JP2013021749A - 回転電機システム - Google Patents

Abstract

【課題】ロータコイルに回転電機の外部から磁極部の回転位置に見合って制御された励磁電流を供給することにより回転電機のトルク向上を図れる回転電機システムを提供する。
【解決手段】回転電機システム１０は、回転シャフト２４に固定されたモータロータ１８と、複数のティース部に集中巻によりそれぞれ巻装された複数のステータコイルを有するモータステータ１６とを含む回転電機１２と、回転シャフト２４に固定されて２次コイルが巻装されたトランスロータ２２と、１次コイルに電源から供給される電力を電磁結合による非接触給電にて２次コイルに供給するトランスステータ２０とを含む回転トランス１４とを備える。そして、２次コイルから複数のロータコイルに励磁電流として印加するにあたり、励磁電流がロータコイルに流れることにより励磁される磁極部の位置がモータロータの周方向にずれるように調整する励磁電流調整手段２０、２２等が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機システムに係り、特に、モータロータの複数の磁極部に界磁コイルがそれぞれ巻装されている回転電機を含む回転電機システムに関する。

従来、例えば特開２０１１−４１４３３号公報（特許文献１）には、回転電機駆動システムが開示されている。この回転電機駆動システムでは、回転電機のステータは、集中巻きで巻装された複数相のステータ巻線を有し、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周波数の回転磁界を生成する。ロータは、周方向複数個所に配置されたロータ巻線と、各ロータ巻線に流れる電流を整流するダイオードとを有する。各ロータ巻線に流れる電流により生成される周方向複数個所の磁極部の磁気特性を交互に異ならせる。また、回転電機駆動システムは、回転電機の相間電圧または相間電圧に対応する値が閾値未満または以下である場合で、かつ、予め設定されたパルス重畳要求条件成立時のみにステータ巻線を流れるステータ電流にパルス電流を重畳させる切り換え部を備える。そして、この切り換え部により、回転数の低い領域でステータ巻線を流れるステータ電流に高調波成分であるパルス電流を重畳させることができるので、回転数が低くても回転磁界の基本波（正弦波）電流以外による磁場変動を生じさせ、ロータ巻線のロータ誘導電流を増加させてトルクを向上させることができることが記載されている。

また、特開２０００−５８３５５号公報（特許文献２）には、回転体への電力供給用変圧器が開示されている。この電力供給用変圧器では、変圧器に内鉄形の鉄心を用い、２次コイルが回転体の回転の軸を中心とし、鉄心の枠の中を通って環状に巻かれている。鉄心には１次コイルが巻かれ、また、２次コイルを上記回転体から支持するプレートと２次コイルのリード線が通過する間隙が設けられている。そして、鉄心及び１次コイルを固定側に置き、２次コイルを回転体と一体で回転させ、電磁結合により回転体の回路に電力を供給することが記載されている。

特開２０１１−４１４３３号公報 特開２０００−５８３５５号公報

上記特許文献１に記載されるような複数の磁極部にロータ巻線を巻装してなるロータを備えた回転電機において、ロータ巻線に回転電機の外部から電力供給してロータ磁極部を磁化することにより、トルク特性をさらに向上させることが考えられる。この場合、特許文献２に記載されるような回転型非接触給電方式の変圧器を用いて上記ロータ巻線に給電することも可能である。

しかしながら、上記変圧器の２次コイルに生じた誘起電力を上記ロータ巻線にそのまま供給しても、ステータにより形成される回転磁界に適応してロータ磁極部が磁化されなければ、トルクを効果的に向上させることはできない。

本発明の目的は、ロータの複数の磁極部にそれぞれ巻装されたロータコイルに回転電機の外部から磁極部の回転位置に見合って制御された励磁電流を供給することにより回転電機のトルク向上を図れる回転電機システムを提供することである。

本発明に係る回転電機システムは、回転可能に支持された回転シャフトと、回転シャフトに固定され、周方向に間隔をおいて設けられた複数の磁極部において整流素子が直列接続されてそれぞれ巻装されている複数のロータコイルを有するモータロータと、モータロータに隙間を介して対向配置され、周方向に間隔をおいて設けられる複数のティース部に集中巻によりそれぞれ巻装された複数のステータコイルを有するモータステータとを含み、前記ステータコイルに通電することによって形成される回転磁界により前記モータロータが回転する回転電機と、
前記回転シャフトに固定され、前記複数のロータコイルが並列接続される２次コイルが巻装されたトランスロータと、トランスロータに隙間を介して対向配置され、巻装されている１次コイルに電源から供給される電力を電磁結合による非接触給電にて前記２次コイルに供給するトランスステータとを含む回転トランスと、を備え、
前記２次コイルに誘起される電力を前記複数のロータコイルに励磁電流として印加するにあたり、励磁電流が前記ロータコイルに流れることにより励磁される磁極部の位置が前記モータロータの周方向にずれるように調整する励磁電流調整手段が設けられているものである。

本発明に係る回転電機システムにおいて、前記励磁電流調整手段は、前記モータロータの磁極部と同数で同じ周方向位置の突極を有する前記トランスロータと、前記モータステータのティース部と同数で同じ周方向位置のティース部を有する前記トランスステータと、前記モータロータにおいて各磁極部のロータコイルに流れる励磁電流の流れ方向が周方向で交互に反対となる向きで直列接続されている前記整流素子とにより構成されてもよい。

この場合、前記電源は直流電源であり、前記直流電源から回転トランスの１次コイルに直流電流が供給されることによって前記回転トランスの２次コイルには前記モータロータの回転速度に同期した交流電流が誘起され、この交流電流がモータロータのロータコイルに励磁電流として流れるとき前記整流素子によって整流されることにより周方向で１つおき毎のロータコイルが励磁されてもよい。

