JP7259543B2 - 界磁巻線型回転電機 - Google Patents

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Description

本発明は、界磁巻線型回転電機に関する。
この種の回転電機としては、特許文献1に見られるように、ステータ巻線を有するステータと、第1,第2巻線部の直列接続体からなる界磁巻線と、ロータコア及び主極部を有するロータと、ダイオードとを備えるものが知られている。主極部は、周方向において所定間隔で設けられてかつロータコアから径方向に突出している。ロータにおいて、上記直列接続体の両端のうち、第1巻線部側にダイオードのカソードが接続され、第2巻線部側にダイオードのアノードが接続されている。第1,第2巻線部のそれぞれは、各主極部に巻回されている。ステータ巻線には、トルクを発生させることを主とする基本波電流と、界磁巻線を励磁することを主とする高調波電流とが流れる。
ここで、高調波電流が流れると、周方向において隣り合う主極部とロータコアとを含む磁気回路に主磁束が流れる。主磁束が流れることにより、直列接続された第1,第2巻線部それぞれに誘起電圧が発生し、第1,第2巻線部に高調波成分を含む電流が誘起される。この際、ダイオードにより、第1,第2巻線部に流れる電流が一方向に整流される。これにより、ダイオードにより整流された方向に界磁巻線に界磁電流が流れ、界磁巻線が励磁される。
一方、高調波電流が流れると、主磁束の他に、漏れ磁束が発生する。漏れ磁束は、周方向に隣り合う主極部の一方から他方へとロータコアを介さずに横切るように流れ、界磁巻線に鎖交する。この場合、各巻線部内において、互いに逆極性となる誘起電圧が発生し、誘起される電流が減少する。その結果、第1,第2巻線部それぞれに誘起される電流の合計値が減少し、ひいては界磁巻線に流れる界磁電流が減少する。
そこで、特許文献1に記載の回転電機は、第2巻線部に並列接続されたコンデンサを備えている。これにより、界磁電流を増加させている。
特開2018-42401号公報
ステータ巻線に流れる高調波電流に起因して第1,第2巻線部それぞれに高調波電流が流れ、これにより磁束が発生する。一方、ステータ巻線に高調波電流が流れることによっても磁束が発生する。この場合において、第1,第2巻線部それぞれに流れる高調波電流により発生する磁束と、ステータ巻線に高調波電流が流れることにより発生する磁束とが合成され、その合成磁束の振幅が増加する懸念がある。合成磁束の振幅が増加すると、回転電機のトルクの直流成分に対する変動量を規定するトルクリップル率が増加してしまう。
本発明は、トルクリップル率を低減することができる界磁巻線型回転電機を提供することを主たる目的とする。
第1の発明は、ステータ巻線を有するステータと、
第1巻線部及び第2巻線部の直列接続体を有する界磁巻線と、
ロータコア、及び周方向において所定間隔で設けられてかつ前記ロータコアから径方向に突出する主極部を有するロータと、を備え、
前記第1巻線部及び前記第2巻線部のそれぞれが前記各主極部に巻回され、前記界磁巻線に界磁電流を誘起させるための高調波電流が前記ステータ巻線に流れる界磁巻線型回転電機において、
イオードと、
前記第2巻線部に並列接続されたコンデンサと、を備え、
前記直列接続体の両端のうち、前記第1巻線部側に前記ダイオードの一端が接続され、前記第2巻線部側に前記ダイオードの他端が接続されており、
前記第1巻線部及び前記コンデンサを含む直列共振回路と、前記第2巻線部及び前記コンデンサを含む並列共振回路とが構成されており、
記ステータ巻線に高調波電流を流す場合において、前記第1巻線部に流れる高調波電流により発生する磁束と前記第2巻線部に流れる高調波電流により発生する磁束との合成値である界磁合成磁束の振幅よりも、前記ステータ巻線に高調波電流が流れることにより発生する磁束と前記界磁合成磁束との合成値の振幅を小さくするように、前記コンデンサの静電容量と、前記第1巻線部に対する前記第2巻線部の巻数比とが定められている。
ステータ巻線に高調波電流が流れると、第1,第2巻線部それぞれに高調波電流が流れる。例えば、第1巻線部を含む直列共振回路に流れる高調波電流と、第2巻線部を含む並列共振回路に流れる高調波電流との位相差は、120°よりも大きくてかつ240°よりも小さい。
ここで、第1巻線部に対する第2巻線部の巻数比を変えると、第1巻線部に高調波電流が流れることにより発生する磁束の振幅と、第2巻線部に高調波電流が流れることにより発生する磁束の振幅とが変わる。その結果、第1巻線部に流れる高調波電流により発生する磁束と第2巻線部に流れる高調波電流により発生する磁束との合成値である界磁合成磁束の振幅が変わる。この振幅が変わることにより、界磁合成磁束の振幅よりも、ステータ巻線に高調波電流が流れることにより発生する磁束と界磁合成磁束との合成値の振幅が変わる。つまり、巻数比を変えることにより、界磁合成磁束の振幅よりも、ステータ巻線に高調波電流が流れることにより発生する磁束と界磁合成磁束との合成値の振幅を小さくできる。
この点に鑑み、第1の発明では、ステータ巻線に高調波電流を流す場合において、界磁合成磁束の振幅よりも、ステータ巻線に高調波電流が流れることにより発生する磁束と界磁合成磁束との合成値の振幅を小さくするように、コンデンサの静電容量と巻数比とが定められている。これにより、回転電機のトルクリップル率を低減することができる。
第2の発明は、第1の発明において、前記直列共振回路の共振周波数を所定周波数に維持し、かつ、前記第1巻線部及び前記第2巻線部それぞれの巻数の合計値を所定巻数に維持することを条件として前記静電容量を所定範囲で変化させた場合、前記巻数比の取り得る範囲が0.5以上であってかつ5.2以下の範囲であり、
