JP2012050297A - 電動モータ，モータ駆動システム、及びそれを搭載した車両 - Google Patents

Abstract

【課題】システム信頼性の向上した電動モータを提供することにある。
【解決手段】固定子鉄心３は、４個のティースＴｈ１，Ｔｈ２，Ｔｈ３，Ｔｈ４を有する４相永久磁石式同期モータまたは４相スイッチトリラクタンスモータである。固定子巻線は、１個の前記固定子ティース辺り、４並列の集中巻のコイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４であり、全ての固定子ティースでは計１６個のコイルで構成される。各々の固定子ティースの４並列のコイルのうち任意の１つのコイルを、固定子ティース毎に選択し、それらを直列に接続して１相分を形成する。インバータ制御部ＩＮＶ−ＣＵは、回転子磁極位置検出部ＭＰＤの磁極位置検出信号に基づいて、モータインバータ部ＩＮＶのスイッチング素子をオンオフ制御し、各相コイルに順次通電する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電動モータ，モータ駆動システム、及びそれを搭載した車両に係り、特に、自動車などの車両に搭載される補機に用いるに好適な電動モータ，モータ駆動システム、及びそれを搭載した車両に関する。

自動車などの車両に搭載される補機としては、例えば、電動化されたオイル循環用ポンプ、機器冷却用電動ブロアファンなどがある。これらの補機は、エンジンルームなどの限られた小さなスペースにシステムの信頼性を確保させつつ搭載する必要がある。

エンジンの潤滑オイルの補給、循環およびエンジン冷却の役割を担うオイルポンプを例にとると、アイドリングストップ動作時など、エンジン停止中も次のエンジンスタートに備え常に動作させておかなければならない。万一、オイルポンプが動作不良に陥ると、エンジンの焼き付けを生じ、車両自体の操作が不可となる可能性がある。このため、車両用の補機には壊れない、決して止まってはならないフェールセーフに対する要求が高いものである。

この要求に対し、例えば、モータは３相巻線で構成され、電源装置を１つの巻線（例えばＵ相巻線）に対して２並列に接続するとともに、第１の電源と第２の電源を備え、モータの２並列の巻線に選択的に供給可能なものが知られている（例えば、特許文献１参照）。２並列の電源装置のうち、いずれか一方の電源装置が故障したときには、故障していない、もう一方の電源装置に切り替えてモータ巻線に電圧を供給してモータ駆動できるため、電源装置の故障に対してフェールセーフが成り立つ。

特開２００６−２３００７２号公報

しかしながら、特許文献１記載のものでは、３相巻線のうち、２相が欠相した場合においては、たとえ電源装置が正常であっても、外力で加勢しないと起動できない、または、モータ駆動状況を維持することが困難となる。このように、モータ巻線の故障、欠相のときにはフェールセーフが困難である。欠相故障を予め想定し、補助システムを取り入れることも考えられるが、それらを搭載するためのスペースが大きくなるとともに、高コストとなる。

本発明の第１の目的は、システム信頼性の向上した電動モータを提供することにある。

また、本発明の第２の目的は、システム信頼性の向上した電動モータを、低速大トルクの運転領域から高速回転の運転領域まで、運転領域を広げることができるモータ駆動システム、及びそれを搭載した車両を提供することにある。

（１）上記第１の目的を達成するために、本発明は、４個のティースを有する固定子鉄心と、該固定子鉄心に集中巻で巻回された固定子コイルからなる固定子巻線と、前記固定子鉄心の内周に回転可能に保持された回転子とを有する４相永久磁石式同期モータまたは４相スイッチトリラクタンスモータからなる電動モータであって、前記固定子巻線は、１個の前記固定子ティース辺り、４並列の集中巻のコイルであり、全ての固定子ティースでは計１６個のコイルで構成され、各々の固定子ティースの４並列のコイルのうち任意の１つのコイルを、固定子ティース毎に選択し、それらを直列に接続して１相分を形成するようにしたものである。
かかる構成により、システム信頼性を向上し得るものとなる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記４並列のコイルの内、第１のコイルを構成する４個のコイルは、４個のティースに対して、第２のティース，第３のティース，第４のティース，第１のティースの順で、通電時に、前記第２及び第３のティースに生じる磁極と、前記第１及び第４のティースに生じる磁極が反対の極性となるように巻回され、第２のコイルを構成する４個のコイルは、４個のティースに対して、第３のティース，第４のティース，第１のティース，第２のティースの順で、通電時に、前記第３及び第４のティースに生じる磁極と、前記第１及び第２のティースに生じる磁極が反対の極性となるように巻回され、第３のコイルを構成する４個のコイルは、４個のティースに対して、第４のティース，第１のティース，第２のティース，第３のティースの順で、通電時に、前記第１及び第４のティースに生じる磁極と、前記第２及び第３のティースに生じる磁極が反対の極性となるように巻回され、第４のコイルを構成する４個のコイルは、４個のティースに対して、第１のティース，第２のティース，第３のティース，第４のティースの順で、通電時に、前記第１及び第２のティースに生じる磁極と、前記第３及び第４のティースに生じる磁極が反対の極性となるように巻回されるようにしたものである。

（３）上記（２）において、好ましくは、４相永久磁石式同期モータの相あたりの無負荷誘導起電力波形を台形形状とし、第１相と第３相、および、第２相と第４相の各々の無負荷誘導起電力が逆位相の関係としたものである。

（４）上記第１の目的を達成するために、本発明は、４個のティースを有する固定子鉄心と、該固定子鉄心に集中巻で巻回された固定子コイルからなる固定子巻線と、前記固定子鉄心の内周に回転可能に保持された回転子とを有する４相永久磁石式同期モータまたは４相スイッチトリラクタンスモータからなる電動モータであって、前記固定子巻線は、１個の前記固定子ティース辺り、２並列の集中巻のコイルであり、全ての固定子ティースでは計８個のコイルで構成され、前記２並列のコイルに対して、正逆両方向に通電され、各々の固定子ティースの２並列のコイルのうち任意の１つのコイルを、固定子ティース毎に選択し、それらを直列に接続して１相分を形成するするようにしたものである。
かかる構成により、システム信頼性を向上し得るものとなる。

（５）上記（４）において、好ましくは、前記２並列のコイルの内、第１のコイルを構成する４個のコイルは、４個のティースに対して、第２のティース，第３のティース，第４のティース，第１のティースの順で、通電時に、前記第２及び第３のティースに生じる磁極と、前記第１及び第４のティースに生じる磁極が反対の極性となるように巻回され、第２のコイルを構成する４個のコイルは、４個のティースに対して、第３のティース，第４のティース，第１のティース，第２のティースの順で、通電時に、前記第３及び第４のティースに生じる磁極と、前記第１及び第２のティースに生じる磁極が反対の極性となるように巻回されるようにしたものである。

（６）上記第２の目的を達成するために、本発明は、電動モータと、該モータのコイルに通電するインバータを制御するインバータ制御部とを有するモータ駆動システムであって、前記電動モータは、４個のティースを有する固定子鉄心と、該固定子鉄心に集中巻で巻回された固定子コイルからなる固定子巻線と、前記固定子鉄心の内周に回転可能に保持された回転子とを有する４相永久磁石式同期モータまたは４相スイッチトリラクタンスモータからなり、前記固定子巻線は、１個の前記固定子ティース辺り、４並列の集中巻のコイルであり、全ての固定子ティースでは計１６個のコイルで構成され、各々の固定子ティースの４並列のコイルのうち任意の１つのコイルを、固定子ティース毎に選択し、それらを直列に接続して１相分を形成し、前記４相を第１の２相と第２の２相に分離し、前記第１の２相の巻回数は、前記第２の２相の巻回数よりも多くするとともに、前記第１の２相に接続された第１の電源の電圧は、前記第２の２相に接続された第２の電源の電圧よりも低くしたものである。
かかる構成により、システム信頼性の向上した電動モータを、低速大トルクの運転領域から高速回転の運転領域まで、運転領域を広げることができるものとなる。

