JP7633348B2 - 電動機システム - Google Patents

Description

本発明は、電動機の巻線の接続状態を直列巻線と並列巻線に切り替えるように構成された電動機システムに関し、特にその切替を制御する方法に関する。

近年、地球の気候変動への対策として、低炭素社会又は脱炭素社会の実現に向けた取り組みが活発化している。車両においても、ＣＯ２排出量の削減が強く要求され、動力源の電動化が急速に進行している。このように動力源として用いられる電動機は、低速域から高速域までの広範囲にわたって高効率で駆動されることが望ましい。このような要望に応える従来の電動機システムとして、例えば特許文献１に開示されたものが知られている。

この電動機システムは、三相の巻線を有するモータを備えており、電源の直流電力をインバータで三相交流電力に変換し、巻線切替器を介してモータの各相の巻線に出力することによって、モータが駆動される。巻線は、各相ごとの一対の巻線で構成されており、巻線切替器は、各一対の巻線にそれぞれ設けられた切替スイッチで構成されている。そして、切替スイッチをオン側に接続することによって、その相の一対の巻線が直列接続され、切替スイッチをオフ側に接続することによって、その相の一対の巻線が並列接続される。例えば、低速運転時には、直列接続とし、巻線の巻き数を増やす一方、高速運転時には、並列接続とし、巻線の巻き数を減らすことによって、広い運転範囲におけるモータの効率化が図られる。

特開２０２０－２０５７０７号公報

上述した従来の電動機システムにおいて、例えば直列巻線から並列巻線に切り替える場合、図１０に示すように、切替スイッチの急激な開閉によるサージ電圧の発生を回避するために、巻線に供給する電流を所定期間、一時的に０（ゼロ）にする制御（電流０制御）を行うことが考えられる。しかし、その場合には、トルクが０をまたいで変化するため、大きなトルクショックやバックラッシュによる歯打ち音・振動などが発生するおそれがある。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、直列巻線と並列巻線との切替により、低速域から高速域までの広範囲にわたって高いトルク性能及び出力性能を効率良く得るとともに、切替時のトルクショックを低減し、バックラッシュを抑制することができる電動機システムを提供することを目的とする。

この目的を達成するために、請求項１に係る発明は、巻線αを有する電動機Ｍ、電源Ｂの電力を電動機Ｍに供給する電力供給回路２、及び電力供給回路２を制御する制御装置３を備える電動機システムであって、巻線αは、第１巻線部α１及び第２巻線部α２を有し、電力供給回路２は、電源Ｍに互いに並列に接続された第１～第４アームＡ１～Ａ４と、第２アームＡ２と第３アームＡ３の間に配置され、巻線αの第１及び第２巻線部α１、α２を通る双方向の電流の流れをオン状態又はオフ状態に切り替えるための双方向スイッチ（実施形態における（以下、本項において同じ）第１双方向スイッチＳＷα）と、を有し、第１～第４アームＡ１～Ａ４は、スイッチング素子を有し且つ互いに直列に接続された上アームＡＨ１～ＡＨ４及び下アームＡＬ１～ＡＬ４をそれぞれ有し、第１巻線部α１の一端及び他端は第１及び第２アームＡ１、Ａ２の上アームＡＨ１、ＡＨ２と下アームＡＬ１、ＡＬ２の間にそれぞれ接続され、第２巻線部α２の一端及び他端は第３及び第４アームＡ３、Ａ４の上アームＡＨ３、ＡＨ４と下アームＡＬ３、ＡＬ４の間にそれぞれ接続されており、制御装置３は、双方向スイッチのオン／オフ状態と第１～第４アームの上下のアームのオン／オフ状態によって巻線αの接続モードを直列巻線モード又は並列巻線モードに設定するとともに、巻線αの接続モードを切り替える際、双方向スイッチがオフの状態で、第１及び第２アームＡ１、Ａ２の下アームＡＬ１、ＡＬ２、並びに第３及び第４アームＡ３、Ａ４の下アームＡＬ３、ＡＬ４を、それぞれ短絡させる巻線切替モードを挿入するように、電力供給回路２を制御すること（図４、図５）を特徴とする。

