(57)【要約】【課題】低速度域において高効率で、高速度域での誘起電圧の発生を抑制することが可能な永久磁石同期電動機を提供することを達成する。【解決手段】実施形態の永久磁石同期電動機は、第１固定子巻線と、第１固定子巻線と接続した第２固定子巻線の２つの固定子巻線を有した電動機と、第１固定子巻線と接続する第１の電動機三相線と接続する第１半導体スイッチと、第２固定子巻線と接続する第２の電動機三相線と接続する第２半導体スイッチを有した巻線切替回路と、前記半導体スイッチをオン、オフする指令を出す切替司令部を有している。【選択図】  図１
2014200152.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの固定子巻線を直列に接続される固定子巻線を各相に有している永久磁石同期電動機と、
前記永久磁石電動機を制御するインバータと、
前記永久磁石同期電動機と前記インバータの間に接続され、前記永久磁石同期電動機内の各固定子巻線へ電力を供給する回路を切り替える２つの半導体スイッチを各相に有している巻線切替回路と、
前記巻線切替回路の半導体スイッチをオン・オフする指令を出す切替司令部と、
有する永久磁石同期電動機。
【請求項２】
前記永久磁石同期電動機は、前記巻線切替回路と２つの電動機線で接続され、第１電動機の一端は、第１固定子巻線と接続し、第１固定子巻線の反対側の一端は、第２電動機線と第２固定子巻線の双方に接続され、第２の固定子巻線１２ｕの他端は中性点でＹ接続をなすように接続される２つの固定子巻線を各相に有する請求項１記載の永久磁石同期電動機。
【請求項３】
前記永久磁石同期電動機は、複数のコイルを巻回したコイル群を隣り合うコイル群で極性が逆になるように接続された第１、第２の固定子巻線を有しており、前記永久磁石同期電動機の固定子鉄心の凹部部分に、第１固定子巻線の各コイル群と第２固定子巻線の各コイル群が交互に埋め込まれており、前記第１電動機線は第１固定子巻線の第１コイル群に接続し、第２電動機線は第１固定子巻線の最終コイル群と第２固定子巻線の第１コイル群に接続し、第２固定子巻線の最終コイル群は中性点にＹ接続をなすように接続される請求項１記載の永久磁石同期電動機。
【請求項４】
前記インバータと前記巻線切替回路の間に接続される電圧計と、前記電圧計が検出した線間電圧値を前記インバータの許容電圧値を比較し、線間電圧値が前記インバータの許容電圧値を超えた場合に、切替司令部より永久磁石動機電動機の回転速度を低減する指令を送る電圧値演算部有する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の永久磁石同期電動機及び永久磁石同期電動機駆動システム。
【請求項５】
前記インバータと前記巻線切替回路の間に接続される電流計と、前記電流計が検出した値を座標変換する座標変換部と、座標変換した値を電圧値に演算する電圧変換部と、前記演算した電圧とインバータの許容電圧を比較し、前記演算した電圧がインバータの許容電圧を超えた場合に、切替司令部より永久磁石動機電動機の回転速度を低減する指令を送る電圧値演算部有する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の永久磁石同期電動機及び永久磁石同期電動機駆動システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、永久磁石同期電動機及び永久磁石同期電動機駆動システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、車両の入換え作業を行う必要のある鉄道車両工場や一般鉄道引込線を有する工場では、ディーゼルエンジン等の内燃機関またはバッテリー駆動等により、電化設備がない状況で自力走行ができる入換機関車を用いて上記の車両の入換作業を行なっている。
【０００３】
この入換機関車は、ほぼ勾配のない線路上を平均時速２５ｋｍ／ｈ程度の低速で車両を入れ換える動作を繰り返し行う。通常の機関車と比較すると、低速度領域において大きな牽引力が必要とされるという特徴がある。
【０００４】
低速度領域において大きな牽引トルクを得るためには、永久磁石同期電動機の使用が効果的である。永久磁石同期電動機は回転子に永久磁石を使用していることから、誘導電動機のように回転子に通電する必要がない。永久磁石同期電動機は、回転子における損失がないため誘導電動機より高効率化が可能である。この永久磁石同期電動機は、その特性上、低速度領域において高効率化が顕著であるため、低速度領域の走行時に大きな牽引力の出力が可能となる。
【０００５】
