WO2019155963A1 - 界磁巻線型回転電機 - Google Patents

Abstract

回転電機（３０）は、ステータ巻線（３１Ｕ～３１Ｗ）と、複数の巻線部（７１ａ～７１ｃ）の直列接続体を有する界磁巻線（７０）と、ロータコア（６１）から径方向に突出する主極部（６２）を有するロータ（６０）とを備えている。複数の巻線部のそれぞれが主極部に巻回され、界磁巻線に界磁電流を誘起させるための高調波電流がステータ巻線に流れる。回転電機は、界磁巻線に直列に接続されて界磁巻線とともに閉回路を構成し、界磁巻線に流れる界磁電流を一方向に整流する整流素子（９０）と、隣り合う巻線部の接続点に第１端が接続され、整流素子の両端のいずれかに第２端が接続されたコンデンサ（９１）と、複数の巻線部のうち少なくとも１組の隣り合う巻線部の間に介在する磁性体からなる仕切部（８０）とを備えている。

Description

界磁巻線型回転電機 関連出願の相互参照

　本出願は、２０１８年２月８日に出願された日本出願番号２０１８－０２０８５６号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。

　本開示は、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、２つの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、整流素子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。整流素子は、界磁巻線に直列に接続されて界磁巻線とともに閉回路を構成し、界磁巻線に流れる界磁電流を一方向に整流する。２つの巻線部のそれぞれは、共通の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。

特開２００８－１７８２１１号公報

　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２つの巻線部それぞれに誘起電圧が発生し、巻線部に電流が誘起される。この際、整流素子により、巻線部に流れる電流が一方向に整流される。これにより、整流素子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、同一の巻線部内において、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、２つの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、界磁電流の減少を補償するために、ステータ巻線に流す高調波電流の振幅を大きくすることも考えられる。しかし、この場合、回転電機のトルクリップルが大きくなる懸念がある。

　本開示は、界磁巻線に流れる界磁電流を増加させ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の開示は、ステータ巻線を有するステータと、複数の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、複数の前記巻線部のそれぞれが前記主極部に巻回され、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、前記界磁巻線に直列に接続されて前記界磁巻線とともに閉回路を構成し、前記界磁巻線に流れる界磁電流を一方向に整流する整流素子と、隣り合う前記巻線部の接続点に第１端が接続され、前記整流素子の両端のいずれかに第２端が接続されたコンデンサと、複数の前記巻線部のうち少なくとも１組の巻線部の間に介在する磁性体からなる仕切部と、を備える。

　第１の開示は、磁性体からなる仕切部を備えている。これにより、漏れ磁束の大部分は、界磁巻線ではなく、仕切部を流れるようになる。その結果、同一の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にくくなり、誘起される電流が増加する。これにより、界磁巻線に流れる界磁電流を増加させることができる。

　また、第１の開示は、隣り合う巻線部の接続点に第１端が接続され、整流素子の両端のいずれかに第２端が接続されたコンデンサを備えている。このため、コンデンサが接続されている一対の巻線部それぞれにおいて発生する誘起電圧が互いに逆極性となる場合であっても、一対の巻線部に流れる誘起電流は、互いに相殺されることなく、例えばコンデンサを介して整流素子側に流れる。その結果、界磁巻線に流れる界磁電流を増加させることができる。この際、仕切部により界磁電流が増加しているため、コンデンサによる界磁電流の増大効果をより高めることができる。

　以上説明したように、第１の開示によれば、界磁電流を増加させることができる。このため、ステータ巻線に流す高調波電流の振幅を低減することができ、ひいては回転電機のトルクリップルを低減することができる。

　第２の開示では、複数の前記巻線部のそれぞれは、径方向に並ぶようにして前記主極部に巻回されており、前記仕切部は、周方向に延びるように構成されている。

　第２の開示では、仕切部が周方向に延びるように構成されている。この構成によれば、周方向に隣り合う主極部の一方から仕切部を介して他方の主極部へと漏れ磁束を導く磁路を適正に構築することができる。

