JP2018518135A - Ｄｃバスのリップルの低減 - Google Patents

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Abstract

電気モータシステムおよび電気モータシステムを動作させるための方法が開示される。電気モータシステムは、直流（ＤＣ）源と、ＤＣ源に並列に接続されたフィルタと、少なくとも２組の巻線を有する電気モータとを備える。電圧信号が、ＤＣ源からインバータ回路へと供給され、インバータ回路において信号が変調される。次いで、変調された信号は、インバータ回路から巻線の各組へと、巻線の各組の間のそれぞれの時間オフセットを伴ってそれぞれ供給され、きわめて効率的なＤＣバスのリップル低減をもたらす。これにより、例えば、電気モータシステムにおいて小さなフィルタコンデンサ／コンデンサバンクを使用することが可能である。

Description

本発明は、電気モータに関し、より詳細には、電気モータの制御に関する。
近年においては、とくには自動車技術などの多数の技術分野において、環境にやさしい解決策の提供に向けて、ますます多くのリソースが使用されている。例えばハイブリッド電気自動車、燃料電池車、バッテリー駆動車などの電気自動車が、全世界における原油の消費ならびに有害な汚染物質および温室効果ガスの排出の削減という長期的目標に達するように、車両の推進範囲、出力、および信頼性の飛躍的な進歩ゆえに、急速に普及している。
従来からの電気モータシステムは、電源と、ＡＣ供給の場合のフィルタコンデンサを備えた整流器（あるいは、ＤＣ供給の場合はフィルタコンデンサのみ）と、インバータ（モータ制御回路）とで構成される。パルス幅変調（ＰＷＭ）技術が、電力変換装置の性能および信頼性を改善するために長年にわたって使用されてきており、電気自動車においてモータへの交流電流を生成するためにしばしば用いられている。ＰＷＭ方式は、インバータ出力の基本成分の振幅および周波数を調整するために使用され、その際に、インバータ回路を介してモータへと瞬間的に電流が供給されるが、たとえモータの巻線に存在するインダクタンスが、モータへの電流の突入を減速させるにせよ、供給回路からの瞬時電流へのモータにおける誘導電流の転流が依然として存在し、ＤＣバス上に大きなリップルＡＣ成分が生じる。
多くの場合に有害なＤＣバス上の電圧リップルを処理するための従来からのやり方は、ＤＣバスのリップルを吸収するように構成されたきわめて大きいコンデンサを導入することである。しかしながら、必要な容量を有する現時点において入手可能なコンデンサには、コスト、サイズ、および信頼性などの多くの問題がつきまとう。多くの場合、電解コンデンサを使用しなければならないが、これは、システムの重量／サイズを増加させ、システムの全体的な寿命を著しく短縮するだけでなく、自動車の用途において存在する周囲条件の下で良好な性能を示さず、結果としてシステム全体の複雑かつ多くの場合に高価な作り替えが必要になる。
したがって、とくには自動車の用途において、電気自動車に関するコスト、サイズ、および寿命の要件を満たすために、電気モータの制御のための改良された方法およびシステムが必要とされている。上記の考察は、電気自動車に注目しているが、同様の状況および問題は、多数の他の種類の回転電気機械の用途においても直面される。
したがって、本発明の目的は、現時点において既知のシステムの上述の欠点の全てまたは少なくとも一部を軽減する電気モータシステムおよび電動モータシステムの動作方法を提供することにある。
この目的は、添付の特許請求の範囲に規定される電気モータ制御方法およびシステムによって達成される。
本発明の第１の態様によれば、直流（ＤＣ：direct current）源と、ＤＣ源に並列に接続されたフィルタと、少なくとも２組の巻線を有する電気モータと、を備える電気モータシステムを制御する方法であって、
ＤＣ源から複数の導体を介してインバータ回路へと電圧信号を供給するステップであって、前記導体はインダクタンスを有する、ステップと、
インバータ回路において前記電圧信号を変調するステップと、
前記少なくとも２組の巻線の各々へと、巻線の各組の間の時間オフセットにより、時間に関してずらされた（time shifted）変調信号をそれぞれ供給するステップであって、前記時間オフセットは、共振周波数の周期に基づき、前記共振周波数は、フィルタのキャパシタンスおよび導体のインダクタンスに依存する、ステップと、
を含む方法が提供される。
