特許 7352212 モータ装置

(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】2023-09-20

(45)【発行日】2023-09-28

(54)【発明の名称】モータ装置

(51)【国際特許分類】

   H02P 27/06 20060101AFI20230921BHJP

   H02P 25/08 20160101ALI20230921BHJP

   H02P 25/22 20060101ALI20230921BHJP

【ＦＩ】

H02P27/06

H02P25/08

H02P25/22

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2022140410

(22)【出願日】2022-09-02

【審査請求日】2022-09-05

(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

(73)【特許権者】

【識別番号】521263537

【氏名又は名称】ＮＡＳＣＡ株式会社

(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】小袖 義貴

(72)【発明者】

【氏名】城ノ口 秀樹

(72)【発明者】

【氏名】竹村 望

【審査官】池田 貴俊

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２１－６４９９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１９５３２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１６／１６７０４１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１８－１３００３０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｐ ２７／０６

Ｈ０２Ｐ ２５／０８

Ｈ０２Ｐ ２５／２２

(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、
電源からの電圧を昇圧または降圧して前記スイッチインバータ部に供給する昇降圧回路部と、
前記モータ部の各相の電流値を検出するセンサ部と、
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、
前記昇降圧回路部の動作を制御する昇降圧制御部とを備え、
前記昇降圧制御部は、前記電流値に基づいて、前記昇降圧回路部からの出力電圧を制御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、
前記スイッチ制御部は前記スイッチインバータ部をパルス制御し、
前記昇降圧制御部は、前記各相の前記電流値が第１電流値以下の場合に前記各相の調整フラグを真状態に設定し、
前記電流値が前記第１電流値以上の範囲にある相をヒステリシス制御対象相として選定し、
前記ヒステリシス制御対象相について前記電流値が前記第１電流値よりも大きい第２電流値を上回った場合に前記調整フラグを偽状態に設定し、
前記ヒステリシス制御対象相の前記調整フラグが何れか一つでも偽状態の場合に、前記昇降圧回路部からの出力電圧を低下させることを特徴とするモータ装置。

【請求項3】

請求項２に記載のモータ装置であって、
前記昇降圧制御部は前記電源からの電圧を降圧率に基づいて低下させる降圧回路であり、
前記出力電圧の低下は前記降圧回路の前記降圧率を増大させるものであり、
前記ヒステリシス制御対象相の前記調整フラグが全て真状態の場合に、前記降圧率を維持することを特徴とするモータ装置。

【請求項4】

請求項２に記載のモータ装置であって、
前記昇降圧制御部が昇圧回路であり、前記出力電圧の低下は前記昇圧回路の昇圧率を低下させるものであることを特徴とするモータ装置。

【請求項5】

請求項１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スイッチインバータ部をベクトル制御し、
前記昇降圧制御部は、前記電流値に基づいて前記各相の電圧デューティ比が所定の比率となるように、前記昇降圧回路部からの出力電圧を制御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相巻線が周方向に沿って順に巻回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。

【0003】

また本願出願人らは、９つのスイッチでスイッチインバータ（９スイッチインバータ）を構成し、６相の巻線を備えるスイッチトリラクタンスモータを駆動するモータ装置を提案している（特許文献１を参照）。さらに、スイッチインバータを６つのスイッチと３つのダイオードで構成して、６相の巻線を備えるスイッチトリラクタンスモータを駆動するモータ装置を提案している（特許文献２を参照）。

【0004】

図８は、従来のスイッチトリラクタンスモータを用いたモータ装置の構成を示す模式図であり、図８（ａ）は９スイッチインバータを用いた例であり、図８（ｂ）は改良型９スイッチインバータを用いた例である。図８（ａ）（ｂ）に示したように、従来のモータ装置は、モータ部１０とスイッチインバータ部２０を備えている。また、モータ部１０はＡ相からＦ相までの６相の巻線が含まれており、スイッチインバータ部２０の各相に対応するスイッチ間が各相の巻線に接続されている。スイッチインバータ部２０は、Ａ相スイッチとＤ相スイッチ、Ｅ相スイッチとＢ相スイッチ、Ｃ相スイッチとＦ相スイッチが同列に接続され、３列が並列接続されている。図８（ａ）に示した９スイッチインバータでは、各相のスイッチ間に中間スイッチが接続されており、図８（ｂ）に示した改良型９スイッチインバータでは、各相のスイッチ間に中間ダイオードが逆接続されている。

