JPWO2020100580A1 - モータおよび電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

実施形態に係るモータは、ｎ相（ｎは３以上の整数）のコイル群と、ｎ相のコイル群の一端に接続される第１インバータと、ｎ相のコイル群の他端に接続される第２インバータと、ｎ相のコイル群が巻かれたステータと、ステータに対して相対的に回転可能なロータとを備える。ｎ相のコイル群のうちの少なくとも１つのコイル群は、互いに直列接続された第１コイルおよび第２コイルを含む第１サブコイル群と、互いに直列接続された第３コイルおよび第４コイルを含む第２サブコイル群とを含む。第１サブコイル群と第２サブコイル群とは互いに並列接続されている。

Description

本開示は、モータおよび電動パワーステアリング装置に関する。

近年、モータ、電力変換装置およびＥＣＵが一体化された機電一体型モータが開発されている。特に車載分野においては、安全性の観点から高い品質保証が要求される。そのため、部品の一部が故障した場合でも安全動作を継続できる冗長設計が取り入れられている。冗長設計の一例として、１つのモータに対して２つの電力変換装置を設けることが検討されている。他の一例として、メインのマイクロコントローラにバックアップ用マイクロコントローラを設けることが検討されている。

例えば、特許文献１が開示する電力変換装置は、制御部と、２つのインバータとを備え、三相モータに供給する電力を変換する。２つのインバータの各々は電源およびグランド（以下、「ＧＮＤ」と表記する。）に接続される。一方のインバータは、モータの三相のコイルの一端に接続され、他方のインバータは、三相のコイルの他端に接続される。各インバータは、各々がハイサイドスイッチング素子およびローサイドスイッチング素子を含む３つのレグから構成されるブリッジ回路を備える。このような結線は独立結線と呼ばれる場合がある。特許文献１が開示する制御部は、２つのインバータにおけるスイッチング素子の故障を検出した場合、モータ制御を正常時の制御から異常時の制御に切替える。異常時の制御では、例えば、故障したスイッチング素子を含むインバータのスイッチング素子を所定の規則でオンおよびオフすることによりコイルの中性点を構成する。そして、正常な方のインバータを用いてモータ駆動を継続させる。

日本国公開公報：特開２０１４−１９２９５０号公報

上述したような２つのインバータからコイルに電力を供給するモータの高出力化が求められている。

本開示の例示的なモータは、ｎ相（ｎは３以上の整数）のコイル群と、前記ｎ相のコイル群の一端に接続される第１インバータと、前記ｎ相のコイル群の他端に接続される第２インバータと、前記ｎ相のコイル群が巻かれたステータと、前記ステータに対して相対的に回転可能なロータとを備えたモータであって、前記ｎ相のコイル群のうちの少なくとも１つのコイル群は、互いに直列接続された第１コイルおよび第２コイルを含む第１サブコイル群と、互いに直列接続された第３コイルおよび第４コイルを含む第２サブコイル群とを含み、前記第１サブコイル群と前記第２サブコイル群とは互いに並列接続されている。

本開示の実施形態によれば、例えば、独立結線方式の電力変換装置を備えるモータの出力を大きくすることができる。

図１は、実施形態に係るモータの構造を示す模式図である。 図２は、実施形態に係る電力変換装置を備えるモータの回路構成を示す模式図である。 図３は、実施形態に係る電力変換装置が有するＨブリッジを示す図である。 図４は、実施形態に係る電力変換装置が有するＨブリッジを示す図である。 図５は、実施形態に係る電力変換装置が有するＨブリッジを示す図である。 図６は、実施形態に係る電力変換装置を備えるモータを示すブロック図である。 図７は、実施形態に係る三相通電制御に従って電力変換装置を制御したときに、モータのＵ相、Ｖ相およびＷ相の各コイルに流れる電流値をプロットして得られる電流波形を示す図である。 図８は、実施形態に係るステータおよびロータを示す図である。 図９は、実施形態に係るコイルの線径と出力との関係を示す図である。 図１０は、実施形態に係る電動パワーステアリング装置を示す模式図である。

以下、添付の図面を参照しながら、本開示の電力変換装置を備えるモータおよび電動パワーステアリング装置の実施形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

本明細書においては、三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のコイルを有する三相モータを例にして、実施形態を説明する。但し、例えば四相および五相などのｎ相（ｎは３以上の整数）のコイルを有するｎ相モータも本開示の範疇である。

（実施形態１）
図１は、本実施形態によるモータ１０の構造を示す図である。図１は、中心軸１１に沿って切断したときのモータ１０の内部を示している。

モータ１０は、機電一体型モータである。モータ１０は、例えば自動車の電動パワーステアリング装置用モータとして利用される。その場合、モータ１０は、電動パワーステアリング装置の駆動力を発生する。モータ１０は、例えば三相交流モータである。

モータ１０は、ステータ２０と、ロータ３０と、ハウジング１２と、隔壁１４と、軸受１５と、軸受１６とを備える。ステータ２０は電機子とも称される。中心軸１１はロータ３０の回転軸である。

ハウジング１２は、底を有する略円筒状の筐体であり、ステータ２０、軸受１５およびロータ３０を内部に収納する。軸受１５を保持する凹部１３がハウジング１２の底の中央にある。隔壁１４は、ハウジング１２の上部の開口を閉じる板状の部材である。隔壁１４は、その中央部で軸受１６を保持している。

ステータ２０は環状であり、積層体２２およびコイル２１を有する。積層体２２は積層環状コアとも称される。コイルは巻線とも称される。コイル２１は後述するコイル群２０１、２０２、２０３（図２）に該当する。ステータ２０は、駆動電流に応じて磁束を発生させる。積層体２２は、複数の鋼板を中心軸１１に沿う方向（図１のＺ方向）に積層した積層鋼板から構成される。積層体２２は、環状の積層コアバック２４および複数の積層歯（ティース）２３を含む。積層コアバック２４は、ハウジング１２の内壁に固定される。

