JP2019193352A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】二相変調制御又は矩形制御が行われた場合であってもモータ出力を向上させることができる回転電機を提供すること。【解決手段】インバータ５０に接続される三相の電機子コイル１１を有するステータと、ステータに対して相対回転可能なロータとを備えた回転電機１は、三相の電機子コイル１１がそれぞれ接続される電機子コイル側の中性点１５と、インバータ５０の入力側の中性点６５と電機子コイル側の中性点１５とを接続する中性線１６と、を備え、ロータは、ステータ側で発生する回転磁界に対して非同期の磁束が鎖交することにより誘導電流を発生させるロータコイルと、ロータコイルに流れる誘導電流を整流する整流素子と、を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、回転電機に関する。

回転電機として三相交流モータが知られている。三相交流モータは、直流電流をインバータにより所定の駆動周波数を有する三相交流に変換し、変換された三相交流をそれぞれの電機子コイルに通電することでロータを回転させる。

三相交流モータにおいて、電機子コイルに流す電流が大きい高負荷時は電流の大きさに比例してインバータによるスイッチング損失が大きくなってしまう。

特許文献１には、三相インバータの各相のスイッチング素子をオンオフ制御する三相変調制御に加えて、三相インバータのスイッチング損失を低減するために、三相インバータにおける所定の一相のスイッチング素子のオンオフ状態を順番に所定期間固定する二相変調制御を採用した三相交流モータの制御装置が開示されている。この三相交流モータの制御装置は、二相変調制御と三相変調制御とを交互に切り替えている。

三相インバータのスイッチング損失を低減する方法としては、三相変調制御又は二相変調制御から矩形制御に切り替える方法も知られている。矩形制御は、変調せずに矩形波の電流を三相巻線に通電する制御である。

特許第６０１５３４６号公報

しかしながら、上述した二相変調制御及び矩形制御は、いずれも三相変調制御と比較して三相交流モータから得られる出力が低く、所望のモータ出力を得ることができないという課題がある。

本発明は、上述のような事情に鑑みてなされたもので、二相変調制御又は矩形制御が行われた場合であってもモータ出力を向上させることができる回転電機を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するため、インバータに接続される三相の電機子コイルを有するステータと、前記ステータに対して相対回転可能なロータと、を備えた回転電機であって、前記三相の電機子コイルがそれぞれ接続される前記電機子コイル側の中性点と、前記インバータの入力側の中性点と前記電機子コイル側の中性点とを接続する中性線と、を備え、前記ロータは、前記ステータ側で発生する回転磁界に対して非同期の磁束が鎖交することにより誘導電流を発生させるロータコイルと、前記ロータコイルに流れる誘導電流を整流する整流素子と、を有する。

本発明によれば、二相変調制御又は矩形制御が行われた場合であってもモータ出力を向上させることができる回転電機を提供することができる。

図１は、本発明の一実施例に係る回転電機を回転軸に直交する平面で切断した断面図である。 図２は、本発明の一実施例に係る回転電機の電機子コイルの結線図である。 図３は、本発明の一実施例に係る回転電機の整流回路の結線図である。 図４は、本発明の一実施例に係る回転電機の一部を拡大した断面図であって、零相磁束がロータに鎖交している様子を示す図である。 図５は、本発明の一実施例に係る回転電機における磁束の流れを示す図であって、（ａ）は永久磁石の磁束の流れを示す図、（ｂ）は界磁コイルにより発生する磁束の流れを示す図である。 図６は、本発明の一実施例に係る回転電機を回転軸に直交する平面で切断した断面図であって、（ａ）は界磁コイルが自励する前の磁束線図、（ｂ）は界磁コイルが自励した後の磁束線図を示している。 図７は、本発明の一実施例に係る回転電機における電機子コイルの結線の変形例を示す結線図である。 図８は、本発明の一実施例に係る回転電機の第１の変形例を示す断面図である。 図９は、本発明の一実施例に係る回転電機の第２の変形例を示す断面図である。 図１０は、第２の変形例に係る回転電機の整流回路の結線図である。 図１１は、第２の変形例に係る回転電機における磁束の流れを示す図であって、（ａ）は永久磁石の磁束の流れを示す図、（ｂ）は界磁コイルにより発生する磁束の流れを示す図である。 図１２は、本発明の一実施例に係る回転電機の第３の変形例を示す断面図である。

