JP3551164B2

JP3551164B2 - 回転電機の電流検出装置

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Publication number: JP3551164B2
Application number: JP2001207633A
Authority: JP
Inventors: 有満　　稔; 昭一前田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-07-09
Filing date: 2001-07-09
Publication date: 2004-08-04
Anticipated expiration: 2021-07-09
Also published as: EP1276223A1; DE60223628D1; US6844699B2; DE60223628T2; US20030011255A1; EP1276223B1; JP2003033073A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は回転電機の電流検出装置、特に複合電流で駆動される回転電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インバータより給電線を介して回転電機のステータに給電する場合にその給電線に電流センサ（電流検出手段）を設けて給電線を流れる電流を検出している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
近年、少なくとも２つのロータを有しこのロータの数に対応して第１の周波数の電流成分とこれと異なる第２の周波数の電流成分との少なくとも２つの周波数成分を含む複合電流が供給される回転電機が提案されているが（特願２０００−２３８１０５号参照）、こうした回転電機においても電流センサを個々の給電線に設けて複合電流を直接に検出している。
【０００４】
これについてさらに説明すると、図６は図１に示される２つの回転電機からなる複合モータ１を対象として２つの回転電機に共用されるステータ２が、円周上に配した１２個のコイル１〜１２からなる場合にこれらコイル１〜１２へのインバータ７からの給電線１１〜２２の配置を示したものである。同図において４極対の外側ロータ３（図１参照）に対して１２０°（＝２π／３）ずつ位相のずれた三相交流電流（Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ）が、また２極対の内側ロータ４（図１参照）に対して６０°（＝π／３）ずつ位相のずれた六相交流電流（Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃ、Ｉｄ、Ｉｅ、Ｉｆ）が設定されるときコイル１〜１２（給電線１１〜２２）には複合電流Ｉ１〜Ｉ１２が後述する数５式のように流れる。
【０００５】
この場合に従来例によれば例えば外側ロータ３用電流の３つの電流成分Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを検出するため給電線１６、１５、１９、１８に対して４つの電流センサ６１〜６４が配置される。これら電流センサ６１〜６４の検出値は数５式を参照して次のようになる。
【０００６】
センサ６１検出値＝Ｉｗ＋Ｉｆ（＝Ｉ６） …（１）
センサ６２検出値＝Ｉｖ＋Ｉｅ（＝Ｉ５） …（２）
センサ６３検出値＝Ｉｗ＋Ｉｃ（＝Ｉ９） …（３）
センサ６４検出値＝Ｉｖ＋Ｉｂ（＝Ｉ８） …（４）
外側ロータ３用電流の３つの電流成分Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを算出（検出）するにはこれら４つのセンサ検出値を用いてコントローラ８が電流分離演算を行う。電流分離演算のためまず（１）式＋（４）式を計算する。
【０００７】
センサ６１検出値＋センサ６３検出値
＝Ｉｗ＋Ｉｆ＋Ｉｗ＋Ｉｃ＝２×Ｉｗ＋（Ｉｆ＋Ｉｃ）…（５）
ここで（５）式のＩｆ、Ｉｃは数４式で後述するように
Ｉｃ＝Ｉｃ_２ｃｏｓ（ω_２ｔ−２π／３＋β） …（６）
Ｉｆ＝Ｉｃ_２ｃｏｓ（ω_２ｔ−５π／３＋β） …（７）
であり、（６）式、（７）式の両者はπの位相差があるのみであるためＩｃ＋Ｉｆ＝０となる。よって（５）式は右辺第１項のみが残り次のようになる。
【０００８】
センサ６１検出値＋センサ６３検出値＝２×Ｉｗ …（８）
（８）式をＩｗについて解くことによりＩｗが次のように算出（検出）される。
【０００９】
Ｉｗ＝（センサ６１検出値＋センサ６３検出値）／２ …（９）
同様にして電流成分Ｉｖを検出するには（２）式＋（４）式を計算すればよく、これよりＩｖは次のように算出（検出）される。
【００１０】
Ｉｖ＝（センサ６２検出値＋センサ６４検出値）／２ …（１０）
また、Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗは対称三相交流であり対称三相交流にはＩｕ＋Ｉｗ＋Ｉｗ＝０の関係があるので、次の式より残りの電流成分Ｉｕを算出（検出）することができる。
【００１１】
Ｉｕ＝−（Ｉｗ＋Ｉｖ） …（１１）
このようにして上記（９）式〜（１１）式により外側ロータ３用電流の総ての電流成分Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを算出することができるのであるが、コントローラ８から見ればステータ２には全体として外側ロータ３の極対数倍（つまり４倍）のＩｕ、Ｉｖ、Ｉｗが流れるので、コントローラ８内では上記（９）式〜（１１）式で得られるＩｕ、Ｉｖ、Ｉｗを極対数倍した値を外側ロータ３用電流の電流成分Ｉｕ´（＝４×Ｉｕ）、Ｉｖ´（＝４×Ｉｖ）、Ｉｗ´（＝４×Ｉｗ）として用いている。