コイル２１は、銅等の導電性材料によって構成され、典型的には積層体２２の複数の積層歯２３にそれぞれ取り付けられている。

ロータ３０はステータ２０に対して中心軸１１まわりに相対的に回転可能である。ロータ３０は、ロータコア３１、ロータコア３１の外周に沿って設けられた複数の永久磁石３２、シャフト３３を備える。ロータコア３１は、例えば鉄などの磁性材料で構成されており、筒状の形状を有する。本実施形態において、ロータコア３１は、複数の鋼板を中心軸１１に沿う方向（図１のＺ方向）に積層した積層鋼板から構成される。複数の永久磁石３２は、Ｎ極とＳ極とがロータコア３１の周方向に交互に現れるように設けられている。シャフト３３は、ロータコア３１の中心に固定されており、中心軸１１に沿って上下方向（Ｚ方向）に延びている。なお、本明細書中における上下左右方向とは、図１に示されたモータ１０を見たときの上下左右方向であり、実施形態を分かりやすく説明するためにそれらの方向を用いて説明している。本明細書中における上下左右方向と、モータ１０が実際の製品（自動車等）に搭載された状態における上下左右方向とは必ずしも一致しないことは言うまでもない。

軸受１５および１６は、ロータ３０のシャフト３３を回転可能に支持する。軸受１５および１６は、例えば、球体を介して外輪と内輪とを相対回転させるボールベアリングである。図１はボールベアリングを例示している。

モータ１０において、ステータ２０のコイル２１に駆動電流を流すと、積層体２２の複数の積層歯２３に径方向の磁束が発生する。複数の積層歯２３と永久磁石３２との間の磁束の作用によって周方向にトルクが発生し、ロータ３０はステータ２０に対して回転する。ロータ３０が回転すると、例えば電動パワーステアリング装置に駆動力が発生する。

シャフト３３における隔壁１４側の端部には、永久磁石４１が固定されている。永久磁石４１は、ロータ３０とともに回転可能である。隔壁１４の上部には、基板５０が配置されている。基板５０には電力変換装置１００が搭載されている。隔壁１４は、モータ１０内部のステータ２０およびロータ３０が収納される空間と基板５０が収納される空間とを隔てている。

電力変換装置１００は、電源からの電力をステータ２０のコイル２１に供給する電力に変換する。基板５０には、電力変換装置１００が備えるインバータの端子５２が設けられている。端子５２には電線５１が接続されている。電線５１は例えばコイル２１の端部である。電線５１とコイル２１とは別々の部材であってもよい。電力変換装置１００から出力された電力は、電線５１を介してコイル２１に供給される。電力変換装置１００の詳細は後述する。

基板５０には磁気センサ４０が設けられている。磁気センサ４０は、シャフト３３に固定された永久磁石４１に対向する位置に配置されている。磁気センサ４０は、シャフト３３の中心軸１１上に配置されている。磁気センサ４０は、例えば磁気抵抗効果素子またはホール素子である。磁気センサ４０は、シャフト３３とともに回転する永久磁石４１から発生する磁場を検出し、これによりロータ３０の回転角を検出することができる。

モータ１０は、複数の端子１７を介して、モータ１０外部の各種制御装置およびバッテリ等と接続される。複数の端子１７は、外部の電源から電力が供給される電源端子および外部機器とデータの送受信を行うための信号端子等を含む。

次に、電力変換装置１００を備えるモータ１０の詳細を説明する。

図２は、本実施形態による電力変換装置１００を備えるモータ１０の回路構成を模式的に示している。

電力変換装置１００は、第１インバータ１１０と、第２インバータ１４０とを備える。また、電力変換装置１００は、図６に示す制御回路３００を備える。

コイル２１（図１）として、ステータ２０にはＵ相のコイル群２０１、Ｖ相のコイル群２０２およびＷ相のコイル群２０３が巻かれている。各相のコイル群は第１インバータ１１０と第２インバータ１４０とに接続される。具体的に説明すると、第１インバータ１１０は各相のコイル群の一端に接続され、第２インバータ１４０は各相のコイル群の他端に接続される。本願明細書において、電気回路内の部品同士の間の「接続」とは、主に電気的な接続を意味する。

Ｕ相のコイル群２０１は、サブコイル群２１５およびサブコイル群２１６を含む。サブコイル群２１５は、互いに直列接続されたコイル２１１およびコイル２１２を含む。サブコイル群２１６は、互いに直列接続されたコイル２１３およびコイル２１４を含む。サブコイル群２１５とサブコイル群２１６とは互いに並列接続されている。言い換えると、直列接続されたコイル２１１および２１２と、直列接続されたコイル２１３および２１４とは、並列接続されている。

Ｖ相のコイル群２０２は、サブコイル群２２５およびサブコイル群２２６を含む。サブコイル群２２５は、互いに直列接続されたコイル２２１およびコイル２２２を含む。サブコイル群２２６は、互いに直列接続されたコイル２２３およびコイル２２４を含む。サブコイル群２２５とサブコイル群２２６とは互いに並列接続されている。言い換えると、直列接続されたコイル２２１および２２２と、直列接続されたコイル２２３および２２４とは、並列接続されている。

Ｗ相のコイル群２０３は、サブコイル群２３５およびサブコイル群２３６を含む。サブコイル群２３５は、互いに直列接続されたコイル２３１およびコイル２３２を含む。サブコイル群２３６は、互いに直列接続されたコイル２３３およびコイル２３４を含む。サブコイル群２３５とサブコイル群２３６とは互いに並列接続されている。言い換えると、直列接続されたコイル２３１および２３２と、直列接続されたコイル２３３および２３４とは、並列接続されている。