前記静電容量が前記所定範囲内の値に定められ、かつ、前記巻数比が0.5以上であってかつ5.2以下の値に定められていることにより、前記直列共振回路の共振周波数が前記所定周波数とされている。
第1,第2巻線部それぞれの巻数の合計値を所定巻数に維持することを条件として、第1巻線部を含む直列共振回路の共振周波数を所定周波数に維持するためには、コンデンサの静電容量を大きくするほど、第1巻線部に対する第2巻線部の巻数比を大きくする必要がある。巻数の合計値を所定巻数に維持し、かつ、直列共振回路の共振周波数を所定周波数に維持するとの条件である第1条件を課してコンデンサの静電容量を所定範囲で変化させた場合、巻数比の取り得る範囲が0.5以上であってかつ5.2以下の範囲になることを本発明者は実験等により確認した。また、本発明者は、第1条件を課して巻数比を0.5~5.2の範囲内の値とすることにより、回転電機のトルクを高い値に維持できることも確認した。
一方、第1,第2巻線部それぞれの巻数の合計値を上記所定巻数に維持することを条件として、第2巻線部を含む並列共振回路の共振周波数を上記所定周波数に維持するためには、コンデンサの静電容量を大きくするほど、第1巻線部に対する第2巻線部の巻数比を小さくする必要がある。
ここで、巻数の合計値を所定巻数に維持し、かつ、並列共振回路の共振周波数を所定周波数に維持するとの条件である第2条件を課して巻数比を0.5~5.2の範囲内の値とする場合、巻数比が0.5~5.2の範囲の中間値となる場合に回転電機のトルクが高い値となるものの、その中間値から巻数比が離れるにつれてトルクが大きく減少することを本発明者は実験等により確認した。また、本発明者は、巻数比が0.5~5.2の範囲内とされる場合において、第1条件を課したときのトルクよりも第2条件を課したときのトルクの方が小さくなる傾向にあることを確認した。このような傾向があるのは、第1巻線部の方が第2巻線部よりも径方向においてステータ側に近いため、ステータ巻線に高調波電流が流れることで発生する磁束の影響を第1巻線部の方が受けやすいためであると考えられる。
以上から、並列共振回路に関する第2条件ではなく、直列共振回路に関する第1条件を課して静電容量及び巻数比を定める方が、回転電機のトルクを高い水準に維持できる。この際、静電容量として設定できる範囲が上記所定範囲であり、巻数比として設定できる範囲が0.5~5.2のため、静電容量及び巻数比を設定する場合の自由度を高めることができる。
以上を踏まえ、第2の発明では、静電容量が上記所定範囲内の値に定められ、かつ、巻数比が0.5以上であってかつ5.2以下の値に定められていることにより、直列共振回路の共振周波数が上記所定周波数とされている。このため、回転電機のトルクを高い水準に維持するための静電容量及び巻数比の設定に際し、その設定の自由度を高めることができる。
ここで、例えば、前記巻数比が0.7以上であってかつ5.2以下の値に定められていてもよい。この場合、トルクを高い水準に維持しつつ、トルクリップル率をより好適に低減することができる。
第1実施形態に係る回転電機の制御システムの全体構成図。 ロータに備えられる電気回路を示す図。 ロータ及びステータの横断面図。 基本波電流及び高調波電流等の推移を示す図。 3相電流の推移を示す図。 基本波電流及び高調波電流等の推移を示す図。 3相電流の推移を示す図。 誘起電圧の発生パターンを示す図。 パターン2,3に対応する電気回路を示す図。 直列共振回路を示す図。 並列共振回路を示す図。 界磁電流の整流回路を示す図。 第1磁束、第2磁束及び界磁合成磁束の推移を示すタイムチャート。 第1磁束、第2磁束、界磁合成磁束、ステータ側磁束及び全合成磁束の推移を示すタイムチャート。 コンデンサの静電容量及び巻数比に対する界磁電流、トルク及びトルクリップル率の関係を示す図。 静電容量に対する界磁電流、トルク及びトルクリップル率の関係を示す図。 巻数比に対する界磁電流、トルク及びトルクリップル率の関係を示す図。 第2実施形態に係るロータ及びステータの横断面図。 図18の一部を拡大して示す図。 その他の実施形態に係るロータ及びステータの横断面図。 ロータに備えられる電気回路を示す図。 その他の実施形態に係るロータに備えられる電気回路を示す図。 その他の実施形態に係るロータに備えられる電気回路を示す図。
以下、実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態における回転電機は、例えば車両に搭載される。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一又は均等である部分には、図中、同一符号を付しており、同一符号の部分についてはその説明を援用する。
<第1実施形態>
まず、図1~図3を用いて説明する。制御システムは、直流電源10、インバータ20、回転電機30及び制御装置40を備えている。本実施形態では、回転電機30として、界磁巻線型の同期機が用いられている。また、本実施形態において、制御装置40は、回転電機30が、電動機兼発電機であるISG(Integrated Starter Generator)やMG(Motor Generator)として機能するように、回転電機30を制御する。例えば、回転電機30、インバータ20及び制御装置40を備えて機電一体型駆動装置が構成されたり、回転電機30、インバータ20及び制御装置40それぞれが各コンポーネントで構成されたりしている。
