JP3555570B2 - 複合モータの駆動回路 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複合モータの駆動回路に関し、特に断線や回路素子故障時の補償対策に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の複合モータとしては、例えば、特開平１１−２７５８２６号公報に記載されたものがある。また、上記の複合モータをさらに発展させた例として、本出願人の先願（特願平１１−２７３３０３号：未公開）がある。これは二つのロータを軸方向に直列に並べたものであり、ステータコイルは二つのロータに共通の１個の場合とそれぞれのロータが独立のステータコイルを有する場合とがある（後記図１２で詳細後述）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、ステータコイルとロータをそれぞれ独立に有する複合モータ（１台に組合わせた構造も２台別個の構造も含む）の場合に、二つのステータコイルにおける同極のコイルをそれぞれ並列に接続すれば、一つのインバータ回路から共通の複合電流を流すことにより、二つのロータをそれぞれ自由な回転速度で独立に回転させることができる。しかし、その構成では、二つのコイルを並列に接続していることにより、一方を駆動するための電流成分が他方のコイルにも流れることがあり、そのため無効な電流が大きくなって銅損等が増加するという問題があった。その問題を解決するため、本発明者は、自己のロータと相関のある位相の電流は流れ、相手方は同相で電流が流れない相を一つの中立点としてまとめるように、各ステータのコイルにおける中立点を複数に分割して接続し、両方のステータのコイルの各相をそれぞれ並列に接続することにより、無効な電流を抑制し、全体の効率を向上させた複合モータを既に出願している（特願平１１−３５１６１３号：未公開）。
【０００４】
上記のような複合モータの駆動回路としては、複合モータの相数と同じ相数のインバータ回路を設け、そのインバータ回路の各ゲート（インバータ回路を構成するトランジスタのベース）を例えばＰＷＭ信号でオン、オフ制御することによって複合モータの各相の巻線に電流を供給する回路を用いることが出来る。しかし、複合モータの巻線に断線が生じたり、インバータ回路等の回路素子に故障が生じた場合には、トルク変動、ノイズ、振動等が発生するという問題がある。
【０００５】
本発明は上記のごとき問題を解決するためになされたものであり、断線や回路素子に故障が生じた場合に、トルク変動、ノイズ、振動等の発生を抑制することの出来る複合モータの駆動回路を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明においては特許請求の範囲に記載するように構成している。すなわち、請求項１に記載の発明においては、自己のロータと相関のある位相の電流は流れ、相手方は同相で電流が流れない相を一つの中立点としてまとめるように、各ステータのコイルにおける中立点を複数に分割して接続し、両方のステータのコイルの各相をそれぞれ並列に接続して電源供給用のインバータ回路の対応する相に接続し、前記インバータ回路から両方のステータのコイルに複合電流を供給して両方のロータを独立に制御し、かつ、前記ステータコイルの各相からそれぞれインピーダンス素子を介して星型結線した点の電位を、前記各ステータコイルの仮想中立点電位として検出する仮想中立点電位検出手段を備え、前記複合モータの駆動電力を送出するインバータ回路の中立点電位を検出し、前記の検出した二つの中立点電位の差に応じて、前記差を小さくする方向に前記インバータ回路を駆動する信号を変化させるように構成している。
上記のように構成したことにより、本発明の駆動回路は負帰還（ネガティブフィードバック）制御系となり、相アンバランスを抑制するように電流が流れるので、断線や回路素子に故障が生じた場合に、トルク変動、ノイズ、振動等の発生を抑制するように動作する。
【０００７】
上記の各ステータのコイルの仮想中立点電位検出手段は、それぞれ並列に接続された二つのステータコイルの各相からそれぞれインピーダンス素子を介して星型結線した点の電位を、仮想中立点電位とするように構成したものである。この構成は例えば後記図１または図４に示す実施例に相当する。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明は、インバータ回路の中立点電位を検出する手段の構成例を示すものであり、各相の目標値から、ブリッジ回路を用いて或いは算術計算によって中立点電位を求めるように構成したものである。このように構成することにより、インバータ回路の回路素子に故障が生じた場合にも相アンバランスを抑制するように動作することが出来る。この構成は例えば後記図２、図３または図５、図６に示す実施例に相当する。
【０００９】
次に、請求項３に記載の発明は、複合モータの具体的な構成例を示すものであり、一方のロータが４極対で他方のロータが３極対であり、ステータコイルの電気的極数が１２相であり、前者を３相４極対で駆動し、後者を４相３極対で駆動する場合に、前者は３個おきに３個のコイルを接続して一つの中立点とすることによって合計４個の中立点を有し、後者は２個おきに４個のコイルを接続して一つの中立点とすることよって合計３個の中立点を有するものである。この構成は後記図１１の結線に相当する。
【００１０】
次に、請求項４に記載の発明は、複合モータの具体的な構成の他の例を示すものであり、一方のロータが４極対で他方のロータが３極対であり、ステータコイルの電気的極数が１２相であり、前者を３相４極対で駆動し、後者を４相３極対で駆動する場合に、前者は３個おきに３個のコイルを接続して一つの中立点とすることによって合計４個の中立点を有し、後者は５個おきに２個ずつのコイルを接続して一つの中立点とすることよって合計６個の中立点を有するものである。この構成は後記図１４の結線に相当する。
【００１１】
【発明の効果】
本発明においては、中立点を複数に分割し、自己のロータと相関のある位相の電流は流れ、相手方は同相で電流が流れない相を一つの中立点にまとめるように構成した複合モータにおいて、断線や回路素子に故障が生じた場合に、トルク変動、ノイズ、振動等の発生を抑制することが出来るという効果が得られる。
【００１２】
また、上記のように中立点が複数存在し、通常では中立点電位が求められない複合モータにおいても、仮想中立点電位を検出し、断線や回路素子に故障が生じた場合に、トルク変動、ノイズ、振動等の発生を抑制することが出来る。
また、請求項２においては、複合モータの巻線の断線時のみならず、インバータ回路の回路素子に故障が生じた場合にも相アンバランスを抑制するように動作することが出来る。
【００１３】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の基礎となる複合モータの例として、本出願人が以前に出願した特開平１１−２７５８２６号公報記載の複合モータの構造、およびその駆動回路について説明する。
図７は、上記公報記載の複合モータの構造を示す図であり、（ａ）は複合モータ全体の概略断面図、（ｂ）はロータとステータ部分の断面図〔（ａ）のＡ−Ａ’断面図、ただし軸や外枠部分は除き、ロータとステータのみを示す〕である。なお、図７は外側ロータの磁極数が４、内側ロータの磁極数が２で、その比である磁極数比が２：１の場合を示している。
【００１４】
図７において、中空円筒状のステータ２の外側と内側に所定のギャップをおいて中空円筒状の外側ロータ３と内側ロータ４が配置され、３層構造になっている。また、内側ロータ軸９と外側ロータ軸１０とは同一の軸上に並ぶように設けられ、内側ロータ４と外側ロータ３は同軸上でそれぞれ独立に回転出来るようになっている。なお、軸受等は図示を省略している。
【００１５】
内側ロータ４は半周をＳ極、もう半周をＮ極とした一対の永久磁石で形成され、これに対して、外側ロータ３は内側ロータ４の一極当たり２倍の極数を持つように永久磁石が配置される。つまり、外側ロータ３のＳ極、Ｎ極は各２個であり、９０度毎にＳ極とＮ極が入れ替わるように構成されている。
このように各ロータ３、４の磁極を配置すると、内側ロータ４の磁石は外側ロータ３の磁石により回転力を与えられることがなく、この逆に外側ロータ３の磁石が内側ロータ４の磁石により回転力を与えられることもない。
【００１６】
たとえば、内側ロータ４の磁石が外側ロータ３に及ぼす影響を考えてみる。簡単のため内側ロータ４は固定して考える。まず、内側ロータ４のＳ極とこれに対峙する外側ロータ３の上側磁石ＳＮとの関係において、図示の状態で仮に内側ロータ４のＳ極が出す磁力を受けて、外側ロータの上側磁石ＳＮが時計方向に回転しようとしたとすると、内側ロータ４のＮ極とこれに対峙する外側ロータ３の下側磁石ＳＮとの関係においては、内側ロータ４のＮ極により外側ロータ３の下側磁石ＳＮが反時計方向に回転しようとする。つまり、内側ロータ４のＳ極が外側ロータ３の上側磁石に及ぼす磁力と内側ロータ４のＮ極が外側ロータ３の下側磁石に及ぼす磁力とがちょうど相殺することになり、外側ロータ３は内側ロータ４と関係なく、ステータ２との関係だけで制御可能となるわけである。このことは、後述するようにステータコイルに発生する回転磁場とロータとの間でも同じである。
【００１７】
ステータ２のコイルは、外側ロータ３の１磁極当たり３個のコイル６で構成され、合計１２個（＝３×４）のコイル６が同一の円周上に等分に配置されている。丸で囲んだ数字はそれぞれコイルの巻線を示し、例えば１と１とが１つのコイルを形成し、それぞれ電流の方向が逆なことを示している。すなわち、１は紙面方向へ電流の流れる巻線であり、１はその逆方向に電流の流れる巻線である。この場合の巻線方法は集中巻である。
また、７はコイルが巻回されるコアで、コイル６と同数のコア７が円周上に等分に所定の間隔（ギャップ）８をおいて配列されている。
なお、後述するように、１２個のコイルは番号で区別しており、この場合に６番目のコイルという意味でコイル６が出てくる。上記のコイル６という表現と紛らわしいが、意味するところは異なっている。
【００１８】
これら１２個のコイルには次のような複合電流Ｉ１〜Ｉ１２を流す。
まず内側ロータ４に対する回転磁場を発生させる電流（三相交流）を流すため、［１，２］＝［７，８］、［３，４］＝［９，１０］、［５，６］＝［１１，１２］の３組のコイルに１２０度ずつ位相のずれた電流Ｉｄ、Ｉｆ、Ｉｅを設定する。
ここで、番号の下に付けたアンダーラインは反対方向に電流を流すことを意味させている。たとえば、１組のコイル［１，２］＝［７，８］に電流Ｉｄを流すとは、コイル１からコイル７に向けてＩｄの半分の電流を、かつコイル２からコイル８に向けてＩｄのもう半分の電流を流すことに相当する。１と２、７と８が円周上でそれぞれ近い位置にあるので、この電流供給により、内側ロータ４の磁極と同数（２極）の回転磁場を生じさせることが可能となる。
