(57)【要約】【課題】従来の電動モータよりもエネルギー利用効率の向上が可能となるようにマルチ駆動モータを駆動できるマルチ駆動モータ用電源システムを提供する。【解決手段】所定の一次電源等から入力された電気エネルギーを蓄積する蓄電部１１と、コントローラ１２が生成する制御信号に応じて、入力された電気エネルギーを要素モータＭ１〜Ｍ４に供給すると共に要素モータＭ１〜Ｍ４からの回生電力が入力され蓄電部１１に蓄積させるドライバ１２と、蓄電部１１とドライバ１２との開閉接続を行う開閉スイッチ１３と、駆動状態等に応じて開閉スイッチ１３の開閉を制御すると共にドライバ１２を制御しマルチ駆動モータの各要素モータＭ１〜Ｍ４を一体にも独立にも制御可能な制御信号を生成するコントローラ１４と、を備えた構成を有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気エネルギーを蓄積する蓄電部と、
複数の要素モータからなるマルチ駆動モータの各前記要素モータを一体にも独立にも制御可能な制御信号を生成するコントローラと、
外部の一時電源から電力が入力され、前記コントローラが生成する制御信号に応じて、駆動する前記要素モータにモータ電流を流し、回生する前記要素モータからの回生電力を前記蓄電部に蓄積させるドライバと、を備えることを特徴とするマルチ駆動モータ用電源システム。
【請求項２】
前記要素モータからの回生電力が、前記ドライバ経由で前記蓄電部に蓄積されることを特徴とする請求項１に記載のマルチ駆動モータ用電源システム。
【請求項３】
前記蓄電部の出力と前記ドライバの第１の入力端とを開閉可能に接続する開閉スイッチを備え、前記コントローラが前記開閉スイッチの開閉を制御する信号を生成して前記開閉スイッチに出力し前記開閉スイッチを開閉させ、前記ドライバの第２の入力端に外部の一時電源からの電力が供給されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のマルチ駆動モータ用電源システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の要素モータからなるマルチ駆動モータを駆動するマルチ駆動モータ用電源システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題が注目を浴び、とりわけ二酸化炭素排出量削減との関連で、内燃機関に替わって電動モータが望まれる分野が次第に拡大してきている。なかでも、自動車分野においては、既に電気自動車やハイブリッド自動車が市場に投入され始めている。また、燃料電池やウルトラキャパシタ等、電源に関する要素技術の開発も急激に進んでいる。
【０００３】
ここで、モータと発電機とは構造上類似し、電気エネルギーと運動エネルギーとの間で相互に変換できることは広く知られている。また、充電可能な電池は、携帯電話や携帯型パソコン等において使用され、モータを発電機として得られる電力を蓄積することにも利用可能である。そして、省エネルギーの観点から、減速時にモータを回生ブレーキとして使用し、エネルギーを回生することも既に行われてきている。
【０００４】
このように使用され始めている電動モータであるが、電動モータを付加する場合又は切り替える場合には、「環境問題」や「省エネルギー」等の観点から、より高いエネルギー効率が求められる。また、実用化を促進するためには、当然の如く経済性は重要な要素のうちの１つである。そのため、電動モータを使用する場合等は、これらが考慮されなければならない。
【０００５】
しかしながら、自動車や工作機械等に使用される電動モータは、要求仕様に応じた最大速度や最大トルク等の観点で選択される。また、電動モータでは、一般に、最大速度や最大トルクを発生する動作領域とは異なる領域で、高いエネルギー変換効率が得られる。そのため、このように最大速度や最大トルクに観点で選択される電動モータでは、長時間にわたる通常の運転で、一般にエネルギー変換効率は低下している。
【０００６】