図８は、ステータ２０およびロータ３０の一例を示す図である。この例では、ステータ２０は１２個の歯２３を備える。ロータ３０は８個の永久磁石３２を備える。言い換えると、この例では、ステータ２０には、隣り合う歯２３の間に構成されコイル２１が配置される溝（スロット）２５が１２個ある。ロータ３０における極数は８である。このようなスロット数が１２で磁極数が８の構造は、８Ｐ１２Ｓ（８ポール１２スロット）と称されることがある。この例では、モータ１０は、三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の巻線を有する三相モータである。１２個の歯２３には、例えば、Ｕ、Ｖ、Ｗ、Ｕ、Ｖ、Ｗ、Ｕ、Ｖ、Ｗ、Ｕ、Ｖ、Ｗの順に、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相が割り当てられている。

ロータ３０の回転軸方向に平行な方向からロータ３０を見たときの平面視において、ロータコア３１の外形は、多角形である。この例では、平面視におけるロータコア３１の外形は、八角形である。ロータコア３１の外周部は、複数の側面３４を有する。この例では、ロータコア３１の外周部は、８個の側面３４を有する。８個の側面３４は、ロータコア３１の周方向に隣り合って配置され、ロータコア３１の外側面を構成する。平面視において、各側面３４は、直線形状を有する。

側面３４のそれぞれには、永久磁石３２が配置される。永久磁石３２は、例えば、接着剤等によって側面３４に固定される。各永久磁石３２は、各歯２３と径方向に対向する。なお、永久磁石３２は、磁石ホルダなどの部材を用いてロータコア３１に保持されてもよいし、他の方法によって固定されてもよい。

ステータ２０のコイルの巻線方式は、例えば集中巻き方式である。例えば、Ｕ相が割り当てられた複数の積層歯２３には、コイル２１１、コイル２１２、コイル２１３、コイル２１４が巻かれる。Ｖ相が割り当てられた複数の積層歯２３には、コイル２２１、コイル２２２、コイル２２３、コイル２２４が巻かれる。Ｗ相が割り当てられた複数の積層歯２３には、コイル２３１、コイル２３２、コイル２３３、コイル２３４が巻かれる。

なお、上記の磁極数およびスロット数は一例であり、別の数であってもよい。例えば、磁極数は、１０、１４または１６であってもよい。

第１インバータ１１０は、端子５２（図１）として、各相に対応した端子Ｕ＿Ｌ、Ｖ＿ＬおよびＷ＿Ｌを有する。第２インバータ１４０は、端子５２として、各相に対応した端子Ｕ＿Ｒ、Ｖ＿ＲおよびＷ＿Ｒを有する。第１インバータ１１０の端子Ｕ＿Ｌは、Ｕ相のコイル群２０１の一端に接続され、端子Ｖ＿Ｌは、Ｖ相のコイル群２０２の一端に接続され、端子Ｗ＿Ｌは、Ｗ相のコイル群２０３の一端に接続される。第１インバータ１１０と同様に、第２インバータ１４０の端子Ｕ＿Ｒは、Ｕ相のコイル群２０１の他端に接続され、端子Ｖ＿Ｒは、Ｖ相のコイル群２０２の他端に接続され、端子Ｗ＿Ｒは、Ｗ相のコイル群２０３の他端に接続される。このような結線は、いわゆるスター結線およびデルタ結線とは異なり、独立結線と呼ばれる場合がある。

なお、同じ相のサブコイル群は互いに結線された状態で、第１インバータ１１０および第２インバータ１４０に接続されてもよいし、互いに独立して第１インバータ１１０および第２インバータ１４０に接続されてもよい。例えば、コイル２１１およびコイル２１３は、互いに結線された状態で第１インバータ１１０に接続されてもよいし、コイル２１１およびコイル２１３は互いに独立して第１インバータ１１０に接続されてもよい。また、例えば、コイル２１２およびコイル２１４は、互いに結線された状態で第２インバータ１４０に接続されてもよいし、コイル２１２およびコイル２１４は互いに独立して第２インバータ１４０に接続されてもよい。

電力変換装置１００では、第１インバータ１１０および第２インバータ１４０は、電源１０１およびＧＮＤに接続されている。電力変換装置１００を備えるモータ１０は、例えば端子１７（図１）を介して、外部の電源に接続され得る。

本明細書中において、第１インバータ１１０を「ブリッジ回路Ｌ」と表記する場合がある。また、第２インバータ１４０を「ブリッジ回路Ｒ」と表記する場合がある。第１インバータ１１０および第２インバータ１４０のそれぞれは、ローサイドスイッチング素子およびハイサイドスイッチング素子を含むレグを３個備える。それらレグを構成する複数のスイッチング素子は、モータ１０のコイル群を介して第１インバータ１１０と第２インバータ１４０との間で複数のＨブリッジを構成する。

第１インバータ１１０は、３個のレグから構成されるブリッジ回路を含む。図２に示されるスイッチング素子１１１Ｌ、１１２Ｌおよび１１３Ｌがローサイドスイッチング素子であり、スイッチング素子１１１Ｈ、１１２Ｈおよび１１３Ｈはハイサイドスイッチング素子である。スイッチング素子として、例えば電界効果トランジスタ（典型的にはＭＯＳＦＥＴ）または絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を用いることができる。本願明細書において、インバータのスイッチング素子としてＦＥＴを用いる例を説明し、以下の説明ではスイッチング素子をＦＥＴと表記する場合がある。例えば、スイッチング素子１１１ＬはＦＥＴ１１１Ｌと表記される。

第１インバータ１１０は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の各相のコイル群に流れる電流を検出するための電流センサ（図６を参照）として、３個のシャント抵抗１１１Ｒ、１１２Ｒおよび１１３Ｒを備える。電流センサ１７０は、各シャント抵抗に流れる電流を検出する電流検出回路（不図示）を含む。例えば、シャント抵抗１１１Ｒ、１１２Ｒおよび１１３Ｒは、第１インバータ１１０の３個のレグに含まれる３個のローサイドスイッチング素子とＧＮＤとの間にそれぞれ接続される。具体的には、シャント抵抗１１１ＲはＦＥＴ１１１ＬとＧＮＤとの間に接続され、シャント抵抗１１２ＲはＦＥＴ１１２ＬとＧＮＤとの間に接続され、シャント抵抗１１３ＲはＦＥＴ１１３ＬとＧＮＤとの間に接続される。シャント抵抗の抵抗値は、例えば０．５ｍΩから１．０ｍΩ程度である。

