JP2023006285A - モータ装置およびモータ装置の駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】一つの回転子に２系統の三相巻線を備えるスイッチトリラクタンスモータの各相を個別に制御しながらも、スイッチ数を低減できるモータ装置およびモータ装置の駆動方法を提供する。【解決手段】回転子（１１）と固定子（１２）を有するモータ部（１０）と、モータ部（１０）に電力を供給するスイッチインバータ部と、スイッチインバータ部に含まれる各スイッチを制御するスイッチ制御部とを備えるモータ装置であって、回転子（１１）が強磁性体で構成されたスイッチトリラクタンスモータであり、複数のティース部（１３）には、第１系統の三相巻線および第２系統の三相巻線が巻回されており、スイッチインバータ部は、上段スイッチ、中段スイッチおよび下段スイッチが直列接続されたスイッチ群が３つ並列接続されており、三相ベクトル制御に基づいて前記第１系統および前記第２系統にそれぞれ制御信号を送出するベクトル制御モードを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、モータ装置およびモータ装置の駆動方法に関し、特に、回転子に強磁性体を用いるスイッチトリラクタンスモータのモータ装置およびモータ装置の駆動方法に関する。

従来から様々な技術分野において、交流の周波数を変化させることで回転数を制御でき、安定した回転数を得られる三相モータが動力源として用いられている。また、回転子に強磁性体を用いるスイッチトリラクタンスモータも提案されている。（例えば特許文献１を参照）。

図１１は、従来の三相巻線を２系統備えたモータ装置の駆動回路を簡略化して示す回路図である。図１１に示すようにモータ装置は、第１系統の三相巻線としてＡ相コイル、Ｅ相コイル、Ｃ相コイルを有し、第２系統の三相巻線としてＤ相コイル、Ｂ相コイル、Ｆ相コイルを有している。また、電源電圧（＋Ｖ）と接地電圧（０Ｖ）の間に、各相に対応する上段スイッチと下段スイッチが直列接続されてスイッチインバータを構成し、６つのスイッチインバータが並列に接続されている。また、各スイッチインバータの上段スイッチと下段スイッチの間には、各相の巻線（コイル）の一端が接続され、各相の巻線の他端は中性点に接続されている。

図１１に示したモータ装置では、各相の巻線を流れる電流値をモニターしながら、第１系統と第２系統のそれぞれにおいて３相ベクトル制御を行うことで、各相のコイルに適切に電流が流れて、スイッチトリラクタンスモータを回転させることができる。

特開２０１６－１０３９５７号公報

図１１に示した従来のモータ装置では、各インバータで２系統の三相巻線の各々を個別に制御できるため、複雑な回転制御を行うことができるが、６相のインバータを用いるため１２個のスイッチが必要であり、回路に含まれるスイッチ数が増加してしまう。駆動回路に搭載されるスイッチ数が増加すると、回路の搭載面積の増大や、発熱量の増加、コストの増加などの問題が生じるうえに、回路全体でのスイッチ故障の発生確率が増加するという問題があった。

そこで本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであり、一つの回転子に２系統の三相巻線を備えるスイッチトリラクタンスモータの各相を個別に制御しながらも、スイッチ数を低減できるモータ装置およびモータ装置の駆動方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のモータ装置は、回転軸を中心に回転可能に配置された回転子と、内周に複数のティース部が形成された固定子を有するモータ部と、前記モータ部に電力を供給するスイッチインバータ部と、前記スイッチインバータ部に含まれる各スイッチを制御するスイッチ制御部とを備えるモータ装置であって、前記回転子が強磁性体で構成されたスイッチトリラクタンスモータであり、前記複数のティース部には、第１系統の三相巻線および第２系統の三相巻線が巻回されており、前記スイッチインバータ部は、第１電位と第２電位の間に上段スイッチ、中段スイッチおよび下段スイッチが直列接続されたスイッチ群が３つ並列接続されており、前記スイッチ制御部は、三相ベクトル制御に基づいて前記スイッチインバータ部の前記第１系統および前記第２系統にそれぞれ制御信号を送出するベクトル制御モードを備えることを特徴とする。

このような本発明のモータ装置では、上段スイッチ、中段スイッチおよび下段スイッチが直列接続されたスイッチ群が３つ並列接続されたスイッチインバータ部を備えて、ベクトル制御モードでは第１系統および第２系統にそれぞれ三相ベクトル制御に基づいて制御信号を送出する。これにより、一つの回転子に２系統の三相巻線を備えるスイッチトリラクタンスモータの各相を個別に制御しながらも、スイッチ数を低減することが可能となる。