この構成によれば、双方向スイッチをオン状態とするとともに、第１アームの上アーム及び第４アームの下アームをオン状態に制御すること、又は第１アームの下アーム及び第４アームの上アームをオン状態に制御することによって、互いに直列状態の第１巻線部及び第２巻線部に電流が流れ、直列巻線モードが実現される。この直列巻線モードでは、巻き数がより多い直列巻線に電流が流れることによって、より小さい電流でトルクを効率良く発生させることができ、低回転域において高いトルク性能を得ることができる。

一方、双方向スイッチをオフ状態とするとともに、第１アームの上アーム、第２アームの下アーム、第３アームの上アーム、及び第４アームの下アームをオン状態に制御することによって、互いに並列状態の第１巻線部及び第２巻線部にそれぞれ電流が流れ、並列巻線モードが実現される。この並列巻線モードでは、一対の並列巻線にそれぞれ電流が流れることによって、全体として大きい電流でより大きい出力を発生させることができ、高回転域において高い出力性能を得ることができる。

また、本発明によれば、巻線の接続モードを切り替える際、双方向スイッチがオフの状態で、第１及び第２アームの下アーム並びに第３及び第４アームの下アームをそれぞれ短絡させる巻線切替モードが挿入される。これにより、第１及び第２下アームが短絡し、第１巻線部を含む閉回路が形成されるとともに、第３及び第４下アームが短絡し、第２巻線部を含む閉回路が形成される。その結果、巻線切替モードの間、それまでに供給されていた電流が、各閉回路を同じ方向に流れることにより、逆起電力は発生せず、電動機のトルクが０をまたがないように制御される。その結果、接続モードの切替時のトルクショックを低減し、バックラッシュを抑制することができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の電動機システムにおいて、電動機Ｍの運転領域は、巻線αに供給すべき電流を指令する電流指令値ｉαβ＿ｒｅｆが、直列巻線モードと並列巻線モードの間で等しい値に設定される所定の第１運転領域（直交領域）と、電流指令値ｉαβ＿ｒｅｆが直列巻線モードと並列巻線モードの間で異なる値に設定される所定の第２運転領域（弱め界磁領域）に区分され、制御装置３は、電動機Ｍが第１運転領域にあることを条件として、巻線αの接続モードを切り替えること（図８）を特徴とする。

この構成によれば、巻線の接続モードを切り替えた前後において、電流指令値は変化することなく同じ値に保たれ、それに応じて巻線の実際の電流値もほぼ同じ値に保たれることによって、トルクショックを確実に回避することができる。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載の電動機システムにおいて、巻線αの接続モードの切替の可否を判定するためのしきい値（第１しきい値Ｎｔｈ１、第２しきい値Ｎｔｈ２）が、第１運転領域においてヒステリシス特性を有するように設定されていること（図４、図８）を特徴とする。

この構成によれば、接続モードの切替時のトルクショックを確実に回避するという効果を維持しながら、接続モードの切替頻度を抑制することができる。

本発明の実施形態による電動機システムの概略的な構成を示すブロック図である。電力供給回路の回路図である。 電動機の構成を示す図である。 電力供給回路の構成を示す回路図である。 制御装置で実行される巻線切替制御処理を示すフローチャートである。 （ａ）直列巻線モード、（ｂ）巻線切替モード、及び（ｃ）並列巻線モードにおける電力供給回路の動作を示す図である。 図４の巻線切替制御処理によって得られる動作例を示すタイミングチャートである。 制御装置で実行される電流制御を示す制御ブロック図である。 直列巻線モードと並列巻線モードの間の電流指令値差分を、直交領域と弱め界磁領域との領域区分や、接続モードの切替判定に用いられるしきい値とともに示すマップである。 （ａ）実施形態によって得られる、巻線の接続モードの切替前後における動作例を、（ｂ）比較例とともに示す図である。 従来技術による電力供給回路の制御例を示す図である。 図２と異なる電動機の構成、及び電動機の巻線と電力供給回路との接続関係を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。図１及び図２に示すように、本発明を適用した電動機システム１は、電動機Ｍ（以下「モータＭ」という）と、電源Ｂの電力をモータＭに供給し、これを駆動する電力供給回路２と、電力供給回路２を制御する制御装置３を備える。

図２に示すように、モータＭは、ロータ１０と、ステータ１１と、ステータ１１に巻かれたα相の巻線αとβ相の巻線βを備える２相の同期モータで構成されている。α相の巻線αとβ相の巻線β（以下、それぞれ単に「巻線α」「巻線β」という）は、電気角が互いに９０°ずれた状態で配置されている。巻線αは、第１巻線部α１及び第２巻線部α２を有し、巻線βは、第３巻線部β１及び第４巻線部β２を有する。第１～第４巻線部α１、α２、β１、β２のそれぞれの巻き数は、互いに等しい。

