WO2018131646A1 - 回転電機の制御装置 - Google Patents

Abstract

回転電機は、ステータと、ロータと、を備える。ロータは、界磁コア、界磁巻線、及び永久磁石を有する。界磁コアは、ボス部とディスク部と爪状磁極部とを有する。界磁巻線は、ボス部と爪状磁極部との間に配置される。永久磁石は、爪状磁極部の間に配置される。ロータは、界磁巻線の起磁力によるｄ軸磁気回路と、永久磁石の磁力による磁石磁気回路と、を有する。ｄ軸磁気回路と磁石磁気回路とは、少なくとも一部において互いに共通している。ロータの負荷時において、ｄ軸磁気回路のパーミアンスは、ｑ軸磁気回路のパーミアンスに比べて小さい。回転電機の制御装置は、界磁巻線の通電を制御するスイッチ回路と、界磁電流が閾値よりも大きい場合、界磁電流が閾値以下である場合に比べて、スイッチ回路のスイッチング周波数を高くする制御部と、を備える。

Description

回転電機の制御装置

　本開示は、回転電機の制御技術に関する。

　従来、ステータと、ロータと、を備える回転電機が知られている（例えば、特許文献１など）。特許文献１記載の回転電機において、ロータは、界磁コアと、界磁巻線と、永久磁石と、を備えている。界磁コアは、回転軸に固定される筒状のボス部と、ボス部の軸方向端部から径方向外側に広がるディスク部と、ディスク部の径方向先端から軸方向に延在し、ボス部の径方向外側に配置される爪状磁極部と、を有している。爪状磁極部は、回転軸回りに所定角度ごとに設けられている。また、爪状磁極部は、回転周方向に交互に異なる極性の磁極が形成されるように複数設けられている。界磁巻線は、ボス部と爪状磁極部との間に配置されており、通電により起磁力を発生する。永久磁石は、回転周方向に隣接する２つの爪状磁極部の間に、磁化容易軸が回転周方向に向けられて配置されている。そして、永久磁石の磁極は、界磁巻線の起磁力により、回転周方向に隣接する２つの爪状磁極部に現れる極性と一致するように形成されている。

　永久磁石は、２つの磁石磁気回路を形成する。具体的には、ステータに鎖交する磁束が流れる第１磁石磁気回路と、ボス部を通りロータ内で磁束の流れが完結する第２磁石磁気回路と、である。また、ロータに負荷が掛けられたときは、界磁巻線の起磁力により形成される磁束が、界磁コアのボス部、ディスク部、一対の爪状磁極部、ステータコアを経由して流れるｄ軸磁気回路が形成される。尚、ロータに負荷が掛けられたときとは、界磁巻線に界磁電流が通電されたときである。２つの上記磁石磁気回路のうち、第２磁石磁気回路を流れる磁石磁束は、ｄ軸磁気回路の磁束と逆方向に流れる。よって、第２磁石磁気回路を流れる磁石磁束は、抵抗が大きく流れ難い状態になる。

　ｄ軸磁気回路のパーミアンスＰｒｔ及びｑ軸磁気回路のパーミアンスＰｓｔは、Ｐｓｔ＞Ｐｒｔの関係が成立するように設定されているとする。この場合、上記第１磁石磁気回路を流れる磁石磁束は増大する。よって、回転電機は、永久磁石の磁石磁束を有効利用して、発電能力を大幅に向上させられる。この具体的な実現手段としては、次のような手段が考えられる。例えば、爪状磁極部、ディスク部、及びボス部を、同一の軟磁性材料により一体形成する。そして、２つの形成体を突き合わせた状態で、ボス部、ディスク部の一部、又はディスク部の全部を細くする。その結果、磁路断面積を小さくして、界磁電流の増強時に磁気飽和し易くする。この実現手段によれば、永久磁石の磁石磁束は、ボス部側を通過し難くなり、ステータに鎖交し易くなる。

特開平４－２５５４５１号公報

　インダクタンスは、パーミアンスに比例して定義される量である。また、ｄ軸磁気回路のパーミアンスＰｒｔは、負荷が大きい場合（Ｐｓｔ＞Ｐｒｔ）と小さい場合（Ｐｓｔ≒Ｐｒｔ）とで、一桁近くダイナミックに変化する。このような磁気回路においては、ｄ軸側のインダクタンスが負荷状態に応じて、一桁近くダイナミックに変化することを意味する。すなわち、上記特性の磁気回路においては、界磁巻線のインダクタンスが、負荷状態に応じて、ダイナミックに変化することを意味する。つまり、磁気回路は、負荷が大きい場合にはインダクタンスが小さくなり、負荷が小さい場合にはインダクタンスが大きくなる。

　一般的に、抵抗－コイルのＬＲ回路の時定数τは、τ＝Ｌ／Ｒによって表される。界磁巻線においては、抵抗値Ｒは負荷状態によって大きく変化しない。すなわち、自己発熱による変化は、インダクタンスＬの変化に比べれば、微小な範囲である。よって、回路の時定数τは、インダクタンスＬがダイナミックに変化すると、ダイナミックに変化する。このため、回転電機では、界磁電流の制御の安定性が損なわれる。その結果、回転電機では、発電電圧の制御が安定せず、電圧変動が激しくなることが予想される。

　時定数τの値が小さい回路を制御する場合に、界磁電流の制御の安定性を確保するためには、スイッチング周波数を上げることが最も簡易な対策として用いられる。しかし、上記の如く、回路の時定数τが随時変化する構成においては、スイッチング周波数を常時高い設定とすると、回路の時定数τが大きいときに、スイッチングの損失が発生する。このように、上記対策では、スイッチング素子に与えるストレスが大きく、放熱対策や耐力向上などの別途の措置が必要となる。

　本開示は、界磁巻線の回路時定数が小さいときの界磁電流の制御の安定性の確保と、回路時定数が大きいときのスイッチング損失の低減と、を両立可能な回転電機の制御技術を提供する。

　本開示の技術の一態様である制御装置は、ステータコアにステータ巻線が巻装されている環状のステータと、ステータに対して径方向内側に対向して配置されるロータと、を備える回転電機を制御する。ロータは、界磁コア、界磁巻線、及び永久磁石を有する。界磁コアは、回転軸に固定される筒状のボス部と、ボス部の軸方向端部から径方向外側に広がるディスク部と、ディスク部の径方向先端部から軸方向に延在し、ボス部の径方向外側に配置され、回転周方向に交互に異なる極性の磁極が形成される複数の爪状磁極部と、を有する。界磁巻線は、ボス部と爪状磁極部との間に配置され、通電により起磁力を発生する。永久磁石は、回転周方向に隣接する２つの爪状磁極部の間に、磁化容易軸が回転周方向に向けられて配置され、界磁巻線の起磁力により、該２つの爪状磁極部に現れる極性と一致するように磁極が形成されている。そして、ロータは、ｄ軸磁気回路と磁石磁気回路とを有する。ｄ軸磁気回路は、界磁巻線の起磁力により形成される磁束が、ボス部、ディスク部、爪状磁極部、及びステータコアを経由して流れる。磁石磁気回路は、永久磁石の磁力により形成される磁束が流れる。ｄ軸磁気回路と磁石磁気回路とは、少なくとも一部において互いに共通した共通回路部を有する。ロータの負荷時において、ステータ巻線の通電時に形成される磁束がｄ軸に対して電気角で９０°ずれた位置にあるｑ軸を通るｑ軸磁気回路のパーミアンスＰｓｔと、ｄ軸磁気回路のパーミアンスＰｒｔとは、Ｐｓｔ＞Ｐｒｔの関係が成立するように設定されている。そして、本開示の回転電機の制御装置は、スイッチ回路と制御部とを備える。スイッチ回路は、界磁巻線の通電を制御する。制御部は、界磁巻線に流れる界磁電流が閾値よりも大きい場合、界磁電流が閾値以下である場合に比べて、スイッチ回路のオンとオフとを切り替えるスイッチング周波数を高くする。

