JP2014007787A - 回転電機及び回転電機駆動システム - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機において、ロータトルクを大きくすることである。
【解決手段】ステータ１２は、ティース１９に巻かれた複数のステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗを含む。ロータ１４は、ロータコア２４と、ロータ１４の複数の突極２６に巻かれた複数のロータ巻線２８ｎと、ロータ巻線２８ｎに発生する誘導起電力によって複数の突極２６に生じる磁気特性を周方向で異ならせる磁気特性調整部であるダイオード３８とを含む。ロータ１４は、各突極２６の内部に設けられ、ステータ１２とロータ１４との対向方向に対し直交する軸である支持軸４４を中心とする回転可能に配置された永久磁石５０を有する磁石部材４２を含む。
【選択図】図４

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回転電機を含む回転電機駆動システムに関する。

従来から、特許文献１、特許文献２に記載されているように、ロータの複数の突極にロータ巻線が巻装され、各ロータ巻線がダイオードにより選択された極性で短絡される回転電機が知られている。すなわち、この回転電機では、ステータとロータとが対向配置され、ロータの周方向複数個所に設けられた突極に互いに分断されるロータ巻線が巻装され、各ロータ巻線ごとにダイオードが接続されている。各ダイオードは、各ロータ巻線に流れる電流を整流し、ロータの周方向に隣り合う突極同士で磁化方向が逆になる。ステータは、ステータコアの周方向複数個所にティースが設けられる。複数のティースに複数相のステータ巻線が集中巻きで巻装される。複数相のステータ巻線に複数相の交流電流を流すことでステータに、周方向に回転する回転磁界が生成される。そして、ステータで発生した起磁力分布に生じる高調波成分である空間高調波によりロータ巻線に誘導電流を生じさせている。この結果、複数の突極において、ロータの周方向に関して交互にＮ極とＳ極とが形成され、ロータにトルクが発生する。このとき、各ダイオードで整流された電流が各ロータ巻線に流れることで、各突極が磁化して所望のロータ磁極が得られる。

このような回転電機では、突極がステータの回転磁界と相互作用してロータにトルクが作用する。また、ステータにより形成される磁界の高調波成分を利用してロータに作用するトルクを増大させることができる。また、特許文献１、特許文献２には、ロータの周方向複数個所の磁極部に永久磁石が配置され、各磁極部の周囲に、ダイオードで短絡されたロータ巻線が巻装された構成が記載されている。また、特許文献１、特許文献２には、円筒面状のロータ外周面の複数個所に永久磁石が配置され、永久磁石の周囲にダイオードで短絡されたロータ巻線が巻装された構成も記載されている。これらの構成では、ロータ巻線とダイオードによる磁化方向と、対応する永久磁石の磁化方向とが一致している。

また、特許文献３には、ロータコアの複数のティースにロータ巻線が巻装されており、ロータコアの径方向内側の周方向連続部の複数個所に永久磁石が配置された回転電機が記載されている。ステータ側に配置された１次コイルとロータ側に配置された２次コイルとによる非接触給電によりロータ巻線が給電され、給電時に永久磁石はロータ巻線による磁気回路に沿った磁界が形成されている。また、非給電時に周方向連続部に回転する磁気回路が形成されるとされている。

特開２０１１−４１４３３号公報 特開２００９−１４２１２０号公報 特開２０１０−１６６７８７号公報

上記の特許文献１，２に記載のように、ロータの各突極にロータ巻線が巻装され、複数の突極に生じる磁気特性を周方向に交互に異ならせる磁気特性調整部であるダイオードを備える回転電機において、さらなるトルクの増大を図ることが望まれている。これに対して、特許文献１、２に記載された別の構成のようにロータに永久磁石を固定することも考えられる。ただし、ロータに永久磁石が固定されていると、永久磁石の磁化方向が変化しないので、ステータとロータとの磁気的吸引力を効果的に利用してロータトルクを大きくする面から改良の余地がある。

本発明の目的は、回転電機において、ロータの各突極に巻かれたロータ巻線と、複数の突極に生じる磁気特性を周方向に交互に異ならせる磁気特性調整部とを備える構成において、ロータトルクを大きくすることである。

本発明に係る回転電機は、上記の目的を達成するために以下の手段を採用する。

本発明に係る回転電機は、回転磁界を生成する複数相のステータ巻線を含むステータと、ロータコアと、前記ロータコアの周方向複数個所に配置された突極と、前記各突極に巻かれた複数のロータ巻線と、前記各ロータ巻線に発生する誘導起電力によって前記複数の突極に生じる磁気特性を周方向に交互に異ならせる磁気特性調整部とを含み、前記ステータに対向配置されるロータとを備える回転電機であって、前記ロータは、前記各突極の内部に設けられ、前記ステータと前記ロータとの対向方向に対し直交する軸を中心とする回転可能に配置された永久磁石を有する磁石部材を含むことを特徴とする回転電機である。

また、本発明に係る回転電機において、好ましくは、前記磁石部材は、前記各突極に設けられた円孔内に配置される円柱部を含む。

また、本発明に係る回転電機において、好ましくは、前記ロータは、前記ステータの径方向内側に対向配置され、前記磁石部材は、前記永久磁石と、前記永久磁石の中心部を支持する支持軸とを含み、前記支持軸の両端部は、前記ロータの軸方向両端部で回転可能に支持されている。

また、本発明に係る回転電機において、好ましくは、前記ロータは、前記ロータコアを両側から挟む一対のエンドプレートを含み、前記支持軸の両端部は、前記一対のエンドプレートに回転可能に支持されている。

また、本発明に係る回転電機において、好ましくは、前記支持軸の両端部は、前記各エンドプレートに設けられた支持孔内に配置されている。

また、本発明に係る回転電機において、好ましくは、前記支持軸は、両端部において、外側に向かうほど外径が大きくなる軸側テーパ面を有し、前記各軸側テーパ面は、前記支持孔に設けられ、外側に向かうほど内径が大きくなる孔側テーパ面の内側に配置されている。

