JP6488923B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータ制御装置に関するものである。

３相２重巻線モータの３相巻線に、それぞれ第１及び第２の３相インバータを接続し、各３相インバータにそれぞれ第１及び第２サーボコントローラを接続した、射出成型器用モータ制御装置が知られている。この射出成型器用モータ制御装置では、マスターである第１のサーボコントローラが、第１の電流センサとエンコーダからの出力に基づいて第１の３相インバータを制御し、スレーブである第２のサーボコントローラは、第１のサーボコントローラからの制御指令に従い、第２の電流センサとエンコーダからの出力に基づいて第２の３相インバータを制御している（特許文献１）。

特開２００２−５２５９２号公報

上記３相２重巻線モータにおいて、巻線短絡が発生した場合には、短絡部位によって短絡による電圧変化が微小となるため、短絡が発生したとしても、検出可能な大きさの短絡電流が流れにくい、という問題があった。

本発明が解決しようとする課題は、短絡発生の可能性が高い箇所で、短絡が発生した場合に、検出可能な大きさの短絡電流が流れ、当該短絡電流を検出できるモータ制御装置を提供することである。

本発明は、中性点が互いに異なる複数のコイル結線を有するモータと、複数のコイル結線の各中性点にそれぞれ電気的に接続された複数の電力変換器と、モータの交流電流を検出するセンサとを備え、複数のコイル結線を形成する複数のコイルのうち、ステータ上で互いに接する異相のコイルを、互いに異なるコイル結線のコイルとし、センサの検出値に基づきモータ内で発生する短絡を検出することによって上記課題を解決する。

本発明によれば、ステータ上で接している異相のコイル間で短絡が発生した場合には、大きな短絡電流が電流センサを流れるため、電流センサの検出値により短絡電流を検出できるという効果を奏する。

図１は、本実施形態に係るモータ制御装置のブロック図である。 図２は、本実施形態に係るモータ制御装置において、ステータの一部を示す平面図である。 図３は、図１のコントローラのブロック図である。 図４は、図１に示すモータ制御装置の電気回路において、短絡時の電流の流れを説明するための回路図である。 図５は、本発明の他の実施形態に係るモータ制御装置のコントローラのブロック図である。 図６は、本発明の他の実施形態に係るモータ制御装置において、ステータの一部を示す平面図である。 図７は、本発明の他の実施形態に係るモータ制御装置のコントローラのブロック図である。 図８は、本発明の他の実施形態に係るモータ制御装置において、ステータの一部を示す平面図である。 図９は、本発明の他の実施形態に係るモータ制御装置のコントローラのブロック図である。 図１０は、本発明の他の実施形態に係るモータ制御装置において、ステータの一部を示す平面図である。 図１１は、図１０に示すステータの断面図の一部である。 図１２は、本発明の変形例に係るモータ制御装置において、ステータの一部を示す平面図である。 図１３は、本発明の他の実施形態に係るモータ制御装置のコントローラのブロック図である。 図１４は、本発明の他の実施形態に係るモータ制御装置において、ステータの一部を示す平面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
《第１実施形態》
図１は本実施形態に係るモータ制御装置のブロック図である。モータ制御装置は、例えば電気自動車又はハイブリッド車両等の車両に設けられる。なお、以下では、モータ制御装置が車両に設けられていることを前提として、実施形態を説明するが、モータ制御装置は、車両に限らず他の移動体又はモータを備えた装置に適用されてもよい。

モータ制御装置は、電源（バッテリ）１と、コントローラ１００と、インバータ（電力変換器）２１、２２と、モータ３０と、電流センサ４１、４２とを備えている。電源１は、モータ３０を駆動するための電力源であって、複数の電池を直列又は並列に接続することで構成されている。電池は、例えばリチウムイオン電池等の二次電池である。

インバータ２１及びインバータ２２は、それぞれ独立した電力変換器であって、バッテリ１とモータ３０との間に接続されている。インバータ２１は、平滑コンデンサＣとスイッチング回路Ｓ_１〜Ｓ_６を有している。平滑コンデンサＣは、バッテリ１から入力される電圧を平滑するための素子であって、一対の電源ラインの間に接続されている。スイッチング回路Ｓ_１〜Ｓ_６は、スイッチング素子をブリッジ状に接続することで、３相のアーム回路を形成している。スイッチング素子はＩＧＢＴ又はＭＯＳＦＥＴ等のトランジスタが用いられている。また、ダイオードの電流の導通方向が、スイッチング素子の導通方向に対して逆向きになるように、ダイオードがスイッチング素子に並列に接続されている。スイッチング素子及びダイオードの並列回路が、各スイッチング回路Ｓ_１〜Ｓ_６となる。インバータ２２は、インバータ２１と同様の回路構成である。

インバータ２１の上アームと下アームの接続点が、コイル結線３１の中性点Ｏ_１に接続されている。インバータ２２の上アームと下アームの接続点が、コイル結線３２の中性点Ｏ_２に接続されている。インバータ２１、２２は、コイル結線３１、３２の中性点Ｏ_１、Ｏ_２にそれぞれ電気的に接続されることで、互い異なる中性点Ｏ_１、Ｏ_２をもつコイル結線３１、３２とインバータ２１、２２が対応しつつ接続されている。

バッテリ１とインバータ２１、２２との間を接続する電源ラインは、バッテリ１とインバータ２１とを接続するラインと、バッテリ１とインバータ２２とを接続するラインになるように、分岐している。

