JP7097576B1 - モータ装置およびモータ装置の駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】一つの回転子に２系統の三相巻線を備えるモータの各相を制御するスイッチが故障した場合にも、トルク低下を抑制して回転を継続す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】回転軸を中心に回転可能に配置された回転子（１０）と、内周に複数のティース部（２２）が形成された固定子（２０）を有するモータ部と、モータ部に電力を供給するスイッチインバータ部と、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、半導体リレーを制御するリレー制御部を備え、複数のティース部には第１系統の三相巻線と第２系統の三相巻線とが巻回されており、スイッチインバータ部から第１系統および第２系統の三相巻線に電流を供給し、リレー制御部は故障スイッチがある場合に半導体リレーを選択的に解放するモータ装置。【選択図】図１

Description

本発明は、モータ装置およびモータ装置の駆動方法に関し、特に２系統の三相巻線を備えるモータ装置およびモータ装置の駆動方法に関する。

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、一つの回転子に対して２系統の三相巻線（コイル）を備えたモータ装置も提案されている（例えば特許文献１を参照）。

図１１は、従来から提案されている三相巻線を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１１に示すようにモータ装置は、第１系統の三相巻線としてＵ相コイルＵ１、Ｖ相コイルＶ１、Ｗ相コイルＷ１を有し、第２系統の三相巻線としてＵ相コイルＵ２、Ｖ相コイルＶ２、Ｗ相コイルＷ２を有している。また、電源電圧（＋Ｖ）と接地電圧（０Ｖ）の間に、上段スイッチと下段スイッチの直列接続が６列並列接続されており、各上段スイッチと下段スイッチの間が各相の巻線（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、各相の巻線とインバータスイッチの間にはそれぞれリレーが接続されている。

図１１に示したモータ装置の駆動回路では、１２個のスイッチを用いた６相インバータが構成されており、各相がＨｉｇｈ信号の場合には上段スイッチをオンにして下段スイッチをオフにし、各相がＬｏｗ信号の場合には上段スイッチをオフにして下段スイッチをオンにする制御が行われる。ここで、Ｈｉｇｈ信号時には電源電圧から上段スイッチを経て各巻線および中性点に電流が供給される。また、Ｌｏｗ信号時には中性点から各巻線および下段スイッチを経て接地電圧に電流が流れる。これにより、２系統の三相巻線でそれぞれ三相交流によるモータ装置の駆動制御を行うことができる。

図１１に示した例では、６相インバータに含まれるスイッチの何れか一つが故障した場合であっても、故障スイッチが含まれる系統の各相に接続されたリレーを開放することで、故障スイッチが含まれる系統全体を切り離し、残りの系統の三相巻線で回転子の回転を継続することができる。一例としては、図１１中のＵ１相の上段スイッチがオープン故障、ショート故障、地絡故障などの故障スイッチである場合には、Ｕ１相、Ｖ１相およびＷ１相に接続された３つのリレーを開放して第１系統の三相巻線を切り離し、Ｕ２相、Ｖ２相およびＷ２層の第２系統の三相巻線で回転を継続する。

特開２０２０－１６２３３３号公報

図１１に示した従来のモータ装置では、各インバータで２系統の三相巻線の各々を個別に制御できるため、複雑な回転制御を行うことができるが、６相のインバータを用いるため１２個のスイッチが必要であり、回路に含まれるスイッチ数が増加してしまう。駆動回路に搭載されるスイッチ数が増加すると、回路の搭載面積の増大や、発熱量の増加、コストの増加などの問題が生じるうえに、回路全体でのスイッチ故障の発生確率が増加するという問題があった。また、一つの相に含まれるスイッチが故障しただけで１系統の三相巻線による回転に切り替えるため、故障していない残りの５相を有効に活用できずトルクの低下幅が大きいという問題があった。また故障スイッチが発生した系統を切り離すリレーとして半導体リレーを用いる場合には、順方向への電流供給が継続されるため、スイッチ故障が発生した系統を切り離すことが困難であった。

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、一つの回転子に２系統の三相巻線を備えるモータの各相を制御するスイッチが故障した場合にも、トルク低下を抑制して回転を継続す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。

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、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、前記複数のティース部には、Ｕ１相、Ｖ１相およびＷ１相からなる第１系統の三相巻線と、Ｕ２相、Ｖ２相およびＷ２相からなる第２系統の三相巻線とが巻回されており、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Ｕ列スイッチ群、Ｖ列スイッチ群およびＷ列スイッチ群が並列に接続され、前記Ｕ列スイッチ群に前記Ｕ１相および前記Ｕ２相が接続され、前記Ｖ列スイッチ群に前記Ｖ１相および前記Ｖ２相が接続され、前記Ｗ列スイッチ群に前記Ｗ１相および前記Ｗ２相が接続され、前記第１系統と前記第２系統では、誘起電圧の位相が異なり、前記スイッチインバータ部と、前記Ｕ１相、前記Ｖ１相、前記Ｗ１相、前記Ｕ２相、前記Ｖ２相および前記Ｗ２相との間には、それぞれＵ１半導体リレー、Ｖ１半導体リレー、Ｗ１半導体リレー、Ｕ２半導体リレー、Ｖ２半導体リレー、およびＷ２半導体リレーが接続されており、前記各半導体リレーを制御するリレー制御部を備えることを特徴とする。

このような本発明のモータ装置では、スイッチインバータ部と２系統の三相巻線との間に接続された半導体リレーをリレー制御部が制御することで、スイッチに故障が発生した場合でも、選択した相を適切に切り離して残りの相でトルク低下を抑制して回転を継続することが可能となる。

また、本発明の一態様では、前記Ｕ列スイッチ群は、前記第１電位から順にＵ列上段スイッチ、Ｕ列中段スイッチおよびＵ列下段スイッチが直列接続され、前記Ｖ列スイッチ群は、前記第１電位から順にＶ列上段スイッチ、Ｖ列中段スイッチおよびＶ列下段スイッチが直列接続され、前記Ｗ列スイッチ群は、前記第１電位から順にＷ列上段スイッチ、Ｗ列中段スイッチおよびＷ列下段スイッチが直列接続され、前記Ｕ列上段スイッチと前記Ｕ列中段スイッチの間に前記Ｕ１相が接続され、前記Ｕ列中段スイッチと前記Ｕ列下段スイッチの間に前記Ｕ２相が接続され、前記Ｖ列上段スイッチと前記Ｖ列中段スイッチの間に前記Ｖ１相が接続され、前記Ｖ列中段スイッチと前記Ｖ列下段スイッチの間に前記Ｖ２相が接続され、前記Ｗ列上段スイッチと前記Ｗ列中段スイッチの間に前記Ｗ１相が接続され、前記Ｗ列中段スイッチと前記Ｗ列下段スイッチの間に前記Ｗ２相が接続されている。

また、本発明の一態様では、前記故障検出部が、前記スイッチインバータ部に正常動作しない故障スイッチの故障モードと故障位置を検出した場合には、前記リレー制御部は、前記故障モードに前記故障位置に基づいて、前記何れかの半導体リレーを開放し、前記スイッチ制御部は、前記故障モードに前記故障位置に基づいて、前記スイッチインバータ部を制御する。

また、本発明の一態様では、前記故障モードがオープン故障または地絡故障の場合には、前記リレー制御部は、前記第１系統および前記第２系統における前記故障位置の列に接続された前記半導体リレーを開放し、前記スイッチ制御部は、前記スイッチインバータ部における前記故障位置に対応する列全体にオフ信号を送出する。

また、本発明の一態様では、前記故障モードがショート故障の場合には、前記リレー制御部は、前記故障スイッチが接続されている前記第１系統または前記第２系統に接続されている前記半導体リレーを開放する。

また、本発明の一態様では、前記故障モードがショート故障であり、前記故障位置が前記各スイッチ群において前記第１電位に一番近いものでない場合には、前記リレー制御部は、前記第１系統および前記第２系統における前記故障位置の列に接続された前記半導体リレーを開放し、前記スイッチ制御部は、前記スイッチインバータ部における前記故障位置に対応する列全体にオフ信号を送出する。

また、本発明の一態様では、前記スイッチ制御部は、信号波と搬送波の比較によりパルス信号を生成し、前記各スイッチをＰＷＭ（Ｐｕｌｔｈ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）変調制御する。

また、本発明の一態様では、前記スイッチインバータ部に正常動作しない故障スイッチが含まれる場合には、前記信号波は、前記第１系統と前記第２系統とで位相が異なり、振幅が互いにオフセットされている。

また、本発明の一態様では、前記スイッチインバータ部に正常動作しない故障スイッチが含まれない場合には、前記信号波は、前記第１系統と前記第２系統とで振幅および位相が同じである。