本発明の一実施の形態に係る回転電機は、インバータに接続される三相の電機子コイルを有するステータと、ステータに対して相対回転可能なロータと、を備えた回転電機であって、三相の電機子コイルがそれぞれ接続される電機子コイル側の中性点と、インバータの入力側の中性点と電機子コイル側の中性点とを接続する中性線と、を備え、ロータは、ステータ側で発生する回転磁界に対して非同期の磁束が鎖交することにより誘導電流を発生させるロータコイルと、ロータコイルに流れる誘導電流を整流する整流素子と、を有することを特徴とする。これにより、本発明の一実施の形態に係る回転電機は、二相変調制御又は矩形制御が行われた場合であってもモータ出力を向上させることができる。

以下、本発明の一実施例に係る回転電機について説明する。

図１に示すように、回転電機１は、通電により磁束を発生させるＷ相、Ｖ相、Ｕ相の三相の電機子コイル１１を有するステータ１０と、ステータ１０で発生した磁束の通過によりステータ１０に対して相対回転するロータ２０と、を備えている。

（ステータ）
ステータ１０は、図示しないモータケースに固定されている。ステータ１０は、複数の電磁鋼板を軸方向に積層させたものからなる環状のステータコア１２を備えている。ステータコア１２には、径方向の内方側に突出したステータティース１３が周方向に沿って複数形成されている。周方向に隣り合うステータティース１３の間には、溝状の空間であるスロット１４が形成されている。

以下においては、ロータ２０の回転軸２０Ａが延伸する方向を軸方向という。径方向とは、ロータ２０の回転軸２０Ａが延伸する方向と直交する方向を示す。径方向の内方側とは、径方向においてロータ２０の回転軸２０Ａに近い側を示す。径方向の外方側とは、径方向においてロータ２０の回転軸２０Ａから遠い側を示す。周方向とは、ロータ２０の回転軸２０Ａを中心とする円周方向を示す。なお、径方向は、回転軸２０Ａを中心として放射方向に示される。

ステータコア１２の各スロット１４には、分布巻によりＷ相、Ｖ相、Ｕ相の三相の電機子コイル１１がそれぞれ配置されている。Ｗ相、Ｖ相、Ｕ相の各電機子コイル１１は、複数のスロット１４及び複数のステータティース１３を跨いで巻かれている。

ステータ１０は、電機子コイル１１に三相交流が供給されることで、周方向に回転する回転磁界を発生させる。ステータ１０で発生した磁束（以下、この磁束を「主磁束」という）は、ロータ２０に鎖交するようになっている。これにより、ステータ１０は、ロータ２０を回転させることができる。

図２に示すように、Ｗ相、Ｖ相、Ｕ相の各電機子コイル１１は、三相交流を出力可能なインバータ５０に接続されている。インバータ５０としては、入力を電圧源として出力電圧を直接制御する電圧形インバータ（Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｏｕｒｃｅ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ：ＶＳＩ）が用いられる。

インバータ５０は、電源としてのバッテリ６１と、バッテリ６１からの直流電力を伝達するための直流バス６２を有する電源回路６０を含む。直流バス６２上には、インバータ５０の入力側の中性点として直流バス電圧の中性点６５が設けられている。

回転電機１は、Ｗ相、Ｖ相、Ｕ相の各電機子コイル１１がそれぞれ接続される電機子コイル側の中性点１５と、直流バス電圧の中性点６５と電機子コイル側の中性点１５とを接続する中性線１６とを備えている。

中性線１６には、中性線１６の導通と非導通とを切り替える切替部としての切替スイッチ１６ａが設けられている。切替スイッチ１６ａがオフに切り替えられると、中性線１６が非導通状態となり中性線１６には電流が流れない。切替スイッチ１６ａがオンに切り替えられると、中性線１６が導通状態となり中性線１６に電流を流すことができる。切替スイッチ１６ａは、インバータ５０を制御する図示しないコントローラによってオン又はオフのいずれかに制御される。

（ロータ）
図１に示すように、ロータ２０は、外周面がステータコア１２の内周面と対向するように、ステータコア１２の径方向の内方側に配置されている。ロータ２０は、環状のロータコア２１と、ロータコイル２２とを含んで構成されている。

ロータコア２１は、複数の電磁鋼板を軸方向に積層させたものからなり、ロータ２０の回転軸２０Ａに対して一体回転可能に固定されている。ロータコア２１には、ロータコア２１から径方向の外方に向けて突出した突極部としてのロータティース２３がロータコア２１の周方向に沿って所定の間隔をおいて複数形成されている。

ロータ２０の回転軸２０Ａは、ロータコア２１の内周面に固定され、ロータコア２１の径方向と直交する方向に延伸している。

周方向に隣り合うロータティース２３の間には、周方向に隣り合うロータティース２３同士を接続する接続部２５が設けられている。接続部２５には、後述する永久磁石２６を保持する保持部２５ａが一対形成されている。

