JP4876614B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石をロータ内部に埋め込んだ埋込同期磁石モータ（IPMSM：Interior Permanent Magnet Synchronous Motor）と呼ばれ、モータ機能とジェネレータ機能を有する回転電機の技術分野に属する。

従来、磁気回路を可変構造とし、運転状況に合わせた磁気回路とする制御を行うことで、モータ効率及びモータ性能を総合的に向上させる回転電機を提供することを目的とし、隣接するステータティースの隙間に、運転状況に応じて制御する磁気回路制御手段を設けたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−３３６９１５号公報

しかしながら、従来の回転電機にあっては、アクチュエータにより機械的に駆動したり、コイルに通電する必要のある磁気回路制御手段によって、運転状況に応じた磁気回路を形成するため、応答性が悪かったり、損失が大きくなったりする、という問題があった。

本発明は、上記問題に着目してなされたもので、高応答・低損失の磁気素子を用い、高回転域において誘起電圧の増加を抑制し、弱め界磁電流を低減することで、高回転域での出力・トルクの向上を達成することができる回転電機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、ロータとステータとを有し、前記ロータには永久磁石が円周状に複数埋設され、前記ステータには駆動用コイルを巻いたステータティースが円周状に複数配列された回転電機において、
前記隣接するステータティース間に磁気素子を挿入して磁気回路を構成し、
前記磁気素子は、第１圧電素子と第２圧電素子により磁歪素子を挟み込んだ積層素子とし、
前記ロータの回転数の高まりに応じ、前記磁気素子を通過する磁束量を増加する磁気回路制御手段を設けたことを特徴とする。

よって、本発明の回転電機にあっては、磁気回路制御手段において、ロータの回転数の高まりに応じ、隣接するステータティース間の磁気回路に挿入した磁気素子を通過する磁束量を増加させる制御が行われる。
すなわち、ロータの回転数の高まりに応じて、磁気素子を通過させる磁束量を増加させることにより、永久磁石により作り出される磁束の駆動用コイルへの進入を抑制し、結果として誘起電圧が低減するので、弱め界磁電流を減少させることで、その分、効率が向上する。また、その分、電流を流し込めることで、出力・トルクも向上する。
この結果、高応答・低損失の磁気素子を用い、高回転域において誘起電圧の増加を抑制し、弱め界磁電流を低減することで、高回転域での出力・トルクの向上を達成することができる。

以下、本発明の回転電機を実施するための最良の形態を、図面に示す実施例１〜実施例６に基づいて説明する。

まず、構成を説明する。
図１は実施例１の回転電機におけるロータ及びステータを示す図、図２は実施例１の回転電機におけるモータ巻線を示す図、図３は実施例１の回転電機に適用された磁気素子を示す斜視図である。

実施例１の回転電機は、図１に示すように、ロータ１とステータ２とを有し、前記ロータ１には図外の永久磁石が円周状に複数埋設され、前記ステータ２には駆動用コイル３を巻いたステータティース４が円周状に複数配列されている。

前記隣接するステータティース４，４は、ティース後端４ａ，４ａ側は互いに連結されてバックヨークを構成し、ティース先端４ｂ，４ｂ側は互いに隙間を介在させている。そして、前記ティース先端４ｂ，４ｂ側の隙間位置に、ステータティース４，４を橋渡しするように、磁気素子５を挿入して磁気回路を構成している。そして、前記磁気素子５には、前記ロータ１の回転数の高まりに応じ、磁気素子５を通過する磁束量を増加する制御を行うコントローラ６（磁気回路制御手段）が接続されている。

実施例１では、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相のうち、図２に示すように、説明を簡単にするためにＵ相について磁気素子５を挿入することにより磁気回路の制御を実施する例を示すが、Ｖ相のみ、Ｗ相のみ、もしくは、あるティース間位置で実施しても良い。さらに、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相の全部の相で実施する方が最も好ましい。

