JP2016103957A - 回転電機の制御装置及び回転電機の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な機器で回転電機の界磁磁束及び電機子の磁束の両方を制御でき、かつ回転電機のトルクリップルを低減すること。
【解決手段】回転軸と直交する方向に突出する複数の突極を有するローターと、前記ローターの径方向外側に配置されて前記ローターの周囲を取り囲む環状の構造体及び６×ｎ個の巻線を前記構造体の周方向に沿って有するステーターと、を含む回転電機を制御する制御装置であって、前記巻線を流れる電流から前記電流に含まれるオフセット電流を減算して得られた電流である参照電流を求め、得られた前記参照電流を３相一組とした２以上の群に分けて、それぞれの群に対して前記参照電流に基づいて前記ローターを駆動するための駆動信号を生成し、前記駆動信号と前記ステーターに界磁磁束を発生させるための界磁信号とを重畳して前記巻線に入力する、回転電機の制御装置。ｎは１以上の整数である。
【選択図】図１５

Description

本発明は、回転電機の制御装置及び回転電機の制御方法に関する。

電機子巻線と界磁巻線とを備えた電動機がある（例えば、特許文献１）。

特開２０１３−２０１８６９号公報

特許文献１に記載された発明は、電機子巻線と界磁巻線とを有しているので、特許文献１に記載された回転機を制御するための制御装置は、界磁用の回路と駆動用の回路とが必要になり、制御装置が複雑になる。また、回転電機の運転時において、トルクリップルをできる限り低減させたいという要請がある。

本発明は、簡易な機器で回転電機の界磁磁束及び電機子の磁束の両方を制御でき、かつ回転電機のトルクリップルを低減することを目的とする。

本発明は、回転軸を中心として回転し、かつ前記回転軸と直交する方向に突出する複数の突極を有するローターと、前記ローターの径方向外側に配置されて前記ローターの周囲を取り囲む環状の構造体及び６×ｎ個の巻線を前記構造体の周方向に沿って有するステーターと、を含む回転電機を制御する制御装置であって、前記巻線を流れる電流から前記電流に含まれるオフセット電流を減算して得られた電流である参照電流を求め、得られた前記参照電流を３相一組とした２以上の群に分けて、それぞれの群に対して前記参照電流に基づいて前記ローターを駆動するための駆動信号を生成し、前記駆動信号と前記ステーターに界磁磁束を発生させるための界磁信号とを重畳して前記巻線に入力する、回転電機の制御装置である。ｎは１以上の整数である。

前記オフセット電流は、前記ステーターに界磁磁束を発生させるための電圧を、前記巻線の抵抗値で除した値であることが好ましい。

前記オフセット電流は、前記制御装置による制御の１周期前において、前記巻線を流れる電流の平均値であることが好ましい。

前記オフセット電流は、前記制御装置による制御の１周期前において、前記巻線を流れる電流の最大値と最小値とを加算した値の１／２であることが好ましい。

前記突極は８×ｎ個であり、前記巻線は１２×ｎ個であり、前記界磁信号は前記ステーターに３×ｎ次の界磁磁束を発生させるための信号であり、隣接する２個の前記巻線を巻線対とし、６×ｎ個の前記巻線対は前記界磁信号によって前記周方向に沿ってＮ極とＳ極とを交互に形成し、得られた前記参照電流が、３相一組とした２つの群に分けられて、それぞれの群に対して前記駆動信号が生成されることが好ましい。ｎは１以上の整数である。

本発明は、回転軸を中心として回転し、かつ前記回転軸と直交する方向に突出する８×ｎ個の突極を有するローターと、前記ローターの径方向外側に配置されて前記ローターの周囲を取り囲む環状の構造体及び１２×ｎ個の巻線を前記構造体の周方向に沿って有するステーターと、を含み、隣接する２個の前記巻線を巻線対とし、６×ｎ個の前記巻線対は前記界磁信号によって前記周方向に沿ってＮ極とＳ極とを交互に形成する回転電機を制御するにあたり、前記巻線を流れる電流から前記電流に含まれるオフセット電流を減算して得られた電流である参照電流を求めることと、得られた前記参照電流を３相一組とした２以上の群に分けて、それぞれの群に対して前記参照電流に基づいて前記ローターを駆動するための駆動信号を生成することと、前記駆動信号と前記ステーターに界磁磁束を発生させるための界磁信号とを重畳して前記巻線に入力することと、を含む、回転電機の制御方法である。ｎは１以上の整数である。

本発明は、簡易な機器で回転電機の界磁磁束及び電機子の磁束の両方を制御でき、かつ回転電機のトルクリップルを低減することができる。

図１は、実施形態に係る回転電機を、その回転軸を通りかつ回転軸を含む平面で切った断面図である。 図２は、実施形態に係る回転電機が備える巻線の配線を示す図である。 図３は、実施形態に係る回転電機のステーターを展開した図である。 図４は、実施形態に係る回転電機のステーターの突極が発生する起磁力とステーターの周方向における突極の中心角との関係を示す図である。 図５は、実施形態に係る回転電機のステーターの突極が発生する起磁力を高速フーリエ変換した結果を示す図である。 図６は、実施形態に係る回転電機及びこの回転電機を制御する回転電機の制御装置１００を示す図である。 図７は、制御装置の制御部を説明するための図である。 図８は、比較例に係る回転電機及びを、その回転軸を通りかつ回転軸を含む平面で切った断面図である。 図９は、比較例に係る回転電機及びを、その回転軸を通りかつ回転軸を含む平面で切った断面図である。 図１０は、実施形態に係る回転電機と比較例に係る回転電機とのトルクと回転速度との関係を示す図である。 図１１は、実施形態に係る回転電機と比較例に係る回転電機とのトルクと時間との関係を示す図である。 図１２は、比較例に係る回転電機のローターの電気角と誘起電圧との関係を示す図である。 図１３は、実施形態に係る回転電機のローターの電気角と誘起電圧との関係を示す図である。 図１４は、実施形態に係る回転電機の制御方法の制御ブロック図である。 図１５は、実施形態に係る回転電機を制御する回転電機の制御装置を示す図である。 図１６は、回転電機に流れる電流と時間との関係を示す図である。 図１７は、実施形態に係る回転電機を制御装置で制御した場合のトルク、制御装置で制御した場合のトルク及び比較例に係る回転電機とのトルクと回転速度との関係を示す図である。 図１８は、実施形態に係る回転電機を制御装置で制御した場合の制御電流、制御装置で制御した場合の制御電流及び比較例に係る回転電機の制御電流と時間との関係を示す図である。

本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。

＜回転電機の構造＞
図１は、実施形態に係る回転電機１を、その回転軸Ｚｒを通りかつ回転軸Ｚｒを含む平面で切った断面図である。図２は、実施形態に係る回転電機１が備える巻線３Ｃの配線を示す図である。回転電機１は、ローター２と、ステーター３とを含む。ローター２は、回転軸Ｚｒを中心として回転する。ローター２は、本体部２Ｂと、複数の突極２Ｔとを有する。複数の突極２Ｔは、本体部２Ｂの表面２ＢＳから、回転軸Ｚｒと直交する方向に突出する。本実施形態において、ローター２は、複数、より具体的には８個の突極２Ｔを備える。ローター２は、例えば、電磁鋼板を積層して製造される。

ステーター３は、ローター２の径方向外側に配置されてローター２の周囲を取り囲む環状の構造体としてのステーターコア３Ｋと、この構造体に取り付けられた複数の巻線３Ｃとを有する。ステーターコア３Ｋは、環状のヨーク３Ｙと、ヨーク３Ｙの内側、すなわちローター２側に設けられた複数の突極３Ｔとを有する。複数の突極３Ｔは、ヨーク３Ｙの周方向に沿って設けられる。隣接する突極３Ｔの間はスロット３Ｓであり、ここに巻線３Ｃが設けられる。本実施形態において、複数の巻線３Ｃは突極３Ｔ及びスロット３Ｓに集中巻されているが、巻線３Ｃは分布巻であってもよい。ステーターコア３Ｋは、例えば、電磁鋼板を積層して製造される。

