JP6369309B2

JP6369309B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP6369309B2
Application number: JP2014244751A
Authority: JP
Inventors: 真大青山
Original assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Current assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Priority date: 2014-12-03
Filing date: 2014-12-03
Publication date: 2018-08-08
Anticipated expiration: 2034-12-03
Also published as: JP2016111750A

Description

本発明は、フラックススイッチングモータとして機能する回転電機に関する。

従来、ロータの表面に永久磁石を設けた表面磁石型の同期モータ（SPMSM：Surface Permanent Magnet Synchronous Motor）が知られている。この表面磁石型の同期モータの永久磁石をステータ側に配置し、鉄心のみのロータにして堅牢性を向上させたフラックススイッチングモータが提案されている。

さらに、このようなフラックススイッチングモータにおいて、ステータ側に配置された永久磁石を電磁石に置き換えて界磁調整可能にした巻線界磁型のフラックススイッチングモータが提案されている。この巻線界磁型のフラックススイッチングモータは、直流電流を供給されて直流励磁される界磁巻線と、交流電流を供給されて交流励磁される電機子巻線と、をステータの突極に配置してそれぞれに電力供給することにより、ロータを回転駆動させるようになっている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１３−２０１８６９号公報

しかしながら、このような回転電機にあっては、界磁巻線に直流電流を供給する直流電
源と、電機子巻線に交流電流を供給する交流電源と、が必要であることから、装置構成が
大掛かりになってしまう、という問題があった。

例えば、車載する場合には、搭載するバッテリを電源として、電機子巻線に電力供給するために直流電流を交流電流に変換するＤＣ／ＡＣインバータを備えるとともに、界磁巻線に適した電圧で直流電流を供給するために変換するチョッパ回路等のＤＣ／ＤＣコンバータを備えさせることが行われている。

この場合には、直流電流と交流電流の供給元としてバッテリを共通利用することを可能にしているが、チョッパ回路が必要であるとともに、そのチョッパ制御用のコントローラが必要になって、複雑な回路や制御により、小型化の妨げになっていた。

そこで、本発明は、複雑な回路や制御を必要とすることなく、電機子巻線への交流電力供給と界磁巻線への直流電力供給とを簡易に実現して、小型化の可能な回転電機を提供することを目的としている。

上記課題を解決する回転電機の発明の一態様は、並列に配置されて交流電力の異なる位相の電流をそれぞれ供給され励磁される複数の電機子巻線と、直流電力を供給されて励磁される複数の界磁巻線と、を備える回転電機であって、前記電機子巻線と前記界磁巻線との間に介在して当該電機子巻線の各相毎に対応するように並列接続される複数の整流素子と、前記整流素子と前記界磁巻線との間に並列接続されるコンデンサと、前記界磁巻線の前段に介在して該界磁巻線を接続または切断する第１切換スイッチと、前記第１切換スイッチを制御して前記コンデンサの充電と放電とを切り換える制御部と、を有するものである。

このように本発明の一態様によれば、交流電源から電機子巻線に供給される各相の電流を整流素子により整流させて界磁巻線に供給することができる。
すなわち、チョッパ回路のような複雑な回路やチョッパ制御のような複雑な制御を必要とすることなく、電機子巻線に交流電力を供給しつつ界磁巻線に直流電力を供給することを簡易な整流回路により実現することができる。
したがって、小型化が容易な回転電機を提供することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る回転電機を示す図であり、そのモータ構造を示す回転軸に直交する断面図である。図２は、ロータとステータとの間で形成される磁気回路を示す一部拡大概念モデル図である。図３は、ロータとステータとが図２の状態から相対回転したときに形成される磁気回路を示す一部拡大概念モデル図である。図４は、ロータとステータとの間で受け渡される磁束により形成される磁束密度分布を示す磁束線図である。図５は、電機子巻線と界磁巻線に電力供給する電源の回路図である。図６は、図５の電源回路で供給する電力波形を示す電力波形図である。図７は、電機子巻線と界磁巻線に供給する電流波形の位相を変化させたときのトルク波形を示すトルク波形図である。図８は、本発明の第２実施形態に係る回転電機を示す図であり、電機子巻線と界磁巻線に電力供給する電源の回路図である。図９は、図８の電源回路で界磁巻線に供給する電力波形を示すスイッチング波形図である。図１０は、図８の電源回路で発生する可能性のあるサージ電圧を説明する電力波形図である。図１１は、上述実施形態の他の態様を示す図であり、そのモータ構造を示す回転軸に直交する断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。
（第１実施形態）
図１〜図７は本発明の第１実施形態に係る回転電機を示す図である。
図１において、回転電機１００は、回転軸１０１を中心にして一体回転する円筒形状のロータ１１０と、このロータ１１０を回転自在に収容する概略円筒形状のステータ１２０と、を備えている。回転電機１００は、例えば、コストダウンや小型化と共に大出力を要求されるハイブリッド自動車や電気自動車に駆動源として好適に搭載される。

