JP6507721B2 - 回転電機および回転電機の電流入力制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、ロータ側に低保磁力磁石が配置されている回転電機およびその電流入力制御方法に関する。

回転電機は、各種駆動装置に駆動源として搭載されており、例えば、電気自動車やハイブリッド車などに車載するために、ロータ側に永久磁石を埋め込んでマグネットトルクを利用し大出力（大トルク）を得られるようにするＩＰＭモータ（Interior Permanent Magnet Motor）が知られている。

このＩＰＭモータは、小型化や高出力化（高エネルギー密度化）の要求から、残留磁束密度が高く、耐熱性を確保できるネオジウム磁石を採用することが一般的に行われている。しかし、ネオジウム磁石は、Ｄｙ（ジスプロシウム）やＴｂ（テルビウム）のように高価な希土類を添加するものであることからコスト高の要因になり、また、将来に渡って供給を確保することが不安定になる可能性もある。

このことから、近年の回転電機においては、高価なネオジウム磁石のような永久磁石に代えて、低保磁力磁石をロータ側に埋め込んで所望の磁力に磁化（所謂、着磁）させることが提案されている（特許文献１）。

特開２００８−４３１７２号公報

しかしながら、この特許文献１に記載のような回転電機にあっては、例えば、車載する場合、バッテリの直流電流をインバータにより交流電流に変換した磁化電流を電機子コイルに入力することによって、低保磁力磁石を可変磁石として所定の磁力に着磁させる必要がある。このことから、このような回転電機を車載する場合には、低保磁力磁石を飽和磁力以上に磁化させるのに必要な磁化電流をインバータから出力する必要がある。

このため、例えば、このような回転電機を車載するには、インバータ等を含む回路の耐電圧や電流容量を十分に高くする必要があり、各種電子機器が大型化してしまうとともに、コスト高になってしまう、という不都合がある。

そこで、本発明は、小さな電流値の磁化電流の入力で、ロータ側に設置した低保磁力磁石を着磁させることのできる回転電機やその電流入力制御方法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、駆動電流の通電により磁束を発生させる電機子コイルを有するステータと、界磁電流の通電により磁束を発生させる界磁コイルを巻かれる複数の突極を有するロータと、を備える回転電機であって、前記ロータは、前記突極に低保磁力磁石が配置されており、前記低保磁力磁石は、前記電機子コイルに通電される前記駆動電流にパルス電流が重畳されて着磁されるものである。

上記課題を解決する回転電機の電流入力制御方法の発明の一態様は、駆動電流の通電により磁束を発生させる電機子コイルを有するステータと、界磁電流の通電により磁束を発生させる界磁コイルを巻かれる複数の突極を有するロータと、を備える回転電機における前記電機子コイルへの電流入力制御方法であって、前記回転電機のロータには、前記突極に低保磁力磁石が配置されており、前記駆動電流を前記電機子コイルに通電する際に、前記駆動電流にパルス電流を重畳して前記低保磁力磁石を着磁させるようにする。

このように本発明の一態様によれば、小さな電流値のパルス電流を磁化電流として電機子コイルに入力するだけで、ロータ側に設置した低保磁力磁石を着磁させることのできる回転電機やその電流入力制御方法を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図であり、その概略全体構成を示す径方向断面図である。 図２は、ステータおよびロータの要部を拡大した径方向断面図である。 図３は、電機子コイルに駆動電流を供給する簡易な回路構成図である。 図４は、電機子コイルを集中巻きまたは分布巻きとして、ギャップを介して鎖交させた場合に回転角に応じて変化する磁束密度を示すグラフである。 図５は、図４に示す磁束に重畳されている空間高調波磁束の次数毎の磁束密度を示すグラフである。 図６は、電機子コイルの各相と、誘導コイルと、界磁コイルとで発生する磁束を比較するグラフである。 図７は、誘導コイルと界磁コイルとをダイオードを介して接続する簡易な回路構成図である。 図８は、電機子コイルのみで低保磁力磁石を着磁させる場合に必要なパルス電流を示す概念図である。 図９は、電機子コイルに加えて界磁コイルを備える構造で低保磁力磁石を着磁させる場合に必要なパルス電流を示す概念図である。 図１０は、電機子コイルにパルス電流を入力する際に発生する電流波形を示す波形図である。 図１１は、低保磁力磁石の着磁時の制御処理を説明するフローチャートである。 図１２は、各種構造で得られるトルクを比較するグラフである。 図１３は、低保磁力磁石の減磁時の制御処理を説明するフローチャートである。

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。図１〜図１３は本発明の一実施形態に係る回転電機およびその電流入力制御方法を説明する図である。

（回転電機の構成）
図１および図２において、回転電機１００は、外部からロータ２１にエネルギー入力する必要のない構造を有しており、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車に搭載するのに好適な性能を有している。

回転電機１００は、概略円筒形状に形成されたステータ（固定子）１１と、駆動軸として回転するシャフト（回転軸）１０１に固定されてステータ１１内に収納されるロータ（回転子）２１と、を備えており、ロータ２１は、シャフト１０１に軸心を一致させて一体回転するように取り付けられている。

ステータ１１には、後述するロータ２１のロータティース２２の外周面２２ａにエアギャップＧを介して内周面１２ａ側を近接対面させるように、径方向に延伸されて突極形状に形成されている複数本のステータティース１２が周方向に均等配置されている。ステータティース１２には、隣接する側面２２ｂ間に形成される空間のステータスロット１３を利用して、相毎の３相巻線をそれぞれ個々に集中巻きすることにより電機子コイル１４が形成されている。

