WO2009144957A1

WO2009144957A1 - 同期電動機駆動システム

Info

Publication number: WO2009144957A1
Application number: PCT/JP2009/002392
Authority: WO
Inventors: 田米正樹; 西山典禎; 近藤康宏; 北畠真; 風間俊
Original assignee: パナソニック株式会社
Priority date: 2008-05-30
Filing date: 2009-05-29
Publication date: 2009-12-03
Also published as: JPWO2009144957A1; JP4601723B2; US20110057591A1; US8497648B2

Abstract

高出力でありながら、低振動及び低騒音化が図れる同期電動機駆動システムを提供することを目的とする。　直流電流を３相の交流電流に変換するインバータ１０１、１０２、１０３と、３相インバータの動作を制御する通電制御部５２と、複数の３相インバータから供給される複数の３相交流電流で駆動する同期電動機４１とを備え、同期電動機４１は、３相交流電流の供給を受ける３相巻線群２００ａ～ｃを有し、通電制御部５２は、出力させる３相交流電流の電流位相角及び電流量を、インバータのそれぞれについて個別に決定し、３相インバータのそれぞれは、通電制御部５２において決定された電流位相及び電流量で、それぞれ異なる３相巻線群に３相交流電流を供給する。

Description

同期電動機駆動システム

　本発明は、同期電動機駆動システムに関し、特に、同期電動機に駆動電流を供給するインバータの制御技術に関する。

　同期電動機は、インバータから３相交流電流の供給を受け、固定子に配置されている巻線に電流を通電することで固定子に界磁を発生させ、ロータを回転させる。このとき回転子の磁極の位置に応じて、巻線に通電される電流を適切に制御することにより、回転子を自在に駆動することができる。

　しかし同期電動機では、固定子及び回転子の形状などから決定される磁気回路や、巻線に通電される電流の波形などにより、発生するトルクは一定にはならず、所定周期をもった脈動が生じる。トルク脈動には、複数の周期をもった脈動成分があるが、一般に電気角で60度の周期を持つ脈動成分が顕著である。このような脈動成分の周期性は、固定子及び回転子の形状、つまり固定子のスロット数と回転子の極数の組み合わせに依存しており、電流波形が正弦波からずれることで脈動が顕在化することが知られている。

　ところで近年、パワーエレクトロニクスの進歩により、同期電動機の用途拡大が見られる。電源が直流電源である車両用電動機においても、交流電流の供給により駆動する同期
電動機の採用が主流となりつつある。こうしたハイブリッド電気自動車や電気自動車などの車両用途では、電動機駆動システムのさらなる高出力化や高性能化（低振動及び低騒音）、低コスト化が強く要求される。また、車両用途では、高信頼性は勿論のこと、仮にシステムの一部に不具合が発生しても致命的なことにならないようなフェールセーフが必要とされる。

　例えば、特許文献１には、直流電源とインバータの間に昇圧回路を追加し、インバータ及び電動機に印加する電圧を高電圧化する電動機駆動システムが開示されている。電動機出力は印加電圧にほぼ比例して向上するため、電動機に印加する電圧を昇圧回路の昇圧動作により高電圧化することで、電動機出力を容易に高出力化できる。

特開平１０－６６３８３号公報

　しかしながら、高電圧印加により電動機出力を高出力化する場合、電動機の回転数も高くなり、それに伴い給電電流の電気周波数も高くなる。そのため、電気周波数の高周波化に伴い、インバータで必要なスイッチング周波数も高くなる。しかし、スイッチング素子が高周波スイッチング動作をしているインバータでは、電動機機器乗数（インダクタンス及び巻線抵抗）により決定する時定数がある程度大きいと、理想的な正弦波の電流波形を生成することが困難となる。

　特に、車両駆動用などの電動機は、高トルクかつ高出力なため、時定数が大きくなることが多い。そのため、所望の電流波形が得られず電流波形に歪が生じ、電動機におけるトルク脈動が大きくなり、振動及び騒音の問題が顕著になるという問題がある。

　本発明はかかる問題に鑑み、高出力でありながら、低振動及び低騒音化が図れる同期電動機駆動システムを提供することを目的とする。

　上記目的を達成するために、本発明に係る同期電動機駆動装置は、直流電流を３相の交流電流に変換する複数の３相インバータと、前記複数の３相インバータの動作を制御する通電制御部と、前記複数の３相インバータから供給される複数の３相交流電流で駆動される同期電動機とを備え、前記同期電動機は、３相交流電流の供給を受ける３相巻線群を複数有し、前記通電制御部は、出力させる３相交流電流の電流位相角及び電流量を、前記複数の３相インバータのそれぞれについて個別に決定し、前記複数の３相インバータのそれぞれは、前記通電制御部において決定された電流位相及び電流量で、それぞれ異なる３相巻線群に３相交流電流を供給することを特徴とする。

　ここで電流位相角とは、同期電動機の回転子に対して固定された回転座標系d-qにおいて、回転磁界の鎖交磁束方向がq軸に対してなす角である。

　本発明に係る同期電動機駆動システムは、課題を解決するための手段に記載の構成により、複数の３相インバータが、それぞれ異なる巻線群に電流を供給して同期電動機を回転させる。そのため、本発明に係る同期電動機駆動システムでは、同期電動機が回転することにより発生する誘起電圧を、それぞれの３相インバータで分圧することができるので、直流電源の電圧を昇圧回路で昇圧しなくとも、高出力化を達成するができる。また、高電圧を３相インバータ及びモータに印加する必要がないので、３相インバータにおいては、高耐圧特性を有するスイッチング素子を使用する必要がなく、高耐圧特性を有するスイッチング素子の使用により引き起こされるオン電圧増大や、高電圧スイッチング動作によるスイッチング損失の増大等といったインバータ効率の低下を避けることができ、同期電動機においては、高電圧印加による鉄損の増大を避けることができる。また、同相の巻線を個別に巻回し、その数と同じだけの３相インバータにより電動機を駆動しているため、結果的に上述した時定数は小さくなる。つまり、電動機の高速回転時においても、所望の歪の小さい電流波形を得ることができ、トルク脈動を十分に小さくすることができる。また、複数の３相インバータは、互いに電流位相角が異なり、かつ電流量が異なる３相交流電流を供給することができるため、複数の巻線群で生じるトルク脈動の位相をずらして、互いの脈動を打ち消しあわせることが可能となり、その結果、電動機駆動全体で発生するトルクの脈動を低減することができる。

　従って、本発明に係る同期電動機駆動システムによれば、高出力でありながら、低振動化及び低騒音化を図ることができる。

　また、通電制御部により決定される複数の３相インバータ間の電流位相角の差が可変であるため、本発明に係る同期電動機駆動システムでは、各巻線のインダクタンスを設計時に意図的に均質にしなくとも、又は製造誤差等で均質でなくとも、最適な電流位相差で同期電動機を駆動させることが可能となる。また、モータ駆動状態の変化に伴うインダクタンスの変化に合わせて、最適な弱め界磁制御を実施することができる。

第１の実施形態に係る同期電動機駆動システムの全体構成を示す図である。本発明の第１の実施形態に係る同期電動機駆動システムを構成する同期電動機の平面図である。図２の同期電動機の詳細図である。図２に示した同期電動機の固定子巻線の結線を説明するための図である。本発明の第１の実施形態の固定子と回転子の位置関係を示し、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は回転子２が反時計方向に各々機械角で２°（電気角でπ／９ラジアン）回転したときの固定子および回転子の位置関係を示している。通電制御部５２におけるインバータ制御の処理の流れを示すフローチャートである。同期電動機の回転速度と永久磁石による誘起電圧との関係を示す図である。低回転数駆動時にインバータが各固定子巻線に流す電流の時間変化を示した図である。インバータ１０１、１０２、１０３が図８に示すように電流を通電した際のトルク波形を示す図である。同期電動機における端子電圧と電動機電流の基本ベクトル図である。磁石埋込み型同期電動機において電流を一定値にした場合の電流位相とトルクとの関係を示す図である。磁石埋込み型同期電動機における電流位相角とトルクの関係を示す図である。高回転数駆動時にインバータが各固定子巻線に流す電流の時間変化を示した図である。本変形例に係る同期電動機駆動システムの全体構成を示す図である。同期電動機４４の詳細図である。図１５に示した同期電動機の固定子巻線の結線を説明するための図である。本変形例の固定子と回転子の位置関係を示し、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は回転子２が反時計方向に各々機械角で２°（電気角でπ／９ラジアン）回転したときの固定子および回転子の位置関係を示している。通電制御部５３におけるインバータ制御の処理の流れを示すフローチャートである。本変形例において各固定子巻線に流した電流の時間変化を示した図である。変形例２に係る同期電動機駆動システムの全体構成を示す図である。様々な電流量での電流位相とトルクとの関係を示す図である。電流量１００％、電流位相０°でのトルクを代表値として正規化したトルクを、電流量及び電流位相に対応させたマップデータの一例である。電流位相のｑ軸に対する進み角と固定子巻線のインダクタンスとの関係を示す図である。本発明の第２の実施形態に係る同期電動機駆動システムの全体構成を示す図である。同期電動機４２の詳細図である。通電制御部５５におけるインバータ制御の処理の流れを示すフローチャートである。定格回転数以上で同期電動機を駆動させる場合に、インバータが各固定子巻線に流す電流の時間変化を示した図である。本発明の同期電動機駆動システムを搭載した電気自動車の概略構成を示す図である。本発明の同期電動機駆動システムを搭載したハイブリッド電気自動車の概略構成を示す図である。本発明の同期電動機駆動システムを搭載したインホイールモータ電気自動車の全体構成を示す図である。

　以下、本発明に係る同期電動機駆動システムの実施の形態について、図を用いて説明する。
（第１の実施形態）
　先ず始めに、本発明の同期電動機駆動システムの全体構成について説明する。図１は、本発明の同期電動機駆動システムの全体構成を示す図である。

　同期電動機駆動システムは、直流電源１、インバータモジュール１００、同期電動機４１、及び通電制御部５２とから構成されている。

　インバータモジュール１００は、内部にインバータ１０１、１０２、１０３を含み、インバータ１０１、１０２、１０３がそれぞれゲート制御信号Ｇ１ｕｖｗ、Ｇ２ｕｖｗ、Ｇ３ｕｖｗに従って直交変換動作を行い、３相交流を同期電動機４１に供給する。ここでインバータ１０１、１０２、１０３を構成する全てのスイッチング素子は、単一のモジュール内に納められていることを特徴とする。インバータ１０１の出力電流１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃはそれぞれ２π／３ラジアンずつ位相がずれている。インバータ１０２の出力電流１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃについても同様であり、インバータ１０３の出力電流１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃについても同様である。

　同期電動機４１は、巻線群２００ａ、２００ｂ、２００ｃを備える。巻線群２００ａは、３相の巻線８１ａ、ａ’、８１ｂ、ｂ’、８１ｃ、ｃ’で構成されており、それぞれにインバータ１０１の出力電流１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃが入力される。巻線群２００ｂは、３相の巻線８２ａ、ａ’、８２ｂ、ｂ’、８２ｃ、ｃ’で構成されており、それぞれにインバータ１０２の出力電流１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃが入力される。巻線群２００ｃは、３相の巻線８３ａ、ａ’、８３ｂ、ｂ’、８３ｃ、ｃ’で構成されており、それぞれにインバータ１０３の出力電流１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃが入力される。インバータ１０１から巻線群２００ａに電力を供給するためのパワー配線には、Ｕ相電流を検出する電流検出器３０１ａとＷ相電流を検出する電流検出器３０１ｃとが設けられている。インバータ１０２から巻線群２００ｂに電力を供給するためのパワー配線にも同様にＵ相電流を検出する電流検出器３０２ａとＷ相電流を検出する電流検出器３０２ｃが設けられており、インバータ１０３から巻線群２００ｃに電力を供給するためのパワー配線にはＵ相電流を検出する電流検出器３０３ａとＷ相電流を検出する電流検出器３０３ｃが設けられている。また、同期電動機４１は、回転子の位置を検出する位置検出器５１を備え、位置検出器５１において検出された位置検出信号θｒは、通電制御部５２へ出力される。

