JP2011045181A - スイッチトリラクタンスモータとその駆動回路および駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】トルク脈動を抑制でき、低価格にできるスイッチトリラクタンスモータとその駆動回路および駆動方法を提供する。
【解決手段】各相９０度の位相差を有するＡ相巻線、Ｂ相巻線、Ｃ相巻線、Ｄ相巻線を有したスイッチトリラクタンスモータを、Ａ相巻線の一方の巻線端子とＣ相巻線の一方の巻線端子を接続した巻線端子（Ｔ１）、Ｂ相巻線の一方の巻線端子とＤ相巻線の一方の巻線端子を接続した巻線端子（Ｔ２）、Ａ相巻線の他方の巻線端子（Ｔ３）、Ｂ相巻線の他方の巻線端子（Ｔ４）、Ｃ相巻線の他方の巻線端子（Ｔ５）、Ｄ相巻線の他方の巻線端子（Ｔ６）から成る６端子（Ｔ１〜Ｔ６）として構成し、６端子（Ｔ１〜Ｔ６）のそれぞれにスイッチング素子とダイオードを接続して駆動回路を構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、汎用可変速ドライブに用いるためにトルク脈動を低減したスイッチトリラクタンスモータ（Switched Reluctance Motor：以下ＳＲＭと略称する）とその駆動回路および駆動方法に関する。

従来のＳＲＭとして、固定子８突極、回転子６突極の四相ＳＲＭがある。また、その駆動回路として、各相巻線の前後にスイッチング素子とダイオードを設けて構成した、いわゆる非対称Ｈブリッジ回路と呼ばれるユニポーラ駆動回路がある。
以下、従来技術のＳＲＭとその駆動回路および駆動方法について説明する。

〈従来の四相ＳＲＭ〉
図８はＳＲＭの断面図、図９は従来技術を示すＳＲＭの駆動回路図である。
図８において、１０が回転子、１１がシャフト、１２が回転子コア、１３が回転子突極、２０が固定子、２１がフレーム、２２が固定子コア、２３が固定子突極、２４Ａ〜２４ＤがＡ相〜Ｄ相の各相巻線、Ｖｄｃが直流電源、ＳＷ１〜ＳＷ８がスイッチング素子、Ｄ１〜Ｄ８がダイオードである。
図８に示すＳＲＭは固定子８突極、回転子６突極で構成された四相ＳＲＭである。回転子１０はシャフト１１と回転子コア１２から構成され、回転子コア１２の外周には６個の回転子突極１３が等間隔に形成されている。固定子２０はフレーム２１、固定子コア２２、Ａ相〜Ｄ相の各相巻線２４Ａ〜２４Ｄから構成され、固定子コア２２の内周には８個の固定子突極２３が等間隔に形成されている。固定子突極２３にはＡ相〜Ｄ相の各相巻線２４Ａ〜２４Ｄが巻回されており、反時計方向の順にＡ相巻線２４Ａ、Ｂ相巻線２４Ｂ、Ｃ相巻線２４Ｃ、Ｄ相巻線２４Ｄ、Ａ相巻線２４Ａ、Ｂ相巻線２４Ｂ、Ｃ相巻線２４Ｃ、Ｄ相巻線２４Ｄが巻回されている。各相巻線の巻方向は、基本的に正方向と逆方向を交互に繰り返しているが、対向する２個の同相巻線の巻方向を反転させるために、Ａ相巻線２４ＡとＢ相巻線２４Ｂの巻方向だけ正方向と正方向、もしくは、逆方向と逆方向となっている。つまり、巻方向が正方向の場合を＋、逆方向の場合を−として８個の固定子突極２３に巻回された巻線を表すと、反時計方向の順にＡ＋、Ｂ＋、Ｃ−、Ｄ＋、Ａ−、Ｂ−、Ｃ＋、Ｄ−となっている。
このように構成された四相ＳＲＭは、三相や五相のＳＲＭに比べ、回転速度とトルクの出力範囲が広く、高効率であることが知られている（非特許文献１、２参照）。

