JP2014007788A - 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に巻かれたロータ巻線２８ｎ，２８ｓと、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で異ならせる磁気特性調整部であるダイオード３８，４０とを含む。ロータ１４は、各突極２６の先端部に設けられ、各ロータ巻線２８ｎ，２８ｓを流れる誘導電流によって生じる各突極２６の磁化方向に対し直交するロータ円周方向に沿って磁化された永久磁石４２，４４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この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。各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、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、円筒面状のロータ外周面の複数個所の磁極部に永久磁石が配置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極部の磁化方向と、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、給電時に永久磁石により、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。このため、、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とともに、ロータ巻線による磁化方向と永久磁石の磁化方向とを一致させることも考えられる。ただし、この構成では、ロータに突極を配置している場合に、ステータ巻線で生成され突極に向かう主磁束の磁気方向と、ロータ巻線による突極の磁化方向とが逆になる場合に、突極に主磁束が流れることが永久磁石により妨げられる可能性がある。このため、ステータとロータの突極との間で作用する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設けられた突極と、前記各突極に巻かれたロータ巻線と、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、前記各突極の先端部に設けられ、前記各ロータ巻線を流れる誘導電流によって生じる前記各突極の磁化方向に対し直交するロータ円周方向に沿って磁化された永久磁石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、前記各永久磁石は、前記各突極の最先端に配置されている。

また、本発明に係る回転電機において、好ましくは、前記ロータは、前記各突極の先端部に、前記永久磁石とロータ周方向に対向するように配置され、前記永久磁石の磁化方向と同軸ではあるが逆極性に磁化された第２永久磁石を含む。なお、「永久磁石とロータ周方向に対向するように配置され」とは、永久磁石と第２永久磁石とが空隙を介して直接周方向に対向する場合と、永久磁石と第２永久磁石とが突極の一部を介して周方向に対向する場合とを含む(本明細書全体及び特許請求の範囲で同じである。)。

また、本発明に係る回転電機において、好ましくは、前記ロータ巻線によって前記突極の先端に生成される磁極がＮ極となる場合に、前記突極に前記永久磁石と前記第２永久磁石とが、互いにＮ極が周方向に対向するように配置され、前記ロータ巻線によって前記突極の先端に生成される磁極がＳ極となる場合に、前記突極に前記永久磁石と前記第２永久磁石とが、互いにＳ極が周方向に対向するように配置されている。

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、ロータの各突極と対向するまたは対向直前のステータの磁極がＮ極またはＳ極のいづれの場合でも、各突極の先端部に設けられた永久磁石により、各突極とステータの磁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。 図１のＡ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。 図４のＢ部に対応する図であって、ロータの突極にステータのＳ極となるティースが対向する場合において、突極とティースの間、及び突極内での磁束の流れを示す図である。 図６と同じ場合で、突極に対向するティースがＮ極となる場合を示す図である。 図４のＣ部に対応する図であって、ロータの突極にステータのＮ極となるティースが対向する場合において、突極とティースの間、及び突極内での磁束の流れを示す図である。 図８と同じ場合で、突極に対向するティースがＳ極となる場合を示す図である 本発明の実施形態の別例において、図４のＢ部に対応する図であって、ロータの突極にステータのＮ極となるティースが対向する場合において、突極とティースの間、及び突極内での磁束の流れを示す図である。 実施形態の別例において、図４のＣ部に対応する図であって、ロータの突極にステータのＳ極となるティースが対向する場合において、突極とティースの間、及び突極内での磁束の流れを示す図である。

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。

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。図４は、図１のＡ部拡大図である。

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、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）突出して設けら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。ロータ１４の周方向に関して１つおきの突極２６に第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、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１方向に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を反対方向に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、少なくとも先端部が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の少なくともいづれかのロータ巻線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、図４の矢印Ｉａ、Ｉｂで示すように、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の先端部にＮ極が生成され、第２ロータ巻線２８ｓが巻装された突極２６の先端部に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の先端部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、図４に示すように、ロータ１４は、各突極２６の先端部に埋め込まれるように設けられる永久磁石４２と第２永久磁石４４とを含んでいる。各永久磁石４２，４４の磁化方向は、ロータ１４の周方向に一致させている。すなわち、各永久磁石４２，４４は、各ロータ巻線２８ｎ，２８ｓを流れる誘導電流によって生じる各突極２６の磁化方向である径方向(図４の矢印α方向、矢印β方向)に対し直交する方向であるロータ円周方向に磁化されている。各永久磁石４２，４４はフェライト等により構成されている。

