(57)【要約】【課題】モータの極数または相数を容易に可変できるモータ駆動機構を提供する。【解決手段】多相交流信号により所定の電流をモータの各相のコイルに供給して励磁させるモータ駆動機構である。この各相のコイルを複数の分割コイルに分割し、各分割コイルに少なくとも一つのスイッチ素子を接続する。そして、スイッチ素子の動作により分割コイルの接続状態を切り替え自在に構成する。この分割コイルの接続状態の切り替えにより、モータの極数や相数の可変を容易に実現することができる。【選択図】  図３
2005006400.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多相交流信号により所定の電流をモータの各相のコイルに供給して励磁させるモータ駆動機構であって、
前記各相のコイルは複数の分割コイルに分割され、
各分割コイルに少なくとも一つのスイッチ素子が接続されて、
スイッチ素子の動作により分割コイルの接続状態を切り替え自在に構成したことを特徴とするモータ駆動機構。
【請求項２】
前記スイッチ素子をスイッチして分割コイルの接続状態を切り替え、一部の分割コイルに流れる電流の向きを変えることでモータの極数を可変に構成したことを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動機構。
【請求項３】
前記スイッチ素子をスイッチして分割コイルの接続状態を切り替え、時間差を設けて電流が供給される分割コイルの数を変えることでモータの相数を可変に構成したことを特徴とする請求項１または２に記載のモータ駆動機構。
【請求項４】
モータの出力状態検知手段を具え、
この検知手段の検知結果に基づいて、スイッチ素子をスイッチして分割コイルの接続状態を切り替えるように構成したことを特徴とする請求項２または３に記載のモータ駆動機構。
【請求項５】
コイルは集中巻きで構成され、
分割コイルの一部はある位相の交流信号により電流が供給され、分割コイルの残部は別の位相の交流信号により電流が供給されるようにスイッチ素子をスイッチするように構成したことを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動機構。
【請求項６】
スイッチ素子がワイドギャップ半導体で構成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のモータ駆動機構。
【請求項７】
スイッチ素子がモータに内蔵されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のモータ駆動機構。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータ駆動機構に関するものである。特に、モータの極数や相数を可変してモータを動作できるモータ駆動機構に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車やハイブリッドカーなど、モータを車両の走行に用いる電動自動車の開発が進んでいる。このような電動自動車では、バッテリからの直流電力をインバータを介して交流に変換し、所定の電力をモータに供給してモータの駆動制御を行なっている。
【０００３】
このインバータは、一般にＦＥＴ（電界効果トランジスタ）などのスイッチ素子でブリッジ回路を構成したものが利用されている（例えば非特許文献１）。現行のモータにおいては、通常、モータの極数及び駆動する電圧の相数は、モータ設計当初に決定して、それに応じたコイル設計、ドライブ回路（インバータ）設計をすることが多い。例えば、モータの相数や極数を決める際には、モータを駆動する正弦波の周波数との関係式（式１）から回転数、極数を決定する。
【０００４】
ｆ＝ｎ・ｋ／２
【０００５】
ｆは正弦波の周波数、ｎはモータの回転数、ｋは極数
【０００６】
また、モータの極数については、回転磁界を発生させるためのコイルを巻く際に、どのように電線を巻くかによって極数が決定してしまう。
【０００７】
【非特許文献１】
９７年１０月  トヨタ自動車：プリウスの「新型車解説書」１−１３ページ
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のモータ駆動機構では、次のような問題があった。
（１）インバータの出力容量増大に伴いスイッチ素子のコストも増加する傾向にある。
