JP2016201874A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】複雑な制御や装置を必要とすることなく、発電機として機能させることのできる安価で小型の回転電機を提供すること。【解決手段】複数のステータティースを有するステータと、複数のロータティースを有するロータと、ステータティースに複数相の電機子巻線１２５および界磁巻線の双方を設けた回転電機であって、複数相の電機子巻線により誘起された誘起電圧を整流して出力するダイオードブリッジ３１０と、複数相の電機子巻線のそれぞれに直列に接続されているコンデンサ３２１と、を有する。【選択図】図３

Description

本発明は、フラックススイッチングモータ構造の回転電機に関する。

従来、電機子巻線を備えるステータの内側で回転するロータの表面に永久磁石を設けた表面磁石型の同期モータ（SPMSM：Surface Permanent Magnet Synchronous Motor）や、そのロータ内に永久磁石を埋め込んだ埋込磁石型の同期モータ（IPMSM：Interior Permanent Magnet Synchronous Motor）が知られている。

これらのモータ（回転電機）は、バッテリと共に車両に搭載され、エンジンの駆動軸の回転、あるいは、走行中の車輪の回転を利用することにより、発電機として機能することができる。モータの発電電力は、バッテリに充電される。これにより、バッテリが継続使用可能となる。

例えば、特許文献１に記載の発電機は、界磁極がロータ側に配置されており、この界磁極は、ブラシを接触させるスリップリングを介して直流界磁電流が入力されることにより電磁石として機能することができる。

特開平５−２５２６７０号公報

しかしながら、この特許文献１に記載のような発電機にあっては、界磁極を電磁石として機能させるために設置しているスリップリングが磨耗するので、そのスリップリングなどのメンテナンスが必要である。また、スリップリングは、ブラシとの接触状態によって異常電圧、所謂、サージ電圧が電極間に発生することにより、損傷してしまう可能性がある。また、サージ電圧は、制御信号などに対するノイズとなってしまう場合がある。

また、回転電機を車載の発電機として利用する場合では、マイナストルクを発生させて回生動作できるように構成されているのが好ましい。回生動作を行うにあたっては、マイナストルクとなる位相角で通電する必要があるため、回転磁界を発生させるためのインバータ（電力変換装置）が必要となり、ベクトル制御などの複雑な電流制御を行わなければならない。それに伴い、システム全体のコストが高くなり、サイズが大型化してしまう。

そこで、本発明は、複雑な制御や装置を必要とすることなく、発電機として機能させることのできる安価で小型の回転電機を提供することを目的としている。

上記課題を解決する回転電機の発明の一態様は、複数のステータティースを有するステータと、複数のロータティースを有するロータと、前記ステータティースに複数相の電機子巻線および界磁巻線を設けた回転電機であって、前記複数相の電機子巻線により誘起された誘起電圧を整流して出力する整流器と、前記複数相の電機子巻線のそれぞれに直列に接続されているコンデンサと、を有するものである。

このように本発明の一態様によれば、複雑な制御や装置を必要とすることなく、発電機として機能させることのできる安価で小型の回転電機を提供することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る回転電機を説明する図であり、その概略全体構成を示す断面構成図である。 図２は、回転電機が備える直流電源回路を示す回路図である。 図３は、回転電機が備える交流電源回路を示す回路図である。 図４は、界磁巻線に通電して励起させたときの磁束密度分布を表す磁束線図である。 図５は、界磁巻線に通電して励起させたときに電機子巻線に発生する誘起電圧波形を示すグラフである。 図６は、モータに入力する電流位相に応じたトルク特性をＦＳＭ、ＳＰＭＳＭ、ＩＰＭＳＭと比較するグラフである。 図７は、交流電源回路における電機子巻線とコンデンサとを、電源Ｖｆ、コイル成分Ｌ、内部抵抗成分Ｒ、静電容量Ｃでモデル化した概念回路図である。 図８は、電機子巻線のインダクタＬを固定して、コンデンサの静電容量Ｃを切り替えたときのマイナスのトルク波形図である。 図９は、回転電機を力行モードで稼動させる際の電源回路を示す回路図である。 図１０は、本発明の第２実施形態に係る回転電機を説明する図であり、回転電機が備える交流電源回路を示す回路図である。 図１１は、図１０に示す交流電源回路においてコンデンサの並列数を切り替えるスイッチを示す回路図である。 図１２は、電機子巻線のインダクタＬを固定して、コンデンサの静電容量Ｃを切り替えたときにロータの回転速度に応じて電機子巻線に発生する誘起電流を示すグラフである。 図１３は、電機子巻線のインダクタＬを固定して、コンデンサの静電容量Ｃを切り替えたときにロータの回転速度に応じて発生するマイナスのトルク波形図である。 図１４は、電機子巻線のインダクタＬを固定して、ロータの回転速度に応じて発生するマイナストルクを最大にするコンデンサの静電容量Ｃを示すグラフである。 図１５は、本発明の第３実施形態に係る回転電機を説明する図であり、回転電機を組み込む車両の構造を示す概念構造図である。 図１６は、回転電機の概略全体構成を示す断面構成図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。
（第１実施形態）
図１〜図９は本発明の第１実施形態に係る回転電機を説明する図である。

