JP2018129945A - モータシステム - Google Patents

Abstract

【課題】故障の状態を詳細に判別し、動作を適切に補償することが可能なモータシステムを提供する。
【解決手段】ロータ１０と、複数の第一巻線部１１を有する第一巻線回路系統Ｃ１と、第一インバータ３と、第一巻線部１１を流れる電流の周期を計測する複数の第一電流センサ４と、第一巻線回路系統Ｃ１と並列に設けられた複数の第二巻線部１２を有する第二巻線回路系統Ｃ２と、第二インバータ５と、第二巻線部１２を流れる電流の周期を計測する複数の第二電流センサ６と、ロータ１０の回転速度を計測する速度計測部９と、電流の周期、及び回転速度に基づいて故障の有無を判定し、故障があると判定された場合に、第一巻線回路系統Ｃ１及び第二巻線回路系統Ｃ２のうち、故障が生じていない系統の動作を制御する制御装置９０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータシステムに関する。

航空機やロケット等のように、特に高い信頼性が要求される機械では、点検のしやすさや省エネ化を実現するために、駆動部品として電動モータ（電動アクチュエータ）が適用される場合がある。近年、電動モータの信頼性を高めるために、例えば複数の電動モータを冗長構成で用いる例が実用化されている。このような技術の具体例として、下記特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１には、２つのモータを備える冗長モータ装置が開示されている。この装置では、２つのモータを流れる電流量の合計値が計測され、当該電流値が半減した場合に、いずれか一方のモータが故障したと判定され、故障していないモータによって全体としての出力が補償される。

ところで、モータの故障には、大別してオープン故障とショート故障の２つがあることが知られている。オープン故障とは、巻線に断線が生じる等して、巻線に電流が流れない状態を指す。一方で、ショート故障とは、巻線同士の間に短絡が生じる等して、当該巻線に不正な電流が流れている状態を指す。故障発生後のリカバリーや補償動作を適切に選択する上では、このような故障の種類を判別することが肝要である。そこで、特許文献２に開示された装置では、複数のモータを備える装置において、各モータの相電流の値と、予め定められた閾値とに基づいて、オープン故障かショート故障かを判別する構成を採っている。

ここで、ショート故障には、さらに相間短絡とレアショート（ｌａｙｅｒ ｓｈｏｒｔ）という各現象が含まれていることが知られている。相間短絡とは、多相モータの相間で短絡が生じた状態を指す。レアショートとは、同一相の巻線内で短絡が生じた状態を指す。

特許第３９９８４７８号公報 特開２０１５−１０９７７５号公報

しかしながら、特許文献１、特許文献２に記載された技術を用いた場合、オープン故障とショート故障との判別はできるものの、ショート故障である場合に、さらに相間短絡とレアショートとの判別ができない。したがって、故障の種類に応じた補償動作を行うことができない。このため、上記特許文献１、特許文献２に記載された装置には依然として改善の余地がある。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、故障の状態を詳細に判別し、動作を適切に補償することが可能なモータシステムを提供することを目的とする。

本発明のモータシステムは、永久磁石を有し、回転可能に支持されたロータと、前記ロータの周囲に設けられた複数の第一巻線部を有する第一巻線回路系統と、各前記第一巻線部に、互いに位相の異なる交流電流を供給する第一インバータと、各前記第一巻線部を流れる電流の周期を計測する複数の第一電流センサと、前記第一巻線回路系統と並列に設けられ、かつ前記ロータの周囲に設けられた複数の第二巻線部を有する第二巻線回路系統と、各前記第二巻線部に、互いに位相の異なる交流電流を供給する第二インバータと、各前記第二巻線部を流れる電流の周期を計測する複数の第二電流センサと、前記第一巻線回路系統を通電状態と非通電状態との間で切り替える第一主切替部と、前記第二巻線回路系統を通電状態と非通電状態との間で切り替える第二主切替部と、前記ロータの回転速度を計測する速度計測部と、前記電流の周期、及び前記回転速度に基づいて前記第一巻線回路系統及び前記第二巻線回路系統の故障の有無を判定し、故障があると判定された場合に、前記第一巻線回路系統及び前記第二巻線回路系統のうち、故障が生じていない系統の動作を制御する制御装置と、を備え、前記第一巻線回路系統は、前記第一主切替部側とは反対側であって、各前記第一巻線部同士の間に設けられ、各前記第一巻線部同士の間の通電状態と非通電状態とを切り替える第一副切替部を有し、前記第二巻線回路系統は、前記第二主切替部側とは反対側であって、各前記第二巻線部同士の間に設けられ、各前記第二巻線部同士の間の通電状態と非通電状態とを切り替える第二副切替部を有し、前記制御装置は、前記回転速度に基づいて、閾値を算出する閾値算出部と、前記電流の周期と前記閾値とを比較する比較判定部と、前記比較判定部によって、前記周期が前記閾値以上であると判定された場合に、相間短絡が発生したと判断して、前記第一副切替部及び前記第二副切替部のうち、故障が生じている系統側を非通電状態とする動作補償部と、を有する。

