JP2008086161A - 回転電機装置 - Google Patents

Abstract

【課題】トルクリップルの発生を抑制することが可能な回転電機装置を提供すること。
【解決手段】ステータコイル３２には、同期電流にロータ励磁用電流を重畳させた電機子電流が流れる。そして、ロータ励磁用電流によりロータコイル２３に誘導電流が誘導される。誘導電流はダイオード２８により一方向の流れに規制され、ロータコアティース部２６に磁極を形成する。ステータコイル３２には、昇圧回路６０により昇圧された第２電圧Ｖ２が印加される。高電圧をに印加することでロータ励磁用電流の値を大きくすることが可能となる。このため、所定の誘導電流をロータコイル２３に誘導するためにロータ励磁用電流を重畳する時間を低減することができる。この結果、ロータ２０に生じるトルクリップルの発生時間も低減することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は回転電機装置に関するものである。

ステータコイルに交流の電機子電流を流すことにより回転磁界を形成し、その回転磁界に同期してロータが回転する回転電機は同期機と呼ばれている。同期機としては、磁石式、界磁巻線式、リラクタンス式、さらにはそれらをミックスした形式のロータ構造が知られている。

界磁巻線型同期機は、高価な永久磁石をロータコアに装着する必要がなく、磁石に対する耐遠心力を考慮する必要もない。その上、界磁巻線に流れる電流によりトルクや発電（誘起）電圧を自在に制御できるため、自動車走行動力発生用途などの速度可変型回転電機において実用性に優れている。ブラシを使わない構造でトルク制御が容易な界磁巻線型同期機は、例えば特許文献１に提案されている。
特開平７−９５７９０号公報

しかしながら、特許文献１に開示された界磁巻線型同期機は、ロータ位置に同期しバイアス周波数の変調波形によって振幅変調された多相交流電流をステータ巻線に流すものである。そのため、ロータ界磁巻線に大きなリップルを持った電流が流れ、その結果としてトルクリップルが大きくなってしまうという問題があった。

本発明は上記問題に鑑みなされたものであり、トルクリップルの発生を抑制することが可能な回転電機装置を提供することを主たる目的とするものである。

以下、上記課題を解決するのに有効な手段等につき、必要に応じて作用、効果等を示しつつ説明する。

請求項１に記載の発明は、多相の電機子巻線が巻装されたステータと界磁巻線が巻装され前記ステータに対面しつつ回転可能なロータとを有する同期機と、直交電力変換を行い、前記電機子巻線に交流電力を供給するインバータと、前記ロータの回転位置に対応した回転磁界を形成する同期電流に前記同期電流とは異なる波形のロータ励磁用電流を重畳させた電機子電流を前記電機子巻線に流すように前記インバータを制御する制御部と、前記インバータに給電可能な直流電源装置とを備える回転電機装置に関するものである。そして、前記ロータ励磁用電流により誘導される誘導電流の流れを一方向に規制する電流規制回路を設けて前記界磁巻線を構成し、第１電圧値の電圧を出力する第１出力部と前記第１電圧値よりも高い第２電圧値の電圧を出力する第２出力部とを設けて前記直流電源装置を構成し、少なくとも前記ロータ励磁用電流を流す場合に前記第２出力部から前記インバータに給電することを特徴としている。

この回転電機装置では、同期電流にロータ励磁用電流を重畳させた電機子電流が電機子巻線に流れる。ロータ励磁用電流により界磁巻線に誘導電流が誘導される。誘導電流は電流規制回路により一方向の流れに規制され、回転子の所定の部位に磁極を形成する。そして、回転子の回転位置に対応させて電機子巻線に同期電流を流すことにより、回転子に回転トルクが生じる。

ロータ励磁用電流を流す期間は界磁巻線に流れる誘導電流が変動し、その結果としてロータの回転トルクにも変動（トルクリップル）が生じる。この点、本発明の回転電機装置では、第１及び第２の出力値をそれぞれ出力する第１及び第２の出力部が設けられている。そして、少なくともロータ励磁用電流を流す場合には第１電圧値よりも高電圧の第２出力値の電圧がインバータに印加される。高電圧をインバータに印加してロータ励磁用電流の電流値を大きくすることで、所定の誘導電流を誘導するためにロータ励磁用電流を流す時間を少なくすることが可能となる。このため、誘導電流の変動時間も低減され、この結果としてロータに生じるトルクリップルの幅（発生時間）を低減することが可能となる。そして、トルクリップルを低減することで、電動機の振動及び騒音を抑制することが可能となる。

請求項２に記載の発明では、常時前記第２出力部から前記インバータに給電することを特徴としている。これにより、第１出力部と第２出力部との切り替えをする必要がなく、構成を簡易にすることが可能となる。

請求項３に記載の発明では、前記ロータ励磁用電流を流す場合にのみ前記第２出力部から前記インバータに給電することを特徴としている。これにより、所定の誘導電流を誘導するためにロータ励磁用電流を流す時間を少なくすることができるので、誘導電流の変動時間も低減される。そして、この結果としてロータに生じるトルクリップルの幅（発生時間）を低減することが可能となる。また、同期電圧は同期機に最適な電圧とすることが可能となるので、回転電機装置のシステム全体における効率を向上することが可能となる。

