JP2010068687A - コアに卜ロイダル状の巻線を備えた回転電機用固定子および回転電機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】卜ロイダル状の巻線を備えた回転電機において固定子を固定するためのリング部材に発生する渦電流損および回転子における渦電流損を低減することのできる技術を提供すること。
【解決手段】回転電機用固定子１は、固定子巻線３がコア２に卜ロイダル状に巻回されており、コア２は、周方向に分割された複数の分割コア６から成り、分割コア６は、固定子巻線３の巻回部７を有する領域として設けられた周方向部８と、周方向部８から外径側に延出された領域として設けられて複数の分割コア６を外径側から固定するリング部材４に当接する係止部９と、周方向部８から内径側に延出された領域として設けられたティース部１０とを有し、分割コア６の係止部９を包囲して電気的な閉回路を形成する短絡環（閉回路部材）２０が当該係止部９に設けられたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、コアに卜ロイダル状の巻線を備えた回転電機の技術に関し、特にトロイダルモータに関する技術である。

トロイダルモータの分野では、巻線を高密度に装着させて単位体積当たりの出力を高めるために、トロイダル状に巻線が巻回される円環状のコアを、周方向に分割された断片（分割コア）を組み合わせて形成することがなされている。この場合、例えば、ステータ（stator：固定子）のコアを径方向に突出させて、被固定部材と勘合させる場合がある。

従来、被固定部材として磁性材が採用された円筒に、組み合わされた各分割コアを嵌入してコアの外周側の突出部を円筒に固着させた固定子が知られている（特許文献１参照）。特許文献１に記載の固定子は、１８個の突出部とその間で巻線が巻回される磁性体とを組み合わせてコアが形成されており、コアの１２０度おきの３個の突出部だけが円筒に当接しており、これらの間の１２０度分の領域において順番に巻回される６箇所の巻線に流れる電流の向きと大きさが、周方向に沿った順に、３組とも等しいものとされている。これにより、固定子で発生した磁束が突出部同士で短絡することを防止している。
特開２００６−２７１１６１号公報（段落００８０−００９３、図５）

通常、組み合わされた各分割コアを保持する被固定部材の材料について、その機械的強度や焼入れ温度等に耐えるための耐熱性を考慮すると、被固定部材には金属材料が用いられる。しかしながら、被固定部材に金属材料を用いると、コアの突出部において発生した漏洩磁束は、被固定部材を通過し、その結果、渦電流損を発生させ、被固定部材が発熱してしまう。なお、渦電流損は、磁束密度変化が起こることによって生じる渦電流による損失である。さらに、コアの突出部において発生した漏洩磁束は、回転子（ロータ：rotor）と鎖交する磁束に対して影響を与えることになる。そのため、漏洩磁束の変化が、ロータと鎖交する磁束を変化させ、その結果、ロータにおける渦電流損をも発生させ、ロータが発熱してしまうという問題があった。

そこで、本発明では、前記した問題を解決し、卜ロイダル状の巻線を備えた回転電機において固定子の各分割コアを保持する被固定部材に発生する渦電流損及びロータにおいて発生する渦電流損を低減することのできる技術を提供することを目的とする。

本発明は、前記目的を達成するために創案されたものであり、本発明のうち請求項１に記載の回転電機用固定子は、固定子巻線がコアに卜ロイダル状に巻回された回転電機用固定子であって、前記コアが、周方向に分割された複数の分割コアから成り、前記分割コアが、前記固定子巻線が巻回される巻回部を有する領域として設けられた周方向部と、前記周方向部から外径側に延出された領域として設けられて前記複数の分割コアを外径側から固定する被固定部材に当接する係止部と、前記周方向部から内径側に延出された領域として設けられたティース部とを有し、前記分割コアの係止部を包囲して電気的な閉回路を形成する閉回路部材が当該係止部に設けられたことを特徴とする。

かかる構成によれば、回転電機用固定子は、分割コアの係止部を包囲する閉回路部材を備えているので、分割コアの周方向部に巻回された固定子巻線に通電されたときに発生する磁束のうち、分割コアの係止部へと漏洩する磁束は閉回路部材を貫くので、この閉回路部材には、漏洩磁束を打ち消す方向に磁束を生じさせるように誘導起電力が生じる。したがって、分割コアの係止部における漏洩磁束を低減することができる。このように漏洩磁束が低減されるので、被固定部材に発生する渦電流損を低減することができ、ひいては、ロータにおいて発生する渦電流損を低減することができる。

また、請求項２に記載の回転電機用固定子は、固定子巻線がコアに卜ロイダル状に巻回された回転電機用固定子であって、前記コアが、周方向に分割された複数の分割コアから成り、前記分割コアが、前記固定子巻線が巻回される巻回部を有する領域として設けられた周方向部と、前記周方向部から外径側に延出された領域として設けられて前記複数の分割コアを外径側から固定する被固定部材に当接する係止部と、前記周方向部から内径側に延出された領域として設けられたティース部とを有し、前記分割コアの係止部を包囲するように漏洩磁束検出用コイルおよび打消磁束発生用コイルが設けられ、前記漏洩磁束検出用コイルが、前記係止部における漏洩磁束を検知すると共に前記検知した漏洩磁束に対応した電圧を出力し、前記打消磁束発生用コイルが、前記検知された漏洩磁束を打ち消すための打消磁束を発生させるための電圧が印加されることを特徴とする。