この「ＤＣ源」は、例えば電池、燃料電池、燃料電池スタック、太陽電池、ウルトラセルコンデンサ、または電圧源として使用可能なその他の同等の技術的解決策など、整流装置を必要とせずに直流を供給する任意の装置を備えることができる。しかしながら、ＤＣ源は、交流（ＡＣ：alternating current）源と整流回路とを備えてもよい。整流回路は、半波整流器であってよいが、好ましくは全波整流器であり、この回路を、例えば接合ダイオード、ショットキーダイオード、サイリスタ、などの半導体デバイスを使用して、当技術分野で既知のとおりの種々のやり方で配置することができる。さらに、整流回路は、意図される用途に応じて、単相または多相であってよい。典型的な実施形態において、整流回路は、例えばトランジスタなどの能動部品を備える同期整流器であってよい。同期整流器を使用することにより、電圧源へと戻る経路を電流に関して開くことができ、したがって例えば回生制動システムの可能性が開かれる。
フィルタは、好ましくは、ＤＣ源に並列に接続され、例えば電池およびインバータ回路に直接的に接続される。あるいは、内在のＡＣ源が使用される場合には、フィルタを整流回路に組み合わせることができる。フィルタは、ＤＣバスコンデンサと呼ばれることが多い任意の種類のコンデンサであってよく、一般的に、多くの場合に有害であるＤＣバス電圧線の電圧リップルを除去または吸収するために必要とされる。フィルタは、単一のフィルタコンデンサであってよいが、単一のフィルタコンデンサの機能をもたらす任意のフィルタコンデンサ回路を使用することができる。
電気モータは、例えばＡＣ誘導電動機、ブラシレスＤＣモータ（ＢＬＤＣ）、永久磁石同期電動機（ＰＭＳＭ）、など、少なくとも２組の巻線を備える任意の適用可能な電気モータであってよい。１組の巻線は、少なくとも１つの巻線またはコイルを含むと理解されるべきである。例えば、本発明の典型的な実施形態による単相ＡＣモータは、回転子の両側（１８０°離れている）に配置された２つの別個の巻線／コイルを備え、したがってこのようなモータを、各組が１つの巻線／コイルを備えている２組の巻線を有すると言うことができる。しかしながら、別の典型的な実施形態によれば、単相ＡＣモータは、直列な２つの巻線／コイルを有しており、２つのコイルは１８０°離れて位置するスロットに巻き付けられている第１の組の巻線と、同じスロットを占める（あるいは、共有する）第２の組の巻線とを備える。したがって、この後者の実施形態によるモータを、各組が２つの巻線／コイルを備えている２組の巻線を備えると言うことができる。
上述した用語は、単相ＡＣモータに関するものであるが、多相のＡＣモータにも同様に適用可能であり、１組の巻線は、全ての相およびそれらのそれぞれの巻線を含むと考えられ、例えば三相ＡＣモータが、２組の巻線を備えることができ、各組は、各相について１つずつの３つの別個の巻線を含む。多相ＡＣモータにおける少なくとも２組の巻線は、同じスロットを占めてもよいし、空間的に分離されてもよい。
さらに、電気モータは、単相または多相ＡＣモータであってよい。典型的な実施形態において、電気モータは、少なくとも２組の巻線を備える単相ＡＣモータであり、少なくとも２組の巻線は、互いに電気的に絶縁されている。
別の典型的な実施形態において、電気モータは、例えば２相ＡＣモータなどの多相ＡＣモータであり、モータは、少なくとも２組の巻線を備え、各組の巻線は、好ましくは他方から電気的に絶縁されている。多相モータを、各相について巻線／コイルを回転子の反対側（１８０°離れている）に位置する巻線／コイルに直列に接続して、各相について磁極対を形成するように構成することができる。したがって、組み合わせられた全ての相巻線（２相モータにおいては２つの相巻線、３相モータにおいては３つの相巻線、など）が、１組の巻線を形成する。したがって、典型的な実施形態によれば、第２の組の巻線は、第１の組の巻線と同じスロットを占めるように配置される。しかしながら、巻線／コイルは、分離されていてもよく、すなわち直列に接続されていなくてもよく、その場合には、同じＡＣ信号（複数の位相を有し得る）が供給される巻線が、相巻線の群という用語に包含される。さらに、多相モータにおいて、巻線の同じ組に属する各々の相巻線を、一端において共通のノードおよび／または中性点に接続することができる。
さらに、巻線の組は、例えば三相ＡＣモータの場合における三相構成など、多相ＡＣモータのための多相構成を有することができる。少なくとも２組の巻線は、同一の巻線構造を有することができ、すなわち第２の組と同じ巻線係数を有する第１の組を有することができる。さらに、少なくとも２組の巻線は、同じ固定子スロットを占めることができるが、互いに電気的に絶縁され、すなわち巻線の第１の組における相Ａの巻線は、巻線の第２の組における相Ａの巻線と同じ固定子スロットを共有することができる。
