JP2018042401A - 界磁巻線式回転機 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータ界磁巻線の各部分インダクタンスに相互に打ち消し合う方向の電圧が発生するときの励磁エネルギ損失の発生を防止することが可能な界磁巻線式回転機を提供する。【解決手段】界磁巻線式回転機２０は、ステータコア３２及びステータコア３２に巻装されるステータ巻線３４を有するステータ２４と、ロータコア４２及びロータコア４２に巻装されるロータ界磁巻線４４を有するロータ２６と、ロータ界磁巻線４４の両端間に接続される整流素子５２と、を備えると共に、一端が整流素子５２のアノード端子に接続されると共に、他端がロータ界磁巻線４４の中途に接続されるコンデンサ５４を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、界磁巻線式回転機に関する。

従来、ステータ巻線への通電により界磁を発生させる界磁巻線式回転機が知られている（例えば、特許文献１など）。この界磁巻線式回転機は、ステータと、ロータと、を備えている。ステータは、ステータコア及びそのステータコアに巻装されるステータ巻線を有している。ロータは、ロータコア及びそのロータコアに巻装されるロータ界磁巻線を有している。ロータ界磁巻線は、整流素子であるダイオードを介して短絡されている。すなわち、ロータ界磁巻線の両端間には、ダイオードが接続されている。

また、上記の界磁巻線式回転機は、ステータ巻線に接続されるインバータ回路と、ロータの回転位置に対応した電流がステータ巻線に流れるようにインバータ回路を制御する制御回路と、を備えている。ステータ巻線に流れる電流は、回転トルク発生用の電流成分である基本波電流（すなわち、同期電流）と、ロータ励磁用の電流成分である励磁電流と、の和である。ロータ励磁用の励磁電流は、基本波電流に比して短い周期（すなわち、高い周波数）の電流であり、パルス状の波形に成形されている。このロータ励磁用の励磁電流がステータ巻線に流れると、励磁磁束がロータコアの主磁極に鎖交し、ロータ界磁巻線に電圧が発生して励磁電流が誘起される。

上記の如く、ロータ界磁巻線の両端間にはダイオードが接続されている。このため、励磁磁束が変動してロータ界磁巻線に交流電圧が発生しても、ロータ界磁巻線には電流が一方向にのみ流れることで、ロータコアが所定方向へ励磁されて一対の界磁極（具体的には、Ｎ極及びＳ極）が形成される。この一対の界磁極を形成するための界磁束は、ステータ巻線へのロータ励磁用の励磁電流の通電とロータ界磁巻線での電流の整流とにより形成される。

このように、ステータからの励磁磁束をロータ界磁巻線で受けると共にダイオードを介して一方向電流に変換することで界磁極を構成する回転機においては、回転トルクを発生させるために、ロータコアの主磁極に励磁磁束を鎖交させてロータコアの励磁を行う。このロータコアの励磁は、基本波電流にパルス状の励磁電流を重畳してロータ界磁巻線に励磁電流を誘起することにより実現される。

特開２００８−１７８２１１号公報

ところで、界磁極のロータ界磁巻線は、インダクタンスを有しており、各極のロータ界磁巻線は各々の部分で部分インダクタンスを構成する。界磁極に流れる磁束には漏れ磁束や高調波磁束などがあるので、ロータ界磁巻線の各部分インダクタンスに発生する電圧の方向は一様でなく時間やロータ回転位置によって変化する。ロータ界磁巻線の各部分インダクタンスに相互に打ち消し合う電圧が発生すると、その全体の電圧が下がって励磁電流が減少し、励磁エネルギの損失が発生するおそれがある。

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、ロータ界磁巻線の各部分インダクタンスに発生する電圧が相互に打ち消し合うときの励磁エネルギ損失の発生を防止することが可能な界磁巻線式回転機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた請求項１記載の発明は、ステータコア及び前記ステータコアに巻装されるステータ巻線を有するステータと、ロータコア及び前記ロータコアに巻装されるロータ界磁巻線を有するロータと、前記ロータ界磁巻線の両端間に接続される整流素子と、を備える界磁巻線式回転機であって、一端が前記整流素子の一端に接続されると共に、他端が前記ロータ界磁巻線の中途に接続されるコンデンサを備える界磁巻線式回転機である。

この構成によれば、漏れ磁束や高調波磁束などに起因してロータ界磁巻線の各部分インダクタンスに発生する電圧が相互に打ち消し合うときに、その相互に打ち消し合う電圧分の励磁エネルギをコンデンサに蓄えることができると共に、その後、電圧方向が切り替わると共に電圧が相互に打ち消し合う方向となったときに、コンデンサに蓄えられていたエネルギをロータ界磁巻線へ放出して、ロータコアを励磁する励磁電流に変換することができる。従って、ロータ界磁巻線の各部分インダクタンスに発生する電圧が相互に打ち消し合うときの励磁エネルギ損失の発生を防止することができる。

請求項２記載の発明は、前記ステータ巻線に流す電流は、回転トルクを発生させるための基本波電流と前記基本波電流に比して周期が短い高調波電流とを重畳した電流である界磁巻線式回転機である。

この構成によれば、ステータ巻線に高調波電流が流れた際にその高調波電流に応じた励磁磁束を発生させることができるので、ロータ界磁巻線に交流電圧を発生させてロータコアを励磁する励磁電流を誘起することができる。

請求項３記載の発明は、前記ロータ界磁巻線は、前記コンデンサに並列に接続されている第１界磁巻線部と、前記整流素子の他端と前記コンデンサの他端との間に接続されている第２界磁巻線部と、を有し、前記第１界磁巻線部は、前記第２界磁巻線部に比して前記ロータコアの主磁極に近い側に配置されている界磁巻線式回転機である。

この構成によれば、漏れ磁束や高調波磁束などが生じたときに第１界磁巻線部と第２界磁巻線部とで磁束量の差を大きくすることができるので、その差の分だけコンデンサに蓄えるエネルギを大きくすることができ、効果的に界磁電流を得ることができる。

