード部３の共通接続されたカソードに接続されている。
　保護ダイオード部１９は、各ダイオードのアノードがコンデンサ６の負側にそれぞれ接続され、カソードが各相巻線の中間タップ（ＴＵ２、ＴＶ２、ＴＷ２）にそれぞれ接続されている。
　ここで電力用半導体スイッチ素子はＩＧＢＴの記号を用いているが、電圧・電流に応じて最適な電力用半導体スイッチ素子を用いればよい。

　なお、巻線切替部１１に関しても、巻線切替部２と全く同様に接続構成されている。
　巻線切替部１１は、ダイオード部１２、切替スイッチ部１３、電位固定部２４、および保護ダイオード部２０から構成される。
　ダイオード部１２は、３個のダイオードから成り、各ダイオードのカソードは互いに共通接続されている。
　切替スイッチ部１３は、３個の電力用半導体スイッチ素子とこれにそれぞれ逆並列接続されたダイオードとから成り、各電力用半導体スイッチ素子のコレクタはダイオード部１２の各ダイオードのアノードにそれぞれ接続し、各電力用半導体スイッチ素子のエミッタは互いに共通接続されている。
　ダイオード部１２の各ダイオードのアノードと切替スイッチ部１３の各電力用半導体スイッチ素子のコレクタとの各接続点は、各相毎に３相交流電動機１の巻き終り端子（ＴＵ３、ＴＶ３、ＴＷ３）と各々接続されている。
　電位固定部２４は、正側充電抵抗器１４とコンデンサ１５と負側充電抵抗器２２から成り、正側充電抵抗器１４の一端はインバータ部７の直流正側母線９に接続され、充電抵抗器１４の他端はコンデンサ１５の正側に接続される。コンデンサ１５の負側は負側充電抵抗器２２の一端に接続され、負側充電抵抗器２２の他端は直流負側母線１０に接続される。コンデンサ１５の正側と正側充電抵抗器１４との接続点はダイオード部１２の共通接続されたカソードに接続されている。
　保護ダイオード部２０は、各ダイオードのアノードがコンデンサ１５の負側にそれぞれ接続され、カソードが各相巻線の巻き終り端子（ＴＵ３、ＴＶ３、ＴＷ３）にそれぞれ接続されている。
　ここで電力用半導体スイッチ素子はＩＧＢＴの記号を用いているが、電圧・電流に応じて最適な電力用半導体スイッチ素子を用いればよい。

　切替スイッチ部４をオンするときは、切替スイッチ部４の電力用半導体スイッチ素子すべてにオン信号を出力する。すると、順方向電圧が加わっている電力用半導体スイッチ素子には電流が流れ、逆方向電圧が加わっている電力用半導体スイッチ素子には電流は流れないが、その電力用半導体スイッチ素子に逆並列接続されているダイオードを電流が流れ、３相交流電動機１の各相巻線の中間タップ（ＴＵ２、ＴＶ２、ＴＷ２）が互いに短絡状態となる。
　切替スイッチ部４をオフするときは、切替スイッチ部４の電力用半導体スイッチ素子すべてにオフ信号を出力する。すると、切替スイッチ部４のすべての電力用半導体スイッチ素子がオフになって３相交流電動機１の各相巻線の中間タップ（ＴＵ２、ＴＶ２、ＴＷ２）が開放状態となる。
　また、切替スイッチ部１３をオンするときは、切替スイッチ部１３の電力用半導体スイッチ素子すべてにオン信号を出力する。すると、順方向電圧が加わっている電力用半導体スイッチ素子には電流が流れ、逆方向電圧が加わっている電力用半導体スイッチ素子には電流は流れないが、その電力用半導体スイッチ素子に逆並列接続されているダイオードを電流が流れ、３相交流電動機１の巻き終り端子（ＴＵ３、ＴＶ３、ＴＷ３）が互いに短絡状態となる。
　切替スイッチ部１３をオフするときは、切替スイッチ部１３の電力用半導体スイッチ素子すべてにオフ信号を出力する。すると、切替スイッチ部１３のすべての電力用半導体スイッチ素子がオフになって３相交流電動機１の巻き終り端子（ＴＵ３、ＴＶ３、ＴＷ３）が開放状態となる。

