特許 7668813 駆動システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-04-17

(45)【発行日】2025-04-25

(54)【発明の名称】駆動システム

(51)【国際特許分類】

   H02P 25/08 20160101AFI20250418BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20250418BHJP

   H02P 5/74 20060101ALI20250418BHJP

   B60L 9/18 20060101ALN20250418BHJP

【ＦＩ】

H02P25/08

H02M7/48 E

H02P5/74

B60L9/18 L

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2022558748

(86)(22)【出願日】2020-10-30

(86)【国際出願番号】 JP2020040812

(87)【国際公開番号】W WO2022091339

(87)【国際公開日】2022-05-05

【審査請求日】2022-12-09

【審判番号】

【審判請求日】2024-03-05

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100095407

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 満

(74)【代理人】

【氏名又は名称】八島 耕司

(74)【代理人】

【識別番号】100147924

【弁理士】

【氏名又は名称】美恵 英樹

(74)【代理人】

【識別番号】100148149

【弁理士】

【氏名又は名称】渡邉 幸男

(74)【代理人】

【識別番号】100181618

【弁理士】

【氏名又は名称】宮脇 良平

(74)【代理人】

【識別番号】100174388

【弁理士】

【氏名又は名称】龍竹 史朗

(72)【発明者】

【氏名】寺本 晃大

(72)【発明者】

【氏名】金子 健太

(72)【発明者】

【氏名】濱田 優

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 俊毅

(72)【発明者】

【氏名】枦山 盛幸

(72)【発明者】

【氏名】小島 鉄也

(72)【発明者】

【氏名】山崎 尚徳

【合議体】

【審判長】吉田 美彦

【審判官】林 毅

【審判官】大塚 俊範

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－４２３２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－５７０７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－４４９４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１０８２３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２０／０６７３０４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１５／１５９６９４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】竹内活徳、外２名、高効率の同期リラクタンスモータ、東芝レビュー、東芝技術企画部、２０１５年、Vol.70、No.5、第２０－２３ページ

【文献】渡邉翔一郎、外４名、次世代半導体SiCいよいよ実用化～銀座線1000系車両，SiCインバータを搭載～、電気学会誌、一般社団法人電気学会、2015年10月1日、第135巻、第10号、第676-679ページ

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

H02P25/08

H02P5/74

H02M7/48

B60L9/18

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

鉄道車両の推進力を生じさせる駆動システムであって、
電力の供給を受けて回転することで前記鉄道車両の推進力を生じさせる同期リラクタンスモータと、
複数のスイッチング素子と前記スイッチング素子のそれぞれに並列に接続される還流ダイオードを有し、前記同期リラクタンスモータにスイッチ回路を介さずに直接接続されて、架線または第三軌条から供給される電力を前記同期リラクタンスモータに供給するための電力に変換し、変換した電力を前記同期リラクタンスモータに供給する電力変換部と、
前記電力変換部が有する前記複数のスイッチング素子を、パルス幅変調を行うＰＷＭ制御により制御する制御部と、
を備え、
前記スイッチング素子および前記還流ダイオードの少なくともいずれかはワイドギャップ半導体で形成され、
前記電力変換部は、前記鉄道車両の床下または屋根上に設けられ、前記鉄道車両の駆動システムにリラクタンスモータ以外のモータを適用した場合の電力変換部の容量よりも大きい容量を備える、
駆動システム。

【請求項2】

前記複数のスイッチング素子は、ワイドギャップ半導体で形成される、
請求項１に記載の駆動システム。

【請求項3】

前記制御部は、前記同期リラクタンスモータの目標トルクを得るための電圧指令値に応じた変調波、および前記同期リラクタンスモータの回転数の増大に応じて周波数が増大する搬送波を用い、前記変調波と前記搬送波との比較に基づいて前記複数のスイッチング素子に対するゲート信号を生成する、
請求項１または２に記載の駆動システム。

【請求項4】

前記制御部は、前記同期リラクタンスモータが有する回転子の磁極位置に応じて前記複数のスイッチング素子に対するゲート信号を生成する、
請求項１から３のいずれか１項に記載の駆動システム。

