JP5958205B2

JP5958205B2 - 回転電機システム

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Publication number: JP5958205B2
Application number: JP2012197443A
Authority: JP
Inventors: 英治山田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-09-07
Filing date: 2012-09-07
Publication date: 2016-07-27
Anticipated expiration: 2032-09-07
Also published as: JP2014054097A

Description

本発明は、ステータとステータに対向して回転するロータとを含む回転電機を備える回転電機システムに関する。

特許文献１には、ロータの複数のロータ突極にロータコイルが巻回され、各ロータコイルが接続されたダイオードにより選択された極性で短絡される回転電機が記載されている。各ロータコイルに流れる誘導電流がダイオードで整流されロータ周方向に交互にＮ極とＳ極とが形成される。

特開２００９−１１２０９１号公報

特許文献１に記載された回転電機は、ロータコイルに鎖交する磁束の変動によりロータコイルに誘導電流であるロータコイル電流を流し電磁石として機能させる電磁石型である。このような電磁石型では、ステータの回転磁界に含まれる基本波成分よりも高次数の高調波成分によってロータのスロット内に漏れ出る漏れ磁束が発生し、ロータコイルに鎖交する。このロータコイルに鎖交する漏れ磁束の変動によりロータコイル電流が発生する。このような回転電機では、回転速度や要求トルクに応じて必要とするロータコイル電流の大きさが、実際に得られるロータコイル電流と異なる。このため、ロータコイル電流の大きさを調整可能とすることが望まれている。

本発明の目的は、回転電機システムにおいて、ステータの漏れ磁束がロータコイルに鎖交することで発生するロータコイル電流の大きさを調整可能とすることである。

本発明に係る回転電機システムは、回転磁界を生成するステータと、前記ステータに対向して回転するロータとを含む回転電機を備える回転電機システムであって、前記ロータは、周方向複数個所に設けられたロータ突極を含むロータコアと、前記各ロータ突極に巻回されたロータコイルと、前記ロータコアの各スロット内の前記ロータコイル間に配置された保持部材と、を含み、前記保持部材は、非磁性部材からなり、前記スロット内でスロットの径方向に延びるスライド溝を有する保持部と、前記保持部のスライド溝内部に移動可能に挿入され、前記ステータから前記スロット内に漏れ出る漏れ磁束を前記ロータコイルに誘導する磁束誘導部材である補助磁性部材と、前記スライド溝の少なくともいずれか一端と前記補助磁性部材との間に設けられる油室と、を備え、さらに、前記油室に接続され、前記油室内の油圧の調整機能を有する油圧調整機構を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る回転電機システムにおいて、好ましくは、前記ロータは、前記ロータコイルに接続され、ロータコイル電流を一方向に整流する整流部を含み、各ロータコイル電流によって前記ロータ突極が周方向に交互に異なる極性となる。

また、本発明に係る回転電機システムにおいて、好ましくは、前記保持部は、前記ロータの径方向に延設される脚部と、前記脚部の前記ロータ径方向の外端部に結合されて、隣り合う前記ロータ突極間の前記ロータコイルの外側にかけ渡された梁部とを有し、断面Ｔ字形に形成される。

また、本発明に係る回転電機システムにおいて、好ましくは、取得された要求トルクと取得された前記ロータの回転速度との少なくとも一方に応じて前記油室内の油圧を変化させるように前記油圧調整機構を制御する制御装置を備える。

また、本発明に係る回転電機システムにおいて、好ましくは、前記制御装置は、取得された前記ロータの回転速度が所定速度以下で、かつ、取得された要求トルクが前記回転速度に応じて設定された設定トルク以上である低速高トルク条件成立の場合に、前記補助磁性部材を前記スライド溝内で外側に移動させるように前記油圧調整機構を制御する。

また、本発明に係る回転電機システムにおいて、好ましくは、前記制御装置は、取得された前記ロータの回転速度が所定速度以下で、かつ、取得された要求トルクが前記回転速度に応じて設定された設定トルク未満である低速低トルク条件成立の場合、及び、取得された前記ロータの回転速度が所定速度を超える高速条件成立の場合に、前記補助磁性部材を前記スライド溝内で内側に移動させるように前記油圧調整機構を制御する。

また、本発明に係る回転電機システムにおいて、好ましくは、前記保持部材は、前記スライド溝の一端と前記補助磁性部材との間に設けられた弾性部材と、前記スライド溝の他端と前記補助磁性部材との間に設けられる油室と、を備える。

本発明の回転電機システムによれば、油室の油圧調整により磁束誘導部材である補助磁性部材のロータ径方向位置が変更可能となり、ステータの漏れ磁束がロータコイルに鎖交することで発生するロータコイル電流の大きさが調整可能となる。