また、各突極２６において、永久磁石４２と第２永久磁石４４とは、周方向両側に互いに離れて配置され、互いに同じ極が周方向に対向するように配置されている。例えば図３、図４にＰｎで示すように、第１ロータ巻線２８ｎの誘導電流Ｉａにより突極２６の先端に生成される磁極がＮ極となる場合には、突極２６の先端部に永久磁石４２及び第２永久磁石４４が、互いにＮ極が周方向に対向するように配置される。また、図３、図４にＰｓで示すように、第２ロータ巻線２８ｓの誘導電流Ｉｂにより突極２６の先端に生成される磁極がＳ極となる場合には、突極２６の先端部に永久磁石４２及び第２永久磁石４４が、互いにＳ極が周方向に対向するように配置される。

永久磁石４２及び第２永久磁石４４は、それぞれ軸方向(図４の表裏方向)に長い棒状として、各突極２６の先端面に周方向に離れて形成された軸方向に長い溝内に埋め込んで配置することができる。この場合、各永久磁石４２，４４の径方向外側に向く側面はステータ１２に対向するように外部に露出する。また、各永久磁石４２，４４は、各突極２６の先端面と同一平面上または同一の断面円弧形の曲面上に位置する径方向外側面６０，６２を有する。すなわち、各永久磁石４２，４４は、各突極２６の最先端に配置されている。なお、各突極２６の先端部に軸方向に貫通し、周方向に離れた２つの磁石孔を形成することもできる。そして各突極２６において、永久磁石４２と第２永久磁石４４とを、磁化方向が周方向に向き、かつ、互いに同じ極がそれぞれ周方向に対向するように、２つの磁石孔のそれぞれに挿入配置することもできる。

このような回転電機１０は、図５の回転電機駆動システム４６により駆動される。図５は、図１の回転電機１０を駆動する回転電機駆動システム４６の概略構成を示す図である。回転電機駆動システム４６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４８と、インバータ４８を制御する制御装置５０と、電源である蓄電装置５２とを備え、回転電機１０を駆動する。

蓄電装置５２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４８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の対応する各ティース１９において、同じ相のステータ巻線２０ｕ（または２０ｖまたは２０ｗ）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５２の正極側及び負極側は、インバータ４８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５２とインバータ４８との間にコンデンサ５４が、インバータ４８に対し並列に接続されている。制御装置５０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５０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５６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５０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４８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５０は、回転電機１０の駆動を制御する。制御装置５０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５０は、インバータ４８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５２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５０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５８を有するが、これについては後述する。

また、図５の回転電機駆動システム４６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５２とインバータ４８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５２の電圧を昇圧してインバータ４８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４６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に磁極が形成され、磁極の先端側がＮ極かＳ極のいづれかになる。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の巻線起磁力による磁界がステータ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される。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５０はパルス重畳部５８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のティース１９に形成される磁極とが逆極性になる場合を想定する。パルス重畳部５８は、この場合に突極２６にティース１９が対向する直前から対向時までに、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。図６は、図４のＢ部であって、ロータ１４の突極２６にステータ１２のＳ極となるティース１９が対向する場合において、突極２６とティース１９の間、及び突極２６内での磁束の流れを示す図である。例えば、図６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との周方向の反対側端部同士のみが径方向に対向し、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。図６ではティース１９の先端にＳ極が形成されることを、ティース１９内の（Ｓ）で示している（後述する他の図面でも同様である。）。この場合、突極２６に巻かれた第１ロータ巻線２８ｎにダイオード３８の整流方向により誘導電流Ｉａが流れたとすると、突極２６の先端にはＮ極が形成される。すなわち、ロータ巻線２８ｎ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、ステータ１２のティース１９に形成される磁極とが逆極性になる。この場合、パルス重畳部５８(図５)は、突極２６にティース１９が対向する直前から対向時までに、その突極２６に巻かれたロータ巻線２８ｎに誘導電流Ｉａ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５０（図５）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４８を制御する。そして制御装置５０のパルス重畳部５８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、ロータ巻線２８ｎに誘導起電力が発生し、図６の例では突極２６の先端の周方向両端部にＮ極が形成されるように突極２６に磁束が流れる。このため、永久磁石４２及び第２永久磁石４４の磁束が突極２６の周方向両端部からティース１９側に流れてその磁路を縮めるように突極２６とティース１９との間で磁気的吸引力が作用する。更に、図６のように、突極２６の先端部に、互いのＮ極同士が周方向に対向するように永久磁石４２及び第２永久磁石４４が配置されている。永久磁石４２及び第２の永久磁石４４から流出する磁束が突極２６の周方向中央部からティース１９側に流れて、その磁路を縮めるように突極２６とティース１９との間で磁気的吸引力が作用する。この場合、突極２６内で磁束が広い範囲で流れてティース１９との間で大きな吸引力を発生させる。したがって、ロータ１４に図６の矢印γ方向、すなわちティース１９と突極２６とを近づける方向にロータ１４を回転させる力が作用する。

