CN112889214A - 旋转电机的控制装置和旋转电机的控制方法 - Google Patents

Abstract

旋转电机(10)包括转子(40)和具有多相的定子绕组(51)的定子(50)，上述多相的定子绕组(51)具有沿周向以规定间隔配置的导线部(81、82)，并且构成为，在导线部彼此之间具有使用磁性材料的导线间构件(142)，当将与转子的磁体部(42)的一磁极对应的导线部之间的周向的宽度尺寸设为Wt，将一磁极的周向的宽度尺寸设为Wm，将磁体部的残留磁通密度设为Br时，磁性材料的饱和磁通密度Bs满足Wt×Bs≤Wm×Br，或者构成为，在导线部彼此之间具有使用非磁性材料的导线间构件(57)，或者构成为，在导线部彼此之间不具有导线间构件。旋转电机的控制装置包括控制部(77)，上述控制部(77)与定子绕组连接，并且包括数量与绕组相数对应的控制通电状态的一对开关元件(Sp、Sn)，并且控制驱动电路，以使开关元件的导通率成为恒定值的期间成为电角度为120度以上且小于180度的规定期间。

Description

旋转电机的控制装置和旋转电机的控制方法

相关申请的援引

本申请以2018年10月18日申请的日本专利申请第2018-196913号为基础，在此援引其记载内容。

技术领域

本公开涉及旋转电机的控制装置和旋转电机的控制方法。

背景技术

在下述专利文献1中，提出了用于旋转电机的轻量化、效率改善的无芯、无极齿绕组的电动机(旋转电机)。以往，这样的无极齿绕组的电动机限于模型用途等的容量比较小的带电刷DC电动机，但是在专利文献1的发明中，应用了大型的电动机的无极齿绕组。

由于大型的电动机需要大电流、高电压，因此，对电刷材料的寿命和大小有要求，从而要求所谓的AC无刷电动机。无刷电动机必须根据转子的磁极位置通入适当的电流，因此，通过基于使用了逆变器的驱动电路的缜密的正弦波PWM(脉冲宽度调制)控制，一边对电流进行反馈控制一边进行驱动。

PWM控制是利用绕组的电感分量即电流的一阶滞后特性连续地施加脉冲状电压从而控制电流值，并且将其控制成看上去连续的正弦波电流的方法。

另外，在专利文献2中记载了在变压装置中，为了实现比Si元件更高速的开关，采用SiC元件或GaN元件，并且以1MHz的频率来驱动上述开关元件。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2012-175755号公报

专利文献2：日本专利特开2016-092982号公报

发明内容

但是，在专利文献1的发明的无极齿绕组中，由于没有铁芯，因此，绕组的电感非常小，一阶滞后要素过小，因此，当在开关频率为10kH以下的情况下实施PWM控制时，电流大幅地变动(图23A)。

在专利文献2中，尽管由于使用1MHz的频率而有可能能够抑制电流变动，但是执行用于通入正弦波电流的逐次电流反馈控制时的电流检测能力、即A/D转换速度不能追上高速开关。

一般而言，A/D转换的分辨率和采样率之间是权衡取舍的关系，当为了高速开关而提高采样率时，分辨率降低，对于需要大电流的电动机，A/D转换的应用受到限制。

为了避免这种情况，可以每隔几个脉冲间隔地进行电流检测，但是这样会降低采样率，因此，电流波形紊乱而引起噪声、振动。

或者，由于绕组的电感与匝数的平方成正比，因此也考虑增加匝数，但是绕组电阻变大，从而导致设备的大型化。

尽管采用处理能力较大的运算装置可以解决这些问题，但是在商业上难以建立。

本公开提供一种在无极齿绕组的旋转电机中能够进行稳定的旋转控制的旋转电机的控制装置和旋转电机的控制方法。

本公开的第一方式是旋转电机的控制装置，包括转子以及与上述转子同轴地配置的定子，上述定子具有多相的定子绕组，上述多相的定子绕组包括在与上述转子相对的位置处沿周向以规定间隔配置的导线部，并且包括以下任一个结构：在上述定子的周向上的上述导线部彼此之间具有导线间构件，该导线间构件使用当将与上述转子的磁体部的一磁极对应的上述导线部之间的周向的宽度尺寸设为Wt，将上述一磁极的周向的宽度尺寸设为Wm，将上述磁体部的残留磁通密度设为Br时，饱和磁通密度Bs满足Wt×Bs≤Wm×Br的关系式的磁性材料；在导线部彼此之间具有使用非磁性材料的导线间构件；以及在导线部彼此之间不具有导线间构件，其中，上述旋转电机的控制装置包括：驱动电路，上述驱动电路与上述旋转电机的上述定子绕组连接，并且包括数量与绕组相数对应的控制通电状态的一对开关元件，通过上述开关元件的动作来生成供给到上述定子绕组的电力；以及控制部，上述控制部控制上述驱动电路，以使上述驱动电路的一相的一对开关元件的导通率为恒定值的期间成为电角度120度以上且小于180度的规定期间。

本公开的第一方式在无极齿绕组的旋转电机中，能够实现稳定的旋转控制。在本公开的第一方式的控制中，不是电流值的逐次控制，而是以预先设定的导通率进行控制，因此，能够不需要电流检测。因此，本公开的第一方式能够提供经济的无极齿电动机的控制装置。

附图说明

参照附图和以下详细的记述，可以更明确本公开的上述目的、其他目的、特征和优点。附图如下所述。

图1是第一实施方式的旋转电机的纵剖立体图。

图2是旋转电机的纵剖视图。

图3是图2的III-III线剖视图。

图4是放大表示图3的一部分的剖视图。

图5是旋转电机的分解图。

图6是逆变器单元的分解图。

图7是表示定子绕组的安培匝数与转矩密度之间的关系的转矩线图。

图8是转子和定子的横剖视图。

图9是放大表示图8的一部分的图。

图10是表示定子的横截面的剖视图。

图11是表示定子的纵截面的剖视图。

图12是定子绕组的立体图。

图13是表示构成定子绕组的导线的结构的一例的概略图。

图14是表示构成导线的线材的一例的概略图。

图15A是表示第n层的各导线的形态的概略图，表示从定子绕组的侧方观察到的导线的形状。

图15B是表示第n层的各导线的形态的概略图，表示从定子绕组的轴向一侧观察到的导线的形状。

图16是表示第n层的导线和第n+1层的导线的形态的概略图。

图17是旋转电机的控制系统的电路图。

图18是表示对U相、V相、W相、X相、Y相、Z相的各相电流进行控制的控制处理的框图。

图19是输出到U相、V相、W相、X相、Y相、Z相的各相的导通率指令的时序图。

图20是表示各相的导通率的变化的详细情况的图。

图21是表示互补驱动中的上臂开关和下臂开关的动作的一例的说明图。

图22是表示转矩与规定期间的对应关系的一例的说明图。

图23A是应用了开关频率10kHz的正弦波PWM控制时的电流波形的图。

图23B是应用了开关频率50kHz、上臂开关Sp的导通率为0.75(下臂开关Sn的导通率为0.25)、导通率恒定期间为电角度120度的高频导通率恒定控制时的电流波形的图。

图24是表示通电控制的处理的一例的流程图。

图25是第二实施方式的旋转电机的控制系统的电路图。

图26是电压调节器的电路图。

图27是第二实施方式的电流的波形图。

图28是第一实施方式和第二实施方式的变形例的定子的剖视图。

图29是第一实施方式和第二实施方式的变形例的定子和磁体部的剖视图。

图30是表示磁体转矩和磁阻转矩相对于一般的内转子的定子铁芯的半径的变化的一例的概略图。

图31是表示大口径定子的切槽的一例的概略图。

具体实施方式

[第一实施方式]

以下，基于附图对本第一实施方式进行说明。本实施方式中的旋转电机作为例如车辆动力源使用。但是，旋转电机能作为产业用、车辆用、家电用、OA设备用、游戏机用等广泛使用。另外，在以下各实施方式中，对于彼此相同或等同的部分，在附图中标注相同的符号，对于相同符号的部分引用其说明。

本实施方式的旋转电机10是同步式多相交流电动机，是外转子结构(外转结构)。图1至图5示出了旋转电机10的概要。图1是旋转电机10的纵剖立体图，图2是旋转电机10的沿着旋转轴11的方向的纵剖视图，图3是旋转电机10的与旋转轴11正交的方向上的横剖视图(图2的III－III线剖视图)，图4是放大表示图3的一部分的剖视图，图5是旋转电机10的分解图。另外，在图3中，为了便于图示，除了旋转轴11之外，省略了表示切断面的阴影。在以下的记载中，将旋转轴11延伸的方向设为轴向，将从旋转轴11的中心放射状地延伸的方向设为径向，将以旋转轴11为中心圆周状地延伸的方向设为周向。

旋转电机10大致包括轴承部20、外壳30、转子40、定子50以及逆变器单元60。上述各构件均和旋转轴11一起同轴地配置，以规定顺序在轴向上组装，从而构成旋转电机10。

轴承部20具有：在轴向上彼此分开地配置的两个轴承21、22；以及保持上述轴承21、22的保持构件23。轴承21、22例如是径向滚珠轴承，并且分别具有：外圈25、内圈26以及配置于上述外圈25与内圈26之间的多个滚珠27。保持构件23呈圆筒状，并且在该保持构件23的径向内侧组装轴承21、22。此外，旋转轴11和转子40旋转自如地支承于轴承21、22的径向内侧。

外壳30具有呈圆筒状的周壁部31和端面部32，该端面部32设于上述周壁部31的轴向两端部中的一方的端部。周壁部31的轴向两端部中的端面部32的相反侧成为开口部33。外壳30的与端面部32相反的一侧构成为通过开口部33全面敞开。在端面部32的中央形成有圆形的孔34。轴承部20在插通于孔34的状态下，通过螺钉、铆钉等固定件进行固定。此外，在外壳30内、即在由周壁部31和端面部32划分出的内部空间收容有转子40和定子50。在本实施方式中，旋转电机10是外转子型，并且在外壳30内，在呈筒状的转子40的径向内侧配置有定子50。转子40在轴向上在端面部32一侧悬臂支承于旋转轴11。

转子40具有：形成为中空筒状的转子主体41；以及设于该转子主体41的径向内侧的环状的磁体部42。转子主体41呈大致杯状，具有作为磁体保持构件的功能。转子主体41具有：呈筒状的磁体保持部43；同样呈筒状并且直径比磁体保持部43小的固定部44；以及作为连接上述磁体保持部43和固定部44的部位的中间部45。在磁体保持部43的内周面安装有磁体部42。

在固定部44的通孔44a插通有旋转轴11，在该插通状态下固定部44固定于旋转轴11。即，转子主体41通过固定部44固定到旋转轴11。另外，固定部44最好通过利用了凹凸的花键结合、键结合、焊接或铆接等固定到旋转轴11。由此，转子40和旋转轴11一体地旋转。

此外，轴承部20的轴承21、22被组装到固定部44的径向外侧。如上所述，由于轴承部20固定于外壳30的端面部32，因此旋转轴11和转子40可旋转地支承于外壳30。由此，转子40在外壳30内旋转自如。

转子40仅在其轴向两侧中的单侧设有固定部44，由此，转子40悬臂支承于旋转轴11。此处，转子40的固定部44在轴向上的两个不同位置处由轴承部20的轴承21、22支承为能旋转。即，转子40在转子主体41的轴向的两侧端部中的一方侧由轴向两个部位的轴承21、22支承为能旋转。因此，即使是转子40悬臂支承于旋转轴11的结构，也能实现转子40的稳定旋转。在这种情况下，在转子40的相对于轴向中心位置向单侧偏移的位置处，转子40由轴承21、22支承。

此外，在轴承部20中，对于靠近转子40的中心(图的下侧)的轴承22和其相反侧(图的上侧)的轴承21，外圈25、内圈26与滚珠27之间的间隙尺寸不同，例如，靠近转子40的中心的轴承22与其相反侧的轴承21相比，间隙尺寸更大。在这种情况下，在靠近转子40的中心的一侧，即使转子40的抖动、因部件公差引起的不平衡所导致的振动作用于轴承部20，也能良好地吸收上述抖动、振动的影响。具体地，通过在靠近转子40的中心(图的下侧)的轴承22中利用预压使游隙尺寸(间隙尺寸)变大，从而能通过上述游隙部分吸收在悬臂结构中产生的振动。上述预压可以是恒定位置预压，也可以通过向轴承22的轴向外侧(图的上侧)的台阶插入预压用弹簧、波形垫圈等来施加上述预压。