前記磁気素子５は、図３に示すように、第１圧電素子５ａ（圧電材料：PZT）と第２圧電素子５ｂ（圧電材料）により磁歪素子５ｃ（磁歪材料）を挟み込んだ組み合わせ積層素子である。ここで、「磁歪」とは、磁性材料に磁束が通るとき生じる変形をいう。前記磁気素子５は、（特に電極の取り付け方は示さないが、）圧電素子５ａ，５ｂに電圧を印加することにより、圧電素子５ａ，５ｂが半径方向に縮み、円周方向に伸びる。この際、一緒に積層されている磁歪素子５ｃが圧電素子５ａ，５ｂの縮み伸び動作により応力が抜けて円周方向に伸びる。この動作により、円周方向に比透磁率が変化し、磁歪素子５ｃが伸びる方向でより、磁束を通しやすくなる。

図４は実施例１の回転電機におけるコントローラ６のａｂ間電圧回路及びａｂ間電圧特性を示す図である。
実施例１のコントローラ６は、前記駆動用コイル３にかかるコイル電圧（両端電圧）から制御用の駆動電圧を作り出し、この制御用の駆動電圧を前記磁気素子５に印加する。

前記ａｂ間電圧回路は、図４(a)に示すように、磁束に対し位相ズレを持つコイル電圧（三相交流による相間電圧）を、位相補償手段６ａにより位相補償し、位相補償したコイル電圧を全波整流回路６ｂ（ブリッジ回路）により全波整流して制御用の駆動電圧とし、この駆動電圧（ａｂ間電圧）を前記磁気素子５の圧電素子５ａ，５ｂに印加する。
ここで、ロータ１の永久磁石からの磁束がステータティース４に向かう時、磁束の変化によって、誘起電圧が発生するので、磁束と電圧の位相がずれている。よって、磁束の流れと磁気素子５の磁束の流れとを合わせるために位相補償が必要になる。

前記ａｂ間電圧は、図４(b)に示すように、点線特性で示す相間電圧を、位相補償した上で全波整流した波形となる。これにより常に正の電圧を磁気素子５に印加することができる。実施例１では、全波整流を行っている。駆動コイル３の電圧は、交流であり、＋−に変化するので、整流を行って圧電素子５ａ，５ｂに印加する電圧を一方向＋の電圧にするのである。この際、半波整流でも全波整流でもかまわない。それぞれ磁気素子５を磁束が通過しやすく制御している時の磁束の流れは異なるが、それを考慮したモータトルク制御（Id指令値、Iq指令値と電流フィードバック）を行えばよい。

次に、作用を説明する。
［磁気回路制御作用］
例えば、ロータ回転数が基底回転数Nb以上で、圧電素子５ａ，５ｂに電圧を印加する。これにより圧電素子５ａ，５ｂの収縮に伴って磁歪素子５ｃが収縮し、高回転時に磁束を通過し易くし（磁気抵抗小）、ロータ１の磁石磁束を磁気素子５を透過させ（漏れ磁束大）、図５の(1),(2),(3)の特性に示すように、誘起電圧を低下させる。そして、誘起電圧が下がれば、高回転域で一般に行われている弱め界磁制御での制御電流を軽減あるいは不要にすることができ、電流消費を少なくできる。この結果、インバータの余裕電流をコイルに流し込め、トルク向上、出力アップにつなげられる。

実施例１のコントローラ６は、ロータ回転数情報や電圧情報に基づき、磁気素子５に電圧を印加するタイミングや電圧レベルを制御するもので、実施例１では、下記の３態様のいずれかを実施する。
(1) ロータ回転数が高回転になるほど高くなる駆動電圧を印加する（図６）。
(2) ロータ回転数が定トルク運転領域の上限回転数である基底回転数Nb未満である低回転時に駆動電圧を開放し、前記ロータ１の回転数が基底回転数Nb以上である高回転時に一定値による駆動電圧を印加する（図７）。
(3) ロータ回転数が定トルク運転領域の上限回転数である基底回転数Nb未満である低回転時に駆動電圧を開放し、前記ロータ１の回転数が基底回転数Nb以上である高回転時に回転の高まりに応じて増加する駆動電圧を印加する（図８）。

