JP2019201479A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】ｑ軸インダクタンス値とｄ軸インダクタンス値との比である突極比を大きくする。【解決手段】回転電機（１０）は、固定子（４０）と、前記固定子に巻かれた電機子巻線（５０ｕ、５０ｖ、５０ｗ）と、複数の極を有する回転子（２０）と、前記電機子巻線に印加する電圧を制御することで前記回転子の回転を制御する制御部（１００）と、を備え、前記回転子において、前記複数の極のうちの少なくとも１つの極は、ｄ軸またはｑ軸に対して形状若しくは材質が非対称である。【選択図】図２

Description

本発明は、回転電機に関する。

特許文献１には、電機子巻線と固定子鉄心を具備した固定子と、複数の永久磁石と回転子鉄心を具備した回転子とを備えた永久磁石型回転電機が開示されている。この永久磁石型回転電機では、回転子の軸方向に延在し、回転軸の周方向に２箇所以上配置された第１導体と、第１導体間を電気的に接続する第２導体とを有し、複数の永久磁石の周囲を取り囲むように構成された単数ないし複数の導通回路をさらに備えている。２箇所以上に配置された第１導体は、異なる抵抗値を有する２種類以上の導体で構成されており、回転子の回転角度に応じて大きさの異なる誘導電流が流れ、回転子の回転角度に応じてインダクタンスが変化するので、回転子の回転角度を検知するセンサを備えなくても回転子の位置を検出し、回転子の回転を制御できる。

特開２０１０−０１１６１１号公報

特許文献１の回転電機を磁気飽和領域において使用する場合、導体の追加により銅損が増加するという課題があった。また、一般に、ＩＰＭモータは、高負荷領域では、電流に対する磁束の傾きが小さくなるため、ｑ軸インダクタンス値が低下し、ｑ軸インダクタンス値がｄ軸インダクタンス値と同一となる場合がある。その場合、ｄ軸電流とｑ軸電流との差を検出できず、その結果、回転子の位置を検出できなくなり、位置センサレス制御ができなくなるという課題があった。従って、磁気飽和領域においても、回転電機の効率を向上し、位置センサレス制御ができる構造が求められている。

本発明は、上述の課題を踏まえてなされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

本発明の一形態によれば、回転電機（１０）が提供される。この回転電機は、固定子（４０）と、前記固定子に巻かれた電機子巻線（５０ｕ、５０ｖ、５０ｗ）と、複数の極を有する回転子（２０）と、前記電機子巻線に印加する電圧を制御することで前記回転子の回転を制御する制御部（１００）と、を備え、前記回転子において、前記複数の極のうちの少なくとも１つの極は、ｄ軸またはｑ軸に対して形状若しくは材質が非対称である。この形態によれば、回転子において、複数の極のうちの少なくとも１つの極は、ｄ軸またはｑ軸に対して形状若しくは材質が非対称であるので、ｑ軸インダクタンス値とｄ軸インダクタンス値との比である突極比、あるいは、突極性を大きくできる。その結果、磁気飽和領域においてもｄ軸電流とｑ軸電流との差を検出でき、位置センサレス制御が可能となる。また、回転子に導体を追加しないので、回転子に誘導電流が流れず、回転電機の効率の低下を抑制できる。

回転電機の概略構成を示す説明図である。 回転電機の回転子と、固定子の概略構成を示す説明図である。 回転子の１つの極を拡大して示す説明図である。 比較例の回転電機の回転子の１つの極を拡大して示す説明図である。 回転子の位置とＵ相の無負荷誘起電圧の一次成分との関係を示すグラフである。 外乱重畳電圧による位置の推定を説明する説明図である。 対称回転電機である比較例における外乱電圧と電流との関係を示す説明図である。 非対称回転電機である第１実施形態における外乱電圧と電流との関係を示す説明図である。 ｑ軸電流とｑ軸磁束との関係を示すグラフである。 ｑ軸電流とｑ軸インダクタンスとの関係を示すグラフである。 第１実施形態の回転電機と比較例の回転電機における突極比とトルク／電流制御（ＭＴＰＡ制御）時のトルクとの関係を比較する説明図である。 ２つの磁石の磁化ベクトルの交点とｄ軸との関係を示す説明図である。 永久磁石を用いない回転電機１１を示す説明図である。 図１３の１つの極を拡大して示す説明図である。 アキシャル型の回転電機を示す説明図である。 アキシャル型の回転電機の一部を外縁から中心側を見た時を示す説明図である。