【００１２】
しかしながら、こうした従来の電流検出方法では次のような問題が生じる。
〈１〉複合電流は平均値と最大値の差が大きいため例えば最大値に合わせて電流センサを選定すると最大値近傍のノイズレベルはそのときの電流値に対して小さくなるものの、それ以外の例えば平均値近傍のノイズレベルはそのときの電流値に対して大きくなり正確な電流波形をとらえることが実際上できない。
〈２〉一つのコイルに通電される個々の給電線（図６の給電線１６、１５、１９、１８参照）に対して電流検出手段（図６の電流センサ６１〜６４参照）を設置しているためステータ２全体の電流成分としては、電流検出手段の検出値（センサ検出値）をコントローラ８内で極対数倍して使用する必要がある。このことは、１つの給電線やコイルに生じるバラツキが極対数倍に拡大されることを意味する。したがってコイルのバラツキ、給電線などの配線インダクタンスバラツキなどにより検出値が大きく影響されてしまう。
〈３〉コントローラ８内では電流分離演算が必要なため（上記（９）、（１０）、（１１）式の計算が必要であるということ）、コントローラ８の演算負荷がどうしても重くなる。
【００１３】
そこで本発明は、第１の周波数の電流成分とこれと異なる第２の周波数の電流成分との少なくとも２つの周波数成分を含む複合電流を対象として、一方の周波数（例えば第１の周波数）の電流成分を検出するために一方の周波数（第１の周波数）の電流成分の位相は同相でかつ他方の周波数（第２の周波数）の電流成分は相殺されてゼロとなるような給電線をまとめて一つの電流検出手段に導くことにより、電流検出手段の選定を単一電流である場合の電流検出と同様にして電流検出手段のＳＮ比を向上するとともに、モータパラメータ、配線インダクタンス、パワーデバイスの各バラツキに影響されないようにすることを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、少なくとも２つのロータと、回転磁場を発生させるための電流を流す複数のコイルからなるステータとを有しこのステータの各コイルに、第１の周波数Ｆ１の２以上の相を有する交流の電流成分のうちの一つと、これと異なる第２の周波数Ｆ２の２以上の相を有する交流の電流成分のうちの一つの電流成分を合計した複合電流がそれぞれ供給される回転電機において、前記複合電流をインバータから前記ステータの各コイルに個別に供給する給電線であってコイル総数と同数の給電線を備え、２つ以上の給電線をまとめて１つの電流検出手段に導いたとき、この２つ以上の給電線を流れる電流の合計が、一方の周波数の電流成分について同相の電流成分の組み合わせとなりかつ他方の周波数の電流成分については電流成分の和がゼロとなるように前記１つの電流検出手段を設置する。
【００１５】
第２の発明は、少なくとも２つのロータと、回転磁場を発生させるための電流を流す複数のコイルからなるステータとを有しこのステータの各コイルに、第１の周波数の２以上の相を有する交流の電流成分のうちの一つと、これと異なる第２の周波数の２以上の相を有する交流の電流成分のうちの一つの電流成分を合計した複合電流がそれぞれ供給される回転電機において、前記複合電流をインバータから前記ステータの各コイルに個別に供給する給電線であってコイル総数と同数の給電線を備え、２つ以上の給電線をまとめて第１の電流検出手段に導いたとき、この２つ以上の給電線を流れる電流の合計が、一方の周波数の電流成分について同相の電流成分の組み合わせとなりかつ他方の周波数の電流成分について電流成分の和がゼロとなるように前記第１の電流検出手段を設置するとともに、２つ以上の給電線をまとめて第２の電流検出手段に導いたとき、この２つ以上の給電線を流れる電流の合計が、前記他方の周波数の電流成分について同相の電流成分の組み合わせとなりかつ前記一方の周波数の電流成分について電流成分の和がゼロとなるように前記第２の電流検出手段を設置する。
【００２０】
第３の発明では、第１の発明において前記一方の周波数の電流成分の位相が同相でかつ前記他方の周波数の電流成分が相殺されてゼロとなるようにまとめる場合に給電線の数が最大となるようにする。
【００２１】
第４の発明では、第２の発明において前記第１の周波数の電流成分の位相が同相でかつ前記第２の周波数の電流成分が相殺されてゼロとなるように、また前記第２の周波数の電流成分の位相が同相でかつ前記第１の周波数の電流成分が相殺されてゼロとなるようにまとめる場合に給電線の数が最大となるようにする。
【００２２】
第５の発明では、第１または第２の発明において前記少なくとも２つのロータが回転磁場を共用するものである。
【００２３】
第６の発明では、第１または第２の発明において前記少なくとも２つのロータが回転磁場を共用しないものである。
【００２４】
【発明の効果】
第１、第２、第５、第６の発明によれば次の効果が得られる。
〈１〉電流検出手段のＳＮ比を向上できる。すなわち第１、第２、第５、第６の発明では複合電流でなく各ロータ用に流される単一電流の電流成分が数倍されたものが検出されるだけであるため電流検出手段の選定を単一電流である場合の電流検出と同様に行えばよく、これにより複合電流を検出する場合より電流検出手段のＳＮ比を向上できる。
