JP2023013146A - モータ装置およびモータ装置の駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】一つの回転子に２系統の三相巻線を備えるモータの各相を個別に制御しながらも、スイッチ数を低減できるモータ装置およびモータ装置の駆動方法を提供する。【解決手段】回転子（１０）と、ティース部（２２）が形成された固定子（２０）と、スイッチインバータ部と、各スイッチを制御するスイッチ制御部とを備え、複数のティース部（２２）には、第１系統の三相巻線（Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１）と第２系統の三相巻線（Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２）とが巻回されており、第１系統と第２系統の三相巻線は、回転子（１０）の回転方向における位相が１／１２周期だけ異なっており、Ｕ２相はＵ１相よりもＶ１相との位相差が小さく、第１系統の三相巻線はデルタ結線され、第２系統の三相巻線はスター結線されているモータ装置。【選択図】図１

Description

本発明は、モータ装置およびモータ装置の駆動方法に関し、特に２系統の三相巻線を備えるモータ装置およびモータ装置の駆動方法に関する。

従来から様々な技術分野において、交流の周波数を変化させることで回転数を制御でき、安定した回転数を得られる三相モータが動力源として用いられている。また、一つの回転子に対して２系統の三相巻線（コイル）を備えたモータ装置も提案されている（例えば特許文献１を参照）。

図１０は、従来から提案されている三相巻線を２系統備えたモータ装置の駆動回路を簡略化して示す回路図である。図１０に示すようにモータ装置は、第１系統の三相巻線としてＵ相コイルＵ１、Ｖ相コイルＶ１、Ｗ相コイルＷ１を有し、第２系統の三相巻線としてＵ相コイルＵ２、Ｖ相コイルＶ２、Ｗ相コイルＷ２を有している。また、電源電圧（＋Ｖ）と接地電圧（０Ｖ）の間に、上段スイッチと下段スイッチの直列接続が６列並列接続されており、各上段スイッチと下段スイッチの間が各相の巻線（コイル）の一端に接続されている。各相の巻線の他端は、中性点に接続されている。

図１０に示したモータ装置の駆動回路では、１２個のスイッチを用いた６相インバータが構成されており、各相がＨｉｇｈ信号の場合には上段スイッチをオンにして下段スイッチをオフにし、各相がＬｏｗ信号の場合には上段スイッチをオフにして下段スイッチをオンにする制御が行われる。ここで、Ｈｉｇｈ信号時には電源電圧から上段スイッチを経て各巻線および中性点に電流が供給される。また、Ｌｏｗ信号時には中性点から各巻線および下段スイッチを経て接地電圧に電流が流れる。これにより、２系統の三相巻線でそれぞれ三相交流によるモータ装置の駆動制御を行うことができる。

特開２０２０－１６２３３３号公報

図１０に示した従来のモータ装置では、各インバータで２系統の三相巻線の各々を個別に制御できるため、複雑な回転制御を行うことができるが、６相のインバータを用いるため１２個のスイッチが必要であり、回路に含まれるスイッチ数が増加してしまう。駆動回路に搭載されるスイッチ数が増加すると、回路の搭載面積の増大や、発熱量の増加、コストの増加などの問題が生じるうえに、回路全体でのスイッチ故障の発生確率が増加するという問題があった。

そこで本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであり、一つの回転子に２系統の三相巻線を備えるモータの各相を個別に制御しながらも、スイッチ数を低減できるモータ装置およびモータ装置の駆動方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のモータ装置は、回転軸を中心に回転可能に配置された回転子と、内周に複数のティース部が形成された固定子を有するモータ部と、前記モータ部に電力を供給するスイッチインバータ部と、前記スイッチインバータ部に含まれる各スイッチを制御するスイッチ制御部とを備えるモータ装置であって、前記複数のティース部には、Ｕ１相、Ｖ１相およびＷ１相からなる第１系統の三相巻線と、Ｕ２相、Ｖ２相およびＷ２相からなる第２系統の三相巻線とが巻回されており、前記第１系統と前記第２系統の三相巻線は、前記回転子の回転方向における位相が１／１２周期だけ異なっており、前記Ｕ２相は前記Ｕ１相よりも前記Ｖ１相との位相差が小さく、前記スイッチインバータ部は、第１電位と第２電位の間にＵ列スイッチ群、Ｖ列スイッチ群およびＷ列スイッチ群が並列に接続され、前記Ｕ列スイッチ群に前記Ｕ１相および前記Ｕ２相の一端が接続され、前記Ｖ列スイッチ群に前記Ｖ１相および前記Ｖ２相の一端が接続され、前記Ｗ列スイッチ群に前記Ｗ１相および前記Ｗ２相の一端が接続され、前記Ｕ１相、前記Ｖ１相および前記Ｗ１相は、環状に直列接続されてデルタ結線されており、前記Ｕ２相、前記Ｖ２相および前記Ｗ２相は、他端が中性点に接続されてスター結線されていることを特徴とする。

このような本発明のモータ装置では、第１系統と第２系統の三相巻線は、回転子の回転方向における位相が１／１２周期だけ異なっており、Ｕ２相はＵ１相よりもＶ１相との位相差が小さく、第１系統の三相巻線がデルタ結線され、第２系統の三相巻線がスター結線されている。これにより、一つの回転子に２系統の三相巻線を備えるモータの各相を個別に制御しながらもスイッチ数を低減し、さらに第１系統と第２系統の位置による位相差と電流の位相差を適切に設定してトルクを向上させることができる。