図１において、回転電機１００は、シャフト（回転軸）１０１を中心にして一体回転する円筒形状のロータ１１０と、このロータ１１０を回転自在に収容する概略円筒形状のステータ１２０と、を備えている。回転電機１００は、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車に発電機として好適に搭載される。

回転電機１００は、所謂、フラックススイッチングモータ（ＦＳＭ）と同様の構造を有する。本実施形態では、回転電機１００を発電機（ジェネレータ）として車載する場合を一例として説明する。なお、この回転電機１００でも、ステータ１２０側に配置する電機子巻線１２５および界磁巻線１２６に電力供給してロータ１１０側を経由する磁気回路を形成することにより回転駆動させるモータ（電動機）として利用することもできる。

ここで、フラックススイッチングモータは、モータ駆動用周波数の２倍の周波数で励磁させるため、リラクタンストルク、すなわち、所謂、ｄ軸インダクタンスやｑ軸インダクタンスと同期させることができない。このことから、フラックススイッチングモータは、ステータ側から励磁させる直流磁界（静止磁界）を利用した電磁石（マグネット）トルクで駆動する。すなわち、フラックススイッチングモータは、永久磁石モータとして駆動する構造としては、ＳＰＭ（表面磁石型）モータと対比する構造となっている。

ステータ１２０は、外周側円筒形状のステータヨーク１２９から軸心側に延伸されている複数のステータティース１２１を備えている。ステータティース１２１は、ステータヨーク１２９の内周面側の２４箇所に均等配置されて、ロータ１１０の後述するロータティース１１１の外周面１１１ａに向かう突極形状に形成されている。周方向に隣り合うステータティース１２１間にステータスロット１２７が形成されている。ステータスロット１２７は、ステータティース１２１の数に対応して周方向に２４箇所配置されている。ステータティース１２には、ステータスロット１２７を利用して巻線コイルとして電機子巻線１２５と界磁巻線１２６とが配置されている。

ステータティース１２１とステータヨーク１２９は、例えば、磁性体の電磁鋼板をシャフト１０１の軸方向に積層することにより同一部材として一体形成されている。ステータティース１２１は、ロータ１１０のロータティース１１１の外周面１１１ａに対して内周面１２１ａが微小のギャップＧを介して対面するように形成されている。

電機子巻線１２５は、１つのステータスロット１２７を間に挟む２つのステータティース１２１に巻線を巻き付ける分布巻きの巻線コイルに形成されて、３相（ＵＶＷ）の各相毎に周方向に順次に隣接するように配置されている。界磁巻線１２６は、電機子巻線１２５と同様に、１つのステータスロット１２７を間に挟む２つのステータティース１２１に巻線を巻き付ける分布巻きの巻線コイルに形成されて、周方向に順次に隣接するように配置されている。

つまり、電機子巻線１２５は、界磁巻線１２６を巻き付けたステータティース１２１の間に挟まれているステータスロット１２７を利用して巻線コイルが形成されている。同様に、界磁巻線１２６は、電機子巻線１２５を巻き付けたステータティース１２１の間に挟まれているステータスロット１２７を利用して巻線コイルが形成されている。これら電機子巻線１２５と界磁巻線１２６は、２つのステータティース１２１に跨るように巻き付ける巻線コイルが１つのステータティース１２１分だけずらされて交互に位置するように配置されている。

電機子巻線１２５は、後述するように、交流電源回路３００の一部としても機能し、３相（ＵＶＷ）の交流電力が流されて交流励磁されるようになっている。界磁巻線１２６は、後述する直流電源回路２００から直流電流が供給されて直流励磁されるようになっている。

このため、電機子巻線１２５は、ステータ１２０において、Ｕ相用電機子巻線１２５ｕと、Ｖ相用電機子巻線１２５ｖと、Ｗ相用電機子巻線１２５ｗと、が順次に周方向に隣接するように配置されている。また、界磁巻線１２６は、ステータ１２０において、電機子巻線１２５の間の２つのステータティース１２１に跨るように巻き付けられて配置されている。

ロータ１１０は、シャフト１０１を固定するハブ１１９と、シャフト１０１の軸心から離隔する方向にハブ（ヨーク）１１９から延伸されている複数のロータティース１１１と、を備えている。

ロータティース１１１は、シャフト１０１を中心にするハブ１１９周りの１０箇所に均等配置されて、ハブ１１９からステータ１２０の内周面１２１ａ側に向かって延伸されている突極形状に形成されている。このロータティース１１１は、ステータ１２０の電機子巻線１２５や界磁巻線１２６を巻き付ける２４極のステータティース１２１の内周面１２１ａに対して、回転時にギャップＧを介して対面するようになっている。