回転電機１００は、所謂、フラックススイッチングモータと同様に、ステータ１２０側に配置する電機子巻線１２５および界磁巻線１２６に電力供給してロータ１１０側を経由する磁気回路を形成することにより電磁石トルクを発生させて回転駆動させるようになっている。

ここで、フラックススイッチングモータは、モータ駆動用周波数の２倍の周波数で励磁させるため、リラクタンストルク、すなわち、所謂、ｄ軸インダクタンスやｑ軸インダクタンスと同期させることができない。このことから、フラックススイッチングモータは、リラクタンストルクで駆動するのではなく、ステータ側から励磁させる直流磁界（静止磁界）を利用した電磁石（マグネット）トルクで駆動する。すなわち、フラックススイッチングモータは、永久磁石モータとして駆動する構造としては、ＳＰＭ（表面磁石型）モータと対比する同等の構造となっている。

ロータ１１０は、回転軸１０１を固定するハブ１１９と、ハブ１１９と一緒の同一部材に形成されて回転軸１０１の軸心から離隔する方向に延伸されている複数の突極１１１と、隣接する突極１１１間に嵌め込まれて保持されている複数のロータコア１１５と、を備えて構築されている。

このロータ１１０は、突極１１１とロータコア１１５が回転軸１０１を中心にするハブ１１９周りの１０箇所に均等配置された１０極の形態で作製されており、その突極１１１とロータコア１１５の外周面側が滑らかに連続する円筒形状に外形を形成されて回転軸１０１と一体回転するようになっている。

ロータコア１１５は、例えば、磁性体の電磁鋼板を回転軸１０１の延長方向に積層して作製されている。突極１１１およびハブ１１９は、例えば、非磁性体のアルミ材料を切削加工または成型加工して、あるいは、アルミ板を回転軸１０１の延長方向に積層して一体形状に作製されている。

ステータ１２０は、ロータ１１０の円筒形状の外周面に向かう突極形状に延伸されて電機子巻線１２５と界磁巻線１２６とを配置される複数の磁極１２１を備えている。このステータ１２０は、例えば、ロータコア１１５と同様に、磁性体の電磁鋼板を回転軸１０１の延長方向に積層して作製されている。

磁極１２１は、円筒形状の外周面側のヨーク１２９と一緒の同一部材に形成されている。この磁極１２１は、ロータ１１０の突極１１１やロータコア１１５の外周面１１１ａ、１１５ａに対して内周面側の端面１２１ａが微小のギャップＧを介して対面するように形成されており、ヨーク１２９からロータ１１０の外周面側に向かって延伸されている突極形状に形成されて並列されている。

この磁極１２１は、ヨーク１２９の内周面側の２４箇所に均等配置されており、ロータコア１１５が回転軸１０１周りの１０極を構成するのに対して、電機子巻線１２５や界磁巻線１２６として機能する巻線コイルを巻き付ける際に利用する２４箇所のスロット１２２を磁極１２１間に形成している。

電機子巻線１２５と界磁巻線１２６とは、１つ置きの磁極１２１にそれぞれが位置するように、巻線コイルを集中巻きになるように巻き付けて設置されており、相対回転するロータ１１０のロータコア１１５に対して交互に対面するように構築されている。