また、本発明に係る回転電機において、好ましくは、前記ステータは、ステータコアと、前記ステータコアの周方向複数個所に配置されたティースとを含み、前記複数相のステータ巻線は前記ティースに巻かれている。

また、本発明に係る回転電機において、好ましくは、前記ステータは、前記ステータコアの周方向複数個所に配置されたティースに集中巻きで巻かれた前記複数相のステータ巻線を含む。

また、本発明に係る回転電機駆動システムは、上記の本発明に係る回転電機と、前記回転電機の駆動を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記ロータ巻線に誘導電流が発生した場合に前記突極の先端に形成される磁極と、前記突極に対向し前記ステータに設けられるティースに形成される磁極とが逆になる場合に前記ロータ巻線に誘導電流が発生するように、前記ステータ巻線に流れるステータ電流にパルス電流を重畳させるパルス重畳部を有することを特徴とする回転電機駆動システムである。

また、本発明に係る回転電機駆動システムにおいて、好ましくは、前記パルス重畳部は、前記ロータ巻線に誘導電流が発生した場合に前記突極先端に形成される磁極と、前記突極に対向し前記ステータに設けられるティースに形成される磁極とが同じになる場合に前記ロータ巻線に誘導電流を発生させないように、前記ステータ巻線に流れるステータ電流にパルス電流を重畳させない。

本発明の回転電機及び回転電機駆動システムによれば、ロータの低速回転領域または中低速回転領域で、ステータにおいて、ステータによる磁気またはロータ巻線の誘導電流による磁気等によりロータの各突極内を流れる磁束の向きに応じて永久磁石が回転する。これにより、ステータからロータの突極に入り、別の突極からステータに戻る主磁束の流れに対してロータ巻線の誘導電流により生じる突極の磁気方向が正向きでも逆向きでも、永久磁石によりトルクに寄与する力を発揮させることができる。そして、各永久磁石によりステータの磁極とロータの突極との引き合う力を大きくできる。このため、ステータとロータとの磁気的吸引力を効果的に利用してロータトルクを大きくできる。したがって、ロータの各突極に巻かれたロータ巻線と、複数の突極に生じる磁気特性を周方向に交互に異ならせる磁気特性調整部とを備える回転電機でロータトルクを大きくできる。

本発明の実施形態の回転電機において、ロータの回転軸方向に見たステータ及びロータの概略構成を示す図である。 図１の回転電機において、ステータの概略構成を示す図である。 図１の回転電機において、ロータの概略構成を示す図である。 ロータの中低速回転領域において、突極と対向するステータのティースにＳ極が形成される様子を示す、図１のＡ部拡大対応図である。 図４のＢ−Ｂ断面図である。 図５のＣ部拡大図である。 本発明の実施形態の回転電機駆動システムを示す回路図である。 ロータの中低速回転領域において、突極と対向するステータのティースにＮ極が形成される様子を示す、図４に対応する図である。 ロータの高速回転時の磁石の向きの１例を示す、図４に対応する図である。 磁石部材の回転支持部の別例を示す、図６に対応する図である。 本発明の実施形態の別例の第１例の回転電機を示す、図５に対応する図である。 本発明の実施形態の別例の第２例の回転電機を示す、図５に対応する図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。なお、以下では、回転電機を構成するステータコアとロータコアとを、それぞれ電磁鋼板を積層して形成されるものとして説明するが、これは例示であって、電磁鋼板以外の板材を積層したものでもよい。また、これ以外のステータコア及びロータコアであってもよい。たとえば、板材の積層型ではなく、鋼材を加工した一体型コアでも、磁性粉末の圧粉加工により形成されるコアでもよい。また、各コアは、周方向に分割される複数の要素を環状に連結してなる分割型コアとしてもよい。

以下で述べるステータのティースの数、ロータの突極の数等は説明のための例示であって、適宜変更可能である。また、以下ではすべての図面において同様の要素には同一の符号を付して、重複する説明を省略または簡略化する。また、本文中の説明では、必要に応じてそれ以前に述べた符号を使用する場合がある。

図１は、モータまたは発電機として使用される本発明の実施形態の回転電機において、そのロータの回転軸方向に見たステータ及びロータの概略構成を示す図である。図２は、図１の回転電機において、ステータの概略構成を示す図である。図３は、図１の回転電機において、ロータの概略構成を示す図である。

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と所定の空隙をあけて径方向内側に対向配置され、ステータ１２に対し回転可能なロータ１４とを備える。なお、単に「径方向」という場合、ロータ１４の回転中心軸に対し直交する放射方向をいう（本明細書全体及び特許請求の範囲で同じである。）。ロータ１４は、回転軸１６に固定され回転軸１６と一体に回転する。

また、ステータ１２は、ステータコア１８(図２)と、ステータコア１８の周方向複数個所の等間隔位置に配置されたティース１９と、各ティース１９に巻かれた複数相（より具体的にはｕ相、ｖ相、ｗ相の３相）のステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗとを含む。すなわち、ステータコア１８の内周面には、径方向内側へ（ロータ１４へ向けて）突出する複数のティース１９がステータ１２の周方向に沿って互いに間隔をおいて配列されている。各ティース１９間にスロット２２が形成されている。ステータコア１８及び複数のティース１９は、磁性鋼板を複数積層した積層体等の磁性材により、一体に形成されている。

各相のステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗは、スロット２２を通ってティース１９に短節集中巻で巻装されている。このように、ティース１９にステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗが巻装されることで磁極が構成される。そして、複数相のステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗに複数相の交流電流を流すことで、周方向に複数配置されたティース１９が磁化し、周方向に回転する回転磁界をステータ１２に生成する。すなわち、複数相のステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗは、ステータ１２に回転磁界を生成する。なお、ステータ巻線は、このようにステータ１２のティース１９に巻線する構成に限定するものではない。例えばティース１９から外れたステータコア１８の環状部分の周方向複数個所に複数相のステータ巻線を巻線するトロイダル巻きとし、ステータ１２に回転磁界を生じさせることもできる。

