(57)【要約】【課題】ヒステリシス領域内で巻線の接続が最適とならないことで生じるシステム効率の低下を緩和することができる制御装置等を提供する。【解決手段】巻線切替器４は，モータ５の巻線を第１のインピーダンスを有する直列接続（第１の接続）又は第１のインピーダンスより低い第２のインピーダンスを有する並列接続（第２の接続）に切り替える。切替制御手段３（制御装置）は，並列接続の方が直列接続よりも高効率となる領域（並列接続最適領域）に接しつつ直列接続の方が並列接続よりも高効率となる領域（直列接続最適領域）の範囲内に設定されたヒステリシス領域によって直列接続と並列接続の切替タイミングにヒステリシス特性をもたせて巻線切替器４を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
巻線切替器を制御する制御装置において，
前記巻線切替器は，回転電機の巻線を第１のインピーダンスを有する第１の接続又は前記第１のインピーダンスより低い第２のインピーダンスを有する第２の接続に切り替え，
前記制御装置は，前記第２の接続の方が前記第１の接続よりも高効率となる領域に接しつつ前記第１の接続の方が前記第２の接続よりも高効率となる領域の範囲内に設定されたヒステリシス領域によって前記第１の接続と前記第２の接続の切替タイミングにヒステリシス特性をもたせて前記巻線切替器を制御する
ことを特徴とする制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の制御装置を備えた回転電機駆動システムにおいて，
各相で複数の巻線を備える前記回転電機と，
前記巻線切替器と，を備え，
前記第１の接続は，
前記回転電機の各相の巻数が第１の巻数となる接続であり，
前記第２の接続は，
前記回転電機の各相の巻数が前記第１の巻数より小さい第２の巻数となる接続である
ことを特徴とする回転電機駆動システム。
【請求項３】
請求項２に記載の回転電機駆動システムにおいて，
前記第１の接続は，
直列接続であり，
前記第２の接続は，
並列接続である
ことを特徴とする回転電機駆動システム。
【請求項４】
請求項２に記載の回転電機駆動システムにおいて，
前記巻線切替器を介して前記各相に交流電力を供給することで前記回転電機を駆動するドライバを備え，
前記ヒステリシス領域は，
前記回転電機と前記ドライバから構成されるシステムの効率を示すシステム効率に基づいて設定される
ことを特徴とする回転電機駆動システム。
【請求項５】
請求項４に記載の回転電機駆動システムにおいて，
前記システム効率は，
前記回転電機のトルク特性に基づいて設定される
ことを特徴とする回転電機駆動システム。
【請求項６】
請求項５に記載の回転電機駆動システムにおいて，
前記ヒステリシス領域は，
少なくとも回生トルクが最大となる領域において前記回転電機の回転速度が０になる領域まで設定される
ことを特徴とする回転電機駆動システム。
【請求項７】
請求項２に記載の回転電機駆動システムにおいて，
前記領域は，
前記回転電機の回転速度とトルクとの組み合わせから構成され，
前記第２の接続の方が前記第１の接続よりも高効率となる領域と前記第１の接続の方が前記第２の接続よりも高効率となる領域との境界線は，
前記回転電機のトルク特性を示す第１のトルク曲線に対して前記回転速度が半分となる第２のトルク曲線から設定される
ことを特徴とする回転電機駆動システム。
【請求項８】
請求項２に記載の回転電機駆動システムにおいて，
前記領域は，
前記回転電機の回転速度，周波数のいずれかと，前記回転電機のトルク，出力のいずれかとの組み合わせから構成される
ことを特徴とする回転電機駆動システム。
【請求項９】
回転電機の巻線を第１のインピーダンスを有する第１の接続又は前記第１のインピーダンスより低い第２のインピーダンスを有する第２の接続に切り替える巻線切替器を制御する方法において，
前記第２の接続の方が前記第１の接続よりも高効率となる領域に接しつつ前記第１の接続の方が前記第２の接続よりも高効率となる領域の範囲内に設定されたヒステリシス領域によって前記第１の接続と前記第２の接続の切替タイミングにヒステリシス特性をもたせて前記巻線切替器を制御する工程を含む
ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，制御装置、回転電機駆動システム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
巻線切替装置を用いた回転電機駆動システムに関する背景技術として，特許文献１が知られている。特許文献１は，巻線切り替え特性がヒステリシス特性を有する場合において，ヒステリシス領域内であっても，巻線の接続が最適とならない状態が所定時間継続された場合には，巻線を最適な接続に切替えることに特徴を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−１５０６５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１は，ヒステリシス領域内であっても巻線の接続を切り替えることにより，巻線の接続が最適とならない状態を短くして，効率を向上させる技術である。しかしながら，切替の頻度が増加するため，切替装置の寿命が短くなる。さらに，特許文献１では，ヒステリシス領域内で巻線の接続が最適とならないことで生じる効率の低下を緩和することについても配慮されていない。
【０００５】
本発明の目的は，ヒステリシス領域内で巻線の接続が最適とならないことで生じるシステム効率の低下を緩和することができる制御装置、回転電機駆動システム及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために，本発明の一例は，巻線切替器を制御する制御装置において，前記巻線切替器は，回転電機の巻線を第１のインピーダンスを有する第１の接続又は前記第１のインピーダンスより低い第２のインピーダンスを有する第２の接続に切り替え，前記制御装置は，前記第２の接続の方が前記第１の接続よりも高効率となる領域に接しつつ前記第１の接続の方が前記第２の接続よりも高効率となる領域の範囲内に設定されたヒステリシス領域によって前記第１の接続と前記第２の接続の切替タイミングにヒステリシス特性をもたせて前記巻線切替器を制御する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば，ヒステリシス領域内で巻線の接続が最適とならないことで生じるシステム効率の低下を緩和することができる。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。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】ＥＶ駆動用可変速運転システムの構成図である。
【図２Ａ】各相の第１巻線と第２巻線とを直列接続した状態を示す説明図である。
【図２Ｂ】各相の第１巻線と第２巻線とを並列接続した状態を示す説明図である。
【図３】第１巻線と第２巻線とを直列接続又は並列接続した場合におけるシステム効率の最適領域とヒステリシス領域を示す説明図である。
【図４】各相の第１巻線と第２巻線とを直列接続又は並列接続した場合に関して，モータの回転速度と，任意のトルクにおけるモータ及びインバータのシステム効率との関係を示す特性図である。
【図５】第１巻線と第２巻線とを直列接続又は並列接続した場合におけるシステム効率の最適領域を示す説明図である。
【図６】第１巻線と第２巻線とを直列接続又は並列接続した場合におけるシステム効率の最適領域とヒステリシス領域を示す説明図である。
【図７】直列接続と並列接続を切り替える巻線切替器の構成の一例を示す図である。
【図８】Ｙ結線とΔ結線を切り替える巻線切替器の構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下，実施例について図面を参照しながら説明する。各実施例は，巻線切替装置を用いた回転電機駆動システムに関し，特に，巻線の接続が最適とならないときの効率の低下を緩和した巻線切替装置を用いた回転電機駆動システムに関する。
【００１０】
（実施例１）