また、この場合、前記トランスロータに巻装された２次コイルは、前記トランスロータの突極の軸方向中間位置に形成された溝部に入り込んだ状態で巻かれており、前記トランスステータに巻装された１次コイルは、前記トランスステータのティース部の軸方向中間位置に形成された溝部に入り込んだ状態でかつ前記２次コイルに対向する位置で巻かれていてもよい。

さらに、この場合、前記直流電源は、前記モータロータの回転数領域に応じて出力電圧値を変更可能なものであってもよい。

また、本発明に係る回転電機システムにおいて、前記励磁電流調整手段は、円柱状の外周面を有する非突極型の前記トランスロータと、円筒状の内周面を有する非突極型の前記トランスステータと、前記モータロータにおいて各磁極部のロータコイルに流れる励磁電流の流れ方向が同じとなる向きで直列接続されている前記整流素子と、前記各ロータコイルに対してそれぞれ並列接続された抵抗およびコンデンサとにより構成され、
前記電源は交流電源であり、前記交流電源から回転トランスの１次コイルに交流電流が供給されることによって前記回転トランスの２次コイルには同周期の交流電流が誘起され、この交流電流がモータロータのロータコイルに励磁電流として流れるとき前記抵抗および前記コンデンサの作用によって電流位相がずらされることにより、励磁される磁極部の位置が前記回転磁界に応じて周方向へ順次に変わるものであってもよい。

この場合、前記交流電源は、前記モータロータの回転速度に応じて交流電流の出力周波数を変更可能であり、前記モータロータの回転速度に応じて前記励磁磁極部の位置が変わるように前記電流位相のずれ量が調整されてもよい。

また、この場合、前記トランスロータに巻装された２次コイルは、前記トランスロータの外周面の軸方向中間位置で周方向へ延びて形成された溝部に入り込んだ状態で巻かれており、前記トランスステータに巻装された１次コイルは、前記トランスステータの内周面の軸方向中間位置で周方向に延びて形成された溝部に入り込んだ状態でかつ前記２次コイルに対向する位置に巻かれていてもよい。

本発明に係る回転電機システムによれば、回転トランスの２次コイルから励磁電流がロータコイルに流れることにより励磁される磁極部の位置がモータロータの周方向にずれるように調整する励磁電流調整手段を設けたことで、モータロータの磁極部の回転位置に見合って制御された励磁電流をロータコイルに供給することができ、回転電機のトルクを効果的に向上させることができる。

本発明に係る第１実施形態の回転電機システムを示す斜視図である。 図１における回転電機を軸方向から見た平面図である。 図１における回転トランスの軸方向に沿った断面図である。 図３におけるＡ−Ａ断面図である。 第１実施形態における回転トランスとロータコイルとの電気的接続関係を示す回路図である。 回転トランスの１次コイル電流、２次コイル電流、ならびに、第１および第２ロータコイル電流を、トランスロータ磁束の変化と共に示す波形図である。 第２実施形態の回転電機システムにおける回転電機を軸方向から見た平面図である。 第２実施形態の回転電機システムにおける回転トランスの軸方向に沿った断面図である。 第２実施形態におけるロータコイルと回転トランスとの接続関係を示す回路図である。 第２実施形態における回転トランスの１次コイル電流、２次コイル電流、ならびに、第１ないし第３ロータコイル電流を示す波形図である。

以下に、本発明に係る実施形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。また、以下において複数の実施形態や変形例などが含まれる場合、それらの特徴部分を適宜に組み合わせて用いることは当初から想定されている。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態の回転電機システム１０を示す斜視図である。回転電機システム１０は、互いに同軸状に配置された回転電機１２および回転トランス１４を備える。回転電機１２は、モータステータ１６とモータロータ１８とを含む。また、回転トランス１４は、トランスステータ２０とトランスロータ２２とを含む。モータロータ１８およびトランスロータ２２は、共通または同一の回転シャフト２４上に所定間隔をおいて固定されている。

回転シャフト２４は、その両端側において図示しない複数の軸受部材によって回転可能に支持されている。これらの軸受部材は、例えば、回転電機システム１０を収容するケースに取り付けられている。これにより、モータロータ１８とトランスロータ２２とは、一緒に回転するよう構成されている。以下においては、まず、回転電機１２について説明し、その後に回転トランス１４について説明する。

図２は、回転電機システム１０の回転電機１２を軸方向から見た平面図である。図２において回転シャフト２４だけが断面で示されている。図２に示すように、回転電機１２は、上記のように回転可能に支持された回転シャフト２４と、回転シャフト２４に固定されたモータロータ１８と、モータロータ１８の外側に隙間Ｇ１を介して対向配置されたモータステータ１６とから構成される。モータステータ１６は、図示しないケース内に圧入、ボルト締め等によって固定されている。

本実施形態では、モータステータ１６とモータロータ１８とが回転シャフト２４と直交する径方向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いる。ただし、本発明はこれに限定されるものではなく、ステータとロータとが回転シャフトに平行な軸方向に対向するアキシャル型の回転電機が用いられてもよい。

モータステータ１６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（より具体的には例えばｕ相、ｖ相、ｗ相の３相）のステータコイル２８ｕ，２８ｖ，２８ｗとを含む。ステータコア２６には、径方向内側へ（モータロータ１８へ向けて）突出する複数のティース部３０が回転シャフト２４まわりの周方向に沿って互いに間隔をおいて配列されており、各ティース部３０間にスロット３１が形成されている。

