JP5784531B2

JP5784531B2 - 永久磁石電動機駆動装置

Info

Publication number: JP5784531B2
Application number: JP2012055050A
Authority: JP
Inventors: 静呉; 敏林
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2012-03-12
Filing date: 2012-03-12
Publication date: 2015-09-24
Anticipated expiration: 2032-03-12
Also published as: JP2013192300A

Description

本発明の実施形態は、永久磁石電動機駆動装置に関する。

永久磁石電動機（ＰＭＳＭ：Permanent Magnet Synchronous Motor）は、小型で軽量、かつ高効率のモータであり、近年、鉄道車両駆動用のモータとしての普及が進んでいる。永久磁石電動機は、回転すると永久磁石磁束によってモータ端子間に誘起電圧が発生する。このため、永久磁石電動機に電力を供給するインバータに故障が生じた状態で運転を継続した場合は、モータ誘起電圧によりインバータに電流が流れ続けて永久磁石電動機にブレーキ力が発生する。したがって、１台のインバータ故障が列車の運転継続を妨げる場合があることから、永久磁石電動機を駆動させる永久磁石電動機駆動装置では、インバータの故障検知時に永久磁石電動機とインバータとを電気的に切り離す開閉器（以後、モータ開放接触器と称する）を設けるものがある。

特開２００７−３０６６４２号公報

ところで、永久磁石電動機駆動装置では、永久磁石電動機のモータ端子間の電圧を検出する電圧検出器を備えるものがある。しかしながら、上述した従来技術では、永久磁石電動機とインバータとを電気的に切り離すことはできるが、永久磁石電動機と電圧検出器とを電気的に切り離すことができず、電圧検出器の１次配線側短絡故障が発生した際に、短絡箇所を介して短絡電流が流れ続けて永久磁石電動機にブレーキ力が発生する場合があった。

上述した課題を解決するために、実施形態の永久磁石電動機駆動装置は、車両駆動用の３相の永久磁石電動機と、前記永久磁石電動機を駆動するインバータと、前記インバータと前記永久磁石電動機とを接続する３相の配線のそれぞれに設けられ、当該配線の電気的な接続及び切り離しを行うモータ開放接触器と、前記配線に接続され、前記永久磁石電動機の端子電圧を検出する電圧検出器と、装置故障時に前記モータ開放接触器を切り離させる制御装置と、を備え、前記モータ開放接触器の一つが、前記配線における前記電圧検出器と前記永久磁石電動機の間に設けられ、前記制御装置は、車両運転開始時において、前記電圧検出器と前記永久磁石電動機の間に設けられたモータ開放接触器を接続させた後に、当該モータ開放接触器とは異なる相の配線に設けられたモータ開放接触器を接続させる。

図１は、実施形態にかかる永久磁石電動機駆動装置の一構成を示すブロック図である。図２は、変形例１にかかる永久磁石電動機駆動装置の一構成を示すブロック図である。図３は、変形例２にかかる永久磁石電動機駆動装置の一構成を示すブロック図である。図４は、変形例３にかかる永久磁石電動機駆動装置の一構成を示すブロック図である。図５は、変形例４にかかる永久磁石電動機駆動装置の一構成を示すブロック図である。図６は、変形例５にかかる永久磁石電動機駆動装置の一構成を示すブロック図である。図７は、変形例６にかかる永久磁石電動機駆動装置の一構成を示すブロック図である。図８は、変形例７にかかる永久磁石電動機駆動装置の一構成を示すブロック図である。

以下、添付図面を参照して実施形態にかかる永久磁石電動機駆動装置を詳細に説明する。図１は、実施形態にかかる永久磁石電動機駆動装置１００の一構成を示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態における永久磁石電動機駆動装置１００は、永久磁石電動機１台がユニット単位となるシステムを前提とした構成例である。

永久磁石電動機駆動装置１００は、永久磁石電動機（ＰＭＳＭ）１２を駆動するインバータ１１と、インバータ１１と永久磁石電動機１２との間の３相の配線のそれぞれに設けられたモータ開放接触器２１ａ（Ｕ相）、２２ａ（Ｖ相）、２３ａ（Ｗ相）と、インバータ１１を制御するとともにモータ開放接触器２１ａ、２２ａ、２３ａの入り切りを制御する制御装置１３と、永久磁石電動機１２の端子電圧（図示例ではＵ相、Ｖ相間）を検出する電圧検出器１４と、インバータ１１の入側に設けられたフィルタコンデンサ４とを備えている。