この構成によれば、第一巻線回路系統及び第二巻線回路系統のいずれか一方に故障が生じた場合、第一主切替部、又は第二主切替部の通電／非通電状態を切り替えることにより、当該故障が生じた側の回路系統から故障が生じていない側の回路系統に運転を切り替えることができる。これにより、モータシステムの可用性を高めることができる。

さらに、比較判定部により、閾値と故障が生じた側の回路系統における電流の周期とを比較することにより、故障の種類を判別することができる。具体的には、周期が閾値以上であると判定された場合に、当該回路系統に相間短絡が発生したと判断される。

ここで、相間短絡が生じた場合、相間短絡が生じた相同士により、相対的に大きなコイルが形成されてしまう。このコイルに対して、稼働中の回路系統からの磁力線が交差すると電磁誘導が生じ、当該稼働中の回路系統内の電流にノイズとしての誘導電流が生じてしまう。

そこで、比較判定部により相間短絡が生じたと判定された場合、動作補償部が、第一副切替部及び第二副切替部のうちの故障した側を非通電状態に切り替えることにより、故障した回路系統における相間の電気的接続を遮断する。これにより、上述した相間短絡による大きなコイルの形成が回避される。すなわち、稼働中の回路系統におけるノイズの発生を抑制することができる。したがって、モータシステムをより安定的に運転することができる。

本発明のモータシステムでは、各前記第一巻線部は、該第一巻線部を複数の区間に分け、かつ該区間同士の通電状態と非通電状態とを切り替える第三副切替部を有し、各前記第二巻線部は、該第二巻線部を複数の区間に分け、かつ該区間同士の通電状態と非通電状態とを切り替える第四副切替部を有し、前記動作補償部は、前記比較判定部によって、前記周期が前記閾値よりも小さいと判定された場合に、レアショートが発生したと判断して、前記第三副切替部及び前記第四副切替部のうち、故障が生じている系統側を非通電状態としてもよい。

この構成によれば、比較判定部により、閾値と故障が生じた側の回路系統における電流の周期とを比較することにより、故障の種類を判別することができる。具体的には、周期が閾値よりも小さいと判定された場合に、当該回路系統にレアショートが発生したと判断される。レアショートが発生した場合、レアショートが生じた相により、相対的に大きなコイルが形成されてしまう。このコイルに対して、稼働中の回路系統からの磁力線が交差すると電磁誘導が生じ、当該稼働中の回路系統内の電流にノイズとしての誘導電流が生じてしまう。
そこで、比較判定部によりレアショートが生じたと判定された場合、動作補償部が、第三副切替部及び第四副切替部のうちの故障した側を非通電状態に切り替えることにより、故障した回路系統の各相における区画同士を電気的に分断する。これにより、上述した相間短絡による大きなコイルの形成が回避される。すなわち、稼働中の回路系統におけるノイズの発生を抑止することができる。したがって、モータシステムをより安定的に運転することができる。

本発明のモータシステムでは、前記閾値算出部は、前記回転速度に基づいて、以下の（１）式により、前記閾値を算出してもよい。
閾値＝６０／（Ｎ×ｐ×０．８） ・・・（１）
なお、Ｎは回転数であり、ｐは前記永久磁石の極対数である。

この構成によれば、モータ回転速度のみに基づいて、閾値を簡便かつ高精度で算出することができる。

本発明のモータシステムでは、前記第一巻線回路系統は、３つの前記第一巻線部を有し、前記第一インバータは、３相交流の電流を各前記第一巻線部に供給し、前記第二巻線回路系統は、３つの前記第二巻線部を有し、前記第二インバータは、３相交流の電流を各前記第二巻線部に供給してもよい。

この構成によれば、より安定的に運転することが可能なモータシステムを得ることができる。

本発明によれば、故障の状態を詳細に判別し、動作を適切に補償することが可能なモータシステムを提供することができる。

図１は、本発明の実施形態に係るモータシステムの全体構成図である。 図２は、本発明の実施形態に係るモータシステムの要部拡大図である。 図３は、本発明の実施形態に係るモータシステムの要部拡大図である。 図４は、本発明の実施形態に係るモータシステムの要部拡大図である。 図５は、本発明の実施形態に係るモータシステムの要部拡大図である。 図６は、本発明の実施形態に係るモータシステムの機能ブロック図である。 図７は、相間短絡時とレアショート時における電流周期の一例を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明するが、本発明は以下実施形態の構成に限定されない。以下で説明する一部の構成要素を用いない構成を採ることも可能である。

