JP2004364352A - 電動機とその駆動方法及び自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】低温時の必要な電池出力を減少させ、電池容量を減少させることができる電動機とその駆動方法を提供する。
【解決手段】永久磁石型電動機において、同一相に第１の巻線１ａ、２ａ、３ａと第２の巻線１ｂ、２ｂ、３ｂを設け、各巻線に第１のインバータ４と第２のインバータ５を接続し、これらのインバータ４、５の駆動用の電池６に対し、並列または直列に接続する切替え手段としてのリレーユニット７を設け、電池６の容量が低下する低温時にインバータ４、５を直列接続することによって、低速回転領域での電動機効率を上げ、小さな電池容量で所望のトルクが得られるようにした。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気自動車（ＰＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）、燃料電池自動車（ＦＣＥＶ）等の自動車に好適に適用できる電動機とその駆動方法及びそれを用いた自動車に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、上述のような自動車等に用いられる電動機及びその駆動方法として、磁石型電動機を使用した例が知られている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００３】
その例の構成を図８を参照して説明する。図８は、電動機３１と、１組のインバータ３２と、電池３３と、内燃機関３４と、変速機５０、で構成されたハイブリッド自動車の駆動システムである。
【０００４】
ここで、電動機３１の動作について説明すると、一般にハイブリッド自動車は、停止状態で始動キーを操作すると、図８に示した電池３３からインバータ３２を介して電動機３１に力行電力が供給され、自動車を動かすととともに一定速度に達した時内燃機関３４を始動する。内燃機関３４の始動後は電動機３１に供給されていた電力は遮断され、電動機３１は外力による回転に変わる。この後の動作は電気自動車の構成によって異なるが、一般的には内燃機関３４が運転している期間は、電動機３１は発電機として作用し、インバータ３２は回生電流を電池３３へ返し、この電流によって電池３３は充電され、始動時に放出した電力を再び蓄積する。ブレーキ時にも同様に回生を行い、電池３３を充電することより、車両の運動エネルギーを回収する。また、加速時には電動機３１にインバータ３２から力行電力が供給され、内燃機関３４の出力を補助する。また、交叉点等で車両が停止した場合には、内燃機関３４を停止し、再び発進する時には電動機３１が上述の運転開始時と同様の動作をする。
【０００５】
このような一連の動作をすることにより、ハイブリッド自動車は搭載する燃料の持つエネルギーを有効に利用し、省エネルギー効果を得るとともに、排出されるガスを減らす対環境効果を得ている。
【０００６】
同様の構成は、特許公開公報でも開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
【非特許文献１】
阿部真一、「ハイブリッド電気自動車を支える要素技術」、「自動車技術」、社団法人自動車技術会、１９９９年２月、Ｖｏｌ５３，Ｎｏ．２、Ｐ２３−２６
【０００８】
【特許文献１】
特開平９−１４０００６号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来のハイブリッド自動車は、従来の内燃機関自動車に装着されているスタータ電動機は装着せず、電動機３１で内燃機関３４を始動するが、低温時には始動性が悪くなるという問題がある。低温時には内燃機関３４の潤滑油粘度が高くなり、始動する際の負荷が増大し、電動機３１が発生しなければいけないトルクが大きくなる。
【００１０】