此外，中间部45构成为在径向中心侧和其外侧具有轴向的台阶。在这种情况下，在中间部45中，径向的内侧端部和外侧端部在轴向上的位置不同，由此，磁体保持部43和固定部44在轴向上一部分重叠。即，磁体保持部43比固定部44的基端部(图的下侧的里侧端部)向轴向上侧突出。根据本结构，与中间部45无台阶地设为平板状的情况相比，能够在转子40的重心附近的位置使转子40支承于旋转轴11，从而能实现转子40的稳定动作。

根据上述中间部45的结构，转子40中，在径向上包围固定部44并且靠近中间部45内的位置，环状地形成有收容轴承部20的一部分的轴承收容凹部46，并且在径向上包围轴承收容凹部46并且靠近中间部45外的位置，形成有收容后述的定子50的定子绕组51的线圈边端部54的线圈收容凹部47。此外，上述各收容凹部46、47配置为在径向的内外相邻。即，轴承部20的一部分和定子绕组51的线圈边端部54配置为在径向内外重叠。由此，能够缩短旋转电机10中轴向的长度尺寸。

能够通过使线圈边端部54向径向的内侧或外侧弯曲来减小该线圈边端部54的轴向尺寸，从而能够缩短定子的轴长。线圈边端部54的弯曲方向最好考虑和转子40的组装。假设将定子50组装在转子40的径向内侧，则在对于该转子40的插入前端侧，线圈边端部54最好向径向内侧弯曲。相反侧的弯曲方向可以是任意的，但是在制造方面优选空间上有余裕的外径侧。

此外，磁体部42由多个磁体构成，该多个磁体配置为在磁体保持部43的径向内侧沿着周向交替地改变磁极。在后面详细描述磁体部42。

定子50设于转子40的径向内侧。定子50具有卷绕形成为大致筒状的定子绕组51和配置于其径向内侧的定子铁芯52。定子绕组51配置为隔着规定的气隙与圆环状的磁体部42相对。定子绕组51由多个相绕组构成。通过以规定间距将在周向上排列的多根导线彼此连接来构成上述各相绕组。在本实施方式中，通过使用U相、V相和W相的三相绕组以及X相、Y相和Z相的三相绕组并且使用两组的上述三相绕组，从而将定子绕组51构成为六相的相绕组。此外，定子绕组51由作为绝缘构件的密封构件57密封，该密封构件57由作为密封材料的合成树脂材料构成。

定子铁芯52通过由软磁性材料构成的层叠钢板形成为圆环状并呈中空圆筒状，并且组装在定子绕组51的径向内侧。

定子绕组51具有线圈侧部53和线圈边端部54、55，上述线圈侧部53是在轴向上与定子铁芯52重叠的部分并且位于定子铁芯52的径向外侧，上述线圈边端部54、55在轴向上向定子铁芯52的一端侧和另一端侧分别突出。线圈侧部53在径向上与定子铁芯52、转子40的磁体部42分别相对。在转子40的内侧配置有定子50的状态下，轴向两侧的线圈边端部54、55中的位于轴承部20侧(图的上侧)的线圈边端部54收容于由转子40的转子主体41形成的线圈收容凹部47。在后面详细描述定子50。

逆变器单元60具有：通过螺栓等紧固件固定于外壳30的单元基座61；以及组装于上述单元基座61的电气组件62。单元基座61包括：固定于外壳30的开口部33侧的端部的端板部63；以及一体地设于上述端板部63并在轴向上延伸的壳体部64。端板部63在其中心部具有圆形的开口部65，并且以从开口部65的周缘部立起的方式形成壳体部64。

定子50组装于壳体部64的外周面。即，壳体部64的外径尺寸与定子铁芯52的内径尺寸相同，或者略小于定子铁芯52的内径尺寸。通过将定子铁芯52组装于壳体部64的外侧，使定子50和单元基座61一体化。此外，由于单元基座61固定于外壳30，因此在将定子铁芯52组装于壳体部64的状态下，定子50处于与外壳30一体化的状态。

此外，壳体部64的径向内侧是收容电气组件62的收容空间，在该收容空间以包围旋转轴11的方式配置有电气组件62。壳体部64具有作为收容空间形成部的作用。电气组件62构成为包括：构成逆变器电路的半导体模块66、控制基板67以及电容器模块68。

此处，除了上述图1至图5之外，还使用逆变器单元60的分解图即图6进一步说明逆变器单元60的结构。

在单元基座61中，壳体部64具有筒状部71和端面部72，该端面部72设于上述筒状部71的轴向两端部中的一方的端部(轴承部20侧的端部)。筒状部71的轴向两端部中的端面部72的相反侧通过端板部63的开口部65全面敞开。在端面部72的中央形成有圆形的孔73，并且旋转轴11能插通于该孔73。

壳体部64的筒状部71是对配置于其径向外侧的转子40、定子50与配置于其径向内侧的电气组件62之间进行分隔的分隔部。转子40、定子50与电气组件62分别配置成夹着筒状部71在径向内外排列。

此外，电气组件62是构成逆变器电路的电气部件，具有动力运行功能和发电功能，上述动力运行功能使电流以规定顺序向定子绕组51的各相绕组流动从而使转子40旋转，上述发电功能伴随旋转轴11的旋转而输入流向定子绕组51的三相交流电流，作为发电电力向外部输出。另外，电气组件62也可以仅具有动力运行功能和发电功能中的任意一方。例如，当旋转电机10用作车辆用动力源时，发电功能是向外部输出再生电力的再生功能。

作为电气组件62的具体结构，在旋转轴11的周围设有呈中空圆筒状的电容器模块68，并且在该电容器模块68的外周面上沿周向并排配置有多个半导体模块66。电容器模块68包括彼此并联连接的多个平滑用电容器68a。具体地，电容器68a是层叠有多个薄膜电容器而成的层叠式薄膜电容器，且横截面呈梯形。通过环状地并排配置有十二个电容器68a而构成电容器模块68。

另外，在电容器68a的制造过程中，例如，使用多个薄膜层叠而成的规定宽度的长条薄膜，将薄膜宽度方向设为梯形高度方向，并且以梯形的上底和下底交替的方式将长条薄膜切断为等腰梯形，从而制作电容器元件。然后，通过将电极等安装于上述电容器元件来制作电容器68a。

半导体模块66具有例如MOSFET(Metal-Oxide-Semi conductor Field-EffectTransistor：金属-氧化物半导体场效应晶体管)、IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor：绝缘栅双极型晶体管)等半导体开关元件，并且形成为大致板状。在本实施方式中，旋转电机10包括两组三相绕组，由于针对每个三相绕组设有逆变器电路，因此将共计十二个半导体模块66设于电气组件62。

半导体模块66以夹在壳体部64的筒状部71与电容器模块68之间的状态配置。半导体模块66的外周面与筒状部71的内周面抵接，半导体模块66的内周面与电容器模块68的外周面抵接。在这种情况下，在半导体模块66中产生的热量通过壳体部64传递至端板部63，并从端板部63释放。

半导体模块66最好在外周面侧即在径向上，在半导体模块66与筒状部71之间具有间隔件69。在这种情况下，在电容器模块68中与轴向正交的横截面的截面形状为正十二边形，而筒状部71的内周面的横截面形状为圆形，因此，间隔件69的内周面为平坦面，外周面为曲面。间隔件69也可以在半导体模块66的径向外侧以连接为圆环状的方式一体地设置。另外，筒状部71的内周面的横截面形状也可以是与电容器模块68相同的十二边形。在这种情况下，间隔件69的内周面和外周面均优选为平坦面。

此外，在本实施方式中，在壳体部64的筒状部71形成有供冷却水流通的冷却水通路74，在半导体模块66产生的热量也向在冷却水通路74中流动的冷却水释放。即，壳体部64包括水冷机构。如图3和图4所示，冷却水通路74形成为环状，以包围电气组件62(半导体模块66和电容器模块68)。半导体模块66沿着筒状部71的内周面配置，在沿径向内外与上述半导体模块66重叠的位置设有冷却水通路74。

由于在筒状部71的外侧配置有定子50，在内侧配置有电气组件62，因此，定子50的热量从筒状部71的外侧传递至筒状部71，并且半导体模块66的热量从内侧传递至筒状部71。在这种情况下，能同时冷却定子50和半导体模块66，从而能高效地释放旋转电机10中的发热构件的热量。

此外，电气组件62包括：在轴向上设于电容器模块68的一方的端面的绝缘片75；以及设于另一方的端面的配线模块76。在这种情况下，电容器模块68的轴向两端面中的一方的端面(轴承部20侧的端面)与壳体部64的端面部72相对，并且以夹着绝缘片75的状态与端面部72重合。此外，在另一方的端面(开口部65侧的端面)组装有配线模块76。

配线模块76具有由合成树脂材料制成的并呈圆形板状的主体部76a、以及埋设于其内部的多个母线76b、76c。配线模块76通过母线76b、76c与半导体模块66、电容器模块68电连接。具体地，半导体模块66具有从上述轴向端面延伸的连接销66a，并且该连接销66a在主体部76a的径向外侧连接到母线76b。此外，母线76c在主体部76a的径向外侧向与电容器模块68相反的一侧延伸，并且在其前端部连接到配线构件79(参照图2)。

如上所述，根据在电容器模块68的轴向两侧分别设有绝缘片75和配线模块76的结构，作为电容器模块68的散热路径，形成有从电容器模块68的轴向两端面到端面部72和筒状部71的路径。由此，能够从电容器模块68中设有半导体模块66的外周面之外的端面部散热。即，不仅能沿径向散热还能沿轴向散热。

此外，由于电容器模块68呈中空圆筒状，并且在其内周部隔着规定的间隙配置有旋转轴11，因此电容器模块68的热量也能从上述中空部释放。在这种情况下，由于通过旋转轴11的旋转而产生气流，从而提高了上述冷却效果。

圆板状的控制基板67安装于配线模块76。控制基板67具有形成有规定的配线图案的印刷电路板(PCB)，在上述板上安装有包括各种IC、微型计算机等的控制装置77。控制基板67通过螺钉等固定件固定于配线模块76。控制基板67在其中央部具有供旋转轴11插通的插通孔67a。

另外，构成为，在配线模块76的轴向两侧中的电容器模块68的相反侧设有控制基板67，配线模块76的母线76c从上述控制基板67的两面的一方侧向另一方侧延伸。在上述结构中，控制基板67优选设有避免与母线76c的干涉的切口。例如，优选切除呈圆形的控制基板67的外缘部的一部分。

如上所述，根据在壳体部64所包围的空间内收容有电气组件62，在其外侧层状地设有外壳30、转子40以及定子50的结构，能理想地屏蔽在逆变器电路中产生的电磁噪声。即，在逆变器电路中，利用基于规定载波频率的PWM控制进行各半导体模块66中的开关控制，虽然认为上述开关控制会产生电磁噪声，但是能通过电气组件62的径向外侧的外壳30、转子40、定子50等理想地屏蔽上述电磁噪声。

在筒状部71中，在端板部63的附近形成有通孔78，上述通孔78供将筒状部71的外侧的定子50和内侧的电气组件62电连接的配线构件79(参照图2)插通。如图2所示，配线构件79通过压接、焊接等分别连接到定子绕组51的端部和配线模块76的母线76c。配线构件79是例如母线，其接合面优选是压扁的。通孔78优选设于一个部位或者多个部位，在本实施方式中，在两个部位设有通孔78。根据在两个部位设有通孔78的结构，能够分别通过配线构件79容易地将从两组的三相绕组延伸的绕组端子接线，从而适用于进行多相接线。

如上所述，在外壳30内，如图4所示，从径向外侧依次设有转子40和定子50，并且在定子50的径向内侧设有逆变器单元60。此处，在将外壳30的内周面的半径设为d的情况下，在距旋转中心d×0.705的距离的径向外侧配置有转子40和定子50。在这种情况下，若将从转子40和定子50中的径向内侧的定子50的内周面(即定子铁芯52的内周面)向径向内侧的区域设为第一区域X1，将在径向上从定子50的内周面到外壳30之间的区域设为第二区域X2，则第一区域X1的横截面的面积大于第二区域X2的横截面的面积。此外，在转子40的磁体部42和定子绕组51在轴向上重叠的范围观察，第一区域X1的体积大于第二区域X2的体积。

另外，若将转子40和定子50设为磁路组件，则在外壳30内，从上述磁路组件的内周面向径向内侧的第一区域X1的体积大于在径向上从磁路组件的内周面到外壳30之间的第二区域X2的体积。

