JP2014166074A - 磁石レス巻線界磁モータの駆動回路 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチング素子を含めた部品の数の低減を図ることができる磁石レス巻線界磁モータの駆動回路を提供する
【解決手段】昇圧回路１２０は、第１のリアクトルＬ１と第２のリアクトルＬ２と第１のコンデンサ１２１と第２のコンデンサ１２２を有する。複数相のインバータ回路１３０は、正極の母線Ｌｐと負極の母線Ｌｎを有し、入力側となる正負の母線Ｌｐ，Ｌｎに昇圧回路１２０の出力側が接続され、正負の母線間に相毎の一対のスイッチング素子Ｔ１，Ｔ２、Ｔ３，Ｔ４、Ｔ５，Ｔ６が直列に接続されている。昇圧回路１２０における第１のリアクトルＬ１および第２のリアクトルＬ２が界磁巻線６２，７２を構成している。
【選択図】図４

Description

本発明は、磁石レス巻線界磁モータの駆動回路に関するものである。

永久磁石が埋設されたロータを備える電動機の駆動回路として、コンバータにおいて電動機の界磁巻線をリアクトルとして共用して界磁巻線に電流を流して昇圧を行い、コンバータの後段のインバータにおいて電動機を駆動するための交流に変換する技術が知られている（例えば、特許文献１）。

特開２０１１−２２３６８０号公報

ところで、昇圧回路におけるスイッチング素子を含めた部品の数を少なくしたいというニーズがある。
本発明の目的は、スイッチング素子を含めた部品の数の低減を図ることができる磁石レス巻線界磁モータの駆動回路を提供することにある。

請求項１に記載の発明では、磁性体よりなる円筒状の界磁ヨークと、前記界磁ヨークの内部において回転可能に支持され、磁気的な凸極部を有するロータと、前記界磁ヨークの内部において前記ロータの凸極部の径方向外側に配置されたステータと、前記界磁ヨークの少なくとも一方の開口部に配置された界磁極コアを有し、界磁巻線の通電に伴い前記界磁極コアに生じる界磁磁束により当該界磁極コアと少なくとも前記ロータと前記ステータと前記界磁ヨークによる界磁磁路を形成する界磁極と、を備えた磁石レス巻線界磁モータの駆動回路であって、直流電源の正極端側に接続された第１のリアクトルと、前記直流電源の負極端側に接続された第２のリアクトルと、前記第１のリアクトルの入力端と前記第２のリアクトルの出力端との間に接続された第１のコンデンサと、前記第１のリアクトルの出力端と前記第２のリアクトルの入力端との間に接続された第２のコンデンサを有する昇圧回路と、正極の母線と負極の母線を有し、入力側となる正負の母線に前記昇圧回路の出力側が接続され、正負の母線間に相毎の一対のスイッチング素子が直列接続されてなる複数相のインバータ回路と、を備え、前記昇圧回路における前記第１のリアクトルおよび前記第２のリアクトルの少なくとも一方が前記界磁巻線を構成してなることを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、昇圧方式としてＺソースコンバータ方式を採用することにより、スイッチング素子の数の低減を図ることができる。また、第１のリアクトルおよび第２のリアクトルの少なくとも一方が界磁巻線を構成しているので、部品の数を少なくできる。よって、スイッチング素子を含めた部品の数の低減を図ることができる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の磁石レス巻線界磁モータの駆動回路において、前記界磁巻線を流れる電流を検出する電流検出手段を備えるとともに、前記電流検出手段により検出された電流をフィードバックして前記界磁巻線に流す電流を制御する制御手段を備えることを要旨とする。

請求項２に記載の発明によれば、界磁巻線に流す電流を独立制御することが可能となる。
請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の磁石レス巻線界磁モータの駆動回路において、前記第１のコンデンサおよび第２のコンデンサの少なくとも一方の電圧を検出する電圧検出手段を備えるとともに、前記制御手段は、前記電圧検出手段により検出された電圧をフィードバックして前記正負の母線間の電圧を制御することを要旨とする。

請求項３に記載の発明によれば、界磁巻線に流す電流および正負の母線間の電圧を独立制御することが可能となる。
請求項４に記載のように、請求項３に記載の磁石レス巻線界磁モータの駆動回路において、前記制御手段は、前記電圧検出手段により検出された電圧から前記磁石レス巻線界磁モータに流す電流を増加させることを要旨とする。

請求項４に記載の発明によれば、正負の母線間の電圧とモータ出力を所定の値に制御できる。
請求項５に記載の発明では、請求項１〜４のいずれか１項に記載の磁石レス巻線界磁モータの駆動回路において、前記界磁巻線を構成するリアクトルに対し直列接続した回生用のスイッチを有することを要旨とする。

