特開 2023-164223 多重三相巻線交流電動機の駆動システム

(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】P2023164223

(43)【公開日】2023-11-10

(54)【発明の名称】多重三相巻線交流電動機の駆動システム

(51)【国際特許分類】

   H02P 25/22 20060101AFI20231102BHJP

   H02P 21/22 20160101ALI20231102BHJP

【ＦＩ】

H02P25/22

H02P21/22

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】書面

(21)【出願番号】P 2022083411

(22)【出願日】2022-04-30

(71)【出願人】

【識別番号】596137830

【氏名又は名称】有限会社シー・アンド・エス国際研究所

(72)【発明者】

【氏名】新中 新二

【テーマコード（参考）】

5H505

【Ｆターム（参考）】

5H505AA16

5H505BB09

5H505DD03

5H505DD05

5H505DD08

5H505EE41

5H505GG04

5H505HB01

5H505HB05

5H505JJ24

5H505LL01

5H505LL22

5H505LL41

(57)【要約】

【課題】 本発明は、単一回転子とｎ個の三相巻線を有する単一固定子とからなるｎ重三相巻線交流電動機に対し、ｎ個の巻線の間で強い相互誘導がある場合等にも、安定性と速応性に優れた電流制御を簡単な構成で可能とする電動機駆動システムを提供する。
【解決手段】 電動機１、電力変換装置２とともに電動機駆動システムを構成する電流制御装置３を、ｎ個の三相巻線の固定子電流を個別検出した上で合成生成した合成固定子電流をフィードバック制御するように構成し、課題を解決した。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ｎを２以上の整数とするとき、
単一回転子と互いに巻線間結線のない実質同一特性のｎ個の三相巻線を有する単一固定子とからなるｎ重三相巻線交流電動機と、
ｎ個の三相巻線に、個別かつ同時に、非ゼロの三相電流を供給できる電力変換装置と、
電力変換装置へのｎ個の固定子電圧指令値の入力を介して、ｎ個の三相巻線に流れる固定子電流をフィードバック制御する電流制御装置と
を備えるｎ重三相巻線交流電動機駆動システムであって、
Ｋｃを正定数とし、
該ｎ重三相巻線交流電動機のｎ個の三相巻線を構成する第ｋ番三相巻線に流れる固定子電流を第ｋ番固定子電流と呼称し、電流検出器で個別検出した第ｋ番固定子電流を、設計者が指定した２軸座標系上の２×１ベクトル電流として、あるいは設計者が指定した３軸座標系上の３×１ベクトル電流として、ｉｋと表現し、
第ｋ番三相巻線へ第ｋ番固定子電流を供給するために該電力変換装置に入力される固定子電圧指令値を第ｋ番固定子電圧指令値と呼称し、第ｋ番固定子電圧指令値を、設計者が指定した２軸座標系上のベクトル電圧指令値として、あるいは設計者が指定した３軸座標系上の３×１ベクトル電圧指令値として、ｖｋ＊と表現し、
個別検出した第ｋ番固定子電流を用いて合成した合成固定子電流を、設計者が指定した２軸座標系上の２×１ベクトル電流として、あるいは設計者が指定した３軸座標系上の３×１ベクトル電流として、ｉと表現し、
合成固定子電流をその指令値である合成固定子電流指令値に追従さるための合成固定子電圧指令値を、設計者が指定した２軸座標系上の２×１ベクトル電圧指令値として、あるいは設計者が指定した３軸座標系上の３×１ベクトル電圧指令値として、ｖ＊と表現するとき、
個別検出した第ｋ番固定子電流ｉｋをｋ＝１～ｎとして下の電流均等加算式に用いて、またはこれと数学的に等価な電流加算処理により、合成固定子電流ｉを合成し、

合成固定子電圧指令値ｖ＊を、合成固定子電流と合成固定子電流指令値とを少なくとも入力とする電流制御器を少なくとも用いて生成し、生成した合成固定子電圧指令値ｖ＊を下の電圧指令値均等式に用いて、またはこれと数学的に等価な電圧指令値均等処理により、第ｋ番固定子電圧指令値ｖｋ＊を生成するように、

該電流制御装置を構成したことを特徴とするｎ重三相巻線交流電動機駆動システム

【請求項2】

該合成固定子電流と該合成固定子電流指令値とを少なくも入力とし、該合成固定子電圧指令値ｖ＊の生成を担う該電流制御器を、モータパラメータに由来しかつ該合成固定子電流の動特性を反映した合成パラメータを用い、設計あるいは構成したことを特徴とする請求項１記載のｎ重三相巻線交流電動機駆動システム。