図１を参照して、本実施形態に係るモータシステム１について説明する。同図に示すように、モータシステム１は、モータ２と、第一インバータ３と、第一電流センサ４と、第二インバータ５と、第二電流センサ６と、第一主切替部７と、第二主切替部８と、速度計測部９と、制御装置９０と、を備えている。

モータ２は、３相交流のモータであり、互いに位相の異なる交流電流が供給されることで内部のロータ１０が自身の軸線回りに回転駆動される。より具体的には、モータ２は、ロータ１０と、ロータ１０の周囲に設けられた第一巻線部１１及び第二巻線部１２と、これらを外周側から覆うハウジング１３と、を有している。

ロータ１０は、永久磁石（不図示）を有している。本実施形態では、永久磁石の極対数は１である。すなわち、この永久磁石は、Ｎ極とＳ極とを１つずつ有している。なお、永久磁石の極対数、及びロータ１０の周囲に設けられた巻線が生じる回転磁界の極対数は本実施形態によっては限定されず、２以上であってもよい。永久磁石に対して、通電された第一巻線部１１又は第二巻線部１２の磁力が作用することによって、ロータ１０は回転する。

第一巻線部１１は、銅線を複数回巻掛けることにより構成されたコイルであり、ロータ１０の回転方向に沿って等間隔をあけて複数が配列されている。本実施形態では、３つの第一巻線部１１が１２０°の角度をあけてハウジング１３内に設けられている。３つの第一巻線部１１は、第一中性点Ｐ１で互いに電気的に接続されている。すなわち、この第一中性点Ｐ１を中心として、３つの第一巻線部１１が放射状に配列されている。これら３つの第一巻線部１１は、供給される電流の位相が互いに異なっている。以降の説明では、各第一巻線部１１に流れる電流の位相をそれぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相と呼ぶことがある。

各第一巻線部１１の両端のうち、第一中性点Ｐ１とは反対側の端部は、後述する第一主切替部７としてのスイッチ素子を介して第一インバータ３に接続されている。この第一インバータ３と各第一巻線部１１をつなぐ回路を、第一巻線回路系統Ｃ１と呼ぶ。第一巻線部１１は、第一巻線回路系統Ｃ１の一部である。

第二巻線部１２は、第一巻線部１１と同様に、銅線を複数回巻掛けることにより構成されたコイルであり、ロータ１０の回転方向に沿って等間隔をあけて複数が配列されている。本実施形態では、３つの第二巻線部１２が１２０°の角度をあけてハウジング１３内に設けられている。３つの第二巻線部１２は、第二中性点Ｐ２で互いに電気的に接続されている。すなわち、この第二中性点Ｐ２を中心として、３つの第二巻線部１２が放射状に配列されている。これら３つの第二巻線部１２は、供給される電流の位相が互いに異なっている。以降の説明では、各第二巻線部１２に流れる電流の位相をそれぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相と呼ぶことがある。

各第二巻線部１２の両端のうち、第二中性点Ｐ２とは反対側の端部は、後述する第二主切替部８としてのスイッチ素子を介して第二インバータ５に接続されている。この第二インバータ５と各第二巻線部１２をつなぐ回路を、第二巻線回路系統Ｃ２と呼ぶ。第二巻線部１２は、第二巻線回路系統Ｃ２の一部である。

さらに、図２に示すように、第一巻線回路系統Ｃ１は、第一副切替部１４としての他のスイッチ素子を有している。第一副切替部１４は、３つの第一巻線部１１の中性点の近傍に設けられ、これら第一巻線部１１同士の間の通電状態と非通電状態とを切り替えるためのスイッチ素子である。すなわち、第一副切替部１４をＯＮ状態とすることにより、３つの第一巻線部１１同士が互いに通電状態となる。一方で、第一副切替部１４をＯＦＦ状態とすることにより、３つの第一巻線部１１同士が互いに非通電状態となる。

なお、図１では簡略化のため、この第一副切替部１４を省略している。また、図２では、第二巻線回路系統Ｃ２の図示を省略しているが、第二巻線回路系統Ｃ２は、上記した第一副切替部１４と同様の第二副切替部１５を有している。第二副切替部１５は、３つの第二巻線部１２の中性点の近傍に設けられ、これら第二巻線部１２同士の間の通電状態と非通電状態とを切り替えるためのスイッチ素子である。すなわち、第二副切替部１５をＯＮ状態とすることにより、３つの第二巻線部１２同士が互いに通電状態となる。一方で、第二副切替部１５をＯＦＦ状態とすることにより、３つの第二巻線部１２同士が互いに非通電状態となる。