　この構成によれば、本開示の回転電機では、ロータの回転周方向に隣接する爪状磁極部の間に配置された永久磁石の磁力によって、２つの磁石磁気回路が形成される。具体的には、ステータに鎖交する磁束が流れる第１磁石磁気回路と、ボス部を通りロータ内で完結する磁束が流れる第２磁石磁気回路と、が形成される。そして、本開示の回転電機では、ロータに負荷が掛けられた時、ｄ軸磁気回路が形成される。尚、ロータの負荷時とは、界磁巻線に界磁電流が通電された時に相当する。ｄ軸磁気回路は、界磁巻線の起磁力により形成される磁束が、界磁コアのボス部、ディスク部、一対の爪状磁極部、及びステータコアを経由して流れる。このとき、２つの磁石磁気回路のうち、第２磁石磁気回路を流れる磁石磁束は、ｄ軸磁気回路の磁束と逆方向に流れている。よって、抵抗が大きく流れ難い状態となる。また、ｄ軸磁気回路のパーミアンスＰｒｔは、ｑ軸磁気回路のパーミアンスＰｓｔに比べて小さい（Ｐｓｔ＞Ｐｒｔ）。そのため、２つの磁石磁気回路のうち、第１磁石磁気回路の磁石磁束が増大する。これにより、本開示の回転電機では、磁石磁束を有効利用して、発電能力を大幅に向上させられる。また、本開示の回転電機の制御装置では、界磁電流が閾値よりも大きい場合、界磁電流が閾値以下である場合に比べて、界磁巻線側のスイッチング周波数が高く設定される。これにより、本開示の回転電機の制御装置では、界磁電流が大きく回路時定数の小さい過飽和状態において、界磁電流の制御の安定性を確保できる。そして、界磁電流が小さく回路時定数の大きい低飽和状態において、スイッチング回数を減らして、スイッチング損失を低減できる。

　本開示の回転電機の制御装置において、閾値は、第１閾値と第２閾値とを有する。第１閾値は、スイッチング周波数を、高い値から低い値へ変更するための閾値である。第２閾値は、スイッチング周波数を、低い値から高い値へ変更するための閾値である。第１閾値は、第２閾値に比べて小さい。この構成によれば、本開示の回転電機の制御装置では、界磁電流の閾値近傍での変動に起因するスイッチング周波数の切替ハンチングを防止できる。そして、その切替時の電圧ハンチング現象を抑止できる。

　本開示の回転電機の制御装置において、スイッチ回路は、スイッチング素子と還流ダイオードとを有する。スイッチング素子は、界磁巻線に直列に接続されている。還流ダイオードは、界磁巻線に並列に接続されている。この構成によれば、本開示の回転電機の制御装置では、界磁巻線に蓄積されていた磁気エネルギを、還流ダイオードを通じて電流として外部へ放出できる。よって、スイッチング素子のオフ時に回転電機の出力電圧を確保できる。

　本開示の回転電機の制御装置において、スイッチ回路は、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子とを有する。第１スイッチング素子は、界磁巻線に直列に接続されている。第２スイッチング素子は、界磁巻線に並列に接続されている。スイッチ回路は、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子を相補的に導通制御する同期整流方式の回路である。この構成によれば、本開示の回転電機の制御装置は、上記の還流ダイオードを用いる構成に比べて、還流電流が流れる際における導通損失を低減できる。よって、熱的ストレスが抑えられる。尚、還流電流が流れる際とは、界磁巻線に蓄えられていた磁気エネルギを電流として放出する際に相当する。

　本開示の回転電機の制御装置において、スイッチング素子は、ＭＯＳＦＥＴである。この構成によれば、本開示の回転電機の制御装置では、スイッチング素子がバイポーラ系の例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などにより構成されている場合に比べて、導通時の損失を低減できる。そして、高速スイッチングに対応可能なため、スイッチング周波数の切替を適切に行える。

　本開示の回転電機の制御装置は、コンデンサを備える。コンデンサは、スイッチ回路に並列に接続されている。この構成によれば、本開示の回転電機の制御装置では、界磁巻線の界磁電圧の変動を抑えられる。よって、その界磁電圧を安定化させられる。

　本開示の回転電機の制御装置は、インバータを備える。ステータ巻線は、多相巻線である。インバータは、多相巻線の通電を制御する。スイッチ回路のスイッチング周波数は、インバータのオンとオフとを切り替えるスイッチング周波数に比べて低い。この構成によれば、本開示の回転電機の制御装置では、界磁によるインバータへの電磁干渉を防止できる。そして、界磁巻線側のスイッチング損失が減らせる。よって、インバータへの熱的負担を軽減できる。

　本開示の回転電機の制御装置において、スイッチ回路は、インバータの正極端子と負極端子との間に並列接続されている。この構成によれば、本開示の回転電機の制御装置では、回転電機のシステム全体をコンパクトに構成できる。

　本開示の回転電機の制御装置において、Ｐｓｔ＞Ｐｒｔの関係は、界磁コアの少なくとも一部の磁路断面積の調整により設定される。この構成によれば、本開示の回転電機の制御装置では、界磁コアの少なくとも一部の形状変更によって、Ｐｓｔ＞Ｐｒｔの関係を設定できる。よって、その関係を簡易な手法を用いて成立させられる。

第１実施形態に係る回転電機を、軸線を含む面で切断した際の断面図である。 第１実施形態の回転電機が備えるロータの斜視図である。 第１実施形態の回転電機が備えるロータの、軸線を含む面で切断した際の斜視図である。 第１実施形態の回転電機が備えるロータ及びステータの部分的な平面図である。 第１実施形態の回転電機において形成されるｄ軸磁気回路の界磁コア側での磁束の流れを表した図である。 第１実施形態の回転電機において、永久磁石により形成される２つの磁石磁気回路を表した図である。 第１実施形態の回転電機の制御装置における回路図である。 第１実施形態の回転電機の制御装置における、界磁電流又は界磁デューティと、スイッチング周波数と、の関係を表した図である。 第１実施形態の回転電機の制御装置における界磁電流の時間変化波形の一例を表した図である。 対比例における界磁電流の時間変化波形の一例を表した図である。 ロータが有する界磁巻線における、界磁電流又は界磁デューティと、インダクタンス又は時定数と、の関係を表した図である。 第２実施形態に係る回転電機の制御装置における、界磁電流又は界磁デューティと、スイッチング周波数と、の関係を表した図である。 第３実施形態に係る回転電機の制御装置における回路図である。

　以下、本開示の技術の一態様である回転電機の制御装置の具体的な実施形態について、図１～図１３を参照し説明する。

　（第１実施形態）
　＜回転電機の構成＞
　本実施形態において、回転電機１は、例えば、車両などに搭載される。回転電機１は、バッテリなどの電源から電力が供給されることによって、車両を駆動するための駆動力を発生する。また、回転電機１は、車両のエンジンから動力が供給されることによって、バッテリを充電するための電力を発生する。つまり、回転電機１は、車両用発電電動機である。回転電機１は、図１に示す如く、ハウジング１０と、ステータ２０と、ロータ３０と、界磁巻線給電装置４０と、整流装置５０と、を備えている。

　ハウジング１０は、フロントハウジング１１と、リアハウジング１２と、を有している。フロントハウジング１１及びリアハウジング１２はそれぞれ、一端が開口した有底円筒状に形成されている。フロントハウジング１１及びリアハウジング１２は、開口部同士が接合された状態で、ボルト１３により締結されている。

　ステータ２０は、ステータコア２１と、ステータ巻線２２と、を有している。ステータコア２１は、円環状に形成されている。ステータコア２１は、図４に示す如く、ティース２３と、スロット２４と、を有している。ティース２３は、円環部の径方向内面から径方向内側に向けて延びており、周方向に複数配置されている。スロット２４は、周方向に隣接する２つのティース２３の間に設けられた孔部である。ステータコア２１は、フロントハウジング１１及びリアハウジング１２によって、軸方向に挟持された状態で、その内周壁面に固定されている。

　ステータ巻線２２は、ステータコア２１に巻装されている。具体的には、ステータ巻線２２は、ステータコア２１のティース２３に巻装されている。ステータ巻線２２は、直線状のスロット収容部と湾曲状のコイルエンド部とを有する。スロット収容部は、ステータコア２１のスロット２４に収容される部分である。コイルエンド部は、ステータコア２１の軸方向端から軸方向外側に突出する部分である。ステータ巻線２２は、回転電機１の相数に対応した数だけ設けられた多相巻線である。尚、本実施形態のステータ巻線２２は三相巻線である。

　＜ロータの構成＞
　ロータ３０は、ステータ２０に対して、径方向内側に対向して配置されている。具体的には、ロータ３０は、ステータ２０のティース２３の先端に対して、径方向内側に対向して配置されている。ロータ３０とステータ２０との間には、所定の空隙が設けられている。ロータ３０は、ステータ２０の径方向内側において回転可能に設けられている。

