(57)【要約】【課題】回転電機駆動システムにおいて、回転電機の巻線構造を簡略化できる構造で、広い回転数領域のトルクを有効に高くすることである。【解決手段】ステータは、集中巻きで巻装された複数相のステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗを有し、ステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗに交流電流が流れることで高調波成分を含む周波数の回転磁界を生成する。ロータは、周方向複数個所に配置されたロータ巻線と、各ロータ巻線に流れる電流を整流するダイオードとを有する。各ロータ巻線に流れる電流により生成される周方向複数個所の磁極部の磁気特性を交互に異ならせる。回転電機１０の相間電圧または相間電圧に対応する値が閾値未満または以下である場合で、かつ、予め設定されたパルス重畳要求条件成立時のみにステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗを流れるステータ電流にパルス電流を重畳させる切り換え部４２を備える。【選択図】図１
2011041433.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータとロータとが対向配置された回転電機を駆動する回転電機駆動システムにおいて、
ステータは、
複数のスロットがロータ回転軸まわりの周方向に互いに間隔をおいて形成されたステータコアと、該スロットを通ってステータコアに集中巻きで巻装された複数相のステータ巻線とを有し、該ステータ巻線に交流電流が流れることで高調波成分を含む周波数の回転磁界を生成し、
ロータは、
ロータコアと、ロータコアの周方向複数個所に配置され、ステータで生成された高調波成分を含む回転磁界が鎖交することで誘導起電力が発生するロータ巻線と、各ロータ巻線に接続され、該誘導起電力の発生により各ロータ巻線に流れる電流を整流する整流素子とを有し、各ロータ巻線に流れる電流により生成される周方向複数個所の磁極部の磁気特性を周方向に交互に異ならせており、さらに、回転電機の相間電圧が閾値未満である、または閾値以下であるいずれかの第１パルス重畳要求条件が成立し、かつ、予め設定された第２パルス重畳要求条件が成立した場合のみに、パルス重畳条件が成立したと判定して、ステータ巻線を流れるステータ電流にパルス電流を重畳させるように、パルス重畳状態を切り換える切り換え部を備え、切り換え部による切り換えにかかわらず回転電機を駆動可能とすることを特徴とする回転電機駆動システム。
【請求項２】
請求項１に記載の回転電機駆動システムにおいて、
切り換え部は、
回転電機に要求される要求出力トルクと回転電機の回転数とを取得するトルク回転数取得手段と、
要求出力トルクに対応する電圧指令値から相間電圧を取得する相間電圧取得手段と、
回転数と要求出力トルクに対応する電流指令値とから正弦波電流で発生可能な正弦波トルクを算出する正弦波トルク算出手段と、
要求出力トルクと算出した正弦波トルクとを比較して、要求出力トルクが正弦波トルク以上となること、または正弦波トルクを超えることのいずれかを第２パルス重畳要求条件として、パルス重畳条件が成立したことを判定する判定手段とを含むことを特徴とする回転電機駆動システム。
【請求項３】
請求項１に記載の回転電機駆動システムにおいて、
切り換え部は、
回転電機に要求される要求出力トルクと回転電機の回転数とを取得するトルク回転数取得手段と、
要求出力トルクに対応する電圧指令値から相間電圧を取得する相間電圧取得手段と、
要求出力トルクと回転数とから正弦波電流で要求出力トルクが得られるようにした場合の正弦波損失と、要求出力トルクと回転数とから正弦波電流にパルス重畳させることにより要求出力トルクが得られるようにした場合のパルス重畳損失とを比較し、正弦波損失がパルス重畳損失以上となること、またはパルス重畳損失を超えることのいずれかを第２パルス重畳要求条件として、パルス重畳条件が成立したことを判定する判定手段とを含むことを特徴とする回転電機駆動システム。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１に記載の回転電機駆動システムにおいて、
各ロータ巻線は、ロータの周方向に隣り合うロータ巻線同士で順方向が逆になる整流素子に接続し、各整流素子は、該誘導起電力の発生によりロータ巻線に流れる電流を整流することで、該周方向に隣り合うロータ巻線に流れる電流の位相を、Ａ相とＢ相とに交互に異ならせてい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１から請求項４のいずれか１に記載の回転電機駆動システムにおいて、
各ロータ巻線のロータの周方向に関する幅が電気角で９０°に相当する幅に略等しいことを特徴とする回転電機駆動システム。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１に記載の回転電機駆動システムにおいて、
各ロータ巻線は、ロータの周方向複数個所に位置するインダクタンスが高いｑ軸磁路に配置されており、
ロータコアは、整流素子で整流された電流がロータ巻線に流れるのに応じて磁化することで磁極が固定された磁石として機能する磁極部であって、ロータの周方向に互いに間隔をおいて配置された複数の磁極部を含むことを特徴とする回転電機駆動システム。
【請求項７】
請求項６に記載の回転電機駆動システムにおいて、
ロータコアにおいて、各磁極部がステータへ向け突出していることを特徴とする回転電機駆動システム。
【請求項８】
請求項６に記載の回転電機駆動システムにおいて、
ロータコアにおいて、ロータの周方向に関して磁極部間に位置する部分に永久磁石を配置していることを特徴とする回転電機駆動システム。
【請求項９】
請求項６に記載の回転電機駆動システムにおいて、
ロータコアは環状コア部を含み、
ロータ巻線は環状コア部にトロイダル巻きで巻装されており、
各磁極部が環状コア部からステータへ向けて突出していることを特徴とする回転電機駆動システム。
【請求項１０】
請求項１から請求項３のいずれか１に記載の回転電機駆動システムにおいて、
各ロータ巻線のすべては、電気的に接続され、
整流素子は、各ロータ巻線に共通に接続され、該誘導起電力の発生により各ロータ巻線に流れる電流を整流し、該周方向に隣り合う２個のロータ巻線の巻き方向を互いに逆にすることで、各ロータ巻線に流れる電流により生成される周方向複数個所の磁極部の磁気特性を交互に異ならせていることを特徴とする回転電機駆動システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載の回転電機駆動システムにおいて、
各ロータ巻線のロータの周方向に関する幅が電気角で９０°に相当する幅よりも大きく、かつ、電気角で１２０°に相当する幅よりも小さいことを特徴とする回転電機駆動システム。
【請求項１２】
請求項１から請求項５のいずれか１に記載の回転電機駆動システムにおいて、
各ロータ巻線は、ロータの周方向複数個所に位置するインダクタンスが低いｄ軸磁路に配置されていることを特徴とする回転電機駆動システム。
【請求項１３】
請求項１２に記載の回転電機駆動システムにおいて、
ロータコアにおいて、ロータの周方向に関して磁極部と一致する部分に永久磁石を配置していることを特徴とする回転電機駆動システム。
【請求項１４】
請求項１２に記載の回転電機駆動システムにおいて、
ロータコアにおいて、ロータの周方向に関して磁極部間に位置する部分をステータへ向け突出させていることを特徴とする回転電機駆動システム。
【請求項１５】
請求項１から請求項１４のいずれか１に記載の回転電機駆動システムにおいて、
各ロータ巻線が互いに電気的に分断されており、
整流素子は、該電気的に分断されたロータ巻線毎に設けられていることを特徴とする回転電機駆動システム。
【請求項１６】
請求項１から請求項１５のいずれか１に記載の回転電機駆動システムにおいて、
ロータの周方向に隣り合うように配置されたロータ巻線が互いに電気的に分断されており、
整流素子は、該電気的に分断されたロータ巻線毎に設けられ、
該周方向の１つ置きに配置されたロータ巻線同士を電気的に接続していることを特徴とする回転電機駆動システム。
【請求項１７】
請求項１から請求項１６のいずれか１に記載の回転電機駆動システムにおいて、
ステータ電流にパルス電流を重畳させる場合に、各相のステータ電流に、１周期に対して設定した所定回数でパルス電流を重畳させるようにインバータの駆動信号を生成し、駆動信号を出力する駆動信号出力手段を備えることを特徴とする回転電機駆動システム。
【請求項１８】
請求項１から請求項１７のいずれか１に記載の回転電機駆動システムにおいて、
ステータ電流にパルス電流を重畳させる場合に、各相のステータ電流に、設定した所定周波数でパルス電流を重畳させるようにインバータの駆動信号を生成し、駆動信号を出力する駆動信号出力手段を備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を駆動する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１〜４に記載されたようなブラシレス発電機が知られている。特許文献１，２に記載された発電機では、巻線構造が複雑になり、小型化が困難となる。また、特許文献３，４に記載された発電機では、巻線構造が複雑化し、ロータの界磁巻線に磁界の高調波成分による誘導起電力を効率よく発生させることが困難である。
【０００３】
また、特許文献５には、ステータとロータとを備える界磁巻線型同期機であって、ロータコアは、一対の界磁極をなすコアティース部を有し、コアティース部に界磁束を形成すべくその回りに券線されたロータコイルを備え、ロータコイルをダイオードを通じて短絡している同期機が記載されている。ステータコイルに流す電機子電流のうち、トルク発生用の電流成分である同期電流に加えるロータ励磁電流は、同期電流の周波数に比べて高いパルス状の波形とするとされている。すなわち、特許文献５には、ステータ電流にパルス電流を重畳させることにより、ロータ巻線に誘導電流を発生させ、トルクを生じる界磁巻線型同期機が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６２−２３３４８号公報
【特許文献２】特開平４−２８５４５４号公報
【特許文献３】特開平８−６５９７６号公報
【特許文献４】特開平１１−２２０８５７号公報
【特許文献５】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】
【０００５】
［本発明に先立って発明された先発明］
一方、本発明の発明者らは、本発明に先立って次のような先発明に係る回転電機を発明した。図２９〜図３１は、先発明に係る回転電機の概略構成を示す図である。図２９は、ロータの回転軸と平行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３０
は、ステータの概略構成を示し、図３１は、ロータの概略構成を示している。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。図２９〜３１は、ステータ１２とロータ１４とが回転軸２２と直交する径方向（以下、先発明の説明において単に径方向とする。）において対向配置されたラジアル型の回転電機の例を示しており、ロータ１４がステータ１２の径方向内側に配置されている。
【０００６】
図３０に示すように、ステータ１２は、ステータコア２６と、ステータコア２６に配設された複数相（より具体的には例えばｕ相、ｖ相、ｗ相の３相）のステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗとを含む。ステータコア２６には、径方向内側へ（ロータ１４（図２９）へ向けて）突出する複数のティース３０が回転軸２２（図２９）まわりの周方向に沿って互いに間隔をおいて配列されており、各ティース３０間にスロット３１が形成されている。すなわち、ステータコア２６には、複数のスロット３１が周方向に互いに間隔をおいて形成されている。各相のステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗは、スロット３１を通ってティース３０に短節集中巻で巻装されている。このように、ティース３０にステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗ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２８ｕ，２８ｖ，２８ｗに複数相の交流電流を流すことで、周方向に並べられたティース３０が磁化し、周方向に回転する回転磁界をステータ１２に生成することができる。
【０００７】
ティース３０に形成された回転磁界は、その先端面からロータ１４に作用する。図３０に示す例では、３相（ｕ相、ｖ相、ｗ相）のステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗがそれぞれ巻装された３つのティース３０により１つの極対が構成され、４極３相のステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗが各ティース３０に巻装され、ステータ１２の極対数が４極対である。
【０００８】
図３１に示すように、ロータ１４は、ロータコア１６と、ロータコア１６に配設された複数のロータ巻線１８ｎ，１８ｓとを含む。ロータコア１６には、径方向外側へ（ステータ１２へ向けて）突出した複数の突極１９が周方向に沿って互いに間隔をおいて配列されており、各突極１９がステータ１２（図３０）と対向している。ロータ１４においては、この突極１９により、ステータ１２（ティース３０）からの磁束が通る場合の磁気抵抗が回転方向に応じて変化し、突極１９の位置で磁気抵抗が低くなり、突極１９間の位置で磁気抵抗が高くなる。そして、周方向においてロータ巻線１８ｎとロータ巻線１８ｓが交互に並ぶように、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓがこれらの突極１９に巻装されている。ここでは、各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓの巻回中心軸が径方向と一致している。図３１に示すように、磁気抵抗の高い突極１９間の磁路をｄ軸磁路とし、磁気抵抗の低い突極１９の部分の磁路をｑ軸磁路とすると、各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓは、磁気抵抗の低いｑ軸磁路に配置されている。図３１に示す例では、各突極１９に巻装されたロータ巻線１８ｎ，１８ｓが、互いに電気的に接続されておらず分断（絶縁）されている。そして、電気的に分断された各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓ毎にダイオード２１ｎ，２１ｓ（整流素子）が接続されている。各ロータ巻線１８ｎがダイオード２１ｎを介して短絡されていることで、各ロータ巻線１８ｎに流れる電流の方向がダイオード２１ｎにより一方向に整流される。同様に、各ロータ巻線１８ｓがダイオード２１ｓを介して短絡されていることで、各ロータ巻線１８ｓに流れる電流の方向がダイオード２１ｓにより一方向に整流される。ここでは、周方向において隣り合うように配置されたロータ巻線１８ｎとロータ巻線１８ｓとで流れる電流の向き（ダイオード２１ｎ，２１ｓによる整流方向）、すなわち順方向が互いに逆になるように、ダイオード２１ｎ，２１ｓが互いに逆向きでロータ巻線１８ｎ，１８ｓに接続される。