請求項５に記載の発明によれば、界磁巻線を構成するリアクトルに対し直列接続した回生用のスイッチを用いて回生を行うことができる。

本発明によれば、スイッチング素子を含めた部品の数の低減を図ることができる。

実施形態における磁石レス巻線界磁モータを模式的に示す断面での分解斜視図。 磁石レス巻線界磁モータのロータ、ステータ、界磁ヨークを模式的に示す縦断面図。 磁石レス巻線界磁モータを模式的に示す縦断面図。 磁石レス巻線界磁モータの駆動回路の電気的構成図。 磁石レス巻線界磁モータの駆動回路における制御部のブロック図。 磁石レス巻線界磁モータの駆動回路の動作を説明するための波形図。 別例の磁石レス巻線界磁モータの駆動回路における制御部のブロック図。 別例を説明するためのエネルギーフロー図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１および図２に示すように、回転電機としてのモータ１０は、永久磁石を用いない巻線界磁型の同期モータである。この磁石レス巻線界磁モータ１０は、円筒状の界磁ヨーク２０と、棒状をなし水平方向に延びる回転シャフト３０と、界磁ヨーク２０の内部において回転可能に支持されたロータ（回転子）４０と、界磁ヨーク２０の内部に配置されたステータ（固定子）５０と、界磁極６０，７０を備えている。

回転シャフト３０は、図示しないベアリング等を介して組み付けられ、回転シャフト３０は回転可能に支持されている。回転シャフト３０は磁性体よりなる。
界磁ヨーク２０の内部において、回転シャフト３０には、ロータコア４１が固定されている。このロータコア４１は、回転シャフト３０の軸線Ｌまわりで回転シャフト３０と一体に回転可能に構成されている。また、回転シャフト３０の外周面とロータコア４１の内周面とは密着されている。このため、回転シャフト３０とロータコア４１とは、磁気的に連結されている。ロータコア４１は、複数枚の鋼板を軸線Ｌに沿った方向に積層して構成されている。ロータコア４１は、複数枚の鋼板を軸線Ｌに沿った方向に積層して構成しているので、ロータコア４１内において、磁束が軸線Ｌに沿った方向よりも軸線Ｌに直交するロータコア４１の径方向および周方向へ流れ易くなっている。

ロータ４０（ロータコア４１）はロータティース４２を有しており、ロータティース４２は径方向外側へ向かって突出している。磁気的な凸極部としてのロータティース４２は、複数形成されている。ロータティース４２は、周方向に等間隔に形成されているとともに、各ロータティース４２の先端面は、何れも同一周面上に位置している。

界磁ヨーク２０の内部において、ロータ４０（ロータコア４１）のロータティース４２の径方向外側にはステータ５０（ステータコア５１）が配置され、ステータコア５１はロータコア４１を囲うように円環状をなしている。ステータコア５１は、複数枚の鋼板を軸線Ｌに沿った方向に積層して構成されている。このため、ステータコア５１内において、磁束が回転シャフト３０の軸線Ｌに沿った方向よりもこの軸線Ｌに直交するステータコア５１の径方向、および周方向へ流れ易くなっている。

また、ステータコア５１はステータティース５２を有しており、ステータティース５２は回転シャフト３０に向かって突出している。ステータティース５２は複数形成されているとともに、各ステータティース５２は、周方向に等間隔に形成されている。各ロータティース４２の先端面（ロータコア４１の外周面）と、ステータティース５２（ステータコア５１）の内周面との間には、僅かな隙間（例えば、０．７ｍｍ）が形成されている。各ステータティース５２にはステータコイル５３が巻回されている。つまり、ステータティース５２に導線が巻回されて、電機子コイルとしてのステータコイル５３が形成されている。各ステータコイル５３は、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線、およびＷ相巻線の何れかとされており、それぞれ位相の異なる電流を流すことによって回転磁界を発生させるようになっている。なお、図面では複数のステータコイル５３のコイルエンドを模式的に図示している。

また、軸線Ｌに沿って延びる円筒状の界磁ヨーク２０は、ステータコア５１の外周面を全周にわたって覆っている。界磁ヨーク２０は、磁性体よりなる。また、ステータコア５１の外周面と、界磁ヨーク２０の内周面とは密着されている。このため、ステータコア５１と界磁ヨーク２０とは、磁気的に連結されている。

本実施形態では、回転シャフト３０、ロータ４０、ステータ５０により主電動機部８０が構成されている。
軸線Ｌに沿った方向における界磁ヨーク２０の左側開口部には、界磁磁束を発生するための界磁極６０が配設されている。また、軸線Ｌに沿った方向における界磁ヨーク２０の右側開口部には、界磁磁束を発生するための界磁極７０が配設されている。

界磁極６０は、界磁極コア６１と界磁巻線６２を有している。界磁極コア６１は、磁性材料としての電磁鋼板を使用し、複数枚の電磁鋼板を軸線Ｌに沿った方向に積層して構成している。界磁極コア６１は円板状をなし、界磁ヨーク２０の左側の開口部を塞ぐように配置されている。界磁極コア６１には、中央に形成した貫通孔６１ａに回転シャフト３０が挿通される。

図３に示すように、界磁極コア６１における軸線方向でのモータ内面部には界磁巻線６２が配置されている。界磁巻線６２は、ボビン６３に導線が回転シャフト３０の周りに巻回されて形成されている。界磁極コア６１は界磁ヨーク２０にボルトによる締結等により固定されている（界磁ヨーク２０の開口部にボルト等により固定されている）。つまり、界磁極コア６１を貫通するボルト等を界磁ヨーク２０に螺入することにより締結されている。これにより、界磁極６０は、主電動機部８０に対して組み付けられている。界磁極コア６１を主電動機部８０に組み付けた状態において、界磁極コア６１は、界磁ヨーク２０に対して密着されている。よって、界磁極コア６１と界磁ヨーク２０とは、磁気的に連結されている。

