DE112018001580T5

DE112018001580T5 - Leistungsumwandlungsvorrichtung, motorantriebseinheit und elektrische servolenkungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112018001580T5
Application number: DE112018001580.7T
Authority: DE
Inventors: Hiromitsu OHASHI
Original assignee: Nidec Corp
Current assignee: Nidec Corp
Priority date: 2017-03-24
Filing date: 2018-01-10
Publication date: 2020-01-02
Also published as: JP7010282B2; JPWO2018173425A1; US10998841B2; CN110463024A; WO2018173425A1; CN110463024B; US20190372500A1

Abstract

Eine Leistungsumwandlungsvorrichtung weist auf: einen ersten Wechselrichter, der mit den einen Enden von m (m ist eine ganze Zahl, die gleich zwei oder größer als zwei ist) Spulengruppen verbunden ist, einen zweiten Wechselrichter, der mit den anderen Enden der m Spulengruppen verbunden ist, m-1 Trennrelaisschaltungen, die zwischen zwei benachbarten Spulengruppen der m Spulengruppen verbunden sind, m-1 erste Neutralpunktrelaisschaltungen, die zwischen zwei benachbarten Spulengruppen der ersten Wechselrichterseite von jedem der m-1 Trennrelaisschaltungen bereitgestellt sind, und m-1 zweite Neutralpunktrelaisschaltungen, die zwischen zwei benachbarten Spulen der zweiten Wechselrichterseite von jedem der m-1 Trennrelaisschaltungen bereitgestellt sind.

Description

[Technisches Gebiet]
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Leistungsumwandlungsvorrichtung, eine Motorantriebseinheit und eine elektrische Servolenkungsvorrichtung.
[Hintergrundtechnik]
Vor kurzem sind elektromechanische integrierte Motoren entwickelt worden, in die ein Elektromotor (nachfolgend einfach als „Motor“ bezeichnet), eine Leistungsumwandlungsvorrichtung und eine elektronische Steuerungseinheit (ECU) integriert sind. Insbesondere im Fahrzeugbereich ist eine hohe Qualitätssicherung unter dem Gesichtspunkt der Sicherheit erforderlich. Daher wurde eine redundante Bauweise eingeführt, die auch bei Ausfall einiger Teile sicher weiterarbeiten kann. Als Beispiel für eine redundante Bauweise wird ein Verfahren zur Bereitstellung von zwei Leistungsumwandlungsvorrichtungen für einen Motor untersucht. Als weiteres Beispiel wird ein Verfahren zum Bereitstellen eines Backup-Mikrocontrollers mit einem Hauptmikrocontroller untersucht.
Im Patentdokument 1 ist eine Leistungsumwandlungsvorrichtung offenbart, die eine Steuerungseinheit und zwei Wechselrichter aufweist und Leistung umwandelt, um sie einem dreiphasigen Motor zuzuführen. Die beiden Wechselrichter sind an eine Leistungsversorgung und eine Masse (nachfolgend als „GND“ bezeichnet) angeschlossen. Ein Wechselrichter ist mit einem Ende einer dreiphasigen Wicklung des Motors verbunden und der andere Wechselrichter mit dem anderen Ende der dreiphasigen Wicklung verbunden. Jeder der Wechselrichter weist eine Brückenschaltung auf, die aus drei Schenkeln gebildet ist, die jeweils ein hochseitiges Schaltelement und ein niederseitiges Schaltelement aufweisen. Die Steuerungseinheit schaltet eine Motorsteuerung von einer Normalzustandssteuerung in eine Anormalzustandssteuerung um, wenn die Steuerungseinheit eine Fehlfunktion des Schaltelements in den beiden Wechselrichtern detektiert. Unter der Normalzustandssteuerung wird der Motor beispielsweise durch das Schalten der Schaltelemente der beiden Wechselrichter angetrieben. Unter der Anormalzustandssteuerung wird der Motor beispielsweise von dem nicht gestörten Wechselrichter unter Verwendung eines Neutralpunkts der im gestörten Wechselrichter vorgesehenen Wicklung angetrieben.
[Dokument des Standes der Technik]
[Patentdokument]
Patentdokument 1: Japanische Patentveröffentlichung Nr. 2014-192950.
[Offenbarung]
[Technische Aufgabe]
Im vorstehend beschriebenen Stand der Technik ist eine weitere Verbesserung einer Ausgabe des Motors erforderlich.
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind gerichtet auf eine Bereitstellung einer Leistungsumwandlungsvorrichtung, in welcher eine Ausgabe eines Motors derart geändert werden kann, dass sie eine beliebige Größe aufweist, indem die Anzahl der Spulengruppen, die mit einem Wechselrichter verbunden sind, eingestellt wird.
[Technische Lösung]
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt eine Leistungsumwandlungsvorrichtung bereit, welche von einer Leistungszufuhr zugeführte Leistung in eine Leistung umwandelt, die einem n-phasigen (n ist eine ganze Zahl, die gleich drei oder größer als drei ist) Motor zuzuführen ist, der m (m ist eine ganze Zahl, die gleich drei oder größer als drei ist) in Reihe geschaltete Spulengruppen aufweist, die aufweist: einen ersten Wechselrichter, der mit den einen Enden der m Spulengruppen verbunden ist, einen zweiten Wechselrichter, der mit den anderen Enden der m Spulengruppen verbunden ist, m-1 Trennrelaisschaltungen, die zwischen zwei benachbarten Spulengruppen der m Spulengruppen verbunden sind, wobei jede der m-1 Trennrelaisschaltungen zwischen Verbinden und Trennen der beiden benachbarten Spulengruppen umschaltet, m-1 erste Neutralpunktrelaisschaltungen, die zwischen zwei benachbarten Spulengruppen der ersten Wechselrichterseite von jeder der m-1 Trennrelaisschaltungen bereitgestellt sind, wobei jede der m-1 ersten Neutralpunktrelaisschaltungen zwischen Verbinden und Trennen von Enden der Spulengruppe der ersten Wechselrichterseite aus den beiden benachbarten Spulengruppen umschaltet, und m-1 zweite Neutralpunktrelaisschaltungen, die zwischen zwei benachbarten Spulen der zweiten Wechselrichterseite von jeder der m-1 Trennrelaisschaltungen bereitgestellt sind, wobei jede der m-1 zweiten Neutralpunktrelaisschaltungen zwischen Verbinden und Trennen von Enden der Spulengruppe der zweiten Wechselrichterseite aus den beiden benachbarten Spulengruppen umschaltet.
[Vorteilhafte Effekte]
Gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können bereitgestellt sein: eine Leistungsumwandlungsvorrichtung, in welcher eine Ausgabe eines Motors derart geändert werden kann, dass sie eine beliebige Größe aufweist, indem die Anzahl der Spulengruppen, die mit einem Wechselrichter verbunden sind, unter Verwendung einer Vielzahl von Trennrelaisschaltungen, einer Vielzahl von ersten Neutralpunktrelaisschaltungen und einer Vielzahl von zweiten Neutralpunktrelaisschaltungen eingestellt wird, eine Motorantriebseinheit, die die Leistungsumwandlungsvorrichtung aufweist, und eine elektrische Servolenkungsvorrichtung, die die Motorantriebseinheit aufweist.
Figurenliste

1 ist ein Blockdiagramm, das eine typische Blockkonfiguration einer Motorantriebseinheit (1000) gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform darstellt.
2 ist ein Schaltplan, der eine typische Schaltungskonfiguration einer Leistungsumwandlungsvorrichtung (100) gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform darstellt.
3 ist eine grafische Darstellung, die Beispiele für Stromwellenformen (Sinuswellen) zeigt, die durch Auftragen von Werten von Strömen erhalten werden, die in einer U-Phasenspule, einer V-Phasenspule und einer W-Phasenspule eines Motors (200) fließen, wenn eine Dreiphasen-Leitungssteuerung durchgeführt wird.
4 ist eine grafische Darstellung, die Beispiele für Stromwellenformen (Sinuswellen) zeigt, die durch Auftragen von Werten von Strömen, die in einer zweiten Spulengruppe (220) des Motors (200) fließen, erhalten werden, wenn ein zweiter Wechselrichter (120) eine Dreiphasenleitungssteuerung durchführt.
5 ist eine grafische Darstellung, die Beispiele für Stromwellenformen (Sinuswellen) zeigt, die durch Auftragen von Werten von Strömen erhalten werden, die in einer ersten und einer zweiten Spulengruppe (210, 220) des Motors (200) fließen, wenn eine Zweiphasenleitungssteuerung durchgeführt wird.
6 ist eine grafische Darstellung, die einen Zusammenhang zwischen der Anzahl der Umdrehungen (N, U/s) eines Motors pro Zeiteinheit und einem Drehmoment (T, N·m) darstellt.
7 ist ein Schaltplan, der eine Schaltungskonfiguration einer Leistungsumwandlungsvorrichtung (100A) gemäß einer Abwandlung der ersten beispielhaften Ausführungsform darstellt.
8A ist ein Schaltplan, der eine andere Schaltungskonfiguration der Leistungsumwandlungsvorrichtung (100A) gemäß der Abwandlung der ersten beispielhaften Ausführungsform darstellt.
8B ist ein Schaltplan, der noch eine andere Schaltungskonfiguration der Leistungsumwandlungsvorrichtung (100A) gemäß der Abwandlung der ersten beispielhaften Ausführungsform zeigt.
9 ist ein Schaltplan, der eine typische Schaltungskonfiguration einer Leistungsumwandlungsvorrichtung (100B) gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform darstellt.
10 ist ein Schaltplan, der eine andere Schaltungskonfiguration der Leistungsumwandlungsvorrichtung (100B) gemäß der zweiten beispielhaften Ausführungsform darstellt.
11 ist eine schematische Ansicht, die eine typische Konfiguration einer elektrischen Servolenkungsvorrichtung (2000) gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform zeigt.

