WO2023223412A1

WO2023223412A1 - 永久磁石同期モータの電流制御装置及び電流制御方法

Info

Publication number: WO2023223412A1
Application number: PCT/JP2022/020482
Authority: WO
Inventors: 研太元吉; 秀哲有田; 盛幸枦山
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2022-05-17
Filing date: 2022-05-17
Publication date: 2023-11-23

Abstract

複数相（２０＿１，・・・，２０＿ｍ）の巻線を有する永久磁石同期モータ（２０）の巻線の相ごとに設けられ巻線に電流を通電するとともに互いに並列に接続された複数の電流制御器（１０＿１，・・・，１０＿ｍ）を備え、永久磁石同期モータに電流を出力する永久磁石同期モータの電流制御装置（１０）において、複数の電流制御器のうちの１つの電流制御器からの出力が遮断された場合に発生する逆相電流を相殺する成分を、複数の電流制御器のうち遮断されていない電流制御器に重畳する制御を行う。

Description

永久磁石同期モータの電流制御装置及び電流制御方法

　本願は、永久磁石同期モータの電流制御装置及び電流制御方法に関する。

　産業及び自動車用途などに用いられる永久磁石式同期モータは、トルクを出力するモータ自体の故障率は低いものの、モータを駆動するインバータの素子故障率は高い傾向にある。このため、インバータを２重化し、一方のインバータが故障した場合においても、故障していない他方のインバータで駆動し続ける方式が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

　特許文献１には、電動パワーステアリング装置を構成するアシストモータが、永久磁石同期モータであり、２系統の巻線を有し１系統当たりの巻線の相数が３であることが開示されている。このような３相―２系統の巻線を有する永久磁石同期モータと電流制御装置（インバータ）を有するシステムにおいて、一方の系統の電流制御装置が故障した場合に、故障した電流制御装置内を循環する短絡電流、もしくは挙動を不安定にする電流を遮断するために、永久磁石同期モータと電流制御装置との間に開閉スイッチが設けられている。

特開２０１４―２０１１９９号公報

　しかし、特許文献１に開示された構成では、故障した系統の電流制御装置と永久磁石同期モータとの接続を切り電流通電を遮断すると、永久磁石同期モータに供給される電力が半減するため、トルク出力も半減してしまう。また、３相―２系統でバランスを保持していた永久磁石同期モータの磁束バランスが崩れるため、正常時には発生しない１次、または、２次のような低次のトルク脈動（以下、トルクリップル）が発生する可能性がある。

　本願は、上記の課題を解決するための技術を開示するものであり、電流制御装置を多重化し、いずれかの系統の電流制御装置と永久磁石同期モータとの接続を遮断しても、トルクの低減を抑制するとともにトルクリップルを低減可能な永久磁石同期モータの電流制御装置及び電流制御方法を提供することを目的とする。

　本願に開示される永久磁石同期モータの電流制御装置は、
　複数相の巻線を有する永久磁石同期モータを制御する電流制御装置であって、
前記巻線の相ごとに設けられ前記巻線に通電する電流を出力する電流制御器と、複数の前記電流制御器を制御する制御部と、を備え、
複数の前記電流制御器は、互いに並列に接続され、
前記制御部は、前記各相の電流から対称座標法によって逆相電流を算出し、複数の前記電流制御器のうちの１つの電流制御器から出力される前記電流が遮断された場合に発生する前記逆相電流を相殺する成分を、他の前記電流制御器に重畳する制御を行う、ものである。

　本開示によれば、故障が発生すると故障した相の電流制御器の電流のみが遮断され、故障した電流制御器と接続される相の巻線のみに電流が通電されなくなるので、トルクの低下率は相数をｍとすると、１／ｍとなり相数が多くなるとトルク出力低下を抑制することが可能となる。また、故障によって生じる逆相電流を相殺する電流を生成し、重畳することによって、逆相電流により発生する低次のトルクリップルを抑制することが可能となる。