本発明の実施形態の回転電機システムを示す図であり、（ａ）は回転電機の軸方向断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示したロータのＡ−Ａ断面図である。図２は、図１に示した回転電機システムが搭載されるハイブリッド車両の前部透視斜視図である。図２に示したトランスアクスルの概略断面図である。図１（ａ）に示した回転電機の周方向一部のＡ−Ａ拡大断面相当図である。図４のＢ部拡大図である。図４に示したロータの周方向一部において、ロータコイルにダイオードを接続して示す回路実装図である。図１（ａ）に示したロータの片側の端部部材と端部油路とを示す図であり、（ａ）はロータ内部から見た側面図であり、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。図１（ａ）に示した制御装置の構成を示す図である。図８に示した制御装置の記憶部に記憶されたロータ回転速度Ｖｒとモータ要求トルクＴｒとで示される特性領域を表すマップ図である。比較例の電磁石型の回転電機において、ロータコイル電流Ｉｒがロータ回転速度Ｖｒに応じて不足する領域Ｐ１と過剰になる領域Ｐ２とを示す図である。油室の油圧が高くなって補助磁性部材がロータ内径側に移動する様子を示す、図５に対応する図である。図４に示した回転電機において、ステータから生じる漏れ磁束が補助磁性部材によりロータコイルに誘導される様子を示す模式図である。本発明の実施形態において、補助磁性部材が径方向外側に移動する場合のロータコイル電流Ｉｒ１と、補助磁性部材が径方向内側に移動する場合のロータコイル電流Ｉｒ２と、ロータ回転速度Ｖｒとの関係を示す図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。以下では、ステータコアとロータコアとを、それぞれ電磁鋼板を積層して形成されるものとして説明するが、これは例示であって、電磁鋼板以外の板材を積層したものでもよい。また、これ以外のステータコア及びロータコアであってもよい。例えば、鋼材を加工した一体型コアでも、磁性粉末の圧粉加工により形成されるコアでもよい。また、各コアは、周方向に分割される複数の要素を環状に連結してなる分割型コアとしてもよい。また、以下では、回転電機がハイブリッド車両に搭載されて、ハイブリッド自動車の動力源としてトランスアクスルのモータジェネレータとして使用される場合を説明するが、これは例示であって、電気自動車等の他の電動車両に搭載されてもよい。また、回転電機は、単なる電動モータまたは単なる発電機の機能を持つ構成として使用してもよい。また、以下ではすべての図面において同様の要素には同一の符号を付して説明する。

図１は、本実施形態の回転電機システム１０を示す図であり、（ａ）は回転電機１２の軸方向断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示したロータ１４のＡ−Ａ断面図である。

図１（ａ）に示すように、回転電機システム１０は、回転電機１２と、油圧調整機構８０と、制御装置９０とを備える。まず、回転電機システム１０を搭載するハイブリッド車両を説明する。

図２は、ハイブリッド車両１０２の前部の透視斜視図である。ハイブリッド車両１０２は、前部のエンジンルーム内に配置されたエンジン１０４及びトランスアクスル１００を備え、エンジン１０４と、トランスアクスル１００内の回転電機１２との少なくとも一方を車輪１０６の駆動源として走行する。

図３は、図２に示したトランスアクスル１００の概略断面図である。トランスアクスル１００は、ケース１０７内に収容された回転電機１２と、第２回転電機１１０と、動力分割機構１１２とを含んでいる。回転電機１２は、主に電動モータとして使用される第２モータジェネレータの機能を有する。第２回転電機１１０は、主にエンジン１０４により駆動される発電機として使用される第１モータジェネレータの機能を有する。回転電機１２と第２回転電機１１０とエンジン１０４とのそれぞれの回転軸２８，１１４，１１６は動力分割機構１１２で連結される。動力分割機構１１２は、遊星歯車機構から構成され、エンジン１０４の出力を車両走行用の動力と発電用の動力とに分割する。第２回転電機１１０は、エンジン１０４から動力分割機構１１２を介して動力が伝達され発電し、図示しないバッテリを充電する。回転電機１２は、バッテリの電力で駆動される。ケース１０７の内側下部は油溜まり７６となり、油溜まり７６に回転電機１２及び第２回転電機１１４の下端部が浸される。この油溜まり７６の油は、後述するロータに設けられる保持部材の油圧調整のため、油圧ポンプ８２により吸引加圧される。

回転電機１２の回転軸２８の動力は、図示しない歯車機構を介して、エンジン１０４の走行用の動力とともに、または単独で図２に示した車輪１０６に伝達され、車輪１０６を駆動する。次に、図４、図５等を用いて、回転電機１２の詳細構造を説明し、その後、油圧調整機構８０及び制御装置９０を説明する。

図４において、回転電機１２は、図１に示したケース１０８に固定されるステータ１６と、ステータ１６に対向配置され、回転するロータ１４とを備える。ステータ１６は、ステータコア２０と、ステータコア２０に巻回されたｕ相、ｖ相、ｗ相の３相のステータコイル２２ｕ，２２ｖ，２２ｗを含む。ステータコア２０は、電磁鋼板等の金属板の積層体等の磁性材料により形成される。ステータコア２０は、周方向に複数の等間隔位置に、ロータ１４へ向けて径方向内側へ突出して設けられた複数のステータ突極２４と、各ステータ突極２４の間に形成されたスロット２６とを含む。なお、「径方向」という場合、ロータ１４の回転中心軸に対し直交する放射方向をいう。また、「周方向」という場合、ロータ１４の回転中心軸を中心とするロータ円周方向をいう。また、「軸方向」という場合、ロータ１４の軸方向をいう。

ステータコイル２２ｕ，２２ｖ，２２ｗは、スロット２６を通って各ステータ突極２４にそれぞれ集中巻きで巻回される。ステータコイル２２ｕ，２２ｖ，２２ｗに複数相の交流電流が流れると各ステータ突極２４が磁化し、ステータ１６に回転磁界が生成される。

なお、ステータコイルは、ステータコア２０の環状部分の周方向複数個所に複数相のステータコイルを巻回するトロイダル巻きとしてもよい。

ロータ１４は、ステータ１６と所定の空隙をあけて径方向内側に対向配置され、ステータ１６に対し回転可能である。ロータ１４の中心軸孔にはケース１０８の軸受に支持された回転軸２８が挿入固定される。ロータ１４は、ロータコア３０と、このロータコア３０に巻回された複数のロータコイル３２ｎ，３２ｓ，３４ｎ，３４ｓと、断面Ｔ字形に形成される保持部材３６と、２つの端部部材３７ａ、３７ｂとを含む。保持部材３６及び端部部材３７ａ、３７ｂは後で詳しく説明する。