　本実施形態のロータ３０は、ランデル型回転子である。ロータ３０は、図１～３に示す如く、回転軸３１と、界磁コア３２と、界磁巻線３３と、永久磁石３４と、を有している。回転軸３１は、ハウジング１０に、一対の軸受１４，１５を介して、回転可能に支持されている。ロータ３０は、回転軸３１に締め付け固定されたプーリ３６を介して、車両のエンジンにより回転駆動される。界磁巻線３３は、界磁コア３２のボス部３２１の外周側に巻装されている。

　界磁コア３２は、軸方向に２分割された一対のポールコア３２ａ，３２ｂによって構成される、ランデル型の界磁コアである。以下、一対のポールコア３２ａ，３２ｂを、第１ポールコア３２ａ及び第２ポールコア３２ｂと称す。第１ポールコア３２ａ及び第２ポールコア３２ｂはそれぞれ、軟磁性体からなり、例えば鍛造成形される。第１ポールコア３２ａ及び第２ポールコア３２ｂは、互いに同一形状をなしている。第１ポールコア３２ａは、ロータ３０の回転軸３１の第１端側（図１におけるＡ側）に固定されている。第２ポールコア３２ｂは、ロータ３０の回転軸３１の第２端側（図１におけるＢ側）に固定されている。

　第１ポールコア３２ａ及び第２ポールコア３２ｂはそれぞれ、図３に示す如く、ボス部３２１と、ディスク部３２２と、爪状磁極部３２３と、を有している。具体的には、第１ポールコア３２ａは、第１ボス部３２１ａと、第１ディスク部３２２ａと、第１爪状磁極部３２３ａと、を有している。第２ポールコア３２ｂは、第２ボス部３２１ｂと、第２ディスク部３２２ｂと、第２爪状磁極部３２３ｂと、を有している。第１ボス部３２１ａ及び第２ボス部３２１ｂは、ロータ３０の回転軸３１が挿入可能なシャフト孔を有する円筒状の部材である。そして、第１ボス部３２１ａ及び第２ボス部３２１ｂは、ロータ３０の回転軸３１の外周側に嵌合固定される部位である。第１ボス部３２１ａ及び第２ボス部３２１ｂには、界磁束が、界磁巻線３３の径方向内側にて軸方向に流れる。

　第１ディスク部３２２ａは、第１ボス部３２１ａの軸方向第１端部（図１におけるＡ側の端部）から径方向外側に広がる円盤状の部位である。そして、第１ディスク部３２２ａは、ロータ３０の回転周方向において所定角度のピッチで、径方向外側へ延在する部位である。第２ディスク部３２２ｂは、第２ボス部３２１ｂの軸方向第２端部（図１におけるＢ側の端部）から径方向外側に広がる円盤状の部位である。そして、第２ディスク部３２２ｂは、ロータ３０の回転周方向において所定角度のピッチで、径方向外側に延在する部位である。第１ディスク部３２２ａ及び第２ディスク部３２２ｂには、界磁束が径方向に流れる。

　第１爪状磁極部３２３ａは、第１ディスク部３２２ａの径方向先端部から軸方向第２端側（図１におけるＢ側）に延在し、第１ボス部３２１ａの径方向外側に配置される部位である。第２爪状磁極部３２３ｂは、第２ディスク部３２２ｂの径方向先端部から軸方向第１端側（図１におけるＡ側）に延在し、第２ボス部３２１ｂの径方向外側に配置される部位である。第１爪状磁極部３２３ａ及び第２爪状磁極部３２３ｂは、界磁巻線３３の径方向外側において、軸方向に延在するように配置されている。第１爪状磁極部３２３ａ及び第２爪状磁極部３２３ｂは、ステータコア２１との間で、磁束を授受する。

　第１爪状磁極部３２３ａ及び第２爪状磁極部３２３ｂはそれぞれ、ロータ３０の回転周方向において、同じ数（例えば８個）ずつ設けられている。第１ポールコア３２ａと第２ポールコア３２ｂとは、第１爪状磁極部３２３ａと第２爪状磁極部３２３ｂとが互い違いに向かい合うように、軸方向端面同士が接した状態に組み付けられる。第１爪状磁極部３２３ａと第２爪状磁極部３２３ｂとは、図２及び図３に示す如く、ロータ３０の回転周方向に隙間空間３７を空けて、交互に配置されている。第１爪状磁極部３２３ａと第２爪状磁極部３２３ｂとは、ディスク部３２２ａ，３２２ｂに連接する軸方向根元側（又は軸方向先端側）が互いに軸方向に対向するように、ロータ３０の回転周方向に交互に配置されている。第１爪状磁極部３２３ａ及び第２爪状磁極部３２３ｂには、互いに異なる極性（具体的にはＮ極及びＳ極）の磁極が形成される。

　各爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂは、ロータ３０の回転周方向において、所定の幅（所定の周方向幅）を有する。そして、各爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂは、径方向において、所定の厚さ（所定の径方向厚さ）を有する。各爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂは、このように形成されている。各爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂは、ディスク部３２２ａ，３２２ｂとの連接部近傍の根元側から軸方向先端側にかけて、周方向幅が徐々に小さくなり、かつ、径方向厚さが徐々に小さくなるように形成されている。すなわち、各爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂは、軸方向先端側ほど、周方向及び径方向の双方において、細くなるように形成されている。尚、各爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂは、ロータ３０の回転周方向に、その周方向中心を挟んで左右対称となるように形成されていることが好ましい。

　上記隙間空間３７は、ロータ３０の回転周方向に互いに隣接する第１爪状磁極部３２３ａと第２爪状磁極部３２３ｂとの間ごとに設けられている。隙間空間３７は、軸方向斜めに延在している。そして、隙間空間３７は、ロータ３０の回転軸３１に対して、軸方向端部から反対側の軸方向端部にかけて、所定角度で傾斜している。各隙間空間３７は、ロータ３０の回転周方向の大きさ（周方向寸法）が、軸方向位置に応じて変化することがほとんど無いように設定されている。すなわち、各隙間空間３７は、周方向寸法が一定、若しくは、周方向寸法がその一定値を含む極僅かな範囲内に維持されるように設定されている。各隙間空間３７には、永久磁石３４が配置される。

　界磁コア３２は、飽和磁束密度の異なる２種類の材料により形成されている。具体的には、界磁コア３２のうち、爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂと、ボス部３２１ａ，３２１ｂ及びディスク部３２２ａ，３２２ｂとは、飽和磁束密度の異なる材料により形成されている。爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂは、第１材料により形成されている。ボス部３２１ａ，３２１ｂ及びディスク部３２２ａ，３２２ｂは、第１材料に比べて、飽和磁束密度が低い第２材料により形成されている。

　第１材料としては、例えばＳ１０Ｃなどの炭素量０．１［％］程度のものが挙げられる。また、第２材料としては、例えばＳ４５Ｃなどの炭素量が比較的多いものが挙げられる。尚、Ｓ１０Ｃに比べて飽和磁束密度の低い材料としては、ＳＵＳ４３０や電磁鋼板などもある。また、第２材料は、第１材料に比べて、透磁率が高い材料である。透磁率が高い材料としては、例えばパーマロイやニッケルコバルトを添加した鉄などが挙げられる。その中でも第２材料としてはパーマロイが最適である。

　一般的に、磁気回路のパーミアンスＰは、磁気回路材料の透磁率μ、磁路断面積Ａ、磁路長さＬを用いて、式（１）で表される。透磁率μは、磁気回路の磁気飽和状態の程度により変化する。透磁率μは、低飽和状態であれば、空気の透磁率に対して数千～１万倍程度の大きさである。一方、透磁率μは、過飽和状態であれば、空気の透磁率に対して数倍程度の大きさである。
　Ｐ＝μ×Ａ／Ｌ　　　・・・（１）

　界磁巻線３３は、ポールコア３２ａ，３２ｂのボス部３２１ａ，３２１ｂの外周側に、界磁コア３２と絶縁された状態で巻装されている。界磁巻線３３は、第１ポールコア３２ａにおける、第１ボス部３２１ａと第１爪状磁極部３２３ａとの径方向に空いた隙間、及び、第２ポールコア３２ｂにおける、第２ボス部３２１ｂと第２爪状磁極部３２３ｂとの径方向に空いた隙間に配置されている。界磁巻線３３は、直流の界磁電流（励磁電流）Ｉｆの通電によって、ボス部３２１ａ，３２１ｂに起磁力を発生させるコイル部材である。界磁巻線３３により発生した磁束は、ボス部３２１ａ，３２１ｂからディスク部３２２ａ，３２２ｂを介して、爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂに導かれる。界磁巻線３３は、発生した磁束によって、第１爪状磁極部３２３ａをＮ極に磁化させ、かつ、第２爪状磁極部３２３ｂをＳ極に磁化させる。