図３に示すように、電力供給回路２は、直流の電源Ｂから入力された電力を交流電力に変換し、モータＭに出力するインバータ回路で構成されている。電力供給回路２は、電源Ｂに接続されるとともに、モータＭの巻線α（第１及び第２巻線部α１、α２）に接続されたα相用の第１回路３と、電源Ｂに第１回路３と並列に接続されるとともに、モータＭの巻線β（第３及び第４巻線部β１、β２）に接続されたβ相用の第２回路４を備える。

第１回路３は、電源Ｂに対して互いに並列に接続された第１～第４アームＡ１～Ａ４と、第２アームＡ２と第３アームＡ３の間に配置された第１双方向スイッチＳＷαを有する。

第１～第４アームＡ１～Ａ４は、互いに同じ構成を有する。具体的には、第１アームＡ１は、上アームＡＨ１及び下アームＡＬ１で構成されている。両アームＡＨ１、ＡＬ１は、例えば互いに並列のスイッチング素子と還流ダイオードでそれぞれ構成され、中点Ｐ１を介して互いに直列に接続されている。同様に、第２アームＡ２は、上下のアームＡＨ１、ＡＬ１と同じ構成を有し、中点Ｐ２を介して互いに直列接続された上アームＡＨ２及び下アームＡＬ２で構成され、第３アームＡ３は、中点Ｐ３を介して互いに直列接続された上アームＡＨ３及び下アームＡＬ３で構成され、第４アームＡ４は、中点Ｐ４を介して互いに直列接続された上アームＡＨ４及び下アームＡＬ４で構成されている。

そして、図３に示すように、モータＭの第１巻線部α１の一端は第１アームＡ１の中点Ｐ１に、第１巻線部α１の他端は第２アームＡ２の中点Ｐ２に、第２巻線部α２の一端は、第３アームＡ３の中点Ｐ３に、第２巻線部α２の他端は第４アームＡ４の中点Ｐ４に、それぞれ接続されている。

以上の構成から明らかなように、第１アームＡ１の上下のアームＡＨ１、ＡＬ１と第２アームＡ２の上下のアームＡＨ２、ＡＬ２は、第１Ｈブリッジ回路ＨＣ１を構成しており、それらのスイッチング素子のオン／オフ状態を適宜、切り替えることによって、第１巻線部α１を流れる電流の向きが切り替えられる。同様に、第３アームＡ３の上下のアームＡＨ３、ＡＬ３と第４アームＡ４の上下のアームＡＨ４、ＡＬ４は、第２Ｈブリッジ回路ＨＣ２を構成しており、それらのスイッチング素子のオン／オフ状態を適宜、切り替えることによって、第２巻線部α２を流れる電流の向きが切り替えられる。

第１双方向スイッチＳＷαは、図示しないが、例えば、互いに並列のスイッチング素子とダイオードでそれぞれ構成された２組の回路を、互いに逆向きに直列接続したものであり、２組のスイッチング素子の切替制御によって、第１双方向スイッチＳＷαを通る双方向の電流の流れを、オン状態とオフ状態に切り替えることが可能である。第１双方向スイッチＳＷαは、上述した第１Ｈブリッジ回路ＨＣ１と第２Ｈブリッジ回路ＨＣ２の間、より具体的には、第２アームＡ２の中点Ｐ２と第３アームＡ３の中点Ｐ３の間に配置されている。

第２回路４は、上述した第１回路３と同様に構成されているので、以下、簡潔に説明する。第２回路４は、電源Ｂに対して互いに並列に接続された第５～第８アームＡ５～Ａ８と、第６アームＡ６と第７アームＡ７の間に配置された第２双方向スイッチＳＷβを有する。

第５～第８アームＡ５～Ａ８は、互いに同じ構成を有しており、例えば、互いに並列のスイッチング素子と還流ダイオードで構成された上アームＡＨ５～ＡＨ８と、上アームＡＨ５～ＡＨ８と同様の構成を有し、上アームＡＨ５～ＡＨ８に中点Ｐ５～Ｐ８をそれぞれ介して直列接続された下アームＡＬ５～ＡＬ８と、によって構成されている。