回転電機30は、界磁巻線70を有するロータ60を備えている。界磁巻線70は、第1巻線部71a及び第2巻線部71bの直列接続体からなる。界磁巻線70は、例えば圧縮成形にて構成されている。これにより、占積率が向上し、界磁巻線の組付性が向上する。なお、界磁巻線70は、例えばアルミ線で構成されていればよい。アルミ線は、比重が小さく、ロータ60が回転する場合における遠心力を低減できる。また、アルミ線は、銅線に比べて強度及び硬さが低く、圧縮成形する場合に好適である。
回転電機30は、ステータ巻線31を有するステータ50を備えている。ステータ巻線31は、例えば銅線で構成されており、電気角で互いに120°ずれた状態で配置されたU,V,W相巻線31U,31V,31Wを含む。
インバータ20は、U,V,W相上アームスイッチSUp,SVp,SWpと、U,V,W相下アームスイッチSUn,SVn,SWnとの直列接続体を備えている。U,V,W相上アームスイッチSUp,SVp,SWpと、U,V,W相下アームスイッチSUn,SVn,SWnとの接続点には、U,V,W相巻線31U,31V,31Wの第1端が接続されている。U,V,W相巻線31U,31V,31Wの第2端は、中性点で接続されている。すなわち、本実施形態において、U,V,W相巻線31U,31V,31Wは、星形結線されている。なお、本実施形態において、各スイッチSUp~SWnは、IGBTである。各スイッチSUp,SVp,SWp,SUn,SVn,SWnには、フリーホイールダイオードが逆並列に接続されている。
U,V,W相上アームスイッチSUp,SVp,SWpのコレクタには、直流電源10の正極端子が接続されている。U,V,W相下アームスイッチSUn,SVn,SWnのエミッタには、直流電源10の負極端子が接続されている。なお、直流電源10には、平滑コンデンサ11が並列接続されている。
制御システムは、角度検出部41を備えている。角度検出部41は、ロータ60の回転角に応じた信号である角度信号を出力する。角度検出部41の出力信号は、制御装置40に入力される。
続いて、ステータ50及びロータ60について説明する。
ステータ50及びロータ60は、いずれも回転軸32と共に同軸上に配置されている。以下の記載では、回転軸32が延びる方向を軸方向とし、回転軸32の中心から放射状に延びる方向を径方向とし、回転軸32を中心として円周状に延びる方向を周方向としている。
ステータ50は、軟磁性体からなる積層鋼板により構成されており、円環状のステータコア51と、ステータコア51から径方向内側に向かって突出する複数のティース52とを有している。本実施形態において、各相巻線31U,31V,31Wは、ティース52に分布巻き又は集中巻きされている。本実施形態では、図3に示すように、ティースは周方向において等間隔に48個設けられている。このため、回転電機30は、48スロットのものである。
ロータ60は、軟磁性体からなる積層鋼板により構成されており、円筒形状のロータコア61と、ロータコア61から径方向外側に向かって突出する複数の主極部62とを有している。各主極部62の先端側の面は、ティース52の端面に対向している。本実施形態において、主極部62は、周方向において等間隔に8個設けられている。
各主極部62において、径方向外側に第1巻線部71aが巻回され、第1巻線部71aよりも径方向内側に第2巻線部71bが巻回されている。各主極部62において、第1巻線部71a及び第2巻線部71bの巻方向は互いに同じになっている。また、周方向に隣り合う主極部62のうち、一方に巻回された各巻線部71a,71bの巻方向と、他方に巻回された各巻線部71a,71bの巻方向とが逆になっている。このため、周方向に隣り合う主極部62同士で互いに磁化方向が逆になる。
図2に、共通の主極部62に巻回された各巻線部71a,71bを備えるロータ側の電気回路を示す。ロータ60には、整流素子としてのダイオード80と、コンデンサ90とが設けられている。ダイオード80のカソードには、第1巻線部71aの第1端が接続され、第1巻線部71aの第2端には、第2巻線部71bの第1端が接続されている。第2巻線部71bの第2端には、ダイオード80のアノードが接続されている。第2巻線部71bには、コンデンサ90が並列接続されている。図2において、L1は第1巻線部71aのインダクタンスを示し、L2は第2巻線部71bのインダクタンスを示し、Cはコンデンサ90の静電容量を示す。
続いて、制御装置40について説明する。なお、制御装置40の各機能の一部又は全部は、例えば、1つ又は複数の集積回路等によりハードウェア的に構成されていてもよい。また、制御装置40の各機能は、例えば、非遷移的実体的記録媒体に記録されたソフトウェア及びそれを実行するコンピュータによって構成されていてもよい。
制御装置40は、角度検出部41の角度信号を取得し、取得した角度信号に基づいて、インバータ20を構成する各スイッチSUp~SWnをオンオフする駆動信号を生成する。詳しくは、制御装置40は、回転電機30を電動機として駆動させる場合、直流電源10から出力された直流電力を交流電力に変換してU,V,W相巻線31U,31V,31Wに供給すべく、各アームスイッチSUp~SWnをオンオフする駆動信号を生成し、生成した駆動信号を各アームスイッチSUp~SWnのゲートに供給する。一方、制御装置40は、回転電機30を発電機として駆動させる場合、U,V,W相巻線31U,31V,31Wから出力された交流電力を直流電力に変換して直流電源10に供給すべく、各アームスイッチSUp~SWnをオンオフする駆動信号を生成する。