ロータコア３０は、電磁鋼板等の金属板の積層体等の磁性材料により形成され、外周側に周方向等間隔の複数個所に設けられた磁極部であるロータ突極３８ｎ、３８ｓを含む。ロータ突極３８ｎは、後述するロータコイル３２ｎ，３４ｎによってＮ極に磁化されるＮ極突極である。ロータ突極３８ｓは、後述するロータコイル３２ｓ，３４ｓによってＳ極に磁化されるＳ極突極である。ロータ突極３８ｎとロータ突極３８ｓとは、周方向に交互に配置される。ロータコア３０の外周面の隣り合うロータ突極３８ｎ、３８ｓ間は、ロータコイル３２ｎ，３２ｓ，３４ｎ，３４ｓの配置空間を形成する溝状のスロット４０となる。

ロータコイル３２ｎは、ロータ突極３８ｎの径方向外方の先端側に巻回されるＮ極誘導コイルであり、ロータコイル３２ｓは、同様にロータ突極３８ｓに巻回されるＳ極誘導コイルである。各ロータコイル３２ｎ，３２ｓは、主にステータ１６からの漏れ磁束が鎖交した場合にロータコイル電流を発生する機能を有する。

ロータコイル３４ｎは、ロータ突極３８ｎの径方向内方の根元側に巻回されるＮ極共通コイルであり、ロータコイル３４ｓは、同様にロータ突極３８ｓに巻回されるＳ極共通コイルである。ロータコイル３４ｎ，３４ｓは、主にロータコイル３４ｎ，３４ｓに流れる電流によりロータ突極３８ｎ，３８ｓを磁化する機能を有する。各ロータコイル３２ｎ，３２ｓは、後述する整流部であるダイオードを介して互いに接続される。

各ロータコイル３２ｎ，３２ｓ，３４ｎ，３４ｓは、ロータ突極３８ｎ，３８ｓの周囲に複数層の複数列に整列して巻回される整列巻き型である。なお、各ロータコイルは、単純なソレノイドコイルとしてもよい。

図６を用いて、隣り合うロータ突極３８ｎ、３８ｓに巻回された複数のロータコイル３２ｎ，３２ｓ，３４ｎ，３４ｓの接続関係を説明する。

ロータ周方向に隣り合う２つのロータ突極３８ｎ，３８ｓを１組として、ロータ突極３８ｎに巻かれたロータコイル３２ｎの一端は、ロータ突極３８ｓに巻かれたロータコイル３２ｓの一端に、第１ダイオード４２及び第２ダイオード４４を介して接続されている。第１ダイオード４２はロータコイル３２ｎに接続され、第２ダイオード４４はロータコイル３２ｓに接続され、両方のダイオード４２，４４は、互いに順方向を逆向きにして接続点Ｒで接続されている。

ロータ突極３８ｓの根元側に巻かれたロータコイル３４ｓの一端は接続点Ｒに接続され、ロータコイル３４ｓの他端は、ロータ突極３８ｎの根元側に巻かれたロータコイル３４ｎの一端に接続される。ロータコイル３４ｎの他端は接続点Ｇで２つのロータコイル３２ｎ、３２ｓの他端に接続される。ロータコイル３４ｎ，３４ｓは直列に接続されることで共通コイル組を形成する。

この構成では、後述するようにステータ側からロータコイル３２ｎ，３２ｓに磁束が鎖交してロータコイル電流が流れると、ロータコイル電流が図６のダイオード４２，４４により一方向に整流されることでロータ突極３８ｎ、３８ｓが所望の極性に磁化する。ロータコイル３２ｎ、３４ｎは、第１ダイオード４２の整流方向に応じて電流が流れる場合にロータ突極３８ｎの先端にＮ極を形成する。ロータコイル３２ｓ、３４ｓは、第２ダイオード４４の整流方向に応じて電流が流れる場合にロータ突極３８ｓの先端にＳ極を形成する。ロータ突極３８ｎ、３８ｓが周方向に交互に配置されるので、ロータ１４で、各ロータコイル電流によってロータ突極３８ｎ、３８ｓが周方向に交互に異なる極性であるＮ極とＳ極とになる。

なお、上記では２つのロータ突極３８ｎ、３８ｓについて２つのダイオードを用いる場合を説明したが、ロータ１４全体で２つのダイオードを共用することもできる。この場合、すべてのＮ極のロータコイル３２ｎを直列接続して１つのＮ極の直列接続の誘導コイルとして扱い、すべてのＳ極のロータコイル３２ｓを直列接続して１つのＳ極の直列接続の誘導コイルとして扱う。また、すべてのＮ極のロータコイル３４ｎを直列接続して１つのＮ極の直列接続の共通コイルとして扱い、すべてのＳ極のロータコイル３４ｓを直列接続して１つのＳ極の直列接続の共通コイルとして扱う。その上で、図６の接続関係を用いることでダイオードを２つだけで済ますことができる。この場合、隣り合う共通コイルであるロータコイル３４ｎ、３４ｓ同士を別のロータコイルを介さずに直列接続してもよい。

以上がロータコア３０とロータコイル３２ｎ，３２ｓ，３４ｎ，３４ｓとの構成であり、次に図４、図５に戻り、保持部材３６を説明する。保持部材３６は、ロータコア３０の各スロット４０内のロータコイル３２ｎ，３４ｎ及びロータコイル３２ｓ，３４ｓの間にそれぞれ配置される。図示した実施例において、保持部材３６は、軸方向に厚みを持つ断面Ｔ字形を有するもので、ステンレス、樹脂等の非磁性部材からなる保持部４８を含んでいる。保持部４８は、スロット４０内に配置され、ロータ１４の径方向に延設される脚部５８と、脚部５８のロータ径方向の外端部に結合される梁部６０とを有する断面略Ｔ字形である。脚部５８は、スロット４０の底部に結合される径方向内端部５６を有する。梁部６０は、断面略円弧形の形状を有し、隣り合うロータ突極３８ｎ，３８ｓ間の各ロータコイル３２ｎ，３２ｓ，３４ｎ，３４ｓの外側にかけ渡される。梁部６０は、ロータ突極３８ｎ，３８ｓの側面に結合される周方向両端部を有する。梁部６０の径方向内側面に、外径側のロータコイル３２ｎ，３４ｎのロータ径方向の外端部が隙間を介してまたは接触した状態で対向する。