[Modi der Erfindung]
Nachfolgend werden Ausführungsformen einer Leistungsumwandlungsvorrichtung, einer Motorantriebseinheit und einer elektrischen Servolenkungsvorrichtung der vorliegenden Offenbarung durch Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben. Um das Verständnis der Fachleute zu erleichtern, können jedoch unnötige Teile der folgenden Beschreibung weggelassen werden, um eine redundante Beschreibung zu vermeiden. So können beispielsweise detaillierte Beschreibungen von bereits bekannten Inhalten und redundante Beschreibungen von im Wesentlichen der gleichen Konfiguration entfallen.
In dieser Beschreibung werden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung als Beispiele für eine Leistungsumwandlungsvorrichtung beschrieben, die von einer Leistungszufuhr zugeführte Leistung in Leistung umwandelt, die einem dreiphasigen Motor, der dreiphasige (U-, V- und W-Phase) Wicklungen (die als „Spulen“ bezeichnet werden können) aufweist, zugeführt werden soll. Eine Leistungsumwandlungsvorrichtung, die von einer Leistungszufuhr zugeführte Leistung in Leistung umwandelt, die einem n-phasigen Motor zugeführt werden soll, der eine n-phasige (n ist eine ganze Zahl, die gleich vier oder größer als vier ist) Wicklung aufweist, wie etwa eine vierphasige Wicklung oder eine fünfphasige Wicklung, ist ebenso vom Umfang der vorliegenden Offenbarung erfasst.
(Erste Ausführungsform)
[Strukturen einer Motorantriebseinheit 1000 und einer Leistungsumwandlungsvorrichtung 100]
1 ist eine schematische Ansicht, die eine typische Blockkonfiguration einer Motorantriebseinheit 1000 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt.
Die Motorantriebseinheit 1000 weist typischerweise eine Leistungsumwandlungsvorrichtung 100, einen Motor 200 und eine Steuerungsschaltung 300 auf.
Die Motorantriebseinheit 1000 kann modularisiert sein und kann beispielsweise als Motormodul, das einen Motor, einen Sensor, einen Treiber und eine Steuerungseinheit aufweist, hergestellt und verkauft werden. In dieser Beschreibung wird die Motorantriebseinheit 1000 als Beispiel für ein System beschrieben, das den Motor 200 als Komponente aufweist. Die Motorantriebseinheit 1000 kann jedoch ein System zum Antreiben des Motors 200 sein, das den Motor 200 nicht als Komponente aufweist.
Die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 weist auf: einen ersten Wechselrichter 110, einen zweiten Wechselrichter 120, eine Trennrelaisschaltung 130, eine erste Neutralpunktrelaisschaltung 140, eine zweite Neutralpunktrelaisschaltung 150 und einen Stromsensor 400. Die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 kann von einer Leistungszufuhr 101 (siehe 2) zugeführte Leistung in dem Motor 200 zuzuführende Leistung umwandeln. So können beispielsweise der erste und zweite Wechselrichter 110 und 120 Gleichstromleistung (DC-Leistung) in dreiphasige Wechselstromleistung (AC-Leistung) umwandeln, was eine Pseudosinuswelle aus einer U-Phase, einer V-Phase und einer W-Phase ist.
Der erste Wechselrichter 110 ist mit einer ersten Spulengruppe 210 des Motors 200 verbunden und der zweite Wechselrichter 120 ist mit einer zweiten Spulengruppe 220 verbunden. In dieser Beschreibung bezieht sich der Begriff „Verbindung“ zwischen Teilen (Komponenten) hauptsächlich auf eine elektrische Verbindung.
Der Motor 200 ist beispielsweise ein dreiphasiger Wechselstrommotor. Der Motor 200 weist die erste und zweite Spulengruppe 210 und 220 auf. Jede der ersten und zweiten Spulengruppe 210 und 220 weist U-, V- und W-Phasenwicklungen auf. Die erste und die zweite Spulengruppe 210 und 220 können durch die nachfolgend beschriebene Trennrelaisschaltung 130 in Reihe geschaltet sein. Ein Wicklungsverfahren der Wicklungen kann ein konzentriertes Wicklungsverfahren oder ein Verteilerwicklungsverfahren aufweisen.
Die Steuerungsschaltung 300 weist einen Mikrocontroller oder dergleichen auf. Die Steuerungsschaltung 300 steuert die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 als Reaktion auf Eingangssignale von dem Stromsensor 400 und dem Winkelsensor 320. Als Steuerungsverfahren gibt es beispielsweise ein Vektorsteuerungsverfahren, ein Pulsweitenmodulationsverfahren (PWM-Verfahren) und ein Direkte-Drehmomentsteuerung-Verfahren (DTC-Verfahren).
Eine detaillierte Schaltungskonfiguration der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 wird mit Bezug auf 2 beschrieben.
2 ist eine schematische Ansicht, die eine typische Schaltungskonfiguration der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt.
Die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 weist typischerweise auf: eine Leistungszufuhr 101, eine Spule 102, einen Kondensator 103, einen ersten Wechselrichter 110, einen zweiten Wechselrichter 120, eine Trennrelaisschaltung 130, eine erste Neutralpunktrelaisschaltung 140 und eine zweite Neutralpunktrelaisschaltung 150.
Die Leistungszufuhr 101 erzeugt eine vorgegebene Spannung (z.B. eine Spannung von 12 V). So wird beispielsweise eine Gleichstromleistungszufuhr als die Leistungszufuhr 101 verwendet. Die Leistungszufuhr 101 kann jedoch ein AC/DC-Wandler oder ein DC/DC-Wandler oder eine Batterie (ein Akkumulator) sein. Die Leistungszufuhr 101 kann eine gemeinsame einzige Leistungszufuhr für den ersten und zweiten Wechselrichter 110 und 120 sein oder eine erste Leistungszufuhr für den ersten Wechselrichter 110 und eine zweite Leistungszufuhr für den zweiten Wechselrichter 120 aufweisen.
Die Spule 102 ist zwischen der Leistungszufuhr 101 und jedem Wechselrichter bereitgestellt. Die Spule 102 fungiert als Rauschfilter und glättet hochfrequentes Rauschen, das in einer Spannungswellenform enthalten ist, die jedem Wechselrichter zugeführt wird, oder hochfrequentes Rauschen, das in jedem Wechselrichter erzeugt wird, um nicht zu der Leistungszufuhr 101 zu fließen. Weiterhin ist der Kondensator 103 mit einem Leistungszufuhranschluss jedes Wechselrichters verbunden. Der Kondensator 103 ist ein sogenannter Bypass-Kondensator und unterdrückt Spannungswelligkeiten. Der Kondensator 103 ist beispielsweise ein Elektrolytkondensator, und seine Kapazität und die Anzahl der zu verwendenden Kondensatoren 103 werden entsprechend den Konstruktionsvorgaben und dergleichen bestimmt.
Der erste Wechselrichter 110 weist eine Brückenschaltung auf, die drei Schenkel aufweist. Jeder der Schenkel weist ein hochseitiges Schaltelement und ein niederseitiges Schaltelement auf. Insbesondere weist ein Schenkel für eine U-Phase ein hochseitiges Schaltelement 111H und ein niederseitiges Schaltelement 111L auf. Ein Schenkel für eine V-Phase weist ein hochseitiges Schaltelement 112H und ein niederseitiges Schaltelement 112L auf. Ein Schenkel für eine W-Phase weist ein hochseitiges Schaltelement 113H und ein niederseitiges Schaltelement 113L auf. Als Schaltelemente können beispielsweise ein Feldeffekttransistor (typischerweise als Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) bezeichnet) oder ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) verwendet werden.
Der erste Wechselrichter 110 weist beispielsweise Nebenschlusswiderstände 111R, 112R und 113R in den Schenkeln als Stromsensor 400 (siehe 1) zum Detektieren von Strömen, die in den U-Phasen-, V-Phasen- bzw. W-Phasenwicklungen fließen, auf. Der Stromsensor 400 weist eine Stromdetektionsschaltung (nicht dargestellt) zum Detektieren des in jedem der Nebenschlusswiderstände fließenden Stroms auf. So kann beispielsweise der Nebenschlusswiderstand zwischen dem niederseitigen Schaltelement und der GND in jedem der Schenkel angeordnet und mit diesem verbunden sein. Ein Widerstandswert des Nebenschlusswiderstandes liegt beispielsweise in einem Bereich von ca. 0,5 mΩ bis 1,0 mΩ.
Die Anzahl der Nebenschlusswiderstände ist nicht auf drei begrenzt. So ist es beispielsweise möglich, zwei Nebenschlusswiderstände 111R und 112R für eine U- und eine V-Phase, zwei Nebenschlusswiderstände 112R und 113R für eine V-Phase und eine W-Phase oder zwei Nebenschlusswiderstände 111R und 113R für eine U-Phase und eine W-Phase zu verwenden. Die Anzahl der zu verwendenden Nebenschlusswiderstände und die Anordnung der Nebenschlusswiderstände werden unter Berücksichtigung der Produktkosten, Konstruktionsspezifikationen und dergleichen angemessen festgelegt.
Der zweite Wechselrichter 120 weist eine Brückenschaltung auf, die drei Schenkel aufweist. Ein Schenkel für eine U-Phase weist ein hochseitiges Schaltelement 121H und ein niederseitiges Schaltelement 121L auf. Ein Schenkel für eine V-Phase weist ein hochseitiges Schaltelement 122H und ein niederseitiges Schaltelement 122L auf. Ein Schenkel für eine W-Phase weist ein hochseitiges Schaltelement 123H und ein niederseitiges Schaltelement 123L auf. Ähnlich dem ersten Wechselrichter 110 weist der zweite Wechselrichter 120 beispielsweise Nebenschlusswiderstände 121R, 122R und 123R auf.
Der erste Wechselrichter 110 ist mit einem Ende der ersten Spulengruppe 210 verbunden. Insbesondere ist der Schenkel (d.h. ein Knoten zwischen dem hochseitigen Schaltelement und dem niederseitigen Schaltelement) für die U-Phase des ersten Wechselrichters 110 mit einem Ende einer U-Phasenspule 211 der ersten Spulengruppe 210 verbunden. Der Schenkel für die V-Phase ist mit einem Ende einer V-Phasenspule 212 verbunden. Der W-Phasen-Schenkel ist mit einem Ende einer W-Phasenspule 213 verbunden.
Der zweite Wechselrichter 120 ist mit einem Ende der zweiten Spulengruppe 220 verbunden. Insbesondere ist der Schenkel für die U-Phase des zweiten Wechselrichters 120 mit einem Ende einer U-Phasenspule 221 der zweiten Spulengruppe 220 verbunden. Der Schenkel für die V-Phase ist mit einem Ende einer V-Phasenspule 222 verbunden. Der Schenkel für die W-Phase ist mit einem Ende einer W-Phasenspule 223 verbunden.
Die Trennrelaisschaltung 130 ist mit dem anderen Ende der ersten Spulengruppe 210 und dem anderen Ende der zweiten Spulengruppe 220 verbunden. Die Trennrelaisschaltung 130 kann zwischen Verbinden und Trennen der ersten und zweiten Spulengruppe 210 und 220 umschalten.
Die Trennrelaisschaltung 130 weist drei Trennrelais 131, 132 und 133 zum Umschalten zwischen Verbinden und Trennen der drei Spulen 211, 212 und 213 der ersten Spulengruppe 210 und der drei Spulen 221, 222 und 223 der zweiten Spulengruppe 220 auf. Insbesondere ist das Trennrelais 131 mit dem anderen Ende der Spule 211 der ersten Spulengruppe 210 und dem anderen Ende der Spule 221 der zweiten Spulengruppe 220 verbunden und schaltet zwischen Verbinden und Trennen der Spulen um. Das Trennrelais 132 ist mit dem anderen Ende der Spule 212 und dem anderen Ende der Spule 222 verbunden und schaltet zwischen Verbinden und Trennen der Spulen um. Das Trennrelais 133 ist mit dem anderen Ende der Spule 213 und dem anderen Ende der Spule 223 verbunden und schaltet zwischen Verbinden und Trennen der Spulen um.
Die erste Neutralpunktrelaisschaltung 140 ist mit dem anderen Ende der ersten Spulengruppe 210 verbunden. Die erste Neutralpunktrelaisschaltung 140 kann zwischen Verbinden und Trennen der anderen Enden der ersten Spulengruppe 210 umschalten.
Die erste Neutralpunktrelaisschaltung 140 weist drei erste Neutralpunktrelais 141, 142 und 143 auf, von denen die einen Enden gemeinsam mit einem Knoten N1 verbunden sind und die anderen Enden mit den drei Spulen 211, 212 und 213 der ersten Spulengruppe 210 verbunden sind. Insbesondere ist das erste Neutralpunktrelais 141 mit dem Knoten N1 und dem anderen Ende der Spule 211 verbunden. Das erste Neutralpunktrelais 142 ist mit dem Knoten N1 und dem anderen Ende der Spule 212 verbunden. Das erste Neutralpunktrelais 143 ist mit dem Knoten N1 und dem anderen Ende der Spule 213 verbunden.
