特開 2023-158312 モータ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023158312

(43)【公開日】2023-10-30

(54)【発明の名称】モータ装置

(51)【国際特許分類】

   H02P 25/08 20160101AFI20231023BHJP

   H02P 29/028 20160101ALI20231023BHJP

【ＦＩ】

H02P25/08

H02P29/028

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022068067

(22)【出願日】2022-04-18

(71)【出願人】

【識別番号】504176911

【氏名又は名称】国立大学法人大阪大学

(71)【出願人】

【識別番号】521210667

【氏名又は名称】株式会社Ａ．Ｈ．ＭｏｔｏｒＬａｂ

(74)【代理人】

【識別番号】110001667

【氏名又は名称】弁理士法人プロウィン

(72)【発明者】

【氏名】新口 昇

(72)【発明者】

【氏名】平田 勝弘

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 寛典

(72)【発明者】

【氏名】竹村 望

【テーマコード（参考）】

5H501

【Ｆターム（参考）】

5H501BB04

5H501BB08

5H501CC01

5H501DD09

5H501EE08

5H501HA08

5H501HB08

5H501HB16

5H501JJ03

5H501LL35

5H501MM11

(57)【要約】

【課題】スイッチの故障時にも回転駆動を継続することが可能であり、かつ小型化と軽量化を図ることができるモータ装置を提供する。
【解決手段】ティース部（１３）にはＡ相、Ｂ相、Ｃ相、Ｄ相、Ｅ相およびＦ相の６相巻線が巻回されており、スイッチインバータ部（２０）は、第１インバータ部と第２インバータ部を有し、スイッチ制御部は、スイッチインバータ部の故障が検出されていない場合には、第１インバータ部および第２インバータ部を用いた６相スイッチトリトラクタンスモータとしてパルス駆動により制御を行い、故障が検出された場合には、第１インバータ部または第２インバータ部のうち故障に対応した一方からの電流出力を停止するとともに、他方を用いて３相シンクロナスリラクタンスモータとしてベクトル制御で駆動を行う。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項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、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相、Ｄ相、Ｅ相およびＦ相の６相巻線が巻回されており、
前記スイッチインバータ部は、前記Ａ相、前記Ｃ相および前記Ｅ相に電流を供給する第１インバータ部と、前記Ｂ相、前記Ｄ相および前記Ｆ相に電流を供給する第２インバータ部を有し、
前記スイッチ制御部は、前記スイッチインバータ部の故障が検出されていない場合には、通常モードで前記スイッチインバータ部を制御し、前記スイッチインバータ部の故障が検出された場合には、故障モードで前記スイッチインバータ部を制御し、
前記通常モードは、前記第１インバータ部および前記第２インバータ部を用いた６相パルス駆動により制御を行い、
前記故障モードでは、前記第１インバータ部または前記第２インバータ部のうち故障に対応した一方からの電流出力を停止するとともに、他方を用いて３相ベクトル制御で駆動を行うことを特徴とするモータ装置。

【請求項2】

請求項１に記載のモータ装置であって、
前記故障モードでのベクトル制御では、前記回転子での検出角度をθとしたとき、θ／２を用いることを特徴とするモータ装置。

【請求項3】

請求項１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。

【請求項4】

請求項１から３の何れか一つ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、一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。

【請求項5】

請求項１から３の何れか一つ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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、モータ装置に関し、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に関する。

【背景技術】

【0002】

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のモータ装置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）。

【0003】

このようなモータ装置においては、モータ装置の各巻線に適切なタイミングで電流を供給するために、複数の半導体スイッチを有するスイッチインバータを用いている。しかし、スイッチインバータに含まれている半導体スイッチに故障が発生すると、モータ装置の各巻線に適切な電力を供給できなくなり、モータ装置の回転駆動を継続できなくなるという問題があった。特に、モータ装置を動力源に組み込んだ電気自動車やハイブリッドカーにおいては、モータ装置を回転駆動できないと車両の走行に支障が生じるため好ましくない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１６－１０３９５７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

この問題を解決するために、モータ装置に回転子とスイッチインバータ部を複数備えておくことで、何れかのスイッチインバータ部の半導体スイッチが故障した場合にも、残りのスイッチインバータ部で他の回転子を回転させて動力の供給を継続できる。しかし、サイズと重量の大きな回転子を複数備えるため、モータ装置の小型化と軽量化が困難になるという問題があった。

