(57)【要約】【課題】各ロータに対応する磁束を作るにはインバータを多相にする必要があり、ロータに応じて相数を多くすると、スイッチ素子の数が増え制御も複雑化する。【解決手段】各々が異なる極対数を持つ複数のロータ(R1,R2)、もしくは、異なる複数の極対数に相当する磁石磁束を合算して発生させる磁束発生部材を持つ１つのロータ(24)と、１つのステータ(St1,21)とから構成される同期電動機を駆動する３相または４相のインバータに対して行う同期電動機の電流制御方法は、複数のロータを構成する各極対数、或いは前記１つのロータを構成する各極対数、に対応した複数の電流磁界を合算し、複数或いは１つのロータが回転できるような複合電流をステータに与えるようインバータを制御する。本構成によれば、ロータを構成する各極対数に対応した複数の電流磁界を合算し、かつ回転できるように電流を与えるので、従来の２ロータ、１ステータの同期電動機に比べてインバータの相数を少なくでき、モータ駆動システム全体の小型化が可能になる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々が異なる極対数を持つ複数のロータ、もしくは、異なる複数の極対数に相当する磁石磁束を合算して発生させる磁束発生部材を持つ１つのロータと、１つのステータとから構成される同期電動機を駆動する３相または４相のインバータに対して行う同期電動機の電流制御方法であって、
前記複数のロータを構成する各極対数、或いは前記１つのロータを構成する各極対数、に対応した複数の電流磁界を合算し、かつ、前記複数或いは１つのロータが回転できるような複合電流を前記ステータに与えるように前記インバータを制御する、
ことを特徴とする同期電動機の電流制御方法。
【請求項２】
請求項１に記載の同期電動機の電流制御方法において、
前記複数のロータを構成する極対数毎、或いは、前記１つのロータを構成する極対数毎に、電流指令値に基づき前記ステータを構成するステータコイルに印加するべき電圧指令値を求める電圧指令値算出ステップと、
前記ステータのコイル電流から前記ロータのそれぞれの極対数に対応する電流成分を抽出する抽出ステップと、
前記抽出ステップにより抽出された極対数毎の電流成分をフィードバック要素として電圧指令値算出ステップに与えるステップと、
を含むことを特徴とする同期電動機の電流制御方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の同期電動機の電流制御方法において、
前記インバータが３相インバータであり、前記複数のロータ或いは１つのロータを構成する複数の極対数同士が、３の倍数以外の整数倍の極対数比を持つ場合に、少ない極対数に対しては電気角で１２０°ずれた正弦波と、多い極対数に対しては電気角で１２０°×極対数比ずれた正弦波とを含むような前記複合電流を前記３相インバータに与える、
ことを特徴とする同期電動機の電流制御方法。
【請求項４】
請求項１または２に記載の同期電動機の電流制御方法において、
前記インバータが４相インバータであり、前記複数のロータ或いは１つのロータを構成する複数の極対数同士が、３の倍数の極対数比を持つ場合に、少ない極対数に対しては電気角で９０°ずれた正弦波と、多い極対数に対しては電気角で９０°×極対数比ずれた正弦波とを含むような前記複合電流を前記４相インバータに与える、
ことを特徴とする同期電動機の電流制御方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の同期電動機の電流制御方法において、
前記複数のロータが機械的に接続された単一のロータである、
ことを特徴とする同期電動機の電流制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は同期電動機の電流制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車にも多数用いられている電動モータでは、自動車という用途上、小型化と効率に対して厳しい要求がなされている。現在、電動モータを走行用に搭載した自動車の多くは、エンジンの出力とモータの出力を組み合わせて走行するハイブリッド自動車であり、発電機用途と電動機用途の２つのモータを搭載したものが多い。このようなハイブリッド自動車用モータの小型化・高効率化を実現する手段として特許第３４８０３０１号（特許文献１を参照されたい。）が提案されている。