・第１実施形態：
図１は、回転電機１０の概略構成を示す説明図である。回転電機１０は、回転子２０と、固定子に巻かれた電機子巻線５０ｕ、５０ｖ、５０ｗと、制御部１００と、インバータ２００と、を備える。回転子２０は、永久磁石３０を含んでいる。電機子巻線５０ｕ、５０ｖ、５０ｗは、スター結線されている。回転子２０と電機子巻線５０ｕ、５０ｖ、５０ｗの詳細な構成については、後述する。

インバータ２００は、制御部１００から駆動信号ｇｕｐ、ｇｕｎ、ｇｖｐ、ｇｖｎ、ｇｗｐ、ｇｗｎの入力を受けて、電機子巻線５０ｕ、５０ｖ、５０ｗに印加する電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを発生させる。インバータ２００は、直流電源ＤＣと、電源側のスイッチング素子Ｓｕｐ、Ｓｖｐ、Ｓｗｐと、グランド側のスイッチング素子Ｓｕｎ、Ｓｖｎ、Ｓｗｎと、各スイッチング素子Ｓｕｐ、Ｓｖｐ、Ｓｗｐ、Ｓｕｎ、Ｓｖｎ、Ｓｗｎに対応して並列に接続された保護ダイオードＤｕｐ、Ｄｖｐ、Ｄｗｐ、Ｄｕｎ、Ｄｖｎ、Ｄｗｎとを備える。スイッチング素子Ｓｕｐ、Ｓｖｐ、Ｓｗｐ、Ｓｕｎ、Ｓｖｎ、Ｓｗｎは、例えば、ＩＧＢＴなどのトランジスタで構成されている。スイッチング素子Ｓｕｐ、Ｓｖｐ、Ｓｗｐ、Ｓｕｎ、Ｓｖｎ、Ｓｗｎには、それぞれ駆動信号ｇｕｐ、ｇｖｐ、ｇｗｐ、ｇｕｎ、ｇｖｎ、ｇｗｎが入力される。スイッチング素子Ｓｕｐとスイッチング素子Ｓｕｎとは直列に接続され、その中間ノードＮｕは、電機子巻線５０ｕの中性点Ｍと反対側に接続されている。なお、スイッチング素子Ｓｕｐとスイッチング素子Ｓｕｎは、同時にオンせず、少なくとも一方はオフとなる。スイッチング素子Ｓｖｐとスイッチング素子Ｓｖｎも直列に接続され、その中間ノードＮｖは、電機子巻線５０ｖの中性点Ｍと反対側に接続されている。同様にスイッチング素子Ｓｖｐとスイッチング素子Ｓｖｎは、同時にオンせず、少なくとも一方はオフとなる。スイッチング素子Ｓｗｐとスイッチング素子Ｓｗｎも直列に接続され、その中間ノードＮｗは、電機子巻線５０ｗの中性点Ｍと反対側に接続されている。同様にスイッチング素子Ｓｗｐとスイッチング素子Ｓｗｎは、同時にオンせず、少なくとも一方はオフとなる。インバータ２００には、電機子巻線５０ｕ、５０ｖ、５０ｗに流れる電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを測定する電流計２１０と、直流電源ＤＣの電圧を測定する電圧計２２０と、が接続されている。

制御部１００は、αβ電流変換部１１０と、ｄｑ変換部１２０と、指令電流設定部１３０と、電流制御部１４０と、αβ電圧変換部１５０と、３相変換部１６０と、ＰＷＭ信号生成部１７０と、角度推定部１８０と、を備える。

αβ電流変換部１１０は、電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗをα、βを軸とする固定座標系の電流Ｉα、Ｉβに変換する。ここで、α軸の正方向は、Ｕ相に一致し、β軸は、α軸に対して「π／２」だけ進角した方向である。ｄｑ変換部１２０は、回転電機１０の実磁極の位相θに基づいて、電流Ｉα、Iβを、ｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流Ｉｑに変換する。