本実施の形態に係る電流制御装置と永久磁石同期モータとを備えた永久磁石同期モータシステムの構成を示す概略構成図である。本実施の形態に係る比較例１の永久磁石同期モータシステムの構成を示す概略構成図である。本実施の形態に係る比較例２の永久磁石同期モータシステムの構成を示す概略構成図である。比較例１の永久磁石同期モータシステムに流れる各相の電流波形を示す図である。比較例１の永久磁石同期モータシステムにおいて、正常時及び故障時のトルクリップルを示す図である。比較例２の永久磁石同期モータシステムに流れる各相の電流波形を示す図である。本実施の形態に係る永久磁石同期モータの電流制御装置の故障時のトルクリップルを示す図である。本実施の形態の永久磁石同期モータシステムに流れる各相の電流波形を示す図である。比較例１の永久磁石同期モータの電流制御装置に流れる零相、正相、逆相の各電流波形を示す図である。本実施の形態に係る永久磁石同期モータシステムの故障時に流れる零相、正相、逆相の各電流波形を示す図である。本実施の形態に係る永久磁石同期モータシステムに流れる電流をフェーザ表示した例を示す図である。本実施の形態に係る永久磁石同期モータシステムの故障時に流れる電流をフェーザ表示した例を示す図である。本実施の形態に係る永久磁石同期モータの電流制御装置の故障時のトルクリップルを示す図である。本実施の形態に係る永久磁石同期モータの電流制御方法を説明するためのフローチャートである。本実施の形態に係る永久磁石同期モータにおいて、トルクの最大化を図るための極数ｐ及び巻線の数ｗの関係を示す図である。本実施の形態に係る永久磁石同期モータにおける好適な極数ｐ、巻線の数ｗ、相数ｍの組合せの一例を示す図である本実施の形態に係る永久磁石同期モータの電流制御装置が具備する制御部のハードウエア構成図である。

　本実施の形態について図を参照して説明する。なお、各図中、同一符号は、同一または相当する部分を示すものとする。本実施の形態における永久磁石同期モータの電流制御装置及び電流制御方法は産業用及び車載用に用いられる永久磁石同期モータに好適である。

実施の形態１．
　以下、本実施の形態に係る永久磁石同期モータの電流制御装置ついて、図を用いて説明する。
　図１は、本実施の形態に係る永久磁石同期モータ及びその電流制御装置を備えた永久磁石同期モータシステムの構成を示す図である。図１において、電流制御装置１０は、ｍ（ｍは３以上の奇数）個の電流制御器１０＿１，１０＿２，１０＿３，１０＿４，・・・，１０＿ｍから構成され、各電流制御器１０＿１，１０＿２，１０＿３，１０＿４，・・・，１０＿ｍは並列に接続されている。各電流変換器は、例えば図で示すように、スイッチング素子をフルブリッジで構成したインバータである。スイッチング素子には、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｆｉｅｌｄ－Ｅｆｆｅｃｔ－Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：電界効果トランジスタ）、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などが用いられる。

　永久磁石同期モータ２０は、ｍ相の巻線２０＿１，２０＿２，２０＿３，２０＿４，・・・，２０＿ｍを有しており、１相の巻線２０＿１とは、１相の電流制御器１０＿１が接続され、２相の巻線２０＿２には、２相の電流制御器１０＿２が接続されている。すなわち、１つの相の巻線に対して、１つの電流制御器が個別に接続される。ここで、永久磁石同期モータ２０を構成する巻線の数はｍ個ではなく、ｍ個以上であることもある。たとえば、極数ｐ＝４、巻数ｋ＝５の場合は、巻線の数ｋ＝相数ｍとなるが、ｐ＝４、ｋ＝５の２倍構成であるｐ＝８、ｋ＝１０の場合は、巻線の数ｋ≠相数ｍとなる。この時、１相あたりの２個の巻線は、直列または並列に接続される。

　巻線２０＿１，２０＿２，２０＿３，２０＿４，・・・，２０＿ｍと電流制御器１０＿１，１０＿２，１０＿３，１０＿４，・・・，１０＿ｍとの間には、モータリレー４０＿１，４０＿２，４０＿３，４０＿４，・・・，４０＿ｍが配置されることがある。モータリレー４０＿１，４０＿２，４０＿３，４０＿４，・・・，４０＿ｍは、それぞれの相に何らかの故障が発生した際に、永久磁石同期モータ２０に電流が供給されることを遮断する機能を持つ。

　また、各電流制御器１０＿１，１０＿２，１０＿３，１０＿４，・・・，１０＿ｍには、電源３０が接続される。図１においては、電源３０は直流電源となっているが、これは交流電源でも問題ない。電源３０が交流電源の場合、電源３０と各電流制御器１０＿１，１０＿２，１０＿３，１０＿４，・・・，１０＿ｍとの間に交流を直流に変換する回路、例えばコンバータ等が必要となる。各電流制御器１０＿１，１０＿２，１０＿３，１０＿４，・・・，１０＿ｍと電源３０との間には、各電流制御器１０＿１，１０＿２，１０＿３，１０＿４，・・・，１０＿ｍが何らかの故障が生じた場合のため、または電源３０への電流逆流を防止するための遮断する機構として、スイッチ５０＿１，５０＿２，５０＿３，５０＿４，・・・，５０＿ｍが配置される。ここで、各電流制御器１０＿１，１０＿２，１０＿３，１０＿４，・・・，１０＿ｍに、指令を出すマイコン等の制御部１０１を有しているが、制御部１０１は、電流制御器毎に設けられていてもよいし、図示したように１つの制御部が全ての電流制御器を一括して制御するようにしてもよい。また、制御部は、各相の故障を検知する機能を有する。