さらに、インバータ回路へと供給された電圧信号は、インバータ回路において変調される。好ましくは、変調を、コントローラによって制御することができる。インバータ回路を、ＡＣモータを制御するための変調信号をもたらすように構成することができるが、代案として、ＢＬＤＣモータの制御に適した変調電圧信号をもたらすように構成することもできる。変調信号を供給するための任意の既知の方法を使用することができ、好ましくは、電気モータは、技術的に広く知られているパルス幅変調（ＰＷＭ）によって制御される。簡潔にするために、シグナリング、電流の検出、モータの制御、およびシステムの他の機能的側面に関連する従来からの技術は、詳細には説明しないが、当業者であれば、本発明を特定の詳細のうちの１つ以上を備えずに実施できることを、容易に理解できるであろう。
本発明は、電気モータにおいて少なくとも２組の巻線に電流を流すことができるようにし、各々の電流（巻線の各組）の間に時間オフセットを持たせ、時間オフセットを、システムの共振周波数の周期に基づくものとすることによって、例えば供給を横切る電圧変動の低減、共振周波数に近いスイッチ周波数で動作するインバータ回路のスイッチに関連する大きな電圧変動の軽減、供給電流のＲＭＳ値の低減、配線からの電磁干渉の低減、などの多数の利点を達成できるという認識に基づく。本発明の発明者は、システムに使用される導体／配線に存在するインダクタンスが、フィルタコンデンサとの組み合わせにおいて共振回路を生じさせることに気が付き、共振周波数に近いスイッチング周波数でのスイッチの動作に関連する高いリップル電圧を考慮した。
さらに、従来からの電気モータが１組の巻線を有すると考えられるのに対し、本発明によれば少なくとも２組が存在するため、各々の巻線を通る電流を性能を損なうことなく減らすことができ、この電流の減少は、電圧リップルには影響しないが、インバータのスイッチに加わる電流（電流の大きさ）が小さくなるため、損失を減らすことができ、システムの寿命を延ばすことができる。
実用上の利点は、より低い容量値のフィルタコンデンサを使用することができるため、電解コンデンサを大幅に回避することができ、電解コンデンサを回避することにより、システム全体について、全体としての寿命および頑健性を向上させることができる。特定の値を上回る容量を有するコンデンサとともに、大きな突入電流／入力サージ電流を処理するために充電回路を使用することが一般的なやり方であり、充電回路は、多くの場合、例えばヒューズ、逆極性保護回路、などのいくつかの構成要素を備える。したがって、大きな容量値を避けることによって、より簡単でよりコスト効率の高いシステムを使用することができる。しかしながら、一部の高出力の用途は、いずれにせよ電解コンデンサの使用を必要とするが、それでもなお本発明の考え方によるシステムは、コンデンサの要件を軽減し、したがってコンデンサバンクのサイズを縮小し、結果としてシステム全体のサイズを縮小するために充分にリップル電圧を低減する。
さらに、自動車の用途においては、特定の保護回路および／または構成要素が使用されない限りは電解コンデンサを破壊すると考えられるＤＣ電源における残留ＡＣをシミュレートするための標準化された試験（ＩＳＯ １６７５０−２：２００６（Ｅ）、４．４）が存在する。したがって、本発明は、余分な保護部品の必要性を緩和することによって、より簡単でより費用効率の高い電気モータ制御システムの可能性も提供する。
１つの典型的な実施形態においては、システムの共振周波数が予め決定される。共振周波数を、例えばフィルタコンデンサの容量およびＤＣ源とインバータ回路との間の導体／配線のインダクタンスなどのシステムの既知のパラメータに基づいて計算することができる。したがって、単純で費用対効果の高いシステムを達成することができる。しかしながら、ＤＣ源とインバータ回路との間の導体／配線の長さが予め知られていなければならないため、システムは、特定のモデルまたはシステムが使用される装置に固有である。したがって、共振周波数は、ＤＣ源から異なる導体／配線を使用する全てのシステムごとに決定および設定され、すなわちインバータ回路、モータ、およびフィルタを取り外し、それらを他の場所に設置することを、再調整を必要とせずに行うことが必ずしも可能ではない。
別の典型的な実施形態において、本方法は、システムの共振周波数を決定するステップをさらに含む。測定値の決定を、例えば供給を横切るパルスを送信し、次いで得られる振動波形から周波数値を導出することによって実行することができる。共振周波数を、システム全体の設置時に測定することができ、さらには／あるいは測定を、任意の時点で実行することができる。これは、とくには例えばインバータ回路とＤＣ源との間の導体／配線の長さなどのいくつかのパラメータが未知であり、導体／配線のインダクタンス値の決定が面倒になり得るシステムに関して、きわめて動的な解決策をもたらす。
測定され、あるいは予め決定された共振周波数が、適切な時間オフセットを決定するために使用される。一実施形態によれば、時間オフセットは、共振周波数の周期と電気モータに含まれる巻線の組の数との間の比に依存する。共振は、給電回路の導体／配線の誘導性インピーダンスとフィルタの容量性インピーダンスとが等しい周波数で発生し、共振周波数は、以下の既知の公式から導き出すことができる。