上記図６，図７及び図８に示す磁気回路制御では、何れもロータ回転数が基底回転数Nb以上において、圧電素子５ａ，５ｂに電圧を印加することになるので、高回転域において誘起電圧の増加を抑制し、弱め界磁電流を低減することで、高回転域での出力・トルクの向上を達成することができる。

そして、図６に示す磁気回路制御では、ロータ回転数が基底回転数Nb未満の領域においても、圧電素子５ａ，５ｂに印加する小電圧により漏れ磁束が発生することで、コギングトルク及びリプルトルクを低減させることができる。なお、図７及び図８に示す磁気回路制御においても、圧電素子５ａ，５ｂに対する電圧印加を開放する低回転時に小さな漏れ磁束が認められることで、コギング及びリプルトルクを低減できる。また、漏れ磁束が大きな高回転域でも、勿論、コギング及びリプルトルクの低減効果が発揮される。

また、図７及び図８に示す磁気回路制御では、ロータ回転数が基底回転数Nb未満の領域では、圧電素子５ａ，５ｂに対する電圧印加を開放することで、磁気回路開放→磁気抵抗大→漏れ磁束小という作用を示し、磁気素子５を設定しない場合と同様のモータ性能を確保することができる。

［弱め界磁制御について］
上記した「弱め界磁制御」について説明する。磁束一定ではモータの端子電圧は回転数と共に上昇し、電源電圧以上の領域での運転ができなくなる。そこで、回転数制御範囲を拡大するために、高回転数域では磁束の大きさを小さくする手法である。
同期モータでは、負方向にｄ軸電流（＝弱め界磁電流）を流すことで生じるｄ軸電機子反作用による減磁起磁力を利用して、永久磁石磁束が存在するｄ軸方向の磁束を減少させ、等価的な弱め界磁制御を行う制御法が一般に採られている。基底回転数以上の回転数領域でこの制御法を適用することで、高回転数領域まで運転範囲を拡大できる。ただし、弱め界磁制御による運転範囲の拡大効果は、永久磁石の磁束とｄ軸インダクタンスの値に大きく依存する。
すなわち、実施例１の磁気回路制御は、誘起電圧を抑制し高回転数領域まで運転範囲を拡大できるため、弱め界磁制御の等価制御ということができる。

［コギングトルク及びリプルトルクについて］
上記した「コギングトルク」及び「リプルトルク」について説明する。永久磁石界磁のモータにおいて、無励磁のとき外部からシャフトを回転させたときにゴリゴリと感じるトルクをコギングトルクという。これは、永久磁石による磁束が、磁路のパーミアンス変化によって増減し、磁気エネルギーが変化することによって正逆方向に交番的に発生するトルクである。これが原因となってトルクリプル、回転速度リプルが発生するので、コギングトルクを極力小さくするように、スキューを設けるなど工夫されている。
ここで、「スキュー（斜めスロット）」とは、ロータのスロットを相対するスロットとは並行にせず、斜めに施すことをいう。ロータとステータ間の空隙磁束分布は、それぞれのスロットとティースにより高調波成分を含む。この高調波成分磁束はトルクの脈動を発生させる。この対策として、スキューを採用し、高調波成分磁束を低減する。
すなわち、低回転域や高回転域で漏れ磁束を発生させることで、高調波成分磁束が低減され、スキューと同様に、コギングトルク及びリプルトルクを低減できる。

次に、効果を説明する。
実施例１の回転電機にあっては、下記に列挙する効果を得ることができる。

(1) ロータ１とステータ２とを有し、前記ロータ１には永久磁石が円周状に複数埋設され、前記ステータ２には駆動用コイル３を巻いたステータティース４が円周状に複数配列された回転電機において、前記隣接するステータティース４，４間に磁気素子５を挿入して磁気回路を構成し、前記ロータ１の回転数の高まりに応じ、前記磁気素子５を通過する磁束量を増加するコントローラ６（磁気回路制御手段）を設けたため、高応答・低損失の磁気素子を用い、高回転域において誘起電圧の増加を抑制し、弱め界磁電流を低減することで、高回転域での出力・トルクの向上を達成することができる。