〈２〉ステータコイルなどのモータパラメータのバラツキ、給電線などの配線インダクタンスバラツキ、インバータなどのパワーデバイスバラツキに影響されずに電流を検出できる。すなわち第１、第２、第６、第５、第６の発明では複数の給電線を流れる電流ををまとめて検出するため給電線毎に検出する従来例の場合より配線インダクタンスバラツキやコイルバラツキの影響を受けなくて済む。
【００２５】
第３、第４の発明によればコントローラの演算負荷を軽減できる。すなわち第３、第４の発明では各電流成分とも極対数倍した値が検出されるので、コントローラ内でわざわざ極対数倍する必要がない。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１に２つの回転電機からなりステータ（磁場）を共用する複合モータ１の概略断面図を示す。図示のものは、円筒状のステータ２の外側と内側に所定のギャップをおいてロータ３、４を配置し（３層構造）、外側と内側の各ロータ３、４を全体を被覆する外枠（図示しない）に対して回転可能にかつ同軸に設けたものである。
【００２７】
具体的に説明すると、内側ロータ４は９０度毎にＳ極とＮ極が入れ替わるようにした二対の永久磁石で形成され、これに対して外側ロータ３は内側ロータ４の一極当たり２倍の極数を持つように永久磁石極が配置される。つまり、外側ロータ３のＳ極、Ｎ極は各４個であり、４５度毎にＳ極とＮ極が入れ替わるように構成されている。このように各ロータ３、４の磁極（外側４極対、内側２極対）を配置することで、内側ロータ４の磁石が外側ロータ３の磁石により、この逆に外側ロータ３の磁石が内側ロータ４の磁石により回転力を与えられることがない。
【００２８】
ステータ２は、内側ロータ３の１磁極当たり３個のコイル６で構成され、合計１２個（＝３×４）のコイル６が同一の円周上に等分に配置されている。
【００２９】
これら１２個のコイルには外側ロータ３に対する回転磁場を発生させる電流（三相交流）を流すため、３組のコイルに１２０°（＝２π／３）ずつ位相のずれた制御電流（Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ）が次のように設定される。
【００３０】
【数１】
Ｉｕ＝Ｉｃ_１ｃｏｓ（ω_１ｔ＋α）、
Ｉｖ＝Ｉｃ_１ｃｏｓ（ω_１ｔ−２π／３＋α）、
Ｉｗ＝Ｉｃ_１ｃｏｓ（ω_１ｔ−４π／３＋α）、
ただし、Ｉｃ_１：振幅、
ω_１：外側ロータの回転角速度、
α ：初期位相角、
同様にして内側ロータ４に対する回転磁場を発生させる電流（六相交流）を流すため、６組のコイルに６０°（＝π／３）ずつ位相のずれた制御電流（Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃ、Ｉｄ、Ｉｅ、Ｉｆ）が次のように設定される。
【００３１】
【数２】
Ｉａ＝Ｉｃ_２ｃｏｓ（ω_２ｔ＋β）、
Ｉｂ＝Ｉｃ_２ｃｏｓ（ω_２ｔ− π／３＋β）、
Ｉｃ＝Ｉｃ_２ｃｏｓ（ω_２ｔ−２π／３＋β）、
Ｉｄ＝Ｉｃ_２ｃｏｓ（ω_２ｔ− π＋β）、
Ｉｅ＝Ｉｃ_２ｃｏｓ（ω_２ｔ−４π／３＋β）、
Ｉｆ＝Ｉｃ_２ｃｏｓ（ω_２ｔ−５π／３＋β）、
ただし、Ｉｃ_２：振幅、
ω_２：内側ロータの回転角速度、
β ：初期位相角、
従って図２、図３に示したように１２個のコイルをコイル１〜１２とし各コイル１〜１２に流れる外側ロータの制御電流（以下「外側ロータ電流」いう。）をＩ_１１〜Ｉ_１１２とすると、これらは数１式を用いて次のようになる。
【００３２】
【数３】

同様にして各コイル１〜１２に流れる内側ロータの制御電流（以下「内側ロータ電流」いう。）をＩ_２１〜Ｉ_２１２とすると、これらは数２式を用いて次のようになる。
【００３３】
【数４】

この場合、外側ロータ３の回転角速度ω_１と外側ロータ電流の周波数Ｆ１の間、また内側ロータ４の回転角速度ω_２と内側ロータ電流の周波数Ｆ２の間には次の関係がある。
【００３４】
ω₁＝２πＦ１／４、
ω₂＝２πＦ２／２、
ただし、Ｆ１：外側ロータ電流の周波数、
Ｆ２：内側ロータ電流の周波数、
なお、ステータ２の各コイル１〜１２に流れる複合電流をＩ１〜Ｉ１２とすると、これらは上記数１式の各電流成分Ｉｕ〜Ｉｗと上記数２式の各電流成分Ｉａ〜Ｉｆを用いて次のようになることはいうまでもない。
【００３５】
【数５】
Ｉ１＝Ｉｕ＋Ｉａ、
Ｉ２＝Ｉｖ＋Ｉｂ、
Ｉ３＝Ｉｗ＋Ｉｃ、
Ｉ４＝Ｉｕ＋Ｉｄ、
Ｉ５＝Ｉｖ＋Ｉｅ、
Ｉ６＝Ｉｗ＋Ｉｆ、
Ｉ７＝Ｉｕ＋Ｉａ、
Ｉ８＝Ｉｖ＋Ｉｂ、
Ｉ９＝Ｉｗ＋Ｉｃ、
Ｉ１０＝Ｉｕ＋Ｉｄ、
Ｉ１１＝Ｉｖ＋Ｉｅ、
Ｉ１２＝Ｉｗ＋Ｉｆ、
このように複合電流Ｉ１〜Ｉ１２の電流設定を行うと、単一のコイルでありながら、内側ロータ４に対する回転磁場と外側ロータ３に対する回転磁場との２つの磁場が同時に発生し、これにより内側ロータ４とステータからなる回転電機（第１回転電機）と外側ロ一タ３とステータからなる回転電機（第２回転電機）とが互いに独立に制御される。すなわち、内側ロータ４の磁石は外側ロータ３に対する回転磁場により回転力を与えられることがなく、また外側ロータ３の磁石が内側ロータ４に対する回転磁場により回転力を与えられることもない。この原理については特開平１１−２７５８２６号公報で説明した通りである。
【００３６】
上記電流成分Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの電流設定は外側ロータ３の回転位相に同期して、また上記電流成分Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃ、Ｉｄ、Ｉｅ、Ｉｆの電流設定は内側ロータ４の回転位相に同期してそれぞれ行う。トルクの方向に対して位相の進み遅れを設定するが、これは同期モータに対する場合と同じである。