　第３の開示では、周方向に隣り合う前記仕切部の間に隙間が形成されている。

　第３の開示によれば、周方向に隣り合う主極部の一方から他方へと仕切部を介して主磁束が流れることを抑制できる。このため、周方向に隣り合う主極部及びロータコアを含む磁気回路に流れる主磁束の減少を抑制でき、界磁電流の減少を抑制できる。

　第４の開示では、前記ステータ巻線に流れる高調波電流の包絡線が、前記ステータ巻線に流れる基本波電流の１／２の周期を有し、前記包絡線がそのピーク値となるタイミングが、前記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。

　第４の開示によれば、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同じになる場合と比べて、ステータ巻線に流れる電流の最大値を低減できる。このため、ステータ巻線に接続されるインバータの容量を増やさずに回転電機のトルクを想定したトルクにすることができる。

　第５の開示では、前記包絡線がそのピーク値となるタイミングが、前記基本波電流がその変動中心となるタイミングと同じタイミングである。第５の開示によれば、ステータ巻線に流れる電流の最大値の低減効果を高めることができる。

　第６の開示では、前記コンデンサが接続された隣り合う前記巻線部のうち、一方の巻線部及び前記コンデンサにより構成される共振回路と、他方の巻線部及び前記コンデンサにより構成される共振回路との少なくとも一方の共振周波数が、前記ステータ巻線に流れる高調波電流の周波数とされている。

　第６の開示によれば、巻線部に誘起される電流をより増加でき、界磁電流をより増加させることができる。

　第７の開示では、前記界磁巻線は、３つ以上の前記巻線部の直列接続体を有しており、前記コンデンサは、隣り合う前記巻線部の接続点それぞれに対応して個別に設けられており、前記各巻線部に対応した前記共振回路の共振周波数が互いに異なっている。

　第７の開示によれば、高調波電流の周波数を共振周波数とする共振回路の他に、高調波電流の周波数とは異なる周波数を共振周波数とする共振回路を実現できる。このため、例えば、ステータ巻線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、ずれた周波数が他の共振回路の共振周波数となるなら、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。

　第８の開示では、前記界磁巻線は、α巻にて構成されている。

　第８の開示によれば、径方向において界磁巻線を主極部に挿し込むように組み付けることができるため、界磁巻線の組付性を向上できる。また、界磁巻線の巻き始め及び巻き終わりが同一の方向を向くようになるため、界磁巻線の巻線部、整流素子及びコンデンサの接続を容易に実施できる。

　第９，第１０の開示では、前記コンデンサが接続された隣り合う前記巻線部のうち、一方の巻線部及び前記コンデンサにより構成される共振回路の第１共振周波数が、他方の巻線部及び前記コンデンサにより構成される共振回路の第２共振周波数よりも低い値とされており、前記第１共振周波数と前記第２共振周波数との間の中央値と、前記第１共振周波数及び前記第２共振周波数それぞれとの偏差を周波数偏差とする場合、前記ステータ巻線に流れる高調波電流の周波数は、前記第１共振周波数から前記周波数偏差を差し引いた値から、前記第２共振周波数に前記周波数偏差を加えた値までの間に設定されている。

　共振回路の共振性は、その回路の共振周波数前後において同等であると考えられる。このため、ステータ巻線に流れる高調波電流の周波数が上記のように設定されることにより、共振回路の共振性を高めることができる。

