(57)【要約】【課題】  回転電機の巻線の結線状態の切り替えを可能ならしめながらも駆動システムの大型化を抑制できる巻線切替装置を提供する。【解決手段】  巻線切替装置（９）は、回転電機の複数の巻線の並列結線および直列結線を切り替えるものであって、複数の巻線（２１Ｕ１，２１Ｕ２）および電源（Ｕ）が接続される複数の電極（２２Ｕｓ１，２２Ｕｓ２，２２Ｕｅ１，２２Ｕｅ２）と、複数の電極に接触し、複数の導体部（３２ａ，３２ｂ）を備える可動部（３３）と、可動部を駆動するアクチュエータ（３１）と、を備え、複数の電極と複数の導体部の接触状態に応じて、可動部の第１の停止位置では、複数の巻線が並列結線され、可動部の第２の停止位置では、複数の巻線が開放され、可動部の第３の停止位置では、複数の巻線が直列結線される。【選択図】図１
2020162194.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転電機の複数の巻線の並列結線および直列結線を切り替える巻線切替装置において、
前記複数の巻線および電源が接続される複数の電極と、
前記複数の電極に接触し、複数の導体部を備える可動部と、
前記可動部を駆動するアクチュエータと、
を備え、
前記複数の電極と前記複数の導体部の接触状態に応じて、
前記可動部の第１の停止位置では、前記複数の巻線が並列結線され、
前記可動部の第２の停止位置では、前記複数の巻線が開放され、
前記可動部の第３の停止位置では、前記複数の巻線が直列結線されることを特徴とする巻線切替装置。
【請求項２】
請求項１に記載の巻線切替装置において、
前記複数の電極は、
前記巻線の巻き始めが接続されるとともに、前記電源に接続される第１の電極と、
前記巻線の巻き終わりが接続される第２の電極と、
を含み、
前記第１の電極の端部と前記第２の電極の端部との距離が、前記導体部の幅よりも大きいことを特徴とする巻線切替装置。
【請求項３】
請求項１に記載の巻線切替装置において、
前記可動部の位置は、
前記回転電機の高速域では、前記第１の停止位置であり、
前記電源の停止時には、前記第２の停止位置であり、
前記回転電機の低速域では、前記第３の停止位置であることを特徴とする巻線切替装置。
【請求項４】
請求項１に記載の巻線切替装置において、
前記第２の停止位置は、前記第１の停止位置と前記第３の停止位置との間であることを特徴とする巻線切替装置。
【請求項５】
請求項１に記載の巻線切替装置において、
前記複数の電極は、
前記複数の巻線の内、前記回転電機の第１相用の巻線が接続される第１の電極と、
前記複数の巻線の内、前記回転電機の第２相用の巻線が接続される第２の電極と、
を含み、
前記第１の電極および前記第２の電極は、互いに隣接するとともに、中性点を構成することを特徴とする巻線切替装置。
【請求項６】
請求項５に記載の巻線切替装置において、
前記複数の電極は、
前記複数の巻線の内、前記回転電機の第３相用の巻線が接続される第３の電極と、
前記複数の巻線の内、前記回転電機の前記第２相用の巻線が接続される第４の電極と、
を含み、
前記第３の電極および前記第４の電極は、互いに隣接し、
前記第３の電極は前記中性点を構成し、
前記第４の電極には前記電源が接続されることを特徴とする巻線切替装置。
【請求項７】
請求項１に記載の巻線切替装置において、
外形が円柱状であることを特徴とする巻線切替装置。
【請求項８】
回転電機と、
前記回転電機に交流電力を供給するインバータと、
を備える回転電機駆動システムにおいて、
前記回転電機と前記インバータの出力との間に、前記回転電機の複数の巻線の並列結線および直列結線を切り替える巻線切替装置が接続され、
前記巻線切替装置は、請求項１に記載される巻線切替装置であることを特徴とする回転電機駆動システム。
【請求項９】
回転電機駆動システムによって可変速運転される電動機器において、
前記回転電機駆動システムが、請求項８に記載の回転電機駆動システムであることを特徴とする電動機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電機の結線状態を切り替える巻線切替装置、巻線切替装置を備える回転電機駆動システム、並びに、巻線切替装置を備える回転電機駆動システムによって駆動される電動機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転電機である電動機の出力特性を高速域と低速域で異ならしめるために、巻線の結線状態を切り替える技術が知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１に記載される巻線切替装置は、複数の巻線の端部が接続される複数の電極を備える装置本体と、切替方向に並ぶ直列結線用回路部および並列結線用回路部を備える可動部と、可動体を切替方向に稼働する駆動装置を有する。可動体が駆動装置によって稼働され、装置本体の電極と、可動体における直列結線用回路部の電極および並列結線用回路部可動体の電極とが接触すると、電動機の巻線がそれぞれ直列状態および並列状態に結線される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−７０１１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、機械的負荷を電動機によって可変速駆動する回転電機駆動システムでは、電動機への電力供給源（例えば、インバータ）が停止時に、電動機が機械的負荷のイナーシャによって回転して発電機として動作するため、駆動システムの保護のために電動機の巻線を開放する遮断器が設けられる。