(57)【要約】【課題】回転電機及び回転電機駆動装置において、回転電機のトルクを有効に高くすることである。【解決手段】ロータ４０の周方向複数個所に、永久磁石２６を、周方向に隣り合うもの同士で着磁方向が異なるように配置する。ロータ４０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、ロータ巻線４２ａ，４２ｂを配置する。ロータ巻線４２ａ，４２ｂに一方向ダイオード２２と他方向ダイオード２４とを並列に、それぞれ正転力行用接続スイッチ４６または逆転力行用接続スイッチ４８を介して接続する。ロータ４０の回転方向及び力行回生状態に対応して、正転力行用接続スイッチ４６と逆転力行用接続スイッチ４８との一方が接続され、他方が切断され、ロータ巻線４２ａ、４２ｂが巻装された磁極部１８のうち、ロータ４０の周方向に隣り合う磁極部１８の磁気特性が互いに異なることを可能とする。【選択図】図１
2009142130.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高調波成分を含む周波数の回転磁界を生成する複数相のステータ巻線を有するステータと、ロータとが対向配置された回転電機であって、
ロータは、
ロータの周方向複数個所に配置され、ロータの径方向または軸方向に着磁した永久磁石であって、着磁方向を周方向に隣り合う永久磁石同士で異ならせた永久磁石と、
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、ステータで生成された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、
各ロータ巻線に対して２個並列に接続し、誘導起電力の発生に伴って各ロータ巻線に流れる電流を互いに逆向きに整流する一方向整流素子及び他方向整流素子と、
各ロータ巻線に流れる電流の向きを、切り替え可能とする切り替え手段と、を備え、
各ロータ巻線に流れる電流により生成される複数の磁極部の磁気特性が、ロータの周方向に関して交互に異なることを可能とす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、
ロータ巻線は、ロータの周方向複数個所に短節巻きで巻装されてい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に記載の回転電機において、
ロータ巻線は、ロータの周方向複数個所で、周方向に隣り合う永久磁石の間に巻装されている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に記載の回転電機において、
切り替え手段は、
一方向整流素子及び他方向整流素子に対してそれぞれ直列に配置するように、ロータ巻線毎に２個ずつ設けられ、一方向整流素子及び他方向整流素子のそれぞれとロータ巻線との間の電気的接続を断接可能なスイッチを備えることを特徴とする回転電機。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１に記載の回転電機において、
ロータ巻線は、互いに同じ磁気特性を有する磁極部に巻装されるもの同士で電気的に接続されていることを特徴とする回転電機。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１に記載の回転電機と、
ロータの回転方向及び力行回生状態に対応して、切り替え手段により、各ロータ巻線に流れる電流の向きを切り替える制御部と、を備えることを特徴とする回転電機駆動装置。
【請求項７】
高調波成分を含む周波数の回転磁界を生成する複数相のステータ巻線を有するステータと、ロータとが対向配置された回転電機であって、
ロータは、
ロータの周方向複数個所に巻装され、ステータで生成された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、
各ロータ巻線に整流素子側切り替え手段を介して接続し、誘導起電力の発生に伴って各ロータ巻線に流れる電流を、周方向に隣り合うロータ巻線により生成される磁極部の磁気特性が互いに異なるように整流する整流素子と、
各ロータ巻線に整流素子に対し並列に、短絡路側切り替え手段を介して接続した短絡路と、を備えることを特徴とする回転電機。
【請求項８】
請求項７に記載の回転電機と、
ロータの回転状態に対応して、切り替え手段により、整流素子側切り替え手段と短絡路側切り替え手段との断接を切り替える制御部と、を備えることを特徴とする回転電機駆動装置。
【請求項９】
高調波成分を含む周波数の回転磁界を生成する複数相のステータ巻線を有するステータと、ロータとが対向配置された回転電機であって、
ロータは、
ロータの周方向複数個所に巻装され、ステータで生成された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、
各ロータ巻線に対して２個並列に接続し、誘導起電力の発生に伴って各ロータ巻線に流れる電流を互いに逆向きに整流する一方向整流素子及び他方向整流素子と、
各ロータ巻線に流れる電流の向きを切り替え可能で、かつ、各ロータ巻線に電流が両方向に流れることを可能にする切り替え手段と、を備えることを特徴とする回転電機。
【請求項１０】
請求項９に記載の回転電機と、
ロータの回転状態に対応して、切り替え手段の接続により、各ロータ巻線に電流が両方向に流れることを可能にする制御部と、を備えることを特徴とする回転電機駆動装置。
【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、及び回転電機駆動装置に関する。