すなわち、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。各相のステータコイル２８ｕ，２８ｖ，２８ｗは、スロット３１を通ってティース部３０に短節集中巻で巻装されている。このように、ティース部３０にステータコイル２８ｕ，２８ｖ，２８ｗが巻装されることで磁極が構成される。そして、複数相のステータコイル２８ｕ，２８ｖ，２８ｗに複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部３０が磁化し、周方向に回転する回転磁界をモータステータ１６に生成することができる。

ティース部３０に形成された回転磁界は、その先端面からモータロータ１８に作用する。図２に示す例では、３相（ｕ相、ｖ相、ｗ相）のステータコイル２８ｕ，２８ｖ，２８ｗがそれぞれ巻装された３つのティース部３０により１つの極対が構成され、４極３相のステータコイル２８ｕ，２８ｖ，２８ｗが１２個のティース部３０に巻装され、モータステータ１６の極対数が４極対とされている。

モータロータ１８は、ロータコア３２と、ロータコア３２に配設された複数のロータコイル３４ｎ，３４ｓとを含む。ロータコア３２には、径方向外側へ（モータステータ１６へ向けて）突出した複数の突極３６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３６がモータステータ１６と対向している。モータロータ１８においては、この突極３６により、モータステータ１６（ティース部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３６の位置で磁気抵抗が低くなり、突極３６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コイル３４ｎとロータコイル３４ｓが交互に並ぶように、ロータコイル３４ｎ，３４ｓがこれらの突極３６に巻装されている。本実施形態における回転電機１２のモータロータ１８では、突極３６にロータコイル３４ｎ，３４ｓが巻装されて複数の磁極部が構成されており、より具体的には周方向に等間隔で８つの磁極部が設けられている。

ここでは、各ロータコイル３４ｎ，３４ｓの巻回中心軸が径方向と一致している。磁気抵抗の高い突極３６間の磁路をｄ軸磁路とし、磁気抵抗の低い突極３６の部分の磁路をｑ軸磁路とすると、各ロータコイル３４ｎ，３４ｓは、磁気抵抗の低いｑ軸磁路に配置されている。

各ロータコイル３４ｎにはダイオード（整流素子）３８ｎが直列接続され、各ロータコイル３４ｓにはダイオード（整流素子）３８ｓが直列接続されている。各ロータコイル３４ｎにダイオード３８ｎが直列接続されていることで、各ロータコイル３４ｎに流れる電流の方向がダイオード３８ｎにより一方向に整流される。同様に、各ロータコイル３４ｓにはダイオード３８ｓが直列接続されていることで、各ロータコイル３４ｓに流れる電流の方向がダイオード３８ｓにより一方向に整流される。ここでは、周方向において隣り合うように配置されたロータコイル３４ｎとロータコイル３４ｓとで流れる電流の向き（ダイオード３８ｎ，３８ｓによる整流方向）、すなわち順方向が互いに反対になるように、ダイオード３８ｎ，３８ｓが互いに逆向きでロータコイル３４ｎ，３４ｓに接続されている。

上記のようにダイオード３８ｎが直列接続されたロータコイル３４ｎと、ダイオード３８ｓが直列接続されたロータコイル３４ｓとは、回転トランス１４の２次コイル４４に対してそれぞれ並列接続されている（図５参照）。その詳細については後述する。

ロータコイル３４ｎにダイオード３８ｎの整流方向に応じた励磁電流が流れると、ロータコイル３４ｎが巻装された突極３６が磁化することで、この突極３６が磁極の固定された電磁石として機能する。同様に、ロータコイル３４ｓにダイオード３８ｓの整流方向に応じた励磁電流が流れると、ロータコイル３４ｓが巻装された突極３６が磁化することで、この突極３６は磁極特性が一定の電磁石として機能する。

周方向に隣り合うロータコイル３４ｎとロータコイル３４ｓとで励磁電流の流れ方向が互いに逆方向であるため、周方向に隣り合う突極３６同士で磁化方向が互いに逆方向となり、異なる磁極の電磁石が形成され、周方向において突極３６の磁極が交互する。ここでは、ロータコイル３４ｎが巻装された突極３６にＮ極が形成され、ロータコイル３４ｓが巻装された突極３６にＳ極が形成されるように、ダイオード３８ｎ，３８ｓによるロータコイル３４ｎ，３４ｓの励磁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３６が磁化されるようになっている。

図２においてロータコイル３４ｎ，３４ｓの、モータロータ１８の径方向に関する外側に示した破線矢印の向きは、突極３６の磁化方向を表している。そして、周方向に隣り合う２つの突極３６（Ｎ極及びＳ極）により、１つの極対が構成される。図２に示す例では、８極の突極３６が形成されており、モータロータ１８の極対数が４極対である。したがって、図２に示す例では、モータステータ１６の極対数及びモータロータ１８の極対数がいずれも４極対で、モータステータ１６の極対数及びモータロータ１８の極対数が等しい。ただし、モータステータ１６の極対数及びモータロータ１８の極対数は、いずれも４極対以外であってもよい。このように、各ロータコイル３４ｎ，３４ｓに流れる電流により生成される、モータロータ１８の周方向複数個所の磁極部である突極３６の磁気特性は、モータロータ１８の周方向に交互に異なっている。

次に、図３，４を参照して本実施形態における回転トランス１４について説明する。図３は、図１における回転トランス１４の軸方向に沿った断面図であり、図４は図３におけるＡ−Ａ断面図である。

回転トランス１４は、回転電機１２と共通の回転シャフト２４上に固定されたトランスロータ２２と、トランスロータ２２の径方向外側に所定の隙間Ｇ２を介して対向配置された筒状のトランスステータ２０とを備える。

