(57)【要約】【課題】従来よりもさらにトルクリプルを小さくできる界磁巻線型同期機を提供する。【解決手段】ステータコイル１１（電機子巻線）が巻かれたステータ１０と、ロータコイル２２（界磁巻線）が巻かれたロータコア２３を備え、ステータ１０に対面して回転するロータ２０と、ロータ２０の回転数と一致する電気角回転数に従って回転する回転磁界を形成する同期電流に相当する電機子電流の基本波成分をステータコイル１１に流す同期電流通電手段７１と、ロータコイル２２と直列接続され、ステータコイル１１に流れる電機子電流によってロータコイル２２に誘導される誘導交流電流を一方向に規制するダイオードＤ１と、ロータ２０の磁極方向に界磁磁束を発生させるロータ励磁用電流を、ロータ２０の磁極方向から電気角で所定角度進んだ方向に同期電流と異なる波形で通電する励磁用電流通電手段７２とを有する。【選択図】図３
2010252452.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電機子巻線が巻かれたステータと、
界磁巻線が巻かれたロータコアを備え、前記ステータに対面して回転するロータと、
前記ロータの回転数と一致する電気角回転数に従って回転する回転磁界を形成する同期電流に相当する電機子電流の基本波成分を前記電機子巻線に流す同期電流通電手段と、
前記界磁巻線と直列接続され、前記電機子巻線に流れる電機子電流によって前記界磁巻線に誘導される誘導交流電流を一方向に規制する整流素子と、
を有する界磁巻線型同期機において、
前記ロータの磁極方向に界磁磁束を発生させるロータ励磁用電流を、前記ロータの磁極方向から電気角で所定角度進んだ方向に前記同期電流と異なる波形で通電する励磁用電流通電手段を有することを特徴とする界磁巻線型同期機。
【請求項２】
電機子巻線が巻かれたステータと、
界磁巻線が巻かれたロータコアを備え、前記ステータに対面して回転するロータと、
前記ロータの回転数と一致する電気角回転数に従って回転する回転磁界を形成する同期電流に相当する電機子電流の基本波成分を前記電機子巻線に流す同期電流通電手段と、
前記界磁巻線と直列接続され、前記電機子巻線に流れる電機子電流によって前記界磁巻線に誘導される誘導交流電流を一方向に規制する整流素子と、
を有する界磁巻線型同期機において、
前記ロータの磁極方向に界磁磁束を発生させるロータ励磁用電流を、前記ロータの磁極方向に前記同期電流と異なる波形で通電する励磁用電流通電手段を有することを特徴とする界磁巻線型同期機。
【請求項３】
前記励磁用電流通電手段は、さらに前記ロータ励磁用電流を前記ロータの磁極方向から電気角で所定角度進んだ方向に前記同期電流と異なる波形で通電することを特徴とする請求項２に記載の界磁巻線型同期機。
【請求項４】
前記励磁用電流通電手段は、前記ロータ励磁用電流を三相二相変換して得られるｄ軸およびｑ軸の電流値と指令電流値との偏差を求め、当該偏差に基づいてｄ軸およびｑ軸の電圧値を算出し、当該ｄ軸およびｑ軸の電圧値を二相三相変換して得られる三相電圧値を制御値として通電する制御を行うことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の界磁巻線型同期機。
【請求項５】
前記励磁用電流通電手段は、所定期間についてオープンループ制御によりロータ励磁用電流の通電を行うことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の界磁巻線型同期機。
【請求項６】
電機子巻線が巻かれたステータと、
界磁巻線が巻かれたロータコアを備え、前記ステータに対面して回転するロータと、
前記界磁巻線と直列接続され、前記電機子巻線に流れる電機子電流によって前記界磁巻線に誘導される誘導交流電流を一方向に規制する整流素子と、
を有する界磁巻線型同期機を制御する方法であって、
前記ロータの回転数と一致する電気角回転数に従って回転する回転磁界を形成する同期電流に相当する電機子電流の基本波成分を前記電機子巻線に流す工程と、
前記ロータの磁極方向に界磁磁束を発生させるロータ励磁用電流を、前記ロータの磁極方向から電気角で所定角度進んだ方向に前記同期電流と異なる波形で通電する工程と、
を有することを特徴とする界磁巻線型同期機の制御方法。
【請求項７】
電機子巻線が巻かれたステータと、
界磁巻線が巻かれたロータコアを備え、前記ステータに対面して回転するロータと、
前記界磁巻線と直列接続され、前記電機子巻線に流れる電機子電流によって前記界磁巻線に誘導される誘導交流電流を一方向に規制する整流素子と、
を有する界磁巻線型同期機を制御する方法であって、
前記ロータの回転数と一致する電気角回転数に従って回転する回転磁界を形成する同期電流に相当する電機子電流の基本波成分を前記電機子巻線に流す工程と、
前記ロータの磁極方向に界磁磁束を発生させるロータ励磁用電流を、前記ロータの磁極方向に前記同期電流と異なる波形で通電する工程と、
を有することを特徴とする界磁巻線型同期機の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステータ，ロータ，同期電流通電手段および整流素子を備えた界磁巻線型同期機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の界磁巻線型同期機としては、振幅変調された多相交流電流を固定子巻線に流す際、界磁巻線に流れる電流に生じるトルクリプルを小さくする技術の一例が開示されている（例えば特許文献１を参照）。この技術では、電機子巻線に通電する同期電流の１周期よりも短い所定期間の間だけ、同期電流と異なる波形のロータ励磁用電流を電機子巻線に通電することにより、界磁巻線に界磁電流を通電する。望ましくは、ロータ励磁用電流が形成する合成磁界ベクトルの位相と磁気突極部の位相とが一致するように通電する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１８５０８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、ロータ励磁用電流を電機子巻線に通電するのは、電機子巻線に通電する同期電流の１周期よりも短い所定期間の間に限られる。例えば図９（Ａ）に示すように、時刻ｔａから時刻ｔｂまでの所定期間にのみパルス状のｄ軸電流を指令値として通電し、１周期の残りである時刻ｔｂから時刻ｔｃまでの期間内には通電を行わない。このときのロータ巻線電流（界磁電流）は、図９（Ｂ）に示すように時間経過とともに大きく減衰し、当該ロータ巻線電流の減衰に伴ってトルクリプルを生じる。このようにロータ巻線電流の変動幅Ｗａが大きいため、従来の界磁巻線型同期機では振動や騒音が発生するという問題があった。また、図９（Ｃ）に示すようにトルクの変動も大きくなる。