また、本発明の一態様では、前記Ｕ列スイッチ群、前記Ｖ列スイッチ群および前記Ｗ列スイッチ群は、それぞれ前記第１電位から順に上段スイッチ、中段スイッチおよび下段スイッチが直列接続され、前記第１系統および前記第２系統の一方の前記三相巻線が前記上段スイッチと前記中段スイッチの間に接続され、前記第１系統および前記第２系統の他方の前記三相巻線が前記中段スイッチと前記下段スイッチの間に接続されている。

また、本発明の一態様では、前記スイッチ制御部は、信号波と搬送波の比較によりパルス信号を生成し、前記各スイッチをＰＷＭ（Ｐｕｌｔｈ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）変調制御する。

また、本発明の一態様では、前記信号波は、前記第１系統と前記第２系統とで振幅および位相が同じである。

また、本発明の一態様では、前記三相巻線は、前記ティース部の複数にまとめて巻回された分布巻きとして構成されている。

また、本発明の一態様では、前記三相巻線は、個々の前記ティース部に巻回された集中巻きとして構成されている。

また上記課題を解決するために、本発明のモータ装置の駆動方法は、一つの回転子に対して第１系統および第２系統の三相巻線を備え、インバータスイッチ部からの出力により前記回転子が回転され、前記第１系統と前記第２系統の三相巻線は、前記回転子の回転方向における位相が１／１２周期だけ異なっており、前記Ｕ２相は前記Ｕ１相よりも前記Ｖ１相との位相差が小さく、前記第１系統の三相巻線がデルタ結線され、前記第２系統の三相巻線がスター結線されたモータ装置の駆動方法であって、前記第１系統および前記第２系統の各相における電流値を取得する電流値取得工程と、前記各相の前記電流値の平均値に基づいて、前記第１系統に対する第１指令電圧および前記第２系統に対する第２指令電圧を算出する指令電圧算出工程と、搬送波の電圧と、前記第１指令電圧および前記第２指令電圧を比較して、前記第１系統と前記第２系統についてのゲート信号を決定するゲート信号決定工程と、前記ゲート信号に基づいて前記インバータスイッチ部のオン信号／オフ信号を決定するインバータスイッチ制御工程とを備えることを特徴とする。

本発明では、一つの回転子に２系統の三相巻線を備えるモータの各相を個別に制御しながらも、スイッチ数を低減できるモータ装置およびモータ装置の駆動方法を提供することができる。

第１実施形態に係るモータ装置の概要を示す図であり、図１（ａ）はスイッチインバータ部の構成を示す回路図であり、図１（ｂ）はモータ部の構造例を示す模式図である。 モータ部におけるＵ相、Ｖ相、Ｗ相の位相差を説明する模式図である。 第１実施形態におけるモータ装置の駆動を制御する方法について説明する模式図である。 第１実施形態におけるＵ１相とＵ２相の信号波と搬送波について説明するグラフであり、図４（ａ）はＵ１相を示し、図４（ｂ）はＵ２相を示し、図４（ｃ）はＵ１相とＵ２相を重ね合わせた結果を示している。 第１実施形態における信号波と搬送波の比較結果を示すグラフであり、図５（ａ）はＵ１相とＵ２相の信号波および搬送波の波形を示し、図５（ｂ）はＵ１相の比較結果を示し、図５（ｃ）はＵ２相の比較結果を示している。 第１系統と第２系統の三相巻線に流れる電流について説明する模式図であり、図６（ａ）はスター結線を示し、図６（ｂ）はデルタ結線を示している。 第１系統と第２系統の三相巻線に流れる電流のシミュレーション結果を示すグラフであり、図７（ａ）は図１０に示した比較例の構造での結果を示し、図７（ｂ）は図１に示した構造での結果を示している。 モータ装置のトルク波形をシミュレーションした結果を示すグラフである。 第２実施形態に係るモータ部の構造例を示す模式図である。 従来から提案されている三相巻線を２系統備えたモータ装置の駆動回路を簡略化して示す回路図である。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付すものとし、適宜重複した説明は省略する。図１は、本実施形態に係るモータ装置の概要を示す図であり、図１（ａ）はスイッチインバータ部の構成を示す回路図であり、図１（ｂ）はモータ部の構造例を示す模式図である。

図１（ａ）に示すように、本実施形態のスイッチインバータ部は、電源電圧（＋Ｖ）と接地電圧（０Ｖ）の間に３つのスイッチ群（Ｕ列スイッチ群、Ｖ列スイッチ群、Ｗ列スイッチ群）が並列に接続されている。各スイッチ群には、３つのスイッチが含まれて直列接続されており、合計９個のスイッチでスイッチインバータ部が構成されている。また、三相交流で駆動されるモータ部は、Ｕ１相、Ｖ１相、Ｗ１相の３つの巻線（コイル）で構成される第１系統の三相巻線と、Ｕ２相、Ｖ２相、Ｗ２相の３つの巻線で構成される第２系統の三相巻線を備えている。

