特許 7160479 電動機システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-10-17

(45)【発行日】2022-10-25

(54)【発明の名称】電動機システム

(51)【国際特許分類】

   H02P 27/06 20060101AFI20221018BHJP

   H02P 25/16 20060101ALI20221018BHJP

【ＦＩ】

H02P27/06

H02P25/16

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2018239201

(22)【出願日】2018-12-21

(65)【公開番号】P2020102935

(43)【公開日】2020-07-02

【審査請求日】2021-08-25

(73)【特許権者】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(74)【代理人】

【識別番号】110001210

【氏名又は名称】弁理士法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】守屋 一成

(72)【発明者】

【氏名】平本 健二

(72)【発明者】

【氏名】中井 英雄

(72)【発明者】

【氏名】大谷 裕子

(72)【発明者】

【氏名】浦田 信也

(72)【発明者】

【氏名】難波 雅史

(72)【発明者】

【氏名】谷口 真

【審査官】池田 貴俊

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－２３２２９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－１４３８９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０７３０９７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｐ ２７／０６

Ｈ０２Ｐ ２５／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ロータを囲むステータコア本体部と、
周回状に配置された複数のティースであって、それぞれが前記ステータコア本体部の壁面から前記ロータ側に突出した複数のティースと、
複数相の巻線を備え、複数の前記ティースのうち各前記巻線に対して定められたティースに各前記巻線が配置された集中巻ステータコイルと、
複数相の前記巻線のそれぞれの一端が接続され、前記ロータの周りに回転磁束を発生させる電流を複数相の前記巻線に流すインバータと、
複数相の前記巻線のそれぞれの他端が共通に接続され、複数相の前記巻線の共通接続点に流れる零相電流をスイッチングによって調整し、当該零相電流によって前記ロータにトルクを発生させる零相スイッチングアームと、を備えることを特徴とする電動機システム。

【請求項2】

ロータを囲むステータコア本体部と、
周回状に配置された複数のティースであって、それぞれが前記ステータコア本体部の壁面から前記ロータ側に突出した複数のティースと、
複数相の巻線を備え、複数の前記ティースのうち各前記巻線に対して定められたティースに各前記巻線が配置された集中巻ステータコイルと、
複数相の前記巻線のそれぞれの一端が接続され、前記ロータの周りに回転磁束を発生させる電流を複数相の前記巻線に流す第１インバータと、
複数相の前記巻線のそれぞれの他端が接続され、前記ロータの周りに回転磁束を発生させる電流を複数相の前記巻線に流すと共に、複数相の前記巻線に流れる零相電流をスイッチングによって調整し、当該零相電流によって前記ロータにトルクを発生させる第２インバータと、を備えることを特徴とする電動機システム。

【請求項3】

請求項２に記載の電動機システムにおいて、
各前記巻線は、直列接続された正巻線および逆巻線を有し、複数の前記ティースのうち、各前記巻線の正巻線および逆巻線に対して定められたティースに、各前記巻線の正巻線および逆巻線が配置されており、
複数相の前記巻線のそれぞれにおける正巻線および逆巻線の直列接続点が共通に接続されていることを特徴とする電動機システム。

【請求項4】

請求項３に記載の電動機システムにおいて、
複数相の前記巻線として、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の前記巻線を備え、
Ｕ相の正巻線、Ｖ相の逆巻線、およびＷ相の正巻線が前記第１インバータに接続され、
Ｕ相の逆巻線、Ｖ相の正巻線、およびＷ相の逆巻線が前記第２インバータに接続されていることを特徴とする電動機システム。

【請求項5】

請求項１に記載の電動機システムにおいて、
複数相の前記巻線として、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の各前記巻線を備え、
Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の各前記巻線は、直接接続されていない正巻線および逆巻線を備え、
複数の前記ティースのうち、各相の正巻線および逆巻線に対して定められたティースに、各相の正巻線および逆巻線が配置されており、
Ｕ相の正巻線、Ｖ相の逆巻線、およびＷ相の正巻線のそれぞれの一端が接続され、前記ロータの周りに回転磁束を発生させる電流を、Ｕ相の正巻線、Ｖ相の逆巻線、およびＷ相の正巻線に流す第１の前記インバータと、
Ｕ相の正巻線、Ｖ相の逆巻線、およびＷ相の正巻線のそれぞれの他端が共通に接続され、Ｕ相の正巻線、Ｖ相の逆巻線、およびＷ相の正巻線の共通接続点に流れる零相電流を調整する第１の前記零相スイッチングアームと、
Ｕ相の逆巻線、Ｖ相の正巻線、およびＷ相の逆巻線のそれぞれの一端が接続され、前記ロータの周りに回転磁束を発生させる電流を、Ｕ相の逆巻線、Ｖ相の正巻線、およびＷ相の逆巻線に流す第２の前記インバータと、
Ｕ相の逆巻線、Ｖ相の正巻線、およびＷ相の逆巻線のそれぞれの他端が共通に接続され、Ｕ相の逆巻線、Ｖ相の正巻線、およびＷ相の逆巻線の共通接続点に流れる零相電流を調整する第２の前記零相スイッチングアームと、を備えることを特徴とする電動機システム。

【請求項6】

請求項１に記載の電動機システムにおいて、
複数相の前記巻線のそれぞれは、直接接続されていない正巻線および逆巻線を備え、
複数相の正巻線のそれぞれの一端が接続され、前記ロータの周りに回転磁束を発生させる電流を複数相の正巻線に流す第１の前記インバータと、
複数相の正巻線のそれぞれの他端が共通に接続され、複数相の正巻線の共通接続点に流れる零相電流を調整する第１の前記零相スイッチングアームと、
複数相の逆巻線のそれぞれの一端が接続され、前記ロータの周りに回転磁束を発生させる電流を複数相の逆巻線に流す第２の前記インバータと、
複数相の逆巻線のそれぞれの他端が共通に接続され、複数相の逆巻線の共通接続点に流れる零相電流を調整する第２の前記零相スイッチングアームと、を備えることを特徴とする電動機システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電動機システムに関し、特に、電動機のステータコイルに流れる電流を調整し、ロータに発生するトルクを制御する技術に関する。

