(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
界磁巻線と、前記界磁巻線に接続されたバッテリと、星形結線された３相以上の複数相のモータ巻線を有するモータと、コンデンサからの電力を電力変換して前記モータ巻線に供給するインバータ回路とを有する動力出力装置であって、
前記インバータ回路は、互いに直列に接続された上アーム側スイッチング素子と下アーム側スイッチング素子とから構成されるスイッチング素子対を前記複数相のモータ巻線毎に有し、
前記コンデンサは、前記インバータ回路の正極母線と負極母線とに接続され、
前記界磁巻線は、前記バッテリを介して前記インバータ回路の正極母線または負極母線に接続されるとともに、前記モータの中性点に接続され、
前記インバータ回路の全ての前記上アーム側スイッチング素子をオフの状態として、前記下アーム側スイッチング素子のデューティを制御することで前記バッテリの電圧を昇圧して前記コンデンサを充電する一方、前記インバータ回路の全ての前記下アーム側スイッチング素子のスイッチングをオフの状態として前記上アーム側スイッチング素子のデューティを制御する、又は、前記インバータ回路の全ての前記上アーム側スイッチング素子のスイッチングをオフの状態として前記下アーム側スイッチング素子のデューティを制御することで前記コンデンサから前記界磁巻線に直流電流を供給する制御部を有することを特徴とする動力出力装置。
【請求項２】
前記界磁巻線と並列に漏れインダクタンスとしての接続線が接続されている請求項１に記載の動力出力装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、動力出力装置に係り、詳しくは電機子巻線（界磁巻線）形のモータを備えた動力出力装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電機子巻線（界磁巻線）形のモータにはＤＣ電流を流す必要があり、その際にはＤＣ電流を流す専用回路（スイッチなど）が必用であった。例えば、特許文献１に開示された電動機駆動装置では、図６に示すように、電動機８１のＵ相コイルＵ、Ｖ相コイルＶ、Ｗ相コイルＷにインバータ８２を介して電流が供給される。また、電動機８１の界磁巻線（コイル）８３は、バッテリＢおよび電源ライン８４間の電流経路上に電気的に接続され、昇圧コンバータ８５のリアクトルＬ１として機能する。昇圧コンバータ８５は、リアクトルＬ１と、スイッチング素子Ｑ１及びスイッチング素子Ｑ２とを含む。制御装置８６は、電圧指令値と電圧センサ８７からの検出電圧との偏差に基づいて電源ライン８４への入力電流の目標値を算出し、かつ、電流指令値と電流センサ８８からの検出電流との偏差に応じて界磁巻線８３に流れる界磁増磁電流の目標値を算出する。制御装置８６は、入力電流および界磁電流の目標値の合計値に、フィードフォワード補償項としてのモータ出力電流を加算して電流指令値を生成すると、電流センサ８８からの検出電流が電流指令値に一致するようにスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２，Ｑ３をスイッチング制御する。
【０００３】
また、３相の電機子巻線、磁界発生用の界磁巻線、磁界強化用の永久磁石をステータコアのみに設けた回転電機も提案されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−６８５９８号公報
【特許文献２】特開２０１３−２０１８６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
界磁巻線はモータ磁界を操作しモータの小型化と高出力化に寄与する。しかし、特許文献１の構成では、界磁巻線に流れる電流を制御する専用回路が必要になり、その分、高価となってしまう。
【０００６】
本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、専用回路を設けることなく界磁巻線に必要な電流を流すことができる動力出力装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決する動力出力装置は、界磁巻線と、前記界磁巻線に接続されたバッテリと、星形結線された３相以上の複数相のモータ巻線を有するモータと、コンデンサからの電力を電力変換して前記モータ巻線に供給するインバータ回路とを有する動力出力装置であって、前記インバータ回路は、互いに直列に接続された上アーム側スイッチング素子と下アーム側スイッチング素子とから構成されるスイッチング素子対を前記複数相のモータ巻線毎に有し、前記コンデンサは、前記インバータ回路の正極母線と負極母線とに接続され、前記界磁巻線は、前記バッテリを介して前記インバータ回路の正極母線または負極母線に接続されるとともに、前記モータの中性点に接続され、前記インバータ回路の全ての前記上アーム側スイッチング素子をオフの状態として、前記下アーム側スイッチング素子のデューティを制御することで前記バッテリの電圧を昇圧して前記コンデンサを充電する一方、前記インバータ回路の全ての前記下アーム側スイッチング素子のスイッチングをオフの状態として前記上アーム側スイッチング素子のデューティを制御する、又は、前記インバータ回路の全ての前記上アーム側スイッチング素子のスイッチングをオフの状態として前記下アーム側スイッチング素子のデューティを制御することで前記コンデンサから前記界磁巻線に直流電流を供給する制御部を有する。