　つぎに、３相交流電動機１の高速運転時の動作を説明する。
　この場合、切替スイッチ部４をオンし、切替スイッチ部１３をオフとする。これにより、切替スイッチ部４を通して、３相交流電動機１の各相巻線の中間タップ（ＴＵ２、ＴＶ２、ＴＷ２）が互いに短絡状態となり、ＴＵ１－ＴＵ２、ＴＶ１-ＴＶ２、ＴＷ１-ＴＷ２で構成されるスター結線となる。
　これにより各相巻線の巻き終り端子（ＴＵ３、ＴＶ３、ＴＷ３）を短絡状態とした場合より巻線数が少なくなり３相交流電動機１の逆起電力が抑えられるため、十分な電流を流すことができ、高速運転が可能となる。

　また、低速運転の場合、切替スイッチ部１３をオンし、切替スイッチ部４をオフとする。これにより、切替スイッチ部１３を通して、３相交流電動機１の巻き終り端子（ＴＵ３、ＴＶ３、ＴＷ３）が短絡状態となり、各相巻線が、ＴＵ１‐ＴＵ３、ＴＶ１－ＴＶ３、ＴＷ１‐ＴＷ３で構成されるスター結線となり、低速で十分なトルクを得ることが可能となる。このように運転速度に応じて、切替スイッチ部４、および切替スイッチ部１３を制御することで広い出力特性（速度－トルク制御範囲）を得ることができる。

　本発明が従来技術と異なる点は、巻線切替部にコンデンサを充電状態で接続することで瞬時に電流を切替える点と、インバータ７の直流負側母線１０から保護ダイオード部１９、および保護ダイオード部２０を介して各相巻線の中間タップ（ＴＵ２、ＴＶ２、ＴＷ２）および各相巻線の巻き終り端子（ＴＵ３、ＴＶ３、ＴＷ３）に各々接続されている点である。
　従来の巻線切替方式では、モータ巻線が励磁状態から非励磁状態に遷移する際に、モータインダクタンスに蓄えられたエネルギーを放出するために、瞬時に電流が切替わらずモータ電流が乱れるという問題があったが、本発明の巻線切替方式では、巻線切替部にコンデンサを充電状態で接続することで瞬時に電流が切替わるために、モータ電流波形を乱すことがない。
　ここで、巻線切替部にコンデンサを充電状態で接続すると、電流が瞬時に切替わる理由を説明しておく。
　巻線切替時にモータ巻線に残っている電流を速やかにゼロにするには、電流減少率をあげればよい。電流減少率ｄｉ／ｄｔは、（式１）で示すとおりである。
　　ｄｉ／ｄｔ　＝　Ｖ／Ｌ　　　　　　　　　　　　　　　（式１）
　ここで、Ｖはコンデンサ電圧、Ｌはモータ巻線インダクタンスである。
　コンデンサ電圧Ｖを高電位に保つことで電流減少率をあげることができ、電流を速やかにゼロにすることができる。

　その動作を低速巻線から高速巻線へ遷移させた場合について説明する。
　低速巻線から高速巻線へ遷移させる場合は、切替スイッチ部４をオンして、切替スイッチ部１３をオフにする。
　コンデンサ１５は、正側充電抵抗器１４と負側充電抵抗器２２を介して、インバータ７の直流正側母線９、および直流負側母線１０との間に接続され、予め初期充電されている。その状態でモータ巻線を切替えると、即ち、切替スイッチ部１３をオフすると、モータインダクタンスに蓄えられたエネルギーはダイオード部１２を通してコンデンサ１５で吸収される。このとき、コンデンサ１５の電圧は初期充電電圧値（直流母線電圧値）より上昇するが、モータ巻線に流れる電流は速やかにゼロとなる。