請求項４記載の発明は、前記ロータ界磁巻線は、前記コンデンサに並列に接続されている第１界磁巻線部と、前記整流素子の他端と前記コンデンサの他端との間に接続されている第２界磁巻線部と、を有し、前記第１界磁巻線部は、前記第２界磁巻線部に比して前記ステータコアから遠い側に配置されている界磁巻線式回転機である。

この構成によれば、漏れ磁束や高調波磁束などが生じたときに第１界磁巻線部と第２界磁巻線部とで磁束量の差を大きくすることができるので、その差の分だけコンデンサに蓄えるエネルギを大きくすることができ、効果的に界磁電流を得ることができる。

請求項５記載の発明は、前記ロータコアは、複数の主磁極と、前記主磁極間に配置される補助極と、を有し、前記補助極に設けられ、前記主磁極間において生じる漏れ磁束を打ち消す方向に着磁された磁石を備える界磁巻線式回転機である。

この構成によれば、補助極に設けられた磁石により、主磁極間においてステータ側とロータ側とを跨いで磁束が素通りして漏れるのを抑えことができるので、界磁極に流れる磁束を主磁極に効率良く通すことができ、効果的に界磁電流を得ることができる。

本発明の第１実施形態に係る界磁巻線式回転機の全体構成図である。 第１実施形態の界磁巻線式回転機の回路図である。 第１実施形態の界磁巻線式回転機を回転軸に対して垂直方向に広がる面で切断した際の断面図である。 第１実施形態の界磁巻線式回転機におけるステータ巻線に流す相電流の時間変化の一例を表した図である。 第１実施形態の界磁巻線式回転機においてステータ巻線に相電流を図４に示す波形で流した場合に発生する回転トルクの時間変化を表した図である。 第１実施形態の界磁巻線式回転機が備えるロータ界磁巻線を含む回路図である。 第１実施形態の界磁巻線式回転機においてロータ界磁巻線の各部分インダクタンスに発生する電圧が相互に打ち消し合う方向でコンデンサが充電されることを説明するための図である。 第１実施形態の界磁巻線式回転機においてロータ界磁巻線の各部分インダクタンスに発生する電圧が相互に打ち消し合う方向でコンデンサが放電されることを説明するための図である。 第１実施形態の界磁巻線式回転機におけるロータ界磁巻線の電圧方向とトータル電圧と発生電流と電流変換効率との関係を表す図である。 本発明の第２実施形態に係る界磁巻線式回転機を回転軸に対して垂直方向に広がる面で切断した際の断面図である。 本発明の第３実施形態に係る界磁巻線式回転機を回転軸に対して垂直方向に広がる面で切断した際の断面図である。 本発明の第４実施形態に係る界磁巻線式回転機を回転軸に対して垂直方向に広がる面で切断した際の断面図である。 本発明の第５実施形態に係る界磁巻線式回転機が備えるロータ界磁巻線を含む回路図である。 本発明の第６実施形態に係る界磁巻線式回転機が備えるロータ界磁巻線を含む回路図である。 第６実施形態の界磁巻線式回転機においてロータ界磁巻線の各部分インダクタンスに発生する電圧が相互に打ち消し合う方向でコンデンサが充電されることを説明するための図である。 第６実施形態の界磁巻線式回転機においてロータ界磁巻線の各部分インダクタンスに発生する電圧が相互に打ち消し合う方向でコンデンサが放電されることを説明するための図である。

以下、本発明に係る界磁巻線式回転機の具体的な実施形態について、図１〜図１６を参照しつつ説明する。

［実施形態１］
本発明の第１実施形態において、界磁巻線式回転機２０は、例えば車両などに搭載される同期型の発電電動機である。以下、界磁巻線式回転機２０を単に回転機２０と称す。回転機２０は、バッテリなどの電源２２から電力が供給されることで車両を駆動するための駆動力を発生すると共に、また、車両のエンジンから駆動力が供給されることでバッテリを充電するための電力を発生する装置である。回転機２０は、図１に示す如く、ステータ２４と、ロータ２６と、ハウジング２８と、軸受３０と、を備えている。

ステータ２４は、ハウジング２８により囲まれた空間に収容されていると共に、そのハウジング２８に固定されている。ステータ２４は、ステータコア３２と、ステータ巻線３４と、を有している。ステータコア３２は、磁束が流れる磁路の一部を構成する。ステータコア３２は、軸中心に孔３６が空いた中空円筒状に形成されている。ステータコア３２は、図３に示す如く、スロット３８と、ティース４０と、を有している。スロット３８は、径方向内側に開口しており、軸方向に沿って延びている。スロット３８は、周方向において複数設けられており、所定角度ごとに並ぶように配置されている。スロット３８には、ステータ巻線３４の直線部が収容される。ステータ巻線３４は、ステータコア３２のティース４０に巻装されている。ステータ巻線３４は、三相Ｕ，Ｖ，Ｗそれぞれの相巻線を有している。

ロータ２６は、ステータコア３２の孔３６に回転可能に収容されている。ロータ２６は、ステータ２４に対して径方向内側に所定のエアギャップを空けて対向配置されている。ロータ２６は、ハウジング２８に軸受３０を介して回転可能に支持されている。ロータ２６は、ロータコア４２と、ロータ界磁巻線４４と、を有している。ロータコア４２は、磁束が流れる磁路の一部を構成する。

ロータコア４２は、ボス部４６と、突極部４８と、を有している。ボス部４６は、円筒状に形成されており、その中空孔にロータシャフト５０が嵌挿された部位である。突極部４８は、ボス部４６から径方向外側へ向けて突出する部位である。突極部４８は、周方向において複数設けられており、所定間隔をおいて並ぶように配置されている。突極部４８は、一対の界磁極（具体的には、Ｎ極及びＳ極）をなす主磁極である。ロータ界磁巻線４４は、ロータコア４２の突極部４８にその回りを囲むように巻装されている。ロータ界磁巻線４４は、突極部４８ごとに集中的に巻かれている。