電機子巻線１２５は、３相の交流電力を供給して交流励磁させるようになっており、界磁巻線１２６は、直流電流を供給して直流励磁させるようになっている。このため、ステータ１２０では、Ｕ相用電機子巻線１２５ｕと、Ｖ相用電機子巻線１２５ｖと、Ｗ相用電機子巻線１２５ｗと、が１つ置きの磁極１２１に順次に配置されて、それぞれの間の磁極１２１に界磁巻線１２６が位置するように配置されている。

これに対して、ロータ１１０は、回転軸１０１と直交する断面形状において、突極１１１の外周面１１１ａ側とハブ１１９側とが同一幅に形成されて、その突極１１１の側面１１１ｂのハブ１１９側に近接する箇所を突出させることにより、ハブ１１９側に近接する側面１１１ｂ間を狭くする突出形状部１１２が形成されている。

そして、ロータコア１１５は、突極１１１間の空間に一致する形状に形成されており、突極１１１の側面１１１ｂの突出形状部１１２を嵌め込み可能な窪み形状の受け形状部１１６が形成されている。

この結果、ロータコア１１５は、外周面１１５ａ側から回転軸１０１に向かって、突極１１１の側面１１１ｂ間の幅が狭くなるのに合わせて、回転方向の厚さが徐々に薄くなる形状に形成されており、受け形状部１１６の最深部１１６ａを越えた箇所からハブ１１９側に至るまでは反対に徐々に厚くなる形状に形成することによりクサビとして機能するクサビ部１１７が設けられている。

この構造により、ロータ１１０は、ロータコア１１５を回転軸１０１の延長方向の一端側から突極１１１間の空間に差し込んでスライドさせ嵌め込むことにより、外周面１１１ａ、１１５ａが滑らかに連続する円筒形状にすることができる。また、ロータ１１０は、回転時に突極１１１間から離脱させようとする遠心力がロータコア１１５に掛かったとしても、そのロータコア１１５のクサビ部１１７が突極１１１の突出形状部１１２の頂部１１２ａまでの斜面１１２ｂに突き当たって保持されるように形成されている。

また、ロータコア１１５は、ステータ１２０側に開口する突極１１１間の開口幅に一致する外周面１１５ａがステータ１２０の隣接する磁極１２１の２つに同時に対面することができる幅（厚さ）を有するように形成されている。このロータコア１１５は、外周面１１５ａの外側のエッジ間距離と、その外周面１１５ａに対面する２つの磁極１２１の端面１２１ａの外側のエッジ間距離とが一致するように、回転軸１０１側よりも外周面１１５ａ側を厚く形成されている。

そして、回転電機１００は、ステータ１２０の電機子巻線１２５および界磁巻線１２６に、後述する電源回路３００から交流電力と直流電力とをそれぞれ供給して励磁させることにより、所謂、フラックススイッチングモータと同様に、ロータ１１０を回転駆動させるようになっている。

このとき、図２に示すように、電機子巻線１２５や界磁巻線１２６に電力供給することにより発生させる磁束（図中には直流励磁により発生させる直流磁束φｄｃを図示）は、１つの磁極１２１からロータコア１１５の外周面１１５ａの端辺側から鎖交した後にはその外周面１１５ａの反対側端辺側から隣接する磁極１２１に鎖交してステータ１２０のヨーク１２９側を迂回する磁気回路を形成することができる。

このため、磁極１２１毎に電機子巻線１２５と界磁巻線１２６とを交互に集中巻きして電力供給する回転電機１００でも、図３に示すように、ステータ１２０に対してロータ１１０が相対回転した場合にも、隣接する磁極１２１に磁束の通過する磁路を形成して磁気回路を維持することができる。

したがって、回転電機１００は、図４の磁束線図に示すように、トルク発生面Ｔとして図示する箇所において、ロータコア１１５内で磁束線ＦＬが集中する磁束線密度に差を生じさせて回転力として機能する電磁石トルクを発生させることができる。

電源回路３００は、図５に示すように、車載されているバッテリ３０１にインバータ３０２を接続して蓄電電力を交流電力として取り出すようになっている。すなわち、バッテリ３０１とインバータ３０２とで交流電源を構成している。なお、インバータ３０２は、後述の第２実施形態で説明するコントローラ４００で同様に制御されるようになっている。

また、電源回路３００は、インバータ３０２に接続する電機子巻線１２５のＹ結線における中性点位置にダイオードブリッジ３１０を接続し、さらに、界磁巻線１２６を直列接続する回路構成となっている。

