JP2014054094A

JP2014054094A - モータ駆動システム

Info

Publication number: JP2014054094A
Application number: JP2012197365A
Authority: JP
Inventors: Arata Kusase; 草瀬　　新
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2012-09-07
Filing date: 2012-09-07
Publication date: 2014-03-20

Abstract

【課題】信頼性が高く、且つ低コストの半導体素子を用いて電流の転流と巻線の切り替えを統合的に行うことができるモータ駆動システムＳを提供する。
【解決手段】相巻線Ｕ、Ｖ、Ｗは、一端が第１インバータ１４の出力端子に接続され、他端が第２インバータ１５の出力端子に接続され、さらに、相巻線Ｕ、Ｖ、Ｗの一端が三相全波整流器１６の入力端子に接続されている。また、三相全波整流器１６には、正負端子の間を短絡する短絡回路１７が接続され、この短絡回路１７に半導体スイッチ１８が設けられている。この半導体スイッチ１８をオフした状態で、第１、第２インバータ１４、１
５を同期して作動することにより、三相線間から見た直列導体数Ｍの電動機として作動する。また、半導体スイッチ１８をオンした状態で第１インバータ１４をオフとして、第２インバータ１５を作動することにより、三相線間から見た直列導体数√３・Ｍの電動機として作動する。
【選択図】図１

Description

本発明は、主に電気自動車用モータの駆動システムに関する技術であり、他に工作機械用、洗濯機用など、いわゆる可変速モータに対して広く適用できる技術である。

従来、電気自動車用のモータは、小型体格で少使用材料であり、かつ低速から高速まで広い範囲で高トルクおよび高効率特性を発揮することが望まれる。このような用途に対して、モータの電機子巻線を切り替えることにより、低速回転域と高速回転域とのそれぞれにおいて最適特性を発揮させる公知技術がある（特許文献１、２参照）。
ところが、電機子巻線の切り替えを行うためには、モータの電流の転流を制御するインバータとは別に、機械的接点であるコンタクタなどの電流切り替え装置や、その端子箱等を必要とする。このため、システムとして体格が大きくなり、且つ、配線も長くなる。また、機械接点を端子箱で覆うとしても、積年の塵埃や油煙などの侵入により、接点信頼性が低いなどの第１の問題点があった。
また、電機子巻線を複数に分けたり、多数のタップを設けるなど複雑で工程数を要し、電機子巻線が高コストとなる第２の問題点があった。

特開２０１２−１１０１６９号公報特開平６−２９６３５０号公報

上記の第１、第２の問題点について、本願発明者は、機械的接点であるコンタクタを半導体スイッチにて置き換えること、また、電機子巻線は複数に分けることなく、単純に一つの巻線にすることで問題点を解決できないかを検討した。
しかし、コンタクタは、両方向電流を自由に流せるのに対して、半導体スイッチは寄生ダイオードを持ち、且つ、耐絶縁性が高いものは極めて高価であるという問題点があるため、簡単にはコンタクタを半導体スイッチに置き換えることが出来ない。また、電機子巻線の単純化も原理的に困難であった。

そこで、そもそもインバータが電流切り替え装置であることに鑑み、その機能を発展させることで、電流の転流と巻線の切り替えを実現できる簡素なモータ駆動システムを実現できないかと考えた。
本発明は、上記事情に基づいて成されたものであり、その目的は、コンタクタ等のメカ的機構を使用することなく、信頼性が高く、且つ低コストの半導体素子を用いて電流の転流と巻線の切り替えを統合的に行うことができるモータ駆動システムを提供することにある。

本発明に係るモータ駆動システムは、位相が１２０度ずつ異なる三つの相巻線を固定子に備えるモータと、三つの相巻線の一端がそれぞれ出力端子に接続される第１の三相インバータと、三つの相巻線の他端がそれぞれ出力端子に接続される第２の三相インバータと、三つの相巻線の一端がそれぞれ入力端子に接続される三相全波整流器と、この三相全波整流器の正負端子間を短絡する短絡回路と、この短絡回路に介在されて短絡回路を開閉できる短絡スイッチ素子とを備える。