Ｕ列スイッチ群には、電源電圧側から順にＵ列上段スイッチＵｕと、Ｕ列中段スイッチＵｍと、Ｕ列下段スイッチＵｌとが直列接続されている。また、Ｕ列上段スイッチＵｕとＵ列中段スイッチＵｍの間がＵ２相の一端に接続され、Ｕ列中段スイッチＵｍとＵ列下段スイッチＵｌの間がＵ１相の一端に接続されている。

Ｖ列スイッチ群には、電源電圧側から順にＶ列上段スイッチＶｕと、Ｖ列中段スイッチＶｍと、Ｖ列下段スイッチＶｌとが直列接続されている。また、Ｖ列上段スイッチＶｕとＶ列中段スイッチＶｍの間がＶ２相の一端に接続され、Ｖ列中段スイッチＶｍとＶ列下段スイッチＶｌの間がＶ１相の一端に接続されている。

Ｗ列スイッチ群には，電源電圧側から順にＷ列上段スイッチＷｕと、Ｗ列中段スイッチＷｍと、Ｗ列下段スイッチＷｌとが直列接続されている。また、Ｗ列上段スイッチＷｕとＷ列中段スイッチＷｍの間がＷ２相の一端に接続され、Ｗ列中段スイッチＷｍとＷ列下段スイッチＷｌの間がＷ１相の一端に接続されている。

また、第２系統の三相巻線であるＵ２相とＶ２相とＷ２相の他端は共通の中性点に接続されてスター結線されている。第１系統の三相巻線であるＵ１相とＶ１相とＷ１相は環状に直列接続されてデルタ結線されている。図１（ａ）に示したように、スイッチインバータ部の各スイッチ間を２系統の三相巻線に接続することで、９個のスイッチでＵ１相、Ｖ１相、Ｗ１相、Ｕ２相、Ｖ２相およびＷ２相の合計６相を制御することができる。

図１（ａ）では、上段スイッチと中段スイッチの間を第２系統の三相巻線に接続し、中段スイッチと下段スイッチの間を第１系統の三相巻線に接続した例を示したが、上段スイッチと中段スイッチの間を第１系統の三相巻線に接続し、中段スイッチと下段スイッチの間を第２系統の三相巻線に接続するとしてもよい。

図１（ｂ）に示すように、モータ部は回転子（ロータ）１０と、回転子１０の周囲に配置された固定子（ステータ）２０を備えている。また、回転子１０には、外周に沿って磁石のＮ極１１ＮとＳ極１１Ｓが複数交互に配置されている。また固定子２０は、コアバック部２１と複数のティース部２２を備えている。図１（ｂ）は回転軸を中心にモータ部を４分割し、一部のみ構造を抽出して模式的に示すものであり、角度や長さは実際のモータとは一致していない。

コアバック部２１は、回転子１０の外側に回転子１０の外周を円周状に取り囲むように配置された部分であり、内周に複数のティース部２２が等間隔に突出して形成されている。コアバック部２１には公知のものを用いることができ、構成する材料や構造は限定されない。また、コアバック部２１よりも外周には別途モータハウジング等の部材が設けられている。

ティース部２２は、コアバック部２１の内周面から回転子１０に向かって突出して形成された突起状部分であり、各ティース部２２は同じ長さと形状で形成されるとともに等間隔に配置されており、各ティース部２２の間には間隔が設けられてスロットを構成している。各ティース部２２およびスロットには、巻線が巻回されてコイルが構成されて、巻線に電流が流れることでティース部２２に磁界が発生する。

図１（ｂ）に示した例では、モータ部は８極４８スロットの分布巻きとして構成されており、Ｕ１＋からＵ１－まで、Ｕ２＋からＵ２－まで、Ｖ１＋からＶ１－まで、Ｖ２＋からＶ２－まで、Ｗ１からＷ１－まで、およびＷ２＋からＷ２－までの複数のティース部２２が一括して巻線が巻回されており、それぞれの巻線がＵ１相、Ｕ２相、Ｖ１相、Ｖ２相、Ｗ１相およびＷ２相を構成している。

図１（ｂ）に示すように、Ｕ１相、Ｖ１相およびＷ１相は、それぞれ１／３周期の差で配置されており第１系統の三相巻線を構成している。同様に、Ｕ２相、Ｖ２相およびＷ２相も、それぞれ１／３周期の差で配置されており第２系統の三相巻線を構成している。また、第１系統と第２系統の三相巻線は、誘起電圧の位相が１／１２周期だけ異なっており、第１系統よりも第２系統のほうが回転子１０の反時計回りにおける下流に位置するように構成されている。図１（ｂ）では８極４８スロットの例を示したが、極数およびスロット数は限定されない。また、ティース部２２への各相の巻回方法も分布巻きに限定されず集中巻きであってもよい。

図２は、モータ部におけるＵ相、Ｖ相、Ｗ相の位相差を説明する模式図である。上述したように、図１（ｂ）に示した分布巻きでは複数のティース部２２が一括して巻線が巻回されている。したがって、巻線に電流が流れることで生じる各相の磁界の中心位置は、図２に示したようにティース部２２の間のスロットに位置している。また、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相は、反時計回りに１／３周期ずつ異なって並んでいる。また、Ｕ１相とＵ２相、Ｖ１相とＶ２相、Ｗ１相とＷ２相はそれぞれ反時計回りに１／１２周期ずつ異なって配置されている。したがって、Ｕ２相はＵ１相よりもＶ１相との位相差が小さく配置されている。

