JP2009112091A - 回転電機及びその駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータ巻線に高調波成分による誘導起電力を効率よく発生させてロータのトルクを効率よく増大させる。
【解決手段】ロータコア１６には、ステータ１２へ向けて突出した複数の突極１９が周方向に沿って互いに間隔をおいて配列されており、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓがこれらの突極１９に巻装されている。各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓは各ダイオード２１ｎ，２１ｓを介して短絡されており、各ダイオード２１ｎ，２１ｓで整流された電流が各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに流れることで、各突極１９が磁化して磁極の固定された磁石が発生する。周方向に関する各突極１９の幅θはロータ１４の電気角で１８０°に相当する幅よりも短く、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓは各突極１９に短節巻で巻装されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、ステータとロータとが対向配置された回転電機、及びその駆動制御装置に関する。

ステータに主発電巻線と励磁巻線、ロータに界磁巻線と界磁補助巻線を備え、ステータの励磁巻線をダイオードを介して短絡し、ロータの界磁補助巻線から界磁巻線に流れる電流を整流器で整流するブラシレス発電機が下記特許文献１に開示されている。特許文献１において、ロータが回転を始めると、ロータにおける界磁コアの残留磁気によりステータの励磁巻線に電圧が誘起され、ダイオードを介して一方向に励磁電流が流れてステータに静止磁界が発生する。ロータがこの静止磁界中を回転するため、ロータの界磁コアに巻回されている界磁補助巻線に電圧が誘起され、整流器で整流された界磁電流が界磁巻線に流れ込むことで、ロータにＮ極、Ｓ極の磁極を発生させている。

下記特許文献２においては、上記の励磁巻線をステータに設ける代わりに、集中全節巻きされたステータの主発電巻線にリアクトルを接続している。特許文献２において、ロータが回転を始めると、回転子鉄心の残留磁界によりステータの主発電巻線に起電力が誘起され、この起電力により主発電巻線及びリアクトルからなる閉回路にリアクトル励磁電流が電機子電流として流れて電機子反作用磁界が生じる。ステータの主発電巻線が集中全節巻にしてあることにより、この電機子反作用磁界は高調波成分（第５空間高調波磁界）を含むものとなり、この第５空間高調波磁界を含む電機子反作用磁界がロータの界磁補助巻線に鎖交することで、界磁補助巻線に起電力が発生する。この起電力がダイオードブリッジ回路で直流に変換されてロータの界磁巻線に界磁電流として供与されることで、ロータにＮ極、Ｓ極の磁極を発生させている。

下記特許文献３においては、上記のロータの界磁補助巻線を省略し、全節巻きされたロータの界磁巻線をダイオードを介して短絡している。特許文献３において、ロータが回転を始めると、回転子鉄心の残留磁界によりステータの主発電巻線に起電力が誘起され、この起電力により主発電巻線及びリアクトルからなる閉回路にリアクトル励磁電流が電機子電流として流れて電機子反作用磁界が生じる。そして、この電機子反作用磁界の奇数次の空間高調波成分と磁気的に結合するロータの界磁巻線に起電力が誘導し、ダイオードで整流された界磁電流が界磁巻線に流れることで、ロータにＮ極、Ｓ極の磁極を発生させている。さらに、下記特許文献４においては、上記の全節巻きされたロータの界磁巻線を並列接続することで、界磁巻線に流れる界磁電流の増大を図っている。

特開昭６２−２３３４８号公報 特開平４−２８５４５４号公報 特開平８−６５９７６号公報 特開平１１−２２０８５７号公報

特許文献１，２においては、ステータに主発電巻線以外に励磁巻線またはリアクトルが設けられ、ロータに界磁巻線以外に界磁補助巻線が設けられているため、巻線構造が複雑になり、小型化が困難となる。特許文献３，４においては、ロータの界磁巻線をダイオードを介して短絡することで、ロータの界磁補助巻線を省略しているものの、ステータに主発電巻線以外に励磁巻線またはリアクトルが設けられている分、巻線構造が複雑化する。また、特許文献３，４においては、ロータの界磁巻線が全節巻であるため、ロータの界磁巻線に空間高調波成分による誘導起電力を効率よく発生させることが困難であり、ステータの主発電巻線以外の励磁巻線またはリアクトルを利用して、ロータの界磁巻線に空間高調波成分による誘導起電力を発生させる必要がある。

本発明は、ロータ巻線に高調波成分による誘導起電力を効率よく発生させてロータのトルクを効率よく増大させることを目的の１つとする。また、本発明は、回転電機の巻線構造を簡略化することを目的の１つとする。

本発明に係る回転電機及びその駆動制御装置は、上述した目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。

本発明に係る回転電機は、ステータとロータとが対向配置された回転電機であって、ステータは、複数のスロットがロータ回転軸まわりの周方向に互いに間隔をおいて形成されたステータコアと、該スロットを通ってステータコアに集中巻で巻装された複数相のステータ巻線と、を有し、該ステータ巻線に交流電流が流れることで高調波成分を含む回転磁界を形成し、ロータは、ロータコアと、ロータコアに巻装され、ステータで形成された高調波成分を含む回転磁界が鎖交することで誘導起電力が発生するロータ巻線と、該誘導起電力の発生に伴ってロータ巻線に流れる電流を整流する整流素子と、を有し、ロータコアは、ロータ巻線が巻装され、整流素子で整流された電流がロータ巻線に流れるのに応じて磁化することで磁極が固定された磁石として機能する磁極部であって、前記周方向に互いに間隔をおいた状態でステータと対向配置された複数の磁極部を含み、ロータ巻線は、各磁極部に短節巻で巻装されていることを要旨とする。