（７）上記（６）において、好ましくは、前記インバータ制御部は、前記電動モータの低速時には、前記第１の２相に通電する通電量を前記第２の２相に通電する通電量より多くし、前記電動モータの高速時には、前記第２の２相に通電する通電量を前記第１の２相に通電する通電量より多くするようにしたものである。

（８）上記第２の目的を達成するために、本発明は、電動モータと、該モータのコイルに通電するインバータを制御するインバータ制御部とを有するモータ駆動システムであって、前記電動モータは、４個のティースを有する固定子鉄心と、該固定子鉄心に集中巻で巻回された固定子コイルからなる固定子巻線と、前記固定子鉄心の内周に回転可能に保持された回転子とを有する４相永久磁石式同期モータまたは４相スイッチトリラクタンスモータからなり、前記固定子巻線は、１個の前記固定子ティース辺り、２並列の集中巻のコイルであり、全ての固定子ティースでは計８個のコイルで構成され、前記２並列のコイルに対して、正逆両方向に通電され、各々の固定子ティースの２並列のコイルのうち任意の１つのコイルを、固定子ティース毎に選択し、それらを直列に接続して１相分を形成し、前記４相を第１の相と第２の相に分離し、前記第１の相の巻回数は、前記第２の相の巻回数よりも多くするとともに、前記第１の相に接続された第１の電源の電圧は、前記第２の相に接続された第２の電源の電圧よりも低くしたものである。
かかる構成により、システム信頼性の向上した電動モータを、低速大トルクの運転領域から高速回転の運転領域まで、運転領域を広げることができるものとなる。

（９）上記（８）において、好ましくは、前記インバータ制御部は、前記電動モータの低速時には、前記第１の相に通電する通電量を前記第２の相に通電する通電量より多くし、前記電動モータの高速時には、前記第２の相に通電する通電量を前記第１の相に通電する通電量より多くするようにしたものである。

（１０）上記第２の目的を達成するために、本発明は、電動モータにより駆動される車両用補機を備える車両であって、前記電動モータは、４個のティースを有する固定子鉄心と、該固定子鉄心に集中巻で巻回された固定子コイルからなる固定子巻線と、前記固定子鉄心の内周に回転可能に保持された回転子とを有する４相永久磁石式同期モータまたは４相スイッチトリラクタンスモータからなるものである。
かかる構成により、システム信頼性の向上した電動モータを、低速大トルクの運転領域から高速回転の運転領域まで、運転領域を広げることができるものとなる。

本発明によれば、電動モータのシステム信頼性を向上することができる。

また、本発明によれば、システム信頼性の向上した電動モータを、低速大トルクの運転領域から高速回転の運転領域まで、運転領域を広げることができる。

本発明の一実施形態による電動モータの固定子巻線の構成図である。 本発明の一実施形態による電動モータの固定子の構成図である。 本発明の一実施形態による電動モータの固定子巻線への通電時に発生する起電力の説明図である。 本発明の一実施形態による電動モータの個々の固定子巻線への通電時の動作説明図である。 本発明の一実施形態による他の構成の電動モータにおける、個々の固定子巻線への通電時の動作説明図である。 本発明の一実施形態による電動モータを駆動するモータ駆動システムの構成図である。 本発明の一実施形態によるモータ駆動システムにおけるゲート信号生成部の構成を示す回路図である。 本発明の一実施形態によるモータ駆動システムにおけるゲート信号生成部の動作を示すタイミングチャートである。 本発明の一実施形態によるモータ駆動システムにおいて生成されるゲート信号と、トランジスタのスイッチング動作の関係を示すタイミングチャートである。 本発明の一実施形態によるモータ駆動システムにおけるＬ１コイル間電圧波形とモータ電流波形の説明図である。 本発明の一実施形態によるモータ駆動システムを用いて、モータの運転領域を広げる制御方法の説明図である。 本発明の他の実施形態による電動モータの固定子巻線の構成図である。 本発明の他の実施形態による電動モータの固定子の構成図である。 本発明の他の実施形態による電動モータの固定子巻線への通電時に発生する起電力の説明図である。 本発明の他の実施形態によるモータ駆動システムにおいて生成されるゲート信号と、トランジスタのスイッチング動作の関係を示すタイミングチャートである。 本発明の各実施形態による電動モータ，モータ駆動システムを車両用補機として搭載した車両の構成図である。

以下、図１〜図１１を用いて、本発明の一実施形態による電動モータ，モータ駆動システム、及びそれを搭載した車両の構成について説明する。
最初に、図１〜図４を用いて、本実施形態による電動モータの構成及び動作について説明する。ここでは、電動モータとして、４相モータ，特に４相同期モータを例にして説明する。
図１は、本発明の一実施形態による電動モータの固定子巻線の構成図である。図２は、本発明の一実施形態による電動モータの固定子の構成図である。図３は、本発明の一実施形態による電動モータの固定子巻線への通電時に発生する起電力の説明図である。図４は、本発明の一実施形態による電動モータの個々の固定子巻線への通電時の動作説明図である。

図１（Ａ），（Ｂ）に示すように、本実施形態の電動モータは４相モータであるので、固定子巻線は、４つのコイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４から構成される。コイルＬ１は、図示のように、４つの直列接続されたコイルから構成される。コイルＬ２，Ｌ３，Ｌ４も、コイルＬ１と同様に、４つの直列接続されたコイルから構成される。なお、図１に付したＴｈ２，Ｔｈ３，Ｔｈ４，Ｔｈ１は、これらのコイルが巻回される固定子ティースを示すものであるが、この点については、図２を用いて後述する。

図１（Ａ）に示すように、コイルＬ１とコイルＬ３は並列接続され、その両端には正電圧Ｐ１及び負電圧Ｎ１が供給される。なお、負電圧は接地電位である。コイルＬ１と負電圧Ｎ１との間には、スイッチング素子であるトランジスタＴｒ１が接続されている。トランジスタＴｒ１が導通すると、コイルＬ１には、電流ｉ１が流れる。また、コイルＬ３と負電圧Ｎ１との間には、スイッチング素子であるトランジスタＴｒ３が接続されている。トランジスタＴｒ３が導通すると、コイルＬ３には、電流ｉ３が流れる。

図１（Ｂ）に示すように、コイルＬ２とコイルＬ４は並列接続され、その両端には正電圧Ｐ２及び負電圧Ｎ２が供給される。なお、負電圧は接地電位である。コイルＬ２と負電圧Ｎ２との間には、スイッチング素子であるトランジスタＴｒ２が接続されている。トランジスタＴｒ２が導通すると、コイルＬ２には、電流ｉ２が流れる。また、コイルＬ４と負電圧Ｎ２との間には、スイッチング素子であるトランジスタＴｒ４が接続されている。トランジスタＴｒ４が導通すると、コイルＬ４には、電流ｉ４が流れる。

本実施形態では、コイル（相巻線）に一方向通電するユニポーラ駆動としている。

また、信頼性の向上した電動モータという観点では、正電圧Ｐ１と正電圧Ｐ２は同じ電位であり、負電圧Ｎ１と負電圧Ｎ２は同じ電位である。但し、図６以降の電動モータの運転領域を広げる観点では、これらは別の電位としている。

次に、図２を用いて、固定子の構成について説明する。

固定子鉄心３は、４個の固定子ティースＴｈ１，Ｔｈ２，Ｔｈ３，Ｔｈ４を備えている。固定子ティースＴｈ１，Ｔｈ２，Ｔｈ３，Ｔｈ４は、固定子鉄心３のリング状のヨークの内周側に突出して、周方向に等間隔で、ヨークと一体的に形成されている。