反面、電池３３の容量は低温時には減少するので、大きなトルクを出すための電流を電動機３１に供給するためには、大容量の電池３３を装備しなければならないという問題がある。電池は化学反応を利用するので、低温時には特性が低下し、常温や高温時には特性が復帰・向上する。特に、リチウムイオン電池などの高性能電池になるほどこの傾向は強くなる。電池容量はこの低温特性で決まってしまい、常温や高温時には仕様を越えた過剰な容量となる大きな電池を搭載しなければならない。したがって、この低温時に電池に要求される容量を減少させることができれば、車両に搭載する電池の容積を減少させることができる。
【００１１】
また、通常ハイブリッド自動車は、電動機を駆動する電力を供給する電池（高電圧）とランプやファン等のいわゆる補機や制御回路の電源に使用する低電圧電池を搭載している。この低電圧電池は上記高電圧電池からＤＣＤＣコンバータを介して充電するか、または低電圧用発電機とこの発電機の電圧制御、整流回路を別に搭載して、低電圧電池の充電する構成をとっている。この場合、ＤＣＤＣコンバータまたは低電圧用発電機が故障したとき、低電圧電池を充電する電力が断たれるので、補機や制御回路の動作が停止するという問題がある。
【００１２】
また、寒冷地での使用あるいは電池の劣化によって内燃機関の始動が困難な場合、通常の自動車では、低電圧電池に外部から電力を並列接続し、セルモータを作動させるという方法をとるが、ハイブリッド自動車では、高電圧電池で駆動される電動機で内燃機関を始動するため、外部から接続する電源をハイブリッド自動車に合わせた電圧仕様とするか、一般に普及している低電圧電源を並列接続し、ＤＣＤＣコンバータを逆方向に動作させ、高電圧を供給して電動機を作動させ、内燃機関を始動しなければならない。このためには、ＤＣＤＣコンバータを高電圧から低電圧に変換するとともに低電圧から高電圧に変換するりこともできる双方向とする必要があり、コスト高になるという問題がある。なお、低電圧電源を外部から供給することは比較的簡単であり、寒冷地ではこのための体制も整っているが、高電圧の供給は安全性、体制面で現実的ではない。
【００１３】
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、低温時の必要な電池出力を減少させ、電池容量を減少させることができる電動機とその駆動方法、及びそれを用いた自動車並びに異常時に低電圧電池に電力供給できる自動車を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の電動機は、電動機の同一位相に配設された少なくとも２つ以上の分離した巻線と、それらの巻線に接続された２つ以上のインバータと、これらのインバータを電源に対して直列接続と並列接続の何れかに切り替えて接続する切替え手段とを備えたものである。
【００１５】
この構成によって、電池温度が低い時に電池に対してインバータを直列接続することで、電動機の誘起電圧定数を高くすることができる。モデル的に考察すると、磁石型電動機は起動時にトルクが最大となり最大回転数までトルクが低下して零に至る。また、誘起電圧は回転速度に比例するので、電動機電流は起動時に最大となり最大回転数では零に近づく。入力電圧を一定とすると、出力は零速度と最大速度の中間で最大となり、効率は最大回転数近くで最大値を取り、零速度、最大速度で向かって低下する。かくして、誘起電圧定数、すなわちトルク常数の高い電動機は、低い電動機に比べて最大効率となる回転数が低くなるので、低速領域で同一回転速度での効率は高くなる。電動機の入力電流は、電動機出力を電動機効率で除したものであるから、上記のように巻線を直列接続し、トルク常数を高くなるようにした駆動方法により、低速領域での電池電流も小さくなり、必要とする電池容量を減少させることができる。一方、通電によって電池温度が上がった後の通常駆動時には、電池に対してインバータを並列接続することにより、電動機のトルク常数を通常使用時の状態に戻すことにより、高速回転まで効率的に使用可能となる。
【００１６】