(2) 前記磁気素子５は、第１圧電素子５ａと第２圧電素子５ｂにより磁歪素子５ｃを挟み込んだ積層素子であるため、圧電素子５ａ，５ｂに対する外部からの電圧印加のみにより、応答良く、かつ、低損失にて磁束を通しやすくすることができる。

(3) 前記コントローラ６は、前記ロータ１が所定回転数以上の高回転時、前記磁気素子５に電圧を印加するため、弱め界磁電流が必要な高回転域で効果的に誘起電圧を低減することができると共に、低回転時には不要な漏れ磁束の発生を防止することができる。

(4) 前記コントローラ６は、前記所定回転数を、定トルク運転領域の上限回転数である基底回転数Nbの近傍とするため、誘起電圧を低減させる効果が発生する領域を最適化することができる。

(5) 前記コントローラ６は、前記駆動用コイル３にかかるコイル電圧を、前記磁気素子５に印加するため、磁気素子５を駆動制御する装置を別途用意することなく低コストであると共に、磁気素子５は電圧駆動なのでエネルギー消費も損失も少ないことで、モータトルクへの影響も軽微に抑えることができる。

(6) 前記コントローラ６は、前記コイル電圧を全波整流もしくは半波整流し、前記磁気素子５に印加するため、駆動コイル３を交流電圧を一方向の電圧に規定して磁気素子５に印加することができる。

(7) 前記コントローラ６は、前記ロータ１が所定回転数未満の低回転時、磁束を漏らすため、コギング・リプルトルクを低減することができる。

実施例２は、制御用ＳＷである絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（IGBT）を用い、所定の運転状態に応じて、磁気素子５への電圧印加をコントロールする例である。

図９は実施例２の回転電機におけるコントローラ６のａｂ間電圧回路及びａｂ間電圧特性を示す図である。
実施例２のコントローラ６は、前記駆動用コイル３にかかるコイル電圧（相間電圧、線間電圧）から制御用の駆動電圧を作り出し、この制御用の駆動電圧を前記磁気素子５に印加する。

前記ａｂ間電圧回路は、図９(a)に示すように、磁束に対し位相ズレを持つコイル電圧を、位相補償手段６ａにより位相補償し、位相補償したコイル電圧を全波整流回路６ｂ（ブリッジ回路）により全波整流し、さらに、制御スイッチ６ｃにより全波整流した電圧波形をスイッチングして制御用の駆動電圧とし、この駆動電圧（ａｂ間電圧）を前記磁気素子５の圧電素子５ａ，５ｂに印加する。なお、実施例１と同様に半波整流としても良いし、また、圧電素子５ａ，５ｂもコンデンサ成分があるが、ａｂ間にコンデンサ６ｄを介装しても良い。さらに、制御スイッチ６ｃに代えて、パッシブ回路しても良い。

前記ａｂ間電圧は、図９(b)に示すように、点線特性で示す相間電圧を、位相補償した上で全波整流し、スイッチングによるON/OFFで実施例１より整流された波形となる。これにより常に正の滑らかな電圧を磁気素子５に印加することができる。なお、他の構成及び作用は、実施例１と同様であるので、説明を省略する。

次に、効果を説明する。
実施例２の回転電機にあっては、実施例１の(1)〜(7)の効果に加え、下記の効果を得ることができる。

(8) 前記コントローラ６は、前記コイル電圧もしくは前記ロータ１の回転数に応じて、全波整流もしくは半波整流した電圧波形をスイッチングし、前記磁気素子５に印加するため、所望の運転状態の時に磁気素子５を動作することができる。

実施例３は、トランス回路等によりコイル間電圧を圧電素子に最適な電圧範囲になるように、電圧を変化させた例である。

図１０は実施例３の回転電機におけるコントローラ６のａｂ間電圧回路及びａｂ間電圧特性を示す図である。
実施例３のコントローラ６は、前記駆動用コイル３にかかるコイル電圧（相間電圧、線間電圧）を増幅した後、制御用の駆動電圧を作り出し、この制御用の駆動電圧を前記磁気素子５に印加する。