接着，更详细地说明转子40和定子50的结构。一般，作为旋转电机的定子的结构，已知一种结构，在由层叠钢板制成并且呈圆环状的定子铁芯上沿周向设置多个切槽，并且在该切槽内卷绕定子绕组。具体地，定子铁芯具有以规定间隔从轭部沿径向延伸的多个极齿，沿周向相邻的极齿之间形成有切槽。而且，在切槽内例如在径向上收容有多层导线，由该导线构成定子绕组。

但是，根据上述的定子结构，在定子绕组通电时，伴随定子绕组的磁动势增加，在定子铁芯的极齿部分产生磁饱和，认为这会导致旋转电机的转矩密度被限制。即，认为在定子铁芯中，由定子绕组的通电产生的旋转磁通集中于极齿，从而产生磁饱和。

此外，一般地，作为旋转电机的IPM转子的结构，已知一种结构，在d轴配置有永磁体，在q轴配置有转子铁芯。在这种情况下，通过使d轴附近的定子绕组励磁，根据弗莱明定律，励磁磁通从定子流入转子的q轴。而且由此认为在转子的q轴铁芯部分产生了大范围的磁饱和。

图7是示出了表示定子绕组的磁动势的安培匝数[AT]和转矩密度[Nm/L]的关系的转矩线图。虚线表示一般的IPM转子式旋转电机的特性。如图7所示，在一般的旋转电机中，由于在定子中增加磁动势会使切槽之间的极齿部分和q轴铁芯部分这两个部位产生磁饱和，从而导致转矩的增加被限制。这样，在上述一般的旋转电机中，安培匝数方案值限制为X1。

因此，在本实施方式中，为了克服磁饱和引起的转矩限制，在旋转电机10中设置以下所示的结构。即，作为第一方案，为了使定子中在定子铁芯的极齿处产生的磁饱和消失，在定子50中采用无切槽结构，并且为了使IPM转子的q轴铁芯部分处产生的磁饱和消失，采用SPM转子。根据第一方案，虽然能够使产生磁饱和的上述两个部位的部分消失，但是认为会使低电流区域的转矩减少(参照图7的点划线)。因此，作为第二方案，为了通过实现SPM转子的磁通增强来挽回转矩减少，在转子40的磁体部42中采用使磁体磁路变长来提高磁力的极性各向异性结构。

此外，作为第三方案，在定子绕组51的线圈侧部53中采用使导线的径向厚度变小的扁平导线结构，以挽回转矩的减少。此处，认为通过上述提高了磁力的极性各向异性结构，在相对的定子绕组51会产生更大的涡电流。然而，根据第三方案，由于是在径向上较薄的扁平导线结构，因此能抑制定子绕组51中的径向的涡电流的产生。这样，根据上述各第一至第三的结构，如图7的实线所示，能采用磁力较高的磁体来实现转矩特性的大幅改进，并且还能减轻磁力较高的磁体会导致产生较大的涡电流的担忧。

此外，作为第四方案，采用利用极性各向异性结构并具有与正弦波相近的磁通密度分布的磁体部。由此，能够通过后述的脉冲控制等来提高正弦波匹配率从而实现转矩增强，并且由于是与径向磁体相比更缓和的磁通变化，因此还能进一步抑制涡电流损耗。

此外，作为第五方案，将定子绕组51设为聚集并捆扎多股线材的线材导体结构(线材集合体)。由此，基波分量被集电而流过大电流，并且由于线材各自的截面积变小，因此与在径向上变薄的第三方案相比，能够更有效地抑制在扁平导线结构中沿周向扩展的导线处产生的周向的涡电流。而且，由于捻合了多股线材，相对于来自导体的磁动势，能够抵消相对于电流通电方向根据右旋法则产生的磁通相对应的涡电流。

这样，当进一步增加第四方案和第五方案时，在采用第二方案的磁力较高的磁体的同时，可以进一步抑制由上述较高的磁力引起的涡电流损耗并且增强转矩。

以下，对上述的定子50的无切槽结构、定子绕组51的扁平导线结构以及磁体部42的极性各向异性结构分别增加说明。此处，首先对定子50的无切槽结构和定子绕组51的扁平导线结构进行说明。图8是转子40和定子50的横剖视图，图9是放大表示图8所示的转子40和定子50的一部分的图。图10是示出了沿着图11的X-X线的定子50的横截面的剖视图，图11是示出了定子50的纵截面的剖视图。此外，图12是定子绕组51的立体图。另外，图8和图9中，用箭头表示磁体部42中磁体的磁化方向。

如图8至图11所示，定子铁芯52在轴向上层叠有多个电磁钢板，并且呈在径向上具有规定厚度的圆筒状，定子绕组51组装于成为转子40侧的径向外侧。在定子铁芯52中，转子40侧的外周面是导线设置部(导体区域)。定子铁芯52的外周面呈没有凹凸的曲面状，在该外周面上以规定间隔沿周向配置有多个导线组81。定子铁芯52作为背轭发挥作用，该背轭成为用于使转子40旋转的磁路的一部分。在这种情况下，成为在沿周向相邻的各两个导线组81之间没有设置由软磁性材料制成的极齿(即铁芯)的结构(即无切槽结构)。在本实施方式中，构成为密封构件57的树脂材料进入上述各导线组81的间隙56。即，在定子50中，在周向上设于各导线组81之间的导线间构件构成为非磁性材料的密封构件57。关于密封构件57的密封前的状态，在定子铁芯52的径向外侧以分别隔开导线间区域即间隙56的方式以规定间隔沿周向配置有导线组81，由此构成无切槽结构的定子50。换言之，如后面所述，各导线组81由两个导线(conductor：导体)82构成，在定子50的周向上相邻的各两个导线组81之间仅由非磁性材料占据。除了密封构件57之外，上述非磁性材料还包括空气等非磁性气体、非磁性液体等。另外，以下，密封构件57也称为导线间构件(conductor-to-conductormember：导体对导体构件)。

另外，沿周向排列的各导线组81之间设有极齿的结构是指，极齿在径向上具有规定厚度并且在周向上具有规定宽度，从而在各导线组81之间形成磁路的一部分即磁体磁路的结构。关于上述这一点，在各导线组81之间没有设置极齿的结构是指没有形成上述的磁路的结构。

如图10所示，定子绕组(即电枢绕组)51形成为具有规定的厚度T2(以下也称为第一尺寸)和宽度W2(以下也称为第二尺寸)。厚度T2是定子绕组51的在径向上彼此相对的外侧面与内侧面之间的最短距离。宽度W2是作为定子绕组51的多相(实施例中为三相：U相、V相和W相这三相或者X相、Y相和Z相这三相)之一发挥作用的定子绕组51的一部分的定子绕组51的周向上的长度。具体地，在图10中，当沿周向相邻的两个导线组81作为三相内之一的例如U相发挥作用时，宽度W2是在周向上从上述两个导线组81的一端到另一端的宽度。而且，厚度T2小于宽度W2。

另外，厚度T2优选小于存在于宽度W2内的两个导线组81的总宽度尺寸。此外，也可以是，当定子绕组51(更详细为导线82)的截面形状是正圆形状、椭圆形状或者多边形形状时，将导线82的沿定子50的径向的截面中的定子50的径向上的最大长度设为W12，将该截面中的定子50的周向上的最大长度设为W11。

如图10和图11所示，定子绕组51由密封构件57密封，该密封构件57由作为密封材料(模塑材料)的合成树脂材料构成。即，定子绕组51和定子铁芯52一起通过模塑材料模制。另外，作为非磁性体或者非磁性体的等同物，树脂可以看作Bs＝0(即，磁通为0)。

在图10的横截面观察，构成为，密封构件57是在各导线组81之间、即间隙56填充合成树脂材料而设置的，通过密封构件57在各导线组81之间夹设绝缘构件。即，密封构件57在间隙56中作为绝缘构件发挥作用。密封构件57在定子铁芯52的径向外侧设置在包括所有各导线组81的范围、即径向的厚度尺寸大于各导线组81的径向的厚度尺寸的范围。

此外，在图11的纵截面观察，密封构件57设置在包括定子绕组51的拐弯部84的范围。在定子绕组51的径向内侧，密封构件57设置在包括定子铁芯52的在轴向上相对的端面的至少一部分的范围。在这种情况下，定子绕组51中除了各相的相绕组的端部、即和逆变器电路连接的连接端子之外的大致整体被树脂密封。

根据密封构件57设置在包括定子铁芯52的端面的范围的结构，能够通过密封构件57将定子铁芯52的层叠钢板向轴向内侧按压。由此，能够使用密封构件57保持各钢板的层叠状态。另外，虽然在本实施方式中，没有对定子铁芯52的内周面进行树脂密封，但是除此之外，还可以构成为对包括了定子铁芯52的内周面的定子铁芯52的整体进行树脂密封。

当旋转电机10作为车辆动力源使用时，密封构件57优选由高耐热性氟树脂、环氧树脂、PPS树脂、PEEK树脂、LCP树脂、硅树脂、PAI树脂、PI树脂等构成。此外，当从抑制由膨胀差引起的开裂的观点出发考虑线性膨胀系数时，期望是与定子绕组51的导线的外膜相同的材质。即，期望排除线性膨胀系数一般为其他树脂的成倍以上的硅树脂。另外，在像电动车辆那样，不具有利用了燃烧的装置的电气产品中，具有180℃左右的耐热性的PP0树脂、酚醛树脂、FRP树脂也成为候补。在旋转电机的周围温度看作低于100℃的领域中，没有上述限定。

旋转电机10的转矩与磁通的大小成比例。此处，当定子铁芯具有极齿时，定子处的最大磁通量依赖并限制于极齿处的饱和磁通密度，但是当定子铁芯不具有极齿时，定子处的最大磁通量不被限制。因此，在增加对于定子绕组51的通电电流来实现旋转电机10的转矩增加这方面是有利的。

在本实施方式中，通过在定子50中使用没有极齿的结构(无切槽结构)来减小定子50的电感。具体地，在由多个极齿分隔的各切槽收容有导线的一般的旋转电机的定子中，电感是例如1mH左右，与此相对，本实施方式的定子50中电感减小到5～60μH左右。在本实施方式中，能够设为外转子结构的旋转电机10，并且通过减小定子50的电感来降低机械时间常数Tm。即，能在实现高转矩的同时减小机械时间常数Tm。另外，机械时间常数Tm由下式计算，其中J是惯量，L是电感，Kt是转矩常数，Ke是反电动势常数。通过下式，可以确认通过减小电感L能减小机械时间常数Tm。

Tm＝(J×L)/(Kt×Ke)

截面呈扁平矩形的多个导线82在定子铁芯52的径向上排列设置，从而构成定子铁芯52的径向外侧的各导线组81。各导线82以在横截面中“径向尺寸＜周向尺寸”的方向配置。由此，在各导线组81中实现了径向的薄壁化。此外，实现了径向的薄壁化的同时，导体区域平坦地延伸到以往有极齿的区域，成为扁平导线区域结构。由此，通过在周向上扁平化来增加导体的截面积，从而抑制了由于薄壁化而使截面积变小所导致的导线的发热量的增加。另外，即使是在周向上排列多股导线并使上述导线并联连接的结构，也会发生导体膜这部分导致的导体截面积下降，但是能够得到基于相同的理由的效果。另外，以下，各导线组81和各导线82也称为传导构件(conductive member：导电构件)。

由于没有切槽，因此，根据本实施方式的定子绕组51，能够将其周向一周的定子绕组51所占据的导体区域设计为大于不存在定子绕组51的非导体占据区域。另外，现有的车辆用旋转电机中，定子绕组的周向一周的导体区域/非导体占据区域自然在1以下。另一方面，在本实施方式中，将各导线组81设置成导体区域与非导体占据区域相等或者导体区域大于非导体占据区域。此处，如图10所示，若将在周向上配置有导线82(即后述的直线部83)的导线区域设为WA，将相邻的导线82之间的导线间区域设为WB，则导线区域WA在周向上大于导线间区域WB。

作为定子绕组51的导线组81的结构，该导体组81的径向的厚度尺寸小于一个磁极内的相当于一相的周向的宽度尺寸。即，在导线组81在径向上由两层导线82构成，并且在一个磁极内针对一相在周向上设有两个导线组81的结构中，当将各导线82的径向的厚度尺寸设为Tc，将各导线82的周向的宽度尺寸设为Wc时，构成为“Tc×2＜Wc×2”。另外，作为其他结构，在导线组81由两层导线82构成，并且在一个磁极内针对一相在周向上设有一个导线组81的结构中，最好构成为“Tc×2<Wc”的关系。总之，在定子绕组51中以规定间隔沿周向配置的导线部(导线组81)的径向的厚度尺寸小于一个磁极内的相当于一相的周向的宽度尺寸。