なお、脚部５８の径方向内端部５６は、スロット４０の底部に形成されて軸方向に延伸する図示しない溝部に軸方向に係止することでスロット４０に結合してもよい。また、梁部６０の周方向両端部は、ロータ突極３８ｎ、３８ｓの側面に形成されて軸方向に延伸する図示しない溝部に軸方向に係止することでロータ突極３８ｎ、３８ｓに結合してもよい。

脚部５８は、内部にスロット４０の径方向に延びるスライド溝６１を有する。スライド溝６１は、径方向に長い断面矩形で軸方向に長い形状を有する。また、補助磁性部材５０が、スライド溝６１内に径方向の移動可能に挿入されている。補助磁性部材５０は、磁束誘導部材であり、鉄等の磁性金属から平板状に形成されている。スライド溝６１内の空間は、補助磁性部材５０により、径方向外側と径方向内側とに、互いの気体及び液体の通過不能に仕切られる。

バネ５２は、スライド溝６１内の径方向内側空間内でスライド溝６１の一端である径方向内端と補助磁性部材５０との間に設けられ、補助磁性部材５０に径方向外側への弾力を付与する。図４、図５では、バネ５２を模式的に示しているが、実際には図１（ａ）に示すように、バネ５２は波形形状を有する板バネであり、波形の頂部と谷部との軸方向の複数個所を、補助磁性部材５０の径方向内端とスライド溝５１の径方向内端とにそれぞれ押し付けている。バネ５２は図１のような板バネに限定するものではなく、各スライド溝５１の軸方向複数個所に設けられるコイルバネにより構成してもよい。

油室５４は、スライド溝６１内にスライド溝６１の他端である径方向外端と補助磁性部材５０との間に設けられる径方向外側空間であり、内部に油が充填される。

次に、図１に戻って、ロータ１４の２つの端部部材３７ａ、３７ｂを説明する。２つの端部部材３７ａ、３７ｂは、ロータコア３０の軸方向両端に重ね合わされている。２つの端部部材３７ａ、３７ｂの基本構造は同一であるので、代表して図１（ａ）の右側である片側の端部部材３７ａについて説明する。

図７（ａ）は、端部部材３７ａの図１（ａ）の左端面を示す図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。端部部材３７ａは、図１に示した回転軸２８を内側に挿入固定する中心軸孔１１８を有する円板部１２０と、円板部１２０の片側面（図７（ａ）の表側面、図７（ｂ）の左側面）の周方向複数個所から軸方向に突出形成された径方向突部１２２と、円板部１２０の片側面外周部から全周にわたって軸方向に突出形成された円筒部１２４とを含む。径方向突部１２２は、図１に示した保持部材３６の脚部５８に重ね合わせる。端部部材３７ａは、樹脂、非磁性金属等の非磁性材料から構成される。

各径方向突部１２２は、脚部５８に重ね合わせて、スライド溝６１の軸方向端部開口を塞ぐ機能を有する。また、各径方向突部１２２は、脚部５８と対向する側面の径方向外端部に開口する出口孔１２６を有し、円板部１２０の内周面に開口させた入口孔１２８と出口孔１２６とを内部でＬ字形に形成される端部油路７２で連通させている。出口孔１２６は、スライド溝６１の径方向外端部に通じさせ、入口孔１２８は、回転軸２８の内部に設けられた後述する軸側油路に通じさせる。図１（ａ）の左側である他側の端部部材３７ｂは、入口孔１２８、出口孔１２６、及び端部油路７２を省略した以外、端部部材３７ａと同様である。

次に、図１、図８を用いて、油圧調整機構８０及び制御装置９０を説明する。油圧調整機構８０は、保持部材３６の油室５４内の油圧の調整機能を有する。油圧調整機構８０は、外部油路７４と、油供給源である油圧ポンプ８２と、３ポート式の電磁切換弁８４とを含む。電磁切換弁８４は、ケース１０８内に設けられ、１つのポートは、油圧ポンプ８２の吐出口に接続され、別の１つのポートは油溜まり７６に接続される。また、電磁切換弁８４の残りのポートは、回転軸２８の内部の軸側油路６６，６７ａ、６７ｂに外部油路７４を介して接続される。

軸側油路は、回転軸２８の内部の中心軸に沿って設けられた軸方向油路６６と、回転軸２８の内部に径方向に設けられ、軸方向油路６６の一端部に接続された周方向複数の径方向油路６７ａ、６７ｂとを含み、径方向油路６７ａ、６７ｂの径方向外端開口は端部部材３７ａの端部油路７２に接続されている。この構成により、軸心供給構造で外部からの油が油室５４に供給可能となる。

電磁切換弁８４は、制御装置９０から入力される制御信号に応じて、油圧ポンプ８２から供給される油を油室５４に導入するか、油室５４から油を油溜まり７６に排出するかを切り換える。油圧ポンプ８２は、図３の概略図で示すように、回転電機１２の回転軸２８で駆動される。なお、図３の二点鎖線で示す位置に油圧ポンプ８２を設けて、油圧ポンプ８２をエンジン１０４の回転軸１１６で駆動し、油溜まり７６から油を吸引し、電磁切換弁８４に供給可能な構成を採用してもよい。

制御装置９０は、ＣＰＵ、メモリ等を有するマイクロコンピュータを含む。図２に示す例では、制御装置９０は、トランスアクスル１００のケース１０７の上側に搭載されている。制御装置９０は、トランスアクスル１００から離れた位置、例えば、図２の二点鎖線で示す位置で車体に固定されてもよい。制御装置９０には、回転電機１２が車両の駆動モータとして利用される場合、図示しない車両制御部からモータ要求トルクＴｒが入力される。モータ要求トルクＴｒは、回転電機１２の要求トルクであり、車両の図示しないアクセルペダルセンサ等から入力される加速指令信号に応じて算出されるトルクである。なお、制御装置９０において、加速指令信号に応じてモータ要求トルクＴｒを直接に算出してもよい。