【請求項3】

該正定数Ｋｃを下式右辺に選定したことを特徴とする請求項１記載のｎ重三相巻線交流電動機駆動システム

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

ｎを２以上の整数とするとき、本発明は、回転子とｎ個の三相巻線を有する固定子とからなるｎ重三相巻線交流電動機と、ｎ個の三相巻線に三相電流を個別かつ同時に供給できる電力変換装置とを少なくとも備えるｎ重三相巻線交流電動機の駆動システムに関する。以降の説明では、簡単のため、「巻線」を「三相巻線」と同義で使用する。上記のｎ重三相巻線交流電動機を、簡単のため、多重巻線電動機と略称する。さらには、同様の理由で、同駆動システムを多重巻線電動機駆動システムと略称する。また、多重巻線電動機における巻線の個数を示すｎを「多重数」と呼称する。

【0002】

本発明では、多重巻線電動機において三相巻線が施された部分を「固定子」と呼称する。本発明における「固定子」は、「電機子」と同義である。固定子に施される三相巻線の結線には、Ｙ形とΔ形が存在する。当業者には周知のように、三相端子から評価した場合、Ｙ形結線による特性とΔ形結線による特性は互いに等価変換される。説明の簡明性を確保すべく、本明細書における技術説明は、Ｙ形結線を想定して行なう。等価変換の存在より明白なように、これにより、本発明の一般性を失うことなない。本発明が対象とする多重巻線電動機では、「ｎ個の三相巻線は実質同一特性を有する」ものとしている。また、「ｎ個の三相巻線は、巻線間の結線はない」もの、換言するならば「Ｙ形結線を想定する場合、ｎ個の三相巻線のＹ形結線中性点は結線されていない」ものとしている。

【0003】

三相電流で駆動される一重三相巻線交流電動機の代表は、同期電動機、誘導電動機である。同期電動機としては、永久磁石形同期電動機、巻線形同期電動機、ハイブリッド界磁形同期電動機、同期リラクタンス電動機が広く活用されている。これら一重三相巻線交流電動機においては、単一回転子と１個の三相巻線を備えた単一固定子とからなり、それらの固定子は原理的に同一であり、それらの相違は回転子にある。本発明が対象とする多重三相巻線交流電動機は、一重三相巻線交流電動機の場合と同様に、多重三相巻線の同期電動機、誘導電動機を包含している。さらには、多重三相巻線の同期電動機は、多重三相巻線の永久磁石形同期電動機、巻線形同期電動機、ハイブリッド界磁形同期電動機、同期リラクタンス電動機を包含している。これら種々の多重三相巻線交流電動機においても、これら固定子は原理的に同一であり、これらの相違は回転子にある。本発明は、種々の多重三相巻線交流電動機における「単一固定子の同一性」を利用するものであり、同一の単一固定子をもつ種々の多重三相巻線交流電動機に適用できる。

【0004】

本発明では、２次元平面を極座標的に捉え、角度、空間的位置、空間的位相の３用語を同義で使用する。これらの単位は「ラジアン（ｒａｄ）」または「度（ｄｅｇｒｅｅ）」である。本発明における角度、空間的位置、空間的位相の正方向は、左周り（反時計周り）、右周り（時計周り）のいずれに定義してもよい。ただし、本明細書では、説明の簡明性を維持すべく、角度、空間的位置、空間的位相の正方向は左周り（反時計周り）と定義し、本発明を説明する。これにより、本発明の一般性を失うことはない。

【0005】

本発明では、多重巻線電動機に交流電流を供給する装置を、電力変換装置と呼称する。電力変換装置の主要機器である電力変換器としては、インバータ、マトリックスコンバータなどが実用化されている。単一の３ｎ相用、ｎ個の三相用、３ｎ個の単相用の電力変換器等が、本発明の電力変換装置を構成しうる。

【0006】

当業者は周知の通り、回転子速度には電気速度と機械速度が存在するが、両速度の間には１対１の厳密な関係が存在し、電気速度から機械速度、機械速度から電気速度への一意の変換が可能である。本発明では、当業者間の周知性を考慮し、説明の明瞭性が失われない限り、回転子速度は電気速度を意味するものとして、これを使用する。

