(57)【要約】【課題】モータ駆動の電源を簡易に充電することが可能な充電システム、及び、当該充電システムにより電源が充電されるモータ駆動システムを提供する。【解決手段】  充電システム１００は、モータ駆動システムに対して充電を行うものであって、直流電流を供給する直流電源装置１０１と、当該直流電源装置１０１に接続され、モータ駆動システム内の接触子８８に接触する板状電極１０２と、接触子８９に接触する板状電極１０３とを有し、直流電源装置１０１からの直流電流を、板状電極１０２及び１０３と、接触子８８及び８９とを介して、モータ駆動システム内のウルトラキャパシタ８４に供給する。【選択図】図１７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
接触子と、該接触子に接続され、直流電圧を供給する直流電源と、前記直流電源からの直流電圧を入力し、出力電流が直流定電流となるように前記モータの起電力に応じて出力電圧の極性及び大きさを制御する電圧制御手段と、前記直流電源からの前記電圧制御手段により制御された直流電流の方向を制御して矩形波交流電流を生成するインバータと、巻線を流れる前記インバータからの矩形波交流電流に応じた駆動及び制動を行うモータとを有するモータ駆動システムに対して充電を行う充電システムであって、
直流電流を供給する充電用直流電源と、
前記充電用直流電源に接続され、前記モータ駆動システム内の接触子に接触する電極とを有し、
前記充電用直流電源からの直流電流を、前記電極、及び、前記モータ駆動システム内の接触子を介して、前記モータ駆動システム内の直流電源に供給することを特徴とする充電システム。
【請求項２】
前記モータ駆動システム内の直流電源の電圧を検知する電圧検知手段と、
前記電圧検知手段により検知された電圧に応じて、前記充電用直流電源からの直流電流を制御する電流制御手段とを有することを特徴とする請求項１に記載の充電システム。
【請求項３】
前記電極が前記モータ駆動システム内の接触子に接触するように、前記モータ駆動システムが搭載される車両の進行方向を規制する進行方向規制部を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の充電システム。
【請求項４】
前記進行方向規制部は、前記車輪を挟んで案内する溝形状を有することを特徴とする請求項３に記載の充電システム。
【請求項５】
前記電極は、直線状に延在する板状の形状を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の充電システム。
【請求項６】
車両に搭載され、直流電圧を供給する直流電源と、前記直流電源からの直流電圧を入力し、出力電流が直流定電流となるように前記モータの起電力に応じて出力電圧の極性及び大きさを制御する電圧制御手段と、前記直流電源からの前記電圧制御手段により制御された直流電流の方向を制御して矩形波交流電流を生成するインバータと、巻線を流れる前記インバータからの矩形波交流電流に応じた駆動及び制動を行うモータとを有するモータ駆動システムであって、
前記直流電源の電圧を検知する充電電圧検知手段と、
前記充電電圧検知手段により検知された電圧に応じて、前記車両を、前記直流電源を充電する充電システムに誘導するための所定の制御を行う制御手段とを有することを特徴とするモータ駆動システム。
【請求項７】
前記制御手段は、前記充電電圧検知手段により検知された電圧が予め定められた所定値を下回った場合に、その旨を通知する制御を行うことを特徴とする請求項６に記載のモータ駆動システム。
【請求項８】
前記制御手段は、前記車両が自動運転装置を有する場合であって、前記充電電圧検知手段により検知された電圧が予め定められた所定値を下回った場合に、前記自動運転装置に対して前記車両を前記充電システムへ誘導させる制御を行うことを特徴とする請求項６に記載のモータ駆動システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両の駆動を行うモータ駆動システムに対して充電を行う充電システム、及び、該モータ駆動システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
直流モータは、インバータ制御によって駆動される。具体的には、直流モータ内の回転子の位置が検出され、インバータがその位置情報に基づいて直流モータへの通電を制御する。
【０００３】
直流モータでは、一般に、回転子の磁石材は、円筒型永久磁石により構成される。一方、当該円筒型永久磁石の１つの極性（Ｎ極又はＳ極）に対向する固定子側の巻線は、１つ（１相）である。そして、固定子側の１つの巻線が回転子側の１つの極性に対峙する形式となっている。
【０００４】
このような直流モータの使用に際し、制動時に充電を行ってエネルギー効率の向上が図られる場合がある。例えば、特許文献１は、定電圧システムに基づく高速走行時の回生エネルギーを充電する充電回路、高速走行時であることを検出する回生作動検出兼比較回路等を備えるモータ駆動システムである。このモータ駆動システムでは、所定の条件を満たした場合にのみ電気二重層キャパシタに回生エネルギーが蓄えられ、又は、電気二重層キャパシタが放電する。また、特許文献２は、高速走行時の回生エネルギーをキャパシタに回収するモータ駆動システムである。
【特許文献１】特開平６−２７６６１６号公報
【特許文献２】特開平７−１４３６１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述したようなモータ駆動システムにおいては、駆動時に直流モータへ供給したエネルギーを回生時に完全に回収することはできない。このため、駆動時に直流モータに対して十分なエネルギーを供給するためには、キャパシタ等の直流電源を充電し、十分な電荷を蓄積させておく必要がある。特に、キャパシタがウルトラキャパシタである場合には、一般に蓄積可能な電荷量が少ないため、頻繁に充電が必要になる。従って、直流電源の充電は、電気自動車の迅速な普及を図るためには、できるだけ簡易であることが望ましい。