回転電機駆動システムの一例であるＥＶ（Electric Vehicle）駆動用可変速運転システムを用いて実施例１を説明する。図１は，ＥＶ駆動用可変速運転システムの構成図である。実施例１の可変速運転システムは，電源１，インバータ２，切替制御手段３，巻線切替器４，モータ５，負荷装置６を備えている。
【００１１】
インバータ２は電源１から入力される電力を三相交流電力に変換し，巻線切替器４を介して三相交流電力をモータ５に出力する電力変換器である。換言すれば，インバータ２は，巻線切替器４を介して各相に交流電力を供給することでモータ５（回転電機）を駆動するドライバとして機能する。
【００１２】
巻線切替器４は，切替制御手段３からの指令に応じて，Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相のそれぞれに関して，モータ５の巻線を直列接続（図２Ａ参照）／並列接続（図２Ｂ参照）に切り替える機能を有している。巻線切替器４は，例えば，図７に示すように，切替スイッチＳＷ１＿Ｕ，ＳＷ２＿Ｕ，ＳＷ１＿Ｖ，ＳＷ２＿Ｖ，ＳＷ１＿Ｗ，ＳＷ２＿Ｗから構成される。図７の例では，各切替スイッチの０端子と１端子が接続される場合，各相の２つの巻線が直列接続となり，各切替スイッチの０端子と３端子が接続される場合，各相の２つの巻線が並列接続となる。
【００１３】
図１に戻り，切替制御手段３は，モータ５の現時点でのトルクと回転速度に基づいて，所定の指令信号を巻線切替器４に出力するようになっている。トルクではなく出力でも良く，回転速度ではなく周波数でも良い。
【００１４】
換言すれば，回転電機駆動システムは，少なくともモータ５（回転電機），巻線切替器４，切替制御手段３（制御装置）を備える。巻線切替器４は，モータ５（回転電機）の巻線を第１のインピーダンスを有する直列接続（第１の接続）又は第１のインピーダンスより低い第２のインピーダンスを有する並列接続（第２の接続）に切り替える。切替制御手段３（制御装置）は，並列接続（第２の接続）の方が直列接続（第１の接続）よりも高効率となる領域（並列接続最適領域）に接しつつ直列接続（第１の接続）の方が並列接続（第２の接続）よりも高効率となる領域（直列接続最適領域）の範囲内に設定されたヒステリシス領域によって直列接続（第１の接続）と並列接続（第２の接続）の切替タイミングにヒステリシス特性をもたせて巻線切替器４を制御する。
【００１５】
これにより，ヒステリシス領域内におけるシステム効率の低下を抑制することができる。なお，切替制御手段３は，例えば，マイコン（制御装置）の機能として実現される。ここで，マイコン（制御装置）は，例えば，プロセッサ，メモリ，入出力回路等から構成される。切替制御手段３は，ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等の論理回路（集積回路）から構成されてもよい。
【００１６】
詳細には，モータ５（回転電機）は，各相で複数の巻線を備える。直列接続（第１の接続）は，モータ５（回転電機）の各相の巻数が第１の巻数となる接続であり，並列接続（第２の接続）は，モータ５（回転電機）の各相の巻数が第１の巻数より小さい第２の巻数となる接続である。
【００１７】
これにより，第１の巻数による第１の接続と第２の巻数による第２の接続との間で巻線の接続を切り替えることができる。つまり，直列接続による第１の接続と並列接続による第２の接続との間で巻線の接続を切り替えることができる。
【００１８】
図２Ａは，各相の第１巻線と第２巻線とを直列接続した状態を示す説明図である。図２Ｂは，各相の第１巻線と第２巻線とを並列接続した状態を示す説明図である。各巻線を直列接続することによって，モータ５を低速駆動する際におけるインバータ２の効率を並列接続時よりも高くすることができる。これは，各巻線を直列接続することによって，モータ５を低速駆動する際の電圧を並列接続時よりも高くすることができ，モータ５を低速駆動する際の電流を並列接続時よりも小さくすることができるためである。
【００１９】