図２に示すように、モータＭの第３巻線部β１の一端は第５アームＡ５の中点Ｐ５に、第３巻線部β１の他端は第６アームＡ６の中点Ｐ６に、第４巻線部β２の一端は第７アームＡ７の中点Ｐ７に、第４巻線部β２の他端は第８アームＡ８の中点Ｐ８に、それぞれ接続されている。

また、第５アームＡ５の上下のアームＡＨ５、ＡＬ５と第６アームＡ６の上下のアームＡＨ６、ＡＬ６は、第３Ｈブリッジ回路ＨＣ３を構成しており、それらのスイッチング素子のオン／オフ状態を適宜、切り替えることによって、第３巻線部β１を流れる電流の向きが切り替えられる。同様に、第７アームＡ７の上下のアームＡＨ７、ＡＬ７と第８アームＡ８の上下のアームＡＨ８、ＡＬ８は、第４Ｈブリッジ回路ＨＣ４を構成しており、それらのスイッチング素子のオン／オフ状態を適宜、切り替えることによって、第４巻線部β２を流れる電流の向きが切り替えられる。

第２双方向スイッチＳＷβは、例えば、第１双方向スイッチＳＷαと同様、互いに並列のスイッチング素子とダイオードでそれぞれ構成された２組の回路を、互いに逆向きに直列接続したものである。２組のスイッチング素子の切替制御によって、第２双方向スイッチＳＷβを通る双方向の電流の流れを、オン状態とオフ状態に切り替えることが可能である。第２双方向スイッチＳＷβは、第３Ｈブリッジ回路ＨＣ３と第４Ｈブリッジ回路ＨＣ４の間、より具体的には、第６アームＡ６の中点Ｐ６と第７アームＡ７の中点Ｐ７の間に配置されている。

制御装置３は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、及び入出力インターフェース（いずれも図示せず）などを有するマイクロコンピュータ（ＥＣＵ）で構成されている。制御装置３には、各種のセンサ（図示せず）などから、モータＭのトルク（モータトルク）Ｔｑや、回転数（モータ回転数）Ｎｍ、角速度ω、巻線α、βの各巻線部を流れる巻線電流値Ｉα１、Ｉα２，Ｉβ１、Ｉβ２などを表す信号が入力される。制御装置３は、これらの信号に応じ、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従って、モータＭの巻線α、βの接続モードを決定し、接続モードに従って巻線の切替を制御するとともに、電力供給回路２に対してＰＷＭ制御を実行することにより、モータＭを制御する。

図４は、制御装置３によって実行される巻線切替制御処理を示す。本処理は、ＰＷＭの周期（例えば１００μｓ）ごとに実行される。本処理では、まずステップ１（「Ｓ１」と図示。以下同じ）において、直列巻線モードフラグＦ＿Ｓが「１」であるか否かを判別する。後述するように、直列巻線モードフラグＦ＿Ｓは、モータ回転数Ｎｍがしきい値よりも低く、巻線α、βの接続モードが直列巻線モードのときに、「１」にセットされるものである。

ステップ１の判別結果がＹＥＳのときには、ステップ２において、モータ回転数Ｎｍが、後述するように設定される第１しきい値Ｎｔｈ１よりも大きいか否かを判別する。この判別結果がＮＯのときには、ステップ３において、巻線α、βの接続モードを直列巻線モードに設定し、本処理を終了する。

図５（ａ）にα相の例を示すように、直列巻線モードでは、第１双方向スイッチＳＷαをオン状態とするとともに、第１上アームＡＨ１と第４下アームＡＬ４をオンし、他の上下のアームをオフする。これにより、互いに直列状態の第１巻線部α１及び第２巻線部α２に電力が供給される。このように、直列巻線モードでは、巻き数がより多い直列巻線に電流が流れることによって、より小さい電流でトルクを効率良く発生させることができ、低回転域において高いトルク性能を得ることができる。

図４に戻り、前記ステップ２の判別結果がＹＥＳのとき、すなわち、直列巻線モード中にモータ回転数Ｎｍが第１しきい値Ｎｔｈ１を上回ったときには、並列巻線モードに切り替えるべきとして、ステップ４において、直列巻線モードフラグＦ＿Ｓを「０」にセットするとともに、ステップ５において、切替時のみの一時的な巻線α、βの接続モードとして、巻線切替モードを選択し、本処理を終了する。