本発明の一態様では、各磁極部に巻装されたロータ巻線の前記周方向に関する幅が電気角で９０°に相当する幅に略等しいことが好適である。

本発明の一態様では、ロータコアにおいては、各磁極部の磁気抵抗が前記周方向において磁極部間に位置する部分の磁気抵抗よりも低いことが好適である。また、本発明の一態様では、ロータコアにおいては、各磁極部がステータへ向けて突出していることが好適である。また、本発明の一態様では、ロータコアには、前記周方向において磁極部間に位置する部分に永久磁石が配設されていることが好適である。

本発明の一態様では、各磁極部に巻装されたロータ巻線が互いに電気的に分断されており、整流素子は、該電気的に分断されたロータ巻線毎に設けられ、各整流素子は、各磁極部に巻装されたロータ巻線に流れる電流を、前記周方向において磁極部の磁極を交互させる方向に整流することが好適である。

本発明の一態様では、前記周方向に隣接する磁極部に巻装されたロータ巻線が互いに電気的に分断されており、整流素子は、該電気的に分断されたロータ巻線毎に設けられ、各整流素子は、前記周方向に隣接する磁極部に巻装されたロータ巻線に流れる電流を、該隣接する磁極部の磁極を互いに異ならせる方向に整流することが好適である。この態様では、互いに同じ磁極の磁石として機能する磁極部に巻装されたロータ巻線同士が電気的に接続されていることが好適である。

また、本発明に係る回転電機は、ステータとロータとが対向配置された回転電機であって、ステータは、複数のスロットがロータ回転軸まわりの周方向に互いに間隔をおいて形成されたステータコアと、該スロットを通ってステータコアに集中巻で巻装された複数相のステータ巻線と、を有し、該ステータ巻線に交流電流が流れることで高調波成分を含む回転磁界を形成し、ロータは、ロータコアと、ロータコアに巻装され、ステータで形成された高調波成分を含む回転磁界が鎖交することで誘導起電力が発生するロータ巻線と、該誘導起電力の発生に伴ってロータ巻線に流れる電流を整流する整流素子と、を有し、ロータコアは、整流素子で整流された電流がロータ巻線に流れるのに応じて磁化することで磁極が固定された磁石として機能する磁極部であって、前記周方向に互いに間隔をおいた状態でステータと対向配置された複数の磁極部を含み、前記周方向に関する各磁極部の幅が電気角で１８０°に相当する幅よりも小さいことを要旨とする。

本発明の一態様では、前記周方向に関する各磁極部の幅が電気角で９０°に相当する幅に略等しいことが好適である。

本発明の一態様では、ロータコアは環状コア部をさらに含み、ロータ巻線は環状コア部にトロイダル巻で巻装されており、各磁極部が環状コア部からステータへ向けて突出していることが好適である。

また、本発明に係る回転電機は、ステータとロータとが対向配置された回転電機であって、ステータは、複数のスロットがロータ回転軸まわりの周方向に互いに間隔をおいて形成されたステータコアと、該スロットを通ってステータコアに集中巻で巻装された複数相のステータ巻線と、を有し、該ステータ巻線に交流電流が流れることで高調波成分を含む回転磁界を形成し、ロータは、ロータコアと、ロータコアに巻装され、ステータで形成された高調波成分を含む回転磁界が鎖交することで誘導起電力が発生するロータ巻線と、該誘導起電力の発生に伴ってロータ巻線に流れる電流を整流する整流素子と、を有し、ロータコアは、整流素子で整流された電流がロータ巻線に流れるのに応じて磁化することで磁極が固定された磁石として機能する磁極部であって、前記周方向に互いに間隔をおいた状態でステータと対向配置された複数の磁極部を含み、共通のロータ巻線が各磁極部に巻装されており、該共通のロータ巻線においては、前記周方向に隣接する磁極部に巻装された部分の巻き方向が互いに逆方向であることを要旨とする。

本発明の一態様では、各磁極部に巻装されたロータ巻線の前記周方向に関する幅が電気角で９０°に相当する幅よりも大きく且つ電気角で１２０°に相当する幅よりも小さいことが好適である。

また、本発明に係る回転電機の駆動制御装置は、本発明に係る回転電機と、ステータ巻線に流す交流電流の位相を制御することで、ロータのトルクを制御する制御装置と、を備えることを要旨とする。

本発明によれば、ロータ巻線に発生する高調波成分による誘導起電力を効率よく増大させることができ、ロータ巻線に流れる電流により各磁極部に発生する磁石の磁束を効率よく増大させることができる。その結果、ロータのトルクを効率よく増大させることができる。また、本発明によれば、ステータ巻線以外の種類の巻線をステータに、ロータ巻線以外の種類の巻線をロータに設けることなく、ロータ巻線に高調波成分による誘導起電力を発生させることができる。その結果、ステータ及びロータに設ける巻線をそれぞれ１種類に簡略化することができ、回転電機の巻線構造を簡略化することができる。

以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。

図１〜３は、本発明の実施形態に係る回転電機１０の概略構成を示す図である。図１はロータ回転軸２２と平行方向から見たステータ１２及びロータ１４の構成の概略を示し、図２はステータ１２の構成の概略を示し、図３はロータ１４の構成の概略を示す。本実施形態に係る回転電機１０は、図示しないケーシングに固定されたステータ１２と、ステータ１２と所定の空隙を空けて対向配置されステータ１２に対し回転可能なロータ１４と、を備える。図１〜３は、ステータ１２とロータ１４とが回転軸２２と直交する径方向（以下単に径方向とする）において対向配置されたラジアル型の回転電機の例を示しており、ロータ１４がステータ１２の径方向内側に配置されている。