【００１９】
次に、外側ロータ３に対する回転磁場を発生させる電流（三相交流）を流すため、［１］＝［４］＝［７］＝［１０］、［２］＝［５］＝［８］＝［１１］、［３］＝［６］＝［９］＝［１２］の３組のコイルに１２０度ずつ位相がずれた電流Ｉａ、Ｉｃ、Ｉｂを設定する。
たとえば、１組のコイル［１］＝［４］＝［７］＝［１０］に電流Ｉａを流すとは、コイル１からコイル４にＩａの電流をかつコイル７からコイル１０に向けてもＩａの電流を流すことに相当する。コイル１と７、コイル４と１０がそれぞれ円周上の１８０度ずつ離れた位置にあるため、この電流供給により、外側ロータ３の磁極数と同数（４極）の回転磁場を生じさせることができる。
【００２０】
この結果、１２個のコイルには次の各複合電流Ｉ１〜Ｉ１２を流せばよいことになる。
Ｉ１＝（１／２）Ｉｄ＋Ｉａ
Ｉ２＝（１／２）Ｉｄ＋Ｉｃ
Ｉ３＝（１／２）Ｉｆ＋Ｉｂ
Ｉ４＝（１／２）Ｉｆ＋Ｉａ
Ｉ５＝（１／２）Ｉｅ＋Ｉｃ
Ｉ６＝（１／２）Ｉｅ＋Ｉｂ
Ｉ７＝（１／２）Ｉｄ＋Ｉａ
Ｉ８＝（１／２）Ｉｄ＋Ｉｃ
Ｉ９＝（１／２）Ｉｆ＋Ｉｂ
Ｉ１０＝（１／２）Ｉｆ＋Ｉａ
Ｉ１１＝（１／２）Ｉｅ＋Ｉｃ
Ｉ１２＝（１／２）Ｉｅ＋Ｉｂ
ただし、電流記号の下につけたアンダーラインは逆向きの電流であることを表している。
【００２１】
さらに図８を参照して複合電流の設定を説明すると、図８は、図７との比較のため、ステータ２の内周側と外周側に各ロータに対して別々の回転磁場を発生させる専用のコイルを配置したものである。つまり、内周側コイルｄ、ｆ、ｅの配列が内側ロータに対する回転磁場を、また外周側コイルａ、ｃ、ｂの配列が外側ロータに対する回転磁場を発生する。この場合に、二つの専用コイルを共通化して、図７に示した共通のコイルに再構成するには、内周側コイルのうち、コイルｄに流す電流の半分ずつをコイルｄの近くにあるコイルａとｃに負担させ、同様にして、コイルｆに流す電流の半分ずつをコイルｆの近くにあるコイルｂとａに、またコイルｅに流す電流の半分ずつをコイルｅの近くにあるコイルｃとｂに負担させればよいわけである。上記複合電流Ｉ１〜Ｉ１２の式はこのような考え方を数式に表したものある。なお、電流設定の方法はこれに限られるものでなく、前記特開平１１−２７５８２６号公報に記載のように、他の電流設定方法でもかまわない。
【００２２】
このように電流設定を行うと、共通のコイルでありながら、内側ロータ４に対する回転磁場と外側ロータ３に対する回転磁場との二つの磁場が同時に発生するが、内側ロータ４の磁石は外側ロータ３に対する回転磁場により回転力を与えられることがなく、また外側ロータ３の磁石が内側ロータ４に対する回転磁場により回転力を与えられることもない。この点は前記特開平１１−２７５８２６号公報に記載のように、理論解析で証明されている。
【００２３】
上記Ｉｄ、Ｉｆ、Ｉｅの電流設定は内側ロータ４の回転に同期して、また上記Ｉａ、Ｉｃ、Ｉｂの電流設定は外側ロータ３の回転に同期してそれぞれ行う。トルクの方向に対して位相の進み遅れを設定するが、これは同期モータに対する場合と同じである。
【００２４】
図９は上記複合モータを制御するための回路のブロック図である。
上記複合電流Ｉ１〜Ｉ１２をステータコイルに供給するため、バッテリなどの電源１１からの直流電流を交流電流に変換するインバータ回路１２を備える。瞬時電流の全ての和は０になるためこのインバータ回路１２は、図１０に詳細を示したように、通常の３相ブリッジ型インバータ回路を１２相にしたものと同じで、２４（＝１２×２）個のトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ２４とこのトランジスタと同数のダイオードから構成される。
インバータ回路１２の各ゲート（トランジスタのベース）に与えるＯＮ、ＯＦＦ信号はＰＷＭ信号である。
【００２５】
各ロータ３、４を同期回転させるため、各ロータ３、４の位相を検出する回転角センサ１３、１４が設けられ、これらセンサ１３、１４からの信号が入力される制御回路１５では、外側ロータ３、内側ロータ４に対する必要トルク（正負あり）のデータ（必要トルク指令）に基づいてＰＷＭ信号を発生させる。
【００２６】
このように、前記特開平１１−２７５８２６号公報に記載の複合モータにおいては、二つのロータ３、４と１つのステータ２を三層構造かつ同一の軸上に構成すると共に、ステータ２に共通のコイル６を形成し、この共通のコイル６にロータの数と同数の回転磁場が発生するように複合電流を流すようにしたことから、ロータの一方をモータとして、残りをジェネレータとして運転する場合に、モータ駆動電力と発電電力の差の分の電流を共通のコイルに流すだけでよいので、効率を大幅に向上させることができる。
【００２７】
また、二つのロータに対してインバータ回路が１つでよくなり、さらにロータの一方をモータとして、残りをジェネレータとして運転する場合には、上記のように、モータ駆動電力と発電電力の差の分の電流を共通のコイルに流すだけでよくなることから、インバータ回路の電力スイッチングトランジスタのキャパシタンスを減らすことができ、これによってスイッチング効率が向上し、より全体効率が向上する。
【００２８】
上記の構成においては、二つのロータを内側と外側に設けているが、二つのロータを直列方向に設けることも出来る。図１２（ａ）は直列方向に設けた場合の概略図であり、本出願人の先願（特願平１１−２７３３０３号：未公開）の図３に相当する。また、図１２（ｂ）は上記の構造をさらに発展させたものであり、図１２（ａ）の構造を二つに分割し、一つのロータと一つのステータコイルを持つモータを２個設けたものである。このようにロータとステータコイルとの組が二つ別々に存在する構成でも、両方のステータコイルを並列接続して前記のごとき複合電流を流すことにより、二つのロータを一つのインバータ回路を用いて独立に制御することが出来る。ただし、ロータの極対数（磁極対の数：ＮとＳで１対）とステータコイルの相数が二つのモータで同じであれば、両モータに同じ電流が流れることになり、各ロータを独立に制御することは出来ない。したがって上記のような構成では、二つのロータは極対数の数が異なっていることが必要であり、かつ並列接続するためにはステータコイルの電気的極数（極対数×相数）が同じである必要がある。例えば一方のモータが３相４極対で他方のモータが４相３極対であれば電気的極数は双方とも３×４＝４×３＝１２相となり、並列接続することが出来る。
【００２９】
上記の構成では、ステータコイルの各コイルの一端をインバータ回路のそれぞれの相の出力端子に接続し、他の一端は共通に接続して中立点とする。そして二つのモータを並列接続する場合には、二つのモータの各コイルの一端をインバータ回路の同じ相の出力端子に共通に接続する（例えば前記特願平１１−２７３３０３号の図４）。
【００３０】
上記のように二つのモータのステータコイルを並列にインバータ回路の出力に接続した場合には、一方のロータを駆動すべき電流が他方のステータコイルにも流れる。この電流はロータの回転と相関がないので、当該モータの駆動力発生には寄与しない。そしてこのような無効な電流が流れると銅損等の損失が発生するので、モータ全体の効率が低下し、かつ発熱の増大等の悪影響が生じる。
【００３１】
上記の問題を解決するため、中立点の接続を変えた構成について説明する。 図１１はステータコイルの結線図、図１２は複合モータの概略断面図、図１３は駆動回路の全体の構成を示すブロック図である。
まず、図１２に基づいて構造の概略を説明する。図１２（ａ）は二つのステータと二つのロータが一体のモータとして組み合わされた場合、図１２（ｂ）はそれぞれ一つのステータと一つのロータを有するモータを２台用いる場合を示す。
【００３２】
図１２（ａ）に示す構造は、一つのケース内に左モータと右モータとの二つのモータが組み込まれたものであり、左モータは左ロータ２１、左ステータコイル２２、左モータ軸２３からなり、右モータは右ロータ２４、右ステータコイル２５、右モータ軸２６からなる。左モータ軸２３と右モータ軸２６とは同軸上に並んでいる。なお、軸方向から見た正面図は前記図７（ｂ）から外側ロータ３を除いたものと同じである。また、ステータコイル内にはステータコアがあり、ロータには磁極（例えば永久磁石）が設けられているが、図示を省略している。
【００３３】
図１２（ｂ）は図１２（ａ）の構造を二つに分けたものと同じであり、ロータ２７、ステータコイル２８、モータ軸２９からなるモータを２台用いるものである。ただし、前記のように両モータは極対数（磁極対の数：ＮとＳで１対）の数が異なっていることが必要であり、かつ並列接続するためにはステータコイルの電気的極数（極対数×相数）が同じである必要がある。例えば一方のモータが３相４極対で他方のモータが４相３極対である。このような構成のモータは、例えば１個を車両の前輪駆動用、他の１個を後輪駆動用として用いることが出来る。
【００３４】
上記のように、図１２（ａ）に示した複合モータは、二つのロータとそれぞれに対峙するステータとが２軸のモータとして一つの構造に組み合わされているものであり、また、図１２（ｂ）に示した複合モータは、二つのロータとそれぞれに対峙するステータが、それぞれ一つのロータとステータからなる２個のモータとして独立の構造となっている。
【００３５】
図１３は、全体の結線を示すブロック図であり、前記図９に対応する。図１３において、３０と３１は前記図１２（ｂ）に示したような２台のモータであり、３０は３相４極対、３１は４相３極対である。また、３４と３５はそれぞれのモータのロータの位相を検出する回転角センサであり、それぞれの位相信号Ｓ３、Ｓ４は制御回路３３へ送られる。制御回路３３は上記の位相信号Ｓ３、Ｓ４および外部から与えられるトルク指令信号Ｓ１、Ｓ２を入力し、それらに対応した複合電流を流すための１２相のＰＷＭ信号（一般的には１相について正相信号と逆相信号の２信号からなる）を演算し、それをインバータ回路３２へ送る。インバータ回路３２は１２相のインバータ回路を有し、それぞれの出力を各モータ３０、３１のステータコイルへ送る。両モータの各ステータコイルは並列に接続されているが、中立点は次の図１１で説明するように従来の接続とは異なっている。
【００３６】
図１１は、ステータコイルの接続と流れる電流の位相を示す図であり、（ａ）は３相４極対のモータ、（ｂ）は４相３極対のモータを示す。図１１において、Ｌはステータコイルであり、番号１〜１２は１２相の各ステータコイルの入力端子を示す。これらの入力端子は、（ａ）の番号１と（ｂ）の番号１とが共通にインバータ回路の出力端子１へ接続され、図１３に示したように並列接続になっている。また、図１１（ａ）のａ、ｂ、ｃ、ｄおよび図１１（ｂ）のＡ、Ｂ、Ｃは中立点を示す。また、０°、１２０°、−１２０°、９０°、１８０°、−９０°等の度数は自己のコイルに流れる電流の位相を示し、（０°）のように括弧付きの度数は相手方のモータの対応する端子に流れる電流の位相を示す。
【００３７】
