JP2010136523A - 回転電機の駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ステータ巻線の３相電流の平衡を保ちながらステータ巻線の相電流のピーク値を増加させずにロータ巻線に誘導電流を発生させる。
【解決手段】制御装置４１は、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに誘導電流を発生させるために、ステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗの３相交流電流に高周波成分を重畳させるようにインバータ４０のスイッチング動作を制御する。制御装置４１は、３相のステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗのうち１つの相の電流がほぼ最大となるときに、他の２相の電流に互いに逆位相の高周波成分を重畳するとともに当該２相の電流の平均を前記１つの相の電流のほぼ−０．５倍にするように、ステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗの電流を制御する。
【選択図】図１０

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の駆動制御装置に関し、特に、整流素子を介して短絡された巻線がロータに巻装された回転電機の駆動制御装置に関する。

この種の回転電機の関連技術が下記特許文献１に開示されている。ダイオードで単相短絡されたロータ巻線を持つ特許文献１の回転電機において、ステータ多相巻線は、ロータと同じ速度で回転する回転座標系（ｄｑ軸）に変換した場合に、ｄ，ｑ軸単相巻線に置き換えることができる。この場合において、ｄ軸電流（励磁電流）をロータ回転数とは関係ないバイアス周波数で変動させると、ロータ巻線には誘導起電力が発生してダイオードで半波整流された電流が流れる。それとともに、ｑ軸電流（トルク電流）を一定で流すと、ロータ巻線の電流による磁束との間でトルクが発生する。

特開平７−９５７９０号公報 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のように、ロータ巻線に誘導電流を発生させるために励磁電流に高周波成分を重畳させると、ステータ巻線の相電流のピーク値は、重畳させた高周波成分の振幅に依存して増加する。その結果、ステータ巻線に３相電流を流すインバータでの発熱量が増加し、インバータの相電流許容値の容量を増加させる必要がある。そのため、ステータ巻線の相電流のピーク値を増加させずにロータ巻線に誘導電流を発生させることが要求される。その際には、３相電流の平衡が保たれないと中性点回路が必要となるため、３相電流の平衡が保たれることが望ましい。

また、ステータとロータとの相対位置関係による磁気抵抗変動が小さく、ステータとロータとのギャップ中の起磁力分布が理想的な正弦波に近い場合には、特許文献１のように励磁電流に高周波成分を重畳させることで、ロータ巻線に誘導電流を効率的に発生させることが可能となる。しかし、実際には、ステータとロータとの相対位置関係により磁気抵抗は変動し、ステータ巻線に交流電流が流れることで生じる起磁力には、ステータの形状やステータ巻線の配置に起因する空間高調波成分が生じるため、ステータとロータとのギャップ中の起磁力分布は正弦波にはならない。そのため、特許文献１のように励磁電流に高周波成分を重畳させた場合は、ロータ巻線に誘導電流を必ずしも効率的に発生できていない。

本発明は、ステータ巻線の３相電流の平衡を保ちながらステータ巻線の相電流のピーク値を増加させずにロータ巻線に誘導電流を発生させることを目的の１つとする。また、本発明は、ロータ巻線に誘導電流を効率的に発生させることを目的の１つとする。

本発明に係る回転電機の駆動制御装置は、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の駆動制御装置は、ステータとロータとが対向配置された回転電機の駆動制御装置であって、ステータは、ステータコアと、ステータコアに巻装された３相のステータ巻線と、を有し、該３相のステータ巻線に交流電流が流れることで回転磁界を形成し、ロータは、ロータコアと、ロータコアに巻装されたロータ巻線と、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、ステータと対向配置され、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を含み、３相のステータ巻線のうち１つの相の電流がほぼ最大となるときに、他の２相の電流に互いに逆位相の高周波成分を重畳するとともに当該２相の電流の平均を前記１つの相の電流のほぼ−０．５倍にするように、３相のステータ巻線の電流を制御する電流制御部を備えることを要旨とする。

