JP2015006103A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機において、ステータ電流への電流パルス重畳中のロータトルクの改善を図ることである。【解決手段】回転電機１２は、互いに直列に接続されたロータコイル３２ｎ，３２ｓ及び第１コンデンサ８２から構成される直列接続部８４、第２コンデンサ８６、整流部であるダイオード８８、切替手段９０を有するロータコイル回路８０ｎ，８０ｓを含む。第２コンデンサ８６はロータコイル３２ｎ，３２に並列に接続される。ダイオード８８は、直列接続部８４の両端に接続される。切替手段９０は、第１コンデンサ８２と並列に接続される。切替手段９０は、ロータコイル回路８０ｎ，８０ｓにおける整流された電流が所定値以上の場合に閉状態となり、所定値未満の場合に開状態となる。【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機に関し、特にロータコイルを有するロータコイル回路に関する。

特許文献１には、ロータが、ロータコイルと、ロータコイルを選択された極性で短絡させるダイオードとを含む電磁石型回転電機と、ステータコイルに流れるステータ電流に電流パルスを重畳させる制御装置とを含む回転電機制御システムが記載されている。この構成では、ステータ電流に電流パルスを重畳させることにより、電流パルス重畳後のロータトルクが向上する。

特許文献２には、ロータコイルと、異なる相のロータコイルの間に接続されたコンデンサとを有するロータを含む回転電機が記載されている。

特開２０１３−１３２４６号公報 特開２０１０−１１６７９号公報

特許文献１に記載された構成において、ステータ磁極にロータ突極が対向するときにステータ電流に電流パルスを重畳させる場合には、電流パルスの重畳途中からロータトルクが増大する。しかしながら、ロータ突極がステータ磁極に対向した後、離れる場合の磁気吸引力が大きいので、ロータに回転方向とは逆方向に加わるトルクが増大するおそれがある。これによって、電流パルス重畳中のロータトルクの向上を図る面から改善の余地がある。また、ロータトルクにおいて、ステータ及びロータの突極間で磁気抵抗が小さくなるように互いに引き合うことで発生するリラクタンストルクの改善を図ることが望まれる。

本発明の目的は、ステータ電流への電流パルス重畳中のロータトルクの改善を図れる回転電機を提供することである。

本発明に係る回転電機は、回転磁界を発生するステータと、前記ステータに対向配置されたロータとを含む回転電機であって、前記ロータは、ロータスロットを通ってロータ突極に巻装されたロータコイルと前記ロータコイルに直列に接続された第１コンデンサとから構成される直列接続部と、前記ロータコイルに並列に接続された第２コンデンサと、前記直列接続部の両端に接続され、ロータコイル電流を一方向に整流する整流部と、前記第１コンデンサに並列に接続され、前記整流部と前記ロータコイルとの間から入力される電流により開閉される切替手段とを有するロータコイル回路を含み、前記切替手段は、前記ロータコイル回路における前記整流部により整流された電流が所定値以上の場合に閉状態となり、前記整流部により整流された電流が所定値未満の場合に開状態となることを特徴とする。

本発明の回転電機によれば、ステータ磁極にロータ突極が対向するときにステータ電流に電流パルスを重畳させる場合において、ステータ磁極にロータ突極が近づく場合には、電流パルスにより整流部の整流方向の電流が大きくなって、切替手段が閉状態となる。この場合、第２コンデンサの影響によりリラクタンストルクの改善を図れる。また、ロータ突極がステータ磁極に対向した後、離れる場合の電流パルスの変化により整流部の整流方向の電流が低下して切替手段が開状態となる。この場合、第１コンデンサ及び第２コンデンサの影響により、磁気吸引力によってロータに回転方向とは逆方向に加わるトルクが急激に低下して、回転方向のロータトルクの低下が小さくなるか、または低下しない。したがって、ステータ電流への電流パルス重畳中のロータトルクの改善を図れる。

本発明の実施形態の回転電機を含む回転電機制御システムにおいて、回転電機の周方向一部の断面と回転電機駆動部の構成とを示す図である。 図１に示した制御装置の機能的な構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態において、ｄ‐ｑ座標系を用いて、ステータ電流における電流パルス重畳時の電流ベクトルの変化を示す図である。 本発明の実施形態において、電流パルス重畳時のロータコイル電流におけるｄ軸電流ＩｄＲ及びｑ軸電流ＩｑＲと、ロータトルクＴｒとの時間的変化（ａ）と、磁極位置関係（ｂ）と、ロータコイル回路における合成インピーダンスＩＰのベクトル（Ｃ）とを示す図である。 ロータ突極が１つのステータ突極に対向する状態から、リラクタンストルクが最大となる位相でステータ突極に対しロータ突極がずれた場合の回転電機の周方向一部の模式図である。 ロータコイル回路において、切替手段が開状態である場合の電流方向を示す図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。以下では、回転電機がモータジェネレータとしての機能を有し、電動車両であるハイブリッド車両の駆動源として使用される場合を説明するが、これは例示である。回転電機は、電気自動車を含む他の電動車両の駆動源として使用されてもよい。また、回転電機は、単なる電動モータまたは単なる発電機の機能を持つ構成としてもよい。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説明する。