【0006】

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、スイッチの故障時にも回転駆動を継続することが可能であり、かつ小型化と軽量化を図ることができるモータ装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

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、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相、Ｄ相、Ｅ相およびＦ相の６相巻線が巻回されており、前記スイッチインバータ部は、前記Ａ相、前記Ｃ相および前記Ｅ相に電流を供給する第１インバータ部と、前記Ｂ相、前記Ｄ相および前記Ｆ相に電流を供給する第２インバータ部を有し、前記スイッチ制御部は、前記スイッチインバータ部の故障が検出されていない場合には、通常モードで前記スイッチインバータ部を制御し、前記スイッチインバータ部の故障が検出された場合には、故障モードで前記スイッチインバータ部を制御し、前記通常モードは、前記第１インバータ部および前記第２インバータ部を用いた６相パルス駆動により制御を行い、前記故障モードでは、前記第１インバータ部または前記第２インバータ部のうち故障に対応した一方からの電流出力を停止するとともに、他方を用いて３相ベクトル制御で駆動を行うことを特徴とする。

【0008】

このような本発明のモータ装置では、一つの回転子に対して６相巻線を設けて、第１インバータ部と第２インバータ部の何れかに故障が検出された場合に、故障側からの電流出力を停止し、他方を用いてベクトル制御で駆動を継続する。これにより、スイッチの故障時にも回転駆動を継続することが可能であり、かつ小型化と軽量化を図ることができる。

【0009】

また、本発明の一態様では、前記故障モードでのベクトル制御では、前記回転子での検出角度をθとしたとき、θ／２を用いる。

【0010】

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。

【0011】

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、一端が中性点に接続されて、スター結線されている。

【0012】

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。

【発明の効果】

【0013】

本発明では、スイッチの故障時にも回転駆動を継続することが可能であり、かつ小型化と軽量化を図ることができるモータ装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】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）はモータ部１０の構造例を示す模式図であり、図１（ｂ）はスイッチインバータ部２０の構成例を示す回路図である。

【図2】通常モードにおけるスイッチインバータ部２０の制御を示すタイミングチャートである。

【図3】モータ部１０のＡ相巻線～Ｆ相巻線をスター結線した場合の、通常モードと故障モードの駆動を説明する模式図である。

【図4】モータ部１０のＡ相巻線～Ｆ相巻線をヘキサゴン結線した場合の、通常モードと故障モードの駆動を説明する模式図である。

【図5】モータ装置における通常モードと故障モード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6】モータ装置における故障モードの線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7】ヘキサゴン結線における故障モード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り、図７（ａ）は１２００ｒｐｍでの波形を示し、図７（ｂ）は６８００ｒｐｍでの波形を示している。

【図8】ヘキサゴン結線における故障モードの相電流波形を高速フーリエ変換した結果を示すグラフであり、図８（ａ）は１２００ｒｐｍでの結果を示し、図８（ｂ）は６８００ｒｐｍでの結果を示している。

【図9】ヘキサゴン結線における故障モードの相電流位相を高速フーリエ変換した結果を示すグラフであり、図９（ａ）は１２００ｒｐｍでの結果を示し、図９（ｂ）は６８００ｒｐｍでの結果を示している。

【図10】ヘキサゴン結線における故障モード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。

【発明を実施するための形態】

【0015】

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態について、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）はモータ部１０の構造例を示す模式図であり、図１（ｂ）はスイッチインバータ部２０の構成例を示す回路図である。

【0016】

図１（ａ）に示すように、本実施形態のモータ部１０は、回転軸を中心に可能に配置された回転子（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。またモータ部１０は、回転子１１の回転角度を検出する角度検出部と、各相の線電流を検出する電流検出部備えている（図示省略）。

【0017】

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には円周方向に順番にＡ相、Ｂ相、Ｃ相、Ｄ相、Ｅ相およびＦ相の巻線（コイル）１４が２周期巻回されている。ここで、Ａ相巻線、Ｅ相巻線、Ｃ相巻線によって第１系統の三相巻線が構成され、Ｄ相巻線、Ｂ相巻線、Ｆ相巻線によって第２系統の三相巻線が構成されている。Ａ相～Ｆ相の巻線１４の接続方法としては、スター結線またはヘキサゴン結線が挙げられる。