また、この構成は、複数の磁極歯部を有する固定子鉄心と前記磁極歯部にそれぞれ巻かれた巻線からなる固定子と、永久磁石を含む回転子とを備え、前記固定子の磁極歯部を複数の組に区分するとともに、同じ組の磁極歯部に巻かれた巻線を少なくとも２つの以上の分離した巻線とし、かつ同じ組内において隣接する磁極歯部の巻線の巻回方向を互いに逆方向とするとともに、同じ組内の巻線には同一相の電流を流すことで、高トルクでかつ逆起電圧の波形歪を低減して効率の向上を図った電動機に好適に適用できる。
【００１７】
さらに、この電動機の同一相において巻線方向が同一である巻線をまとめて分離された巻線とすると、磁極歯部毎に巻線が分離されるため、同一磁極歯部に異なる巻線を施す場合に比して絶縁面で有利である。
【００１８】
また、インバータが直列に接続されたとき、インバータのＰＷＭスイッチングタイミングを互いに重ならないようにすると、インバータのスイッチング周波数を低くしてスイッチング時に発生する損失を小さく、素子に与える負担を少なくしながら、電動機の駆動周波数を高くして可聴周波数を外すことができ、騒音低減を図ることができる。
【００１９】
また、インバータに並列に電気２重相キャパシタを接続すると、インバータのスイッチングにより発生する電気ノイズを吸収し、制御の誤動作を無くし、外部に出る電気ノイズを抑制して外部機器ヘの電磁障害を防止できる。
【００２０】
また、本発明の電動機の駆動方法は、電動機駆動用の電源電圧が低い場合、若しくは電動機に高い出力トルクが要求される場合、又はその両者の場合に、上記電動機のインバータを直列接続し、その後並列接続に切り替えるものであり、上記作用効果を奏することができる。
【００２１】
また、ハイブリッド自動車や燃料電池自動車や電気自動車において、特に電源にリチウムイオン電池を使用している場合、上記の電動機を自動車駆動用電動機として具備することで、電池容量を減少させることができ、自動車の小型軽量化及び運行面で大きな効果を発揮できる。
【００２２】
また、上記自動車において、電源部に電池を有し、この電池の温度を監視する手段と、電池温度が一定値以上である場合にインバータを直列接続しないように制御する手段とを備えると、切替え手段として許容使用回数が多くないリレーを用いた場合においても長期間にわたって安定的に上記効果を奏することができる。
【００２３】
また、上記自動車において、低電圧発電をするオルタネータ又は高電圧から低電圧に変換するＤＣＤＣコンバータと、これらオルタネータ又はＤＣＤＣコンバータが故障した場合、少なくとも１組以上の巻線を発電用に切り替える手段を設けると、オルタネータやＤＣＤＣコンバータの故障時にも継続して運転することができる。
【００２４】
また、上記自動車において、電池容量が低下した場合、外部から５０Ｖ以下の電源を、少なくとも１つ以上のインバータに接続する手段を設けると、簡単な構成にて極低温時や電池容量が無くなった時にも、感電する恐れのない外部電源を用いて簡単に始動することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２６】
（第１の実施形態）
図１は本実施形態の電動機とその駆動方法を説明するためのブロック図、図２は電動機の回転軸芯に対して垂直な面で断面した断面図である。図１において、１は電動機であり、１ａはＵ相に巻回された第１の巻線、１ｂはＵ相に巻回された第２の巻線、２ａはＶ相に巻回された第１の巻線、２ｂはＶ相に巻回された第２の巻線、３ａはＷ相に巻回された第１の巻線、３ｂはＷ相に巻回された第２の巻線である。Ｕ相の第１と第２の巻線１ａ、１ｂは、図２に示すように、３つの連続して位置する磁極歯部１０ａ、１０ｂ、１０ｃにそれぞれ巻回され、かつ互いに隣接する磁極歯部１０ａ、１０ｃと１０ｂとは互いに逆方向に巻回されている。Ｖ相、Ｗ相の巻線２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂについても、同様に巻回されている。