Die zweite Neutralpunktrelaisschaltung 150 ist mit dem anderen Ende der zweiten Spulengruppe 220 verbunden. Die zweite Neutralpunktrelaisschaltung 150 kann zwischen Verbinden und Trennen der anderen Enden der zweiten Spulengruppe 220 umschalten.
Die zweite Neutralpunktrelaisschaltung 150 weist drei zweite Neutralpunktrelais 151, 152 und 153 auf, von denen die einen Enden gemeinsam mit einem Knoten N2 verbunden sind und die anderen Enden mit den drei Spulen 221, 222 und 223 der zweiten Spulengruppe 220 verbunden sind. Insbesondere ist das zweite Neutralpunktrelais 151 mit dem Knoten N2 und dem anderen Ende der Spule 221 verbunden. Das zweite Neutralpunktrelais 152 ist mit dem Knoten N2 und dem anderen Ende der Spule 222 verbunden. Das zweite Neutralpunktrelais 153 ist mit dem Knoten N2 und dem anderen Ende der Spule 223 verbunden.
Als die vorangehend beschriebenen Trennrelais und Neutralpunktrelais können zum Beispiel Halbleiterschaltelemente, wie MOSFETs, Thyristoren, integrierte Analogschaltkreise (ICs), Triacs oder dergleichen, oder mechanische Relais verwendet werden.
Nachfolgend werden Ein- und Ausschaltzustände der Trennrelaisschaltung 130 und der ersten und zweiten Neutralpunktrelaisschaltung 140 und 150 sowie eine elektrische Verbindungsbeziehung zwischen der ersten und zweiten Spulengruppe 210 und 220 im Ein- und Ausschaltzustand im Detail beschrieben.
Wenn die Trennrelaisschaltung 130 eingeschaltet ist, sind die erste Spulengruppe 210 und die zweite Spulengruppe 220 verbunden. Wenn die Trennrelaisschaltung 130 ausgeschaltet ist, ist die erste Spulengruppe 210 von der zweiten Spulengruppe 220 elektrisch getrennt. Der Satz „die Trennrelaisschaltung 130 ist eingeschaltet“ bedeutet, dass die Trennrelais 131, 132 und 133 in der Trennrelaisschaltung 130 alle eingeschaltet sind, und der Satz „die Trennrelaisschaltung 130 ist ausgeschaltet“ bedeutet, dass die Trennrelais 131, 132 und 133 alle ausgeschaltet sind.
Wenn die erste Neutralpunktrelaisschaltung 140 eingeschaltet ist, sind die anderen Enden der dreiphasigen Spulen 211, 212 und 213 der ersten Spulengruppe 210 angeschlossen. Dadurch ist die erste Spulengruppe 210 sterngeschaltet (Y-verbunden). Der Knoten N1 in der ersten Neutralpunktrelaisschaltung 140 kann als Neutralpunkt fungieren. Wenn die erste Neutralpunktrelaisschaltung 140 ausgeschaltet ist, sind die anderen Enden der dreiphasigen Spulen 211, 212 und 213 nicht angeschlossen. Der Satz „die erste Neutralpunktrelaisschaltung 140 ist eingeschaltet“ bedeutet, dass die ersten Neutralpunktrelais 141, 142 und 143 in der ersten Neutralpunktrelaisschaltung 140 alle eingeschaltet sind, und der Satz „die erste Neutralpunktrelaisschaltung 140 ist ausgeschaltet“ bedeutet, dass die ersten Neutralpunktrelais 141, 142 und 143 alle ausgeschaltet sind.
Wenn die zweite Neutralpunktrelaisschaltung 150 eingeschaltet ist, sind die anderen Enden der dreiphasigen Spulen 221, 222 und 223 der zweiten Spulengruppe 220 angeschlossen. Dadurch ist die zweite Spulengruppe 220 sterngeschaltet. Der Knoten N2 in der zweiten Neutralpunktrelaisschaltung 150 kann als Neutralpunkt fungieren. Wenn die zweite Neutralpunktrelaisschaltung 150 ausgeschaltet ist, sind die anderen Enden der dreiphasigen Spulen 221, 222 und 223 nicht angeschlossen. Der Satz „die zweite Neutralpunktrelaisschaltung 150 ist eingeschaltet“ bedeutet, dass die zweiten Neutralpunktrelais 151, 152 und 153 in der zweiten Neutralpunktrelaisschaltung 150 alle eingeschaltet sind, und der Satz „die zweite Neutralpunktrelaisschaltung 150 ist ausgeschaltet“ bedeutet, dass die zweiten Neutralpunktrelais 151, 152 und 153 alle ausgeschaltet sind.
In der vorliegenden Ausführungsform sind die Trennrelaisschaltung 130 sowie die erste und zweite Neutralpunktrelaisschaltung 140 und 150 nicht gleichzeitig ein- oder ausgeschaltet. Wenn die Trennrelaisschaltung 130 eingeschaltet ist, sind die erste und zweite Neutralpunktrelaisschaltung 140 und 150 ausgeschaltet. Wenn die Trennrelaisschaltung 130 ausgeschaltet ist, ist mindestens eine der ersten und zweiten Neutralpunktrelaisschaltung 140 und 150 eingeschaltet.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 weist die Steuerungsschaltung 300 beispielsweise auf: eine Leistungszufuhrschaltung 310, einen Winkelsensor 320, eine Eingangsschaltung 330, einen Mikrocontroller 340, eine Treiberschaltung 350 und einen Festwertspeicher (ROM) 360. Die Steuerungsschaltung 300 ist mit der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 verbunden. Die Steuerungsschaltung 300 steuert die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100, insbesondere den ersten Wechselrichter 110, den zweiten Wechselrichter 120, die Trennrelaisschaltung 130, die erste Neutralpunktrelaisschaltung 140 und die zweite Neutralpunktrelaisschaltung 150.
Die Steuerungsschaltung 300 kann eine Regelung realisieren, indem sie eine Soll-Position (Drehwinkel), eine Soll-Drehzahl und einen Soll-Strom eines Rotors steuert/regelt. So wird beispielsweise die Drehzahl durch zeitliche Differenzierung des Drehwinkels (rad) erhalten und durch die Anzahl der Umdrehungen (U/min) dargestellt, mit denen sich der Rotor während einer Zeiteinheit (z.B. einer Minute) dreht. Die Steuerungsschaltung 300 kann anstelle des Winkelsensors einen Drehmomentsensor aufweisen. In diesem Fall kann die Steuerungsschaltung 300 ein Soll-Motordrehmoment steuern.
Die Leistungszufuhrschaltung 310 erzeugt eine Gleichspannung (z.B. eine Spannung von 3 V oder 5 V), die für jeden Block in der Schaltung erforderlich ist.
Der Winkelsensor 320 ist z.B. ein Resolver oder eine Hall-IC. Der Winkelsensor 320 wird durch eine Kombination aus einem magnetoresistiven (MR) Sensor, welcher ein MR-Element aufweist, und einem Sensormagneten realisiert. Der Winkelsensor 320 erfasst einen Drehwinkel (nachfolgend als „ein Drehsignal“ bezeichnet) des Rotors des Motors 200 und gibt das Drehsignal an den Mikrocontroller 340 aus. Gemäß dem Motorsteuerungsverfahren (z.B. sensorlose Steuerung) ist der Winkelsensor 320 möglicherweise nicht erforderlich.
Die Eingangsschaltung 330 empfängt einen Stromwert (nachfolgend als „ein Ist-Stromwert“ bezeichnet) des Motors, der vom Stromsensor 400 erfasst wird. Die Eingangsschaltung 330 ändert ein Niveau des Ist-Stromwertes auf ein Eingangsniveau des Mikrocontrollers 340 und gibt den Ist-Stromwert an den Mikrocontroller 340 aus. Die Eingangsschaltung 330 ist eine Analog-Digital-Wandlerschaltung.
Der Mikrocontroller 340 empfängt das Rotationssignal des Rotors, das vom Winkelsensor 320 erfasst wird. Der Mikrocontroller 340 setzt einen Soll-Stromwert entsprechend dem Ist-Stromwert und dem Rotationssignal des Rotors zur Erzeugung eines PWM-Signals und gibt das PWM-Signal an die Treiberschaltung 350 aus.
So erzeugt beispielsweise der Mikrocontroller 340 ein PWM-Signal zum Steuern/Regeln eines Schaltbetriebs (Ein- oder Ausschaltbetrieb) jedes Schaltelements in dem ersten und zweiten Wechselrichter 110 und 120 der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100. Der Mikrocontroller 340 kann Signale zum Bestimmen eines Ein- und Ausschaltzustands jedes Trennrelais in der Trennrelaisschaltung 130 der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 und zum Bestimmen eines Ein- und Ausschaltzustands jedes Neutralpunktrelais in der ersten und zweiten Neutralpunktrelaisschaltung 140 und 150 erzeugen.
Die Treiberschaltung 350 ist typischerweise ein Gate-Treiber. Die Treiberschaltung 350 erzeugt ein Steuerungssignal (z.B. ein Gate-Steuerungssignal) zum Steuern eines Schaltbetriebs jedes Schaltelements als Reaktion auf das PWM-Signal und liefert das Steuerungssignal an das Schaltelement. Darüber hinaus kann die Treiberschaltung 350 Steuerungssignale zum Ein- und Ausschalten der Relais als Reaktion auf die Signale zum Bestimmen des Ein- und Ausschaltzustandes jedes Trennrelais und jedes Neutralpunktrelais, die vom Mikrocontroller 340 empfangen werden, erzeugen und die Steuerungssignale an das Trennrelais und das Neutralpunktrelais liefern. Der Mikrocontroller 340 kann eine Funktion der Treiberschaltung 350 haben. In diesem Fall ist die Treiberschaltung 350 nicht erforderlich.
Die ROM 360 ist beispielsweise ein beschreibbarer Speicher (z.B. ein programmierbarer ROM (PROM)), ein wiederbeschreibbarer Speicher (z.B. ein Flash-Speicher) oder ein ROM. Der ROM 360 speichert ein Steuerungsprogramm, das eine Gruppe von Anweisungen aufweist, um den Mikrocontroller 340 zu veranlassen, die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 zu steuern. So wird beispielsweise das Steuerungsprogramm zum Zeitpunkt eines Bootvorgangs temporär in einen Direktzugriffsspeicher (RAM) (nicht dargestellt) geladen.
[Betrieb einer Motorantriebseinheit 1000]
Nachfolgend wird ein spezifisches Beispiel für einen Betrieb der Motorantriebseinheit 1000 beschrieben und ein spezifisches Beispiel für einen Betrieb der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 wird hauptsächlich beschrieben.
Eine Steuerung/Regelung der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 weist eine Normalzustandssteuerung und eine Anormalzustandssteuerung auf. Die Steuerungsschaltung 300 (hauptsächlich der Mikrocontroller 340) kann die Steuerung der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 von der Normalzustandssteuerung in die Anormalzustandssteuerung umschalten.
Der Begriff „Normalzustand“ bezieht sich auf einen Zustand, in dem keine Fehlfunktion in den Schaltelementen des ersten und zweiten Wechselrichters 110 und 120 auftritt. Die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 verfügt über einen ersten und einen zweiten Betriebsmodus unter der Normalzustandssteuerung. Der erste Betriebsmodus ist ein Betriebsmodus, in dem eine hohe Motorausgabe (hohe Ausgabe) aufgrund einer Hochgeschwindigkeitsdrehung des Motors nicht erforderlich ist. Der erste Betriebsmodus entspricht einem konventionellen Modus, der im Allgemeinen zum Antreiben einer Leistungsumwandlungsvorrichtung verwendet wird, bei der ein Wechselrichter mit einem Ende einer Spule verbunden ist und der andere Wechselrichter mit dem anderen Ende der Spule verbunden ist. Der zweite Betriebsmodus ist ein Betriebsmodus, in dem eine hohe Ausgabe aufgrund einer Hochgeschwindigkeitsdrehung des Motors erforderlich ist. Die Steuerungsschaltung 300 kann den Normalbetriebsmodus zwischen dem ersten und zweiten Betriebsmodus umschalten.
(Erster Betriebsmodus)
Die Steuerungsschaltung 300 schaltet die Trennrelaisschaltung 130 ein und schaltet die erste und zweite Neutralpunktrelaisschaltung 140 und 150 aus. Dementsprechend sind in einem Zustand, in dem der erste Wechselrichter 110 mit einem Ende der ersten Spulengruppe 210 verbunden ist und der zweite Wechselrichter 120 mit einem Ende der zweiten Spulengruppe 220 verbunden ist, die anderen Enden der ersten und zweiten Spulengruppe 210 und 220 verbunden. Im obigen Anschlusszustand führen der erste und zweite Wechselrichter 110 und 120 eine Dreiphasenleitungssteuerung durch, um in den dreiphasigen Spulen fließende Ströme unabhängig zu steuern.
3 zeigt Beispiele für Stromwellenformen (Sinuswellen), die durch Auftragen von Werten von Strömen erhalten werden, die in einer U-Phasenspule, einer V-Phasenspule und einer W-Phasenspule des Motors 200 fließen, wenn eine Dreiphasenleitungssteuerung durchgeführt wird. In den Stromwellenformen von 3 sind die Stromwerte alle 30° des elektrischen Winkels dargestellt. I_pk bezeichnet einen maximalen Stromwert (Spitzenstromwert) jeder Phase.