一対の保持部２５ａは、ステータコア１２の内周面に対向する接続部２５の外周面から径方向の外方側に向けて突出するように形成されている。永久磁石２６は、一対の保持部２５ａに挟み込まれた状態で一対の保持部２５ａに接着によって固定される。

これにより、永久磁石２６は、周方向に隣り合うロータティース２３の間に配置される。一対の保持部２５ａ及び永久磁石２６は、ロータ２０において周方向に隣り合うロータティース２３の間すべてに設けられている。

永久磁石２６は、Ｎ極又はＳ極のうち、一方の磁極がステータ１０に対向し、他方の磁極が保持部２５ａに対向するように保持部２５ａに保持されている。各永久磁石２６は、周方向に隣り合う永久磁石２６同士で極性が逆となるように配置されている。

図１において「Ｎ」と表示された永久磁石２６は、Ｎ極がステータ１０に対向し、Ｓ極が接続部２５に対向するように配置されている。図１において「Ｓ」と表示された永久磁石２６は、Ｓ極がステータ１０に対向し、Ｎ極が接続部２５に対向するように配置されている。

図１において「Ｎ」と表示された永久磁石２６の磁束は、ステータ１０に鎖交した後、ステータ１０からロータティース２３に流れ、ロータティース２３から接続部２５を介して永久磁石２６に戻る閉磁路を形成する。図１において「Ｓ」と表示された永久磁石２６の磁束は、接続部２５からロータティース２３に流れ、ステータ１０に鎖交した後、永久磁石２６に戻る閉磁路を形成する。

このように、接続部２５は、周方向に隣り合うロータティース２３のそれぞれと永久磁石２６との間で磁束が流れる磁路としての機能を有する。

一対の保持部２５ａとロータティース２３との間には、後述する誘導コイル２２Ａが配置されるスリット２１ａが形成されている。接続部２５の径方向の内方側には、接続部２５の内周面と、周方向に隣り合うロータティース２３の周方向の側面と、ロータコア２１の外周面と、によって囲まれた空隙２１ｂが形成されている。空隙２１ｂには、後述する界磁コイル２２Ｂが配置される。

接続部２５、保持部２５ａ、スリット２１ａ及び空隙２１ｂは、ロータコア２１を構成する電磁鋼板に対して打ち抜き加工が施されることによって形成される。

ロータコイル２２は、誘導コイル２２Ａと、界磁コイル２２Ｂとを有する。誘導コイル２２Ａは、界磁コイル２２Ｂよりもステータ１０側でロータティース２３に巻かれている。誘導コイル２２Ａは、ステータ１０側で発生する回転磁界に対して非同期の磁束変動に基づいて誘導電流を発生するようになっている。以下においては、非同期の磁束変動に伴い発生する磁束を「非同期の磁束」という。

具体的には、インバータ５０から電流が電機子コイル１１に供給されてステータ１０に回転磁界が発生した状態で、後述するように中性点電位変動が生ずると、中性線１６に零相電流が流れる。この零相電流は、ステータ１０側で発生する回転磁界に対して３倍調波で振動する零相磁束を発生させる。

したがって、零相磁束は、ステータ１０側で発生する回転磁界に対して非同期の磁束となる。これにより、誘導コイル２２Ａは、零相磁束に基づき誘導電流を発生させることができる。中性点電位変動によって生ずる零相磁束が作る磁界は、回転磁界ではなく静止磁界である。

ここで、零相磁束がロータ２０に鎖交する様子を図４に示す。図４におけるロータ２０は、零相磁束がロータ２０に鎖交する様子が分かり易いように本実施例のロータ２０の構成を簡略化したものである。

図４に示すように、零相磁束は、ステータ１０からロータ２０の外周面に近い側に鎖交している。したがって、本実施例においては、ロータ２０の外周面に近い側を鎖交する零相磁束を効率よく捕捉するために、誘導コイル２２Ａをロータティース２３の外周面に近い側、すなわち先端部側に巻いている。

界磁コイル２２Ｂは、誘導コイル２２Ａよりも径方向の内方側でロータティース２３に巻かれている。界磁コイル２２Ｂは、後述する整流回路４０で整流された直流電流が供給されると、ロータティース２３を磁化させる電磁石として機能するようになっている。

界磁コイル２２Ｂは、周方向に隣り合うロータティース２３同士で極性が逆となるように、各ロータティース２３に巻かれている。また、界磁コイル２２Ｂは、永久磁石２６の磁束がロータ２０内で短絡する方向に磁束を発生させる向きに巻かれている。