指令電流設定部１３０は、回転電機１０に要求される要求トルクＴｒに基づいてｄ軸電流指令値Ｉｄｒとｑ軸電流指令値Ｉｑｒを生成する。なお、回転電機１０が例えば車両に搭載される場合、要求トルクＴｒは、車両の速度及びアクセルペダルの踏量を用いて算出される。電流制御部１４０は、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒとｄ軸電流Ｉｄの差分及びｑ軸電流指令値Ｉｑｒとｑ軸電流の差分とを用いてｄ軸の指令電圧Ｖｄｒとｑ軸の指令電圧Ｖｑｒを算出して、回転電機１０の電流を制御する。

αβ電圧変換部１５０は、回転電機１０の実磁極の位相θに基づいて、指令電圧Ｖｄｒ、Ｖｑｒを、α軸上の指令電圧Ｖαｒと、β軸上の指令電圧Ｖβｒに変換する。３相変換部１６０は、α軸上の指令電圧Ｖαｒとβ軸上の指令電圧Ｖβｒを、各相の指令電圧Ｖｕｒ、Ｖｖｒ、Ｖｗｒに変換する。

ＰＷＭ信号生成部１７０は、各相の指令電圧Ｖｕｒ、Ｖｖｒ、Ｖｗｒを用いて、インバータ２００を駆動する駆動信号ｇｕｐ、ｇｖｐ、ｇｗｐ、ｇｕｎ、ｇｖｎ、ｇｗｎを生成する。角度推定部１８０は、例えば、外乱重畳電圧や拡張誘起電圧方式を用いて、回転電機１０の実磁極の位相θを推定する。この点については、後述する。

図２は、回転電機１０の回転子２０と、固定子４０の概略構成を示す説明図である。図３は、回転子２０の１つの極を拡大して示す説明図である。回転子２０は、空洞部２２と、永久磁石３０とを備える。空洞部２２とは、回転子２０を構成する部材の穴が開いた部分であり、常磁性体である空気で埋められている部分を意味する。永久磁石３０は、空洞部２２の一部に嵌め込まれている。固定子４０は、回転子２０側に突き出た突起部４２と、突起部４２に巻かれた電機子巻線５０ｕ、５０ｖ、５０ｗ（図１）を備える。なお、図２では、図示の都合上、１つの突起部４２の電機子巻線５０ｕを図示し、他の突起部４２に巻かれた電機子巻線５０ｕ、５０ｖ、５０ｗを省略している。

回転子２０は、１つの極に２つの永久磁石３０を備える。２つの永久磁石３０の磁化ベクトルＢｍは、ｄ軸上以外の位置で交差している。さらに、２つの永久磁石３０の磁化ベクトルＢｍが交差する交点Ｐは、ｄ軸よりも回転子の回転方向側に位置する。したがって、第１実施形態の回転電機１０は、非対称回転電機（「非対称モータ」とも呼ぶ。）である。

図４は、比較例の回転電機の回転子の１つの極を拡大して示す説明図である。空洞部２３は、ｄ軸を挟んで左右対称形であり、ｄ軸に対し回転方向側（正転側（＋ｑ軸側））の空洞率と、ｄ軸に対し回転方向と反対側（逆転側（−ｑ軸側））の空洞率は、同じ率である。比較例の回転電機でも、回転子２０が１つの極に２つの永久磁石３０を備える点は共通するが、比較例の回転電機では、２つの永久磁石３０の磁化ベクトルＢｍは、ｄ軸上で交差している。したがって、比較例の回転電機は、対称回転電機（「対称モータ」とも呼ぶ。）である。

図５は、回転子の位置とＵ相の無負荷誘起電圧の一次成分との関係を示すグラフである。第１実施形態では、以下のように、ｄ軸とｑ軸を定義する。任意のｄ軸電流を与え、ｑ軸電流をゼロとしたときに、固定子４０に鎖交するｄ軸磁束がゼロとなる位相をｄ軸と定義し、ｄ軸に対して、電気角でπ／２だけ回転方向に移動した軸をｑ軸と定義する。Ｕ相の無負荷誘起電圧の一次成分は、第１実施形態は、比較例に比べて回転子２０の位置がθ＾だけ進んでいる。θ＾は、第１実施形態における実磁極の位相θと、比較例における実磁極の位相との差である。

