(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
動力の出力が可能な動力出力装置であって、
多相交流により回転駆動する電動機と、
複数のスイッチング素子のスイッチング操作により直流電力を多相交流電力に変換して前記電動機に供給可能なインバータ回路と、
該インバータ回路の正極母線および負極母線のうちのいずれか一方の母線と前記電動機の中性点とに接続された直流電源としての電力供給手段と、
前記インバータ回路の正極母線および負極母線のうちの前記電力供給手段が接続されなかった他方の母線と前記電動機の中性点とに接続された充放電可能な蓄電手段と、
前記電動機に印加する前記多相交流を調整すると共に前記多相交流に直流成分を加えることで前記蓄電手段の充放電を調整するよう前記インバータ回路の前記複数のスイッチング素子のスイッチングを制御する駆動蓄電制御手段と、
を備える動力出力装置。
【請求項２】
前記駆動蓄電制御手段は、前記電動機から目標動力の出力が可能な多相交流が該電動機に印加されると共に前記蓄電手段の端子間電圧が目標電圧となるよう前記複数のスイッチング素子のスイッチングを制御する手段である請求項１に記載の動力出力装置。
【請求項３】
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た充放電可能な第２の蓄電手段を備える請求項１または２に記載の動力出力装置。
【請求項４】
請求項１ないし３いずれか記載の動力出力装置であって、
前記電動機は、動力の入力により発電可能な発電電動機であり、
前記電力供給手段は、充放電可能な手段であり、
前記電動機を発電機として駆動すると共に該電動機により発電された電力を前記電力供給手段に充電するよう前記インバータ回路の前記複数のスイッチング素子のスイッチングを制御する充電制御手段を備える
動力出力装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、動力出力装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の動力出力装置としては、電動機に三相交流を印加するインバータ回路の正極母線と負極母線とに接続されたコンデンサとインバータ回路の正極母線または負極母線と電動機の中性点とに接続された直流電源とを備えるものが提案されている（例えば、特開平１０−３３７０４７号公報や特開平１１−１７８１１４号公報など）。この装置では、電動機の各相のコイルとインバータの各相のスイッチング素子とからなる回路を直流電源の電圧を昇圧してコンデンサに電荷を蓄える昇圧チョッパ回路とみなすと共にこの蓄電されたコンデンサを直流電源とみなして電動機を駆動する。電動機の駆動制御とコンデンサへの蓄電制御は、電動機に三相交流を印加する際になされるインバータ回路のスイッチング素子のスイッチング動作によって同時に行なっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうした動力装置では、昇圧されて蓄電されたコンデンサを直流電源とみなして電動機を駆動するから、実際に用いる直流電源は電動機を駆動するのに必要な電圧より低いものでよいが、コンデンサには高耐圧が要求される。高耐圧のコンデンサは、大型化すると共に高コスト化し、延いては装置の大型化や高コスト化を招いてしまう。
【０００４】
本発明の動力出力装置は、装置の小型化や低コスト化を図ることを目的の一つとする。また、本発明の動力出力装置は、装置の耐久性や安定性を向上させることを目的の一つとする。
【０００５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の動力出力装置は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００６】
本発明の動力出力装置は、
動力の出力が可能な動力出力装置であって、
多相交流により回転駆動する電動機と、
複数のスイッチング素子のスイッチング操作により直流電力を多相交流電力に変換して前記電動機に供給可能なインバータ回路と、
該インバータ回路の正極母線および負極母線のうちのいずれか一方の母線と前記電動機の中性点とに接続された直流電源としての電力供給手段と、
前記インバータ回路の正極母線および負極母線のうちの前記電力供給手段が接続されなかった他方の母線と前記電動機の中性点とに接続された充放電可能な蓄電手段と
を備えることを要旨とする。
【０００７】