モータ３０は、インバータ２１、２２から出力される交流電力により駆動する電動機である。モータ３０は、コイル結線３１及びコイル結線３２を有している。コイル結線３１は、各相のコイルの一端同士を中性点Ｏ_１で接続することで構成されるＹ結線である。コイル結線３２は、各相のコイルの一端同士を中性点Ｏ_２で接続することで構成されるＹ結線である。コイル結線３１及びコイル結線３２を構成する複数のコイルは、同一のステータコアに巻回されている。なお、図１では、コイル結線３１のうちＵＶＷ相のコイルをＵ_１、Ｖ_１、Ｗ_１と示し、コイル結線３２のうちＵＶＷ相のコイルをＵ_２、Ｖ_２、Ｗ_２と示している。

電流センサ４１、４２は、モータ３０の交流電流を検出するセンサである。電流センサ４１は、インバータ２１とコイル結線３１との間に接続されており、コイル結線３１の各相（Ｕ_１、Ｖ_１、Ｗ_１）の電流を検出する。電流センサ４２は、インバータ２２とコイル結線３２との間に接続されており、コイル結線３２の各相（Ｕ_１、Ｖ_１、Ｗ_１）の電流を検出する。

コントローラ１００は、インバータ２１、２２を制御する制御回路である。コントローラ１００は、トルク指令、電流センサ４１、４２の検出電流、及びモータ３０の回転速度に基づき、トルク指令に応じたトルクをモータ３０から出力するように、スイッチング信号を生成し、当該スイッチング信号をスイッチング素子Ｓ_１〜Ｓ_６に出力する。スイッチング信号は、スイッチング素子Ｓ_１〜Ｓ_６のオン、オフを切り替える信号である。

次に、本実施形態に係るモータについて説明する。図２はステータの一部を示す平面図である。図２において、Ｕ_１、Ｙ_１、Ｗ_１はコイル結線３１を形成するコイルであり、Ｕ_２、Ｙ_２、Ｗ_２はコイル結線３２を形成するコイルである。Ｕ_１、Ｙ_１、Ｗ_１、Ｕ_２、Ｙ_２、Ｗ_２の表記は、図１と同様である。図２では、９０°モデルの巻線パターンを示している。

モータ３０は、ロータと、ロータの外周に位置するステータ３を有している。ステータ３は、ステータコア３００と複数のコイルを備えている。複数のコイルは、コイル結線３１、３２を構成するコイルに相当する。ステータコア３００は、複数の磁性鋼板を積層することで構成されるコアであって、ヨーク３０１と複数のティース３０２を備えている。ヨーク３０１は、ステータの周方向に沿って円環状に形成されている。複数のティース３０２は、ヨーク３０１の内周面から、ステータの径方向内側（図示しないロータ側）へ突出するように形成されている。複数のティース３０２は、ステータ周方向で互いに間隔を空けて配置されている。ステータの円周方向で隣り合う複数のティース３０２の間には、スロット３０３が形成されている。なお、図２に示すように、複数のティース３０２のうち、あるティース３０２をティース３０２ａとし、ステータの円周方向でティース３０２ａの隣に位置するティース３０２をティース３０２ｂとする。

ティース３０２ａの周囲にはコイルＵ_１及びコイルＵ_２が巻かれており、ティース３０２ｂの周囲にはコイルＶ_１及びコイルＶ_２が巻かれている。ステータの断面（ｘｙ面）において、ティース３０２ａとティース３０２ｂとの間に位置するスロット３０３内では、径方向の内側にコイルＵ_１及びコイルＵ_２が巻かれており、径方向の外側にコイルＶ_１及びコイルＶ_２が巻かれている。スロット３０３内で、コイルＵ_１及びコイルＶ_２は隣接している。本実施形態において、巻線パターンは集中巻のタイプである。すなわち、本実施形態ではステータ上で互いに接した異相のコイルＵ_１及びＶ_２は、互いに異なるコイル結線３１、３２を形成している。また、他のスロット３０３内でも同様に、ステータ上で互いに接した異相のコイルＷ_１及びＶ_２は、互いに異なるコイル結線３１、３２を形成している。

次に、図３を用いて、コントローラ１００の制御ブロックを説明する。図３は、コントローラ１００のブロック図である。コントローラ１００は、非干渉制御器１０１と、ｄｑ電流制御器１０２と、座標変換器１０３、１０４、１０５、１０７と、ｄｑ２次電流制御器１０６とを備えている。コントローラ１００は、インバータ２１を制御するための機能ブロックとして、図３に示す非干渉制御器１０１等の制御器を有しており、インバータ２２を制御するための機能ブロックとして、図３に示す各制御器と同様の制御器を有している。言い換えると、コントローラ１００は、非干渉制御器１０１等の各制御器を、それぞれ二つずつ有しており、一方の制御器はインバータ２１を制御するための機能ブロックであり、他方の制御器はインバータ２２を制御するための機能ブロックである。なお、以下では、インバータ２１を制御する制御器を説明しているが、インバータ２２を制御する制御器も同様であり、インバータ２２を制御する各制御器の説明を省略する。

非干渉制御器１０１は、電流指令値（ｉ_ｄ ^＊、ｉ_ｑ ^＊）、電機角速度（ω）、電圧（Ｖ_ｄｃ）を入力として、ｄｑ軸非干渉電圧指令値を演算する演算部である。電流指令値（ｉ_ｄ ^＊、ｉ_ｑ ^＊）は、トルク指令値（Ｔ^＊）に基づきマップにより演算される値である。トルク指令値は、ドライバーのアクセル操作又はシステム要求等により、モータ３０に対して要求される出力トルクの目標値である。角速度（ω）は、モータ３０の回転速度に相当する機械角速度である。非干渉制御器１０１には、干渉電圧を打ち消すための非干渉電圧のマップが記憶されており、入力値に対して当該マップを参照することで、ｄｑ軸非干渉電圧指令値を演算する。