【背景技術】

【0007】

多重巻線電動機駆動システムすなわち多重巻線電動機を対象した駆動システムに関する従前技術を紹介する。本発明は、多重巻線電動機駆動システムの主要構成装置の１つである電流制御装置に関するものである。この点を踏まえ、多重巻線電動機駆動システムのための電流制御装置に関する従前技術を紹介する。図６は、非特許文献１～２で提案された二重巻線（永久磁石形同期）電動機駆動システムのための電流制御装置を引用したものである（特許文献１にも同一発明者による実質同一の電流制御装置が示されている）。図６の左側に記載された３つのブロック「第１群電流制御系」、「第２群電流制御系」、「非干渉化部」が本発明で用いる用語「電流制御装置」に該当する。同図の「第１群電流制御系」は、第１番巻線用のフィードバック電流制御器を意味し、この出力信号（図６では「電圧指令－１」と記載）をｖ１１＊で表現している。同様に、同図の「第２群電流制御系」は、第２番巻線用のフィードバック電流制御器を意味し、この出力信号（図６では「電圧指令－２」と記載）をｖ２２＊で表現している。同図より明白なように、従前電流制御装置では、第１、第２番巻線に対応した形で電流制御器が構成されている。各巻線用の電流制御器は、各巻線のｄ軸、ｑ軸電流を制御する必要があり、２入力２出力（以下、「２×２」と略記）である。したがって、二重巻線では、多重数に比例した４×４相当の電流制御器が必要とされる。従前電流制御装置の考え方をｎ重巻線電動機駆動システムに適用する場合、（２ｎ）×（２ｎ）相当の電流制御器が必要とされる。二重巻線（永久磁石形同期）電動機において、２個の巻線の中性点が結線されていない場合にも、２個の巻線に同時通電する場合には、２巻線間には磁気的結合（相互誘導）が発生し、巻線間干渉が発生する。本干渉は、電流応答に低速モード応答と高速モード応答をもたらし、各巻線の安定なあるいは高速な電流制御を大変困難にする。図６における「非干渉化部」は、この巻線間干渉の影響を和らげることを目的に用意されたものである。

【0008】

以上、非特許文献１～２、特許文献１を参考に、従前の電流制御装置の問題を紹介した。特許文献２，３は、低速モード応答と高速モード応答に起因した不安定化問題、高速応答問題を緩和あるいは解決しているが、この代償として、電流制御装置が複雑化するという問題を新たに引き起こしている。「従前の電流制御装置の考え方をｎ重巻線電動機駆動システムに適用する場合、（２ｎ）×（２ｎ）相当の電流制御器が必要とされる」という問題は、解決されていない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】佐竹彰・水野滋基：「多重巻線電動機の制御装置」、特開第２００３－１５３５８５号（２００１－１１－６）

【特許文献2】新中新二：「二重三相巻線永久磁石同期形電動機の駆動システム」、特開第２０１８－２０１３１９号（２０１７－５－２９）

【特許文献3】新中新二：「二重三相巻線永久磁石同期形電動機の駆動システム」、特開第２０１９－０３７１１１号（２０１７－８－１５）

【非特許文献】

【0010】

【非特許文献1】佐竹彰・加藤覚・今中晶：「多重巻線永久磁石モータのモデル化と非干渉制御方式」、電気学会産業応用部門大会講演論文集、Ｉ、ｐｐ．１９９－２０２（２００５）

【非特許文献2】Ｓ．Ｓａｔａｋｅ，Ｙ．Ｏｋａｍｏｔｏ，ａｎｄ Ｓ．Ｋａｔｏ：“Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ Ｃａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ ａ Ｄｏｕｂｌｅ Ｗｉｎｄｉｎｇ ＰＭＳＭ”，ＩＥＥＪ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，Ｖｏｌ．６，Ｎｏ．１，ｐｐ．２９－３５（２０１７）

【非特許文献3】新中新二：「永久磁石同期モータのベクトル制御技術（原理から最先端まで）」、電波新聞社（２００８）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

本発明は上記背景の下になされたものである。本発明の目的は、以下の機能・性能をもつ多重巻線電動機駆動システムのための新たな電流制御装置を提供することにある。
（１） 巻線間に強い磁気的結合（相互誘導）が存在し、大きな高速モード電流応答を発する多重巻線電動機にも適用できる。
（２） 多重巻線電動機のフィードバック電流制御のための電流制御器として、最少入出力数の電流制御器が利用でき、最もコンパクトな電流制御装置の実現を可能とする。より具体的には、従前の一重巻線交流電動機用電流制御器と同様の単一の２×２電流制御器が利用でき、（２ｎ）×（２ｎ）相当の電流制御器は必要としない。
（３） 多重巻線電動機の電流制御系に対して高い安定性と速応性を同時に付与できる。