前記ａｂ間電圧回路は、図１０(a)に示すように、コイル電圧（相間電圧、線間電圧）をトランス回路６ｅ（電圧最適化手段）により増幅し、磁束に対し位相ズレを持つ増幅電圧を、位相補償手段６ａにより位相補償し、位相補償した増幅電圧を全波整流回路６ｂ（ブリッジ回路）により全波整流して制御用の駆動電圧とし、この駆動電圧（ａｂ間電圧）を前記磁気素子５の圧電素子５ａ，５ｂに印加する。なお、実施例１と同様に半波整流としても良い。

前記ａｂ間電圧は、図１０(b)に示すように、点線特性で示す相間電圧を、増幅した上で位相補償し、これを全波整流した波形となる。これにより増幅した正の駆動電圧を磁気素子５に印加することができる。なお、他の構成及び作用は、実施例１と同様であるので、説明を省略する。

次に、効果を説明する。
実施例３の回転電機にあっては、実施例１の(1)〜(7)の効果に加え、下記の効果を得ることができる。

(9) 前記コントローラ６は、前記コイル電圧をトランス回路６ｅにより増幅した後、全波整流もしくは半波整流した電圧波形を前記磁気素子５に印加するため、磁気素子５に最適な電圧をかけることで、磁束の流れを最適に制御することができる。

実施例４は、実施例３をベースとして、磁気素子５に印加する電圧をオフセットさせて印加するようにした例である。

図１１は実施例４の回転電機におけるコントローラ６のａｂ間電圧回路及びａｂ間電圧特性を示す図である。
実施例４のコントローラ６は、前記駆動用コイル３にかかるコイル電圧（相間電圧、線間電圧）を増幅した後、整流とオフセットを介して制御用の駆動電圧を作り出し、この制御用の駆動電圧を前記磁気素子５に印加する。

前記ａｂ間電圧回路は、図１１(a)に示すように、コイル電圧（相間電圧、線間電圧）をトランス回路６ｅにより増幅し、磁束に対し位相ズレを持つ増幅電圧を、位相補償手段６ａにより位相補償し、位相補償した増幅電圧を全波整流回路６ｂ（ブリッジ回路）により全波整流し、さらに、電圧オフセット手段６ｆにてオフセット電圧(Vz)をかけて制御用の駆動電圧とし、この駆動電圧（ａｂ間電圧）を前記磁気素子５の圧電素子５ａ，５ｂに印加する。なお、実施例１と同様に半波整流としても良い。

前記ａｂ間電圧は、図１１(b)に示すように、点線特性で示す相間電圧を、増幅した上で位相補償し、これを全波整流し、さらに、オフセット電圧(Vz)以下の電圧をカットした波形となる。これにより増幅したオフセット電圧(Vz)以上の駆動電圧を磁気素子５に印加することができる。なお、他の構成及び作用は、実施例１と同様であるので、説明を省略する。

次に、効果を説明する。
実施例４の回転電機にあっては、実施例１の(1)〜(7)及び実施例３の(9)の効果に加え、下記の効果を得ることができる。

(10) 前記コントローラ６は、前記コイル電圧をオフセットさせて磁気素子５に印加するため、動作が不要な領域で作動を停止でき、最適な動作とすることが可能である。

実施例５は、実施例２と実施例３とを組み合わせ、トランスによりコイル電圧を増幅すると共に、制御用ＳＷにより磁気素子５への電圧印加をコントロールする例である。

図１２は実施例５の回転電機におけるコントローラ６のａｂ間電圧回路及びａｂ間電圧特性を示す図である。
実施例５のコントローラ６は、前記駆動用コイル３にかかるコイル電圧（相間電圧、線間電圧）を増幅した増幅電圧から制御用の駆動電圧を作り出し、この制御用の駆動電圧を前記磁気素子５に印加する。