ステータ１２は、ステータコア２６と、ステータコア２６に配設された複数相（より具体的には奇数相で例えば３相）のステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗと、を含む。ステータコア２６には、径方向内側へ（ロータ１４へ向けて）突出した複数のティース３０が回転軸２２まわりの周方向（以下単に周方向とする）に沿って互いに間隔をおいて配列されており、各ティース３０間にスロット３１が形成されている。つまり、ステータコア２６には、複数のスロット３１が周方向に互いに間隔をおいて形成されている。各相のステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗは、スロット３１を通ってティース３０に短節集中巻で巻装されている。このように、ティース３０にステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗが巻装されることで磁極が構成される。そして、複数相（３相もしくは奇数相）のステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗに複数相（３相もしくは奇数相）の交流電流を流すことで、周方向に並べられたティース３０が順次磁化し、周方向に回転する回転磁界をティース３０に形成することができる。ティース３０に形成された回転磁界は、その先端面からロータ１４に作用する。図２に示す例では、３相（ｕ相、ｖ相、ｗ相）のステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗがそれぞれ巻装された３つのティース３０により１つの極対が構成され、４極３相のステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗが各ティース３０に巻装され、ステータ１２の極対数が４極対である。

ロータ１４は、ロータコア１６と、ロータコア１６に配設された複数のロータ巻線１８ｎ，１８ｓと、を含む。ロータコア１６には、径方向外側へ（ステータ１２へ向けて）突出した複数の突極１９が周方向に沿って互いに間隔をおいて配列されており、各突極１９がステータ１２（ティース３０）と対向している。ロータ１４においては、この突極１９により、ステータ１２（ティース３０）からの磁束が通る場合の磁気抵抗が回転方向に応じて変化し、突極１９の位置で磁気抵抗が低くなり、突極１９間の位置で磁気抵抗が高くなる。そして、周方向においてロータ巻線１８ｎとロータ巻線１８ｓが交互に並ぶように、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓがこれらの突極１９に巻装されている。ここでは、各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓの巻回中心軸が径方向と一致している。図３に示すように、磁気抵抗の高い突極１９間の磁路をｄ軸磁路とし、磁気抵抗の低い突極１９の部分の磁路をｑ軸磁路とすると、各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓは、磁気抵抗の低いｑ軸磁路に配置されている。図３に示す例では、各突極１９に巻装されたロータ巻線１８ｎ，１８ｓが、互いに電気的に接続されておらず分断（絶縁）されている。そして、電気的に分断された各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓ毎にダイオード２１ｎ，２１ｓ（整流素子）が接続されている。各ロータ巻線１８ｎがダイオード２１ｎを介して短絡されていることで、各ロータ巻線１８ｎに流れる電流の方向がダイオード２１ｎにより一方向に整流される。同様に、各ロータ巻線１８ｓがダイオード２１ｓを介して短絡されていることで、各ロータ巻線１８ｓに流れる電流の方向がダイオード２１ｓにより一方向に整流される。ここでは、周方向において交互に配置されたロータ巻線１８ｎとロータ巻線１８ｓとで流れる電流の向き（ダイオード２１ｎ，２１ｓによる整流方向）が互いに逆になるように、ダイオード２１ｎ，２１ｓが互いに逆向きでロータ巻線１８ｎ，１８ｓにそれぞれ接続される。

ロータ巻線１８ｎにダイオード２１ｎの整流方向に応じた直流電流が流れると、ロータ巻線１８ｎが巻装された突極１９が磁化することで、この突極１９が磁極の固定された磁石（磁極部）として機能する。同様に、ロータ巻線１８ｓにダイオード２１ｓの整流方向に応じた直流電流が流れると、ロータ巻線１８ｓが巻装された突極１９が磁化することで、この突極１９が磁極の固定された磁石（磁極部）として機能する。周方向に隣接するロータ巻線１８ｎとロータ巻線１８ｓとで直流電流の方向が互いに逆方向であるため、周方向に隣接する突極１９同士で磁化方向が互いに逆方向となって異なる磁極の磁石が形成され、周方向において突極１９の磁極が交互する。ここでは、ロータ巻線１８ｎが巻装された突極１９にＮ極が形成され、ロータ巻線１８ｓが巻装された突極１９にＳ極が形成されるように、ダイオード２１ｎ，２１ｓによるロータ巻線１８ｎ，１８ｓの電流の整流方向をそれぞれ設定する。これによって、周方向においてＮ極とＳ極が交互に並ぶように、各突極１９に磁石が形成される。そして、周方向に隣接する２つの突極１９（Ｎ極及びＳ極）により、１つの極対が構成される。図３に示す例では、８極の突極１９が形成されており、ロータ１４の極対数が４極対である。したがって、図１〜３に示す例では、ステータ１２の極対数とロータ１４の極対数がいずれも４極対で、ステータ１２の極対数とロータ１４の極対数が等しい。ただし、ステータ１２の極対数及びロータ１４の極対数は、いずれも４極対以外であってもよい。