第１インバータ１１０と同様に、第２インバータ１４０は、３個のレグから構成されるブリッジ回路を含む。図２に示されるＦＥＴ１４１Ｌ、１４２Ｌおよび１４３Ｌがローサイドスイッチング素子であり、ＦＥＴ１４１Ｈ、１４２Ｈおよび１４３Ｈはハイサイドスイッチング素子である。また、第２インバータ１４０は、３個のシャント抵抗１４１Ｒ、１４２Ｒおよび１４３Ｒを備える。それらのシャント抵抗は、３個のレグに含まれる３個のローサイドスイッチング素子とＧＮＤとの間に接続される。第１および第２インバータ１１０、１４０の各ＦＥＴは、例えばマイクロコントローラまたは専用ドライバによって制御され得る。

図３、図４および図５は、電力変換装置１００が有する３個のＨブリッジ１３１、１３２および１３３を示す図である。

第１インバータ１１０は、レグ１２１、１２３および１２５を有する。レグ１２１は、ＦＥＴ１１１ＨとＦＥＴ１１１Ｌを有する。レグ１２３は、ＦＥＴ１１２ＨとＦＥＴ１１２Ｌを有する。レグ１２５は、ＦＥＴ１１３ＨとＦＥＴ１１３Ｌを有する。

第２インバータ１４０は、レグ１２２、１２４および１２６を有する。レグ１２２は、ＦＥＴ１４１ＨとＦＥＴ１４１Ｌを有する。レグ１２４は、ＦＥＴ１４２ＨとＦＥＴ１４２Ｌを有する。レグ１２６は、ＦＥＴ１４３ＨとＦＥＴ１４３Ｌを有する。

図３に示すＨブリッジ１３１は、レグ１２１とコイル群２０１とレグ１２２とを有する。図４に示すＨブリッジ１３２は、レグ１２３とコイル群２０２とレグ１２４とを有する。図５に示すＨブリッジ１３３は、レグ１２５とコイル群２０３とレグ１２６とを有する。

電源１０１（図２）は、所定の電源電圧を生成する。電源１０１から第１および第２インバータ１１０、１４０に電力が供給される。電源１０１として、例えば直流電源が用いられる。ただし、電源１０１は、ＡＣ−ＤＣコンバータまたはＤＣ―ＤＣコンバータであってもよいし、バッテリー（蓄電池）であってもよい。電源１０１は、第１および第２インバータ１１０、１４０に共通の単一電源であってもよいし、第１インバータ１１０用の第１電源および第２インバータ１４０用の第２電源を備えていてもよい。

電源１０１と電力変換装置１００との間にコイル１０２が設けられている。コイル１０２は、ノイズフィルタとして機能し、各インバータに供給する電圧波形に含まれる高周波ノイズ、または各インバータで発生する高周波ノイズを電源１０１側に流出させないように平滑化する。また、電源１０１と電力変換装置１００との間には、コンデンサ１０３の一端が接続されている。コンデンサ１０３の他端はＧＮＤに接続されている。コンデンサ１０３は、いわゆるバイパスコンデンサであり、電圧リプルを抑制する。コンデンサ１０３は、例えば電解コンデンサであり、容量および使用する個数は設計仕様などによって適宜決定される。

図２には、インバータ毎の各レグに１個のシャント抵抗を配置する構成を例示している。第１および第２インバータ１１０、１４０は、６個以下のシャント抵抗を備え得る。６個以下のシャント抵抗は、第１および第２インバータ１１０、１４０が備える６個のレグのうちの６個以下のローサイドスイッチング素子とＧＮＤとの間に接続され得る。さらにこれをｎ相モータに拡張すると、第１および第２インバータ１１０、１４０は、２ｎ個以下のシャント抵抗を備え得る。２ｎ個以下のシャント抵抗は、第１および第２インバータ１１０、１４０が備える２ｎ個のレグのうちの２ｎ個以下のローサイドスイッチング素子とＧＮＤとの間に接続され得る。

図６は、電力変換装置１００を備えるモータ１０のブロック構成を模式的に示している。電力変換装置１００は制御回路３００を備える。

制御回路３００は、例えば、電源回路３１０と、角度センサ３２０と、入力回路３３０と、マイクロコントローラ３４０と、駆動回路３５０と、ＲＯＭ３６０とを備える。制御回路３００は、電力変換装置１００の全体の動作を制御することによりモータ１０を駆動する。具体的には、制御回路３００は、目的とするロータの位置、回転速度、および電流などを制御してクローズドループ制御を実現することができる。なお、制御回路３００は、角度センサに代えてトルクセンサを備えてもよい。この場合、制御回路３００は、目的とするモータトルクを制御することができる。

電源回路３１０は、回路内の各ブロックに必要なＤＣ電圧（例えば３Ｖ、５Ｖ）を生成する。角度センサ３２０は、例えばレゾルバまたはホールＩＣである。角度センサ３２０として、磁気抵抗効果素子とマグネットが用いられてもよい。角度センサ３２０は、モータ１０のロータの回転角（以下、「回転信号」と表記する。）を検出し、回転信号をマイクロコントローラ３４０に出力する。入力回路３３０は、電流センサ１７０によって検出されたモータ電流値（以下、「実電流値」と表記する。）を受け取り、必要に応じて、実電流値のレベルをマイクロコントローラ３４０の入力レベルに変換し、実電流値をマイクロコントローラ３４０に出力する。