このような回転電機駆動システムにおいて、上記従来技術による巻線切替装置を備えると、回転電機駆動システムが大型化するという課題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、回転電機の巻線の結線状態の切り替えを可能ならしめながらも駆動システムの大型化を抑制できる巻線切替装置、巻線切替装置を備える回転電機駆動システム、並びに、巻線切替装置を備える回転電機駆動システムによって駆動される電動機器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明による巻線切替装置は、回転電機の複数の巻線の並列結線および直列結線を切り替えるものであって、複数の巻線および電源が接続される複数の電極と、複数の電極に接触し、複数の導体部を備える可動部と、可動部を駆動するアクチュエータと、を備え、複数の電極と複数の導体部の接触状態に応じて、可動部の第１の停止位置では、複数の巻線が並列結線され、可動部の第２の停止位置では、複数の巻線が開放され、可動部の第３の停止位置では、複数の巻線が直列結線される。
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明による回転電機駆動システムは、回転電機と、回転電機に交流電力を供給するインバータと、を備えるものであって、巻線切替装置が上記本発明による巻線切替装置である。
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明による電動機器は、回転電機駆動システムによって可変速運転されるものであって、回転電機駆動システムが、上記本発明による回転電機駆動システムである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、巻線切替装置が巻線を開放することができるので、電動機の巻線を開放する遮断機が不要にすることができる。
【００１１】
上記した以外の課題、構成および効果は、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】
【００１２】
【図１】実施例１である巻線切替装置の構成図である。
【図２】一実施形態である回転電機駆動システムの回路図である。
【図３】実施形態における三相交流電動機の三相巻線の結線状態を示す回路図である。
【図４】電動機の回転数と電動機（モータ）効率の関係の一例を示す図である。
【図５】並列結線および直列結線の巻線に同じ矩形波電圧を印加した場合における電流波形の一例を示す図である。
【図６】実施例１に対する比較例である巻線切替装置の構成図である。
【図７】実施例２である巻線切替装置の構成図である。
【図８】実施例３である巻線切替装置の構成図である。
【図９】一実施形態である電気鉄道車両の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
まず、本発明の一実施形態である回転電機駆動システムについて図２−５を用いて説明する。
【００１４】
図２は、本発明の一実施形態である回転電機駆動システムの回路図である。
【００１５】
回転電機駆動システム１においては、三相交流電動機２が、半導体スイッチング素子５によって直流電力を交流電力に変換するインバータ主回路からの交流電力によって駆動される。なお、三相交流電動機２として、例えば、永久磁石同期電動機が適用される。
【００１６】
インバータ主回路は、６個の半導体スイッチング素子５と、６個の半導体スイッチング素子５の各々に逆並列に接続される環流ダイオード７とからなる三相フルブリッジ回路、を有する。本実施形態において、三相フルブリッジ回路は、３個のパワーモジュール６の並列接続によって構成される。１個のパワーモジュール６においては、１組の半導体スイッチング素子５および環流ダイオード７からなるアームが、２個、直列接続されている。
【００１７】
三相フルブリッジ回路の直流入力側には、コンデンサ４が接続される。コンデンサ４は直流電源３からの入力電圧を平滑化する。直流電源３から供給される直流電力は、コンデンサ４によって電圧が平滑化されて、三相フルブリッジ回路に入力される。
【００１８】
半導体スイッチング素子５が、図２中の制御装置１０が出力するゲート制御信号によって、オン・オフ制御されることにより、インバータ主回路は、直流電源からの直流電力を三相交流電力に変換して、交流出力端子（Ｕ，Ｖ，Ｗ）から出力する。なお、本実施形態では、パワーモジュール６における２個のアームの直列接続点が、交流出力端子となる。インバータ主回路から出力される三相交流電力によって、三相交流電動機２が駆動される。
【００１９】
図２中の制御装置１０は、図示しない上位制御装置からの制御指令に応じてゲート制御信号を作成する。したがって、制御指令を速度指令とすることにより、三相交流電動機２が可変速駆動される。
【００２０】
図２に示すように、インバータ主回路の交流出力端子（Ｕ，Ｖ，Ｗ）と、三相交流電動機２の三相巻線端子群２１との間には、三相巻線の結線状態を切り替える巻線切替装置９が接続される。巻線切替装置９は、制御装置１０からの巻線切替指令に応じて、三相巻線の結線状態を切り替える。制御装置１０は、三相交流電動機２の速度に応じて、後述するように、速度が低速域である場合、巻線を直列に結線し、速度が高速域である場合、巻線を並列に結線する。なお、制御装置１０は、制御指令（速度指令）や速度検出値（もしくは速度推定値）に基づいて、三相交流電動機２の速度が、所定の低速域および高速域のいずれにあるかを判定し、判定結果に応じて巻線切替指令を作成する。