ステータティース１２は、図３に示す車載バッテリ１１１内の直流電流をコントローラ１１０が制御するインバータ１１２により三相の交流電流に変換して回転制御用の駆動電流として電機子コイル１４に入力（供給）することにより、内部（回転軸側）に対面収納されているロータ２１を回転させる磁束を発生する電磁石として機能する。ここで、コントローラ１１０は、車両全体を統括制御する制御プログラムをメモリ１１０ｍ内に格納しており、各種パラメータに従って制御プログラムを実行することにより回転電機１００を回転駆動させるようになっている。

ロータ２１には、ステータティース１２と同様に径方向に延伸されて突極形状に形成されている複数本のロータティース（突極）２２が周方向に均等配置されている。ロータティース２２は、ステータティース１２と全周方向の本数を異ならせて、相対回転時に外周面２２ａがステータティース１２の内周面１２ａに適宜近接対面するように形成されている。

これにより、回転電機１００は、ステータ１１の電機子コイル１４に通電されることにより磁束が発生し、その磁束をステータティース１２の内周面１２ａから対面するロータティース２２の外周面２２ａに鎖交させることができる。この回転電機１００では、ステータティース１２との間で鎖交する磁束が通過する磁路を最短にしようとするリラクタンストルク（主回転力）によりロータ２１を相対回転させる。この結果、回転電機１００は、ステータ１１内で相対回転するロータ２１と軸心を一致させつつ一体回転するシャフト１０１から通電入力する電気的エネルギーを機械的エネルギーとして出力することができる。

このとき、回転電機１００では、ステータティース１２の内周面１２ａからロータティース２２の外周面２２ａに鎖交する磁束には空間高調波成分が重畳している。このため、ロータ２１側でも、ステータ１１側から鎖交する磁束の空間高調波成分の磁束密度の変化を利用して、内蔵するコイルに誘導電流を発生させ電磁力を得ることができる。

詳細には、ステータ１１の電機子コイル１４に基本周波数の駆動電力を供給するだけでは、ロータ２１（ロータティース２２）をその基本周波数で変動する主磁束で回転させるだけであることから、ロータ２１側にコイルを単に配置しても鎖交する磁束に変化はなく誘導電流が生じることはない。

その一方で、磁束には空間高調波成分が重畳しており、その空間高調波成分は基本周波数と異なる周期で時間的に変化しつつロータティース２２に外周面２２ａ側から鎖交する。このことから、基本周波数の磁束に重畳する空間高調波成分は、ロータティース２２の外周面２２ａの近傍にコイルを設置することにより、外部電源からの電力供給を必要とすることなく、効率よく誘導電流を発生させることができる。この結果、鉄損の原因となる空間高調波磁束を自己励磁するためのエネルギーとして回収することができる。

そこで、本実施形態の回転電機１００では、ロータ２１側において、補極コア材２５に集中巻線した誘導コイル２７の全体をロータティース２２間のロータスロット２３内に収容して回転方向に並列配置するとともに、集中巻きして直列接続した界磁コイル２８（２８１、２８２）がロータティース２２の全体で１段となるように配置されている。

補極コア材２５は、ロータティース２２で対面する両側面２２ｂに脚部（支持部）３５を支持させるようになっており、誘導コイル２７を巻き付けた本体部３１をその脚部３５で連結支持してロータティース２２の側面２２ｂ間のロータスロット２３内に位置決め保持するようになっている。

補極コア材２５の本体部３１は、シャフト１０１と平行に延伸されつつ、ロータ２１のロータティース２２の両側面２２ｂに対面して誘導コイル２７を巻き付け可能な板状になるように電磁鋼板を積層することにより形成されている。この補極コア材２５の本体部３１は、ロータティース２２間のロータスロット２３内で、軸心からロータ２１の径方向外方に延伸して誘導コイル２７が巻き付けられ、その径方向外端部３２の外端面３２ａをステータ１１のステータティース１２の内周面１２ａに対面させるようにロータ２１に組み付けられている。なお、この補極コア材２５の本体部３１は、外端部３２がロータ２１の外周面側を軸心側よりも厚くなるように形成されており、巻き付けた誘導コイル２７が回転時の遠心力でずれてしまうことを抑制するようになっている。ここで、ロータ２１の径方向外方とは、軸心を通る直線上において軸心から外周面の外側に向かう方向を意味する。

補極コア材２５の脚部３５は、シャフト１０１と平行に延伸され、電磁鋼板を積層することにより形成されている。この補極コア材２５の脚部３５は、本体部３１のロータ２１の径方向内方端部３１ｉからロータティース２２の両側面２２ｂに向かって支持するように延伸された板状になるように形成されている。また、この脚部３５は、先端部３６を、ロータティース２２の両側面２２ｂに形成されている支持溝３９内に嵌め込むことにより組み付けて（連結させて）本体部３１を支持するようになっている。これにより、補極コア材２５は、脚部３５の先端部３６をロータティース２２の支持溝３９内に回転軸方向の端面側から嵌め込んでスライドさせることにより組み付けるようになっている。ここで、ロータ２１の径方向内方とは、軸心を通る直線上において外周面から軸心側に向かう方向を意味する。