换言之，一股一股的各导线82的径向的厚度尺寸Tc最好小于周向的宽度尺寸Wc。此外，在径向上由两层导线82构成的导线组81的径向的厚度尺寸(2Tc)、即导线组81的径向的厚度尺寸(2Tc)最好小于周向的宽度尺寸Wc。

旋转电机10的转矩与导线组81的定子铁芯52的径向的厚度大致成反比。关于这点，通过在定子铁芯52的径向外侧使导线组81的厚度变薄，成为对实现旋转电机10的转矩增加这方面有利的结构。作为上述的理由，是因为能够缩小从转子40的磁体部42到定子铁芯52的距离(即没有铁的部分的距离)，从而降低磁阻。由此，能够增大永磁体与定子铁芯52的交链磁通，从而能增强转矩。

此外，通过使导线组81的厚度变薄，即使磁通从导线组81泄漏也能容易回收到定子铁芯52，从而能抑制磁通向外部泄漏而没有有效地用于提高转矩。即，能够抑制由于磁通泄漏而使磁力下降，从而能够增大永磁体与定子铁芯52的交链磁通以增强转矩。

导线82(conductor)由导体(conductor body)82a的表面被绝缘膜82b包覆的包覆导线构成，从而在径向上互相重合的导线82彼此之间以及在导线82与定子铁芯52之间分别确保绝缘性。如果后述的线材86是自熔包覆线，则上述绝缘膜82b是其包覆膜，或者由与线材86的包覆膜不同的、重叠的绝缘构件构成。另外，除了用于连接的露出部分之外，由导线82构成的各相绕组通过绝缘膜82b保持绝缘性。作为露出部分，例如是输入输出端子部或者形成星形连接时的中性点部分。在导线组81中，使用树脂固接或自熔包覆线，将在径向上相邻的各导线82互相固接。由此，抑制了导线82彼此相互摩擦导致的绝缘破坏、振动以及声音。

在本实施方式中，导体82a构成为多股线材(wire)86的集合体。具体地，如图13所示，导体82a通过将多股线材86捻合而形成为捻线状。此外，如图14所示，线材86构成为将较细的纤维状的导电构件87捆扎而成的复合体。例如，线材86是CNT(碳纳米管)纤维的复合体，作为CNT纤维，使用包括了以硼置换至少一部分碳的含硼微细纤维的纤维。作为碳微细纤维，除了CNT纤维之外，还可以使用气相生长法碳纤维(VGCF)等，但优选使用CNT纤维。此外，线材86的表面优选覆盖有由聚酰亚胺的膜、酰胺酰亚胺的膜构成的作为高分子绝缘层的、所谓的搪瓷膜。

导线82在定子绕组51中构成n相绕组。而且，导线82(即，导体82a)的各自的线材86在彼此接触状态下相邻。导线82是线材集合体，其中，绕组导体在相内的一个部位以上具有捻合多股线材86而形成的部位，并且捻合的线材86之间的电阻值大于线材86本身的电阻值。换言之，当相邻的各两股线材86在上述相邻的方向上具有第一电阻率、各线材86在其长度方向上具有第二电阻率时，第一电阻率是大于第二电阻率的值。另外，导线82也可以是以下那样的线材集合体：由多股线材86形成并且通过第一电阻率极高的绝缘构件覆盖多股线材86。此外，导线82的导体82a由捻合的多股线材86构成。

由于在上述导体82a中捻合多股线材86而构成，因此能够抑制各线材86处的涡电流的产生，并且减小导体82a的涡电流。此外，通过捻合各线材86，在一股线材86中产生了磁场的施加方向互相相反的部位，从而抵消反电动势。因此，仍然能够减小涡电流。尤其是，通过用纤维状的导电构件87构成线材86，能够细线化并大幅增加捻合次数，从而进一步理想地减小涡电流。

另外，此处所说的线材86彼此的绝缘方法不限定于前述的高分子绝缘膜，也可以是利用接触电阻使电流难以在捻合的线材86之间流动的方法。即，若成为捻合的线材86之间的电阻值大于线材86本身的电阻值的关系，则能通过因电阻值的差而产生的电位差来得到上述效果。例如，优选的是，能通过将制作线材86的制造设备和制作旋转电机10的定子50(电枢)的制造设备作为分开的非连续的设备使用，从而根据移动时间、作业间隔等使线材86氧化，从而增加接触电阻。

如上所述，导线82是截面呈扁平矩形，在径向上并排配置有多个的构件，通过使例如由包括熔合层和绝缘层的自熔包覆线包覆的多股线材86以捻合的状态集合，并使上述熔合层彼此熔合，从而维持形状。另外，也可以将不包括熔合层的线材、自熔包覆线的线材在捻合的状态下利用合成树脂等固化为期望的形状而成形。当将导线82的绝缘膜82b的厚度设为例如80μm～100μm，设为比通常使用的导线的膜厚(5～40μm)厚时，即使没有在导线82与定子铁芯52之间夹着绝缘纸等，也能确保导线82与定子铁芯52两者之间的绝缘性。

此外，期望绝缘膜82b构成为，与线材86的绝缘层相比具有较高的绝缘性能，可以使相之间绝缘。例如，当将线材86的高分子绝缘层的厚度设为例如5μm左右时，希望将导线82的绝缘膜82b的厚度设为80μm～100μm左右，从而能够理想地实施相之间的绝缘。

此外，导线82也可以是不捻合而捆扎多股线材86的结构。即，导线82只要是在其全长捻合多股线材86的结构、在全长中的一部分捻合多股线材86的结构、在全长不捻合而捆扎多股线材86的结构中的任意一种即可。总之，构成导线部的各导线82为以下那样的线材集合体：捆扎多股线材86并且捆扎的线材之间的电阻值大于线材86本身的电阻值。

各导线82弯曲形成为在定子绕组51的周向上以规定的配置图案配置，由此，作为定子绕组51形成针对各相的相绕组。如图12所示，在定子绕组51中，通过各导线82中的在轴向上直线状地延伸的直线部83形成线圈侧部53，通过在轴向上向线圈侧部53的两外侧突出的拐弯部84形成线圈边端部54、55。交替地重复直线部83和拐弯部84，从而各导线82构成为波形的一连串的导线。直线部83配置于在径向上与磁体部42相对的位置，在磁体部42的轴向外侧的位置隔着规定间隔配置的同相的直线部83彼此通过拐弯部84互相连接。另外，直线部83相当于“磁体相对部”。

在本实施方式中，定子绕组51通过分布绕组而卷绕形成为圆环状。在这种情况下，线圈侧部53中，针对每相在周向上以与磁体部42的一极对对应的间隔配置有直线部83，在线圈边端部54、55中，每相的各直线部83通过形成为大致V字形的拐弯部84互相连接。与一极对对应而成对的各直线部83的各自的电流的方向互相相反。此外，在一方的线圈边端部54和另一方的线圈边端部55，由拐弯部84连接的一对直线部83的组合分别不同，通过在周向上重复上述线圈边端部54、55处的连接，使定子绕组51形成为大致圆筒状。

更具体地，定子绕组51中，每相使用两对导线82来构成各相的绕组，定子绕组51中的一方的三相绕组(U相、V相、W相)和另一方的三相绕组(X相、Y相、Z相)设于径向内外的两层。在这种情况下，若将定子绕组51的相数设为S(实施例的情况下为6)，将导线82的每相的数量设为m，则针对各极对形成有2×S×m＝2Sm个导线82。在本实施方式中，由于是相数S为6、数量m为4且为8极对(16极)的旋转电机，因此在定子铁芯52的周向上配置有6×4×8＝192股导线82。

在图12所示的定子绕组51中构成为，在线圈侧部53中，在沿径向相邻的两层重叠配置有直线部83，并且在线圈边端部54、55中，拐弯部84从沿径向重叠的各直线部83以互相沿周向相反的方向在周向上延伸。即，在沿径向相邻的各导线82中，除了定子绕组51的端部，拐弯部84的方向互相相反。

此处，对定子绕组51中导线82的卷绕结构进行具体的说明。在本实施方式中，将通过波形卷绕形成的多个导线82重叠设置于沿径向相邻的多层(例如两层)。图15A、图15B是表示第n层的各导线82的形态的图，图15A表示从定子绕组51的侧方观察到的导线82的形状，图15B表示从定子绕组51的轴向一侧观察到的导线82的形状。另外，在图15A、图15B中，将配置有导线组81的位置分别表示为D1、D2、D3…。此外，为了便于说明，仅表示了三股导线82，将其设为第一导线82_A，第二导线82_B、第三导线82_C。

各导线82_A～82_C中，直线部83均配置于第n层的位置、即在径向上相同的位置，在周向上每6个位置(相当于3×m对)分开的直线部83彼此通过拐弯部84互相连接。换言之，各导线82_A～82_C中，在以转子40的轴心为中心的同一个圆上，在定子绕组51的周向上相邻而排列的七个直线部83的两端的两个通过一个拐弯部84互相连接。例如，在第一导线82_A中，一对直线部83分别配置于D1、D7，上述一对直线部83彼此通过倒V字形的拐弯部84连接。此外，其他的导线82_B、82_C在相同的第n层中分别配置为使周向的位置错开一个位置。在这种情况下，由于各导线82_A～82_C均配置于相同层，因此认为拐弯部84会互相干涉。因此，在本实施方式中，在各导线82_A～82_C的拐弯部84形成使一部分沿径向偏置的干涉避免部。

具体地，各导线82_A～82_C的拐弯部84具有：作为在同一个圆(第一圆)上沿周向延伸的部分的一个倾斜部84a；从倾斜部84a向比上述同一个圆靠近径向内侧(图15B中为上侧)的位置偏移，到达其他圆(第二圆)的顶部84b；在第二圆上沿周向延伸的倾斜部84c；以及从第一圆回到第二圆的返回部84d。顶部84b、倾斜部84c以及返回部84d相当于干涉避免部。另外，倾斜部84c也可以是相对于倾斜部84a向径向外侧偏移的结构。

即，各导线82_A～82_C的拐弯部84夹着周向的中央位置即顶部84b在其两侧具有一方侧的倾斜部84a和另一方侧的倾斜部84c，上述各倾斜部84a、84c的径向的位置(图15A中为纸面前后方向的位置，图15B中为上下方向的位置)互相不同。例如，第一导线82_A的拐弯部84构成为，以n层的D1位置为起点位置沿着周向延伸并在周向的中央位置即顶部84b向径向(例如径向内侧)弯曲后，再次朝周向弯曲，由此，再次沿着周向延伸，进而在返回部84d处再次向径向(例如径向外侧)弯曲，从而到达终点位置即n层的D7位置。

根据上述结构，在导线82_A～82_C中构成为，一方的各倾斜部84a从上方以第一导线82_A→第二导线82_B→第三导线82_C的顺序沿上下排列，并且各导线82_A～82_C的上下在顶部84b处交换，另一方的各倾斜部84c从上方以第三导线82_C→第二导线82_B→第一导线82_A的顺序沿上下排列。因此，能够使各导线82_A～82_C不互相干涉地在周向上配置。

此处，在沿径向重叠多个导线82来形成导线组81的结构中，连接到多层的各直线部83中的径向内侧的直线部83的拐弯部84和连接到径向外侧的直线部83的拐弯部84最好配置为比上述各直线部83彼此更沿径向远离。此外，当多层导线82在拐弯部84的端部即和直线部83的边界部附近向径向的相同侧弯曲时，最好不发生因上述相邻层的导线82彼此的干涉使绝缘性受损的情况。

例如在图15A、图15B的D7～D9中，沿径向重叠的各导线82在拐弯部84的返回部84d处分别向径向弯曲。在这种情况下，如图16所示，最好使第n层的导线82和第n+1层的导线82的弯曲部的曲率半径不同。具体地，使径向内侧(第n层)的导线82的曲率半径R1小于径向外侧(第n+1层)的导线82的曲率半径R2。

此外，最好使第n层的导线82和第n+1层的导线82的径向的偏移量不同。具体地，使径向内侧(第n层)的导线82的偏移量S1大于径向外侧(第n+1层)的导线82的偏移量S2。