本実施形態では、周方向に関する各突極１９の幅がロータ１４の電気角で１８０°に相当する幅よりも短く設定されている。そして、周方向に関する各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓの幅θはロータ１４の電気角で１８０°に相当する幅よりも短く設定されており、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓは各突極１９に短節巻で巻装されている。ここでのロータ巻線１８ｎ，１８ｓの幅θについては、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓの断面積を考慮して、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓの断面の中心幅で表すことができる。つまり、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓの内周面の幅と外周面の幅との平均値でロータ巻線１８ｎ，１８ｓの幅θを表すことができる。なお、ロータ１４の電気角は、ロータ１４の機械角にロータ１４の極対数ｐ（図３に示す例ではｐ＝４）を乗じた値で表される（電気角＝機械角×ｐ）。そのため、周方向に関する各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓの幅θは、回転軸２２の中心からロータ巻線１８ｎ，１８ｓまでの距離をｒとすると、以下の（１）式を満たす。

θ＜π×ｒ／ｐ （１）

本実施形態において、ステータ１２に回転磁界を発生させる起磁力の分布は、各相のステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗの配置や、ティース３０及びスロット３１によるステータコア２６の形状に起因して、（基本波のみの）正弦波分布にはならず、高調波成分を含むものとなる。特に、集中巻においては、各相のステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗが互いに重なり合わないため、ステータ１２の起磁力分布に生じる高調波成分の振幅レベルが増大する。そして、例えばステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗが３相集中巻の場合は、高調波成分として、入力電気周波数３次成分の振幅レベルが増大する。以下の説明では、ステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗの配置やステータコア２６の形状に起因して起磁力に生じる高調波成分を空間高調波とする。

３相のステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗに３相の交流電流を流すことでティース３０に形成された回転磁界（基本波成分）がロータ１４に作用するのに応じて、ロータ１４の磁気抵抗が小さくなるように、突極１９がティース３０の回転磁界に吸引される。これによって、ロータ１４にトルク（リラクタンストルク）が作用して、ロータ１４がステータ１２で形成される回転磁界（基本波成分）に同期して回転駆動する。

さらに、ティース３０に形成された空間高調波成分を含む回転磁界がロータ１４の各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに鎖交すると、各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓには、空間高調波成分によりロータ１４の回転周波数（回転磁界の基本波成分）と異なる周波数の磁束変動が生じる。この磁束変動によって、各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに誘導起電力が発生する。この誘導起電力の発生に伴って各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに流れる電流は、各ダイオード２１ｎ，２１ｓにより整流されることで一方向（直流）となる。そして、各ダイオード２１ｎ，２１ｓで整流された直流電流が各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに流れるのに応じて各突極１９が磁化することで、磁極が（Ｎ極かＳ極のいずれか一方に）固定された磁石が各突極１９に生じる。前述のように、ダイオード２１ｎ，２１ｓによるロータ巻線１８ｎ，１８ｓの電流の整流方向が互いに逆方向であるため、各突極１９に生じる磁石は、周方向においてＮ極とＳ極が交互に配置されたものとなる。そして、各突極１９（磁極が固定された磁石）の磁界がティース３０の回転磁界（基本波成分）と相互作用して、吸引及び反発作用が生じる。このティース３０の回転磁界（基本波成分）と突極１９（磁石）の磁界との電磁気相互作用（吸引及び反発作用）によっても、ロータ１４にトルク（磁石トルクに相当するトルク）を作用させることができ、ロータ１４がステータ１２で形成される回転磁界（基本波成分）に同期して回転駆動する。このように、本実施形態に係る回転電機１０を、ステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗへの供給電力を利用してロータ１４に動力（機械的動力）を発生させる電動機として機能させることができる。一方、本実施形態に係る回転電機１０を、ロータ１４の動力を利用してステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗに電力を発生させる発電機として機能させることもできる。

ここで、空間高調波によるロータ巻線１８ｎ，１８ｓへの鎖交磁束を計算した結果を図４Ａ，４Ｂに示す。図４Ａにおける各波形は、ステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗに流す交流電流の位相（ロータ位置に対する電流進角）を変化させた場合におけるロータ巻線１８ｎ，１８ｓへの鎖交磁束の波形を示す。そして、図４Ｂは、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓへの鎖交磁束波形の周波数分析結果を示す。図４Ｂに示す周波数分析結果から、入力電気周波数３次成分が主に発生する。図４Ａに示すように、電流進角を変化させると、鎖交磁束のバイアスは変わるが、鎖交磁束波形はあまり変化していないことがわかる。

ロータ巻線１８ｎ，１８ｓへの鎖交磁束の振幅（変動幅）は、周方向に関するロータ巻線１８ｎ，１８ｓの幅θにより影響を受ける。ここで、周方向に関するロータ巻線１８ｎ，１８ｓの幅θを変化させながら、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓへの鎖交磁束の振幅（変動幅）を計算した結果を図５に示す。図５では、コイル幅θを電気角に換算して示している。図５に示すように、コイル幅θが１８０°から減少するにつれてロータ巻線１８ｎ，１８ｓへの鎖交磁束の変動幅が増大しているため、コイル幅θを１８０°よりも小さくする、つまりロータ巻線１８ｎ，１８ｓを短節巻とすることで、全節巻と比較して、空間高調波による鎖交磁束の振幅を増大させることができる。