回転電機１は、誘導コイル２２Ａによって誘起された交流の誘導電流を直流に整流して界磁コイル２２Ｂに供給する整流回路４０を備えている。

図３に示すように、整流回路４０は、２つのダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４を整流素子として備え、これらダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４と誘導コイル２２Ａ及び界磁コイル２２Ｂとを結線した回路として構成されている。

ダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４は、例えば図示しないダイオードケースに収納された状態でロータ２０に設けられている。ダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４は、ロータ２０の内部に実装するようにしてもよい。

整流回路４０において、誘導コイル２２Ａで発生した交流の誘導電流は、ダイオードＤ１，Ｄ２により整流され、整流後の直流電流は、直列接続されている界磁コイル２２Ｂに界磁電流として供給される。界磁コイル２２Ｂは、直流電流が供給されることにより誘導磁束を発生させる。

（インバータの制御方式）
次に、本実施例に係る回転電機１に三相交流を供給するインバータ５０の制御方式について説明する。

インバータ５０は、三相変調制御、二相変調制御、及び矩形制御の３つの制御方式のうち、状況に応じていずれかの制御方式を選択して実行することが可能である。インバータ５０によって二相変調制御又は矩形制御を行われる際には、インバータ５０を制御する図示しないコントローラによって切替スイッチ１６ａがオンにされる。

三相変調制御は、インバータ５０の各相のスイッチング素子をオンオフ制御して三相交流を生成する制御である。二相変調制御は、インバータ５０における所定の一相のスイッチング素子のオンオフ状態を順番に所定期間固定する制御である。矩形制御は、変調せずに矩形波の電流を電機子コイル１１に通電する制御である。

インバータ５０は、スイッチング損失とモータ出力を考慮してシステム全体として効率のよい制御方式を選択するようになっている。具体的には、インバータ５０は、回転電機１の回転数が第１の回転数未満である低速域においては三相変調制御を行う。

インバータ５０は、回転電機１の回転数が第１の回転数以上、かつ第２の回転数未満である中速域においては二相変調制御を行う。中速域では、二相変調制御を行うことにより目標トルク及び目標回転数を得るために必要な電力が三相変調制御におけるスイッチング動作で損失する損失電力よりも小さくなる。

インバータ５０は、回転電機１の回転数が第２の回転数以上である高速域においては矩形制御を行う。高速域では、矩形制御を行うことにより目標トルク及び目標回転数を得るために必要な電力が二相変調制御におけるスイッチング動作で損失する損失電力よりも小さくなる。

上述した第１の回転数及び第２の回転数は、定数であってもよいし、インバータ５０の駆動効率及びモータ出力の効率を考慮した変数であってもよい。

インバータ５０は、三相変調制御の実行中に、回転電機１に対して永久磁石２６による磁束だけではトルクが不足するような大きな要求トルクが入力された場合には、三相変調制御が行われる低速域であっても二相変調制御又は矩形制御に切り替える。これにより、大きな要求トルクが入力された場合には、零相磁束を利用して界磁コイル２２Ｂを自励させることができる。このため、ロータ２０から発生する磁束量を変化させて可変界磁を実現することができる。

（回転電機の作用）
次に、本実施例に係る回転電機１の作用について説明する。

（三相変調制御時）
インバータ５０によって三相変調制御が行われているときは、中性点電位変動は発生しないか、発生したとしても僅かな変動である。中性点電位変動が生ずると、中性線１６に零相電流が流れ、零相磁束が発生する。この零相磁束は、ロータ２０又はステータ１０において鉄損として発生し、モータ効率を低下させる要因となる。

インバータ５０によって三相変調制御が行われている場合であっても、バッテリ間の微小な電位差等に起因して中性線１６に中性点電位変動が僅かに発生する場合があり、零相磁束が発生してしまうおそれがある。

本実施例では、こうした三相変調制御時における零相磁束の発生を抑制するために、三相変調制御時は中性線１６に設けられた切替スイッチ１６ａをオフにする。これにより、三相変調制御時は、中性線１６に零相電流が流れることがなく、結果として零相磁束も発生しないこととなる。

三相変調制御時は、図５（ａ）に示すように、永久磁石２６によって発生する磁束ＭＦがロータ２０からステータ１０に鎖交する。また、三相変調制御時は、零相磁束が発生していないため界磁コイル２２Ｂが自励しておらず、界磁コイル２２Ｂの自励による磁束は発生していない。