この配置において、回転子１０が反時計回りに回転すると、回転子１０はＵ相、Ｖ相、Ｗ相の順に磁界から力を受ける。また、第１系統の三相巻線が第２系統の三相巻線よりも回転子１０の回転方向において上流に位置することになる。それに対して、回転子１０が時計回りに回転すると、回転子１０はＵ相、Ｗ相、Ｖ相の順に磁界から力を受ける。また、第２系統の三相巻線が第１系統の三相巻線よりも回転子１０の回転方向において上流に位置することになる。

図３は、本実施形態におけるモータ装置の駆動を制御する方法について説明する模式図である。図中に示したように、モータ装置の駆動時には、モータ部のＵ１相、Ｖ１相、Ｗ１相、Ｕ２相、Ｖ２相およびＷ２相を流れる駆動電流ｉ_ｕ１，ｉ_ｖ１，ｉ_ｗ１，ｉ_ｕ２，ｉ_ｖ２およびｉ_ｗ２をそれぞれモニターする（電流値取得工程）。得られた各駆動電流から第１系統と第２系統の平均の相電流ｉ_ｕ，ｉ_ｖ，ｉ_ｗを求め、さらに三相ｄｑ変換を行って回転座標系に変換し電流ｉ_ｄ，ｉ_ｑを求める。

次に、得られた電流ｉ_ｄ，ｉ_ｑを入力値としてＰＩ制御を行い、電流制御または回転速度制御のために電圧値ｖ_ｄ ^＊，ｖ_ｑ ^＊を得る。得られた電圧値ｖ_ｄ ^＊，ｖ_ｑ ^＊は回転座標系であるため、三相逆ｄｑ変換を行って、指令電圧ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊を得る。また、第１系統の指令電圧ｖ_ｕ１ ^＊，ｖ_ｖ１ ^＊，ｖ_ｗ１ ^＊と第２系統の指令電圧ｖ_ｕ２ ^＊，ｖ_ｖ２ ^＊，ｖ_ｗ２ ^＊をｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊に設定する。得られた第１系統の指令電圧ｖ_ｕ１ ^＊，ｖ_ｖ１ ^＊，ｖ_ｗ１ ^＊および第２系統の指令電圧ｖ_ｕ２ ^＊，ｖ_ｖ２ ^＊，ｖ_ｗ２ ^＊は、それぞれ周期的に変化するＵ１相、Ｖ１相、Ｗ１相、Ｕ２相、Ｖ２相およびＷ２相の信号波となる（指令電圧算出工程）。

次に、得られた各相の信号波と搬送波との大小関係を比較し、信号波が搬送波よりも大きい場合をＨｉｇｈ信号とし、信号波が搬送波よりも小さい場合をＬｏｗ信号として、第１系統と第２系統へのゲート信号を決定する（ゲート信号決定工程）。

次に、決定されたゲート信号（Ｈｉｇｈ信号とＬｏｗ信号）に基づいて、９スイッチインバータで構成されているスイッチインバータ部への入力信号を制御する（インバータスイッチ制御工程）。具体的には表１に示すように、第１系統と第２系統のＨｉｇｈ信号とＬｏｗ信号の組み合わせに応じて、上段スイッチ、中段スイッチおよび下段スイッチのオンオフを制御する。表１および以下の図ではＵ相の場合のみを示して説明するが、Ｖ相とＷ相についても同様の制御を行う。

表１に示したように、Ｕ１相とＵ２相が共にＨｉｇｈ信号の場合（パターン１）には、Ｕ列上段スイッチＵｕのゲートにはオン信号を入力し、Ｕ列中段スイッチＵｍのゲートにはオン信号を入力し、Ｕ列下段スイッチＵｌのゲートにはオフ信号を入力する。Ｕ１相とＵ２相が共にＬｏｗ信号の場合（パターン２）には、Ｕ列上段スイッチＵｕのゲートにはオフ信号を入力し、Ｕ列中段スイッチＵｍのゲートにはオン信号を入力し、Ｕ列下段スイッチＵｌのゲートにはオン信号を入力する。図２に示したように、第１系統と第２系統の相電流を平均化して指令電圧を同じにした場合には、常にパターン１，２の制御がスイッチインバータ部に加えられる。

パターン１では、Ｕ列上段スイッチＵｕがオン、Ｕ列中段スイッチＵｍがオン、Ｕ列下段スイッチＵｌがオフとされる。したがって、Ｕ列上段スイッチＵｕとＵ列中段スイッチＵｍの間の電位Ｕｕｍは、Ｕ列上段スイッチＵｕの順方向電圧だけ電源電圧（＋Ｖ）から電圧降下したものとなり、Ｕ１相の巻線に電位Ｕｕｍが印加される。また、Ｕ列中段スイッチＵｍとＵ列下段スイッチＵｌの間の電位Ｕｍｌは、Ｕ列上段スイッチＵｕおよびＵ列中段スイッチＵｍの順方向電圧だけ電源電圧（＋Ｖ）から電圧降下したものとなり、Ｕ２相の巻線に電位Ｕｍｌが印加される。