【００２１】
本実施形態における巻線切替装置９は、上述のような巻線の結線状態を切り替える機能に加えて、三相交流電動機２の三相巻線を開放する機能、すなわち三相巻線とインバータ主回路との電気的接続を遮断する機能を有する。これにより、インバータ主回路が故障などにより動作を停止した場合、三相交流電動機２が機械的イナーシャにより回転して発電機動作して、三相巻線やインバータ主回路などに大きな電流が流れることを防止できる。さらに、巻線切替装置９が三相巻線を開放する機能を有することにより、三相巻線とインバータ主回路の間に遮断器を設けなくてもよいので、巻線切替装置９を設けながらも、電動機駆動システムの大型化を抑制できる。
【００２２】
なお、図２のインバータ主回路において、コンデンサ４としては、電解コンデンサやフィルムコンデンサが適用できる。また、コンデンサ４は、大容量化するために、小容量のコンデンサを、複数個、並列または直列に接続して構成してもよい。図２中では、半導体スイッチング素子５として、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が適用されているが、これに限らず、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などを適用してもよい。また、環流ダイオード７は、半導体スイッチング素子に外付けされてもよいし、内蔵されてもよい。半導体スイッチング素子５がＭＯＳＦＥＴとする場合、素子内におけるボディダイオード（寄生ダイオード）を環流ダイオード７として利用してもよい。
【００２３】
図３は、本実施形態における三相交流電動機２の三相巻線の結線状態を示す回路図である。
【００２４】
三相交流電動機２は、複数（図３では二つ）の三相巻線を備えている。すなわち、三相交流電動機２は、Ｕ相巻線２１Ｕ１とＶ相巻線２１Ｖ１とＷ相巻線２１Ｗ１の巻線群からなる第１の三相巻線と、Ｕ相巻線２１Ｕ２とＶ相巻線２１Ｖ２とＷ相巻線２１Ｗ２の巻線群からなる第２の三相巻線とを備えている。
【００２５】
図３の上図は巻線並列の結線状態を示し、第１の三相巻線における各相の巻線と、第２の三相巻線における各相の巻線とが、並列に接続される。例えば、Ｕ相については、Ｕ相巻線２１Ｕ１の巻き始めＵｓ１とＵ相巻線２１Ｕ２の巻き始めＵｓ２とが接続され、かつＵ相巻線２１Ｕ１の巻き終わりＵｅ１とＵ相巻線２１Ｕ２の巻き終わりＵｅ２とが接続される。これにより、Ｕ相巻線２１Ｕ１とＵ相巻線２１Ｕ２とが並列接続される。Ｕ相巻線２１Ｕ１とＵ相巻線２１Ｕ２の並列接続により、三相交流電動機２のＵ相巻線が構成される。
【００２６】
Ｖ相およびＷ相についても、図３の上図に示すように、Ｕ相と同様に、Ｖ相巻線２１Ｖ１とＶ相巻線２１Ｖ２が並列接続されて、三相交流電動機２のＶ相巻線が構成され、Ｗ相巻線２１Ｗ１とＷ相巻線２１Ｗ２が並列接続されて、三相交流電動機２のＷ相巻線が構成される。
【００２７】
このようにして構成される三相交流電動機２のＵ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線の各両端の内、各巻き終わり側が互いに接続され、中性点を構成する。すなわち、三相交流電動機２のＵ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線はスター結線（Ｙ結線）される。また、三相交流電動機２のＵ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線の各両端の内、各巻き始め側が三相交流電源８（図２ではインバータ主回路の交流出力Ｕ，Ｖ，Ｗ）に接続される。
【００２８】
なお、図中、上述の記号ＵｓｉおよびＵｅｉ（ｉ＝１，２）と同様に、ＶｓｉおよびＶｅｉは、それぞれＶ相巻線２１Ｖｉの巻き始めおよび巻き終わりを示し、ＷｓｉおよびＷｅｉは、それぞれＷ相巻線２１Ｗｉの巻き始めおよび巻き終わりを示す。なお、以下、各相巻線の巻き始めおよび巻き終わりを、適宜、記号だけで記す。
【００２９】
図３の下図は巻線直列の結線状態を示し、第１の三相巻線における各相の巻線と、第２の三相巻線における各相の巻線とが、直列に接続される。例えば、Ｕ相については、Ｕ相巻線２１Ｕ１の巻き終わりＵｅ１とＵ相巻線２１Ｕ２の巻き始めＵｓ２とが接続される。これにより、Ｕ相巻線２１Ｕ１とＵ相巻線２１Ｕ２とが直列接続される。Ｕ相巻線２１Ｕ１とＵ相巻線２１Ｕ２の直列接続により、三相交流電動機２のＵ相巻線が構成される。
【００３０】
Ｖ相およびＷ相についても、図３の上図に示すように、Ｕ相と同様に、Ｖ相巻線２１Ｖ１とＶ相巻線２１Ｖ２が直列接続されて、三相交流電動機２のＶ相巻線が構成され、Ｗ相巻線２１Ｗ１とＷ相巻線２１Ｗ２が直列接続されて、三相交流電動機２のＷ相巻線が構成される。
【００３１】
このようにして構成される三相交流電動機２のＵ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線の各両端の内、各巻き終わり側が互いに接続され、中性点を構成する。すなわち、三相交流電動機２のＵ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線はスター結線（Ｙ結線）される。また、三相交流電動機２のＵ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線の各両端の内、各巻き始め側が三相交流電源８（図２ではインバータ主回路の交流出力Ｕ，Ｖ，Ｗ）に接続される。