図１１（ａ）に示すように、３相４極対のモータでは、１相、５相、９相が中立点ａに接続され、２相、６相、１０相が中立点ｂに接続され、３相、７相、１１相が中立点ｃに接続され、４相、８相、１２相が中立点ｄに接続されている。つまり３個おきに３個のコイルを接続して一つの中立点とすることによって合計４個の中立点を設けている。
【００３８】
一方、図１１（ｂ）に示すように、４相３極対のモータでは、１相、４相、７相、１０相が中立点Ａに接続され、２相、５相、８相、１１相が中立点Ｂに接続され、３相、６相、９相、１２相が中立点Ｃに接続されている。つまり、２個おきに４個のコイルを接続して一つの中立点とすることよって合計３個の中立点を設けている。
【００３９】
上記のように接続すると、３相４極対のモータでは、中立点が共通に接続された各コイルには０°、１２０°、−１２０°の電流が流れて回転磁界が発生するが、それぞれの端子に対応する４相３極対のモータでは、全て同位相となるので電流が流れない。例えば、３相４極対のモータの端子１、５、９では０°、１２０°、−１２０°となるが、４相３極対のモータの同じ端子１、５、９では全て０°になる。逆に４相３極対のモータの端子１、４、７、１０では０°、−９０°、１８０°、９０°となるが、３相４極対のモータの同じ端子１、４、７、１０では全て０°となる。このように同じ位相となるコイルを一つの中立点に纏めると電流は流れない。したがって、図１１に示すように結線すると、二つのモータにはそれぞれ自己と相関のある電流、すなわち自己のロータを駆動する回転磁界を発生するための電流成分のみが流れ、相手と相関のある電流成分は流れないことになる。すなわち、無効電流が流れないことになり、それによって銅損や発熱の増大を防止することが出来る。
【００４０】
上記の説明は、３相４極対のモータと４相３極対のモータとの場合を例として説明したが、これに限られるものではなく、両モータが極対数が異なっており、かつステータコイルの電気的極数（極対数×相数）が同じであれば可能である。例えば、上記と同じ電気的極数が１２相の場合でも３相４極対のモータと６相２極対のモータでもよい。さらに、３相５極対のモータと５相３極対のモータ（電気的極数は１５相）、３相６極対のモータと６相３極対のモータ（電気的極数は１８相）、４相６極対のモータと６相４極対のモータ（電気的極数は２４相）のような組合せも可能である。要するに、中立点を複数に分割し、自己のロータと相関のある位相の電流は流れ、相手方は同相で電流が流れない相を一つの中立点にまとめればよい。このようにすれば、自己のロータに同期した回転交流には中立点として動作し、同期しない回転交流（相手方）には同相となって電流が流れない。したがって並列接続ではあるが、それぞれのモータに同調する電流しか流れなくなり、一つのインバータ回路から二つのモータに電流を供給しても全く別個のインバータ回路とモータとの組合せと同様の効率が実現出来る。そしてインバータ回路が１個で済むので、インバータ回路の熱容量を大幅に減少させることが出来る。
【００４１】
本発明は、上記のごとき特別な並列接続を行った複合モータにおける駆動回路に関するものである。以下、説明する。
図１および図２は本発明の駆動回路の第１の実施例を示す回路図であり、前記図１１に示した接続を行った複合モータの駆動回路に適用した場合を示す。
図１は複合モータの結線部分を示す回路図、図２は駆動回路部分を示す回路図であり、図１と図２の回路はＡとＢの個所で接続されている。
【００４２】
まず、図１において、４０は前記図１１（ａ）に示した３相４極対のモータの各ステータコイル、４１は前記図１１（ｂ）に示した４相３極対のモータの各ステータコイルである。各ステータコイルの中立点は、前記図１１で説明したごとく、自己のロータと相関のある位相の電流は流れ、相手方は同相で電流が流れない相を一つの中立点としてまとめるように接続されている。また、４２は仮想中立点電位検出回路であり、４０や４１と同じ電気的極数（１２相）のインピーダンスＺを星型接続し、中点をＡとしている。各相のインピーダンスの他端は並列に接続された二つのモータのステータコイルの一端に接続されている。なお、図１においてはインピーダンスＺの１、２、３のみに接続した状態を記載し、他の相は省略している。また、並列に接続された二つのモータのステータコイルの一端は、それぞれインバータ回路の対応する相の出力端子に接続されているが、図１では記載を省略している。
【００４３】
本発明を適用する複合モータは、中立点が複数存在するため、通常の方法では中立点電位を検出することが出来ないが、上記のような仮想中立点電位検出回路４２を設けることにより、中立点電位に相当する値を検出することが可能となった。
【００４４】
次に、図２において、５１は直流電源（例えば自動車駆動用のバッテリ）、５２はインバータ回路（図９の１２に相当する部分）、５３はインバータ回路の中立点電位検出回路、５４は差動増幅器、５５はローパスフィルタ、５６はＰＷＭ信号発生回路（図９の１５に相当する部分）である。また、図１の仮想中立点電位検出回路４２の中点Ａは負荷抵抗Ｒｍを介して接地されている。インバータ回路５２は実際には前記図７に示したように１２相分設けられているが、本図では１相分のみを示している。また、インバータ回路の中立点電位検出回路５３は相数と同数個のインピーダンス素子Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、…、と抵抗Ｒｉからなり、各インピーダンス素子Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、…、の一端は、各相の目標電圧入力端子に接続され、他の一端は一つに纏められて（星型結線）負荷抵抗Ｒｉに接続されている。このように各相の目標電圧からインバータ回路の中立点電位を検出することが出来る。
【００４５】
モータの仮想中立点電位検出回路の中点Ａの電圧とインバータ回路の中立点Ｎｉの電圧は差動増幅器５４に送られてその差が求められる。そしてローパスフィルタ５５で高周波成分（主としてインバータ回路のスイッチングノイズ成分）を除いた後、ＰＷＭ信号発生回路５６へ送られ、外部から与えられる目標値（必要トルクに対応する指令信号、具体的には電圧値または電流値）に応じたＰＷＭ信号演算に加味される。ＰＷＭ信号発生回路５６から送出される（＋）ＰＷＭ信号と（−）ＰＷＭ信号は相互に逆位相の信号であり、インバータ回路５２へ送られて、各相のトランジスタＴ１とＴ２を逆位相で開閉する。なお、ＰＷＭ信号発生回路５６に与えられる目標値は各相毎に与えられ、それぞれのＰＷＭ信号が対応する相のインバータ回路に送られる。
【００４６】
ＰＷＭ信号発生回路５６において、５７はキャリアを発生する発振器、５８は発振器５７の信号から三角波を発生する三角波発生器である。ローパスフィルタ５５を介して与えられる中立点の差分電圧と前記目標電圧とを加算器５９で加算し、その結果を比較器６０で前記三角波と比較することにより、ＰＷＭ信号を発生する。そしてそのＰＷＭ信号をそのまま（＋）ＰＷＭ信号として出力し、また、反転器６１で反転した信号を（−）ＰＷＭ信号として出力する。なお、中立点の差分電圧と三角波とを加算器５９で加算し、その結果と前記目標電圧とを比較器６０で比較することによってＰＷＭ信号を発生してもよい。
【００４７】
なお、図２の回路においては、電圧フィードバック回路としているので、次の構成が追加されている。すなわち、図１のＢ点（ステータコイル１と仮想中立点電位検出回路４２のインピーダンスＺとの接続点、すなわちインバータ回路の出力端）の電圧は、バッファ回路６２を介して差動増幅器６３に与えられ、加算器５９の出力との差電圧を求め、それを比較器６０に与えて三角波と比較することにより、ＰＷＭ信号を作る。この回路は、インバータ回路５２の出力電圧をＰＷＭ信号に加味したものであり、電圧フィードバックを構成している。このようにインバータ回路の実際の出力電圧を検出してそれをフィードバックすることにより、さらに正確な制御を行うことが出来る。なお、電圧フィードバックを行わない場合は、バッファ回路６２、差動増幅器６３の部分を削除し、加算器５９の出力を直接に比較器６０へ与えればよい。
【００４８】
また、図２ではステータコイル１の相のフィードバック回路のみを示しているが、他の相についてもそれぞれ同様の回路を設ける。同様に、ＰＷＭ信号発生回路５６とインバータ回路５２も１相分のみを示しているが、実際には各相についてＰＷＭ信号発生回路とインバータ回路が存在し、それぞれのＰＷＭ信号に応じて動作する。ただし、中立点電位検出回路５３、差動増幅器５４、ローパスフィルタ５５は共通であり、また、ＰＷＭ信号発生回路５６内の発振器５７と三角波発生器５８も共通に使用することが出来る。
【００４９】
以下、作用を説明する。
一例として、複合モータの多相巻線のうちの１相が断線した場合を考える。この場合、インバータ回路の中立点電位検出回路５３の各インピーダンス素子の星型結線の方には、インバータ回路による多相電圧が発生する。この星型結線の中立点Ｎｉはインバータ回路発生電圧の中立点になるから、巻線が断線した相にも電圧が発生している。そして断線のため電流が流れないので、電圧変化は顕著になる。
【００５０】
一方、モータの仮想中立点電位検出回路４２の中点Ａは、１相分の電流が流れないので、断線相が（＋）電圧であれば中立点電位は（−）電圧となり、断線相が（−）電圧であれば中立点電位は（＋）電圧となる。すなわち、多相交流の相電流の和は常にゼロであるから、中立点電位の変化は断線した１相分の変化と符号は反対でスカラー量は等しくなる。
【００５１】
上記のインバータ回路の中立点Ｎｉの電圧とモータの仮想中立点電位検出回路４２の中点Ａの電圧との差を差動増幅器５４で求め、その差分だけＰＷＭ信号発生回路５６にオフセットを与える。具体的には、例えばＰＷＭ信号演算の三角波に上記差分に対応したオフセットを与える。例えばモータの中点Ａの電位がインバータ回路の中立点Ｎｉの電位よりも低い場合には、三角波のオフセット方向を（＋）ＰＷＭ信号のデューティ比を増加させ、（−）ＰＷＭ信号のデューティ比を減少させる方向に上記差分に対応して移動させる。すなわち、二つの中立点電位の差に応じて、その差を小さくする方向にＰＷＭ信号のデューティ比を変化させる。なお、上記の（＋）ＰＷＭ信号と（−）ＰＷＭ信号とは相互に逆位相の信号である。
【００５２】
上記のように構成した回路は、負帰還（ネガティブフィードバック）制御系となり、断線した相のトルクを補償するように他の相のトルクベクトルが変化するので相アンバランスを抑制するように動作する。そのためモータ巻線や接続線が断線した場合に、トルク変動、ノイズ、振動等の発生を抑制することが出来る。
【００５３】
