JP2008109823A - 回転電機装置 - Google Patents

Abstract

【課題】トルクリップル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】ロータ２０の回転位置に対応した回転磁界を形成する同期電流に同期電流とは異なる波形のロータ励磁用電流を所定周期で重畳させた電機子電流をステータコイル３２に流すことによりロータコイル２３に励磁電流を発生される回転電機装置において、ロータ励磁用電流を重畳する直前におけるロータコイル２３線を流れる励磁電流値を、ロータ励磁用電流により誘導された初期励磁電流値の１／２以上とする。これにより、ロータ励磁用電流を重畳するタイミングにおける励磁電流の変動量及びロータの回転トルクの変動量が過大となることを抑止することができる。この結果、ロータ励磁用電流を重畳するタイミングにおける回転電機装置の騒音や振動を抑制することが可能となる。
【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。

ステータ巻線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。

界磁巻線式同期機は、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式同期機は、例えば特許文献１に提案されている。
特開平７−９５７９０号公報

特許文献１に開示された界磁巻線式同期機は、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。特許文献１に記載の界磁巻線式同期機は脈動励磁電流重畳方式による二次側励磁電流を形成するものであって、電機子電流に重畳する一次側励磁電流を周期変動させるものである。そのため、ロータ界磁巻線に誘導される励磁電流である二次側励磁電流が脈動する。一次側励磁電流の脈動は二次側励磁電流の脈動に繋がるので、特許文献１に記載の界磁巻線式同期機では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。

そこで当社は、ロータを回転させるための同期電流にパルス状のロータ励磁用電流を重畳することによりトルクリップルを低減する技術につき検討をおこなった。しかしながら、この技術においても、各種のパラメータの条件によっては、トルクリップルが大きくなることが判明した。

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、及び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所定周期で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、前記ロータ励磁用電流を重畳する直前における前記界磁巻線を流れる誘導電流値を、前記ロータ励磁用電流により誘導された初期誘導電流値の１／２以上としたことを特徴としている。

ロータ励磁用電流により誘導される誘導電流は、界磁巻線の抵抗のために重畳時の初期誘導電流値から時間の経過とともに減衰する。そして、次にロータ励磁用電流が重畳されるタイミングにおいて、誘導電流が再度初期誘導電流値に復帰する。ロータの回転トルクはロータに流れる誘導電流の大きさに依存する。そのため、ロータの回転トルクも誘導電流の変動と同様、ロータ励磁用電流が重畳したタイミングから時間とともに減衰するとともに、再度ロータ励磁用電流が重畳されたタイミングにおいて増加する。誘導電流の減衰が大きいと、再度ロータ励磁用電流が重畳されるタイミングにおけるトルクの変動（トルクリップル）も大きくなり、回転電機装置の振動や騒音等の原因となる。

この点、本発明では、ロータ励磁用電流を重畳する直前における誘導電流値を初期誘導電流値の１／２以上とした。これにより、ロータ励磁用電流を重畳するタイミングにおける誘導電流の変動量及びロータの回転トルクの変動量が過大となることを抑止することができる。この結果、ロータ励磁用電流を重畳するタイミングにおける回転電機装置の騒音や振動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、前記界磁巻線の抵抗をＲr、インダクタンスをＬとし、前記ロータ励磁用電流の重畳周期をｔ０とした場合、

を満たすようにＲｒ，Ｌ及びｔ０を設定したことを特徴としている。このようにＲｒ，Ｌ及びｔ０を設定することにより、ロータ励磁用電流を重畳する直前における誘導電流値を、初期誘導電流値の１／２以上とすることが可能となる。

請求項３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、及び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、前記界磁巻線を流れる誘導電流の平均値を、前記ロータ励磁用電流により誘導された初期誘導電流値の１／２以上としたことを特徴としている。

本発明では、誘導電流の平均値を初期誘導電流値の１／２以上とした。これにより、ロータ励磁用電流を重畳するタイミングで誘導電流の変動量及びロータの回転トルクの変動量が過大となることを抑止することができる。この結果、ロータ励磁用電流を重畳するタイミングにおける回転電機装置の騒音や振動を抑制することが可能となる。

請求項４に記載の発明では、前記界磁巻線の抵抗をＲr、インダクタンスをＬとし、前記ロータ励磁用電流の重畳周期をｔ０とした場合、

を満たすようにＲr，Ｌ及びｔ０を設定したことを特徴としている。このようにＲｒ，Ｌ及びｔ０を設定することにより、誘導電流の平均値を初期誘導電流値の１／２以上とすることが可能となる。

