(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに絶縁された第１の固定子巻線（１４）、および該第１の固定子巻線よりも定格電圧が大きい第２の固定子巻線（１６）を備える回転機（１０）の制御量を制御すべく、前記第１の固定子巻線および第２の固定子巻線のそれぞれに接続される第１のインバータ（ＩＮＶ１）および第２のインバータ（ＩＮＶ２）のそれぞれを操作する操作手段（４０）と、
第２の直流電圧源の電圧を前記第１のインバータおよび前記第２のインバータの双方に印加する第１状態と、前記第２の直流電圧源の電圧を前記第２のインバータのみに印加する第２状態とを切り替えるべく、前記第１のインバータの正極側直流母線（Ｌｐ１）および前記第２のインバータの正極側直流母線（Ｌｐ２）の間、および前記第１のインバータの負極側直流母線（Ｌｎ１）および前記第２のインバータの負極側直流母線（Ｌｎ２）の間の少なくとも一方を開閉する第１のスイッチ手段（３０）と、
前記第１のスイッチ手段よりも前記第１のインバータ側に備えられて且つ、前記第２の直流電圧源よりも端子電圧が低い第１の直流電圧源の電圧を前記第１のインバータに印加した状態および前記第１の直流電圧源の電圧の印加を遮断した状態の一対の状態について、それらの切り替えを行う第２のスイッチ手段（３２）と、
前記回転機の回転速度が低い場合、前記第１のスイッチ手段を開状態として且つ第２のスイッチ手段を閉状態とし、前記回転機の回転速度が高くなることで前記第１のスイッチ手段を閉状態に切替えるとともに前記第２のスイッチ手段を開状態に切替える切替手段（４０）と、
を備えることを特徴とする回転機の制御装置。
【請求項２】
前記操作手段は、前記切替手段によって前記第１のスイッチ手段が開状態とされて且つ前記第２のスイッチ手段が閉状態とされる状況下、前記第１のインバータによって前記第１の固定子巻線に電圧を印加するとともに前記第２のインバータによって前記第２の固定子巻線に電圧を印加すべく、前記第１のインバータおよび前記第２のインバータの双方を操作することを特徴とする請求項１記載の回転機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インバータを操作することで回転機の制御量を制御する回転機の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車の走行用モータにブラシレスモータが使用されることが多くなってきている。しかし、自動車は他の産業機器や電気車などと異なり、停車時から発進する加速トルクと、高速巡航までトルクを発生するパワーとを、限られた空間の中に搭載された電池のみの電力でまかなうために、極めて広範囲な運転特性を小型で実現せねばならない。
【０００３】
ここで、広範囲な運転特性を実現すべく、たとえば下記特許文献１に見られるように、固定子巻線のターン数を随時切り替えて電動機を運転することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２０７０１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１の如き考えは古くから知られており、実現するには大容量の半導体スイッチが多数個必要となり、制御装置が大掛かりなものとなる。
【０００６】
したがって、上記特許文献１に記載の技術を、乗用車などの限られた空間内で使用するには実装の難しさがある。事実、引用文献１に例示される技術は、エレベータ用などの比較的搭載空間に制約の少ない分野で実用化が進んでいるが、自動車用途としては未だ実用化されていない。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決する過程でなされたものであり、その目的は、簡易な構成にて固定子巻線の特性変更を実行することができる回転機の制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以下、上記課題を解決するための手段、およびその作用効果について記載する。
【０００９】