【０００６】
そこで、本発明は、モータ駆動の電源を簡易に充電することが可能な充電システム、及び、当該充電システムにより電源が充電されるモータ駆動システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、接触子と、該接触子に接続され、直流電圧を供給する直流電源と、前記直流電源からの直流電圧を入力し、出力電流が直流定電流となるように前記モータの起電力に応じて出力電圧の極性及び大きさを制御する電圧制御手段と、前記直流電源からの前記電圧制御手段により制御された直流電流の方向を制御して矩形波交流電流を生成するインバータと、巻線を流れる前記インバータからの矩形波交流電流に応じた駆動及び制動を行うモータとを有するモータ駆動システムに対して充電を行う充電システムであって、直流電流を供給する充電用直流電源と、前記充電用直流電源に接続され、前記モータ駆動システム内の接触子に接触する電極とを有し、前記充電用直流電源からの直流電流を、前記電極、及び、前記モータ駆動システム内の接触子を介して、前記モータ駆動システム内の直流電源に供給することを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、充電用直流電源からの直流電流を、電極、及び、モータ駆動システム内の接触子を介して、当該モータ駆動システム内の直流電源に供給することができ、簡易な充電が可能となる。
【０００９】
また、本発明の充電システムは、前記モータ駆動システム内の直流電源の電圧を検知する電圧検知手段と、前記電圧検知手段により検知された電圧に応じて、前記充電用直流電源からの直流電流を制御する電流制御手段とを有するようにしてもよい。
【００１０】
この構成によれば、モータ駆動システム内の直流電源の電圧に応じて、当該直流電源に適切な直流電流を供給して充電させることができる。
【００１１】
また、本発明の充電システムは、前記電極が前記モータ駆動システム内の接触子に接触するように、前記モータ駆動システムが搭載される車両の進行方向を規制する進行方向規制部を有するようにしてもよい。
【００１２】
この構成によれば、車両の進行方向を規制して、電極とモータ駆動システム内の接触子とを接触させるようにすることで、充電用直流電源からの直流電流をモータ駆動システム内の直流電源に供給して簡易に充電させることができる。
【００１３】
同様の観点から、本発明の充電システムは、前記進行方向規制部が、前記車輪を挟んで案内する溝形状を有するようにしてもよい。
【００１４】
また、本発明の充電システムは、前記電極が、直線状に延在する板状の形状を有するようにしてもよい。
【００１５】
この構成によれば、車両を電極の延在方向に進行させることで、充電用直流電源からの直流電流をモータ駆動システム内の直流電源に供給して簡易に充電させることができる。
【００１６】
また、本発明は、車両に搭載され、直流電圧を供給する直流電源と、前記直流電源からの直流電圧を入力し、出力電流が直流定電流となるように前記モータの起電力に応じて出力電圧の極性及び大きさを制御する電圧制御手段と、前記直流電源からの前記電圧制御手段により制御された直流電流の方向を制御して矩形波交流電流を生成するインバータと、巻線を流れる前記インバータからの矩形波交流電流に応じた駆動及び制動を行うモータとを有するモータ駆動システムであって、前記直流電源の電圧を検知する充電電圧検知手段と、前記充電電圧検知手段により検知された電圧に応じて、前記車両を、前記直流電源を充電する充電システムに誘導するための所定の制御を行う制御手段とを有することを特徴とする。
【００１７】
この構成によれば、充電システムへの車両の誘導を支援し、充電システム内の充電用直流電源からの直流電流をモータ駆動システム内の直流電源に供給して簡易に充電させることができる。
【００１８】
同様の観点から、本発明のモータ駆動システムは、前記制御手段が、前記充電電圧検知手段により検知された電圧が予め定められた所定値を下回った場合に、その旨を通知する制御を行うようにしてもよい。
【００１９】
同様の観点から、本発明のモータ駆動システムは、前記制御手段が、前記車両が自動運転装置を有する場合であって、前記充電電圧検知手段により検知された電圧が予め定められた所定値を下回った場合に、前記自動運転装置に対して前記車両を前記充電システムへ誘導させる制御を行うようにしてもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、充電用直流電源からの直流電流を、モータ駆動システム内の直流電源に供給することができ、簡易な充電が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は、本発明による定電流方式のモータ駆動システムを適用した電気自動車の構成を示す。図１において、電気自動車は、直流定電流電源装置１、多相定電流インバータ２、多相定電流モータ３、ディファレンシャルギヤ４、機械ブレーキ５、熱機関駆動直流発電機５０及び熱機関制御装置６０により構成される。本発明による定電流方式のモータ駆動システムは、これらのうち、直流定電流電源装置１、多相定電流インバータ２、多相定電流モータ３を中心にして構成される。なお、図１では、多相定電流モータ３は１つのみ設置されているが、各タイヤに配置して、ディファレンシャルギヤ４を省略した構成であってもよい。機械ブレーキ５は、本発明によるモータ駆動システムでは、後述するように通常の運転では不要であるが、停止後のタイヤのロック、緊急時のブレーキのとしての役割を有している。
【００２２】
