JP2008160920A

JP2008160920A - 結線パターン切換装置

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Publication number: JP2008160920A
Application number: JP2006344171A
Authority: JP
Inventors: Gen Kimura; 玄木村
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2006-12-21
Filing date: 2006-12-21
Publication date: 2008-07-10

Abstract

【課題】簡素な構造で、高速運転時の電力効率を向上するのに好適な結線パターン切換装置を提供する。
【解決手段】Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の各相ごとに、その相の複数のコイルが直列若しくは並列に接続されまたはその相の複数のコイルのうちいずれかが接続されるようにその相のコイルの結線を切り換えるスイッチＳ_U1〜Ｓ_U3、Ｓ_V1〜Ｓ_V3、Ｓ_W1〜Ｓ_W3と、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のコイルの各相間の結線をＹ結線またはΔ結線に切り換えるスイッチＳ_Cとを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、モータの電機子巻線の結線パターンを切り換える装置に係り、特に、簡素な構造で、高速運転時の電力効率を向上するのに好適な結線パターン切換装置に関する。

埋込み永久磁石形同期モータ（以下、ＩＰＭ（Interior Permanent Magnetic）モータという。）は、ロータ鉄心の内部に永久磁石が埋め込まれたブラシレスモータである。ＩＰＭモータは、体積あたりの出力トルクが大きく、かつ、入力電圧が小さいという特長を有している。ＩＰＭモータは、このような特長から、ハイブリッド電気自動車（以下、ＨＥＶ（Hybrid Electric Vehicle）という。）の駆動用モータへの応用が好適である。

図１７は、ＨＥＶが高速で定常走行する場合のＩＰＭモータのトルクと回転数の関係を示すグラフである。
従来、ＩＰＭモータを搭載したＨＥＶを高速運転する場合、ＩＰＭモータの誘導起電力を抑制するために、ＩＰＭモータに界磁弱め電流を流さなければならない。したがって、ＨＥＶの高速運転時には、ＩＰＭモータがエンジンをアシストしないで回転しているだけでも界磁弱め電流を必要とし、その電力をエンジンが負担することになるため、図１７に示すように、エンジンの損失が増大し、燃費を低下させる要因となっていた。

そこで、高速運転時の界磁弱め制御を不要にするための技術として、特許文献１記載の技術が知られている。これは、電源とインバータの間に昇圧用コンバータを挿入するものであり、運転指令から誘導起電力が電源電圧を上回ると判断されたときは、昇圧用コンバータにより電源電圧を昇圧してインバータ、ＩＰＭモータへと高電圧を供給するものである。なお、同様の技術が被特許文献１にも開示されている。

また、特許文献２には、発電機の電機子巻線のΔ巻線とスター巻線の結線位置を変更することにより、等価的な直列導体数（ターン数）が変更可能な構造が開示されている。
また、特許文献３には、永久磁石式発電機において、ロータの回転数に応答してコイルの接続状態を切り換え、さらに磁束制御を併用することで所定の電圧を発生可能な機構が開示されている。
特開２００４−８０９９８号公報（図１）特開２００５−４５９６２号公報（図５、図９、図１４）特開２００５−１８４９４８号公報（図５、図７）相原浩：「ＳＵＶ用新ハイブリッドモータの開発」、２００５モータ技術シンポジウム、pp.C1-2-1〜C1-2-10

しかしながら、特許文献１記載の技術および非特許文献１記載の技術にあっては、昇圧用コンバータを設けなければならず、構造が複雑となるという問題があった。
また、特許文献２記載の技術にあっては、Δ巻線とスター巻線の結線位置を変更するだけであり、ＩＰＭモータの回転速度に応じたきめ細かい制御を行うことができないという問題があった。

また、特許文献３記載の技術にあっては、ロータの回転数に応答してコイルの接続状態を切り換えるものであるが、所定の電圧が得られるように切換制御を行う発電機であるため、ＩＰＭモータの高速運転時の制御として適用することはできない。
そこで、本発明は、このような従来の技術の有する未解決の課題に着目してなされたものであって、簡素な構造で、高速運転時の電力効率を向上するのに好適な結線パターン切換装置を提供することを目的としている。

〔発明１〕上記目的を達成するために、発明１の結線パターン切換装置は、３つの相のうち第１相に対応する複数のコイル、第２相に対応する複数のコイル、および第３相に対応する複数のコイルにより電機子巻線を形成したステータと、前記ステータの内側に回転自在に設けられたロータとを備えたモータに適用する結線パターン切換装置であって、前記各相ごとに、当該相の複数のコイルの一部若しくは全部が直列若しくは並列に接続されまたは当該相の複数のコイルのうちいずれかが接続されるように当該相のコイルの結線を切り換えるスイッチと、前記第１相、前記第２相および前記第３相のコイルの各相間の結線をＹ結線またはΔ結線に切り換えるスイッチとを備える。

このような構成であれば、スイッチの切換により、各相のコイルの結線が切り換えられるとともに各相間のコイルの結線が切り換えられる。
結線パターンとしては、各相の複数のコイルの一部（例えば、４つのうち２つ）が直列に接続される結線パターン、各相の複数のコイルの一部が並列に接続される結線パターン、各相の複数のコイルの全部（例えば、４つのうち３つ）が直列に接続される結線パターン、各相の複数のコイルの全部が並列に接続される結線パターン、および各相の複数のコイルのうちいずれかが接続される結線パターンのうち少なくとも２つ、各相間がＹ結線となる結線パターン、並びに各相間がΔ結線となる結線パターンがある。スイッチの切換パターンにより、これらの組み合わせの結線パターンが実現できる。