かかる構成によれば、回転電機用固定子は、分割コアの係止部を包囲する漏洩磁束検出用コイルおよび打消磁束発生用コイルを備えているので、分割コアの周方向部に巻回された固定子巻線に通電されたときに発生する磁束のうち、分割コアの係止部へと漏洩する磁束は漏洩磁束検出用コイルおよび打消磁束発生用コイルを貫く。漏洩磁束検出用コイルは、このとき検知した漏洩磁束に対応した電圧として、漏洩磁束を打ち消す方向に磁束を生じさせるような誘導起電力を出力する。これに対応した電圧が打消磁束発生用コイルに印加されると、打消磁束発生用コイルは、打消磁束を発生させる。したがって、分割コアの係止部における漏洩磁束を打ち消すことができる。このように漏洩磁束がキャンセルされるので、被固定部材に発生する渦電流損を低減することができ、ひいては、ロータにおいて発生する渦電流損を低減することができる。

また、請求項３に記載の回転電機の制御装置は、請求項２に記載の回転電機用固定子を備える回転電機の制御装置であって、前記打消磁束発生用コイルに供給する電圧の目標値を算出する目標電圧算出手段と、前記算出された目標値の電圧を電源から前記打消磁束発生用コイルに供給する目標電圧供給手段とを備え、前記目標電圧算出手段が、前記目標値の電圧が供給されたときに前記漏洩磁束検出用コイルで検知される漏洩磁束に対応した電圧値の入力を受け付け、前記受け付けた電圧値と、当該目標値との差異を低減するようにフィードバック制御又はフォードフォワード制御により前記目標値を算出することを特徴とする。

かかる構成によれば、回転電機の制御装置は、目標電圧供給手段によって打消磁束発生用コイルに供給する電圧の目標値を、目標電圧算出手段によってフィードバック制御又はフォードフォワード制御により算出する。したがって、打消磁束発生用コイルにおいて漏洩磁束をキャンセルするために必要な打消磁束を発生するような最小限の電圧を打消磁束発生用コイルに供給することができる。そのため、打消磁束発生用コイルにおける電力損失を最小限に低減することができる。

また、請求項４に記載の回転電機の制御装置は、請求項３に記載の回転電機の制御装置において、前記目標電圧算出手段が、前記打消磁束発生用コイルで発生する打消磁束の値が前記漏洩磁束検出用コイルで検知される漏洩磁束の値を超えないように前記目標値を算出することを特徴とする。

かかる構成によれば、回転電機の制御装置は、目標電圧算出手段によって、打消磁束発生用コイルに供給する電圧の目標値を算出する際に、発生させようとする打消磁束の値が実際に検知された漏洩磁束の値を超えない範囲で電圧の目標値を算出する。したがって、打消磁束の値が漏洩磁束の値を超えることで、かえってロータと鎖交する磁束に影響を与えてロータにおける渦電流損を増加させるような事態を回避することができる

また、請求項５に記載の回転電機の制御装置は、請求項３または請求項４に記載の回転電機の制御装置において、前記目標電圧算出手段が、前記目標値に対応した打消磁束の値を算出すると共に、前記入力として受け付けた電圧値から前記漏洩磁束検出用コイルで検知される漏洩磁束の値を算出し、前記算出された漏洩磁束の値と、前記算出された打消磁束の値との差異を低減するようにフィードバック制御又はフィードフォワード制御により前記打消磁束の値を算出した結果を用いて前記打消磁束発生用コイルに供給する電圧の目標値を算出することを特徴とする。

かかる構成によれば、回転電機の制御装置は、目標電圧算出手段によって、入力として受け付けた電圧値に対応した漏洩磁束を算出するので、検知された時点の漏洩磁束を正確に求めることができる。そのため、フィードバック制御又はフィードフォワード制御により算出した打消磁束を用いることで、漏洩磁束をキャンセルするような磁束を発生させるために供給される電圧の目標値を正確に算出することができる。

また、請求項６に記載の回転電機の制御装置は、請求項２に記載の回転電機用固定子を備える回転電機の制御装置であって、前記漏洩磁束検出用コイルで所定期間に亘って検知される漏洩磁束に対応した電圧値の入力を受け付け、前記受け付けた電圧値をフーリエ変換することで、前記漏洩磁束に対応した電圧の位相、周波数、及び、振幅を算出する漏洩磁束成分分析手段と、前記固定子巻線に供給される電圧の周波数と、前記受け付けた電圧値と、前記算出された位相に基づいて、位相反転された電圧を前記打消磁束発生用コイルに供給するための制御信号を生成する打消制御信号生成手段と、前記生成された制御信号に基づいて、直流電源から前記位相を反転させた電圧を生成して前記打消磁束発生用コイルに供給する打消磁束用インバータと、を備えることを特徴とする。

かかる構成によれば、回転電機の制御装置は、漏洩磁束成分分析手段によって、漏洩磁束に対応した電圧の位相、周波数、及び、振幅を算出する。ここで、漏洩磁束に対応した電圧の変化と、漏洩磁束の変化とは同期しているので、漏洩磁束成分分析手段は、漏洩磁束に対応した電圧の周波数空間における位相を算出することで、漏洩磁束の周波数空間における位相を求めることができる。そして、制御装置において、打消制御信号生成手段は、固定子巻線に供給される電圧の周波数と、漏洩磁束に対応した電圧値と、算出された位相に基づいて、位相反転された電圧を打消磁束発生用コイルに供給するための制御信号を生成する。ここで、生成する制御信号のうち打消磁束用インバータに対する制御信号はオンオフ信号である。そして、制御装置は、打消磁束用インバータによって、漏洩磁束に対応した電圧の変化に比べて位相反転された電圧を打消磁束発生用コイルに供給する。したがって、打消磁束発生用コイルにおいて発生する打消磁束の位相は、漏洩磁束検出用コイルにおいて検知される漏洩磁束の位相と反転したものとなる。その結果、分割コアの係止部における漏洩磁束は、キャンセルする。また、かかる構成によれば、制御装置は、漏洩磁束検出用コイルで所定期間に亘って検知される漏洩磁束に対応した電圧値の入力を受け付けて位相反転させることができる。したがって、回転電機の定常運転状態などの回転負荷が大きく変化しないときには、リアルタイムで検出した磁束をフィードバックしなくてもよいので、フィードバック制御によるＣＰＵ負荷や、メモリにアクセスするための負荷等を低減できる。