請求項５及び請求項６に記載の発明では、前記界磁巻線の抵抗をＲr、インダクタンスをＬ、前記ロータ励磁用電流の重畳周期をｔ０、前記電機子巻線に流れる電流をＩｓ、前記電機子巻線の巻線抵抗をＲs、前記初期誘導電流値をＩri、前記ロータ励磁用電流の重畳時間をｔ１とした場合、

が、Ｒr，Ｌ又はｔ０のいずれかに関して極大となるようにＲr，Ｌ及びｔ０を設定したことを特徴としている。

所定の大きさのロータ回転トルクを確保するためには、所定の大きさの誘導電流値を確保する必要がある。界磁巻線に流れる誘導電流値を大きくするためには、ロータ励磁用電流の重畳周期を短くすればよい。換言すると同期電流の周期ｔ２あたりの重畳回数を多くすればよい。しかしながら、重畳回数を多くすればロータの励磁に要する電力も増大することとなり、エネルギー効率が低下する。そこで、所定の誘導電流値を確保し、且つ、効率よくトルクを発生させることが重要である。

上式は界磁巻線に流れる平均誘導電流とロータ励磁用電流を重畳するために要する平均励磁電力との比を表している。そして、この比がある変数について極大値となる場合、その変数について効率よく誘導電流を発生させているといえる。換言すると、この比がある変数について極大値となる場合、その変数について効率よくトルクを発生させているといえる。すなわち、Ｒr，Ｌ又はｔ０のいずれかに関して上式が極大となるようにＲr，Ｌ及びｔ０を設定することで、効率よくトルクを発生させることができる。

請求項７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周期で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している。これにより、同期電流の１周期に少なくとも１回ロータ励磁用電流が重畳されることとなる。この結果、ロータの低回転域においても、長期間ロータ励磁用電流が重畳されない状態が継続することが回避される。

請求項８に記載の発明では、前記制御部は、同期電流における予め定められた所定の位相で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９に記載の発明では、前記制御部は、前記ロータ励磁用電流の重畳角度周期が等間隔となるように前記インバータを制御することを特徴している。ロータ励磁用電流の重畳角度周期を等間隔とすることで、誘導電流の減衰量を均一化することができる。これにより、トルクリップルも均一化され、特定のタイミングにおいて回転電機装置の騒音や振動が目立つことを抑制できる。

以下、本発明を車両の走行動力発生用の走行モータを含む回転電機装置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は走行モータの径方向の一部断面図、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。ロータコイル２３のインダクタンスはＬである。また、ロータコイル２３及びダイオード２８の両者を含めた抵抗２９はＲrである。抵抗２９は、ロータコイル２３及びダイオード２８に含まれるものであるが、図３では便宜上分離して描かれている。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ｔ１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ｔ１ａ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ｔ１ｂ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だけ、ロータ励磁用電流Ｉfu,Ｉfv,Ｉfwを重畳させる。

（第１シミュレーション）
本実施形態における走行モータ１０を作動させた第１シミュレーションの結果を以下に説明する。本シミュレーションでは、インダクタンスＬ、抵抗Ｒr及び励磁周期ｔ０を変更して実験例１から実験例３の３つの態様で実験を行った。実験例１から実験例３では、同期電流Ｉtu,Ｉtv,Ｉtwの１周期（同期周期ｔ２）を１５００×１０＾（−６）ｓとした。実験例１では、Ｒr／Ｌの値を２３０と設定し、励磁周期ｔ０を７５０×１０＾（−６）ｓとした。すなわち、励磁周期ｔ０を同期周期ｔ２よりも短く設定した。また、ロータ励磁用電流Ｉfu,Ｉfv,Ｉfwは、同期電流Ｉtu,Ｉtv,Ｉtwにおける予め定められた所定の位相で重畳されるとともに、重畳角度周期が等間隔となるようにした。実験例２は、Ｒr／Ｌの値を実験例１の１／４に設定している点が異なっているが他は実験例１と同様である。また実験例３は、励磁周期ｔ０を実験例１の１／３に設定している点が異なっているが他は実験例１と同様である。

（実験例１）
図１０は実験例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。なお図１０では、各相電流Ｉu,Ｉv,Ｉwの電流を実線で、励磁電流Ｉrを二点鎖線で示している。図１１は実験例１におけるロータ２０に生じるトルクの波形図である。