図５（ｂ）にα相の例を示すように、この巻線切替モードでは、第１双方向スイッチＳＷαをオフ状態とするとともに、第１～第４上アームＡＨ１～ＡＨ４をすべてオフし、第１～第４下アームＡＬ１～ＡＬ４をすべてオンする。これにより、第１及び第２下アームＡＬ１、ＡＬ２が短絡し、第１巻線部α１を含む第１閉回路Ｃ１が形成されるとともに、第３及び第４下アームＡＬ３、ＡＬ４が短絡し、第２巻線部α２を含む第２閉回路Ｃ２が形成される。その結果、巻線切替モードの間、それまでに供給されていた電流が、それぞれ第１及び第２閉回路Ｃ１、Ｃ２を同じ方向に流れることにより、逆起電力は発生せず、モータトルクＴｑが０をまたがないように制御される（図６参照）。その結果、接続モードの切替時のトルクショックを低減し、バックラッシュを抑制することができる。

図４に戻り、前記ステップ３及び４が実行された後には、前記ステップ１の判別結果がＮＯになり、その場合には、ステップ６において、モータ回転数Ｎｍが、後述するように設定される第２しきい値Ｎｔｈ２よりも小さいか否かを判別する。第２しきい値Ｎｔｈ２は、第１しきい値Ｎｔｈ１よりも小さく、第１しきい値Ｎｔｈ１とともにヒステリシス領域を構成するものである。ステップ６の判別結果がＮＯのときには、ステップ７において、巻線α、βの接続モードを並列巻線モードに設定し、本処理を終了する。

図５（ｃ）にα相の例を示すように、この並列巻線モードでは、第１双方向スイッチＳＷαをオフ状態とするとともに、第１上アームＡＨ１、第２下アームＡＬ２、第３上アームＡＨ３及び第４下アームＡＬ４をオンし、他の上下のアームをオフする。これにより、互いに並列状態の第１巻線部α１及び第２巻線部α２にそれぞれ電力が供給される。このように、並列巻線モードでは、一対の並列巻線にそれぞれ電流が流れることによって、全体として大きい電流でより大きい出力を発生させることができ、高回転域において高い出力性能を得ることができる。

図４に戻り、前記ステップ６の判別結果がＹＥＳのとき、すなわち、並列巻線モード中にモータ回転数Ｎｍが第２しきい値Ｎｔｈ２を下回ったときには、直列巻線モードに切り替えるべきとして、ステップ８において、直列巻線モードフラグＦ＿Ｓを「１」にセットするとともに、ステップ９において、切替時のみの巻線α、βの一時的な接続モードとして、巻線切替モードを選択し、本処理を終了する。この巻線切替モードにおける制御内容は、前述したステップ５の巻線切替モードと同じである。

図６は、上述した図４の巻線切替制御において、巻線α、βの接続モードを直列巻線モードから並列巻線モードに切り替えた場合のシミュレーション結果を示す。主なシミュレーションの条件は、モータ回転数Ｎｍ＝３１５０ｒｐｍ、モータトルクＴｑ＝５７Ｎｍ、スイッチング周波数＝１０ｋＨｚ（ＰＷＭ周期＝１００μｓ）である。

同図に示すように、シミュレーション結果によれば、直列巻線モードにおいては、実際のｄ軸電流値ｉｄ＿ａｃｔ及びｑ軸電流値ｉｑ＿ａｃｔは、それらの電流指令値（目標値）ｉｄ＿ｒｅｆ、ｉｑ＿ｒｅｆの付近で推移し、モータトルクＴｄは比較的安定した正値で推移する。この状態から、並列巻線モードに切り替えるべきと判定されるのに応じて、ＰＷＭ１周期分の短い間（＝１００μｓ）、巻線切替モードによる前述した制御が実行される。これに伴い、巻線切替モードでは、実ｄ軸電流値ｉｄ＿ａｃｔは電流指令値ｉｄ＿ｒｅｆに対して増加側に変化し、実ｑ軸電流値ｉｑ＿ａｃｔは電流指令値ｉｑ＿ｒｅｆに対して減少側に若干、変化する。また、モータトルクＴｄは若干、減少するだけであり、０に達しないことが確認された。その後、並列巻線モードに移行すると、実ｄ軸電流値ｉｄ＿ａｃｔ、実ｑ軸電流値ｉｑ＿ａｃｔ及びモータトルクＴｑが、短時間（移行後約１ｍｓ）で直列巻線モードのレベルに復帰することが確認された。