【０００９】
ロータ巻線１８ｎにダイオード２１ｎの整流方向に応じた直流電流が流れると、ロータ巻線１８ｎが巻装された突極１９が磁化することで、この突極１９が磁極の固定された磁石（磁極部）として機能する。同様に、ロータ巻線１８ｓにダイオード２１ｓの整流方向に応じた直流電流が流れると、ロータ巻線１８ｓが巻装された突極１９が磁化することで、この突極１９が磁極の固定された磁石（磁極部）として機能する。周方向に隣り合うロータ巻線１８ｎとロータ巻線１８ｓとで直流電流の方向が互いに逆方向であるため、周方向に隣り合う突極１９同士で磁化方向が互いに逆方向となり、異なる磁極の磁石が形成され、周方向において突極１９の磁極が交互する。ここでは、ロータ巻線１８ｎが巻装された突極１９にＮ極が形成され、ロータ巻線１８ｓが巻装された突極１９にＳ極が形成されるように、ダイオード２１ｎ，２１ｓによるロータ巻線１８ｎ，１８ｓの電流の整流方向をそれぞれ設定する。これによって、周方向においてＮ極とＳ極が交互に並ぶように、各突極１９に磁石が形成される。図３１に、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓの、ロータ１４の径方向に関する外側に示した破線矢印の向きは、突極１９の磁化方向を表している。そして、周方向に隣り合う２つの突極１９（Ｎ極及びＳ極）により、１つの極対が構成される。図３１に示す例では、８極の突極１９が形成されており、ロータ１４の極対数が４極対である。したがって、図２９〜３１に示す例では、ステータ１２の極対数及びロータ１４の極対数がいずれも４極対で、ステータ１２の極対数及びロータ１４の極対数が等しい。ただし、ステータ１２の極対数及びロータ１４の極対数は、いずれも４極対以外であってもよい。このように、各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに流れる電流により生成される、ロータ１４の周方向複数個所の磁極部である突極１９の磁気特性は、ロータ１４の周方向に交互に異なっている。
【００１０】
先発明では、ロータ１４の周方向に関する各突極１９の幅がロータ１４の電気角で１８０°に相当する幅よりも短く設定されている。そして、周方向に関する各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓ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されており、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓは各突極１９に短節巻で巻装されている。ここでのロータ巻線１８ｎ，１８ｓの幅θについては、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓの断面積を考慮して、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓの断面の中心幅で表すことができる。すなわち、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓの内周面の幅と外周面の幅との平均値でロータ巻線１８ｎ，１８ｓの幅θを表すことができる。なお、ロータ１４の電気角は、ロータ１４の機械角にロータ１４の極対数ｐ（図３１に示す例ではｐ＝４）を乗じた値で表される（電気角＝機械角×ｐ）。このため、周方向に関する各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓの幅θは、回転軸２２の中心からロータ巻線１８ｎ，１８ｓまでの距離をｒとすると、以下の（１）式を満たす。
【００１１】
θ＜π×ｒ／ｐ      （１）
【００１２】
先発明において、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２８ｕ，２８ｖ，２８ｗの配置や、ティース３０及びスロット３１によるステータコア２６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２８ｕ，２８ｖ，２８ｗ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２８ｕ，２８ｖ，２８ｗ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３次成分の振幅レベルが増大する。以下の説明では、ステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗの配置やステータコア２６の形状に起因して起磁力に生じる高調波成分を空間高調波とする。
【００１３】
３相のステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗに３相の交流電流を流すことでティース３０に形成された回転磁界（基本波成分）がロータ１４に作用するのに応じて、ロータ１４の磁気抵抗が小さくなるように、突極１９がティース３０の回転磁界に吸引される。これによって、ロータ１４にトルク（リラクタンストルク）が作用して、ロータ１４がステータ１２で形成される回転磁界（基本波成分）に同期して回転駆動する。
【００１４】
さらに、ティース３０に形成された空間高調波成分を含む回転磁界がロータ１４の各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに鎖交すると、各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓには、空間高調波成分によりロータ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が生じる。この磁束変動によって、各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓ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１８ｎ，１８ｓに流れる電流は、各ダイオード２１ｎ，２１ｓにより整流されることで一方向（直流）となる。そして、各ダイオード２１ｎ，２１ｓで整流された直流電流が各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに流れるのに応じて各突極１９が磁化することで、磁極が（Ｎ極かＳ極のいずれか一方に）固定された磁石が各突極１９に生じる。前述のように、ダイオード２１ｎ，２１ｓによるロータ巻線１８ｎ，１８ｓの電流の整流方向が互いに逆方向であるため、各突極１９に生じる磁石は、周方向においてＮ極とＳ極が交互に配置されたものとなる。そして、各突極１９（磁極が固定された磁石）の磁界がティース３０の回転磁界（基本波成分）と相互作用して、吸引及び反発作用が生じる。このティース３０の回転磁界（基本波成分）と突極１９（磁石）の磁界との電磁気相互作用（吸引及び反発作用）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で形成される回転磁界（基本波成分）に同期して回転駆動する。このように、先発明に係る回転電機１０を、ステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗ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。一方、先発明に係る回転電機１０を、ロータ１４の動力を利用してステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗに電力を発生させる発電機として機能させることもできる。
【００１５】
ここで、空間高調波によるロータ巻線１８ｎ，１８ｓへの鎖交磁束を計算した結果を図３２Ａ，３２Ｂに示している。図３２Ａの上半部の波形は、ステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗに流すある１相の電流であるモータ電流の時間的変化を示しており、下半部の波形は、上半部のモータ電流を基準として、ステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗに流す交流電流の位相（ロータ位置に対する電流進角）を変化させた場合におけるロータ巻線１８ｎ，１８ｓへの鎖交磁束の波形を示している。図３２Ｂは、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓへの鎖交磁束波形の周波数分析結果を示している。図３２Ｂに示す周波数分析結果から、入力電気周波数３次成分が主に発生する。図３２Ａに示すように、電流進角を変化させると、鎖交磁束のバイアスは変わるが、鎖交磁束波形はあまり変化していないことが分かる。
【００１６】
ロータ巻線１８ｎ，１８ｓへの鎖交磁束の振幅（変動幅）は、周方向に関するロータ巻線１８ｎ，１８ｓの幅θにより影響を受ける。ここで、周方向に関するロータ巻線１８ｎ，１８ｓの幅θを変化させながら、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓへの鎖交磁束の振幅（変動幅）を計算した結果を図３３に示す。図３３では、コイル幅θを電気角に換算して示している。図３３に示すように、コイル幅θが１８０°から減少するにつれてロータ巻線１８ｎ，１８ｓへの鎖交磁束の変動幅が増大しているため、コイル幅θを１８０°よりも小さくする、すなわちロータ巻線１８ｎ，１８ｓを短節巻とすることで、全節巻と比較して、空間高調波による鎖交磁束の振幅を増大させることができる。
【００１７】
したがって、先発明では、周方向に関する各突極１９の幅を電気角で１８０°に相当する幅よりも小さくし、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓを各突極１９に短節巻で巻装することで、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに発生する空間高調波による誘導起電力を効率よく増大させることができる。このため、トルク発生に寄与しにくい空間高調波を利用してロータ巻線１８ｎ，１８ｓに誘導電流を効率よく発生することができ、誘導電流により各突極１９に発生する磁石の磁束を効率よく増大させることができる。この結果、ロータ１４に作用するトルクを効率よく増大させることができる。さらに、ステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗ以外の種類の励磁巻線等の巻線をステータ１２に設けることなく、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに空間高調波による誘導起電力を効率よく発生させることができる。このため、ステータ１２に設ける巻線を１種類（ステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗのみ）に簡略化でき、ステータ１２の巻線構造を簡略化できる。そして、誘導起電力に伴って生じる誘導電流をダイオード２１ｎ，２１ｓで整流することで、ロータ１４にロータ巻線１８ｎ，１８ｓ以外の種類の巻線をロータ１４に設けることなく、ロータ１４の各突極１９を、磁極が固定された磁石である磁極部として機能させることができるので、ロータ１４に設ける巻線を１種類（ロータ巻線１８ｎ，１８ｓのみ）に簡略化でき、ロータ１４の巻線構造を簡略化できる。この結果、回転電機１０の巻線構造を簡略化でき、回転電機１０の小型化が可能となる。
【００１８】
さらに、図３３に示すように、コイル幅θが９０°の場合に、空間高調波による鎖交磁束の振幅が最大となる。したがって、先発明において、空間高調波によるロータ巻線１８ｎ，１８ｓへの鎖交磁束の振幅をより増大させるためには、周方向に関する各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓの幅θがロータ１４の電気角で９０°に相当する幅に等しい（あるいはほぼ等しい）ことが好ましい。このため、周方向に関する各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓの幅θは、以下の（２）式を満たす（あるいはほぼ満たす）ことが好ましい。
【００１９】
θ＝π×ｒ／（２×ｐ）      （２）
【００２０】
このように、周方向に関する各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓの幅θを電気角で９０°に相当する幅に等しく（あるいはほぼ等しく）することで、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに発生する空間高調波による誘導起電力を最大にすることができ、誘導電流により各突極１９に発生する磁石の磁束を最も効率よく増大させることができる。この結果、ロータ１４に作用するトルクをさらに効率よく増大させることができる。すなわち、幅θが９０°に相当する幅を大きく超えると、互いに打ち消し合う方向の起磁力がロータ巻線１８ｎ，１８ｓに鎖交しやすくなるが、９０°に相当する幅よりも小さくなるのにしたがって、その可能性が低くなる。ただし、幅θが９０°に相当する幅よりも大きく減少すると、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに鎖交する起磁力の大きさが大きく低下する。このため、幅θを約９０°に相当する幅とすることでそのような不都合を防止できる。このため、周方向に関する各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓの幅θは、電気角で９０°に相当する幅に略等しくすることが好ましい。
【００２１】