〈四相ＳＲＭ駆動回路の構成〉
一方、上記した四相ＳＲＭを駆動する駆動回路は、図９に示すように各相独立した回路構成となっている。ここでは、Ａ相を例に説明する。Ａ相巻線２４Ａの一方の端子にはスイッチング素子ＳＷ１が接続され、その先で直流電源Ｖｄｃの正電圧側と接続されている。さらに、ダイオードＤ１とも接続され、その先で直流電源Ｖｄｃの負電圧側と接続されている。また、Ａ相巻線２４Ａの他方の端子にはダイオードＤ２が接続され、その先で直流電源Ｖｄｃの正電圧側と接続されている。
このように構成された回路は非対称Ｈブリッジ回路と呼ばれており、Ａ相巻線２４Ａを正方向に通電制御できるユニポーラ駆動回路である。Ｂ相、Ｃ相、Ｄ相の駆動回路も同様に構成されているので、四相ＳＲＭの駆動回路は全部で４個の非対称Ｈブリッジ回路によって構成されている（特許文献１、非特許文献３参照）。

〈駆動回路の動作原理〉
次に駆動回路の動作原理について説明する。
図１０はＡ相巻線への電圧印加パターンを示したものである。電流の流れ方向を矢印で、電流の経路を太線で示している。
同図（ａ）では、スイッチング素子ＳＷ１とＳＷ２の両方をＯＮすることでＡ相巻線に正電圧を印加し、電流を立ち上げている。
同図（ｂ）では、スイッチング素子ＳＷ１をＯＮ、ＳＷ２をＯＦＦすることで電流を環流させている。
同図（ｃ）では、スイッチング素子ＳＷ１とＳＷ２の両方をＯＦＦすることでＡ相巻線に逆電圧を印加し、電流を立ち下げている。
このような電圧印加パターンによって、各相の電流を独立に制御している。

〈ＳＲＭの動作原理〉
次にＳＲＭの動作原理について示す。
図１１はＡ相巻線のインダクタンス、印加電圧、巻線電流を示す図である。同図において横軸は回転子位置を示しており、０度と６０度は回転子突極と固定子突極が完全対向する回転子位置、３０度は完全非対向となる回転子位置である。そのため、インダクタンスは０度と６０度で山、３０度で谷となるように台形波状に変化する。
このようなインダクタンス変化において、Ａ相巻線の両端にパルス電圧を印加すると、同図に示すような巻線電流が流れる。ここで、ＳＲＭの１相あたりのトルクτは、回転子位置をθ、巻線電流をia 、インダクタンスをLとして、磁気特性を線形と仮定すれば次式で与えられる。

τ＝１／２×（ｉａ）^２×ｄＬ（θ）／ｄθ ・・・・（式１）

式１は、インダクタンスが増加する回転子位置で巻線電流を流すと、正方向にトルクを発生させることができることを表している。
よって、回転子位置（インダクタンス変化）に応じて電流を通電することで、正方向にトルクを発生させることができる。回転子位置に応じて各相に順次通電すれば、連続的にトルクを発生でき、回転子を正方向に回転させることができる。

特開平２−２０６３９５号公報（第６０１−６０５、図６）

平成１５年電気学会全国大会講演論文集、第５分冊、５−０３６「ＧＡによるサーボ用ＳＲＭの最適設計に関する検討」２００３年３月、ｐ．５８−５９ 電気学会研究会資料、回転機研究会、ＲＭ−０６−５３「鉄損を考慮した短ギャップ長高効率ＳＲモータの最適構造設計」２００６年６月、ｐ．７７−８２ 電気学会論文誌Ｄ、１２２巻１号、平成１４年「非線形磁気特性を考慮したＳＲＭのＳＰＩＣＥシミュレーション」２００２年１月、ｐ．１６−２１

しかしながら、従来のＳＲＭとその駆動回路、駆動方法には、以下のような２つの問題があった。
〈一つ目の問題〉
一つ目の問題は、トルク脈動が極めて大きいことである。
図１２は回転子位置に対する各相巻線電流とトルクをシミュレーションした結果である。同図に示すように、ＳＲＭは一般に各相巻線の通電切り替わり時（２相の巻線にオーバーラップ通電する時）にトルクが低下する。特に、Ａ相−Ｂ相のオーバーラップ通電区間で大幅なトルク低下が現れる。
以下、このトルク低下の原因について説明する。