【０００５】
本発明はこのような点に鑑みてなしたものであり、ロータ励磁用電流を電機子巻線に通電した後も電流の重畳を行うことによって、従来よりもさらにトルクリプルを小さくできる界磁巻線型同期機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するためになされた請求項１に記載の発明は、電機子巻線が巻かれたステータと、界磁巻線が巻かれたロータコアを備え、前記ステータに対面して回転するロータと、前記ロータの回転数と一致する電気角回転数に従って回転する回転磁界を形成する同期電流に相当する電機子電流の基本波成分を前記電機子巻線に流す同期電流通電手段と、前記界磁巻線と直列接続され、前記電機子巻線に流れる電機子電流によって前記界磁巻線に誘導される誘導交流電流を一方向に規制する整流素子と、を有する界磁巻線型同期機において、前記ロータの磁極方向に界磁磁束を発生させるロータ励磁用電流を、前記ロータの磁極方向から電気角で所定角度進んだ方向に前記同期電流と異なる波形で通電する励磁用電流通電手段を有することを特徴とする。
【０００７】
この構成によれば、ロータ励磁用電流はロータの磁極方向から電気角で所定角度（例えば９０度や１８０度等）進んだ方向に同期電流と異なる波形で通電する。すなわち、同期電流と異なる波形のロータ励磁用電流を重畳することによってトルク制御を行う。この通電によって、界磁電流が時間経過とともに減衰するのを抑制して、トルクリプルが生じるのを防止する。したがって、従来の界磁巻線型同期機に生じていた振動や騒音を低減することができる。
【０００８】
なお、ロータ励磁用電流は、界磁巻線に誘導交流電流を発生させるための電機子電流の成分（例えばパルス状の高周波成分）であり、同期電流と異なる複数の周波数からなる電流を含めてもよい。ロータには、磁石トルクを発生させる永久磁石や、リラクタンストルクを発生させる磁気突極構造等を備えてもよい。界磁巻線型同期機は、磁石式同期機や、ロータコアに磁気抵抗変化を与えたリラクタンスモータ等を含めてもよい。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、電機子巻線が巻かれたステータと、界磁巻線が巻かれたロータコアを備え、前記ステータに対面して回転するロータと、前記ロータの回転数と一致する電気角回転数に従って回転する回転磁界を形成する同期電流に相当する電機子電流の基本波成分を前記電機子巻線に流す同期電流通電手段と、前記界磁巻線と直列接続され、前記電機子巻線に流れる電機子電流によって前記界磁巻線に誘導される誘導交流電流を一方向に規制する整流素子と、を有する界磁巻線型同期機において、前記ロータの磁極方向に界磁磁束を発生させるロータ励磁用電流を、前記ロータの磁極方向に前記同期電流と異なる波形で通電する励磁用電流通電手段を有することを特徴とする。
【００１０】
この構成によれば、ロータ励磁用電流はロータの磁極方向に同期電流と異なる波形で通電する。すなわち請求項１に記載の発明と同様に、同期電流と異なる波形のロータ励磁用電流を重畳することによってトルク制御を行う。この通電によって、界磁電流が時間経過とともに減衰するのを抑制して、トルクリプルが生じるのを防止する。したがって、従来の界磁巻線型同期機に生じていた振動や騒音を低減することができる。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、前記励磁用電流通電手段は、さらに前記ロータ励磁用電流を前記ロータの磁極方向から電気角で所定角度進んだ方向に前記同期電流と異なる波形で通電することを特徴とする。
【００１２】
この構成によれば、ロータ励磁用電流は、ロータの磁極方向だけでなく、ロータの磁極方向から電気角で所定角度進んだ方向にも同期電流と異なる波形で通電する。この通電によって、界磁電流の減衰をさらに抑制して、トルクリプルが生じるのをより確実に防止する。したがって、振動や騒音の発生をさらに低減することができる。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、前記励磁用電流通電手段は、前記ロータ励磁用電流を三相二相変換して得られるｄ軸およびｑ軸の電流値と指令電流値との偏差を求め、当該偏差に基づいてｄ軸およびｑ軸の電圧値を算出し、当該ｄ軸およびｑ軸の電圧値を二相三相変換して得られる三相電圧値を制御値として通電する制御を行うことを特徴とする。
【００１４】
この構成によれば、ロータ励磁用電流を通電するにあたって、励磁用電流通電手段はｄ軸およびｑ軸の電圧値を二相三相変換して得られる三相電圧値を制御値として通電する。すなわち三相電圧値を適切に制御することによって、ロータの磁極方向と、ロータの磁極方向から電気角で所定角度進んだ方向とのうちで一方または双方の方向について同期電流と異なる波形でロータ励磁用電流を通電することができる。したがって、トルクリプルが生じるのを防止し、振動や騒音の発生を低減することができる。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、前記励磁用電流通電手段は、所定期間についてオープンループ制御によりロータ励磁用電流の通電を行うことを特徴とする。
【００１６】
この構成によれば、ロータ励磁用電流の通電を行うにあたって、所定期間（例えばパルス状の高周波電流を通電する期間）についてはオープンループ制御で行う。オープンループ制御は不帰還ループ制御に比べて簡単に制御できるので、全体の制御量を低減しながらも、トルクリプルが生じるのを防止し、振動や騒音の発生を低減することができる。
