JP2005210855A

JP2005210855A - 回転電機

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Publication number: JP2005210855A
Application number: JP2004016346A
Authority: JP
Inventors: Soichi Yoshinaga; 聡一吉永
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-01-23
Filing date: 2004-01-23
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2024-01-23
Also published as: US7397159B2; JP4269953B2; US20050179334A1

Abstract

【課題】トルクリップルや磁気振動が少ない同期回転電機を提供すること。
【解決手段】スキュー配置をもつ回転電機において、第１ロータ部２１の軸方向長を第２ロータ部２２の軸方向長より短縮する。これにより、スキュー配置によりキャンセルされるべきトルク高調波成分の振幅が位相角が互いに異なることにより変化するのを防止することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、回転電機に関し、特にトルクリップル低減や磁気騒音低減を実現する同期回転電機に関する。

特許文献１〜３は、それぞれ磁石ロータからなる偶数個のロータ部を回転軸に固定し、各ロータ部を所定次数のトルク高調波成分の半波長に相当する角度だけずらして配置（以下、スキュー配置とも言う）することを提案している。

特許文献４は、上記スキュー配置型のロータにおいて、隣接ロータ間に非磁性材を配置することを提案している。
特許第２６７２１７８号公報特許第３０２８６６９号公報特開平９−１８２３８７号公報特開２００３−２８４２７６号公報

しかしながら、本発明者らの実験、解析によれば、各ロータ部を所定次数（三相タイプでは例えば６次）のトルク高調波成分の半波長に相当する分だけスキューさせることによりこの次数のトルク高調波成分を第１ロータ部と第２ロータ部とで逆位相としてキャンセルすることを目的とする上記従来のスキュー配置型回転電機では、十分なトルク高調波成分のキャンセルができないことが判明した。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、トルクすなわち電磁力の高調波成分に起因するトルクリップルや磁気騒音を良好に低減可能な同期回転電機を提供することをその目的としている。

第１発明の回転電機は、同一回転軸に軸方向に順次固定されて界磁磁束をそれぞれ発生する第１ロータ部と第２ロータ部を少なくとも含むロータと、前記第１ロータ部の外周面に小間隙を隔てて対面するとともに前記第１ロータ部と同期して回転する電機子電流を流す第１ステータ部と、前記第２ロータ部の外周面に小間隙を隔てて対面するとともに前記第２ロータ部と同期して回転する電機子電流を流す第２ステータ部とを少なくとも含むステータとを備え、
前記第１ステータ部の電機子電流に対してトルク０次成分（平均トルク）が最大となるロータ位置である基準ロータ位置を基準とした第１ロータ部の界磁磁束の位相角θが前記基準ロータ位置を基準とした前記第２ロータ部の界磁磁束の位相角θ２に対して異なるスキュー配置をもつ回転電機において、
前記第１ロータ部の界磁磁束量Φ１は、前記第１ロータ部と前記第１ステータ部とからなる第１ペアが発生する電磁力の所定次数の高調波成分Ｆ１の最大振幅値と、前記第２ロータ部と前記第２ステータ部とからなる第２ペアが発生する電磁力の同一次数の高調波成分Ｆ２の最大振幅値との差を減らす向きに、前記第２ロータ部の界磁磁束量Φ２に対して異なることを特徴としている。

すなわち、この発明は、複数のロータ部の界磁磁極を周方向に所定角度ずらせて配置するスキュー配置型回転電機であって、特にこれらロータ部の界磁磁束量を変更することをその特徴としている。なお、ここで言う界磁磁束量とは、ステータの電機子コイルと鎖交する界磁磁束の量を言う。このようにすれば、トルクリップルや磁気振動の原因となるトルク高調波成分を良好に低減することができ、トルクリップルや磁気振動が少ない同期回転電機を提供することができる。

なお、第１ロータ部は第２ロータ部を挟んで複数部分に分割されてもよく、第２ロータ部も第１ロータ部を挟んで複数部分に分割されてもよい。

以下、更に説明する。

従来のスキュー配置型回転電機では、二つのロータ部のトルク高調波成分ベクトルを逆位相すなわちその電気角がπとなるように配置する角度スキューを行うことによるトルク高調波成分の低減を図っていた。このようなスキューを施すと、これら二つのロータ部の界磁極ベクトルは、電機子電流ベクトルに対して互いに異なる角度をもつことになるため、この角度の差に応じてトルクの振幅すなわち最大振幅値自体が変化するため、従来提案されているスキューを行うとトルク高調波成分（ｄｑ軸では直流）の最大振幅値（振幅）が異なってしまう。したがって、所定次数のトルク高調波成分をキャンセルするために上記スキューすなわち二つのロータ部を電気角πだけずらしたとしても、この次数のトルク高調波成分を十分にキャンセルすることができない。

そこで、本発明では、スキューとともに二つのロータ部の界磁磁束量も変更する。トルクすなわち電磁力は、本質的に電機子電流と界磁磁束量との積に応じて変化することを利用して二つのロータ部間の界磁磁束量の差により上記二つのロータ部間のこの次数のトルク高調波成分の最大振幅値を一致させる。これにより、二つのロータ部間の軸方向長が等しい従来のスキュー配置型回転電機に比べて格段にトルク高調波成分が小さく、格段にトルクリップルや磁気騒音が小さい同期回転電機を実現することができる。なお、この磁気騒音の一因を説明すると、ロータに作用するトルク高調波成分の反作用としてステータ部のティースに作用する周方向への力によるティースの振動が考えられる。