【0005】

図８（ａ）（ｂ）に示した従来のモータ装置では、特許文献１，２に示したように、スイッチインバータ部２０の各相スイッチをベクトル駆動またはパルス制御で制御することで、スイッチトリラクタンスモータを継続的に駆動できる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特許第７０１０４０５号公報

【文献】特許第７０７６６８８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかし、上述した従来のモータ装置をパルス制御した場合には、各相の巻線に流れる電流値を制限するために、電流値が上限値を超えた相のスイッチをオフするヒステリシス制御を併用すると、循環電流が発生するという問題があった。

【0008】

図９は、従来のモータ装置で発生する循環電流を説明する模式図であり、図９（ａ）はＡ相スイッチがオン状態を示し、図９（ｂ）はＡ相スイッチをオフに切り替えた直後の状態を示している。Ａ相スイッチがオン状態では、電源からＡ相スイッチを経てモータ部１０のＡ相巻線に電流が流れているが、Ａ相スイッチがオフに切り替わった直後には、Ｄ相巻線から中間ダイオードを介してＡ相巻線に循環電流が流れてしまう。ヒステリシス制御では、各相の巻線に流れる相電流を検出して、相電流が上限値を超えた場合には対応する相のスイッチをオフにし、相電流が下限値を下回った場合には対応する相のスイッチをオンにする。このようにヒステリシス制御では各相のスイッチが頻繁にオン状態とオフ状態で切り替えられるため、循環電流が発生しやすい。

【0009】

ヒステリシス制御を用いずにパルス制御するために、スイッチインバータ部２０に供給される電圧を小さくして、各相に流れる最大電流値を抑制することも可能である。しかし最大電流値が抑制されるため、モータ装置の出力の最大値が抑制されてしまう。

【0010】

また、従来のモータ装置をベクトル制御した場合には、スイッチに印加される電圧のデューティ比が低いと、相電流に含まれる高調波成分が多くなり、モータ部１０での鉄損が増加してモータ部１０の出力効率が低下するという問題があった。

【0011】

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、駆動時における循環電流や鉄損の発生を抑制し、出力を最大化することが可能な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】

【0012】

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、電源からの電圧を昇圧または降圧して前記スイッチインバータ部に供給する昇降圧回路部と、前記モータ部の各相の電流値を検出するセンサ部と、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、前記昇降圧回路部の動作を制御する昇降圧制御部とを備え、前記昇降圧制御部は、前記電流値に基づいて、前記昇降圧回路部からの出力電圧を制御することを特徴とする。

【0013】

このような本発明のモータ装置では、センサ部で検出した各相の電流値に基づいて、昇降圧回路部からの出力電圧を制御するため、スイッチインバータ部のスイッチ切替を変更せずに電流値や電圧デューティ比を調整することができ、駆動時における循環電流や鉄損の発生を抑制し、出力を最大化することが可能となる。

【0014】

また、本発明の一態様では、前記スイッチ制御部は前記スイッチインバータ部をパルス制御し、前記昇降圧制御部は、前記各相の前記電流値が第１電流値以下の場合に前記各相の調整フラグを真状態に設定し、前記電流値が前記第１電流値以上の範囲にある相をヒステリシス制御対象相として選定し、前記ヒステリシス制御対象相について前記電流値が前記第１電流値よりも大きい第２電流値を上回った場合に前記調整フラグを偽状態に設定し、前記ヒステリシス制御対象相の前記調整フラグが何れか一つでも偽状態の場合に、前記昇降圧回路部からの出力電圧を低下させる。

【0015】

また、本発明の一態様では、前記昇降圧制御部は前記電源からの電圧を降圧率に基づいて低下させる降圧回路であり、前記出力電圧の低下は前記降圧回路の前記降圧率を増大させるものであり、前記ヒステリシス制御対象相の前記調整フラグが全て真状態の場合に、前記降圧率を維持する。

【0016】

また、本発明の一態様では、前記昇降圧制御部が昇圧回路であり、前記出力電圧の低下は前記昇圧回路の昇圧率を低下させるものである。

【0017】

また、本発明の一態様では、前記スイッチ制御部は前記スイッチインバータ部をベクトル制御し、前記昇降圧制御部は、前記電流値に基づいて前記各相の電圧デューティ比が所定の比率となるように、前記昇降圧回路部からの出力電圧を制御する。