【００１７】
請求項６に記載の発明は、電機子巻線が巻かれたステータと、界磁巻線が巻かれたロータコアを備え、前記ステータに対面して回転するロータと、前記界磁巻線と直列接続され、前記電機子巻線に流れる電機子電流によって前記界磁巻線に誘導される誘導交流電流を一方向に規制する整流素子と、を有する界磁巻線型同期機を制御する方法であって、
前記ロータの回転数と一致する電気角回転数に従って回転する回転磁界を形成する同期電流に相当する電機子電流の基本波成分を前記電機子巻線に流す工程（同期電流通電工程）と、前記ロータの磁極方向に界磁磁束を発生させるロータ励磁用電流を、前記ロータの磁極方向から電気角で所定角度進んだ方向に前記同期電流と異なる波形で通電する工程（ロータ励磁用電流通電工程）と、を有することを特徴とする。
【００１８】
この構成によれば、請求項１に記載の発明と同様に、ロータ励磁用電流はロータの磁極方向から電気角で所定角度進んだ方向に同期電流と異なる波形で通電する。この通電によって、界磁電流が時間経過とともに減衰するのを抑制して、トルクリプルが生じるのを防止する。したがって、従来の界磁巻線型同期機に生じていた振動や騒音を低減することができる。
【００１９】
請求項７に記載の発明は、電機子巻線が巻かれたステータと、界磁巻線が巻かれたロータコアを備え、前記ステータに対面して回転するロータと、前記界磁巻線と直列接続され、前記電機子巻線に流れる電機子電流によって前記界磁巻線に誘導される誘導交流電流を一方向に規制する整流素子と、を有する界磁巻線型同期機を制御する方法であって、
前記ロータの回転数と一致する電気角回転数に従って回転する回転磁界を形成する同期電流に相当する電機子電流の基本波成分を前記電機子巻線に流す工程（同期電流通電工程）と、前記ロータの磁極方向に界磁磁束を発生させるロータ励磁用電流を、前記ロータの磁極方向に前記同期電流と異なる波形で通電する工程（ロータ励磁用電流通電工程）と、を有することを特徴とする。
【００２０】
この構成によれば、請求項２に記載の発明と同様に、ロータ励磁用電流はロータの磁極方向に同期電流と異なる波形で通電する。この通電によって、界磁電流が時間経過とともに減衰するのを抑制して、トルクリプルが生じるのを防止する。したがって、従来の界磁巻線型同期機に生じていた振動や騒音を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施の形態１における界磁巻線型同期機の構成例を示す模式図である。
【図２】ステータ及びロータの径方向断面を示す模式図である。
【図３】電気的な接続例を示す模式図である。
【図４】電機子巻線の通電制御例を説明する図である。
【図５】電流位相角度の変化を説明する図である。
【図６】実施の形態２における電機子巻線の通電制御例を説明する図である。
【図７】電流位相角度の変化を説明する図である。
【図８】実施の形態３における電機子巻線の通電制御例を説明する図である。
【図９】従来技術における電機子巻線の通電制御例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明を実施するための形態について、図面に基づいて説明する。なお「接続する」という場合には、特に明示しない限り、電気的な接続を意味する。また、以下では簡単のために界磁巻線型同期機を「同期機」と呼ぶ。
【００２３】
〔実施の形態１〕
実施の形態１は電機子巻線に通電するｑ軸電流を変化させる例であって、図１〜図４を参照しながら説明する。図１には、同期機の構成例を模式図で示す。図２には、ステータ及びロータの径方向断面を模式図で示す。図３には、電気的な接続例を模式図で示す。図４には、電機子巻線の通電制御例をシミュレーション波形で示す。
【００２４】
図１に示す同期機Ｍは電動機として適用し、ステータ１０（固定子），ロータ２０（回転子），フレーム３０（ハウジング），直流電源５０，駆動部６０，制御部７０などを有する。この同期機Ｍは、制御部７０から伝達される制御信号に従って駆動部６０から出力される電機子電流（図示の例では相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ）によって回転駆動が制御される。なお、直流電源５０、駆動部６０および制御部７０の構成例や機能等は後述する。
【００２５】
ステータ１０は、ステータコイル１１（電機子巻線），ステータコア１２などで構成される。ステータコイル１１は、ステータコア１２に巻かれた多相（例えば三相）の相巻線である。ステータコア１２は電磁石（あるいは永久磁石等）が用いられ、例えば相巻線が分布巻きされている。相巻線を巻く順番は任意である。Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の三相を例にすると、Ｕ相導体，−Ｖ相導体，Ｗ相導体，−Ｕ相導体，Ｖ相導体，−Ｗ相導体の順序で周方向に順番に巻く形態が該当する。
【００２６】
ロータ２０はステータ１０に対面して回転し、ロータシャフト２１，ロータコイル２２（界磁巻線），ロータコア２３などで構成される。ロータシャフト２１は、同期機Ｍの主軸（あるいは回転軸）として用いられ、外周面の一部に被検出部２４を備える。本形態では、被検出部２４としてロータシャフト２１の外周面に磁気突極を一定間隔で設ける。ロータコア２３は電磁石（あるいは永久磁石等）が用いられ、図２に示すように一対の界磁極（磁気突極）をなすコアティース部２３ａを有する。ロータコイル２２は、効率よく界磁束を形成し易くするためにコアティース部２３ａの回りに巻かれている。
【００２７】
フレーム３０は、ステータ１０を固定し、ロータ２０をベアリング等を介して回転可能に支持し、被検出部２４を検出する位置センサ４０や、各相の電流値を検出する電流センサ８０（図３を参照）などを備える。
【００２８】
位置センサ４０は、ロータ２０の位置が検出できれば任意である。本形態では、上述したように被検出部２４が磁気突極で構成されているので、コイルを用いて構成する。すなわち、コイルの近傍を磁気突極が通過するのに伴って起電力を発生させ、当該起電力に基づく信号（アナログ信号またはデジタル信号）を制御部７０に伝達する。