【０００８】
この構成によれば、制御部によるインバータ回路の各スイッチング素子対の制御状態によっては、バッテリからの電流が、モータ巻線及びインバータ回路を介してコンデンサに流れる。インバータ回路の上アームの全てのスイッチング素子がオンで、インバータ回路の下アームの全てのスイッチング素子がオフの状態では、バッテリからの電流がモータ巻線及びインバータ回路を介してコンデンサに流れるが、全てのモータ巻線に同じ状態で電流が流れるため、モータにはトルクが掛からない。その状態では、動力出力装置は、下アームのスイッチング素子のデューティを制御することにより昇圧コンバータとして動作するため、バッテリの電圧を昇圧してコンデンサを充電することができる。
【０００９】
また、制御部がインバータ回路の各スイッチング素子対を制御して、モータを駆動するようにコンデンサから界磁巻線に直流電流を供給する場合、制御部は、インバータ回路を昇圧コンバータあるいは降圧コンバータとして動作させてコンデンサから出力される直流電流の電圧を目的の電圧に制御しながら供給する。したがって、専用回路を設けることなく界磁巻線に必要な電流を流すことができる。
【００１０】
前記界磁巻線と並列に漏れインダクタンスとしての接続線が接続されていてもよい。ここで、「漏れインダクタンス」とは、中性点と他の部分を電気的に接続する接続線（配線）が有するインダクタンスを意味する。但し、接続線のインダクタンスが小さすぎないように接続線はある程度の長さが必要である。この構成では、コンデンサからモータ巻線に流れた後に合流された電流の一部が接続線に流れるため、漏れインダクタンスを利用して界磁巻線に流れる電流量を調整することができる。したがって、界磁巻線にあまり電流を流さなくてよい場合、好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、専用回路を設けることなく界磁巻線に必要な電流を流すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】一実施形態の動力出力装置の回路図。
【図２】別の実施形態の動力出力装置の回路図。
【図３】別の実施形態の動力出力装置の回路図。
【図４】別の実施形態の動力出力装置の回路図。
【図５】別の実施形態のモータの模式断面図。
【図６】従来技術の概略ブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を具体化した動力出力装置の一実施形態を図１にしたがって説明する。
図１に示すように、動力出力装置１０は、モータ（回転電機）１１と、界磁巻線１２と、コンデンサ１３と、コンデンサ１３からの電力を電力変換してモータ１１のモータ巻線に供給するインバータ回路１４と、インバータ回路１４を制御する制御部１５とを有する。モータ１１は、星形結線された３相以上の複数相のモータ巻線（コイル）を有する。この実施形態では、モータ１１は、３相のモータ巻線１６Ｕ，１６Ｖ，１６Ｗを有する。コンデンサ１３とインバータ回路１４とでインバータ１７が構成されている。
【００１４】
インバータ回路１４は、直列接続された２個のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２、Ｓ３，Ｓ４、Ｓ５，Ｓ６の組みを、モータ巻線１６Ｕ，１６Ｖ，１６Ｗの相数に対応した数、この実施形態では３組備えている。各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６には、例えば、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）が使用されている。
【００１５】
詳述すると、インバータ回路１４は、６個のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６のうち、３個のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５が上アーム側スイッチング素子を構成し、３個のスイッチング素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６が下アーム側スイッチング素子を構成する。各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６のコレクタとエミッタ間には、ダイオードＤが、アノードが各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６のエミッタ側となり、カソードがコレクタ側となる状態でそれぞれ接続されている。