図３は，第１巻線と第２巻線とを直列接続又は並列接続した場合におけるシステム効率の最適領域とヒステリシス領域を示す説明図である。図３に示す説明図の横軸はモータ５の回転速度であり縦軸はトルクである。横軸はモータ５の周波数としても良く，また縦軸は出力としても良い。すなわち，図３に示す領域は，モータ５（回転電機）の回転速度，周波数のいずれかと，モータ５（回転電機）のトルク，出力のいずれかとの組み合わせから構成される。これにより，回転電機の仕様（特性）を示す値に応じて領域を定義することができる。
【００２０】
詳細は後述するが，本実施例のヒステリシス領域は，モータ５（回転電機）とインバータ２（ドライバ）から構成されるシステムの効率を示すシステム効率に基づいて設定される。これにより，システム効率からヒステリシス領域を設定することができる。
【００２１】
直列接続最適領域は，各相の第１巻線と第２巻線とを直列接続（図２Ａ参照）した場合において，モータ５とインバータ２のシステム効率が，各相の第１巻線と第２巻線とを並列接続（図２Ｂ参照）した場合よりも高くなる回転速度及びトルクを示す領域である。
【００２２】
並列接続最適領域は，各相の第１巻線と第２巻線とを並列接続（図２Ｂ参照）した場合において，モータ５とインバータ２のシステム効率が，各相の第１巻線と第２巻線とを直列接続（図２Ａ参照）した場合よりも高くなる回転速度及びトルクを示す領域である。
【００２３】
ヒステリシス領域は，直列接続と並列接続の切替頻度を低くするために設けられる。並列接続への切り替えタイミングは，ヒステリシス領域内で直列接続されている状態から，高速・高トルク側のヒステリシス領域外に回転速度とトルクが変化したときであり，直列接続への切り替えタイミングは，ヒステリシス領域内で並列接続されている状態から，低速・低トルク側のヒステリシス領域外に回転速度とトルクが変化したときである。
【００２４】
ヒステリシス領域の高速・高トルク側の境界線を，直列接続最適領域と並列接続最適領域の境界線３０１に一致させている。
【００２５】
図４は，各相の第１巻線と第２巻線とを直列接続又は並列接続した場合に関して，任意のトルクにおいて，モータ５の回転速度Ｎと，モータ５及びインバータ２のシステム効率ηとの関係を示す特性図である。
【００２６】
図４に示すように，各相の第１巻線と第２巻線を直列接続した場合と，並列接続した場合ともに，回転速度Ｎとシステム効率ηの関係は，上に凸の曲線で表される。この２つの曲線４０１，４０２の交点Ｐに対応する回転速度ＮＰは，前記した図３において，直列接続最適領域と並列接続最適領域の境界線３０１上に存在している。
【００２７】
この２つの効率曲線の交点Ｐに対応する回転速度ＮＰは，システム効率を実測することで決定される。しかしながら，モータ５とインバータ２の温度や電源１の電圧値などの実測条件などが変化すると，この交点Ｐに対応する回転速度ＮＰはひとつに定まらない。その場合，この２つの曲線４０１，４０２の交点Ｐに対応する回転速度ＮＰは，前記した図３において，直列接続最適領域と並列接続最適領域の境界線３０１上のみには存在せず，境界線近辺にも存在することになる。
【００２８】
この交点Ｐに対応する回転速度ＮＰをひとつに定められるように，この２つの曲線の交点Ｐに対応する回転速度ＮＰを，算定条件をひとつに定めた計算値や設計値を用いて決定しても良い。
【００２９】
この交点Ｐに対応する回転速度ＮＰよりも低速側においては，各相の第１巻線と第２巻線とを直列接続（図２Ａ参照）した場合において，モータ５とインバータ２のシステム効率ηが，各相の第１巻線と第２巻線とを並列接続（図２Ｂ参照）した場合よりも高くなる。
【００３０】
一方，この交点Ｐに対応する回転速度ＮＰよりも高速側においては，各相の第１巻線と第２巻線とを並列接続（図２Ｂ参照）した場合において，モータ５とインバータ２のシステム効率ηが，各相の第１巻線と第２巻線とを直列接続（図２Ａ参照）した場合よりも高くなる。
【００３１】
並列接続のシステム効率ηは，直列接続よりも全体的に高いため，直列接続と並列接続におけるシステム効率ηの差は，図４に示した交点Ｐよりも回転速度が低いときに対して，同交点Ｐよりも回転速度が高いときのほうが大きい。
【００３２】