一方、図７は、突極２６に対向するティース１９がＮ極となる場合を示す図である。図７のように、突極２６とティース１９との周方向反対側端部同士が径方向に対向し、そのティース１９にＮ極が形成されている。突極２６に巻かれたロータ巻線２８ｎに誘導電流Ｉａが流れたとすると、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。すなわち、ロータ巻線２８ｎ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、ティース１９に形成される磁極とが同極性になる。パルス重畳部５８(図５)は、この場合に、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。このため、空間高調波のレベルが低下して、ロータ巻線２８ｎには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ロータ巻線２８ｎの誘導起電力の発生、そして磁極の形成の有無を切り換えられる。一方、突極２６の先端部に永久磁石４２及び第２永久磁石４４が、互いのＮ極同士を周方向に対向させるように配置されているので、突極２６の周方向両端部はＳ極と成る。このため、ティース１９で発生するＮ極の磁束が突極２６の周方向両端部に流れ、その磁路を縮めるように突極２６とティース１９との間で磁気的吸引力が作用する。この場合も、ロータ１４に図７の矢印γ方向、すなわちティース１９と突極２６とを近づける方向にロータ１４を回転させる力が作用する。

上記では、第１ロータ巻線２８ｎにより先端側にＮ極が形成される突極２６について説明したが、その突極２６と周方向に隣り合う別の突極２６では、第２ロータ巻線２８ｓにより突極２６の先端側にＳ極が形成される。この突極２６では、永久磁石４２，４４の向きが上記の図４で説明したように隣の突極２６とは異なっている。図８は、図４のＣ部に対応する図であって、ロータ１４の突極２６にステータ１２のＮ極となるティース１９が対向する場合において、突極２６とティース１９の間、及び突極２６内での磁束の流れを示す図である。図９は、突極２６に対向するティース１９がＳ極となる場合を示す図である。図８、図９の場合、第２ロータ巻線２８ｓに誘導電流が発生した場合に突極２６の先端にＳ極が形成される。また、図８では、ロータ巻線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（Ｓ極）と、ステータ１２のティース１９に形成される磁極（Ｎ極）とが逆極性になる。図８では、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との周方向の反対側端部同士のみが径方向に対向している。この場合、パルス重畳部５８(図５)は、突極２６にティース１９が対向する直前から対向時までに、ロータ巻線２８ｓに誘導電流Ｉｂ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。したがって、ティース１９で発生するＮ極の磁束が突極２６の周方向両端部に流れ、その磁路を縮めるように突極２６とティース１９との間で磁気的吸引力が作用する。

更に、図８のように、突極２６の先端部に、互いのＳ極同士が周方向に対向するように永久磁石４２及び第２永久磁石４４が配置されている。このため、ティース１９で発生するＮ極の磁束が突極２６の周方向中央部にも流れ、その磁路を縮めるように突極２６とティース１９との間で磁気的吸引力が作用する。したがって、ロータ１４にティース１９と突極２６とを近づける方向(図８の矢印γ方向)にロータ１４を回転させる力が作用する。

一方、図９に示すように、ロータ巻線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（Ｓ極）と、ティース１９に形成される磁極（Ｓ極）とが同極性になる場合もある。パルス重畳部５８(図５)は、この場合に、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。この場合、突極２６の先端部には、永久磁石４２及び第２永久磁石４４が、互いのＳ極同士が周方向に対向するように配置されているので、突極２６の周方向両端部はＮ極と成る。このため、突極２６の周方向両端部から流出する磁束がティース１９に流れ、その磁路を縮めるように突極２６とティース１９との間で磁気的吸引力が作用する。この場合も、ロータ１４にティース１９と突極２６とを近づける方向(図９の矢印γ方向)にロータ１４を回転させる力が作用する。