したがって、本実施形態では、周方向に関する各突極１９の幅を電気角で１８０°に相当する幅よりも小さくし、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓを各突極１９に短節巻で巻装することで、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに発生する空間高調波による誘導起電力を効率よく増大させることができる。そのため、トルク発生に寄与しにくい空間高調波を利用してロータ巻線１８ｎ，１８ｓに誘導電流を効率よく発生することができ、誘導電流により各突極１９に発生する磁石の磁束を効率よく増大させることができる。その結果、ロータ１４に作用するトルクを効率よく増大させることができる。さらに、ステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗ以外の種類の巻線（例えば特許文献１〜４における励磁巻線やリアクトル）をステータ１２に設けることなく、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに空間高調波による誘導起電力を効率よく発生させることができるので、ステータ１２に設ける巻線を１種類（ステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗのみ）に簡略化することができ、ステータ１２の巻線構造を簡略化することができる。そして、誘導起電力に伴って生じる誘導電流をダイオード２１ｎ，２１ｓで整流することで、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓ以外の種類の巻線（例えば特許文献１，２における界磁補助巻線）をロータ１４に設けることなく、ロータ１４（各突極１９）に磁極が固定された磁石を発生させることができるので、ロータ１４に設ける巻線を１種類（ロータ巻線１８ｎ，１８ｓのみ）に簡略化することができ、ロータ１４の巻線構造を簡略化することができる。その結果、回転電機１０の巻線構造を簡略化することができ、回転電機１０の小型化が可能となる。

さらに、図５に示すように、コイル幅θが９０°の場合に、空間高調波による鎖交磁束の振幅が最大となる。したがって、本実施形態において、空間高調波によるロータ巻線１８ｎ，１８ｓへの鎖交磁束の振幅をより増大させるためには、周方向に関する各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓの幅θがロータ１４の電気角で９０°に相当する幅に等しい（あるいはほぼ等しい）ことが好ましい。そのため、周方向に関する各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓの幅θは、以下の（２）式を満たす（あるいはほぼ満たす）ことが好ましい。

θ＝π×ｒ／（２×ｐ） （２）

このように、周方向に関する各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓの幅θを電気角で９０°に相当する幅に等しく（あるいはほぼ等しく）することで、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに発生する空間高調波による誘導起電力を最大にすることができ、誘導電流により各突極１９に発生する磁石の磁束を最も効率よく増大させることができる。その結果、ロータ１４に作用するトルクをさらに効率よく増大させることができる。

また、ステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗに流す交流電流の位相（ロータ位置に対する電流進角）を変化させながらロータ１４のトルクを計算した結果を図６，７に示す。図６は、ロータ１４の回転数を一定に保ちながらステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗに流す交流電流の振幅（電流振幅）及び位相（電流進角）を変化させた場合の計算結果を示し、図７は、電流振幅を一定に保ちながら電流進角及びロータ１４の回転数を変化させた場合の計算結果を示す。図６，７に示すように、電流進角を変化させるとロータ１４のトルクが変化するため、電流進角（ステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗに流す交流電流の位相）を制御することで、ロータ１４のトルクを制御することができる。さらに、図６に示すように、電流振幅を変化させてもロータ１４のトルクが変化するため、電流振幅（ステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗに流す交流電流の振幅）を制御することによっても、ロータ１４のトルクを制御することができる。さらに、図７に示すように、ロータ１４の回転数を変化させてもロータ１４のトルクが変化するため、ロータ１４の回転数を制御することによっても、ロータ１４のトルクを制御することができる。

図８は、本実施形態に係る回転電機１０の駆動制御装置の概略構成を示す図である。直流電源として設けられた充放電可能な蓄電装置４２は、例えば二次電池により構成することができ、電気エネルギーを蓄える。インバータ４０は、スイッチング素子（図示せず）を備えており、スイッチング素子のスイッチング動作により蓄電装置４２からの直流電力を複数相の交流（例えば３相交流）に変換して、ステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗの各相に供給することが可能である。制御装置４１は、インバータ４０のスイッチング素子のスイッチング動作を制御してステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗに流す交流電流の位相（電流進角）を制御することで、ロータ１４のトルクを制御する。ただし、制御装置４１は、ロータ１４のトルクを制御するために、ステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗに流す交流電流の振幅を制御してもよいし、ロータ１４の回転数を制御してもよい。

次に、本実施形態に係る回転電機１０の他の構成例について説明する。

本実施形態では、例えば図９に示すように、ロータコア１６にスリット（空隙）４４を形成することによっても、ロータ１４の磁気抵抗を回転方向に応じて変化させることができる。図９に示すように、ロータコア１６において、磁気抵抗の高い磁路をｄ軸磁路部分３９とし、ｄ軸磁路部分３９よりも磁気抵抗の低い磁路をｑ軸磁路部分２９とすると、ステータ１２（ティース３０）と対向するｄ軸磁路部分３９及びｑ軸磁路部分２９が周方向において交互に配置されるようにスリット４４が形成されており、周方向においてｄ軸磁路部分３９がｑ軸磁路部分２９間に位置する。各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓは、スリット４４を通って磁気抵抗の低いｑ軸磁路部分２９に巻装されている。図９に示す構成例では、ステータ１２で形成された空間高調波成分を含む回転磁界が各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに鎖交することで、各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに各ダイオード２１ｎ，２１ｓで整流された直流電流が流れて各ｑ軸磁路部分２９が磁化する結果、各ｑ軸磁路部分２９が磁極の固定された磁石（磁極部）として機能する。その際には、周方向に関する各ｑ軸磁路部分２９の幅（各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓの幅θ）をロータ１４の電気角で１８０°に相当する幅よりも短く設定し、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓを各ｑ軸磁路部分２９に短節巻で巻装することで、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに発生する空間高調波による誘導起電力を効率よく増大させることができる。さらに、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに発生する空間高調波による誘導起電力を最大にするためには、周方向に関する各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓの幅θを、ロータ１４の電気角で９０°に相当する幅に等しく（あるいはほぼ等しく）することが好ましい。