また、ステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗに流す交流電流の位相（ロータ位置に対する電流進角）を変化させながらロータ１４のトルクを計算した結果を図３４に示す。図３４は、ロータ１４の回転数を一定に保ちながらステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗに流す交流電流の振幅（電流振幅）及び位相（電流進角）を変化させた場合の計算結果を示している。図３４に示すように、電流進角を変化させるとロータ１４のトルクが変化するため、電流進角（ステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗに流す交流電流の位相）を制御することで、ロータ１４のトルクを制御することができる。さらに、図３４に示すように、電流振幅を変化させてもロータ１４のトルクが変化するため、電流振幅（ステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗに流す交流電流の振幅）を制御することによっても、ロータ１４のトルクを制御することができる。また、ロータ１４の回転数を変化させてもロータ１４のトルクが変化するため、ロータ１４の回転数を制御することによっても、ロータ１４のトルクを制御することができる。
【００２２】
ただし、このような先発明に係る回転電機１０の場合、回転電機１０の巻線構造を簡略化できるという効果が得られるが、回転数が低い低速回転時にトルクを有効に高くする面からまだ改良の余地がある。図３５は、先発明に係る回転電機１０を発電機として使用して、回転数と回生トルクとの関係を実験により求めた図である。図３５に示すように、回転電機１０は、回転数の低い領域、例えば８００min-1（＝r.p.m.）未満で回生トルクが大きく低下した。これに対して、図３６Ａ，３６Ｂは、各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに流れる２相、すなわちＡ相、Ｂ相の異なる位相の電流であるロータ誘導電流の時間的変化を示す図で、図３６Ａは、ロータ１４の回転数が２００min-1の場合を、図３６Ｂは、ロータ１４の回転数が８００min-1の場合を表している。
【００２３】
図３６Ａ、３６Ｂから分かるように、ロータ１４の回転数が低い領域（２００min-1等）では中回転数の領域に比べて、ロータ誘導電流が大きく低下している。この理由は、先発明においてはステータで生成される回転磁界の高調波成分による磁場変動によりロータ巻線１８ｎ，１８ｓを流れるロータ誘導電流が生成されるのに対し、回転数が低い領域では各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに鎖交する鎖交磁束はあまり変化しないが、鎖交磁束の変動速度が低下するため、誘導起電圧が減少して、ロータ誘導電流が減少するためである。このため、低速回転時には回生トルクが減少する。なお、上記の説明では、回転数が低い領域で回生トルクが低下する場合を説明したが、先発明に係る回転電機１０を電動機（モータ）として使用する場合でも、同様の理由から低回転数領域では回転トルクが大きく低下する可能性がある。
【００２４】
特許文献１〜５に記載された構成の場合、回転電機の巻線構造を簡略化できる構造で、広い回転数領域のトルクを有効に高くできる構造は開示されていない。例えば、特許文献５に記載された同期機の場合には、ステータ巻線に正弦波電流を通電すると、ロータ巻線に界磁極の励磁用の電流が生じないので、誘導電流は発生しない。このような構造では、パルス電流等のステータ電流の基本波電流の周波数に比べて高い周波数の電流を、ステータ電流に重畳させなければ、トルクを発生することができない。ただし、特許文献５に記載された構造の場合には、回転数や、回転数に関係する回転電機の相間電圧にかかわらずパルス電流をステータ電流に重畳させる。このため、高回転数領域では、電流の時間変化である立ち上がりに対応して大きさが変化する印加可能な電圧（駆動電圧）が制限されるので、十分なパルス電流を重畳させることができなくなり、その結果、ロータの誘導電流が減少して、トルクの低下を招く可能性がある。
【００２５】
本発明の目的は、回転電機駆動システムにおいて、回転電機の巻線構造を簡略化できる構造で、広い回転数領域のトルクを有効に高くすることである。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
本発明に係る回転電機駆動システムは、上記の目的を達成するために以下の手段を採用する。
【００２７】
本発明に係る回転電機駆動システムは、ステータとロータとが対向配置された回転電機を駆動する回転電機駆動システムにおいて、ステータは、複数のスロットがロータ回転軸まわりの周方向に互いに間隔をおいて形成されたステータコアと、該スロットを通ってステータコアに集中巻きで巻装された複数相のステータ巻線とを有し、該ステータ巻線に交流電流が流れることで高調波成分を含む周波数の回転磁界を生成し、ロータは、ロータコアと、ロータコアの周方向複数個所に配置され、ステータで生成された高調波成分を含む回転磁界が鎖交することで誘導起電力が発生するロータ巻線と、各ロータ巻線に接続され、該誘導起電力の発生により各ロータ巻線に流れる電流を整流する整流素子とを有し、各ロータ巻線に流れる電流により生成される周方向複数個所の磁極部の磁気特性を周方向に交互に異ならせており、さらに、回転電機の相間電圧が閾値未満である、または閾値以下であるいずれかの第１パルス重畳要求条件が成立し、かつ、予め設定された第２パルス重畳要求条件が成立した場合のみに、パルス重畳条件が成立したと判定して、ステータ巻線を流れるステータ電流にパルス電流を重畳させるように、パルス重畳状態を切り換える切り換え部を備え、切り換え部による切り換えにかかわらず回転電機を駆動可能とすることを特徴とする回転電機駆動システムである。
【００２８】
本発明の回転電機駆動システムによれば、上記の先発明と同様の理由により、回転電機の巻線構造を簡略化できる。しかも、本発明によれば、広い回転数領域のトルクを有効に高くすることができる。すなわち、回転電機の相間電圧が閾値未満である、または閾値以下であるいずれかの第１パルス重畳要求条件が成立し、かつ、予め設定された第２パルス重畳要求条件成立時である、回転数の低い領域でステータ巻線を流れるステータ電流にパルス電流を重畳させることができるので、回転数が低くても回転磁界の基本波（正弦波）電流以外による磁場変動を生じさせ、ロータ巻線のロータ誘導電流を増加させてトルクを向上させることができる。また、切り換え部により、回転電機の相間電圧が閾値以上である、または閾値を超える場合にステータ電流にパルス電流を重畳させないので、高回転数領域でも、トルクを十分に高くできる。
【００２９】
また、特許文献５に記載された同期機の場合、パルス電流等のステータ電流の基本波電流の周波数に比べて高い周波数の電流を、ステータ電流に重畳させなければトルクを発生させることができない。これに対して、本発明の場合、特許文献５に記載された同期機の場合と異なり、回転電機のステータ電流に正弦波電流を流した場合に、集中巻きのステータ巻線を有するステータで生じる高調波成分を利用して、ロータ巻線に誘導電流を生じることができ、必ずしもパルス電流を重畳させなくてもトルクを発生させることができる。このため、印加する電圧において、パルス電流重畳のための十分な余裕がない領域で正弦波駆動、すなわち正弦波のステータ電流による正弦波駆動を行い、印加する電圧において十分な余裕がある領域でのみ、パルス電流を重畳させ、トルクを増加させることができる。すなわち、回転電機の駆動範囲全域でパルス重畳を行う必要はなく、トルクの不足が生じない広い駆動範囲で正弦波駆動させることもできる。
【００３０】
また、本発明に係る回転電機において、好ましくは、切り換え部は、回転電機に要求される要求出力トルクと回転電機の回転数とを取得するトルク回転数取得手段と、要求出力トルクに対応する電圧指令値から相間電圧を取得する相間電圧取得手段と、回転数と要求出力トルクに対応する電流指令値とから正弦波電流で発生可能な正弦波トルクを算出する正弦波トルク算出手段と、要求出力トルクと算出した正弦波トルクとを比較して、要求出力トルクが正弦波トルク以上となること、または正弦波トルクを超えることのいずれかを第２パルス重畳要求条件として、パルス重畳条件が成立したことを判定する判定手段とを含む。
【００３１】
上記構成によれば、広い駆動範囲でより有効に正弦波駆動させることができる。
【００３２】
また、本発明に係る回転電機において、好ましくは、切り換え部は、回転電機に要求される要求出力トルクと回転電機の回転数とを取得するトルク回転数取得手段と、要求出力トルクに対応する電圧指令値から、相間電圧を取得する相間電圧取得手段と、要求出力トルクと回転数とから正弦波電流で要求出力トルクが得られるようにした場合の正弦波損失と、要求出力トルクと回転数とから正弦波電流にパルス重畳させることにより要求出力トルクが得られるようにした場合のパルス重畳損失とを比較し、正弦波損失がパルス重畳損失以上となること、またはパルス重畳損失を超えることのいずれかを第２パルス重畳要求条件として、パルス重畳条件が成立したことを判定する判定手段とを含む。
【００３３】
上記構成によれば、回転電機駆動時の効率向上を図れる。
【００３４】
また、本発明に係る回転電機において、好ましくは、各ロータ巻線は、ロータの周方向に隣り合うロータ巻線同士で順方向が逆になる整流素子に接続し、各整流素子は、該誘導起電力の発生によりロータ巻線に流れる電流を整流することで、該周方向に隣り合うロータ巻線に流れる電流の位相を、Ａ相とＢ相とに交互に異ならせている。
【００３５】
上記構成によれば、各ロータ巻線を、ロータの周方向に隣り合うロータ巻線同士で順方向が周方向に関して同じ方向になる整流素子に接続し、各ロータ巻線に流れる電流により生成される周方向複数個所の磁極部の磁気特性を交互に異ならせる構成の場合に比べて、１の磁気特性を有する磁極部を生成するために流れる誘導電流が、別の磁気特性を有する磁極部を生成するために流れる誘導電流に電流を減じさせる方向に影響することを防止して、トルクをより向上しやすくできる。
【００３６】
また、本発明に係る回転電機において、好ましくは、各ロータ巻線のロータの周方向に関する幅が電気角で９０°に相当する幅に略等しい。
【００３７】
上記構成によれば、ロータ巻線に発生する、回転磁界の高調波による誘導起電力を最大に発生することができ、各ロータ巻線に流れる誘導電流により生成される磁極部の磁束を最も効率よく増大させることができる。この結果、ロータに作用するトルクをより効率よく増大させることができる。
【００３８】
また、本発明に係る回転電機において、好ましくは、各ロータ巻線は、ロータの周方向複数個所に位置するインダクタンスが高いｑ軸磁路に配置されており、ロータコアは、整流素子で整流された電流がロータ巻線に流れるのに応じて磁化することで磁極が固定された磁石として機能する磁極部であって、ロータの周方向に互いに間隔をおいて配置された複数の磁極部を含む。
【００３９】
上記構成によれば、ロータに作用するトルクをより効率よく増大させることができる。
【００４０】
また、各ロータ巻線は、ロータの周方向複数個所に位置するインダクタンスが高いｑ軸磁路に配置されており、ロータコアは、整流素子で整流された電流がロータ巻線に流れるのに応じて磁化することで磁極が固定された磁石として機能する磁極部であって、ロータの周方向に互いに間隔をおいて配置された複数の磁極部を含む構成において、好ましくは、ロータコアにおいて、各磁極部がステータへ向け突出している。
【００４１】
また、各ロータ巻線は、ロータの周方向複数個所に位置するインダクタンスが高いｑ軸磁路に配置されており、ロータコアは、整流素子で整流された電流がロータ巻線に流れるのに応じて磁化することで磁極が固定された磁石として機能する磁極部であって、ロータの周方向に互いに間隔をおいて配置された複数の磁極部を含む構成において、好ましくは、ロータコアにおいて、ロータの周方向に関して磁極部間に位置する部分に永久磁石を配置している。
【００４２】
また、各ロータ巻線は、ロータの周方向複数個所に位置するインダクタンスが高いｑ軸磁路に配置されており、ロータコアは、整流素子で整流された電流がロータ巻線に流れるのに応じて磁化することで磁極が固定された磁石として機能する磁極部であって、ロータの周方向に互いに間隔をおいて配置された複数の磁極部を含む構成において、好ましくは、ロータコアは環状コア部を含み、ロータ巻線は環状コア部にトロイダル巻きで巻装されており、各磁極部が環状コア部からステータへ向けて突出している。
【００４３】
また、本発明に係る回転電機において、好ましくは、各ロータ巻線のすべては、電気的に接続され、整流素子は、各ロータ巻線に共通に接続され、該誘導起電力の発生により各ロータ巻線に流れる電流を整流し、該周方向に隣り合う２個のロータ巻線の巻き方向を互いに逆にすることで、各ロータ巻線に流れる電流により生成される周方向複数個所の磁極部の磁気特性を交互に異ならせている。
【００４４】
また、各ロータ巻線のすべては、電気的に接続され、整流素子は、各ロータ巻線に共通に接続され、該誘導起電力の発生により各ロータ巻線に流れる電流を整流し、該周方向に隣り合う２個のロータ巻線の巻き方向を互いに逆にすることで、各ロータ巻線に流れる電流により生成される周方向複数個所の磁極部の磁気特性を交互に異ならせている構成において、好ましくは、各ロータ巻線のロータの周方向に関する幅が電気角で９０°に相当する幅よりも大きく、かつ、電気角で１２０°に相当する幅よりも小さい。
【００４５】
また、本発明に係る回転電機において、好ましくは、各ロータ巻線は、ロータの周方向複数個所に位置するインダクタンスが低いｄ軸磁路に配置されている。
【００４６】
上記構成によれば、回転電機のトルクを有効に高くすることができる。すなわち、ロータの周方向複数個所に位置するインダクタンスが低いｄ軸磁路にロータ巻線を配置するので、ロータの回転方向にかかわらず、電流位相−トルク特性が同じになり、しかもトルクの最大値が高くなり、トルクを有効に高くすることができる。例えば、力行トルクを大きくする場合に、ロータ正転時とロータ逆転時との両方で力行トルクを大きくすることができる。また、回生トルクを大きくする場合に、ロータ正転時とロータ逆転時との両方で回生トルクを大きくすることができる。したがって、ロータ回転の正転逆転両方で高いトルクを得られる回転電機の実現が可能になる。
【００４７】
また、各ロータ巻線は、ロータの周方向複数個所に位置するインダクタンスが低いｄ軸磁路に配置されている構成において、好ましくは、ロータコアにおいて、ロータの周方向に関して磁極部と一致する部分に永久磁石を配置している。
【００４８】
上記構成によれば、永久磁石の着磁方向を、周方向に隣り合う永久磁石同士で異ならせ、永久磁石の磁化方向と、永久磁石に対しロータの周方向に一致する磁極部の磁化方向とを一致させることにより、永久磁石により生成される永久磁石生成トルクと、ロータ巻線に流れる誘導電流により生成されるロータ巻線生成トルクとが、電流進角の同位相で最大トルクとなる。すなわち、ロータ巻線での誘導電流により、ロータ巻線が等価的に電磁石として機能し、永久磁石に鎖交する磁束が増大してその分、回転電機のトルクが増加する。このため、回転電機のトルクをより有効に高くすることができ、しかもトルク特性がロータの回転方向に依存せず同じとなる。また、ロータ巻線に流れる誘導電流により、永久磁石内の磁束変動が抑えられるため、永久磁石内部での渦電流損失が抑えられ、磁石発熱を低減できる。