　以下、本実施の形態に係る電流制御装置の作用及びその効果について、比較例と対比しながら説明する。
　まず、比較例の構成について説明する。図２は、本実施の形態に係る電流制御装置の比較対象となる永久磁石モータシステムの図で、これを比較例１とする。図２に示すように、比較例１の永久磁石同期モータシステムは、１つの系統にある３相の電流制御を１つの電流制御器１０Ａ＿１，１０Ａ＿２で実行している。そして、この電流制御器１０Ａ＿１，１０Ａ＿２が２つ並列にスイッチ５０Ａ＿１，５０Ａ＿２を介して電源３０Ａに接続されている。永久磁石モータ２０Ａは、３相―２系統を有する永久磁石モータであり、第１系統の巻線には、１相の巻線２０Ａ＿１＿１、２相の巻線２０Ａ＿１＿２、３相の巻線２０Ａ＿１＿３を備え、第２系統の巻線には、１相の巻線２０Ａ＿２＿１、２相の巻線２０Ａ＿２＿２、３相の巻線２０Ａ＿２＿３を備えている。第１系統の巻線にはモータリレー４０Ａ＿１を介して電流制御器１０Ａ＿１が接続され、第２系統の巻線にはモータリレー４０Ａ＿２を介して電流制御器１０Ａ＿２が接続されている。

　図３は、本実施の形態に係る電流制御装置の比較対象となる永久磁石モータシステムの図で、これを比較例２とする。本比較例は、５相の例である。比較例２における永久磁石モータ２０Ｂは、本実施の形態と同様にｍ相（ｍ＝５）の巻線２０Ｂ＿１，２０Ｂ＿２，２０Ｂ＿３，２０Ｂ＿４，２０Ｂ＿５を有する。ここで、５相の巻線２０Ｂ＿１，２０Ｂ＿２，２０Ｂ＿３，２０Ｂ＿４，２０Ｂ＿５は個別にモータリレー４０Ｂ＿１，４０Ｂ＿２，４０Ｂ＿３，４０Ｂ＿４，４０Ｂ＿５を介して電流制御器１０Ｂに接続されるものの、個別の電流制御器に繋がっているのではなく、１つの電流制御器１０Ｂに５相の巻線２０Ｂ＿１，２０Ｂ＿２，２０Ｂ＿３，２０Ｂ＿４，２０Ｂ＿５が接続されており、各相の巻線は電流制御器１０Ｂの中性点で接続されている。また、電流制御器１０Ｂはスイッチ５０Ｂを介して電源３０Ｂに接続されている。本比較例は５相の例を示したが、ｍ相でも同様である。

　まず、本実施の形態に係る永久磁石同期モータシステムと比較例１の永久磁石同期モータシステムについて対比して説明する。
　比較例１の永久磁石モータシステムでは、１つの電流制御器に接続された１つの巻線が故障した場合、または電流制御器を構成する１つの素子が故障した場合、故障の発生した側の電流制御器を停止する可能性がある。この場合、２系統の内１つの電流制御器が停止することになり、永久磁石同期モータ２０Ａに供給される電力は半分となる。従って、電力をＰ、角速度をω、トルクをＴとしたときに、損失を無視すると、電力Ｐ、角速度ω、トルクＴの関係は、
　Ｐ＝ωＴ　
であるから、電力Ｐが半減すると、トルクＴも半減してしまう。

　これに対して、本実施の形態に係る永久磁石同期モータシステムは、各相の巻線が個別にｍ個の電流制御器に接続されるので、相毎に独立していることになる。このため、各相の巻線、または電流制御器において故障が発生したとしても、故障した電流制御器のみを停止、またはモータリレー、電源スイッチのいずれかをオフにすることにより、故障した巻線への電流通電を遮断する。従って、１相分が遮断されることになり、全体がｍ相の場合、トルク低下は１／ｍ程度であり、比較例１の永久磁石同期モータシステムよりもトルク低下を抑制することが可能となる。

　また、全ての電流制御器を停止しないとしても、故障した際に発生する電流アンバランスは、永久磁石同期モータが出力するトルク波形に低次のトルク脈動（以下、トルクリップル）を通常発生させる。