【請求項5】

複数の前記電力変換部と、
前記複数の電力変換部と同数の前記同期リラクタンスモータと、を備え、
前記電力変換部は一対一で対応する前記同期リラクタンスモータに直接接続される、
請求項１から４のいずれか１項に記載の駆動システム。

【請求項6】

前記架線または前記第三軌条から供給される電力で充電されるフィルタコンデンサをさらに備え、
前記複数の電力変換部は前記フィルタコンデンサに共通に接続される、
請求項５に記載の駆動システム。

【請求項7】

前記架線または前記第三軌条から供給される電力で充電される前記複数の電力変換部と同数のフィルタコンデンサをさらに備え、
前記電力変換部に一対一で対応する前記フィルタコンデンサが接続される、
請求項５に記載の駆動システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、駆動システムに関する。

【背景技術】

【0002】

電気鉄道車両に搭載される駆動システムには、架線を通して変電所から供給された直流電力を所望の交流電力に変換し、変換した交流電力を電動機に供給して電動機を駆動して電気鉄道車両の推進力を生じさせるものがある。鉄道車両の床下のスペースには限りがあるため、少ない数の電動機によって、鉄道車両が目標速度で走行するための推進力を生じさせることが好ましい。

【0003】

そこで、電動機として誘導電動機より効率の高い同期電動機が用いられることがある。この種の駆動システムの一例が特許文献１に開示されている。特許文献１に開示される電気車制御装置は、複数の永久磁石式同期電動機と、永久磁石式同期電動機に一対一で対応付けられる複数のインバータと、複数のインバータを制御するゲート制御装置と、を備える。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１２－０７５３１７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

永久磁石式同期電動機では、無負荷時、例えばインバータで短絡故障が生じてインバータが停止した場合に、永久磁石に起因して電動機回転数に比例した無負荷誘起電圧が発生する。この結果、特許文献１に開示される電気車制御装置では、インバータ停止時に、永久磁石式同期電動機からインバータに電流が流れる。無負荷誘起電圧に起因する電流が永久磁石式同期電動機からインバータに流れることによる故障を防止するため、特許文献１に開示される電気車制御装置は、インバータと永久磁石式同期電動機の間に設けられた接触器を備える。

【0006】

永久磁石式同期電動機と同数の接触器を設ける必要があるため、特許文献１に開示される電気車制御装置の構造は複雑になり、サイズも大きくなる。なお、この課題は、架線から電力の供給を受ける駆動システムに限られず、電源から供給される電力で永久磁石式同期電動機を駆動する駆動システムで起こり得る。

【0007】

本開示は上述の事情に鑑みてなされたものであり、構造が簡易な駆動システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記目的を達成するために、本開示の駆動システムは、鉄道車両の推進力を生じさせる駆動システムであって、同期リラクタンスモータと、電力変換部と、制御部と、を備える。同期リラクタンスモータは、電力の供給を受けて回転することで鉄道車両の推進力を生じさせる。電力変換部は、複数のスイッチング素子とスイッチング素子のそれぞれに並列に接続される還流ダイオードを有し、同期リラクタンスモータにスイッチ回路を介さずに直接接続されて、架線または第三軌条から供給される電力を同期リラクタンスモータに供給するための電力に変換し、変換した電力を同期リラクタンスモータに供給する。制御部は、電力変換部が有する複数のスイッチング素子を、パルス幅変調を行うＰＷＭ制御により制御する。スイッチング素子および還流ダイオードの少なくともいずれかはワイドギャップ半導体で形成される。電力変換部は、鉄道車両の床下または屋根上に設けられ、鉄道車両の駆動システムにリラクタンスモータ以外のモータを適用した場合の電力変換部の容量よりも大きい容量を備える。

【発明の効果】

【0009】

本開示によれば、電力変換部はリラクタンスモータに直接接続される。電力変換部とリラクタンスモータの間に接触器を設けることは不要であるため、駆動システムの構造を簡易化することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施の形態に係る駆動システムのブロック図