好適態様１において、前記高調波成分Ｆ１と前記高調波成分Ｆ２との合成電磁力ΣＦは、Φ１＝Φ２でスキュー配置をもつ場合の前記合成電磁力に比較して半分以下とされる。これにより、従来よりもトルク高調波成分の低減が可能となる。

好適態様２において、前記合成電磁力ΣＦは、Φ１＝Φ２でスキュー配置をもつ場合の前記合成電磁力に比較して１／４以下とされるので、一層のトルク高調波成分の低減が可能となる。

好適態様３において、前記合成電磁力ΣＦは略０とされるので、ほぼこの所定次数のトルク高調波成分はキャンセルされる。なお、この略０とは、一方のロータ部のこの次数のトルク高調波成分のー５〜＋５％の範囲を言う。

好適態様４において、前記高調波成分Ｆ１と前記高調波成分Ｆ２とは略電気角π（１７５〜１８５ｄｅｇ）だけ位相が異なるので、良好にトルク高調波成分のキャンセルが可能となる。

好適態様５において、前記第１ロータ部及び第２ロータ部は磁石ロータからなり、前記第１ロータ部は、前記第２ロータ部と異なる軸方向長をもつ。これにより、両ロータ部の界磁磁束量を簡単に変更することができるため、界磁磁束量を変数とする関数値であるトルク高調波成分の最大振幅値を良好に変更することができる。

好適態様６において、前記第１ロータ部は、前記第２ロータ部に対して２５〜７５％短い軸方向長をもつ。通常において、スキューによる第２ロータ部に対する第１ロータ部のトルク高調波成分の最大振幅値の割合はこの範囲に収まるので、スキューにより生じるトルク高調波成分の最大振幅値の差をこれにより良好に補償することができる。

なお、好適には、第１ロータ部は第２ロータ部に対して、２５、５０、７５％の軸方向長さとされることが好ましい。このようにすれば、第１ロータ部、第２ロータ部に用いる磁石を一種類とすることができる。すなわち、５０％の場合には磁石を一方に軸方向へ一つ、他方へ軸方向へ２つ挿入すればよく、２５％の場合には磁石を一方に軸方向へ一つ、他方へ軸方向へ４つ挿入すればよく、７５％の場合には磁石を一方に軸方向へ３つ、他方へ軸方向へ４つ挿入すればよい。なお、後述するように、５０％の場合において、磁石が軸方向へ一つ挿入された第１ロータ部の軸方向両側にそれぞれ磁石が軸方向へ一つ挿入された第２ロータ部としてのロータ部を設けると、軸方向におけるトルクアンバランス（ねじれ）を良好に低減することができる。なお２５、５０、７５％の軸方向長さだけでなく、このような考え方で軸方向に任意の分割数を設定し、それらを所定の第１ロータと第２ロータの軸方向長さの比で挿入してもよい。

好適態様７において、前記第１ロータ部及び第２ロータ部は磁石ロータからなり、前記第１ロータ部は、前記第２ロータ部と異なる磁石周方向幅をもつ。界磁磁束量を変更するには、磁石の周方向幅を変えても同様に行うことができるため、上記した磁石の軸方向長の変更と同様の効果を奏することができる。

好適態様８において、前記第１ロータ部は、前記第２ロータ部に対して２５〜７５％短い磁石周方向幅をもつため、トルク高調波成分の一層の低減を実現することができる。

好適態様９において、前記第１ロータ部及び第２ロータ部は磁石ロータからなり、前記第１ロータ部は、前記第２ロータ部と異なる磁石磁束密度をもつ。このようにすれば、同一の磁極面積をもつ磁石を用いても両ロータ部間で界磁磁束量を変更することができるので、上記と同様の効果を奏することができる。

好適態様１０において、前記第１ロータ部は、前記第２ロータ部に対して２５〜７５％少ない磁石磁束密度をもつため、トルク高調波成分の一層の低減を実現することができる。

好適態様１１において、前記第１ロータ部及び第２ロータ部は磁石ロータからなり、前記第１ロータ部は、前記第２ロータ部と異なるロータ内短絡磁束量をもつ。ＩＰＭ型ロータでは磁石磁束の一部はロータ内部で短絡して電機子電流と鎖交しない無効磁束となるため、この短絡の程度を変更しても上記と同様の効果を奏することができる。

好適態様１２において、前記基準ロータ位置を位相角０とした場合に、前記第１ロータ部の位相角θ１を負値、前記第２ロータ部の位相角θ２を正値に設定する。このようにすれば位相角０からの両ロータ部の位相角のずれを減らすことができるため、トルク０次成分が最大となる位相角０からの両ロータのトルクの変化が小さくなり、有効トルクの減少を抑制することができる。

