特許 7131782 モータ装置およびモータ装置の駆動方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-08-29

(45)【発行日】2022-09-06

(54)【発明の名称】モータ装置およびモータ装置の駆動方法

(51)【国際特許分類】

   H02P 25/092 20160101AFI20220830BHJP

【ＦＩ】

H02P25/092

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2021100009

(22)【出願日】2021-06-16

【審査請求日】2021-06-17

(73)【特許権者】

【識別番号】521263537

【氏名又は名称】ＮＡＳＣＡ株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】504176911

【氏名又は名称】国立大学法人大阪大学

(73)【特許権者】

【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】城ノ口 秀樹

(72)【発明者】

【氏名】新口 昇

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 寛典

(72)【発明者】

【氏名】竹村 望

【審査官】佐藤 彰洋

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－１０３９５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１４４２９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－１５４３１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－１１２９７０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｐ ４／００

Ｈ０２Ｐ ２１／００－２５／０３

Ｈ０２Ｐ ２５／０４

Ｈ０２Ｐ ２５／０８－３１／００

(57)【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し６相巻線が巻回されたモータ部と、
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、
前記スイッチインバータ部は、第１電位と第２電位の間に上段スイッチ、中間スイッチおよび下段スイッチが直列接続されたスイッチ群が３つ並列接続されており、
前記スイッチ制御部は、前記上段スイッチと前記下段スイッチにそれぞれ反転した制御信号を送出し、
前記制御信号が切り替わってから所定期間、同じ群に含まれる前記中間スイッチにオン信号を送出する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相から６相巻線が巻回されており、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相の一端は中性点に接続されており、
前記スイッチインバータ部は、第１スイッチ群、第２スイッチ群および第３スイッチ群が並列に接続され、
前記第１スイッチ群は、前記第１電位から順に第１上段スイッチ、第１中間スイッチおよび第１下段スイッチが直列接続され、
前記第２スイッチ群は、前記第１電位から順に第２上段スイッチ、第２中間スイッチおよび第２下段スイッチが直列接続され、
前記第３スイッチ群は、前記第１電位から順に第３上段スイッチ、第３中間スイッチおよび第３下段スイッチが直列接続され、
前記第１上段スイッチと前記第１中間スイッチの間に前記Ａ相の他端が接続され、前記第１中間スイッチと前記第１下段スイッチの間に前記Ｄ相の他端が接続され、
前記第２上段スイッチと前記第２中間スイッチの間に前記Ｅ相の他端が接続され、前記第２中間スイッチと前記第２下段スイッチの間に前記Ｂ相の他端が接続され、
前記第３上段スイッチと前記第３中間スイッチの間に前記Ｃ相の他端が接続され、前記第３中間スイッチと前記第３下段スイッチの間に前記Ｆ相の他端が接続されていることを特徴とするモータ装置。

【請求項3】

請求項１または２に記載のモータ装置であって、
前記スイッチ制御部は、前記中間スイッチを流れる電流値が、最大値の半分になるまで前記オン信号を継続することを特徴とするモータ装置。

【請求項4】

請求項３に記載のモータ装置であって、
前記スイッチ制御部は、前記電流値が前記最大値の四分の一になるまで前記オン信号を継続することを特徴とするモータ装置。

【請求項5】

請求項４に記載のモータ装置であって、
前記スイッチ制御部は、前記電流値が０になるまで前記オン信号を継続することを特徴とするモータ装置。

【請求項6】

請求項１から５の何れか一つに記載のモータ装置であって、
前記スイッチ制御部は、前記中間スイッチの両端の電位を検出し、下段側電位が上段側電位よりも大きい場合に前記オン信号を送出することを特徴とするモータ装置。

【請求項7】

請求項１から６の何れか一つに記載の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ることを特徴とするモータ装置。

