(57)【要約】      （修正有）【課題】最低限の情報をメモリ内に格納しておくだけで、ロータ側で発生する磁力を把握して駆動を制御することのできる回転電機の駆動制御装置を提供すること。【解決手段】誘導コイル２７に空間高調波磁束が鎖交して発生した誘導電流を、界磁コイル２８に通電させる界磁電流ｉｒｄは、ロータのｄｑ軸インダクタンスＬｒｄ、Ｌｒｑと、電機子コイル１４の巻数Ｎｓと、界磁コイルの巻数Ｎｒｄと、誘導コイルの巻数Ｎｒｑと、界磁コイルの抵抗値Ｒｒｄと、誘導コイルの抵抗値Ｒｒｑと、ステータにおけるｄｑ軸電流値ｉｓｄ、ｉｓｑと、電機子コイルに対するロータのｄｑ軸コイルの結合係数Ｋｄ、Ｋｑと、ロータの角速度ωと、時間ｔとを用いる次式により算出され、ロータ側で発生する電磁力を取得し、電機子コイルへの通電を調整して駆動を制御する。2017192187.tif 000020【選択図】図１
2017192187.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電機子コイルが設置されているステータと、前記電機子コイルで発生した磁束が鎖交されて回転するロータと、を備える回転電機の駆動制御装置であって、
前記ロータは、通電されることにより電磁力を発生する界磁コイルを有する複数の突極と、前記突極の間に形成されるスロット内に設置されて前記磁束に重畳する空間高調波成分が鎖交することにより前記界磁コイルに通電させる誘導電流を発生する誘導コイルを有する複数の補極と、を備えており、
前記ロータのｄ軸インダクタンスＬｒｄを、
直流成分Ｌｒｄ０と交流成分Ｌｒｄａとを用いる次式（１）により算出し、
【数１】
2017192187.tif 000013
前記ロータのｑ軸インダクタンスＬｒｑを、
直流成分Ｌｒｑ０と交流成分Ｌｒｑａとを用いる次式（２）により算出し、
【数２】
2017192187.tif 000014
前記誘導コイルで発生して前記界磁コイルに通電される誘導電流ｉｒｄを、
算出した前記ロータのｄ軸インダクタンスＬｒｄおよび前記ロータのｑ軸インダクタンスＬｒｑに加えて、前記電機子コイルの巻数Ｎｓと、前記界磁コイルの巻数Ｎｒｄと、前記誘導コイルの巻数Ｎｒｑと、前記界磁コイルの抵抗値Ｒｒｄと、前記誘導コイルの抵抗値Ｒｒｑと、前記ステータにおけるｄ軸電流値ｉｓｄと、前記ステータにおけるｑ軸電流値ｉｓｑと、前記ロータのｄ軸における前記電機子コイルと前記界磁コイルの結合係数Ｋｄと、前記ロータのｑ軸における前記電機子コイルと前記誘導コイルの結合係数Ｋｑと、前記ロータの角速度ωと、時間ｔとを用いる次式（３）により算出して、
【数３】
2017192187.tif 000015
前記ロータ側で発生する電磁力を取得することにより、前記電機子コイルへの通電を調整して駆動を制御する制御部を備える、回転電機の駆動制御装置。
【請求項２】
前記制御部は、
前記ロータの前記界磁コイルで発生する銅損Ｗｃを、
前記界磁コイルの抵抗値Ｒｒｄと、前記界磁コイルに通電される誘導電流ｉｒｄとを用いる次式（４）により算出し、
【数４】
2017192187.tif 000016
前記界磁コイルにおける発熱エネルギＪｃを、
前記銅損Ｗｃと、駆動時間ｓとを用いる次式（５）により算出し、
【数５】
2017192187.tif 000017
前記界磁コイルにおける温度上昇Δｔｃを、
前記発熱エネルギＪｃと、前記ロータの熱容量Ｈｃと、前記界磁コイルの重量Ｍｃとを用いる次式（６）により算出し、
【数６】
2017192187.tif 000018
前記界磁コイルの温度Ｔｃを、
当該界磁コイルの初期温度Ｔｂと、前記温度上昇Δｔｃとを用いる次式（７）により算出し、
【数７】
2017192187.tif 000019
前記界磁コイルの前記温度Ｔｃに応じた駆動効率を考慮して、前記電機子コイルへの通電を調整する、請求項１に記載の回転電機の駆動制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自己励磁による電磁石を備えて回転駆動する回転電機の駆動制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転電機は、各種駆動装置に駆動源として搭載されている。回転電機としては、界磁コイルと誘導コイルとをロータ側に設置する自励式の巻線界磁同期モータが提案されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−５４０６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、この特許文献１に記載のような回転電機の駆動を制御する装置にあっては、ステータ側の電機子コイルに供給する駆動電力に対してロータ側で発生する磁力を把握するために、事前に駆動条件に応じた多種多様の適合マップ等を準備してメモリ内に格納しておくことが行われている。このメモリ内に格納した適合マップを利用するにしても、回転電機を最適な条件で高効率に駆動させることは難しい。また、その適合マップを利用して回転電機の駆動を制御するには、大容量のメモリが必要であり、また、その駆動制御処理を実行するコントローラも高い処理能力が必要となる。このため、駆動制御装置が高価になってしまう。
【０００５】
そこで、本発明は、安価な構成で、ロータ側で発生する磁力を把握して駆動を制御することのできる回転電機の駆動制御装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決する回転電機の駆動制御装置の発明の一態様は、電機子コイルが設置されているステータと、前記電機子コイルで発生した磁束が鎖交されて回転するロータと、を備える回転電機の駆動制御装置であって、前記ロータは、通電されることにより電磁力を発生する界磁コイルを有する複数の突極と、前記突極の間に形成されるスロット内に設置されて前記磁束に重畳する空間高調波成分が鎖交することにより前記界磁コイルに通電させる誘導電流を発生する誘導コイルを有する複数の補極と、を備えており、前記ロータのｄ軸インダクタンスＬｒｄを、直流成分Ｌｒｄ０と交流成分Ｌｒｄａとを用いる次式（１）により算出し、