【背景技術】

【0002】

電気エネルギーによってトルクを発生する電動機が電気自動車等に用いられている。電動機には、ロータに設けられた永久磁石と、ステータに設けられたステータコイルとの間の電磁気的な相互作用によってロータにトルクを発生するものがある。一般に、電動機のステータコイルはインバータに接続される。ステータコイルを構成する多相巻線には、ロータの周りに回転磁束を発生させる多相交流電流がインバータによって流され、回転磁束によってロータにトルクが発生する。

【0003】

なお、以下の特許文献１には、本願発明に関連する電動機が記載されている。この文献には、ステータコイルを構成する多相巻線に流れる零相電流を制御して、ロータに半径方向の力を発生させることが記載されている。零相電流は、ステータコイルを構成する多相巻線に同位相で流れる電流である。特許文献２には、ステータコイルを構成する多相巻線の中性点に電池が接続された回転電機制御装置が記載されている。多相巻線に流れる零相電流がインバータによってスイッチングされ、多相巻線に発生した誘導起電力によって電池の出力電圧が昇圧される。さらに、インバータに含まれる直流電圧源としてのコンデンサが昇圧電圧によって充電される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】２０１６－４２７６８号公報

【文献】２００８－３０６９１４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

電動機のロータに発生するトルクを増加させるためには、電動機に入力する多相交流電力を増加させることが考えられる。しかし、インバータに入力する直流電圧や、インバータの直流電圧利用率によっては、充分な多相交流電力を電動機に入力することが困難となり、必要なトルクが得られないことがある。特許文献１および２には、ステータコイルに流れる多相交流電流に加えて零相電流を利用する技術が記載されているが、これらの文献に記載されている零相電流は、ロータに発生するトルクを増加させるものではない。

【0006】

本発明は、電動機のロータに生じるトルクを増加させることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は、ロータを囲むステータコア本体部と、周回状に配置された複数のティースであって、それぞれが前記ステータコア本体部の壁面から前記ロータ側に突出した複数のティースと、複数相の巻線を備え、複数の前記ティースのうち各前記巻線に対して定められたティースに各前記巻線が配置された集中巻ステータコイルと、複数相の前記巻線のそれぞれの一端が接続され、前記ロータの周りに回転磁束を発生させる電流を複数相の前記巻線に流すインバータと、複数相の前記巻線のそれぞれの他端が共通に接続され、複数相の前記巻線の共通接続点に流れる零相電流をスイッチングによって調整し、当該零相電流によって前記ロータにトルクを発生させる零相スイッチングアームと、を備えることを特徴とする。

【0008】

また、本発明は、ロータを囲むステータコア本体部と、周回状に配置された複数のティースであって、それぞれが前記ステータコア本体部の壁面から前記ロータ側に突出した複数のティースと、複数相の巻線を備え、複数の前記ティースのうち各前記巻線に対して定められたティースに各前記巻線が配置された集中巻ステータコイルと、複数相の前記巻線のそれぞれの一端が接続され、前記ロータの周りに回転磁束を発生させる電流を複数相の前記巻線に流す第１インバータと、複数相の前記巻線のそれぞれの他端が接続され、前記ロータの周りに回転磁束を発生させる電流を複数相の前記巻線に流すと共に、複数相の前記巻線に流れる零相電流をスイッチングによって調整し、当該零相電流によって前記ロータにトルクを発生させる第２インバータと、を備えることを特徴とする。

【0009】

望ましくは、各前記巻線は、直列接続された正巻線および逆巻線を有し、複数の前記ティースのうち、各前記巻線の正巻線および逆巻線に対して定められたティースに、各前記巻線の正巻線および逆巻線が配置されており、複数相の前記巻線のそれぞれにおける正巻線および逆巻線の直列接続点が共通に接続されている。

【0010】

望ましくは、複数相の前記巻線として、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の前記巻線を備え、Ｕ相の正巻線、Ｖ相の逆巻線、およびＷ相の正巻線が前記第１インバータに接続され、Ｕ相の逆巻線、Ｖ相の正巻線、およびＷ相の逆巻線が前記第２インバータに接続されている。

【0011】

望ましくは、複数相の前記巻線として、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の各前記巻線を備え、 Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の各前記巻線は、直接接続されていない正巻線および逆巻線を備え、 複数の前記ティースのうち、各相の正巻線および逆巻線に対して定められたティースに、各相の正巻線および逆巻線が配置されており、Ｕ相の正巻線、Ｖ相の逆巻線、およびＷ相の正巻線のそれぞれの一端が接続され、前記ロータの周りに回転磁束を発生させる電流を、Ｕ相の正巻線、Ｖ相の逆巻線、およびＷ相の正巻線に流す第１の前記インバータと、Ｕ相の正巻線、Ｖ相の逆巻線、およびＷ相の正巻線のそれぞれの他端が共通に接続され、Ｕ相の正巻線、Ｖ相の逆巻線、およびＷ相の正巻線の共通接続点に流れる零相電流を調整する第１の前記零相スイッチングアームと、Ｕ相の逆巻線、Ｖ相の正巻線、およびＷ相の逆巻線のそれぞれの一端が接続され、前記ロータの周りに回転磁束を発生させる電流を、Ｕ相の逆巻線、Ｖ相の正巻線、およびＷ相の逆巻線に流す第２の前記インバータと、Ｕ相の逆巻線、Ｖ相の正巻線、およびＷ相の逆巻線のそれぞれの他端が共通に接続され、Ｕ相の逆巻線、Ｖ相の正巻線、およびＷ相の逆巻線の共通接続点に流れる零相電流を調整する第２の前記零相スイッチングアームと、を備える。