　発生した磁束は、界磁コア３２のボス部３２１ａ，３２１ｂ、ディスク部３２２ａ，３２２ｂ、及び、一対の爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂを通る。この磁束は、ｄ軸磁気回路６０を形成する。ｄ軸磁気回路６０は、図４及び図５に破線で示す如く、磁束が次のような経路を通る磁気回路である。まず、磁束は、ステータコア２１のｄ軸のティース２３から界磁コア３２の第１爪状磁極部３２３ａに入る。そして、磁束は、第１ディスク部３２２ａ→第１ボス部３２１ａ→第２ボス部３２１ｂ→第２ディスク部３２２ｂ→第２爪状磁極部３２３ｂを経由する。そして、磁束は、ステータコア２１の１磁極分ずれた位置にあるティース２３からステータコア２１に戻る。その後、磁束は、バックコア２５を通り、１磁極分ずれた位置にあるｄ軸のティース２３に至る。このｄ軸磁気回路６０は、ロータ３０の逆起電力を生む磁気回路である。

　また、ステータ巻線２２は、ｄ軸磁気回路６０の磁束、及び、後述の第１磁石磁気回路６２のステータ２０に鎖交する磁束によって、電流が流れる。これにより、ｑ軸磁気回路６１が形成される。ｑ軸磁気回路６１は、図４に実線で示す如く、ステータコア２１のｄ軸に対して、電気角で９０°ずれた位置にあるｑ軸を通る磁束によって形成される磁気回路である。ｄ軸磁気回路６０のパーミアンスＰｒｔ及びｑ軸磁気回路６１のパーミアンスＰｓｔは、ロータ３０に負荷が掛けられた時に、式（２）の関係が成立するように設定されている。すなわち、界磁巻線３３に界磁電流Ｉｆが通電された時に、式（２）の関係が成立するように設定されている。尚、パーミアンスＰｒｔ，Ｐｓｔは、磁気抵抗の逆数である。
　Ｐｓｔ＞Ｐｒｔ　　　・・・（２）

　ロータ３０に負荷が掛けられた時とは、定格電流として界磁巻線３３に通電される界磁電流Ｉｆが、車両用ブラシの性能として一般的な値の範囲内（４［Ａ］≦Ｉｆ≦２０［Ａ］）の状態のことをいう。尚、このときの界磁電流Ｉｆは、ブラシ性能が向上すれば、例えば３０［Ａ］でもよい。また、界磁電流Ｉｆは、ブラシレスのように、界磁電流Ｉｆに制限のない構成であれば、電流値が上記範囲より大きくてもよい。つまり、このときの界磁電流Ｉｆは、Ｐｓｔ＞Ｐｒｔの関係が成立するような電流値であればよい。

　図２及び図３に示す如く、永久磁石３４は、第１爪状磁極部３２３ａと第２爪状磁極部３２３ｂとの間に設けられた隙間空間３７ごとに、１つずつ配置されている。つまり、永久磁石３４は、隙間空間３７の数と同数だけ設けられている。各永久磁石３４は、概ね直方体に形成されている。各永久磁石３４は、隙間空間３７と同様に、軸方向斜めに傾斜して延在するように配置されている。そして、永久磁石３４は、ロータ３０の回転軸３１に対して、軸方向端部から反対側の軸方向端部にかけて、所定角度で傾斜している。永久磁石３４は、ロータ３０の回転周方向に互いに隣接する第１爪状磁極部３２３ａと第２爪状磁極部３２３ｂとの間における磁束の漏れを低減する機能を有している。そして、永久磁石３４は、爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂとステータ２０のステータコア２１との間における磁束を強化する機能を有している。

　永久磁石３４は、爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂの間の漏れ磁束を減少させる向きの磁極が形成されるように配置されている。各永久磁石３４は、磁化容易軸が、ロータ３０の回転周方向に向けられて配置されている。具体的には、永久磁石３４は、所定の傾斜角度分だけ、ロータ３０の回転周方向に傾いて配置されている。各永久磁石３４は、周方向両側それぞれの磁極部が、爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂの周方向側面に対向した状態、或いは、当接した状態に保持されている。各永久磁石３４は、界磁巻線３３の起磁力によって、爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂに現れる極性と一致するように、磁極が形成されている磁石である。すなわち、各永久磁石３４は、Ｎ極に磁化される第１爪状磁極部３２３ａに対向する周方向の面の磁極が、Ｎ極となるように配置形成されている。また、各永久磁石３４は、Ｓ極に磁化される第２爪状磁極部３２３ｂに対向する周方向の面の磁極が、Ｓ極となるように配置形成されている。

　このように、本実施形態の界磁コア３２は、永久磁石３４が配置形成されることによって、各永久磁石３４それぞれにおいて、２つの磁石磁気回路６２，６３が形成される。第１磁石磁気回路６２は、図６に一点鎖線で示す如く、磁石磁束のうち、ステータ２０に鎖交する磁束が流れる磁気回路である。第２磁石磁気回路６３は、図６に二重線で示す如く、磁石磁束のうち、ボス部３２１ａ，３２１ｂやディスク部３２２ａ，３２２ｂを通り、ロータ３０内で完結する磁束が流れる磁気回路である。これらの磁石磁束によれば、ボス部３２１ａ，３２１ｂを通る第２磁石磁気回路６３は、ステータ２０にとって無効となる磁石磁束が流れる磁気回路である。これに対して、第１磁石磁気回路６２は、ステータ２０に鎖交して、逆起電力やトルクになる磁石磁束が流れる磁気回路である。

　第１磁石磁気回路６２とｄ軸磁気回路６０とは、少なくとも一部において互いに共通した共通回路部を有している。具体的には、共通回路部は、第２爪状磁極部３２３ｂからステータ２０を経由して第１爪状磁極部３２３ａに至るまでの磁気回路である。この磁気回路は、第１磁石磁気回路６２とｄ軸磁気回路６０とで共有されている。第２磁石磁気回路６３とｄ軸磁気回路６０とは、少なくとも一部において互いに共通した共通回路部を有している。具体的には、共通回路部は、ボス部３２１ａ，３２１ｂ及びディスク部３２２ａ，３２２ｂにおける磁気回路である。この磁気回路は、第２磁石磁気回路６３とｄ軸磁気回路６０とで共有されている。

　＜制御装置の構成＞
　界磁巻線給電装置４０は、界磁巻線３３に給電するための制御装置である。界磁巻線給電装置４０は、本実施形態の回転電機１の制御装置に相当する。界磁巻線給電装置４０は、図１及び図７に示す如く、スリップリング４１と、ブラシ４２と、レギュレータ４３と、を有している。スリップリング４１は、ロータ３０の回転軸３１の軸方向第１端（図１におけるＢ側の端）に嵌合固定されている。スリップリング４１は、ロータ３０の界磁巻線３３に直流電流を供給するための機能を有している。ブラシ４２は、２つ設けられている。ブラシ４２は、ハウジング１０に取り付け固定されたブラシホルダに保持されている。スリップリング４１は、ブラシ４２に対応して、２つ設けられている。

　ブラシ４２はそれぞれ、その径方向内側の先端が、ロータ３０の回転軸３１側に押圧された状態で、スリップリング４１の表面に、摺動するように配置されている。ブラシ４２は、スリップリング４１を介して、界磁巻線３３に直流電流を流す給電を行う。レギュレータ４３は、界磁巻線３３に流れる界磁電流Ｉｆを制御することによって、回転電機１の出力電圧を調整する装置である。

　レギュレータ４３は、図７に示す如く、スイッチング素子４３１と、還流ダイオード４３２と、を有するスイッチ回路である。スイッチング素子４３１は、界磁巻線３３に直列に接続されている。スイッチング素子４３１は、ＭＯＳＦＥＴである。還流ダイオード４３２は、界磁巻線３３に並列に接続されている。還流ダイオード４３２は、アノード端子がスイッチング素子４３１のドレイン端子に接続されており、カソード端子が正極電源端子に接続されているダイオードである。レギュレータ４３には、スイッチング素子４３１がオンされている際に、外部の電源から電流が供給される。その後、レギュレータ４３では、スイッチング素子４３１がオフされると、界磁巻線３３に蓄積された磁気エネルギが、還流ダイオード４３２を通じて、電流として外部に放出される。

　コンデンサ４４は、レギュレータ４３に並列に接続されている。具体的には、コンデンサ４４は、還流ダイオード４３２のカソード端子と、スイッチング素子４３１のソース端子との間に接続されている。コンデンサ４４は、電気エネルギを蓄えると共に、その蓄えた電気エネルギを電流として出力する。コンデンサ４４は、界磁巻線３３の界磁電圧の変動を抑える機能を有している。