【数１】
2017192187.tif 000003
前記ロータのｑ軸インダクタンスＬｒｑを、直流成分Ｌｒｑ０と交流成分Ｌｒｑａとを用いる次式（２）により算出し、
【数２】
2017192187.tif 000004
前記誘導コイルで発生して前記界磁コイルに通電される誘導電流ｉｒｄを、算出した前記ロータのｄ軸インダクタンスＬｒｄおよび前記ロータのｑ軸インダクタンスＬｒｑに加えて、前記電機子コイルの巻数Ｎｓと、前記界磁コイルの巻数Ｎｒｄと、前記誘導コイルの巻数Ｎｒｑと、前記界磁コイルの抵抗値Ｒｒｄと、前記誘導コイルの抵抗値Ｒｒｑと、前記ステータにおけるｄ軸電流値ｉｓｄと、前記ステータにおけるｑ軸電流値ｉｓｑと、前記ロータのｄ軸における前記電機子コイルと前記界磁コイルの結合係数Ｋｄと、前記ロータのｑ軸における前記電機子コイルと前記誘導コイルの結合係数Ｋｑと、前記ロータの角速度ωと、時間ｔとを用いる次式（３）により算出して、
【数３】
2017192187.tif 000005
前記ロータ側で発生する電磁力を取得することにより、前記電機子コイルへの通電を調整して駆動を制御する制御部を備えている。
【発明の効果】
【０００７】
このように本発明の一態様によれば、安価な構成で、ロータ側で発生する磁力を把握して駆動を制御することのできる回転電機の駆動制御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る駆動制御装置で駆動させる回転電機の一例を示す図であり、その概略全体構成を示す円形のうちの半円部分の径方向断面図である。
【図２】図２は、回転電機のロータ側の突極および補極に設置する誘導コイルと界磁コイルの一部をダイオードで結線した状態を説明する概念レイアウト図である。
【図３】図３は、誘導コイルと界磁コイルとをダイオードを介して接続する簡易な回路構成図である。
【図４】図４は、空間高調波の重畳する磁束特性を示す磁束線図である。
【図５】図５は、誘導コイルを巻き付ける補極部材のロータティースへの取付状態を示す一部断面拡大図である。
【図６】図６は、誘導コイルを巻き付けた補極部材のロータへの取付状態を界磁コイルと共に示す一部断面拡大斜視図である。
【図７】図７は、ロータの回転シャフトへの取付状態を示す一部断面斜視図である。
【図８】図８は、回転電機の駆動系統を制御する駆動制御装置を説明する関係ブロック図である。
【図９】図９は、回転電機のロータのｄｑ軸に鎖交する磁束波形の数学モデルと有限要素法による解析結果とを示すグラフである。
【図１０】図１０は、回転電機のロータのｄｑ軸に設置したコイルで発生する電流波形の数学モデルと有限要素法による解析結果とを示すグラフである。
【図１１】図１１は、回転電機のロータのｄｑ軸における磁束波形の有限要素法による解析結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。図１〜図１１は本発明の一実施形態に係る回転電機の駆動制御装置を示す図である。
【００１０】
（回転電機の構成）
図１において、回転電機１００は、外部からロータ２１にエネルギー入力する必要のない構造を有して、例えば、ハイブリッド車（Hybrid Electric Vehicle）や電気自動車（Electric Vehicle）に搭載される。
【００１１】
回転電機１００は、概略円筒形状に形成されたステータ（固定子）１１と、図７に示すシャフト１０１に固定されてステータ１１内に収納されるロータ（回転子）２１と、を備えている。シャフト１０１は、ベアリング１０２を介してモータケースに回転自在に支持されている。シャフト１０１は、ステータ１１内で相対回転するロータ２１と軸心を一致させつつ一体回転するようになっている。
【００１２】
ステータ１１には、ロータ２１のロータティース２２の外周面２２ａにエアギャップＧを介して内周面１２ａ側を近接対面させるように、径方向に延長されて突極形状に形成されている複数本のステータティース１２が周方向に均等配置されている。
【００１３】
周方向に隣り合うステータティース（突極部）１２には、スロット１３が形成されている。スロット１３は、周方向に隣り合うステータティース１２の側面２２ｂ間に形成される空間である。ステータティース１２には、スロット１３を利用して、相毎の３相巻線がそれぞれ個々に集中巻きされることにより電機子コイル１４が形成されている。
【００１４】
ステータティース１２は、電機子コイル１４に駆動電流が入力されることにより、内部に対面収納されているロータ２１を回転させる磁束を発生する電磁石として機能する。径方向とは、シャフト１０１が延伸する方向と直交する方向である。周方向とは、ロータ２１の回転軸であるシャフト１０１を中心とする円周方向をいう。以下においては、シャフト１０１が延伸する方向を軸方向という。
【００１５】
ロータ２１には、ステータティース１２と同様に径方向に延長されて突極形状に形成されている複数本のロータティース２２が周方向に均等配置されている。ロータティース２２は、ステータティース１２と全周方向の本数を異ならせて、相対回転時に外周面２２ａがステータティース１２の内周面１２ａに適宜近接対面するように形成されている。
【００１６】
これにより、回転電機１００は、ステータ１１のスロット１３内の電機子コイル１４が通電されることにより磁束が発生し、その磁束をステータティース１２の内周面１２ａから対面するロータティース２２の外周面２２ａに鎖交させることができる。この回転電機１００では、ステータティース１２とロータ２１との間で鎖交する磁束が通過する磁路を最短にしようとするリラクタンストルク（主回転力）によりロータ２１を相対回転させる。この結果、回転電機１００は、電機子コイル１４に通電入力される電気的エネルギーを機械的エネルギーとしてシャフト１０１から出力することができる。すなわち、回転電機１００は、リラクタンスモータとして構築されている。