このため、図６（ａ）に示すように、ロータ２０の外周面近傍において永久磁石２６の磁束ＭＦが発生しているが、ロータ２０の径方向の内方側には磁束が発生していない。したがって、三相変調制御時、回転電機１は、永久磁石２６の磁束ＭＦによってトルクを発生させる。図６においては、磁束線の間隔が狭い部分ほど磁束密度が高いことを示している。

（二相変調制御時又は矩形制御時）
二相変調制御時又は矩形制御時は、中性点電位変動が発生する。例えば、矩形制御時は、各相パルスを発生させる際のスイッチング素子の応答遅れ等によってパルス切替のタイミングに応じて各相のパルス電圧と異なる電圧が発生する。この電圧は、パルス切替のタイミングごとに発生する。この電圧の変動に起因して中性点電位変動が発生する。二相変調制御時は、二相変調制御の特性により電機子コイル側の中性点１５に電圧変動が生ずるため、この電圧変動に応じて中性点電位変動が発生する。

中性点電位変動は、ステータ１０側で発生する回転磁界の周波数に対して３倍調波で電源電圧の１／３倍で変動する。本実施例では、直流バス電圧の中性点６５と電機子コイル側の中性点１５とを中性線１６によって接続しているので、前述した中性点電位変動によって中性線１６に零相電流が流れる。二相変調制御時又は矩形制御時は、中性線１６に零相電流を流すために中性線１６に設けられた切替スイッチ１６ａをオンにする。

この零相電流は、三相の各電機子コイル１１に同位相かつ同振幅で流れる。これにより、ステータ１０側で発生する回転磁界に対して３倍調波で振動する零相磁束が発生する。この零相磁束は、ステータ１０側で発生する回転磁界に対して非同期の磁束となる。

これにより、誘導コイル２２Ａには、ファラデーの法則にしたがい誘導起電力が発生し、誘導電流が流れる。この誘導電流は、整流回路４０で整流されて直流電流として界磁コイル２２Ｂに供給される。これにより、界磁コイル２２Ｂが自励し、ロータティース２３を磁化させる電磁石として機能する。

この結果、二相変調制御時又は矩形制御時は、図５（ｂ）に示すように、界磁コイル２２Ｂの自励によって発生する磁束ＥＦにより、永久磁石２６の磁束ＭＦがロータ２０の径方向の内方側の中心に向かって引っ張られるように流れる。これは、ステータ１０に鎖交する永久磁石２６の磁束ＭＦの量を抑えるように界磁コイル２２Ｂの磁束ＥＦが作用する弱め界磁がなされていることを意味する。加えて界磁コイル２２Ｂの自励による磁束ＥＦがロータ２０からステータ１０に鎖交する。

このため、図６（ｂ）に示すように、ロータ２０の外周面近傍に加えてロータ２０の径方向の内方側に永久磁石２６の磁束ＭＦが流れている。これは、永久磁石２６の磁束ＭＦがロータ２０内で短絡する量（以下、「短絡量」という）が増え、磁束ＭＦがステータ１０に鎖交する量（以下、「鎖交量」という）が減っていることを意味する。このように、磁束ＭＦのロータ２０内での短絡量が増加し、磁束ＭＦのステータ１０への鎖交量が減少していることは、図６（ａ）に示すステータ１０の磁束線の間隔よりも、図６（ｂ）に示すステータ１０の磁束線の間隔のほうが広くなっていることからも分かる。したがって、二相変調制御時又は矩形制御時、回転電機１は、永久磁石２６の磁束ＭＦをロータ２０内で短絡させて、電機子コイル１１に磁束ＭＦが鎖交することにより生じる誘起電圧の上昇を抑制することにより回転電機１の最大回転速度を向上させている。

これにより、回転電機１の出力が向上する。また、零相電流の大きさを調整することで、界磁コイル２２Ｂの自励により発生する磁束ＥＦの量を調整でき、可変界磁を実現することができる。

このように、本実施例において、二相変調制御時又は矩形制御時は、ロータ２０又はステータ１０において鉄損として発生し、モータ効率を低下させる要因となる零相磁束をエネルギ源として用いることで界磁コイル２２Ｂを自励させることができる。

以上のように、本実施例の回転電機１によれば、二相変調制御時又は矩形制御時は中性線１６に流れる零相電流に基づき発生する零相磁束をエネルギ源として界磁コイル２２Ｂを自励させて永久磁石２６の磁束ＭＦが流れるロータ２０内の磁路を変更することにより、二相変調制御又は矩形制御が行われた場合であってもモータ出力を向上させることができる。

