JP4563388B2

JP4563388B2 - 多相モータの巻線トポロジー及び制御

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Publication number: JP4563388B2
Application number: JP2006526102A
Authority: JP
Inventors: ラケッシュダウワン
Original assignee: ウェイブクレストラボラトリーズリミテッドライアビリティカンパニー
Priority date: 2003-09-10
Filing date: 2004-08-19
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2024-08-19
Also published as: JP2007505600A; KR101086591B1; US6791226B1; ATE510347T1; CN100405734C; WO2005027335A1; EP1665513A1; CN1871763A; EP1665513B1; KR20060119975A

Description

本発明は、回転電気モータに関し、特に、複数の相を有するモータの巻線回路構成及び極力少ない制御状態を用いる多相モータの制御に関する。

（関連出願）
本願は、２００１年４月５日に出願されたマスロフ等（Maslov et al.）の同時係属米国特許出願第０９／８２６，４２３号、２００１年４月５日に出願されたマスロフ等の同時係属米国特許出願第０９／８２６，４２２号、２００１年１０月１日に出願されたマスロフ等の米国特許出願第０９／９６６，１０２号、２００１年１１月２７日に出願されたピンティコフ等（Pyntikov et al.）の米国特許出願第０９／９９３，５９６号及び２００２年６月１９日に出願されたマスロフ等の米国特許出願第１０／１７３，６１０号と関連した発明内容を含み、これら特許文献の全ては、本願と共に共通譲渡人に譲渡されている。これら特許文献を参照により引用し、これら特許文献の開示内容を本明細書の一部とする。

上記同時係属米国特許出願明細書は、燃焼エンジンの実現可能な代替手段として自動車用の高効率電気モータ駆動装置の開発という課題を記載している。モータの巻線の電子的に制御されたパルス電圧印加（励磁）方式は、モータ特性のより融通性のある管理について将来性をもたらしている。パルス幅、デューティサイクルの制御及び適当なステータ巻線へのバッテリ源の切り換え利用により、機能的多用性を達成できる。多くのモータ用途の中で、自動車駆動環境は、一例に過ぎないが、高トルク出力性能を維持すると共に電源を節約しながら広い速度範囲にわたりスムーズな作動を達成することが非常に望ましい。

上記同時係属米国特許出願明細書に記載されたモータの構造的配置は、これらの目的に寄与している。電磁コアセグメントは、磁束集中度を増大させるために環状リング内に隔離状態の透磁性構造体として構成される場合がある。電磁コアセグメントの隔離により、磁気コア中の磁束の個々の集中が可能になり、この場合、磁束損失又は他の電磁部材に関する有害な変圧器による干渉効果が最小限に抑えられる。

図１は、例えば同時係属米国特許出願第０９／８２６，４２２号明細書に開示されているモータのロータ要素及びステータ要素を示す例示の図であり、かかる米国特許出願明細書の開示内容を本明細書の一部とする。ロータ部材１０は、円筒形バックプレート１４に沿って実質的に等間隔に分布して設けられた永久磁石１２を有する環状リング構造体である。永久磁石は、環状リングの内周部に沿って磁気極性が交番するロータ磁極である。裏板は、隣り合う永久磁石の磁極１２相互間の磁気回帰経路として役立つ透磁性材料から成るのがよい。ロータは、ステータ部材２０を取り囲み、ロータ部材とステータ部材との間には、環状半径方向空隙が設けられている。ステータ２０は、空隙に沿って等間隔に分布して配置された一様な構造の複数個の電磁コアセグメント２２を有している。各コアセグメントは、空隙に向いている表面２６を備えた２つの磁極を形成する全体としてＵ字形の磁気構造体２４を有する。磁極対の脚部には巻線２８が巻き付けられている。変形例として、コアセグメントは、磁極対を結合する部分に形成された単一の巻線を受け入れるよう構成されたものであってもよい。各ステータ電磁コアセグメントは、隣のステータのコア要素から分離されると共に磁気的に隔離されている。ステータ要素２４は、非透磁性支持構造体（図示せず）に固定され、それにより環状リング形態が得られている。この形態により、隣のステータ磁極群からの変圧器漂遊磁束効果の発現が無くなる。