また、本実施形態では、例えば図１０に示すように、ロータコア１６に永久磁石４８を配設することもできる。図１０に示す構成例では、磁極の固定された磁石として機能する複数の磁極部４９が周方向に互いに間隔をおいた状態でステータ１２（ティース３０）と対向配置されており、各磁極部４９にロータ巻線１８ｎ，１８ｓが巻装されている。各永久磁石４８は、周方向において磁極部４９間に位置する部分に、ステータ１２（ティース３０）と対向配置されている。ここでの永久磁石４８については、ロータコア１６の内部に埋設されていてもよいし、ロータコア１６の表面（外周面）に露出していてもよい。また、ロータコア１６の内部に永久磁石４８をＶ字状に配置することもできる。図１０に示す構成例では、ステータ１２で形成された空間高調波成分を含む回転磁界が各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに鎖交することで、各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに各ダイオード２１ｎ，２１ｓで整流された直流電流が流れて各磁極部４９が磁化する結果、各磁極部４９が磁極の固定された磁石として機能する。その際には、周方向に関する各磁極部４９の幅（各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓの幅θ）をロータ１４の電気角で１８０°に相当する幅よりも短く設定し、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓを各磁極部４９に短節巻で巻装することで、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに発生する空間高調波による誘導起電力を効率よく増大させることができる。さらに、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに発生する空間高調波による誘導起電力を最大にするためには、周方向に関する各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓの幅θを、ロータ１４の電気角で９０°に相当する幅に等しく（あるいはほぼ等しく）することが好ましい。

また、本実施形態では、例えば図１１に示すように、周方向において１つおきに配置されたロータ巻線１８ｎ同士を電気的に直列接続し、周方向において１つおきに配置されたロータ巻線１８ｓ同士を電気的に直列接続することもできる。つまり、同じ磁極（Ｎ極）の磁石として機能する突極１９に巻装されたロータ巻線１８ｎ同士を電気的に直列接続し、同じ磁極（Ｓ極）の磁石として機能する突極１９に巻装されたロータ巻線１８ｓ同士を電気的に直列接続することもできる。ただし、周方向に隣接する（異なる磁極の磁石が形成される）突極１９に巻装されたロータ巻線１８ｎ，１８ｓは、互いに電気的に分断されている。ダイオード２１ｎ，２１ｓは、電気的に分断されたロータ巻線１８ｎ，１８ｓ毎に（２つ）設けられており、ダイオード２１ｎは、電気的に直列接続されたロータ巻線１８ｎに流れる電流を整流し、ダイオード２１ｓは、電気的に直列接続されたロータ巻線１８ｓに流れる電流を整流する。ここでも、ロータ巻線１８ｎが巻装された突極１９とロータ巻線１８ｓが巻装された突極１９とで（周方向に隣接する突極１９同士で）異なる磁極の磁石が形成されるように、ダイオード２１ｎ，２１ｓによるロータ巻線１８ｎ，１８ｓの電流の整流方向を互いに逆方向にする。図１１に示す構成例によれば、ダイオード２１ｎ，２１ｓの数を２つに減らすことができる。

また、本実施形態では、例えば図１２に示すように、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓをトロイダル巻にすることもできる。図１２に示す構成例では、ロータコア１６は環状コア部１７を含み、各突極１９は、環状コア部１７から径方向外側へ（ステータ１２へ向けて）突出している。ロータ巻線１８ｎ，１８ｓは、環状コア部１７における各突極１９付近の位置にトロイダル巻で巻装されている。図１２に示す構成例でも、ステータ１２で形成された空間高調波成分を含む回転磁界が各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに鎖交することで、各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに各ダイオード２１ｎ，２１ｓで整流された直流電流が流れ、各突極１９が磁化する。その結果、ロータ巻線１８ｎ付近に位置する突極１９がＮ極として機能し、ロータ巻線１８ｓ付近に位置する突極１９がＳ極として機能する。その際には、周方向に関する各突極１９の幅θをロータ１４の電気角で１８０°に相当する幅よりも短く設定することで、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに発生する空間高調波による誘導起電力を効率よく増大させることができる。さらに、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに発生する空間高調波による誘導起電力を最大にするためには、周方向に関する各突極１９の幅θを、ロータ１４の電気角で９０°に相当する幅に等しく（あるいはほぼ等しく）することが好ましい。なお、図１２では、図１１に示す構成例と同様に、周方向に隣接するロータ巻線１８ｎ，１８ｓを互いに電気的に分断し、周方向において１つおきに配置されたロータ巻線１８ｎ同士を電気的に直列接続し、周方向において１つおきに配置されたロータ巻線１８ｓ同士を電気的に直列接続した例を示している。ただし、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓをトロイダル巻にした例においても、図３に示す構成例と同様に、各突極１９に巻装されたロータ巻線１８ｎ，１８ｓを互いに電気的に分断することもできる。