請求項４に記載の発明のように、前記第１出力部として前記第１電圧値を定格値とし前記第１電圧値の電圧を出力するバッテリを設けるとともに、前記第２出力部として前記第１出力部からの出力電圧を前記第２電圧値に昇圧して出力する昇圧回路を設けることが好ましい。昇圧回路を用いることにより、簡易な構成でバッテリの第１電圧値をそれより高圧の第２電圧値に昇圧することが可能となる。

なお、請求項５に記載の発明のように、前記第１出力部として前記第１電圧値を定格値とし前記第１電圧値の電圧を出力するバッテリを設けるとともに、前記第２出力部として前記第１出力部からの出力電圧を前記第２電圧値に昇圧して出力する昇圧回路を設け、前記インバータとの接続を前記第１出力部又は前記第２出力部のいずれかに切り替えるスイッチ部を設けてもよい。また、請求項６に記載の発明のように、前記第１出力部として前記第１電圧値を定格値とし前記第１電圧値の電圧を出力する第１バッテリを設けるとともに、前記第２出力部として前記第２電圧値を定格値とし前記第２電圧値の電圧を出力する第２バッテリを設け、前記インバータとの接続を前記第１出力部又は前記第２出力部のいずれかに切り替えるスイッチ部を設けてもよい。

そして、請求項７に記載の発明のように、前記スイッチ部の切り替えを制御するスイッチ制御部を設け、前記ロータ励磁用電流を流す場合に前記第２出力部から前記インバータに給電されるように前記スイッチ制御部により前記スイッチ部を切り替えてもよい。

第１電圧値と第２電圧値とを切り替えてインバータに印加可能とすることができるので、ロータ励磁用電流を流す場合には高電圧をインバータに印加することが可能となる。これにより、所定の誘導電流を誘導するためにロータ励磁用電流を流す時間を少なくすることができるので、誘導電流の変動時間も低減される。そして、この結果としてロータに生じるトルクリップルの幅（発生時間）を低減することが可能となる。また、同期電圧は同期機に最適な電圧とすることが可能となるので、回転電機装置のシステム全体における効率を向上することが可能となる。

請求項８に記載の発明では、前記制御部は、前記同期電流の周期よりも短い所定時間だけ前記ロータ励磁用電流を重畳させるように前記インバータを制御することを特徴としている。同期電流の１周期のうち短い時間にだけロータ励磁用電流を重畳させることで、ロータ励磁用電流により生じる誘導電流の変動時間も短くすることができる。この結果、ロータに生じるトルクリップルの幅（発生時間）を低減することが可能となる。そして、トルクリップルを低減することで、電動機の振動及び騒音を抑制することが可能となる。

請求項９に記載の発明では、前記ステータは前記ロータとの対向面に複数の磁気突極を有し、前記制御部は、隣り合う前記磁気突極を前記ロータの一の点が通過する周期よりも短い所定の期間だけ前記ロータ励磁用電流を重畳させるように前記インバータを制御することを特徴としている。

ロータはステータの磁気突極から吸引又は反発力を受けて回転する。そのため、ロータの一の点（例えばロータに形成された磁極）はステータの磁気突極と対向している場合と対向していない場合とで磁気突極から受ける力が変化する。そのため、隣り合う磁気突極をロータの一の点が通過する度に周期的なトルクの変動（トルクリップル）が生じる。そして、この周期的なトルク変動に加えて、ロータにはロータ励磁用電流を重畳することによるトルクリップルも生じる。仮に、ロータ励磁用電流を重畳することによって生じるトルクリップルが上記周期的なトルクリップルに比べて時間的に長いものであると、ロータ励磁用電流によって生じるトルクリップルによる電動機の振動及び騒音が目立つこととなる。この点、本発明では、ロータの一の点が隣り合う磁気突極を通過する周期よりも短い所定の期間だけロータ励磁用電流が重畳される。このため、ロータ励磁用電流を重畳することによって生じるトルクリップルを上記周期的なトルクリップルに比べて時間的に短いものとすることができる。この結果、ロータ励磁用電流によって生じるトルクリップルによる電動機の振動及び騒音を目立ちにくくすることが可能となる。

請求項１０に記載の発明では、前記制御部は、前記同期電流を発生する同期電圧に、相ごとに定められた所定の前記ロータ励磁用電流を発生するロータ励磁用電圧を重畳するよう前記インバータを制御することを特徴としている。これにより、同期電流とそれに重畳されたロータ励磁用電流との合成電流の波形を好適なものとすることができる。例えば、ロータ励磁用電流をロータトルクの発生への影響の少ないタイミングで重畳させるなど、予め定めた好適な電流波形とすることができる。

請求項１１に記載の発明では、前記同期電圧に前記ロータ励磁用電圧を重畳させた場合の電圧値が前記第２出力値であることを特徴としている。これにより、同期電圧にロータ励磁用電圧を重畳させる場合にも、第２出力値の電圧で好適にインバータを制御することが可能となる。