回転機２０は、図２及び図６に示す如く、整流素子５２を備えている。整流素子５２は、ロータ界磁巻線４４の両端間に接続されるダイオードである。整流素子５２のアノード端子はロータ界磁巻線４４の一端に接続されていると共に、整流素子５２のカソード端子はロータ界磁巻線４４の他端に接続されている。整流素子５２は、ロータ界磁巻線４４に誘起された交流電圧を半波整流して、ロータ界磁巻線４４に流れる電流の方向を一方に限定させる機能を有している。この整流素子５２の機能により、突極部４８は、Ｎ極及びＳ極のうち何れか一方に励磁される。各突極部４８はそれぞれ、周方向においてＮ極の突極部４８とＳ極の突極部４８とが交互に並ぶよう励磁される。

回転機２０は、コンデンサ５４を備えている。コンデンサ５４は、一端が整流素子５２のアノード端子に接続されていると共に、他端がロータ界磁巻線４４の中途に接続されている、電荷を蓄えることが可能な受動素子である。尚、コンデンサ５４の他端とロータ界磁巻線４４との接続位置は、ロータ界磁巻線４４を界磁極に流れる磁束の漏れ磁束や高調波磁束などの影響を受け易い部分と受け難い部分とに分ける境界位置であることが望ましい。ロータ界磁巻線４４と整流素子５２とコンデンサ５４とは、極ごと或いは極対ごとに回路配置されてもよいし、全体で一セットでもよい。

ロータ界磁巻線４４は、コンデンサ５４に並列に接続されている第１界磁巻線部４４−１と、整流素子５２のカソード端子とコンデンサ５４の他端との間に接続されている第２界磁巻線部４４−２と、を有している。コンデンサ５４は、第１界磁巻線部４４−１の両端に発生する電圧ｅ１の方向と第２界磁巻線部４４−２の両端に発生する電圧ｅ２の方向とが互いに逆方向となって両電圧ｅ１，ｅ２が相互に打ち消し合うときにその打ち消し合う電圧分の励磁エネルギを蓄える機能を有している。

第１界磁巻線部４４−１と第２界磁巻線部４４−２とは、ロータ界磁巻線４４を漏れ磁束や高調波磁束などの影響を受け易い部分と受け難い部分とに分けたものである。第１界磁巻線部４４−１は、周方向においてロータコア４２の突極部４８に近い側に配置されていると共に、第２界磁巻線部４４−２は、周方向においてロータコア４２の突極部４８から遠い側に配置されている。すなわち、第１界磁巻線部４４−１は、第２界磁巻線部４４−２に比してロータコア４２の突極部４８に近い側に配置されている。

尚、第１界磁巻線部４４−１及び第２界磁巻線部４４−２の配置は、例えば、ロータコア４２の突極部４８に第１界磁巻線部４４−１を巻装した後にその第１界磁巻線部４４−１の周方向外側に第２界磁巻線部４４−２を巻装することにより実現されるものであってよい。また、第１界磁巻線部４４−１及び第２界磁巻線部４４−２は、一本の巻線をコンデンサ５４の他端との接続位置を境界にして分けたものであってもよく、また、二本の別々の巻線をコンデンサ５４の他端との接続位置で繋げたものであってもよい。

回転機２０には、電源２２に並列に接続されるインバータ回路６０が接続されている。インバータ回路６０は、ステータ巻線３４に接続されており、ステータ巻線３４の各相Ｕ，Ｖ，Ｗの相巻線に電圧印加を行う回路である。インバータ回路６０は、電源２２の両端間に直列接続される上アーム素子６２及び下アーム素子６４を有している。上アーム素子６２及び下アーム素子６４は、各相Ｕ，Ｖ，Ｗの相巻線に対応して３つずつ設けられている。

各アーム素子６２，６４はそれぞれ、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（すなわちＩＧＢＴ）やＭＯＳ電界効果トランジスタなどのスイッチング素子６６と、フライホイルダイオード６８と、により構成されている。各相Ｕ，Ｖ，Ｗそれぞれの上アーム素子６２のスイッチング素子６６と下アーム素子６４のスイッチング素子６６とは、互いに逆相でオン／オフされる。各相Ｕ，Ｖ，Ｗの上アーム素子６２のスイッチング素子６６は、所定位相差を伴って所定期間だけオンされる。

インバータ回路６０の両端間には、平滑コンデンサ７０が接続されている。平滑コンデンサ７０は、電源２２の両端間に接続されており、電源２２に並列に接続されている。平滑コンデンサ７０は、インバータ回路６０の両端間に生じる電圧を平滑化するためのものである。

インバータ回路６０には、制御回路７２が接続されている。制御回路７２は、インバータ回路６０の各アーム素子６２，６４のスイッチング素子６６に接続されており、そのインバータ回路６０を制御する回路である。制御回路７２には、ロータ２６の回転位置を検出するための位置センサ７４が接続されている。制御回路７２は、位置センサ７４から得られたロータ２６の回転位置に基づいて、ステータ巻線３４に所望の電流が流れるようにインバータ回路６０を駆動する。インバータ回路６０は、制御回路７２からの駆動指令に従ってスイッチング素子６６が駆動されることにより、ステータ巻線３４から所望の回転磁界が発生するように各相Ｕ，Ｖ，Ｗの相巻線に電圧印加を行う。

次に、本実施形態の回転機２０の動作について説明する。

制御回路７２は、ロータ界磁巻線４４に交流電圧を誘起するために、回転トルク発生用の電流成分である基本波電流（すなわち同期電流）とは別の、ロータ励磁用の電流成分である励磁電流をステータ巻線３４に通電させる。ステータ巻線３４に流れる電流は、図４に示す如く上記の基本波電流と上記の励磁電流との和である。ロータ励磁用の励磁電流は、基本波電流に比して短い周期（すなわち、高い周波数）の電流であると共に、基本波電流に比して小さい振幅の電流である。この励磁電流は、基本波電流に対して脈動する電流であって、基本波電流に対する高調波電流である。