加えて、図３に示すように、第一巻線部１１の中途位置には、第三副切替部１６としての他のスイッチ素子が設けられている。第三副切替部１６は、銅線を複数回ターンさせる（巻掛ける）ことで構成された第一巻線部１１の中途位置に設けられている。一例として、ｎ回巻の第一巻線部１１の場合、第三副切替部１６は、ｎ／２位置に設けられる。この第三副切替部１６により、第一巻線部１１は、２つの区画に分けられている。

なお、図１では簡略化のため、この第三副切替部１６を省略している。また、図３では、第二巻線回路系統Ｃ２の図示を省略しているが、第二巻線回路系統Ｃ２は、上記した第三副切替部１６と同様の第四副切替部１７を有している。第四副切替部１７は、銅線を複数回ターンさせる（巻掛ける）ことで構成された第二巻線部１２の中途位置に設けられている。一例として、ｎ回巻の第二巻線部１２の場合、第四副切替部１７は、ｎ／２位置に設けられる。この第四副切替部１７により、第二巻線部１２は、２つの区画に分けられている。

このように、モータ２は、第一巻線回路系統Ｃ１と第二巻線回路系統Ｃ２からなる複数の巻線回路を有している。第一巻線回路系統Ｃ１及び第二巻線回路系統Ｃ２のいずれか一方を通電状態とし、他方を非通電状態（スタンバイ状態）とすることにより、一方に不具合が生じた場合であっても、他方を駆動することで、運転を継続することができる。すなわち、冗長構成を採ることができる。なお、第一巻線部１１と第二巻線部１２とは、ロータ１０の軸線方向に間隔をあけて並列に配置されてもよいし、ロータ１０の回転方向に沿って交互に配列されていてもよい。

第一インバータ３は、第一巻線回路系統Ｃ１に対して交流電流を供給する。具体的には、第一インバータ３は、第一巻線部１１のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対して、それぞれ位相の異なる交流電流を供給する。第一インバータ３は、Ｕ相の第一巻線部１１とＵ相接続線Ｕ１で接続されている。第一インバータは、Ｖ相の第一巻線部１１とＶ相接続線Ｖ１で接続されている。第一インバータ３は、Ｗ相の第一巻線部１１とＷ相接続線Ｗ１で接続されている。

Ｕ相接続線Ｕ１、Ｖ相接続線Ｖ１、Ｗ相接続線Ｗ１は、第一主切替部７としてのスイッチ素子が設けられている。第一主切替部７を切り替えることにより、Ｕ相接続線Ｕ１、Ｖ相接続線Ｖ１、Ｗ相接続線Ｗ１の通電状態が切り替えられる。すなわち、第一主切替部７をＯＮ状態とすることにより、第一巻線回路系統Ｃ１は通電状態となる。反対に、第一主切替部７をＯＦＦ状態とすることにより、第一巻線回路系統Ｃ１は非通電状態となる。なお、本実施形態では、第一主切替部７は、Ｕ相接続線Ｕ１、Ｖ相接続線Ｖ１、Ｗ相接続線Ｗ１の通電状態を一括して切り替える構成を採っているが、これらを個別に切り替える構成を採ることも可能である。

第一電流センサ４は、第一巻線回路系統Ｃ１におけるＵ相接続線Ｕ１、Ｖ相接続線Ｖ１、Ｗ相接続線Ｗ１の各線上に１つずつ設けられている。この第一電流センサ４により、Ｕ相接続線Ｕ１、Ｖ相接続線Ｖ１、Ｗ相接続線Ｗ１のそれぞれを流れる電流の特性値が計測される。より具体的には、本実施形態では、第一電流センサ４により、Ｕ相接続線Ｕ１、Ｖ相接続線Ｖ１、Ｗ相接続線Ｗ１における電流量、及び電流の周期が計測される。

第二インバータ５は、第二巻線回路系統Ｃ２に対して交流電流を供給する。具体的には、第二インバータ５は、第二巻線部１２のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対して、それぞれ位相の異なる交流電流を供給する。第二インバータ５は、Ｕ相の第二巻線部１２とＵ相接続線Ｕ２で接続されている。第二インバータ５は、Ｖ相の第二巻線部１２とＶ相接続線Ｖ２で接続されている。第二インバータ５は、Ｗ相の第二巻線部１２とＷ相接続線Ｗ２で接続されている。