　図２は、本発明の３相交流電動機の巻線切替装置の第1実施例の巻線切替時の動作波形（シミュレーション波形）を示す図である。図２（ａ）はコンデンサの電圧波形、図２（ｂ）はモータ巻線に流れる電流波形である。図２（ａ）において、Ａは本発明の方式で初期充電電圧が３５０Ｖの場合のコンデンサの電圧波形、Ｂは従来方式で初期充電がない場合のコンデンサの電圧波形である。また、図２（ｂ）において、Ｃは本発明の方式で初期充電電圧が３５０Ｖの場合のモータ巻線に流れる電流波形、Ｄは従来方式で初期充電がない場合のモータ巻線に流れる電流波形である。
　コンデンサの初期充電電圧を３５０Ｖと０Ｖの場合で比較すると、初期充電電圧が３５０Ｖ時の方が、電流減少率が高く、速やかに、ゼロになっている。
　このことより、コンデンサの初期充電の有無でモータ巻線に流れる電流がゼロになるまでの時間が違うことがわかる。
　切替スイッチ部４がオフ状態の時は、巻線切替部２にはモータ電流は通電されていないので、切替スイッチ部４をオンにすると切替スイッチ部４の電力用半導体スイッチ素子の共通接続点がモータ中性点となり、３相交流電動機１の巻線ＴＵ１‐ＴＵ２、ＴＶ１‐ＴＶ２、ＴＷ１‐ＴＷ２と、切替スイッチ部４の電力用半導体スイッチ素子およびこれらに逆並列接続されたダイオードを介してモータ電流が流れる。

　また、高速巻線から低速巻線へ遷移させた場合についても、全く同様の原理である。
　つぎに、高速巻線から低速巻線へ遷移させた場合の動作について説明する。
　高速巻線から低速巻線へ遷移させる場合は、切替スイッチ部１３をオンして、切替スイッチ部４をオフにする。
　コンデンサ６は、正側充電抵抗器５と負側充電抵抗器２１を介して、インバータ７の直流正側母線９、および直流負側母線１０との間に接続され、予め初期充電されている。その状態でモータ巻線を切替えると、即ち、切替スイッチ部４をオフすると、モータインダクタンスに蓄えられたエネルギーはダイオード部３を通してコンデンサ６で吸収される。このとき、コンデンサ６の電圧は初期充電電圧値（直流母線電圧値）より上昇するが、モータ巻線に流れる電流は速やかにゼロとなる。
　また、切替スイッチ部１３をオンすることで、切替スイッチ部１３の電力用半導体スイッチ素子の共通接続点がモータ中性点となり、３相交流電動機１の巻線ＴＵ１‐ＴＵ３、ＴＶ１－ＴＶ３、ＴＷ１‐ＴＷ３と、切替スイッチ部１３の電力用半導体スイッチ素子およびこれらに逆並列接続されたダイオードを介してモータ電流が流れる。
　以上のような構成で動作させることで、モータ電流波形を乱すことなく即座に３相交流電動機の巻線を切替えることを可能とする３相交流電動機の巻線切替装置を提供することができる。

　次に、保護ダイオード部の動作について説明する。
　保護ダイオード部１９および２０は、モータ駆動中に何らかの異常をきたし、インバータ７の主回路部がベースブロックされた場合に、モータインダクタンスに起因する還流電流の経路を確保し、インバータ７と巻線切替部２、巻線切替部１１を破壊から防ぐ目的で挿入される。

　３相交流電動機が通電中に何らかの異常をきたし（例えば、モータロックなど）、インバータ７が主回部をベースブロックさせた場合、保護ダイオード部１９、および保護ダイオード部２０があると、モータ巻線のインダクタンスに流れていた電流に起因するエネルギーＱは、インバータ７の主回路部に設置されている電解コンデンサ（図示せず）、コンデンサ６、およびコンデンサ１５を充電することで消費される。
　エネルギーＱは、（式２）で示すとおりである。
　　Ｑ　＝　（１／２）・Ｌ・ｉ^２　　　　　　　　　　　　（式２）
　ここで、Ｌはモータ巻線のインダクタンス、ｉはモータ巻線に流れていた電流である。