同様に、界磁極７０は、界磁極コア７１と界磁巻線７２を有している。界磁極コア７１は、磁性材料としての電磁鋼板を使用し、複数枚の電磁鋼板を軸線Ｌに沿った方向に積層して構成している。界磁極コア７１は円板状をなし、界磁ヨーク２０の右側の開口部を塞ぐように配置されている。界磁極コア７１には、中央に形成した貫通孔７１ａに回転シャフト３０が挿通される。

界磁極コア７１における軸線方向でのモータ内面部には界磁巻線７２が配置されている。界磁巻線７２は、ボビン７３に導線が回転シャフト３０の周りに巻回されて形成されている。

界磁極コア７１は界磁ヨーク２０にボルトによる締結等により固定されている（界磁ヨーク２０の開口部にボルト等により固定されている）。つまり、界磁極コア７１を貫通するボルト等を界磁ヨーク２０に螺入することにより締結されている。これにより、界磁極７０は、主電動機部８０に対して組み付けられている。界磁極コア７１を主電動機部８０に組み付けた状態において、界磁極コア７１は、界磁ヨーク２０に対して密着されている。よって、界磁極コア７１と界磁ヨーク２０とは、磁気的に連結されている。

そして、各界磁巻線６２，７２に通電した際に磁路（界磁磁束の流れ）が形成される。詳しくは、図３に示すように、界磁巻線６２の通電に伴い界磁極コア６１に界磁磁束が発生する。この界磁磁束は、矢印Ｙ１に示すように回転シャフト３０に向かって流れる。そして、界磁磁束は、磁気的空隙（ギャップ）を通して回転シャフト３０に流れる。さらに、界磁磁束は、矢印Ｙ２に示すように回転シャフト３０内を軸方向に流れ、矢印Ｙ３に示すように回転シャフト３０の軸線Ｌに直交する方向へ流れてロータコア４１（ロータティース４２）を外径側に流れてステータコア５１（ステータティース５２）を通過する。さらに、界磁磁束は、矢印Ｙ４に示すように界磁ヨーク２０を界磁極６０へ向かって誘導される。このようにして、界磁極コア６１と回転シャフト３０とロータ４０とステータ５０と界磁ヨーク２０による界磁磁路が形成される。

同様に、界磁巻線７２の通電に伴い界磁極コア７１に界磁磁束が発生する。この界磁磁束は、矢印Ｙ１１に示すように回転シャフト３０に向かって流れる。そして、界磁磁束は、磁気的空隙（ギャップ）を通して回転シャフト３０に流れる。さらに、界磁磁束は、矢印Ｙ１２に示すように回転シャフト３０内を軸方向に流れ、矢印Ｙ１３に示すように回転シャフト３０の軸線Ｌに直交する方向へ流れてロータコア４１（ロータティース４２）を外径側に流れてステータコア５１（ステータティース５２）を通過する。さらに、界磁磁束は、矢印Ｙ１４に示すように界磁ヨーク２０を界磁極７０へ向かって誘導される。このようにして、界磁極コア７１と回転シャフト３０とロータ４０とステータ５０と界磁ヨーク２０による界磁磁路が形成される。

このように、界磁ヨーク２０の少なくとも一方の開口部に配置された界磁極コア（６１，７１）を有し、界磁巻線（６２，７２）の通電に伴い界磁極コア（６１，７１）に生じる界磁磁束により界磁極コア（６１，７１）と少なくともロータ４０とステータ５０と界磁ヨーク２０による界磁磁路が形成される。そして、環状（ループ状）の磁路（界磁磁束の流れ）が形成され、ロータ４０のロータティース４２は、界磁磁束によってＮ極の極性を持つことになり、ロータティース４２（界磁磁束）が、永久磁石同期モータにおけるロータに配設された永久磁石と同様の働きを持つことになる。

磁石レス巻線界磁モータ１０はベクトル制御される。また、本実施形態のモータ１０では、各界磁巻線６２，７２に流す電流量を増加させることで界磁磁束を増加させ、より大きなトルクを得ることができる。その一方で、本実施形態のモータ１０では、高速回転時において各界磁巻線６２，７２に流す電流量を減少させることで界磁磁束を減少させ、最大回転数を向上させることができる。即ち、本実施形態のモータ１０では、強め界磁制御のみによって最大トルクおよび最大回転数を向上させることもできる。従って、本実施形態のモータ１０では、ロータ４０に永久磁石を配設した場合に必要な弱め界磁制御が不要となる。

次に、図４に示す磁石レス巻線界磁モータ（磁石レス巻線界磁同期モータ）の駆動回路１００について説明する。
図４に示すように、磁石レス巻線界磁モータの駆動回路１００は、直流電源としてのバッテリ１１０に接続される昇圧回路１２０と、昇圧回路１２０の後段に接続されるインバータ回路１３０と、制御部１４０を備えている。

昇圧回路１２０は、Ｚソースコンバータである。昇圧回路１２０は、第１のリアクトルＬ１と第２のリアクトルＬ２と第１のコンデンサ１２１と第２のコンデンサ１２２を有する。第１のリアクトルＬ１は、磁石レス巻線界磁モータ１０の界磁巻線６２で構成されている。第２のリアクトルＬ２は、磁石レス巻線界磁モータ１０の界磁巻線７２で構成されている。つまり、昇圧回路（Ｚソースコンバータ）１２０のリアクトルＬ１，Ｌ２は磁石レス巻線界磁モータ１０の界磁巻線６２，６２を兼用している。広義には、昇圧回路１２０における第１のリアクトルＬ１および第２のリアクトルＬ２の少なくとも一方が界磁巻線（６２，７２）を構成している。