本発明によれば、回転電機用固定子は、固定子巻線に通電されたときに発生する磁束のうち分割コアの係止部における漏洩磁束を低減することができる。したがって、各分割コアを保持する被固定部材を貫く漏洩磁束が減少するので当該被固定部材にて発生する渦電流損を低減することができる。

また、本発明によれば、回転電機の制御装置は、回転電機用固定子の分割コアの係止部を包囲する漏洩磁束検出用コイルを用いて検出された漏洩磁束を打ち消すような電圧を、分割コアの係止部を包囲する打消磁束発生用コイルに供給することができる。したがって、分割コアの係止部における漏洩磁束がキャンセルされるので、各分割コアを保持する被固定部材に発生する渦電流損を低減することができ、ひいては、ロータにおいて発生する渦電流損を低減することができる。

以下、図面を参照して本発明の回転電機用固定子および回転電機の制御装置を実施するための最良の形態（以下「実施形態」という）について詳細に説明する。説明の都合上、まず、回転電機用固定子の第１および第２実施形態を説明し、次いで、第２実施形態の回転電機用固定子に対応した制御装置の第１および第２実施形態を順次説明することとする。以下では、回転電機は、トロイダルモータであるものとする。

（回転電機用固定子の第１実施形態）
図１ないし図４を適宜参照して、回転電機用固定子の第１実施形態を説明する。
図１は本発明の第１実施形態に係る回転電機用固定子を回転軸方向から視た構成図、図２は図１に示した回転電機用固定子を構成する分割コアを示す斜視図である。また、図３は分割コアの他の例を示す斜視図であり、図４は分割コアにコイルを巻回した状態を示す斜視図である。

図１に示すように、固定子（回転電機用固定子）１は、コア２と、固定子巻線３と、リング部材（被固定部材）４とを備え、コア２の内周側において不図示の回転軸を中心にロータ（回転子）５を回転させるため、固定子巻線３がコア２に卜ロイダル状に巻回されている。コア２は、周方向に分割された複数の分割コア６から成る。図１に示す例では、コア２は、１８個の分割コア６を備えている。

＜分割コアの構成＞
分割コア６は、図２に示すように、ロータ５の回転軸方向に所定の長さを有している。この分割コア６は、例えば、磁性材料粉末の圧縮成形、樹脂結合、または焼結等により形成されるものである。なお、分割コア６の代わりに、図３に示すように、例えば珪素鋼板からなる分割コア６ａを用いることもできる。分割コア６ａは、ロータ５の回転軸方向の長さが分割コア６よりも短いだけで、回転軸方向から視た場合、分割コア６と同様の形状である。このため、分割コア６ａを複数積層して１つの分割コア６を構成して固定子１に用いることもできる。

分割コア６は、その機能により径方向に形式的に３区分することができ、巻回部７を有した周方向部８と、係止部９と、ティース部１０とを有している。
周方向部（ヨーク部）８には、両隣に接する分割コア６とそれぞれ嵌合する２つの嵌合部として、凹部１１と凸部１２とが形成されており、凹部１１と凸部１２との間に配置された巻回部７には、三相巻線である固定子巻線３が巻回される。なお、固定子巻線３の巻数は、図１に示す巻数に限定されず、任意である。また、凹部１１および凸部１２の形状は、図１に示すような矩形に限定されず、互いに嵌合可能な形状であればよい。

係止部（接合部）９は、周方向部８から外径側に延出された領域として設けられており、コア２を保持する保持部材としてのリング部材４に当接する。リング部材４は複数の分割コア６を外径側から保持するものである。係止部９は、周方向部８から外径側に突出しているので、図１に示すようにコア２がリング部材４に保持された状態では、隣接する２つの分割コア６において、２つの係止部９の間には、スロット１３が形成される。

ティース部１０は、周方向部８から内径側に延出された領域として設けられている。ティース部１０は、周方向部８から内径側に突出しているので、図１に示すようにコア２がリング部材４に保持された状態では、隣接する２つの分割コア６において、２つのティース部１０の間には、スロット１４が形成される。

各分割コア６に巻回された固定子巻線３は、その分割コア６の巻回部７の周りのスロット１３，１４に配置されている。また、隣り合うスロット１３，１３の間には、分割コア６の係止部９を包囲して電気的な閉回路を形成する短絡環（閉回路部材）２０が配置されている。ここで、包囲とは、分割コア６の周方向において係止部９の周りを取り囲むことであり、係止部９の表面に短絡環２０の内側の全体が接触してもよいし、短絡環２０の内側の一部が浮いてもよい。また、短絡環２０は、係止部９の表面との間に他の部材を介装することで係止部９の表面に接触しないように固定されてもよい。１つの分割コア６に固定子巻線３および短絡環２０が配設された状態の一例を図４（ａ）および図４（ｂ）に示す。図４（ａ）は斜視図、図４（ｂ）はロータ５の回転軸方向から視た正面図である。