図１０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１０から理解できる。図１１に示されるように、ロータ２０には短い周期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。この短い周期で繰り返されるトルクリップルは、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１１から、この短い周期で繰り返されるトルクリップルよりも大きなトルクリップルが生じていることも分かる。ロータ２０に生じるトルクは励磁電流Ｉrに依存する。そして上記大きなトルクリップルは、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。

ここで、図１０から分かるように、励磁電流Ｉrはロータ励磁用電流Ｉfu,Ｉfv,Ｉfwが重畳されてから次に重畳されるタイミングまで、時間の経過とともに減衰している。励磁電流Ｉrは、

を解くことにより、

（Ｉriはロータ励磁用電流重畳時の励磁電流値、以下「重畳時励磁電流」と記す）
と表すことができる。

また、ロータ励磁用電流の重畳時から次回のロータ励磁用電流の重畳直前までの平均励磁電流Ｉraは、励磁周期をｔ０とすると、

と表すことができる。

図１０に示すように、実験例１では重畳時励磁電流Ｉriは８０Ａであり、ロータ励磁用電流Ｉfu,Ｉfv,Ｉfwが重畳されるタイミングの直前における励磁電流Ｉr（以下、「重畳直前励磁電流Ｉre」と記す）は約１６Ａである。また、平均励磁電流Ｉraは約３５Ａである。すなわち、重畳直前励磁電流Ｉre及び平均励磁電流Ｉraがともに初期励磁電流Ｉriの１／２以下となっている。そして、ロータ励磁用電流Ｉfu,Ｉfv,Ｉfw重畳時の励磁電流Ｉrの変動が大きくなるため、図１１に示すように、励磁電流Ｉrの変化に伴うトルクリップルＴ１も大きくなっている。このため、実験例１の走行モータ１０では、トルクリップルのために振動及び騒音が大きくなり、実用上問題が生じるおそれがある。

（実験例２）
図１２は実験例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、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。なお図１２では、各相電流Ｉu,Ｉv,Ｉwの電流を実線で、励磁電流Ｉrを二点鎖線で示している。図１３は実験例２におけるロータ２０に生じるトルクの波形図である。

図１２に示されるように、実験例２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１２から理解できる。但し、実験例２においては、Ｒr／Ｌの値を実験例１の１／４としたので、励磁電流Ｉrの減衰が緩やかになっている。

具体的には、図１２に示すように、実験例２では重畳時励磁電流Ｉriは約８０Ａであり、重畳直前励磁電流Ｉreは約４２Ａである。また、平均励磁電流Ｉraは約５４Ａである。すなわち、重畳直前励磁電流Ｉre及び平均励磁電流Ｉraがともに初期励磁電流Ｉriの１／２以上となっている。励磁電流Ｉrの減衰を小さくすることで、図１３に示すようにトルクの減少が抑制される。その結果として、実験例２では実験例１より平均トルクが約１０％向上している。また、ロータ励磁用電流Ｉfu,Ｉfv,Ｉfw重畳時の励磁電流Ｉrの変動が小さくなるため、図１３に示すように励磁電流Ｉrの変化に伴うトルクリップルＴ２も実験例１に比べて小さくなっている。そして、実験例２のように、Ｒr，Ｌの値を適切に設定して重畳直前励磁電流Ｉre及び平均励磁電流Ｉraがともに初期励磁電流Ｉriの１／２以上となるようにすれば、トルクリップルによる走行モータ１０の振動及び騒音等への影響も実用上許容可能なレベルのものであった。

すなわち、重畳直前励磁電流Ｉre（＝Ｉr（ｔ０））が重畳時励磁電流Ｉriの１／２以上であるという条件から定まる式

若しくは、平均励磁電流Ｉraが重畳時励磁電流Ｉriの１／２以上であるという条件から定まる式

を満たすようにＲrとＬとを設定することで、実用上許容可能なレベルにトルクリップルを抑制することが可能となった。

（実験例３）
図１４は実験例３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。なお図１４では、各相電流Ｉu,Ｉv,Ｉwの電流を実線で、励磁電流Ｉrを二点鎖線で示している。図１５は実験例３におけるロータ２０に生じるトルクの波形図である。

図１４に示されるように、実験例３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１４から理解できる。但し、実験例３においては、励磁周期ｔ０を実験例１の１／３としている。このため、励磁電流Ｉrの減衰の度合いは実験例１と同様であるが、励磁電流Ｉrが大きく減衰する前に再度ロータ励磁用電流がＩfu,Ｉfv,Ｉfwが重畳される。その結果、励磁電流Ｉrは大きく減衰する前に重畳時励磁電流Ｉriに復帰している。