したがって、主に低速領域で走行し、低速走行時に大きな牽引トルクが必要な入替機関車において、永久磁石同期電動機を搭載した機関車の提供が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−３５４８０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記した従来技術においては、永久磁石同期電動機は永久磁石を内部に有するために、電動機の回転中は誘起電圧が発生する。
【０００８】
そのため、永久磁石同期電動機を搭載する入換機関車が、回送運用時など、本線を１００ｋｍ／ｈ程度の速度で高速走行する場合は高い誘起電圧が発生する。
【０００９】
その誘起電圧がインバータ電圧を超えると、誘起電圧により発生した電流が電動機からインバータへ流れ込むため、誘起電圧がインバータ電圧以下になるように定格電流以上の電流を電動機に流す必要がある。そのため、長時間の高速走行をすると、電動機の温度上昇過大が問題となる。
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、低速度域において高効率で、高速度域での誘起電圧の発生を抑制することが可能な永久磁石同期電動機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
実施形態の永久磁石同期電動機は、第１固定子巻線と、第１固定子巻線と接続した第２固定子巻線の２つの固定子巻線を有した電動機と、第１固定子巻線と接続する第１の電動機三相線と接続する第１半導体スイッチと、第２固定子巻線と接続する第２の電動機三相線と接続する第２半導体スイッチを有した巻線切替回路と、前記半導体スイッチをオン、オフする指令を出す切替司令部を有している。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１の実施形態の永久磁石同期電動機の全体構成を示す図。
【図２】第１の実施形態の永久磁石同期電動機の固定子巻線の構成を示す図。
【図３】第１の実施形態の永久磁石同期電動機の固定子巻線の構成を示す図。
【図４】第１の実施形態の永久磁石同期電動機の巻線切替のフローチャート。
【図５】第１の実施形態の永久磁石同期電動機の巻線切替による誘起電圧の変化を表す図
【図６】第１の実施形態の永久磁石同期電動機の巻線切替による電流の変化を表す図
【図７】車両の入替作業時に必要な牽引力と回送運用時に必要な牽引力の比較
【図８】第２の実施形態の永久磁石同期電動機の全体構成を示す図。
【図９】第２の実施形態の永久磁石同期電動機の巻線切替のフローチャート（低速運転から高速運転に切替の場合）
【図１０】第３の実施形態の永久磁石同期電動機の全体構成を示す図。
【図１１】第３の実施形態の永久磁石同期電動機の巻線切替のフローチャート（低速運転から高速運転に切替の場合）
【図１２】第４の実施形態の永久磁石同期電動機の全体構成を示す図。
【図１３ａ】第４の実施形態の永久磁石同期電動機の巻線切替のフローチャート（低速運転から中速運転に切替の場合）。
【図１３ｂ】第４の実施形態の永久磁石同期電動機の巻線切替のフローチャート（低速運転から高速運転に切替の場合）。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、実施形態の鉄道車両用永久磁石同期電動機を図面１を参照して説明する。
【００１４】
（第１の実施形態）
第１の実施形態について図１〜図３を参照し、詳細に説明する。
【００１５】
（構成）
図１は、第１の実施形態の永久磁石同期電動機の全体図である。
【００１６】
図１は、永久磁石同期電動機（以下、電動機とする）１００、電動機三相線１４０、巻線切替回路１３０、インバータ三相線１２０、インバータ１５０、通信ケーブル１７０、切替司令部１６０を有する。
【００１７】
インバータ１５０の入力側は、直流または交流の電源と接続する。インバータ１５０の出力側はインバータ三相線１４０（Ｕ相線４１、Ｖ相線４２、Ｗ相線４３）を介して巻線切替回路１３０に接続される。
【００１８】
巻線切替回路１３０は、第１の半導体スイッチ３１と第２の半導体スイッチ３２を一組としてＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相分の三組を有している。
【００１９】
例えば、インバータ１５０より接続されるインバータＵ相線４１は回路内で２つに分岐する。分岐した一端は、第１の半導体スイッチ３１ｕを介して、第１の電動機Ｕ相線２１ｕと接続される。もう一端は第２の半導体スイッチ３２ｕを介して第２の電動機Ｕ相線２２ｕと接続する。
【００２０】
インバータＶ相線４２も同様に分岐し、各半導体スイッチを介して第１の電動機Ｖ相線３１ｖ及び第２の電動機Ｖ相線３２ｖと接続する。インバータＷ相線４３も同様に分岐し、各半導体スイッチを介して第１の電動機Ｗ相線２１ｗ及び第２の電動機Ｗ相線２２ｗと接続する。