近年、モータの出力増大に伴いインバータの出力容量も増加している。出力容量の大きなスイッチング素子は、素子に流れる電流も大きく、素子面積自体も大型化し、歩留まり低下によるコストアップにつながる。特に、従来のモータ駆動機構では、各相ごとのコイルにまとめて電流を供給するようにスイッチ素子を接続しているため、一つのスイッチ素子に流れる電流が大きくならざるを得ない。また、素子に流れる電流が大きければ、素子近傍で局所的に発生する発熱量も大きく、冷却機構の規模も大きくなってモータの駆動機構全体としてのコストアップにつながっている。
【０００９】
（２）モータの極数や相数を容易に可変することができない。
実際の電気自動車の走行では、始動時などは低速回転で大トルクが得られるモータが必要とされ、高速走行時などは高速回転で低トルクのモータが必要とされる。一般にモータの極数を増やすと、ドライブ回路から与える１周期分の電力で回転する角度が小さくなるため、回転速度は遅くなるがトルクを増大することができる。ところが、モータを駆動する正弦波の周波数が増大する。そのため、ドライブ回路のスイッチング速度によって極数が制限されている。一方、高速走行時では極数をできるだけ少なくすることにより、モータに印加する正弦波の周波数を増加することなく高速回転を実現したいという要求がある。しかし、モータの相数や極数はモータ設計当初に決定しており、それに応じたコイル設計、ドライブ回路（インバータ）設計をするため、走行特性に合わせてモータの相数や極数を可変することができない。従来、コイルの結線を工夫して極数を変換する技術もあるが、この技術では巻き線を２種類用意する必要があり、モータのサイズが大きくなってしまうという不利益があった。
【００１０】
従って、本発明の主目的は、モータの極数または相数を容易に可変できるモータ駆動機構を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明モータ駆動機構は、多相交流信号により所定の電流をモータの各相のコイルに供給して励磁させるモータ駆動機構である。この各相のコイルを複数の分割コイルに分割し、各分割コイルに少なくとも一つのスイッチ素子を接続する。そして、スイッチ素子の動作により分割コイルの接続状態を切り替え自在に構成したことを特徴とする。
【００１２】
従来、各相ごとにまとめて給電していたコイルの単位を、さらに複数の分割コイルに分割し、この分割コイルに設けたスイッチ素子の動作により分割コイルの接続状態を切り替え可能にしている。この分割コイルの接続状態の切り替えにより、モータの極数や相数の可変を容易に実現することができる。
【００１３】
また、各スイッチ素子は、分割コイル単位で給電を行うため、素子一つ当たりの通電量も小さくなり、個々の素子の容量が小さくても良い。そのため、小型の素子を用いることができ、駆動機構の小型化・低コスト化を実現できる。
【００１４】
以下、本発明の構成をより詳しく説明する。
（１）各分割コイルの接続状態の切り替えにより、次のようなモータの特性を可変することができる。
【００１５】
＜極数の可変＞
スイッチ素子をスイッチして分割コイルの接続状態を切り替え、一部の分割コイルに流れる電流の向きを変えることでモータの極数、つまりモータの界磁に形成されるＮ極とＳ極の合計数を可変することができる。切り替え前後の極数は特に限定されない。例えば、２極と８極の切り替えを行うことが可能になる。極数の切り替えにより、始動時などは８極で低回転・高トルクのモータとして動作させ、高速走行時では２極で高回転・低トルクのモータとして動作させることができる。
【００１６】
＜相数の可変＞
スイッチ素子をスイッチして分割コイルの接続状態を切り替え、時間差を設けて電流が供給される分割コイルの数を変えることでモータの相数、つまりモータにおいて時間的に異なる電流を流す巻き線群の数を可変にすることができる。この相数の可変によっても、高トルクと高速回転の双方を両立できるようにモータを駆動できる。つまり、相数を増加することで低回転・高トルクのモータ駆動ができ、相数を減少することで高回転・低トルクのモータ駆動が可能になる。
【００１７】
＜極数と相数の可変＞
以上の極数の可変と相数の可変を組み合わせることで、極数と相数の両方を可変とすることができる。この構成によっても、高トルクと高速回転の双方を両立できるようにモータを駆動できる。
【００１８】
＜集中巻きと分布巻きの可変＞