制御装置９０には、さらにロータ１４の回転速度を検出する図示しない回転速度センサからロータ回転速度Ｖｒが入力される。制御装置９０は、図示しない回転角度センサから、ロータ１４の回転角度を検出し、単位時間当たりの角度からロータ回転速度Ｖｒを算出してもよい。

制御装置９０は、ロータ１４の駆動を制御する駆動制御機能を有する。駆動制御機能は、入力されたモータ要求トルクＴｒをロータ１４に発生させて駆動するように、図示しない直流電源であるバッテリとステータコイル２２ｕ，２２ｖ，２２ｗとの間に接続された図示しないインバータに制御信号を出力し、インバータのスイッチングを制御する。インバータは、バッテリからの直流電流をｕ相、ｖ相、ｗ相の３相の交流電流に変換し、各相のステータコイル２２ｕ、２２ｖ、２２ｗにステータ電流を供給する。インバータとバッテリとの間に昇圧装置を設けてもよい。

また、制御装置９０は、油圧調整機構８０を制御する機能を有する。図８は制御装置９０の構成を示している。制御装置９０は、回転電機１２の運転状態に応じて保持部材３６内部の油室５４の油圧を制御する構成として、領域判定部９４と、弁制御部９６と、記憶部９８とを有する。記憶部９８は、外部記憶装置でもよい。記憶部９８は、回転電機１２のロータ回転速度Ｖｒとモータ要求トルクＴｒと特性領域との関係を表すマップＭａのデータを記憶する。マップＭａは、ロータ回転速度Ｖｒとモータ要求トルクＴｒとの関係で、低速高トルク領域Ａ１と低速低トルク領域Ａ２と高速領域Ａ３とを区分する。

図９は、図８に示した制御装置９０に記憶されたロータ回転速度Ｖｒとモータ要求トルクＴｒと特性領域との関係を表すマップＭａを示す図である。低速高トルク領域Ａ１は、図９の斜格子部で示される範囲である。低速高トルク領域Ａ１は、制御装置９０で取得されるロータ回転速度Ｖｒが予め設定される所定速度Ｖ１以下で、かつ、モータ要求トルクＴｒがロータ回転速度Ｖｒに応じて設定される設定トルク以上である、図９の破線Ｔ１で示す後述するトルク曲線の上側領域である。

低速低トルク領域Ａ２は、図９の砂地で示される範囲である。低速低トルク領域Ａ２は、制御装置９０で取得されるロータ回転速度Ｖｒが所定速度Ｖ１以下で、かつ、モータ要求トルクＴｒがロータ回転速度Ｖｒに応じて設定される設定トルク未満である、破線Ｔ１で示すトルク曲線の下側領域である。

高速領域Ａ３は、図９の複数の丸印で示される範囲である。高速領域Ａ３は、制御装置９０で取得されるロータ回転速度Ｖｒが所定速度Ｖ１を超える領域である。

ここで「トルク曲線Ｔ１」は、本実施形態の回転電機１２で補助磁性部材５０を設けない構造と同一の比較例から求められる。この比較例では、本実施形態と同様に、ロータ突極に巻かれたロータコイルと、ロータコイルに選択された極性で短絡するように接続されたダイオードとを有する電磁石型の回転電機であるが、隣り合うロータ突極間に補助磁性部材は設けられない。このような比較例では、ステータ電流とロータ回転速度とによって、誘導電流であるロータコイル電流が決まる。この場合、ロータコイル電流Ｉｒは次式で表される。

Ｉｒ＝ω×φ／｛Ｒｒ²＋（ωＬ）²｝^1/2 ・・・（１）

ここで、ωは、ステータの回転磁界に含まれる高調波成分のうち、時間的３次で空間的２次の高調波成分によりステータからロータ突極間に生じる漏れ磁束の磁束変動周波数である。φは、ロータコイルに鎖交する磁束である。Ｒｒは、ロータコイルの抵抗である。Ｌは、ロータコイルのインダクタンスである。

図１０は、比較例の電磁石型の回転電機において、ロータコイル電流Ｉｒがロータ回転速度Ｖｒに応じて不足する領域Ｐ１と過剰になる領域Ｐ２とを示す図である。図１０では、上記（１）式で求めたロータコイル電流Ｉｒの上限を破線Ｉ１で示している。この場合、破線Ｉ１に対応する回転電機のトルクであるモータ要求トルクＴｒの上限は、上記の図９の破線Ｔ１となる。

一方、一般的な回転電機では、ロータ回転速度Ｖｒに対応するトルクの上限は図９の実線Ｔ２で示すものとなっている。また、この実線Ｔ２に対応するロータコイル電流Ｉｒは、図１０のＩ２となる。図１０のＩ１とＩ２とを比較すると分かるように、ユーザがロータコイル電流ＩｒとしてＩ２を望む場合でも、比較例の回転電機では、ロータコイル電流ＩｒとしてＩ１以下しか発生しない。このため、Ｉ１とＩ２との交点Ｈの所定の回転速度Ｖ１以下である、ロータ回転速度Ｖｒの低い領域ではユーザが望むロータコイル電流Ｉｒに対して小さい電流しか得られず、ロータコイル電流Ｉｒの不足領域Ｐ１が生じている。