巻線３Ｃを形成する電線は導体であり、例えば、銅線又はアルミニウム線等が用いられる。ステーター３は、巻線３Ｃが突極３Ｔに巻き回された構造体が樹脂でモールドされてもよい。このようにすることで、構造体と巻線とを一体にすることができるので、ステーター３の取り扱いが容易になる。

巻線３Ｃは、それぞれの突極３Ｔに巻き回され、スロット３Ｓに設けられる。本実施形態において、ステーター３は、複数、より具体的には１２個の巻線３Ｃを備える。１２個の巻線３Ｃは、環状の構造体、より具体的にはヨーク３Ｙの周方向に沿って設けられる。以下において、１２個の巻線３Ｃを区別する場合は、３Ｃ１、３Ｃ２等のように符号３Ｃの後に数字を付して表す。

回転電機１の巻線３Ｃは、電機子巻線と界磁巻線とが共通となっている。回転電機１は、界磁巻線としての巻線３Ｃが作る磁界をローター２の磁極である突極２Ｔで変調し、電機子巻線としての巻線３Ｃが作る磁界と同期させてローター２を回転させる。このため、複数の巻線３Ｃは、界磁磁束を発生させるための界磁信号とローター２を３相の回転電機として駆動させるための駆動信号とが重畳されて入力される。界磁信号と駆動信号とが重畳された信号を、適宜合成駆動信号と称する。このような構造及び駆動信号により、回転電機１は、簡易な機器で界磁磁束及び電機子の磁束の両方が制御される。

図１及び図２中の符号Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ及び符号Ｕ、Ｖ、Ｗは、それぞれの巻線３Ｃの相を表す。相を表す符号に付される＋及び−は、巻線３Ｃの相が生成する磁束の方向を示す。本実施形態においては、便宜上＋をＮ極とし、−をＳ極とするが、＋がＳ極、−がＮ極であってもよい。界磁信号は、回転電機１のＡ相と、Ｂ相と、Ｃ相と、Ｄ相と、Ｅ相と、Ｆ相とに入力される電気信号である。駆動信号は、回転電機１のＵ相と、Ｖ相と、Ｗ相とに入力される電気信号である。

本実施形態において、Ａ相は巻線３Ｃ１及び３Ｃ７、Ｂ相は巻線３Ｃ４及び３Ｃ１０、Ｃ相は巻線３Ｃ５及び３Ｃ１１、Ｄ相は巻線３Ｃ８及び３Ｃ２、Ｅ相は巻線３Ｃ９及び３Ｃ３、Ｆ相は巻線３Ｃ１２及び３Ｃ６である。本実施形態において、Ａ相からＦ相のそれぞれの相に対応する複数（本実施形態では２個）の巻線３Ｃは、それぞれ並列に接続されている。

図１に示されるように、複数の巻線３Ｃ１から３Ｃ１２は、ステーター３の周方向に沿って、＋Ａ相（＋Ｕ相）、−Ｄ相（−Ｕ相）、−Ｅ相（−Ｖ相）、＋Ｂ相（＋Ｖ相）、＋Ｃ相（＋Ｗ相）、−Ｆ相（−Ｗ相）、−Ａ相（−Ｕ相）、＋Ｄ相（＋Ｕ相）、＋Ｅ相（＋Ｖ相）、−Ｂ相（−Ｖ相）、−Ｃ相（−Ｗ相）、＋Ｆ相（＋Ｗ相）の順に配置される。

隣接する２個の巻線３Ｃ、３Ｃを巻線対とすると、６個の巻線対７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ及び７ｆが形成される。巻線対７ａは、隣接する２個の巻線３Ｃ１及び巻線３Ｃ１２であり、巻線対７ｂは隣接する２個の巻線３Ｃ２、巻線３Ｃ３であり、巻線対７ｃは隣接する２個の巻線３Ｃ４、巻線３Ｃ５であり、巻線対７ｄは隣接する２個の巻線３Ｃ６、巻線３Ｃ７であり、巻線対７ｅは隣接する２個の巻線３Ｃ８、巻線３Ｃ９であり、巻線対７ｆは隣接する２個の巻線３Ｃ１０、巻線３Ｃ１１である。

巻線対７ａ、７ｃ及び７ｅは、これらを形成する巻線３Ｃがいずれも＋の相であり、Ｎ極を形成する。巻線対７ｂ、７ｄ及び７ｆは、これらを形成する巻線３Ｃがいずれも−の相であり、Ｓ極を形成する。このため、６個の巻線対７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ及び７ｆは、巻線３Ｃに印加される界磁信号によって、ステーター３の周方向に沿って、Ｎ極とＳ極とを交互に形成する。

Ａ相に対応する巻線３Ｃ１、３Ｃ７及びＤ相に対応する巻線３Ｃ２、３Ｃ８には、回転電機１を３相の回転電機として駆動するための駆動信号のＵ相が入力される。Ｂ相に対応する巻線３Ｃ４、３Ｃ１０及びＥ相に対応する巻線３Ｃ３、３Ｃ９には、回転電機１を３相の回転電機として駆動するための駆動信号のＶ相が入力される。また、Ｃ相に対応する巻線３Ｃ５、３Ｃ１１及びＦ相に対応する巻線３Ｃ６、３Ｃ１２には、回転電機１を３相の回転電機として駆動するための駆動信号のＷ相が入力される。

（１）Ａ相及びＵ相に対応する巻線３Ｃ１及び巻線３Ｃ７には、駆動信号のＵ相に対応する駆動電圧Ｖｕと、回転電機１に界磁磁束を発生させるための界磁信号として界磁電圧＋Ｖとが重畳されて印加される。
（２）Ｂ相及びＶ相に対応する巻線３Ｃ４及び巻線３Ｃ１０には、駆動信号のＶ相に対応する駆動電圧Ｖｖと、回転電機１に界磁磁束を発生させるための界磁信号として界磁電圧−Ｖとが重畳されて印加される。
（３）Ｃ相及びＷ相に対応する巻線３Ｃ５及び巻線３Ｃ１１には、駆動信号のＷ相に対応する駆動電圧Ｖｗと、回転電機１に界磁磁束を発生させるための界磁信号として界磁電圧＋Ｖとが重畳されて印加される。
（４）Ｄ相及びＵ相に対応する巻線３Ｃ２及び巻線３Ｃ８には、駆動信号のＵ相に対応する駆動電圧Ｖｕと、回転電機１に界磁磁束を発生させるための界磁信号として界磁電圧−Ｖとが重畳されて印加される。
（５）Ｅ相及びＶ相に対応する巻線３Ｃ３及び巻線３Ｃ９には、駆動信号のＶ相に対応する駆動電圧Ｖｖと、回転電機１に界磁磁束を発生させるための界磁信号として界磁電圧＋Ｖとが重畳されて印加される。
（６）Ｆ相及びＷ相に対応する巻線３Ｃ６及び巻線３Ｃ１２には、駆動信号のＷ相に対応する駆動電圧Ｖｗと、回転電機１に界磁磁束を発生させるための界磁信号として界磁電圧−Ｖとが重畳されて印加される。
駆動電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗは交流電圧であり、界磁電圧＋Ｖ、―Ｖは直流電圧である。界磁電圧＋Ｖ、−Ｖば直流電圧には限定されない。