ロータティース１１１およびハブ１１９は、ステータ１２０と同様に、例えば、磁性体の電磁鋼板をシャフト１０１の軸方向に積層することにより同一部材として一体形成されている。ロータティース１１１は、ステータ１２０のステータティース１２１の内周面１２１ａに対して微小のギャップＧを介して対面するように形成されている。

ここで、ロータ１１０は、ヨークとして機能するハブ１１９内に周方向の均等間隔となる複数個所に軸方向に連続して貫通する空隙１１８が形成されている。空隙１１８は、ロータティース１１１の軸心からの延伸線上に位置する１０箇所に形成されている。この空隙１１８は、ロータティース１１１を通過する磁束の磁路（ヨーク）として機能するハブ１１９内で磁気飽和が発生しないようにするために設けられている。そして、ロータ１１０には、シミュレーションにより検討された磁性体の厚さ（電磁鋼板の幅）となるように空隙１１８が設定されている。

具体的に、ロータ１１０は、最大負荷時や最高速度回転時に発生してステータ１２０から鎖交する磁束（磁束密度）が磁気飽和することなく通過することができる程度の磁路を確保するように電磁鋼板の幅が形成されている。すなわち、ロータ１１０は、ハブ１１９内の空隙１１８の内面１１８ａと、シャフト１０１を嵌め込む内筒面１１０ａまたはロータスロット１１７の底面１１７ａとの径方向の間の間隔や、隣接する空隙１１８の内面１１８ａの周方向の間の間隔が磁気飽和することのない磁束容量を確保する磁路となるように形成されている。なお、これら間隔は、シャフト１０１をハブ１１９の内筒面１１０ａ内に圧入する際の応力（締め代）も考慮して決定される。

また、このロータスロット１１７の底面１１７ａから側面１１１ｂ（ロータティース１１１の側面）に立ち上がる境界領域や空隙１１８の内面１１８ａの角領域には、Ｒ（溶接仕上がりでのフィレット）が付けられて応力集中が発生しないようにシミュレーション（例えば、応力解析）により検討されて形成されている。具体的に、その境界領域や角領域は、最高速度回転時における最大ミゼス応力がロータ１１０を構成する磁性体（電磁鋼板）の物性値を超えずに、また、塑性変形しないＲ形状に形成されている。

この構造により、ロータ１１０は、応力集中を緩和しつつ回転駆動させることができ、最大負荷時などにステータ１２０側から鎖交する際の磁束密度でも磁気飽和を発生させることのない磁路を確保することができる。このロータ１１０は、上述の境界領域や角領域のＲ形状で緩やかに連続する磁路を形成することによりトルクリプルを発生させることなく高品質な回転トルクで回転駆動することができる。また、ロータ１１０は、複数の空隙１１８を形成することにより軽量化することができ、イナーシャ（慣性）の低減による回転速度の応答性向上、荷重の低減によるベアリングの損傷軽減、重量の低減による燃費向上を図ることができる。また、ロータ１１０の形状に電磁鋼板を金型で打ち抜く際の作業性が良くなって生産性が向上する。

そして、回転電機１００は、図２に示すように、直流電源回路２００を備えている。直流電源回路２００は、車載バッテリ２１０がＤＣ／ＤＣコンバータ２２０を介して界磁巻線１２６に接続されて直流界磁電流を通電する閉回路が形成されている。界磁巻線１２６は、直列接続されてＤＣ／ＤＣコンバータ２２０に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ２２０は、チョッパ回路２２１を内蔵しており、車両側のコントローラからのエンジン回転数や走行速度などに応じた制御信号に基づいてチョッパ回路２２１などの駆動を制御して車載バッテリ２１０からの直流電流の供給を最適化するようになっている。

具体的には、直流電源回路２００は、エンジン回転数や走行速度などに応じたロータ１１０（シャフト１０１）の回転に基づき、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２０のチョッパ回路２２１によって直流電流を供給及び遮断して断続動作の制御を行う。これにより、直流電源回路２００は、可変界磁を発生させるようになっている。

このようにして、回転電機１００は、直流電源回路２００から界磁巻線１２６に直流電流を断続的に通電して可変界磁を発生させることにより、交流電流の通電時と同様に回転磁界を発生させることができる。したがって、回転電機１００は、ステータ１２０のステータティース１２１からロータティース１１１に回転する磁束を鎖交させてロータ１１０を回転させるトルクを発生させることができる。

このとき、ロータ１１０のロータティース１１１は、外周面１１１ａがステータ１２０のステータティース１２１の内周面１２１ａに繰り返し対面されることによりギャップＧを介して磁束を鎖交させるスイッチとして機能する。

回転電機１００は、図４に示すように、ステータ１２０の界磁巻線１２６で回転磁界を発生させて、ステータティース１２１の内周面１２１ａとロータティース１１１の外周面１１１ａとの対面状況（タイミング）に応じた磁束密度分布（図中には磁束線ＦＬを図示）の磁束を、ギャップＧを介して鎖交させている。これによって、ロータ１１０を回転させるマグネットトルクを回転力として発生させることができる。