また、本発明の一態様では、前記三相巻線は、前記ティース部の複数にまとめて巻回された分布巻きとして構成されている。

また、本発明の一態様では、前記三相巻線は、個々の前記ティース部に巻回された集中巻きとして構成されている。

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、一つの回転子に対して第１系統および第２系統の三相巻線を備え、インバータスイッチ部からの出力により回転するモータ装置の駆動方法であって、前記インバータスイッチ部の故障スイッチを検出する故障検出工程と、前記故障スイッチの検出結果に応じて、前記第１系統および前記第２系統の三相巻線と前記スイッチインバータ部の間に接続された半導体リレーを制御するリレー制御工程と、前記第１系統および前記第２系統の各相における電流値を取得する電流値取得工程と、前記各相の前記電流値に基づいて、前記第１系統に対する第１指令電圧および前記第２系統に対する第２指令電圧を算出する指令電圧算出工程と、搬送波の電圧と、前記第１指令電圧および前記第２指令電圧を比較して、前記第１系統と前記第２系統についてのゲート信号を決定するゲート信号決定工程と、前記ゲート信号に基づいて前記インバータスイッチ部のオン信号／オフ信号を決定するインバータスイッチ制御工程と、を備えることを特徴とする。

本発明では、一つの回転子に２系統の三相巻線を備えるモータの各相を制御するスイッチが故障した場合にも、トルク低下を抑制して回転を継続す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。

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。 正常時にモータ装置の駆動を制御する方法について説明する模式図である。 正常時制御のシミュレーション結果を示すグラフであり、図３（ａ）はトルク波形を示し、図３（ｂ）はｄ，ｑ軸電流波形を示し、図３（ｃ）は相電流波形を示している。 故障時にモータ装置の駆動を制御する方法について説明する模式図であり、１系統の３相で駆動する場合を示している。 故障時制御パターン１でのシミュレーション結果を示すグラフであり、図５（ａ）はトルク波形を示し、図５（ｂ）は相電流波形を示している。 故障時にモータ装置の駆動を制御する方法について説明する模式図であり、２系統の４相で駆動する場合を示している。 故障時制御（２系統４相）におけるＶ１相とＶ２相の信号波と搬送波について説明するグラフであり、図７（ａ）はＶ１相を示し、図７（ｂ）はＶ２相を示し、図７（ｃ）はＶ１相とＶ２相を重ね合わせた結果を示している。 故障時制御（２系統４相）における信号波と搬送波の比較結果を示すグラフであり、図８（ａ）はＶ１相とＶ２相の信号波および搬送波の波形を示し、図８（ｂ）はＶ１相の比較結果を示し、図８（ｃ）はＶ２相の比較結果を示している。 故障時制御パターン２でのシミュレーション結果を示すグラフであり、図９（ａ）はトルク波形を示し、図９（ｂ）は相電流波形を示している。 第１系統と第２系統の三相巻線で誘起電圧に位相差が無い比較例における故障時制御パターン２でのシミュレーション結果を示すグラフであり、図１０（ａ）はトルク波形を示し、図１０（ｂ）は相電流波形を示している。 従来から提案されている三相巻線を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。

（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。

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（Ｕ列スイッチ群、Ｖ列スイッチ群、Ｗ列スイッチ群）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。また、三相交流で駆動されるモータ部は、Ｕ１相、Ｖ１相、Ｗ１相の３つの巻線（コイル）で構成される第１系統の三相巻線と、Ｕ２相、Ｖ２相、Ｗ２相の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。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。また、スイッチの故障を検出する故障検出部（図示省略）を別途備えており、故障検出部はスイッチ制御部からの制御信号と実際の各スイッチの動作を比較して、各スイッチの正常動作、オープン故障、ショート故障、地絡故障を判別する。

Ｕ列スイッチ群には、電源電圧側から順にＵ列上段スイッチＵｕと、Ｕ列中段スイッチＵｍと、Ｕ列下段スイッチＵｌとが直列接続されている。また、Ｕ列上段スイッチＵｕとＵ列中段スイッチＵｍの間がＵ１半導体リレーＳＳＲ_ｕ１を介してＵ１相の一端に接続されている。また、Ｕ列中段スイッチＵｍとＵ列下段スイッチＵｌの間がＵ２半導体リレーＳＳＲ_ｕ２を介してＵ２相の一端に接続されている。

Ｖ列スイッチ群には、電源電圧側から順にＶ列上段スイッチＶｕと、Ｖ列中段スイッチＶｍと、Ｖ列下段スイッチＶｌとが直列接続されている。また、Ｖ列上段スイッチＶｕとＶ列中段スイッチＶｍの間がＶ１半導体リレーＳＳＲ_ｖ１を介してＶ１相の一端に接続されている。また、Ｖ列中段スイッチＶｍとＶ列下段スイッチＶｌの間がＶ２半導体リレーＳＳＲ_ｖ２を介してＶ２相の一端に接続されている。

Ｗ列スイッチ群には，電源電圧側から順にＷ列上段スイッチＷｕと、Ｗ列中段スイッチＷｍと、Ｗ列下段スイッチＷｌとが直列接続されている。また、Ｗ列上段スイッチＷｕとＷ列中段スイッチＷｍの間がＷ１半導体リレーＳＳＲ_ｗ１を介してＷ１相の一端に接続されている。また、Ｗ列中段スイッチＷｍとＷ列下段スイッチＷｌの間がＷ２半導体リレーＳＳＲ_ｗ２を介してＷ２相の一端に接続されている。

また、第１系統の三相巻線であるＵ１相とＶ１相とＷ１相の他端は共通の中性点に接続され、第２系統の三相巻線であるＵ２相とＶ２相とＷ２相の他端は共通の中性点に接続されている。図１（ａ）に示したように、スイッチインバータ部の各スイッチ間を２系統の三相巻線に接続することで、スイッチ制御部で９個のスイッチを制御、Ｕ１相、Ｖ１相、Ｗ１相、Ｕ２相、Ｖ２相およびＷ２相の合計６相を制御することができる。

Ｕ１半導体リレーＳＳＲ_ｕ１、Ｕ２半導体リレーＳＳＲ_ｕ２、Ｖ１半導体リレーＳＳＲ_ｖ１、Ｖ２半導体リレーＳＳＲ_ｖ２、Ｗ１半導体リレーＳＳＲ_ｗ１およびＷ２半導体リレーＳＳＲ_ｗ２は、制御信号が印加されることで半導体材料で構成された開閉素子が制御され、閉成時に電流を導通し、開放時に電流を遮断する電子部品である。各半導体リレーは後述するようにリレー制御部によって開閉動作が制御される。ここで半導体リレーの具体的構成は限定されず、公知のものを用いることができる。

図１（ｂ）に示すように、モータ部は回転子（ロータ）１０と、回転子１０の周囲に配置された固定子（ステータ）２０を備えている。また、回転子１０には、外周に沿って磁石のＮ極１１ＮとＳ極１１Ｓが複数交互に配置されている。また固定子２０は、コアバック部２１と複数のティース部２２を備えている。図１（ｂ）は回転軸を中心にモータ部を４分割し、一部のみ構造を抽出して模式的に示すものであり、角度や長さは実際のモータとは一致していない。

コアバック部２１は、回転子１０の外側に回転子１０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２２が等間隔に突出して形成されている。コアバック部２１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２１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。

ティース部２２は、コアバック部２１の内周面から回転子１０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２２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２２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２２およびスロットには、巻線が巻回されてコイルが構成されて、巻線に電流が流れることでティース部２２に磁界が発生する。

図１（ｂ）に示した例では、モータ部は１０極６０スロットの分布巻きとして構成されており、Ｕ１＋からＵ１－まで、Ｕ２＋からＵ２－まで、Ｖ１＋からＶ１－まで、Ｖ２＋からＶ２－まで、Ｗ１＋からＷ１－まで、およびＷ２＋からＷ２－までの複数のティース部２２が一括して巻線が巻回されており、それぞれの巻線がＵ１相、Ｕ２相、Ｖ１相、Ｖ２相、Ｗ１相およびＷ２相を構成している。

図１（ｂ）に示すように、Ｕ１相、Ｖ１相およびＷ１相は、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、Ｕ２相、Ｖ２相およびＷ２相も、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。また、第１系統と第２系統の三相巻線は、誘起電圧の位相が１／１２周期だけ異なっており、第１系統よりも第２系統のほうが回転子１０の回転方向における下流に位置するように構成されている。図１（ｂ）では１０極６０スロットの例を示したが、第１系統と第２系統で誘起電圧の位相が異なっていれば、極数およびスロット数は限定されない。また、ティース部２２への各相の巻回方法も分布巻きに限定されず集中巻きであってもよい。