請求項１２に記載の発明では、前記ロータ励磁用電圧をパルス電圧又はＰＷＭ電圧により形成するとともに、当該ロータ励磁用電圧をＰＷＭ電圧により形成される前記同期電圧に重畳することを特徴としている。これにより、簡易かつ良好に同期電圧にロータ励磁用電圧を重畳させることが可能となる。

請求項１３に記載の発明では、前記ロータ励磁用電圧を、前記同期電圧のゼロクロス点近傍で重畳することを特徴としている。このようにすれば、インバータに印加する電圧を増大することなく、大きなロータ励磁用電圧を重畳することが可能となる。

以下、本発明の回転電機装置を車両の走行動力発生用の走行モータとして具現化した場合の一実施の形態について説明する。

まず、本実施形態の走行モータの構成について説明する。図１は本実施形態の走行モータの全体構造を示す軸方向断面図、図２は走行モータの軸方向の一部断面図、図３は回転電機装置の回路図である。図１に示すように、本実施形態の走行モータ１０は、ハウジング１１、ロータ２０、ステータ３０を含んで構成されている。

ロータ２０は、シャフト２１、ロータコア２２及びロータコイル２３等を含んで構成されている。ロータコア２２はシャフト２１に固定されている。また、シャフト２１は一組の軸受１２，１３を介してハウジング１１に回転自在に支持されている。

シャフト２１には磁性輪板２４が固定されており、この磁性輪板２４の外周には一定の間隔で磁気突極が設けられている。磁性輪板２４の外周面に対向する位置には回転位置センサ１４が設けられている。回転位置センサ１４は磁気突極の通過を検出することによりロータ２０の回転位置を検出し、検出結果をコントローラ４０に送信する。

図２に示すように、ロータコア２２の外周側には、複数のロータコイル収容溝２５がロータコア２２の軸方向に貫通して設けられている。周方向に隣り合うロータコイル収容溝２５間にはロータコアティース部２６が形成されている。そして、その最外周部分にはロータコイル収容溝２５を狭窄すべく周方向両側に延在する鍔部２７が設けられている。ロータコイル収容溝２５には、ロータコイル２３が巻装されている。ロータコイル２３はロータコアティース部２６に界磁束Φを形成すべくその周りにロの字状に巻装されている。なお、ロータコイル２３の巻装方法はロの字状の他、つづら折り状等に巻装してもよい。

ステータ３０は、ロータ２０の外径側に配置されている。ステータ３０は、ステータコア３１とステータコイル３２とにより構成されている。ステータコア３１は円筒状であり、ハウジング１１の内周壁面に固定されている。ステータコア３１の内周側には、複数のスロット３３がステータコア３１の軸方向に貫通して設けられている。周方向に隣り合うスロット３３間にはステータコアティース部３４が形成されている。ステータコイル３２は３相の相コイルＵ３２，Ｖ３２，Ｗ３２により形成され、各相コイルＵ３２，Ｖ３２，Ｗ３２は隣接するスロット３３に順次巻装されている。そして、ステータコイル３２に電流が流れることにより、ステータコアティース部３４が磁化されて磁気突極を形成される。

図３に示すように、ステータコイル３２は、Ｕ相コイル３２ＵとＶ相コイル３２ＶとＷ相コイル３２Ｗとを中性点Ｎで接続することによりＹ結線されている。バッテリ５０と各相コイル３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗの外部引き出し端子との間には、昇圧回路６０及び３相インバータ７０が接続されている。３相インバータ７０は３つの上アーム素子７１と３つの下アーム素子７２とを有し、各アーム素子はそれぞれＩＧＢＴ７３とフライホイールダイオード７４とにより構成されている。勿論、各アーム素子をＭＯＳトランジスタに代替してもよい。

インバータ７０は、昇圧回路６０を介してバッテリ５０に接続されている。昇圧回路６０は、バッテリ５０から入力される第１電圧Ｖ１を第２電圧Ｖ２まで昇圧するためのものである。本実施形態の昇圧回路６０は、昇圧用スイッチ６１のオン動作によりインダクタ６２にてエネルギーが蓄積され、オフ動作によりエネルギーがダイオード６３を通じて放出される昇圧チョッパ方式の昇圧回路６０である。本実施形態では、第１電圧Ｖ１は２００Ｖ、第２電圧Ｖ２は６００Ｖに設定されている。すなわち、昇圧回路６０により第１電圧Ｖ１を３倍の第２電圧Ｖ２に昇圧する。昇圧回路６０で昇圧された電圧はインバータ７０に入力される。

ロータコイル２３はバッテリ５０とは接続されておらず、ダイオード２８を通じて短絡されている。また、ダイオード２８と並列に電流平滑用コンデンサ２９が接続されている。ダイオード２８はロータコイル２３に誘導された交流電流を半波整流し、周方向に隣り合うロータコアティース部２６を交互にＮ極とＳ極とに励磁して磁極を形成する。

