JP6456529B1 - 回転電機装置 - Google Patents
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Abstract
Description
前記第1の直流電源よりも電圧が低い第2の直流電源が接続される第2の電源接続端子と、
前記第1の電源接続端子に供給された直流電力と、前記第2の電源接続端子に供給された直流電力とを切り替えて出力する電源切替機構と、
複数相の巻線を有する回転電機本体と、
前記複数相の巻線の相互接続を、第1の巻線接続状態と、前記第1の巻線接続状態よりも巻線の誘起電圧定数が低くなる第2の巻線接続状態との間で切り替える巻線接続切替機構と、
前記電源切替機構から出力された直流電力と、前記複数相の巻線に供給する交流電力とを変換する、スイッチング素子を備えたインバータと、
前記電源切替機構を切り替え駆動し、前記電源切替機構の切換状態に応じて前記巻線接続切替機構を切り替え駆動し、前記電源切替機構の切換状態及び前記巻線接続切替機構の切換状態に基づいて、前記スイッチング素子をオンオフ駆動して前記回転電機本体を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記電源切替機構を前記第1の電源接続端子側の接続に切り替え駆動した場合は、前記複数相の巻線が前記第1の巻線接続状態になるように、前記巻線接続切替機構を切り替え駆動し、
前記電源切替機構を前記第2の電源接続端子側の接続に切り替え駆動した場合は、前記複数相の巻線が前記第2の巻線接続状態になるように、前記巻線接続切替機構を切り替え駆動し、
前記回転電機本体は、前記複数相の巻線として、3相の巻線を有し、
前記巻線接続切替機構は、前記3相の巻線の相互接続を、前記第1の巻線接続状態としてのY結線と、前記第2の巻線接続状態としてのΔ結線との間で、切り替える切替機構であるものである。
実施の形態1に係る回転電機装置1について図面を参照して説明する。図1は、本実施の形態に係る回転電機装置1の回路図である。
第1の電源接続端子6aは、第1の直流電源5aが接続される接続端子である。第2の電源接続端子6bは、第1の直流電源5aよりも電圧が低い第2の直流電源5bが接続される接続端子である。第1及び第2の直流電源5a、5bは、回転電機装置1の外部に設けられている。第1の直流電源5aは、例えば、48Vの直流電源とされ、リチウムイオン2次電池等の高電圧電池、又は電池の出力電圧が降圧又は昇圧された直流電圧とされる。また、第2の直流電源5bは、例えば、12Vの鉛蓄電池等とされる。
電源切替機構23は、第1の直流電源5aから第1の電源接続端子6aに供給された直流電力と、第2の直流電源5bから第2の電源接続端子6bに供給された直流電力とを切り替えて出力する切替機構である。電源切替機構23は、第1入力端子231、第2入力端子232、出力端子233、及び制御装置25の制御信号が入力される駆動端子234を備えている。本実施の形態では、電源切替機構23は、電磁スイッチとされており、可動接点235、及び可動接点235を駆動するコイル236を備えており、コイル236の一端が駆動端子234に接続されている。電源切替機構23は、制御装置25がコイル236への通電状態を変化させることで可動接点235を移動させ、可動接点235が第1入力端子231と出力端子233とを接続している第1の電源接続状態と、可動接点235が第2入力端子232と出力端子233とを接続している第2の電源接続状態とが切り替わる。なお、電源切替機構23は、複数のスイッチング素子が組み合わされて構成されてもよい。
回転電機本体2は、複数相の巻線14を有している。本実施の形態では、回転電機本体2は、複数相の巻線14として、U相、V相、W相の3相の巻線Cu、Cv、Cwを有している。回転電機本体2の固定子に、3相巻線Cu、Cv、Cwが設けられ、回転電機本体2の回転子に、永久磁石が設けられた、永久磁石同期の回転電機とされている。