【請求項8】

請求項１から７の何れか一つ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9】

固定子に対して６相の巻線が巻回され、スイッチインバータ部からの出力により回転子を回転させるモータ装置の駆動方法であって、
前記スイッチインバータ部は、上段スイッチ、中間スイッチおよび下段スイッチが直列接続されたスイッチ群が３つ並列接続されており、
前記上段スイッチおよび前記下段スイッチに互いに反転した制御信号を送出する相制御工程と、
前記制御信号のオン信号とオフ信号の切り替えを検出する切替検出工程と、
前記制御信号の切り替えが検出された場合には、前記中間スイッチに所定期間のオン信号を送出する還流制御工程と、を備えることを特徴とするモータ装置の駆動方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、モータ装置およびモータ装置の駆動方法に関する。

【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】

図７は、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７に示すようにモータ装置は、第１系統の三相巻線としてＡ相コイル、Ｅ相コイル、Ｃ相コイルを有し、第２系統の三相巻線としてＤ相コイル、Ｂ相コイル、Ｆ相コイルを有している。また、電源電圧（＋Ｖ）と接地電圧（０Ｖ）の間に、各相に対応する６つのスイッチが直並列で接続されている。したがって、スイッチＡとスイッチＤの直列接続、スイッチＥとスイッチＢの直列接続、スイッチＣとスイッチＦの直列接続が並列接続されている。また、上下段の各スイッチＡ，Ｅ，ＣとスイッチＤ，Ｂ，Ｆの間には還流ダイオードが接続されている。また、各スイッチと還流ダイオードの間は、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。また、各スイッチには寄生ダイオードが逆接続された構成となっている。

【0004】

図７に示したモータ装置では、スイッチＡ～Ｆに位相が１／６周期ずつ異なる信号を入力する。このとき、上段と下段のスイッチにはそれぞれ反転した信号が入力される。また、上段と下段のスイッチの間にはそれぞれ還流ダイオードが逆接続されているため、上段から下段への電流は遮断され、他相の巻線と中性点を経由して下段に電流が流れることは防止される。例えば、スイッチＡがオンでスイッチＤがオフ、さらにスイッチＥがオンの場合に、スイッチＥからＥ相コイル、中性点、Ａ相コイルを経てスイッチＤを流れるような電流は生じない。これにより、各相のコイルに適切に電流が流れて、スイッチトリラクタンスモータを回転させることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１０－０９３８８９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかし、図７に示したモータ装置の駆動回路では、各スイッチの切り替え時に還流ダイオードに電流が流れる。図８は、図７に示した駆動回路における上段のスイッチをオフにした場合の電流経路を示した模式図であり、図８（ａ）はスイッチＡ，Ｅがオン時の電流を示し、図８（ｂ）はスイッチＡをオフにした直後の電流を示している。図９は、図７に示した駆動回路における下段のスイッチをオフにした場合の電流経路を示した模式図であり、図９（ａ）はスイッチＢ，Ｄがオン時の電流を示し、図９（ｂ）はスイッチＤをオフにした直後の電流を示している。図８，図９中に破線で示した矢印は電流の流れを示している。図８および図９では、スイッチＡとスイッチＤの場合について示したが、スイッチＥとスイッチＢおよびスイッチＣとスイッチＦも同様となる。

【0007】

図８（ａ）に示したように、スイッチＡ，Ｅ，ＦがオンでスイッチＢ，Ｃ，Ｄがオフの場合には、電源電圧からスイッチＡとＡ相コイルおよびスイッチＥとＥ相コイルを経て中性点に電流が流れ、Ｆ相コイルとスイッチＦを経て中性点から電流が接地電圧に流れる。スイッチＡがオフに切り替わった場合には、スイッチＡの反転信号であるオン信号がスイッチＤに印加されオンになる。スイッチＡがオフ、スイッチＤがオンになった直後には、図８（ｂ）に示したように、Ａ相コイルを流れていた電流の過渡応答により、スイッチＤの寄生ダイオードを介して接地電圧側からスイッチＤおよび還流ダイオードを介してＡ相コイルに電流が流れる。