コントローラ４０は回転位置センサ１４からロータ２０の回転位置情報を取得する。そして、ロータ２０の回転位置に対応した電機子電流（同期電流）をステータコイル３２に通電すべくインバータ７０を断続制御する。ロータ２０の回転位置に対応させてインバータ７０を断続制御することにより、ロータ２０に回転トルクを生じさせる。コントローラ４０は、ロータ２０の回転と同期しない特別の交流電流（以下「ロータ励磁用電流」と呼ぶ）をステータコイル３２に流すようなインバータ７０の断続制御も行っている。したがって、ステータコイル３２に流れる電機子電流は同期電流とロータ励磁用電流との和となる。また、ステータコイル３２に印加される電機子電圧は、トルク発生用の電圧である同期電圧とロータ励磁用電流発生用の電圧であるロータ励磁用電圧との和となる。

インバータ７０による三相電機子電流の通電制御例を、図４及び図５を用いて説明する。図４に示すように、トルク発生用の電流である各相の同期電流Ｉtu,Ｉtv,Ｉtwは正弦波波形の電流であり、上述のようにロータ２０の回転位置に対応してインバータ７０を断続制御することにより発生される。ロータ励磁用電流Ｉfu,Ｉfv,Ｉfwは相ごとに予め定められたパルス状波形の電流であり、インバータ７０を断続制御することによりロータ２０にトルクを発生させない位相で瞬時的に発生される。すなわち、ロータ励磁用電流Ｉfu,Ｉfv,Ｉfwによる励磁用磁束はロータ２０のｄ軸方向に作用させるものであり、ロータ励磁用電流Ｉfu,Ｉfv,Ｉfwによりトルクは発生しない。ロータ励磁用電流Ｉfu,Ｉfv,Ｉfwをステータコイル３２に流すことによりロータコイル２３を貫通する磁束を変化させ、これによりロータコイル２３に磁束変化を打ち消す向きの電流を発生させる。そして、発生した電流をダイオードで半波整流することにより、ロータコアティース部２６を励磁する。

図５に示すように、実際にステータ３０の各相コイルに流れる電機子電流の各相電流Ｉu,Ｉv,Ｉwは各相の同期電流Ｉtu,Ｉtv,Ｉtwにロータ励磁用電流Ｉfu,Ｉfv,Ｉfwを重畳した電流となる。そして、各相電流Ｉu,Ｉv,Ｉwをステータコイル３２に通電することにより、ロータ２０を励磁するとともにロータ２０に回転トルクを生じさせることが可能となる。

次に、各相の同期電流Ｉtu,Ｉtv,Ｉtwにロータ励磁用電流Ｉfu,Ｉfv,Ｉfwを重畳する方法を説明する。

図６は、ロータ励磁用電流の波形の一例を示している。このようなパルス状のロータ励磁用電流を通電するためには、互いに極性が異なるパルス状のロータ励磁用電圧（正パルス電圧と負パルス電圧）をステータコイル３２に印加する必要がある。一方、図４に示すような正弦波状の同期電流は、図７に示すようなＰＷＭ相電圧波形を印加することにより発生させることができる。

図８は、一相の正弦波状の同期電圧（例えばＶtu）におけるゼロクロス点近傍の波形と、その波形電圧を形成するためのＰＷＭ相電圧波形を示している。図８において、黒く塗りつぶされて描かれている部分はＰＷＭ相電圧波形のオン期間、白抜きで描かれている部分はオフ期間を示している。

図９は、図８で示した同期電圧Ｖtuのゼロクロス点近傍において、ロータ励磁用電圧Ｖfuを重畳したＰＷＭ相電圧波形を示している。図９に示す例では、正弦波状の同期電圧Ｖtuにおけるゼロクロス点近傍に設定されたロータ励磁用電圧Ｖfuの重畳期間Ｔにおいて、ロータ励磁用電圧Ｖfuとしての正パルス電圧と負パルス電圧とが重畳されている。すなわち、同期電圧Ｖtuが正値である位相期間Ｔ１においてＰＷＭ波形のオフ期間をオン期間に変換することで正パルス電圧を重畳し、同期電圧Ｖtuが負値である位相期間Ｔ２においてＰＷＭ波形のオン期間をオフ期間に変換することで負パルス電圧を重畳している。

なお、上述の説明では、簡単のため、同期電圧Ｖtuのゼロクロス点近傍におけるロータ励磁用電圧Ｖfuの重畳方法を説明したが、他のタイミングにおいても同様の方法で同期電圧Ｖtuにロータ励磁用電圧Ｖfuを重畳することが可能である。

また、本実施形態では、同期電流Ｉtu,Ｉtv,Ｉtwの周期に対して比較的短い期間Ｔだけ、ロータ励磁用電流Ｉfu,Ｉfv,Ｉfwを重畳させる。具体的には、ロータ２０の回転時において、ロータコアティース部２６がステータ３０の内周側の隣り合うステータコアティース部３４を通過する時間間隔（ｔ０）よりも短い期間（例えばｔ０の１／４の期間）だけロータ励磁用電流Ｉfu,Ｉfv,Ｉfwを重畳させる。

（シミュレーション結果）
本実施形態における走行モータ１０を作動させたシミュレーションの結果を以下に説明する。本実施形態の走行モータ１０の他に、比較例１及び２としての走行モータ１０についてもシミュレーションを行った。比較例１及び２の走行モータ１０では、バッテリ５０とインバータ７０との間に昇圧回路６０は設けず、バッテリ５０からインバータ７０に直接給電した。すなわち、本実施形態ではインバータ７０には約６００Ｖの第２電圧Ｖ２を印加したのに対し、比較例１及び２では約２００Ｖの第１電圧Ｖ１を印加した。