図１は、本実施形態の回転電機制御システム１０を示す図であって、回転電機１２の周方向一部の断面と回転電機駆動部１４の構成とを示す図である。回転電機制御システム１０は、回転電機１２と、回転電機駆動部１４とを備える。回転電機１２は、ハイブリッド車両の駆動輪を駆動するモータとしての機能を有するとともに、駆動輪の回生制動によって発電する発電機としての機能を有するモータジェネレータである。

回転電機１２は、図示しないケースに固定されたステータ１６と、ステータ１６に対向配置され、回転するロータ１８とを備える。ステータ１６は、ステータコア２０と、ステータコア２０のステータ突極２４に巻回されたｕ相、ｖ相、ｗ相の３相のステータコイル２２ｕ，２２ｖ，２２ｗとを含む。ステータコア２０は、電磁鋼板等の金属板の積層体等の磁性材料により形成される。ステータ突極２４は、ステータコア２０の周方向に複数の等間隔位置に、ロータ１８へ向けて径方向内側へ突出して設けられる。複数のスロット２６は、ステータコア２０において、各ステータ突極２４の間に形成される。なお、「径方向」という場合、ロータ１８の回転中心軸に対し直交する放射方向を意味する。また、「周方向」という場合、ロータ１８の回転中心軸を中心とするロータ円周方向を意味する。また、「軸方向」という場合、ロータ１８の軸方向を意味する。

ステータコイル２２ｕ，２２ｖ，２２ｗのそれぞれは、スロット２６を通って各ステータ突極２４に集中巻きで巻回される。ステータコイル２２ｕ，２２ｖ，２２ｗに３相のステータ電流が流れると各ステータ突極２４が磁化し、ステータ１６に回転磁界を発生する。

ロータ１８は、ステータ１６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１６に対し回転可能である。ロータ１８の中心軸孔にはケースの軸受に支持された回転軸が挿入固定される。ロータ１８は、ロータコア３０と、Ｎ極及びＳ極のロータコイル回路８０ｎ、８０ｓとを含む。

ロータコア３０は、電磁鋼板等の金属板の積層体等の磁性材料により形成され、外周側に周方向等間隔の複数個所に磁極として機能するロータ突極３８ｎ、３８ｓを含んでいる。ロータ突極３８ｎは、後述するロータコイル３２ｎに流れるロータコイル電流によってＮ極に磁化される。ロータ突極３８ｓは、後述するロータコイル３２ｓに流れるロータコイル電流によってＳ極に磁化される。ロータ突極３８ｎとロータ突極３８ｓとは、周方向に交互に配置される。ロータコア３０の外周面の隣り合うロータ突極３８ｎ、３８ｓ間には、ロータコイル３２ｎ，３２ｓの配置空間を形成する溝状のスロット４０が形成される。

ロータコイル回路８０ｎ、８０ｓは、各ロータ突極３８ｎ、３８ｓに応じて１つずつ設けられる。Ｎ極のロータコイル回路８０ｎは、図１の拡大図で示すように、ロータコイル３２ｎと第１コンデンサ８２とを直列に接続して構成される直列接続部８４と、第２コンデンサ８６と、ダイオード８８と、切替手段９０とを含む。コイル接続回路９２は、ロータコイル３２ｎを除いて、第１コンデンサ８２、第２コンデンサ８６、ダイオード８８及び切替手段９０を含んで構成され、ロータコイル３２ｎの両端に接続される。

ロータコイル３２ｎは、スロット４０を通ってロータ１８の周方向の１つおきのロータ突極３８ｎに集中巻きで巻装される。第２コンデンサ８６は、直列接続部８４の一端Ｐ１と、ロータコイル３２ｎ及び第１コンデンサ８２の接続点Ｐ２との間に、ロータコイル３２ｎに並列に接続される。

ダイオード８８は、ロータコイル電流を一方向に整流する整流部として機能するもので、直列接続部８４の両端Ｐ１，Ｐ３の間に接続される。ダイオード８８のカソードＫが直列接続部８４の一端Ｐ１に接続され、ダイオード８８のアノードＡが直列接続部８４の他端Ｐ３に接続される。なお、整流部としてサイリスタを用いてもよい。

切替手段９０は、第１コンデンサ８２に並列に接続される電流制御型の回路開閉用切替素子であり、例えばトランジスタが用いられる。切替手段９０は、接続点Ｐ２に接続される入力端子ＴＣと、直列接続部８４の他端Ｐ３に接続される出力端子ＴＥと、ダイオード８８のカソードＫ側に抵抗９４を介して接続される制御端子ＴＢとを有する。

切替手段９０は、ダイオード８８とロータコイル３２ｎとの間から抵抗９４を介して入力される電流により開閉される。ロータコイル回路８０ｎにおいて、ダイオード８８により整流された電流が予め設定される所定値以上の場合には、制御端子ＴＢに入力される電流が大きくなるので、切替手段９０は閉状態となり、切替手段９０を介して接続点Ｐ２からダイオード８８のアノードＡへ電流を流すことができる。図１のロータコイル回路８０ｎの拡大図では、切替手段９０の閉状態（ＯＮ状態）を示している。

一方、ダイオード８８により整流された電流が所定値未満の場合には、制御端子ＴＢに入力される電流が小さくなるので、切替手段９０は開状態となり、接続点Ｐ２から切替手段９０を介してのダイオード８８のアノードＡへの電流の流れが遮断される。後述する図６は、切替手段９０の開状態（ＯＦＦ状態）を示している。