【０００３】
この発明によれば、１つのステータに給電することで２つのロータを独立に回転させることが可能であり、１つのモータ体格で２つのモータ分のトルクを発生させることが可能である。これに加えて、両ロータに合わせてステータに与えられる電流の平均値は、単純に２つのモータに電流を与えた場合の平均値より低く、電流による損失が低減するという効果がある。
【特許文献１】特許第3480301号公報（特開平11-275827号公報、段落0010、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、それぞれのロータに対応する磁束を作るにはインバータを多相にする必要があった。例えば、１ロータに対し３相とすると、合計６相のインバータが必要であった。このようにロータに応じて相数を多くすると、スイッチ素子の数が増え、制御も複雑化するという問題が生じる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、このような問題に対応するもので、異なる極対数を持つ複数の磁石付きロータもしくは異なる複数の極対数に相当する磁石磁束を合算した１つのロータに対して、相数を削減するように１つのステータで複数の極対に対応する電流磁界を発生するための電流制御方法を提供する。
上述した諸課題を解決すべく、第１の発明による同期電動機の電流制御方法は、
各々が異なる極対数を持つ（異なる極対数に相当する磁石の組をそれぞれ持つ）複数のロータ、もしくは、異なる複数の極対数に相当する磁石磁束を（例えば、ロータ側のエアギャップ側の表面に）合算して発生させる磁束発生部材を持つ１つのロータと（各極対数に相当する磁石の組が複数含まれる。）、１つのステータとから構成される同期電動機を駆動する３相または４相のインバータに対して行う同期電動機の電流制御方法であって、
前記複数のロータを構成する各極対数、或いは前記１つのロータを構成する各極対数、に対応した複数の電流磁界を合算し、かつ、前記複数或いは１つのロータが回転できるような複合電流を前記ステータに与えるように前記インバータを制御する、
ステップを含むことを特徴とする。
【０００６】
また、第２の発明による同期電動機の電流制御方法は、
前記複数のロータを構成する極対数毎（即ち、各極対数を構成する磁石の組ごと）、或いは、前記１つのロータを構成する極対数毎（即ち、各極対数を構成する磁石の組ごと）に、（上位回路などから得られるインバータに対する）電流指令値に基づき前記ステータを構成するステータコイルに印加するべき電圧指令値を求める電圧指令値算出ステップと、
（電流センサなどを用いて得られる）前記ステータのコイル電流（より具体的には電流波形）から前記ロータのそれぞれの極対数（に相当する磁石の組）に対応する電流成分を抽出する抽出ステップと、
前記抽出ステップにより抽出された極対数毎の電流成分をフィードバック要素として電圧指令値算出ステップに与えるステップと（即ち、抽出された電流成分をフィードバック要素として用い、例えば、前記抽出ステップにより抽出された電流成分と、前記ロータの極対数毎の電流指令値とを比較してその差分を求め、これに基づき電圧指令値を求める。）、
を含むことを特徴とする。
【０００７】
また、第３の発明による同期電動機の電流制御方法は、
前記インバータが３相インバータであり、前記複数のロータ或いは１つのロータを構成する複数の極対数同士が、３の倍数以外の整数倍の極対数比を持つ場合に、少ない極対数に対しては電気角で１２０°ずれた正弦波と、多い極対数に対しては電気角で１２０°×極対数比ずれた正弦波とを含むような前記複合電流を前記３相インバータに与える、
ステップを含むことを特徴とする。
【０００８】
また、第４の発明による同期電動機の電流制御方法は、