【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相巻線が周方向に沿って順に巻回されている。

【発明の効果】

【0019】

本発明では、駆動時における循環電流や鉄損の発生を抑制し、出力を最大化することが可能なモータ装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】第１実施形態に係るモータ装置１００の構成を示すブロック図である。

【図2】第１実施形態に係るモータ装置１００の一例を示す模式図であり、図２（ａ）は回路図であり、図２（ｂ）はモータ部１０の構造例を示す模式図である。

【図3】第１実施形態における昇降圧制御部５０の動作を示すフローチャートである。

【図4】第１実施形態におけるヒステリシス制御の動作を模式的に説明するグラフである。

【図5】Ａ相巻線からＦ相巻線に流れる相電流のシミュレーション結果を示すグラフである。

【図6】第２実施形態に係るモータ装置１００の一例を示す回路図である。

【図7】第３実施形態に係るモータ装置１００におけるモータ部１０に入力される電圧の高速フーリエ変換解析結果を示すグラフである。

【図8】従来のスイッチトリラクタンスモータを用いたモータ装置の構成を示す模式図であり、図８（ａ）は９スイッチインバータを用いた例であり、図８（ｂ）は改良型９スイッチインバータを用いた例である。

【図9】従来のモータ装置で発生する循環電流を説明する模式図であり、図９（ａ）はＡ相スイッチがオン状態を示し、図９（ｂ）はＡ相スイッチをオフに切り替えた直後の状態を示している。

【発明を実施するための形態】

【0021】

（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１００の構成を示すブロック図である。図１に示すように、モータ装置１００は、モータ部１０と、スイッチインバータ部２０と、昇降圧回路部３０と、スイッチ制御部４０と、昇降圧制御部５０と、センサ部６０を備えている。

【0022】

モータ部１０は、スイッチインバータ部２０から供給される電力により磁界を発生させ、電気エネルギーを回転動作による運動エネルギーに変換する部分である。スイッチインバータ部２０は、昇降圧回路部３０から供給された電力を所定のタイミングで所定の相に流すことでモータ部１０を駆動する部分である。昇降圧回路部３０は、電源から供給された電圧を昇圧または降圧してスイッチインバータ部２０に供給する部分である。スイッチ制御部４０は、予め定められたプログラムに従って情報処理を行い、スイッチインバータ部２０に含まれる各スイッチのオン／オフを制御する部分である。昇降圧制御部５０は、センサ部６０が検出した相電流の電流値に基づいて、昇降圧回路部３０からの出力電圧を制御する部分である。センサ部６０は、モータ部１０の各相を流れる相電流や回転子の位置を検出する部分である。

【0023】

スイッチ制御部４０および昇降圧制御部５０は、予め定められたプログラムに従って情報処理を行う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４０および昇降圧制御部５０はモータ装置１００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４０および昇降圧制御部５０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４０および昇降圧制御部５０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１００の制御方法を実行する。

【0024】

図２は、本実施形態に係るモータ装置１００の一例を示す模式図であり、図２（ａ）は回路図であり、図２（ｂ）はモータ部１０の構造例を示す模式図である。図２（ａ）に示すように、本実施形態のスイッチインバータ部２０は、昇降圧回路部３０の高電位と接地電位（０Ｖ）の間に３つの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２０が構成されている（以下９スイッチインバータという）。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１０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。１列目のスイッチ群には、電源電位側から順にＡ相スイッチと、中間スイッチＡＤと、Ｄ相スイッチが直列接続されている。また、Ａ相スイッチと中間スイッチＡＤの間がＡ相巻線の一端に接続されている。また、中間スイッチＡＤとＤ相スイッチの間がＤ相巻線の一端に接続されている。２列目のスイッチ群には、電源電圧側から順にＥ相スイッチと、中間スイッチＥＢと、Ｂ相スイッチとが直列接続されている。また、Ｅ相スイッチと中間スイッチＥＢの間がＥ相巻線の一端に接続されている。また、中間スイッチＥＢとＢ相スイッチの間がＢ相巻線の一端に接続されている。３列目のスイッチ群には，電源電圧側から順にＣ相スイッチと、中間スイッチＣＦと、Ｆ相スイッチとが直列接続されている。また、Ｃ相スイッチと中間スイッチＣＦの間がＣ相巻線の一端に接続されている。また、中間スイッチＣＦとＦ相スイッチの間がＦ相巻線の一端に接続されている。

【0026】

図２（ａ）では、スイッチインバータ部２０としてＡ相スイッチ～Ｆ相スイッチと、３つの中間スイッチを用いた９スイッチインバータを用いた例を示しているが、中間スイッチに代えてダイオードを逆接続した改良型９スイッチインバータを用いるとしてもよい。