ここで、図１と併せて、固定子ティースに対する４つのコイルの巻回方法について説明する。

コイルＬ４は、４つのコイルの内、第１のコイルを固定子ティースＴｈ１に集中巻で巻回し、第２のコイルを固定子ティースＴｈ２に集中巻で巻回し、第３のコイルを固定子ティースＴｈ３に集中巻で巻回し、第４のコイルを固定子ティースＴｈ４に集中巻で巻回する。このとき、図１に示すように、電流ｉ４が流れたとき、固定子ティースＴｈ１と固定子ティースＴｈ２がＮ極となり、固定子ティースＴｈ３と固定子ティースＴｈ４がＳ極となるように、コイルＬ４の４個のコイルの巻回方向が決められている。

コイルＬ３は、４つのコイルの内、第１のコイルを固定子ティースＴｈ４に集中巻で巻回し、第２のコイルを固定子ティースＴｈ１に集中巻で巻回し、第３のコイルを固定子ティースＴｈ２に集中巻で巻回し、第４のコイルを固定子ティースＴｈ３に集中巻で巻回する。このとき、図１に示すように、電流ｉ３が流れたとき、固定子ティースＴｈ４と固定子ティースＴｈ１がＮ極となり、固定子ティースＴｈ２と固定子ティースＴｈ３がＳ極となるように、コイルＬ３の４個のコイルの巻回方向が決められている。以上のコイルＬ４とコイルＬ３の巻回の相違により、両者の間は、９０度位相がずれている。

コイルＬ２は、４つのコイルの内、第１のコイルを固定子ティースＴｈ３に集中巻で巻回し、第２のコイルを固定子ティースＴｈ４に集中巻で巻回し、第３のコイルを固定子ティースＴｈ１に集中巻で巻回し、第４のコイルを固定子ティースＴｈ２に集中巻で巻回する。このとき、図１に示すように、電流ｉ２が流れたとき、固定子ティースＴｈ３と固定子ティースＴｈ４がＮ極となり、固定子ティースＴｈ１と固定子ティースＴｈ２がＳ極となるように、コイルＬ２の４個のコイルの巻回方向が決められている。以上のコイルＬ４，コイルＬ３，コイルＬ２の巻回の相違により、コイルＬ２は、コイルＬ３，Ｌ４に対して９０度位相がずれている。

コイルＬ１は、４つのコイルの内、第１のコイルを固定子ティースＴｈ２に集中巻で巻回し、第２のコイルを固定子ティースＴｈ３に集中巻で巻回し、第３のコイルを固定子ティースＴｈ４に集中巻で巻回し、第４のコイルを固定子ティースＴｈ１に集中巻で巻回する。このとき、図１に示すように、電流ｉ１が流れたとき、固定子ティースＴｈ２と固定子ティースＴｈ３がＮ極となり、固定子ティースＴｈ４と固定子ティースＴｈ１がＳ極となるように、コイルＬ１の４個のコイルの巻回方向が決められている。以上のコイルＬ４，コイルＬ３，コイルＬ２，コイルｌ１の巻回の相違により、コイルＬ１は、コイルＬ２，Ｌ３，Ｌ４に対して９０度位相がずれている。

以上説明したように、本実施形態では、固定子巻線は、１スロット辺り（１つの固定子ティース辺り）４並列の集中巻のコイルであり、全ての固定子ティースでは計１６個のコイルで構成する。また、固定子は４個の固定子ティースを有するので、スロット数は４個である。各々の固定子ティースの４並列のコイルのうち任意の１つのコイルを、固定子ティース毎に選択し、それらを直列に接続して１相分を形成する。ここで、例えば、コイルＬ１は、固定子ティースＴｈ２，Ｔｈ３，Ｔｈ４，Ｔｈ１にそれぞれ巻装した４並列の集中巻コイルのうち、図に示すように１つのコイルを選択して、固定子ティースにまたがる、計４つのコイルを直列に接続して構成する。このとき、固定子ティースＴｈ２でＮ極、Ｔｈ３でＮ極、Ｔｈ４でＳ極、Ｔｈ１でＳ極が形成されるように接続する点に特徴がある。

ここで、コイルＬ１に通電すると、固定子ティースＴｈ２，Ｔｈ３がＮ極となり、固定子ティースＴｈ１，Ｔｈ４がＳ極となるので、固定子ティースＴｈ２から固定子ティースＴｈ１に向かう磁束ＭＦ１１と、固定子ティースＴｈ３から固定子ティースＴｈ４に向かう磁束ＭＦ１２が発生する。

また、コイルＬ２に通電すると、固定子ティースＴｈ３，Ｔｈ４がＮ極となり、固定子ティースＴｈ１，Ｔｈ２がＳ極となるので、固定子ティースＴｈ４から固定子ティースＴｈ１に向かう磁束ＭＦ２１と、固定子ティースＴｈ３から固定子ティースＴｈ２に向かう磁束ＭＦ２２が発生する。

また、コイルＬ３に通電すると、固定子ティースＴｈ１，Ｔｈ４がＮ極となり、固定子ティースＴｈ２，Ｔｈ３がＳ極となるので、固定子ティースＴｈ１から固定子ティースＴｈ２に向かう磁束ＭＦ３１と、固定子ティースＴｈ４から固定子ティースＴｈ３に向かう磁束ＭＦ３２が発生する。

また、コイルＬ４に通電すると、固定子ティースＴｈ１，Ｔｈ２がＮ極となり、固定子ティースＴｈ３，Ｔｈ４がＳ極となるので、固定子ティースＴｈ１から固定子ティースＴｈ４に向かう磁束ＭＦ４１と、固定子ティースＴｈ２から固定子ティースＴｈ３に向かう磁束ＭＦ４２が発生する。

このように、固定子ティースに対応した磁極が、ひとつ前に励磁される相に対して電気角において９０度、回転子回転方向に移動させて４相巻線を構成することで、回転磁界を得ることができる。

ここで、図２では図示を省略しているが、図４を用いて後述するように、４つの固定子ティースＴｈ１，Ｔｈ２，Ｔｈ３，Ｔｈ４の内周には、永久磁石回転子が配置される。従って、図２に示した磁束ＭＦは、回転子を囲うように（磁束ＭＦが回転子と交差する量が多くなるように）発生させている。

次に、図３を用いて、本実施形態による４相永久磁石式同期モータの無負荷誘導起電力と各相巻線の通電範囲について説明する。なお、図３の横軸は時間である。

図３の実線Ｌ１は、コイルＬ１に連続的に通電した場合に発生する無負荷誘電起電力を示している。点線Ｌ２は、コイルＬ２に通電した場合に発生する無負荷誘電起電力を示している。破線Ｌ３は、コイルＬ３に通電した場合に発生する無負荷誘電起電力を示している。一点鎖線Ｌ４は、コイルＬ４に通電した場合に発生する無負荷誘電起電力を示している。

無負荷誘導起電力の波形は、Ｌ１相とＬ３相とが逆位相の関係となり、そして、Ｌ２相とＬ４相とが逆位相の関係となる。

なお、各コイルに対する通電は、電気角で９０度の範囲としている。従って、例えば、コイルＬ１には、「Ｌ１コイル通電」と図示した範囲の起電力が発生する。各相コイルの通電開始位置は、電流進み角が２０度としている。相コイルの通電区間は電気角で９０度の範囲で、コイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４の通電の順にコイルに通電する。

また、無負荷誘導起電力波形は台形形状として、無負荷誘導起電力の立ち上がり時間を短くすることが好ましい。その点、図２に示した固定子巻線の形態を採れば、このような急峻な立ち上がりを有する無負荷誘導起電力を得ることができるので、トルク応答が必要な場合などに有効に作用する。

以上のような通電を行うため、図１に示したスイッチング素子であるトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２，Ｔｒ３，Ｔｒ４は、各相コイルの通電の切り替えや通電量の調整などを行うとともに、相巻線に対して一方向通電（ユニポーラ駆動）が行えるよう構成している。具体的には、スイッチング素子により相巻線を切り替えることにより、Ｌ４相→Ｌ１相→Ｌ２相→Ｌ３相→Ｌ４相→Ｌ１相の順に通電する。電流はこれに対応してｉ４→ｉ１→ｉ２→ｉ３→ｉ４→ｉ１の順に流れ、一方向の連続したトルクが発生する。