また、本発明の一態様では、前記第１系統にはＡ相、Ｅ相およびＣ相が巻回され、前記第２系統にはＤ相、Ｂ相およびＦ相が巻回されており、前記スイッチインバータ部は、Ｕ列スイッチ群、Ｖ列スイッチ群およびＷ列スイッチ群が並列に接続され、前記Ｕ列スイッチ群は、前記第１電位から順に第１上段スイッチ、第１中段スイッチおよび第１下段スイッチが直列接続され、前記Ｖ列スイッチ群は、前記第１電位から順に第２上段スイッチ、第２中段スイッチおよび第２下段スイッチが直列接続され、前記Ｗ列スイッチ群は、前記第１電位から順に第３上段スイッチ、第３中段スイッチおよび第３下段スイッチが直列接続され、前記第１上段スイッチと前記第１中段スイッチの間に前記Ａ相の一端が接続され、前記第１中段スイッチと前記第１下段スイッチの間に前記Ｄ相の一端が接続され、前記第２上段スイッチと前記第２中段スイッチの間に前記Ｅ相の一端が接続され、前記第２中段スイッチと前記第２下段スイッチの間に前記Ｂ相の一端が接続され、前記第３上段スイッチと前記第３中段スイッチの間に前記Ｃ相の一端が接続され、前記第３中段スイッチと前記第３下段スイッチの間に前記Ｆ相の一端が接続されている。

また、本発明の一態様では、前記Ａ相、前記Ｂ相、前記Ｃ相、前記Ｄ相、前記Ｅ相および前記Ｆ相は、他端が中性点に接続されて、スター結線されている。

また、本発明の一態様では、前記Ａ相、前記Ｂ相、前記Ｃ相、前記Ｄ相、前記Ｅ相および前記Ｆ相は、環状に直列接続されて、ヘキサゴン結線されている。

また、本発明の一態様では、前記スイッチ制御部は、前記ベクトル制御モードにおいて、信号波と搬送波の比較によりパルス信号を生成し、前記各スイッチをＰＷＭ（Ｐｕｌｔｈ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）変調制御する。

また、本発明の一態様では、前記信号波は、前記第１系統と前記第２系統とで位相が同じであり、振幅が互いにオフセットされている。

また、本発明の一態様では、前記スイッチ制御部は、前記第１系統および前記第２系統をパルス駆動するパルス制御モードを備え、前記中段スイッチにオフ信号を送出し、前記上段スイッチで前記第１系統をパルス駆動し、前記下段スイッチで前記第２系統をパルス駆動する。

また、本発明の一態様では、前記回転子の極数Ｐと、前記ティース部のスロット数Ｓの比は、Ｐ：Ｓ＝５：６である。

また、上記課題を解決するために、本発明のモータ装置の駆動方法は、一つの回転子に対して第１系統および第２系統の三相巻線を備え、インバータスイッチ部からの出力により回転するモータ装置の駆動方法であって、前記回転子が強磁性体で構成されたスイッチトリラクタンスモータであり、前記第１系統および前記第２系統の各相における電流値を取得する電流値取得工程と、前記各相の前記電流値に基づいて、前記第１系統に対する第１指令電圧および前記第２系統に対する第２指令電圧を算出する指令電圧算出工程と、搬送波の電圧と、前記第１指令電圧および前記第２指令電圧を比較して、前記第１系統と前記第２系統についてのゲート信号を決定するゲート信号決定工程と、前記ゲート信号に基づいて前記インバータスイッチ部のオン信号／オフ信号を決定するインバータスイッチ制御工程とを備えることを特徴とする。

本発明では、一つの回転子に２系統の三相巻線を備えるスイッチトリラクタンスモータの各相を個別に制御しながらも、スイッチ数を低減できるモータ装置およびモータ装置の駆動方法を提供することができる。

第１実施形態に係るモータ装置の概要を示す図であり、図１（ａ）はスイッチインバータ部の構成を示す回路図であり、図１（ｂ）はモータ部の構造例を示す模式図である。 第１系統のＵ１相（Ａ相）と第２系統のＵ２相（Ｄ相）に流れる電流の目標波形を示すグラフである。 第１実施形態におけるモータ装置の駆動を制御する方法について説明する模式図である。 第１実施形態におけるＵ１相とＵ２相の信号波と搬送波について説明するグラフであり、図４（ａ）はＵ１相を示し、図４（ｂ）はＵ２相を示し、図４（ｃ）はＵ１相とＵ２相を重ね合わせた結果を示している。 第１実施形態における信号波と搬送波の比較結果を示すグラフであり、図５（ａ）はＵ１相とＵ２相の信号波および搬送波の波形を示し、図５（ｂ）はＵ１相とＵ２相の比較結果を示し、図５（ｃ）は各スイッチに入力される制御信号を示している。 Ｕ１相の相電流波形をシミュレーションした結果を示すグラフである。 モータ装置のトルク波形をシミュレーションした結果を示すグラフである。 第２実施形態に係るモータ装置のスイッチインバータ部の構成を示す回路図である。 第２実施形態でスイッチインバータ部の各スイッチに印加されるパルス信号を示すタイミングチャートである。 第３実施形態に係るモータ装置の概要を示す回路図である。 従来の三相巻線を２系統備えたモータ装置の駆動回路を簡略化して示す回路図である。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付すものとし、適宜重複した説明は省略する。図１は、本実施形態に係るモータ装置の概要を示す図であり、図１（ａ）はスイッチインバータ部の構成を示す回路図であり、図１（ｂ）はモータ部の構造例を示す模式図である。