【００１７】
このとき、回転電機１００では、ステータティース１２の内周面１２ａからロータティース２２の外周面２２ａに鎖交する磁束には空間高調波成分が重畳している。このため、ロータ２１側でも、ステータ１１側から鎖交する磁束の空間高調波成分の磁束密度の変化を利用して、内蔵するコイルに誘導電流（補助電流）を発生させ電磁力を得ることができる。
【００１８】
詳細には、ステータ１１の電機子コイル１４に基本周波数の駆動電力を供給するだけでは、ロータ２１（ロータティース２２）をその基本周波数で変動する主磁束で回転させるだけである。この場合、ロータ２１側にコイルを単に配置しても鎖交する磁束に変化はなく誘導電流が生じることはない。
【００１９】
その一方で、磁束には空間高調波成分が重畳しており、その空間高調波成分は基本周波数と異なる周期で時間的に変化しつつロータティース２２に外周面２２ａ側から鎖交する。このことから、基本周波数の磁束に重畳する空間高調波成分は、ロータティース２２の外周面２２ａの近傍にコイルを設置することにより、当該コイルに効率よく誘導電流を発生させることができる。この結果、鉄損の原因となる空間高調波磁束を自己励磁するためのエネルギーとして回収することができる。
【００２０】
そこで、本実施形態の回転電機１００では、ロータ２１に複数の誘導コイル２７が設けられている。各誘導コイル２７は、補極コア材２５に集中巻されている。各誘導コイル２７は、全体が、周方向に隣り合うロータティース２２の間に形成されたスロット２３内に収容されている。これら誘導コイル２７は、回転方向に並列配置されている。
【００２１】
また、このロータ２１には、複数の界磁コイル２８（２８ａ、２８ｂ）が設置されている。各界磁コイル２８は、ロータティース２２の全体に亘って巻線が位置するようにロータティース２２に集中巻されている。各界磁コイル２８は、直列接続されている。
【００２２】
誘導コイル２７は、電磁鋼（磁性体）からなる補極部材２５が設置されることにより、透磁率が高められて磁束が高密度に鎖交可能にされている。誘導コイル２７は、ステータティース１２の内周面１２ａに極力小さなエアギャップＧを介して対面する磁路上に位置されていることで、より多くの空間高調波磁束が鎖交されるようになっている。この誘導コイル２７は、ステータティース１２の内周面１２ａからロータティース２２の外周面２２ａ側に鎖交する磁束の３次の空間高調波成分を有効利用するように磁界解析を行って厳密に空間高調波磁路を確認することにより、効率よく誘導電流を発生させることができるように設置されている。なお、誘導コイル２７は、界磁コイル２８との間に必要十分な空隙を確保するようにロータティース２２の間に位置するように配置されている。
【００２３】
このように、集中巻構造を採用することにより、誘導コイル２７や界磁コイル２８では、複数スロットに亘って周方向に巻線をする必要がなく、全体的に小型化することができる。また、誘導コイル２７では、１次側での銅損を低減しつつ、低次である３次の空間高調波磁束の鎖交による誘導電流を効率よく発生させて、回収可能な損失エネルギーを増加させることができる。
【００２４】
なお、誘導コイル２７では、基本波同期回転座標系における３次の空間高調波磁束を利用することにより、基本波同期回転座標系における２次の空間高調波磁束を利用する場合よりも、効果的に誘導電流を発生させることができる。具体的には、誘導電流は２次よりも３次の空間高調波磁束を利用する方が磁束の時間変化を大きくして大電流にすることができ、効率よく回収することができる。
【００２５】
そして、誘導コイル２７は、後述するように、ロータティース２２の外周面２２ａの間で磁気的に独立する形態でスロット２３内に配置されている。また、界磁コイル２８は、ロータティース２２の全長にわたって巻線することにより全体を有効利用して磁束を発生させる。
【００２６】
このように、誘導コイル２７および界磁コイル２８は、磁束経路が干渉し合わないように分割されているので、磁気的干渉を低減することができ、効率よく誘導電流を発生させることができるとともに、効果的に電磁石として機能させて磁束を発生させることができる。
【００２７】
さらに、誘導コイル２７と界磁コイル２８は、図２に結線回路の一部のレイアウトを示すように、ロータ２１の径方向に対して同一方向の周回となる集中巻にされてロータティース２２と補極部材２５とに形成されている。これら誘導コイル２７と界磁コイル２８は、それぞれ並列接続されている。
【００２８】
また、界磁コイル２８は、ロータ２１の径方向に対して隣同士で逆向きの直流電流が流れるように全直列接続されている。この界磁コイル２８は、ダイオード（整流素子）２９Ａ、２９Ｂを介して誘導コイル２７に結線されている。なお、この界磁コイル２８は、ロータ２１の径方向に対して隣同士が逆向きの周回巻線となる集中巻に形成して、ロータ２１の周方向の外周側と軸心側とを交互に接続して全直列接続にしてもよい。
【００２９】
界磁コイル２８は、図３に示すように、全直列接続されている両端部が、並列接続されている誘導コイル２７の両端部にそれぞれダイオード２９Ａ、２９Ｂを介して接続されている。すなわち、界磁コイル２８は、巻線の巻き方向毎のコイル２８Ａ１〜２８Ａｎ（ｎ：極数／２）とコイル２８Ｂ１〜２８Ｂｎが全直列接続されており、その界磁コイル２８Ａ１〜２８Ａｎ、２８Ｂ１〜２８Ｂｎに対応するように直列接続されている誘導コイル２７Ａ１〜２７Ａｎ、２７Ｂ１〜２７Ｂｎの両端部に並列接続されている。
【００３０】
ダイオード２９Ａ、２９Ｂは、誘導コイル２７や界磁コイル２８を多極化させる場合でも、そのうちの界磁コイル２８を全直列させることで使用数を抑えている。このダイオード２９Ａ、２９Ｂは、大量使用を回避するために、一般的なＨブリッジ型の全波整流回路を形成するのではなく、それぞれ１８０度位相差になるように結線して、一方の誘導電流を反転させて半波整流出力する中性点クランプ型の半波整流回路（整流素子）を形成している。