次に、図４を用いて、本実施形態による４相永久磁石式同期モータにおける、回転子磁極位置と固定子巻線の励磁状況について説明する。

固定子鉄心３の内周には、シャフト５に固定された永久磁石回転子１が回転可能に配置されている。永久磁石回転子１は、１個のＮ極の永久磁石と、１個のＳ極の永久磁石とから構成され、磁極対数が「１」である。

図４（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）は、電流進み２０度の条件における各相コイル（Ｌ１相巻線，Ｌ２相巻線，Ｌ３相巻線およびＬ４相巻線）の通電開始時の永久磁石回転子１の位置を示している。

図４（Ａ）に示すように、Ｌ１相巻線への通電により、図２で説明したように、固定子ティースＴｈ２と固定子ティースＴｈ３にＮ極が、固定子ティースＴｈ４と固定子ティースＴｈ１にＳ極が形成する。これより、シャフト５の端部であるモータ軸出力には、矢印に示すような反時計回り方向のトルクが発生する。

そして、固定子ティースに形成される磁極を、Ｌ２相，Ｌ３相，Ｌ４相の順で、回転方向に電気角９０度に切り替えれば、図４（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）に示すように、連続する反時計回りの一方向トルクが得られる。

以上説明したように、本実施形態の電動モータでは、固定子巻線は、１スロット辺り（１つの固定子ティース辺り）４並列の集中巻のコイルであり、全ての固定子ティースでは計１６個のコイルで構成する。また、各々の固定子ティースの４並列のコイルのうち任意の１つのコイルを、固定子ティース毎に選択し、それらを直列に接続して１相分を形成する。ここで、例えば、コイルＬ１は、固定子ティースＴｈ２，Ｔｈ３，Ｔｈ４，Ｔｈ１にそれぞれ巻装した４並列の集中巻コイルのうち、図に示すように１つのコイルを選択して、固定子ティースにまたがる、計４つのコイルを直列に接続して構成する。このとき、固定子ティースＴｈ２でＮ極、Ｔｈ３でＮ極、Ｔｈ４でＳ極、Ｔｈ１でＳ極が形成されるように接続する。

以上の構成とすることで、各固定子ティースにより発生する磁束ＭＦは、回転子を囲うようにすることができる。従来の４相同期モータでは、第１の固定子ティースに第１のコイルを集中巻で巻回し、第２の固定子ティースに第２のコイルを集中巻で巻回するというように、各固定子ティースに、４個のコイルの内の１個を巻回する構成であるので、各固定子ティースにより発生する磁束ＭＦは、回転子を囲うようにすることができなかった。

それに対して、各固定子ティースにより発生する磁束ＭＦは、回転子を囲うようにすることができることで、４相の内２相が欠相した場合でも、外力で加勢することなく起動でき、または、モータ駆動状況を維持することができる。すなわち、図４に示す状態において、Ｌ３コイルとＬ４コイルが欠相した場合について説明する。ここで、欠相とは、例えば、Ｌ３コイルやＬ４コイル自体の断線，Ｌ３コイルやＬ４コイルに通電するためのスイッチング素子の故障，Ｌ３コイルやＬ４コイルに通電する配線の断線などのより、Ｌ３コイル及びＬ４コイルに電流が流れなくなった場合である。

Ｌ１コイル及びＬ２コイルが正常に通電できる場合、図４（Ａ）のＬ１コイル通電により、回転子５は、反時計回りのトルクを得て回転を始める。そして、図４（Ｂ）のＬ２コイル通電により、回転子５の回転が継続する。このとき、本実施形態では、各固定子ティースにより発生する磁束ＭＦは、回転子を囲うようにすることができるので、磁束ＭＦが回転子と交差する量が増え、回転子の回転力を大きくできる。その結果、Ｌ３，Ｌ４コイルが欠相していても、図４（Ｂ）の状態から、電気角で１８０度進んだ図４（Ａ）の状態に再びなったとき、Ｌ１コイル通電により回転子５は回転を継続できるので、モータを起動できるとともに、モータ駆動状況を維持することができる。

したがって、電動モータの信頼性を向上することができる。

次に、図５を用いて、本実施形態による電動モータの他の構成について説明する。ここでは、電動モータとして、４相モータ，特に４相スイッチトリラクタンスモータを例にして説明する。
図５は、本発明の一実施形態による他の構成の電動モータにおける、個々の固定子巻線への通電時の動作説明図である。なお、図４と同一符号は同一部分を示している。

４相スイッチトリラクタンスモータは、図４に示した永久磁石回転子１に変えて、４つの突極を有するリラクタンス回転子１Ａを備えている。その他の基本的な構成は、図１に示した４相永久磁石式同期モータと同様である。

図５は、本実施形態による４相スイッチトリラクタンスモータにおける、回転子磁極位置と固定子巻線の励磁状況を示している。スイッチトリラクタンスモータの回転子には、４つの突極部をもち、軟磁性材料（例えば電磁鋼板）で構成した回転子を用いる。スイッチトリラクタンスモータの場合も、図１及び図２にて説明した永久磁石式同期モータと同様の固定子巻線の構成を用いることにより、一方向トルクを連続的に得ることができる。

次に、図６〜図１０を用いて、本一実施形態による電動モータを駆動するモータ駆動システムの構成について説明する。
最初に、図６を用いて、本実施形態による電動モータを駆動するモータ駆動システムの構成について説明する。
図６は、本発明の一実施形態による電動モータを駆動するモータ駆動システムの構成図である。

モータＭは、図４に示した４相永久磁石式同期モータ、若しくは、図５に示した４相スイッチトリラクタンスモータであり、４相巻線である固定子コイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４及び回転子１（１Ａ）を有している。

モータＭに電力を供給する電源としては、正電圧Ｐ１と負電圧Ｎ１の直流電圧を供給する第１電源ＤＣ１と、正電圧Ｐ２と負電圧Ｎ２の直流電圧を供給する第２電源ＤＣ２とを備えた２並列の電源装置の構成としている。

第１電源ＤＣ１はコイルＬ１（Ｌ１相巻線）とコイルＬ３（Ｌ３相巻線）に接続され、第２電源ＤＣ２はコイルＬ２（Ｌ２相巻線）とコイルＬ４（Ｌ４相巻線）に接続される。ここで、Ｌ１相巻線はスイッチング素子Ｔｒ１に、Ｌ２相巻線はスイッチング素子Ｔｒ２に、Ｌ３相巻線はスイッチング素子Ｔｒ３に、Ｌ４相巻線はスイッチング素子Ｔｒ４に接続されている。スイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２，Ｔｒ３，Ｔｒ４により、インバータ部ＩＮＶが構成される。各相巻線にはインバータ部ＩＮＶを介して電圧が供給される。

回転子磁極位置検出部ＭＰＤは、ホール素子やホールＩＣから構成され、回転子１の磁極位置を検出する。インバータ制御部ＩＮＶ−ＣＵは、回転子磁極位置検出部ＭＰＤからの磁極位置検出信号に基づいて、ゲート信号Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３，Ｙ４を生成し、スイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２，Ｔｒ３，Ｔｒ４のゲートに入力して、これを制御することにより、Ｌ４相→Ｌ１相→Ｌ２相→Ｌ３相→Ｌ４相→Ｌ１相の順に通電する。

ここで、コイル通電の切り替えなど、コイル電流を急速に遮断すると、急激な高電圧パルスが発生し、この電圧がスイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴなどのトランジスタ素子）の耐電圧を超えるとスイッチング素子が破壊、劣化させることがあるため、各コイルに並列に、ダイオードＤとツェナダイオードＺＤが直列接続された逆起電圧防止素子を接続している。逆起電圧防止素子としては、ダイオードとツェナダイオードの他に、ダイオードやバリスタなどを用いることもできる。

