(57)【要約】【課題】回転電機において、所望の半波成分の電流とは逆位相の遮断すべき半波成分の電流がコンデンサに流入することを防止することである。【解決手段】ステータ１２は、ティース１９に巻かれたステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗを含む。ロータ１４は、ロータコア２４と、ロータ１４の複数の突極２６に巻かれたロータ巻線２８ｎと、ロータ巻線２８ｎに発生する誘導起電力によって複数の突極２６に生じる磁気特性を周方向で異ならせるダイオード３８と、ダイオード３８に並列に接続されたコンデンサ４４とを含む。コンデンサ４４には、ダイオード３８と同じ順方向で整流器であるサイリスタ４６を直列に接続する。【選択図】図４
2014007837.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転磁界を生成する複数相のステータ巻線を含むステータと、
ロータコアと、前記ロータコアの周方向複数個所に設けられた突極と、前記各突極に巻かれたロータ巻線と、前記各ロータ巻線に接続され、前記各ロータ巻線に発生する誘導起電力によって前記複数の突極に生じる磁気特性を周方向に交互に異ならせるダイオードと、前記ダイオードに並列に接続されたコンデンサとを含み、前記ステータに対向配置されるロータとを備え、
前記コンデンサには、前記ダイオードと同じ順方向で、整流器が直列に接続されていることを特徴とする回転電機。
【請求項２】
請求項１に記載の回転電機において、
前記整流器は、サイリスタであることを特徴とする回転電機。
【請求項３】
請求項１または請求項２のいずれかに記載の回転電機において、
前記ロータは、前記各突極に設けられ、前記各ロータ巻線に誘導電流が流れる場合に生じる前記各突極の磁化方向と同方向に磁化された永久磁石を含むことを特徴とする回転電機。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１に記載の回転電機と、
前記回転電機の駆動を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記ステータ巻線に流れるステータ電流に、前記ロータ巻線と前記コンデンサとを含む回路のＬＣ共振周波数と同一の周波数を有する高調波電流を重畳させる高調波重畳部を有することを特徴とする回転電機駆動システム。
【請求項５】
請求項４に記載の回転電機駆動システムにおいて、
前記高調波重畳部は、前記ロータの回転速度が所定速度以下の場合に前記ステータ電流に前記高調波電流を重畳させ、前記ロータの回転速度が前記所定速度を上回る場合に前記ステータ電流に前記高調波電流を重畳させないように、前記高調波電流の重畳を切り換えることを特徴とする回転電機駆動システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステータとロータとが対向配置された回転電機及びこの回転電機を含む回転電機駆動システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、特許文献１に記載されているように、ステータとロータとが対向配置された回転電機であって、ロータは、ロータコアに径方向反対側に設けられた一対の突極となるティース部が形成されるとともに、ロータコアの突極の周囲にロータ巻線が巻かれた回転電機が知られている。また、ロータ巻線はダイオードにより一方向に短絡されているので、一対のティース部の一方がＮ極に励磁され、他方がＳ極に励磁される。さらに、特許文献１には、別例として、ロータ巻線に流れる励磁電流と発生電圧の安定化を行うことを目的として、ダイオードと並列にコンデンサを接続する構成が記載されている。
【０００３】
また、特許文献２には、ロータの複数の突極にロータ巻線が巻装され、各ロータ巻線がダイオードにより一方向または反対方向に短絡される回転電機が記載されている。ダイオードは、ロータ巻線に誘導された交流電流を半波整流し、周方向に隣り合う突極を交互にＮ極とＳ極とに励磁して磁極を形成する。また、この構成でもダイオードと並列に電流平滑用コンデンサが接続されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１８５０８２号公報
【特許文献２】特開２００８−８６１６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の特許文献１，２に記載の構成では、ロータに巻かれたロータ巻線にダイオードが接続されており、その短絡する方向を規制しているので、ロータ巻線に発生する誘導起電力によって、隣り合う突極に生じる磁気特性を異ならせることができる。ただし、ダイオードに並列にコンデンサが接続されているので、ステータの回転磁界によりロータ巻線に流れようとする交流電流のうち、所望の半波成分とは逆位相の遮断すべき半波成分の電流がコンデンサを通じてロータ巻線に流れる。この場合、所望方向とは逆方向にロータ巻線に誘導電流が流れるため、回転電機を高い応答性で制御できない。
【０００６】