請求項１記載の発明は、互いに絶縁された第１の固定子巻線（１４）、および該第１の固定子巻線よりも定格電圧が大きい第２の固定子巻線（１６）を備える回転機（１０）の制御量を制御すべく、前記第１の固定子巻線および第２の固定子巻線のそれぞれに接続される第１のインバータ（ＩＮＶ１）および第２のインバータ（ＩＮＶ２）のそれぞれを操作する操作手段（４０）と、第２の直流電圧源の電圧を前記第１のインバータおよび前記第２のインバータの双方に印加する第１状態と、前記第２の直流電圧源の電圧を前記第２のインバータのみに印加する第２状態とを切り替えるべく、前記第１のインバータの正極側直流母線（Ｌｐ１）および前記第２のインバータの正極側直流母線（Ｌｐ２）の間、および前記第１のインバータの負極側直流母線（Ｌｎ１）および前記第２のインバータの負極側直流母線（Ｌｎ２）の間の少なくとも一方を開閉する第１のスイッチ手段（３０）と、前記第１のスイッチ手段よりも前記第１のインバータ側に備えられて且つ、前記第２の直流電圧源よりも端子電圧が低い第１の直流電圧源の電圧を前記第１のインバータに印加した状態および前記第１の直流電圧源の電圧の印加を遮断した状態の一対の状態について、それらの切り替えを行う第２のスイッチ手段（３２）と、前記回転機の回転速度が低い場合、前記第１のスイッチ手段を開状態として且つ第２のスイッチ手段を閉状態とし、前記回転機の回転速度が高くなることで前記第１のスイッチ手段を閉状態に切替えるとともに前記第２のスイッチ手段を開状態に切替える切替手段（４０）と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
上記発明では、定格電圧の小さい第１の固定子巻線を、回転機の回転速度が高くなる場合に限って第２の直流電圧源に接続することで、第２の固定子巻線が発熱限界に達することを回避しつつも、高回転領域における出力を確保することができる。しかも、こうした切り替えを第１のスイッチ手段および第２のスイッチ手段によって実現することができるため、比較的簡素な構成によって実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態にかかるシステム構成図。
【図２】同実施形態にかかる切替処理の手順を示すタイムチャート。
【図３】同実施形態の効果を示す図。
【図４】発電機の発電電力の特性を示す図。
【図５】上記実施形態の変形例における発電特性を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明にかかる回転機の制御装置を、電動パワーステアリングに搭載された回転機の制御装置に適用した一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００１３】
図１に示す回転機（電動機１０）は、電動パワーステアリングに搭載されるものであり、ここでは、永久磁石同期機を想定している。電動機１０は、回転子１２と、第１の固定子巻線１４と、第２の固定子巻線１６とを備えている。ここで、第１の固定子巻線１４は、Ｕ相コイルｗｕ１，Ｖ相コイルｗｖ１およびＷ相コイルｗｗ１の３つの固定子巻線を備え、それらが互いに中性点で接続されたものである。また、第２の固定子巻線１６は、Ｕ相コイルｗｕ２，Ｖ相コイルｗｖ２およびＷ相コイルｗｗ２の３つの固定子巻線を備え、それらが互いに中性点で接続されたものである。これら第１の固定子巻線１４および第２の固定子巻線１６は、互いに絶縁されているものの、これらは同一の固定子コアに巻かれている。
【００１４】
特に、本実施形態では、第１の固定子巻線１４と、第２の固定子巻線１６とは、ともに３相対称性が保たれるように（位相差が１２０度ずつとなるように）結線されている。また、第１の固定子巻線１４の各相と第２の固定子巻線１６の対応する相とは、所定位相ずれている。この所定位相としては、電気角で３０度であることが望ましい。
【００１５】
ここで、第２の固定子巻線１６の定格電圧（連続定格）は、第１の固定子巻線１４の定格電圧よりも大きい（Ｎ倍）ものである。本実施形態では、こうした設定を、第２の固定子巻線１６のターン数を第１の固定子巻線１４のターン数よりも大きくすることで実現している。たとえば、第１の固定子巻線１４の定格電圧が「１２Ｖ」であり、第２の固定子巻線１６が定格電圧が「４８Ｖ」である場合、第２の固定子巻線１６のターン数を第１の固定子巻線１４のターン数の４倍とすることで実現する。
【００１６】
上記第１の固定子巻線１４は、第１のインバータＩＮＶ１を介して第１の直流電圧源（第１のバッテリ２０）に接続されている。第１のインバータＩＮＶ１は、スイッチング素子Ｓ￥ｐ１，Ｓ￥ｎ１（￥＝ｕ，ｖ，ｗ）の直列接続体を３組備えており、これら各直列接続体の接続点が第１の固定子巻線１４のＵ，Ｖ，Ｗ相にそれぞれ接続されている。これらスイッチング素子Ｓ￥＃１（￥＝ｕ，ｖ，ｗ；＃＝ｐ，ｎ）には、それぞれダイオードＤ￥＃１が逆並列に接続されている。なお、本実施形態では、スイッチング素子Ｓ￥＃１として、ＮチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタを例示している。このため、ダイオードＤ￥＃１としては、スイッチング素子Ｓ￥＃１のボディーダイオードであってもよい。