次に、図７及び図８を用いて、本実施形態によるモータ駆動システムにおけるゲート信号生成部の構成及び動作について説明する。
図７は、本発明の一実施形態によるモータ駆動システムにおけるゲート信号生成部の構成を示す回路図である。図８は、本発明の一実施形態によるモータ駆動システムにおけるゲート信号生成部の動作を示すタイミングチャートである。

ここでは、ゲート信号生成部として、インバータ制御部ＩＮＶ−ＣＵの中に備えられるゲート信号Ｙ１の生成部ＩＮＶ−ＣＵ（Ｙ１）の構成について説明するが、他のゲート信号Ｙ２，Ｙ３，Ｙ４の生成部の構成も同様である。

ゲート信号Ｙ１の生成部ＩＮＶ−ＣＵ（Ｙ１）は、モータの可変速およびトルク制御のために、ＰＷＭ（パルス幅変調）による電圧制御により、相巻線に印加される実効電圧を調整する。

図７に示すように、ゲート信号Ｙ１の生成部ＩＮＶ−ＣＵ（Ｙ１）は、ＰＷＭコンパレータＰＷＭＣと、アンド回路ＡＮＤを備えている。ＰＷＭコンパレータＰＷＭＣは、スイッチング周波数８ｋＨｚの三角波電圧とＤＣレベル信号の比較を行い、入力したＤＣレベル信号（DUTY調整信号）に応じたデューティのＰＷＭ信号を出力する。ＤＣレベル信号は、インバータ制御部ＩＮＶ−ＣＵに対して外部から入力するトルク指令や速度指令に応じて、インバータ制御部ＩＮＶ−ＣＵが出力し、ゲート信号Ｙ１の生成部ＩＮＶ−ＣＵ（Ｙ１）に入力するものである。図８（Ａ）は、デューティが５０％の場合のＰＷＭ信号を示している。

相巻線の通電量の調整は、ＤＣレベル信号のＤＣレベルを操作することにより、ＰＷＭの変調幅（ＤＵＴＹ比率）を調整することで行う。これより、相巻線に印加される実効電圧を操作することができるので、モータ可変速とトルク制御を行うことができる。

アンド回路ＡＮＤは、ＰＷＭコンパレータＰＷＭＣが出力するＰＷＭ信号と、回転子磁極位置検出部ＭＰＤによって検出された回転子の磁極位置信号（例えば、図８（Ｂ））の論理積を取り、図８（Ｃ）に示すように、ゲート信号Ｙ１として出力する。

ゲート信号Ｙ１は、トランジスタＴｒ１のゲート端子に供給され、スイッチング素子のＯＮ状態とＯＦＦ状態を制御する。なお、図示は省略しているが、一般にゲート信号Ｙ１の生成部ＩＮＶ−ＣＵ（Ｙ１）とトランジスタＴｒ１の間には、プリドライバが備えられている。

次に、図９を用いて、本実施形態によるモータ駆動システムにおいて生成されるゲート信号と、トランジスタのスイッチング動作の関係について説明する。
図９は、本発明の一実施形態によるモータ駆動システムにおいて生成されるゲート信号と、トランジスタのスイッチング動作の関係を示すタイミングチャートである。

図９（Ａ）に示すように、ゲート信号Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３，Ｙ４は、回転子磁極位置検出部ＭＰＤによって検出された回転子の磁極位置信号に応じて、モータの１回転の間に、ゲート信号Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３，Ｙ４の順で所定のタイミングで発生する。

図９（Ｂ）に示すように、スイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２，Ｔｒ３，Ｔｒ４は、ゲート信号Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３，Ｙ４に対応して動作し、ゲート信号がＨｉｇｈレベルの状況でスイッチング素子がＯＮ状態となり、対応する相巻線に通電される。

なお、４系列ゲート信号Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３，Ｙ４を各々、独立して制御してもよい。つまり、ゲート信号Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３，Ｙ４間において、各ゲート信号のＤＵＴＹ比率を可変とすることで、より細やかなモータトルクならびに速度制御を達成することができるようになる。

次に、図１０を用いて、本実施形態によるモータ駆動システムにおけるＬ１コイル間電圧波形とモータ電流波形について説明する。
図１０は、本発明の一実施形態によるモータ駆動システムにおけるＬ１コイル間電圧波形とモータ電流波形の説明図である。

図１０において、図１０（Ａ）は、ＤＵＴＹ比率１００％時のＬ１コイル間電圧を示している。また、図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）に対応するモータ電流波形を示している。

コイル電圧位相と同期した電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４が通電され、相電流の通電区間は電気角９０度の範囲で、相電流が順次切り替わっていくことで、モータトルクを得ることができる。

次に、電動モータを、低速大トルクの運転領域から高速回転の運転領域まで、運転領域を広げるための特徴について説明する。

第１に、図１に示した構成において、コイルＬ１とコイルＬ３の巻回数を、コイルＬ２とコイルＬ４の巻回数よりも大きくする。具体例を挙げると、コイルＬ１とコイルＬ３の全体の巻回数（ターン数）を１００ターンとする。この場合、コイルＬ１とコイルＬ３を構成する４分割のコイルの巻回数を２５ターンとする。一方、コイルＬ２とコイルＬ４の全体の巻回数（ターン数）を４８ターンとして、コイルＬ１，Ｌ３の巻回数よりも小さくする。この場合、コイルＬ２とコイルＬ４を構成する４分割のコイルの巻回数を１２ターンとする。

このように、コイルＬ１とコイルＬ３の巻回数を、コイルＬ２とコイルＬ４の巻回数よりも大きくすることで、各コイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４に同じ電流を流した場合、巻回数の多いコイルＬ１，Ｌ３に大トルクを発生することができる。特にモータ起動〜低速運転の領域で大トルクを必要とする場合に効果的である。

第２に、図６に示した第２電源ＤＣ２の電圧を、第１電源ＤＣ１の電圧よりも高くする。具体例を挙げると、第１電源ＤＣ１の電圧をバッテリ電圧の１２Ｖとしたとき、第２電源ＤＣ２の電圧を２４Ｖ若しくは３６Ｖとする。第２の電源ＤＣ２としては、バッテリ電圧を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータを用いることができる。

第２電源ＤＣ２の電圧を、第１電源ＤＣ１の電圧よりも高くすることで、モータの高速回転時にコイルに発生する逆起電力が電源電圧（波高電圧）（この場合、第２電源ＤＣ２の電圧）を超えることを防止することができ、コイルに電流を流し込むことができるるので、高速回転が可能となる。

以上により、低速大トルクの運転領域から高速回転の運転領域まで、運転領域を広げることができる。

次に、図１１を用いて、本実施形態によるモータ駆動システムを用いて、モータの運転領域を広げる制御方法について説明する。
図１１は、本発明の一実施形態によるモータ駆動システムを用いて、モータの運転領域を広げる制御方法の説明図である。

前述の方法では、コイルＬ１とコイルＬ３の巻回数を、コイルＬ２とコイルＬ４の巻回数よりも大きくし、第２電源ＤＣ２の電圧を、第１電源ＤＣ１の電圧よりも高くするというように、ハード構成において、運転領域を広げている。

それに加えて、インバータ制御部ＩＮＶ−ＣＵの中に備えられるゲート信号Ｙ１の生成部ＩＮＶ−ＣＵ（Ｙ１）は、図７及び図８にて説明したように、ＤＣレベル信号を変更することで、ＰＷＭ信号のデューティを変えることができ、コイルに流す電流を変えることができる。すなわち、各コイルの通電量を変更することができる。

そこで、インバータ制御部ＩＮＶ−ＣＵは、モータ低速領域では、第２の２相の通電量より第１の２相への通電量を、高速領域では第１の２相の通電量より第２の２相への通電量を多くする。具体的には、図１０に示すように、低速時には、コイルＬ１，Ｌ３に流す電流Ｉ１，Ｉ３を大きくすることで、さらに、モータ起動から低速時のトルク不足を解消できる。電流Ｉ１，Ｉ３は、モータ回転数が高くなるほど減少するように制御する。