直流定電流電源装置１は、負荷である多相定電流モータ３側の起動力の正負、大小に関係なく、一定方向に一定の大きさの直流定電流を出力するように動作する。また、直流定電流電源装置１は、負荷である多相定電流モータ３の制動時、すなわち、負荷起電力が負の場合には、負荷側からの回生電力を回収するように動作する。
【００２３】
多相定電流インバータ２は、前段の直流定電流電源装置１からの直流定電流を入力として、後述する多相定電流モータ３の固定子巻線に流れる電流の向きを反転切換し、該固定子巻線に矩形波交流電流を流す機能を有する。この反転切換する機能を複数設けることによって、相数は任意に選択可能であり、多相定電流インバータ２は、多相の矩形波交流電流を流すことができる。
【００２４】
多相定電流モータ３は、前段の多相定電流インバータ２からの多相矩形波交流電流を受けると、内部の回転子の磁極に回転力が生じる。これまでの半導体モータは、三相正弦波電流で駆動する同期電動機、或いは誘導電動機を原形にしているが、本発明における多相定電流モータ３は、直流電動機が原形であり、多相矩形波交流電流で動作する点において全く新しいタイプのモータである。
【００２５】
本発明によるモータ駆動システムは、矩形波磁束密度と矩形波交流の相乗で生じる回転力が、正弦波磁束密度と正弦波電流による同期電動機形のモータに対して、同じ寸法で２倍の回転力が得られるとともに、小型化が可能になる。また、従来方式のモータ駆動システムでは、電源側とモータ側とが並列接続の関係にあり、制動時に生じる起電力を電源側に送り返すためには、起電力を電源電圧以上に昇圧する必要があり、低速で発生起電力が小さくなると電力回生による電源の充電が困難になる。これに対し、本発明によるモータ駆動システムは、電源側とモータ側とが直列接続の関係にあり、モータ側の起電力の大小は全く関係がなく、自然な形で電力回生が行われる。従って、回生制動が停止時まで可能であり、エネルギーの回収効率が高く、通常の運転時には機械ブレーキ５の動作を必要としない。
【００２６】
図２は、本発明による定電流方式のモータ駆動システムの基本構成のブロック図である。図２に示すモータ駆動システムは、直流定電流電源装置１、多相定電流インバータ２、多相定電流モータ３を有する。これらのうち、直流定電流電源装置１は、電圧制御手段としての電圧制御装置８２と、直流電源としてのウルトラキャパシタ８４と、充電電圧検知手段としての充電電圧検知部８６と、制御手段としての誘導制御部８７と、ウルトラキャパシタ８４の一端に接続される接触子８８と、ウルトラキャパシタ８４の他端に接続される接触子８９とによって構成される。以下、本発明による定電流方式のモータ駆動システムの構成について詳細に説明する。
【００２７】
図３及び図４は、図２における多相定電流モータ３の実施例を示す。図３は軸方向断面図、図４は軸垂直方向断面図である。図３及び図４において、回転子鉄心６は、磁気抵抗の小さい純鉄で作られ、軸受８で支えられて回転軸７によって自由に回転することができるようになっている。磁石材９は、実施例では希土類磁石の強力な磁石材を用いており、該回転子鉄心６の外周部に、Ｎ極を内周側、Ｓ極を外周側とするＮＳ対と、Ｓ極を内周側、Ｎ極を外周側とするＮＳ対とが交互に４組ずつ配置され、８極で構成されている。
【００２８】
回転子鉄心６と磁石材９との組み合わせによる回転子の構成は、回転子鉄心６を珪素鋼板で積層化し、磁石材９を回転子鉄心６に埋入すること、磁石材９を張りつけた回転子全体を高張力部材でカバーすること等が任意に選択可能である。但し、磁石材９の半径方向の形状、寸法を均一にして、空隙１４の磁束密度分布が矩形波に可及的に近くなるように配慮する必要がある。
【００２９】
固定子鉄心１３は、リング状をなし、その内周面が回転子鉄心６と僅かな空隙１４を介して相対するように配置されて、後述するケース１６に固定されている。この固定子鉄心１３は、本実施例では珪素鋼板を積層することにより形成される。また、固定子鉄心１３の内周面には、後述する固定子巻線１７を挿入するための溝１０が形成されている。この溝１０は、１磁極当りの相の数だけ形成される。本実施例では、４相構成であるため、１磁極当り４つの溝がある。従って全体では８（極）×４（溝）＝３２の溝がある。止め金具１５は、固定子鉄心１３を後述するケース１６に確実に固定するためのものである。固定子巻線１７は、溝１０内に電気的絶縁に留意して取付けられている。
【００３０】
図５及び図６は、固定子巻線１７の実施例を示す。図５の上段は該回転子鉄心６を特定位置に停止させ、磁極配列を特定位置に止めて直線状に展開して示したものである。点線で表示した溝１０は、上述したように１磁極あたり４個あり、磁極の回転方向の順にａ、ｂ、ｃ、ｄの符号が付けられている。固定子巻線１７は、４相のそれぞれに対応するＡ相コイル、Ｂ相コイル、Ｃ相コイル及びＤ相コイルからなる。Ａ相コイルは、１つの磁極側の溝ａと隣の磁極側の溝ａとの間で巻かれており、一対の磁極に対してＡ相コイルの１つが対応している。本実施例では４対（８極）であるため、１周に４つのＡ相コイルが同じ方向に巻かれ、これが全て直列あるいは並列に接続されて外部に１対の入出力端として取り出される。Ｂ相、Ｃ相、Ｄ相のコイルについてもＡ相コイルと同様である。
【００３１】
図６は、固定子巻線１７を円弧状のまま示したものである。溝１０に挿入された固定子巻線１７は、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの各相コイルとも同じ巻き方向で、且つ、各相は１磁極の１／４ピッチずつずれて配置されており、ＮＳ一対を単位として同じパターンを繰り返し、全体としては各相毎に直列接続あるいは並列接続され、相数に対応する数の入出力の端部がある。
【００３２】
