(57)【要約】【課題】信頼性に優れ、トルク増大も可能な交流モータ装置を提供すること。【解決手段】互いに独立する３相コイル１１〜１３には、互いに独立する３つのＨブリッジ２１〜２３から独立に単相交流電流が給電される。このようにすれば、装置コストの増大を抑止しつつ、装置の信頼性の向上及びトルクの一時的な向上が可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
N（Nは３以上の整数）相の相コイルにより構成されるステータコイルを有する同期モータと、前記ステータコイルにN相の交流電圧を印加するインバータ回路とを備える交流モータ装置において、
前記インバータ回路は、互いに電気的に分離された前記各相コイルに、単相交流電圧である相電圧を個別に出力するＮ個のフルブリッジインバータを有することを特徴とする交流モータ装置。
【請求項２】
請求項１記載の交流モータ装置において、
前記インバータ回路は、３相の相コイルに３相の相電圧を個別に印加する３個のフルブリッジインバータを有する交流モータ装置。
【請求項３】
請求項２記載の交流モータ装置において、
前記インバータ回路は、前記３個のフルブリッジインバータの一つが故障したかどうかを検出するとともに、この故障を検出した場合に故障相の前記フルブリッジインバータを完全に停止させて、残りの２つのフルブリッジインバータが出力する２相の相電圧により前記交流モータを２相運転する交流モータ装置。
【請求項４】
請求項２記載の交流モータ装置において、
前記インバータ回路は、前記交流モータの運転中に前記３個のフルブリッジインバータの２つが故障したかどうかを検出するとともに、この故障を検出した場合に故障した２相の前記フルブリッジインバータを完全に停止させて、残りの１つのフルブリッジインバータが出力する１相の相電圧により前記交流モータを単相運転する交流モータ装置。
【請求項５】
請求項２記載の交流モータ装置において、
前記３個のフルブリッジインバータは、所定位相角だけ離れた３相の正弦波電圧を前記３相の相コイルに個別に出力する交流モータ装置。
【請求項６】
請求項２記載の交流モータ装置において、
前記３個のフルブリッジインバータが出力する前記各相電圧のベクトル和は０ではない交流モータ装置。
【請求項７】
請求項６記載の交流モータ装置において、
前記同期モータは、３相星形接続された前記ステータコイルを有して同期リラクタンストルクを発生するリラクタンスモータであり、
前記フルブリッジインバータは、自己が通電する前記相コイルのインダクタンスが大きい位相期間の高周波電流成分と基本の正弦波電流成分との和である非正弦波電流を出力する交流モータ装置。
【請求項８】
請求項１記載の交流モータ装置において、
前記ステータコイルは、３つの相コイルによりそれぞれ構成された第１、第２の３相コイルからなり、
前記インバータ回路は、３相インバータにより構成されて前記第１の３相コイルに３相電流を給電する第１の３相インバータと、前記３つのフルブリッジインバータにより構成されて前記第２の３相コイルに３相電流を給電する第２の３相インバータとを有する請求項２記載の交流モータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえば多相の交流電流が通電されるステータコイルを有する同期モータを含む交流モータ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
同期モータは、直流モータに対して複雑で保守が難しい整流機構を省略できる点、及び、誘導機に対してロータの二次銅損を省略乃至低減できるため、高効率モータとして広く用いられている。
【０００３】
同期モータとして、磁石界磁型同期モータ（PM）、界磁コイル型同期モータ、シンクロナスリラクタンスモータ（ｓｙｎＲM）などのようにステータコイルに交流電圧が印加される同期モータと、スイッチドリラクタンスモータ（SRM）のようにステータコイルに直流電圧が印加される同期モータとがある。前者の交流駆動型の同期モータは、後者の直流駆動型の同期機あるＳＲＭに比べて、トルクリップルや振動が小さく、トルクが大きいという利点を有しているため、高効率モータとして広く採用されている。このため、以下において、前者の交流駆動型の同期モータを単に同期モータと略称するものとする。この種の同期モータがたとえば下記の特許文献１に記載されている。
【０００４】
従来の同期モータの駆動のために、単相、２相、３相など様々な交流電圧をステータコイルに印加することが知られているが、ある程度以上の大きさのモータでは３相交流電圧の使用が標準となっている。これは、相数が３より小さいとトルクリップルが増大し、相数が５より大きいとトルクリップルは減るもののインバータ回路や巻線構成が複雑化して製造コストが増大してしまうためである。
【０００５】
