JP5955472B2 - 多群多相駆動システムおよび回転電機の駆動方法 - Google Patents

Description

この発明は、複数群の多相電機子巻線を有する回転電機を備えた多群多相駆動システムおよび回転電機の駆動方法に関する。

従来の多群多相駆動システムは、直流電力と交流電力とを相互に変換する電力変換器と、電力変換器の直流側に接続され、直流電力を充放電する直流電源と、電力変換器の交流側に接続され、複数群の多相電機子巻線を有する回転電機とを備え、負荷が大きい場合には、すべての群を使用して回転電機を駆動し、負荷が小さい場合には、一部の群のみを使用して回転電機を駆動することにより、低負荷での効率を改善している（例えば、特許文献１参照）。

特開平５−１０３４９７号公報

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
すなわち、多群多相駆動システムでは、一定以上の負荷がある場合でも、トルクが小さいときには、電力変換器のスイッチング周波数（キャリア周波数）に対応する成分の損失（いわゆるキャリア損）の占める割合が、全損失に対して大きくなるという課題があるが、特許文献１に記載された多群多相駆動システムでは、この影響について考慮されていない。

また、多群多相駆動システムにおいて、回転電機の駆動に使用する群数の決定には、負荷の大きさだけでなく、回転数およびトルクのそれぞれによる影響を考慮しなければならないが、特許文献１に記載された多群多相駆動システムでは、この影響について考慮されていない。

さらに、多群多相駆動システムにおいて、直流電源電圧やキャリア周波数が変化した場合、または回転電機の界磁磁束が変化した場合には、全損失に占める基本波鉄損や銅損、キャリア損等の割合が変化するので、回転電機の駆動に使用する群数を変更した際の効果が変化するが、特許文献１に記載された多群多相駆動システムでは、これらの影響について考慮されていない。

そのため、従来の多群多相駆動システムによって使用する群数を決定して回転電機を駆動した場合には、使用する群数を切り替えることにより、逆に損失が増加することがあるという問題がある。

ここで、これらの影響は、特に、電気自動車やハイブリッド自動車等の駆動システムのような、回転数およびトルクがともに広い出力範囲を要求される回転電機を含んだシステムや、リチウムイオン電池やニッケル水素電池のような、充電状態によって電圧が変動する蓄電池を電源とするシステム、駆動システム全体の損失を低減するために電力変換器のスイッチング周波数を変化させて駆動するシステムにおいて顕著になり、また、駆動システムの温度が広範囲に変化する場合に顕著になる。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、システム全体の損失を大幅に低減することができる多群多相駆動システムおよび回転電機の駆動方法を得ることを目的とする。

この発明に係る多群多相駆動システムは、直流電力と交流電力とを相互に変換する電力変換器と、電力変換器の直流側に接続され、直流電力を充放電する直流電源と、電力変換器の交流側に接続され、複数群の多相電機子巻線を有する回転電機と、を備え、回転電機の回転数、回転電機に流れる電流、直流電源の直流電源電圧および電力変換器のキャリア周波数に基づいて、回転電機の駆動に使用する群数を決定する判定部をさらに備えたものである。

この発明に係る多群多相駆動システムによれば、判定部は、回転電機の回転数、回転電機に流れる電流、直流電源の直流電源電圧および電力変換器のキャリア周波数に基づいて、回転電機の駆動に使用する群数を決定する。
これにより、駆動状態や駆動環境が大きく変わった場合であっても、適切に使用する群数を決定することができる。
そのため、システム全体の損失を大幅に低減することができる。

この発明の実施の形態１に係る多群多相駆動システムを模式的に示す構成図である。 この発明の実施の形態１に係る多群多相駆動システムを構成する回転電機を示す軸方向断面図である。 この発明の実施の形態１に係る多群多相駆動システムを構成する回転電機を示す径方向断面図である。 この発明の実施の形態１に係る多群多相駆動システムを構成する電力変換器を示す回路図である。 この発明の実施の形態１に係る多群多相駆動システムを構成する回転電機に印加される電圧と流れる電流との関係を示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係る多群多相駆動システムの群数制御のハードウェア構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１に係る多群多相駆動システムにおいて、片群で駆動する領域と両群で駆動する領域とを示す説明図である。 この発明の実施の形態２に係る多群多相駆動システムを構成する回転電機を示す径方向断面図である。 この発明の実施の形態３に係る多群多相駆動システムを構成する回転電機を示す径方向断面図である。 この発明の実施の形態４に係る多群多相駆動システムを構成する回転電機を示す径方向断面図である。 この発明の実施の形態５に係る多群多相駆動システムを構成する回転電機を示す径方向断面図である。