ここで、各相の結線は、独立に切り換える構成（例えば、一の相を直列接続とし、他の相を並列接続できる構成）であってもよいし、各相の接続状態が同一となるように各相をまとめて切り換える構成であってもよい。以下、発明４の結線パターン切換装置において同じである。

〔発明２〕さらに、発明２の結線パターン切換装置は、発明１の結線パターン切換装置において、前記モータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、前記回転速度検出手段の検出結果に基づいて前記スイッチの切換を制御する切換制御手段を備える。
このような構成であれば、回転速度検出手段により、モータの回転速度が検出され、切換制御手段により、その検出結果に基づいてスイッチの切換が制御される。

〔発明３〕さらに、発明３の結線パターン切換装置は、発明２の結線パターン切換装置において、前記切換制御手段は、前記各相ごとにｍ（ｍ＝２、３、…）個のコイルを直列接続しかつ前記Ｙ結線となる第１切換状態、前記各相ごとにｎ（ｎ＜ｍ）個のコイルを直列接続しかつ前記Ｙ結線となる第２切換状態、前記各相ごとにｎ個のコイルを直列接続しかつ前記Δ結線となる第３切換状態、前記各相ごとにｍ個のコイルを並列接続しかつ前記Ｙ結線となる第４切換状態、および前記各相ごとにｍ個のコイルを並列接続しかつ前記Δ結線となる第５切換状態のいずれかに、前記モータの回転速度が上昇するにつれてその順で前記スイッチを切り換える。

このような構成であれば、まず、切換制御手段により、第１切換状態にスイッチが切り換えられる。その結果、各相ごとにｍ個のコイルが直列接続されかつＹ結線となる。
モータの回転速度が上昇すると、切換制御手段により、第２切換状態にスイッチが切り換えられる。その結果、各相ごとにｎ個のコイルが直列接続されかつＹ結線となり、第１切換状態よりも界磁弱め電流の増加を抑制できる。

さらにモータの回転速度が上昇すると、切換制御手段により、第３切換状態にスイッチが切り換えられる。その結果、各相ごとにｎ個のコイルが直列接続されかつΔ結線となり、第２切換状態よりも界磁弱め電流の増加を抑制できる。
さらにモータの回転速度が上昇すると、切換制御手段により、第４切換状態にスイッチが切り換えられる。その結果、各相ごとにｍ個のコイルが並列接続されかつＹ結線となり、第３切換状態よりも界磁弱め電流の増加を抑制できる。
さらにモータの回転速度が上昇すると、切換制御手段により、第５切換状態にスイッチが切り換えられる。その結果、各相ごとにｍ個のコイルが並列接続されかつΔ結線となり、第４切換状態よりも界磁弱め電流の増加を抑制できる。

〔発明４〕さらに、発明４の結線パターン切換装置は、３つの相のうち第１相に対応する複数のコイル、第２相に対応する複数のコイル、および第３相に対応する複数のコイルにより電機子巻線を形成したステータと、前記ステータの内側に回転自在に設けられたロータとを備えたモータに適用する結線パターン切換装置であって、前記各相ごとに、当該相の複数のコイルの一部若しくは全部が直列若しくは並列に接続されまたは当該相の複数のコイルのうちいずれかが接続されるように当該相のコイルの結線を切り換えるスイッチを備え、各相間のコイルをＹ結線またはΔ結線した。

このような構成であれば、スイッチの切換により、各相のコイルの結線が切り換えられる。
結線パターンとしては、各相の複数のコイルの一部（例えば、４つのうち２つ）が直列に接続される結線パターン、各相の複数のコイルの一部が並列に接続される結線パターン、各相の複数のコイルの全部（例えば、４つのうち３つ）が直列に接続される結線パターン、各相の複数のコイルの全部が並列に接続される結線パターン、および各相の複数のコイルのうちいずれかが接続される結線パターンのうち少なくとも２つがある。スイッチの切換パターンにより、これらの組み合わせの結線パターンが実現できる。

〔発明５〕さらに、発明５の結線パターン切換装置は、発明４の結線パターン切換装置において、前記モータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、前記回転速度検出手段の検出結果に基づいて前記スイッチの切換を制御する切換制御手段を備える。
このような構成であれば、回転速度検出手段により、モータの回転速度が検出され、切換制御手段により、その検出結果に基づいてスイッチの切換が制御される。

〔発明６〕さらに、発明６の結線パターン切換装置は、発明５の結線パターン切換装置において、前記切換制御手段は、前記各相ごとにｍ（ｍ＝２、３、…）個のコイルを直列接続する第１切換状態、および前記各相ごとにｎ（ｎ＜ｍ）個のコイルを直列接続する第２切換状態のいずれかに、前記モータの回転速度が上昇するにつれてその順で前記スイッチを切り換える。