再び、図３及び図４に戻って説明する。遮光板１１及びフォトセンサ１２は、回転子鉄心６と磁石材９からなる回転子の角度位置検知を行うものである。遮光板１１は、回転子を構成する磁石材９の極性に合わせて外縁部がカットされている。フォトセンサ１２は、遮光板１１のカット部分では光が貫通してオン信号を検出することができるようになっており、これが後述する角度位置信号となる。なお、上述した角度位置は、フォトセンサ１２の代わりに磁石材９の極性に合わせて磁化した磁極板、あるいは、該回転子の磁極そのものとの組み合わせによる磁気的機構によっても検知可能であることは周知である。
【００３３】
図７（ａ）は、図２における多相定電流インバータ２の４相構成の実施例を示す。図７（ａ）において、端子１８−１（Ｘ）により、後述する直流定電流電源装置１からの直流定電流が流入し、端子１８−２（Ｙ）より流出する。半導体スイッチ１９は、ＩＧＢＴ、サイリスタ、パワートランジスタ等が任意に選択可能である。固定子巻線１７は、図３における多相定電流モータ３の固定子巻線１７に対応し、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの４相で構成される。
【００３４】
単相ブリッジユニット２０乃至２３は、Ａ相乃至Ｄ相に対応するものである、Ａ相の単相ブリッジユニット２０は、４つの半導体スイッチ１９（Ｔａ、Ｔａ、Ｔａ´、Ｔａ´）と、１相分の固定子巻線１７のＡ相コイルとにより構成される。Ｂ相の単相ブリッジユニット２１、Ｃ相の単相ブリッジユニット２２及びＤ相の単相ブリッジユニット２３も同様の構成である。多相定電流インバータ２は、単相ブリッジユニットを相数分だけ直列接続して構成される。本実施例では４相構成のため、多相定電流インバータ２は、４つの単相ブリッジユニット２０乃至２３を直列接続して構成される。
【００３５】
単相ブリッジユニット２０乃至２３の動作を、Ａ相の単相ブリッジユニット２０を例に説明する。Ａ相の単相ブリッジを構成する４つの半導体スイッチ１９（Ｔａ、Ｔａ、Ｔａ´、Ｔａ´）は、２つの半導体スイッチ１９（Ｔａ）のオンと２つの半導体スイッチ１９（Ｔａ´）のオンとを交互に行う。固定子巻線１７のＡ相コイルは、半導体スイッチ１９（Ｔａ）及び半導体スイッチ１９（Ｔａ）がオンの場合には、図７（ａ）におけるａ→ａ´の方向に電流が流れ、２つの半導体スイッチ１９（Ｔａ´）がオンの場合には、ａ´→ａの方向に逆向きに電流が流れる。このため、端子Ｘから流入する直流定電流は、振幅が等しい矩形波交流電流となって、Ａ相コイルを流れる。
【００３６】
この場合、単相ブリッジユニット２０の出口側の合流点（図７（ａ）のＸ´）における電流は、端子Ｘから流入する電流と全く同じ直流定電流であり、この直流定電流が後段の単相ブリッジユニット２１の入力電流となる。単相ブリッジユニット２１においても、単相ブリッジユニット２０と同様の動作が行われ、更に後段の単相ブリッジユニット２２及び２３においても、単相ブリッジユニット２０と同様の動作が行われる。
【００３７】
図７（ｂ）におけるインバータ制御装置２４は、上述した４相分の単相ブリッジユニット２０乃至２３を制御するためのものである。図７（ｂ）において、角度位置信号２５（Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ、Ｓｄ）は、上述した多相定電モータ３の回転子鉄心６の角度位置に対応してフォトセンサ１２から送られる。インバータ制御装置２４は、この角度位置信号２５に応じて、単相ブリッジユニット２０乃至２３内の各半導体スイッチ１９を駆動させるためのドライブ信号２６を出力する。制動指令信号２７（Ｓｏ）は、多相定電流モータ３の制動時に発生するであり、インバータ制御装置２４は、この制動指令信号２７を入力すると、ドライブ信号２６の位相を電気角１８０°反転させる。
【００３８】
図８は、角度位置信号２５、ドライブ信号２６、制動指令信号２７の対応関係を示す図である。角度位置検出信号Ｓａ乃至Ｓｄは、ハイレベル（Ｈ）とローレベル（０）とを回転子が電気角１８０°に対応する角度（幾何学角４５°）回転する時間ずつ交互に繰り返すものである。また、角度位置検出信号Ｓａ乃至Ｓｄにおけるハイレベルとローレベルとの切換タイミングは、回転子が電気角４５°に対応する角度（幾何学角１２．２５°）回転する時間ずつずれている。
【００３９】
制動指令信号がない場合、単相ブリッジユニット２０内の２つの半導体スイッチ１９（Ｔａ）を駆動させるためのドライブ信号２６は、角度位置検出信号Ｓａがハイレベルの時に同様にハイレベルとなり、角度位置検出信号Ｓａがローレベルの時に同様にローレベルとなる。また、単相ブリッジユニット２０内の２つの半導体スイッチ１９（Ｔａ´）を駆動させるためのドライブ信号２６は、角度位置検出信号Ｓａがハイレベルの時に反対にローレベルとなり、角度位置検出信号Ｓａがローレベルの時に反対にハイレベルとなる。他の単相ブリッジユニット２１乃至２３内の半導体スイッチ１９（Ｔｂ、Ｔｂ´Ｔｃ、Ｔｃ´、Ｔｄ、Ｔｄ´）を駆動させるためのドライブ信号も同様である。
【００４０】
一方、制動指令信号がある場合、単相ブリッジユニット２０内の２つの半導体スイッチ１９（Ｔａ）を駆動させるためのドライブ信号２６は、角度位置検出信号Ｓａがハイレベルの時に反対にローレベルとなり、角度位置検出信号Ｓａがローレベルの時に反対にハイレベルとなる。また、単相ブリッジユニット２０内の２つの半導体スイッチ１９（Ｔａ´）を駆動させるためのドライブ信号２６は、角度位置検出信号Ｓａがハイレベルの時に同様にハイレベルとなり、角度位置検出信号Ｓａがローレベルの時に同様にローレベルとなる。他の単相ブリッジユニット２１乃至２３内の半導体スイッチ１９（Ｔｂ、Ｔｂ´Ｔｃ、Ｔｃ´、Ｔｄ、Ｔｄ´）を駆動させるためのドライブ信号も同様である。
【００４１】
図９は、図８において、制動指令信号なしの条件での基準角度位置を、回転子の角度位置モード１とし、更に電気角４５°毎に回転子角度位置１乃至８とした場合の半導体スイッチ１９の動作を表示したものである。図９に示す動作は、回転子が電気角３６０°に対応する角度、即ちＮＳ一対の角度（幾何学角９０°）だけ回転する毎に繰り返される。なお、制動指令信号ありの条件では、図９の回転子の角度位置モード５を始点として読み変えればよい。