巻線接続切替機構24は、複数相の巻線14の相互接続を、第1の巻線接続状態と、第1の巻線接続状態よりも巻線の誘起電圧定数が低くなる第2の巻線接続状態との間で切り替える切替機構である。本実施の形態では、巻線接続切替機構24は、3相巻線Cu、Cv、Cwの相互接続を、第1の巻線接続状態としてのY結線と、第2の巻線接続状態としてのΔ結線との間で、切り替える切替機構とされている。
インバータ12は、電源切替機構23から出力された直流電力と、回転電機本体2の複数相の巻線14に供給する交流電力とを変換する、スイッチング素子を備えた電力変換装置である。インバータ12は、正極電線に接続される正極側のスイッチング素子121と、負極電線に接続される負極側のスイッチング素子122と、が直列接続された直列回路を、3相巻線の各相に対応して3セット設けている。正極電線は、直流電源の正極端子側(本例では、電源切替機構23の出力端子233)に接続され、負極電線は、直流電源の負極端子側(本例では、共通のグランド)に接続される。各相用の2つのスイッチング素子121、122の接続点が、対応する相の巻線に接続される。スイッチング素子には、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、ダイオードが逆並列接続されたIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等が用いられる。
制御装置25は、電源切替機構23、巻線接続切替機構24、及びインバータ12を制御する。制御装置25の各制御は、制御装置25が備えた処理回路により実現される。具体的には、制御装置25は、CPU(Central Processing Unit)等の演算処理装置10、記憶装置33、演算処理装置10に外部の信号を入力する入力回路9、演算処理装置10から外部に信号を出力する出力回路11、及び制御装置25の各部に電力を供給する電源回路8を備えている。
1つの直流電源だけを回転電機装置1の電源として用いると、1つの直流電源に異常が生じた場合に、回転電機の動作が不能になる。そこで、2つの直流電源を、回転電機装置1の電源として用いることが望ましい。しかし、2つの直流電源の電圧が互いに異なる場合、電圧が高い方の直流電源に合わせて巻線の誘起電圧定数を設定すると、電圧が低い方の直流電源を用いる場合にデメリットが生じ、逆に、電圧が低い方の直流電源に合わせて巻線の誘起電圧定数を設定すると、電圧が高い方の直流電源を用いる場合にデメリットが生じる。そこで、2つの直流電源を切り替えて用いる場合、切り替えた直流電源の電圧に合わせて、巻線の誘起電圧定数を変化させることが望ましい。
次式に示すように、Y結線の誘起電圧定数(逆起電力定数ともいう)KeYは、Δ結線の誘起電圧定数KeΔよりも√3倍(1.732倍)大きくなる。Y結線の線間の巻線の抵抗RYは、Δ結線の線間の巻線の抵抗RΔよりも3倍大きくなる。
KeY=√3×KeΔ ・・・(1)
RY=3×RΔ
Ve=Ke×ω ・・・(2)
I=(Va−Ve)/R ・・・(3)
T=Kt×I ・・・(4)
Kt=β×Ke
そこで、本実施の形態では、制御装置25は、電源切替機構23を切り替え駆動し、電源切替機構23の切替状態に応じて巻線接続切替機構24を切り替え駆動し、電源切替機構23の切替状態及び巻線接続切替機構24の切替状態に基づいて、インバータ12のスイッチング素子をオンオフ駆動して回転電機本体2を制御する。
上述したように、回転電機本体2の駆動力が、車両の操舵装置の駆動力源とされており、回転電機装置1は、電動パワーステアリング装置に組み込まれている。図5に示すように、運転者が操作するハンドル15にはステアリングシャフト16が連結されている。ステアリングシャフト16には運転者の操舵角及び操舵トルクの一方又は双方を検知する操舵センサ17が取り付けられている。操向輪である前輪18a、18bのナックルアーム19a、19bには、ラック軸20に連結されたタイロッド21a、21bが接続されており、ラック軸20の動きがタイロッド21a、21bと、ナックルアーム19a、19bを経て前輪18a、18bに伝わることにより、前輪18a、18bが操向される。ラック軸20には転舵モータである回転電機装置1が取り付けられており、回転電機装置1の出力トルクがラック軸20を動かす動力となっている。回転電機装置1は、操舵センサ17の出力信号と車速などの車両信号に基づき、回転電機の出力トルクを制御することにより、運転者の操作に応じた転舵が行われる。