一方、高速時には、コイルＬ２，Ｌ４に流す電流Ｉ２，Ｉ４を大きくすることで、さらに、巻線の逆起電力が電源電圧（波高電圧）を超えることを防止することができる電流Ｉ２，Ｉ４は、モータ回転数が低くなるほど減少するように制御する。

これにより、低速大トルクの運転領域から高速回転の運転領域まで、運転領域をさらに広げることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、４相の内２相が欠相した場合でも、モータを起動できるとともに、モータ駆動状況を維持することができ、電動モータの信頼性を向上することができる。

また、コイルＬ１とコイルＬ３の巻回数を、コイルＬ２とコイルＬ４の巻回数よりも大きくし、第２電源ＤＣ２の電圧を、第１電源ＤＣ１の電圧よりも高くするというように、ハード構成において、モータの運転領域を広げることができる。

さらに、インバータ制御部ＩＮＶ−ＣＵは、モータ低速領域では、第２の２相の通電量より第１の２相への通電量を、高速領域では第１の２相の通電量より第２の２相への通電量を多くすることで、制御的に、モータの運転領域を広げることができる。

また、２系統の電源装置に対し、独立した相巻線を有するモータ１つでシステムを構築できるので、システム機器としてコンパクトな構成とすることができる。

次に、図１２及び図１３を用いて、本発明の他の実施形態による電動モータの構成及び動作について説明する。ここでは、電動モータとして、４相モータ，特に４相同期モータを例にして説明する。なお、４相スイッチトリトラクタモータの場合も同様である。
図１２は、本発明の他の実施形態による電動モータの固定子巻線の構成図である。図１３は、本発明の他の実施形態による電動モータの固定子の構成図である。

本実施形態では、コイル（相巻線）に双方向通電するバイポーラ駆動としている。

図１２（Ａ），（Ｂ）に示すように、本実施形態の電動モータは４相モータであるので、固定子巻線は、２つのコイルＬ１３，Ｌ２４から構成される。コイルＬ１３は、図示のように、４つの直列接続されたコイルから構成される。コイルＬ２４も、コイルＬ１３と同様に、４つの直列接続されたコイルから構成される。なお、図１２に付したＴｈ２，Ｔｈ３，Ｔｈ４，Ｔｈ１は、これらのコイルが巻回される固定子ティースを示すものであるが、この点については、図１３を用いて後述する。

図１２（Ａ）に示すように、コイルＬ１３の一方の端部は、トランジスタＴｒ１を介して正電圧Ｐ１に接続され、また、トランジスタＴｒ３を介して負電圧Ｎ１に接続される。なお、負電圧は接地電位である。また、コイルＬ１３の他方の端部は、トランジスタＴｒ２を介して正電圧Ｐ１に接続され、また、トランジスタＴｒ４を介して負電圧Ｎ１に接続される。

トランジスタＴｒ１及びトランジスタＴｒ４が導通すると、コイルＬ１３には、電流ｉ１が流れる。また、トランジスタＴｒ２及びトランジスタＴｒ３が導通すると、コイルＬ１３には、電流ｉ１と逆方向の電流ｉ３が流れる。

これにより、１相分巻線を（＋）（−）双方向通電に利用することにより１相巻線で２相分に利用できる。

図１２（Ｂ）に示すように、コイルＬ２４の一方の端部は、トランジスタＴｒ５を介して第２の正電圧Ｐ２に接続され、また、トランジスタＴｒ８を介して第１の負電圧Ｎ２に接続される。なお、負電圧は接地電位である。また、コイルＬ２４の他方の端部は、トランジスタＴｒ６を介して正電圧Ｐ２に接続され、また、トランジスタＴｒ６を介して負電圧Ｎ２に接続される。

トランジスタＴｒ５及びトランジスタＴｒ８が導通すると、コイルＬ２４には、電流ｉ２が流れる。また、トランジスタＴｒ６及びトランジスタＴｒ７が導通すると、コイルＬ２４には、電流ｉ２と逆方向の電流ｉ４が流れる。

また、信頼性の向上した電動モータという観点では、正電圧Ｐ１と正電圧Ｐ２は同じ電位であり、負電圧Ｎ１と負電圧Ｎ２は同じ電位である。但し、図６以降で説明した電動モータの運転領域を広げる観点では、これらは別の電位としている。

次に、図１３を用いて、固定子の構成について説明する。

固定子鉄心３は、４個の固定子ティースＴｈ１，Ｔｈ２，Ｔｈ３，Ｔｈ４を備えている。固定子ティースＴｈ１，Ｔｈ２，Ｔｈ３，Ｔｈ４は、固定子鉄心３のリング状のヨークの内周側に突出して、周方向に等間隔で、ヨークと一体的に形成されている。

ここで、図１２と併せて、固定子ティースに対する４つのコイルの巻回方法について説明する。

コイルＬ２４は、４つのコイルの内、第１のコイルを固定子ティースＴｈ３に集中巻で巻回し、第２のコイルを固定子ティースＴｈ４に集中巻で巻回し、第３のコイルを固定子ティースＴｈ１に集中巻で巻回し、第４のコイルを固定子ティースＴｈ２に集中巻で巻回する。このとき、図１２に示すように、電流ｉ４が流れたとき、固定子ティースＴｈ１と固定子ティースＴｈ２がＮ極となり、固定子ティースＴｈ３と固定子ティースＴｈ４がＳ極となるように、コイル２４の４個のコイルの巻回方向が決められている。但し、電流ｉ２が流れたときは、固定子ティースＴｈ１と固定子ティースＴｈ２がＳ極となり、固定子ティースＴｈ３と固定子ティースＴｈ４がＮ極となる。

コイルＬ１３は、４つのコイルの内、第１のコイルを固定子ティースＴｈ２に集中巻で巻回し、第２のコイルを固定子ティースＴｈ３に集中巻で巻回し、第３のコイルを固定子ティースＴｈ４に集中巻で巻回し、第４のコイルを固定子ティースＴｈ１に集中巻で巻回する。このとき、図１に示すように、電流ｉ３が流れたとき、固定子ティースＴｈ４と固定子ティースＴｈ１がＮ極となり、固定子ティースＴｈ２と固定子ティースＴｈ３がＳ極となるように、コイルＬ３の４個のコイルの巻回方向が決められている。但し、電流ｉ１が流れたとき、固定子ティースＴｈ４と固定子ティースＴｈ１がＳ極となり、固定子ティースＴｈ２と固定子ティースＴｈ３がＮ極となる。以上のコイルＬ２４とコイルＬ１３の巻回の相違により、両者の間は、９０度位相がずれている。

以上説明したように、本実施形態では、固定子巻線は、１スロット辺り（１つの固定子ティース辺り）２並列の集中巻のコイルであり、全ての固定子ティースでは計８個のコイルで構成する。また、固定子は４個の固定子ティースを有するので、スロット数は４個である。各々の固定子ティースの２並列のコイルのうち任意の１つのコイルを、固定子ティース毎に選択し、それらを直列に接続して１相分を形成する。ここで、例えば、コイルＬ１３は、固定子ティースＴｈ２，Ｔｈ３，Ｔｈ４，Ｔｈ１にそれぞれ巻装した２並列の集中巻コイルのうち、図に示すように１つのコイルを選択して、固定子ティースにまたがる、計４つのコイルを直列に接続して構成する。このとき、固定子ティースＴｈ２でＮ極、Ｔｈ３でＮ極、Ｔｈ４でＳ極、Ｔｈ１でＳ極が形成されるように接続する点に特徴がある。