【００１６】
モータ巻線１６Ｕ，１６Ｖ，１６Ｗは星形結線され、上アーム側スイッチング素子Ｓ１と下アーム側スイッチング素子Ｓ２とから構成されるスイッチング素子対Ｓ１−Ｓ２は、スイッチング素子Ｓ１のエミッタがモータ巻線１６Ｕに対してモータ１１の中性点Ｎと反対側に接続されている。上アーム側スイッチング素子Ｓ３と下アーム側スイッチング素子Ｓ４とから構成されるスイッチング素子対Ｓ３−Ｓ４は、スイッチング素子Ｓ３のエミッタがモータ巻線１６Ｖに対してモータ１１の中性点Ｎと反対側に接続されている。上アーム側スイッチング素子Ｓ５と下アーム側スイッチング素子Ｓ６とから構成されるスイッチング素子対Ｓ５−Ｓ６は、スイッチング素子Ｓ５のエミッタがモータ巻線１６Ｗに対してモータ１１の中性点Ｎと反対側に接続されている。即ち、インバータ回路１４は、互いに直列に接続された上アーム側スイッチング素子と下アーム側スイッチング素子とから構成されるスイッチング素子対Ｓ１−Ｓ２，Ｓ３−Ｓ４，Ｓ５−Ｓ６を３相のモータ巻線１６Ｕ，１６Ｖ，１６Ｗ毎に有する。
【００１７】
コンデンサ１３は、インバータ回路１４の正極母線１８と負極母線１９とに接続されている。
動力出力装置１０は、界磁巻線１２に接続されたバッテリＢを有する。界磁巻線１２は、第１端部がモータ１１の中性点である星形結線されたモータ巻線１６Ｕ，１６Ｖ，１６Ｗの中性点Ｎに接続され、第２端部がバッテリＢのプラス端子に接続されている。バッテリＢのマイナス端子は、インバータ回路１４の負極母線１９に接続されている。バッテリＢにはスナバコンデンサＣ１が並列に接続されている。即ち、界磁巻線１２は、インバータ回路１４の負極母線１９にモータ１１あるいはスナバコンデンサＣ１を介して接続されている。界磁巻線１２は、モータ１１のロータ（図示せず）に設けられている。界磁巻線１２には、例えばブラシ及びスリップリングを介して電流が供給されるようになっている。
【００１８】
制御部１５は、界磁巻線１２に接続されたバッテリＢの電圧を昇圧してコンデンサ１３を充電するとともに、界磁巻線１２に直流電流を供給するようにインバータ回路１４の各スイッチング素子対Ｓ１−Ｓ２，Ｓ３−Ｓ４，Ｓ５−Ｓ６を制御する。また、制御部１５は、コンデンサ１３からの電力を電力変換してモータ巻線１６Ｕ，１６Ｖ，１６Ｗに供給する。制御部１５は、モータ１１を駆動するようにコンデンサ１３から界磁巻線１２に直流電流を供給する場合、インバータ回路１４を昇圧コンバータあるいは降圧コンバータとして動作させてコンデンサ１３から出力される直流電流の電圧を目的の電圧に制御しながら供給する。
【００１９】
動力出力装置１０は、例えば電気自動車に使用される。また、この実施形態では、バッテリＢは補機用の低圧バッテリである。
次に前記のように構成された動力出力装置１０の作用を説明する。
【００２０】
コンデンサ１３はバッテリＢにより充電され、充電された電力をインバータ回路１４で電力変換して界磁巻線１２及びモータ巻線１６Ｕ，１６Ｖ，１６Ｗに供給する。上アームのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５及び下アームのスイッチング素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６がそれぞれ所定周期でオン、オフ制御されることによりモータ１１に直流が供給されてモータ１１が駆動される。
【００２１】
コンデンサ１３を充電する際は、バッテリＢからの電流が、界磁巻線１２、モータ巻線１６Ｕ，１６Ｖ，１６Ｗ及びインバータ回路１４を介してコンデンサ１３に流れる。インバータ回路１４の上アームの全てのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５がオンで、インバータ回路１４の下アームの全てのスイッチング素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６がオフの状態では、バッテリＢからの電流が界磁巻線１２、モータ巻線１６Ｕ，１６Ｖ，１６Ｗ及びインバータ回路１４を介してコンデンサ１３に流れる。しかし、全てのモータ巻線１６Ｕ，１６Ｖ，１６Ｗに同じ状態で電流が流れるため、モータ１１にはトルクが掛からない。その状態では、動力出力装置１０は、下アームのスイッチング素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６のデューティを制御することにより昇圧コンバータとして動作するため、バッテリＢの電圧を昇圧してコンデンサ１３を充電することができる。
【００２２】