回転電機１は、図１に示されるように、同相の駆動信号が入力される巻線３Ｃ同士が隣接して配置される。具体的には、Ｕ相の駆動信号が入力される、Ａ相に対応する巻線３Ｃ１とＤ相に対応する巻線３Ｃ２とが隣接し、同様にＡ相に対応する巻線３Ｃ７とＤ相に対応する巻線３Ｃ８とが隣接する。Ｖ相の駆動信号が入力される、Ｅ相に対応する巻線３Ｃ３とＢ相に対応する巻線３Ｃ４とが隣接し、同様にＥ相に対応する巻線３Ｃ９とＢ相に対応する巻線３Ｃ１０とが隣接する。Ｗ相の駆動信号が入力される、Ｃ相に対応する巻線３Ｃ５とＦ相に対応する巻線３Ｃ６とが隣接し、同様にＣ相に対応する巻線３Ｃ１１とＦ相に対応する巻線３Ｃ１２とが隣接する。

図２中の矢印Ｒ１及び矢印Ｒ２は、巻線３Ｃのステーター３の突極３Ｔに対する巻方向を示しており、図２から分かるように、矢印Ｒ１と矢印Ｒ２とは、方向が反対になっている。図２に示されるように、Ａ相に対応する巻線３Ｃ１と巻線３Ｃ７とは、巻方向が反対になっている。Ｂ相に対応する巻線３Ｃ４と巻線３Ｃ１０とは、巻方向が反対になっている。Ｃ相に対応する巻線３Ｃ５と巻線３Ｃ１１とは、巻方向が反対になっている。Ｄ相に対応する巻線３Ｃ２と巻線３Ｃ８とは、巻方向が反対になっている。Ｅ相に対応する巻線３Ｃ３と巻線３Ｃ９とは、巻方向が反対になっている。Ｆ相に対応する巻線３Ｃ６と巻線３Ｃ１２とは、巻方向が反対になっている。

周方向に隣接するＡ相の巻線３Ｃ１とＤ相の巻線３Ｃ２とは、Ｕ相の駆動信号が入力されるが、ステーター３の突極３Ｔに対する巻方向が反対になっている。周方向に隣接するＡ相の巻線３Ｃ１は、Ｆ相の巻線３Ｃ１２とともに巻線対７ａを形成する。巻線対７ａは＋なので、巻線３Ｃ１は＋の相となり、巻線３Ｃ１に隣接し、かつ巻線３Ｃ１とは巻方向が反対となる巻線３Ｃ２は−の相になる。このため、巻線３Ｃ１及び巻線３Ｃ２にＵ相の駆動信号が入力されると、巻線３Ｃ１は＋Ｕ相及び＋Ａ相となり、巻線３Ｃ２は−Ｕ相及び−Ｄ相になる。

周方向に隣接するＥ相の巻線３Ｃ３とＢ相の巻線３Ｃ４とは、Ｖ相の駆動信号が入力されるが、ステーター３の突極３Ｔに対する巻方向が反対になっている。周方向に隣接するＥ相の巻線３Ｃ３は、Ｄ相の巻線３Ｃ２とともに巻線対７ｂを形成する。巻線対７ｂは−なので、巻線３Ｃ３は−の相となり、巻線３Ｃ３に隣接し、かつ巻線３Ｃ３とは巻方向が反対となる巻線３Ｃ４は＋の相になる。このため、巻線３Ｃ３及び巻線３Ｃ４にＶ相の駆動信号が入力されると、巻線３Ｃ３は−Ｖ相及び−Ｅ相となり、巻線３Ｃ４は＋Ｖ相及び＋Ｂ相になる。

周方向に隣接するＣ相の巻線３Ｃ５とＦ相の巻線３Ｃ６とは、Ｗ相の駆動信号が入力されるが、ステーター３の突極３Ｔに対する巻方向が反対になっている。周方向に隣接するＣ相の巻線３Ｃ５は、Ｂ相の巻線３Ｃ４とともに巻線対７ｃを形成する。巻線対７ｃは＋なので、巻線３Ｃ５は＋の相となり、巻線３Ｃ５に隣接し、かつ巻線３Ｃ５とは巻方向が反対となる巻線３Ｃ６は−の相になる。このため、巻線３Ｃ５及び巻線３Ｃ６にＷ相の駆動信号が入力されると、巻線３Ｃ５は＋Ｗ相及び＋Ｃ相となり、巻線３Ｃ６は−Ｗ相及び−Ｆ相になる。

周方向に隣接するＡ相の巻線３Ｃ７とＤ相の巻線３Ｃ８とは、Ｕ相の駆動信号が入力されるが、ステーター３の突極３Ｔに対する巻方向が反対になっている。周方向に隣接するＡ相の巻線３Ｃ７は、Ｆ相の巻線３Ｃ６とともに巻線対７ｄを形成する。巻線対７ｄは−なので、巻線３Ｃ７は−の相となり、巻線３Ｃ７に隣接し、かつ巻線３Ｃ７とは巻方向が反対となる巻線３Ｃ８は＋の相になる。このため、巻線３Ｃ７及び巻線３Ｃ８にＵ相の駆動信号が入力されると、巻線３Ｃ７は−Ｕ相及び−Ａ相となり、巻線３Ｃ８は＋Ｕ相及び＋Ｄ相になる。

周方向に隣接するＥ相の巻線３Ｃ９とＢ相の巻線３Ｃ１０とは、Ｖ相の駆動信号が入力されるが、ステーター３の突極３Ｔに対する巻方向が反対になっている。周方向に隣接するＥ相の巻線３Ｃ９は、Ｄ相の巻線３Ｃ８とともに巻線対７ｅを形成する。巻線対７ｅは＋なので、巻線３Ｃ９は＋の相となり、巻線３Ｃ９に隣接し、かつ巻線３Ｃ９とは巻方向が反対となる巻線３Ｃ１０は−の相になる。このため、巻線３Ｃ９及び巻線３Ｃ１０にＶ相の駆動信号が入力されると、巻線３Ｃ９は＋Ｖ相及び＋Ｅ相となり、巻線３Ｃ１０は−Ｖ相及び−Ｂ相になる。

周方向に隣接するＣ相の巻線３Ｃ１１とＦ相の巻線３Ｃ１２とは、Ｗ相の駆動信号が入力されるが、ステーター３の突極３Ｔに対する巻方向が反対になっている。周方向に隣接するＣ相の巻線３Ｃ１１は、Ｂ相の巻線３Ｃ１０とともに巻線対７ｆを形成する。巻線対７ｆは−なので、巻線３Ｃ１１は−の相となり、巻線３Ｃ１１に隣接し、かつ巻線３Ｃ１１とは巻方向が反対となる巻線３Ｃ１２は＋の相になる。このため、巻線３Ｃ１１及び巻線３Ｃ１２にＷ相の駆動信号が入力されると、巻線３Ｃ１１は−Ｗ相及び−Ｃ相となり、巻線３Ｃ１２は＋Ｗ相及び＋Ｆ相になる。

このように、本実施形態において、同相の駆動信号は、隣接する巻線３Ｃに入力される。同相の駆動信号が入力される巻線３Ｃ同士は、ステーター３の突極３Ｔの巻方向が反対になっている。このような構造により、回転電機１は、巻線３Ｃに界磁信号が入力されると、１２個の巻線３Ｃにより形成される６個の巻線対７ａから７ｆが、３次の界磁磁束を発生する。また、回転電機１は、１２個の巻線３Ｃにより形成される６個の巻線対７ａから７ｆが作る界磁磁界を、ローター２が有する８個の突極２Ｔで変調して、５次の高調波磁束を回転磁界として発生させる。この回転磁界により、ローター２が回転する。

