JP2021061645A - 回転電機及び回転電機の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータコアのブリッジ部に漏れる磁石磁束の量を調整することができる回転電機及び回転電機の制御方法を提供すること。【解決手段】それぞれ永久磁石を収容し、径方向外側へＶ字形状に広がるように配置された一対の磁石収容孔が、外周部に周方向にて複数配置された円環状のロータコアを有するロータと、円環状のステータコア及びステータコイルを有するステータと、通電することにより界磁磁束を発生させる界磁コイルが設けられた界磁ヨークと、を備えた回転電機であって、界磁ヨークの径方向の一端部における軸線方向の端面と、ロータコアのブリッジ部の軸線方向の端面とが、軸線方向にて対向しており、界磁ヨークの径方向の他端部における軸線方向の端面と、ロータコアの軸線方向の端面、または、ステータコアの軸線方向の端面とが、軸線方向にて対向している。【選択図】図３

Description

本発明は、回転電機及び回転電機の制御方法に関する。

従来、複数の永久磁石が設けられた円環状のロータコアを有するロータと、ロータコアに対して径方向に間隔をあけて配置された円環状のステータコア及びステータコイルを有するステータと、を備えた回転電機が知られている。

特許文献１には、円環状のロータコアの外周部に複数の磁石収容孔が設けられ、磁石収容孔のそれぞれに永久磁石が収容された、回転電機のロータが開示されている。前記ロータコアには、周方向にて近接した２つの磁石収容孔が対をなして、径方向外側へＶ字形状に広がるように配置されている。

特開２００４−２４２４６２号公報

前記一対の磁石収容孔がロータコアの外周部に複数配置されたロータを備えた回転電機では、ロータコアにおいて、一対の磁石収容孔をなす２つの磁石収容孔間のブリッジ部に、永久磁石によって発生した磁束（磁石磁束）の一部が漏れてしまう。永久磁石が発生する磁束がブリッジ部の一部に漏れて、ロータとステータとの間における磁束量が低減するため逆起電圧が低減し、高回転化を図ることが可能となる。一方、永久磁石が発生する磁束がブリッジ部の一部に漏れて、ロータとステータとの間における磁束量が低減するとトルクが低減し、高出力化が困難になってしまう。そのため、高回転化と高出力化との両立を図るためには、前記ブリッジ部に漏れる磁石磁束の量を調整できることが望まれる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、ロータコアのブリッジ部に漏れる磁石磁束の量を調整することができる回転電機及び回転電機の制御方法を提供することである。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る回転電機は、軸線を中心に回転可能な回転軸部材と、それぞれ永久磁石を収容し、径方向外側へＶ字形状に広がるように配置された一対の磁石収容孔が、外周部に周方向にて複数配置されており、前記回転軸部材に固定された円環状のロータコアを有するロータと、前記ロータに対して前記径方向にて間隔をあけて配置された円環状のステータコア及び、前記ステータコアに設けられたステータコイル、を有するステータと、前記ロータに対して前記回転軸部材の軸線方向の外側に配置された界磁ヨークと、前記界磁ヨークに設けられており、通電されることにより界磁磁束を発生可能な界磁コイルと、を備えた回転電機であって、前記ロータコアにおける前記一対の磁石収容孔をなす２つの前記磁石収容孔の間には、ブリッジ部が設けられており、前記界磁ヨークの前記径方向の一端部における前記軸線方向の端面と、前記ブリッジ部の前記軸線方向の端面とが、前記軸線方向にて対向しており、前記界磁ヨークの前記径方向の他端部における前記軸線方向の端面と、前記ロータコアの前記軸線方向の端面、または、前記ステータコアの前記軸線方向の端面とが、前記軸線方向にて対向していることを特徴とするものである。

これにより、本発明に係る回転電機においては、界磁コイルへの通電を行って発生させた界磁磁束を、界磁ヨークの径方向の他端部からロータコアのブリッジ部に通過させて、前記ブリッジ部を界磁磁束によって飽和させることができる。これにより、ブリッジ部において界磁磁束が永久磁石によって発生した磁束の進入を妨げて、永久磁石によって発生した磁束の一部がブリッジ部に漏れることを抑制することができる。よって、磁石磁束を効率良く用いて高出力化を図ることができる。また、界磁コイルへの通電を行わないことによって、永久磁石によって発生した磁束の一部をロータコアのブリッジ部に漏れさせることができる。よって、逆起電圧を低下させて高回転化を図ることができる。したがって、本発明に係る回転電機は、ロータコアのブリッジ部に漏れる磁石磁束の量を調整することができる。

また、前記界磁ヨークの前記径方向の他端部は、前記界磁ヨークの前記径方向の一端部よりも、前記径方向の内側にて前記ロータコアの前記軸線方向の端面と対向していてもよい。