図１（ａ）に示すように、本実施形態のスイッチインバータ部は、電源電圧（＋Ｖ）と接地電圧（０Ｖ）の間に３つのスイッチ群（Ｕ列スイッチ群、Ｖ列スイッチ群、Ｗ列スイッチ群）が並列に接続されている。各スイッチ群には、３つのスイッチが含まれて直列接続されており、合計９個のスイッチでスイッチインバータ部が構成されている。各スイッチは、それぞれドレインが電源電圧側（上流側）に接続され、ソースが接地電圧側（下流側）に接続されている。また、各スイッチとしてＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いる場合には、ソースとドレインの間に寄生ダイオードが並列に逆接続された等価回路となる。

また、モータ部は、Ａ相巻線、Ｅ相巻線、Ｃ相巻線の３つの巻線（コイル）で構成される第１系統の三相巻線と、Ｄ相巻線、Ｂ相巻線、Ｆ相巻線の３つの巻線で構成される第２系統の三相巻線を備えている。ここで、三相巻線をベクトル制御するベクトル制御モードにおいて、第１系統のＵ１相、Ｖ１相、Ｗ１相は、それぞれＡ相巻線、Ｅ相巻線、Ｃ相巻線に流れる電流を想定している。また、Ｕ２相、Ｖ２相、Ｗ２相は、それぞれＤ相巻線、Ｂ相巻線、Ｆ相巻線に流れる電流を想定している。

Ｕ列スイッチ群には、電源電圧側から順に上段スイッチＵｕと、中段スイッチＵｍと、下段スイッチＵｌとが直列接続されている。また、上段スイッチＵｕと中段スイッチＵｍの間がＡ相巻線の一端に接続されている。また、中段スイッチＵｍと下段スイッチＵｌの間がＤ相巻線の一端に接続されている。ここで、上段スイッチＵｕ、中段スイッチＵｍ、下段スイッチＵｌは、それぞれ本発明における第１上段スイッチ、第１中段スイッチ、第１下段スイッチに相当している。

Ｖ列スイッチ群には、電源電圧側から順に上段スイッチＶｕと、中段スイッチＶｍと、下段スイッチＶｌとが直列接続されている。また、上段スイッチＶｕと中段スイッチＶｍの間がＥ相巻線の一端に接続されている。また、中段スイッチＶｍと下段スイッチＶｌの間がＢ相巻線の一端に接続されている。ここで、上段スイッチＶｕ、中段スイッチＶｍ、下段スイッチＶｌは、それぞれ本発明における第２上段スイッチ、第２中段スイッチ、第２下段スイッチに相当している。

Ｗ列スイッチ群には，電源電圧側から順に上段スイッチＷｕと、中段スイッチＷｍと、下段スイッチＷｌとが直列接続されている。また、上段スイッチＷｕと中段スイッチＷｍの間がＣ相巻線の一端に接続されている。また、中段スイッチＷｍと下段スイッチＷｌの間がＦ相巻線の一端に接続されている。ここで、上段スイッチＷｕ、中段スイッチＷｍ、下段スイッチＷｌは、それぞれ本発明における第２上段スイッチ、第２中段スイッチ、第２下段スイッチに相当している。

また、図１（ａ）に示したように、Ａ相巻線、Ｅ相巻線、Ｃ相巻線、Ｄ相巻線、Ｂ相巻線、Ｆ相巻線の他端は共通の中性点に接続されて、スター結線されている。また、各スイッチはスイッチ制御部（図示省略）によって動作が制御される。

図１（ｂ）に示すように、モータ部１０は回転子（ロータ）１１と、回転子１１の周囲に配置された固定子（ステータ）１２を備えている。また、回転子１１には、外周に沿って強磁性体からなるロータティースが配置されている。また固定子１２は、コアバック部とその内周に突出して形成された複数のティース部１３を備えている。また、各ティース部１３には巻線（コイル）１４が巻回されて、上述したＡ相巻線、Ｅ相巻線、Ｃ相巻線の第１系統の三相巻線と、Ｄ相巻線、Ｂ相巻線、Ｆ相巻線の第２系統の三相巻線が構成されている。

コアバック部は、回転子１１の外側に回転子１１の外周を円周状に取り囲むように配置された部分であり、内周に複数のティース部１３が等間隔に突出して形成されている。コアバック部には公知のものを用いることができ、構成する材料や構造は限定されない。また、コアバック部よりも外周には別途モータハウジング等の部材が設けられている。

ティース部１３は、コアバック部の内周面から回転子１１に向かって突出して形成された突起状部分であり、各ティース部１３は同じ長さと形状で形成されるとともに等間隔に配置されており、各ティース部１３の間には間隔が設けられてスロットを構成している。各ティース部１３およびスロットには、巻線１４が巻回されており、巻線１４に電流が流れることでティース部１３に磁界が発生する。

ここで、Ａ相巻線、Ｅ相巻線およびＣ相巻線は、それぞれ１／３周期の差で配置されており第１系統の三相巻線を構成している。同様に、Ｄ相巻線、Ｂ相巻線およびＦ相巻線も、それぞれ１／３周期の差で配置されており第２系統の三相巻線を構成している。図１（ｂ）では、回転子１１が１０個のロータティースを備え、固定子１２が１２個のティース部１３を備えた１０極１２スロットのスイッチトリラクタンスモータの例を示している。モータ部の極数Ｐとスロット数Ｓは、１０極１２スロットには限定されないが、Ｐ：Ｓ＝５：６の比率となっている。また、ティース部１３への各相の巻回方法も集中巻きに限定されず分布巻きであってもよい。