【００２９】
電流センサ８０は、電機子電流（すなわち相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ）が検出できれば任意である。例えば、被検出電流としての電機子電流によって発生した磁界をホール素子により検出する磁気比例型センサを用いる。
【００３０】
図３には同期機Ｍを駆動制御するための接続例（回路図）を示す。直流電源５０は、平滑用のコンデンサＣ２を介して、駆動部６０に電力を供給する。駆動部６０はインバータとして機能し、トランジスタＱとダイオードＤ２とを一組とし、三相に対応するために全部で六組を有する。この駆動部６０は、制御部７０から伝達される制御信号に従ってスイッチングを行い、所要の電力および周波数で同期機Ｍに出力する。トランジスタＱには、例えばＩＧＢＴを用いる。ダイオードＤ２は、フリーホイールダイオードとしての役割を果たすため、トランジスタＱに流れる電流とは逆方向に電流が流れるようにトランジスタＱのコレクタ端子とエミッタ端子との間に接続する。
【００３１】
制御部７０は、位置センサ４０および電流センサ８０から出力される信号を受けて、駆動部６０（具体的には各トランジスタＱのゲート端子）に対して制御信号を出力する。この制御部７０は、同期機Ｍを駆動制御する通常の機能のほか、本発明を実現するための同期電流通電手段７１や励磁用電流通電手段７２等を有する。制御部７０の構成は任意であり、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等を備えてプログラム実行によって作動する構成としてもよく、回路素子で形成されたハードウェアロジックによって作動する構成としてもよい。
【００３２】
同期電流通電手段７１は、電機子電流の基本波成分をステータコイル１１に通電するための制御信号を駆動部６０に出力する機能を有する（同期電流通電工程に相当する）。当該電機子電流は、ロータ２０の回転数と一致する電気角回転数に従って回転する回転磁界を形成する同期電流（すなわち相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの基本波成分）に相当する。
【００３３】
励磁用電流通電手段７２は、ロータ２０の磁極方向に界磁磁束を発生させるロータ励磁用電流を通電するための制御信号を出力する機能を有する（ロータ励磁用電流通電工程に相当する）。ロータ励磁用電流は同期電流と異なる波形となるように形成し、かつ、ロータ２０の磁極方向から電気角で９０度進んだ方向となるように設定する。
【００３４】
ここで、ロータ励磁用電流は、ロータコイル２２に誘導交流電流を発生させるための電機子電流の成分である。より具体的には、同期電流としての相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗに重畳するパルス状の高周波成分の電流である。このロータ励磁用電流によってロータ２０の磁極方向に界磁磁束を発生させるには、当該ロータ励磁用電流のベクトル方向を、ｄｑ回転座標系上における磁気突極部の方向（位相角）と一致させる必要がある。
【００３５】
励磁用電流通電手段７２は、ロータ励磁用電流のベクトル方向がｄｑ回転座標系上における磁気突極部の方向から電気角で９０度進んだ方向となるように制御信号を出力する。ｄｑ回転座標系は、例えば図２に示すようにロータ２０が所定方向に回転（図２では左回転）するとき、ｑ軸はｄ軸を基準として電気角で９０度進んだ方向となる。このとき、電流ベクトルＩはｑ軸を基準として電気角で角度βだけ進んだ方向となる。この角度βは後述する電流位相角度に相当するものであり（図５，図７を参照）、マグネットトルクとリラクタンストルクとの位相の関係で最大トルク時の基本波電流の位相は所定範囲（例えば−４５〜０度）内の数値になる。
【００３６】
なお、ロータ励磁用電流は、ロータ２０の作動（すなわち回転や静止等）の如何にかかわらず、ロータコイル２２に対して相対的に磁束変化を生じさせるように設定する必要がある。具体的な設定例としては、ロータ２０に対して相対的に回転する回転磁界をロータ励磁用電流により形成したり、ステータコイル１１にロータ同期周波数と異なる周波数の交流電流を通電する等が該当する。
【００３７】
上述した機能を実現するために、励磁用電流通電手段７２はｄ軸電流およびｑ軸電流を指令値とするベクトル制御を行う。具体的には、電流センサ８０で検出する各相の電流値と、位置センサ４０で検出するロータ２０の回転位置（すなわち磁極位置）とを入力し、三相二相変換を行う。次に、ｄ軸電流およびｑ軸電流の各電流値と指令電流値との偏差を求め、その偏差を制御部７０内に備えたデジタル補償器（図示せず）を用いてｄ軸指令電圧およびｑ軸指令電圧を算出する。こうして算出されたｄ軸指令電圧およびｑ軸指令電圧に基づいて二相三相変換を行い、得られた三相の電圧指令値を制御信号として駆動部６０に出力する。
【００３８】
同期機Ｍ側では、ロータコイル２２とダイオードＤ１とが直列接続されている。ダイオードＤ１は整流素子に相当し、ロータコイル２２に誘導された交流電圧を半波整流する。このダイオードＤ１を接続することで、一対のコアティース部２３ａのうち、一方側をＮ極に励磁し、他方側をＳ極に励磁することができる。また、ロータコイル２２に整流されたロータ巻線電流Ｉｆ（界磁電流に相当する）を通電すると、短絡磁路の飽和磁束方向と逆向きに界磁束が流れる。この界磁束はステータ１０側にも流れるため、ステータコイル１１と鎖交する界磁束量が増加する。
【００３９】
なお、二点鎖線で図示するように、ダイオードＤ１に並列接続するコンデンサＣ１を備えてもよい。コンデンサＣ１の平滑化作用によって、ロータコイル２２に流れる励磁電流と発生電圧との安定化を図ることができる。
【００４０】