制御装置40は、各相巻線31U,31V,31Wに基本波電流及び高調波電流の合成電流を流すように各スイッチSUp~SWnをオンオフする。基本波電流は、図4(a)に示すように、回転電機30にトルクを発生させることを主とする電流である。高調波電流は、図4(b)に示すように、界磁巻線70を励磁することを主とする電流である。図4(c)は、基本波電流と高調波電流との合成電流としての相電流を示す。図4に示す縦軸の値は、図4(a)~図4(c)それぞれに示す波形の大きさの相対関係を示す。各相巻線31U,31V,31Wに流れる相電流IU,IV,IWは、図5に示すように、電気角で120°ずつずれている。なお、高調波は当然三角波でもよい。
本実施形態では、図4(a),(b)に示すように、高調波電流の包絡線が、基本波電流の1/2の周期を有している。包絡線を、図4(b)に一点鎖線にて示す。そして、包絡線がそのピーク値となるタイミングが、基本波電流がそのピーク値となるタイミングからずれている。具体的には、包絡線がそのピーク値となるタイミングが、基本波電流がその変動中心(0)となるタイミングとされている。制御装置40は、基本波電流及び高調波電流それぞれの振幅及び周期を独立に制御する。
図4(b)に示す高調波電流を流すことにより、各相巻線31U,31V,31Wに流れる相電流の最大値を低減でき、インバータ20の容量を増やさずに回転電機30のトルクを指令されたトルクにすることができる。
ちなみに、高調波電流としては、図6(b)に示すものであってもよい。図6(a),(c)は、先の図4(a),(c)に対応している。図6(a),(b)に示すように、高調波電流の包絡線がそのピーク値となるタイミングが、基本波電流がそのピーク値となるタイミングとされている。図6(b)に示す高調波電流は、図4(b)に示す高調波電流の位相を、基本波電流の周期の1/4だけずらしたものである。この場合に各相巻線31U,31V,31Wに流れる相電流IU,IV,IWの推移を図7に示す。なお、高調波がこの2つの位相の間を取ることも当然可能である。
本実施形態では、第1巻線部71a、コンデンサ90及びダイオード80からなる直列共振回路が構成され、第2巻線部71b及びコンデンサ90からなる並列共振回路が構成されている。直列共振回路の共振周波数である第1共振周波数をf1とし、並列共振回路の共振周波数である第2共振周波数をf2とする。各共振周波数f1,f2は、下式(eq1),(eq2)で表される。
Figure 0007259543000001
Figure 0007259543000002
各相巻線31U,31V,31Wに高調波電流が流れると、周方向において隣り合う主極部62、ロータコア61、ティース52及びステータコア51を含む磁気回路に主磁束の高調波による変動が発生する。主磁束の変動が起きることにより、第1,第2巻線部71a,71bそれぞれに誘起電圧が発生し、第1,第2巻線部71a,71bに電流が誘起される。この際、図8のパターン1,4に示すように、第1,第2巻線部71a,71bそれぞれに極性の同じ誘起電圧が発生する場合、第1,第2巻線部71a,71bそれぞれの誘起電流が相殺されないため、誘起電流が増加する。ダイオード80により、第1,第2巻線部71a,71bに流れる電流が一方向に整流される。これにより、ダイオード80により整流された方向に界磁巻線70に界磁電流が流れ、界磁巻線が励磁される。なお、図8において、e1は第1巻線部71aに発生する誘起電圧を示し、e2は第2巻線部71bに発生する誘起電圧を示す。
一方、高調波電流が流れると、主磁束の変動の他に、漏れ磁束が発生し易くなる。漏れ磁束は、周方向に隣り合う主極部62の一方から他方へとロータコア61を介さずに横切るように流れ、界磁巻線70に鎖交する。この際、各巻線部71a,71bに鎖交する漏れ磁束も発生する。漏れ磁束が界磁巻線70に鎖交すると、第1巻線部71a内において、ある方向の誘起電圧が発生し、また、第2巻線部71b内においては異なる方向の誘起電圧が発生する場合がある。その結果、第1,第2巻線部71a,71bそれぞれに誘起される電流の合計値が減少し、ひいては界磁巻線70に流れる界磁電流が減少する。
そこで、本実施形態では、第2巻線部71bにコンデンサ90が並列接続されている。このため、図8のパターン2,3に示すように、第1,第2巻線部71a,71bそれぞれに発生する誘起電圧が逆極性となる場合であっても、コンデンサ90を介して誘起電流が流れるため、第1,第2巻線部71a,71bに流れる誘起電流は、互いに相殺されることがない。このため、図9(a)に示すように、第1巻線部71aで誘起された電流と、第2巻線部71bで誘起された電流とがコンデンサ90を介してダイオード80のアノード側へと流れたり、図9(b)に示すように、コンデンサ90から第2巻線部71bを介してダイオード80のアノード側へと電流が流れたりする。その結果、界磁巻線70に流れる界磁電流を増加させることができる。
ここで、本発明者は、パターン2,3の場合についてさらに考察した。以下、これについて説明する。
図2に示した回路は、基本的には、図10~図12に示す3つの回路からなる。図10は、第1巻線部71a、コンデンサ90及びダイオード80からなる直列共振回路を示し、図11は、第2巻線部71b及びコンデンサ90からなる並列共振回路を示す。図12は、第1,第2巻線部71a,71b及びダイオード80からなる界磁電流の整流回路を示す。
図10に示す直列共振回路では、第1共振周波数f1でインピーダンスが最小となり、交流電流が最大となる。また、この直列共振回路には、ダイオード80があるため半波電流が流れる。図11に示す並列共振回路では、第2共振周波数f2でインピーダンスが最小となり、交流電流が最大となる。
直列共振回路において、第1共振周波数f1で変動する電流がコンデンサ90に供給される。コンデンサ90に供給された電流は、ダイオード80により半波電流となる。ここで、直列共振回路においてダイオード80により阻止された電流は、並列共振回路の第2巻線部71bを介してダイオード80のカソード側へと戻される。