回転トランス１４は、回転電機１２に比べて小径に形成されている。これにより、回転電機システム１０の径方向への大型化を抑制できる。

また、回転トランス１４は、回転電機１２に対して軸方向に近接して配設されるのが好ましい。これにより、回転電機システム１０の軸方向寸法を小型化することができる。ただし、回転トランス１４と回転電機１２との間には、後述するように回転トランス１４の２次コイルと回転電機１２のロータコイル３４ｎ，３４ｓとを電気的に接続する導電性バスバの接続作業を容易に行えるとともに相互間で電磁ノイズによる影響を与えない程度の間隔を確保しておくのが望ましい。

トランスロータ２２は、例えば、環状に打ち抜き加工された電磁鋼板を軸方向に多数枚積層してカシメ等で連結することにより略円筒状に形成される。トランスロータ２２は、その外周に径方向外側へ向かって突出する複数の突極４０を有している。突極４０は、トランスロータ２２の軸方向全長にわたって延びている。

これらの突極４０は、上記回転電機１２のモータロータ１８の突極３６と同数とされている。すなわち、図４に示す例では８つの突極４０が周方向に等間隔で設けられている。また、トランスロータ２２は、突極４０の周方向位置がモータロータ１８の突極３６と同じ周方向位置となるようにして回転シャフト２４に固定されている。

トランスロータ２２の突極４０の軸方向中間位置には、径方向内側へ矩形状に凹んだ溝部４２が形成されている。そして、トランスロータ２２には、各突極４０の溝部４２内に入り込んだ状態で２次コイル４４が巻装されている。２次コイル４４は、コイル導線が溝部４２の軸方向全幅にわたって巻かれることにより略円筒状をなしている。このように２次コイル４４を溝部４２内に収容して巻装することで、２次コイル４４の軸方向位置のずれを防止できる。ここで、図４では２次コイル４４の径方向外側にトランスロータ２２の突極４０の先端が少し突出している例を示すが、図３に示すように２次コイル４４の外周面と突極４０の先端とが略面一となっていてもよい。

トランスステータ２０は、例えば、環状に打ち抜き加工された電磁鋼板を軸方向に多数枚積層してカシメ等で連結することにより略円筒状に形成される。トランスステータ２０は、その内周に径方向内側へ向かって突出する複数のティース部４６を有している。ティース部４６は、トランスステータ２０の軸方向全長にわたって延びている。

これらのティース部４６は、上記回転電機１２のモータステータ１６のティース部３０と同数とされている。すなわち、図４に示す例では、１２個のティース部４６が周方向に等間隔で設けられている。また。トランスステータ２０は、ティース部４６の周方向位置がモータステータ１６のティース部３０と同じ周方向位置となるようにして図示しないケースに固定されている。

トランスステータ２０のティース部４６の軸方向中間位置には、径方向外側へ矩形状に凹んだ溝部４８が形成されている。トランスステータ２０には、各ティース部４６の溝部４８内に入り込んだ状態で１次コイル５０が巻装されている。１次コイル５０は、コイル導線が溝部４８の軸方向全幅にわたって巻かれることによって略円筒状をなしている。このように１次コイル５０を溝部４８内に収容して巻装することで、１次コイル５０の軸方向位置のずれを防止できる。また、１次コイル５０は、トランスロータ２２に巻装された２次コイル４４に径方向に隙間を介して対向する位置に巻装されている。ここで、図４では１次コイル５０の径方向内側にトランスステータ２０のティース部４６の先端が少し突出している例を示すが、図３に示すように１次コイル５０の内周面とティース部４６の先端とが略面一となっていてもよい。

図５は、回転トランス１４と回転電機１２のロータコイル３４ｎ，３４ｓとの接続関係を示す回路図である。図５に示すように、回転トランス１４の１次コイル５０には、スイッチ５２を介して直流電源５４が接続されている。スイッチ５２のオンオフ制御は、回転電機１２の駆動を制御する制御部（図示せず）からの信号に基づいて行われる。

回転トランス１４の２次コイル４４の両端には、導電線バスバ５６，５８が接続されている。導電性バスバ５６，５８は、回転トランス１４と回転電機１２との間を軸方向に延びて回転電機１２のモータロータ１８に渡っている。なお、図１および図３においては、導電線バスバ５６，５８の図示が省略されている。

回転電機１２のロータ１８に渡った導電性バスバ５６，５８はそれぞれ略Ｃ字状に延びており、それらの間には互いに直列接続されたロータコイル３４ｎおよびダイオード３８ｎと、互いに直接接続されたロータコイル３４ｓおよびダイオード３８ｓとが、交互に並列接続されている。

なお、本実施形態では、モータロータ１８の突極３６と同数で同じ周方向位置の突極を有するトランスロータ２２と、モータステータ１６のティース部３０と同数で同じ周方向位置のティース部４６を有するトランスステータ２０と、モータロータ１８において各突極３６に巻装されたロータコイル３４ｎ，３４ｓに流れる励磁電流の流れ方向が周方向で交互に反対となる向きで直列接続されているダイオード３８ｎ，３８ｓとによって励磁電流調整手段が構成される。

続いて、図６も合わせて参照して、上記のような構成からなる回転電機システム１０の動作について説明する。図６は、回転トランス１４の１次コイル電流Ｉ(50)および２次コイル電流Ｉ(44)、ならびに、第１ロータコイル電流Ｉ(34s)および第２ロータコイル電流Ｉ(34n)を、トランスロータ磁束Ｆ(22)の変化と共に示す波形図である。