この本発明の動力出力装置では、直流電源としての電力供給手段はインバータ回路の正極母線および負極母線のうちのいずれか一方の母線と電動機の中性点とに接続されており、充放電可能な蓄電手段はインバータ回路の正極母線および負極母線のうちの電力供給手段が接続されなかった他方の母線と電動機の中性点とに接続されているから、電力供給手段と蓄電手段はインバータ回路の正極母線と負極母線とを直列に接続していることになり、電力供給手段と蓄電手段とを一体の直流電源とみなして電動機を駆動することができる。電動機の各相のコイルとインバータ回路の各相のスイッチング素子とからなる回路はスイッチング素子のスイッチング操作により電力供給手段の電力を用いて蓄電手段を充電可能であり、そのスイッチング操作を電動機の駆動の際のスイッチング操作と同期することにより蓄電手段の充電と電動機の駆動とを同時に行なうことができる。しかも、蓄電手段の耐圧は、電動機の駆動に必要な電圧から電力供給手段の電圧を減じた値となるから、インバータ回路の正極母線と負極母線とに接続されたコンデンサの耐圧より低いものにすることができる。この結果、蓄電手段の小型化や低コスト化、即ち装置の小型化や低コスト化を図ることができると共に蓄電手段の低耐圧化に伴って耐久性や安定化の向上を図ることができる。
【０００８】
こうした本発明の動力出力装置において、前記電動機を駆動制御すると共に前記蓄電手段の蓄電状態を制御する駆動蓄電制御手段を備えるものとすることもできる。この態様の本発明の動力出力装置において、前記駆動蓄電制御手段は、前記電動機に印加する前記多相交流を調整すると共に前記蓄電手段の充放電を調整するよう前記インバータ回路の前記複数のスイッチング素子のスイッチングを制御する手段であるものとしたり、前記電動機から目標動力の出力が可能な多相交流が該電動機に印加されると共に前記蓄電手段の端子間電圧が目標電圧となるよう前記複数のスイッチング素子のスイッチングを制御する手段であるものとすることもできる。
【０００９】
また、本発明の動力出力装置において、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た充放電可能な第２の蓄電手段を備えるものとすることもできる。
【００１０】
さらに、本発明の動力出力装置において、前記電動機は動力の入力により発電可能な発電電動機であり、前記電力供給手段は充放電可能な手段であり、前記電動機を発電機として駆動すると共に該電動機により発電された電力を前記電力供給手段に充電するよう前記インバータ回路の前記複数のスイッチング素子のスイッチングを制御する充電制御手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、必要に応じて動力の出力と動力による発電とを行なうことができるから、エネルギの利用効率の高い装置とすることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である動力出力装置２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の動力出力装置２０は、図示するように、三相交流により回転駆動するモータ２２と、直流電力を三相交流電力に変換してモータ２２に供給可能なインバータ回路２４と、インバータ回路２４の負極母線２８とモータ２２の中性点とに接続された直流電源３０と、インバータ回路２４の正極母線２６とモータ２２の中性点とに接続されたコンデンサ３２と、装置全体をコントロールする電子制御ユニット４０とを備える。
【００１２】
モータ２２は、例えば外表面に永久磁石が貼り付けられたロータと三相コイルが巻回されたステータとから構成される発電可能な同期発電電動機として構成されている。モータ２２の回転軸は実施例の動力出力装置２０の出力軸となっており、この回転軸から動力が出力される。なお、実施例のモータ２２は発電電動機として構成されているから、モータ２２の回転軸に動力を入力すれば、モータ２２により発電できるようになっている。
【００１３】
インバータ回路２４は、６個のトランジスタＴ１〜Ｔ６と６個のダイオードＤ１〜Ｄ６とにより構成されている。６個のトランジスタＴ１〜Ｔ６は、それぞれ正極母線２６と負極母線２８とに対してソース側とシンク側となるよう２個ずつペアで配置され、その接続点にモータ２２の三相コイル（ｕｖｗ）の各々が接続されている。したがって、正極母線２６と負極母線２８とに電圧が作用している状態で対をなすトランジスタＴ１〜Ｔ６のオン時間の割合を制御すれば、モータ２２の三相コイルにより回転磁界を形成し、モータ２２を回転駆動することができる。
【００１４】