【0018】

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。

【0019】

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。

【0020】

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（ａ）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１０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。

【0021】

図１（ｂ）に示すように、本実施形態のスイッチインバータ部２０は、電源電圧（＋Ｖ）と接地電圧（０Ｖ）の間に第１インバータ部２０ａと第２インバータ部２０ｂが並列に接続された６相インバータの構成を有している。スイッチインバータ部２０は、図示を省略するスイッチ制御部によって各スイッチが制御され、モータ部１０の巻線１４に対して電流を供給する。

【0022】

スイッチ制御部は、予め定められたプログラムに従って情報処理を行い、モータ装置の各部を制御する演算部であり、ＣＰＵ（中央演算処理装置：Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等で実現される。また、スイッチ制御部はモータ装置の各部から情報を取得してプログラムに従って演算処理を行う。スイッチ制御部には、メモリー装置や入出力装置、表示装置などが接続され、プログラムやデータの記録、演算結果の出力や表示等を行うこととしてもよい。またスイッチ制御部は、記録媒体に記録されたプログラムを読み込み、当該プログラムを実行することで本発明におけるモータ装置の制御方法を実行する。

【0023】

またスイッチ制御部は、スイッチインバータ部２０の各スイッチの故障を検出する故障検出部を備えている。スイッチ制御部は、全てのスイッチが正常に動作（故障検出無し）している場合には通常モードでスイッチインバータ部２０を制御し、何れかのスイッチにおける故障を検出した場合には故障モードでスイッチインバータ部２０を制御する。ここで通常モードは、第１インバータ部２０ａおよび第２インバータ部２０ｂを用いた６相スイッチトリラクタンスモータとしてパルス駆動により制御を行うものである（６相パルス制御）。また故障モードは、第１インバータ部２０ａまたは第２インバータ部２０ｂのうち、故障に対応した一方からの電流出力を停止するとともに、他方を用いて３相シンクロナスリラクタンスモータとしてベクトル制御で駆動を行うものである（３相ベクトル制御）。通常モードと故障モードについての詳細な説明は後述する。

【0024】

図１（ｂ）に示した例では、第１インバータ部２０ａと第２インバータ部２０ｂは、逆流防止スイッチ２１ａ～２１ｄと、上段スイッチ２２ａｕ～２２ｆｕと、下段スイッチ２２ａｌ～２２ｆｌと、リレースイッチ２３ａ～２３ｆを有している。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接続された等価回路となる。

【0025】

逆流防止スイッチ２１ａ～２１ｄは、第１インバータ部２０ａと第２インバータ部２０ｂの電源電圧側に設けられ、電源から第１インバータ部２０ａと第２インバータ部２０ｂへの電流の供給を制御するとともに電流の逆流を防止する部分である。図１（ｂ）に示した例では、逆流防止スイッチ２１ａと逆流防止スイッチ２１ｂが直列に接続されて、寄生ダイオードの一方が順接続され、他方が逆接続されている。同様に、逆流防止スイッチ２１ｃと逆流防止スイッチ２１ｄが直列に接続され、寄生ダイオードの一方が順接続され、他方が逆接続されている。ここでは２つのスイッチを直列接続した例を示したが、電流の供給制御と逆流の防止が可能であれば構成は限定されない。逆流防止スイッチ２１ａ，２１ｂにオン信号が印加されている間は、第１インバータ部２０ａに電流が供給され、オフ信号が印加されている間は、第１インバータ部２０ａへの電流が停止される。同様に、逆流防止スイッチ２１ｃ，２１ｄにオン信号が印加されている間は、第２インバータ部２０ｂに電流が供給され、オフ信号が印加されている間は、第２インバータ部２０ｂへの電流が停止される。