回転電機１２は、図示しないインバータから例えば三相交流電圧が印加されることによって駆動される。このような３相交流電圧をモータステータ１６のステータコイル２８ｕ，２８ｖ，２８ｗに印加して３相交流電流を流すことで、ティース部３０に形成された回転磁界がモータロータ１８に作用するのに応じて、モータロータ１８の磁気抵抗が小さくなるように、突極３６がティース部３０の回転磁界に吸引される。これによって、モータロータ１８にトルク（リラクタンストルク）が作用して、モータロータ１８がモータステータ１６で形成される回転磁界に同期して回転駆動される。

このようにモータロータ１８が回転駆動されると、回転シャフト２４を共通にするトランスロータ２２も同様に回転する。このとき、スイッチ５２（図５参照）は制御部からの信号を受けてオンされて、回転トランス１４の１次コイル５０には直流電源５４から直流電圧が印加されている。これにより、図６中の最上段に示すように１次コイル５０には直流の１次コイル電流Ｉ(50)が流れて、１次コイル５０の周囲に磁場が形成される。そして、この磁場による磁束がトランスステータ２０のティース部４６からトランスロータ２２側へ流れる。

この磁場内で突極４０を有するトランスロータ２２が回転すると、トランスステータ２０のティース部４６に対する突極４０の位置が変化することによってトランスロータ２２の突極４０における磁束Ｆ(22)の流れ方が変わり、これに伴って２次コイル４４に誘起される電流Ｉ(44)も変化することになる。

すなわち、図６中の上から２段目および３段目に示すように、突極４０がティース部４６に正対する位置に近づく過程である時間期間ｔ１では、ティース部４６から突極４０へ流れ込む磁束が増えるが、これを妨げる方向に突極４０が磁化されるように２次コイル４４に例えば負のパルス電流が流れる。一方、突極４０がティース部４６との正対位置から離れる過程である次に時間期間ｔ２では、ティース部４６から突極４０へ流れ込む磁束が減るが、これを妨げる方向に突極４０が磁化されるように２次コイル４４に例えば正のパルス電流が流れる。

このような時間期間ｔ１およびｔ２を１周期ｔ３として、トランスロータ２２の磁束変化が繰り返し起きることで、２次コイル４４には正負のパルス電流が交互する交流電流が流れる。すなわち、本実施形態の回転トランス１４では、１次コイル５０に供給される直流電流が、２次コイル４４に対して電磁結合による非接触給電にて交流電流として供給されることになる。

上記のように２次コイル４４に供給された交流電流は、導電線バスバ５６，５８を介してモータロータ１８の各ロータコイル３４ｎ，３４ｓに励磁電流として供給される。このとき、各ロータコイル３４ｎ，３４ｓに流れる励磁電流は、各ダイオード３８ｎ，３８ｓにより整流されることで一方向となる。そして、各ダイオード３８ｎ，３８ｓで整流された励磁電流が各ロータコイル３４ｎ，３４ｓに流れるのに応じて各突極３６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電磁石が各突極３６に生じる。前述のように、ダイオード３８ｎ，３８ｓによるロータコイル３４ｎ，３４ｓの電流の整流方向が互いに逆方向であるため、各突極３６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。

本実施形態の例では、図６中の下側２段に示すように、２次コイル電流Ｉ(44)が負のパルス電流となる時間期間ｔ１では、ダイオード３８ｓにて整流されたパルス状の第１ロータコイル電流Ｉ(34s)がロータコイル３４ｓに流れて、ロータコイル３４ｓが巻装されている突極３６がＳ極に励磁される。このとき、ロータコイル３４ｎには励磁電流が流れないため、ロータコイル３４ｎが巻装された突極３６は励磁されない。したがって、モータロータ１８においては周方向に１つおき毎の突極３６が励磁されることになる。

そして、次の時間期間ｔ２では、ダイオード３８ｎにて整流されたパルス状の第２ロータコイル電流Ｉ(34n)がロータコイル３４ｎに流れて、ロータコイル３４ｎが巻装されている突極３６がＮ極に励磁される。このとき、ロータコイル３４ｓには励磁電流が流れないため、ロータコイル３４ｎが巻装された突極３６は励磁されない。したがって、モータロータ１８においては周方向に１つおき毎の突極３６が励磁されることになるが、これに先立つ時間期間ｔ１から見れば励磁される突極３６の位置がモータロータ１８の周方向、すなわち、回転磁界の方向（上流側とも下流側ともいえる）にずれたことになる。

このように各突極３６が一定の極性に順次に磁化されることでティース部３０の回転磁界と相互作用して、吸引及び反発作用が生じる。このティース部３０の回転磁界と突極３６の磁界との電磁気相互作用（吸引及び反発作用）によって、モータロータ１８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、モータロータ１８がモータステータ１６で形成される回転磁界に同期して回転駆動するときのトルクを向上させることができる。

上述したように本実施形態の回転電機システム１０では、回転電機１２と同様の突極４０およびティース部４６を設けた回転トランス１４と、モータロータ１８において各突極３６のロータコイル３４ｎ，３４ｓに流れる励磁電流の流れ方向が周方向で交互に反対となる向きで直列接続されているダイオード３８ｎ，３８ｓとにより、励磁される突極３６の位置を適切なタイミングで周方向にずらすことができるので、ロータ回転速度（または回転数）にかかわらず回転電機１２のトルクを効果的に向上させることができる。

ここで「適切なタイミング」とは、モータロータ１８の突極３６の回転位置に見合って制御されたタイミングの意味であり、より具体的には、例えば、突極３６の外周側先端面が２つのティース部３０間に対向する位置から１つのティース部３０に少なくとも部分的に正対する位置へと移動しようとするタイミング、或いは、突極３６の外周側先端面が１つのティース部３０に少なくとも部分的に正対する位置から２つのティース部３０間に対向する位置へと移動しようとするタイミングをいう。このことは後述する第２実施形態の回転電機システムについても同じである。