なお、図２の回路において、インバータ回路の中立点電位検出回路５３を構成する各インピーダンス素子Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、…、としては、例えば抵抗またはコンデンサを用いることが出来る。上記のインピーダンス素子としてコンデンサを用いた場合は、直流分をカットするので、電圧の変化分のみが現われる。位相ずれが生じても多相交流の和（ゼロ）は変化しないから中立点は常時ゼロになる。この場合、上記インピーダンス素子として用いたコンデンサはノイズカット用のコンデンサＣ１を兼ねることが出来る。そしてこの場合には負荷抵抗Ｒｉは比較的小さな値とし、両者で時定数ＲＣのハイパスフィルタが構成される。このハイパスフィルタと前記のローパスフィルタ５５とでバンドパスフィルタを構成することになり、両フィルタのカットオフ周波数で定まる通過帯域成分をフィードバックすることになる。
【００５４】
また、図２の回路は、インバータ回路の中立点電位検出回路５３として、外部から与えられる目標電圧からブリッジ回路を用いてインバータ回路の中立点電位を検出するように構成している。すなわち、中立点電位検出回路５３の各インピーダンス素子Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、…、の一端は、各相の目標電圧入力端子に接続され、他の一端は一つに纏められて負荷抵抗Ｒｉに接続されている。このように構成すると、インバータ回路の回路素子（例えばトランジスタ）が故障してその相の出力が異常になった場合には、モータの仮想中立点電位検出回路４２の中点Ａの電位には変動が現われるが、インバータ回路の中立点電位は正常値に保たれるので、両者の差電圧を確実に検出することが出来る。したがって、この構成ではインバータ回路の回路素子等が故障した場合にもトルク変動等を抑制することが出来る。
【００５５】
また、上記のようにアナログ回路を用いる方法の他に、各相の目標電圧から算術計算を用いてインバータ回路の中立点電位を検出することも出来る。例えば、コンピュータ等の演算装置で各相の目標電圧を単純に加算してその時点における瞬時電圧を求め、それをアナログ電圧に変換してそれをインバータ回路中立点電位とすればよい。
【００５６】
次に、図３は図２の回路の変形である。この回路は、図２の回路において、二つの中立点電位の差と目標電圧とを加算する加算器５９の出力を制限するリミッタ回路６５を設けたものである。なお、リミッタ回路６５は加算器５９の出力を所定の上限値以下に制限するか、或いは出力の変化速度（時定数）を所定値以下に制限する。この構成によれば、加算器５９から出力される制御の指令値が急激に大きくなるのを制限するので、動作の安定性を向上させることができる。このようにリミッタ回路６５による制限を設けた場合でも、制限した分は他相が補うので、性能の低下は生じない。なお、この回路において上記リミッタ回路６５以外の部分は前記図２と同じであり、回路の変形例（電圧フィードバックの有無、ＰＷＭ信号の作成方法等）も図２と同じである。
【００５７】
次に、図４および図５は本発明の駆動回路の第２の実施例を示す回路図であり、前記図１１に示した接続を行った複合モータの駆動回路に適用した場合を示す。図４は複合モータの結線部分を示す回路図、図５は駆動回路部分を示す回路図であり、図４と図５の回路はＡ、Ｂ、Ｃの個所で接続されている。
【００５８】
図４において、仮想中立点電位検出回路４２の各相のインピーダンスの一端は、抵抗Ｒを介して並列に接続された二つのモータのステータコイルの一端に接続されている。そしてステータコイルと抵抗Ｒの接続点（インバータ回路に接続される点）をＣとする。
【００５９】
また、図５の回路は、インバータ回路５２の各相の出力端子とモータの各ステータコイル間に挿入した電流検出用の抵抗Ｒの両端の電圧を差動増幅器６４で検出し、それを差動増幅器６３に与えるように構成したものである。なお、前記図２で説明した回路の変形例（ＰＷＭ信号の作成方法や電流フィードバックの有無）は同様に適用出来る。
この回路は、インバータ回路５２の出力電流をＰＷＭ信号に加味したものであり、電流フィードバックを構成している。このように実際の電流を検出してフィードバックしても図２と同様の効果が得られる。なお、図５では１相についてのフィードバック回路のみを示しているが、他の相についてもそれぞれ同様の回路を設ける。
【００６０】
次に、図６は図５の回路の変形である。この回路は、図５の回路において、二つの中立点電位の差と目標電圧とを加算する加算器５９の出力を制限するリミッタ回路６５を設けたものである。この回路においては、前記図３と同様の効果が得られる。なお、この回路において上記リミッタ回路６５以外の部分は前記図５と同じであり、回路の変形例（電流フィードバックの有無、ＰＷＭ信号の作成方法等）も図５と同じである。
【００６１】
次に、図１４は本発明を適用する複合モータの他の結線図である。
図１４の構成も３相４極対のモータと４相３極対のモータの組合せを示し、（ａ）は３相４極対のモータ、（ｂ）は４相３極対のモータとの結線を示す。
図１４において、（ａ）の３相４極対のモータの結線は図１１と同じであるが、（ｂ）の４相３極対のモータにおいては、対角線上のコイル同士を接続しており、中立点はＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆの６個所となる。このように接続した場合には、対角線同士でも位相が１８０°異なるので、電流は流れる。そして相手方の電流成分は同位相であるから電流が流れない。したがって図１１の場合と同様の効果が得られる。
【００６２】
次に、図１５は、本発明を適用する複合モータのさらに他の結線図である。 図１５においては、図１１のように、相手の電流が全く流れない結線ではないが、実用的構造として結線が容易な例を示す。図１５（ａ）は３相４極対のモータ、（ｂ）は４相３極対のモータを示す。図のように、隣合った３個または４個のコイルを接続する方が実際のモータを組み立てる場合に、コイル間の結線長が短くなるので銅損を減少させることが出来、かつ結線が容易になるので実用的に有利である。この場合には、図１１等に記載したステータコイルの中立点の接続を近似的に満足するように、隣合った複数のコイルを接続している。
【００６３】
図１６は、図１５の回路における無効電流の大きさを示すベクトル図である。図１６において、ａ〜ｄ、Ａ〜Ｃは図１５の同符号を付した個所のベクトルを示し、矢印は２相分の電流値を示す。また、×印は逆方向のベクトルで相互に打ち消す成分を示している。
図１６のａ〜ｄに示すように、３相４極対のモータでは、１２相のベクトル成分のうち８相分が相互に打ち消すので、４／１２だけの無効電流が流れる。また、４相３極対のモータでは、Ａ〜Ｃに示すように、１２相のベクトル成分のうち、９相分が相互に打ち消すので、３／１２だけの無効電流が流れることになる。
【００６４】
次に、図１７は本発明を適用する複合モータのさらに他の結線図である。
これまでの説明では、Ｙ結線に付いて説明したが、この実施の形態は、Δ結線に適用したものである。図１７は前記図１１に示したＹ結線をΔ結線に変換したものであり、（ａ）は３相４極対のモータ、（ｂ）は４相３極対のモータを示す。作用効果は図１１と同様である。また、図１８は図１５に示した構成をΔ結線に変換したものであり、（ａ）は３相４極対のモータ、（ｂ）は４相３極対のモータを示す。作用効果は図１５と同様である。すなわち、図１７、図１８に示した構造は、図１１や図１５に示したＹ結線と等価なΔ結線である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例における複合モータの結線部分を示す回路図。
【図２】本発明の第１の実施例における駆動回路部分を示す回路図。
【図３】本発明の第１の実施例における他の駆動回路部分を示す回路図。
【図４】本発明の第２の実施例における複合モータの結線部分を示す回路図。
【図５】本発明の第２の実施例における駆動回路部分を示す回路図。
【図６】本発明の第２の実施例における他の駆動回路部分を示す回路図。
【図７】複合モータの一例の構造を示す図であり、（ａ）は複合モータ全体の概略断面図、（ｂ）はロータとステータ部分の断面図。
【図８】駆動システムの一例のブロック図。
【図９】複合モータを制御するための回路のブロック図。
【図１０】インバータ回路の一例の回路図。
【図１１】ステータコイルの結線図。
【図１２】複合モータの概略断面図。
【図１３】駆動回路の全体の構成を示すブロック図。
【図１４】ステータコイルの他の結線図。
【図１５】ステータコイルのさらに他の結線図。
【図１６】図１５の回路における無効電流の大きさを示すベクトル図。
【図１７】図１１の結線に相当するΔ結線の結線図。
【図１８】図１５の結線に相当するΔ結線の結線図。
【符号の説明】
１…複合モータ ２…ステータ
３…外側ロータ ４…内側ロータ
５…外枠 ９…内側ロータ軸
１０…外側ロータ軸 １１…電源
１２インバータ回路 １３、１４…回転角センサ
１５…制御回路
２１…左ロータ ２２…左ステータコイル
２３…左モータ軸 ２４…右ロータ
２５…右ステータコイル ２６…右モータ軸
２７…ロータ ２８…ステータコイル
２９…モータ軸 ３０…３相４極対モータ
３１…４相３極対モータ ３２…インバータ回路
３３…制御回路 ３４、３５…回転角センサ
Ｓ１、Ｓ２…トルク指令信号 Ｓ３、Ｓ４…位相信号
Ｌ…ステータコイル Ｚ…インピーダンス
ａ、ｂ、ｃ、ｄ…中立点 Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ…中立点
５１…電源 ５２…インバータ回路
５３…インバータ回路中立点電位検出回路 ５４…差動増幅器
５５…ローパスフィルタ ５６…ＰＷＭ信号発生回路
５７…発振器 ５８…三角波発生器
５９…加算器 ６０…比較器
６１…反転器 ６２…バッファ
６３、６４…差動増幅器 ６５…リミッタ回路
Ｚ１〜Ｚ３…インピーダンス Ｎｉ…インバータ回路中立点
Ｒｍ、Ｒｉ…負荷抵抗 Ｔ１、Ｔ２…トランジスタ
Ｄ１、Ｄ２…ダイオード Ｃ１…コンデンサ
Ｒ１…抵抗
【発明の属する技術分野】
本発明は、複合モータの駆動回路に関し、特に断線や回路素子故障時の補償対策に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の複合モータとしては、例えば、特開平１１−２７５８２６号公報に記載されたものがある。また、上記の複合モータをさらに発展させた例として、本出願人の先願（特願平１１−２７３３０３号：未公開）がある。これは二つのロータを軸方向に直列に並べたものであり、ステータコイルは二つのロータに共通の１個の場合とそれぞれのロータが独立のステータコイルを有する場合とがある（後記図１２で詳細後述）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、ステータコイルとロータをそれぞれ独立に有する複合モータ（１台に組合わせた構造も２台別個の構造も含む）の場合に、二つのステータコイルにおける同極のコイルをそれぞれ並列に接続すれば、一つのインバータ回路から共通の複合電流を流すことにより、二つのロータをそれぞれ自由な回転速度で独立に回転させることができる。しかし、その構成では、二つのコイルを並列に接続していることにより、一方を駆動するための電流成分が他方のコイルにも流れることがあり、そのため無効な電流が大きくなって銅損等が増加するという問題があった。その問題を解決するため、本発明者は、自己のロータと相関のある位相の電流は流れ、相手方は同相で電流が流れない相を一つの中立点としてまとめるように、各ステータのコイルにおける中立点を複数に分割して接続し、両方のステータのコイルの各相をそれぞれ並列に接続することにより、無効な電流を抑制し、全体の効率を向上させた複合モータを既に出願している（特願平１１−３５１６１３号：未公開）。