　また、界磁巻線給電装置４０は、マイクロコンピュータを主体に構成された制御部４５を有している。具体的には、制御部４５は、例えばＣＰＵ、ＲＡＭやＲＯＭ等の半導体メモリ、Ｉ／Ｏ等を備えるコンピュータによって構成される。半導体メモリは、非遷移的実体的記録媒体に相当し、コンピュータが読み取り可能な記録媒体である。制御部４５は、例えば半導体メモリに記憶されたプログラムを読み出して、ＣＰＵがプログラムコードに定義された処理を実行する。これにより、制御部４５は、所定の制御機能を提供する。なお、機能の提供方法は、上述したソフトウェアによる方法に限らない。他の提供方法としては、例えばＩＣや論理回路等を用いたハードウェアによる方法であってもよい。制御部４５は、上記のスイッチング素子４３１に接続されている。制御部４５は、スイッチング素子４３１のオン／オフを制御することによって、界磁巻線３３に流れる界磁電流Ｉｆを制御する。これにより、制御部４５は、レギュレータ４３による回転電機１の出力電圧を調整する。制御部４５は、スイッチング素子４３１を制御する１周期中において、界磁電流Ｉｆを流すために当該スイッチング素子４３１をオンにする期間の割合（以下「界磁デューティ」と称す）を制御する。これにより、制御部４５は、界磁巻線３３の界磁電流Ｉｆを制御する。尚、この界磁デューティは、スイッチング素子４３１における（オン期間）／（（オン期間）＋（オフ期間））に略一致する。

　整流装置５０は、ステータ２０のステータ巻線２２に電気的に接続されている。整流装置５０は、ステータ巻線２２で生じた交流電流を直流電流に整流して出力する装置である。整流装置５０は、複数のダイオード（整流素子）５１によって構成されている。ダイオード５１は、ステータ巻線２２の相ごとに、２つずつ設けられている。各相のダイオード５１は、電源端子間に直列接続されている。以下、正極電源端子側のダイオード５１を上ダイオード５１ｕと称す。また、負極電源端子側のダイオード５１を下ダイオード５１ｄと称す。各相のステータ巻線２２は、その第１端が互いに共通接続されており、第２端が、上ダイオード５１ｕと下ダイオード５１ｄとの間に接続されている。

　＜回転電機の動作＞
　このような構成を有する本実施形態の回転電機１においては、車両のエンジンからベルトなどを介して、プーリ３６に回転トルクが付与される。すると、回転電機１では、回転軸３１の回転によって、ロータ３０が所定方向に回転する。この状態において、回転電機１では、界磁巻線給電装置４０のブラシ４２からスリップリング４１を介して、ロータ３０の界磁巻線３３に励磁電圧が印加される。すると、回転電機１では、界磁コア３２におけるポールコア３２ａ，３２ｂの爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂが励磁される。これにより、回転電機１では、ロータ３０の回転周方向に沿って、交互にＮＳ磁極が形成される。

　回転電機１では、爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂにＮＳ磁極が形成されると、ステータ２０のステータ巻線２２に回転磁界が付与される。これにより、回転電機１では、ステータ巻線２２に交流の起電力が発生する。回転電機１では、ステータ巻線２２で発生した交流起電力は、整流装置５０を通って直流に整流された後、出力端子から取り出されてバッテリに供給される。従って、回転電機１は、ステータ巻線２２の起電力の発生によってバッテリを充電させる発電機として機能できる。

　また、本実施形態の回転電機１においては、界磁コア３２は、部分的に飽和磁束密度の低い材料によって形成されている。より具体的には、界磁コア３２において、ボス部３２１及びディスク部３２２は、爪状磁極部３２３を形成する第１材料に比べて、飽和磁束密度が低い第２材料によって形成されている。このため、界磁コア３２は、界磁電流Ｉｆが所定量通電された場合に、容易に磁気飽和状態になる。その結果、磁気回路のパーミアンスＰは小さくなる。また、界磁コア３２は、界磁電流Ｉｆが所定量より多く通電された場合（負荷状態が大きい場合）に、過飽和状態になる。その結果、磁気回路の回路時定数は小さくなる（図１１を参照）。すなわち、回路時定数は短くなる。

　磁気回路の回路時定数が小さく、かつ、パーミアンスＰが小さい状態においては、スイッチング素子４３１のスイッチング周波数が低いと、電流変動は激しくなる。そして、発電電圧の変動も激しくなる。例えば、界磁デューティが５０［％］の時と７５［％］の時とを想定する。すなわち、界磁電流Ｉｆが比較的小さい時と比較的大きい時とを想定する。そして、スイッチング周波数は切り替わらないものとする（例えばスイッチング周波数を１００［Ｈｚ］とする）。このような条件においては、図１０に示す如く、界磁デューティ７５［％］の時における電流（約３．５［Ａ］）の変動幅は、界磁デューティ５０［％］の時における電流（約０．４［Ａ］）の変動幅に比べて、著しく大きくなる。

　＜制御装置の動作＞
　本実施形態の制御装置に相当する界磁巻線給電装置４０において、制御部４５は、予め規定された、界磁電流Ｉｆとスイッチング周波数との関係を、半導体メモリに記憶している。又は、制御部４５は、予め規定された、界磁デューティとスイッチング周波数との関係を記憶している。この界磁電流Ｉｆとスイッチング周波数との関係は、界磁電流Ｉｆが大きいほど、スイッチング周波数が高くなるものである。又は、界磁デューティとスイッチング周波数との関係は、界磁電流Ｉｆと同様に、界磁デューティが大きいほど、スイッチング周波数が高くなるものである。具体的には、制御部４５に記憶されている関係は、界磁電流Ｉｆ又は界磁デューティが閾値以下であるときは、スイッチング周波数が低い値ｆ２（例えば１００［Ｈｚ］程度）に設定されている。一方、界磁電流Ｉｆ又は界磁デューティが閾値より大きいときは、スイッチング周波数が高い値ｆ１（例えば１０００［Ｈｚ］程度）に設定されている。

　また、上記した、界磁電流Ｉｆとスイッチング周波数との関係は、図８に示す如く、ヒステリシス特性を有する。閾値Ａｄ０は、スイッチング周波数を高い値ｆ１から低い値ｆ２へ変更するための界磁電流Ｉｆ又は界磁デューティの第１閾値である。一方、閾値Ａｕ０は、スイッチング周波数を低い値ｆ２から高い値ｆ１へ変更するための界磁電流Ｉｆ又は界磁デューティの第２閾値である。このとき、第１閾値Ａｄ０と第２閾値Ａｕ０と、は互いに異なる。具体的には、第１閾値Ａｄ０は、第２閾値Ａｕ０に比べて小さい。この場合、スイッチング周波数を低い値ｆ２から高い値ｆ１へ切り替えるためには、界磁電流Ｉｆ又は界磁デューティは、第２閾値Ａｕ０よりも大きくなることが必要である。一方、スイッチング周波数を高い値ｆ１から低い値ｆ２へ切り替えるためには、界磁電流Ｉｆ又は界磁デューティは、第１閾値Ａｄ０以下となることが必要である。このようなヒステリシス特性によれば、制御部４５は、界磁電流Ｉｆ又は界磁デューティが、１つの閾値近傍で変動した場合に生じるスイッチング周波数の切替ハンチングを防止できる。そして、その切替時の電圧ハンチング現象を抑止できる。

　制御部４５は、上記した、界磁電流Ｉｆとスイッチング周波数との関係に基づいて、スイッチング周波数を切り替える。具体的には、界磁電流Ｉｆを流すためのスイッチング素子４３１の界磁デューティが大きいことによって、界磁巻線３３に流す界磁電流Ｉｆが大きいときは、制御部４５は、スイッチング周波数を高い値ｆ１に設定する。言い換えると、制御部４５は、回路時定数が小さく界磁コア３２が過飽和状態のとき（高負荷時）は、スイッチング周波数を高い値ｆ１に設定する。また、界磁デューティが小さいことによって、界磁電流Ｉｆが小さいときは、制御部４５は、スイッチング周波数を低い値ｆ２に設定する。言い換えると、制御部４５は、回路時定数が大きく界磁コア３２が低飽和状態のとき（低負荷時）は、スイッチング周波数を低い値ｆ２に設定する。このように、本実施形態の界磁巻線給電装置４０において、制御部４５は、界磁電流Ｉｆが閾値よりも大きい場合、界磁電流Ｉｆが閾値以下である場合に比べて、界磁巻線３３側のスイッチング周波数を高く設定する。