上記の構成によれば、例えば、短絡スイッチ素子をオフ（三相全波整流器の正負端子間を開放）した状態で、第１、第２の三相インバータを同期して作動させると、モータは、三つの相巻線がΔ結線された三相モータの如く、それぞれの相巻線にそのまま電源電圧が印加される。よって、三相線間からみた直列導体数Ｍの少巻線仕様のモータとして作動できる。
また、短絡スイッチ素子をオン（三相全波整流器の正負端子間を短絡）すると共に、第１の三相インバータをオフした状態で、第２の三相インバータを作動させると、モータは、三つの相巻線がスター結線された三相モータの如く、それぞれの三相線間に対して電源電圧を印加できるので、直列導体数√３・Ｍの多巻線仕様のモータとして作動できる。

モータ駆動システムの回路構成図である。同期モータの磁気回路を示す断面図である。インホイールモータの断面図である。スター結線作動モードの説明図である。フルブリッジ作動モードの説明図である。一般的な三相モータ（スター結線）の回路構成図である。実施例１のトルク特性図である。

本発明を実施するための形態を以下の実施例により詳細に説明する。

（実施例１）
実施例１は、本発明を電気自動車のインホイールモータに適用した一例を説明する。
実施例１のインホイールモータには、以下に説明するダブルステータ型の同期モータ１が使用される。
この同期モータ１は、図３に示す様に、ロータディスク２を介してハブシャフト３に連結される環状のロータ４と、このロータ４の径方向外側に配置される外側ステータ５と、ロータ４の径方向内側に配置される内側ステータ６と、同期モータ１の外側を覆うモータハウジング７とを備え、ホイール８の内側に組み込まれている。なお、ホイール８は、ハブシャフト３と一体に設けられたハブ３ａにボルト９で固定されている。

ロータディスク２は、例えば、非磁性ＳＵＳ材によって形成され、径方向の中央部に円筒状のボス部２ａを有し、このボス部２ａがハブシャフト３の外周にセレーション嵌合してハブシャフト３に対し回り止めされている。
モータハウジング７は、軸方向のリヤ側（図３の右側）が開口するアウタハウジング７ａと、このアウタハウジング７ａのリヤ側開口部を閉塞してアウタハウジング７ａにボルトで締結されるリヤハウジング７ｂとで構成され、例えば、サスペンション（図示せず）を介して車体に固定されている。また、リヤハウジング７ｂは、径方向の内周側に円筒状の軸受部７ｃが一体に設けられ、この軸受部７ｃの内周に配置される軸受１０を介してロータディスク２のボス部２ａを相対回転自在に支持している。

ロータ４は、図２に示す様に、例えば、電磁鋼板を円環状にプレスで打ち抜いて形成されるコアシートを複数枚積層して構成されるロータ鉄心４ａと、このロータ鉄心４ａの径方向外周側に埋設される複数の永久磁石（以下、外側磁石１１と呼ぶ）と、ロータ鉄心４ａの径方向内周側に埋設される複数の永久磁石（以下、内側磁石１２と呼ぶ）とで構成される。
外側磁石１１と内側磁石１２は、例えば、フェライト磁石であり、ロータ鉄心４ａの軸方向（コアシートの積層方向）に貫通して形成される磁石挿入孔に挿入され、図２に示す様に、ロータ鉄心４ａの周方向に外側ステータ５および内側ステータ６の磁極ピッチと同一ピッチに配置される。この外側磁石１１および内側磁石１２は、図中に記載した符号Ｎ、Ｓで表す様に、それぞれ周方向に極性が交互に異なり、且つ、径方向に対向する極性が同一極に着磁されている。

外側ステータ５は、図２に示す様に、複数の外スロット５ｂが周方向に等ピッチに形成された外側ステータ鉄心５ａと、外スロット５ｂを通って外側ステータ鉄心５ａに巻装される外側ステータ巻線（後述する）とで構成され、図３に示す様に、外側ステータ鉄心５ａがアウタハウジング７ａに固定されている。
内側ステータ６は、図２に示す様に、複数の内スロット６ｂが周方向に等ピッチに形成された内側ステータ鉄心６ａと、内スロット６ｂを通って内側ステータ鉄心６ａに巻装される内側ステータ巻線（後述する）とで構成され、連結プレート１３（図３参照）によって外側ステータ鉄心５ａと内側ステータ鉄心６ａとが一体に固定されている。