＜短絡環＞
短絡環２０は、分割コア６の係止部９における漏洩磁束による変動磁場が通過する位置に設けられている。短絡環２０は、分割コア６等の周囲の部材から絶縁された導電体である。短絡環２０を構成する材料は、例えば、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｕ合金等の導電性を有した金属または合金である。また、金属材料以外でもカーボンなどの導電率の高い材料であってもよい。短絡環２０は、係止部９を囲むことのできる形状であればどのような形状でもよく、囲む際の形状は円形である必要はない。図４には、短絡環２０の一例として、線状部材を係止部９を囲むように略矩形に折り曲げて一周させ、この線状部材の両端部を接合したものを示した。

＜固定子の組み立て＞
固定子１は、各分割コア６を組み合わせてコア２を形成する第１段階と、コア２をリング部材４に嵌入する第２段階とにより組み立てられる。第１段階では、各分割コア６に固定子巻線３を巻装し、かつ、短絡環２０を装着した後に、各分割コア６を周方向に繋ぎ合わせる。このとき、分割コア６の周方向部８に設けられた凸部１２が、隣接する分割コア６の凹部１１に嵌入され、密接した状態となる。そして、第２段階では、固定子巻線３および短絡環２０が配設されたコア２を、焼き嵌めにより、その外径に適合するリング部材４に嵌入する。組み立てられた固定子１は、図示しないトロイダルモータ筐体（ケース）において、ロータ５を所定の空隙を介して外囲するように配置される。

なお、第１段階では、各分割コア６に固定子巻線３を巻装した後、各分割コア６を周方向に繋ぎ合わせてから、短絡環２０を装着してもよい。また、第２段階では、リング部材４に圧入するようにしてもよい。

＜短絡環２０の作用＞
固定子１に備えられた短絡環２０の作用について、図５を参照（適宜図１ないし図４参照）して説明する。図５は、本発明の第１実施形態に係る回転電機用固定子で発生する漏洩磁束を打ち消す打消磁束の説明図である。

ロータ５を回転させるために固定子巻線３に電圧を印加すると、固定子巻線３を貫くように、また、ロータ５と鎖交するように、周方向に磁路を形成する主磁束Ｆｓと、径方向に磁路を形成する主磁束Ｆｒと、が発生する。このとき、分割コア６の係止部９において、漏洩磁束５２が発生する。図５に示すように、漏洩磁束５２がケース側に向かって短絡環２０の内側を貫くと、この漏洩磁束５２の変化に応じて漏洩磁束５２を打ち消すように短絡環２０に誘導起電力が発生するので、短絡環２０には符号５３で示すように矢印の向きに電流が流れる。このときの打消磁束５４は、ロータ側に向かう。

ここで、ロータ５と鎖交する方向の磁束について図６のグラフを参照して説明する。図６のグラフの横軸は、時間を示し、縦軸は、ロータ５と鎖交する方向の磁束としての主磁束Ｆｓ，Ｆｒと漏洩磁束５２との合計の磁束（ここでは、ロータ５と鎖交する方向の磁束という）を示している。固定子１に仮に短絡環２０が設けられていなければ、漏洩磁束５２は大きくなったり小さくなったり変化するので、ロータ５と鎖交する方向の磁束は、図６のグラフに破線で示すように時々刻々と変動する。一方、第１実施形態の固定子１は、係止部９に短絡環２０を設けているので、漏洩磁束５２が打消磁束５４に打ち消されるので、ロータ５と鎖交する方向の磁束は、図６のグラフに実線で示すように時間的に平均化される。なお、図６は、ロータ５と鎖交する方向の磁束の変動を説明する概念図であって、正確な磁束量を示すものではない。

第１実施形態の回転電機用固定子１によれば、固定子巻線３から係止部９へと漏洩する漏洩磁束５２を、係止部９に設けた短絡環２０により、簡単な構成でキャンセルすることができる。したがって、リング部材（被固定部材）４に発生する渦電流損を低減することができ、ひいては、ロータ５において発生する渦電流損を低減することができる。

（回転電機用固定子の第２実施形態）
図７は、本発明の第２実施形態に係る回転電機用固定子で発生する漏洩磁束を打ち消す打消磁束の説明図である。図７と図５との相違点は、第２実施形態の回転電機用固定子（固定子）１Ａは、分割コア６の係止部９に、図５に示した短絡環２０に代えて、１次コイル（打消磁束発生用コイル）７１と、２次コイル（漏洩磁束検出用コイル）７２とを設けた点である。したがって、第１実施形態の固定子１と同じ構成には同じ符号を付し、同じ構成の説明および図示を省略する。なお、図１と図４において、短絡環２０に代えて、１次コイル７１と２次コイル７２とを設けたものが固定子１Ａである。また、第２実施形態において、図２および図３については、そのまま第１実施形態と共通である。

１次コイル７１および２次コイル７２は、分割コア６の係止部９における漏洩磁束による変動磁場が通過する位置に設けられている。図７では、一例として、１次コイル７１をロータ側に配し、２次コイル７２をケース側に配した。なお、１次コイル７１をケース側に配し、２次コイル７２をロータ側に配してもよい。

１次コイル７１は、係止部９を包囲しており、漏洩磁束を検知すると共に、検知した漏洩磁束に対応した電圧を出力する。２次コイル７２は、係止部９を包囲しており、１次コイル７１で検知された漏洩磁束を打ち消すための打消磁束を発生させるための電圧が印加される。１次コイル７１および２次コイル７２は、制御装置（図８および図９参照）に接続されている。１次コイル７１は、漏洩磁束に対応した電圧を制御装置に出力し、２次コイル７２は、制御装置から電圧を印加されて打消磁束を発生する。