実磁極の位相θの求め方について説明する。図６は、外乱重畳電圧による実磁極の位相θの推定を説明する説明図である。電機子巻線５０ｕ、５０ｖ、５０ｗの駆動電圧に、駆動電圧の周波数よりも高周波の外乱電圧を重畳させた電圧を回転電機１０の電機子巻線５０ｕ、５０ｖ、５０ｗに印加し、外乱電流を測定する。回転子２０の位置によってインダクタンスが変化し、外乱電流も変化する。角度推定部１８０（図１）は、外乱電流の変動を、推定アルゴリズムを用いて解析することで、実磁極の位相θを推定する。

図７は、対称回転電機である比較例における外乱電圧と電流との関係を示す説明図である。図８は、非対称回転電機である第１実施形態における外乱電圧と電流との関係を示す説明図である。外乱電圧を印加したときの電流の変化量は、非対称回転電機である第１実施形態の回転電機１０の方が、対称回転電機である比較例の回転電機よりも大きい。

図９は、ｑ軸電流とｑ軸磁束との関係を示すグラフである。横軸がｑ軸電流であり、縦軸がｑ軸磁束である。対称モータである比較例の回転電機では、ｑ軸電流がゼロのとき、ｑ軸磁束もゼロである。これに対し、第１実施形態の回転電機１０では、ｑ軸電流がゼロのとき、ｑ軸磁束は負の値となる。

図１０は、ｑ軸電流とｑ軸インダクタンスとの関係を示すグラフである。横軸がｑ軸電流であり、縦軸がｑ軸インダクタンスである。第１実施形態の回転電機１０のｑ軸インダクタンスは、ｑ軸電流が正の領域で、比較例の回転電機（対称）のｑ軸インダクタンスよりも大きい。すなわち、第１実施形態の回転電機１０では、回転子２０が非対称であるため、図９で示した様に、ｄ軸電流がｑ軸の磁路のマイナス方向に干渉する。その結果、ｑ軸磁路の磁気飽和が緩和され、磁気飽和領域の近傍において、ｑ軸インダクタンスＬｑが向上する。

以上のことから、非対称回転電機では、対称回転電機と比較すると、ｑ軸インダクタンスＬｑが大きい。そのため、対称回転電機では、磁気飽和により電流の変化が見られない場合であっても、非対称回転電機では、磁気飽和の影響を緩和できる。その結果、第１実施形態では、磁気飽和領域においても電流の変化を検知し、この電流を用いて位置センサレス制御ができる。位置センサレス制御とは、回転電機の回転を検出するセンサを取り付けないで、制御に必要な回転数、磁極位置などを推定して駆動する制御を意味する。位置センサレス制御は、回転電機の回転による誘導起電力を利用して回転子（界磁）の磁極位置を検出して、それに応じて固定子（電機子）の電流の極性、振幅などを制御する。

図１１は、第１実施形態の回転電機１０と比較例の回転電機における突極比と最大トルク／電流制御（ＭＴＰＡ制御）時のトルクとの関係を比較する説明図である。第１実施形態の回転電機１０のＭＴＰＡ制御時のトルクは、突極比（Ｌｑ／Ｌｄ）が１．０〜１．３の領域において、比較例の回転電機におけるトルクよりも大きくなっている。そのため、ＭＴＰＡ制御時において、負荷トルクが大きく比較例の回転電機では始動できないような場合でも、第１実施形態の回転電機１０では、始動可能である。

図１２は、２つの磁石の磁化ベクトルの交点とｄ軸との関係を示す説明図である。図１２では、第１実施形態におけるｄ軸に加え、比較例におけるｄ軸も図示している。第１実施形態では、永久磁石３０の磁化ベクトルの交点Ｐを、ｄ軸よりも回転子２０の回転方向側に位置させている。その結果、第１実施形態のｄ軸の位置を比較例のｄ軸の位置よりも回転子２０の回転方向側に移動させることができる。その結果、ｄ軸電流によりｑ軸磁束をマイナス方向に流しやすくなり、ｑ軸インダクタンスを大きくして、突極比を大きくすることが可能となる。

以上、第１実施形態によれば、回転子２０において、１つの極は、ｄ軸またはｑ軸に対して永久磁石３０が非対称に配置されているので、突極比（Ｌｑ／Ｌｄ）を大きくできる。その結果、磁気飽和領域においてもｄ軸電流とｑ軸電流との差を検出でき、位置センサレス制御が可能となる。また、回転子２０に導体を追加しないので、回転子２０に誘導電流が流れることによる回転電機１０の効率の低下を抑制できる。