【0027】

また、図２（ａ）に示した例では、Ａ相巻線、Ｂ相巻線、Ｃ相巻線、Ｄ相巻線、Ｅ相巻線、Ｆ相巻線は、この順に円環状に直列に接続されたヘキサゴン結線とされている。モータ部１０の巻線としては、ヘキサゴン結線に限定されず、Ａ相巻線、Ｅ相巻線、Ｃ相巻線、Ｄ相巻線、Ｂ相巻線、Ｆ相巻線の他端が共通の中性点に接続されたスター結線であってもよい。

【0028】

図２（ａ）に示したように本実施形態では、昇降圧回路部３０は電源電圧（＋Ｖ）と接地電圧（０Ｖ）の間にスイッチＳＷ１とスイッチＳＷ２が直列接続されている。また、スイッチＳＷ１とスイッチＳＷ２の間がコイルＬの一端に接続され、コイルＬの他端がスイッチインバータ部２０の高電位側に接続されている。したがって、図２（ａ）に示した例では、昇降圧回路部３０は降圧回路を構成している。

【0029】

図２（ｂ）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。

【0030】

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。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。

【0031】

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。

【0032】

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。

【0033】

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２（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。

【0034】

図１および図２に示したモータ装置１００では、昇降圧制御部５０が降圧率を設定し、昇降圧回路部３０のスイッチＳＷ１，ＳＷ２のオン／オフを制御する。昇降圧回路部３０から出力される電圧が電源電位＋Ｖから低下した割合が降圧率であり、電源電位＋Ｖと同じ出力の場合には降圧率が０％である。昇降圧回路部３０の動作期間において、スイッチＳＷ１にオン信号が印加されている時間の割合（デューティ比）が大きいほど降圧率が小さく、小さいほど降圧率が大きくなる。降圧率０％ではデューティ比は１００％であり、常にスイッチＳＷ１にオン信号が印加される。降圧率が０％より大きくなると、デューティ比が小さくなるようにスイッチＳＷ１にパルス幅を変えた電圧が印加される。具体的には、スイッチＳＷ１とスイッチＳＷ２には相補的な信号が入力され、スイッチＳＷ１がオンの場合にはスイッチＳＷ２がオフとされ、スイッチＳＷ１がオフの場合にはスイッチＳＷ２がオンとされる。スイッチＳＷ１とスイッチＳＷ２のオン／オフを切り替える際に両者が瞬間的にオフとなるような期間を設けてもよい。

【0035】

モータ部１０をパルス制御で駆動する場合には、スイッチ制御部４０は、Ａ相スイッチからＦ相スイッチの各スイッチに対して、オン信号とオフ信号を１８０度（π）ずつ交互に印加する。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／６）ずつ位相がずれている。また、Ａ相スイッチとＤ相スイッチ、Ｂ相スイッチとＥ相スイッチ、Ｃ相スイッチとＦ相スイッチには、位相が１８０度(π)異なって互いに反転した信号が印加される。換言すると、Ａ相スイッチから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。したがって、各相のスイッチにオン信号が印加されると各相の巻線に相電流が流れ、モータ部１０の回転子１１が回転動作される。

【0036】

次に、スイッチ制御部４０がパルス制御でスイッチインバータ部２０を制御すると同時に、各相の相電流をヒステリシス制御する場合について図３および図４を用いて説明する。上述したようにパルス制御では各相の位相が６０度ずつ異なっており、同時にヒステリシス制御の対象となる相の数は最大で３であるため、以下ではＢ相、Ｃ相、Ｄ相の連続した３相がヒステリシス制御の対象とされた場合を一例として説明する。しかし、ヒステリシス制御の対象は、回転子１１の角度に応じて逐次変化しており、１相または連続した２相が制御対象となる場合もある。

【0037】

図３は、本実施形態における昇降圧制御部５０の動作を示すフローチャートである。このフローチャートでは、昇降圧回路部３０の昇圧率が０％で、電源電位＋Ｖがそのまま出力電圧とされている場合を想定している。はじめにステップＳ１では、センサ部６０がモータ部１０のＡ相巻線～Ｆ相巻線に流れる相電流を検出する。各相電流の検出が終了するとステップＳ２に移行する。