これにより、界磁ヨークとロータコアとに界磁磁束が流れる磁気回路を形成することができる。

また、前記界磁ヨークの前記径方向の他端部は、前記ブリッジ部よりも前記径方向の外側にて前記ロータコアの前記軸線方向の端面と対向していてもよい。

これにより、永久磁石によって発生した磁束の一部を界磁ヨークに流して短絡させることが可能となる。

また、前記界磁ヨークの前記径方向の他端部は、さらに前記ステータコアの前記軸線方向の端面と対向していてもよい。

これにより、ロータとステータとの間を流れる磁束を強めることができる。

また、前記界磁ヨークの他端部は、前記ステータコイルよりも前記径方向にて内側に配置されていてもよい。

これにより、回転電機の前記径方向の寸法を小さくすることができる。

また、前記界磁コイルと前記ステータコイルとは、前記軸線方向の位置が少なくとも一部重なっていてもよい。

これにより、回転電機の軸線方向の寸法を小さくすることができる。

また、前記ロータコアにおいて、周方向にて隣り合う前記ブリッジ部の間には、非磁性領域が設けられていてもよい。

これにより、磁石磁束と界磁磁束とを干渉し難くすることができる。

また、本発明に係る回転電機の制御方法は、回転電機の制御方法であって、前記回転電機は、軸線を中心に回転可能な回転軸部材と、それぞれ永久磁石を収容し、径方向外側へＶ字形状に広がるように配置された一対の磁石収容孔が、外周部に周方向にて複数配置されており、前記回転軸部材に固定された円環状のロータコアを有するロータと、前記ロータに対して前記径方向にて間隔をあけて配置された円環状のステータコア及び、前記ステータコアに設けられたステータコイル、を有するステータと、前記ロータに対して前記回転軸部材の軸線方向の外側に配置された界磁ヨークと、前記界磁ヨークに設けられており、通電されることにより界磁磁束を発生可能な界磁コイルと、を備え、前記ロータコアにおける前記一対の磁石収容孔をなす２つの前記磁石収容孔の間には、ブリッジ部が設けられており、前記界磁ヨークの前記径方向の一端部における前記軸線方向の端面と、前記ブリッジ部の前記軸線方向の端面とが、前記軸線方向にて対向しており、前記界磁ヨークの前記径方向の他端部における前記軸線方向の端面と、前記ロータコアの前記軸線方向の端面、または、前記ステータコアの前記軸線方向の端面とが、前記軸線方向にて対向しており、前記回転電機の回転数を高めるときには、前記界磁コイルへの通電を行わない第１の制御モードを実行し、前記回転電機の出力トルクを高めるときには、前記界磁コイルへの通電を行う第２の制御モードを実行することを特徴とするものである。

これにより、本発明に係る回転電機の制御方法においては、高回転時に、第１の制御モードを実行して、界磁コイルへの通電を行わないことにより、永久磁石によって発生した磁束の一部をブリッジ部に漏れさせることによって、逆起電圧を低下させて高回転化を図ることができる。また、高出力時には、第２の制御モードを実行して、界磁コイルへの通電を行うことにより、ブリッジ部に界磁磁束を流して飽和させ、磁石磁束の一部がブリッジ部に漏れることを抑制し、磁石磁束を効率良く用いて高出力化を図ることができる。したがって、本発明に係る回転電機の制御方法は、ロータコアのブリッジ部に漏れる磁石磁束の量を調整することができる。

本発明に係る回転電機及び回転電機の制御方法においては、界磁コイルへの通電を行って発生させた界磁磁束を、界磁ヨークの径方向の他端部からロータコアのブリッジ部に通過させて、前記ブリッジ部を界磁磁束によって飽和させることができる。これにより、ブリッジ部において界磁磁束が永久磁石によって発生した磁束の進入を妨げて、永久磁石によって発生した磁束の一部がブリッジ部に漏れることを抑制することができる。よって、磁石磁束を効率良く用いて高出力化を図ることができる。また、界磁コイルへの通電を行わないことによって、永久磁石によって発生した磁束の一部をロータコアのブリッジ部に漏れさせることができる。よって、逆起電圧を低下させて高回転化を図ることができる。したがって、本発明に係る回転電機及び回転電機の制御方法は、ロータコアのブリッジ部に漏れる磁石磁束の量を調整することができるという効果を奏する。

図１は、実施形態１に係る回転電機が適用される電動車両の構成を示すブロック図である。 図２は、実施形態１に係る回転電機の軸線に沿った断面図である。 図３は、図２におけるＡ−Ａ断面でのロータの断面図である。 図４は、高回転モード時における磁石磁束の流れを示した、実施形態１に係る回転電機の軸線に沿った断面図である。 図５は、高回転モード時における磁石磁束の流れを示した、図４におけるＣ-Ｃ断面でのロータの断面図である。 図６は、高出力モード時における界磁磁束の流れを示した、実施形態１に係る回転電機の軸線に沿った断面図である。 図７は、高出力モード時における磁石磁束及び界磁磁束の流れを示した、図６におけるＤ-Ｄ断面でのロータの断面図である。 図８は、高出力モード時における界磁磁束の流れの他例を示した、実施形態１に係る回転電機の軸線に沿った断面図である。 図９は、電子制御装置が実施する回転電機の高回転モードと高出力モードとの制御の一例を示したフローチャートである。 図１０は、実施形態２に係る回転電機の軸線に沿った断面図である。 図１１は、図１０におけるＥ−Ｅ断面での回転電機の断面図である。 図１２は、高回転モード時における磁石磁束の流れを示した、実施形態２に係る回転電機の軸線に沿った断面図である。 図１３は、高回転モード時における磁石磁束の流れを示した、図１２におけるＧ−Ｇ断面での回転電機の断面図である。 図１４は、高出力モード時における界磁磁束の流れを示した、実施形態２に係る回転電機の軸線に沿った断面図である。 図１５は、高出力モード時における磁石磁束及び界磁磁束の流れを示した、図１４におけるＨ−Ｈ断面でのロータの断面図である。

（実施形態１）
以下に、本発明に係る回転電機及び回転電機の制御方法の実施形態１について説明する。なお、本実施形態により本発明が限定されるものではない。

図１は、実施形態１に係る回転電機１が適用される電動車両１００の構成を示すブロック図である。電動車両１００は、回転電機１、バッテリ７０、パワーコントロールユニット７５、電子制御装置８０、差動装置９０、及び、駆動輪９５などを備えている。

回転電機１は、例えば３相交流の回転電機である。回転電機１は、バッテリ７０からパワーコントロールユニット７５を介して供給された電力を利用して、差動装置９０を介して駆動輪９５を駆動させるための駆動力を出力する電動機としての機能を有している。また、回転電機１は、電動車両１００の制動時に発電する発電機としての機能も有している。回転電機１が発電した電力は、パワーコントロールユニット７５を介してバッテリ７０に供給される。このように、実施形態１に係る回転電機１は、所謂モータジェネレータである。

バッテリ７０は、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の二次電池によって構成された蓄電装置である。バッテリ７０は、回転電機１によって発電された電力によって充電されるほか、外部電源から供給される電力によっても充電可能となっている。なお、バッテリ７０は、二次電池に限らず、直流電圧を生成でき、且つ、充電が可能な蓄電装置であればよく、例えばキャパシタ等であってもよい。