本発明の一態様では、ステータコアには、ロータへ突出する複数のステータティース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、３相のステータ巻線は、該ステータティースに集中巻で巻装され、複数の磁極部が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、電流制御部は、３相のステータ巻線のうち１つの相が巻装されたステータティースがロータの磁極部間の位置とほぼ対向するときに、当該１つの相の電流をほぼ最大とし、他の２相の電流に互いに逆位相の高周波成分を重畳するとともに当該２相の電流の平均を前記１つの相の電流のほぼ−０．５倍にするように、３相のステータ巻線の電流を制御することが好適である。

本発明の一態様では、電流制御部は、ロータの回転数が所定回転数よりも低い場合には、３相のステータ巻線のうち１つの相の電流がほぼ最大となるときに、他の２相の電流に互いに逆位相の高周波成分を重畳するとともに当該２相の電流の平均を前記１つの相の電流のほぼ−０．５倍にするように、３相のステータ巻線の電流を制御することが好適である。

また、本発明に係る回転電機の駆動制御装置は、ステータとロータとが対向配置された回転電機の駆動制御装置であって、ステータは、ロータへ突出する複数のステータティース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、該ステータティースに集中巻で巻装された３相のステータ巻線と、を有し、該３相のステータ巻線に交流電流が流れることで回転磁界を形成し、ロータは、ロータコアと、ロータコアに巻装されたロータ巻線と、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、３相のステータ巻線のうち１つの相が巻装されたステータティースがロータの磁極部間の位置とほぼ対向するときに、他の２相の電流に高周波成分を重畳するように、３相のステータ巻線の電流を制御する電流制御部を備えることを要旨とする。

本発明の一態様では、電流制御部は、ロータの回転数が所定回転数よりも低い場合には、３相のステータ巻線のうち１つの相が巻装されたステータティースがロータの磁極部間の位置とほぼ対向するときに、他の２相の電流に高周波成分を重畳するように、３相のステータ巻線の電流を制御することが好適である。

本発明によれば、３相のステータ巻線のうち１つの相の電流がほぼ最大となるときに、他の２相の電流に互いに逆位相の高周波成分を重畳するとともに当該２相の電流の平均を前記１つの相の電流のほぼ−０．５倍にするように、３相のステータ巻線の電流を制御することで、ステータ巻線の３相電流の平衡を保ちながらステータ巻線の相電流のピーク値を増加させずにロータ巻線に誘導電流を発生させることができる。

また、本発明によれば、３相のステータ巻線のうち１つの相が巻装されたステータティースがロータの磁極部間の位置とほぼ対向するときに、他の２相の電流に高周波成分を重畳するように、３相のステータ巻線の電流を制御することで、ロータ巻線に誘導電流を効率的に発生させることができる。

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）突出した複数のステータティース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、各ステータティース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、ステータティース３０間のスロット３１を通ってステータティース３０に巻装されている。図１，２は、ステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗがステータティース３０に短節集中巻で巻装された例を示している。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、周方向に並べられたステータティース３０が順次磁化し、周方向に回転する回転磁界をステータ１２に形成することができる。ステータ１２に形成された回転磁界はロータ１４に作用する。

ステータ１２においては、１組のステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗがステータティース３０に巻装されることで２極（１極対）分の磁極が構成され（回転磁界が形成され）、ｎ組（ｎは２以上の整数）のステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗがステータティース３０に巻装されることで２ｎ極（ｎ極対）分の磁極が構成される（回転磁界が形成される）。図１，２に示す例では、４組のステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗがステータティース３０に巻装されることで、８極（４極対）分の磁極が構成され、８極（４極対）分の回転磁界が形成される。ステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗに交流電流が流れることで生じる起磁力は、周方向に関して変動する分布を有する。１組のステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗに流れる交流電流による起磁力は、周方向に関して１周期分の変動分布を有し、周方向に関して起磁力分布の変動が繰り返される回数は、ステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗの組数ｎ（図１，２に示す例では４回）に等しい。つまり、周方向に関する起磁力の変動周期がステータ全周の１／ｎ（図１，２に示す例ではステータ１／４周）である。図２に示すように、周方向に関する起磁力変動の１周期分に相当する角度を電気角３６０°とすると、（電気角＝機械角×極対数）の関係が成立する。