第２実施形態の固定子１Ａによれば、固定子巻線３から係止部９へと漏洩する漏洩磁束５２を２次コイル７２により検出し、その漏洩磁束５２を打ち消すことのできるだけの電流を１次コイル７１に流すことによって漏洩磁束５２をキャンセルできる。その結果、リング部材（被固定部材）４に発生する渦電流損を低減することができ、ひいては、ロータ５において発生する渦電流損を低減することができる。

第１実施形態の固定子１では短絡環２０が漏洩磁束５２をパッシブにキャンセルしたのに対して、第２実施形態の固定子１Ａでは、１次コイル７１および２次コイル７２と共に、制御装置を利用することで、漏洩磁束５２をアクティブにキャンセルすることができる。以下では、制御装置の各実施形態を説明する。

（回転電機の制御装置の第１実施形態）
図８は、本発明の第１実施形態に係る回転電機の制御装置の構成を示すブロック図である。制御装置１００は、固定子１Ａを備える回転電機の制御装置であって、図８に示すように、モード切替手段１１０と、回転用電力供給手段１２０と、目標電圧算出手段１３０と、目標電圧供給手段１４０と、電源２００とを備えている。

モード切替手段１１０は、回転モードを切り替えるための回転指令の入力を受け付け、受け付けた回転指令に応じて切り替えたモードを示す制御信号を、目標電圧算出手段１３０および目標電圧供給手段１４０に出力するものである。ここで、回転モードは、例えば、ロータ５の回転開始、停止、低速、高速、速度変更のモードを含むことができる。
回転用電力供給手段１２０は、モード切替手段１１０からの制御信号に基づいて、ロータ５を作動させるための電圧を電源２００から固定子巻線３に供給するものである。

目標電圧算出手段１３０は、１次コイル７１に供給する電圧の目標値を算出するものである。算出された目標値は、目標電圧供給手段１４０に出力される。
目標電圧供給手段１４０は、目標電圧算出手段１３０で算出された目標値の電圧を電源２００から１次コイル７１に供給するものである。

前記目標電圧算出手段１３０は、目標電圧供給手段１４０から目標値の電圧が１次コイル７１に供給されたときに、２次コイル７２で検知される漏洩磁束に対応した電圧値の入力を受け付け、受け付けた電圧値と、当該目標値との差異を低減するようにフィードバック制御により電圧の目標値を算出する。なお、差異を低減させる手法は公知のアルゴリズムを利用できる。例えば、最小値問題の解法に用いられる、ラグランジェ未定乗数法等の線形計画法や、ペナルティ法等の非線形計画法を用いることができる。

また、目標電圧算出手段１３０は、１次コイル７１で発生する打消磁束の値が２次コイル７２で検知される漏洩磁束の値を超えないように電圧の目標値を算出することとした。

また、目標電圧算出手段１３０は、漏洩磁束算出手段１３１と、打消磁束算出手段１３２と、フィードバック制御手段１３３とを備えることとした。
漏洩磁束算出手段１３１は、２次コイル７２で検知される漏洩磁束に対応した電圧として受け付けた電圧値から２次コイル７２で検知される漏洩磁束の値を算出する。算出された漏洩磁束の値は、打消磁束算出手段１３２およびフィードバック制御手段１３３に出力される。

打消磁束算出手段１３２は、電圧の目標値に対応した打消磁束の値を算出する。算出された打消磁束の値は、フィードバック制御手段１３３に出力される。この打消磁束算出手段１３２は、フィードバック制御手段１３３から、算出された電圧の目標値の入力を受け付ける。

フィードバック制御手段１３３は、漏洩磁束算出手段１３１で算出された漏洩磁束の値と、打消磁束算出手段１３２で算出された打消磁束の値との差異を低減するようにフィードバック制御を行う。このフィードバック制御手段１３３は、フィードバック制御により打消磁束の値を算出した結果を用いて１次コイル７１に供給する電圧の目標値を算出する。また、図８に示した第１実施形態の制御装置１００では、フィードバック制御手段１３３がフィードバック制御を行うものとして説明したが、これは一例であって、フィードフォワード制御を行うものとしてもよい。フィードフォワード制御の一例として、モータ（回転電機）の回転数・出力・電流などモータ（回転電機）固有の運転状態を把握できる状態量により打消磁束のマップを予め作成し、フィードバック制御手段１３３が保有し、モード切替手段１１０から運転状態の通知を受けることで、マップから打消磁束を抽出し、１次コイル７１に供給する電圧の目標値を算出することもできる。

＜制御装置と固定子との組み合わせによる作用＞
次に、制御装置１００と固定子１Ａとの組み合わせによる作用について図７および図８を参照（適宜図１ないし図４参照参照）して説明する。
ロータ５を回転させるために固定子巻線３に電圧を印加すると、図７に示すように、固定子１Ａに主磁束Ｆｓ，Ｆｒが発生し、分割コア６の係止部９では漏洩磁束５２が発生する。そして、漏洩磁束５２がケース側に向かって２次コイル７２の内側を貫くと、漏洩磁束５２により、２次コイル７２に誘導起電力が発生し、発生した電圧は、制御装置１００に出力される。この２次コイル７２から出力された電圧は、制御装置１００の目標電圧算出手段１３０に入力する。