【００４９】
また、各ロータ巻線は、ロータの周方向複数個所に位置するインダクタンスが低いｄ軸磁路に配置されている構成において、好ましくは、ロータコアにおいて、ロータの周方向に関して磁極部間に位置する部分をステータへ向け突出させている。
【００５０】
また、本発明に係る回転電機において、好ましくは、各ロータ巻線が互いに電気的に分断されており、整流素子は、該電気的に分断されたロータ巻線毎に設けられている。
【００５１】
また、本発明に係る回転電機において、好ましくは、ロータの周方向に隣り合うように配置されたロータ巻線が互いに電気的に分断されており、整流素子は、該電気的に分断されたロータ巻線毎に設けられ、該周方向の１つ置きに配置されたロータ巻線同士を電気的に接続している。
【００５２】
また、本発明に係る回転電機において、好ましくは、ステータ電流にパルス電流を重畳させる場合に、各相のステータ電流に、１周期に対して設定した所定回数でパルス電流を重畳させるようにインバータの駆動信号を生成し、駆動信号を出力する駆動信号出力手段を備える。
【００５３】
上記構成によれば、パルス電流を重畳させる間隔が、ステータ電流の基本波である正弦波電流の周波数に依存することとなる。このため、回転磁界の空間高調波成分に対してロータの最適な位置関係でパルス電流を重畳しやすくでき、低速の領域でのトルクを増加しやすくできる。
【００５４】
また、本発明に係る回転電機において、好ましくは、ステータ電流にパルス電流を重畳させる場合に、各相のステータ電流に、設定した所定周波数でパルス電流を重畳させるようにインバータの駆動信号を生成し、駆動信号を出力する駆動信号出力手段を備える。
【００５５】
上記構成によれば、パルス電流を重畳させる間隔が、ステータ電流の基本波である正弦波電流の周波数に依存しないので、回転停止時や極低速回転領域において、トルクを増大させることが可能となる。
【発明の効果】
【００５６】
本発明の回転電機駆動システムによれば、回転電機の巻線構造を簡略化できる構造で、広い回転数領域のトルクを有効に高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の実施形態に係る回転電機駆動システムの概略構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態において、ステータとロータとの対向する部分の一部を示す略図である。
【図３】図１の構成において、切り換え部の構成を詳しく示す図である。
【図４Ａ】本発明の実施形態により、ステータ電流にパルス電流を重畳させた場合のステータ電流の時間的変化を求めた実験結果を示す図である。
【図４Ｂ】本発明の実施形態により、２００min-1でロータを回転させた場合のロータ電流の時間的変化を求めた実験結果を示す図である。
【図５】本発明の実施形態により、ステータ電流に低速回転領域でパルス電流を重畳させた場合の回転電機の回生トルクと回転数との関係を求めた実験結果を示す図である。
【図６】本発明の別の実施形態により、ステータ電流に低速回転領域でパルス電流を重畳させた場合のステータ電流の時間的変化の実験結果を示す図である。
【図７】本発明の別の実施形態により、ステータ電流にパルス電流を重畳させた場合の回転電機の回生トルクと回転数との関係を求めた実験結果を示す図である。
【図８】本発明の別の実施形態により、回転電機の停止時のステータ電流の時間的変化の実験結果を示す図である。
【図９】本発明の別の実施形態により、回転電機の停止時の回生トルクとパルス電流の重畳周波数との関係を求めた実験結果を示す図である。
【図１０】本発明の別の実施の形態において、切り換え部の構成を示す図である。
【図１１】ステータに正弦波電流を流す場合の１相のステータ電流（ａ）と、これに対応する２相のロータ電流（ｂ）との１例を示す図である。
【図１２】ステータに図１１の正弦波電流にパルス電流を重畳させた場合の１相のステータ電流（ａ）と、これに対応する２相のロータ電流（ｂ）との１例を示す図である。
【図１３】回転電機のトルクが増加することにより、正弦波駆動の場合よりもパルス電流を重畳させた場合の方が銅損が低下する例を示す図である。
【図１４】本発明の別の実施の形態において、回転電機の駆動制御方法を示すブロック図である。
【図１５】本発明の別の実施の形態において、回転電機の駆動制御方法の別例を示すブロック図である。
【図１６】本発明の実施形態を構成する回転電機の他の構成例のロータを示す略図である。
【図１７】本発明の実施形態を構成する回転電機の他の構成例のロータを示す略図である。
【図１８】本発明の実施形態を構成する回転電機の他の構成例のロータを示す略図である。
【図１９】本発明の実施形態を構成する回転電機の他の構成例のロータを示す略図である。
【図２０】本発明の実施形態を構成する回転電機の他の構成例のロータを示す略図である。
【図２１】図２０の構成例で、周方向に関するロータ巻線の幅θを変化させながらロータ巻線への鎖交磁束の振幅を計算した結果を示す図である。
【図２２】本発明の実施形態を構成する回転電機の他の構成例を示す略図である。
【図２３】本発明の実施形態を構成する回転電機の他の構成例において、ロータの回転軸と平行方向に見た略図である。
【図２４】図２３の構成例において、ロータの概略構成を、ロータの回転軸と平行方向に見た図である。
【図２５】本発明の実施形態を構成する回転電機の他の構成例のロータを示す略図である。
【図２６】本発明の実施形態を構成する回転電機の他の構成例のロータを示す略図である。
【図２７】本発明の実施形態を構成する回転電機の他の構成例のロータを示す略図である。
【図２８】本発明の実施形態を構成する回転電機の他の構成例のロータを示す略図である。
【図２９】先発明に係る回転電機において、ロータの回転軸と平行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３０】先発明に係る回転電機において、ステータの概略構成を示す図である。
【図３１】先発明に係る回転電機において、ロータの概略構成を示す図である。
【図３２Ａ】先発明に係る回転電機において、モータ電流と、空間高調波によるロータ巻線への鎖交磁束を計算した結果とを示す図である。
【図３２Ｂ】先発明に係る回転電機において、空間高調波によるロータ巻線への鎖交磁束波形の周波数分析結果を示す図である。
【図３３】先発明に係る回転電機において、周方向に関するロータ巻線の幅θを変化させながらロータ巻線への鎖交磁束の振幅を計算した結果を示す図である。
【図３４】先発明に係る回転電機において、ステータ巻線に流す交流電流の位相を変化させながらロータのトルクを計算した結果を示す図である。
【図３５】先発明に係る回転電機において、回生トルクと回転数との関係を求めた実験結果を示す図である。
【図３６Ａ】先発明に係る回転電機において、２００min-1でロータを回転させた場合のロータ電流の時間的変化を示す図である。
【図３６Ｂ】先発明に係る回転電機において、８００min-1でロータを回転させた場合のロータ電流の時間的変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５８】
以下、本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。図１−３，４Ａ，４Ｂ、５は、本発明の実施形態を示す図である。図１は、本実施形態の回転電機駆動システムの概略構成を示す図である。図２は、本実施形態において、ステータとロータとの対向する部分の一部を示す略図である。図３は、図１の構成において、切り換え部の構成を詳しく示す図である。本実施形態の回転電機駆動システム３４は、回転電機１０と、回転電機１０を駆動するインバータ３６と、インバータ３６を制御する制御装置３８と、蓄電装置４０とを備え、回転電機１０を駆動する。なお、回転電機１０の構成自体は、上記の図２９〜３１に示した先発明に係る回転電機１０の場合と同様であるため、同等部分には同一符号を付して重複する図示及び説明は簡略化もしくは省略する。蓄電装置４０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３６は、スイッチング素子（図示せず）を備え、スイッチング素子のスイッチング動作により蓄電装置４０からの直流電力を、ｕ相、ｖ相、ｗ相の３相等の奇数相の交流に変換して、ステータ巻線２８ｕ、２８ｖ、２８ｗの各相に電力を供給することを可能とする。制御装置３８は、インバータ３６を構成するスイッチング素子のスイッチング動作を制御して、ステータ巻線２８ｕ、２８ｖ、２８ｗに流す交流電流の位相（電流進角）を制御することで、ロータ１４（図２）のトルクを制御する。このような回転電機駆動システム３４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。
【００５９】
図２に示すように、電動機または発電機として機能する回転電機１０は、互いに対向配置されたステータ１２とロータ１４とを備える。ステータコア２６の周方向複数個所にステータ巻線２８ｕ、２８ｖ、２８ｗを集中巻きで巻装し、ロータコア１６の周方向複数個所にロータ巻線１８ｎ、１８ｓを集中巻きで巻装している。ロータ１４の周方向に関するロータ巻線１８ｎ、１８ｓ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、ロータ巻線１８ｎ、１８ｓは、各突極１９に短節巻きで巻装している。より好ましくは、ロータ１４の周方向に関するロータ巻線１８ｎ、１８ｓ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。この理由は、上記の先発明で説明したとおりである。
【００６０】
また、制御装置３８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３６のスイッチング素子のスイッチングを制御することにより、回転電機１０のトルクを制御する。さらに、制御装置３８は、切り換え部４２と、駆動信号出力手段４４とを備える。切り換え部４２は、回転電機１０の相間電圧が予め設定した閾値未満である、または閾値以下であるいずれかの第１パルス重畳要求条件が成立し、かつ、予め設定された第２パルス重畳要求条件が成立した場合に、ステータ巻線２８ｕ、２８ｖ、２８ｗを流れるステータ電流にパルス電流を重畳させ、第１パルス重畳要求条件と第２パルス重畳要求条件との少なくともいずれか１が成立しない場合に、ステータ電流にパルス電流を重畳させないように、パルス重畳状態を切り換える。パルス電流は、ステータ電流の基本波電流の１周期に比べて極短い期間に流れる。すなわち、切り換え部４２は、回転電機１０の相間電圧が閾値未満である、または閾値以下であるいずれかの第１パルス重畳要求条件が成立し、かつ、予め設定された第２パルス重畳要求条件が成立した場合のみに、パルス重畳条件が成立したと判定して、ステータ巻線２８ｕ、２８ｖ、２８ｗを流れるステータ電流にパルス電流を重畳させるように、パルス重畳状態を切り換える。例えば、第１パルス重畳要求条件は、回転電機１０の相間電圧が予め設定した閾値未満であることとする。ただし、第１パルス重畳要求条件は、相間電圧が予め設定した閾値以下であることとすることもできる。第１パルス重畳要求条件に、相間電圧が閾値と一致する場合を含めるか否かは、切り換え部４２に予め設定しておく。また、回転電機駆動システム３４は、切り換え部４２の切り換えにかかわらず回転電機１０を駆動可能としている。図３に示すように、切り換え部４２は、トルク回転数取得手段６８と、相間電圧取得手段７０と、正弦波トルク算出手段７２と、パルス重畳条件判定手段７４とを含む。また、回転電機駆動システム３４は、回転電機１０のロータ１４の回転位置を検出する位置センサ４６（図１）を備え、位置センサ４６の検出信号を制御装置３８に入力している。例えば、位置センサ４６は、ロータ１４に固定の部分（回転軸２２等）に固定されて周方向に磁気特性が交互に変化する磁性輪板（図示せず）の外周面に対向配置されて、磁気特性の変化を検出することにより、回転位置の検出を可能とする。
【００６１】
図１に示す駆動信号出力手段４４は、ステータ電流にパルス電流を重畳させる場合に、各相のステータ電流に、１周期に対して、予め設定した所定回数で等間隔にパルス電流を重畳させるようにインバータ３６の駆動信号を生成し、駆動信号を出力する。例えば、本実施形態は、回転電機駆動システム３４を車両用走行用動力発生装置として使用する場合において、アクセル開度検知信号に応じたトルク指令Ｔｒｅｑを表す信号が外部制御装置（図示せず）から制御装置３８へ入力されることに応じてｄ軸、ｑ軸電流指令値の設定によるベクトル制御によりインバータ３６のスイッチングを制御する構成に適用できる。例えば、駆動信号出力手段４４は、切り換え部４２によりステータ電流にパルス電流を重畳させると判定された場合において、ステータ電流の基本波に対してロータ１４とステータ１２で生成される回転磁界の空間高調波成分との位置関係に応じてロータ巻線１８ｎ、１８ｓに最も効率よいタイミングでパルス電流に基づく磁場変動が生じるように制御する。このため、回転磁界の空間高調波成分に対してロータ１４の最適な位置関係でパルス電流を重畳しやすくでき、低速回転時でも高トルクを得やすくなる。例えば、ロータ１４の周方向に隣り合うロータ巻線１８ｎ、１８ｓに、異なる位相のロータ電流であるＡ相電流とＢ相電流とが流れる。そして、ｑ軸磁路に対応してＢ相またはＡ相のロータ巻線１８ｎ、１８ｓ中心軸方向と、各相のステータ電流のパルス電流による磁場変動とが一致しやすくなり、高トルクを得やすくなる。
【００６２】
また、ステータ電流にパルス電流を重畳させるか否かの判定は次のように行うことができる。まず、トルク回転数取得手段６８は、上記のように外部制御装置から要求出力トルクであるトルク指令Ｔｒｅｑを取得するとともに、回転電機１０に設けられた位置センサ４６の検出信号からロータ１４の回転位置を取得し、取得した回転位置からロータ１４の回転数、すなわち回転速度ＶＲを演算、すなわち取得する。また、相間電圧取得手段７０は、トルク指令Ｔｒｅｑに対応する電圧指令値を演算し、電圧指令値Ｖ１から、相間電圧を演算、すなわち取得する。なお、相間電圧取得手段７０は、相間電圧を演算取得することに代えて、相間電圧に対応する電圧である相間電圧関係値を演算取得し、これをその後の処理に用いることができるようにしてもよい。例えば、ｄ軸電圧指令をＶｄとし、ｑ軸電圧指令をＶｑとした場合に算出される（Ｖｄ2＋Ｖｑ2）1/2を、相間電圧関係値として求めるものとできる。
【００６３】