ティース１９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２０ｕ，２０ｖ，２０ｗがそれぞれ巻装された３つのティース１９により１つの極対が構成されている。

一方、ロータ１４は、円筒状のロータヨークであるロータコア２４(図３)と、ロータコア２４の外周面の周方向の等間隔複数個所に、径方向外側に向けて（ステータ１２に向けて）突出して配置された突部である突極２６と、複数のロータ巻線２８ｎ、２８ｓとを含む。なお、単に「周方向」という場合、ロータ１４の回転中心軸を中心として描かれる円形に沿う方向をいう（本明細書全体及び特許請求の範囲で同じである。）。ロータコア２４及び複数の突極２６は、磁性鋼板を複数積層した積層体等の磁性材により、一体に形成されている。より詳しくは、ロータ１４の周方向に関して１つおきの突極２６に複数の第１ロータ巻線２８ｎがそれぞれ集中巻きで巻かれて、第１ロータ巻線２８ｎが巻かれた突極２６と隣り合う別の突極２６であって、周方向１つおきの突極２６に、複数の第２ロータ巻線２８ｓがそれぞれ集中巻きで巻かれている。また、各第１ロータ巻線２８ｎを短絡するように磁気特性調整部である第１ダイオード３８が接続され、各第２ロータ巻線２８ｓを短絡するように磁気特性調整部である第２ダイオード４０が接続されている。

このような構成では、第１ロータ巻線２８ｎ及び第２ロータ巻線２８ｓに整流された電流が流れることで突極２６が磁化し、磁極部として機能する。ステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗに交流電流を流すことで、ステータ１２が回転磁界を生成するが、この回転磁界は、基本波成分の磁界だけでなく、基本波よりも高い次数の高調波成分の磁界を含んでいる。

より詳しくは、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２０ｕ，２０ｖ，２０ｗの配置や、ティース１９及びスロット２２によるステータコア１８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２０ｕ，２０ｖ，２０ｗ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。例えばステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗが３相集中巻の場合は、高調波成分として、入力電気周波数の時間的３次成分である、空間的な２次成分の振幅レベルが増大する。このようにステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗの配置やステータコア１８の形状に起因して起磁力に生じる高調波成分は空間高調波と呼ばれている。

ステータ１２からロータ１４に、この空間高調波成分を含む回転磁界が作用すると、空間高調波の磁束変動により、ロータ１４の突極２６間の空間に漏れ出す漏れ磁束の変動が発生し、その変動が十分に大きい場合には各ロータ巻線２８ｎ，２８ｓの少なくともいずれかのロータ巻線２８ｎ（または２８ｓ）に誘導起電力が発生する。

そして、各ロータ巻線２８ｎ，２８ｓに誘導起電力が発生すると、各ロータ巻線２８ｎ，２８ｓに対応するダイオード３８，４０の整流方向に応じた直流電流が流れ、ロータ巻線２８ｎ、２８ｓが巻装された突極２６が磁化する。このため、この突極２６が所望の極性の磁極部として機能する。すなわち、ロータ巻線２８ｎ，２８ｓを流れる誘導電流により生成される磁束が突極２６を流れることで突極２６に起磁力が発生し、磁極が形成される。また、誘導電流によって突極２６に生じる起磁力を巻線起磁力と呼ぶことにすると、巻線起磁力の方向は誘導電流の方向で決まる。この巻線起磁力は、回転電機１０のトルクの向上に寄与する。また、巻線起磁力の方向を、対応するダイオード３８，４０の整流方向により、ロータ１４の周方向に関して交互に異ならせる。図３の例では、各ロータ巻線２８ｎ，２８ｓに誘導電流が流れると仮定した場合に、第１ロータ巻線２８ｎが巻装された突極２６の先端にＮ極が生成され、第２ロータ巻線２８ｓが巻装された突極２６の先端にＳ極が生成される。図３では、各ロータ巻線２８ｎ，２８ｓに誘導電流が流れると仮定した場合に、各突極２６の先端に形成される磁極を各突極２６の外径側のＮ，Ｓにより示している。この場合、ロータ１４の周方向においてＮ極とＳ極とが交互に配置される。このように、各ダイオード３８，４０（図３）は、各ロータ巻線２８ｎ、２８ｓに発生する誘導起電力によって複数の突極２６に生じる磁気特性を、周方向に交互に異ならせている。

また、図３に示すように、ロータ１４の周方向に関する各ロータ巻線２８ｎ，２８ｓ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している。より好ましくは、ロータ１４の周方向に関する各ロータ巻線２８ｎ，２８ｓの幅θは、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している。ここでの各ロータ巻線２８ｎ，２８ｓの幅θについては、各ロータ巻線２８ｎ，２８ｓの断面積を考慮して、各ロータ巻線２８ｎ，２８ｓの断面の中心幅で表すことができる。

本実施形態の回転電機１０の場合、ロータ１４は、各突極２６の内部に設けられ、回転可能な永久磁石５０を有する磁石部材４２を含んでいる。図４は、ロータの中低速回転領域において、突極と対向するステータのティースにＳ極が形成される様子を示す、図１のＡ部拡大対応図である。図５は、図４のＢ−Ｂ断面図である。図６は、図５のＣ部拡大図である。図４から図６に示すように、磁石部材４２は、各突極２６の内部において、支持軸４４の中心軸Ｏ１(図６)を中心として回転可能に配置されている。支持軸４４の中心軸Ｏ１は、ステータ１２とロータ１４との対向方向である径方向(図４の上下方向)に対し直交する方向である、回転軸１６(図３)の方向に対し平行な軸である。すなわち、各突極２６の周方向中央部に軸方向に貫通するように断面円形の円孔４６が設けられている。各円孔４６は、回転軸１６の中心軸を中心とする同一円周上に位置する。例えば、各円孔４６は、各突極２６の根元部から外周部への(図４の上下方向)中間部に設けることができる。