上述のように構成された同期機Ｍにおいて、制御部７０から駆動部６０に伝達する制御信号に従って、同期機Ｍに所要の電流を通電する例について図４および図５を参照しながら説明する。図４では、電機子巻線電流（ｄ軸電流およびｑ軸電流）の波形を図４（Ａ）に示し、ロータ巻線電流Ｉｆの波形を図４（Ｂ）に示し、トルクτの波形を図４（Ｃ）に示し、電機子巻線電流（相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ）の波形を図４（Ｄ）に示す。なお、図４に示す各波形はシミュレーション波形であるが、実際に計測される波形もほぼ同じになる。図５には電流位相角度の変化を示す。
【００４１】
各波形は周期的に繰り返すので、説明を簡単にするために図４および図５における時刻ｔ１から時刻ｔ３までの１周期について説明する。この１周期は、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの第１期間と、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの第２期間とに分けられる。第１期間はｄ軸電流およびｑ軸電流の双方を変化させて通電し、第２期間はｑ軸電流のみを変化させて通電する。言い換えれば、ｑ軸電流は１周期の全体で変化させる。
【００４２】
この形態では、図４（Ａ）に示すような波形のｄ軸電流ｉｄおよびｑ軸電流ｉｑを指令値とする。ｄ軸電流ｉｄは、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間内をパルス状に変化させ、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間内は一定値に維持する。ｑ軸電流ｉｑは、時刻ｔ２を最小値として増加させ、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間内に最大値を形成した後に減少させる。なお、ｑ軸電流ｉｑを指令値とする制御は、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間内をオープンループ制御で行ってもよい。
【００４３】
図４（Ａ）のようなｄ軸電流ｉｄおよびｑ軸電流ｉｑを指令値とすると、同期機Ｍのロータコイル２２に流れるロータ巻線電流Ｉｆは図４（Ｂ）に示すように変化する。まず、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間内では、ｄ軸電流ｉｄの増減とは反対方向にロータ巻線電流Ｉｆが増減する。また、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間内では、ｄ軸電流ｉｄが一定値になるために、ロータ巻線電流Ｉｆはロータコイル２２の発熱によって次第に減少する。ただし、ｄ軸電流ｉｄが一定値の間はｑ軸電流ｉｑが増加しているので、ロータ巻線電流Ｉｆの変動は変動幅Ｗ１に留まる。
【００４４】
ここで同期機Ｍにかかるトルクτの時間式は、次式のように表すことができる。ただし式中には、極対数をＰｎ、ｄ軸インダクタンスをＬｄ、ｑ軸インダクタンスをＬｑ、ステータコイル１１およびロータコイル２２の相互インダクタンスをＭｆｄ、ｄ軸電流をｉｄ、ｑ軸電流をｉｑ、ロータ巻線電流をＩｆで示す。
【００４５】
【数１】
2010252452.tif 000003
上記時間式の第１項は、ロータ巻線電流Ｉｆの起磁力と電機子巻線電流（相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ）により生じるマグネットトルクである。同じく第２項は、ロータ２０の回転位置による磁路変化と電機子巻線電流により生じるリラクタンストルクである。
【００４６】
この時間式によれば、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間（第２期間）では、ロータ巻線電流Ｉｆが減少するためにマグネットトルクも減少するものの、ｑ軸電流ｉｑの増加に伴って同期電流（すなわち相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの基本波成分）も増加するのでリラクタンストルクが増加するので、全体としてトルクτはあまり変化しない。また、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間（第１期間）では、ロータ巻線電流Ｉｆが大きく変化するのでマグネットトルクも変化するが、この変化を打ち消すようにｑ軸電流ｉｑが変化するためにリラクタンストルクが変化するので、全体としてトルクτはあまり変化しない。よって、時刻ｔ１から時刻ｔ３までの１周期を通じてトルクτの変化が少ない。このことは、同期機Ｍは、従来の同期機に生じていた振動や騒音を低減できることを意味する。
【００４７】
なお、図４（Ａ）に示すような波形のｄ軸電流ｉｄおよびｑ軸電流ｉｑを指令値として駆動部６０に制御信号を出力すると、当該駆動部６０から同期機Ｍに出力する電機子巻線電流（相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ）は図４（Ｄ）に示すような波形となる。さらに、電機子巻線電流（基本波）とｑ軸電流ｉｑ（制御波）との合成電流は、ｑ軸電流ｉｑを基準とすると、電流位相角度（角度β）は図５のように変化する。当該図５では、基本波を含めた合成電流を実線で示し、基本波を除いた合成電流を二点鎖線で示す。図５に示す変化例の合成電流は、基本波を含むか否かで約３０度の位相差を示している。この位相差は、マグネットトルクとリラクタンストルクとの関係で０〜４５度の範囲内で変わり得る。
【００４８】
逆に言えば、図４（Ｄ）に示すような波形の相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを同期機Ｍに出力する制御を行えば、上述したような作用効果が生じる。したがって、図４（Ｄ）に示すような波形の相電流を出力する制御を行う場合でも、１周期を通じてトルクτの変化を少なくし、同期機Ｍは、従来の同期機に生じていた振動や騒音を低減することができる。
【００４９】
上述した実施の形態１によれば、以下に示す各効果を得ることができる。
【００５０】