例えば、自動車の場合を考えてみると、加速時には大きなトルクを必要とするが、通常走行時には大きなトルクを要しない。通常走行に長時間を費やすのが一般的である。図３は、自動車の運転に要するトルクと回転速度を示す模式図である。図３においてトルクは絶対値で表され、通常走行時に必要とされるトルクは、図に示すように一般に始動時に比較して大幅に低くなり、仕様で保証される性能は所謂オーバースペック的なものとなっている。
【０００７】
一方、複数の要素モータからなり一体として作動させることによって１つのモータとして駆動可能なマルチ駆動モータが知られている（例えば、特許文献１参照。）。このように構成されるマルチ駆動モータは、要素モータが協調して動作することによって高速、高トルクを実現することができる。
【０００８】
マルチ駆動モータの特徴のうちの１つは、要素モータとして効率的な速度領域やトルク領域を優先的に考慮して選定し、最大速度や最大トルクをモータの個数で調整するという設計が可能であるということであり、これによって、効率性を追求する上で画期的な前進がなされた。また、開口の大きさを設計時に略自由に設定でき、その利用範囲が大幅に広げられた。
【０００９】
従来、複数の原動機を使用し、それらの出力をうまく調整することで効率的なエネルギー使用を目指す技術として、ガソリンエンジンと電動モータと同時に搭載したハイブリッド自動車がある。自動車用ハイブリッドシステムには、以下の４つの特長的機能が実現可能であり、種類の異なる動力源を組み合わせて補い合うことで効率的な走行を可能としている。
【００１０】
第一に、エネルギーロスを低減するべく、アイドリングを検知して自動的に停止するアイドリングストップ機能が実現可能である。これは各動力源の出力を監視し制御するシステムを構成したことの副次的効果であるが、環境問題への対策としては重要である。
【００１１】
第二に、減速時等に従来は熱となっていたエネルギーを、電気エネルギーとして回収する回生ブレーキの機能が実現可能である。電動モータが発電機としても働くことを利用した機能である。
【００１２】
第三に、加速時にガソリンエンジンに電動モータを強調動作させるモータアシストの機能が実現可能である。この強調動作が実現できなければ、２つの原動機が相互に反する動作さえ起こりうる結果になり、効率の良い走行が実現できない。
【００１３】
第四に、ガソリンエンジンの効率が低い走行状態では主として電動モータで走行し、ガソリンエンジンの効率が高い走行状態では発電して余った電気エネルギーを蓄える等の、効率的運転のための制御機能が実現可能である。これは、種類の異なる原動機の組み合わせのメリットを生じさせる。
【００１４】
このうちの第一と第四の機能は、電動モータを使用するシステムでは関係がない。第二の機能は、自動車用ハイブリッドシステムに限らず、一般に応用できる。第三の強調動作又は同期制御は、マルチ駆動モータにおいては必須であり、マルチ駆動モータを使用した時点でこの機能は実現済みと判断できる。
【００１５】
ここで、ハイブリッドシステムには、大別してシリーズハイブリッドシステムとパラレルハイブリッドシステムとがある。シリーズハイブリッドシステムにおいては、エンジンが電動機を駆動し、発生した電力によってモータが車両を駆動する。パラレルハイブリッドシステムにおいては、エンジンとモータの両方が車輪を駆動する。
【００１６】
シリーズハイブリッドシステムの方は、構造が単純にでき、回生機能の効率も高くできるが、エンジンの出力が一旦電気エネルギーに変換されるため、変換に伴うエネルギー損失が避けられない。これに対して、パラレルハイブリッドシステムの方は、エンジンから車輪へのより効率的なエネルギーの伝達が可能であるが、エンジンとモータの強調動作や高効率運転制御が複雑で難しい。
【００１７】
実用化されたハイブリッド自動車には、両者の特長を組み合わせた中間的なシステムが使用されている例もある。例えば、プリウスに使用されているＴＨＳ（トヨタハイブリッドシステム）では、エンジンの出力を動力分割機構を介して、直接車輪を駆動しつつ同時に発電機も回している。
【００１８】
マルチ駆動モータは、ガソリンエンジンと電動モータの組み合わせではないが、全ての要素モータを駆動源として使う場合、パラレルハイブリッドシステムに類似する。しかし、要素モータは発電機としても使えるので、構成要素に注目するとシリーズハイブリッドシステムに類似する。