図３は、実施形態に係る回転電機１のステーター３を展開した図である。図４は、実施形態に係る回転電機１のステーター３の突極３Ｔが発生する起磁力ＥＦとステーター３の周方向における突極３Ｔの中心角φとの関係を示す図である。図５は、実施形態に係る回転電機１のステーター３の突極３Ｔが発生する起磁力ＥＦを高速フーリエ変換した結果を示す図である。図５の横軸は起磁力ＥＦの次数ＤＮである。Ｕ相を流れる電流とＶ相を流れる電流とＷ相を流れる電流との比は、１：−０．５：−０．５になる。ステーター３のスロット３Ｓ、突極３Ｔ１から３Ｔ１２及び巻線３Ｃ１から３Ｃ１２はいずれも１２個なので、それぞれの突極３Ｔ１、３Ｔ２、・・・３Ｔ１２の、ステーター３の周方向における範囲に対応する中心角φは３０度になる。

各突極３Ｔ１、３Ｔ２、・・・３Ｔ１２の起磁力ＥＦの分布は、図４に示すようになる。各突極３Ｔ１、３Ｔ２、・・・３Ｔ１２の起磁力ＥＦを高速フーリエ変換したときの起磁力ＥＦのスペクトル分布は、図５に示すようになる。図５の結果から、突極３Ｔ１、３Ｔ２、・・・３Ｔ１２の起磁力ＥＦは、ＤＮ＝５、すなわち５次が主成分であることが分かる。すなわち、回転電機１のステーター３の巻線３Ｃに３相の駆動信号を入力すると、５次の回転磁界が発生することが理解できる。回転電機１は、１２個の巻線３Ｃにより形成される６個の巻線対７ａから７ｆが作る界磁磁界を、ローター２が有する８個の突極２Ｔで変調して、５次の高調波磁束を生成する。この高調波磁束と、ステーター３による５次の回転磁界とが同期して、回転電機１のローター２が回転する。

＜回転電機の制御装置＞
図６は、実施形態に係る回転電機１及びこの回転電機１を制御する回転電機の制御装置１００を示す図である。図６中の回転電機１は、図１に示した巻線３Ｃを省略してある。回転電機１は、回転電機の制御装置（以下、適宜制御装置と称する）１００によって制御される。制御装置１００は、制御部１０３とインバーター１０５とを有する。制御部１０３は、回転電機１に界磁磁束を発生させて、回転電機１を３相の回転電機として駆動するための制御信号を生成する。インバーター１０５は、制御部１０３によって生成された制御信号によって動作し、直流電源１０７から供給された直流電力から合成駆動信号を生成する。

インバーター１０５は、図２に示すそれぞれの巻線３Ｃ１から３Ｃ１２に、界磁磁束を発生させるための界磁信号である界磁電圧＋Ｖ、−Ｖと、ローター２を３相の回転電機として駆動するための駆動信号である駆動電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗとが重畳された制御電圧を印加する。回転電機１を制御するインバーター１０５は、６相のインバーターであり、１２個のスイッチング素子１０６によってフルブリッジが形成されている。スイッチング素子１０６の種類は問わないが、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が用いられる。制御部１０３によって生成された制御信号は、インバーター１０５が備える各スイッチング素子１０６のゲートに入力される。

図７は、制御装置１００の制御部１０３を説明するための図である。制御部１０３は、ＰＩ（比例及び積分）制御部１１０と、３相逆ｄｑ変換部１１１と、３相ｄｑ変換部１１２と、界磁電圧生成部１１３と、目標ｄ軸電流生成部１１４と、目標ｑ軸電流生成部１１５とを含む。ＰＩ制御部１１０は、インバーター１０５によって回転電機１に供給されるＵ相、Ｖ相及びＷ相の電流が、目標ｄ軸電流生成部１１４によって生成された目標ｄ軸電流Ｉｄｔ及び目標ｑ軸電流生成部１１５によって生成された目標ｑ軸電流Ｉｑｔとなるように、ｄ軸電流及びｑ軸電流の電流指令値を生成する。

３相ｄｑ変換部１１２は、インバーター１０５から回転電機１に供給されるＵ相、Ｖ相及びＷ相の電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを、ｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑにｄｑ変換する。ｄｑ変換において、３相ｄｑ変換部１１２は、図１に示す回転電機１のローター２の回転角度θｒを用いる。出力シャフト４は、図１に示すローター２に連結されているので、出力シャフト４の回転角度は、ローター２の回転角度θｒとなる。出力シャフト４の回転角度は、回転電機１の出力シャフト４の回転角度を検出する回転角度センサ５によって検出される。

ＰＩ制御部１１０は、３相ｄｑ変換部１１２によって変換された、回転電機１のｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑを取得し、目標ｄ軸電流Ｉｄｔとｄ軸電流Ｉｄとの偏差及び目標ｑ軸電流Ｉｑｔとｑ軸電流Ｉｑとの偏差がそれぞれ０になるように、電圧指令値を生成する。３相逆ｄｑ変換部１１１は、ＰＩ制御部１１０によって生成された電圧指令値を逆ｄｑ変換してＵ相の電圧指令値ｖｕ、Ｖ相の電圧指令値ｖｖ及びＷ相の電圧指令値ｖｗを生成する。逆ｄｑ変換において、３相逆ｄｑ変換部１１１は、ローター２の回転角度θｒを用いる。界磁電圧生成部１１３は、回転電機１に界磁磁束を発生させるために必要な界磁電圧の指令値を生成する。界磁電圧の指令値は、前述したＡ相〜Ｆ相までの６相に対応して、それぞれ＋ｖ、−ｖ、＋ｖ、−ｖ、＋ｖ、−ｖが生成される。

制御部１０３は、３相逆ｄｑ変換部１１１によって生成された電圧指令値ｖｕ、ｖｖ、ｖｗと、界磁電圧生成部１１３が生成した界磁電圧の指令値＋ｖ、−ｖ、＋ｖ、−ｖ、＋ｖ、−ｖとをそれぞれ重畳して、制御信号を生成する。制御部１０３は、生成された制御信号をインバーター１０５に出力する。図２に示す巻線３Ｃ１、３Ｃ７に対する制御信号はｖｕ＋ｖ、巻線３Ｃ４、３Ｃ１０に対する制御信号はｖｖ−ｖ、巻線３Ｃ５、３Ｃ１１に対する制御信号はｖｗ＋ｖ、巻線３Ｃ８、３Ｃ２に対する制御信号はｖｕ−ｖ、巻線３Ｃ９、３Ｃ３に対する制御信号はｖｖ＋ｖ、巻線３Ｃ１２、３Ｃ６に対する制御信号はｖｗ−ｖとなる。これらの信号がインバーター１０５に入力されることにより、インバーター１０５は、巻線３Ｃ１、３Ｃ７に合成駆動電圧Ｖｕ＋Ｖを印加し、巻線３Ｃ４、３Ｃ１０に合成駆動電圧Ｖｖ−Ｖを印加し、巻線３Ｃ５、３Ｃ１１に合成駆動電圧Ｖｗ＋Ｖを印加し、巻線３Ｃ８、３Ｃ２に合成駆動電圧Ｖｕ−Ｖを印加し、巻線３Ｃ９、３Ｃ３に合成駆動電圧Ｖｖ＋Ｖを印加し、巻線３Ｃ１２、３Ｃ６に合成駆動電圧Ｖｗ−Ｖを印加する。

Ａ相の相電流及びＤ相の相電流には界磁電流が加えられているため、Ａ相の相電流は０以上、Ｄ相の相電流は０以下となる。Ａ相及びＤ相はいずれもＵ相なので、これらを合成したＵ相の相電流は、Ａ相の相電流とＤ相の相電流とを合成したものになる。Ｕ相の相電流は、所定の周期で変動する電流となる。Ｖ相の相電流及びＷ相の相電流もＵ相の相電流と同様に求められる。このように、回転電機１のＵ相、Ｖ相及びＷ相には、３相の駆動電流が与えられるので、通常の３相のベクトル制御が可能になる。