【0008】

図９（ａ）に示したように、スイッチＢ，Ｃ，ＤがオンでスイッチＡ，Ｅ，Ｆがオフの場合には、電源電圧からスイッチＣとＣ相コイルを経て中性点に電流が流れ、Ｂ相コイルとスイッチＢおよびＤ相コイルとスイッチＤを経て中性点から電流が接地電圧に流れる。スイッチＤがオフに切り替わった場合には、スイッチＤの反転信号であるオン信号がスイッチＡに印加されオンになる。スイッチＤがオフ、スイッチＡがオンになった直後には、図９（ｂ）に示したように、Ｄ相コイルを流れていた電流の過渡応答により、還流ダイオードを介してＡ相コイルに電流が流れる。

【0009】

図８（ｂ）および図９（ｂ）に示したように、スイッチの切り替え直後には、コイルを流れていた電流の過渡応答によって、還流ダイオードを電流が流れる。還流ダイオードはダイオード特性を有しているため、電流ｉが流れる場合には順方向電圧Ｖｆだけ電圧降下が発生し、電力ΔＷ＝ｉ・Ｖｆが消費される。この還流ダイオードによる電力の消費は、６相全てのスイッチのオフ動作時に発生するため、電源電圧から供給された電力が回転子の回転エネルギーに変換される効率が低下し、モータ装置が出力するトルクが低下するという問題が発生する。

【0010】

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、還流ダイオードによる電力消費を抑制し、トルクの向上を図ることが可能な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。

【課題を解決するための手段】

【0011】

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し６相巻線が巻回されたモータ部と、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、前記スイッチインバータ部は、第１電位と第２電位の間に上段スイッチ、中間スイッチおよび下段スイッチが直列接続されたスイッチ群が３つ並列接続されており、前記スイッチ制御部は、前記上段スイッチと前記下段スイッチにそれぞれ反転した制御信号を送出し、前記制御信号が切り替わってから所定期間、同じ群に含まれる前記中間スイッチにオン信号を送出することを特徴とする。

【0012】

このような本発明のモータ装置では、上段スイッチと下段スイッチに送出される制御信号のオン信号とオフ信号が切り替わった場合に、中間スイッチにオン信号を送出して導通させることで、下段側から上段側に還流電流が流れる際の電力消費を抑制し、トルクの向上を図ることが可能となる。

【0013】

また、本発明の一態様では、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相から６相巻線が巻回されており、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相の一端は中性点に接続されており、前記スイッチインバータ部は、第１スイッチ群、第２スイッチ群および第３スイッチ群が並列に接続され、前記第１スイッチ群は、前記第１電位から順に第１上段スイッチ、第１中間スイッチおよび第１下段スイッチが直列接続され、前記第２スイッチ群は、前記第１電位から順に第２上段スイッチ、第２中間スイッチおよび第２下段スイッチが直列接続され、前記第３スイッチ群は、前記第１電位から順に第３上段スイッチ、第３中間スイッチおよび第３下段スイッチが直列接続され、前記第１上段スイッチと前記第１中間スイッチの間に前記Ａ相の他端が接続され、前記第１中間スイッチと前記第１下段スイッチの間に前記Ｄ相の他端が接続され、前記第２上段スイッチと前記第２中間スイッチの間に前記Ｅ相の他端が接続され、前記第２中間スイッチと前記第２下段スイッチの間に前記Ｂ相の他端が接続され、前記第３上段スイッチと前記第３中間スイッチの間に前記Ｃ相の他端が接続され、前記第３中間スイッチと前記第３下段スイッチの間に前記Ｆ相の他端が接続されている。