以下、この発明に係る多群多相駆動システムおよび回転電機の駆動方法の好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る多群多相駆動システムを模式的に示す構成図である。図１に示された多群多相駆動システムにおいて、直流電力と交流電力とを相互に変換するインバータ（電力変換器）１の直流側には、直流電力を充放電するバッテリ（直流電源）２が接続され、インバータ１の交流側には、交流電力と機械エネルギーとを相互に変換するモータ（回転電機）３が接続されている。

図２は、この発明の実施の形態１に係る多群多相駆動システムを構成するモータ３を示す軸方向断面図であり、図３は、この発明の実施の形態１に係る多群多相駆動システムを構成するモータ３を示す径方向断面図である。

図２および図３において、モータ３は、アウターフレームベース１０１とインナーフレーム１０２とからなる円筒形のフレーム１０と、フレーム１０に内包されたステータ１２と、ステータ１２の内周に配置されたロータ２０と、ロータ２０の内径に取り付けられたシャフト３０と、負荷側ベアリング３１および反負荷側ベアリング３２と、円盤状の負荷側ブラケット４０および反負荷側ブラケット４１とから構成される。

ステータ１２は、環状のヨーク部１５から内径側に１２個のティース１６が突設されたステータコア（固定子鉄心）１１と、各ティース１６に絶縁物１７を介して導体が複数回巻回されたコイル１８とからなる。コイル１８は、周方向に交互に１群用コイルと２群用コイルとに分けられており、それぞれ３相のＹ結線に接続されている。また、ステータコア１１は、例えば薄板鋼板を積層して製作される。

ロータ２０は、周方向に１０個の磁石挿入穴２１が形成されたロータコア（回転子鉄心）２２と、各磁石挿入穴２１に、Ｎ極とＳ極とが交互に外形側を向くように挿入された永久磁石２３とからなる。また、ロータコア２２は、例えば薄板鋼板を積層して製作される。また、永久磁石２３は、ネオジム焼結磁石やサマリウムコバルト磁石、フェライト磁石等でもよい。これにより、モータ３は、１０極１２スロットの集中巻２群３相モータに構成されている。

負荷側ベアリング３１および反負荷側ベアリング３２は、シャフト３０の両端を回転自在に支持する。負荷側ブラケット４０および反負荷側ブラケット４１は、負荷側ベアリング３１および反負荷側ベアリング３２をそれぞれ保持し、外周側がフレーム１０にそれぞれ取り付けられている。

ここで、シャフト３０の反負荷側の端部には、レゾルバロータ７０が取り付けられており、反負荷側ブラケット４１のレゾルバロータ７０と対向する位置には、レゾルバステータ７１が取り付けられている。このように、レゾルバロータ７０とレゾルバステータ７１とで構成されるレゾルバ７２により、モータ３の回転位置および回転速度（回転数）がモニタされる。

また、図示していないが、コイル１８には、１群用コイルおよび２群用コイルのそれぞれにサーミスタ（コイル温度検出部）が取り付けられており、コイル１８の温度がモニタされる。また、ロータ２０の軸方向の近傍にもサーミスタが設けられており、このサーミスタでモニタされた温度に基づいて、永久磁石２３の温度が推定される。

なお、コイル１８の温度は、サーミスタによって測定されているが、熱電対を用いて測定されてもよい。また、永久磁石２３の温度は、ロータ２０の軸方向の近傍に設けられたサーミスタで測定された温度に基づいて推定されているが、熱電対を用いて測定された温度に基づいて推定されてもよい。

このとき、永久磁石２３の温度推定に用いられる温度は、モータ３内部の永久磁石２３の温度と相関の高い部位であれば別の場所の温度であってもよく、複数の点の温度を用いてもよい。このような構成であっても、同様の効果を得ることができる。なお、永久磁石２３の温度は、スリップリング等を使用して直接測定してもよい。このようにすれば、永久磁石２３の温度を、より正確にモニタすることができる。

図４は、この発明の実施の形態１に係る多群多相駆動システムを構成するインバータ１を示す回路図である。図４に示されたインバータ１において、バッテリ２側の正極端子５１とモータ３側の交流端子５３との間に上アーム側トランジスタ８０が挿入され、交流端子５３とバッテリ２側の負極端子５２との間に下アーム側トランジスタ８１が挿入されて、１相分の回路を形成し、合計６相分の回路が内蔵されている。