同期機Ｍは、ステータ１０、ロータ２０およびダイオードＤ１とともに（図１および図３を参照）、ロータ２０の回転数と一致する電気角回転数に従って回転する回転磁界を形成する同期電流に相当する相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ（電機子電流）の基本波成分をステータコイル１１に流す同期電流通電手段７１と、ｑ軸電流ｉｑ（ロータ励磁用電流を三相二相変換したもの）をロータ２０の磁極方向から電気角で９０度（所定角度）進んだ方向に同期電流と異なる波形で通電する励磁用電流通電手段７２とを有する構成とした（図３および図４（Ａ）を参照）。この構成によれば、ロータ巻線電流Ｉｆ（界磁電流）が時間経過とともに減衰するのを抑制して（図４（Ｂ）を参照）、トルクリプルが生じるのを防止する。従来ではｄ軸電流ｉｄ（ｄ軸方向）のみを重畳するために励磁電流が減少し、トルクが低下していた。本発明の構成では、さらにｑ軸電流ｉｑ（ｑ軸方向）も重畳して流すので、マグネットトルクとリラクタンストルクが増加してトルクの低下を抑制できる。したがって、従来の同期機に生じていた振動や騒音を低減することができる。
【００５１】
励磁用電流通電手段７２は、ロータ励磁用電流を三相二相変換して得られるｄ軸電流およびｑ軸電流の各電流値と指令電流値との偏差を求め、当該偏差に基づいてｄ軸およびｑ軸の電圧値を算出し、当該ｄ軸およびｑ軸の電圧値を二相三相変換して得られる三相電圧値を制御値として通電する制御を行う構成とした。この構成によれば、三相電圧値を適切に制御することによって、ロータ２０の磁極方向から電気角で９０度進んだ方向について同期電流と異なる波形でロータ励磁用電流（すなわち図４（Ｄ）に示す相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗに相当する）を通電することができる。したがって、トルクリプルが生じるのを防止し、振動や騒音の発生を低減することができる。
【００５２】
なお、本形態では所定角度として９０度を適用したが（具体的には、図２に示すｄ軸とｑ軸とのなす角度）、例えば１８０度，２７０度等のように９０×ｎ（ｎは自然数）度を適用することも可能である。どのような角度に設定するのかは、同期機Ｍの種類や状態等に合わせて適切な角度を選択する。このような角度を設定した場合でも、本形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００５３】
励磁用電流通電手段７２は、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの第１期間（所定期間）についてオープンループ制御によりロータ励磁用電流（すなわちｑ軸電流ｉｑを指令値とする相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ）の通電を行う構成とした。この構成によれば、不帰還ループ制御に比べて簡単に制御できるので、全体の制御量を低減しながらも、トルクリプルが生じるのを防止し、振動や騒音の発生を低減することができる。
【００５４】
〔実施の形態２〕
実施の形態２は電機子巻線に通電するｄ軸電流ｉｄを従来よりも変化させる例であって、図６および図７を参照しながら説明する。図６には、電機子巻線の通電制御例をシミュレーション波形で示す。図７には電流位相角度の変化を示す。なお、同期機Ｍの構成等は実施の形態１と同様であるので、実施の形態２では実施の形態１と異なる点について説明する。よって、実施の形態１で用いた要素と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００５５】
この形態では、励磁用電流通電手段７２の機能が実施の形態１と異なる。すなわち励磁用電流通電手段７２が出力する制御信号は、ロータ励磁用電流が同期電流と異なる波形となるように形成し、かつ、ロータ２０の磁極方向となるように設定する。この点について図６を参照しながら説明する。
【００５６】
図６には、図４と同様にして、電機子巻線電流（ｄ軸電流およびｑ軸電流）の波形を図６（Ａ）に示し、ロータ巻線電流Ｉｆの波形を図６（Ｂ）に示し、トルクτの波形を図６（Ｃ）に示し、電機子巻線電流（相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ）の波形を図６（Ｄ）に示す。なお、実際に計測される波形も図６とほぼ同じになる。
【００５７】
この形態では、図６（Ａ）に示すような波形のｄ軸電流ｉｄおよびｑ軸電流ｉｑを指令値とする。すなわち、ｄ軸電流ｉｄは、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間内をパルス状に変化させ、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間内は次第に減少させてゆき、時刻ｔ３には時刻ｔ１と同値となるように制御する。ｑ軸電流ｉｑは、時刻ｔ１から時刻ｔ３までの１周期を通して一定値に維持する。なお、ｄ軸電流ｉｄを指令値とする制御は、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間内をオープンループ制御で行ってもよい。
【００５８】
図６（Ａ）のようなｄ軸電流ｉｄおよびｑ軸電流ｉｑを指令値とすると、同期機Ｍのロータコイル２２に流れるロータ巻線電流Ｉｆは図６（Ｂ）に示すように変化する。すなわち、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間内では、ｄ軸電流ｉｄの増減とは反対方向にロータ巻線電流Ｉｆが増減する。時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間内では、ｄ軸電流ｉｄが次第に減少するように制御されるので、ロータ巻線電流Ｉｆの変動は変動幅Ｗ２に留まる。
【００５９】