また、この回転電機１００では、図５に示すように、ステータ１２０の界磁巻線１２６で回転磁界が発生されることにより、その回転磁界の回転周波数に応じた誘起電圧が電機子巻線１２５に発生される。

このことから、回転電機１００は、ステータ１２０の界磁巻線１２６で発生させる回転磁界の回転周波数に対応する特定の電流位相のタイミングで、後述する交流電源回路３００の一部としても機能する電機子巻線１２５に交流電流を流すことにより、力行モードまたは回生モードで稼動させることができる。なお、力行モードでは、回転電機１００を電動機（モータ）として利用することができ、回生モードでは、回転電機１００を発電機（ジェネレータ）として利用することができる。

そして、回転電機１００は、図３に示すように、交流電源回路３００を備えている。交流電源回路３００は、電機子巻線１２５とコンデンサ３２１とにより構成されており、電機子巻線１２５のＹ結線（スター結線）側における中性点位置にダイオードブリッジ（整流器）３１０が接続されている。ダイオードブリッジ３１０が、交流電源回路３００から受け取った交流電流を直流電流に整流し、この直流電流を車載バッテリ２１０を含む車載の各種電気負荷ＥＬに供給する回路構成になっている。

この交流電源回路３００は、電機子巻線１２５を構成する、Ｕ相用電機子巻線１２５ｕ、Ｖ相用電機子巻線１２５ｖおよびＷ相用電機子巻線１２５ｗが各相毎に直列接続されてそれぞれ交流電流が通電されるようになっており、電機子巻線１２５のそれぞれを交流励磁させるようになっている。

ダイオードブリッジ３１０は、３相（ＵＶＷ）の各相に対応するように、同一の整流方向となるように２つ一組の整流ダイオード（整流素子）３１１ｕ、３１２ｕと、整流ダイオード３１１ｖ、３１２ｖと、整流ダイオード３１１ｗ、３１２ｗとがそれぞれ直列接続されて両端側を並列接続される回路構成に構築されている。このダイオードブリッジ３１０は、ダイオードスイッチとして機能するようになっている。

このダイオードブリッジ３１０は、整流ダイオード３１１ｕ、３１２ｕと、整流ダイオード３１１ｖ、３１２ｖと、整流ダイオード３１１ｗ、３１２ｗのそれぞれの各組の中間部に、各相毎のＵ相用電機子巻線１２５ｕ、Ｖ相用電機子巻線１２５ｖおよびＷ相用電機子巻線１２５ｗの一端側端部が接続されている。また、整流ダイオード３１１ｕ、３１２ｕと、整流ダイオード３１１ｖ、３１２ｖと、整流ダイオード３１１ｗ、３１２ｗのそれぞれの各組の一端側端部とは反対側の端部であって、Ｕ相用電機子巻線１２５ｕ、Ｖ相用電機子巻線１２５ｖおよびＷ相用電機子巻線１２５ｗが接続されている一端側端部とは反対側の両端部を共通の接続点として、例えば、車載バッテリ２１０の電気負荷ＥＬに並列接続されている。

この回路構成により、回転電機１００は、後述するように、交流電源回路３００の電機子巻線１２５の各相に交流電力を発生させてコンデンサ３２１を利用して通電することにより、それぞれ交流励磁させるようになっている。電機子巻線１２５を経由した交流電力は、各相毎にダイオードブリッジ３１０の整流ダイオード３１１ｕ、３１２ｕと、整流ダイオード３１１ｖ、３１２ｖと、整流ダイオード３１１ｗ、３１２ｗのそれぞれの各組で整流されて直流電力として電気負荷ＥＬに供給されることにより、例えば、車載バッテリ２１０に蓄電される。

具体的に、交流電源回路３００は、電機子巻線１２５のダイオードブリッジ３１０の一方の端部（各相毎の前段）に各相毎のコンデンサ３２１（３２１ｕ、３２１ｖ、３２１ｗ）がそれぞれ直列接続されており、コンデンサ３２１ｕ、３２１ｖ、３２１ｗの他方の端部は共通接続されている。このコンデンサ３２１ｕ、３２１ｖ、３２１ｗの他方の端部は、所謂、Ｙ結線接続されている。

ここで、回転電機１００を発電機として回生モードで稼動させる場合、ロータ１１０にマイナストルク（ブレーキトルク）を発生させてシャフト１０１の回転により電力を発生させる。なお、本実施形態の回転電機１００は、フラックススイッチングモータ構造を採用することから、オルタネータで採用されている回生制御の技術をそのまま利用することはできない。また、電流位相と電圧位相とに差のない力率＝１となるタイミングにマイナストルクを発生させて、効率的に回生エネルギーを回収するのが理想的であるが、位相制御の行われないオルタネータでは、このようなタイミングにマイナストルクを発生させることはできない。

