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公開番号2021069248
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210430
出願番号2019195054
出願日20191028
発明の名称電駆動システム
出願人株式会社デンソー
代理人特許業務法人明成国際特許事務所
主分類H02M 7/48 20070101AFI20210402BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】動作モードに応じて駆動される電駆動システムにおいて損失を低減する。
【解決手段】電動垂直離着陸機500において、電駆動システム10は、モータ20と、モータの動作を制御するインバータ装置11と、インバータ装置を制御する制御装置30とを有する。インバータ装置は、互いに並列に接続された複数のスイッチング素子が搭載されインバータ回路12と、複数のスイッチング素子のそれぞれに対して独立して駆動信号を出力可能な回路制御部15と、を有する。回路制御部は、要求出力が互いに異なる複数の動作モードをそれぞれ示す複数の動作信号のうちのいずれか1つを制御装置から受信し、複数のスイッチング素子をオンさせるタイミングを同期させて同時駆動するスイッチング素子の数である同時駆動数を、受信された動作信号に予め対応付けられた駆動数に設定する。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項1】
モータ(20)と、前記モータの動作を制御するインバータ装置(11)と、前記インバータ装置を制御する制御装置(30)とを有する電駆動システム(10)であって、
前記インバータ装置は、互いに並列に接続された複数のスイッチング素子(14)が搭載されたインバータ回路(12)と、前記複数のスイッチング素子のそれぞれに対して独立して駆動信号を出力可能な回路制御部(15)と、を有し、
前記回路制御部(15)は、
要求出力が互いに異なる複数の動作モードをそれぞれ示す複数の動作信号のうちのいずれか1つを前記制御装置から受信し、
前記複数のスイッチング素子をオンさせるタイミングを同期させて同時駆動するスイッチング素子の数である同時駆動数を、受信された前記動作信号に予め対応付けられた駆動数に設定する、
電駆動システム。
続きを表示(約 750 文字)【請求項2】
請求項1に記載の電駆動システムにおいて、
前記回路制御部は、前記同時駆動するスイッチング素子のいずれかの異常が発生した場合に、前記複数のスイッチング素子のうち、前記同時駆動するスイッチング素子を除く他のスイッチング素子を、異常が発生したスイッチング素子に代わって同時駆動する、
電駆動システム。
【請求項3】
請求項1または請求項2に記載の電駆動システムにおいて、
電動垂直離着陸機(500)に搭載されて用いられ、
前記回路制御部は、受信された前記動作信号が、前記電動垂直離着陸機の離陸モードと、着陸モードと、緊急モードと、のうちのいずれかの前記動作モードを示す前記動作信号である場合に、前記同時駆動数を、駆動可能なスイッチング素子の数と同じに設定する、
電駆動システム。
【請求項4】
請求項1または請求項2に記載の電駆動システムにおいて、
前記回路制御部は、要求出力が最大である前記動作モードにおける前記同時駆動数を、前記複数のスイッチング素子の搭載数よりも少ない数に設定する、
電駆動システム。
【請求項5】
請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載の電駆動システムにおいて、
前記回路制御部は、設定された前記同時駆動数に応じて、前記複数のスイッチング素子のうち同時駆動対象となるスイッチング素子を決定する、
電駆動システム。
【請求項6】
請求項5に記載の電駆動システムにおいて、
前記回路制御部は、予め定められた期間毎に、前記同時駆動対象となるスイッチング素子の少なくとも1つを変更する、
電駆動システム。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本開示は、電駆動システムに関する。
続きを表示(約 7,300 文字)【背景技術】
【0002】
近年、ガスタービンエンジンを有する飛行機とは異なる種類の航空機として、電動垂直離着陸機(eVTOL:electric Vertical Take-Off and Landing aircraft)と呼ばれる有人または無人の航空機の開発が活発化している。電動垂直離着陸機は、モータとインバータ装置とを有する電駆動システム(EDS:Electric Drive System)を複数備え、複数のモータによって複数の回転翼が回転駆動されることで、機体の揚力や推力を得ている。電駆動システムのインバータ装置は、互いに並列に接続された複数のスイッチング素子が搭載されたインバータ回路を有することがある。特許文献1に記載のスイッチング回路では、複数のスイッチング素子の駆動タイミングを低電流時に変更することにより、損失を低減させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