パターン２では、Ｕ列上段スイッチＵｕがオフ、Ｕ列中段スイッチＵｍがオン、Ｕ列下段スイッチＵｌがオンとされる。したがって、電位Ｕｕｍは、Ｕ列中段スイッチＵｍおよびＵ列下段スイッチＵｌの順方向電圧だけ接地電圧（０）から高い電圧となり、Ｕ１相の巻線に印加される。また電位Ｕｍｌは、Ｕ列下段スイッチＵｌの順方向電圧だけ接地電圧（０）から高い電圧となり、Ｕ２相の巻線に印加される。

Ｕ１相がＨｉｇｈ信号で、Ｕ２相がＬｏｗ信号の場合（パターン３）、およびＵ１相がＬｏｗ信号で、Ｕ２相がＨｉｇｈ信号の場合（パターン４）には、ともにＵ列上段スイッチＵｕのゲートにはオン信号を入力し、Ｕ列中段スイッチＵｍのゲートにはオフ信号を入力し、Ｕ列下段スイッチＵｌのゲートにはオン信号を入力する。

パターン３，４では、Ｕ列上段スイッチＵｕがオン、Ｕ列中段スイッチＵｍがオフ、Ｕ列下段スイッチＵｌがオンとされる。したがって、電位Ｕｕｍは、Ｕ列上段スイッチＵｕの順方向電圧だけ電源電圧（＋Ｖ）から電圧降下したものとなり、Ｕ１相の巻線に電位Ｕｕｍが印加される。また電位Ｕｍｌは、Ｕ列下段スイッチＵｌの順方向電圧だけ接地電圧（０）から高い電圧となり、Ｕ２相の巻線に印加される。パターン３，４ではスイッチに印加される信号が同じになるが、各系統の電位差によって電流が発生するので、Ｕ１相がＬｏｗ信号の場合にＵ列上段スイッチＵｕがオンであっても問題ない。

図４は、本実施形態におけるＵ１相とＵ２相の信号波と搬送波について説明するグラフであり、図４（ａ）はＵ１相を示し、図４（ｂ）はＵ２相を示し、図４（ｃ）はＵ１相とＵ２相を重ね合わせた結果を示している。図４（ａ）～図４（ｃ）において横軸は位相角度を示し、縦軸は電圧を示している。ここで電圧の最大値および最小値として±１Ｖが示されているが、簡便のために規格化した表現を用いるものであり、現実の電圧値は限定されない。また、グラフ中の破線は搬送波の信号波形を示しており、ここでは三角波を用いている。図４（ａ）中の一点鎖線はＵ１相の信号波の波形を示しており指令電圧ｖ_ｕ１ ^＊の変化を示している。また、図４（ｂ）中の実線はＵ２相の信号波の波形を示しており指令電圧ｖ_ｕ２ ^＊の変化を示している。図４では簡便のために搬送波の周波数を小さくして周期を長くして示しているが、実際のモータ装置においては５ｋＨｚ～１５ｋＨｚ程度の高周波な搬送波が用いられる。

本実施形態では、図３に示したように第１系統と第２系統の相電流を平均化して指令電圧を同じにしているため、図４（ａ）（ｂ）に示したＵ１相およびＵ２相の信号波は振幅および位相が同じであり、図４（ｃ）に示したように一致している。上述したように、図４（ｃ）に示した搬送波とＵ１相、Ｕ２相の大小関係に基づいて、表１に示したインバータスイッチ部の制御を行う。

図５は、本実施形態における信号波と搬送波の比較結果を示すグラフであり、図５（ａ）はＵ１相とＵ２相の信号波および搬送波の波形を示し、図５（ｂ）はＵ１相の比較結果を示し、図５（ｃ）はＵ２相の比較結果を示している。図５（ａ）において横軸は位相角度を示し、縦軸は電圧を示している。図５（ｂ）（ｃ）では、横軸は図５（ａ）と同じ位相角度を示しており、横軸の軸上がＬｏｗ信号を示し、横軸から離れた位置がＨｉｇｈ信号を示している。また、図５（ａ）～図５（ｃ）にわたって垂直に引かれた薄い破線は、図５（ａ）における搬送波と信号波の交点を示している。

図５に示したように、本実施形態ではＵ１相とＵ２相の信号波が同じ振幅と同じ位相であるため、搬送波との交点も同じとなっており、Ｕ１相とＵ２相で同じタイミングでＨｉｇｈ信号とＬｏｗ信号が切り替わっている。よって、本実施形態ではＵ１相とＵ２相が共にＨｉｇｈ信号か共にＬｏｗ信号の場合のみ存在する。したがって、図１に示したモータ装置では、図示しないスイッチ制御部から表１のパターン１，２に従ってインバータスイッチング部の各スイッチにパルス信号が加えられる。つまり、スイッチ制御部は、信号波と搬送波の比較によりパルス信号を生成し、各スイッチをＰＷＭ（Ｐｕｌｔｈ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）変調制御する。

図６は、第１系統と第２系統の三相巻線に流れる電流について説明する模式図であり、図６（ａ）はスター結線を示し、図６（ｂ）はデルタ結線を示している。図６では、図１に示したモータ部において、回転子１０が反時計回りに回転する場合を示している。換言すると、Ｕ相がＶ相よりも回転子１０の回転方向において上流に位置する場合である。また、第１系統の三相巻線が第２系統の三相巻線よりも回転子１０の回転方向において上流に位置する場合である。