前記ａｂ間電圧回路は、図１２(a)に示すように、磁束に対し位相ズレを持つコイル電圧（相間電圧、線間電圧）をトランス回路６ｅにより増幅し、この増幅電圧を位相補償手段６ａにより位相補償し、位相補償した増幅電圧を全波整流回路６ｂ（ブリッジ回路）により全波整流し、さらに、制御スイッチ６ｃにより全波整流した電圧波形をスイッチングして制御用の駆動電圧とし、この駆動電圧（ａｂ間電圧）を前記磁気素子５の圧電素子５ａ，５ｂに印加する。なお、実施例１と同様に半波整流としても良い。

前記ａｂ間電圧は、図１２(b)に示すように、点線特性で示す相間電圧または線間電圧を、増幅した上で位相補償し、位相補償した増幅電圧を全波整流し、さらに、スイッチングによるON/OFFで整流された波形となる。これにより増幅された常に正の滑らかな電圧を磁気素子５に印加することができる。なお、他の構成及び作用は、実施例１と同様であるので、説明を省略する。

次に、効果を説明すると、実施例５の回転電機にあっては、実施例１の(1)〜(7)の効果に加え、実施例２の(8)の効果、及び実施例３の(9)の効果を得ることができる。

実施例６は、磁気素子を、磁性材とコイルからなる素子とした例である。

まず、構成を説明する。
図１３は実施例６の回転電機におけるロータ及びステータを示す図である。実施例６の回転電機は、図１３に示すように、ロータ１とステータ２とを有し、前記ロータ１には図外の永久磁石が円周状に複数埋設され、前記ステータ２には駆動用コイルを巻いたステータティース４が円周状に複数配列されている。

前記隣接するステータティース４，４は、ティース後端４ａ，４ａ側は互いに連結されてバックヨークを構成し、ティース先端４ｂ，４ｂ側は互いに隙間を介在させている。そして、前記ティース先端４ｂ，４ｂ側の隙間位置に、ステータティース４，４を橋渡しするように、磁気素子１５を挿入して磁気回路を構成している。そして、前記磁気素子１５には、ロータ回転数が高回転時に、磁気素子１５を通過する磁束量を増加する制御（通電遮断）を行うコントローラ６'（磁気回路制御手段）が接続されている。

前記磁気素子１５は、ティース先端４ｂ，４ｂを橋渡しする磁性材１５ａと、該磁性材１５ａの周りに巻き付けられたコイル１５ｂからなる素子である。すなわち、前記磁気素子１５は、コイル１５ｂへの通電を遮断することにより、磁束を通しやすくなり、コイル１５ｂへ電流を流す方向を変えることで、漏れ磁束の方向をコントロールすることができる。

図１４は実施例６の回転電機におけるコントローラ６'のコイル電流回路及び誘起電圧特性を示す図である。
実施例６のコントローラ６'は、前記駆動用コイル３にかかる誘起電圧（相間電圧、線間電圧）から制御用の駆動電流を作り出し、この制御用の駆動電流を前記磁気素子１５のコイル１５ｂに印加する。

前記コイル電流回路は、コイル電圧（相間電圧、線間電圧）をトランス回路６ｅにより増幅し、磁束に対し位相ズレを持つ増幅コイル電圧を、図１４(a)に示すように、位相補償手段６ａにより位相補償し、位相補償したコイル電流を制御スイッチ６ｃによりスイッチングして流れの方向を変え得る制御用のコイル電流とし、このコイル電流を前記磁気素子１５のコイル１５ｂに印加する。
ここで、ロータ１の永久磁石からの磁束がステータティース４に向かう時、磁束の変化によって、誘起電圧（図１４(b)）が発生するので、磁束と電圧の位相がずれている。よって、磁束の流れと磁気素子５の磁束の流れとを合わせるために位相補償が必要になる。

次に、作用を説明する。
実施例６では、低回転時に磁気素子１５のコイル１５ｂに対し下記のように通電し、高回転時に磁気素子１５のコイル１５ｂへの通電を遮断する制御を行う。

