(57)【要約】【課題】  電動機又は発電機の回転数に応じて電機子コイルを構成するコイルの結線態様を変更する際に、電流経路を常に確保することにより、過電圧の発生を抑え、絶縁破壊から回路を保護することを目的とする。【解決手段】  複数の単位コイル１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄから構成される少なくとも１相の電機子コイルと、電動機又は発電機の回転数に応じて単位コイル１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄの結線を変更する結線変更部とを備え、結線変更部は、変更後の結線を確立させた後に、変更前の結線を切断する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単位コイルから構成される少なくとも１相の電機子コイルと、
電動機又は発電機の回転数に応じて前記単位コイルの結線を変更する結線変更手段と
を備え、
前記結線変更手段は、変更後の結線を確立させた後に、変更前の結線を切断することを特徴とする電機子コイルの結線変更装置。
【請求項２】
隣接する前記単位コイルを並列結線するための並列結線手段と、
隣接する前記単位コイルを直列結線するための第１の直列結線手段と、
結線変更時において、前記第１の直列結線手段の代わりに使用され、短絡を防止する短絡防止手段を備える第２の直列結線手段と
を備え、
前記結線変更手段は、前記並列結線手段と第１の直列結線手段と第２の直列結線手段とを制御することにより結線変更を行うことを特徴とする請求項１に記載の電機子コイルの結線変更装置。
【請求項３】
前記第２の直列結線手段は、整流素子とスイッチング手段とを直列に接続した構成を有するとともに、前記第１の直列結線手段と並列に接続され、
前記結線変更手段は、前記整流素子が順方向バイアスされている期間に、結線変更を行うことを特徴とする請求項２に記載の電機子コイルの結線変更装置。
【請求項４】
前記第２の直列結線手段は、一方向へ電流を流す半導体スイッチング素子を有するとともに、前記第１の直列結線手段と並列に接続され、
前記結線変更手段は、前記半導体スイッチング素子が順方向バイアスされている期間に結線変更を行うことを特徴とする請求項２に記載の電機子コイルの結線変更装置。
【請求項５】
前記第２の直列結線手段は、一方向へ電流を流す半導体スイッチング素子を互いに逆方向になるように並列接続した構成を有するとともに、前記第１の直列結線手段と並列に接続され、
前記結線変更手段は、前記第２の直列結線手段を構成する２つの半導体スイッチング素子のうち、結線変更時において順方向バイアスされているいずれかの前記半導体スイッチング素子を選択して制御することにより結線変更を行うことを特徴とする請求項２に記載の電機子コイルの結線変更装置。
【請求項６】
複数の単位コイルから構成される少なくとも１相の電機子コイルと、
電動機又は発電機の回転数に応じて、前記単位コイルの結線を変更する結線変更手段と、
前記単位コイルのそれぞれに並列に設けられた還流ダイオードと、
前記還流手段と直列に設けられたスイッチング手段と
を備え、
前記結線変更手段は、前記還流ダイオードが逆方向バイアスされている期間において、前記スイッチング手段をオンさせ、その後、前記結線変更を行うことを特徴とする電機子コイルの結線変更装置。
【請求項７】
複数の単位コイルから構成される少なくとも１相の電機子コイルと、
電動機又は発電機の回転数に応じて、前記単位コイルの結線を変更する結線変更手段と、
前記単位コイルのそれぞれに並列に設けられた一方向に電流を流す半導体スイッチング素子と
を備え、
前記結線変更手段は、前記半導体スイッチング素子が逆方向バイアス状態にある期間において、前記半導体スイッチング素子をオンさせ、その後、前記結線の変更を行うことを特徴とする電機子コイルの結線変更装置。
【請求項８】
複数の単位コイルから構成される少なくとも１相の電機子コイルと、
電動機又は発電機の回転数に応じて、前記単位コイルの結線を変更する結線変更手段と、
前記単位コイルのそれぞれに並列に設けられた一方向に電流を流す第１の半導体スイッチング素子と、
前記第１の半導体スイッチング素子と並列に設けられ、前記第１の半導体スイッチング素子とは逆方向に電流を流す第２の半導体スイッチング素子と
を備え、
前記結線変更手段は、結線変更を行う場合に、その時点でのコイルの電圧に対して逆バイアス状態となっているいずれかの半導体スイッチング素子をオンにし、その後、前記結線の変更を行うことを特徴とする電機子コイルの結線変更装置。
【請求項９】
請求項１から請求項８のいずれかの項に記載の電機子コイルの結線変更装置を備えることを特徴とする駆動装置。
【請求項１０】
請求項１から請求項８のいずれかの項に記載の電機子コイルの結線変更装置を備えることを特徴とする発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、駆動装置又は発電装置に係り、特にモータの電機子コイルの結線制御に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
駆動装置や発電装置に用いられるモータでは、モータ回転数に比例して誘起電圧が発生する。一方、モータに流れる電流は、電源電圧と誘起電圧との電位差によって決まる。
従って、誘起電圧が高くなる高回転領域においては、電源電圧と誘起電圧との電位差が小さくなるため、この領域で大きなトルクを得ることを目的として、高回転領域においても十分な電位差が得られるように、予め大きな電圧を供給できる電源を使用する方法や、或いは、誘起電圧をできるだけ低く抑える方法が考えられている。
しかしながら、大きな電圧を予め設けておく方法では、車載用電源ように、１２Ｖや３６Ｖに定格が決められている場合においては、昇圧装置を設けて電源電圧を昇圧してモータへ供給するか、或いは、別個の電源電圧を別途設ける必要がある。このため、装置が大型化するという問題があった。
一方、誘起電圧を低く抑える方法では、低回転領域での誘起電圧が小さくなりすぎてしまう。このため、誘起電圧に基づいてセンサレス制御を行っているようなモータにおいては、誘起電圧がノイズの影響を受けやすく、正確な制御を行うことが難しいという問題があった。
【０００３】