【0012】

望ましくは、複数相の前記巻線のそれぞれは、直接接続されていない正巻線および逆巻線を備え、複数相の正巻線のそれぞれの一端が接続され、前記ロータの周りに回転磁束を発生させる電流を複数相の正巻線に流す第１の前記インバータと、複数相の正巻線のそれぞれの他端が共通に接続され、複数相の正巻線の共通接続点に流れる零相電流を調整する第１の前記零相スイッチングアームと、複数相の逆巻線のそれぞれの一端が接続され、前記ロータの周りに回転磁束を発生させる電流を複数相の逆巻線に流す第２の前記インバータと、複数相の逆巻線のそれぞれの他端が共通に接続され、複数相の逆巻線の共通接続点に流れる零相電流を調整する第２の前記零相スイッチングアームと、を備える。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、電動機のロータに生じるトルクを増加させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】第１実施形態に係る電動機システムの構成を示す図である。

【図2】電動機の断面を示す図である。

【図3】インバータ制御部の構成を示す図である。

【図4】零相制御部の構成を示す図である。

【図5】零相電流を時間的に一定とした場合のトルクを示す図である。

【図6】図５の条件に対して零相電流の極性を逆としたときのトルクを示す図である。

【図7】零相電流と、零相磁束によってロータに発生するトルクを示す図である。

【図8】第２実施形態に係る電動機システムの構成を示す図である。

【図9】第２インバータ制御部の構成を示す図である。

【図10】第３実施形態に係る電動機システムの構成を示す図である。

【図11】第４実施形態に係る電動機システムの構成を示す図である。

【図12】第５実施形態に係る電動機システムの構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

各図を参照して本発明の各実施形態について説明する。複数の図面に示される同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を簡略化する。

【0016】

図１には、本発明の第１実施形態に係る電動機システム１の構成が示されている。電動機システム１は、バッテリ１０、インバータ１２、電動機１４、零相スイッチングアームＺおよびコントロールユニット１８を備えている。インバータ１２は、バッテリ１０から出力される直流電力を三相交流電力に変換し、電動機１４に出力する。電動機１４のロータは、インバータ１２から出力された三相交流電力によって回転する。電動機１４の中性点Ｎは、零相スイッチングアームＺに接続されている。後述するように、零相スイッチングアームＺのスイッチングによって電動機１４の各巻線に流れる零相電流が調整され、各巻線に流れる三相交流電流のみならず零相電流によってもロータにトルクが発生する。

【0017】

電動機システム１の具体的な構成および動作について説明する。電動機１４は、集中巻ステータコイルを構成するＵ相巻線２０Ｕ、Ｖ相巻線２０ＶおよびＷ相巻線２０Ｗを備えている。また、電動機１４は、Ｕ相端子２２ｕ、Ｖ相端子２２ｖ、Ｗ相端子２２ｗおよび図示しないロータを備えている。Ｕ相巻線２０Ｕ、Ｖ相巻線２０ＶおよびＷ相巻線２０Ｗのそれぞれの一端は中性点Ｎで共通に接続されている。Ｕ相巻線２０Ｕの他端、Ｖ相巻線２０Ｖの他端、およびＷ相巻線２０Ｗの他端は、それぞれ、Ｕ相端子２２ｕ、Ｖ相端子２２ｖ、およびＷ相端子２２ｗに接続されている。Ｕ相端子２２ｕ、Ｖ相端子２２ｖおよびＷ相端子２２ｗに三相交流電流が流れることで、Ｕ相巻線２０Ｕ、Ｖ相巻線２０ＶおよびＷ相巻線２０Ｗは、電動機１４内に回転磁束を発生する。ロータは回転磁束に同期して回転する。

【0018】

コントロールユニット１８は、例えば、演算処理デバイスによって構成され、自らが記憶するプログラムまたは外部から読み込まれたプログラムに従って動作してよい。コントロールユニット１８は、インバータ１２および零相スイッチングアームＺのスイッチング制御を行う。

【0019】

インバータ１２は、スイッチングアームＵ、ＶおよびＷを備えている。スイッチングアームＵは、直列接続された上スイッチング素子Ｓ１および下スイッチング素子Ｓ２から構成されている。スイッチングアームＶは、直列接続された上スイッチング素子Ｓ３および下スイッチング素子Ｓ４から構成されている。スイッチングアームＷは、直列接続された上スイッチング素子Ｓ５および下スイッチング素子Ｓ６から構成されている。

【0020】

スイッチングアームＵ、ＶおよびＷは並列に接続されており、これらのスイッチングアームの上端はバッテリ１０の正極端子に接続され、下端はバッテリ１０の負極端子に接続されている。

【0021】

スイッチングアームＵにおける上スイッチング素子Ｓ１と下スイッチング素子Ｓ２との接続点には電動機１４のＵ相端子２２ｕが接続されている。スイッチングアームＶにおける上スイッチング素子Ｓ３と下スイッチング素子Ｓ４との接続点には電動機１４のＶ相端子２２ｖが接続されている。スイッチングアームＷにおける上スイッチング素子Ｓ５と下スイッチング素子Ｓ６との接続点には電動機１４のＷ相端子２２ｗが接続されている。

【0022】

零相スイッチングアームＺは、直列接続された上スイッチング素子Ａ１および下スイッチング素子Ａ２を備えている。上スイッチング素子Ａ１と下スイッチング素子Ａ２との接続点には、電動機１４の中性点Ｎが接続されている。上スイッチング素子Ａ１の上端はバッテリ１０の正極端子に接続されている。下スイッチング素子Ａ２の下端はバッテリ１０の負極端子に接続されている。

【0023】

インバータ１２および零相スイッチングアームＺが備えるスイッチング素子には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等の半導体素子が用いられてよい。図１には、スイッチング素子としてＩＧＢＴが用いられた例が示されている。各ＩＧＢＴには、コレクタ端子とエミッタ端子との間に、エミッタ端子側がアノード端子となる向きで接続されたダイオードＤが接続されている。