前記インバータが４相インバータであり、前記複数のロータ或いは１つのロータを構成する複数の極対数同士が、３の倍数の極対数比を持つ場合に、少ない極対数に対しては電気角で９０°ずれた正弦波と、多い極対数に対しては電気角で９０°×極対数比ずれた正弦波とを含むような前記複合電流を前記４相インバータに与える、
ステップを含むことを特徴とする。
【０００９】
また、第５の発明による同期電動機の電流制御方法は、
前記複数のロータが機械的に接続された単一のロータである、
ことを特徴とする。
【００１０】
上述したように本発明の解決手段を方法として説明してきたが、本発明はこれらに実質的に相当する装置、プログラム、プログラムを記録した記憶媒体としても実現し得るものであり、本発明の範囲にはこれらも包含されるものと理解されたい。
【発明の効果】
【００１１】
第１の発明によれば、ロータを構成する各極対数に対応した複数の電流磁界を合算し、かつ回転できるように電流を与えるので、従来の２ロータ、１ステータの同期電動機に比べてインバータの相数を少なくすることができ、モータ駆動システム全体の小型化が可能になる。
【００１２】
また、第２の発明によれば、前記電流制御方法には、ロータの極対数毎に電流指令値に基づきステータコイルに印加する電圧指令値を求める手段と、ステータのコイル電流波形からロータのそれぞれの極対に対応する成分を抽出する手段と、これにより抽出された成分とロータ極対毎の電流指令値とを比較する手段が有り、これらにより求めたロータの極対毎の電圧指令値を合算した信号によりインバータを制御するので、各極対に対応した回転磁束を効果的に発生させる事ができる。
【００１３】
また、第３の発明によれば、ロータが３の倍数以外の整数倍の極対数比を持つ場合に、少ない極対数に対しては電気角で１２０°ずれた正弦波、多い極対数に対しては電気角で１２０°×極対数比ずれた正弦波を発生させ３相インバータに与えるので、少ない相数のインバータによって、このロータに対応した複数の電流磁界を合算した回転磁界を発生させることができる。
【００１４】
また、第４の発明によれば、ロータが３の倍数の極対数比を持つ場合に、少ない極対数に対しては電気角で９０°ずれた正弦波、多い極対数に対しては電気角で９０°×極対数比ずれた正弦波を発生させ４相インバータに与えるので、少ない相数のインバータによって、このロータに対応した複数の電流磁界を合算した回転磁界を発生させることができる。
【００１５】
また、第５の発明によれば、前記複数のロータは機械的に接続されたロータであって、このロータに対して前記電流制御方法を用いるので、例えばホイールインモータのように１軸のみでよいような用途において、１つのモータ体格で２つのモータ分のトルクを発生させることが可能となる２ロータ、１ステータモータの特徴を活かしつつ、少ない相数のインバータでモータ駆動が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以降、諸図面を参照しつつ、本発明の実施態様を詳細に説明する。
第１の実施例
図１には３の倍数以外の整数倍の極対数比を持つロータおよびそれに対応するステータの具体的な例を示した。はじめに、図１のロータについて説明する。外側ロータＲ２には４極対の極対数を持つように８つの磁石が配置されている。一方、内側ロータＲ１には２極対の極対数を持つように４つの磁石が配置されている。なお、図中の符号Ｎは、ステータ側にＮ極が対向するＮ極の磁石を表し、符号Ｓはステータ側にＳ極が対向するＳ極の磁石を表す。それぞれのロータはベアリング等を介して図示しないモータハウジングにより回転自在に支持されている。
【００１７】
次にステータについて説明する。ステータ（固定子）Ｓｔ１には６個のティースがあり、６個のティースには、それぞれ巻線を集中的に巻いている。この巻線は、３個おきに配置されている２個が１組となっており、直列あるいは並列に接続されて巻線の組を作っている。巻線の組は３組あって、各巻線の組の一方はそれぞれ他の巻線の組の一方と接続している。図中のＵ，Ｖ，Ｗは、それぞれ、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の巻線を表す。また、モータＭを構成する各巻線組の他端は図２に示した３相のインバータとそれぞれ接続している。図２に示すように、このインバータはスイッチング素子ＳＷ１−６、ダイオードＤ１−６で構成されており、電源Ｖｄｃ、および平滑コンデンサＣ１に接続してある。