好適態様１３において、前記基準ロータ位置での所定次数のトルク高調波成分の最大振幅値と前記第１ロータ部のこの次数のトルク高調波成分の最大振幅値との差の絶対値は、前記基準ロータ位置でのこの次数のトルク高調波成分の最大振幅値と前記第２ロータ部のこの次数のトルク高調波成分の最大振幅値との差の絶対値と略等しくされる。このようにすれば、ロータ各部のトルク０次成分のアンバランスを低減するとともに、平均トルク０次成分を増大することができる。なお、このような位相角制御自体は、第１ロータ部や第２ロータ部に対する電機子電流の位相を所定位置に保持することにより簡単に実施することができる。

好適態様１４において、前記第１ロータ部及び第２ロータ部はランデルポール構造の界磁コイル型ロータからなり、軸方向に隣接する前記第１ロータ部の爪形磁極と第２ロータ部の爪形磁極とは周方向に所定角度ずれて同一のヨーク部から突設される。このようにすれば、上記と同様の効果を得ることができるとともに、ランデルポール構造の簡素化も図ることができる。

好適態様１５において、前記軸方向に隣接する前記第１ロータ部の爪形磁極と第２ロータ部の爪形磁極とは異なる磁極を有する。このようにすれば、第１ロータ部の軸方向一端側の爪形磁極から第１ステータ部に入った界磁磁束は、第１ロータ部の反対側（軸方向他端側）の爪形磁極に抜け、その後、第２ロータ部の軸方向一端側の爪形磁極を通じて第２ステータ部に入り、その後、第２ロータ部の軸方向他端側の爪形磁極に入り、第２ロータ部のコア中心部、第１ロータのコア中心部を順次通じて元に戻る磁路を形成することができるため、ロータコアの小型化を実現することができる。

好適態様１６において、軸方向に隣接する前記第１ロータ部と第２ロータ部との間に非磁性空間が確保したので、両ロータ部間での磁束を短絡などを低減することができ、界磁磁束の分布のゆがみなどを低減し、それによるトルク高調波成分を低減することができる。なお、非磁性空間としては、単なるギャップでもよく、非磁性部材を介設してもよい。
好適態様１７において、軸方向に隣接する前記第１ステータ部と第２ステータ部との間に所定軸方向長の非磁性空間が配置されるので、両ステータ部間での磁束を短絡などを低減することができるため、界磁磁束の分布のゆがみなどを低減し、それによるトルク高調波成分を低減することができる。なお、非磁性空間としては、単なるギャップでもよく、非磁性部材を介設してもよい。

好適態様１８において、前記第２ロータ部は、前記第１ロータ部を軸方向に挟む二つの部分に分割されている。このようにすれば、上述したように軸方向におけるトルク分布のばらつきを低減することができる、回転軸のねじれを低減することができる。

好適態様１９において、前記第１ロータ部と第２ロータ部とを軸方向に交互に配置する。これにより、上記した回転軸のねじれを一層低減することができる。
好適態様２０において、前記第１ロータ部と前記第２ロータ部とに挿入されている磁石は、軸方向に複数分割され、かつ、軸方向寸法が略等しくされる。このようにすれば用意するべき磁石の種類を減らすことができる。

第２発明の回転電機は、同一回転軸に軸方向に順次固定されて界磁磁束をそれぞれ発生する第１ロータ部と第２ロータ部を少なくとも含むロータと、前記第１ロータ部の外周面に小間隙を隔てて対面するとともに前記第１ロータ部と同期して回転する電機子電流を流す第１ステータ部と、前記第２ロータ部の外周面に小間隙を隔てて対面するとともに前記第２ロータ部と同期して回転する電機子電流を流す第２ステータ部とを少なくとも含むステータとを備え、
前記第１ステータ部の電機子電流に対してトルク０次成分が最大となるロータ位置である基準ロータ位置を基準とした第１ロータ部の界磁磁束の位相角θ１は、前記基準ロータ位置を基準とした前記第２ロータ部の界磁磁束の位相角θ２に対して異なる回転電機において、
トルクが最大となる前記電機子電流に対する前記第１ロータ部又は第２ロータ部の位相角を０とした場合に、前記第１ロータ部の位相角θ１が負値、前記第２ロータ部の位相角θ２が正値となるように、前記電機子電流を制御する電機子電流制御部を有することを特徴としている。

この発明によれば、好適態様１２と同様に、位相角０からの両ロータ部の位相角のずれを減らすことができるため、トルク０次成分が最大となる位相角０からの両ロータのトルクの変化が小さくなり、有効トルクの減少を抑制することができる。

好適態様１において、前記電機子電流制御部は、前記基準ロータ位置での所定次数のトルク高調波成分の最大振幅値と前記第１ロータ部のこの次数のトルク高調波成分の最大振幅値との差の絶対値は、前記基準ロータ位置でのこの次数のトルク高調波成分の最大振幅値と前記第２ロータ部のこの次数のトルク高調波成分の最大振幅値との差の絶対値と略等しくする。このようにすれば、ロータ各部のトルク０次成分のアンバランスを低減するとともに、平均トルク０次成分を増大することができる。なお、このような位相角制御自体は、第１ロータ部や第２ロータ部に対する電機子電流の位相を所定位置に保持することにより簡単に実施することができる。