従来において、上記した３相同期モータを駆動するインバータ回路としては、通常、上アーム側のパワースイッチング素子（上アーム素子と略称する）と、下アーム側のパワースイッチング素子（下アーム素子と略称する）とを直列接続してなるハーフインバータを３相分だけ並列接続してなる３相インバータが用いられている。この３相インバータは、３相の相コイルが。星形又はΔ接続されてなるステータコイルに３相交流電圧を供給する。
【特許文献１】特開２０００−３１２５００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ハイブリッド車や電気自動車などでは、搭載する蓄電装置に限界があるためモータ損失の低減は極めて重要である。このため、他形式のモータに比べて高効率である同期モータは、ハイブリッド車や電気自動車などの走行動力発生用のモータとして好適である。
【０００７】
しかしながら、この種の車載モータは、車両走行中の故障発生防止の観点から通常用途のモータに比べて格段の信頼性が要求される。また、快適性の要求からトルクリップルの低減要求や、車両軽量化の観点からトルク増大の要求も大きかった。
【０００８】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、従来よりも格段に信頼性に優れた交流モータ装置を提供することをその解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決する本発明は、N（Nは３以上の整数）相の相コイルにより構成されるステータコイルを有する同期モータと、前記ステータコイルにN相の交流電圧を印加するインバータ回路とを備える交流モータ装置において、前記インバータ回路は、互いに電気的に分離された前記各相コイルに、単相交流電圧である相電圧を個別に出力するＮ個のフルブリッジインバータを有することを特徴としている。
【００１０】
すなわち、この発明は、互いに分離されたステータコイルの各相コイルに対して、ハーフインバータを２つ並列接続してなるフルブリッジインバータ（単相インバータ又はHブリッジとも呼ばれる）をＮ個準備し、これらＮ個のＨブリッジが各相コイルを互いに独立に駆動することをその特徴としている。このようにすれば、インバータ回路のコスト増大を抑止しつつ、その信頼性を大幅に向上することができる。
【００１１】
好適な態様において、前記インバータ回路は、３相の相コイルに３相の相電圧を個別に印加する３個のフルブリッジインバータを有する。このようにすれば、回路構成の複雑化を抑止しつつ、その信頼性を大幅に向上することができる。なお、３相の相コイルは、ステータコアに集中巻きされてもよく、分布巻きされてもよい。
【００１２】
好適な態様において、前記インバータ回路は、前記３個のフルブリッジインバータの一つが故障したかどうかを検出するとともに、この故障を検出した場合に故障相の前記フルブリッジインバータを完全に停止させて、残りの２つのフルブリッジインバータが出力する２相の相電圧により前記交流モータを２相運転する。このようにすれば、一つのフルブリッジインバータが故障した場合でもいわゆる V相運転により交流モータの運転を継続できるため、信頼性を大幅に向上することができる。
【００１３】
好適な態様において、前記インバータ回路は、前記交流モータの運転中に前記３個のフルブリッジインバータの２つが故障したかどうかを検出するとともに、この故障を検出した場合に故障した２相の前記フルブリッジインバータを完全に停止させて、残りの１つのフルブリッジインバータが出力する１相の相電圧により前記交流モータを単相運転する。このようにすれば、２つのフルブリッジインバータが故障した場合でもいわゆる単相運転により交流モータの運転を継続できるため、信頼性を大幅に向上することができる。なお、所定周波数の相電圧は、この周波数で規定される角速度の性逆の回転磁界を形成することが知られている。
【００１４】
好適な態様において、前記３個のフルブリッジインバータは、所定位相角だけ離れた３相の正弦波電圧を前記３相の相コイルに個別に出力する。これにより、従来の３相星形接続方式に比べて、相コイルに高電圧を印加できるため、そのコイルターン数を増大してステータ電流を減らし、銅損を低減できる。また、従来の３相Δ接続方式に比べて、循環電流を０とすることができるため、無駄な損失を減らすことができる。
【００１５】
好適な態様において、前記３個のフルブリッジインバータが出力する前記各相電圧のベクトル和は０ではない。つまり、この態様によれば、３つの相コイルの電流を互いに独立に制御可能な点を利用して、たとえばこれら３つの相コイルにそれぞれ最適な相電流を通電することができる。これに対して、従来の３相星形接続又は３相Δ接続方式では、各相電流の和が０となるため、各相コイルにそれぞれ最適な相電流を与えることが本質的に不可能である。
【００１６】