【００１８】
次に電流の制御方法について説明する。図３には制御ブロック図を示す。図３に示すように、前述のようにロータが２極対と４極対の極対をもつことから、２極対に対応するd軸電流に関するd1電流指令およびq軸電流に関するq1電流指令と、４極対に対応するd軸電流に関するd2電流指令およびq軸電流に関するq2電流指令を作り制御ブロックに入力する。
【００１９】
次に磁石トルクを出す場合の電流指令について説明する。まず２極対の電流指令について説明する。２極対で出すトルクに対応するd1電流指令と後述するフィードバック信号の差分を図３の制御ブロックに入力する。電流指令は図３の電流制御器１によりコイルに印加する電圧指令に変換し、さらに２相／３相座標変換器２でｄ軸、ｑ軸成分を２極対の周波数でもって回転座標に変換し、２相から３相に変換した後に４極対側の電圧指令と加算してインバータ９に入力する。なお回転信号は内側の２極対のロータに取り付けられたポジションセンサ１１から得た信号を用いる。インバータ９には図示しないＰＷＭ信号を発生する機能がついており、前記の電圧指令に応じた電圧をモータ１０の各巻線に印加する。
【００２０】
またフィードバック信号は、モータの電流を電流センサＡＭで取得して、３相／２相座標変換器３で３相から２相に変換し、さらに２極対の周波数でもって回転座標からｄ軸、ｑ軸に逆変換する。この信号をローパスフィルタ４によって４極対の波形成分を除去した後にフィードバック要素として電流制御器１に入力する。以上の処理で得たフィードバック信号と電流指令の差を電流制御器１に入力する。この電流制御器１、２相／３相座標変換器２、３相／２相座標変換器３、ローパスフィルタ４からなる制御ブロックは２極対のためのブロックであるため、２極対用制御ブロックＢ１と呼ぶこととする。同様に、４極対の電流指令も同様にして電圧指令を作り、４極対用制御ブロックＢ２も、電流制御器５、２相／３相座標変換器６、３相／２相座標変換器７、ローパスフィルタ８からなる。ただし、回転信号は外側の４極対のロータに取り付けられたポジションセンサ１２から得た信号を用いる。
【００２１】
なお、ここでは磁石トルクのみを考慮したのでｑ軸に関しては０と仮定したが、リラクタンストルクを制御する場合には同様にしてｑ軸の指令を作る。また本実施例では３相のインバータを用いており、極対数比が３の倍数である場合には適応できないが、その場合については第２の実施例において説明する。
【００２２】
以上をまとめると、従来の２つのロータをもつ同期電動機では、それぞれのロータに対応した相数、例えば３相＋３相で合計６相のインバータが必要であったが、複合化した電流をステータに流せば３相のインバータで済む事になり、インバータの相数は少なくてよい。すなわち、本発明によって２ロータ＋１ステータの同期電動機の持つ特徴、すなわち１つのモータ体格で２つのモータ分のトルクを発生させ、両ロータに合わせてステータに与えられる電流の平均値は、単純に２つのモータに電流を与えた場合の平均値より低く、電流による損失が低減するという利点を活かしつつ、相数が少ないインバータで複数のロータに対応した複合化した回転磁界を発生する事ができる。
【００２３】
第２の実施例
図４に、３の極対数比を持つロータおよびそれに対応するステータの具体的な例を示す。はじめに図４のロータについて説明する。外側ロータＲ３には４極対の磁石の組を構成するように８個の磁石が配置されている。一方、内側ロータＲ４には１２極対の磁石の組を構成するように２４個の磁石が配置されている。即ち、それぞれに１組の磁石が配置される。それぞれのロータはステータＳｔ２の内側に配置されており、この場合は２つのロータは機械的に結合しているものとする。結合されたロータの（ステータ側の）表面には双方の組の磁石の合成磁束が分布している。
【００２４】