【0026】

上段スイッチ２２ａｕ～２２ｆｕと下段スイッチ２２ａｌ～２２ｆｌは、対応する各々が電源電圧側と接地電圧側に直列接続されており、その中間にリレースイッチ２３ａ～２３ｆのドレインが接続されている。また、直列接続された上段スイッチ２２ａｕ～２２ｆｕと下段スイッチ２２ａｌ～２２ｆｌの組み合わせは、互いに並列接続されている。リレースイッチ２３ａ～２３ｆは、上段スイッチ２２ａｕ～２２ｆｕと下段スイッチ２２ａｌ～２２ｆｌの直列接続の中間にドレインが接続され、ソースがモータ部１０の巻線１４に接続されている。図１（ｂ）ではリレースイッチ２３ａ～２３ｆを用いた例を示したが、リレースイッチ２３ａ～２３ｆを省略するとしてもよい。

【0027】

図１（ｂ）に示したように、上段スイッチ２２ａｕ～２２ｆｕ、下段スイッチ２２ａｌ～２２ｆｌおよびリレースイッチ２３ａ～２３ｆの組み合わせは、それぞれ巻線１４のＡ相～Ｆ相に対して電流を供給するためのＡ相スイッチ～Ｆ相スイッチを構成している。スイッチ制御部がＡ相スイッチ～Ｆ相スイッチを構成するスイッチ群にオン信号を印加すると、リレースイッチ２３ａ～２３ｆのソースからモータ部１０のＡ相巻線～Ｆ相巻線に対して線電流Ｉ_Ａ～Ｉ_Fが供給される。

【0028】

上述したように第１インバータ部２０ａは、第１系統の三相巻線であるＡ相巻線、Ｅ相巻線およびＣ相巻線に対してそれぞれ線電流Ｉ_Ａ，Ｉ_Ｅ，Ｉ_Ｃを供給する。また、第２インバータ部２０ｂは、第２系統の三相巻線であるＤ相巻線、Ｂ相巻線およびＦ相巻線に対してそれぞれ線電流Ｉ_Ｄ，Ｉ_Ｂ，Ｉ_Ｆを供給する。スイッチインバータ部２０の構成は、第１系統および第２系統の３相巻線に対して個別に線電流Ｉ_Ａ～Ｉ_Fを供給できるものであれば図１（ｂ）に示したものに限定されない。

【0029】

図２は、通常モードにおけるスイッチインバータ部２０の制御を示すタイミングチャートである。図２の横軸は電気角（度）を示し、縦軸は各スイッチに印加されるオン信号とオフ信号を示している。図２に示したように通常モードでは、Ａ相スイッチ～Ｆ相スイッチには、オン信号とオフ信号が１８０度（π）ずつ交互に印加される。また、Ａ相スイッチ～Ｆ相スイッチのオン信号とオフ信号は、それぞれ６０度（π／３）ずつ位相がずれている。また、Ａ相とＤ相、Ｂ相とＥ相、Ｃ相とＦ相は位相が１８０度（π）異なって互いに反転した信号が印加されている。換言すると、Ａ相スイッチ～Ｆ相スイッチには、Ａ相、Ｃ相、Ｅ相と、Ｂ相、Ｄ相、Ｆ相の２つの三相交流信号が印加されている。

【0030】

したがって、通常モードにおいてスイッチ制御部は、第１インバータ部２０ａと第２インバータ部２０ｂの両方を用いてＡ相巻線～Ｆ相巻線に対して６相のパルス電流を供給する６相パルス駆動による制御を行い、モータ装置を６相のスイッチトリラクタンスモータとして駆動する。つまりＡ相巻線～Ｆ相巻線は、Ａ相スイッチ～Ｆ相スイッチの全てを用いて制御されることで、それぞれ２つの三相モータを備えた合計６相を有するモータとして機能する。

【0031】

故障モードにおいてスイッチ制御部は、第１インバータ部２０ａと第２インバータ部２０ｂのうち故障が検出された一方からの電流出力を停止する。一例としては、スイッチ制御部が上段スイッチ２２ｂｕの故障を検出した場合には、スイッチ制御部は第２インバータ部２０ｂからの電流供給を停止し、第１インバータ部２０ａからの電流供給を継続する。具体的には、第２インバータ部２０ｂに含まれる全スイッチ（逆流防止スイッチ２１ｃ，２１ｄ、上段スイッチ２２ｂｕ，２２ｄｕ，２２ｆｕ、下段スイッチ２２ｂｌ，２２ｄｌ，２２ｆｌおよびリレースイッチ２３ｂ，２３ｄ，２３ｆ）に対してオフ信号を出力する。