ここで、本発明者は、コンデンサ90の静電容量Cと、第1巻線部71aの巻数N1に対する第2巻線部71bの巻数N2の比率(以下、巻数比N2/N1)とを適正に定めることにより、回転電機30のトルクリップル率を低減することができるとの知見を得た。本実施形態において、トルクリップル率とは、回転電機30のトルクの直流成分Tdcに対するトルクの変動量1/2「ΔTr」の比率(ΔTr/Tdc)のことをいう。以下、上記知見について説明する。
ステータ巻線に高調波電流が流れると、第1,第2巻線部71a,71bそれぞれに、ステータ巻線に流れる高調波電流と同等の周波数で変動する高調波電流が流れる。例えば、第1巻線部71aを含む直列共振回路に流れる高調波電流と、第2巻線部71bを含む並列共振回路に流れる高調波電流との位相差は、120°よりも大きくてかつ240°よりも小さい。
ここで、巻数比N2/N1を変えると、第1巻線部71aに高調波電流が流れることにより発生する磁束(以下、第1磁束φ1)の振幅と、第2巻線部71bに高調波電流が流れることにより発生する磁束(以下、第2磁束φ2)の振幅とが変わる。その結果、第1巻線部71aに流れる高調波電流により発生する磁束と第2巻線部71bに流れる高調波電流により発生する磁束との合成値である界磁合成磁束φrtの振幅が変わる。この振幅が変わることを図13を用いて説明する。図13は、第1磁束φ1、第2磁束φ2及び界磁合成磁束φrtの推移を示す図である。図13には、第1磁束φ1と第2磁束φ2との位相差が180°の例を示す。また、図13に示す縦軸の値は、各波形の大きさの相対関係を示すためのものである。
図13(a)は、第1磁束φ1の振幅と第2磁束φ2の振幅との比率が1:1の場合を示す。この比率は、巻数比N2/N1を変えることにより変えることができる。第1磁束φ1の振幅と第2磁束φ2の振幅とが等しいため、界磁合成磁束φrtは直流成分のみとなる。
図13(b)は、第1磁束φ1の振幅と第2磁束φ2の振幅との比率が1.4:1の場合を示す。第1磁束φ1の振幅の方が第2磁束φ2の振幅よりも大きいため、界磁合成磁束φrtは、第1磁束φ1と同じ位相で変動する。
図13(c)は、第1磁束φ1の振幅と第2磁束φ2の振幅との比率が1:1.4の場合を示す。第2磁束φ2の振幅の方が第1磁束φ1の振幅よりも大きいため、界磁合成磁束φrtは、第2磁束φ2と同じ位相で変動する。
界磁合成磁束φrtの振幅が変わることにより、界磁合成磁束φrtの振幅よりも、ステータ巻線に高調波電流が流れることにより発生する磁束(以下、ステータ側磁束φs)と界磁合成磁束φrtとの合成値(以下、全合成磁束φtotal)の振幅が変わる。つまり、巻数比N2/N1を変えることにより、界磁合成磁束φrtの振幅よりも、全合成磁束φtotalの振幅を小さくできる。界磁合成磁束φrtとステータ側磁束φsとの位相差は、例えば、120°よりも大きくてかつ240°よりも小さい。図14を用いて、全合成磁束φtotalの振幅を小さくできることを説明する。図14は、第1磁束φ1、第2磁束φ2、界磁合成磁束φrt、ステータ側磁束φs及び全合成磁束φtotalの推移を示す図である。図14には、第1磁束φ1と第2磁束φ2との位相差が180°の例を示す。また、図14に示す縦軸の値は、各波形の大きさの相対関係を示すためのものである。
図14(a)は、第1磁束φ1、第2磁束φ2及びステータ側磁束φsそれぞれの振幅の比率が1:0.9:1.1であり、界磁合成磁束φrtとステータ側磁束φsとの位相差が180°の場合を示す。図14(a)に示すように、界磁合成磁束φrtの平滑化を狙ったとしても、ステータ側磁束φsの影響があるため、全合成磁束φtotalの振幅を低減できるとは限らない。
図14(b)は、第1磁束φ1、第2磁束φ2及びステータ側磁束φsそれぞれの振幅の比率が1.5:0.7:1.1であり、界磁合成磁束φrtとステータ側磁束φsとの位相差が180°の場合を示す。図14(b)に示す例では、図14(a)に示す場合よりも全合成磁束φtotalの振幅の低減効果が大きく、全合成磁束φtotalの振幅が、界磁合成磁束φrtの振幅よりも小さくなっている。
図14(c)は、第1磁束φ1、第2磁束φ2及びステータ側磁束φsそれぞれの振幅の比率が0.7:1.5:1.1であり、界磁合成磁束φrtとステータ側磁束φsとの位相差が0°の場合を示す。図14(c)に示す例では、界磁合成磁束φrtとステータ側磁束φsとの位相差が0°のため、全合成磁束φtotalの振幅が、界磁合成磁束φrtの振幅よりも大きくなってしまう。
以上を踏まえ、本実施形態では、ステータ巻線に高調波電流を流す場合において、界磁合成磁束φrtの振幅よりも全合成磁束φtotalの振幅を小さくするように、コンデンサ90の静電容量Cと巻数比N2/N1とが定められている。これにより、回転電機30のトルクリップル率を低減することができる。通常のPWM制御でも基本波に高調波が乗っていることは周知であり、この界磁のリップルとステータの高調波をうまく相殺できれば、むしろ通常のモータよりも低リップルが可能である。
また、本発明者は、トルクを高い水準にするためには、並列共振回路よりも直列共振回路の共振性に着目した方がよく、ステータ巻線に流す高調波電流の周波数fsを直列共振回路の第1共振周波数f1と同じ値又は近い値に設定した方がよいとの知見を得た。以下、この知見について説明する。
第1,第2巻線部71a,71bそれぞれの巻数の合計値「N1+N2」を所定巻数Ncstに維持することを条件として、直列共振回路の第1共振周波数f1を所定周波数fcstに維持するためには、コンデンサ90の静電容量Cを大きくするほど、巻数比N2/N1を大きくする必要がある。なお、所定周波数fcstは、例えば、インバータ20で実現可能な周波数に設定される。