電子制御ユニット４０は、ＣＰＵ４２を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、処理プログラムを記憶したＲＯＭ４４と、一時的にデータを記憶するＲＡＭ４６と、入出力ポート（図示せず）とを備える。この電子制御ユニット４０には、モータ２２の三相コイルのｕｖｗの各相に取り付けられた電流センサ５２〜５６からの各相の電流やモータ２２の中性点に取り付けられた電流センサ５８からの中性点電流，モータ２２の回転軸に取り付けられた回転角センサ６０からのモータ２２の回転子の回転角，コンデンサ３２に取り付けられた電圧センサ６２からのコンデンサ３２の端子間電圧Ｖｃ，モータ２２の動作に関する指令値などが入力ポートを介して入力されている。ここで、電流センサ５２〜５８のうちのいずれか一つは省略可能であり、いずれか一つを異常検出専用のセンサとして用いるものとしてもよい。また、電子制御ユニット４０からは、インバータ回路２４のトランジスタＴ１〜Ｔ６のスイッチング制御を行なうための制御信号などが出力ポートを介して出力されている。
【００１５】
図２は、モータ２２の三相コイルの漏れインダクタンスに着目した実施例の動力出力装置２０の回路図である。いま、トランジスタＴ２をオンとした状態を考えると、この状態では、図中破線矢印で示す短絡回路が形成され、モータ２２の三相コイルのｕ相はリアクトルとして機能する。この状態からトランジスタＴ２をオフすると、リアクトルとして機能している三相コイルのｕ相に蓄えられたエネルギは、図中実線矢印で示す充電回路によりコンデンサ３２に蓄えられる。したがって、この回路は、直流電源３０のエネルギをコンデンサ３２に蓄えるチョッパ回路とみなすことができる。モータ２２の三相コイルのｖｗ相も、ｕ相と同様にチョッパ回路とみなすことができるから、トランジスタＴ２，Ｔ４，Ｔ６をオンオフすることによりコンデンサ３２を充電することができる。
【００１６】
こうした充電によりコンデンサ３２の端子間には電位差が生じるが、その電位差はコンデンサ３２に蓄えられる電荷の量、即ちリアクトルに流す電流を調節することにより制御することができる。したがって、コンデンサ３２の端子間電圧Ｖｃを直流電源３０の供給電圧Ｖｂと同一にすることもできる。このように、コンデンサ３２の端子間電圧Ｖｃを直流電源３０の供給電圧Ｖｂと同一にすれば、図１に示す動力出力装置２０では、正極母線２６と負極母線２８に直流電源３０とコンデンサ３２とからなる直流電源３０の供給電圧Ｖｂの２倍の電圧の直流電源が接続された状態となり、トランジスタＴ１〜Ｔ６のスイッチング制御によりモータ２２を駆動することができる。
【００１７】
ここで、モータ２２の三相コイルにはインバータ回路２４を構成するトランジスタＴ１〜Ｔ６のスイッチング制御により擬似的な三相交流を供給すればよいから、その三相交流に直流成分を加えることもできる。即ち擬似的な三相交流の電位をプラス側またはマイナス側にオフセットするのである。このように直流成分を加えた三相交流をモータ２２に供給すると、交流成分でモータ２２は回転駆動し、直流成分で図２を用いて説明したようにコンデンサ３２を充電することができる。即ち、モータ２２を駆動すると同時にコンデンサ３２を充電することができるのである。このとき、直流成分の大きさを調節することによりコンデンサ３２の端子間電圧Ｖｃを制御することができる。
【００１８】
次に、こうして構成された実施例の動力出力装置２０の動作について説明する。図３は、実施例の動力出力装置２０の電子制御ユニット４０によりインバータ回路２４へ出力される制御信号を演算する際の演算ブロックを例示する説明図である。図示するように、演算ブロックは、入力されるモータ動作指令値に基づいてモータ２２の相電流指令値を設定するモータ相電流指令値設定部Ｍ１と、電流センサ５２〜５６からのモータ２２の各相電流や電流センサ５８からの中性点電流とモータ相電流指令値とに基づいてモータ２２の動作用の相電位指令値（交流成分の相電位指令値）を演算するモータ動作用相電位指令値演算部Ｍ２と、回転角センサ６０からの回転角に基づいて得られるモータ２２の回転子の回転数とモータ相電流指令値とに基づいてインバータ回路２４の正極母線２６と負極母線２８との間の電圧指令値としてのインバータ入力電圧指令値を演算するインバータ入力電圧指令値演算部Ｍ３と、電圧センサ６２からのコンデンサ３２の端子間電圧Ｖｃとインバータ入力電圧指令値とに基づいてインバータ入力電圧調節用の相電位指令値（直流成分の相電位指令値）を設定するインバータ入力電圧調整用相電位指令値演算部Ｍ４と、交流成分としてのモータ動作用相電位指令値と直流成分としてのインバータ入力電圧調整用相電位指令値とを加算する相電位指令値加算部Ｍ５と、交流成分と直流成分とが加算された相電位指令値をＰＷＭ信号に変換するインバータＰＷＭ信号変換部Ｍ６とから構成されている。こうした演算ブロックにより、コンデンサ３２の端子間電圧Ｖｃの制御とモータ２２の駆動制御が同時に行なわれる。
【００１９】