第１のリアクトルＬ１は、バッテリ１１０の正極端側に接続されている。第２のリアクトルＬ２は、バッテリ１１０の負極端側に接続されている。第１のコンデンサ１２１は、第１のリアクトルＬ１の入力端と第２のリアクトルＬ２の出力端との間に接続されている。第２のコンデンサ１２２は、第１のリアクトルＬ１の出力端と第２のリアクトルＬ２の入力端との間に接続されている。

インバータ回路１３０は、複数相（３相）のインバータ回路である。インバータ回路１３０は、正極の母線Ｌｐと負極の母線Ｌｎを有し、入力側となる正負の母線Ｌｐ，Ｌｎに昇圧回路１２０の出力側が接続され、正負の母線Ｌｐ，Ｌｎ間に相毎の一対のスイッチング素子Ｔ１，Ｔ２、Ｔ３，Ｔ４、Ｔ５，Ｔ６が直列に接続されている。

詳しくは、スイッチング素子Ｔ１とスイッチング素子Ｔ２が直列に接続されている。スイッチング素子Ｔ３とスイッチング素子Ｔ４が直列に接続されている。スイッチング素子Ｔ５とスイッチング素子Ｔ６が直列に接続されている。スイッチング素子Ｔ１，Ｔ３，Ｔ５が正極の母線Ｌｐに接続されている。スイッチング素子Ｔ２，Ｔ４，Ｔ６が負極の母線Ｌｎに接続されている。Ｕ相用のスイッチング素子Ｔ１，Ｔ２の間の接続点がモータ１０のＵ相端子と接続される。Ｖ相用のスイッチング素子Ｔ３，Ｔ４の間の接続点がモータ１０のＶ相端子と接続される。Ｗ相用のスイッチング素子Ｔ５，Ｔ６の間の接続点がモータ１０のＷ相端子と接続される。スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６としてＩＧＢＴが用いられている。また、各スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６には、それぞれ、帰還ダイオードＤ１〜Ｄ６が逆並列接続されている。なお、スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６としてパワーＭＯＳトランジスタを用いてもよい。そして、制御部１４０によりスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６がスイッチング動作され、これにより磁石レス巻線界磁モータ１０に流れる電流（Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ）、界磁巻線６２，７２に流れる界磁電流（Ｉｆ）、および、インバータ母線電圧（Ｖｉ）が制御される。

また、モータのＵ相電流Ｉｕを検出する電流センサ１５０と、モータのＶ相電流Ｉｖを検出する電流センサ１５１が設けられ、電流センサ１５０，１５１により少なくともモータ２相分の電流（Ｉｕ，Ｉｖ）が検出される。電流センサ１５０，１５１は制御部１４０と接続されている。また、モータ１０の回転シャフト３０の位置θを検出する位置センサ１５２が設けられ、位置センサ１５２は制御部１４０と接続されている。さらに、界磁巻線６２（リアクトルＬ１）を流れる界磁電流Ｉｆを検出する電流センサ１５３が設けられている。制御部１４０は、電流センサ１５３により検出された電流をフィードバックして界磁巻線６２（７２）に流す電流が所望の値となるように制御するようになっている。

さらに、バッテリ１１０の正極端と、コンデンサ１２１とリアクトルＬ１（界磁巻線６２）の分岐点αとの間にはダイオード１２３が配置されている。ダイオード１２３は、アノードがバッテリ１１０の正極端側となり、カソードがコンデンサ１２１側およびリアクトルＬ１側となっている。ダイオード１２３には回生用のスイッチング素子（ＩＧＢＴ等）１２４が並列に接続されている。即ち、界磁巻線を構成するリアクトルＬ１に対し直列接続した回生用のスイッチング素子１２４を有する。

制御部１４０には速度指令が入力される。制御部１４０はスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６にスイッチング信号を送出してスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６を制御する。また、制御部１４０は回生用のスイッチング素子１２４にスイッチング信号を送出してスイッチング素子１２４を制御する。つまり、回生時にスイッチング素子１２４がオンされ、回生電流がリアクトルＬ１（界磁巻線６２）を通してバッテリ１１０に戻される。

次に、駆動回路１００における制御部１４０の構成について説明する。
図５のブロック図において、比例積分演算部（ＰＩ部）１４１と、電流指令演算部１４２と、座標変換部１４３と、速度計算部１４４と、電圧指令生成部１４５と、三角波ＰＷＭ制御部１４６と、コンデンサ電圧指令演算部１４７と、比例積分演算部（ＰＩ部）１４８を有する。電圧指令生成部１４５は、比例積分演算部（ＰＩ部）１４５ａと比例積分演算部（ＰＩ部）１４５ｂと座標変換部１４５ｃを有する。