次に、図７の制御ブロック図を参照しながら、制御装置３によって実行される、直列巻線モード及び並列巻線モードにおけるモータＭの制御について説明する。同図の左側から説明すると、制御装置３は、入力されたモータトルクＴｑとモータ回転数Ｎｍに応じて、ＲＯＭに記憶された電流マップ３１を検索する。

電流マップ３１は、直列巻線モード用のマップと並列巻線モード用のマップ（いずれも図示せず）で構成されている。各マップは、モータトルクＴｑとモータ回転数Ｎｍで規定される領域を、モータＭの弱め界磁制御を行うべき高回転側の弱め界磁領域と、弱め界磁制御ではなく通常制御を行うべき低回転側の直交領域に区分するとともに（図８参照）、モータトルクＴｑとモータ回転数Ｎｍとの多数の組み合わせに対し、該当する接続モード（直列巻線モード又は並列巻線モード）において該当するモータ制御（通常制御又は弱め界磁制御）を行ったときに巻線α及び巻線βに供給すべき電流の平均値をあらかじめ求め、直列巻線モード用及び並列巻線モード用の巻線電流指令値ｉαβ＿ｒｅｆｓ、ｉαβ＿ｒｅｆｐとしてマップ化したものである。

なお、直列巻線モードでは、並列巻線モードと比較して、逆起電圧が大きいため、直交領域はより狭くなる。また、直交領域にある場合、モータトルクＴｑが一定の条件で、直列巻線モード及び並列巻線モードの巻線電流指令値ｉαβ＿ｒｅｆｓ、ｉαβ＿ｒｅｆｐは、モータ回転数Ｎｍにかかわらず一定であり、互いに同じ値に設定されている。

以上のように設定された電流マップ３１に基づき、モータトルクＴｑ及びモータ回転数Ｎｍに応じて巻線電流指令値ｉαβ＿ｒｅｆを算出するとともに、巻線電流指令値ｉαβ＿ｒｅｆに基づき、ｄ軸電流指定値ｉｄ＿ｒｅｆ及びｑ軸電流指定値ｉｑ＿ｒｅｆを算出する。電流制御器３２は、これらのｄ軸及びｑ軸電流指定値ｉｄ＿ｒｅｆ、ｉｑ＿ｒｅｆと、後述するように算出される実際のｄ軸電流値ｉｄ及びｑ軸電流値ｉｑに基づき、ＰＩ制御によるフィードバック制御によって、ｄ軸電圧Ｖｄ及びｑ軸電圧Ｖｑを算出する。

次に、ｄ軸電圧Ｖｄ及びｑ軸電圧Ｖｑを回転座標変換することによって、巻線電圧Ｖα及び巻線電圧Ｖβを算出する。ＰＷＭ制御器３３は、巻線電圧Ｖα及び巻線電圧Ｖβに応じてＰＷＭ制御を行うとともに、電力供給回路２に駆動信号を出力し、それによりモータＭの動作が制御される。

前述したＰＩ制御に用いられるｄ軸電流値ｉｄ及びｑ軸電流値ｉｑは、以下のようにして算出される。まず、検出されたモータＭの角速度ωを積分することによって、回転角θを算出する。また、検出された第１及び第２巻線部α１、α２の電流値Ｉα１、Ｉα２と、第３及び第４巻線部β１、β２の電流値Ｉβ１、Ｉβ２をそれぞれ平均することによって、電流平均値Ｉα＿ａｖｅ、Ｉβ＿ａｖｅを算出する。そして、算出した回転角θ及び電流平均値Ｉα＿ａｖｅ、Ｉβ＿ａｖｅを用い、回転座標変換を行うことによって、ｄ軸電流値ｉｄ及びｑ軸電流値ｉｑが算出される。