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）突出した複数のロータティース（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、各ロータティース１９間にスロット５１が形成されている。つまり、ロータコア１６には、複数のスロット５１が周方向に互いに間隔をおいて形成されている。各ロータティース１９は、ステータ１２（ステータティース３０）と対向している。ロータ１４においては、このロータティース（突極）１９により、ステータ１２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、ロータティース１９の位置で磁気抵抗が低くなり、ロータティース１９間の位置で磁気抵抗が高くなる。周方向に関して隣接するロータティース１９同士の間隔（スロット５１同士の間隔）は、前述の起磁力の周方向に関する変動周期の１／２（電気角１８０°）に等しい（あるいはほぼ等しい）。

ロータ巻線１８ｎ，１８ｓは、周方向において交互に並ぶように、スロット５１を通って各突極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軸磁路とするロータ回転座標系（ｄｑ軸）を定義すると、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。

ステータ１２に回転磁界を発生させる起磁力の周方向に関する分布は、各相のステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗの配置や、ステータティース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ステータ１２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、ロータティース１９がステータ１２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、ステータ１２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ロータティース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ロータティース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、各ロータティース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、各ロータティース１９（磁極が固定された磁石）の磁界がステータティース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。このステータティース３０の回転磁界（基本波成分）とロータティース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。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。そこで、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。その結果、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、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。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。そこで、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。

なお、ロータ１４については、例えば図６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６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。

図７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。さらに、インバータ４０は、ステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗの各相に流れる交流電流を直流に変換して、電気エネルギーを蓄電装置４２に回生する方向の変換も可能である。回転角センサ４３は、ロータ１４の回転角を検出する。制御装置４１は、回転角センサ４３で検出されたロータ１４の回転角に基づいて、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に流す交流電流の振幅や位相（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。

本実施形態では、ステータ１２に形成された回転磁界の空間高調波成分を利用してロータ巻線１８ｎ，１８ｓに発生させる誘導電流をダイオード２１ｎ，２１ｓにより整流することで、ロータティース１９を磁化させて磁極が固定された磁石として機能させる。ただし、ロータ１４の回転数が低いとき等、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに発生する誘導電流が小さいときは、ロータティース１９が磁石として機能することによる磁石トルクがほとんど発生せず、ほぼリラクタンストルクのみとなるため、ロータ１４のトルクが低下する。そこで、制御装置４１は、ステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗの３相交流電流にその基本周波数成分よりも高い高周波成分（例えば基本周波数の６倍以上）を重畳させるようにインバータ４０のスイッチング動作を制御することで、時間高調波成分を利用してロータ巻線１８ｎ，１８ｓに発生させる誘導電流を増加させることが可能となり、ロータ１４のトルクを増加させることが可能となる。

ここで、図３に示すようにロータ巻線１８ｎ，１８ｓがロータ回転座標系においてｑ軸上にあることを考慮して、図８に示すようにｄ軸電流ｉｄに高周波成分を重畳させずにｑ軸電流ｉｑのみに高周波成分を重畳させる場合を考える（前述の特許文献１とはｄｑ軸の関係が逆となる）。しかし、その場合は、図９のＡ部に示すように、ステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗの相電流のピーク値は、高周波成分を重畳しない正弦波電流の場合よりも増加し、重畳させた高周波成分の振幅に依存して増加する。その結果、インバータ４０での発熱量が増加し、インバータ４０の相電流許容値の容量を増加させる必要がある。