　本開示についての上記目的およびその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。その図面は、
図１は、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であり、 図２は、ロータに備えられる電気回路を示す図であり、 図３は、ロータ及びステータの横断面図であり、 図４は、図３の一部を拡大して示す図であり、 図５は、基本波電流及び高調波電流等の推移を示す図であり、 図６は、３相電流の推移を示す図であり、 図７は、比較例に係るロータ及びステータの横断面図であり、 図８は、比較例に係るロータ及びステータの横断面図であり、 図９は、比較例に係る誘起電圧の発生パターンを示す図であり、 図１０は、パターン２，３に対応する電気回路を示す図であり、 図１１は、第１実施形態に係るロータ及びステータの横断面図であり、 図１２は、３相電流、界磁電流及びトルクの推移を示す図であり、 図１３は、トルクリップルの低減効果を示す図であり、 図１４は、第１実施形態の変形例１に係る基本波電流及び高調波電流等の推移を示す図であり、 図１５は、第１実施形態の変形例１に係る３相電流の推移を示す図であり、 図１６は、第１実施形態の変形例２に係る巻線部を示す斜視図であり、 図１７は、第１実施形態の変形例２に係る仕切部を示す平面図であり、 図１８は、第２実施形態に係るロータ及びステータの横断面図であり、 図１９は、第３実施形態に係るロータ及びステータの横断面図であり、 図２０は、第３実施形態の変形例に係るロータ及びステータの横断面図であり、 図２１は、第４実施形態に係るロータ及びステータの横断面図であり、 図２２は、ロータに備えられる電気回路を示す図であり、 図２３は、第４実施形態の変形例１に係るロータ及びステータの横断面図であり、 図２４は、その他の実施形態に係る高調波電流の周波数及び共振性の関係を示す図であり、 図２５は、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であり、 図２６は、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である。

　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４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、ロータ６０を備えている。ロータ６０には、界磁巻線７０が巻回されている。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。

　回転電機３０は、ステータ５０を備えている。ステータ５０には、ステータ巻線が巻回されている。ステータ巻線は、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９０と、コンデンサ９１とが設けられている。ダイオード９０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９０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９１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９１の静電容量を示す。

　図３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との間には、軟磁性体からなる仕切部８０が設けられている。仕切部８０は、例えば、環状をなしており、仕切部８０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８０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８０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８０により遮断されている。仕切部８０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。また、仕切部８０の周方向長さは、各巻線部７１ａ，７１ｂの周方向長さ以上とされている。

　仕切部８０は、図４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る。これにより、渦電流損失の低減を図っている。また、積層方向を径方向とすることにより、仕切部８０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８０は、ロータ６０とは別部材として構成されている。これにより、ロータコア６１の加工性と、界磁巻線７０を主極部６２に組み付ける際の組付性とを向上させることができる。また、仕切部８０と主極部６２との間には隙間が形成されている。これにより、界磁巻線７０を主極部６２に組み付ける際の組付性を向上させることができ、また、隙間寸法の調整により各巻線部７１ａ，７１ｂへの鎖交磁束量を容易に調整できる。

　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５（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５（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５（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５に示す縦軸の値は、図５（ａ）～図５（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６に示すように、電気角で１２０°ずつずれている。

　本実施形態では、図５（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５（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。

　本実施形態において、高調波電流の周波数ｆｈは、第１巻線部７１ａ及びコンデンサ９１から構成される共振回路の第１共振周波数ｆ１若しくは第２巻線部７１ｂ及びコンデンサ９１から構成される共振回路の第２共振周波数ｆ２と同じ周波数又はその近傍の周波数である。各共振周波数ｆ１，ｆ２は、下式（ｅｑ１）で表される。

　続いて、コンデンサ９１及び仕切部８０を設けたことによる効果について、比較例と対比しつつ説明する。

　まず、比較例について説明する。比較例は、図７及び図８に示すように、本実施形態の構成から仕切部８０及びコンデンサ９１を除いた構成である。

　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が流れる。主磁束が流れることにより、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９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９０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９０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９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、主磁束の他に、漏れ磁束が発生する。漏れ磁束は、図７及び図８に示すように、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の途中部分のみ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、互いに逆極性となる誘起電圧が発生し、第１巻線部７１ａに誘起される電流が減少する。また、第２巻線部７１ｂ内においても、互いに逆極性となる誘起電圧が発生し、第２巻線部７１ｂに誘起される電流が減少する。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、界磁電流の減少を補償するために、各相巻線３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗに流す高調波電流の振幅を大きくすることも考えられる。しかし、この場合、回転電機３０のトルクリップルが大きくなる懸念がある。