　図４は、図２に示した比較例１の永久磁石同期モータシステムにおいて、正常な場合の各系統の各相の電流波形と、第１系統巻線の１相の巻線２０Ａ＿１＿１（図中、１－１相と記す）に故障が発生した場合の各相の電流波形を示す。故障の発生していない第２系統巻線の電流波形は変化が見られないが、第１系統の巻線では各相の電流波形に変化が生じる。故障の発生した第１系統巻線の１相の巻線２０Ａ＿１＿１に接続されたモータリレー４０Ａ＿１は巻線２０Ａ＿１＿１を遮断する。そのため、巻線２０Ａ＿１＿１に電流は流れない。しかし、各電流制御器に接続される巻線は中性点で接続されているため、故障が発生した第１系統では、電流の平衡を保とうとして、故障の発生していない他の相の巻線２０Ａ＿１＿２，２０Ａ＿１＿３（図中、それぞれ相１－２，１相－３と記す）を流れる電流の位相が１２０°から１８０°に変化する。図５に、比較例１におけるトルクの変化を示すが、図５に示すように正常時は実線のような電気角１周期あたり、６回の脈動を繰り返す微小なトルクリップルだったトルク波形が、破線で示すような電気角１周期あたり２回の脈動を繰り返す大きなトルクリップル波形となる。

　次に、本実施の形態に係る永久磁石同期モータシステムと比較例２の永久磁石同期モータシステムについて対比して説明する。
　図６は、図３に示した比較例２の永久磁石同期モータシステムにおいて、正常な場合の各相の電流波形及び１相の巻線２０Ｂ＿１（図中、１相と記す）に故障が発生した場合の各相の電流波形を示す。１相の巻線２０Ｂ＿１に故障が発生すると、モータリレー４０Ｂ＿１は巻線２０Ｂ＿１を遮断する。そのため、残りの正常な相の巻線は電流の平衡を保とうとして位相が７２°から９０°となる。

　図７に、比較例２及び本実施の形態に係る永久磁石同期モータシステムにおけるトルクの変化を示す。図７の実線が正常時であり、一点鎖線が比較例２の故障時を想定したトルク波形、破線が本実施の形態の１相故障時を想定したトルク波形である。実線で示した正常時のような１周期１０回の脈動を繰り返す微小なトルクリップルから、故障時には一点鎖線及び破線に示すような１周期２回の脈動を繰り返す大きなトルクリップルを発生する。

　図８は、図１に示した本実施の形態に係る永久磁石同期モータシステムにおいて、各相を流れる電流波形を示す図である。図８において、正常時と、１相の巻線２０＿１または電力制御器の素子で故障が発生しモータリレー４０＿１を切断し、故障相への電流通電を遮断した場合とを対比して示している。１相が故障しても、各相が中性点で接続されているのではないため、電流平衡を取ろうとして電流位相が変化することがない。すなわち、各相が独立して電流制御器に接続されているため、各相の位相を独立に制御することが可能となる。そのため、図６の比較例２の故障時の電流の位相のように、位相が変化することはない。従って、上述の図７の破線に示す本実施の形態と一点鎖線に示す比較例２との故障時の比較からわかるように、本実施の形態ではトルク出力低下を抑制することができる。

　以下、上述の本実施の形態に係る永久磁石同期モータシステムにおいて、トルクリップルを抑制する方法について説明する。

　モータを含む回路などにおいて、断線、短絡等の事故、故障時の計算をするための手法として対称座標法がある。この対称座標法では、零相、正相、逆相を定義する。例えば、比較例２である図２の永久磁石同期モータシステムの三相回路について、図４の正常時に示すような平衡三相交流が通電されている場合、及び図４に示したように故障が発生した場合のそれぞれ固定子に流れる電流を、図９に示す。図９に示すように、正常時には正相電流のみが値を持ち、零相電流、逆相電流は０となる。これに対して、図４に示したように故障が発生した場合は、逆相電流が発生する。この逆相電流が、トルク半減及びトルクリップル増大の要因となるが、比較例２のように１つの電流制御器に複数の相を接続し、中性点を共有する巻線では、この逆相電流を調整することはできない。

　これに対して、本実施の形態に係る電流制御装置では、各相の巻線が個別に電流制御器と接続されるため、位相を相ごとに独立して調整することが可能となる。以下、この方法について説明する。

　零相電流をＩ０、正相電流をＩｐ、逆相電流をＩｎとしたときに、各相の交流電流Ｉ_１，Ｉ_２，・・，Ｉ_ｍを用いて、Ｉ０、Ｉｐ、Ｉｎはそれぞれ下記となる。
Ｉ０＝（Ｉ_１＋Ｉ_２＋Ｉ_３＋Ｉ_４＋・・・＋Ｉ_ｉ＋・・・＋Ｉ_ｍ）／ｍ
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・式（１）
Ｉｐ＝（Ｉ_１＋ａＩ_２＋ａ_２Ｉ_３＋ａ_３Ｉ_４＋・・・＋ａ_ｍ－１Ｉ_ｍ）／ｍ
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・式（２）
Ｉｎ＝（Ｉ_１＋ａ_ｍ－１Ｉ_２＋ａ_ｍ－２Ｉ_３＋ａ_ｍ－３Ｉ_４＋・・・
　　　　　＋ａ_ｍ－ｉＩ_ｉ＋・・・ａＩ_ｍ）／ｍ　　・・・式（３）
　ここで、ａ～ａ_ｍ－１、Ｉ_１～Ｉ_ｍはそれぞれ複素数、
　ａ_ｉ＝ｅｘｐ（ｊ２π／ｍ）　（ｊは虚数単位）
である。
　すなわち、ｉ相（１≦ｉ≦ｍ）には、正常時の電流振幅をＩとして、Ｉ′＝Ｉ／ｍの電流振幅と、位相θｉ＝２π／ｍ×（ｍ－ｉ）の電流を各相に重畳すればよいことになる。