〈ＳＲＭの各相巻線の通電切り替わり時にトルク低下が現れる原因〉
図１３は２相オーバーラップ通電時における主磁束経路を示したものである。
同図（ａ）はＡ相−Ｂ相オーバーラップ通電時、（ｂ）はＢ相−Ｃ相オーバーラップ通電時である。
同図（ａ）のＡ相−Ｂ相オーバーラップ通電時ではＡ相巻線電流による磁束φaがＢ相巻線電流による磁束φｂを弱めている。このような隣接相の相互結合極性で弱め合う特性を、以下、減極性と呼ぶことにする。
一方、同図（ｂ）のＢ相−Ｃ相オーバーラップ通電時ではＢ相巻線電流による磁束φｂがＣ相巻線電流による磁束φｃを強めている。これを減極性に対して加極性と呼ぶことにする。
減極性では主磁束が弱められるため、前記式１で示したインダクタンスが小さくなる。よって、この減極性がトルク低下を起こしている原因である。
減極性によるトルク低下の問題を回避するには、すべて加極性となるように、隣接する巻線の巻方向を正逆繰り返すようにすればよい。しかし、背景技術で示したように、すべての隣接相間で巻方向を正から逆、または、逆から正に入れ替えることができない。これは相数が偶数であるが故に起こることである。
一方、固定子６突極で構成された三相ＳＲＭの場合、Ａ相巻線、Ｂ相巻線、Ｃ相巻線の巻方向を順にＡ＋、Ｂ−、Ｃ＋、Ａ−、Ｂ＋、Ｃ−とすることで、減極性によるトルク低下を起こさないようにできる。しかし、三相ＳＲＭは四相ＳＲＭに比べ回転速度とトルクの出力範囲が狭く、また、効率が低い（非特許文献１、２参照）。そのため、三相ＳＲＭでは今後要求される省エネに対応することができず、広出力範囲かつ高効率が可能な四相ＳＲＭで、トルク脈動を低減することが重要な課題となっていた。

〈２つ目の問題〉
２つ目の問題は、駆動回路が高価格になることである。
一般に、スイッチング素子６個とダイオード６個を備えたパワーモジュールは、三相モータ駆動用として低価格で販売されている。しかし、図９に示した駆動回路ではスイッチング素子８個、ダイオード８個が必要であるため、駆動回路が特別なものとなり高価格となった。従って、低価格な汎用三相パワーモジュールを用いて駆動回路を構成することが課題となっていた。

〈本発明の目的〉
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、ＳＲＭのトルク脈動を大幅に抑制することができ、さらに、汎用三相パワーモジュールを使って低価格にすることができるＳＲＭとその駆動回路および駆動方法を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
第１発明はＳＲＭに係り、各相９０度の位相差を有する四相巻線（Ａ相巻線、Ｂ相巻線、Ｃ相巻線、Ｄ相巻線）を有したＳＲＭにおいて、前記四相巻線の巻線端子を、前記Ａ相巻線の一方の巻線端子と前記Ｃ相巻線の一方の巻線端子を接続した巻線端子（Ｔ１）、前記Ｂ相巻線の一方の巻線端子と前記Ｄ相巻線の一方の巻線端子を接続した巻線端子（Ｔ２）、前記Ａ相巻線の他方の巻線端子（Ｔ３）、前記Ｂ相巻線の他方の巻線端子（Ｔ４）、前記Ｃ相巻線の他方の巻線端子（Ｔ５）、前記Ｄ相巻線の他方の巻線端子（Ｔ６）から成る６端子（Ｔ１〜Ｔ６）として構成した。
第２発明はＳＲＭ駆動回路に係り、第１発明の四相巻線に電流を供給するための直流電源と複数個のスイチング素子と複数個のダイオードを有したＳＲＭの駆動回路において、前記６端子（Ｔ１〜Ｔ６）のそれぞれに、前記直流電源の正電圧側との間に一組の前記スイッチング素子と前記ダイオードを接続するとともに、前記直流電源の負電圧側との間にもう一組の前記スイッチング素子と前記ダイオードを接続して構成した。
第３発明はＳＲＭの駆動方法に係り、第１発明のモータの四相巻線に電流を通電してトルクを発生させるＳＲＭの駆動方法において、第２発明の駆動回路を用いて、前記四相巻線に通電する電流の向きを電気角３６０度ごとに反転させるようにした。
第４発明は、第２発明のＳＲＭ駆動回路において、前記駆動回路を、スイッチング素子６個を備えたパワーモジュールを２台用いて構成した。