【００３２】
次に、巻線の結線状態による電動機の特性の違いについて説明する。
【００３３】
インバータ主回路が出力する矩形波電圧が回転電機に供給されるときに回転電機が発生する高調波損失Ｗｈは式（２）で表される。
【００３４】
【数１】
2020162194.tif 000003
【００３５】
ここで、Ｋは比例係数、Ｖｎは矩形波電圧のｎ次の高調波成分、Ｉｎは巻線に流れる電流のｎ次の高調波成分である。ＶｎとＩｎには式（２）の関係がある。
【００３６】
【数２】
2020162194.tif 000004
【００３７】
ここで、インピーダンスＺｎを式（３）で表す。
【００３８】
【数３】
2020162194.tif 000005
【００３９】
ここで、Ｒは回転電機の巻線の抵抗、Ｌは回転電機の巻線のインダクタンス、ｆｎはｎ次の高調波成分の周波数である。
【００４０】
式(１)，（２），（３）により式（４）が得られる。
【００４１】
【数４】
2020162194.tif 000006
【００４２】
ここで、Ｒ＜＜２πｊｆｎＬであることから、式（４）式を簡略化すると、式（５）が得られる。
【００４３】
【数５】
2020162194.tif 000007
【００４４】
結線状態を変えられる二つの巻線の各インダクタンスをＬ０とすると、直列結線のインダクタンスＬｓおよび並列結線のインダクタンスＬｐは、それぞれ式（６）および式（７）で表される。
【００４５】
【数６】
2020162194.tif 000008
【００４６】
【数７】
2020162194.tif 000009
【００４７】
並列結線および直列結線の場合の高調波損失をそれぞれＷｈｐおよびＷｈｓとすると、インバータ主回路から印加される電圧は同じＶｎであるから、式（５）において、Ｌ＝Ｌｐ，Ｌ＝Ｌｓとして、式（６）および式（７）を用いることにより、ＷｈｐおよびＷｈｓはそれぞれ式（８）および式（９）で表される。
【００４８】
【数８】
2020162194.tif 000010
【００４９】
【数９】
2020162194.tif 000011
【００５０】
式（８）および（９）が示すように、直列結線の高調波損失Ｗｈｓは、並列結線の高周波損失Ｗｈｐよりも小さくなる。
【００５１】
次に、このような高周波損失に基づく、本発明者による回転電機の効率に関する検討結果について説明する。
【００５２】
図４は、電動機の回転数と電動機（モータ）効率の関係の一例を示す図である。
【００５３】
図４に示すように、巻線並列（並列結線）の場合には、低速域において効率が低く、高速域では、出力が大きくできることから効率が高い。これに対し、巻線直列（直列結線）の場合には、低速域において効率が高いが、高速域では出力が小さいために、効率が低い。
【００５４】
図５は、並列結線および直列結線の巻線に同じ矩形波電圧を印加した場合における電流波形の一例を示す図である。式（６）および（７）のように直列結線の巻線インダクタンスは、並列結線のインダクタンスよりも大きいために、図５に示すように、直列結線の高調波成分は、並列結線の高調波成分よりも少ない。
【００５５】
上述のような巻線の結線状態による発生損失の違いに基づき、巻線切替装置によって、回転電機の低速域では直列結線とし、回転電機の高速域では並列結線とすることにより、広い速度域で、回転電機を高効率で運転できる。
【００５６】
以下、本発明の一実施形態である巻線切替装置について、下記の実施例１〜３により、図１，６−８を用いながら説明する。各図において、参照番号が同一のものは同一の構成要件あるいは類似の機能を備えた構成要件を示している。
【実施例１】
【００５７】
図１は、本発明の実施例１である巻線切替装置の構成図である。なお、本図１においては、併せて、巻線切替装置の動作を示している。なお、図が煩雑にならないように、巻線切替装置の各部を示す符号の多くは、図１の上図のみに記す。
【００５８】
図１の上図が示すように、本実施例１の巻線切替装置９は、複数の三相巻線を構成する各相巻線（２１Ｕｉ，２１Ｖｉ，２１Ｗｉ：ｉ＝１，２）の巻き始め（Ｕｓｉ，Ｖｓｉ，Ｗｓｉ：ｉ＝１，２）と巻き終わり（Ｕｅｉ，Ｖｅｉ，Ｗｅｉ：ｉ＝１，２）が接続される複数の電極（２２Ｕｓｉ，２２Ｕｅｉ，２２Ｖｓｉ，２２Ｖｅｉ，２２Ｗｓｉ，２２Ｗｅｉ：ｉ＝１，２）と、これら複数の電極の内の隣り合う２電極間を短絡する複数の導体部（３２ａ〜３２ｆ）を有する可動部３３と、可動部３３を駆動するアクチュエータ３１を備えている。
【００５９】
複数の電極（２２Ｕｓｉ，２２Ｕｅｉ，２２Ｖｓｉ，２２Ｖｅｉ，２２Ｗｓｉ，２２Ｗｅｉ：ｉ＝１，２）は、相互に分離されており、各相巻線が接続されずかつ可動部３３の導体部（３２ａ〜３２ｆ）によって短絡されていない状態では、互いに電気的に絶縁されている。また、複数の電極は、図示されない支持体に固定されている。また、可動部３３における複数の導体部（３２ａ〜３２ｆ）は、相互に分離され、支持体３４に固定されるとともに、支持体３４においては相互に電気的に絶縁されている。なお、本実施例１において、支持体３４は絶縁体によって構成されている（他の実施例、比較例も同様）。
【００６０】