次に、モータ装置の制御方法について説明する。はじめに、スイッチ制御部から各スイッチにオン信号およびオフ信号を送出するとともに、回路各部の電位または電流を測定し、各スイッチが正常動作するか故障しているかを検出する（故障検出工程）。ここで正常動作時とは、スイッチインバータ部に含まれるスイッチが全て正常に制御可能であり、ショート故障、オープン故障、地絡故障のいずれでもないことを意味している。スイッチの故障モードのうちショート故障は常時導通する故障であり、オープン故障は常時開放する故障であり、地絡故障は常時接地電位になる故障である。故障検出工程は、通常動作とは別に実行するとしてもよく、モータ装置の通常の駆動制御時に並行して行うとしてもよい。リレー制御部は、故障検出部が検出したスイッチインバータ部の状態に応じて、正常時動作と故障時動作を切り替えて、各リレーの閉成と開放を制御する。

（正常時制御：２系統での６相ベクトル制御）
故障検出部が故障スイッチを発見しない場合には、リレー制御部は正常時制御を実行して、全てのリレーが閉成されて２系統の三相巻線の全ての相を用いて回転動作が行われる。

図２は、正常時にモータ装置の駆動を制御する方法について説明する模式図である。図２に示したように、モータ装置の正常時制御では、モータ部のＵ１相、Ｖ１相、Ｗ１相、Ｕ２相、Ｖ２相およびＷ２相を流れる駆動電流（相電流）ｉ_ｕ１，ｉ_ｖ１，ｉ_ｗ１，ｉ_ｕ２，ｉ_ｖ２およびｉ_ｗ２をそれぞれモニターする（電流値取得工程）。得られた各駆動電流から第１系統と第２系統の平均の相電流ｉ_ｕ，ｉ_ｖ，ｉ_ｗを求め、さらに三相ｄｑ変換を行って回転座標系に変換し電流ｉ_ｄ，ｉ_ｑを求める。

次に、得られた電流ｉ_ｄ，ｉ_ｑを入力値としてＰＩ制御を行い、電流制御または回転速度制御のために電圧値ｖ_ｄ ^＊，ｖ_ｑ ^＊を得る。得られた電圧値ｖ_ｄ ^＊，ｖ_ｑ ^＊は回転座標系であるため、三相逆ｄｑ変換を行って、指令電圧ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊を得る。また、第１系統の指令電圧ｖ_ｕ１ ^＊，ｖ_ｖ１ ^＊，ｖ_ｗ１ ^＊と第２系統の指令電圧ｖ_ｕ２ ^＊，ｖ_ｖ２ ^＊，ｖ_ｗ２ ^＊をｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊に設定する。得られた第１系統の指令電圧ｖ_ｕ１ ^＊，ｖ_ｖ１ ^＊，ｖ_ｗ１ ^＊および第２系統の指令電圧ｖ_ｕ２ ^＊，ｖ_ｖ２ ^＊，ｖ_ｗ２ ^＊は、それぞれ周期的に変化するＵ１相、Ｖ１相、Ｗ１相、Ｕ２相、Ｖ２相およびＷ２相の信号波となる（指令電圧算出工程）。

次に、得られた各相の信号波と搬送波との大小関係を比較し、信号波が搬送波よりも大きい場合をＨｉｇｈ信号とし、信号波が搬送波よりも小さい場合をＬｏｗ信号として、第１系統と第２系統へのゲート信号を決定する（ゲート信号決定工程）。正常時制御では、図２に示したように第１系統と第２系統の相電流を平均化して指令電圧を同じにしているため、第１系統と第２系統の信号波は振幅および位相が同じで一致する。したがって、正常時制御では信号波と搬送波の大小比較結果が第１系統と第２系統で同じとなり、ゲート信号のＨｉｇｈとＬｏｗは同じタイミングで変化する。

次に、決定されたゲート信号（Ｈｉｇｈ信号とＬｏｗ信号）に基づいて、９スイッチインバータで構成されているスイッチインバータ部への入力信号を制御する（インバータスイッチ制御工程）。具体的には表１に示すように、第１系統と第２系統のＨｉｇｈ信号とＬｏｗ信号の組み合わせに応じて、上段スイッチ、中段スイッチおよび下段スイッチのオンオフを制御する。表１および以下の図ではＵ相の場合のみを示して説明するが、Ｖ相およびＷ相についても同様の制御を行う。これは、正常時動作においても故障時動作においても同様である。

表１に示したように、Ｕ１相とＵ２相が共にＨｉｇｈ信号の場合（パターン１）には、Ｕ列上段スイッチＵｕのゲートにはオン信号を入力し、Ｕ列中段スイッチＵｍのゲートにはオン信号を入力し、Ｕ列下段スイッチＵｌのゲートにはオフ信号を入力する。Ｕ１相とＵ２相が共にＬｏｗ信号の場合（パターン２）には、Ｕ列上段スイッチＵｕのゲートにはオフ信号を入力し、Ｕ列中段スイッチＵｍのゲートにはオン信号を入力し、Ｕ列下段スイッチＵｌのゲートにはオン信号を入力する。図２に示した正常時制御では、第１系統と第２系統の相電流を平均化して指令電圧を同じにしているため、常にパターン１，２の制御がスイッチインバータ部に加えられる。

パターン１では、Ｕ列上段スイッチＵｕがオン、Ｕ列中段スイッチＵｍがオン、Ｕ列下段スイッチＵｌがオフとされる。したがって、Ｕ列上段スイッチＵｕとＵ列中段スイッチＵｍの間の電位Ｖｕｍは、Ｕ列上段スイッチＵｕの順方向電圧だけ電源電圧（＋Ｖ）から電圧降下したものとなり、Ｕ１相の巻線に電位Ｖｕｍが印加される。また、Ｕ列中段スイッチＵｍとＵ列下段スイッチＵｌの間の電位Ｖｍｌは、Ｕ列上段スイッチＵｕおよびＵ列中段スイッチＵｍの順方向電圧だけ電源電圧（＋Ｖ）から電圧降下したものとなり、Ｕ２相の巻線に電位Ｖｍｌが印加される。

パターン２では、Ｕ列上段スイッチＵｕがオフ、Ｕ列中段スイッチＵｍがオン、Ｕ列下段スイッチＵｌがオンとされる。したがって、電位Ｖｕｍは、Ｕ列中段スイッチＵｍおよびＵ列下段スイッチＵｌの順方向電圧だけ接地電圧（０）から高い電圧となり、Ｕ１相の巻線に印加される。また電位Ｖｍｌは、Ｕ列下段スイッチＵｌの順方向電圧だけ接地電圧（０）から高い電圧となり、Ｕ２相の巻線に印加される。

Ｕ１相がＨｉｇｈ信号で、Ｕ２相がＬｏｗ信号の場合（パターン３）、およびＵ１相がＬｏｗ信号で、Ｕ２相がＨｉｇｈ信号の場合（パターン４）には、ともにＵ列上段スイッチＵｕのゲートにはオン信号を入力し、Ｕ列中段スイッチＵｍのゲートにはオフ信号を入力し、Ｕ列下段スイッチＵｌのゲートにはオン信号を入力する。

パターン３，４では、Ｕ列上段スイッチＵｕがオン、Ｕ列中段スイッチＵｍがオフ、Ｕ列下段スイッチＵｌがオンとされる。したがって、電位Ｖｕｍは、Ｕ列上段スイッチＵｕの順方向電圧だけ電源電圧（＋Ｖ）から電圧降下したものとなり、Ｕ１相の巻線に電位Ｖｕｍが印加される。また電位Ｖｍｌは、Ｕ列下段スイッチＵｌの順方向電圧だけ接地電圧（０）から高い電圧となり、Ｕ２相の巻線に印加される。パターン３，４ではスイッチに印加される信号が同じになるが、各系統の電位差によって電流が発生するので、Ｕ１相がＬｏｗ信号の場合にＵ列上段スイッチＵｕがオンであっても問題ない。

上述したように、正常時制御のモータ装置では、スイッチ制御部からインバータスイッチング部の各スイッチにパルス信号が加えられる。つまり、スイッチ制御部は、信号波と搬送波の比較によりパルス信号を生成し、各スイッチをＰＷＭ（Ｐｕｌｔｈ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）変調制御する。

図３は、正常時制御のシミュレーション結果を示すグラフであり、図３（ａ）はトルク波形を示し、図３（ｂ）はｄ，ｑ軸電流波形を示し、図３（ｃ）は相電流波形を示している。図３（ａ）～図３（ｃ）の横軸は時間（秒）を示し、図３（ａ）の縦軸はトルク（Ｎｍ）を示し、図３（ｂ）（ｃ）の縦軸は電流値（Ａ）を示している。また、図３（ｃ）において各プロットは、それぞれＵ１相、Ｖ１相、Ｗ１相、Ｕ２相、Ｖ２相およびＷ２相の相電流ｉ_ｕ１，ｉ_ｖ１，ｉ_ｗ１，ｉ_ｕ２，ｉ_ｖ２およびｉ_ｗ２を示している。