この補極コア材２５の脚部３５は、本体部３１を支持する十分な強度を確保し、幅をできるだけ狭く形成した電磁鋼板を積層して形成されており、例えば、積層する電磁鋼板の２枚分の厚さ以下の幅で回転軸方向に延伸される形状に形成されている。すなわち、この脚部３５は、本体部３１とロータティース２２との間を通過する磁束量をできるだけ制限するように断面積の小さな板状にして、補極コア材２５がロータティース２２と別個の磁極（補極）として機能する磁気的に独立した形態で支持するように形成されている。

これにより、ロータ２１は、補極コア材２５の脚部３５を通過する磁束量が制限され、通過しようとする磁束線が直ちに密になるため、簡単に磁気飽和する。このような構造から、補極コア材２５とロータティース２２との磁気結合を抑制することができ、補極コア材２５をロータティース２２から磁気的に十分に独立した状態で支持することができる。このため、ロータティース２２と補極コア材２５のそれぞれに鎖交する磁束が干渉しあって誘導電流や電磁力の発生効率を低下させてしまうことを回避することができ、ロータ２１を大トルクで高効率回転させることができる。

また、この構造により、ロータ２１は、補極コア材２５をロータティース２２に支持させる前に、そのロータティース２２の軸心側内方側またはロータティース２２の全体に、界磁コイル２８の一部または全部を巻き付けることができ、この後に、補極コア材２５の脚部３５をロータティース２２の支持溝３９に嵌め込んで支持させることができる。

このとき、誘導コイル２７は、ロータティース２２に補極コア材２５の脚部３５を支持させる前に、あるいは、支持させた後に、本体部３１に巻き付ければよい。また、界磁コイル２８は、補極コア材２５の脚部３５よりも径方向内方の第１の界磁コイル２８１と、補極コア材２５の脚部３５よりも径方向外方の第２の界磁コイル２８２とに分割した状態でロータティース２２に巻き付けられており、この第１、第２の界磁コイル２８１、２８２は直列接続されて界磁コイル２８を構成している。

このように補極コア材２５の脚部３５によって支持させることで、ロータ２１は、誘導コイル２７を補極コア材２５の本体部３１に巻き付けてロータ２１の外周面側に位置させることができる。また、補極コア材２５の脚部３５をロータティース２２の支持溝３９に嵌め込んで支持させるため、その補極コア材２５の脚部３５に妨げられることなく、界磁コイル２８（第１の界磁コイル２８１、第２の界磁コイル２８２）をロータティース２２の全体に巻き付けることができる。本発明に係る実施形態によれば、このような構成により、ロータスロット２３内の空間を有効利用して、効率よく誘導コイル２７で誘導電流を発生させることができ、その誘導電流を界磁コイル２８に供給して効果的に電磁力を発生させることができる。

なお、界磁コイル２８（第１の界磁コイル２８１、第２の界磁コイル２８２）は、ロータティース２２の全体（径方向内方と径方向外方の両側）に一工程で巻き付けられる際には、補極コア材２５の脚部３５がロータスロット２３内をスライドする空間を残した状態で巻き付ければよい。また、ロータティース２２に補極コア材２５を支持させる前後に第１の界磁コイル２８１、第２の界磁コイル２８２をそれぞれ巻き付ける際には、そのロータティース２２の軸心側内方（径方向内方）に第１の界磁コイル２８１を巻き付けた後に、補極コア材２５の本体部３１に誘導コイル２７を巻き付ける前に、あるいは、その本体部３１に誘導コイル２７が巻き付けられた状態で、そのロータティース２２の外周側外方（径方向外方）に第２の界磁コイル２８２を巻き付ければよい。

そして、誘導コイル２７は、電磁鋼（磁性体）からなる補極コア材２５を採用することにより、透磁率を高めて磁束を高密度に鎖交可能にしている。また、誘導コイル２７は、ステータティース１２の内周面１２ａとの間に極力小さなエアギャップＧを介して対面する磁路上に位置させることで、より多くの空間高調波磁束を鎖交させるようになっている。この誘導コイル２７は、ステータティース１２の内周面１２ａからロータティース２２の外周面２２ａ側に鎖交する磁束の３次の空間高調波成分を有効利用するように磁界解析を行って厳密に空間高調波磁路を確認し、これにより、効率よく誘導電流を発生させることができるように設置している。なお、誘導コイル２７は、界磁コイル２８との間に必要十分な空隙を確保するようにロータティース２２の間に位置するように配置されている。

このように、集中巻構造を採用することにより、誘導コイル２７や界磁コイル２８では、複数スロットに亘って周方向に巻線をする必要がなく、全体的に小型化することができる。また、誘導コイル２７では、１次側での銅損損失を低減しつつ、低次である回転座標系における３次の空間高調波磁束の鎖交による誘導電流を効率よく発生させて、回収可能な損失エネルギーを増加させることができる。

また、誘導コイル２７には、回転座標系における２次の空間高調波磁束よりも、時間的変化や振幅の大きな回転座標系における３次の空間高調波磁束を利用することにより、効果的に鎖交させて誘導電流を発生させることができ、効率よく回収することができる。

このように、誘導コイル２７および界磁コイル２８は、磁束経路が干渉し合わないように分割されて、ロータティース２２の全長と同等の長さ（幅）にわたって巻線することにより全体を有効利用して磁束を発生させているので、磁気的干渉を低減しつつ、効率よく誘導電流を発生させることができる。これにより、ロータティース２２を効果的に電磁石として機能させて磁束を発生させることができる。