【００３７】
上記の複合モータ１は特願２０００−２３８０７８号で開示したようにエンジンと組み合わせて用いられる。これについて簡単に説明すると、外側ロータがエンジンの出力軸に直結され、これに対して内側ロータ４が駆動軸に直結され、第１回転電機をモータとして、第２回転電機をジェネレータとして主に運転される。図示しない統合コントロールモジュールでは、第１回転電機の目標トルクと第２回転電機の目標回転速度、目標トルクを決定し、モータコントロールモジュールが次の制御を行う。すなわちモータコントロールモジュールでは周知の電流ベクトル制御によって回転電機毎にｄ軸電流とｑ軸電流の指令値を決定する。一方、電流センサの検出信号、内側ロータ回転角センサの出力信号、外側ロータの回転角センサの出力信号から実際のｄ軸電流とｑ軸電流とを算出し、この実ｄ軸電流と実ｑ軸電流が指令値に一致するように第１回転電機の三相交流の電圧指令値と第２回転電機の六相交流の電圧指令値を生成し、これら回転電機毎の電圧指令値を複合して複合電圧指令値を生成する。そしてこの複合電圧指令値とキャリア信号とからＰＷＭ信号を生成し、このＰＷＭ信号を図２、図３のインバータ７に送る。
【００３８】
そして、インバータ７からはステータ２を構成する１２個のコイル１〜１２に対して、数５式に示される１２個の複合電流Ｉ１〜Ｉ１２が給電線１１〜２２を介して流される。なお、図示のコントローラ８は上記モータコントロールモジュール及び統合コントロールモジュールからなっている。
【００３９】
図２、図３において１２個の給電線１１〜２２に対して９個の電流センサ（図２、図３では６個のみを示す）を次のように配置する。ここで電流センサとしては例えば貫通型のものを用いればよい。
【００４０】
まず外側ロータ電流の検出については図２に示したようにコイル１、４、７、１０への給電線１１、１４、１７、２０をまとめて１つの電流センサ３１に導く。この電流センサ３１は外側ロータ電流の３つある電流成分Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗのうち０°位相の電流成分Ｉｕを検出するためのものである。例えばこのときの電流センサ３１の検出値は、
【００４１】
【数６】
センサ３１検出値＝（Ｉ_１１＋Ｉ_１４＋Ｉ_１７＋Ｉ_１１０）＋（Ｉ_２１＋Ｉ_２４＋Ｉ_２７＋Ｉ_２１０）
であるので、この式に上記の数３、数４式を代入すると次のようになる（ただし初期位相角α、βは無視する）。
【００４２】
【数７】
センサ３１検出値＝４×Ｉｃ_１ｃｏｓ（ω_１ｔ）＋｛Ｉｃ_２ｃｏｓ（ω_２ｔ）＋Ｉｃ_２ｃｏｓ（ω_２ｔ−π）＋Ｉｃ_２ｃｏｓ（ω_２ｔ）＋Ｉｃ_２ｃｏｓ（ω_２ｔ−π）｝
ここで数７式の右辺第２項中のＩｃ_２ｃｏｓ（ω_２ｔ）とＩｃ_２ｃｏｓ（ω_２ｔ−π）とはちょうど打ち消し合う関係になるためＩｃ_２ｃｏｓ（ω_２ｔ）＋Ｉｃ_２ｃｏｓ（ω_２ｔ−π）＝０となる。すなわち内側ロータ電流Ｉ_２１、Ｉ_２４、Ｉ_２７、Ｉ_２１０はその電流位相の関係より内側ロータ電流Ｉ_２１、Ｉ_２４、Ｉ_２７、Ｉ_２１０をまとめると相殺されセンサ３１検出値に表れない。
【００４３】
よってセンサ３１検出値としては数７式の右辺第１項だけが残ることになり、外側ロータ電流の電流成分Ｉｕが４倍（極対数倍）で算出（検出）される。
【００４４】
【数８】
センサ３１流検出値＝４×Ｉｃ_１ｃｏｓ（ω_１ｔ）＝４×Ｉｕ（∵数１式）
同様にして図２のようにコイル２、５、８、１１への給電線１２、１５、１８、２１をまとめて同一の電流センサ３２に、またコイル３、６、９、１２への給電線１３、１６、１９、２２をまとめて同一の電流センサ３３に導くことで外側ロータ電流の残りの電流成分Ｉｖ、Ｉｗが次のように４倍で算出（検出）される。
【００４５】
【数９】
センサ３２検出値＝４×Ｉｃ_１ｃｏｓ（ω_１ｔ−２π／３）＝４×Ｉｖ（∵数１式）、
センサ３３検出値＝４×Ｉｃ_１ｃｏｓ（ω_１ｔ−４π／３）＝４×Ｉｗ（∵数１式）、
このようにして３個の電流センサ３１、３２、３３により外側ロータ電流の０°位相、１２０°位相、２４０°位相の全ての電流成分Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗが判明する。
【００４６】
次に内側ロータ電流の検出については図３に示したようにコイル１、７への給電線１１、１７とこれら２つの電流の向きとは逆方向にしたコイル４、１０への給電線１４、２０をまとめて一つの電流センサ３４に導く。この電流センサ３４は内側ロータ電流の０°位相の電流成分Ｉａを検出するためのものである。例えばこのときの電流センサ３４の検出値は、
【００４７】
【数１０】
センサ３４検出値＝（Ｉｃ_１１−Ｉｃ_１４＋Ｉｃ_１７−Ｉｃ_１１０）＋（Ｉｃ_２１−Ｉｃ_２４＋Ｉｃ_２７−Ｉｃ_２１０）
であるので、この式に上記の数３、数４式を代入すると次のようになる（ただし初期位相角α、βは無視する）。
【００４８】
【数１１】
センサ３４検出値＝｛Ｉｃ_１ｃｏｓ（ω_１ｔ）−Ｉｃ_１ｃｏｓ（ω_１ｔ）＋Ｉｃ_１ｃｏｓ（ω_１ｔ）−Ｉｃ_１ｃｏｓ（ω_１ｔ）｝＋｛Ｉｃ_２ｃｏｓ（ω_２ｔ）−Ｉｃ_２ｃｏｓ（ω_２ｔ−π）＋Ｉｃ_２ｃｏｓ（ω_２ｔ）−Ｉｃ_２ｃｏｓ（ω_２ｔ−π）｝