正常時制御では図３（ａ）に示したように、回転子１０に加わるトルクはわずかなトルク脈動が存在するが常に正の値となる。また、図３（ｂ）に示したように、ｄ－ｑ座標軸での電流値は略一定となる。また、図３（ｃ）に示したように、第１系統と第２系統の三相巻線の６相全てに相電流が供給されており、６相全ての電流値が同時に０になるタイミングが存在しない。これにより、正常時制御では６相全ての相電流で安定してトルクを発生させ、回転子１０の回転を継続できる。

（故障時制御）
故障検出部が故障スイッチを発見した場合には、該当スイッチを特定する情報とその故障モードを記憶装置に記録し、リレー制御部が後述する故障時制御パターン１または故障時制御パターン２に応じて特定の相を切り離す。このとき、切り離し対象とされる相の選択は、故障検出部が検出した故障スイッチの故障モードおよび故障位置によって異なる。また、スイッチ制御部は、故障スイッチの故障モードおよび故障位置に応じて、制御する対象のスイッチとその制御パターンを決定する。

（故障時制御パターン１：１系統での３相ベクトル制御）
図４は、故障時にモータ装置の駆動を制御する方法について説明する模式図であり、１系統の３相で駆動する場合を示している。図４に示したように、モータ装置の故障時制御パターン１では、Ｕ１半導体リレーＳＳＲ_ｕ１、Ｖ１半導体リレーＳＳＲ_ｖ１およびＷ１半導体リレーＳＳＲ_ｗ１が開放されて、モータ部のＵ１相、Ｖ１相およびＷ１相はスイッチインバータ部から切り離されており、相電流ｉ_ｕ１，ｉ_ｖ１，ｉ_ｗ１が０となっている。そこで、残りの３相であるＶ２相、Ｗ２相およびＶ２相を流れる駆動電流（相電流）ｉ_ｖ２，ｉ_ｖ２およびｉ_ｗ２をそれぞれモニターする（電流値取得工程）。得られた各相電流に３相ｄｑ変換を行って回転座標系に変換し電流ｉ_ｄ，ｉ_ｑを求める。

次に、得られた電流ｉ_ｄ，ｉ_ｑを入力値としてＰＩ制御を行い、電流制御または回転速度制御のために電圧値ｖ_ｄ ^＊，ｖ_ｑ ^＊を得る。得られた電圧値ｖ_ｄ ^＊，ｖ_ｑ ^＊は回転座標系であるため、三相逆ｄｑ変換を行って、指令電圧ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊を得る。また、第２系統の指令電圧ｖ_ｕ２ ^＊，ｖ_ｖ２ ^＊，ｖ_ｗ２ ^＊をｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊に設定する。得られた第２系統の指令電圧ｖ_ｕ２ ^＊，ｖ_ｖ２ ^＊，ｖ_ｗ２ ^＊は、それぞれ周期的に変化するＵ２相、Ｖ２相およびＷ２相の信号波となる（指令電圧算出工程）。

次に、得られた各相の信号波と搬送波との大小関係を比較し、信号波が搬送波よりも大きい場合をＨｉｇｈ信号とし、信号波が搬送波よりも小さい場合をＬｏｗ信号として、第２系統へのゲート信号を決定する（ゲート信号決定工程）。つまり故障時制御パターン１では、第１系統の三相巻線は切り離されて第２系統の三相巻線で通常の三相モータとして回転を継続する。ここで、スイッチインバータ部においてゲート信号が印加される対象のスイッチは、後述するように故障スイッチの故障モードと位置によって決められる。

図５は、故障時制御パターン１でのシミュレーション結果を示すグラフであり、図５（ａ）はトルク波形を示し、図５（ｂ）は相電流波形を示している。図５（ａ）（ｂ）の横軸は時間（秒）を示し、図５（ａ）の縦軸はトルク（Ｎｍ）を示し、図５（ｂ）の縦軸は電流値（Ａ）を示している。また、図５（ｂ）において各プロットは、それぞれＵ１相、Ｖ１相、Ｗ１相、Ｕ２相、Ｖ２相およびＷ２相の相電流ｉ_ｕ１，ｉ_ｖ１，ｉ_ｗ１，ｉ_ｕ２，ｉ_ｖ２およびｉ_ｗ２を示している。

故障時制御パターン１では図５（ａ）に示したように、回転子１０に加わるトルクには周期的な変動が生じるが常に正の値となる。また、ｄ－ｑ座標軸での電流値にも周期的な変動が生じるが、ｑ軸電流は常に正である。また、図５（ｂ）に示したように、第１系統の三相巻線であるＵ１相、Ｖ１相およびＷ１相はＵ１半導体リレーＳＳＲ_ｕ１、Ｖ１半導体リレーＳＳＲ_ｖ１およびＷ１半導体リレーＳＳＲ_ｗ１で切り離されているため相電流ｉ_ｕ１、ｉ_ｖ１およびｉ_ｗ１は０である。したがって、第２系統の三相巻線であるＵ２相、Ｖ２相およびＷ２相に流れる相電流ｉ_ｕ２、ｉ_ｖ２およびｉ_ｗ２による三相交流で、回転子１０の回転を継続できる。

（故障時制御パターン２：２系統での４相ベクトル制御）
図６は、故障時にモータ装置の駆動を制御する方法について説明する模式図であり、２系統の４相で駆動する場合を示している。図６に示したように、モータ装置の故障時制御パターン２では、Ｕ１半導体リレーＳＳＲ_ｕ１とＵ２半導体リレーＳＳＲ_ｕ２が開放されて、モータ部のＵ１相とＵ２相はスイッチインバータ部から切り離されており、相電流ｉ_ｕ１，ｉ_ｕ２が０となっている。そこで、残りの４相であるＶ１相、Ｗ１相、Ｖ２相およびＷ２相を流れる駆動電流（相電流）ｉ_ｖ１，ｉ_ｗ１，ｉ_ｖ２およびｉ_ｗ２をそれぞれモニターする（電流値取得工程）。得られた各相電流に６相ｄｑ変換を行って回転座標系に変換し電流ｉ_ｄ，ｉ_ｑを求める。

次に、得られた電流ｉ_ｄ，ｉ_ｑを入力値としてＰＩ制御を行い、電流制御または回転速度制御のために電圧値ｖ_ｄ ^＊，ｖ_ｑ ^＊を得る。得られた電圧値ｖ_ｄ ^＊，ｖ_ｑ ^＊は回転座標系であるため、６相逆ｄｑ変換を行って、指令電圧ｖ_ｕ１ ^＊，ｖ_ｖ１ ^＊，ｖ_ｗ１ ^＊，ｖ_ｕ２ ^＊，ｖ_ｖ２ ^＊，ｖ_ｗ２ ^＊を得る。ここで、Ｕ１相とＵ２相は切り離されているため、ｖ_ｕ１ ^＊とｖ_ｕ２ ^＊は０となる。得られた第１系統の第１指令電圧ｖ_ｖ１ ^＊，ｖ_ｗ１ ^＊および第２系統の第２指令電圧ｖ_ｖ２ ^＊，ｖ_ｗ２ ^＊は、それぞれ周期的に変化するＶ１相、Ｖ２相、Ｗ１相およびＷ２相の信号波となる（指令電圧算出工程）。故障時制御では、各系統での演算によってそれぞれ第１系統の第１指令電圧ｖ_ｖ１ ^＊，ｖ_ｗ１ ^＊および第２系統の第２指令電圧ｖ_ｖ２ ^＊，ｖ_ｗ２ ^＊が算出され、互いに位相の異なる信号波とされる。

次に、得られた各相の信号波と搬送波との大小関係を比較し、信号波が搬送波よりも大きい場合をＨｉｇｈ信号とし、信号波が搬送波よりも小さい場合をＬｏｗ信号として、第１系統と第２系統へのゲート信号を決定する（ゲート信号決定工程）。故障時制御におけるゲート信号決定工程は、後述するように信号波の振幅を圧縮およびオフセットして行う。