そして、回転電機１００は、３ｆ次の空間高調波磁束（ｆ＝１、２、３・・・）を主に利用する構造として、ロータ２１側の突極（ロータティース２２）の数Ｐ：ステータ１１側のステータスロット１３の数Ｓが２：３になる構造に作製されている。例えば、回転座標系における３次の空間高調波磁束は、電機子コイル１４に入力する基本周波数よりも周波数が高いために短周期で脈動する。このため、ロータ２１は、ロータティース２２間の誘導コイル２７に鎖交する磁束強度が変化することにより、効率的に誘導電流を発生させることができ、基本周波数の磁束に重畳する空間高調波成分の損失エネルギーを効率よく回収して回転することができる。

また、このように、回転電機１００は、ロータ２１側とステータ１１側の間での相対的な磁気的作用の品質を決定する構造として、ロータティース突極数Ｐとステータスロット数Ｓの比としてＰ／Ｓ＝２／３を採用するのは、電磁振動を低減して電磁騒音の小さな回転を実現するためである。

詳細には、上記と同様に磁束密度分布の磁界解析をすると、ロータティース突極数Ｐとステータスロット数Ｓの比に応じて、機械角３６０度内の周方向に磁束密度分布も分散化されるため、ステータ１１に働く電磁力分布にも偏在が認められることになる。

これに対して、回転電機１００では、ロータティース突極数Ｐ／ステータスロット数Ｓ＝２／３となる構造を採用することにより、機械角３６０度の全周に亘って均等な密度分布となる磁束を鎖交させることができ、ロータ２１をステータ１１内で高品質に回転させることができる。

これにより、回転電機１００では、空間高調波磁束を利用して、回転動作させることができるため、損失エネルギーを効率よく回収しつつ、電磁振動を大幅に低減し静寂性高く回転させることができる。

ここで、回転電機１００は、ロータティース突極数Ｐ／ステータスロット数Ｓ＝２／３となる構造を採用するステータ１１やロータ２１に、巻線コイルを集中巻きにした電機子コイル１４、誘導コイル２７および界磁コイル２８をそれぞれ配置するが、集中巻きに代えて、分布巻きにすることもできる。しかしながら、ステータティース１２の内周面１２ａとロータティース２２の外周面２２ａとの間で鎖交する磁束密度は、電機子コイル１４、誘導コイル２７および界磁コイル２８を集中巻きまたは分布巻きした場合で比較すると、図４に示すような磁束密度波形となる。

この磁束密度波形を電磁界解析すると、図５に示すように、集中巻きの場合には静止座標系で２次の（回転座標系で３次となる）空間高調波磁束を分布巻きの場合よりも多く含んでいることが分かる。この結果、回転電機１００では、集中巻きを採用することにより、分布巻きの場合よりも多くの空間高調波磁束を誘導コイル２７に鎖交させて誘導電流（界磁電流）を界磁コイル２８に供給することができる。

このことから、図６に磁束波形を示すように、回転電機１００は、ステータ１１の電機子コイル１４への三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の交流駆動電流の通電（供給）を開始すると、三相の電機子コイル１４毎に入力した交流駆動電流に応じた波形で磁束が変化するのに対して、ロータ２１の誘導コイル２７では、その電機子コイル１４での磁束の変化に応じた高周波の磁束が生じることにより誘導電流を発生する。この誘導電流は、後述するダイオード２９Ａ、２９Ｂ（図７を参照）で整流して界磁コイル２８に入力することにより安定した磁束を発生させて電磁力（マグネットトルク）を得ることができる。

このように、回転電機１００は、ロータ２１側のｑ軸に配置する誘導コイル２７に誘導電流を効率よく発生させて、ｄ軸に配置する界磁コイル２８に界磁電流として供給し、ロータティース２２を自己励磁電磁石として機能させることができる。これにより、回転電機１００は、電機子コイル１４への電力供給による主回転力を補助する補助回転力（電磁力）を得てロータ２１を高効率回転させることができる。すなわち、この回転電機１００では、ｑ軸の空間高調波磁束も界磁エネルギー源として利用できるようにしており、ｑ軸に補極を配置しない構造よりも相互インダクタンス係数を高くして自励によるマグネットトルク密度を向上させることができている。

そして、誘導コイル２７は、ロータ２１の径方向に対して同一の周回巻線となる集中巻に形成されて、ロータ２１の周方向に配列されて１つ置きに直列接続された２系統が並列接続されている。また、界磁コイル２８（２８１、２８２）は、ロータ２１の径方向に対して隣同士が逆向きの周回巻線となる集中巻に形成されて、直列接続されている界磁コイル２８１、２８２の両端部がさらにロータ２１の周方向の外周側と軸心側とを直列接続されている。

すなわち、界磁コイル２８は、周方向において隣接するロータティース２２毎に、直流電力の通電によって機能する電磁石の磁化方向が交互となるように設けられている。要するに、界磁コイル２８は、ステータティース１２の内周面１２ａに対して、ロータティース２２が電磁石として機能するときのＮ極とＳ極とが交互に対面するようになっている。