【００４２】
図１０は、制動指令信号なしの状態での回転子の回転角と固定子巻線１７の電流方向、回転力の発生について説明するための図である。図１０において、回転子表面の磁石材９と遮光板１１とは、一体となって右回りに回転するものとする。フォトセンサ１２は、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相、Ｄ相それぞれの検知用として、それぞれＰａ、Ｐｂ、Ｐｃ、Ｐｄがあり、遮光板１１の切り込みの部分では、光信号が貫通して角度位置信号Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ、Ｓｄが生じる。図１０におけるａ、ａ´は、図７（ａ）におけるａ、ａ´と対応しており、２つの半導体スイッチ１９（Ｔａ）がオンの場合に固定子巻線１７において電流がａ→ａ´方向に流れ、２つの半導体スイッチ１９（Ｔａ´）がオンの場合に固定子巻線１７において電流がａ´→ａ方向に流れる。Ｂ、Ｃ、Ｄ相についても同様である。
【００４３】
図１０における回転子の角度位置は、図８における制動指令なしの場合の基準角度位置、図９における回転子の角度位置モード１に対応しており、全ての溝１０内の固定子巻線１７を流れる電流が最大密度の磁束と鎖交して効果的な回転力を生じる。更に、回転子が図１０の位置から溝１０の１つ分のピッチ（電気角４５°、幾何学角１２．２５°）だけ回転すると、固定子巻線１７のＡ相のコイルに鎖交する磁束の極性が反転するが、これと同時にフォトセンサ１９（Ｐａ）が遮光され、角度位置信号Ｓａがオフとなり、図７（ａ）におけるＡ相単相ブリッジユニット２０の２つの半導体スイッチ１９（Ｔａ´）がオンに切り換わる。これにより、Ａ相コイルの電流が反転して、全ての溝１０内の固定子巻線１７を流れる電流は効果的な回転力の発生を継続する。以後も同様であり、回転子が電気角４５°に対応する角度（幾何学角１２．２５°）だけ回転する毎に、固定子巻線１７の各相のコイル電流が順次反転し、８回の反転で一巡する。そして、回転子のどの角度位置においても、溝１０内の全ての固定子巻線１７の電流が回転力の発生に効果的に寄与することになる。
【００４４】
一方、図１１は、制動指令信号ありの状態での回転子の角度位置信号と固定子巻線１７の電流方向を示したものであり、図１０と比較すると、同じ磁界方向に対して電流方向は全て反対であり、効果的な制動力を生じる。図７（ｂ）に示すインバータ制御装置２４が制動指令信号２７を受けたときの処理の仕方には、２通りがある。第１の処理は、インバータ制御装置２４が、角度位置信号２５に応じて生じるドライブ信号２６の位相を電気角１８０°反転させる方法である。第二は、図１１に示すように、フォトセンサ１２の位置から電気角１８０°に対応する角度（幾何学角４５°）ずらした位置に別のフォトセンサ１２´（Ｐａ´、Ｐｂ´、Ｐｃ´、Ｐｄ´）を設け、インバータ制御装置２４がこのフォトセンサ１２´からの角度位置信号を入力する方法である。これら第１及び第２のいずれの方法を用いても、インバータ制御装置２４が制動指令信号２７を受けることによって、回転子の位置に対するドライブ信号２６の位相が電気角１８０°のずれを生じ、その結果、同じ回転子の位置に対する固定子巻線１７の電流は、位相が逆になって回転子に制動力が加わる。
【００４５】
上述した制動制御が行われる場合の電気エネルギーの授受について説明する。図１２は、図７（ａ）における多相定電流インバータ２の端子（Ｘ）と端子（Ｙ）との間の起電力を説明するための図である。図７（ａ）の多相定電流インバータ２は４相構成であるが、ここでは説明を単純にするために、図１２（ａ）に示すＡ相の単相ブリッジユニット２０における電気エネルギーの授受を説明する。多相定電流モータ３内の回転子の回転により、磁石材９からの磁束が固定子巻線１７を横切ることで、当該固定子巻線１７に起電力が生じる。多相定電流モータ３の空隙１４における磁束密度分布は矩形波状であるため、固定子巻線１７に生じる起電力ｅｄは、図１２（ｂ）のように矩形波交流電圧となる。
【００４６】
図１２（ｃ）は、固定子巻線１７に生じる起電力ｅｄの波形の「正」のタイミングで図１２（ａ）のＡ相の単相ブリッジユニット２０における半導体スイッチＴａがオン、起電力ｅｄの波形の「負」のタイミングで半導体スイッチＴａ´がオンとなる場合のＸ点−Ｘ´点間の起電力波形である。このＸ点−Ｘ´点間の電圧は平均値ｅｄの正の値を有する。直流定電流電源装置１からＸ点に直流定電流Ｉが流れ込めば、Ａ相コイルには、電源側からｅｄｘＩの電力が供給され、回転子には、この値に対応した回転エネルギーが生じる。なお、固定子巻線１７の抵抗による電力損、回転子の機械的損失は無視するものとする。
【００４７】
図１２（ｄ）は、固定子巻線１７に生じる起電力ｅｄの波形に対する図１２（ａ）のＡ相の単相ブリッジユニット２０における半導体スイッチＴａ、Ｔａ´の切換動作が図１２（ｃ）の場合より電気角１８０°だけ遅れる場合のＸ点−Ｘ´点間の起電力波形である。このＸ点−Ｘ´点間の電圧は、平均値が−ｅｄの負の値をもつ。従って、電源側からＸ点に直流定電流Ｉが流れ込めば、Ａ相コイルには電源側から−ｅｄｘＩの電力が供給される。これは、Ａ相コイルから電源側にｅｄｘＩの電力を送り返すことを意味し、回転子には制動力が加わり、制動で回収したエネルギーは直流定電流電源装置１に回収される。
【００４８】
Ｂ相の単相ブリッジユニット２１、Ｃ相の単相ブリッジユニット２２及びＤ相の単相ブリッジユニット２３についても基本的には同じであり、全て重畳されて作用する。
【００４９】
このように、本発明によるモータ駆動システムは、多相定電流インバータ２に一定方向の一定電流（直流定電流）を流すことにより、多相定電流モータ３内の回転子の回転力は、多相定電流インバータ２の位相制御のみによって駆動時及び制動時の制御がなされ、更には負荷起電力が正と負の領域で変化することにより、電力の供給、回生が速度に関わりなく自動的に行われる。