そこで、モータのコイルを複数個に予め分割しておき、モータの低回転領域においてはコイルの直列数を多くし、一方、高回転領域においては並列数を多くすることにより、低回転領域における誘起電圧を大きくしてノイズの影響を回避できるとともに、高回転領域においては誘起電圧を抑えることにより十分な電流（トルク）を得ることができる方法がある。
このような方法として、例えば、特許文献１には、モータの回転数に応じて、デルタ結線又はスター結線された各組の複数のコイルの結線を変更する発明が開示されている。
【特許文献１】特開平０９−２１５３８５号公報（段落［０００５］〜［０００６］及び図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、電機子コイルを構成するコイルの結線を行う際、回路が一瞬でも開放されると、電流が断絶される。これにより、サージ電圧が生じ、内部素子の絶縁破壊が起こるといった問題が生ずる。
しかしながら、上述した特許文献１によれば、結線変更に関する詳しい記載がなく、結線変更時に生ずる電流の断絶に伴う素子の絶縁破壊等の弊害については一切考慮されていない。
【０００５】
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、電動機又は発電機の回転数に応じて電機子コイルを構成するコイルの結線態様を変更する際に、電流経路を常に確保することにより、過電圧の発生を抑え、絶縁破壊から回路を保護することができる電機子コイルの結線変更装置及び駆動装置並びに発電装置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】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
【０００７】
すなわち、本発明にかかる電機子コイルの結線変更装置は、複数の単位コイルから構成される少なくとも１相の電機子コイルと、電動機又は発電機の回転数に応じて前記単位コイルの結線を変更する結線変更手段とを備え、前記結線変更手段は、変更後の結線を確立させた後に、変更前の結線を切断することを特徴とする。
【０００８】
単位コイルは、１相の電磁子コイルを複数のコイルに分割した内の１つのコイルである。
結線変更手段は、電動機又は発電機の回転数に応じて、単位コイルの結線変更を行う。また、結線変更の際には、必ず変更後の結線を行った後に、変更前の結線を切断するようにする。これにより、常に電流経路を確保することができるため、電流を途切れなく流すことができ、電流の断絶による過電圧（サージ電圧）の発生を防止することができる。
このように、結線変更時においても電圧流路を常に確保することにより、電流の断絶による過電圧による素子の絶縁破壊から回路を保護することができる。
なお、図１１に、従来の結線変更時における単位コイルの電圧波形と電流波形を、図１２に本発明による結線変更時における単位コイルの電圧波形と電流波形を示す。これらの図からも明らかなように、従来においては、図１１に示すように結線変更時において電流が断絶していたため、過電圧が発生していたが、本発明の電機子コイルの結線変更装置によれば、結線変更の際にも常に電流が流れているため、図１２に示すように結線変更時における電流変化及び出力変化を極めて小さくすることができる。
なお、結線は、例えば、低回転領域においては、全ての単位コイルを直列に接続し、高回転領域においては全ての単位コイルを並列に接続する。また、低回転領域と高回転領域との間である中回転領域においては、一部の単位コイルを直列接続し、一部の単位コイルを並列接続する結線を行い、また、回転数が高くなるほど、並列接続の単位コイルが多くなるように結線を行う。
なお、上記電動機としては、例えば、高速定格で最高２２万ｒｐｍの自動車用の電動アシストターボに使用される高速回転電動機等が挙げられる。ここで、電動アシストターボとは、ターボチャージャーとコンプレッサとの間に電動機を設け、この電動機によりターボチャージャーの回転を電気的にアシストするようにしたものである。このように、電気的に電動機を駆動し、この駆動力によりターボチャージャーの回転を補助することにより、始動時におけるコンプレッサの応答の遅れを補完することができる。
【０００９】
また、本発明の電機子コイルの結線変更装置によれば、隣接する前記単位コイルを並列結線するための並列結線手段と、隣接する前記単位コイルを直列結線するための第１の直列結線手段と、結線変更時において、前記第１の直列結線手段の代わりに使用され、短絡を防止する短絡防止手段を備える第２の直列結線手段とを備え、前記結線変更手段は、前記並列結線手段と第１の直列結線手段と第２の直列結線手段とを制御することにより結線変更を行うことを特徴とする。
【００１０】
並列結線手段は、隣り合う単位コイルを並列に結線する並列結線路に設けられており、隣接する単位コイルを並列結線するための手段である。
第１の直列結線手段は、隣り合う単位コイルを直列に結線する直列結線路に設けられており、隣接する単位コイルを直列結線するための手段である。
第２の直列結線手段は、結線変更時に第１の直列結線手段に代わって用いられる手段であり、結線変更時における短絡を防止しながら直列結線を確立させる。
結線変更手段は、並列結線手段、第１の直列結線手段、第２の直列結線手段を例えば、オンオフ制御することにより、結線を確立させたり、切断したりする。
ところで、結線変更手段は、結線変更時において、変更後の結線を行った後に、変更前の結線を切断するため、隣接する単位コイルの結線態様として、並列結線と直列結線とが併存する期間が生ずる。このとき、並列結線路から直列結線路に直接電流が流入し、短絡してしまうおそれがある。短絡が起こると、過電流が流れ、素子の発熱や電流値の変動を招き、発電機或いは電動機の制御に弊害が生ずることになる。
そこで、第２の直列結線手段に短絡を防止する短絡防止手段を設け、結線変更の際には、第２の直列結線手段と並列結線手段とによって並列結線と直列結線とが並存する状況を作ることにより、短絡を防止しながら電流経路の確保を行う。これにより、安全に結線変更を行うことができる。
【００１１】
また、本発明の電機子コイルの結線変更装置によれば、前記第２の直列結線手段は、整流素子とスイッチング手段とを直列に接続した構成を有するとともに、前記第１の直列結線手段と並列に接続され、前記結線変更手段は、前記整流素子が順方向バイアスされている期間に、結線変更を行うことを特徴とする。