外側ステータ鉄心５ａと内側ステータ鉄心６ａは、それぞれ、電磁鋼板より外スロット５ｂを打ち抜いた円環状の外側コアシート、および、内スロット６ｂを打ち抜いた円環状の内側コアシートを複数枚積層して構成される。
外側ステータ巻線と内側ステータ巻線は、それぞれ位相が１２０度ずつ異なる三つの相巻線Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１と、Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２とを有し、図１に示す様に、外側ステータ巻線の相巻線Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１と、内側ステータ巻線の相巻線Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２とが、各相毎に直列に接続されている。以下、直列に接続される相巻線Ｕ１、Ｕ２を相巻線Ｕと呼び、同様に、相巻線Ｖ１、Ｖ２を相巻線Ｖと呼び、相巻線Ｗ１、Ｗ２を相巻線Ｗと呼ぶ。

相巻線Ｕ、Ｖ、Ｗは、図１に示す様に、それぞれの一端が第１インバータ１４の各出力端子ｕ１、ｖ１、ｗ１に接続され、それぞれの他端が第２インバータ１５の各出力端子ｕ２、ｖ２、ｗ２に接続され、さらに、相巻線Ｕ、Ｖ、Ｗのそれぞれの一端は、６個のダイオードＤで構成される三相全波整流器１６の入力端子Ｒ、Ｓ、Ｔに接続されている。第１インバータ１４および第２インバータ１５は、それぞれのＤＣ端子１４ａ、１４ｂおよびＤＣ端子１５ａ、１５ｂが、直流電源である車両電池Ｂに接続され、ＤＣ端子１４ａ、１４ｂ間および１５ａ、１５ｂ間で、各相毎に直列に接続された一対のスイッチング素子Ｔｒをオンオフすることにより転流動作を制御する周知の三相電圧形インバータである。
三相全波整流器１６には、正端子１６ａと負端子１６ｂとの間を短絡する短絡回路１７が接続され、この短絡回路１７に半導体スイッチ１８が設けられている。
なお、第１インバータ１４と第２インバータ１５の作動、および、半導体スイッチ１８の開閉動作は、図示しないＥＣＵ（電子制御装置）により制御される。

次に、同期モータ１の作動を説明する。
ａ）スター結線作動モード（請求項２に記載した低速駆動モード）
例えば、同期モータ１を低速回転域で駆動する場合は、図４に示す様に、半導体スイッチ１８をオンすると共に、第１インバータ１４を常時オフした状態で第２インバータ１５を作動させる。この場合、半導体スイッチ１８がオンすることで、三相全波整流器１６の正負端子１６ａ、１６ｂ間が短絡するため、相巻線Ｕ、Ｖ、Ｗの各一端が結線されて中性点を形成する。すなわち、図６に示す一般的なスター結線の三相モータ（相巻線Ｕ、Ｖ、Ｗの一端が結線されて中性点Ｏを形成し、相巻線Ｕ、Ｖ、Ｗの他端がインバータＩに接続される）と同様の回路構成となる。

ＥＣＵは、第２インバータ１５を構成する三組の上下スイッチング素子Ｔｒに対し、例えば、１８０°通電で互いに１２０°位相をずらしてオンオフ制御する（図４で丸印を付したスイッチング素子Ｔｒがオンしている）。これにより、スター結線の如く、相巻線Ｕ、Ｖ、Ｗの各線間に対して電源電圧が印加されるので、直列導体数√３・Ｍ（Ｍ＝１相当たりの直列導体数）の多巻線仕様の電動機として作動する。

ｂ）フルブリッジ作動モード（請求項２に記載した高速駆動モード）
例えば、同期モータ１を高速回転域で駆動する場合は、図５に示す様に、半導体スイッチ１８をオフした状態で、第１インバータ１４と第２インバータ１５とを同期して作動させる。この場合、半導体スイッチ１８がオフすることで、三相全波整流器１６の正負端子１６ａ、１６ｂ間が開放されるため、相巻線Ｕ、Ｖ、Ｗの各一端が中性点として結線されることはなく、等価的にΔ結線と同様の回路構成となる。
ＥＣＵは、第１インバータ１４を構成する三組の上下スイッチング素子Ｔｒと、第２インバータ１５を構成する三組の上下スイッチング素子Ｔｒに対し、例えば、１８０°通電で互いに１２０°位相をずらしてオンオフ制御する（図５で丸印を付したスイッチング素子Ｔｒがオンしている）。これにより、Δ結線の如く、相巻線Ｕ、Ｖ、Ｗにそのまま電源電圧が印加されるので、直列導体数Ｍの少巻線仕様の電動機として作動する。