同期機Ｍにかかるトルクτの時間式は、実施の形態１に示した通りである。この時間式によれば、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間（第２期間）では、ロータ巻線電流Ｉｆの減少が抑えられるので、マグネットトルクの減少も少ない。ｑ軸電流ｉｑは変化しないので、全体としてトルクτはあまり変化しない。また、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間（第１期間）では、ロータ巻線電流Ｉｆが大きく変化するのでマグネットトルクも変化するが、第２期間よりも短いので影響が少なく、全体としてトルクτはあまり変化しない。よって、時刻ｔ１から時刻ｔ３までの１周期を通じてトルクτの変化が少ない。このことは、同期機Ｍは、従来の同期機に生じていた振動や騒音を低減できることを意味する。
【００６０】
なお、図６（Ａ）に示すような波形のｄ軸電流ｉｄおよびｑ軸電流ｉｑを指令値として駆動部６０に制御信号を出力すると、当該駆動部６０から同期機Ｍに出力する電機子巻線電流（相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ）は図６（Ｄ）に示すような波形となる。さらに図５と同様にして、電機子巻線電流（基本波）とｑ軸電流ｉｑ（制御波）との合成電流は図７のように変化する。図７に示す変化例の合成電流は、図５と同様に、基本波を含むか否かで約３０度の位相差がある。なお、図５の場合と同様に、位相差はマグネットトルクとリラクタンストルクとの関係で０〜４５度の範囲内で変わり得る。したがって、実施の形態１と同様に、図６（Ｄ）に示すような波形の相電流を出力する制御を行う場合でも、１周期を通じてトルクτの変化を少なくし、同期機Ｍは、従来の同期機に生じていた振動や騒音を低減することができる。
【００６１】
上述した実施の形態２によれば、同期機Ｍは、ステータ１０、ロータ２０およびダイオードＤ１とともに（図１および図３を参照）、ロータ２０の回転数と一致する電気角回転数に従って回転する回転磁界を形成する同期電流に相当する相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ（電機子電流）の基本波成分をステータコイル１１に流す同期電流通電手段７１と、ｄ軸電流ｉｄ（ロータ励磁用電流を三相二相変換したもの）をロータ２０の磁極方向に同期電流と異なる波形で通電する励磁用電流通電手段７２とを有する構成とした（図３および図６（Ａ）を参照）。一時的にｄ軸電流を流すのみでは励磁電流が減少してしまうが、この構成によれば継続的にｄ軸電流を流して励磁電流そのものの減衰を抑制するので（図６（Ｂ）を参照）、トルク低下を抑制するとともに、トルクリプルが生じるのを防止する。したがって、従来の同期機に生じていた振動や騒音を低減することができる。
【００６２】
〔実施の形態３〕
実施の形態３は電機子巻線に通電するｑ軸電流ｉｑおよびｄ軸電流ｉｄの双方を変化させる例であって、図８を参照しながら説明する。図９には、電機子巻線の通電制御例をシミュレーション波形で示す。なお、同期機Ｍの構成等は実施の形態１と同様であるので、実施の形態３では実施の形態１と異なる点について説明する。よって、実施の形態１で用いた要素と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００６３】
この形態では、励磁用電流通電手段７２の機能が実施の形態１と異なる。すなわち励磁用電流通電手段７２が出力する制御信号は、ロータ励磁用電流が同期電流と異なる波形となるように形成し、かつ、ロータ２０の磁極方向となるように設定する。この点について図８を参照しながら説明する。当該図８には、図４と同様にして、電機子巻線電流（ｄ軸電流およびｑ軸電流）の波形を示す。
【００６４】
この形態では、図８に示すような波形のｄ軸電流ｉｄおよびｑ軸電流ｉｑを指令値とする。すなわち、ｄ軸電流ｉｄは、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間内をパルス状に変化させ、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間内は次第に減少させてゆき、時刻ｔ３には時刻ｔ１と同値となるように制御する。ｑ軸電流ｉｑは、時刻ｔ２を最小値として増加させ、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間内に最大値を形成した後に減少させる。なお、ｑ軸電流ｉｑおよびｄ軸電流ｉｄを指令値とする制御は、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間内をオープンループ制御で行ってもよい。
【００６５】
図８のようなｄ軸電流ｉｄおよびｑ軸電流ｉｑを指令値とする場合でも、実施の形態１の図４（Ｂ）や実施の形態２の図６（Ｂ）に示すロータ巻線電流Ｉｆと同様に、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間内におけるロータ巻線電流Ｉｆの変動幅が少なく抑えられる。また、実施の形態１に示した同期機Ｍにかかるトルクτの時間式についても、時刻ｔ１から時刻ｔ３までの１周期を通じて変化が少ない。したがって、同期機Ｍは、従来の同期機に生じていた振動や騒音を低減できることを意味する。
【００６６】
なお、図８に示すような波形のｄ軸電流ｉｄおよびｑ軸電流ｉｑを指令値とした変化に応じた電機子巻線電流（相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ）を駆動部６０から同期機Ｍに出力すると、１周期を通じてトルクτの変化を少なくし、同期機Ｍは、従来の同期機に生じていた振動や騒音を低減することができる。
【００６７】
上述した実施の形態３によれば、励磁用電流通電手段７２は、ｑ軸電流をロータ２０の磁極方向から電気角で所定角度進んだ方向に同期電流と異なる波形で通電するとともに、
ｄ軸電流をロータ２０の磁極方向に同期電流と異なる波形で通電する構成とした（図８を参照）。この構成によれば、ｑ軸電流ｉｑおよびｄ軸電流ｉｄを重畳することによってトルク制御を行う。この通電によって、ロータ巻線電流Ｉｆが時間経過とともに減衰するのを抑制して、トルクリプルが生じるのを防止する。したがって、従来の同期機に生じていた振動や騒音を低減することができる。