具体的には、図１４に示すように、実験例３では重畳時励磁電流Ｉriは約８０Ａであり、重畳直前励磁電流Ｉreは約４５Ａである。また、平均励磁電流Ｉraは約５５Ａである。すなわち、重畳直前励磁電流Ｉre及び平均励磁電流Ｉraがともに初期励磁電流Ｉriの１／２以上となっている。励磁電流Ｉrが大きく減衰する前に重畳時励磁電流Ｉriに復帰させることでトルクの減少が抑制される。その結果として、実験例３では実験例１より平均トルクが約１５％向上している。また、ロータ励磁用電流Ｉfu,Ｉfv,Ｉfw重畳時の励磁電流Ｉrの変動が小さくなる。そのため、図１５に示すように、励磁電流Ｉrの変化に伴うトルクリップルは、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短い周期のトルクリップルと同程度の非常に小さいものとなっている。そして、実験例３のように、励磁周期ｔ０を適切な値に設定して重畳直前励磁電流Ｉre及び平均励磁電流Ｉraがともに初期励磁電流Ｉriの１／２以上となるようにすれば、トルクリップルによる走行モータ１０の振動及び騒音等への影響も実用上許容可能なレベルのものであった。

すなわち、式（２）、又は、式（３）を満たすようにｔ０を設定することで、実用上許容可能なレベルにトルクリップルを抑制することが可能となった。

（第２シミュレーション）
本実施形態における走行モータ１０を作動させた第２シミュレーションの結果を以下に説明する。本シミュレーションは、インダクタンスＬ、抵抗Ｒrを所定値に固定した状態で行った。そして、ロータ２０の回転速度が１０００、２０００、３０００（ｒｐｍ）の３つの場合について、同期電流Ｉtu,Ｉtv,Ｉtwの１周期（同期周期ｔ２）あたりのロータ励磁用電流Ｉfu,Ｉfv,Ｉfwのパルス数ｎ（以下「同期周期ｔ２あたりのパルス数ｎ」という）を変えた際の平均励磁電流Ｉra及び平均励磁電力Ｐを計測した。

図１６は、同期周期ｔ２あたりのパルス数ｎを変更した場合の平均励磁電流Ｉraを示す図である。図中、ロータ２０の回転速度が３０００ｒｐｍの場合を実線、２０００ｒｐｍの場合を破線、そして１０００ｒｐｍの場合を一点鎖線で示している（図１７、図１８も同様）。

平均励磁電流Ｉraは式（１）のように表されるので、励磁周期ｔ０が短くなるほど平均励磁電流Ｉraが大きくなる。ここで、励磁周期ｔ０、同期周期ｔ２、及び同期周期あたりのパルス数ｎとの間には、
ｔ０＝ｔ２／ｎ
の関係がある。そして、ロータ２０の回転速度が増加すると同期周期ｔ２は短くなるので、励磁周期ｔ０も短くなる。したがって、図１６に示すように、同期周期ｔ２あたりのパルス数ｎを固定した場合、ロータ２０の回転速度が増加するほど平均励磁電流Ｉraは大きくなる。また、同一の回転速度でみた場合、すなわち同期周期ｔ２が同一の場合には、同期周期ｔ２あたりのパルス数ｎが増加するほど励磁周期ｔ０が減少するので、平均励磁電流Ｉraは大きくなる。

図１６から、仮に要求される平均励磁電流Ｉraが０．９＊Ｉの場合、１０００ｒｐｍでは６パルス、２０００ｒｐｍでは２パルスそして３０００ｒｐｍでは１パルスとすれば、電力を抑えつつ、要求される平均励磁電流Ｉraを満足できることがわかる。

図１７は、同期周期ｔ２あたりのパルス数ｎを変更した場合の平均励磁電力Ｐを示す図である。同期周期ｔ２あたりｎ個のパルスを重畳させるために要する平均励磁電力Ｐ、すなわち、パルスを入れる際にステータ３０及びロータ２０で消費される平均励磁電力Ｐは以下のように表される。

（Ｉs：ステータ電流、Ｒs：ステータコイル抵抗、Ｉra：平均励磁電流、ｔ０：励磁周期、ｔ１：パルス印加時間）
図１７はこの関係を図示したものである。図１７に示すように、同期周期ｔ２あたりのパルス数ｎが増加すると平均励磁電力Ｐが増加する傾向にあることがわかる。