また、本発明者は、特許文献２のようにダイオードにコンデンサが並列に接続されている回転電機で、ステータに高調波成分を含む回転磁界を生成させ、ロータ巻線に回転磁界の高調波成分を印加して、誘導起電力を発生させ、ダイオードにより複数の突極に生じる磁気特性を周方向に交互に異ならせることを考えた。この場合、ロータ巻線とコンデンサとによりＬＣ共振回路が構成される。このため、本発明者は、ステータに流すステータ電流に高調波電流を重畳させるとともに、その高調波電流の共振周波数をＬＣ共振回路の共振周波数と一致させることでロータ巻線で発生する磁力を大きくできると考えた。ただし、ダイオードに並列にコンデンサが接続されていると、上記の特許文献１，２の場合と同様に、ロータ巻線を流れようとする交流電流のうち、所望の半波成分とは逆位相の遮断すべき半波成分の電流がコンデンサを通じてロータ巻線に流れる可能性がある。この場合も、回転電機を高い応答性で制御できない。
【０００７】
本発明の目的は、回転電機において、ロータの各突極に巻かれたロータ巻線と、複数の突極に生じる磁気特性を周方向に交互に異ならせるダイオードと、ダイオードに並列に接続されたコンデンサとを備える構成において、所望の半波成分の電流とは逆位相の遮断すべき半波成分の電流がコンデンサに流入することを防止することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る回転電機は、上記の目的を達成するために以下の手段を採用する。
【０００９】
本発明に係る回転電機は、回転磁界を生成する複数相のステータ巻線を含むステータと、ロータコアと、前記ロータコアの周方向複数個所に設けられた突極と、前記各突極に巻かれたロータ巻線と、前記各ロータ巻線に接続され、前記各ロータ巻線に発生する誘導起電力によって前記複数の突極に生じる磁気特性を周方向に交互に異ならせるダイオードと、前記ダイオードに並列に接続されたコンデンサとを含み、前記ステータに対向配置されるロータとを備え、前記コンデンサには、前記ダイオードと同じ順方向で、整流器が直列に接続されていることを特徴とする回転電機である。
【００１０】
また、本発明に係る回転電機において、好ましくは、前記整流器は、サイリスタである。
【００１１】
また、本発明に係る回転電機において、好ましくは、前記ロータは、前記各突極に設けられ、前記各ロータ巻線に誘導電流が流れる場合に生じる前記各突極の磁化方向と同方向に磁化された永久磁石を含む。
【００１２】
また、本発明に係る回転電機駆動システムは、上記の本発明に係る回転電機と、前記回転電機の駆動を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記ステータ巻線に流れるステータ電流に、前記ロータ巻線と前記コンデンサとを含む回路のＬＣ共振周波数と同一の周波数を有する高調波電流を重畳させる高調波重畳部を有することを特徴とする回転電機駆動システムである。
【００１３】
また、本発明に係る回転電機駆動システムにおいて、好ましくは、前記高調波重畳部は、前記ロータの回転速度が所定速度以下の場合に前記ステータ電流に前記高調波電流を重畳させ、前記ロータの回転速度が前記所定速度を上回る場合に前記ステータ電流に前記高調波電流を重畳させないように、前記高調波電流の重畳を切り換える。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の回転電機及び回転電機駆動システムによれば、複数の突極に生じる磁気特性を周方向に交互に異ならせるダイオードに並列にコンデンサが接続されているが、このコンデンサに、ダイオードと同じ順方向を有する整流器が直列に接続されている。このため、ロータ巻線に交流電流が流れようとし、コンデンサにこの交流電流のうち、所望の半波成分の電流と逆位相の半波成分の電流が流れようとする場合に、整流器がこの逆位相の電流のコンデンサへの流入を阻止する。したがって、ロータの各突極に巻かれたロータ巻線と、複数の突極に生じる磁気特性を周方向に交互に異ならせるダイオードと、ダイオードに並列に接続されたコンデンサとを備える構成において、所望の半波成分の電流とは逆位相の遮断すべき半波成分の電流がコンデンサに流入することを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態の回転電機において、ロータの回転軸方向に見たステータ及びロータの概略構成を示す図である。
【図２】図１の回転電機において、ステータの概略構成を示す図である。
【図３】図１の回転電機において、ロータの概略構成を示す図である。
【図４】ロータ巻線に誘導電流が流れる様子を示す、図１のＡ部拡大対応図である。
【図５】図３の１つの突極に巻かれるロータ巻線及びダイオードを含むＬＣ共振回路を示す図である。
【図６】本発明の実施形態の回転電機駆動システムを示す回路図である。
【図７】回転電機駆動システムの高調波重畳部で高調波電流を重畳させた１相のステータ電流を示す図である。
【図８】ロータ巻線に印加されるダイオードによる整流前の高調波電流(高調波信号)とロータ巻線を流れる整流後の誘導電流(ロータ巻線電流)とを示す図である。
【図９】ロータ巻線に誘導電流が流れない様子を示す、図１のＡ部拡大対応図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。なお、以下では、回転電機を構成するステータコアとロータコアとを、それぞれ電磁鋼板を積層して形成されるものとして説明するが、これは例示であって、電磁鋼板以外の板材を積層したものでもよい。また、これ以外のステータコア及びロータコアであってもよい。たとえば、板材の積層型ではなく、鋼材を加工した一体型コアでも、磁性粉末の圧粉加工により形成されるコアでもよい。また、各コアは、周方向に分割される複数の要素を環状に連結してなる分割型コアとしてもよい。