図７は、故障時制御（２系統４相）におけるＶ１相とＶ２相の信号波と搬送波について説明するグラフであり、図７（ａ）はＶ１相を示し、図７（ｂ）はＶ２相を示し、図７（ｃ）はＶ１相とＶ２相を重ね合わせた結果を示している。図７（ａ）～図７（ｃ）において横軸は位相角度を示し、縦軸は電圧を示している。ここで電圧の最大値および最小値として±１Ｖが示されているが、簡便のために規格化した表現を用いるものであり、現実の電圧値は限定されない。また、グラフ中の破線は搬送波の信号波形を示しており、ここでは三角波を用いている。図７（ａ）中の実線はＶ１相の信号波の波形を示しており指令電圧ｖ_ｖ１ ^＊の変化を示している。また、図７（ｂ）中の一点鎖線はＶ２相の信号波の波形を示しており指令電圧ｖ_ｖ２ ^＊の変化を示している。図７では簡便のために搬送波の周波数を小さくして周期を長くして示しているが、実際のモータ装置においては５ｋＨｚ～１５ｋＨｚ程度の高周波な搬送波が用いられる。

図７（ａ）（ｂ）に示したように、故障時制御では第１系統と第２系統で個別に指令電圧を算出しているため、Ｖ１相の信号波とＶ２相の信号波は、位相が１／１２周期（３０°）異なったものとなっている。これは、図１（ｂ）に示したようにＶ１相とＶ２相が１／１２ずれたティース部２２に巻回されていることに起因する。図７（ａ）（ｂ）で示したように、第１系統のＶ１相と第２系統のＶ２相では信号波に位相差が生じているため、そのまま搬送波と比較すると、Ｖ１相の指令電圧ｖ_ｖ１ ^＊よりもＶ２相の指令電圧ｖ_ｖ２ ^＊のほうが大きくなる場合が発生してしまう。

本実施形態では、これを回避するために、Ｖ１相およびＶ２相の信号波の振幅をそれぞれオフセットし、常に指令電圧ｖ_ｖ１ ^＊が指令電圧ｖ_ｖ２ ^＊よりも大きくなるように補正したうえで、搬送波と比較を行う。具体例としては、図７（ｃ）に示したように、Ｖ１相の振幅を半分にして最大電圧が＋１で最小電圧が０となるようにオフセットし、Ｖ２相の振幅を半分にして最大電圧が０で最小電圧が－１となるようにオフセットを行う。つまり、電源電圧に近い第１系統のＶ１相での信号波の最小値と、接地電圧に近い第２系統のＶ２相での信号波の最大値が同じとなるように補正してからゲート信号決定工程を実行する。

図８は、故障時制御（２系統４相）における信号波と搬送波の比較結果を示すグラフであり、図８（ａ）はＶ１相とＶ２相の信号波および搬送波の波形を示し、図８（ｂ）はＶ１相の比較結果を示し、図８（ｃ）はＶ２相の比較結果を示している。図８（ａ）において横軸は位相角度を示し、縦軸は電圧を示している。図８（ｂ）（ｃ）では、横軸は図８（ａ）と同じ位相角度を示しており、横軸の軸上がＬｏｗ信号を示し、横軸から離れた位置がＨｉｇｈ信号を示している。また、図８（ａ）～図８（ｃ）にわたって垂直に引かれた薄い破線は、図８（ａ）における搬送波と信号波の交点を示している。

図８（ａ）に示したように、本実施形態ではＶ１相とＶ２相の信号波で位相が異なっており、振幅も互いにオフセットされているため、信号波と搬送波との交点はＶ１相とＶ２相で異なっている。つまり、Ｖ１相とＶ２相ではＨｉｇｈ信号とＬｏｗ信号の切り替わるタイミングが異なる。また、Ｖ１相の信号波は最小値が０にオフセットされ、Ｖ２相の信号波は最大値が０にオフセットされているため、常に指令電圧ｖ_ｖ１ ^＊が指令電圧ｖ_ｖ２ ^＊よりも大きくなり、Ｖ２相がＨｉｇｈ信号になるのは、Ｖ１相がＨｉｇｈ信号の期間内に限定される。よって、故障時制御ではＶ１相とＶ２相が共にＨｉｇｈ信号か共にＬｏｗ信号の場合と、Ｖ１相がＨｉｇｈ信号でＶ２相がＬｏｗ信号の場合が存在する。したがって故障時制御のモータ装置では、スイッチ制御部から表１のパターン１，２，３に従ってインバータスイッチング部の各スイッチにパルス信号が加えられる。

故障時制御パターン２では、上述したように故障スイッチに対応したＵ１半導体リレーＳＳＲ_ｕ１とＵ２半導体リレーＳＳＲ_ｕ２を開放してＵ１相とＵ２相を切り離し、第１系統をＶ１相とＷ１相で駆動し、第２系統をＶ２相とＷ２相で駆動する。これにより、２系統の３相巻線のうち４相を用いて回転子の回転を継続することができる。

図９は、故障時制御パターン２でのシミュレーション結果を示すグラフであり、図９（ａ）はトルク波形を示し、図９（ｂ）は相電流波形を示している。図９（ａ）（ｂ）の横軸は時間（秒）を示し、図９（ａ）の縦軸はトルク（Ｎｍ）を示し、図９（ｂ）の縦軸は電流値（Ａ）を示している。また、図９（ｂ）において各プロットは、それぞれＵ１相、Ｖ１相、Ｗ１相、Ｕ２相、Ｖ２相およびＷ２相の相電流ｉ_ｕ１，ｉ_ｖ１，ｉ_ｗ１，ｉ_ｕ２，ｉ_ｖ２およびｉ_ｗ２を示している。

故障時制御パターン２では図９（ａ）に示したように、回転子１０に加わるトルクには周期的な変動が生じるが常に正の値となる。また、ｄ－ｑ座標軸での電流値にも周期的な変動が生じるが、ｑ軸電流は常に正である。また、図９（ｂ）に示したように、第１系統と第２系統の三相巻線のうち、Ｕ１相とＵ２相はＵ１半導体リレーＳＳＲ_ｕ１およびＵ２半導体リレーＳＳＲ_ｕ２で切り離されているため相電流ｉ_ｕ１とｉ_ｕ２は０である。また、Ｖ１相とＷ１相の相電流ｉ_ｖ１とｉ_ｗ１は同時に０となるタイミングがあるが、Ｖ２相とＷ２相の相電流ｉ_ｖ２とｉ_ｗ２が同時に０となるタイミングとは異なっている。したがって、４相全ての電流値が同時に０になるタイミングが存在しない。これにより、故障時制御では故障スイッチに対応する相を切り離して、４相の相電流で常にトルクを発生させ、回転子１０の回転を継続できる。

図１０は、第１系統と第２系統の三相巻線で誘起電圧に位相差が無い比較例における故障時制御パターン２でのシミュレーション結果を示すグラフであり、図１０（ａ）はトルク波形を示し、図１０（ｂ）は相電流波形を示している。図１０（ａ）（ｂ）の横軸は時間（秒）を示し、図１０（ａ）の縦軸はトルク（Ｎｍ）を示し、図１０（ｂ）の縦軸は電流値（Ａ）を示している。また、図１０（ｂ）において各プロットは、それぞれＵ１相、Ｖ１相、Ｗ１相、Ｕ２相、Ｖ２相およびＷ２相の相電流ｉ_ｕ１，ｉ_ｖ１，ｉ_ｗ１，ｉ_ｕ２，ｉ_ｖ２およびｉ_ｗ２を示している。

図１０に示した比較例では、第１系統と第２系統の三相巻線の間に、誘起電圧の位相差が無いモータ装置において、Ｕ１半導体リレーＳＳＲｕ１とＵ２半導体リレーＳＳＲｕ２を開放した場合を想定している。したがって、Ｕ１相とＵ２相を切り離し、Ｖ１相、Ｖ２相、Ｗ１相、Ｗ２相の２系統４相ベクトル制御をシミュレーションしている。このような誘起電圧の位相差が無いモータ装置としては、例えば８極１２スロット等が挙げられる。

この比較例では、図１０（ｂ）に示したように、第１系統と第２系統の三相巻線のうち、Ｕ１相とＵ２相はＵ１半導体リレーＳＳＲ_ｕ１およびＵ２半導体リレーＳＳＲ_ｕ２で切り離されているため相電流ｉ_ｕ１とｉ_ｕ２は０である。また、Ｖ１相、Ｗ１相、Ｖ２相およびＷ２相の相電流ｉ_ｖ１、ｉ_ｗ１、ｉ_ｖ２およびｉ_ｗ２が同時に０となるタイミングが存在する。これにより、図１０（ａ）に示したように、回転子１０に加わるトルクには大きな変動が生じ、トルクが負の値となる瞬間も存在している。したがって、２系統の三相巻線に誘起電圧の位相差が無い場合には、故障時制御パターン２の２系統４相制御では、故障スイッチに対応する相を切り離して、４相の相電流で常にトルクを発生させることができず、回転子１０の回転を継続できないことが理解できる。