　以下に具体的にエネルギー経路を説明する。
　仮に、Ｕ相モータ巻線の中間タップＴＵ２の点において、モータからインバータに向かってモータ電流が流れていた場合を想定する。この場合、中間タップＴＵ２を起点とし、インバータ内部のフリーホイールダイオードを通り、コンデンサ６よりもインピーダンスが低い主回路コンデンサを充電し、直流負側母線１０を通り、保護ダイオード部１９を介して、中間タップＴＵ２を終点とする閉回路に還流電流が流れる。このとき、保護ダイオード部１９が無いと、還流電流の経路を確保できず、モータ巻線に流れていた電流に起因するエネルギーＱを吸収できなくなり、インバータ７の直流正側母線電圧値が急激に上昇し、インバータ７や巻線切替部が破壊にいたる。
　保護ダイオード部１９、および保護ダイオード部２０なしで、このような破壊を防止するためには、インバータ７の主回路部、ならびに巻線切替部２および１１の耐圧を高くする必要がある。
　このような構成で動作させることで、インバータ７の主回路部、ダイオード部３および１２、ならびに切替スイッチ部４および１３の耐圧を高くしなくても、モータ異常時の還流電流による装置破壊を防止する３相交流電動機の巻線切替装置を提供することができる。

　実施例１では、３相交流電動機１の各相巻線の中間タップが１個の場合の例を説明しているが、３相交流電動機１の各相巻線の中間タップが２個以上の場合であっても同様である。
　例えば、３相交流電動機１の各相巻線の中間タップが２個の場合であれば、巻線切替部の数を３個とし、３相交流電動機１の各相巻線の中間タップが３個の場合であれば、巻線切替部の数を４個とするなど、３相交流電動機１の各相巻線の中間タップの数よりも１つ多い数の巻線切替部を備えれば、３相交流電動機１の各相巻線の巻き終り端子および前記中間タップをそれぞれ適宜切替えることで、巻線切替を行うことができる。

　図３は、本発明の３相交流電動機の巻線切替装置の第２実施例を示す図である。図３において、２５および２７は状態検出器、２６および２８は比較器であり、２５５および２７５は巻線切替部オン状態信号、２５６および２７６は＊巻線切替部オフ状態信号、２６４および２８４は巻線切替部異常信号である。
　本実施例が実施例１と異なっている点は、巻線切替部の切替スイッチ部を構成する各電力用半導体スイッチ素子の導通状態を検出する状態検出器と、その検出結果とインバータの制御部から出力されるドライブ信号とに基づいて巻線切替部の異常を検出する比較器を備えている点である。

　まず、状態検出器および比較器の動作の概要について説明する。
　状態検出器２５は、切替スイッチ部４を構成する各電力用半導体スイッチ素子の導通状態を検出して、切替スイッチ部４を構成する各電力用半導体スイッチ素子すべてが導通状態のときに（Ｈｉｇｈ）となる巻線切替部オン状態信号２５５、および切替スイッチ部４を構成する各電力用半導体スイッチ素子すべてが非導通状態のときに（Ｌｏｗ）となる＊巻線切替部オフ状態信号２５６を比較器２６に出力する。
　また、状態検出器２７は、切替スイッチ部１３を構成する電力用半導体スイッチ素子の導通状態を検出して、切替スイッチ部１３を構成する各電力用半導体スイッチ素子すべてが導通状態のときに（Ｈｉｇｈ）となる巻線切替部オン状態信号２７５、および切替スイッチ部１３を構成する各電力用半導体スイッチ素子すべてが非導通状態のときに（Ｌｏｗ）となる＊巻線切替部オフ状態信号２７６を比較器２８に出力する。