上述の米国特許出願第１０／１７３，６１０号明細書は、かかるモータの種々の用途のために性能の正確な制御が行われるよう計画されたモータ制御方式を記載している。典型的な制御システムは、モータ全体にわたりパラメータ値が一定であると仮定しているが、この米国特許出願明細書では、独立構造要素を設けることにより、種々のステータ要素のうちで、回路パラメータ、例えば相抵抗、相自己インダクタンス等のばらつきが生じる場合のあることが認識されている。かくして、モータ制御では、電流フィードバック要素と結合した状態で非線形フィードフォワード補償を融合させることが必要である。各ステータコアセグメントは、別の相として別々に制御され、相巻線の各組は、電圧印加（励磁）された相巻線に関するステータ相コンポーネントと関連した組をなす制御パラメータに従ってコントローラにより出力された制御信号に応答して電圧印加される。図示の例示としての７相モータでは、７つ全ての状態について個々に能動制御を行う必要がある。

米国特許出願第１０／１７３，６１０号明細書に記載された制御方式が、図２及び図３に示されている。ステータ相巻線は、電子スイッチセット４２を介してＤＣ電源４０から供給される駆動電流によって切り換え可能に電圧印加される。スイッチセットは、ゲートドライバ４６を介してコントローラ４４に結合されている。コントローラ４４は、１又は２つ以上のユーザ入力、及び作動中検出されるモータ条件のための複数個の入力を有する。各相巻線中の電流は、複数個の電流計４８の各々によってそれぞれ検出され、これらセンサの出力は、コントローラ４４に提供される。コントローラは、この目的のために複数個の入力を有するのがよく、或いは、変形例として、電流計からの信号を多重化して、単一コントローラ入力に結合してもよい。ロータ位置センサ４６は、コントローラに位置信号を与えるようコントローラ４４の別の入力に接続されている。位置センサの出力は、速度概算器５０にも印加され、この速度概算器は、位置信号をコントローラ４４の別の入力に印加される速度信号に変換する。

シーケンスコントローラは、マイクロプロセッサ又はこれと均等なマイクロコントローラ、例えば、テキサス・インスツルメント（Texas Instrument）社のディジタル信号プロセッサ“TMS320LF2407APG ”であるのがよい。スイッチセットは、複数個のＭＯＳＦＥＴ・Ｈ−ブリッジ、例えばインターナショナル・レクティファイア（International Rectifier）社の“IRFIZ48N-ND ”であるのがよい。ゲートドライバは、インターシル（Intersil）社の“MOSFET gate driver HIP4082IB”であるのがよい。位置センサは、任意の公知の検出手段、例えば、ホール効果素子（アレグロ・マイクロシステムズ（Allegro Microsystems）社の“92B5308 ”）、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサ、容量型回転センサ、リードスイッチ、アモルファスセンサを含むパルスワイヤセンサ、リゾルバ、光学センサ等であるのがよい。ホール効果電流計、例えば、エフ・ダブリュ・ベル（F. W. Bell）社の“SM-15 ”を電流計４８に利用するのがよい。速度検出器５０は、検出位置信号から得られる時間の近似値を提供する。

図３は、個々のステータコアセグメント巻線のためのスイッチセット及びドライバの部分回路図である。ステータ相巻線２８は、４つのＦＥＴのブリッジ回路中に接続されている。
例えば、バイポーラトランジスタのような、種々の公知の電子スイッチング素子のうちのどれでも、ステータ巻線２８について駆動電流を適当な方向に向けるのに使用できる。ＦＥＴ５３及びＦＥＴ５５は、電源に直列に接続され、ＦＥＴ５４及びＦＥＴ５６も同様である。ステータ巻線２８は、２つの直列ＦＥＴ回路の連結ノード（節）相互間に接続されている。ゲートドライバ４６は、シーケンスコントローラ４４から受け取った制御信号に応答して作動信号をＦＥＴのゲート端子に印加するようになっている。一方向におけるモータ電流の流れを得るためには、ＦＥＴ５３及び５６を同時に動作させる。逆方向の電流の流れを得るためには、ＦＥＴ５４及び５５を同時に動作させる。変形例として、ゲートドライバ４６をシーケンスコントローラ４４に組み込んでもよい。