【0038】

次にステップＳ２では、検出した相電流が予め設定された下限値（第１電流値）以下であるか否かを判定する。相電流が下限値以下の場合にはステップＳ３に移行し、その他の場合にはステップＳ４に移行する。

【0039】

ステップＳ３では、下限値以下の電流値であった相電流の各相に関して、相に対応して記憶されている調整フラグを１（真状態）に設定する。具体的には、相電流の値が下限値以下の範囲で増大または減少している場合には調整フラグは１に設定される。また、相電流の値が下限値よりも大きい値から下限値を下回った場合にも調整フラグは１に設定される。モータ部１０の回転開始時には全ての相で電流値が下限値以下であるため、Ａ相からＦ相の全てに対応する調整フラグが１に設定される。調整フラグの設定が完了するとステップＳ４に移行する。

【0040】

ステップＳ４では、相電流の値が下限値以上の相をヒステリシス制御の対象とする。この制御対象の選定は、対応する調整フラグが１（真状態）に設定されているか、０（偽状態）に設定されているかとは無関係である。一例としては、Ａ相からＦ相の全ての相で調整フラグが１に設定されており、Ｂ相、Ｃ相、Ｄ相の３相において相電流が下限値以上の場合には、Ｂ相、Ｃ相、Ｄ相の３相がヒステリシス制御の対象に選定される。他の例としては、Ｄ相とＥ相の２相において相電流が下限値以上の場合には、Ｄ相とＥ相の２相がヒステリシス制御の対象に選定される。ヒステリシス制御の対象選定が終了するとステップＳ５に移行する。

【0041】

ステップＳ５では、ヒステリシス制御の対象とされた各相について、相電流が上限値（第２電流値）以上であるか否かを判定する。相電流が上限値以上の場合にはステップＳ６に移行し、その他の場合にはステップＳ７に移行する。

【0042】

ステップＳ６では、上限値以上の電流値であった相電流の各相に関して、相に対応して記憶されている調整フラグを０（偽状態）に設定する。具体的には、相電流の値が下限値以下の範囲から増大して上限値に到達した場合には調整フラグは０に設定される。一例としては、Ｄ相において相電流が上限値以上の場合には、Ｄ相に対応した調整フラグが０に設定される。調整フラグの設定が完了するとステップＳ７に移行する。

【0043】

ステップＳ７では、ヒステリシス制御の対象に選定された全ての相の調整フラグが１に設定されているか否かを判定する。換言すると、ヒステリシス制御の対象に選定された各相の調整フラグを乗算した結果が１であるか否かを判定する。全てのヒステリシス制御の対象で調整フラグが１の場合にはステップＳ１に移行し、何れか一つでも調整フラグが０の場合にはステップＳ８に移行する。一例としては、ヒステリシス制御の対象にＢ相、Ｃ相、Ｄ相が選定され、この３相の調整フラグが１の場合にはステップＳ１に移行し、例えばＤ相の調整フラグが０の場合にはステップＳ８に移行する。他の例としては、ヒステリシス制御の対象にＤ相とＥ相が選定され、この２相の調整フラグが１の場合にはステップＳ１に移行し、例えばＤ相の調整フラグが０の場合にはステップＳ８に移行する。

【0044】

ステップＳ８では、昇降圧制御部５０は昇降圧回路部３０からの出力電圧が低下するような制御を行う。図２（ａ）に示した例では、昇降圧回路部３０として降圧回路を用いているため、降圧率を高めるような制御を行う。具体的には、昇降圧回路部３０のスイッチＳＷ１に対してオフ信号を印加し、スイッチＳＷ２に対してオン信号を印加する。これにより、電源電位＋ＶはスイッチＳＷ１のオフにより切り離され、コイルＬとスイッチＳＷ２を介した電圧が出力され、経時的に出力電位が低下していく。出力電圧を低下させる制御を行った後に、ステップＳ９に移行する。

【0045】

ステップＳ９では、制御を終了するか否かを判定する。モータ装置１００に対して停止指示が送出された場合等には制御を終了し、制御終了の指示が無い場合にはステップＳ１に移行して制御が継続される。

【0046】

図４は、本実施形態におけるヒステリシス制御の動作を模式的に説明するグラフである。図中の縦軸は相電流の大きさを模式的に示しており、上限値と下限値とその中間の閾値が設定されている。また、図中の横軸は時間経過を示している。