逆に、ロータ回転速度Ｖｒが回転速度Ｖ１を超える領域では、ロータコイル電流Ｉｒがユーザが望むロータコイル電流よりも多いが過剰となるので好ましくない。この理由は、ロータ回転速度Ｖｒの高い領域でロータコイル電流Ｉｒが高くなり、ロータで発生する磁束量が過剰となることで逆起電圧が高くなり、インバータの入力電圧を高くしないとロータの実際の回転速度が低下してしまうためである。このため、ロータ回転速度Ｖｒの高い領域でロータコイル電流Ｉｒの過剰領域Ｐ２が生じている。また、ロータの低速回転時でユーザが望むモータ要求トルクＴｒが低い低負荷である、図９のＡ２で示す領域である場合にロータコイル電流Ｉｒが高すぎると、コイル銅損が高くなって効率が悪化する要因となる。このため、ロータ回転速度Ｖｒ及びモータ要求トルクＴｒに応じて適切なロータコイル電流Ｉｒが得られるようにすることが望まれる。本実施形態は、このような不都合を解消するために、比較例で得られるロータコイル電流Ｉｒの上限を示す破線Ｉ１に対応する図９のトルク曲線Ｔ１と、モータ要求トルクＴｒの上限Ｔ２とを予め設定するとともに、Ｔ１，Ｔ２から低速高トルク領域Ａ１、低速低トルク領域Ａ２及び高速領域Ａ３を設定し、予め記憶部９８に領域Ａ１、Ａ２，Ａ３を含むマップＭａのデータを記憶させている。

図８に戻って、領域判定部９４は、制御装置９０で取得されるロータ回転速度Ｖｒとモータ要求トルクＴｒとに応じて、マップＭａから低速高トルク領域Ａ１、低速低トルク領域Ａ２及び高速領域Ａ３のいずれの領域にあるかを判定する。弁制御部９６は、領域判定部９４で低速高トルク領域Ａ１にあると判定された場合に、「低速高トルク条件」が成立したと判定する。この場合、弁制御部９６は、補助磁性部材５０をスライド溝６１内で外側に移動させるように電磁切換弁８４を制御する。より具体的には、弁制御部９６は、保持部材３６の油室５４内の油圧を低下させるように電磁切換弁８４を制御し、油室５４内から油を排出する。

また、弁制御部９６は、領域判定部９４で低速低トルク領域Ａ２にあると判定された場合に、「低速低トルク条件」が成立したと判定する。この場合、弁制御部９６は、補助磁性部材５０をスライド溝６１内で内側に移動させるように電磁切換弁８４を制御する。より具体的には、弁制御部９６は、保持部材３６の油室５４内の油圧を増大させるように電磁切換弁８４を制御し、油室５４に油を導入する。

また、弁制御部９６は、領域判定部９４で高速領域Ａ３にあると判定された場合に、「高速条件」が成立したと判定する。この場合も、弁制御部９６は、「低速低トルク条件」成立の場合と同様に、電磁切換弁８４を制御し、補助磁性部材５０をスライド溝６１内で内側に移動させる。なお、上記では、モータ要求トルクＴｒとロータ回転速度Ｖｒとの両方に応じて油室５４内の油圧を変化させるように電磁切換弁８４を制御している。ただし、モータ要求トルクＴｒとロータ回転速度Ｖｒとの一方に応じて電磁切換弁８４を制御する構成を採用してもよい。例えばロータ回転速度Ｖｒが予め設定した所定速度Ｖ１を超える場合に、高速条件が成立したと判定し、弁制御部９６は、スライド溝６１内で補助磁性部材５０を内側に移動させるように電磁切換弁８４を制御してもよい。

このような構成を有する油圧調整機構８０及び制御装置９０により、油室５４の油圧が調整され、補助磁性部材５０が脚部５８内で径方向の外側または内側に移動する。図５の場合には、油室５４の油圧が低下し、補助磁性部材５０がバネ５２の弾力により径方向外側に移動する。一方、図１１は、油室５４の油圧が高くなって補助磁性部材５０がロータ内径側に移動する様子を示す、図５に対応する図である。図１１に示すように、油室５４の油圧が増大した場合には、油室５４の油圧により補助磁性部材５０がバネ５２の弾力に抗してロータ内径側に移動する。

次に、回転電機１２の動作を、図４及び後述する図１２、図１３を用いて説明する。図４に示す３相のステータコイル２２ｕ，２２ｖ，２２ｗに３相の交流電流が流れることでステータ１６に回転磁界が形成される。この回転磁界は、起磁力分布として、正弦波分布だけでなく高調波成分を含んでいる。特に、集中巻きにおいては、各相のステータコイル２２ｕ，２２ｖ，２２ｗが互いに径方向に重なり合わないので、ステータ１６の起磁力分布に含まれる高調波成分の振幅レベルが増大する。例えば、３相の集中巻きの場合には、高調波成分としてステータコイル２２ｕ，２２ｖ，２２ｗの入力電流の周波数の時間的３次で空間的２次の高調波成分の振幅レベルが増大する。このような高調波成分は空間高調波と呼ばれる。ここで、回転磁界の基本波成分がロータ１４に作用すると、ステータ１６とロータ１４との間の磁気抵抗が小さくなるように、ロータ突極３８ｎ，３８ｓがステータ突極２４に吸引される。これによって、ロータ１４にリラクタンストルクが作用する。

また、回転磁界がステータ１６からロータ１４に作用すると、回転磁界に含まれる高調波成分の磁束変動により、ステータ１６からスロット４０内に漏れ出る漏れ磁束が発生し、その漏れ磁束が変動する。漏れ磁束の変動が大きい場合にはスロット４０に配置されたロータコイル３２ｎ，３２ｓの少なくともいずれかにロータコイル電流が発生する。ロータコイル電流が発生すると、そのロータコイル電流は、図６に示した各ダイオード４２，４４により整流されることで所定の一方向となる。そして、各ダイオード４２，４４で整流された電流が各ロータコイル３２ｎ、３２ｓ、３４ｎ、３４ｓに流れるのに応じて各ロータ突極３８ｎ、３８ｓが磁化し、各ロータ突極３８ｎ、３８ｓが所望の極性の磁極として機能する。この場合、ダイオード４２，４４の整流方向の違いにより、各ロータコイル電流により生じる磁極として、周方向においてＮ極とＳ極とが交互に配置される。