パワーコントロールユニット７５は、バッテリ７０から供給された直流電力を交流電力に変換して回転電機１に供給したり、回転電機１が発電した交流電力を直流電力に変換してバッテリ７０に供給したりする機能を有している。

電子制御装置８０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）やＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）やＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）などによって構成されており、パワーコントロールユニット７５を制御してバッテリ７０から回転電機１に供給する電力量などを調整し、回転電機１を制御している。

なお、実施形態１に係る回転電機１は、エンジンと回転電機とを備えたハイブリッド車両などにも適用可能である。

図２は、実施形態１に係る回転電機１の軸線に沿った断面図である。図３は、図２におけるＡ−Ａ断面でのロータ３の断面図である。なお、図２は、図３におけるＢ−Ｂ断面に相当する位置での回転電機１の断面図である。

図２に示すように、実施形態１に係る回転電機１は、シャフト２、ロータ３、ステータ４、界磁ヨーク５Ａ，５Ｂ、及び、界磁コイル６Ａ，６Ｂなどを備えている。

シャフト２は、軸線方向Ｄ１に長尺であり軸線を中心に回転可能な金属製の回転軸部材である。なお、以下の説明において、「軸線方向Ｄ１」とは、シャフト２の軸線方向（長手方向）と定義する。

図３に示すように、ロータ３は、ロータコア３１、複数の永久磁石３２、複数の磁石収容孔３３、複数の磁束漏れ抑制孔３４、及び、複数の中央ブリッジ部３５などを有している。

ロータコア３１は、複数の電磁鋼板をシャフト２の軸線方向Ｄ１に積層して円筒状に形成されており、シャフト２と共に回転可能にシャフト２に直接固設されている。ロータコア３１は、軸線方向Ｄ１にて電磁鋼板間に隙間があるため、軸線方向Ｄ１の磁気抵抗が、ロータコア３１の軸線方向Ｄ１と直交する方向である径方向Ｄ２、及び、ロータコア３１の周方向Ｄ３の磁気抵抗よりも大きい。そのため、ロータコア３１内では、磁束が軸線方向Ｄ１に流れ難く、径方向Ｄ２に磁束が流れやすくなっている。

図３に示すように、ロータコア３１の外周部には、軸線方向Ｄ１に沿って延びた磁石収容孔３３が複数設けられている。磁石収容孔３３は、隣接する２個が対をなし、径方向外側に開いたＶ字形状となるように配置されている。すなわち、ロータコア３１は、径方向外側へＶ字形状に広がるように配置された一対の磁石収容孔３３を、外周部に複数備えている。実施形態１に係る回転電機１では、ロータコア３１に１６個の磁石収容孔３３が設けられている。

磁石収容孔３３には、直方体の永久磁石３２が収容されている。一対の磁石収容孔３３にそれぞれ収容された永久磁石３２は、極性の向きが同じになるように配置されている。例えば、一対の永久磁石３２のそれぞれのＮ極がロータコア３１の径方向外側に向くよう配置されている。そして、この一対の永久磁石３２に、周方向Ｄ３にて隣接した他の一対の永久磁石３２においては、Ｓ極が径方向外側を向くように配置されている。このように、Ｖ字に配置された一対の永久磁石３２が、一つの磁極を形成している。すなわち、ロータ３は、径方向外側へＶ字形に広がるように配置された一対の永久磁石３２からなる磁極を、外周部にＮ極とＳ極とが交互となるように８極を備えている。

図３に示すように、一対の磁石収容孔３３のそれぞれの形状は、シャフト２の軸線と交差する不図示の対称線を中心に左右対称の構造となっている。また、一対の磁石収容孔３３のそれぞれに収容された、一対の永久磁石３２の位置も前記対称線を中心に左右対称である。磁石収容孔３３には、永久磁石３２を収容した状態で、径方向外側と径方向内側とにおける永久磁石３２の短辺とロータコア３１との間の領域に、それぞれ矩形状の外側間隙部及び内側間隙部が形成されている。このうち、内側間隙部は、前記対称線に沿ってロータコア３１の径方向内側に延在している。なお、外側間隙部及び内側間隙部には、永久磁石３２を磁石収容孔３３に固定するための樹脂が注入されてもよい。

ロータコア３１における一対の磁石収容孔３３をなす２つの磁石収容孔１３の間、より具体的には、周方向Ｄ３にて、２つの磁石収容孔１３のそれぞれの内側間隙部の間には、中央ブリッジ部３５が形成されている。中央ブリッジ部３５は、磁石収容孔１３の内側間隙部に沿って延在している。

また、ロータコア３１には、周方向Ｄ３で隣り合う前記磁極の境であって、複数の中央ブリッジ部３５の周方向Ｄ３の間に、非磁性領域として、軸線方向Ｄ１と直交する断面が円形である、軸線方向Ｄ１に貫通した磁束漏れ抑制孔３４が設けられている。実施形態１に係る回転電機１では、同心円上で８つの磁束漏れ抑制孔３４がロータコア３１に設けられている。なお、磁束漏れ抑制孔３４の形状としては、例えば、軸線方向Ｄ１と直交する断面が円形ではなく矩形などであってもよい。また、磁束漏れ抑制孔３４は、軸線方向Ｄ１でロータコア３１を貫通していなくてもよい。さらには、磁束漏れ抑制孔３４の内部に、樹脂や非磁性の金属などの非磁性部材を充填してもよい。

図２に戻って、ステータ４は、ロータコア３１の径方向Ｄ２で外方に所定間隔をあけて配置された円筒状のステータコア４１と、ステータコア４１に巻き付けられ設けられたステータコイル４２とを有している。ステータコア４１は、複数枚の電磁鋼板を軸線方向Ｄ１に積層して構成されている。ステータコア４１は、軸線方向Ｄ１にて電磁鋼板間に隙間があるため、軸線方向Ｄ１の磁気抵抗が、径方向Ｄ２及び周方向Ｄ３の磁気抵抗よりも大きい。そのため、ステータコア４１内では、磁束が軸線方向Ｄ１に流れ難く、径方向Ｄ２に磁束が流れやすくなっている。