また、それぞれの相の交流端子５３が、モータ３の６本の取出端子（図示せず）と接続され、２つの互いに３０度位相のずれた３相電力が、インバータ１とモータ３との間で相互にやりとりされる。なお、図示していないが、それぞれのトランジスタ８０、８１には、ダイオードが並列に接続されている。

ここで、トランジスタ８０、８１は、例えばシリコンのＩＧＢＴを用いて構成されているが、使用する電圧に合わせてＦＥＴを用いてもよい。また、シリコンカーバイドや窒化ガリウム等のワイドバンドギャップ半導体を用いてもよい。トランジスタの種類によらず、同様の効果を得ることができる。

また、インバータ１の正極端子５１と負極端子５２との間には、電圧センサ１００が接続され、バッテリ２から供給される直流電力の電圧がモニタされる。また、それぞれの相の交流端子５３とモータ３の取出端子との間には、電流センサ（図示せず）が接続され、それぞれの相に通電される電流の振幅および位相がモニタされる。なお、電流センサは、インバータ１またはモータ３に内蔵されてもよい。

以下、図５を参照しながら、この発明の実施の形態１に係る多群多相駆動システムの動作について説明する。図５は、この発明の実施の形態１に係る多群多相駆動システムを構成するモータ３に印加される電圧と流れる電流との関係を示す説明図である。

モータ３が高トルクで駆動する場合には、１群用コイルおよび２群用コイルの両群巻線を使用した駆動が行われる。一方、モータ３が低トルクで駆動する場合には、インバータ１は、バッテリ２の直流電源電圧、モータ３の回転数、モータ３に通電される交流電流およびインバータ１のキャリア周波数を参照し、これらの値に基づいて、あらかじめ用意されたマップから、１群用コイルおよび２群用コイルの片群だけで駆動するか、両群を用いて駆動するかを決定する。

ここで、１群用コイルおよび２群用コイルの片群だけで駆動する場合には、１群用コイルおよび２群用コイルのうち、コイル１８の温度が低い方の群が駆動に使用される。また、片群駆動時には、一定時間毎に使用する群の判定が行われ、コイル１８の温度が低い方の群が駆動に使用される。

続いて、低トルク駆動時にモータ３に発生する損失について説明する。損失には、大きく分けて、コイル１８に通電することによって発生する銅損、ロータコア２２とステータコア１１との間で磁束が変動することによって発生する鉄損、ロータ２０が回転することによって負荷側ベアリング３１および反負荷側ベアリング３２で発生する摩擦やモータ３内で発生する風損等を含む機械損、並びにロータ２０の永久磁石２３内で発生するうず電流による磁石損がある。

これらの損失のうち、機械損は、他の損失に比べて十分に小さいので、無視することができる。また、低トルク駆動時には、モータ３に通電される電流が小さいことから、銅損が小さく、また、磁石損の原因となるうず電流も発生しにくいので、磁石損も小さい。そのため、低トルク駆動時には、鉄損が支配的な損失になる。

次に、電気自動車の駆動システムに見られるような、速度トルク特性が広く求められる駆動システムにおけるモータ３の鉄損について詳細に説明する。鉄損には、コイル１８に正弦波電流を通電した際に発生する基本波鉄損と、インバータ１を用いて、直流電圧を裁断印加した擬似的な正弦波電流を通電した際に発生する、基本波鉄損からの増加分であるキャリア鉄損（キャリア損）とが存在する。

キャリア鉄損は、直流電圧を裁断印加した際にコイル１８に流れる電流の瞬間的な跳ね上がりに起因して発生するので、直流電源電圧に対してモータ３のインダクタンスが大きければ、ほとんど発生しない。しかしながら、速度トルク特性が広いモータでは、インダクタンスを小さく設計せざるを得ないので、このようなモータでは、一般的にキャリア鉄損が大きくなる。特に、モータ３のトルクが小さい場合には、全体の損失に対してキャリア鉄損の占める割合が高く、損失全体の半分程度になることもある。

また、基本波鉄損は、コイル１８に流れる正弦波電流に起因する磁束の変動の他に、ロータ２０の永久磁石２３が作る磁束が完全な正弦波でないことによる高調波や、ロータ２０やステータ１２の形状に起因する高調波等を含む。

ここで、鉄損は、スタインメッツの実験式におおよそ従い、次式（１）のように表される。

式（１）において、Ｗは鉄損、αはヒステリシス損失の係数、Ｂは磁束密度、ｆは磁束の変化の周波数、βはうず電流損失の係数をそれぞれ示している。一方、モータ３内の磁束は、次式（２）のように表される。