インバータ３０２は、電機子巻線１２５を構成する、Ｕ相用電機子巻線１２５ｕ、Ｖ相用電機子巻線１２５ｖおよびＷ相用電機子巻線１２５ｗを、それぞれ各相毎に直列接続することにより、バッテリ３０１に蓄電されている直流電力を、直流（ＤＣ）／交流（ＡＣ）変換した交流電力として供給し、それぞれ交流励磁するようになっている。

ダイオードブリッジ３１０は、インバータ３０２の各相に対応するように、同一の整流方向となるように２つ一組の整流ダイオード（整流素子）３１１ｕ、３１２ｕと、整流ダイオード３１１ｖ、３１２ｖと、整流ダイオード３１１ｗ、３１２ｗとがそれぞれ直列接続されて両端側を並列接続される回路構成に構築されている。

このダイオードブリッジ３１０は、整流ダイオード３１１ｕ、３１２ｕと、整流ダイオード３１１ｖ、３１２ｖと、整流ダイオード３１１ｗ、３１２ｗとのそれぞれの各組の中間部に、各相毎のＵ相用電機子巻線１２５ｕ、Ｖ相用電機子巻線１２５ｖおよびＷ相用電機子巻線１２５ｗのインバータ３０２とは反対側端部が接続されており、その整流ダイオード３１１ｕ、３１２ｕと、整流ダイオード３１１ｖ、３１２ｖと、整流ダイオード３１１ｗ、３１２ｗとのそれぞれの各組の両端部を共通の接続点として、直列接続されている界磁巻線１２６に並列接続されている。

この回路構成により、回転電機１００は、インバータ３０２を介して交流電力を電機子巻線１２５の各相に供給して交流励磁するとともに、図６に示すように、その電機子巻線１２５を経由した交流電力を各相毎にダイオードブリッジ３１０の整流ダイオード３１１ｕ、３１２ｕと、整流ダイオード３１１ｖ、３１２ｖと、整流ダイオード３１１ｗ、３１２ｗとのそれぞれの各組で整流して直流電力として界磁巻線１２６に供給し直流励磁することができる。

また、界磁巻線１２６は、全直列接続されているので、界磁巻線インダクタンスを大きくして界磁電流リプルを低減することができ、安定した直流界磁とすることができる。

したがって、回転電機１００は、車載のバッテリ３０１を利用して、インバータ３０２により電機子巻線１２５に交流電力を供給するのに加えて、ダイオードブリッジ３１０を介在させる電源回路３００を備えるだけで、界磁巻線１２６に直流電力を供給することができる。

また、この回転電機１００では、図７に示すように、全直列接続した界磁巻線１２６に供給する電流位相を変化させても多少の変動が生じるだけの安定したトルクでロータ１１０を回転駆動させることができる。

このように、本実施形態においては、バッテリ３０１にインバータ３０２を接続して電機子巻線１２５に交流電力を供給するとともに、その電機子巻線１２５に複数の整流ダイ
オード３１１ｕ、３１１ｖ、３１１ｗおよび３１２ｕ、３１２ｖ、３１２ｗからなるダイオードブリッジ３１０と界磁巻線１２６を直列接続するだけで、その界磁巻線１２６に直流電力を供給することができ、回転電機１００をフラックススイッチングモータと同様に駆動させることができる。また、界磁巻線１２６は、直列接続してダイオードブリッジ３１０の両端側に結線接続するだけなので、ステータ１２０における接続導線を容易かつ簡易に取り回すことができる。

このため、回転電機１００は、複雑なチョッパ回路やチョッパ制御等が必要なＤＣ／ＤＣコンバータやコントローラを用いないため、チョッパ回路による損失を発生させることなく作製できる。さらに、界磁巻線１２６用の電源ラインを電源回路３００の外部から引き込まないため、簡易に作製することができる。このように、部品点数を少なくできることから安価に作製することもできる。

また、この電源回路３００は、ステータ１２０のコイルエンド側端面に設置する基盤内に配置するなどして容易に小型化することができる。

（第２実施形態）
図８〜図１０は本発明の第２実施形態に係る回転電機を示す図である。なお、本実施形態は、上述の第１実施形態と略同一に構成されているので、同様の構成には同一の符号を付して主に特徴部分を説明する。