Tabelle 1 zeigt Werte von Strömen, die in den Spulen von jeweiligen Phasen fließen, für jeden elektrischen Winkel in den Sinuswellen von 3. Insbesondere zeigt Tabelle 1 die Werte der Ströme, die vom ersten Wechselrichter 110 zu den Spulen von jeweiligen Phasen bei jedem elektrischen Winkel von 30° fließen, und die Werte der Ströme, die vom zweiten Wechselrichter 120 zu den Spulen von jeweiligen Phasen bei jedem elektrischen Winkel von 30° fließen. Hier wird für den ersten Wechselrichter 110 eine Richtung des vom ersten Wechselrichter 110 zu den Spulen von jeweiligen Phasen fließenden Stroms als positive Richtung definiert. Die Richtung des in 3 dargestellten Stroms folgt der obigen Definition. Darüber hinaus ist für den zweiten Wechselrichter 120 eine Richtung des vom zweiten Wechselrichter 120 zu den Spulen von jeweiligen Phasen fließenden Stroms als positive Richtung definiert. Daher beträgt eine Phasendifferenz zwischen dem Strom des ersten Wechselrichters 110 und dem Strom des zweiten Wechselrichters 120 180°. In Tabelle 1 ist ein Betrag eines Stromwertes I₁ [(3)^1/2/2]*I_pk und ein Betrag eines Stromwertes I₂ ist I_pk/2. [Tabelle 1]