【0014】

また、本発明の一態様では、前記スイッチ制御部は、前記中間スイッチを流れる電流値が、最大値の半分になるまで前記オン信号を継続する。

【0015】

また、本発明の一態様では、前記スイッチ制御部は、前記電流値が前記最大値の四分の一になるまで前記オン信号を継続する。

【0016】

また、本発明の一態様では、前記スイッチ制御部は、前記電流値が０になるまで前記オン信号を継続する。

【0017】

また、本発明の一態様では、前記スイッチ制御部は、前記中間スイッチの両端の電位を検出し、下段側電位が上段側電位よりも大きい場合に前記オン信号を送出する。

【0018】

また、本発明の一態様では、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る。

【0019】

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。

【0020】

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、固定子に対して６相の巻線が巻回され、スイッチインバータ部からの出力により回転子を回転させるモータ装置の駆動方法であって、前記スイッチインバータ部は、上段スイッチ、中間スイッチおよび下段スイッチが直列接続されたスイッチ群が３つ並列接続されており、前記上段スイッチおよび前記下段スイッチに互いに反転した制御信号を送出する相制御工程と、前記制御信号のオン信号とオフ信号の切り替えを検出する切替検出工程と、前記制御信号の切り替えが検出された場合には、前記中間スイッチに所定期間のオン信号を送出する還流制御工程と、を備えることを特徴とする。

【発明の効果】

【0021】

本発明では、還流ダイオードによる電力消費を抑制し、トルクの向上を図ることが可能な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。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【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2】スイッチ制御部からスイッチインバータ部に送出される制御信号のタイミングチャートであり、図２（ａ）は３つのスイッチ群における上段スイッチと下段スイッチへの制御信号を示し、図２（ｂ）は第１スイッチ群に含まれる各スイッチへの信号を示している。

【図3】還流制御工程を用いた場合について示すタイミングチャートであり、図３（ａ）は巻線への経路と寄生ダイオードに流れる電流値を示し、図３（ｂ）は各スイッチのゲートに印加される信号を示している。

【図4】還流制御工程を用いない場合について示すタイミングチャートであり、図４（ａ）は巻線への経路と寄生ダイオードに流れる電流値を示し、図４（ｂ）は各スイッチのゲートに印加される信号を示している。

【図5】中間スイッチＡＤにおける寄生ダイオードのＩ－Ｖ特性の一例を示すグラフである。

【図6】モータ装置のトルク波形を示すグラフであり、図６（ａ）は電源電圧を３６Ｖで計算したシミュレーション結果を示し、図６（ｂ）は電源電圧を６８０Ｖで計算したシミュレーション結果を示している。

【図7】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8】図７に示した駆動回路における上段のスイッチをオフにした場合の電流経路を示した模式図であり、図８（ａ）はスイッチＡ，Ｅがオン時の電流を示し、図８（ｂ）はスイッチＡをオフにした直後の電流を示している。

【図9】図７に示した駆動回路における下段のスイッチをオフにした場合の電流経路を示した模式図であり、図９（ａ）はスイッチＢ，Ｄがオン時の電流を示し、図９（ｂ）はスイッチＤをオフにした直後の電流を示している。

【発明を実施するための形態】

【0023】

（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。

【0024】

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（第１スイッチ群、第２スイッチ群、第３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。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逆接続された等価回路となる。

【0025】

また、モータ部は、Ａ相巻線、Ｅ相巻線、Ｃ相巻線の３つの巻線（コイル）で構成される第１系統の三相巻線と、Ｄ相巻線、Ｂ相巻線、Ｆ相巻線の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。図１（ａ）に示したように、Ａ相巻線、Ｅ相巻線、Ｃ相巻線、Ｄ相巻線、Ｂ相巻線、Ｆ相巻線の一端は共通の中性点に接続されている。また、各スイッチはスイッチ制御部（図示省略）によって動作が制御される。

【0026】

第１スイッチ群には、電源電圧側から順に上段スイッチＡと、中間スイッチＡＤと、下段スイッチＤとが直列接続されている。また、上段スイッチＡと中間スイッチＡＤの間がＡ相巻線の他端に接続されている。また、中間スイッチＡＤと下段スイッチＤの間がＤ相巻線の他端に接続されている。ここで、上段スイッチＡ、中間スイッチＡＤ、下段スイッチＤは、それぞれ本発明における第１上段スイッチ、第１中間スイッチ、第１下段スイッチに相当している。