【００６８】
〔他の実施の形態〕
以上では本発明を実施するための形態について実施の形態１〜３に従って説明したが、本発明は当該形態に何ら限定されるものではない。言い換えれば、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施することもできる。例えば、以下に示す各形態を実現してもよい。
【００６９】
上述した実施の形態１〜３では、図４（Ａ）および図８に示す波形のｑ軸電流ｉｑを指令値とするか、図６（Ａ）および図８に示す波形のｄ軸電流ｉｄを指令値とする構成とした。ｑ軸電流ｉｑおよびｄ軸電流ｉｄのいずれにせよ、図４（Ａ），図６（Ａ）および図８に示した波形以外の他の波形を指令値とする構成としてもよい。他の波形としては、ロータ励磁用電流についてロータ２０の磁極方向から電気角で他の所定角度進んだ方向となるように設定されたときの波形などが該当する。他の所定角度は、例えば１８０度，２７０度等のように９０×ｎ（ｎは自然数）度が該当する。どのような角度に設定するのかは、同期機Ｍの種類や状態等に合わせて適切な角度を選択する。こうした角度であってもロータ巻線電流Ｉｆが時間経過とともに減衰するのを抑制されるので、実施の形態１〜３と同様の作用効果を得ることができる。
【００７０】
上述した実施の形態１〜３では、ロータ励磁用電流の波形としてパルス状の波形を適用した（図４〜図８を参照）。この形態に代えて、高周波交流電流波形を適用してもよい。この波形を適用すれば、電機子電流の最大ピーク値を低減できるため、電機子巻線やインバータの抵抗損失を低減することができる。
【００７１】
上述した実施の形態１〜３では、スイッチング素子のトランジスタＱとしてＩＧＢＴを用いた（図１を参照）。この形態に代えて、スイッチング素子としての機能を奏する他のトランジスタを用いてもよい。他のトランジスタとしては、例えばＦＥＴ（ＭＯＳＦＥＴ，ＪＦＥＴ，ＭＥＳＦＥＴ等）、ＧＴＯ、パワートランジスタ等が該当する。他のトランジスタを用いた場合でも直流入力電力を交流電力に変換して出力するので、ｄ軸電流ｉｄおよびｑ軸電流ｉｑを指令値とした電機子巻線電流（相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ）を駆動部６０から同期機Ｍに出力することができる。いずれのスイッチング素子（トランジスタ）にせよ、実施の形態１〜３と同様の作用効果を得ることができる。
【００７２】
上述した実施の形態１〜３では、被検出部２４をロータシャフト２１の外周面に一定間隔で設けた磁気突極で構成した（図１を参照）。この形態に代えて、位置センサ４０で検出可能な他の被検出部２４で構成してもよい。他の被検出部２４としては、例えば一定間隔にスリットを設けた円板などが該当する。スリットを設けた円板を適用する場合は、位置センサ４０には発光体および受光体を有する光電検出器を用いる。すなわち、発光体が発した光を受光体で受光するか否かに基づいて信号（アナログ信号またはデジタル信号）を制御部７０に伝達する。いずれの被検出部２４および位置センサ４０の組み合わせにせよ、ロータシャフト２１の回転位置を検出して制御部７０から制御信号を出力できるので、実施の形態１〜３と同様の作用効果を得ることができる。
【００７３】
上述した実施の形態１〜３では、電流センサ８０として磁気比例型センサを用いた（図１を参照）。この形態に代えて、各相の相電流が検出可能な他の電流センサを用いてもよい。他の電流センサとしては、例えば，電磁誘導型センサ，ファラデー効果型センサなどが該当する。電磁誘導型センサは、電流母線の周囲に環状のコアやコイルを配置し、相電流の通電で生じる誘導起電力により検出する。ファラデー効果型センサは、磁界方向に沿って配置された光ファイバに対して直線偏光が入射したとき、偏波の方位が磁界の強度に比例して回転する回転角を計測することで磁界強度（すなわち電流）を検出する。いずれの電流センサにせよ、電機子電流（すなわち相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ）を正確に検出して制御部７０に伝達するので、実施の形態１〜３と同様の作用効果を得ることができる。
【００７４】
上述した実施の形態では、同期機Ｍを電動機として適用した（図１を参照）。この形態に代えて、他の機器に適用してもよい。他の機器としては、例えば車両用交流発電機や、エンジン始動と発電との双方が行える車両用発電電動機等が該当する。いずれの機器にせよ、実施の形態１〜３と同様の作用効果を得ることができる。なお、発電機として使用する場合には、駆動部６０は単なる整流回路として作動するに過ぎないものの、発電電力を利用してロータ励磁用電流を形成することができる。
【符号の説明】
【００７５】
１０  ステータ（固定子）
１１  ステータコイル（電機子巻線）
１２  ステータコア
２０  ロータ（回転子）
２１  ロータシャフト
２２  ロータコイル（界磁巻線）
２３  ロータコア
３０  フレーム（ハウジング）
４０  位置センサ
５０  直流電源
６０  駆動部
７０  制御部
７１  同期電流通電手段
７２  励磁用電流通電手段
８０  電流センサ
Ｃ１，Ｃ２  コンデンサ
Ｄ１  ダイオード（整流素子）
Ｄ２  ダイオード
Ｉｆ  ロータ巻線電流（界磁電流）
Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ  相電流（電機子電流）
Ｍ  同期機（界磁巻線型同期機）
Ｑ  トランジスタ（スイッチング素子）
【図１】
2010252452.tif 000004
【図２】
2010252452.tif 000005
【図３】
2010252452.tif 000006
【図４】
2010252452.tif 000007
【図５】
2010252452.tif 000008
【図６】
2010252452.tif 000009
【図７】
2010252452.tif 000010
【図８】
2010252452.tif 000011
【図９】
2010252452.tif 000012