ｆ０＝１／｛２π√（ＬＣ）｝
ここで、Ｌはシステムの導体／配線インダクタンスであり、Ｃはフィルタのキャパシタンスである。したがって、共振周波数の周期は、関係ｔ０＝１／ｆ０によって与えられ、ここから時間オフセットｔｏｆｆ＝ｔ０／ｎが得られ、ここで、ｎは巻線の組の数である。したがって、２組の巻線を備える電気モータの場合、オフセットは共振周波数の周期の半分（１８０°）になり、３組の巻線においては、共振周波数の周期の３分の１（１２０°）になり、以下同様である。
１つの典型的な実施形態において、インバータ回路において前記電圧信号を変調するステップは、インバータ回路に含まれる複数のスイッチをスイッチング周波数で動作させることを含む。スイッチング周波数は、さまざまなパラメータに基づいて選択され、多くの場合、電気モータの特徴および巻線のインダクタンス／抵抗値に依存し、多くの場合、ノイズの低減と損失との間のトレードオフを行うことを強いられる。本明細書において論じられる共振に基づく時間オフセットは、変調信号に対して、すなわちスイッチング周波数に関して適用され、これは（三角／鋸歯）搬送信号に時間オフセットを適用し、あるいは例えばＰＷＭ方式が使用される場合に得られた変調信号へと時間オフセットを適用することによって行うことができる。したがって、本発明の１つの典型的な実施形態において、変調は、複数の時間に関してずらされた変調信号を生成するために、時間に関してずらされた搬送信号を使用して実行される。したがって、時間に関してずらされた変調信号を、巻線の複数の組の各々に供給することができる。
別の典型的な実施形態において、変調は、１つの変調信号を生成するように１つの搬送信号を使用して実行され、変調信号は、複数の時間に関してずらされた変調信号を生成するために時間に関してずらされる。ここでも、時間に関してずらされた変調信号を、巻線の複数の組の各々に供給することができる。
時間オフセットまたは位相オフセットによって巻線の各組に供給される変調信号をずらす考え方は、当技術分野で既知であり、例えば、いずれもここでの言及によって本明細書に援用される米国特許第８，３７３，３７２号明細書、米国特許第８，１１５，４３３号明細書、および米国特許第８，６４８，５５９号明細書などの種々の文献において、例を見つけることができる。上述の文献において導入される位相シフトは、スイッチング周波数（キャリア周波数）に基づくものであり、主として共振周波数に比較的近い周波数でスイッチを動作させる場合に効率的であり、これは必ずしも実用的な解決策というわけではなく、実際に多くの場合に回避される。しかしながら、上述の文献において、共振周波数への言及は全く存在せず、とくには時間／位相オフセットに関する言及が存在しない。
システムの共振周波数に基づく時間オフセットを実施することにより、電圧リップルの低減が、広いスイッチング周波数の範囲にわたって効率的であり、これによりシステムの共振周波数に近くないスイッチング周波数であっても、ＤＣ源について効率的な電圧リップル低減がもたらされる。結果として、本発明によれば、より高い共振周波数を有するようにシステムを設計することができ、これは、より小さいフィルタ容量値を選択することによって行うことができ、これはフィルタコンデンサを小さくすることを直接的にもたらすが、インバータ回路のスイッチをより高いスイッチング周波数で動作させる必要はなく、したがって高周波数信号変調に関連する損失および他の問題が回避される。電気モータの制御の技術分野においては、効率の要件ゆえに、共振周波数よりも低いスイッチング周波数で動作するようにインバータを構成することが一般的なやり方であり、これは、上述の文献のようなリップル低減の既知の技術が、そのようなシステムにおいて効率的でないことを意味する。したがって、本発明は、より高い自由度を提供し、より低いスイッチング周波数においてさえもＤＣバスのリップルを低減できるがゆえに損失の低減の可能性を提供する。したがって、本発明の１つの典型的な実施形態によれば、スイッチング周波数は、共振周波数とは異なる。スイッチング周波数は、共振周波数よりも低くても、高くてもよい。
本発明の別の態様によれば、
ＤＣ源と、
少なくとも２組の巻線を備える電気モータと、
複数の導体によってＤＣ源に並列に接続されたフィルタであって、前記導体はインダクタンスを有する、フィルタと、
フィルタと電気モータとの間に接続されたインバータ回路であって、前記インバータ回路は複数のスイッチを備える、インバータ回路と、
巻線の各組へと変調信号を供給するように複数のスイッチのための制御信号を生成するように構成されたコントローラであって、各変調信号は、巻線の各組の間の時間オフセットによってそれぞれずらされており、前記時間オフセットは、当該システムの共振周波数の周期に依存し、前記共振周波数は、フィルタキャパシタンスおよび前記導体のインダクタンスに依存する、コントローラと、