【図2】実施の形態に係る制御部のブロック図

【図3】実施の形態に係るゲート信号生成器のブロック図

【図4】実施の形態に係る駆動システムの第１変形例のブロック図

【図5】実施の形態に係る駆動システムの第２変形例のブロック図

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本開示の実施の形態に係る駆動システムについて図面を参照して詳細に説明する。なお図中、同一または同等の部分には同一の符号を付す。

【0012】

鉄道車両の推進力を生じさせる駆動システムを例にして、実施の形態に係る駆動システム１について説明する。図１に示す駆動システム１は、例えば、鉄道車両の床下に設けられ、直流電力を三相交流電力に変換し、三相交流電力をモータに供給してモータを駆動することで鉄道車両の推進力を生じさせる。

【0013】

駆動システム１は、電源に接続される端子１ａと、接地される端子１ｂと、電源から供給される直流電力で充電されるフィルタコンデンサＦＣ１と、フィルタコンデンサＦＣ１を介して電源から供給される直流電力を三相交流電力に変換する直流－三相変換装置である電力変換部１１と、を備える。駆動システム１はさらに、電力変換部１１から三相交流電力の供給を受けて回転するリラクタンスモータであるモータＭ１と、モータＭ１の相電流の値を測定する電流センサＣＴ１１，ＣＴ１２，ＣＴ１３と、電力変換部１１が有する複数のスイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ１３，ＳＷ１４，ＳＷ１５，ＳＷ１６を制御する制御部１２と、を備える。

【0014】

電力変換部１１は、モータＭ１に直接接続されている。直接接続とは、能動素子を介さずに接続されていることを意味する。具体的には、電力変換部１１は、電力変換部１１からモータＭ１を電気的に切り離すスイッチ回路を介さずにモータＭ１に接続されている。スイッチ回路は、例えば、電磁接触器、半導体スイッチ、手動で操作される機械式スイッチ等を含む。電力変換部１１がモータＭ１に直接接続されているため、電力変換部と永久磁石式同期電動機の間に接触器が設けられる駆動システムと比べて、駆動システム１の構造は簡易である。

【0015】

駆動システム１の各部の詳細について以下に説明する。
端子１ａは、図示しない電源に電気的に接続される。電源は、例えば、電力供給線から電力を取得する集電装置である。電力供給線は、例えば、架線または第三軌条である。集電装置は、例えば、パンタグラフまたは集電靴である。端子１ａは、接触器、フィルタリアクトル等を介して、集電装置に電気的に接続されることが好ましい。端子１ｂは、車輪を介して接地される。

【0016】

フィルタコンデンサＦＣ１の一端は端子１ａに電気的に接続され、他端は端子１ｂに電気的に接続される。フィルタコンデンサＦＣ１が、上述したように端子１ａと集電装置との間に設けられるフィルタリアクトルと共にフィルタを形成することで、高調波成分が低減される。

【0017】

電力変換部１１は、直流電力を三相交流電力に変換するインバータ、例えば、可変電圧可変周波数制御が可能なインバータである。実施の形態では、電力変換部１１は、モータＭ１のＵ相コイルに接続されるスイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２と、モータＭ１のＶ相コイルに接続されるスイッチング素子ＳＷ１３，ＳＷ１４と、モータＭ１のＷ相コイルに接続されるスイッチング素子ＳＷ１５，ＳＷ１６と、を備える。電力変換部１１はさらに、スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ１３，ＳＷ１４，ＳＷ１５，ＳＷ１６にそれぞれ並列に接続される還流ダイオードＤ１１，Ｄ１２，Ｄ１３，Ｄ１４，Ｄ１５，Ｄ１６を備える。

【0018】

スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２は直列に接続され、スイッチング素子ＳＷ１３，ＳＷ１４は直列に接続され、スイッチング素子ＳＷ１５，ＳＷ１６は直列に接続される。スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２の接続点は、モータＭ１のＵ相コイルに直接接続される。スイッチング素子ＳＷ１３，ＳＷ１４の接続点は、モータＭ１のＶ相コイルに直接接続される。スイッチング素子ＳＷ１５，ＳＷ１６の接続点は、モータＭ１のＷ相コイルに直接接続される。直列に接続されたスイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２、直列に接続されたスイッチング素子ＳＷ１３，ＳＷ１４、および直列に接続されたスイッチング素子ＳＷ１５，ＳＷ１６は、互いに並列に接続される。