【００２１】
また、第１の電動機Ｕ相線２１ｕから第２の電動機Ｗ相線２２ｗは、電動機１００と接続される。
【００２２】
電動機１００は固定子巻線１１１を有している。各相の固定子巻線１１１は、第１固定子巻線１１と、第１固定子巻線１１と接続した第２固定子巻線１２からなる。
【００２３】
例えば、巻線切替回路１３０と接続される第１電動機Ｕ相線２１ｕの一端は、Ｕ相の第１固定子巻線１１ｕと接続する。Ｕ相の第１固定子巻線１１ｕの反対側の一端は、第２電動機Ｕ相線２２ｕとＵ相の第２固定子巻線１２ｕの双方に接続する。第２の固定子巻線１２ｕの他端は中性点１０１に接続する。
【００２４】
第１電動機Ｖ相線２１ｖから第２電動機Ｗ相線２２ｗは、前述と同様の構成を以って、Ｖ相の第１固定子巻線１１ｖからＷ相の第２固定子巻線１２ｗと接続される。
【００２５】
このとき、Ｕ相の第２固定子巻線１２ｕ、Ｖ相の第２固定子巻線１２ｖ、Ｗ相の第２固定子巻線１２ｗは、中性点１０１と接続する。中性点１０１と各第２固定子巻線１２は、全体としてＹ接続をなすように接続する。
【００２６】
このとき、Ｕ相固定子巻線１１１ｕ、Ｖ相固定子巻線１１１ｖ、Ｗ相固定子巻線１１１ｗを総称して固定子巻線１１１とする。またＵ相の第１固定子巻線１１ｕ、Ｖ相の第１固定子巻線１１ｖ、Ｗ相の第１固定子巻線１１ｗを総称して第１固定子巻線１１とする。また、Ｕ相の第２固定子巻線１２ｕ、Ｖ相の第２固定子巻線１２ｖ、Ｗ相の第２固定子巻線１２ｗの固定子巻線を総称して第２固定子巻線１２とする。
【００２７】
切替司令部１６０は通信ケーブル１７０を介して、巻線切替回路１３０と通信する。
【００２８】
図２は、図１の固定子巻線１１１の第１固定子巻線１１と第２固定子巻線１２を詳細に表現した図である。以下、本実施形態の永久磁石同期電動機について説明する。例えば、主電動機の極数が４で、固定子巻線を構成するコイルの数が３６個の場合、第１固定子巻線１１は、第１コイル群１、第２コイル群２、第３コイル群３、第４コイル群４より構成される。また、第２固定子巻線１２は、第５コイル群５、第６コイル群６、第７コイル群７、第８コイル群８より構成される。その他の端子の接続状態は図１と同様である。各コイル群は、絶縁銅線を環状に巻いたコイルで形成されている。コイルの巻き方は六角形の形状またはその他の形状でもよい。第１コイル群１を構成するコイルを１ａ、第２コイル群２を構成するコイルを２ａ、第３コイル群３を構成するコイルを３ａ、第４コイル群４を構成するコイルを４ａとする。また、第５コイル群５を構成するコイルを５ａ、第６コイル群６を構成するコイルを６ａ、第７コイル群７を構成するコイルを７ａ、第８コイル群８を構成するコイルを８ａとする。
【００２９】
（コイル数３６を極数４と相数３で割った数３のうち、）第１コイル群１は、コイルを２巻きしたコイル１ａで構成される。つまり、コイル数は２となる。第２コイル群２、第３コイル群３、第４コイル郡４は、第１コイル群と同様のコイル数で構成される。また、第５コイル群５は、コイルを１巻きしたコイル５ａで構成される。つまり、コイル数は１となる。第６コイル群６、第７コイル群７、第８コイル郡は、第５コイル群と同様のコイル数で構成される。
【００３０】
上記の各コイル群は、固定子鉄心１０と組み合わせされて構成される。固定子鉄心１０ａは、磁性材、珪素鋼板等からなる環状の金属板が多数枚積層して構成される。金属板は内周側に凹凸を形成している。この凹凸の凸部分を１０ａとする。また、凸部１０ａ凹部部分をスロット１０ｂとする。スロット１０ｂは、コイルの数と同じ数が設けられる。本実施形態の一例ではコイルの数が３６個のため、スロット１０ｂの数も３６個となる。図
２（１）〜（３６）は、各スロット１０ｂに１から３６までスロット番号が割り振ったものである。固定子鉄心１０の内周部に形成されるスロット１０ｂに、各コイルが埋め込まれる。
【００３１】
第１スロット（１）及び、第１スロット（１）と隣り合う第２スロット（２）には、コイル１ａが埋め込まれる。コイル１ａが互いに直列に接続され、第１コイル群１は構成される。第２スロット（２）と隣り合う第３スロットには、コイル５ａが埋め込まれる。コイル５ａは第５コイル群５を構成する。次に、第１スロット（１）から極ピッチ（コイル数を極数で割った数、ここでは３６／４＝９）離れた第１０スロットにコイル２ａを埋め込む。また第１０スロット（１０）に隣合う図示しない第１１スロット（１１）にコイル２ａを埋め込む。コイル２ａは互いに直列に接続され、直列に接続することで第２コイル群２が構成される。第１１スロット（１１）と隣り合う第１２スロットは、コイル６ａが埋め込まれる。コイル６ａは第６コイル群６を構成する。以下、同様に第１０スロットから極ピッチ分離れた第１９スロット（１９）と第２０スロット（２０）には、第３コイル群３が埋め込まれる。第２１スロット（２１）には、第８コイル群８が埋め込まれる。また第１９スロット（１９）から極ピッチ分の離れた第２８スロット（２８）及び第２９スロット（２９）には、第４コイル群４が構成され、第３０スロット（３０）には、第８コイル群８が構成される。
