(57)【要約】【課題】モータによる回転駆動力の大小の切り替えを、低損失・低コストで実現する。【解決手段】同一軸４６を駆動するように設置された第１モータ４２と第２モータ４４は、二つのスイッチ４８，５０を切り替えることにより、直流電源３０に対して並列または直列に接続される。第１モータと第２モータは、その端子電圧に応じた駆動出力を有するため、同一軸は並列接続時には高出力で駆動され、直列接続時には低出力で駆動される。二つのモータ及びスイッチを備えるこの構成は、低損失性及び低コスト性を備えている点で、レジスタやＰＷＭコントローラを用いる従来技術に比べ優れている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一の電源に対して接続され、印加される端子電圧に応じた出力で同一軸を回転駆動する複数のモータと、
少なくとも一つの前記モータの前記電源に対する接続状態を切り替えて端子電圧を変更し、全モータによる回転駆動の出力状態を変更する切替部と、
を備える、ことを特徴とするモータシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のモータシステムにおいて、
前記切替部における全モータによる回転駆動の出力状態の変更は、全モータによる回転駆動の総出力の変更である、ことを特徴とするモータシステム。
【請求項３】
請求項２に記載のモータシステムにおいて、
前記切替部は、少なくとも二つの前記モータの前記電源に対する接続を直列から並列又は並列から直列に切り替えることでこれらの端子電圧を変更し、全モータによる回転駆動の総出力を変更する、ことを特徴とするモータシステム。
【請求項４】
請求項１に記載のモータシステムにおいて、
前記切替部は、前記同一軸の回転駆動中に接続の切り替えを行う手段を備える、ことを特徴とするモータシステム。
【請求項５】
請求項１に記載のモータシステムにおいて、
当該モータシステムは、自動車に搭載される部品であり、
前記電源は、自動車に備えられた直流電源であり、
前記同一軸は、自動車に備えられた冷却機構の駆動用の軸である、ことを特徴とするモータシステム。
【請求項６】
請求項１に記載のモータシステムにおいて、
当該モータシステムの動作に係る状態監視情報を取得し、この監視情報に基づいて前記切替部に対して切り替え指示を行う切替指示部を備える、ことを特徴とするモータシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のモータを制御する技術、特に、同一軸を回転駆動するモータについての制御技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車のラジエータ冷却ファンや電動ウォータポンプ等の装置は、モータによって回転駆動されることで動作している。モータ諸元はクーラ要求時などの高負荷時の必要能力に応じて決定され、その能力をもつモータが（一般には一つ）設置される。そして、負荷が小さくモータの最高出力を必要としない場合には、騒音低減やモータブラシ寿命確保の観点から、レジスタ（抵抗器）やＰＷＭコントローラを利用して電圧を低下させることで低出力運用される。
【０００３】
図５は、自動車のラジエータ冷却ファンに用いられるモータの出力制御技術を説明する図である。ここでは、車両に搭載された１２Ｖの電源に対し、高負荷時の必要動作量に基づいて、１２Ｖ−１２０Ｗのモータが用いられるものとして説明を行う。図においては、レジスタを用いる方式とＰＷＭコントローラを用いる方式について、必要構成、高負荷時における回路・モータ電圧・消費電力、低負荷時における回路・モータ電圧・消費電力、及び製造にかかるコストイメージを示している。
【０００４】
レジスタ方式の場合、必要となる構成部品は、１２０Ｗモータ１個、レジスタ（１２０Ｗ相当）１個、及びレジスタの使用・不使用を切り替える切り替え回路である。図５（ａ）に示すように、高負荷時には、回路の切り替えによってレジスタ１０が切り離されている。そして、電源１２に対しては、モータ１４がその電圧１２Ｖを印加されて接続されている。このときのモータ１４の出力は１２０Ｗである。