図８において、本実施形態の回転電機１００は、電源回路３００のダイオードブリッジ３１０の両端側に、整流ダイオード３１１ｕ、３１１ｖ、３１１ｗおよび３１２ｕ、３１２ｖ、３１２ｗと同一の整流方向となる制限ダイオード３５１が並列接続されている。

また、この電源回路３００は、ダイオードブリッジ３１０と制限ダイオード３５１の間に、界磁巻線１２６に供給するのに十分な容量の電荷を充電することができるコンデンサ３５２も並列接続されている。

この回路構成により、電源回路３００は、インバータ３０２から出力されてダイオードブリッジ３１０において交流電力から整流された直流電力を、下流側のコンデンサ３５２に印加して充電することができ、また、その直流電力を供給する界磁巻線１２６への逆向きの電力供給を制限ダイオード３５１により制限することができる。

この電源回路３００は、ダイオードブリッジ３１０の一端側に直列接続する界磁巻線１２６の上流側（前段）に、第１切換スイッチ３６１と第２切換スイッチ３６２とが間に介在するように直列接続されており、ダイオードブリッジ３１０内には、第１短絡スイッチ３７１と第２短絡スイッチ３７２とが組み込まれている。

第１切換スイッチ３６１は、制限ダイオード３５１のカソードの接続箇所よりも前段に位置するとともに、ダイオードブリッジ３１０に並列接続されるコンデンサ３５２よりも下流側（後段）に位置して界磁巻線１２６に直列接続されており、界磁巻線１２６をコンデンサ３５２側から切り離すことができるようになっている。

第２切換スイッチ３６２は、並列接続されるコンデンサ３５２とダイオードブリッジ３１０の一端側に介在して第１切換スイッチ３６１の前段に位置するように接続されており、コンデンサ３５２をダイオードブリッジ３１０（電機子巻線１２５）側から切り離すことができるようになっている。

第１短絡スイッチ３７１は、Ｕ相用電機子巻線１２５ｕとＶ相用電機子巻線１２５ｖのインバータ３０２の反対側端部を接続するダイオードブリッジ３１０の整流ダイオード３１１ｕ、３１２ｕと、整流ダイオード３１１ｖ、３１２ｖの間の中間部の接続接点間を接続または切断するように配置されており、そのＵ相用電機子巻線１２５ｕとＶ相用電機子巻線１２５ｖの端部間を短絡してＹ結線の中性点とするようになっている。

第２短絡スイッチ３７２は、第１短絡スイッチ３７１と同様に、Ｖ相用電機子巻線１２５ｖとＷ相用電機子巻線１２５ｗのインバータ３０２の反対側端部を接続するダイオードブリッジ３１０の整流ダイオード３１１ｖ、３１２ｖと、整流ダイオード３１１ｗ、３１２ｗの間の中間部の接続接点間を接続または切断するように配置されており、そのＶ相用電機子巻線１２５ｖとＷ相用電機子巻線１２５ｗの端部間を短絡してＹ結線の中性点とするようになっている。

これらスイッチ３６１、３６２、３７１、３７２は、回転電機１００を統括制御するコントローラ４００によりインバータ３０２と共に制御されるようになっており、ダイオードブリッジ３１０と界磁巻線１２６の間において、制限ダイオード３５１とコンデンサ３５２と共にバックコンバータ回路として機能して界磁巻線１２６への界磁電流の供給を制御して可変界磁させるようになっている。

コントローラ４００は、ＣＰＵがメモリ内に格納されている制御プログラムを各種パラメータ等に基づいて実行するようになっており、バッテリ３０１の蓄電電力のインバータ３０２を介する供給と共に、スイッチ３６１、３６２、３７１、３７２を適宜オン／オフするスイッチング制御を最適タイミングで行って、電機子巻線１２５の交流励磁と界磁巻線１２６の直流励磁を実現するようになっている。

この回路構成により、回転電機１００は、インバータ３０２を介する交流電力を電機子巻線１２５の各相に供給して交流励磁した後に、ダイオードブリッジ３１０で整流した直流電力を並列されている下流側のコンデンサ３５２や制限ダイオード３５１に印加して界磁巻線１２６に適宜供給することができる。