Ｓ極のロータコイル回路８０ｓも、Ｎ極のロータコイル回路８０ｎと同様に形成される。この場合、ロータコイル回路８０ｓを構成するロータコイル３２ｓは、ロータ突極３８ｎと隣り合うロータ突極３８ｓにスロット４０を通って集中巻きで巻装される。また、ロータ突極３８ｓに対するロータコイル３２ｓの電流方向についての巻き方向は、ロータ突極３８ｎに対するロータコイル３２ｎの電流方向についての巻き方向に対して逆になる。

このような回転電機１２では、後述するようにステータ１６側からロータコイル３２ｎ，３２ｓに磁束が鎖交しステータ電流の変化に応じて誘導電流であるロータコイル電流が流れると、ロータコイル電流がダイオード８８により整流され、ロータ突極３８ｎ、３８ｓが所望の極性に磁化する。ロータコイル３２ｎは、ダイオード８８の整流方向に応じてロータ突極３８ｎの先端にＮ極を形成する。ロータコイル３２ｓは、ダイオード８８の整流方向に応じてロータ突極３８ｓの先端にＳ極を形成する。ロータ突極３８ｎ、３８ｓが周方向に交互に配置されるので、各ロータコイル電流によってロータ突極３８ｎ、３８ｓの先端が周方向に交互に異なる極性であるＮ極及びＳ極となる。

このようなロータコイル回路８０ｎ、８０ｓによって、ステータ電流への電流パルス重畳中のロータトルクの改善を図れるが、これについては後述する。

なお、図示は省略するが、同じ極性となる複数のロータ突極３８ｎ（または３８ｓ）に巻装されるロータコイル３２ｎ（または３２ｓ）を互いに直列に接続することにより直列接続コイルを形成し、直列接続コイルの両端に１つのコイル接続回路９２を接続してもよい。この場合には、ロータ全体でロータコイル回路の数を、Ｎ極及びＳ極形成用の２つに減らすことができる。

また、各ロータコイル３２ｎ，３２ｓは、ロータ突極３８ｎ，３８ｓの周囲に複数層の複数列に整列して巻回される整列巻き型としてもよい。

以上が回転電機１２の構成であり、次に回転電機駆動部１４を説明する。回転電機駆動部１４は、蓄電部４２と、インバータ４４と、制御装置４６とを含む。蓄電部４２は、二次電池により構成される。二次電池として、リチウムイオン電池またはニッケル水素電池が用いられる。インバータ４４は、トランジスタまたはＩＧＢＴである複数のスイッチング素子を含み、スイッチング素子のスイッチング動作により蓄電部４２からの直流電力を、ｕ相、ｖ相、ｗ相の交流電力に変換して各相のステータコイル２２ｕ，２２ｖ，２２ｗに供給する。蓄電部４２とインバータ４４との間に蓄電部４２の電圧を昇圧してインバータ４４に出力する昇圧装置を設けてもよい。

制御装置４６は、ＣＰＵ、メモリ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４４のスイッチング素子のスイッチングを制御することにより回転電機１２の駆動を制御する。制御装置４６は、回転電機１２と一体に結合した構成としてもよいが、車体において制御装置４６と回転電機１２とを分離して配置する構成としてもよい。

制御装置４６は、Ｉｄ‐Ｉｑ生成部４７と、Ｉｄ‐Ｉｑパルス生成部４８と、Ｉｄパルス重畳部５０及びＩｑパルス重畳部５２とを有する。図２は、図１に示した制御装置４６の機能的な構成を示している。制御装置４６には、運転者のアクセルペダルの操作量に基づく目標トルクであるトルク指令値Ｔｒ＊が入力される。

制御装置４６は、ｄ‐ｑ軸ベクトル電流制御によりステータ電流を制御することで回転電機１２の駆動を制御する。Ｉｄ‐Ｉｑ生成部４７にはトルク指令値Ｔｒ＊が入力される。Ｉｄ‐Ｉｑ生成部４７は、トルク指令値Ｔｒ＊に基づいてステータ１６に回転磁界を発生させる電流ベクトルのｄ軸電流指令値Ｉｄ（０）及びｑ軸電流指令値Ｉｑ（０）を生成する。ここで、ｄ軸とは、ロータコイル３２ｎ、３２ｓが巻回されたロータ突極３８ｎ、３８ｓの周方向中央を径方向に通過する磁極方向を意味し、ｑ軸とはｄ軸に対し電気角で９０度進んだ方向をいう。例えば、図１のようにロータ１８の回転方向が規定される場合、ｄ軸方向、ｑ軸方向はそれぞれ図１の矢印で示す関係で規定される。また、ｄ軸電流はステータ電流またはロータコイル電流の励磁電流成分を意味し、ｑ軸電流はトルク寄与電流成分を意味する。ｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流Ｉｑはロータコイル電流及びステータ電流のそれぞれで規定されるが、図２、図３ではステータ電流の電流成分を意味する。以下において、ロータコイル電流のｄ軸電流及びｑ軸電流は、ＩｄＲ、ＩｑＲの符号を付して説明する。