式（２）において、φは磁束であり、透磁率μを用いて磁束密度Ｂとφ＝μＢの関係にある。また、式（２）において、Ｌはインダクタンス、ｉは電流、φ_magは永久磁石２３が作る磁束を示し、添え字のｄ、ｑは、それぞれロータ２０の磁極中心の軸（直軸）と磁気的に直交する軸（横軸）とを示している。

式（１）および式（２）から分かるように、磁束φの大きさは、鉄損の大きさに大きく影響する。また、上述したように、モータ３のインダクタンスは小さく、低トルク駆動時には、モータ３に通電される電流も小さいので、この場合には、Ｌ_dｉ_dの項およびＬ_qｉ_qの項は、磁石磁束に比べて無視することができ、磁石磁束が支配的な磁束となる。

そのため、低トルク駆動時の鉄損は、永久磁石２３の種類等によって決定される磁石磁束による鉄損が支配的となる（いわゆる無負荷鉄損）。したがって、通電される電流が多少増減しても、低トルク駆動時の基本波鉄損は、ほとんど変化しない。

また、キャリア鉄損は、上述したように、ＰＷＭ駆動に基づく裁断電圧の印加による電流リップルに伴って発生する。電圧の印加時間ｔが、モータ３の電気的時定数よりも十分に短い場合には、図５に示されるように、電圧の印加に対して、電流が直線的に立ち上がるような簡単なモデルで考えることができる。なお、一般的にインバータの１回の電圧印加時間は、モータの電気的時定数よりも十分に小さい。

ここで、キャリア電流リップルの振幅ｉ_cは、電圧印加時間ｔと電流の傾きθに対して、次式（３）のような関係にある。

式（３）において、電圧印加時間ｔは、次式（４）で表されるように、キャリア周波数ｆ_cの逆数に比例し、変調率ｍに比例する。また、ｔａｎθは、次式（５）のように表される。

式（５）において、Ｖ_dcは直流電源電圧、Ｅはモータ３の端子電圧、Ｒはモータ３のコイル抵抗、Ｌはモータ３のインダクタンスをそれぞれ示している。また、式（４）に示された変調率ｍは、次式（６）で表される。

式（６）において、ωは電気角速度、εは電圧利用率をそれぞれ示している。以上のことから、キャリア電流リップルの振幅ｉ_cは、次式（７）のように表される。

式（７）において、キャリア周波数ｆ_c、インダクタンスＬおよびコイル抵抗Ｒは既知量である。式（２）および式（７）より、直流電源電圧Ｖ_dc、電気角速度ω、電流ｉ_dｉ_qが分かればキャリア電流リップルの振幅ｉ_cが分かり、キャリア鉄損を推定することができる。また、モータ３の端子電圧Ｅは、駆動状態が分かると決定することができる。

ここで、直流電源電圧Ｖ_dcは、バッテリ２の充電状態によって変化するが、ある瞬間においては、定数と考えることができる。また、電気角速度ωも、ある回転数に対しては一意の値である。このとき、式（２）および式（７）より、キャリア電流リップルの振幅ｉ_cは、磁束φによって決まるが、上述したように、低トルク駆動時には、磁束φは永久磁石２３が作る磁束φ_magに支配されるので、電流値が多少変化してもキャリア電流リップルの振幅ｉ_cは、ほとんど変化しない。

以上のことを踏まえて、この発明の実施の形態１に係る多群多相駆動システムの動作の効果について説明する。まず、低トルク駆動時に片群で駆動することで、同じトルクを出力するために片群のコイル１８に通電される電流は、両群で駆動するときの約２倍になる。このとき、上述したように、基本波鉄損は、磁石磁束に支配されるので、ほとんど変化しない。

一方、キャリア鉄損に関連するキャリア電流リップルの振幅ｉ_cについても、同環境下（低トルク駆動時に片群で駆動する場合）では、電流が増えても上述した両群駆動時と同等である。このとき、駆動されるコイル１８が半分になっているので、ティース１６で発生する鉄損は、両群駆動時と比べて半分になる。

さらに、ヨーク部１５には、従来両群分のコイル１８により励磁されるキャリア電流リップルに伴う磁束変動が発生していたのに対して、片群で駆動することで、磁束変動が半分になる。すなわち、片群で駆動することによって、両群駆動時と比べて低トルク駆動時に支配的な２つの損失のうち、基本波鉄損は変化せず、キャリア鉄損は半分にすることができる。そのため、低トルク駆動時の効率を改善することができる。

ここで、図６に示されるように、モータ３の駆動に使用する群数の決定は、インバータ１に内蔵された判定部３０１によって行われる。判定部３０１には、電圧センサ１００、電流センサ３０２、レゾルバ７２およびサーミスタからの信号が入力され、それぞれ直流電源電圧、電流、回転数およびコイル温度の情報が提供される。なお、コイル抵抗、磁石磁束およびキャリア周波数の情報は既知である。