界磁ヨーク５Ａ，５Ｂは、磁性材からなり、図２に示すように、互いにロータ３の軸線方向Ｄ１で外側に配置され、軸線方向Ｄ１にてロータ３を挟んで互いが対向している。界磁ヨーク５Ａ，５Ｂは、円筒状の外側壁部５１Ａ，５１Ｂと、円環状の端壁部５２Ａ，５２Ｂと、円筒状の内側壁部５３Ａ，５３Ｂと、によって構成されている。

外側壁部５１Ａ，５１Ｂは、界磁ヨーク５Ａ，５Ｂの径方向Ｄ２の一端部であって、端壁部５２Ａ，５２Ｂの径方向Ｄ２の外周縁部から軸線方向Ｄ１でロータ３側に延在している。また、外側壁部５１Ａ，５１Ｂの軸線方向Ｄ１の内側の端面５１０Ａ，５１０Ｂと、ロータコア３１に設けられた中央ブリッジ部３５の軸線方向Ｄ１の端面とは、軸線方向Ｄ１にて所定間隔をあけて対向している。

端壁部５２Ａ，５２Ｂは、径方向Ｄ２に延在しており、それぞれ軸線方向Ｄ１にて、ロータコア３１の両端から所定間隔をあけて離れた位置に配置されている。

内側壁部５３Ａ，５３Ｂは、界磁ヨーク５Ａ，５Ｂの径方向Ｄ２の他端部であって、軸線方向Ｄ１に延在し、端壁部５２Ａ，５２Ｂの径方向Ｄ２の内周縁部に連なって形成されている。また、内側壁部５３Ａ，５３Ｂの軸線方向Ｄ１の内側の端面５３０Ａ，５３０Ｂと、ロータコア３１の軸線方向Ｄ１の端面３１０Ａ，３１０Ｂとは、軸線方向Ｄ１にて所定間隔をあけて対向している。また、内側壁部５３Ａ，５３Ｂは、径方向Ｄ２にてシャフト２から所定間隔をあけて配置されている。

なお、図３には、径方向Ｄ２の外側から内側に向かって順に、第１の破線の円Ｘ１と、第１の二点鎖線の円Ｙ１と、第２の二点鎖線の円Ｙ２と、第２の破線の円Ｘ１とを示している。そして、図３では、界磁ヨーク５Ａにおける外側壁部５１Ａの端面５１０Ａの位置を、第１の破線の円Ｘ１と第１の二点鎖線の円Ｙ１とで挟まれた領域で表している。また、図３では、界磁コイル６Ａにおける端面６０Ａの位置を、第１の二点鎖線の円Ｙ１と第２の二点鎖線の円Ｙ２とで挟まれた領域で表している。また、図３では、界磁ヨーク５Ａにおける内側壁部５３Ａの端面５３０Ａの位置を、第２の二点鎖線の円Ｙ２と第２の破線の円Ｘ２とで挟まれた領域で表している。

図２及び図３に示すように、界磁ヨーク５Ａにおける外側壁部５１Ａの端面５１０Ａは、軸線方向Ｄ１にて、ロータ３の全ての中央ブリッジ部３５と対向している。また、界磁ヨーク５Ａにおける内側壁部５３Ａの端面５３０Ａは、軸線方向Ｄ１にて、中央ブリッジ部３５よりも径方向内側でロータコア３１の端面３１０Ａと対向している。

なお、界磁ヨーク５Ｂについても同様に、界磁ヨーク５Ｂにおける外側壁部５１Ｂの端面５１０Ｂは、軸線方向Ｄ１にて、ロータ３の全ての中央ブリッジ部３５と対向している。また、界磁ヨーク５Ｂにおける内側壁部５３Ｂの端面５３０Ｂは、軸線方向Ｄ１にて、中央ブリッジ部３５よりも径方向内側でロータコア３１の端面３１０Ｂと対向している。

端壁部５２Ａ，５２Ｂの軸線方向Ｄ１におけるロータ３側の面には、界磁コイル６Ａ，６Ｂが設けられている。界磁コイル６Ａ，６Ｂは、通電量に応じて、界磁ヨーク５Ａ，５Ｂとロータコア３１との間に流れる、後述する界磁磁束ＭＦ２（図６参照）の量を調整することが可能となっている。

なお、実施形態１に係る回転電機１では、界磁ヨーク５Ａ，５Ｂ及び界磁コイル６Ａ，６Ｂが、ステータコイル４２のコイルエンド４２１よりも径方向Ｄ２で内側に配置されていることにより、回転電機１の径方向Ｄ２の寸法を小さくすることができる。

また、実施形態１に係る回転電機１において、界磁コイル６Ａ，６Ｂとステータコイル４２とは、径方向Ｄ２から見て少なくとも一部が重なっていることが望ましい。言い換えれば、実施形態１に係る回転電機１においては、界磁コイル６Ａ，６Ｂとステータコイル４２とを、互いの軸線方向Ｄ１の位置が少なくとも一部重なるように配置することが望ましい。実施形態１に係る回転電機１では、径方向Ｄ２で外側から内側を見たときに、界磁コイル６Ａ，６Ｂの少なくとも一部が、ステータコイル４２のコイルエンド４２１と重なるようにしている。言い換えれば、実施形態１に係る回転電機１では、界磁コイル６Ａ，６Ｂとステータコイル４２のコイルエンド４２１とを、互いの軸線方向Ｄ１の位置が少なくとも一部重なるように配置している。これにより、回転電機１の軸線方向Ｄ１の寸法を小さくすることができる。