制御部１０３の界磁電圧生成部１１３は、前述したＡ相〜Ｆ相までの６相に対応するそれぞれの界磁電圧の指令値＋ｖ、−ｖ、＋ｖ、−ｖ、＋ｖ、−ｖを別個独立に生成することができる。このため、制御装置１００は、回転電機１の各巻線３Ｃに印加される界磁電圧を別個独立に制御することができるので、回転電機１の制御の自由度を向上させることができる。また、制御装置１００は、回転電機１の各巻線３Ｃに印加される界磁電圧を変更することにより、回転電機１が発生するトルク及びトルクの特性、具体的には回転速度に対するトルクの変化の仕方を変更することができる。さらに、１つのインバーター１０５を含む１つの制御装置１００が回転電機１を制御する。すなわち、回転電機１は、界磁磁束の制御と電機子の磁束の制御とに、それぞれ別個の機器は不要であるので、回転電機１は、簡易な機器で界磁磁束及び電機子の磁束の両方が制御できる。

＜比較例との比較＞
図８及び図９は、比較例に係る回転電機２０１及び２０１ａを、その回転軸Ｚｒを通りかつ回転軸Ｚｒを含む平面で切った断面図である。図８に示される比較例１の回転電機２０１は、ステーター２０３のスロット２０３Ｓ、突極２０３Ｔ及び巻線２０３Ｃが１２個で、ローター２０２の本体部２０２Ｂに設けられる突極２０２Ｔが１０個である。回転電機２０１は、ステーター２０３の周方向に沿って、１２個の巻線２０３ＣがＡ相、Ｂ相、Ｃ相、Ｄ相、Ｅ相、Ｆ相、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相、Ｄ相、Ｅ相、Ｆ相の順に配置される。

図９に示される比較例２の回転電機２０１ａは、ステーター２０３ａのスロット２０３Ｓａ、突極２０３Ｔａ及び巻線２０３Ｃａが１２個で、ローター２０２ａの本体部２０２Ｂａに設けられる突極２０２Ｔａが７個である。回転電機２０１は、ステーター２０３の周方向に沿って、１２個の巻線２０３ＣがＡ相、Ｅ相、Ｆ相、Ｄ相、Ｅ相、Ｃ相、Ｄ相、Ｂ相、Ｃ相、Ａ相、Ｂ相、Ｆ相の順に配置される。

比較例１の回転電機２０１は、ローター２０２の突極２０２Ｔが１０個なので、電磁力の合成ベクトルは０になり、原理上、ローター２０２の回転中に電磁力のアンバランスは発生しない。このため、回転電機２０１は、騒音及び振動が比較例２の回転電機２０１ａよりも小さくなる。しかし、回転電機２０１は、ローター２０２が１０個の突極２０２Ｔを有するので、ローター２０２が回転する際の周波数の１０倍の磁束変化が発生する。このため、回転電機２０１は、高速でローター２０２が回転する際の鉄損が増加するとともに、力率も低下する。

比較例２の回転電機２０１ａは、ローター２０２ａの突極２０２Ｔａが７個なので、ローター２０２の突極２０２Ｔが１０個である比較例１の回転電機２０１よりもローター２０２ａが回転する際の磁束変化は少ない。このため、回転電機２０１ａは、回転電機２０１よりも高速回転での運転に適している。しかし、回転電機２０１ａは、ローター２０２ａの突極２０２Ｔａが７個なので、電磁力の合成ベクトルは０にはならず、ローター２０２ａの回転中に電磁力のアンバランスが発生し、騒音及び振動が大きくなる。

本実施形態の回転電機１は、ステーター３のスロット３Ｓ、突極３Ｔ及び巻線３Ｃが１２個で、ローター２の本体部２Ｂに設けられる突極２Ｔが８個である。このため、電磁力の合成ベクトルは０になり、原理上、ローター２の回転中に電磁力のアンバランスは発生しない。また、回転電機１は、ローター２の突極２Ｔが８個なので、図８に示される、ローター２０２の突極２０２Ｔが１０個である比較例１の回転電機２０１よりもローター２が回転する際の磁束変化は少ない。このため、回転電機１は、回転電機２０１よりも高速回転での運転に適している。このように、本実施形態の回転電機１は、振動及び騒音の発生を抑制でき、かつ高速での運転に適している。

本実施形態の回転電機１の巻線係数は、短節巻係数が０．９６６、分布巻係数が０．９６６、トータルで０．９３３となる。比較例１の回転電機２０１の巻線係数は、短節巻係数が０．８６６、分布巻係数が１、トータルで０．８６６となる。このように、本実施形態の回転電機１は、比較例１の回転電機２０１よりもトータルの巻線係数が高いので、高い出力を発生できる。

＜回転電機１の出力特性＞
図１０は、実施形態に係る回転電機１と比較例１に係る回転電機２０１とのトルクＴと回転速度Ｎとの関係を示す図である。図１１は、実施形態に係る回転電機１と比較例１に係る回転電機２０１とのトルクＴと時間ｔとの関係を示す図である。図１０及び図１１中の実線が実施形態の回転電機１であり、破線が比較例１の回転電機２０１である。

図１０の結果から、実施形態の回転電機１の方が、比較例１の回転電機２０１よりも低回転高トルク型である。図１１の結果から、実施形態の回転電機１は、比較例１の回転電機２０１よりも、時間ｔの経過に対するトルクＴの変動幅が大きい。すなわち、実施形態の回転電機１の方が比較例１の回転電機２０１よりもトルクリップルが大きい。

図１２は、比較例１に係る回転電機２０１のローター２０２の電気角θと誘起電圧Ｖｅとの関係を示す図である。図１３は、実施形態に係る回転電機１のローター２の電気角θと誘起電圧Ｖｅとの関係を示す図である。図１２のＵ１は、図８に示されるＡ相の巻線２０３Ｃ１の誘起電圧Ｖｅであり、Ｕ２はＤ相の巻線２０３Ｃ４の誘起電圧Ｖｅである。図１３のＵ１は、図１及び図２に示される＋Ａ相の巻線３Ｃ１の誘起電圧Ｖｅであり、Ｕ２は＋Ｄ相の巻線３Ｃ８の誘起電圧Ｖｅである。

図１２に示される比較例１の回転電機２０１は、同じＵ相であれば、Ａ相とＤ相とで誘起電圧Ｖｅの位相は同一である。具体的には、誘起電圧Ｖｅが０になる電気角θは、同じＵ相であれば、Ａ相とＤ相とで同一になる。これに対して、実施形態の回転電機１は、図１３に示されるように、同じＵ相でもＡ相とＤ相とで誘起電圧Ｖｅの位相が異なる。具体的には、誘起電圧Ｖｅが０になる電気角θは、同じＵ相であってもＡ相では電気角θ１、Ｄ相では電気角θ２となっており、両者は異なる。

図７に示される本実施形態の制御装置１００は、Ａ相の誘起電圧Ｖｅの位相とＤ相の誘起電圧Ｖｅの位相との中間の位相に基づいて、巻線３Ｃ１及び巻線３Ｃ２に駆動電圧Ｖｕを与えている。例えば、誘起電圧Ｖｅが０になる位相で考えると、中間の位相は、電気角θ１と電気角θ２との間の電気角となる。Ｕ相において、Ａ相の誘起電圧Ｖｅの位相とＢ相の誘起電圧Ｖｅの位相とがずれているにも関わらず、Ａ相の巻線３Ｃ１及びＤ相の巻線３Ｃ８を共通の位相に基づいて駆動電圧Ｖｕを与えていることが、図１１に示した、回転電機１のトルクリップルの増加を招いていると考えられる。

本実施形態においては、同相の巻線３Ｃに入力される電圧Ｖを加算又は減算すると、界磁電圧が相殺される。制御装置１００は、このような処理により、３相の正弦波波形に近づけた電流を回転電機１の各巻線３Ｃに流す。回転電機１は、誘起電圧が異なる巻線３Ｃ、例えば、Ａ相の巻線３Ｃ１とＤ相の巻線３Ｃ８とに同一の電圧を与えるので、制御装置１００によって回転電機１を制御すると、トルクリップルが増加すると考えられる。次に、実施形態の回転電機１のトルクリップルを低減させるための、回転電機の制御方法及び制御装置を説明する。