　比較器２６は、巻線切替部オン状態信号２５５、＊巻線切替部オフ状態信号２５６、およびインバータ７の制御部からのドライブ信号１７に基づいて巻線切替部異常を検出して巻線切替部異常であれば、巻線切替部異常信号２６４を（Ｈｉｇｈ）にしてインバータ７の制御部に出力する。
　また、比較器２８は、巻線切替部オン状態信号２７５、＊巻線切替部オフ状態信号２７６、およびインバータ７の制御部からのドライブ信号１８に基づいて巻線切替部異常を検出して巻線切替部異常であれば、巻線切替部異常信号２８４を（Ｈｉｇｈ）にしてインバータ７の制御部に出力する。
　インバータ７の制御部は、巻線切替部異常信号２６４および巻線切替部異常信号２８４を入力し、どちらか一方でも（Ｈｉｇｈ）になったら、異常であると判断して、インバータ７の主回路部を遮断するなど適切な処理を行う。

　つぎに、状態検出器および比較器の構成例ならびに動作の詳細について説明する。
　図４は、本発明の３相交流電動機の巻線切替装置の第２実施例における状態検出器および比較器の一例を示す詳細図であり、巻線切替部２に関する部分である。
　巻線切替部１１に関する状態検出器２７および比較器２８も同様であるので、説明は省略する。
　図４において、２５１はフォトカプラ（３個）、２５２はプルアップ抵抗器（６個）、２５３はＮＯＲ（否定論理和）ゲート、２５４はＮＡＮＤ（否定論理積）ゲート、２６１および２６２はＸＯＲ（排他的論理和）ゲート、２６３はＯＲ（論理和）ゲートである。

　まず、状態検出器２５の構成について説明する。
　状態検出器２５は、３個のフォトカプラ２５１、６個のプルアップ抵抗器２５２、３入力のＮＯＲゲート２５３、および３入力のＮＡＮＤゲート２５４で構成される。
　３個のフォトカプラ２５１の各発光ダイオードのアノードは、それぞれプルアップ抵抗器２５２を介して切替スイッチ部４の電力用半導体スイッチ素子のゲートドライブ用電源Ｖ_Ｄに接続する。
　また、３個のフォトカプラ２５１の各発光ダイオードのカソードは、切替スイッチ部４の各電力用半導体スイッチ素子のコレクタにそれぞれ接続する。
　切替スイッチ部４の各電力用半導体スイッチ素子のエミッタは、すべてゲートドライブ用電源のグランドＧ_Ｄに接続されているので、ここではとくに、処理する必要はない。
　３個のフォトカプラ２５１の各フォトトランジスタのエミッタは、すべて制御用電源のグランドＧ_Ｌに接続する。
　３個のフォトカプラ２５１の各フォトトランジスタのコレクタは、それぞれプルアップ抵抗器２５２を介して制御用電源Ｖ_Ｌに接続すると共に、ＮＯＲゲート２５３、およびＮＡＮＤゲート２５４の各入力端にそれぞれ接続する。
　ＮＯＲゲート２５３の出力が巻線切替部オン状態信号２５５であり、ＮＡＮＤゲート２５４の出力が＊巻線切替部オフ状態信号２５６である。
　本実施例では、状態検出器２５がフォトカプラ２５１を使用して、絶縁機能を有しているが、インバータ７の制御部、主回路部、および巻線切替部を同電位で動作させる場合には、状態検出器２５が絶縁機能を有する必要はない。

　つぎに、状態検出器２５の動作について説明する。
　切替スイッチ部４の各電力用半導体スイッチ素子がオンすると、ゲートドライブ用電源Ｖ_Ｄからプルアップ抵抗２５２、フォトカプラ２５１、電力用半導体素スイッチ素子、ゲートドライブ用電源グランドＧ_Ｄの経路で電流が流れ、フォトカプラ２５１のフォトトランジスタがオンする。すると、ＮＯＲゲート２５３、およびＮＡＮＤゲート２５４のすべての入力端子が（Ｌｏｗ）となるので、ＮＯＲゲート２５３の出力である巻線切替部オン状態信号２５５は（Ｈｉｇｈ）となり、ＮＡＮＤゲート２５４の出力である＊巻線切替部オフ状態信号２５６も（Ｈｉｇｈ）となる。
　また、切替スイッチ部４の各電力用半導体スイッチ素子がオフすると、フォトカプラ２５１の発光ダイオードに電流が流れず、フォトカプラ２５１のフォトトランジスタもオフする。すると、ＮＯＲゲート２５３、およびＮＡＮＤゲート２５４のすべての入力端子が（Ｈｉｇｈ）となるので、ＮＯＲゲート２５３の出力である巻線切替部オン状態信号２５５は（Ｌｏｗ）となり、ＮＡＮＤゲート２５４の出力である＊巻線切替部オフ状態信号２５６も（Ｌｏｗ）となる。