【0027】

第２スイッチ群には、電源電圧側から順に上段スイッチＥと、中間スイッチＥＢと、下段スイッチＢとが直列接続されている。また、上段スイッチＥと中間スイッチＥＢの間がＥ相巻線の他端に接続されている。また、中間スイッチＥＢと下段スイッチＢの間がＢ相巻線の他端に接続されている。ここで、上段スイッチＥ、中間スイッチＥＢ、下段スイッチＢは、それぞれ本発明における第２上段スイッチ、第２中間スイッチ、第２下段スイッチに相当している。

【0028】

第３スイッチ群には，電源電圧側から順に上段スイッチＣと、中間スイッチＣＦと、下段スイッチＦとが直列接続されている。また、上段スイッチＣと中間スイッチＣＦの間がＣ相巻線の他端に接続されている。また、中間スイッチＣＦと下段スイッチＦの間がＦ相巻線の一端に接続されている。ここで、上段スイッチＣ、中間スイッチＣＦ、下段スイッチＦは、それぞれ本発明における第２上段スイッチ、第２中間スイッチ、第２下段スイッチに相当している。

【0029】

図１（ｂ）に示すように、モータ部１０は回転子（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、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には巻線（コイル）１４が巻回されて、上述したＡ相巻線、Ｅ相巻線、Ｃ相巻線の第１系統の三相巻線と、Ｄ相巻線、Ｂ相巻線、Ｆ相巻線の第２系統の三相巻線が構成されている。

【0030】

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。

【0031】

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。

【0032】

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（ｂ）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。

【0033】

次に、モータ装置の制御方法について説明する。図２は、スイッチ制御部からスイッチインバータ部に送出される制御信号のタイミングチャートであり、図２（ａ）は３つのスイッチ群における上段スイッチと下段スイッチへの制御信号を示し、図２（ｂ）は第１スイッチ群に含まれる各スイッチへの信号を示している。図２（ａ）（ｂ）における横軸は時間経過を示しており、３６０度を１周期とした共通の電気角を表している。また、図２（ａ）（ｂ）における縦軸はオン信号およびオフ信号を示しており、横軸に重なる位置がＬｏｗでオフ信号を示し、横軸から上方に離れた位置がＨｉｇｈでオン信号を示している。

【0034】

図２（ａ）に示したように、スイッチ制御部はスイッチインバータ部の各スイッチに対して、１８０度周期（１／２周期）のオン信号とオフ信号を交互に切り替えてゲートに送出する。このとき、上段スイッチＡ、下段スイッチＢ、上段スイッチＣに印加される制御信号は、それぞれ位相が６０度（１／６周期）ずつ異なっている。また、同じスイッチ群における上段スイッチと下段スイッチは、互いの制御信号が反転した反転信号とされている。具体的には、上段スイッチＡと下段スイッチＤ、上段スイッチＥと下段スイッチＢ、上段スイッチＣと下段スイッチＦには、それぞれ反転信号が入力される（相制御工程）。ここでは上段スイッチと下段スイッチに完全に反転した信号を印加する例を示したが、後述するようにわずかにオン信号をオフ信号よりも長くし、上段スイッチと下段スイッチの両者にオン信号が印加されるオーバーラップ期間を設けるとしてもよい。

【0035】

図２（ｂ）に示したように、スイッチ制御部は、上段スイッチＡと下段スイッチＤに印加された制御信号のオン信号とオフ信号が切り替わるタイミングを検出する（切替検出工程）。また、上段スイッチＡと下段スイッチＤの制御信号が切り替わった場合には、スイッチ制御部は中間スイッチＡＤのゲートにオン信号を送出して、所定期間経過後にオフ信号を送出する（還流制御工程）。また、図２（ｂ）では中間スイッチＡＤにオン信号が印加される期間として９０度（１／４周期）の例を示しているが、後述するように還流制御工程で中間スイッチＡＤに印加されるオン信号の継続時間は９０度に限定されない。