このような構成であれば、まず、切換制御手段により、第１切換状態にスイッチが切り換えられる。その結果、各相ごとにｍ個のコイルが直列接続される。
モータの回転速度が上昇すると、切換制御手段により、第２切換状態にスイッチが切り換えられる。その結果、各相ごとにｎ個のコイルが直列接続され、第１切換状態よりも界磁弱め電流の増加を抑制できる。

〔発明７〕さらに、発明７の結線パターン切換装置は、発明１ないし６のいずれか１の結線パターン切換装置において、前記スイッチは、リレースイッチまたは半導体スイッチからなる。

以上説明したように、発明１または４の結線パターン切換装置によれば、モータの高速運転時には、界磁弱め電流が低減する結線パターンとなるようにスイッチを切り換えることにより消費電力を低減することができるので、高速運転時の電力効率を向上することができるという効果が得られる。また、昇圧用コンバータを設けなくてもすみ、簡素な構造となるという効果も得られる。

さらに、発明２または５の結線パターン切換装置によれば、モータの回転速度に応じてスイッチの切換が制御されるので、モータの高速運転時の消費電力を効果的に低減することができるという効果が得られる。
さらに、発明３または６の結線パターン切換装置によれば、モータの回転速度が上昇するにつれて界磁弱め電流の増加が抑制されるので、モータの高速運転時の消費電力をさらに低減することができるという効果が得られる。

さらに、発明４の結線パターン切換装置によれば、発明１の結線パターン切換装置に比して簡素な構造となるという効果が得られる。

以下、本発明の第１の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図１ないし図９は、本発明に係る結線パターン切換装置の第１の実施の形態を示す図である。
本実施の形態は、本発明に係る結線パターン切換装置を、ＩＰＭモータの高速運転時の消費電力を低減する場合について適用したものである。
まず、本発明を適用するモータ制御システムの構成を説明する。

図１は、モータ制御システムの構成を示すブロック図である。
モータ制御システムは、図１に示すように、３相のＩＰＭモータであるモータ１０と、モータ１０を駆動させるドライバ２０と、モータ１０の回転速度を検出する回転速度検出センサ３０と、回転速度検出センサ３０からの速度検出値に基づいて、モータ１０の電機子巻線の結線の切換制御を行う切換制御装置４０とを有して構成されている。

モータ１０は、円筒状のステータと、ステータの内側にエアギャップを介して回転自在に設けられたロータとを有して構成されている。ロータは、ロータ鉄心と、界磁を構成する複数の永久磁石とを備えている。
ドライバ２０は、外部から与えられた速度指令値に基づいて、モータ１０の回転速度が速度指令値となるようにモータ１０に負荷する負荷電流を制御するものであって、回転速度検出センサ３０からの速度検出値を入力し、入力した速度検出値と速度指令値との差分がなくなるようにモータ１０への負荷電流値をフィードバック制御するようになっている。

次に、電機子巻線の結線パターンの概要を説明する。
図２は、電機子巻線の結線パターンの概要を示す図である。
電機子巻線は、図２に示すように、３相のうちＵ相に対応するコイルＬ_U1、Ｌ_U2と、Ｖ相に対応するコイルＬ_V1、Ｌ_V2と、Ｗ相に対応するコイルＬ_W1、Ｌ_W2とにより形成されている。コイルＬ_U1、Ｌ_V1、Ｌ_W1はモータ１０の外側巻線であり、コイルＬ_U2、Ｌ_V2、Ｌ_W2はモータ１０の内側巻線である。

本実施の形態では、コイルＬ_U1、Ｌ_U2、Ｌ_V1、Ｌ_V2、Ｌ_W1、Ｌ_W2の結線を切り換えることにより５つの結線パターンを実現する。
第１の結線パターンは、コイルＬ_U1の内側端子Ｔ_U2およびコイルＬ_U2の外側端子Ｔ_U3を、コイルＬ_V1の内側端子Ｔ_V2およびコイルＬ_V2の外側端子Ｔ_V3を、コイルＬ_W1の内側端子Ｔ_W2およびコイルＬ_W2の外側端子Ｔ_W3を、コイルＬ_U2の中性点端子Ｔ_U4、コイルＬ_V2の中性点端子Ｔ_V4およびコイルＬ_W2の中性点端子Ｔ_W4をそれぞれ接続し、コイルＬ_U1の外側端子Ｔ_U1、コイルＬ_V1の外側端子Ｔ_V1およびコイルＬ_W1の外側端子Ｔ_W1をドライバ２０への出力端子とするものである。これにより、各相のコイルが直列に接続されかつＹ結線となる。以下、本実施の形態において、第１の結線パターンを「２直列Ｙ型結線パターン」という。

第２の結線パターンは、中性点端子Ｔ_U4、Ｔ_V4、Ｔ_W4を接続し、外側端子Ｔ_U3、Ｔ_V3、Ｔ_W3をドライバ２０への出力端子とするものである。これにより、各相のコイルが１つ接続されかつＹ結線となる。以下、本実施の形態において、第２の結線パターンを「１直列Ｙ型結線パターン」という。
第３の結線パターンは、外側端子Ｔ_U3および中性点端子Ｔ_W4を、外側端子Ｔ_V3および中性点端子Ｔ_U4を、外側端子Ｔ_W3および中性点端子Ｔ_V4をそれぞれ接続し、外側端子Ｔ_U3、Ｔ_V3、Ｔ_W3をドライバ２０への出力端子とするものである。これにより、各相のコイルが１つ接続されかつΔ結線となる。以下、本実施の形態において、第３の結線パターンを「１直列Δ型結線パターン」という。