さらには、実施形態１に係る回転電機１において、界磁コイル６Ａ，６Ｂに加えて界磁ヨーク５Ａ，５Ｂも、径方向Ｄ２から見て少なくとも一部がステータコイル４２と重なっていることが望ましい。言い換えれば、実施形態１に係る回転電機１においては、界磁ヨーク５Ａ，５Ｂ及び界磁コイル６Ａ，６Ｂとステータコイル４２とを、それぞれの軸線方向Ｄ１の位置が少なくとも一部重なるように配置することが望ましい。実施形態１に係る回転電機１では、径方向Ｄ２で外側から内側を見たときに、界磁コイル６Ａ，６Ｂに加えて界磁ヨーク５Ａ，５Ｂの少なくとも一部が、ステータコイル４２のコイルエンド４２１と重なるようにしている。言い換えれば、実施形態１に係る回転電機１では、界磁ヨーク５Ａ，５Ｂ及び界磁コイル６Ａ，６Ｂとステータコイル４２のコイルエンド４２１とを、それぞれの軸線方向Ｄ１の位置が少なくとも一部重なるように配置している。これにより、回転電機１の軸線方向Ｄ１の寸法を小さくすることができる。

実施形態１に係る回転電機１では、例えば、回転電機１が搭載される電動車両１００に設けられた電子制御装置８０によって、回転電機１の回転数を高めるときに実行される第１の制御モードである高回転モードと、回転電機１の出力トルクを高めるときに実行される第２の制御モードである高出力モードと、が実行可能となっている。高回転モードは、回転電機１の高回転時（トルク負荷が少ないとき）や無負荷時に、電子制御装置８０によってパワーコントロールユニット７５を制御し、界磁コイル６Ａ及び界磁コイル６ｂへの通電を行わないモードである。高出力モードは、回転電機１の高出力時（高負荷時）に、電子制御装置８０によってパワーコントロールユニット７５を制御し、界磁コイル６Ａ及び界磁コイル６ｂへの通電を行うモードである。なお、高回転モード及び高出力モードのそれぞれの選択は、例えば、回転電機１が搭載された電動車両１００において、運転者によるアクセルの踏み込み量や電動車両１００の走行状態などに応じて要求される要求トルクや要求回転数などに基づいて、電子制御装置８０が適宜判断して行えばよい。

図４は、高回転モード時における磁石磁束ＭＦ１の流れを示した、実施形態１に係る回転電機１の軸線に沿った断面図である。なお、図４に示した回転電機１の断面では、ロータ３及びステータ４を半分だけ図示している。また、図４中、磁石磁束ＭＦ１の流れは、破線の矢印で示している。図５は、高回転モード時における磁石磁束ＭＦ１の流れを示した、図４におけるＣ-Ｃ断面でのロータ３の断面図である。なお、図５中、磁石磁束ＭＦ１の流れは、破線の矢印で示している。

実施形態１に係る回転電機１では、高回転モード時に界磁コイル６Ａ，６Ｂへの通電を行わないことによって、図５に示すように、永久磁石３２によって発生した磁石磁束ＭＦ１の一部が、ロータコア３１の中央ブリッジ部３５に漏れて、ロータコア３１内で短絡する磁石磁束ＭＦ１の量が多くなる。また、図４に示すように、実施形態１に係る回転電機１においては、界磁ヨーク５Ａ，５Ｂにおける外側壁部３１Ａの端面３１０Ａと中央ブリッジ部３５とが対向しているため、中央ブリッジ部３５から外側壁部５１Ａ，５１Ｂに磁石磁束ＭＦ１の一部が流れて、磁石磁束ＭＦ１の一部が界磁ヨーク５Ａ，５Ｂにも短絡する。

これにより、高回転モード時では、ロータコア３１の永久磁石３２からステータコア４１に向かって流れる磁石磁束ＭＦ１が減少し、逆起電圧を減少させることができるため、高回転化を図ること（回転数を向上させること）ができる。また、逆起電圧を減少させることによって、引き摺り損失を減少させることができる。

図６は、高出力モード時における界磁磁束ＭＦ２の流れを示した、実施形態１に係る回転電機１の軸線に沿った断面図である。なお、図６に示した回転電機１の断面では、ロータ３及びステータ４を半分だけ図示している。また、図６中、界磁磁束ＭＦ２の流れは、実線の矢印で示している。図７は、高出力モード時における磁石磁束ＭＦ１及び界磁磁束ＭＦ２の流れを示した、図６におけるＤ-Ｄ断面でのロータ３の断面図である。なお、図７中、磁石磁束ＭＦ１の流れは、破線の矢印で示している。また、図７において、○の中に黒丸（・）を示す記号は、紙面奥側から紙面手前側に界磁磁束ＭＦ２が流れることを表わしている。また、○の中に×を示す記号は、紙面手前側から紙面奥側に界磁磁束ＭＦ２が流れることを表わしている。

実施形態１に係る回転電機１では、高出力モード時に、電子制御装置８０によってパワーコントロールユニット７５を制御し、界磁コイル６Ａ，６Ｂへの通電を行う。そして、図６に示すように、界磁コイル６Ａへの通電を行うことによって、界磁ヨーク５Ａの内側壁部５３Ａを起点にして見た場合に、内側壁部５３Ａ、端壁部５２Ａ、外側壁部５１Ａ、ロータコア３１、の順に界磁磁束ＭＦ２が流れるような図６中時計回り方向の磁気回路が形成される。また、図６に示すように、界磁コイル６Ｂが通電されることによって、界磁ヨーク５Ｂの内側壁部５３Ｂを起点にして見た場合に、内側壁部５３Ｂ、端壁部５２Ｂ、外側壁部５１Ｂ、ロータコア３１、の順に界磁磁束ＭＦ２が図６中反時計回り方向に流れるような磁気回路が形成される。

これにより、図７に示すように、高出力モード時には、界磁ヨーク５Ａにおける外側壁部３１Ａの端面３１０Ａからロータコア３１の中央ブリッジ部３５に界磁磁束ＭＦ２が流れる。また、同様に、界磁ヨーク５Ｂにおける外側壁部３１Ｂの端面３１０Ｂからロータコア３１の中央ブリッジ部３５に界磁磁束ＭＦ２が流れる。そのため、ロータコア３１の中央ブリッジ部３５は、界磁磁束ＭＦ２によって飽和される。