Normaler Betrieb		Elektrischer Winkel [Grad]
Normaler Betrieb		0 (360)	30	60	90	120	150	180	210	240	270	300	330
Erster Wechselrichter	U-Phase	0	12	I₁	I_pk	I₁	I₂	0	-I₂	-I₁	-I_pk	-I₁	-I₂
	V-Phase	-I₁	-I_pk	-I₁	-I₂	0	I₂	I₁	I_pk	I₁	I₂	0	-I₂
	w-Phase	I₁	I₂	0	-I₂	-I₁	-I_pk	-I₁	-I₂	0	I₂	I₁	I_pk
Zweiter Wechselrichter	U-Phase	0	-I₂	-I₁	-I_pk	-I₁	-I₂	0	I₂	I₁	I_pk	I₁	I₂
	V-Phase	I₁	I_pk	I₁	I₂	0	-I₂	-I₁	-I_pk	-I₁	-I₂	0	I₂
	w-Phase	-I₁	-I₂	0	I₂	I₁	I_pk	I₁	I₂	0	-I₂	-I₁	-I_pk

Bei einem elektrischen Winkel von 0° fließt in den beiden U-Phasenspulen 211 und 221 kein Strom. Ein Strom vom Betrag I₁ fließt in den beiden V-Phasenspulen 212 und 222 vom zweiten Wechselrichter 120 zum ersten Wechselrichter 110 und ein Strom vom Betrag I₁ fließt in den beiden W-Phasenspulen 213 und 223 vom ersten Wechselrichter 110 zum zweiten Wechselrichter 120.
Bei einem elektrischen Winkel von 30° fließt ein Strom vom Betrag I₂ in den beiden U-Phasenspulen 211 und 221 vom ersten Wechselrichter 110 zum zweiten Wechselrichter 120, fließt ein Strom vom Betrag I_pk in den beiden V-Phasenspulen 212 und 222 vom zweiten Wechselrichter 120 zum ersten Wechselrichter 110 und fließt ein Strom vom Betrag I₂ in den beiden W-Phasenspulen 213 und 223 vom ersten Wechselrichter 110 zum zweiten Wechselrichter 120.
Bei einem elektrischen Winkel von 60° fließt ein Strom vom Betrag I₁ in den beiden U-Phasenspulen 211 und 221 vom ersten Wechselrichter 110 zum zweiten Wechselrichter 120 und fließt ein Strom vom Betrag I₁ in den beiden V-Phasenspulen 212 und 222 vom zweiten Wechselrichter 120 zum ersten Wechselrichter 110. In den beiden W-Phasenspulen 213 und 223 fließt kein Strom.
Bei einem elektrischen Winkel von 90° fließt ein Strom vom Betrag I_pk in den beiden U-Phasenspulen 211 und 221 vom ersten Wechselrichter 110 zum zweiten Wechselrichter 120, fließt ein Strom vom Betrag I₂ in den beiden V-Phasenspulen 212 und 222 vom zweiten Wechselrichter 120 zum ersten Wechselrichter 110 und fließt ein Strom vom Betrag I₂ in den beiden W-Phasenspulen 213 und 223 vom zweiten Wechselrichter 120 zum ersten Wechselrichter 110.
Bei einem elektrischen Winkel von 120° fließt ein Strom vom Betrag I₁ in den beiden U-Phasenspulen 211 und 221 vom ersten Wechselrichter 110 zum zweiten Wechselrichter 120 und fließt ein Strom vom Betrag I₁ in den beiden W-Phasenspulen 213 und 223 vom zweiten Wechselrichter 120 zum ersten Wechselrichter 110. In den beiden V-Phasenspulen 212 und 222 fließt kein Strom.
Bei einem elektrischen Winkel von 150° fließt ein Strom vom Betrag I₂ in den beiden U-Phasenspulen 211 und 221 vom ersten Wechselrichter 110 zum zweiten Wechselrichter 120, fließt ein Strom vom Betrag I₂ in den beiden V-Phasenspulen 212 und 222 vom ersten Wechselrichter 110 zum zweiten Wechselrichter 120 und fließt ein Strom vom Betrag I_pk in den beiden W-Phasenspulen 213 und 223 vom zweiten Wechselrichter 120 zum ersten Wechselrichter 110.
Bei einem elektrischen Winkel von 180° fließt in den beiden U-Phasenspulen 211 und 221 kein Strom. Ein Strom vom Betrag I₁ fließt in den beiden V-Phasenspulen 212 und 222 vom ersten Wechselrichter 110 zum zweiten Wechselrichter 120 und ein Strom vom Betrag I₁ fließt in den beiden W-Phasenspulen 213 und 223 vom zweiten Wechselrichter 120 zum ersten Wechselrichter 110.
Bei einem elektrischen Winkel von 210° fließt ein Strom vom Betrag I₂ in den beiden U-Phasenspulen 211 und 221 vom zweiten Wechselrichter 120 zum ersten Wechselrichter 110, fließt ein Strom vom Betrag I_pk in den beiden V-Phasenspulen 212 und 222 vom ersten Wechselrichter 110 zum zweiten Wechselrichter 120 und fließt ein Strom vom Betrag I₂ in den beiden W-Phasenspulen 213 und 223 vom zweiten Wechselrichter 120 zum ersten Wechselrichter 110.
Bei einem elektrischen Winkel von 240° fließt ein Strom vom Betrag I₁ in den beiden U-Phasenspulen 211 und 221 vom zweiten Wechselrichter 120 zum ersten Wechselrichter 110 und fließt ein Strom vom Betrag I₁ in den beiden V-Phasenspulen 212 und 222 vom ersten Wechselrichter 110 zum zweiten Wechselrichter 120. In den beiden W-Phasenspulen 213 und 223 fließt kein Strom.
Bei einem elektrischen Winkel von 270° fließt ein Strom vom Betrag I_pk in den beiden U-Phasenspulen 211 und 221 vom zweiten Wechselrichter 120 zum ersten Wechselrichter 110, fließt ein Strom vom Betrag I₂ in den beiden V-Phasenspulen 212 und 222 vom ersten Wechselrichter 110 zum zweiten Wechselrichter 120 und fließt der Strom vom Betrag I₂ in den beiden W-Phasenspulen 213 und 223 vom ersten Wechselrichter 110 zum zweiten Wechselrichter 120.
Bei einem elektrischen Winkel von 300° fließt ein Strom vom Betrag I₁ in den beiden U-Phasenspulen 211 und 221 vom zweiten Wechselrichter 120 zum ersten Wechselrichter 110 und fließt ein Strom vom Betrag I₁ in den beiden W-Phasenspulen 213 und 223 vom ersten Wechselrichter 110 zum zweiten Wechselrichter 120. In den beiden V-Phasenspulen 212 und 222 fließt kein Strom.
Bei einem elektrischen Winkel von 330° fließt ein Strom vom Betrag I₂ in den beiden U-Phasenspulen 211 und 221 vom zweiten Wechselrichter 120 zum ersten Wechselrichter 110, fließt ein Strom vom Betrag I₂ in den beiden V-Phasenspulen 212 und 222 vom zweiten Wechselrichter 120 zum ersten Wechselrichter 110 und fließt ein Strom vom Betrag I_pk in den beiden W-Phasenspulen 213 und 223 vom ersten Wechselrichter 110 zum zweiten Wechselrichter 120.
In den in 3 dargestellten Stromwellenformen wird für jeden elektrischen Winkel eine Gesamtsumme der Werte der in den dreiphasigen Spulen fließenden Ströme unter Berücksichtigung der Stromrichtung Null. Gemäß der Schaltungskonfiguration der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 können jedoch die in den dreiphasigen Spulen fließenden Ströme unabhängig gesteuert werden, so dass eine Steuerung möglich ist, bei der die Gesamtsumme der Werte der Ströme nicht Null wird. So steuert beispielsweise die Steuerungsschaltung 300 den Schaltbetrieb jedes Schaltelements des ersten und zweiten Wechselrichters 110 und 120 durch PWM-Steuerung, bei der die in 3 dargestellten Stromwellenformen erhalten werden.
(Zweiter Betriebsmodus)
Die Steuerungsschaltung 300 kann den Betriebsmodus vom ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus umschalten, wenn eine hohe Ausgabe aufgrund einer Hochgeschwindigkeitsdrehung des Motors erforderlich ist. Im zweiten Betriebsmodus ist die Trennrelaisschaltung 130 ausgeschaltet und die erste und zweite Neutralpunktrelaisschaltung 140 und 150 sind eingeschaltet. Dementsprechend ist die erste Spulengruppe 210 von der zweiten Spulengruppe getrennt. Die anderen Enden der ersten Spulengruppe 210 sind sterngeschaltet und die anderen Enden der zweiten Spulengruppe 220 sind sterngeschaltet. Durch die obige Verbindung fungiert jeder von dem Knoten N1 der ersten Neutralpunktrelaisschaltung 140 und dem Knoten N2 der zweiten Neutralpunktrelaisschaltung 150 als Neutralpunkt.
Der erste Wechselrichter 110 ist mit der sterngeschalteten ersten Spulengruppe 210 verbunden und der zweite Wechselrichter 120 ist mit der sterngeschalteten zweiten Spulengruppe 220 verbunden. Im obigen Verbindungszustand kann der erste Wechselrichter 110 die Leitfähigkeit der ersten Spulengruppe 210 ermöglichen und der zweite Wechselrichter 120 die Leitfähigkeit der zweiten Spulengruppe 220 ermöglichen.
4 zeigt Beispiele für Stromwellenformen (Sinuswellen), die durch Auftragen von Werten von Strömen erhalten werden, die in der zweiten Spulengruppe 220 des Motors 200 fließen, wenn der zweite Wechselrichter 120 eine Dreiphasenleitungssteuerung durchführt. Eine horizontale Achse gibt einen elektrischen Winkel (Grad) des Motors an, und eine vertikale Achse gibt einen Stromwert (A) an. In den Stromwellenformen von 4 werden die Stromwerte alle 30° des elektrischen Winkels dargestellt. I_pk bezeichnet einen maximalen Stromwert (Spitzenstromwert) jeder Phase.