大トルクが必要な場合にはたとえば各相コイルにはトルクが最大となる波形の相電流が与えられ、トルクリップル低減が優先される場合には各相コイルにはたとえば正弦波電流がそれぞれ通電される。その他、トルクリップルや磁気振動を更に低減した場合には、これらトルクリップルや磁気振動を生じさせる高調波電流と逆位相の高調波電流成分が各相電流に互いに独立に重畳される。
【００１７】
好適な態様において、前記同期モータは、３相星形接続された前記ステータコイルを有して同期リラクタンストルクを発生するリラクタンスモータであり、前記フルブリッジインバータは、自己が通電する前記相コイルのインダクタンスが大きい位相期間の高周波電流成分と基本の正弦波電流成分との和である非正弦波電流を出力する。このようにすれば、電源電圧を増大することなく、正弦波駆動に比べてトルクを増大することが可能となる。
【００１８】
好適な態様において、前記ステータコイルは、３つの相コイルによりそれぞれ構成された第１、第２の３相コイルからなり、前記インバータ回路は、３相インバータにより構成されて前記第１の３相コイルに３相電流を給電する第１の３相インバータと、前記３つのフルブリッジインバータにより構成されて前記第２の３相コイルに３相電流を給電する第２の３相インバータとを有する。このようにすれば、回路コストの増大を抑止しつつ、信頼性を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、この発明の好適な実施形態を図面を参照して説明する。ただし、本発明は下記の実施形態に限定解釈されるものではなく、公知の他の構成要素を組み合わせて本発明の技術思想を実現してもよい。
【００２０】
（実施形態１）
本発明の交流モータ装置の第１の実施形態を図１を参照しつつ説明する。この交流モータ装置は、同期モータ１と、同期モータ１に３相交流電流を給電するインバータ回路２と、インバータ回路２を制御するモータコントローラ３とを有している。なお、実際にはその他、交流モータの各相電流を検出する回路やロータ回転角を検出する角度センサを有するが、これらは、同期モータ装置では周知であるため、図示を省略する。
【００２１】
同期モータ１は、交流電圧駆動されるタイプの同期モータであり、たとえばｓｙｎＲM又はPMにより構成されることができる。１１、１２、１３は、ロータコアに電気角２π／３離れて互いに独立に巻装された３つの相コイルであり、これら３相コイル１１〜１３は同期モータ１のステータコイルを構成している。
【００２２】
インバータ回路２は、図略の直流電源から互いに独立に直流電源電圧が印加される３つのフルブリッジインバータ（以下、Hブリッジと呼称する）２１〜２３からなる。良く知られているように、Hブリッジ２１〜２３は、互いに逆動作する一対のハーフインバータによりそれぞれ構成され、一対のハーフインバータの出力端は、３相コイル１１〜１３の一つの相コイルの両端に単相交流電圧を印加するＨブリッジの一対の出力端を構成している。
【００２３】
モータコントローラ３は、外部からのトルク指令、検出した相電流、及び検出したロータ回転角に基づいて、インバータ回路２の３つのＨブリッジ２１〜２３をPWM制御する。このＰＷＭ制御制御は、通常の３相インバータのＰＷＭ制御と本質的に同じである。たとえばＨブリッジ２１の第１のハーフブリッジは、通常の３相インバータのU相ハーフブリッジと同様にＰＷＭ制御され、このＨブリッジ２１の第２のハーフブリッジは、通常の３相インバータのU相ハーフブリッジと逆相でＰＷＭ制御される。これにより、各Ｈブリッジ２１〜２３は、それぞれ単相交流電圧、好適には単相正弦波電圧を出力する。したがって、図１の交流モータ装置は、通常の３相Δ接続のステータコイルを通常の３相インバータで駆動する場合と本質的に同じであるので、これ以上の説明は省略する。
【００２４】
（効果）
この実施例の効果を図２、図３を参照して説明する。図２は３相インバータが３相Δ接続のステータコイルへ給電する状態を示す回路図である。図３は、３相Ｈブリッジが３相独立相コイルに給電する状態を示すこの実施例の回路図である。図２、図３において、Iu、Iv、Iwは、３相コイル１１〜１３に流れる相電流である。図２の相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの振幅と、図３の相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗとは等しいと仮定する。
【００２５】
図２の回路では、良く知られているようにインバータの各相電流Ia、Ib、Icは、相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの振幅の１．７３倍（３の平方根）の大きさの振幅をもつ。これに対して、図３の回路では、各Ｈブリッジ２１〜２３は相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを個別に出力する。したがって、Ｈブリッジ２１〜２３は、図２の３相インバータ２０の１／１．７３倍の大きさの電流容量のパワースイッチング素子で構成されることができる。ただし、Ｈブリッジ２１〜２３は、３相インバータ２０の一つの相のハーフインバータに対して２倍の素子数を必要とする。このことは、図３の各アームに用いるパワー素子を２つ並列に接続して、図２の１相のハーフインバータの各アームを構成できることを意味する。