この界磁コイル２８は、図７に示すように、全直列接続されている両端部が、並列接続されている２系統の誘導コイル２７列の両端部にそれぞれ接続されている。また、界磁コイル２８の両端部の一方は、２系統の誘導コイル２７列の両端部の一方とダイオード（整流素子）２９Ａ、２９Ｂを介して接続されている。すなわち、界磁コイル２８は、巻線の巻き方向毎のコイル２８Ａ１〜２８Ａｎ（ｎ：極数／２）とコイル２８Ｂ１〜２８Ｂｎが全直列接続されており、その界磁コイル２８Ａ１〜２８Ａｎ、２８Ｂ１〜２８Ｂｎに対応するように直列接続されている２系統の誘導コイル２７Ａ１〜２７Ａｎ、２７Ｂ１〜２７Ｂｎの両端部が並列接続されている。

ダイオード２９Ａ、２９Ｂは、誘導コイル２７や界磁コイル２８を多極化させる場合でも、そのうちの界磁コイル２８を全直列させることで使用数が抑えられている。このダイオード２９Ａ、２９Ｂは、それぞれ１８０度位相差になるように結線して、一方の誘導電流を反転させて半波整流出力する中性点クランプ型の半波整流回路（整流素子）を形成している。

これにより、回転電機１００では、誘導コイル２７と界磁コイル２８との磁気的干渉を極力少なく（誘導電流の減少を少なく）し、透磁率の高い電磁鋼の補極コア材２５にステータティース１２の内周面１２ａからロータティース２２の外周面２２ａ側に鎖交する磁束の空間高調波成分を通過させることにより、誘導電流を効率よく発生させて回収することができる。また、２系統の誘導コイル２７列に発生させる誘導電流は、ダイオード２９Ａ、２９Ｂで整流させた後に合流させて、直列接続させている界磁コイル２８に供給させることができる。これにより、回転電機１００では、界磁コイル２８を効果的に自己励磁させて大きな磁束（電磁力）を発生させることができる。

この結果、回転電機１００は、励磁用と電磁石用とで分割して独立させる誘導コイル２７および界磁コイル２８で、互いに干渉して弱め合ってしまうことを回避しつつ、発生する磁束を有効かつ平滑化させて利用することができ、効率よくエネルギーとして回収して出力することができる。なお、回転電機１００は、界磁コイル２８がロータティース２２と共に突極を構成し、誘導コイル２７が補極コア材２５と共に補極を構成している。

このように、回転電機１００は、ロータ２１側に配置する誘導コイル２７に誘導電流を効率よく発生させ、この誘導電流を界磁電流として界磁コイル２８に供給（通電）して、ロータティース２２を自己励磁電磁石として機能させることができる。これにより、電機子コイル１４への電力供給による主回転力を補助する補助回転力（電磁力）を得てロータ２１を高効率回転させることができる。なお、回転電機１００は、誘導コイル２７によって発生された誘導電流を界磁電流として内部で界磁コイル２８に供給しているが、これに限らず、外部電源から界磁電流を供給する回路を備える構造の場合にも本発明を適用することができる。

ところで、例えば、車両の走行開始時などにロータ２１が低速回転する場合、誘導コイル２７に鎖交する磁束量の変化が小さくなることがあり、このとき発生する誘導電流も小さくなるが、本実施形態における回転電機１００では、界磁コイル２８による電磁力以外からも磁力を得て、低速走行時にも、ステータ１１の電機子コイル１４により発生される回転力を有効に補助させることができるようになっている。

具体的には、図１および図２に示すように、回転電機１００は、ロータ２１のロータティース２２の先端側に、板状に形成されている低保磁力磁石５１が埋設されており、低保磁力磁石５１は、ステータ１１のステータティース１２の内周面１２ａに近接する位置で対面するようになっている。

低保磁力磁石５１は、ロータティース２２の外周面２２ａと略同様の幅に形成されてシャフト１０１の軸方向に延伸される長尺な板形状に形成されて、ステータティース１２の内周面１２ａに対して平面状の磁極面５１ａの一面側を大面積で対面させるようにロータティース２２の外周面２２ａに近接する位置に埋設されている。ここで、低保磁力磁石５１の幅は、必ずしもロータティース２２の幅と同等にする必要はなく、その保磁力性能や磁束を通過させる磁気抵抗等に応じて調整すればよい。

この低保磁力磁石５１は、磁極面５１ａ側をＮ極またはＳ極として、界磁コイル２８による電磁石と磁化方向が一致するようにロータティース２２内に埋設されており、その磁化方向と平行な磁界を印加することにより所定の磁力に磁化（以下では、着磁ともいう）させることができる。また、低保磁力磁石５１は、所定の磁力まで減少（以下では、減磁ともいう）させることができるようにもなっている。なお、この低保磁力磁石５１は、例えば、安価なアルニコ磁石またはコバルト磁石により作製されており、耐熱性などの特性で選択すれば良く、例えば、車両のように高温になるような環境に設置する場合には、コバルト磁石を選択するのが好ましい。

そして、この回転電機１００は、ステータ１１の電機子コイル１４に回転制御用の駆動電流を入力することにより発生する基本波磁束ＢＦ（図８、図９を参照）に加えて、その電機子コイル１４にパルス電流（磁化電流）を重畳させて入力することにより、ロータ２１側に向かうパルス状の着磁磁束ＷＦ（図９を参照）を低保磁力磁石５１に印加（通過）させて、低保磁力磁石５１を着磁させるようになっている。