また、第１実施形態によれば、２つの回転子２０の磁石の磁化ベクトルの交点Ｐは、ｄ軸よりも回転子２０の回転方向側に位置しているので、ｄ軸電流によって負のｑ軸磁束が流れやすくなり、ｑ軸インダクタンスを大きくして、突極比を大きくすることが可能となる。

・第２実施形態：
第１実施形態では、永久磁石３０の配置により、回転子２０の１つの極について、ｄ軸またはｑ軸に対して形状若しくは材質を非対称としたが、永久磁石３０を用いない場合であっても、ｄ軸またはｑ軸に対して回転子２０の形状若しくは材質を非対称とすることが可能である。図１３は、永久磁石を用いない回転電機１１を示す説明図である。第２実施形態の回転電機１１は、永久磁石３０を備えず、空洞部２２をｄ軸に対して非対称な形状としている点で、図２に示した第１実施形態の回転電機１０と異なる。空洞部２２の空洞率は、ｄ軸を挟んだ左右において、異なっている。すなわち、第２実施形態では、ｄ軸に対し回転方向側（正転側の空洞率は、ｄ軸に対し回転方向と反対側の空洞率よりも小さくなっている。ここで、空洞率は、回転子２０の大きさに対する空洞部２２の大きさの割合である。なお、図１３においては、全ての電機子巻線５０ｕ、５０ｖ、５０ｗの図示を省略している。

図１４は、図１３の１つの極を拡大して示す説明図である。ｄ軸よりも回転方向側（図１４では、反時計回り側）における空洞部２２が閉める割合（空洞率）は、約２６％であり、ｄ軸よりも回転方向と反対側（図１４では、時計周り側）における空洞率は、約４３％であり、その差は約１７％である。このように、ｄ軸よりも回転方向と反対側における空洞率を大きくすると、ｄ軸電流によりマイナスのｑ軸磁束が流れやすくできるため、磁気飽和領域でのｑ軸インダクタンスを向上し、ｄ軸電圧を印加したときのｑ軸電流を大きくできる。すなわち、永久磁石３０の磁束ベクトルの交点をｄ軸よりも回転方向側にしたときと同様に効果を得ることができる。なお、空洞率の差としては、例えば、５〜２５％とすることが好ましく、１０〜２０％とすることがより好ましい。

・第３実施形態：
第１実施形態、第２実施形態では、回転電機１０、１１がラジアル型である場合を例にといって説明したが、アキシャル側の回転電機１２であってもよい。図１５は、アキシャル型の回転電機１２を示す説明図である。アキシャル型の回転電機１２は、円板形状の回転子２０と、円板形状の固定子４０とが対向しており、回転子２０は、円板形状の法線方向（図１５のｚ方向）を回転軸として回転する。

図１６は、アキシャル型の回転電機１２の一部を外縁から中心側を見た時を示す説明図である。２つの永久磁石３０は、ｄ軸に対して非対称に配置されており、空洞部２２もｄ軸に対して非対称である。アキシャル型の回転電機１２であっても、１つの極を、ｄ軸またはｑ軸に対して形状若しくは材質が非対称であるように構成すれば、ラジアル型の回転電機１０、１１と同様の原理により、磁気飽和領域でのｑ軸インダクタンスを向上し、ｄ軸電圧を印加したときのｑ軸電流を大きくできる。

・変形例１：
上記各実施形態では、外乱重畳電圧によって、回転子２０の位置を推定したが、例えば、拡張誘起電圧方式を用いて、回転子２０の位置を推定してもよい。電源側のスイッチング素子Ｓｕｐ、Ｓｖｐ、Ｓｗｐが全てオンになり、グランド側のスイッチング素子Ｓｕｎ、Ｓｖｎ、Ｓｗｎが全てオフになった場合、あるいは、電源側のスイッチング素子Ｓｕｐ、Ｓｖｐ、Ｓｗｐが全てオフになり、グランド側のスイッチング素子Ｓｕｎ、Ｓｖｎ、Ｓｗｎが全てオンになった場合には、電機子巻線５０ｕ、５０ｖ、５０ｗが短絡するので、電機子巻線５０ｕ、５０ｖ、５０ｗには、誘起電圧に応じた電流が流れるため。誘起電圧と電流の変化量には、相関が生じる。この相関を用いて、回転子２０の位置を推定できる。