【００１２】
結線変更手段は、短絡防止手段である整流素子が順方向バイアスされている期間に結線変更を行う。これにより、結線変更時において、並列結線路から直列結線路へ直接電流が流入するのを防ぐことができる。また、第２の直列結線手段を整流素子とスイッチング手段とにより構成することにより、非常に簡単な回路構成により短絡を防止することができる。なお、スイッチング手段としては、例えば機械的なスイッチや、ＦＥＴに代表されるような双方向に電流を流す半導体スイッチング素子が挙げられる。
また、結線変更手段が整流素子の順方向バイアス時において結線変更を行うのは、仮に逆バイアス時に結線変更を行うと、整流素子により第２の直列結線路に電流が流れず、結線変更時において電流経路が断絶してしまう虞があるからである。
【００１３】
また、本発明の電機子コイルの結線変更装置によれば、前記第２の直列結線手段は、一方向へ電流を流す半導体スイッチング素子を有するとともに、前記第１の直列結線手段と並列に接続され、前記結線変更手段は、前記半導体スイッチング素子が順方向バイアスされている期間に結線変更を行うことを特徴とする。
【００１４】
第２の直列結線手段は、並列結線路から直列結線路へ電流が流入するのを防止する短絡防止手段と、結線変更手段によりオンオフ制御が可能な機能とを有する必要がある。そこで、この２つの機能を併せ持つ半導体スイッチング素子により第２の直列結線手段を構成することにより、非常に簡単な構成により第２の直列結線手段を実現させることができる。なお、半導体スイッチング素子が順方向バイアスされている期間に結線変更を行うのは、仮に逆バイアス時に結線変更を行うと、第２の直列結線路に電流が流れないため、直列結線を確立させることができず、直列結線と並列結線とを並存させることができなくなり、結線変更時において常に電流経路を確保するという目的が実現できなくなるからである。
なお、一方向に電流を流す半導体スイッチング素子としては、例えば、トランジスタ、サイリスタ、ＩＧＢＴ、ＧＴＯ等が挙げられる。
【００１５】
また、本発明の電機子コイルの結線変更装置によれば、前記第２の直列結線手段は、一方向へ電流を流す半導体スイッチング素子を互いに逆方向になるように並列接続した構成を有するとともに、前記第１の直列結線手段と並列に接続され、前記結線変更手段は、前記第２の直列結線手段を構成する２つの半導体スイッチング素子のうち、結線変更時において順方向バイアスされているいずれかの前記半導体スイッチング素子を選択して制御することにより結線変更を行うことを特徴とする。
【００１６】
第２の直列結線手段は、一方向にのみ電流を流す半導体スイッチング素子を互いに逆方向となるように並列接続している。従って、結線変更手段が、結線変更時における電流の向きに応じて、いずれかの半導体スイッチング素子を選択制御することにより、結線変更時の短絡を防止することができる。
このように、第２の直列結線手段を２つの半導体スイッチング素子を互いに逆方向に組み合わせた構成とすることにより、電流の向きを気にせずに、結線変更を行うことができる。
なお、一方向に電流を流す半導体スイッチング素子としては、例えば、トランジスタ、サイリスタ、ＩＧＢＴ、ＧＴＯ等が挙げられる。
【００１７】
また、本発明の電機子コイルの結線変更装置は、複数の単位コイルから構成される少なくとも１相の電機子コイルと、電動機又は発電機の回転数に応じて、前記単位コイルの結線を変更する結線変更手段と、前記単位コイルのそれぞれに並列に設けられた還流ダイオードと、前記還流手段と直列に設けられたスイッチング手段とを備え、前記結線変更手段は、前記還流ダイオードが逆方向バイアスされている期間において、前記スイッチング手段をオンさせ、その後、前記結線変更を行うことを特徴とする。
【００１８】
単位コイルのそれぞれに並列に還流ダイオードを接続し、結線変更時には、還流ダイオードに直列に設けられたスイッチング手段をオンさせることにより、還流ダイオードを介して電流が単位コイルに流れる構成とする。これにより、結線変更時において、直列結線と並列結線とが共に切断された状態となっても、還流ダイオードを介して電流がコイルに流れることとなる。これにより、結線変更時における電流の断絶を回避することができ、過電圧発生による素子破壊などを防止することができる。
また、結線変更のタイミングは、還流ダイオードが逆方向バイアスされている期間とする。これは、順方向バイアスされている期間に結線変更を行うと、電源からダイオードを通る短絡ループが形成されて過電流が生じるからである。
なお、前記スイッチング手段としては、例えば、機械的なスイッチ装置或いは双方向に電流を流す半導体スイッチング素子、例えばＦＥＴ等が挙げられる。
【００１９】
また、本発明の電機子コイルの結線変更装置は、複数の単位コイルから構成される少なくとも１相の電機子コイルと、電動機又は発電機の回転数に応じて、前記単位コイルの結線を変更する結線変更手段と、前記単位コイルのそれぞれに並列に設けられた一方向に電流を流す半導体スイッチング素子とを備え、前記結線変更手段は、前記半導体スイッチング素子が逆方向バイアス状態にある期間において、前記半導体スイッチング素子をオンさせ、その後、前記結線の変更を行うことを特徴とする。
【００２０】
単位コイルのそれぞれに並列に順方向に電流を流す半導体スイッチング素子を接続し、結線変更時には、半導体スイッチング素子をオンにして、この半導体スイッチング素子を介して電流が単位コイルに流れる構成とする。これにより、結線変更時において、直列結線、並列結線ともに切断された状態となっても、一方向に電流を流す半導体スイッチング素子を介して電流がコイルに流れることとなる。これにより、結線変更時における電流の断絶を回避することができ、過電圧発生による素子破壊などを防止することができる。
また、結線変更のタイミングは、半導体スイッチング素子が逆方向バイアスされている期間とする。これは、順方向バイアスされている期間に結線変更を行うと、電源からダイオードを通る短絡ループが形成されて過電流が生じるからである。
なお、一方向に電流を流す半導体スイッチング素子としては、例えば、トランジスタ、サイリスタ、ＩＧＢＴ、ＧＴＯ等が挙げられる。
【００２１】