このように、高出力モード時では、ロータコア３１の中央ブリッジ部３５を界磁磁束ＭＦ２によって飽和させることにより、永久磁石３２によって発生した磁石磁束ＭＦ１の一部が中央ブリッジ部３５に漏れることを抑制し、ロータコア３１内で短絡する磁石磁束ＭＦ１の量を高回転モード時よりも低減させることができる。よって、ロータコア３１の永久磁石３２からステータコア４１に向かって流れる磁石磁束ＭＦ１が、高回転モード時よりも多くなるため、磁石磁束ＭＦ１を有効に使うことができ、出力トルクを高めることができる。

また、実施形態１に係る回転電機１では、複数の中央ブリッジ部３５の周方向Ｄ３の間の位置に、非磁性領域として磁束漏れ抑制孔３４を設けていることによって、磁石磁束ＭＦ１と界磁磁束ＭＦ２とを干渉し難くすることができる。

なお、実施形態１に係る回転電機１では、界磁コイル６Ａ，６Ｂへの通電方向は、同じ向きでも逆向きでもよい。言い換えれば、界磁コイル６Ａ，６Ｂによって発生させた界磁磁束ＭＦ２の流れる向きが、図７に示すように、界磁コイル６Ａ側が図６中時計回り方向で、界磁コイル６Ｂ側が図６中反時計回り方向であってもよいし、図８に示すように、界磁コイル６Ａ，６Ｂともに図８中反時計回り方向であってもよい。すなわち、ロータコア３１の中央ブリッジ部３５に、界磁コイル６Ａ，６Ｂによって発生させた界磁磁束ＭＦ２を流して、中央ブリッジ部３５を界磁磁束ＭＦ２によって飽和させることができればよい。

図９は、電子制御装置８０が実施する回転電機１の高回転モードと高出力モードとの制御の一例を示したフローチャートである。

まず、電子制御装置８０は、高回転モードを実行するか否かを判断する（ステップＳ１）。高回転モードを実行すると判断した場合（ステップＳ１にてＹｅｓ）、電子制御装置８０は、パワーコントロールユニット７５を制御して、界磁コイル６Ａ，６Ｂに通電せず、界磁磁束ＭＦ２を発生させないで（ステップＳ２）、一連の制御を終了する。これにより、磁石磁束ＭＦ１の一部をロータコア２１の中央ブリッジ部３５に漏れさせることができ、逆起電圧を低下させて高回転化を図ることができる。

一方、高回転モードを実行しないと判断した場合（ステップＳ１にてＮｏ）、電子制御装置８０は、高出力モードを実行する（ステップＳ３）。そして、電子制御装置８０は、パワーコントロールユニット７５を制御して、界磁コイル６Ａ，６Ｂに通電して、界磁磁束ＭＦ２を発生させて（ステップＳ４）、一連の制御を終了する。これにより、界磁磁束ＭＦ２を中央ブリッジ部３５に通過させて、磁石磁束ＭＦ１の一部が中央ブリッジ部３５に漏れることを抑制でき、磁石磁束ＭＦ１を効率良く用いて高出力化を図ることができる。

このように、実施形態１に係る回転電機１は、ロータコア３１の中央ブリッジ部３５に漏れる磁石磁束ＭＦ１の量を調整して、高回転化と高出力化との両立を図ることができる。

なお、実施形態１に係る回転電機１においては、高回転モード時に逆起電力を最大限に低減させることを考慮すると、高回転モード時に界磁コイル６Ａ，６Ｂへの通電を行わないことが望ましい。一方、実使用上、問題無い程度に逆起電力の低減を図れるのであれば、高回転モード時に、ロータコア３１の中央ブリッジ部３５が界磁磁束ＭＦ２によって飽和せず、磁石磁束ＭＦ１の一部が中央ブリッジ部３５を多少漏れ得る程度に、界磁磁束ＭＦ２を発生させ得るような、高出力モード時よりも小さい電流を界磁コイル６Ａ，６Ｂに流しても良い。

（実施形態２）
以下に、本発明に係る回転電機及び回転電機の制御方法の実施形態２について説明する。なお、実施形態１に係る回転電機１と共通する部分の説明は、適宜省略する。また、本実施形態においては、実施形態２に係る回転電機を、実施形態１に係る回転電機１と同様に電動車両１００に適用した場合を例に挙げて説明する。

図１０は、実施形態２に係る回転電機１の軸線に沿った断面図である。図１１は、図１０におけるＥ−Ｅ断面での回転電機１の断面図である。なお、図１０は、図１１におけるＦ−Ｆ断面に相当する位置での回転電機１の断面図である。また、図１１には、径方向Ｄ２の外側から内側に向かって順に、第１の破線の円Ｘ１１と、第１の二点鎖線の円Ｙ１１と、第２の二点鎖線の円Ｙ１２と、第２の破線の円Ｘ１２とを示している。そして、図１１では、界磁ヨーク５Ａにおける外側壁部５１Ａの端面５１０Ａの位置を、第１の破線の円Ｘ１１と第２の二点鎖線の円Ｙ１１とで挟まれた領域で表している。また、図１１では、界磁コイル６Ａにおける端面６０Ａの位置を、第１の二点鎖線の円Ｘ１１と第２の二点鎖線の円Ｙ１２とで挟まれた領域で表している。また、図１１では、界磁ヨーク５Ａにおける内側壁部５３Ａの端面５３０Ａの位置を、第２の二点鎖線の円Ｙ１２と第２の破線の円Ｘ１２とで挟まれた領域で表している。

図１０に示すように、実施形態２に係る回転電機１では、界磁ヨーク５Ａ，５Ｂの外側壁部５１Ａ，５１Ｂの端面５１０Ａ，５１０Ｂと、ロータコア３１の端面３１０Ａ，３１０Ｂ、及び、ステータコア４１の端面４１０Ａ，４１０Ｂとが、軸線方向Ｄ１にて所定間隔をあけて対向している。また、界磁ヨーク５Ａ，５Ｂの内側壁部５３Ａ，５３Ｂの軸線方向Ｄ１の端面５３０Ａ，５３０Ｂが、ロータコア３１の端面３１０Ａ，３１０Ｂと、軸線方向Ｄ１にて所定間隔をあけて対向している。