制御回路７２は、回転トルクを発生させるための基本波電流とその基本波電流に比して周期が短い高調波電流とを重畳した電流がステータ巻線３４に流れるように、インバータ回路６０を制御する。制御回路７２は、基本波電流及び高調波電流それぞれの振幅及び周期をそれぞれ独立して制御する。

制御回路７２の駆動指令に従ってインバータ回路６０からステータ巻線３４の各相巻線に基本波電流が流れると、ロータ２６を回転させる回転磁界が発生する。また、そのステータ巻線３４の各相巻線に高調波電流が流れると、その高調波電流に応じた交流磁界が発生して励磁磁束が発生する。この場合、励磁磁束がロータコア４２の突極部４８に鎖交し、ロータ界磁巻線４４に交流電圧が発生して界磁電流が誘起される。

ロータ界磁巻線４４の両端間には整流素子５２が接続されており、ロータ界磁巻線４４は整流素子５２を介して短絡されている。このため、上記の如くロータ界磁巻線４４に交流電圧が発生しても、そのロータ界磁巻線４４には電流が一方向にのみ流れることで、ロータコア４２が所定方向へ励磁されてロータコア４２に一対の界磁極が形成される。この一対の界磁極を形成するための界磁束は、ステータ巻線３４へのロータ励磁用の励磁電流の通電とロータ界磁巻線４４での電流の整流とにより形成される。

ところで、ロータ界磁巻線４４は、インダクタンスを有しており、各極のロータ界磁巻線４４は各々の部分で部分インダクタンスを構成する。界磁極に流れる磁束には漏れ磁束や高調波磁束などがあるので、ロータ界磁巻線４４の位置によって貫く磁束量やその向きは互いに異なるものとなり、ロータ界磁巻線４４の各部分インダクタンスに発生する電圧の方向は一様でなく時間やロータ回転位置によって変化する。

具体的には、ロータ界磁巻線４４に発生する電圧の方向としては、図９に示す如く４つのパターンがあり、第１界磁巻線部４４−１に発生する電圧ｅ１の方向と第２界磁巻線部４４−２に発生する電圧ｅ２の方向とが同方向である場合（パターン１及びパターン４）と、逆方向である場合（パターン２及びパターン３）とが含まれる。そして、パターン２及びパターン３に示す如くロータ界磁巻線４４の各部分インダクタンスに相互に打ち消し合う電圧が発生すると、そのロータ界磁巻線４４の全体電圧が下がって励磁電流が減少し、励磁エネルギの損失が発生するおそれがある。

これに対して、本実施形態の回転機２０においては、ロータ界磁巻線４４の両端間に整流素子５２が接続されていると共に、整流素子５２のアノード端子とロータ界磁巻線４４の中途との間にコンデンサ５４が接続されている。すなわち、一端が整流素子５２のアノード端子に接続されていると共に、他端がロータ界磁巻線４４の中途に接続されているコンデンサ５４が設けられている。

かかる回転機２０の構造においては、コンデンサ５４の他端との接続位置で分かれた第１界磁巻線部４４−１と第２界磁巻線部４４−２とで、電圧方向が互いに逆方向となって両電圧ｅ１，ｅ２が相互に打ち消し合うと共に、それらの電圧ｅ１，ｅ２が、各界磁巻線部４４−１，４４−２を、整流素子５２との接続部側からコンデンサ５４の他端との接続部側へ電流が流れるように印加されている場合（パターン２及び図７）、それらの各界磁巻線部４４−１，４４−２を流れた電流がコンデンサ５４に向けて流れる。この場合は、第１界磁巻線部４４−１と第２界磁巻線部４４−２とで相互に打ち消し合う電圧分の励磁エネルギがコンデンサ５４に蓄えられて、コンデンサ５４が充電される。

上記したコンデンサ５４の充電後、第１界磁巻線部４４−１の電圧方向と第２界磁巻線部４４−２の電圧方向とが切り替わって、それらの電圧ｅ１，ｅ２が、相互に打ち消し合う方向で、各界磁巻線部４４−１，４４−２を、コンデンサ５４の他端との接続部側から整流素子５２との接続部側へ電流が流れるように印加されるものとなった場合（パターン３及び図８）、コンデンサ５４側から各界磁巻線部４４−１，４４−２に電流が流れる。この場合は、コンデンサ５４に蓄えられていたエネルギが各界磁巻線部４４−１，４４−２へ放出されて、コンデンサ５４が放電される。

このように、漏れ磁束や高調波磁束などに起因して第１界磁巻線部４４−１に発生する電圧ｅ１と第２界磁巻線部４４−２に発生する電圧ｅ２とが相互に打ち消し合うときに、ロータ界磁巻線４４の全体に作用する電圧は下がるが、その相互に打ち消し合う電圧分の励磁エネルギをコンデンサ５４に蓄えることができる。そして、そのコンデンサ５４の充電後に上記の電圧方向が切り替わったときに、そのコンデンサ５４に蓄えられていたエネルギをロータ界磁巻線４４へ放出して、ロータコア４２を励磁する励磁電流に変換することができる。

従って、本実施形態の回転機２０によれば、ロータ界磁巻線４４の各部分インダクタンスに相互に打ち消し合う方向の電圧が発生するとき、ロータ界磁巻線４４で発生した励磁エネルギを効率良く励磁電流に変換することで、界磁電流を確保することができる。このため、ロータ界磁巻線４４の各部分インダクタンスに相互に打ち消し合う方向の電圧が発生するときの励磁電流の減少に伴う励磁エネルギ損失の発生を防止することができ、それらの電圧が相互に打ち消し合う事態が生じても、ロータコア４２を効率良く励磁することができる。