具体的に、コントローラ４００は、インバータ３０２から出力されてダイオードブリッジ３１０で交流電流から直流電流に整流した電力を下流側のコンデンサ３５２に充電する際に、また、そのコンデンサ３５２内に蓄電する電力を放電する際に、次の手順（方法）に従って、スイッチ３６１、３６２、３７１、３７２の切換制御を実行するようになっている。

まず、コンデンサ３５２に電荷をチャージして充電する際には（ステップＳ１）、第１切換スイッチ３６１をオフ（切断状態）にするとともに第２切換スイッチ３６２をオン（接続状態）にして、コンデンサ３５２を充電可能な回路内に組み込みつつ電力消費する界磁巻線１２６側から切り離す。

また、このステップＳ１では、ダイオードブリッジ３１０の第１、第２短絡スイッチ３７１、３７２をオフにして電機子巻線１２５をオープンエンド（開状態）にする。

これにより、コンデンサ３５２は、インバータ３０２から出力される交流電流をダイオードブリッジ３１０で整流して直流電流を充電することができる。

次いで、コンデンサ３５２への充電が完了して満充電状態になった後には（ステップＳ２）、ダイオードブリッジ３１０の第１、第２短絡スイッチ３７１、３７２をオンにして電機子巻線１２５をクローズエンド（閉状態）にするとともに、第２切換スイッチ３６２をオフにすることでインバータ３０２（電機子巻線１２５）側からコンデンサ３５２を切り離す。このとき、第１切換スイッチ３６１は、オフ（切断状態）のままである。

これにより、回転電機１００は、インバータ３０２から出力される交流電流によりロータ１１０を回転駆動させるように電機子巻線１２５をクローズエンドのモータ回路にすることができる。

次いで、ダイオードブリッジ３１０の第１、第２短絡スイッチ３７１、３７２をオンのまま電機子巻線１２５のクローズエンドを維持しつつ、また、第２切換スイッチ３６２をオフのままインバータ３０２（電機子巻線１２５）側からコンデンサ３５２を切り離した状態を維持しつつ、第１切換スイッチ３６１をオン／オフする切換制御を実行する（ステップＳ３）。

これにより、回転電機１００は、コンデンサ３５２から界磁巻線１２６に直流電力を所望のタイミングで供給して自己励磁させてロータ１１０の回転駆動を補助させることができる。この第１切換スイッチ３６１の切換制御としては、例えば、図９に示すように、高周波や低周波においてデューティ比を５０％にする切換タイミングでオン／オフすることにより、所望の直流電力を界磁巻線１２６に供給することができる。

この後に、界磁巻線１２６の磁力が低下（供給電圧や供給電流の低下でもよい）してコンデンサ３５２の蓄電電力が少なくなったことを検出した場合には（ステップＳ４）、ステップＳ１に戻って、第１切換スイッチ３６１をオフ、第２切換スイッチ３６２をオン、ダイオードブリッジ３１０の第１、第２短絡スイッチ３７１、３７２をオフにして、電機子巻線１２５をオープンエンドにするとともに、コンデンサ３５２を界磁巻線１２６側から切り離して、コンデンサ３５２に充電する制御処理を繰り返す。

この制御処理を実行する際、少なくとも第２切換スイッチ３６２は、ダイオードブリッジ３１０の第１、第２短絡スイッチ３７１、３７２をオンにした後に、オフにするのが好ましい。これは、ダイオードブリッジ３１０の第１、第２短絡スイッチ３７１、３７２をオフにして電機子巻線１２５をオープンエンドにしたまま、第２切換スイッチ３６２をオフにしてコンデンサ３５２を切り離すと、図１０に示すように、オープンエンドの電機子巻線１２５に蓄えられているインダクタエネルギの行き場がなくなって、インバータ３０２の耐圧を遥かに越えるサージ電圧がそのインバータ３０２に流れ込んで破損させてしまうためである。

したがって、回転電機１００は、車載のバッテリ３０１を利用して、電機子巻線１２５に交流電力を供給しつつ、界磁巻線１２６に供給する直流電力をサージ電圧が発生させることを回避しつつ調整して可変界磁制御することができ、ロータ１１０を回転させるトルクをより高品質かつ高精度に制御することができる。