　かかる構成によれば、本実施形態の界磁巻線給電装置４０では、界磁電流Ｉｆが大きく回路時定数の小さい過飽和状態において、スイッチング周波数が高い値ｆ１に設定される。これにより、界磁巻線給電装置４０では、界磁電流Ｉｆの制御の安定性を確保できる。そして、界磁巻線給電装置４０では、発電電圧の制御を安定させられる。また、界磁巻線給電装置４０では、界磁電流Ｉｆが小さく回転時定数の大きい低飽和状態において、スイッチング周波数が低い値ｆ２に設定される。これにより、界磁巻線給電装置４０では、スイッチング回数を減らして、スイッチング損失を低減できる。また、界磁巻線給電装置４０では、発熱機会の低減など、スイッチング素子４３１への負担を軽減できる。そして、界磁巻線給電装置４０では、界磁スイッチングによるエミッションノイズなどの低減が図れる。

　例えば、界磁デューティが５０［％］の時に、スイッチング周波数が低い値ｆ２（図８及び図９において１００［Ｈｚ］）に設定されているとする。また、界磁デューティが７５［％］の時に、スイッチング周波数が高い値ｆ１（図８及び図９において１０００［Ｈｚ］）に設定されているとする。このような条件においては、図９に示す如く、磁気回路のパーミアンスＰが小さい界磁デューティ７５［％］の時における電流の変動幅は、磁気回路のパーミアンスＰが大きい界磁デューティ５０［％］の時における電流（約０．４［Ａ］）の変動幅と同等となる。このように、界磁巻線給電装置４０は、界磁電流Ｉｆ又は界磁デューティに応じて、スイッチング周波数を切り替える。この構成によれば、界磁巻線給電装置４０では、スイッチング周波数を切り替えない構成に比べて、界磁デューティ７５［％］の時における電流の変動幅を、約１／１０程度に抑えられる。

　（作用及び効果）
　本実施形態の回転電機１では、ロータ３０の回転周方向に隣接する爪状磁極部３２３の間に配置された永久磁石３４の磁力によって、２つの磁石磁気回路が形成される。具体的には、ステータ２０に鎖交する磁束が流れる第１磁石磁気回路６２と、ボス部３２１を通りロータ３０内で完結する磁束が流れる第２磁石磁気回路６３と、が形成される。そして、本実施形態の回転電機１では、ロータ３０に負荷が掛けられた時、ｄ軸磁気回路６０が形成される。尚、ロータ３０の負荷時とは、界磁巻線３３に界磁電流Ｉｆが通電された時に相当する。ｄ軸磁気回路６０は、界磁巻線３３の起磁力により形成される磁束が、界磁コア３２のボス部３２１、ディスク部３２２、一対の爪状磁極部３２３、及びステータコア２１を経由して流れる。このとき、２つの磁石磁気回路６２，６３のうち、第２磁石磁気回路６３を流れる磁石磁束は、ｄ軸磁気回路６０の磁束と逆方向に流れている。よって、抵抗が大きく流れ難い状態となる。

　本実施形態の回転電機１では、ｄ軸磁気回路６０のパーミアンスＰｒｔ及びｑ軸磁気回路６１のパーミアンスＰｓｔは、ロータ３０に負荷が掛けられた時に、Ｐｓｔ＞Ｐｒｔの関係が成立するように設定されている。すなわち、ｄ軸磁気回路６０のパーミアンスＰｒｔは、ｑ軸磁気回路６１のパーミアンスＰｓｔに比べて小さい。このため、２つの磁石磁気回路６２，６３のうち、第１磁石磁気回路６２の磁石磁束が増大する。これにより、本実施形態の回転電機１では、磁石磁束を有効利用して、発電能力を大幅に向上させられる。

　また、回転電機１の制御装置に相当する本実施形態の界磁巻線給電装置４０は、界磁巻線３３の通電を制御するレギュレータ４３と、界磁巻線３３に流れる界磁電流Ｉｆを制御する制御部４５と、を有する。制御部４５は、レギュレータ４３のスイッチング素子４３１のオン／オフを制御することによって、界磁電流Ｉｆを制御する。制御部４５は、界磁電流Ｉｆ又は界磁デューティが閾値よりも大きい場合、界磁電流Ｉｆが閾値以下である場合に比べて、スイッチング素子４３１のスイッチング周波数を高い値に設定する。具体的には、スイッチング周波数は、界磁電流Ｉｆ又は界磁デューティが比較的大きい時は、高い値ｆ１に設定されている。また、スイッチング周波数は、界磁電流Ｉｆ又は界磁デューティが比較的小さい時は、低い値ｆ２に設定されている。磁気回路の回路時定数が小さく、かつ、パーミアンスＰが小さい状態においては、スイッチング素子４３１のスイッチング周波数が低いと、電流変動は激しくなる。そこで、制御部４５では、界磁電流Ｉｆが閾値よりも大きい場合、界磁電流Ｉｆが閾値以下である場合に比べて、界磁巻線３３側のスイッチング周波数を高く設定する。これにより、本実施形態の界磁巻線給電装置４０では、界磁電流Ｉｆが大きく回路時定数の小さい過飽和状態において、界磁電流Ｉｆの制御の安定性を確保できる。そして、界磁電流Ｉｆが小さく回路時定数の大きい低飽和状態において、スイッチング回数を減らして、スイッチング損失を低減できる。また、本実施形態の界磁巻線給電装置４０では、界磁スイッチングによるエミッションノイズなどの低減効果を確保できる。

　また、本実施形態の界磁巻線給電装置４０では、界磁電流や界磁デューティとスイッチング周波数との関係は、ヒステリシス特性を有する。第１閾値Ａｄ０は、スイッチング周波数を高い値ｆ１から低い値ｆ２へ変更するための界磁電流Ｉｆ又は界磁デューティの閾値である。一方、第２閾値Ａｕ０は、スイッチング周波数を低い値ｆ２から高い値ｆ１へ変更するための界磁電流Ｉｆ又は界磁デューティの閾値である。このとき、第１閾値Ａｄ０は、第２閾値Ａｕ０に比べて小さい。つまり、スイッチング周波数を低い値ｆ２から高い値ｆ１へ切り替えるためには、界磁電流Ｉｆ又は界磁デューティは、第２閾値Ａｕ０よりも大きくなることが必要である。一方、スイッチング周波数を高い値ｆ１から低い値ｆ２へ切り替えるためには、界磁電流Ｉｆ又は界磁デューティは、第１閾値Ａｄ０以下となることが必要である。このようなヒステリシス特性により、本実施形態の界磁巻線給電装置４０では、界磁電流Ｉｆ又は界磁デューティの閾値近傍での変動に起因するスイッチング周波数の切替ハンチングを防止できる。そして、その切替時の電圧ハンチング現象を抑止できる。従って、本実施形態の回転電機１では、制御の安定性を向上させられる。その結果、電力供給先である車載電装機器の動作不安定を回避できる。

　また、本実施形態の界磁巻線給電装置４０では、界磁巻線３３に流れる界磁電流を制御するレギュレータ４３が、スイッチング素子４３１と還流ダイオード４３２とを有する。スイッチング素子４３１は、界磁巻線３３に直列に接続されている。還流ダイオード４３２は、界磁巻線３３に並列に接続されている。これにより、本実施形態の界磁巻線給電装置４０では、界磁巻線３３に蓄積されていた磁気エネルギを、還流ダイオード４３２を通じて電流として外部へ放出できる。よって、スイッチング素子４３１のオフ時に、回転電機１におけるレギュレータ４３の出力電圧を確保できる。

　また、本実施形態の界磁巻線給電装置４０では、レギュレータ４３のスイッチング素子４３１が、ＭＯＳＦＥＴである。これにより、本実施形態の界磁巻線給電装置４０では、スイッチング素子４３１がバイポーラ系の例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などにより構成されている場合に比べて、導通時の損失を低減できる。そして、高速スイッチングに対応可能なため、スイッチング周波数の切替を適切に行える。

　また、本実施形態の界磁巻線給電装置４０では、レギュレータ４３に並列接続されたコンデンサ４４が設けられている。コンデンサ４４は、電気エネルギを蓄えると共に、その蓄えた電気エネルギを電流として出力する。これにより、本実施形態の界磁巻線給電装置４０では、界磁巻線３３の界磁電圧の変動が抑えられる。よって、その界磁電圧を安定化させられる。また、本実施形態の界磁巻線給電装置４０では、界磁スイッチングによるエミッションノイズの低減が図れる。