【００３１】
これにより、回転電機１００では、界磁コイル２８との干渉を極力少なく（誘導電流の減少を少なく）した状態で、ステータティース１２の内周面１２ａからロータティース２２の外周面２２ａ側に空間高調波成分の磁束を鎖交させることができる。このため、誘導コイル２７に誘導電流を効率よく発生させて、自己励磁するためのエネルギーとして回収することができる。誘導コイル２７の個々に発生させる誘導電流は、ダイオード２９Ａ、２９Ｂで整流させた後に合流させて、直列接続させている界磁コイル２８の個々に流し有効利用することができ、その界磁コイル２８を効果的に自己励磁させて大きな磁束（電磁力）を発生させることができる。
【００３２】
この結果、回転電機１００は、励磁用と界磁用とで分割して独立させる誘導コイル２７および界磁コイル２８で、互いに干渉して弱め合ってしまうことを回避しつつ、発生する磁束を有効かつ平滑化させて利用することができ、効率よくエネルギーとして回収して出力することができる。すなわち、界磁コイル２８がロータティース２２と共に突極を構成して、誘導コイル２７が補極部材２５と共に補極を構成している。
【００３３】
また、誘導コイル２７および界磁コイル２８は、ロータ２１の周方向に複数配置して多極化しているので、２極モータの場合よりも、ロータティース２２の１歯当たりの鎖交する磁束量を周方向に分散化させることができ、個々のロータティース２２に作用する電磁力（リラクタンストルク）も周方向に分散化させて電磁振動を抑えることができ、静寂化させることができる。
【００３４】
このように、回転電機１００は、ロータ２１側に誘導コイル２７と界磁コイル２８を設置することで、３次空間高調波磁束をステータ１１側のステータティース１２から効果的に鎖交させて効率よくリラクタンストルクを発生させることができる。例えば、図４に示すように、３次空間高調波磁束の磁界解析により求めた磁束線ＦＬを図示すると、界磁コイル２８のロータティース２２の外周面２２ａに誘導コイル２７の補極部材２５の外端面３２ａを加えて、ステータ１１とロータ２１との間で磁束を鎖交させることができる。このため、ロータティース２２の外周面２２ａのみの場合よりも、ロータ２１の外周面側での磁束の鎖交面積を大きくして（鎖交位置を分散化させて）、磁気飽和してしまうことなく（磁気抵抗少なく）鎖交させて効率よくリラクタンストルクを発生させることができる。また、誘導コイル２７は、補極部材２５の外端面３２ａをロータ２１の外周側に位置させていることから、磁束を直交方向から鎖交させることができ、効率よく誘導電流を発生させることができる。
【００３５】
このため、回転電機１００では、界磁コイル２８と周方向に並列させて誘導コイル２７を設置することで、その誘導コイル２７内に磁束を効果的に誘導して誘導電流を発生させ界磁コイル２８に界磁電流として供給することができる。この結果、回転電機１００では、エアギャップＧ間を介して鎖交する３次空間高調波磁束が磁気飽和近くになって抑えられることを少なくして、より多くの磁束を誘導コイル２７に鎖交させて大容量の誘導電流を発生させることができる。
【００３６】
これにより、回転電機１００では、３次空間高調波磁束（磁束ベクトル）をロータティース２２の外周面２２ａ側に高密度に発生させつつ、誘導コイル２７を含めて、ステータティース１２の間の全体で鎖交させることができ、周方向の広範囲にリラクタンストルクを効果的に発生させて電機子コイル１４による駆動力を補助することができる。
【００３７】
ここで、誘導コイル２７は、周囲との間の磁気抵抗が小さいと、ロータティース２２の突極比を低下させてしまうことになり、リラクタンストルクを著しく減少させてしまう。また、ロータティース２２に磁束が大量に流れ込むと、ステータ１１とロータ２１との相対的な位置関係によっては、負（逆回転）方向へのトルクが働いたり、磁気的干渉が生じたりしてトルク低下の要因となってしまうことがある。
【００３８】
このため、誘導コイル２７は、コイルを巻き付ける補極部材２５を後述する簡易な取付構造に形成してロータ２１に組み付けるようになっている。これにより、誘導コイル２７は、できるだけ小さな磁気結合のみに制限して磁気的に独立した状態でスロット２３内に配置することによりロータティース２２に磁気的に結合することによる不都合を回避するようになっている。
【００３９】
このことから、回転電機１００は、誘導コイル２７を界磁コイル２８間に磁気的に独立させつつ並列させることにより、ロータ２１の回転を開始するのに伴って鎖交する３次空間高調波磁束を並列させていない場合よりも増加させることができる。これにより、回転電機１００は、誘導コイル２７に誘導電流を効率よく発生させて損失エネルギーを効果的に回収できる。また、この回転電機１００では、誘導コイル２７を界磁コイル２８間に並列させることで、発生させる誘導電流の波形を安定させることができ、定常トルクを向上させるとともに、トルクリプルを低減させて、トルク特性を高品質にすることができる。
【００４０】
そして、回転電機１００は、３ｆ次の空間高調波磁束（ｆ＝１、２、３・・・）を主に利用する構造として、ロータ２１側の突極（ロータティース２２）の数Ｐ：ステータ１１側のスロット１３の数Ｓが２：３になる構造に作製されている。例えば、３次の空間高調波磁束は、電機子コイル１４に入力する基本周波数よりも周波数が高いために短周期で脈動する。このため、ロータ２１は、ロータティース２２間の誘導コイル２７に鎖交する磁束強度が変化することにより、効率的に誘導電流を発生させることができ、基本周波数の磁束に重畳する空間高調波成分の損失エネルギーを効率よく回収して回転することができる。
【００４１】
また、このように、回転電機１００がロータ２１側とステータ１１側の間での相対的な磁気的作用の品質を決定する構造として、ロータティース突極数Ｐとステータスロット数Ｓの比としてＰ／Ｓ＝２／３を採用するのは、電磁振動を低減して電磁騒音の小さな回転を実現するためである。
【００４２】