【００３２】
上記のように構成において、第１コイル群１乃至第４コイル群４を直列に接続し、第１固定子巻線１１を構成する。このとき、第１コイル群１及び第３個コイル群３は正極性を有する。第２コイル群２及び第４コイル群４は逆極性を有する。また、第５コイル群５乃至第８コイル群８を直列に接続し、第２固定子巻線１２を構成する。このとき、第５コイル群５及び第７個コイル群７は正極性を有する。第６コイル群６及び第８コイル群８は逆極性を有する。
【００３３】
第１電動機線２１は第１コイル群１に接続し、第１電動機線２２は第１コイル群４と第２コイル群５に接続する。第２コイル群６は中性点１０１に接続する。
【００３４】
図３は、図２の主電動機の極数やコイルの数が変わったときの固定子巻線１１１の第１固定子巻線１１と第２固定子巻線１２を詳細に表現した図である。以下、本実施形態の永久磁石同期電動機について説明する。
【００３５】
例えば、主電動機の極数がｐで、固定子巻線を構成するコイルの数がＮ個の場合、第１固定子巻線１１は、第１コイル群１、第２コイル群２、・・・、第ｐコイル群ｐより構成される。また、第２固定子巻線１２は、第ｐ＋１コイル群（ｐ＋１）、第ｐ＋２コイル群（ｐ＋２）、・・・、第２ｐコイル群２ｐより構成される。その他の端子の接続状態は図１と同様である。各コイル群は、絶縁銅線を環状に巻いたコイルで形成されている。コイルの巻き方は六角形の形状またはその他の形状でもよい。第１コイル群１を構成するコイルを１ａ、第２コイル群２を構成するコイルを２ａ、・・・、第２ｐコイル群２ｐを構成するコイルを２ｐａとする。
【００３６】
固定子鉄心１０の各スロット１０ｂには１からＮまでスロット番号が割り振られている。（図３の（１）〜（Ｎ））
コイル数Ｎを極数ｐと相数３で割った数Ｎ／３ｐのうち、第１コイル群１から第ｐコイル郡ｐを構成するコイル数をｎ１、第ｐ＋１コイル群（ｐ＋１）から第２ｐコイル郡２ｐを構成するコイル数をｎ２とする。
【数１】
2014200152.tif 000003
【００３７】
第１スロット（１）から第ｎ１スロット（ｎ１）には、コイル１ａが埋め込まれる。コイル１ａが互いに直列に接続され、第１コイル群１は構成される。第ｎ１スロット（ｎ１）と隣り合う第（ｎ１＋１）スロットから第（ｎ１＋ｎ２）スロット（ｎ１＋ｎ２）には、コイル（ｐ＋１）ａが埋め込まれる。コイル（ｐ＋１）ａは第（ｐ＋１）コイル群（ｐ＋１）を構成する。次に、第１スロット（１）から極ピッチ（コイル数を極数で割った数、ここではＮ／ｐ）離れた第（１＋Ｎ／ｐ）スロットから第（Ｎ／ｐ＋ｎ１）スロットにはコイル２ａを埋め込む。コイル２ａは互いに直列に接続され、直列に接続することで第２コイル群２が構成される。第（Ｎ／ｐ＋ｎ１）スロット（Ｎ／ｐ＋ｎ１）と隣り合う第（Ｎ／ｐ＋ｎ１＋１）スロットからから第（Ｎ／ｐ＋ｎ１＋ｎ２）スロットには、コイル（ｐ＋２）ａが埋め込まれる。コイル（ｐ＋２）ａは第（ｐ＋２）コイル群（ｐ＋２）を構成する。以下、同様の方法でコイル群を構成していき、第（１＋（Ｐ−１）Ｎ／Ｐ）スロットから第（（Ｐ−１）Ｎ／Ｐ＋ｎ１）スロットには、コイルｐａを埋め込む。コイルｐａは互いに直列に接続され、直列に接続することで第ｐコイル群ｐａが構成される。第（（Ｐ−１）Ｎ／Ｐ＋ｎ１）スロットと隣り合う第（（Ｐ−１）Ｎ／Ｐ＋ｎ１＋１）スロットから第（Ｎ／ｐ＋ｎ１＋ｎ２）スロットには、コイル２ｐａが埋め込まれる。コイル２ｐａは第２ｐコイル群２ｐを構成する。
【００３８】
上記のように構成において、第１コイル群１乃至第ｐコイル群ｐを直列に接続し、第１固定子巻線１１を構成する。このとき、第１コイル群１、第３個コイル群３、・・・、第ｐ−１コイル群は正極性を有する。第２コイル群２、第４コイル群４、・・・、第ｐコイル群は逆極性を有する。また、第ｐ＋１コイル群ｐ＋１乃至第２ｐコイル群２ｐを直列に接続し、第２固定子巻線１２を構成する。このとき、第ｐ＋１コイル群ｐ＋１、第ｐ＋３コイル群ｐ＋３、・・・第２ｐ−１コイル群２ｐ−１は正極性を有する。第ｐ＋２コイル群ｐ＋２、第ｐ＋４コイル群ｐ＋４、・・・第２ｐコイル群２ｐは逆極性を有する。
【００３９】
第１電動機線２１は第１コイル群１に接続し、第１電動機線２２は第ｐコイル群ｐと第２ｐコイル群２ｐに接続する。第２コイル群２ｐは中性点１０１に接続する。
【００４０】