ここで外側ロータ電流Ｉｃ_１１、Ｉｃ_１４、Ｉｃ_１７、Ｉｃ_１１０はその電流位相の関係より外側ロータ電流Ｉｃ_１１、−Ｉｃ_１４、Ｉｃ_１７、−Ｉｃ_１１０をまとめると相殺されセンサ検出値に表れない。また数１１式の右辺第２項中のＩｃ_２ｃｏｓ（ω_２ｔ）とＩｃ_２ｃｏｓ（ω_２ｔ−π）とは等しい（Ｉｃ_２ｃｏｓ（ω_２ｔ）＝Ｉｃ_２ｃｏｓ（ω_２ｔ−π））ので、センサ３４検出値としては次のように数７式の右辺第２項だけが残ることになり、内側ロータ電流の電流成分Ｉａが４倍で算出（検出）される。
【００４９】
【数１２】
センサ３４の電流検出値＝４×Ｉｃ_２ｃｏｓ（ω_２ｔ）＝４×Ｉａ（∵数２式）、
同様にして図３のようにコイル２、５、８、１１への給電線１２、１５、１８、２１についてコイル２、８への給電線１２、１８とこれら２つの電流の向きとは逆方向にしたコイル５、１１への給電線１５、２１とをまとめて同一の電流センサ３５に、またコイル３、６、９、１２への給電線１３、１６、１９、２２についてコイル３、９への給電線１３、１９とこれら２つの電流の向きとは逆方向にしたコイル６、１２への給電線１６、２２とをまとめて同一の電流センサ３６に、コイル４、７、１０、１への給電線１４、１７、２０、１１についてコイル４、１０への給電線１４、２０とこれら２つの電流の向きとは逆方向にしたコイル７、１への給電線１７、１１を逆方とをまとめて同一の電流センサ３７（図示しない）に、コイル５、８、１１、２への給電線１５、１８、２１、１２についてコイル５、１１への給電線１５、２１とこれら２つの電流の向きとは逆方向にしたコイル８、２への給電線１８、１２を逆方とをまとめて同一の電流センサ３８（図示しない）に、コイル６、９、１２、３への給電線１６、１９、２２、１３についてコイル６、１２への給電線１６、２２とこれら２つの電流の向きとは逆方向にしたコイル９、３への給電線１９、１３とをまとめて同一の電流センサ３９（図示しない）にそれぞれ導くことで内側ロータ電流の６０°位相、１２０°位相、１８０°位相、２４０°位相、３００°位相の残りの電流成分Ｉｂ、Ｉｃ、Ｉｄ、Ｉｅ、Ｉｆが次のように４倍で算出（検出）される。
【００５０】
【数１３】
センサ３５検出値＝４×Ｉｃ_２ｃｏｓ（ω_２ｔ− π／３）＝４×Ｉｂ（∵数２式）、
センサ３６検出値＝４×Ｉｃ_２ｃｏｓ（ω_２ｔ−２π／３）＝４×Ｉｃ（∵数２式）、
センサ３７検出値＝４×Ｉｃ_２ｃｏｓ（ω_２ｔ− π）＝４×Ｉｄ（∵数２式）、
センサ３８検出値＝４×Ｉｃ_２ｃｏｓ（ω_２ｔ−４π／３）＝４×Ｉｅ（∵数２式）、
センサ３９検出値＝４×Ｉｃ_２ｃｏｓ（ω_２ｔ−５π／３）＝４×Ｉｆ（∵数２式）、
このようにして６個の電流センサにより内側ロータ電流の総ての電流成分Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃ、Ｉｄ、Ｉｅ、Ｉｆが判明する。
【００５１】
このように本実施形態によれば、周波数Ｆ１の外側ロータ電流を検出するために周波数Ｆ１の外側ロータ電流の電流成分の位相が同相となりかつ周波数Ｆ２の内側ロータ電流の電流成分が相殺されてゼロとなるように給電線をまとめて同一の電流センサ３１、３２、３３に流すとともに、周波数Ｆ２の内側ロータ電流を検出するために周波数Ｆ２の内側ロータ電流の電流成分の位相が同相となりかつ周波数Ｆ１の外側ロータ電流の電流成分が相殺されてゼロとなるように給電線をまとめて同一の電流センサ３４、３５、３６等に流すように構成したので、次の効果が得られる。
〈１〉電流センサ３１〜３６等のＳＮ比を向上できる。すなわち本実施形態では複合電流ではなく単一電流（外側ロータ電流または内側ロータ電流）の電流成分が４倍（極対数倍）されたものが検出されるだけであるので（数８式、数９式、数１２式、数１３式参照）、電流センサの選定に際して単一電流の場合の電流検出と同様でよく、これにより従来例による複合電流の検出方法より電流センサのＳＮ比を向上できる。
〈２〉ステータコイル１〜１２などのモータパラメータのバラツキ、給電線１１〜２２などの配線インダクタンスバラツキ、インバータ７などのパワーデバイスバラツキに影響されずに電流を検出できる。すなわち本実施形態では例えば外側ロータ電流の電流成分Ｉｗについてみるとこれは４つの給電線１３、１６、１９、２２を流れるＩｗの合計が一つの電流センサ３３により検出されるため、コイル１〜１２のバラツキ、給電線１１〜２２の配線インダクタンスバラツキの影響を従来例の場合より受けなくて済む。
〈３〉コントローラ８（特にモータコントロールモジュール）の演算負荷を軽減できる。すなわち本実施形態では外側ロータ電流の電流成分Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ、内側ロータ電流の電流成分Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃ、Ｉｄ、Ｉｅ、Ｉｆとも４倍（極対数倍）した値が電流センサ３１〜３６等により検出されるので（数８式、数９式、数１２式、数１３式参照）、コントローラ８内でわざわざ極対数倍する必要がない。
【００５２】
図４、図５はインバータ７からの給電線１１〜２２の配置を示した第２実施形態である。これは第１回転電機４２と第２回転電機４３の２つの回転電機からなりステータ（磁場）を共用しない複合モータ４１を対象とする場合である。ただし各回転電機のロータ（第１回転電機４２のロータを以下「第１ロータ」、第２回転電機４３のロータを以下「第２ロータ」という。）はいずれも３極対の磁極構成である（図示しない）。各回転電機のステータ４４、４５（第１回転電機４２のステータを以下「第１ステータ」、第２回転電機４３のステータを以下「第２ステータ」という。）は１磁極当たり３個のコイルで構成され、合計９個（＝３×３）のコイルが配置されている。これら９個のコイルには第１ロータに対する回転磁場を発生させる電流（三相交流）を流すため、３組のコイルに１２０°（＝２π／３）ずつ位相のずれた制御電流（Ｉｐ、Ｉｑ、Ｉｒ）が次のように設定される。