ところで、図６は、モータに入力する電流位相に応じたトルク特性を図示するグラフである。このグラフでは、回転電機１００のようなフラックススイッチングモータ（ＦＳＭ）の場合には、電流位相が０度のタイミングにマイナストルクが最大となることが分かる。

これに対して、永久磁石を利用するモータ（ＳＰＭＳＭ、ＩＰＭＳＭ）の場合、電流位相が０度のタイミングにはトルクを出力することができず、空転してしまうことが分かる。ＳＰＭＳＭの場合には電流位相が２７０度のタイミングで、ＩＰＭＳＭの場合には電流位相が２７０度から遅れたタイミングでマイナストルクが最大となることから、発電機として利用するときには、インバータなどにより電流位相を制御する必要がある。

この図６における電流位相＝０度は、電圧位相との位相差がゼロとなって力率＝１で高効率に稼動させることができるタイミングである。ＦＳＭの場合には最大のマイナストルクを利用して回転電機１００を回生動作させることができるが、ＳＰＭＳＭやＩＰＭＳＭの場合にはマイナストルクを利用することができずに空転してしまうことになる。

このように、交流電源回路３００は、電機子巻線１２５のＹ結線側の中性点位置にダイオードブリッジ３１０が接続されているとともに、その電機子巻線１２５の中性点接続の反対側にコンデンサ３２１が接続されることにより各相毎のＬＣ回路が形成されている。そのダイオードブリッジ３１０の出力側（電機子巻線１２５との接続側とは反対側）には、車載バッテリ２１０などの電気負荷ＥＬが接続されている。

そして、回転電機１００は、直流電源回路２００のＤＣ／ＤＣコンバータ２２０のチョッパ回路２２１によって直流界磁電流が断続的に界磁巻線１２６に通電されることにより回転磁界を発生する。回転電機１００は、回転するロータティース１１１の外周面１１１ａがスイッチとして機能、すなわち、外周面１１１ａがギャップＧを介してステータティース１２１の内周面１２１ａに繰り返し対面することによって、発生した回転磁束を鎖交または遮断することができる。

このとき、回転電機１００は、ステータヨーク１２９を経由する磁束がロータティース１１１の外周面１１１ａからステータティース１２１の内周面１２１ａにギャップＧを介して鎖交することにより、電機子巻線１２５を誘起させて誘起電流を発生させることができる。したがって、回転電機１００は、マイナストルクを発生するタイミングにその誘起電流を電機子巻線１２５に供給することにより回生モードを実行することができる。この回生モードでは、電機子巻線１２５で発生させる誘起電流を交流電源回路３００のダイオードブリッジ３１０により整流して電気負荷ＥＬのバッテリなどに供給し、電気エネルギーを蓄電させることができる。また、ダイオードブリッジ３１０の反対側に接続されているコンデンサ３２１に電気エネルギーを蓄電させることもできる。

交流電源回路３００は、図７に示すように、ダイオードブリッジ３１０の前段において、電機子巻線１２５がロータティース１１１に回転周波数ωで鎖交する回転磁束φｆに応じた誘起電圧を発生する電源Ｖｆを構成するとした場合、その電源Ｖｆと、その電機子巻線１２５のコイル成分Ｌと、内部抵抗成分Ｒと、コンデンサ３２１の静電容量Ｃと、を直列接続する１相毎の回路構成としてモデル化することができる。

そして、この回転電機１００は、回生モードでは、力率＝１となる電流位相と電圧位相の位相差がなくなるタイミングに、直流電源回路２００が車載バッテリ２１０から界磁巻線１２６に断続する直流界磁電流を供給して、交流電源回路３００が電機子巻線１２５に誘起電流を通電することによって、最大のマイナストルクで稼動する状態を確保（保持）するようになっている。

具体的に、交流電源回路３００は、電機子巻線１２５で発生させる誘起電流をコンデンサ３２１に蓄電させるとともに、その電機子巻線１２５のインダクタとしての電磁エネルギーの変化に伴ってコンデンサ３２１から蓄電電力を引き出す動作を繰り返す。すなわち、交流電源回路３００は、電機子巻線１２５とコンデンサ３２１との間で電荷エネルギーを転送する動作を繰り返すことによりインダクタＬとコンデンサＣとの間でのエネルギーの授受を行わせて交流磁束を連続的に形成するようになっている。

このため、交流電源回路３００でも、電機子巻線１２５に誘起された交流の誘起電圧がインダクタＬとコンデンサＣとの間で電磁共振する、所謂、ＡＣ自己励磁を発生させて回転磁束を形成することができる。この回転磁束は、インダクタＬのエネルギーの増減を妨げる方向にＡＣ自励作用するため、ブレーキトルクを発生させる位相で発生することになる。