また、正弦波トルク算出手段７２は、トルク指令Ｔｒｅｑに対応する電流指令値を演算し、取得した回転電機１０の回転数ＶＲと、演算した電流指令値とから正弦波電流で発生可能なトルクである、正弦波トルクＴｓを算出する。また、パルス重畳条件判定手段７４は、相間電圧Ｖａが閾値未満Ｖｘであるまたは閾値Ｖｘ以下であるいずれかの第１パルス重畳要求条件（Ｖａ＜ＶｘまたはＶａ≦Ｖｘ）が成立し、かつ、トルク指令Ｔｒｅｑと算出した正弦波トルクＴｓとを比較して、トルク指令Ｔｒｅｑが正弦波トルクＴｓ以上となる、または正弦波トルクを超えるいずれかの第２パルス重畳要求条件（Ｔｒｅｑ≧ＴｓまたはＴｒｅｑ＞Ｔｓ）が成立した場合のみに、パルス重畳条件が成立したと判定する。例えば、第２パルス重畳要求条件は、トルク指令Ｔｒｅｑが正弦波トルクＴｓ以上となることとする。ただし、第２パルス重畳要求条件は、トルク指令Ｔｒｅｑが正弦波トルクＴｓを超えることとすることもできる。第２パルス重畳要求条件に、トルク指令Ｔｒｅｑが正弦波トルクＴｓと一致する場合を含めるか否かは、切り換え部４２に予め設定しておく。
【００６４】
ここで、予め第１パルス重畳要求条件をＶａ＜Ｖｘに設定し、第２パルス重畳要求条件をＴｒｅｑ≧Ｔｓに設定したときを説明する。この場合、パルス重畳条件判定手段７４は、例えば、相間電圧Ｖａが閾値Ｖｘ以上である場合（Ｖａ≧Ｖｘ）、すなわち第１パルス重畳要求条件が不成立の場合には、パルス重畳条件が不成立と判定する。さらに、パルス重畳条件判定手段７４は、第１パルス重畳要求条件が成立した場合でも、例えば、トルク指令Ｔｒｅｑが正弦波トルクＴｓ未満となる場合（Ｔｒｅｑ＜Ｔｓ）、すなわち第２パルス重畳要求条件が不成立の場合には、パルス重畳条件が不成立と判定する。例えば、予め設定する係数をαとした場合に、閾値Ｖｘはインバータに入力される直流電圧Ｖｄｃにαを乗じた値である、α・Ｖｄｃ（Ｖｘ＝α・Ｖｄｃ）とする。例えば、インバータを正弦波ＰＷＭ制御する場合のキャリア信号に対する変調波の上限変調度（１）に対応して、αは０．６１（α＝０．６１）とする。ただし、αは、この値に限定するものではなく、例えば制御性等を考慮して、αは、０．４、０．５、０．７８等へ変更することもできる。したがって、Ｖａ≧α・Ｖｄｃである、第１パルス重畳要求条件不成立の場合には、パルス重畳条件が不成立と判定する。電流一定であれば、相間電圧Ｖａは回転数に比例して大きくなるので、ある閾値回転数以上の場合に、パルス重畳条件は不成立となる。この場合、切り換え部４２は、ステータ電流にパルス電流を重畳させない正弦波電流を流し、回転電機１０を駆動する。
【００６５】
逆に、Ｖａ＜α・Ｖｄｃの第１パルス重畳要求条件が成立する場合で、トルク指令Ｔｒｅｑが正弦波トルクＴｓ以上となる第２パルス重畳要求条件が成立する場合（Ｔｒｅｑ≧Ｔｓ）にパルス重畳条件が成立したと判定し、ステータ電流にパルス電流を重畳させるパルス重畳電流を流し、回転電機１０を駆動する。また、Ｖａ＜α・Ｖｄｃである、第１パルス重畳要求条件が成立する場合でも、トルク指令Ｔｒｅｑが正弦波トルクＴｓ未満となる（Ｔｒｅｑ＜Ｔｓ）、第２パルス重畳要求条件不成立時には、パルス重畳条件が不成立と判定し、ステータ電流に正弦波電流を流し、回転電機１０を駆動する。なお、相間電圧は、上記のように電圧指令から求めるのではなく、実際に電圧センサにより検出した相間電圧を用いることもできる。
【００６６】
なお、第１パルス重畳要求条件を、Ｖａ≦α・Ｖｄｃが成立することとしたり、第２パルス重畳要求条件を、トルク指令Ｔｒｅｑが正弦波トルクＴｓを超える（Ｔｒｅｑ＞Ｔｓ）こととすることもできる。例えば、第１パルス重畳要求条件をＶａ≦α・Ｖｄｃとし、第２パルス重畳要求条件をＴｒｅｑ＞Ｔｓと設定すると、Ｖａ＞α・Ｖｄｃである、第１パルス重畳要求条件不成立の場合には、パルス重畳条件が不成立と判定する。逆に、Ｖａ≦α・Ｖｄｃの第１パルス重畳要求条件が成立する場合で、トルク指令Ｔｒｅｑが正弦波トルクＴｓを超える（Ｔｒｅｑ＞Ｔｓ）、第２パルス重畳要求条件が成立する場合にパルス重畳条件が成立したと判定し、ステータ電流にパルス電流を重畳させるパルス重畳電流を流し、回転電機１０を駆動する。また、Ｖａ≦α・Ｖｄｃである、第１パルス重畳要求条件が成立する場合でも、トルク指令Ｔｒｅｑが正弦波トルクＴｓ以下となる（Ｔｒｅｑ≦Ｔｓ）、第２パルス重畳要求条件不成立時には、パルス重畳条件が不成立と判定し、ステータ電流に正弦波電流を流し、回転電機１０を駆動する。
【００６７】
図４Ａ、４Ｂは、本実施形態により、ステータ電流にパルス電流を重畳させた場合のステータ電流の時間的変化と、２００min-1でロータを回転させた場合のロータ電流の時間的変化とをそれぞれ求めた実験結果を示す図である。以下の説明では、図１〜３で付した符号を用いて説明する。図４Ａでは、ステータ電流の正弦波である基本波電流に対して１周期に対し、矢印で示すタイミングで予め設定した所定回数である、３回、パルス電流を重畳させている。この場合、図４Ｂに示すように、図３６Ａの先発明の実験結果との比較から明らかなように、本実施形態により、パルス電流の重畳に応じて各ロータ巻線１８ｎ、１８ｓを流れるロータ電流のベースを上昇させることができ、全体としてロータ電流の値を高くできる。このため、低速回転時でも同期機である回転電機１０のトルクを向上できることが分かる。
【００６８】
図５は、このようにステータ電流にパルス電流を重畳させた場合の回転電機１０の回生トルクと回転数との関係を求めた実験結果を示す図である。図５において、「正弦波駆動」として示す曲線は、図３５に実験結果を示した先発明の場合と同様に、ステータ電流を、パルス電流を重畳させない正弦波電流とした場合の実験結果を表している。また、「１パルス」、「３パルス」、「６パルス」とあるのは、それぞれステータ電流の基本波である正弦波電流の１周期に対して１回、３回、６回の割合でパルス電流を重畳させたことを表している。図５に示す結果から明らかなように、本実施形態では回転電機１０の回転数が８００min-1未満の領域で大きくトルクを向上させることができることを確認できた。すなわち、本実施の形態によれば、「１パルス」、「３パルス」、「６パルス」の曲線と、同じ回転数領域の正弦波駆動の曲線との間の領域でトルクを増大できた。また、ステータ電流の基本波である正弦波電流の１周期に対してパルス電流を重畳させる回数を多くするのにしたがって、トルクを向上できることが分かった。なお、図５に示す実験結果では、回生トルクと回転数との関係を示しているが、回転電機１０の出力トルクと回転数との関係も同様の傾向となる。
【００６９】
このような回転電機駆動システム３４によれば、上記の先発明と同様の理由により、巻線構造を簡略化できる。しかも、本実施形態によれば、広い回転数領域のトルクを有効に高くすることができる。すなわち、回転電機１０の回転数が閾値未満である、回転数の低い領域でステータ巻線２８ｕ、２８ｖ、２８ｗを流れるステータ電流にパルス電流を重畳させることができるので、回転数が低くても回転磁界の基本波（正弦波）電流以外による磁場変動を生じさせ、ロータ巻線１８ｎ、１８ｓのロータ誘導電流を増加させてトルクを向上させることができる。また、切り換え部４２により、回転電機１０の回転数が閾値以上である場合にステータ電流にパルス電流を重畳させないように、パルス重畳状態を切り換えるので、高回転数領域でも、正弦波のステータ電流によるトルクが抑制されることがなく、トルクを十分に高くできる。また、パルス電流を重畳させる間隔が、ステータ電流の基本波である正弦波電流の周波数に依存することとなる。このため、低速の領域でのトルクを増加しやすくできる。
【００７０】
また、印加する電圧において、パルス電流重畳のための十分な余裕がない領域で正弦波駆動、すなわち正弦波のステータ電流による正弦波駆動を行い、印加する電圧に十分な余裕がある領域でのみ、パルス電流を重畳させ、トルクを増加させることができる。すなわち、回転電機の駆動範囲全域でパルス重畳を行う必要はなく、トルクの不足が生じない広い駆動範囲でより有効に正弦波駆動させることができる。
【００７１】
また、各ロータ巻線１８ｎ、１８ｓは、ロータ１４の周方向に隣り合うロータ巻線１８ｎ、１８ｓ同士で順方向が逆になる整流素子である、ダイオード２１ｎ、２１ｓ（図２４参照）に接続し、各ダイオード２１ｎ、２１ｓは、該誘導起電力の発生によりロータ巻線１８ｎ、１８ｓに流れる電流を整流することで、該周方向に隣り合うロータ巻線１８ｎ、１８ｓに流れる電流の位相を、Ａ相とＢ相とに交互に異ならせている。このため、各ロータ巻線１８ｎ、１８ｓを、ロータ１４の周方向に隣り合うロータ巻線１８ｎ、１８ｓ同士で、順方向が周方向に関して同じ方向になるダイオードに接続し、各ロータ巻線１８ｎ、１８ｓに流れる電流により生成される周方向複数個所の磁極部である、突極１９の磁気特性を交互に異ならせるという、比較構成も考えられるが、この比較構成に比べてトルクをより向上しやすくできる。すなわち、比較構成では、１の磁気特性を有する突極１９を生成するために流れる誘導電流が、別の磁気特性を有する別の突極１９を生成するために流れる誘導電流に、電流を減じさせる方向に影響する可能性があるのに対して、本実施形態ではこのような不都合を防止して、トルクをより向上しやすくできる。
【００７２】
また、各ロータ巻線１８ｎ、１８ｓのロータ１４の周方向に関する幅θが電気角で９０°に相当する幅に略等しくすることにより、ロータ巻線１８ｎ、１８ｓに発生する、回転磁界の高調波による誘導起電力を最大に発生することができ、各ロータ巻線１８ｎ、１８ｓに流れる誘導電流により生成される磁極部である突極１９の磁束を最も効率よく増大させることができる。この結果、ロータ１４に作用するトルクをより効率よく増大させることができる。
【００７３】
また、各ロータ巻線１８ｎ、１８ｓは、ロータ１４の周方向複数個所に位置するインダクタンスが高いｑ軸磁路に配置されており、ロータコア１６は、ダイオード２１ｎ、２１ｓで整流された電流がロータ巻線１８ｎ、１８ｓに流れるのに応じて磁化することで磁極が固定された磁石として機能する突極１９であって、ロータ１４の周方向に互いに間隔をおいて配置された複数の突極１９を含む。このため、ロータ１４に作用するトルクをより効率よく増大させることができる。
【００７４】
図６〜９は、本実施の形態とは別の実施形態により行った実験結果を示す図である。図６は、別の実施形態により、ステータ電流に低速回転領域でパルス電流を重畳させた場合のステータ電流の時間的変化の実験結果を示す図である。図７は、別の実施形態により、ステータ電流にパルス電流を重畳させた場合の回転電機１０の回生トルクと回転数との関係を求めた実験結果を示す図である。図８は、別の実施形態により、回転電機１０の停止時のステータ電流の時間的変化の実験結果を示す図である。図９は、別の実施形態により、回転電機１０の停止時の回生トルクとパルス電流の重畳周波数との関係を求めた実験結果を示す図である。別の実施形態では、駆動信号出力手段４４は、ステータ電流にパルス電流を重畳させる場合に、各相のステータ電流に、予め設定した所定周波数でパルス電流を重畳させるようにインバータ３６の駆動信号を生成し、駆動信号を出力するように構成する。例えば、駆動信号出力手段４４は、上記のようにｄ軸、ｑ軸電流指令値の設定によるベクトル制御によりインバータ３６及び回転電機１０を制御する場合に、ｑ軸電流指令値に予め設定した所定周波数でパルス電流を発生させるように制御する。この場合、ステータ電流の正弦波の周波数とは関係のない周波数でパルス電流が重畳される。この場合には、パルス電流を重畳させる間隔が、ステータ電流の基本波である正弦波電流の周波数に依存しないので、上記の図５に実験結果を示す実施形態の場合に比べて、回転停止時や極低速回転領域においてトルクを増大させることが可能となる。
【００７５】
例えば、図６では、一定の周波数、すなわち１０ｍｓｅｃ（＝１００Ｈｚ）でステータ電流にパルス電流を重畳させている。この場合、図７に示すように、正弦波電流で駆動させる先発明の場合に比べて、「パルス重畳１００Ｈｚ」と示した曲線で表す実験結果のように、低速領域でのトルクを向上できるだけでなく、図５に実験結果を示した実施形態の場合に比べて極低速回転領域でのトルクを向上できることを確認できた。本実施の形態では、図７のパルス重畳１００Ｈｚと示した曲線と、同じ回転数領域の正弦波駆動の曲線との間の領域でトルクを増大できた。
【００７６】
また、この別の実施形態の場合には、回転電機１０の停止時のトルクも向上できる。すなわち、図８に示すように、回転電機１０の停止時に一定の周波数、例えば１０ｍｓｅｃ（＝１００Ｈｚ）でステータ電流にパルス電流を重畳させた場合、図９に示すように、パルス電流を重畳させる周波数を０、すなわち停止時にステータ電流にパルス電流を重畳させない場合に比べて、回転電機１０のトルクを高くできることを確認できた。また、この停止時のトルクは、ステータ電流にパルス電流を重畳させる周波数が高くなるにしたがって、高くできることを確認できた。
【００７７】
図１０は、本発明の別の実施の形態において、切り換え部４２の構成を示す図である。図１０に示すように、この別の実施の形態では、切り換え部４２は、トルク回転数取得手段６８と、相間電圧取得手段７０と、マップ記憶手段７６と、第２パルス重畳条件判定手段７８とを含む。なお、以下の説明において、図１〜３に示した上記の実施の形態と同等部分には同一符号を付して重複する図示及び説明を省略もしくは簡略化する。本実施の形態は、相間電圧Ｖａが閾値Ｖｘ以下または閾値Ｖｘ未満である場合で、正弦波電流でも、パルス電流でもいずれの場合でも要求出力トルクが発生できる場合に、回転電機１０（図１参照）の損失が最小となるように駆動電流波形を決定するようにする点に特徴がある。
【００７８】
まず、図１１から図１３を用いて、正弦波とパルス重畳波形との駆動電流波形の切り換えで、回転電機の損失が最小となるようにできる原理について説明する。図１１は、ステータに正弦波電流を流す場合の１相のステータ電流（ａ）と、これに対応する２相のロータ電流（ｂ）との１例を示す図である。図１２は、ステータに図１１の正弦波電流にパルス電流を重畳させた場合の１相のステータ電流（ａ）と、これに対応する２相のロータ電流（ｂ）との１例を示す図である。図１３は、回転電機のトルクが増加することにより、正弦波駆動の場合よりもパルス電流を重畳させた場合の方が銅損が低下する例を示す図である。このように、図１１，１２に示す場合には、正弦波電流ではＡ相、Ｂ相のロータ電流の振幅が小さく回転電機１０のトルクも小さいが、パルス電流を重畳させた場合には、各相のロータ電流の振幅が大きくなるため、回転電機１０のトルクも大きくできる。これに対して、正弦波電流による駆動でパルス重畳電流による駆動の場合と同じトルクを出すためには正弦波電流の振幅を増大させる必要がある。ただし、図１３に示すように、正弦波電流で振幅を増大させてパルス重畳電流の場合と同じトルクを得る場合、ステータ１２の銅損の増大がかなり大きくなる場合がある（図１３のトルク１００％の場合）。これに比べて、パルス重畳電流によりトルク１００％を得る場合には、正弦波駆動の場合よりも誘導電流が増加し、ステータ１２の銅損の増加も、正弦波電流の振幅増加の場合に比べて小さくなる。この場合には、パルス電流を重畳させてトルクを出す方がステータ１２の銅損が小さくて済み、効率向上を図れることが分かる。これに対して、正弦波電流により駆動する場合の方が、パルス重畳電流により駆動する場合よりも銅損が低くなる場合もある。このため、駆動電流波形の切り換えにより回転電機１０の損失が最小となるように決定でき、回転電機１０の駆動時の効率向上を図れる。このような構成の場合、例えば、図７に示したトルクと回転数との関係を表す図において、８００min-1以下での「正弦波駆動」と示した曲線よりも下側のトルク領域でパルス電流を使用して回転電機１０を駆動できる。