【0047】

図４（ａ）に示した例では、相電流が下限値以下から増大している際には調整フラグは１であり、下限値以上で上限値未満の範囲では調整フラグは１を維持している。いずれかの相電流が上限値に到達すると、該当する相に対応する調整フラグは０に設定され、昇降圧回路部３０の出力電圧低下とともに相電流が低下する。相電流が上限値から下限値の範囲で減少している間は、調整フラグは０が維持されている。その後に相電流が下限値にまで到達すると、調整フラグは１に設定される。その後も、相電流の増減によって上限値以上となった場合には調整フラグは０に設定され、下限値以下になった場合には調整フラグは１に設定される。ヒステリシス制御である全ての相の調整フラグが１の場合には、出力電圧は当初の設定値に戻される。

【0048】

図４（ｂ）に示した例では、相電流が下限値以下から増大している際には調整フラグは１であり、下限値以上で上限値未満の範囲では調整フラグは１を維持している。このとき、相電流が上限値に到達する前に減少した場合にも、調整フラグは１を維持する。さらに時間が経過していずれかの相電流が上限値に到達すると、該当する相に対応する調整フラグは０に設定され、昇降圧回路部３０の出力電圧低下とともに相電流が低下する。相電流が上限値から下限値の範囲で減少または増加している間は、調整フラグは０が維持されている。このとき、相電流が下限値に到達する前に増加した場合にも、調整フラグは０を維持する。その後に相電流が下限値にまで到達すると、調整フラグは１に設定される。ヒステリシス制御である全ての相の調整フラグが１の場合には、出力電圧は当初の設定値に戻される。

【0049】

図５は、Ａ相巻線からＦ相巻線に流れる相電流のシミュレーション結果を示すグラフである。図中の縦軸は相電流（Ａ）の値を示し、横軸は時間経過（秒）を示している。また、グラフ中において実線はＡ相、太い破線はＢ相、一点鎖線はＣ相、二点鎖線はＤ相、細い破線はＥ相、ドット線はＦ相の相電流波形をそれぞれ示している。図５に示したようにＡ相からＦ相のそれぞれが位相の異なる波形を示しており、循環電流が発生していないことが確認できる。

【0050】

図３および図４で説明したように、本実施形態のモータ装置１００では、相電流が下限値以上の相をヒステリシス制御の対象とし、相電流が上限値に到達した場合に調整フラグを０とし、下限値以下になった場合に調整フラグを１とする。また、ヒステリシス制御対象のうち１つでも調整フラグが０である場合には昇降圧回路部３０の出力電圧を低下させる。これにより、何れか一つの相電流が上限値に達すると出力電圧が低下されて、相電流値も減少していく。この出力電圧の低下と相電流の減少は、上限値に達した相の相電流が下限値に到達するまで継続される。また、ヒステリシス制御である全ての相の調整フラグが１になった場合には、出力電圧は当初の設定値に戻される。

【0051】

したがって、センサ部６０が検出した相電流の値に基づいて、Ａ相からＦ相の相電流が上限値を超えないように、昇降圧回路部３０からの出力電圧が制御される。換言すると、各相の相電流が上限値を超えない範囲で、最も大きな出力電圧が昇降圧回路部３０から出力される。これにより、循環電流の発生を抑制しながら各相の相電流が上限値を超えないようにヒステリシス制御を行い、かつ昇降圧回路部３０からの出力電圧を不必要に低減せず、モータ装置１００の出力を最大化することが可能となる。

【0052】

（第１実施形態の変形例）
図３では、昇降圧回路部３０から電源電位＋Ｖが出力されている場合の例を示したが、本変形例では、昇降圧回路部３０が所定の降圧率で動作されている最中のヒステリシス制御について説明する。図２（ａ）に示したように、昇降圧回路部３０が降圧回路の場合には、スイッチＳＷ１にオン信号が印加されているデューティ比によって降圧率が決定され、電源電位＋Ｖから降圧率に相当する電位だけ低下された出力電圧が出力される。このように降圧回路が動作中には、スイッチＳＷ１にオン信号が印加されているタイミングと、オフ信号が印加されているタイミングが混在している。

【0053】

表１は、スイッチＳＷ１に印加されている信号がオンの場合を「１」とし、オフ信号の場合を「０」とした場合の指令パターンを示している。表中の降圧回路の欄は、スイッチＳＷ１に印加されている信号を示している。表中のヒステリシス制御対象の欄は、下限値以上の相電流でヒステリシス制御対象とされた相の調整フラグを示している。表中のスイッチのＯＮ／ＯＦＦは、スイッチＳＷ１に対する新たな信号を示している。表１では、Ｂ相、Ｃ相、Ｄ相の３相がヒステリシス制御の対象に選定された例を示しているが、対象相は任意であり、相数も１相または連続する２相の場合も有り得る。