【００２６】
したがって、図２の３相インバータは、等しい合計１２個のパワースイッチング素子を用いて構成する場合、図３の３Ｈブリッジ型のインバータ回路に対して、２／１．７３倍だけ多く電流を流せることがわかる。逆に言えば、図３の３Ｈブリッジ型のインバータ回路２は、図２のΔ接続ステータコイルに給電する３相インバータ２０に対して１４％だけ流せる電流が減ることを意味する。
【００２７】
しかしながら、図３の３Ｈブリッジ型のインバータ回路２は、３相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを独立に制御できるという、図２に示す３相インバータ２０では実現することができない非常に優れた利点をもつ。
【００２８】
このことは、図３において、Ｈブリッジ２１〜２３の短絡故障や断線故障、Ｈブリッジ２１〜２３と３相コイル１１〜１３を接続する給電線の外れや絶縁不良、相コイル１１〜１３の断線や絶縁不良に対して、これら３相の給電回路系の一つ又は２つを停止させても問題なく、モータの運転を継続できることを意味する。つまり、この実施形態によれば、わずか１５％程度の電流容量の低減を甘受すれば、交流モータ装置の信頼性を格段に向上できることがわかる。このような信頼性向上は、特に車両用モータにおいて重要である。
【００２９】
更に、この実施例の３Ｈブリッジ型のインバータ回路２は、３相Δ接続のステータコイルにおいて種々の非線形要因により実際には避けることができない循環電流を禁止し、それによる無駄な損失、発熱を低減できるという効果も奏することができる。この利点は、特に、３つの相コイルの電流の和が０とならないモード（以下、非回転対称モードとも言う）での運転において特に重要である。
【００３０】
（故障対応制御）
各種故障モードに対するモータコントローラ３の対応制御動作を図４に示すフローチャートを参照して具体的に説明する。
【００３１】
まず、一相故障が発生したかどうかを判定する（ステップS１００）。この一相故障とは、図１に示す交流モータ装置が、一つの相コイルと一つのＨブリッジとそれらを接続する電力ラインとからなる相回路系を３つ有すると見なした場合に、一つの相回路系のみが故障し、残りの２つの相回路系が正常である状態を意味する。なお、ここで言う故障とは、断線故障、短絡故障及び絶縁不良故障の両方を含む。断線故郷や短絡故障は相電流の検出値と基準値との比較により容易に判定される。絶縁故障も各Ｈブリッジの零相電流の検出値と基準値との比較により容易に判定される。これらの断線故障、短絡故障及び絶縁不良故障の検出の具体的手法はもはや当業者に周知事項であり、本発明の特徴部分ではないためこれ以上の説明は省略する。
【００３２】
一相故障が発生していなければ、通常の３相運転モードを選択して（ステップＳ１０２）、図略のメインルーチンに戻り、この３相運転モードを実行する。なお、この３相運転モードは、たとえば減磁制御しないPMにおいては、３相の相コイル１１〜１３に２π／３位相角差をもつ正弦波の相電流を通電する制御であり、この正弦波の相電流の振幅は入力トルクに比例する。
【００３３】
一相故障が発生したと判定した場合には、更に二相故障が発生したかどうかを判定する（ステップS１０４）。この二相故障とは、既述した３つの相回路系のうちの２つが同時に故障した場合を言う。二相故障が発生していなければ、一相回路系のみ故障していると最終判定し、今後 V相運転モードでの交流モータの運転を選択し（ステップＳ１０６）、メインルーチンにリターンする。なお、３相モータのV相運転については当業者に良く知られているため説明を省略する。
【００３４】
ステップＳ１０４にて二相故障が発生したと判定した場合には更にモータが現在運転中かどうかを判定する（ステップS１０８）。モータが運転中であれば単相運転モードを選択し、モータが停止中であればモータの今後の起動を禁止する（ステップＳ１１０）。これは、モータが運転中であれば、発生トルクは小さくなるものの単相交流モータとして運転を継続できることを利用したものである。ただし、単相交流モータに起動トルクは期待できないため、モータ停止中においては無駄な起動による電力ロスや発熱を回避する。
【００３５】
以上説明した制御を行うことにより、回路構成の少ない負担追加により大幅な信頼性向上を実現することがわかる。
【００３６】
（大トルク発生制御）