　通電制御部５２は、ゲート制御信号Ｇ１ｕｖｗ、Ｇ２ｕｖｗ、Ｇ３ｕｖｗを出力することでインバータ１０１、１０２、１０３の動作を制御するマイコンシステムである。さらに詳細に説明すると、通電制御部５２には、同期電動機４１を所望のトルク及び回転数で駆動させることを指示する電流指令信号Ｉｓ及び回転数指令信号ωｒが入力される。また、通電制御部５２内部のＲＯＭには、電流指令信号Ｉｓ及び回転数指令信号ωｒの値に対して、インバータに出力させる３相交流電流の電流位相角β及び電流量Ｉａを対応させたマップデータが、インバータ１０１、１０２、１０３のぞれぞれについて保持されている。通電制御部５２では、このマップデータを参照して、入力された電流指令信号Ｉｓ及び回転数指令信号ωｒに応じた電流位相角β及び電流量Ｉａを、インバータ１０１、１０２、１０３のそれぞれについて決定し、決定された電流位相角β及び電流量Ｉａの３相交流電流を各インバータが出力するように、回転子の位置や各パワー配線の電流値をモニタしながら、ゲート制御信号Ｇ１ｕｖｗ、Ｇ２ｕｖｗ、Ｇ３ｕｖｗを出力している。

　以上が本発明に係る同期電動機駆動システムの全体構成についての説明である。

　次に、同期電動機４１の詳細について説明する。

　図２は、本発明の第１の実施形態に係る同期電動機駆動システムを構成する同期電動機の平面図、図３は、図２の同期電動機の詳細図である。

　同期電動機４１は回転子２および固定子４３から構成される。

　回転子２は、回転子コア４および複数の永久磁石５を含み、永久磁石５は回転子コア４に回転子の周方向に等間隔に配置されている。ここで同期電動機４１は、いわゆる磁石埋込み型同期電動機（ＩＰＭ電動機）であり、永久磁石５は回転子コア内部に配置されている。永久磁石５によって構成される磁極６は、固定子４３に対してＮ極、Ｓ極が交互に配置された磁極対を構成している。磁極対Ｎ極、Ｓ極は電気角で２πラジアンとなり、隣り合う磁極の配置間隔は電気角でπラジアンとなる。本実施形態では、回転子の磁極は２０極であり、機械角に対して電気角が１０倍の関係となっている。

　固定子４３は、回転子２に対向配置されている複数の固定子ティース４７および各固定子ティース４７に集中的に巻回された固定子巻線９を含む。複数の固定子ティース４７は、固定子の周方向に並ぶ３個単位で固定子ティース組４８を構成している。本実施形態では、固定子ティース組４８が６組、機械角で６０°の等間隔で配置されている。

　回転子２の周方向に並べられた磁極数は全部で２０極であり、固定子ティースの数は全部で１８となっており、半周当り１０／９でずれて配置されている。

　図２において、反時計回転方向を＋方向とすると、固定子ティース組４８ａに対して、固定子ティース組４８ｂは機械角で－６０°、電気角で＋２π／３ラジアンずれて配置されている。また、固定子ティース組４８ａに対して、固定子ティース組４８ｃは機械角で＋６０°、電気角で＋４π／３ラジアン（－２π／３ラジアン）ずれて配置されている。よって、固定子ティース組４８ａ、固定子ティース組４８ｂ、固定子ティース組４８ｃは互いに電気角で２π／３ラジアンの間隔の配置となる。

　なお、本実施形態の同期電動機は、固定子ティース組４８ａ、固定子ティース組４８ｂ、固定子ティース組４８ｃの組み合わせが周方向に２組、（固定子ティース組４８ａ’、固定子ティース組４８ｂ’、固定子ティース組４８ｃ’）繰り替えされた配置となる。

　図３を用いて、固定子ティース組４８ａの構成を詳細に述べる。以下、固定子巻線の間の機械角を論ずるが、それぞれの固定子巻線が巻回された固定子ティースの中心（一点鎖線）間の角度を表す。固定子ティース組４８ａは、３個の隣接した固定子ティース６１ａ、６２ａ、６３ａから構成されている。固定子ティース６１ａ、６２ａ、６３ａには互いの巻回方向が逆向きとなるように集中巻に巻回された固定子巻線８１ａ、８２ａ、８３ａが配置されている。固定子巻線８２ａが巻回された固定子ティース６２ａに対して、固定子巻線８１ａが巻回された固定子ティース６１ａは、機械角で＋２０°の位置に配置されている。すなわち磁極間隔である電気角πラジアン（機械角１８°）からさらに＋π／９ラジアンずれて配置されている。また、同様に固定子巻線８２ａに対して、固定子巻線８３ａは、機械角で－２０°の位置に配置されている。すなわち磁極間隔である電気角πラジアンからさらに－π／９ラジアンずれて配置されている。ここで、固定子ティースは、周方向に等間隔で３６０／１８＝２０°の間隔で並べられている。一方、回転子の磁極は周方向に等間隔で２０個並べられており、３６０／２０＝１８°の間隔となる。

　図２に示した他の２組の固定子ティース組４８ｂ、４８ｃも上記固定子ティース組４８ａ同様に、固定子ティース組内において、３個の巻線が磁極間隔である電気角πラジアンから電気角で＋π／９ラジアンと－π／９ラジアンずれて配置されている。

　図４は、図２に示した同期電動機の固定子巻線の結線を説明するための図である。

　図示した巻線端子番号末尾のａ、ｂ、ｃは、それぞれ固定子ティース組４８ａ、４８ｂ、４８ｃを構成する巻線に対応している。

　固定子ティース組４８ａ内の３個の固定子巻線８１ａ、８２ａ、８３ａのそれぞれの巻線端子３１ａ、３２ａ、３３ａは、個別に外部に出されていて、インバータ１０１、１０２、１０３のＵ相の接続端子に個別に接続されている。固定子ティース組４８ｂ内の３個の巻線端子３１ｂ、３２ｂ、３３ｂ、および、固定子ティース組４８ｃの３個の巻線端子３１ｃ、３２ｃ、３３ｃも同様に、個別に外部に出されていて、それぞれインバータ１０１、１０２、１０３のＶ相、Ｗ相の接続端子に個別に接続されている。

　また、異なる固定子ティース組４８ａ、４８ｂ、４８ｃで位相差が２π／３ラジアンとなる固定子巻線の端子は共通に中性点に接続されている。すなわち巻線端子３４ａと巻線端子３４ｂと巻線端子３４ｃは第１の中性点に接続され、巻線端子３５ａと巻線端子３５ｂと巻線端子３５ｃは第２の中性点に接続され、巻線端子３６ａと巻線端子３６ｂと巻線端子３６ｃは第３の中性点に接続されている。この例では第１，第２および第３の中性点を電気的に分離させているが、このうちのいずれか２つの中性点あるいは全ての中性点を電気的に接続することとしてもよい。

　また、本実施形態では固定子ティース組４８ａ、固定子ティース組４８ｂ、固定子ティース組４８ｃが２組ずつあり、末尾のａ、ｂ、ｃが同じ固定子ティース組どうしは回転子の磁極に対して電気角で同じ位置関係にある。そのため６組の固定子ティース組のうち隣接した３組の固定子ティース組どうしで中性点接続を構成してもよいし、一つ置きの３組の固定子ティース組どうしで中性点接続を構成してもよい、また、６組の全ての固定子ティース組で中性点接続を構成してもよい。

　以上、本発明の第１の実施形態に係る同期電動機駆動システムを構成する同期電動機の構成について説明した。１８個の固定子ティースは、回転子の磁極間隔と異なる配置間隔で並び、かつ、周方向に並ぶ３個単位で固定子ティース組を構成している。また各固定子ティース組内の３個の固定子巻線は、それぞれ独立した外部端子に個別に接続されている。

　ここで「個別」とは、ひとつの固定子ティース組に含まれている固定子巻線どうしの関係を示すものであり、異なる固定子ティース組にそれぞれ含まれている固定子巻線どうしの関係を示すものではない。従って、異なる固定子ティース組に含まれる固定子巻線どうしは、条件が許せば共通に接続される場合もある。例えば、固定子ティース組４８ａに含まれている固定子巻線８１ａと固定子ティース組４８ａ’に含まれている固定子巻線８１ａ’には同じ位相の電流が供給されるため、これらを共通の外部端子に接続することとしてもよい。もちろん個別に外部端子に接続することとしても何ら問題はない。

　本発明の第１の実施形態に係る同期電動機駆動システムは、上記同期電動機の複数の巻線端子に互いに位相の異なる電流を供給する駆動装置を備えている。次に、図２、図３に構造を示した同期電動機４１を回転駆動させる通電方法の一例を説明する。

　図５は、本発明の第１の実施形態の固定子と回転子の位置関係を示し、図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）は回転子２が反時計方向に各々機械角で２°（電気角でπ／９ラジアン）回転したときの固定子および回転子の位置関係を示している。

　図２、図３に、回転子の磁極間を１０、１１で示した。回転子の磁極間１０、１１は、回転子に配置された永久磁石で構成された磁極Ｎと磁極Ｓとの間の磁気中立点の位置を意味する。ここでは、機械的にも磁石と磁石との間の位置となっている。反時計方向にみてＮ極からＳ極に変わる磁極間を１０、反時計方向にみてＳ極からＮ極に変わる磁極間を１１と示している。なお、磁極間１１’は、磁極間１１に対して電気角では同じ位置であるが機械角では異なる位置にある。

　図５（ａ）では、一点鎖線で示したように、固定子ティース６３ａの中心と回転子磁極間１１とが一致する位置関係で対向している。この位置関係のときにインバータ１０３が接続する固定子巻線８３ａに流れる電流が最大になるように位相を調整して電流を供給すると、永久磁石によるトルクであるマグネットトルクが最大となる。なお図３で説明したように隣接する磁極どうしのなす角度（１８°）と隣接する固定子ティースどうしのなす角度（２０°）が異なるため、固定子ティース６３ａの中心と回転子磁極間１１とが一致する位置関係で対向していれば、固定子ティース６２ａの中心および回転子磁極間１０、ならびに固定子ティース６１ａの中心および回転子磁極間１１’はずれた位置関係で対向することになる。

　図５（ｂ）では、図５（ａ）から回転子が反時計方向に機械角で２°（電気角でπ／９ラジアン）回転しており、一点鎖線で示したように、固定子ティース６２ａの中心と回転子磁極間１０とが一致する位置関係で対向している。この位置関係のときにインバータ１０２が接続する固定子巻線８２ａに流れる電流が最大になるように位相を調整して電流を供給すると、永久磁石によるトルクであるマグネットトルクが最大となる。このとき固定子ティース６３ａの中心および回転子磁極間１１、ならびに固定子ティース６１ａの中心および回転子磁極間１１’はずれた位置関係で対向している。

　図５（ｃ）では、図５（ｂ）から回転子が反時計方向に機械角で２°（電気角でπ／９ラジアン）回転しており、一点鎖線で示したように、固定子ティース６１ａの中心と回転子磁極間１１’とが一致する位置関係で対向している。この位置関係のときにインバータ１０１が接続する固定子巻線８１ａに流れる電流が最大になるように位相を調整して電流を供給すると、永久磁石によるトルクであるマグネットトルクが最大となる。このとき固定子ティース６３ａの中心および回転子磁極間１１、ならびに固定子ティース６２ａの中心および回転子磁極間１０はずれた位置関係で対向している。