Ｉｄ‐Ｉｑ生成部４７で生成されたｄ軸電流指令値Ｉｄ（０）はＩｄパルス重畳部５０に出力され、ｑ軸電流指令値Ｉｑ（０）はＩｑパルス重畳部５２に出力される。

Ｉｄパルス重畳部５０には、Ｉｄ‐Ｉｑパルス生成部４８で生成されたＩｄパルスの変化分が入力される。Ｉｄパルス重畳部５０は、ｄ軸電流指令値Ｉｄ（０）にＩｄパルスの変化分を所定タイミングで重畳させて、変化後のｄ軸電流指令値Ｉｄ（１）を減算器６０へ出力する。「所定タイミング」は、ステータ突極２４にロータ突極３８ｎ（または３８ｓ）が対向するときにＩｄパルスが最大値となり、Ｉｑパルスが最小値となるタイミングである。

Ｉｑパルス重畳部５２には、Ｉｄ‐Ｉｑパルス生成部４８で生成されたＩｑパルスの変化分が入力される。Ｉｑパルス重畳部５２は、ｑ軸電流指令値Ｉｑ（０）にＩｑパルスの変化分を所定タイミングで重畳させて、変化後のｑ軸電流指令値Ｉｑ（１）を減算器６２へ出力する。Ｉｄ‐Ｉｑパルス生成部４８は後で詳しく説明する。

減算器６０、６２には、３相／２相変換部７２から電流値Ｉｄ、Ｉｑが入力される。減算器６０は、変更後のｄ軸電流指令値Ｉｄ（１）と電流値Ｉｄとの偏差を算出し、その算出した偏差をＰＩ制御部６４に出力する。減算器６２は、変更後のｑ軸電流指令値Ｉｑ（１）と電流値Ｉｑとの偏差を算出し、その算出した偏差をＰＩ制御部６６に出力する。

ＰＩ制御部６４，６６は、入力された偏差に対して予め設定されたＰＩゲインに基づいてＰＩ制御を行うことでｄ軸電圧Ｖｄ及びｑ軸電圧Ｖｑをそれぞれ算出し、その算出したｄ軸電圧Ｖｄ及びｑ軸電圧Ｖｑを２相／３相変換部６８に出力する。

２相／３相変換部６８は、入力されたｄ軸電圧Ｖｄ及びｑ軸電圧Ｖｑと、回転センサ５６から受信した回転角度ｘとに基づいて２相／３相変換することで３相電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを算出し、３相電圧Ｖｕ，Ｖｖ，ＶｗをＰＷＭ生成部７０に出力する。

ＰＷＭ生成部７０は、３相電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗと予め記憶された搬送波との電圧比較によって、インバータ４４の各相の上下のスイッチング素子をオンオフするスイッチング制御信号を生成し、インバータ４４に出力する。インバータ４４は、スイッチング制御信号に応じてインバータ４４の各スイッチング素子のオンオフ動作を行う。これにより回転電機１２の各相ステータコイルにステータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが流れる。

３相／２相変換部７２には、電流センサ５４からステータ電流Ｉｖ，Ｉｗが入力される。３相／２相変換部７２は、電流センサ５４から入力されたステータ電流Ｉｖ，Ｉｗの検出値と回転センサ５６から受信した回転電機１２の回転角度ｘの検出値とから、３相／２相変換してｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑを算出し、ｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑをそれぞれ減算器６０，６２へ出力する。制御装置４６では、ｄ軸及びｑ軸の電流値Ｉｄ，Ｉｑと、変更後のｄ軸電流指令値Ｉｄ（１）及びｑ軸電流指令値Ｉｑ（１）とがそれぞれ一致するようにフィードバック制御が行われる。

ここでＩｄ‐Ｉｑパルス生成部４８を説明する。Ｉｄ‐Ｉｑパルス生成部４８は、ｄ軸電流指令Ｉｄ（０）に重畳させるＩｄパルスを構成する複数の変化分を複数回の制御周期で分けて生成し、ｑ軸電流指令Ｉｑ（０）に重畳させるＩｑパルスを構成する複数の変化分を複数回の制御周期で分けて生成する。

図３は、ｄ‐ｑ座標系を用いて、電流パルス重畳時の電流ベクトルの変化を示している。なお、図３の二点鎖線Ｍは、ロータコイル３２ｎ、３２ｓにより形成される電磁石を概念的に示している。

Ｉｄ‐Ｉｑパルス生成部４８は、電流パルス重畳前の第１電流ベクトルＩ₁と、電流パルス重畳中の第２電流ベクトルＩ₂とを設定している。第２電流ベクトルＩ₂は、第１電流ベクトルＩ₁から所定の増加分でｄ軸電流Ｉｄを増加させ、所定の減少分でｑ軸電流Ｉｑを減少させて設定される。

また、電流ベクトルとｄ軸正方向との間での位相を電流位相として、第１電流ベクトルＩ₁の第１電流位相θ１と第２電流ベクトルＩ₂の第２電流位相θ２との間に、中間位相として、リラクタンストルクが最大となる４５°の電流位相θｍがある。「リラクタンストルク」は、後述のように、ステータ１６が発生する回転磁界がロータ１８に作用した場合に、ロータ１８の磁気抵抗が小さくなるようにステータ突極２４にロータ突極３８ｎ、３８ｓが吸引されることにより、ロータ１８に発生するトルクである。