永久磁石電動機１２は、車両駆動用として鉄道車両等に設けられ、インバータ１１より供給される３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の電源で駆動する同期電動機であり、界磁に永久磁石（強磁性体）を使用している。図示例では、インバータ１１との間の配線を上から順にＵ相、Ｖ相、Ｗ相とする。

車両を駆動する電源として、架線電源、ディーゼル発電電源又は蓄電装置電源などを挙げられるが、ここでは１例として直流電源を用いるものする。インバータ１１は、パンタグラフ２、フィルタリアクトル３、フィルタコンデンサ４を介して直流電圧を取り込んで所望電圧、所望周波数の交流を生成して永久磁石電動機１２に供給する一般的な車両用インバータである。具体的には、インバータ１１は６個の半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）で構成され、制御装置１３から送られてくる各素子のオンオフＰＷＭゲート信号指令に従って動作する。その動作は従来技術と同様であり詳細説明は省略する。

制御装置１３は、永久磁石電動機１２の回転子位置を検出する位置センサ（図示せず）からの位置検出値と、インバータ１１の出側に設けられた各相の電流値を検出する電流検出器２４、２５からの電流検出値などのフィードバック信号と、モータトルク指令とを入力として、永久磁石電動機１２がトルク指令どおりのトルクを出力できるように、インバータ１１の各素子へオンオフＰＷＭゲート信号指令を出力する。また、インバータ１１の実際のオンオフ動作をゲートフィードバック信号としてインバータ１１から入力され、オンオフＰＷＭゲート信号指令との不一致が合った場合、電流検出値が一定値以上で過電流となった場合、又はインバータ直流入力電圧が予め設定した一定値以下になった場合等、インバータ故障と判断する基準を満たした場合には、インバータ故障と判断して、各相のモータ開放接触器２１ａ、２２ａ、２３ａに開放指令を出力する。したがって、インバータ故障等の装置故障時には、各相のモータ開放接触器２１ａ、２２ａ、２３ａに開放指令が出力されることで、インバータ１１と永久磁石電動機１２とが電気的に切り離されることとなる。

モータ開放接触器２１ａ、２２ａ、２３ａは、制御装置１３から出力される開放指令に従い、インバータ１１と永久磁石電動機１２とのＵＶＷ各相を電気的に接続する主回路接点の接続及び切り離しを行う。ここで、モータ開放接触器２２ａは、インバータ１１と永久磁石電動機１２との間のＶ相の配線において、電圧検出器１４と永久磁石電動機１２との間に設けられる。

したがって、インバータ故障等の装置故障時には、制御装置１３によりモータ開放接触器２１ａ、２２ａ、２３ａに開放指令が出力されて、電圧検出器１４と永久磁石電動機１２との間の電気的な接続も切り離される。また、電圧検出器１４の１次側極間短絡又は１次側配線短絡故障に対しても、モータ開放接触器２２ａオフにより、永久磁石電動機１２と短絡箇所を切り離され、永久磁石電動機１２の相間短絡を遮断し得る。このため、装置故障時において、電圧検出器１４により短絡電流が流れ続けて永久磁石電動機１２にブレーキ力が発生することを防止できる。

ここで、制御装置１３は、車両運転開始時において、電圧検出器１４と永久磁石電動機１２の間に設けられたモータ開放接触器２２ａを接続させた後に、モータ開放接触器２２ａとは異なる相の配線に設けられたモータ開放接触器２１ａ、２３ａを接続させる。具体的には、車両運転開始時には、先にＶ相のモータ開放接触器２２ａを投入し、電圧検出器１４により永久磁石電動機１２の端子電圧の測定を開始させる。その後、Ｕ相のモータ開放接触器２１ａとＷ相のモータ開放接触器２３ａを投入し、インバータ１１から永久磁石電動機１２へ電力を供給することで、永久磁石電動機１２の端子電圧を先に確認した後に、運転を開始させることができる。

＜変形例１＞
図２は、変形例１にかかる永久磁石電動機駆動装置１００ａの一構成を示すブロック図である。図２に示すように、変形例１では、モータ開放接触器２１ａが、インバータ１１と永久磁石電動機１２との間のＵ相の配線において、電圧検出器１４と永久磁石電動機１２との間に設けられる。この変形例１の構成であっても、装置故障時において、電圧検出器１４により短絡電流が流れ続けて永久磁石電動機１２にブレーキ力が発生することを防止できる。