また、判定部３０１は、判定部３０１内にあらかじめ格納され、直流電源電圧、電流、回転数、コイル抵抗、磁石磁束およびキャリア周波数に対して使用する群数が記された群数マップを参照して、モータ３の駆動に使用する最適な群数を決定する。このとき、判定部３０１は、コイル温度の情報に基づいて、最もコイル温度の低い群を使用する群として決定する。

以下、図６を参照しながら、この発明の実施の形態１に係る多群多相駆動システムにおける使用群数の決定方法について説明する。図６において、インバータ１に内蔵された制御部３０３は、電圧検出部３０４で電圧センサ１００からの信号を受け取り、電源電圧を検出する。また、制御部３０３は、電流検出部３０５で電流センサ３０２からの信号を受け取り、インバータ１とモータ３との間に流れる電流値を検出する。

また、制御部３０３は、温度検出部３０６でモータ３に取り付けられたサーミスタからの信号を受け取り、モータ３内のコイル温度や磁石温度を検出または推定する。さらに、制御部３０３は、回転検出部３０７でレゾルバ７２からの信号を受け取り、モータ３の回転数を検出する。

トルク指令演算部３０８は、アクセル開度等の情報をＣＡＮ通信により受け取り、回転数検出部３０７で検出されたモータ回転数と合わせてトルク指令を決定する。

電流指令演算部３０９は、トルク指令演算部３０８が出力したトルク指令とモータ回転数とを受け取り、電圧検出部３０４より受け取る電源電圧、温度検出部３０６より受け取るモータ３内のコイル温度や磁石温度、および既知のキャリア周波数を用いて、電流指令値を生成するとともに、電流指令演算部３０９に内蔵された判定部３０１にて群数マップを参照し、使用する群数および群を決定し、それぞれの群および相の最終的な電流指令値を決定する。

電流制御部３１０は、電流指令演算部３０９から出力された電流指令値と電流検出部３０５で検出されたインバータ１とモータ３との間に流れる電流値から電圧指令値を生成し、ゲート指令演算部３１１に出力する。ゲート指令演算部３１１は、電流制御部３１０から出力された電流指令値からゲート信号を生成して、パワー部３１２のそれぞれのパワートランジスタのゲートに入力する。

ここで、判定部３０１が使用する群数マップは、電源電圧、キャリア周波数、トルク（または電流指令値）、温度、回転数等に影響を受けるため、従来の方法では構成が複雑かつ煩雑になる。

一方、この発明の方法によれば、上記式（７）のように、キャリア電流振幅が相電流の影響を受けず、また、上記式（２）において電流が作る磁束が、磁石が作る磁束に比べて充分に小さければ、基本波鉄損も相電流の影響をほとんど受けないと考えることができる。そのため、群数を制限して駆動する領域は、両群で駆動する場合から片群で駆動する場合に切り替えたときにキャリア鉄損が低下する量が、通電された導体に発生する損失、すなわち導体損失が増加する量よりも大きくなる領域となる。

したがって、群数を制限して駆動する領域は、キャリア鉄損が低下する量と導体損失が増加する量とが等しくなる領域のトルクよりも、トルクが小さくなる領域と考えることができる。また、群数マップをこのように作成することで、制御の簡便化を図ることができる。このような構成によって、例えば図７に示されるように、片群で駆動する領域と両群で駆動する領域とを決定することができる。

このように、判定部３０１が、直流電源電圧、電流、回転数およびキャリア周波数に基づいて、モータ３の駆動に使用する最適な群数を決定することにより、電気自動車のように、通常低トルク駆動領域を多く使用するような用途において、特に効率の改善効果が大きく発揮される。

また、直流電源電圧、回転数、電流をセンサによりモニタしているので、バッテリ２の充電状態の変化等によって直流電源電圧が変化した場合や、回転数やトルクが変化した場合に対しても、片群と両群との駆動判定を、上記の変化を考慮して行うことができるので、使用する群数を切り替えることで逆に効率が悪化することを防止することができ、また、効果の出る範囲全域に渡って、片群と両群との駆動判定を行うことができる。

また、インバータ１のキャリア周波数を参照しているので、キャリア周波数が可変するような駆動システムにおいても、片群と両群との駆動判定を正確に行うことができる。さらに、コイル１８は、コイル温度がモニタされているので、コイル抵抗を正確に知ることができ、効果の出る範囲全域に渡って、片群と両群との駆動判定を行うことができる。また、永久磁石２３は、温度が推定されているので、磁石磁束を正確に知ることができ、効果の出る範囲全域に渡って、片群と両群との駆動判定を行うことができる。