Tabelle 2 zeigt Werte von Strömen, die in den Spulen von jeweiligen Phasen der zweiten Spulengruppe 220 fließen, für jeden elektrischen Winkel in den Sinuswellen von 4. Positive und negative Vorzeichen der in 4 dargestellten Stromwerte folgen der oben beschriebenen Definition der Stromrichtung. [Tabelle 2]

Normaler Betrieb		Elektrischer Winkel [Grad]
Normaler Betrieb		0 (360)	30	60	90	120	150	180	210	240	270	300	330
Zweiter Wechselrichter	U-Phase	0	-I₂	-I₁	-I_pk	-I₁	-I₂	0	I₂	I₁	I_pk	I₁	I₂
	V-Phase	I₁	I_pk	I₁	I₂	0	-I₂	-I₁	-I_pk	-I₁	-I₂	0	I₂
	w-Phase	-I₁	-I₂	0	I₂	I₁	I_pk	I₁	I₂	0	-I₂	-I₁	-I_pk

So fließt beispielsweise bei einem elektrischen Winkel von 30° ein Strom vom Betrag I₂ in der U-Phasenspule 221 zum zweiten Wechselrichter 120, fließt ein Strom vom Betrag I_pk in der V-Phasenspule 222 vom zweiten Wechselrichter 120 und fließt ein Strom vom Betrag I₂ in der W-Phasenspule 223 zum zweiten Wechselrichter 120. Bei einem elektrischen Winkel von 60° fließt ein Strom vom Betrag I₁ in der U-Phasenspule 221 zum zweiten Wechselrichter 120 und fließt ein Strom vom Betrag I₁ in der V-Phasenspule 222 vom zweiten Wechselrichter 120. In der W-Phasenspule 223 fließt kein Strom.
In einem allgemeinen Motor von einem Sternschaltungstyp ist eine Summe der Werte der Ströme, die in dreiphasigen Wicklungen unter Berücksichtigung einer Stromrichtung fließen, für jeden elektrischen Winkel Null. So kann beispielsweise die Steuerungsschaltung 300 den Schaltbetrieb jedes Schaltelements des zweiten Wechselrichters 120 durch PWM-Steuerung steuern, bei der die in 4 dargestellten Stromwellenformen erhalten werden. Die Steuerungsschaltung 300 kann den ersten Wechselrichter 110 auf die gleiche Weise steuern wie den zweiten Wechselrichter 120. Da ein gesamter leitfähiger Strom zwischen dem ersten und zweiten Betriebsmodus nicht geändert wird, ist ein Unterstützungsdrehmoment des Motors gleich.
In einem Verbindungsverfahren einer Sternschaltung ist ein Verfahren zur Verbesserung eines Spannungsausnutzungsverhältnisses unter Verwendung von Potenzialen (Neutralpunktpotenzialen) von Knoten N1 und N2 bekannt. Insbesondere kann eine an die Spulen angelegte maximale Spannung erhöht werden, indem eine dritte harmonische Komponente einer dreiphasigen Spannung überlagert wird. Durch die positive Anwendung des obigen Verfahrens ist es möglich, den Motor 200 in dem zweiten Betriebsmodus mit einer höheren Drehzahl zu drehen als in dem ersten Betriebsmodus.
(Dritter Betriebsmodus)
Ein dritter Betriebsmodus ist ein Betriebsmodus, der für eine Anormalzustandssteuerung verwendet wird. Der Begriff „anormaler Zustand“ bezieht sich hauptsächlich auf einen Zustand, in dem eine Fehlfunktion in den Schaltelementen des ersten und zweiten Wechselrichters 110 und 120 auftritt und der Motor im ersten und zweiten Betriebsmodus nicht angetrieben werden kann. Beispielsweise können, wenn ein MOSFET als das Schaltelement verwendet wird, Fehlfunktionen weitgehend in eine Offen-Fehlfunktion und eine Kurzschluss-Fehlfunktion unterteilt werden. Der Begriff „Offen-Fehlfunktion“ bezieht sich auf eine Fehlfunktion, bei der ein Source-Drain eines FET offen ist (d.h. ein Widerstand (rds) zwischen Source-Drains wird hochohmig), und der Begriff „Kurzschluss-Fehlfunktion“ bezieht sich auf eine Fehlfunktion, bei der der Source-Drain des FET kurzgeschlossen ist. Nachfolgend wird der Betriebsmodus unter der Annahme beschrieben, dass eine Fehlfunktion im Schaltelement des ersten Wechselrichters 110 auftritt. Ähnlich wird die Steuerung durch den Betriebsmodus auch auf den Fall angewendet, in dem eine Fehlfunktion im Schaltelement des zweiten Wechselrichters 120 auftritt.
So schaltet beispielsweise die Steuerungsschaltung 300 die Trennrelaisschaltung 130 ein und schaltet die erste und zweite Neutralpunktrelaisschaltung 140 und 150 in derselben Weise wie in dem ersten Betriebsmodus ab. Dementsprechend ist die erste Spulengruppe 210 mit der zweiten Spulengruppe 220 verbunden.
Es wird davon ausgegangen, dass eine Offen-Fehlfunktion im hochseitigen Schaltelement 111H des ersten Wechselrichters 110 auftritt (siehe 2). So schaltet beispielsweise die Steuerungsschaltung 300 die anderen hochseitigen Schaltelemente 112H und 113H des ersten Wechselrichters 110 ab und schaltet alle niederseitigen Schaltelemente 111L, 112L und 113L ein. Durch die obige Steuerung kann ein Knoten NL (siehe 2) an einer niedrigen Seite des ersten Wechselrichters 110 als Neutralpunkt fungieren. Der zweite, nicht fehlerhaft funktionierende Wechselrichter 120 kann ermöglichen, dass die erste und zweite Spulengruppe 210 und 220 unter Verwendung des Neutralpunkts des ersten Wechselrichters 110 leitfähig sind.
Der Satz „ein Knoten fungiert als Neutralpunkt“ bedeutet, dass die Potenziale von drei Knoten L1, L2 und L3 (Knoten zwischen hochseitigen Schaltelementen und niederseitigen Schaltelementen von jeweiligen Schenkeln), die Schenkel jeder Phase eines Wechselrichters mit Spulen jeder Phase verbinden, angeglichen werden. Ein- und Ausschaltmuster der Schaltelemente, um die drei Knoten potenzialgleich zu machen, sind nicht auf die oben beschriebenen Muster beschränkt und können verschiedene andere Muster sein.
So kann beispielsweise die Steuerungsschaltung 300 den Schaltvorgang jedes Schaltelements des zweiten Wechselrichters 120 durch PWM-Steuerung steuern, bei der die in 4 dargestellten Stromwellenformen erhalten werden. Der zweite Wechselrichter 120 ermöglicht es, dass die erste und zweite Spulengruppe 210 und 220 leitfähig sind.
Die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 weist für jede Phase eine H-Brücke auf. Eine U-Phasen-H-Brücke weist auf: einen Schenkel, der die Schaltelemente 111H und 111L aufweist, und einen Schenkel, der die Schaltelemente 121H und 121L aufweist. Eine V-Phasen-H-Brücke weist auf: einen Schenkel, der die Schaltelemente 112H und 112L aufweist, und einen Schenkel, der die Schaltelemente 122H und 122L aufweist. Eine W-Phasen-H-Brücke weist auf: einen Schenkel, der die Schaltelemente 113H und 113L aufweist, und einen Schenkel, der die Schaltelemente 123H und 123L aufweist. So kann beispielsweise die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 eine Zweiphasenleitungssteuerung unter Verwendung von zwei anderen H-Brücken durchführen, die verschieden von einer H-Brücke sind, die ein Schaltelement aufweist, das eine Fehlfunktion aufgewiesen hat.
Wenn beispielsweise eine Offen-Fehlfunktion in dem hochseitigen Schaltelement 111H des ersten Wechselrichters 110 auftritt, kann die U-Phasen-H-Brücke nicht verwendet werden. Die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 führt eine Zweiphasenleitungssteuerung unter Verwendung einer V-Phasen-H-Brücke und einer W-Phasen-H-Brücke durch. Selbst wenn die V-Phasen-H-Brücke oder die W-Phasen-H-Brücke nicht verwendet werden kann, kann die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 eine Zweiphasenleitungssteuerung unter Verwendung von verschiedenen zweiphasigen H-Brücken durchführen.
5 zeigt Beispiele für Stromwellenformen (Sinuswellen), die durch Auftragen von Werten von Strömen, die in der ersten und zweiten Spulengruppe 210 und 220 des Motors 200 fließen, erhalten werden, wenn die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 eine Zweiphasenleitungssteuerung durchführt. Eine horizontale Achse gibt einen elektrischen Winkel (Grad) des Motors an, und eine vertikale Achse gibt einen Stromwert (A) an. In den Stromwellenformen von 5 werden die Stromwerte alle 30° des elektrischen Winkels aufgetragen. I_pk bezeichnet einen maximalen Stromwert (Spitzenstromwert) jeder Phase. Die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 kann es ermöglichen, dass V- und W-Phasenspulen unter Verwendung von V- und W-Phasen-H-Brücken, die keine Fehlfunktion aufgewiesen haben, leitfähig sind. Dementsprechend kann der Motorantrieb fortgesetzt werden.
Als weiteres Beispiel kann der Motorantrieb ausgeführt werden, indem der mit dem Wechselrichter verbundenen Spulengruppe gestattet wird, unter Verwendung eines Wechselrichters, der keine Fehlfunktion aufgewiesen hat, und nicht unter Verwendung eines Wechselrichters, der eine Fehlfunktion aufgewiesen hat, leitfähig zu sein. Wenn beispielsweise eine Offen-Fehlfunktion im hochseitigen Schaltelement 111H des ersten Wechselrichters 110 auftritt, kann die Steuerungsschaltung 300 die Trennrelaisschaltung 130 und die erste Neutralpunktrelaisschaltung 140 ausschalten und die zweite Neutralpunktrelaisschaltung 150 einschalten. Der Motorantrieb kann durchgeführt werden, indem der sterngeschalteten zweiten Spulengruppe 220 gestattet wird, unter Verwendung des zweiten Wechselrichters 120 leitfähig zu sein.
6 zeigt eine Beziehung zwischen der Anzahl der Umdrehungen N (U/s) eines Motors pro Zeiteinheit und einem Drehmoment T (N·m). 6 zeigt sogenannte T-N-Kurven für jeden der vorangehend beschriebenen ersten bis dritten Betriebsmodus.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist es in der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100, in der der erste Wechselrichter 110 mit einem Ende der ersten Spulengruppe 210 verbunden ist und der zweite Wechselrichter 120 mit einem Ende der zweiten Spulengruppe 220 verbunden ist, möglich, das Verbindungsverfahren der beiden Spulengruppen durch Ein- oder Ausschalten der Trennrelaisschaltung 130 und der ersten und zweiten Neutralpunktrelaisschaltung 140 und 150 nach einem vorgegebenen Muster umzuschalten. Dementsprechend kann der Betriebsmodus zwischen dem ersten Betriebsmodus und dem zweiten Betriebsmodus umgeschaltet werden, und der Hochgeschwindigkeitsantrieb des Motors 200 kann weiter verbessert werden.
7 ist eine schematische Ansicht, die eine Schaltungskonfiguration einer Leistungsumwandlungsvorrichtung 100A gemäß einer Abwandlung der vorliegenden Ausführungsform darstellt.
In der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100A gemäß der Abwandlung der vorliegenden Ausführungsform weist eine erste Spulengruppe 210 drei Spulengruppen von drei Phasen mit jeweils mindestens zwei parallel geschalteten Spulen auf und eine zweite Spulengruppe 220 weist drei Spulengruppen von drei Phasen mit jeweils mindestens zwei parallel geschalteten Spulen auf. 6 zeigt ein Beispiel für eine Konfiguration, bei der eine Spulengruppe jeder Phase zwei parallel geschaltete Spulen aufweist.
Eine Trennrelaisschaltung 130 kann zwischen Verbinden und Trennen zwischen den drei Spulengruppen in der ersten Spulengruppe 210 und den drei Spulengruppen in der zweiten Spulengruppe 220 umschalten.
Eine erste Neutralpunktrelaisschaltung 140 weist drei erste Neutralpunktrelais 141, 142 und 143 auf, von denen die einen Enden gemeinsam mit einem Knoten N1 verbunden sind und von denen die anderen Enden mit den drei Spulengruppen in der ersten Spulengruppe 210 verbunden sind. Eine zweite Neutralpunktrelaisschaltung 150 weist drei zweite Neutralpunktrelais 151, 152 und 153 auf, von denen die einen Enden gemeinsam mit einem Knoten N2 verbunden und von denen die anderen Enden mit den drei Spulengruppen in der zweiten Spulengruppe 220 verbunden sind.
Gemäß der Abwandlung können beispielsweise auch dann, wenn eine Trennung in einer Spule 211_1 in einer U-Phasenspulengruppe unter den drei Spulengruppen in der ersten Spulengruppe 210 auftritt, Spulen 211 _2, 221_1 und 221_2 als U-Phasenspulen verwendet werden, und ein Motorantrieb in einem ersten oder zweiten Betriebsmodus kann fortgesetzt werden. So können beispielsweise auch dann, wenn eine Trennung in der Spule 221_2 in der U-Phasenspulengruppe unter den drei Spulengruppen in der zweiten Spulengruppe 220 weiter auftritt, die Spulen 211_2 und 221_1 als U-Phasenspulen verwendet werden und der Motorantrieb in dem ersten oder zweiten Betriebsmodus kann fortgesetzt werden. Wie vorstehend beschrieben, kann der Motorantrieb in dem ersten oder zweiten Betriebsmodus auch dann, wenn eine Trennung in einer der Vielzahl von Spulen erfolgt, die in einer Phase enthalten sind, unter Verwendung der anderen Spulen fortgesetzt werden.
8A ist eine schematische Ansicht, die eine andere Schaltungskonfiguration der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100A gemäß der Abwandlung der vorliegenden Ausführungsform darstellt.
In der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100A gemäß der Abwandlung der vorliegenden Ausführungsform weist eine erste Spulengruppe 210 drei Spulengruppen von drei Phasen mit jeweils zwei parallel geschalteten Spulen auf und eine zweite Spulengruppe 220 weist drei Spulengruppen von drei Phasen mit jeweils zwei parallel geschalteten Spulen auf. Eine Trennrelaisschaltung 130 kann zwischen Verbinden und Trennen zwischen den drei Spulengruppen in der ersten Spulengruppe 210 und den drei Spulengruppen in der zweiten Spulengruppe 220 umschalten.
Eine erste Neutralpunktrelaisschaltung 140 weist drei erste Neutralpunktrelais 141_1, 142_1 und 143_1 auf, von denen die einen Enden gemeinsam mit einem Knoten N1 verbunden sind und von denen die anderen Enden mit einer von zwei Spulen jeder der drei Spulengruppen in der ersten Spulengruppe 210 verbunden sind. Die erste Neutralpunktrelaisschaltung 140 weist ferner drei erste Neutralpunktrelais 141_2, 142_2 und 143_2 auf, von denen die einen Enden gemeinsam mit einem Knoten N3 verbunden sind und von denen die anderen Enden mit dem anderen der beiden Spulen jeder der drei Spulengruppen in der ersten Spulengruppe 210 verbunden sind.
In 8A ist das erste Neutralpunktrelais 141_1 mit einer Spule 211_1 in einer U-Phasenspulengruppe der ersten Spulengruppe 210 verbunden, ist das erste Neutralpunktrelais 142_1 mit einer Spule 212_1 in einer V-Phasenspulengruppe verbunden, und ist das erste Neutralpunktrelais 143_1 mit einer Spule 213_1 in einer W-Phasenspulengruppe verbunden. Das erste Neutralpunktrelais 141_2 ist mit einer Spule 211_2 in der U-Phasenspulengruppe verbunden, das erste Neutralpunktrelais 142_2 ist mit einer Spule 212_2 in der V-Phasenspulengruppe verbunden und das erste Neutralpunktrelais 143_2 ist mit einer Spule 213_2 in der W-Phasenspulengruppe verbunden.
Eine zweite Neutralpunktrelaisschaltung 150 weist drei zweite Neutralpunktrelais 151_1, 152_1 und 153_1 auf, von denen die einen Enden gemeinsam mit einem Knoten N2 verbunden sind und von denen die anderen Enden mit einer von zwei Spulen jeder der drei Spulengruppen in der zweiten Spulengruppe 220 verbunden sind. Die zweite Neutralpunktrelaisschaltung 150 weist ferner drei zweite Neutralpunktrelais 151_2, 152_2 und 153_2 auf, von denen die einen Enden gemeinsam mit einem Knoten N4 verbunden sind und von denen die anderen Enden mit dem anderen der beiden Spulen jeder der drei Spulengruppen in der zweiten Spulengruppe 220 verbunden sind.
In 8A ist das zweite Neutralpunktrelais 151_1 mit einer Spule 221_1 in der U-Phasenspulengruppe der zweiten Spulengruppe 220 verbunden, ist das zweite Neutralpunktrelais 152_1 mit einer Spule 222_1 in der V-Phasenspulengruppe verbunden, und ist das zweite Neutralpunktrelais 153_1 mit einer Spule 223_1 in der W-Phasenspulengruppe verbunden. Das zweite Neutralpunktrelais 151_2 ist mit einer Spule 221_2 in der U-Phasenspulengruppe verbunden, das zweite Neutralpunktrelais 152_2 ist mit einer Spule 222_2 in der V-Phasenspulengruppe verbunden und das zweite Neutralpunktrelais 153_2 ist mit einer Spule 223_2 in der W-Phasenspulengruppe verbunden.