そこで、本実施形態では、制御装置４１は、３相のステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗのうち１つの相の電流の大きさが最大（あるいはほぼ最大）となるときに、他の２相の電流に互いに逆位相の高周波成分を重畳するとともに他の２相の電流の平均を前記１つの相の電流の−０．５倍（あるいはほぼ−０．５倍）にするように、インバータ４０のスイッチング動作によりステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗの電流を制御する。その場合におけるステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗの相電流波形の例を、高周波成分を重畳しない正弦波電流の場合と対比させて図１０に示す。図１０に示す例では、制御装置４１は、ステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗ間で相電流の大きさが一定の最大値となる１相のステータ巻線を電気角６０°毎に順次切り替える。そして、ステータ巻線２８ｕの相電流（Ｕ相電流）の大きさが一定の最大値となる期間（図１０のｔ１〜ｔ２の期間）において、ステータ巻線２８ｖ，２８ｗの相電流（Ｖ相電流及びＷ相電流）に重畳された高周波成分が互いに逆位相であり、ステータ巻線２８ｖ，２８ｗの相電流の平均値が互いに等しくステータ巻線２８ｕの相電流の−０．５倍である。同様に、ステータ巻線２８ｗの相電流（Ｗ相電流）の大きさが一定の最大値となる期間（図１０のｔ２〜ｔ３の期間）において、ステータ巻線２８ｕ，２８ｖの相電流（Ｕ相電流及びＶ相電流）に重畳された高周波成分が互いに逆位相であり、ステータ巻線２８ｕ，２８ｖの相電流の平均値が互いに等しくステータ巻線２８ｗの相電流の−０．５倍である。そして、ステータ巻線２８ｖの相電流（Ｖ相電流）の大きさが一定の最大値となる期間（図１０のｔ３〜ｔ４の期間）において、ステータ巻線２８ｕ，２８ｗの相電流（Ｕ相電流及びＷ相電流）に重畳された高周波成分が互いに逆位相であり、ステータ巻線２８ｕ，２８ｗの相電流の平均値が互いに等しくステータ巻線２８ｖの相電流の−０．５倍である。なお、図１０に示す例では、高周波成分の振幅がステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗの最大電流値の１／２で一定であるが、２相のステータ巻線の電流に重畳される高周波成分が互いに逆位相となる関係を保ちながら、高周波成分の振幅を変化させることも可能である。

このように、本実施形態では、高周波成分を最大電流でない２相に対して重畳させるため、各ステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗの相電流のピーク値は、図１０に示すように、高周波成分を重畳しない正弦波電流の場合と比べて増加しない。また、１相が一定の電流値であり、他の２相において電流の極性がこの１相と反対で且つ電流の大きさがこの１相の半分である場合、３相の電流値の合計は常に０である。そして、高周波成分は常に２相にしか重畳せず、しかも互いに逆位相の関係で重畳するため、高周波成分が重畳された３相の電流値の合計も常に０である。そのため、３相電流の平衡が常に保たれる。したがって、本実施形態によれば、ステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗの３相電流の平衡を保ちながらステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗの相電流のピーク値を増加させずにロータ巻線１８ｎ，１８ｓに発生させる誘導電流を増加させることができる。その結果、インバータ４０での発熱量の増加を抑えることができ、インバータ４０の相電流許容値の容量を増加させずにロータ１４のトルクを増加させることができる。さらに、中性点回路も不要となる。

また、ステータティース３０とロータ形状の位置関係により磁気抵抗が変動し、ステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗの配置やステータコア２６の形状に起因してステータ１２の起磁力に空間高調波成分が生じるため、ステータ１２とロータ１４とのギャップ中の起磁力分布は正弦波にはならない。そのため、ｑ軸電流のみに高周波成分を重畳させた場合は、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに誘導電流を必ずしも効率的に発生できていない。