さらに、コイル１８は、１群用コイルおよび２群用コイルの温度がそれぞれモニタされているので、片群駆動する際に温度の低い方を使用することができ、温度上昇を抑制して銅損を少なくすることができるので、効率を向上させることができる。また、片群駆動時に、一定時間毎に使用する群を判定するので、さらに銅損を少なくすることができる。

また、判定部３０１は、磁石２３の温度をモニタしており、磁石２３による磁石磁束、すなわち界磁磁束が推定されているため、片群運転することで損失を低減できる動作領域を一層精度よく算出することができる。

なお、判定部３０１は、モータ３の駆動に使用する群数を決定するにあたり、電流センサで測定された電流値を使用しているが、これに限定されず、指令トルクに対してマップで保有している指令電流を使用してもよい。このような構成であっても、同様の効果を得ることができる。

また、判定部３０１は、直流電源電圧、電流、回転数、コイル温度、磁石磁束、キャリア周波数に対するすべてのマップを有してもよいが、直流電源電圧、コイル温度、磁石磁束、キャリア周波数に対しては、補正式等を用いて補正してもよい。このように構成すれば、判定部３０１が保有しなければならないデータ数を減らすことができ、装置を小型化することができる。また、判定部３０１は、インバータ１に内蔵されてもよいが、インバータ１の外部に別途設置されてもよい。

以上のように、実施の形態１によれば、判定部３０１は、回転電機の回転数、回転電機に流れる電流、直流電源の直流電源電圧および電力変換器のキャリア周波数に基づいて、回転電機の駆動に使用する群数を決定する。
これにより、駆動状態や駆動環境が大きく変わった場合であっても、適切に使用する群数を決定することができる。
そのため、システム全体の損失を大幅に低減することができる。

なお、上記実施の形態１において、電流指令演算部３０９は、トルク指令から電流指令値を生成して、判定部３０１にて群数と群の決定を行っているが、電流指令値に変換せずに、直接トルク指令を用いて群数および群の決定を行ってもよい。このような構成においても同様の効果を奏する。

また、上記実施の形態１において、判定部３０１は、使用する群数および使用する群の決定を行っているが、各群に通電する電流指令値の決定を同時に行ってもよい。このような構成においても同様の効果を奏する。

実施の形態２．
図８は、この発明の実施の形態２に係る多群多相駆動システムを構成するモータ３を示す径方向断面図である。図８において、モータ３のステータ１２は、４８個のティース１６を有し、コイル１８は、一端のスロットから６スロット渡った位置に挿入される。

これにより、１２スロット分を使用して１群用コイル１８１が構成され、周方向隣の１２スロットを使用して２群用コイル１８２が構成され、その隣にまた１群用コイルが構成され、その隣にまた２群用コイルが構成される。

ロータ２０は、周方向に形成された８個の磁石挿入穴２１に、永久磁石２３がＮ極とＳ極とが交互に外形側を向くように挿入されている。これにより、モータ３は、８極４８スロットの全節分布巻２群３相モータに構成されている。

このような多群多相駆動システムにおいて、判定部３０１は、トルク指令値に対し、各センサから得られた回転数、直流電源電圧およびコイル温度と使用するトルク指令値とから、回転数、トルク、直流電源電圧およびコイル温度に対して使用する群数と供給する電流の振幅および位相と、キャリア周波数とが記された指令値マップを参照して、モータ３の駆動に使用する最適な群数、並びに電流の振幅および位相と、キャリア周波数とを決定する。

このとき、インバータ１は、所定の群数に定められた電流振幅、電流位相およびキャリア周波数でモータ３に交流電力を供給する。なお、その他の構成は、上述した実施の形態１と同様なので、説明を省略する。

このような構成によれば、１群用コイル１８１および２群用コイル１８２のそれぞれが同じティースにまたがって巻かれておらず、異なるティースにまたがって巻かれている。すなわち、それぞれのコイルが作る磁束が同一のティースを共有しないように巻線されている。この構成によって、片群駆動した際に、駆動されていない方のコイルが巻線されているコアでキャリア鉄損が低減できるため、損失を低減できるという効果を生じる。

また、このような構成においても、低トルク駆動時に片群駆動することにより、上述した実施の形態１と同様に、キャリア鉄損を半減し効率を改善することができる。

実施の形態３．
図９は、この発明の実施の形態３に係る多群多相駆動システムを構成するモータ３を示す径方向断面図である。図９において、モータ３のステータ１２は、４８個のティース１６を有する。また、コイル１８は、１スロットに２種類の巻線が挿入され、それぞれスロットの外形側と内径側とに分けられている。