【0036】

次に、還流制御工程による消費電力低減について図３および図４を用いて説明する。図３は、還流制御工程を用いた場合について示すタイミングチャートであり、図３（ａ）は巻線への経路と寄生ダイオードに流れる電流値を示し、図３（ｂ）は各スイッチのゲートに印加される信号を示している。図４は、還流制御工程を用いない場合について示すタイミングチャートであり、図４（ａ）は巻線への経路と寄生ダイオードに流れる電流値を示し、図４（ｂ）は各スイッチのゲートに印加される信号を示している。

【0037】

図３（ａ）（ｂ）および図４（ａ）（ｂ）の横軸は共通の時間経過を示す時間軸である。図３（ａ）および図４（ａ）において、実線は中間スイッチＡＤの寄生ダイオードに流れる電流値を示し、破線はＡ相巻線に接続された配線に流れる電流値を示し、一点鎖線はＤ相巻線に接続された配線に流れる電流値を示している。図３（ｂ）および図４（ｂ）では、上段スイッチＡと下段スイッチＤにそれぞれ１８５度のオン信号と１７５度のオフ信号を交互に印加して、わずかに両者にオン信号が印加した例を示している。

【0038】

図３および図４に示したように、上段スイッチＡのゲートにオン信号が印加されると、Ａ相巻線に接続された配線には徐々に電流が流れ始め、一定時間経過後に最大値をとる。上段スイッチＡのゲートに印加される制御信号がオン信号からオフ信号に切り替わると、Ａ相巻線に接続された配線の電流値は、最大値から徐々に減少して一定時間経過後に０となる。これは、Ａ相巻線のインダクタンスによって電圧変化から電流の位相が遅れることによる。下段スイッチＤに印加される制御信号の切り替えでも同様である。このとき、上段スイッチＡまたは下段スイッチＤにオフ信号が印加されて非導通状態とされていても、Ａ相巻線またはＤ相巻線に接続された配線には過渡応答による還流電流が流れることとなる。この還流電流は、中間スイッチＡＤのソース側（下流側）からドレイン側（上流側）に向かって電流が流れることによる。

【0039】

還流制御工程を用いる場合には、図３（ｂ）に示したように、上段スイッチＡと下段スイッチＤに印加される制御信号の切り替え時点から、中間スイッチＡＤにはオン信号が印加されて導通状態となる。この中間スイッチＡＤの導通状態は、Ａ相巻線またはＤ相巻線に接続された配線を流れる還流電流が０となるまで継続する。この際に、還流電流は導通状態である中間スイッチＡＤを流れるため、図３（ａ）に実線で示されているように、寄生ダイオードには電流が流れない。

【0040】

還流制御工程を用いない場合には、図４（ｂ）に示したように、上段スイッチＡと下段スイッチＤに印加される制御信号の切り替えに関わらず、中間スイッチＡＤにはオフ信号が印加されて遮断状態が継続する。この際に、図３（ａ）に実線で示されているように、還流電流は中間スイッチＡＤにおける寄生ダイオードを流れる。

【0041】

図５は、中間スイッチＡＤにおける寄生ダイオードのＩ－Ｖ特性の一例を示すグラフである。図５の横軸は寄生ダイオードに印加される電圧（Ｖ）を示し、縦軸は寄生ダイオードを流れる電流値（ｍＡ）を示している。図５に示したように、中間スイッチＡＤの寄生ダイオードは、０．４～０．５Ｖ程度の順方向電圧（Ｖｆ）のダイオード特性を有しており、電流が流れる場合に０．４～０．５Ｖ程度の電圧降下を引き起こすこととなる。つまり、図４（ａ）に実線で示したように、還流電流が寄生ダイオードを流れる場合には、それに応じた電圧降下が中間スイッチＡＤの両端に生じることとなる。