を備える電気モータシステムが提供される。
本発明のこの態様によれば、すでに述べた本発明の第１の態様と同様の利点および好ましい特徴が存在する。
本発明のこれらの特徴および他の特徴は、以下で説明される実施形態を参照して、以下でさらに明らかになるであろう。
例示の目的のために、本発明を、添付の図面に示される本発明の実施形態を参照して、以下でさらに詳しく説明する。
従来からの単相電気モータの巻線構造を示している。 本発明の一実施形態による単相電気モータの巻線構造を示している。 本発明の一実施形態による単相電気モータの巻線構造を示している。 従来からの三相電気モータの巻線構造を示している。 本発明の一実施形態による三相電気モータの巻線構造を示している。 本発明の一実施形態による三相電気モータの巻線構造を示している。 本発明の一実施形態による２組の巻線を備える電気モータを有する電気モータシステムの概略図である。 本発明の一実施形態による方法を示すフローチャートである。
以下の詳細な説明において、本発明の好ましい実施形態を説明する。しかしながら、異なる実施形態の特徴を、実施形態間で交換したり、さまざまなやり方で組み合わせたりすることが、別段とくに示されない限りは可能であることを、理解すべきである。以下の説明においては、本発明のより完全な理解を提供するために、多数の具体的な詳細が示されるが、本発明をこれらの具体的な詳細によらずに実施できることは、当業者にとって明らかであろう。他の例では、本発明を分かりにくくすることがないように、周知の構成または機能を、詳細には説明しない。
図１ａ、図１ｂ、および図１ｃは、典型的な単相ＡＣモータ１についての３つの固定子巻線モデルを示しており、これらの図は、主として本発明の方法およびシステムの理解を助けるうえで役に立つ。
図１ａの従来からの単相ＡＣモータ１においては、２つの巻線５が直列に接続され、２つの巻線５に同じ変調信号が供給されるので、２つの巻線５は、一般に、１組の巻線４、すなわち１８０°離れて回転子（図示されていない）の両側に位置するスロット３に巻き付けられた２つの直列な巻線５によって表され、当技術分野で既知のとおり、回転子を横切る交番磁界をもたらす。これは、単相ＡＣモータの周知の一般的なモデルであり、機能、動作、制御、などに関する多数の詳細は、これらの詳細が当業者にとって自明であると考えられるため、省略される。さらに、従来からの単相ＡＣモータにおいて回転子の回転を開始させるために使用される「始動巻線」は、図示されていないが、当業者にとって自明のとおり、本発明の種々の実施形態において使用されてもよい。
図１ｂが、単相ＡＣモータ１の典型的な巻線構造を示しており、図１ａの直列巻線５が、互いに電気的に絶縁された２つの別個の巻線７に分離され、２組の巻線を定めており、各組が１つの巻線（または、コイル）７を備えている。次いで、巻線の各組（この例では、各々の巻線／コイル７）に、基本的に同じ変調信号が供給され、したがって図１ａと同様に交番磁界が生成されるが、ＤＣ供給を横切る電圧リップルの低減を達成するために、（本発明に従って）２つの変調信号の間に時間オフセットが導入され、時間オフセットは、システムの共振周波数の周期に基づく。
しかしながら、図１ｃには、別の典型的な巻線構造が示されており、第２の組の巻線９が導入され、第１の組の巻線４（第１の組の巻線４は、基本的に図１ａに示した巻線である）と同じスロット３に巻き付けられており、２組の巻線は互いに電気的に絶縁されている。次いで、巻線４，９の各組に、基本的に同じ変調信号が供給されるが、上述した典型的な実施形態と同様のやり方で、ＤＣ供給を横切る電圧リップルの低減を達成するために、２つの変調信号の間に時間オフセットが導入され、時間オフセットは、システムの共振周波数の周期に基づく。
電気モータにおいて少なくとも２組の巻線を有することにより、スイッチを通る電流を（図１ｂおよび図１ｃの２つの例では）半分に減らしつつ、依然として（図１ａと）同じ磁界の強さを維持することができ、したがってスイッチを通って流れる電流の大きさが小さくなり、関連の損失が減り、さらにはスイッチの寿命／耐久性が改善される。しかしながら、電圧リップルの低減は、ほぼ全てが変調信号間に導入された時間オフセットの結果であり、電流の減少の効果は大きくない。