比較例１はこの点を除くと、構成及びインバータ７０のスイッチングの制御等も本実施形態と同一である。すなわち、図１０に示すように、同期電圧Ｖtu及びロータ励磁用電圧Ｖfuを形成するＰＷＭ相電圧波形の高さ（印加電圧）が異なるが、ロータ励磁用電圧Ｖfuを重畳するためのＰＷＭ相電圧波形の幅（印加時間）は本実施形態と同様である。

また、比較例２はバッテリ５０からインバータ７０に直接給電した点に加えて、ロータ励磁用電圧Ｖfuをステータコイル３２に印加する時間が本実施形態と相違している。すなわち、図１１に示すように、同期電圧Ｖtu及びロータ励磁用電圧Ｖfuを形成するＰＷＭ相電圧波形の高さ（印加電圧）に加えて、ロータ励磁用電圧Ｖfuを重畳するためのＰＷＭ相電圧波形の幅（印加時間）を本実施形態に対して変更した。具体的には、パルス状のロータ励磁用電流Ｉfuを発生させるためのロータ励磁用電圧Ｖfuにおける正パルスの印加開始から負パルスの印加終了までの時間を、本実施形態の３倍とした。

（本実施形態）
図１２は、本実施形態における各相の同期電流Ｉtu,Ｉtv,Ｉtwにロータ励磁用電流Ｉfu,Ｉfv,Ｉfwを重畳した各相電流Ｉu,Ｉv,Ｉwの電流と、ロータコイル２３に生じる励磁電流Ｉrとを示す波形図である。また、図１３は本実施形態におけるロータ２０に生じるトルクの波形図である。図１４は、図１３におけるＡ部拡大図である。

図１２から、同期電流Ｉtu,Ｉtv,Ｉtwにパルス状のロータ励磁用電流Ｉfu,Ｉfv,Ｉfwを重畳させた各相電流Ｉu,Ｉv,Ｉwをステータコイル３２に流すことにより、ロータコイル２３に励磁電流Ｉrが流れていることが理解できる。また、ロータ励磁用電流Ｉfu,Ｉfv,Ｉfwが重畳されるタイミングで励磁電流Ｉrが変動していることも図１２から理解できる。図１３及び図１４に示されるように、ロータ２０には短い周期ｔ０で繰り返されるトルク変動（トルクリップル）が生じている。ロータ２０は、ステータコアティース部３４に形成された磁気突極からの吸引又は反発力を受けて回転する。このトルクリップルは、ロータコアティース部２６に形成される磁極がスロット３３とステータコアティース部３４とを交互に通過する際に生じるものである。また、図１３及び図１４からは、このトルクリップルよりも急峻に大きく変動するトルクリップルが生じていることも分かる。このトルクリップルは、励磁電流Ｉrの変動に伴いロータ２０に発生するものである。しかし、本実施形態では、ロータ励磁用電流を重畳させる時間Ｔを、ロータ２０回転時にロータコアティース部２６がステータ３０の内周側の隣り合うステータコアティース部３４を通過する時間間隔ｔ０よりも短い期間とした。そのため、図１３に示すように、トルクリップルの幅は非常に小さいものであり、振動及び騒音等への影響についても実用上許容可能なレベルのものであった。

（比較例１）
図１５は、比較例１における各相の同期電流Ｉtu,Ｉtv,Ｉtwにロータ励磁用電流Ｉfu,Ｉfv,Ｉfwを重畳した各相電流Ｉu,Ｉv,Ｉwの電流と、ロータコイル２３に生じる励磁電流Ｉrとを示す波形図である。また、図１６は比較例１におけるロータ２０に生じるトルクの波形図である。

図１５に示されるように、比較例１においても同期電流Ｉtu,Ｉtv,Ｉtwにパルス状のロータ励磁用電流Ｉfu,Ｉfv,Ｉfwを重畳させた各相電流Ｉu,Ｉv,Ｉwをステータコイル３２に流すことにより、ロータコイル２３に励磁電流Ｉrが流れていることが理解できる。また、ロータ励磁用電流Ｉfu,Ｉfv,Ｉfwが重畳されるタイミングで励磁電流Ｉrが変動していることも図１５から理解できる。但し、比較例１においては、バッテリ５０とインバータ７０との間に昇圧回路６０を設けず、バッテリ５０からインバータ７０に直接給電した。そのため、本実施形態と比較するとロータ励磁用電流Ｉfu,Ｉfv,Ｉfwも小さくなり、励磁電流Ｉrも小さくなっている。その結果として、図１６に示すようにロータ２０に発生するトルクも小さくなり、大きなトルクを必要とする状況下ではトルク不足となるおそれもある。