以下、この発明の同期回転電機の好適実施態様を図面を用いて具体的に説明する。もちろん、本発明は以下の実施態様に限定されるものではないことは当然である。
（実施態様１）
実施態様１の同期機のブロック図を図１に示す。１は通常ＩＰＭと呼ばれる磁石ロータ型の同期機（回転電機）、２は図示しない直流電源から給電された直流電力を三相交流電力に変換するインバータ、３は電流センサ、４は回転角センサ、５は電流センサ３及び回転角センサ４からの検出信号に基づいてインバータ２に内蔵された６つのスイッチング素子を断続制御（ＰＷＭ制御）するコントローラである。この種のいわゆるブラシレスＤＣモータ装置自体は周知であるので、これ以上の説明は省略する。

ＩＰＭ１の通常のロータ構造を図２、図３に図示する。回転軸１０には積層電磁鋼板からなるロータコア１１が嵌着、固定されている。ロータコア１１の外周部には偶数個の磁石収容孔１２が軸方向に貫設され、磁石収容孔１２には平板形の磁石１３が収容固定されている。各磁石１３はその最も広い面である主面が磁極面となるように磁化されており、ロータコア１１の外周面に向かう側の磁極面の極性が交互となるように配置されている。１４は、磁石収容孔１２の両側からロータコア１１の外周面に向けて延設された短絡規制孔であり、短絡規制孔１４により磁石磁束がロータコア１１内で短絡されるのを規制している。

ロータコア１１の外周面は、図示しないハウジングに固定されたステータ１５の内周面に微小空隙を介して対面している。ステータ１５は、積層電磁鋼板からなるステータコア１６と、ステータコア１６の内周部に形成されたスロットに収容された三相の電機子コイル１７とからなる。三相電機子コイル１７はインバータ２から給電される。

この種のＩＰＭ型のロータ及びステータの構造とその動作自体ももはや周知事項であるので、これ以上の説明を省略する。

この実施例のＩＰＭ構造を図４を参照して具体的に説明する。（ａ）は、ＩＰＭの模式斜視図、（ｂ）はトルク高調波成分の波形図である。

この実施例のＩＰＭは、本質的に上記した従来の同期機と同一構造のロータ２０とステータ３０とをもつ。ただし、ロータ２０は第１ロータ部２１と第２ロータ部２２とに区分され、ステータ３０は第１ステータ部３１と第２ステータ部３２とに区分されている。第１ロータ部２１及び第２ロータ部２２は、図２に示す従来のロータ構造と同一の構造をもつ。ただし、第１ロータ部２１は第２ロータ部２２に対して周方向に所定位相角（スキュー角）θだけスキューしており、かつ、第１ロータ部２１の軸方向長は第２ロータ部２２のそれよりも所定比率だけ短く形成されている。

第１ステータ部３１はステータ３０のうち第１ロータ部２１に対面する部分を意味し、第２ステータ部３２はステータ３０のうち第２ステータ部３２に対面する部分を意味するが、実質的に同一のものであり、スキューしていない。

スキュー角θは、第１ステータ部３１と第１ロータ部２１とのペアである第１ペアが発生するトルクに含まれる所定次数（この実施例では６次）の高調波成分（以下、トルク高調波成分と言う）と、第２ステータ部３２と第２ロータ部２２とのペアである第２ペアが発生する６次トルク高調波成分とが、図４（ｃ）に示すように逆位相するように、言い換えれば電気角πシフトするように設定されている。

また、第１ロータ部２１の軸方向長と第２ロータ部２２の軸方向長との比率は、第１ロータ部２１が発生する６次トルク高調波成分の最大振幅値と、第２ロータ部２２が発生する６次トルク高調波成分の最大振幅値とが等しくなるように設定されている。トルクは略界磁磁束量に比例するとみなせるため、互いに等しい軸方向長をもつの第１ロータ部２１の６次トルク高調波成分の最大振幅値をＢ、第２ロータ部２２の６次トルク高調波成分の最大振幅値をＡとした場合、第１ロータ部２１の軸方向長はＡ、第２ロータ部２２の軸方向長はＢとなる。ただし、第１ロータ部２１と第２ロータ部２２とはスキュー以外は同一構造をもつものとする。

このようにすれば、第１ロータ部２１の６次トルク高調波成分と第２ロータ部２２の６次トルク高調波成分とは、最大振幅値が等しく位相が逆位相となるため、ロータ２０全体の６次トルク高調波成分は理論的に完全にキャンセルされることになり、６次トルク高調波成分に起因するトルクリップルや磁気振動を大幅に低減することができる。なお、図４（ｂ）において、Ｔｈ１は第１ロータ部２１のトルク波形、Ｔｈ２は第２ロータ部２２のトルク波形である。

なお、図４において、５０は第１ロータ部２１と第２ロータ部２２との間に挟設された非磁性輪板であり、６０は第１ステータ部３１と第２ステータ部３２との間に挟設された非磁性輪板である。これら非磁性輪板は隣接する電磁鋼板と同一形状に形成することが好ましいが、それに限定されるものではない。また、非磁性輪板の代わりに単なる空隙を設けることも可能である。このように第１ペアと第２ペアとの間に磁気的分離領域を設けることにより、両者間の好ましくない磁気漏洩や磁束流れを大幅に低減することができ、それに基づく不所望なトルク高調波成分の発生を抑制することができる。