図１８は、平均励磁電流Ｉraと平均励磁電力Ｐとの比（Ｉra／Ｐ）を示す図である。平均励磁電流Ｉraと平均励磁電力Ｐとの比（Ｉra／Ｐ）は、以下のように表される。

図１８に示すように、比（Ｉra／Ｐ）は極大値を持つことがわかる。そして、比（Ｉra／Ｐ）が極大値となるような同期周期ｔ２あたりのパルス数ｎを設定することで、励磁電流Ｉrを効率よく発生させることができる。換言すると、比（Ｉra／Ｐ）が極大値となるような励磁周期ｔ０を設定することで、効率よくトルクを発生させることができる。例えば、ロータ２０の回転速度が１０００ｒｐｍの場合は４パルス、２０００ｒｐｍでは２パルスそして３０００ｒｐｍでは１パルスとするようにｔ０を設定すれば、平均励磁電力Ｐあたりの平均励磁電流Ｉraが最大となり、効率よくトルクを発生させることができる。

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、重畳時励磁電流Ｉri又は平均励磁電流Ｉraを初期誘導電流値の１／２以上とした。これにより、ロータ励磁用電流Ｉfu,Ｉfv,Ｉfwを重畳するタイミングにおける励磁電流Ｉrの変動量及びロータ２０の回転トルクの変動量が過大となることを抑止することができる。この結果、ロータ励磁用電流Ｉfu,Ｉfv,Ｉfwを重畳するタイミングにおける走行モータ１０の騒音や振動を抑制することが可能となる。具体的には、式（２）又は式（３）を満たすように、ロータコイル２３の抵抗ＲrとインダクタンスＬとの比又は励磁周期ｔ０を適切な値に設定することにより、励磁電流Ｉrの減衰を抑制してトルクリップルを抑制することが可能となる。

本実施形態では、平均励磁電流Ｉraと平均励磁電力Ｐとの比（Ｉra／Ｐ）を極大とするような励磁周期ｔ０を設定している。具体的には、式（４）を満たすように励磁周期ｔ０を設定している。これにより、効率よくトルクを発生させることが可能となる。

本実施形態では、励磁周期ｔ０を同期周期ｔ２よりも短く設定した。これにより、同期周期ｔ２に少なくとも１回ロータ励磁用電流Ｉfu,Ｉfv,Ｉfwが重畳されることとなる。この結果、ロータ２０の低回転域においても、長期間ロータ励磁用電流Ｉfu,Ｉfv,Ｉfwが重畳されない状態が継続することが回避される。

本実施形態では、ロータ励磁用電流Ｉfu,Ｉfv,Ｉfwを、同期電流Ｉtu,Ｉtv,Ｉtwにおける予め定められた所定の位相で重畳した。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、重畳角度周期が等間隔となるようにロータ励磁用電流Ｉfu,Ｉfv,Ｉfwを重畳した。ロータ励磁用電流Ｉfu,Ｉfv,Ｉfwの重畳角度周期を等間隔とすることで、励磁電流Ｉrの減衰量を均一化することができる。これにより、トルクリップルも均一化され、特定のタイミングにおいて走行モータ１０の騒音や振動が目立つことを抑制できる。

（変形例１）
上記シミュレーション１では、ロータコイル２３の抵抗ＲrとインダクタンスＬとの比又は励磁周期ｔ０を適切な値に設定することにより、励磁電流Ｉrの減衰を抑制してトルクリップルを抑制した。しかし、抵抗ＲrとインダクタンスＬとの比及び励磁周期ｔ０の両者を適切な値に設定してもよいことは勿論である。

（変形例２）
シミュレーション２では、励磁周期ｔ０を適切な値に設定することで、平均励磁電力Ｐあたりの平均励磁電流Ｉraを極大とし、効率よくトルクを発生させた。しかし、抵抗Ｒr又はインダクタンスＬを適切な値に設定することで、平均励磁電力Ｐあたりの平均励磁電流Ｉraを極大とし、効率よくトルクを発生させるようにしてもよい。すなわち、励磁周期ｔ０、抵抗Ｒr又はインダクタンスＬの少なくとも一つに関して、平均励磁電力Ｐあたりの平均励磁電流Ｉraを極大とするように、励磁周期ｔ０、抵抗Ｒr及びインダクタンスＬを適切な値に設定してもよい。