＜変形例２＞
図３は、変形例２にかかる永久磁石電動機駆動装置１００ｂの一構成を示すブロック図である。図３に示すように、永久磁石電動機駆動装置１００ｂは、永久磁石電動機１２１、１２２の２台がユニット単位となるシステムを前提とした構成例である。

永久磁石電動機駆動装置１００ｂは、永久磁石電動機１２１を駆動するインバータ１１１と、永久磁石電動機１２２を駆動するインバータ１１２とを備え、２台の永久磁石電動機を２台のインバータにより個別に駆動する構成である。ここで、電圧検出器１４１は、永久磁石電動機１２１の端子電圧（図示例ではＵ相、Ｖ相間）を検出する。電圧検出器１４２は、永久磁石電動機１２２の端子電圧（図示例ではＵ相、Ｖ相間）を検出する。フィルタコンデンサ５はインバータ１１２の入側に設けられたフィルタコンデンサである。電流検出器２４、２５は、インバータ１１１の出側に設けられ、各相の電流値を検出する。電流検出器２６、２７は、インバータ１１２の出側に設けられ、各相の電流値を検出する。

モータ開放接触器２１ｂ、２２ｂ、２３ｂは、極数が２極であり、その２極の接点における接続及び切り離しを共有する２極接触器である。モータ開放接触器２１ｂは、インバータ１１１と永久磁石電動機１２１、及びインバータ１１２と永久磁石電動機１２２との間のＵ相の配線に設けられる。モータ開放接触器２２ｂは、インバータ１１１と永久磁石電動機１２１、及びインバータ１１２と永久磁石電動機１２２との間のＶ相の配線に設けられる。モータ開放接触器２２ｃは、インバータ１１１と永久磁石電動機１２１、及びインバータ１１２と永久磁石電動機１２２との間のＷ相の配線に設けられる。また、モータ開放接触器２２ｂは、電圧検出器１４１、１４２と永久磁石電動機１２１、１２２との間に配置される。

したがって、インバータ故障等の装置故障時には、制御装置１３によりモータ開放接触器２１ｂ、２２ｂ、２３ｂに開放指令が出力されて、電圧検出器１４１と永久磁石電動機１２１との間、及び電圧検出器１４２と永久磁石電動機１２２との間の電気的な接続も切り離される。また、電圧検出器１４１、または１４２の１次側極間短絡又は１次側配線短絡故障に対しても、モータ開放接触器２２ｂオフにより、永久磁石電動機１２１、または１２２と短絡箇所を切り離され、永久磁石電動機１２１、または１２２の相間短絡を遮断し得る。このため、装置故障時において、電圧検出器１４１、または１４２により短絡電流が流れ続けて永久磁石電動機１２１、または１２２にブレーキ力が発生することを防止できる。

また、電圧検出器１４１、１４２と永久磁石電動機１２１、１２２の間に設けられたモータ開放接触器２２ｂにより接続及び切り離しが行われる相とは異なる相（図示例ではＵ相、Ｗ相をいう）の配線において、極数が２極であり、その２極の接点における接続及び切り離しを共有するモータ開放接触器２１ｂ、２３ｂを用いることで、モータ開放接触器の数を削減できる。同様に、永久磁石電動機１２１、１２２を個別にインバータ１１１、１１２で駆動する場合においても、電圧検出器１４１、１４２と永久磁石電動機１２１、１２２の間に２極の接点における接続及び切り離しを共有するモータ開放接触器２２ｂを用いることで、モータ開放接触器の数を削減できる。

ここで、制御装置１３は、上述した実施形態と同様、車両運転開始時において、電圧検出器１４１と永久磁石電動機１２１、及び電圧検出器１４２と永久磁石電動機１２２の間に設けられたモータ開放接触器２２ｂを接続させた後に、モータ開放接触器２２ｂとは異なる相の配線に設けられたモータ開放接触器２１ｂ、２３ｂを接続させる。具体的には、車両運転開始時には、先にＶ相のモータ開放接触器２２ｂを投入し、電圧検出器１４１、１４２により永久磁石電動機１２１、１２２の端子電圧の測定を開始させる。その後、Ｕ相のモータ開放接触器２１ｂとＷ相のモータ開放接触器２３ｂを投入し、インバータ１１１、１１２から永久磁石電動機１２１、１２２へ電力を供給することで、永久磁石電動機１２１、１２２の端子電圧を先に確認した後に、運転を開始させることができる。