マイクロコントローラ３４０は、第１インバータ１１０と第２インバータ１４０の各ＦＥＴのスイッチング動作（ターンオンまたはターンオフ）を制御する。マイクロコントローラ３４０は、実電流値およびロータの回転信号などに従って目標電流値を設定してＰＷＭ信号を生成し、それを駆動回路３５０に出力する。

駆動回路３５０は、典型的にはゲートドライバである。駆動回路３５０は、第１および第２インバータ１１０、１４０における各ＦＥＴのスイッチング動作を制御する制御信号（ゲート制御信号）をＰＷＭ信号に従って生成し、各ＦＥＴのゲートに制御信号を与える。なお、マイクロコントローラ３４０が駆動回路３５０の機能を備えていてもよい。その場合、制御回路３００は駆動回路３５０を備えていなくてもよい。

ＲＯＭ３６０は、例えば書き込み可能なメモリ、書き換え可能なメモリまたは読み出し専用のメモリである。ＲＯＭ３６０は、マイクロコントローラ３４０に電力変換装置１００を制御させるための命令群を含む制御プログラムを格納している。例えば、制御プログラムはブート時にＲＡＭ（不図示）に一旦展開される。

次に、電力変換装置１００の制御方法の具体例を説明する。制御回路３００は、第１および第２インバータ１１０、１４０の両方を用いて三相通電制御することによってモータ１０を駆動する。具体的に、制御回路３００は、第１インバータ１１０のＦＥＴと第２インバータ１４０のＦＥＴとを互いに逆位相（位相差＝１８０°）でスイッチング制御することにより三相通電制御を行う。例えば、ＦＥＴ１１１Ｌ、１１１Ｈ、１４１Ｌおよび１４１Ｈを含むＨブリッジに着目すると、ＦＥＴ１１１Ｌがオンすると、ＦＥＴ１４１Ｌはオフし、ＦＥＴ１１１Ｌがオフすると、ＦＥＴ１４１Ｌはオンする。これと同様に、ＦＥＴ１１１Ｈがオンすると、ＦＥＴ１４１Ｈはオフし、ＦＥＴ１１１Ｈがオフすると、ＦＥＴ１４１Ｈはオンする。電源１０１から出力された電流は、ハイサイドスイッチング素子、コイル群、ローサイドスイッチング素子を通ってＧＮＤに流れる。

ここで、Ｕ相のコイル群２０１を流れる電流の経路を説明する。ＦＥＴ１１１ＨおよびＦＥＴ１４１Ｌがオンであり、ＦＥＴ１４１ＨおよびＦＥＴ１１１Ｌがオフのとき、電流は、電源１０１、ＦＥＴ１１１Ｈ、コイル群２０１、ＦＥＴ１４１Ｌ、ＧＮＤの順に流れる。ＦＥＴ１４１ＨおよびＦＥＴ１１１Ｌがオンであり、ＦＥＴ１１１ＨおよびＦＥＴ１４１Ｌがオフのとき、電流は、電源１０１、ＦＥＴ１４１Ｈ、コイル群２０１、ＦＥＴ１１１Ｌ、ＧＮＤの順に流れる。

次に、Ｖ相のコイル群２０２を流れる電流の経路を説明する。ＦＥＴ１１２ＨおよびＦＥＴ１４２Ｌがオンであり、ＦＥＴ１４２ＨおよびＦＥＴ１１２Ｌがオフのとき、電流は、電源１０１、ＦＥＴ１１２Ｈ、コイル群２０２、ＦＥＴ１４２Ｌ、ＧＮＤの順に流れる。ＦＥＴ１４２ＨおよびＦＥＴ１１２Ｌがオンであり、ＦＥＴ１１２ＨおよびＦＥＴ１４２Ｌがオフのとき、電流は、電源１０１、ＦＥＴ１４２Ｈ、コイル群２０２、ＦＥＴ１１２Ｌ、ＧＮＤの順に流れる。

次に、Ｗ相のコイル群２０３を流れる電流の経路を説明する。ＦＥＴ１１３ＨおよびＦＥＴ１４３Ｌがオンであり、ＦＥＴ１４３ＨおよびＦＥＴ１１３Ｌがオフのとき、電流は、電源１０１、ＦＥＴ１１３Ｈ、コイル群２０３、ＦＥＴ１４３Ｌ、ＧＮＤの順に流れる。ＦＥＴ１４３ＨおよびＦＥＴ１１３Ｌがオンであり、ＦＥＴ１１３ＨおよびＦＥＴ１４３Ｌがオフのとき、電流は、電源１０１、ＦＥＴ１４３Ｈ、コイル群２０３、ＦＥＴ１１３Ｌ、ＧＮＤの順に流れる。

図７は、三相通電制御に従って電力変換装置１００を制御したときにモータ１０のＵ相、Ｖ相およびＷ相の各コイル群に流れる電流値をプロットして得られる電流波形（正弦波）を例示している。横軸は、モータ電気角（ｄｅｇ）を示し、縦軸は電流値（Ａ）を示している。図７の電流波形において、電気角３０°毎に電流値をプロットしている。Ｉ_ｐｋは各相の最大電流値（ピーク電流値）を表している。

表１は、図７の正弦波において電気角毎に、各インバータの端子に流れる電流値を示している。表１は、具体的に、第１インバータ１１０（ブリッジ回路Ｌ）の端子Ｕ＿Ｌ、Ｖ＿ＬおよびＷ＿Ｌに流れる、電気角３０°毎の電流値、および、第２インバータ１４０（ブリッジ回路Ｒ）の端子Ｕ＿Ｒ、Ｖ＿ＲおよびＷ＿Ｒに流れる、電気角３０°毎の電流値を示している。ここで、ブリッジ回路Ｌに対しては、ブリッジ回路Ｌの端子からブリッジ回路Ｒの端子に流れる電流方向を正の方向と定義する。図７に示される電流の向きはこの定義に従う。また、ブリッジ回路Ｒに対しては、ブリッジ回路Ｒの端子からブリッジ回路Ｌの端子に流れる電流方向を正の方向と定義する。従って、ブリッジ回路Ｌの電流とブリッジ回路Ｒの電流との位相差は１８０°となる。表１において、電流値Ｉ_１の大きさは〔（３）^１／２／２〕＊Ｉ_ｐｋであり、電流値Ｉ_２の大きさはＩ_ｐｋ／２である。