＜制御例＞
図１４は、実施形態に係る回転電機１の制御方法の制御ブロック図である。図１５は、実施形態に係る回転電機１を制御する回転電機の制御装置１００ａを示す図である。図１６は、回転電機２０１に流れる制御電流Ｉｃと時間ｔとの関係を示す図である。この制御において、回転電機１には電圧Ｖｄが与えられる。この電圧Ｖｄを、以下においては適宜制御電圧Ｖｄと称する。Ａ相（Ｕ相）の制御電圧Ｖｄは、＋Ｖ＋Ｖｕ１であり、Ｂ相（Ｖ相）の制御電圧Ｖｄは、−Ｖ＋Ｖｖ２であり、Ｃ相（Ｗ相）の制御電圧Ｖｄは、＋Ｖ＋Ｖｗ１であり、Ｄ相（Ｕ相）の制御電圧Ｖｄは、−Ｖ＋Ｖｕ２であり、Ｅ相（Ｖ相）の制御電圧Ｖｄは、＋Ｖ＋Ｖｖ１であり、Ｆ相（Ｗ相）の制御電圧Ｖｄは、−Ｖ＋Ｖｗ２である。Ｖｕ１、Ｖｖ１、Ｖｗ１、Ｖｕ２、Ｖｖ２、Ｖｗ２は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相の駆動電圧であり、Ｖは界磁電圧である。すなわち、制御電圧Ｖｄは、駆動電圧と界磁電圧との和である。

回転電機１の巻線３Ｃに制御電圧Ｖｄが入力されると、巻線３Ｃには電流Ｉｃが流れる。この電流Ｉｃを、以下においては適宜制御電流Ｉｃと称する。Ａ相（Ｕ相）の制御電流Ｉｃは、Ｉｕ１＋Ｉｆであり、Ｂ相（Ｖ相）の制御電流Ｉｃは、Ｉｖ２−Ｉｆであり、Ｃ相（Ｗ相）の制御電流Ｉｃは、Ｉｗ１＋Ｉｆであり、Ｄ相（Ｕ相）の制御電流Ｉｃは、Ｉｕ２−Ｉｆであり、Ｅ相（Ｖ相）の制御電流Ｉｃは、Ｉｖ１＋Ｉｆであり、Ｆ相（Ｗ相）の制御電流Ｉｃは、Ｉｗ２−Ｉｆである。電流Ｉｕ１、Ｉｖ１、Ｉｗ１、Ｉｕ２、Ｉｖ２、Ｉｗ２は、駆動電圧Ｖｕ１、Ｖｖ１、Ｖｗ１、Ｖｕ２、Ｖｖ２、Ｖｗ２によって各巻線３Ｃに流れる電流であり、電流Ｉｆは界磁電圧Ｖによって各巻線３Ｃに流れる電流である。以下において、電流Ｉｆを適宜オフセット電流Ｉｆと称する。

本制御例において、まず、制御電流Ｉｃからオフセット電流Ｉｆが減算されて、電流Ｉｒが求められる。以下において、電流Ｉｒを適宜参照電流Ｉｒと称する。参照電流Ｉｒは、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相、Ｄ相、Ｅ相及びＦ相毎に得られる。Ａ相（Ｕ相）の参照電流Ｉｒｕ１は、Ｉｕ１＋Ｉｆ−（＋Ｉｆ）であり、Ｂ相（Ｖ相）の参照電流Ｉｒｖ２は、Ｉｖ２−Ｉｆ−（−Ｉｆ）であり、Ｃ相（Ｗ相）の参照電流Ｉｒｗ１は、Ｉｗ１＋Ｉｆ−（＋Ｉｆ）であり、Ｄ相（Ｕ相）の参照電流Ｉｒｕ２は、Ｉｕ２−Ｉｆ−（−Ｉｆ）であり、Ｅ相（Ｖ相）の参照電流Ｉｒｖ１は、Ｉｖ１＋Ｉｆ−（＋Ｉｆ）であり、Ｆ相（Ｗ相）の参照電流Ｉｒｗ２は、Ｉｗ２−Ｉｆ−（−Ｉｆ）である。このように、制御電流Ｉｃからオフセット電流Ｉｆを減算することで、相毎に参照電流Ｉｒを抽出して、誘起電圧Ｖｅの位相が一致する相の参照電流Ｉｒ同士を１つの群にまとめることができる。

次に、得られた参照電流Ｉｒが、３相、すなわちＵ相、Ｖ相及びＷ相を一組とした２以上の群（この制御例では２の群）に分けられて、それぞれの群に対して参照電流Ｉｒに基づいてローター２を駆動するための駆動信号が生成される。そして、生成された駆動信号と界磁信号とが重畳されて、回転電機１のそれぞれの巻線３Ｃに入力される。

本制御例では、誘起電圧Ｖｅの位相が一致するＵ相、Ｖ相及びＷ相の参照電流Ｉｒが一組とされて、２つの群に分けられている。参照電流Ｉｒｕ１、Ｉｒｖ１、Ｉｒｗ１が第１群、参照電流Ｉｒｕ２、Ｉｒｖ２、Ｉｒｗ２が第２群となる。そして、第１群の参照電流Ｉｒを用いて第１ベクトル制御が実行されて電圧指令値ｖｕ１、ｖｖ１、ｖｗ１が求められ、第２群の参照電流Ｉｒを用いて第２ベクトル制御が実行されることにより電圧指令値ｖｕ２、ｖｖ２、ｖｗ２が求められる。得られた電圧指令値ｖｕ１、ｖｖ１、ｖｗ１、ｖｕ２、ｖｖ２、ｖｗ２と、界磁電圧の指令値＋ｖ、−ｖ、＋ｖ、−ｖ、＋ｖ、−ｖとがそれぞれ重畳されて、制御電圧Ｖｄの指令値として図１５に示されるインバーター１０５に入力される。インバーター１０５は、制御電圧Ｖｄの指令値から制御電圧Ｖｄを生成して、回転電機１の各巻線３Ｃに供給する。

このように、本制御例は、誘起電圧Ｖｅの位相が一致する相の参照電流Ｉｒ同士を１つの群にまとめて、それぞれの群に参照電流Ｉｒを用いて、誘起電圧Ｖｅの位相が一致する相毎にベクトル制御する。その結果、本制御例は、回転電機１のトルクリップルを低減することができる。次に、本制御例を実現する回転電機の制御装置１００ａについて説明する。

＜制御装置１００ａ＞
図１５に示されるように、回転電機の制御装置１００ａ（以下、適宜制御装置１００ａと称する）は、本制御例に係る回転電機の制御方法を実行して、回転電機１を制御する。制御装置１００ａは、制御部１０３ａが前述した制御装置１００の制御部１０３と異なる。制御部１０３ａは、回転電機１に界磁磁束を発生させて、回転電機１を３相の回転電機として駆動するための制御信号を生成する。

制御部１０３ａは、第１ＰＩ制御部１１０Ａと、第２ＰＩ制御部１１０Ｂと、第１逆ｄｑ変換部１１１Ａと、第２逆ｄｑ変換部１１１Ｂと、第１ｄｑ変換部１１２Ａと、第２ｄｑ変換部１１２Ｂと、界磁電圧生成部１１３と、目標ｄ軸電流生成部１１４と、目標ｑ軸電流生成部１１５と、参照電流演算部１１６とを含む。