Ｕ相接続線Ｕ２、Ｖ相接続線Ｖ２、Ｗ相接続線Ｗ２は、第二主切替部８としてのスイッチ素子が設けられている。第二主切替部８を切り替えることにより、Ｕ相接続線Ｕ２、Ｖ相接続線Ｖ２、Ｗ相接続線Ｗ２の通電状態が切り替えられる。すなわち、第二主切替部８をＯＮ状態とすることにより、第二巻線回路系統Ｃ２は通電状態となる。反対に、第二主切替部８をＯＦＦ状態とすることにより、第二巻線回路系統Ｃ２は非通電状態となる。なお、本実施形態では、第二主切替部８は、Ｕ相接続線Ｕ２、Ｖ相接続線Ｖ２、Ｗ相接続線Ｗ２の通電状態を一括して切り替える構成であるが、これらを個別に切り替える構成としてもよい。

第二電流センサ６は、第二巻線回路系統Ｃ２におけるＵ相接続線Ｕ２、Ｖ相接続線Ｖ２、Ｗ相接続線Ｗ２の各線上に１つずつ設けられている。この第二電流センサ６により、Ｕ相接続線Ｕ２、Ｖ相接続線Ｖ２、Ｗ相接続線Ｗ２のそれぞれを流れる電流の特性値が計測される。より具体的には、本実施形態では、第二電流センサ６により、Ｕ相接続線Ｕ２、Ｖ相接続線Ｖ２、Ｗ相接続線Ｗ２における電流量、及び電流の周期が計測される。

速度計測部９は、ロータ１０の回転速度（ｒｐｍ）を計測する。速度計測部９は、ハウジング１３内の所定の位置に取り付けられている。速度計測部９の具体的な態様としては、例えばロータリーエンコーダ等がある。

制御装置９０は、第一電流センサ４及び第二電流センサ６によって計測された電流の周期と、ロータ１０の回転速度とに基づいて、第一巻線回路系統Ｃ１及び第二巻線回路系統Ｃ２における故障の有無を判定する。さらに、制御装置９０は、第一巻線回路系統Ｃ１又は第二巻線回路系統Ｃ２に故障があると判定された場合に、故障が生じていない系統に運転を切り替える。加えて、制御装置９０は、故障が生じている系統における動作を制御する。より具体的には、制御装置９０は、ロータ１０の回転速度に基づいて算出された閾値と、各回路系統における電流の周期とを比較することにより、各回路系統における故障の有無の判定と、故障の種類（相間短絡、レアショート）の判別を行う。

図６に示すように、制御装置９０は、異常検出部９１と、閾値算出部９２と、比較判定部９３と、動作補償部９４と、を有している。

異常検出部９１は、第一電流センサ４により計測された第一巻線回路系統Ｃ１及び第二巻線回路系統Ｃ２におけるＵ相接続線Ｕ１，Ｕ２、Ｖ相接続線Ｖ１，Ｖ２、Ｗ相接続線Ｗ１，Ｗ２の電流量のうち、最も電流量の値が大きい相を判定する。さらに、異常検出部９１は、制御装置９０による指令値と、最も電流量の値が大きい相の電流量との差が、定格電流の５０％以上となった場合に、当該回路系統に異常が発生したと判定する。この判定結果は、動作補償部９４に入力される。

閾値算出部９２は、速度計測部９によって計測されたロータ１０の回転速度に基づいて、閾値を算出する。ここで、モータ２に相間短絡が生じた場合、ロータ１０の回転速度（モータ電気角速度）に比例した交流電流（故障電流）が当該故障した回路系統に流れることが知られている。さらに、レアショートが生じた場合、相間短絡が生じた場合よりも短い周期で故障電流が生じることが知られている。そこで、本実施形態では、相間短絡とレアショートとを判別するための閾値として、ロータ１０の回転速度値の８０％に相当する値を用いている。（なお、閾値の決定は、モータ２の仕様や設計に応じて適宜変更することが可能である。）具体的には、閾値は以下の（１）式によって算出される。
閾値（ｓ）＝６０／（Ｎ×ｐ×０．８） ・・・（１）
なお、Ｎはロータ１０の回転数であり、ｐは永久磁石の極対数である。上記のように、本実施形態では、永久磁石の極対数を１としたことから、ｐ＝１となる。（１）式に基づいて求められた閾値は、比較判定部９３に入力される。

比較判定部９３に対しては、上記の閾値に加えて、第一巻線回路系統Ｃ１におけるＵ相接続線Ｕ１、Ｖ相接続線Ｖ１、Ｗ相接続線Ｗ１の電流の周期が、第一電流センサ４から入力される。また、比較判定部９３に対しては、第二巻線回路系統Ｃ２におけるＵ相接続線Ｕ２、Ｖ相接続線Ｖ２、Ｗ相接続線Ｗ２の電流の周期が、第二電流センサ６から入力される。