【０００４】
上記のような複合モータの駆動回路としては、複合モータの相数と同じ相数のインバータ回路を設け、そのインバータ回路の各ゲート（インバータ回路を構成するトランジスタのベース）を例えばＰＷＭ信号でオン、オフ制御することによって複合モータの各相の巻線に電流を供給する回路を用いることが出来る。しかし、複合モータの巻線に断線が生じたり、インバータ回路等の回路素子に故障が生じた場合には、トルク変動、ノイズ、振動等が発生するという問題がある。
【０００５】
本発明は上記のごとき問題を解決するためになされたものであり、断線や回路素子に故障が生じた場合に、トルク変動、ノイズ、振動等の発生を抑制することの出来る複合モータの駆動回路を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明においては特許請求の範囲に記載するように構成している。すなわち、請求項１に記載の発明においては、自己のロータと相関のある位相の電流は流れ、相手方は同相で電流が流れない相を一つの中立点としてまとめるように、各ステータのコイルにおける中立点を複数に分割して接続し、両方のステータのコイルの各相をそれぞれ並列に接続して電源供給用のインバータ回路の対応する相に接続し、前記インバータ回路から両方のステータのコイルに複合電流を供給して両方のロータを独立に制御し、かつ、前記ステータコイルの各相からそれぞれインピーダンス素子を介して星型結線した点の電位を、前記各ステータコイルの仮想中立点電位として検出する仮想中立点電位検出手段を備え、前記複合モータの駆動電力を送出するインバータ回路の中立点電位を検出し、前記の検出した二つの中立点電位の差に応じて、前記差を小さくする方向に前記インバータ回路を駆動する信号を変化させるように構成している。
上記のように構成したことにより、本発明の駆動回路は負帰還（ネガティブフィードバック）制御系となり、相アンバランスを抑制するように電流が流れるので、断線や回路素子に故障が生じた場合に、トルク変動、ノイズ、振動等の発生を抑制するように動作する。
【０００７】
上記の各ステータのコイルの仮想中立点電位検出手段は、それぞれ並列に接続された二つのステータコイルの各相からそれぞれインピーダンス素子を介して星型結線した点の電位を、仮想中立点電位とするように構成したものである。この構成は例えば後記図１または図４に示す実施例に相当する。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明は、インバータ回路の中立点電位を検出する手段の構成例を示すものであり、各相の目標値から、ブリッジ回路を用いて或いは算術計算によって中立点電位を求めるように構成したものである。このように構成することにより、インバータ回路の回路素子に故障が生じた場合にも相アンバランスを抑制するように動作することが出来る。この構成は例えば後記図２、図３または図５、図６に示す実施例に相当する。
【０００９】
次に、請求項３に記載の発明は、複合モータの具体的な構成例を示すものであり、一方のロータが４極対で他方のロータが３極対であり、ステータコイルの電気的極数が１２相であり、前者を３相４極対で駆動し、後者を４相３極対で駆動する場合に、前者は３個おきに３個のコイルを接続して一つの中立点とすることによって合計４個の中立点を有し、後者は２個おきに４個のコイルを接続して一つの中立点とすることよって合計３個の中立点を有するものである。この構成は後記図１１の結線に相当する。
【００１０】
次に、請求項４に記載の発明は、複合モータの具体的な構成の他の例を示すものであり、一方のロータが４極対で他方のロータが３極対であり、ステータコイルの電気的極数が１２相であり、前者を３相４極対で駆動し、後者を４相３極対で駆動する場合に、前者は３個おきに３個のコイルを接続して一つの中立点とすることによって合計４個の中立点を有し、後者は５個おきに２個ずつのコイルを接続して一つの中立点とすることよって合計６個の中立点を有するものである。この構成は後記図１４の結線に相当する。
【００１１】
【発明の効果】
本発明においては、中立点を複数に分割し、自己のロータと相関のある位相の電流は流れ、相手方は同相で電流が流れない相を一つの中立点にまとめるように構成した複合モータにおいて、断線や回路素子に故障が生じた場合に、トルク変動、ノイズ、振動等の発生を抑制することが出来るという効果が得られる。
【００１２】
また、上記のように中立点が複数存在し、通常では中立点電位が求められない複合モータにおいても、仮想中立点電位を検出し、断線や回路素子に故障が生じた場合に、トルク変動、ノイズ、振動等の発生を抑制することが出来る。
また、請求項２においては、複合モータの巻線の断線時のみならず、インバータ回路の回路素子に故障が生じた場合にも相アンバランスを抑制するように動作することが出来る。
【００１３】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の基礎となる複合モータの例として、本出願人が以前に出願した特開平１１−２７５８２６号公報記載の複合モータの構造、およびその駆動回路について説明する。
図７は、上記公報記載の複合モータの構造を示す図であり、（ａ）は複合モータ全体の概略断面図、（ｂ）はロータとステータ部分の断面図〔（ａ）のＡ−Ａ’断面図、ただし軸や外枠部分は除き、ロータとステータのみを示す〕である。なお、図７は外側ロータの磁極数が４、内側ロータの磁極数が２で、その比である磁極数比が２：１の場合を示している。
【００１４】
図７において、中空円筒状のステータ２の外側と内側に所定のギャップをおいて中空円筒状の外側ロータ３と内側ロータ４が配置され、３層構造になっている。また、内側ロータ軸９と外側ロータ軸１０とは同一の軸上に並ぶように設けられ、内側ロータ４と外側ロータ３は同軸上でそれぞれ独立に回転出来るようになっている。なお、軸受等は図示を省略している。
【００１５】
内側ロータ４は半周をＳ極、もう半周をＮ極とした一対の永久磁石で形成され、これに対して、外側ロータ３は内側ロータ４の一極当たり２倍の極数を持つように永久磁石が配置される。つまり、外側ロータ３のＳ極、Ｎ極は各２個であり、９０度毎にＳ極とＮ極が入れ替わるように構成されている。
このように各ロータ３、４の磁極を配置すると、内側ロータ４の磁石は外側ロータ３の磁石により回転力を与えられることがなく、この逆に外側ロータ３の磁石が内側ロータ４の磁石により回転力を与えられることもない。
【００１６】
たとえば、内側ロータ４の磁石が外側ロータ３に及ぼす影響を考えてみる。簡単のため内側ロータ４は固定して考える。まず、内側ロータ４のＳ極とこれに対峙する外側ロータ３の上側磁石ＳＮとの関係において、図示の状態で仮に内側ロータ４のＳ極が出す磁力を受けて、外側ロータの上側磁石ＳＮが時計方向に回転しようとしたとすると、内側ロータ４のＮ極とこれに対峙する外側ロータ３の下側磁石ＳＮとの関係においては、内側ロータ４のＮ極により外側ロータ３の下側磁石ＳＮが反時計方向に回転しようとする。つまり、内側ロータ４のＳ極が外側ロータ３の上側磁石に及ぼす磁力と内側ロータ４のＮ極が外側ロータ３の下側磁石に及ぼす磁力とがちょうど相殺することになり、外側ロータ３は内側ロータ４と関係なく、ステータ２との関係だけで制御可能となるわけである。このことは、後述するようにステータコイルに発生する回転磁場とロータとの間でも同じである。
【００１７】
ステータ２のコイルは、外側ロータ３の１磁極当たり３個のコイル６で構成され、合計１２個（＝３×４）のコイル６が同一の円周上に等分に配置されている。丸で囲んだ数字はそれぞれコイルの巻線を示し、例えば１と１とが１つのコイルを形成し、それぞれ電流の方向が逆なことを示している。すなわち、１は紙面方向へ電流の流れる巻線であり、１はその逆方向に電流の流れる巻線である。この場合の巻線方法は集中巻である。
また、７はコイルが巻回されるコアで、コイル６と同数のコア７が円周上に等分に所定の間隔（ギャップ）８をおいて配列されている。
なお、後述するように、１２個のコイルは番号で区別しており、この場合に６番目のコイルという意味でコイル６が出てくる。上記のコイル６という表現と紛らわしいが、意味するところは異なっている。
【００１８】
これら１２個のコイルには次のような複合電流Ｉ１〜Ｉ１２を流す。
まず内側ロータ４に対する回転磁場を発生させる電流（三相交流）を流すため、［１，２］＝［７，８］、［３，４］＝［９，１０］、［５，６］＝［１１，１２］の３組のコイルに１２０度ずつ位相のずれた電流Ｉｄ、Ｉｆ、Ｉｅを設定する。
ここで、番号の下に付けたアンダーラインは反対方向に電流を流すことを意味させている。たとえば、１組のコイル［１，２］＝［７，８］に電流Ｉｄを流すとは、コイル１からコイル７に向けてＩｄの半分の電流を、かつコイル２からコイル８に向けてＩｄのもう半分の電流を流すことに相当する。１と２、７と８が円周上でそれぞれ近い位置にあるので、この電流供給により、内側ロータ４の磁極と同数（２極）の回転磁場を生じさせることが可能となる。
【００１９】
次に、外側ロータ３に対する回転磁場を発生させる電流（三相交流）を流すため、［１］＝［４］＝［７］＝［１０］、［２］＝［５］＝［８］＝［１１］、［３］＝［６］＝［９］＝［１２］の３組のコイルに１２０度ずつ位相がずれた電流Ｉａ、Ｉｃ、Ｉｂを設定する。
たとえば、１組のコイル［１］＝［４］＝［７］＝［１０］に電流Ｉａを流すとは、コイル１からコイル４にＩａの電流をかつコイル７からコイル１０に向けてもＩａの電流を流すことに相当する。コイル１と７、コイル４と１０がそれぞれ円周上の１８０度ずつ離れた位置にあるため、この電流供給により、外側ロータ３の磁極数と同数（４極）の回転磁場を生じさせることができる。
【００２０】
この結果、１２個のコイルには次の各複合電流Ｉ１〜Ｉ１２を流せばよいことになる。
Ｉ１＝（１／２）Ｉｄ＋Ｉａ
Ｉ２＝（１／２）Ｉｄ＋Ｉｃ
Ｉ３＝（１／２）Ｉｆ＋Ｉｂ
Ｉ４＝（１／２）Ｉｆ＋Ｉａ
Ｉ５＝（１／２）Ｉｅ＋Ｉｃ
Ｉ６＝（１／２）Ｉｅ＋Ｉｂ
Ｉ７＝（１／２）Ｉｄ＋Ｉａ
Ｉ８＝（１／２）Ｉｄ＋Ｉｃ
Ｉ９＝（１／２）Ｉｆ＋Ｉｂ
Ｉ１０＝（１／２）Ｉｆ＋Ｉａ
Ｉ１１＝（１／２）Ｉｅ＋Ｉｃ
Ｉ１２＝（１／２）Ｉｅ＋Ｉｂ
ただし、電流記号の下につけたアンダーラインは逆向きの電流であることを表している。