図6及び図7に示すように、第1の電源接続端子6a、第2の電源接続端子6b、電源切替機構23、回転電機本体2、巻線接続切替機構24、インバータ12、及び制御装置25が一体的に構成されている。図6は、一体的に構成された回転電機装置1の側面図である。図7は、回転電機装置1の接続端子側を見た側面図である。回転子の駆動力が出力される出力軸3が、回転電機本体2から軸方向の一方側に突出している。出力軸3は、ギヤ機構等によりラック軸20等の動力伝達機構に連結される。回転電機本体2の軸方向の他方側には、インバータ12、制御装置25、電源切替機構23、及び巻線接続切替機構24などの駆動装置4が、設けられている。回転電機本体2及び駆動装置4は、円筒状のケース内に収容されている。第1の電源接続端子6aのコネクタ、第2の電源接続端子6bのコネクタ、及び操舵センサ17及び車両信号22用の信号コネクタ7が、駆動装置4から軸方向の他方側に突出している。
実施の形態2に係る回転電機装置1について説明する。上記の実施の形態1と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る回転電機装置1の基本的な構成は実施の形態1と同様であるが、複数相の巻線、巻線接続切替機構、及びインバータが、2組設けられている点が異なる。
図8は、本実施の形態に係る回転電機装置1の回路図である。1つの回転電機本体2の固定子に、第1組の複数相の巻線14a及び第2組の複数相の巻線14bが設けられている。実施の形態と同様に、第1組の複数相の巻線14aは、3相巻線Cua、Cva、Cwaとされており、第2組の複数相の巻線14bは、3相巻線Cub、Cvb、Cwbとされている。
回転電機装置1は、第1組の3相巻線の相互接続を、第1の巻線接続状態と第2の巻線接続状態との間で切り替える第1組の巻線接続切替機構24aと、第2組の3相巻線の相互接続を、第1の巻線接続状態と第2の巻線接続状態との間で切り替える第2組の巻線接続切替機構24bと、を備えている。実施の形態と同様に、第1組の巻線接続切替機構24aは、第1組の3相巻線の相互接続を、第1の巻線接続状態としてのY結線と、第2の巻線接続状態としてのΔ結線との間で切り替える。第2組の巻線接続切替機構24bは、第2組の3相巻線の相互接続を、第1の巻線接続状態としてのY結線と、第2の巻線接続状態としてのΔ結線との間で切り替える。各組の巻線接続切替機構24a、24bの基本構成は、実施の形態1の巻線接続切替機構24と同様であるので説明を省略する。
回転電機装置1は、第1組の複数相の巻線14aに供給する電力を変換する第1組のインバータ12a、及び第2組の複数相の巻線14bに供給する電力を変換する第2組のインバータ12bを備えている。各組のインバータは、実施の形態1のインバータと同様の構成であるので説明を省略する。
電源切替機構23は、1つだけ設けられており、電源切替機構23から出力された直流電力は、第1組及び第2組のインバータ12a、12b、並びに第1組及び第2組の制御装置25a、25bに並列して供給される。電源切替機構23は、第1組の制御装置25a又は第2組の制御装置25bにより切り替え駆動される。
また、各種のセンサも2重化されている。例えば、回転電機装置1は、第1組の回転センサ13a、第2組の回転センサ13b、第1組の電流センサ123、第2組の電流センサ123、第1組の電源電圧センサ(不図示)、第2組の電源電圧センサ(不図示)を備えている。また、第1組の操舵センサ17aの出力信号、第2組の操舵センサ17bの出力信号が、回転電機装置1に入力される。また、第1組用の車両信号22a、及び第2組用の車両信号22bが、回転電機装置1に入力される。各組の各種センサの出力信号は、対応する組の制御装置に入力される。