ｄｑ電流制御器１０２は、電流センサ４１の検出値に基づき計測されたｄ軸電流（ｉ_ｄ）及びｑ軸電流（ｉ_ｑ）を、ｄｑ軸電流指令値（ｉ_ｄｑ ^＊）に一致させるようフィードバック制御する制御器である。ｄｑ電流制御器１０２の入力側には、ｄｑ軸電流（ｉ_ｄ、ｉ_ｑｓ）とｄｑ軸電流指令値（ｉ_ｄ ^＊、ｉ_ｑ ^＊）との偏差をとる減算器が設けられており、当該減算器の出力値がｄｑ電流制御器１０２に入力される。ｄｑ電流制御器１０２は、ｄｑ軸電流指令値（ｉ_ｄ ^＊、ｉ_ｑ ^＊）に対してｄｑ軸電流（ｉ_ｄ、ｉ_ｑ）を、定常的な偏差なく所定の応答性で追随させるよう制御演算を行い、ｄｑ軸の電圧指令値を出力する。これにより、ｄｑ電流制御器１０２は、フィードバックによるＰＩ制御を実行している。

ｄｑ電流制御器１０２の出力側には加算器が設けられており、当該加算器において、ｄｑ電流制御器１０２から出力される電圧指令値と、ｄｑ軸非干渉電圧指令値とを加算することで、非干渉電圧で電圧指令値を補正し、当該加算器の出力値がｄｑ軸電圧指令値（ｖ_ｄ ^＊、ｖ_ｑ ^＊）となる。

座標変換器１０３は、入力されるｄｑ軸検出電流（ｉ_ｕ ^＊、ｉ_ｖ ^＊、ｉ_ｗ ^＊）に対して、電気角（θ）を用いた回転座標変換により、検出電流（ｉ_ｕ ^＊、ｉ_ｖ ^＊、ｉ_ｗ ^＊）をｄｑ軸検出電流（ｉ_ｄ、ｉ_ｑ）に変換して、変換したｄｑ軸検出電流（ｉ_ｄ、ｉ_ｑ）を減算器に出力する。電気角（θ）は、モータ３０に設けられた位置検出器の出力値に基づき演算される値であって、モータ３０の回転速度に対応している。

座標変換器１０４は、入力されるｄｑ軸電圧指令値（ｖ_ｄ ^＊、ｖ_ｑ ^＊）に対して、電気角（θ）を用いた回転座標変換により、ｄｑ軸電圧指令値（ｖ_ｄ ^＊、ｖ_ｑ ^＊）を固定座標系のｕ、ｖ、ｗ軸の電圧指令値に変換する。

座標変換器１０４の出力側には、座標変換器１０４により演算された電圧指令値と座標変換器１０７により演算された電圧指令値（ｖ_ｕ＿２ｆ ^＊、ｖ_ｖ＿２ｆ ^＊、ｖ_ｗ＿２ｆ ^＊）とを加算するための加算器が設けられている。当該加算器で加算された電圧指令値（ｖ_ｕ ^＊、ｖ_ｖ ^＊、ｖ_ｗ ^＊）が、インバータ２１に出力される。インバータ２１には、入力される電圧指令値に基づき生成されるスイッチング信号が出力される。

座標変換器１０５は、入力されるｄｑ軸検出電流（ｉ_ｕ ^＊、ｉ_ｖ ^＊、ｉ_ｗ ^＊）に対して、電気角（−θ）を用いた回転座標変換により、検出電流（ｉ_ｕ ^＊、ｉ_ｖ ^＊、ｉ_ｗ ^＊）を２次高調波電流（ｉ_ｄ＿２ｆ、ｉ_ｑ＿２ｆ）に変換して、変換した２次高調波電流（ｉ_ｄ＿２ｆ、ｉ_ｑ＿２ｆ）を減算器に出力する。座標変換器１０５は、座標変換器１０３による座標変換の電気角に対して逆方向にθだけ回転させることで、モータ３０の交流電流の２次高調波電流を演算している。コイル結線３１とコイル結線３２との間で短絡が発生していない場合には、２次高調波電流（ｉ_ｄ＿２ｆ、ｉ_ｑ＿２ｆ）はゼロである。一方、コイル結線３１とコイル結線３２との間で短絡が発生している場合には、２次高調波電流（ｉ_ｄ＿２ｆ、ｉ_ｑ＿２ｆ）はゼロにならない。

ｄｑ２次電流制御器１０６は、２次高調波電流（ｉ_ｄ＿２ｆ、ｉ_ｑ＿２ｆ）を、電流指令値（ｉ_ｄ＿２ｆ ^＊、ｉ_ｑ＿２ｆ ^＊）に一致させるようフィードバック制御する制御器である。ｄｑ２次電流制御器１０６の入力側には、電流指令値（ｉ_ｄ＿２ｆ ^＊、ｉ_ｑ＿２ｆ ^＊）と２次高調波電流（ｉ_ｄ＿２ｆ、ｉ_ｑ＿２ｆ）との偏差をとる減算器が設けられており、当該減算器の出力値がｄｑ２次電流制御器１０６に入力される。電流指令値（ｉ_ｄ＿２ｆ ^＊、ｉ_ｑ＿２ｆ ^＊）は、短絡電流を抑制するために予め設定されている指令値であって、ゼロに設定されている。ｄｑ２次電流制御器１０６は、２次高調波電流（ｉ_ｄ＿２ｆ、ｉ_ｑ＿２ｆ）を、電流指令値（ｉ_ｄ＿２ｆ ^＊、ｉ_ｑ＿２ｆ ^＊）をゼロにするように、ＰＩ制御による制御演算を行い、ｄｑ軸の電圧指令値（ｖ_ｄ＿２ｆ ^＊、ｖ_ｑ＿２ｆ ^＊）を出力する。電圧指令値（ｖ_ｄ＿２ｆ ^＊、ｖ_ｑ＿２ｆ ^＊）は、２次の高調波成分の電圧指令値である。