例えば、図８に示すように、回転電機１００は、直流電源回路２００のＤＣ／ＤＣコンバータ２２０が界磁巻線１２６に通電して回転を開始するのに伴って、交流電源回路３００のコンデンサ３２１が静電容量Ｃに応じた電荷エネルギーを電機子巻線１２５との間でやり取りする。これにより、回転電機１００は、マイナスのブレーキトルクを発生させることができ、ダイオードブリッジ３１０で整流する直流電流を電気負荷ＥＬのバッテリなどに給電する発電機として動作することができる。なお、図８は、電機子巻線１２５のインダクタＬを固定して、コンデンサ３２１の静電容量Ｃを０．０２Ｆまたは０．２Ｆとしたときのマイナスのトルク波形を示している。

このように、交流電源回路３００は、図７に示すインダクタＬとコンデンサＣとの間において電磁共振（所謂、ＡＣ自己励磁）を発生させることにより、回生動作を実行することができる。

ところで、図２および図３は、回生モードの選択実行時における電源回路２００、３００の回路構成であり、力行モードで回転電機１００を稼動させる場合には、図９に示す電源回路４００に切り替えればよい。

具体的には、電源回路４００は、図９に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２０の前段に接続するＤＣ／ＡＣインバータ４２０の各相（ＵＶＷ）に電機子巻線１２５（１２５ｕ、１２５ｖ、１２５ｗ）がＹ結線接続されている。この電源回路４００では、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２０からの界磁巻線１２６への断続する直流電流の供給に加えて、ＤＣ／ＡＣインバータ４２０から交流電流を、電機子巻線１２５に回転トルクを発生させるタイミングで通電する。これにより、回転電機１００がロータ１１０（シャフト１０１）を回転駆動させる電動機として機能する。

なお、この図９に示す電源回路４００は、回転電機１００が力行モードで稼動する場合に必要な回路構成を示している。回生モードで回転電機１００を稼動させる場合にはＤＣ／ＡＣインバータ４２０を切り離す。力行モードでは、無効化（切り離し）していたダイオードブリッジ３１０やコンデンサ３２１を電機子巻線１２５に接続して、図２の直流電源回路２００と図３の交流電源回路３００とを備える回路構成にすればよい。また、力行モードで稼動させる必要がない場合には、図２の直流電源回路２００と図３の交流電源回路３００とを備えるだけの回生モード専用の回転電機１００とすればよい。

このように、本実施形態の回転電機１００においては、直流電源回路２００が界磁巻線１２６に対して通電を行うことによって、交流電源回路３００が電機子巻線１２５において励起される誘起電流を、ダイオードブリッジ３１０で整流して車載バッテリ２１０などの電気負荷ＥＬに給電することができる。なお、交流電源回路３００は、回生モードとしてブレーキトルクの発生を保持するために、電機子巻線１２５とコンデンサ３２１との間で電荷エネルギーを往復させる電磁共振をできるだけ維持するのが好ましく、それぞれのインダクタＬとコンデンサＣが後述するＬＣ共振条件を満たすように、コンデンサ３２１の静電容量Ｃを選択するのが好適である。

以上のことから、回転電機１００は、スリップリングを備えることによるメンテナンスや、インバータによる複雑な交流電流の供給制御などを必要とすることなく、ダイオードブリッジ３１０とコンデンサ３２１を設置するだけで、安価な発電機として機能させることができる。

ここで、この回転電機１００は、ロータ１１０が電磁鋼板のみからなる鉄塊であることから堅牢性が高い。また、回転電機１００は、ステータ１２０の界磁巻線１２６に発生させる界磁を調整可能であることから、オルタネータの発電制御をスリップリング不要のブラシレスでも実現することができる。

（第２実施形態）
図１０〜図１４は本発明の第２実施形態に係る回転電機を示す図である。なお、本実施形態は、上述の第１実施形態と略同一に構成されているので、図面を流用しつつ同様の構成には同一の符号を付して主に特徴部分を説明する（次に説明する第３実施形態においても同様）。

図１０において、本実施形態の回転電機１００は、上述実施形態のコンデンサ３２１に代えて、交流電源回路３００の電機子巻線１２５の前段にコンデンサ列５２０が接続されている。

コンデンサ列５２０は、各相毎に、コンデンサ列５２０ｕ、５２０ｖ、５２０ｗが構築されて、Ｙ結線接続されている。このコンデンサ列５２０ｕ、５２０ｖ、５２０ｗは、それぞれのコンデンサ列において、複数のコンデンサ５２１が並列接続されている。コンデンサ列５２０は、各相毎の電機子巻線１２５（１２５ｕ、１２５ｖ、１２５ｗ）の前段に直列接続されている。

各コンデンサ列５２０は、本実施形態では、１つのコンデンサ５２１に対して、３つのコンデンサ５２１がスイッチ５３１を介して個々に断接可能に並列接続されている。スイッチ５３１は、図１１に示すように、正逆反対向きに並列接続する２つのサイリスタ５３２ａ、５３２ｂにコンデンサ５３３が直列接続されている。このスイッチ５３１は、サイリスタ５３２ａ、５３２ｂをスイッチングすることによりコンデンサ５２１を個々に断接させることができるようになっている。