【００２７】
４は第１の巻線１ａ、２ａ、３ａに接続された第１のインバータ、５は第２の巻線１ｂ、２ｂ、３ｂに接続された第２のインバータである。４ａ、５ａはインバータ４、５の正側入力、４ｂ、５ｂはインバータ４、５の負側入力である。６は駆動電源としての電池である。７は電池６に対してインバータ４、５を直列又は並列接続されるように切り替えるリレーユニットで、７ａ、７ｂは互いに連動するリレーである。８は電池６の温度を検出する温度検出器、９は電池管理ユニットである。
【００２８】
第１のインバータ４の正側入力４ａはリレー７ａの共通側に、負側入力４ｂは電池６の負側及びリレー７ｂのノーマリクローズ側に、第２のインバータ５の正側入力５ａは電池６の正側及びリレー７ａのノーマリクローズ側に、負側入力５ｂはリレー７ｂの共通側に、リレー７ａのノーマリオープン側はリレー７ｂのノーマリオープン側に接続されている。
【００２９】
次に、動作を説明する。温度検出器８によって電池６の温度を検出し、温度が一定値、例えば０℃より低い場合、電池管理ユニット９からリレーユニット７に指示を出し、リレー７ａ、７ｂを動作させて共通側をノーマリクローズ側からノーマリオープン側に切替え、第１のインバータ４の正側入力４ａを第２のインバータ５の負側入力５ｂに接続する。
【００３０】
この動作により２組の電動機巻線が電池６に対して直列に接続されることになる。単位系によるが、トルク常数は誘起電圧定数に等しく、２つの巻線のトルク常数が等しければ、この直列接続により誘起電圧定数は並列接続の場合のトルク常数Ｔ２（Ｎｍ／Ａ）の２倍になり、トルク常数Ｔ１（Ｎｍ／Ａ）も２倍になる。
【００３１】
電動機トルクはトルク常数と電流の積で決まるが、巻線の直列状態ではトルク常数が２倍になっているので、電動機始動時の必要トルクに対する電動機電流は２分の１で済む。ここで、内燃機関始動のための必要トルクをＴ１（Ｎｍ）、必要回転数をＮ１（ｒａｄ／ｓｅｃ）とすると、始動のために必要な内燃機関への入力Ｗ１は、
Ｗ１＝Ｔ１×Ｎ１ （Ｗ） ・・・（１）
となる。各部に損失のない理想状態を考えれば、始動時の電動機の出力はこのＷ１と等しくなり、電動機と内燃機関が減速機を介さずに直結されている場合は、互いに回転数が等しくなるので、電動機の必要トルクも始動トルクと等しくＴ１となる。一方、上記条件下における電池出力電圧をＶｂ（Ｖ）とした時、電動機１、インバータ４、５等の効率も理想状態で損失がないとした時、電池６の出力電流Ｉ１は、
Ｉ１＝Ｗ１／Ｖｂ （Ａ） ・・・（２）
となる。
【００３２】
これは電動機１のトルク常数に関わりなく一定である。ところが、現実にはインバータ４、５、電動機１共に損失が存在する。ここで、インバータ効率をＥｉ、電動機効率を電源に対してインバータ直結の場合をＥ１、インバータ並列の場合をＥ２とすると、電池電流はインバータ直結の場合Ｉ２、インバータ並列の場合Ｉ３とすると、
Ｉ２＝Ｗ１／（Ｖｂ×Ｅｉ×Ｅ１） （Ａ） ・・・（３）
Ｉ３＝Ｗ１／（Ｖｂ×Ｅｉ×Ｅ２） （Ａ） ・・・（４）
となる。
【００３３】
一方、電動機効率は回転数０で、０、無負荷最大回転数で０、０速度と無負荷最大回転数の間でやや最大回転数に近い回転数で最大となるので、同一サイズ、同一銅量で比較した場合、最大効率はほぼ同一であるから、トルク常数の大きな電動機ほど、０から無負荷最大回転数の間の比較的０に近い速度領域では効率が高くなる。
【００３４】
すなわち、
Ｅ１＞Ｅ２ ・・・（５）
なので、
Ｉ２＜Ｉ３ ・・・（６）
となる。
【００３５】
トルク常数Ｔ１とＴ２に２倍の差があるとき、このＥ１とＥ２の差はかなり大きく、
Ｅ１＞＞Ｅ２ ・・・（７）
となるので、電池電流の差も大きくなり、
Ｉ２＜＜Ｉ３ ・・・（８）
となる。
【００３６】
従って、電池出力も、電動機駆動インバータを直列接続した場合をＷ２、並列接続した場合をＷ３とすれば、
Ｗ２＝Ｉ１×Ｖｂ （Ｗ） ・・・（９）
Ｗ３＝Ｉ２×Ｖｂ （Ｗ） ・・・（１０）
で表すことができるから、