【００１７】
上記第２の固定子巻線１６は、第２のインバータＩＮＶ２を介して第２の直流電圧源（第２のバッテリ２２）に接続されている。第２のインバータＩＮＶ２は、スイッチング素子Ｓ￥ｐ２，Ｓ￥ｎ２（￥＝ｕ，ｖ，ｗ）の直列接続体を３組備えており、これら各直列接続体の接続点が第２の固定子巻線１６のＵ，Ｖ，Ｗ相にそれぞれ接続されている。これらスイッチング素子Ｓ￥＃２（￥＝ｕ，ｖ，ｗ；＃＝ｐ，ｎ、以下、この表記を踏襲する）には、それぞれダイオードＤ￥＃２が逆並列に接続されている。なお、本実施形態では、スイッチング素子Ｓ￥＃２として、ＮチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタを例示している。このため、ダイオードＤ￥＃２としては、スイッチング素子Ｓ￥＃２のボディーダイオードであってもよい。
【００１８】
上記第１のバッテリ２０の端子電圧は、第１の固定子巻線１４の定格電圧に応じて設定され、上記第２のバッテリ２２の端子電圧は、第２の固定子巻線１６の定格電圧に応じて設定される。すなわち、上記第２のバッテリ２２の端子電圧は、第１のバッテリ２０の端子電圧よりも高い。特に、本実施形態では、第２のバッテリ２２の端子電圧は、第１のバッテリ２０の端子電圧のＮ倍とされている。
【００１９】
上記第１のインバータＩＮＶ１の負極側直流母線Ｌｎ１と第２のインバータＩＮＶ２の負極側直流母線Ｌｎ２とは短絡されている。これに対し、上記第１のインバータＩＮＶ１の正極側直流母線Ｌｐ１と第２のインバータＩＮＶ２の正極側直流母線Ｌｐ２とは、第１のスイッチ手段３０を介して接続されている。ちなみに、本実施形態では、第１のスイッチ手段３０として、互いにソース同士が短絡された一対のＮチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタの直列接続体を例示した。
【００２０】
上記第１のインバータＩＮＶ１の正極側直流母線Ｌｐ１と第１のバッテリ２０の正極端子とは、第２のスイッチ手段３２を介して接続されている。ちなみに、本実施形態では、第２のスイッチ手段３２として、互いにソース同士が短絡された一対のＮチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタの直列接続体を例示した。
【００２１】
コントローラ４０は、電動機１０の制御量（トルク）を制御すべく、第１のインバータＩＮＶ１や第２のインバータＩＮＶ２を操作する操作手段である。すなわち、例えば周知のベクトル制御や矩形波通電制御などを適用することで、第１のインバータＩＮＶ１を構成するスイッチング素子Ｓ￥＃１の操作信号ｇ￥＃１を生成して出力するとともに、第２のインバータＩＮＶ２を構成するスイッチング素子Ｓ￥＃の操作信号ｇ￥＃２を生成して出力する。
【００２２】
コントローラ４０は、さらに、第１のスイッチ手段３０に操作信号ｍ１を出力することで、これを開閉操作したり、第２のスイッチ手段３２に操作信号ｍ２を出力することで、これを開閉操作する。すなわち、コントローラ４０は、本実施形態において、切替手段を構成する。
【００２３】
図２に、第１のスイッチ手段３０および第２のスイッチ手段３２の開閉操作手法を示す。図示されるように、本実施形態では、電動機１０の回転速度ωが第１の閾値ｔｈ１以上となることで、第１のスイッチ手段３０に対する操作信号ｍ１をオン操作指令に切替えるとともに、第２のスイッチ手段３２に対する操作信号ｍ２をオフ操作指令に切り替える。これに対し、電動機１０の回転速度ωが第２の閾値ｔｈ２（＜ｔｈ１）以下となることで、第１のスイッチ手段３０に対する操作信号ｍ１をオフ操作指令に切替えるとともに、第２のスイッチ手段３２に対する操作信号ｍ２をオン操作指令に切り替える。ここで、互いに相違する一対の閾値（第１の閾値ｔｈ１と第２の閾値ｔｈ２）を設けたのは、周知のヒステリシスを設定するためのものであり、これにより、ハンチング現象の発生を回避する。
【００２４】