したがって，前記した図３において，ヒステリシス領域を直列接続最適領域内に存在させることで，ヒステリシス領域を並列接続最適領域内に存在させるよりも，接続が最適とならないときのシステム効率の低下が緩和される。
【００３３】
なお，図４に示すシステム効率ηは，モータ５（回転電機）のトルク仕様（トルク特性）に基づいて設定される。これにより，モータ５（回転電機）のトルク仕様（トルク特性）からシステム効率を設定することができる。
【００３４】
以上説明したように，本実施例によれば，ヒステリシス領域内で巻線の接続が最適とならないことで生じる効率の低下を緩和し，システム効率の高い回転電機駆動システムを提供することができる。すなわち，回転電機駆動システムのシステム効率を向上することができる。
【００３５】
（実施例２）
図５は，第１巻線と第２巻線とを直列接続又は並列接続した場合におけるシステム効率の最適領域を示す説明図である。なお，以下では，上記の実施例と共通する点は説明を省略する。
【００３６】
図５は，モータ５のトルク仕様（トルク曲線５０１）に対して，回転速度が半分となるトルク曲線５０２を，直列接続最適領域と並列接続最適領域の境界線としている。
【００３７】
換言すれば，図６に示す領域は，モータ５（回転電機）の回転速度Ｎと，力行・回生トルクＴ（トルク）との組み合わせから構成される。並列接続（第２の接続）の方が直列接続（第１の接続）よりも高効率となる領域（並列接続最適領域）と直列接続（第１の接続）の方が並列接続（第２の接続）よりも高効率となる領域（直列接続最適領域）との境界線は，モータ５（回転電機）のトルク特性を示すトルク曲線５０１（第１のトルク曲線）に対して回転速度が半分となるトルク曲線５０２（第２のトルク曲線）から設定される。
【００３８】
これにより，モータ５（回転電機）のトルク仕様（トルク特性）から領域の境界線を設定することができる。
【００３９】
前記した図４において，直列接続で発生可能な回転速度（停動トルク(直列接続)）は，並列接続で発生可能な回転速度（停動トルク(並列接続)）の概ね半分になる。モータ５の停動トルクは，トルク仕様に対して余裕を持たせて製作される。そのため，トルク仕様に対して回転速度が概ね半分となる回転速度で，直列接続と並列接続におけるシステム効率が一致する。
【００４０】
直列接続最適領域と並列接続最適領域の境界線は，実測や計算並びに設計値が得られなくても，トルク仕様に基づいて簡便に算定できる。
【００４１】
（実施例３）
図６は，第１巻線と第２巻線とを直列接続又は並列接続した場合におけるシステム効率の最適領域とヒステリシス領域を示す説明図である。なお，以下では，上記の実施例と共通する点は説明を省略する。
【００４２】
本実施例では，ヒステリシス領域は，少なくとも回生トルクＴが最大となる領域においてモータ５（回転電機）の回転速度Ｎが０になる領域まで設定される。これにより，並列接続（第２の接続）で回生ブレーキが作動した場合に，直列接続（第１の接続）に切り替えられない。その結果，回生ブレーキの効きが急変しない。
【００４３】
すなわち，図６のように，回生トルクＴが大きい領域において，回転速度Ｎが０までの領域にまで，ヒステリシス領域を大きくとると，並列接続の時に急ブレーキをした場合に，接続が並列接続のままで切り替わらないようになる。急ブレーキ中に巻線の接続が切り替わらないため，一時的にブレーキが不安定になることや弱まる危険がない。
【００４４】
（実施例４）
以下では，上記の実施例と共通する点は説明を省略する。
【００４５】
本実施例は，実施例１に対して，直列接続の代わりにＹ結線，並列接続の代わりにΔ結線とする。ヒステリシス領域をＹ結線接続最適領域内に存在させることで，ヒステリシス領域をΔ接続最適領域内に存在させるよりも，接続が最適とならないときのシステム効率の低下が緩和される。また，実施例１では各相の巻線を第１と第２に最低でも２種類用意する必要があるが，本実施例では１種類でも良くなるため結線が簡略化される。
【００４６】
巻線切替器４は，例えば，図８に示すように，スイッチＳＷ１〜ＳＷ６から構成される。図８の例では，スイッチＳＷ１〜ＳＷ３をＯＮとし，スイッチＳＷ４〜ＳＷ６をＯＦＦとする場合，Ｙ結線となり，スイッチＳＷ１〜ＳＷ３をＯＦＦとし，スイッチＳＷ４〜ＳＷ６をＯＮとする場合，Δ結線となる。