　図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示した位置関係となる各時間に、すなわち、固定子ティース６１ａ、６２ａ、６３ａの固定子ティース中心が回転子磁極間と対向している各時間に、固定子巻線８１ａ、８２ａ、８３ａに流れる電流がそれぞれ最大になるように位相を調整して電流を供給する。そうすると固定子ティース毎にマグネットトルクを最大とすることができ、全体として高トルク化を図ることができる。

　以上説明したとおり、同期電動機４１では、回転子磁極の間隔が機械角１８°（電気角πラジアン）であるのに対し、固定子ティース組内の３個の固定子ティースの間隔は機械角１８°度からずれた機械角２０°としている。このように機械的な位相差をもたせることにより、無通電時のトルク脈動であるコギングトルクを低減することができる。

　また同期電動機４１では、固定子ティース組内の固定子ティースは電気角πラジアンに対して各々π／９ラジアンの位相差をもつ配置となっており、各固定子ティースに巻回された固定子巻線にはπ／９ラジアンの位相差を持たせた電流を流すことで、各々の固定子ティースにより発生するトルクを同じにすることができるのでπ／３ラジアンを基本周期とするトルク脈動を打ち消すことができ、かつ、各々の固定子ティースにより発生するトルクを最大にすることができるので全体のトルクを高めることができる。

　なお、図５では永久磁石による発生するマグネットトルクのみを考慮していたので、固定子ティースの中心と回転子磁極間とが一致して対向した位置関係において固定子巻線に流れる電流が最大となるように電流の位相を調整している。しかしながら第１の実施形態の同期電動機は、回転子コア内部に永久磁石を配置した、いわゆる磁石埋込み型同期電動機であり、磁石によるマグネットトルクに加えて、磁気抵抗の差によるリラクタンストルクを利用することができる同期電動機である。そのためマグネットトルクとリラクタンストルクの両者を生かして最大トルクを得るために、固定子ティースの中心と回転子磁極間とが一致して対向する位置で最大電流となる位相よりも電流位相を進めることが有効な場合もある。

　以上が同期電動機４１の詳細についての説明である。

　次に、通電制御部５２によるインバータ制御の詳細について説明する。
図６は通電制御部５２におけるインバータ制御の処理の流れを示すフローチャートである。

　通電制御部５２は、ステップＳ１からステップＳ６のループを繰り返すことで、位置検出信号θｒ及び各電流検出器の検出値により得られる回転子の位置や各パワー配線の電流値をモニタしながら、随時適切なゲート制御信号Ｇ１ｕｖｗ、Ｇ２ｕｖｗ、Ｇ３ｕｖｗを出力している。この処理の流れにおいて本発明の特徴となるのは、ステップＳ１で入力される電流指令信号Is、回転数指令信号ωｒの何れかに変化が生じた場合に（ステップＳ２：Ｙｅｓ）、ステップＳ３、Ｓ４、Ｓ５において、内部ＲＯＭに保持しているマップデータを参照し、電流指令信号Is及び回転数指令信号ωｒに応じて、インバータ１０１用の電流位相角β１及び電流量Ｉａ１、インバータ１０２用の電流位相角β２及び電流量Ｉａ２、インバータ１０３用の電流位相角β３及び電流量Ｉａ３を、インバータ１０１、１０２、１０３のそれぞれについて個別に決定することである。ここで特に、ステップＳ３、Ｓ４、Ｓ５では、それぞれ異なるマップデータが用いられる。

　本実施形態では具体的には、回転数指令信号ωｒの値が低回転数での駆動を指示するものである場合、電流指令信号Ｉｓ及び回転数指令信号ωｒに対して、ステップＳ３、Ｓ４、Ｓ５で用いられるインバータ１０１用のマップデータ、インバータ１０２用のマップデータ、及びインバータ１０３用のマップデータの何れにおいても、同じ値の電流位相角β及び電流量Ｉａがマッピングされている。しかし、回転数指令信号ωｒの値が高回転数での駆動を指示するものになるにつれ、インバータ１０１用のマップデータ、インバータ１０２用のマップデータ、及びインバータ１０３用のマップデータのそれぞれにおいて、異なる値の電流位相角β及び電流量Ｉａがマッピングされている。高回転数での駆動時に、インバータ毎に異なる電流位相角β及び電流量Ｉａの電流を出力させるのは、いわゆる弱め界磁制御を適切に行うことを意図したものである。

　尚、本実施形態において高回転数とは、図７に示すように、回転子の永久磁石の磁界により巻線に生じる誘起電圧（ω×Φａ）が、直流電源１の電源電圧を超える高速回転領域での回転数を意味する。逆に低回転数とは、永久磁石の磁界により巻線に生じる誘起電圧（ω×Φａ）が、直流電源１の電源電圧を超えない低速回転領域での回転数を意味する。本図においてωは電気角速度、Φａは永久磁石の鎖交磁束であり、誘起電圧（ω×Φａ）は、回転数が高速になるにつれ比例的に増大する。通電制御部５２は、図中の高速回転領域において、弱め界磁制御を実施する。

　以下に、通電制御部５２の制御を受けて、インバータ１０１、１０２、１０３がどのように動作するかを具体的に説明する。先ず、同期電動機４１を低回転数で駆動させる場合のインバータ１０１、１０２、１０３の動作について説明する。

　図８は、低回転数駆動時にインバータが各固定子巻線に流す電流の時間変化を示した図である。図８中の（ａ）（ｂ）（ｃ）で示される時間は、それぞれ図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）に示される位置関係に対応している。

　図８では、巻線端子３１ａ、３２ａ、３３ａに流した電流（固定子巻線８１ａ、８２ａ、８３ａに流した電流）が縦軸に、時間が横軸に示されている。図８に示すように、巻線端子３２ａにインバータ１０２が流す電流に対して巻線端子３３ａにインバータ１０３が流す電流はπ／９ラジアン進めてあり、巻線端子３２ａにインバータ１０２が流す電流に対して巻線端子３１ａにインバータ１０１が流す電流はπ／９ラジアン遅らせてある。

　各固定子巻線の配置関係と各固定子巻線に流す電流とは以下の関係がある。

　固定子巻線８２ａに対して固定子巻線８３ａは、電気角でπラジアンからさらに－π／９ラジアンずれて配置されている。このような配置関係であれば、固定子巻線８２ａに流す電流に対して固定子巻線８３ａに流す電流は、π／９ラジアン進めることとする。一方、固定子巻線８２ａに対して固定子巻線８１ａは、電気角でπラジアンからさらに＋π／９ラジアンずれて配置されている。このような配置関係であれば、固定子巻線８２ａに流す電流に対して固定子巻線８１ａに流す電流は、π／９ラジアン遅らせることとする。

　すなわちインバータ１０１、１０２、１０３が出力する電流の電流位相角β１、β２、β３は何れも０度であり、図５（ａ）の位置関係では、固定子巻線８３ａに流れる電流が最大になるように位相を調整し、図５（ｂ）の位置関係では、固定子巻線８２ａに流れる電流が最大になるように位相を調整し、図５（ｃ）の位置関係では、固定子巻線８１ａに流れる電流が最大になるように位相を調整して電流を供給している。そうするとそれぞれの固定子ティースが生じさせるマグネットトルクがそれぞれ最大となり、全体として高トルク化が実現されている。

　また、同期電動機は一般に、インバータから３相交流を通電されることによりマグネットトルクを発生し回転駆動するが、１つのインバータから３相交流電流の給電を受ける３相の巻線群において、電気角で６０度の周期をもったトルク脈動が発生する。ここで、図８に示すようにインバータ１０１、１０２、１０３がπ／９ラジアン（２０度）ずつ位相差をつけて電流を流す場合、インバータ１０１、１０２、１０３から３相交流電流が供給される巻線群２００ａ、２００ｂ、２００ｃは、図９に示すように、それぞれトルク波形ｔｒ１、ｔｒ２、ｔｒ３のようにマグネットトルクを生じさせる。トルク波形ｔｒ１，ｔｒ２，ｔｒ３は、何れも６０度周期が主成分のトルク脈動をもっている。しかし、波形ｔｒ１，ｔｒ２，ｔｒは、互いに位相が２０度ずつずれているため、各々のトルク脈動が互いに打ち消しあい、波形ｔｒ１，ｔｒ２，ｔｒ３を合成した同期電動機４１全体で生じる合成トルクＴａでは、トルク脈動が大幅に低減している。

　このように、インバータ１０１、１０２、１０３が図８に示すように電流を供給するよう動作することで、電気角で６０度周期をもった脈動成分を打ち消すことにより、大幅にトルク脈動を低減し、さらには同期電動機の低振動化及び低騒音化が図れる。また、同期電動機の低振動化及び低騒音化の達成により、本実施形態に係る同期電動機駆動システムの組み込みに、防振及び防音対策の必要がなくなるという効果が得られる。

　以上が、同期電動機４１を低回転数で駆動させる場合のインバータ１０１、１０２、１０３の動作についての説明である。

　次に、同期電動機４１を高回転数で駆動させる場合のインバータ１０１、１０２、１０３の動作について説明する。一般に、同期電動機では、巻線において生じる誘起電圧が高回転数駆動の阻害要因となる。図１０を用いて、誘起電圧と回転速度の関係を説明する。

　図１０は、同期電動機における端子電圧と電動機電流の基本ベクトル図である。ここで、ベクトル図におけるｑ軸、ｄ軸は、各々は電気角において直交している。図中の破線は電圧制限円、ωは電気角速度、Φａは永久磁石の鎖交磁束、Ｌｑはインダクタンスのｑ軸成分、Ｌｄはインダクタンスのｄ軸成分、Ｒａは巻線抵抗、Ｉａは巻線電流、Ｉｑは巻線電流のｑ軸成分、Ｉｄは巻線電流のｄ軸成分である。電動機を駆動させるために必要な端子電圧Ｖａは、永久磁石による誘起電圧（ω×Φａ）、巻線での電圧降下（Ｒａ×Ｉａ）、及び回転磁界による誘起電圧（ω×Ｌｑ×Ｉｑ＋ω×Ｌｄ×Ｉｄ）の合計となり、同期電動機は、端子電圧Ｖａが、電源電圧により決定する電圧制限円内である条件でのみ駆動することができる。一般的に端子電圧Ｖａは、以下の式で表現することができる。

　ここで電気角速度ωは、回転子の回転数が高速になるにつれ、比例的に増大する。そのため回転数が高速になるにつれて、図１０中の永久磁石による誘起電圧（ω×Φａ）が比例的に増大し、それに応じて駆動に要する端子電圧Ｖａも増大することになる。つまり、回転子の回転数が高速になると、端子電圧Ｖａが、電圧制限円内から外れることになる。

　そこで、このような状態を回避するために、巻線電流の位相をｑ軸に対して進めることにより（つまり、トルクに寄与せず磁束を打ち消すような電流を通電する）、巻線電流のｑ軸成分及びｄ軸成分を自在に制御し、さらには、ω×Ｌｑ×Ｉｑ及びω×Ｌｄ×Ｉｄを、自在に制御することで、端子電圧Ｖａを電圧制限円内に抑えることができる。これがいわゆる弱め界磁制御といわれるものである。