複数の電極（２２Ｕｓｉ，２２Ｕｅｉ，２２Ｖｓｉ，２２Ｖｅｉ，２２Ｗｓｉ，２２Ｗｅｉ：ｉ＝１，２）は、相互に間隔を置いて、所定方向に並べて配置される。また、複数の導体部（３２ａ〜３２ｆ）は、相互に間隔を置いて、複数の電極の並ぶ方向と同じ方向に並べて配置される。可動部３３は複数の電極に接触しているので、アクチュエータ３１によって可動部３３が、複数の電極および導体部の並ぶ方向に沿って摺動すると、複数の導体部による複数の電極の短絡状態が順次変化する。これにより、三相交流電動機の巻線の結線状態が変化する。本実施例１では、アクチュエータ３１側からの可動部３３の移動量が少ない順に、可動部３３の第１の位置（図１の上図）、第２の位置（図２の中央図）および第３の位置（図１の下図）において、各相巻線の結線状態が、それぞれ、巻線並列（図３の上図）、巻線開放（図３において巻線と三相交流電源８との電気的接続を遮断）および巻線直列（図３の下図）となる。
【００６１】
本実施例１の巻線切替装置のさらに詳細な構成および動作は次のとおりである。
【００６２】
図１の上図が示すように、第１の三相巻線（２１Ｕ１，２１Ｖ１，２１Ｗ１）および第２の三相巻線（２１Ｕ２，２１Ｖ２，２１Ｗ２）の各相巻線の巻き始めおよび巻き終わりの総数に等しい１２個の電極２２Ｕｓ１，２２Ｕｓ２，２２Ｕｅ１，２２Ｕｅ２，２２Ｖｓ１，２２Ｖｓ２，２２Ｖｅ１，２２Ｖｅ２，２２Ｗｓ１，２２Ｗｓ２，２２Ｗｅ１，２２Ｗｅ２は、この順に、所定方向、本実施例１ではアクチュエータ３１側から離れる方向に、相互に間隔を置いて、並べて配置される。これらの電極２２Ｕｓ１，２２Ｕｓ２，２２Ｕｅ１，２２Ｕｅ２，２２Ｖｓ１，２２Ｖｓ２，２２Ｖｅ１，２２Ｖｅ２，２２Ｗｓ１，２２Ｗｓ２，２２Ｗｅ１，２２Ｗｅ２には、それぞれ、Ｕ相巻線２１Ｕ１の巻き始めＵｓ１，Ｕ相巻線２１Ｕ２の巻き始めＵｓ２，Ｕ相巻線２１Ｕ１の巻き終わりＵｅ１，Ｕ相巻線２１Ｕ２の巻き終わりＵｅ２，Ｖ相巻線２１Ｖ１の巻き始めＶｓ１，Ｖ相巻線２１Ｖ２の巻き始めＶｓ２，Ｖ相巻線２１Ｖ１の巻き終わりＶｅ１，Ｖ相巻線２１Ｖ２の巻き終わりＶｅ２，Ｗ相巻線２１Ｗ１の巻き始めＷｓ１，Ｗ相巻線２１Ｗ２の巻き始めＷｓ２，Ｗ相巻線２１Ｗ１の巻き終わりＷｅ１，Ｗ相巻線２１Ｗ２の巻き終わりＷｅ２が電気的に接続される。
【００６３】
したがって、Ｕ相巻線２１Ｕ１および２１Ｕ２を接続する電極２２Ｕｓ１，２２Ｕｓ２，２２Ｕｅ１，２２Ｕｅ２からなるＵ相巻線接続用電極群と、Ｖ相巻線２１Ｖ１および２１Ｖ２を接続する電極２２Ｖｓ１，２２Ｖｓ２，２２Ｖｅ１，２２Ｖｅ２からなるＶ相巻線接続用電極群と、Ｗ相巻線２１Ｗ１および２１Ｗ２を接続する電極２２Ｗｓ１，２２Ｗｓ２，２２Ｗｅ１，２２Ｗｅ２からなるＷ相巻線接続用電極群とが、この順に、アクチュエータ３１側から離れる方向に、並ぶ。各電極群の両端に位置する電極（例えば、２２Ｕｓ１，２２Ｕｅ２）の内、アクチュエータ３１側の一端に位置する電極（２２Ｕｓ１）が、三相交流電源の対応する１相（Ｕ相）に接続され、他端に位置する電極（２２Ｕｅ２）が三相巻線のスター結線における中性点（Ｎ）を構成する。
【００６４】
さらに、電極２２Ｕｓ１，２２Ｖｓ１，２２Ｗｓ１は、それぞれ、三相交流電源（図２ではインバータ主回路）のＵ相，Ｖ相，Ｗ相に電気的に接続される。さらに、電極Ｕｅ２，Ｖｅ２，Ｗｅ２は、互いに電気的に接続されて、スター結線（Ｙ結線）の中性点Ｎを構成する。
【００６５】
また、可動部３３が備える、６個の導体部３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，３２ｅ，３２ｆは、この順に、電極２２Ｕｓ１，２２Ｕｓ２，２２Ｕｅ１，２２Ｕｅ２，２２Ｖｓ１，２２Ｖｓ２，２２Ｖｅ１，２２Ｖｅ２，２２Ｗｓ１，２２Ｗｓ２，２２Ｗｅ１，２２Ｗｅ２の並ぶ方向と同じ所定方向、本実施例１ではアクチュエータ３１側から離れる方向に、相互に間隔を置いて、並べて配置される。
【００６６】
可動部３３は、アクチュエータ３１によって、複数の電極（２２Ｕｓ１，…）および導体部（３２ａ，…）が並ぶ方向に沿って、すなわち図３中の稼動方向に沿って、移動される。このとき、可動部３３の停止位置は、図１の上図に示す位置（第１の位置）、図１の中央図に示す位置（第２の位置）、図１の下図に示す位置（第３の位置）のいずれかである。
【００６７】
図１の上図に示すように、第１の位置では、電極２２Ｕｓ１と電極２２ｓ２が導体部３２ａによって短絡され、電極２２Ｕｅ１と電極２２Ｕｅ２が導体部３２ｂによって短絡される。これにより、Ｕ相巻線２１Ｕ１の巻き始めＵｓ１および巻き終わりＵｅ１が、それぞれＵ相巻線２１Ｕ２の巻き始めＵｓ２および巻き終わりＵｅ２に電気的に接続される。すなわち、Ｕ相巻線２１Ｕ１とＵ相巻線２１Ｕ２が並列接続される。
【００６８】
また、第１の位置では、電極２２Ｖｓ１と電極２２Ｖｓ２が導体部３２ｃによって短絡され、電極２２Ｖｅ１と電極２２Ｖｅ２が導体部３２ｄによって短絡される。これにより、Ｖ相巻線２１Ｖ１の巻き始めＶｓ１および巻き終わりＶｅ１が、それぞれＶ相巻線２１Ｖ２の巻き始めＶｓ２および巻き終わりＶｅ２に電気的に接続される。すなわち、Ｖ相巻線２１Ｖ１とＶ相巻線２１Ｖ２が並列接続される。
【００６９】
さらに、第１の位置では、電極２２Ｗｓ１と電極２２Ｗｓ２が導体部３２ｅによって短絡され、電極２２Ｗｅ１と電極２２Ｗｅ２が導体部３２ｆによって短絡される。これにより、Ｗ相巻線２１Ｗ１の巻き始めＷｓ１および巻き終わりＷｅ１が、それぞれＷ相巻線２１Ｗ２の巻き始めＷｓ２および巻き終わりＷｅ２に電気的に接続される。すなわち、Ｗ相巻線２１Ｗ１とＷ相巻線２１Ｗ２が並列接続される。