【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。また、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】
【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
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
［本発明に先立って発明された先発明］
また、本発明の発明者を含む発明者は、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１２は、先発明に係る回転電機を構成するロータを、回転軸と平行方向に見た概略構成を示す図である。図１３は、先発明において、ロータの径方向外側に対向した状態で配置するステータの概略構成を示す図である。図１２に示すように、ロータ１０は、鋼等の材料により造るロータコア１２と、ロータコア１２の周方向複数個所に配設された複数のロータ巻線１４ｎ，１４ｓとを備える。ロータコア１２は、回転軸１６に固定している。
【０００５】
また、各ロータ巻線１４ｎ，１４ｓは、ロータコア１２の周方向複数個所に設けた径方向に伸びる柱部等の磁極部１８に巻装している。磁極部１８は、突極とすることもできる。複数のロータ巻線１４ｎ，１４ｓのうち、ロータ１０の周方向に関して１つ置きに配置されたロータ巻線１４ｎ（または１４ｓ）同士は、電気的に直列に接続している。また、複数のロータ巻線１４ｎ，１４ｓのうち、ロータ１０の周方向に隣り合うロータ巻線１４ｎ，１４ｓ同士は、電気的に接続せず、互いに電気的に分断した状態としている。そして、互いに電気的に接続した複数のロータ巻線１４ｎ，１４ｓ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２０ａ，２０ｂを構成している。
【０００６】
また、２組のロータ巻線回路２０ａ，２０ｂにそれぞれ整流素子である一方向ダイオード２２及び他方向ダイオード２４を接続し、それぞれのロータ巻線回路２０ａ，２０ｂ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２０ａ，２０ｂ同士で、流れる電流の向きが互いに逆になるように、各ロータ巻線回路２０ａ，２０ｂにダイオード２２，２４を、互いに逆向きに接続している。
【０００７】
ロータ巻線１４ｎ，１４ｓに電流が流れると、ロータ巻線１４ｎ，１４ｓが巻装された磁極部１８が磁化される。ロータ１０の周方向に隣り合うロータ巻線１４ｎ，１４ｓ同士で流れる電流の方向が互いに逆になるため、周方向に隣り合う磁極部１８同士で、磁化方向が互いに逆になる。例えば、ロータ巻線１４ｎに流れる電流により生成される複数の磁極部１８の径方向外側にはＮ極が配置され、ロータ巻線１４ｓに流れる電流により生成される複数の磁極部１８の径方向外側にはＳ極が配置される。図１２において、各磁極部１８の径方向外側に配置する矢印は、磁化方向を表している。
【０００８】
また、ロータ１０の周方向複数個所で、かつ、周方向に関して隣り合うロータ巻線１４ｎ，１４ｓの間に、永久磁石２６を配置している。永久磁石２６は、ロータコア１２の内部に埋設することも、ロータコア１２の外周面に露出させることもできる。また、ロータコア１２の内部に永久磁石２６をＶ字状に配置することもできる。また、ロータ１０の周方向に隣り合う永久磁石２６同士で、磁化方向を互いに異ならせている。例えば、図１２において、径方向外側に向く矢印が配置された永久磁石２６の径方向外側にＮ極が配置されるようにし、径方向内側に向く矢印が配置された永久磁石２６の径方向外側にＳ極が配置されるようにする。このようなロータ１０の場合、ロータ１０の周方向複数個所の各磁極部１８に対応する位置である、インダクタンスＬが相対的に高いｑ軸磁路に、ロータ巻線１４ｎ，１４ｓが配置されている。
【０００９】
一方、ロータ１０の径方向外側に、図１３に示すようなステータ２８を配置している。図１２に示すロータ１０の各磁極部１８は、ステータ２８に径方向に対向させる。ステータ２８は、鋼等により造るステータコア３０と、ステータコア３０に配設された複数相（例えば３相等の奇数相）のステータ巻線３２ｕ，３２ｖ,３２ｗとを含む。ステータコア３０に、径方向内側に突出した複数のティース３４を、互いに間隔を置いて配置しており、各ティース３４間にスロット３６を形成している。各相のステータ巻線３２ｕ，３２ｖ,３２ｗは、スロット３６を通って、ティース３４に短節集中巻きで巻装している。複数相のステータ巻線３２ｕ，３２ｖ,３２ｗに複数相（例えば３相等の奇数相）の交流電流を流すことにより、ティース３４が磁化し、ステータ２８の周方向に回転する回転磁界がティース３４に生成されるようにしている。図１３に示す例では、３相（ｕ相、ｖ相、ｗ相）のステータ巻線３２ｕ，３２ｖ,３２ｗが巻装された３つのティース３４により、１つの極対が構成され、ステータ２８全体で４極３相のステータ巻線３２ｕ，３２ｖ,３２ｗがティース３４に巻装されている。したがって、ステータ２８の極対数は４極対となる。
【００１０】
また、図１２に示すロータ１０の極対数は、ステータ２８（図１３）の極対数と等しくなっている。また、ロータ巻線１４ｎ，１４ｓは、ロータコア１２に短節巻きで巻装している。各磁極部１８において、ロータ１０の周方向に関する幅は、ロータ１０の電気角で１８０度に相当する幅よりも短くしている。
【００１１】