電気角０°において、Ｕ相のコイル群２０１には電流は流れない。Ｖ相のコイル群２０２にはブリッジ回路Ｒからブリッジ回路Ｌに大きさＩ_１の電流が流れ、Ｗ相のコイル群２０３にはブリッジ回路Ｌからブリッジ回路Ｒに大きさＩ_１の電流が流れる。

電気角３０°において、Ｕ相のコイル群２０１にはブリッジ回路Ｌからブリッジ回路Ｒに大きさＩ_２の電流が流れ、Ｖ相のコイル群２０２にはブリッジ回路Ｒからブリッジ回路Ｌに大きさＩｐｋの電流が流れ、Ｗ相のコイル群２０３にはブリッジ回路Ｌからブリッジ回路Ｒに大きさＩ_２の電流が流れる。

電気角６０°において、Ｕ相のコイル群２０１にはブリッジ回路Ｌからブリッジ回路Ｒに大きさＩ_１の電流が流れ、Ｖ相のコイル群２０２にはブリッジ回路Ｒからブリッジ回路Ｌに大きさＩ_１の電流が流れる。Ｗ相のコイル群２０３には電流は流れない。

電気角９０°において、Ｕ相のコイル群２０１にはブリッジ回路Ｌからブリッジ回路Ｒに大きさＩｐｋの電流が流れ、Ｖ相のコイル群２０２にはブリッジ回路Ｒからブリッジ回路Ｌに大きさＩ_２の電流が流れ、Ｗ相のコイル群２０３にはブリッジ回路Ｒからブリッジ回路Ｌに大きさＩ_２の電流が流れる。

電気角１２０°において、Ｕ相のコイル群２０１にはブリッジ回路Ｌからブリッジ回路Ｒに大きさＩ_１の電流が流れ、Ｗ相のコイル群２０３にはブリッジ回路Ｒからブリッジ回路Ｌに大きさＩ_１の電流が流れる。Ｖ相のコイル群２０２には電流は流れない。

電気角１５０°において、Ｕ相のコイル群２０１にはブリッジ回路Ｌからブリッジ回路Ｒに大きさＩ_２の電流が流れ、Ｖ相のコイル群２０２にはブリッジ回路Ｌからブリッジ回路Ｒに大きさＩ_２の電流が流れ、Ｗ相のコイル群２０３にはブリッジ回路Ｒからブリッジ回路Ｌに大きさＩｐｋの電流が流れる。

電気角１８０°において、Ｕ相のコイル群２０１には電流は流れない。Ｖ相のコイル群２０２にはブリッジ回路Ｌからブリッジ回路Ｒに大きさＩ_１の電流が流れ、Ｗ相のコイル群２０３にはブリッジ回路Ｒからブリッジ回路Ｌに大きさＩ_１の電流が流れる。

電気角２１０°において、Ｕ相のコイル群２０１にはブリッジ回路Ｒからブリッジ回路Ｌに大きさＩ_２の電流が流れ、Ｖ相のコイル群２０２にはブリッジ回路Ｌからブリッジ回路Ｒに大きさＩｐｋの電流が流れ、Ｗ相のコイル群２０３にはブリッジ回路Ｒからブリッジ回路Ｌに大きさＩ_２の電流が流れる。

電気角２４０°において、Ｕ相のコイル群２０１にはブリッジ回路Ｒからブリッジ回路Ｌに大きさＩ_１の電流が流れ、Ｖ相のコイル群２０２にはブリッジ回路Ｌからブリッジ回路Ｒに大きさＩ_１の電流が流れる。Ｗ相のコイル群２０３には電流は流れない。

電気角２７０°において、Ｕ相のコイル群２０１にはブリッジ回路Ｒからブリッジ回路Ｌに大きさＩｐｋの電流が流れ、Ｖ相のコイル群２０２にはブリッジ回路Ｌからブリッジ回路Ｒに大きさＩ_２の電流が流れ、Ｗ相のコイル群２０３にはブリッジ回路Ｌからブリッジ回路Ｒに大きさＩ_２の電流が流れる。

電気角３００°において、Ｕ相のコイル群２０１にはブリッジ回路Ｒからブリッジ回路Ｌに大きさＩ_１の電流が流れ、Ｗ相のコイル群２０３にはブリッジ回路Ｌからブリッジ回路Ｒに大きさＩ_１の電流が流れる。Ｖ相のコイル群２０２には電流は流れない。

電気角３３０°において、Ｕ相のコイル群２０１にはブリッジ回路Ｒからブリッジ回路Ｌに大きさＩ_２の電流が流れ、Ｖ相のコイル群２０２にはブリッジ回路Ｒからブリッジ回路Ｌに大きさＩ_２の電流が流れ、Ｗ相のコイル群２０３にはブリッジ回路Ｌからブリッジ回路Ｒに大きさＩｐｋの電流が流れる。

例えば、制御回路３００は、図７に示される電流波形が得られるようなＰＷＭ制御によってブリッジ回路ＬおよびＲの各ＦＥＴのスイッチング動作を制御する。

上述したように、モータにおいては出力を大きくすることが求められている。特に、車載用モータにおいては、バッテリから供給される電圧レベルにおいて高出力化を図ることになる。

本願発明者の研究によれば、上述した独立結線方式を採用したモータは、スター結線方式を採用したモータおよびデルタ結線方式を採用したモータよりも相電圧を大きくすることができるという結果が得られている。