ここで、コイルＬ１３に電流ｉ１が流れるように通電すると、固定子ティースＴｈ２，Ｔｈ３がＮ極となり、固定子ティースＴｈ１，Ｔｈ４がＳ極となるので、固定子ティースＴｈ２から固定子ティースＴｈ１に向かう磁束ＭＦ１１と、固定子ティースＴｈ３から固定子ティースＴｈ４に向かう磁束ＭＦ１２が発生する。

また、コイルＬ１３に電流Ｉｉ３が流れるように通電すると、固定子ティースＴｈ１，Ｔｈ４がＮ極となり、固定子ティースＴｈ２，Ｔｈ３がＳ極となるので、固定子ティースＴｈ１から固定子ティースＴｈ２に向かう磁束ＭＦ３１と、固定子ティースＴｈ４から固定子ティースＴｈ３に向かう磁束ＭＦ３２が発生する。

また、コイルＬ２４に電流ｉ２が流れるように通電すると、固定子ティースＴｈ３，Ｔｈ４がＮ極となり、固定子ティースＴｈ１，Ｔｈ２がＳ極となるので、固定子ティースＴｈ４から固定子ティースＴｈ１に向かう磁束ＭＦ２１と、固定子ティースＴｈ３から固定子ティースＴｈ２に向かう磁束ＭＦ２２が発生する。

また、コイルＬ２４に電流ｉ４が流れるように通電すると、固定子ティースＴｈ１，Ｔｈ２がＮ極となり、固定子ティースＴｈ３，Ｔｈ４がＳ極となるので、固定子ティースＴｈ１から固定子ティースＴｈ４に向かう磁束ＭＦ４１と、固定子ティースＴｈ２から固定子ティースＴｈ３に向かう磁束ＭＦ４２が発生する。

このように、固定子ティースに対応した磁極が、ひとつ前に励磁される相に対して電気角において９０度、回転子回転方向に移動させてる。そして、２相巻線をバイポーラ駆動することで４相巻線を構成することで、回転磁界を得ることができる。

ここで、図１３では図示を省略しているが、図４にて説明したように、４つの固定子ティースＴｈ１，Ｔｈ２，Ｔｈ３，Ｔｈ４の内周には、永久磁石回転子が配置される。従って、図２に示した磁束ＭＦは、回転子を囲うように（磁束ＭＦが回転子と交差する量が多くなるように）発生させている。

次に、図１４を用いて、本実施形態による４相永久磁石式同期モータの無負荷誘導起電力と各相巻線の通電範囲について説明する。
図１４は、本発明の他の実施形態による電動モータの固定子巻線への通電時に発生する起電力の説明図である。なお、図１４の横軸は時間である。

図１４の実線Ｌ１３は、コイルＬ１３通電した場合に発生する無負荷誘電起電力を示している。点線Ｌ２４は、コイルＬ２４に通電した場合に発生する無負荷誘電起電力を示している。なお、無負荷誘導起電力波形は、図３におけるＬ１相がＬ１３相巻線の正方向通電、Ｌ３相がＬ１３相巻線の負方向通電に対応する。Ｌ２相とＬ４相についても、これと同様にＬ２４相巻線の正方向通電、Ｌ２４相巻線の負方向通電に対応する。

なお、各コイルに対する通電は、電気角で９０度の範囲としている。従って、例えば、コイルＬ１３には、「Ｌ１３コイル通電」と図示した範囲の起電力が発生する。但し、正の起電力が発生するのは電流ｉ１を流した場合であり、負の起電力が発生するのは電流ｉ３を流した場合である。各相コイルの通電開始位置は、電流進み角が２０度としている。相コイルの通電区間は電気角で９０度の範囲で、コイルＬ１３（電流ｉ１），Ｌ２４（電流ｉ２），Ｌ１３（電流ｉ３），Ｌ２４（電流ｉ４）の通電の順にコイルに通電する。

以上のような通電を行うため、図１２に示したスイッチング素子であるトランジスタＴｒ１，…Ｔｒ８は、各相コイルの通電の切り替えや通電量の調整などを行うとともに、相巻線に対して双方向通電（バイポーラ駆動）が行えるよう構成している。具体的には、スイッチング素子により相巻線を切り替えることにより、電流ｉ４→ｉ１→ｉ２→ｉ３→ｉ４→ｉ１の順に流れ、一方向の連続したトルクが発生する。

以上説明したように、本実施形態によれば、４相の内２相が欠相した場合でも、モータを起動できるとともに、モータ駆動状況を維持することができ、電動モータの信頼性を向上することができる。

また、巻線の利用率を向上することができ、さらに電流容量を大きくできるので、高出力特性を得ることができる。

本実施形態による電動モータを駆動するモータ駆動システムの構成は、図６に示したものと同様である。従って、図６に示したように、正電圧Ｐ１と負電圧Ｎ１の直流電圧を供給する第１電源ＤＣ１と、正電圧Ｐ２と負電圧Ｎ２の直流電圧を供給する第２電源ＤＣ２とを備えた２並列の電源装置を備えている。また、図６におけるインバータ部ＩＮＶに対応して、８個のスイッチング素子からなるインバータ部が備えられる。また、ホール素子やホールＩＣから構成され、回転子１の磁極位置を検出する回転子磁極位置検出部ＭＰＤが備えられる。インバータ制御部ＩＮＶ−ＣＵは、回転子磁極位置検出部ＭＰＤからの磁極位置検出信号に基づいて、８個のスイッチング素子をオンオフ駆動するための、４個のゲート信号を生成する。インバータ制御部ＩＮＶ−ＣＵは、スイッチング素子Ｔｒ１，…Ｔｒ８を制御することにより、Ｌ４相→Ｌ１相→Ｌ２相→Ｌ３相→Ｌ４相→Ｌ１相の順に通電する。

次に、図１５を用いて、本実施形態によるモータ駆動システムにおいて生成されるゲート信号と、トランジスタのスイッチング動作の関係について説明する。
図１５は、本発明の他の実施形態によるモータ駆動システムにおいて生成されるゲート信号と、トランジスタのスイッチング動作の関係を示すタイミングチャートである。

図１５（Ａ）に示すように、ゲート信号Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３，Ｙ４は、回転子磁極位置検出部ＭＰＤによって検出された回転子の磁極位置信号に応じて、モータの１回転の間に、ゲート信号Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３，Ｙ４の順で所定のタイミングで発生する。

図１５（Ｂ）に示すように、スイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２，Ｔｒ３，Ｔｒ４，Ｔｒ５，Ｔｒ６，Ｔｒ７，Ｔｒ８は、ゲート信号Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３，Ｙ４に対応して動作し、ゲート信号Ｙ１によりスイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ４が駆動され、ゲート信号Ｙ２によりスイッチング素子Ｔｒ５，Ｔｒ８が駆動され、ゲート信号Ｙ３によりスイッチング素子Ｔｒ２，Ｔｒ３が駆動され、ゲート信号Ｙ４によりスイッチング素子Ｔｒ６，Ｔｒ７が駆動される。ゲート信号がＨｉｇｈレベルの状況でスイッチング素子がＯＮ状態となり、対応する相巻線に通電される。

なお、４系列ゲート信号Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３，Ｙ４を各々、独立して制御してもよい。つまり、ゲート信号Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３，Ｙ４間において、各ゲート信号のＤＵＴＹ比率を可変とすることで、より細やかなモータトルクならびに速度制御を達成することができるようになる。

そして、コイルＬ１３の巻回数を、コイルＬ２４の巻回数よりも大きくし、第２電源ＤＣ２の電圧を、第１電源ＤＣ１の電圧よりも高くするというように、ハード構成において、モータの運転領域を広げることができる。

さらに、インバータ制御部ＩＮＶ−ＣＵは、モータ低速領域では、第２の相の通電量より第１の相への通電量を、高速領域では第１の相の通電量より第２の相への通電量を多くすることで、制御的に、モータの運転領域を広げることができる。

次に、図１６を用いて、本発明の各実施形態による電動モータ，モータ駆動システムを車両用補機として搭載した車両の構成について説明する。
図１６は、本発明の各実施形態による電動モータ，モータ駆動システムを車両用補機として搭載した車両の構成図である。