巻数の合計値「N1+N2」を所定巻数Ncstに維持し、かつ、第1共振周波数f1を所定周波数fcstに維持するとの条件を課してコンデンサ90の静電容量Cを15μF以上であってかつ55μF以下の範囲で変化させた場合、図15に示すように、巻数比N2/N1の取り得る範囲が0.5以上であってかつ10.2以下の範囲になる。図15には、この条件を課した場合における静電容量C、巻数比N2/N1、界磁電流If、トルク及びトルクリップル率をAラインの場合として示している。
また、本発明者は、Aラインの条件を課して巻数比N2/N1を0.5~5.2の範囲内の値とすることにより、回転電機30のトルクを高い値に維持できることも確認した。図16(a)に、横軸をコンデンサ90の静電容量Cとし、縦軸をトルク及び界磁電流とするデータを示す。また、図17(a)に、横軸を巻数比N2/N1とし、縦軸をトルク及び界磁電流とするデータを示す。
図15~図17のデータから、静電容量Cが20μF以上であってかつ50μF以下の範囲内の値に定められ、かつ、巻数比N2/N1が0.5以上であってかつ5.2以下の値に定められていることにより、直列共振回路の第1共振周波数f1が所定周波数fcstとされている場合、トルクを高い水準に維持することができる。
一方、巻数の合計値「N1+N2」を所定巻数Ncstに維持することを条件として、並列共振回路の第2共振周波数f2を所定周波数fcstに維持するためには、コンデンサ90の静電容量Cを大きくするほど、巻数比N2/N1を小さくする必要がある。
ここで、巻数の合計値「N1+N2」を所定巻数Ncstに維持し、かつ、第2共振周波数f2を所定周波数fcstに維持するとの条件を課して巻数比N2/N1を0.7~5.2の範囲内の値とする場合、図15、図16(a)及び図17(a)に示すように、巻数比N2/N1が1.7の場合に回転電機30のトルクが最大値をとるものの、巻数比N2/N1が1.7から離れるにつれてトルクが大きく減少する。図15には、この条件を課した場合における静電容量C、巻数比N2/N1、界磁電流If及びトルクをBラインとして示している。
巻数比が0.5~5.2の範囲内とされる場合において、第1共振周波数f1を所定周波数fcstに維持するとの条件を課したAラインのトルクよりも、第2共振周波数f2を所定周波数fcstに維持するとの条件を課したBラインのトルクの方が小さくなる傾向にある。このような傾向があるのは、第1巻線部71aの方が第2巻線部71bよりも径方向においてステータ50側に近いため、ステータ巻線に高調波電流が流れることで発生する磁束の影響を第1巻線部71aの方が受けやすいためであると考えられる。
以上から、並列共振回路に関するBラインの条件ではなく、直列共振回路に関するAラインの条件を課して静電容量C及び巻数比N2/N1を定める方が、回転電機30のトルクを高い水準に維持できる。この際、静電容量Cとして設定できる範囲が20μF以上であってかつ50μF以下の範囲であり、巻数比N2/N1として設定できる範囲が0.5~5.2のため、静電容量C及び巻数比N2/N1を設定する場合の自由度を高めることができる。
図16(b)に、横軸をコンデンサ90の静電容量Cとし、縦軸をトルクリップル率とするデータを示し、図17(b)に、横軸を巻数比N2/N1とし、縦軸をトルクリップル率とするデータを示す。これらデータから、静電容量Cが20μF以上であってかつ50μF以下の値に定められ、巻数比N2/N1が0.7以上であってかつ5.2以下の値に定められる場合、高トルクを維持しつつ、トルクリップル率の低減効果を高めることができる。
本実施形態では、ステータ巻線に流す高調波電流の周波数fsが下式(eq3)を満たす値に設定されている。この設定となるように、制御装置40は、インバータ20を制御する。以下、この設定について説明する。
Figure 0007259543000003
「0.5≦N2/N1≦5.2」を変形すると、「0.19≦N1/N2≦2」となる。ここでは、簡単化するために「0.2≦N1/N2≦2」とする。「0.2≦N1/N2≦2」から「0.2×N2≦N1≦2×N2」が導かれる。ここで、巻線部のインダクタンスが巻線部の巻数の2乗に比例すること、及び上式(eq1)から、上式(eq3)が導かれる。なお、下式(eq4)を定義する場合、上式(eq3)は下式(eq5)で表される。
Figure 0007259543000004
Figure 0007259543000005
例えば、上式(eq3)を満たすことを条件として、「fs=f1」に設定することができる。
以上説明したように、本実施形態では、コンデンサ90の静電容量Cが20μF以上であってかつ50μF以下の範囲内の値に定められ、かつ、巻数比N2/N1が0.5以上であってかつ5.2以下の値に定められていることにより、直列共振回路の第1共振周波数f1が所定周波数fcstとされている。また、第1共振周波数f1が定まることにより、並列共振回路の第2共振周波数f2が定まる。これにより、回転電機30のトルクを高い水準に維持しつつ、トルクリップル率を低減することができる。
<第1実施形態の変形例>
界磁巻線の第1,第2巻線部のそれぞれが、平角線にて構成されていてもよい。平角線が用いられることにより、界磁巻線の占積率を高めることができ、損失を低減できる。また、平角線によれば、巻線部に遠心力が作用した場合に、巻線間にかかる荷重を面で受けることができるため、巻線の被膜の損傷を防止できる。また、平角線によれば、アンペアターン(AT)を大きくすることができ、界磁巻線の励磁範囲を拡大できる。その結果、トルク制御性が向上する。