詳細には、上記と同様に磁束密度分布の磁界解析をすると、ロータティース突極数Ｐとステータスロット数Ｓの比に応じて、機械角３６０度内の周方向に磁束密度分布も分散化されるため、ステータ１１に働く電磁力分布にも偏在が認められることになる。
【００４３】
これに対して、回転電機１００では、ロータティース突極数Ｐ／ステータスロット数Ｓ＝２／３となる構造を採用することにより、機械角３６０度の全周に亘って均等な密度分布となる磁束を鎖交させることができ、ロータ２１をステータ１１内で高品質に回転させることができる。
【００４４】
これにより、回転電機１００では、空間高調波磁束を利用して、ロータ２１を回転動作させることができる。このため、回転電機１００では、損失エネルギーを効率よく回収して、電磁振動を大幅に低減し静寂性高くロータ２１を回転させることができる。
【００４５】
このように、回転電機１００は、ステータ１１の電機子コイル１４以外に電力供給することなく、ロータ２１側に配置する誘導コイル２７に誘導電流を効率よく発生させて界磁コイル２８に界磁電流として供給することができ、その界磁コイル２８を自己励磁電磁石として機能させることができる。このため、回転電機１００は、電機子コイル１４への電力供給による主回転力を補助する補助回転力（電磁力）を得て高効率回転させることができる。
【００４６】
図１に戻って説明すると、この回転電機１００の補極部材２５は、ロータ２１におけるロータティース２２で対面する両側面２２ｂに脚部（支持部）３５が支持されるようになっている。この補極部材２５は、誘導コイル２７を巻き付けた本体部３１をその脚部３５で連結支持してロータティース２２の側面２２ｂ間のスロット２３内に位置決め保持するようになっている。
【００４７】
補極部材２５の本体部３１は、回転軸と平行に延長されつつ、ロータ２１のロータティース２２の両側面２２ｂに対面して誘導コイル２７を巻き付け可能な板状になるように回転軸と平行に電磁鋼板を積層することにより形成されている。この本体部３１は、ロータティース２２間のスロット２３内で、回転軸側からロータ２１の径方向外方に延伸される形状に形成されている。本体部３１には、誘導コイル２７が巻き付けられている。この本体部３１は、その径方向外端部３２の外端面３２ａがステータ１１のステータティース１２の内周面１２ａに対面するようにロータ２１に組み付けられている。なお、径方向外端部３２は、ロータ２１の外周面側が軸心側よりも厚くなるように形成されている。これにより、本体部３１は、巻き付けた誘導コイル２７が回転時の遠心力でずれてしまうことが抑制される。ここで、径方向外方とは、径方向においてシャフト１０１に遠い側を示す。
【００４８】
補極部材２５の脚部３５は、回転軸と平行に延長され、軸方向に電磁鋼板を積層することにより形成されている。この補極部材２５の脚部３５は、本体部３１のロータ２１の径方向内方端部３１ｉからロータティース２２の両側面２２ｂに向かって延伸されている。また、この脚部３５は、先端部（延伸端部）３６が、ロータティース２２の両側面２２ｂに形成されている支持溝３９内に嵌め込まれることによりロータティース２２に組み付けられる。これにより、本体部３１は、脚部３５を介してロータティース２２に支持されるようになっている。ここで、径方向内方とは、径方向においてシャフト１０１に近い側を示す。
【００４９】
この補極部材２５の脚部３５は、本体部３１を支持する十分な強度を確保し、径方向の幅をできるだけ狭く形成した電磁鋼板を積層して形成されている。脚部３５は、例えば、積層する電磁鋼板の２枚分の厚さ以下の幅で軸方向に延長される形状に形成されている。すなわち、この脚部３５は、本体部３１とロータティース２２との間を通過する磁束量をできるだけ制限するように断面積の小さな板状に形成されている。これにより、補極部材２５は、ロータティース２２と磁気的に独立し、ロータティース２２と別個の磁極（補極）として機能する。
【００５０】
また、図５に示すように、ロータティース２２の支持溝３９は、側面２２ｂの開口部３９ａよりも深部３９ｂ側ほど開口幅が大きくなるように形成されている。そして、補極部材２５の脚部３５の先端部３６は、その支持溝３９と略同一形状に形成されている。この補極部材２５は、脚部３５の先端部３６がロータティース２２の支持溝３９内に回転軸方向の端面側から嵌め込んでスライドされることによりロータティース２２に組み付けられる。
【００５１】
これにより、ロータ２１は、補極部材２５の脚部３５を通過する磁束量が制限され、磁束線ＦＬが直ちに密になるため、図４中の黒塗りの領域Ｓとして図示するように、簡単に磁気飽和する。このような構造から、補極部材２５とロータティース２２との磁気結合を抑制することができ、補極部材２５をロータティース２２から磁気的に十分に独立した状態で支持することができる。このため、ロータティース２２と補極部材２５のそれぞれに鎖交する磁束が干渉しあって誘導電流や電磁力の発生効率を低下させてしまうことを回避することができ、ロータ２１を大トルクで高効率回転させることができる。
【００５２】
また、この構造により、ロータ２１は、補極部材２５をロータティース２２に支持させる前に、そのロータティース２２の軸心側内方側またはロータティース２２の全体に、界磁コイル２８の一部または全部を巻き付けることができ、この後に、補極部材２５の脚部３５をロータティース２２の支持溝３９に嵌め込んで支持させることができる。
【００５３】
このとき、誘導コイル２７は、ロータティース２２に補極部材２５の脚部３５を支持させる前に、あるいは、支持させた後に、本体部３１に巻き付ければよい。また、界磁コイル２８は、補極部材２５の脚部３５よりも径方向内方の第１コイル２８ａと、補極部材２５の脚部３５よりも径方向外方の第２コイル２８ｂとに分割した状態でロータティース２２に巻き付けられている。この第１、第２コイル２８ａ、２８ｂは直列接続されて界磁コイル２８を構成している。
【００５４】