また、本実施例の回転電機１によれば、中性線１６の導通と非導通とを切り替える切替スイッチ１６ａが中性線１６に設けられているので、零相磁束がモータ効率を低下させる要因となり得る三相変調制御時は中性線１６を非導通状態とすることができる。これにより、三相変調制御時は、中性線１６に励磁電流が流れないため、モータ出力の低下や電磁振動の発生を抑制することができる。

また、本実施例の回転電機１によれば、周方向に隣り合うロータティース２３の間に永久磁石２６が接続部２５を介して配置されているので、三相変調制御時に永久磁石２６により発生する磁束をステータ１０に鎖交させることができる。さらに、二相変調制御又は矩形制御は、界磁コイル２２Ｂの自励により発生する磁束を永久磁石２６の磁束に作用させて、ステータ１０に鎖交する永久磁石２６の磁束量を少なくしている。

このように、本実施例の回転電機１は、界磁コイル２２Ｂで発生する磁束を永久磁石２６の磁束に作用させて、永久磁石２６の磁路の一部をロータ２０内で短絡する方向に変化させることで、ステータ１０に鎖交する永久磁石の磁束量を少なくさせるものである。

本実施例では、永久磁石２６の磁束ＭＦがロータ２０内で短絡する方向に界磁コイル２２Ｂの磁束ＥＦを発生させる弱め界磁を実現したが、電機子コイル１１に発生する誘起電圧の許容値が高ければ、界磁コイル２２Ｂの巻方向を反対方向にして、ステータ１０に鎖交する磁束量を増やす強め界磁を行ってトルクを向上させてもよい。

なお、本実施例においては、中性線１６に切替スイッチ１６ａを設けた例について説明したが、中性線１６に切替スイッチ１６ａを設けなくともよい。三相変調制御時は、中性点電位変動は発生しないか、発生したとしても僅かな変動である。このため、三相変調制御時は、切替スイッチ１６ａによって中性線１６を非導通状態としなくとも中性点電位変動による影響が小さい。よって、前述したように、中性線１６に切替スイッチ１６ａを必ずしも設ける必要はない。

また、本実施例においては、インバータ５０の入力側の中性点として直流バス６２上に中性点６５を設けたが、これに限らず、図７に示すように、直流バス６２に並列に接続された平滑コンデンサ７０の中性点７５をインバータ５０の入力側の中性点としてもよい。平滑コンデンサ７０は、バッテリ６１から各スイッチング素子に流れる電流を平滑化するものである。

また、本実施例においては、ロータ２０をインナロータとしたが、ロータ２０をアウタロータとしてもよい。

（第１の変形例）
また、本実施例においては、一方の磁極がステータ１０に対向し、他方の磁極が保持部２５ａに対向するように永久磁石２６を配置したが（図１参照）、これに限らず、図８に示すように、Ｎ極及びＳ極が周方向に並ぶように永久磁石２６を配置してもよい。

この第１の変形例では、永久磁石２６の磁極が周方向を向いているので、回転電機１の無負荷運転時は、永久磁石２６によって発生する磁束がロータ２０からステータ１０に鎖交することなくロータコア２１内を短絡させやすい。

また、回転電機１の無負荷運転時は、零相磁束が発生していないため界磁コイル２２Ｂが自励しておらず、界磁コイル２２Ｂの自励による磁束は発生していない。

このため、回転電機１の無負荷運転時に例えばエンジン等の外部動力によってロータ２０を回転させる場合、電機子コイル１１に永久磁石２６の磁束による誘起電圧が発生しないため、ステータ１０で鉄損、すなわち引きずり損が生じて外部動力の駆動効率が低下することを抑制できる。

この場合、第１の変形例における接続部２５は、本実施例と比較して径方向に厚みを増大させている。また、径方向に厚みの増大した接続部２５には、軸方向に貫通する保持窓２７が形成される。第１の変形例では、保持窓２７に永久磁石２６が保持される。各永久磁石２６は、周方向に隣り合う永久磁石２６同士で逆の極性が対向するように配置されている。

（第２の変形例）
図９は、本実施例の回転電機１の第２の変形例に係る回転電機１０１を示す図である。第２の変形例に係る回転電機１０１は、ロータ１２０の構成が本実施例のロータ２０と異なるが、ステータ１０の構成は本実施例と同一である。

図９に示すように、ロータ１２０は、環状のロータコア１２１と、周方向に所定の間隔で複数配置された永久磁石１２６と、周方向に隣り合う永久磁石１２６の間にそれぞれ配置されたロータコイル１２２とを含んで構成されている。

ロータコア１２１には、周方向に所定の間隔で複数のスリット１２２ａが形成されている。各永久磁石１２６は、スリット１２２ａにそれぞれ保持されている。各永久磁石１２６は、Ｎ極及びＳ極が周方向に並ぶようにそれぞれ配置されている。各永久磁石１２６は、周方向に隣り合う永久磁石１２６同士で逆の極性が対向するように配置されている。

