JP7086357B1 - 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】回転軸を中心に回転可能に配置された回転子（１０）と、内周に複数のティース部（２２）が形成された固定子（２０）を有するモータ部と、モータ部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、複数のティース部には、Ｕ１相、Ｖ１相およびＷ１相からなる第１系統の三相巻線と、Ｕ２相、Ｖ２相およびＷ２相からなる第２系統の三相巻線とが巻回されており、９スイッチインバータから第１系統および第２系統の三相巻線に電流を供給するモータ装置。【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２系統の三相巻線を備える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、一つの回転子に対して２系統の三相巻線（コイル）を備えたモータ装置も提案されている（例えば特許文献１を参照）。

図１０は、従来から提案されている三相巻線を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１０に示すようにモータ装置は、第１系統の三相巻線としてＵ相コイルＵ１、Ｖ相コイルＶ１、Ｗ相コイルＷ１を有し、第２系統の三相巻線としてＵ相コイルＵ２、Ｖ相コイルＶ２、Ｗ相コイルＷ２を有している。また、電源電圧（＋Ｖ）と接地電圧（０Ｖ）の間に、上段スイッチと下段スイッチの直列接続が６列並列接続されており、各上段スイッチと下段スイッチの間が各相の巻線（コイル）の一端に接続されている。各相の巻線の他端は、中性点に接続されている。

図１０に示したモータ装置の駆動回路では、１２個のスイッチを用いた６相インバータが構成されており、各相がＨｉｇｈ信号の場合には上段スイッチをオンにして下段スイッチをオフにし、各相がＬｏｗ信号の場合には上段スイッチをオフにして下段スイッチをオンにする制御が行われる。ここで、Ｈｉｇｈ信号時には電源電圧から上段スイッチを経て各巻線および中性点に電流が供給される。また、Ｌｏｗ信号時には中性点から各巻線および下段スイッチを経て接地電圧に電流が流れる。これにより、２系統の三相巻線でそれぞれ三相交流によるモータ装置の駆動制御を行うことができる。

特開２０２０－１６２３３３号公報

図１０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、前記複数のティース部には、Ｕ１相、Ｖ１相およびＷ１相からなる第１系統の三相巻線と、Ｕ２相、Ｖ２相およびＷ２相からなる第２系統の三相巻線とが巻回されており、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Ｕ列上段スイッチ、Ｕ列中段スイッチおよびＵ列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Ｖ列上段スイッチ、Ｖ列中段スイッチおよびＶ列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Ｗ列上段スイッチ、Ｗ列中段スイッチおよびＷ列下段スイッチが直列接続され、前記Ｕ列上段スイッチと前記Ｕ列中段スイッチの間に前記Ｕ１相が接続され、前記Ｕ列中段スイッチと前記Ｕ列下段スイッチの間に前記Ｕ２相が接続され、前記Ｖ列上段スイッチと前記Ｖ列中段スイッチの間に前記Ｖ１相が接続され、前記Ｖ列中段スイッチと前記Ｖ列下段スイッチの間に前記Ｖ２相が接続され、前記Ｗ列上段スイッチと前記Ｗ列中段スイッチの間に前記Ｗ１相が接続され、前記Ｗ列中段スイッチと前記Ｗ列下段スイッチの間に前記Ｗ２相が接続されてい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、３つのスイッチが直列に接続されたスイッチ群が３列に並列接続された９スイッチインバータを用い、第１系統の三相巻線を上段スイッチと中段スイッチの間に接続し、第２系統の三相巻線を中段スイッチと下段スイッチの間に接続し、スイッチ制御部で各スイッチを制御することで、一つの回転子に２系統の三相巻線を備える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。

また、本発明の一態様では、前記スイッチ制御部は、信号波と搬送波の比較によりパルス信号を生成し、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系統とで振幅および位相が同じである。

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系統とで位相が異なり、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、前記三相巻線は、前記ティース部の複数にまとめて巻回された分布巻きとして構成されている。