なお、第1,第2巻線部のそれぞれが、平角線を使用したα巻にて構成されていてもよい。平角線を使用したα巻の巻線部としては、例えば、特開2008-178211号公報の図5(A)に示すものを用いることができる。
<第2実施形態>
図18に示すように、ロータ60において、第1巻線部71aと第2巻線部71bとの間に、軟磁性体からなる仕切部100が設けられていてもよい。仕切部100は、例えば、環状をなしており、仕切部100の中心孔が主極部62に挿し込まれた状態とされている。仕切部100は、軸方向から見た場合において、周方向に延びる扁平形状をなしている。仕切部100が第1巻線部71aと第2巻線部71bとの間に介在することにより、径方向において第1巻線部71aと第2巻線部71bとが仕切部100により遮断されている。仕切部100の径方向厚さは、第1巻線部71a及び第2巻線部71bそれぞれの径方向厚さよりも小さい。
仕切部100は、図19に示すように、軟磁性体が径方向に積層されることにより構成されていればよい。これにより、渦電流損失の低減を図ることができる。また、積層方向を径方向とすることにより、仕切部100の周方向長さを確保しつつ、径方向厚さを鋼板板厚寸法に合わせて薄く設定できる。
仕切部100が設けられることにより、漏れ磁束の大部分は、界磁巻線70ではなく、仕切部100を流れるようになる。その結果、第1,第2巻線部71a,71bそれぞれにおいて、さらにその内部の部分コイルで互いに逆極性となる誘起電圧が発生しにくくなり、誘起される電流が増加する。これにより、図8に示すパターン1~4それぞれにおいて第1,第2巻線部71a,71bそれぞれに誘起される電流を増加させることができる。
<その他の実施形態>
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
・界磁巻線70は、図20に示すように、第1巻線部71a、第2巻線部71b及び第3巻線部71cの直列接続体からなるものであってもよい。各主極部62において、径方向において最も外側に第1巻線部71aが巻回され、第1巻線部71aよりも径方向内側に第2巻線部71bが巻回され、第2巻線部71bよりも径方向内側に第3巻線部71cが巻回されている。各主極部62において、各巻線部71a,71b,71cの巻方向は互いに同じになっている。また、周方向に隣り合う主極部62のうち、一方に巻回された各巻線部71a,71b,71cの巻方向と、他方に巻回された各巻線部71a,71b,71cの巻方向とが逆になっている。
図21に、共通の主極部62に巻回された各巻線部71a,71b,71cを備えるロータ側の電気回路を示す。なお、本実施形態では、コンデンサ90を第1コンデンサ90と称すこととする。
ロータ60には、第1コンデンサ90と、第2コンデンサ91とが設けられている。第2巻線部71bの第2端には、第3巻線部71cの第1端が接続されている。第3巻線部71cの第2端には、ダイオード80のアノードが接続されている。第3巻線部71cには、第2コンデンサ91が並列接続されている。図21において、L3は第3巻線部71cのインダクタンスを示し、C1,C2は第1,第2コンデンサ90,91の静電容量を示す。
本実施形態において、第1巻線部71a、第1コンデンサ90及びダイオード80からなる直列共振回路を第1直列共振回路と称し、第2巻線部71b及び第1コンデンサ90からなる並列共振回路を第1並列共振回路と称すこととする。本実施形態では、さらに、第1,第2巻線部71a,71b、第2コンデンサ91及びダイオード80からなる第2直列共振回路と、第3巻線部71c及び第2コンデンサ91からなる第2並列共振回路とが構成されている。第2直列共振回路の共振周波数である第3共振周波数をf3とし、第2並列共振回路の共振周波数である第4共振周波数をf4とすると、各共振周波数f3,f4は、下式(eq6),(eq7)で表される。
Figure 0007259543000006
Figure 0007259543000007
第2直列共振回路及び第2並列共振回路は、第1直列共振回路及び第1並列共振回路と同様に機能する。この構成によれば、例えば、各相巻線31U,31V,31Wに流す高調波電流の周波数が設定した周波数からずれた場合であっても、ずれた周波数が第3,第4共振回路の共振周波数f3,f4となるとき、その周波数において界磁電流の増大効果を得ることができる。
ここで、高調波電流の周波数が設定した周波数からずれる現象は、例えば、回転電機30の電気角周波数が高い領域で生じ得る。これは、電気角周波数が高いほど、基本波電流の1周期に重畳できる高調波電流の数M(Mは自然数)が少なくなり、重畳する高調波電流の数がMからM-1になる場合の周波数変動が大きいためである。例えば、Mが4と3の間で変わる場合、30%前後の周波数の変動があり、この前後における高調波電流の周波数fhは、少なくとも30%程度の変動がある。M=3は、3相電流のうち1相あたりの基本波電流の1周期に3周期分の高調波電流が含まれることを示し、界磁巻線の励磁周波数としては最小単位であると考えられる。
・界磁巻線が4つ以上の巻線部の直列接続体からなっていてもよい。この場合、図22に示すように、巻線部の数をn+1個とすると、コンデンサの数がn個となる。
・図23に示すように、コンデンサ100が第1巻線部71aに並列接続されていてもよい。この場合、第2巻線部71b、コンデンサ100及びダイオード80からなる直列共振回路と、第1巻線部71a及びコンデンサ100からなる並列共振回路とが構成される。ここでは、第2巻線部71bが、径方向において第1巻線部71aよりもステータ50に近い側に配置されていればよい。