磁石部材４２は、断面円形の円柱部４８により形成されるフェライト磁石等からなる永久磁石５０と、永久磁石５０の中心部に固定された支持軸４４とを含んでいる。すなわち、支持軸４４は永久磁石５０の中心部を支持している。永久磁石５０は、径方向片側の断面半円部分にＮ極が形成され、径方向他側の断面半円部分にＳ極が形成されている。支持軸４４は、永久磁石５０を軸方向に貫通するように設けられ、永久磁石５０の軸方向両端面から両端部を突出させ、その両端部に係止部５２(図５、図６)がそれぞれ形成されている。各係止部５２は、２つの円錐部を突き合わせたような形状を有し、支持軸４４の中間部の直径よりも大きな最大外径を有する。各係止部５２において、支持軸４４の中央に近い側に第１軸側テーパ面５４が形成され、支持軸４４の外側に第２軸側テーパ面５６が形成されている。第１軸側テーパ面５４は、軸方向の外側に向かうほど外径が大きくなっている。第２軸側テーパ面５６は、軸方向の外側に向かうほど外径が小さくなっている。

このような一対の係止部５２は、ロータ１４の軸方向両端部で回転可能に支持されている。すなわち、ロータ１４は、ロータコア２４を軸方向両側から挟み、回転軸１６(図１、図３)の外径側に固定される一対のエンドプレート５８を含んでいる。各エンドプレート５８は、非磁性材で形成される。この場合、ロータコア２４は、回転軸１６の外径側に外嵌されるが回転軸１６との間に隙間を形成することができる。このようにすることで軸方向寸法が大きいロータコア２４を回転軸１６に組み付ける作業を容易に行える。回転軸１６にロータコア２４を組み付けた後、ロータコア２４よりも軸方向寸法が十分に小さい各エンドプレート５８を圧入等により回転軸１６に組み付け、一対のエンドプレート５８でロータコア２４を挟むことでロータ１４を回転軸１６に固定できる。

磁石部材４２の永久磁石５０はロータコア２４の円孔４６の内側に配置されている。この場合、円柱状の永久磁石５０の外周面と円孔４６の内周面との間に円筒隙間６０が形成されている。また、各エンドプレート５８に支持軸４４の端部を通す支持孔６２が形成され、この支持孔６２は、エンドプレート５８において、永久磁石５０と反対側の外側面(図６の左側面)側に設けられた孔側テーパ面６４を含む。孔側テーパ面６４は、エンドプレート５８の外側面に向かうほど内径が大きくなっている。支持軸４４の両端部は、対応する支持孔６２の内側に挿入されている。また、支持軸４４の第１軸側テーパ面５４は、孔側テーパ面６４の内側に配置され、支持軸４４の両端部は、各エンドプレート５８の支持孔６２内に隙間６６を持たせて配置している。また、この隙間６６には注油可能である。このようにして、支持軸４４の両端部は、一対のエンドプレート５８に回転可能に支持されている。なお、支持軸４４の両側の係止部５２のうち、いずれか片側の係止部５２を、支持軸４４の残りの部分と別体に形成し、ねじ結合によりこの残りの部分に結合することもできる。

このような回転電機１０は、図７の回転電機駆動システム６８により駆動される。図７は、図１の回転電機１０を駆動する回転電機駆動システム６８の概略構成を示す図である。回転電機駆動システム６８は、回転電機１０と、回転電機１０を駆動する駆動部であるインバータ７０と、インバータ７０を制御する制御装置７２と、電源である蓄電装置７４とを備え、回転電機１０を駆動する。

蓄電装置７４は、直流電源として設けられ、充放電可能であり、例えば二次電池により構成する。インバータ７０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相のアームＡｕ，Ａｖ，Ａｗを備える。各相アームＡｕ，Ａｖ，Ａｗは、それぞれ２個のスイッチング素子Ｓｗを直列に接続している。スイッチング素子Ｓｗは、トランジスタ、ＩＧＢＴ等である。各スイッチング素子Ｓｗに逆並列にダイオードＤｉを接続している。各アームＡｕ，Ａｖ，Ａｗの中点は、回転電機１０を構成する対応する相のステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗの一端側に接続されている。ステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗはステータ１２の各ティースにおいて、同じ相のステータ巻線同士が互いに直列に接続されている。ステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗの他端は中性点で接続されている。

蓄電装置７４の正極側及び負極側は、インバータ７０の正極側と負極側とにそれぞれ接続されており、蓄電装置７４とインバータ７０との間にコンデンサ７６が、インバータ７０に対し並列に接続されている。制御装置７２は、例えば本発明の回転電機が車両の駆動モータとして利用された場合、車両のアクセルペダルセンサ（図示せず）等から入力される加速指令信号に応じて回転電機１０のトルク目標を算出し、トルク目標等に応じた電流指令値に応じて各スイッチング素子Ｓｗのスイッチング動作を制御する。制御装置７２には、３相のうち、少なくとも２相のステータ巻線（例えば２０ｖ、２０ｗ）側に設けられた電流センサ７８で検出された電流値を表す信号と、レゾルバ等の回転角度検出部（図示せず）で検出された回転電機１０のロータ１４の回転角度を表す信号とがそれぞれ入力される。制御装置７２は、ＣＰＵ，メモリ等を有するマイクロコンピュータを含むもので、インバータ７０のスイッチング素子Ｓｗのスイッチングを制御することにより、回転電機１０のトルク、回転数等を制御する。すなわち、制御装置７２は、回転電機１０の駆動を制御する。制御装置７２は、機能ごとに分割された複数の制御装置により構成することもできる。

このような制御装置７２は、インバータ７０を構成する各スイッチング素子Ｓｗのスイッチング動作により蓄電装置７４からの直流電力を、ｕ相、ｖ相、ｗ相の３相の交流電力に変換して、ステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗの各相に対応する相の電力を供給することを可能とする。また、制御装置７２は、ステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗに流れるステータ電流にパルス電流を重畳させるパルス重畳部８０を有するが、これについては後述する。