　そこで本実施形態では、仕切部８０が設けられている。これにより、図１１に示すように、漏れ磁束の大部分は、界磁巻線７０ではなく、仕切部８０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９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。

　また本実施形態では、第２巻線部７１ｂにコンデンサ９１が並列接続されている。このため、図９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９１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１０（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９１を介してダイオード９０のアノード側へと流れたり、図１０（ｂ）に示すように、コンデンサ９１から第２巻線部７１ｂを介してダイオード９０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。この際、仕切部８０により誘起電流が増加しているため、コンデンサ９１による界磁電流の増大効果をより高めることができる。このため、各相巻線３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗに流す高調波電流の振幅を低減することができ、ひいては回転電機３０のトルクリップルを低減することができる。

　図１２に、本実施形態及び比較例それぞれの各相電流ＩＵ，ＩＶ，ＩＷ、界磁電流及びトルクの推移を示す。本実施形態によれば、界磁電流を増加させることができるため、各相巻線３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗに流す高調波電流の振幅を低減することができる。これにより、回転電機３０のトルクリップルを低減することができる。本実施形態では、図１３に示すように、２０％程度トルクリップルが低減できた。

　本実施形態では、仕切部８０が周方向に延びるように構成されている。この構成によれば、周方向に隣り合う主極部６２の一方から仕切部８０を介して他方の主極部６２へと漏れ磁束を導く磁路を適正に構築することができ、界磁電流をより増加させることができる。

　本実施形態では、周方向に隣り合う仕切部８０の間に隙間が形成されている。このため、周方向に隣り合う主極部６２の一方から他方へと仕切部８０を介して主磁束が流れることを抑制できる。具体的には例えば、仕切部８０、ロータコア６１及び周方向に隣り合う主極部６２を含む磁気回路に磁束が循環することを抑制できる。これにより、周方向に隣り合う主極部６２及びロータコア６１を含む磁気回路に流れる主磁束の減少を抑制でき、界磁電流の減少を抑制できる。

　本実施形態では、第１巻線部７１ａ及びコンデンサ９１により構成される共振回路と、第２巻線部７１ｂ及びコンデンサ９１により構成される共振回路とのそれぞれの共振周波数ｆ１，ｆ２が高調波電流の周波数ｆｈとされている。このため、第１，第２巻線部７１ａ，７１ｂに誘起される電流をより増加でき、界磁電流をより増加させることができる。

　各相巻線３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗに流れる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、各相巻線３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗに流れる基本波電流が０となるタイミングと同じタイミングに設定されている。これにより、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。

　＜第１実施形態の変形例１＞
　各相巻線３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗに流す高調波電流は、図１４（ｂ）に示すものであってもよい。図１４（ａ），（ｃ）は、先の図５（ａ），（ｃ）に対応している。

　本実施形態では、図１４（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１４（ｂ）に示す高調波電流は、図５（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。図１５に、本実施形態における各相巻線３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗに流れる相電流ＩＵ，ＩＶ，ＩＷの推移を示す。

　＜第１実施形態の変形例２＞
　界磁巻線の第１，第２巻線部のそれぞれが、図１６に示すように、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る。なお、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。

　図１７に示すように、環状の仕切部８１が用いられてもよい。仕切部８１は、扁平形状をなしている。仕切部８１は、自身の中央部に形成された貫通孔が主極部６２に挿し込まれることにより主極部６２に組み付けられる。ここでは、第２巻線部、仕切部８１、第１巻線部の順に主極部６２に組み付けられる。また、仕切部８１には、その厚さ方向に貫通する孔８１ａが形成されていてもよい。この場合、渦電流を低減することができる。なお図１７には、仕切部８１に６つの孔８１ａが形成される例を示した。