【0024】

図２には、電動機１４の軸方向に垂直な断面が示されている。電動機１４は、ロータ３０、ステータコア３２および集中巻ステータコイル３６を備えている。ステータコア３２はステータコア本体部３４および複数のティース（Ｔ１～Ｔ１２）から構成されている。ステータコア本体部３４は円柱形状の中空部を有している。図２には、１２個のティースＴ１～Ｔ１２が設けられた例が示されている。ティースＴ１～Ｔ１２は、ステータコア本体部３４の内壁面に周回方向に沿って配置され、それぞれがステータコア３２の内側に（ロータ３０側に）突出している。各ティースＴ１～Ｔ１２は、図２に示されている断面形状で軸方向に延伸した形状を有しており、それぞれの先端部には、周方向に突出したフランジが形成されている。隣接するティースの間にはスロット３８が形成されている。すなわち、１２個のティースＴ１～Ｔ１２によって、周回方向に配列された１２個のスロット３８が形成されている。

【0025】

Ｕ相巻線２０Ｕは、Ｕ相正巻線２０Ｕ＋およびＵ相逆巻線Ｕ－を備えている。Ｕ相正巻線２０Ｕ＋はティースＴ１およびＴ７に巻き付けられた導線によって構成され、Ｕ相逆巻線２０Ｕ－はティースＴ４およびＴ１０に巻き付けられた導線によって構成されている。

【0026】

ここで、正巻線および逆巻線とは、ティースに対する導線の巻き方向が逆である２種類の巻線をいう。正巻線および逆巻線から中性点に電流が流れたとき、あるいは、中性点から正巻線および逆巻線に電流が流れたときには、正巻線が設けられたティースと、逆巻線が設けられたティースには互いに逆向きの磁束が発生する。

【0027】

Ｖ相巻線２０Ｖは、Ｖ相正巻線２０Ｖ＋およびＶ相逆巻線２０Ｖ－を備えている。Ｖ相正巻線２０Ｖ＋はティースＴ５およびＴ１１に巻き付けられた導線によって構成され、Ｖ相逆巻線２０Ｖ－はティースＴ２およびＴ８に巻き付けられた導線によって構成されている。

【0028】

Ｗ相巻線２０Ｗは、Ｗ相正巻線２０Ｗ＋およびＷ相逆巻線２０Ｗ－を備えている。Ｗ相正巻線２０Ｗ＋はティースＴ３およびＴ９に巻き付けられた導線によって構成され、Ｗ相逆巻線２０Ｗ－はティースＴ６およびＴ１２に巻き付けられた導線によって構成されている。

【0029】

Ｕ相巻線２０Ｕ（２０Ｕ＋，２０Ｕ－）、Ｖ相巻線２０Ｖ（２０Ｖ＋，２０Ｖ－）およびＷ相巻線２０Ｗ（２０Ｗ＋，２０Ｗ－）に三相交流電流が流れることで、ステータコア３２の内部には回転磁束Φｒが発生する。すなわち、外側から内側に向かう磁束と、内側から外側に向かう磁束とが９０°間隔（機械角）で現れ、この磁束がＵ相巻線２０Ｕ、Ｖ相巻線２０ＶおよびＷ相巻線２０Ｗに流れる三相交流電流に同期して回転する。

【0030】

このように、電動機１４は、ロータ３０、ステータコア３２および集中巻ステータコイル３６を備えている。ステータコア本体部３４はロータ３０を囲んでいる。複数のティースＴ１～Ｔ１２は、それぞれがステータコア本体部３４の壁面からロータ３０側に突出し、周回状に配置されている。集中巻ステータコイル３６は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の巻線を備え、ティースＴ１～Ｔ１２のうち各巻線に対して定められたものに配置されている。ステータコア３２、Ｕ相巻線２０Ｕ、Ｖ相巻線２０ＶおよびＷ相巻線２０Ｗによって、２極６スロットの集中巻ステータが構成される。

【0031】

ロータ３０は、円柱形状のロータ本体部４０と、４つの永久磁石Ｍ１～Ｍ４を備えている。ロータ本体部４０は、ステータコア本体部３４の中空部に、中空部と軸を同じくして配置されている。永久磁石Ｍ１～Ｍ４は、径方向に垂直な方向を幅方向とし電動機１４の軸方向に延びている。永久磁石Ｍ１～Ｍ４は、隣接する永久磁石の極性が逆になる向きで周回状に配置されている。ステータコア３２の内部に発生する回転磁束Φｒと、ロータ３０に設けられた永久磁石Ｍ１～Ｍ４との間の磁気的な作用によってロータ３０にトルクが発生し、ロータ３０は回転磁束と同期した回転速度で回転する。

【0032】

図２では、ある時刻において各巻線に流れる零相電流の向きが黒点印および×印で示されている。黒点印は描画面から離れる方向に流れる零相電流を示し、×印は描画面に向かう方向に流れる零相電流を示している。図２に示された向きの零相電流が各巻線に流れた場合、図２の一点鎖線の矢印で示される方向の零相磁束Φ０が各ティースに発生する。本発明の実施形態に係る電動機システム１では、後述するように、零相磁束Φ０とロータ３０との間の磁気的な作用によって、ロータ３０にトルクが発生するように零相電流が調整される。

【0033】

図３には、コントロールユニット１８に含まれるインバータ制御部５０の構成が示されている。インバータ制御部５０は、キャリア信号生成部５４、目標信号生成部５２ｕ、５２ｖ、５２ｗ、比較部５６ｕ、５６ｖ、５６ｗ、バッファ５８ｕ、５８ｖおよび５８ｗを備えている。

【0034】

キャリア信号生成部５４はキャリア信号Ｃｒを生成し、比較部５６ｕ、５６ｖおよび５６ｗに出力する。キャリア信号Ｃｒは、時間波形が三角波である信号であってよい。目標信号生成部５２ｕ、５２ｖおよび５２ｗは、それぞれ、電動機１４のＵ相巻線２０Ｕに流れるＵ相電流、Ｖ相巻線２０Ｖに流れるＶ相電流、およびＷ相巻線２０Ｗに流れるＷ相電流に対する目標値を示す目標信号Ｓｕ、ＳｖおよびＳｗを生成し、それぞれ、比較部５６ｕ、５６ｖおよび５６ｗに出力する。目標信号Ｓｕ、ＳｖおよびＳｗは、相互の位相差が１２０°である正弦波信号であってよい。