　ここで同期電動機が単一のインバータにより給電されて駆動する場合は、電気角速度ω、鎖交磁束Φａ、インダクタンスのｑ軸成分、インダクタンスのｄ軸成分、巻線抵抗Ｒａ、巻線電流Ｉａは常に単一である。しかし、本実施形態に係る同期電動機システムでは、インバータ１０１、１０２、１０３がそれぞれ異なる巻線群に給電しているため、設計面及び製造面などから、インバータ１０１、１０２、１０３のそれぞれについて、電気角速度ω以外のパラメータは全て異なっている。すなわち、同じ回転数であっても、弱め界磁制御に最適な電流位相角βはインバータ１０１、１０２、１０３のそれぞれで異なる。そのため、インバータ１０１、１０２、１０３の全てで同じ電流位相角の電流を供給した場合、電源電圧により制約される回転数が、インバータごとに相違することにつながり、同期電動機の能力を活かすことができなくなる。

　そこで、本実施形態では、弱め界磁制御が必要となる回転数では、インバータ毎に適切な弱め界磁制御が実施できるように、インバータ１０１用のマップデータ、インバータ１０２用のマップデータ、及びインバータ１０３用のマップデータのそれぞれにおいて、異なる値の電流位相角βがマッピングされている。これにより、本実施形態に係る同期電動機駆動システムでは、高回転で駆動する際に、それぞれのインバータ毎に端子電圧が適切に制御され、電動機特性を最大限に活かすことができる。

　ここで、図１１、図１２を用いて磁石埋込み型同期電動機における電流位相角βとトルクの関係を説明する。

　図１１は、磁石埋込み型同期電動機において電流を一定値にした場合の電流位相とトルクとの関係を示す図である。電流位相が横軸に、トルクが縦軸に示されている。同期電動機において永久磁石により発生するマグネットトルクは、固定子ティースの中心と回転子磁極間とが一致して対向した位置関係において固定子巻線に流れる電流が最大となるように電流位相角を調整することで最大となる。そのため本図に示すように、マグネットトルクは電流位相が０°である時に最大となる。しかしながらＩＰＭ電動機では、磁石によるマグネットトルクに加えて、磁気抵抗の差によるリラクタンストルクを利用することができる。リラクタンストルクは、電流位相角が４５°近傍であるときに最大となる。そのため、ＩＰＭ電動機の総トルクは、マグネットトルクとリラクタンストルクとを合せたトルクとなり、電流位相角βが０°から４５°近傍の範囲で最大となる。

　図１２は、電流位相角と総トルクとの関係を示す図である。本図において電流位相角が横軸に、トルクが縦軸に示されている。図１２に示す例では、最大トルクを発生する電流位相角は３０度である。このように、ＩＰＭ電動機ではリラクタンストルクを最大限利用するため、発生するトルクが電流位相角に大きく依存する。また、その依存性は、電流量などにより異なる。

　従って、インバータ毎に電流位相角βが異なる電流を供給する場合、異なるインバータに接続された３つの巻線群でトルク脈動を効率よく打ち消しあうようにするためには、各巻線群に給電される電流の電流量を電流位相角βに応じて変化させ、発生するトルクを等しくすることが望ましい。

　例えば、同期電動機４１の巻線群２００ａ、２００ｂ、２００ｃが何れも図１２に示す関係でトルクを生じる場合、巻線群２００ａ、２００ｂ、２００ｃに、それぞれ電流位相角βが１０度、３０度、５０度で同じ電流量の電流が供給されると、巻線群２００ａ、２００ｃで生じるトルクＴｂと、巻線群２００ｂで生じるトルクＴａとに差があるため、互いのトルク脈動が効率よく打ち消されない。このような場合には、図１３に示すように、巻線群２００ａ、２００ｃに給電する電流量を、巻線群２００ｂに給電する電流量よりも多くすることで、巻線群２００ａ、２００ｂ、２００ｃで生じるトルクが等しくなる。

　そこで本実施形態では、弱め界磁制御が必要となる回転数では、各インバータが供給する電流の電流位相角βがことなり、さらに、各インバータが電流を供給する巻線群でトルクが等しくなるように、インバータ１０１用のマップデータ、インバータ１０２用のマップデータ、及びインバータ１０３用のマップデータのそれぞれにおいて、異なる値の電流量Ｉａがマッピングされている。このようなマッピングデータを用いることで、通電制御部５２は、電流位相角３０度で電流を供給するインバータ１０２には、供給する電流量をＩａ１1とするように指示するゲート制御信号G2uvwを出力し、一方、電流位相角１０度で電流を供給するインバータ１０１、電流位相角５０度で電流を供給するインバータ１０３には、供給する電流量をＩａ１よりも大きなＩａ２とするように指示するゲート制御信号G1uvw、G3uvwを出力する。

　これにより、本実施形態に係る同期電動機駆動システムでは、高回転で駆動する際に、それぞれのインバータ毎に端子電圧が適切に制御され、電動機特性を最大限に活かすことができる。以上が、同期電動機４１を高回転数で駆動させる場合のインバータ１０１、１０２、１０３の動作についての説明である。

　以上説明したように、インバータ１０１、１０２、１０３が供給する電流の電流位相角βを、それぞれが接続された巻線群の特性に合わせた適切な弱め界磁制御ができる値となるよう個別に決定し、さらに、各インバータから電流の供給を受ける巻線群２００ａ、２００ｂ、２００ｃにおいて生じるトルクが等しくなるように、それぞれに給電される電流の電流量を個別に決定したマッピングテーブルを、通電制御部５２の内部ＲＯＭに記録している。このようなマッピングテーブルに従って、通電制御部５２がゲート制御信号を出力することで、同期電動機４１で発生するトルクを高めつつ、トルクの脈動を低減することができる。

　尚、第１の実施形態では、巻線群２００ａ、２００ｂ、２００ｃにおいて生じるトルクが等しくなるように、それぞれに給電される電流量を個別に決定するとしたが、少なくとも２つの巻線群において生じるトルクが等しくなるように、それぞれに給電される電流量を個別に決定するよう構成してもよい。これにより、少なくとも２つの３相巻線群で生じるトルクが同等なものになり、これらの位相を互いにずらすことで、互いのトルク脈動が打ち消され、同期電動機全体としてのトルク脈動を低減することが可能となる。

　また、本実施形態では、インバータ１０１、１０２、１０３を構成するスイッチング素子を、単一のモジュール内に格納した構成とした。これにより複数のインバータで構成されていることによるインバータのコストアップ及びインバータと電動機の配線の複雑さなどを大幅に低減できる。また、本発明に係る同期電動機駆動システムでは、各インバータ毎に電流位相角を相違させることができるので、単一のモジュールに格納された構成であっても、個々のスイッチング素子の発熱が時間的に分散しており、効率的に放熱することができる。

（第１の実施形態の変形例１）
　以下に、２つのインバータを有する同期電動機駆動システムに本発明を適用した変形例について説明する。図１４は、本変形例に係る同期電動機駆動システムの全体構成を示す図である。

　本変形例では、同期電動機駆動システムは、直流電源１、インバータモジュール１０４、同期電動機４４、及び通電制御部５３とから構成されている。

　インバータモジュール１０４は、内部にインバータ１０５、１０６を含み、インバータ１０５、１０６がそれぞれゲート制御信号Ｇ１ｕｖｗ、Ｇ２ｕｖｗ、Ｇ３ｕｖｗに従って直交変換動作を行い、３相交流を同期電動機４４に供給する。

　通電制御部５３は、ゲート制御信号Ｇ１ｕｖｗ、Ｇ２ｕｖｗを出力することでインバータ１０５、１０６の動作を制御するマイコンシステムである。通電制御部５３内部のＲＯＭには、電流指令信号Ｉｓ及び回転数指令信号ωｒの値に対して、インバータに出力させる３相交流電流の電流位相角β及び電流量Ｉａを対応させたマップデータが、インバータ１０５、１０６のぞれぞれについて保持されている。通電制御部５２では、図１８に示すように
ステップＳ１３、１４においてこのマップデータを参照し、入力された電流指令信号Ｉｓ及び回転数指令信号ωｒに応じた電流位相角β及び電流量Ｉａを、インバータ１０５、１０６のそれぞれについて決定し、決定された電流位相角β及び電流量Ｉａの３相交流電流を各インバータが出力するように、回転子の位置や各パワー配線の電流値をモニタしながら、ゲート制御信号Ｇ１ｕｖｗ、Ｇ２ｕｖｗを出力している。

　同期電動機４４は、巻線群２００ｄ及び巻線群２００ｅの２つの巻線群を有する。

　図１５は、同期電動機４４の詳細図である。図１５を用いて、固定子ティース組４８ａの構成を詳細に述べる。以下、固定子巻線の間の機械角を論ずるが、それぞれの固定子巻線が巻回された固定子ティースの中心（一点鎖線）間の角度を表す。固定子ティース組４８ａは、３個の隣接した固定子ティース７１ａ、７２ａ、７３ａから構成されている。

　固定子ティース７２ａに対して固定子ティース７１ａは、機械角で＋２０°の位置に配置されている。すなわち磁極間隔である電気角πラジアン（機械角１８°）からさらに＋π／９ラジアンずれて配置されている。また、同様に固定子ティース７２ａに対して固定子ティース７３ａは、機械角で－２０°の位置に配置されている。すなわち磁極間隔である電気角πラジアンからさらに－π／９ラジアンずれて配置されている。ここで、固定子ティースは、周方向に等間隔で３６０／１８＝２０°の間隔で並べられている。一方、回転子の磁極は周方向に等間隔で２０個並べられており、３６０／２０＝１８°の間隔となる。

　固定子ティース７１ａには固定子巻線９１ａの一部（巻回数Ｎ１）が巻回され、固定子ティース７３ａには固定子巻線９２ａの一部（巻回数Ｎ２）が巻回され、固定子ティース７２ａには固定子巻線９１ａの残余の部分（巻回数Ｎ２１）および固定子巻線９２ａの残余の部分（巻回数Ｎ２２）が巻回されている。

　固定子巻線９１ａは、固定子ティース７１ａ、７２ａにそれぞれ巻回されている部分どうしが互いに逆極性の磁場を発生させる。同様に、固定子巻線９２ａは、固定子ティース７２ａ、７３ａにそれぞれ巻回されている部分どうしが互いに逆極性の磁場を発生させる。さらに固定子巻線９１ａ、９２ａに同位相の電流が供給されたとき固定子ティース７２ａに巻回されている部分どうしは同じ極性の磁場を発生させる。

　また固定子巻線９１ａ、９２ａの巻回数に関しては、以下の関係が満たされている。

　　Ｎ１＝Ｎ２
　　Ｎ２１＝Ｎ２２＝（Ｎ１）／｛２ｃｏｓ（π／９）｝
　上記関係を満たすことにより固定子ティース７１ａ、７２ａ、７３ａに生じる磁束の最大値を同等にすることができる。なおここでは便宜上イコール記号（＝）を用いているが、実際には完全に一致させることが困難な場合が多い。上記のイコール記号は、右辺が小数になる場合にはその小数に近い整数を採用する程度の一致を含み、さらには、設計上誤差として無視できる程度の一致を含むこととする。

　図１５に示した固定子ティース組４８ａの両隣に隣接する他の２組の固定子ティース組４８ｂ、４８ｃも図１５に示した固定子ティース組４８ａと同様の構成を有している。

　図１６は、図１５に示した同期電動機の固定子巻線の結線を説明するための図である。

　固定子ティース組４８ａ内の２個の固定子巻線９１ａ、９２ａのそれぞれの巻線端子２１ａ、２３ａは、個別に外部に出されていて、駆動装置であるインバータの接続端子に個別に接続されている。固定子ティース組４８ｂ内の２個の巻線端子２１ｂ、２３ｂ、および、固定子ティース組４８ｃの２個の巻線端子２１ｃ、２３ｃも同様に、個別に外部に出されていて、駆動装置であるインバータの接続端子に個別に接続されている。