根据上述结构，即使在沿径向重叠的各导线82沿相同方向弯曲的情况下，也能理想地避免各导线82的相互干涉，由此，会得到良好的绝缘性。

接着，对转子40中磁体部42的极性各向异性结构进行说明。如图8和图9所示，磁体部42呈圆环状，并设于转子主体41的内侧(详细而言磁体保持部43的内周侧)。使用称为海尔贝克阵列的磁体阵列来构成磁体部42。即，磁体部42具有：将磁化方向(磁极的方向)设为径向的第一磁体91、以及将磁化方向(磁极的方向)设为周向的第二磁体92，以规定间隔在周向上配置有第一磁体91并且在沿周向相邻的第一磁体之间的位置配置有第二磁体92。第一磁体91和第二磁体92是由例如钕磁体等稀土类磁体构成的永磁体。

第一磁体91以使与定子50相对的一侧(内周侧)的极交替为N极和S极的方式在周向上互相分开配置。此外，第二磁体92配置为在与各第一磁体91相邻的位置处周向的磁极的方向交替地反向。

此外，在第一磁体91的外周侧、即转子主体41的磁体保持部43侧配置有由例如电磁钢板、软铁和压粉铁芯材料构成的磁性体93。在这种情况下，磁性体93的周向的长度(尤其是磁性体93的转子40的径向内侧的边的周向的长度)与第一磁体91的周向的长度(尤其是第一磁体91的转子40的径向外侧的边的周向的长度)相同。此外，在使第一磁体91和磁性体93一体化的状态下的该一体物的径向的厚度与第二磁体92的径向的厚度相同。换言之，第一磁体91的径向厚度比第二磁体92的径向厚度薄了磁性体93的量。各磁体91、92和磁性体93例如通过粘接剂互相固接。在磁体部42中第一磁体91的外周侧是与定子50相反的一侧，磁性体93设于径向上的第一磁体91的两侧中的与定子50相反的一侧(定子相反侧)。

接着，对控制旋转电机10的控制系统的结构进行说明。图17是旋转电机10的控制系统的电路图，图18是示出了控制装置77的控制处理的功能框图。

在图17中，作为定子绕组51示出了两组三相绕组51a、51b，三相绕组51a由U相绕组、V相绕组和W相绕组构成，三相绕组51b由X相绕组、Y相绕组和Z相绕组构成。针对三相绕组51a、51b，分别设有第一逆变器101和第二逆变器102。逆变器101、102由具有与相绕组的相数相同数量的上臂开关Sp和下臂开关Sn的全桥电路构成，通过设于各臂的开关(半导体开关元件)的接通断开对定子绕组51的各相绕组中的通电电流进行调节。另外，逆变器101、102的各开关相当于图1等所示的半导体模块66。

直流电源103和平滑电容器104并联连接到各逆变器101、102。直流电源103由例如多个单电池串联连接的组电池构成。另外，平滑电容器104相当于图1等所示的电容器模块68。

控制装置77包括具有CPU和各种存储器的微型计算机，基于旋转电机10中的各种检测信息、动力运行驱动和发电的请求，通过逆变器101、102的各开关的接通断开实施通电控制。旋转电机10的检测信息包括：例如由解析器等角度检测器检测出的转子40的旋转角度(电角度信息)、以及由电压传感器检测出的电源电压(逆变器输入电压)。控制装置77生成并输出对逆变器101、102的各开关进行操作的操作信号。

第一逆变器101在由U相、V相和W相构成的三相中分别包括上臂开关Sp和下臂开关Sn的串联连接体。各相的上臂开关Sp的高电位侧端子连接到直流电源103的正极端子，各相的下臂开关Sn的低电位侧端子连接到直流电源103的负极端子(接地)。在上臂开关SpU与下臂开关SnU之间的中间连接点连接有U相绕组的一端，在上臂开关SpV与下臂开关SnV之间的中间连接点连接有V相绕组的一端，在上臂开关SpW与下臂开关SnW之间的中间连接点连接有W相绕组的一端。上述各相绕组被星形接线(Y接线)，并且各相绕组的另一端在中性点处互相连接。

第二逆变器102具有与第一逆变器101相同的结构，在由X相、Y相和Z相构成的三相中分别包括上臂开关Sp和下臂开关Sn的串联连接体。各相的上臂开关Sp的高电位侧端子连接到直流电源103的正极端子，各相的下臂开关Sn的低电位侧端子连接到直流电源103的负极端子(接地)。在上臂开关SpX与下臂开关SnX之间的中间连接点连接有X相绕组的一端，在上臂开关SpY与下臂开关SnY之间的中间连接点连接有Y相绕组的一端，在上臂开关SpZ与下臂开关SnZ之间的中间连接点连接有Z相绕组的一端。上述各相绕组被星形连接(Y连接)，并且各相绕组的另一端在中性点处互相连接。

图18示出了对U相、V相和W相的各相电流进行控制的控制处理以及对X相、Y相和Z相的各相电流进行控制的控制处理。此处首先对U相、V相和W相侧的控制处理进行说明。

控制装置77包括对照表(转矩-导通率、规定期间对照表)，上述对照表存储有：用于使旋转电机10以从高阶的控制装置输入的指令信号所包含的转矩指令值旋转的上臂开关Sp和下臂开关Sn各自的规定导通率的信息、以及上臂开关Sp和下臂开关Sn各自以规定导通率进行驱动的规定期间的信息。具体地，该对照表存储有：与规定导通率相对于转矩指令值的关系相关的信息、以及与规定期间相对于转矩指令值的关系相关的信息。另外，在该对照表中，规定期间的期间开始时间点以及期间结束时间点根据转子40的磁极位置θ进行设定。另外，对照表也可以存储有：与规定导通率相对于电流指令值的关系相关的信息、以及与规定期间相对于电流指令值的关系相关的信息。在从高阶的控制装置输入的指令信号中包含电流指令值来代替转矩指令值的情况下，使用存储了与规定导通率相对于电流指令值的关系相关的信息、以及与规定期间相对于电流指令值的关系相关的信息的对照表，来确定规定导通率和规定期间。

另外，由于供给到旋转电机10的电力的有效电压根据直流电源103的电压与规定导通率之间的关系而变化，因此，控制装置77也可以根据由电压传感器(未图示)检测出的直流电源103的电压(以下，简称为“电源电压”)来调节参照上述对照表而确定的规定导通率。例如，在电源电压高于基准值的情况下，减小确定的规定导通率，在电源电压低于基准值的情况下，增大确定的规定导通率，由此调节供给到旋转电机10的电力的有效电压。作为一例，预先准备记载有电源电压与规定导通率关系的电压对照表，并且使用该电压对照表来进行规定导通率的调节。

在本实施方式中，导通率是逆变器101、102的开关元件(上臂开关Sp、下臂开关Sn)接通而产生的一个脉冲的时间相对于通过PWM控制生成的电压的波形的一个周期期间的比例。此外，通过PWM控制生成的电压的波形的一个周期是上述一个脉冲的时间和上述开关元件断开而没有脉冲产生的时间之和。导通率是电压的脉冲时间与电压的波形的一个周期之比，因此，有时也表现为百分率，但是在本实施方式中，原则上，导通率取为0以上1以下的数值，在优先直观地理解数值的情况下，利用百分率来表现。

逆变器101、102根据由控制装置77计算出的导通率，使作为逆变器101、102的开关元件的上臂开关Sp和下臂开关Sn接通断开，从而生成供给到各相绕组的电力。

控制装置77参照上述对照表，生成表示与所输入的转矩指令值以及转子40的磁极位置θ对应的导通率和规定期间的操作信号。根据转子40的磁极位置θ来确定规定期间的期间开始时间点以及期间结束时间点。

在生成操作信号时，参照U相、V相、W相的各相的绕组温度。例如，在绕组温度为规定的阈值以上的情况下，生成与绕组温度小于规定的阈值的情况相比降低了导通率和规定期间中的至少一个的操作信号。使用热敏电阻等温度检测用的元件来获取绕组温度。

另外，在绕组温度为比上述规定的阈值高的规定值以上的情况下，作为一例，将导通率设定为0.5，直到温度低于规定值稍后时间为止、或者将所有元件(上臂开关Sp和下臂开关Sn)的导通率设定为零。通过这样使导通率降低，减轻了旋转电机10的负载，并且使绕组的温度降低。

控制装置77将生成的操作信号输出到脉冲发生器112a。脉冲发生器112a基于操作信号，通过PWM控制来生成使上臂开关Sp和下臂开关Sn接通断开的矩形波状的PWM信号，并输出到驱动器114。

脉冲发生器112a所输出的PWM信号的电压不足以使上臂开关Sp和下臂开关Sn各自的开关元件接通断开，因此在驱动器114中被升压。升压后的PWM信号作为驱动信号被输出到逆变器101。

以上，对U相、V相和W相侧的控制处理进行说明。除了脉冲发生器112b生成PWM信号这一点之外，X相、Y相、Z相侧的控制处理与U相、V相、W相侧的控制处理大致相同，因此省略详细的说明。

图19是输出到各相的导通率指令的时序图。U相、V相、W相各具有电角度120度的相位差，U相和X相、V相和Y相、W相和Z相各具有电角度30度的相位差。图19的横轴是与电角度对应的时间。

如图19所示，若在时间ta处上臂开关SpU接通，下臂开关SnW接通，则直流电源103的电力从U相绕组向W相绕组通电。

若在从时间ta开始经过了相当于电角度30度的时间后的时间tb处，上臂开关SpX接通，下臂开关SnZ接通，则直流电源103的电力从X相绕组向Z相绕组通电。

若在从时间ta开始经过了相当于电角度120度的时间后的时间tc处，上臂开关SpV接通，则直流电源103的电力从V相绕组与U相绕组一起向W相绕组通电。

若在从时间tc开始经过了相当于电角度30度的时间后的时间td处，上臂开关SpY接通，则直流电源103的电力从Y相绕组与X相绕组一起向Z相绕组通电。

若在从时间tc经过了相当于电角度120度的时间后的时间te处，上臂开关SpW接通，下臂开关SnU接通，则直流电源103的电力从W相绕组与V相绕组一起向U相绕组通电。

若在从时间te开始经过了相当于电角度30度的时间后的时间tf处，上臂开关SpZ接通，下臂开关SnX接通，则直流电源103的电力从Z相绕组与Y相绕组一起向X相绕组通电。

若在从时间te开始经过了相当于电角度120度的时间后的时间tg处，下臂开关SnV接通，则直流电源103的电力从W相绕组向U相绕组和V相绕组通电。

若在从时间te开始经过了相当于电角度30度的时间后的时间th处，下臂开关SnY接通，则直流电源103的电力从Z相绕组向X相绕组和Y相绕组通电。

在从时间tg开始经过了相当于电角度120度的时间后的时间ti以后，重复从上述时间ta开始的通电。

图20表示各相的导通率的变化的详细情况。基本单位每隔360电角度重复，重复相同的状态直到指令值发生变化。导通率取从0到1.0之间的任意值。期间(t0～t1)是导通率0.5的中止期间。导通率0.5是指上臂开关Sp和下臂的晶体管互补地每隔导通率0.5断续的平衡状态，因此，绕组的平均电流为零。另外，开关频率在整个期间内为恒定值，例如设定为50kHz。由于在定子绕组51中不存在由铁芯等磁性物质构成的芯部即极齿，因此，电感极小，绕组的时间常数为0.2msec以下，因此需要以足够快的频率进行驱动。此外，在无极齿的情况下，一般在定子绕组51的导体间设置空隙，但是也可以代替空隙而具有由铝或树脂等非磁性物质构成的芯部。

在本实施方式中，由于定子绕组51中不存在极齿，因此需要以足够快的频率进行驱动，与此相对，与定子绕组51交链的磁通在空隙中无限制地流动，即使定子绕组51的电流波形紊乱，交链磁通也平滑地变化，因此如后所述，旋转电机10的噪音、振动并未受到影响。

指令值duty是输出规定转矩所需要的导通率，根据性能测定预先确定并存储。期间(t1～t2)是导通率变化为0.5～duty的值的渐变期间。若该期间较长，则响应变差，因此最好适当快速地升高。期间(t2～t3)是以规定导通率即duty的值进行驱动的规定期间，上臂开关Sp的导通率为duty，下臂开关Sn的导通率以1－duty，从而互补地驱动。

作为一例，在U相的情况下，互补驱动是指在上臂开关SpU以规定导通率即duty反复接通断开时，下臂开关SnU以导通率1－duty，与上臂开关SpU互补地反复接通断开。具体地，在上臂开关SpU接通时，下臂开关SnU断开，在上臂开关SpU断开时，下臂开关SnU接通。