請求項１〜３に記載の発明によると、ＳＲＭの巻線端子の接続と駆動回路の構成を工夫して減極性が起きないように巻線電流を通電しているので、ＳＲＭのトルク脈動を大幅に抑制することができる。
また、請求項４に記載の発明によると、スイッチング素子６個を備えた汎用三相パワーモジュールを用いて駆動回路を構成しているので、駆動回路を低価格にすることができる。

図１は本発明の実施例１におけるＳＲＭの駆動回路図である。 図２は本発明におけるＡ相巻線への正電圧印加パターンである。 図３は本発明におけるＡ相巻線への負電圧印加パターンである。 図４は本発明におけるＣ相巻線への正電圧印加パターンである。 図５は本発明におけるＣ相巻線への負電圧印加パターンである。 図６は本発明における巻線電流とトルク波形のシミュレーション結果である。 図７は本発明の実施例２におけるＳＲＭの駆動回路図である。 図８はＳＲＭの断面図である。 図９は従来のＳＲＭの駆動回路図である。 図１０は従来のＡ相巻線への電圧印加パターンである。 図１１は回転子位置に対するインダクタンス、印加電圧、巻線電流を表す図である。 図１２は従来の巻線電流とトルク波形のシミュレーション結果である。 図１３は従来の２相オーバーラップ通電時における主磁束経路を示した図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は本発明の実施例１におけるＳＲＭの駆動回路図である。
図において、ＳＷ１１〜ＳＷ２２がスイッチング素子、Ｄ１１〜Ｄ２２がダイオード、Ｔ１〜Ｔ６が巻線端子である。ここで、従来技術と同じ構成要素については、同一の符号を付している。また、ＳＲＭの主要な構造については背景技術と同じであるため、その説明を省略する。
本発明が従来技術と異なる点は、（１）ＳＲＭの巻線端子の接続方法、（２）駆動回路、（３）駆動回路の駆動方法にある。
まず、（１）のＳＲＭの巻線端子の接続方法から説明する。

〈本発明の特徴（１）：ＳＲＭの巻線端子の接続方法〉
背景技術と同様に、固定子突極２３には反時計方向の順にＡ相巻線２４Ａ、Ｂ相巻線２４Ｂ、Ｃ相巻線２４Ｃ、Ｄ相巻線２４Ｄ、Ａ相巻線２４Ａ、Ｂ相巻線２４Ｂ、Ｃ相巻線２４Ｃ、Ｄ相巻線２４Ｄを巻回している。各相巻線の巻方向も同様に、反時計方向の順にＡ＋、Ｂ＋、Ｃ−、Ｄ＋、Ａ−、Ｂ−、Ｃ＋、Ｄ−とし、２個の同相巻線を直列に接続している。
さらに、直列に接続された各相巻線から引き出される２つの巻線端子を、一方の巻線端子と他方の巻線端子と呼ぶことにし、Ａ相巻線２４Ａの一方の巻線端子とＣ相巻線２４Ｃの一方の巻線端子を接続した巻線端子Ｔ１、Ｂ相巻線２４Ｂの一方の巻線端子とＤ相巻線２４Ｄの一方の巻線端子を接続した巻線端子Ｔ２、Ａ相巻線２４Ａの他方の巻線端子Ｔ３、Ｂ相巻線２４Ｂの他方の巻線端子Ｔ４、Ｃ相巻線２４Ｃの他方の巻線端子Ｔ５、Ｄ相巻線２４Ｄの他方の巻線端子Ｔ６として、合計６端子で構成している。次に、（２）の駆動回路について説明する。

〈本発明の特徴（２）：駆動回路〉
巻線端子Ｔ１と直流電源Ｖｄｃの正電圧側との間に一組のスイッチング素子ＳＷ１１とダイオードＤ１１を接続し、直流電源Ｖｄｃの負電圧側との間にもう一組のスイッチング素子ＳＷ１２とダイオードＤ１２を接続している。同様に、巻線端子Ｔ２〜Ｔ６についてもスイッチング素子ＳＷ１３〜ＳＷ２２とダイオードＤ１３〜Ｄ２２を接続している。つまり、本発明の駆動回路はスイッチング素子が１２個、ダイオードが１２個により構成している。
次に、この駆動回路の動作原理について説明する。