【課題を解決するための手段】

【0012】

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、
ｎを２以上の整数とするとき、単一回転子と互いに巻線間結線のない実質同一特性のｎ個の三相巻線を有する単一固定子とからなるｎ重三相巻線交流電動機と、ｎ個の三相巻線に、個別かつ同時に、非ゼロの三相電流を供給できる電力変換装置と、電力変換装置へのｎ個の固定子電圧指令値の入力を介して、ｎ個の三相巻線に流れる固定子電流をフィードバック制御する電流制御装置とを備えるｎ重三相巻線交流電動機駆動システムであって、
該ｎ重三相巻線交流電動機のｎ個の三相巻線を構成する第ｋ番三相巻線に流れる固定子電流を第ｋ番固定子電流と呼称し、電流検出器で個別検出した第ｋ番固定子電流を、設計者が指定した２軸座標系上の２×１ベクトル電流として、あるいは設計者が指定した３軸座標系上の３×１ベクトル電流として、ｉｋと表現し、第ｋ番三相巻線へ第ｋ番固定子電流を供給するために該電力変換装置に入力される固定子電圧指令値を第ｋ番固定子電圧指令値と呼称し、第ｋ番固定子電圧指令値を、設計者が指定した２軸座標系上のベクトル電圧指令値として、あるいは設計者が指定した３軸座標系上の３×１ベクトル電圧指令値として、ｖｋ＊と表現し、個別検出した第ｋ番固定子電流を用いて合成した合成固定子電流を、設計者が指定した２軸座標系上の２×１ベクトル電流として、あるいは設計者が指定した３軸座標系上の３×１ベクトル電流として、ｉと表現し、合成固定子電流をその指令値である合成固定子電流指令値に追従さるための合成固定子電圧指令値を、設計者が指定した２軸座標系上の２×１ベクトル電圧指令値として、あるいは設計者が指定した３軸座標系上の３×１ベクトル電圧指令値として、ｖ＊と表現するとき、
個別検出した第ｋ番固定子電流ｉｋをｋ＝１～ｎとして下の（１）式の電流均等加算式に用いて、またはこれと数学的に等価な電流加算処理により、合成固定子電流ｉを合成し、

【数1】

合成固定子電圧指令値ｖ＊を、合成固定子電流と合成固定子電流指令値とを少なくとも入力とする電流制御器を少なくとも用いて生成し、生成した合成固定子電圧指令値ｖ＊を下の（２）式の電圧指令値均等式に用いて、またはこれと数学的に等価な電圧指令値均等処理により、第ｋ番固定子電圧指令値ｖｋ＊を生成するように、

【数2】

該電流制御装置を構成したことを特徴とする。

【0013】

請求項２の発明は、請求項１記載のｎ重三相巻線交流電動機駆動システムであって、該合成固定子電流と該合成固定子電流指令値とを少なくも入力とし、該合成固定子電圧指令値ｖ＊の生成を担う該電流制御器を、モータパラメータに由来しかつ該合成固定子電流の動特性を反映した合成パラメータを用い、設計あるいは構成したことを特徴とする。

【0014】

請求項３の発明は、請求項１記載のｎ重三相巻線交流電動機駆動システムであって、該正定数Ｋｃを下の（３）式右辺に選定したことを特徴とする。

【数3】

【発明の効果】

【0015】

以降の説明の平易化を図るべく、先ず、本発明が用いる座標系を説明する。図１を考える。同図（ａ）には、本発明が用いる２軸座標系として、αβ固定座標系、ｄｑ同期座標系、γδ一般座標系を示している。αβ固定座標系は固定子に対応した座標系であり、一般に、α軸は、第１番固定子巻線のｕ相巻線の位相に取られる（第ｋ番固定子巻線のｕ相巻線の位相に取っても本質的相違はない）。ｄｑ同期座標系は回転座標系の１つであり、特に、ｄ軸が回転子磁束（同図では「φｍ」と表記）と同期した座標系となっている。すなわち、ｄｑ同期座標系においては、ｄ軸の位相は回転子磁束の位相と同一である。ｄｑ同期座標系の速度ωｎは、回転子磁束の速度と瞬時瞬時において同一である。α軸から見たｄ軸の位相をθαで表現している。γδ一般座標系は、設計者が任意に指定できる一般性のある座標系であり、その速度はωγで、γ軸から見たｄ軸位相をθγで表現している。γδ一般座標系は、特別な場合として、αβ固定座標系、ｄｑ同期座標系を包含している。永久磁石形同期電動機、巻線形同期電動機、ハイブリッド界磁形同期電動機においては、「回転子磁束の位相」は「磁極・Ｎ極相当の位相」と同義である。また、磁極を有しない同期リラクタンス電動機においては、「回転子磁束の位相」は「回転子突極の位相」あるいは「回転子逆突極の位相」と同義である。