例えば、ロータ回転数が基底回転数Nb未満の低回転時であって、永久磁石からの磁束がステータティース４からバックヨークに向かう方向の時、磁気素子１５の磁束が該当するステータティース４に向かうようにコイル１５ｂに電流を流す。例えば、図１５に示すように、隣接する一対のステータティース４，４のうち、左側のステータティース４において、永久磁石からの磁束がバックヨークに向かう方向の時には、磁気素子１５の磁束が図の左方向に向かうようにコイル１５ｂに電流を流す。逆に、図１６に示すように、隣接する一対のステータティース４，４のうち、右側のステータティース４において、永久磁石からの磁束がバックヨークに向かう方向の時には、磁気素子１５の磁束が図の右方向に向かうようにコイル１５ｂに電流を流す。これにより、誘起電圧を下げ、弱め界磁電流を低減しつつ、トルクを向上できる。

一方、例えば、ロータ回転数が基底回転数Nb以上の高回転時には、磁気素子１５のコイル１５ｂへの通電が遮断される。よって、高回転時にはコイル通電により磁束の流れが規定されることが無く、磁性材１５ａを介して磁束が通過し易くなり（磁気抵抗小）、ロータ１の磁石磁束を磁気素子１５を透過させ（漏れ磁束大）、誘起電圧を低下させる。そして、誘起電圧が下がれば、高回転域で一般に行われている弱め界磁制御での制御電流を軽減あるいは不要にすることができ、電流消費を少なくできる。この結果、インバータの余裕電流をコイルに流し込め、トルク向上、出力アップにつなげられる。

次に、効果を説明する。
実施例６の回転電機にあっては、実施例１の(1)の効果に加え、下記に列挙する効果を得ることができる。

(11) 前記磁気素子１５は、前記ステータティース４，４間を繋ぐ磁性材１５ａと、該磁性材１５ａに巻き付けられたコイル１５ｂと、からなる素子であるため、コイル１５ｂに対する外部からの電流制御により、応答良く、かつ、低損失にて、磁束を通しやすくしたり、磁気素子１５内の磁束方向をコントロールすることができる。

(12) 前記コントローラ６'は、前記ロータ１が所定回転数未満の低回転時であって、前記永久磁石からの磁束がステータティース４からバックヨークに向かう方向の時、前記磁気素子１５内の磁束が該当するステータティース４に向かうように前記コイル１５ｂに電流を流すため、誘起電圧を下げ、弱め界磁電流を低減しつつ、トルクを向上することができる。

(13) 前記コントローラ６'は、前記ロータ１が所定回転数以上の高回転時、前記磁気素子１５のコイル１５ｂへの通電を遮断するため、高回転域において誘起電圧の増加を抑制し、弱め界磁電流を低減することで、高回転域での出力・トルクの向上を達成することができる。

以上、本発明の回転電機を実施例１〜実施例６に基づき説明してきたが、具体的な構成については、これらの実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲の各請求項に係る発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加等は許容される。

実施例１〜６では、磁気回路制御手段として、高回転になるほど磁気素子を通過する磁束量を増加する態様、所定回転数以上で一気に磁気素子を通過する磁束量を増加する態様、所定回転数以上で徐々に磁気素子を通過する磁束量を増加する態様、の例を示したが、要するに、ロータの回転数の高まりに応じ、磁気素子を通過する磁束量を増加するものであれば、高次関数特性により磁気素子を通過する磁束量を増加する等、３つの態様に限られることはない。

実施例１〜５では、磁気素子として、第１圧電素子と第２圧電素子により磁歪素子を挟み込んだ積層素子の例を示し、実施例６では、磁気素子として、ステータティース間を繋ぐ磁性材と、該磁性材に巻き付けられたコイルと、からなる素子の例を示したが、要するに、通過する磁束量を外部からの制御によりコントロールすることができる磁気素子であれば、具体的な構成は実施例１〜６のものに限定されることはない。

実施例１〜６では、ロータとステータとのギャップが径方向であるラジアル型の回転電機への適用例を示したが、ロータとステータとのギャップが軸方向であるアキシャル型の回転電機にも適用することができる。