また、本発明の一態様では、前記三相巻線は、個々の前記ティース部に巻回された集中巻きとして構成されている。

また、本発明の一態様では、前記第１系統と前記第２系統の前記三相巻線は、同じ位相の前記ティース部に巻回されている。

また、本発明の一態様では、前記第１系統と前記第２系統の前記三相巻線は、位相が異なる前記ティース部に巻回されている。

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３（ａ）はＵ１相を示し、図３（ｂ）はＵ２相を示し、図３（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４（ａ）はＵ１相とＵ２相の信号波および搬送波の波形を示し、図４（ｂ）はＵ１相の比較結果を示し、図４（ｃ）はＵ２相の比較結果を示している。 第２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５（ａ）はＵ１相を示し、図５（ｂ）はＵ２相を示し、図５（ｃ）はＵ１相とＵ２相を重ね合わせた結果を示している。 第２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６（ａ）はＵ１相とＵ２相の信号波および搬送波の波形を示し、図６（ｂ）はＵ１相の比較結果を示し、図６（ｃ）はＵ２相の比較結果を示している。 第２実施形態の変形例における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７（ａ）はＵ１相を示し、図７（ｂ）はＵ２相を示し、図７（ｃ）はＵ１相とＵ２相を重ね合わせた結果を示している。 第３実施形態に係るモータ部の構造例を示す模式図である。 第４実施形態に係るモータ部の構造例を示す模式図である。 従来から提案されている三相巻線を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。また、三相交流で駆動されるモータ部は、Ｕ１相、Ｖ１相、Ｗ１相の３つの巻線（コイル）で構成される第１系統の三相巻線と、Ｕ２相、Ｖ２相、Ｗ２相の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。

Ｕ列スイッチ群には、電源電圧側から順にＵ列上段スイッチＵｕと、Ｕ列中段スイッチＵｍと、Ｕ列下段スイッチＵｌとが直列接続されている。また、Ｕ列上段スイッチＵｕとＵ列中段スイッチＵｍの間がＵ１相の一端に接続され、Ｕ列中段スイッチＵｍとＵ列下段スイッチＵｌの間がＵ２相の一端に接続されている。

Ｖ列スイッチ群には、電源電圧側から順にＶ列上段スイッチＶｕと、Ｖ列中段スイッチＶｍと、Ｖ列下段スイッチＶｌとが直列接続されている。また、Ｖ列上段スイッチＶｕとＶ列中段スイッチＶｍの間がＶ１相の一端に接続され、Ｖ列中段スイッチＶｍとＶ列下段スイッチＶｌの間がＶ２相の一端に接続されている。

Ｗ列スイッチ群には，電源電圧側から順にＷ列上段スイッチＷｕと、Ｗ列中段スイッチＷｍと、Ｗ列下段スイッチＷｌとが直列接続されている。また、Ｗ列上段スイッチＷｕとＷ列中段スイッチＷｍの間がＷ１相の一端に接続され、Ｗ列中段スイッチＷｍとＷ列下段スイッチＷｌの間がＷ２相の一端に接続されている。

また、第１系統の三相巻線であるＵ１相とＶ１相とＷ１相の他端は共通の中性点に接続され、第２系統の三相巻線であるＵ２相とＶ２相とＷ２相の他端は共通の中性点に接続されている。図１（ａ）に示したように、スイッチインバータ部の各スイッチ間を２系統の三相巻線に接続することで、９個のスイッチでＵ１相、Ｖ１相、Ｗ１相、Ｕ２相、Ｖ２相およびＷ２相の合計６相を制御することができる。

図１（ｂ）に示すように、モータ部は回転子（ロータ）１０と、回転子１０の周囲に配置された固定子（ステータ）２０を備えている。また、回転子１０には、外周に沿って磁石のＮ極１１ＮとＳ極１１Ｓが複数交互に配置されている。また固定子２０は、コアバック部２１と複数のティース部２２を備えている。図１（ｂ）は回転軸を中心にモータ部を４分割し、一部のみ構造を抽出して模式的に示すものであり、角度や長さは実際のモータとは一致していない。

コアバック部２１は、回転子１０の外側に回転子１０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２２が等間隔に突出して形成されている。コアバック部２１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２１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２２は、コアバック部２１の内周面から回転子１０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２２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２２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２２およびスロットには、巻線が巻回されてコイルが構成されて、巻線に電流が流れることでティース部２２に磁界が発生する。