図２は、第１系統のＵ１相（Ａ相）と第２系統のＵ２相（Ｄ相）に流れる電流の目標波形を示すグラフである。図２に示したように、Ｕ１相に流れる電流とＵ２相に流れる電流は、位相が同じ正弦波であり、Ｕ１相は正方向に＋Ｉｄｃだけオフセットされ、Ｕ２相は負方向に－Ｉｄｃだけオフセットされている。したがって、Ｕ１相とＵ２相の電流値の合計は常に０となる。ここではＵ１相とＵ２相のみを示したが、Ｖ１相とＶ２相、Ｗ１相とＷ２相も同様である。また、上述したように第１系統と第２系統の三相巻線はそれぞれ三相交流で駆動され、各相の位相は１／３周期異なっており、共通の中性点に接続されている。したがって、Ｕ１相とＶ１相とＷ１相の電流値の合計と、Ｕ２相とＶ２相とＷ２相の電流値の合計は、それぞれ０となっている。

図３は、本実施形態におけるモータ装置の駆動を制御する方法について説明する模式図である。図中に示したように、モータ装置の駆動時には、モータ部１０のＡ相巻線、Ｂ相巻線、Ｃ相巻線、Ｄ相巻線、Ｅ相巻線およびＦ相巻線を流れる駆動電流ｉ_ａ，ｉ_ｂ，ｉ_ｃ，ｉ_ｄ，ｉ_ｅおよびｉ_ｆをそれぞれモニターする（電流値取得工程）。得られた６相の駆動電流から仮想の三相電流として、第１系統と第２系統の平均の相電流ｉ_ｕ，ｉ_ｖ，ｉ_ｗを求める。

次に、ＡＣ電流制御ブロックでは、得られた仮想三相電流ｉ_ｕ，ｉ_ｖ，ｉ_ｗを三相ｄｑ変換して、回転座標系に変換しｄ軸電流ｉ_ｄとｑ軸電流ｉ_ｑを求める。次に、得られた電流ｉ_ｄ，ｉ_ｑを入力値としてＰＩ制御を行い、電流制御または回転速度制御のために電圧値ｖ_ｄ，ｖ_ｑを得る。得られた電圧値ｖ_ｄ，ｖ_ｑは回転座標系であるため、三相逆ｄｑ変換を行って交流指令電圧Ｖ_ｕ，Ｖ_ｖ，Ｖ_ｗを得る。得られた指令電圧Ｖ_ｕ，Ｖ_ｖ，Ｖ_ｗは、それぞれ周期的に変化するＵ１相とＵ２相、Ｖ１相とＶ２相、およびＷ１相とＷ２相の信号波における交流成分となる。

また、ＤＣ電流制御ブロックでは、第１系統と第２系統で電流値Ｉ_ｄｃをそれぞれオフセットしているＤＣ電流平均値として、６相の駆動電流から（ｉ_ａ－ｉ_ｄ）／２、（ｉ_ｃ－ｉ_ｆ）／２、（ｉ_ｅ－ｉ_ｂ）／２として算出する。次に、得られたＤＣ電流平均値Ｉ_ｄｃを入力値としてＰＩ制御を行い、第１系統と第２系統のオフセット電流に対応した信号波における直流成分となる直流指令電圧＋Ｖ_ｄｃと－Ｖ_ｄｃを得る。

次に、直流指令電圧＋Ｖ_ｄｃに交流指令電圧Ｖ_ｕ，Ｖ_ｖ，Ｖ_ｗを加算して、（Ｖ_ｕ＋Ｖ_ｄｃ）、（Ｖ_ｖ＋Ｖ_ｄｃ）、（Ｖ_ｗ＋Ｖ_ｄｃ）をそれぞれ第１系統のＵ１相、Ｖ１相、Ｗ１相の指令電圧として得る。また、直流指令電圧－Ｖ_ｄｃに交流指令電圧Ｖ_ｕ，Ｖ_ｖ，Ｖ_ｗを加算して、（Ｖ_ｕ－Ｖ_ｄｃ）、（Ｖ_ｖ－Ｖ_ｄｃ）、（Ｖ_ｗ－Ｖ_ｄｃ）をそれぞれ第２系統のＵ２相、Ｖ２相、Ｗ２相の指令電圧として得る。得られた指令電圧の経時変化が信号波を構成する（指令電圧算出工程）。

次に、得られた各相の信号波と搬送波との大小関係を比較し、信号波が搬送波よりも大きい場合をＨｉｇｈ信号とし、信号波が搬送波よりも小さい場合をＬｏｗ信号として、第１系統と第２系統へのゲート信号を決定する（ゲート信号決定工程）。

次に、決定されたゲート信号（Ｈｉｇｈ信号とＬｏｗ信号）に基づいて、９スイッチインバータで構成されているスイッチインバータ部への入力信号を制御する（インバータスイッチ制御工程）。具体的には表１に示すように、第１系統と第２系統のＨｉｇｈ信号とＬｏｗ信号の組み合わせに応じて、上段スイッチ、中段スイッチおよび下段スイッチのオンオフを制御する。表１および以下の図ではＵ相の場合のみを示して説明するが、Ｖ相とＷ相についても同様の制御を行う。