そして、目標電圧算出手段１３０において、以下の制御を行う。すなわち、漏洩磁束算出手段１３１は、受け付けた電圧から、漏洩磁束５２の値を算出する。そして、打消磁束算出手段１３２は、電圧の目標値に対応した打消磁束の値を算出する。なお、打消磁束の値の初期値は、所定のデフォルト値（例えば「０」）や漏洩磁束５２の初期値と同じ値とすることができる。そして、フィードバック制御手段１３３は、漏洩磁束の値と、打消磁束の値との差異を低減するようにフィードバック制御を行い、算出結果の打消磁束の値を用いて１次コイル７１に供給する電圧の目標値を算出する。そして、制御装置１００は、目標電圧供給手段１４０によって、目標値の電圧を電源２００から１次コイル７１に供給する。

これにより、１次コイル７１は、打消磁束５４を発生させる。したがって、分割コア６の係止部９における漏洩磁束５２を打ち消すことができる。当該漏洩磁束は、ロータ５と鎖交しないため従来においては損失となっていたが、当該漏洩磁束を低減することでリング部材（被固定部材）４で発生する渦電流損を低減することができ、さらには、当該漏洩磁束分の磁束をロータ５と鎖交する主磁束Ｆｓ、Ｆｒへと導くことができる。また、漏洩磁束成分を減少させることにより固定子巻線３から発生する磁束で主磁路を通過する主磁束Ｆｓ、Ｆｒを安定させることにもつながり、ロータ５と鎖交する磁束における不要な磁束成分（高調波ノイズ成分）が低減される。その結果、ロータ５に発生する渦電流損も低減することができる。

また、制御装置１００の目標電圧算出手段１３０はフィードバック制御手段１３３によって、打消磁束の値が漏洩磁束の値を超えないように電圧の目標値を算出するので、１次コイル７１で発生する打消磁束の値は、２次コイル７２で検知された漏洩磁束の値を超えることはない。したがって、発生させた打消磁束５４が、かえってロータ５と鎖交する磁束に影響を与えてロータ５における渦電流損を増加させるような事態を回避することができる。

第１実施形態の制御装置１００によれば、固定子１Ａの２次コイル７２で検知した漏洩磁束をキャンセルする打消磁束５４を発生させるように１次コイル７１に供給する電圧の目標値をフィードバック制御により算出する。したがって、制御装置１００は、１次コイル７１において必要な打消磁束５４を発生するような最小限の電圧を１次コイル７１に供給することができる。そのため、１次コイル７１における電力損失を最小限に低減することができる。

（回転電機の制御装置の第２実施形態）
図９は、本発明の第２実施形態に係る回転電機の制御装置の構成を示すブロック図である。制御装置３００は、固定子１Ａを備える回転電機の制御装置であって、図９に示すように、モード切替手段３１０と、回転制御信号生成手段３２０と、直流電源３３０と、駆動用インバータ３４０と、漏洩磁束成分分析手段３５０と、打消制御信号生成手段３６０と、１次コイル用インバータ（打消磁束用インバータ）３７０とを備えている。

モード切替手段３１０は、回転モードを切り替えるための回転指令の入力を受け付け、受け付けた回転指令に応じて切り替えたモードを示す制御信号を、回転制御信号生成手段３２０および打消制御信号生成手段３６０に出力するものである。
回転制御信号生成手段３２０は、モード切替手段３１０からの制御信号に基づいて、ロータ５を作動させるための電圧を固定子巻線３に供給するための制御信号を生成するものである。

駆動用インバータ３４０は、回転制御信号生成手段３２０で生成された制御信号に基づいて、直流電源３３０から、ロータ５を作動させるための電圧を生成して固定子巻線３に供給するものである。駆動用インバータ３４０は、スイッチング素子として、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）を備える。この場合、回転制御信号生成手段３２０で生成された制御信号は、オンオフ信号としてＩＧＢＴのゲートに入力される。ＩＧＢＴのゲート信号がオンのときに、直流電源３３０からの電圧が３相の固定子巻線３側に印加される。

漏洩磁束成分分析手段３５０は、２次コイル７２で所定期間に亘って検知される漏洩磁束に対応した電圧値の入力を受け付け、受け付けた電圧値をフーリエ変換することで、漏洩磁束に対応した電圧の位相・周波数・振幅を算出するものである。受け付けた電圧値および算出された電圧の位相・周波数・振幅は、打消制御信号生成手段３６０に出力される。

打消制御信号生成手段３６０は、固定子巻線３に供給される電圧の周波数と、漏洩磁束成分分析手段３５０で算出した位相・周波数・振幅に基づいて、２次コイル７２から受け付けた電圧の位相反転された電圧を１次コイル７１に供給するための制御信号を生成するものである。ここで、固定子巻線３に供給される電圧の周波数は、モード切替手段３１０の制御信号に含めている。なお、固定子巻線３に供給される電圧の周波数を、回転制御信号生成手段３２０から、打消制御信号生成手段３６０に出力することもできる。

１次コイル用インバータ（打消磁束用インバータ）３７０は、打消制御信号生成手段３６で生成された制御信号に基づいて、直流電源３３０から、受け付けた電圧の位相を反転させた電圧を生成して１次コイル７１に供給するものである。１次コイル用インバータ３７０は、スイッチング素子として、例えば、ＩＧＢＴを備える。この場合、打消制御信号生成手段３６０で生成された制御信号は、オンオフ信号としてＩＧＢＴのゲートに入力される。ＩＧＢＴのゲート信号がオンのときに、直流電源３３０からの電圧が１次コイル７１側に印加される。