以下、変形態様を説明する。なお、下記の変形態様では、第１ロータ部と第２ロータ部との間のスペーサ、又は、第１ステータ部３１と第２ステータ部３２との間のスペーサとしての非磁性輪板の図示は省略するものとする。

（変形態様１）
上記実施態様では、６次のトルク高調波成分のキャンセルを行ったが、その他の次数のキャンセルを行ってもよいことは当然である。

（変形態様２）
変形態様を図５を参照して説明する。この変形態様では、図４で説明した第１ロータ部２１と第１ステータ部３１とからなる第１ペアと、第２ロータ部２２と第２ステータ部３２とからなる第２ペアとを一つのグループ（群）とし、例えば三つのグループ（群）２０ａ、２０ｂ、２０ｃを回転軸に軸方向へ隣接して装着したものである。このようにすれば、トルクが異なる第１ロータ部２１と第２ロータ部２２とが細分されるため、回転軸の軸方向各部におけるトルクのばらつきすなわちアンバランスを低減することができる。

（変形態様３）
変形態様を図６を参照して説明する。この変形態様では、図４で説明した第２ロータ部２２を軸方向長が等しい二つの部分２２ａ、２２ｂに分割し、これら二つの部分２２ａ、２２ｂにより第１ロータ部２１を挟む配置を採用している。このようにすれば、第１ロータ部２１と異なるトルクをもつ第２ロータ部２２を二分して第１ロータ部２１の軸方向両側に配置したため、回転軸の軸方向各部におけるトルクのばらつきすなわちアンバランスを低減することができる。

（変形態様４）
変形態様を図７を参照して説明する。この変形態様では、図５で説明した第２ロータ部２２を軸方向長が等しい三つの部分２２ａ、２２ｂ、２２ｃに分割し、第１ロータ部２１を軸方向長さが等しい二つの部分２１ａ、２１ｂに分割し、第１ロータ部の部分と第２ロータ部の部分とを軸方向へ交互に配置したものである。このようにしても、上記変形態様と同様に回転軸の軸方向各部におけるトルクのばらつきすなわちアンバランスを低減することができる。

特に、この実施態様では、後述するようにＡ：Ｂ＝0.38：0.62≒2：3とするのが理想的であるため、ロータ全体の軸方向長を全長を５分割して交互に重ねることにより、ほぼ理想的な６次トルク高調波成分のキャンセルが可能となる。更に、この場合には、磁石を一種類準備すればよく、部品点数の増加も防止することができる。

（変形態様５）
変形態様を図１６を参照して説明する。

この変形態様は、図４に示される磁石を分割したものである。この場合、磁石は１種類とすることができ、更に磁石分割により磁石内部の鉄損を小さくすることができる。
（実験例）
図２、図３に示す８極、２４スロットのＩＰＭに図４に示すスキュー配置を採用することにより得られた効果を以下に説明する。

スキューしない場合のＩＰＭである参考品を電流70Ａ、電流位相120deg（ｄ軸基準）で電動運転した場合のトルク波形を図８に示し、そのフーリエスペクトルを図９を示す。図９からトルク高調波成分のうち、その６次成分が突出して大きいことがわかる。０次成分は直流成分つまり平均トルクである。

次に、この６次成分の振幅、位相について図１０、図１１を参照して説明する。なお、図１１で言うロータ角度は、トルク０次成分（又は平均トルク）が最大となるロータ角度を０とし、それよりロータが遅れる方向を負とし、進む方向を正とする。すなわち、ロータ角度０は本発明で言う位相角０に相当する。

図１０は、ロータ角度（横軸）と６次トルク高調波成分の所定角度位置を０とした場合の位相角（縦軸）との関係を示す。今、第１ロータ部２１のロータ角度位置をａ点（＝−2.5deg）に設定した場合、第２ロータ部２２のロータ角度位置はｂ点（＋3.75deg）となることがわかる。

図１１は、ロータ角度（横軸）と６次トルク高調波成分の最大振幅値（振幅）との関係を示す。図１１から、界磁磁束量が等しい場合言い換えればロータ部の軸方向長が等しい場合、ａ点の第１ロータ部２１は、ｂ点の第２ロータ部２２に対して約２倍の６次トルク高調波成分の最大振幅値を発生することがわかる。正確には、第１ロータ部２１のそれは1.9Nm、第２ロータ部２２のそれは1.2Nmである。したがって、コアの積厚をＡ：Ｂ＝1.2/（1.9+1.2）：1.9/（1.9+1.2）＝0.38：0.62とすることで、６次トルク高調波成分を理論的には完全にキャンセルできることがわかる。点a、ｂは、出力や効率の低下が最小限で抑制できる位置とするべきである。

上記した参考品のトルク波形１００と、この参考品と軸方向長が等しく、かつ、上記スキュー配置を採用したＩＰＭ（従来スキュー品と言う）のトルク波形１０１と、スキュー配置を行い、かつ、上記第１ロータ部２１と第２ロータ部２２との界磁磁束量の調整を行ったＩＰＭ（実施例品と言う）のトルク波形１０２とを、図１２に示す。この実施例の採用によりトルク高調波成分を大幅に低減できたことがわかる。