＜変形例３〜７＞
以下、上述した実施形態、変形例１及び変形例２を元にした変形例３〜７を説明する。図４は、変形例３にかかる永久磁石電動機駆動装置１００ｃの一構成を示すブロック図である。

図４に示すように、永久磁石電動機駆動装置１００ｃは、図１に例示した実施形態と同様な構成であり、Ｕ相、Ｖ相の配線に極数が２極であり、その２極の接点における接続及び切り離しを共有するモータ開放接触器２１ｃを用いることが異なる。ここで、モータ開放接触器２１ｃの１極はＵ相の配線に配置し、残りの１極はＶ相の配線に配置する。モータ開放接触器２２ｃはＷ相の配線に配置する。モータ開放接触器２３ｃは、Ｖ相の配線において、電圧検出器１４と永久磁石電動機１２との間に配置する。制御装置１３におけるモータ開放接触器２１ｃ、２２ｃ、２３ｃの入り切り制御は、上述した実施形態と同様である。この変形例３の構成では、モータ開放接触器２１ｃ、２２ｃのオフにより、ＵＶＷ３相が同時に遮断されることから、モータ開放接触器２３ｃの遮断責務を低減できる。

図５は、変形例４にかかる永久磁石電動機駆動装置１００ｄの一構成を示すブロック図である。図５に示すように、永久磁石電動機駆動装置１００ｄでは、Ｖ相、Ｗ相の配線に極数が２極であり、その２極の接点における接続及び切り離しを共有するモータ開放接触器２２ｄを用いる。ここで、モータ開放接触器２２ｄの１極はＶ相の配線に配置し、残りの１極はＷ相の配線に配置する。モータ開放接触器２１ｄはＵ相の配線に配置する。モータ開放接触器２３ｄは、Ｖ相の配線において、電圧検出器１４と永久磁石電動機１２との間に配置する。制御装置１３におけるモータ開放接触器２１ｄ、２２ｄ、２３ｄの入り切り制御は、上述した実施形態と同様である。この変形例４の構成であっても、モータ開放接触器２１ｄ、２２ｄのオフにより、ＵＶＷ３相が同時に遮断されることから、モータ開放接触器２３ｄの遮断責務を低減できる。

図６は、変形例５にかかる永久磁石電動機駆動装置１００ｅの一構成を示すブロック図である。図６に示すように、永久磁石電動機駆動装置１００ｅは、モータ開放接触器２３ｅをＵ相の配線における電圧検出器１４と永久磁石電動機１２との間に配置する点が変形例３（永久磁石電動機駆動装置１００ｃ）と異なる。ここで、モータ開放接触器２１ｅの１極はＵ相の配線に配置し、残りの１極はＶ相の配線に配置する。モータ開放接触器２２ｅはＷ相の配線に配置する。制御装置１３におけるモータ開放接触器２１ｅ、２２ｅ、２３ｅの入り切り制御は、上述した実施形態と同様である。

図７は、変形例６にかかる永久磁石電動機駆動装置１００ｆの一構成を示すブロック図である。図７に示すように、永久磁石電動機駆動装置１００ｆは、図３に例示した変形例２と同様な構成であり、極数が３極であり、その３極の接点における接続及び切り離しを共有するモータ開放接触器２１ｆ、２２ｆを用いることが異なる。ここで、モータ開放接触器２１ｆの３極は、インバータ１１１の出側のＵ相、Ｖ相の配線と、インバータ１１２の出側のＵ相の配線に配置する。モータ開放接触器２２ｆの３極は、インバータ１１１の出側のＷ相の配線と、インバータ１１２の出側のＶ相、Ｗ相の配線に配置する。モータ開放接触器２３ｆは、Ｖ相の配線において、電圧検出器１４１と永久磁石電動機１２１、電圧検出器１４２と永久磁石電動機１２２の間に配置する２極接触器である。制御装置１３におけるモータ開放接触器２１ｆ、２２ｆ、２３ｆの入り切り制御は、上述した実施形態と同様である。この変形例６の構成であっても、モータ開放接触器２１ｆ、２２ｆのオフにより、永久磁石電動機１２１、１２２のＵＶＷ３相が同時に遮断されることから、モータ開放接触器２３ｆの遮断責務を低減できる。