Gemäß der Abwandlung wird beispielsweise angenommen, dass die Spulen 211_1 und 212_1 in der ersten Spulengruppe 210 und die Spule 223_1 in der zweiten Spulengruppe 220 in jeder Phase gleichzeitig getrennt sind. Beispielsweise kann die Trennrelaisschaltung 130 eingeschaltet sein, können die erste und zweite Neutralpunktrelaisschaltung 140 und 150 ausgeschaltet sein und kann ein Motorantrieb in einem ersten Betriebsmodus unter Verwendung der nicht getrennten Spulen fortgesetzt werden.
So kann beispielsweise die Trennrelaisschaltung 130 abgeschaltet sein und ein Motorantrieb kann in einem zweiten Betriebsmodus fortgesetzt werden. In diesem Fall schaltet die Steuerungsschaltung 300 alle drei der ersten Neutralpunktrelais 141_1, 142_1 und 143_1 einschließlich des ersten Neutralpunktrelais, das mit den getrennten Spulen 211_1 und 212_1 verbunden ist, aus und schaltet die anderen ersten Neutralpunktrelais 141_2, 142_2 und 143_2 ein. Dementsprechend sind die Spulen 211_2, 212_2 und 213_2 sterngeschaltet. Der erste Wechselrichter 110 kann den sterngeschalteten Spulen 211_2, 212_2 und 213_2 gestatten, leitfähig zu sein.
So schaltet beispielsweise die Steuerungsschaltung 300 alle drei der zweiten Neutralpunktrelais 151_1, 152_1 und 153_1 einschließlich des zweiten Neutralpunktrelais, das mit der abgetrennten Spule 223_1 verbunden ist, aus und schaltet die anderen zweiten Neutralpunktrelais 151_2, 152_2 und 153_2 ein. Dementsprechend sind die Spulen 221 2, 222_2 und 223_2 sterngeschaltet. Der zweite Wechselrichter 120 kann es ermöglichen, dass die sterngeschalteten Spulen 221 2, 222 2 und 223_2 leitfähig sind. Wie vorstehend beschrieben, kann der Motorantrieb in dem ersten oder zweiten Betriebsmodus auch dann, wenn die Trennung in einer der Vielzahl von in einer Phase enthaltenen Wicklungen erfolgt, unter Verwendung der anderen Spulen fortgesetzt werden.
8B ist eine schematische Ansicht, die noch eine weitere Schaltungskonfiguration der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100A gemäß der Abwandlung der vorliegenden Ausführungsform zeigt.
Die Anzahl der Spulen, die in einer Spulengruppe jeder Phase enthalten sind, ist nicht auf zwei beschränkt. Eine erste Spulengruppe 210 kann drei Spulengruppen aufweisen, die jeweils drei oder mehrere parallel geschaltete Spulen aufweisen. Eine zweite Spulengruppe 220 kann drei Spulengruppen aufweisen, die jeweils drei oder mehrere parallel geschaltete Spulen aufweisen. 8B zeigt ein Beispiel für eine Konfiguration, bei der die Spulengruppe jeder Phase drei Spulen aufweist.
Eine erste Neutralpunktrelaisschaltung 140 weist drei Neutralpunktrelaisschaltungen 140_1, 140_2 und 140_3 auf. Jede der Neutralpunktrelaisschaltungen weist drei erste Neutralpunktrelais auf. Die drei Spulen in jeder der drei Spulengruppen der ersten Spulengruppe 210 sind mit den drei Neutralpunktrelaisschaltungen 140_1, 140_2 und 140_3 verbunden.
So ist beispielsweise eine Spule 211_1 in einer U-Phasenspulengruppe mit einem ersten Neutralpunktrelais 141_1 verbunden. Eine Spule 211_2 ist mit einem ersten Neutralpunktrelais 141_2 verbunden. Eine Spule 211_3 ist mit einem ersten Neutralpunktrelais 141_3 verbunden. Eine Spule 212_1 in einer V-Phasenspulengruppe ist mit einem ersten Neutralpunktrelais 142_1 verbunden. Eine Spule 212_2 ist mit einem ersten Neutralpunktrelais 142_2 verbunden. Eine Spule 212_3 ist mit einem ersten Neutralpunktrelais 142_3 verbunden. Eine Spule 213_1 in einer W-Phasenspulengruppe ist mit einem ersten Neutralpunktrelais 143_1 verbunden. Eine Spule 213_2 ist mit einem ersten Neutralpunktrelais 143_2 verbunden. Eine Spule 213_3 ist mit einem ersten Neutralpunktrelais 143_3 verbunden.
Eine zweite Neutralpunktrelaisschaltung 150 weist drei Neutralpunktrelaisschaltungen 150_1, 150_2 und 150_3 auf. Jede der Neutralpunktrelaisschaltungen weist drei zweite Neutralpunktrelais auf. Die drei Spulen in jeder der drei Spulengruppen der zweiten Spulengruppe 220 sind mit den drei Neutralpunktrelaisschaltungen 150_1, 150_2 und 150_3 verbunden.
So ist beispielsweise eine Spule 221_1 in einer U-Phasenspulengruppe mit einem zweiten Neutralpunktrelais 151_1 verbunden. Eine Spule 221_2 ist mit einem zweiten Neutralpunktrelais 151_2 verbunden. Eine Spule 221_3 ist mit einem zweiten Neutralpunktrelais 151_3 verbunden. Eine Spule 222_1 in einer V-Phasenspulengruppe ist mit einem zweiten Neutralpunktrelais 152_1 verbunden. Eine Spule 222_2 ist mit einem zweiten Neutralpunktrelais 152_2 verbunden. Eine Spule 222_3 ist mit einem zweiten Neutralpunktrelais 152_3 verbunden. Eine Spule 223_1 in einer W-Phasenspulengruppe ist mit einem zweiten Neutralpunktrelais 153_1 verbunden. Eine Spule 223_2 ist mit einem zweiten Neutralpunktrelais 153_2 verbunden. Eine Spule 223_3 ist mit einem zweiten Neutralpunktrelais 153_3 verbunden.
(Zweite Ausführungsform)
Eine Leistungsumwandlungsvorrichtung 100B gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann von einer Leistungszufuhr 101 zugeführte Leistung in Leistung umwandeln, die einem dreiphasigen Motor zuzuführen ist, welcher m (m ist eine ganze Zahl, die gleich drei oder größer als drei ist) Spulengruppen aufweist, die in Reihe geschaltet sein können. Nachfolgend wird im Wesentlichen ein Unterschied zur Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform beschrieben.
9 zeigt schematisch eine typische Schaltungskonfiguration der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100B gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
9 zeigt ein Beispiel für einen dreiphasigen Motor, der drei Spulengruppen 210, 220 und 230 aufweist, die in Reihe geschaltet sein können. Ein erster Wechselrichter 110 ist mit einem Ende jeder der drei Spulengruppen 210, 220 und 230 verbunden und ein zweiter Wechselrichter 120 ist mit dem anderen Ende jeder der drei Spulengruppen 210, 220 und 230 verbunden.
Zwei Trennrelaisschaltungen 130_1 und 130_2 sind zwischen zwei benachbarten Spulengruppen in den drei Spulengruppen 210, 220 und 230 angeordnet und mit diesen verbunden. Jede der Trennrelaisschaltungen kann zwischen Verbinden und Trennen der beiden benachbarten Spulengruppen umschalten. Insbesondere kann die Trennrelaisschaltung 130_1 zwischen der ersten und zweiten Spulengruppe 210 und 220 angeordnet und mit diesen verbunden sein und zwischen Verbinden und Trennen der beiden Spulengruppen umschalten. Die Trennrelaisschaltung 130_2 kann zwischen der zweiten und dritten Spulengruppe 220 und 230 angeordnet und mit diesen verbunden sein und zwischen Verbinden und Trennen von zwei Spulengruppen umschalten.
Zwischen den beiden benachbarten Spulengruppen sind zwei erste Neutralpunktrelaisschaltungen 140_1 und 140_2 bereitgestellt. Jede der ersten Neutralpunktrelaisschaltungen kann zwischen Verbinden und Trennen von Enden der Spulengruppe auf einer Seite des ersten Wechselrichters 110 aus den beiden benachbarten Spulengruppen umschalten.
Die erste Neutralpunktrelaisschaltung 140_1 ist zwischen der ersten und zweiten Spulengruppe 210 und 220 auf einer Seite des ersten Wechselrichters 110 der Trennrelaisschaltung 130_1 bereitgestellt. Die erste Neutralpunktrelaisschaltung 140_1 kann zwischen Verbinden und Trennen von Enden von ersten Spulengruppe 210 umschalten. Die erste Neutralpunktrelaisschaltung 140_2 ist zwischen der zweiten und dritten Spulengruppe 220 und 230 auf einer Seite des ersten Wechselrichters 110 der Trennrelaisschaltung 130_2 bereitgestellt. Die erste Neutralpunktrelaisschaltung 140_2 kann zwischen Verbinden und Trennen von Enden der zweiten Spulengruppe 220 umschalten.
Zwischen zwei benachbarten Spulengruppen sind zwei zweite Neutralpunktrelaisschaltungen 150_1 und 150_2 bereitgestellt. Jede der zweiten Neutralpunktrelaisschaltungen kann zwischen Verbinden und Trennen von Enden der Spulengruppen auf einer Seite des zweiten Wechselrichters 120 aus den beiden benachbarten Spulengruppen umschalten.
Die zweite Neutralpunktrelaisschaltung 150_1 ist zwischen der ersten und zweiten Spulengruppe 210 und 220 auf einer Seite des zweiten Wechselrichters 120 der Trennrelaisschaltung 130_1 bereitgestellt. Die zweite Neutralpunktrelaisschaltung 150_1 kann zwischen Verbinden und Trennen von Enden der zweiten Spulengruppe 220 umschalten. Die zweite Neutralpunktrelaisschaltung 150_2 ist zwischen der zweiten und dritten Spulengruppe 220 und 230 auf einer Seite des zweiten Wechselrichters 120 der Trennrelaisschaltung 130_2 bereitgestellt. Die zweite Neutralpunktrelaisschaltung 150_2 kann zwischen Verbinden und Trennen von Enden der dritten Spulengruppe 230 umschalten.
Konfigurationen von jeder der Trennrelaisschaltungen und jeder der Neutralpunktrelaisschaltungen sind wie in der ersten Ausführungsform beschrieben. Eine detaillierte Beschreibung davon wird hier weggelassen.
Eine Steuerungsschaltung 300 steuert Ein- und Ausschaltzustände der beiden Trennrelaisschaltungen 130_1 und 130_2, der beiden ersten Neutralpunktrelaisschaltungen 140_1 und 140_2 und der beiden zweiten Neutralpunktrelaisschaltungen 150_1 und 150_2. Dementsprechend ist es möglich, die Anzahl der mit dem ersten Wechselrichter 110 verbundenen Spulengruppen und die Anzahl der mit dem zweiten Wechselrichter 120 verbundenen Spulengruppen aus den drei Spulengruppen 210, 220 und 230 zu ändern.
Zum Beispiel schaltet die Steuerungsschaltung 300 die Trennrelaisschaltung 130_1 ein, um die Trennrelaisschaltung 130_2 auszuschalten, schaltet die erste Neutralpunktrelaisschaltung 140_1 aus, um die erste Neutralpunktrelaisschaltung 140_2 einzuschalten, und schaltet die zweite Neutralpunktrelaisschaltung 150_1 aus, um die zweite Neutralpunktrelaisschaltung 150_2 einzuschalten. In diesem Fall sind die erste und zweite Spulengruppe 210 und 220 mit dem ersten Wechselrichter 110 verbunden und die dritte Spulengruppe 230 ist mit dem zweiten Wechselrichter 120 verbunden. Durch Einschalten der ersten Neutralpunktrelaisschaltung 140_2 ist die zweite Spulengruppe 220 sterngeschaltet. Durch Einschalten der zweiten Neutralpunktrelaisschaltung 150_2 ist die dritte Spulengruppe 230 sterngeschaltet. Gemäß der obigen Verbindung kann der erste Wechselrichter 110 der ersten und zweiten Spulengruppe 210 und 220 gestatten, leitfähig zu sein, und der zweite Wechselrichter 120 kann der dritten Spulengruppe 230 gestatten, leitfähig zu sein.
Beispielsweise kann, wenn die zweite Spulengruppe 220 unterbrochen ist, die unterbrochene zweite Spulengruppe 220 durch Ausschalten der Trennrelaisschaltungen 130_1 und 130_2 elektrisch von den beiden Wechselrichtern getrennt werden. Ein Motorantrieb kann fortgesetzt werden, indem der ersten Spulengruppe 210 und der dritten Spulengruppe 230 gestattet wird, leitfähig zu sein.
Ein Motordrehmoment ist proportional zu einer Länge einer Spulenseite und der Anzahl der Wicklungen. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist es möglich, eine Motorausgabe in eine beliebige Größe zu ändern, indem die Anzahl der mit dem ersten Wechselrichter 110 verbundenen Spulengruppen geändert wird und die Anzahl der mit dem zweiten Wechselrichter 120 verbundenen Spulengruppen geändert wird.
10 ist eine schematische Ansicht, die eine andere Schaltungskonfiguration der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100B gemäß der vorliegenden Ausführungsform darstellt.
10 zeigt ein Beispiel für die Schaltungskonfiguration der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100B, bei der ein Motor 200, der vier Spulengruppen 210, 220, 230 und 240 aufweist, die in Reihe geschaltet sein können, angetrieben werden kann.
Die in 10 dargestellte Leistungsumwandlungsvorrichtung 100B weist auf: drei Trennrelaisschaltungen 130_1, 130_2 und 130_3, drei erste Neutralpunktrelaisschaltungen 140_1, 140_2 und 140_3 und drei zweite Neutralpunktrelaisschaltungen 150_1, 150_2 und 150_3. Durch Erhöhung der Anzahl der Spulengruppen und der Anzahl der Trennrelaisschaltungen und Neutralpunktrelaisschaltungen, die mit den Spulengruppen verbunden sind, ist es möglich, eine Motorausgabe mit hoher Genauigkeit auf eine beliebige Größe zu ändern.
(Dritte Ausführungsform)
11 ist eine schematische Ansicht, die eine typische Konfiguration einer elektrischen Servolenkungsvorrichtung 2000 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt.
Im Allgemeinen verfügen Fahrzeuge, wie beispielsweise Autos, jeweils über eine elektrische Servolenkungsvorrichtung (EPS-Vorrichtung). Gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist die elektrische Servolenkungsvorrichtung 2000 ein Lenksystem 520 und einen Hilfsdrehmomentmechanismus 540 zum Erzeugen eines Hilfsdrehmoments auf. Die elektrische Servolenkungsvorrichtung 2000 erzeugt ein Hilfsdrehmoment, das bei einem Lenkdrehmoment des Lenksystems hilft, das von einem Fahrer erzeugt wird, der ein Lenkrad betätigt. Durch das Hilfsdrehmoment wird die Belastung der Fahrerbetätigung reduziert.
Das Lenksystem 520 weist beispielsweise auf: einen Lenkgriff 521, eine Lenkwelle 522, Materialwellengelenke 523A und 523B, eine Drehwelle 524, einen Zahnstangenmechanismus 525, eine Zahnstangenwelle 526, ein linkes und ein rechtes Kugelgelenk 552A und 552B, Spurstangen 527A und 527B, Kreuzgelenke 528A und 528B sowie ein linkes und ein rechtes Lenkungsrad 529A und 529B.
Der Hilfsdrehmomentmechanismus 540 weist beispielsweise auf: einen Lenkdrehmomentsensor 541, eine elektronische Steuerungseinheit (ECU) 542 für ein Fahrzeug, einen Motor 543 und einen Verzögerungsmechanismus 544. Der Lenkdrehmomentsensor 541 erfasst ein Lenkdrehmoment im Lenksystem 520. Die ECU 542 erzeugt ein Antriebssignal auf der Grundlage eines im Lenkdrehmomentsensor 541 erfassten Signals. Der Motor 543 erzeugt als Reaktion auf das Antriebssignal ein zu dem Lenkdrehmoment korrespondierendes Hilfsdrehmoment. Der Motor 543 überträgt das im Lenksystem 520 erzeugte Hilfsdrehmoment über den Verzögerungsmechanismus 544.
Die ECU 542 weist beispielsweise den Mikrocontroller 340 und die Treiberschaltung 350 gemäß der ersten Ausführungsform auf. In Automobilen wird ein elektronisches Steuerungssystem, welches eine ECU als Kern aufweist, aufgebaut. In der elektrischen Servolenkungsvorrichtung 2000 wird beispielsweise eine Motorantriebseinheit mit der ECU 542, dem Motor 543 und dem Wechselrichter 545 aufgebaut. Die Motorantriebseinheit 1000 gemäß der ersten Ausführungsform kann für die obige Motorantriebseinheit geeignet verwendet werden.
[Gewerbliche Anwendbarkeit]
Die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können in verschiedenen Vorrichtungen, einschließlich verschiedener Motoren, wie beispielsweise denjenigen von Staubsaugern, Trocknern, Deckengebläsen, Waschmaschinen, Kühlschränken und elektrischen Servolenkungsvorrichtungen, weit verbreitet verwendet werden.
Bezugszeichenliste
100, 100A, 100B: LEISTUNGSUMWANDLUNGSVORRICHTUNG, 101: LEISTUNGSZUFUHR, 102, 103: SICHERUNG, 110: ERSTER WECHSELRICHTER, 120: ZWEITER WECHSELRICHTER, 130: TRENNRELAISSCHALTUNG, 140: ERSTE NEUTRALPUNKTRELAISSCHALTUNG, 150: ZWEITE NEUTRALPUNKTRELAISSCHALTUNG, 200: MOTOR, 300: STEUERUNGSSCHALTUNG, 310: LEISTUNGSZUFUHRSCHALTUNG, 320: WINKELSENSOR, 330: EINGANGSSCHALTUNG, 340: MIKROCONTROLLER, 350: TREIBERSCHALTUNG, 360: ROM, 400: STROMSENSOR, 1000: MOTORANTRIEBSEINHEIT, 2000: ELEKTRISCHE SERVOLENKUNGSVORRICHTUNG.