【００１７】
以下で述べるステータのティースの数、ロータの突極の数等は説明のための例示であって、適宜変更可能である。また、以下ではすべての図面において同様の要素には同一の符号を付して、重複する説明を省略または簡略化する。
【００１８】
図１は、モータまたは発電機として使用される本発明の実施形態の回転電機において、そのロータの回転軸方向に見たステータ及びロータの概略構成を示す図である。
【００１９】
回転電機１０は、図示しないケーシングに固定されたステータ１２と、ステータ１２と所定の空隙をあけて径方向内側に対向配置され、ステータ１２に対し回転可能なロータ１４とを備える。なお、単に「径方向」という場合、ロータ１４の回転中心軸に対し直交する放射方向をいう（本明細書全体及び特許請求の範囲で同じである。）。ロータ１４は、回転軸１６に固定され回転軸１６と一体に回転する。
【００２０】
また、図２に示すように、ステータ１２は、ステータコア１８と、ステータコア１８の周方向複数個所の等間隔位置に配置されたティース１９と、各ティース１９に巻かれた複数相（より具体的にはｕ相、ｖ相、ｗ相の３相）のステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗとを含む。すなわち、ステータコア１８の内周面には、径方向内側へ（ロータ１４へ向けて）突出する複数のティース１９がステータ１２の周方向に沿って互いに間隔をおいて配列されている。各ティース１９間にスロット２２が形成されている。ステータコア１８及び複数のティース１９は、磁性鋼板を複数積層した積層体等の磁性材により、一体に形成されている。
【００２１】
各相のステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗは、スロット２２を通ってティース１９に短節集中巻で巻装されている。このように、ティース１９にステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗが巻装されることで磁極が構成される。そして、複数相のステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗに複数相の交流電流を流すことで、周方向に複数配置されたティース１９が磁化し、周方向に回転する回転磁界をステータ１２に生成する。すなわち、複数相のステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗは、ステータ１２に回転磁界を生成する。なお、ステータ巻線は、このようにステータ１２のティース１９に巻線する構成に限定するものではない。例えばステータコア１８の環状部分の周方向複数個所に複数相のステータ巻線を巻線するトロイダル巻きとし、ステータ１２に回転磁界を生じさせることもできる。
【００２２】
ティース１９に形成された回転磁界は、ロータ１４に作用する。図２に示す例では、３相（ｕ相、ｖ相、ｗ相）のステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗがそれぞれ巻装された３つのティース１９により１つの極対が構成されている。
【００２３】
一方、図３に示すように、ロータ１４は、円筒状のロータヨークであるロータコア２４と、ロータコア２４の外周面の周方向の等間隔複数個所に、径方向外側に向けて（ステータ１２に向けて）突出して設けられた突部である突極２６と、複数のロータ巻線２８ｎ、２８ｓとを含む。なお、単に「周方向」という場合、ロータ１４の回転中心軸を中心として描かれる円形に沿う方向をいう（本明細書全体及び特許請求の範囲で同じである。）。ロータコア２４及び複数の突極２６は、磁性鋼板を複数積層した積層体等の磁性材により、一体に形成されている。ロータ１４の周方向に関して１つおきの突極２６に第１ロータ巻線２８ｎがそれぞれ集中巻きで巻かれて、第１ロータ巻線２８ｎが巻かれた突極２６と隣り合う別の突極２６であって、周方向１つおきの突極２６に、第２ロータ巻線２８ｓがそれぞれ集中巻きで巻かれている。また、各第１ロータ巻線２８ｎを一方向に短絡するように磁気特性調整部である第１ダイオード３８が接続され、各第２ロータ巻線２８ｓを反対方向に短絡するように磁気特性調整部である第２ダイオード４０が接続されている。
【００２４】
このような構成では、第１ロータ巻線２８ｎ及び第２ロータ巻線２８ｓに整流された電流が流れることで突極２６が磁化し、磁極部として機能する。ステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗに交流電流を流すことで、ステータ１２が回転磁界を生成するが、この回転磁界は、基本波成分の磁界だけでなく、基本波よりも高い次数の高調波成分の磁界を含んでいる。
【００２５】