【0032】

また、故障が検出されていない他方を用いて３相ベクトル制御でスイッチインバータ部２０を駆動する。上述した上段スイッチ２２ｂｕの故障が検出された例では、第１インバータ部２０ａの逆流防止スイッチ２１ａ，２１ｂに対してオン信号を出力し、３相ベクトル制御に基づいてＡ相スイッチ、Ｃ相スイッチ、Ｅ相スイッチに対してオン信号とオフ信号を切り替えて出力する。ここで３相ベクトル制御は、モータ部１０の各相に供給される電流値と、モータ部１０に設けられた角度センサの出力を検出し、検出した角度と電流値に基づいて各スイッチのオン・オフをＰＷＭ（Ｐｕｌｔｈ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御するものであり、公知の方法を用いることができる。

【0033】

ただし、３相ベクトル制御の際に用いられる角度は、角度検出部が検出した回転子１１の検出角度θを１／２倍したθ／２を用い、相電流Ｉが以下の行列の関係を満たすようなベクトル制御を行う。

【数1】

これは、スイッチトリラクタンスモータではなく、シンクロナスリラクタンスモータとして回転させるためである。つまり、ロータティースに挟まれる空隙に永久磁石が存在すると仮定すると図１のロータは１０極となり、電気角１周期はスイッチトリラクタンスモータの２倍の周期になる。そのため、ベクトル制御に回転子１１の角度θを１／２倍したθ／２を用いることで、シンクロナスリラクタンスモータとして駆動でき、トルクの向上を図ることができる。

【0034】

したがって、故障モードにおいてスイッチ制御部は、第１インバータ部２０ａまたは第２インバータ部２０ｂの一方を用いて第１系統の巻線１４または第２系統の巻線１４に対して３相のＰＷＭ電流を供給する３相ベクトル制御を行い、モータ装置を３相のシンクロナスリラクタンスモータとして駆動する。

【0035】

図３は、モータ部１０のＡ相巻線～Ｆ相巻線をスター結線した場合の、通常モードと故障モードの駆動を説明する模式図である。図３に示したように、スター結線においては、Ａ相巻線～Ｆ相巻線の一端は共通の中性点に接続されており、他端はスイッチインバータ部２０のリレースイッチ２３ａ～２３ｆのソースに接続されている。スター結線の通常モードでは、図３の左側に示したように、Ａ相巻線～Ｆ相巻線に対して第１インバータ部２０ａおよび第２インバータ部２０ｂから線電流Ｉ_Ａ～Ｉ_Fが供給される。

【0036】

一例としてＢ相スイッチ、Ｄ相スイッチ、Ｆ相スイッチに故障が検出された場合の故障モードを図３の右側に示す。故障モードでは、第１系統の３相巻線であるＡ相巻線、Ｃ相巻線、Ｅ相巻線のみに第１インバータ部２０ａから線電流Ｉ_Ａ，Ｉ_Ｃ，Ｉ_Ｅが供給される。したがってスター結線の故障モードでは、３相のスター結線に対するベクトル制御が行われ、３箇所の巻線１４で生じる磁束によって回転子１１が回転される。

【0037】

図４は、モータ部１０のＡ相巻線～Ｆ相巻線をヘキサゴン結線した場合の、通常モードと故障モードの駆動を説明する模式図である。図４に示したように、ヘキサゴン結線においては、Ａ相巻線～Ｆ相巻線は両端が互いに接続されて環状に直列接続されており、Ａ相巻線～Ｆ相巻線の一端はそれぞれリレースイッチ２３ａ～２３ｆに接続されている。ヘキサゴン結線の通常モードでは、図４の左側に示したように、Ａ相巻線～Ｆ相巻線に対して第１インバータ部２０ａおよび第２インバータ部２０ｂから線電流Ｉ_Ａ～Ｉ_Fが供給され、Ａ相巻線～Ｆ相巻線には相電流ｉ_ａ～ｉ_ｆが流れる。