そこで、本実施形態では、制御装置４１は、３相のステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗのうち１つの相が巻装されたステータティース３０がロータ１４のｄ軸（ロータティース１９間の位置）と対向する（あるいはほぼ対向する）ときに、他の２相の電流に高周波成分を重畳するように、インバータ４０のスイッチング動作によりステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗの電流を制御する。その際には、ロータ１４のｄ軸と対向する１相の電流に高周波成分を重畳することなくその大きさを最大（あるいはほぼ最大）にし、他の２相の電流に互いに逆位相の高周波成分を重畳するとともに他の２相の電流の平均をこの１相の電流の−０．５倍（あるいはほぼ−０．５倍）にする。

ここで、ステータ巻線２８ｕが巻装されたステータティース３０をＵ相ステータティース、ステータ巻線２８ｖが巻装されたステータティース３０をＶ相ステータティース、ステータ巻線２８ｗが巻装されたステータティース３０をＷ相ステータティース、ロータ巻線１８ｓが巻装されたロータティース１９をＡ相ロータティース、ロータ巻線１８ｎが巻装されたロータティース１９をＢ相ロータティースとする。そして、Ｂ相ロータティースの中心がＶ相ステータティースの中心と一致する状態でのロータ１４の回転角を電気角で０°とする。図１１に示すように、ロータ１４のｄ軸がＷ相ステータティースの中心と一致する電気角３０°の状態では、Ｂ相ロータティースがＶ相ステータティースと対向し、Ａ相ロータティースがＵ相ステータティースと対向するため、Ｕ相及びＶ相ステータティースとＡ相及びＢ相ロータティースとを含んで構成される磁気回路の磁気抵抗が低くなる。そのため、Ｗ相ステータティースに巻装されたステータ巻線２８ｗの相電流に高周波成分を重畳させずに、Ｕ相及びＶ相ステータティースに巻装されたステータ巻線２８ｕ，２８ｖの相電流に高周波成分を重畳させることで、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに誘導電流を効率的に発生させることができる。その際には、ロータ１４のｄ軸がＷ相ステータティースの中心と一致する前後の期間（例えば電気角で前後３０°の期間）において、図１０のｔ２〜ｔ３の期間に示すように、ステータ巻線２８ｗの相電流の大きさを一定の最大値にし、ステータ巻線２８ｕ，２８ｖの相電流に互いに逆位相の高周波成分を重畳するとともにステータ巻線２８ｕ，２８ｖの相電流の平均値をステータ巻線２８ｗの相電流の−０．５倍にする。

同様に、ロータ１４のｄ軸がＶ相ステータティースの中心と一致する電気角９０°の状態では、図１２に示すように、Ｂ相ロータティースがＷ相ステータティースと対向し、Ａ相ロータティースがＵ相ステータティースと対向するため、ステータ巻線２８ｖの相電流に高周波成分を重畳させずにステータ巻線２８ｕ，２８ｗの相電流に高周波成分を重畳させることで、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに誘導電流を効率的に発生させることができる。その際には、ロータ１４のｄ軸がＶ相ステータティースの中心と一致する前後の期間（例えば電気角で前後３０°の期間）において、図１０のｔ３〜ｔ４の期間に示すように、ステータ巻線２８ｖの相電流の大きさを一定の最大値にし、ステータ巻線２８ｕ，２８ｗの相電流に互いに逆位相の高周波成分を重畳するとともにステータ巻線２８ｕ，２８ｗの相電流の平均値をステータ巻線２８ｖの相電流の−０．５倍にする。同様に、ロータ１４のｄ軸がＵ相ステータティースの中心と一致する電気角１５０°の状態では、図１３に示すように、Ｂ相ロータティースがＷ相ステータティースと対向し、Ａ相ロータティースがＶ相ステータティースと対向するため、ステータ巻線２８ｕの相電流に高周波成分を重畳させずにステータ巻線２８ｖ，２８ｗの相電流に高周波成分を重畳させることで、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに誘導電流を効率的に発生させることができる。その際には、ロータ１４のｄ軸がＵ相ステータティースの中心と一致する前後の期間（例えば電気角で前後３０°の期間）において、ステータ巻線２８ｕの相電流の大きさを一定の最大値にし、ステータ巻線２８ｖ，２８ｗの相電流に互いに逆位相の高周波成分を重畳するとともにステータ巻線２８ｖ，２８ｗの相電流の平均値をステータ巻線２８ｕの相電流の−０．５倍にする。