次に、故障検出部が故障スイッチを検出した場合のリレー制御部およびスイッチ制御部の動作について条件毎に説明する。後述するように、故障検出部が検出した故障スイッチの故障モードが、オープン故障、ショート故障、地絡故障の場合、および故障スイッチの位置によって故障時制御パターン１と故障時制御パターン２のどちらかが選択され、リレー制御部は各半導体リレーの閉成と開放を決定する。また、スイッチ制御部は、故障スイッチの故障モードと位置に応じて、制御対象とするスイッチと制御信号を決定する。

（オープン故障）
スイッチインバータ部に含まれるスイッチの何れかがオープン故障の場合には、故障時制御パターン２が選択され、２系統での４相ベクトル制御が実施される。この場合には、リレー制御部は第１系統および第２系統における故障スイッチに対応する相の半導体リレーを開放する。また、スイッチ制御部は故障スイッチに対応する列全体にオフ信号を送出し、非導通とする。これにより、オープン故障のスイッチが含まれる列に対応した２つの相を切り離し、残りの２系統４相でモータ部の回転が継続される。これは、複数のスイッチが直列接続されているスイッチ群でオープン故障が発生した場合には、電源電圧と接地電圧が各スイッチに適切に印加されないため、当該列のスイッチ群を用いた相電流の制御が不可能になるからである。

具体例としてＵ列スイッチ群に含まれる何れかのスイッチがオープン故障した場合について、リレー制御部とスイッチ制御部の動作を表２および表３を用いて説明する。Ｕ列スイッチ群の何れかがオープン故障の故障スイッチであるため、表２に示したように、Ｕ列スイッチ群に接続されているＵ１相およびＵ２相が切り離し対象とされる。したがって、リレー制御部は、Ｕ１半導体リレーＳＳＲ_ｕ１とＵ２半導体リレーＳＳＲ_ｕ２に対してオフ信号を送出して開放し、相電流ｉ_ｕ１およびｉ_ｕ２が０となる。また、Ｖ列スイッチ群およびＷ列スイッチ群に接続されているＶ１半導体リレーＳＳＲ_ｖ１、Ｖ２半導体リレーＳＳＲ_ｖ２、Ｗ１半導体リレーＳＳＲ_ｗ１およびＷ２半導体リレーＳＳＲ_ｗ２には、オン信号を送出して閉成する。

また表３に示したように、スイッチ制御部は、故障スイッチに対応した列であるＵ列スイッチ群に含まれるＵ列上段スイッチＵｕ、Ｕ列中段スイッチＵｍおよびＵ列下段スイッチＵｌに対して常にオフ信号を送出して非導通とする。また、故障スイッチが含まれていないＶ列スイッチ群およびＷ列スイッチ群には、図６～図９で示した故障時制御パターン２の２系統４相ベクトル制御を実施し、モータ部の回転を継続する。表２、表３ではＵ列スイッチ群にオープン故障の故障スイッチが存在する場合を示したが、Ｖ列スイッチ群またはＷ列スイッチ群にオープン故障が存在する場合にも、故障スイッチが含まれる列に接続された半導体リレーをオフとし、故障スイッチが含まれる列の全スイッチをオープンとすることで、同様に２系統４相ベクトル制御を行うことができる。

（ショート故障：上段）
スイッチインバータ部に含まれる上段スイッチの何れかがショート故障の場合には、故障時制御パターン１が選択され、１系統での３相ベクトル制御が実施される。この場合には、リレー制御部は故障スイッチに接続された半導体リレーを含んだ系統の三相全てを開放する。また、スイッチ制御部は故障スイッチに対応する上段全てに常時オン信号を送出し、導通とする。これにより、ショート故障のスイッチに対応した系統の三相巻線を切り離し、残りの１系統３相でモータ部の回転が継続される。これは、上段のスイッチがショート故障すると、電源電圧の電位がそのまま中段のスイッチに加わり、当該上段スイッチでは相電流を制御できなくなるためである。また、故障スイッチに接続された相の半導体リレーを開放しても、半導体リレーの順方向には電流が流れてしまうため、同系統の他の２相も同時に開放して同系統の３相全てを切り離す必要がある。

具体例としてＵ列上段スイッチＵｕがショート故障した場合について、リレー制御部とスイッチ制御部の動作を表４および表５を用いて説明する。Ｕ列上段スイッチＵｕがショート故障の故障スイッチであるため、表４に示したように、Ｕ列上段スイッチＵｕが接続されているＵ１半導体スイッチＳＳＲ_ｕ１と、これを含む第１系統のＵ１相、Ｖ１相およびＷ１相が切り離し対象とされる。したがってリレー制御部は、第１系統に接続されているＵ１半導体リレーＳＳＲ_ｕ１、Ｖ１半導体リレーＳＳＲ_ｖ１およびＷ１半導体リレーＳＳＲ_ｗ１に対してオフ信号を送出して開放し、相電流ｉ_ｕ１、ｉ_ｖ１およびｉ_ｗ１が０となる。また、第２系統に接続されているＵ２半導体リレーＳＳＲ_ｕ２、Ｖ２半導体リレーＳＳＲ_ｖ２およびＷ２半導体リレーＳＳＲ_ｗ２には、オン信号を送出して閉成する。

また表５に示したように、スイッチ制御部は、故障スイッチが接続された第１系統のＶ列上段スイッチＶｕ、Ｗ列上段スイッチＷｕに対して常にオン信号を送出して導通とする。また、故障スイッチが接続されていない第２系統では、Ｕ列下段スイッチＵｌ、Ｖ列下段スイッチＶｌ、Ｗ列下段スイッチＷｌに対して、電流値取得工程、指令電圧算出工程、ゲート信号決定工程の各工程を実施し、１系統での三相ベクトル制御を行う。また、各列の下段スイッチに印加されるＨｉｇｈ信号とＬｏｗ信号を反転させた反転信号を、Ｕ列中段スイッチＵｍ、Ｖ列中段スイッチＶｍ、Ｗ列中段スイッチＷｍに対して印加する。

表４、表５ではＵ列上段スイッチＵｕにショート故障の故障スイッチが存在する場合を示したが、Ｖ列上段スイッチＶｕまたはＷ列上段スイッチＷｕにショート故障が存在する場合にも、故障スイッチが接続された半導体リレーを含む系統の半導体リレー全てオフとし、第１系統の上段スイッチを常時オンにし、中段スイッチに反転信号を入力し、下段スイッチを三相ベクトル制御することで、同様に１系統３相ベクトル制御を行うことができる。

（ショート故障：中段）
スイッチインバータ部に含まれる中段スイッチの何れかがショート故障の場合にも、故障時制御パターン１が選択され、１系統での３相ベクトル制御が実施される。この場合には、リレー制御部は故障スイッチに接続された第１系統または第２系統の三相全てを開放する。また、スイッチ制御部は故障スイッチに対応する中段全てに常時オン信号を送出し、導通とする。これにより、選択された系統の三相巻線を切り離し、残りの１系統３相でモータ部の回転が継続される。これは、中段のスイッチがショート故障すると、上段と下段の２つのスイッチの直列接続と等価になるためであり、上段と下段のスイッチで３相交流を供給することができるからである。また、故障スイッチに接続された列の半導体リレーを開放しても、半導体リレーの順方向には電流が流れてしまうため、同系統の他の２相も同時に開放して同系統の３相全てを切り離す必要がある。

具体例としてＵ列中段スイッチＵｍがショート故障した場合について、リレー制御部とスイッチ制御部の動作を表４および表６を用いて説明する。Ｕ列中段スイッチＵｍがショート故障の故障スイッチであるため、表４に示したように、第１系統のＵ１相、Ｖ１相およびＷ１相が切り離し対象とされる。したがってリレー制御部は、第１系統に接続されているＵ１半導体リレーＳＳＲ_ｕ１、Ｖ１半導体リレーＳＳＲ_ｖ１およびＷ１半導体リレーＳＳＲ_ｗ１に対してオフ信号を送出して開放し、相電流ｉ_ｕ１、ｉ_ｖ１およびｉ_ｗ１が０となる。また、第２系統に接続されているＵ２半導体リレーＳＳＲ_ｕ２、Ｖ２半導体リレーＳＳＲ_ｖ２およびＷ２半導体リレーＳＳＲ_ｗ２には、オン信号を送出して閉成する。ここでは第１系統が切り離し対象とされた例を示しているが、中段スイッチのショート故障時には第１系統と第２系統のどちらを切り離し対象として、残りの１系統で三相ベクトル制御を行うかは任意である。