次に、図８を参照しながら、図４の巻線切替制御に用いられる、モータ回転数Ｎｍの第１及び第２しきい値Ｎｔｈ１、Ｎｔｈ２の設定方法について説明する。前述したように、図７の電流マップ３１は、モータトルクＴｑとモータ回転数Ｎｍで構成される領域に、直列巻線モード用の巻線電流指令値ｉαβ＿ｒｅｆｓを設定したマップと、並列巻線モード用の巻線電流指令値ｉαβ＿ｒｅｆｐを設定したマップで構成されている。図８のマップは、これら２つのマップと同じＴｑ－Ｎｍ領域に、２つの電流指令値の差分Δｉαβ＿ｒｅｆ（＝ｉαβ＿ｒｅｆｓ－ｉαβ＿ｒｅｆｐ）を表したものである。また、図８には、直列巻線モードにおける直交領域と弱め界磁領域との区分が示されるとともに、並列巻線モードにおける両領域の境界が一点鎖線で、第１及び第２しきい値Ｎｔｈ１、Ｎｔｈ２が実線及び点線で、それぞれ示されている。

前述したように、直列巻線モードでは、並列巻線モードよりも直交領域がより狭い。また、直交領域にある場合、モータトルクＴｑが同じ条件では、直列巻線モード及び並列巻線モードの巻線電流指令値ｉαβ＿ｒｅｆｓ、ｉαβ＿ｒｅｆｐは、モータ回転数Ｎｍにかかわらず一定であり、互いに同じ値に設定されている。このため、直交領域では、電流指令値差分Δｉαβ＿ｒｅｆは０になる。また、図８に示すように、第１しきい値Ｎｔｈ１は、直列巻線モードにおける直交領域のうちの弱め界磁領域との境界に近い高回転側に設定され、第２しきい値Ｎｔｈ２は、直交領域のうちの第１しきい値Ｎｔｈ１に対して所定値だけ小さい低回転側に設定されている。

前述したように、このように設定された第１又は第２しきい値Ｎｔｈ１、Ｎｔｈ２をモータ回転数Ｎｍが横切ったときに、接続モードが直列巻線モードと並列巻線モードの間で切り替えられる。したがって、図９（ａ）に示すように、接続モードの切替の前後において、電流指令値ｉαβ＿ｒｅｆは変化することなく同じ値に保たれ、それに応じて巻線αの実際の電流値ｉαβ＿ａｃｔもほぼ同じ値に保たれることによって、トルクショックを確実に回避することができる。これに対し、同図（ｂ）は、接続モードの切替の前後において電流指令値ｉαβ＿ｒｅｆが変化する従来の例である。この場合には、巻線の実際の電流値ｉαβ＿ａｃｔが電流指令値ｉαβ＿ｒｅｆに応じて大きく変化し、トルクショックが発生するおそれがある。

また、第１及び第２しきい値Ｎｔｈ１、Ｎｔｈ２によってヒステリシス領域が構成されるので、直列巻線モードと並列巻線モードの間の接続モードの切替頻度を抑制することができる。

なお、本発明は、説明した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、図２及び図３の電動機システム１に代えて、図１１に示す電動機システム５１を用いてもよい。両電動機システム１、５１は、モータＭの回路構成が互いに異なる。具体的には、図２に示すように、電動機システム１のモータＭでは、第１及び第２巻線部α１、α２は、ステータ１１の互いに対向する一対のティースにそれぞれ巻き付けられ、第３及び第４巻線部β１、β２は、他の一対のティースにそれぞれ巻き付けられている。これに対し、図１１に示すように、電動機システム５１のモータＭでは、第１及び第２巻線部α１、α２は、ステータ１１の一対のティースの一方にのみ巻き付けられ、第３及び第４巻線部β１、β２は、他の一対のティースの一方にのみ巻き付けられている。一方、電動機システム５１における電力供給回路２の構成や、モータＭの巻線と電力供給回路２との接続関係などは、電動機システム１と同じである。

以上の構成の電動機システム５１は、電動機システム１と電気的に等価であり、したがって、電動機システム１による前述した動作及び効果を同様に得ることができる。例えば、前述したように、第１及び第２双方向スイッチＳＷα、ＳＷβのオン／オフ状態を切り替えるとともに、第１～第４Ｈブリッジ回路ＨＣ１～ＨＣ４の第１～第８上アームＡＨ１～ＡＨ８及び第１～第８ＡＬ１～ＡＬ８のオン／オフ状態を制御することによって、巻線α、βの接続モードが直列巻線モード又は並列巻線モードに切り替えられる。