たとえば車両走行トルクを発生するモータにおいて、モータ運転時間のほとんどは、モータの最大トルクより大幅に小さい発生トルクでの運転がなされる。ただし、たとえば車両追い越時や低温下のエンジン始動時など一部の時間において大きなトルク発生が要求される。この要望に対する好適な対応制御を以下に説明する。
【００３７】
まず、正弦波駆動の最大トルクよりも大きなトルク発生を要求する指令が入力されたかどうかを調べ（ステップＳ２００）、入力されていない場合にはトルクリップルや振動、騒音が小さい通常の正弦波モードを選択し（ステップＳ２０２）、メインルーチンに戻って３つのＨブリッジ２１〜２３に正弦波の相電流を出力させる。大トルク発生指令が入力された場合には、正弦波駆動の最大トルクよりも大きなトルク発生が可能な非正弦波波形を発生させる非正弦波駆動モードを選択し（ステップＳ２０４）、メインルーチンに戻ってこの非正弦波波形の各相電流を３つのＨブリッジ２１〜２３から発生させる。これにより、同期モータ１から正弦波駆動の最大トルクよりも大きなトルクを発生させることができる。ただし、トルクリップルや振動、騒音は増大する。
【００３８】
この非正弦波電流の通電によるトルク増大について更に詳しく説明する。ただし、同期モータ１は、リラクタンストルクを発生するモータ、たとえばIPMやシンクロナスリラクタンスモータ（ｓｙｎＲM）とする。良く知られているように、リラクタンストルクは、電流の２乗とインダクタンスの微分値の絶対値との積に比例する。したがって、インダクタンスはロータ回転角の関数であるので、たとえばこの相コイル１１のインダクタンスの微分値の絶対値が大きい期間に、相コイル１１に流す相電流Ｉｕを大きくすればよい。このような非正弦波波形の相電流を相コイルに通電することによりリラクタンストルクを増大できることは、当業者に公知となっている。また、磁石界磁式同期モータにおいて、磁石磁束トルクは、磁石磁束トルクとｑ軸電流との積となる。正弦波波形からたとえば台形波形などの非正弦波波形とすることにより、ｑ軸電流の平均値を増大できることも当業者に公知となっている。
【００３９】
そこで、この実施形態では、大トルク発生を指令された場合に、３つの相コイルＩｕ、Ｉｖ、Ｉｗの波形を台形に近い非正弦波波形とすることにより、トルクを増大させる。エンジン起動時や追い越し加速時などは一時的短期間であるため、トルクリップル、振動及び騒音が増大する不利益よりもトルクが増大する利益の方が大きいため、この実施形態によれば装置の大型化を回避しつつ大トルクを発生することができる。なお、従来の３相インバータでは、各相電流の和が０となるためにこのような非正弦波駆動には制限が生じる。
【００４０】
（実施形態２）
他の実施形態を図６を参照して説明する。
【００４１】
この実施形態は、図１に示す３相Ｈブリッジ独立駆動方式の交流モータ装置において、３相星形コイル１１０と、この３相星形コイル１１０に給電する３相インバータ２００とを追加した点にその特徴がある。３相星形コイル１１０は、３相コイル１１１〜１１３を３相星形接続してなり、３相インバータ２００は、通常の３相インバータと同じく、３つのハーフインバータ２０１〜２０３を並列接続して構成されている。３相インバータ２００は、３相モータを駆動する通常の３相インバータと同様の３相電圧を３相コイル１１１〜１１３に出力する。これら３相コイル１１１〜１１３と３相コイル１１〜１３とを空間的に同位置に巻装してもよく、又は、全体として６相となるように空間配置してもよい。
【００４２】
このようにすれば、従来の３相インバータと実施形態１で説明した３相Ｈブリッジとの中間的な特性をもつ運転動作を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】実施形態１の交流モータ装置の構成を示す回路図である。
【図２】３相Δ接続構成の交流モータ装置の電流状態を示す回路図である。
【図３】図１の３相Ｈブリッジ構成の交流モータ装置の電流状態を示す回路図である。
【図４】故障対応制御を説明するためのフローチャートである。
【図５】非正弦波波形による大トルク発生モードを説明するためのフローチャートである。
【図６】実施形態２の交流モータ装置の構成を示す回路図である。
【符号の説明】
【００４４】
１      同期モータ
２      インバータ回路
３      モータコントローラ
１１〜１３      相コイル
２１〜２３      Ｈブリッジ
１１０      ３相星形コイル
１１１〜１１３      相コイル
２００      ３相インバータ
２０１〜２０３      ハーフインバータ
【図１】
2009303298.tif 000003
【図２】
2009303298.tif 000004
【図３】
2009303298.tif 000005
【図４】
2009303298.tif 000006
【図５】
2009303298.tif 000007
【図６】
2009303298.tif 000008