速度計算部１４４は、位置センサ１５２により検出されたモータのシャフトの位置θを入力して、実際のモータ回転速度を算出し出力する。この実際のモータ回転速度と、速度指令との差分が算出されて比例積分演算部（ＰＩ部）１４１を介してトルク指令が電流指令演算部１４２に送られる。一方、コンデンサ電圧指令演算部１４７は、トルク指令値に応じてコンデンサ電圧Ｖｃの指令値を演算して出力する（Ｖｃ指令を出力する）。電流指令演算部１４２は、トルク指令とコンデンサ電圧Ｖｃの指令から、マップデータを用いてｄ軸電流指令（Ｉｄ指令）とｑ軸電流指令（Ｉｑ指令）を演算して出力するとともに、界磁巻線（リアクトル）に流す界磁電流指令（Ｉｆ指令）を演算して出力する。

座標変換部１４３は、電流センサ１５０により検出されたＵ相電流Ｉｕ、電流センサ１５１により検出されたＶ相電流Ｉｖ、位置センサ１５２により検出されたモータのシャフトの位置θを入力して、座標変換（Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ→Ｉｄ，Ｉｑ）してｑ軸電流Ｉｑとｄ軸電流Ｉｄを出力する。

座標変換部１４３から出力されるｄ軸電流Ｉｄと、電流指令演算部１４２から出力されるｄ軸電流指令（Ｉｄ指令）との差分ΔＩｄが算出されて、電圧指令生成部１４５の比例積分演算部（ＰＩ部）１４５ａを介してｄ軸電圧Ｖｄが座標変換部１４５ｃに送られる。また、座標変換部１４３から出力されるｑ軸電流Ｉｑと、電流指令演算部１４２から出力されるｑ軸電流指令（Ｉｑ指令）との差分ΔＩｑが算出されて、電圧指令生成部１４５の比例積分演算部（ＰＩ部）１４５ｂを介してｑ軸電圧Ｖｑが座標変換部１４５ｃに送られる。なお、ｄ軸電圧Ｖｄとｑ軸電圧Ｖｑの算出にはＩｄ指令，Ｉｑ指令，Ｉｆ指令（すなわち界磁磁束量），回転角速度等が考慮されるが、図示の都合上省略している。座標変換部１４５ｃは、ｑ軸電圧Ｖｑとｄ軸電圧Ｖｄが入力され、座標変換（Ｖｑ，Ｖｄ→Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ）して、電圧指令としてＵ相指令Ｖｕ、Ｖ相指令Ｖｖ、Ｗ相指令Ｖｗ（図６参照）を出力する。

図５において、電流指令演算部１４２から出力される界磁巻線（リアクトル）に流す界磁電流指令（Ｉｆ指令）と、電流センサ１５３により検出された界磁電流Ｉｆとの差分ΔＩｆが算出されて、比例積分演算部（ＰＩ部）１４８を介して昇圧指令（図６参照）が三角波ＰＷＭ制御部１４６に送られる。

図５の三角波ＰＷＭ制御部１４６においては、Ｕ相指令Ｖｕ、Ｖ相指令Ｖｖ、Ｗ相指令Ｖｗ、昇圧指令を入力してスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６をＰＷＭ制御するための動作信号を出力する。詳しくは、図６に示すように、三角波と、Ｕ相指令（Ｖｕ）、Ｖ相指令（Ｖｖ）、Ｗ相指令（Ｖｗ）、昇圧指令が比較され、比較結果から、各スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６の動作信号が生成されて各スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６に送られる。この動作信号により各スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６がスイッチング動作する。

次に、駆動回路１００におけるＺソースコンバータ一体のインバータ回路の動作について説明する。
昇圧動作は、パルス幅変調（ＰＷＭ）にて行われる。その一例を示す図６において、三角波と電圧指令（Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ）と昇圧指令と各スイッチング素子の動作信号の関係を示している。なお、昇圧指令は三角波の振幅中心に対して上下に同じ値だけ離れた信号になっている。図６での１周期Ｔ中においてショート期間Ｔｓは全てのスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６がオンして全相短絡する。Ｚソースコンバータ方式の昇圧動作としては、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の上下のアームが短絡（スイッチング素子がオン）するショート期間Ｔｓにおいて、界磁巻線６２，７２（リアクトルＬ１，Ｌ２）でのエネルギーの蓄積およびコンデンサ１２１，１２２での放電を行う。また、ＰＷＭ制御による、通電期間やＵ，Ｖ，Ｗ相の全ての上または下アームが短絡（スイッチング素子がオン）するゼロベクトル期間Ｔｚ１，Ｔｚ２において、界磁巻線６２，７２（リアクトルＬ１，Ｌ２）での放電およびコンデンサ１２１，１２２の充電を行う。一方、期間Ｔａ１，Ｔａ２においてモータ１０に電流が供給される。

図６において各指令値と三角波とを比較することにより、スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６の動作状態が決まる。これにより、モータに印加する電圧（電流）と、インバータ回路での母線Ｌｐ，Ｌｎ間の電圧Ｖｉと、界磁電流Ｉｆを制御することができる。

時間割合Ｄｚ，Ｄａ，Ｄｓは、Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ（正弦波）の１周期平均では、
Ｄｚ＝｛（Ｔｚ１＋Ｔｚ２）−２Ｔｓ｝／Ｔ
Ｄａ＝（Ｔａ１＋Ｔａ２）／Ｔ
Ｄｓ＝２Ｔｓ／Ｔ
Ｄｚ＋Ｄａ＋Ｄｓ＝１
となる。