第４の結線パターンは、外側端子Ｔ_U1、Ｔ_U3を、外側端子Ｔ_V1、Ｔ_V3を、外側端子Ｔ_W1、Ｔ_W3を、内側端子Ｔ_U2、Ｔ_V2、Ｔ_W2および中性点端子Ｔ_U4、Ｔ_V4、Ｔ_W4をそれぞれ接続し、外側端子Ｔ_U1、Ｔ_V1、Ｔ_W1をドライバ２０への出力端子とするものである。これにより、各相のコイルが並列に接続されかつＹ結線となる。以下、本実施の形態において、第４の結線パターンを「２並列Ｙ型結線パターン」という。

第５の結線パターンは、外側端子Ｔ_U1、Ｔ_U3、内側端子Ｔ_W2および中性点端子Ｔ_W4を、外側端子Ｔ_V1、Ｔ_U3、内側端子Ｔ_U2および中性点端子Ｔ_U4を、外側端子Ｔ_W1、Ｔ_U3、内側端子Ｔ_V2および中性点端子Ｔ_V4をそれぞれ接続し、外側端子Ｔ_U1、Ｔ_V1、Ｔ_W1をドライバ２０への出力端子とするものである。これにより、各相のコイルが並列に接続されかつΔ結線となる。以下、本実施の形態において、第５の結線パターンを「２並列Δ型結線パターン」という。

次に、電機子巻線の回路構成を説明する。
図３は、電機子巻線の回路構成を示す図である。
コイルＬ_U1、Ｌ_V1、Ｌ_W1の外側端子（図２の外側端子Ｔ_U1、Ｔ_V1、Ｔ_W1）には、図３に示すように、スイッチＳ_U1、Ｓ_V1、Ｓ_W1がそれぞれ設けられている。
コイルＬ_U1、Ｌ_U2の間、コイルＬ_V1、Ｌ_V2の間、およびコイルＬ_W1、Ｌ_W2の間には、スイッチＳ_U2、Ｓ_V2、Ｓ_W2がそれぞれ設けられている。

Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の出力端子には、スイッチＳ_U3、Ｓ_V3、Ｓ_W3がそれぞれ設けられている。
コイルＬ_U2、Ｌ_V2、Ｌ_W2の内側端子（図２の中性点端子Ｔ_U4、Ｔ_V4、Ｔ_W4）には、スイッチＳ_Cが設けられている。
スイッチＳ_U1は、スイッチＳ_U2、Ｓ_Cへの配線ｌ_U3の端子、およびコイルＬ_U1の外側端子のうち任意の複数の点について接続状態および非接続状態のいずれかに切り換える。なお、コイルＬ_U1の外側端子には、スイッチＳ_U3への配線ｌ_U1が接続されている。スイッチＳ_V1、Ｓ_W1も同様に構成されている。

スイッチＳ_U2は、配線ｌ_U3の端子、コイルＬ_U1の内側端子、コイルＬ_U2の外側端子（図２の外側端子Ｔ_U3）、およびスイッチＳ_Cへの配線ｌ_U4の端子のうち任意の複数の点について接続状態および非接続状態のいずれかに切り換える。なお、コイルＬ_U2の外側端子には、スイッチＳ_U3への配線ｌ_U2が接続されている。スイッチＳ_V2、Ｓ_W2も同様に構成されている。

スイッチＳ_U3は、配線ｌ_U1、ｌ_U2の端子の一方または両方をドライバ２０への出力端子に接続するように切り換える。スイッチＳ_V3、Ｓ_W3も同様に構成されている。
スイッチＳ_Cは、配線ｌ_U3、ｌ_U4、ｌ_V3、ｌ_V4、ｌ_W3、ｌ_W4の端子、およびコイルＬ_U2、Ｌ_V2、Ｌ_W2の内側端子のうち任意の複数の点について接続状態および非接続状態のいずれかに切り換える。

なお、スイッチＳ_U1〜Ｓ_U3、Ｓ_V1〜Ｓ_V3、Ｓ_W1〜Ｓ_W3、Ｓ_Cは、リレースイッチまたは半導体スイッチで構成することができる。
次に、切換制御装置４０の構成を説明する。
図４は、２直列Ｙ型結線パターンおよびその等価回路を示すである。
図５は、モータ１０の回転数に対するトルクの変化を示すグラフである。

切換制御装置４０は、回転速度検出センサ３０から入力した速度検出値が所定値Ｖ_T1未満であるときは、図４に示すように、スイッチＳ_U1〜Ｓ_U3、Ｓ_V1〜Ｓ_V3、Ｓ_W1〜Ｓ_W3、Ｓ_Cを切り換え、２直列Ｙ型結線パターンを構成する。その結果、モータ１０の回転数に対するトルクの変化が図５の曲線３６のようになる。
図６は、１直列Ｙ型結線パターンおよびその等価回路を示すである。