比較判定部９３は、第一巻線回路系統Ｃ１におけるＵ相接続線Ｕ１、Ｖ相接続線Ｖ１、Ｗ相接続線Ｗ１の電流の周期と、上述した閾値との大小を比較する。また、比較判定部９３は、第二巻線回路系統Ｃ２におけるＵ相接続線Ｕ２、Ｖ相接続線Ｖ２、Ｗ相接続線Ｗ２の電流の周期と、閾値との大小を比較する。それぞれの比較結果は、動作補償部９４に入力される。

動作補償部９４は、上記の異常検出部９１によって、第一巻線回路系統Ｃ１、又は第二巻線回路系統Ｃ２のいずれか一方に異常（故障）が生じたと判定された場合に、故障が生じた側の主切替部を非通電状態とし、故障が生じていない側の主切替部を通電状態とする。例えば、第一巻線回路系統Ｃ１に故障が生じた場合、第一主切替部７を非通電状態とし、第二主切替部８を通電状態とする。

さらに、動作補償部９４は、比較判定部９３によって、第一巻線回路系統Ｃ１及び第二巻線回路系統Ｃ２のうち、いずれか一方における電流の周期が、閾値以上であると判定された場合に、当該回路系統に相間短絡が生じたと判断して、第一副切替部１４、及び第二副切替部１５のうち、故障が生じている系統側の切替部を非通電状態とする。

加えて、動作補償部９４は、比較判定部９３によって、第一巻線回路系統Ｃ１及び第二巻線回路系統Ｃ２のうち、いずれか一方における電流の周期が、閾値よりも小さいと判定された場合に、当該回路系統にレアショートが生じたと判断して、第三副切替部１６、及び第四副切替部１７のうち、故障が生じている系統側の切替部を非通電状態とする。

以上のように構成されたモータシステム１の動作の一例について説明する。なお、以下の説明では、第一巻線回路系統Ｃ１を主系統として用い、第二巻線回路系統Ｃ２を副系統（スタンバイ系統）として用いる場合（１００％−０％構成）を例に説明する。しかしながら、第一巻線回路系統Ｃ１及び第二巻線回路系統Ｃ２の両方を主系統として用い、いずれか一方の系統の故障発生時には、故障が発生していない側の系統のみの運転に切り替える構成（５０％−５０％構成）を採ることも可能である。

まず、通常状態では、第一インバータ３により、第一巻線回路系統Ｃ１に交流電流が供給される。これにより、各第一巻線部１１が通電状態となることにより、励磁される。各第一巻線部１１から生じた磁力と、ロータ１０の永久磁石の磁力との作用により、ロータ１０は所定の回転方向に回転する。なお、このとき、第一主切替部７は通電状態となっており、第二主切替部８は非通電状態となっている。すなわち、第二巻線回路系統Ｃ２に対する第二インバータ５からの電流供給は遮断されている。通常状態にある場合、閾値算出部９２はロータ１０の回転速度を常時、又は間欠的に計測し、制御装置９０に閾値を入力し続ける。

第一巻線回路系統Ｃ１に故障が生じたと異常検出部９１によって判定された場合、制御装置９０の動作補償部９４は、第一主切替部７を非通電状態に切り替え、第二主切替部８を通電状態に切り替える。これにより、第二インバータ５から第二巻線回路系統Ｃ２に対して交流電流が供給され、モータ２は運転を継続する。

同時に、第一巻線回路系統Ｃ１に故障が生じた場合、比較判定部９３は、当該故障が生じた第一巻線回路系統Ｃ１における電流の周期と、閾値算出部９２から入力された閾値とを比較する。これにより、第一巻線回路系統Ｃ１に生じた故障の種類を判別する。具体的には、第一巻線回路系統Ｃ１における電流の周期が、閾値以上であると判定された場合、当該第一巻線回路系統Ｃ１に相間短絡が生じたと判断する（図７参照）。

ここで、故障した第一巻線回路系統Ｃ１に相間短絡が生じている場合、相間短絡が生じた相同士により、相対的に大きなコイルが形成されてしまう。このコイルに対して、稼働中の第二巻線回路系統Ｃ２からの磁力線が交差すると電磁誘導が生じ、当該第二巻線回路系統Ｃ２内の電流にノイズとしての誘導電流が生じてしまう。このため、第一巻線回路系統Ｃ１に上記のようなコイルが形成されないようにする必要がある。