【０００５】
これに対し、低負荷時には、図５（ｃ）に示すように、回路の切り替えによってレジスタ１０とモータ１４とが電源１２に対して直列接続されている。この場合のモータ１４に印加される端子電圧は６Ｖであり、モータ１４の出力は６０Ｗとなる。
【０００６】
一方、ＰＷＭコントローラ方式の場合、必要となる構成部品は、１２０Ｗモータ１個とＰＷＭコントローラ（部分負荷時効率９０％）１個である。図５（ｂ）に示すように、高負荷時には、ＰＷＭコントローラ１６内の回路切り替えによって、実質的にはＰＷＭコントローラ１６は回路から切り離される。そして、電源１２に対しては、モータ１４がその電圧１２Ｖを印加されて接続されている。この状態は、図５（ａ）に示したものと同様であり、モータ１４の出力は１２０Ｗとなる。
【０００７】
低負荷時には、図５（ｄ）に示すように、電源１２に対してＰＷＭコントローラ１６とモータ１４が直列接続され、ＰＷＭコントローラ１６のスイッチングによりモータ１４の印加電圧が制御される。この例では、モータ１４には６Ｖが印加されており、スイッチング条件を適当にすることで出力は３３Ｗとなっている。
【０００８】
下記特許文献１には、電気自動車のモータのロータに独立の二つのコイルを設け、電源に対してこれらのコイルの直並列接続切り替えを行うことで、モータの特性を変更する技術が開示されている。
【０００９】
下記特許文献２には、子供用の車乗物の速度性能を子供の年齢に応じて変更する技術が開示されている。この車乗物は、二つの後輪がそれぞれに対応して設けられたモータによって駆動されるように構成されている。そして、大人のみが操作可能なスイッチを設け、この二つのモータの直並列切り替えを行うことで速度性能の変更を実現している。
【００１０】
【特許文献１】特開昭５１−４４２２２号公報
【特許文献２】特表２０００−５０８１５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述のレジスタを用いる方式とＰＷＭコントローラを用いる方式における主たる課題は、省エネルギ性と低製造コスト性が不十分な点にある。この点について、引き続き図５を用いて説明する。
【００１２】
レジスタ方式では、電源から供給される電気エネルギの一部をレジスタ１０で消費させることで、モータ１４に供給される電気エネルギを減少させてその出力を抑制している。レジスタ１０においては、電気エネルギを有効に消費するわけではなく、図５（ｃ）に示すように単に熱に変換して放出しているに過ぎない。このため、省エネルギ性の点で問題を含んでいると言える。
【００１３】
図５（ｅ）は、レジスタ方式における製造コストについて、そのイメージを表した図である。縦軸のコストにおいて、そのメモリは観念的な尺度を示している。レジスタ方式の製造コストは、モータ費２０、レジスタ費２２、及び回路費２４からなる。モータ費２０は、一つのモータを用意して設置するための費用であり、２メモリの大きさをもつ。レジスタ費２２は、レジスタ１０を用意して設置するための費用であり、１メモリからなる。また、回路費２４は、切り替えスイッチを備えた回路の導入に係る費用であり、その大きさは０．５メモリである。この結果、全製造コストは３．５メモリとなっている。これは、次に述べるＰＷＭコントローラ方式に比べて安価であり、実装上の問題とはならない。
【００１４】
以上に見たように、レジスタ方式は、製造コストの点では問題がないが、省エネルギ性の点で問題を含んでいる。とくに、発生した熱を処置する問題や、レジスタ１０の抵抗値のバラツキ（温度依存性によるバラツキを含む）への対処の問題も勘案すると、レジスタ方式には課題が多いと結論づけられる。
【００１５】
続いて、ＰＷＭコントローラ方式の場合について説明する。ＰＷＭコントローラ１６では、図５（ｄ）に示すように、主としてスイッチングに伴う電気エネルギ損失が発生する。これは、レジスタ１０における損失に比べれば小さいが、省エネルギーの点からすれば検討すべき事項であることに変わりはない。