特許第6172175号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
一般に、電動垂直離着陸機では、着陸モードや巡航モード等の動作モードが飛行プログラムによって決定される。本願発明者は、動作モードに応じて駆動される電駆動システムにおいて、損失の低減について更なる改善の余地があることを見出した。このため、動作モードに応じて駆動される電駆動システムにおいて、損失を低減できる技術が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本開示は、以下の形態として実現することが可能である。
【0006】
本開示の一形態によれば、電駆動システム(10)が提供される。この電駆動システムは、モータ(20)と、前記モータの動作を制御するインバータ装置(11)と、前記インバータ装置を制御する制御装置(30)とを有する電駆動システムであって、前記インバータ装置は、互いに並列に接続された複数のスイッチング素子(14)が搭載されたインバータ回路(12)と、前記複数のスイッチング素子のそれぞれに対して独立して駆動信号を出力可能な回路制御部(15)と、を有し、前記回路制御部(15)は、要求出力が互いに異なる複数の動作モードをそれぞれ示す複数の動作信号のうちのいずれか1つを前記制御装置から受信し、前記複数のスイッチング素子をオンさせるタイミングを同期させて同時駆動するスイッチング素子の数である同時駆動数を、受信された前記動作信号に予め対応付けられた駆動数に設定する。
【0007】
この形態の電駆動システムによれば、回路制御部は、要求出力が互いに異なる複数の動作モードをそれぞれ示す複数の動作信号のうちのいずれか1つを制御装置から受信し、複数のスイッチング素子をオンさせるタイミングを同期させて同時駆動するスイッチング素子の数である同時駆動数を、受信された動作信号に予め対応付けられた駆動数に設定するので、要求出力が小さい動作モードに対し同時駆動数として小さな値を予め対応付けておくことにより、実際の動作モードが要求出力の小さい動作モードである場合に、同時駆動数を少なくできる。このため、動作モードに応じて駆動される電駆動システムにおいて、損失を低減できる。
【0008】
本開示は、種々の形態で実現することも可能である。例えば、電駆動システムの制御方法、電駆動システムを備える電動移動体等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
電駆動システムが搭載された電動垂直離着陸機の概略構成を示す概略図である。
電動垂直離着陸機の概略構成を示すブロック図である。
スイッチング回路の構成を説明するための説明図である。
離陸モードにおけるゲート信号の一例を示す説明図である。
巡航モードにおけるゲート信号の一例を示す説明図である。
第2実施形態の離陸モードにおけるゲート信号の一例を示す説明図である。
スイッチング素子が1つ故障した場合の離陸モードにおけるゲート信号の一例を示す説明図である。
スイッチング素子が1つ故障した場合の巡航モードにおけるゲート信号の一例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
A.第1実施形態:
図1に示す本開示の一実施形態としての電駆動システム10(以下、「EDS(Electric Drive System)10」とも呼ぶ)は、電動垂直離着陸機500(以下、「eVTOL(electric Vertical Take-Off and Landing aircraft)500」とも呼ぶ)に搭載されている。eVTOL500は、電気により駆動され、鉛直方向に離着陸可能な有人航空機として構成されている。eVTOL500は、機体510と、統合ECU520と、複数のEDS10とを備える。本実施形態のeVTOL500には、4つのEDS10が搭載されているが、4つに限らず、8つ等の任意の複数のEDS10が搭載されていてもよい。eVTOL500では、複数のEDS10が搭載されることにより、冗長性が確保されている。
【0011】
機体510は、eVTOL500の胴体部分と、主翼および尾翼とを含んで構成されている。機体510の内部には、乗員室が形成されている。
【0012】
統合ECU520は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)を有するコンピュータにより構成されている。かかるCPUは、ROMに予め記憶されている制御プログラムを実行することにより、eVTOL500の全体動作を制御するフライトコントローラとして機能する。eVTOL500の全体動作としては、例えば、離陸動作、巡航動作、着陸動作等が該当する。これらの動作は、設定された飛行プログラムに基づいて各動作モードが設定されて実行されるが、乗員の操縦により動作モードが設定されて実行されてもよい。統合ECU520は、後述する各EDS10の制御装置30に対してそれぞれ制御指令を出力する。また、統合ECU520は、eVTOL500の動作モードを示す動作信号を、各EDS10の制御装置30に出力する。各EDS10は、統合ECU520から動作信号を受信すると、かかる動作信号に応じて出力を制御する。