独立結線方式を採用したモータにおいて、出力をさらに大きくしようとした場合は、より大きな電流を流すことができるようにすることが考えられる。大きな電流を流そうとすると、コイルの線径を大きくする必要がある。しかし、コイルの線径が大きくなると、ステータの積層歯にコイルを巻くことが困難になる。また、一般に、コイルの最小曲げ半径は線径に比例するため、線径が大きくなるほどコイルエンドも大きくなってしまう。また、コイルの線径が大きくなるほど、コイル間の空隙が増え、トルク低下の要因にもなる。

本実施形態のコイル群では、直列接続された２つのコイルと、別の直列接続された２つのコイルとが並列接続されている。例えば、同じ相が割り当てられた４つの積層歯２３に４つのコイルが巻かれる。これにより、コイルの線径を小さくすることができる。言い換えると、コイルの断面積を小さくすることができる。例えば、ステータ２０の外径が７０から１００ｍｍのモータ１０において、線径が１．２から２．０ｍｍのコイルを用いることができる。この場合のコイルの断面積は、１．１３から３．１４ｍｍ^２である。また、例えば、外径が８５ｍｍ、回転軸方向の長さ３６ｍｍのモータ１０において、線径が１．８ｍｍ以下のコイルを用いて高出力化を図ることができる。コイルの線径を小さくできることにより、積層歯２３にコイルを巻くことが容易になる。また、コイルの最小曲げ半径を小さくできるため、コイルエンドを小さくすることができる。

図９は、コイルの線径と出力との関係を示す図である。図９の縦軸は正規化されたモータの出力を示し、横軸はコイルの線径を示している。図９中の実線４０１は、本実施形態の独立結線方式のモータ１０におけるコイルの線径と出力との関係を示している。図９中の破線４０２は、比較例であるスター結線方式のモータにおけるコイルの線径と出力との関係を示している。図９に示すように、コイルの線径が１．２から２．０ｍｍの範囲において、独立結線方式のモータ１０の出力は大きくなっていることが分かる。このように、独立結線方式を採用したモータ１０は、他の結線方式を採用したモータよりも出力を大きくすることができる。

なお、１つの相に割り当てられた４つのコイル全てを互いに並列接続することも考えられる。例えば、Ｕ相に割り当てられた４つのコイル２１１、２１２、２１３、２１４の全てを互いに並列接続することが考えられる。しかし、全てのコイルを互いに並列接続させると結線の数が大きくなり、製造コストが増大することになる。それと比較して、本実施形態のコイル群２０１、２０２、２０３の構成では、結線の数を小さくでき、製造コストを低減できる。

本実施形態のモータ１０では、結線の数が少なく、相電圧を大きくすることができるため、出力を大きくすることができる。また、求められる出力が同じであるならば、本実施形態のモータ１０は、従来のモータよりもサイズを小さくすることができる。

（実施形態２）
自動車等の車両は一般的に、電動パワーステアリング装置を備えている。電動パワーステアリング装置は、運転者がステアリングハンドルを操作することによって発生するステアリング系の操舵トルクを補助するための補助トルクを生成する。補助トルクは、補助トルク機構によって生成され、運転者の操作の負担を軽減することができる。例えば、補助トルク機構は、操舵トルクセンサ、ＥＣＵ、モータおよび減速機構などを備える。操舵トルクセンサは、ステアリング系における操舵トルクを検出する。ＥＣＵは、操舵トルクセンサの検出信号に基づいて駆動信号を生成する。モータは、駆動信号に基づいて操舵トルクに応じた補助トルクを生成し、減速機構を介してステアリング系に補助トルクを伝達する。

本開示のモータ１０は、電動パワーステアリング装置に好適に利用される。図１０は、本実施形態に係る電動パワーステアリング装置５００を模式的に示している。電動パワーステアリング装置５００は、ステアリング系５２０および補助トルク機構５４０を備える。

ステアリング系５２０は、例えば、ステアリングハンドル５２１、ステアリングシャフト５２２（「ステアリングコラム」とも称される。）、自在軸継手５２３Ａ、５２３Ｂ、回転軸５２４（「ピニオン軸」または「入力軸」とも称される。）、ラックアンドピニオン機構５２５、ラック軸５２６、左右のボールジョイント５５２Ａ、５５２Ｂ、タイロッド５２７Ａ、５２７Ｂ、ナックル５２８Ａ、５２８Ｂ、および左右の操舵車輪（例えば左右の前輪）５２９Ａ、５２９Ｂを備える。ステアリングハンドル５２１は、ステアリングシャフト５２２と自在軸継手５２３Ａ、５２３Ｂとを介して回転軸５２４に連結される。回転軸５２４にはラックアンドピニオン機構５２５を介してラック軸５２６が連結される。ラックアンドピニオン機構５２５は、回転軸５２４に設けられたピニオン５３１と、ラック軸５２６に設けられたラック５３２とを有する。ラック軸５２６の右端には、ボールジョイント５５２Ａ、タイロッド５２７Ａおよびナックル５２８Ａをこの順番で介して右の操舵車輪５２９Ａが連結される。右側と同様に、ラック軸５２６の左端には、ボールジョイント５５２Ｂ、タイロッド５２７Ｂおよびナックル５２８Ｂをこの順番で介して左の操舵車輪５２９Ｂが連結される。ここで、右側および左側は、座席に座った運転者から見た右側および左側にそれぞれ一致する。

ステアリング系５２０によれば、運転者がステアリングハンドル５２１を操作することによって操舵トルクが発生し、ラックアンドピニオン機構５２５を介して左右の操舵車輪５２９Ａ、５２９Ｂに伝わる。これにより、運転者は左右の操舵車輪５２９Ａ、５２９Ｂを操作することができる。

補助トルク機構５４０は、例えば、操舵トルクセンサ５４１、ＥＣＵ５４２、モータ５４３、減速機構５４４および電力変換装置５４５を備える。補助トルク機構５４０は、ステアリングハンドル５２１から左右の操舵車輪５２９Ａ、５２９Ｂに至るステアリング系５２０に補助トルクを与える。なお、補助トルクは「付加トルク」と称されることがある。