【0016】

図１（ｂ）には、本発明が用いる３軸座標系として、第１番固定子巻線のｕ相巻線の位相をｕ１軸としたｕｖｗ１座標系を示した。本例では、ｕｖｗ１のｕ１軸は、αβ固定座標系（参考までに、破線表示）のα軸と同一である。同様にして、３軸座標系として、第ｋ番固定子巻線のｕ相巻線の位相をｕｋ軸の位相としたｕｖｗｋ座標系を定義できる。

【0017】

本発明の効果を説明する。請求項１の発明の効果の説明には、簡単のため、先ず、単一固定子に施された巻線の数すなわち多重数ｎを「ｎ＝２」として行う。多重巻線における高速モード電流応答発生の根本原因は、巻線間の磁気的結合（相互誘導）に起因した巻線間干渉である。巻線間の磁気的結合（相互誘導）は、各巻線の固定子電流と固定子反作用磁束を用いて表現される。例えば、ｄｑ同期座標系上の固定子電流と固定子反作用磁束を用いる場合、次式で表現される。

【数4】

上式におけるｉｋ、φｋｉは、第ｋ番巻線の固定子電流、固定子反作用磁束を意味する。Ｌｋｄ、Ｌｋｑは第ｋ番巻線のｄ軸、ｑ軸（自己）インダクタンスであり、Ｍｄ、Ｍｑは、巻線間の磁気的結合（相互誘導）を表現したｄ軸、ｑ軸相互インダクタンスである。なお、本発明では、各巻線の自己インダクタンスは、巻線に依存した相違はなく、実質同一としている。

【0018】

（４）式の第１式と第２式に対して、請求項１の発明の均等加算式（（１）式参照）に従い、各辺ごとに均等加算を行うと、次式を得る。

【数5】

【0019】

上記の（５）式は、単一固定子に施された巻線の数すなわち多重数ｎを「ｎ＝２」とした場合のものである。次に、（５）式に示した結果を、多重数ｎが２以上の場合に一般化する。これは、次式で与えられる。

【数6】

「ｎ個の巻線の特性は同一」との前提の下、（６ｄ）式の右辺は、第１番巻線関係の自己インダクタンス、相互インダクタンスを用いて表現している。なお、Ｍ１ｋｄ、Ｍ１ｋｑは、第１番巻線と第ｋ番巻線との間のｄ軸、ｑ軸相互インダクタンスを意味している。

【0020】

（６ａ）式右辺の２行２列（以下、「２×２」と略記）インダクタンス行列においては、この逆対角要素はゼロとなっている。本事実は、「（６ｂ）式に定義した合成固定子電流と（６ｃ）式に定義した合成固定子反作用磁束においては、巻線間の磁気的結合（相互誘導）関係は存在しない」、「合成固定子電流に関しては、安定かつ高速な電流制御を困難とした高速モード応答は存在しない」、「合成固定子電流と合成固定子反作用磁束との関係は、従前の一重巻線交流電動機の固定子電流と固定子反作用磁束の関係と形式的に同一である」、「簡単な制御で、合成固定子電流の制御が可能である」ことを意味する。なお、合成固定子電流と合成固定子反作用磁束の間の動特性は、（６ｄ）式に定義した新規パラメータにより関係づけられることになる。本発明では、（６ｄ）式右辺のような本来のモータパラメータＬ１ｄ、Ｌ１ｑ、Ｍ１ｋｄ、Ｍ１ｋｑを用いて新たに合成した（６ｄ）式左辺のような新規パラメータを「モータパラメータに由来しかつ合成固定子電流の動特性を反映した合成パラメータ」と、あるいは簡単に「合成パラメータ」と総称している。本発明では、（６ｄ）式左辺のインダクタンス形の合成パラメータＬｄ、Ｌｑを、特に「合成インダクタンス」と呼称する

【0021】

「（６ｂ）式の合成固定子電流ｉは、ｋ＝１～ｎとして個別検出した第ｋ番固定子電流のｎ個平均値に正定数Ｋｃが乗じたもの」と解釈することもできる。この合成固定子電流ｉに対応した合成固定子電圧指令値ｖ＊には、乗じられた正定数Ｋｃの影響が比例的に出現する。ひいては、次式の対応関係が成立する。