このように補極部材２５を脚部３５によってロータティース２２に支持させることで、ロータ２１は、誘導コイル２７を補極部材２５の本体部３１に巻き付けてロータ２１の外周面側に位置させることができる。また、補極部材２５の脚部３５をロータティース２２の支持溝３９に嵌め込んで支持させるため、その補極部材２５の脚部３５に妨げられることなく、界磁コイル２８の第１、第２コイル２８ａ、２８ｂをロータティース２２の全体に巻き付けることができる。このような構成により、スロット２３内の空間を有効利用して、効率よく誘導コイル２７で誘導電流を発生させ、また、その誘導電流を界磁コイル２８に供給して効果的に電磁力を発生させることができる。
【００５５】
なお、界磁コイル２８の第１、第２コイル２８ａ、２８ｂは、例えば、ロータティース２２の全体（径方向内方と径方向外方の両側）に一工程で巻き付ける際には、補極部材２５の脚部３５がスロット２３内をスライドする空間を残した状態で巻き付ければよい。
【００５６】
ここで、この誘導コイル２７を巻き付ける補極部材２５の本体部３１は、例えば、脚部３５に代えて後述するコイルエンドカバー５０にネジ止めしてロータ２１に支持させる形態を採用する場合には、ネジ止めするボルト頭部やナットによって渦電流を発生させてしまう。また、ネジ止めでは、誘導コイル２７のコイル長がロータ２１の両端部側で拡大することにより長くなって導体抵抗が大きくなって、損失を発生させてしまう。しかしながら、本実施形態の補極部材２５の本体部３１は、脚部３５によりロータティース２２に直接支持させるので、渦電流が発生することを回避することができる。また、本実施形態の補極部材２５の本体部３１は、誘導コイル２７のコイル長が無駄に長くなって導体抵抗が大きくなってしまうこともなく、効率よく誘導電流を発生させて効果的に界磁コイル２８で電磁力を発生させることができる。
【００５７】
また、このロータ２１は、図６にも図示するように、スロット２３を閉塞するようにロータティース２２間にカップ部材４１を取り付けるようになっている。このロータティース２２は、外周面２２ａを軸心側よりも幅広に形成して側面２２ｂの外周面側先端部２２ｃが滑らかに連続する湾曲面になるように形成されている。また、このロータティース２２は、外周面側先端部２２ｃの湾曲面から側面２２ｂの平面に切り替わる位置に取付溝２４が回転軸と平行に延長されている形態で形成されている。
【００５８】
これに対して、カップ部材４１は、補極部材２５の外端面３２ａから両側のロータティース２２の側面２２ｂに向かって支持されるように延長されて外面側が外周面側先端部２２ｃに連続するように形成されている。このカップ部材４１の端辺部４２はロータティース２２の側面２２ｂに向かう方向に屈曲して取付溝２４に嵌まり込んで取り付け状態を維持するようになっている。これにより、カップ部材４１は、巻き付けた誘導コイル２７や界磁コイル２８が遠心力で外れてステータ１１側に干渉してしまうことを回避するようになっている。
【００５９】
さらに、ロータ２１は、補極部材２５の外端面３２ａに、制限溝３３が回転軸と平行に延長されるように形成されている。
【００６０】
これに対して、カップ部材４１は、補極部材２５の外端面３２ａに対面する箇所において、ロータティース２２に向かって延長されている箇所よりも厚く形成された厚板部（ロータ外周面側外端面の対面部材）４５を有する。この厚板部４５は、補極部材２５が遠心力で径方向外方に移動しようとするのを押さえるように機能する。また、厚板部４５は、補極部材２５の外端部３２側に対面するように突出する形状に形成されている。厚板部４５は、外端面３２ａの制限溝３３内に嵌まり込む制限リブ（突当部）４６が形成されている。この厚板部４５は、制限リブ４６が補極部材２５の外端部３２の制限溝３３に嵌まり込んでその補極部材２５が回転方向に移動しようとするのを制限するため、補極部材２５の全体が回転方向に揺れて誘導コイル２７や界磁コイル２８を損傷させてしまうことを抑制することができる。
【００６１】
このカップ部材４１は、軸方向外側に露出する誘導コイル２７や界磁コイル２８（これらコイルの図示は省略）を覆うように取り付ける図７に示すコイルエンドカバー５０と一体に形成されている。そして、カップ部材４１は、そのコイルエンドカバー５０をロータ２１に取り付ける際に、ロータティース２２の外周面側先端部２２ｃ内側に位置するように差し込んで端辺部４２をロータティース２２の側面２２ｂの取付溝２４内に嵌め込ませつつスライドさせて取り付けるようになっている。
【００６２】
この構造により、ステータティース１２の内周面１２ａから補極部材２５の外端面３２ａまでの最短離隔距離が、ステータティース１２の内周面１２ａからロータティース２２の外周面２２ａまでの最短離隔距離よりもカップ部材４１の厚板部４５の厚さ分だけ大きくなる（エアギャップＧの隙間が大きくなる）。このため、ロータ２１は、補極部材２５をスロット２３内に位置させることによって、ロータティース２２の突極比が低下してしまうことを回避することができる。
【００６３】
ところで、補極部材２５は、本体部３１の径方向内方端部３１ｉにおいて一対の脚部３５間を大きく開いたＹ字形状に形成されている。この脚部３５は、本体部３１よりも薄板に形成されているので弾性力を有するとともに、その本体部３１の径方向内方端部３１ｉ側の屈曲部３５ａでも弾性力を発揮して、ロータ２１の回転時における振動等で損傷してしまうことを効果的に回避することができる。
【００６４】
また、ダイオード２９Ａ、２９Ｂは、コイルエンドカバー５０側に設けられている不図示の結線基板に設置されて誘導コイル２７や界磁コイル２８に結線接続されるようになっている。このダイオード２９Ａ、２９Ｂは、絶縁シートを介してアルミニウム製の放熱板に設置されることにより熱的損傷を少なく交流電流を直流電流に整流することができるようになっている。
【００６５】