このように、本発明の回転電機１０では、ロータ１４は、各突極２６の磁化方向に対し直交するロータ円周方向に磁化された永久磁石４２を含んでいる。このため、ロータ１４の各突極２６と対向するまたは対向直前のティース１９に形成される磁極がＮ極またはＳ極のいづれの場合でも、各突極２６の先端部に設けられた永久磁石４２により、各突極２６とティース１９の磁極との引き合う力を大きくできる。すなわち、ロータ巻線２８ｎ，２８ｓに誘導電流が流れる場合に突極２６に生成される磁極(例えばＮ極)と逆の磁極(例えばＳ極)が必要な場合に、永久磁石４２でその磁極(例えばＳ極)の機能を持たせることができる。このため、突極２６に永久磁石がない場合、及び、永久磁石があってもその磁化方向が径方向に一致している場合のいづれに比べても、ティース１９との間で大きな吸引力を発生させることができる。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。

一方、本発明と異なり、ロータの突極に永久磁石が配置され、しかも永久磁石の磁化方向がロータの径方向と一致する場合、突極の磁路をほぼ塞ぐように永久磁石が広がっていると、ステータが永久磁石の磁化方向とは逆方向に突極を励磁しようとしても磁束の行き場がなくなり、磁気回路を有効に成立させることが難しくなる可能性がある。本実施形態ではこのような不都合がない。

また、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、ロータ巻線とダイオードによる磁化方向と永久磁石の磁化方向とが一致している。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する面から改良の余地がある。また、ロータの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、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では、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、各永久磁石４２，４４は、各突極２６の最先端に配置することができる。このため、各永久磁石４２，４４を最もステータ１２に近づけて突極２６に配置でき、ステータ１２との間での磁気的吸引力をより効果的に発揮できる。また、ロータ１４は、突極２６の先端部に、永久磁石４２と対向するように配置された第２永久磁石４４を含んでいる。永久磁石４２と第２永久磁石４４とは、周方向に同じ磁極が対向するように配置されている。このため、突極２６に永久磁石が１つのみ配置されている場合と異なり、突極２６に巻かれたロータ巻線２８ｎ，２８ｓに誘導電流が流れない場合でも、突極２６の周方向に対称的に、または後述する図１０、図１１の実施形態で説明するように突極２６の周方向の中央部に磁極を形成できる。このため、正回転時及び逆回転時の回転性能をバランスよく改善しやすい。

ただし、本発明では、上記のように各突極２６に永久磁石が１つのみ配置されている構成を採用することもできる。例えば、本実施形態において、各突極２６に第２永久磁石４４(図４等参照)が配置されず、その代わりに、各突極２６において永久磁石４２を周方向中央部に配置して、その周方向長さを大きくすることもできる。また、複数の突極２６において、複数の永久磁石の磁化方向を周方向に同じとすることも異ならせることもできる。更に永久磁石の磁化方向を周方向に交互に逆にすることもできる。このように各突極２６に永久磁石が１つのみ配置されている構成では、本実施形態の場合に比べて効果は劣るが、永久磁石４２により、各突極２６と各ティース１９との引き合う力を大きくでき、ロータトルクを大きくできる。また、各突極２６の先端部に配置する永久磁石の数を３個以上とすることもできる。

図７、図９を用いて説明したように、ロータ巻線２８ｎ、２８ｓに誘導電流を発生させない場合でも、各突極２６の周方向両端部に永久磁石４２，４４により、ティース１９と引き合う磁極を形成できる。このため、ロータ１４において磁極の発生個所を多くでき、ロータ１４の回転をより滑らかにできる。また、ロータ１４の回転停止時のロータ１４とステータ１２との位置関係にはよるが、突極２６とティース１９との位置がずれた場合でも吸引力を発生させやすくなり、正回転時及び逆回転時のいづれの場合でも、ロータ１４の始動時のトルクを大きくできる。

なお、制御装置５０（図５）は、使用時のステータ１２とロータ１４との位置関係が異なるすべての場合で、ステータ電流にパルス電流を重畳させない構成とすることもできる。この場合でも、上記の実施形態のように各突極２６に、磁化方向が周方向と一致する永久磁石４２，４４が配置されていると、突極２６と対向するまたは対向直前のティース１９がＮ極またはＳ極のいづれの場合でも、突極２６とティース１９との間で磁気的吸引力を発生させることができ、回転電機１０のトルクを増大できる。

また、上記の実施形態では、パルス重畳部５８は、ロータ巻線２８ｎ（または２８ｓ）に誘導電流が流れる場合に突極２６の先端側に形成される磁極と、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５８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１４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、本発明の各突極２６での磁石配置は、上記の実施形態に限定するものではなく、種々の形態を採用できる。図１０は、本発明の実施形態の別例において、図４のＢ部に対応する図であって、ロータの突極にステータのＮ極となるティースが対向する場合において、突極とティースの間、及び突極内での磁束の流れを示す図である。図１１は、実施形態の別例において、図４のＣ部に対応する図であって、ロータの突極にステータのＳ極となるティースが対向する場合において、突極とティースの間、及び突極内での磁束の流れを示す図である。