〈この駆動回路の動作原理〉
《Ａ相巻線への正電圧印加パターンと負電圧印加パターン》
図２および図３はＡ相巻線への正電圧印加パターンと負電圧印加パターンを示したものである。電流の流れる方向を矢印で、電流の経路を太線で示している。
図２（ａ）では、スイッチング素子ＳＷ１１とＳＷ１４をＯＮし、その他のスイッチング素子をＯＦＦすることでＡ相巻線に正電圧を印加し、正方向電流を立ち上げている。
図２（ｂ）では、スイッチング素子ＳＷ１１をＯＮし、その他のスイッチング素子をＯＦＦすることでＡ相巻線の電流を環流させている。
図２（ｃ）では、すべてのスイッチング素子をＯＦＦすることでＡ相巻線に逆電圧を印加し、正方向電流を立ち下げている。
また、図３（ａ）では、スイッチング素子ＳＷ１２とＳＷ１３をＯＮし、その他のスイッチング素子をＯＦＦすることでＡ相巻線に負電圧を印加し、負方向電流を立ち上げている。
図３（ｂ）では、スイッチング素子ＳＷ１３をＯＮし、その他のスイッチング素子をＯＦＦすることでＡ相巻線の電流を環流させている。
図３（ｃ）では、すべてのスイッチング素子をＯＦＦすることでＡ相巻線に逆電圧を印加し、負方向電流を立ち下げている。
《Ｃ相巻線への正電圧印加パターンと負電圧印加パターン》
さらに、図４および図５はＣ相巻線への正電圧印加パターンと負電圧印加パターンを示したものである。
図４（ａ）では、スイッチング素子ＳＷ１１とＳＷ１６をＯＮし、その他のスイッチング素子をＯＦＦすることでＣ相巻線に正電圧を印加し、正方向電流を立ち上げている。
図４（ｂ）では、スイッチング素子ＳＷ１６をＯＮし、その他のスイッチング素子をＯＦＦすることでＣ相巻線の電流を環流させている。
図４（ｃ）では、すべてのスイッチング素子をＯＦＦすることでＣ相巻線に逆電圧を印加し、正方向電流を立ち下げている。
また、図５（ａ）では、スイッチング素子ＳＷ１２とＳＷ１５をＯＮし、その他のスイッチング素子をＯＦＦすることでＣ相巻線に負電圧を印加し、負方向電流を立ち上げている。
図５（ｂ）では、スイッチング素子ＳＷ１２をＯＮし、その他のスイッチング素子をＯＦＦすることでＣ相巻線の電流を環流させている。
図５（ｃ）では、すべてのスイッチング素子をＯＦＦすることでＣ相巻線に逆電圧を印加し、負方向電流を立ち下げている。
このような電圧印加パターンとすることで、各相巻線に双方向電流を通電することができる。最後に、（３）の駆動方法について説明する。

〈本発明の特徴（３）：駆動回路の駆動方法〉
（２）の駆動回路の動作原理で説明したように、各相の巻線電流は、従来できなかった双方向の通電が可能である。この双方向通電を利用して、トルク低下の原因となっていた減極性を加極性に変えるようにする。つまり、減極性が起きていたＢ相通電時において、電流方向を反転するように駆動する。
例えば、Ｘ相巻線の正方向電流と負方向電流をix (＋)、ix(−)として表すと、
Ａ相巻線からの通電パターンを
ia(＋)」→「ib(−)→ic(−)→id(−)→ia(−)」→「ib(＋)→ic(＋)→id(＋)→ia(＋)」→「ib(−)→・・・・」と、Ｂ相がくるたびに電流方向を反転させるように駆動する。
一般的には、Ａ相〜Ｄ相の各相巻線の巻き方向をどのようにするかで減極性が起こる相が変わる。
従って、減極性が起こる相を基準として、電気角３６０度ごとに電流方向を反転させるようにすればよい。