このように、本実施形態においては、界磁巻線１２６の前段（コンデンサ３５２の後段）に直列に第１切換スイッチ３６１を接続するので、その第１切換スイッチ３６１のオン／オフを制御して所望のタイミングにコンデンサ３５２から界磁巻線１２６に直流電力を供給して可変界磁制御を実行することができる。また、第１切換スイッチ３６１は、界磁巻線１２６からコンデンサ３５２を適宜切り離して充電することができる。なお、このコンデンサ３５２から供給する直流電力はダイオードブリッジ３１０から直接出力する場合よりも平滑化させることができる。

また、ダイオードブリッジ３１０の後段（コンデンサ３５２の前段）に直列に第２切換スイッチ３６２を接続して、電機子巻線１２５の各相毎にインバータ３０２の反対側端部の間を短絡させる第１、第２短絡スイッチ３７１、３７２をダイオードブリッジ３１０内に配置するので、電機子巻線１２５のインバータ３０２の反対側をオープンエンドとクローズエンドとに切り換えてコンデンサ３５２の充電の開始／停止を所望のタイミングに実行することができる。

また、このとき、コントローラ４００は、第１、第２短絡スイッチ３７１、３７２をオンにして電機子巻線１２５をクローズエンドにした後に第２切換スイッチ３６２をオフすることによりサージ電圧がインバータ３０２側に侵入してしまうことを未然に防止することができる。

したがって、回転電機１００は、バックコンバータ機能を備えて、界磁巻線１２６に印加する直流電力を精度よく調整して、高精度なトルク制御を実行することができる。

また、電源回路３００は、このようにバックコンバータとして機能するためのダイオードブリッジ３１０や制限ダイオード３５１やコンデンサ３５２なども含めて、ステータ１２０のコイルエンド側端面に設置する基盤内に構築することができ、冷却が必要な場合にはコイルエンドに設置するモータ用冷却機構を流用してインバータ３０２の冷却も小型な構造で実現することができる。

（他の実施形態）
ここで、上述の第１、第２実施形態では、電機子巻線１２５と界磁巻線１２６とを集中巻きする場合を一例にして説明するが、これに限るものではない。例えば、図１１に示す回転電機２００においても電源回路３００を搭載させてもよい。回転電機２００は、簡単に説明すると、回転電機１００と概略同様に構成されており、ステータ２２０内のロータ２１０を回転軸２０１と一体回転させるようになっている。

ロータ２１０は、回転軸２０１を固定するハブ２１９に１０極の突極２１１が均等配置されており、ステータ２２０には、２４箇所のスロット２２２を形成する複数の磁極２２１が形成されている。このロータ２１０の突極２１１の外周面２１１ａとステータ２２０の磁極２２１の端面２２１ａとは、一致する幅で対面するように形成されており、第１実施形態とは異なって、隣接する位置では同時に対面することができない構造になっている。

このことから、ステータ２２０は、１つのスロット２２２を挟む２つの磁極２２１に巻線コイルを巻き掛ける分布巻きにして電機子巻線２２５および界磁巻線２２６を設置しており、この電機子巻線２２５および界磁巻線２２６は、１つの磁極２２１だけずらして重なる状態となる分布巻きにして周方向に交互に位置するように配置されている。

このため、ステータ２２０は、１つ置きの磁極２２１が、言い換えると、１つの磁極２２１を挟む両側の２つの磁極２２１が、ロータ２１０の隣接する突極２１１に同時に対面するように形成されており、ロータ２１０は、２つの突極２１１とハブ２１９とを介して１つ置きの磁極２２１との間で磁束を鎖交させて磁気回路を形成するように構築されている。

具体的には、電機子巻線２２５は、Ｕ相用電機子巻線２２５ｕと、Ｖ相用電機子巻線２２５ｖと、Ｗ相用電機子巻線２２５ｗと、が１つ置きのスロット２２２を共通使用して巻線コイルを２つの磁極２２１に巻き掛ける分布巻きとして順次に周方向に連続するように配置されている。また、界磁巻線２２６は、空いているスロット２２２を利用して２つの磁極２２１に巻線コイルを巻き掛ける分布巻きとして周方向に連続するように配置されている。