そして、界磁ヨーク５Ａに着目すると、図１１に示すように、界磁ヨーク５Ａにおける外側壁部５１Ａの端面５１０Ａは、軸線方向Ｄ１にて、ステータコア４１の内周縁部、及び、ロータコア３１の外周縁部と対向している。また、界磁ヨーク５Ａにおける内側壁部５３Ａの端面５３０Ａは、軸線方向Ｄ１にて、ロータコア３１に設けられた全ての中央ブリッジ部３５と対向している。

なお、界磁ヨーク５Ｂについても同様に、界磁ヨーク５Ｂにおける外側壁部５１Ｂの端面５１０Ｂは、軸線方向Ｄ１にて、ステータコア４１の内周縁部、及び、ロータコア３１の外周縁部と対向している。また、界磁ヨーク５Ｂにおける内側壁部５３Ｂの端面５３０Ｂは、軸線方向Ｄ１にて、ロータコア３１に設けられた全ての中央ブリッジ部３５と対向している。

実施形態２に係る回転電機１では、界磁ヨーク５Ａ，５Ｂ及び界磁コイル６Ａ，６Ｂが、ステータコイル４２のコイルエンド４２１よりも径方向Ｄ２で内側に配置され、径方向Ｄ２で外側から内側を見たときに、界磁ヨーク５Ａ，５Ｂ及び界磁コイル６Ａ，６Ｂの少なくとも一部が、コイルエンド４２１と重なるようにすることが望ましい。これにより、回転電機１の軸線方向Ｄ１の寸法が大きくなることを抑制できる。

また、図１０に示すように、実施形態２に係る回転電機１では、内側壁部５３Ａ，５３Ｂが中央ブリッジ部３５と軸線方向Ｄ１にて対向し、界磁ヨーク５Ａ，５Ｂが径方向Ｄ２にてシャフト２から大きく離れている。そのため、径方向Ｄ２にてシャフト２と界磁ヨーク５Ａ，５Ｂとの間に形成された、シャフト２の周りの空間を有効活用することができる。そのため、例えば、ベアリングや回転センサ（レゾルバ）を前記空間に配置でき、回転電機１の軸線方向Ｄ１の寸法を小さくすることができる。

図１２は、高回転モード時における磁石磁束ＭＦ１の流れを示した、実施形態２に係る回転電機１の軸線に沿った断面図である。なお、図１２に示した回転電機１の断面では、ロータ３及びステータ４を半分だけ図示している。また、図１２中、磁石磁束ＭＦ１の流れは、破線の矢印で示している。図１３は、高回転モード時における磁石磁束ＭＦ１の流れを示した、図１２におけるＧ−Ｇ断面での回転電機１の断面図である。なお、図１３中、磁石磁束ＭＦ１の流れは、破線の矢印で示している。

実施形態２に係る回転電機１では、高回転モード時に、電子制御装置８０によってパワーコントロールユニット７５を制御し、界磁コイル６Ａ，６Ｂへの通電を行わない。これにより、図１３に示すように、永久磁石３２によって発生した磁石磁束ＭＦ１の一部が、ロータコア３１の中央ブリッジ部３５に漏れて、ロータコア３１内で短絡する磁石磁束ＭＦ１の量が多くなる。また、高回転モード時には、界磁ヨーク５Ａ，５Ｂに界磁磁束ＭＦ２が流れていないため、図１２に示すように、磁石磁束ＭＦ１の一部が、ロータコア３１の外周縁部や、ステータコア４１の内周縁部などを通って、界磁ヨーク５Ａ，５Ｂに流れて短絡する。

これにより、高回転モード時では、ロータコア３１の永久磁石３２からステータコア４１に向かって流れる磁石磁束ＭＦ１が減少し、逆起電圧を減少させることができるため、高回転化を図ること（回転数を向上させること）ができる。また、逆起電圧を減少させることによって、引き摺り損失を減少させることができる。

図１４は、高出力モード時における界磁磁束ＭＦ２の流れを示した、実施形態２に係る回転電機１の軸線に沿った断面図である。なお、図１４に示した回転電機１の断面では、ロータ３及びステータ４を半分だけ図示している。また、図１４中、界磁磁束ＭＦ２の流れは、実線の矢印で示している。図１５は、高出力モード時における磁石磁束ＭＦ１及び界磁磁束ＭＦ２の流れを示した、図１４におけるＨ−Ｈ断面でのロータ３の断面図である。なお、図１５中、磁石磁束ＭＦ１の流れは、破線の矢印で示している。また、図１５において、○の中に黒丸（・）を示す記号は、紙面奥側から紙面手前側に界磁磁束ＭＦ２が流れることを表わしている。また、○の中に×を示す記号は、紙面手前側から紙面奥側に界磁磁束ＭＦ２が流れることを表わしている。

図１４に示すように、実施形態２に係る回転電機１では、高出力モード時に、電子制御装置８０によってパワーコントロールユニット７５を制御し、界磁コイル６Ａへの通電を行う。これにより、界磁ヨーク５Ａの内側壁部５３Ａを起点にして見た場合に、内側壁部５３Ａ、端壁部５２Ａ、外側壁部５１Ａ、ステータコア４１、ロータコア３１、の順に界磁磁束ＭＦ２が流れるような図１４中時計回り方向の磁気回路が形成される。この際、ステータコア４１からロータコア３１に流れた界磁磁束ＭＦ２は、ロータコア３１の中央ブリッジ部３５を通って内側壁部５３Ａに流れる。また、図１４に示すように、界磁コイル６Ｂが通電されることによって、界磁ヨーク５Ｂの内側壁部５３Ｂを起点にして見た場合に、内側壁部５３Ｂ、端壁部５２Ｂ、外側壁部５１Ｂ、ステータコア４１、ロータコア３１、の順に界磁磁束ＭＦ２が図１４中反時計回り方向に流れるような磁気回路が形成される。この際、ステータコア４１からロータコア３１に流れた界磁磁束ＭＦ２は、ロータコア３１の中央ブリッジ部３５を通って内側壁部５３Ｂに流れる。