Ｉｄ‐Ｉｑパルス生成部４８は、電流位相θｍを有する中間電流ベクトルＩｍを設定する。中間電流ベクトルＩｍは、第１電流ベクトルＩ₁から第２電流ベクトルＩ₂へ一直線状にベクトル軌跡を変化させる場合の電流位相θｍでの仮想電流ベクトルＩｍａよりも大きくする。

より具体的には、Ｉｄ‐Ｉｑパルス生成部４８は、ｄ‐ｑ座標系で、連続通電許可制御円Ｃｒ１と、連続通電許可制御円Ｃｒ１よりも大きい瞬時通電許可制御円Ｃｒ２とを設定し、電流パルス重畳前及び電流パルス重畳中の電流ベクトルを設定する。第１電流ベクトルＩ₁の終点Ａ１は連続通電許可制御円Ｃｒ１上に設定し、第２電流ベクトルＩ₂の終点Ａ３は、瞬時通電許可制御円Ｃｒ２上に設定する。連続通電許可制御円Ｃｒ１の大きさは、インバータ４４を含む部品で許容される電流であって、連続通電が許容される最大範囲を規定する電流から決定される。瞬時通電許可電流制御円Ｃｒ２は、部品において短時間だけの通電が許容される最大範囲を規定する電流から決定される。

中間電流ベクトルＩｍの終点Ａ２は、瞬時通電許可制御円Ｃｒ２上で、瞬時通電許可制御円Ｃｒ２と電流位相θｍにおけるリラクタンストルク最大位相線αとの交点に設定される。電流ベクトルＩ₁，Ｉｍ，Ｉ₂の始点は原点Ｏである。また、中間電流ベクトルＩｍ及び第２電流ベクトルＩ₂は、第１電流ベクトルＩ₁よりも大きい。中間電流ベクトルＩｍは、第２電流ベクトルＩ₂よりも小さくしてもよい。

図４は、電流パルス重畳時のロータ電流のｄ軸電流ＩｄＲ及びｑ軸電流ＩｑＲと、ロータトルクＴｒとの時間的変化（ａ）と、磁極位置関係（ｂ）と、ロータコイル回路８０ｎ、８０ｓにおける合成インピーダンスＩＰのベクトル（Ｃ）とを示している。図４では、破線Ｉｄ、Ｉｑによりステータ１６のｄ軸電流及びｑ軸電流を示しており、実線ＩｄＲ、ＩｑＲによりロータのｄ軸電流及びｑ軸電流を示している。図４は、ロータ１８が一定速度で回転する場合を示している。

図３、図４で示すように、電流ベクトルＩ₁，Ｉｍ，Ｉ₂の終点は、電流パルス重畳開始時の点Ａ１から、ロータ１８の回転速度との関係で予め設定される第１所定時間Ｔ１後に点Ａ２に達し、次の第２所定時間Ｔ２後に点Ａ３に達するように設定される。同様に第３所定時間Ｔ３及び第４所定時間Ｔ４で電流ベクトルＩ₁，Ｉｍ，Ｉ₂の終点は、点Ａ２、点Ａ１に順に戻るように設定する。この場合、電流ベクトルＩ₁，Ｉｍ，Ｉ₂の終点は、Ａ１→Ａ２→Ａ３→Ａ２→Ａ１の順に変化する。Ａ１，Ａ２間及びＡ２，Ａ３間のそれぞれで、電流ベクトルＩ₁，Ｉｍ，Ｉ₂間のベクトル軌跡は直線状となる。

Ｉｄ‐Ｉｑパルス生成部４８は、第１電流ベクトルＩ₁から第２電流ベクトルＩ₂への変化中と、第２電流ベクトルＩ₂から第１電流ベクトルＩ₁への変化中との両方で、電流ベクトルを中間電流ベクトルＩｍに変化させることでＩｄパルス及びＩｑパルスを生成する。

この場合、リラクタンストルク最大位相線α上の中間電流ベクトルＩｍが仮想電流ベクトルＩｍａよりも大きくなるのでリラクタンストルクを増大でき、電流パルス重畳中のロータトルクを改善できる。

このような電流ベクトルＩ₁，Ｉｍ，Ｉ₂のｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑの変化分は、複数回の制御周期で分けられて、Ｉｄ‐Ｉｑパルス生成部４８からＩｄパルス重畳部５０及びＩｑパルス重畳部５２に出力され、変化前のｄ軸電流指令Ｉｄ（０）及びｑ軸電流指令Ｉｑ（０）に重畳されて、減算器６０，６２に出力される。このため、図４（ａ）の上側のステータのｄ軸電流Ｉｄの時間的変化で示すように、ｄ軸電流Ｉｄには、点Ａ１に対応する重畳パルスなしの期間ＴＡの最後から増大し、点Ａ３を上限として減少するＩｄパルスが重畳される。この場合、Ｉｄパルスは方形波パルスに近い形状になる。

また、図４（ａ）のステータのｑ軸電流Ｉｑの時間的変化で示すように、点Ａ１と点Ａ２とではｑ軸電流Ｉｑはあまり変化しないが、点Ａ２から急激に減少し、点Ａ３を下限として急激に増大するＩｑパルスがｑ軸電流Ｉｑに重畳される。このようなＩｄパルス及びＩｑパルスの重畳は、電気的１周期の予め設定された所定タイミングで行われる。Ｉｄパルス及びＩｑパルスは、パルスが最大値または最小値となる時点を中心として時間的に対称な形状とすることができる。