上記の固定子巻線を構成することで、第１電動機線２１に交流電力を供給すると、第１固定子巻線１１と第２固定子巻線１２に交流電流が流れ、固定子鉄心１０内に回転磁界が発生させ、第２電動機線２２に交流電力を供給すると、第２固定子巻線１２だけに交流電流が流れ、固定子鉄心１０内に回転磁界を発生させることができる。
【００４１】
また、上記の構成は、（従来の電動機に対して）電動機線を１本追加すれば、固定子内のコイル接続を変えるだけで構成可能であり、構造が単純である。
【００４２】
さらに、巻線切替に必要な半導体スイッチも最小限の２つのスイッチで構成可能である。これに対して従来技術は半導体スイッチが各相ごとに３つ必要、その分、コイルの接続が複雑していた。
【００４３】
（作用）
本実施形態の作用について図１、図４を参照して説明する。図示しない電源からインバータ１５０へ直流電力が供給される。インバータ１５０は、供給された直流電力を永久磁石同期電動機１００が駆動可能な交流電力に変換する。変換された交流電力は、インバータ三相線１４０を通って、巻線切替回路１３０に供給される。巻線切替回路１３０の第１スイッチ３１と第２スイッチ３２をオン・オフする指令は、切替司令部１６０から通信ケーブル１７０を通って巻線切替回路１３０に伝達される（Ｓ１００）。
【００４４】
入替機関車を通常の車両の入換え作業で運用するときは、切替司令部１６０にて低速運転モードを選択する（Ｓ１１０）。低速運転モード選択後、切替司令部１６０から通信ケーブル１７０を通って巻線切替回路１３０へ、第１スイッチ３１をオン、第２スイッチ３２をオフにする指令を伝達する（Ｓ１１１）。インバータ１５０で発生した交流電力は、インバータ三相線１４０、第１電動機三相線２１を通って電動機１００の第１固定子巻線１１と第２固定子巻線１２の双方に供給される。（Ｓ１１２）。第１固定子巻線１１と第２固定子巻線１２の双方で発生した回転磁界により、電動機が回転し、それを駆動力にして車両が走行する。第１固定子巻線１１及び第２固定子巻線１２から出力を得られるため、低速度領域においても大きな牽引力を得られる（Ｓ１１３）。
【００４５】
一方、入替機関車を回送運用で高速走行する場合は、切替司令部１６０にて高速運転モードを選択する（Ｓ１２０）。高速運転モードの切替後、切替司令部１６０から通信ケーブル１７０を通って巻線切替回路１３０へ第１スイッチ３１をオフ、第２スイッチ３２をオンにする指令を伝達する（Ｓ１２１）。インバータ１５０で発生した交流電力は、インバータ三相線１４０、第２電動機三相線２２を通って電動機１００の第２固定子巻線１２に供給される。（Ｓ１２２）。第２固定子巻線１２で発生した回転磁界により、電動機が回転し、それを駆動力にして車両が走行する。低速運転モードのときより、固定子巻線全体のコイル数が第１固定子巻線１１分減っており、その分回転磁界も小さくなるため誘起電圧も小さくできる。（Ｓ１２３）。
【００４６】
（効果）
図５は本実施形態の永久磁石同期電動機にて、巻線切替により低速運転モードで発生する誘気電圧と、高速運転モードで発生する誘気電圧を比較したグラフである。誘起電圧の大きさは固定子巻線全体のコイル数に比例するため、第１の固定子巻線１０２ａと第２の固定子巻線１０２ｂの双方に電力が供給される低速運転モードより、第２の固定子巻線１０２ｂのみに供給される高速運転モードの方が、発生する誘起電圧が小さくなる。その減少率は第１の固定子巻線１０２ａのコイル数と第２の固定子巻線１０２ｂのコイル数比に依存する。
【００４７】
図６は本実施形態の永久磁石同期電動機にて、低速運転モードで電動機に流れる電流と、高速運転モードで電動機に流れる電流を比較したグラフである。図４より、高速運転モードでは発生する誘起電圧が小さくなるため、その分誘起電圧がインバータ電圧を超えないよう、電動機の磁束を抑制する電流を電動機に流す速度域がより高速域になるので、中・高速域で電動機に流れる電流が小さくなる。
【００４８】
図７は車両の入替作業時に必要な牽引トルクと、回送運用に必要な牽引トルクを比較したグラフである。回送運用は貨物を牽引しないため、入替機関車の質量分だけを牽引するトルクがあれば走行可能なので、入替作業時に必要な牽引トルクと比較して、回送作業時に必要な牽引トルクは十分小さいことがわかる。よって、牽引トルクの大きさは固定子巻線全体のコイル数に比例するため、高速運転モードでは発赤できる牽引トルクが小さくなるが、回送運用では大きな牽引力は必要ないため、車両の走行に問題はないといえる。
【００４９】
以上述べた少なくともひとつの実施形態の永久磁石同期電動機によれば、巻線切替回路を搭載して電動機の固定子巻線数を変更することで、車両の入換え作業等の低速運転モード時は、電動機の固定子巻線数を増やして、高効率で大きな牽引力の出力を可能とする。回送運転時等の高速運転モード時は、電動機の巻線数を減らして、少ない制御電流により、入替機関車が単体で本線を連続で高速走行することが可能になる。