これにより、回転電機１００は、電機子巻線１２５のインダクタＬを固定しつつ、コンデンサ３２１の静電容量Ｃを変化させることができ、図１２に示すように、ロータ１１０の回転速度に応じて電機子巻線１２５で誘起される電流値を変化させて最適値に調整することができる。

例えば、図１２に示すように、交流電源回路３００では、ロータ１１０の回転速度が３０００ｒｐｍの場合、各相毎のコンデンサ列５２０の合成静電容量Ｃが０．０００２Ｆに調整されることにより、電機子巻線１２５に大電流が誘起されてブレーキトルクを確保しつつ、ダイオードブリッジ３１０で整流される直流電流を車載バッテリ２１０などの電気負荷ＥＬに給電できる。

この交流電源回路３００の各相毎のコンデンサ列５２０の合成静電容量Ｃとロータ１１０の回転速度とに応じてブレーキトルクが変化する。詳細には、各相毎のコンデンサ列５２０の合成静電容量Ｃを、例えば、０．２Ｆ、０．０２Ｆ、０．００４Ｆ、０．００８Ｆ、０．０００８Ｆ、０．０００２Ｆに切り替えてロータ１１０の回転速度を変化させたときのブレーキトルクは、図１３に示すトルク特性のように変化する。

そして、ロータ１１０の回転速度を変化させたときに最大のブレーキトルクにする各相毎のコンデンサ列５２０の合成静電容量Ｃは、図１４に示すように切り替えればよいことが分かる。

交流電源回路３００は、図７に示すインダクタＬとコンデンサＣとの間において、損失少なくエネルギーの授受を実行させるためにＬＣ共振させることが好適である。この交流電源回路３００は、ＬＣ共振条件を満たすことにより、そのインダクタＬおよびコンデンサＣでのエネルギーの消費を実質的になくして効率よく回生動作を実行させることができる。

この交流電源回路３００の図７に示す１相毎のＬＣ共振等価回路モデルのインピーダンスＺは、電機子巻線１２５のコイル成分Ｌと、内部抵抗成分Ｒと、コンデンサ３２１の静電容量Ｃと、を用いる次式（１）で示すことができる。その式（１）において、ωＬ＝１／ωＣとすることにより、小さな内部抵抗成分Ｒのみとしてエネルギーロスを最小にできる。このようなＬＣ共振を繰り返すことが、効率良い回生動作を実行可能にする。
Ｚ＝Ｒ＋ｊωＬ＋１／ｊωＣ＝Ｒ＋ｊ（ωＬ−（１／ωＣ））......（１）

以上のように、この回転電機１００は、ロータ１１０（シャフト１０１）の回転速度に応じた最適なブレーキトルクとなるように、交流電源回路３００の各相毎のコンデンサ列５２０のスイッチ５３１を制御して、合成静電容量Ｃを調整することにより、効率よく回生モードを実行することができる。

このように、本実施形態の回転電機１００においては、上述の実施形態による作用効果に加えて、電機子巻線１２５の各相毎の前段に直列接続されているコンデンサ列５２０のスイッチ５３１を切り替えることにより、静電容量Ｃを調整することができる。このため、回転電機１００は、例えば、車速に応じて変化するロータ１１０の回転速度で最適なブレーキトルクを発生するように、ＬＣ共振条件を満たす静電容量Ｃに調整することにより、効率のよい回生モードを実行することができる。

（第３実施形態）
図１５および図１６は本発明の第３実施形態に係る回転電機を示す図である。

図１５において、本実施形態の回転電機１００は、回生モードのみを実行する発電機として車両に搭載されている。回転電機１００は、例えば、車両Ｍの車輪の回転によりロータ６１０（シャフト１０１）を回転させて回生モードを実行するだけでなく、車両Ｍの走行時における風圧やエンジン６０１からの排気ガスの風圧を受けて回転する発電機として搭載されている。

具体的に、車両Ｍは、内燃機関のエンジン６０１と共に連携駆動するように、汎用の回転電機７００を設置して、所謂、ハイブリッド車として構築されている。回転電機７００は、車載バッテリ２１０からインバータ７２０を介して電力供給されて力行モードを実行することにより電動機（モータ）として稼動される。また、回転電機７００は、回生モードの実行時には、エンジン６０１の駆動軸６０１ａや車輪の回転力を受けて発電する発電機（ジェネレータ）として稼動され、インバータ７２０が発電電力を車載バッテリ２１０に充電する。

エンジン６０１は、車両Ｍの前面側に設置されているラジエータ６０２を通過する走行風により冷却水が熱交換されてオーバヒートせずに稼動する。このラジエータ６０２の下流側に発電機として機能する回転電機１００が設置されている。また、エンジン６０１は、燃焼後の排気ガスを浄化する触媒６０３の下流側の排気管６０４にも発電機として機能する回転電機１００が設置されている。