時間割合Ｄｚは、モータ１０に印加する電圧をゼロベクトル、即ち、スイッチング素子Ｔ２，Ｔ４，Ｔ６がオン（またはスイッチング素子Ｔ１，Ｔ３，Ｔ５がオン）で、界磁巻線６２，７２（リアクトルＬ１，Ｌ２）のエネルギーをコンデンサ１２１，１２２へ移動させて昇圧する時間割合である。

時間割合Ｄａは、モータ１０に印加する（モータ電流を制御する）時間割合である。
時間割合Ｄｓは、界磁巻線６２，７２（リアクトルＬ１，Ｌ２）のエネルギーを蓄積する時間割合である。

昇圧制御（Ｚソースコンバータ制御）として、制御部１４０において、インバータ回路１３０のスイッチング素子（ＩＧＢＴ等）Ｔ１〜Ｔ６についてパルス幅変調（ＰＭＷ）方式を用いて、上記の時間割合Ｄｚ，Ｄａ，Ｄｓを制御する。

また、モータ電流制御として、制御部１４０において、モータ１０に流れる電流（Ｉｕ，Ｉｖ）をフィードバックして、座標変換（Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ→Ｉｄ，Ｉｑ）を行い、モータ電流（Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ）を指令の電流となるようにモータ１０の印加電圧（Ｕ相指令Ｖｕ，Ｖ相指令Ｖｖ，Ｗ相指令Ｖｗ）を決定する。つまり、速度指令から、制御部１４０で、Ｄａ，Ｄｚの時間を決定する。

さらに、界磁電流Ｉｆおよび昇圧電圧、即ち、コンデンサ電圧Ｖｃ（インバータ電圧Ｖｉ）の制御として、制御部１４０において、速度指令（あるいはトルク指令）から、界磁巻線６２，７２の電流指令、昇圧指令を決定する。

ここで、エネルギー収支として、バッテリ１１０の出力電力とインバータ回路１３０の入力電力の差、および、インバータ回路１３０の入力電力とモータ１０の出力電力の差が、全損失電力と一致し、界磁巻線の指令値（Ｉｆ指令）と昇圧指令値（Ｖｃ指令）から、実際の界磁巻線の電流Ｉｆが一致するように昇圧指令値を決定する。これにより図６のショート期間Ｔｓが決まりＤｓ値が決定される。

以上のように、動作させることで、界磁電流Ｉｆ、モータ電流（Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ）、インバータ回路１３０の母線Ｌｐ，Ｌｎ間の電圧Ｖｉの制御を行う。コンデンサ電圧Ｖｃとインバータ電圧Ｖｉ値は等価である。

また、モータ電流（Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ）、界磁電流Ｉｆ、インバータ回路での母線Ｌｐ，Ｌｎ間の電圧Ｖｉの制御について、磁石レス巻線界磁モータは、モータ電流（Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ）と界磁電流Ｉｆによってトルクが制御できる。

また、図６のショート期間Ｔｓにおいては全相（３相）を短絡させており、これは、高トルク時に通電の際の負荷を減らすためである。さらに、高速域では昇圧して駆動電圧を上げるべく、高回転時（所定回転以上の時）にはコンデンサ電圧Ｖｃ（インバータ電圧Ｖｉ）を高くする。また、低速では界磁（磁束）を強めてトルクを増大すべく低速時には界磁電流Ｉｆを大きくする制御を行う。これらの制御はマップデータを用いて行われる。

今、磁石付巻線界磁形同期モータにおいて、界磁巻線を用いて昇圧回路を構成して昇圧と界磁磁束を制御する場合について考える。磁石付巻線界磁形同期モータで界磁巻線を昇圧用のリアクトルとして共用して界磁電流を流すことによって高速域では昇圧制御により駆動電圧を上げて高効率化を図るとともに低速ではロータに取り付けた永久磁石の磁束を強めトルク増大を行う。この場合、昇圧動作時、および、界磁磁束制御の際に電流の向きが一致しない場合のためのスイッチング素子やダイオードを追加する必要がある。また、リアクトルは、界磁巻線と兼用されるが、昇圧用のスイッチング素子の個数は、一般的な双方向コンバータのごとく多い。

これに対し本実施形態においては、昇圧回路１２０における第１のリアクトルＬ１および第２のリアクトルＬ２に磁石レス巻線界磁モータの界磁巻線６２，７２を兼用しており、少なくともモータ２相分の電流Ｉｕ，Ｉｖと界磁巻線に流れる界磁電流Ｉｆを検出して界磁電流Ｉｆとモータ電流とインバータ回路の母線電圧Ｖｉを制御できる。つまり、磁石レス巻線界磁形同期モータを用いて、その界磁巻線６２，７２を昇圧用のリアクトルＬ１，Ｌ２と兼用するとともに、Ｚソースコンバータ一体のインバータ回路とする。このように、磁石レス巻線界磁形同期モータでは、界磁巻線に流す電流の向きによらず界磁磁束の制御が可能であり、昇圧動作時、および、界磁磁束制御の際に電流の向きが一致しない場合のためのスイッチング素子やダイオードを追加する必要がない。