【００５０】
（第２の実施形態）
第２の実施形態について図８を参照し、詳細に説明する。図９は、第２の実施形態の永久磁石同期電動機システムのフローチャートである。尚、図１乃至４と同一の構成をとるものについては、同符号を付して説明を省略する。
【００５１】
本実施形態は、第１の実施形態に、電圧計と電圧値演算部を追加している。以下、その点について詳細に説明する。
【００５２】
（構成）
電圧計２００はインバータ三相線１４０のうち２相の間に接続される。図８ではＵ相線４１とＶ相線４２の間に接続される。電圧値演算部２１０は電圧計２００と切替司令部１６０に接続される。切替司令部１６０は通信ケーブル２２０を介して、インバータ１５０と通信する。
【００５３】
（作用）
本実施形態の作用について図８、図９を参照して説明する。入換機関車を回送運用で走行するときに、機関車走行開始時は低速運転モードにて永久磁石同期電動機１００を駆動する（Ｓ２００）。電圧計２００はＵ相線４１とＶ相線４２の間の線間電圧Ｖｍを検出する。（Ｓ２１０）。機関車が加速し主電動機１００の回転数が大きくなると、誘起電圧が大きくなるため、線間電圧Ｖｍは増加する。電圧値演算部２１０は、線間電圧Ｖｍとインバータ許容電圧αが比較される（Ｓ２２０）。線間電圧Ｖｍ＜インバータ許容電圧αの場合は、正常と判断し巻線切替は行なわない。一方、線間電圧Ｖｍ≧インバータ許容電圧αの場合は、インバータ許容電圧以上の誘起電圧が発生していると判断し、誘起電圧を下げるために、電圧演算部２１０は、切替司令部１６０に高速運転モード指令を出す（Ｓ２３０）。切替司令部１６０は通信ケーブル２２０を通って、インバータ１５０に電流オフ指令を出す（Ｓ２４０）。次に、切替司令部１６０は通信ケーブル１７０を通って、巻線切替回路１３０に高速運転モードに巻線を切り替える指令を出す（Ｓ２５０）。最後に、切替司令部１６０は通信ケーブル２２０を通って、インバータ１５０に電流オン指令を出す（Ｓ２６０）。高速運転モードでは主電動機１００の誘起電圧が小さくなるので、線間電圧Ｖｍはインバータ許容電圧α以下になる。
【００５４】
（効果）
図６より、高速運転モードは高速域では電動機に流れる電流を小さくできる一方、低速域では固定子巻線数が小さいため、電流は低速運転モードより大きくなる。そこで、最初は低速運転モードで運転し、誘起電圧がインバータ電圧を超えたタイミングで巻線を切替え、高速運転モードで運転することで、第１の実施形態よりも少ない電流で電動機を駆動することができる。また、低速運転モードでは大きな牽引力を得ることが出来るため、低速時に第１の実施形態よりも早い加速度で加速できる。
【００５５】
（第３の実施形態）
第３の実施形態について図１０を参照し、詳細に説明する。図１１は、第３の実施形態の永久磁石同期電動機システムのフローチャートである。尚、図１乃至４と同一の構成をとるものについては、同符号を付して説明を省略する。
【００５６】
本実施形態は、第１の実施形態に、電流計、座標変換部、電圧変換部、電圧値演算部を追加している。以下、その点について詳細に説明する。
【００５７】
（構成）
電流計３００はインバータ三相線１４０のうち２相もしくは３相に接続される。図１０ではＵ相線４１に電流計３００ｕとＶ相線４２に電流計３００ｖが接続される。座標変換部３１０は電流計３１０ｕ、３１０ｖと電圧変換部３２０に接続される。電圧演算部３３０は巻線切替司令部１６０に接続される。切替司令部１６０は通信ケーブル３４０を介して、インバータ１５０と通信する。
【００５８】
（作用）
本実施形態の作用について図１０、図１１を参照して説明する。入換機関車を回送運用で走行するときに、機関車走行開始時は低速運転モードにて永久磁石同期電動機１００を駆動する（Ｓ３００）。電流計３００ｕはＵ相線４１に流れる電流Ｉｕを検出し、電流計３００ｖはＶ相線４２に流れる電流Ｉｖを検出する（Ｓ３１０）。座標変換部３１０は、電流ＩｕとＩｖを、永久磁石同期機の回転に同期して回転する座標系に変換する。永久磁石の磁束の方向をｄ軸、ｄ軸に直交する軸をｑ軸と定義し、ｄ軸に流れる電流をＩｄ、ｑ軸に流れる電流をＩｑとする。（Ｓ３２０）。
【００５９】
次に、電圧変換部３２０は、式（２）に従って、電流Ｉｄ、Ｉｑを電圧Ｖｄ、Ｖｑに変換する。
【数２】
2014200152.tif 000004
【００６０】
ここで、ｖｄ、ｖｑはｄ−ｑ軸電機子電圧、ｉｄ、ｉｑはｄ−ｑ軸電機子電流、Ｒｍは固定子巻線抵抗、Ｌｄ、Ｌｑはｄ−ｑ軸インダクタンス、ωはｄ−ｑ軸回転子角速度、Φｆは磁石磁束係数、ｐ（＝ｄ／ｄｔ）は微分演算子である。
【００６１】
電動機の誘起電圧Ｖｍは、式（３）に従って、電圧Ｖｄ、Ｖｑより計算される（Ｓ３３０）。