切換制御装置４０は、回転速度検出センサ３０から入力した速度検出値が所定値Ｖ_T1以上で所定値Ｖ_T2（Ｖ_T2＞Ｖ_T1）未満であるときは、図６に示すように、スイッチＳ_U1〜Ｓ_U3、Ｓ_V1〜Ｓ_V3、Ｓ_W1〜Ｓ_W3、Ｓ_Cを切り換え、１直列Ｙ型結線パターンを構成する。その結果、モータ１０の回転数に対するトルクの変化が図５の曲線３７のようになる。
図７は、１直列Δ型結線パターンおよびその等価回路を示すである。

切換制御装置４０は、回転速度検出センサ３０から入力した速度検出値が所定値Ｖ_T2以上で所定値Ｖ_T3（Ｖ_T3＞Ｖ_T2）未満であるときは、図７に示すように、スイッチＳ_U1〜Ｓ_U3、Ｓ_V1〜Ｓ_V3、Ｓ_W1〜Ｓ_W3、Ｓ_Cを切り換え、１直列Δ型結線パターンを構成する。その結果、モータ１０の回転数に対するトルクの変化が図５の曲線３８のようになる。
図８は、２並列Ｙ型結線パターンおよびその等価回路を示すである。

切換制御装置４０は、回転速度検出センサ３０から入力した速度検出値が所定値Ｖ_T3以上で所定値Ｖ_T4（Ｖ_T4＞Ｖ_T3）未満であるときは、図８に示すように、スイッチＳ_U1〜Ｓ_U3、Ｓ_V1〜Ｓ_V3、Ｓ_W1〜Ｓ_W3、Ｓ_Cを切り換え、２並列Ｙ型結線パターンを構成する。その結果、モータ１０の回転数に対するトルクの変化が図５の曲線３９のようになる。
図９は、２並列Δ型結線パターンおよびその等価回路を示すである。

切換制御装置４０は、回転速度検出センサ３０から入力した速度検出値が所定値Ｖ_T4以上であるときは、図９に示すように、スイッチＳ_U1〜Ｓ_U3、Ｓ_V1〜Ｓ_V3、Ｓ_W1〜Ｓ_W3、Ｓ_Cを切り換え、２並列Δ型結線パターンを構成する。その結果、モータ１０の回転数に対するトルクの変化が図５の曲線４０のようになる。
次に、本実施の形態の動作を説明する。

モータ１０の回転速度が所定値Ｖ_T1未満であるときは、切換制御装置４０により２直列Ｙ型結線パターンが構成される。
さらにモータ１０の回転速度が上昇し、モータ１０の回転速度が所定値Ｖ_T1以上で所定値Ｖ_T2未満になると、切換制御装置４０により１直列Ｙ型結線パターンに切り換えられる。これにより、図５に示すように、回転数−トルクの変化曲線の傾斜が２直列Ｙ型結線パターンよりも緩やかになるので、２直列Ｙ型結線パターンよりも界磁弱め電流の増加を抑制できる。

さらにモータ１０の回転速度が上昇し、モータ１０の回転速度が所定値Ｖ_T2以上で所定値Ｖ_T3未満になると、切換制御装置４０により１直列Δ型結線パターンに切り換えられる。これにより、図５に示すように、回転数−トルクの変化曲線の傾斜が１直列Ｙ型結線パターンよりも緩やかになるので、１直列Ｙ型結線パターンよりも界磁弱め電流の増加を抑制できる。

さらにモータ１０の回転速度が上昇し、モータ１０の回転速度が所定値Ｖ_T3以上で所定値Ｖ_T4未満になると、切換制御装置４０により２並列Ｙ型結線パターンに切り換えられる。これにより、図５に示すように、回転数−トルクの変化曲線の傾斜が１直列Δ型結線パターンよりも緩やかになるので、１直列Δ型結線パターンよりも界磁弱め電流の増加を抑制できる。

さらにモータ１０の回転速度が上昇し、モータ１０の回転速度が所定値Ｖ_T4以上になると、切換制御装置４０により２並列Δ型結線パターンに切り換えられる。これにより、図５に示すように、回転数−トルクの変化曲線の傾斜が２並列Ｙ型結線パターンよりも緩やかになるので、２並列Ｙ型結線パターンよりも界磁弱め電流の増加を抑制できる。
このようにして、本実施の形態では、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の各相ごとに、その相の複数のコイルが直列若しくは並列に接続されまたはその相の複数のコイルのうちいずれかが接続されるようにその相のコイルの結線を切り換えるスイッチＳ_U1〜Ｓ_U3、Ｓ_V1〜Ｓ_V3、Ｓ_W1〜Ｓ_W3と、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のコイルの各相間の結線をＹ結線またはΔ結線に切り換えるスイッチＳ_Cとを備える。

これにより、モータ１０の高速運転時には、界磁弱め電流が低減する結線パターンとなるようにスイッチＳ_U1〜Ｓ_U3、Ｓ_V1〜Ｓ_V3、Ｓ_W1〜Ｓ_W3、Ｓ_Cを切り換えることにより消費電力を低減することができるので、高速運転時の電力効率を向上することができる。また、昇圧用コンバータを設けなくてもすみ、簡素な構造となる。したがって、ＨＥＶの駆動用モータへの応用が好適である。