【0019】

スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ１３，ＳＷ１４，ＳＷ１５，ＳＷ１６は、制御部１２によってオンオフが切り替えられる。この結果、電力変換部１１は、フィルタコンデンサＦＣ１を介して電源から供給される直流電力をモータＭ１に供給するための三相交流電力に変換する。そして、電力変換部１１は、三相交流電力をモータＭ１に供給する。例えば、スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ１３，ＳＷ１４，ＳＷ１５，ＳＷ１６は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）である。

【0020】

電力変換部１１から三相交流電力の供給を受けるモータＭ１はリラクタンスモータであるため、力率が低く、無効電流を必要とする。そこで、電力変換部１１の容量を増加させることが考えられるが、電力変換部１１の容量を増加させると、電力変換部１１が大型化してしまう。
モータＭ１の鉄損を低減するためには、電力変換部１１における高周波スイッチングが必要となる。スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ１３，ＳＷ１４，ＳＷ１５，ＳＷ１６として、ケイ素で形成される半導体素子を用いた場合、高周波スイッチングによる発熱量が増大し、スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ１３，ＳＷ１４，ＳＷ１５，ＳＷ１６を冷却する冷却装置が大型化してしまう。

【0021】

スペースに制限がある鉄道車両の床下または屋根上に大型の電力変換部および大型の冷却装置を含む車両制御装置を設けることは困難であるため、これまで鉄道車両のモータにリラクタンスモータは採用されていなかった。そこで、実施の形態では、電力変換部１１が有するスイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ１３，ＳＷ１４，ＳＷ１５，ＳＷ１６としてワイドギャップ半導体が用いられる。この結果、電力変換部１１の大型化を抑制しながら、電力変換部１１の大容量化および高周波スイッチングが可能となり、モータＭ１としてリラクタンスモータを用いることが可能となる。ワイドギャップ半導体は、ケイ素よりもバンドギャップが大きい材質、例えば、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料、ダイヤモンド等を用いて形成される半導体である。

【0022】

還流ダイオードＤ１１，Ｄ１２，Ｄ１３，Ｄ１４，Ｄ１５，Ｄ１６のアノードは、スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ１３，ＳＷ１４，ＳＷ１５，ＳＷ１６のエミッタにそれぞれ接続され、カソードはスイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ１３，ＳＷ１４，ＳＷ１５，ＳＷ１６のコレクタにそれぞれ接続される。これにより、スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ１３，ＳＷ１４，ＳＷ１５，ＳＷ１６に逆流電流が流れることが抑制される。

【0023】

モータＭ１は、電力変換部１１から三相交流電力の供給を受けて回転するリラクタンスモータである。実施の形態では、モータＭ１は、永久磁石を有さない同期リラクタンスモータである。モータＭ１は、永久磁石を有さないため、無負荷誘起電圧が生じない。このため、電力変換部１１とモータＭ１との間に、電力変換部１１の停止時にモータＭ１から電力変換部１１に電流が流れることを抑制するためにモータＭ１を電力変換部１１から電気的に切り離す接触器を設ける必要がない。換言すれば、電力変換部１１はモータＭ１に直接接続することが可能である。

【0024】

電流センサＣＴ１１，ＣＴ１２，ＣＴ１３は、モータＭ１に流れる相電流の値を測定し、電流測定値を制御部１２に送る。例えば、電流センサＣＴ１１，ＣＴ１２，ＣＴ１３は、ＣＴ（Current Transformer：変流器）方式のセンサである。
詳細には、電流センサＣＴ１１は、スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２の接続点とモータＭ１のＵ相コイルとを接続するブスバーに取り付けられ、電力変換部１１からモータＭ１に流れるＵ相電流の値を測定する。電流センサＣＴ１２は、スイッチング素子ＳＷ１３，ＳＷ１４の接続点とモータＭ１のＶ相コイルとを接続するブスバーに取り付けられ、電力変換部１１からモータＭ１に流れるＶ相電流の値を測定する。電流センサＣＴ１３は、スイッチング素子ＳＷ１５，ＳＷ１６の接続点とモータＭ１のＷ相コイルとを接続するブスバーに取り付けられ、電力変換部１１からモータＭ１に流れるＷ相電流の値を測定する。