また、上記の如く界磁電流を確保することができれば、ロータコア４２に界磁極を形成するうえで必要な、ステータ巻線３４に流す基本波電流に重畳させる高調波電流を小さい振幅に抑えることができる。このため、高調波電流の振幅が大きいときに比べてトルクリップルを低減することができる（図５参照）。

また、回転機２０においては、ロータ界磁巻線４４の、コンデンサ５４に並列に接続された第１界磁巻線部４４−１が周方向においてロータコア４２の突極部４８に近い側に配置されていると共に、第２界磁巻線部４４−２が周方向においてロータコア４２の突極部４８から遠い側に配置されている。ロータコア４２の突極部４８を貫く磁束には漏れ磁束などがあるので、ロータ界磁巻線４４の位置によって貫く磁束量やその向きは互いに異なるものとなり得る。この現象は特に高調波磁束に顕著であり、ロータ界磁巻線４４の突極部４８に近い側（すなわち主磁極側）と遠い側（すなわち主磁極間側）とで磁束量の差が大きい。このため、上記した回転機２０の構造によれば、その差の分だけコンデンサ５４に蓄えるエネルギを大きくすることができ、効果的に界磁電流を得ることができる。

以上、説明したことから明らかなように、回転機２０は、ステータコア３２及びステータコア３２に巻装されるステータ巻線３４を有するステータ２４と、ロータコア４２及びロータコア４２に巻装されるロータ界磁巻線４４を有するロータ２６と、ロータ界磁巻線４４の両端間に接続される整流素子５２と、を備える界磁巻線式回転機であって、一端が整流素子５２のアノード端子に接続されると共に、他端がロータ界磁巻線４４の中途に接続されるコンデンサ５４を備えている。

この構成によれば、漏れ磁束や高調波磁束などに起因してロータ界磁巻線４４の各部分インダクタンスに発生する電圧が相互に打ち消し合うときに、その相互に打ち消し合う電圧分の励磁エネルギをコンデンサ５４に蓄えることができると共に、その後、電圧方向が切り替わると共に電圧が相互に打ち消し合う方向となったときに、コンデンサ５４に蓄えられていたエネルギをロータ界磁巻線４４へ放出して、ロータコア４２を励磁する励磁電流に変換することができる。従って、ロータ界磁巻線４４の各部分インダクタンスに発生する電圧が相互に打ち消し合ったときのエネルギ損失の発生を防止することができる。

また、回転機２０において、ステータ巻線３４に流す電流は、回転トルクを発生させるための基本波電流とその基本波電流に比して周期が短い高調波電流とを重畳した電流である。

この構成によれば、ステータ巻線３４に高調波電流が流れた際にその高調波電流に応じた励磁磁束を発生させることができるので、ロータ界磁巻線４４に交流電圧を発生させてロータコア４２を励磁する励磁電流を誘起することができる。

また、回転機２０において、ロータ界磁巻線４４は、コンデンサ５４に並列に接続されている第１界磁巻線部４４−１と、整流素子５２のカソード端子とコンデンサ５４の他端との間に接続されている第２界磁巻線部４４−２と、を有し、第１界磁巻線部４４−１は、第２界磁巻線部４４−２に比してロータコア４２の突極部４８に近い側に配置されている。

この構成によれば、漏れ磁束や高調波磁束などが生じたときに第１界磁巻線部４４−１と第２界磁巻線部４４−２とで磁束量の差を大きくすることができるので、その差の分だけコンデンサ５４に蓄えるエネルギを大きくすることができ、効果的に界磁電流を得ることができる。

尚、上記の第１実施形態においては、ロータ界磁巻線４４の、コンデンサ５４に並列に接続されている第１界磁巻線部４４−１が、周方向においてロータコア４２の突極部４８に近い側に配置されると共に、整流素子５２のカソード端子とコンデンサ５４の他端との間に接続されている第２界磁巻線部４４−２が、周方向においてロータコア４２の突極部４８から遠い側に配置される。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、逆に、第１界磁巻線部４４−１が周方向においてロータコア４２の突極部４８から遠い側に配置されると共に、第２界磁巻線部４４−２が周方向においてロータコア４２の突極部４８に近い側に配置されるものであってもよい。すなわち、第１界磁巻線部４４−１が第２界磁巻線部４４−２に比してロータコア４２の突極部４８から遠い側に配置されていてもよい。

［実施形態２］
上記の第１実施形態においては、第１界磁巻線部４４−１が周方向においてロータコア４２の突極部４８に近い側に配置されると共に、第２界磁巻線部４４−２が周方向においてロータコア４２の突極部４８から遠い側に配置される。以下、図１０において、上記第１実施形態において用いた構成部分と同一の構成部分については、同一の符号を付してその説明を省略又は簡略する。

これに対して、本発明の第２実施形態の回転機１００においては、図１０に示す如く、ロータ界磁巻線４４の、コンデンサ５４に並列に接続されている第１界磁巻線部４４−１が、径方向においてステータコア３２から遠い側に配置されると共に、整流素子５２のカソード端子とコンデンサ５４の他端との間に接続されている第２界磁巻線部４４−２が、径方向においてステータコア３２に近い側に配置される。すなわち、第１界磁巻線部４４−１は、第２界磁巻線部４４−２に比してステータコア３２から遠い側（すなわち、径方向内側）に配置されている。

尚、第１界磁巻線部４４−１及び第２界磁巻線部４４−２の配置は、例えば、ロータコア４２の突極部４８に第１界磁巻線部４４−１を巻装した後にその第１界磁巻線部４４−１の径方向外側に第２界磁巻線部４４−２を巻装することにより実現されるものであってよい。