次に、回転電機１２の動作と、回転電機制御システム１０の作用効果とを順に説明する。図１に示す３相のステータコイル２２ｕ，２２ｖ，２２ｗに３相の交流電流が流れることでステータ１６が回転磁界を発生する。この回転磁界は、起磁力分布として、正弦波分布だけでなく高調波成分を含んでいる。特に、集中巻きにおいては、各相のステータコイル２２ｕ，２２ｖ，２２ｗが互いに径方向に重なり合わないので、ステータ１６の起磁力分布に含まれる高調波成分の振幅レベルが増大する。例えば、３相の集中巻きの場合には、高調波成分としてステータコイル２２ｕ，２２ｖ，２２ｗの入力電流の周波数の時間的３次で空間的２次の高調波成分の振幅レベルが増大する。このような高調波成分は空間高調波と呼ばれる。ここで、回転磁界の基本波成分がロータ１８に作用すると、ステータ１６とロータ１８との間の磁気抵抗が小さくなるように、ロータ突極３８ｎ，３８ｓがステータ突極２４に吸引される。これによって、ロータ１８にリラクタンストルクが作用する。

また、回転磁界がステータ１６からロータ１８に作用すると、回転磁界に含まれる高調波成分の磁束変動により、ステータ１６からロータ１８のスロット４０内に漏れ出る漏れ磁束が発生し、その漏れ磁束が変動する。漏れ磁束の変動が大きい場合にはスロット４０に配置されたロータコイル３２ｎ，３２ｓの少なくともいずれかにロータコイル電流が発生する。ロータコイル電流が発生すると、そのロータコイル電流は、ダイオード８８により整流されることで所定の一方向となる。そして、ダイオード８８で整流された電流が各ロータコイル３２ｎ、３２ｓに流れるのに応じて各ロータ突極３８ｎ、３８ｓが磁化し、各ロータ突極３８ｎ、３８ｓが所望の極性の磁極として機能する。この場合、ダイオード８８の整流方向とロータコイル３２ｎ、３２ｓの巻き方向との関係に応じて、各ロータコイル電流により生じる磁極として、周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置される。

このような回転電機１２では、ある回転数以下ではロータ回転数が高くなるほどロータコイル電流は大きくなり、ロータトルクもロータコイル電流に応じて大きくなる。

一方、実施形態と異なり、ｄ軸電流指令Ｉｄ（０）及びｑ軸電流パルス指令Ｉｑ（０）に電流パルスを重畳させない場合、ロータ１８の低回転数領域では、ステータ１６からロータコイル３２ｎ，３２ｓに鎖交する漏れ磁束の変動周波数が低いのでロータコイル電流が小さくなり、ロータトルクも小さくなる。実施形態では、図３、図４に示したようにｑ軸電流指令Ｉｑ（０）にＩｑパルスを重畳させるので、ステータ１６からロータ１８のスロット４０内に漏れ出る漏れ磁束の変動を大きくでき、ロータコイル電流が大きくなる。しかも、ｄ軸電流指令Ｉｄ（０）にＩｄパルスを重畳させるので、図１のロータ１８及びステータ１６間のｄ軸方向に生成されるｄ軸磁路を通過する磁束の変動が大きくなる。ロータコイル３２ｎ，３２ｓにはこの変動を妨げるようにロータコイル電流が流れる。このため、ロータコイル電流がより大きくなる。したがって、低回転数領域においてロータトルクを大きくできる。

しかも、制御装置４６は、回転磁界を発生させる電流ベクトルへの電流パルスの重畳中に、電流位相が４５°の中間位相である中間電流ベクトルＩｍに変化させ、第１電流ベクトルＩ₁から第２電流ベクトルＩ₂へ一直線状にベクトル軌跡を変化させる場合の電流位相θｍでの仮想電流ベクトルＩｍａよりも中間電流ベクトルＩｍを大きくする。このため、電流パルス重畳中のリラクタンストルクを増大できる。これについて、図３から図５を用いて説明する。

図５は、回転電機１２の周方向一部の模式図であり、ロータ突極３８ｎがＳ極として機能するＱ位置の１つのステータ突極２４に対向する状態から、ロータ突極３８ｎがステータ突極２４に対し４５°位相がずれている。ここでの「位相」は、ロータ１８のＮ極の中心とＳ極の中心との間の角度を１８０°と定義した場合のロータ１８の電気角を表しており、これより以前で説明した「電流位相」とは異なる。上記の１つのステータ突極２４は、ロータ突極３８ｎの回転方向前側に位置する。これは、電流ベクトルの終点が図３のリラクタンストルク最大位相線α上に位置する場合に対応する。

この場合には、リラクタンストルクが最大となり、ロータ突極３８ｎとステータ突極２４との間で矢印δ方向に作用する磁気的吸引力が大きくなる。このため、リラクタンストルク最大位相線α上に位置する電流ベクトルを中間電流ベクトルＩｍとして絶対値を大きくすることによりステータ突極２４の磁力を大きくでき、リラクタンストルクを増大できる。したがって、ステータ電流への電流パルス重畳中に大きい中間電流ベクトルＩｍに変化させることで電流パルス重畳中のロータトルクの改善を図れる。