そこで、比較判定部９３により相間短絡が生じたと判定された場合、動作補償部９４は、故障した側である第一副切替部１４を非通電状態に切り替えることにより（図４参照）、第一巻線回路系統Ｃ１における相間の電気的接続を遮断する。これにより、上述した相間短絡による大きなコイルの形成が回避される。すなわち、第二巻線回路系統Ｃ２におけるノイズの発生が抑制される。

一方で、第一巻線回路系統Ｃ１における電流の周期が、閾値よりも小さいと判定された場合、当該第一巻線回路系統Ｃ１にレアショートが生じたと判断する（図７参照）。レアショートが発生した場合にも、レアショートが生じた相により、相対的に大きなコイルが形成されてしまう。このコイルに対して、稼働中の第二巻線回路系統Ｃ２からの磁力線が交差すると電磁誘導が生じ、当該第二巻線回路系統Ｃ２内の電流にノイズとしての誘導電流が生じてしまう。このため、第一巻線回路系統Ｃ１に上記のようなコイルが形成されないようにする必要がある。

そこで、比較判定部９３によりレアショートが生じたと判定された場合、動作補償部９４は、故障した側である第三副切替部１６を非通電状態に切り替えることにより（図５参照）、第一巻線回路系統Ｃ１の各相における区画同士を電気的に分断する。これにより、上述した相間短絡による大きなコイルの形成が回避される。すなわち、第二巻線回路系統Ｃ２におけるノイズの発生が抑制される。

なお、第二巻線回路系統Ｃ２が稼働中であって、当該第二巻線回路系統Ｃ２に故障が生じた場合には、上記と異なり、第二主切替部８を非通電状態とし、第一主切替部７を通電状態とすることで、第一巻線回路系統Ｃ１を稼働系とする。併せて、第二巻線回路系統Ｃ２に相間短絡が生じたと判断された場合には、第二副切替部１５を非通電状態に切り替える。第二巻線回路系統Ｃ２にレアショートが生じたと判断された場合には、第四副切替部１７を非通電状態に切り替える。

以上説明したように、本実施形態に係るモータシステム１によれば、第一巻線回路系統Ｃ１及び第二巻線回路系統Ｃ２のいずれか一方に故障が生じた場合、第一主切替部７、又は第二主切替部８の通電／非通電状態を切り替えることにより、当該故障が生じた側の回路系統から故障が生じていない側の回路系統に運転を切り替えることができる。これにより、モータシステム１の可用性を高めることができる。

さらに、比較判定部９３により、閾値と故障が生じた側の回路系統における電流の周期とを比較することにより、故障の種類を判別することができる。具体的には、周期が閾値以上であると判定された場合に、当該回路系統に相間短絡が発生したと判断される。

ここで、相間短絡が生じた場合、相間短絡が生じた相同士により、相対的に大きなコイルが形成されてしまう。このコイルに対して、稼働中の回路系統からの磁力線が交差すると電磁誘導が生じ、当該稼働中の回路系統内の電流にノイズとしての誘導電流が生じてしまう。

そこで、比較判定部９３により相間短絡が生じたと判定された場合、動作補償部９４が、第一副切替部１４及び第二副切替部１５のうちの故障した側を非通電状態に切り替えることにより、故障した回路系統における相間の電気的接続を遮断する。これにより、上述した相間短絡による大きなコイルの形成が回避される。すなわち、稼働中の回路系統におけるノイズの発生を抑制することができる。したがって、モータシステム１をより安定的に運転することができる。

また、本実施形態の構成によれば、比較判定部９３により、閾値と故障が生じた側の回路系統における電流の周期とを比較することにより、故障の種類を判別することができる。具体的には、周期が閾値よりも小さいと判定された場合に、当該回路系統にレアショートが発生したと判断される。レアショートが発生した場合、レアショートが生じた相により、相対的に大きなコイルが形成されてしまう。このコイルに対して、稼働中の回路系統からの磁力線が交差すると電磁誘導が生じ、当該稼働中の回路系統内の電流にノイズとしての誘導電流が生じてしまう。

そこで、比較判定部９３によりレアショートが生じたと判定された場合、動作補償部９４が、第三副切替部１６及び第四副切替部１７のうちの故障した側を非通電状態に切り替えることにより、故障した回路系統の各相における区画同士を電気的に分断する。これにより、上述した相間短絡による大きなコイルの形成が回避される。すなわち、稼働中の回路系統におけるノイズの発生を抑止することができる。したがって、モータシステム１をより安定的に運転することができる。

以上、本発明の実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更を施すことが可能である。例えば、上記実施形態では、モータ２として、３相交流の装置を用いた例について説明した。しかしながら、モータ２の態様は３相交流に限定されず、さらに多くの相を有する交流モータを用いることも可能である。