【００７９】
このような原理に基づいて、本実施の形態では、回転電機１０の回転数とトルクとに対して、回転電機１０の損失が最小となるような、正弦波電流である基本波電流Ｉ１と、パルス電流指令Ｉ２（またはパルス電圧指令Ｖ２）とを表すマップのデータを予め作成し、マップ記憶手段７６（図１０）に記憶させておく。そして、図１０に示す第２パルス重畳条件判定手段７８は、マップ記憶手段７６に記憶されたマップを参照しながら、トルク指令Ｔｒｅｑ及び回転数に対応する基本波電流Ｉ１と、パルス電流指令Ｉ２（またはパルス電圧指令Ｖ２）とを取得し、Ｉ１と、Ｉ２（またはＶ２）とを用いて回転電機１０を駆動する。より具体的には、第２パルス重畳条件判定手段７８は、相間電圧取得手段７０により取得した相間電圧Ｖａが閾値Ｖｘ未満である、または閾値Ｖｘ以下であるいずれかの第１パルス重畳要求条件が成立する場合（Ｖａ＜ＶｘまたはＶａ≦Ｖｘ）で、要求出力トルクであるトルク指令Ｔｒｅｑと回転数とから正弦波電流でトルク指令Ｔｒｅｑが得られるようにした場合の損失である正弦波損失Ｄ１と、トルク指令Ｔｒｅｑと回転数とから正弦波電流にパルス電流を重畳させることによりトルク指令Ｔｒｅｑが得られるようにした場合の損失であるパルス重畳損失Ｄ２とを比較する。そして、第２パルス重畳条件判定手段７８は、第１パルス重畳要求条件が成立し、かつ、正弦波損失Ｄ１がパルス重畳損失Ｄ２以上となる、またはパルス重畳損失Ｄ２を超えるいずれかの第２パルス重畳要求条件が成立する場合（Ｄ１≧Ｄ２またはＤ１＞Ｄ２）のみにパルス重畳条件が成立したと判定する。これに対して、第２パルス重畳条件判定手段７８は、相間電圧Ｖａが閾値Ｖｘ以上である、または閾値Ｖｘを超える第１パルス重畳要求条件が不成立となる場合（Ｖａ≧ＶｘまたはＶａ＞Ｖｘ）や、相間電圧が閾値Ｖｘ未満である、または閾値Ｖｘ以下である第１パルス重畳要求条件が成立する場合（Ｖａ＜ＶｘまたはＶａ≦Ｖｘ）でも、正弦波損失Ｄ１がパルス重畳損失Ｄ２未満となる、またはパルス重畳損失Ｄ２以下となる第２パルス重畳要求条件が不成立となる場合（Ｄ１＜Ｄ２またはＤ１≦Ｄ２）には、パルス重畳条件が不成立と判定する。そして、制御装置３８（図１参照）は、パルス重畳条件の判定結果に応じて、回転電機１０（図１参照）を駆動する。
【００８０】
次に、このように回転電機を駆動する場合の制御方法の具体例の２例を、図１４、図１５を用いて説明する。図１４の例の場合、制御装置３８は、電流指令生成部８０と、電流指令合成部８２と、電圧指令駆動信号生成部８４とを含む。電流指令生成部８０は、切り換え部４２（図１０）を有する。電流指令生成部８０にトルク指令Ｔｒｅｑ及び回転電機１０の回転数の取得値が入力される。電流指令生成部８０は、マップ記憶手段７６（図１０）のデータを参照しながら、トルク指令Ｔｒｅｑ及び回転数に基づいて、回転電機１０の損失が最小となるような、基本波電流指令Ｉ１とパルス電流指令Ｉ２とを取得する。この場合にパルス電流指令Ｉ２が０となれば電流指令は正弦波電流に対応する指令となり、パルス電流指令Ｉ２が０以外、すなわち正の値であれば電流指令は、パルス重畳電流に対応する指令となる。この場合、パルス重畳電流指令決定のための条件として、相間電圧Ｖａが閾値Ｖｘ未満である、または閾値Ｖｘ以下であるか、それ以外かの条件も用いる。
【００８１】
なお、マップ記憶手段７６のマップにおいて、予め相間電圧Ｖａが閾値Ｖｘ未満である、または閾値Ｖｘ以下であるか、それ以外かの条件で、基本波電流指令Ｉ１とパルス電流指令Ｉ２とを決定しておくこともできる。電流指令合成部８２は、基本波電流指令Ｉ１とパルス電流指令Ｉ２（０の場合もある。）とを合成し、合成した電流指令であるｄ軸電流指令Ｉｄ＊とｑ軸電流指令Ｉｑ＊とを出力する。また、制御装置３８は、回転電機１０に設けられた電流センサ（図示せず）から各相電流を取得し、取得した各相電流からｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑとの検出値を演算、すなわち取得する。次いで、合成した電流指令Ｉｄ＊，Ｉｑ＊と検出電流Ｉｄ，Ｉｑとの偏差を電圧指令駆動信号生成部８４に入力する。電圧指令駆動信号生成部８４は、偏差からＰＩ演算等により電圧指令を算出し、算出した電圧指令と、取得されたロータ１４の回転位置とからインバータ３６のスイッチング素子をオンオフするための駆動信号を求める。インバータ３６は、この駆動信号により駆動され、回転電機１０を正弦波電流またはパルス重畳電流により駆動する。このような本実施の形態によれば、上記の原理により回転電機１０駆動時の効率向上を図れる。
【００８２】
また、図１５の例の場合、制御装置３８は、電流指令生成部８０ａと、電圧指令生成部８６と、パルス電圧指令付加部８８と、駆動信号生成部９０とを含む。電流指令生成部８０及びパルス電圧指令付加部８８を含む部分は、切り換え部４２（図１０）を有する。電流指令生成部８０ａにトルク指令Ｔｒｅｑ及び回転電機１０の回転数の取得値が入力される。電流指令生成部８０ａは、トルク指令Ｔｒｅｑ及び回転数に基づいて、基本波電流指令Ｉ１である、ｄ軸電流指令Ｉｄ＊とｑ軸電流指令Ｉｑ＊とを取得する。電流指令生成部８０ａは、基本波電流指令Ｉ１を出力する。また、制御装置３８は、回転電機１０に設けられた図示しない電流センサから各相電流を取得し、取得した各相電流からｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑとの検出値を演算、すなわち取得する。次いで、電流指令Ｉｄ＊，Ｉｑ＊と検出電流Ｉｄ，Ｉｑとの偏差を電圧指令生成部８６に入力する。電圧指令生成部８６は、偏差からＰＩ演算等により電圧指令を算出し、算出した電圧指令を出力する。パルス電圧指令付加部８８は、マップ記憶手段７６（図１０）のデータを参照しながら、トルク指令Ｔｒｅｑ及び回転数に基づいて、回転電機１０の損失が最小となるような、パルス電圧指令Ｖ２を取得する。この場合にパルス電圧指令Ｖ２が０となれば電圧指令は正弦波電流に対応する指令となり、パルス電圧指令Ｖ２が０以外、すなわち正の値であれば電圧指令は、パルス重畳電流に対応する指令となる。この場合、パルス電圧指令決定のための条件として、相間電圧Ｖａが閾値Ｖｘ未満である、または閾値Ｖｘ以下であるか、それ以外かの条件も用いる。
【００８３】
なお、マップ記憶手段７６のマップにおいて、予め相間電圧Ｖａが閾値Ｖｘ未満である、または閾値Ｖｘ以下であるか、それ以外かの条件で、基本波電流指令Ｉ１とパルス電圧指令Ｖ２とを決定しておくこともできる。パルス電圧指令付加部８８から出力されたパルス電圧指令Ｖ２（０の場合もある。）は、基本波電流指令Ｉ１に対応する電圧指令に付加され、駆動信号生成部９０に入力される。駆動信号生成部９０は、図１４の場合と同様に、電圧指令と、取得されたロータ１４の回転位置とから、インバータ３６を駆動するための駆動信号を求める。インバータ３６は、この駆動信号により駆動され、回転電機１０を正弦波電流またはパルス重畳電流により駆動する。このような本実施の形態の場合も、上記の原理により回転電機１０駆動時の効率向上を図れる。
【００８４】
次に、上記の実施形態の回転電機駆動システム３４を構成する回転電機の他の構成例について説明する。以下に示すように、本発明では、種々の回転電機の構成例を使用できる。
【００８５】
例えば上記の実施形態では、ロータ１４の径方向に突出する突極にロータ巻線１８ｎ、１８ｓを巻装していたが、図１６に示すように、ロータコア１６にスリット（空隙）４８を形成することによっても、ロータ１４の磁気抵抗を回転方向に応じて変化させることができる。図１６に示すように、ロータコア１６において、磁気抵抗の高い、すなわちインダクタンスが低い磁路をｄ軸磁路部分５０とし、ｄ軸磁路部分５０よりも磁気抵抗の低い、すなわちインダクタンスが高い磁路をｑ軸磁路部分５２とすると、ステータ１２（ティース３０）と対向するｄ軸磁路部分５０及びｑ軸磁路部分５２が周方向において交互に配置されるようにスリット４８が形成されており、周方向においてｄ軸磁路部分５０がｑ軸磁路部分５２間に位置する。
【００８６】
各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓは、スリット４８を通って磁気抵抗の低いｑ軸磁路部分５２に巻装されている。図１６に示す構成例では、ステータ１２で形成された空間高調波成分を含む回転磁界が各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに鎖交することで、各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに各ダイオード２１ｎ，２１ｓで整流された直流電流が流れて各ｑ軸磁路部分５２が磁化する結果、各ｑ軸磁路部分５２が磁極の固定された磁石（磁極部）として機能する。その際には、周方向に関する各ｑ軸磁路部分５２の幅（各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓの幅θ）をロータ１４の電気角で１８０°に相当する幅よりも短く設定し、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓを各ｑ軸磁路部分５２に短節巻で巻装することで、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに発生する空間高調波による誘導起電力を効率よく増大させることができる。さらに、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに発生する空間高調波による誘導起電力を最大にするためには、周方向に関する各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓの幅θを、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）することが好ましい。その他の構成及び作用は上記の実施形態と同様である。
【００８７】
また、上記の実施形態では、例えば図１７に示すように、ロータコア１６に永久磁石５４を配設することもできる。図１７に示す構成例では、磁極の固定された磁石として機能する複数の磁極部５６が周方向に互いに間隔をおいた状態でステータ１２（図２参照）と対向配置されており、各磁極部５６にロータ巻線１８ｎ，１８ｓが巻装されている。各永久磁石５４は、周方向において磁極部５６間に位置する部分に、ステータ１２（ティース３０）と対向配置されている。ここでの永久磁石５４については、ロータコア１６の内部に埋設されていてもよいし、ロータコア１６の表面（外周面）に露出していてもよい。また、ロータコア１６の内部に永久磁石５４をＶ字状に配置することもできる。図１７に示す構成例では、ステータ１２で形成された空間高調波成分を含む回転磁界が各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに鎖交することで、各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに各ダイオード２１ｎ，２１ｓで整流された直流電流が流れて各磁極部５６が磁化する結果、各磁極部５６が磁極の固定された磁石として機能する。その際には、周方向に関する各磁極部５６の幅（各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓの幅θ）をロータ１４の電気角で１８０°に相当する幅よりも短く設定し、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓを各磁極部５６に短節巻で巻装することで、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに発生する空間高調波による誘導起電力を効率よく増大させることができる。さらに、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに発生する空間高調波による誘導起電力を最大にするためには、周方向に関する各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓの幅θを、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）することが好ましい。その他の構成及び作用は上記の実施形態と同様である。
【００８８】
また、上記の実施形態では、例えば図１８に示すように、周方向において１つおきに配置されたロータ巻線１８ｎ同士を電気的に直列接続し、周方向において１つおきに配置されたロータ巻線１８ｓ同士を電気的に直列接続することもできる。つまり、同じ磁極（Ｎ極）の磁石として機能する突極１９に巻装されたロータ巻線１８ｎ同士を電気的に直列接続し、同じ磁極（Ｓ極）の磁石として機能する突極１９に巻装されたロータ巻線１８ｓ同士を電気的に直列接続することもできる。ただし、周方向に隣接する（異なる磁極の磁石が形成される）突極１９に巻装されたロータ巻線１８ｎ，１８ｓは、互いに電気的に分断されている。ダイオード２１ｎ，２１ｓは、電気的に分断されたロータ巻線１８ｎ，１８ｓ毎に（２つ）設けられており、ダイオード２１ｎは、電気的に直列接続されたロータ巻線１８ｎに流れる電流を整流し、ダイオード２１ｓは、電気的に直列接続されたロータ巻線１８ｓに流れる電流を整流する。ここでも、ロータ巻線１８ｎが巻装された突極１９とロータ巻線１８ｓが巻装された突極１９とで（周方向に隣接する突極１９同士で）異なる磁極の磁石が形成されるように、ダイオード２１ｎ，２１ｓによるロータ巻線１８ｎ，１８ｓの電流の整流方向を互いに逆方向にする。図１８に示す構成例によれば、ダイオード２１ｎ，２１ｓの数を２つに減らすことができる。その他の構成及び作用は上記の実施形態と同様である。
【００８９】