座標変換器１０７は、入力される電圧指令値（ｖ_ｄ＿２ｆ ^＊、ｖ_ｑ＿２ｆ ^＊）に対して、電気角（−θ）を用いた回転座標変換により、電圧指令値（ｖ_ｄ＿２ｆ ^＊、ｖ_ｑ＿２ｆ ^＊）を固定座標系のｕ、ｖ、ｗ軸の電圧指令値（ｖ_ｕ＿２ｆ ^＊、ｖ_ｖ＿２ｆ ^＊、ｖ_ｗ＿２ｆ ^＊）に変換する。

コイル結線３１とコイル結線３２との間で短絡が発生している場合には、ｄｑ２次電流制御器１０６によるＰＩ制御が機能し、フィードバック制御を行うことで、２次高調波電流（ｉ_ｄ＿２ｆ、ｉ_ｑ＿２ｆ）をゼロになるような電圧指令値（ｖ_ｕ＿２ｆ ^＊、ｖ_ｖ＿２ｆ ^＊、ｖ_ｗ＿２ｆ ^＊）が演算される。そして、電圧指令値（ｖ_ｕ＿２ｆ ^＊、ｖ_ｖ＿２ｆ ^＊、ｖ_ｗ＿２ｆ ^＊）は、加算器により、座標変換器１０４により演算された電圧指令値に加算される。

次に、モータ制御装置における短絡検知について、図４を用いて説明する。図４は、モータ制御装置のブロック図である。ただし、コントローラ１００は図示していない。

本実施形態では、図２に示すように、ステータ上で互いに接した異相のコイルは、互いに異なるコイル結線３１、３２を形成する。通常、モータ３０内の短絡は、互いに接するコイル巻線の間で生じる。そのため、本実施形態では、ステータ上でコイル巻線が接している部分が、短絡発生の可能性が高い箇所となる。そして、ステータ上で互いに接した異相のコイル間で短絡が発生した場合には、以下に説明するような短絡電流が流れる。

例えば、モータ３０内で、コイル結線３１のＵ相のコイルＵ_１とコイル結線３２のＶ相のコイルＶ_２との間が短絡したと仮定する。本実施形態では、インバータ２１がコイル結線３１に接続されており、インバータ２２がコイル結線３２に接続されており、インバータ２１、２２の入力側も電源ラインによって電気的に接続されている。そのため、コイル結線３１とコイル結線３２との間で短絡が生じると、インバータ２１、２２及びコイル結線３１、３２による閉ループが形成される。

Ｕ相のコイルＵ_１とＶ相のコイルＶ_２との間が短絡した場合には、図４の点線の矢印で示す閉ループが形成される。そして、閉ループには、電流センサ４１、４２が接続されているため、コントローラ１００は、電流センサ４１、４２の検出値から、Ｕ_１相とＶ_２相との間が短絡していることを検出できる。また、コントローラ１００は、電流センサ４１、４２の検出値から、短絡電流がＵ_１相とＶ_２相に流れることを検出できる。これにより、コントローラ１００は、電流センサ４１、４２に基づき、複数のコイル結線３１、３２の各相のうち、コイル結線間の短絡が発生している相を検出している。なお、図３に示したコントローラ１００の機能ブロックでは、電流センサ４１と座標変換器１０５が短絡電流を検知している。

上記のように、本実施形態では、中性点が互いに異なる複数のコイル結線３１、３２を有するモータ３０と、複数のコイル結線３１、３２の各中性点にそれぞれ電気的に接続された複数のインバータ２１、２２と、モータ３０の交流電流を検出するセンサ４１，４２とを備え、センサ４１，４２の検出値に基づきモータ３０内で発生する短絡を検出し、複数のコイル結線３１，３２を形成する複数のコイルのうち、ステータ上で互いに接する異相のコイルを、互いに異なるコイル結線のコイルとしている。これにより、ステータ上で異相のコイルで短絡が発生した場合には、大きな短絡電流がセンサ４１、４２を流れるため、センサ４１、４２の検出値に基づき、短絡を検出できる。また、短絡を検出した場合に、モータ３０を停止させることで、安全性の高いシステムを実現できる。さらに、短絡を検出した場合に、短絡電流を抑制しつつインバータ２１、２２を制御することで、短絡電流によるブレーキトルクを低減できる。

また本実施形態では、コイル結線３１のコイルＵ_１とコイル結線３２のコイルＵ_２とを並べた巻線パターンが、径方向で２パターンになるように、複数のコイルがスロット３０３内に並んでいる。これにより、コイルのターン数を増やすことができる。

また、本実施形態は、１つのパターンを形成する際に、コイル結線３１のコイルのターン数と、コイル結線３２のコイルのターン数を、許容ターン数にしつつ、複数のパターンを径方向に沿って並ぶように、ステータを構成してもよい。許容ターン数は、短絡電流の許容値と対応したターン数である。例えば所定のターン数の同相のコイルが短絡した場合に、短絡電流が流れる。このとき短絡電流の大きさは、ターン数が多いほど大きくなる。短絡電流の許容値は、モータ３０の構成、インバータ２１、２２の構成等に応じて予め決まっている。短絡電流の大きさがこの許容値より小さければ、短絡電流による車両の影響は少ない。