　また、異なる固定子ティース組４８ａ、４８ｂ、４８ｃで位相差が２π／３ラジアンとなる固定子巻線の端子は共通に中性点に接続されている。すなわち巻線端子２２ａと巻線端子２２ｂと巻線端子２２ｃは第１の中性点に接続され、巻線端子２４ａと巻線端子２４ｂと巻線端子２４ｃは第２の中性点に接続されている。この例では第１および第２の中性点を電気的に分離されているが、これらを電気的に接続することとしてもよい。

　以上、同期電動機４４の構成について説明した。１８個の固定子ティースは、回転子の磁極間隔と異なる配置間隔で並び、かつ、周方向に並ぶ３個単位で固定子ティース組を構成している。また各固定子ティース組内の２個の固定子巻線は、それぞれ独立した外部端子に個別に接続されている。

　ここで「個別」とは、ひとつの固定子ティース組に含まれている固定子巻線どうしの関係を示すものであり、異なる固定子ティース組にそれぞれ含まれている固定子巻線どうしの関係を示すものではない。従って、異なる固定子ティース組に含まれる固定子巻線どうしは、条件が許せば共通に接続される場合もある。例えば、固定子ティース組４８ａに含まれている固定子巻線９１ａと固定子ティース組４８ａ’に含まれている固定子巻線９１ａ’には同じ位相の電流が供給されるため、これらを共通の外部端子に接続することとしてもよい。もちろん個別に外部端子に接続することとしても何ら問題はない。

　本変形例に係る同期電動機駆動システムは、上記同期電動機の複数の巻線端子に互いに位相の異なる電流を供給する駆動装置を備えている。次に、駆動装置および通電方法に関して説明する。

　図１７は、本変形例の固定子と回転子の位置関係を示し、図１７（ａ）、図１７（ｂ）、図１７（ｃ）は回転子２が反時計方向に各々機械角で２°（電気角でπ／９ラジアン）回転したときの固定子および回転子の位置関係を示している。また、図１９は、本変形例において各固定子巻線に流した電流の時間変化を示した図である。図１９中の（ａ）（ｂ）（ｃ）で示される時間は、それぞれ図１７（ａ）、図１７（ｂ）、図１７（ｃ）に示される位置関係に対応している。

　図１５に、回転子の磁極間を１０、１１で示した。回転子の磁極間１０、１１は、回転子に配置された永久磁石で構成された磁極Ｎと磁極Ｓとの間の磁気中立点の位置を意味する。ここでは、機械的にも磁石と磁石との間の位置となっている。反時計方向にみてＮ極からＳ極に変わる磁極間を１０、反時計方向にみてＳ極からＮ極に変わる磁極間を１１と示している。なお、磁極間１１’は、磁極間１１に対して電気角では同じ位置であるが機械角では異なる位置にある。

　図１７（ａ）では、一点鎖線で示したように、固定子ティース７３ａの中心と回転子磁極間１１とが一致する位置関係で対向している。この位置関係のときに固定子巻線９３ａに流れる電流が最大になるように位相を調整して電流を供給すると、永久磁石によるトルクであるマグネットトルクが最大となる。なお図１５で説明したように隣接する磁極どうしのなす角度（１８°）と隣接する固定子ティースどうしのなす角度（２０°）が異なるため、固定子ティース７３ａの中心と回転子磁極間１１とが一致する位置関係で対向していれば、固定子ティース７２ａの中心および回転子磁極間１０、ならびに固定子ティース７１ａの中心および回転子磁極間１１’はずれた位置関係で対向することになる。

　図１７（ｂ）では、図１７（ａ）から回転子が反時計方向に機械角で２°（電気角でπ／９ラジアン）回転しており、一点鎖線で示したように、固定子ティース７２ａの中心と回転子磁極間１０とが一致する位置関係で対向している。このとき固定子ティース７３ａの中心および回転子磁極間１１、ならびに固定子ティース７１ａの中心および回転子磁極間１１’はずれた位置関係で対向している。

　図１７（ｃ）では、図１７（ｂ）から回転子が反時計方向に機械角で２°（電気角でπ／９ラジアン）回転しており、一点鎖線で示したように、固定子ティース７１ａの中心と回転子磁極間１１’とが一致する位置関係で対向している。この位置関係のときに固定子巻線９１ａに流れる電流が最大になるように位相を調整して電流を供給すると、永久磁石によるトルクであるマグネットトルクが最大となる。このとき固定子ティース７３ａの中心および回転子磁極間１１、ならびに固定子ティース７２ａの中心および回転子磁極間１０はずれた位置関係で対向している。

　図１７（ａ）、（ｃ）に示した位置関係となる各時間に、すなわち、固定子ティース７１ａ、７３ａの固定子ティース中心が回転子磁極間と対向している各時間に、固定子巻線９１ａ、９２ａに流れる電流がそれぞれ最大になるように位相を調整して電流を供給する。そうすると図１７（ａ）に示した位置関係となるとき、すなわち固定子ティース７３ａの中心が回転子磁極間１１と一致して対向しているときに、固定子巻線９２ａに流れる電流が最大となり、固定子ティース７３ａが生じさせるマグネットトルクが最大となる。また図（ｂ）に示した位置関係になるとき、すなわち固定子ティース７２ａの中心が回転子磁極間１０と一致して対向しているときに、固定子巻線９１ａ、９２ａの電流のベクトル合成が最大となり、固定子ティース７２ａが生じさせるマグネットトルクが最大となる。また図１７（ｃ）に示した位置関係となるとき、すなわち固定子ティース７１ａの中心が回転子磁極間１１’と一致して対向しているときに、固定子巻線９１ａに流れる電流が最大となり、固定子ティース７１ａが生じさせるマグネットトルクが最大となる。これにより固定子ティース毎にマグネットトルクを最大とすることができ、全体として高トルク化を図ることができる。

　図１９では、巻線端子２１ａ、２３ａに流した電流（固定子巻線９１ａ、９２ａに流した電流）が縦軸に、時間が横軸に示されている。図１９に示すように、巻線端子２１ａに流す電流に対して巻線端子２３ａに流す電流は２π／９ラジアン進めてある。

　固定子ティース７２ａに対して固定子ティース７３ａは、電気角でπラジアンからさらに－π／９ラジアンずれて配置されている。一方、固定子ティース７２ａに対して固定子ティース７１ａは、電気角でπラジアンからさらに＋π／９ラジアンずれて配置されている。このような配置関係であれば、固定子巻線９１ａに流す電流に対して固定子巻線９３ａに流す電流は、２π／９ラジアン進めることとする。

　以上説明したように、本変形例に係る同期電動機駆動システムでは、２つのインバータそれぞれについてのマッピングテーブルを用いて、個別に電流位相角β及び電流量Ｉａを決定したゲート制御信号を出力することで、同期電動機４４で発生するトルクを高めつつ、トルクの脈動を低減することができる。

（第１の実施形態の変形例２）
　図２０は、変形例２に係る同期電動機駆動システムの全体構成を示す図である。本図に示す同期電動機駆動システムは、図１に示すものと比較して、通電制御部５２を通電制御部５２ａに置換し、電流検出器３０２ａ、３０２ｃ、３０３ａ、３０３ｃを取り除いた点が相違している。

　図１に示す同期電動機駆動システムの通電制御部５２では、インバータ１０１、１０２、及び１０３のそれぞれに対応するパワー配線で電流量及び電流位相をモニタすることでインバータの動作状態を確認しながら、各インバータをフィードバック制御していた。

　しかしながら、一般に、複数の３相巻線を有する同期電動機では、１つの３相巻線について電流量及び電流位相をモニタすることで、他の３相巻線についても同期電動機の構造に応じて電流量及び電流位相を推定することが可能である。

　そこで、変形例２に係る通電制御部５２ａでは、電流検出器３０１ａ、３０１ｃにおいてモニタしたインバータ１０１に対応するパワー配線の電流量及び電流位相を用いて、インバータ１０２、及び１０３に対応するパワー配線の電流量及び電流位相を推定し、各インバータをフィードバック制御する。電流量及び電流位相の推定においては、インバータを構成するスイッチング素子のオン電圧を利用することで、容易に実現できる。

　このような構成により電流検出器の数を減らし、システム全体でのコスト低減を図ることができる。

（第１の実施形態の変形例３）
　以下に、通電制御部５２における制御の変形例を説明する。以降の変形例では、図１に示す同期電動機駆動システムと同様の構成において、通電制御部５２が第１の実施形態のものと異なる制御を実施する。

　図２１は、様々な電流量での電流位相とトルクとの関係を示す図である。
本図では、図１１に示した例での電流量を１００％として、電流量１００％、７０％、及び２０％の各場合での電流位相とトルクとの関係を示している。
本図に示すよに、電流量１００％、７０％、及び２０％の各場合において最大トルクを発生する電流位相ａ、ｂ、及びｃは異なる。

　こうした電流量及び電流位相と同期電動機１において発生するトルクとの関係を製造過程で測定し、電流量１００％、電流位相０°でのトルクを代表値として正規化したトルクを、電流量及び電流位相に対応付けることで、図２２に示すマップデータを生成することができる。

　本変形例において通電制御部５２は、このようなマップデータを内部ＲＯＭに保持し、インバータ１０１、１０２、１０３のそれぞれについて電流量及び電流位相を決定する際には、各インバータから出力される３相交流電流により生じるトルクが等しくなるよう、マップデータにおいて同じ値の正規化トルクが対応づけられた電流量及び電流位相を選択する。

　例えば、正規化トルク０．８で同期電動機を駆動させる場合、通電制御部５２は、インバータ１０１に電流量１００％、電流位相－２０°で３相交流電流を出力させ、インバータ１０２に電流量を電流量８０％、電流位相０°で３相交流電流を出力させ、インバータ１０３を電流量に電流量６０％、電流位相＋２０°で３相交流電流を出力させる。これにより、各インバータから３相交流電流を給電される３相巻線群で発生するトルクが等しくなり、同期電動機全体でのトルク脈動を抑えることができる。

（第１の実施形態の変形例４）
　図２３は、電流位相のｑ軸に対する進み角と固定子巻線のインダクタンスとの関係を示す図である。本図に示すように、インダクタンスのｄ軸成分Ｌｄは、進み角に対する変化は少ないが、インダクタンスのｑ軸成分Ｌｑは、進み角の影響が大きく、進み角が大きいほどＬｑとＬｄとの差は大きくなる。

　ただし、製造面での理由から同期電動機の全ての固定子巻線を厳密に均質なものとすることは困難である。そのため、図２３に示すような固定子巻線のインダクタンスの特性は、固定子巻線間で差が生じている。

　ここで、磁石埋め込み型同期電動機のトルクは、一般に以下の式で表現される。

　上記の式において右辺第１項はマグネットトルク、第２項はリラクタンストルクを表わしている。上記の式からリラクタンストルクには、ＬｑとＬｄとの差が影響を及ぼしていることが分かるが、上述のように同期電動機の固定子巻のインダクタンスは、全ての固定子巻線で均質なものではない。

　そこで、本変形例において通電制御部５２は、電流検出器３０１ａ、３０１ｃ、３０２ａ、３０２ｃ、３０３ａ、３０３ｃにおいて検出した電流値の変化率から巻線群２００ａ、２００ｂ、２００ｃのそれぞれのインダクタンスを算出し、インバータ１０１、１０２、及び１０３のそれぞれについて指令値を個別に決定する際に、算出したインダクタンスに基づいて、上記のトルク式から各巻線群で生じるトルクが等しくなるように電流量を決定する。

　本変形例によれば、同期電動機の動作中の電流変化率から各巻線群のインダクタンス値を算出して、各インバータへの指令値決定にフィードバックすることで、高いロバスト性が得られる。