【0042】

したがって還流制御工程を用いない場合には、図４（ａ）の実線で示された面積に相当する電力が寄生ダイオードによって消費されることとなる。それに対して還流制御工程を用いる場合には、還流電流は寄生ダイオードを流れず導通状態の中間スイッチＡＤを流れるため、電圧降下がほとんどなく消費電力を極めて小さくすることができる。

【0043】

また、還流制御工程で中間スイッチＡＤにオン信号を送出して導通状態とする期間は、中間スイッチＡＤを流れる還流電流の電流値が、少なくとも最大値の半分になるまで継続することが好ましい。図４（ａ）に示したように、還流電流は徐々に減少していくため、最大値の半分になるまで中間スイッチＡＤを導通状態にしておくことで、寄生ダイオードを流れる還流電流による電力消費を約１／４程度にまで抑制することができる。また、中間スイッチＡＤを流れる還流電流の電流値が、最大値の四分の一になるまで中間スイッチＡＤにオン信号を送出して導通状態とすると、さらに寄生ダイオードによる電力消費を抑制できる。さらに、中間スイッチＡＤを流れる還流電流の電流値が０になるまで、中間スイッチＡＤにオン信号を送出して導通状態とすることが好ましい。

【0044】

中間スイッチＡＤにオン信号を送出する機関の決定方法は限定されないが、一例としては、スイッチ制御部に理想ダイオードコントローラの機能を備えることが挙げられる。この場合、スイッチ制御部は、中間スイッチＡＤの両端の電圧を測定して、下段スイッチＤ側の電圧（ソース電位、下段側電位）が上段スイッチＡ側の電圧（ドレイン電位、上段側電位）よりも大きい場合に、中間スイッチＡＤのゲートにオン信号を送出する。また、中間スイッチＡＤの両端の電圧において、上段側電位が下段側電位よりも大きくなるまでオン信号を継続する。このような理想ダイオードコントローラを用いることで、中間スイッチＡＤは理想ダイオードとして動作し、還流電流が流れる際の電圧降下を著しく低減することができる。

【0045】

上述した図２～図４では、第１スイッチ群についてのスイッチ制御部の制御動作を示したが、第２スイッチ群を構成する上段スイッチＥ、中間スイッチＥＢ、下段スイッチＢの組み合わせ、および第３スイッチ群を構成する上段スイッチＣ、中間スイッチＣＦ、下段スイッチＦの組み合わせも同様である。したがって、還流制御工程を用いることによる電力消費の低減効果は、６相全ての巻線での全周期において得られることとなる。

【0046】

図６は、モータ装置のトルク波形を示すグラフであり、図６（ａ）は電源電圧を３６Ｖで計算したシミュレーション結果を示し、図６（ｂ）は電源電圧を６８０Ｖで計算したシミュレーション結果を示している。図６において横軸は時間（秒）を示し、縦軸は回転子１１に生じるトルク（Ｎｍ）を示している。グラフ中の実線は、還流制御工程を用いずに中間スイッチの寄生ダイオードを還流電流が流れた場合を示している。グラフ中の破線は、還流制御工程を用いて、還流電流が０になるまで中間スイッチを導通状態として、導通状態の中間スイッチを還流電流が流れる場合を示している。

【0047】

図６（ａ）（ｂ）に示したように、還流制御工程を用いて導通状態の中間スイッチに還流電流を流す場合のほうが、還流制御工程を用いず寄生ダイオードに還流電流を流す場合よりもトルクが大きくなっている。ここで、図６（ａ）に示した結果では約６％のトルク向上であり、図６（ｂ）に示した結果では約０．１％のトルク向上であった。電源電圧が小さい場合には、寄生ダイオードでの０．４～０．６Ｖ程度の電圧降下も影響が大きく、還流制御工程によるトルク向上の効果が大きいことがわかる。

【0048】

上述したように本実施形態では、上段スイッチ、中間スイッチおよび下段スイッチが直列接続されたスイッチ群を３つ並列接続されたスイッチインバータ部において、スイッチ制御部は、上段スイッチと下段スイッチにそれぞれ反転した制御信号を送出し、制御信号が切り替わってから所定期間、同じ群に含まれる中間スイッチにオン信号を送出することで、導通状態の中間スイッチを介して還流電流を流すことができ、寄生ダイオードによる電力消費を抑制して出力トルクを向上させることができる。