図23に示す構成において、ステータ巻線に高調波電流を流す場合に、第1巻線部71aに流れる高調波電流により発生する磁束と第2巻線部71bに流れる高調波電流により発生する磁束との合成値である界磁合成磁束の振幅よりも、ステータ巻線に高調波電流が流れることにより発生する磁束と界磁合成磁束との合成値の振幅を小さくするように、コンデンサ100の静電容量と、第1巻線部71aに対する第2巻線部71bの巻数比N2/N1とが定められればよい。
・回転電機としては、インナロータ型のものに限らず、アウタロータ型のものであってもよい。この場合、主極部は、ロータコアから径方向内側に突出している。
・ロータの界磁巻線としては、アルミ線に限らず、例えば、銅線又はCNT(カーボンナノチューブ)等であってもよい。また、界磁巻線は、圧縮成形で無くてもよい。
30…回転電機、50…ステータ、60…ロータ、70…界磁巻線、71a,71b…第1,第2巻線部、80…ダイオード、90…コンデンサ。

Claims (8)

  1. ステータ巻線(31U~31W)を有するステータ(50)と、
    第1巻線部(71a)及び第2巻線部(71b)の直列接続体を有する界磁巻線(70)と、
    ロータコア(61)、及び周方向において所定間隔で設けられてかつ前記ロータコアから径方向に突出する主極部(62)を有するロータ(60)と、を備え、
    前記第1巻線部及び前記第2巻線部のそれぞれが前記各主極部に巻回され、前記界磁巻線に界磁電流を誘起させるための高調波電流が前記ステータ巻線に流れる界磁巻線型回転電機(30)において、
    イオード(80)と、
    前記第2巻線部に並列接続されたコンデンサ(90)と、を備え、
    前記直列接続体の両端のうち、前記第1巻線部側に前記ダイオードの一端が接続され、前記第2巻線部側に前記ダイオードの他端が接続されており、
    前記第1巻線部及び前記コンデンサを含む直列共振回路と、前記第2巻線部及び前記コンデンサを含む並列共振回路とが構成されており、
    記ステータ巻線に高調波電流を流す場合において、前記第1巻線部に流れる高調波電流により発生する磁束と前記第2巻線部に流れる高調波電流により発生する磁束との合成値である界磁合成磁束の振幅よりも、前記ステータ巻線に高調波電流が流れることにより発生する磁束と前記界磁合成磁束との合成値の振幅を小さくするように、前記コンデンサの静電容量(C)と、前記第1巻線部に対する前記第2巻線部の巻数比(N2/N1)とが定められている界磁巻線型回転電機。
  2. 前記第1巻線部が、径方向において前記第2巻線部よりも前記ステータに近い側に配置されている請求項1に記載の界磁巻線型回転電機。
  3. 前記直列共振回路の共振周波数(f1)を所定周波数(fcst)に維持し、かつ、前記第1巻線部及び前記第2巻線部それぞれの巻数の合計値を所定巻数(Ncst)に維持することを条件として前記静電容量を所定範囲で変化させた場合、前記巻数比の取り得る範囲が0.5以上であってかつ5.2以下の範囲であり、
    前記静電容量が前記所定範囲内の値に定められ、かつ、前記巻数比が0.5以上であってかつ5.2以下の値に定められていることにより、前記直列共振回路の共振周波数が前記所定周波数とされている請求項1又は2に記載の界磁巻線型回転電機。
  4. 前記第2巻線部の巻数をN2とし、前記静電容量をCとする場合、前記ステータ巻線に流す高調波電流の周波数fsが
    Figure 0007259543000008
    を満たす値に設定されている請求項に記載の界磁巻線型回転電機。
  5. 前記所定範囲が20μF以上であってかつ50μF以下の範囲である請求項3又は4に記載の界磁巻線型回転電機。
  6. 前記巻数比が0.7以上であってかつ5.2以下の値に定められている請求項3~5のいずれか1項に記載の界磁巻線型回転電機。
  7. ステータ巻線(31U~31W)を有するステータ(50)と、
    第1巻線部(71a)及び第2巻線部(71b)の直列接続体を有する界磁巻線(70)と、
    ロータコア(61)、及び周方向において所定間隔で設けられてかつ前記ロータコアから径方向に突出する主極部(62)を有するロータ(60)と、を備え、
    前記第1巻線部及び前記第2巻線部のそれぞれが前記各主極部に巻回され、前記界磁巻線に界磁電流を誘起させるための高調波電流が前記ステータ巻線に流れる界磁巻線型回転電機(30)において、
    イオード(80)と、
    前記第1巻線部に並列接続されたコンデンサ(100)と、を備え、
    前記直列接続体の両端のうち、前記第1巻線部側に前記ダイオードの一端が接続され、前記第2巻線部側に前記ダイオードの他端が接続されており、
    前記第2巻線部及び前記コンデンサを含む直列共振回路と、前記第1巻線部及び前記コンデンサを含む並列共振回路とが構成されており、
    記ステータ巻線に高調波電流を流す場合において、前記第1巻線部に流れる高調波電流により発生する磁束と前記第2巻線部に流れる高調波電流により発生する磁束との合成値である界磁合成磁束の振幅よりも、前記ステータ巻線に高調波電流が流れることにより発生する磁束と前記界磁合成磁束との合成値の振幅を小さくするように、前記コンデンサの静電容量(C)と、前記第1巻線部に対する前記第2巻線部の巻数比(N2/N1)とが定められている界磁巻線型回転電機。
  8. 前記第2巻線部が、径方向において前記第1巻線部よりも前記ステータに近い側に配置されている請求項7に記載の界磁巻線型回転電機。
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