コンデンサ１３は、バッテリＢの電圧が昇圧されて充電された状態で、電力をインバータ回路１４で電力変換して界磁巻線１２及びモータ巻線１６Ｕ，１６Ｖ，１６Ｗに供給する。
【００２３】
インバータ回路１４の上アームの全てのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５がオフで、インバータ回路１４の下アームの全てのスイッチング素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６がオンの状態では、インバータ回路１４からモータ巻線１６Ｕ，１６Ｖ，１６Ｗには電流が流れない。
【００２４】
インバータ回路１４の上アームの全てのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５がオンで、下アームの全てのスイッチング素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６がオフの状態では、インバータ回路１４を介してコンデンサ１３からモータ巻線１６Ｕ，１６Ｖ，１６Ｗ及び界磁巻線１２に電流が流れる。全てのモータ巻線１６Ｕ，１６Ｖ，１６Ｗに同じ状態で電流が流れるため、モータ１１にはトルクが掛からない。
【００２５】
下アームの全てのスイッチング素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６がオフの状態で、上アームの全てのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５をオンにすると、コンデンサ１３の電圧がモータ巻線１６Ｕ，１６Ｖ，１６Ｗ及び界磁巻線１２に印加される。その状態から上アームのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５をオフにすると、下アームのスイッチング素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６と接続されているダイオードＤを介して電流がモータ巻線１６Ｕ，１６Ｖ，１６Ｗを流れる。そのため、動力出力装置１０は、降圧コンバータとして動作する。
【００２６】
一方、上アームの全てのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５がオンの状態で、下アームの全てのスイッチング素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６のスイッチングを行うと、動力出力装置１０は、昇圧コンバータとして動作する。
【００２７】
したがって、モータ巻線１６Ｕ，１６Ｖ，１６Ｗに順次電流を供給する１周期の間のうち、上アームのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５と下アームのスイッチング素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６との一方がオンで他方がオフあるいはその逆の状態で、そのデューティを調整することにより、界磁巻線１２に供給される電力（電流）を調整することができる。すなわち、専用回路を設けることなく界磁巻線１２に必要な電流を流すことができる。
【００２８】
この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）動力出力装置１０は、界磁巻線１２と、星形結線された３相以上の複数相のモータ巻線１６Ｕ，１６Ｖ，１６Ｗを有するモータ１１と、コンデンサ１３からの電力を電力変換してモータ巻線１６Ｕ，１６Ｖ，１６Ｗに供給するインバータ回路１４とを有する。インバータ回路１４は、互いに直列に接続された上アーム側スイッチング素子と下アーム側スイッチング素子とから構成されるスイッチング素子対Ｓ１−Ｓ２，Ｓ３−Ｓ４，Ｓ５−Ｓ６を複数相のモータ巻線１６Ｕ，１６Ｖ，１６Ｗ毎に有し、コンデンサ１３は、インバータ回路１４の正極母線１８と負極母線１９とに接続されている。界磁巻線１２は、インバータ回路１４の負極母線１９とモータ１１の中性点Ｎとに接続されている。また、動力出力装置１０は、界磁巻線１２に接続されたバッテリＢの電圧を昇圧してコンデンサ１３を充電するとともに、界磁巻線１２に直流電流を供給するようにインバータ回路１４の各スイッチング素子対Ｓ１−Ｓ２，Ｓ３−Ｓ４，Ｓ５−Ｓ６を制御する制御部１５を有する。
【００２９】
この構成によれば、インバータ回路１４の上アームの全てのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５がオンの状態で、下アームのスイッチング素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６のデューティを制御することにより、インバータ回路１４が昇圧コンバータとして動作するため、バッテリＢの電圧を昇圧してコンデンサ１３を充電することができる。