　図１０は、本実施の形態に係る永久磁石同期モータシステムにおいて、図８に示した１相巻線故障が発生した場合の電流を対称座標法によって零相、正相、逆相に変換した電流波形である。図１０に示すように逆相電流が発生していることが分かる。この逆相電流は、故障相、例えば１相の故障であれば、Ｉ１に電流がゼロとなったことにより発生した逆相電流であることが分かる。したがって、上記式（３）において、Ｉｎをゼロとするには、以下が成り立てばよいということになる。
（ａ_ｍ－１Ｉ_２＋ａ_ｍ－２Ｉ_３＋ａ_ｍ－３Ｉ_４＋・・・＋ａ_ｍ－ｉＩ_ｉ＋
　　　　　　　　・・・＋ａＩ_ｍ）／ｍ＝０　　　・・・式（４）

　図１１は、例えばｍ＝５の５相交流において、正常時の各相の交流電流をフェーザ表示したもの、図１２は、１相が故障した場合のものである。フェーザ表示の横軸は実数、縦軸は虚数であり、それぞれの電流の位相を表す図となっている。図１１に示す通り正常時、２相から５相の各相を流れる電流は、
Ｉ２＝Ｉｃｏｓ（ωｔ‐２π／５）
Ｉ３＝Ｉｃｏｓ（ωｔ‐４π／５）
Ｉ４＝Ｉｃｏｓ（ωｔ‐６π／５）
Ｉ５＝Ｉｃｏｓ（ωｔ‐８π／５）　　　・・・式（５）
である。
　これは、正常時の各電流制御器の出力する電流の振幅がＩであり、ｉ（１≦ｉ≦ｍ；ｉは整数、ここではｍ＝５）番目の電流制御器の出力する電流の位相が２×π×（ｉ‐１）／ｍ遅れていることを示している。

　故障時には式（４）に従って、対称座標法によって逆相電流を算出し、２相から５相の各相に１相の故障により発生する逆相電流を相殺する成分を重畳する。図１２の破線のベクトルに示すように１相の故障により発生する逆相電流を相殺する成分が重畳された２相から５相の電流Ｉ２′から電流Ｉ５′は以下となる。
Ｉ２′＝Ｉｃｏｓ（ωｔ‐２π／５）＋Ｉ′ｃｏｓ（ωｔ‐８π／５）
Ｉ３′＝Ｉｃｏｓ（ωｔ‐４π／５）＋Ｉ′ｃｏｓ（ωｔ‐４π／５）
Ｉ４′＝Ｉｃｏｓ（ωｔ‐６π／５）＋Ｉ′ｃｏｓ（ωｔ‐６π／５）
Ｉ５′＝Ｉｃｏｓ（ωｔ‐８π／５）＋Ｉ′ｃｏｓ（ωｔ‐２π／５）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・式（６）
　ここで、Ｉ′＝Ｉ／５である。

　この電流Ｉ２′から電流Ｉ５′を通電した場合のトルク波形を図１３に示す。図１３に示すように逆相電流を相殺する成分を重畳することによりトルク脈動が著しく低下していることが分かる。これは、逆相電流により発生する低次のトルクリップル波形を抑制することが可能となったためである。

　別の例として、ｍ＝７相の場合について説明する。同様に、１相に故障が発生したとする。この場合、Ｉ′＝Ｉ／７であり、Ｉ２′からＩ７′は以下となる。
Ｉ２′＝Ｉｃｏｓ（ωｔ‐２π／７）＋Ｉ′ｃｏｓ（ωｔ‐１２π／７）
Ｉ３′＝Ｉｃｏｓ（ωｔ‐４π／７）＋Ｉ′ｃｏｓ（ωｔ‐１０π／７）
Ｉ４′＝Ｉｃｏｓ（ωｔ‐６π／７）＋Ｉ′ｃｏｓ（ωｔ‐８π／７）
Ｉ５′＝Ｉｃｏｓ（ωｔ‐８π／７）＋Ｉ′ｃｏｓ（ωｔ‐６π／７）
Ｉ６′＝Ｉｃｏｓ（ωｔ‐１０π／７）＋Ｉ′ｃｏｓ（ωｔ‐４π／７）
Ｉ７′＝Ｉｃｏｓ（ωｔ‐１２π／７）＋Ｉ′ｃｏｓ（ωｔ‐２π／７）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・式（７）