ここで、回転電機１００は、図８に示すように、車載されているコントローラ（駆動制御装置）３００により駆動を制御されるようになっている。また、回転電機１００は、直流バッテリ３０１に接続されている。直流バッテリ３０１はインバータ３０２を介して電機子コイル１４に電力供給するように接続されている。電機子コイル１４は、Ｕ相用電機子コイル１４ｕと、Ｖ相用電機子コイル１４ｖと、Ｗ相用電機子コイル１４ｗとのそれぞれがインバータ３０２の各相毎に直列接続されている。これにより、回転電機１００の電機子コイル１４は、直流バッテリ３０１に蓄電されている直流電力から直流（ＤＣ）／交流（ＡＣ）変換された交流電力が供給されてそれぞれ交流励磁されるようになっている。
【００６６】
コントローラ３００は、メモリ３１０内に各種制御プログラムや各種パラメータなどが予め格納されている。このコントローラ３００は、車両の走行時に伴う回転電機１００の駆動命令に基づいてメモリ３１０内の制御プログラムを実行してインバータ３０２の駆動を制御することにより、その回転電機１００から所望の走行トルクを出力させるようになっている。
【００６７】
このとき、コントローラ３００は、電機子コイル１４に最適な交流電流をインバータ３０２から供給させる制御プログラムを実行するようになっている。このコントローラ３００は、メモリ３１０内に予め格納されている後述の演算式を用いて演算処理を行うことにより、誘導コイル２７で発生して界磁コイル２８に通電される誘導電流を推定して電機子コイル１４に供給する交流電流を調整する制御処理を実行するようになっている。
【００６８】
具体的に、コントローラ３００は、ロータ２１におけるロータティース２２の中心に位置するｄ軸のインダクタンスＬｒｄを、直流成分Ｌｒｄ０と交流成分Ｌｒｄａとを用いる次式（１）により算出する。
【数４】
2017192187.tif 000006
【００６９】
また、コントローラ３００は、ロータ２１における補極部材２５に位置するｑ軸のインダクタンスＬｒｑを、直流成分Ｌｒｑ０と交流成分Ｌｒｑａとを用いる次式（２）により算出する。
【数５】
2017192187.tif 000007
【００７０】
ここで、ロータ２１のｄ軸とｑ軸に鎖交する磁束は、有限要素法（ＦＥＭ：Finite Element Method）で求めることにより、図９に示す磁束波形として表すことができ、この磁束波形からロータ２１のｄ軸インダクタンスＬｒｄとｑ軸インダクタンスＬｒｑとを、図９中に数学モデルとして図示する上記の数式（１）と数式（２）とで表すことができる。詳細には、ｄｑ軸磁束は、ｄｑ軸インダクタンスとｄｑ軸電流の積で与えられる。このため、ｄ軸インダクタンスＬｒｄとｑ軸インダクタンスＬｒｑは、ある駆動点の情報（相電流値、電流位相角）をｄｑ軸電流に換算し、ｄｑ軸側に対して除算することで求めることができる。
【００７１】
そして、コントローラ３００は、ｄ軸インダクタンスＬｒｄとｑ軸インダクタンスＬｒｑをメモリ３１０内に予め格納して、後述する演算処理に利用するようになっている。
【００７２】
このコントローラ３００は、誘導コイル２７で発生して界磁コイル２８に通電される誘導電流ｉｒｄを、ロータ２１のｄ軸インダクタンスＬｒｄおよびロータ２１のｑ軸インダクタンスＬｒｑに加えて、電機子コイル１４の巻数Ｎｓと、界磁コイル２８の巻数Ｎｒｄと、誘導コイル２７の巻数Ｎｒｑと、界磁コイル２８の抵抗値Ｒｒｄと、誘導コイル２７の抵抗値Ｒｒｑと、ステータ１１におけるｄ軸電流値ｉｓｄと、ステータ１１におけるｑ軸電流値ｉｓｑと、ロータ２１のｄ軸における電機子コイル１４と界磁コイル２８の結合係数Ｋｄと、ロータ２１のｑ軸における電機子コイル１４と誘導コイル２７の結合係数Ｋｑと、ロータ２１の角速度ωと、時間ｔとを用いる次式（３）により算出する。
【数６】
2017192187.tif 000008
【００７３】
この数式（３）のステータ１１におけるｄ軸電流値ｉｓｄとｑ軸電流値ｉｓｑは、電機子コイル１４に供給する三相の交流電流（電流指令値）をｄｑ軸の二軸に変換（換算）したときの電流値である。ロータ２１の角速度ωは、シャフト１０１などに設置されている不図示の回転センサ、例えば、レゾルバなどの磁極位置センサからセンサ信号を取得して演算して求めることができる。
【００７４】
また、ロータ２１のｄ軸における電機子コイル１４と界磁コイル２８の結合係数Ｋｄは、ｄ軸における漏れ磁束係数であり、ロータ２１のｑ軸における電機子コイル１４と誘導コイル２７の結合係数Ｋｑは、ｑ軸における漏れ磁束係数である。例えば、ｄ軸の漏れ磁束係数は、解放状態にした界磁コイル２８を仮設のスリップリングに接続して、ステータ１１側からｄ軸磁束のみを発生させて入力したときに、その界磁コイル２８で発生する誘起電圧を測定して磁束に換算することにより、その入力と出力との差分から求めることができる。同様に、ｑ軸の漏れ磁束係数は、解放状態にした誘導コイル２７を仮設のスリップリングに接続して、ステータ１１側からｑ軸磁束のみを発生させて入力したときに、その誘導コイル２７で発生する誘起電圧を測定して磁束に換算することにより、その入力と出力との差分から求めることができる。
【００７５】
このロータ２１のｄ軸およびｑ軸における電流ｉｒｄ、ｉｒｑは、図１０に駆動開始時からの電流特性を図示するように、有限要素法と数学モデルとの解析結果の平均電流値において同等となっている。このことから、界磁コイル２８に通電される誘導電流ｉｒｄは、上記の数式（３）を用いて算出し推定できることが分かる。なお、図１０の駆動開始時の過渡状態においては、数学モデルの方が有限要素の電流波形よりも上がりが早い。これは、図９において定常状態におけるロータ２１のｄｑ軸磁束の有限要素法による解析結果から数学モデルのｄｑ軸インダクタンスを求めているためである。
【００７６】
ところで、回転電機１００は、ステータ１１の電機子コイル１４に電力供給されてロータ２１の回転が開始されると、図１１に示すように、ロータ２１が界磁コイル２８のインダクタンスと抵抗値で決まってくる時定数に起因して磁化するまでの過渡領域が存在する。このため、ロータ２１のｄｑ軸磁束は、その過渡領域の過程において、ｄｑ軸インダクタンスが徐々に増加していくことに伴って変化する。