ＥＣＵ５４２として、実施形態に係る制御回路３００を用いることができ、電力変換装置５４５として、実施形態に係る電力変換装置１００を用いることができる。また、モータ５４３は、実施形態におけるモータ１０に相当する。ＥＣＵ５４２、モータ５４３および電力変換装置５４５を備える機電一体型ユニットとして、実施形態に係るモータ１０を好適に用いることができる。

操舵トルクセンサ５４１は、ステアリングハンドル５２１によって付与されたステアリング系５２０の操舵トルクを検出する。ＥＣＵ５４２は、操舵トルクセンサ５４１からの検出信号（以下、「トルク信号」と表記する。）に基づいてモータ５４３を駆動するための駆動信号を生成する。モータ５４３は、操舵トルクに応じた補助トルクを駆動信号に基づいて発生する。補助トルクは、減速機構５４４を介してステアリング系５２０の回転軸５２４に伝達される。減速機構５４４は、例えばウォームギヤ機構である。補助トルクはさらに、回転軸５２４からラックアンドピニオン機構５２５に伝達される。

電動パワーステアリング装置５００は、補助トルクがステアリング系５２０に付与される箇所によって、ピニオンアシスト型、ラックアシスト型、およびコラムアシスト型等に分類することができる。図２２には、ピニオンアシスト型の電動パワーステアリング装置５００を例示している。ただし、電動パワーステアリング装置５００は、ラックアシスト型、コラムアシスト型等であってもよい。

ＥＣＵ５４２には、トルク信号だけでなく、例えば車速信号も入力され得る。外部機器５６０は例えば車速センサである。または、外部機器５６０は、例えばＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等の車内ネットワークで通信可能な他のＥＣＵであってもよい。ＥＣＵ５４２のマイクロコントローラは、トルク信号や車速信号などに基づいてモータ５４３をベクトル制御等により制御することができる。

ＥＣＵ５４２は、少なくともトルク信号に基づいて目標電流値を設定する。ＥＣＵ５４２は、車速センサによって検出された車速信号を考慮し、さらに角度センサ３２０によって検出されたロータの回転信号を考慮して、目標電流値を設定することが好ましい。ＥＣＵ５４２は、電流センサ１７０によって検出された実電流値が目標電流値に一致するように、モータ５４３の駆動信号、つまり、駆動電流を制御することができる。

電動パワーステアリング装置５００によれば、運転者の操舵トルクにモータ５４３の補助トルクを加えた複合トルクを利用してラック軸５２６によって左右の操舵車輪５２９Ａ、５２９Ｂを操作することができる。特に、上述した機電一体型ユニットに、本開示のモータ１０を利用することにより、部品の品質が向上し、かつ、正常時および異常時のいずれにおいても適切な電流制御が可能となる、モータを備える電動パワーステアリング装置が提供される。

以上、本開示にかかる実施形態を説明した。上述の実施形態の説明は例示であり、本開示の技術を限定するものではない。また、上述の実施形態で説明した各構成要素を適宜組み合わせた実施形態も可能である。

本開示の実施形態は、掃除機、ドライヤ、シーリングファン、洗濯機、冷蔵庫および電動パワーステアリング装置などの、各種モータを備える多様な機器に幅広く利用され得る。

１０：モータ、１１：中心軸、２０：ステータ、２１：コイル、２２：積層体、２３：積層歯、２４：コアバック、３０：ロータ、３１：ロータコア、３２：永久磁石、３３：シャフト、１００：電力変換装置、１０１：電源、１０２：コイル、１０３：コンデンサ、１１０：第１インバータ、１４０：第２インバータ、２０１、２０２、２０３：コイル群、２１１、２１２、２１３、２１４：コイル、２２１、２２２、２２３、２２４：コイル、２３１、２３２、２３３、２３４：コイル、２１５、２１６、２２５、２２６、２３５、２３６：サブコイル群、３００：制御回路、３１０：電源回路、３２０：角度センサ、３３０：入力回路、３４０：マイクロコントローラ、３５０：駆動回路、３６０：ＲＯＭ、５００：電動パワーステアリング装置

Claims (7)

1. ｎ相（ｎは３以上の整数）のコイル群と、
   前記ｎ相のコイル群の一端に接続される第１インバータと、
   前記ｎ相のコイル群の他端に接続される第２インバータと、
   前記ｎ相のコイル群が巻かれたステータと、
   前記ステータに対して相対的に回転可能なロータと、
   を備えたモータであって、
   前記ｎ相のコイル群のうちの少なくとも１つのコイル群は、
   互いに直列接続された第１コイルおよび第２コイルを含む第１サブコイル群と、
   互いに直列接続された第３コイルおよび第４コイルを含む第２サブコイル群と、
   を含み、
   前記第１サブコイル群と前記第２サブコイル群とは互いに並列接続されている、モータ。
2. 前記ステータのコイルの巻線方式は集中巻き方式である、請求項１に記載のモータ。
3. 前記ｎ相のコイル群のそれぞれは、前記第１サブコイル群および前記第２サブコイル群を含み、
   前記ｎ相のコイル群のそれぞれにおいて、前記第１サブコイル群と前記第２サブコイル群とは互いに並列接続されている、請求項１または２に記載のモータ。
4. 前記第１の相のコイル群が含むコイルの断面積は、１．１３から３．１４ｍｍ^２である、請求項１から３のいずれかに記載のモータ。
5. 前記ステータの外径は７０から１００ｍｍであり、且つ、前記第１の相のコイル群が含むコイルの線径は１．２から２．０ｍｍである、請求項１から４のいずれかに記載のモータ。
6. 前記ステータのスロット数は１２である、請求項１から５のいずれかに記載のモータ。
7. 請求項１から６のいずれかに記載のモータを備えた、電動パワーステアリング装置。
   
   

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