図６（ａ）（ｂ）に示したように、スター結線およびデルタ結線において、スイッチインバータ部からは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の順に１／３周期（２π／３）だけ異なる電流Ｉ_ｕ，Ｉ_ｖ，Ｉ_ｗが供給される。図６（ａ）に示したように、スター結線では中性点に向かってＵ相のコイル、Ｖ相のコイルおよびＷ相のコイルに電流Ｉ_ｕ，Ｉ_ｖ，Ｉ_ｗが流れる。それに対してデルタ結線では、図６（ｂ）に示したように、各巻線に流れる電流Ｉ_{ｕ＿ｃｏｉｌ}，Ｉ_{ｖ＿ｃｏｉｌ}，Ｉ_{ｗ＿ｃｏｉｌ}は［数１］に示したものとなる。ここでＲ_Δは、各相の巻線における抵抗値を表している。

［数１］に示したようにデルタ結線の各巻線に流れる電流Ｉ_{ｕ＿ｃｏｉｌ}，Ｉ_{ｖ＿ｃｏｉｌ}，Ｉ_{ｗ＿ｃｏｉｌ}は、スター結線の各巻線を流れる電流Ｉ_ｕ，Ｉ_ｖ，Ｉ_ｗの３^－１／２倍となっている。したがって、デルタ結線における各巻線の巻き数をスター結線の３^１／２倍し、線径を３^１／４倍（断面積を３^１／２倍）することで、スター結線とデルタ結線で各巻線の起磁力を同じにすることができる。また、デルタ結線の位相はスター結線の位相よりもπ／６だけ進んでいる。したがって、反時計回りに第２系統が第１系統よりも下流側に位置する図１の構成では、スター結線された第２系統の三相巻線には、デルタ結線された第１系統の三相巻線よりもπ／６だけ位相の遅れた電流が流れることになる。これにより、モータ部における各相のティース部２２の位相ずれと、回転子１０の回転と、各相のコイルに流れる電流が適切に同期したものとなり、トルク脈動を抑制した回転を実現できる。

図６では、図１において回転子１０が反時計回りに回転する場合を説明したが、次に回転子が時計回りに回転する場合について説明する。換言すると、Ｕ相がＶ相よりも回転子１０の回転方向において下流に位置する場合である。また、第１系統の三相巻線が第２系統の三相巻線よりも回転子１０の回転方向において下流に位置する場合である。この場合には、Ｕ相、Ｗ相、Ｖ相の順に回転子１０が力を受ける必要があるため、スイッチインバータ部からは、Ｕ相、Ｗ相、Ｖ相の順に１／３周期（２π／３）だけ異なる電流Ｉ_ｕ，Ｉ_ｖ，Ｉ_ｗが供給される。この場合においてデルタ結線では、各巻線に流れる電流Ｉ_{ｕ＿ｃｏｉｌ}，Ｉ_{ｖ＿ｃｏｉｌ}，Ｉ_{ｗ＿ｃｏｉｌ}は［数２］に示したものとなる。

［数２］に示したように時計回りにおいても、デルタ結線の各巻線に流れる電流Ｉ_{ｕ＿ｃｏｉｌ}，Ｉ_{ｖ＿ｃｏｉｌ}，Ｉ_{ｗ＿ｃｏｉｌ}は、スター結線の各巻線を流れる電流Ｉ_ｕ，Ｉ_ｖ，Ｉ_ｗの３^－１／２倍である。しかし、デルタ結線の位相はスター結線の位相よりもπ／６だけ遅れている。ここでは、回転子１０が時計回りに回転する場合を示しているため、θが減少する方向が回転の進む方向であり、数２においてθ＋π／６は回転方向に対して位相がπ／６遅れていることを示している。したがって、時計回りに第１系統が第２系統よりも下流側に位置する図１の構成では、デルタ結線された第１系統の三相巻線には、スター結線された第２系統の三相巻線よりもπ／６だけ位相の遅れた電流が流れることになる。これにより、モータ部における各相のティース部２２の位相ずれと、回転子１０の回転と、各相のコイルに流れる電流が適切に同期したものとなり、トルク脈動を抑制した回転を実現できる。

図７は、第１系統と第２系統の三相巻線に流れる電流のシミュレーション結果を示すグラフであり、図７（ａ）は図１０に示した比較例の構造での結果を示し、図７（ｂ）は図１に示した構造での結果を示している。図７（ａ）（ｂ）の横軸は回転子１０の回転角度（ｄｅｇ）を示し、縦軸は電流値（Ａ）を示している。シミュレーションには、有限要素法を用い、電気回路との連成解析を実施した。図７（ａ）（ｂ）におけるモータ部の構成は、回転子１０の直径を９２ｍｍとし、回転子１０の長さを２５ｍｍとし、１０極１２スロットの分布巻きとし、各相の相抵抗は０．０２Ωと設定した。また図７（ａ）では、Ｕ１相、Ｖ１相、Ｗ１相、Ｕ２相、Ｖ２相、Ｗ２相の巻き数を１０とし、線径を同じに設定した。また図７（ｂ）では、Ｕ１相、Ｖ１相、Ｗ１相の巻き数を１７．３とし、Ｕ２相、Ｖ２相、Ｗ２相の巻き数を１０とした。また、Ｕ１相、Ｖ１相、Ｗ１相の線径ｄ１と、Ｕ２相、Ｖ２相、Ｗ２相の線径ｄ２の比は、ｄ１：ｄ２＝１：１．３２とした。