このように、本実施形態では、Ａ相及びＢ相ロータティースと対向する２相のステータティース３０に巻装されたステータ巻線に高周波成分が重畳されるように、ステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗ間で高周波成分を重畳する２相のステータ巻線を電気角６０°毎に順次切り替えることで、時間高調波成分を利用してロータ巻線１８ｎ，１８ｓに誘導電流を効率的に発生させることができる。その結果、ロータ１４のトルクを効率的に増加させることができる。図１４の計算結果に示すように、本実施形態によれば、ｑ軸電流のみに高周波成分を重畳させた場合と比較して、ロータ１４のトルクを遜色なく増加させることができる。

なお、本実施形態では、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓの誘導電流によってロータティース１９が磁石として機能することによる磁石トルクだけでなく、リラクタンストルクも発生する。そのため、ロータ１４の全体のトルクが最大になるステータ１２とロータ１４の位相関係は、ステータティース３０やロータティース１９の幅等の形状により、ロータ１４のｄ軸がステータティース３０の中心と一致する角度から多少前後する可能性がある。その場合は、ロータ１４の全体のトルクが最大になる前後の期間（例えば電気角で前後３０°の期間）において、ロータティース１９間の位置と対向する１相の電流の大きさを一定の最大値にし、他の２相の電流に互いに逆位相の高周波成分を重畳するとともに他の２相の電流の平均をこの１相の電流の−０．５倍にすることが好ましい。

また、本実施形態では、特にロータ１４の回転数が低い場合に、空間高調波成分によりロータ巻線１８ｎ，１８ｓに発生する誘導電流が小さくなり、ロータ１４のトルクが低下する。そこで、制御装置４１は、ロータ１４の回転数が所定回転数よりも低い場合には、３相のステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗのうち１つの相の電流の大きさが最大（あるいはほぼ最大）となるときに、他の２相の電流に互いに逆位相の高周波成分を重畳するとともに他の２相の電流の平均を前記１つの相の電流の−０．５倍（あるいはほぼ−０．５倍）にするように、ステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗの電流を制御することもできる。また、制御装置４１は、ロータ１４の回転数が所定回転数よりも低い場合には、３相のステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗのうち１つの相が巻装されたステータティース３０がロータ１４のｄ軸（ロータティース１９間の位置）と対向する（あるいはほぼ対向する）ときに、他の２相の電流に高周波成分を重畳するように、ステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗの電流を制御することもできる。一方、ロータ１４の回転数が高い場合は、空間高調波成分によりロータ巻線１８ｎ，１８ｓに発生する誘導電流が大きくなるため、ロータティース１９が磁石として機能することによる磁石トルクも増加する。そこで、制御装置４１は、ロータ１４の回転数が所定回転数以上である場合には、ステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗの電流に高周波成分を重畳させないようにステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗの電流を制御することもできる。

また、本実施形態では、制御装置４１は、ステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗの電流に高周波成分を重畳する際には、ｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を演算し、回転角センサ４３で検出されたロータ１４の回転角を基準として、このｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の電流指令値に変換することで、ステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗの電流を制御することもできる。図１０のステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗの相電流波形に対応するｄ軸電流指令値ｉｄ及びｑ軸電流指令値ｉｑの波形を図１５に示す。

本実施形態では、ステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗの相電流に重畳する高周波成分の周波数を、例えば図１６に示すようにさらに高くすることもでき、任意に設定することが可能である。また、高周波成分の波形は必ずしも正弦波である必要はなく、例えば図１７に示すような三角波であってもよい。