回転電機装置1は、第1組のインバータ12a及び第1組の巻線接続切替機構24aを制御する第1組の制御装置25aと、第2組のインバータ12b及び第2組の巻線接続切替機構24bを制御する第2組の制御装置25bとを備えている。第1組の制御装置25aは、第1組の演算処理装置10a、第1組の記憶装置33a、第1組の入力回路9a、第1組の出力回路11a、及び第1組の電源回路8aを備えている。第2組の制御装置25bは、第2組の演算処理装置10b、第2組の記憶装置33b、第2組の入力回路9b、第2組の出力回路11b、及び第2組の電源回路8bを備えている。第1組の制御装置25aと第2組の制御装置25bとは通信線を介して互いに通信するように構成されている。各組の制御装置25a、25bの基本構成は、実施の形態1の制御装置25と同様であるので説明を省略する。
第1組及び第2組の制御装置25a、25bは、電源切替機構23を切り替え駆動する。第1組の制御装置25aに異常が生じた場合は、第2組の制御装置25bが、第2組のリレー回路34bをオンに駆動し、実施の形態1と同様に、電源切替機構23を切り替え駆動する。なお、第1組の制御装置25aに異常が生じている場合は、第1組のリレー回路34aはオフされる。第2組の制御装置25bに異常が生じた場合は、第1組の制御装置25aが、第1組のリレー回路34aをオンに駆動し、実施の形態1と同様に、電源切替機構23を切り替え駆動する。なお、第2組の制御装置25bに異常が生じている場合は、第2組のリレー回路34bはオフされる。
第1組の制御装置25aは、実施の形態1と同様に、第1組の3相巻線について第1の巻線接続状態(Y結線)又は第2の巻線接続状態(Δ結線)になるように、第1組の巻線接続切替機構24aを切り替え駆動し、電源切替機構23の切替状態、及び第1組の巻線接続切替機構24aにおける第1組の3相巻線の切替状態に基づいて、第1組のインバータ12aのスイッチング素子をオンオフ駆動する。
第1組の制御装置25aは、実施の形態1と同様に、第1組のトルク指令、回転速度、電源切替機構23の切替状態(直流電圧)、及び第1組の巻線接続切替機構24aの切替状態に基づいて、第1組の3相巻線の電流指令を算出する。この際、巻線の誘起電圧定数の変化、直流電圧の変化により、同じ第1組のトルク指令に対応する第1組の電流指令が変化するので、第1組の制御装置25aは、第1組の巻線接続切替機構24aの切替状態、電源切替機構23の切替状態に応じて、第1組のトルク指令に基づいた第1組の3相巻線の電流指令の算出に用いられる設定データ及び設定方法の一方又は双方を切り替える。
第2組の制御装置25bは、実施の形態1と同様に、第2組のトルク指令、回転速度、電源切替機構23の切替状態(直流電圧)、及び第2組の巻線接続切替機構24bの切替状態に基づいて、第2組の3相巻線の電流指令を算出する。この際、巻線の誘起電圧定数の変化、直流電圧の変化により、同じ第2組のトルク指令に対応する第2組の電流指令が変化するので、第2組の制御装置25bは、第2組の巻線接続切替機構24bの切替状態、電源切替機構23の切替状態に応じて、第2組のトルク指令に基づいた第2組の3相巻線の電流指令の算出に用いられる設定データ及び設定方法の一方又は双方を切り替える。
実施の形態1と同様に、回転電機本体2の駆動力が、車両の操舵装置の駆動力源とされており、回転電機装置1は、電動パワーステアリング装置に組み込まれている。図9に示すように、実施の形態1とは異なり、ステアリングシャフト16には運転者の操舵角及び操舵トルクの一方又は双方を検知する第1組の操舵センサ17a及び第2組の操舵センサ17bが取り付けられている。
図10及び図11に示すように、第1の電源接続端子6a、第2の電源接続端子6b、電源切替機構23、回転電機本体2、巻線接続切替機構24、インバータ12、及び制御装置25が一体的に構成されている。図10は、一体的に構成された回転電機装置1の側面図である。図11は、回転電機装置1の接続端子側を見た図である。回転子の駆動力が出力される出力軸3が、回転電機本体2から軸方向の一方側に突出している。出力軸3は、ギヤ機構等によりラック軸20等の動力伝達機構に連結される。回転電機本体2の軸方向の他方側には、第1組及び第2組のインバータ、第1組及び第2組の制御装置、電源切替機構23、及び第1組の及び第2組の巻線接続切替機構などの駆動装置4が、設けられている。回転電機本体2及び駆動装置4は、円筒状のケース内に収容されている。第1の電源接続端子6aのコネクタ、第2の電源接続端子6bのコネクタ、第1組の操舵センサ17a及び第1組用の車両信号22aの信号コネクタ7a、及び第2組の操舵センサ17b及び第2組用の車両信号22bの信号コネクタ7bが、駆動装置4から軸方向の他方側に突出している。