Ｗ２＜＜Ｗ３ ・・・（１１）
となり、インバータ直列接続時には低い電力を出力すれば良く、起動時、特に電池温度が下がっている時に大きな容量の電池６を使う必要がなくなる。
【００３７】
また、一旦電動機１を起動した後は、通電による発熱で電池温度は急激に上昇し、電池容量は低温時に比べ大きな値に復帰する。
【００３８】
一方、通常走行時には、電動機は内燃機関の最大回転数まで回転する必要があるが、電動機の最大回転数は、トルク常数すなわち誘起電圧定数で決定されるので、誘起電圧定数はある程度低い値に設定する必要がある。ここで、本実施形態では通常走行時にはインバータを電源に対し並列接続とし、誘起電圧定数を内燃機関始動時の２分の１とすることによって対処している。
【００３９】
上述のように本実施形態では、電動機始動時に電動機のトルク常数を切り替えるリレーユニット７を備えるが、リレーは許容作動回数が半導体程多くないため、電池温度検出器８で温度検出し、電池管理ユニット９に入力することにより、電源への接続を切替えるリレーユニット７の動作は、電池電圧が低い場合に限定するということも可能である。
【００４０】
この場合リレー７ａ、７ｂのノーマリオンは、上記動作の直列、並列のどちら側とすることもできる。なお、リレーは半導体で構成してもよい。
【００４１】
本実施形態における電動機１は、図２に示すように、本出願人の先願である特願２００２−３２９４５４号の明細書及び図面に記載された電動機と同様に、連続して位置する複数の磁極歯部を同相とするとともに、同相内で互いに隣接する磁石極歯部の巻線の巻回方向を逆向きにしてなる固定子を有する埋め込み磁石型電動機（以下、多叉電動機と称する）を例にとっているが、通常の集中巻き電動機、または分布巻き電動機に対しても同様に適用することで、同様の作用効果を奏することができる。
【００４２】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態の電動機を図３を参照して説明する。なお、以下の実施形態の説明においては、先行する実施形態と同一の構成要素については、同一参照符号を付して説明を省略し、主として相違点について説明する。
【００４３】
本実施形態では、上記第１の実施形態と同様の多叉電動機において、Ｕ相の磁極歯部１０ａと１０ｃに第１の巻線１ｃが巻回され、Ｕ相の磁極歯部１０ｂに第２の巻線１ｄが巻回され、Ｖ相の磁極歯部１１ａと１１ｃに第１の巻線２ｃが巻回され、Ｖ相の磁極歯部１１ｂに第２の巻線２ｄが巻回され、Ｗ相の磁極歯部１２ａと１２ｃに第１の巻線３ｃが巻回され、Ｗ相の磁極歯部１２ｂに第２の巻線３ｄが巻回されている。
【００４４】
この実施形態の電動機に、第１の実施形態と同様の駆動方法を適用しても同様の効果を奏することができ、かつ本実施形態では第１の巻線１ｃ、２ｃ、３ｃと第２の巻線１ｄ、２ｄ、３ｄがそれぞれ独立した磁極歯部に巻回されているため絶縁構成上有利であり、特に第１と第２の巻線の間、１ｃと１ｄ、２ｃと２ｄ、３ｃと３ｄの間に特殊な絶縁構成をとる必要がなく、簡易な構成にすることができるという特長を有する。
【００４５】
また、本実施形態では多叉電動機を例にしたが、通常の３相電動機でも、４極以上の電動機であれば同様な構成を取り、例えば複数設けられたＵ相を磁極歯部毎に第１と第２の巻線に分離し、Ｖ相、Ｗ相についても同様に分離することにより、同様に適用することができる。
【００４６】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態の電動機の駆動方法を図４を参照して説明する。
【００４７】
図４において、１３は第１のインバータ４の制御信号、１４は第２のインバータ５の制御信号である。
【００４８】
自動車自体は停止時には騒音を発生せず静粛であるが、ここから発進する際の内燃機関の始動時の騒音低減のために、インバータのスイッチング周波数を高くし、可聴周波数を外すことが有利なことがある。上記説明のように、電池６の温度が一定値以下の時、インバータを電池６に対して直列接続するが、これらのインバータ４、５は同一の電動機を対象として制御されるため、通電位相は全く同期して制御されるが、直列接続のため、どちらかのインバータがオフであれば、他方のインバータもスイッチング素子の状態に関わらずオフとなる。