表１に示したように、Ｕ１相とＵ２相が共にＨｉｇｈ信号の場合（パターン１）には、上段スイッチＵｕのゲートにはオン信号を入力し、中段スイッチＵｍのゲートにはオン信号を入力し、下段スイッチＵｌのゲートにはオフ信号を入力する。Ｕ１相とＵ２相が共にＬｏｗ信号の場合（パターン２）には、上段スイッチＵｕのゲートにはオフ信号を入力し、中段スイッチＵｍのゲートにはオン信号を入力し、下段スイッチＵｌのゲートにはオン信号を入力する。

パターン１では、上段スイッチＵｕがオン、中段スイッチＵｍがオン、下段スイッチＵｌがオフとされる。したがって、上段スイッチＵｕと中段スイッチＵｍの間の電位Ｕｕｍは、上段スイッチＵｕの順方向電圧だけ電源電圧（＋Ｖ）から電圧降下したものとなり、Ｕ１相のＡ相巻線に電位Ｕｕｍが印加される。また、中段スイッチＵｍと下段スイッチＵｌの間の電位Ｕｍｌは、上段スイッチＵｕおよび中段スイッチＵｍの順方向電圧だけ電源電圧（＋Ｖ）から電圧降下したものとなり、Ｕ２相のＤ相巻線に電位Ｕｍｌが印加される。

パターン２では、上段スイッチＵｕがオフ、中段スイッチＵｍがオン、下段スイッチＵｌがオンとされる。したがって電位Ｕｕｍは、中段スイッチＵｍおよび下段スイッチＵｌの順方向電圧だけ接地電圧（０）から高い電圧となり、Ｕ１相のＡ相巻線に印加される。また電位Ｕｍｌは、下段スイッチＵｌの順方向電圧だけ接地電圧（０）から高い電圧となり、Ｕ２相のＤ相巻線に印加される。

Ｕ１相がＨｉｇｈ信号で、Ｕ２相がＬｏｗ信号の場合（パターン３）、およびＵ１相がＬｏｗ信号で、Ｕ２相がＨｉｇｈ信号の場合（パターン４）には、ともに上段スイッチＵｕのゲートにはオン信号を入力し、中段スイッチＵｍのゲートにはオフ信号を入力し、下段スイッチＵｌのゲートにはオン信号を入力する。

パターン３，４では、上段スイッチＵｕがオン、中段スイッチＵｍがオフ、下段スイッチＵｌがオンとされる。したがって電位Ｕｕｍは、上段スイッチＵｕの順方向電圧だけ電源電圧（＋Ｖ）から電圧降下したものとなり、Ｕ１相のＡ相巻線に電位Ｕｕｍが印加される。また電位Ｕｍｌは、下段スイッチＵｌの順方向電圧だけ接地電圧（０）から高い電圧となり、Ｕ２相のＤ相巻線に印加される。パターン３，４ではスイッチに印加される信号が同じになるが、各系統の電位差によって電流が発生するので、Ｕ１相がＬｏｗ信号の場合にＵ列上段スイッチＵｕがオンであっても問題ない。

図４は、本実施形態におけるＵ１相とＵ２相の信号波と搬送波について説明するグラフであり、図４（ａ）はＵ１相を示し、図４（ｂ）はＵ２相を示し、図４（ｃ）はＵ１相とＵ２相を重ね合わせた結果を示している。図４（ａ）～図４（ｃ）において横軸は位相角度を示し、縦軸は電圧を示している。ここで電圧の最大値および最小値として±１Ｖが示されているが、簡便のために規格化した表現を用いるものであり、現実の電圧値は限定されない。また、グラフ中の破線は搬送波の信号波形を示しており、ここでは三角波を用いている。図４（ａ）中の実線はＵ１相の信号波の波形を示しており指令電圧（Ｖ_ｕ＋Ｖ_ｄｃ）の変化を示している。また、図４（ｂ）中の一点鎖線はＵ２相の信号波の波形を示しており指令電圧（Ｖ_ｕ－Ｖ_ｄｃ）の変化を示している。図４では簡便のために搬送波の周波数を小さくして周期を長くして示しているが、実際のモータ装置においては５ｋＨｚ～１５ｋＨｚ程度の高周波な搬送波が用いられる。

本実施形態では、図３に示したように第１系統と第２系統の相電流を平均化して指令電圧を同じにしているため、図４（ａ）～図４（ｃ）に示したＵ１相およびＵ２相の信号波は振幅および位相が同じであり、互いに正負方向にオフセットしている。上述したように、図４（ｃ）に示した搬送波とＵ１相、Ｕ２相の大小関係に基づいて、表１に示したインバータスイッチ部の制御を行う。

図５は、本実施形態における信号波と搬送波の比較結果を示すグラフであり、図５（ａ）はＵ１相とＵ２相の信号波および搬送波の波形を示し、図５（ｂ）はＵ１相とＵ２相の比較結果を示し、図５（ｃ）は各スイッチに入力される制御信号を示している。図５（ａ）において横軸は位相角度を示し、縦軸は電圧を示している。図５（ｂ）では、横軸は図５（ａ）と同じ位相角度を示しており、横軸の軸上がＬｏｗ信号を示し、横軸から離れた位置がＨｉｇｈ信号を示している。図５（ｃ）では、横軸は図５（ａ）と同じ位相角度を示しており、横軸の軸上がオフ信号を示し、横軸から離れた位置がオン信号を示している。また、図５（ａ）～図５（ｃ）にわたって垂直に引かれた薄い破線は、図５（ａ）における搬送波と信号波の交点を示している。