・変形例２：
上記第１実施形態では、２つの永久磁石３０をｄ軸に対して非対称に配置しているが、少なくとも１つの永久磁石３０をｄ軸に対して非対称に配置しても良い。永久磁石３０の磁束を用いてｄ軸とｑ軸との間のインダクタンスの差を向上できる。

・変形例３：
上記第１実施形態では、２つの永久磁石３０の磁化ベクトルＢｍが交差する点Ｐをｄ軸よりも回転子の回転方向側に位置させたが、２つの永久磁石３０の磁化ベクトルＢｍが交差する点Ｐをｄ軸よりも回転子の回転方向と反対側に位置させてもよい。同様に、ｄ軸とｑ軸との間のインダクタンスの差を向上できる。

・変形例４：
上記第２実施形態では、回転子２０を構成する部材が欠落し、空気で埋められている領域である空洞部２２を設けたが、回転子２０を磁性体材質で形成し、空洞部２２に対応する領域を、空気以外の非磁性体材質で形成してもよい。同様に、ｄ軸とｑ軸との間のインダクタンスの差を向上できる。なお、この場合、空洞率は、非磁性体材質の体積と磁性体材質の体積との比で求めることができる。ここで、磁性体材質として、強磁性体、例えば、酸化鉄・酸化クロム・コバルト・フェライトを用いることができる。非磁性体材質として、強磁性体でないもの、例えば、ビスマスやカーボンのような反磁性体、タングステンやアルミニウムのような常磁性体、酸化マンガンや酸化ニッケルなどの反強磁性体を用いることができる。

・変形例５：
上記第２実施形態では、回転子２０の回転方向の領域の空洞率（約２６％）は、回転子２０の回転方向と反対側の領域の空洞率（約４３％）よりも小さかったが、回転子２０の回転方向の領域の空洞率を回転子２０の回転方向と反対側の領域の空洞率よりも大きくしても良い。同様に、ｄ軸とｑ軸との間のインダクタンスの差を向上できる。

・変形例６：
上記各実施形態では、永久磁石３０の位置や空洞部２２をｄ軸に対して非対称とすることでｄ軸とｑ軸との間のインダクタンスの差を向上しているが、回転子２０の各極においてｄ軸またはｑ軸により分割される２つの領域の磁束密度Ｂ５０が、５％以上異なるようにしてもよい。同様に、ｄ軸とｑ軸との間のインダクタンスの差を向上できる。

・変形例７：
上記第１実施形態では、２つの永久磁石３０をｄ軸に対して非対称としているが、回転子２０の各極においてｄ軸またはｑ軸により分割される２つの領域の永久磁石の起磁力が５％以上異なるようにしてもよい。同様に、ｄ軸とｑ軸との間のインダクタンスの差を向上できる。

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。例えば、上記実施形態においてハードウェアにより実現した構成の一部は、ソフトウェアにより実現することができる。また、ソフトウェアにより実現している構成の少なくとも一部は、ディスクリートな回路構成により実現することも可能である。

本発明は、以下の形態として実現することも可能である。

（１）本発明の一形態によれば、回転電機（１０）が提供される。この回転電機は、固定子（４０）と、前記固定子に巻かれた電機子巻線（５０ｕ、５０ｖ、５０ｗ）と、複数の極を有する回転子（２０）と、前記電機子巻線に印加する電圧を制御することで前記回転子の回転を制御する制御部（１００）と、を備え、前記回転子において、前記複数の極のうちの少なくとも１つの極は、ｄ軸またはｑ軸に対して形状若しくは材質が非対称である。この形態によれば、回転子において、複数の極のうちの少なくとも１つの極は、ｄ軸またはｑ軸に対して形状若しくは材質が非対称であるので、ｑ軸インダクタンス値とｄ軸インダクタンス値との比である突極比、あるいは、突極性を大きくできる。その結果、磁気飽和領域においてもｄ軸電流とｑ軸電流との差を検出でき、位置センサレス制御が可能となる。また、回転子に導体を追加しないので、回転子に誘導電流が流れず、回転電機の効率の低下を抑制できる。