（変形例３）
式（２）又は式（３）の少なくとも一方を満たすとともに、式（４）が励磁周期ｔ０、抵抗Ｒr又はインダクタンスＬの少なくとも一つに関して極大となるように設定してもよい。これにより、トルクリップルを抑制しつつ、効率よくトルクを発生させることが可能となる。

（変形例４）
上記実施形態では、ロータ励磁用電流Ｉfu,Ｉfv,Ｉfwの励磁周期ｔ０を同期電流Ｉtu,Ｉtv,Ｉtwの同期周期ｔ２よりも短く設定した。しかし、励磁周期ｔ０を同期周期ｔ２より短くすることは本発明に必須の要件ではない。すなわち、ロータ２０の回転速度が大きくなれば同期周期ｔ２は小さくなる。そのため、励磁周期ｔ０を同期周期ｔ２よりも長く設定したとしても、励磁周期ｔ０の絶対的な値は過大とならない。したがって、ロータ２０の回転速度によっては、励磁周期ｔ０を同期周期ｔ２より長く設定することも可能である。

また、上記実施形態では、ロータ励磁用電流Ｉfu,Ｉfv,Ｉfwを同期電流Ｉtu,Ｉtv,Ｉtwにおける予め定められた所定の位相で重畳するとともに、重畳角度周期が等間隔となるようにした。しかし、ロータ励磁用電流Ｉfu,Ｉfv,Ｉfwを重畳する位相やその間隔はこれに限られるものではない。

（変形例５）
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１９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。 実験例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。 実験例１におけるロータに生じるトルクの波形図。 実験例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。 実験例２におけるロータに生じるトルクの波形図。 実験例３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。 実験例３におけるロータに生じるトルクの波形図。 同期周期あたりのパルス数を変更した場合の平均励磁電流を示す図 同期周期あたりのパルス数を変更した場合の平均励磁電力を示す図 同期周期あたりのパルス数を変更した場合の平均励磁電流と平均励磁電力との比を示す図。 変形例５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…ロータ合成抵抗、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 (9)

1. 多相の電機子巻線が巻装されたステータ、及び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所定周期で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、
   前記ロータ励磁用電流を重畳する直前における前記界磁巻線を流れる誘導電流値を、前記ロータ励磁用電流により誘導された初期誘導電流値の１／２以上としたことを特徴とする回転電機装置。
2. 前記界磁巻線の抵抗をＲr、インダクタンスをＬとし、前記ロータ励磁用電流の重畳周期をｔ０とした場合、
   

   

   を満たすようにＲｒ，Ｌ及びｔ０を設定したことを特徴とする請求項１に記載の回転電機装置。
3. 多相の電機子巻線が巻装されたステータ、及び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、
   前記界磁巻線を流れる誘導電流の平均値を、前記ロータ励磁用電流により誘導された初期誘導電流値の１／２以上としたことを特徴とする回転電機装置。
4. 前記界磁巻線の抵抗をＲr、インダクタンスをＬとし、前記ロータ励磁用電流の重畳周期をｔ０とした場合、
   

   

   を満たすようにＲr，Ｌ及びｔ０を設定したことを特徴とする請求項３に記載の回転電機装置。
5. 前記電機子巻線に流れる電流をＩｓ、前記電機子巻線の巻線抵抗をＲs、前記初期誘導電流値をＩri、前記ロータ励磁用電流の重畳時間をｔ１とした場合、
   

   

   が、Ｒr，Ｌ又はｔ０のいずれかに関して極大となるようにＲr，Ｌ及びｔ０を設定したことを特徴とする請求項２又は請求項４に記載の回転電機装置。
6. 多相の電機子巻線が巻装されたステータ、及び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、
   前記界磁巻線の抵抗をＲr、インダクタンスをＬ、前記ロータ励磁用電流の重畳周期をｔ０、前記電機子巻線に流れる電流をＩｓ、前記電機子巻線の巻線抵抗をＲs、前記初期誘導電流値をＩri、前記ロータ励磁用電流の重畳時間をｔ１とした場合、
   

   

   が、Ｒr，Ｌ又はｔ０のいずれかに関して極大となるようにＲr，Ｌ及びｔ０を設定したことを特徴とする回転電機装置。
7. 前記制御部は、前記同期電流の周期よりも短い周期で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６のいずれかに記載の回転電機装置。
8. 前記制御部は、同期電流における予め定められた所定の位相で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. 前記制御部は、前記ロータ励磁用電流の重畳角度周期が等間隔とな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。

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