また、図７の回転電機駆動システム６８は、例えば、車両用走行動力発生装置として、エンジンと走行用モータとを駆動源として備えるハイブリッド車、燃料電池車、電気自動車等に搭載して使用される。また、蓄電装置７４とインバータ７０との間に電圧変換部であるＤＣ／ＤＣコンバータを接続して、蓄電装置７４の電圧を昇圧してインバータ７０に供給可能とすることもできる。

次に、回転電機駆動システム６８により駆動される回転電機１０の基本的な動作を説明する。３相のステータ巻線２０ｕ、２０ｖ、２０ｗに３相の交流電流が流れることでステータ１２に形成された回転磁界（基本波成分）がロータ１４に作用し、これに応じて、ロータ１４の磁気抵抗が小さくなるように、突極２６がステータ１２のティース１９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）が作用する。

また、ステータ１２に形成された空間高調波を含む回転磁界がロータ１４の各ロータ巻線２８ｎ、２８ｓに鎖交すると、各ロータ巻線２８ｎ、２８ｓには、空間高調波に起因するロータ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によって、各ロータ巻線２８ｎ、２８ｓ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２８ｎ、２８ｓに流れる電流は、各ダイオード３８，４０により整流されることで所定の一方向となる。そして、各ダイオード３８，４０で整流された電流が各ロータ巻線２８ｎ、２８ｓに流れるのに応じて各突極２６が磁化し、各突極２６が磁極が（Ｎ極かＳ極のいずれか一方に）固定された磁石として機能する。この場合、ダイオード３８，４０の整流方向の違いにより、各突極２６の巻線起磁力による磁極として、周方向においてＮ極とＳ極とが交互に配置されたものとなる。

そして、各突極２６（磁極が固定された磁石）の磁界がステータ１２により生成される回転磁界（基本波成分）と相互作用して、後述するように吸引作用が生じる。このステータ１２により生成される回転磁界（基本波成分）と突極２６（磁石）の磁界との電磁気相互作用（吸引作用）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で生成される回転磁界（基本波成分）に同期して回転駆動する。このように回転電機１０は、ステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗ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。

また、制御装置７２は上記のパルス重畳部８０を有する。回転電機１０では、ロータ巻線２８ｎ、２８ｓに誘導電流が発生した場合に突極２６の先端に形成される磁極と、突極２６に対向し、ステータ１２に設けられるティース１９に形成される磁極とが逆になる場合がある。パルス重畳部８０は、この場合に突極２６にティース１９が対向する直前も含めて対向時に、対応するロータ巻線２８ｎ、２８ｓに誘導電流が発生するように、ステータ巻線２０ｕ、２０ｖ、２０ｗに流れるステータ電流にパルス電流を重畳させる。例えば、図４に示すように、ステータ１２の１つのティース１９とロータ１４の１つの突極２６とが径方向に対向する場合に、そのティース１９の先端に、ステータ電流によりＳ極が形成される場合を考える。この場合、突極２６に巻かれた第１ロータ巻線２８ｎに誘導電流が流れたとすると、第１ダイオード３８の整流方向により突極２６の先端にはＮ極が形成される。この場合、パルス重畳部８０(図７)は、その突極２６に巻かれた第１ロータ巻線２８ｎに誘導電流が発生するように、ステータ電流にパルス電流を重畳させる。例えば、制御装置７２(図７)は、ステータ電流をｄｑ軸座標系に変換してｄ軸電流成分及びｑ軸電流成分とし、フィードバック制御を含むベクトル制御により、目標トルクに対応して各相のステータ電流が得られるようにインバータ７０を制御する。そして制御装置７２のパルス重畳部８０により、ｑ軸電流に電気的１周期の中の適切なタイミングで、または周期的にパルス電流を重畳させる。パルス電流は、例えば、電流値が急激に減少した後、急激に増大するいわゆる減少パルス電流、または、電流値が急激に増大した後、急激に減少するいわゆる増大パルス電流とすることができる。

この結果、パルス電流の重畳により空間高調波のレベルが増大して、第１ロータ巻線２８ｎに誘導起電力が発生し、図４の例では突極２６の先端にＮ極が形成されるように突極２６に磁束が流れる。これに伴って磁石部材４２の永久磁石５０は、円孔４６内で回転し、図４の向きとなる。この場合、図４のように、永久磁石５０において、突極２６の先端側がＮ極で、突極２６の根元側がＳ極となる。すなわち、永久磁石５０による起磁力の方向が、第１ロータ巻線２８ｎに流れる誘導電流による巻線起磁力の方向(図４の矢印α方向)と同じ向きになる。この結果、先端にＳ極が形成されるティース１９と、先端にＮ極が形成される突極２６とが引き合う力が強くなる。なお、図４では、ティース１９の先端にＳ極が形成される場合を説明した。ただし、先端にＮ極が形成されるティース１９と、第２ダイオード４０(図３)の向きが図４の場合と逆になり、先端にＳ極が形成される突極２６とが対向する場合もある。この場合、突極２６内の永久磁石５０が図４の向きと逆になるように回転し、永久磁石５０において、突極２６の先端側がＳ極で、突極２６の根元側がＮ極となる。この結果、永久磁石５０の起磁力により回転電機１０のトルクがアシストされ増大する。