图21是表示互补驱动中的上臂开关SpU和下臂开关SnU的动作的一例的说明图。在本实施方式中，将电压波形的一个周期设为“1”时的上臂开关SpU的导通率为duty，相对于上臂开关SpU互补地动作的下臂开关SnU的导通率为1－duty。但是，若上臂开关SpU和下臂开关SnU同时接通，则逆变器101、102会损伤，因此，为了防止上臂开关Sp和下臂开关Sn同时接通，设定所谓微小的滞后时间。其结果是，严格来讲，上臂开关SpU的导通率是稍微小于duty的值，下臂开关SnU的导通率是稍微小于1－duty的值，但是在本实施方式中，为了简化说明，为了方便，将上臂开关SpU的导通率设为duty，将下臂开关SnU的导通率设为1－duty。另外，在图21中，对U相进行了说明，但是其他的V相、W相、以及X相、Y相、Z相的互补驱动的动作也与U相的情况相同，因此省略详细的说明。

在互补驱动中，上臂开关SpU接通的结果是U相绕组中可能产生涡电流，但是通过在上臂开关SpU断开的时刻使下臂开关SnU接通，能够使产生的涡电流流向直流电源103的负极端子(接地)，从而能够使导通损耗极小化。

在期间(t2～t3)中，上臂开关Sp的规定导通率duty是恒定的，并且下臂开关Sn的导通率1－duty是恒定的。在本实施方式中，将使上臂开关Sp的规定导通率和下臂开关Sn的导通率在规定期间(t3－t2)等中分别设为恒定的控制称为高频导通率恒定控制。

另外，规定期间(t3－t2)设定为电角度120度以上且小于180度。若小于120度，则在各相中产生未通电期间，不仅不能发挥转矩性能，还会产生转矩脉动。若大于180度，则产生上臂开关Sp和下臂开关Sn同时接通的状态，逆变器101、102与直流电源103短路，因此必须避免这种情况。

期间(t3～t4)是导通率从duty渐变为0.5的期间，期间(t4～t5)是导通率为0.5的中止期间。

期间(t5～t6)是导通率渐变为0.5～1－duty的期间，期间(t6～t7)是导通率设为规定的1－duty进行驱动的期间。上臂开关Sp以导通率1－duty进行驱动，下臂开关Sn以导通率duty进行驱动，是上臂开关Sp与下臂开关Sn互补地驱动的期间。只要该规定期间(t7－t6)设定为等于规定期间(t3－t2)即可。期间(t7～t8)是导通率从1－duty渐变为0.5的期间。

对于一系列的期间，前提是将(t4－t0)设定为180度，将(t8－t0)设定为360度。另外，在实际运用中，为了防止上臂开关Sp和下臂开关Sn同时接通，与上述互补驱动的情况相同地，设定所谓微小的滞后时间，因此，例如即使在导通率为0.5的状态下，一般严格地也设置导通率为0.49等的微小的中止期间。

在想增大转矩的情况下，增大duty值，并且使规定期间(t3－t2)在120度以上、小于180度的范围内延长即可。duty值和规定期间(t3－t2)的长度可以分别独立地设定，也可以从属地设定。从属设定是指例如在增大duty值的情况下增大规定期间(t3－t2)的长度、或在增大规定期间(t3－t2)的长度的情况下增大duty值的设定。

在图20中，将规定期间(t3－t2)和规定期间(t3－t2)之后的规定期间(t7－t6)以180度期间单位对称地设定、即将规定期间(t7－t6)与规定期间(t3－t2)设定为等长。通过这种设定，能使旋转电机10稳定且安静地运转，并且互补地驱动上臂开关Sp和下臂开关Sn，因此能使导通损耗极小化。但是，如果是不在意噪音振动的装置，则也可以将规定期间(t7－t6)和规定期间(t3－t2)设定为不相等。

图22是表示转矩与规定期间长度的对应关系的一例的说明图。如图22所示，在使转矩增大的情况下，使图20的规定期间(t3－t2)的长度延长。在图22中，转矩与规定期间长度存在比例关系，但是在一般的旋转电机中，不限定于这种方式。根据旋转电机的规格，转矩与规定期间长度的关系也可以是非线性的，具体的方式根据旋转电机的规格来确定。

图23A表示以往的中频PWM控制，图23B表示本实施方式的本申请的高频导通率恒定控制。旋转电机10使用的绕组的时间常数为200μ秒。图23A是应用了开关频率10kHz的正弦波PWM控制的结果，图23B是应用了开关频率50kHz、上臂开关Sp的导通率为0.75(下臂开关Sn的导通率为0.25)、导通率恒定期间为电角度120度的高频导通率恒定控制的结果。

如图23A所示，PWM控制由于依次实施了电流反馈，因此能够得到比较接近正弦波的包络线，但是由于每次开关时的电流脉动较大，而且频率较大，因此，逆变器或电动机铁芯中的损失较大。若开关频率进一步升高，则电流传感器的检测值的A/D转换无法与较快的开关频率对应，从而使电流控制性受损。

另一方面，在本实施方式中，如图23B所示，由于不需要应用对电流传感器的检测值进行A/D转换来使用的电流反馈控制，因此，虽然会产生低阶的电流畸变，但是与伴随电流反馈控制的PWM控制相比，每次开关时的电流脉动能够抑制到1/10左右，从而能够抑制高频的损失。

另外，控制装置77不限定于仅能实施高频导通率恒定控制的结构。换言之，除了高频导通率恒定控制之外，控制装置77在不使用高频导通率恒定控制的情况下，也可以实施电流反馈控制。在实施电流反馈控制的情况下，需要电流传感器和A/D变换器，但是能够提高冗余性、或者能够根据状况区分使用控制方法。

图23B中的低阶的电流畸变由低阶的谐波产生。但是，由低阶的谐波引起的低阶的电流畸变在实际使用中没有太大的影响。其理由是，在定子50中，由于不存在极齿，因此空隙中的相对导磁率大致为1.0，由于磁通的流动没有空间约束力，因此该磁通自由地流过空隙，从而适度地均等化。其结果是，与绕组交链的磁通波形变得平滑，不需要太在意由低阶的电流畸变引起的振动噪音。

图24是表示本实施方式中的通电控制的处理的一例的流程图。在步骤170中，对是否从控制装置77的高阶的控制装置向控制装置77输入了指令信号进行判断，在输入了指令信号的情况下，步骤转移到步骤172，在未输入指令信号的情况下，使处理返回。

在步骤172中，获取转子40的位置信息即磁极位置θ。磁极位置θ从解析器、TMR传感器或霍尔传感器等角度检测器所输出的信号中抽出。然后，在步骤174中，基于角度检测器等输出的信号，获取转子40的转速。

在步骤176中，获取绕组的温度信息。使用热敏电阻等温度检测用的元件来获取温度信息。然后，在步骤178中，获取直流电源103的电源电压。

在步骤180中，确定规定期间和规定导通率。规定期间和规定导通率参照上述对照表来确定，例如，若从高阶的控制装置输入的指令信号表示的转矩指令值较大，则延长规定期间，并且增大规定导通率，若该转矩指令值较小，则缩短规定期间，并且减小规定导通率。根据在步骤172中获取的转子40的磁极位置θ来确定规定期间的期间开始时间点以及期间结束时间点。根据在步骤174中获取的转速来确定包括规定期间的期间开始时间点和期间结束时间点的相位的变化。根据在步骤178获取的电源电压来调节使用对照表确定的规定导通率。如上所述，使用记载有电源电压和规定导通率关系的电压对照表来进行规定导通率的调节。并且，在步骤176中获取的绕组温度为规定的阈值以上的情况下，与绕组温度小于规定的阈值的情况相比，使导通率和规定期间中的至少一个降低。

在步骤182中，生成表示与所输入的转矩指令值、绕组温度以及电源电压对应的导通率和规定期间且表示与转子40的磁极位置θ和转子40的转速对应的相位的操作信号。然后，在步骤184中，将生成的操作信号输出到脉冲发生器112a、112b，并返回处理。

如以上说明的那样，根据本实施方式，在图20所示的规定期间(t3－t2)等中，通过使上臂开关Sp的规定导通率恒定，并且使与上臂开关Sp互补地动作的下臂开关Sn的导通率恒定，由此抑制了逆变器101、102的每次开关时的电流脉动。

此外，根据本实施方式，通过使上臂开关Sp的规定导通率恒定，并且使与上臂开关Sp互补地动作的下臂开关Sn的导通率恒定，不需要依据电流传感器的电流反馈控制，因此，能使开关动作进一步高速化，从而能进行抑制了每次开关时的电流脉动的高频导通率恒定控制。

其结果是，根据本实施方式，能够得到在无极齿绕组的旋转电机中能够进行稳定的旋转控制的旋转电机的控制装置和旋转电机的控制方法。

[第二实施方式]

接着，对第二实施方式进行说明。本实施方式在直流电源103与逆变器101、102之间插入电压调节器212这一点上与第一实施方式不同，但是电压调节器212和控制装置177之外的结构与第一实施方式相同，因此对于与第一实施方式相同的结构，标注与第一实施方式相同的标号并省略详细说明。

图25表示本实施方式的控制系统的电路结构。如图26所示，电压调节器212是包括电抗器214、直流电源103侧的开关元件216和逆变器101侧的开关元件218的各个开关元件的斩波电路、即所谓的H桥型升降压转换器。另外，电压调节器212的逆变器侧输出端通过平滑电容器204被短路。

电压调节器212的输出电压能够由各开关元件的导通率来确定。H桥型升降压转换器本身是公知的，因此省略详细的动作原理的说明，对如何将该桥电路应用于本实施方式进行说明。

在本实施方式中，在如图20所示的规定期间(t3－t2)中，逆变器101、102侧的各开关元件不实施开关，而是执行所谓的矩形波电压驱动。即，使上臂开关Sp的导通率duty为1.0的状态持续到最大电角度180度的期间。180度之后使上臂开关Sp和下臂开关Sn反转，剩余的180度期间将下臂开关Sn的导通率(1－duty)控制为1.0，因此，上臂开关Sp的导通率控制为duty＝0.0。在这种状态下，电源电压将由绕组阻抗终止，流过过大的电流，因此，由电压调节器212将对绕组施加的电压调节为适当的电流值。使用存储在控制装置177中的对照表来控制适当的电流值和应该施加的电压。控制装置177一边参照该对照表一边依次实施电压控制。作为一例，对照表是相对于转矩指令值或电流指令值针对转子40的每个规定的转数设定电压调节器212输出的电压值的表。

由于绕组的时间常数足够小，因此，导通率为1(百分率为100％)的刚接通后的电流的流动方式为LR电路(积分电路)的阶跃响应，虽然上升稍有延迟，但是最终达到电流值是由Vt/R这样的欧姆定律规定的值，其中，施加电压为Vt、绕组的电阻值为R。即，由于流过的电流值由Vt确定，因此，只要根据应流过的电流来预先确定该Vt即可。

对线间电压最大能施加电压调节器212的输出电压即Vt。如果定子绕组51是三相的Y连接，则相电压被施加Vt/1.732的电压，因此，相电流的达到值为Vt/1.732R。另外，由于绕组电阻因通电引起的自身发热而变化，因此也可以使用温度检测器等对温度进行检测并进行电压的修正。

近年来，已有以100kHz左右来实施电压调节器212的开关的报道。由于与电动机绕组不同，想要通过单相绕组来实现电抗器214的小型化，因此，提高开关频率来实现小型化。另外，对于电抗器214的铁芯材料，也开发了面向超高频的专用材料，通过在电抗器214中采用这种铁芯材料，能提高电力转换效率。

在本实施方式中，通过将基于电压调节器212的电压调节和基于逆变器101、102的三相驱动分开而进行专用设计，使供给到绕组的电力的总和的电力转换效率良好。

另外，在本实施方式中，在逆变器101、102侧，开关元件不进行开关，因此，不发生开关损耗，也能抑制浪涌电压。逆变器101、102侧不需要电流检测，也不需要通过正弦波PWM控制来确定施加于绕组的电压的相位的DQ变换，因此能够减轻运算负荷。

图27是表示供给到本实施方式的旋转电机10的电流的波形的一例的说明图。未进行电流反馈控制的本实施方式的电流的波形如图27所示，细微的电流脉动为零。

虽然低阶的谐波大于图23B所示的第一实施方式，但是由于在本实施方式的定子50中不存在极齿，因此空隙中的相对导磁率大致为1.0，由于磁通的流动没有空间约束力，因此该磁通自由地流过空隙，从而适度地均等化，因此，与绕组交链的磁通波形变得平滑。因此，在图27所示程度的包容度下，振动噪音变得不太明显。