【特許文献１】特願２００６−１５６６７３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
しかしながら、従来のモータ用電源システムでは、上記のように、使用される装置の最大仕様の観点から電動モータが選定されるため、長時間にわたる通常動作でエネルギー変換効率又はエネルギー利用効率が低いという問題を有していた。
【００２０】
以上の現状に鑑み、本発明の目的は、従来の電動モータよりもエネルギー利用効率の向上が可能となるようにマルチ駆動モータを駆動できるマルチ駆動モータ用電源システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記の課題を解決すべく、本発明は以下の構成を提供する。
請求項１に係る発明は、電気エネルギーを蓄積する蓄電部と、複数の要素モータからなるマルチ駆動モータの各前記要素モータを一体にも独立にも制御可能な制御信号を生成するコントローラと、外部の一時電源から電力が入力され、前記コントローラが生成する制御信号に応じて、駆動する前記要素モータにモータ電流を流し、回生する前記要素モータからの回生電力を前記蓄電部に蓄積させるドライバと、を備えることを特徴とする。
【００２２】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載のマルチ駆動モータ用電源システムにおいて、前記要素モータからの回生電力が、前記ドライバ経由で前記蓄電部に蓄積されることを特徴とする。
【００２３】
請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載のマルチ駆動モータ用電源システムにおいて、前記蓄電部の出力と前記ドライバの第１の入力端とを開閉可能に接続する開閉スイッチを備え、前記コントローラが前記開閉スイッチの開閉を制御する信号を生成して前記開閉スイッチに出力し前記開閉スイッチを開閉させ、前記ドライバの第２の入力端に外部の一時電源からの電力が供給されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
請求項１に係る発明によれば、電気エネルギーを蓄積する蓄電部と、複数の要素モータからなるマルチ駆動モータの各要素モータを一体にも独立にも制御可能な制御信号を生成するコントローラと、外部の一時電源から電力が入力され、コントローラが生成する制御信号に応じて、駆動する要素モータにモータ電流を流し、回生する要素モータからの回生電力を蓄電部に蓄積させるドライバと、を備えるため、従来の電動モータよりもエネルギー利用効率の向上が可能となるようにマルチ駆動モータを駆動できるマルチ駆動モータ用電源システムを実現することができる。
【００２５】
請求項２に係る発明によれば、上記請求項１の効果に加えて、要素モータからの回生電力が、ドライバ経由で蓄電部に蓄積されるため、制御等の回路構成を簡易にすることができる。
【００２６】
請求項３に係る発明によれば、上記請求項１又は請求項２の効果に加えて、蓄電部の出力とドライバの第１の入力端とを開閉可能に接続する開閉スイッチを備え、コントローラが開閉スイッチの開閉を制御する信号を生成して開閉スイッチに出力し開閉スイッチを開閉させ、ドライバの第２の入力端に外部の一時電源からの電力が供給されることを特徴とするため、一次電源の最大仕様を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、実施例を示した図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明によるマルチ駆動モータ用電源システムの一実施例を模式的に示すブロック構成図である。マルチ駆動モータ用電源システム１は、所定の一次電源等から入力された電気エネルギーを蓄積する蓄電部１１と、入力された電気エネルギーを要素モータＭ１〜Ｍ４に供給すると共に要素モータＭ１〜Ｍ４からの回生電力が入力されるドライバ１２と、蓄電部１１とドライバ１２との開閉接続を行う開閉スイッチ１３と、駆動状態等に応じて開閉スイッチ１３の開閉を制御すると共にドライバ１２を制御するコントローラ１４と、を備える。