　従って、ｍ＝７相の場合、１相故障時のｉ相に逆相電流を相殺する成分を重畳した電流Ｉｉ′は、
Ｉｉ′＝Ｉｃｏｓ（ωｔ‐２π（ｉ－１）／７）
　　　　　　　　　　＋Ｉ／７×ｃｏｓ（ωｔ‐２π（７－ｉ）／７）
となる。

　すなわち、ｍ相において、正常時の各電流制御器の出力する電流は、
Ｉｉ＝Ｉｃｏｓ（ωｔ‐２π（ｉ－１）／ｍ）
であり、ある一相が故障した場合、本実施の形態の制御部により他の相ｉ相に逆相電流を相殺する成分を重畳した電流Ｉｉ′は、
Ｉｉ′＝Ｉｃｏｓ（ωｔ‐２π（ｉ－１）／ｍ）
　　　　　　　　　　＋Ｉ／ｍ×ｃｏｓ（ωｔ‐２π（ｍ－ｉ）／ｍ）
である。

　次に、本実施の形態に係る永久磁石同期モータの電流制御方法について図１４のフローチャートを用いて説明する。以下では、複数相のうち１相に故障が発生した場合を例にする。
　まず、ステップＳＴ１０１において、制御部１０１は永久磁石同期モータ２０のいずれかの相、または複数の電流制御器１０＿１，１０＿２，１０＿３，１０＿４，・・・，１０＿ｍのいずれかの電流制御器の故障を検出する。図１中に図示していないが、故障は各相の配線中に設置された電流計で電流を計測する等により検出することができる。

　次に、ステップＳＴ１０２において、制御部１０１は故障の発生した相の電流制御器から出力される電流を遮断する。上述したように、１相の巻線２０＿１で故障が発生した場合はモータリレー４０＿１により、電流制御器１０＿１と１相の巻線２０＿１との間を遮断する。１相の巻線２０＿１に対応する電流制御器１０＿１に故障が発生した場合はスイッチ５０＿１をオフにし電源３０と電流制御器１０＿１との間を遮断する。これにより、故障の発生した相の電流制御器１０＿１からの電流を遮断する。

　次に、ステップＳＴ１０３において、制御部１０１は対称座標法を用いて１相が故障したことにより発生する逆相電流を演算する。正常時には逆相電流は流れない。

　次に、ステップＳＴ１０４において、制御部１０１は１相が故障したことにより発生する逆相電流Ｉｎを相殺するように他の相に逆相電流を分配して重畳する。相数ｍ＝５の場合であれば、上述の式（４）、（５）を用い、式（６）を導出し、各相の電流Ｉｉ′を算出する。なお、ステップＳＴ１０３、ステップＳＴ１０４はあらかじめテーブル等を用意することで、いずれかの相が故障した時にそのテーブルを活用し、演算することなく処理することが可能である。

　ここで、永久磁石同期モータの極数については、説明する。トルクの最大化を図るには、永久磁石から発生する磁束を過不足なく鎖交させることが望ましい。永久磁石の数である極数をｐ（ｐは自然数）、巻線の数をｗ（ｗは自然数）、永久磁石が発生する磁束をφｍ、巻線に鎖交する磁束量をφｗとしたときに、下記の式（８）で表せる。φｍとφｗの比率がφｗ／φｍが１に近づくことが望ましく、下記で表せる。
　φｗ／φｐ＝ｓｉｎ（（ｐ／ｗ）π／２）　　　・・・式（８）

　図１５は、本実施の形態に係る永久磁石同期モータシステムにおいて、極数ｐ及び巻線の数ｗの関係を示す図で、上記式（８）を図示したものである。トルクの最大化を図るためには、φｍとφｗの比率がφｗ／φｍが１に近づくことが望ましく、ｐ／ｗ＝１の時にφｗ／φｐが１となる。しかし、ｐ／ｗ＝１の時、すなわち極数ｐと巻線の数ｗが一致すると巻線が発生する磁界と永久磁石間での斥力引力が一対一となるため駆動力が発生せず、一般的には永久磁石モータが駆動しない。そのため、ｐ／ｗ＝１は不適である。このことを考慮すると、極数ｐと巻線の数ｗの最小単位の組合せは、ｗ₀＝ｐ₀±１を満たすことが望ましい。換言すれば、永久磁石同期モータの極数をｐ、それぞれの相の巻線の数をｗとしたときに、ｐ＝ｎｐ₀，ｗ＝ｎｗ₀と表した時に、ｗ₀＝ｐ₀±１　（ｗ₀，ｐ₀，ｎは自然数）であることが望ましい。