如以上说明的那样，根据本实施方式，在如图20所示的规定期间(t3－t2)内，逆变器101、102侧的各开关元件不实施开关，而是执行所谓的矩形波电压驱动，并且省略了电流反馈控制和DQ转换，从而抑制了逆变器101、102的每次开关时的电流脉动。

根据本实施方式，由于不需要依据电流传感器的电流反馈控制以及DQ转换，因此能够降低控制装置177的运算负荷，能够实现开关动作的进一步高速化，从而能够顺畅地进行通过无极齿使绕组低电感化的旋转电机10的旋转控制。

其结果是，根据本实施方式，能够得到在无极齿绕组的旋转电机中能够进行稳定的旋转控制的旋转电机的控制装置和旋转电机的控制方法。

另外，第一实施方式以及第二实施方式以外转子型来表示，但是当然也可以应用于内转子型。

(变形例1)

在上述第一实施方式以及第二实施方式中，构成为将定子铁芯52的外周面设为没有凹凸的曲面状，以规定间隔在该外周面并排配置多个导线组81，但是也可以对此进行变更。例如，如图28所示，定子铁芯52具有圆环状的轭部141和突起部142，其中，上述轭部141设于定子绕组51的径向两侧中的与转子40相反的一侧(图的下侧)，上述突起部142以从上述轭部141朝向沿着周向相邻的直线部83之间突出的方式延伸。突起部142以规定间隔设于轭部141的径向外侧即转子40侧。定子绕组51的各导线组81和突起部142在周向上卡合，将突起部142用作导线组81的定位部并且将其沿周向并排配置。另外，突起部142相当于“导线间构件”。

突起部142构成为，从轭部141起算的径向的厚度尺寸，换言之如图28所示，在轭部141的径向上从直线部83的与轭部141相邻的内侧面320到突起部142的顶点的距离W，小于径向内外的多层直线部83中的在径向上与轭部141相邻的直线部83的径向的厚度尺寸的1/2(图的H1)。换言之，只要定子绕组51(定子铁芯52)的径向上的导线组81(传导构件)的尺寸(厚度)T1(导线82的厚度的两倍、换言之导线组81的与定子铁芯52接触的面320和导线组81的朝向转子40的面330的最短距离)的四分之三的范围由非磁性构件(密封构件57)占有即可。通过上述突起部142的厚度限制，在沿周向相邻的导线组81(即直线部83)之间突起部142不作为极齿发挥作用，无法形成由极齿形成的磁路。也可以不针对沿周向排列的各导线组81之间全部设置突起部142，只要在沿周向相邻的至少一组导线组81之间设置突起部142即可。例如，突起部142可以每隔各导线组81之间的规定数量以等间隔在周向上设置。突起部142的形状可以是矩形、圆弧形等任意的形状。

此外，也可以在定子铁芯52的外周面设有一层直线部83。因此，广义上，突起部142的从轭部141起算的径向的厚度尺寸只要小于直线部83的径向的厚度尺寸的1/2即可。

另外，当假设以旋转轴11的轴心为中心并且通过沿着径向与轭部141相邻的直线部83的径向的中心位置的假想圆时，突起部142最好呈在上述假想圆的范围内从轭部141突出的形状，换言之不向假想圆的径向外侧(即转子40侧)突出的形状。

根据上述结构，限制了突起部142的径向的厚度尺寸，并且在沿周向相邻的直线部83之间不作为极齿发挥作用，因此与在各直线部83之间设有极齿的情况相比，能够拉近相邻的各直线部83。由此，能够增大导体82a的截面积，从而能减少伴随定子绕组51的通电而产生的发热。在上述结构中，能够通过不设置极齿来消除磁饱和，从而能增大向定子绕组51的通电电流。在这种情况下，能够理想地应对发热量伴随上述通电电流的增大而增加的情况。此外，在定子绕组51中，拐弯部84具有沿径向偏移来避免和其他拐弯部84的干涉的干涉避免部，因此能够将不同的拐弯部84彼此沿径向分开配置。由此，能够在拐弯部84中也实现散热性的提高。综上，能够使定子50处的散热性能合理化。

此外，若定子铁芯52的轭部141和转子40的磁体部42(即各磁体91、92)分开规定距离以上，则突起部142的径向的厚度尺寸不限于图28的H1。具体地，若轭部141和磁体部42分开2mm以上，则突起部142的径向的厚度尺寸也可以是图28的H1以上。例如，也可以是，当直线部83的径向厚度尺寸超过2mm，并且导线组81由径向内外的两层导线82构成时，在与轭部141不相邻的直线部83即从轭部141起算第二层的导线82的一半位置的范围，设置突起部142。在这种情况下，只要突起部142的径向厚度尺寸不超过“H1×3/2”，就能够通过增大导线组81中的导体截面积来大幅得到上述效果。

此外，定子铁芯52也可以是图29所示的结构。另外，在图29中，省略了密封构件57，但是也可以设有密封构件57。在图29中，为了便于说明，将磁体部42和定子铁芯52直线状地展开表示。

在图29的结构中，定子50在沿周向相邻的导线82(即直线部83)之间具有作为导线间构件的突起部142。定子50具有一部分350，当定子绕组51通电时，该一部分350和磁体部42的磁极之一(N极或者S极)一起发挥磁作用，并且该一部分350在定子50的周向上延伸。当将上述部分350的沿定子50的周向的长度设为Wn，将存在于上述长度范围Wn的突起部142的总计宽度(即沿定子50的周向的总计尺寸且相对于转子的一磁极的导线间的周向的宽度尺寸)设为Wt，将突起部142的饱和磁通密度(或导线间构件的饱和磁通密度)设为Bs，将磁体部42的与一极对应的周向的宽度尺寸设为Wm，将磁体部42的残留磁通密度设为Br时，突起部142由满足下式(1)的磁性材料构成。

Wt×Bs≤Wm×Br…(1)

另外，范围Wn设定为包括沿周向相邻并且励磁时间重叠的多个导线组81。此时，优选将导线组81的间隙56的中心设定为设定范围Wn时的基准(边界)。例如，在图29例示的结构的情况下，从在周向上距N极的磁极中心的距离最短的导线组81依次到距离第四短的导线组81相当于该多个导线组81。而且，范围Wn设定为包括该四个导线组81。此时，范围Wn的一端(起点和终点)为间隙56的中心。

在图29中，在范围Wn的两端分别包括半个突起部142，因此范围Wn包括总计四个的突起部142。因此，当将突起部142的宽度(即定子50的周向上的突起部142的尺寸，换言之相邻的导线组81的间隔)设为A时，范围Wn所包括的突起部142的总计宽度为，Wt＝1/2A+A+A+A+1/2A＝4A。

详细地，在本实施方式中，定子绕组51的三相绕组是分布绕组，在上述定子绕组51中，对于磁体部42的一极，突起部142的数量即各导线组81之间的间隙56的数量为“相数×Q”个。此处Q是指一相的导线82中的与定子铁芯52接触的数量。另外，当导线组81构成为沿转子40的径向层叠有导线82时，Q也可以说是一相的导线组81的内周侧的导线82的数量。在这种情况下，当定子绕组51的三相绕组以各相规定顺序通电时，在一极内与两相对应的突起部142被励磁。因此，当将突起部142(即间隙56)的周向的宽度尺寸设为A时，在磁体部42的与一极对应的范围Wm内，由定子绕组51的通电而励磁的突起部142的周向的总计宽度尺寸Wt为“被励磁的相数×Q×A＝2×2×A”。

接着，在这样规定了总计宽度尺寸Wt的基础上，在定子铁芯52中，突起部142由满足上述式(1)的关系的磁性材料构成。另外，总计宽度尺寸Wt是在一极内相对导磁率大于1的部分的周向尺寸。此外，考虑到余裕，也可以将总计宽度尺寸Wt设为一磁极中的突起部142的周向的宽度尺寸。具体地，对于磁体部42的一极的突起部142的数量是“相数×Q”，因此也可以将一磁极中的突起部142的周向的宽度尺寸(总计宽度尺寸Wt)设为“相数×Q×A＝3×2×A＝6A”。

另外，此处所说的分布绕组是指，在磁极的一极对周期(N极和S极)，有定子绕组51的一极对。此处所说的定子绕组51的一极对包括电流互相沿相反方向流动并且在拐弯部84处电连接的两个直线部83和拐弯部84。只要满足上述条件，即使是短节距绕组(ShortPitch Winding)也视为全节距绕组(Full Pitch Winding)的分布绕组的等同物。

接着，示出集中绕组时的例子。此处所说的集中绕组是指，磁极的一极对的宽度与定子绕组51的一极对的宽度不同。作为集中绕组的一例，列举了如下那样的关系：相对于一个磁极对导线组81为3个，相对于两个磁极对导线组81为3个，相对于四个磁极对导线组81为9个，相对于五个磁极对导线组81为9个。

此处，在将定子绕组51设为集中绕组的情况下，当以规定顺序使定子绕组51的三相绕组通电时，与两相对应的定子绕组51被励磁。其结果是，与两相对应的突起部142被励磁。因此，在磁体部42的与一极对应的范围中，通过定子绕组51的通电而励磁的突起部142的周向的宽度尺寸Wt是“A×2”。而且，在这样规定了宽度尺寸Wt的基础上，突起部142由满足上述式(1)的关系的磁性材料构成。另外，在如上所述的集中绕组的情况下，在相同的相的导线组81所包围的区域中，位于定子50的周向的突起部142的宽度的总和设为A。此外，集中绕组的Wm相当于“磁体部42的与气隙相对的面的整周”ד相数”÷“导线组81的分散数”。

在钕磁体、钐钴磁体、铁氧体磁体这样的BH积为20[MGOe(kJ/m³)]以上的磁体中，Bd为1.0[T]以上，在铁中Br为2.0[T]以上。因此，作为高输出电动机，在定子铁芯52中，突起部142只要是满足Wt＜1/2×Wm的关系的磁性材料即可。

此外，也可以是，如后所述，当导线82包括外层膜182时，将导线82沿定子铁芯52的周向配置成导线82彼此的外层膜182接触。在这种情况下，Wt可以看作0、或者接触的两导线82的外层膜182的厚度。

在图28和图29的结构中，构成为具有相对于转子40侧的磁体磁通过小的导线间构件(突起部142)。另外，转子40是电感较低且平坦的表面磁体式转子，并且在磁阻上不具有凸极性。根据上述结构，能够减少定子50的电感，抑制了因定子绕组51的开关时刻的偏差而导致发生磁通畸变，进而抑制了轴承21、22的电腐蚀。

(其他变形例)

以下描述上述之外的变形例。

·磁体部42中径向上电枢侧的面和转子的轴心在径向上的距离DM也可以为50mm以上。具体地，例如，图4所示的磁体部42(具体地，第一磁体91、第二磁体92)中的径向内侧的面和转子40的轴心在径向上的距离DM也可以为50mm以上。

作为无切槽结构的旋转电机，已知使用于输出是几十W到几百W级的模型用等的小型旋转电机。而且，本申请发明人并没有发现一般在超过10kW这样的工业用的大型旋转电机中采用了无切槽结构的事例。对于其理由本申请发明人进行了研究。

近年主流的旋转电机大致分为以下四种。上述旋转电机是指，带刷电动机、笼式感应电动机、永磁体式同步电动机和磁阻电机。

带刷电动机中，经由电刷供给励磁电流。因此，在大型设备的带刷电动机的情况下，电刷大型化，从而维护变得烦杂。由此，伴随半导体技术的显著发展，逐步置换为感应电动机等无刷电动机。另一方面，在小型电动机的领域中，从较低的惯性和经济性的优点出发，还向市面供给有许多无芯电动机。

笼式感应电动机中，原理如下：通过用次级侧的转子的铁芯接收在初级侧的定子绕组产生的磁场来使感应电流集中向笼式导体流动而形成反作用磁场，从而产生转矩。因此，从设备的小型高效的观点出发，在定子侧和转子侧均去除铁芯并不一定是好的对策。

磁阻电机是利用铁芯的磁阻变化的电动机，原理上不希望消除铁芯。

永磁体式同步电动机中，近年来，IPM(即埋入磁体式转子)成为主流，尤其是在大型设备中，只要没有特殊情况，通常会使用IPM。

IPM具有兼备磁体转矩和磁阻转矩的特性，并且在通过逆变器控制适时调节上述转矩的比例的同时进行运转。因此，IPM是小型且控制性优异的电动机。

根据本申请发明人的分析，当以横轴描绘磁体部中的径向上的电枢侧的面与转子的轴心之间的径向上的距离DM、即一般的内转子的定子铁芯的半径时，产生磁体转矩和磁阻转矩的转子表面的转矩如图30所示。