【数7】

【0022】

請求項１の発明は、（１）式すなわち（６ｂ）式に従って合成固定子電流ｉを合成し、（２）式すなわち（７ｂ）式の関係に従って第ｋ番三相巻線へ第ｋ番固定子電流を供給するための第ｋ番固定子電圧指令値ｖｋ＊を生成するものである。

【0023】

（５）～（７）式を用いた以上の説明より明白なように、請求項１の発明によれば、以下の機能・性能をもつ多重巻線電動機駆動システムのための新たな電流制御装置を構築できるという効果が得られる。（１） 巻線間に強い磁気的結合（相互誘導）が存在し、大きな高速モード電流応答を発する多重巻線電動機にも適用できる。（２） 多重巻線電動機のフィードバック電流制御のための電流制御器として、最少入出力数の電流制御器が利用でき、最もコンパクトな電流制御装置の実現を可能とする。より具体的には、従前の一重巻線交流電動機用電流制御器と同様の単一の２×２電流制御器が利用でき、（２ｎ）×（２ｎ）相当の電流制御器は必要としない。（３） 多重巻線電動機の電流制御系に対して高い安定性と速応性を同時に付与できる。

【0024】

つづいて、請求項２の発明の効果を説明する。（５）、（６）式を用いて説明したように、合成固定子電流の動特性は、多重巻線電動機の元来の個々のモータパラメータに代わって、（５ｄ）、（６ｄ）式に示したような合成パラメータにより支配される。請求項２の発明によれば、合成固定子電流の動特性を反映した合成パラメータを用いて、電流制御器を設計あるいは構成できるようになる。この結果、高性能な電流制御器を設計・構成できるという効果が得られる。ひいては、請求項１の発明の効果を高めることができるという効果が得られる。

【0025】

なお、第ｋ番巻線の巻線抵抗をＲｋと表現するとき、Ｒｋに由来しかつ合成固定子電流の動特性を反映した合成パラメータＲ（以降、合成パラメータＲを「合成抵抗」と呼称）は、次式となる。

【数8】

また、回転子磁束を有する同期電動機においては、第ｋ番巻線が感知する回転子磁束の強度（「速度起電力係数」と同義）をΦｋと表現するとき、Φｋに由来しかつ合成固定子電流の動特性を反映した合成パラメータΦ（以降、合成パラメータΦを「合成磁束強度」と呼称）は、次式となる。

【数9】

【0026】

つづいて、請求項３の発明の効果を説明する。ｎ個の巻線を有する固定子の全電流ノルムの総和は、「特性が同一の各巻線に流れる電流は同一」との条件下では、次式のように評価される。

【数10】

一方、合成固定子電流のノルム、上記と同一の条件下では、請求項３の発明よる（３）式を適用すると、次式のように評価される。

【数11】

（１０）、（１１）式は、「請求項３の発明よる（３）式の下では、合成固定子電流のノルムは、（１０）式に示したｎ個の巻線を有する固定子の全電流ノルムの総和に等しい」ことを意味する。本結論に（８）式を適用すると、「請求項３の発明よる（３）式の下では、「元来の固定子電流による損失（銅損）と合成固定子電流による損失（銅損）が等しい」ことが主張される。

【0027】

損失（銅損）の等価性は、請求項３の発明の効果の一つに過ぎず、一般的には、請求項３の発明によれば、「ｎ個の巻線をもつ固定子の全電流に起因するパワー、トルクと合成固定子電流によるパワー、トルクが等価となる」という効果が得られる。多重巻線電動機は、電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換するエネルギー変換機であり、さらには、トルク発生機でもある。固定子電流制御の本質的目的は、固定子電流と概ね比例関係にあるトルクの制御を、固定子電流制御を介して行うことにある（図３、図５の指令変換器４を参照）。本事実より既に明らかなように、請求項３の発明によれば、「固定子電流制御の本質的目的であるトルク制御を、電流制御を介して用意に行えるようになる」という効果が得られる。ひいては、請求項１の発明の効果を高めることができるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【0028】