ロータコア４２の突極部４８を貫く磁束には漏れ磁束などがあるので、ロータ界磁巻線４４の位置によって貫く磁束量やその向きは互いに異なるものとなり得る。この現象は特に高調波磁束に顕著であり、ロータ界磁巻線４４のステータコア３２に近い側と遠い側（すなわちロータコア４２のボス部４６側）とで磁束量の差が大きい。このため、回転機１００の構造においても、その差の分だけコンデンサ５４に蓄えるエネルギを大きくすることができ、効果的に界磁電流を得ることができる。

以上、説明したことから明らかなように、回転機１００において、ロータ界磁巻線４４は、コンデンサ５４に並列に接続されている第１界磁巻線部４４−１と、整流素子５２のカソード端子とコンデンサ５４の他端との間に接続されている第２界磁巻線部４４−２と、を有し、第１界磁巻線部４４−１は、第２界磁巻線部４４−２に比してステータコア３２から遠い側に配置されている。

この構成によれば、漏れ磁束や高調波磁束などが生じたときに第１界磁巻線部４４−１と第２界磁巻線部４４−２とで磁束量の差を大きくすることができるので、その差の分だけコンデンサ５４に蓄えるエネルギを大きくすることができ、効果的に界磁電流を得ることができる。

尚、上記の第２実施形態においては、ロータ界磁巻線４４の、コンデンサ５４に並列に接続されている第１界磁巻線部４４−１が、径方向においてステータコア３２から遠い側に配置されると共に、整流素子５２のカソード端子とコンデンサ５４の他端との間に接続されている第２界磁巻線部４４−２が、径方向においてステータコア３２に近い側に配置される。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、逆に、第１界磁巻線部４４−１が径方向においてステータコア３２に近い側に配置されると共に、第２界磁巻線部４４−２が径方向においてステータコア３２から遠い側に配置されるものであってもよい。すなわち、第１界磁巻線部４４−１が第２界磁巻線部４４−２に比してステータコア３２に近い側（すなわち、径方向外側）に配置されていてもよい。

［実施形態３］
ところで、界磁極に流れる磁束には漏れ磁束があるが、この漏れ磁束には主磁極である突極部４８間においてステータ２４側とロータ２６側とを跨いで漏れる磁束があるので、効率良い磁束形成が阻害されるおそれがある。以下、図１１において、上記第１実施形態において用いた構成部分と同一の構成部分については、同一の符号を付してその説明を省略又は簡略する。

これに対して、本発明の第３実施形態の回転機２００においては、図１１に示す如く、ロータコア４２が、ボス部４６及び複数の突極部４８を有していると共に、更に補助極部２０２を有している。突極部４８は、一対の界磁極をなす主磁極である。補助極部２０２は、突極部４８間に配置されており、突極部４８間ごとに設けられている。補助極部２０２は、周方向において複数設けられており、突極部４８と交互に間隔をおいて並ぶように配置されている。補助極部２０２は、周方向に隣り合う突極部４８の間に境界を設けるために設置された補助極であって、ボス部４６から径方向外側へ向けて突出する部位である。

尚、補助極部２０２は、突極部４８に比して周方向幅の小さいものであってよく、また、その補助極部２０２の先端とステータコア３２のティース４０の先端との間の隙間が、突極部４８の先端とそのティース４０との間のエアギャップに比して大きいものであってよい。

回転機２００は、補助極部２０２に設けられる磁石２０４を備えている。磁石２０４は、突極部４８間においてステータ２４側とロータ２６側とを跨いで漏れる漏れ磁束を打ち消す方向に着磁されており、その着磁がなされるように配置されている。磁石２０４は、例えば、補助極部２０２の径方向内側にＮ極が配置されかつその径方向外側にＳ極が配置されるように補助極部２０２に埋設されている。磁石２０４は、突極部４８間においてステータ２４側とロータ２６側とを跨いで磁束が漏れるのを抑える機能を有している。

かかる回転機２００の構造においては、補助極部２０２に設けられた磁石２０４により、突極部４８間においてステータ２４側とロータ２６側とを跨いで磁束が素通りして漏れるのを抑えことができる。従って、回転機２００によれば、界磁極に流れる磁束を主磁極に効率良く通すことができ、効果的に界磁電流を得ることができる。

尚、上記の第３実施形態においては、ロータ界磁巻線４４の、コンデンサ５４に並列に接続されている第１界磁巻線部４４−１が、周方向においてロータコア４２の突極部４８に近い側に配置されると共に、整流素子５２のカソード端子とコンデンサ５４の他端との間に接続されている第２界磁巻線部４４−２が、周方向においてロータコア４２の突極部４８から遠い側に配置される。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、逆に、第１界磁巻線部４４−１が周方向においてロータコア４２の突極部４８から遠い側に配置されると共に、第２界磁巻線部４４−２が周方向においてロータコア４２の突極部４８に近い側に配置されるものであってもよい。すなわち、第１界磁巻線部４４−１が第２界磁巻線部４４−２に比してロータコア４２の突極部４８から遠い側に配置されていてもよい。

［実施形態４］
上記の第３実施形態においては、第１界磁巻線部４４−１が周方向においてロータコア４２の突極部４８に近い側に配置されると共に、第２界磁巻線部４４−２が周方向においてロータコア４２の突極部４８から遠い側に配置される。以下、図１２において、上記第１実施形態において用いた構成部分と同一の構成部分については、同一の符号を付してその説明を省略又は簡略する。

これに対して、本発明の第４実施形態の回転機３００においては、図１２に示す如く、ロータ界磁巻線４４の、コンデンサ５４に並列に接続されている第１界磁巻線部４４−１が、径方向においてステータコア３２から遠い側に配置されると共に、整流素子５２のカソード端子とコンデンサ５４の他端との間に接続されている第２界磁巻線部４４−２が、径方向においてステータコア３２に近い側に配置される。すなわち、第１界磁巻線部４４−１は、第２界磁巻線部４４−２に比してステータコア３２から遠い側（すなわち、径方向内側）に配置されている。