　本実施形態によれば、主極部６２に対して径方向に界磁巻線を挿し込むように組み付けることができるため、界磁巻線の組付性を向上できる。また、α巻のため、界磁巻線の巻き始め及び巻き終わりが同一の方向を向くようになる。このため、界磁巻線の巻線部、ダイオード９０及びコンデンサ９１の接続を容易に実施できる。

　＜第１実施形態の変形例３＞
　図２において、ダイオード９０のアノード及びカソードの向きが逆であってもよい。また、第２巻線部７１ｂに代えて、第１巻線部７１ａにコンデンサ９１が並列接続されていてもよい。

　＜第２実施形態＞
　本実施形態では、図１８に示すように、ロータ６０は、ロータコア６１から径方向外側に突出する補極部６３と、補極部６３に設けられた永久磁石１００とを備えている。補極部６３は、周方向に所定間隔を隔てて設けられ、周方向に隣り合う界磁巻線７０の間に設けられている。本実施形態において、ロータ６０は、８個の補極部６３を備えている。周方向に隣り合う補極部６３は、径方向における極性が互いに逆になるように設けられている。

　本実施形態によれば、周方向に隣り合う主極部６２間における漏れ磁束を抑制でき、界磁巻線７０の励磁性を向上させることができる。

　＜第３実施形態＞
　本実施形態では、図１９に示すように、界磁巻線７３を構成する第１巻線部７４ａ及び第２巻線部７４ｂの巻回態様が変更されている。詳しくは、主極部６２に第１巻線部７４ａが巻回され、第１巻線部７４ａの外側に第２巻線部７４ｂが巻回されている。そして、第１巻線部７４ａと第２巻線部７４ｂとの間に仕切部８２が介在している。

　＜第３実施形態の変形例＞
　図２０に示すように、第３実施形態の構成に、第２実施形態で説明した補極部６３及び永久磁石１００が備えられていてもよい。

　＜第４実施形態＞
　本実施形態において、界磁巻線７０は、図２１及び図２２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。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。

　ロータ６０において、第１巻線部７１ａと第２巻線部７１ｂとの間には、軟磁性体からなる第１仕切部８２ａが設けられ、第２巻線部７１ｂと第３巻線部７１ｃとの間には、軟磁性体からなる第２仕切部８２ｂが設けられている。各仕切部８２ａ，８２ｂの径方向厚さは、各巻線部７１ａ，７１ｂ，７１ｃそれぞれの径方向厚さよりも小さい。各仕切部８２ａ，８２ｂは、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。

　図２２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。ロータ６０には、ダイオード９２と、第１コンデンサ９３ａと、第２コンデンサ９３ｂ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９２のアノードが接続されている。第１巻線部７１ａ及び第２巻線部７１ｂの接続点には、第１コンデンサ９３ａを介してダイオード９２のアノードが接続されている。第２巻線部７１ｂ及び第３巻線部７１ｃの接続点には、第２コンデンサ９３ｂを介してダイオード９２のアノードが接続されている。図２２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９３ａ，９３ｂの静電容量を示す。

　本実施形態では、第１巻線部７１ａ及び第１コンデンサ９３ａから構成される第１共振回路の共振周波数をｆ１とし、第２巻線部７１ｂ及び第１，第２コンデンサ９３ａ，９３ｂから構成される第２共振回路の共振周波数をｆ２とし、第３巻線部７１ｃ及び第２コンデンサ９３ｂから構成される第３共振回路の共振周波数をｆ３とする。各共振周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３は、下式（ｅｑ２）で表される。なお、Ｃｔは、Ｃ１，Ｃ２の合成容量を示す。