すなわち、同相のコイル内で短絡が発生した場合に、短絡電流が許容値以下になるようなターン数を許容ターン数として予め設定する。そして、コイルのターン数を許容ターン数以下にしつつ、パターンを形成する。これにより、短絡発生時の車両への影響を抑制しつつ、パターン数を増やすことができる。

なお、スロット３０３内で径方向に同相のコイルを並べる際に、コイル結線３１のコイルとコイル結線３２のコイルを、１ターン毎に交互に並べてもよい。

《第２実施形態》
本発明の他の実施形態に係るモータ制御装置を説明する。本例では上述した第１実施形態に対して、インバータ及びモータの構成と、コイルの巻線パターンが異なる。これ以外の構成は上述した第１実施形態と同じであり、第１実施形態の記載を適宜、援用する。

図５はモータ制御装置のブロック図である。インバータ２１〜２４はそれぞれ独立した電力変換器であって、バッテリ１とモータ３０との間に接続されている。インバータ２１はコイル結線３１に交流電流を供給する変換器であり、インバータ２２はコイル結線３２に交流電流を供給する変換器であり、インバータ２３はコイル結線３３に交流電流を供給する変換器であり、インバータ２４はコイル結線３４に交流電流を供給する変換器である。インバータ２１〜２４はコイル結線３１〜３４の中性点Ｏ_１〜Ｏ_４にそれぞれ電気的に接続されている。

モータ３０は、コイル結線３１〜３４を有している。コイル結線３１は、各相のコイルの一端同士を中性点Ｏ_１で接続することで構成されるＹ結線である。コイル結線３２〜３４は、コイル結線３１と同様な結線であり、複数のコイルのＹ結線である。中性点Ｏ_１〜Ｏ_４は、互いに異なる中性点である。

コイル結線３１のＵ相のコイルは、２つのコイルＵ_１ａ、Ｕ_１ｂで構成されており、Ｖ相のコイルは、２つのコイルＶ_１ａ、Ｖ_１ｂで構成されており、Ｗ相のコイルは、２つのコイルＷ_１ａ、Ｗ_１ｂで構成されている。各２つのコイルは直列に接続されている。
コイル結線３２のＵ相のコイルは、２つのコイルＵ_２ａ、Ｕ_２ｂで構成されており、Ｖ相及びＷ相のコイルは、２つのコイルＶ_２ａ、Ｖ_２ｂと２つのコイルＷ_２ａ、Ｗ_２ｂで構成されている。コイル結線３３及びコイル結線３４のＵＶＷ相のコイルも、同様にそれぞれ２つのコイルで構成されている。

電流センサ４１〜４４は、コイル結線３１〜３４の各相に流れる電流を、それぞれ検出する。

図６は、ステータ３の平面図である。図６において、Ｕ_１ａ、Ｕ_１ｂ〜Ｗ_４ａ、Ｗ_４ｂの表示は、図５のコイルの表示に対応している。Ｕ_１ａ＋とＵ_１ａ−は、Ｕ相の１つのコイルＵ_１ａを示しており、コイルは＋と−の間で巻回されている。Ｕ_１ｂ＋及びＵ_１ｂ−等の表示は、Ｕ_１ａ＋及びＵ_１ａ−と同様である。またＶＷ相の表示も同様である。

ステータコア３００の構成は、第１実施形態に係るステータコア３００と同様である。ただし、ティース及びスロットの数は異なっている。コイル結線３１〜３４を構成している各コイルＵ_１ａ〜Ｕ_４ｂ、Ｖ_１ａ〜Ｖ_４ｂ、Ｗ_１ａ〜Ｗ_４ｂは、コイルピッチを５に保ちつつ、ティース３０２に巻回されている。コイルピッチは、周方向に並ぶティース３０２の数に相当する。例えば、コイルＵ_１ａは、５つのティース３０２ａ〜３０２ｅを囲うように巻回されている。

各コイルＵ_１ａ〜Ｕ_４ｂ、Ｖ_１ａ〜Ｖ_４ｂ、Ｗ_１ａ〜Ｗ_４ｂは、図６に示されるように、巻回されると、複数のコイルが重なり合うため、コイル同士で接する部分が存在する。このとき、互いに接する複数のコイルは、異なるコイル結線を構成するコイルであり、かつ、異なる相のコイルになっている。図６では、この条件を満たすように、コイルが巻回されている。本実施形態において、巻線パターンは、５つのコイルピッチ毎にコイルを巻回させた分布巻のタイプである。

本実施形態に係るモータ制御装置では、ステータ上で接する異相のコイルは、互いに異なるコイル結線のコイルである。そのため、このコイル間で短絡が発生した場合には、電位差の大きいコイルの間が短絡することになり、大きな短絡電流が流れる。そして、この短絡電流はセンサ４１〜４４を流れるため、センサ４１〜４４の検出値に基づき、短絡を検出できる。

《第３実施形態》
本発明の他の実施形態に係るモータ制御装置を説明する。本例では上述した第２実施形態に対して、コイルの巻線パターンが異なる。これ以外の構成は上述した第１実施形態と同じであり、第１、第２実施形態の記載を適宜、援用する。

図７はモータ制御装置のブロック図である。インバータ２１〜２４及び電流センサ４１〜４４は、第２実施形態に係るインバータ及び電流センサと同様の構成である。モータ３０は、コイル結線３１〜３４を有している。コイル結線３１のＵ相のコイルは、４つのコイルＵ_１ａ、Ｕ_１ｂ、Ｕ_１ｃ、Ｕ_１ｄで構成されており、Ｖ相のコイルは、４つのコイルＶ_１ａ、Ｖ_１ｂ、Ｖ_１ｃ、Ｖ_１ｄで構成されており、Ｗ相のコイルは、４つのコイルＷ_１ａ、Ｗ_１ｂ、Ｗ_１ｃ、Ｗ_１ｄで構成されている。各４つのコイルは直列に接続されている。コイル結線３２〜３４のＵＶＷ相のコイルも、同様にそれぞれ４つのコイルで構成されている。