【００５０】
図１３（ａ）は、直流定電流電源装置１の回路構成を示す図である。直流定電流電源装置１は、単に出力電流が一定に制御された電源装置とは異なり、負荷側の起電力の正負、大小に関係なく一定方向の一定電流（直流定電流）を出力するように制御され、且つ、負荷側である多相定電流モータ３から回生される電力を受け入れる機能を有することに特徴がある。
【００５１】
直流定電流電源装置１は、電圧制御装置８２内の非対称制御のＰＷＭ（パルス幅制御）ブリッジ（以下、「非対称ＰＷＭブリッジ」と称する）を中心に構成されている。この非対称ＰＷＭブリッジにおける半導体スイッチ３１は、ＩＧＢＴ、サイリスタ、パワートランジスタ等が任意に選択可能である。また、非対称ＰＷＭブリッジにおける所謂交流端子にあたる部分には、ウルトラキャパシタ８４が接続され、非対称ＰＷＭブリッジの所謂直流端子にあたる部分には、多相定電流インバータ２の端子Ｘ及び端子Ｙ（図７（ａ）参照）が接続される。
【００５２】
図１３（ａ）の直流定電流電源装置１において、非対称ＰＷＭブリッジを構成する半導体スイッチ３１（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４）は、所定の搬送周波数信号に応じてオンオフ動作し、オン期間が制御可能である。２つの半導体スイッチ３１（Ｓ１、Ｓ４）の対と、２つの半導体スイッチ３１（Ｓ２、Ｓ３）の対は、通常のブリッジにおけるように対称的に動作するのではなく、負荷起電力の正あるいは負に対応してそれぞれが一体で非対称に動作するようにしてある。具体的には、半導体スイッチ３１（Ｓ１、Ｓ４）の対が動作すると端子Ｘ、Ｙの両端に正の平均値の電圧が出力され、その値は、半導体スイッチ３１（Ｓ１、Ｓ４）のオン期間の長さで制御される。また、半導体スイッチ３１（Ｓ２、Ｓ３）の対が動作すると、端子Ｘ、Ｙの両端に負の平均値の電圧が出力され、その値は、半導体スイッチ３１（Ｓ２、Ｓ３）のオン期間の長さで制御される。
【００５３】
半導体スイッチ３１（Ｓ５）は、非対称ＰＷＭブリッジの出力側に並列に接続され、リアクトル３０、後段の多相定電流インバータ２を通じた循環回路を構成する、この半導体スイッチ３１（Ｓ５）は、半導体スイッチ３１（Ｓ１、Ｓ４）の対のオフ期間、及び、半導体スイッチ３１（Ｓ２、Ｓ３）の対のオフ期間にオンとなるように動作する。これにより、半導体スイッチ３１（Ｓ１、Ｓ４）の対のオフ期間、及び、半導体スイッチ３１（Ｓ２、Ｓ３）の対のオフ期間においても、多相定電流インバータ２に対して直流定電流を断続させることなく供給する。
【００５４】
図１３（ｂ）は、電圧制御装置８２内に構成される定電流電源制御装置３５であり、上述した半導体スイッチ３１（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５）を制御するためのものである。この定電流電源制御装置３５は、出力電流、負荷起電力等の制御情報を受けて、直流定電流電源装置１の出力電流が電流設定指令信号３４によって指令された定電流値になるように、半導体スイッチ３１（Ｓ１乃至Ｓ５）を駆動させるためのドライブ信号３２を出力する。
【００５５】
図１４は、負荷起電力が正で大小、負で大小の４条件における半導体スイッチ１９（Ｓ１乃至Ｓ５）の動作とその動作時の出力電圧を示す図である。負荷起電力が正で大の場合には、半導体スイッチ３１（Ｓ１、Ｓ４）の対が選択され、オン期間が長くなる。このため、端子Ｘ、Ｙの両端に正の大きな平均値の電圧が出力される。また、負荷起電力が正で小の場合には、半導体スイッチ３１（Ｓ１、Ｓ４）の対が選択され、オン期間が短くなる。このため、端子Ｘ、Ｙの両端に正の小さな平均値の電圧が出力される。一方、負荷起電力が負で絶対値が大の場合には、半導体スイッチ３１（Ｓ２、Ｓ３）の対が選択され、オン期間が長くなる。このため、端子Ｘ、Ｙの両端に負の絶対値の大きな平均値の電圧が出力される。また、負荷起電力が負で小の場合には、半導体スイッチ３１（Ｓ１、Ｓ４）の対が選択され、オン期間が短くなる。このため、端子Ｘ、Ｙの両端に負の絶対値の小さな平均値の電圧が出力される。
【００５６】
図１５は、多相定電流モータ３の起動加速、定速回転、回生制動及び停止の一連の動作に対応する直流定電流電源装置１の動作について示したものである。図１５（ａ）に示すように、多相定電流モータ３の動作が行われる場合、図１５（ｂ）に示すように、直流定電流電源装置１は、多相定電流モータ３の駆動時と制動時には、定速回転時よりも大きな定電流を多相定電流インバータ２に供給する必要がある。
【００５７】
多相定電流インバータ２の端子Ｘから見た負荷起電力は、駆動状態では正、制動状態では負であり、その大きさは多相定電流モータ３の回転子の回転速度にほぼ比例する。直流定電流電源装置１は、図１５（ｃ）の点線に示すように、正負の負荷起電力に負荷回路の抵抗分による電圧降下（抵抗ドロップ）分を加算した電圧を出力することで、多相定電流インバータ２に直流定電流を供給することができる。これにより、多相定電流モータ３の制動時には、停止まで回生制動が可能となり、機械ブレーキを使用する必要がない。
【００５８】
負荷側の多相定電流モータ３が制動状態では負荷起電力は負である。この場合、直流定電流電源装置１は半導体スイッチ１９（Ｓ２、Ｓ３）の対が動作して出力電圧は負になり、負荷側から回生電流がウルトラキャパシタ８４の正端子から流れ込む。この現象はあたかもバッテリーの充電と同様の態様となっている。ウルトラキャパシタ８４は充電機能を有しており、回生電力を充電する。なお、ウルトラキャパシタ８４に代えて、燃料電池等の充電機能を有しない電源装置が用いられる場合には、エネルギー回収のために、電源装置に並列にウルトラキャパシタを接続しておく必要がある。更には、ウルトラキャパシタ８４に代えてリチウムイオン電池等の充電機能を有する電源装置が用いられる場合であって、回生電力が数十秒単位の急峻な変動となる際には適切に充電を行うことができない場合にも、電源装置に並列にウルトラキャパシタを接続することが望ましい。