（第１の実施形態の変形例５）
　固定子巻線の巻回数に応じて電流量を決定する変形例について説明する。

　本変形例では、同期電動機１の固定子ティース組を構成する固定子ティース６１ａ、６２ａ、６３ａに、異なる巻回数の固定子巻線が巻回されている。

　具体的には、図３に示す固定子巻線８１ａの巻回数がＮ、固定子巻線８２ａの巻回数が２Ｎ、固定子巻線８３ａの巻回数がＮとなっている。

　このような同期電動機を有する構成において、本変形例において通電制御部５２は、固定子巻線８１ａへ通電するインバータ１０１、固定子巻線８２ａへ通電するインバータ１０２、及び固定子巻線８３ａへ通電するインバータ１０３の出力する３相交流電流の電流量の比が２：１：２となるように電流量を決定する。

　これにより、各インバータから３相交流電流を給電される３相巻線群で発生するマグネットトルクが等しくなり、同期電動機全体でのトルク脈動を抑えることができる。さらに、本変形例では、固定子ティース組でもっとも熱が集中しやすい中央の固定子巻線８２ａに通電する電流量が、他の固定子巻線よりも小さくなり、固定子巻線８２ａ自体の発熱量が低く抑えられる。

（第１の実施形態の変形例６）
　以下に、同期電動機駆動システムの動作安定性を向上させた変形例について説明する。

　本変形例では、図１に示す同期電動機駆動システムと同様の構成において、インバータ１０１、１０２、及び１０３はそれぞれ、内部のスイッチング素子の電圧、電流、熱を検出し、過負荷状態（予め設定している過負荷しきい値以上）になった場合、インバータ動作を一時的もしくは継続的に停止する。

　また、通電制御部５２は、第１の実施形態で説明した制御に加えて、インバータ１０１、１０２、及び１０３を監視し、少なくとも１つのインバータが動作停止状態になった場合、停止したインバータから３相交流電流の供給を受ける巻線群で発生させるべきトルクを、即座に、他の３相巻線群で発生させるように他のインバータを制御する。その場合、一時的に、残りのインバータでの過負荷しきい値に基づいた停止機能を解除することが望ましい。このようにすることで、同期電動機駆動システムの不安定な状態を回避し、同期電動機駆動システムの動作を継続させることができる。

　また、少なくとも１つのインバータが動作停止状態になった場合、即座に、残りのインバータで補うように制御することで、同期電動機駆動システムの不安定な状態を回避し、同期電動機駆動システムが接続されている機器への２次被害などを免れることができる。

　以上、本変形例に係る同期電動機駆動システムを、高信頼性が要求される自動車の電動パワーステアリング及び電動ブレーキなどの補機システムに使用することで、複数のインバータの内、少なくとも１つが故障した場合においても、故障していない他のインバータで、駆動システムを動作させることができる。

　尚、通電制御部５２による他の制御方法として、インバータ１０１、１０２、及び１０３を監視し、少なくとも１つのインバータが動作停止状態になった場合、他のインバータも停止状態になるように制御してもよい。

（第２の実施形態）
　図２４は、本発明の第２の実施形態に係る同期電動機駆動システムの全体構成を示す図である。図２４に示す同期電動機駆動システムは、図１に示す同期電動機駆動システムの同期電動機４１及び通電制御部５２を、それぞれ同期電動機４２、及び通電制御部５５に置換し、さらに位置検出部５４を追加した構成である。以下に第１の実施形態に係る同期電動機駆動システムと相違する構成について説明する。

　位置検出部５４は、巻線群２０３ａ、２０３ｃにおいて巻線間に発生する誘起電圧の変化を、回転子の回転動作ごとに順次計測し、計測した誘起電圧から回転子の位置を特定する。巻線群２０３ａ、２０３ｃにおける線間電圧は、インバータ１０１、１０３が、矩形波電方式で動作した場合に、電流が供給されない無通電区間内に測定される。ここで、従来の電動機構成においては、線間電圧による位置検出信号の分解能は約６０度であったが、本発明の同期電動機駆動システムの構成においては、電動機が複数の巻線群により構成されていて、かつ巻線群は各々独立しているため、位置検出信号を高分解能化することが可能である。さらに、複数の巻線群において測定した線間電圧を組み合わせて位置検出信号として用いることにより、さらなる高分解能化が図れる。これにより、回転子の位置を確実に検出することができ、回転子の位置に応じた最適な弱め界磁制御が実施できる。

　同期電動機４２は、３相の巻線からなる巻線群２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃを備える。

　図２５は、同期電動機４２の詳細図である。固定子巻線の間の機械角を論ずるが、それぞれの固定子巻線が巻回された固定子ティースの中心（一点鎖線）間の角度を表す。

　同期電動機４２は、固定子ティース組を構成する３つの固定子ティース６１ａ、６２ａ、６３ａの配置間隔が、図３に示す同期電動機４４のものと相違している。同期電動機４２では、固定子ティース組を構成する３つの固定子ティース６２ａ、６３ａ、６４ａが、機械角１８°の間隔で配置されている。また、隣接する固定子ティース組同士は機械角で６０°、電気角で＋２π／３ラジアンずれて配置されている。そのため、固定子ティース６３ａに対して、隣接する固定子ティース組を構成する固定子ティース６４ａは、機械角で２４°の位置に配置されている。このような構成により、同じ固定子ティース組に属する固定子ティースは、それぞれが対向する磁石に対して位相のずれが同じになる。本図の例では、固定子ティース６２ａ、６３ａ、６４ａは、何れも中心が磁極間と一致している。

　次に、通電制御部５５について説明する。通電制御部５５は、電流指令信号Ｉｓ及び回転数指令信号ωｒの値に対してインバータに出力させる３相交流電流の電流位相角β及び電流量Ｉａを対応させたマップデータを、インバータ１０１、１０２、１０３のぞれぞれについて個別に保持している。　通電制御部５５は、このマップテーブルを参照して動作する。具体的には、図２６に示すように、同期電動機を定格回転数未満で回転させる場合（ステップＳ２２：Ｎｏ）には、第１の実施形態における通電制御部５２と同様に、電気角２πラジアンの全区間を通じて通電する正弦波通電方式でインバータを動作させるゲート制御信号Ｇ１ｕｖｗ，Ｇ２ｕｖｗ，Ｇ３ｕｖｗが、それぞれインバータ１０１、１０２、１０３へ出力される（ステップＳ２７）。このとき回転子の位置は、電流検出器３０１ａ、３０１ｃ、３０２ａ、３０２ｃ、３０３ａ、３０３ｃにおいて検出した電流値変化を用いて従来の位置センサレス演算により求められたものが使用される。

　これに対して、同期電動機を定格回転数以上で回転させる場合（ステップＳ２２：Ｙｅｓ）、インバータ１０２には、電気角２πラジアンの全区間を通じて通電する正弦波通電方式でインバータを動作させるゲート制御信号Ｇ２ｕｖｗが出力されるが、インバータ１０１、１０３には、電気角２πラジアンの一部区間のみ通電する矩形波通電方式でインバータを動作させるゲート制御信号Ｇ４ｕｖｗ，Ｇ５ｕｖｗが出力される（ステップＳ３２）。インバータ１０１、１０３では、ゲート制御信号Ｇ４ｕｖｗ，Ｇ５ｕｖｗに応じて、矩形波通電方式で電流を出力する。ここで、一般的な矩形波通電の場合、通電しない一部区間は電気角で６０度となり、通電する区間の電気角１２０度と交互に動作を繰り返す。なお、同期電動機を定格回転数以上で回転させる場合、回転子の位置は、電流値変化を用いたセンサレス演算ではなく、矩形波通電方式で動作するインバータ１０１、１０３に接続された巻線群２０３ａ、２０３ｃにおいて巻線巻に生じる誘導電圧を基に位置検出部５４で特定されたものが使用される。

　図２７は、定格回転数以上で同期電動機を駆動させる場合に、インバータが各固定子巻線に流す同相の電流の時間変化を示した図である。図２７では、インバータ１０１、１０２、１０３が流した電流が縦軸に、時間が横軸に示されている。図２７に示すように、インバータ１０２が出力する電流の電流波形は正弦波であり、インバータ１０１、１０３が出力する電流の電流波形は矩形波である。また、インバータ１０１が流す電流に対してインバータ１０３が流す電流は２π／９ラジアン（３０°）遅らせてある。

　矩形波通電方式により駆動される電動機においては、一般的に、正弦波通電方式により駆動される電動機よりも、トルク脈動が極端に大きく、同期電動機駆動システムにおける振動及び騒音などの重要な課題になる。しかしながら、本実施形態に係る同期電動機駆動システムにおいては、電気角の全区間を通じて通電する正弦波通電方式でインバータを動作させるゲート制御信号と、電気角の一部区間のみ通電する矩形波通電方式でインバータを動作させるゲート制御信号とを、複数かつ選択出力できる通電制御部５５を有し、複数のインバータのうち少なくとも２ヶは、通電制御部５５の出力により、矩形波通電方式で動作するため、矩形波通電方式により駆動される少なくとも２つのインバータ出力により発生するトルク脈動を互いに打ち消すように、個別に位相を制御することができる。本実施形態では、インバータ１０１、１０３が出力する電流に３０°の位相差があるため、６０°周期のトルク脈動は互いに打ち消され、同期電動機全体で生じるトルクの脈動を低減することができる。

　また、矩形波通電方式で駆動されるインバータにおいては、一部区間のみ通電しないので、その区間内に、各々の巻線群で巻線に発生する誘起電圧をに測定することができ、線間電圧から回転子の位置を検出することができる。ゆえに、低振動、低騒音、高効率な同期電動機駆動システムを提供することができる。さらに、位置検出器を削減することができるため、同期電動機駆動システムの低コスト化を図ることができる。

　以上が通電制御部５５についての説明である。

　なお、インバータは、直流交流変換するために、内部のスイッチング素子で各々、高周波スイッチング動作を実施し、電気周波数に応じた３相交流を生成している。ここで、電気周波数は回転子の回転速度に比例して高周波になるため、回転子の回転数が高速になると、高いスイッチング周波数が必要になる。逆に、回転子の回転が低速である場合は、比較的低いスイッチング周波数でよく、その場合、インバータにおけるスイッチング損失の低減が図れる。また、高周波ノイズの低減も図れる。しかしながら、低速での駆動する際に、矩形波通電方式などの一部のみ通電する通電方式で電流を供給すると、同期電動機の回転による騒音及び振動などの影響が顕著になる場合がある。

　そこで本実施形態では、通電制御部により切替える回転数は、定格回転数を閾値としている。つまり、常用域である定格回転数未満では、より低振動及び低騒音である正弦波通電方式を指示する第１ゲート制御信号によりインバータ動作を制御し、加減速を要求され、かつ短時間動作である定格回転数以上では、矩形波通電方式を指示する第２ゲート制御信号によりインバータ動作を制御する。

　この結果、回転子の回転数が低速である場合には、正弦波通電方式で全てのインバータが動作する。回転子の回転数が低速であるため、スイッチング周波数を低周波にすることができ、スイッチング損失の低減を図ることができる。さらには、スイッチング周波数ごとに電流及び電流変化率を検出することで、マイコンなどが位置センサレス演算をする負荷を低減することができる。（ここでは、位置センサレス演算について詳細に説明しないが、一般的にスイッチング周波数が高くなると、マイコン負荷が増大し、センサレス制御に支障をきたす。）
　一方、回転子の回転数が高速である場合には、２つのインバータを、矩形波通電方式で動作させるので、高速駆動でありながらスイッチング周波数を低減し、インバータでのスイッチング損失を抑えることができる。また、矩形波通電方式で通電している巻線において、巻線間に発生する誘起電圧を検出することで、回転子の位置を検出することができるため、価格の高い高精度な位置センサを取り除いたり、比較的安価な低精度位置センサに置換することができる。また位置センサを削減した場合には、位置センサの不具合などによる動作異常の恐れがなくなりシステム全体の信頼性が向上する。したがって、同期電動機駆動システムの低コスト化及び低振動、低騒音、高効率、高信頼性が図れる。