図示すると共に上記において説明した特定の回路は、種々の択一的なモータ電圧印加回路の代表例に過ぎない。しかしながら、各相は、各相状態の能動制御を可能にする関連のスイッチング及びドライバ回路を有している。多数の相を有するモータの場合、各相についてのかかる回路の重複及び回路の構成及び機能の複雑さの増大は、高価且つ厄介になる。かくして、多数の相を有するモータの効果的な制御を行う一方で制御可能な状態の数を減少させることが要望されている。

（発明の開示）
本発明は、この要望を満たし、他方、例えば上記同時係属米国特許出願明細書に開示されている分離され且つ強磁性的に隔離された個々のステータコア要素形態の利点を維持することにある。制御可能な状態の数の減少は、高精度の制御性を維持した上で達成される。

各相について少なくとも一つの巻線を備えたステータを有する多相ブラシレス永久磁石モータを提供することにより種々の利点が達成され、巻線は、複数個の接続部のところで互いに永続的に接続される。電源が、被制御モータ電圧印加回路を介して、複数個の端子に結合され、これら端子は、それぞれの接続部に接続され、端子の個数は、モータ相の数よりも、したがって、接続部の数よりも少ない。モータ電圧印加回路は、中央処理装置によって適切に制御される。かくして、各相について同一の電圧印加回路の重複が回避される。

かかる構成は、第１の群をなす巻線をデルタ接続形体に構成し、デルタ形体の隣り合う巻線を接続部のそれぞれ一つのところで互いに接続し、第２の群をなす巻線をＹ接続形体に構成し、Ｙ形体の端点を接続部にそれぞれ接続することによって得られる。Ｙ形体の端点を、端子には直接接続されていない接続部に接続するのがよい。本発明は、相の数が様々なモータに利用できるが、第１の群及び第２の群の相巻線の数も又、可変である。好ましい図示の実施形態では、モータは、７つの相を有し、デルタ形体は、５つの接続点とともに相巻線のうちの５つを有し、Ｙ形体は、相巻線のうちの２つを有し、Ｙ形体の一つの脚部は、接続部のうちの一つと他のＹ巻線が接続された中央ノードとの間に直接接続される。この実施形態では、接続点のうちの４つだけが、それぞれの電源端子に直接接続される。第１の抵抗素子をデルタ形体の二つの相巻線の両端間に接続し、第２の抵抗素子をＹ形体の中央ノードと接続部のうちの一つとの間に接続するのがよい。

本発明は、ステータが、互いに強磁性的に隔離され、各々にそれぞれ相巻線が形成された複数個の強磁性コアセグメントを更に有するモータにおいて有利である。各コアセグメントは、各々が空隙を横切ってロータに面した複数の磁極を有する。相の数は、ステータコアの数に等しく、各相巻線は、ステータコアの各々にそれぞれ巻き付けられている。しかしながら、多くの数のステータコアセグメントを備えたモータが、それぞれの相と関連した複数個のコアセグメント巻線を有してもよいことは理解されるべきである。

本発明のモータは、モータ電圧印加回路の制御下にあるのがよく、このモータ電圧印加回路は、制御された電圧印加信号を巻線に送るためにステータ巻線を電源に結合し、モータ電圧印加回路は、接続部の数よりも少ない数の複数個の電力出力供給端子を有している。モータ電圧印加回路に結合された中央処理装置が、モータ巻線電圧印加のための適当な制御を実行する。モータ電圧印加回路は、各電源出力端子に接続された一組の被制御スイッチを有するのがよい。複数個のステータ相巻線の各々に流れる電流をモニタするモニタ手段が設けられ、かかるモニタ手段は、電流フィードバック信号をもたらすよう中央処理装置に結合されている。

本発明の更なる利点は、以下の詳細な説明を読むと当業者には容易に明らかになろう。なお、本発明の好ましい実施形態は、単に本発明を実施する最適対応の例示として示されて説明されるに過ぎない。理解されるように、本発明は、他の種々の形態で実施でき、その幾つかの細部は、全て本発明から逸脱することなく、種々の自明な点において変更が可能である。したがって、図面及び明細書は、本発明を限定するものではなく、性質上例示として解されるべきである。