【００１６】
ＰＷＭコントローラ方式におけるコストイメージは、図５（ｆ）に示した通りである。この方式では、モータ費２０が２メモリ、ＰＷＭコントローラ１６の導入に要するＰＷＭ費２６が２メモリであり、合計４メモリ分のコストを必要としている。このコストは、レジスタ方式に比べて高コストである。これは、ＰＷＭコントローラ１６がレジスタ１０に比べて高価であり、ＰＷＭ費がレジスタ方式におけるレジスタ費２２と回路費２４の合計額を上回るためである。ＰＷＭコントローラ方式は、省エネルギ性の観点ではレジスタ方式よりも相対的に優れているが、製造コストの点ではレジスタ方式に劣っていると言える。
【００１７】
本発明の目的は、ここに示したレジスタ方式及びＰＷＭコントローラ方式に代わる新たな制御技術方式を確立することにある。
【００１８】
なお、上記特許文献１に開示された技術では、特殊なモータを用いなければならず、製造コストの点で問題がある。また、上記特許文献２に開示された技術では、モータ出力の切り替えをモータの運転を停止した段階で行うことが前提となっている。しかし、ラジエータ冷却ファンや電動ウォータポンプ等の装置においては出力停止を行うことなく出力を切り替えることが望まれている。
【００１９】
本発明の別の目的は、低製造コスト性と省エネルギ性を兼ね備えた制御技術方式を実現することにある。
【００２０】
また、本発明のさらに別の目的は、出力停止を行うことなく出力状態の切り替えを行いうる制御技術方式を確立することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明のモータシステムは、同一の電源に対して接続され、印加される端子電圧に応じた出力で同一軸を回転駆動する複数のモータと、少なくとも一つの前記モータの前記電源に対する接続状態を切り替えて端子電圧を変更し、全モータによる回転駆動の出力状態を変更する切替部と、を備える。
【００２２】
モータは、端子電圧に応じた出力で回転駆動できるものであれば、その種類は問わない。ただし、コスト抑制の観点からは、ＰＷＭコントローラを用いた制御を行うことなく動作するものが特に望ましい。具体的な例としては、電源が直流である場合における直流モータや、電源が交流である場合における交流整流子モータ等を挙げることができる。
【００２３】
モータシステムにおいては、こうしたモータが複数個用意され、同一軸を回転駆動する。すなわち、同軸で設置されたり、歯車やベルトを介することで、共通の軸を回転駆動する。これらのモータは、同一の電源から電気エネルギを供給されている。特徴的な点は、少なくとも一つのモータについて電気エネルギの供給を受けるための回路配置が、切替部によって切り替え可能となっている点である（ただし、一般には、一つのモータの回路配置を変更するとその影響は他のモータにも及ぶことになる）。切り換えは、例えば半導体スイッチを用いることで容易に行うことができる。また、切り替えの態様は様々に可能であり、例えば、あるモータを回路から切り離して端子電圧を０Ｖとすることでこのモータの出力を変更することができる。これにより、全モータによる回転駆動の出力状態が制御される。
【００２４】
出力状態の制御は、このように総出力の変更を行うことで可能となる他、総出力を変更せずに行うことも可能である。出力は「出力＝トルク×回転数＝電流×電圧」の関係で他の物理量と結びつけられている。そこで、例えば、力の機械的な伝達機構を変更したり、モータの駆動力発生機構を電気的制御により変更したりしてトルクを変更することにより、同じ総出力のまま回転数を変化させることができる。このように総出力を一定にして駆動状態に係る出力状態を変更することも有効である。
【００２５】
この構成においては、レジスタ方式やＰＷＭコントローラ方式におけるようなエネルギ損失は問題とならず、省エネルギの要請を満たすことができる。また、使用する複数のモータは一般的なモータでよいため、製造コストの増大を押さえることが可能となる。