Claims

Leistungsumwandlungsvorrichtung, welche von einer Leistungszufuhr zugeführte Leistung in eine Leistung umwandelt, die einem n-phasigen (n ist eine ganze Zahl, die gleich drei oder größer als drei ist) Motor zuzuführen ist, der m (m ist eine ganze Zahl, die gleich drei oder größer als drei ist) in Reihe geschaltete Spulengruppen aufweist, wobei die Leistungsumwandlungsvorrichtung aufweist: einen ersten Wechselrichter, der mit den einen Enden der m Spulengruppen verbunden ist; einen zweiten Wechselrichter, der mit den anderen Enden der m Spulengruppen verbunden ist; m-1 Trennrelaisschaltungen, die zwischen zwei benachbarten Spulengruppen der m Spulengruppen verbunden sind, wobei jede der m-1 Trennrelaisschaltungen zwischen Verbinden und Trennen der beiden benachbarten Spulengruppen umschaltet; m-1 erste Neutralpunktrelaisschaltungen, die zwischen zwei benachbarten Spulengruppen der ersten Wechselrichterseite von jeder der m-1 Trennrelaisschaltungen bereitgestellt sind, wobei jede der m-1 ersten Neutralpunktrelaisschaltungen zwischen Verbinden und Trennen von Enden der Spulengruppe der ersten Wechselrichterseite aus den beiden benachbarten Spulengruppen umschaltet; und m-1 zweite Neutralpunktrelaisschaltungen, die zwischen zwei benachbarten Spulen der zweiten Wechselrichterseite von jeder der m-1 Trennrelaisschaltungen bereitgestellt sind, wobei jede der m-1 zweiten Neutralpunktrelaisschaltungen zwischen Verbinden und Trennen von Enden der Spulengruppe der zweiten Wechselrichterseite aus den beiden benachbarten Spulengruppen umschaltet.
Leistungsumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei: jede der m Spulengruppen n Spulen aufweist, jede der m-1 Trennrelaisschaltungen aufweist: n Trennrelais zum Umschalten zwischen Verbinden und Trennen der n Spulen von einer der beiden benachbarten Spulengruppen und der n Spulen der anderen der beiden benachbarten Spulengruppen; jede der m-1 ersten Neutralpunktrelaisschaltungen n erste Neutralpunktrelais aufweist, von denen die einen Enden gemeinsam mit einem ersten Knoten verbunden sind und von denen die anderen Enden mit den n Spulen der Spulengruppe der ersten Wechselrichterseite aus den beiden benachbarten Spulengruppen verbunden sind; und jede der m-1 zweiten Neutralpunktrelaisschaltungen n zweite Neutralpunktrelais aufweist, von denen die einen Enden gemeinsam mit einem zweiten Knoten verbunden sind und von denen die anderen Enden mit den n Spulen in der Spulengruppe der zweiten Wechselrichterseite aus den beiden benachbarten Spulengruppen verbunden sind.
Leistungsumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Anzahl der Spulengruppen, die mit dem ersten Wechselrichter verbunden sind, und die Anzahl der Spulengruppen, die mit dem zweiten Wechselrichter verbunden sind, aus den m Spulengruppen geändert werden, indem Ein- und Ausschaltzustände der m-1 Trennrelaisschaltungen, der m-1 ersten Neutralpunktrelaisschaltungen und der m-1 zweiten Neutralpunktrelaisschaltungen gesteuert werden.
Motorantriebseinheit, aufweisend: den Motor; die Leistungsumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3; und eine Steuerungsschaltung, die zum Steuern der Leistungsumwandlungsvorrichtung konfiguriert ist.
Elektrische Servolenkungsvorrichtung, aufweisend die Motorantriebseinheit nach Anspruch 4.