　図１６は、本実施の形態に係る永久磁石同期モータシステムにおける永久磁石同期モータの好適な極数ｐ、巻線の数ｗ、相数ｍの組合せの一例を示す図である。ここで、相数の数が増えると電流制御器の数が増え、電流制御器を構成するＦＥＴ等の電子スイッチの数が増えコストが増大する可能性がある。一般的な永久磁石同期モータが３相巻線に対して１つ、または、２つの電流制御器と接続されることを考えると、相数は５以下とすることが望ましい。

　なお、本実施の形態に係る電流制御器の制御部１０１は、ハードウエアの一例を図１７に示すように、プロセッサ１１０と記憶装置１２０から構成される。記憶装置１２０は図示していないが、ランダムアクセスメモリ等の揮発性記憶装置と、フラッシュメモリ等の不揮発性の補助記憶装置とを具備する。また、フラッシュメモリの代わりにハードディスクの補助記憶装置を具備してもよい。プロセッサ１１０として、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｓｐｅｃｉｆｉｃ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｇａｔｅ　Ａｒｒａｙ）、各種の論理回路、及び各種の信号処理回路等が備えられてもよい。また、プロセッサ１１０として、同じ種類のもの又は異なる種類のものが複数備えられ、各処理が分担して実行されてもよい。

　プロセッサ１１０は、記憶装置１２０から入力されたプログラムを実行する。この場合、補助記憶装置から揮発性記憶装置を介してプロセッサ１１０にプログラムが入力される。また、プロセッサ１１０は、演算結果等のデータを記憶装置１２０の揮発性記憶装置に出力してもよいし、揮発性記憶装置を介して補助記憶装置にデータを保存してもよい。

　以上のように、本実施の形態によれば、複数相の巻線を有する永久磁石同期モータ２０を制御する電流制御装置１０であって、各相の巻線２０＿１，２０＿２，・・・，２０＿ｍごとに巻線に電流を通電する電流制御器１０＿１，１０＿２，・・・，１０＿ｍと、電流制御器を制御する制御部１０１を備え、複数の電流制御器１０＿１，１０＿２，・・・，１０＿ｍは互いに並列に接続され、制御部１０１は複数の電流制御器１０＿１，１０＿２，・・・，１０＿ｍのうちいずれかの電流制御器から出力される電流が遮断された場合、出力電流の遮断された電流制御器によって発生する逆相電流を相殺する成分を、出力電流の遮断されていない他の電流制御器に分配して重畳する制御を行うようにした。これにより、複数相のうちいずれかの相の巻線の故障、または複数の電流制御器のいずれかの故障が発生した場合、その電流制御器を故障のない他の相の電流制御器から遮断しても、故障のない電流制御器を流れる電流の位相が変化することがないので、大きなトルクリップルの発生を抑制できる。さらに、出力電流の遮断された電流制御器によって発生する逆相電流を相殺する成分を、出力電流の遮断されていない他の電流制御器に分配して重畳する制御を行うようにしたので、遮断された電流制御器によって発生する逆相電流に起因するトルクリップルの発生を抑制することが可能となる。
　従って、トルクの低減を抑制するとともにトルクリップルを低減可能な永久磁石同期モータの電流制御装置及び電流制御方法を提供することが可能となる。

　なお、本実施の形態において、各電流変換器は、スイッチング素子をフルブリッジで構成したインバータである例を示したが、この場合ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ　Ｗｉｄｔｈ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）により、スイッチング素子を制御してもよい。スイッチング素子のオン―オフ制御時おいてオフ時に電流が遮断されるが、これは相における故障発生ではない。故障のある相では対応するスイッチ５０＿１，５０＿２，５０＿３，５０＿４，・・・，５０＿ｍにより、電流変換器からの出力電流が継続的に流れない状態となる。

　本願は、例示的な実施の形態が記載されているが、実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
　従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合が含まれるものとする。

　１０：電流制御装置、　１０＿１，１０＿２，１０＿３，１０＿４，・・・，１０＿ｍ：電流制御器、　２０：永久磁石同期モータ、２０＿１，２０＿２，２０＿３，２０＿４，・・・，２０＿ｍ：巻線、　３０：電源、　４０＿１，４０＿２，４０＿３，４０＿４，・・・，４０＿ｍ：モータリレー、　５０＿１，５０＿２，５０＿３，５０＿４，・・・，５０＿ｍ：スイッチ、　１０１：制御部、　１１０：プロセッサ、　１２０：記憶装置。