上記した参考品、従来スキュー品及び実施例品の高調波成分低減の割合を図１３に示す。２００は参考品のトルク高調波成分の大きさ、２０１は従来スキュー品のトルク高調波成分の大きさ、２０２は実施例品のトルク高調波成分の大きさを示す。図１３からこの実施例の採用により従来スキュー品に比較しても更に１６ｄｂも低減できることがわかる。

また、この実施態様によれば、図１０、図１１に示すように、第１ロータ部２１と第２ロータ部２２とをそれぞれ、位相角０であるロータ角度位置０の点を挟んで両側に設定している。位相角０はトルク０次成分（又は平均トルク）が最大となる位相角であるため、第１ロータ部２１も第２ロータ部２２もトルク０次成分の低減の割合が小さくなり、全体として有効トルク低減が少ない利点がある。なお、ａ点とロータ角度位置０におけるトルク０次成分（又は平均トルク）の差は、ｂ点とロータ角度位置０におけるトルク０次成分（又は平均トルク）の差に等しく設定することが好ましい。
（実施態様２）
実施態様２を説明する。

この実施態様２では、実施態様１で行った磁石の軸方向長の変更の代わりに磁石の周方向幅の変更により界磁磁束量の変更を行う。なお、この場合にはリラクタンストルクの変化も生じるが、界磁磁束量の変更によりトルク変化も生じるため、それを加味して磁石の周方向幅の変更を行えばよい。たとえば、第１ロータ部２１は第２ロータ部２２に対して２５〜７５％の周方向幅をもつ。
（実施態様３）
実施態様３を説明する。

この実施態様３では、実施態様１で行った磁石の軸方向長の変更の代わりに磁石の残留磁束密度の変更により界磁磁束量の変更を行う。たとえば、第１ロータ部２１は第２ロータ部２２に対して２５〜７５％小さい残留磁束密度をもつ。
（実施態様４）
実施態様４を説明する。

この実施態様４では、実施態様１で行った磁石の軸方向長の変更の代わりに磁石のロータ内短絡磁束量の変更により有効な界磁磁束量の変更を行う。なお、ロータ内短絡磁束量とは、ロータコア内部の短絡磁路を流れる界磁磁束の量を言うものとする。たとえば、第１ロータ部２１は第２ロータ部２２に対してロータ内短絡磁束量の増大により２５〜７５％小さい有効界磁磁束量をもつ。
（実施態様５）
実施態様５を説明する。

この実施態様５では、実施態様１で行った第１ロータ部２１と第２ロータ部２２との間のスキューの代わりに第１ステータ部の電機子コイルを第１ステータ部３１と第２ステータ部３２との間で周方向へ必要スロットピッチだけ捻ることにより、ステータコアをスキューさせ、ステータ側にて上記スキューを行う。このようにしても、ロータ側でスキューを行うのと同等になる。この実施態様では磁石数を減らし、磁石挿入作業を簡素化できる利点がある。
（実施態様６）
実施態様６を図１４を参照して説明する。

この実施態様は、第１ロータ部２１及び第２ロータ部２２をそれぞれランデルポールコア構造としたものである。３００は回転軸、３０１はステータ、３０２はロータである。ロータ３０２は、第１ポールコア３０３、第２ポールコア３０４、第３ポールコア３０５とからなるロータコアと、第１ポールコア３０３と第２ポールコア３０４との間に巻装された第１界磁コイル３０６と、第２ポールコア３０４と第３ポールコア３０５との間に巻装された第２界磁コイル３０７とからなる。界磁コイル３０６と界磁コイル３０７とは同じ電流方向をもつ。第１ポールコア３０３は爪形磁極３１１をもち、第２ポールコア３０４は軸方向逆向きに爪形磁極３１２と爪形磁極３１３とをもち、第３ポールコア３０５は爪形磁極３１４をもつ。

界磁コイル３０６が作る界磁磁束Φは、爪形磁極３１１からステータ３０１に入って爪形磁極３１２に出る。その後、一部は爪形磁極３１３からステータ３０１に入って爪形磁極３１４に出て元に戻る。爪形磁極３１２から出た界磁磁束Φの残部は、第２ポールコア３０４の径方向に伸びる柱部３１５を通じて元に戻る。爪形磁極３１１、３１２は第２ロータ部２２を構成し、爪形磁極３１３と爪形磁極３１４は第１ロータ部２１を構成する。爪形磁極３１３、３１４に流れる界磁磁束量は相対的に少ないため、それらの軸方向長は爪形磁極３１１、３１２のそれに比較して短縮されている。また、爪形磁極３１１、３１２は、爪形磁極３１３、３１４に対して上記位相角θに相当するロータ角度位置だけスキューされている。

このように構成しても、同様のトルク高調波成分の低減効果を奏することができる。また、この実施態様では、第２ポールコア３０４の柱部３１５を流れる界磁磁束量を減らすことができるため、柱部３１５の軸方向長も短縮することができる。
（実施態様７）
実施態様７を図１５を参照して説明する。