実施例１の回転電機におけるロータ及びステータを示す図である。 実施例１の回転電機におけるモータ巻線を示す図である。 実施例１の回転電機に適用された磁気素子を示す斜視図である。 実施例１の回転電機におけるコントローラのａｂ間電圧回路及びａｂ間電圧特性を示す図である。 実施例１での３つの磁気回路制御態様におけるロータ回転数に対する誘起電圧及びトルク特性図である。 実施例１において第１の磁気回路制御態様によるロータ回転数に対する圧電素子ａｂ間電圧特性を示す図である。 実施例１において第２の磁気回路制御態様によるロータ回転数に対する圧電素子ａｂ間電圧特性を示す図である。 実施例１において第３の磁気回路制御態様によるロータ回転数に対する圧電素子ａｂ間電圧特性を示す図である。 実施例２の回転電機におけるコントローラのａｂ間電圧回路及びａｂ間電圧特性を示す図である。 実施例３の回転電機におけるコントローラのａｂ間電圧回路及びａｂ間電圧特性を示す図である。 実施例４の回転電機におけるコントローラのａｂ間電圧回路及びａｂ間電圧特性を示す図である。 実施例５の回転電機におけるコントローラのａｂ間電圧回路及びａｂ間電圧特性を示す図である。 実施例６の回転電機におけるロータ及びステータを示す図である。 実施例６の回転電機におけるコントローラのコイル電流回路及び誘起電圧特性を示す図である。 実施例６の回転電機での低回転時電流制御における右回り磁束流れを示す説明図である。 実施例６の回転電機での低回転時電流制御における左回り磁束流れを示す説明図である。

符号の説明

１ ロータ
２ ステータ
３ 駆動用コイル
４ ステータティース
４ａ ティース後端
４ｂ ティース先端
５ 磁気素子
５ａ 第１圧電素子
５ｂ 第２圧電素子
５ｃ 磁歪素子
６，６' コントローラ（磁気回路制御手段）
１５ 磁気素子
１５ａ 磁性材
１５ｂ コイル

Claims (9)

1. ロータとステータとを有し、前記ロータには永久磁石が円周状に複数埋設され、前記ステータには駆動用コイルを巻いたステータティースが円周状に複数配列された回転電機において、
   前記隣接するステータティース間に磁気素子を挿入して磁気回路を構成し、
   前記磁気素子は、第１圧電素子と第２圧電素子により磁歪素子を挟み込んだ積層素子とし、
   前記ロータの回転数の高まりに応じ、前記磁気素子を通過する磁束量を増加する磁気回路制御手段を設けたことを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載された回転電機において、
   前記磁気回路制御手段は、前記ロータが所定回転数以上の高回転時、前記磁気素子に電圧を印加することを特徴とする回転電機。
3. 請求項２に記載された回転電機において、
   前記磁気回路制御手段は、前記所定回転数を、定トルク運転領域の上限回転数である基底回転数の近傍とすることを特徴とする回転電機。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載された回転電機において、
   前記磁気回路制御手段は、前記駆動用コイルにかかるコイル電圧を、前記磁気素子に印加することを特徴とする回転電機。
5. 請求項４に記載された回転電機において、
   前記磁気回路制御手段は、前記コイル電圧を全波整流もしくは半波整流し、前記磁気素子に印加することを特徴とする回転電機。
6. 請求項４または５に記載された回転電機において、
   前記磁気回路制御手段は、前記コイル電圧もしくは前記ロータの回転数に応じて、全波整流もしくは半波整流した電圧波形をスイッチングし、前記磁気素子に印加することを特徴とする回転電機。
7. 請求項４乃至６の何れか１項に記載された回転電機において、
   前記磁気回路制御手段は、前記コイル電圧を電圧最適化手段により変更した後、全波整流もしくは半波整流した電圧波形を前記磁気素子に印加することを特徴とする回転電機。
8. 請求項４乃至７の何れか１項に記載された回転電機において、
   前記磁気回路制御手段は、前記コイル電圧をオフセットさせて前記磁気素子に印加することを特徴とする回転電機。
9. 請求項１乃至８の何れか１項に記載された回転電機において、
   前記磁気回路制御手段は、前記ロータが所定回転数未満の低回転時、前記第１圧電素子および前記第２圧電素子に電圧を印加することを特徴とする回転電機。

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