図１（ｂ）に示した例では、モータ部は８極４８スロットの分布巻きとして構成されており、Ｕ１＋からＵ１－まで、Ｕ２＋からＵ２－まで、Ｖ１＋からＶ１－まで、Ｖ２＋からＶ２－まで、Ｗ１からＷ１－まで、およびＷ２＋からＷ２－までの複数のティース部２２が一括して巻線が巻回されており、それぞれの巻線がＵ１相、Ｕ２相、Ｖ１相、Ｖ２相、Ｗ１相およびＷ２相を構成している。

図１（ｂ）に示すように、Ｕ１相、Ｖ１相およびＷ１相は、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、Ｕ２相、Ｖ２相およびＷ２相も、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。また、第１系統と第２系統の三相巻線は、誘起電圧の位相が１／１２周期だけ異なっており、第１系統よりも第２系統のほうが回転子１０の回転方向における下流に位置するように構成されている。図１（ｂ）では８極４８スロットの例を示したが、極数およびスロット数は限定されない。また、ティース部２２への各相の巻回方法も分布巻きに限定されず集中巻きであってもよい。

図２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、モータ部のＵ１相、Ｖ１相、Ｗ１相、Ｕ２相、Ｖ２相およびＷ２相を流れる駆動電流ｉ_ｕ１，ｉ_ｖ１，ｉ_ｗ１，ｉ_ｕ２，ｉ_ｖ２およびｉ_ｗ２をそれぞれモニターする（電流値取得工程）。得られた各駆動電流から第１系統と第２系統の平均の相電流ｉ_ｕ，ｉ_ｖ，ｉ_ｗを求め、さらに三相ｄｑ変換を行って回転座標系に変換し電流ｉ_ｄ，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、指令電圧ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊を得る。また、第１系統の指令電圧ｖ_ｕ１ ^＊，ｖ_ｖ１ ^＊，ｖ_ｗ１ ^＊と第２系統の指令電圧ｖ_ｕ２ ^＊，ｖ_ｖ２ ^＊，ｖ_ｗ２ ^＊をｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊に設定する。得られた第１系統の指令電圧ｖ_ｕ１ ^＊，ｖ_ｖ１ ^＊，ｖ_ｗ１ ^＊および第２系統の指令電圧ｖ_ｕ２ ^＊，ｖ_ｖ２ ^＊，ｖ_ｗ２ ^＊は、それぞれ周期的に変化するＵ１相、Ｖ１相、Ｗ１相、Ｕ２相、Ｖ２相およびＷ２相の信号波となる。（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、Ｕ列上段スイッチＵｕのゲートにはオン信号を入力し、Ｕ列中段スイッチＵｍのゲートにはオン信号を入力し、Ｕ列下段スイッチ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、Ｕ列上段スイッチＵｕのゲートにはオフ信号を入力し、Ｕ列中段スイッチＵｍのゲートにはオン信号を入力し、Ｕ列下段スイッチＵｌのゲートにはオン信号を入力する。図２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た場合には、常にパターン１，２の制御がスイッチインバータ部に加えられる。

パターン１では、Ｕ列上段スイッチＵｕがオン、Ｕ列中段スイッチＵｍがオン、Ｕ列下段スイッチＵｌがオフとされる。したがって、Ｕ列上段スイッチＵｕとＵ列中段スイッチＵｍの間の電位Ｕｕｍは、Ｕ列上段スイッチ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相の巻線に電位Ｕｕｍが印加される。また、Ｕ列中段スイッチＵｍとＵ列下段スイッチＵｌの間の電位Ｕｍｌは、Ｕ列上段スイッチＵｕおよびＵ列中段スイッチ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相の巻線に電位Ｕｍｌが印加される。

パターン２では、Ｕ列上段スイッチＵｕがオフ、Ｕ列中段スイッチＵｍがオン、Ｕ列下段スイッチＵｌがオンとされる。したがって、電位Ｕｕｍは、Ｕ列中段スイッチＵｍおよびＵ列下段スイッチＵｌの順方向電圧だけ接地電圧（０）から高い電圧となり、Ｕ１相の巻線に印加される。また電位Ｕｍｌは、Ｕ列下段スイッチ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Ｕ列上段スイッチＵｕのゲートにはオン信号を入力し、Ｕ列中段スイッチＵｍのゲートにはオフ信号を入力し、Ｕ列下段スイッチＵｌのゲートにはオン信号を入力する。