（２）上記形態の回転電機において、前記制御部は、ｄ軸とｑ軸との間のインダクタンスの差を利用して、前記回転子の位置を推定して、前記電機子巻線に印加する電圧を位置センサレス制御してもよい。この形態によれば、ｄ軸とｑ軸との間のインダクタンスの差を利用して、回転子の位置を推定できる。

（３）上記形態の回転電機において、前記制御部は、外乱重畳電圧を利用して位置センサレス制御を実行してもよい。この形態によれば、制御部は、外乱重畳電圧を利用することで、回転子の位置を容易に推定できる。

（４）上記形態の回転電機において、前記制御部は、拡張誘起電圧方式を利用して位置センサレス制御を実行してもよい。この形態によれば、制御部は、拡張誘起電圧方式を利用することで、回転子の位置を容易に推定できる。

（５）上記形態の回転電機において、前記回転子の各極は、少なくとも１つの永久磁石（３０）を有してもよい。この形態によれば、永久磁石の磁束を用いてｄ軸とｑ軸との間のインダクタンスの差を向上できる。

（６）上記形態の回転電機において、前記回転子の各極は、２以上の永久磁石を有し、前記２以上の永久磁石の磁化ベクトル（Ｂｍ）が、交差してもよい。この形態によれば、２つの永久磁石の磁化ベクトルが、交差するので、ｄ軸とｑ軸との間のインダクタンスの差を向上できる。

（７）上記形態の回転電機において、前記２以上の永久磁石の磁化ベクトルは、ｄ軸上以外の位置で交差してもよい。この形態によれば、２つの永久磁石の磁化ベクトルが、ｄ軸上以外の位置で交差するようにすることで、ｄ軸とｑ軸との間のインダクタンスの差を向上できる。

（８）上記形態の回転電機において、前記２以上の永久磁石の磁化ベクトルが交差する交点（Ｐ）は、ｄ軸よりも前記回転子の回転方向側に位置してもよい。この形態によれば、２以上の永久磁石の磁化ベクトルが交差する点を、ｄ軸よりも回転子の回転方向側に位置させるので、ｄ軸とｑ軸との間のインダクタンスの差を向上できる。

（９）上記形態の回転電機において、前記回転子の各極において、ｄ軸またはｑ軸により分割される２つの領域において、磁性体材質と非磁性体材質の比である空洞率が、予め定められた値以上異なってもよい。この形態によれば、ｄ軸またはｑ軸により分割される２つの領域において、磁性体材質と非磁性体材質の比である空洞率が、予め定められた値以上異なるので、ｄ軸とｑ軸との間のインダクタンスの差を向上できる。

（１０）上記形態の回転電機において、前記回転子の回転方向の領域の空洞率は、前記回転子の回転方向と反対側の領域の空洞率よりも小さくてもよい。この形態によれば、回転子の回転方向の領域の空洞率は、回転子の回転方向と反対側の領域の空洞率よりも小さいので、ｄ軸とｑ軸との間のインダクタンスの差を向上できる。

（１１）上記形態の回転電機において、前記回転子の各極においてｄ軸またはｑ軸により分割される２つの領域の磁束密度Ｂ５０が、５％以上異なってもよい。この形態によれば、回転子の各極においてｄ軸またはｑ軸により分割される２つの領域の磁束密度Ｂ５０が、５％以上異なっているので、ｄ軸とｑ軸との間のインダクタンスの差を向上できる。

（１２）上記形態の回転電機において、前記回転子の各極においてｄ軸またはｑ軸により分割される２つの領域の磁石の起磁力が５％以上異なってもよい。この形態によれば、回転子の各極においてｄ軸またはｑ軸により分割される２つの領域の磁石の起磁力が５％以上異なっているので、ｄ軸とｑ軸との間のインダクタンスの差を向上できる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、回転電機の他、回転電機における回転子の構造、回転電機の制御方法で実現することができる。