【0013】
eVTOL500の動作モードとしては、例えば、離陸モードと、巡航モードと、着陸モードと、緊急モードとが該当する。離陸モードは、eVTOL500の離陸時に選択される動作モードであり、複数の動作モードのうち最も要求出力が高い動作モードである。巡航モードは、eVTOL500の離陸後の巡航時に選択される動作モードであり、複数の動作モードのうち最も要求出力が低い動作モードである。着陸モードは、eVTOL500の巡航後の着陸時に選択される動作モードであり、巡航モードよりも要求出力が高い動作モードである。緊急モードは、複数のEDS10のうちのいずれかに故障等の異常が発生した場合の緊急時に選択される動作モードであり、異常が発生したEDS10の出力を補うためにEDS10の1台あたりの要求出力を増加させる必要がある動作モードである。各動作モードにおける要求出力は、互いに異なる。
【0014】
図2に示す4つのEDS10は、それぞれ図示しない回転翼を回転駆動させるための駆動装置として構成されている。各EDS10は、制御装置30と、モータ20と、インバータ装置11とをそれぞれ有する。各EDS10は、高電圧配線を介して図示しない電源装置と電気的に接続されている。なお、eVTOL500に複数の電源装置が搭載されて、各EDS10が互いに異なる電源装置とそれぞれ接続されていてもよい。本実施形態において、電源装置は、高電圧発電機により構成されている。電源装置は、高電圧発電機に限らず、リチウムイオン電池等の二次電池や燃料電池等の任意の電力供給源により構成されていてもよい。
【0015】
制御装置30は、CPUと記憶装置とを有するマイクロコンピュータにより構成されている。かかるCPUは、記憶装置に予め記憶されている制御プログラムを実行することにより、EDS10の動作を制御する。制御装置30は、eVTOL500の複数の動作モードをそれぞれ示す複数の動作信号のうちのいずれか1つを統合ECU520から受信し、受信した動作信号を、後述する回路制御部15の制御部16へと出力する。
【0016】
モータ20は、図示しないシャフトを介して回転翼を回転駆動させる。本実施形態において、モータ20は、4極3相6コイルのブラシレスモータにより構成され、後述するインバータ回路12から供給される電圧および電流に応じた回転運動を出力する。なお、モータ20は、ブラシレスモータに限らず、誘導モータやリラクタンスモータ等の任意のモータにより構成されていてもよい。また、シャフトとともに図示しないギアを介してモータ20と回転翼とが接続されることにより、モータ20の回転が減速されて回転翼へと伝達されてもよい。
【0017】
インバータ装置11は、モータ20の動作を制御する。インバータ装置11は、インバータ回路12と、回路制御部15とを有する。
【0018】
インバータ回路12は、電源装置から供給される直流電圧を、三相交流電圧に変換してモータ20に供給する。インバータ回路12は、U相、V相、W相の各相に設けられた合計3つのレグを有する。各レグは上下2つのスイッチング回路13を有する。すなわち、インバータ回路12は、合計6個のスイッチング回路13を有している。
【0019】
図3に示すように、スイッチング回路13には、互いに並列に接続された複数のスイッチング素子14が搭載されている。各スイッチング素子14には、図示しない還流ダイオードが接続されている。本実施形態において、スイッチング素子14は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)により構成されているが、IGBTに限らず、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)等のパワー素子により構成されている。本実施形態において、各スイッチング回路13において互いに並列に接続されて搭載されるスイッチング素子14の数は、4つであるが、4つに限らず2つや6つ等、任意の数であってもよい。
【0020】
回路制御部15は、スイッチング回路13を制御する。回路制御部15は、各スイッチング素子14のそれぞれに対して独立して駆動信号としてのゲート信号GSを出力可能に構成されている。なお、図3以降の図では、各スイッチング素子14に入力されるゲート信号GSを、それぞれ第1ゲート信号GS1、第2ゲート信号GS2、第3ゲート信号GS3、第4ゲート信号GS4とも記載している。回路制御部15は、制御部16と、駆動部17とを有する。
【0021】
制御部16は、CPUと記憶装置とを有するマイクロコンピュータにより構成されている。制御部16は、図2に示す制御装置30からトルク指令を受けて、図3に示すインバータ回路12のスイッチング回路13に設けられた各スイッチング素子14のゲート電極に、駆動部17を介してゲート信号GSを供給する。より具体的には、回路制御部15は、各スイッチング素子14のゲート電極に供給するゲート信号GSを、動作モードに応じたデューティ比でパルス幅変調(PWM,Pulse Width Modulation)制御する。ゲート信号GSは、搬送波周波数を有する基準となる三角波と、所望の変調波とを比較することにより生成される。制御部16は、図2に示す制御装置30から受信するトルク指令に基づいて図3に示す各スイッチング素子14の通電時間を演算し、駆動部17へとPWM信号を出力する。