第１ＰＩ制御部１１０Ａは、インバーター１０５によって回転電機１に供給されるＡ相（Ｕ相）、Ｃ相（Ｖ相）及びＥ相（Ｗ相）の電流が、目標ｄ軸電流生成部１１４によって生成された目標ｄ軸電流Ｉｄｔ１及び目標ｑ軸電流生成部１１５によって生成された目標ｑ軸電流Ｉｑｔ１となるように、ｄ軸電流及びｑ軸電流の電流指令値を生成する。第２ＰＩ制御部１１０Ｂは、インバーター１０５によって回転電機１に供給されるＢ相（Ｖ相）、Ｄ相（Ｕ相）及びＦ相（Ｗ相）の電流が、目標ｄ軸電流生成部１１４によって生成された目標ｄ軸電流Ｉｄｔ２及び目標ｑ軸電流生成部１１５によって生成された目標ｑ軸電流Ｉｑｔ２となるように、ｄ軸電流及びｑ軸電流の電流指令値を生成する。

参照電流演算部１１６は、回転電機１の制御電流Ｉｃからオフセット電流Ｉｆを減算して参照電流Ｉｒを求めて、第１ｄｑ変換部１１２Ａと、第２ｄｑ変換部１１２Ｂとに出力する。具体的には、参照電流演算部１１６は、Ａ相（Ｕ相）の参照電流Ｉｒｕ１、Ｃ相（Ｗ相）の参照電流Ｉｒｗ１及びＥ相（Ｖ相）の参照電流Ｉｒｖ１を求めて第１ｄｑ変換部１１２Ａに出力し、Ｂ相（Ｖ相）の参照電流Ｉｒｖ２、Ｄ相（Ｕ相）の参照電流Ｉｒｕ２及びＦ相（Ｗ相）の参照電流Ｉｒｗ２を求めて第２ｄｑ変換部１１２Ｂに出力する。

オフセット電流Ｉｆの求め方を説明する。回転電機１の温度、より具体的には巻線３Ｃの温度が一定であれば、参照電流演算部１１６は、界磁電圧Ｖを巻線３Ｃの電気抵抗値で除することにより、オフセット電流Ｉｆを求めることができる。温度が変化すると巻線３Ｃの電気抵抗値が変化するので、参照電流演算部１１６は、温度に応じて巻線３Ｃの電機抵抗値を補正することが好ましい。

参照電流演算部１１６は、制御装置１００ａによる制御の１周期前において、巻線３Ｃを流れる制御電流Ｉｃの平均値（図１６の二点鎖線で示される値）をオフセット電流Ｉｆとしてもよい。また、参照電流演算部１１６は、制御装置１００ａによる制御の１周期前において、巻線３Ｃを流れる制御電流Ｉｃの最大値Ｉｃｍａｘと最小値Ｉｃｍｉｎとを加算した値の１／２をオフセット電流Ｉｆとしてもよい。

第１ｄｑ変換部１１２Ａは、参照電流演算部１１６から入力されたＡ相（Ｕ相）の参照電流Ｉｒｕ１、Ｃ相（Ｗ相）の参照電流Ｉｒｗ１及びＥ相（Ｖ相）の参照電流Ｉｒｖ１を、ｄ軸電流Ｉｄ１及びｑ軸電流Ｉｑ１にｄｑ変換する。第２ｄｑ変換部１１２Ｂは、参照電流演算部１１６から入力されたＢ相（Ｖ相）の参照電流Ｉｒｖ２、Ｄ相（Ｕ相）の参照電流Ｉｒｕ２及びＦ相（Ｗ相）の参照電流Ｉｒｗ２を、ｄ軸電流Ｉｄ２及びｑ軸電流Ｉｑ２にｄｑ変換する。ｄｑ変換において、第１ｄｑ変換部１１２Ａ及び第２ｄｑ変換部１１２Ｂは、図１に示される回転電機１のローター２の回転角度θｒを用いる。

第１ＰＩ制御部１１０Ａは、第１ｄｑ変換部１１２Ａによって変換された、回転電機１のｄ軸電流Ｉｄ１及びｑ軸電流Ｉｑ１を取得し、目標ｄ軸電流Ｉｄｔ１とｄ軸電流Ｉｄ１との偏差及び目標ｑ軸電流Ｉｑｔ１とｑ軸電流Ｉｑ１との偏差がそれぞれ０になるように、電圧指令値を生成する。第２ＰＩ制御部１１０Ｂは、第２ｄｑ変換部１１２Ｂによって変換された、回転電機１のｄ軸電流Ｉｄ２及びｑ軸電流Ｉｑ２を取得し、目標ｄ軸電流Ｉｄｔ２とｄ軸電流Ｉｄ２との偏差及び目標ｑ軸電流Ｉｑｔ２とｑ軸電流Ｉｑ２との偏差がそれぞれ０になるように、電圧指令値を生成する。

第１逆ｄｑ変換部１１１Ａは、第１ＰＩ制御部１１０Ａによって生成された電圧指令値を逆ｄｑ変換してＡ相（Ｕ相）の電圧指令値ｖｕ１、Ｅ相（Ｖ相）の電圧指令値ｖｖ１及びＣ相（Ｗ相）の電圧指令値ｖｗ１を生成する。第２逆ｄｑ変換部１１１Ｂは、第２ＰＩ制御部１１０Ｂによって生成された電圧指令値を逆ｄｑ変換してＢ相（Ｖ相）の電圧指令値ｖｖ２、Ｄ相（Ｕ相）の電圧指令値ｖｕ２及びＦ相（Ｗ相）の電圧指令値ｖｗ２を生成する。

逆ｄｑ変換において、第１ｄ逆変換部１１１Ａ及び第２ｄｑ逆変換部１１１Ｂは、ローター２の回転角度θｒを用いる。界磁電圧生成部１１３は、回転電機１に界磁磁束を発生させるために必要な界磁電圧の指令値を生成する。界磁電圧の指令値は、前述したＡ相からＦ相までの６相に対応して、それぞれ＋ｖ、−ｖ、＋ｖ、−ｖ、＋ｖ、−ｖが生成される。

制御部１０３ａは、第１逆ｄｑ変換部１１１Ａによって生成された電圧指令値ｖｕ１、ｖｖ１、ｖｗ１及び第２逆ｄｑ変換部１１１Ｂによって生成された電流指令値ｖｖ２、ｖｕ２、ｖｗ２を界磁電圧生成部１１３が生成した界磁電圧の指令値＋ｖ、＋ｖ、＋ｖ、−ｖ、−ｖ、−ｖとをそれぞれ重畳して、制御信号を生成する。制御部１０３は、生成された制御信号をインバーター１０５に出力する。

図２に示されるＡ相の巻線３Ｃ１、３Ｃ７に対する制御信号はｖｕ１＋ｖ、Ｂ相の巻線３Ｃ４、３Ｃ１０に対する制御信号はｖｖ２−ｖ、Ｃ相の巻線３Ｃ５、３Ｃ１１に対する制御信号はｖｗ１＋ｖ、Ｄ相の巻線３Ｃ２、３Ｃ８に対する制御信号はｖｕ２−ｖ、Ｅ相の巻線３Ｃ３、３Ｃ９に対する制御信号はｖｖ１＋ｖ、Ｆ相の巻線３Ｃ６、３Ｃ１２に対する制御信号はｖｗ２−ｖとなる。これらの信号がインバーター１０５に入力されることにより、インバーター１０５は、巻線３Ｃ１、３Ｃ７に合成駆動電圧Ｖｕ１＋Ｖを印加し、巻線３Ｃ４、３Ｃ１０に合成駆動電圧Ｖｖ２−Ｖを印加し、巻線３Ｃ５、３Ｃ１１に合成駆動電圧Ｖｗ１＋Ｖを印加し、巻線３Ｃ２、３Ｃ８に合成駆動電圧Ｖｕ２−Ｖを印加し、巻線３Ｃ３、３Ｃ９に合成駆動電圧Ｖｖ１＋Ｖを印加し、巻線３Ｃ６、３Ｃ１２に合成駆動電圧Ｖｗ２−Ｖを印加する。その結果、制御装置１００ａは、簡易な機器で回転電機１の界磁磁束及び電機子の磁束の両方を制御できるとともに、トルクリップルを低減できる。