また、永久磁石が埋設されたロータを備えるモータでは昇圧用リアクトルとして界磁巻線を用いると回生時に界磁巻線を通らない回生電流経路を形成すべくバイパス回路を形成する必要があり、具体的にはバイパス回路のスイッチング素子をオン状態にして回生電流経路を形成する。これに対し本実施形態では永久磁石を使用しておらず回生時においてバイパス回路を用いることなく界磁巻線を通して回生電流経路を形成することができる。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）昇圧方式としてＺソースコンバータ方式を採用することにより、スイッチング素子の数の低減を図ることができる（昇圧用のスイッチング素子を低減することができる）。特に、昇圧動作時、および、界磁磁束制御の際に電流の向きが一致しない場合のためのスイッチング素子やダイオードが不要となる。また、リアクトルＬ１，Ｌ２が界磁巻線６２，７２を構成しているので（昇圧用のリアクトルＬ１，Ｌ２と界磁極の界磁巻線６２，７２を兼用することで）、インバータ部品の数を少なくすることができる。その結果、スイッチング素子を含めた部品の数の低減を図ることができる。

（２）制御部１４０は界磁巻線６２，７２に流す電流を制御しており、界磁巻線６２，７２に流す電流を制御してモータトルクを制御することができる。
（３）界磁巻線６２を流れる電流を検出する電流検出手段としての電流センサ１５３を備えるとともに、電流センサ１５３により検出された電流をフィードバックして界磁巻線６２（７２）に流す電流を制御する制御手段としての制御部１４０を備える。よって、界磁巻線６２（７２）に流す電流を独立制御することが可能となる。

（４）界磁電流、モータ電流、インバータの母線電圧の制御により、低速時の強め磁束によるトルク向上、高速回転時のインバータ母線電圧昇圧による高効率運転化が可能となる。

（５）界磁巻線を構成するリアクトルＬ１に対し直列接続した回生用のスイッチとしてのスイッチング素子１２４を有する。よって、界磁巻線を構成するリアクトルＬ１に対し直列接続した回生用のスイッチング素子１２４を用いて回生を行うことができる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
・図５の場合、コンデンサ電圧Ｖｃはオープン制御であった（コンデンサ電圧Ｖｃを監視していない）。これに対し、コンデンサ電圧Ｖｃをフィードバックしてコンデンサ電圧Ｖｃを積極的に調整してもよい。図４に仮想線で示すように、コンデンサ１２２の電圧を検出する電圧センサ１５５を備える。この電圧センサ１５５により検出されたコンデンサ１２２の電圧が制御部１４０にフィードバックされて、所望の値となるように制御する。

このように、界磁巻線６２を流れる電流を検出する電流検出手段としての電流センサ１５３、および、第１のコンデンサ１２１および第２のコンデンサ１２２の少なくとも一方の電圧を検出する電圧検出手段としての電圧センサ１５５を備える。また、電流センサ１５３により検出された電流および電圧センサ１５５により検出された電圧をフィードバックして界磁巻線６２（７２）に流す電流および正負の母線Ｌｐ，Ｌｎ間の電圧を制御する制御手段としての制御部１４０を備える。よって、界磁巻線に流す電流および正負の母線間の電圧を独立制御することが可能となる。

また、図７に示すように補正部１７０を有する。図７の補正部１７０は、電圧センサ１５５により検出されるコンデンサ電圧Ｖｃから、モータの各位置において、ｄ軸電流Ｉｄについての差分ΔＩｄとｑ軸電流Ｉｑについての差分ΔＩｑの比を調整することにより座標変換に伴ってＶｕ，Ｖｖ，Ｖｗが調整される。これにより、モータ電流（Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ）の位相が調整できる。このようにモータ電流の位相を操作することによって、界磁電流Ｉｆ、モータ電流（Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ）、インバータ回路１３０の母線Ｌｐ，Ｌｎ間の電圧Ｖｉを独立に制御する。

詳しく説明する。
図５の電流指令演算部１４２において、バッテリ１１０の出力電力Ｖｂ×Ｉｂ（ここでＶｂはバッテリ１１０の電圧、Ｉｂはバッテリ１１０の出力電流）とインバータ回路１３０の入力電力Ｖｉ×Ｉｉ（ここでＩｉはインバータ１３０への入力電流）の差およびインバータ回路１３０の入力電力とモータの出力電力の差が全損失と一致するとともにコンデンサ電圧Ｖｃが所定値以下となるように電流指令値を決定しモータ電流、界磁電流、インバータ母線電圧を制御する。ここで、図８に示すようにエネルギーフローが一致しない動作状態となると、コンデンサ電圧Ｖｃを制御していないため、インバータ母線電圧Ｖｉが過度に上昇するなどして、スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６での損失を増加させるような現象となり、耐圧や冷却性能に余裕があるスイッチング素子を採用することになる。

そこで、図７に示すように、補正部１７０に比例演算部（Ｐ部）１７１を備える。補正部１７０において、コンデンサ電圧Ｖｃの指令値と実際のコンデンサ電圧との差分（誤差分）を比例演算部（Ｐ部）１７１に取り込み、比例演算部（Ｐ部）１７１から差分に応じたモータ電流（Ｉｑ指令）の補正値を出力してモータ電流（Ｉｑ指令）に対する補正を行う。つまり、モータ電流の指令値に補正を加える。これにより電圧指令生成部１４５において、座標変換部１４５ｃから出力されるＵ相指令Ｖｕ、Ｖ相指令Ｖｖ、Ｗ相指令Ｖｗにおいては位相差が操作される。