【0054】

【表1】

【0055】

表１に示したように、指令パターン１から４は、設定された降圧率に基づいてスイッチＳＷ１にオン信号が印加されているタイミングの場合である。指令パターン５から８は、設定された降圧率に基づいてスイッチＳＷ１にオフ信号が印加されているタイミングの場合である。第１実施形態で図３に示した降圧回路からの出力が電源電位＋Ｖそのままの場合は、降圧率が０％でありスイッチＳＷ１のデューティ比が１００％の場合であり、指令パターン１から４のみでの駆動に相当している。

【0056】

表１に指令パターン１として示したように、設定された降圧率での動作においてスイッチＳＷ１にオン信号が印加されており、かつ全てのヒステリシス制御対象相の調整フラグが１（真状態）である場合にのみ、降圧回路のスイッチＳＷ１に対してオン信号が印加される。スイッチＳＷ２に対しては、スイッチＳＷ１と相補的にオフ信号が印加される。その他の指令パターン２～８では、設定された降圧率での動作においてスイッチＳＷ１に印加される信号と、ヒステリシス制御対象相の調整フラグの何れかが０となっており、降圧回路のスイッチＳＷ１に対してオフ信号が印加される。

【0057】

表１で示した指令パターン１～８で昇降圧回路部３０のスイッチＳＷ１を制御することで、ヒステリシス制御対象相の調整フラグの何れか一つに偽状態が含まれると、設定された降圧率よりもスイッチＳＷ１に印加されるオン信号のデューティ比が低下する。これは昇降圧回路部３０からの降圧率を低下させることを意味している。

【0058】

表２は、昇降圧回路部３０の降圧回路として、図２（ａ）に示した以外の構成を用いた場合の制御を示している。表２に示すように、ヒステリシス制御対象相の調整フラグが全て１（真状態）の場合にのみ、昇降圧制御部５０は設定された降圧率を維持する。また、ヒステリシス制御対象相の調整フラグの何れか一つに偽状態が含まれる場合には、昇降圧制御部５０は設定された降圧率を上昇させ、出力電圧を低下させる。

【0059】

一例としては、電源電位が＋Ｖであり、昇降圧制御部５０が設定された降圧率２０％で昇降圧回路部３０を動作させている場合には、出力電圧が＋０．８Ｖである。ヒステリシス制御対象相の調整フラグの何れかに０が含まれている場合には、昇降圧制御部５０は降圧率を２５％に上昇させて昇降圧回路部３０からの出力電圧を＋０．７５Ｖに制御する。

【0060】

【表2】

【0061】

本変形例においても、循環電流の発生を抑制しながら各相の相電流が上限値を超えないようにヒステリシス制御を行い、かつ昇降圧回路部３０からの出力電圧を不必要に低減せず、モータ装置１００の出力を最大化することが可能となる。

【0062】

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図６を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。図６は、本実施形態に係るモータ装置１００の一例を示す回路図である。図６に示したように、本実施形態のモータ装置１００はモータ部１０と、スイッチインバータ部２０と、昇降圧回路部３０を備えている。本実施形態では昇降圧回路部３０として昇圧回路を用いる点が第１実施形態と異なっている。

【0063】

図６に示したように本実施形態では、昇降圧回路部３０はスイッチＳＷ１とスイッチＳＷ２が直列接続されており、スイッチＳＷ１とスイッチＳＷ２の間がコイルＬの一端に接続され、コイルＬの他端が電源電圧（＋Ｖ）に接続されている。したがって、図６に示した例では、昇降圧回路部３０は降圧回路を構成している。

【0064】

表３に示すように、第２実施形態と同様に昇降圧制御部５０は、Ａ相からＦ相の巻線に流れる相電流に基づいて調整フラグを１（真状態）または０（偽状態）に設定し、相電流が下限値以上の相をヒステリシス制御対象として選定する。また昇降圧制御部５０は、ヒステリシス制御対象相の調整フラグが全て１（真状態）の場合には、設定された昇圧率を維持して昇降圧回路部３０からの出力電圧を維持する。また昇降圧制御部５０は、ヒステリシス制御対象相の調整フラグの何れかが０（偽状態）の場合には、設定された昇圧率を低下させて昇降圧回路部３０からの出力電圧を低下させる。