最後に、本開示のその他の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する各実施の形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施の形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。
Claims (10)
- 第1の直流電源が接続される第1の電源接続端子と、
前記第1の直流電源よりも電圧が低い第2の直流電源が接続される第2の電源接続端子と、
前記第1の電源接続端子に供給された直流電力と、前記第2の電源接続端子に供給された直流電力とを切り替えて出力する電源切替機構と、
複数相の巻線を有する回転電機本体と、
前記複数相の巻線の相互接続を、第1の巻線接続状態と、前記第1の巻線接続状態よりも巻線の誘起電圧定数が低くなる第2の巻線接続状態との間で切り替える巻線接続切替機構と、
前記電源切替機構から出力された直流電力と、前記複数相の巻線に供給する交流電力とを変換する、スイッチング素子を備えたインバータと、
前記電源切替機構を切り替え駆動し、前記電源切替機構の切換状態に応じて前記巻線接続切替機構を切り替え駆動し、前記電源切替機構の切換状態及び前記巻線接続切替機構の切換状態に基づいて、前記スイッチング素子をオンオフ駆動して前記回転電機本体を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記電源切替機構を前記第1の電源接続端子側の接続に切り替え駆動した場合は、前記複数相の巻線が前記第1の巻線接続状態になるように、前記巻線接続切替機構を切り替え駆動し、
前記電源切替機構を前記第2の電源接続端子側の接続に切り替え駆動した場合は、前記複数相の巻線が前記第2の巻線接続状態になるように、前記巻線接続切替機構を切り替え駆動し、
前記回転電機本体は、前記複数相の巻線として、3相の巻線を有し、
前記巻線接続切替機構は、前記3相の巻線の相互接続を、前記第1の巻線接続状態としてのY結線と、前記第2の巻線接続状態としてのΔ結線との間で、切り替える切替機構である回転電機装置。 - 前記制御装置は、前記第1の直流電源に異常が生じたと判定した場合に、前記電源切替機構を前記第2の電源接続端子側の接続に切り替え駆動し、前記第2の直流電源に異常が生じたと判定した場合に、前記電源切替機構を前記第1の電源接続端子側の接続に切り替え駆動する請求項1に記載の回転電機装置。
- 前記回転電機本体は、前記3相の巻線として、U相の巻線、V相の巻線、及びW相の巻線を有し、前記U相の巻線の一端が、U相用の前記スイッチング素子に接続され、前記V相の巻線の一端が、V相用の前記スイッチング素子に接続され、前記W相の巻線の一端が、W相用の前記スイッチング素子に接続され、
前記巻線接続切替機構は、前記第1の巻線接続状態で、前記U相の巻線の他端、前記V相の巻線の他端、及び前記W相の巻線の他端を相互に接続し、前記第2の巻線接続状態で、前記U相の巻線の他端を、前記V相の巻線の一端に接続し、前記V相の巻線の他端を、前記W相の巻線の一端に接続し、前記W相の巻線の他端を、前記U相の巻線の一端に接続する請求項1又は2に記載の回転電機装置。 - 前記制御装置は、前記インバータが故障していると判定した場合は、前記巻線接続切替機構を、前記第1の巻線接続状態及び前記第2の巻線接続状態でない中立の巻線接続状態に切り替え、
前記巻線接続切替機構は、前記中立の巻線接続状態で、前記U相の巻線の他端を、前記V相の巻線の他端及び前記W相の巻線の他端、及び前記V相の巻線の一端のいずれにも接続しない開放状態にし、前記V相の巻線の他端を、前記W相の巻線の他端及び前記U相の巻線の他端、及び前記W相の巻線の一端のいずれにも接続しない開放状態にし、前記W相の巻線の他端を、前記U相の巻線の他端及び前記V相の巻線の他端、及び前記U相の巻線の一端のいずれにも接続しない開放状態にする請求項3に記載の回転電機装置。 - 前記複数相の巻線、前記巻線接続切替機構、及び前記インバータは、2組設けられ、