【0035】

比較部５６ｕは、目標信号Ｓｕとキャリア信号Ｃｒとの比較に基づいて、制御信号ＧＵｕを生成し、バッファ５８ｕに出力する。すなわち、比較部５６ｕは、目標信号Ｓｕがキャリア信号Ｃｒを上回る期間でハイとなり、目標信号Ｓｕがキャリア信号Ｃｒ以下である期間でローとなる制御信号ＧＵｕを生成し、バッファ５８ｕに出力する。バッファ５８ｕは、制御信号ＧＵｕと、制御信号ＧＵｕのハイおよびローを反転した制御信号ＧＬｕを出力する。

【0036】

同様の処理によって、比較部５６ｖは、目標信号Ｓｖとキャリア信号Ｃｒとの比較に基づいて制御信号ＧＵｖを生成し、バッファ５８ｖに出力する。バッファ５８ｖは、制御信号ＧＵｖと、制御信号ＧＵｖのハイおよびローを反転した制御信号ＧＬｖを出力する。

【0037】

同様の処理によって、比較部５６ｗは、目標信号Ｓｗとキャリア信号Ｃｒとの比較に基づいて制御信号ＧＵｗを生成し、バッファ５８ｗに出力する。バッファ５８ｗは、制御信号ＧＵｗと、制御信号ＧＵｗのハイおよびローを反転した制御信号ＧＬｗを出力する。

【0038】

図１におけるスイッチングアームＵにおける上スイッチング素子Ｓ１は、制御信号ＧＵｕがハイであるときにオンとなり、制御信号ＧＵｕがローであるときにオフになる。スイッチングアームＵにおける下スイッチング素子Ｓ２は、制御信号ＧＬｕがハイであるときにオンとなり、制御信号ＧＬｕがローであるときにオフになる。

【0039】

図１におけるスイッチングアームＶにおける上スイッチング素子Ｓ３は、制御信号ＧＵｖがハイであるときにオンとなり、制御信号ＧＵｖがローであるときにオフになる。スイッチングアームＶにおける下スイッチング素子Ｓ４は、制御信号ＧＬｖがハイであるときにオンとなり、制御信号ＧＬｖがローであるときにオフになる。

【0040】

図１におけるスイッチングアームＷにおける上スイッチング素子Ｓ５は、制御信号ＧＵｗがハイであるときにオンとなり、制御信号ＧＵｗがローであるときにオフになる。スイッチングアームＷにおける下スイッチング素子Ｓ６は、制御信号ＧＬｗがハイであるときにオンとなり、制御信号ＧＬｗがローであるときにオフになる。

【0041】

インバータ制御部５０によって、インバータ１２が備える各スイッチング素子が制御されることで、電動機１４のＵ相巻線２０Ｕ、Ｖ相巻線２０ＶおよびＷ相巻線２０Ｗに三相交流電流が流れ、ステータコア３２の内部に回転磁束が発生し、この回転磁束とロータ３０との磁気的な作用によってロータ３０にトルクが発生する。

【0042】

図４には、コントロールユニット１８に含まれる零相制御部６０の構成が示されている。零相制御部６０は、キャリア信号生成部５４、零相信号生成部５２ｚ、比較部５６ｚおよびバッファ５８ｚを備えている。

【0043】

キャリア信号生成部５４はキャリア信号Ｃｒを生成し比較部５６ｚに出力する。零相信号生成部５２ｚは、零相電流に対する目標値を示す零相信号Ｓｚを生成し、比較部５６ｚに出力する。零相信号Ｓｚは、目標信号Ｓｕ、ＳｖおよびＳｗの周波数の３倍の周波数を有する正弦波信号であってよい。

【0044】

比較部５６ｚは、零相信号Ｓｚとキャリア信号Ｃｒとの比較に基づいて、制御信号ＧＵｚを生成し、バッファ５８ｚに出力する。バッファ５８ｚは、制御信号ＧＵｚと、制御信号ＧＵｚのハイおよびローを反転した制御信号ＧＬｚを出力する。

【0045】

図１における零相スイッチングアームＺにおける上スイッチング素子Ａ１は、制御信号ＧＵｚがハイであるときにオンとなり、制御信号ＧＵｚがローであるときにオフになる。零相スイッチングアームＺにおける下スイッチング素子Ａ２は、制御信号ＧＬｚがハイであるときにオンとなり、制御信号ＧＬｚがローであるときにオフになる。

【0046】

零相制御部６０が実行するスイッチング制御によれば、後述する原理に基づき、ステータコア３２内の零相磁束Φ０によってロータ３０にトルクが発生するような零相電流が、Ｕ相巻線２０Ｕ、Ｖ相巻線２０ＶおよびＷ相巻線２０Ｗに流れる。これによって、三相交流電流のみならず零相電流をトルクに寄与させて、零相電流、すなわち零相磁束によってトルクを増加させることができる。また、三相交流電流のみならず零相電流をトルクに寄与させるため、バッテリ１０から出力される電力の利用効率が向上する。さらに、零相磁束は複数のティースに亘って分布し、回転磁束とは異なる磁路を通るため、ステータコア３２における鉄心利用効率が向上する。

【0047】

零相磁束によってロータにトルクを発生させる原理について説明する。図５には、原理を説明するための特性として、仮に零相電流を時間的に一定とした場合のトルクが示されている。横軸はロータの回転電気角を示し、縦軸はロータに発生するトルクを示す。ロータは回転磁束と同期して回転している。トルクＴＱ１をロータに発生させたときの零相電流の大きさ（絶対値）は、トルクＴＱ２をロータに発生させたときの零相電流の大きさよりも大きい。トルクＴＱ２をロータに発生させたときの零相電流の大きさは、トルクＴＱ３をロータに発生させたときの零相電流の大きさよりも大きい。