巻線の組という用語が、２組の巻線４，９、すなわち２つのコイル７が存在する図１ｂに示されているように、１つの巻線／コイル７を意味し得ることを、理解すべきである。さらに、この用語は、２組の巻線４，９を形成するようにペアにて接続された合計で４つの巻線またはコイルが存在する図１ｃに示されるように、巻線４，９の組を形成するように直列に接続された複数の巻線としても理解されるべきである。また、上記の２つの定義の組み合わせであってもよく、例えば３相モータにおいて、２組または３組の巻線が存在でき、各組は、相巻線のグループを含み、相巻線は、図２ｂまたは図２ｃあるいは両者の組み合わせによることができる。当業者であれば、電気モータの巻線またはコイルの配置について可能ないくつかの代案のやり方が存在し、少なくとも２組の巻線が存在する限りにおいて、本発明がそれらの代案のやり方のいずれにも容易に適用可能であることを、理解できるであろう。また、たとえほぼ全ての言及が単相電気モータに向けてなされているとしても、本明細書に記載される主題は、モータの相の数とは無関係であり、本発明は、以下で三相モータにおいて簡単に示されるように、多相のモータに等しく適用可能である。
図２ａ、図２ｂ、および図２ｃは、単相モータについて図１ａ、図１ｂ、および図１ｃにおいて説明した巻線構造に対応する三相電気モータの巻線構造を示している。図２ａは、三相電気モータの従来からの巻線構造を示しており、モータは、３つの磁極対（固定子２０１内の対向するスロット２０３）と一群の相巻線２０４，２０６，２０８とを備える固定子２０１を有しており、したがってこのモータを、１組の巻線を有すると称することができる。図２ａ〜図２ｃでは、単相電気モータについての対応する図と同様に、回転子は図示されていない。さらに、各々の相巻線２０４，２０６，２０８の一端は、終端であってよい共通ノード２２１に接続されてよく、すなわち巻線構造は、いわゆるＹ構成（または、ワイ構成）に配置されてよい。
図２ｂは、本発明による典型的な巻線構造を示しており、各々の磁極対の直列巻線が、２組の巻線を形成するように分離され、各組は、電気的に絶縁された一群の相巻線２０４，２０６，２０８，２０９，２１１，２１３（この場合には、各群に３つの相巻線）を備えている。図２ｂに示されるこの典型的な実施形態において、１組の巻線は、２０４，２０６，２０８であってよく、第２の組は、２０９，２１１，２１３であってよく、第１の組２０４，２０６，２０８に、それぞれ相Ａ、相Ｂ、および相ＣのＡＣ成分（１２０°離れている）を有する変調ＡＣ信号を供給することができる。したがって、第２の組の巻線２０９，２１１，２１３には、基本的に同じ変調信号であるが時間オフセットを有している変調信号が供給される（相Ａ＋オフセットが巻線／コイル２０９へと供給され、相Ｂ＋オフセットが巻線／コイル２１１へと供給される、など）。この実施形態（図２ｂ）においても、同じ組の各々の相巻線の一端を共通ノード（図示せず）へと接続することによって、各組の巻線をＹ構成とすることが可能である。
図２ｃは、追加の一組の巻線が図２ａの巻線構造に追加された本発明による典型的な巻線構造を示している。この図は、固定子２０１の同じスロット２０３を共有するが、電気的には絶縁されている第１の組の巻線２０４，２０６，２０８および第２の組の巻線２０９，２１１，２１３を示している。この巻線構造は、図２ｂに関してすでに説明した動作原理と同じ動作原理に従い、やはり各組の巻線が一端において共通ノード２２１，２２２に接続されるＹ構成に配置されてよい。さらに、他の巻線の組と同じスロット２０３を共有するさらなる巻線の組を固定子２０１に配置する互いに電気的に絶縁された３つの組、すなわち３巻線構造も、本発明の範囲内である。３組の巻線の場合の時間オフセットは、相応に調整可能である。図２ａ〜図２ｃが、本発明の基本原理および多相の電気モータへの適用可能性を示すために使用され、図面は三相モータに言及しているが、少なくとも２組の巻線を有するという同じ全体的な考え方に従って、例えば２相または５相の電気モータなど、あらゆる多相のモータに等しく適用可能である。
図３に、本発明の典型的な実施形態による電気モータ制御システム１０の概略図が示されている。このシステムは、電圧信号を生成して導体／配線１４を介してインバータ回路２０へと伝えるＤＣ源１３を備える。導体の一般的な概略モデルを、直列のインダクタンス１７および抵抗１５で近似することができる。フィルタ１９が、インバータ回路２０とＤＣ供給回路１２との間に並列に接続されている。この典型的な実施形態において、フィルタ１９は、単一のコンデンサとして示されているが、本発明の種々の実施形態において、同じ機能をもたらす任意のフィルタ回路またはコンデンサバンクを使用できることを、当業者であれば容易に理解できるであろう。
インバータ回路２０は、複数のスイッチ２１，２３，２５，２７，３１，３３，３５，３７を含み、スイッチは、単相電気モータ１の巻線４，９の各組の周りにＨブリッジ構成にて配置されている。この特定の実施形態は、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）を用いて説明されているが、これが例示の目的にすぎないことを、理解すべきである。したがって、本発明は、この点に関して限定されない。代わりに、典型的な実施形態に示されるスイッチと同じ機能をもたらす任意の種類のスイッチ素子または回路を使用することができる。さらに、スイッチは、トランジスタのドレイン−ソースにおける逆電圧の発生からの保護のために、トランジスタに逆並列のやり方で接続されたダイオードを備えることができる（図示せず）。