本モータ駆動システムを、電動オイルポンプ用として、車両１００のエンジンルームに搭載した例である。モータインバータ部１０はエンジン近傍に設置され、モータＭの出力軸にはオイル循環用の羽根車（図示せず）が締結され、オイル循環系統をつないだ。モータインバータ部１０には第１電源ＤＣ１と第２電源ＤＣ２により電圧が供給され、オイル循環に必要な負荷に応じモータ回転数を操作しながら供給量を制御することができる。

１…永久磁石回転子
１Ａ…リラクタンス回転子
３…固定子鉄心
５…シャフト
１００…車両
ＤＣ１…第１電源
ＤＣ２…第２電源
ＩＮＶ…モータインバータ部
ＩＮＶ−ＣＵ…インバータ制御部
ＭＰＤ…回転子磁極位置検出部
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４…固定子コイル
Ｔｈ１，Ｔｈ２，Ｔｈ３，Ｔｈ４…固定子ティース

Claims (10)

1. ４個のティースを有する固定子鉄心と、該固定子鉄心に集中巻で巻回された固定子コイルからなる固定子巻線と、前記固定子鉄心の内周に回転可能に保持された回転子とを有する４相永久磁石式同期モータまたは４相スイッチトリラクタンスモータからなる電動モータであって、
   前記固定子巻線は、１個の前記固定子ティース辺り、４並列の集中巻のコイルであり、全ての固定子ティースでは計１６個のコイルで構成され、各々の固定子ティースの４並列のコイルのうち任意の１つのコイルを、固定子ティース毎に選択し、それらを直列に接続して１相分を形成することを特徴とする電動モータ。
2. 請求項１記載の電動モータにおいて、
   前記４並列のコイルの内、
   第１のコイルを構成する４個のコイルは、４個のティースに対して、第２のティース，第３のティース，第４のティース，第１のティースの順で、通電時に、前記第２及び第３のティースに生じる磁極と、前記第１及び第４のティースに生じる磁極が反対の極性となるように巻回され、
   第２のコイルを構成する４個のコイルは、４個のティースに対して、第３のティース，第４のティース，第１のティース，第２のティースの順で、通電時に、前記第３及び第４のティースに生じる磁極と、前記第１及び第２のティースに生じる磁極が反対の極性となるように巻回され、
   第３のコイルを構成する４個のコイルは、４個のティースに対して、第４のティース，第１のティース，第２のティース，第３のティースの順で、通電時に、前記第１及び第４のティースに生じる磁極と、前記第２及び第３のティースに生じる磁極が反対の極性となるように巻回され、
   第４のコイルを構成する４個のコイルは、４個のティースに対して、第１のティース，第２のティース，第３のティース，第４のティースの順で、通電時に、前記第１及び第２のティースに生じる磁極と、前記第３及び第４のティースに生じる磁極が反対の極性となるように巻回される、
   ことを特徴とする電動モータ。
3. 請求項２記載の電動モータにおいて、
   ４相永久磁石式同期モータの相あたりの無負荷誘導起電力波形を台形形状とし、
   第１相と第３相、および、第２相と第４相の各々の無負荷誘導起電力が逆位相の関係であることを特徴とする電動モータ。
4. ４個のティースを有する固定子鉄心と、該固定子鉄心に集中巻で巻回された固定子コイルからなる固定子巻線と、前記固定子鉄心の内周に回転可能に保持された回転子とを有する４相永久磁石式同期モータまたは４相スイッチトリラクタンスモータからなる電動モータであって、
   前記固定子巻線は、１個の前記固定子ティース辺り、２並列の集中巻のコイルであり、全ての固定子ティースでは計８個のコイルで構成され、
   前記２並列のコイルに対して、正逆両方向に通電され、
   各々の固定子ティースの２並列のコイルのうち任意の１つのコイルを、固定子ティース毎に選択し、それらを直列に接続して１相分を形成することを特徴とする電動モータ。
5. 請求項４記載の電動モータにおいて、
   前記２並列のコイルの内、
   第１のコイルを構成する４個のコイルは、４個のティースに対して、第２のティース，第３のティース，第４のティース，第１のティースの順で、通電時に、前記第２及び第３のティースに生じる磁極と、前記第１及び第４のティースに生じる磁極が反対の極性となるように巻回され、
   第２のコイルを構成する４個のコイルは、４個のティースに対して、第３のティース，第４のティース，第１のティース，第２のティースの順で、通電時に、前記第３及び第４のティースに生じる磁極と、前記第１及び第２のティースに生じる磁極が反対の極性となるように巻回される、
   ことを特徴とする電動モータ。
6. 電動モータと、該モータのコイルに通電するインバータを制御するインバータ制御部とを有するモータ駆動システムであって、
   前記電動モータは、４個のティースを有する固定子鉄心と、該固定子鉄心に集中巻で巻回された固定子コイルからなる固定子巻線と、前記固定子鉄心の内周に回転可能に保持された回転子とを有する４相永久磁石式同期モータまたは４相スイッチトリラクタンスモータからなり、
   前記固定子巻線は、１個の前記固定子ティース辺り、４並列の集中巻のコイルであり、全ての固定子ティースでは計１６個のコイルで構成され、各々の固定子ティースの４並列のコイルのうち任意の１つのコイルを、固定子ティース毎に選択し、それらを直列に接続して１相分を形成し、
   前記４相を第１の２相と第２の２相に分離し、
   前記第１の２相の巻回数は、前記第２の２相の巻回数よりも多くするとともに、
   前記第１の２相に接続された第１の電源の電圧は、前記第２の２相に接続された第２の電源の電圧よりも低くしたことを特徴とするモータ駆動システム。
7. 請求項６記載のモータ駆動システムにおいて、
   前記インバータ制御部は、
   前記電動モータの低速時には、前記第１の２相に通電する通電量を前記第２の２相に通電する通電量より多くし、
   前記電動モータの高速時には、前記第２の２相に通電する通電量を前記第１の２相に通電する通電量より多くすることを特徴とするモータ駆動システム。
8. 電動モータと、該モータのコイルに通電するインバータを制御するインバータ制御部とを有するモータ駆動システムであって、
   前記電動モータは、４個のティースを有する固定子鉄心と、該固定子鉄心に集中巻で巻回された固定子コイルからなる固定子巻線と、前記固定子鉄心の内周に回転可能に保持された回転子とを有する４相永久磁石式同期モータまたは４相スイッチトリラクタンスモータからなり、
   前記固定子巻線は、１個の前記固定子ティース辺り、２並列の集中巻のコイルであり、全ての固定子ティースでは計８個のコイルで構成され、
   前記２並列のコイルに対して、正逆両方向に通電され、
   各々の固定子ティースの２並列のコイルのうち任意の１つのコイルを、固定子ティース毎に選択し、それらを直列に接続して１相分を形成し、
   前記４相を第１の相と第２の相に分離し、
   前記第１の相の巻回数は、前記第２の相の巻回数よりも多くするとともに、
   前記第１の相に接続された第１の電源の電圧は、前記第２の相に接続された第２の電源の電圧よりも低くしたことを特徴とするモータ駆動システム。
9. 請求項８記載のモータ駆動システムにおいて、
   前記インバータ制御部は、
   前記電動モータの低速時には、前記第１の相に通電する通電量を前記第２の相に通電する通電量より多くし、
   前記電動モータの高速時には、前記第２の相に通電する通電量を前記第１の相に通電する通電量より多くすることを特徴とするモータ駆動システム。
10. 電動モータにより駆動される車両用補機を備える車両であって、
    前記電動モータは、４個のティースを有する固定子鉄心と、該固定子鉄心に集中巻で巻回された固定子コイルからなる固定子巻線と、前記固定子鉄心の内周に回転可能に保持された回転子とを有する４相永久磁石式同期モータまたは４相スイッチトリラクタンスモータからなることを特徴とする車両。

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