図５（ａ）（ｂ）に示したように、本実施形態では第１系統と第２系統で指令電圧が互いにオフセットされており、Ｕ１相の信号波とＵ２相の信号波は、電圧差を有している。これにより、搬送波と信号波の交点はＵ１相とＵ２相で異なっており、Ｕ２相のＨｉｇｈ信号は常にＵ１相のＨｉｇｈ信号期間中であり、Ｕ１相よりも短くなっている。また、Ｕ１相とＵ２相のＨｉｇｈ信号およびＬｏｗ信号の切り替わりタイミングが異なっているため、表１に示したパターン１からパターン３に基づいて上段スイッチＵｕ、中段スイッチＵｍおよび下段スイッチＵｌのオン信号とオフ信号が選択される。つまり、スイッチ制御部は、信号波と搬送波の比較によりパルス信号を生成し、各スイッチをＰＷＭ（Ｐｕｌｔｈ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）変調制御する。

次に、有限要素法を用いたシミュレーションで、電気回路との連成解析を実施した。図６は、Ｕ１相の相電流波形をシミュレーションした結果を示すグラフである。図６の横軸は時間（秒）を示し、縦軸はＵ１相に流れる電流値（Ａ）を示している。グラフ中の相電流波形では、本実施形態の９スイッチインバータを用いた場合の結果を実線で示し、従来技術である６相インバータ（１２個のスイッチ）を用いた場合の結果を破線で示している。図６から、図１に示した９スイッチインバータを用いても、図２に示した目標波形を供給し、従来技術と同様にスイッチトリラクタンスモータを回転駆動できることがわかる。

図７は、モータ装置のトルク波形をシミュレーションした結果を示すグラフである。図７の横軸は時間（秒）を示し、縦軸はトルク（Ｎｍ）を示している。グラフ中の実線は、本実施形態の９スイッチインバータを用いた場合の結果を示し、破線は従来技術である６相インバータ（１２個のスイッチ）を用いた場合の結果を示している。図７から、図１に示した９スイッチインバータを用いても、従来技術と同様にスイッチトリラクタンスモータを回転させて継続的にトルクを出力できることがわかる。

上述したように本実施形態のモータ装置では、上段スイッチ、中段スイッチおよび下段スイッチが直列接続されたスイッチ群が３つ並列接続されたスイッチインバータ部を備えて、ベクトル制御モードでは第１系統および第２系統にそれぞれ三相ベクトル制御に基づいて制御信号を送出する。これにより、一つの回転子に２系統の三相巻線を備えるスイッチトリラクタンスモータの各相を個別に制御しながらも、スイッチ数を低減することが可能となる。

また、第１系統および第２系統の各相における電流値を取得し、各相の電流値に基づいて各系統に対する指令電圧を算出し、搬送波の電圧と指令電圧を比較してゲート信号を決定し、ゲート信号に基づいてインバータスイッチ部のオン信号／オフ信号を決定する。これにより、９スイッチインバータで２系統の三相巻線に印加するパルスを求めて回転子１１を回転させることができ、駆動状態に応じて低速から高速まで効率よく制御することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図８および図９を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。本実施形態ではさらに第１系統と第２系統をパルス駆動するパルス制御モードを備えている点が第１実施形態とは異なっている。図８は、本実施形態に係るモータ装置のスイッチインバータ部の構成を示す回路図である。図９は、本実施形態でスイッチインバータ部の各スイッチに印加されるパルス信号を示すタイミングチャートである。

本実施形態では、スイッチ制御部はパルス制御モードにおいて、Ｕ列スイッチ群の中段スイッチＵｍ、Ｖ列スイッチ群の中段スイッチＶｍおよびＷ列スイッチ群の中段スイッチＷｍに対して、オフ信号を供給する。これにより、各スイッチ群において上段スイッチと下段スイッチは、開放状態である中断スイッチによって電気的に分離される。したがって、第１系統の三相巻線に対しては、上段スイッチＵｕ、上段スイッチＶｕおよび上段スイッチＷｕでＵ１相、Ｖ１相およびＷ１相の電流供給が行われる。また、第２系統の三相巻線に対しては、下段スイッチＵｌ、下段スイッチＶｌおよび下段スイッチＷｌでＵ２相、Ｖ２相およびＷ２相の電流供給が行われる。

図９に示したようにパルス制御モードでは、上段スイッチＵｕ、下段スイッチＶｌ、上段スイッチＷｕ、下段スイッチＵｌ、上段スイッチＶｕおよび下段スイッチＷｌに対して、スイッチ制御部は位相が１／６周期ずつ異なる信号を出力する。このとき、上段と下段のスイッチにはそれぞれ反転した信号が入力される。これにより、各相のコイルに適切に電流が流れて、スイッチトリラクタンスモータを回転させることができる。