各組の前記巻線接続切替機構は、対応する組の前記複数相の巻線の相互接続を、前記第1の巻線接続状態と前記第2の巻線接続状態との間で切り替え、
前記制御装置は、前記電源切替機構を切り替え駆動し、各組の前記複数相の巻線について前記第1の巻線接続状態又は前記第2の巻線接続状態になるように、各組の前記巻線接続切替機構を切り替え駆動し、前記電源切替機構の切換状態、及び各組の前記巻線接続切替機構における各組の前記複数相の巻線の切換状態に基づいて、各組の前記スイッチング素子をオンオフ駆動して前記回転電機本体を制御し、
前記制御装置は、
前記電源切替機構を前記第1の電源接続端子側の接続に切り替え駆動した場合は、各組の前記複数相の巻線が前記第1の巻線接続状態になるように、各組の前記巻線接続切替機構を切り替え駆動し、
前記電源切替機構を前記第2の電源接続端子側の接続に切り替え駆動した場合は、各組の前記複数相の巻線が前記第2の巻線接続状態になるように、各組の前記巻線接続切替機構を切り替え駆動し、
前記回転電機本体は、各組の前記複数相の巻線として、前記3相の巻線を有し、
各組の前記巻線接続切替機構は、対応する組の前記3相の巻線の相互接続を、前記第1の巻線接続状態としての前記Y結線と、前記第2の巻線接続状態としての前記Δ結線との間で、切り替える切替機構である請求項1又は2に記載の回転電機装置。 - 前記回転電機本体は、各組の前記3相の巻線として、U相の巻線、V相の巻線、及びW相の巻線を有し、各組について、前記U相の巻線の一端が、U相用の前記スイッチング素子に接続され、前記V相の巻線の一端が、V相用の前記スイッチング素子に接続され、前記W相の巻線の一端が、W相用の前記スイッチング素子に接続され、
各組の前記巻線接続切替機構は、前記第1の巻線接続状態で、各組について、前記U相の巻線の他端、前記V相の巻線の他端、及び前記W相の巻線の他端を相互に接続し、前記第2の巻線接続状態で、各組について、前記U相の巻線の他端を、前記V相の巻線の一端に接続し、前記V相の巻線の他端を、前記W相の巻線の一端に接続し、前記W相の巻線の他端を、前記U相の巻線の一端に接続する請求項5に記載の回転電機装置。 - 前記制御装置は、何れかの組の前記インバータが故障した判定した場合は、故障したと判定した組の前記巻線接続切替機構を、前記第1の巻線接続状態及び前記第2の巻線接続状態でない中立の巻線接続状態に切り替え、
各組の前記巻線接続切替機構は、前記中立の巻線接続状態で、各組について、前記U相の巻線の他端を、前記V相の巻線の他端及び前記W相の巻線の他端、及び前記V相の巻線の一端のいずれにも接続しない開放状態にし、前記V相の巻線の他端を、前記W相の巻線の他端及び前記U相の巻線の他端、及び前記W相の巻線の一端のいずれにも接続しない開放状態にし、前記W相の巻線の他端を、前記U相の巻線の他端及び前記V相の巻線の他端、及び前記U相の巻線の一端のいずれにも接続しない開放状態にする請求項6に記載の回転電機装置。 - 前記複数相の巻線、前記巻線接続切替機構、及び前記インバータに加えて、前記制御装置も2組設けられ、
第1組の前記制御装置及び第2組の前記制御装置の双方が正常の場合は、一方の組の前記制御装置が、前記電源切替機構を切り替え駆動し、
前記第1組の制御装置及び前記第2組の制御装置の何れか一方に異常が発生した場合は、異常が発生していない組の前記制御装置が、前記電源切替機構を切り替え駆動する請求項5から7のいずれか一項に記載の回転電機装置。 - 前記回転電機本体の駆動力が、車両の操舵装置の駆動力源とされる請求項1から8のいずれか一項に記載の回転電機装置。
- 前記第1の電源接続端子、前記第2の電源接続端子、前記電源切替機構、前記回転電機本体、前記巻線接続切替機構、前記インバータ、及び前記制御装置が一体的に構成されている請求項1から9のいずれか一項に記載の回転電機装置。
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