【００７７】
このことから、コントローラ３００は、算出した界磁コイル２８に流れる誘導電流ｉｒｄに基づいて、その界磁コイル２８で発生する電磁力を導出し、導出した電磁力と電機子コイル１４への通電により発生する電磁力とを合力させることにより、ロータ２１側で発生する電磁力（走行トルク）を取得することができる。
【００７８】
このコントローラ３００は、このようにロータ２１で発生する走行トルクに基づいて、電機子コイル１４への通電を調整して回転電機１００の駆動を制御するようになっている。すなわち、コントローラ３００が制御部を構成している。
【００７９】
このとき、コントローラ３００は、ロータ２１の回転開始時の短時間の過渡領域が経過した後の定常状態において、精度よく界磁コイル２８に流れる誘導電流ｉｒｄを算出（導出）することができるように熱的影響も考慮するようになっている。
【００８０】
このコントローラ３００は、界磁コイル２８における銅損を数学的に導出して、その発熱量と、その界磁コイル２８の巻線材料やロータティース２２の電磁鋼板の熱物性値とからロータ２１の回転時の温度を推定して、過電流や発熱による出力低下を招いていないか内部演算することによって確認するようになっている。コントローラ３００は、ロータ２１の温度上昇に基づいて、界磁コイル２８に流れる誘導電流ｉｒｄを増加させる制御処理を実行することによって、要求トルクと走行トルクとの間のギャップを安全に埋めるようになっている。
【００８１】
具体的に、コントローラ３００は、ロータ２１の界磁コイル２８で発生する銅損Ｗｃを、その界磁コイル２８の抵抗値Ｒｒｄと、その界磁コイル２８に通電される誘導電流ｉｒｄとを用いる次式（４）により算出する。
【数７】
2017192187.tif 000009
【００８２】
次いで、コントローラ３００は、ロータ２１の界磁コイル２８における発熱エネルギＪｃを、算出した銅損Ｗｃと、駆動時間ｓとを用いる次式（５）により算出する。
【数８】
2017192187.tif 000010
【００８３】
次いで、コントローラ３００は、ロータ２１の界磁コイル２８における温度上昇Δｔｃを、算出した発熱エネルギＪｃと、ロータ２１の熱容量Ｈｃと、界磁コイル２８の重量Ｍｃとを用いる次式（６）により算出する。
【数９】
2017192187.tif 000011
【００８４】
次いで、コントローラ３００は、ロータ２１の界磁コイル２８の温度Ｔｃを、その界磁コイル２８の初期温度Ｔｂと、算出した温度上昇Δｔｃとを用いる次式（７）により算出する。
【数１０】
2017192187.tif 000012
【００８５】
次いで、コントローラ３００は、ロータ２１の界磁コイル２８の算出した温度Ｔｃに応じた駆動効率を考慮して、ステータ１１の電機子コイル１４への通電を調整して制御するようになっている。
【００８６】
これにより、コントローラ３００は、ステータ１１の電機子コイル１４に供給する電力を精度よく調整することができ、ロータ２１の界磁コイル２８への通電が過電流になってしまうことを回避して、ダイオード２９Ａ、２９Ｂを損傷させてしまうことなく、効率よく駆動させることのできる温度範囲内で回転電機１００を稼動させることができる。
【００８７】
このように本実施形態のコントローラ３００は、多種多様な適合マップの準備や格納を不要にすることにより、不必要に高い演算処理能力が求められることなく、また、不必要にメモリ３１０を大容量化させる必要なく、回転電機１００を高効率に駆動させることができる。
【００８８】
また、本実施形態の他の態様としては、図示することは省略するが、回転電機１００のように径方向にエアギャップＧを形成するラジアルギャップ構造に限らずに、回転軸方向にギャップを形成するアキシャルギャップ構造に適用することも可能である。この場合にも、ステータ側とロータ側とで対面する軸方向端面に電機子コイルと共に誘導コイルや界磁コイルを配置すればよい。
【００８９】
また、回転電機１００のようなラジアルギャップ構造の場合には、ステータ１１やロータ２１を電磁鋼板の積層構造で形成することに限定されず、例えば、鉄粉などの磁性を有する粒子の表面を絶縁被覆処理した軟磁性複合粉材（Soft Magnetic Composites）をさらに鉄粉圧縮成形および熱処理製造した圧粉磁心、所謂、ＳＭＣコアを採用してもよい。このＳＭＣコアは、成形が容易であることからアキシャルギャップ構造に好適である。
【００９０】
また、回転電機１００は、車載用に限定されるものではなく、例えば、風力発電や、工作機械などの駆動源として好適に採用することができる。
【００９１】
本発明の実施形態を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正及び等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。
【符号の説明】
【００９２】
１１ ステータ
１２ ステータティース
１３、２３ スロット
１４ 電機子コイル
２１ ロータ
２２ ロータティース（突極部）
２５ 補極部材（補極部）
２７、２７Ａ１〜２７Ａｎ、２７Ｂ１〜２７Ｂｎ 誘導コイル
２８、２８Ａ１〜２８Ａｎ、２８Ｂ１〜２８Ｂｎ 界磁コイル
２８ａ 第１コイル
２８ｂ 第２コイル
２９Ａ、２９Ｂ ダイオード
３１ 本体部
３５ 脚部（支持部）
３６ 先端部（延伸端部）
１００ 回転電機
３００ コントローラ
３０１ 直流バッテリ
３０２ インバータ
３１０ メモリ
ＦＬ 磁束線
Ｇ エアギャップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2017192187.tif 000026
【図７】
2017192187.tif 000027
【図８】
2017192187.tif 000028
【図９】
2017192187.tif 000029
【図１０】
2017192187.tif 000030
【図１１】
2017192187.tif 000031