この態様は、第１ロータ部２１と第２ロータ部２２とからなる第１グループのロータ部１０００に対して、ロータ部２１’と第２ロータ部２２’とからなる第２グループのロータ部２０００を周方向に所定位相角θ’だけずらせたものである。第１ロータ部２１と第２ロータ部２２とは位相角θだけスキューしており、ロータ部２１’と第２ロータ部２２’とは位相角θだけスキューしており、それぞれこの位相角θに相当する半波長をもつトルク高調波成分（６次成分）を低減する。また、第１グループのロータ部１０００に対して第２グループのロータ部２０００を周方向に所定位相角θ’だけスキューしているのでこの位相角θ’に相当する半波長をもつトルク高調波成分（１２次）を低減することもできる。この場合においても、トルク高調波成分の最大振幅値を一致させるべく界磁磁束量を調整するために、第１グループのロータ部１０００の軸方向長と第２グループのロータ部２０００の軸方向長とは変更される。
なお本実施例はトルク成分（電磁力の周方向成分）に着目したものについて述べたが、電磁力の半径方向成分について適用してもよく、またその両者を考慮して適用してもよいことは言うまでも無い。

実施態様１のＩＰＭを示すブロック図である。従来のＩＰＭのロータを示す模式斜視図である。図２のＩＰＭのロータ断面を示す模式断面図である。（ａ）は実施態様１のロータを示す模式斜視図である。（ｂ）はそのトルク波形図である。変形態様２のロータを示す模式斜視図である。変形態様３のロータを示す模式斜視図である。変形態様４のロータを示す模式斜視図である。参考例であるＩＰＭのトルク波形を示すトルク波形図である。図８のトルク波形のフーリエスペクトルである。６次のトルク高調波成分の位相とロータ角度位置との関係を示す図である。６次のトルク高調波成分の振幅とロータ角度位置との関係を示す図である。種々のＩＰＭのトルク波形を示すトルク波形図である。種々のＩＰＭのトルク高調波成分の相対比較を示す図である。界磁コイル型同期機を用いた実施態様２のロータを示す模式断面図である。実施態様７を示すロータを示す模式断面図である。変形態様５のロータを示す模式斜視図である。

符号の説明

１同期機（回転電機）
２インバータ
３電流センサ
４回転角センサ
５コントローラ
１０回転軸
１１ロータコア
１２磁石収容孔
１３磁石
１４短絡規制孔
１５ステータ
１６ステータコア
１７電機子コイル
２０ロータ
２１第１ロータ部
２２第２ロータ部
３０ステータ
３１第１ステータ部
３２第２ステータ部
３０１ステータ
３０２ロータ
３０３ポールコア
３０４ポールコア
３０５ポールコア
３０６界磁コイル
３０７界磁コイル
３１１爪形磁極
３１２爪形磁極
３１３爪形磁極
３１４爪形磁極
３１５柱部