【0025】

制御部１２は、図示しない鉄道車両の運転台に設けられる主幹制御器での操作に応じたトルク指令値τ^＊および電流センサＣＴ１１，ＣＴ１２，ＣＴ１３から取得した電流測定値に基づいて、スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ１３，ＳＷ１４，ＳＷ１５，ＳＷ１６を制御するゲート信号Ｓ１を生成し、出力する。

【0026】

図２に示すように、制御部１２は、トルク指令値τ^＊から電流指令値を算出する電流指令演算器２１と、電流指令値から電圧指令値を算出する電圧指令演算器２２と、電圧指令値の座標変換を行う回転座標逆変換器２３と、を備える。制御部１２はさらに、モータＭ１が有する回転子の磁極位置を推定する位置推定器２４と、電流測定値の座標変換を行う回転座標変換器２５と、ゲート信号Ｓ１を生成するゲート信号生成器２６と、を備える。

【0027】

電流指令演算器２１は、トルク指令値τ^＊が示すモータＭ１の目標トルクを得るための回転座標上の電流指令値ｉ^＊ _ｄ，ｉ^＊ _ｑを算出する。例えば、電流指令値ｉ^＊ _ｄ，ｉ^＊ _ｑは、トルクに対する電流実効値、すなわちモータＭ１の銅損を最小とする値である。
電圧指令演算器２２は、電流指令演算器２１が算出した電流指令値ｉ^＊ _ｄ，ｉ^＊ _ｑと回転座標変換器２５が生成した電流測定値ｉ_ｄ，ｉ_ｑとの差分（ｉ^＊ _ｄ－ｉ_ｄ），（ｉ^＊ _ｑ－ｉ_ｑ）に対する比例積分を行って、回転座標上の電圧指令値ｖ^＊ _ｄ，ｖ^＊ _ｑを算出する。

【0028】

回転座標逆変換器２３は、位置推定器２４が推定したモータＭ１が備える回転子の磁極位置である推定位置θ＾を用いた変換行列に基づいて、回転座標上の電圧指令値ｖ^＊ _ｄ，ｖ^＊ _ｑを二相座標上の電圧指令値ｖ^＊ _α，ｖ^＊ _βに変換する。そして、回転座標逆変換器２３は、二相－三相変換行列を用いて二相座標上の電圧指令値ｖ^＊ _α，ｖ^＊ _βを三相座標上の電圧指令値ｖ^＊ _ｕ，ｖ^＊ _ｖ，ｖ^＊ _ｗに変換する。

【0029】

位置推定器２４は、電流センサＣＴ１１，ＣＴ１２，ＣＴ１３から取得した電流測定値ｉ_ｕ，ｉ_ｖ，ｉ_ｗおよび回転座標逆変換器２３が算出した三相座標上の電圧指令値ｖ^＊ _ｕ，ｖ^＊ _ｖ，ｖ^＊ _ｗに基づいて、モータＭ１の回転子の磁極位置を推定する。位置推定器２４が推定した回転子の磁極位置である推定位置θ＾は、電気角で表される。

【0030】

回転座標変換器２５は、三相－二相変換行列を用いて三相座標上の電流測定値ｉ_ｕ，ｉ_ｖ，ｉ_ｗを、二相座標上の電流測定値ｉ_α，ｉ_βに変換する。そして、回転座標変換器２５は、推定位置θ＾を用いた変換行列に基づいて、二相座標上の電流測定値ｉ_α，ｉ_βを回転座標上の電流測定値ｉ_ｄ，ｉ_ｑに変換する。