【００２６】
なお、複数のモータが同一軸を駆動することの利点は、複数のモータの動力性能のバラツキを抑制し、その回転動力の利用が容易になることにある。すなわち、内部的には複数のモータが用いられているが、その動力を利用する外部からは、一つのモータのみがあるとみなして出力を取り扱うことが可能となる。
【００２７】
望ましくは、本発明のモータシステムにおいて、前記切替部における全モータによる回転駆動の出力状態の変更は、全モータによる回転駆動の総出力の変更である。総出力の変更は、モータに供給する電気エネルギを制御することで実現可能であり、簡易に実現することができる。
【００２８】
望ましくは、本発明のモータシステムにおいて、前記切替部は、少なくとも二つの前記モータの前記電源に対する接続を直列から並列又は並列から直列に切り替えることでこれらの端子電圧を変更し、全モータによる回転駆動の総出力を変更する。すなわち、少なくとも二つのモータは、電源に対して直列と並列の切り替えができるように配置されている。一般に、直列の場合には並列の場合に比べて端子電圧が低く、各モータの出力及びこれらの総出力も小さくなる。したがって、直列から並列に切り替えることで総出力を増大させる制御が可能となり、また、並列から直列に切り替えることで総出力を減少させる制御が可能となる。
【００２９】
望ましくは、本発明のモータシステムにおいて、前記切替部は、前記同一軸の回転駆動中に接続の切り替えを行う手段を備える。上記特許文献２の技術では、二つのモータからの出力を別々の車輪に伝えている。また、その直並列切り替えは、静止中に行うことが想定されている。この上記特許文献２の技術においては、回転駆動中に接続の切り替えを行うと回転駆動力の不均一な変化によって円滑な走行に支障を来すおそれがあり、静止中に切り替えを行うことは妥当であると考えられる。しかし、自動車のラジエータ冷却ファンや電動ウォータポンプをはじめとする多くの装置においては、モータの駆動を一次的に静止せず、連続的に出力切り替えすることが望ましい。そこで上記特許文献２の技術とは異なり同一軸を駆動する態様をとり、駆動中の切り替えを可能とした。切り替えを行う手段は、例えば切替部が半導体スイッチを利用している場合には、その切り換え指示信号を駆動中にも生成・受付可能とすることで実現できる。
【００３０】
望ましくは、本発明のモータシステムにおいて、当該モータシステムは、自動車に搭載される部品であり、前記電源は、自動車に備えられた直流電源であり、前記同一軸は、自動車に備えられた冷却機構の駆動用の軸である。冷却機構の例としては、ラジエータ冷却ファンや電動ウォータポンプ等を挙げることができる。
【００３１】
望ましくは、本発明のモータシステムにおいて、当該モータシステムの動作に係る状態監視情報を取得し、この監視情報に基づいて前記切替部に対して切り替え指示を行う切替指示部を備える。当該モータシステムの動作に係る状態監視情報とは、モータシステムの出力を切り替え判断に用いられる因子に係る情報であり、例えば、モータシステム自体の動作についての状態監視情報（モータの動作時間、モータの温度等）、モータシステムが置かれた環境についての状態監視情報（気温、湿度等）、モータシステムの動力を利用する装置の動作や環境についての状態監視情報等を挙げることができる。例えば、同一軸が自動車のラジエータ冷却ファンの駆動軸である場合には、冷却対象物の温度情報、エンジンの回転数情報、走行速度情報等を用いることができる。
【００３２】