磁体转矩如下式(2)所示，通过永磁体产生的磁场强度来确定其势位，与此相对，磁阻转矩如下式(3)所示，电感尤其是q轴电感的大小确定其势位。在下式(2)、(3)中，ψ是永磁体的磁通量，Iq是q轴电流，Id是d轴电流，Lq是绕组的q轴电感，Ld是绕组的d轴电感，k是常数。

磁体转矩＝k·Ψ·Iq·······(2)

磁阻转矩＝k·(Lq－Ld)·Iq·Id·····(3)

此处，利用磁体直径DM对永磁体的磁场强度和绕组的q轴电感Lq的大小进行比较。永磁体产生的磁场强度即磁通量Ψ和与定子相对的面的永磁体的总面积成比例。若是圆筒式的转子则为圆筒的表面积。严格来讲，由于存在N极和S极，因此和圆筒表面的一半的专有面积成比例。圆筒的表面积和圆筒的半径、圆筒长度成比例。即，若圆筒长度恒定，则和圆筒的半径成比例。

另一方面，尽管绕组的q轴电感Lq受铁芯形状的影响，但灵敏度较低，而由于绕组的q轴电感Lq与定子绕组的匝数的平方成比例，因此与匝数高度相关。另外，当将μ设为磁路的导磁率、N设为匝数、S设为磁路的截面积、δ设为磁路的有效长度时，电感L＝μ·N²×S/δ。由于绕组的匝数取决于绕组空间的大小，因此若是圆筒式电动机，则取决于定子的绕组空间，即切槽面积。如图31所示，由于切槽的形状为大致四边形，因此，切槽面积与周向的长度尺寸a和径向的长度尺寸b的乘积a×b成比例。

由于切槽的周向的长度尺寸随着圆筒的直径变大而变大，因此与圆筒的直径成比例。切槽的径向的长度尺寸与圆筒的直径成比例。即，切槽面积与圆筒的直径的平方成比例。此外，从上式(3)也可以看出，磁阻转矩与定子电流的平方成比例，因此旋转电机的性能由流过多少大电流确定，并且该性能取决于定子的切槽面积。综上，若圆筒的长度恒定，则磁阻转矩与圆筒的直径的平方成比例。图30是基于此绘制了磁体转矩、磁阻转矩与DM的关系的图。

如图30所示，磁体转矩相对于DM呈线性增加，磁阻转矩相对于DM呈二次函数增加。可以看出，当DM相对较小时，磁体转矩占主导，随着定子铁芯半径变大，磁阻转矩占主导。本申请发明人得出了以下结论：在规定的条件下，图30中的磁体转矩和磁阻转矩的交点大约在定子铁芯半径＝50mm的附近。即，在定子铁芯半径充分超过50mm这样的10kW级电动机中，由于利用磁阻转矩是当前的主流，因此难以消除铁芯，推定这是在大型设备的领域中不采用无切槽结构的理由之一。

为了提高无切槽结构的大型设备的转矩，可以考虑增多转子的磁极数，例如32极或48极等。在该磁极数的转子中，若应用与以往相同匝数的绕组，则即使是低电流也能够以期望的转矩旋转，从而实现省电力。

但是，包括多磁极数的转子和与以往相同的匝数的绕组的旋转电机中，对该绕组的感应电压过大，从而在以往的电力设备中难以运转。

因此，考虑使无切槽结构的绕组的匝数比以往少，并且通过以与以往相同的电流进行驱动来实现省电力。但是，若在无切槽结构中降低绕组的匝数，则绕组的电感急剧地降低，绕组的时间常数变得过小，在以开关控制的电流反馈为基础的无刷电动机中，有可能无法进行稳定的运转。

在定子使用铁芯的旋转电机的情况下，有时会产生铁芯的磁饱和。尤其是，在径向间隙式旋转电机中，旋转轴的纵截面形状是对应每个磁极呈扇形，越朝向设备内周侧磁路宽度越窄而且形成切槽的极齿部分的内周侧尺寸决定旋转电机的性能极限。无论使用何种高性能的永磁体，当在上述部分中发生磁饱和时，都不能充分发挥永磁体的性能。为了在上述部分中不产生磁饱和，将内周径设计得较大，这会导致设备的大型化。

例如，在分布绕组的旋转电机中，若是三相绕组，则每个磁极由三个到六个极齿分担磁通并使其流动，但是由于磁通倾向集中于周向前方的极齿，因此磁通并不会均匀地在三个到六个极齿中流动。在这种情况下，磁通集中地流动于一部分(例如，一个或两个)极齿，并且随着转子的旋转而使磁饱和的极齿也在周向上移动。这也成为产生切槽纹波的主要原因。

综上，在DM为50mm以上(相当于最外径为100mm以上)的无切槽结构的旋转电机中，希望去除极齿来消除磁饱和。然而，当去除极齿时，转子和定子中的磁路的磁阻增加，导致旋转电机的转矩降低。作为磁阻增加的理由，例如转子与定子之间的气隙有时会变大。因此，在上述DM为50mm以上的无切槽结构的旋转电机中，对于增强转矩有改进的余地。因此，在上述DM为50mm以上的无切槽结构的旋转电机中，应用能够增强上述转矩的结构的优点很大。

另外，不限于外转子结构的旋转电机，对于内转子结构的旋转电机，也可以将磁体部中的径向上的电枢侧的面和转子的轴心在径向上的距离DM设为50mm以上。

虽然基于实施例对本公开进行了记述，但是应当理解为本公开并不限定于上述实施例、结构。本公开也包含各种各样的变形例、等同范围内的变形。除此之外，各种各样的组合、方式、进一步包含有仅一个要素、一个以上或一个以下的其他组合、方式也属于本公开的范畴、思想范围。

Claims (15)

1.一种旋转电机(10)的控制装置，所述旋转电机包括转子(40)以及与所述转子(40)同轴地配置的定子(50)，所述定子具有多相的定子绕组(51)，所述多相的定子绕组包括在与所述转子相对的位置处沿周向以规定间隔配置的导线部(81、82)，并且构成为，在所述定子的周向上的所述导线部彼此之间具有使用磁性材料的导线间构件(142)，当将与所述转子的磁体部(42)的一磁极对应的所述导线部之间的周向的宽度尺寸设为Wt，将所述一磁极的周向的宽度尺寸设为Wm，将所述磁体部(42)的残留磁通密度设为Br时，所述磁性材料的饱和磁通密度Bs满足Wt×Bs≤Wm×Br的关系式，或者构成为，在所述定子的周向上的所述导线部彼此之间具有使用非磁性材料的导线间构件(57)，或者构成为，在所述定子的周向上的所述导线部彼此之间不具有所述导线间构件，

所述旋转电机的控制装置包括：

驱动电路(101、102)，所述驱动电路与所述旋转电机(10)的所述定子绕组(51)连接，并且包括数量与绕组相数对应的控制通电状态的一对开关元件(Sp、Sn)，通过所述开关元件(Sp、Sn)的动作来生成供给到所述定子绕组(51)的电力；以及

控制部(77)，所述控制部控制所述驱动电路(101、102)，以使所述驱动电路(101、102)的一相的一对开关元件(Sp、Sn)的导通率为恒定值的期间成为电角度120度以上且小于180度的规定期间。

2.如权利要求1所述的旋转电机的控制装置，其特征在于，

所述一对开关元件(Sp、Sn)是一方连接到高压侧，另一方连接到低压侧的上下一对开关元件(Sp、Sn)，

所述控制部(77)使所述上下一对开关元件(Sp、Sn)的导通率从所述定子绕组(51)的平均电流为零的平衡状态的导通率渐变到所述恒定值。

3.如权利要求2所述的旋转电机的控制装置，其特征在于，

所述控制部(77)以电角度180度为单位来设定包括所述规定期间和使导通率渐变的期间的期间，并且在第一规定期间内，互补地设定上的开关元件(Sp)的导通率和下的开关元件(Sn)的导通率，在所述第一规定期间之后的第二规定期间中，将上的开关元件(Sp)的导通率设定为所述第一规定期间内的下的开关元件(Sn)的导通率，将下的开关元件(Sn)的导通率设定为所述第一规定期间内的上的开关元件(Sp)的导通率。

4.如权利要求3所述的旋转电机的控制装置，其特征在于，

所述控制部(77)分别包括所述导通率和所述规定期间相对于转矩指令值或电流指令值的参照表，

所述控制部根据所述转矩指令值或所述电流指令值来控制所述导通率的所述恒定值和所述规定期间的长度。

5.如权利要求1或2所述的旋转电机的控制装置，其特征在于，

在所述驱动电路(101、102)与将直流电力供给到所述驱动电路(101、102)的电源(103)之间包括电压调节器(212)，

所述控制部(177)将导通率的所述恒定值设定为100％，并且调节所述电压调节器输出的电压，从而对流过所述定子绕组(51)的电流值进行控制。

6.如权利要求5所述的旋转电机的控制装置，其特征在于，

所述控制部(177)包括相对于转矩指令值或电流指令值针对所述转子(40)的每个规定的转数设定电压值的参照表，

所述控制部基于所述参照表来调节所述电压调节器输出的电压。

7.如权利要求1至6中任一项所述的旋转电机的控制装置，其特征在于，

包括温度检测部，所述温度检测部对所述定子绕组(51)的温度进行检测，

在所述温度检测部检测出的温度为规定的阈值以上的情况下，所述控制部(77、177)使导通率的所述恒定值和所述规定期间的至少一个比所述温度小于所述规定的阈值的情况降低。

8.如权利要求1至7中任一项所述的旋转电机的控制装置，其特征在于，

包括位置检测部，所述位置检测部对所述转子(40)的磁极位置进行检测，并且根据由所述位置检测部检测出的磁极位置来确定所述规定期间的期间开始时间点和期间结束时间点。

9.如权利要求1至8中任一项所述的旋转电机的控制装置，其特征在于，

所述转子(50)配置于所述定子(40)的内周侧，

对所述定子绕组(51)进行支承的保持构件(52)是中空的圆筒，在所述圆筒的中空部分隔着散热构件内置有所述控制部(77、177)。

10.如权利要求1至9中任一项所述的旋转电机的控制装置，其特征在于，

所述转子(40)是在与所述定子(50)相对的相对面上配置有永磁体(91、92)的表面磁体式转子。

11.如权利要求1至10中任一项所述的旋转电机的控制装置，其特征在于，

所述转子(40)的永磁体(91、92)取向为极性各向异性。

12.如权利要求1至11中任一项所述的旋转电机的控制装置，其特征在于，

所述定子绕组(51)是利用绝缘构件(57)对捻合作为导体的多股线材而成的线材集合体进行覆盖而形成的。

13.如权利要求1至12中任一项所述的旋转电机的控制装置，其特征在于，

所述旋转电机的最外径为100mm以上。

14.一种旋转电机(10)的控制方法，所述旋转电机包括转子(40)以及与所述转子(40)同轴地配置的定子(50)，所述定子具有多相的定子绕组(51)，所述多相的定子绕组包括在与所述转子相对的位置处沿周向以规定间隔配置的导线部(81、82)，并且构成为，在所述定子的周向上的所述导线部彼此之间具有使用磁性材料的导线间构件(142)，当将与所述转子的磁体部(42)的一磁极对应的所述导线部之间的周向的宽度尺寸设为Wt，将所述一磁极的周向的宽度尺寸设为Wm，将所述磁体部(42)的残留磁通密度设为Br时，所述磁性材料的饱和磁通密度Bs满足Wt×Bs≤Wm×Br的关系式，或者构成为，在所述定子的周向上的所述导线部彼此之间具有使用非磁性材料的导线间构件(57)，或者构成为，在所述定子的周向上的所述导线部彼此之间不具有导线间构件，

所述旋转电机的控制方法对驱动电路(101、102)进行控制，以使所述驱动电路(101、102)的一相的一对开关元件(Sp、Sn)的导通率为恒定值的期间成为电角度120度以上且小于180度的规定期间，所述驱动电路与所述旋转电机(10)的所述定子绕组(51)连接，并且包括数量与绕组相数对应的控制通电状态的一对开关元件(Sp、Sn)，通过所述开关元件(Sp、Sn)的动作来生成供给到所述定子绕组(51)的电力。

15.如权利要求14所述的旋转电机的控制方法，其特征在于，

所述旋转电机的最外径为100mm以上。

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