図８は、変形例７にかかる永久磁石電動機駆動装置１００ｇの一構成を示すブロック図である。図８に示すように、永久磁石電動機駆動装置１００ｇは、モータ開放接触器２３ｇをＵ相の配線における電圧検出器１４１と永久磁石電動機１２１、電圧検出器１４２と永久磁石電動機１２２の間に配置する点が変形例６（永久磁石電動機駆動装置１００ｆ）と異なる。ここで、モータ開放接触器２１ｇの３極は、インバータ１１１の出側のＵ相、Ｖ相の配線と、インバータ１１２の出側のＵ相の配線に配置する。モータ開放接触器２２ｇの３極は、インバータ１１１の出側のＷ相の配線と、インバータ１１２の出側のＶ相、Ｗ相の配線に配置する。制御装置１３におけるモータ開放接触器２１ｇ、２２ｇ、２３ｇの入り切り制御は、上述した実施形態と同様である。

なお、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成することができる。例えば、実施形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。

１００〜１００ｇ…永久磁石電動機駆動装置、２…パンタグラフ、３…フィルタリアクトル、４、５…フィルタコンデンサ、１１、１１１、１１２…インバータ、１２、１２１、１２２…永久磁石電動機、１３…制御装置、１４、１４１、１４２…電圧検出器、２１ａ〜２１ｇ、２２ａ〜２２ｇ、２３ａ〜２３ｇ…モータ開放接触器、２４〜２７…電流検出器

Claims

車両駆動用の３相の永久磁石電動機と、
前記永久磁石電動機を駆動するインバータと、
前記インバータと前記永久磁石電動機とを接続する３相の配線のそれぞれに設けられ、当該配線の電気的な接続及び切り離しを行うモータ開放接触器と、
前記配線に接続され、前記永久磁石電動機の端子電圧を検出する電圧検出器と、
装置故障時に前記モータ開放接触器を切り離させる制御装置と、を備え、
前記モータ開放接触器の一つが、前記配線における前記電圧検出器と前記永久磁石電動機の間に設けられ、
前記制御装置は、車両運転開始時において、前記電圧検出器と前記永久磁石電動機の間に設けられたモータ開放接触器を接続させた後に、当該モータ開放接触器とは異なる相の配線に設けられたモータ開放接触器を接続させる、
永久磁石電動機駆動装置。
前記電圧検出器と前記永久磁石電動機の間に設けられたモータ開放接触器と異なる相のモータ開放接触器の少なくとも一つは、極数が２極以上で接続及び切り離しを共有する多極接触器であり、この多極接触器は、前記電圧検出器と前記永久磁石電動機の間に前記モータ開放接触器を設けた相とは異なる相及び前記電圧検出器と前記永久磁石電動機の間に前記モータ開放接触器を設けた相の、前記インバータと前記電圧検出器の間に配置される、
請求項１に記載の永久磁石電動機駆動装置。
複数の永久磁石電動機と、
これらの永久磁石電動機を個別に駆動する複数のインバータと、
前記インバータと前記永久磁石電動機とを接続する３相の配線のそれぞれに設けられ、当該配線の電気的な接続及び切り離しを行うモータ開放接触器と、
前記配線に接続され、前記永久磁石電動機の端子電圧を検出する電圧検出器と、
装置故障時に前記モータ開放接触器を切り離させる制御装置と、を備え、
前記電圧検出器と前記永久磁石電動機の間に設けられる前記モータ開放接触器は、極数が２極以上で接続及び切り離しを共有する多極接触器であり、各々の前記永久磁石電動機と前記電圧検出器との間の接続及び切り離しが共有され、更に、前記電圧検出器と前記永久磁石電動機の間に前記モータ開放接触器を設けた相とは異なる相に設けられたモータ開放接触器は前記多極接触器であり、各々の前記インバータと前記永久磁石電動機の間の接続及び切り離しが共有され、
前記制御装置は、車両運転開始時において、前記電圧検出器と前記永久磁石電動機の間に設けられたモータ開放接触器を接続させた後に、当該モータ開放接触器とは異なる相の配線に設けられたモータ開放接触器を接続させる、
永久磁石電動機駆動装置。