【0038】

一例としてＢ相スイッチ、Ｄ相スイッチ、Ｆ相スイッチに故障が検出された場合の故障モードを図４の右側に示す。故障モードでは、第１系統の３相巻線であるＡ相巻線、Ｃ相巻線、Ｅ相巻線のみに第１インバータ部２０ａから線電流Ｉ_Ａ，Ｉ_Ｃ，Ｉ_Ｅが供給される。このとき、Ａ相巻線とＢ相巻線、Ｃ相巻線とＤ相巻線、Ｅ相巻線とＦ相巻線のそれぞれの直列接続の組み合わせで、３相のデルタ結線が構成され、それぞれに相電流Ｉ_ａｃ，Ｉ_ｃｄ，Ｉ_ｅｆが流れる。したがってヘキサゴン結線の故障モードでは、３相のデルタ結線に対するベクトル制御が行われ、６箇所の巻線１４で生じる磁束によって回転子１１が回転される。

【0039】

図５は、モータ装置における通常モードと故障モード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５中の横軸は回転角度（ｄｅｇ）を示し、縦軸はトルク（Ｎｍ）を示している。グラフ中において、太い実線、細い実線、二点鎖線は、それぞれスター結線での通常モード、上段故障時、下段故障時を示している。またグラフ中において、一点鎖線、細い破線、太い破線は、それぞれヘキサゴン結線での通常時、上段故障時、下段故障時を示している。

【0040】

シミュレーションには有限要素法を用い、回転子１１の直径が１８０ｍｍ、長さが５５ｍｍとし、回転子１１の極数Ｐを１０とし、スロット数Ｓは１２としている。また、巻線１４の巻き数をスター結線では２０ターンとし、ヘキサゴン結線で３５ターンとして、図１（ａ）に示した対角に配置された同相が直列接続されているものとした。また、電流密度を６Ａｒｍｓ／ｍｍ^２とした。また、Ｂ相スイッチのうち上段スイッチ２２ｂｕまたは下段スイッチ２２ｂｌが短絡故障した場合を想定した。ここでは短絡故障の例を示しているが、地絡故障やオープン故障でも通常モードから故障モードでの制御切り替えは同じであるため、全ての故障において同様の結果が得られる。

【0041】

図５に示したように、スター結線においてもヘキサゴン結線においても、故障モードでトルクが継続して出力されており、回転子１１の回転を継続できることがわかる。また、トルクのリップル周期は、故障モードが通常モードの約２倍であることもわかる。これは、スター結線の故障モードでは磁束を生じる巻線１４の間隔が通常モードの２倍になっているためである。また、ヘキサゴン結線の故障モードでは上述したように回転子１１の角度θの１／２倍を用いたベクトル制御を行っているためである。

【0042】

また、図５に示したように、故障モードにおけるトルクは通常モードよりも小さくなるが、スター結線よりもヘキサゴン結線のほうが大きい傾向がみられる。表１に、通常時（平常時）、上段故障時および下段故障時のスター結線とヘキサゴン結線でのトルクの平均値とリップル率を示す。表１に示したように、ヘキサゴン結線では平均トルクが通常モードの５０％以上も得られており、故障モードでのトルク向上を図るためにはヘキサゴン結線が優れていることがわかる。また、スター結線でも平均トルクは通常モードの３０％以上を得られており、リップル率はヘキサゴン結線よりも小さく、故障モードでの低リップルを優先する場合にはスター結線が優れていることがわかる。

【表1】

【0043】

図６は、モータ装置における故障モードの線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中の横軸は回転角度（ｄｅｇ）を示し、縦軸は相電流（Ａ）を示している。図６ではスター結線での上段故障時のシミュレーション結果のみを示しているが、スター結線およびヘキサゴン結線において上段故障時も下段故障時も全て同じ線電流波形となった。図６に示したように、Ｂ相スイッチの故障を想定したシミュレーションであるため、リレースイッチ２３ａ，２３ｃ，２３ｅからの３相交流のみが線電流Ｉ_Ａ，Ｉ_Ｃ，Ｉ_Ｅとして供給されていることが確認できる。

【0044】

図７は、ヘキサゴン結線における故障モード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り、図７（ａ）は１２００ｒｐｍでの波形を示し、図７（ｂ）は６８００ｒｐｍでの波形を示している。図７中の横軸は電気角（ｄｅｇ）を示し、縦軸は相電流（Ａ）を示している。グラフ中において、太い実線、破線、一点鎖線は、それぞれＡ相巻線とＢ相巻線の直列接続（ＡＢ相）、Ｃ相巻線とＤ相巻線の直列接続（ＣＤ相）、Ｅ相巻線とＦ相巻線の直列接続（ＥＦ相）に流れる相電流を示している。