さらに、本実施の形態では、モータ１０の回転速度を検出する回転速度検出センサ３０と、回転速度検出センサ３０の検出結果に基づいてスイッチＳ_U1〜Ｓ_U3、Ｓ_V1〜Ｓ_V3、Ｓ_W1〜Ｓ_W3、Ｓ_Cの切換を制御する切換制御装置４０を備える。
これにより、モータ１０の回転速度に応じてスイッチＳ_U1〜Ｓ_U3、Ｓ_V1〜Ｓ_V3、Ｓ_W1〜Ｓ_W3、Ｓ_Cの切換が制御されるので、モータ１０の高速運転時の消費電力を効果的に低減することができる。

さらに、本実施の形態では、切換制御装置４０は、各相のコイルが直列に接続されかつＹ結線となる２直列Ｙ型結線パターンを構成する第１接続状態、各相のコイルが１つ接続されかつＹ結線となる１直列Ｙ型結線パターンを構成する第２接続状態、各相のコイルが１つ接続されかつΔ結線となる１直列Δ型結線パターンを構成する第３接続状態、各相のコイルが並列に接続されかつＹ結線となる２並列Ｙ型結線パターンを構成する第４接続状態、および各相のコイルが並列に接続されかつΔ結線となる２並列Δ型結線パターンを構成する第５接続状態のいずれかに、モータ１０の回転速度が上昇するにつれてその順でスイッチＳ_U1〜Ｓ_U3、Ｓ_V1〜Ｓ_V3、Ｓ_W1〜Ｓ_W3、Ｓ_Cを切り換える。

これにより、モータ１０の回転速度が上昇するにつれて界磁弱め電流の増加が抑制されるので、モータ１０の高速運転時の消費電力をさらに低減することができる。ここで、「抑制」とは、回転速度に応じて接続状態を切り換えた場合に必要な界磁弱め電流が、同回転速度において接続状態を切り換えずに維持した場合に必要な界磁弱め電流よりも小さくなることをいう。

上記第１の実施の形態において、Ｕ相は、発明１の第１相に対応し、Ｖ相は、発明１の第２相に対応し、Ｗ相は、発明１の第３相に対応し、回転速度検出センサ３０は、発明２の回転速度検出手段に対応し、切換制御装置４０は、発明２または３の切換制御手段に対応している。
次に、本発明の第２の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図１０ないし図１３は、本発明に係る結線パターン切換装置の第２の実施の形態を示す図である。

本実施の形態は、上記第１の実施の形態に対し、スイッチＳ_Cを設けず、各相間のコイルをあらかじめＹ結線している点が異なる。なお、以下、上記第１の実施の形態と異なる部分についてのみ説明し、上記第１の実施の形態と重複する部分については同一の符号を付して説明を省略する。
まず、電機子巻線の結線パターンの概要を説明する。

図１０は、電機子巻線の結線パターンの概要を示す図である。
電機子巻線は、図１０に示すように、コイルＬ_U1、Ｌ_U2と、コイルＬ_V1、Ｌ_V2と、コイルＬ_W1、Ｌ_W2とにより形成され、各相間のコイルはＹ結線されている。
本実施の形態では、コイルＬ_U1、Ｌ_U2、Ｌ_V1、Ｌ_V2、Ｌ_W1、Ｌ_W2の結線を切り換えることにより２つの結線パターンを実現する。

第１の結線パターンは、内側端子Ｔ_U2および外側端子Ｔ_U3を、内側端子Ｔ_V2および外側端子Ｔ_V3を、内側端子Ｔ_W2および外側端子Ｔ_W3をそれぞれ接続し、外側端子Ｔ_U1、Ｔ_V1、Ｔ_W1をドライバ２０への出力端子とするものである。これにより、各相のコイルが直列に接続されかつＹ結線となる。以下、本実施の形態において、第１の結線パターンを「２直列Ｙ型結線パターン」という。

第２の結線パターンは、外側端子Ｔ_U3、Ｔ_V3、Ｔ_W3をドライバ２０への出力端子とするものである。これにより、各相のコイルが１つ接続されかつＹ結線となる。以下、本実施の形態において、第２の結線パターンを「１直列Ｙ型結線パターン」という。
次に、電機子巻線の回路構成を説明する。
図１１は、電機子巻線の回路構成を示す図である。

コイルＬ_U1、Ｌ_U2の間、コイルＬ_V1、Ｌ_V2の間、およびコイルＬ_W1、Ｌ_W2の間には、図１１に示すように、スイッチＳ_U2、Ｓ_V2、Ｓ_W2がそれぞれ設けられている。
Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の出力端子には、スイッチＳ_U3、Ｓ_V3、Ｓ_W3がそれぞれ設けられている。
スイッチＳ_U2は、コイルＬ_U1の内側端子（図１０の内側端子Ｔ_U2）、コイルＬ_U2の外側端子（図１０の外側端子Ｔ_U3）、および配線ｌ_U2の端子のうち任意の複数の点について接続状態および非接続状態のいずれかに切り換える。スイッチＳ_V2、Ｓ_W2も同様に構成されている。