図７（ａ）では、各相のコイルを流れる電流について、Ｕ１相を太い実線、Ｖ１相を太い破線、Ｗ１相を一点鎖線、Ｕ２相を二点鎖線、Ｖ２相を細い実線、Ｗ２相を細い破線で示している。図７（ａ）に示したように、第１系統と第２系統の三相巻線を共にスター結線し、６相インバータを用いて個別に制御した比較例では、第１系統が第２系統よりも１／１２周期だけ位相が早く、振幅が同じであることがわかる。

図７（ｂ）では、各相のコイルを流れる電流について、Ｕ１相（Ｄｅｌｔａ Ｕ）を太い実線、Ｖ１相（Ｄｅｌｔａ Ｖ）を太い破線、Ｗ１相（Ｄｅｌｔａ Ｗ）を一点鎖線、Ｕ２相（Ｓｔａｒ Ｕ）を二点鎖線、Ｖ２相（Ｓｔａｒ Ｖ）を細い実線、Ｗ２相（Ｓｔａｒ Ｗ）を細い破線で示している。図７（ｂ）に示したように、第１系統をデルタ結線し、第２系統の三相巻線をスター結線した実施例では、第１系統が第２系統よりも１／１２周期だけ位相が早く、第１系統の振幅が第２系統よりも小さいことがわかる。

図８は、モータ装置のトルク波形をシミュレーションした結果を示すグラフである。図８）の横軸は回転子１０の回転角度（ｄｅｇ）を示し、縦軸はトルク（Ｎｍ）を示している。図８では、第１系統と第２系統を共にスター結線した比較例を（Ｄｏｕｂｌｅ Ｓｔａｒ）として破線で示し、第１系統をデルタ結線して第２系統をスター結線した実施例を（Ｓｔａｒ Ｄｅｌｔａ）として実線で示している。図８に示したように、比較例と実施例では同等のトルクを得られており、トルク脈動もほぼ同等であり、位相も同じであることがわかる。

上述したように本実施形態のモータ装置では、第１系統と第２系統の三相巻線は、回転子１０の回転方向における位相が１／１２周期だけ異なっており、Ｕ２相はＵ１相よりもＶ１相との位相差が小さく、第１系統の三相巻線がデルタ結線され、第２系統の三相巻線がスター結線されている。これにより、一つの回転子１０に２系統の三相巻線を備えるモータの各相を個別に制御しながらもスイッチ数を低減し、さらに第１系統と第２系統の位置による位相差と電流の位相差を適切に設定してトルクを向上させることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図９を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。第１実施形態の図１および図２では、８極４８スロットの分布巻きの例を示したが、本実施形態では１０極１２スロットの集中巻きの構造を説明する。図９は、本実施形態に係るモータ部の構造例を示す模式図である。

図９に示すように、モータ部は回転子１０と、回転子１０の周囲に配置された固定子２０を備えている。また、回転子１０には、外周に沿って磁石のＮ極１１ＮとＳ極１１Ｓが複数交互に配置されている。また固定子２０は、コアバック部２１と複数のティース部２２を備えている。図９は回転軸を中心にモータ部を２分割し、一部のみ構造を抽出して模式的に示すものであり、角度や長さは実際のモータとは一致していない。

図９に示した例では、モータ部は１０極１２スロットの集中巻きとして構成されている。ここで、第１系統の、Ｕ１＋とＵ１－、Ｕ２＋とＵ２－、Ｖ１＋とＶ１－、Ｖ２＋とＶ２－、Ｗ１＋とＷ１－およびＷ２＋とＷ２－が対向した位置のティース部２２に巻回されている。また、それぞれの＋と－で対となる巻線は巻回方向が反対であり、Ｕ１相、Ｕ２相、Ｖ１相、Ｖ２相、Ｗ１相およびＷ２相を構成している。また本実施形態でも、図１（ａ）に示したように、Ｕ１相、Ｖ１相、Ｗ１相はデルタ結線され、Ｕ２相、Ｖ２相、Ｗ２相はスター結線されている。

本実施形態においても、Ｕ１相、Ｖ１相およびＷ１相は、それぞれ１／３周期の差で配置されており第１系統の三相巻線を構成している。同様に、Ｕ２相、Ｖ２相およびＷ２相も、それぞれ１／３周期の差で配置されており第２系統の三相巻線を構成している。また、第１系統と第２系統の三相巻線は、誘起電圧の位相が１／１２周期だけ異なっており、第１系統よりも第２系統のほうが回転子１０の反時計回りにおける下流に位置するように構成されている。したがって図９に示した本実施形態のモータ装置でも、Ｕ２相はＵ１相よりもＶ１相との位相差が小さく配置されている。