【0048】

図６には、原理を説明するための特性として、零相電流を時間的に一定とし、図５に対して零相電流の極性（流れる向き）を逆としたときのトルクが示されている。トルクＴＱ４をロータに発生させたときの零相電流の大きさは、トルクＴＱ５をロータに発生させたときの零相電流の大きさよりも大きい。トルクＴＱ５をロータに発生させたときの零相電流の大きさは、トルクＴＱ６をロータに発生させたときの零相電流の大きさよりも大きい。

【0049】

図５および図６に示されているように、回転電気角が６０°増加する毎にトルクの極性が変化する。したがって、直流の零相電流では、零相磁束によってロータに発生するトルクの向きは一定方向とはならず、零相磁束をロータのトルクに寄与させることは困難である。

【0050】

図５および図６の比較から明らかなように、零相電流の極性を反転させると、ロータに発生するトルクの向きは逆向きとなる。また、零相電流の大きさが大きい程、トルクの大きさは大きい。そこで、回転電気角が６０°増加する毎に、零相電流の極性が反転するような正弦波の零相電流を各巻線に流すことでトルクの向きを一定としたものが、本実施形態に係る電動機システム１である。このような零相電流は、回転電気角換算の周期が１２０°の零相電流である。このような零相電流の周波数は、Ｕ相巻線２０Ｕ、Ｖ相巻線２０ＶおよびＷ相巻線２０Ｗに流れる三相交流電流の周波数の３倍である。

【0051】

この動作原理を図２を参照して説明する。隣接するティースでは零相磁束の向きが逆向きである。図２に示されているように、ある時刻においてティースＴ１では、零相磁束Φ０は内側から外側に向かっている。また、ティースＴ２では、零相磁束Φ０は外側から内側に向かい、ティースＴ３では、零相磁束Φ０は内側から外側に向かっている。以下、ティースＴ４、Ｔ５、・・・・Ｔ１２では、零相磁束の向きは交互に逆向きとなる。したがって、ロータ３０の磁極があるティースの位置から隣接するティースの位置まで回転したときに、零相磁束Φ０の向きが逆向きとなるように零相電流を変化させることで、ロータ３０の磁極から見た零相磁束の向きは同一となり、一定方向にトルクが発生する。ロータ３０がティースの間隔だけ回転する機械角は３０°であり、回転電気角は６０°である。すなわち、回転電気角が６０°増加する毎に極性が反転するような正弦波の零相電流を各巻線に流すことで、ロータ３０に発生するトルクの向きが一定となる。

【0052】

図７には、各巻線に流れる零相電流Ｉｚと、零相磁束によってロータに発生するトルクＴｑが示されている。横軸はロータの回転電気角を示し、縦軸は零相電流Ｉｚおよびロータに発生するトルクＴｑを示す。零相電流Ｉｚは回転電気角換算で１２０°の周期を有している。トルクＴｑは、回転電気角３０°間隔で極大値および極小値を繰り返す。

【0053】

図８には、第２実施形態に係る電動機システム２の構成が示されている。電動機システム２は、バッテリ１０、第１インバータ１２１、第２インバータ１２２および電動機１４を備えている。第１インバータ１２１は、図１に示されたインバータ１２と同一の回路構成を有している。ただし、図１に示されたインバータ１２と区別するため、図１に示されたスイッチングアームＵ、ＶおよびＷは、図７においては、それぞれ、スイッチングアームＵ１、Ｖ１およびＷ１として示されている。

【0054】

第２インバータ１２２は、スイッチングアームＵ２、Ｖ２およびＷ２を備えている。スイッチングアームＵ２は、直列接続された上スイッチング素子Ｂ１および下スイッチング素子Ｂ２から構成されている。スイッチングアームＶ２は、直列接続された上スイッチング素子Ｂ３および下スイッチング素子Ｂ４から構成されている。スイッチングアームＷ２は、直列接続された上スイッチング素子Ｂ５および下スイッチング素子Ｂ６から構成されている。

【0055】

スイッチングアームＵ２、Ｖ２およびＷ２は並列に接続されており、これらのスイッチングアームの上端はバッテリ１０の正極端子に接続され、下端はバッテリ１０の負極端子に接続されている。

【0056】

図８には、Ｕ相巻線２０Ｕを構成するＵ相正巻線２０Ｕ＋およびＵ相逆巻線２０Ｕ－が示されている。同様に、Ｖ相巻線２０Ｖを構成するＶ相正巻線２０Ｖ＋およびＶ相逆巻線２０Ｖ－が示され、さらに、Ｗ相巻線２０Ｗを構成するＷ相正巻線２０Ｗ＋およびＷ相逆巻線２０Ｗ－が示されている。

【0057】

この電動機システム２では、Ｕ相巻線２０Ｕ、Ｖ相巻線２０ＶおよびＷ相巻線２０Ｗのそれぞれの一端が第１インバータ１２１に接続され、Ｕ相巻線２０Ｕ、Ｖ相巻線２０ＶおよびＷ相巻線２０Ｗのそれぞれの他端が第２インバータ１２２に接続されている。すなわち、第１実施形態に係る電動機システム１では、Ｕ相巻線２０Ｕ、Ｖ相巻線２０ＶおよびＷ相巻線２０Ｗのそれぞれの他端が中性点Ｎに接続されている一方で、本実施形態に係る電動機システム２では、各巻線の他端が第２インバータ１２２に接続されている。Ｕ相巻線２０Ｕの他端は、スイッチング素子Ｂ１およびＢ２の接続点に接続されている。Ｖ相巻線２０Ｖの他端は、スイッチング素子Ｂ３およびＢ４の接続点に接続され、Ｗ相巻線２０Ｗの他端は、スイッチング素子Ｂ５およびＢ６の接続点に接続されている。

【0058】

第１インバータ１２１は、図１に示されているインバータ１２と同様、図３に示されたインバータ制御部５０によって制御される。図９には、コントロールユニット１８に含まれる第２インバータ制御部７０の構成が示されている。第２インバータ１２２は、第２インバータ制御部７０によって制御される。第２インバータ制御部７０は、キャリア信号生成部５４、目標信号生成部７２ｕ、７２ｖ、７２ｗ、零相信号生成部７４、加算器７６ｕ、７６ｖ、７６ｗ、比較部５６ｕ、５６ｖ、５６ｗ、バッファ５８ｕ、５８ｖおよび５８ｗを備えている。