本発明は、添付の図面の図に限定ではなく例示として示されている。なお、図中、同一の符号は、同一の要素を示している。

（発明の詳細な説明）
上述したように、図１は、７状態機械、即ち、７相ブラシレスモータの一例を示す図であり、強磁性的に隔離された各コアセグメント上には、それぞれの相に対応した巻線が形成されている。かかる機械は、それぞれの７つの相について７つの状態で能動的に制御される必要がある。本発明によれば、相巻線は、７つ全ての相について制御されたステータ巻線電圧印加を可能にするために、ちょうど４つの状態が能動的に制御される必要があるように構成されている。エレクトロニクス又は電子回路のサイズ及びコストの著しい減少は、今や、７つ全ての状態の個々の能動制御で達成される同一の機械トルク、速度及びパワー特性を達成するのに必要な電子回路の数が少なくなるので実現できる。

７つの均等に分散して位置する相を備えた電流制御型ブラシレスモータは、以下の７つの電流ベクトルで表すことができる。

または、行列という形態で表した場合、以下の表記が適用できる。

４つの状態への減少は、以下の変換で行うことができる。

上記の行列についての操作の結果として、以下のＩ₁，Ｉ₂，Ｉ₃，Ｉ₄の値は、次の通りである。

あるいは、極形式では、上記電流は、次のように表すことができる。

図４は、４つの状態電流の電流波形と重ね合わされた７つの相電流の電流波形を示すタイミングチャートである。図５は、７相巻線２８ａ〜２８ｇの回路図であり、かかる７つの相巻線により、波形が図４に示されている７つのバランスのとれた相電流が図示の４つの状態電流波形の適用によって得られる。５つの相巻線２８ａ，２８ｅ，２８ｄ，２８ｆ，２８ｃは、デルタ形体を形成するように、５つの接続部のところで永続的に直列接続されている。相巻線２８ｂ，２８ｇは、デルタ形体の相巻線相互間のそれぞれの接続部に永続的に接続されたＹ形体の一部である。各相巻線２８ｂ，２８ｇの一端は、中央ノード（節）のところで互いに接続されている。相巻線２８ｂ，２８ｇの他端は、それぞれ、相巻線２８ａと相巻線２８ｃとの間の接続部及び相巻線２８ｄと相巻線２８ｆとの間の接続部に接続されている。中央ノードは、抵抗素子Ｒ１を介して、相巻線２８ａと相巻線２８ｅとの間の接続部に接続されている。抵抗素子Ｒ２が、相巻線２８ｇの外側の端と、相巻線２８ｃ，２８ｆ相互間の接続部との間に接続された状態で示されている。これら抵抗素子は、巻線相互間の相互作用により存在することのある循環電流を無くし又は減少させるために設けられている。Ｒ１とＲ２の値は、所望の機械特性に適合するよう設定されているのがよいが、多くの場合、これらを不要にすることができる。後者の場合、中央ノードは、デルタ接続部に直接接続される。電源端子Ｔ₁〜Ｔ₄は、図４に波形が示されている４つの状態電流Ｉ₁〜Ｉ₄を供給するように、デルタ形体の５つの接続部のうちの４つに結合されている。これら状態電流をもたらすようモータ電源を制御することにより、図示のバランスのとれた相電流波形が得られる。

図５のステータ構成の相巻線を電圧印加（励磁）するモータ制御システムが、図６に示されている。不必要な図面の混乱を回避するため、本発明の理解に必要な構成要素のみが詳細に示されている。モータステータは、モータ電圧印加回路４２を介してＤＣ源４０から給電される。好ましくは、電圧印加回路４２は、電源に平行に接続された対をなすスイッチを有する。各スイッチ対は、下側ＭＯＳＦＥＴスイッチ５６に直列接続された上側ＭＯＳＦＥＴスイッチ５４を有している。スイッチの対の数は、モータ巻線への制御された電力出力接続部の数に等しく、図示の実施形態では４つである。各直列接続スイッチ対相互間の接続部は、電源端子Ｔ₁〜Ｔ₄の各々にそれぞれ接続されている。ゲート電極が、コントローラ４４に接続され、これらゲート電極は、コントローラにより出力される制御信号により別々に作動される。電流計４８が、電流フィードバック信号をコントローラに与えるよう各相巻線経路中に配置されている。