本実施形態の回転電機１００は、図１６に示すように、ロータ１１０に代えて、ロータ６１０がステータ１２０内に回転自在に収容されている。ロータ６１０は、不図示のインペラを有してシャフト１０１をハブ６１９内に嵌め込んで軸心としている。このため、ロータ６１０は、例えば、上流側のインペラが走行風や排気ガスの風圧を受けて回転される。このロータ６１０は、その風圧に応じた回転数で回転するようになっている。なお、ロータ６１０に回転力を付与した後の走行風や排気ガスは、ロータティース６１１間のロータスロット６１７内を通過される。

これにより、回転電機１００は、ロータ６１０がステータ１２０で発生する磁束を最適なタイミングで鎖交させて磁気回路を形成するスイッチとして機能することができる。

このように、本実施形態の回転電機１００においては、上述の実施形態のロータ１１０と同様に、ロータ６１０がインペラにより走行風や排気ガスの風圧を利用して回転されることによって回生モードを実行することができ、車載バッテリ２１０を充電することができる。

上述実施形態の他の態様としては、ダイオードブリッジ３１０のように複数のダイオードからなるダイオードスイッチ回路に代えて、複数のスイッチング素子から構成されるインバータ回路を整流器として設置してもよい。例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのスイッチング素子を整流素子として構築してもよい。なお、インバータ回路とする場合には、電流制御を行う必要があることから、上述実施形態のように整流するだけのダイオードブリッジ３１０を採用する方が簡易な制御を実現することができて好適である。

さらに、ＬＣ共振点を可変にするのは、コンデンサの並列数に限らず、直列も組み合わせて細密に調整可能にしてもよく、また、コンデンサに限らず、電機子巻線１２５の直列数や並列数を組み合わせてコイルインダクタンスで調整可能にすることもできる。

また、回転電機１００のようなラジアルギャップ構造に限らすに、アキシャルギャップ構造のフラックススイッチングモータにも適用して、同様の作用効果を得ることができる。さらに、回転電機１００のような１０極２４スロットに限定されることはなく、他の組み合わせのフラックススイッチングモータの構造にも適用することができる。

また、ロータ１１０、６１０やステータ１２０は、電磁鋼板の積層構造で作製するばかりでなく、例えば、鉄粉などの磁性を有する粒子の表面を絶縁被覆処理した軟磁性複合粉材（Soft Magnetic Composites）をさらに鉄粉圧縮成形および熱処理製造した圧粉磁心、所謂、ＳＭＣコアを採用してもよい。このＳＭＣコアは、成形が容易であることからアキシャルギャップ構造にも好適である。また、アルミ導体を用いてロータやステータを作製しても同様に機能させることができる。

さらに、回転電機１００は、界磁巻線１２６に永久磁石を追加して配置するハイブリッドタイプに構築してもよく、マグネットトルクをハイブリッド界磁型で得られるようにしてもよい。

この回転電機１００は、車載用に限定されるものではなく、例えば、風力発電や、工作機械などの駆動源として好適に採用することができる。

本発明の実施形態を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正及び等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。

１００ 回転電機
１１０、６１０ ロータ
１１１、６１１ ロータティース
１１７、６１７ ロータスロット
１２０ ステータ
１２１ ステータティース
１２５ 電機子巻線
１２５ｕ Ｕ相用電機子巻線
１２５ｖ Ｖ相用電機子巻線
１２５ｗ Ｗ相用電機子巻線
１２６ 界磁巻線
１２７ ステータスロット
２００ 直流電源回路
２１０ 車載バッテリ
２２０ ＤＣ／ＤＣコンバータ
２２１ チョッパ回路
３００ 交流電源回路
３１０ ダイオードブリッジ
３１１ｕ、３１１ｖ、３１１ｗ、３１２ｕ、３１２ｖ、３１２ｗ 整流ダイオード
３２１、３２１ｕ、３２１ｖ、３２１ｗ、５２１ コンデンサ
５２０、５２０ｕ、５２０ｖ、５２０ｗ コンデンサ列
５３１ スイッチ
ＥＬ 電気負荷
ＦＬ 磁束線
Ｇ ギャップ

Claims (3)

1. 複数のステータティースを有するステータと、
   複数のロータティースを有するロータと、
   前記ステータティースに複数相の電機子巻線および界磁巻線を設けた回転電機であって、
   前記複数相の電機子巻線により誘起された誘起電圧を整流して出力する整流器と、
   前記複数相の電機子巻線のそれぞれに直列に接続されているコンデンサと、を有する回転電機。
2. 前記コンデンサは、前記電機子巻線との間で電磁共振を発生するように設けられ、各相毎に静電容量を調整可能に形成されている、請求項１に記載の回転電機。
3. 前記整流器は、複数のダイオードから構成されるダイオードスイッチである、請求項１または請求項２に記載の回転電機。
   
   

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