　本実施形態では、「ｆ１＜ｆ２＝ｆｈ＜ｆ３」とされている。このため、高調波電流の周波数ｆｈを共振周波数ｆ２とする第２共振回路の他に、高調波電流の周波数ｆｈとは異なる周波数を共振周波数ｆ１，ｆ３とする第１，第３共振回路を実現できる。このため、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１，第３共振回路の共振周波数ｆ１，ｆ３となるなら、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ｎ（ｎは自然数）が少なくなり、重畳する高調波電流の数がｎからｎ－１になる場合の周波数変動が大きいためである。例えば、ｎ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。ｎ＝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。

　＜第４実施形態の変形例１＞
　図２３に示すように、第４実施形態の構成が第２仕切部８２ｂを備えていなくてもよい。

　＜第４実施形態の変形例２＞
　図２２において、ダイオード９２のアノード及びカソードの向きが逆であってもよい。

　＜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。

　・第１実施形態の図２において、第２巻線部７１ｂ及びコンデンサ９１から構成される共振回路の第２共振周波数ｆ２が、第１巻線部７１ａ及びコンデンサ９１から構成される共振回路の共振周波数ｆ１よりも高いとする。この場合、基本波電流に重畳する高調波電流の周波数ｆｈは、第１，第２共振周波数ｆ１，ｆ２の近傍にあることが望ましい。また、共振性を高めるためにも第１共振周波数ｆ１と第２共振周波数ｆ２とは極力近い値に設定すべきである。ここで、共振性が高いことは、共振回路のインピーダンスが低いこと、すなわち界磁巻線に誘起できる界磁電流が大きいことを示す。図２４に示すように、高調波電流の狙いとする周波数の変動の中央値を（ｆ１＋ｆ２）／２とする場合、その変動域は第１共振周波数ｆ１から第２共振周波数ｆ２の間にあることが望ましい。ただし、これに限らない。以下、このことについて説明する。

　共振回路の共振性は、その回路の共振周波数前後において同等であると考えられる。このため、周波数の変動の中央値「（ｆ１＋ｆ２）／２」と各共振周波数ｆ１，ｆ２との偏差を周波数偏差Δｆ（＝（ｆ２－ｆ１）／２）とする場合、「ｆ１－Δｆ」から「ｆ２＋Δｆ」までの周波数範囲において同等の共振性が期待できる。

　・図２５に示すように、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、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。

　・上記各実施形態では、界磁巻線の巻線部以外の箇所にコンデンサが接続されていた。この構成に代えて、図２６に示すように、界磁巻線７５の巻線部の途中にコンデンサ９１が接続されていてもよい。この場合、界磁巻線７５のうち、コンデンサ９１の接続点により分割された各部分が巻線部に相当する。

　・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。

　・界磁巻線に流れる界磁電流を一方向に整流する素子であれば、ダイオード以外の整流素子が用いられてもよい。

　本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

Claims (10)