【0059】

目標信号生成部７２ｕ、７２ｖおよび７２ｗは、それぞれ、電動機１４のＵ相巻線２０Ｕに流れるＵ相電流、Ｖ相巻線２０Ｖに流れるＶ相電流、およびＷ相巻線２０Ｗに流れるＷ相電流に対する目標値を示す目標信号Ｑｕ、ＱｖおよびＱｗを生成し、それぞれ、加算器７６ｕ、７６ｖおよび７６ｗに出力する。目標信号Ｑｕ、ＱｖおよびＱｗは、相互の位相差が１２０°である正弦波信号であってよい。

【0060】

零相信号生成部７４は、Ｕ相巻線２０Ｕ、Ｖ相巻線２０ＶおよびＷ相巻線２０Ｗに流れる零相電流に対する目標値を示す零相信号Ｓ０を生成し、加算器７６ｕ、７６ｖおよび７６ｗに出力する。零相信号Ｓ０は、目標信号Ｑｕ、ＱｖおよびＱｗの周波数の３倍の周波数を有する正弦波信号であってよい。

【0061】

加算器７６ｕは、目標信号Ｑｕに零相信号Ｓ０を加算し、それによって得られるＵ相目標信号Ｑｕ０を比較部５６ｕに出力する。加算器７６ｖは、目標信号Ｑｖに零相信号Ｓ０を加算し、それによって得られるＶ相目標信号Ｑｖ０を比較部５６ｖに出力する。加算器７６ｗは、目標信号Ｑｗに零相信号Ｓ０を加算し、それによって得られるＷ相目標信号Ｑｗ０を比較部５６ｗに出力する。

【0062】

キャリア信号生成部５４はキャリア信号Ｃｒを生成し、比較部５６ｕ、５６ｖおよび５６ｗに出力する。比較部５６ｕは、目標信号Ｑｕ０とキャリア信号Ｃｒとの比較に基づいて制御信号ＦＵｕを生成し、バッファ５８ｕに出力する。バッファ５８ｕは、制御信号ＦＵｕと、制御信号ＦＵｕのハイおよびローを反転した制御信号ＦＬｕを出力する。

【0063】

比較部５６ｖは、目標信号Ｑｖ０とキャリア信号Ｃｒとの比較に基づいて制御信号ＦＵｖを生成し、バッファ５８ｖに出力する。バッファ５８ｖは、制御信号ＦＵｖと、制御信号ＦＵｖのハイおよびローを反転した制御信号ＦＬｖを出力する。比較部５６ｗは、目標信号Ｑｗ０とキャリア信号Ｃｒとの比較に基づいて制御信号ＦＵｗを生成し、バッファ５８ｗに出力する。バッファ５８ｗは、制御信号ＦＵｗと、制御信号ＦＵｗのハイおよびローを反転した制御信号ＦＬｗを出力する。

【0064】

図８におけるスイッチングアームＵ２の上スイッチング素子Ｂ１は、制御信号ＦＵｕがハイであるときにオンとなり、制御信号ＦＵｕがローであるときにオフになる。スイッチングアームＵ２の下スイッチング素子Ｂ２は、制御信号ＦＬｕがハイであるときにオンとなり、制御信号ＦＬｕがローであるときにオフになる。

【0065】

スイッチングアームＶ２の上スイッチング素子Ｂ３は、制御信号ＦＵｖがハイであるときにオンとなり、制御信号ＦＵｖがローであるときにオフになる。スイッチングアームＶ２の下スイッチング素子Ｂ４は、制御信号ＦＬｖがハイであるときにオンとなり、制御信号ＦＬｖがローであるときにオフになる。

【0066】

スイッチングアームＷ２の上スイッチング素子Ｂ５は、制御信号ＦＵｗがハイであるときにオンとなり、制御信号ＦＵｗがローであるときにオフになる。スイッチングアームＷ２の下スイッチング素子Ｂ６は、制御信号ＦＬｗがハイであるときにオンとなり、制御信号ＦＬｗがローであるときにオフになる。

【0067】

インバータ制御部５０および第２インバータ制御部７０によって、第１インバータ１２１および第２インバータ１２２が制御され、電動機１４のＵ相巻線２０Ｕ、Ｖ相巻線２０ＶおよびＷ相巻線２０Ｗに三相交流電流が流れ、ステータコア３２の内部に回転磁束が発生する。また、第２インバータ制御部７０によって第２インバータ１２２が制御されることで、電動機１４のＵ相巻線２０Ｕ、Ｖ相巻線２０ＶおよびＷ相巻線２０Ｗに図７に示されるような零相電流が流れ、この零相電流に基づく零相磁束Φ０とロータ３０との磁気的な作用によってロータ３０にトルクが発生する。

【0068】

図１０には、第３実施形態に係る電動機システム３の構成が示されている。この電動機システム３は、第２実施形態に係る電動機システム２におけるＵ相正巻線２０Ｕ＋とＵ相逆巻線２０Ｕ－との直列接続点、Ｖ相正巻線２０Ｖ＋とＶ相逆巻線２０Ｖ－との直列接続点、およびＷ相正巻線２０Ｗ＋とＷ相逆巻線２０Ｗ－との直列接続点を中性点Ｎで共通に接続し、さらに、Ｖ相正巻線２０Ｖ＋と、Ｖ相逆巻線２０Ｖ－とを入れ換えたものである。第１インバータ１２１および第２インバータ１２２の動作は、第２実施形態における動作と同様である。