スイッチＳ_U3は、配線ｌ_U1、ｌ_U2の端子の一方または両方をドライバ２０への出力端子に接続するように切り換える。スイッチＳ_V3、Ｓ_W3も同様に構成されている。
次に、切換制御装置４０の構成を説明する。
図１２は、２直列Ｙ型結線パターンおよびその等価回路を示すである。
切換制御装置４０は、回転速度検出センサ３０から入力した速度検出値が所定値Ｖ_T11未満であるときは、図１２に示すように、スイッチＳ_U2、Ｓ_U3、Ｓ_V2、Ｓ_V3、Ｓ_W2、Ｓ_W3を切り換え、２直列Ｙ型結線パターンを構成する。その結果、モータ１０の回転数に対するトルクの変化が図５の曲線３６のようになる。

図１３は、１直列Ｙ型結線パターンおよびその等価回路を示すである。
切換制御装置４０は、回転速度検出センサ３０から入力した速度検出値が所定値Ｖ_T11以上であるときは、図１３に示すように、スイッチＳ_U2、Ｓ_U3、Ｓ_V2、Ｓ_V3、Ｓ_W2、Ｓ_W3を切り換え、１直列Ｙ型結線パターンを構成する。その結果、モータ１０の回転数に対するトルクの変化が図５の曲線３７のようになる。

次に、本実施の形態の動作を説明する。
モータ１０の回転速度が所定値Ｖ_T11未満であるときは、切換制御装置４０により２直列Ｙ型結線パターンが構成される。
さらにモータ１０の回転速度が上昇し、モータ１０の回転速度が所定値Ｖ_T11以上になると、切換制御装置４０により１直列Ｙ型結線パターンに切り換えられる。これにより、図５に示すように、回転数−トルクの変化曲線の傾斜が２直列Ｙ型結線パターンよりも緩やかになるので、２直列Ｙ型結線パターンよりも界磁弱め電流の増加を抑制できる。

このようにして、本実施の形態では、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の各相ごとに、その相の複数のコイルが直列に接続されまたはその相の複数のコイルのうちいずれかが接続されるようにその相のコイルの結線を切り換えるスイッチＳ_U2、Ｓ_U3、Ｓ_V2、Ｓ_V3、Ｓ_W2、Ｓ_W3を備え、各相間のコイルをＹ結線した。
これにより、上記第１の実施の形態と同様の効果が得られるほか、上記第１の実施の形態に比して構造および切換制御が簡素となる。

上記第２の実施の形態において、Ｕ相は、発明４の第１相に対応し、Ｖ相は、発明４の第２相に対応し、Ｗ相は、発明４の第３相に対応し、回転速度検出センサ３０は、発明５の回転速度検出手段に対応し、切換制御装置４０は、発明５または６の切換制御手段に対応している。
なお、上記第１の実施の形態においては、各相ごとに２つのコイルを設けて構成したが、これに限らず、各相ごとに３つ以上のコイルを設けて構成することもできる。

図１４は、各相ごとに３つのコイルを設けて構成した場合の電機子巻線の結線パターンの概要を示す図である。
図１５は、各相ごとに３つのコイルを設けて構成した場合のモータのトルクと回転数の関係を示すグラフである。
例えば、図１４に示すように、各相巻線の分割数を２分割から３分割に増やし、各相ごとに３つのコイルを設けて構成することができる。これにより、図１５に示すような回転数−トルクの変化曲線に近い包絡線が得られるので、運転条件の変化にきめ細かく対応することができる。

このように各相のコイルが３つ以上の場合は、各相のコイルの一部を直列または並列に接続する結線パターンを構成してもよい。その他、各相の複数のコイルのなかから選択したコイルを２以上のグループに分類し、各グループごとに、当該グループに属するコイルを直列または並列に接続し、さらに、各グループ相互間で直列または並列に接続する結線パターンを構成してもよい。

また、上記第２の実施の形態においては、各相ごとに２つのコイルを設けて構成したが、これに限らず、各相ごとに３つ以上のコイルを設けて構成することもできる。
図１６は、各相ごとに３つのコイルを設けて構成した場合の電機子巻線の結線パターンの概要を示す図である。
例えば、図１６に示すように、各相巻線の分割数を２分割から３分割に増やし、各相ごとに３つのコイルを設けて構成することができる。これにより、図１４の場合と比して可能な結線パターン数は少なくなるが、界磁弱め制御を併用することでカバーしうる領域を拡大することができる。

また、上記第２の実施の形態においては、各相ごとに、その相の２つのコイルが直列に接続されるようにその相のコイルの結線を切り換える構成としたが、これに限らず、２つのコイルが並列に接続されるようにその相のコイルの結線を切り換える構成としてもよい。各相のコイルが３つ以上の場合も同様である。
また、上記第２の実施の形態においては、各相間のコイルをＹ結線して構成したが、これに限らず、各相間のコイルをΔ結線して構成することもできる。各相のコイルが３つ以上の場合も同様である。

また、上記第１および第２の実施の形態においては、スイッチの切換の際に放電が起こる可能性があるため、その対策も考慮するのが好ましい。具体的には、モータ１０の内部に放電を吸収する素子を装備するか、モータ１０の外部またはモータ１０に接続されたインバータ内部に巻線電流を環流させる回路を別途用意する必要がある。
また、上記第１および第２の実施の形態においては、本発明に係る結線パターン切換装置を、ＩＰＭモータの高速運転時の消費電力を低減する場合について適用したが、これに限らず、本発明の主旨を逸脱しない範囲で他の場合にも適用可能である。例えば、他の種類のモータにも適用することができる。