１０…回転電機 １１…回転電機 １２…回転電機 ２０…回転子 ２２、２３…空洞部 ３０…永久磁石 ４０…固定子 ４２…突起部 ５０ｕ、５０ｖ、５０ｗ…電機子巻線 １００…制御部 １１０…αβ電流変換部 １２０…ｄｑ変換部 １３０…指令電流設定部 １４０…電流制御部 １５０…αβ電圧変換部 １６０…３相変換部 １７０…ＰＷＭ信号生成部 １８０…角度推定部 ２００…インバータ ２１０…電流計 ２２０…電圧計 Ｂｍ…磁化ベクトル ＤＣ…直流電源 Ｄｕｎ、Ｄｕｐ、Ｄｖｎ、Ｄｖｐ、Ｄｗｎ、Ｄｗｐ…保護ダイオード ｇｕｐ、ｇｖｐ、ｇｗｐ、ｇｕｎ、ｇｖｎ、ｇｗｎ…駆動信号 Ｉｑｒ…ｑ軸電流指令値 Ｉｄｒ…ｄ軸電流指令値 Ｉｄ…ｄ軸電流 Ｉｑ…ｑ軸電流 Ｉα…α軸上の電流 Ｉβ…β軸上の電流 Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ…電流 Ｌｑ…ｑ軸インダクタンス Ｌｄ…ｄ軸インダクタンス Ｍ…中性点 Ｎｕ、Ｎｖ、Ｎｗ…中間ノード Ｐ…交点 Ｓｕｎ、Ｓｕｐ、Ｓｖｎ、Ｓｖｐ、Ｓｗｎ、Ｓｗｐ…スイッチング素子 Ｔｒ…トルク Ｖｄｒ、Ｖｑｒ…指令電圧 Ｖαｒ…α軸上の指令電圧 Ｖβｒ…β軸上の指令電圧 Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗ…電圧 Ｖｕｒ、Ｖｖｒ、Ｖｗｒ…指令電圧 θ…実磁極の位相 θ＾…回転子位置

Claims (12)

1. 回転電機（１０）であって、
   固定子（４０）と、
   前記固定子に巻かれた電機子巻線（５０ｕ、５０ｖ、５０ｗ）と、
   複数の極を有する回転子（２０）と、
   前記電機子巻線に印加する電圧を制御することで前記回転子の回転を制御する制御部（１００）と、
   を備え、
   前記回転子において、前記複数の極のうちの少なくとも１つの極は、ｄ軸またはｑ軸に対して形状若しくは材質が非対称である、回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機であって、
   前記制御部は、ｄ軸とｑ軸との間のインダクタンスの差を利用して、前記回転子の位置を推定して、前記電機子巻線に印加する電圧を位置センサレス制御する、回転電機。
3. 請求項２に記載の回転電機であって、
   前記制御部は、外乱重畳電圧を利用して位置センサレス制御を実行する、回転電機。
4. 請求項２に記載の回転電機であって、
   前記制御部は、拡張誘起電圧方式を利用して位置センサレス制御を実行する、回転電機。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の回転電機であって、
   前記回転子の各極は、少なくとも１つの永久磁石（３０）を有する、回転電機。
6. 請求項５に記載の回転電機であって、
   前記回転子の各極は、２以上の永久磁石を有し、前記２以上の永久磁石の磁化ベクトル（Ｂｍ）が、交差する、回転電機。
7. 請求項６に記載の回転電機であって、
   前記２以上の永久磁石の磁化ベクトルは、ｄ軸上以外の位置で交差する、回転電機。
8. 請求項７に記載の回転電機であって、
   前記２以上の永久磁石の磁化ベクトルが交差する交点（Ｐ）は、ｄ軸よりも前記回転子の回転方向側に位置する、回転電機。
9. 請求項５に記載の回転電機であって、
   前記回転子の各極において、ｄ軸またはｑ軸により分割される２つの領域において、磁性体材質と非磁性体材質の比である空洞率が、予め定められた値以上異なる、回転電機。
10. 請求項９に記載の回転電機において、
    前記回転子の回転方向の領域の空洞率は、前記回転子の回転方向と反対側の領域の空洞率よりも小さい、回転電機。
11. 請求項５に記載の回転電機であって、
    前記回転子の各極においてｄ軸またはｑ軸により分割される２つの領域の磁束密度Ｂ５０が、５％以上異なる、回転電機。
12. 請求項５に記載の回転電機であって、
    前記回転子の各極においてｄ軸またはｑ軸により分割される２つの領域の永久磁石の起磁力が５％以上異なる、回転電機。

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