（比較例２）
図１７は、比較例２における各相の同期電流Ｉtu,Ｉtv,Ｉtwにロータ励磁用電流Ｉfu,Ｉfv,Ｉfwを重畳した各相電流Ｉu,Ｉv,Ｉwの電流と、そのときにロータコイル２３に生じる励磁電流Ｉrとを示す波形図である。また、図１８は比較例１におけるロータ２０に生じるトルクの波形図である。図１９は、図１８におけるＢ部拡大図である。

比較例２においては、ロータ励磁用電圧Ｖfuを重畳するためのＰＷＭ相電圧波形の幅（印加時間）を本実施形態及び比較例１に対し約３倍の時間（３Ｔ）とした。そのため、図１７に示されるように、ロータ励磁用電流Ｉfu,Ｉfv,Ｉfwが大きくなり、その結果として励磁電流Ｉrも本実施形態と同等の大きさとなっている。そして、図１８に示すように、励磁電流Ｉrが大きくなることによりロータ２０に発生するトルクも本実施形態と同等の大きさとなっている。このため、ロータ励磁用電流Ｉfu,Ｉfv,Ｉfwの重畳時間を増大させることにより、ロータ２０に発生するトルクに関しては実用的な大きさに増大することが可能となった。

しかし、図１７から分かるように、ロータ励磁用電流Ｉfu,Ｉfv,Ｉfwの重畳時間（重畳幅）を本実施形態の約３倍としたことに伴い、ロータコイル２３に励磁電流Ｉrの変動時間が大きくなった。このため、図１９に示すように、比較例２においては、励磁電流Ｉrの変動に伴いロータ２０に発生するトルクリップルの幅（時間）も本実施形態におけるトルクリップルの時間幅Ｔの約３倍となった。この結果、大きな回転トルクが要求される場合に振動及び騒音等の影響が大きくなり、実用上問題が生じるおそれがある。

以上詳述した本実施の形態によれば、以下の優れた効果が得られる。

本実施形態では、昇圧回路６０により昇圧された第２電圧Ｖ２がインバータ７０に印加される。高電圧をインバータ７０に印加することでロータ励磁用電流Ｉfu,Ｉfv,Ｉfwの値を大きくすることが可能となる。このため、所定の誘導電流をロータコイル２３に誘導するためにロータ励磁用電流Ｉfu,Ｉfv,Ｉfwを重畳する時間を低減することができる。ロータ励磁用電流Ｉfu,Ｉfv,Ｉfwを重畳するタイミングでは励磁電流Ｉrが変動するが、本実施形態ではその変動時間を低減することができる。この結果、ロータ２０に生じるトルクリップルの発生時間も低減することができる。そして、トルクリップルを低減することで、走行モータ１０の振動及び騒音を抑制することが可能となる。

本実施形態では、同期電流Ｉtu,Ｉtv,Ｉtwの周期に対して比較的短い期間だけ、ロータ励磁用電流Ｉfu,Ｉfv,Ｉfwを重畳させている。これにより、励磁電流Ｉrの変動時間が低減され、ロータ２０に生じるトルクリップルの発生時間も低減することができる。

ロータ２０には、ロータコアティース部２６に形成される磁極がスロット３３とステータコアティース部３４とを交互に通過する度に繰り返される短い周期のトルクリップルが生じている。この短い周期のトルクリップルに加えて、ロータ励磁用電流Ｉfu,Ｉfv,Ｉfwを重畳した際にトルクリップルが生じることとなる。この点本実施形態では、ロータ２０の回転時において、ロータコアティース部２６がステータ３０の内周側の隣り合うステータコアティース部３４を通過する時間間隔（ｔ０）よりも短い期間だけロータ励磁用電流Ｉfu,Ｉfv,Ｉfwを重畳させている。これにより、ロータ励磁用電流Ｉfu,Ｉfv,Ｉfwを重畳した際に生じるトルクリップルの幅（発生時間）を上記ステータコアティース部３４を通過する度に生じる短い周期のトルクリップルの幅よりも小さくすることができる。これにより、上記周期的なトルクリップルに対して、ロータ励磁用電流Ｉfu,Ｉfv,Ｉfwを重畳した際に生じるトルクリップルにより走行モータ１０の振動及び騒音が目立つことを抑制することが可能となる。

本実施形態では、同期電流Ｉtu,Ｉtv,Ｉtwに、相ごとに定められた所定のロータ励磁用電流Ｉfu,Ｉfv,Ｉfwを重畳させている。これにより、同期電流Ｉtu,Ｉtv,Ｉtwにロータ励磁用電流Ｉfu,Ｉfv,Ｉfwを重畳した各相電流Ｉu,Ｉv,Ｉwの波形を好適なものとすることができる。例えば、ロータ励磁用電流Ｉfu,Ｉfv,Ｉfwをロータトルクの発生への影響の少ないタイミングで重畳させるなど、好適な電流波形とすることができる。

本実施形態では、ステータコイル３２に印加される電機子電圧（第２電圧Ｖ２）は、同期電圧Ｖtuとロータ励磁用電圧Ｖfuとの和となる。これにより、同期電圧Ｖtuにロータ励磁用電圧Ｖfuを重畳させる場合にも、第２電圧Ｖ２で好適にインバータを制御することが可能となる。