【0031】

ゲート信号生成器２６は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）制御を行って、ゲート信号Ｓ１を生成する。詳細には、図３に示すように、ゲート信号生成器２６は、電圧指令値ｖ^＊ _ｕ，ｖ^＊ _ｖ，ｖ^＊ _ｗに応じた変調波を生成する変調波生成器３１と、推定位置θ＾を微分して、モータＭ１の回転数ω＾を算出する微分器３２と、モータＭ１の回転数ω＾に応じて搬送波を生成する搬送波生成器３３と、変調波と搬送波との比較に基づいてゲート信号を生成する比較器３４と、を備える。

【0032】

変調波生成器３１は、回転座標逆変換器２３から取得した三相座標上の電圧指令値ｖ^＊ _ｕ，ｖ^＊ _ｖ，ｖ^＊ _ｗに基づいて変調波を生成する。変調波は、電圧指令値ｖ^＊ _ｕ，ｖ^＊ _ｖ，ｖ^＊ _ｗをフィルタコンデンサＦＣ１の端子間電圧の値で規格化して得られる信号である。
微分器３２は、推定位置θ＾を微分して、モータＭ１の回転数ω＾を算出する。

【0033】

搬送波生成器３３は、微分器３２で算出されたモータＭ１の回転数ω＾に応じて搬送波を生成する。搬送波の周波数は、モータＭ１の回転数が増大すると、増大する。換言すれば、搬送波の周波数はモータＭ１の回転数と正の相関関係を有する。実施の形態では、搬送波生成器３３は、変調波を逓倍して得られる信号を搬送波として用いる。搬送波と変調波が同期していて、搬送波が変調波を逓倍して得られる信号である場合のゲート信号生成器２６の動作モードを同期多パルスモードとする。例えば、ゲート信号生成器２６が同期多パルスモードで動作する場合、搬送波生成器３３は、周波数が変調波の周波数の１５倍である搬送波を用いる。

【0034】

比較器３４は、変調波生成器３１で生成された変調波と搬送波生成器３３で生成された搬送波との比較に基づいて、ゲート信号Ｓ１を生成し、スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ１３，ＳＷ１４，ＳＷ１５，ＳＷ１６に対して出力する。詳細には、スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１３，ＳＷ１５に対するゲート信号Ｓ１は、変調波の値が搬送波の値以上である場合Ｈ（High）レベルであり、変調波の値が搬送波の値未満である場合Ｌ（Low）レベルである。スイッチング素子ＳＷ１２，ＳＷ１４，ＳＷ１６に対するゲート信号Ｓ１は、変調波の値が搬送波の値以上である場合Ｌレベルであり、変調波の値が搬送波の値未満である場合Ｈレベルである。

【0035】

比較器３４が出力するゲート信号Ｓ１に応じてスイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ１３，ＳＷ１４，ＳＷ１５，ＳＷ１６のオンオフが切り替わる。ゲート信号生成器２６が同期多パルスモードで動作することで、モータＭ１に流れる電流の歪が少なくなり、モータＭ１が高効率で動作することが可能となる。

【0036】

以上説明したとおり、実施の形態に係る駆動システム１が備えるモータＭ１は永久磁石を有さない同期リラクタンスモータであるため、無負荷誘起電圧が生じない。このため、例えばインバータで短絡故障が生じてインバータが停止した場合にモータＭ１を電力変換部１１から切り離すための接触器を設ける必要がなく、電力変換部１１はモータＭ１に直接接続される。接触器を設ける必要がないため、実施の形態に係る駆動システム１の構造は、電力変換部とモータとの間に接触器を備える駆動システムに比べて簡易である。

【0037】

本開示は、上述の例に限られない。駆動システム１は、複数の電力変換部１１および複数のモータＭ１を備えてもよい。電力変換部１１とモータＭ１は一対一で対応付けられる必要があるため、駆動システム１が備える電力変換部１１の個数とモータＭ１の個数は同じである。

【0038】

一例として、図４に示す駆動システム２は、２個の電力変換部１１，１３と、２個のモータＭ１，Ｍ２と、図示しない電源から供給される電力で充電される２個のフィルタコンデンサＦＣ１，ＦＣ２と、を備える。電力変換部１１，１３の構成は互いに同じである。モータＭ１，Ｍ２の構成は互いに同じである。フィルタコンデンサＦＣ１，ＦＣ２の構成は互いに同じである。駆動システム２はさらに、モータＭ１の相電流の値を測定する電流センサＣＴ１１，ＣＴ１２，ＣＴ１３と、モータＭ２の相電流の値を測定する電流センサＣＴ２１，ＣＴ２２，ＣＴ２３と、電力変換部１１，１３のそれぞれが有する複数のスイッチング素子を制御する制御部１２と、を備える。