図１２は、図４に示した回転電機１２において、ステータ１６から生じる漏れ磁束が補助磁性部材５０によりロータコイル３２ｎ、３２ｓに誘導される様子を示す模式図である。図１２に示すように、スロット４０内でロータコイル３２ｎ、３２ｓ間に補助磁性部材５０が配置されているので、補助磁性部材５０がスライド溝６１内で径方向外側に移動すると、図１２に破線矢印α、βで示す方向の漏れ磁束は補助磁性部材５０により誘導されて、ロータコイル３２ｎ、３２ｓに鎖交しやすくなる。このため、ロータコイル３２ｎ、３２ｓに鎖交する漏れ磁束の変動を大きくでき、ロータコイル３２ｎ、３２ｓに大きなロータコイル電流を発生させ、ロータ突極３８ｎ、３８ｓが発生する磁束量を大きくできる。この場合、ロータコア３０の内部では、矢印γ方向の主磁束が形成され、その主磁束が大きくなる。そして、ロータ突極３８ｎ、３８ｓに異なる極性のステータ突極２４を引き付ける磁気吸引力が大きくなり、ロータトルクを高くできる。

一方、補助磁性部材５０がスライド溝６１内で径方向内側に移動すると、漏れ磁束は補助磁性部材５０に案内されにくくなり、ロータコイル３２ｎ、３２ｓに鎖交する漏れ磁束量が小さくなる。このため、ロータコイル３２ｎ、３２ｓに鎖交する漏れ磁束の変動が小さくなり、発生するロータコイル電流が小さくなり、ロータ突極３８ｎ、３８ｓが発生する磁束量が小さくなる。この場合、ロータ突極３８ｎ、３８ｓに異なる極性のステータ突極２４を引き付ける磁気吸引力は小さくなり、ロータトルクは低くなる。

図１３は、本実施形態において、補助磁性部材５０が径方向外側に移動する場合のロータコイル電流Ｉｒ１と、補助磁性部材５０が径方向内側に移動する場合のロータコイル電流Ｉｒ２と、ロータ回転速度Ｖｒとの関係を示す図である。補助磁性部材５０がスライド溝６１内で径方向外側に移動すると、ロータ回転速度Ｖｒの増大に応じてロータコイル電流Ｉｒ１が急激に増大し、大きなロータコイル電流Ｉｒ１を発生させることができる。一方、補助磁性部材５０がスライド溝６１内で径方向内側に移動する場合も、ロータ回転速度Ｖｒの増大に応じてロータコイル電流Ｉｒ２が増大するが、その増大の程度はロータコイル電流Ｉｒ１に比べて小さく、その最大電流値についてもロータコイル電流Ｉｒ１に比べて小さくなる。このため、補助磁性部材５０の移動に応じてロータ１４での発生磁束量を変更できる。

本発明によれば、図１に示した油圧調整機構８０により油室５４内の油圧を調整することにより補助磁性部材５０をロータ１４の径方向に移動させることができる。この場合、補助磁性部材５０の径方向位置が変更可能となり、漏れ磁束のロータコイル３２ｎ、３２ｓへの鎖交しやすさが変化して、ロータコイル電流の大きさが調整可能となる。

また、保持部材３６の保持部４８は脚部５８と梁部６０とを有し、保持部材３６は、断面Ｔ字形に形成されるので、ロータコイル３２ｎ、３２ｓ、３４ｎ、３４ｓに回転時に遠心力が作用する場合でも、補助磁性部材５０を保持する保持部材３６によりロータコイル３２ｎ、３２ｓ、３４ｎ、３４ｓの径方向外側への飛び出しを効果的に防止できる。このため、ロータコイル電流の調整機能とロータコイル３２ｎ、３２ｓ、３４ｎ、３４ｓの保持機能とを有する小型の回転電機１２を実現できる。

また、制御装置９０は、取得されたモータ要求トルクＴｒと取得されたロータ回転速度Ｖｒとの少なくとも一方に応じて油室５４内の油圧を変化させるように油圧調整機構８０を制御するので、回転電機１２の運転時に要求トルクＴｒとロータ回転速度Ｖｒとの少なくとも一方に応じてロータコイル電流の大きさが調整可能となる。

また、制御装置９０は低速高トルク領域Ａ１にあり「低速高トルク条件」が成立したと判定した場合に、補助磁性部材５０をスライド溝６１内で外側に移動させるように油圧調整機構８０を制御するので、ロータコイル電流を大きくでき、ロータ１４の磁束量を増大でき、ユーザが望む所望の回転電機性能を得やすくなる。

また、制御装置９０は低速低トルク領域Ａ２にあり「低速低トルク条件」が成立したと判定した場合、及び、高速領域Ａ３にあり「高速条件」が成立したと判定した場合に、補助磁性部材５０をスライド溝６１内で内側に移動させるように油圧調整機構８０を制御するので、それぞれの条件成立でロータコイル電流を小さくできる。低速低トルク条件でロータコイル電流が小さくなることで、銅損を低くでき高効率化を図れる。また、高速条件でロータコイル電流が小さくなることで回転電機１２の高速性能を向上できる。

また、バネ５２は、保持部４８内でスライド溝６１の一端と補助磁性部材５０との間に設けられ、補助磁性部材５０をロータ径方向に押圧し、油室５４は、スライド溝６１の他端と補助磁性部材５０との間に設けられるので、油室５４内の油圧低下時の補助磁性部材５０のロータ径方向への移動を、バネ５２により補助できる。また、バネ５２をスライド溝６１の径方向内側に設けているので、バネ５２を鉄等の磁性材により構成した場合でも、形状が大きく変化するバネ５２がステータ１６の近くに配置されるのを防止でき、バネ５２がロータ磁束を調整する場合の外乱となるのを防止して磁束調整を安定して行える。