【００５３】
【数１４】
Ｉｐ＝Ｉｃ_３ｃｏｓ（ω_３ｔ＋γ）、
Ｉｑ＝Ｉｃ_３ｃｏｓ（ω_３ｔ−２π／３＋γ）、
Ｉｒ＝Ｉｃ_３ｃｏｓ（ω_３ｔ−４π／３＋γ）、
ただし、Ｉｃ_３：振幅、
ω_３：第１ロータの回転角速度、
γ ：初期位相角、
同様にして第２ロータに対する回転磁場を発生させる電流（三相交流）を流すため、３組のコイルに１２０°（＝２π／３）ずつ位相のずれた制御電流（Ｉｋ、Ｉｌ、Ｉｍ）が次のように設定される。
【００５４】
【数１５】
Ｉｋ＝Ｉｃ_４ｃｏｓ（ω_４ｔ＋δ）、
Ｉｌ＝Ｉｃ_４ｃｏｓ（ω_４ｔ−２π／３＋δ）、
Ｉｍ＝Ｉｃ_４ｃｏｓ（ω_４ｔ−４π／３＋δ）、
ただし、Ｉｃ_４：振幅、
ω_４：第２ロータの回転角速度、
δ ：初期位相角、
従って第１ステータ４４の９個のコイルを図４、図５に示したようにコイル１〜９とし各コイル１〜９に流れる第１ロータの制御電流（以下「第１ロータ電流」という。）をＩ_３１〜Ｉ_３９とすると、これらは数１４式を用いて次のようになる。
【００５５】
【数１６】

同様にして第２ステータ４５の９個のコイルも図４、図５に示したようにコイル１〜９とし各コイル１〜９に流れる第２ロータの制御電流（以下「第２ロータ電流」という。）をＩ_４１〜Ｉ_４９とすると、これらは数１５式を用いて次のようになる。
【００５６】
【数１７】

この場合、第１ロータの回転角速度ω_３と第１ロータ電流の周波数Ｆ３の間、第２ロータの回転角速度ω_４と第２ロータ電流の周波数Ｆ４の間には次の関係がある。
【００５７】
【数１８】
ω_３＝２πＦ３／３、
ω_４＝２πＦ４／３、
ただし、Ｆ３：第１ロータ電流の周波数、
Ｆ４：第２ロータ電流の周波数、
なお、複合電流をＩ１〜Ｉ９とすると、これらは上記数１４式の各電流成分Ｉｐ〜Ｉｒと上記数１５式の各電流成分Ｉｋ〜Ｉｍを用いて次のようになることはいうまでもない。
【００５８】
【数１９】
Ｉ１＝Ｉｐ＋Ｉｋ、
Ｉ２＝Ｉｑ＋Ｉｋ、
Ｉ３＝Ｉｒ＋Ｉｋ、
Ｉ４＝Ｉｐ＋Ｉｌ、
Ｉ５＝Ｉｑ＋Ｉ１、
Ｉ６＝Ｉｒ＋Ｉ１、
Ｉ７＝Ｉｐ＋Ｉｍ、
Ｉ８＝Ｉｑ＋Ｉｍ、
Ｉ９＝Ｉｒ＋Ｉｍ、
さて合計で９個の給電線１１〜１９に対して６個の電流センサ５１〜５６を次のように配置する。まず第１ロータ電流について第１ロータ電流の０°位相の電流成分Ｉｐを検出するには図４に示したように第１ステータ４４のコイル１、４、７及び第２ステータ４５のコイル１、４、７への給電線１１、１４、１７をまとめて電流センサ５１に導く。このときの電流センサ５１の検出値は、
【００５９】
【数２０】
センサ５１検出値＝（Ｉｃ_１１＋Ｉｃ_１４＋Ｉｃ_１７）＋（Ｉｃ_２１＋Ｉｃ_２４＋Ｉｃ_２７）
であるので、この式に数１６、数１７式を代入すると次のようになる（ただし初期位相角γ、θは無視する）。
【００６０】
【数２１】
センサ５１検出値＝３×Ｉｃ_３ｃｏｓ（ω_３ｔ）＋｛Ｉｃ_４ｃｏｓ（ω_４ｔ）＋Ｉｃ_４ｃｏｓ（ω_４ｔ−２π／３）＋Ｉｃ_４ｃｏｓ（ω_４ｔ−４π／３）｝
ここで数２１式の右辺第２項は対称三相交流の和であるためＩｃ_４ｃｏｓ（ω_４ｔ）＋Ｉｃ_４ｃｏｓ（ω_４ｔ−２π／３）＋Ｉｃ_４ｃｏｓ（ω_４ｔ−４π／３）＝０となる。すなわち第２ロータ電流Ｉ_４１、Ｉ_４４、Ｉ_４７はセンサ５１検出値に表れない。よってセンサ５１検出値としては次のように数２１式の右辺第１項だけが残ることになり、第１ロータ電流の０°位相の電流成分Ｉｐが極対数倍（３倍）で算出（検出）される。
【００６１】
【数２２】
センサ５１検出値＝３×Ｉｃ_３ｃｏｓ（ω_３ｔ）＝３×Ｉｐ（∵数１４式）
同様にして第１ステータ４４のコイル２、５、８及び第２ステータ４５のコイル２、５、８への給電線１２、１５、１８をまとめて同一の電流センサ５２に、また第１ステータ４４のコイル３、６、９及び第２ステータ４５のコイル３、６、９への給電線１３、１６、１９をまとめて同一の電流センサ５３に導くことで第１ロータ電流の１２０°位相、２４０°位相の電流成分Ｉｑ、Ｉｒが次のように３倍で算出（検出）される。
【００６２】
【数２３】
センサ５２検出値＝３×Ｉｃ_３ｃｏｓ（ω_３ｔ−２π／３）＝３×Ｉｑ（∵数１４式）、
センサ５３検出値＝３×Ｉｃ_３ｃｏｓ（ω_３ｔ−４π／３）＝３×Ｉｒ（∵数１４式）、
このようにして３個の電流センサ５１〜５３により第１ロータ電流の総ての電流成分Ｉｐ、Ｉｑ、Ｉｒが判明する。
【００６３】
次に、第２ロータ電流について第２ロータ電流の０°位相の電流成分Ｉｋを検出するには図５に示したように第１ステータのコイル１、２、３及び第２ステータのコイル１、２、３への給電線１１、１２、１３を同一の電流センサ５４に導く。このときの電流センサ５４の検出値は、
【００６４】
【数２４】
センサ５４検出値＝（Ｉｃ_３１＋Ｉｃ_３２＋Ｉｃ_３３）＋（Ｉｃ_４１＋Ｉｃ_４２＋Ｉｃ_４３）
であるので、この式に数１６式、数１７式を代入すると次のようになる（ただし初期位相角γ、θは無視する）。
【００６５】
【数２５】
センサ５４検出値＝｛Ｉｃ_３ｃｏｓ（ω_３ｔ）＋Ｉｃ_３ｃｏｓ（ω_３ｔ−２π／３）＋Ｉｃ_３ｃｏｓ（ω_３ｔ−４π／３）｝＋３×Ｉｃ_４ｃｏｓ（ω_４ｔ）