（実施例１の効果）
実施例１に示すモータ駆動システムＳは、上記のスター結線作動モードとフルブリッジ作動モードを回転数域に応じて適宜に選択することで、図７に示す様に、低速回転域から高速回転域までワイドレンジに最大トルクを得ることが可能となるため、インホイールモータの駆動システムＳに適している。
また、実施例１のモータ駆動システムＳは、コンタクタ等のメカ的機構を使用することなく、半導体素子を用いた第１インバータ１４、第２インバータ１５、三相全波整流器１６、および半導体スイッチ１８を使用して構成されるため、信頼性が高く、且つ、低コストなモータ駆動システムＳを実現できる。

（変形例）
実施例１に記載した同期モータ１は、相巻線Ｕ、Ｖ、Ｗが、スタータ結線あるいはΔ結線の如く、予め結線されている訳ではないので、正弦波駆動に限らず、例えば、矩形波駆動、あるいは基本波に第３高調波をプラスした駆動方法が可能である。
実施例１では、ロータ４に永久磁石１１、１２を埋設した同期モータ１の事例を記載したが、本発明のモータ駆動システムＳは、ロータ４に永久磁石を用いないリラクタンスモータにも適用できる。あるいは、誘導モータにも適用できる。

また、実施例１に記載した同期モータ１は、ロータ４の外側と内側とに外側ステータ５と内側ステータ６を有するダブルステータ型モータであるが、ステータをロータ４の外側あるいは内側に配置したシングルステータ型モータにも適用できる。
さらに、実施例１では、本発明を電気自動車のホイールインモータに適用した事例を説明したが、自動車用モータ以外に、例えば、工作機械用、洗濯機用などに使用される可変速モータに対して広く適用可能である。

Ｓモータ駆動システム
１同期モータ
５外側ステータ（固定子）
６内側ステータ（固定子）
１４第１インバータ（第１の三相インバータ）
１５第２インバータ（第２の三相インバータ）
１６三相全波整流器
１７短絡回路
１８半導体スイッチ（短絡スイッチ素子）
Ｕ相巻線
Ｖ相巻線
Ｗ相巻線

Claims

位相が１２０度ずつ異なる三つの相巻線（Ｕ、Ｖ、Ｗ）を固定子（５、６）に備えるモータ（１）と、
前記三つの相巻線（Ｕ、Ｖ、Ｗ）の一端がそれぞれ出力端子（ｕ１、ｖ１、ｗ１）に接続される第１の三相インバータ（１４）と、
前記三つの相巻線（Ｕ、Ｖ、Ｗ）の他端がそれぞれ出力端子（ｕ２、ｖ２、ｗ２）に接続される第２の三相インバータ（１５）と、
前記三つの相巻線（Ｕ、Ｖ、Ｗ）の一端がそれぞれ入力端子（Ｒ、Ｓ、Ｔ）に接続される三相全波整流器（１６）と、
この三相全波整流器（１６）の正負端子（１６ａ、１６ｂ）間を短絡する短絡回路（１７）と、
この短絡回路（１７）に介在されて前記短絡回路（１７）を開閉できる短絡スイッチ素子（１８）とを備えるモータ駆動システム。
請求項１に記載したモータ駆動システム（Ｓ）において、
前記モータ（１）を低速域で駆動する低速駆動モードと、前記モータ（１）を高速域で駆動する高速駆動モードとが設定され、
前記低速駆動モードでは、前記短絡スイッチ素子（１８）をオンして前記正負端子（１６ａ、１６ｂ）間を短絡し、且つ、前記第１の三相インバータ（１４）をオフした状態で、前記第２の三相インバータ（１５）を作動させ、
前記高速駆動モードでは、前記短絡スイッチ素子（１８）をオフして前記正負端子（１６ａ、１６ｂ）間を開放した状態で、前記第１、第２の三相インバータ（１４、１５）を各相毎のフルブリッジインバータとして作動させることを特徴とするモータ駆動システム。
請求項１または２に記載したモータ駆動システム（Ｓ）において、
電気自動車のホイール（８）内に組み込まれて、ハブシャフト（３）を直接駆動するインホイールモータに適用したことを特徴とするモータ駆動システム。