このように、第２の変形例に係る回転電機１０１は、本実施例及び第１の変形例と比較して、ロータコイル１２２と永久磁石１２６とを離れた位置に設けているため、ロータコイル１２２の熱が永久磁石１２６に伝達されて永久磁石１２６が減磁することを防止できる。

また、ロータコア１２１には、周方向に隣り合う永久磁石１２６の間にそれぞれ一対の空隙１２２ｂ及び空隙１２２ｃが設けられている。空隙１２２ｂと空隙１２２ｃとは、径方向に所定の間隔をあけて形成されている。

ロータコイル１２２は、空隙１２２ｂと空隙１２２ｃとに径方向で挟まれたロータコア１２１に巻かれている。これにより、ロータコイル１２２は、一対の空隙１２２ｂ及び空隙１２２ｃに配置される。ロータコイル１２２は、永久磁石１２６の磁束を強める方向に磁束を発生させる向きに巻かれている。

ロータコイル１２２は、ステータ１０側で発生する回転磁界と非同期の磁束が鎖交することにより誘導電流を発生させるようになっている。

スリット１２２ａ、空隙１２２ｂ及び空隙１２２ｃは、ロータコア１２１を構成する電磁鋼板に対して打ち抜き加工が施されることによって形成される。

第２の変形例に係る回転電機１０１は、図１０に示すように、ロータコイル１２２によって誘起された交流の誘導電流を直流に整流して再びロータコイル１２２に供給する整流回路１４０を備えている。整流回路１４０は、ダイオードＤを整流素子として備え、ダイオードＤとロータコイル１２２とを結線した回路として構成されている。

整流回路１４０は、交流電流において正又は負の両方の方向に流れている電流のどちらか一方だけを流すことによって整流を行う半端整流回路である。

整流回路１４０において、ロータコイル１２２で発生した交流の誘導電流は、ダイオードＤにより整流され、整流後の直流電流はロータコイル１２２に界磁電流として供給される。直流電流が供給されたロータコイル１２２は、誘導磁束を発生させる。

（第２の変形例に係る回転電機の作用）
次に、第２の変形例に係る回転電機１０１の作用について説明する。

（無負荷運転時）
第２の変形例では、回転電機１０１の無負荷運転時における零相磁束の発生を抑制するために、無負荷運転時は中性線１６に設けられた切替スイッチ１６ａをオフにする。これにより、無負荷運転時は、中性線１６に零相電流が流れなくなり、結果として零相磁束も発生しないこととなる。

図１１（ａ）は、電機子コイル１１が通電されていない無負荷状態の回転電機１０１における磁束の流れを示している。図１１（ａ）に示すように、無負荷運転時は、永久磁石１２６によって発生する磁束ＭＦがロータ１２０からステータ１０に鎖交することなくロータコア１２１内を短絡する。

また、無負荷運転時は、零相磁束が発生していないためロータコイル１２２が自励しておらず、ロータコイル１２２の自励による磁束は発生していない。

このため、無負荷運転時に例えばエンジン等の外部動力によってロータ１２０を回転させる場合、電機子コイル１１に永久磁石１２６の磁束による誘起電圧が発生しないため、ステータ１０で鉄損、すなわち引きずり損が生じて外部動力の駆動効率が低下することを抑制できる。

（負荷運転時）
回転電機１０１を力行又は回生する負荷運転時で、かつ高速回転時は、二相変調制御時又は矩形制御時によって中性点電位変動が発生する。

これにより、ロータコイル１２２には、ファラデーの法則にしたがい誘導起電力が発生し、誘導電流が流れる。この誘導電流は、整流回路１４０で整流されて直流電流としてロータコイル１２２に供給される。これにより、ロータコイル１２２が自励する。

この結果、図１１（ｂ）に示すように、永久磁石１２６による磁束ＭＦとロータコイル１２２の自励による磁束ＥＦとが干渉し、永久磁石１２６の磁束ＭＦの磁路が変更される。これにより、磁束ＭＦ及び磁束ＥＦがステータ１０に鎖交する。このため、回転電機１０１は、モータ出力を向上させることができる。例えば、力行時は、回転電機１０１のトルクを向上させることができ、回生時は、回転電機１０１による発電量を大きくすることができる。

（第３の変形例）
図１２は、本実施例の回転電機１の第３の変形例に係る回転電機２０１を示す図である。第３の変形例に係る回転電機２０１は、ロータ２２０の構成がロータコイルを誘導コイルと界磁コイルの２つで構成した点で第２の変形例のロータ１２０と異なるが、他の構成は第２の変形例と同一である。