【００３０】
また、動力出力装置１０は、インバータ回路１４の上アームの全てのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５がオフで、インバータ回路１４の下アームの全てのスイッチング素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６がオンの状態で、そのデューティを制御することにより昇圧コンバータとして動作する。また、インバータ回路１４の上アームの全てのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５がオンで、下アームの全てのスイッチング素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６がオフの状態で、そのデューティを制御することにより降圧コンバータとして動作する。そのため、制御部１５がインバータ回路１４の各スイッチング素子対を制御して、モータ１１を駆動するようにコンデンサ１３から界磁巻線１２に直流電流を供給する場合、制御部１５は、インバータ回路１４を昇圧コンバータあるいは降圧コンバータとして動作させてコンデンサ１３から出力される直流電流の電圧を目的の電圧に制御しながら供給する。したがって、専用回路を設けることなく界磁巻線１２に必要な電流を流すことができる。
【００３１】
実施形態は前記両実施形態に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○  図２に示すように、バッテリＢと並列に接続されたスナバコンデンサＣ１を省略してもよい。
【００３２】
○  図３に示すように、界磁巻線１２と並列に漏れインダクタンスとしての接続線２０が接続されていてもよい。図では漏れインダクタンスを模式的に示しているため長さが短いが、界磁巻線１２が並列に接続された部分の接続線２０のインダクタンスが小さすぎないように、界磁巻線１２が並列に接続された部分の接続線２０は、目的のインダクタンスを有する長さが必要である。この構成では、コンデンサ１３からモータ巻線１６Ｕ，１６Ｖ，１６Ｗに流れた後に合流された電流の一部が接続線２０に流れるため、接続線２０の漏れインダクタンスを利用して界磁巻線１２に流れる電流量を調整することができる。したがって、界磁巻線１２にあまり電流を流さなくてよい場合、好ましい。
【００３３】
○  図４に示すように、界磁巻線１２を接続線（漏れインダクタンス）２０と直列に接続してもよい。
○  界磁巻線１２の第２端部をインバータ回路１４の負極母線１９ではなく正極母線１８に接続してもよい。
【００３４】
○  図３に示すように界磁巻線１２と接続線（漏れインダクタンス）２０とが並列に接続された構成や、図４に示すように界磁巻線１２と接続線（漏れインダクタンス）２０とが直列に接続された構成において、バッテリＢと並列にスナバコンデンサＣ１を接続してもよい。
【００３５】
○  界磁巻線形モータは、界磁巻線１２がロータにある型式だけではなく、ステータに界磁巻線１２がある型式、例えば、特許文献２に開示された回転電機であってもよい。特許文献２に開示された構成は、基本的には、図５に示すように、ステータ２１に、界磁巻線１２に加えて電機子巻線２２と永久磁石２３が設けられている。永久磁石２３は、界磁巻線１２よりロータ２４側に配置されている。但し、特許文献２に開示されたものは、ロータ２４に設けられたロータティースの数やステータティースの数が図５のものと異なっている。
【００３６】
○  図５に示す構成に代えて、永久磁石２３が界磁巻線１２の外側に配置された構成としてもよい。
○  ステータに界磁巻線１２がある型式の界磁巻線形モータは、永久磁石２３を省略してもよい。
【００３７】
○  星形結線されたモータ巻線は、３相に限らず４相以上、例えば、４相や５相であってもよい。
○  動力出力装置１０は、電気自動車に限らず電機自動車以外の車両に装備される電機機器に適用されてもよい。また、車両用に限らず、産業用機器、家庭用機器に適用されてもよい。
【符号の説明】
【００３８】
Ｂ…バッテリ、Ｎ…中性点、Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５…上アーム側スイッチング素子、Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６…下アーム側スイッチング素子、１０…動力出力装置、１１…モータ、１２…界磁巻線、１３…コンデンサ、１４…インバータ回路、１５…制御部、１６Ｕ，１６Ｖ，１６Ｗ…モータ巻線、１８…正極母線、１９…負極母線、２０…接続線。
【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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