コントローラ４４、位置センサ４６及び電流計は、上述の米国特許出願第１０／１７３，６１０号明細書に開示されているものから成るのがよい。この米国特許出願明細書に記載されているように、コントローラにより受け取られたモータフィードバック信号は、制御信号をスイッチセットに出力して各相巻線を電圧印加するためのアルゴリズムを実施するのに十分なデータを提供する。図６のシステムでは、コントローラは、７つ全ての相巻線中のモニタされた電流に応答して４つのスイッチ対に制御信号を出力する。上述の行列変換に従って、コントローラは、４つの出力電力接続部の信号のための等価なフィードバックを得て、かくして、制御信号スイッチに出力する。かくして、本発明は、所要のスイッチ及び関連回路を２８個（各相について４個）から８個へと大幅に減少させる。回路の更なる効果は、ゲートドライバの数の減少で得られる。

図７及び図８は、図６の実施形態の変更例を示しており、この実施形態とは、電流計の個数及び配置場所において異なっている。図７の実施形態では、電流計４８は、各電力出力結線で対応のスイッチセットに接続されている。４つの検出された電流信号は、コントローラのそれぞれの入力に伝送される。図８の実施形態では、単一の電流計４８は、バッテリリード線のうちの一つに接続されている。検出されたバッテリ電流は、コントローラに入力される。これら実施形態では、上述の行列に基づく適当なアルゴリズムが、制御信号をスイッチセットに出力して各相巻線に電圧印加するためにコントローラ内に格納されている。

理解できるように、本発明のモータは、広い範囲の構造的構成で利用できる。７相モータを例示として説明したが、本発明は、特定の数の相には限定されない。というのは、適当な相電流ベクトル及び変換を導き出すことができるからである。これよりも相の数が多いモータでは、節約を別途達成することができる。さらに、本発明では、各相巻線を単一のステータコアセグメントの磁極対に形成することは、必要条件ではない。即ち、本発明は、複数の磁極周りに分布して配置された相巻線を有する多相モータにも利用できる。

本発明が利用されるモータのロータ構造要素及びステータ構造要素を示す例示の図である。例えば同時係属米国特許出願第１０／１７３，６１０号明細書に開示されたモータ制御システムのブロック図である。例えば同時係属米国特許出願第１０／１７３，６１０号明細書に開示された個々のステータコアセグメント巻線用のスイッチセット及びドライバの部分回路図である。本発明の種々の電流波形のタイミングチャートである。７相モータを表す本発明の例示の実施形態のためのステータ巻線回路構成を示す回路図である。本発明のモータ制御システムに組み込まれた図５の実施形態の略図である。本発明の図６の実施形態の変更例を示す図である。本発明の図６の実施形態の別の変更例を示す図である。