　つぎに、比較器２６の構成について説明する。
　比較器２６は、ＸＯＲゲート２６１、ＸＯＲゲート２６２、およびＯＲゲート２６３で構成される。
　ＸＯＲゲート２６１は、巻線切替部オン状態信号２５５およびドライブ信号１７を入力し、排他的論理和をＯＲゲート２６３に出力する。
　ＸＯＲゲート２６２は、＊巻線切替部オフ状態信号２５６およびドライブ信号１７を入力し、排他的論理和をＯＲゲート２６３に出力する。
　ＯＲゲート２６３は、ＸＯＲゲート２６１およびＸＯＲゲート２６２の出力信号を入力し、論理和を巻線切替部異常信号２６４としてインバータ７の制御部に出力する。

　つぎに、比較器２６の動作について説明する。
　切替スイッチ部４の電力用半導体スイッチ素子のすべてが導通状態の時、巻線切替部オン状態信号２５５と＊巻線切替部オフ状態信号２５６は、ともに（Ｈｉｇｈ）となる。すると、ドライブ信号１７は（Ｈｉｇｈ）であるので、ＸＯＲゲート２６１とＸＯＲゲート２６２の出力は（Ｌｏｗ）となり、ORゲート２６３の出力である巻線切替部異常信号２６４は（Ｌｏｗ）となる。
　また、切替スイッチ部４の電力用半導体スイッチ素子のすべてが非導通状態の時、巻線切替部オン状態信号２５５と＊巻線切替部オフ状態信号２５６は、ともに（Ｌｏｗ）となる。すると、ドライブ信号１７は（Ｌｏｗ）であるので、ＸＯＲゲート２６１とＸＯＲゲート２６２の出力は（Ｌｏｗ）となり、ORゲート２６３の出力である巻線切替部異常信号２６４は（Ｌｏｗ）となる。
　このように、巻線切替部２が正常動作の場合、巻線切替部異常信号２６４は必ず（Ｌｏｗ）となる。

　ところが、ドライブ信号１７が（Ｈｉｇｈ）であるにも関わらず、切替スイッチ部４の電力用半導体スイッチ素子のいずれか一つでも非導通状態の時、巻線切替部オン状態信号２５５は（Ｌｏｗ）となり、＊巻線切替部オフ状態信号２５６は（Ｈｉｇｈ）となる。すると、ドライブ信号１７は（Ｈｉｇｈ）であるので、ＸＯＲゲート２６１の出力は（Ｈｉｇｈ）となり、ＸＯＲゲート２６２の出力は（Ｌｏｗ）となり、ORゲート２６３の出力である巻線切替部異常信号２６４は（Ｈｉｇｈ）となる。
　また、ドライブ信号１７が（Ｌｏｗ）であるにも関わらず、切替スイッチ部４の電力用半導体スイッチ素子のいずれか一つでも導通状態の時、巻線切替部オン状態信号２５５は（Ｌｏｗ）となり、＊巻線切替部オフ状態信号２５６は（Ｈｉｇｈ）となる。すると、ドライブ信号１７は（Ｌｏｗ）であるので、ＸＯＲゲート２６１の出力は（Ｌｏｗ）となり、ＸＯＲゲート２６２の出力は（Ｈｉｇｈ）となり、ORゲート２６３の出力である巻線切替部異常信号２６４は（Ｈｉｇｈ）となる。
このように、巻線切替部２に異常があった場合、巻線切替部異常信号２６４は必ず（Ｈｉｇｈ）となる。
　従って、インバータ７の制御部で巻線切替部異常信号２６４の状態を監視し、（Ｈｉｇｈ）になったら、巻線切替部に異常が発生したと判断し、主回路動作を停止することができる。