図１２に示すように、第３の変形例におけるロータ２２０は、ロータコイル２２２が誘導コイル２２２Ａと界磁コイル２２２Ｂとを有する。第３の変形例における整流回路は、本実施例の整流回路４０と同一の構成である。

第３の変形例に係る回転電機２０１は、ロータコイル２２２が誘導コイル２２２Ａと界磁コイル２２２Ｂとを有するので、第２の変形例と比べて、界磁コイル２２２Ｂに供給される整流後の直流電流の脈流を抑えることができ電圧変動を抑制することができる。

上述した第１の変形例、第２の変形例及び第３の変形例に係る回転電機は、界磁コイル２２Ｂで発生する磁束を永久磁石２６の磁束に作用させて、ロータ２０内で短絡していた永久磁石２６の磁路をステータ１０側に向かうように変化させることで、ステータ１０に鎖交する永久磁石の磁束量を増加させるものである。

以上に説明したように、本実施例、第１の変形例、第２の変形例及び第３の変形例に係る回転電機は、界磁コイル（第２の変形例にあってはロータコイル）で発生する磁束を永久磁石の磁束に作用させて永久磁石の磁路を変化させることで、ステータに鎖交する永久磁石の磁束量を変化させるものである。

本発明の実施例を開示したが、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およ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。

１、１０１、２０１ 回転電機
１０ ステータ
１１ 電機子コイル
１５ 中性点（電機子コイル側の中性点）
１６ 中性線
１６ａ 切替スイッチ（切替部）
２０、１２０、２２０ ロータ
２１、１２１ ロータコア
２１ａ スリット
２１ｂ 空隙
２２、１２２、２２２ ロータコイル
２２Ａ、２２２Ａ 誘導コイル
２２Ｂ、２２２Ｂ 界磁コイル
２３ ロータティース（突極部）
２５ 接続部
２５ａ 保持部
２６、１２６ 永久磁石
４０、１４０ 整流回路
５０ インバータ
６２ 直流バス
６５、７５ 中性点（インバータの入力側の中性点）
７０ 平滑コンデンサ
１２２ｂ 空隙
１２２ｃ 空隙
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４ ダイオード（整流素子）
Ｄ ダイオード（整流素子）

Claims (5)

1. インバータに接続される三相の電機子コイルを有するステータと、前記ステータに対して相対回転可能なロータと、を備えた回転電機であって、
   前記三相の電機子コイルがそれぞれ接続される前記電機子コイル側の中性点と、
   前記インバータの入力側の中性点と前記電機子コイル側の中性点とを接続する中性線と、を備え、
   前記ロータは、
   前記ステータ側で発生する回転磁界に対して非同期の磁束が鎖交することにより誘導電流を発生させるロータコイルと、
   前記ロータコイルに流れる誘導電流を整流する整流素子と、を有することを特徴とする回転電機。
2. 前記中性線の導通と非導通とを切り替える切替部を備えることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記ロータは、
   周方向に所定の間隔で突極部が複数形成されたロータコアと、
   周方向に隣り合う前記突極部同士を接続する接続部と、
   周方向に隣り合う前記突極部の間にそれぞれ配置された永久磁石と、を有し、
   前記ロータコイルは、前記突極部に設けられ、
   前記接続部は、前記永久磁石を保持する保持部を有し、
   前記永久磁石は、一方の磁極が前記ステータに対向し、他方の磁極が前記接続部に対向するように前記保持部に保持されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回転電機。
4. インバータに接続される三相の電機子コイルを有するステータと、前記ステータに対して相対回転可能なロータと、を備えた回転電機であって、
   前記三相の電機子コイルがそれぞれ接続される前記電機子コイル側の中性点と、
   前記インバータの入力側の中性点と前記電機子コイル側の中性点とを接続する中性線と、を備え、
   前記ロータは、
   周方向に所定の間隔で複数配置された永久磁石と、
   周方向に隣り合う前記永久磁石の間にそれぞれ配置され、前記ステータ側で発生する回転磁界に対して非同期の磁束が鎖交することにより誘導電流を発生させるロータコイルと、
   前記ロータコイルに流れる誘導電流を整流する整流素子と、を有することを特徴とする回転電機。
5. 前記ロータは、周方向に隣り合う前記永久磁石の間にそれぞれ空隙が設けられ、
   前記空隙は、径方向に所定の間隔をあけて一対形成されており、
   前記ロータコイルは、前記一対の空隙に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の回転電機。

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