回転速度ωが第１の閾値ｔｈ１以上となる場合、第１の固定子巻線１４に、第２のバッテリ２２の端子電圧が印加されることとなる。上述したように、第２のバッテリ２２の端子電圧は、第１の固定子巻線１４の定格電圧よりも高い第２の固定子巻線１６の定格電圧に応じて設定されたものである。それにもかかわらず、第１の固定子巻線１４に第２のバッテリ２２の端子電圧を印加することを許容するのは、これが電動機１０の高回転時に限られるためである。すなわち、第１の固定子巻線１４の連続定格電圧が第２のバッテリ２２の端子電圧よりも低い場合であっても、第２のバッテリ２２の端子電圧の印加期間が比較的短時間であるなら、第１の固定子巻線１４が発熱限界に到達することはない。この点に着目し、本実施形態では、図２に示した処理を行なう。
【００２５】
この処理は、上記第１の固定子巻線１４および第２の固定子巻線１６の設定との協働で、電動機１０の回転速度ωが低い領域から高い領域までトルクを確保することを可能とするものである。以下、これについて説明する。
【００２６】
今、第１のバッテリ２０の端子電圧を、電圧Ｖｂａｔｔとし、第１の固定子巻線１４に誘起される電圧を、逆起電圧Ｅｒｅｖとし、第１の固定子巻線１４のインピーダンスを、インピーダンスＺとする。この場合、第１のバッテリ２０を用いることで第１の固定子巻線１４に流れる電流値Ｉ１は、以下の式（ｃ１）にて表現される。
【００２７】
Ｉ１＝（Vbatt−Erev）／Z        ・・・・（ｃ１）
一方、本実施形態では、第２の固定子巻線１６のインピーダンスは、第１の固定子巻線１４のインピーダンスＺのN＾２倍となっている。これは、本実施形態では、第２の固定子巻線１６のターン数を第１の固定子巻線１４のターン数のＮ倍とすることで第２の固定子巻線１６の定格電圧を第１の固定子巻線１４の定格電圧のＮ倍として且つ、第２の固定子巻線１６と第１の固定子巻線１４との収容空間面積を等しく設定したことによる。すなわち、コイルのインダクタンスはターン数の２乗に比例し、コイルの抵抗値は長さに比例して且つ断面積に反比例する。ここで、第２の固定子巻線１６と第１の固定子巻線１４との収容空間面積を等しくするなら、第２の固定子巻線１６のコイルの長さがＮ倍となるため、コイルの断面積は、第１の固定子巻線１４のコイルの断面積の１／N倍となる。したがって、抵抗値もN＾２倍となる。
【００２８】
一方、固定子巻線の逆起電圧はターン数に比例するので第２の固定子巻線１６の逆起電圧は第１の固定子巻線１４の逆起電圧ＥｒｅｖのN倍となる。このため、第２のバッテリ２２を用いることで第２の固定子巻線１６に流せる電流値Ｉ２は、下記の式（ｃ２）となる。
【００２９】
Ｉ２＝（N・Vbatt−Ｎ・Erev）／Ｎ・Ｎ・Z
＝（Vbatt−Erev）／Ｎ・Z  ・・・・（ｃ２）
上記の式（ｃ２）からわかるように、第２の固定子巻線１６に流せる電流値Ｉ２は、第１の固定子巻線１４に流せる電流値Ｉ１の「１／Ｎ」倍である。ただし、トルクは、「電流×ターン数」に比例する。このため、第１のバッテリ２０を用いることで第１の固定子巻線１４に生じるトルクと、第２のバッテリ２２を用いることで第２の固定子巻線１６に生じるトルクとは同一となる。
【００３０】
これに対し、第１の固定子巻線１４に第２のバッテリ２２の端子電圧を印加する場合、第１の固定子巻線１４に流せる電流値Ｉ１´は、以下の式（ｃ３）にて表現される。
【００３１】
Ｉ１´＝（Ｎ・Vbatt−Erev）／Z  ・・・・（ｃ３）
このため、図３に示すように、第２のバッテリ２２を用いることで第２の固定子巻線１６に生じるトルクよりも大きいトルクを、第１の固定子巻線１４によって生成することができる。図３において、実線は、第１のバッテリ２０を用いて第１の固定子巻線１４に生じるトルク、および第２のバッテリ２２を用いて第２の固定子巻線１６に生じるトルクを示す。これに対し、一点鎖線は、第２のバッテリ２２を用いて第１の固定子巻線１４に生じるトルクを示す。ちなみに、最大トルクＴｒｑｍａｘは、インバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２等の定格電流によって定まるものである。
【００３２】
このように、本実施形態によれば、電動機１０の最大出力を増大させることができる。しかも、インバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２の双方を駆動することで、電動機１０の出力をいっそう向上させることができる。さらに、第２の固定子巻線１６においてトルクを生成可能な領域にあっては、電動機１０のトルクリップルを低減することができる。これは、上述したように、第１の固定子巻線１４の各相と第２の固定子巻線１６の対応する相との間に位相差が設けられているからである。特に、位相差が「３０°」である場合、トルクリップル低減効果が顕著となる。
【００３３】