【００２１】
さらに図８を参照して複合電流の設定を説明すると、図８は、図７との比較のため、ステータ２の内周側と外周側に各ロータに対して別々の回転磁場を発生させる専用のコイルを配置したものである。つまり、内周側コイルｄ、ｆ、ｅの配列が内側ロータに対する回転磁場を、また外周側コイルａ、ｃ、ｂの配列が外側ロータに対する回転磁場を発生する。この場合に、二つの専用コイルを共通化して、図７に示した共通のコイルに再構成するには、内周側コイルのうち、コイルｄに流す電流の半分ずつをコイルｄの近くにあるコイルａとｃに負担させ、同様にして、コイルｆに流す電流の半分ずつをコイルｆの近くにあるコイルｂとａに、またコイルｅに流す電流の半分ずつをコイルｅの近くにあるコイルｃとｂに負担させればよいわけである。上記複合電流Ｉ１〜Ｉ１２の式はこのような考え方を数式に表したものある。なお、電流設定の方法はこれに限られるものでなく、前記特開平１１−２７５８２６号公報に記載のように、他の電流設定方法でもかまわない。
【００２２】
このように電流設定を行うと、共通のコイルでありながら、内側ロータ４に対する回転磁場と外側ロータ３に対する回転磁場との二つの磁場が同時に発生するが、内側ロータ４の磁石は外側ロータ３に対する回転磁場により回転力を与えられることがなく、また外側ロータ３の磁石が内側ロータ４に対する回転磁場により回転力を与えられることもない。この点は前記特開平１１−２７５８２６号公報に記載のように、理論解析で証明されている。
【００２３】
上記Ｉｄ、Ｉｆ、Ｉｅの電流設定は内側ロータ４の回転に同期して、また上記Ｉａ、Ｉｃ、Ｉｂの電流設定は外側ロータ３の回転に同期してそれぞれ行う。トルクの方向に対して位相の進み遅れを設定するが、これは同期モータに対する場合と同じである。
【００２４】
図９は上記複合モータを制御するための回路のブロック図である。
上記複合電流Ｉ１〜Ｉ１２をステータコイルに供給するため、バッテリなどの電源１１からの直流電流を交流電流に変換するインバータ回路１２を備える。瞬時電流の全ての和は０になるためこのインバータ回路１２は、図１０に詳細を示したように、通常の３相ブリッジ型インバータ回路を１２相にしたものと同じで、２４（＝１２×２）個のトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ２４とこのトランジスタと同数のダイオードから構成される。
インバータ回路１２の各ゲート（トランジスタのベース）に与えるＯＮ、ＯＦＦ信号はＰＷＭ信号である。
【００２５】
各ロータ３、４を同期回転させるため、各ロータ３、４の位相を検出する回転角センサ１３、１４が設けられ、これらセンサ１３、１４からの信号が入力される制御回路１５では、外側ロータ３、内側ロータ４に対する必要トルク（正負あり）のデータ（必要トルク指令）に基づいてＰＷＭ信号を発生させる。
【００２６】
このように、前記特開平１１−２７５８２６号公報に記載の複合モータにおいては、二つのロータ３、４と１つのステータ２を三層構造かつ同一の軸上に構成すると共に、ステータ２に共通のコイル６を形成し、この共通のコイル６にロータの数と同数の回転磁場が発生するように複合電流を流すようにしたことから、ロータの一方をモータとして、残りをジェネレータとして運転する場合に、モータ駆動電力と発電電力の差の分の電流を共通のコイルに流すだけでよいので、効率を大幅に向上させることができる。
【００２７】
また、二つのロータに対してインバータ回路が１つでよくなり、さらにロータの一方をモータとして、残りをジェネレータとして運転する場合には、上記のように、モータ駆動電力と発電電力の差の分の電流を共通のコイルに流すだけでよくなることから、インバータ回路の電力スイッチングトランジスタのキャパシタンスを減らすことができ、これによってスイッチング効率が向上し、より全体効率が向上する。
【００２８】
上記の構成においては、二つのロータを内側と外側に設けているが、二つのロータを直列方向に設けることも出来る。図１２（ａ）は直列方向に設けた場合の概略図であり、本出願人の先願（特願平１１−２７３３０３号：未公開）の図３に相当する。また、図１２（ｂ）は上記の構造をさらに発展させたものであり、図１２（ａ）の構造を二つに分割し、一つのロータと一つのステータコイルを持つモータを２個設けたものである。このようにロータとステータコイルとの組が二つ別々に存在する構成でも、両方のステータコイルを並列接続して前記のごとき複合電流を流すことにより、二つのロータを一つのインバータ回路を用いて独立に制御することが出来る。ただし、ロータの極対数（磁極対の数：ＮとＳで１対）とステータコイルの相数が二つのモータで同じであれば、両モータに同じ電流が流れることになり、各ロータを独立に制御することは出来ない。したがって上記のような構成では、二つのロータは極対数の数が異なっていることが必要であり、かつ並列接続するためにはステータコイルの電気的極数（極対数×相数）が同じである必要がある。例えば一方のモータが３相４極対で他方のモータが４相３極対であれば電気的極数は双方とも３×４＝４×３＝１２相となり、並列接続することが出来る。
【００２９】
上記の構成では、ステータコイルの各コイルの一端をインバータ回路のそれぞれの相の出力端子に接続し、他の一端は共通に接続して中立点とする。そして二つのモータを並列接続する場合には、二つのモータの各コイルの一端をインバータ回路の同じ相の出力端子に共通に接続する（例えば前記特願平１１−２７３３０３号の図４）。
【００３０】
上記のように二つのモータのステータコイルを並列にインバータ回路の出力に接続した場合には、一方のロータを駆動すべき電流が他方のステータコイルにも流れる。この電流はロータの回転と相関がないので、当該モータの駆動力発生には寄与しない。そしてこのような無効な電流が流れると銅損等の損失が発生するので、モータ全体の効率が低下し、かつ発熱の増大等の悪影響が生じる。
【００３１】
上記の問題を解決するため、中立点の接続を変えた構成について説明する。 図１１はステータコイルの結線図、図１２は複合モータの概略断面図、図１３は駆動回路の全体の構成を示すブロック図である。
まず、図１２に基づいて構造の概略を説明する。図１２（ａ）は二つのステータと二つのロータが一体のモータとして組み合わされた場合、図１２（ｂ）はそれぞれ一つのステータと一つのロータを有するモータを２台用いる場合を示す。
【００３２】
図１２（ａ）に示す構造は、一つのケース内に左モータと右モータとの二つのモータが組み込まれたものであり、左モータは左ロータ２１、左ステータコイル２２、左モータ軸２３からなり、右モータは右ロータ２４、右ステータコイル２５、右モータ軸２６からなる。左モータ軸２３と右モータ軸２６とは同軸上に並んでいる。なお、軸方向から見た正面図は前記図７（ｂ）から外側ロータ３を除いたものと同じである。また、ステータコイル内にはステータコアがあり、ロータには磁極（例えば永久磁石）が設けられているが、図示を省略している。
【００３３】
図１２（ｂ）は図１２（ａ）の構造を二つに分けたものと同じであり、ロータ２７、ステータコイル２８、モータ軸２９からなるモータを２台用いるものである。ただし、前記のように両モータは極対数（磁極対の数：ＮとＳで１対）の数が異なっていることが必要であり、かつ並列接続するためにはステータコイルの電気的極数（極対数×相数）が同じである必要がある。例えば一方のモータが３相４極対で他方のモータが４相３極対である。このような構成のモータは、例えば１個を車両の前輪駆動用、他の１個を後輪駆動用として用いることが出来る。
【００３４】
上記のように、図１２（ａ）に示した複合モータは、二つのロータとそれぞれに対峙するステータとが２軸のモータとして一つの構造に組み合わされているものであり、また、図１２（ｂ）に示した複合モータは、二つのロータとそれぞれに対峙するステータが、それぞれ一つのロータとステータからなる２個のモータとして独立の構造となっている。
【００３５】
図１３は、全体の結線を示すブロック図であり、前記図９に対応する。図１３において、３０と３１は前記図１２（ｂ）に示したような２台のモータであり、３０は３相４極対、３１は４相３極対である。また、３４と３５はそれぞれのモータのロータの位相を検出する回転角センサであり、それぞれの位相信号Ｓ３、Ｓ４は制御回路３３へ送られる。制御回路３３は上記の位相信号Ｓ３、Ｓ４および外部から与えられるトルク指令信号Ｓ１、Ｓ２を入力し、それらに対応した複合電流を流すための１２相のＰＷＭ信号（一般的には１相について正相信号と逆相信号の２信号からなる）を演算し、それをインバータ回路３２へ送る。インバータ回路３２は１２相のインバータ回路を有し、それぞれの出力を各モータ３０、３１のステータコイルへ送る。両モータの各ステータコイルは並列に接続されているが、中立点は次の図１１で説明するように従来の接続とは異なっている。
【００３６】
図１１は、ステータコイルの接続と流れる電流の位相を示す図であり、（ａ）は３相４極対のモータ、（ｂ）は４相３極対のモータを示す。図１１において、Ｌはステータコイルであり、番号１〜１２は１２相の各ステータコイルの入力端子を示す。これらの入力端子は、（ａ）の番号１と（ｂ）の番号１とが共通にインバータ回路の出力端子１へ接続され、図１３に示したように並列接続になっている。また、図１１（ａ）のａ、ｂ、ｃ、ｄおよび図１１（ｂ）のＡ、Ｂ、Ｃは中立点を示す。また、０°、１２０°、−１２０°、９０°、１８０°、−９０°等の度数は自己のコイルに流れる電流の位相を示し、（０°）のように括弧付きの度数は相手方のモータの対応する端子に流れる電流の位相を示す。
【００３７】
図１１（ａ）に示すように、３相４極対のモータでは、１相、５相、９相が中立点ａに接続され、２相、６相、１０相が中立点ｂに接続され、３相、７相、１１相が中立点ｃに接続され、４相、８相、１２相が中立点ｄに接続されている。つまり３個おきに３個のコイルを接続して一つの中立点とすることによって合計４個の中立点を設けている。
【００３８】
一方、図１１（ｂ）に示すように、４相３極対のモータでは、１相、４相、７相、１０相が中立点Ａに接続され、２相、５相、８相、１１相が中立点Ｂに接続され、３相、６相、９相、１２相が中立点Ｃに接続されている。つまり、２個おきに４個のコイルを接続して一つの中立点とすることよって合計３個の中立点を設けている。
【００３９】
上記のように接続すると、３相４極対のモータでは、中立点が共通に接続された各コイルには０°、１２０°、−１２０°の電流が流れて回転磁界が発生するが、それぞれの端子に対応する４相３極対のモータでは、全て同位相となるので電流が流れない。例えば、３相４極対のモータの端子１、５、９では０°、１２０°、−１２０°となるが、４相３極対のモータの同じ端子１、５、９では全て０°になる。逆に４相３極対のモータの端子１、４、７、１０では０°、−９０°、１８０°、９０°となるが、３相４極対のモータの同じ端子１、４、７、１０では全て０°となる。このように同じ位相となるコイルを一つの中立点に纏めると電流は流れない。したがって、図１１に示すように結線すると、二つのモータにはそれぞれ自己と相関のある電流、すなわち自己のロータを駆動する回転磁界を発生するための電流成分のみが流れ、相手と相関のある電流成分は流れないことになる。すなわち、無効電流が流れないことになり、それによって銅損や発熱の増大を防止することが出来る。