Claims

同一回転軸に軸方向に順次固定されて界磁磁束をそれぞれ発生する第１ロータ部と第２ロータ部を少なくとも含むロータと、
前記第１ロータ部の外周面に小間隙を隔てて対面するとともに前記第１ロータ部と同期して回転する電機子電流を流す第１ステータ部と、前記第２ロータ部の外周面に小間隙を隔てて対面するとともに前記第２ロータ部と同期して回転する電機子電流を流す第２ステータ部とを少なくとも含むステータと、
を備え、
前記第１ステータ部の電機子電流に対してトルク０次成分が最大となるロータ位置である基準ロータ位置を基準とした第１ロータ部の界磁磁束の位相角θ１が、前記基準ロータ位置を基準とした前記第２ロータ部の界磁磁束の位相角θ２に対して異なるスキュー配置をもつ回転電機において、
前記第１ロータ部の界磁磁束量Φ１は、前記第１ロータ部と前記第１ステータ部とからなる第１ペアが発生する電磁力の所定次数の高調波成分Ｆ１の最大振幅値と、前記第２ロータ部と前記第２ステータ部とからなる第２ペアが発生する電磁力の同一次数の高調波成分Ｆ２の最大振幅値との差を減らす向きに、前記第２ロータ部の界磁磁束量Φ２に対して異なることを特徴とする回転電機。
請求項１記載の回転電機において、
前記高調波成分Ｆ１と前記高調波成分Ｆ２との合成電磁力ΣＦは、Φ１＝Φ２でスキュー配置をもつ場合の前記合成電磁力に比較して半分以下とされることを特徴とする回転電機。
請求項１記載の回転電機において、
前記合成電磁力ΣＦは、Φ１＝Φ２でスキュー配置をもつ場合の前記合成電磁力に比較して１／４以下とされることを特徴とする回転電機。
請求項１記載の回転電機において、
前記合成電磁力ΣＦは略０とされることを特徴とする回転電機。
請求項１乃至４のいずれか記載の回転電機において、
前記高調波成分Ｆ１と前記高調波成分Ｆ２とは略電気角πだけ位相が異なることを特徴とする回転電機。
請求項１乃至５のいずれか記載の回転電機において、
前記第１ロータ部及び第２ロータ部は磁石ロータからなり、
前記第１ロータ部は、前記第２ロータ部と異なる軸方向長をもつことを特徴とする回転電機。
請求項６記載の回転電機において、
前記第１ロータ部は、前記第２ロータ部に対して２５〜７５％短い軸方向長をもつことを特徴とする回転電機。
請求項１記載の回転電機において、
前記第１ロータ部及び第２ロータ部は磁石ロータからなり、
前記第１ロータ部は、前記第２ロータ部と異なる磁石周方向幅をもつことを特徴とする回転電機。
請求項８記載の回転電機において、
前記第１ロータ部は、前記第２ロータ部に対して２５〜７５％短い磁石周方向幅をもつことを特徴とする回転電機。
請求項１記載の回転電機において、
前記第１ロータ部及び第２ロータ部は磁石ロータからなり、
前記第１ロータ部は、前記第２ロータ部と異なる磁石磁束密度をもつことを特徴とする回転電機。
請求項１０記載の回転電機において、
前記第１ロータ部は、前記第２ロータ部に対して２５〜７５％少ない磁石磁束密度をもつことを特徴とする回転電機。
請求項１記載の回転電機において、
前記第１ロータ部及び第２ロータ部は磁石ロータからなり、
前記第１ロータ部は、前記第２ロータ部と異なるロータ内短絡磁束量をもつことを特徴とする回転電機。
請求項１乃至１２のいずれか記載の回転電機において、
前記基準ロータ位置を位相角０とした場合に、前記第１ロータ部の位相角θ１を負値、前記第２ロータ部の位相角θ２を正値に設定することを特徴とする回転電機。
請求項１３記載の回転電機において、
前記基準ロータ位置での所定次数のトルク高調波成分の最大振幅値と前記第１ロータ部のこの次数のトルク高調波成分の最大振幅値との差の絶対値は、前記基準ロータ位置でのこの次数のトルク高調波成分の最大振幅値と前記第２ロータ部のこの次数のトルク高調波成分の最大振幅値との差の絶対値と略等しいことを特徴とする回転電機。
請求項１乃至１４のいずれか記載の回転電機において、
前記第１ロータ部及び第２ロータ部はランデルポール構造の界磁コイル型ロータからなり、軸方向に隣接する前記第１ロータ部の爪形磁極と第２ロータ部の爪形磁極とは周方向に所定角度ずれて同一のヨーク部から突設されることを特徴とする回転電機。
請求項１５のいずれか記載の回転電機において、
前記軸方向に隣接する前記第１ロータ部の爪形磁極と第２ロータ部の爪形磁極とは異なる磁極を有することを特徴とする回転電機。
請求項１乃至１６のいずれか記載の回転電機において、
軸方向に隣接する前記第１ロータ部と第２ロータ部との間に位置して非磁性空間を有することを特徴とする回転電機。
請求項１乃至１７のいずれか記載の回転電機において、
軸方向に隣接する前記第１ステータ部と第２ステータ部との間に位置して所定軸方向長の非磁性空間を有することを特徴とする回転電機。
請求項１記載の回転電機において、
前記第２ロータ部は、前記第１ロータ部を軸方向に挟む二つの部分に分割されていることを特徴とする回転電機。
請求項１記載の回転電機において、
前記第１ロータ部と第２ロータ部とを軸方向に交互に配置することを特徴とする回転電機。
請求項１記載の回転電機において、
前記第１ロータ部と前記第２ロータ部とに挿入されている磁石は、軸方向に複数分割され、かつ、軸方向寸法が略等しいことを特徴とする回転電機。
同一回転軸に軸方向に順次固定されて界磁磁束をそれぞれ発生する第１ロータ部と第２ロータ部を少なくとも含むロータと、
前記第１ロータ部の外周面に小間隙を隔てて対面するとともに前記第１ロータ部と同期して回転する電機子電流を流す第１ステータ部と、前記第２ロータ部の外周面に小間隙を隔てて対面するとともに前記第２ロータ部と同期して回転する電機子電流を流す第２ステータ部とを少なくとも含むステータと、
を備え、
前記第１ステータ部の電機子電流に対してトルク０次成分が最大となるロータ位置である基準ロータ位置を基準とした第１ロータ部の界磁磁束の位相角θ１は、前記基準ロータ位置を基準とした前記第２ロータ部の界磁磁束の位相角θ２に対して異なる回転電機において、
トルクが最大となる前記電機子電流に対する前記第１ロータ部又は第２ロータ部の位相角を０とした場合に、前記第１ロータ部の位相角θ１が負値、前記第２ロータ部の位相角θ２が正値となるように、前記電機子電流を制御する電機子電流制御部を有することを特徴とする回転電機。
請求項２２記載の回転電機において、
前記電機子電流制御部は、
前記基準ロータ位置での所定次数のトルク高調波成分の最大振幅値と前記第１ロータ部のこの次数のトルク高調波成分の最大振幅値との差の絶対値は、前記基準ロータ位置でのこの次数のトルク高調波成分の最大振幅値と前記第２ロータ部のこの次数のトルク高調波成分の最大振幅値との差の絶対値と略等しいことを特徴とする回転電機。