パターン３，４では、Ｕ列上段スイッチＵｕがオン、Ｕ列中段スイッチＵｍがオフ、Ｕ列下段スイッチＵｌがオンとされる。したがって、電位Ｕｕｍは、Ｕ列上段スイッチ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相の巻線に電位Ｕｕｍが印加される。また電位Ｕｍｌは、Ｕ列下段スイッチ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３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３（ａ）はＵ１相を示し、図３（ｂ）はＵ２相を示し、図３（ｃ）はＵ１相とＵ２相を重ね合わせた結果を示している。図３（ａ）～図３（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３（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_ｕ１ ^＊の変化を示している。また、図３（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_ｕ２ ^＊の変化を示している。図３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２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３（ａ）（ｂ）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、図３（ｃ）に示したように一致している。上述したように、図３（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４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４（ａ）はＵ１相とＵ２相の信号波および搬送波の波形を示し、図４（ｂ）はＵ１相の比較結果を示し、図４（ｃ）はＵ２相の比較結果を示している。図４（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４（ｂ）（ｃ）では、横軸は図４（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。また、図４（ａ）～図４（ｃ）にわたって垂直に引かれた薄い破線は、図４（ａ）における搬送波と信号波の交点を示している。

図４に示したように、本実施形態ではＵ１相とＵ２相の信号波が同じ振幅と同じ位相であるため、搬送波との交点も同じとなっており、Ｕ１相とＵ２相で同じタイミングでＨｉｇｈ信号とＬｏｗ信号が切り替わっている。よって、本実施形態ではＵ１相とＵ２相が共にＨｉｇｈ信号か共にＬｏｗ信号の場合のみ存在する。したがって、図１に示したモータ装置では、図示しないスイッチ制御部から表１のパターン１，２に従ってインバータスイッチング部の各スイッチにパルス信号が加えられる。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。

上述したように本実施形態のモータ装置では、３つのスイッチが直列に接続されたスイッチ群が３列に並列接続された９スイッチインバータを用い、第１系統の三相巻線を上段スイッチと中段スイッチの間に接続し、第２系統の三相巻線を中段スイッチと下段スイッチの間に接続し、スイッチ制御部で各スイッチを制御することで、一つの回転子１０に２系統の三相巻線（Ｕ１相、Ｖ１相、Ｗ１相、Ｕ２相、Ｖ２相、Ｗ２相）を備える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。

また、第１系統および第２系統の各相における電流値ｉ_ｕ１，ｉ_ｖ１，ｉ_ｗ１，ｉ_ｕ２，ｉ_ｖ２，ｉ_ｗ２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ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊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１０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。

また本実施形態のモータ装置では、第１系統と第２系統の巻線に流れる電流値を平均してベクトル制御に用い、第１系統と第２系統の信号波の位相と振幅を同じにしている。これにより、第１系統と第２系統で位相差があっても大きなトルクを得て高速回転を実現することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図５および図６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、モニターした第１系統の駆動電流ｉ_ｕ１，ｉ_ｖ１，ｉ_ｗ１および第２系統の駆動電流ｉ_ｕ２，ｉ_ｖ２，ｉ_ｗ２について、それぞれの系統毎に三相ｄｑ変換、ＰＩ制御、三相逆ｄｑ変換を行う点が第１実施形態と異なっている。したがって本実施形態では、各系統での演算によってそれぞれ第１系統の第１指令電圧ｖ_ｕ１ ^＊，ｖ_ｖ１ ^＊，ｖ_ｗ１ ^＊および第２系統の第２指令電圧ｖ_ｕ２ ^＊，ｖ_ｖ２ ^＊，ｖ_ｗ２ ^＊が算出され、互いに位相の異なる信号波とされる。

図５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５（ａ）はＵ１相を示し、図５（ｂ）はＵ２相を示し、図５（ｃ）はＵ１相とＵ２相を重ね合わせた結果を示している。図５（ａ）～図５（ｃ）において横軸は位相角度を示し、縦軸は電圧を示し、破線は搬送波の信号波形を示している。図５（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_ｕ１ ^＊の変化を示している。また、図５（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_ｕ２ ^＊の変化を示している。