また、本実施形態では、例えば図１３に示すように、各突極１９に共通のロータ巻線１８を巻装することもできる。図１３に示す構成例では、ロータ巻線１８がダイオード２１を介して短絡されていることで、ロータ巻線１８に流れる電流の方向がダイオード２１により一方向（直流）に整流される。各突極１９に巻装されたロータ巻線１８は、周方向に隣接する突極１９同士で磁化方向が互いに逆方向となるように、周方向に隣接する突極１９に巻装された部分の巻き方向が互いに逆方向である。図１３に示す構成例でも、ステータ１２で形成された空間高調波成分を含む回転磁界がロータ巻線１８に鎖交することで、ロータ巻線１８にダイオード２１で整流された直流電流が流れて各突極１９が磁化する結果、各突極１９が磁極の固定された磁石として機能する。その際には、周方向に隣接する突極１９同士で異なる磁極の磁石が形成される。図１３に示す構成例によれば、ダイオード２１の数を１つに減らすことができる。

ただし、図１３に示す構成例では、Ｎ極を形成する突極１９とＳ極を形成する突極１９とで共通のロータ巻線１８を用いているため、各突極１９での空間高調波成分による磁束変動（３次）が相殺される場合があり、他の構成例ほど効果的にロータ１４のトルクが増加しない場合がある。ここで、図１３に示す構成例において、各突極１９に巻装されたロータ巻線１８の周方向に関する幅θを変化させながら、ロータ巻線１８への鎖交磁束の振幅（変動幅）を計算した結果を図１４に示す。図１４では、コイル幅θを電気角に換算して示している。図１４に示すように、コイル幅θが９０°から減少するとロータ巻線１８への鎖交磁束の変動幅が大きく減少し、コイル幅θが１２０°から増大するとロータ巻線１８への鎖交磁束の変動幅が大きく減少する。さらに、ロータ巻線１８の断面積を十分に確保するためのコイル幅θが必要となる点を考慮すると、図１３に示す構成例においてロータ巻線１８に発生する空間高調波による誘導電流を増大させるためには、周方向に関するロータ巻線１８の幅θを、ロータ１４の電気角で９０°に相当する幅よりも大きく且つロータ１４の電気角で１２０°に相当する幅よりも小さくする（９０°＜θ＜１２０°を満たす）ことが好ましい。さらに、図１４に示すように、コイル幅θが１０５°の場合に空間高調波による鎖交磁束の振幅がピークとなる。したがって、図１３に示す構成例においてロータ巻線１８に発生する空間高調波による誘導電流をさらに増大させるためには、周方向に関するロータ巻線１８の幅θを、ロータ１４の電気角で１０５°に相当する幅に等しく（あるいはほぼ等しく）することが好ましい。

また、図１５に示す構成例では、ロータ巻線１８は、各突極１９に波巻（直列巻）で巻装されており、周方向に隣接する突極１９同士で磁化方向が互いに逆方向となるように、周方向に隣接する突極１９に巻装された部分の巻き方向が互いに逆方向である。図１５のロータ巻線１８において、実線部分は突極１９の回転軸方向端面の一方側（図の手前側）を通り、破線部分は突極１９の回転軸方向端面の他方側（図の奥側）を通る。そして、○内に●の部分には図面の手前方向の電流が流れ、○内に×の部分には図面の奥方向の電流が流れる。図１５に示す構成例でも、ステータ１２で形成された空間高調波成分を含む回転磁界がロータ巻線１８に鎖交することで、ロータ巻線１８にダイオード２１で整流された直流電流が流れて各突極１９が磁化する結果、各突極１９が磁極の固定された磁石として機能する。その際には、周方向に隣接する突極１９同士で異なる磁極の磁石が形成される。図１５に示す構成例によれば、ダイオード２１の数を１つに減らすことができ、ロータ１４の巻線構造をさらに簡略化することができる。

以上の実施形態の説明では、ステータ１２とロータ１４とが回転軸２２と直交する径方向において対向配置されているものとした。ただし、本実施形態に係る転電機１０は、ステータ１２とロータ１４とが回転軸２２と平行方向（回転軸方向）において対向配置されたアキシャル型の回転電機であってもよい。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明の実施形態に係る回転電機の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る回転電機の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る回転電機の概略構成を示す図である。 空間高調波によるロータ巻線への鎖交磁束を計算した結果を示す図である。 空間高調波によるロータ巻線への鎖交磁束を計算した結果を示す図である。 周方向に関するロータ巻線の幅θを変化させながらロータ巻線への鎖交磁束の振幅を計算した結果を示す図である。 ステータ巻線に流す交流電流の位相を変化させながらロータのトルクを計算した結果を示す図である。 ステータ巻線に流す交流電流の位相を変化させながらロータのトルクを計算した結果を示す図である。 本発明の実施形態に係る回転電機の駆動制御装置の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る回転電機の他の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る回転電機の他の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る回転電機の他の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る回転電機の他の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る回転電機の他の概略構成を示す図である。 周方向に関するロータ巻線の幅θを変化させながらロータ巻線への鎖交磁束の振幅を計算した結果を示す図である。 本発明の実施形態に係る回転電機の他の概略構成を示す図である。

符号の説明

１０ 回転電機、１２ ステータ、１４ ロータ、１６ ロータコア、１７ 環状コア部、１８，１８ｎ，１８ｓ ロータ巻線、１９ 突極、２１，２１ｎ，２１ｓ ダイオード、２２ 回転軸、２６ ステータコア、２８ｕ，２８ｖ，２８ｗ ステータ巻線、３０ ティース、３１ スロット、４０ インバータ、４１ 制御装置、４２ 蓄電装置、４４ スリット、４８ 永久磁石。

Claims (14)