モータ制御システムの構成を示すブロック図である。電機子巻線の結線パターンの概要を示す図である。電機子巻線の回路構成を示す図である。２直列Ｙ型結線パターンおよびその等価回路を示すである。モータ１０の回転数に対するトルクの変化を示すグラフである。１直列Ｙ型結線パターンおよびその等価回路を示すである。１直列Δ型結線パターンおよびその等価回路を示すである。２並列Ｙ型結線パターンおよびその等価回路を示すである。２並列Δ型結線パターンおよびその等価回路を示すである。電機子巻線の結線パターンの概要を示す図である。電機子巻線の回路構成を示す図である。２直列Ｙ型結線パターンおよびその等価回路を示すである。１直列Ｙ型結線パターンおよびその等価回路を示すである。各相ごとに３つのコイルを設けて構成した場合の電機子巻線の結線パターンの概要を示す図である。各相ごとに３つのコイルを設けて構成した場合のモータのトルクと回転数の関係を示すグラフである。各相ごとに３つのコイルを設けて構成した場合の電機子巻線の結線パターンの概要を示す図である。ＨＥＶが高速で定常走行する場合のＩＰＭモータのトルクと回転数の関係を示すグラフである。

符号の説明

１０モータ
２０ドライバ
３０回転速度検出センサ
４０切換制御装置
Ｌ_U1、Ｌ_U2、Ｌ_V1 コイル
Ｌ_V2、Ｌ_W1、Ｌ_W2 コイル
Ｔ_U2、Ｔ_V2、Ｔ_W2 内側端子
Ｔ_U1、Ｔ_U3、Ｔ_V1 外側端子
Ｔ_V3、Ｔ_W1、Ｔ_W3 外側端子
Ｔ_U4、Ｔ_V4、Ｔ_W4 中性点端子
Ｓ_U1〜Ｓ_U3 スイッチ
Ｓ_V1〜Ｓ_V3 スイッチ
Ｓ_W1〜Ｓ_W3、Ｓ_C スイッチ
ｌ_U1〜ｌ_U4 配線
ｌ_V1〜ｌ_V4 配線
ｌ_W1〜ｌ_W4 配線

Claims

３つの相のうち第１相に対応する複数のコイル、第２相に対応する複数のコイル、および第３相に対応する複数のコイルにより電機子巻線を形成したステータと、前記ステータの内側に回転自在に設けられたロータとを備えたモータに適用する結線パターン切換装置であって、
前記各相ごとに、当該相の複数のコイルの一部若しくは全部が直列若しくは並列に接続されまたは当該相の複数のコイルのうちいずれかが接続されるように当該相のコイルの結線を切り換えるスイッチと、前記第１相、前記第２相および前記第３相のコイルの各相間の結線をＹ結線またはΔ結線に切り換えるスイッチとを備えることを特徴とする結線パターン切換装置。
請求項１において、
前記モータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、前記回転速度検出手段の検出結果に基づいて前記スイッチの切換を制御する切換制御手段を備えることを特徴とする結線パターン切換装置。
請求項２において、
前記切換制御手段は、前記各相ごとにｍ（ｍ＝２、３、…）個のコイルを直列接続しかつ前記Ｙ結線となる第１切換状態、前記各相ごとにｎ（ｎ＜ｍ）個のコイルを直列接続しかつ前記Ｙ結線となる第２切換状態、前記各相ごとにｎ個のコイルを直列接続しかつ前記Δ結線となる第３切換状態、前記各相ごとにｍ個のコイルを並列接続しかつ前記Ｙ結線となる第４切換状態、および前記各相ごとにｍ個のコイルを並列接続しかつ前記Δ結線となる第５切換状態のいずれかに、前記モータの回転速度が上昇するにつれてその順で前記スイッチを切り換えることを特徴とする結線パターン切換装置。
３つの相のうち第１相に対応する複数のコイル、第２相に対応する複数のコイル、および第３相に対応する複数のコイルにより電機子巻線を形成したステータと、前記ステータの内側に回転自在に設けられたロータとを備えたモータに適用する結線パターン切換装置であって、
前記各相ごとに、当該相の複数のコイルの一部若しくは全部が直列若しくは並列に接続されまたは当該相の複数のコイルのうちいずれかが接続されるように当該相のコイルの結線を切り換えるスイッチを備え、各相間のコイルをＹ結線またはΔ結線したことを特徴とする結線パターン切換装置。
請求項４において、
前記モータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、前記回転速度検出手段の検出結果に基づいて前記スイッチの切換を制御する切換制御手段を備えることを特徴とする結線パターン切換装置。
請求項５において、
前記切換制御手段は、前記各相ごとにｍ（ｍ＝２、３、…）個のコイルを直列接続する第１切換状態、および前記各相ごとにｎ（ｎ＜ｍ）個のコイルを直列接続する第２切換状態のいずれかに、前記モータの回転速度が上昇するにつれてその順で前記スイッチを切り換えることを特徴とする結線パターン切換装置。
請求項１ないし６のいずれか１項において、
前記スイッチは、リレースイッチまたは半導体スイッチからなることを特徴とする結線パターン切換装置。