【００５９】
なお、直流定電流電源装置１の構成には、図１３以外にも様々なものが考えられる。図１６（ａ）は、直流定電流電源装置１の回路構成の他の実施例である。図１６（ａ）に示す直流定電流電源装置１は、ウルトラキャパシタ８４、リアクトル４０、充放電切換器４６及び定電流チョッパ４７を有する。これらのうち、充放電切換器４６は、４つの半導体スイッチ４１（Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４）によって構成される。また、定電流チョッパ４７は、２つの半導体スイッチ４１（Ｓ１５及びＳ１６）によって構成される。半導体スイッチ４１（Ｓ１１乃至Ｓ１４）は、図１３（ａ）における半導体スイッチ３１（Ｓ１乃至Ｓ４）と同じ働きをし、半導体スイッチ４１（Ｓ１６）は、図１３（ａ）における半導体スイッチ３１（Ｓ５）と同じ働きをする。一方、図１３（ｂ）は、直流定電流制御装置１内に構成される定電流電源制御装置４５であり、ドライブ信号４２により、上述した半導体スイッチ３１（Ｓ１乃至Ｓ６）を制御する。
【００６０】
充放電切換器４６は、定電流電源制御装置４５からのドライブ信号４２を受けて、２つの半導体スイッチ４１（Ｓ１、Ｓ４）の対と、２つの半導体スイッチ４１（Ｓ２、Ｓ３）の対のいずれかをオンとすることによって、ウルトラキャパシタ８４の極性切換を行う。
【００６１】
定電流チョッパ４７内の半導体スイッチ４１（Ｓ１５）は、定電流電源制御装置４５からのドライブ信号４２を受けて、高速でオン、オフ切換を行う。オンとなる期間の長さが制御されることにより、所定の直流定電流が出力される。
【００６２】
定電流チョッパ４７内の半導体スイッチ４１（Ｓ１６）は、定電流電源制御装置４５からのドライブ信号４２を受けて、半導体スイッチ４１（Ｓ１５）のオフ期間中にオンとなって、リアクトル４０、後段の多相定電流インバータ２を通じた循環回路を構成する。
【００６３】
次に、充電システムを用いたウルトラキャパシタ８４の充電について説明する。図１７は、充電システムの構成を示す図である。また、図１８及び図１９は、充電システムの外部構成を示す図であり、図１８は正面図、図１９は側面図である。これらの図に示す充電システム１００は、車両が所定方向に進行する間に、当該車両に搭載されたモータ駆動システム内のウルトラキャパシタ８４を充電するものであり、充電用直流電源としての直流電源装置１００と、当該直流電源装置１００に接続される板状電極１０２及び１０３と、電圧検知手段としての電圧検知部１０４と、電流制御手段としての電流制御部１０５と、進行方向規制部としての案内溝１０６と、ウルトラキャパシタ１０７とにより構成される。
【００６４】
図１７に示すように、直流電源装置１０１は、整流機能を有し、商用電力等の三相交流の電流を入力し、直流電流を出力する。この直流電流は、板状電極１０２とモータ駆動システム内の接触子８８とが接触し、且つ、板状電極１０３と接触子８９とが接触した状態で、モータ駆動システム内のウルトラキャパシタ８４へ供給される。これにより、ウルトラキャパシタ８４に電荷が蓄積される、すなわち、ウルトラキャパシタ８４が充電される。
【００６５】
電圧検知器１０４は、一端が板状電極１０２と接続され、他端が板状電極１０３と接続されており、これら板状電極１０２と板状電極１０３との電位差を検知する。ここで、板状電極１０２は、接触子８８に接触し、更に接触子８８はウルトラキャパシタ８４の一端と接続されている。また、板状電極１０３は、接触子８９に接触し、更に接触子８９はウルトラキャパシタ８４の他端と接続されている。従って、電圧検知器１０４は、板状電極１０２と板状電極１０３との電位差を検知することによって、ウルトラキャパシタ８４の電圧を検知することになる。
【００６６】
更に、電圧検知器１０４は、検知したウルトラキャパシタ８４の電圧に応じて、電流制御器１０５に対して、ウルトラキャパシタ８４へ供給する直流電流（充電電流）の制御を指示する。具体的には、電圧検知器１０４は、検知したウルトラキャパシタ８４の電圧と、ウルトラキャパシタ８４に最大の電荷が蓄積されている場合における、当該ウルトラキャパシタ８４の電圧（最大電圧）とを比較する。そして、電圧検知器１０４は、検知したウルトラキャパシタ８４の電圧が最大電圧を下回る場合には、電流制御器１０５に対して、充電電流を所定値に維持するように指示する。また、電圧検知器１０４は、検知したウルトラキャパシタ８４の電圧が最大電圧である場合には、電流制御器１０５に対して、充電電流を遮断するように指示する。
【００６７】
電流制御器１０５は、電圧検知器１０４によって充電電流を所定値に維持するように指示された場合には、その指示に従い、直流電源装置１０１からの充電電流を所定値に維持する制御を行う。一方、電流制御器１０５は、電圧検知器１０４によって充電電流を遮断するように指示された場合には、その指示に従い、直流電源装置１０１からの充電電流を遮断する制御を行う。このような制御によって、ウルトラキャパシタ８４に最大の電荷が蓄積されていない場合には、充電電流が当該ウルトラキャパシタ８４へ供給されて充電が行われ、ウルトラキャパシタ８４に最大の電荷が蓄積された場合には、充電電流が当該ウルトラキャパシタ８４へ供給されずに、充電が終了する。
【００６８】
ウルトラキャパシタ１０７は、直流電源装置１０１の出力側に接続されており、充電電流が大きい場合に、直流電源装置１０１側の擾乱を防止するために設けられる。なお、このウルトラキャパシタ１０７は、必要に応じて設けられるものであり、直流電源装置１０１側の擾乱が生じない場合には、必要ではない。
【００６９】