一方、回転電機１０では、ロータ巻線２８ｎ、２８ｓに誘導電流が発生した場合に突極２６の先端に形成される磁極と、突極２６に対向し、ステータ１２に設けられるティース１９に形成される磁極とが同じになる場合もある。パルス重畳部８０(図７)は、この場合に、突極２６にティース１９が対向する直前も含めて対向時に、ロータ巻線２８ｎ、２８ｓに誘導電流を発生させないように、ステータ巻線２０ｕ、２０ｖ、２０ｗに流れるステータ電流にパルス電流を重畳させないようにする。これについて、図８を用いて説明する。図８は、ロータの中低速回転領域において、突極と対向するステータのティースにＮ極が形成される様子を示す、図４に対応する図である。例えば、図８に示すように、ステータ１２の１つのティース１９とロータ１４の１つの突極２６とが径方向に対向する場合にそのティース１９の先端に、ステータ電流によりＮ極が形成される場合を考える。この場合も、図４の場合と同様に、突極２６に巻かれた第１第１ロータ巻線２８ｎに誘導電流が流れたとすると、第１ダイオード３８の整流方向により突極２８の先端にはＮ極が形成される。図８では、仮に誘導電流が第１ロータ巻線２８ｎに流れた場合に突極２６の先端にＮ極が形成されることを、（Ｎ）で表している。この場合、パルス重畳部８０は、その突極２６に巻かれた第１ロータ巻線２８ｎに誘導電流が発生しないように、ステータ電流にパルス電流を重畳させない。このため、空間高調波のレベルが低下して、第１ロータ巻線２８ｎに誘導起電力が発生しない。すなわち、ステータ電流へのパルス電流の重畳の有無に応じて第１ロータ巻線２８ｎの誘導起電力の発生の有無を切り換えられる。このため、突極２６内の永久磁石５０は、図８に示すように、ティース１９の磁極であるＮ極に引き付けられる方向に回転し、永久磁石５０において、突極２６の先端側がＳ極で、突極２６の根元側がＮ極となる。この結果、先端にＮ極が形成されるティース１９に突極２６が引き付けられる。なお、図８では、ティース１９の先端にＮ極が形成される場合を説明したが、先端にＳ極が形成されるティース１９と、第２ダイオード４０(図３)の向きが図８の場合と逆になり、第２ロータ巻線２８ｓに誘導電流が流れた場合に先端にＳ極が形成される突極２６とが対向する場合もある。この場合、突極２６内の永久磁石５０が図８の向きと逆になるように回転し、永久磁石５０において、突極２６の先端側がＮ極で、突極２６の根元側がＳ極となり、回転電機１０のトルクが永久磁石５０によりアシストされ、増大する。

さらに、図９は、ロータの高速回転時の磁石の向きの１例を示す、図４に対応する図である。図９のように、ロータの高速回転時には、ティース１９の磁極の切替が早くなるため、永久磁石５０の回転がティース１９の磁極の切替に追従しにくい。このため、突極２６がティース１９と対向しても、突極２６内で永久磁石５０の起磁力の方向が径方向(図９の上下方向)とならず、図９のように周方向に向くように回転した状態で安定してしまう。なお、図９は１例であり、Ｎ極とＳ極との位置関係が図９の場合と逆になる場合もある。このため、ティース１９が突極２６に対向する場合でも、永久磁石５０の磁束は突極２６内で周方向にループしやすくなる。一般的に、ロータの高速回転時には、ロータに永久磁石が固定されていると逆起電圧の発生により引き摺り損失が大きくなることが分かっている。これに対して、本実施形態では、高速回転時に永久磁石５０の磁力の影響がステータ１２に及ぶのを抑制して、回転電機１０の高速回転時のトルク低下を抑制できる。

なお、このような高速回転時、すなわちロータ１４の所定速度以上で、パルス重畳部８０は、ステータ電流へのパルス電流の重畳を常に行わない構成とすることもできる。

このように、上記の回転電機１０では、ロータ１４は、各突極２６の内部に設けられ、ステータ１２とロータ１４との対向方向に対し直交する方向である回転軸１６に対し平行な軸を中心とする回転可能に配置された永久磁石５０を有する磁石部材４２を含んでいる。このため、ロータ１４の低速回転領域または中低速回転領域で、ステータ１２による磁気またはロータ巻線２８ｎ，２８ｓの誘導電流による磁気等によりロータ１４の各突極２６内を流れる磁束の向きに応じて永久磁石５０が回転する。これにより、ステータ１２からロータ１４の突極２６に入り、別の突極２６からステータ１２に戻る主磁束の流れに対してロータ巻線２８ｎ，２８ｓの誘導電流により生じる突極２６の磁気方向が正向き(同じ向き)でも逆向きでも、永久磁石５０によりトルクに寄与する力を発揮させることができる。そして、ティース１９の磁極の磁化方向にかかわらず、各永久磁石５０によりティース１９の磁極と突極２６との引き合う力を大きくできる。このため、ステータ１２とロータ１４との磁気的吸引力を効果的に利用してロータトルクを大きくできる。したがって、ロータ１４の各突極２６に巻かれたロータ巻線２８ｎ、２８ｓと、複数の突極２６に生じる磁気特性を周方向に交互に異ならせるダイオード３８，４０とを備える回転電機１０でロータトルクを大きくできる。なお、「中低速回転領域」とは、低速回転領域及び中速回転領域の両方を含む領域をいう(本明細書全体で同じである。)。

また、永久磁石５０は、突極２６内での磁束の量を多くするのに寄与すればよく、過度に大きいものを使用する必要がない。このため、永久磁石５０を有する磁石部材４２の回転支持部に大きな力が作用せず、簡易な構成で回転支持部を構成できる。また、永久磁石５０を小さくできるので、その分、突極２６のうち、磁束通過部分の面積を大きくでき、突極２６に流れる磁束量を多くしてその面からもロータトルクを大きくできる。

また上記のようにロータ巻線２８ｎ、２８ｓに励磁することにより、励磁に応じた突極２６の磁化方向と同じ向きに永久磁石５０を向けることができ、トルク向上のための最適な制御を実現しやすい。

このような実施形態の回転電機１０に対して、上記の特許文献１、２には、ロータに永久磁石が固定された構成が記載されている。ただし、この構成では、上記で説明したように、永久磁石の磁化方向が変化しないので、ステータとロータとの磁気的吸引力を効果的に利用してロータトルクを大きくする面から改良の余地がある。また、永久磁石はステータとロータとの間のギャップを通過させる磁束を形成するためのものであるため、大きくなり、磁極部のすべてまたは多くの部分が永久磁石により占められる可能性がある。このような構成では、永久磁石の磁束密度以上の多くの磁束を発生させることが難しい。また、磁極部のほとんどが永久磁石で占められると、逆方向の磁束が磁極部の永久磁石以外の狭い部分を通過しようとしてもすぐに磁気飽和を生じて通過することができない。このため、この場合には上記の磁気的吸引力を発生させることができない可能性がある。また、上記の特許文献３には、ロータコアの径方向内側の周方向連結部に永久磁石が配置されている。このため、永久磁石の磁束は磁気抵抗の低い部分に流れようとするので、ステータとロータとの間のギャップを通過する磁束の形成に寄与しない。このように特許文献１〜３に記載された構成では、ロータのトルクを大きくする面から改良の余地がある。これに対して、本実施形態の回転電機１０によれば、このような不都合を生じず、トルク向上を図れる。