1. 　ステータ巻線（３１Ｕ～３１Ｗ）を有するステータ（５０）と、
   　複数の巻線部（７１ａ～７１ｃ，７２，７４ａ，７４ｂ）の直列接続体を有する界磁巻線（７０，７３）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、
   　複数の前記巻線部のそれぞれが前記主極部に巻回され、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、
   　前記界磁巻線に直列に接続されて前記界磁巻線とともに閉回路を構成し、前記界磁巻線に流れる界磁電流を一方向に整流する整流素子（９０，９２）と、
   　隣り合う前記巻線部の接続点に第１端が接続され、前記整流素子の両端のいずれかに第２端が接続されたコンデンサ（９１，９３ａ，９３ｂ）と、
   　複数の前記巻線部のうち少なくとも１組の隣り合う巻線部の間に介在する磁性体からなる仕切部（８０，８１，８２ａ，８２ｂ）と、を備える界磁巻線型回転電機。
2. 　複数の前記巻線部（７１ａ～７１ｃ）のそれぞれは、径方向に並ぶようにして前記主極部に巻回されており、
   　前記仕切部（８０，８２ａ，８２ｂ）は、周方向に延びるように構成されている請求項１に記載の界磁巻線型回転電機。
3. 　周方向に隣り合う前記仕切部の間に隙間が形成されている請求項２に記載の界磁巻線型回転電機。
4. 　前記ステータ巻線に流れる高調波電流の包絡線が、前記ステータ巻線に流れる基本波電流の１／２の周期を有し、前記包絡線がそのピーク値となるタイミングが、前記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請求項１～３のいずれか１項に記載の界磁巻線型回転電機。
5. 　前記包絡線がそのピーク値となるタイミングが、前記基本波電流がその変動中心となるタイミングと同じタイミングである請求項４に記載の界磁巻線型回転電機。
6. 　前記コンデンサが接続された隣り合う前記巻線部のうち、一方の巻線部及び前記コンデンサにより構成される共振回路と、他方の巻線部及び前記コンデンサにより構成される共振回路との少なくとも一方の共振周波数が、前記ステータ巻線に流れる高調波電流の周波数とされている請求項１～５のいずれか１項に記載の界磁巻線型回転電機。
7. 　前記界磁巻線は、３つ以上の前記巻線部（７１ａ～７１ｃ）の直列接続体を有しており、
   　前記コンデンサ（９３ａ，９３ｂ）は、隣り合う前記巻線部の接続点それぞれに対応して個別に設けられており、
   　前記各巻線部に対応した前記共振回路の共振周波数が互いに異なっている請求項６に記載の界磁巻線型回転電機。
8. 　前記界磁巻線は、α巻にて構成されている請求項１～７のいずれか１項に記載の界磁巻線型回転電機。
9. 　前記コンデンサが接続された隣り合う前記巻線部のうち、一方の巻線部（７１ａ）及び前記コンデンサ（９１）により構成される共振回路の第１共振周波数（ｆ１）が、他方の巻線部（７１ｂ）及び前記コンデンサにより構成される共振回路の第２共振周波数（ｆ２）よりも低い値とされており、
   　前記第１共振周波数と前記第２共振周波数との間の中央値と、前記第１共振周波数及び前記第２共振周波数それぞれとの偏差を周波数偏差（Δｆ）とする場合、前記ステータ巻線に流れる高調波電流の周波数は、前記第１共振周波数から前記周波数偏差を差し引いた値（ｆ１－Δｆ）から、前記第２共振周波数に前記周波数偏差を加えた値（ｆ２＋Δｆ）までの間に設定されている請求項１～５のいずれか１項に記載の界磁巻線型回転電機。
10. 　ステータ巻線（３１Ｕ～３１Ｗ）を有するステータ（５０）と、
    　複数の巻線部（７１ａ，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、
    　複数の前記巻線部のそれぞれが前記主極部に巻回され、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、
    　前記界磁巻線に直列に接続されて前記界磁巻線とともに閉回路を構成し、前記界磁巻線に流れる界磁電流を一方向に整流する整流素子（９０）と、
    　隣り合う前記巻線部の接続点に第１端が接続され、前記整流素子の両端のいずれかに第２端が接続されたコンデンサ（９１）と、を備え、
    　前記コンデンサが接続された隣り合う前記巻線部のうち、一方の巻線部（７１ａ）及び前記コンデンサにより構成される共振回路の第１共振周波数（ｆ１）が、他方の巻線部（７１ｂ）及び前記コンデンサにより構成される共振回路の第２共振周波数（ｆ２）よりも低い値とされており、
    　前記第１共振周波数と前記第２共振周波数との間の中央値と、前記第１共振周波数及び前記第２共振周波数それぞれとの偏差を周波数偏差（Δｆ）とする場合、前記ステータ巻線に流れる高調波電流の周波数は、前記第１共振周波数から前記周波数偏差を差し引いた値（ｆ１－Δｆ）から、前記第２共振周波数に前記周波数偏差を加えた値（ｆ２＋Δｆ）までの間に設定されている界磁巻線型回転電機。

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