すなわち、高出力モード時には、図１５に示すように、ロータコア３１の中央ブリッジ部３５に界磁磁束ＭＦ２を流して、中央ブリッジ部３５を界磁磁束ＭＦ２によって飽和させる。このように、高出力モード時では、中央ブリッジ部３５を界磁磁束ＭＦ２によって飽和させることにより、永久磁石３２によって発生した磁石磁束ＭＦ１の一部が中央ブリッジ部３５に漏れることを抑制し、ロータコア３１内で短絡する磁石磁束ＭＦ１の量を高回転モード時よりも低減させることができる。よって、ロータコア３１の永久磁石３２からステータコア４１に向かって流れる磁石磁束ＭＦ１が、高回転モード時よりも多くなるため、磁石磁束ＭＦ１を有効に使うことができる。さらに、実施形態２に係る回転電機１では、径方向Ｄ２にてステータコア４１とロータコア３１との間を界磁磁束ＭＦ２が流れるため、ロータ３に対して界磁磁束ＭＦ２に起因したトルクが発生する。したがって、実施形態２に係る回転電機１では、高出力モード時に出力トルクを高めることができる。

また、実施形態２に係る回転電機１では、複数の中央ブリッジ部３５の周方向Ｄ３の間の位置に、非磁性領域として磁束漏れ抑制孔３４を設けていることによって、磁石磁束ＭＦ１と界磁磁束ＭＦ２とを干渉し難くすることができる。

１ 回転電機
２ シャフト
３ ロータ
４ ステータ
５Ａ，５Ｂ 界磁ヨーク
６Ａ，６Ｂ 界磁コイル
３１ ロータコア
３２ 永久磁石
３３ 磁石収容孔
３４ 磁束漏れ抑制孔
３５ 中央ブリッジ部
４１ ステータコア
４２ ステータコイル
５１Ａ，５１Ｂ 外側壁部
５２Ａ，５２Ｂ 端壁部
５３Ａ，５３Ｂ 内側壁部
７０ バッテリ
７５ パワーコントロールユニット
８０ 電子制御装置
９０ 差動装置
９５ 駆動輪
１００ 電動車両
４２１ コイルエンド
ＭＦ１ 磁石磁束
ＭＦ２ 界磁磁束

Claims (8)

1. 軸線を中心に回転可能な回転軸部材と、
   それぞれ永久磁石を収容し、径方向外側へＶ字形状に広がるように配置された一対の磁石収容孔が、外周部に周方向にて複数配置されており、前記回転軸部材に固定された円環状のロータコアを有するロータと、
   前記ロータに対して前記径方向にて間隔をあけて配置された円環状のステータコア及び、前記ステータコアに設けられたステータコイル、を有するステータと、
   前記ロータに対して前記回転軸部材の軸線方向の外側に配置された界磁ヨークと、
   前記界磁ヨークに設けられており、通電されることにより界磁磁束を発生可能な界磁コイルと、
   を備えた回転電機であって、
   前記ロータコアにおける前記一対の磁石収容孔をなす２つの前記磁石収容孔の間には、ブリッジ部が設けられており、
   前記界磁ヨークの前記径方向の一端部における前記軸線方向の端面と、前記ブリッジ部の前記軸線方向の端面とが、前記軸線方向にて対向しており、
   前記界磁ヨークの前記径方向の他端部における前記軸線方向の端面と、前記ロータコアの前記軸線方向の端面、または、前記ステータコアの前記軸線方向の端面とが、前記軸線方向にて対向していることを特徴とする回転電機。
2. 前記界磁ヨークの前記径方向の他端部は、前記界磁ヨークの前記径方向の一端部よりも、前記径方向の内側にて前記ロータコアの前記軸線方向の端面と対向していることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記界磁ヨークの前記径方向の他端部は、前記ブリッジ部よりも前記径方向の外側にて前記ロータコアの前記軸線方向の端面と対向していることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
4. 前記界磁ヨークの前記径方向の他端部は、さらに前記ステータコアの前記軸線方向の端面と対向していることを特徴とする請求項３に記載の回転電機。
5. 前記界磁ヨークの他端部は、前記ステータコイルよりも前記径方向にて内側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。
6. 前記界磁コイルと前記ステータコイルとは、前記軸線方向の位置が少なくとも一部重なっていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の回転電機。
7. 前記ロータコアにおいて、周方向にて隣り合う前記ブリッジ部の間には、非磁性領域が設けられていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の回転電機。
8. 回転電機の制御方法であって、
   前記回転電機は、
   軸線を中心に回転可能な回転軸部材と、
   それぞれ永久磁石を収容し、径方向外側へＶ字形状に広がるように配置された一対の磁石収容孔が、外周部に周方向にて複数配置されており、前記回転軸部材に固定された円環状のロータコアを有するロータと、
   前記ロータに対して前記径方向にて間隔をあけて配置された円環状のステータコア及び、前記ステータコアに設けられたステータコイル、を有するステータと、
   前記ロータに対して前記回転軸部材の軸線方向の外側に配置された界磁ヨークと、
   前記界磁ヨークに設けられており、通電されることにより界磁磁束を発生可能な界磁コイルと、
   を備え、
   前記ロータコアにおける前記一対の磁石収容孔をなす２つの前記磁石収容孔の間には、ブリッジ部が設けられており、
   前記界磁ヨークの前記径方向の一端部における前記軸線方向の端面と、前記ブリッジ部の前記軸線方向の端面とが、前記軸線方向にて対向しており、
   前記界磁ヨークの前記径方向の他端部における前記軸線方向の端面と、前記ロータコアの前記軸線方向の端面、または、前記ステータコアの前記軸線方向の端面とが、前記軸線方向にて対向しており、
   前記回転電機の回転数を高めるときには、前記界磁コイルへの通電を行わない第１の制御モードを実行し、
   前記回転電機の出力トルクを高めるときには、前記界磁コイルへの通電を行う第２の制御モードを実行することを特徴とする回転電機の制御方法。

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