この回転電機２００でも、回転電機１００と同様に、電源回路３００から、電機子巻線２２５に３相の交流電力を供給して交流励磁させるとともに、界磁巻線２２６に直流電流を供給して直流励磁させるようになっている。

このとき、回転電機２００では、ステータ２２０の磁極２２１から鎖交させる磁束を、ロータ２１０の突極２１１からハブ２１９をヨークとして迂回させて隣の突極２１１から１つ飛ばした磁極２２１に鎖交させてステータ２２０のヨーク２２９側を迂回する磁気回路を形成するようになっており、回転電機１００と同様に、回転力として機能する電磁石トルクを発生させるようになっている。

また、回転電機１００、２００のようなラジアルギャップ構造に限らすに、アキシャルギャップ構造のフラックススイッチングモータにも適用して、同様の作用効果を得ることができる。さらに、回転電機１００、２００のような１０極２４スロットに限定されることはなく、他の組み合わせのフラックススイッチングモータの構造にも適用することができる。

また、ロータ１１０、２１０やステータ１２０、２２０は、電磁鋼板の積層構造で作製するばかりでなく、例えば、鉄粉などの磁性を有する粒子の表面を絶縁被覆処理した軟磁性複合粉材（Soft Magnetic Composites）をさらに鉄粉圧縮成形および熱処理製造した圧粉磁心、所謂、ＳＭＣコアを採用してもよい。このＳＭＣコアは、成形が容易であることからアキシャルギャップ構造にも好適である。また、アルミ導体を用いてロータやステータを作製しても同様に機能させることができる。

さらに、ダイオードブリッジ３１０は、整流ダイオード３１１ｕ、３１２ｕ、３１１ｖ、３１２ｖ、３１１ｗ、３１２ｗに限るものではなく、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのスイッチング素子を整流素子として構築してもよい。また、三相のモータ構造に限定されるものではなく、例えば、五相や六相のモータ構造でも、直列させる整流ダイオードの上下一組（所謂、レグ）の数を対応させることで実現することができる。

この回転電機１００、２００は、車載用に限定されるものではなく、例えば、風力発電や、工作機械などの駆動源として好適に採用することができる。

本発明の実施形態を開示したが、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及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。

１００、２００回転電機
１０１、２０１回転軸
１１０、２１０ロータ
１１１、２１１突極
１１１ａ、２１１ａ外周面
１１５ロータコア
１２０、２２０ステータ
１２１、２２１磁極
１２１ａ、２２１ａ端面
１２５、２２５電機子巻線
１２６、２２６界磁巻線
３００電源回路
３０１バッテリ
３０２インバータ
３１０ダイオードブリッジ
３１１ｕ〜３１２ｗ整流ダイオード（整流素子）
３５１制限ダイオード
３５２コンデンサ
３６１第１切換スイッチ
３６２第２切換スイッチ
３７１第１短絡スイッチ
３７２第２短絡スイッチ
４００コントローラ

Claims

並列に配置されて交流電力の異なる位相の電流をそれぞれ供給され励磁される複数の電機子巻線と、直流電力を供給されて励磁される複数の界磁巻線と、を備える回転電機であって、
前記電機子巻線と前記界磁巻線との間に介在して当該電機子巻線の各相毎に対応するように並列接続される複数の整流素子と、
前記整流素子と前記界磁巻線との間に並列接続されるコンデンサと、
前記界磁巻線の前段に介在して該界磁巻線を接続または切断する第１切換スイッチと、
前記第１切換スイッチを制御して前記コンデンサの充電と放電とを切り換える制御部と、を有する回転電機。
前記電機子巻線の各相の端部間を接続状態または切断状態にする短絡スイッチと、
前記コンデンサの前段に介在して該コンデンサを接続または切断する第２切換スイッチと、を有し、
前記制御部は、前記短絡スイッチが前記接続状態のときに、前記コンデンサを切り離すように前記第２切換スイッチを制御する請求項１に記載の回転電機。
前記界磁巻線および各相毎の前記電機子巻線は、複数の巻線が直列に結線されて構成される請求項１または請求項２に記載の回転電機。