このとき、低保磁力磁石５１は、図８に示すように、必要な磁力を備えさせるのに必要な磁界強度のパルス状のパルス磁束ｐｆを着磁磁束ＷＦ（≒ｐｆ）として通過させる必要がある。ステータ１１の電機子コイル１４のみで発生するパルス磁束ｐｆのみで低保磁力磁石５１を着磁させる場合には、相当の電流値のパルス電流を駆動電流に重畳して電機子コイル１４に入力する必要がある。この場合には、インバータ１１２や不図示の接続ケーブルを含む電子機器が大容量電流への耐性に対応させるために大型化してしまい、コスト高になってしまう。また、大容量電流を電機子コイル１４に入力すると、場合によっては、ロータ２１を回転させるトルクに脈動が生じる可能性もあり、そのトルクの脈動に起因する振動や騒音が発生してしまう可能性もある。

これに対して、回転電機１００では、低保磁力磁石５１が埋設されるロータティース２２には界磁コイル２８が配置されている。このため、図９に示すように、ステータ１１の電機子コイル１４にパルス電流を入力すると、ロータ２１の界磁コイル２８では、そのパルス電流に起因して電機子コイル１４で発生するパルス磁束ＰＦ（＜ｐｆ）が通過するのを妨げるように、ステータ１１側に向かう誘導パルス磁束（応答磁束）ＩＦが発生する。すると、この界磁コイル２８で発生する誘導パルス磁束ＩＦに起因して電機子コイル１４での磁束変化を打ち消す方向の反作用磁束（応答磁束）ＲＦがその電機子コイル１４で発生するので、その反作用磁束ＲＦを着磁磁束ＷＦとして低保磁力磁石５１に印加（通過）させて磁化飽和領域まで着磁させるようになっている。

したがって、この回転電機１００では、低保磁力磁石５１を着磁させる着磁磁束ＷＦとして、図８に示すパルス磁束ｐｆを発生させるためのパルス電流よりも小さな電流値のパルス電流をステータ１１の電機子コイル１４に入力するだけで、図９に示すパルス磁束ＰＦを発生させることができる。

すなわち、本実施形態の回転電機１００では、図１０に示すように、強力なパルス磁束ｐｆを発生させるパルス電流ｐｉよりも小さな電流値のパルス電流ＰＩを駆動電流に重畳させてステータ１１の電機子コイル１４に入力することにより、電機子コイル１４の自己インダクタンスにより小さな磁界強度のパルス磁束（自己磁束）ＰＦを発生させて、界磁コイル２８における相互インダクタンスによる誘導電流ＩＣによって誘導パルス磁束ＩＦを誘起させることができる。さらに、その誘導パルス磁束ＩＦとの相互作用（相互インダクタンス）により電機子コイル１４に反作用磁束（相互磁束）ＲＦを発生させることができる。この反作用磁束ＲＦは、小さなパルス磁束ＰＦを大きく増幅させた磁界強度の着磁磁束ＷＦとして低保磁力磁石５１に印加することにより着磁させることができる。

ここで、本実施形態では、低保磁力磁石５１の磁化電流として一つのパルス電流を電機子コイル１４に入力する場合を一例として説明するが、これに限るものではない。例えば、パルス電流を電機子コイル１４に入力するタイミングを回転制御や着磁制御で許される範囲内であれば、複数の期間に分割あるいは長期間化してもよい。しかしながら、パルス電流の入力により電機子コイル１４における銅損が発生することから、本実施形態のように１回のパルス電流を瞬間的（短期間）に入力する方が好ましい。

（回転電機１００の電流入力制御方法）
このことから、回転電機１００は、車載バッテリ１１１内の直流電流を利用してコントローラ１１０が制御するインバータ１１２を介して、回転制御用の駆動電流とパルス電流とを電機子コイル１４に入力するようになっている。このとき、コントローラ１１０は、低保磁力磁石５１を着磁させるためのメモリ１１０ｍ内の制御プログラムを実行することにより、車載バッテリ１１１内の直流電流をインバータ１１２によりパルス電流として最適なタイミングで電機子コイル１４に印加する制御処理（電流入力制御方法）を実行する。すなわち、コントローラ１１０がパルス制御部を構成している。

具体的には、図１１のフローチャートに示すように、コントローラ１１０は、例えば、車両の走行開始時などロータ２１（シャフト１０１）の回転駆動を開始する際に、インバータ１１２を制御してステータ１１の電機子コイル１４への交流駆動電流の供給を開始する。並行して、コントローラ１１０は、メモリ１１０ｍ内の低保磁力磁石５１を着磁させるための制御プログラムに従う制御処理を実行することにより、インバータ１１２から単独のパルス磁束ｐｆで着磁させる場合よりも小さな電流値のパルス電流を交流駆動電流に重畳させて最適なタイミングで電機子コイル１４に入力する、低保磁力磁石５１の着磁処理を実行する（ステップＳ１１）。

駆動電流に重畳するパルス電流が電機子コイル１４に入力されると、電機子コイル１４では、そのパルス電流の電流値に応じた微小なパルス磁束（自己磁束）ＰＦが発生してロータ２１のロータティース２２に鎖交される（ステップＳ１２）。そのパルス磁束ＰＦがロータティース２２に鎖交すると、ロータ２１側の界磁コイル２８では、誘導パルス磁束ＩＦが発生してステータ１１側のステータティース１２に鎖交される（ステップＳ１３）。その誘導パルス磁束ＩＦがステータティース１２に鎖交すると、ステータ１１側の電機子コイル１４では、反作用磁束（相互磁束）ＲＦが発生して低保磁力磁石５１に印加される（ステップＳ１４）。