ここで数２５式右辺第１項は対称三相交流の和であるためＩｃ_３ｃｏｓ（ω_３ｔ）＋Ｉｃ_３ｃｏｓ（ω_３ｔ−２π／３）＋Ｉｃ_３ｃｏｓ（ω_３ｔ−４π／３）＝０となる。すなわち第１ロータ電流Ｉ_３１、Ｉ_３４、Ｉ_３７はセンサ５４検出値に表れない。よってセンサ５４検出値としては次のように数２５式の右辺第２項だけが残ることになり、第２ロータ電流の０°位相の電流成分Ｉｋが算出（検出）される。
【００６６】
【数２６】
センサ５４検出値＝３×Ｉｃ_４ｃｏｓ（ω_４ｔ）＝３×Ｉｋ（∵数１５式）
同様に第１ステータ４４のコイル４、５、６及び第２ステータ４５のコイル４、５、６への給電線１４、１５、１６をまとめて同一の電流センサ５５に、また第１ステータ４４のコイル７、８、９及び第２ステータ４５のコイル７、８、９への給電線１７、１８、１９をまとめて同一の電流センサ５６に導くことで第２ロータの１２０°位相、２４０°位相の電流成分Ｉｌ、Ｉｍが次のように３倍で算出（検出）される。
【００６７】
【数２７】
センサ５５検出値＝３×Ｉｃ_４ｃｏｓ（ω_４ｔ−２π／３）＝３×Ｉｌ（∵数１５式）、
センサ５６検出値＝３×Ｉｃ_４ｃｏｓ（ω_４ｔ−４π／３）＝３×Ｉｍ（∵数１５式）、
このようにして３個の電流センサ５４〜５６により第２ロータ電流の総ての電流成分Ｉｋ、Ｉｌ、Ｉｍが判明する。
【００６８】
このように第２実施形態によっても第１実施形態と同様の作用効果が生じる。
【００６９】
また第２実施形態では本来、一方の周波数例えばＦ３のみの電流検出値が得られるはずのところ、存在し得ない他方の周波数Ｆ４の電流成分が混在するとき他方の周波数Ｆ４の電流成分が流れるコイルの断線を検出することが可能である。
【００７０】
これについて説明すると、第１ロータ電流の０°位相の電流成分Ｉｐを検出するのに第１ステータ４４のコイル１、４、７及び第２ステータ４５のコイル１、４、７への給電線１１、１４、１７をまとめて電流センサ５１に流しているが、この場合に第２ステータ４５のコイル１、４、７のいずれかに断線が生じたときを考える。このとき上記数２１式は次のようになる。
【００７１】
【数２８】
センサ５１検出値＝３×Ｉｃ_３ｃｏｓ（ω_３ｔ）＋ΔＩ
ただし、数２８式のΔＩは次の通りである。
【００７２】
【数２９】
コイル１の断線時：
ΔＩ＝Ｉｃ_４ｃｏｓ（ω_４ｔ−２π／３）＋Ｉｃ_４ｃｏｓ（ω_４ｔ−４π／３）、
コイル４の断線時：
ΔＩ＝Ｉｃ_４ｃｏｓ（ω_４ｔ）＋Ｉｃ_４ｃｏｓ（ω_４ｔ−４π／３）、
コイル７の断線時：
ΔＩ＝Ｉｃ_４ｃｏｓ（ω_４ｔ）＋Ｉｃ_４ｃｏｓ（ω_４ｔ−２π／３）、
ここで上記数２８式のΔＩは数２９式からわかるように周波数Ｆ４の関数である。すなわちセンサ５１検出値をｄ−ｑ変換した後の電流特性をみると、第２ステータ４５のコイル１、４、７のいずれにも断線が生じていないときには実ｄ電流、実ｑ電流ともほぼ一定の特性となるところ、第２ステータ４５のコイル１、４、７のいずれかに断線が生じたときには実ｄ電流、実ｑ電流とも振動波形となる。第２ステータ４５のコイル１、４、７のうちいずれか２つに断線が生じたときも同様で実ｄ電流、実ｑ電流とも振動波形となる。したがってセンサ５１検出値から得られる実ｄ電流、実ｑ電流をみていてこれに振動が生じていれば、第２ステータ４５のコイル１、４、７のうちいずれか１つあるいは２つに断線が生じていると診断できる。
【００７３】
実施形態では第１の周波数（第１実施形態ではＦ１、第２実施形態ではＦ３）の電流成分を検出するために第１の周波数（Ｆ１、Ｆ３）の電流成分の位相が同相となりかつ第２の周波数（第１実施形態ではＦ２、第２実施形態ではＦ４）の電流成分が相殺されてゼロとなるように給電線をまとめて同一の電流センサに、また第２の周波数（Ｆ２、Ｆ４）の電流成分を検出するために第２の周波数（Ｆ２、Ｆ４）の電流成分の位相が同相となりかつ第１の周波数（Ｆ１、Ｆ３）の電流成分が相殺されてゼロとなるように給電線をまとめて同一の電流センサに流す場合に、給電線の数が最大（第１実施形態では４、第２実施形態では３）である場合で説明したが、これに限られるものでない。例えば第１実施形態では、まとめる給電線の数を２とすることができる。これについて説明すると、外側ロータ電流の０°位相の電流成分Ｉｕを検出するためコイル１、４への給電線１１、１４をまとめてまたはコイル７、１０への給電線１７、２０をまとめて電流センサ３１に導く。このときの電流センサ３１の検出値は（ただし初期位相角α、βは無視する）、
センサ３１検出値＝（Ｉ_１１＋Ｉ_１４）＋（Ｉ_２１＋Ｉ_２４）
または
センサ３１検出値＝（Ｉ_１７＋Ｉ_１１０）＋（Ｉ_２７＋Ｉ_２１０）
であるので、この式に数３、数４式を代入すると次のようになる。
【００７４】
【数３０】
センサ３１検出値＝２×Ｉｃ_１ｃｏｓ（ω_１ｔ）＋｛Ｉｃ_２ｃｏｓ（ω_２ｔ）＋Ｉｃ_２ｃｏｓ（ω_２ｔ−π）｝
ここで数３０式の右辺第２項中のＩｃ_２ｃｏｓ（ω_２ｔ）とＩｃ_２ｃｏｓ（ω_２ｔ−π）とはちょうど打ち消し合う関係になるためＩｃ_２ｃｏｓ（ω_２ｔ）＋Ｉｃ_２ｃｏｓ（ω_２ｔ−π）＝０となる。すなわち内側ロータ電流Ｉ_２１とＩ_２４またはＩ_２７とＩ_２１０はその電流位相の関係より内側ロータ電流Ｉ_２１とＩ_２４またはＩ_２７とＩ_２１０をまとめると相殺されセンサ３１検出値に表れない。よってセンサ３１検出値としては次のように数３０式の右辺第１項だけが残ることになり、外側ロータ電流の０°位相の電流成分Ｉｕが２倍（つまり極対数の半分）で算出（検出）される。
【００７５】
【数３１】
センサ３１検出値＝２×Ｉｃ_１ｃｏｓ（ω_１ｔ）＝２×Ｉｕ（∵数１式）