　以上のように、モータの駆動状態に適した通電方式を適用することで、高効率、安価、高信頼性の同期電動機駆動システムを実現できる。このような同期電動機駆動システムは、高回転駆動時に低騒音であること必要な用途にも、高回転駆動時に位置センサレス演算の負荷低減が求められる用途の何れにも用いることができる。

　なお、上記第２の実施形態では、電気角２πラジアンの全区間を通じて通電する第１通電方式として正弦波通電方式を用い、電気角２πラジアンの一部区間のみ通電する第２通電方式として矩形波通電方式を用いたが、第１通電方式、第２通電方式はこれらの例に限定されるものではない。例えば、第１通電方式としては厳密な正弦波ではなく周期を過変調とした通電方式を用いても良い、また、第２通電方式としては、広角通電方式を用いても良い。

　また、第２の実施形態では、位置検出器を備えない構成で説明したが、簡易的な位置検出器を誘起電圧による位置検出方式と併用してもよく、その場合、比較的高価な光学式エンコーダやレゾルバなどの位置検出器をホール素子などに替えて構成することで安価にでき、さらには、位置検出精度を向上させることができるため、同期電動機駆動システムの低コスト化及び高性能化を図ることができる。

（第３の実施形態）
　インバータ内部のスイッチング素子（ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ）やダイオードを、Ｓｉデバイスから、ＳｉＣ（炭化珪素）デバイスやＧａＮ（窒化ガリウム）デバイスにすることで、大幅な低損失化が可能となり、インバータの冷却装置、放熱フィンが不要となる。また、Ｓｉデバイスに比べて、高耐熱特性ももち合わせているため、デバイスレイアウトの自由度向上が期待できる。冷却装置が小型化でき、デバイス自身の耐熱性が向上できることにより、デバイスを、例えばモータの巻線の近くに配置できるため、インバータとモータを接続するケーブルのインピーダンスを大幅に低減することができる。高速スイッチングとケーブルのインピーダンスの影響による過大なサージ電圧発生を、抑制できる。

（第４の実施形態）
　先ず始めに、本発明の同期電動機駆動システムを搭載した電気自動車の全体構成について説明する。図２８は、本発明の同期電動機駆動システムを搭載した電気自動車の概略構成を示す図である。

　本実施形態に係る電気自動車の主要部は、主電池４００、インバータモジュール４０１、モータ４０２、駆動軸４０３、デフ４０４、車輪４０５ａ及び４０５ｂ、補助電池４０６、通電制御部４１１とから主に構成されている。

　インバータモジュール４０１は、補助電池４０６と主電池４００とモータ４０２にそれぞれ接続されており、主電池４００が出力する直流電力が、インバータモジュール４０１で直交変換され、モータ４０２に交流電力として入力される。モータ４０２は、インバータモジュール４０１から供給された電気エネルギーを機械エネルギーに変換することで、駆動力を発生させる。また、モータ４０２は駆動軸４０３とデフ４０４を介し、車輪４０５ａ及び４０５ｂに接続されているため、モータ４０３が回転駆動することで車輪４０５ａ及び４０５ｂも回転駆動する。その結果、電気自動車は、モータ４０３の動作に応じて、走行することができる。

　ここで、インバータモジュール４０１、モータ４０２、及び通電制御部４１１は、第１の実施形態において説明した同期電動機駆動システムを構成するものであり、インバータモジュール４０１は、内部に３つの３相インバータを備え、モータ４０２は、３つの３相インバータがそれぞれ接続されるように、分割され隣り合った巻線配置を特徴とした図２に示す固定子を備えている。また、通電制御部４１１は、第１の実施形態において説明したインバータ制御に加えて、インバータモジュール４０１を構成する各３相インバータを監視し、３相インバータの何れかで過負荷の発生を検出した場合には、過負荷状態となった３相インバータを停止させ、それに伴って不足した駆動力を、残りの３相インバータから給電される巻線群で補うように、インバータモジュール４０１を制御する。

　一般的な電気自動車においては、インバータ及びモータともに１つで構成されているため、インバータもしくはモータのいずれかに異常が発生した場合には、電気自動車は走行不可能となる。しかしながら、本実施形態に係る電気自動車においては、インバータモジュール４０１を構成する３相インバータのいずれかに異常が発生した場合、残りの３相インバータで継続してモータ４０２を回転駆動することができるので、電気自動車が停止することなく、走行を維持できる。

　モータ４０２においても、３つの分割された巻線群を有する構成であることにより、いずれかの巻線群に異常が発生した場合、残りの巻線群で継続してモータ４０２を駆動させることができ、結果として、電気自動車が停止することはなく、走行を維持できる。

　以上のように、本発明に係る同期電動機駆動システムを搭載することにより、信頼性の高い電気自動車を提供することが出来る。また、複数のモータ及びインバータを用いる電気自動車と比べて、大幅なコスト低減を図れる。

　尚、通電制御部５２による他の制御方法として、インバータモジュール４０１を構成する各３相インバータを監視し、少なくとも１つの３相インバータが何らかの異常により動作停止状態になった場合、他の３相インバータも動作停止状態になるように制御してもよい。これにより、本発明に係る電気自動車は、同期電動機駆動システムに異常が発生した場合に惰性運転となり安全な操作、停車が可能となる。

（第４の実施形態の変形例１）
　次に、本発明に係る同期電動機駆動システムをハイブリッド電気自動車に搭載した変形例ついて説明する。図２９は、本発明の同期電動機駆動システムを搭載したハイブリッド電気自動車の概略構成を示す図である。

　本変形例に係るハイブリッド電気自動車の主要部は、主電池４００、インバータモジュール４０１ａ及び４０１ｂ、モータ４０２ａ及び４０２ｂ、駆動軸４０３ａ及び４０３ｂ、デフ４０４ａ及び４０４ｂ、車輪４０５ａ乃至４０５ｄ、エンジン４０７、動力分割機構４０８、及び通電制御部４１１とから構成されている。

　インバータモジュール４０１ａ及び４０１ｂは、それぞれ内部に３つの３相インバータを含み、主電池４００とモータ４０２ａ及びに４０２ｂにそれぞれ接続されており、主電池４００が出力する直流電力が、インバータモジュール４０１ａ及び４０１ｂで直交変換され、モータ４０２ａ及び４０２ｂに交流電力として入力される。モータ４０２ａ及び４０２ｂは、インバータモジュール４０１ａ及び４０１ｂから供給された電気エネルギーを機械エネルギーに変換することで、駆動力を発生させる。また、モータ４０２ａは駆動軸４０３ａとデフ４０４ａを介し、車輪４０５ａ及び４０５ｂに接続され、また、モータ４０２ｂは駆動軸４０３ｂとデフ４０４ｂを介し、車輪４０５ｃ及び４０５ｄに接続されているため、モータ４０２ａ及び４０２ｂが回転駆動することで車輪４０５ａ乃至４０５ｄも回転駆動する。その結果、本実施形態の変形例に係るハイブリッド電気自動車は、モータ４０２ａ及び４０２ｂの動作に応じて、走行することができる。

　ハイブリッド自動車においては、上記のようにモータ４０２ａ及び４０２ｂ以外のエンジン４０７で発生する駆動力で走行することも可能である。その場合、動力分割機構４０８により、駆動軸４０３ｂとの機械的な接続を、モータ４０２ｂとエンジン４０７で切替えることで、ハイブリッド車両を走行させる。

　ここで、インバータモジュール４０１ａ、及びモータ４０２ａは、通電制御部４１１の制御を受けることにより、第１の実施形態において説明した同期電動機駆動システムを構成している。さらに、インバータモジュール４０１ｂ、及びモータ４０２ｂについても、通電制御部４１１の制御を受けて、第１の実施形態において説明した同期電動機駆動システムを構成している。

　本発明の同期電動機駆動システムを搭載したハイブリッド電気自動車においては、電気自動車と同様に、単体のモータ及びインバータを搭載した場合よりも、低コストかつ高い信頼性というメリットを得ることができる。

（第４の実施形態の変形例２）
　次に、本発明に係る同期電動機駆動システムをインホイールモータ電気自動車に搭載した他の変形例ついて説明する。図３０は、本発明の同期電動機駆動システムを搭載したインホイールモータ電気自動車の概略構成を示す図である。

　本変形例に係るインホイールモータ電気自動車４１０は、主電池４００、インバータモジュール４０１ａ乃至４０１ｄ、モータ４０２ａ乃至４０２ｄ、ギア４０９ａ乃至４０９ｄ、車輪４０５ａ乃至４０５ｄから主に構成されている。

　インバータモジュール４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃ、及び４０１ｄは、それぞれ内部に３つの３相インバータを含み、主電池４００から供給される直流電力を直交変換し、モータ４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃ、及び４０２ｄにそれぞれ交流電力を供給する。モータ４０２ａ乃至４０２ｄは、インバータモジュール４０１ａ乃至４０１ｄから供給された電気エネルギーを機械エネルギーに変換することで、それぞれ駆動力を発生させる。また、各モータはギアを介し、車輪に接続されているため、各モータが回転駆動することで車輪もギアにより減速した回転数で回転駆動する。その結果、インホイール電気自動車は、モータの動作に応じて、走行することができる。

　ここで、インバータモジュール４０１ａ乃至４０１ｄとモータ４０２ａ乃至４０２ｄとは、それぞれ接続された組が通電制御部４１１の制御を受け、第１の実施形態において説明した同期電動機駆動システムを、４つ構成している。

　一般にインホイールモータ電気自動車においては、従来の車両システムでは実現不可能であった走行性能が実現できるなどのメリットがあるが、車輪が独立駆動されるため、いずれかの車輪を駆動するシステムに異常が発生した場合に、車両がコントロール不能になり、運転者が危険な状態になる。しかしながら、本発明の同期電動機駆動システムを搭載したインホイールモータ電気自動車においては、インバータモジュールを構成する３つの３相インバータのいずれかに異常が発生した場合、残りの３相インバータで継続してモータを回転駆動することができるので、インホイール電気自動車が停止することなく、走行を維持できる。また、１つのインバータモジュールを構成する３つの３相インバータのいずれかの過負荷を検出した場合には、過負荷状態となった３相インバータの負荷を軽減し、それにより不足した駆動力を、残りの３相インバータにより、補うよう通電制御部が制御することも可能となる。

　ゆえに、本発明に係る同期電動機駆動システムを搭載することにより、信頼性の高いインホイールモータ電気自動車を提供することが出来る。

　尚、本実施形態、及びその変形例では、電気自動車の同期電動機駆動システムとして、第１の実施形態で説明した同期電動機駆動システムを用いたが、電気自動車の同期電動機駆動システムとしては、他の実施形態や変形例で説明した構成を用いてもよい。

（その他の変形例）
　以上、本発明に係る同期電動機駆動システムについて、実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの実施形態に限られない。例えば、以下のような変形例が考えられる。
（１）実施形態では２、又は３個のインバータを有する構成について説明したが、本発明は、２以上のインバータを有する同期電動機駆動システムであれば適用可能である、このような構成においても同様の効果が得られる。
（２）実施形態では、回転子が固定子の外側に配置されたアウターロータ型の同期電動機で説明しているが、回転子を固定子の内側に配置したインナーロータ型の同期電動機や、回転子と固定子とが軸方向に空隙を持って配置された、いわゆる面対向のアキシャルギャップ式同期電動機や、それらを複数組み合わせた構造の同期電動機でも同じ効果があることは言うまでもない。
（３）実施形態では、埋込み永久磁石型電動機（いわゆる、ＩＰＭ）で説明しているが、表面永久磁石型電動機（いわゆる、ＳＰＭ）でもよく、回転子に永久磁石を使用しないリラクタンス型電動機でも同じ効果があることは言うまでもない。
（４）本発明は、小型、高出力、低振動、低騒音、高効率な同期電動機駆動システムを提供することができ、低振動、低騒音性が要求される自動車用途に特に有用である。
（５）上記第１、第２、第３実施形態及び上記変形例をそれぞれ組み合わせるとしてもよい。