【数３】
2014200152.tif 000005
【００６２】
図１１の動作Ｓ３４０〜Ｓ３８０は、第２実施形態の図９の動作Ｓ２２０〜Ｓ２６０と同一なので、ここでは説明を省略する。
【００６３】
（効果）
第２実施形態と同様に、最初は低速運転モードで運転し、誘起電圧がインバータ電圧を超えたタイミングで巻線を切替え、高速運転モードで運転することで、第１の実施形態よりも少ない電流で電動機を駆動することができる。また、低速運転モードでは大きな牽引力を得ることが出来るため、低速時に第１の実施形態よりも早い加速度で加速できる。
【００６４】
さらに、Ｓ３１０からＳ３３０の動作については、永久磁石同期電動機の回転センサレス制御で同様の動作が用いているため、既存システムの流用で構成できる。
【００６５】
（第４の実施形態）
第４の実施形態について図１２を参照し、詳細に説明する。図１３は、第４の実施形態の永久磁石同期電動機システムのフローチャートである。尚、図１乃至４と同一の構成をとるものについては、同符号を付して説明を省略する。
【００６６】
本実施形態は、第２の実施形態で、永久磁石同期電動機の固定子巻線を３つに分割して、巻線切替回路の半導体スイッチの数を３つにしたものである。
【００６７】
（構成）
図１２は、第４の実施形態の永久磁石同期電動機の全体図である。
【００６８】
巻線切替回路１３０は、第１の半導体スイッチ３１、第２の半導体スイッチ３２、第３半導体スイッチ３３を一組としてＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相分の三組を有している。
【００６９】
例えば、インバータ１５０より接続されるインバータＵ相線４１は回路内で３つに分岐する。分岐した一端は、第１の半導体スイッチ３１ｕを介して、第１の電動機Ｕ相線２１ｕと接続される。もう一端は第２の半導体スイッチ３２ｕを介して第２の電動機Ｕ相線２２２ｕと接続する。最後の一端は第３の半導体スイッチ３３ｕを介して第３の電動機Ｕ相線２３ｕと接続する。
【００７０】
また、第１の電動機Ｕ相線２１ｕから第３の電動機Ｗ相線２３ｗは、電動機１００と接続される。
【００７１】
電動機１００は固定子巻線１１１を有している。各相の固定子巻線１１１は、第１固定子巻線１１と、第１固定子巻線１１と接続した第２固定子巻線１２と、第３固定子巻線１３からなる。
【００７２】
例えば、巻線切替回路１３０と接続される第１電動機Ｕ相線２１ｕの一端は、Ｕ相の第１固定子巻線１１ｕと接続する。Ｕ相の第１固定子巻線１１ｕの反対側の一端は、第２電動機Ｕ相線２２ｕとＵ相の第２固定子巻線１２ｕの双方に接続する。
【００７３】
第２の固定子巻線１２ｕの反対側の一端は、第３電動機Ｕ相線２３ｕとＵ相の第３固定子巻線１３ｕの双方に接続する。第３の固定子巻線１３ｕの他端は、中性点１０１に接続する。
【００７４】
第１電動機Ｖ相線２１ｖから第３電動機Ｗ相線２３ｗは、前述と同様の構成を以って、Ｖ相の第１固定子巻線１１ｖからＷ相の第３固定子巻線１３ｗと接続される。
【００７５】
このとき、Ｕ相の第３固定子巻線１３ｕ、Ｖ相の第３固定子巻線１３ｖ、Ｗ相の第３固定子巻線１３ｗは、中性点１０１と接続する。中性点１０１と各第３固定子巻線１３は、全体としてＹ接続をなすように接続する。
【００７６】
このとき、Ｕ相の第３固定子巻線１３ｕ、Ｖ相の第３固定子巻線１３ｖ、Ｗ相の第３固定子巻線１３ｗの固定子巻線を総称して第３固定子巻線１３とする。
【００７７】
（作用）
本実施形態の作用について図１２、図１３を参照して説明する。入換機関車を回送運用で走行するときに、機関車走行開始時は低速運転モード（第１の半導体スイッチ３１、第２の半導体スイッチ３２、第３半導体スイッチ３３全てオン）にて永久磁石同期電動機１００を駆動する（Ｓ４０１）。電圧計２００はＵ相線４１とＶ相線４２の間の線間電圧Ｖｍを検出する。（Ｓ４０２）。機関車が加速し主電動機１００の回転数が大きくなると、誘起電圧が大きくなるため、線間電圧Ｖｍは増加する。電圧値演算部２１０は、線間電圧Ｖｍとインバータ許容電圧αが比較される（Ｓ４０３）。線間電圧Ｖｍ＜インバータ許容電圧αの場合は、正常と判断し巻線切替は行なわない。一方、線間電圧Ｖｍ≧インバータ許容電圧αの場合は、インバータ許容電圧以上の誘起電圧が発生していると判断し、誘起電圧を下げるために、電圧演算部２１０は、切替司令部１６０に中速運転モード指令を出す（Ｓ４０４）。切替司令部１６０は通信ケーブル２２０を通って、インバータ１５０に電流オフ指令を出す（Ｓ４０５）。次に、切替司令部１６０は通信ケーブル１７０を通って、巻線切替回路１３０に中速運転モードに巻線を切り替える指令（第１の半導体スイッチ３１をオフ、第２の半導体スイッチ３２と第３半導体スイッチ３３をオン）を出す（Ｓ４０６）。最後に、切替司令部１６０は通信ケーブル２２０を通って、インバータ１５０に電流オン指令を出す（Ｓ４０７）。中速運転モードでは主電動機１００の誘起電圧が低速運転モードより小さくなるので、線間電圧Ｖｍはインバータ許容電圧α以下になる。