本実施形態では、パルス状のロータ励磁用電圧ＶfuをＰＷＭ電圧により形成された同期電圧Ｖtuに重畳させた。具体的には、同期電圧Ｖtuを形成するＰＷＭ電圧のオン期間とオフ期間とを適宜変換してパルス状のロータ励磁用電圧Ｖfuを重畳させた。これにより、簡易かつ良好に同期電圧にロータ励磁用電圧Ｖfuを重畳させることが可能となる。なお、ロータ励磁用電圧ＶfuもＰＷＭ電圧で形成するようにしてもよい。

本実施形態では、同期電圧Ｖtuのゼロクロス点近傍においてロータ励磁用電圧Ｖfuを重畳した。これにより、インバータ７０に印加する電圧を増大することなく、大きなロータ励磁用電圧Ｖfuを重畳することが可能となる。

本実施形態では、バッテリ５０の第１電圧Ｖ１を昇圧回路６０により昇圧した。このため、簡易な構成で昇圧を行うことができる。また、バッテリ５０の他に、高電圧のバッテリを装備しなくてもよいので、コストを抑えることもできる。また、昇圧回路６０で昇圧した第２電圧を常時インバータ７０に印加する構成としたので、インバータ７０に印加する電圧値を切り替えるためのスイッチ手段は不要である。このため、構成が簡易となる。

なお、本発明は上記実施の形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施しても良い。

（変形例１）
上記実施形態では、バッテリ５０の第１電圧Ｖ１を昇圧回路６０で第２電圧Ｖ２にまで昇圧し、その昇圧された電圧でインバータ７０が駆動された。しかし、図２０に示すように、バッテリ５０及び昇圧回路６０の出力がそれぞれ入力されるスイッチ部８０を設け、スイッチ部８０の切替操作によりバッテリ５０又は昇圧回路６０の出力を適宜選択してインバータ７０を駆動するようにしてもよい。具体的には、スイッチ部８０の第１スイッチ８１をオンとし第２スイッチ８２をオフとすることにより、バッテリ５０の第１電圧Ｖ１でインバータ７０を駆動することが可能となる。また、スイッチ部８０の第１スイッチ８１をオフとし第２スイッチ８２をオンとすることにより、昇圧回路６０の出力である第２電圧Ｖ２でインバータ７０を駆動することが可能となる。そして、少なくともロータ励磁用電圧Ｖfuを印加する場合に、第２電圧Ｖ２でインバータ７０を駆動するようにする。

これにより、高電圧のロータ励磁用電圧Ｖfuをステータコイル３２に印加することが可能となるので、短時間のロータ励磁用電圧Ｖfuの印加で所望のトルクを得るために必要なロータ励磁用電流Ｉfu,Ｉfv,Ｉfwを流すことが可能となる。そして、ロータ励磁用電圧Ｖfuを印加する際に生じるトルクリップルを抑制することが可能となる。また、同期電圧Ｖtu,Ｖtv,Ｖtwは走行モータ１０に最適な電圧を供給することが可能となるので、システム全体の効率を向上することが可能となる。

なお、上記実施形態及び変形例１で示した昇圧回路６０は一例であり、昇圧回路６０の構成及び昇圧の方法は上記のものに限定されないのはいうまでもない。

（変形例２）
上記変形例１では、スイッチ部の切替操作によりバッテリ５０又は昇圧回路６０の出力を適宜選択してインバータ７０を駆動するようにした。しかし、図２１に示すように、第１電圧を定格値とする第１直流電源５１と第１電圧よりも高電圧の第２電圧を定格値とする第２直流電源５２とを設け、スイッチ部８０の切替操作により第１直流電源５１又は第２直流電源５２の出力を適宜選択してインバータ７０を駆動するようにしてもよい。これによっても、変形例１と同様の作用効果を奏する。

（変形例３）
上記実施形態では、ロータコアティース部２６に磁石を埋設しない構成とした。しかし、図２２に示すように、ロータコアティース部２６に磁石２６ａを埋設し、磁石２６ａによりロータ２０の励磁を補助する構成としてもよい。このような構成を採用した走行モータ１０においても、本発明を適用することが可能である。

走行モータの全体構造を示す軸方向断面図。 走行モータの径方向の一部断面図。 回転電機装置の回路図。 三相電機子電流の通電制御例を示す図。 同期電流にロータ励磁用電流を重畳した三相電子機電流を示す図。 ロータ励磁用電流の波形の一例を示す図。 一相の同期電流を形成するＰＷＭ相電圧波形を示す図。 一相の同期電流を形成するＰＷＭ相電圧波形のゼロクロス点近傍を示す図。 図８に示す波形にロータ励磁用電圧を重畳したＰＷＭ相電圧波形を示す図。 比較例１における同期電流にロータ励磁用電流を重畳したＰＷＭ相電圧波形を示す図。 比較例２における同期電流にロータ励磁用電流を重畳したＰＷＭ相電圧波形を示す図。 本実施形態における各相の同期電流にロータ励磁用電流を重畳した各相電流の電流とロータコイルに生じる励磁電流とを示す波形図。 本実施形態におけるロータに生じるトルクの波形図。 図１３におけるＡ部拡大図。 比較例１における各相の同期電流にロータ励磁用電流を重畳した各相電流の電流とロータコイルに生じる励磁電流とを示す波形図。 比較例１におけるロータに生じるトルクの波形図。 比較例２における各相の同期電流にロータ励磁用電流を重畳した各相電流の電流とロータコイルに生じる励磁電流とを示す波形図。 比較例２におけるロータに生じるトルクの波形図。 図１８におけるＢ部拡大図。 変形例１における回転電機装置の回路図。 変形例２における回転電機装置の回路図。 変形例３における走行モータの径方向の一部断面図。