また表６に示したように、スイッチ制御部は、故障スイッチに対応する段であるＶ列中段スイッチＶｍ、Ｗ列中段スイッチＷｍに対して常にオン信号を送出して導通とする。また、切り離し対象とされていない第２系統では、Ｕ列下段スイッチＵｌ、Ｖ列下段スイッチＶｌ、Ｗ列下段スイッチＷｌに対して、電流値取得工程、指令電圧算出工程、ゲート信号決定工程の各工程を実施し、１系統での三相ベクトル制御を行う。また、切り離し対象とされた第１系統では、各列の下段スイッチに印加されるＨｉｇｈ信号とＬｏｗ信号を反転させた反転信号を、Ｕ列上段スイッチＵｕ、Ｖ列上段スイッチＶｕ、Ｗ列上段スイッチＷｕに対して印加する。

表４、表６ではＵ列中段スイッチＵｍにショート故障の故障スイッチが存在する場合を示したが、Ｖ列中段スイッチＶｍまたはＷ列中段スイッチＷｍにショート故障が存在する場合にも、切り離し対象とされた系統の全ての半導体リレーをオフとし、中段スイッチを常時オンにし、切り離し対象とされた系統に接続された上段または下段に反転信号を入力し、残りの段のスイッチを三相ベクトル制御することで、同様に１系統３相ベクトル制御を行うことができる。

（ショート故障：下段）
スイッチインバータ部に含まれる下段スイッチの何れかがショート故障の場合にも、故障時制御パターン１が選択され、１系統での３相ベクトル制御が実施される。この場合には、リレー制御部は故障スイッチに接続された半導体リレーを含んだ系統の三相全てを開放する。また、スイッチ制御部は故障スイッチに対応する下段全てに常時オン信号を送出し、導通とする。これにより、ショート故障のスイッチに対応した系統の三相巻線を切り離し、残りの１系統３相でモータ部の回転が継続される。これは、下段のスイッチがショート故障すると、接地電圧の電位がそのまま中段のスイッチに加わり、当該下段スイッチでは相電流を制御できなくなるためである。また、故障スイッチに接続された相の半導体リレーを開放しても、半導体リレーの順方向には電流が流れてしまうため、同系統の他の２相も同時に開放して同系統の３相全てを切り離す必要がある。

具体例としてＵ列下段スイッチＵｌがショート故障した場合について、リレー制御部とスイッチ制御部の動作を表７および表８を用いて説明する。Ｕ列下段スイッチＵｌがショート故障の故障スイッチであるため、表７に示したように、Ｕ列下段スイッチＵｌが接続されているＵ２半導体スイッチＳＳＲ_ｕ２と、これを含む第２系統のＵ２相、Ｖ２相およびＷ２相が切り離し対象とされる。したがってリレー制御部は、第２系統に接続されているＵ２半導体リレーＳＳＲ_ｕ２、Ｖ２半導体リレーＳＳＲ_ｖ２およびＷ２半導体リレーＳＳＲ_ｗ２に対してオフ信号を送出して開放し、相電流ｉ_ｕ２、ｉ_ｖ２およびｉ_ｗ２が０となる。また、第１系統に接続されているＵ１半導体リレーＳＳＲ_ｕ１、Ｖ１半導体リレーＳＳＲ_ｖ１およびＷ１半導体リレーＳＳＲ_ｗ１には、オン信号を送出して閉成する。

また表８に示したように、スイッチ制御部は、故障スイッチが接続された第２系統のＶ列下段スイッチＶｌ、Ｗ列下段スイッチＷｌに対して常にオン信号を送出して導通とする。また、故障スイッチが接続されていない第１系統では、Ｕ列上段スイッチＵｕ、Ｖ列上段スイッチＶｕ、Ｗ列上段スイッチＷｕに対して、電流値取得工程、指令電圧算出工程、ゲート信号決定工程の各工程を実施し、１系統での三相ベクトル制御を行う。また、各列の上段スイッチに印加されるＨｉｇｈ信号とＬｏｗ信号を反転させた反転信号を、Ｕ列中段スイッチＵｍ、Ｖ列中段スイッチＶｍ、Ｗ列中段スイッチＷｍに対して印加する。

表７、表８ではＵ列下段スイッチＵｌにショート故障の故障スイッチが存在する場合を示したが、Ｖ列下段スイッチＶｌまたはＷ列下段スイッチＷｌにショート故障が存在する場合にも、故障スイッチが接続された半導体リレーを含む系統の半導体リレー全てオフとし、上段スイッチを三相ベクトル制御し、中段スイッチに反転信号を入力し、下段スイッチを常時オンにすることで、同様に１系統３相ベクトル制御を行うことができる。

上述したＵ列中断スイッチＵｍまたはＵ列下段スイッチＵｌがショート故障の場合には、故障時制御パターン２を用いて、故障スイッチが含まれる列に対応した２系統の２相のみを切り離し対象として、残りの２系統４相でベクトル制御することもできる。しかし、トルク脈動を抑制するという観点からは、上述した故障時制御パターン１を用いて、１系統での３相ベクトル制御で回転を継続することが好ましい。

上述したＵ列上段スイッチＵｕがショート故障の場合には、故障スイッチが含まれる列に対応した２系統の２相のみを切り離し対象として、残りの２系統４相でベクトル制御することができない。これは、半導体リレーでは開放状態でも順方向に電流が流れてしまうためである。つまり、２系統の４相ベクトル制御では、ショート故障したスイッチと半導体リレーと巻線と中性点が導通しているため、開放している半導体リレーを介して中性点に電流が流れて、同じ系統の他相での相電流を適切に制御できなくなるためである。

（地絡故障：上段）
スイッチインバータ部に含まれる上段スイッチの何れかが地絡故障した場合には、電源電圧と地絡した故障スイッチが短絡し、スイッチインバータ部の全体に電圧が印加されなくなるため、モータ部を回転させることができない。

（地絡故障：中段）
スイッチインバータ部に含まれる中段スイッチの何れかが地絡故障の場合には、故障時制御パターン２が選択され、２系統での４相ベクトル制御が実施される。この場合には、リレー制御部とスイッチ制御部の動作は、表２および表３に示したオープン故障と同様となる。つまりリレー制御部は、第１系統および第２系統における故障スイッチに対応する相の半導体リレーを開放する。また、スイッチ制御部は故障スイッチに対応する列全体にオフ信号を送出し、非導通とする。これにより、地絡故障のスイッチが含まれる列に対応した２つの相を切り離し、残りの２系統４相でモータ部の回転が継続される。これは、中段で地絡故障が発生した場合には、当該列の中段および下段の電位が接地電位となり、当該列での相電流の制御が不可能になるからである。

（地絡故障：下段）
スイッチインバータ部に含まれる下段スイッチの何れかが地絡故障の場合には、故障時制御パターン１が選択され、１系統での３相ベクトル制御が実施される。この場合には、リレー制御部とスイッチ制御部の動作は、表７および表８に示した下段ショート故障と同様となる。つまりリレー制御部は、故障スイッチに接続された半導体リレーを含んだ系統の三相全てを開放する。また、スイッチ制御部は故障スイッチに対応する下段全てに常時オン信号を送出し、導通とする。これにより、地絡故障のスイッチに対応した系統の三相巻線を切り離し、残りの１系統３相でモータ部の回転が継続される。これは、下段のスイッチの地絡故障は、下段のスイッチのショート故障と同様に、接地電圧の電位がそのまま中段のスイッチに加わり、当該下段スイッチでは相電流を制御できなくなるためである。また、故障スイッチに接続された相の半導体リレーを開放しても、半導体リレーの順方向には電流が流れてしまうため、同系統の他の２相も同時に開放して同系統の３相全てを切り離す必要がある。

上述したように本実施形態のモータ装置では、一つの回転子１０に２系統の三相巻線を備えるモータの各相を個別に制御して、回転子１０の回転を継続しながらも、スイッチ数を低減できる。また、故障検出部でスイッチインバータ部の故障を検出し、故障モードと位置に応じて最適な故障時制御パターンを選択することで、回転子１０の回転を継続することができる。また、任意のスイッチのオープン故障と中段スイッチの地絡故障では、２系統の４相を用いたベクトル制御で回転子１０の回転を継続できるため、トルクの低下を抑制することができる。

（第１実施形態の変形例）
次に、本発明の第１実施形態の変形例について説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。本変形例では、故障時制御パターン２において第１系統と第２系統の信号波をオフセットする際の比率を第１実施形態と異ならせる。本変形例でも第１系統の第１指令電圧ｖ_ｖ１ ^＊，ｖ_ｗ１ ^＊および第２系統の第２指令電圧ｖ_ｖ２ ^＊，ｖ_ｗ２ ^＊を算出して、Ｖ１相とＶ２相で位相の異なる信号波を求めるまでは第１実施形態と同様である。