このような処理により、低保磁力磁石５１は、ステータ１１の電機子コイル１４に入力するパルス電流の向きと電流値と入力タイミングとが調整されることによって、小さな電流値によるパルス磁束ＰＦでも必要十分な磁界強度の反作用磁束ＲＦに増幅することができ、着磁処理が行われる。すなわち、駆動電流に小さな電流値のパルス電流を重畳することによって、低保磁力磁石５１を磁化飽和領域まで着磁させて磁石磁力を維持することができる。

したがって、回転電機１００は、図１２に示すように、車両の走行開始時のようなロータ２１の低速回転時であっても、界磁コイル２８が電磁石として機能するときの電磁力（図中の一点鎖線）を、低保磁力磁石５１の磁石磁力を追加した場合の磁力（図中の二点鎖線）に強化することができる。これにより、回転電機１００は、ロータ２１の回転力となるマグネットトルクで補助させて、ネオジウム磁石をロータに埋め込む同期回転モータのトルク（図中の点線）と同等に、シャフト１０１を回転駆動させることができる。

この低保磁力磁石５１は、界磁コイル２８が電磁石として機能する際に必要な磁力を備えるように着磁させればよい。例えば、磁化飽和領域までの磁力が必要ないときには、所望の磁力に着磁させる反作用磁束ＲＦを発生させるのに必要なパルス電流に調整して電機子コイル１４に供給するようにしてもよい。また、安価なアルニコ磁石やコバルト磁石は、所望のトルクを実現する電流位相の進角によっては、磁石に対して逆位相となり意図しない減磁が発生する可能性がある。このため、逆磁界に対して減磁しない保磁力まで磁化させる必要がある。

ところで、低保磁力磁石５１を磁化飽和領域まで磁力強度を増加させた後にロータ２１の回転速度が増加して界磁コイル２８で発生する電磁力が上昇する場合には、所望のマグネットトルクに調整するために界磁コイル２８の電磁力に対する弱め界磁制御を実行することが考えられる。しかしながら、弱め界磁制御はエネルギーを使用して磁力を低減することからエネルギーの浪費とも言える。

そこで、コントローラ１１０は、界磁コイル２８で発生する電磁力が上昇する際、弱め界磁制御を実行するのに代えて、低保磁力磁石５１を所望の磁力に減磁させるためのメモリ１１０ｍ内の制御プログラムを実行する。これにより、車載バッテリ１１１内の直流電流をインバータ１１２によりパルス電流として最適なタイミングで電機子コイル１４に入力する制御処理（電流入力制御方法）を実行する。

具体的には、図１３のフローチャートに示すように、コントローラ１１０は、界磁コイル２８の電磁力が上昇するのに合わせて、メモリ１１０ｍ内の低保磁力磁石５１を減磁させるための制御プログラムに従う制御処理を実行する。これにより、着磁時と逆向きとなる反作用磁束ＲＦを発生させて低保磁力磁石５１に印加（通過）させる最適なタイミングで、インバータ１１２から小さな電流値のパルス電流を交流駆動電流に重畳させて電機子コイル１４に入力する、低保磁力磁石５１の減磁処理を実行する（ステップＳ２１）。

着磁時とは逆向きの小さな電流値のパルス電流が供給されると、ステータ１１の電機子コイル１４では、そのパルス電流の電流値に応じた着磁時と逆向きの微小なパルス磁束ＰＦが発生してロータ２１のロータティース２２に鎖交される（ステップＳ２２）。そのパルス磁束ＰＦがロータティース２２に鎖交すると、ロータ２１側の界磁コイル２８では、着磁時とは逆向きの誘導パルス磁束ＩＦが発生してステータ１１側のステータティース１２に鎖交される（ステップＳ２３）。その誘導パルス磁束ＩＦがステータティース１２に鎖交されると、ステータ１１側の電機子コイル１４では、着磁時とは逆向きの反作用磁束ＲＦが発生して低保磁力磁石５１に印加される（ステップＳ２４）。

このような処理により、低保磁力磁石５１は、ステータ１１の電機子コイル１４に入力するパルス電流の向きと電流値と入力タイミングとが調整されることによって、小さな電流値によるパルス磁束ＰＦでも必要十分な磁界強度の反作用磁束ＲＦを発生させることができ、減磁処理が行われる。すなわち、駆動電流に、着磁時とは逆向きの小さな電流値のパルス電流を重畳することによって、低保磁力磁石５１を磁化飽和領域から所望の磁石磁力に減磁することができる。

このように、回転電機１００は、磁化飽和領域まで磁力強度が増加されている低保磁力磁石５１の磁石磁力を適宜調整することができる。すなわち、本実施形態における回転電機１００は、界磁コイル２８が電磁石として機能する際の磁力を低保磁力磁石５１の磁力で適度に強化して、マグネットトルクによって補助させることができるため、シャフト１０１を低速回転時から効率よく高トルクで回転駆動させることができる。

この結果、回転電機１００は、電機子コイル１４のみによるパルス磁束ｐｆで着磁する場合よりも微小なパルス電流をステータ１１の電機子コイル１４に重畳するように入力するだけで、低保磁力磁石５１を磁化飽和領域まで着磁させることができる。これにより、インバータ１１２を含む電子機器や回路配線を大容量化する必要がなくなる。すなわち、インバータ１１２を含む電子機器や回路配線の装置のサイズを小さくできるため、モータの小型化も実現できる。また、電流値の大きいパルス電流をステータ１１の電機子コイル１４に供給することによって発生する振動や騒音を抑制することができ、ロータ２１を安定回転させてシャフト１０１を回転駆動させることができる。