以上説明した実施例の動力出力装置２０によれば、インバータ回路２４のトランジスタＴ１〜Ｔ６をスイッチング制御することにより、コンデンサ３２の端子間電圧Ｖｃを制御すると共にモータ２２を駆動制御することができる。しかも、インバータ回路２４の正極母線２６と負極母線２８とを直流電源３０とコンデンサ３２とにより直列に接続するから、直流電源３０の供給電圧Ｖｂはモータ２２の駆動に必要な電圧より低くすることができる。
【００２０】
また、実施例の動力出力装置２０によれば、インバータ回路２４の正極母線２６と負極母線２８とに接続されたコンデンサを備える従来例の動力出力装置に比して次のような効果を奏する。まず、実施例の動力出力装置２０では、インバータ回路２４の正極母線２６とモータ２２の中性点とにコンデンサ３２を接続するから、従来例の動力出力装置に比してコンデンサ３２の耐圧を小さくすることができる。また、実施例の動力出力装置２０では、従来例の動力出力装置に必要なシステム起動時のコンデンサの初期充電を不要とする効果がある。従来例の動力出力装置では、システムの非使用時には安全上の理由などから直流電源をシステムから完全に切り離す場合が多い。このように直流電源をシステムから切り離している状態からシステムを起動するには、直流電源の接続時に直流電源と並列に接続されたコンデンサの大電流による初期充電を防止するために、制限抵抗を用いてコンデンサの初期充電を行なう第１ステップと、直流電源をシステムに接続する第２ステップとを用いて行なう必要がある。このため、従来例の動力出力装置は、制限抵抗とリレーとを必要とする。実施例の動力出力装置２０では、直流電源３０とコンデンサ３２とが直列に接続されているから、従来例の動力出力装置のようにコンデンサ３２の大電流による初期充電は生じない。したがって、実施例の動力出力装置２０では、従来例の動力出力装置が必要とする制限抵抗やリレーを備える必要がない。これらの結果、実施例の動力出力装置２０は、従来例の動力出力装置に比して、装置の小型化や低コスト化，耐久性，安定性，システムの起動性などを向上させることができる。
【００２１】
実施例の動力出力装置２０では、インバータ回路２４の負極母線２８とモータ２２の中性点とに直流電源３０を接続すると共にインバータ回路２４の正極母線２６とモータ２２の中性点とにコンデンサ３２を接続したが、図４に例示する変形例の動力出力装置２０Ｂに示すように、インバータ回路２４の正極母線２６とモータ２２の中性点とに直流電源３０Ｂを接続すると共にインバータ回路２４の負極母線２８とモータ２２の中性点とにコンデンサ３２Ｂを接続するものとしてもよい。この変形例の動力出力装置２０ＢでもトランジスタＴ１〜Ｔ６のスイッチング制御により、コンデンサ３２Ｂの端子間電圧Ｖｃを制御すると共にモータ２２を駆動制御することができる。
【００２２】
また、実施例の動力出力装置２０や変形例の動力出力装置２０Ｂでは、インバータ回路２４の正極母線２６と負極母線２８を直流電源３０，３０Ｂとコンデンサ３２，３２Ｂとにより直列に接続したが、図５の変形例の動力出力装置２０Ｃに示すように、正極母線２６と負極母線２８とを接続するコンデンサ６４を設けるものとしてもよい。こうすれば、トランジスタＴ１〜Ｔ６へのサージ吸収を迅速に行なうことができる。なお、このコンデンサ６４をトランジスタＴ１〜Ｔ６のサージ吸収用とすれば、その容量は非常に小さなものでよいが、コンデンサ３２，３２Ｂと同様にエネルギを蓄えるものとすれば、その容量は大きくなる。
【００２３】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施例である動力出力装置２０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】  モータ２２の三相コイルの漏れインダクタンスに着目した実施例の動力出力装置２０の回路図である。
【図３】  実施例の動力出力装置２０の電子制御ユニット４０によりインバータ回路２４へ出力される制御信号を演算する際の演算ブロックを例示する説明図である。
【図４】  変形例の動力出力装置２０Ｂの構成の概略を示す構成図である。
【図５】  変形例の動力出力装置２０Ｃの構成の概略を示す構成図である。
【符号の説明】
２０，２０Ｂ，２０Ｃ  動力出力装置、２２  モータ、２４  インバータ回路、２６  正極母線、２８  負極母線、３０  直流電源、３２  コンデンサ、４０電子制御ユニット、４２  ＣＰＵ、４４  ＲＯＭ、４６  ＲＡＭ、５２〜５８電流センサ、６０  回転角センサ、６２  電圧センサ、Ｔ１〜Ｔ６  トランジスタ、Ｄ１〜Ｄ６  ダイオード。
【図１】
0004298896.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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