＜制御装置と固定子との組み合わせによる作用＞
次に、制御装置３００と固定子１Ａとの組み合わせによるについて図７および図９を参照（適宜図１ないし図４参照）して説明する。
ロータ５を回転させるために固定子巻線３に電圧を印加すると、図７に示すように、固定子１Ａに主磁束Ｆｓ、Ｆｒが発生し、分割コア６の係止部９では漏洩磁束５２が発生する。そして、漏洩磁束５２がケース側に向かって２次コイル７２の内側を貫くと、漏洩磁束５２により、２次コイル７２に誘導起電力が発生し、発生した電圧は、制御装置３００に出力される。このときの２次コイル７２の電圧波形を図１０（ａ）に示す。グラフの横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示している。

この２次コイル７２から出力された電圧は、制御装置３００の漏洩磁束成分分析手段３５０に入力する。漏洩磁束成分分析手段３５０は、受け付けた電圧から、漏洩磁束５２に対応した電圧の位相・周波数・振幅を算出する。そして、打消制御信号生成手段３６０は、２次コイル７２から受け付けた電圧の位相反転された電圧を１次コイル７１に供給するための制御信号を生成する。そして、１次コイル用インバータ３７０は、図１０（ｂ）に示すような波形の電圧を１次コイル７１に印加する。

図１０（ａ）のグラフと、図１０（ｂ）のグラフとを比較すると、電圧の位相が反転している。つまり、２次コイル７２から出力された電圧の位相に対応した漏洩磁束５２の位相と、１次コイル７１に印加された電圧の位相に対応した打消磁束５４の位相とは、反転している。これにより、漏洩磁束５２は、打消磁束５４によりキャンセルされる。なお、図１０は、１次コイル７１および２次コイル７２における電圧の位相を説明する概念図であって、正確な電圧値を示すものではない。

第２実施形態の制御装置３００によれば、２次コイル７２で検知された漏洩磁束に対応した電圧の位相、周波数、振幅を算出し、算出された位相に基づいて、位相反転された電圧を１次コイル７１に供給することができる。したがって、１次コイル７１において発生する打消磁束の位相は、２次コイル７２において検知される漏洩磁束の位相と反転したものとなる。その結果、分割コア６の係止部９における漏洩磁束５２は、キャンセルする。また、制御装置３００によれば、トロイダルモータの定常運転状態などの回転負荷が大きく変化しないときには、リアルタイムで検出した磁束をフィードバックしなくてもよいので、フィードバック制御によるＣＰＵ負荷や、メモリにアクセスするための負荷等を低減できる。

以上、本発明の回転電機用固定子および回転電機の制御装置の好ましい実施形態についてそれぞれ説明したが、本発明は、これらについての前記した各実施形態に限定されるものではない。例えば、回転電機の制御装置は、第１実施形態と第２実施形態とを分けて説明したが、回転電機の定常運転状態においては、第２実施形態の制御を行い、それ以外の運転状態においては、第１実施形態の制御を行うことができるように、両方の機能を有してそれらの機能を運転状態に応じて切り替えるように構成してもよい。また、各実施形態では、回転電機は、トロイダルモータであるものとしたが、発電機であってもよい。

＜閉回路部材のバリエーション＞
また、第１実施形態の回転電機用固定子１では、短絡環（閉回路部材）２０の一例を挙げたが、本発明において、閉回路部材は、短絡環２０に限定されるものではなく、例えば、以下のような変形例を挙げることができる。

閉回路部材は、表面を絶縁材料で被覆して形成してもよい。また、被覆を施さずに、所定の絶縁部材を介して分割コア６に装着し、また、固定子巻線３、リング部材４および隣の閉回路部材から絶縁されるように周囲に絶縁部材を配してもよい。

閉回路部材の線径は特に限定されないが、固定子巻線３よりも太い方が好ましい。
閉回路部材は、係止部９を包囲する電気的な閉回路となる部分が存在する形状であれば、その他の部分が存在していてもよい。
閉回路部材は、係止部９を包囲する断面の形状が円形である必要もない。
閉回路部材は、線状の部材で形成されることも必須ではなく、帯状の部材で形成されてもよい。
閉回路部材は、一体構造で形成されている必要はなく、例えば、係止部９を両側から挟み込む対称な２つの部材を結合して形成されたものでもよい。

閉回路部材は、内部を通過する磁束に応じて流れる電流により発生する熱を効果的に排出するために、絶縁された状態でリング部材４に接触させるか、リング部材４になるべく近付けて配置されることが好ましい。

図１には、すべての分割コア６に１つずつ短絡環（閉回路部材）を設けたが、複数の短絡環２０を設けてもよい。分割コア６毎に短絡環２０の個数を適宜変えてもよいが、同数又はＵ・Ｖ・Ｗなどの固定子巻線３の各相毎に同数とする（各相毎にバラつきがなければ損失発生部位の偏りもないので）ことが好ましい。

図１には、すべての分割コア６に短絡環（閉回路部材）２０を設けたが、すべての分割コア６に短絡環２０を設けることは必須ではない。ただし、１つおき、２つおき等の等間隔で短絡環２０を設けると、回転のバランスがよいので、このように配置した複数の短絡環２０を設けることが好ましい。