また、磁石部材４２は、各突極２６に設けられた円孔４６内に配置される円柱部４８を含むので、各突極２６内で磁石部材４２の配置に必要な空間を小さくできる。このため、各突極２６が過度に大きくなることを防止できる。

また、ロータ１４は、ステータ１２の径方向内側に対向配置され、磁石部材４２は、永久磁石５０と、永久磁石５０の中心部に支持された軸である支持軸４４とを含む。また、支持軸４４の両端部は、ロータ１４の軸方向両端部で回転可能に支持され、円柱部４８と円孔４６との間に円筒隙間６０が形成されている。このため、磁石部材４２を円滑に回転させることができる。

また、ロータ１４は、ロータコア２４を軸方向両側から挟み、回転軸１６の外径側に固定される一対のエンドプレート５８を含み、支持軸４４の両端部は、一対のエンドプレート５８に回転可能に支持されている。各エンドプレート５８の軸方向長さは、通常ロータコア２４の軸方向長さよりも十分に小さいので、支持軸４４の回転支持部での摺動部の面積を小さくでき、回転支持部での回転抵抗を小さくできるとともに、ロータコア２４の加工作業を容易に行える。

また、支持軸４４の両端部は、各エンドプレート５８に設けられた支持孔６２内に隙間６６を持たせて配置され、隙間６６に注油可能としている。このため、支持軸４４の回転支持部での回転抵抗をより小さくできるとともに、耐久性の向上を図れる。

また、支持軸４４は、両端部において、外側に向かうほど外径が大きくなる第１軸側テーパ面５４を有し、第１軸側テーパ面５４は、支持孔６２に設けられ、外側に向かうほど内径が大きくなる孔側テーパ面６４の内側に配置されている。このため、孔側テーパ面６４に第１軸側テーパ面５４が対向することで、エンドプレート５８に対する支持軸４４の軸方向の変位を規制できる。

また、上記の回転電機駆動システム６８によれば、ロータ巻線２８ｎ、２８ｓに必要なタイミングで誘導電流を発生させることができ、より有効に回転電機１０のトルクの向上を図れる。

なお、上記の実施形態では、パルス重畳部８０は、図８のようにロータ巻線２８ｎ（または２８ｓ）に誘導電流が流れた場合に、突極２６と、これに対向するステータ１２のティース１９とが同じ磁極となる場合にロータ巻線２８ｎ（または２８ｓ）に誘導電流が流れないようにステータ電流にパルス電流を重畳させないようにしている。ただし、別の実施形態として、パルス重畳部８０は、突極２６とティース１９とが引き付け合った後で、対応するロータ巻線２８ｎ（または２８ｓ）に誘導電流が流れるように、ステータ電流にパルス電流を重畳させる構成とすることもできる。この構成によれば、ティース１９と突極２６との磁気的吸引力と磁気的反発力とを利用して回転電機１０のトルクを大きくできる。

なお、上記の回転電機１０の構成において、ロータに設けられた各突極２６において、周方向の片側面または両側面から先端に向かうほど径方向外側になるように傾斜または湾曲させた磁性材製の補助突極を突出させることもできる。この構成によれば、ステータ１２で発生する回転磁界の起磁力成分に含まれ、突極２６同士の間の空間に漏れ出す空間高調波の磁束を効果的に突極２６に導くことができる。このため、突極２６に巻かれたロータ巻線２８ｎ，２８ｓに誘導電流をより効果的に流すことができ、回転電機１０のトルクを向上できる。

また、上記の図１から図９に示した実施形態において、磁石部材の回転支持部の構成として別の構成を採用することもできる。図１０は、磁石部材の回転支持部の別例を示す、図６に対応する図である。図１０の別例では、上記の図６の場合と異なり、磁石部材４２を構成する支持軸４４の両端部に係止部として円板部１０８を連結している。また、ロータコア２４（図５参照）の両側に配置される一対のエンドプレート５８に支持孔６２を形成している。各支持孔６２は、段付円筒状であり、大径円筒部と小径円筒部とを、軸方向に対し直交する段差面１１０で連結している。各支持孔６２に支持軸４４の両端部を配置し、円板部１０８を段差面１１０に軸方向に対向させている。このような構成でも磁石部材４２の回転支持部を形成できる。

また、図１１は、本発明の実施形態の別例の第１例の回転電機を示す、図５に対応する図である。図１１に示す別例では、上記の図１から図９に示した実施形態において、磁石部材４２に設けられた支持軸４４を単なる直線状に形成して、支持軸４４の両端部を一対のエンドプレート５８の単なる円孔状の支持孔６２に挿入し、回転可能に支持している。このような構成では、上記の図１から図９に示した実施形態及び上記の図１０の別例の場合と異なり、支持軸４４の両端部で、エンドプレート５８に対する軸方向の変位が規制されない。ただし、回転電機の構造を簡略化でき、コスト低減を図れる。

また、図１２は、本発明の実施形態の別例の第２例の回転電機を示す、図５に対応する図である。図１２に示す別例では、上記の図１から図９に示した実施形態において、磁石部材４２を単に円柱状の永久磁石５０により形成する。また、ロータコア２４に設けられ、永久磁石５０を内側に配置する円孔４６の軸方向両端部に直径を軸方向中間部の直径よりも小さくした小径部１１２を形成し、各小径部１１２で永久磁石５０を、永久磁石５０の中心軸Ｏ２を中心とする回転可能に支持している。また、ロータコア２４の両側に配置した各エンドプレート５８の内側面に永久磁石５０の軸方向端面を対向させている。このような構成では、磁石部材４２から支持軸４４(図５参照)を省略できるため、コストを低減できる。