また、上記の実施形態では、例えば図１９に示すように、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓをトロイダル巻きにすることもできる。図１９に示す構成例では、ロータコア１６は環状コア部５８を含み、各突極１９は、環状コア部５８から径方向外側へ（ステータ１２へ向けて）突出している。ロータ巻線１８ｎ，１８ｓは、環状コア部５８における各突極１９付近の位置にトロイダル巻きで巻装されている。図１９に示す構成例でも、ステータ１２で形成された空間高調波成分を含む回転磁界が各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに鎖交することで、各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに各ダイオード２１ｎ，２１ｓで整流された直流電流が流れ、各突極１９が磁化する。その結果、ロータ巻線１８ｎ付近に位置する突極１９がＮ極として機能し、ロータ巻線１８ｓ付近に位置する突極１９がＳ極として機能する。その際には、周方向に関する各突極１９の幅θをロータ１４の電気角で１８０°に相当する幅よりも短く設定することで、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに発生する空間高調波による誘導起電力を効率よく増大させることができる。さらに、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに発生する空間高調波による誘導起電力を最大にするためには、周方向に関する各突極１９の幅θを、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）することが好ましい。なお、図１９では、図１８に示す構成例と同様に、周方向に隣接するロータ巻線１８ｎ，１８ｓを互いに電気的に分断し、周方向において１つおきに配置されたロータ巻線１８ｎ同士を電気的に直列接続し、周方向において１つおきに配置されたロータ巻線１８ｓ同士を電気的に直列接続した例を示している。ただし、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓをトロイダル巻にした例においても、図２，３１に示す構成例と同様に、各突極１９に巻装されたロータ巻線１８ｎ，１８ｓを互いに電気的に分断することもできる。その他の構成及び作用は上記の実施形態と同様である。
【００９０】
また、上記の実施形態では、例えば図２０に示すように、各突極１９に共通のロータ巻線１８を巻装することもできる。図２０に示す構成例では、ロータ巻線１８がダイオード２１を介して短絡されていることで、ロータ巻線１８に流れる電流の方向がダイオード２１により一方向（直流）に整流される。各突極１９に巻装されたロータ巻線１８は、周方向に隣接する突極１９同士で磁化方向が互いに逆方向となるように、周方向に隣接する突極１９に巻装された部分の巻き方向が互いに逆方向である。図２０に示す構成例でも、ステータ１２で形成された空間高調波成分を含む回転磁界がロータ巻線１８に鎖交することで、ロータ巻線１８にダイオード２１で整流された直流電流が流れて各突極１９が磁化する結果、各突極１９が磁極の固定された磁石として機能する。その際には、周方向に隣接する突極１９同士で異なる磁極の磁石が形成される。図２０に示す構成例によれば、ダイオード２１の数を１つに減らすことができる。ただし、この場合には、上記の図２９〜３１の先発明、図２の実施形態、図１６〜１９の他の構成例の場合に対して、１の磁気特性を有する突極１９を生成するために流れる誘導電流が、別の磁気特性を有する別の突極１９を生成するために流れる誘導電流に、電流を減じさせる方向に影響し、トルクの向上という面では劣る可能性がある。
【００９１】
すなわち、図２０に示す構成例では、Ｎ極を形成する突極１９とＳ極を形成する突極１９とで共通のロータ巻線１８を用いているため、各突極１９での空間高調波成分による磁束変動（３次）が相殺される場合があり、他の構成例ほど効果的にロータ１４のトルクが増加しない場合がある。ここで、図２０に示す構成例において、各突極１９に巻装されたロータ巻線１８の周方向に関する幅θを変化させながら、ロータ巻線１８への鎖交磁束の振幅（変動幅）を計算した結果を図２１に示す。図２１では、コイル幅θを電気角に換算して示している。図２１に示すように、コイル幅θが９０°から減少するとロータ巻線１８への鎖交磁束の変動幅が大きく減少し、コイル幅θが１２０°から増大するとロータ巻線１８への鎖交磁束の変動幅が大きく増大する。さらに、ロータ巻線１８の断面積を十分に確保するためのコイル幅θが必要となる点を考慮すると、図２０に示す構成例においてロータ巻線１８に発生する空間高調波による誘導電流を増大させるためには、周方向に関するロータ巻線１８の幅θを、ロータ１４の電気角で９０°に相当する幅よりも大きく且つロータ１４の電気角で１２０°に相当する幅よりも小さくする（９０°＜θ＜１２０°を満たす）ことが好ましい。さらに、図２１に示すように、コイル幅θが１０５°の場合に空間高調波による鎖交磁束の振幅がピークとなる。したがって、図２０に示す構成例においてロータ巻線１８に発生する空間高調波による誘導電流をさらに増大させるためには、周方向に関するロータ巻線１８の幅θを、ロータ１４の電気角で１０５°に相当する幅に等しく（あるいはほぼ等しく）することが好ましい。
【００９２】
また、図２２に示す構成例では、ロータ巻線１８は、各突極１９に波巻（直列巻）で巻装されており、周方向に隣接する突極１９同士で磁化方向が互いに逆方向となるように、周方向に隣接する突極１９に巻装された部分の巻き方向が互いに逆方向である。図２２のロータ巻線１８において、実線部分は突極１９の回転軸方向端面の一方側（図の手前側）を通り、破線部分は突極１９の回転軸方向端面の他方側（図の奥側）を通る。そして、○内に●の部分には図面の手前方向の電流が流れ、○内に×の部分には図面の奥方向の電流が流れる。図２２に示す構成例でも、ステータ１２で形成された空間高調波成分を含む回転磁界がロータ巻線１８に鎖交することで、ロータ巻線１８にダイオード２１で整流された直流電流が流れて各突極１９が磁化する結果、各突極１９が磁極の固定された磁石として機能する。その際には、周方向に隣接する突極１９同士で異なる磁極の磁石が形成される。図２２に示す構成例によれば、ダイオード２１の数を１つに減らすことができ、ロータ１４の巻線構造をさらに簡略化することができる。
【００９３】
また、以下の構成例で示すように、上記の実施の形態では、回転電機の各ロータ巻線は、ロータの周方向複数個所に位置するインダクタンスが低いｄ軸磁路に配置する構成を採用することもできる。図２３は、回転電機を、回転軸と平行方向に見た略図である。図２４は、図２３のロータの概略構成を、回転軸と平行方向に見た略図である。
【００９４】
本構成例の回転電機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と所定の空隙を空けて径方向に対向配置され、ステータ１２に対し回転可能なロータ１４とを備える。図２３〜２４は、ステータ１２とロータ１４とが径方向に対向するように配置された、ラジアル型の回転電機１０の例を示しており、ロータ１４がステータ１２の径方向内側に配置されている。ステータ１２は、複数のティース３０に巻装された３相等の奇数相のステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗを有し、例えば３相のステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗに３相の交流電流を流すことで、ティース３０に高調波成分を含む周波数の回転磁界を生成する。なお、本構成例の主な特徴は、ロータ１４の構造にあり、ステータ１２の構成及び作用は、上記の図２９〜３１に示した構成例と同様である。
【００９５】
図２４に示すように、ロータ１４は、ロータコア１６と、ロータコア１６の周方向複数個所に配置され、巻装されたロータ巻線１８ｎ，１８ｓと、ロータ１４の周方向複数個所に配置された永久磁石５４とを含む。ロータ１４は、回転軸２２に固定されている。ロータコア１６の周方向複数個所に、径方向に伸びる柱部等の磁極部６０が形成され、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓは、各磁極部６０に巻装されている。
【００９６】
永久磁石５４は、ロータ１４の周方向複数個所の、各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓとロータ１４の周方向に関して一致する部分に設けられた磁極部６０の内部に配置され、すなわち埋設されている。逆に言えば、各永久磁石５４の周囲にロータ巻線１８ｎ，１８ｓが巻装されている。永久磁石５４は、ロータ１４の径方向に着磁させるとともに、その着磁方向を、ロータ１４の周方向に隣り合う永久磁石５４同士で異ならせている。図２３、２４（後述する図２５も同様。）において、永久磁石５４の上に配置された実線矢印は、永久磁石５４の磁化方向を表している。なお、磁極部６０は、ロータ１４の周方向複数個所に径方向に伸びるように配置した突極等により構成することもできる。
【００９７】
ロータ１４は、周方向に関して異なる磁気的突極特性を有する。ロータ１４のうち、各永久磁石５４から周方向に外れ、周方向に関して磁極部６０と外れた位置である、インダクタンスＬが高い磁路をｑ軸磁路とし、各永久磁石５４と周方向に一致するインダクタンスＬが低い磁路をｄ軸磁路とすると、各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓは、ロータ１４の周方向複数個所に位置するｄ軸磁路に配置されている。
【００９８】
また、各磁極部６０に巻装されたロータ巻線１８ｎ，１８ｓは、互いに電気的に接続されておらず分断（絶縁）されている。そして、電気的に分断された各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに、整流素子であるダイオード２１ｎ（または２１ｓ）が並列に接続されている。また、ロータ１４の周方向の一つ置きの一部のロータ巻線１８ｎに接続したダイオード２１ｎと、残りのロータ巻線１８ｓに接続したダイオード２１ｓとの電流の流れ方向を逆にして、互いの順方向を逆にしている。このため、各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓは、ダイオード２１ｎ（または２１ｓ）を介して短絡されている。したがって、各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに流れる電流が一方向に整流される。本構成例の場合も、各ダイオード２１ｎ，２１ｓは、誘導起電力の発生によりロータ巻線１８ｎ，１８ｓに流れる電流を整流することで、ロータ１４の周方向に隣り合うロータ巻線１８ｎ，１８ｓに流れる電流の位相を、隣り合うロータ巻線１８ｎ，１８ｓ同士でＡ相とＢ相とに交互に異ならせている。
【００９９】
ロータ巻線１８ｎ，１８ｓにダイオード２１ｎ，２１ｓの整流方向に応じた直流電流が流れると、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓが巻装された磁極部６０が磁化することで、この磁極部６０が磁極の固定された磁石として機能する。図２３、２４にロータ巻線１８ｎ，１８ｓの、ロータ１４の径方向に関する外側に示した破線矢印の向きは、磁極部６０の磁化方向を表している。
【０１００】
また、図２４に示すように、ロータ１４の周方向に隣り合うロータ巻線１８ｎ，１８ｓ同士で直流電流の方向が互いに逆方向になる。そして、ロータ１４の周方向に隣り合う磁極部６０同士で磁化方向が互いに逆になる。すなわち、本構成例では、磁極部６０の磁気特性が、ロータ１４の周方向に関して交互に異なっている。例えば、図２３，２４では、ロータ１４の周方向１つ置きの磁極部６０である、ロータ巻線１８ｎとロータ１４の周方向に一致する部分の径方向外側にＮ極が配置され、Ｎ極の磁極部６０と周方向に隣り合う磁極部６０である、ロータ巻線１８ｓとロータ１４の周方向に一致する部分の径方向外側にＳ極が配置されるようにする。そして、ロータ１４の周方向に隣り合う２つの磁極部６０（Ｎ極及びＳ極）により、１つの極対が構成される。また、各永久磁石５４の磁化方向と、各永久磁石５４に対しロータ１４の周方向に一致する磁極部６０の磁化方向とを一致させている。
【０１０１】
また、図２３，２４に示す例では、８極の磁極部６０が形成され、ロータ１４の極対数は４極対となる。また、ステータ１２（図２３）の極対数とロータ１４の極対数とはいずれも４極対で、ステータ１２の極対数とロータ１４の極対数とは等しい。ただし、ステータ１２の極対数及びロータ１４の極対数は、いずれも４極対以外とすることもできる。
【０１０２】
また、本構成例では、ロータ１４の周方向に関する各磁極部６０の幅がロータ１４の電気角で１８０°に相当する幅よりも短く設定されている。そして、周方向に関する各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓの幅θ（図２４）はロータ１４の電気角で１８０°に相当する幅よりも短く設定されており、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓは各磁極部６０に短節巻きで巻装されている。また、好ましくは、ロータ１４の周方向に関する各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓの幅θは、電気角で９０°に相当する幅と等しく（またはほぼ等しく）する。
【０１０３】
このような回転電機１０において、３相のステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗに３相の交流電流を流すことでティース３０（図２３）に生成された高調波成分を含む周波数の回転磁界がロータ１４に作用する。そしてこれに応じて、ロータ１４に、リラクタンストルクＴreと永久磁石生成トルクＴmgとロータ巻線生成トルクＴcoilとが作用して、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する。ここで、リラクタンストルクＴreは、各磁極部６０が、ステータ１２が生成した回転磁界に吸引されることにより発生するトルクである。また、永久磁石生成トルクＴmgは、各永久磁石５４により生成される磁界とステータ１２の回転磁界との相互作用である、吸引及び反発作用により生じるトルクである。また、ロータ巻線生成トルクＴcoilは、ステータ１２により発生する起磁力の空間高調波成分がロータ巻線１８ｎ，１８ｓに作用することにより、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに誘導される電流によるトルクであり、各磁極部６０により生成される磁界とステータ１２の回転磁界との電磁気的相互作用である、吸引及び反発作用により生じるトルクである。
【０１０４】