また、本発明の電機子コイルの結線変更装置は、複数の単位コイルから構成される少なくとも１相の電機子コイルと、電動機又は発電機の回転数に応じて、前記単位コイルの結線を変更する結線変更手段と、前記単位コイルのそれぞれに並列に設けられた一方向に電流を流す第１の半導体スイッチング素子と、前記第１の半導体スイッチング素子と並列に設けられ、前記第１の半導体スイッチング素子とは逆方向に電流を流す第２の半導体スイッチング素子とを備え、前記結線変更手段は、結線変更を行う場合に、その時点でのコイルの電圧に対して逆バイアス状態となっているいずれかの半導体スイッチング素子をオンにし、その後、前記結線の変更を行うことを特徴とする。
【００２２】
単位コイルのそれぞれに並列に一方向に電流を流す第１の半導体スイッチング素子を接続し、更に、第１の半導体スイッチング素子とは逆方向に電流を流す第２の半導体スイッチング素子を第１の半導体スイッチング素子と並列に接続する。
そして、結線変更時には、結線変更手段が、電流の向きに応じていずれかの半導体スイッチング素子を選択制御することにより、選択された半導体スイッチング素子を介して単位コイルに電流が流れる構成とする。これにより、結線変更時において、直列結線、並列結線ともに切断された状態となっても、半導体スイッチング素子を介して電流がコイルに流れることとなり、結線変更時における電流の断絶を回避することができ、過電圧発生による素子破壊などを防止することができる。
また、２つの半導体スイッチング素子を互いに逆方向に組み合わせた構成の回路を単位コイルと並列に接続することにより、電流の向きを気にせずに、結線変更を行うことができる。
なお、一方向に電流を流す半導体スイッチング素子としては、例えば、トランジスタ、サイリスタ、ＩＧＢＴ、ＧＴＯ等が挙げられる。
【００２３】
また、請求項１から請求項８のいずれかの項に記載の電機子コイルの結線変更装置を備えた駆動装置としても良い。
【００２４】
また、請求項１から請求項８のいずれかの項に記載の電機子コイルの結線変更装置を備えた発電装置としても良い。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の電機子コイルの結線変更装置によれば、結線変更の際には、必ず変更後の結線を行った後に、変更前の結線を切断するため、電流の断絶による過電圧（サージ電圧）の発生を抑え、絶縁破壊から回路を保護することができる。
また、電流の断絶による出力の脈動を抑えることができ、平滑な出力を得ることが可能となる。
【００２６】
また、本発明の電機子コイルの結線変更装置によれば、第２の直列結線手段に短絡を防止する短絡防止手段を設け、結線変更の際には、第２の直列結線手段と並列結線手段とによって並列結線と直列結線とが並存する状況を作ることにより、短絡を防止しながら電流経路の確保を行う。これにより、安全に結線変更を行うことができる。
【００２７】
また、本発明の電機子コイルの結線変更装置によれば、結線変更手段は、整流素子が順方向バイアスされている期間に結線変更を行うので、結線変更時において、並列結線路から直列結線路へ直接電流が流入するのを防ぐことができる。また、第２の直列結線手段を整流素子とスイッチング手段とにより構成することにより、非常に簡単な回路構成により短絡を防止することができ、安全に結線変更を行うことができる。
【００２８】
また、本発明の電機子コイルの結線変更装置によれば、一方向に電流を流す半導体スイッチング素子により第２の直列結線手段を構成することにより、非常に簡単な構成により安全に結線変更を行うことができる。
【００２９】
また、本発明の電機子コイルの結線変更装置によれば、第２の直列結線手段を２つの半導体スイッチング素子を互いに逆方向に組み合わせた構成とすることにより、電流の向きを気にせずに、結線変更を行うことができる。この結果、回転数に応じて結線変更を即時に行うことができ、適切なタイミングで結線変更を行うことができる。
【００３０】
また、本発明の電機子コイルの結線変更装置によれば、単位コイルのそれぞれに並列に還流ダイオードを接続し、結線変更時には、還流ダイオードを介して電流が単位コイルに流れる構成とするので、直列結線と並列結線とが共に切断された状態となっても、還流ダイオードを介して電流を単位コイルに流すことができる。これにより、結線変更時における電流の断絶を回避することができ、過電圧発生による素子破壊などを防止することができる。
【００３１】
また、本発明の電機子コイルの結線変更装置によれば、単位コイルのそれぞれに並列に順方向に電流を流す半導体スイッチング素子を接続し、結線変更時には、半導体スイッチング素子をオンにして、この半導体スイッチング素子を介して電流が単位コイルに流れる構成とするので、常に、電流がコイルに流れることとなる。これにより、結線変更時における電流の断絶を回避することができ、過電圧発生による素子破壊などを防止することができる。
【００３２】
また、本発明の電機子コイルの結線変更装置によれば、単位コイルのそれぞれに並列に一方向に電流を流す第１の半導体スイッチング素子を接続し、更に、第１の半導体スイッチング素子とは逆方向に電流を流す第２の半導体スイッチング素子を第１の半導体スイッチング素子と並列に接続するので、電流の向きを気にせずに、結線変更を行うことができる。この結果、回転数に応じて結線変更を即時に行うことができ、適切なタイミングで結線変更を行うことができる。
また、結線変更時には、いずれかの半導体スイッチング素子を介して単位コイルに電流が流れることとなるため、単位コイルに電流が流れている状態を維持することができ、電流の断絶による過電圧発生を防止することができる。
【００３３】
また、本発明の駆動装置は、電機子コイルの結線変更装置を備えるため、高回転時において高トルクを得ることができるとともに、電機子コイルの結線変更時における電流の断絶による過電圧（サージ電圧）の発生を抑え、絶縁破壊から内部回路を保護することができる。また、電流の断絶による出力の脈動を抑えることができ、安定した電動機の出力を得ることができる。
【００３４】
また、本発明の発電装置は、電機子コイルの結線変更装置を備えるため、高回転時において高トルクを得ることができるとともに、電機子コイルの結線変更時における電流の断絶による過電圧（サージ電圧）の発生を抑え、絶縁破壊から内部回路を保護することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１の実施形態］