上述したように本実施形態では、スイッチ制御部がパルス制御モードを備えて、中段スイッチにオフ信号を送出して、各スイッチ群の上段スイッチで第１系統をパルス駆動し、各スイッチ群の下段スイッチで第２系統をパルス駆動する。これにより、ベクトル制御モードとパルス制御モードを切り替えて、回転速度やトルクに応じて適切な回転駆動を選択することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図１０を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。本実施形態では、第１系統と第２系統の三相巻線をヘキサゴン結線する点が第１実施形態とは異なっている。図１０は、本実施形態に係るモータ装置の概要を示す回路図である。

図１０に示すように、本実施形態のスイッチインバータ部も、電源電圧（＋Ｖ）と接地電圧（０Ｖ）の間に３つのスイッチ群（Ｕ列スイッチ群、Ｖ列スイッチ群、Ｗ列スイッチ群）が並列に接続されている。各スイッチ群には、３つのスイッチが含まれて直列接続されており、合計９個のスイッチでスイッチインバータ部が構成されている。各スイッチは、それぞれドレインが電源電圧側（上流側）に接続され、ソースが接地電圧側（下流側）に接続されている。

また図１０に示したように、モータ部はＡ相巻線、Ｅ相巻線、Ｃ相巻線の３つの巻線（コイル）で構成される第１系統の三相巻線と、Ｄ相巻線、Ｂ相巻線、Ｆ相巻線の３つの巻線で構成される第２系統の三相巻線を備えている。Ａ相巻線、Ｅ相巻線、Ｃ相巻線、Ｄ相巻線、Ｂ相巻線、Ｆ相巻線の一端は、第１実施形態と同様にスイッチインバータ部の各スイッチ間に接続されている。また、Ａ相巻線、Ｂ相巻線、Ｃ相巻線、Ｄ相巻線、Ｅ相巻線およびＦ相巻線は、環状に直列接続されて、ヘキサゴン結線されている。

第１実施形態と同様に本実施形態のモータ装置でも、上段スイッチ、中段スイッチおよび下段スイッチが直列接続されたスイッチ群が３つ並列接続されたスイッチインバータ部を備えて、ベクトル制御モードでは第１系統および第２系統にそれぞれ三相ベクトル制御に基づいて制御信号を送出する。これにより、一つの回転子に２系統の三相巻線を備えるスイッチトリラクタンスモータの各相を個別に制御しながらも、スイッチ数を低減することが可能となる。

また、第１系統および第２系統の各相における電流値を取得し、各相の電流値に基づいて各系統に対する指令電圧を算出し、搬送波の電圧と指令電圧を比較してゲート信号を決定し、ゲート信号に基づいてインバータスイッチ部のオン信号／オフ信号を決定する。これにより、９スイッチインバータで２系統の三相巻線に印加するパルスを求めて回転子１１を回転させることができ、駆動状態に応じて低速から高速まで効率よく制御することができる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

１０…モータ部
１１…回転子
１２…固定子
１３…ティース部
１４…巻線

上記課題を解決するために、本発明のモータ装置は、回転軸を中心に回転可能に配置された回転子と、内周に複数のティース部が形成された固定子を有するモータ部と、前記モータ部に電力を供給するスイッチインバータ部と、前記スイッチインバータ部に含まれる各スイッチを制御するスイッチ制御部とを備えるモータ装置であって、前記回転子が強磁性体で構成されたスイッチトリラクタンスモータであり、前記複数のティース部には、第１系統の三相巻線および第２系統の三相巻線が巻回されており、前記スイッチインバータ部は、第１電位と第２電位の間に上段スイッチ、中段スイッチおよび下段スイッチが直列接続されたスイッチ群が３つ並列接続されており、前記スイッチ制御部は、三相ベクトル制御に基づいて前記スイッチインバータ部の前記第１系統および前記第２系統にそれぞれ制御信号を送出するベクトル制御モードを備え、前記ベクトル制御モードは、信号波と搬送波の比較によりパルス信号を生成し、前記各スイッチをＰＷＭ（Ｐｕｌｔｈ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）変調制御し、前記信号波は、前記第１系統と前記第２系統とで位相が同じであり、振幅が互いにオフセットされ、前記オフセットの量は互いの前記振幅の範囲内であることを特徴とする。

また、上記課題を解決するために、本発明のモータ装置の駆動方法は、一つの回転子に対して第１系統および第２系統の三相巻線を備え、インバータスイッチ部からの出力により回転するモータ装置の駆動方法であって、前記回転子が強磁性体で構成されたスイッチトリラクタンスモータであり、前記第１系統および前記第２系統の各相における電流値を取得する電流値取得工程と、前記各相の前記電流値に基づいて、前記第１系統に対する第１指令電圧および前記第２系統に対する第２指令電圧を算出する指令電圧算出工程と、搬送波の電圧と、前記第１指令電圧および前記第２指令電圧を比較して、前記第１系統と前記第２系統についてのゲート信号を決定するゲート信号決定工程と、前記ゲート信号に基づいて前記インバータスイッチ部のオン信号／オフ信号を決定するインバータスイッチ制御工程とを備え、前記ベクトル制御モードは、信号波と搬送波の比較によりパルス信号を生成し、前記各スイッチをＰＷＭ（Ｐｕｌｔｈ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）変調制御し、前記信号波は、前記第１系統と前記第２系統とで位相が同じであり、振幅が互いにオフセットされ、前記オフセットの量は互いの前記振幅の範囲内であることを特徴とする。