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、本実施形態に係る回転電機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。 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駆動制御装置の概略構成を示す図である。 ｑ軸電流に高周波成分を重畳させた場合におけるｄ軸電流及びｑ軸電流の波形の一例を示す図である。 ｑ軸電流に高周波成分を重畳させた場合におけるステータ巻線の電流波形の一例を示す図である。 本発明の実施形態におけるステータ巻線の電流波形の一例を示す図である。 ロータのｄ軸がＷ相ステータティースの中心と一致する状態を示す図である。 ロータのｄ軸がＶ相ステータティースの中心と一致する状態を示す図である。 ロータのｄ軸がＵ相ステータティースの中心と一致する状態を示す図である。 本発明の実施形態において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おけるｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値の波形の一例を示す図である。 本発明の実施形態におけるステータ巻線の電流波形の他の例を示す図である。 本発明の実施形態におけるステータ巻線の電流波形の他の例を示す図である。

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、１８ｎ，１８ｓ ロータ巻線、１９ ロータティース（突極）、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 ステータティース、３１，５１ スロット、４０ インバータ、４１ 制御装置、４２ 蓄電装置、４３ 回転角センサ。

Claims (5)

1. ステータとロータとが対向配置された回転電機の駆動制御装置であって、
   ステータは、ステータコアと、ステータコアに巻装された３相のステータ巻線と、を有し、該３相のステータ巻線に交流電流が流れることで回転磁界を形成し、
   ロータは、ロータコアと、ロータコアに巻装されたロータ巻線と、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、ステータと対向配置され、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を含み、
   ３相のステータ巻線のうち１つの相の電流がほぼ最大となるときに、他の２相の電流に互いに逆位相の高周波成分を重畳するとともに当該２相の電流の平均を前記１つの相の電流のほぼ−０．５倍にするように、３相のステータ巻線の電流を制御する電流制御部を備える、回転電機の駆動制御装置。
2. 請求項１に記載の回転電機の駆動制御装置であって、
   ステータコアには、ロータへ突出する複数のステータティース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、３相のステータ巻線は、該ステータティースに集中巻で巻装され、
   複数の磁極部が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、
   電流制御部は、３相のステータ巻線のうち１つの相が巻装されたステータティースがロータの磁極部間の位置とほぼ対向するときに、当該１つの相の電流をほぼ最大とし、他の２相の電流に互いに逆位相の高周波成分を重畳するとともに当該２相の電流の平均を前記１つの相の電流のほぼ−０．５倍にするように、３相のステータ巻線の電流を制御する、回転電機の駆動制御装置。
3. 請求項１または２に記載の回転電機の駆動制御装置であって、
   電流制御部は、ロータの回転数が所定回転数よりも低い場合には、３相のステータ巻線のうち１つの相の電流がほぼ最大となるときに、他の２相の電流に互いに逆位相の高周波成分を重畳するとともに当該２相の電流の平均を前記１つの相の電流のほぼ−０．５倍にするように、３相のステータ巻線の電流を制御する、回転電機の駆動制御装置。
4. ステータとロータとが対向配置された回転電機の駆動制御装置であって、
   ステータは、ロータへ突出する複数のステータティース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、該ステータティースに集中巻で巻装された３相のステータ巻線と、を有し、該３相のステータ巻線に交流電流が流れることで回転磁界を形成し、
   ロータは、ロータコアと、ロータコアに巻装されたロータ巻線と、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、
   ３相のステータ巻線のうち１つの相が巻装されたステータティースがロータの磁極部間の位置とほぼ対向するときに、他の２相の電流に高周波成分を重畳するように、３相のステータ巻線の電流を制御する電流制御部を備える、回転電機の駆動制御装置。
5. 請求項４に記載の回転電機の駆動制御装置であって、
   電流制御部は、ロータの回転数が所定回転数よりも低い場合には、３相のステータ巻線のうち１つの相が巻装されたステータティースがロータの磁極部間の位置とほぼ対向するときに、他の２相の電流に高周波成分を重畳するように、３相のステータ巻線の電流を制御する、回転電機の駆動制御装置。

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