以下、本発明の第１の実施形態について説明する。
図９は、駆動装置の概略構成を示すブロック図である。
この図において、符号１１は直流電圧を供給する電源である。符号１２はインバータである。符号１３は、三相交流モータ（以下、単にモータと略称する）であり、このモータの駆動力は、回転軸１４を介して負荷１５に伝達される。
モータ１３は、図１０に示すようにスター結線された３相の電機子コイル１００ａ、１００ｂ、１００ｃを備えており、各相の電機子コイルは、複数の単位コイル１ａ、１ｂ、１ｃ、及び１ｄにより構成されている。図１０では、代表として電機子コイル１００ａについてのみ示しているが、電機子コイル１００ｂ、１００ｃについても、同様に複数の単位コイル１により構成されている。なお、単位コイル１の個数は各相同じである。また、各単位コイルの巻き線数については、全て同じ巻き線数でもよいし、設計により巻き線数を変えることも可能である。
図７に戻り、符号１６は、モータ１３の回転数を検出し、検出結果を結線変更部１７及び制御部１８へ送出する回転数検出部である。この回転数検出部１６としては、例えば、回転軸１４の任意の位置に設置された検出マークを光学的に読み取ることにより回転数を検出する光学的エンコーダや、磁気的に設置された検出マークを磁気的に読み取ることにより回転数を検出する磁気的エンコーダ、機械的に回転数を検出する機械的エンコーダ等が挙げられる。なお、この回転数検出部１６は、回転数のセンサレス検出を行う場合には不要である。センサレス検出を行う方法としては、例えば、モータ自身の誘起電圧波形から推測する方法等がある。
結線変更部１７は、各相の電磁子コイル１００ａ、１００ｂ、１００ｃ（図１０参照）を構成する複数の単位コイル１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄの結線を変更する。
制御部１８は、回転数検出部１６から通知される回転数や、インバータ１２内部に設けられた図示しない電流検出部等から種々の信号を受け取り、これらの信号に基づいてインバータ１２を構成する各スイッチング素子をオンオフ制御することにより、電源１１から供給される直流電力を三相交流電力へ変換させてモータ１３へ供給させる。
なお、モータ１３（図９参照）の動作時においては、図１０に示した電機子コイル１００ａ、１００ｂ、１００ｃにはそれぞれ所定の周波数で交流が流れている。即ち、電機子コイル１００ａを構成する各単位コイル１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄにはそれぞれ所定の周期で交流電流が流れることとなる。即ち、半周期においては端子Ａから端子Ｏへ向けて、また、残りの半周期においては端子Ｏから端子Ａへ向けて電流が流れることとなる。
【００３６】
次に、本実施形態に係る電機子コイルの結線について図１を参照して説明する。なお、ここでは、図１０に示した電機子コイル１００ａを構成する各単位コイル１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄを代表例として取り上げて説明する。
図１において、隣接する単位コイル１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄを並列に結線する各並列結線路には、単位コイルを並列結線するためのスイッチ（並列結線手段）２ａ、２ｂ、２ｃがそれぞれ設けられており、このスイッチ２ａ、２ｂ、２ｃのオンオフを結線変更部１７（図９参照）が制御することにより、隣接する単位コイルを並列結線させたり、並列結線を切断したりすることができる。
一方、隣接する単位コイルを直列に結線する直列結線路には、単位コイルを直列結線するためのスイッチ（第１の直列結線手段）３１ａ、３１ｂ、３１ｃがそれぞれ設けられており、このスイッチ３１ａ、３１ｂ、３１ｃのオンオフを結線変更部１７（図９参照）が制御することにより、隣接する単位コイルを直列結線させたり、直列結線を切断したりすることができる。
また、直列結線を行うスイッチ３１ａ、３１ｂ、３１ｃには、それぞれ結線変更時において用いられるダイオード３２ａ、３２ｂ、３３ｃ（短絡防止手段）とスイッチ３３ａ、３３ｂ、３３ｃとを直列に接続した回路（第２の直列結線手段）が並列に接続されている。そして、このスイッチ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ及び３３ａ、３３ｂ、３３ｃのオンオフを結線変更部１７（図９参照）が制御することにより、結線変更時における短絡を防止しながら、各単位コイルを直列結線したり、直列結線を切断したりすることができる。
そして、本実施形態に係る電機子コイルの結線変更装置は、上述した単位コイル１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄと、並列結線手段として機能するスイッチ２ａ、２ｂ、２ｃと、第１の直列結線手段として機能するスイッチ３１ａ、３１ｂ、３１ｃと、第２の直列結線手段として機能するダイオード３２ａ、３２ｂ、３３ｃ並びにスイッチ３３ａ、３３ｂ、３３ｃと、これらのスイッチを制御する図９に示した結線変更部１７により構成される。
なお、上記スイッチ２ａ、２ｂ、２ｃ、３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３３ａ、３３ｂ、３３ｃは、機械的スイッチの他、双方向に電流を流すことができるＦＥＴ等の半導体スイッチング素子等でも良く、特に限定されない。
【００３７】
次に、結線変更部１７（図９参照）の動作について説明する。
図２は回転数と電機子コイル１００ａを構成する単位コイルの結線状態の関係を示す図である。図２において、横軸は電機子コイル１００ａを構成する単位コイルの結線状態、縦軸はモータ１３の回転数を示しており、Ｎmaxは定格回転数を示している。
結線変更部１７（図９参照）は、図２に示す関係図を参照して、回転数検出部１６（図９参照）から伝達される回転数に応じて各単位コイル１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄの間の結線を変更する。