　本実施例によると、切替スイッチ部の電力用半導体スイッチ素子の導通状態を状態検出器により検出し、状態検出器の出力信号と切替スイッチ部を駆動するドライブ信号とを比較することにより、巻線切替部の誤配線や切替スイッチ部の故障などの異常を検出することができるので、異常運転や装置破壊を未然に防ぐことを可能とする３相交流電動機の巻線切替装置を提供することができる。

　本発明によって広範囲の定出力特性が要求される電動機駆動を実現することができるため、工作機械の主軸駆動装置、ならびにハイブリッド自動車や電気自動車などの車両駆動装置にも適用できる。

Claims

　各相の巻線が中間タップを有し、前記中間タップと巻き始め端子と巻き終り端子とをモータ外部に設けた３相交流電動機と、前記３相交流電動機の前記各相巻線の前記巻き始め端子に可変周波の可変電圧を供給するインバータと、前記各相巻線の前記中間タップおよび前記巻き終り端子をそれぞれ適宜切替える複数の巻線切替部と、前記インバータからのドライブ信号を受け、前記巻線切替部を制御するドライブ回路とを備える３相交流電動機の巻線切替装置において、
　前記巻線切替部はそれぞれ、３個のダイオードの各カソードを互いに共通接続したダイオード部と、
　３個の電力用半導体スイッチ素子にそれぞれダイオードを逆並列接続し、前記電力用半導体スイッチ素子の各エミッタを互いに共通接続し、前記電力用半導体スイッチ素子の各コレクタを前記ダイオード部の各ダイオードのアノードにそれぞれ接続し、前記電力用半導体スイッチ素子の各コレクタと前記ダイオード部の各ダイオードのアノードとの各接続点を前記３相交流電動機の前記各相巻線の前記巻き終り端子または前記中間タップにそれぞれ接続した切替スイッチ部と、
　前記インバータ部の直流正側母線に正側充電抵抗器の一端を接続し、前記正側充電抵抗器の他端をコンデンサの正側に接続し、前記コンデンサの負側を負側充電抵抗器の一端に接続し、前記負側充電抵抗器の他端を前記インバータ部の直流負側母線に接続し、前記コンデンサの正側が前記ダイオード部の各ダイオードの互いに共通接続されたカソードに接続している電位固定部と、
　前記電位固定部のコンデンサの負側に各アノードをそれぞれ接続し、各カソードを前記ダイオード部の各ダイオードのアノードと前記切替スイッチ部の各電力用半導体スイッチ素子のコレクタとの各接続点にそれぞれ接続した保護ダイオード部とを備えることを特徴とする３相交流電動機の巻線切替装置。
　前記切替スイッチ部を構成する電力用半導体スイッチ素子の導通状態を検出する状態検出器と、前記状態検出器の出力信号と前記ドライブ信号とに基づいて巻線切替部の異常を検出する比較器とを備えることを特徴とする請求項１に記載の３相交流電動機の巻線切替装置。
　前記状態検出器は、前記電力用半導体スイッチ素子のすべてが導通状態であること、および前記電力用半導体スイッチ素子のすべてが非導通状態であることを検出することを特徴とする請求項２に記載の３相交流電動機の巻線切替装置。
　前記状態検出器は、絶縁機能を有していることを特徴とする請求項２に記載の３相交流電動機の巻線切替装置。
　前記比較器は、排他的論理和回路を備え、前記状態検出器の出力信号と前記ドライブ信号との排他的論理和により巻線切替部の異常を検出することを特徴とする請求項３に記載の３相交流電動機の巻線切替装置。