【0039】

フィルタコンデンサＦＣ１，ＦＣ２は互いに並列に電源に接続されている。詳細には、フィルタコンデンサＦＣ１の一端は端子１ａに接続され、他端は端子１ｂに接続される。フィルタコンデンサＦＣ２の一端は端子１ａに接続され、他端は端子１ｂに接続される。フィルタコンデンサＦＣ１，ＦＣ２は、電源から供給される電力で充電される。

【0040】

実施の形態と同様に、電流センサＣＴ１１，ＣＴ１２，ＣＴ１３は、モータＭ１に流れる相電流の値を測定し、電流測定値を制御部１２に送る。電流センサＣＴ２１，ＣＴ２２，ＣＴ２３は、モータＭ２に流れる相電流の値を測定し、電流測定値を制御部１２に送る。電流センサＣＴ２１，ＣＴ２２，ＣＴ２３は、電流センサＣＴ１１，ＣＴ１２，ＣＴ１３と同様に、電力変換部１３とモータＭ２とを接続するブスバーに取り付けられる。

【0041】

制御部１２は、実施の形態と同様に、モータＭ１の目標トルクを示すトルク指令値τ^＊および電流センサＣＴ１１，ＣＴ１２，ＣＴ１３の電流測定値に基づいて、電力変換部１１が有する複数のスイッチング素子を制御するゲート信号Ｓ１を生成し、出力する。制御部１２はさらに、モータＭ２の目標トルクを示すトルク指令値τ^＊および電流センサＣＴ２１，ＣＴ２２，ＣＴ２３の測定値に基づいて、電力変換部１３が有する複数のスイッチング素子を制御するゲート信号Ｓ２を生成し、出力する。ゲート信号Ｓ１，Ｓ２の生成方法は、実施の形態と同様である。

【0042】

複数のモータＭ１，Ｍ２を備える駆動システム２において、電力変換部１１はモータＭ１に直接接続され、電力変換部１３はモータＭ２に直接接続される。このため、駆動システム２の構造は、各電力変換部と各モータとの間に接触器を備える駆動システムに比べて簡易である。

【0043】

図４の例では、駆動システム２は、電力変換部１１，１３と同数のフィルタコンデンサＦＣ１，ＦＣ２を備えているが、電力変換部１１，１３は１つのフィルタコンデンサに共通に接続されてもよい。図５に示す駆動システム３が備えるフィルタコンデンサは、フィルタコンデンサＦＣ１のみである。駆動システム３は、電力変換部１１，１３がフィルタコンデンサＦＣ１に共通に接続されている点において、駆動システム２と異なる。

【0044】

駆動システム１－３は、電流センサＣＴ１１，ＣＴ１２，ＣＴ１３の全てを備えずに、電流センサＣＴ１１，ＣＴ１２，ＣＴ１３の内、２つのみを備えてもよい。例えば、駆動システム１－３は、電流センサＣＴ１１，ＣＴ１２によってモータＭ１に流れるＵ相電流およびＶ相電流を測定し、Ｕ相電流およびＶ相電流の電流測定値からＷ相電流を算出してもよい。この場合、制御部１２は、Ｕ相電流測定値、Ｖ相電流測定値、および算出されたＷ相電流値に基づいてゲート信号Ｓ１を生成すればよい。

【0045】

駆動システム２，３が備える電力変換部１１，１３の数およびモータＭ１，Ｍ２の数は、電力変換部とモータの台数が同数であれば、任意である。
駆動システム２，３は、互いに独立した２つの制御部１２を備えてもよい。この場合、一方の制御部１２が電力変換部１１を制御し、他方の制御部１２が電力変換部１３を制御すればよい。