より詳しくは、ステータ１２に回転磁界を発生させる起磁力の分布は、各相のステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗの配置や、ティース１９及びスロット２２によるステータコア１８の形状に起因して、（基本波のみの）正弦波分布にはならず、高調波成分を含むものとなる。特に、集中巻においては、各相のステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗが互いに重なり合わないため、ステータ１２の起磁力分布に生じる高調波成分の振幅レベルが増大する。例えばステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗが３相集中巻の場合は、高調波成分として、入力電気周波数の時間的３次成分である、空間的な２次成分の振幅レベルが増大する。このようにステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗの配置やステータコア１８の形状に起因して起磁力に生じる高調波成分は空間高調波と呼ばれている。
【００２６】
ステータ１２からロータ１４に、この空間高調波成分を含む回転磁界が作用すると、空間高調波の磁束変動により、ロータ１４の突極２６間の空間に漏れ出す漏れ磁束の変動が発生し、その変動が十分に大きい場合には、各ロータ巻線２８ｎ，２８ｓの少なくともいずれかのロータ巻線２８ｎ（または２８ｓ）に誘導起電力が発生する。特に、後述するように回転電機１０を駆動する回転電機駆動システム６８が制御装置７２を含み、制御装置７２はステータ電流に高調波電流を重畳させる高調波重畳部８０を有するので、空間高調波成分のレベルの最大値が大きくなる。したがって、ロータ巻線２８ｎ（または２８ｓ）には実質的にこの高調波電流と同一周波数の空間高調波成分が印加される。
【００２７】
そして、各ロータ巻線２８ｎ，２８ｓに誘導起電力が発生すると、各ロータ巻線２８ｎ，２８ｓに対応するダイオード３８，４０の整流方向に応じた直流電流が流れ、ロータ巻線２８ｎ、２８ｓが巻装された突極２６が磁化する。このため、この突極２６が所望の極性の磁極部として機能する。すなわち、ロータ巻線２８ｎ，２８ｓを流れる誘導電流により生成される磁束が突極２６を流れることで突極２６に起磁力が発生し、磁極が形成される。また、誘導電流によって突極２６に生じる起磁力を巻線起磁力と呼ぶことにすると、巻線起磁力の方向は誘導電流の方向で決まる。この巻線起磁力は、回転電機１０のトルクの向上に寄与する。また、巻線起磁力の方向を、対応するダイオード３８，４０の整流方向により、ロータ１４の周方向に関して交互に異ならせる。図３の例では、各ロータ巻線２８ｎ，２８ｓに誘導電流が流れると仮定した場合に、第１ロータ巻線２８ｎが巻装された突極２６の先端にＮ極が生成され、第２ロータ巻線２８ｓが巻装された突極２６の先端にＳ極が生成される。図３では、各ロータ巻線２８ｎ，２８ｓに誘導電流が流れると仮定した場合に、各突極２６の先端に形成される磁極を各突極２６の外径側のＮ，Ｓにより示している。この場合、ロータ１４の周方向においてＮ極とＳ極とが交互に配置される。このように、各ロータ巻線２８ｎ，２８ｓに誘導電流が流れると仮定した場合に、各ダイオード３８，４０（図３）は、各ロータ巻線２８ｎ、２８ｓに発生する誘導起電力によって複数の突極２６に生じる磁気特性を、周方向に交互に異ならせる。
【００２８】
また、図３に示すように、ロータ１４の周方向に関する各ロータ巻線２８ｎ，２８ｓの幅θは、ロータ１４の電気角で１８０°に相当する幅よりも短く設定している。より好ましくは、ロータ１４の周方向に関する各ロータ巻線２８ｎ，２８ｓの幅θは、ロータ１４の電気角で９０°に相当する幅に等しく、あるいはほぼ等しくしている。ここでの各ロータ巻線２８ｎ，２８ｓの幅θについては、各ロータ巻線２８ｎ，２８ｓの断面積を考慮して、各ロータ巻線２８ｎ，２８ｓの断面の中心幅で表すことができる。
【００２９】
本実施形態の回転電機１０では、ロータ１４は、各突極２６ごとに設けられたロータ巻線２８ｎ（または２８ｓ）に接続されたダイオード３８（または４０）に対し、並列に接続された直列接続要素４２（または４３）を含んでいる。図４は、ロータ巻線に誘導電流が流れる様子を示す、図１のＡ部拡大対応図である。
【００３０】
複数のロータ巻線２８ｎ，２８ｓ(図３)のうち、周方向１つ置きに配置される各ロータ巻線２８ｎに接続される直列接続要素４２は、図４に示すように、コンデンサ４４と、ダイオード３８と同じ順方向でコンデンサ４４に直列に接続されたサイリスタ４６とを含んでいる。サイリスタ４６は、整流器である一方向サイリスタである。残りの１つ置きに配置される各ロータ巻線２８ｓに接続される直列接続要素４３(図３)は、上記のサイリスタ４６と順方向が逆になるサイリスタ４７(図５)がコンデンサ４４に接続されているだけで、上記の直列接続要素４２の場合と同様である。
【００３１】
図５は、図３の１つの突極に巻かれるロータ巻線及びダイオードを含むＬＣ共振回路を示す図である。図５に示すようにサイリスタ４６，４７は、ｐｎｐｎ接合の半導体素子である。サイリスタ４６，４７のカソードＫ１はコンデンサ４４の一端に接続されている。サイリスタ４６，４７のアノードＡ１はダイオード３８，４０のアノードＡ２とロータ巻線２８ｎ（または２８ｓ）の一端との接続点Ｑに接続されている。サイリスタ４６，４７のゲートＧ１も接続点Ｑに接続されている。
【００３２】