【００４９】
従って、図４に示すように、制御信号１３と１４を交互にオン、オフさせ、それぞれのスイッチング周波数をＦ（Ｈｚ）とすれば、電動機全体は２Ｆ（Ｈｚ）でオン、オフされることになり、高周波数化が達成される。一方、各インバータ４、５のスイッチング素子はＦ（Ｈｚ）で駆動され、電動機の駆動周波数よりも低い値となるため、スイッチング時に発生する損失が小さくて済み、素子に与える負担が少なくなるという効果を奏する。
【００５０】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態の電動機の構成を図５を参照して説明する。
【００５１】
図５において、１５は第１のインバータ４に並列に接続された電気２重相キャパシタ、１６は第２のインバータ５に並列に接続された電気２重相キャパシタである。
【００５２】
このようにインバータ４、５に並列に電気２重相キャパシタ１５、１６を接続すると、例えばインバータ４、５を直列に接続した場合に、各々のインバータの発生するスイッチングによる電気ノイズを吸収し、制御の誤作動を無くするという効果が期待できる。また、インバータ４、５から外部に出る電気ノイズを抑制するので、外部機器への電磁障害対策ともなる。
【００５３】
（第５の実施形態）
次に、本発明の電動機を自動車に適用した第５の実施形態について、図６を参照して説明する。
【００５４】
図６において、１７は内燃機関、１８は電動機、１９はトランスミッション、２０は差動ギア、２１は車軸と車輪、２２は車両制御ユニット、２３は内燃機関制御ユニットである。２２ａは電池管理ユニット９と車両制御ユニット２２の間の信号線、２２ｂは車両制御ユニット２２と内燃機関制御ユニット２３の間の信号線、２２ｃは車両制御ユニット２２に車速、その他の各種信号などの必要な信号の入出力を行う信号線、２３ａは内燃機関１７と内燃機関制御ユニット２３の間の信号線である。
【００５５】
車両の始動時には内燃機関１７は停止しているが、電動機１８をインバータ４、５で駆動することによって内燃機関１７を始動するとともに車軸及び車輪２１を駆動して車両を動かす。その際、電池ユニットから成る電池６が一定温度、例えば０℃以下の場合には、電池管理ユニット９がこれを検出し、リレーユニット７を作動させ、インバータ４と５を電池６に対して直列に接続する。
【００５６】
これによって、電動機１８の誘起電圧定数が大きくなるので、並列接続時よりも少ない電流で確実に始動を行うことができ、その際の電池６から出る電流が少なくて済むので、寒冷地でも十分な始動が可能となる。
【００５７】
また、例えば、通常速度から高速走行時に電動機に要求される出力は、車両重量や仕様にもよるが、通常１〜３ｋＷ程度である。一方、電動機効率は４００〜８００ｒｐｍで３０％前後、インバータ効率が９５％前後とすると、電池出力は７ｋＷ程度の能力を持たせる必要がある。因みに、低温での内燃機関始動に必要な入力は２ｋＷ程度である。
【００５８】
ここで、電動機の誘起電圧定数を２倍にした時、４００〜８００ｒｐｍでの電動機効率が６０％程度に向上する。ここでの電動機損失は殆どが銅損であり、電動機電流が２分の１となれば、損失は半減することが予想される。かくして、ハイブリッド自動車に搭載する電池６の容量を下げることができ、自動車の小型軽量化に有効であるとともに、コストも安価にでき、優れた性質を有する自動車を提供可能となる。
【００５９】
（第６の実施形態）
次に、本発明の電動機を自動車に適用した第６の実施形態について、図７を参照して説明する。
【００６０】
図７において、２４は第２のリレーユニットであり、互いに連動するリレー２４ａ、２４ｂを備えている。２５は低電圧電池である。２６はＤＣＤＣコンバータであり、２６ａはその高電圧側、２６ｂは低電圧側である。