【0022】
また、制御部16は、図2に示す制御装置30からeVTOL500の複数の動作モードをそれぞれ示す複数の動作信号のうちのいずれか1つを受信し、図3に示すスイッチング素子14の同時駆動数を、受信された動作信号に予め対応付けられた駆動数に設定する。「スイッチング素子14の同時駆動数」とは、複数のスイッチング素子14をオンさせるタイミングを同期させて同時駆動するスイッチング素子14の数を意味する。
【0023】
本実施形態において、制御部16は、eVTOL500の動作モードが離陸モードである場合に、スイッチング素子14の同時駆動数を4に設定する。換言すると、制御部16は、eVTOL500の要求出力が最大である場合に、スイッチング素子14の同時駆動数を、駆動可能なスイッチング素子14の数と同じに設定する。「駆動可能なスイッチング素子14の数」とは、故障等の異常が発生していないスイッチング素子14の数を意味する。このため、全てのスイッチング素子14が正常状態である場合、駆動可能なスイッチング素子14の数は、スイッチング素子14の搭載数と同じである。
【0024】
また、制御部16は、eVTOL500の動作モードが巡航モードである場合に、スイッチング素子14の同時駆動数を1に設定する。また、制御部16は、eVTOL500の動作モードが着陸モードである場合に、スイッチング素子14の同時駆動数を3に設定し、eVTOL500の動作モードが緊急モードである場合に、スイッチング素子14の同時駆動数を2に設定する。
【0025】
駆動部17は、スイッチング素子14を駆動するためのバッファ回路により構成されている。駆動部17は、制御部16から受信するPWM信号に応じて、各スイッチング素子14にゲート信号GSを出力する。また、駆動部17は、各スイッチング素子14の状態のモニタリングを行なう。
【0026】
図4では、要求出力が最大である離陸モードにおけるゲート信号GSの一例を示している。各スイッチング素子14は、全ての動作モードにおいて、オンされるタイミングが同期されるように制御されている。なお、図4以降の図において、横軸は時刻(t)を示している。本実施形態では、離陸モードにおけるスイッチング素子14の同時駆動数が4に設定されているため、回路制御部15は、全てのスイッチング素子14を離陸モードにおいて同時駆動対象に常時決定する。このため、各スイッチング素子14に入力されるゲート信号GSの波形は、いずれも同じとなっている。
【0027】
図5では、要求出力が最小である巡航モードにおけるゲート信号GSの一例を示している。本実施形態では、巡航モードにおけるスイッチング素子14の同時駆動数が1に設定されているため、回路制御部15は、第1ゲート信号GS1、第2ゲート信号GS2、第3ゲート信号GS3および第4ゲート信号GS4を、この順番で交互に1つずつオンとなるように設定する。第1ゲート信号GS1がオンであるタイミングにおいて、他の3つのゲート信号GS2〜4は、オフとなっている。同様に、第2ゲート信号GS2がオンであるタイミングにおいて、他の3つのゲート信号GS1、3、4は、オフとなっており、第3ゲート信号GS3がオンであるタイミングにおいて、他の3つのゲート信号GS1、2、4は、オフとなっており、第4ゲート信号GS4がオンであるタイミングにおいて、他の3つのゲート信号GS1〜3は、オフとなっている。なお、各ゲート信号GSがオンとなる順番は、図5に示す順番に限らず、任意に設定されてもよい。
【0028】
このように、回路制御部15は、設定された同時駆動数に応じて、複数のスイッチング素子14のうち同時駆動対象となるスイッチング素子14を決定している。図5に示す例において、回路制御部15は、同時駆動対象となるスイッチング素子14のうちの1つを予め定められた期間毎に変更している。
【0029】
以上説明した本実施形態のEDS10によれば、回路制御部15は、複数のスイッチング素子14をオンさせるタイミングを同期させて同時駆動するスイッチング素子14の数である同時駆動数を、eVTOL500の動作モードを示す動作信号に予め対応付けられた駆動数に設定する。このため、要求出力が小さい動作モードに対し同時駆動数として小さな値を予め対応付けておくことにより、実際の動作モードが要求出力の小さい動作モードである場合に、同時駆動数を少なく設定することができる。したがって、動作モードに応じて駆動されるEDS10において、損失を低減できる。
【0030】
一般に、eVTOL500では、要求出力が小さい巡航モードで駆動される時間が、要求出力が大きい離陸モードや着陸モードで駆動される時間と比べて長い。本実施形態のEDS10によれば、巡航モードにおける同時駆動数を少なく設定することができるので、長時間に亘って損失を低減でき、eVTOL500の航続距離を延ばすことができる。
(【0031】以降は省略されています)

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