例えば、図４（ａ）では、比較例１において、ステータ１６のｄ軸電流及びｑ軸電流を二点鎖線Ｉｄ１、Ｉｑ１で示している。比較例１は、ステータ電流に電流パルスを重畳させる場合に、図３で点Ａ２を通過させず、点Ａ１から点Ａ３へ一直線上に移行した後、点Ａ３から点Ａ１へ一直線上に戻るように、電流ベクトルの終点を変化させる構成である。一方、図４（ａ）では、実施形態において、ステータ１６のｄ軸電流及びｑ軸電流を破線Ｉｄ，Ｉｑで示している。このため、ステータ１６のｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑは、Ａ２に対応するリラクタンストルク最大位相線α上で大きくなっている。このため、ロータトルクを改善できる。

しかも図１に示すように、ロータコイル回路８０ｎ、８０ｓにおいて、切替手段９０は、ダイオード８８により整流された電流が所定値以上の場合に閉状態でありＯＮとなるので、第１コンデンサ８２の両端が切替手段９０で短絡される。この場合、リラクタンストルクをさらに改善できる。

このトルク改善について、図４を用いて説明する。以下では、ロータ１８の回転時に、Ｓ極として機能するステータ突極２４に、ロータコイル回路８０ｎのロータ突極３８ｎが対向する場合を説明する。Ｎ極として機能するステータ突極２４に、ロータコイル回路８０ｓのロータ突極３８ｓが対向する場合も同様である。

図４では、ステータ突極２４にロータ突極３８ｎが対向する瞬間に電流パルスが最大となっている。また、図４（ｃ）の「ＩＰベクトル」はロータコイル回路８０ｎにおいて、直列接続部８４と第２コンデンサ８６とを含む部分の合成インピーダンスを示している。この場合、「実軸」がロータ１８のｄ軸電流ＩｄＲに対応し、「虚軸」がｑ軸電流ＩｑＲに対応する。

図４の電流パルス重畳の初期段階（Ａ１からＡ２の期間）では、ロータ突極３８ｎとステータ突極２４との距離が比較的大きいので、突極３８ｎ、２４間の磁気抵抗が大きくロータコイル３２ｎについてのインダクタンスＬは低くなる。そして、ステータ突極２４にロータ突極３８ｎが近づく場合に、電流パルスによりダイオード８８の整流方向の電流が大きくなって切替手段９０が閉状態となる。この場合、図１のロータコイル回路８０ｎで示すように、第１コンデンサ８２は切替手段９０で短絡される。合成インピーダンスＩＰは、第２コンデンサ８６の静電容量ＣとインダクタンスＬと抵抗成分との関係から決定される。このため、ロータ１８のｄ軸電流ＩｄＲは、Ａ１からＡ２、Ａ２からＡ３に向かって、回路の時定数に応じて大きくなる方向に湾曲する曲線状に増大する。この場合、ステータ突極２４にロータ突極３８ｎが近づくにしたがってインダクタンスＬが増大するので、ｄ軸電流ＩｄＲの上昇が徐々に抑制され、電流パルス重畳の中間段階（Ａ３）で最大となる。

また、Ａ１からＡ３で合成インピーダンスＩＰの虚軸成分は、第２コンデンサ８６の静電容量Ｃの影響で、第２コンデンサ８６がない場合に比べて小さくなる。このため、ロータのｑ軸電流ＩｑＲがＡ１からＡ３に時間経過にしたがって低下する際の低下量が、第２コンデンサ８６がない場合に比べて小さくなる。このため、図４のロータトルクＴｒの時間的変化で示すように、第２コンデンサ８６の影響によりリラクタンストルクが改善するので、ロータトルクＴｒが低下する際の低下量が小さくなる。

一方、図４（ａ）のロータトルクの時間的変化では、比較例２を破線Ｔｒ２で示している。比較例２では、実施形態と同様にステータ電流に所定タイミングで電流パルスが重畳し、電流パルスの中間電流ベクトルが図３のＩｍである。また、比較例２では、実施形態と異なり、ロータ１８にロータコイル回路が設けられず、各ロータコイル３２ｎ、３２ｓがダイオードで短絡され、ロータの周方向にＮ極、Ｓ極のロータ突極３８ｎ、３８ｓが交互に形成される。

このような比較例２では、実施形態と同様に中間電流ベクトルＩｍによりリラクタンストルクが増大するので、ロータトルクＴｒ２が二点鎖線で示す比較例１のロータトルクＴｒ１に比べて増大する。一方、比較例２はロータコイル回路を有しないので、Ａ１及びＡ２間、Ａ２及びＡ３間でロータトルクＴｒ２は実施形態のロータトルクＴｒに比べて小さくなる。

また、ステータ突極２４にロータ突極３８ｎ、３８ｓが対向した後に、ステータ突極２４とロータ突極３８ｎ、３８ｓとの間で作用する磁気吸引力によってロータ１８に回転方向とは逆方向に加わるトルクは、「引き摺りトルク」と呼ばれる。ロータ１８がロータコイル回路８０ｎ、８０ｓを有することによってこの引き摺りトルクを小さくできるので、ロータトルクをさらに改善できる。