【００２８】
ここで、図１には、このように構成することによって、マルチ駆動モータは、要素モータが相互に他の要素モータに従属して動くため、サーボ制御可能になっている。以下、マルチ駆動モータ用電源システムが自動車に適用される場合を例にとり説明する。
【００２９】
蓄電部１１は、入力側が一次電源に加えドライバ１２とも接続され、ドライバ１２を介して入力された回生電力をも蓄積するようになっている。ここで、一次電源は、例えば燃料電池等である。ただし、マルチ駆動モータ用電源システムが商用電源に接続可能な装置に使用される場合、マルチ駆動モータ用電源システムは、例えば、電圧調整、直流化、平滑化等を行う電源回路を内蔵し、商用電源とこの電源回路で一時電源をなすのでもよい。なお、上記の回生電力は、少なくとも１つの発電状態の要素モータＭ１〜Ｍ４からの電力をいう。
【００３０】
ドライバ１２は、コントローラ１４から出力された制御信号に応じてサーボ制御動作及び回生動作を行う。ここで、サーボ制御動作では、目標位置、目標速度、目標トルク等を指定する制御信号に応じて、該当する要素モータＭ１〜Ｍ４に駆動電流が出力される。サーボ制御におけるドライバの動作については公知であり、さらなる説明を省略する。
【００３１】
また、回生動作では、例えば所定の特徴的な回生動作信号が対象の要素モータＭ１〜Ｍ４用の制御信号としてコントローラ１４から出力され、回生動作信号が設定された制御信号の要素モータＭ１〜Ｍ４からの回生電力が蓄電部１１に供給されるようにドライバ１２が動作する。例えば、ドライバ１２と一時電源との接続経路を電気的に開、即ちＯＦＦにし、対象の要素モータＭ１〜Ｍ４からの出力が蓄電部１１に流れ込むようにドライバ１２を制御する回生動作信号が、コントローラ１４からドライバ１２にさらに出力されるのでもよい。
【００３２】
開閉スイッチ１３は、例えば電磁スイッチ、トランジスタ等からなり、コントローラ１４から出力された電源制御信号に応答して開閉され、蓄電部１１からの電力をドライバ１２に付加的に供給可能となっている。これによって、始動時等の大きなトルクを要する場合、換言すれば大負荷時に、一次電源からの電力だけでは不足する電力を付加的に供給することが可能となる。その結果、一次電源に求められる最大電力供給能力の仕様を引き下げることが可能になる。
【００３３】
コントローラ１４には、図示しない外部の操作パネルからの操作信号、及び、例えば要素モータＭ１等の要素モータから位置情報が入力され、コントローラ１４は、操作信号に応じたマルチ駆動モータの動作を実現すると共に、動作状態に応じた可能な回生を行う。そのために、コントローラ１４は、操作信号及び位置情報に基づいてドライバ１２及び開閉スイッチ１３を制御する。
【００３４】
具体的には、コントローラ１４は、例えば、操作信号として始動を指示する信号が入力された場合、開閉スイッチ１３を接続状態に切り替える電源制御信号を開閉スイッチ１３に出力し、例えば全ての要素モータＭ１〜Ｍ４にモータ電流を出力するように制御信号をドライバ１２に出力する。このときの制御信号は、例えば、要素モータＭ１用に目標位置、目標速度、目標トルク等を指定し、他の要素モータＭ２〜Ｍ４に目標トルクを指定するものであってもよい。
【００３５】
制御信号は、また、例えば位置情報に基づいて定常動作が検出されたとき、一部の所定の要素モータＭ１〜Ｍ４を発電に転用するように上記の回生動作信号を用いて制御するものであってもよい。転用されるモータは、定常動作に要するトルク及び位置情報の時系列に基づいて個数が決定され、さらに予め転用する順番が決められているのでもよい。制御信号は、また、例えば制動状態等で全ての要素モータＭ１〜Ｍ４を発電に転用するように制御するものであってもよい。
【００３６】
なお、要素モータＭ１用に目標位置、目標速度、目標トルク等を指定するサーボ制御は、直近の位置情報のみに基づいて制御が行われるものに限定されず、過去数ステップにわたる位置情報を利用するものであってもよい。これによって、目標位置、目標速度、目標トルク等の目標値を高精度に決定でき、好ましい。
【００３７】