また、図１８及び図１９に示すように、板状電極１０２及び１０３は、直線状に延在しており、接触子８８及び８９の間隔に応じて、これら接触子８８及び８９と適切な接触圧で接触するように、地上に設置されている。板状電極１０２及び１０３の延在方向の長さは、ウルトラキャパシタ８４の充電時における車両の進行速度との兼ね合いによって、接触子８８及び８９との接触が十分な時間得られるように、換言すれば、十分な充電時間が得られるように、決定される。
【００７０】
また、充電システム１００は、板状電極１０２及び１０３と同一方向に延在する案内溝１０６を有する。この案内溝１０６は、進行方向規制部として、モータ駆動システムを搭載する車両の車輪１１０を挟みこんで、車両が板状電極１０２及び１０３の延在方向に進行するように、進行方向を規制する。これにより、利用者が車両を進行させるだけで、当該車両が板状電極１０２及び１０３の延在方向に移動し、その際、接触子８８及び８９がそれぞれ板状電極１０２及び１０３に接触しながら所定時間移動することによって、ウルトラキャパシタ８４が充電される。特に、ウルトラキャパシタ８４は、一般に蓄積可能な電荷量が少ないため、頻繁に充電が必要になるが、このように簡易に充電が可能であることは、利点が大きい。なお、接触子８８及び８９がそれぞれ板状電極１０２及び１０３に接触した状態で、車両を停止させ、ウルトラキャパシタ８４が充電されるようにしてもよい。
【００７１】
また、車両に搭載されたモータ駆動システムは、当該車両を充電システム１００へ誘導するための制御を行うことができる。すなわち、モータ駆動システムの直流定電流電源装置１内の充電電流検知器８６は、ウルトラキャパシタ８４の電圧を検知し、その検知結果を誘導制御部８７へ出力する。
【００７２】
誘導制御部８７は、入力したウルトラキャパシタ８４の電圧と予め定められた所定値とを比較する。そして、誘導制御部８７は、ウルトラキャパシタ８４の電圧が予め定められた所定値を下回った場合には、当該ウルトラキャパシタ８４を充電するための所定の制御を行う。具体的には、誘導制御部８７は、車両に搭載されたカーナビゲーション装置等の図示しないモニタと接続され、当該モニタにウルトラキャパシタ８４の電圧が低下している旨の画面を表示させる。また、誘導制御部８７は、車両に搭載された図示しないスピーカと接続され、当該スピーカにウルトラキャパシタ８４の電圧が低下している旨の音声や所定のブザー音を出力させる。あるいは、車両が工場内の部品の運送等に用いられるものであって、自動運転装置を有する場合には、当該誘導制御部８７は、当該自動運転装置と接続され、当該自動運転装置に車両を充電システム１００へ誘導させる制御を行う。これらによって、充電システム１００への車両の誘導を支援し、ウルトラキャパシタ８４を簡易に充電させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
以上のように、本発明に係る充電システムは、モータ駆動の電源を簡易に充電することが可能であり、充電システムとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】電気自動車の構成を示す図である。
【図２】モータ駆動システムの構成を示す図である。
【図３】多相定電流モータの軸方向断面図である。
【図４】多相定電流モータの軸垂直方向断面図である。
【図５】固定子巻線の実施例（直線状に展開）を示す図である。
【図６】固定子巻線の実施例（円弧状に表示）を示す図である。
【図７】多相定電流インバータの実施例を示す図である。
【図８】角度位置信号、ドライブ信号、制動指令信号の対応関係を示す図である。
【図９】駆動状態における半導体スイッチの動作サイクルを示す図である。
【図１０】駆動状態における回転子の位置と固定子巻線電流を示す図である。
【図１１】制動状態における回転子の位置と固定子巻線電流を示す図である。
【図１２】多相定電流インバータに生じる負荷起電力を示す図である。
【図１３】直流定電流電源装置の実施例を示す図である。
【図１４】直流定電流電源装置内の半導体スイッチの動作とその動作時の出力電圧を示す図である。
【図１５】自動車の駆動状態と直流定電流電源装置の動作を示す図である。
【図１６】直流定電流電源装置の他の実施例を示す図である。
【図１７】充電システムの構成を示す図である。
【図１８】充電システムの外部構成を示す正面図である。
【図１９】充電システムの外部構成を示す側面図である。
【符号の説明】
【００７５】
１  直流定電流電源装置
２  多相定電流インバータ
３  多相定電流モータ
４  ディファレンシャルギヤ
５  機械ブレーキ
６  回転子鉄心
７  回転軸
８  軸受
９  磁石材
１０  溝
１１  遮光板
１２  フォトセンサ
１３  固定子鉄心
１４  空隙
１５  止め金具
１６  ケース
１７  固定子巻線
１８−１、１８−２  端子
１９、３１、４１  半導体スイッチ
２０  Ａ相単相ブリッジユニット
２１  Ｂ相単相ブリッジユニット
２２  Ｃ相単相ブリッジユニット
２３  Ｄ相単相ブリッジユニット
２４  インバータ制御装置
２５  角度位置信号
２６、３２  ドライブ信号
２７  制動指令信号
３０、４０  リアクトル
３４  電流設定指令信号
３５、４５  定電流電源制御装置
４６  充放電切換器
４７  定電流チョッパ
８２  電圧制御装置
８４、１０７  ウルトラキャパシタ
８６  充電電圧検知部
８７  誘導制御部
１００  充電システム
１０２、１０３  板状電極
１０４  電圧検知器
１０５  電流制御器
１０６  案内溝
１１０  車輪
【図１】
2008113521.tif 000003
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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