以上のような構成および方法において、トルク脈動がどのように抑制されるかについて説明する。図６は実施例１における回転子位置に対する各相巻線電流とトルクをシミュレーションした結果である。
従来は図１２に示すように、Ａ相−Ｂ相のオーバーラップ通電時で大幅なトルク低下が起きていた。しかし、実施例１ではＢ相電流を反転することにより、他のオーバーラップ通電時と同じように加極性となり、トルク低下が低減されている。よって、従来問題となっていたトルク脈動を大幅に抑制することができる。

図７は実施例２におけるＳＲＭの駆動回路図である。
図７において、ＰＭ１とＰＭ２はパワーモジュールである。実施例２が実施例１と異なる点は、スイッチング素子６個とダイオード６個を備えたパワーモジュールＰＭ１、ＰＭ２を使って、実施例１で説明したＳＲＭの駆動回路を構成している点である。
本発明の駆動回路は、スイッチング素子１２個とダイオード１２個で構成されることから、汎用三相パワーモジュールをそのまま用いることが可能である。

以上のような構成とすることで、駆動回路を低価格にすることができる。

本発明のＳＲＭとその駆動回路および駆動方法は従来のＳＲＭに比べトルク脈動を大幅に抑えることができるので、回転角度を高精度に検出するエンコーダと併用して位置制御することも可能である。
よって、サーボモータとして位置決め用途にも適用することができる。

１０ 回転子
１１ シャフト
１２ 回転子コア
１３ 回転子突極
２０ 固定子
２１ フレーム
２２ 固定子コア
２３ 固定子突極
２４ 巻線
２４Ａ Ａ相巻線
２４Ｂ Ｂ相巻線
２４Ｃ Ｃ相巻線
２４Ｄ Ｄ相巻線
Ｔ１〜Ｔ６ 巻線端子
Ｖｄｃ 直流電源
ＳＷ１〜ＳＷ８、ＳＷ１１〜ＳＷ２２ スイッチング素子
Ｄ１〜Ｄ８、Ｄ１１〜Ｄ２２ ダイオード
ＰＭ１、ＰＭ２ パワーモジュール

Claims (4)

1. 各相９０度の位相差を有する四相巻線（Ａ相巻線、Ｂ相巻線、Ｃ相巻線、Ｄ相巻線）を有したスイッチトリラクタンスモータにおいて、
   前記四相巻線の巻線端子を、前記Ａ相巻線の一方の巻線端子と前記Ｃ相巻線の一方の巻線端子を接続した第１巻線端子（Ｔ１）、前記Ｂ相巻線の一方の巻線端子と前記Ｄ相巻線の一方の巻線端子を接続した第２巻線端子（Ｔ２）、前記Ａ相巻線の他方の第３巻線端子（Ｔ３）、前記Ｂ相巻線の他方の第４巻線端子（Ｔ４）、前記Ｃ相巻線の他方の第５巻線端子（Ｔ５）、前記Ｄ相巻線の他方の第６巻線端子（Ｔ６）から成る６個の巻線端子（Ｔ１〜Ｔ６）として構成したことを特徴とするスイッチトリラクタンスモータ。
2. 請求項１記載のスイッチトリラクタンスモータの前記四相巻線に電流を供給するための直流電源と複数個のスイチング素子と複数個のダイオードを有したスイッチトリラクタンスモータの駆動回路において、
   前記６個の端子（Ｔ１〜Ｔ６）のそれぞれに、前記直流電源の正電圧側との間に一組の前記スイッチング素子と前記ダイオードを接続するとともに、前記直流電源の負電圧側との間にもう一組の前記スイッチング素子と前記ダイオードを接続して構成したことを特徴とするスイッチトリラクタンスモータの駆動回路。
3. 請求項１記載のスイッチトリラクタンスモータの前記四相巻線に電流を通電してトルクを発生させるスイッチトリラクタンスモータの駆動方法において、
   請求項２記載のスイッチトリラクタンスモータの駆動回路を用いて、前記四相巻線に通電する電流の向きを電気角３６０度ごとに反転させることを特徴とするスイッチトリラクタンスモータの駆動方法。
4. 前記駆動回路を、スイッチング素子６個を備えたパワーモジュールを２台用いて構成したことを特徴とする請求項２記載のスイッチトリラクタンスモータの駆動回路。

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