切替指示部がこうした監視情報から切り替え指示を導き出す態様は様々に設計することができる。一例としては、ＬＵＴ（ルックアップテーブル）を用いた変換手段を保持・参照して、状態監視情報を出力切り替えと結びつける態様を挙げることができる。切替指示部は、一般的にはハードウエアの記憶・演算機能とその動作を規定するプログラム（ソフトウエア）によって動作する。したがって、ここで開示する発明は、例えば、モータシステムの装置構成の下で、このような制御を行うプログラムの発明として捉えられる側面があり、また、ハードウエアとプログラムとが連携して実施する方法の発明として把握することも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下に、代表的な実施形態について説明する。ここでは、自動車に搭載され、自動車のラジエータを冷却するために設けられた装置群を例に挙げて説明を行う。しかし、本実施の形態は、自動車の用途に限定されるものではなく、モータを利用する分野に広く適用可能であることは言うまでもない。
【００３４】
図１は、本実施の形態に係る装置構成の概略構成を示す図である。図中には、自動車に搭載された１２Ｖの直流電源３０、直流電源３０からの電力を回転エネルギに変換するモータシステム４０、モータシステム４０からの回転動力によって駆動される冷却機構としての冷却ファン１００、冷却ファン１００によって冷却される冷却対象物としてのラジエータ１０２、及び、ラジエータ１０２の冷却状態を監視するセンサとしての温度センサ１０４が示されている。
【００３５】
モータシステム４０は、第１モータ４２と第２モータ４４を含んでおり、これらは、同一軸４６を回転駆動するように設置されている。第１モータ４２と第２モータ４４は、ともに直流電源３０に対して接続されている。その接続は、並列と直列とを切り替えられるようになっており、具体的な切り替えは切替部としての二つのスイッチ４８，５０において行われる。スイッチ４８，５０は、典型的には半導体スイッチによって構成される。
【００３６】
切り替えの具体的な制御は、切替指示部としての機能をもつ制御部６０において行われる。制御部６０は、専用あるいは共用のＩＣチップ等の記憶・演算機能を備えたハードウエアを利用して作られており、予め設定されたプログラムに従って動作する。制御部６０には、スイッチ４８，５０に切替信号を送信する信号送信部６２、温度センサが出力する温度情報を取得する取得部６４、取得部６４から温度情報に基づいて切替を行うか否かを決定し信号送信部６２に信号の送信指令を行う演算部６６、温度情報に基づく切替条件を記憶し、演算部６６から参照されるＬＵＴ（ルックアップテーブル）６８が含まれている。
【００３７】
続いて、典型的な動作について説明する。
【００３８】
ラジエータ１０２は、自動車のエンジン部を循環して加熱された冷却液を、外気によって冷却するための熱交換器であり、効率的な放熱のために広い表面積をもつように構成されている。冷却ファン１００は、このラジエータ１０２に対し強制的に風を送り、ラジエータ１０２の冷却を促進させる機能を担っている。送風は、外気温等にも依存するが、一般にラジエータ１０２の高温時には高出力で行われ、低温時には低出力で行われる。温度センサ１０４は、この目的のため、ラジエータ１０２についての温度を測定し、その出力を取得部６４に渡す。
【００３９】
演算部６６は、ＬＵＴ６８を参照して、取得部６４から得た温度情報等から冷却ファン１００を高出力で回転させるか、低出力で回転させるか決定する。そして、出力の切替を行う場合には、信号送信部６２に指令を出して、対応する切替信号を送信させる。そして、スイッチ４８，５０は、信号送信部６２からの切替信号に基づいてスイッチを切り替える。
【００４０】
図２と図３に、切替によって実現される二つの回路状態を示した。図２は、第１モータ４２と第２モータ４４を直流電源３０に対して並列に配置した状態を示しており、図３は、第１モータ４２と第２モータ４４を直流電源３０に対して直列に配置した状態を示している。
【００４１】
図２の並列配置の場合には、直流電源３０の電源電圧１２Ｖが、第１モータ４２及び第２モータ４４の端子電圧となる。したがって、第１モータ４２と第２モータ４４は、１２Ｖの端子電圧に応じた高出力で同一軸４６を回転駆動することができる。第１モータ４２と第２モータ４４が、それぞれ６０Ｗモータとすれば、総出力は１２０Ｗとなる。
【００４２】