コイルが集中巻きで構成されている場合、分割コイルの一部にはある位相の交流信号により電流が供給し、分割コイルの残部には別の位相の交流信号により電流が供給されるようにスイッチ素子をスイッチすることで、集中巻きのコイルを分布巻きのコイルと同様に動作させることができる。例えば、各極を弱め界磁とすることができ、リラクタンストルクも容易に得ることができる。また、集中巻きのコイルを用いることで、モータの製造工程を簡略化して製造効率を改善することができる。従って、本発明駆動機構によれば、集中巻きでコイルを構成しながら、負荷の変動が大きく弱め界磁領域の存在する用途である電気自動車・ハイブリッドカー用モータの駆動に好適である。
【００１９】
（２）上記のモータ特性の可変を行うには、モータの回転状態をフィードバックすることが好ましい。
つまり、モータの出力状態検知手段を設ける。この出力状態検知手段は、モータの回転数若しくは回転数と相関関係を有する物理量を検知する。この検知結果に基づいて判定手段によりスイッチ素子のスイッチングを制御する。例えば、モータの回転数を検知し、この回転数が閾値未満の場合は始動時などの低速回転が必要な状態を判断して８極でモータを動作させる。逆にモータの回転数が閾値を超えた場合、高速走行など高速回転が必要な状態と判断して２極でモータを動作させる。従って、モータに求められる回転特性に適合した動作を行うことができる。
【００２０】
（３）スイッチ素子の特性と配置個所
各分割コイルに接続されるスイッチ素子は、従来に比べて低容量のものでよい。従来は１相分のコイルに対してまとめて電流を供給していたため、素子の電流容量も大きくする必要があった。本発明では、分割コイル１個に流れる電流を供給すれば良いため、素子一つ当たりの電流容量は従来よりも小さくても良く、歩留まりのよい素子を利用することができる。
【００２１】
また、スイッチ素子は、モータに内蔵することが好ましい。モータのコイルを分割し、各分割コイルにスイッチ素子を接続する必要上、スイッチ素子はモータ内部に設置することが好ましい。通常、モータ内部は１５０℃以上の高温になる。そのため、高温での動作が可能で低損失のワイドギャップ半導体を用いたスイッチ素子が好ましい。より具体的にはＳｉＣを用いたスイッチ素子が好適である。また、スイッチ素子の電流容量が小さくてもよいため、小型のスイッチ素子を用いることができ、それに伴ってモータへのスイッチ素子の内蔵が容易になる。そして、このスイッチ素子の内蔵により、モータ駆動機構自体も小型化することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
（実施例１）
図１は本発明実施例において、同一数のコイルで極数を変化させる場合の変化前後を示す説明図である。図２は図１の場合における分割コイルの接続状態の変化を示す説明図である。図３は図２の接続状態の切り替えを実現する本発明駆動機構の回路図である。
【００２３】
図１に示すように、一つのコイルを４つの分割コイルに分割し、各分割コイルの接続状態を切り替えることで、図１（Ａ）に示す８極と、同（Ｂ）に示す２極とを切り替えることができる。
【００２４】
この極数の変更を実現するための電気的な接続方法を図２に示す。この図に示すように、８極の場合、順次隣接する分割コイルへとつながるように分割コイルを接続する。２極の場合、２番目と４番目（図では上下）の分割コイルへの電流の流す方向が８極の場合とは逆向きとなる。
【００２５】
この極数の変更を実現する回路の一例を図３に示す。この図に示すように、各分割コイルにはＦＥＴなどのスイッチ素子が接続されている。いずれのスイッチ素子もモータ内に設置されている。つまり、分割コイルＬ２、Ｌ４の端子２側にスイッチ素子Ｑ５、Ｑ７が接続され、分割コイルＬ３、Ｌ１の端子１側に、Ｑ２、Ｑ３が接続されている。また、分割コイルＬ１、Ｌ２の端子２側にスイッチ素子Ｑ４、Ｑ６が接続され、分割コイルＬ３、Ｌ４の端子２側に、スイッチ素子Ｑ８、Ｑ６が接続されている。これらスイッチ素子は、ＳｉＣからなるワイドギャップ半導体で構成されている。そして、これらスイッチ素子の動作制御は、切替信号により行われる。
【００２６】
このような回路構成において、８極と２極との切替信号をＨにした場合、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３、Ｑ５、Ｑ７が導通して、図１（Ａ）の結線になり、８極としてモータを駆動する。この切替信号をＬにした場合、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ４、Ｑ６、Ｑ８が導通して、図１（Ｂ）の結線になり、２極としてモータを駆動する。３相交流モータにおいては、３相分の各相に図２に示す構成を適用することで、３相８極・３相２極の双方の回転磁界を発生させることができる。