【００７８】
次に、機関車がさらに加速すると、電動機１００の線間電圧Ｖｍは大きくなる。前記同様、電圧値演算部２１０にて、線間電圧Ｖｍとインバータ許容電圧αが比較される（Ｓ４１０）。ここで、前記同様、線間電圧Ｖｍ≧インバータ許容電圧αの場合は、インバータ許容電圧以上の誘起電圧が発生していると判断し、電圧演算部２１０は、切替司令部１６０に高速運転モード指令を出す（Ｓ４１１）。切替司令部１６０は通信ケーブル２２０を通って、インバータ１５０に電流オフ指令を出す（Ｓ４１２）。次に、切替司令部１６０は通信ケーブル１７０を通って、巻線切替回路１３０に高速運転モードに巻線を切り替える指令（第１の半導体スイッチ３１と第２の半導体スイッチ３２をオフ、第３半導体スイッチ３３をオン）を出す（Ｓ４１３）。最後に、切替司令部１６０は通信ケーブル２２０を通って、インバータ１５０に電流オン指令を出す（Ｓ４０７）。高速運転モードでは主電動機１００の誘起電圧が小さくなるので、線間電圧Ｖｍは再びインバータ許容電圧α以下になる。
【００７９】
（効果）
第２実施形態と同様に、最初は低速運転モードで運転し、誘起電圧がインバータ電圧を超えたタイミングで巻線を切替えながら、中速運転モード、高速運転モードと運転することで、第１の実施形態よりも少ない電流で電動機を駆動することができる。また、低速運転モードでは大きな牽引力を得ることが出来るため、低速時に第１の実施形態よりも早い加速度で加速できる。
【００８０】
本実施形態は、第２の実施形態よりも、走行中の誘起電圧をより細かく調整できるようになるため、最適な運転条件を構成しやすくなる。
【００８１】
尚、本実施形態の主電動機１００と巻線切替回路１３０の構成は第３の実施形態にも適用できる。
【符号の説明】
【００８２】
１  第１コイル群
２  第２コイル群
３  第３コイル群
４  第４コイル群
５  第５コイル群
６  第６コイル群
７  第７コイル群
８  第８コイル群
１ａ  第１コイル群を構成するコイル
２ａ  第２コイル群を構成するコイル
３ａ  第３コイル群を構成するコイル
４ａ  第４コイル群を構成するコイル
５ａ  第５コイル群を構成するコイル
６ａ  第６コイル群を構成するコイル
７ａ  第７コイル群を構成するコイル
８ａ  第８コイル群を構成するコイル
１０  固定子鉄心
１０
１０ａ  凸部
１０ｂ  凹部（スロット）
１００  永久磁石同期電動機
１０１  中性点
１１１  固定子巻線
１１  第１固定子巻線
１２  第２固定子巻線
１２０  電動機三相線
２１ｕ  第１電動機Ｕ相線
２２ｕ  第２電動機Ｕ相線
２１ｖ  第１電動機Ｖ相線
２２ｖ  第２電動機Ｖ相線
２１ｗ  第１電動機Ｗ相線
２２ｗ  第２電動機Ｗ相線
１３０  巻線切替回路
３１  第１スイッチ
３２  第２スイッチ
１４０  インバータ三相線
４１  インバータＵ相線
４２  インバータＶ相線
４３  インバータＷ相線
１５０  インバータ
１６０  切替司令部
１７０  通信ケーブル
ｐ  第ｐコイル群
ｐ＋１  第（ｐ＋１）コイル群
ｐ＋２  第（ｐ＋２）コイル群
２ｐ  第（２ｐ）コイル群
ｐａ  第ｐコイル群を構成するコイル
（ｐ＋１）ａ  第（ｐ＋１）コイル群を構成するコイル
（ｐ＋２）ａ  第（ｐ＋２）コイル群を構成するコイル
２ｐａ  第（２ｐ）コイル群を構成するコイル
２００  電圧計
２１０  電圧値演算部
２２０  通信ケーブル
３００ｕ  Ｕ相電流計
３００ｖ  Ｖ相電流計
３１０  座標変換部
３２０  電圧変換部
３３０  電圧値演算部
３４０  通信ケーブル
【図１】
2014200152.tif 000006
【図２】
2014200152.tif 000007
【図３】
2014200152.tif 000008
【図４】
2014200152.tif 000009
【図５】
2014200152.tif 000010
【図６】
2014200152.tif 000011
【図７】
2014200152.tif 000012
【図８】
2014200152.tif 000013
【図９】
2014200152.tif 000014
【図１０】
2014200152.tif 000015
【図１１】
2014200152.tif 000016
【図１２】
2014200152.tif 000017
【図１３ａ】
2014200152.tif 000018
【図１３ｂ】
2014200152.tif 000019