電気モータを制御するためのＨブリッジの使用は、当技術分野で周知であり、個々の詳細の説明は、これらの具体的詳細がなくても、当業者であれば本発明を実施できるやり方を容易に理解できるため、省略する。さらに、例えば図３に示されるとおりのフルブリッジの接続形態の代わりにハーフブリッジの接続形態を使用するなど、電気モータを制御するための別のやり方も存在する。
１つ以上のマイクロプロセッサを含むコントローラ４０が、後述されるように、インバータ回路２０を動作させて、ＤＣ源１３とモータ１との間の所望の電力フローを実現し、電圧リップルを低減するように構成される。また、コントローラを、モータ位相電流、回転子位置／速度、ＤＣ出力電圧、ならびに／あるいはモータ速度またはトルク指令を入力として測定し、モータ制御アルゴリズムを実行して信号（単相または多相変調信号）の組を生成するように構成および使用することができる。
さらに、コントローラ４０は、単相／多相信号の組を搬送信号と比較し、それぞれのスイッチ２１，２３，２５，２７，３１，３３，３５，３７の入力ゲート２２，２４，２６，２８，３２，３４，３６，３８を駆動することによって、パルス幅変調を実行するように構成することができる。
さらに、コントローラを、例えば導体１４に負荷をかけることによってシステムの共振周波数を測定するために使用することができる。共振周波数は、主に、導体１４およびフィルタ１９のそれぞれのインダクタンスおよびキャパシタンス値に依存する。したがって、さまざまな空間設定および用途を有する種々のシステムにおいて、導体／配線１４はさまざまな長さであり、フィルタはさまざまなサイズであり、結果として共振周波数が異なり、したがって共振周波数を測定することによって、設置が簡単化され、より動的な解決策が実現される。あるいは、システムの共振周波数を、フィルタ１９および導体／配線１４のそれぞれの既知のキャパシタンスおよびインダクタンス値を使用することによって、供給回路１２の共振周波数を計算または近似することにより、予め決定することができる。共振周波数は、当業者にとって既知の種々の既知の公式または等式によって決定することができる。あるいは、時間シフトを、例えばコンデンサ始動誘導電動機など、主巻線と同じ供給源に接続されるが、コンデンサによって隔てられている始動巻線／補助巻線を利用する単相モータなどのように、適切な受動構成要素を接続することによって達成することができる。
ひとたび共振周波数が決定され、したがって対応する共振周波数の周期が決定されると、電気モータ１に含まれる２組の巻線４，９に供給される変調信号は、時間オフセットによってお互いに対して時間的にずらされる。時間オフセットは、共振周波数の周期に基づく。時間オフセットは、好ましくは、共振周波数の周期と電気モータに含まれる巻線の組の数との間の比に依存してよい。また、たとえほぼ全ての言及が単相電気モータに向けてなされているとしても、本明細書に記載される主題は、モータの相の数とは無関係であり、本発明は、多相のモータに等しく適用可能である。
図４は、本発明の１つの典型的な実施形態による方法を示すフローチャートである。例えば図３に示したシステムなど、本発明の任意の典型的な実施形態によるシステムを想定すると、システムの共振周波数を、すでに述べたように、予め決定することができる（１１０）。別の典型的な実施形態においては、共振周波数が測定される（１２０）。図４に矢印で示されるように、測定は、任意の時点において実行することができる。しかしながら、好ましくは、共振周波数は、信号が変調される（１０３）よりも前に測定される。電圧信号が、いくつかの導体または配線を介してＤＣ源からインバータ回路へと供給され（１０１）、導体は、典型的には、システムが設置される前に既知であってよい何らかのインダクタンスを有する。インバータ回路と供給回路との間に並列に接続されるフィルタが、ＤＣ信号に存在し得るＡＣ成分を最小化するだけでなく、モータの動作に起因する電圧リップルを処理するようにも意図される。さらなる段階において、供給された電圧信号は、インバータ回路において変調され（１０３）、典型的には、変調は、外部または統合コントローラ（または、制御回路）によって制御される。信号は、好ましくは、ＰＷＭ方式に従って変調される。パルス幅変調は、当技術分野で既知の任意の既知の方法によって実行することができ、例えば変調信号を三角または鋸歯の搬送信号と比較することによって実行することができる。続いて、変調された信号が、モータ内の巻線の各組へと供給され（１０５）、ここで巻線の各組へと供給される変調信号は、お互いに対して或る時間オフセットによってずらされ（１０７）、時間オフセットは、共振周波数の予め定められた周期または測定された周期に基づく。