具体例としては、Ｖ１相の振幅を１／４にして最大電圧が＋１で最小電圧が０．５となるようにオフセットし、Ｖ２相の振幅を３／４にして最大電圧が０．５で最小電圧が－１となるようにオフセットを行う。つまり、電源電圧に近い第１系統のＶ１相での信号波の最小値と、接地電圧に近い第２系統のＶ２相での信号波の最大値が同じとなるように補正してからゲート信号決定工程を実行する。ここでは、Ｖ１相とＶ２相の信号波の振幅を１：３となるように変更したが、他の比率であってもよい。

本変形例では、Ｖ１相およびＶ２相の信号波と搬送波の交点は、図７に示したものよりも高電位側になる。したがって、Ｖ１相およびＶ２相の両者において、ゲート信号がＨｉｇｈ信号になる期間が図８に示したものよりも長くなる。

上述したように本変形例のモータ装置では、Ｖ１相とＶ２相の信号波をオフセットする際に、任意の比率で振幅を変更することで、Ｖ１相とＶ２相のゲート信号におけるＨｉｇｈ信号のデューティ比を調整することが可能であり、モータ装置の回転制御における自由度が向上する。

（第２実施形態）
第１実施形態では、モータ部として１０極６０スロットの分布巻きの構成を示したが、異なる極数、スロット数、巻回方法であってもよい。本発明の正常時制御および故障時制御は、第１系統と第２系統で誘起電圧に位相差が生じる場合に適用することができる。本発明を適用可能な条件は、曲数をＰとしスロット数をＳとしたときにＰ：Ｓの比率で表すことができる。具体的には集中巻きモータであればＰ：Ｓ＝１０：１２、１４：１０、分布巻きモータであればＰ：Ｓ＝２：１２等に適用可能である。逆に、第１系統と第２系統で誘起電圧に位相差が生じない場合には、故障時制御においてトルクが０になる瞬間が生じてしまうため、本発明は適用できない。具体的には集中巻きモータであればＰ：Ｓ＝２：３、分布巻きモータであればＰ：Ｓ＝１：３に適用することはできない。

（第３実施形態）
第１実施形態では、Ｎ極１１ＮおよびＳ極１１Ｓを構成する磁石として永久磁石を用いたものを示したが、一つの回転子に対して２系統の三相巻線が用いられるモータ装置であれば、モータ部の種類に依存せず誘導機やシンクロナスリラクタンスモータ等にも適用可能である。

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。

１０…回転子
１１Ｎ…Ｎ極
１１Ｓ…Ｓ極
２０…固定子
２１…コアバック部
２２…ティース部

Claims (12)

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、
   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、
   前記複数のティース部には、Ｕ１相、Ｖ１相およびＷ１相からなる第１系統の三相巻線と、Ｕ２相、Ｖ２相およびＷ２相からなる第２系統の三相巻線とが巻回されており、
   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Ｕ列スイッチ群、Ｖ列スイッチ群およびＷ列スイッチ群が並列に接続され、
   前記Ｕ列スイッチ群に前記Ｕ１相および前記Ｕ２相が接続され、前記Ｖ列スイッチ群に前記Ｖ１相および前記Ｖ２相が接続され、前記Ｗ列スイッチ群に前記Ｗ１相および前記Ｗ２相が接続され、
   前記第１系統と前記第２系統では、誘起電圧の位相が異なり、
   前記スイッチインバータ部と、前記Ｕ１相、前記Ｖ１相、前記Ｗ１相、前記Ｕ２相、前記Ｖ２相および前記Ｗ２相との間には、それぞれＵ１半導体リレー、Ｖ１半導体リレー、Ｗ１半導体リレー、Ｕ２半導体リレー、Ｖ２半導体リレー、およびＷ２半導体リレーが接続されており、
   前記各半導体リレーを制御するリレー制御部を備えることを特徴とするモータ装置。
2. 請求項１に記載のモータ装置であって、
   前記Ｕ列スイッチ群は、前記第１電位から順にＵ列上段スイッチ、Ｕ列中段スイッチおよびＵ列下段スイッチが直列接続され、
   前記Ｖ列スイッチ群は、前記第１電位から順にＶ列上段スイッチ、Ｖ列中段スイッチおよびＶ列下段スイッチが直列接続され、
   前記Ｗ列スイッチ群は、前記第１電位から順にＷ列上段スイッチ、Ｗ列中段スイッチおよびＷ列下段スイッチが直列接続され、
   前記Ｕ列上段スイッチと前記Ｕ列中段スイッチの間に前記Ｕ１相が接続され、前記Ｕ列中段スイッチと前記Ｕ列下段スイッチの間に前記Ｕ２相が接続され、
   前記Ｖ列上段スイッチと前記Ｖ列中段スイッチの間に前記Ｖ１相が接続され、前記Ｖ列中段スイッチと前記Ｖ列下段スイッチの間に前記Ｖ２相が接続され、
   前記Ｗ列上段スイッチと前記Ｗ列中段スイッチの間に前記Ｗ１相が接続され、前記Ｗ列中段スイッチと前記Ｗ列下段スイッチの間に前記Ｗ２相が接続されていることを特徴とするモータ装置。
3. 請求項１または２に記載のモータ装置であって、
   前記故障検出部が、前記スイッチインバータ部に正常動作しない故障スイッチの故障モードと故障位置を検出した場合には、
   前記リレー制御部は、前記故障モードに前記故障位置に基づいて、前記何れかの半導体リレーを開放し、
   前記スイッチ制御部は、前記故障モードに前記故障位置に基づいて、前記スイッチインバータ部を制御することを特徴とするモータ装置。
4. 請求項３に記載のモータ装置であって、
   前記故障モードがオープン故障または地絡故障の場合には、
   前記リレー制御部は、前記第１系統および前記第２系統における前記故障位置の列に接続された前記半導体リレーを開放し、
   前記スイッチ制御部は、前記スイッチインバータ部における前記故障位置に対応する列全体にオフ信号を送出することを特徴とするモータ装置。
5. 請求項３に記載のモータ装置であって、
   前記故障モードがショート故障の場合には、
   前記リレー制御部は、前記故障スイッチが接続されている前記第１系統または前記第２系統に接続されている前記半導体リレーを開放することを特徴とするモータ装置。
6. 請求項３に記載のモータ装置であって、
   前記故障モードがショート故障であり、前記故障位置が前記各スイッチ群において前記第１電位に一番近いものでない場合には、
   前記リレー制御部は、前記第１系統および前記第２系統における前記故障位置の列に接続された前記半導体リレーを開放し、
   前記スイッチ制御部は、前記スイッチインバータ部における前記故障位置に対応する列全体にオフ信号を送出することを特徴とするモータ装置。
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、
   前記スイッチ制御部は、信号波と搬送波の比較によりパルス信号を生成し、前記各スイッチをＰＷＭ（Ｐｕｌｔｈ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）変調制御することを特徴とするモータ装置。
8. 請求項７に記載のモータ装置であって、
   前記スイッチインバータ部に正常動作しない故障スイッチが含まれる場合には、
   前記信号波は、前記第１系統と前記第２系統とで位相が異なり、振幅が互いにオフセットされていることを特徴とするモータ装置。
9. 請求項７または８に記載のモータ装置であって、
   前記スイッチインバータ部に正常動作しない故障スイッチが含まれない場合には、
   前記信号波は、前記第１系統と前記第２系統とで振幅および位相が同じであることを特徴とするモータ装置。
10. 請求項１から９の何れか一つに記載のモータ装置であって、
    前記三相巻線は、前記ティース部の複数にまとめて巻回された分布巻きとして構成されていることを特徴とするモータ装置。
11. 請求項１から９の何れか一つに記載のモータ装置であって、
    前記三相巻線は、個々の前記ティース部に巻回された集中巻きとして構成されていることを特徴とするモータ装置。
12. 一つの回転子に対して第１系統および第２系統の三相巻線を備え、インバータスイッチ部からの出力により回転するモータ装置の駆動方法であって、
    前記インバータスイッチ部の故障スイッチを検出する故障検出工程と、
    前記故障スイッチの検出結果に応じて、前記第１系統および前記第２系統の三相巻線と前記スイッチインバータ部の間に接続された半導体リレーを制御するリレー制御工程と、
    前記第１系統および前記第２系統の各相における電流値を取得する電流値取得工程と、
    前記各相の前記電流値に基づいて、前記第１系統に対する第１指令電圧および前記第２系統に対する第２指令電圧を算出する指令電圧算出工程と、
    搬送波の電圧と、前記第１指令電圧および前記第２指令電圧を比較して、前記第１系統と前記第２系統についてのゲート信号を決定するゲート信号決定工程と、
    前記ゲート信号に基づいて前記インバータスイッチ部のオン信号／オフ信号を決定するインバータスイッチ制御工程と、を備えることを特徴とするモータ装置の駆動方法。
    

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