即ち、低回転領域（図２における回転数Ｎが０〜１／３Ｎmaxの領域）においては、全ての単位コイル１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄを直列に接続させ、一方、高回転領域（図２における回転数Ｎが２／３Ｎ〜Ｎmax）においては、全ての単位コイル１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄを並列接続させる。また、低回転領域と高回転領域との間の中回転領域（図２における１／３Ｎmax〜２／３Ｎmaxの領域）においては、単位コイル１ａと１ｂとを並列に接続し、１ｃと１ｄとを並列に接続し、また、単位コイル１ｂと１ｃとを直列に接続することにより、並列接続と直列接続とが併存する２並列２直列接続をする。
このように、低回転領域では、単位コイルを直列結線してコイル巻き線数を多くすることにより誘起電圧を確保して、大きなトルクを得、一方、高回転領域においては並列結線してコイル巻き線数を少なくすることにより、高回転数を維持しながらも電流を確保して必要なトルクを得ることができる。
【００３８】
次に、図３を参照して、結線変更の手順について説明する。
まず、低回転領域においては、結線変更部１７（図９参照）により、スイッチ２ａ、２ｂ、２ｃ及び３３ａ、３３ｂ、３３ｃが全てオフにされ、スイッチ３１ａ、３１ｂ、３１ｃが全てオンにされることにより、単位コイル１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄが直列接続されている（図３（ａ）参照）。
この状態から、回転数が徐々に高くなり、低回転領域から中回転領域へ移行すると、結線変更部１７は、図２の関係図に従って、４直列結線から２並列２直列結線へ結線変更を行う。即ち、現時点で直列結線されている単位コイル１ａと１ｂ、及び単位コイル１ｃと１ｄを並列結線へ変更するように各スイッチ２ａ等を制御する。
具体的には、まず、ダイオード３２ａ、３２ｂ、３３ｃが順方向バイアスされている期間において、スイッチ３３ａ及び３３ｃをオンさせる。なお、順方向バイアスか否かは、例えば、図示しない電流検出器等により認識される。
次に、スイッチ３１ａ、３１ｃをオフにする。これにより、電流はダイオード３２ａを介して単位コイル１ａから１ｂへ、また、ダイオード３２ｃを介して単位コイル１ｃから１ｄへ流れることになる。
次に、スイッチ２ａ、２ｃをオンにする。これにより、並列結線が確立される。この結果、図３（ｂ）に示すように、単位コイル１ａと１ｂとの間は、並列結線と直列結線との２つの結線が併存する状態となる。同様に、単位コイル１ｃと１ｄとの間も並列結線と直列結線との２つの結線が併存する状態となる。なお、並列結線と直列結線とが併存している状態においても、ダイオード３２ａ及び３２ｃによって、並列結線路から直列結線路へ電流が流入するのを防止することができる。
次に、スイッチ３３ａ及び３３ｃをオフにすることにより、直列結線を切断する。これにより、図３（ｃ）に示すように、２直列２並列の結線が確立される。
【００３９】
次に、回転数が更に高くなり、図２の中回転領域から高回転領域へ移行した場合には、結線変更部１７（図９参照）は、上述と同様の手順に従って、直列結線されている単位コイル１ｂと１ｃとを並列結線させることにより、２並列２直列結線から４並列結線へ結線変更を行う。
【００４０】
一方、回転数が低下することにより、高回転領域から中回転領域へ移行した場合には、結線変更部１７（図９参照）は、４並列結線から２並列２直列結線へ結線変更する。具体的には、以下の手順に従って、並列結線されている単位コイル１ｂと１ｃとを直列結線へ変更する。
まず、結線変更部１７は、ダイオード３２ａ、３２ｂ、３３ｃが順方向バイアスされている期間において、スイッチ３３ｂをオンさせる。これにより、直列結線が確立される。
この結果、単位コイル１ｂと１ｃとの間に並列結線と直列結線との２つの結線が併存する状態となるが、ダイオード３２ｂにより並列結線路から直列結線路へ電流が流入するのを防止することができる。
次に、スイッチ２ｂをオフする。これにより、ダイオード３２ｂを介して単位コイル１ｂから１ｃへ電流が流れることになる。
次に、スイッチ３１ｂをオンさせた後、スイッチ３３ｂをオフする。
これにより、２直列２並列の結線が確立される。
【００４１】
次に、回転数が更に低くなり、図２の中回転領域から低回転領域へ移行した場合には、結線変更部１７（図９参照）は、上述と同様の手順に従って、並列結線されている単位コイル１ａと１ｂを、また、単位コイル１ｃと１ｄとをそれぞれ直列結線させることにより、２並列２直列結線から４直列結線へ結線変更を行う。
【００４２】
上述したように、結線変更の際には、変更後の結線を先に確立させた後に、変更前の結線を切断することにより、電流を常に単位コイルに流し続けることができ、電流の断絶を防ぐことができる。また、結線変更時において、スイッチ３１ａ、３１ｂ、３１ｃが設けられている直列結線路からダイオード３２ａ、３２ｂ、３２ｃを介した直列結線路に切り替えることにより、回路の短絡を防止することができる。これにより、過電流が流れることによる素子の絶縁破壊を防止することができる。
また、結線変更をダイオード３２ａ、３２ｂ、３２ｃが順方向バイアスされている期間に行うのは、仮に逆バイアス期間に行ってしまうと、ダイオード３２ａ、３２ｂ、３２ｃにより直列結線路に電流が流れなくなってしまい、直列結線と並列結線が併存する状況を作ることにより単位コイルへの電流を断絶させないという目的を果たすことができないからである。
【００４３】
なお、図１に示したダイオード３２ａ、３２ｂ、３２ｃ及びスイッチ３３ａ、３３ｂ、３３ｃに変わって、図４に示すように一方向に電流を流すことができる半導体スイッチング素子であるサイリスタ３４ａ、３４ｂ、３４ｃを設けるようにしても良い。なお、サイリスタの他、トランジスタ、ＧＴＯ、ＩＧＢＴ等でも良い。
なお、図４に示すような構成とした場合においても、結線変更のタイミングは、必ず半導体スイッチング素子の順方向バイアス時に行い、また、結線変更の手順は上述した図１に示した構成の場合と同様に行う。
【００４４】
また、図５に示すように、図１に示したダイオード３２ａ、３２ｂ、３２ｃ及びスイッチ３３ａ、３３ｂ、３３ｃに変わって、一方向に電流を流すことができる半導体スイッチング素子を互いに逆方向になるように接続した回路を設けるようにしても良い。図５では、サイリスタ３５ａと３６ａとを並列接続した一例を示している。