ここで、外径側に挿入されたコイル１８は、反時計周りに５スロット目の内径側に挿入されるよう配置される。また、１つの群のコイルを入れた最初のスロットから１２スロット目以上の位置に挿入されるコイルは、時計回りの７スロット目に挿入される。

このようにして、１つの群のコイルが、１２スロット分におさまるように巻線される。また、周方向１２スロット毎に１群のコイルが構成され、全部で４群のコイル（１群用コイル１８１〜４群用コイル１８４）が構成される。また、各群において、それぞれ少なくとも１つのコイルの温度が、サーミスタでモニタされる。

なお、図示していないが、インバータ１は、１２相分の回路が正極端子５１と負極端子５２との間に構成されており、それぞれの回路を用いて、４組の３相交流電力がモータ３とやり取りされる。これにより、モータ３は、８極４８スロットの短節分布巻４群３相モータに構成され、インバータ１は、４群３相インバータに構成される。

このような多群多相駆動システムにおいて、判定部３０１は、低トルク駆動時には、４群あるコイルのうち、いくつかまたは全群を用いてモータ３を駆動する。また、判定部３０１は、キャリア周波数、直流電源電圧、回転数、要求トルク、コイル１８の温度および磁石温度に基づいて、あらかじめ格納されたマップを参照して、モータ３の駆動に使用する群数を決定する。

このとき、判定部３０１は、１群のコイルのみで駆動する場合には、各群のうち最もコイル温度の低い群を使用する群として決定する。また、判定部３０１は、２群のコイルを用いて駆動する場合には、最もコイル温度の高い群の両隣の群を使用する群として決定する。さらに、判定部３０１は、３群のコイルを用いて駆動する場合には、最もコイル温度の高い群を除いた３つの群を使用する群として決定する。なお、その他の構成は、上述した実施の形態１と同様なので、説明を省略する。

このような構成にすることで、低トルク駆動時には、キャリア鉄損が発生する鉄心体積を減らすことができ、より効率を向上させることができる。また、より高いトルクまで、群欠落駆動による効率向上効果を得ることができる。

実施の形態４．
図１０は、この発明の実施の形態４に係る多群多相駆動システムを構成する回転電機を示す径方向断面図である。図１０において、モータ３のステータ１２は、８０個のティース１６を有する。

また、コイル１８は、一端が挿入されたスロットから反時計周りに１０スロット離れたスロットに他端が挿入され、スロットには、反時計周りに、Ａ相、−Ｄ相、Ｂ相、−Ｅ相、Ｃ相の順に、２スロットずつ巻線が挿入される。ここで、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相、Ｄ相、Ｅ相は、それぞれ７２度位相のずれた５相交流の相を示す。なお、−が付けられた相は、付けられていない相と巻方向が逆になっていることを示している。

また、周方向２０スロット毎に、１群用コイル１８１、２群用コイル１８２、１群用コイル１８１、２群用コイル１８２の順番に割り当てられており、それぞれがＹ結線に結線されている。

なお、図示していないが、インバータ１は、１０相分の回路が正極端子５１と負極端子５２との間に構成されており、それぞれの回路を用いて、２組の５相交流電力がモータ３とやり取りされる。これにより、モータ３は、８極８０スロットの全節分布巻２群５相モータに構成され、インバータ１は、２群５相インバータに構成される。なお、その他の構成は、上述した実施の形態１と同様なので、説明を省略する。

このような構成にすることで、多相化によりトルクリップルを低減することができる。また、群欠落駆動において、上述した実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

実施の形態５．
図１１は、この発明の実施の形態５に係る多群多相駆動システムを構成するモータ３を示す径方向断面図である。図１１において、モータ３のロータ２０は、環状のロータコアヨーク部２５から外径側に８個のロータコアティース部２６が突設されたロータコア２２と、各ロータコアティース部２６に導体が巻回された界磁コイル２７とからなる。

界磁コイル２７は、周方向に互いに巻方向が逆になるように巻回され、周方向に順に直列に接続されて、外部の電源から直流電流が通電される。これにより、界磁コイル２７がロータ２０に８極の界磁極を形成し、モータ３は、８極４８スロットの全節分布巻２群３相モータに構成されている。なお、その他の構成は、上述した実施の形態２と同様なので、説明を省略する。