ところで、図２のような３相のインバータでは、基本波形の３倍の周波数の波形を作ることができないため、このロータで十分なトルクを出すことができない。そこで図４のような３倍の極対数比を持つロータに対しては、図５に示す４相インバータを用いる。このインバータは、増加した１相分に対応して、スイッチング素子ＳＷ７，８、ダイオードＤ７，８が設けられている。制御ブロックは図６の通りであり、４極対に対応するd軸電流に関するd1電流指令およびq軸電流に関するq1電流指令と、１２極対のd軸電流に関するd2電流指令およびq軸電流に関するq2電流指令を電圧指令に変換し、４相でそれぞれ生成した後に合成して、この指令をインバータ9（ＩＮＶ）に入力する。即ち、４極対用制御ブロックＢ３、１２極対用制御ブロックＢ４で生成した電圧指令を構成してインバータに与える構成である。なお、この場合は２つのロータが一体となるので、ポジションセンサ１１は１つでよい。
【００２５】
インバータには図示しないＰＷＭ信号を発生する手段が設けられており、前記の電圧指令に応じた電圧をモータの各巻線に印加する。ポジションセンサが１つであること以外は制御ブロックの詳細は第１の実施例と同じである。なお、４相の場合には各相はπ／２ずつずれる関係に有り、ｄ軸成分をA相電流とすれば、ｑ軸はB相、−ｄ軸がC相、−ｑ相がD相となる。そこでインバータと各相巻線を、例えばA相とC相を同じアームにそれぞれの相の巻線を逆方向になるように接続し、B相とD相を同じアームにそれぞれの相の巻線を逆方向になるように接続することも可能である。その際は各コイル組（A相−C相とB相−D相）をそれぞれフルブリッジ回路に接続する。
【００２６】
以上では２つのロータを機械的に結合した例を示したが、図７のように１体構造のロータで磁石を内外で貼り合わせる構造であっても良い。図７に示すように、単一のロータＲｔは、４極対で構成される外側ロータＲ５と、１２極対で構成される内側ロータＲ６とを貼り合わせた構成とすることもできる。なお、作図や説明の便宜上、Ｒ５とＲ６との間には空隙があるが、実際にはロータを貼り合せた後はこの空隙はなくなる。
【００２７】
図７のモータは磁石の相殺部分を除去していない構成であるが、相殺部分を除去した構成でも本発明を適用できる。図８に、相殺部分を除去したロータ構成の断面図を示す。２１はステータであり、１８個の分割されたコア２２から構成され、１８個の分割されたコア２２には、それぞれ巻線２３が集中的に巻かれている。この巻線は、６個おきに配置されている３個が１セット（トータル６セット）となっており、直列、あるいは並列に接続され、その一方が中性点として他の相の一方と接続され、他方は図示しないインバータの内部で、電源ラインのＰ側・Ｎ側にスイッチング素子を介して接続されている。このインバータは６相を制御する構成となっている。なお、この固定子は分割されたコアで記述されているが、分割されないコアでも同様の動作ができること、或いはスロットレス型モータでも本発明を適用することが可能である。また、巻線は集中巻に限らず分布巻でも適用可能である。
【００２８】
２４は回転子（ロータ）であり、この実施例では、回転子２４は、Ｎ極の３つの磁石Ｎ１〜Ｎ３、Ｓ極の６つの磁石Ｓ１〜Ｓ６を含み、これらの磁石は３極対と６極対の２種類の極対数を備える２組の磁石として機能する。この場合の２組の磁石は、概念的なものであり、部材が明確に分離されているものではなく、固定子の巻線に供給される複合電流を構成する１つの電流に対して、３極対の磁石のセットとして振る舞う磁石の組が１つあり、複合電流を構成するもう１つの電流に対して、６極対の磁石のセットとして振る舞う磁石の組が１つあることを意味するものであり、各磁石Ｓ１〜Ｓ６、Ｎ１〜３が同時に双方の組の磁石として機能するものである。この詳細については図９を参照して説明する。作図や説明の便宜上、回転子の磁石をＮ極、Ｓ極として図示・説明するが、Ｎ−Ｓ極の構成・配置を逆に置き換えても発明の作用・効果は同様であることに留意されたい。さらに、Ｎ極、Ｓ極の磁石は、磁力線の向きが半径方向となるように、着磁方向をそれぞれ半径方向（反対向きで）にした磁石を、Ｎ極を外側（固定子側）、Ｓ極を外側（固定子側）に配置したものである。この実施例では磁石は着磁方向を半径方向に配置したものを用いてあるが、この配置には限定されず、磁力線がほぼ半径方向に向いていれば問題なく、例えばＶ字型の磁石配置であってもよい。
【００２９】