図１７は、実施形態に係る回転電機１を制御装置１００で制御した場合のトルクＴ、制御装置１００ａで制御した場合のトルクＴ及び比較例に係る回転電機２０１とのトルクＴと時間ｔとの関係を示す図である。図１８は、実施形態に係る回転電機１を制御装置１００で制御した場合の制御電流Ｉｃ、制御装置１００ａで制御した場合の制御電流Ｉｃ及び比較例に係る回転電機２０１の制御電流Ｉｃと時間ｔとの関係を示す図である。図１８は、Ａ相の制御電流Ｉｃを示している。図１７及び図１８は、実線が実施形態に係る回転電機１を制御装置１００ａで制御した場合を示し、一点鎖線が実施形態に係る回転電機１を制御装置１００で制御した場合を示し、破線が比較例１に係る回転電機２０１を示す。

図１７の結果から、本制御例の制御装置１００ａが、本制御例の制御方法を実行することによって回転電機１を制御することにより、回転電機１のトルクリップルを低減できることが分かる。図１８の結果から、本制御例の制御装置１００ａが、本制御例の制御方法を実行することによって回転電機１を制御した場合、制御電流Ｉｃの変動は、比較例１の回転電機２０１と同程度に抑えられる。この制御例によれば、回転電機１の巻線係数は、短節巻係数が０．９６６、分布巻係数が１、トータルで０．９９３となる。

本実施形態において、本制御例を用いて実施形態の回転電機１を制御したが、本制御例は実施形態の回転電機１以外に対しても適用できる。例えば、制御装置１００ａが本制御例の制御方法を実行することにより、比較例１の回転電機２０１又は比較例２の回転電機２０１ａを制御してもよい。制御装置１００ａは、ステーターのスロットの数が６×ｊ（ｊは１以上の整数）である回転電機であれば制御することができる。

例えば、ステーターのスロットの数が６×ｎ、ローターの突極の数をｍ、界磁磁束の次数をｋとすると、ローターの突極で変調された磁束の次数はｍ−ｋで求められる。このため、電機子の磁束の次数をｐとすると、ｍ−ｋ＝ｐの関係が成立する。次数ｐは、回転電機を３相の回転電機として駆動するための駆動信号を巻線に与えたときに発生する電機子の磁束の次数である。ｋ、ｍ、ｎ及びｐは１以上の自然数である。このような関係が成立する回転電機に対しても、この制御例は適用できる。

本実施形態において、突極２Ｔは８個、巻線３Ｃは１２個、巻線対は６個、界磁磁束は３次としたが、これらに限定されない。本実施形態においては、ｎを１以上の整数としたとき、突極２Ｔは８×ｎ個、巻線３Ｃは１２×ｎ個、巻線対は６×ｎ個、界磁磁束は３×ｎ次であってもよい。

以上、本実施形態及び変形例について説明したが、前述した内容により本実施形態及び変形例が限定されるものではない。また、前述した実施形態及び変形例の構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、前述した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。また、本実施形態及び変形例の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換及び変更を行うことができる。

１、２０１、２０１ａ 回転電機
２、２０２、２０２ａ ローター
２Ｂ 本体部
２ＢＳ 表面
２Ｔ、２０２Ｔ、２０２Ｔａ 突極
３、２０３、２０３ａ ステーター
３Ｃ、３Ｃ１、３Ｃ２、３Ｃ３、３Ｃ４、３Ｃ５、３Ｃ６、３Ｃ７、３Ｃ８、３Ｃ９、３Ｃ１０、３Ｃ１１、３Ｃ１２、２０３Ｃ、２０３Ｃａ 巻線
３Ｋ ステーターコア
３Ｓ、２０３Ｓ、２０３Ｓａ スロット
３Ｙ ヨーク
３Ｔ、３Ｔ１〜３Ｔ１２、２０３Ｔ、２０３Ｔａ 突極
４ 出力シャフト
５ 回転角度センサ
７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ、７ｆ 巻線対
１００、１００ａ 回転機器の制御装置（制御装置）
１０３、１０３ａ 制御部
１０５ インバーター
１０６ スイッチング素子
１０７ 直流電源
１１０ ＰＩ制御部
１１０Ａ 第１ＰＩ制御部
１１０Ｂ 第２ＰＩ制御部
１１１ ３相逆ｄｑ変換部
１１１Ａ 第１逆ｄｑ変換部
１１１Ｂ 第２逆ｄｑ変換部
１１２ ３相ｄｑ変換部
１１２Ａ 第１ｄｑ変換部
１１２Ｂ 第２ｄｑ変換部
１１３ 界磁電圧生成部
１１４ 目標ｄ軸電流生成部
１１５ 目標ｑ軸電流生成部
１１６ 参照電流演算部

Claims (6)

1. 回転軸を中心として回転し、かつ前記回転軸と直交する方向に突出する複数の突極を有するローターと、前記ローターの径方向外側に配置されて前記ローターの周囲を取り囲む環状の構造体及び６×ｎ個の巻線を前記構造体の周方向に沿って有するステーターと、を含む回転電機を制御する制御装置であって、
   前記巻線を流れる電流から前記電流に含まれるオフセット電流を減算して得られた電流である参照電流を求め、得られた前記参照電流を３相一組とした２以上の群に分けて、それぞれの群に対して前記参照電流に基づいて前記ローターを駆動するための駆動信号を生成し、前記駆動信号と前記ステーターに界磁磁束を発生させるための界磁信号とを重畳して前記巻線に入力する、回転電機の制御装置。
   ｎは１以上の整数である。
2. 前記オフセット電流は、前記ステーターに界磁磁束を発生させるための電圧を、前記巻線の抵抗値で除した値である、請求項１に記載の回転電機の制御装置。
3. 前記オフセット電流は、前記制御装置による制御の１周期前において、前記巻線を流れる電流の平均値である、請求項１に記載の回転電機の制御装置。
4. 前記オフセット電流は、前記制御装置による制御の１周期前において、前記巻線を流れる電流の最大値と最小値とを加算した値の１／２である、請求項１に記載の回転電機の制御装置。
5. 前記突極は８×ｎ個であり、前記巻線は１２×ｎ個であり、前記界磁信号は前記ステーターに３×ｎ次の界磁磁束を発生させるための信号であり、
   隣接する２個の前記巻線を巻線対とし、６×ｎ個の前記巻線対は前記界磁信号によって前記周方向に沿ってＮ極とＳ極とを交互に形成し、
   得られた前記参照電流が、３相一組とした２つの群に分けられて、それぞれの群に対して前記駆動信号が生成される、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の回転電機の制御装置。
   ｎは１以上の整数。
6. 回転軸を中心として回転し、かつ前記回転軸と直交する方向に突出する８×ｎ個の突極を有するローターと、前記ローターの径方向外側に配置されて前記ローターの周囲を取り囲む環状の構造体及び１２×ｎ個の巻線を前記構造体の周方向に沿って有するステーターと、を含み、隣接する２個の前記巻線を巻線対とし、６×ｎ個の前記巻線対は前記界磁信号によって前記周方向に沿ってＮ極とＳ極とを交互に形成する回転電機を制御するにあたり、
   前記巻線を流れる電流から前記電流に含まれるオフセット電流を減算して得られた電流である参照電流を求めることと、
   得られた前記参照電流を３相一組とした２以上の群に分けて、それぞれの群に対して前記参照電流に基づいて前記ローターを駆動するための駆動信号を生成することと、
   前記駆動信号と前記ステーターに界磁磁束を発生させるための界磁信号とを重畳して前記巻線に入力することと、
   を含む、回転電機の制御方法。

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