同様にしてコイル２と５または８と１１への給電線１２と１５または１８と２１をまとめて同一の電流センサ３２に、またコイル３と６または９と１２への給電線１３と１６または１９と２２をまとめて同一の電流センサ３３に導くことで外側ロータ電流の１２０°位相、２４０°位相の電流成分Ｉｖ、Ｉｗが次のように２倍で算出（検出）される。
【００７６】
【数３２】
センサ３２検出値＝２×Ｉｃ_１ｃｏｓ（ω_１ｔ−２π／３）＝２×Ｉｖ（∵数１式）、
センサ３３検出値＝２×Ｉｃ_１ｃｏｓ（ω_１ｔ−４π／３）＝２×Ｉｗ（∵数１式）、
このようにして３個の電流センサ３１〜３３により外側ロータ電流の総ての電流成分Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗが判明する。内側ロータ電流の検出についても同様である。
【００７７】
この場合（給電線をまとめた数が２つの場合）と第１実施形態の場合（給電線をまとめた数が最大の４つである場合）を比較した場合の得失は次の通りである。
［１］給電線をまとめた数が２つである場合にその２つの給電線１２と１５または１８と２１（あるいは２つのコイル２と５または８と１１）のバラツキが共に大きいときにはセンサ３２検出値に対する配線インダクタンスバラツキ（やコイルバラツキ）の影響が大きくなる。これに対して給電線をまとめた数が最大の４つである場合には、２つの給電線１２と１５または１８と２１（あるいはコイル２と５または８と１１）のバラツキが共に大きくとも残り２つの給電線（コイル）のバラツキが小さいので、センサ３２検出値に対する配線インダクタンスバラツキ（やコイルバラツキ）の影響を小さなものにすることができる。
［２］給電線をまとめた数が最大の４である場合にはコントローラ８内でセンサ３２検出値を極対数倍する必要がないが、給電線をまとめた数が２つである場合にはコントローラ８内でセンサ３２検出値を２倍にする必要がある。
【００７８】
実施形態では電流センサを給電線に設ける場合で説明したが、これに限られるものでなく例えば中性点の近傍に設けてもかまわない。
【図面の簡単な説明】
【図１】複合モータの概略断面図。
【図２】給電線に対する電流センサの配置図。
【図３】給電線に対する電流センサの配置図。
【図４】第２実施形態の給電線に対する電流センサの配置図。
【図５】第２実施形態の給電線に対する電流センサの配置図。
【図６】従来例による給電線に対する電流センサの配置図。
１複合モータ
２ステータ
３外側ロータ
４内側ロータ
７インバータ
８コントローラ
１１〜２２給電線
３１〜３６電流センサ（電流検出手段）
４１複合モータ
４２第１回転電機
４３第２回転電機
４４第１ステータ
４５第２ステータ
５１〜５６電流センサ（電流検出手段）

Claims

少なくとも２つのロータと、
回転磁場を発生させるための電流を流す複数のコイルからなるステータと
を有し
このステータの各コイルに、第１の周波数の２以上の相を有する交流の電流成分のうちの一つと、これと異なる第２の周波数の２以上の相を有する交流の電流成分のうちの一つの電流成分を合計した複合電流がそれぞれ供給される回転電機において、
前記複合電流をインバータから前記ステータの各コイルに個別に供給する給電線であってコイル総数と同数の給電線を備え、
２つ以上の給電線をまとめて１つの電流検出手段に導いたとき、この２つ以上の給電線を流れる電流の合計が、一方の周波数の電流成分について同相の電流成分の組み合わせとなりかつ他方の周波数の電流成分については電流成分の和がゼロとなるように前記１つの電流検出手段を設置することを特徴とする回転電機の電流検出装置。
少なくとも２つのロータと、
回転磁場を発生させるための電流を流す複数のコイルからなるステータと
を有し
このステータの各コイルに、第１の周波数の２以上の相を有する交流の電流成分のうちの一つと、これと異なる第２の周波数の２以上の相を有する交流の電流成分のうちの一つの電流成分を合計した複合電流がそれぞれ供給される回転電機において、
前記複合電流をインバータから前記ステータの各コイルに個別に供給する給電線であってコイル総数と同数の給電線を備え、
２つ以上の給電線をまとめて第１の電流検出手段に導いたとき、この２つ以上の給電線を流れる電流の合計が、一方の周波数の電流成分について同相の電流成分の組み合わせとなりかつ他方の周波数の電流成分について電流成分の和がゼロとなるように前記第１の電流検出手段を設置するとともに、
２つ以上の給電線をまとめて第２の電流検出手段に導いたとき、この２つ以上の給電線を流れる電流の合計が、前記他方の周波数の電流成分について同相の電流成分の組み合わせとなりかつ前記一方の周波数の電流成分について電流成分の和がゼロとなるように前記第２の電流検出手段を設置することを特徴とする回転電機の電流検出装置。
前記まとめる給電線の数が最大となるようにすることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の電流検出装置。
前記まとめる給電線の数が最大となるようにすることを特徴とする請求項２に記載の回転電機の電流検出装置。
前記少なくとも２つのロータは回転磁場を共用するものであることを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機の電流検出装置。
前記少なくとも２つのロータは回転磁場を共用しないものであることを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機の電流検出装置。