回転機３００において、ロータコア４２が、ボス部４６及び複数の突極部４８を有していると共に、更に補助極部３０２を有している。突極部４８は、一対の界磁極をなす主磁極である。補助極部３０２は、上記の第２実施形態の補助極部２０２と同様に、突極部４８間に配置されており、突極部４８間ごとに設けられている。補助極部３０２は、周方向において複数設けられており、突極部４８と交互に所定角度ごとに並ぶように配置されている。補助極部３０２は、周方向に隣り合う突極部４８の間に境界を設けるために設置された補助極であって、ボス部４６から径方向外側へ向けて突出する部位である。

尚、補助極部３０２は、突極部４８に比して周方向幅の小さいものであってよく、また、その補助極部３０２の先端とステータコア３２のティース４０の先端との間の隙間が、突極部４８の先端とそのティース４０との間のエアギャップに比して大きいものであってよい。

回転機３００は、補助極部３０２に設けられる磁石３０４を備えている。磁石３０４は、突極部４８間においてステータ２４側とロータ２６側とを跨いで漏れる漏れ磁束を打ち消す方向に着磁されており、その着磁がなされるように配置されている。磁石３０４は、例えば、補助極部３０２の径方向内側にＮ極が配置されかつその径方向外側にＳ極が配置されるように補助極部３０２に埋設されている。磁石３０４は、突極部４８間においてステータ２４側とロータ２６側とを跨いで磁束が漏れるのを抑える機能を有している。

かかる回転機３００の構造においては、磁石３０４により、突極部４８間においてステータ２４側とロータ２６側とを跨いで磁束が素通りして漏れるのを抑えことができる。従って、回転機３００によれば、界磁極に流れる磁束を主磁極に効率良く通すことができ、効果的に界磁電流を得ることができる。

以上、説明したことから明らかなように、回転機２００，３００において、ロータコア４２は、複数の突極部４８と、突極部４８間に配置される補助極部２０２，３０２と、を有し、補助極部２０２，３０２に設けられ、突極部４８間において生じる漏れ磁束を打ち消す方向に着磁された磁石２０４，３０４を備えている。

この構成によれば、補助極部２０２，３０２に設けられた磁石２０４，３０４により突極部４８間においてステータ２４側とロータ２６側とを跨いで磁束が漏れるのを抑えことができるので、界磁極に流れる磁束を突極部４８に効率良く通すことができ、効果的に界磁電流を得ることができる。

尚、上記の第４実施形態においては、ロータ界磁巻線４４の、コンデンサ５４に並列に接続されている第１界磁巻線部４４−１が、径方向においてステータコア３２から遠い側に配置されると共に、整流素子５２のカソード端子とコンデンサ５４の他端との間に接続されている第２界磁巻線部４４−２が、径方向においてステータコア３２に近い側に配置される。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、逆に、第１界磁巻線部４４−１が径方向においてステータコア３２に近い側に配置されると共に、第２界磁巻線部４４−２が径方向においてステータコア３２から遠い側に配置されるものであってもよい。すなわち、第１界磁巻線部４４−１が第２界磁巻線部４４−２に比してステータコア３２に近い側（すなわち、径方向外側）に配置されていてもよい。

［実施形態５］
上記の第１〜第４実施形態においては、回転機２０が備える整流素子５２に並列に何らコンデンサが接続されていない。以下、図１３において、上記第１実施形態において用いた構成部分と同一の構成部分については、同一の符号を付してその説明を省略又は簡略する。

これに対して、本発明の第５実施形態の回転機４００においては、図１３に示す如く、整流素子５２に並列にコンデンサ４０２が接続されている。コンデンサ４０２は、ロータ界磁巻線４４に誘起されかつ整流素子５２により半波整流された交流電圧を平滑化して、脈動を低減する機能を有する。かかるコンデンサ４０２が設けられた回転機４００によれば、整流素子５２により半波整流された交流電圧を平滑化することができ、その脈動を低減することができる。

［実施形態６］
上記の第１〜第５実施形態においては、一端が整流素子５２のアノード端子に接続されていると共に、他端がロータ界磁巻線４４の中途に接続されているコンデンサ５４が設けられている。以下、図１４〜１６において、上記第１実施形態において用いた構成部分と同一の構成部分については、同一の符号を付してその説明を省略又は簡略する。

これに対して、本発明の第６実施形態の回転機５００は、第１実施形態におけるコンデンサ５４に代えて、コンデンサ５０２を備えている。図１４に示す如く、コンデンサ５０２は、一端が整流素子５２のカソード端子に接続されていると共に、他端がロータ界磁巻線４４の中途に接続されているものである。このロータ界磁巻線４４は、コンデンサ５０２に並列に接続されている第１界磁巻線部４４−１と、整流素子５２のアノード端子とコンデンサ５０２の他端との間に接続されている第２界磁巻線部４４−２と、を有している。コンデンサ５０２は、第１界磁巻線部４４−１の両端に発生する電圧ｅ１の方向と第２界磁巻線部４４−２の両端に発生する電圧ｅ２の方向とが互いに逆方向となって両電圧ｅ１，ｅ２が相互に打ち消し合う方向であるときにその打ち消し合う電圧分の励磁エネルギを蓄える機能を有している。

かかる回転機５００においては、第１界磁巻線部４４−１と第２界磁巻線部４４−２とで電圧方向が互いに逆方向となって両電圧ｅ１，ｅ２が相互に打ち消し合う方向になると共に、それらの電圧ｅ１，ｅ２が、各界磁巻線部４４−１，４４−２を、整流素子５２との接続部側からコンデンサ５０２の他端との接続部側へ電流が流れるように印加されている場合（パターン２及び図１５）、それらの各界磁巻線部４４−１，４４−２を流れた電流がコンデンサ５０２に向けて流れる。この場合は、第１界磁巻線部４４−１と第２界磁巻線部４４−２とで相互に打ち消し合う電圧分の励磁エネルギがコンデンサ５０２に蓄えられて、コンデンサ５０２が充電される。