次に、このトルク改善について説明する。電流パルス重畳の中間段階から終期段階で、Ａ３からＡ２、Ａ２からＡ１に移行する場合には、ロータ突極３８ｎ及びステータ突極２４が対向した後にＩｄパルスが小さくなるように変化する。この場合、ダイオード８８の整流方向の電流が低下して、切替手段９０の制御端子ＴＢの電位が低下するので、切替手段９０が開状態となり、ＯＦＦとなる。この場合、図６で示すように、第１コンデンサ８２の両端が切替手段９０で短絡されない。図６では、切替手段９０がＯＦＦであることを破線で模式的に示している。この場合、図４（ｃ）のＡ２の合成インピーダンスＩＰで示すように、第１コンデンサ８２及び第２コンデンサ８６の静電容量Ｃの関係で、合成インピーダンスＩＰの虚軸成分が大幅に小さくなる。このため、各コンデンサ８２，８６の影響によりｑ軸電流ＩｑＲが時間に従って急激に増大する。また、ｑ軸電流ＩｑＲが急激に増大することに伴ってｄ軸電流ＩｄＲが急激に低下する。このため、ロータ１８に加わる引き摺りトルクがＡ３以降で急激に低下するので回転方向のロータトルクの低下が小さいか、または低下しない。したがって、Ａ３からＡ１の間で次の励磁相のトルク上昇として変化する場合のロータトルクＴｒを改善できる。

一方、Ａ３からＡ１において、比較例２では実施形態と同様にリラクタンストルクが増大するのでロータトルクＴｒ２が比較例１のロータトルクＴｒ１に比べて増大するが、比較例２がロータコイル回路を有しないので、Ａ３及びＡ２間、Ａ２及びＡ１間でロータトルクＴｒ２は実施形態のロータトルクＴｒに比べて小さくなる。このように実施形態では、ステータ電流への電流パルス重畳中のロータトルクの改善を図れる。

また、実施形態では、各ロータコイル３２ｎ、３２ｓにコイル接続回路９２を接続することでロータコイル回路８０ｎ、８０ｓを形成できるので、ロータ１８に対する部品の組み付け作業は容易である。また、コイル接続回路９２の構成部品はチップ部品であるので、小型に形成できる。また、ロータ１８のｄ軸電流ＩｄＲ及びｑ軸電流ＩｑＲは正弦波に近くなるので、ノイズとなる高調波が載りにくいので損失を低減できる。

また、実施形態と異なり、ロータにおける電気回路がコイルを短絡するダイオードのみから構成される場合、ステータ電流に方形波パルスを重畳させる場合に時定数の関係で効率のよい電流ベクトル軌跡を規定する電流パルスを重畳できない可能性がある。実施形態では、コンデンサ８２，８６を含むロータコイル回路８０ｎ、８０ｓを設けているので、方形波パルスに近い電流パルスをステータ電流に重畳させる場合に、効率のよい電流ベクトル軌跡を規定する所望の電流パルスをステータ電流に重畳できる。

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、ステータコイルはステータに集中巻きで巻線する場合を説明したが、ステータで高調波成分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コイルを分布巻きで巻線する構成としてもよい。また、上記の実施形態ではｄ軸電流Ｉｄに、中間電流ベクトルＩｍ（図３）を規定し方形波パルスに近い形状のＩｄパルスを重畳させる場合を説明したが、別のＩｄパルス、例えば三角波のＩｄパルスをｄ軸電流Ｉｄに重畳させる場合でも本発明を実施できる。

１０ 回転電機制御システム、１２ 回転電機、１４ 回転電機駆動部、１６ ステータ、１８ ロータ、２０ ステータコア、２２ｕ，２２ｖ，２２ｗ ステータコイル、２４ ステータ突極、２６ スロット、３０ ロータコア、３２ｎ，３２ｓ ロータコイル、３８ｎ，３８ｓ ロータ突極、４０ スロット、４２ 蓄電部、４４ インバータ、４６ 制御装置、４７ Ｉｄ‐Ｉｑ生成部、４８ Ｉｄ‐Ｉｑパルス生成部、５０ Ｉｄパルス重畳部、５２ Ｉｑパルス重畳部、５４ 電流センサ、５６ 回転センサ、６０，６２ 減算器、６４，６６ ＰＩ制御部、６８ ２相／３相変換部、７０ ＰＷＭ制御部、７２ ３相／２相変換部、８０ｎ，８０ｓ ロータコイル回路、８２ 第１コンデンサ、８４ 直列接続部、８６ 第２コンデンサ、８８ ダイオード、９０ 切替手段、９２ コイル接続回路、９４ 抵抗。

Claims (1)

1. 回転磁界を発生するステータと、前記ステータに対向配置されたロータとを含む回転電機であって、
   前記ロータは、
   ロータスロットを通ってロータ突極に巻装されたロータコイルと前記ロータコイルに直列に接続された第１コンデンサとから構成される直列接続部と、
   前記ロータコイルに並列に接続された第２コンデンサと、
   前記直列接続部の両端に接続され、ロータコイル電流を一方向に整流する整流部と、
   前記第１コンデンサに並列に接続され、前記整流部と前記ロータコイルとの間から入力される電流により開閉される切替手段とを有するロータコイル回路を含み、
   前記切替手段は、前記ロータコイル回路における前記整流部により整流された電流が所定値以上の場合に閉状態となり、前記整流部により整流された電流が所定値未満の場合に開状態となることを特徴とする回転電機。

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