本発明の第１実施形態に係る回転電機用固定子を回転軸方向から視た構成図である。 図１に示した回転電機用固定子を構成する分割コアを示す斜視図である。 分割コアの他の例を示す斜視図である。 分割コアにコイルを巻回した状態を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る回転電機用固定子で発生する漏洩磁束を打ち消す打消磁束の説明図である。 本発明の第１実施形態に係る回転電機用固定子で発生する磁束の時間変化を示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係る回転電機用固定子で発生する漏洩磁束を打ち消す打消磁束の説明図である。 本発明の第１実施形態に係る回転電機の制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態に係る回転電機の制御装置の構成を示すブロック図である。 図９に示す１次コイルおよび２次コイルの電圧波形を示すグラフであって、（ａ）は２次コイル、（ｂ）は１次コイルをそれぞれ示している。

符号の説明

１，１Ａ 固定子（回転電機用固定子）
２ コア
３ 固定子巻線
４ リング部材（被固定部材）
５ ロータ（回転子）
６，６ａ 分割コア
７ 巻回部
８ 周方向部（ヨーク部）
９ 係止部（接合部）
１０ ティース部
１１ 凹部
１２ 凸部
１３，１４ スロット
２０ 短絡環（閉回路部材）
７１ １次コイル（打消磁束発生用コイル）
７２ ２次コイル（漏洩磁束検出用コイル）
１００，３００ 制御装置
１１０ モード切替手段
１２０ 回転用電力供給手段
１３０ 目標電圧算出手段
１３１ 漏洩磁束算出手段
１３２ 打消磁束算出手段
１３３ フィードバック制御手段
１４０ 目標電圧供給手段
２００ 電源
３００ 制御装置
３１０ モード切替手段
３２０ 回転制御信号生成手段
３３０ 直流電源
３４０ 駆動用インバータ
３５０ 漏洩磁束成分分析手段
３６０ 打消制御信号生成手段
３７０ １次コイル用インバータ（打消磁束用インバータ）

Claims (6)

1. 固定子巻線がコアに卜ロイダル状に巻回された回転電機用固定子であって、
   前記コアは、周方向に分割された複数の分割コアから成り、
   前記分割コアは、
   前記固定子巻線が巻回される巻回部を有する領域として設けられた周方向部と、
   前記周方向部から外径側に延出された領域として設けられて前記複数の分割コアを外径側から固定する被固定部材に当接する係止部と、
   前記周方向部から内径側に延出された領域として設けられたティース部とを有し、
   前記分割コアの係止部を包囲して電気的な閉回路を形成する閉回路部材が当該係止部に設けられたことを特徴とする回転電機用固定子。
2. 固定子巻線がコアに卜ロイダル状に巻回された回転電機用固定子であって、
   前記コアは、周方向に分割された複数の分割コアから成り、
   前記分割コアは、
   前記固定子巻線が巻回される巻回部を有する領域として設けられた周方向部と、
   前記周方向部から外径側に延出された領域として設けられて前記複数の分割コアを外径側から固定する被固定部材に当接する係止部と、
   前記周方向部から内径側に延出された領域として設けられたティース部とを有し、
   前記分割コアの係止部を包囲するように漏洩磁束検出用コイルおよび打消磁束発生用コイルが設けられ、
   前記漏洩磁束検出用コイルは、前記係止部における漏洩磁束を検知すると共に前記検知した漏洩磁束に対応した電圧を出力し、
   前記打消磁束発生用コイルは、前記検知された漏洩磁束を打ち消すための打消磁束を発生させるための電圧が印加される、
   ことを特徴とする回転電機用固定子。
3. 請求項２に記載の回転電機用固定子を備える回転電機の制御装置であって、
   前記打消磁束発生用コイルに供給する電圧の目標値を算出する目標電圧算出手段と、
   前記算出された目標値の電圧を電源から前記打消磁束発生用コイルに供給する目標電圧供給手段とを備え、
   前記目標電圧算出手段は、前記目標値の電圧が供給されたときに前記漏洩磁束検出用コイルで検知される漏洩磁束に対応した電圧値の入力を受け付け、前記受け付けた電圧値と、当該目標値との差異を低減するようにフィードバック制御又はフィードフォワード制御により前記目標値を算出することを特徴とする回転電機の制御装置。
4. 前記目標電圧算出手段は、前記打消磁束発生用コイルで発生する打消磁束の値が前記漏洩磁束検出用コイルで検知される漏洩磁束の値を超えないように前記目標値を算出することを特徴とする請求項３に記載の回転電機の制御装置。
5. 前記目標電圧算出手段は、前記目標値に対応した打消磁束の値を算出すると共に、前記入力として受け付けた電圧値から前記漏洩磁束検出用コイルで検知される漏洩磁束の値を算出し、前記算出された漏洩磁束の値と、前記算出された打消磁束の値との差異を低減するようにフィードバック制御又はフィードフォワード制御により前記打消磁束の値を算出した結果を用いて前記打消磁束発生用コイルに供給する電圧の目標値を算出することを特徴とする請求項３または請求項４に記載の回転電機の制御装置。
6. 請求項２に記載の回転電機用固定子を備える回転電機の制御装置であって、
   前記漏洩磁束検出用コイルで所定期間に亘って検知される漏洩磁束に対応した電圧値の入力を受け付け、前記受け付けた電圧値をフーリエ変換することで、前記漏洩磁束に対応した電圧の位相、周波数、及び、振幅を算出する漏洩磁束成分分析手段と、
   前記固定子巻線に供給される電圧の周波数と、前記受け付けた電圧値と、前記算出された位相に基づいて、位相反転された電圧を前記打消磁束発生用コイルに供給するための制御信号を生成する打消制御信号生成手段と、
   前記生成された制御信号に基づいて、直流電源から前記位相を反転させた電圧を生成して前記打消磁束発生用コイルに供給する打消磁束用インバータと、
   を備えることを特徴とする回転電機の制御装置。

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