【００７０】
上述のように、可動部３３の第１の位置では、三相交流電動機の各相巻線の結線状態が、図３の上図に示す巻線並列となる。
【００７１】
図１の中央図に示すように、第２の位置では、電極２２Ｕｓ２と電極２２Ｕｅ２は、それぞれ導体部３２ａおよび導体部３２ｂと接触するが、電極２２Ｕｓ１と電極２２Ｕｅ１は、それぞれ導体部３２ａおよび導体部３２ｂに隣接してはいるが、ともにこれら導体部とは非接触である。なお、第２の位置において、電極２２Ｕｓ１と電極２２Ｕｅ１は、これら導体部と、これら導体部とは電気的に絶縁されている支持体３４との内、支持体３４のみと接触している。電極２２Ｕｓ１は導体部３２ａとアクチュエータ３１との間で、支持体３４に接触し、電極２２Ｕｅ１は、導体部３２ａと導体部３２ｂとの間で、支持体３４に接触する。これにより、Ｕ相巻線２１Ｕ１およびＵ相巻線２１Ｕ２は開放状態となる。
【００７２】
ここで、本実施例１においては、複数の電極および複数の導体部が並ぶ方向における、電極２２Ｕｓ１と電極２２Ｕｅ１の距離、図１では、互いに対向する電極２２Ｕｓ１の端部と電極２２Ｕｅ１の端部間の距離Ｌ１が、導体部３２ｂの幅Ｌ２（他の導体部も同）よりも大きな値に設定される（Ｌ１＞Ｌ２）。これにより、第２の位置において、上述のような電極２２Ｕｓ１および電極２２Ｕｅ１と導体部との非接触状態、すなわちＵ相巻線２１Ｕ１およびＵ相巻線２１Ｕ２の開放状態がもたらされる。
【００７３】
また、図１の中央図に示すように、第２の位置では、電極２２Ｖｓ２と電極２２Ｖｅ２は、それぞれ導体部３２ｃおよび導体部３２ｄと接触するが、電極２２Ｖｓ１と電極２２Ｖｅ１は、それぞれ導体部３２ｃおよび導体部３２ｄに隣接してはいるが、ともにこれら導体部とは非接触である。なお、第２の位置において、電極２２Ｖｓ１と電極２２Ｖｅ１は、これら導体部と、これら導体部とは電気的に絶縁されている支持体３４との内、支持体３４のみと接触している。電極２２Ｖｓ１は導体部３２ｂと導体部３２ｃとの間で、支持体３４に接触し、電極２２Ｖｅ１は、導体部３２ｃと導体部３２ｄとの間で、支持体３４に接触する。これにより、Ｖ相巻線２１Ｖ１およびＶ相巻線２１Ｖ２は開放状態となる。
【００７４】
ここで、本実施例１においては、複数の電極および複数の導体部が並ぶ方向における、電極２２Ｖｓ１と電極２２Ｖｅ１の距離、図１では、互いに対向する電極２２Ｖｓ１の端部と電極２２Ｖｅ１の端部間の距離Ｌ１が、導体部３２ｄの幅Ｌ２（他の導体部も同）よりも大きな値に設定される（Ｌ１＞Ｌ２）。これにより、第２の位置において、上述のような電極２２Ｖｓ１および電極２２Ｖｅ１と導体部との非接触状態、すなわちＶ相巻線２１Ｖ１およびＶ相巻線２１Ｖ２の開放状態がもたらされる。
【００７５】
さらに、図１の中央図に示すように、第２の位置では、電極２２Ｗｓ２と電極２２Ｗｅ２は、それぞれ導体部３２ｅおよび導体部３２ｆと接触するが、電極２２Ｗｓ１と電極２２Ｗｅ１は、それぞれ導体部３２ｅおよび導体部３２ｆに隣接してはいるが、ともにこれら導体部とは非接触である。なお、第２の位置において、電極２２Ｗｓ１と電極２２Ｗｅ１は、これら導体部と、これら導体部とは電気的に絶縁されている支持体３４との内、支持体３４のみと接触している。電極２２Ｗｓ１は導体部３２ｄと導体部３２ｅとの間で、支持体３４に接触し、電極２２Ｗｅ１は、導体部３２ｅと導体部３２ｆとの間で、支持体３４に接触する。これにより、Ｗ相巻線２１Ｗ１およびＷ相巻線２１Ｗ２は開放状態となる。
【００７６】
ここで、本実施例１においては、複数の電極および複数の導体部が並ぶ方向における、電極２２Ｗｓ１と電極２２Ｗｅ１の距離、図１では、互いに対向する電極２２Ｗｓ１の端部と電極２２Ｗｅ１の端部間の距離Ｌ１が、導体部３２ｆの幅Ｌ２（他の導体部も同）よりも大きな値に設定される（Ｌ１＞Ｌ２）。これにより、第２の位置において、上述のような電極２２Ｗｓ１および電極２２Ｗｅ１と導体部との非接触状態、すなわちＷ相巻線２１Ｗ１およびＷ相巻線２１Ｗ２の開放状態がもたらされる。
【００７７】
上述のように、可動部３３の第２の位置では、三相交流電動機の各相巻線の結線状態が、開放状態となる。
【００７８】
図１の下図に示すように、第３の位置では、第２の位置と同様に、電極２２Ｕｓ１は導体部とは非接触であり、電極２２Ｕｅ２は導体部３２ｂと接触する。さらに、電極２２Ｕｓ２と電極２２Ｕｅ１が導体部３２ａによって短絡される。これにより、Ｕ相巻線２１Ｕ１の巻き終わりＵｅ１とＵ相巻線２１Ｕ２の巻き始めＵｓ２とが電気的に接続される。すなわち、Ｕ相巻線２１Ｕ１とＵ相巻線２１Ｕ２が直列接続される。
【００７９】
また、第３の位置では、第２の位置と同様に、電極２２Ｖｓ１は導体部とは非接触であり、電極２２Ｖｅ２は導体部３２ｄと接触する。さらに、電極２２Ｖｓ２と電極２２Ｖｅ１が導体部３２ｃによって短絡される。これにより、Ｖ相巻線２１Ｖ１の巻き終わりＶｅ１とＶ相巻線２１Ｖ２の巻き始めＶｓ２とが電気的に接続される。すなわち、Ｖ相巻線２１Ｖ１とＶ相巻線２１Ｖ２が直列接続される。
【００８０】
さらに、第３の位置では、第２の位置と同様に、電極２２Ｗｓ１は導体部とは非接触であり、電極２２Ｗｅ２は導体部３２ｆと接触する。さらに、電極２２Ｗｓ２と電極２２Ｗｅ１が導体部３２ｅによって短絡される。これにより、Ｗ相巻線２１Ｗ１の巻き終わりＷｅ１とＷ相巻線２１Ｗ２の巻き始めＷｓ２とが電気的に接続される。すなわち、Ｗ相巻線２１Ｗ１とＷ相巻線２１Ｗ２が直列接続される。
【００８１】