【００２７】
特に、スイッチ素子による分割コイルの切り替えは、モータの出力（回転数）を検知し、この回転数が一定の閾値を超えたかどうかで行うことで、低回転時には大トルクを実現し、かつモータに印加する正弦波の周波数を増加することなく高速回転も可能になる。
【００２８】
（実施例２）
次に、モータの相数を変更する場合について、本発明モータ駆動機構を説明する。図４は、本発明モータ駆動機構において相数を変更する場合の基本原理を示す説明図である。
【００２９】
ここでは、各分割コイルＬ５、Ｌ７の両端に各々スイッチ素子Ｑ９、Ｑ１０とＱ１１、Ｑ１２を接続している。この構成において、スイッチング素子Ｑ９〜Ｑ１２を同時にオン・オフすることにより、コイルＬ５とコイルＬ７は同相となる。また、スイッチング素子Ｑ９、Ｑ１０とＱ１１、Ｑ１２を互い違いにオンすることにより、発生される磁界は位相がずれることになる。従って、コイルＬ５、Ｌ７を適切な位置に配置することにより駆動する信号の相数を切り替えることが可能になる。
【００３０】
（実施例３）
次に、集中巻きコイルのモータを用いて分布巻きコイルと同様の効果を得ることができる。
【００３１】
ここでは、スロット（鉄心溝）を有するステータの鉄心に通常は一つのコイルとして巻かれるコイルを４つの分割コイルとして巻く。各分割コイルの巻かれた状態の模式図を図５に示す。そして、この各分割コイルの両側にスイッチ素子を図６に示すように各々接続する。
【００３２】
ここで、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ５、Ｑ２、Ｑ６、Ｑ３、Ｑ７を、モータを駆動する他相信号の一つと同期したタイミングでオンし、スイッチング素子Ｑ４、Ｑ８については別の多相信号の一つと同期したタイミングでオンする。これにより、分布巻きと同等の効果を得ることができる。そのため、モータの製造時は製造性に優れる集中巻きでよく、モータの駆動時には分布巻きと同等の動作を行うことができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明モータ駆動機構によれば、従来は各相ごとにまとめて電流を供給するようにスイッチ素子を接続していたが、各相ごとのコイルを複数の分割コイルに分け、各分割コイルごとに電流を流せるスイッチ素子を設置することにより、分割コイルの接続状態を変えることができる。そのため、モータの極数や相数を変えることができ、高トルクと高回転を両立したモータの駆動を行うことができる。
【００３４】
集中巻きでありながら分布巻きと同等の効果を得ることができ、モータの製造工程を簡略化することができる。
【００３５】
分割コイルごとに電流を供給するため、スイッチ素子を流れる電流を低減することができ、スイッチ素子のコストを下げることができる。
【００３６】
分割コイルに接続されるスイッチ素子として、ワイドバンドギャップ半導体を用いることで、より低損失にて高温でのインバータの動作を可能にできる。
【００３７】
従って、本発明モータ駆動機構は、電気自動車・ハイブリッドカーなど、モータの動力を走行に利用する車両でのモータ駆動用として好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施例において、同一数のコイルで極数を変化させる場合の変化前後を示す説明図である。
【図２】図２は図１の場合における分割コイルの接続状態の変化を示す説明図である。
【図３】図３は図２の接続状態の切り替えを実現する本発明駆動機構の回路図である。
【図４】図４は、本発明モータ駆動機構において相数を変更する場合の基本原理を示す説明図である。
【図５】図５は各分割コイルの巻かれた状態を示す模式図である。
【図６】図６は本発明モータ駆動機構において、集中巻きを分布巻きに切り替えて動作する場合のスイッチ素子の接続状態を示す回路図である。
【符号の説明】
Ｌ１〜Ｌ４  分割コイル
Ｑ１〜Ｑ１２  スイッチ素子
【図１】
2005006400.tif 000003
【図２】
2005006400.tif 000004
【図３】
2005006400.tif 000005
【図４】
2005006400.tif 000006
【図５】
2005006400.tif 000007
【図６】
2005006400.tif 000008