また、本構成例では、ロータ１４の周方向複数個所に永久磁石５４を配置するとともに、周方向に隣り合う永久磁石５４同士で着磁方向を異ならせ、ロータ１４の周方向複数個所で、複数の永久磁石５４に対しロータ１４の周方向に一致する位置にロータ巻線１８ｎ，１８ｓを配置し、各永久磁石５４の磁化方向と、各永久磁石５４に対しロータ１４の周方向に一致する磁極部６０の磁化方向とを一致させている。このため、永久磁石５４により生成される永久磁石生成トルクＴmgと、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに流れる誘導電流により生成されるロータ巻線生成トルクＴcoilとが、電流進角の同位相の、ある１の位相（例えば０°）で最大トルクとなる。また、永久磁石生成トルクＴmgと、ロータ巻線生成トルクＴcoilとが、電流進角の同位相の別の１の位相（例えば１８０°）で最小トルクとなる。また、リラクタンストルクＴreは、電流進角が例えば４５°で最小となり、１３５°で最小となる。この結果、回転電機１０の全トルクが、３０°付近で最大になり、１５０°付近で最小となる。また、このような各トルクは、ロータ１４の回転方向がいずれになる場合でも同じトルク−電流進角特性となる。
【０１０５】
このような本構成例の回転電機１０によれば、回転電機１０のトルクを有効に高くすることができる。すなわち、ロータ１４の周方向複数個所に位置するインダクタンスが低いｄ軸磁路にロータ巻線１８ｎ，１８ｓを配置するので、ロータ１４の回転方向にかかわらず、電流位相−トルク特性が同じになり、しかもトルクの最大値が高くなり、トルクを有効に高くすることができる。例えば、力行トルクを大きくする場合に、ロータ１４正転時（図２４の矢印α方向にロータ１４が回転する場合）とロータ１４逆転時（図２４の矢印β方向にロータ１４が回転する場合）との両方で力行トルクを大きくすることができる。また、回生トルクを大きくする場合に、ロータ１４正転時とロータ１４逆転時との両方で回生トルクを大きくすることができる。したがって、ロータ１４回転の正転逆転両方で高いトルクを得られる回転電機１０の実現が可能になる。
【０１０６】
また、ロータ１４の周方向複数個所に、ロータ１４の径方向に着磁した永久磁石５４を配置するとともに、周方向に隣り合う永久磁石５４同士で着磁方向を異ならせ、ロータ１４の周方向複数個所で、複数の永久磁石５４に対しロータ１４の周方向に一致する位置にロータ巻線１８ｎ，１８ｓを配置し、永久磁石５４の磁化方向と、永久磁石５４に対しロータ１４の周方向に一致する磁極部６０の磁化方向とを一致させている。このため、永久磁石５４により生成される永久磁石生成トルクＴmgと、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに流れる誘導電流により生成されるロータ巻線生成トルクＴcoilとが、電流進角の同位相で最大トルクとなる。すなわち、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓでの誘導電流により、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓが等価的に電磁石として機能し、各永久磁石５４に鎖交する磁束が増大してその分、回転電機１０のトルクが増加する。このため、回転電機１０のトルクをより有効に高くすることができ、しかもトルク特性がロータ１４の回転方向に依存せず同じとなる。
【０１０７】
また、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに流れる誘導電流により、各永久磁石５４内の磁束変動が抑えられるため、各永久磁石５４内部での渦電流損失が抑えられ、磁石発熱を低減できる。この結果、各永久磁石５４内部での渦電流損失が抑えられ、磁石発熱を低減できる。
【０１０８】
また、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓは、ロータ１４の周方向複数個所に短節巻きで巻装し、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに誘導起電力に伴って生じる誘導電流をダイオード２１ｎ，２１ｓで整流する。このため、ステータ巻線２８ｕ，２８ｖ，２８ｗ以外の種類の巻線をステータ１２に、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓ以外の種類の巻線をロータ１４に、それぞれ設けることなく、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに高調波成分による誘導起電力を効率よく発生させることができ、回転電機１０の巻線構造を簡略化できる。なお、本構成例及び以下の構成例のように、ｄ軸磁路にロータ巻線１８ｎ，１８ｓを配置する場合には、ｄ軸、ｑ軸電流指令値の設定によるベクトル制御により回転電機を制御する場合に、ｄ軸電流指令値に予め設定した所定周波数でパルス電流を発生させるように制御することで、図６〜９に実験結果を示した実施形態と同様に、極低速または回転停止時のトルク向上を図ることが可能となる。
【０１０９】
また、図２５は、別の構成例において、図２４に対応する略図である。本構成例では、複数のロータ巻線１８ｎ，１８ｓのうち、ロータ１４の周方向において１つおきに配置された一部のロータ巻線１８ｎ同士を電気的に直列接続し、周方向において１つおきに配置された残りのロータ巻線１８ｓ同士を電気的に直列接続している。すなわち、同じ方向に磁化される磁石として機能する磁極部６０に巻装されたロータ巻線１８ｎ（または１８ｓ）同士を電気的に直列接続している。また、ロータ１４の周方向に隣り合う磁極部６０に巻装されたロータ巻線１８ｎ，１８ｓ同士は、電気的に分断している。そして、互いに電気的に接続したロータ巻線１８ｎ（または１８ｓ）を含む回路により、互いに電気的に分断された２組のロータ巻線回路６２ａ、６２ｂを構成している。すなわち、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓは、互いに同じ磁気特性を有する磁極部６０に巻装されるもの同士で、電気的に接続している。
【０１１０】
また、２組のロータ巻線回路６２ａ、６２ｂにそれぞれ整流素子であり、互いに異なる極性を有するダイオード２１ｎ、２１ｓを、１つおきのロータ巻線１８ｎ，１８ｓに対して直列に接続し、それぞれのロータ巻線回路６２ａ、６２ｂに流れる電流の向きを一方向に整流している。また、２組のロータ巻線回路６２ａ、６２ｂのうち、一方のロータ巻線回路６２ａを流れる電流と、他方のロータ巻線回路６２ｂを流れる電流とを互いに逆方向にしている。その他の構成及び作用については、上記の図２３，２４に示す構成例と同様である。
【０１１１】
図２６は、別の構成例において、図２４に対応する略図である。本構成例の回転電機を構成するロータ１４は、上記の図２５に示した構成例で、ロータ１４に設けていた永久磁石５４（図２５参照）を省略している。また、ロータコア１６は、外周面の周方向複数個所に径方向に突出する突極６４を設けた構成とし、各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓを、ロータ１４の周方向に隣り合う突極６４の間に配置している。すなわち、各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓは、内部が空間部となる空芯状態で配置される。また、ロータ１４の周方向に関してロータ巻線１８ｎ，１８ｓの間部分が、ステータ１２（図２３参照）側に突出し、ロータコア１６は磁気的突極特性を有する。
【０１１２】
このようなロータ１４の場合、ロータ１４の周方向に関して突極６４と一致する磁路が、インダクタンスが高いｑ軸磁路となり、ロータ１４の周方向に関して突極６４と外れた位置が、インダクタンスが低いｄ軸磁路となる。そして、各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓは、ｄ軸磁路に配置されている。
【０１１３】
このような本構成例では、上記の図２３〜２５の構成例と異なり、ロータ１４に永久磁石５４（図２５参照）が配置されていないが、ロータ１４の回転方向にかかわらず回転電機のトルクを大きくできる。すなわち、ロータ１４の周方向複数個所に位置するインダクタンスが低いｄ軸磁路にロータ巻線１８ｎ，１８ｓを配置するので、ロータ１４の回転方向にかかわらず、電流位相−トルク特性が同じになり、しかもトルクの最大値が高くなり、トルクを有効に高くすることができる。例えば、力行トルクを大きくする場合に、ロータ１４の正転時と逆転時との両方で力行トルクを大きくすることができる。また、回生トルクを大きくする場合に、ロータ１４の正転時と逆転時との両方で回生トルクを大きくすることができる。したがって、ロータ１４の回転の正転逆転両方で高いトルクを得られる回転電機の実現が可能になる。その他の構成及び作用については、上記の図２３〜２４の構成例または図２５の構成例と同様である。
【０１１４】
図２７は、別の構成例において、図２４に対応する略図である。本構成例の回転電機を構成するロータ１４も、上記の図２６に示した構成例の場合と同様に、ロータ１４に永久磁石５４（図２５等参照）を設けていない。本構成例では、ロータ１４を構成するロータコア１６の内部に空隙部である、スリット４８を形成することにより、ロータ１４の磁気抵抗を回転方向に関して変化させている。すなわち、ロータコア１６の周方向複数個所に、断面略Ｕ字形で軸方向に伸び、径方向外側に開口する複数のスリット４８を、ロータ１４の径方向に間隔をあけて配置している。そして、ロータコア１６の周方向複数個所で、複数のスリット４８の周方向中央位置と一致する位置の磁路をインダクタンスが低いｄ軸磁路とし、周方向に隣り合うスリット４８の間の磁路をインダクタンスが高いｑ軸磁路としている。そして、ロータ１４の周方向に関してｄ軸磁路とｑ軸磁路とを交互に配置している。
【０１１５】
また、ロータ１４の周方向複数個所の各ｄ軸磁路に対応する磁極部６６に、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓを配置し、巻装している。また、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓを、隣り合うロータ巻線１８ｎ，１８ｓ同士で異なる極性を有するダイオード２１ｎ、２１ｓで短絡している。ダイオード２１ｎで短絡したロータ巻線１８ｎと、ダイオード２１ｓで短絡したロータ巻線１８ｓとを、ロータ１４の周方向に関して交互に配置し、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに流れる電流により生成される複数の磁極部６６の磁気特性を、ロータ１４の周方向に関して交互に異ならせている。
【０１１６】
このような本構成例の場合には、ステータ１２（図２３参照）からの回転磁界がロータ巻線１８ｎ，１８ｓに鎖交することで、各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓに各ダイオード２１ｎ，２１ｓで整流された直流電流が流れて、各ｄ軸磁路に位置する周方向複数個所の磁極部６６が磁化し、各磁極部６６が磁極の固定された磁石として機能する。また、ロータ１４の周方向に関する各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓの幅を、ロータ１４の電気角で１８０°に相当する幅よりも短く設定し、ロータ巻線１８ｎ，１８ｓを各磁極部６０に短節巻きで巻装している。また、好ましくは、周方向に関する各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓの幅はロータ１４の電気角で９０°に相当する幅と等しく（またはほぼ等しく）する。
【０１１７】
このような本構成例の場合も、ロータ１４に永久磁石が配置されていないが、ロータ１４の回転方向にかかわらず回転電機のトルクを大きくできる。すなわち、ロータ１４の周方向複数個所に位置するインダクタンスが低いｄ軸磁路にロータ巻線１８ｎ，１８ｓを配置するので、ロータ１４の回転方向にかかわらず、電流位相−トルク特性が同じになり、しかもトルクの最大値が高くなり、トルクを有効に高くすることができる。したがって、ロータ１４の回転の正転逆転両方で高いトルクを得られる回転電機の実現が可能になる。その他の構成及び作用については、上記の図２３〜２４の構成例と同様である。
【０１１８】
図２８は、別の構成例において、図２４に対応する略図である。本構成例の回転電機を構成するロータ１４では、上記の図２３〜２４に示した構成例を構成するロータ１４において、ロータコア１６に磁気的突極特性を持たせず、ロータコア１６の外周面の周方向複数個所に永久磁石５４を固定している。また、各永久磁石５４の周囲にロータ巻線１８ｎ，１８ｓを巻装している。本構成例では、ロータ１４の周方向複数個所の、各永久磁石５４と周方向に一致する部分を磁極部としている。また、各ロータ巻線１８ｎ，１８ｓを、隣り合うロータ巻線１８ｎ，１８ｓ同士で異なる極性を有するダイオード２１ｎ、２１ｓで短絡している。その他の構成及び作用については、上記の図２３〜２４の構成例と同様である。
【０１１９】
以上の実施形態及び構成例の説明では、ステータ１２とロータ１４とが回転軸２２と直交する径方向において対向配置されているラジアル型の回転電機の場合を説明した。ただし、上記の実施形態を構成する回転電機は、ステータ１２とロータ１４とが回転軸２２と平行方向（回転軸方向）において対向配置されたアキシャル型の回転電機であってもよい。
【０１２０】
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。
【符号の説明】
【０１２１】
１０  回転電機、１２  ステータ、１４  ロータ、１６  ロータコア、１８，１８ｎ，１８ｓ  ロータ巻線、１９  突極、２１，２１ｎ，２１ｓ  ダイオード、２２  回転軸、２６  ステータコア、２８ｕ，２８ｖ，２８ｗ  ステータ巻線、３０  ティース、３１  スロット、３４  回転電機駆動システム、３６  インバータ、３８  制御装置、４０  蓄電装置、４２  切り換え部、４４  駆動信号出力手段、４６  位置センサ、４８  スリット、５０  ｄ軸磁路部分、５２  ｑ軸磁路部分、５４  永久磁石、５６  磁極部、５８  環状コア部、６０  磁極部、６２ａ，６２ｂ  ロータ巻線回路、６４  突極、６６  磁極部、６８  トルク回転数取得手段、７０  相間電圧取得手段、７２  正弦波トルク算出手段、７４  パルス重畳条件判定手段、７６  マップ記憶手段、７８  第２パルス重畳条件判定手段、８０，８０ａ  電流指令生成部、８２  電流指令合成部、８４  電圧指令駆動信号生成部、８６  電圧指令生成部、８８  パルス電圧指令付加部、９０  駆動信号生成部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２Ａ】
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【図３２Ｂ】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６Ａ】
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【図３６Ｂ】
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