Claims

多相ブラシレス電気モータであって、
複数個の永久磁石を有するロータと、
各々がそれぞれのモータ相に対応し、複数の接続部のところで互いに永続的に接続された複数個の巻線を有するステータと、
被制御電源に結合された複数個の端子と、を有し、
前記複数個の端子の個数は、前記モータ相の数よりも少なく、各前記端子は、前記接続部の各々にそれぞれ直接接続され、
前記複数個の巻線は、
環状に接続された第１の群をなす巻線を有し、前記第１の群の隣り合う巻線は、前記接続部のそれぞれ一つのところで互いに接続され、
第２の群をなす巻線を有し、前記第２の群の各巻線の一端は、中央ノードのところで互いに接続され、前記第２群の各巻線の他端は、前記接続部にそれぞれ接続され、
前記第１の群の巻線（２８ａ、２８ｅ、２８ｄ、２８ｆ、２８ｃ）の数は、第２の群の巻線（２８ｂ、２８ｇ）の数よりも多く、
前記端子の個数は、前記接続部の個数よりも少なく、
前記複数個の電源端子（Ｔ１・・・Ｔ４）は、前記第１の群の巻線（２８ａ、２８ｅ、２８ｄ、２８ｆ、２８ｃ）に対応するモータ相の数よりも数が少なく、
前記第２の群の各巻線の他端に接続されている前記接続部のうちの一つは、端子に直接的には接続されておらず、
前記モータは、７つの相を有し、前記第１の群は、５つの接続点とともに前記巻線のうちの５つを有し、前記第２の群は、前記巻線のうちの２つを有し、前記接続点のうちの４つだけが、それぞれの端子に直接接続され、
前記第１の群の前記巻線のうちの一つの両端間に接続された第１の抵抗素子と、前記第２の群の前記中央ノードと前記接続部のうちの一つとの間に接続された第２の抵抗素子とを更に有する、
多相ブラシレス電気モータ。
前記ステータは、互いに強磁性的に隔離された複数個の強磁性コアセグメントを更に有し、各コアセグメントにはそれぞれ相巻線が形成されている、請求項１記載の多相ブラシレス電気モータ。
各コアセグメントは、各々が空隙を横切って前記ロータに面した複数の磁極を有する、請求項２記載の多相ブラシレス電気モータ。
相の数は、ステータコアの数に等しく、各相巻線は、前記ステータコアの各々にそれぞれ巻き付けられている、請求項２記載の多相ブラシレス電気モータ。
多相ブラシレス電気モータシステムであって、
永久磁石ロータ及び複数個の巻線を含むステータを有するモータを有し、各巻線は、それぞれのモータ相に対応し、前記複数個の巻線は、複数個の接続部のところで互いに永続的に接続され、
制御された電圧印加電流を前記ステータ巻線に流すために前記ステータ巻線を電源に結合するモータ電圧印加回路を有し、該モータ電圧印加回路は、前記接続部の個数よりも少数の複数個の電源出力端子を有し、
前記モータ電圧印加回路に結合されていて、該モータ電圧印加回路を制御する中央処理装置を有し、各前記電源出力端子は、前記接続部の各々にそれぞれ直接接続され、
前記複数個の巻線は、
環状に接続された第１の群をなす巻線を有し、前記第１の群の隣り合う巻線は、前記接続部のそれぞれ一つのところで互いに接続され、
第２の群をなす巻線を有し、前記第２の群の各巻線の一端は、中央ノードのところで互いに接続され、前記第２群の各巻線の他端は、前記接続部にそれぞれ接続され、
前記第１の群の巻線（２８ａ、２８ｅ、２８ｄ、２８ｆ、２８ｃ）の数は、第２の群の巻線（２８ｂ、２８ｇ）の数よりも多く、
前記端子の個数は、前記接続部の個数よりも少なく、
前記複数個の電源端子（Ｔ１・・・Ｔ４）は、前記第１の群の巻線（２８ａ、２８ｅ、２８ｄ、２８ｆ、２８ｃ）に対応するモータ相の数よりも数が少なく、
前記第２の群の各巻線の他端に接続されている前記接続部のうちの一つは、端子に直接的には接続されておらず、
前記モータは、７つの相を有し、前記第１の群は、５つの接続点とともに前記巻線のうちの５つを有し、前記第２の群は、前記巻線のうちの２つを有し、前記接続点のうちの４つだけが、それぞれの端子に直接接続され、前記７つの相モータは、４つの制御可能な電力出力で制御され、
前記第１の群の前記巻線のうちの一つの両端間に接続された第１の抵抗素子と、前記第２の群の前記中央ノードと前記接続部のうちの一つとの間に接続された第２の抵抗素子とを更に有する、
多相ブラシレス電気モータシステム。
前記ステータは、互いに強磁性的に隔離された複数個の強磁性コアセグメントを更に有し、各コアセグメントにはそれぞれ相巻線が形成されている、請求項５記載の多相ブラシレス電気モータシステム。
前記モータ電圧印加回路は、各電源出力端子に接続された一組の被制御スイッチを有する、請求項５記載の多相ブラシレス電気モータシステム。
前記複数個のステータ相巻線の各々に流れる電流をモニタするモニタ手段を更に有し、該モニタ手段は、電流フィードバック信号を前記中央処理装置に与えるよう前記中央処理装置に結合されている、請求項５記載の多相ブラシレス電気モータシステム。
前記モータ電圧印加回路の電源出力端子の各々に接続されると共に電流フィードバック信号を前記中央処理装置に与えるよう前記中央処理装置に結合された電流モニタを更に有する、請求項５記載の多相ブラシレス電気モータシステム。
電流フィードバック信号を前記中央処理装置に与えるよう前記中央処理装置に結合されたバッテリに直列接続された電流モニタを更に有する、請求項５記載の多相ブラシレス電気モータシステム。