図１０、図１１に示す実施形態の別例では、各突極２６において、永久磁石４２，４４の対向関係が上記の図１から図９に示した実施形態と逆になっている。すなわち、図１０のように、ロータ巻線２８ｎによって突極２６の先端に生成される磁極がＮ極となる場合に、突極２６の先端部に永久磁石４２と第２永久磁石４４とが、互いのＳ極が周方向に対向するように配置されている。また、図１１のように、ロータ巻線２８ｓによって突極２６の先端に生成される磁極がＳ極となる場合に、突極２６に永久磁石４２と第２永久磁石４４とが、互いのＮ極が周方向に対向するように配置されている。また、上記の実施形態と同様に、ロータ巻線２８ｎ，２８ｓによって突極２６の先端側に生成される磁極と、この突極２６に対向するティース１９に形成される磁極とが同じになる場合に、ロータ巻線２８ｎ，２８ｓに誘導電流が流れないようにする。ただし、図１０、図１１のいづれの場合でも、永久磁石４２及び第２永久磁石４４によりティース１９に対し異極となる磁極が突極２６の周方向中央部に形成される。このため、突極２６の周方向中央部とティース１９との間で磁気的吸引力が作用する。このため、突極２６とティース１９との位置関係によっては、ロータ１４の始動時のトルクが上記の実施形態よりも劣る可能性はある。ただし、このような別例でも、永久磁石４２及び第２永久磁石４４により、各突極２６と各ティース１９との引き合う力を大きくでき、ロータトルクを大きくできる。また、突極２６に巻かれたロータ巻線２８ｎ，２８ｓに誘導電流が流れない場合でも、突極２６の周方向の中央部に磁極を形成できるので、正回転時及び逆回転時の回転性能をバランスよく改善しやすい。その他の構成及び作用は、上記の図１から図９に示した実施形態と同様である。

なお、別の実施形態として、図１から図９の実施形態において、ロータ１４のすべての突極２６において、永久磁石４２と第２永久磁石４４とをＮ極同士あるいはＳ極同士が対向するように配置することもできる。この場合でも、ロータ１４とステータ１２との磁気的吸引力を大きくして、ロータトルクを大きくできる。

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て軸方向に突出する複数の突極の先端部に、各ロータ巻線を流れる誘導電流によって生じる各突極の磁化方向である軸方向に対し直交する方向である周方向に磁化された１つまたは複数の永久磁石を設けることができる。

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。

更に、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、各突極の先端部に、各ロータ巻線を流れる誘導電流によって生じる各突極の磁化方向に対し直交する方向に磁化された永久磁石を設けることもできる。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、各突極の先端部に、各ロータ巻線によって各突極が磁化される場合の磁化方向である径方向に対し直交する方向である周方向に磁化された永久磁石を設ける構成とすることもできる。その場合も、突極と対向するステータの磁極にかかわらず、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 永久磁石、４４ 第２永久磁石、４６ 回転電機駆動システム、４８ インバータ、５０ 制御装置、５２ 蓄電装置、５４ コンデンサ、５６ 電流センサ、５８ パルス重畳部、６０，６２ 径方向外側面。

Claims (6)

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設けられた突極と、前記各突極に巻かれたロータ巻線と、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、前記各突極の先端部に設けられ、前記各ロータ巻線を流れる誘導電流によって生じる前記各突極の磁化方向に対し直交するロータ円周方向に沿って磁化された永久磁石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、
   前記各永久磁石は、前記各突極の最先端に配置されていることを特徴とする回転電機。
3. 請求項１または請求項２に記載の回転電機において、
   前記ロータは、前記各突極の先端部に、前記永久磁石とロータ周方向に対向するように配置され、前記永久磁石の磁化方向と同軸ではあるが逆極性に磁化された第２永久磁石を含む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、
   前記ロータ巻線によって前記突極の先端に生成される磁極がＮ極となる場合に、前記突極に前記永久磁石と前記第２永久磁石とが、互いにＮ極が周方向に対向するように配置され、
   前記ロータ巻線によって前記突極の先端に生成される磁極がＳ極となる場合に、前記突極に前記永久磁石と前記第２永久磁石とが、互いにＳ極が周方向に対向するように配置されていることを特徴とする回転電機。
5. 請求項１から請求項４のいづれか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。
6. 請求項５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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