また、コンデンサ４４の他端は、ダイオード３８，４０のカソードＫ２とロータ巻線２８ｎ（または２８ｓ）の他端との接続点Ｒに接続されている。各ダイオード３８，４０及び各直列接続要素４２，４３は、例えば図３のロータコア２４の軸方向端面の外側に配置することができる。このように各突極２６（図３等）ごとに設けられたロータ巻線２８ｎ，２８ｓと、図５に示すダイオード３８，４０と、直列接続要素４２，４３とは、それぞれＬＣ共振回路５０，５２を形成している。
【００３３】
さらに、図３に示すように、ロータ１４は、各突極２６の内部に埋め込むように設けられた永久磁石４８を含んでいる。各永久磁石４８は、ロータ１４の径方向と一致する方向に磁化されている。各永久磁石４８はフェライト等により構成されている。また、複数の突極２６で、ロータ１４の径方向に関する永久磁石４８の磁化方向を、ロータ周方向に交互に逆にしている。
【００３４】
例えば図４に示すように、第１ロータ巻線２８ｎの誘導電流により先端がＮ極となる突極２６に設けられる永久磁石４８では、磁化方向が径方向の内側から外側に向き、外側がＮ極となり、内側がＳ極となる。また、図３において、第２ロータ巻線２８ｓの誘導電流により先端がＳ極となる突極２６に設けられる永久磁石４８では、磁化方向が径方向の外側から内側に向き、外側がＳ極となり、内側がＮ極となる。このように、各永久磁石４８は、各ロータ巻線２８ｎ，２８ｓに誘導電流が流れる場合に生じる各突極２６の磁化方向と同方向に磁化される。
【００３５】
各永久磁石４８は、例えば各突極２６のロータ径方向の中間部に軸方向に貫通するように設けられた孔部に、軸方向に挿入され固定されることができる。
【００３６】
このような回転電機１０は、図６の回転電機駆動システム６８により駆動される。図６は、図１の回転電機１０を駆動する回転電機駆動システム６８の概略構成を示す図である。回転電機駆動システム６８は、回転電機１０と、回転電機１０を駆動する駆動部であるインバータ７０と、インバータ７０を制御する制御装置７２と、電源である蓄電装置７４とを備え、回転電機１０を駆動する。
【００３７】
蓄電装置７４は、直流電源として設けられ、充放電可能であり、例えば二次電池により構成する。インバータ７０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相のアームＡｕ，Ａｖ，Ａｗを備える。各相アームＡｕ，Ａｖ，Ａｗは、それぞれ２個のスイッチング素子Ｓｗを直列に接続している。スイッチング素子Ｓｗは、トランジスタ、ＩＧＢＴ等である。各スイッチング素子Ｓｗに逆並列にダイオードＤｉを接続している。各アームＡｕ，Ａｖ，Ａｗの中点は、回転電機１０を構成する対応する相のステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗの一端側に接続されている。ステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗはステータ１２の各ティースにおいて、同じ相のステータ巻線２０ｕ（または２０ｖまたは２０ｗ）同士が互いに直列に接続されている。ステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗの他端は中性点で接続されている。
【００３８】
蓄電装置７４の正極側及び負極側は、インバータ７０の正極側と負極側とにそれぞれ接続されており、蓄電装置７４とインバータ７０との間にコンデンサ７６が、インバータ７０に対し並列に接続されている。制御装置７２は、例えば本発明の回転電機が車両の駆動モータとして使用された場合、車両のアクセルペダルセンサ（図示せず）等から入力される加速指令信号に応じて回転電機１０のトルク目標を算出し、トルク目標等に応じた電流指令値に応じて各スイッチング素子Ｓｗのスイッチング動作を制御する。制御装置７２には、３相のうち、少なくとも２相のステータ巻線（例えば２０ｖ、２０ｗ）側に設けられた電流センサ７８で検出された電流値を表す信号と、レゾルバ等の回転角度検出部（図示せず）で検出された回転電機１０のロータ１４（図１）の回転角度を表す信号とがそれぞれ入力される。制御装置７２は、ＣＰＵ，メモリ等を有するマイクロコンピュータを含むもので、インバータ７０のスイッチング素子Ｓｗのスイッチングを制御することにより、回転電機１０のトルク、回転数等を制御する。制御装置７２は、機能ごとに分割された複数の制御装置により構成することもできる。
【００３９】
このような制御装置７２は、インバータ７０を構成する各スイッチング素子Ｓｗのスイッチング動作により蓄電装置７４からの直流電力を、ｕ相、ｖ相、ｗ相の３相の交流電力に変換して、ステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗの各相に対応する相の電力を供給することを可能とする。また、制御装置７２は、ステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗに流れるステータ電流に高調波電流を重畳させる高調波重畳部８０を有するが、これについては後述する。また、本発明の回転電機を車両の車輪に固定された車軸等により、変速装置等を介して外部から駆動されて発電する発電機として使用することもできる。その場合も制御装置７２は、インバータ７０のスイッチングを制御し、ステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗに高調波電流を重畳させた交流電流を供給する。