【0049】

（第２実施形態）
第１実施形態では、スイッチ制御部に理想ダイオードコントローラを用いて、上段側電位が下段側電位よりも大きくなるまで中間スイッチの導通状態を継続したが、本実施形態では所定の電位差となるまでオン信号を継続する。一例としては、下段側電位が上段側電位よりも大きく、中間スイッチの両端の電位差が電源電圧の数％となった段階で、中間スイッチへ送出する信号をオフ信号とする。具体的な電位差の範囲は限定されないが、例えば１％～３％の範囲とすることが好ましい。

【0050】

本実施形態では、中間スイッチの寄生ダイオードにわずかに還流電流が流れる可能性があるが、両端の電位差が電源電圧の数％程度になるまでは、中間スイッチの導通状態が継続する。これにより、還流電流による電力消費を抑制し、トルク向上を図ることができる。

【0051】

（第３実施形態）
本実施形態では、中間スイッチに対してオン信号を送出する継続期間Ｔを予め定めてスイッチ制御部に記録しておき、上段スイッチおよび下段スイッチへの制御信号の切り替え時点から継続期間Ｔが経過するまでオン信号を継続し、継続期間Ｔ経過後にオフ信号に切り替える。ここで継続期間Ｔは、回転子１１の回転速度や、各相を流れる電流値を変数としてテーブルを作成しておき、上段スイッチおよび下段スイッチへの制御信号の切り替え時点における回転速度や電流値に基づいて、テーブルを参照して継続期間Ｔを決定するとしてもよい。または、回転速度や電流値と継続期間Ｔの関係を数式で記述しておき、当該数式に回転速度や電流値を入力して継続期間Ｔを算出するとしてもよい。

【0052】

本実施形態では、予め定められたテーブルや数式に基づいて、回転速度や電流値から継続期間Ｔを決定し、フィードフォワード制御によって中間スイッチへのオン信号の送出期間が決定される。これにより、中間スイッチの両端電位を測定する必要が無く、回路構成を簡略化しながらも還流電流による電力消費を抑制し、トルク向上を図ることができる。

【0053】

（第４実施形態）
本実施形態では、中間スイッチのドレインとソースの間にシャント抵抗を並列接続しておき、シャント抵抗を流れる電流Ｉｓを検出して、電流Ｉｓの向きが寄生ダイオードの順方向である期間は、中間スイッチにオン信号を送出する。

【0054】

本実施形態では、シャント抵抗を用いて電流の向きを検出するだけで、中間スイッチにオン信号を送出して導通状態とする期間を決定する。これにより、回路構成を簡略化しながらも還流電流による電力消費を抑制し、トルク向上を図ることができる。

【0055】

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】

【0056】

１０…モータ部
１１…回転子
１２…固定子
１３…ティース部
１４…巻線

【要約】

【課題】還流ダイオードによる電力消費を抑制し、トルクの向上を図ることが可能な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】６相巻線が巻回されたモータ部と、モータ部に電力を供給するスイッチインバータ部と、各スイッチを制御するスイッチ制御部とを備え、スイッチインバータ部は、第１電位と第２電位の間に上段スイッチ（Ａ，Ｅ，Ｃ）、中間スイッチ（ＡＤ，ＥＢ，ＣＦ）および下段スイッチ（Ｄ，Ｂ，Ｆ）が直列接続されたスイッチ群が３つ並列接続されており、スイッチ制御部は、上段スイッチ（Ａ，Ｅ，Ｃ）と下段スイッチ（Ｄ，Ｂ，Ｆ）にそれぞれ反転した制御信号を送出し、制御信号が切り替わってから所定期間、同じ群に含まれる中間スイッチ（ＡＤ，ＥＢ，ＣＦ）にオン信号を送出するモータ装置。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】