なお、第１のスイッチ手段３０を閉状態とするに際して第２のスイッチ手段３２を開状態とするのは、第１のバッテリ２０に過度に高い電圧が印加されることを回避するためのものである。
＜その他の実施形態＞
なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
【００３４】
「回転機の運転手法について」
力行運転に限らない。上記実施形態の設定は、回生時における発電効率を向上させる上でも特に優れている。すなわち、同期発電機では、発電電流を定格電流以下とするとの条件下、図４に示すように、回転速度が高くなるに連れ、発電電圧を上げてゆくと発電電力を増大させることができる。したがって、高回転速度領域において、第１の固定子巻線１４に第２のバッテリ２２の端子電圧を印加することで、図５に示すように、発電電力を増大させることができる。すなわち、回転速度ωが第１の閾値ｔｈ１よりも小さい場合、第１の固定子巻線１４に第１のバッテリ２０の端子電圧が印加されるため、発電開始可能回転速度ω１が、第１の固定子巻線１４に第２のバッテリ２２の端子電圧を常時印加する場合の発電開始回転速度ω２よりも低くなる。そして、回転速度ωが第１の閾値ｔｈ１に達することで、第１の固定子巻線１４に第２のバッテリ２２を接続することで、発電電力を電力Ｗ１から電力Ｗ２に増量することができる。
【００３５】
「第１のスイッチ手段（３０）について」
第１のインバータＩＮＶ１の正極側直流母線Ｌｐ１と第２のインバータＩＮＶ２の正極側直流母線Ｌｐ２との間を開閉するものに限らない。たとえば、第１のインバータＩＮＶ１の負極側直流母線Ｌｎ１と第２のインバータＩＮＶ２の負極側直流母線Ｌｎ２との間を開閉するものであってもよい。さらに、第１のインバータＩＮＶ１の正極側直流母線Ｌｐ１と第２のインバータＩＮＶ２の正極側直流母線Ｌｐ２との間と、第１のインバータＩＮＶ１の負極側直流母線Ｌｎ１と第２のインバータＩＮＶ２の負極側直流母線Ｌｎ２との間とについて、それらの双方を開閉するものであってもよい。
【００３６】
また、第１のスイッチ手段としては、半導体リレーに限らず、たとえば電磁形リレーであってもよい。
【００３７】
「第２のスイッチ手段（３２）について」
第１のインバータＩＮＶ１の正極側直流母線Ｌｐ１と第１のバッテリ２０の正極端子との間を開閉するものに限らない。たとえば、第１のインバータＩＮＶ１の負極側直流母線Ｌｎ１と第１のバッテリ２０の負極端子との間を開閉するものであってもよい。
【００３８】
また、第２のスイッチ手段としては、半導体リレーに限らず、たとえば電磁形リレーであってもよい。
【００３９】
「固定子巻線について」
互いに接続された固定子巻線としては、３相に限らず、たとえば５相等、４相以上であってもよい。また、各相の接続手法としては、スター結線に限らず、デルタ結線であってもよい。
【００４０】
また、互いに接続された固定子巻線の対応する相同士の位相差がゼロであってもよい。
【００４１】
「回転機について」
電動パワーステアリングに搭載されるものに限らず、たとえば車載主機用の回転機であってもよい。
【００４２】
「操作手段について」
第１のインバータＩＮＶ１および第２のインバータＩＮＶ２の双方を駆動するものに限らない。たとえば、先の図３に示した実線のトルクが規定値以下となる回転速度ωにおいて、第２のインバータＩＮＶ２を停止させてもよい。ただし、この場合、第２の固定子巻線１６に生じる逆起電圧によって第２のインバータＩＮＶ２のダイオードＤ￥＃２を還流電流が流れることで、負荷トルクが生じるおそれがある。このため、この場合には、第２の固定子巻線１６と第２のインバータＩＮＶ２との間を開閉するスイッチ手段をさらに備えておき、これを開状態とすることが望ましい。
【００４３】
「第１のインバータＩＮＶ１，第２のインバータＩＮＶ２について」
スイッチング素子Ｓ￥＃１，Ｓ￥＃２としては、ＭＯＳ電界効果トランジスタに限らず、たとえばＩＧＢＴであってもよい。
【符号の説明】
【００４４】
１０…電動機、１４…第１の固定子巻線、１６…第２の固定子巻線、２０…第１のバッテリ、２２…第２のバッテリ、ＩＮＶ１…第１のインバータ、ＩＮＶ２…第２のインバータ。
【図１】
0005733259.tif 000002
【図２】
0005733259.tif 000003
【図３】
0005733259.tif 000004
【図４】
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【図５】
0005733259.tif 000006