　本発明は、小型高効率で低振動低騒音性が要求される、コンプレッサ用、電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車等の同期電動機駆動システムに利用可能である。

　　　　１　　直流電源
　　　　２　　回転子
　　　　４　　回転子コア
　　　　５　　永久磁石
　　　　６　　磁極
　　　　９　　固定子巻線
　　　１０　　回転子磁極間
　　　１１　　回転子磁極間
　　　２１ａ～ｃ　巻線端子
　　　２２ａ～ｃ　巻線端子
　　　２３ａ～ｃ　巻線端子
　　　２４ａ～ｃ　巻線端子
　　　３１ａ～ｃ　巻線端子
　　　３２ａ～ｃ　巻線端子
　　　３３ａ～ｃ　巻線端子
　　　３４ａ～ｃ　巻線端子
　　　３５ａ～ｃ　巻線端子
　　　３６ａ～ｃ　巻線端子
　　　４１　　同期電動機
　　　４２　　同期電動機
　　　４３　　固定子
　　　４４　　同期電動機
　　　４７　　固定子ティース
　　　４８　　固定子ティース組
　　　４８ａ～ｃ　固定子ティース組
　　　５１　　位置検出器
　　　５２　　通電制御部
　　　５３　　通電制御部
　　　５４　　位置検出部
　　　５５　　通電制御部
　　　６１～６４ａ　固定子ティース
　　　７１～７３ａ　固定子ティース
　　　８１ａ　固定子巻線
　　　８２ａ　固定子巻線
　　　８３ａ　固定子巻線
　　　９１ａ　固定子巻線
　　　９２ａ　固定子巻線
　　　９３ａ　固定子巻線
　　１００　　インバータモジュール
　　１０１～１０３　　インバータ
　　１０４　　インバータモジュール
　　１０５、１０６　　インバータ
　　２００ａ～ｅ　巻線群
　　２０３ａ～ｃ　巻線群
　　３０１ａ、ｃ　電流検出器
　　３０２ａ、ｃ　電流検出器
　　３０３ａ、ｃ　電流検出器
　　４００　主電池
　　４０１ａ乃至４０１ｄ　インバータモジュール
　　４０２ａ乃至４０２ｄ　モータ
　　４０３ａ及び４０３ｂ　駆動軸
　　４０４ａ及び４０４ｂ　デフ
　　４０５ａ乃至４０５ｄ　車輪
　　４０６　補助電池
　　４０７　エンジン
　　４０８　動力分割機構
　　４０９ａ乃至４０９ｄ　ギア
　　４１０　インホイールモータ電気自動車
　　４１１　通電制御部

Claims

直流電流を３相の交流電流に変換する複数の３相インバータと、
　前記複数の３相インバータの動作を制御する通電制御部と、
　前記複数の３相インバータから供給される複数の３相交流電流で駆動される同期電動機とを備え、
　前記同期電動機は、３相交流電流の供給を受ける３相巻線群を複数有し、
　前記通電制御部は、出力させる３相交流電流の電流位相角及び電流量を、前記複数の３相インバータのそれぞれについて個別に決定し、
　前記複数の３相インバータのそれぞれは、前記通電制御部において決定された電流位相及び電流量で、それぞれ異なる３相巻線群に３相交流電流を供給する
ことを特徴とする同期電動機駆動システム。
前記同期電動機は、
　複数の磁極を含み、前記複数の磁極が周方向に等間隔に配設された回転子と、
　集中巻に巻回された複数の固定子巻線を含み、前記複数の固定子巻線が周方向に並設された固定子とを備え、
　前記複数の固定子巻線は、周方向に並ぶｍ個単位で（ｍは２以上の整数）固定子巻線組を構成し、このように構成された複数の固定子巻線組は周方向に等間隔に並んでおり、
　各固定子巻線組において、ｍ個の固定子巻線のうち少なくとも一対の隣り合う固定子巻線は、前記回転子の磁極間隔と異なる配置間隔で並び、かつ、それぞれ異なる３相巻線群に含まれることを特徴とする請求項１に記載の同期電動機駆動システム。
前記同期電動機は、
　複数の磁極を含み、前記複数の磁極が周方向に等間隔に配設された回転子と、
　複数の固定子ティースを含み、前記複数の固定子ティースが周方向に並設された固定子とを備え、
　前記複数の固定子ティースは、周方向に並ぶｍ個単位で（ｍは３以上の整数）固定子ティース組を構成し、このように構成された複数の固定子ティース組は周方向に等間隔に並んでおり、
　各固定子ティース組において、ｍ個の固定子ティースのうち周方向に並んだ第１、第２および第３の固定子ティースは、これらの配置間隔の少なくともひとつが前記回転子の磁極間隔と異なるように配されており、
　前記第１の固定子ティースには、前記複数の３相巻線群のうちの一つに含まれる第１の固定子巻線の一部が巻回され、
　前記第３の固定子ティースには、前記複数の３相巻線群のうちの他の一つに含まれる第２の固定子巻線の一部が巻回され、
　前記第２の固定子ティースには、前記第１の固定子巻線の残余の部分と前記第２の固定子巻線の残余の部分とが巻回され、
　前記第１および第２の固定子巻線は、それぞれ異なる３相巻線群に含まれる
ことを特徴とする請求項１に記載の同期電動機駆動システム。
前記通電制御部は、前記複数の３相インバータのうち少なくとも２つについて、互いに異なる電流位相角を決定し、前記決定された電流位相角に応じて、３相交流電流が供給される３相巻線群で生じるトルクが前記少なくとも２つの３相インバータ間で等しくなるように電流量を決定する
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の同期電動機駆動システム。
前記通電制御部は、
　前記複数の３相インバータのうち少なくとも１つを、電気角２πラジアンの全区間を通じて通電する第１通電方式で動作させ、
　前記複数の３相インバータのうち少なくとも２つを、電気角２πラジアンの一部区間のみ通電する第２通電方式で動作させる
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の同期電動機駆動システム。
前記同期電動機において回転子が回転駆動することにより３相巻線群で誘起される線間電圧を、前記第２通電方式で動作する３相インバータが通電しない区間内に、少なくとも１つの３相巻線群で計測し、計測した線間電圧を用いて前記回転子の位置を検出する位置検出部をさらに備え、
　前記通電制御部は、前記検出された回転子の位置に応じてインバータを制御する
ことを特徴とする請求項５に記載の同期電動機駆動システム。
前記通電制御部は、前記少なくとも２つのインバータにおける動作を、前記同期電動機の駆動状態に応じて、前記第２通電方式から前記第１通電方式へ切り替える
ことを特徴とする請求項５及び６の何れかに記載の同期電動機駆動システム。
前記複数の３相インバータを構成する複数のスイッチング素子が、単一のモジュール内に納められていることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の同期電動機駆動システム。
前記複数の３相インバータは複数のスイッチング素子を含んで構成され、
　前記スイッチング素子は、炭化珪素または窒化ガリウムを含むワイドバンドギャップ半導体により構成される
ことを特徴とする請求項８に記載の同期電動機駆動システム。
前記通電制御部により決定される前記複数の３相インバータ間の電流位相角の差は可変である
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の同期電動機駆動システム。
前記通電制御部は、弱め界磁制御を実施する場合に、前記複数の３相インバータのそれぞれについての前記３相交流電流の電流位相角及び電流量の個別決定を行う
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の同期電動機駆動システム。
前記通電制御部は、前記同期電動機が有する永久磁石の磁界により前記３相巻線群において生じる誘起電圧が直流電源電圧を超える高速回転時に、前記複数の３相インバータのそれぞれについての前記３相交流電流の電流位相角及び電流量の個別決定を行う
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の同期電動機駆動システム。
前記通電制御部は、少なくとも１つの３相インバータから出力される３相交流電流の電流位相角及び電流量に基づいて、他の３相インバータのそれぞれについて、出力させる３相交流電流の電流位相角及び電流量を個別に決定する
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の同期電動機駆動システム。
前記通電制御部は、３相交流電流の電流位相角及び電流量に対して同期電動機で生じるトルクの大きさを対応付けたマップデータを有し、当該マップデータに基づいて、各３相インバータから出力される３相交流電流により生じるトルクが複数の３相インバータ間で等しくなるように、前記３相交流電流の電流位相角及び電流量の個別決定を行う
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の同期電動機駆動システム。
前記同期電動機は、
　周方向に等間隔に配設された複数の磁極を含む回転子と、
　集中巻に巻回され、周方向に並設された複数の固定子巻線を含む固定子とを備え、
　前記複数の固定子巻線のうち少なくとも一対の隣り合う固定子巻線は、それぞれ異なる３相巻線群に含まれ、かつ、互いにインダクタンス値が異なり、
　前記通電制御部は、前記一対の隣り合う固定子巻線のぞれぞれが含まれる３相巻線群に３相交流電流を供給する２つの３相インバータについて、前記一対の隣り合う固定子巻線のそれぞれのインダクタンス値に応じて、前記３相交流電流の電流位相角及び電流量の個別決定を行う
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の同期電動機駆動システム。
前記通電制御部は、前記一対の隣り合う固定子巻線のインダクタンス値を、それぞれの固定子巻線に対応する３相インバータから通電される３相交流電流の電流変化率から算出する
ことを特徴とする請求項１５に記載の同期電動機駆動システム。
前記同期電動機は、
　周方向に等間隔に配設された複数の磁極を含む回転子と、
　集中巻に巻回され、周方向に並設された複数の固定子巻線を含む固定子とを備え、
　前記複数の固定子巻線のうち少なくとも一対の隣り合う固定子巻線は、それぞれ異なる３相巻線群に含まれ、かつ、互いに巻回数が異なり、
　前記通電制御部は、前記一対の隣り合う固定子巻線のぞれぞれが含まれる３相巻線群に３相交流電流を供給する２つの３相インバータについて、前記一対の隣り合う固定子巻線の巻回数に基づいて、前記３相交流電流の電流量の個別決定を行う
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の同期電動機駆動システム。
前記制御部は、３相インバータそれぞれの負荷状態を検出する検出手段を備え、検出手段において過負荷状態であることが検出された３相インバータの動作を停止させる
ことを特徴とする請求項１に記載の同期電動機駆動システム。
前記制御部は、少なくとも１つの３相インバータが停止状態になった場合、停止した３相インバータから３相交流電流の供給を受ける３相巻線群で発生させるべきトルクを、他の３相巻線群で発生させるように他の３相インバータを制御する
ことを特徴とする請求項１に記載の同期電動機駆動システム。
前記制御部は、少なくとも１つの３相インバータが停止状態になった場合、他の３相インバータも停止状態になるように制御する
ことを特徴とする請求項１に記載の同期電動機駆動システム。
請求項１乃至２０のいずれかに記載の同期電動機駆動システムを備えることを特徴とする自動車。
請求項１乃至２０のいずれかに記載の同期電動機駆動システムを備えることを特徴とする電気自動車。
請求項１乃至２０のいずれかに記載の同期電動機駆動システムを備えることを特徴とするハイブリッド電気自動車。
請求項１乃至２０のいずれかに記載の同期電動機駆動システムを備えることを特徴とするインホイールモータ電気自動車。