そして、結線変更時においては、結線変更部１７は、互いに逆方向に並列接続されている一対の半導体スイッチング素子の内（即ち、サイリスタ３５ａと３６ａ等）、順方向バイアスされているいずれかの半導体スイッチング素子を選択し、選択した半導体スイッチング素子を上述したスイッチ３３ａ、３３ｂ、３３ｃと同様のタイミングにおいてオンオフ制御することにより結線変更の制御を行う。
このように、２つの半導体スイッチング素子を互いに逆向きに組み合わせた回路を設けることにより、単位コイルに流れる電流の向きに関係なく、結線変更を行うことができる。
【００４５】
なお、上述した結線変更は、図２に示したモータ回転数と結線状態の関係図に基づいて行われることとなるが、図２に示した関係図に代わって、図６に示すようなヒステリシスを持たせた関係図を参照して結線変更を行うようにしても良い。
即ち、モータ回転数は、図６に示すように小さく変動している。このため、ヒステリシスを持たせないと、小刻みに結線変更を行わなければならない。そこで、ヒステリシスを持たせることにより、安定した結線変更を行うことができる。この図では、回転数が増加する場合においては、回転数が１／３Ｎmax以上になった場合に、４直列結線から２並列２直列結線へ変更し、一方、回転数が減少する場合においては、回転数がＡ以下になった場合に、２並列２直列結線から４直列結線へ変更する。
【００４６】
以上述べたように、本実施形態に係る電機子コイルの結線変更装置によれば、結線変更を行う際には、必ず変更後の結線を確立させた後に、変更前の結線を切断するため、各単位コイルに電流が流れる状態を維持することができるため、電流の断絶に伴う過電圧発生を防ぐことができる。これにより、過電圧発生による素子の絶縁破壊等を防止することができ、安全に結線変更を行うことができる。
【００４７】
［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態について、図を用いて説明する。
なお、第２の実施形態にかかる電機子コイルの結線変更装置は、第１の実施形態と電機子コイルを構成する単位コイル１ａ〜１ｄの結線構成を異にする。このため、結線変更に伴うスイッチングの手順が第１の実施形態に示した電機子コイルの結線変更装置と異なるが、結線変更部１７（図９参照）が図２（或いは図６）に示した関係図に基づいて結線変更を行う点は同様である。
また、本実施形態に係る電機子コイルの結線変更装置は、図７に示すそれぞれの素子と図９に示した結線変更部１７とから構成される。
【００４８】
図７は、第２の実施形態に係る電機子コイルの結線変更装における単位コイル１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄの結線構成を示した図である。
この図に示すように、各単位コイル１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄには、還流ダイオード４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄがそれぞれ並列に接続され、更に各還流ダイオード４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄにはスイッチ４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄが直列に接続されている。
そして、本実施形態に係る電機子コイルの結線変更装置は、上述した単位コイル１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄと、各単位コイルに並列接続された各還流ダイオード４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄと、各還流ダイオードに直列に接続されたスイッチ４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄと、これらのスイッチを制御する図９に示した結線変更部１７により構成される。
【００４９】
図７に示した構成において、結線変更を行う場合には、結線変更部１７（図９参照）は、図８（ａ）に示すように、各還流ダイオード４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄの逆バイパス時において、即ち、端子Ａから端子Ｏに向けて電流が流れている期間において、図８（ｂ）に示すように、スイッチ４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄをオンし、還流ループを形成した後に、結線変更を行う。このときの結線変更の手順は、上述した第１の実施形態に係る電機子コイルの結線変更装置のように、変更後の結線を確立させた後に変更前の結線を確立させても良いし、図８（ｂ）に示すように、今までの結線を切断して、一時的に回路を開回路にした後に、新たな結線を行うようにしても良い。
即ち、第２の実施形態に係る電機子コイルの結線変更装置によれば、結線変更を行う際に、還流ダイオード４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄによる還流ループを形成させておけば、回路が一時的に開状態となっても還流ループを介して電流が各単位コイルに流れるため、単位コイルに流れる電流を断絶させることなく結線変更を行うことができる。
これにより、電流の断絶による過電圧の発生を抑えることができ、絶縁破壊等の弊害から回路を保護することができる。
【００５０】
なお、図７に示した構成に代わって、各単位コイル１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄにそれぞれ一方向に電流を流す半導体スイッチング素子を並列に接続することにより還流ループを形成するようにしても良い。この場合、結線変更部１７（図９参照）は、半導体スイッチング素子が逆方向バイアス状態にある期間において、半導体スイッチング素子をオンさせ、その後、結線の変更を行う。
このように還流ループを形成した後に、結線変更を行うことにより、結線変更時において、直列結線、並列結線ともに切断された状態となっても、還流ループを介して電流が各単位コイルに流れることになるため、結線変更時における電流の断絶を回避することができ、過電圧発生による素子破壊などを防止することができる。