1. ステータとロータとが対向配置された回転電機であって、
   ステータは、複数のスロットがロータ回転軸まわりの周方向に互いに間隔をおいて形成されたステータコアと、該スロットを通ってステータコアに集中巻で巻装された複数相のステータ巻線と、を有し、該ステータ巻線に交流電流が流れることで高調波成分を含む回転磁界を形成し、
   ロータは、ロータコアと、ロータコアに巻装され、ステータで形成された高調波成分を含む回転磁界が鎖交することで誘導起電力が発生するロータ巻線と、該誘導起電力の発生に伴ってロータ巻線に流れる電流を整流する整流素子と、を有し、
   ロータコアは、ロータ巻線が巻装され、整流素子で整流された電流がロータ巻線に流れるのに応じて磁化することで磁極が固定された磁石として機能する磁極部であって、前記周方向に互いに間隔をおいた状態でステータと対向配置された複数の磁極部を含み、
   ロータ巻線は、各磁極部に短節巻で巻装されている、回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機であって、
   各磁極部に巻装されたロータ巻線の前記周方向に関する幅が電気角で９０°に相当する幅に略等しい、回転電機。
3. 請求項１または２に記載の回転電機であって、
   ロータコアにおいては、各磁極部の磁気抵抗が前記周方向において磁極部間に位置する部分の磁気抵抗よりも低い、回転電機。
4. 請求項１〜３のいずれか１に記載の回転電機であって、
   ロータコアにおいては、各磁極部がステータへ向けて突出している、回転電機。
5. 請求項１〜３のいずれか１に記載の回転電機であって、
   ロータコアには、前記周方向において磁極部間に位置する部分に永久磁石が配設されている、回転電機。
6. 請求項１〜５のいずれか１に記載の回転電機であって、
   各磁極部に巻装されたロータ巻線が互いに電気的に分断されており、
   整流素子は、該電気的に分断されたロータ巻線毎に設けられ、
   各整流素子は、各磁極部に巻装されたロータ巻線に流れる電流を、前記周方向において磁極部の磁極を交互させる方向に整流する、回転電機。
7. 請求項１〜５のいずれか１に記載の回転電機であって、
   前記周方向に隣接する磁極部に巻装されたロータ巻線が互いに電気的に分断されており、
   整流素子は、該電気的に分断されたロータ巻線毎に設けられ、
   各整流素子は、前記周方向に隣接する磁極部に巻装されたロータ巻線に流れる電流を、該隣接する磁極部の磁極を互いに異ならせる方向に整流する、回転電機。
8. 請求項７に記載の回転電機であって、
   互いに同じ磁極の磁石として機能する磁極部に巻装されたロータ巻線同士が電気的に接続されている、回転電機。
9. ステータとロータとが対向配置された回転電機であって、
   ステータは、複数のスロットがロータ回転軸まわりの周方向に互いに間隔をおいて形成されたステータコアと、該スロットを通ってステータコアに集中巻で巻装された複数相のステータ巻線と、を有し、該ステータ巻線に交流電流が流れることで高調波成分を含む回転磁界を形成し、
   ロータは、ロータコアと、ロータコアに巻装され、ステータで形成された高調波成分を含む回転磁界が鎖交することで誘導起電力が発生するロータ巻線と、該誘導起電力の発生に伴ってロータ巻線に流れる電流を整流する整流素子と、を有し、
   ロータコアは、整流素子で整流された電流がロータ巻線に流れるのに応じて磁化することで磁極が固定された磁石として機能する磁極部であって、前記周方向に互いに間隔をおいた状態でステータと対向配置された複数の磁極部を含み、
   前記周方向に関する各磁極部の幅が電気角で１８０°に相当する幅よりも小さい、回転電機。
10. 請求項９に記載の回転電機であって、
    前記周方向に関する各磁極部の幅が電気角で９０°に相当する幅に略等しい、回転電機。
11. 請求項９または１０に記載の回転電機であって、
    ロータコアは環状コア部をさらに含み、
    ロータ巻線は環状コア部にトロイダル巻で巻装されており、
    各磁極部が環状コア部からステータへ向けて突出している、回転電機。
12. ステータとロータとが対向配置された回転電機であって、
    ステータは、複数のスロットがロータ回転軸まわりの周方向に互いに間隔をおいて形成されたステータコアと、該スロットを通ってステータコアに集中巻で巻装された複数相のステータ巻線と、を有し、該ステータ巻線に交流電流が流れることで高調波成分を含む回転磁界を形成し、
    ロータは、ロータコアと、ロータコアに巻装され、ステータで形成された高調波成分を含む回転磁界が鎖交することで誘導起電力が発生するロータ巻線と、該誘導起電力の発生に伴ってロータ巻線に流れる電流を整流する整流素子と、を有し、
    ロータコアは、整流素子で整流された電流がロータ巻線に流れるのに応じて磁化することで磁極が固定された磁石として機能する磁極部であって、前記周方向に互いに間隔をおいた状態でステータと対向配置された複数の磁極部を含み、
    共通のロータ巻線が各磁極部に巻装されており、
    該共通のロータ巻線においては、前記周方向に隣接する磁極部に巻装された部分の巻き方向が互いに逆方向である、回転電機。
13. 請求項１２に記載の回転電機であって、
    各磁極部に巻装されたロータ巻線の前記周方向に関する幅が電気角で９０°に相当する幅よりも大きく且つ電気角で１２０°に相当する幅よりも小さい、回転電機。
14. 請求項１〜１３のいずれか１に記載の回転電機と、
    ステータ巻線に流す交流電流の位相を制御することで、ロータのトルクを制御する制御装置と、
    を備える回転電機の駆動制御装置。

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