【００４０】
また、図６の回転電機駆動システム６８は、例えば、車両用走行動力発生装置として、エンジンと走行用モータとを駆動源として備えるハイブリッド車、燃料電池車、電気自動車等に搭載して使用される。また、蓄電装置７４とインバータ７０との間に電圧変換部であるＤＣ／ＤＣコンバータを接続して、蓄電装置７４の電圧を昇圧してインバータ７０に供給可能とすることもできる。
【００４１】
次に、回転電機駆動システム６８により駆動される回転電機１０の基本的な動作を説明する。３相のステータ巻線２０ｕ、２０ｖ、２０ｗに３相の交流電流が流れることでステータ１２に形成された回転磁界（基本波成分）がロータ１４に作用し、これに応じて、ロータ１４の磁気抵抗が小さくなるように、突極２６がステータ１２のティース１９に吸引される。これによって、ロータ１４にトルク（リラクタンストルク）が作用する。
【００４２】
また、ステータ１２に形成された空間高調波を含む回転磁界がロータ１４の各ロータ巻線２８ｎ、２８ｓに鎖交すると、各ロータ巻線２８ｎ、２８ｓには、空間高調波に起因するロータ１４の回転周波数（回転磁界の基本波成分）と異なる周波数の磁束変動によって、各ロータ巻線２８ｎ、２８ｓに誘導起電力が発生する。この誘導起電力の発生に伴って各ロータ巻線２８ｎ、２８ｓに流れる電流は、各ダイオード３８，４０により整流されることで一方向となる。そして、各ダイオード３８，４０で整流された電流が各ロータ巻線２８ｎ、２８ｓに流れるのに応じて各突極２６が磁化し、各突極２６が磁極が（Ｎ極かＳ極のいずれか一方に）固定された磁石として機能する。この場合、各ロータ巻線２８ｎ，２８ｓに誘導電流が流れると仮定した場合に、ダイオード３８，４０の整流方向の違いにより、各突極２６の巻線起磁力による磁極として、周方向においてＮ極とＳ極とが交互に配置されたものとなる。
【００４３】
そして、各突極２６（磁極が固定された磁石）の磁界がステータ１２により生成される回転磁界（基本波成分）と相互作用して、吸引作用及び反発作用が生じる。このステータ１２により生成される回転磁界（基本波成分）と突極２６（磁石）の磁界との電磁気相互作用（吸引作用及び反発作用）によっても、ロータ１４にトルク（磁石トルクに相当するトルク）を作用させることができ、ロータ１４がステータ１２で生成される回転磁界（基本波成分）に同期して回転駆動される。このように回転電機１０は、ステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗへの供給電力を利用してロータ１４に動力（機械的動力）を発生させる電動機として機能させることができる。
【００４４】
また、制御装置７２は高調波重畳部８０を有する。高調波重畳部８０は、ステータ巻線に流れる各相のステータ電流に、ＬＣ共振回路５０，５２(図５)のＬＣ共振周波数と同一の周波数を有する高調波電流を重畳させる。図７は、回転電機駆動システム６８(図６)の高調波重畳部８０で高調波電流を重畳させた１相のステータ電流を示している。各相のステータ電流に一定の周期で高調波電流を重畳させるが、この高調波電流はキャリア周波数を有するキャリア信号である。キャリア信号は、インバータ７０（図６）のスイッチングを制御する場合に使用されるものと同じである。なお、高調波電流として、キャリア信号と異なる高調波信号を使用することもできる。高調波電流を重畳させたステータ電流を各相のステータ巻線２０ｕ、２０ｖ、２０ｗに流すことで、ステータ１２で生成される回転磁界は、基本波の場合と異なる周波数の高レベルの高調波成分である空間高調波を含むようになる。
【００４５】
そして空間高調波がロータ巻線２８ｎ，２８ｓに印加されることで誘導起電力が発生し、突極２６の先端にＮ極またはＳ極が形成される。特に、高調波電流はＬＣ共振回路５０，５２のＬＣ共振周波数と同一の周波数を有するので、誘導起電力により突極２６に発生する磁力を大きくできる。ただし、図５で説明したようにダイオード３８，４０に並列にコンデンサ４４が接続されている。このため、特別な考慮をしない場合、誘導起電力によりロータ巻線２８ｎ，２８ｓを流れようとする交流電流のうち、各突極２６に所望の極性の磁極を形成するための所望の半波成分の電流とは逆位相の遮断すべき半波成分の電流が、コンデンサ４４を通じてロータ巻線２８ｎ，２８ｓに流れる可能性がある。
【００４６】
これに対して、本実施形態では、ダイオード３８，４０に並列にコンデンサ４４が接続されているが、このコンデンサ４４に、ダイオード３８，４０と同じ順方向を有するサイリスタ４６，４７が直列に接続されている。このため、ロータ巻線２８ｎ，２８ｓに交流電流が流れようとし、コンデンサ４４にこの交流電流のうち、所望の半波成分と逆位相の半波成分の電流が流れようとする場合に、サイリスタ４６，４７がこの逆位相の電流のコンデンサ４４への流入を阻止する。したがって、所望の半波成分の電流とは逆位相の遮断すべき半波成分の電流がコンデンサ４４に流入することを防止できる。この結果、コンデンサ４４を通じてロータ巻線２８ｎ，２８ｓにダイオード３８，４０による整流方向とは逆方向に電流が流れることを防止して、回転電機１０を高い応答性で制御できる。
【００４７】