【0069】

Ｖ相正巻線２０Ｖ＋と、Ｖ相逆巻線２０Ｖ－とを入れ換えたことの技術的意義について説明する。第１実施形態における電動機１４では、図２に示されているように、１つのスロットにある複数の導線には同一方向の電流が流れる。本実施形態のように、図２に対してＶ相正巻線２０Ｖ＋とＶ相逆巻線２０Ｖ－とを入れ換えると、Ｕ相正巻線２０Ｕ＋とＷ相逆巻線２０Ｗ－があるスロットと、Ｕ相逆巻線２０Ｕ－とＷ相正巻線２０Ｗ＋があるスロット以外では、隣接する巻線に流れる電流が逆向きとなり磁束を弱め合う。これによって、零相磁束によるトルクの空間的な周期は回転電気角で１８０°、機械角で９０°となる。したがって、ロータ３０が同一速度で回転した場合、第１実施形態に係る電動機システム１に比べて零相磁束Φ０によるトルクの脈動周波数が小さくなる。

【0070】

なお、上記では、第１インバータ１２１がインバータ制御部５０によって制御され、第２インバータ１２２が第２インバータ制御部７０によって制御される実施形態について説明した。このような構成の他、第１インバータ１２１および第２インバータ１２２が、それぞれに対して個別に設けられた第２インバータ制御部７０によって制御される構成としてもよい。

【0071】

図１１には、第４実施形態に係る電動機システム４の構成が示されている。この電動機システム４は、第３実施形態に係る電動機システム３におけるＵ相正巻線２０Ｕ＋、Ｖ相逆巻線２０Ｖ－およびＷ相正巻線２０Ｗ＋の共通接続点を第１零相スイッチングアームＺ１に接続し、Ｕ相逆巻線２０Ｕ－、Ｖ相正巻線２０Ｖ＋およびＷ相逆巻線２０Ｗ－の共通接続点を第２零相スイッチングアームＺ２に接続したものである。各相において正巻線および逆巻線は個別に設けられており、直接接続されていない。

【0072】

第１零相スイッチングアームＺ１は、直列接続されたスイッチング素子Ａ１１およびＡ２１を備えている。スイッチング素子Ａ１１およびＡ２１の接続点には、Ｕ相正巻線２０Ｕ＋、Ｖ相逆巻線２０Ｖ－およびＷ相正巻線２０Ｗ＋の共通接続点が接続されている。スイッチング素子Ａ１１の上端はバッテリ１０の正極端子に接続され、スイッチング素子Ａ２１の下端はバッテリ１０の負極端子に接続されている。

【0073】

第２零相スイッチングアームＺ２は、直列接続されたスイッチング素子Ａ１２およびＡ２２を備えている。スイッチング素子Ａ１２およびＡ２２の接続点には、Ｕ相逆巻線２０Ｕ－、Ｖ相正巻線２０Ｖ＋およびＷ相逆巻線２０Ｗ－の共通接続点が接続されている。スイッチング素子Ａ１２の上端はバッテリ１０の正極端子に接続され、スイッチング素子Ａ２２の下端はバッテリ１０の負極端子に接続されている。

【0074】

スイッチングアームＺ１を構成するスイッチング素子Ａ１１およびＡ１２は、Ｕ相正巻線２０Ｕ＋、Ｖ相逆巻線２０Ｖ－およびＷ相正巻線２０Ｗ＋に流れる零相電流を調整する。スイッチングアームＺ２を構成するスイッチング素子Ａ２１およびＡ２２は、Ｕ相逆巻線２０Ｕ－、Ｖ相正巻線２０Ｖ＋およびＷ相逆巻線２０Ｗ－に流れる零相電流を調整する。

【0075】

これによって、Ｕ相正巻線２０Ｕ＋、Ｖ相逆巻線２０Ｖ－およびＷ相正巻線２０Ｗ＋と、Ｕ相逆巻線２０Ｕ－、Ｖ相正巻線２０Ｖ＋およびＷ相逆巻線２０Ｗ－には、ロータ３０にトルクを発生させる零相磁束が発生する。

【0076】

図１２には、第５実施形態に係る電動機システム５の構成が示されている。この電動機システム５は、第４実施形態に係る電動機システム４におけるＶ相正巻線２０Ｖ＋と、Ｖ相逆巻線２０Ｖ－を入れ換えたものである。第４実施形態に係る電動機システム４では、零相磁束によるトルクの空間的な周期は回転電気角で１８０°、機械角で９０°である一方、第５実施形態に係る電動機システム５では、零相磁束によるトルクの空間的な周期は回転電気角で６０°、機械角で３０°となる。

【符号の説明】

【0077】

１～５ 電動機システム、１０ バッテリ、１２ インバータ、１２１ 第１インバータ、１２２ 第２インバータ、１４ 電動機、１８ コントロールユニット、２０Ｕ Ｕ相巻線、２０Ｖ Ｖ相巻線、２０Ｗ Ｗ相巻線、２０Ｕ+ Ｕ相正巻線、２０Ｕ－ Ｕ相逆巻線、２０Ｖ+ Ｖ相正巻線、２０Ｖ－ Ｖ相逆巻線、２０Ｗ+ Ｗ相正巻線、２０Ｗ－ Ｗ相逆巻線、２２ｕ Ｕ相端子、２２ｖ Ｖ相端子、２２ｗ Ｗ相端子、３０ ロータ、３２ ステータコア、３４ ステータコア本体部、３６ 集中巻ステータコイル、３８ スロット、４０ ロータ本体部、５０ インバータ制御部、５２ｕ，５２ｖ，５２ｗ，７２ｕ，７２ｖ，７２ｗ 目標信号生成部、５２ｚ，７４ 零相信号生成部、５４ キャリア信号生成部、５６ｕ，５６ｖ，５６ｗ，５６ｚ 比較部、５８ｕ，５８ｖ，５８ｗ，５８ｚ バッファ、６０ 零相制御部、７０ 第２インバータ制御部、７６ｕ，７６ｖ，７６ｗ 加算器、Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１，Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２ スイッチングアーム、Ｚ，Ｚ１，Ｚ２ 零相スイッチングアーム、Ｓ１～Ｓ６，Ｂ１～Ｂ６，Ａ１，Ａ２，Ａ１１，Ａ１２，Ａ２１，Ａ２２ スイッチング素子、Ｔ１～Ｔ１２ ティース、Ｍ１～Ｍ４ 永久磁石、Φｒ 回転磁束、Φ０ 零相磁束。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】