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系統で個別に指令電圧を算出しているため、Ｕ１相の信号波とＵ２相の信号波は、位相が１／１２周期（３０°）異なったものとなっている。これは、図１（ｂ）に示したようにＵ１相とＵ２相が１／１２ずれたティース部２２に巻回されていることに起因する。図５（ａ）（ｂ）で示したように、第１系統のＵ１相と第２系統のＵ２相では信号波に位相差が生じているため、第１実施形態のようにそのまま搬送波と比較すると、Ｕ１相の指令電圧ｖ_ｕ１ ^＊よりもＵ２相の指令電圧ｖ_ｕ２ ^＊のほうが大きくなる場合が発生してしまう。

本実施形態では、これを回避するために、Ｕ１相およびＵ２相の信号波の振幅をそれぞれオフセットし、常に指令電圧ｖ_ｕ１ ^＊が指令電圧ｖ_ｕ２ ^＊よりも大きくなるように補正したうえで、搬送波と比較を行う。具体例としては、図５（ｃ）に示したように、Ｕ１相の振幅を半分にして最大電圧が＋１で最小電圧が０となるようにオフセットし、Ｕ２相の振幅を半分にして最大電圧が０で最小電圧が－１となるようにオフセットを行う。つまり、電源電圧に近い第１系統のＵ１相での信号波の最小値と、接地電圧に近い第２系統のＵ２相での信号波の最大値が同じとなるように補正してからゲート信号決定工程を実行する。

図６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６（ａ）はＵ１相とＵ２相の信号波および搬送波の波形を示し、図６（ｂ）はＵ１相の比較結果を示し、図６（ｃ）はＵ２相の比較結果を示している。図６（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６（ｂ）（ｃ）では、横軸は図６（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。また、図６（ａ）～図６（ｃ）にわたって垂直に引かれた薄い破線は、図６（ａ）における搬送波と信号波の交点を示している。

図６（ａ）に示したように、本実施形態ではＵ１相とＵ２相の信号波で位相が異なっており、振幅も互いにオフセットされているため、信号波と搬送波との交点はＵ１相とＵ２相で異なっている。つまり、Ｕ１相とＵ２相ではＨｉｇｈ信号とＬｏｗ信号の切り替わるタイミングが異なる。また、Ｕ１相の信号波は最小値が０にオフセットされ、Ｕ２相の信号波は最大値が０にオフセットされているため、常に指令電圧ｖ_ｕ１ ^＊が指令電圧ｖ_ｕ２ ^＊よりも大きくなり、Ｕ２相がＨｉｇｈ信号になるのは、Ｕ１相がＨｉｇｈ信号の期間内に限定される。よって、本実施形態ではＵ１相とＵ２相が共にＨｉｇｈ信号か共にＬｏｗ信号の場合と、Ｕ１相がＨｉｇｈ信号でＵ２相がＬｏｗ信号の場合が存在する。したがって本実施形態のモータ装置では、スイッチ制御部から表１のパターン１，２，３に従ってインバータスイッチング部の各スイッチにパルス信号が加えられる。

上述したように本実施形態のモータ装置でも、一つの回転子に２系統の三相巻線を備える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。また、第１系統および第２系統の各相における電流値ｉ_ｕ１，ｉ_ｖ１，ｉ_ｗ１，ｉ_ｕ２，ｉ_ｖ２，ｉ_ｗ２を取得し、各相の電流値に基づいて各系統に対してそれぞれ第１指令電圧ｖ_ｕ１ ^＊，ｖ_ｖ１ ^＊，ｖ_ｗ１ ^＊と第２指令電圧ｖ_ｕ２ ^＊，ｖ_ｖ２ ^＊，ｖ_ｗ２ ^＊を算出し、オフセットした第１指令電圧および第２指令電圧と搬送波の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１０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。

また本実施形態のモータ装置では、第１系統と第２系統の巻線に流れる電流値の位相差をそのままベクトル制御に用い、第１系統と第２系統の信号波の位相を異ならせて電圧値をオフセットしている。これにより、第１系統と第２系統で位相差があっても巻線の配置における位相差に応じて適切にスイッチを制御でき、モータの回転時におけるトルク脈動を抑制することができる。