図８は、ステータの平面図である。図８において、Ｕ_１ａ、Ｕ_１ｂ〜Ｗ_４ａ、Ｗ_４ｂの表示は、図７のコイルの表示に対応している。Ｕ_１ａ＋とＵ_１ａ−は、Ｕ相の１つのコイルＵ_１ａを示しており、コイルは＋と−の間で巻回されている。Ｕ_１ｂ＋及びＵ_１ｂ−等の表示は、Ｕ_１ａ＋及びＵ_１ａ−と同様である。またＶＷ相の表示も同様である。

ステータコア３００の構成は、第２実施形態に係るステータコア３００と同様である。ステータの周方向に沿って巻回されるコイルの巻線パターンは、第２実施形態に係る巻線パターンと同様であり、各コイルＵ_１ａ〜Ｕ_４ｂ、Ｖ_１ａ〜Ｖ_４ｂ、Ｗ_１ａ〜Ｗ_４ｂは、コイルピッチを５に保ちつつ、ティース３０２に巻回されている。

ステータの径方向の巻線パターンは、第２実施形態と異なっており、スロット３０３内で、同相のコイルであり、かつ、異なるコイル結線を構成するコイルが、径方向に沿って接して並ぶように、複数のコイルが配置されている。

本実施形態に係るモータ制御装置では、ステータ上で接する異相のコイルは、互いに異なるコイル結線のコイルである。そのため、このコイル間で短絡が発生した場合には、電位差の大きいコイルの間が短絡することになり、大きな短絡電流が流れる。そして、この短絡電流はセンサ４１〜４４を流れるため、センサ４１〜４４の検出値に基づき、短絡を検出できる。

ステータの径方向には、同相のコイルであり、かつ、異なるコイル結線を構成するコイルが接した状態で並んでいる。そのため、同相のコイル間で短絡が発生した場合には、短絡電流が電流センサ４１〜４４を流れるため、センサの検出値に基づき短絡を検出できる。

《第４実施形態》
本発明の他の実施形態に係るモータ制御装置を説明する。本例では上述した第１実施形態に対して、インバータ及びモータの構成と、コイルの巻線パターンが異なる。これ以外の構成は上述した第１実施形態と同じであり、第１〜第３実施形態の記載を適宜、援用する。

図９はモータ制御装置のブロック図である。インバータ２１〜２３はそれぞれ独立した電力変換器であって、バッテリ１とモータ３０との間に接続されている。インバータ２１はコイル結線３１に交流電流を供給する変換器であり、インバータ２２はコイル結線３２に交流電流を供給する変換器であり、インバータ２３はコイル結線３３に交流電流を供給する変換器である。インバータ２１〜２３はコイル結線３１〜３３の中性点Ｏ_１〜Ｏ_３にそれぞれ電気的に接続されている。

インバータ２１〜２３は、スイッチング回路Ｓ_１〜Ｓ_１０を有している。スイッチング回路Ｓ_１〜Ｓ_１０は、スイッチング素子をブリッジ状に接続することで、５相のアーム回路を形成している。

モータ３０は、コイル結線３１〜３３を有している。コイル結線３１は、各相のコイルの一端同士を中性点Ｏ_１で接続することで構成されるＹ結線である。コイル結線３２、３３は、コイル結線３１と同様な結線であり、複数のコイルのＹ結線である。中性点Ｏ_１〜Ｏ_３は、互いに異なる中性点である。

電流センサ４１〜４３は、コイル結線３１〜３３の各相に流れる電流を、それぞれ検出する。

図１０は、ステータの一部を示す平面図である。図１１は、図１０に示したステータの断面図の一部である。図１０において、Ｕ＋とＵ−は、Ｕ相の１つのコイルを示しており、コイルは＋と−の間で巻回されている。ＶＷ相も同様に、＋と−の間で巻回されている。なお、図１０では、１２０°モデルの巻線パターンを示している。図１１は、コイルＵ_１、ティース３０２ａ、３０２ｂ、及びスロット３０３の断面図であって、（ａ）はコイルＵ_１を２列で巻回させたときの断面図を示し、（ｂ）はコイルＵ_１を１列で巻回させたときの断面図を示す。

ステータコア３００の構成は、第１実施形態に係るステータコア３００と同様である。ただし、ティース及びスロットの数は異なっている。コイルＵ_１は、２つのティース３０２ａとティース３０２ｂとの間で巻回されている。コイルＶ_２は、２つのティース３０２ｂとティース３０２ｃとの間で巻回されている。コイルＷ_３は、２つのティース３０２ｃとティース３０２ｄとの間で巻回されている。ステータの断面（ｘｙ面）において、ティース３０２ａとティース３０２ｂとの間に位置するスロット３０３内では、コイルＶ_２及びコイルＹ_３が巻かれおり、当該スロット３０３内で接している。本実施形態において、巻線パターンは、２つのコイルピッチ毎にコイルを巻回させた分布巻のタイプである。

このように、本実施形態では、スロット３０３内に配置された２つのコイルは、互いに異なるコイル結線３１〜３３を構成するコイルであり、互いに異なる相のコイルである。また、スロット３０３内の２つのコイルは、ステータコア３００の径方向で接している。ステータコア３００の周方向で、コイルの相は、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の順に並んでいる。

本実施形態では、図１１（ｂ）に示すように、コイルＵ_１はロータの回転軸方向（ｚ軸方向）で１列になるように巻回されている。他のコイルＶ_１、Ｗ_１、Ｕ_２、Ｖ_２、Ｗ_２についても同様に、ｚ軸方向で一列になるように巻回されている。