また、回転電機１０を発電機として機能させる場合も、制御装置７２の高調波重畳部８０は、各相のステータ電流に高調波電流を重畳させる。そしてロータ１４(図１)を固定した回転軸１６が外部から回転させられることにより、ステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗに電圧が誘起され発電し、発電した電力が蓄電装置７４に充電される。例えば、本発明の回転電機を車両の駆動モータ及び発電機の両方の機能を有するモータジェネレータとして使用する場合に、制動時に地面の抵抗が図示しない車輪に加わり、車輪が固定された車軸の動力が変速装置等を介して回転軸１６に伝達される。この場合、回転電機１０は外部から駆動され、ステータ１２で回生電力が発生すると同時に車両の制動力が得られる。この場合も、ロータ巻線２８ｎ，２８ｓに印加される高調波電流の周波数を、ロータ巻線２８ｎ，２８ｓを含むＬＣ共振回路５０，５２の共振周波数と同一とすることで、各突極２６の誘導起電力による磁力を大きくできる。このため、回転電機１０(図６)で大きな回生電力を得られ、蓄電装置７４に充電できる。
【００４８】
また、ステータ１２で生成される回転磁界に含まれる高調波成分がＬＣ共振周波数と一致する周波数を有するので、ロータ巻線２８ｎ，２８ｓに持続的に誘導電流を流して突極２６を磁化できる。この場合、「持続的に」とは、図８の下側の図で示すようにロータ巻線２８ｎ、２８ｓに断続的に正側(図８の上側)または負側(図８の下側)の一方のみに誘導電流が流れることが繰り返され続けることをいう(以下の説明で同じである。)。図８は、上側でロータ巻線２８ｎ、２８ｓに印加されるダイオード３８，４０による整流前の高調波電流(高調波信号)を示しており、下側でロータ巻線２８ｎ、２８ｓを流れる整流後の誘導電流(ロータ巻線電流)を示している。この場合、ダイオード３８，４０が設けられているので、各突極２６に配置された永久磁石４８の磁化方向と同じ向きに起磁力を発生させる方向にのみ、ロータ巻線２８ｎ、２８ｓに誘導電流が流れる。
【００４９】
また、図５に示すように、ダイオード３８，４０に順方向(図５の矢印α方向)に電流が流れると、ダイオード３８，４０のアノードＡ２側の電位が上がるので、サイリスタ４６，４７のゲートＧ１側の電位も上昇してサイリスタ４６，４７がオンされる。このため、コンデンサ４４に電流が流れる。また、ロータ巻線２８ｎについて説明すると、図４に示すようにロータ巻線２８ｎに矢印β方向に流れる誘導電流により、矢印γ方向の磁束が突極に発生し、永久磁石４８の磁化方向と同方向に突極２６が磁化される。例えば先端にＮ極が形成される突極２６と、Ｓ極が形成されるティース１９とが対向した場合に互いに引き付けあうことで、モータトルクを増大させたり、回生電力を大きくさせることができる。しかも突極２６に設けられた永久磁石４８の磁束も寄与して、モータトルクや回生電力がより大きくなる。この状態は図８のｔａ時間に対応する。
【００５０】
これに対して、図５に示すように、ダイオード３８，４０の順方向と逆方向(図５の矢印α方向と逆方向)にコンデンサ４４に電流が流れようとすると、アノードＡ２側の電位が低いままであるので、サイリスタ４６，４７はオフになる。このため、サイリスタ４６，４７により、所望の半波成分と逆位相の半波成分の電流のコンデンサ４４への流入を防止できる。このため、例えば、キャリア周波数が１００ｋＨｚで１０００ｐＦ程度の小容量のコンデンサ４４でも耐圧を確保できる。また、ロータ巻線２８ｎについて説明すると、図９に示すようにロータ巻線２８ｎに誘導電流が流れないと、永久磁石４８の磁力によっては永久磁石４８の磁束が突極２６内でループして、ステータ１２に影響を与えない。この場合、突極２６の先端にはＮ極、Ｓ極いずれの磁極も発生しない。この状態は図８のｔｂ時間に対応する。
【００５１】
また、ロータ巻線２８ｎは、コンデンサ４４とともにＬＣ共振回路５０を構成しているので、ロータ巻線２８ｎに継続的に電流が流れようとするが、図４のように、サイリスタ４６によりダイオード３８の順方向と同じ方向(図４の矢印β方向)にのみロータ巻線２８ｎは通電される。すなわち、ロータ１４の突極２６の先端には永久磁石４８の先端側(図４の上側)の磁極と同じ極性のみが現れる。例えば図４では突極２６の先端はＮ極となる。このため、図４、図９の状態が繰り返されることで図８に示すようにロータ巻線２８ｎに誘導電流（ロータ巻線電流）が持続的に流れる。この効果は、ロータ巻線２８ｎ，２８ｓとコンデンサ４４とを含むＬＣ共振回路５０，５２でダイオード３８，４０及び整流器を設けたことにより得られる。この状態でロータ１４が外部から回転させられると、ステータ１２側が発電し、電力が回生される。以上はロータ巻線２８ｎが巻線される突極２６について説明したが、別のロータ巻線２８ｓ(図３)が巻線される突極２６についても同様である。このように回転電機１０を発電機として使用する場合でも、サイリスタ４６，４７を使用することで所望の半波成分の電流とは逆位相の遮断すべき半波成分の電流がコンデンサ４４に流入するのを阻止できる。
【００５２】
このようにロータ１４は、各突極２６に設けられ、各ロータ巻線２８ｎ，２８ｓに誘導電流が流れる場合に生じる各突極２６の磁化方向と同方向に磁化された永久磁石４８を含むので、モータトルク及び回生電力をいずれも大きくできる。なお、ロータ１４の各突極２６から永久磁石４８を省略することもできる。
【００５３】