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ら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。例えば、上記では、ステータの径方向内側にロータが対向配置された場合を説明したが、ステータの径方向外側にロータが対向配置された構成でも本発明を実施できる。また、ステータとロータとが径方向に対向配置されるいわゆるラジアル型の回転電機を説明したが、ステータとロータとが軸方向に対向配置されるいわゆるアキシャル型の回転電機でも本発明を実施できる。この場合、ロータの周方向複数個所に設けられ、軸方向に突出する複数の突極は、内部に設けられ、ステータとロータとの対向方向である軸方向に対し直交する軸、すなわち周方向の接線方向を中心とする回転可能に配置された永久磁石を有する磁石部材を含む。

また、ステータ巻線はステータに集中巻きで巻線する場合を説明したが、例えばステータで空間高調波を含む回転磁界を生成できるのであればステータにステータ巻線を分布巻きで巻線する構成でも本発明を実施できる。また、上記の各実施形態では、磁気特性調整部をダイオードとした場合を説明したが、ロータ巻線に発生する誘導起電力によって前記複数の主突極に生じる磁気特性を周方向で異ならせる機能を有するものであれば、他の構成を採用することもできる。

さらに、上記では、ロータの各突極にロータ巻線が巻装され、複数の突極に生じる磁気特性を周方向に交互に異ならせる磁気特性調整部であるダイオードを備える回転電機を説明した。ただし、その他の回転電機でも、ロータコアの周方向複数個所に配置された突極を備える構成で、上記の実施形態と同様に、回転可能な磁石部材を各突極の内部に設けるようにすることもできる。例えば、ステータの径方向内側にロータが配置された構成で、ロータの周方向複数個所に突極が突出形成される場合に、ロータは、各突極の内部に設けられ、ステータとロータとの対向方向に対し直交する回転軸と平行な軸を中心とする回転可能に配置された永久磁石を有する磁石部材を含む構成とすることもできる。その場合も、ロータの低速回転領域または中低速回転領域で、ステータによる磁気によりロータの各突極内を流れる磁束の向きに応じて永久磁石が回転する。このため、永久磁石の磁力によりステータと突極との引き合う力が大きくなり、ステータとロータとの磁気的吸引力を効果的に利用してロータトルクを大きくできる効果を得られる。

１０ 回転電機、１２ ステータ、１４ ロータ、１６ 回転軸、１８ ステータコア、１９ ティース、２０ｕ，２０ｖ，２０ｗ ステータ巻線、２２ スロット、２４ ロータコア、２６ 突極、２８ｎ 第１ロータ巻線、２８ｓ 第２ロータ巻線、３８ 第１ダイオード、４０ 第２ダイオード、４２ 磁石部材、４４ 支持軸、４６ 円孔、４８ 円柱部、５０ 永久磁石、５２ 係止部、５４ 第１軸側テーパ面、５６ 第２軸側テーパ面、５８ エンドプレート、６０ 円筒隙間、６２ 支持孔、６４ 孔側テーパ面、６６ 隙間、６８ 回転電機駆動システム、７０ インバータ、７２ 制御装置、７４ 蓄電装置、７６ コンデンサ、７８ 電流センサ、８０ パルス重畳部。

Claims (8)

1. 回転磁界を生成する複数相のステータ巻線を含むステータと、
   ロータコアと、前記ロータコアの周方向複数個所に配置された突極と、前記各突極に巻かれた複数のロータ巻線と、前記各ロータ巻線に発生する誘導起電力によって前記複数の突極に生じる磁気特性を周方向に交互に異ならせる磁気特性調整部とを含み、前記ステータに対向配置されるロータとを備える回転電機であって、
   前記ロータは、前記各突極の内部に設けられ、前記ステータと前記ロータとの対向方向に対し直交する軸を中心とする回転可能に配置された永久磁石を有する磁石部材を含むことを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記磁石部材は、前記各突極に設けられた円孔内に配置される円柱部を含むことを特徴とする回転電機。
3. 請求項２に記載の回転電機において、
   前記ロータは、前記ステータの径方向内側に対向配置され、
   前記磁石部材は、前記永久磁石と、前記永久磁石の中心部を支持する支持軸とを含み、
   前記支持軸の両端部は、前記ロータの軸方向両端部で回転可能に支持されていることを特徴とする回転電機。
4. 請求項３に記載の回転電機において、
   前記ロータは、前記ロータコアを両側から挟む一対のエンドプレートを含み、
   前記支持軸の両端部は、前記一対のエンドプレートに回転可能に支持されていることを特徴とする回転電機。
5. 請求項４に記載の回転電機において、
   前記支持軸の両端部は、前記各エンドプレートに設けられた支持孔内に配置されていることを特徴とする回転電機。
6. 請求項５に記載の回転電機において、
   前記支持軸は、両端部において、外側に向かうほど外径が大きくなる軸側テーパ面を有し、
   前記各軸側テーパ面は、前記支持孔に設けられ、外側に向かうほど内径が大きくなる孔側テーパ面の内側に配置されていることを特徴とする回転電機。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１に記載の回転電機と、
   前記回転電機の駆動を制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、前記ロータ巻線に誘導電流が発生した場合に前記突極の先端に形成される磁極と、前記突極に対向し前記ステータに設けられるティースに形成される磁極とが逆になる場合に前記ロータ巻線に誘導電流が発生するように、前記ステータ巻線に流れるステータ電流にパルス電流を重畳させるパルス重畳部を有することを特徴とする回転電機駆動システム。
8. 請求項７に記載の回転電機駆動システムにおいて、
   前記パルス重畳部は、前記ロータ巻線に誘導電流が発生した場合に前記突極の先端に形成される磁極と、前記突極に対向し前記ステータに設けられるティースに形成される磁極とが同じになる場合に前記ロータ巻線に誘導電流を発生させないように、前記ステータ巻線に流れるステータ電流にパルス電流を重畳させないことを特徴とする回転電機駆動システム。

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