なお、順方向に電流を流す半導体スイッチング素子としては、例えば、トランジスタ、サイリスタ、ＩＧＢＴ、ＧＴＯ等が挙げられる。
【００５１】
また、図７に示した構成に代わって、一方向に電流を流す半導体スイッチング素子を２つ互いに逆方向になるように並列に接続した回路を各単位コイル１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄにそれぞれ並列に接続するようにしても良い。このような構成においては、結線変更部１７（図９参照）は、結線変更時において、その時点での電流の流れる向きに応じて、対になっている半導体スイッチング素子のうち、いずれかの半導体スイッチング素子をオンさせることにより還流ループを形成させ、単位コイルへ流れる電流を断絶させないようにする。ここで、オンされる半導体スイッチング素子は、逆バイアス状態となっている半導体スイッチング素子である。
このように、半導体スイッチング素子を互いに逆向きになるように組み合わせた回路を各単位コイルに並列に接続し、電流の向きに応じていずれかの半導体スイッチング素子をオンさせて還流ループを形成することにより、結線変更時の電流の向きに関わらずに即座に結線変更を行うことができる。
【００５２】
以上述べたように、本実施形態に係る電機子コイルの結線変更装置によれば、各単位コイルに還流ループを設け、結線変更時には還流ループを形成させた後に、結線変更を行うため、たとえ結線変更により回路が開回路になってしまっても、還流ループを介して単位コイルに電流が流れる状態を維持することができるため、電流の断絶に伴う過電圧発生を防ぐことができる。これにより、過電圧発生による素子の絶縁破壊等を防止することができ、安全に結線変更を行うことができる。
【００５３】
なお、上述した第１の実施形態及び第２の実施形態においては、電機子コイル１００ａのみを例に挙げて説明したが、電機子コイル１００ｂ、１００ｃにおいても同様の手順により結線変更が行われる。即ち、電機子コイル１００ａ、１００ｂ、１００ｃには、それぞれ位相が１２０度ずれた交流電流が流れている。従って、電機子コイル１００ｂ、及び１００ｃの結線変更も、電機子コイル１００ａの結線変更が行われてから１２０度位相がずれたタイミングにおいて行われることとなる。
また、上述した第１の実施形態及び第２の実施形態においては、電動機に本発明の電機子コイルの結線変更装置が適用される場合について説明したが、これに限らず、発電機においても同様に適用することができる。
また、三相交流モータを例に挙げて説明したが、これに限らず単相交流モータ、或いは５相等の多相交流モータにおいても適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の１実施形態に係る電機子コイルの結線変更装置における単位コイルの結線構成について示した図である。
【図２】モータ回転数と結線状態の関係を示す図である。
【図３】第１の実施形態に係る電機子コイルの結線変更装置における単位コイルの結線変更の手順を示した図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る電機子コイルの結線変更装置における単位コイルの結線構成の変形例について示した図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る電機子コイルの結線変更装置における単位コイルの結線構成の変形例について示した図である。
【図６】図２に示したモータ回転数と結線状態の関係図において、ヒステリシスを設けた図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る電機子コイルの結線変更装置における電機子コイルの結線構成を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る電機子コイルの結線変更装置における結線変更の手順を示す図である。
【図９】駆動装置の概略構成を示すブロック図である。
【図１０】三相交流モータを構成する電機子コイルの構成を示す図である。
【図１１】従来の結線変更時における単位コイルに流れる電流と出力との関係を示した図である。
【図１２】本発明による結線変更時における単位コイルに流れる電流と出力との関係を示した図である。
【符号の説明】
【００５５】
１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ  単位コイル
２ａ、２ｂ、２ｃ  スイッチ
１１  電源
１２  インバータ
１３  三相交流モータ
１４  回転軸
１５  負荷
１６  回転数検出部
１７  結線変更部
１８  制御部
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ  スイッチ
３２ａ、３２ｂ、３２ｃ  ダイオード
３３ａ、３３ｂ、３３ｃ  スイッチ
３４ａ、３４ｂ、３４ｃ  サイリスタ
３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３６ａ、３６ｂ、３６ｃ  サイリスタ
４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ  還流ダイオード
４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ  スイッチ
１００ａ、１００ｂ、１００ｃ  電機子コイル
【図１】
2005130573.tif 000003
【図２】
2005130573.tif 000004
【図３】
2005130573.tif 000005
【図４】
2005130573.tif 000006
【図５】
2005130573.tif 000007
【図６】
2005130573.tif 000008
【図７】
2005130573.tif 000009
【図８】
2005130573.tif 000010
【図９】
2005130573.tif 000011
【図１０】
2005130573.tif 000012
【図１１】
2005130573.tif 000013
【図１２】
2005130573.tif 000014