本実施形態とは異なり、図１１（ａ）に示すコイルＵ_１は、ｚ軸方向で２列になるように巻回されている。図１１において、I〜VIIIはティース３０２ａ、３０２ｂを巻回するコイルターンの順番を示している。図１１（ａ）に示すコイルＵ_１は、４ターンで１列目になるように、コイル巻線をティース３０２ａ、３０２ｂに巻き付けて、さらに４ターンで２列目になるように、コイル巻線を１列目のコイルに巻き付けることで形成されている。図１１（ａ）に示すように、コールターン１番目のコイル巻線Iと、コールターン８番目のコイル巻線VIIIは、ステータの周方向（ｘｙ平面に沿う方向）に接している。コールターン１番目のコイル巻線Iとコールターン８番目のコイル巻線VIIIとの間の電位差は大きいため、これらのコイル巻線間が短絡した場合には、大きな短絡電流が、同相間で、かつ、同じコイル結線３１内で流れる。また、この短絡電流は電流センサ４１〜４３を流れないため、検出できない。

図１１（ｂ）に示すように、コイルＵ_１は、８ターンで１列になるように、コイル巻線をティース３０２ａ、３０２ｂに巻き付けることで形成されている。図１１（ｂ）に示すように、コールターン１番目のコイル巻線Iと、コールターン８番目のコイル巻線VIIIは接していないため、短絡が、電位差の大きいコイル間で発生する可能性は、図１１（ａ）に示すコイルと比較して低い。

本実施形態に係るモータ制御装置では、ステータ上で接する異相のコイルは、互いに異なるコイル結線のコイルである。そのため、このコイル間で短絡が発生した場合には、電位差の大きいコイルの間が短絡することになり、大きな短絡電流が流れる。そして、この短絡電流はセンサ４１〜４４を流れるため、センサ４１〜４４の検出値に基づき、短絡を検出できる。

また本実施形態では、複数のコイルのコイルピッチを２以上にしている。これにより、コイルピッチを複数にした巻線パターンにおいても、電位差の大きいコイルの間が短絡することになり、大きな短絡電流が流れる。そして、この短絡電流はセンサ４１〜４４を流れるため、センサ４１〜４４の検出値に基づき、短絡を検出できる。

なお、本実施形態の変形例に係るモータ制御装置は、スロット３０３内で、コイル結線３１〜３４を構成するそれぞれのコイルを交互に複数並べてもよい。図１２は、変形例に係るステータの一部を示す平面図である。

図１２に示すように、変形例では、ティース３０２ｂとティース３０２ｃとの間に位置するスロット３０３内で、コイル結線３１のコイルＵ_１とコイル結線３３のコイルＷ_３とを並べたパターンが、径方向で２パターンになるように、複数のコイルがスロット３０３内に並んでいる。他のスロット３０３内でも同様に、異相であり、かつ、コイル結線の異なる２つのコイルがパターンとして並んでおり、このパターンが径方向で２つになるように、複数のコイルが並んでいる。これにより、コイルのターン数をさらに増やすことができる。

《第５実施形態》
本発明の他の実施形態に係るモータ制御装置を説明する。本例では上述した第１実施形態に対して、インバータ及びモータの構成と、コイルの巻線パターンが異なる。これ以外の構成は上述した第１実施形態と同じであり、第１〜第４実施形態の記載を適宜、援用する。

図１３はモータ制御装置のブロック図である。インバータ２１〜２４はそれぞれ独立した電力変換器であって、バッテリ１とモータ３０との間に接続されている。インバータ２１はコイル結線３１に交流電流を供給する変換器であり、インバータ２２はコイル結線３２に交流電流を供給する変換器であり、インバータ２３はコイル結線３３に交流電流を供給する変換器であり、インバータ２４はコイル結線３３に交流電流を供給する変換器である。インバータ２１〜２４はコイル結線３１〜３４の中性点Ｏ_１〜Ｏ_４にそれぞれ電気的に接続されている。

インバータ２１〜２４は、スイッチング回路Ｓ_１〜Ｓ_１０を有している。スイッチング回路Ｓ_１〜Ｓ_１０は、スイッチング素子をブリッジ状に接続することで、５相のアーム回路を形成している。

モータ３０は、コイル結線３１〜３４を有している。コイル結線３１は、各相のコイルの一端同士を中性点Ｏ_１で接続することで構成されるＹ結線である。コイル結線３２〜３４は、コイル結線３１と同様な結線であり、複数のコイルのＹ結線である。中性点Ｏ_１〜Ｏ_４は、互いに異なる中性点である。

電流センサ４１〜４４は、コイル結線３１〜３４の各相に流れる電流を、それぞれ検出する。

図１４は、ステータの一部を示す平面図である。図１０において、Ｕ＋とＵ−は、Ｕ相の１つのコイルを示しており、コイルは＋と−の間で巻回されている。ＶＷ相も同様に、＋と−の間で巻回されている。なお、図１４では、９０°モデルの巻線パターンを示している。

ステータコア３００の構成は、第１実施形態に係るステータコア３００と同様である。ただし、ティース及びスロットの数は異なっている。コイルＵ_１及びコイルＵ_２は２つのティース３０２ａとティース３０２ｂとの間で巻回されている。コイルＶ_３及びコイルＶ_４は、２つのティース３０２ｂとティース３０２ｃとの間で巻回されている。コイルＷ_１及びコイルＷ_２は、２つのティース３０２ｃとティース３０２ｄとの間で巻回されている。ステータの断面（ｘｙ面）において、ティース３０２ａとティース３０２ｂとの間に位置するスロット３０３内では、径方向に向かって、コイルＹ_４、コイルＹ_３、コイルＶ_２、コイルＶ_１の順に並ぶように、各コイルが巻かれており、隣接するコイルは当該スロット３０３内で接している。他のスロット３０３内でも同様に、コイル結線の異なるコイルが、径方向に向かって並ぶようにティース３０２に巻かれており、隣接するコイルは当該スロット３０３内で接している。