【００４７】
本実施例では，実施例１に対して，直列接続の代わりにＹ結線，並列接続の代わりにΔ結線としたが，巻数の大きい方（インピーダンス，インダクタンス，レジスタンスが大きいほう）の接続を直列接続の代わりに，巻数の小さい方（インピーダンス，インダクタンス，レジスタンスが小さい方）の接続を並列接続の代わりにすれば，本実施例の効果が得られる。
【００４８】
以上，実施例について説明したが，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，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，置換をすることも可能である。
【００４９】
また，上記の各構成，機能等は，それらの一部又は全部を，例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また，上記の各構成，機能等は，プロセッサ（マイコン）がそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し，実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム，テーブル，ファイル等の情報は，メモリや，ハードディスク，SSD（Solid State Drive）等の記録装置，または，ICカード，SDカード，DVD等の記録媒体に置くことができる。
【００５０】
なお，本発明の実施形態は，以下の態様であってもよい。
【００５１】
（１）．各相で複数巻線を備える回転電機と，前記回転電機の巻線を巻数が大きくなる接続と巻数が小さくなる接続に切り替える巻線切替器と，巻数が小さくなる接続の方が巻数が大きくなる接続よりも高効率となる領域に接しつつ巻線が大きくなる接続の方が巻数が小さくなる接続よりも高効率となる領域の範囲内に設定されたヒステリシス領域によって巻数が大きくなる接続と巻数が小さくなる接続の切替タイミングにヒステリシス特性をもたせて前記巻線切替器を制御する切替制御手段を備えることを特徴とする回転電機駆動システム。
【００５２】
（２）．（１）に記載の回転電機駆動システムにおいて，前記巻数が大きくなる接続を直列接続とし，前記巻数が小さくなる接続を並列接続とすることを特徴とする回転電機駆動システム。
【００５３】
（３）．（２）に記載の回転電機駆動システムにおいて，前記巻線切替器を介して前記各相に交流電力を供給することで前記回転電機を駆動する駆動手段を備え，前記ヒステリシス領域が前記回転電機と前記駆動手段のシステム効率に基づいて設定されたことを特徴とする回転電機駆動システム。
【００５４】
（４）．（３）に記載の回転電機駆動システムにおいて，前記回転電機と前記駆動手段のシステム効率が前記回転電機のトルク特性に基づいて設定されたことを特徴とする回転電機駆動システム。
【００５５】
（５）．（４）に記載の回転電機駆動システムにおいて，少なくとも回生トルクが最大となる領域において，回転速度が０になる領域まで，ヒステリシス領域が設定されたことを特徴とする回転電機駆動システム。
【００５６】
上記（１）〜（５）の回転電機駆動システムによれば，ヒステリシス領域内で巻線の接続が最適とならないことで生じるシステム効率の低下を緩和できる。
【符号の説明】
【００５７】
１…電源
２…インバータ
３…切替制御手段
４…巻線切替器
５…モータ
６…負荷装置
【図１】
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【図２Ａ】
2020205707.tif 000004
【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
2020205707.tif 000007
【図５】
2020205707.tif 000008
【図６】
2020205707.tif 000009
【図７】
2020205707.tif 000010
【図８】
2020205707.tif 000011