また、回転電機システム１０においては、外部の直流電源５４から供給される直流電力を、回転トランス１４を介して回転体側、すなわちトランスロータ２２およびモータロータ１８へ非接触給電して、ロータコイル３４ｎ，３４ｓを励磁するための励磁電流として用いる構成としたので、ロータコイル３４ｎ，３４ｓへの給電をメンテナンス不要の簡易な構成で行うことができる。

なお、上記回転電機システム１０において、直流電源５４として出力電圧可変型の電源を用いて、モータロータ１８の回転数に応じて回転トランス１４の１次コイル５０に供給する直流電圧値を変更してもよい。例えば、ロータコイル３４ｎ，３４ｓ自体で発生する誘導電流が比較的小さくなる低回転数領域では、回転トランス１４からロータコイル３４ｎ，３４ｓへ供給する励磁電流を大きくしてトルク増加を図るべく、比較的大きな直流電圧を回転トランス１４の１次コイル５０に印加してもよい。

＜第２実施形態＞
次に、図１、３、図７〜１０を参照して、第２実施形態の回転電機システム１１について説明する。図７は、回転電機システム１１における回転電機１２を軸方向から見た平面図である。図８は、回転電機システム１１における回転トランス１４の軸方向に沿った断面図である。図９は、本実施形態におけるロータコイル３４と回転トランス１４との接続関係を示す回路図である。図１０は、本実施形態における回転トランス１４の１次コイル電流Ｉ(50)、２次コイル電流Ｉ(44)、ならびに、第１ないし第３ロータコイル電流Ｉ(34-1),Ｉ(34-2)，Ｉ(34-3)を示す波形図である。また、図１および図３は、本実施形態の回転電機システム１１でも同様である。

以下においては、上記第１実施形態の回転電機システム１０と相違する点について主として説明することとし、第１実施形態と同一または類似の構成要素には同一または類似の参照符号を付して重複する説明を援用により省略する。

本実施形態の回転電機システム１１における回転電機１２は、図７に示すように、モータロータ１８の各突極３６に巻装されたロータコイル３４にそれぞれ直列接続されているダイオード３８が同じ方向を向いて接続されている。すなわち、回転トランス１４から導電性バスバ５６，５８を介して励磁電流が各コイルに供給されるとき、各ロータコイル３４において励磁電流の流れ方向が全ての突極３６について同じとなる向きにしてある。また、図９に示すように、各ロータコイル３４には、互いに直列接続された抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３,…,Ｒ８およびコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３,…,Ｃ８が、それぞれ並列に接続されている。これらの抵抗Ｒ１−Ｒ８の各抵抗値、コンデンサＣ１−Ｃ８の各容量は、各ロータコイル３４に流れる励磁電流の電流位相がモータステータ１６の回転磁界に合わせて（例えば進角側へ）所定の位相差でずれるように予め設定されている。これら以外の回転電機１２の構成は、第１実施形態の場合と同様である。

本実施形態の回転トランス１４は、図８に示すように、非突極型のトランスステータ２０と、非突極型のトランスロータ２２とを備える。トランスロータ２２は、突極が形成されていない円柱状の外周面を有している。トランスロータの外周面の軸方向中間位置には、断面矩形状に凹んだ溝部４２が周方向に延びて形成されている。そして、その溝部４２内に２次コイル４４が入り込んだ状態で巻装されている。

トランスステータ２０は、円筒形状をなしており、ティース部が形成されていない内周面を有している。トランスステータ２０の内周面の軸方向中間位置には、断面矩形状に凹んだ溝部４８が周方向に延びて形成されている。そして、その溝部４８内に１次コイル５０が入り込んだ状態でかつ２次コイル４４と対向する位置で巻装されている。

また、トランスロータの１次コイル５０には、スイッチ５２を介して交流電源５５が接続されている。この交流電源５５は、出力する交流電流の周波数をモータロータ１８の回転速度に応じて変更可能なものであってもよい。そのようにすれば、回転電機１２のロータ回転速度（または回転数）が変動したときにも、常に適切なタイミングで励磁される突極３６の位置を周方向にずらすことができ、安定したトルク向上を実現できる。

また、交流電源５５として出力電圧可変型の交流電源を用いて、モータロータ１８の回転数に応じて回転トランス１４の１次コイル５０に供給する交流電圧の振幅または実効値を変更してもよい。例えば、ロータコイル３４自体で発生する誘導電流が比較的小さくなる低回転数領域では、回転トランス１４からロータコイル３４へ供給する励磁電流を大きくしてトルク増加を図るべく、実効値が比較的大きな交流電圧を回転トランス１４の１次コイル５０に印加してもよい。

なお、これら以外の回転トランス１４の構成は、第１実施形態の場合と同様である。

また、本実施形態では、円柱状の外周面を有する非突極型のトランスロータ２２と、円筒状の内周面を有する非突極型のトランスステータ２０と、モータロータ１８において各突極３６のロータコイル３４に流れる励磁電流の流れ方向が同じとなる向きで直列接続されているダイオード３８と、各ロータコイル３４に対してそれぞれ並列接続された抵抗Ｒ１−Ｒ８およびコンデンサＣ１−Ｃ８とによって、励磁電流調整手段が構成される。