本実施形態のモータ装置でも、第１系統と第２系統の三相巻線は、回転子１０の回転方向における位相が１／１２周期だけ異なっており、Ｕ２相はＵ１相よりもＶ１相との位相差が小さく、第１系統の三相巻線がデルタ結線され、第２系統の三相巻線がスター結線されている。これにより、一つの回転子１０に２系統の三相巻線を備えるモータの各相を個別に制御しながらもスイッチ数を低減し、さらに第１系統と第２系統の位置による位相差と電流の位相差を適切に設定してトルクを向上させることができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。モータ部の極数Ｐとスロット数Ｓは、第１実施形態および第２実施形態で示したものに限定されず、他の構成を採用することもできる。具体的には、分布巻きモータでは２極１２スロットの整数倍であるＰ：Ｓ＝２：１２の比率のものを用いることができる。また、集中巻きモータでは１０極１２スロットの整数倍であるＰ：Ｓ＝１０：１２の比率のものや、１４極１２スロットの整数倍であるＰ：Ｓ＝１４：１２の比率のものを用いることができる。

（第４実施形態）
第１実施形態から第３実施形態では、Ｎ極１１ＮおよびＳ極１１Ｓを構成する磁石として永久磁石を用いたものを示したが、一つの回転子に対して２系統の三相巻線が用いられるモータ装置であれば、モータ部の種類に依存せず誘導機やシンクロナスリラクタンスモータ等にも適用可能である。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

１０…回転子
１１Ｎ…Ｎ極
１１Ｓ…Ｓ極
２０…固定子
２１…コアバック部
２２…ティース部

Claims (7)

1. 回転軸を中心に回転可能に配置された回転子と、内周に複数のティース部が形成された固定子を有するモータ部と、
   前記モータ部に電力を供給するスイッチインバータ部と、
   前記スイッチインバータ部に含まれる各スイッチを制御するスイッチ制御部とを備えるモータ装置であって、
   前記複数のティース部には、Ｕ１相、Ｖ１相およびＷ１相からなる第１系統の三相巻線と、Ｕ２相、Ｖ２相およびＷ２相からなる第２系統の三相巻線とが巻回されており、
   前記第１系統と前記第２系統の三相巻線は、前記回転子の回転方向における位相が１／１２周期だけ異なっており、前記Ｕ２相は前記Ｕ１相よりも前記Ｖ１相との位相差が小さく、
   前記スイッチインバータ部は、第１電位と第２電位の間にＵ列スイッチ群、Ｖ列スイッチ群およびＷ列スイッチ群が並列に接続され、
   前記Ｕ列スイッチ群に前記Ｕ１相および前記Ｕ２相の一端が接続され、前記Ｖ列スイッチ群に前記Ｖ１相および前記Ｖ２相の一端が接続され、前記Ｗ列スイッチ群に前記Ｗ１相および前記Ｗ２相の一端が接続され、
   前記Ｕ１相、前記Ｖ１相および前記Ｗ１相は、環状に直列接続されてデルタ結線されており、
   前記Ｕ２相、前記Ｖ２相および前記Ｗ２相は、他端が中性点に接続されてスター結線されていることを特徴とするモータ装置。
2. 請求項１に記載のモータ装置であって、
   前記Ｕ列スイッチ群、前記Ｖ列スイッチ群および前記Ｗ列スイッチ群は、それぞれ前記第１電位から順に上段スイッチ、中段スイッチおよび下段スイッチが直列接続され、
   前記第１系統および前記第２系統の一方の前記三相巻線が前記上段スイッチと前記中段スイッチの間に接続され、
   前記第１系統および前記第２系統の他方の前記三相巻線が前記中段スイッチと前記下段スイッチの間に接続されていることを特徴とするモータ装置。
3. 請求項１または２に記載のモータ装置であって、
   前記スイッチ制御部は、信号波と搬送波の比較によりパルス信号を生成し、前記各スイッチをＰＷＭ（Ｐｕｌｔｈ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）変調制御することを特徴とするモータ装置。
4. 請求項３に記載のモータ装置であって、
   前記信号波は、前記第１系統と前記第２系統とで振幅および位相が同じであることを特徴とするモータ装置。
5. 請求項１から４の何れか一つに記載のモータ装置であって、
   前記三相巻線は、前記ティース部の複数にまとめて巻回された分布巻きとして構成されていることを特徴とするモータ装置。
6. 請求項１から４の何れか一つに記載のモータ装置であって、
   前記三相巻線は、個々の前記ティース部に巻回された集中巻きとして構成されていることを特徴とするモータ装置。
7. 一つの回転子に対して第１系統および第２系統の三相巻線を備え、インバータスイッチ部からの出力により前記回転子が回転され、
   前記第１系統と前記第２系統の三相巻線は、前記回転子の回転方向における位相が１／１２周期だけ異なっており、前記Ｕ２相は前記Ｕ１相よりも前記Ｖ１相との位相差が小さく、
   前記第１系統の三相巻線がデルタ結線され、前記第２系統の三相巻線がスター結線されたモータ装置の駆動方法であって、
   前記第１系統および前記第２系統の各相における電流値を取得する電流値取得工程と、
   前記各相の前記電流値の平均値に基づいて、前記第１系統に対する第１指令電圧および前記第２系統に対する第２指令電圧を算出する指令電圧算出工程と、
   搬送波の電圧と、前記第１指令電圧および前記第２指令電圧を比較して、前記第１系統と前記第２系統についてのゲート信号を決定するゲート信号決定工程と、
   前記ゲート信号に基づいて前記インバータスイッチ部のオン信号／オフ信号を決定するインバータスイッチ制御工程とを備えることを特徴とするモータ装置の駆動方法。
   
   

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