本実施形態では、各コイルはコイルピッチを２に保ちつつ、ティース３０２に巻回されている。そして、コイルピッチ２で巻回されたそれぞれのコイルのターン数を、許容ターン数以下にしている。許容ターン数は、短絡電流の許容値と対応するターン数であって、予め設定された値である。例えばティース３０２ａ、３０２ｂに巻回されるコイルＵ_１のターン数を許容ターン数以下にした場合には、コイルＵ_１内の巻線間の電位差は許容電位差以下になる。許容電位差は、短絡電流の許容値により決まる値である。また、コイルＵ_２又はコイルＶ_１等、他のコイルについても同様に、ターン数を許容ターン数以下にした場合には、コイル内の巻線間の電位差は許容電位差以下になる。

巻線間の電位差が許容電位差以下に抑えられている場合には、当該巻線間で短絡が発生し、短絡電流が流れたとしても、車両への影響は少ない。そのため、図１４に示すように、異なるコイル結線３１〜３４を形成しつつ互いに同相のコイル（例えば、ティース３０２ａとティース３０２ｂとの間に位置するスロット３０３内では、コイルＶ_３、Ｖ_４又はコイルＹ_１、Ｙ_２に相当）を、ティース３０２内で接した状態で配置できる。また、ティース内で接するコイルのうち、異なるコイル結線３１〜３４を形成しつつ互いに異相のコイル間の短絡は、電流センサを用いて検出すればよい。

上記のように、本実施形態では、異相のコイルであって、互いに異なるコイル結線３１〜３４の一相のコイルを形成する、それぞれの巻線群は、ティース内で接しており、巻線群を形成する巻線間の電位差が許容電位差以下になるように、コイル設計がなされている。これにより、短絡発生時の車両への影響を抑制できる。また巻線の制約がないため、パターン数を増やすことができる。

上記コイルＵ_１が本発明の「第１コイル巻線群」に相当し、コイルＵ_２が本発明の「第２コイル巻線群」に相当する。

１…バッテリ
３…ステータ
２１インバータ
２１〜２４…インバータ
３０…モータ
３１〜３４…コイル結線
４１〜４４…電流センサ
１００…コントローラ
１０１…非干渉制御器
１０２…電流制御器
１０３、１０４、１０５、１０７…座標変換器
３００…ステータコア
３０１…ヨーク
３０２…ティース
３０３…スロット

Claims (4)

1. 中性点が互いに異なる複数のコイル結線を有するモータと、
   前記複数のコイル結線の各中性点にそれぞれ電気的に接続された複数の電力変換器と、
   前記モータの交流電流を検出するセンサと、
   前記複数の電力変換器を制御するコントローラとを備え、
   前記モータは、複数のコイル及びステータコアを有したステータを含み、
   前記複数のコイルは、前記複数のコイル結線をそれぞれ形成するコイルであり、
   前記複数のコイルのうち、前記ステータ上で互いに接した異相のコイルは、互いに異なる前記コイル結線を形成し、
   前記コントローラは、前記センサの検出値に基づき前記モータ内で発生する短絡を検出し、
   前記複数のコイルは、それぞれ、前記コイルのターン数に関わらず、前記ステータコアを構成するティースを前記ステータの径方向で１列になるように巻回されているモータ制御装置。
2. 前記複数のコイルのコイルピッチは２以上である
   請求項１記載のモータ制御装置。
3. 前記複数のコイルのうち、前記ステータ上で互い接し、同相であり、かつ、同じ前記コイル結線を形成するコイルのターン数は、許容ターン数以下であり、
   前記許容ターン数は、前記複数のコイルの短絡電流の許容値に応じて設定され、前記モータ内で短絡が発生した際に流れる短絡電流が前記短絡電流の許容値以下になるような前記コイルのターン数であり、
   前記短絡電流の許容値は、少なくとも前記モータの構成及び前記電力変換器の構成の何れか一つに応じて予め設定され、前記モータ内で短絡が発生しても許容できる前記短絡電流の閾値である
   請求項１又は２に記載のモータ制御装置。
4. 前記複数のコイルは、
   前記コイル結線の一相のコイルを形成する第１コイル巻線群と、
   前記第１コイル巻線群と同相であり、前記第１コイル巻線群とは異なる前記コイル結線の一相のコイルを形成する第２コイル巻線群とを有し、
   前記第１コイル巻線群と前記第２コイル巻線群は接しており、
   前記第１コイル巻線群に含まれる巻線間の電位差、及び、前記第２コイル巻線群に含まれる巻線間の電位差は、それぞれ許容電位差以下であり、
   前記許容電位差は、前記複数のコイルの短絡電流の許容値に応じて設定され、前記コイルのターン数を許容ターン数以下にした場合の前記コイルの巻線間の電位差であり、
   前記許容ターン数は、前記短絡電流の許容値に応じて設定され、前記モータ内で短絡が発生した際に流れる短絡電流が前記短絡電流の許容値以下になるような前記コイルのターン数であり、
   前記短絡電流の許容値は、少なくとも前記モータの構成及び前記電力変換器の構成の何れか一つに応じて予め設定され、前記モータ内で短絡が発生しても許容できる前記短絡電流の閾値である
   請求項１〜３のいずれか一項に記載のモータ制御装置。

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