図２は、１台のモータで駆動される装置におけるモータの稼動数についての比較例を示す図であり、（ａ）が本発明に関し、（ｂ）が従来技術に関する。図２に示すように、マルチ駆動モータを用いる場合、例えば始動時等の大トルクを要する場合に要素モータを最大数まで使用でき、大トルクを要しない状態では駆動用の要素モータ数を低減して駆動に必要でなくなった要素モータを回生に使用でき、さらに、制動状態では全ての要素モータを回生に使用することができる。全ての要素モータを回生に使用することによって、制動能力を向上させることができ、好ましい。
【００３８】
本実施例は要素モータ数が４個についてのものであるが、要素モータ数が多いほど、発電と回生との間で要素モータ数を段階的に変更することができ、より連続的な出力の移行及び大きな回生制動を得ることが可能となる。ここで、要素モータは入手容易かつ安価なものが使用でき、要素モータ数を増やすことはマルチ駆動モータへの経済的に大きな不利益とはならない。
【００３９】
従来のモータ駆動電源を用いた場合、最大仕様の観点で選ばれた電動モータを通常動作状態で長時間駆動することとなっていたため、一般に、エネルギー利用効率が低下していた。しかしながら、本発明によれば、上記のように構成されることによって、駆動又は回生に使用する要素モータ数が変更可能であるため、エネルギー利用効率のさらなる向上が可能となる。加えて、通常動作状態でエネルギー利用効率の高い要素モータをマルチ駆動モータ用に選択し、要素モータ数を調節して最大仕様を満たすことによって、さらにエネルギー利用効率の向上が可能となる。ここで、マルチ駆動モータは、高速、高トルク、低バックラッシュ、大容量等の特性を同時に実現しうるモータであると共に、大開口を容易に形成でき、自動車、搬送ロボット等の分野でその利用が特に期待されているものである。本発明によって、マルチ駆動モータの適用範囲が大幅に拡大可能となる。
【００４０】
なお、コントローラ１４は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と内蔵されたプログラムとして構成されるのでもよい。また、コントローラ１４は、不図示のタッチパネル等の外部の操作手段から動作等に関する操作信号が入力され、入力された操作信号を処理するマンマシーンインタフェースとして機能し、制御信号がこの操作信号に基づいて要素モータＭ１〜Ｍ４を制御するように生成され、動作状態等に関する所定の情報を操作手段に出力して表示させるのでもよい。
【００４１】
したがって、上記の開閉スイッチ１３の切り替え制御処理、要素モータから入力された位置情報の処理は、ソフトウェアでコードとして実現される方が、本発明によるマルチ駆動モータ用電源システムの汎用性を高めることができ、好ましい。また、駆動と発電又は回生との間の切り替えのアルゴリズムに関しては、ハイブリッド自動車等で実用化された既知の手法を転用することができる。
【００４２】
上記のように構成することによって、全要素モータを駆動させることによって最大速度及び最大トルクを達成できると共に、一部の要素モータだけで必要なトルクを実現できるときは他の要素モータを発電又は回生に転用することによって、エネルギー利用効率を高めることが可能となり、もって、環境問題、省エネルギー等の問題に貢献可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明によるマルチ駆動モータ用電源システムの一実施例を模式的に示すブロック構成図である。
【図２】１台のモータで駆動される装置におけるモータの稼動数についての比較例を示す図であり、（ａ）が本発明に関し、（ｂ）が従来技術に関する。
【図３】自動車の運転に要するトルクと回転速度を示す模式図である。
【符号の説明】
【００４４】
１  マルチ駆動モータ用電源システム
１１  蓄電部
１２  ドライバ
１３  開閉スイッチ
１４  コントローラ
Ｍ１〜Ｍ４  要素モータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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