上述のように、可動部３３の第３の位置では、三相交流電動機の各相巻線の結線状態が、図３の下図に示す巻線直列となる。
【００８２】
なお、アクチュエータ３１は、図示されない駆動制御装置によって駆動される。この駆動制御装置は、図２に示す巻線切替指令に応じて、アクチュエータ３１を駆動することにより、可動部３３の停止位置を、上述の第１〜第３の位置のいずれかに設定する。
【００８３】
図６は、実施例１に対する比較例である巻線切替装置の構成図である。なお、本図６においては、図１と同様に、併せて、巻線切替装置の動作を示している。
【００８４】
本比較例においては、実施例１（図１）とは異なり、複数の電極および複数の導体部が並ぶ方向における、電極２２Ｕｓ１と電極２２Ｕｅ１の距離、図６では、互いに対向する電極２２Ｕｓ１の端部と電極２２Ｕｅ１の端部間の距離Ｌ１が、導体部（３２ａ〜３２ｆ）の幅Ｌ２よりも小さな値に設定される（Ｌ１＜Ｌ２）。この場合、図６の中央図が示すように、可動部３３の第２の位置において、実施例１とは異なり、Ｕ相巻線２１Ｕ１の巻き始めＵｓ１が接続される電極２２Ｕｓ１と、Ｕ相巻線２１Ｕ１の巻き終わりＵｅ１が接続される電極２２Ｕｅ１とが、可動部３３における導体部と接触している。したがって、Ｕ相巻線２１Ｕ１およびＵ相巻線２１Ｕ２は開放状態とはならない。同様に、Ｖ相巻線２１Ｖ１およびＶ相巻線２１Ｖ２、並びにＷ相巻線２１Ｗ１およびＷ相巻線２１Ｗ２も開放状態とはならない。なお、図６中の「Ｌ３」については、後述する実施例２の説明において参照する。
【００８５】
上述のように、実施例１によれば、巻線切替装置が、電動機の巻線の結線状態を、直列結線と並列結線との間で切り替えるとともに、巻線を開放状態にすることができる。これにより、電動機の巻線の結線状態の切り替えを可能ならしめながらも、電動機駆動システムの大型化を抑制できる。さらに、本実施例１では、巻線切替装置に巻線開放機能を備えさせるために、結線状態切り替えのための可動部３３の移動範囲内の所定の位置（上述の第２の位置）において、各相巻線（図１では、２１Ｕ１，２１Ｖ１，２１Ｗ１）の巻き始めおよび巻き終わりが可動部３３における導体部に接触しないようにする。これにより、巻線切替装置が巻線開放機能を備えながらも、巻線切替装置の構成は複雑化せず、また、巻線切替装置自体が大型化しない。また、可動部３３がアクチュエータ３１により直線的に駆動されて巻線の結線を切り替えるため、巻線切替装置の幅方向の寸法を低減できる。したがって、電動機駆動システムにおいて巻線切替装置を設置する際に幅寸法に制約がある場合でも、設置可能となる。
【実施例２】
【００８６】
図７は、本発明の実施例２である巻線切替装置の構成図である。なお、本図７においては、併せて、巻線切替装置の動作を示している。なお、図が煩雑にならないように、巻線切替装置の各部を示す符号の多くは、図７の上図のみに記す。
【００８７】
以下、主に、実施例１と異なる点について説明する。
【００８８】
本実施例２においては、図７の上図が示すように、各相巻線の巻き始めおよび巻き終わりが接続される電極（２２Ｕｓｉ，２２Ｕｅｉ，２２Ｖｓｉ，２２Ｖｅｉ，２２Ｗｓｉ，２２Ｗｅｉ：ｉ＝１，２）の配置が異なる。すなわち、本実施例２においては、１２個の電極２２Ｕｓ１，２２Ｕｓ２，２２Ｕｅ１，２２Ｕｅ２，２２Ｖｅ２，２２Ｖｅ１，２２Ｖｓ２，２２Ｖｓ１，２２Ｗｅ２，２２Ｗｅ１，２２Ｗｓ２，２２Ｗｓ１は、この順に、所定方向、本実施例２ではアクチュエータ３１側から離れる方向に、相互に間隔を置いて、並べて配置される。
【００８９】
これにより、Ｕ相巻線接続用電極群とＶ相巻線接続電極群の間において、Ｕ相巻線２１Ｕ２の巻き終わりＵｅ２が接続される電極２２Ｕｅ２と、Ｖ相巻線２１Ｖ２の巻き終わりＶｅ２が接続される電極２２Ｖｅ２とが隣接して配置される。上述のように、電極２２Ｕｅ２および２２Ｖｅ２は中性点Ｎを構成するので、常時、同電位となる。このため、電気的な信頼性を損なうことなく、電極２２Ｕｅ２と電極２２Ｖｅ２の距離、図７では、互いに対向する電極２２Ｕｅ２の端部と電極２２Ｖｅ２の端部間の距離Ｌ４を低減することができる。例えば、Ｌ４は、前述した比較例（図６）における、Ｖ相巻線接続用電極群とＷ相巻線接続用電極群との間隔、すなわち電極２２Ｖｅ２と電極２２Ｗｓ１の距離Ｌ３よりも小さな値に設定できる。したがって、巻線切替装置９の大きさを低減することができる。
【００９０】
なお、本実施例２においては、実施例１（図１）に対して、Ｖ相巻線接続用電極群における各電極の配置が異なるとともに、Ｖ相巻線接続用電極群における各電極の配置も異なる。このため、Ｖ相巻線接続用電極群とＷ相巻線接続電極群の間において、Ｖ相巻線２１Ｖ１の巻き始めＶｓ１が接続される電極２２Ｖｓ１と、Ｗ相巻線２１Ｗ２の巻き終わりＷｅ２が接続される電極２２Ｗｅ２とが隣接して配置される。電極２２Ｖｓ１は三相交流電源のＶ相に接続され、電極２２Ｗｅ２は中性点Ｎを構成する。したがって、Ｖ相巻線接続用電極群とＷ相巻線接続電極群の間の電気的状態は実施例１（図１）および比較例（図６）と同様であり、Ｖ相巻線接続用電極群とＷ相巻線接続電極群との間隔も実施例１（図１）および比較例（図６）と同等にできる。したがって、本実施例２において、Ｌ４は、Ｖ相巻線接続用電極群とＷ相巻線接続用電極群との間隔、すなわち電極２２Ｖｓ１と電極２２Ｗｅ２の距離（図６の「Ｌ３」に対応）よりも小さな値に設定される。すなわち、本実施例２においては、巻線切替装置９の寸法低減に対して、隣接する電極群間で、中性点Ｎを構成し、常時同電位となる電極同士が隣接することが有効に作用する。これにより、巻線切替装置の大きさを確実に低減することができる。