続いて、図１０を参照して、上記構成からなる回転電機システム１１の動作について説明する。

回転電機１２は、図示しないインバータから例えば三相交流電圧が印加されることによって駆動される。このような３相交流電圧をモータステータ１６のステータコイル２８ｕ，２８ｖ，２８ｗに印加して３相交流電流を流すことで、ティース部３０に形成された回転磁界がモータロータ１８に作用するのに応じて、モータロータ１８の磁気抵抗が小さくなるように、突極３６がティース部３０の回転磁界に吸引される。これによって、モータロータ１８にトルク（リラクタンストルク）が作用して、モータロータ１８がモータステータ１６で形成される回転磁界に同期して回転駆動される。

このようにモータロータ１８が回転駆動されると、回転シャフト２４を共通にするトランスロータ２２も同様に回転する。このとき、スイッチ５２（図５参照）は制御部からの信号を受けてオンされて、回転トランス１４の１次コイル５０には交流電源５５から交流電圧が印加されている。これにより、図１０中の最上段に示すように１次コイル５０には交流の１次コイル電流Ｉ(50)が流れて、１次コイル５０の周囲に変動磁場が形成される。そして、この変動磁場による磁束が電磁結合されているトランスロータ２２の２次コイル４４に鎖交することによって、図１０中の上から２段目に示すように、２次コイル４４において１次コイル電流Ｉ(50)と同位相かつ同周期の２次コイル電流Ｉ(44)が誘起される。すなわち、本実施形態の回転トランス１４では、１次コイル５０に供給される交流電流が、２次コイル４４に対して電磁結合による非接触給電にて交流電流として供給されることになる。

上記のように２次コイル４４に供給された交流電流は、導電線バスバ５６，５８を介してモータロータ１８の各ロータコイル３４に励磁電流として供給される。このとき、各ロータコイル３４に流れる励磁電流は、各ダイオード３８により整流されることで一方向のみとなる。すなわち、図１０に示す例では、抵抗およびダイオードの並列接続がなければ、２次コイル電流Ｉ(44)が正のパルス電流となる時間期間ｔ４だけに各ロータコイル３４に励磁電流が流れ、２次コイル電流Ｉ(44)が負のパルス電流となる時間期間ｔ５では各ロータコイル３４に励磁電流が流れなくなっている。

ただし、本実施形態では、各ロータコイル３４には、それぞれ、互いに直列接続された抵抗Ｒ１−Ｒ８およびコンデンサＣ１−Ｃ８が並列に接続されている。そのため、抵抗およびコンデンサの作用によって、各ロータコイル３４に流れる励磁電流の電流位相が進角側へ所定の位相差でずれることになる。その様子が図１０中の上から第３ないし５段目に第１ロータコイル電流Ｉ(34-1)、第２ロータコイル電流Ｉ(34-2)、および第３ロータコイル電流Ｉ(34-3)として示されている。

この例では、２次コイル４４に近い方から順に第１〜第８ロータコイル３４と称することとすると、第１ロータコイル３４と第５ロータコイル３４には、抵抗Ｒ１,Ｒ５およびコンデンサＣ１,Ｃ５の作用を小さくする（又は抵抗およびコンデンサを省略する）ことより上記時間期間ｔ４において交流電流Ｉ(22)とほぼ同位相の正のパルス電流である第１ロータコイル電流I(34-1)が流れるが、第２および第６ロータコイル３４には例えば電気角６０°だけ進角側へずれた電流位相の正のパルス電流である第２ロータコイル電流Ｉ(34-2)が流れる。また、第３および第７ロータコイル３４には更に電気角６０°だけ進角側へずれた電流位相の正のパルス電流である第３ロータコイル電流Ｉ(34-3)が流れる。またさらに、図示していないが、２次コイル電流Ｉ(44)が負のパルス電流となる時間期間ｔ５では第４および第８ロータコイル３４に更に電気角６０°だけ進角側へずれた電流位相の第４ロータコイル電流が流れることになる。

このように、本実施形態では、モータロータ１８において径方向に対向する２つの突極３６が同時に励磁される状態が２次コイル電流Ｉ(44)の１周期ｔ６の１／４に相当する時間間隔で順次に周方向へずれるようにしている。このようにして各突極３６がＮ極またはＳ極の一定極性に順次に磁化されることでティース部３０の回転磁界と相互作用して、吸引及び反発作用が生じる。このティース部３０の回転磁界と突極３６の磁界との電磁気相互作用（吸引及び反発作用）によって、モータロータ１８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、モータロータ１８がモータステータ１６で形成される回転磁界に同期して回転駆動するときのトルクを向上させることができる。

上述したように本実施形態の回転電機システム１１では、回転トランス１４の２次コイルに誘起される交流電流を各ロータコイルに励磁電流として印加するにあたり、各ロータコイルに並列接続した抵抗およびコンデンサの作用によって電流位相が進角側へ所定の位相差でずれるようにしたことにより、励磁される突極３６の位置を所定のロータ回転速度において適切なタイミングで周方向にずらすことができ、その結果、回転電機１２のトルクを効果的に向上させることができる。

また、回転電機システム１１においては、外部の交流電源５５から供給される交流電力を、回転トランス１４を介して回転体側、すなわちトランスロータ２２およびモータロータ１８へ非接触給電して、ロータコイル３４を励磁する励磁電流として用いる構成としたので、ロータコイル３４への給電をメンテナンス不要の簡易な構成で行うことができる。

なお、本発明に係る回転電機システムは、上述した実施形態の構成に限定されるものではなく、種々の変形や改良が可能である。

例えば、上記においてはモータロータ１８に複数の突極３６を設けてこれらの突極３６の周囲にロータコイル３４、３４ｎ、３４ｓを巻装するものと説明したが、非突極型のモータロータの外周近傍位置に略円弧状のスリットを径方向に並べて複数形成し、磁気抵抗が小さくなるｄ軸磁路方向位置にロータコイルを巻装することにより、磁気的突極を周方向に間隔をおいて複数形成してもよい。