【0045】

本シミュレーションにおいても有限要素法を用い、回転子１１の直径が１８０ｍｍ、長さが５５ｍｍとし、回転子１１の極数Ｐを１０とし、スロット数Ｓは１２としている。また、巻線１４の巻き数をスター結線では２０ターンとし、ヘキサゴン結線で３５ターンとして、図１（ａ）に示した対角に配置された同相が直列接続されているものとした。また、幅４５Ａの正弦波電流入力で回転数１２００ｒｐｍ（低速回転）と６８００ｒｐｍ（高速回転）の２パターンについて解析した。

【0046】

図７（ａ）（ｂ）に示したように、ヘキサゴン結線の故障モードにおいては、ＡＢ相、ＣＤ相、ＥＦ相の３相交流でベクトル制御により相電流が流れていることを確認できる。また、低速回転の１２００ｒｐｍでも高速回転の６８００ｒｐｍでも同様の相電流波形が得られており、回転数に依存せずに回転子１１の回転を継続できることがわかる。

【0047】

図８は、ヘキサゴン結線における故障モードの相電流波形を高速フーリエ変換した結果を示すグラフであり、図８（ａ）は１２００ｒｐｍでの結果を示し、図８（ｂ）は６８００ｒｐｍでの結果を示している。図８中の横軸は次数を示し、縦軸は相電流（Ａ）を示している。図８（ａ）（ｂ）に示したように、低速回転の１２００ｒｐｍでも高速回転の６８００ｒｐｍでも、一次の相電流に加えて三次の相電流が発生していることがわかる。

【0048】

図９は、ヘキサゴン結線における故障モードの相電流位相を高速フーリエ変換した結果を示すグラフであり、図９（ａ）は１２００ｒｐｍでの結果を示し、図９（ｂ）は６８００ｒｐｍでの結果を示している。図９中の横軸は次数を示し、縦軸は位相（ｄｅｇ）を示している。図８（ａ）（ｂ）に示したように、低速回転の１２００ｒｐｍでも高速回転の６８００ｒｐｍでも、一次の相電流では位相差が１２０度の３相交流となっているが、三次の相電流では３相の位相が一致している。したがって、三次の相電流はデルタ結線を流れる循環電流であることがわかる。しかし三次の循環電流は、低速回転の１２００ｒｐｍでも高速回転の６８００ｒｐｍでもＡＢ相、ＣＤ相、ＥＦ相で位相が同じであり、回転速度によって循環電流は変化しないことがわかる。

【0049】

図１０は、ヘキサゴン結線における故障モード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１０中の横軸は電気角（ｄｅｇ）を示し、縦軸はトルク（Ｎｍ）を示している。グラフ中において、実線は低速回転である１２００ｒｐｍの結果を示し、破線は高速回転である６８００ｒｐｍの結果を示している。また、平均トルクは１２００ｒｐｍで５．３８Ｎｍであり、６８００ｒｐｍで５．４２Ｎｍであった。図１０に示したように、低速回転の１２００ｒｐｍでも高速回転の６８００ｒｐｍでもトルク波形はほぼ同じであり、三次の循環電流の発生に関わらず同程度のトルクを得られることがわかる。

【0050】

上述したように本実施形態のモータ装置では、一つの回転子１１に対して６相巻線を設けて、第１インバータ部２０ａと第２インバータ部２０ｂの何れかに故障が検出された場合に、故障側からの電流出力を停止し、他方を用いてベクトル制御で駆動を継続する。これにより、スイッチの故障時にも回転駆動を継続することが可能であり、かつ小型化と軽量化を図ることができる。

【0051】

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。

【符号の説明】

【0052】

１０…モータ部
１１…回転子
１２…固定子
１３…ティース部
１４…巻線
２０…スイッチインバータ部
２０ａ…第１インバータ部
２０ｂ…第２インバータ部
２１ａ～２１ｄ…逆流防止スイッチ
２２ａｕ～２２ｆｕ…上段スイッチ
２２ａｌ～２２ｆｌ…下段スイッチ
２３ａ～２３ｆ…リレースイッチ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】