【００４０】
上記の説明は、３相４極対のモータと４相３極対のモータとの場合を例として説明したが、これに限られるものではなく、両モータが極対数が異なっており、かつステータコイルの電気的極数（極対数×相数）が同じであれば可能である。例えば、上記と同じ電気的極数が１２相の場合でも３相４極対のモータと６相２極対のモータでもよい。さらに、３相５極対のモータと５相３極対のモータ（電気的極数は１５相）、３相６極対のモータと６相３極対のモータ（電気的極数は１８相）、４相６極対のモータと６相４極対のモータ（電気的極数は２４相）のような組合せも可能である。要するに、中立点を複数に分割し、自己のロータと相関のある位相の電流は流れ、相手方は同相で電流が流れない相を一つの中立点にまとめればよい。このようにすれば、自己のロータに同期した回転交流には中立点として動作し、同期しない回転交流（相手方）には同相となって電流が流れない。したがって並列接続ではあるが、それぞれのモータに同調する電流しか流れなくなり、一つのインバータ回路から二つのモータに電流を供給しても全く別個のインバータ回路とモータとの組合せと同様の効率が実現出来る。そしてインバータ回路が１個で済むので、インバータ回路の熱容量を大幅に減少させることが出来る。
【００４１】
本発明は、上記のごとき特別な並列接続を行った複合モータにおける駆動回路に関するものである。以下、説明する。
図１および図２は本発明の駆動回路の第１の実施例を示す回路図であり、前記図１１に示した接続を行った複合モータの駆動回路に適用した場合を示す。
図１は複合モータの結線部分を示す回路図、図２は駆動回路部分を示す回路図であり、図１と図２の回路はＡとＢの個所で接続されている。
【００４２】
まず、図１において、４０は前記図１１（ａ）に示した３相４極対のモータの各ステータコイル、４１は前記図１１（ｂ）に示した４相３極対のモータの各ステータコイルである。各ステータコイルの中立点は、前記図１１で説明したごとく、自己のロータと相関のある位相の電流は流れ、相手方は同相で電流が流れない相を一つの中立点としてまとめるように接続されている。また、４２は仮想中立点電位検出回路であり、４０や４１と同じ電気的極数（１２相）のインピーダンスＺを星型接続し、中点をＡとしている。各相のインピーダンスの他端は並列に接続された二つのモータのステータコイルの一端に接続されている。なお、図１においてはインピーダンスＺの１、２、３のみに接続した状態を記載し、他の相は省略している。また、並列に接続された二つのモータのステータコイルの一端は、それぞれインバータ回路の対応する相の出力端子に接続されているが、図１では記載を省略している。
【００４３】
本発明を適用する複合モータは、中立点が複数存在するため、通常の方法では中立点電位を検出することが出来ないが、上記のような仮想中立点電位検出回路４２を設けることにより、中立点電位に相当する値を検出することが可能となった。
【００４４】
次に、図２において、５１は直流電源（例えば自動車駆動用のバッテリ）、５２はインバータ回路（図９の１２に相当する部分）、５３はインバータ回路の中立点電位検出回路、５４は差動増幅器、５５はローパスフィルタ、５６はＰＷＭ信号発生回路（図９の１５に相当する部分）である。また、図１の仮想中立点電位検出回路４２の中点Ａは負荷抵抗Ｒｍを介して接地されている。インバータ回路５２は実際には前記図７に示したように１２相分設けられているが、本図では１相分のみを示している。また、インバータ回路の中立点電位検出回路５３は相数と同数個のインピーダンス素子Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、…、と抵抗Ｒｉからなり、各インピーダンス素子Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、…、の一端は、各相の目標電圧入力端子に接続され、他の一端は一つに纏められて（星型結線）負荷抵抗Ｒｉに接続されている。このように各相の目標電圧からインバータ回路の中立点電位を検出することが出来る。
【００４５】
モータの仮想中立点電位検出回路の中点Ａの電圧とインバータ回路の中立点Ｎｉの電圧は差動増幅器５４に送られてその差が求められる。そしてローパスフィルタ５５で高周波成分（主としてインバータ回路のスイッチングノイズ成分）を除いた後、ＰＷＭ信号発生回路５６へ送られ、外部から与えられる目標値（必要トルクに対応する指令信号、具体的には電圧値または電流値）に応じたＰＷＭ信号演算に加味される。ＰＷＭ信号発生回路５６から送出される（＋）ＰＷＭ信号と（−）ＰＷＭ信号は相互に逆位相の信号であり、インバータ回路５２へ送られて、各相のトランジスタＴ１とＴ２を逆位相で開閉する。なお、ＰＷＭ信号発生回路５６に与えられる目標値は各相毎に与えられ、それぞれのＰＷＭ信号が対応する相のインバータ回路に送られる。
【００４６】
ＰＷＭ信号発生回路５６において、５７はキャリアを発生する発振器、５８は発振器５７の信号から三角波を発生する三角波発生器である。ローパスフィルタ５５を介して与えられる中立点の差分電圧と前記目標電圧とを加算器５９で加算し、その結果を比較器６０で前記三角波と比較することにより、ＰＷＭ信号を発生する。そしてそのＰＷＭ信号をそのまま（＋）ＰＷＭ信号として出力し、また、反転器６１で反転した信号を（−）ＰＷＭ信号として出力する。なお、中立点の差分電圧と三角波とを加算器５９で加算し、その結果と前記目標電圧とを比較器６０で比較することによってＰＷＭ信号を発生してもよい。
【００４７】
なお、図２の回路においては、電圧フィードバック回路としているので、次の構成が追加されている。すなわち、図１のＢ点（ステータコイル１と仮想中立点電位検出回路４２のインピーダンスＺとの接続点、すなわちインバータ回路の出力端）の電圧は、バッファ回路６２を介して差動増幅器６３に与えられ、加算器５９の出力との差電圧を求め、それを比較器６０に与えて三角波と比較することにより、ＰＷＭ信号を作る。この回路は、インバータ回路５２の出力電圧をＰＷＭ信号に加味したものであり、電圧フィードバックを構成している。このようにインバータ回路の実際の出力電圧を検出してそれをフィードバックすることにより、さらに正確な制御を行うことが出来る。なお、電圧フィードバックを行わない場合は、バッファ回路６２、差動増幅器６３の部分を削除し、加算器５９の出力を直接に比較器６０へ与えればよい。
【００４８】
また、図２ではステータコイル１の相のフィードバック回路のみを示しているが、他の相についてもそれぞれ同様の回路を設ける。同様に、ＰＷＭ信号発生回路５６とインバータ回路５２も１相分のみを示しているが、実際には各相についてＰＷＭ信号発生回路とインバータ回路が存在し、それぞれのＰＷＭ信号に応じて動作する。ただし、中立点電位検出回路５３、差動増幅器５４、ローパスフィルタ５５は共通であり、また、ＰＷＭ信号発生回路５６内の発振器５７と三角波発生器５８も共通に使用することが出来る。
【００４９】
以下、作用を説明する。
一例として、複合モータの多相巻線のうちの１相が断線した場合を考える。この場合、インバータ回路の中立点電位検出回路５３の各インピーダンス素子の星型結線の方には、インバータ回路による多相電圧が発生する。この星型結線の中立点Ｎｉはインバータ回路発生電圧の中立点になるから、巻線が断線した相にも電圧が発生している。そして断線のため電流が流れないので、電圧変化は顕著になる。
【００５０】
一方、モータの仮想中立点電位検出回路４２の中点Ａは、１相分の電流が流れないので、断線相が（＋）電圧であれば中立点電位は（−）電圧となり、断線相が（−）電圧であれば中立点電位は（＋）電圧となる。すなわち、多相交流の相電流の和は常にゼロであるから、中立点電位の変化は断線した１相分の変化と符号は反対でスカラー量は等しくなる。
【００５１】
上記のインバータ回路の中立点Ｎｉの電圧とモータの仮想中立点電位検出回路４２の中点Ａの電圧との差を差動増幅器５４で求め、その差分だけＰＷＭ信号発生回路５６にオフセットを与える。具体的には、例えばＰＷＭ信号演算の三角波に上記差分に対応したオフセットを与える。例えばモータの中点Ａの電位がインバータ回路の中立点Ｎｉの電位よりも低い場合には、三角波のオフセット方向を（＋）ＰＷＭ信号のデューティ比を増加させ、（−）ＰＷＭ信号のデューティ比を減少させる方向に上記差分に対応して移動させる。すなわち、二つの中立点電位の差に応じて、その差を小さくする方向にＰＷＭ信号のデューティ比を変化させる。なお、上記の（＋）ＰＷＭ信号と（−）ＰＷＭ信号とは相互に逆位相の信号である。
【００５２】
上記のように構成した回路は、負帰還（ネガティブフィードバック）制御系となり、断線した相のトルクを補償するように他の相のトルクベクトルが変化するので相アンバランスを抑制するように動作する。そのためモータ巻線や接続線が断線した場合に、トルク変動、ノイズ、振動等の発生を抑制することが出来る。
【００５３】
なお、図２の回路において、インバータ回路の中立点電位検出回路５３を構成する各インピーダンス素子Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、…、としては、例えば抵抗またはコンデンサを用いることが出来る。上記のインピーダンス素子としてコンデンサを用いた場合は、直流分をカットするので、電圧の変化分のみが現われる。位相ずれが生じても多相交流の和（ゼロ）は変化しないから中立点は常時ゼロになる。この場合、上記インピーダンス素子として用いたコンデンサはノイズカット用のコンデンサＣ１を兼ねることが出来る。そしてこの場合には負荷抵抗Ｒｉは比較的小さな値とし、両者で時定数ＲＣのハイパスフィルタが構成される。このハイパスフィルタと前記のローパスフィルタ５５とでバンドパスフィルタを構成することになり、両フィルタのカットオフ周波数で定まる通過帯域成分をフィードバックすることになる。
【００５４】
また、図２の回路は、インバータ回路の中立点電位検出回路５３として、外部から与えられる目標電圧からブリッジ回路を用いてインバータ回路の中立点電位を検出するように構成している。すなわち、中立点電位検出回路５３の各インピーダンス素子Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、…、の一端は、各相の目標電圧入力端子に接続され、他の一端は一つに纏められて負荷抵抗Ｒｉに接続されている。このように構成すると、インバータ回路の回路素子（例えばトランジスタ）が故障してその相の出力が異常になった場合には、モータの仮想中立点電位検出回路４２の中点Ａの電位には変動が現われるが、インバータ回路の中立点電位は正常値に保たれるので、両者の差電圧を確実に検出することが出来る。したがって、この構成ではインバータ回路の回路素子等が故障した場合にもトルク変動等を抑制することが出来る。