このように、界磁電流Ｉｆの制御性を保ったまま、電圧センサ１５５により検出されたコンデンサ電圧Ｖｃから、制御部１４０において磁石レス巻線界磁モータ１０に流れる電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを増加させる。こうすることで、モータ損失が増加するかわりに、インバータ母線電圧Ｖｉを過度な状態にならないように所定の値に制御し、スイッチング素子での損失増加を抑制する。

以上のごとく、電圧検出手段としての電圧センサ１５５により検出された電圧から磁石レス巻線界磁モータに流す電流を増加させる制御手段としての制御部１４０を備えるので、界磁電流Ｉｆの制御性を保ったまま、インバータ母線電圧Ｖｉとモータ出力を制御できる。

なお、図７ではＩｑ指令を補正したが、Ｉｄ指令を補正しても良いし、Ｉｄ指令とＩｑ指令両方を補正してもよい。モータ出力にあまり影響が無い範囲でモータ損失を増加するようにすれば良い。またコンデンサ電圧Ｖｃの検出に電圧センサ１５５を用いたが、電圧検出手段として、母線Ｌｎ，Ｌｐ間に設けた電圧センサからインバータ母線電圧Ｖｉを検出し、Ｖｉ＝２×Ｖｃ−Ｖｂの関係からコンデンサ電圧Ｖｃを算出する手段を用いても良い。

・図１〜３では界磁ヨーク２０の両側に界磁巻線６２，７２を有する構成（両側界磁構成）であったが、これに代わり、磁石レス巻線界磁モータを片側界磁構成として、共用するリアクトルを１個としてもよい。即ち、リアクトル１つが界磁巻線としてもよい。この場合、１つの専用のリアクトルが必要となる。

・他にも、磁石レス巻線界磁モータを片側界磁構成として、片側界磁部に２個のリアクトルを構成してもよい。即ち、リアクトル２つが片側の界磁巻線としてもよい。要は、モータの界磁巻線は少なくともリアクトルＬ１，Ｌ２の一方を兼用していればよい。

・図４の構成で、回生のため、スイッチング素子１２４を用いているが、回生を行わないシステムの場合は、ダイオード１２３だけで構成してもよい。

１０…モータ、２０…界磁ヨーク、４０…ロータ、４２…ロータティース、５０…ステータ、６０…界磁極、６１…界磁極コア、６２…界磁巻線、７０…界磁極、７１…界磁極コア、７２…界磁巻線、１２０…昇圧回路、１２１…第１のコンデンサ、１２２…第２のコンデンサ、１２４…スイッチング素子、１３０…インバータ回路、１４０…制御部、１５３…電圧センサ、１５５…電圧センサ、Ｌ１…第１のリアクトル、Ｌ２…第２のリアクトル、Ｌｎ，Ｌｐ…母線、Ｔ１〜Ｔ６…スイッチング素子。

Claims (5)

1. 磁性体よりなる円筒状の界磁ヨークと、
   前記界磁ヨークの内部において回転可能に支持され、磁気的な凸極部を有するロータと、
   前記界磁ヨークの内部において前記ロータの凸極部の径方向外側に配置されたステータと、
   前記界磁ヨークの少なくとも一方の開口部に配置された界磁極コアを有し、界磁巻線の通電に伴い前記界磁極コアに生じる界磁磁束により当該界磁極コアと少なくとも前記ロータと前記ステータと前記界磁ヨークによる界磁磁路を形成する界磁極と、
   を備えた磁石レス巻線界磁モータの駆動回路であって、
   直流電源の正極端側に接続された第１のリアクトルと、前記直流電源の負極端側に接続された第２のリアクトルと、前記第１のリアクトルの入力端と前記第２のリアクトルの出力端との間に接続された第１のコンデンサと、前記第１のリアクトルの出力端と前記第２のリアクトルの入力端との間に接続された第２のコンデンサを有する昇圧回路と、
   正極の母線と負極の母線を有し、入力側となる正負の母線に前記昇圧回路の出力側が接続され、正負の母線間に相毎の一対のスイッチング素子が直列接続されてなる複数相のインバータ回路と、
   を備え、
   前記昇圧回路における前記第１のリアクトルおよび前記第２のリアクトルの少なくとも一方が前記界磁巻線を構成してなることを特徴とする磁石レス巻線界磁モータの駆動回路。
2. 前記界磁巻線を流れる電流を検出する電流検出手段を備えるとともに、前記電流検出手段により検出された電流をフィードバックして前記界磁巻線に流す電流を制御する制御手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の磁石レス巻線界磁モータの駆動回路。
3. 前記第１のコンデンサおよび第２のコンデンサの少なくとも一方の電圧を検出する電圧検出手段を備えるとともに、前記制御手段は、前記電圧検出手段により検出された電圧をフィードバックして前記正負の母線間の電圧を制御することを特徴とする請求項２に記載の磁石レス巻線界磁モータの駆動回路。
4. 前記制御手段は、前記電圧検出手段により検出された電圧から前記磁石レス巻線界磁モータに流す電流を増加させることを特徴とする請求項３に記載の磁石レス巻線界磁モータの駆動回路。
5. 前記界磁巻線を構成するリアクトルに対し直列接続した回生用のスイッチを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の磁石レス巻線界磁モータの駆動回路。