　本開示の技術は、上述した実施形態の内容に限定されない。例えば、本開示の技術は、開示主旨を逸脱しない技術範囲において変形可能である。具体的には、次のように変形して実施されてもよい。

　（第２実施形態）
　第２実施形態について説明する。尚、以降の説明では、第１実施形態と同一の構成要素は、同一の符号を付し説明を省略する。第１実施形態では、界磁巻線給電装置４０において、制御部４５が、界磁電流Ｉｆ又は界磁デューティに応じて、スイッチング周波数を切り替える。その中で、制御部４５は、スイッチング周波数を、高低の２段階で切り替えている（図８に示すｆ１，ｆ２）。しかし、スイッチング周波数の切替は、これに限定されない。スイッチング周波数の切替は、例えば３以上の多段階で切り替えてもよい。或いは、リニアに行ってもよい。本実施形態の界磁巻線給電装置４０では、制御部４５が、図１２に示す如く、スイッチング周波数を、高中低の３段階で切り替える（ｆ１１，ｆ１２，ｆ１３）。この構成によれば、本実施形態の界磁巻線給電装置４０では、スイッチング周波数の切替を、より細かい単位で制御できる。これにより、本実施形態の界磁巻線給電装置４０では、回路時定数が小さい時における界磁電流Ｉｆの制御の安定性の確保と、回路時定数が大きい時におけるスイッチング損失の低減と、の両立性を向上させられる。

　また、図１２に示す如く、本実施形態の構成においても、界磁電流Ｉｆ又は界磁デューティとスイッチング周波数との関係は、ヒステリシス特性を有するのが好適である。第１閾値Ａｄ１０は、スイッチング周波数を最も高い値ｆ１１から中程度の値ｆ１２へ変更するための界磁電流Ｉｆ又は界磁デューティの閾値である。第２閾値Ａｕ１０は、スイッチング周波数を中程度の値ｆ１２から最も高い値ｆ１１へ変更するための界磁電流Ｉｆ又は界磁デューティの閾値である。このとき、第１閾値Ａｄ１０は、第２閾値Ａｕ１０に比べて小さい。同様に、第３閾値Ａｄ１１は、スイッチング周波数を中程度の値ｆ１２から最も低い値ｆ１３へ変更するための界磁電流Ｉｆ又は界磁デューティの閾値である。第４閾値Ａｕ１１は、スイッチング周波数を最も低い値ｆ１３から中程度の値ｆ１２へ変更するための界磁電流Ｉｆ又は界磁デューティの閾値である。第３閾値Ａｄ１１は、第４閾値Ａｕ１１に比べて小さい。尚、第４閾値Ａｕ１１は、第１閾値Ａｄ１０に比べて小さいことが好ましい。このようなヒステリシス特性により、本実施形態の界磁巻線給電装置４０では、界磁電流Ｉｆ又は界磁デューティの閾値近傍での変動に起因するスイッチング周波数の切替ハンチングを防止できる。そして、その切替時の電圧ハンチング現象を抑止できる。従って、本実施形態の回転電機１では、制御の安定性を向上させられる。その結果、電力供給先である車載電装機器の動作不安定を回避できる。

　（第３実施形態）
　第３実施形態について説明する。尚、以降の説明では、上記実施形態と同一の構成要素は、同一の符号を付し説明を省略する。第１実施形態では、界磁巻線給電装置４０が、ロータ３０の界磁巻線３３に蓄えられた磁気エネルギを放出するために、その界磁巻線３３に並列に接続された還流ダイオード４３２を備える。しかし、エネルギ放出の構成は、これに限定されない。エネルギ放出の構成は、還流ダイオード４３２に代えて、例えば図１３に示す如く、スイッチング素子４３３を用いる構成であってもよい。本実施形態の界磁巻線給電装置４０は、第１スイッチング素子に相当するスイッチング素子４３１と、第２スイッチング素子に相当するスイッチング素子４３３と、を有する。本実施形態の界磁巻線給電装置４０において、スイッチング素子４３３は、界磁巻線３３に並列に接続されている。そして、スイッチング素子４３３は、界磁巻線３３に直列に接続されたスイッチング素子４３１と、相補的に導通制御されるＭＯＳＦＥＴである。レギュレータ４３は、スイッチング素子４３１と、スイッチング素子４３３と、を相補的に導通制御する同期整流方式の回路である。この構成によれば、本実施形態の界磁巻線給電装置４０では、還流ダイオード４３２を用いる構成に比べて、還流電流が流れる際における導通損失を低減できる。言い換えると、界磁巻線３３に蓄えられていた磁気エネルギを電流として放出する際における導通損失を低減できる。よって、熱的ストレスが抑えられる。

　第１実施形態では、界磁巻線給電装置４０が、ステータ巻線２２に接続する整流装置５０を複数のダイオード５１で構成されている。しかし、整流装置５０の構成は、これに限定されない。整流装置５０は、例えば図１３に示す如く、インバータで構成してもよい。本実施形態の界磁巻線給電装置４０において、この整流装置５０は、スイッチング素子５２と還流ダイオード素子５３とが並列接続された構成をしている。スイッチング素子５２は、ステータ巻線２２の相ごとに、２つずつ設けられている。還流ダイオード素子５３は、スイッチング素子５２ごとに、並列に接続されている。各相のスイッチング素子５２は、電源端子間に直列接続されている。各相の還流ダイオード素子５３は、電源端子間に直列接続されている。以下、正極電源端子側のスイッチング素子５２を上スイッチング素子５２ｕと称す。負極電源端子側のスイッチング素子５２を下スイッチング素子５２ｄと称す。また、正極電源端子側の還流ダイオード素子５３を上ダイオード５３ｕと称す。負極電源端子側の還流ダイオード素子５３を下ダイオード５３ｄと称す。各相のステータ巻線２２は、その第１端が互いに共通接続されており、第２端が、上スイッチング素子５２ｕと下スイッチング素子５２ｄとの間に接続されている。すなわち、上ダイオード５３ｕと下ダイオード５３ｄとの間に接続されている。

　上スイッチング素子５２ｕと下スイッチング素子５２ｄとは、相補的に導通制御される。また、還流ダイオード素子５３は、上記実施形態で説明したダイオード５１と同様の機能を有している。この構成によれば、本実施形態の界磁巻線給電装置４０では、各相のスイッチング素子５２のスイッチング駆動によって、各相のステータ巻線２２に印加する電圧を制御できる。

　（変形例）
　また、上記第３実施形態の界磁巻線給電装置４０は、インバータで構成された整流装置５０の電源端子間に、界磁巻線３３と、スイッチング素子（第１スイッチング素子）４３１と、還流ダイオード４３２又はスイッチング素子（第２スイッチング素子）４３３と、を介在させてもよい。このような構成の界磁巻線給電装置４０では、例えば図１３に示す如く、界磁巻線３３とスイッチング素子４３３とを互いに並列接続させる。そして、その界磁巻線３３に直列にスイッチング素子４３１を接続させる。本変形例の界磁巻線給電装置４０は、このように接続された回路を、整流装置５０の電源端子間に接続させて、整流装置５０と並列接続させる構成であってもよい。

　この構成によれば、本変形例の界磁巻線給電装置４０では、界磁巻線３３への電源供給を、インバータの直流端子から直接に引き込める。また、界磁巻線３３側の回路をインバータ側の回路に、近接配置、或いは、組み込める。これにより、本変形例の界磁巻線給電装置４０では、バスバー等を削減でき、界磁巻線３３側とステータ巻線２２側との連携制御が容易になる。また、この構成によれば、本変形例の界磁巻線給電装置４０では、界磁巻線３３側のコンデンサ４４と、インバータ側のコンデンサと、を共通化でき、例えば図１３に示す如く、コンデンサ５４を共用できる。本変形例の界磁巻線給電装置４０では、界磁巻線３３側のスイッチング素子４３１，４３３を冷却するヒートシンク（放熱器）と、インバータ側のスイッチング素子５２を冷却するヒートシンクと、を共用できる。また、スイッチング素子４３１，４３３を収容する筐体と、スイッチング素子５２を収容する筐体と、を共用できる。これにより、本変形例では、回転電機１のシステム全体をコンパクトに構成できる（小型化できる）。