【００５５】
また、上記のようにアナログ回路を用いる方法の他に、各相の目標電圧から算術計算を用いてインバータ回路の中立点電位を検出することも出来る。例えば、コンピュータ等の演算装置で各相の目標電圧を単純に加算してその時点における瞬時電圧を求め、それをアナログ電圧に変換してそれをインバータ回路中立点電位とすればよい。
【００５６】
次に、図３は図２の回路の変形である。この回路は、図２の回路において、二つの中立点電位の差と目標電圧とを加算する加算器５９の出力を制限するリミッタ回路６５を設けたものである。なお、リミッタ回路６５は加算器５９の出力を所定の上限値以下に制限するか、或いは出力の変化速度（時定数）を所定値以下に制限する。この構成によれば、加算器５９から出力される制御の指令値が急激に大きくなるのを制限するので、動作の安定性を向上させることができる。このようにリミッタ回路６５による制限を設けた場合でも、制限した分は他相が補うので、性能の低下は生じない。なお、この回路において上記リミッタ回路６５以外の部分は前記図２と同じであり、回路の変形例（電圧フィードバックの有無、ＰＷＭ信号の作成方法等）も図２と同じである。
【００５７】
次に、図４および図５は本発明の駆動回路の第２の実施例を示す回路図であり、前記図１１に示した接続を行った複合モータの駆動回路に適用した場合を示す。図４は複合モータの結線部分を示す回路図、図５は駆動回路部分を示す回路図であり、図４と図５の回路はＡ、Ｂ、Ｃの個所で接続されている。
【００５８】
図４において、仮想中立点電位検出回路４２の各相のインピーダンスの一端は、抵抗Ｒを介して並列に接続された二つのモータのステータコイルの一端に接続されている。そしてステータコイルと抵抗Ｒの接続点（インバータ回路に接続される点）をＣとする。
【００５９】
また、図５の回路は、インバータ回路５２の各相の出力端子とモータの各ステータコイル間に挿入した電流検出用の抵抗Ｒの両端の電圧を差動増幅器６４で検出し、それを差動増幅器６３に与えるように構成したものである。なお、前記図２で説明した回路の変形例（ＰＷＭ信号の作成方法や電流フィードバックの有無）は同様に適用出来る。
この回路は、インバータ回路５２の出力電流をＰＷＭ信号に加味したものであり、電流フィードバックを構成している。このように実際の電流を検出してフィードバックしても図２と同様の効果が得られる。なお、図５では１相についてのフィードバック回路のみを示しているが、他の相についてもそれぞれ同様の回路を設ける。
【００６０】
次に、図６は図５の回路の変形である。この回路は、図５の回路において、二つの中立点電位の差と目標電圧とを加算する加算器５９の出力を制限するリミッタ回路６５を設けたものである。この回路においては、前記図３と同様の効果が得られる。なお、この回路において上記リミッタ回路６５以外の部分は前記図５と同じであり、回路の変形例（電流フィードバックの有無、ＰＷＭ信号の作成方法等）も図５と同じである。
【００６１】
次に、図１４は本発明を適用する複合モータの他の結線図である。
図１４の構成も３相４極対のモータと４相３極対のモータの組合せを示し、（ａ）は３相４極対のモータ、（ｂ）は４相３極対のモータとの結線を示す。
図１４において、（ａ）の３相４極対のモータの結線は図１１と同じであるが、（ｂ）の４相３極対のモータにおいては、対角線上のコイル同士を接続しており、中立点はＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆの６個所となる。このように接続した場合には、対角線同士でも位相が１８０°異なるので、電流は流れる。そして相手方の電流成分は同位相であるから電流が流れない。したがって図１１の場合と同様の効果が得られる。
【００６２】
次に、図１５は、本発明を適用する複合モータのさらに他の結線図である。 図１５においては、図１１のように、相手の電流が全く流れない結線ではないが、実用的構造として結線が容易な例を示す。図１５（ａ）は３相４極対のモータ、（ｂ）は４相３極対のモータを示す。図のように、隣合った３個または４個のコイルを接続する方が実際のモータを組み立てる場合に、コイル間の結線長が短くなるので銅損を減少させることが出来、かつ結線が容易になるので実用的に有利である。この場合には、図１１等に記載したステータコイルの中立点の接続を近似的に満足するように、隣合った複数のコイルを接続している。
【００６３】
図１６は、図１５の回路における無効電流の大きさを示すベクトル図である。図１６において、ａ〜ｄ、Ａ〜Ｃは図１５の同符号を付した個所のベクトルを示し、矢印は２相分の電流値を示す。また、×印は逆方向のベクトルで相互に打ち消す成分を示している。
図１６のａ〜ｄに示すように、３相４極対のモータでは、１２相のベクトル成分のうち８相分が相互に打ち消すので、４／１２だけの無効電流が流れる。また、４相３極対のモータでは、Ａ〜Ｃに示すように、１２相のベクトル成分のうち、９相分が相互に打ち消すので、３／１２だけの無効電流が流れることになる。
【００６４】
次に、図１７は本発明を適用する複合モータのさらに他の結線図である。
これまでの説明では、Ｙ結線に付いて説明したが、この実施の形態は、Δ結線に適用したものである。図１７は前記図１１に示したＹ結線をΔ結線に変換したものであり、（ａ）は３相４極対のモータ、（ｂ）は４相３極対のモータを示す。作用効果は図１１と同様である。また、図１８は図１５に示した構成をΔ結線に変換したものであり、（ａ）は３相４極対のモータ、（ｂ）は４相３極対のモータを示す。作用効果は図１５と同様である。すなわち、図１７、図１８に示した構造は、図１１や図１５に示したＹ結線と等価なΔ結線である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例における複合モータの結線部分を示す回路図。
【図２】本発明の第１の実施例における駆動回路部分を示す回路図。
【図３】本発明の第１の実施例における他の駆動回路部分を示す回路図。
【図４】本発明の第２の実施例における複合モータの結線部分を示す回路図。
【図５】本発明の第２の実施例における駆動回路部分を示す回路図。
【図６】本発明の第２の実施例における他の駆動回路部分を示す回路図。
【図７】複合モータの一例の構造を示す図であり、（ａ）は複合モータ全体の概略断面図、（ｂ）はロータとステータ部分の断面図。
【図８】駆動システムの一例のブロック図。
【図９】複合モータを制御するための回路のブロック図。
【図１０】インバータ回路の一例の回路図。
【図１１】ステータコイルの結線図。
【図１２】複合モータの概略断面図。
【図１３】駆動回路の全体の構成を示すブロック図。
【図１４】ステータコイルの他の結線図。
【図１５】ステータコイルのさらに他の結線図。
【図１６】図１５の回路における無効電流の大きさを示すベクトル図。
【図１７】図１１の結線に相当するΔ結線の結線図。
【図１８】図１５の結線に相当するΔ結線の結線図。
【符号の説明】
１…複合モータ ２…ステータ
３…外側ロータ ４…内側ロータ
５…外枠 ９…内側ロータ軸
１０…外側ロータ軸 １１…電源
１２インバータ回路 １３、１４…回転角センサ
１５…制御回路
２１…左ロータ ２２…左ステータコイル
２３…左モータ軸 ２４…右ロータ
２５…右ステータコイル ２６…右モータ軸
２７…ロータ ２８…ステータコイル
２９…モータ軸 ３０…３相４極対モータ
３１…４相３極対モータ ３２…インバータ回路
３３…制御回路 ３４、３５…回転角センサ
Ｓ１、Ｓ２…トルク指令信号 Ｓ３、Ｓ４…位相信号
Ｌ…ステータコイル Ｚ…インピーダンス
ａ、ｂ、ｃ、ｄ…中立点 Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ…中立点
５１…電源 ５２…インバータ回路
５３…インバータ回路中立点電位検出回路 ５４…差動増幅器
５５…ローパスフィルタ ５６…ＰＷＭ信号発生回路
５７…発振器 ５８…三角波発生器
５９…加算器 ６０…比較器
６１…反転器 ６２…バッファ
６３、６４…差動増幅器 ６５…リミッタ回路
Ｚ１〜Ｚ３…インピーダンス Ｎｉ…インバータ回路中立点
Ｒｍ、Ｒｉ…負荷抵抗 Ｔ１、Ｔ２…トランジスタ
Ｄ１、Ｄ２…ダイオード Ｃ１…コンデンサ
Ｒ１…抵抗
Claims (4)
- 極対数が異なる二つのロータと、それぞれのロータに対峙するステータとを有し、それぞれのステータに設けるコイルの電気的極数を同一とし、自己のロータと相関のある位相の電流は流れ、相手方は同相で電流が流れない相を一つの中立点としてまとめるように、各ステータのコイルにおける中立点を複数に分割して接続し、両方のステータのコイルの各相をそれぞれ並列に接続して電源供給用のインバータ回路の対応する相に接続し、前記インバータ回路から両方のステータのコイルに複合電流を供給して両方のロータを独立に制御する複合モータの駆動回路であって、
前記ステータコイルの各相からそれぞれインピーダンス素子を介して星型結線した点の電位を、前記各ステータコイルの仮想中立点電位として検出する仮想中立点電位検出手段と、
前記複合モータの駆動電力を送出するインバータ回路の中立点電位を検出する手段と、
前記の検出した二つの中立点電位の差に応じて、前記差を小さくする方向に前記インバータ回路を駆動する信号を変化させる手段と、
を備えたことを特徴とする複合モータの駆動回路。 - 前記インバータ回路の中立点電位を検出する手段は、各相の目標値から、ブリッジ回路を用いて或いは算術計算によって中立点電位を求めるものである、ことを特徴とする請求項１に記載の複合モータの駆動回路。
- 前記複合モータは、一方のロータが４極対で他方のロータが３極対であり、ステータコイルの電気的極数が１２相であり、前者を３相４極対で駆動し、後者を４相３極対で駆動する場合に、前者は３個おきに３個のコイルを接続して一つの中立点とすることによって合計４個の中立点を有し、後者は２個おきに４個のコイルを接続して一つの中立点とすることよって合計３個の中立点を有することを特徴とする請求項１に記載の複合モータの駆動回路。
- 前記複合モータは、一方のロータが４極対で他方のロータが３極対であり、ステータコイルの電気的極数が１２相であり、前者を３相４極対で駆動し、後者を４相３極対で駆動する場合に、前者は３個おきに３個のコイルを接続して一つの中立点とすることによって合計４個の中立点を有し、後者は５個おきに２個ずつのコイルを接続して一つの中立点とすることよって合計６個の中立点を有することを特徴とする請求項１に記載の複合モータの駆動回路。
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