（第２実施形態の変形例）
次に、本発明の第２実施形態の変形例について図７を用いて説明する。第１実施形態および第２実施形態と重複する内容は説明を省略する。本変形例では、第１系統と第２系統の信号波をオフセットする際の比率が第２実施形態と異なっている。本変形例でも第１系統の第１指令電圧ｖ_ｕ１ ^＊，ｖ_ｖ１ ^＊，ｖ_ｗ１ ^＊および第２系統の第２指令電圧ｖ_ｕ２ ^＊，ｖ_ｖ２ ^＊，ｖ_ｗ２ ^＊を算出して、Ｕ１相とＵ２相で位相の異なる信号波を求めるまでは第２実施形態と同様である。

図７は、本変形例における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７（ａ）はＵ１相を示し、図７（ｂ）はＵ２相を示し、図７（ｃ）はＵ１相とＵ２相を重ね合わせた結果を示している。図７（ａ）（ｂ）に示したように、本変形例ではＵ１相とＵ２相の信号波は、位相が１／１２周期（３０°）異なったものとなっている。図７（ｃ）に示すように本変形例でも、Ｕ１相およびＵ２相の信号波の振幅をそれぞれオフセットし、常に指令電圧ｖ_ｕ１ ^＊が指令電圧ｖ_ｕ２ ^＊よりも大きくなるように補正したうえで、搬送波と比較を行う。

具体例としては、図７（ｃ）に示したように、Ｕ１相の振幅を１／４にして最大電圧が＋１で最小電圧が０．５となるようにオフセットし、Ｕ２相の振幅を３／４にして最大電圧が０．５で最小電圧が－１となるようにオフセットを行う。つまり、電源電圧に近い第１系統のＵ１相での信号波の最小値と、接地電圧に近い第２系統のＵ２相での信号波の最大値が同じとなるように補正してからゲート信号決定工程を実行する。ここでは、Ｕ１相とＵ２相の信号波の振幅を１：３となるように変更したが、他の比率であってもよい。

図７（ｃ）に示したように、Ｕ１相およびＵ２相の信号波と搬送波の交点は、図６に示したものよりも高電位側になる。したがって、Ｕ１相およびＵ２相の両者において、ゲート信号がＨｉｇｈ信号になる期間が図６に示したものよりも長くなる。

上述したように本変形例のモータ装置では、Ｕ１相とＵ２相の信号波をオフセットする際に、任意の比率で振幅を変更することで、Ｕ１相とＵ２相のゲート信号におけるＨｉｇｈ信号のデューティ比を調整することが可能であり、モータ装置の回転制御における自由度が向上する。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図８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系統の三相巻線で、誘起電圧の位相を同じにした点が第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部の構造例を示す模式図である。

図８に示すように、モータ部は回転子１０と、回転子１０の周囲に配置された固定子２０を備えている。また、回転子１０には、外周に沿って磁石のＮ極１１ＮとＳ極１１Ｓが複数交互に配置されている。また固定子２０は、コアバック部２１と複数のティース部２２を備えている。図８に示した例では、モータ部は１６極２４スロットの集中巻きとして構成されており、各ティース部２２には、Ｕ１，Ｖ２、Ｗ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｗ２の順に巻線が巻回されており、それぞれの巻線がＵ１相、Ｖ２相、Ｗ１相、Ｕ２相、Ｖ１相およびＷ２相を構成している。

図８に示したように、Ｕ１相とＵ２相とは、Ｎ極１１ＮとＳ極１１Ｓとの相対的位置が同じに配置されている。したがって、Ｕ１相、Ｖ１相およびＷ１相からなる第１系統の三相巻線は、Ｕ２相、Ｖ２相およびＷ２相からなる第２系統の三相巻線と誘起電圧の位相が同じとされている。図８に示した構成のモータ装置であっても、第１実施形態において図２～図４を用いて説明したものと同様の駆動方法を用いることで、モータ部を回転駆動することができる。図８では各巻線の巻回方法として集中巻きの例を示したが、分布巻きであってもよい。

上述したように本実施形態のモータ装置では、誘起電圧の位相が同じとなるように第１系統と第２系統の三相巻線を構成しても、一つの回転子１０に２系統の三相巻線を備える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。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図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、第１系統と第２系統の三相巻線を同じティースに巻回して、誘起電圧の位相を同じにした点が第１実施形態とは異なっている。図９は、本実施形態に係るモータ部の構造例を示す模式図である。