今や、本発明を、特定の実施形態を参照して説明した。しかしながら、電気モータ制御システムのいくつかの変種が、実現可能である。例えば、この制御方法を、単相または多相の電気モータに適用することができ、すでに例示したように、巻線について考えられるいくつかの構成が可能である。さらに、コントローラを、多数のやり方で信号を変調するように、同じ機能をもたらす置き換え可能な構成要素によって構成することができる。このような変更および他の自明な変更は、添付の特許請求の範囲によって定められる本発明の技術的範囲に包含されるとみなされなければならない。上述の実施形態は、本発明を限定するものではなく、むしろ本発明を例示するものであり、当業者であれば、添付の特許請求の範囲の技術的範囲から外れることなく、多数の代案の実施形態を設計できることに、注意すべきである。特許請求の範囲において、括弧内に配置された参照符号は、請求項を限定するものとして解釈されるべきではない。「備える／含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という単語は、請求項に列挙された要素またはステップ以外の他の要素またはステップの存在を排除するものではない。要素に先行する単語「ａ」または「ａｎ」は、そのような要素が複数存在することを排除するものではない。

Claims (11)

  1. 直流（ＤＣ）源と、前記ＤＣ源に並列に接続されたフィルタと、少なくとも２組の巻線を有する電気モータと、を備える電気モータシステムを制御する方法であって、
    前記ＤＣ源から複数の導体を介してインバータ回路へと電圧信号を供給するステップであって、前記導体はインダクタンスを有する、ステップと、
    前記インバータ回路において前記電圧信号を変調するステップと、
    前記少なくとも２組の巻線の各々へと、巻線の各組の間の時間オフセットにより、時間に関してずらされた変調信号をそれぞれ供給するステップであって、前記時間オフセットは、共振周波数の周期に基づき、前記共振周波数は、前記フィルタのキャパシタンスおよび前記導体のインダクタンスに依存する、ステップと、
    を含む方法。
  2. 前記システムの共振周波数を測定することによって前記共振周波数を決定するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記システムの共振周波数は、予め決定される、請求項１に記載の方法。
  4. 前記時間オフセットは、前記共振周波数の周期と前記電気モータに含まれる巻線の組の数との間の比に依存する、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記インバータ回路において前記電圧信号を変調するステップは、前記インバータ回路に含まれる複数のスイッチをスイッチング周波数で動作させることを含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記スイッチング周波数は、前記共振周波数とは異なる、請求項５に記載の方法。
  7. 前記変調は、複数の時間に関してずらされた変調信号を生成するために、時間に関してずらされた搬送信号を使用して実行される、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
  8. 前記変調は、１つの変調信号を生成するように１つの搬送信号を使用して実行され、該変調信号が、複数の時間に関してずらされた変調信号を生成するために時間に関してずらされる、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
  9. ＤＣ源と、
    少なくとも２組の巻線を備える電気モータと、
    複数の導体によって前記ＤＣ源に並列に接続されたフィルタであって、前記導体はインダクタンスを有する、フィルタと、
    前記フィルタと前記電気モータとの間に接続されたインバータ回路であって、前記インバータ回路は複数のスイッチを備える、インバータ回路と、
    巻線の各組へと変調信号を供給するように前記複数のスイッチのための制御信号を生成するように構成されたコントローラであって、各変調信号は、巻線の各組の間の時間オフセットによってそれぞれずらされており、前記時間オフセットは、当該システムの共振周波数の周期に依存し、前記共振周波数は、フィルタキャパシタンスおよび前記導体のインダクタンスに依存する、コントローラと、
    を備える電気モータシステム。
  10. 前記ＤＣ源は、電池を備える、請求項９に記載のシステム。
  11. 前記ＤＣ電圧源は、交流（ＡＣ）源と整流回路とを備える、請求項９に記載のシステム。
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