一方、図３の直列配置の場合には、直流電源３０の電源電圧１２Ｖは、第１モータ４２及び第２モータ４４にそれぞれ６Ｖの端子電圧として作用する。したがって、第１モータ４２と第２モータ４４が、それぞれ６０Ｗモータとすれば、総出力は３０Ｗとなり、並列配置した場合の１／４の低出力となる。
【００４３】
両者間の切り替え、すなわち、並列から直列及び直列から並列への切り替えは、第１モータ４２及び第２モータ４４が回転駆動している最中に行うことができる。一般には、第１モータ４２と第２モータ４４に同じ規格のモータを用いても製品の不均一性等に起因して駆動力にはバラツキが生じる。そして、このバラツキは端子電圧によっても異なるため、回転駆動中に端子電圧を変更した場合に問題を生じる場合がある。しかし、ここに示した同一軸４６を駆動する方式では、両者のバラツキは外部的には認識されず、その回転力の利用にあたり問題が生じることはない。
【００４４】
図４に、この方式の特徴を、図５と対応させて示した。本方式では、最大出力を図５の両方式と対応させるために必要となる主たる構成は６０Ｗモータ２個と、切り替え回路である。そして、高負荷時には、図４（ａ）に示すように二つのモータ４２，４４が直流電源３０に対して並列に接続される。この結果、１２０Ｗの高回転出力が得られる。また、低負荷時には、図４（ｂ）に示すように二つのモータ４２，４４が直流電源３０に対して直列に接続される。この結果、３０Ｗの低回転出力が得られる。図５に示した両方式では、低負荷時には電気エネルギの損失が発生したが、本方式ではモータの内部抵抗等を除けば電気エネルギの損失はない。したがって、省エネルギを実現することができる。
【００４５】
図４（ｃ）はコストイメージを示した図である。本方式の場合の製造コストにおいて、二つのモータを用意して設置するためのモータ費８０は３メモリである。これは、図５に示した両方式で一つのモータを用意して設置することで要した２メモリのモータ費２０に比べて１．５倍となっている。しかし、本方式では、他に必要となるのは０．５メモリの回路費８２のみである。したがって、合計では、３．５メモリとなり、レジスタ方式と同程度の製造コストで実現可能であると見込まれる。このように、本方式は安価なレジスタ１０を利用した場合と同程度の製造コストで実現可能であるにもかかわらず、レジスタ方式はもちろん高価なＰＷＭコントローラ方式よりも省エネルギを実現できる点で優れている。
【００４６】
以上においては、典型例として、二つのモータの直列−並列切替を行って総出力の切り替えを行う態様を挙げて説明を行った。しかし、本発明は、この態様に限定されず、他の様々な態様を取ることができる。例えば、二つのモータを用いる時において、直列配置された二つのモータのうちの一方を回路から切り離す場合を追加することも可能である。また、例えば三つのモータＡ，Ｂ，Ｃを用いる時には、Ａ，Ｂ，Ｃを直列に接続する場合、Ａ，Ｂを直列としこれに対しＣを並列に配置する場合、Ａ，Ｂ，Ｃを並列に接続する場合を切り替えるといった態様を取ってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本実施の形態に係る装置構成の概略を示す図である。
【図２】並列接続による高出力時の回路構成を示す図である。
【図３】直列接続による低出力時の回路構成を示す図である。
【図４】本実施の形態の概要を示す図である。
【図５】従来技術の２方式の概要を示す図である。
【符号の説明】
【００４８】
３０  直流電源、４０  モータシステム、４２  第１モータ、４４  第２モータ、４６  同一軸、４８，５０  スイッチ、６０  制御部、６２  信号送信部、６４  取得部、６６  演算部、６８  ＬＵＴ、１００  冷却ファン、１０２  ラジエータ、１０４  温度センサ。
【図１】
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【図２】
2006014469.tif 000004
【図３】
2006014469.tif 000005
【図４】
2006014469.tif 000006
【図５】
2006014469.tif 000007