また、上記においてはモータロータ１８に永久磁石を用いない磁石レスの回転電機１２を含む回転電機システム１０，１１について説明したが、ロータコイルと共に永久磁石を磁極部または磁極部間に組み込んだモータロータを備えた回転電機を含む回転電機システムとしてもよい。

１０,１１ 回転電機システム、１２ 回転電機、１４ 回転トランス、１６ モータステータ、１８ モータロータ、２０ トランスステータ、２２ トランスロータ、２４ 回転シャフト、２６ ステータコア、２８ｕ，２８ｖ，２８ｗ ステータコイル、３０ ティース部、３１ スロット、３２ ロータコア、３４,３４ｎ,３４ｓ ロータコイル、３６ 突極、３８,３８ｎ,３８ｓ ダイオード、４０ 突極、４２,４８ 溝部、４４ ２次コイル、４６ ティース部、５０ １次コイル、５２ スイッチ、５４ 直流電源、５５ 交流電源、５６，５８ 導電線バスバ。

Claims (8)

1. 回転可能に支持された回転シャフトと、回転シャフトに固定され、周方向に間隔をおいて設けられた複数の磁極部において整流素子が直列接続されてそれぞれ巻装されている複数のロータコイルを有するモータロータと、モータロータに隙間を介して対向配置され、周方向に間隔をおいて設けられる複数のティース部に集中巻によりそれぞれ巻装された複数のステータコイルを有するモータステータとを含み、前記ステータコイルに通電することによって形成される回転磁界により前記モータロータが回転する回転電機と、
   前記回転シャフトに固定され、前記複数のロータコイルが並列接続される２次コイルが巻装されたトランスロータと、トランスロータに隙間を介して対向配置され、巻装されている１次コイルに電源から供給される電力を電磁結合による非接触給電にて前記２次コイルに供給するトランスステータとを含む回転トランスと、を備え、
   前記２次コイルに誘起される電力を前記複数のロータコイルに励磁電流として印加するにあたり、励磁電流が前記ロータコイルに流れることにより励磁される磁極部の位置が前記モータロータの周方向にずれるように調整する励磁電流調整手段が設けられている、
   回転電機システム。
2. 請求項１に記載の回転電機システムにおいて、
   前記励磁電流調整手段は、前記モータロータの磁極部と同数で同じ周方向位置の突極を有する前記トランスロータと、前記モータステータのティース部と同数で同じ周方向位置のティース部を有する前記トランスステータと、前記モータロータにおいて各磁極部のロータコイルに流れる励磁電流の流れ方向が周方向で交互に反対となる向きで直列接続されている前記整流素子とにより構成される、回転電機システム。
3. 請求項２に記載の回転電機システムにおいて、
   前記電源は直流電源であり、前記直流電源から回転トランスの１次コイルに直流電流が供給されることによって前記回転トランスの２次コイルには前記モータロータの回転速度に同期した交流電流が誘起され、この交流電流がモータロータのロータコイルに励磁電流として流れるとき前記整流素子によって整流されることにより周方向で１つおき毎のロータコイルが励磁される、回転電機システム。
4. 請求項２または３に記載の回転電機システムにおいて、
   前記トランスロータに巻装された２次コイルは、前記トランスロータの突極の軸方向中間位置に形成された溝部に入り込んだ状態で巻かれており、前記トランスステータに巻装された１次コイルは、前記トランスステータのティース部の軸方向中間位置に形成された溝部に入り込んだ状態でかつ前記２次コイルに対向する位置で巻かれている、回転電機システム。
5. 請求項３または４に記載の回転電機システムにおいて、
   前記直流電源は、前記モータロータの回転数に応じて出力電圧値を変更可能である、回転電機システム。
6. 請求項１に記載の回転電機システムにおいて、
   前記励磁電流調整手段は、円柱状の外周面を有する非突極型の前記トランスロータと、円筒状の内周面を有する非突極型の前記トランスステータと、前記モータロータにおいて各磁極部のロータコイルに流れる励磁電流の流れ方向が同じとなる向きで直列接続されている前記整流素子と、前記各ロータコイルに対してそれぞれ並列接続された抵抗およびコンデンサとにより構成され、
   前記電源は交流電源であり、前記交流電源から回転トランスの１次コイルに交流電流が供給されることによって前記回転トランスの２次コイルには同周期の交流電流が誘起され、この交流電流がモータロータのロータコイルに励磁電流として流れるとき前記抵抗および前記コンデンサの作用によって電流位相がずらされることにより、励磁される磁極部の位置が前記回転磁界に応じて周方向へ順次に変わる、回転電機システム。
7. 請求項６に記載の回転電機システムにおいて、
   前記交流電源は、前記モータロータの回転速度に応じて交流電流の出力周波数を変更可能であり、前記モータロータの回転速度に応じて前記励磁磁極部の位置が変わるように前記電流位相のずれ量が調整される、回転電機システム。
8. 請求項６または７に記載の回転電機システムにおいて、
   前記トランスロータに巻装された２次コイルは、前記トランスロータの外周面の軸方向中間位置で周方向へ延びて形成された溝部に入り込んだ状態で巻かれており、前記トランスステータに巻装された１次コイルは、前記トランスステータの内周面の軸方向中間位置で周方向に延びて形成された溝部に入り込んだ状態でかつ前記２次コイルに対向する位置に巻かれている、回転電機システム。

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