Claims

　複数相の巻線を有する永久磁石同期モータを制御する電流制御装置であって、
前記巻線の相ごとに設けられ前記巻線に通電する電流を出力する電流制御器と、複数の前記電流制御器を制御する制御部と、を備え、
複数の前記電流制御器は、互いに並列に接続され、
前記制御部は、前記各相の電流から対称座標法によって逆相電流を算出し、複数の前記電流制御器のうちの１つの電流制御器から出力される前記電流が遮断された場合に発生する前記逆相電流を相殺する成分を、他の前記電流制御器に重畳する制御を行う、永久磁石同期モータの電流制御装置。
　前記相の数をｍ（ｍは３以上の奇数）、正常時に前記電流制御器の出力する電流の振幅をＩとしたとき、
複数の前記電流制御器のうちの１つの電流制御器から出力される前記電流が遮断された場合に、
前記制御部は、他の前記電流制御器のそれぞれに重畳する前記逆相電流を相殺する成分の大きさが、Ｉ／ｍとなるように制御する請求項１に記載の永久磁石同期モータの電流制御装置。
　前記相の数をｍ（ｍは３以上の奇数）としたとき、正常時に前記電流制御器のうちｉ（１≦ｉ≦ｍ；ｉは整数）番目から出力される電流は電流位相が２×π×（ｉ‐１）／ｍ遅れており、
前記制御部は、出力される前記電流が遮断されていない前記電流制御器のうち、ｉ番目の電流制御器に重畳する前記逆相電流を相殺する成分の位相θｉ（１≦θ≦ｍ）が
θｉ＝（ｍ－ｉ＋１）×２×π／ｍ
となるように制御する請求項１または２に記載の永久磁石同期モータの電流制御装置。
　前記永久磁石同期モータの極数をｐ（ｐは自然数）、前記相の数をｍ（ｍは３以上の奇数）としたときに、ｐ≠ｍである、請求項１から３のいずれか１項に記載の永久磁石同期モータの電流制御装置。
　前記永久磁石同期モータの極数をｐ（ｐは自然数）、それぞれの前記相の巻線の数をｗ（ｗは自然数）としたときに、
ｐ＝ｎｐ₀，ｗ＝ｎｗ₀，ｗ₀＝ｐ₀±１　（ｐ₀，ｗ₀，ｎは自然数）
である、請求項１から４のいずれか１項に記載の永久磁石同期モータの電流制御装置。
　複数相の巻線を有する永久磁石同期モータの前記巻線の相ごとに設けられ前記巻線に電流を通電するとともに互いに並列に接続された複数の電流制御器の制御を行う、永久磁石同期モータの電流制御方法であって、
　複数の前記相に対し、故障を検出する故障検出ステップと、
　複数の前記電流制御器のうち、故障の発生した前記相の前記電流制御器から出力される前記電流を遮断するステップと、
　故障により発生する逆相電流を対称座標法により演算するステップと、
　故障により発生する前記逆相電流を相殺する成分を、故障の発生していない前記相の電流制御器に重畳し、出力する前記電流を補正するステップと、を備えた永久磁石同期モータの電流制御方法。
　前記補正された電流を演算するステップにおいて、
前記相の数をｍ（ｍは３以上の奇数）、正常時に前記電流制御器の出力する電流の振幅をＩとしたとき、
前記電流制御器のそれぞれに重畳する前記逆相電流を相殺する成分の大きさが、Ｉ／ｍとなるように出力する前記電流を補正する、請求項６に記載の永久磁石同期モータの電流制御方法。
　前記補正された電流を演算するステップにおいて、
　前記相の数をｍ（ｍは３以上の奇数）としたとき、正常時に前記電流制御器のうちｉ（１≦ｉ≦ｍ；ｉは整数）番目から出力される電流は電流位相が２×π×（ｉ‐１）／ｍ遅れており、
前記電流制御器のうち、ｉ番目の電流制御器に重畳する前記逆相電流を相殺する成分の位相θｉ（１≦θ≦ｍ）が
θｉ＝（ｍ－ｉ＋１）×２×π／ｍ
となるように出力する前記電流を補正する、請求項６または７に記載の永久磁石同期モータの電流制御方法。
　前記永久磁石同期モータの極数をｐ（ｐは自然数）、前記相の数をｍ（ｍは３以上の奇数）としたときに、ｐ≠ｍである、請求項６から８のいずれか１項に記載の永久磁石同期モータの電流制御方法。
　前記永久磁石同期モータの極数をｐ（ｐは自然数）、それぞれの前記相の巻線の数をｗ（ｗは自然数）としたときに、
ｐ＝ｎｐ₀，ｗ＝ｎｗ₀，ｗ₀＝ｐ₀±１　（ｐ₀，ｗ₀，ｎは自然数）
である、請求項６から９のいずれか１項に記載の永久磁石同期モータの電流制御方法。