【0065】

一例としては、電源電位が＋Ｖであり、昇降圧制御部５０が設定された昇圧率１００％で昇降圧回路部３０を動作させている場合には、出力電圧が＋２Ｖである。ヒステリシス制御対象相の調整フラグの何れかに０が含まれている場合には、昇降圧制御部５０は昇圧率を７５％に上昇させて昇降圧回路部３０からの出力電圧を＋１．７５Ｖに制御する。

【0066】

【表3】

【0067】

本実施形態においても、循環電流の発生を抑制しながら各相の相電流が上限値を超えないようにヒステリシス制御を行い、かつ昇降圧回路部３０からの出力電圧を不必要に低減せず、モータ装置１００の出力を最大化することが可能となる。

【0068】

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図７を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。本実施形態では、スイッチ制御部４０がスイッチインバータ部２０をベクトル制御し、昇降圧制御部５０は各相の電圧デューティ比が所定の比率となるように昇降圧回路部３０からの出力電圧を制御する。

【0069】

モータ部１０のベクトル制御では、センサ部６０が各相の相電流と回転子１１の角度を検出して信号波を算出し、搬送波と信号波の比較によってスイッチインバータ部２０の各スイッチに印加する信号のパルスを決定している。このような９スイッチインバータを用いたモータ装置１００のベクトル制御は、本願出願人によって特許第７０８６３５７号公報、特許第７０８６３５８号公報等に開示されている。したがってモータ部１０のベクトル制御では、信号波と搬送波の比較でスイッチインバータ部２０に印加される信号におけるオン期間の割合（電圧デューティ比）が決まる。

【0070】

図７は、本実施形態に係るモータ装置１００におけるモータ部１０に入力される電圧の高速フーリエ変換解析結果を示すグラフである。図中の横軸は高速フーリエ変換の次数を示し、縦軸は各次数における係数を示している。図中の黒塗りの棒グラフは、スイッチインバータ部２０に入力される電圧が１２Ｖで電圧デューティ比が５０％の解析結果を示している。図中の白抜きの棒グラフは、スイッチインバータ部２０に入力される電圧が６Ｖで電圧デューティ比が１００％の解析結果を示している。

【0071】

図７に示したように、スイッチインバータ部２０の各スイッチに印加される信号の電圧デューティ比が低い場合には、モータ部１０に入力される電圧に高調波成分が多く含まれることが確認できる。この入力電圧に含まれる高調波成分によって、モータ部１０の各巻線には高調波電流が発生するため、回転子１１の回転時に高調波鉄損が増加してモータ部１０の出力効率が低下してしまう。

【0072】

そこで本実施形態のモータ装置１００では、モータ部１０の各相に流れる相電流が大きい場合に、スイッチインバータ部２０の各スイッチに印加される信号の電圧デューティ比が所定の値となるように、昇降圧制御部５０が昇降圧回路部３０からの出力電圧を低下させる。

【0073】

具体的には、昇降圧回路部３０として降圧回路を用いる場合には降圧率を上昇させ、昇圧回路を用いる場合には昇圧率を低下させる。昇降圧回路部３０からの出力電圧が低下すると、モータ部１０の各相を流れる相電流の振幅が小さくても、信号波と搬送波の比較で得られる電圧デューティ比が増大する。これにより、モータ部１０への入力電圧に含まれる高調波成分を抑制し、回転子１１の回転時における高調波鉄損の発生を抑制し、モータ装置１００の出力を最大化することが可能となる。

【0074】

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】

【0075】

１００…モータ装置
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
３０…昇降圧回路部
４０…スイッチ制御部
５０…昇降圧制御部
６０…センサ部

【要約】

【課題】駆動時における循環電流や鉄損の発生を抑制し、出力を最大化することが可能なモータ装置を提供する。
【解決手段】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（１０）と、モータ部（１０）に電力を供給するスイッチインバータ部（２０）と、電源からの電圧を昇圧または降圧してスイッチインバータ部（２０）に供給する昇降圧回路部（３０）と、モータ部（１０）の各相の電流値を検出するセンサ部（６０）と、スイッチインバータ部（２０）に含まれる各スイッチを制御するスイッチ制御部（４０）と、昇降圧回路部（３０）の動作を制御する昇降圧制御部（５０）とを備え、昇降圧制御部（５０）は電流値に基づいて昇降圧回路部（３０）からの出力電圧を制御するモータ装置（１００）。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】