　また、整流装置５０がインバータで構成された上記界磁巻線給電装置４０においては、界磁巻線３３の通電を制御するスイッチング素子４３１のスイッチング周波数は、整流装置５０を構成するインバータのスイッチング周波数（制御周波数）に比べて、低いことが好適である。すなわち、スイッチング素子４３１のスイッチング周波数の最も高い値ｆ１でも、インバータのスイッチング周波数よりも低い値であることが好適である。このような構成の界磁巻線給電装置４０では、界磁によるインバータへの電磁干渉を防止できる。さらに、界磁巻線３３側のスイッチング損失が減らせる。よって、本変形例の界磁巻線給電装置４０では、インバータへの熱的負担を軽減できる。尚、一般に、ステータ巻線２２側の回路時定数は、界磁巻線３３側の回路時定数に比べて小さい。このため、Ｐｓｔ＞Ｐｒｔの関係が成立する場合でも、界磁巻線３３側の回路時定数が界磁巻線３３側の回路時定数を下回ることはない。よって、界磁巻線３３側のスイッチング周波数は、ステータ巻線２２側のスイッチング周波数よりも高くする必要がない。従って、本変形例の界磁巻線給電装置４０では、制御系全体のリソースの最適化が図れて、経済的な制御系を実現できる。

　また、上記実施形態の回転電機１では、界磁コア３２が、飽和磁束密度の異なる２種類の材料によって形成されている。ロータ３０の負荷作用時におけるｄ軸磁気回路６０のパーミアンスＰｒｔとｑ軸磁気回路６１のパーミアンスＰｓｔとの関係（具体的には、Ｐｓｔ＞Ｐｒｔ）は、この構成により設定されている。しかし、このパーミアンスＰｒｔ，Ｐｓｔの関係を設定する方法は、これに限定されない。他の方法としては、例えば、界磁コア３２を飽和磁束密度の高い１種類の材料によって形成し、形成した界磁コア３２の形状を調整することによって設定してもよい。このときの形状の調整は、例えば、ボス部３２１の外径を小さくして、界磁コア３２の磁路断面積の少なくとも一部を小さくするようにしてもよい。また、例えば、ディスク部３２２の厚みを小さくして、界磁コア３２の磁路断面積の少なくとも一部を小さくするようにしてもよい。

　このような構成の回転電機１では、パーミアンスＰｒｔ，Ｐｓｔの関係を、界磁コア３２の部品寸法を調整することによって成立させられる。よって、本変形例の回転電機１では、製造品質を安定させられる。また、パーミアンスＰｒｔ，Ｐｓｔの関係を簡易な手法を用いて成立させられる。また、本変形例の回転電機１では、磁気回路のパーミアンスＰを高く維持することが要求される部分（爪状磁極部３２３）を高い飽和磁束密度（高い透磁率）を維持しながら、それ以外の部分（ボス部３２１及びディスク部３２２）について、局所的にパーミアンスＰを変更できる。よって、性能への影響を極小化できる。

　また、上記実施形態の界磁巻線給電装置４０では、レギュレータ４３のスイッチング素子４３１がＭＯＳＦＥＴである。スイッチング素子４３１は、通電損失を低減する観点から、ＭＯＳＦＥＴを用いることが好ましい。しかし、このスイッチング素子４３１は、例えばバイポーラ系のＩＧＢＴなどであってもよい。この点については、スイッチング素子４３３についても同様である。

　また、上記実施形態では、回転電機１を車両用発電電動機に適用する例について説明した。しかし、本開示の回転電機１は、車両に搭載される回転電機としての発電機、電動機、又は、発電機と電動機とを選択的に使用する回転電機に対しても適用できる。

　１：回転電機、１０：ハウジング、２０：ステータ、２１：ステータコア、２２：ステータ巻線、３０：ロータ、３１：回転軸、３２：界磁コア、３２ａ，３２ｂ：ポールコア、３３：界磁巻線、３４：永久磁石、４３：レギュレータ、４４：コンデンサ、４５：制御部、５０：整流装置、５１：ダイオード、５２：スイッチング素子、５３：還流ダイオード素子、５４：コンデンサ、６０：ｄ軸磁気回路、６１：ｑ軸磁気回路、６２，６３：磁石磁気回路、３２１，３２１ａ，３２１ｂ：ボス部、３２２，３２２ａ，３２２ｂ：ディスク部、３２３，３２３ａ，３２３ｂ：爪状磁極部、４３１：スイッチング素子（第１スイッチング素子）、４３２：還流ダイオード、４３３：スイッチング素子（第２スイッチング素子）。

Claims (9)

1. 　ステータコア（２１）にステータ巻線（２２）が巻装されている環状のステータ（２０）と、前記ステータに対して径方向内側に対向して配置されるロータ（３０）と、を備える回転電機（１）の制御装置であって、
   　前記ロータは、
   　回転軸に固定される筒状のボス部（３２１，３２１ａ，３２１ｂ）と、前記ボス部の軸方向端部から径方向外側に広がるディスク部（３２２，３２２ａ，３２２ｂ）と、前記ディスク部の径方向先端部から軸方向に延在し、前記ボス部の径方向外側に配置され、回転周方向に交互に異なる極性の磁極が形成される複数の爪状磁極部（３２３，３２３ａ，３２３ｂ）と、を有する界磁コア（３２）と、
   　前記ボス部と前記爪状磁極部との間に配置され、通電により起磁力を発生する界磁巻線（３３）と、
   　回転周方向に隣接する２つの前記爪状磁極部の間に、磁化容易軸が回転周方向に向けられて配置され、前記界磁巻線の起磁力により、該２つの前記爪状磁極部に現れる極性と一致するように磁極が形成されている永久磁石（３４）と、
   　を有し、
   　前記界磁巻線の起磁力により形成される磁束が、前記ボス部、前記ディスク部、前記爪状磁極部、及び前記ステータコアを経由して流れるｄ軸磁気回路（６０）と、前記永久磁石の磁力により形成される磁束が流れる磁石磁気回路（６２，６３）と、は少なくとも一部において互いに共通した共通回路部を有し、
   　前記ロータの負荷時において、前記ステータ巻線の通電時に形成される磁束がｄ軸に対して電気角で９０°ずれた位置にあるｑ軸を通るｑ軸磁気回路（６１）のパーミアンスＰｓｔと、前記ｄ軸磁気回路のパーミアンスＰｒｔとは、Ｐｓｔ＞Ｐｒｔの関係が成立するように設定されており、
   　当該制御装置は、
   　前記界磁巻線の通電を制御するスイッチ回路（４３）と、
   　前記界磁巻線に流れる界磁電流が閾値よりも大きい場合、前記界磁電流が前記閾値以下である場合に比べて、前記スイッチ回路のオンとオフとを切り替えるスイッチング周波数を高くする制御部（４５）と、
   　を備える、回転電機の制御装置。
2. 　前記閾値は、前記スイッチング周波数を高い値から低い値へ変更するための第１閾値（Ａｄ０，Ａｄ１０，Ａｄ１１）と、前記スイッチング周波数を低い値から高い値へ変更するための第２閾値（Ａｕ０，Ａｕ１０，Ａｕ１１）と、を有し、
   　前記第１閾値は、前記第２閾値に比べて小さい、請求項１に記載の回転電機の制御装置。
3. 　前記スイッチ回路は、前記界磁巻線に直列に接続されたスイッチング素子（４３１）と、前記界磁巻線に並列に接続された還流ダイオード（４３２）と、を有する、請求項１又は２に記載の回転電機の制御装置。
4. 　前記スイッチ回路は、前記界磁巻線に直列に接続された第１スイッチング素子（４３１）と、前記界磁巻線に並列に接続された第２スイッチング素子（４３３）と、を有し、前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子を相補的に導通制御する同期整流方式の回路である、請求項１又は２に記載の回転電機の制御装置。
5. 　前記スイッチング素子は、ＭＯＳＦＥＴである、請求項３又は４に記載の回転電機の制御装置。
6. 　前記スイッチ回路に並列に接続されたコンデンサ（４４，５４）を備える、請求項１乃至５の何れか一項に記載の回転電機の制御装置。
7. 　前記ステータ巻線は、多相巻線であり、
   　前記多相巻線の通電を制御するインバータ（５０）を備え、
   　前記スイッチ回路の前記スイッチング周波数は、前記インバータのオンとオフとを切り替えるスイッチング周波数に比べて低い、請求項１乃至６の何れか一項に記載の回転電機の制御装置。
8. 　前記スイッチ回路は、前記インバータの正極端子と負極端子との間に並列接続されている、請求項７に記載の回転電機の制御装置。
9. 　前記ｑ軸磁気回路のパーミアンスＰｓｔと前記ｄ軸磁気回路のパーミアンスＰｒｔとの関係は、前記界磁コアの少なくとも一部の磁路断面積の調整により設定される、請求項１乃至８の何れか一項に記載の回転電機の制御装置。

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