ここで、界磁コイル２７に通電される電流は、電流センサ（図示せず）により測定され、この電流から界磁磁束マップを用いて界磁コイル２７が発生する界磁磁束が推定される。

このような構成においても、低トルク駆動時に片群駆動することにより、上述した実施の形態１と同様に、キャリア鉄損を半減し効率を改善することができる。
また、界磁磁束が推定されているため、損失を低減できる領域を一層精度よく算出することができる。

なお、上記実施の形態１〜５では、モータ３の温度のみがモニタされているが、これに限定されず、インバータ１の上アーム側トランジスタ８０や下アーム側トランジスタ８１の温度が併せてモニタされてもよい。このとき、優先的に使用する群の判定において、トランジスタ（パワーモジュール）の測定温度が反映されるとなおよい。

具体的には、コイル、トランジスタともに温度が低い群にて駆動されることが望ましいが、コイル温度が最も低い群とトランジスタ温度が最も低い群とが互いに異なる場合には、それぞれの平均値を用いて使用する群を決定してもよい。なお、この動作は、力行時だけでなく回生時にも適用される。

また、上記各実施の形態では、判定部３０１が電流指令値またはトルク指令を用いて使用する群数の決定を行っているが、電流センサ３０２が検出する実際の電流値を用いて群数の決定を行ってもよい。このような構成においても同様の効果を奏する。

Claims (10)

1. 直流電力と交流電力とを相互に変換する電力変換器と、
   前記電力変換器の直流側に接続され、直流電力を充放電する直流電源と、
   前記電力変換器の交流側に接続され、複数群の多相電機子巻線を有する回転電機と、を備え、
   前記回転電機の回転数、前記回転電機に流れる電流、前記直流電源の直流電源電圧および前記電力変換器のキャリア周波数に基づいて、前記回転電機の駆動に使用する群数を決定する判定部をさらに備えた
   多群多相駆動システム。
2. 前記判定部は、前記直流電源の直流電源電圧および前記電力変換器のキャリア周波数に基づいて、前記群数を決定する群数マップを作成するとともに、前記回転電機の回転数および前記回転電機に流れる電流を用いて前記群数マップを参照し、前記キャリア周波数に反比例するキャリア電流リップルの振幅に応じて発生するキャリア鉄損の低下分と、前記回転電機の電機子巻線のコイルにおける通電された導体に発生する損失の増加分とが等しくなる領域のトルクよりもトルクが小さくなる領域で、群の一部を使用しないで駆動させる群数および群を決定する
   請求項１に記載の多群多相駆動システム。
3. 前記回転電機の電機子巻線は、互いに異なる群が、前記回転電機の固定子鉄心において同一のティースを共有しないように巻線されている
   請求項１または請求項２に記載の多群多相駆動システム。
4. 前記判定部は、前記回転電機に流れる電流の電流指令値を決定する
   請求項１から請求項３までの何れか１項に記載の多群多相駆動システム。
5. 前記回転電機の電機子巻線は、集中巻に巻線されている
   請求項１から請求項４までの何れか１項に記載の多群多相駆動システム。
6. 前記回転電機の電機子巻線は、分布巻に巻線されている
   請求項１から請求項４までの何れか１項に記載の多群多相駆動システム。
7. 前記判定部は、前記回転電機の界磁磁束を測定または推定するとともに、前記回転電機の駆動に使用する群数を決定する際に、界磁磁束を考慮する
   請求項１から請求項６までの何れか１項に記載の多群多相駆動システム。
8. 前記回転電機の電機子巻線の各群のコイル温度を、それぞれ少なくとも１つ測定または推定するコイル温度検出部をさらに備え、
   前記判定部は、温度の低い巻線を有する群を優先して使用する
   請求項１から請求項７までの何れか１項に記載の多群多相駆動システム。
9. 前記電力変換器のパワーモジュール温度を、それぞれの群で少なくとも１つ測定または推定するパワーモジュール温度検出部をさらに備え、
   前記判定部は、コイル温度およびパワーモジュール温度の平均値が低い群を優先して使用する
   請求項８に記載の多群多相駆動システム。
10. 直流電力と交流電力とを相互に変換する電力変換器と、
    前記電力変換器の直流側に接続され、直流電力を充放電する直流電源と、
    前記電力変換器の交流側に接続され、複数群の多相電機子巻線を有する回転電機と、を備えた多群多相駆動システムで実行される回転電機の駆動方法であって、
    前記回転電機の回転数、前記回転電機に流れる電流、前記直流電源の直流電源電圧および前記電力変換器のキャリア周波数に基づいて、前記回転電機の駆動に使用する群数を決定する判定ステップを有する
    回転電機の駆動方法。

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