また、第三副切替部１６、及び第四副切替部１７の設けられる数はそれぞれ１つに限定されない。複数ずつの第三副切替部１６、及び第四副切替部１７を設けることで、第一巻線部１１、及び第二巻線部１２を３つ以上の区画に分けた構成を採ることも可能である。

１ モータシステム
２ モータ
３ 第一インバータ
４ 第一電流センサ
５ 第二インバータ
６ 第二電流センサ
７ 第一主切替部
８ 第二主切替部
９ 速度計測部
１０ ロータ
１１ 第一巻線部
１２ 第二巻線部
１３ ハウジング
１４ 第一副切替部
１５ 第二副切替部
１６ 第三副切替部
１７ 第四副切替部
９０ 制御装置
９１ 異常検出部
９２ 閾値算出部
９３ 比較判定部
９４ 動作補償部
Ｃ１ 第一巻線回路系統
Ｃ２ 第二巻線回路系統
Ｐ１ 第一中性点
Ｐ２ 第二中性点
Ｕ１，Ｕ２ Ｕ相接続線
Ｖ１，Ｖ２ Ｖ相接続線
Ｗ１，Ｗ２ Ｗ相接続線

Claims (4)

1. 永久磁石を有し、回転可能に支持されたロータと、
   前記ロータの周囲に設けられた複数の第一巻線部を有する第一巻線回路系統と、
   各前記第一巻線部に、互いに位相の異なる交流電流を供給する第一インバータと、
   各前記第一巻線部を流れる電流の周期を計測する複数の第一電流センサと、
   前記第一巻線回路系統と並列に設けられ、かつ前記ロータの周囲に設けられた複数の第二巻線部を有する第二巻線回路系統と、
   各前記第二巻線部に、互いに位相の異なる交流電流を供給する第二インバータと、
   各前記第二巻線部を流れる電流の周期を計測する複数の第二電流センサと、
   前記第一巻線回路系統を通電状態と非通電状態との間で切り替える第一主切替部と、
   前記第二巻線回路系統を通電状態と非通電状態との間で切り替える第二主切替部と、
   前記ロータの回転速度を計測する速度計測部と、
   前記電流の周期、及び前記回転速度に基づいて前記第一巻線回路系統及び前記第二巻線回路系統の故障の有無を判定し、故障があると判定された場合に、前記第一巻線回路系統及び前記第二巻線回路系統のうち、故障が生じていない系統の動作を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記第一巻線回路系統は、前記第一主切替部側とは反対側であって、各前記第一巻線部同士の間に設けられ、各前記第一巻線部同士の間の通電状態と非通電状態とを切り替える第一副切替部を有し、
   前記第二巻線回路系統は、前記第二主切替部側とは反対側であって、各前記第二巻線部同士の間に設けられ、各前記第二巻線部同士の間の通電状態と非通電状態とを切り替える第二副切替部を有し、
   前記制御装置は、
   前記回転速度に基づいて、閾値を算出する閾値算出部と、
   前記電流の周期と前記閾値とを比較する比較判定部と、
   前記比較判定部によって、前記周期が前記閾値以上であると判定された場合に、相間短絡が発生したと判断して、前記第一副切替部及び前記第二副切替部のうち、故障が生じている系統側を非通電状態とする動作補償部と、
   を有するモータシステム。
2. 各前記第一巻線部１１は、該第一巻線部を複数の区間に分け、かつ該区間同士の通電状態と非通電状態とを切り替える第三副切替部を有し、
   各前記第二巻線部は、該第二巻線部を複数の区間に分け、かつ該区間同士の通電状態と非通電状態とを切り替える第四副切替部を有し、
   前記動作補償部は、前記比較判定部によって、前記周期が前記閾値よりも小さいと判定された場合に、レアショートが発生したと判断して、前記第三副切替部及び前記第四副切替部のうち、故障が生じている系統側を非通電状態とする請求項１に記載のモータシステム。
3. 前記閾値算出部は、
   前記回転速度に基づいて、以下の（１）式により、前記閾値を算出する請求項１又は２に記載のモータシステム。
   閾値＝６０／（Ｎ×ｐ×０．８） ・・・（１）
   なお、Ｎは回転数であり、ｐは前記永久磁石の極対数である。
4. 前記第一巻線回路系統は、３つの前記第一巻線部を有し、
   前記第一インバータは、３相交流の電流を各前記第一巻線部に供給し、
   前記第二巻線回路系統は、３つの前記第二巻線部を有し、
   前記第二インバータは、３相交流の電流を各前記第二巻線部に供給する請求項１から３のいずれか一項に記載のモータシステム。

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