図９は、図８の回転子生成説明図であり、図９の（Ａ）は、２回転子構造のモータの回転子であり、内側回転子が３極対、外側回転子が６極対の磁石を備える。この磁石を内側の回転子の表層に２層に配置したのが図９の（Ｂ）である。配置の際に、若干の位相調整をしている。図９（Ｂ）を見ると、回転子２４Ａは着磁方向の異なる２種類の磁石が幾つかの位置で互いに接している。周知のように着磁方向の異なる磁石を張り合わせた場合、双方の磁力が同じであれば磁石が無い物と等価である。
【００３０】
そこで、径方向に見て異なる着磁の磁石が張り合わせてある部分から磁石を排除したのが図９（Ｃ）であり、この回転子２４にはＮ極の磁石Ｎ１〜Ｎ３，Ｓ極の磁石Ｓ１〜Ｓ６が含まれる。この結果、周囲に曲線で示したような、３極対と６極対の複合磁束ＣＦを発生する回転子２４が完成する。なお、この回転子は、極性の違う磁石が接触している部分の磁石を除去していない、内側回転子と外側回転子とを一体にした構成である図９（Ｂ）の構成で基本的には成立し、小型化、電流低減の効果が得られるものであり、図９（Ｃ）と同じ複合磁束ＣＦ（図９（Ｂ）には図示せず）が発生することに注意されたい。つまり、回転子２４Ａは、インナーロータの第１の回転子とアウターロータの第２の回転子とを一体化した構成の回転子である。もちろん、不要な磁石を除去した図９（Ｃ）の構成の方が削除した磁石分の慣性の低減によるトルクの向上、モータの軽量化、削除した磁石の分の経費節減などでさらに効果がある。なお、本発明は、このような磁石の相殺部分を除去した後の構成でも、除去しない構成でも適用可能である。
【００３１】
また、図９（Ｃ）では、不要な磁石を除去した領域は空間となっており、空気がその領域を占めているが、この空気が占める領域は磁束を通さない機能を果たしている。即ち、磁石を除去したこの領域には、鉄などの磁束を通し易い素材以外の部材を置く必要があるが、通常は空間（空気）でこと足りる。もちろん、当該領域には空気以外の磁束を通しにくい部材が設置されていいてもかまわない。
【００３２】
本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各部材、各手段、各ステップなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の部材、手段、ステップなどを１つに組み合わせたり或いは分割したりすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】２倍の極対数比を持つロータの断面図である。
【図２】３相のインバータ回路図である。
【図３】２倍の極対数比を持つロータに対応する電流制御ブロック図である。
【図４】３倍の極対数比を持つロータの断面図である。
【図５】４相のインバータ回路図である。
【図６】３倍の極対数比を持つロータに対応する電流制御ブロック図である。
【図７】内外の磁石を貼り合わせた３倍の極対数比を持つ一体構造ロータの断面図である。
【図８】相殺部分を除去したロータ構成を示す断面図である。
【図９】図８の回転子生成説明図である。
【符号の説明】
【００３４】
Ｒ１  内側ロータ
Ｒ２  外側ロータ
Ｓｔ１  ステータ
モータ  Ｍ
Ｃ１  平滑コンデンサ
Ｄ１−８  ダイオード
ＳＷ１−８  スイッチング素子
Ｖｄｃ  電源
１，５  電流制御器
２，６  ２相／３相座標変換器
３，７  ３相／２相座標変換器
４，８  ローパスフィルタ
９  インバータ
１０  モータ
１１,１２  ポジションセンサ
ＡＭ  電流センサ
Ｂ１  ２極対用制御ブロック
Ｂ２  ４極対用制御ブロック
Ｂ３  ４極対用制御ブロック
Ｂ４  １２極対用制御ブロック
Ｒ３  外側ロータ
Ｒ４  内側ロータ
Ｓｔ２  ステータ
Ｒ５  外側ロータ
Ｒ６  内側ロータ
Ｒｔ  ロータ
２１  ステータ
２２  コア
２３  巻線
２４  回転子
２４Ａ  回転子
ＣＦ  複合磁束
Ｎ１-Ｎ３  磁石
Ｓ１-Ｓ６  磁石
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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