【００６１】
インバータ４の正側入力４ａはリレー７ａの共通側に、負側入力４ｂはリレー２４ａの共通側に接続されている。インバータ５の正側入力５ａは電池６の正側及びリレー２４ｂのノーマリクローズ側に、負側入力５ｂはリレー７ｂの共通側に接続されている。リレー７ａのノーマリオープン側はリレー７ｂのノーマリオープン側に接続されている。リレー７ａのノーマリクローズ側はリレー２４ｂの共通側に接続されている。リレー２４ａのノーマリクローズ側は電池６の負側及びリレー７ｂのノーマリクローズ側に、ノーマリオープン側は低電圧電池２５の負側に接続されている。リレー２４ｂのノーマリオープン側は低電圧電池２５の正側及びＤＣＤＣコンバータ２６の低電圧側２６ｂに接続されている。ＤＣＤＣコンバータ２６の高電圧側２６ａは電池６の正側に、低電圧側２６ｂは低電圧電池２５の正側に接続されている。
【００６２】
低電圧電池２５は補機や制御回路に対して１２Ｖの電源を供給しており、通常は高電圧の電池６からＤＣＤＣコンバータ２６を介して電圧変換して充電されている。
【００６３】
本実施形態では、ＤＣＤＣコンバータ２６が故障した場合に、リレーユニット２を作動させ、インバータ４を低電圧電池２５と並列に接続し、電動機巻線１ａ、２ａ、３ａで発生する電力をインバータ４にて整流、電力制御し、低電圧電池２５を充電するともに、補機や制御回路を駆動するように構成している。
【００６４】
これによって、ＤＣＤＣコンバータ２６が故障した時に、低電圧電池２５に対する充電ができず、その電池電圧が低下してしまい、補機や制御回路が停止してしまうという事態の発生を防止できる。
【００６５】
なお、図７では、ＤＣＤＣコンバータを使用した例を説明したが、ＤＣＤＣコンバータの代わりに、低電圧オルタネータと電圧安定回路及び整流回路を組み合わせた構成の場合でも同様の効果が得られる。
【００６６】
（第７の実施形態）
次に、本発明の電動機を自動車に適用した第７の実施形態について、上記図７を参照して説明する。
【００６７】
本実施形態では、図７に仮想線で示すように、低電圧電池２５に対して外部電源２７を並列で接続して電力供給可能に構成されている。
【００６８】
この構成により、寒冷地での電池６の容量低下や、電池６の経年変化による容量低下によって、内燃機関１７の始動が困難な場合に、低電圧電池２５に外部電源２７を並列接続するとともに、上記第６の実施形態と同様にリレーユニット２４を動作させ、インバータ４を低電圧電池２５に並列に接続することにより、低電圧電池２５に外部より電力供給して内燃機関１７を始動することが可能となる。なお、外部電源２７の電圧は感電の恐れがない５０Ｖの以下とすることで、容易に電力供給を行うことができる。
【００６９】
【発明の効果】
本発明によれば、少なくとも２つの分離された巻線と、巻線に接続された少なくとも２つのインバータと、電源に対してこれらのインバータが直列接続または並列接続されるように切り替える手段とを備えているので、低温時などに電池電源の容量が低下したときに、少なくとも２つのインバータを電源に対して直列に接続することにより、電源から少ない電池電流しか得られなくても所望の電動機出力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の電動機とその駆動方法の概略構成を示すブロック図である。
【図２】同実施形態の電動機の巻線構成を示す断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態の電動機の巻線構成を示す断面図である。
【図４】本発明の第３の実施形態におけるインバータの駆動タイミング図である。
【図５】本発明の第４の実施形態の電動機の概略構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の第５の実施形態のハイブリッド自動車の概略構成を示すブロック図である。