符号の説明

１０…走行モータ、１１…ハウジング、１４…回転位置センサ、２０…ロータ、２１…シャフト、２２…ロータコア、２３…ロータコイル、２６…ロータコアティース部、２８…ダイオード、２９…電流平滑用コンデンサ、３０…ステータ、３１…ステータコア、３２…ステータコイル、３３…スロット、４０…コントローラ、５０…バッテリ、６０…昇圧回路、６１…昇圧用スイッチ、６２…インダクタ、６３…ダイオード、７０…インバータ、７１…上アーム素子、７２…下アーム素子。

Claims (13)

1. 多相の電機子巻線が巻装されたステータと、界磁巻線が巻装され前記ステータに対面しつつ回転可能なロータとを有する同期機と、
   直交電力変換を行い、前記電機子巻線に交流電力を供給するインバータと、
   前記ロータの回転位置に対応した回転磁界を形成する同期電流に前記同期電流とは異なる波形のロータ励磁用電流を重畳させた電機子電流を前記電機子巻線に流すように前記インバータを制御する制御部と、
   前記インバータに給電可能な直流電源装置とを備える回転電機装置であって、
   前記ロータ励磁用電流により誘導される誘導電流の流れを一方向に規制する電流規制回路を設けて前記界磁巻線を構成し、
   第１電圧値の電圧を出力する第１出力部と前記第１電圧値よりも高い第２電圧値の電圧を出力する第２出力部とを設けて前記直流電源装置を構成し、少なくとも前記ロータ励磁用電流を流す場合に前記第２出力部から前記インバータに給電することを特徴とする回転電機装置。
2. 常時前記第２出力部から前記インバータに給電することを特徴とする請求項１に記載の回転電機装置。
3. 前記ロータ励磁用電流を流す場合にのみ前記第２出力部から前記インバータに給電することを特徴とする請求項１に記載の回転電機装置。
4. 前記第１出力部として前記第１電圧値を定格値とし前記第１電圧値の電圧を出力するバッテリを設けるとともに、前記第２出力部として前記第１出力部からの出力電圧を前記第２電圧値に昇圧して出力する昇圧回路を設けたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の回転電機装置。
5. 前記第１出力部として前記第１電圧値を定格値とし前記第１電圧値の電圧を出力するバッテリを設けるとともに、前記第２出力部として前記第１出力部からの出力電圧を前記第２電圧値に昇圧して出力する昇圧回路を設け、前記インバータとの接続を前記第１出力部又は前記第２出力部のいずれかに切り替えるスイッチ部を設けたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の回転電機装置。
6. 前記第１出力部として前記第１電圧値を定格値とし前記第１電圧値の電圧を出力する第１バッテリを設けるとともに、前記第２出力部として前記第２電圧値を定格値とし前記第２電圧値の電圧を出力する第２バッテリを設け、前記インバータとの接続を前記第１出力部又は前記第２出力部のいずれかに切り替えるスイッチ部を設けたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の回転電機装置。
7. 前記スイッチ部の切り替えを制御するスイッチ制御部を設け、
   前記スイッチ制御部は、前記ロータ励磁用電流を流す場合に前記第２出力部から前記インバータに給電されるように前記スイッチ部を切り替えることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の回転電機装置。
8. 前記制御部は、前記同期電流の周期よりも短い所定時間だけ前記ロータ励磁用電流を重畳させるように前記インバータを制御することを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の回転電機装置。
9. 前記ステータは前記ロータとの対向面に複数の磁気突極を有し、
   前記制御部は、隣り合う前記磁気突極を前記ロータの一の点が通過する周期よりも短い所定の期間だけ前記ロータ励磁用電流を重畳させるように前記インバータを制御することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載の回転電機装置。
10. 前記制御部は、前記同期電流を発生する同期電圧に、相ごとに定められた所定の前記ロータ励磁用電流を発生するロータ励磁用電圧を重畳するよう前記インバータを制御することを特徴とする請求項１から請求項９のいずれかに記載の回転電機装置。
11. 前記同期電圧に前記ロータ励磁用電圧を重畳させた場合の電圧値が前記第２出力値であることを特徴とする請求項１０に記載の回転電機装置。
12. 前記ロータ励磁用電圧をパルス電圧又はＰＷＭ電圧により形成するとともに、当該ロータ励磁用電圧をＰＷＭ電圧により形成される前記同期電圧に重畳することを特徴とする請求項１０又は請求項１１に記載の回転電機装置。
13. 前記ロータ励磁用電圧を、前記同期電圧のゼロクロス点近傍で重畳することを特徴とする請求項１２に記載の回転電機装置。

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