図９に示すように、モータ部は回転子１０と、回転子１０の周囲に配置された固定子２０を備えている。また、回転子１０には、外周に沿って磁石のＮ極１１ＮとＳ極１１Ｓが複数交互に配置されている。また固定子２０は、コアバック部２１と複数のティース部２２を備えている。図９に示した例では、モータ部は１６極２４スロットの集中巻きとして構成されており、各ティース部２２に対して、それぞれＵ１とＵ２，Ｖ１とＶ２、Ｗ１とＷ２の巻線が巻回されており、それぞれの巻線がＵ１相とＵ２相、Ｖ１相とＶ２相およびＷ１相とＷ２相を構成している。

図９に示したように、Ｕ１相とＵ２相、Ｖ１相とＶ２相、Ｗ１相とＷ２相は、それぞれ同じティースに共通して巻回されている。したがって、Ｕ１相、Ｖ１相およびＷ１相からなる第１系統の三相巻線は、Ｕ２相、Ｖ２相およびＷ２相からなる第２系統の三相巻線と誘起電圧の位相が同じとされている。図９に示した構成のモータ装置であっても、第１実施形態において図２～図４を用いて説明したものと同様の駆動方法を用いることで、モータ部を回転駆動することができる。図９では各巻線の巻回方法として集中巻きの例を示したが、分布巻きであってもよい。

上述したように本実施形態のモータ装置では、第１系統と第２系統の三相巻線を同じティースに巻回する構成であっても、一つの回転子１０に２系統の三相巻線を備える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。

（第５実施形態）
第１実施形態から第４実施形態では、Ｎ極１１ＮおよびＳ極１１Ｓを構成する磁石として永久磁石を用いたものを示したが、一つの回転子に対して２系統の三相巻線が用いられるモータ装置であれば、モータ部の種類に依存せず誘導機やシンクロナスリラクタンスモータ等にも適用可能である。

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…回転子
１１Ｎ…Ｎ極
１１Ｓ…Ｓ極
２０…固定子
２１…コアバック部
２２…ティース部

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、
   前記複数のティース部には、Ｕ１相、Ｖ１相およびＷ１相からなる第１系統の三相巻線と、Ｕ２相、Ｖ２相およびＷ２相からなる第２系統の三相巻線とが巻回されており、
   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Ｕ列上段スイッチ、Ｕ列中段スイッチおよびＵ列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Ｖ列上段スイッチ、Ｖ列中段スイッチおよびＶ列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Ｗ列上段スイッチ、Ｗ列中段スイッチおよびＷ列下段スイッチが直列接続され、
   前記Ｕ列上段スイッチと前記Ｕ列中段スイッチの間に前記Ｕ１相が接続され、前記Ｕ列中段スイッチと前記Ｕ列下段スイッチの間に前記Ｕ２相が接続され、
   前記Ｖ列上段スイッチと前記Ｖ列中段スイッチの間に前記Ｖ１相が接続され、前記Ｖ列中段スイッチと前記Ｖ列下段スイッチの間に前記Ｖ２相が接続され、
   前記Ｗ列上段スイッチと前記Ｗ列中段スイッチの間に前記Ｗ１相が接続され、前記Ｗ列中段スイッチと前記Ｗ列下段スイッチの間に前記Ｗ２相が接続されてい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、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。
3. 請求項２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系統とで振幅および位相が同じであ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、
   前記信号波は、前記第１系統と前記第２系統とで位相が異なり、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。
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、
   前記三相巻線は、前記ティース部の複数にまとめて巻回された分布巻きとして構成されていることを特徴とするモータ装置。
6. 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、
   前記三相巻線は、個々の前記ティース部に巻回された集中巻きとして構成されていることを特徴とするモータ装置。
7. 請求項５または６に記載のモータ装置であって、
   前記第１系統と前記第２系統の前記三相巻線は、同じ位相の前記ティース部に巻回されていることを特徴とするモータ装置。
8. 請求項５または６に記載のモータ装置であって、
   前記第１系統と前記第２系統の前記三相巻線は、位相が異なる前記ティース部に巻回されてい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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