【0046】

実施の形態では、直接接続は、能動素子を介さずに接続されていることを意味するとしたが、電力変換部１１とモータＭ１とは、能動素子および受動素子のいずれも介さずに接続されてもよい。電力変換部１３とモータＭ２との接続についても同様である。

【0047】

電力変換部１１とモータＭ１との直接接続は、中継端子、中継ケーブル等を介した接続を含むものとする。例えば、電力変換部１１とモータＭ１とが異なる車両に搭載される場合、電力変換部１１とモータＭ１は、中継端子を介して接続される。電力変換部１３とモータＭ２との直接接続についても同様である。

【0048】

搬送波と変調波とは同期していなくてもよい。搬送波と変調波が同期しておらず、搬送波の周波数が変調波の周波数よりも高い場合を非同期多パルスモードとする。ゲート信号生成器２６が非同期多パルスモードで動作することで、同期多パルスモードの場合と同様に、モータＭ１に流れる電流の歪が少なくなり、モータＭ１が高効率で動作することが可能となる。

【0049】

モータＭ１の回転数が低い場合には、搬送波周波数は変調波周波数と同じ値に設定されてもよい。

【0050】

制御部１２は、モータＭ１が有する回転子の磁極位置を測定する位置センサから測定値を取得し、位置センサの測定値に応じてゲート信号Ｓ１を生成してもよい。この場合、ゲート信号生成器２６は、位置推定器２４を備えずに、位置センサの測定値に応じてゲート信号Ｓ１を生成すればよい。

【0051】

モータＭ１は、永久磁石を備えない同期電動機であればよく、一例として、スイッチドリラクタンスモータでもよい。

【0052】

スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ１３，ＳＷ１４，ＳＷ１５，ＳＷ１６としてケイ素で形成される半導体素子が用いられて、還流ダイオードＤ１１，Ｄ１２，Ｄ１３，Ｄ１４，Ｄ１５，Ｄ１６として、ワイドギャップ半導体が用いられてもよい。

【0053】

駆動システム１－３は、鉄道車両の床下に限られず、任意の場所に設置可能である。一例として、駆動システム１－３は、鉄道車両の屋根上に設けられてもよい。
駆動システム１－３は、直流き電方式の鉄道車両だけでなく、交流き電方式の鉄道車両にも搭載可能である。駆動システム１－３が交流き電方式の鉄道車両に搭載される場合、変圧器で降圧され、コンバータで交流電力から直流電力に変換された電力が駆動システム１－３に供給される。

【0054】

駆動システム１－３が搭載される鉄道車両は電気鉄道車両に限られない。一例として、駆動システム１－３は、気動車に搭載され、内燃機関によって駆動されて発電する発電機から電力の供給を受けてもよい。他の一例として、駆動システム１－３は、蓄電池車に搭載され、蓄電池から電力の供給を受けてもよい。
駆動システム１－３は、鉄道車両に限られず、自動車、船舶、航空機等の任意の移動体に搭載されてもよい。

【0055】

本開示は、本開示の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この開示を説明するためのものであり、本開示の範囲を限定するものではない。すなわち、本開示の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の開示の意義の範囲内で施される様々な変形が、この開示の範囲内とみなされる。

【符号の説明】

【0056】

１，２，３ 駆動システム、１ａ，１ｂ 端子、１１，１３ 電力変換部、１２ 制御部、２１ 電流指令演算器、２２ 電圧指令演算器、２３ 回転座標逆変換器、２４ 位置推定器、２５ 回転座標推定器、２６ ゲート信号生成器、３１ 変調波生成器、３２ 微分器、３３ 搬送波生成器、３４ 比較器、ＣＴ１１，ＣＴ１２，ＣＴ１３，ＣＴ２１，ＣＴ２２，ＣＴ２３ 電流センサ、Ｄ１１，Ｄ１２，Ｄ１３，Ｄ１４，Ｄ１５，Ｄ１６ 還流ダイオード、ＦＣ１，ＦＣ２ フィルタコンデンサ、Ｍ１，Ｍ２ モータ、Ｓ１，Ｓ２ ゲート信号、ＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ１３，ＳＷ１４，ＳＷ１５，ＳＷ１６ スイッチング素子。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】