また、制御装置７２は、ステータ電流に、ＬＣ共振回路５０，５２のＬＣ共振周波数と同一の周波数を有する高調波電流を重畳させる高調波重畳部８０を有するので、各突極２６の磁力をより大きくでき、モータトルク及び回生電力をいずれも大きくできる。
【００５４】
また、コンデンサ４４に接続される整流器としてサイリスタ４６，４７を使用しているので、コンデンサ４４とサイリスタ４６，４７とを含む直列接続要素４２，４３で必要な耐圧をサイリスタ４６，４７で容易に確保でき、コンデンサ４４として耐圧の小さいものを使用できる。例えば、上記の特許文献１，２のように、ダイオードとロータ巻線とによる半波整流を、ダイオードに並列接続されたコンデンサで波形成形し、サイリスタを使用しない構成では、コンデンサの容量をかなり大きくする必要がある。例えばステータ電流にキャリア周波数が約１０ｋＨｚの高調波電流を重畳させると、波形成形するためには１０００μＦ以上の大きな容量のコンデンサが必要になる。この場合、極性を有し、耐圧が低い電解コンデンサを使用したり、かなりの数のセラミックコンデンサ等を並列接続することが考えられるが、いずれの構成も実現は困難である。これに対して、本実施形態のようにサイリスタ４６，４７を使用すれば、サイリスタ４６，４７がターンオフからターンオンされるまでのターンオン時間を利用でき、高いサージ電圧がコンデンサ４４に加わることを抑制できる。このため、コンデンサ４４の容量を上記のように小さくできる。
【００５５】
また、上記ではコンデンサ４４に直列接続される整流器として一方向サイリスタを使用する場合を説明した。ただし、一方向サイリスタの代わりに双方向サイリスタであるトライアックを使用することもできる。例えばトライアックのゲートをロータ巻線とコンデンサとの接続部とダイオードのカソードとの間に接続することができる。また、サイリスタの代わりにダイオードを使用することもできる。ただし、この場合には、サイリスタを使用する場合と異なり、ターンオン時間を利用できない。
【００５６】
また、本実施形態の別例として、上記の実施形態において、制御装置７２が有する高調波重畳部８０は、ロータ１４の回転速度が予め設定した所定速度以下の場合にステータ電流に高調波電流を重畳させ、ロータ１４の回転速度が所定速度を上回る場合にステータ電流に高調波電流を重畳させないように、高調波電流の重畳を切り換える構成を採用することもできる。この構成によれば、ロータ１４の回転速度が所定速度を上回る場合にステータ電流に高調波電流が常に重畳されないので、上記の図７に示した場合と同様の状態が継続される。この場合、ロータ巻線２８ｎ，２８ｓに誘導電流が発生せず、かつ、突極２６内の永久磁石４８による磁束は突極２６内でループする。このため、突極２６先端にはＮ極もＳ極もいずれの極性も発生しない。したがって、突極２６に対向するステータ１２のティース１９の極性がＮ極及びＳ極のいずれの場合でも突極２６の磁力の影響がステータ１２に及ぶのを抑制できる。一般的にロータ１４の高速回転時に、突極２６の磁力がステータ１２に及ぶと逆起電圧の発生により回転電機１０の引き摺り損失が大きくなることが分かっている。これに対して、上記の別例の構成によれば、回転電機１０の高速回転時の引き摺り損失を抑制できて、トルク低下を抑制できる。
【００５７】
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何ら限定されるものではなく、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し得ることは勿論である。例えば、上記では、ステータの径方向内側にロータが対向配置された場合を説明したが、ステータの径方向外側にロータが対向配置された構成でも本発明を実施できる。また、ステータとロータとが径方向に対向配置されるいわゆるラジアル型の回転電機を説明したが、ステータとロータとが軸方向に対向配置されるいわゆるアキシャル型の回転電機でも本発明を実施できる。
【００５８】
また、ステータ巻線はステータに集中巻きで巻線する場合を説明したが、例えばステータで空間高調波を含む回転磁界を生成できるのであればステータにステータ巻線を分布巻きで巻線する構成でも本発明を実施できる。
【符号の説明】
【００５９】
１０  回転電機、１２  ステータ、１４  ロータ、１６  回転軸、１８  ステータコア、１９  ティース、２０ｕ，２０ｖ，２０ｗ  ステータ巻線、２２  スロット、２４  ロータコア、２６  突極、２８ｎ  第１ロータ巻線、２８ｓ  第２ロータ巻線、３８  第１ダイオード、４０  第２ダイオード、４２，４３  直列接続要素、４４  コンデンサ、４６，４７  サイリスタ、４８  永久磁石、５０，５２  ＬＣ共振回路、６８  回転電機駆動システム、７０  インバータ、７２  制御装置、７４  蓄電装置、７６  コンデンサ、７８  電流センサ、８０  高調波重畳部。
【図１】
2014007837.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2014007837.tif 000007
【図６】
2014007837.tif 000008
【図７】
2014007837.tif 000009
【図８】
2014007837.tif 000010
【図９】
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