【図1】 「２軸座標系の３例と３軸座標系の１例を示す図」

【図2】 「多重巻線交流電動機の巻線配置例を示す図」

【図3】 「本発明による電流制御装置を用いた多重巻線電動機駆動システムの構成例を示す図」

【図4】 「本発明による合成パラメータを用いた２入力２出力電流制御器の構成例を示す図」

【図5】 「本発明による電流制御装置を用いた多重巻線電動機駆動システムの構成例を示す図」

【図6】 「従前の電流制御装置の基本構成を示す図」

【発明を実施するための形態】

【0029】

以下、図面を用いて、本発明の好適な態様を具体的に説明する。

【実施例0030】

本発明による合成固定子電流を用いた固定子電流制御は、図１に示した任意の座標系上で遂行可能である。この中で、簡易で高性能が得やすい固定子電流制御は、２軸座標系の１つであるｄｑ同期座標系の上で遂行するものである。また、（１）式に提示した合成固定子電流の合成は、任意の２軸座標系上、３軸座標系上で遂行可能である。この中で、簡単で汎用性に富む合成は、２軸座標系の１つであるαβ固定座標系の上での合成である。この点を考慮して、合成固定子電流をαβ固定座標系上で合成し、これをｄｑ同期座標系上の合成固定子電流へ変換することを考える。

【0031】

なお、以降では、ベクトル量としての電流、電圧指令値に対して、これらが定義された座標系を明示すべく、これらベクトル量に対し、脚符ｒ（ｄｑ同期座標系）、ｓ（αβ固定座標系）、ｔ（３軸座標系）をつける。第ｋ番巻線の三相電流（ｉｋｕ、ｉｋｖ、ｉｋｗ）を要素とする３×１ベクトルをｉｔ，ｋとし、αβ固定座標系上の第ｋ番固定子電流をｉｓ，ｋとし、αβ固定座標系上の合成固定子電流をｉｓとし、ｄｑ同期座標系上の合成固定子電流をｉｒとして、表現するならば、本発明の（１）式より、次の関係を得る。

【数12】

（１２ｂ）式におけるＳ’ｋは第ｋ番固定子電流用の相変換器（３×２行列）である。また、（１２ｄ）式右辺のＲ（θα）は２×２ベクトル回転器であり、次の（１３）式のように定義されている。なお、これら行列における頭符Ｔは、転置を意味する。

【数13】

【0032】

（１２）式のαβ固定座標系上での合成固定子電流の生成手順は、以下のように集約される。

【数14】

【0033】

電流制御器の出力として得られたｄｑ同期座標系上の固定子電圧指令値をｖｒ＊とし、αβ固定座標系上の固定子電圧指令値をｖｓ＊とし、第ｋ番巻線のαβ固定座標系上の固定子電圧指令値をｖｓ，ｋ＊とし、第ｋ番巻線の３軸座標系上の固定子電圧指令値をｖｔ，ｋ＊として、表現するならば、合成固定子電流の生成をαβ固定座標系上で遂行する（１２）、（１４）式に対応する第ｋ番巻線のαβ固定座標系上の固定子電圧指令値ｖｓ，ｋ＊、および３軸座標系上の固定子電圧指令値ｖｔ，ｋ＊の生成手順は、以下のように記述される。

【数15】

【0034】

（１５）式に示した、αβ固定座標系上での第ｋ番固定子電圧指令値を用いた３軸座標系上での第ｋ番固定子電圧指令値ｖｔ，ｋ＊の生成手順は、以下のように集約される。

【数16】

【0035】

（１４）、（１６）式は、請求項１の発明に直接的に従ったものである。すなわち、（１４）式は、２以上の多重数ｎをもつｎ重巻線交流電動機（同期電動機、誘導電動機）を対象に、「固定子の同一性」を利用し、２軸座標系の１つであるαβ固定座標系の上で、（１）式と等価な電流均等加算式により、合成固定子電流を合成するものである。これに対応すべく、（１６）式は、２以上の多重数ｎをもつｎ重巻線交流電動機（同期電動機、誘導電動機）を対象に、「固定子の同一性」を利用し、２軸座標系の１つであるαβ固定座標系の上で、（２）式と等価な電圧指令値均等式により、第ｋ番固定子電圧指令値を生成するものである。

【実施例0036】

請求項１の発明に従った（１４）、（１６）式を用いた実施例をより詳細かつ具体的に示すべく、多重数ｎ＝２とした上で、さらに請求項２、請求項３の発明を適用することを考える。本考えの下、以下の条件「正定数は、Ｋｃ＝√２」、「多重巻線電動機は、二重巻線永久磁石形同期電動機」、「単一固定子における第１番、第２番巻線の配置は、図２（ａ）」を追加する。この場合の多重巻線電動機駆動システムの１構成例は、図３のように描画される。