このように、本実施形態の回転電機１００においては、ロータ２１側のロータティース２２内に界磁コイル２８を備えているので、ステータ１１側の電機子コイル１４にパルス電流を供給して自己インダクタンスによるパルス磁束（自己磁束）ＰＦを発生させることにより、ロータ２１側の界磁コイル２８で作用する相互インダクタンスによる相互磁束を発生させることができる。そして、そのパルス磁束ＰＦに応答する誘導パルス磁束ＩＦを界磁コイル２８側に発生させ、その誘導パルス磁束ＩＦに応答する反作用磁束ＲＦを電機子コイル１４側に発生させて、ロータティース２２内に配置されている低保磁力磁石５１を着磁することができる。

したがって、大電流の必要なパルス磁束ｐｆで低保磁力磁石５１を着磁する場合よりも、微小なパルス電流（磁化電流）のみで大きな反作用磁束ＲＦを発生させて低保磁力磁石５１を着磁することができる。すなわち、回転電機１００の小型化や低コスト化を図りつつ、高品質にロータ２１（シャフト１０１）を回転駆動させることができる。

ここで、本実施形態では、誘導コイル２７をロータスロット２３内に設置する補極コア材２５に配置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、ロータティース２２のステータ１１に近接する外周面２２ａ側に誘導コイル２７を配置するとともにシャフト１０１（軸心）側に界磁コイル２８を配置する２段構造にしてもよい。

さらに、回転電機１００のように径方向にエアギャップＧを形成するラジアルギャップ構造に限らずに、回転軸方向にギャップを形成するアキシャルギャップ構造に適用することも可能である。

また、ステータ１１やロータ２１は、電磁鋼板の積層構造で形成することに限定されず、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好適である。

また、誘導電流の整流処理はダイオード２９Ａ、２９Ｂに限るものではなく、他の半導体素子、例えば、スイッチング素子を実装してもよい。また、ステータ側を、所謂、クローポール形状に形成する回転電機にも適用することができる。

また、回転電機１００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。

１１ ステータ
１２ ステータティース
１３ ステータスロット
１４ 電機子コイル
２１ ロータ
２２ ロータティース（突極）
２３ ロータスロット
２５ 補極コア材（補極）
２７ 誘導コイル（補極）
２８、２８１、２８２ 界磁コイル
２９Ａ、２９Ｂ ダイオード（整流素子）
５１ 低保磁力磁石
５１ａ 磁極面
１００ 回転電機
１０１ シャフト（回転軸）
１１０ コントローラ（パルス制御部）
１１０ｍ メモリ
１１１ 車載バッテリ
１１２ インバータ
ＢＦ 基本波磁束
Ｇ エアギャップ
ＩＦ 誘導パルス磁束
ＰＦ パルス磁束
ｐｆ パルス磁束（自己磁束）
ＲＦ 反作用磁束（相互磁束）
ＷＦ 着磁磁束

Claims (6)

1. 駆動電流の通電により磁束を発生させる電機子コイルを有するステータと、
   界磁電流の通電により磁束を発生させる界磁コイルが巻かれる複数の突極を有するロータと、を備える回転電機であって、
   前記ロータは、前記突極に低保磁力磁石が配置されており、
   前記低保磁力磁石は、前記電機子コイルに通電される前記駆動電流にパルス電流が重畳されて所定の磁力に磁化される、回転電機。
2. 前記低保磁力磁石は、前記突極の径方向外側に配置されている、請求項１に記載の回転電機。
3. 前記ロータは、前記電機子コイルで発生する磁束が鎖交されて励磁される誘導コイルを備えており、
   前記界磁コイルは、前記誘導コイルの励磁により発生された誘導電流を界磁電流として入力されて磁束を発生されており、
   前記誘導コイルは、周方向に隣接する前記突極同士の間に配置される補極コア材に巻かれている、請求項１または請求項２に記載の回転電機。
4. 前記駆動電流に重畳させる前記パルス電流を制御するパルス制御部を備えて、
   前記パルス制御部は、前記パルス電流の前記電機子コイルへの入力で発生するパルス磁束と、前記パルス磁束の変化により前記界磁コイルで発生する誘導パルス磁束が前記電機子コイルに作用して前記電機子コイルから発生する反作用磁束とによって、前記低保磁力磁石を所定の磁石磁力に磁化させるように前記パルス電流を調整する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の回転電機。
5. 駆動電流の通電により磁束を発生させる電機子コイルを有するステータと、界磁電流の通電により磁束を発生させる界磁コイルを巻かれる複数の突極を有するロータと、を備える回転電機における前記電機子コイルへの電流入力制御方法であって、
   前記回転電機のロータには、前記突極に低保磁力磁石が配置されており、
   前記駆動電流を前記電機子コイルに通電する際に、前記駆動電流にパルス電流を重畳して前記低保磁力磁石を所定の磁力に磁化させる、回転電機の電流入力制御方法。
6. 前記パルス電流の前記電機子コイルへの入力で発生するパルス磁束と、前記パルス磁束の変化により前記界磁コイルで発生する誘導パルス磁束が前記電機子コイルに作用して前記電機子コイルから発生する反作用磁束とによって、前記低保磁力磁石を磁化飽和領域まで磁化させるように前記パルス電流を調整する、請求項５に記載の回転電機の電流入力制御方法。

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