また、この接続モード相互間の切替の際、第１及び第２双方向スイッチＳＷα、ＳＷβをオフ状態とするとともに、第１～第４Ｈブリッジ回路ＨＣ１～ＨＣ４の第１～第８上アームＡＨ１～ＡＨ８をすべてオフし、第１～第８下アームＡＬ１～ＡＬ８をオンすることによって、巻線α、βの接続モードが、第１及び第２アームＡ１、Ａ２の下アームＡＬ１、ＡＬ２、第３及び第４アームＡ３、Ａ４の下アームＡＬ３、ＡＬ４、第５及び第６アームＡ５、Ａ６の下アームＡＬ５、ＡＬ６、並びに第７及び第８アームＡ７、Ａ８の下アームＡＬ７、ＡＬ８をそれぞれ短絡させる巻線切替モードに、一時的に切り替えられる。それにより、接続モードの切替時のトルクショックを低減し、バックラッシュを抑制するなどの効果を、同様に得ることができる。

さらに、実施形態は巻線が２相の例であるが、本発明は、単相又は３相以上の巻線を備える電動機システムに適用してもよい。また、巻線方式は、実施形態では１極対分の集中巻であるが、これに代えて分布巻としてもよく、極対数も問われない。さらに、実施形態において示した具体的な構成、例えば第１及び第２双方向スイッチＳＷα、ＳＷβの構成などはあくまで例示であり、適当な他の構成を採用することができる。その他、細部の構成を、本発明の趣旨の範囲内で変更することが可能である。

１ 電動機システム
２ 電力供給回路
３ 制御装置
５１ 電動機システム
Ｍ 電動機（モータ）
Ｂ 電源
α α相の巻線（巻線）
α１ 巻線αの第１巻線部
α２ 巻線αの第２巻線部
β β相の巻線（巻線）
ＳＷα 第１双方向スイッチ（双方向スイッチ）
Ａ１～Ａ４ 第１～第４アーム
ＡＨ１～ＡＨ４ 第１～第４アームの上アーム
ＡＬ１～ＡＬ４ 第１～第４アームの下アーム
Ｎｔｈ１ 第１しきい値（しきい値）
Ｎｔｈ２ 第２しきい値（しきい値）
ｉαβ＿ｒｅｆ 巻線電流指令値

Claims (3)

1. 巻線を有する電動機、電源の電力を前記電動機に供給する電力供給回路、及び当該電力供給回路を制御する制御装置を備える電動機システムであって、
   前記巻線は、第１巻線部及び第２巻線部を有し、
   前記電力供給回路は、
   前記電源に互いに並列に接続された第１～第４アームと、
   前記第２アームと第３アームの間に配置され、前記巻線の前記第１及び第２巻線部を通る双方向の電流の流れをオン状態又はオフ状態に切り替えるための双方向スイッチと、を有し、
   前記第１～第４アームは、スイッチング素子を有し且つ互いに直列に接続された上アーム及び下アームをそれぞれ有し、
   前記第１巻線部の一端及び他端は前記第１及び第２アームの前記上アームと前記下アームの間にそれぞれ接続され、前記第２巻線部の一端及び他端は前記第３及び前記第４アームの前記上アームと前記下アームの間にそれぞれ接続されており、
   前記制御装置は、前記双方向スイッチのオン／オフ状態と前記第１～第４アームの前記上下のアームのオン／オフ状態によって前記巻線の接続モードを直列巻線モード又は並列巻線モードに設定するとともに、前記巻線の接続モードを切り替えるときに、前記双方向スイッチがオフの状態で、前記第１及び第２アームの前記下アーム、並びに前記第３及び第４アームの前記下アームを、それぞれ短絡させる巻線切替モードを挿入するように、前記電力供給回路を制御することを特徴とする電動機システム。
2. 前記電動機の運転領域は、前記巻線に供給すべき電流を指令する電流指令値が、前記直列巻線モードと前記並列巻線モードの間で等しい値に設定される所定の第１運転領域と、前記電流指令値が前記直列巻線モードと前記並列巻線モードの間で異なる値に設定される所定の第２運転領域に区分され、前記制御装置は、前記電動機が前記第１運転領域にあることを条件として、前記巻線の接続モードを切り替えることを特徴とする、請求項１に記載の電動機システム。
3. 前記巻線の接続モードの切替の可否を判定するためのしきい値が、前記第１運転領域においてヒステリシス特性を有するように設定されていることを特徴とする、請求項２に記載の電動機システム。