【0037】

同図の駆動システムは大きくは、多重巻線電動機（回転子、固定子を含む）１、電力変換装置２（破線ブロック表示）、電流制御装置３（破線ブロック表示）から構成されている。電力変換装置の内部構成と電流制御装置の内部構成は、第１番巻線用と第２番巻線用は基本的に同一である。この点を踏まえ、基本的に第１番巻線用を中心にこれらを説明し、第１番巻線用と第２番巻線用で相違がある場合に限り、個別に説明する。

【0038】

電力変換装置２は、電力変換器２１、電流検出器２２から構成されている。電流制御装置３は、相変換器３１ａ、３１ｂ、ベクトル回転器３２ａ、３２ｂ、電流制御器３３、ベクトル回転器へ位相情報を、電流制御器へ速度情報を送るための補助機器（位相検出器３４１、速度検出器３４２、余弦正弦信号発生器３４３）から構成されている。本例では、参考までに、トルク指令値から電流指令値ｉｒ＊を生成し、これを電流制御器３３へ送る指令変換器４を追加している。

【0039】

本実施例では、図３より明白なように、合成固定子電流ｉｓは、αβ固定座標系上で合成されている。この結果、同図では、一対のベクトル回転器３２ａ、３２ｂより左側の機器は、一重巻線電動機と同様に、２×１合成固定子電流指令値ｉｒ＊と合成固定子電流ｉｒを入力とし、２×１合成固定子電圧指令値ｖｒ＊を出力とする単一の２×２電流制御器３３があるに過ぎない。合成固定子電流ｉｓのαβ固定座標系上での合成に対応して、合成固定電圧指令値ｖｓ＊は、αβ固定座標系上で均等分離されている。

【0040】

なお、（１２）、（１４）、（１５）、（１６）式に用いた第ｋ番巻線用の相変換器は、図２（ａ）の巻線配置の電動機を利用した図３の実施例では、次式となる。

【数17】

【0041】

これより、（１４）、（１６）式に用いた相変換器に関し、次式の関係が得られる。

【数18】

【0042】

（１８）式を（１４）、（１６）式に適用すると、次式を得る。

【数19】

【数20】

図３における３軸座標系上の第１番、第２番固定子電流ｉｔ，１、ｉｔ，２からｄｑ同期座標系上の合成固定子電流ｉｒの合成過程は、（１９）式に正確に従っている。また、ｄｑ同期座標系上の合成固定電圧指令値ｖｒ＊から３軸座標系上の第１番、第２番巻線用の固定子電圧指令値ｖｔ，１＊、ｖｔ，２＊の生成過程は、（２０）式に正確に従っている。これらは、２軸座標系の１つであるαβ固定座標系の上で、（１）式と等価な電流均等加算式により、合成固定子電流を合成し、また、２軸座標系の１つであるαβ固定座標系の上で、（２）式と等価な電圧指令値均等式により、第ｋ番固定子電圧指令値を生成するものである。

【0043】

図３のおける電流制御器３３は、請求項２の発明に従って、設計あるいは構成されている。電流制御器の設計・構成の１例を図４に示した。同図では、ベクトル信号に代わってスカラ信号を用いて電流制御器の設計・構成の様子を示している。なお、ベクトル信号とスカラ信号の関係は、次の定義式の通りである。

【数21】

図４に例示した電流制御器３３は、大きくは、ｄ軸、ｑ軸用ＰＩ制御器（破線ブロック）３３１と非干渉器（破線ブロック）３３２から構成されている。ＰＩ制御器の制御器係数は、請求項２の発明に従い、合成固定子電流の特性と直接的に関連した（５ｄ）、（６ｄ）、（８）、（９）式定義の合成パラメータ（合成インダクタンス、合成抵抗、合成磁束強度）の少なくも１つを用いて設計することになる。ＰＩ制御器の制御器係数の設計は、非特許文献３等で詳しく解説されている一重巻線電動機のための公知の電流制御器設計法を、合成パラメータの利用を条件に、実質無修正で利用すればよい。当業者における電流制御器設計法の公知性を考慮し、この解説はこれで止める。

【0044】

図４の非干渉器３３２の特徴は、合成固定子電流の特性と直接的に関連した（５ｄ）、（６ｄ）、（９）式定義の合成パラメータ（合成インダクタンスＬｄ、Ｌｑ、合成磁束強度Φ）を用いて構成されている点にある。非干渉器３３２自体の設計は、非特許文献３等で詳しく解説されている一重巻線電動機のための公知の非干渉器設計法を忠実に従っている。当業者における非干渉器設計法の公知性を考慮し、この解説はこれで止める。