Claims (9)

1. 回転軸を中心に回転可能に配置された回転子と、内周に複数のティース部が形成された固定子を有するモータ部と、
   前記モータ部に電力を供給するスイッチインバータ部と、
   前記スイッチインバータ部に含まれる各スイッチを制御するスイッチ制御部とを備えるモータ装置であって、
   前記回転子が強磁性体で構成されたスイッチトリラクタンスモータであり、
   前記複数のティース部には、第１系統の三相巻線および第２系統の三相巻線が巻回されており、
   前記スイッチインバータ部は、第１電位と第２電位の間に上段スイッチ、中段スイッチおよび下段スイッチが直列接続されたスイッチ群が３つ並列接続されており、
   前記スイッチ制御部は、三相ベクトル制御に基づいて前記スイッチインバータ部の前記第１系統および前記第２系統にそれぞれ制御信号を送出するベクトル制御モードを備えることを特徴とするモータ装置。
2. 請求項１に記載のモータ装置であって、
   前記第１系統にはＡ相、Ｅ相およびＣ相が巻回され、前記第２系統にはＤ相、Ｂ相およびＦ相が巻回されており、
   前記スイッチインバータ部は、Ｕ列スイッチ群、Ｖ列スイッチ群およびＷ列スイッチ群が並列に接続され、
   前記Ｕ列スイッチ群は、前記第１電位から順に第１上段スイッチ、第１中段スイッチおよび第１下段スイッチが直列接続され、
   前記Ｖ列スイッチ群は、前記第１電位から順に第２上段スイッチ、第２中段スイッチおよび第２下段スイッチが直列接続され、
   前記Ｗ列スイッチ群は、前記第１電位から順に第３上段スイッチ、第３中段スイッチおよび第３下段スイッチが直列接続され、
   前記第１上段スイッチと前記第１中段スイッチの間に前記Ａ相の一端が接続され、前記第１中段スイッチと前記第１下段スイッチの間に前記Ｄ相の一端が接続され、
   前記第２上段スイッチと前記第２中段スイッチの間に前記Ｅ相の一端が接続され、前記第２中段スイッチと前記第２下段スイッチの間に前記Ｂ相の一端が接続され、
   前記第３上段スイッチと前記第３中段スイッチの間に前記Ｃ相の一端が接続され、前記第３中段スイッチと前記第３下段スイッチの間に前記Ｆ相の一端が接続されていることを特徴とするモータ装置。
3. 請求項２に記載のモータ装置であって、
   前記Ａ相、前記Ｂ相、前記Ｃ相、前記Ｄ相、前記Ｅ相および前記Ｆ相は、他端が中性点に接続されて、スター結線されていることを特徴とするモータ装置。
4. 請求項２に記載のモータ装置であって、
   前記Ａ相、前記Ｂ相、前記Ｃ相、前記Ｄ相、前記Ｅ相および前記Ｆ相は、環状に直列接続されて、ヘキサゴン結線されていることを特徴とするモータ装置。
5. 請求項１から４の何れか一つに記載のモータ装置であって、
   前記スイッチ制御部は、前記ベクトル制御モードにおいて、信号波と搬送波の比較によりパルス信号を生成し、前記各スイッチをＰＷＭ（Ｐｕｌｔｈ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）変調制御することを特徴とするモータ装置。
6. 請求項５に記載のモータ装置であって、
   前記信号波は、前記第１系統と前記第２系統とで位相が同じであり、振幅が互いにオフセットされていることを特徴とするモータ装置。
7. 請求項１から６の何れか一つに記載のモータ装置であって、
   前記スイッチ制御部は、前記第１系統および前記第２系統をパルス駆動するパルス制御モードを備え、
   前記中段スイッチにオフ信号を送出し、前記上段スイッチで前記第１系統をパルス駆動し、前記下段スイッチで前記第２系統をパルス駆動することを特徴とするモータ装置。
8. 請求項１から７の何れか一つに記載のモータ装置であって、
   前記回転子の極数Ｐと、前記ティース部のスロット数Ｓの比は、Ｐ：Ｓ＝５：６であることを特徴とするモータ装置。
9. 一つの回転子に対して第１系統および第２系統の三相巻線を備え、インバータスイッチ部からの出力により回転するモータ装置の駆動方法であって、
   前記回転子が強磁性体で構成されたスイッチトリラクタンスモータであり、
   前記第１系統および前記第２系統の各相における電流値を取得する電流値取得工程と、
   前記各相の前記電流値に基づいて、前記第１系統に対する第１指令電圧および前記第２系統に対する第２指令電圧を算出する指令電圧算出工程と、
   搬送波の電圧と、前記第１指令電圧および前記第２指令電圧を比較して、前記第１系統と前記第２系統についてのゲート信号を決定するゲート信号決定工程と、
   前記ゲート信号に基づいて前記インバータスイッチ部のオン信号／オフ信号を決定するインバータスイッチ制御工程とを備えることを特徴とするモータ装置の駆動方法。
   

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