【図７】本発明の第６の実施形態の電動機の概略構成を示すブロック図である。
【図８】従来例のハイブリッド自動車の概略構成図である。
【符号の説明】
１ 電動機
１ａ、１ｃ、２ａ、３ａ 第１の巻線
１ｂ、１ｄ、２ｂ、３ｂ 第２の巻線
４ 第１のインバータ
５ 第２のインバータ
６ 電池
７ リレーユニット
８ 温度検出器
９ 電池管理ユニット
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ Ｕ相磁極歯部
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ Ｖ相磁極歯部
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ Ｗ相磁極歯部
１５、１６ 電気２重相キャパシタ
１７ 内燃機関
１８ 電動機
２４ 第２のリレーユニット
２５ 低電圧電池
２６ ＤＣＤＣコンバータ
２７ 外部電源

Claims (13)

1. 電動機の同一位相に配設された少なくとも２つ以上の分離した巻線と、それらの巻線に接続された２つ以上のインバータと、これらのインバータを電源に対して直列接続と並列接続の何れかに切り替えて接続する切替え手段とを備えたことを特徴とする電動機。
2. 電動機は、複数の磁極歯部を有する固定子鉄心と前記磁極歯部にそれぞれ巻かれた巻線からなる固定子と、永久磁石を含む回転子とを備え、前記固定子の磁極歯部を複数の組に区分するとともに、同じ組の磁極歯部に巻かれた巻線を少なくとも２つの以上の分離した巻線とし、かつ同じ組内において隣接する磁極歯部の巻線の巻回方向を互いに逆方向とするとともに、同じ組内の巻線には同一相の電流を流すことを特徴とする請求項１記載の電動機。
3. 電動機の同一相において巻線方向が同一である巻線をまとめて分離された巻線としたことを特徴とする請求項２記載の電動機。
4. インバータが直列に接続されたとき、インバータのＰＷＭスイッチングタイミングを互いに重ならないようにしたことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の電動機。
5. インバータに並列に電気２重相キャパシタを接続したことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の電動機。
6. 請求項１〜５の何れかに記載の電動機の駆動方法であって、電動機駆動用の電源電圧が低い場合、若しくは電動機に高い出力トルクが要求される場合、又はその両者の場合に、インバータを直列接続し、その後並列接続に切り替えることを特徴とする電動機の駆動方法。
7. 請求項１〜５の何れかに記載の電動機を自動車駆動用電動機として具備したことを特徴とするハイブリッド自動車。
8. 請求項１〜５の何れかに記載の電動機を自動車駆動用電動機として具備したことを特徴とする燃料電池自動車。
9. 請求項１〜５の何れかに記載の電動機を自動車駆動用電動機として具備したことを特徴とする電気自動車。
10. 電源にリチウムイオン電池を使用したことを特徴とする請求項７〜９の何れかに記載の自動車。
11. 請求項７〜１０の何れかに記載の自動車において、電源部に電池を有し、この電池の温度を監視する手段と、電池温度が一定値以上である場合にインバータを直列接続しないように制御する手段とを備えたことを特徴とする自動車。
12. 請求項７〜１０の何れかに記載の自動車において、低電圧発電をするオルタネータ又は高電圧から低電圧に変換するＤＣＤＣコンバータと、これらオルタネータ又はＤＣＤＣコンバータが故障した場合、少なくとも１組以上の巻線を発電用に切り替える手段を設けたことを特徴とする自動車。
13. 請求項７〜１１に記載の自動車において、電池容量が低下した場合、外部から５０Ｖ以下の電源を、少なくとも１つ以上のインバータに接続する手段を設けたことを特徴とする自動車。

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