上記したコンデンサ５０２の充電後、第１界磁巻線部４４−１の電圧方向と第２界磁巻線部４４−２の電圧方向とが切り替わって、それらの電圧ｅ１，ｅ２が、相互に打ち消し合う方向で、各界磁巻線部４４−１，４４−２を、コンデンサ５０２の他端との接続部側から整流素子５２との接続部側へ電流が流れるように印加されるものとなった場合（パターン３及び図１６）、コンデンサ５０２側から各界磁巻線部４４−１，４４−２に電流が流れる。この場合は、コンデンサ５０２に蓄えられていたエネルギが各界磁巻線部４４−１，４４−２へ放出されて、コンデンサ５０２が放電される。

従って、本実施形態の回転機５００においても、ロータ界磁巻線４４の各部分インダクタンスに相互に打ち消し合う方向の電圧が発生するとき、ロータ界磁巻線４４で発生した励磁エネルギを効率良く励磁電流に変換することで、界磁電流を確保することができる。このため、ロータ界磁巻線４４の各部分インダクタンスに相互に打ち消し合う方向の電圧が発生するときの励磁電流の減少に伴う励磁エネルギ損失の発生を防止することができ、それらの電圧が相互に打ち消し合う事態が生じても、ロータコア４２を効率良く励磁することができるので、上記の実施形態１と同様の効果を得ることができる。

尚、上記の第６実施形態においては、ロータ界磁巻線４４の、コンデンサ５０２に並列に接続されている第１界磁巻線部４４−１が、周方向においてロータコア４２の突極部４８に近い側に配置されると共に、整流素子５２のアノード端子とコンデンサ５０２の他端との間に接続されている第２界磁巻線部４４−２が、周方向においてロータコア４２の突極部４８から遠い側に配置される。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、逆に、第１界磁巻線部４４−１が周方向においてロータコア４２の突極部４８から遠い側に配置されると共に、第２界磁巻線部４４−２が周方向においてロータコア４２の突極部４８に近い側に配置されるものであってもよい。すなわち、第１界磁巻線部４４−１が第２界磁巻線部４４−２に比してロータコア４２の突極部４８から遠い側に配置されていてもよい。

また、第１界磁巻線部４４−１が径方向においてステータコア３２から遠い側に配置されると共に、第２界磁巻線部４４−２が径方向においてステータコア３２に近い側に配置されるものであってもよい。すなわち、第１界磁巻線部４４−１が第２界磁巻線部４４−２に比してステータコア３２から遠い側（すなわち、径方向内側）に配置されていてもよい。

また逆に、第１界磁巻線部４４−１が径方向においてステータコア３２に近い側に配置されると共に、第２界磁巻線部４４−２が径方向においてステータコア３２から遠い側に配置されるものであってもよい。すなわち、第１界磁巻線部４４−１が第２界磁巻線部４４−２に比してステータコア３２に近い側（すなわち、径方向外側）に配置されていてもよい。

尚、上記の第６実施形態において、上記第３実施形態や第４実施形態の構成を採用することとしてもよい。

更に、上記の第１〜第６実施形態においては、ロータ界磁巻線４４が突極部４８ごとに集中的に巻かれている。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、ロータ界磁巻線４４が幾つかの突極部４８に分布して巻かれたものに適用することとしてもよい。

尚、本発明は、上述した実施形態や変形例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を施すことが可能である。

２０，１００，２００，３００，４００，５００・・・界磁巻線式回転機、２２・・・電源、２４・・・ステータ、２６・・・ロータ、３２・・・ステータコア、３４・・・ステータ巻線、４２・・・ロータコア、４４・・・ロータ界磁巻線、４４−１・・・第１界磁巻線部、４４−２・・・第２界磁巻線部、４８・・・突極部（主磁極）、５２・・・整流素子、５４，５０２・・・コンデンサ、６０・・・インバータ回路、７２・・・制御回路、２０２，３０２・・・補助極部（補助極）、２０４，３０４・・・磁石。

Claims (5)

1. ステータコア（３２）及び前記ステータコアに巻装されるステータ巻線（３４）を有するステータ（２４）と、ロータコア（４２）及び前記ロータコアに巻装されるロータ界磁巻線（４４）を有するロータ（２６）と、前記ロータ界磁巻線の両端間に接続される整流素子（５２）と、を備える界磁巻線式回転機であって、
   一端が前記整流素子の一端に接続されると共に、他端が前記ロータ界磁巻線の中途に接続されるコンデンサ（５４，５０２）を備える界磁巻線式回転機。
2. 前記ステータ巻線に流す電流は、回転トルクを発生させるための基本波電流と前記基本波電流に比して周期が短い高調波電流とを重畳した電流である請求項１記載の界磁巻線式回転機。
3. 前記ロータ界磁巻線は、前記コンデンサに並列に接続されている第１界磁巻線部（４４−１）と、前記整流素子の他端と前記コンデンサの他端との間に接続されている第２界磁巻線部（４４−２）と、を有し、
   前記第１界磁巻線部は、前記第２界磁巻線部に比して前記ロータコアの主磁極（４８）に近い側に配置されている請求項１又は２記載の界磁巻線式回転機。
4. 前記ロータ界磁巻線は、前記コンデンサに並列に接続されている第１界磁巻線部（４４−１）と、前記整流素子の他端と前記コンデンサの他端との間に接続されている第２界磁巻線部（４４−２）と、を有し、
   前記第１界磁巻線部は、前記第２界磁巻線部に比して前記ステータコアから遠い側に配置されている請求項１又は２記載の界磁巻線式回転機。
5. 前記ロータコアは、複数の主磁極（４８）と、前記主磁極間に配置される補助極（２０２，３０２）と、を有し、
   前記補助極に設けられ、前記主磁極間において生じる漏れ磁束を打ち消す方向に着磁された磁石（２０４，３０４）を備える請求項１乃至４の何れか一項記載の界磁巻線式回転機。

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