【００９１】
本実施例２において、図１に示したＬ１およびＬ２の関係（Ｌ１＞Ｌ２）を含め、上述した以外の構成については、実施例１と同様である。
【００９２】
上述のように、実施例２によれば、巻線切替装置が電動機の巻線を開放状態にすることができるとともに、巻線切替装置の大きさを低減することができる。
【実施例３】
【００９３】
図８は、本発明の実施例３である巻線切替装置の構成図である。なお、本図８においては、併せて、巻線切替装置の動作を示している。なお、図が煩雑にならないように、巻線切替装置の各部を示す符号の多くは、図８の上図のみに記す。また、図８中に、Ａ−Ａ’断面図を併記する。
【００９４】
以下、主に、実施例１と異なる点について説明する。
【００９５】
Ａ−Ａ’断面図が示すように、本実施例３の巻線切替装置９は、その外形が略円柱状である。各相巻線を接続する電極（２２Ｕｓｉ，２２Ｕｅｉ，２２Ｖｓｉ，２２Ｖｅｉ，２２Ｗｓｉ，２２Ｗｅｉ：ｉ＝１，２）は、略円筒状のケースの内側に配置される。また、導体部（３２ａ〜３２ｆ）を有する可動部３３は略円柱形状である。
【００９６】
各相巻線を接続する電極を略円筒形状のケースの内側に配置しているため、電極の配置ずれや可動部３３の中心位置がずれた場合にも、電極が均等の力で可動部３３に接触する。これにより、電極および導体部の寿命が長くなり、電極および導体部、もしくは巻線切替装置自体の交換周期を長くできる。
【００９７】
本実施例３において、図１に示したＬ１およびＬ２の関係（Ｌ１＞Ｌ２）を含め（図８ではＬｔおよびＬｓの関係（Ｌｔ＞Ｌｓ））、上述した以外の構成については、実施例１と同様である。
【００９８】
上述のように、実施例３によれば、巻線切替装置９が電動機の巻線を開放状態にすることができるとともに、巻線切替装置９の信頼性やメンテナンス性が向上する。
【００９９】
なお、本実施例３において、実施例２における電極の配置を適用してもよい。これにより、円柱状の巻線切替装置９の長手方向の寸法を低減することができる。
【０１００】
図９は、本発明の一実施形態である電気鉄道車両の構成図である。
【０１０１】
図９に示す電気鉄道車両は、三相交流電動機２（Ｍ）を含む回転電機駆動システム１によって駆動される。回転電機駆動システム１として、図２に示した本発明の一実施形態が適用される。さらに、回転電機駆動システム１には、架線１１から集電装置を介して電力が供給される。架線１１は、直流架線および交流架線のいずれでもよい。交流架線の場合、電気鉄道車両には、直流電源（図２における「３」）として、交流／直流コンバータが搭載される。なお、電気鉄道車両における電気的なグランドは、車輪１３およびレール１２を介して接地されている。
【０１０２】
回転電機駆動システム１におけるインバータ主回路からの三相交流電力によって三相交流電動機２が可変速駆動される。三相交流電動機２は、電気鉄道車両の車軸と機械的に連結されており、三相交流電動機２により電気鉄道車両の走行が制御される。
【０１０３】
回転電機駆動システムが備える巻線切替装置として、実施例１〜３のいずれかが適用される。
【０１０４】
上記実施例によれば、巻線切替装置により三相交流電動機２の巻線結線状態を切り替えることにより、電気鉄道車両を高効率に運転することができる。さらに、巻線切替装置が巻線開放機能を備えることにより、電動機駆動システムが巻線切替装置を備えながらも電動機駆動システムの大きさの増大が抑制される。このため、巻線切替装置を備える電動機駆動システムを、電気鉄道車両に容易に搭載することができる。
【０１０５】
なお、本発明は前述した実施形態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、前述した実施形態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、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置き換えをすることが可能である。
【０１０６】
例えば、回転電機としては、永久磁石同期電動機のほか、巻線界磁式同期電動機、誘導電動機、スイッチトリラクタンスモータなどを適用できる。
【０１０７】
また、回転電機駆動システムは、電気鉄道車両のほか、電気自動車、ハイブリッド自動車、建設機械など、可変速運転する電動機器に適用できる。
【符号の説明】
【０１０８】
１  回転電機駆動システム、２  三相交流電動機、３  直流電源、４  コンデンサ、
５  半導体スイッチング素子、６  パワーモジュール、７  環流ダイオード、
８  三相交流電源、９  巻線切替装置、１０  制御装置、１１  架線、
１２  レール、１３  車輪、２１  三相巻線端子群、
２１Ｕ１，２１Ｕ２  Ｕ相巻線、
２１Ｖ１，２１Ｖ２  Ｖ相巻線、
２１Ｗ１，２１Ｗ２  Ｗ相巻線、
２２Ｕｓ１，２２Ｕｓ２，２２Ｕｅ１，２２Ｕｅ２  電極、
２２Ｖｓ１，２２Ｖｓ２，２２Ｖｅ１，２２Ｖｅ２  電極、
２２Ｗｓ１，２２Ｗｓ２，２２Ｗｅ１，２２Ｗｅ２  電極、
３１  アクチュエータ、３２ａ〜３２ｆ  導体部、３３  可動部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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