なお、本実施形態と異なり、保持部４８のスライド溝６１の径方向内端と補助磁性部材５０との間に油室を設けて、スライド溝６１の径方向外端と補助磁性部材５０との間にバネを設けて、バネにより補助磁性部材５０をロータ径方向の内側に押圧する構成を採用してもよい。また、スライド溝６１の径方向両端と補助磁性部材５０の両端とのそれぞれの間に油室を設けて、それぞれの油室の油圧を調整して補助磁性部材５０を移動させる構成を採用してもよい。

また、上記では油圧調整機構８０に電磁切換弁８４を設けた場合を説明したが、電磁切換弁８４の代わりに、油圧ポンプ８２から供給される油圧を制御信号に応じた所望圧に減圧する電磁減圧弁を採用してもよい。この場合、回転電機１２の回転速度の増大に応じて油室５４の油圧を増大させ、補助磁性部材５０に作用する遠心力の増大に関係なく、油室５４の油圧を所望圧に、より精度よく調整する構成を採用することもできる。

また、上記では補助磁性部材５０を保持する部材としてＴ字形の保持部材３６を採用した場合を説明したが、保持部材は、ロータ径方向に伸びる脚部を有するＩ字形を有する等、種々の形状を採用できる。

また、上記では、ロータコイル３２ｎ、３２ｓ、３４ｎ、３４ｓとして、各ロータ突極３８ｎ、３８ｓに誘導コイルであるロータコイル３２ｎ、３２ｓと共通コイルであるロータコイル３４ｎ、３４ｓとの２種類のコイルを巻回する場合を説明した。ただし、本発明では、このような構成に限定せず、例えば各ロータ突極３８ｎ、３８ｓに１種類のロータコイルのみを巻回し、各ロータコイルに選択された極性で短絡するようにダイオードを接続した構成を採用してもよい。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。例えば、ステータコイルはステータに集中巻きで巻線する場合を説明したが、ステータで高調波成分を含む回転磁界を生成できるのであればステータにステータコイルを分布巻きで巻線する構成としてもよい。

１０回転電機システム、１２回転電機、１４ロータ、１６ステータ、２０ステータコア、２２ｕ，２２ｖ，２２ｗステータコイル、２４ステータ突極、２６スロット、２８回転軸、３０ロータコア、３２ｎ、３２ｓ、３４ｎ、３４ｓロータコイル、３６保持部材、３７ａ、３７ｂ端部部材、３８ｎ、３８ｓロータ突極、４０スロット、４２第１ダイオード、４４第２ダイオード、４８保持部、５０補助磁性部材、５２バネ、５４油室、５８脚部、６０梁部、６１スライド溝、６６軸側油路、７２端部油路、７４外部油路、７６油溜まり、８０油圧調整機構、８２油圧ポンプ、８４電磁切換弁、９０制御装置、９４領域判定部、９６弁制御部、９８記憶部、１００トランスアクスル、１０２ハイブリッド車両、１０４エンジン、１０６車輪、１０７，１０８ケース、１１０第２回転電機。

Claims

回転磁界を生成するステータと、前記ステータに対向して回転するロータとを含む回転電機を備える回転電機システムであって、
前記ロータは、
周方向複数個所に設けられたロータ突極を含むロータコアと、
前記各ロータ突極に巻回されたロータコイルと、
前記ロータコアの各スロット内の前記ロータコイル間に配置された保持部材と、を含み、
前記保持部材は、
非磁性部材からなり、前記スロット内でスロットの径方向に延びるスライド溝を有する保持部と、
前記保持部のスライド溝内部に移動可能に挿入され、前記ステータから前記スロット内に漏れ出る漏れ磁束を前記ロータコイルに誘導する磁束誘導部材である補助磁性部材と、
前記スライド溝の少なくともいずれか一端と前記補助磁性部材との間に設けられる油室と、を備え、
さらに、前記油室に接続され、前記油室内の油圧の調整機能を有する油圧調整機構を備えることを特徴とする回転電機システム。
請求項１に記載の回転電機システムにおいて、
前記ロータは、前記ロータコイルに接続され、ロータコイル電流を一方向に整流する整流部を含み、
各ロータコイル電流によって前記ロータ突極が周方向に交互に異なる極性となることを特徴とする回転電機システム。
請求項１または請求項２に記載の回転電機システムにおいて、
前記保持部は、前記ロータの径方向に延設される脚部と、前記脚部の前記ロータ径方向の外端部に結合されて、隣り合う前記ロータ突極間の前記ロータコイルの外側にかけ渡された梁部とを有し、断面Ｔ字形に形成されることを特徴とする回転電機システム。
請求項１から請求項３のいずれか１に記載の回転電機システムにおいて、
取得された要求トルクと取得された前記ロータの回転速度との少なくとも一方に応じて前記油室内の油圧を変化させるように前記油圧調整機構を制御する制御装置を備えることを特徴とする回転電機システム。
請求項４に記載の回転電機システムにおいて、
前記制御装置は、取得された前記ロータの回転速度が所定速度以下で、かつ、取得された要求トルクが前記回転速度に応じて設定された設定トルク以上である低速高トルク条件成立の場合に、前記補助磁性部材を前記スライド溝内で外側に移動させるように前記油圧調整機構を制御することを特徴とする回転電機システム。
請求項４に記載の回転電機システムにおいて、
前記制御装置は、取得された前記ロータの回転速度が所定速度以下で、かつ、取得された要求トルクが前記回転速度に応じて設定された設定トルク未満である低速低トルク条件成立の場合、及び、取得された前記ロータの回転速度が所定速度を超える高速条件成立の場合に、前記補助磁性部材を前記スライド溝内で内側に移動させるように前記油圧調整機構を制御することを特徴とする回転電機システム。
請求項１から請求項６のいずれか１に記載の回転電機システムにおいて、
前記保持部材は、前記スライド溝の一端と前記補助磁性部材との間に設けられた弾性部材と、
前記スライド溝の他端と前記補助磁性部材との間に設けられる油室と、を備えたことを特徴とする回転電機システム。