一方、図１３に示すステータ２８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３２ｕ，３２ｖ,３２ｗの配置や、ティース３４及びスロット３６によるステータコア３０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、ティース３４にステータ巻線３２ｕ，３２ｖ,３２ｗを集中巻きで巻装する場合には、各相のステータ巻線３２ｕ，３２ｖ,３２ｗが互いに重なり合わず、ステータ２８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。この結果、例えばステータ巻線３２ｕ，３２ｖ,３２ｗが３相集中巻きの場合は、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。このような、ステータ巻線３２ｕ，３２ｖ,３２ｗの配置やステータコア３０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る。
【００１２】
上記の図１３に示したステータ２８の内側に、図１２に示したロータ１０を回転可能に配置し、ステータ２８とロータ１０とを径方向に対向させた回転電機は、次のようにして回転駆動する。すなわち、３相のステータ巻線３２ｕ，３２ｖ,３２ｗに３相の交流電流を流すことでステータ２８により生成された、回転磁界（基本波成分）がロータ１０に作用すると、ロータ１０のうち、ロータ巻線１４ｎ、１４ｓを巻装した磁極部１８が、ステータ２８が生成した回転磁界に吸引される。このため、ロータ１０にトルクであるリラクタンストルクが作用して、ロータ１０がステータ２８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。なお、ロータに巻線が巻装されていない場合でも、ロータに突極部分または周方向に関して磁気抵抗が低い部分が設けられる場合には、ステータが生成する回転磁界が、ロータの突極部分または磁気抵抗が低い部分を吸引することにより、リラクタンストルクが発生する。
【００１３】
また、図１３に示す３相のステータ巻線３２ｕ，３２ｖ,３２ｗに３相の交流電流を流すことで、ティース３４に生成された回転磁界は空間高調波成分を含むものとなる。そして、空間高調波成分を含む回転磁界が、図１２に示す各ロータ巻線１４ｎ，１４ｓに鎖交すると、各ロータ巻線１４ｎ，１４ｓには、ロータ１０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、この磁束変動によって、各ロータ巻線１４ｎ，１４ｓ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１４ｎ，１４ｓに流れる電流は、各ダイオード２２，２４により整流されることで、同じ組のロータ巻線回路２０ａ（または２０ｂ）において同方向で、異なる組のロータ巻線回路２０ａ，２０ｂにおいて逆方向に流れる。各ロータ巻線１４ｎ，１４ｓにダイオード２２，２４で整流された電流が流れて各磁極部１８が磁化し、各磁極部１８が磁極の固定された磁石として機能する。また、各磁極部１８の磁化方向は、ロータ１０の周方向に隣り合う磁極部１８同士で互いに逆方向になる。
【００１４】
そして、各磁極部１８により生成される磁界がティース３４（図１３）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３４の回転磁界（基本波成分）と各磁極部１８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１０にトルクであるロータ巻線生成トルクを作用させることができ、ロータ１０がステータ２８（図１３）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。
【００１５】
また、図１３に示す３相のステータ巻線３２ｕ，３２ｖ,３２ｗに３相の交流電流を流すことでティース３４に生成された、回転磁界（基本波成分）がロータ１０（図１２）に作用すると、各永久磁石２６（図１２）により生成される磁界がティース３４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３４の回転磁界（基本波成分）と各永久磁石２６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１０にトルクである永久磁石生成トルクを作用させることができ、ロータ１０がステータ２８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。
【００１６】
この結果、先発明に係る回転電機において、ステータ巻線３２ｕ，３２ｖ,３２ｗ（図１３）への供給電力を利用してロータ１０（図１２）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を、ロータ１０の動力を利用してステータ巻線３２ｕ，３２ｖ,３２ｗ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。このような先発明に係る回転電機によれば、ロータ１０にロータ巻線１４ｎ，１４ｓ（図１２）を短節巻きで巻装し、ロータ巻線１４ｎ，１４ｓに誘導起電力に伴って生じる誘導電流をダイオード２２，２４（図１２）で整流する。このため、ステータ巻線３２ｕ，３２ｖ,３２ｗ以外の種類の巻線をステータ２８に、ロータ巻線１４ｎ，１４ｓ以外の種類の巻線をロータ１０に、それぞれ設けることなく、ロータ巻線１４ｎ，１４ｓ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、回転電機の巻線構造を簡略化できる。
【００１７】
ただし、このような先発明に係る回転電機の場合、トルクを有効に高くする面からまだ改良の余地がある。例えば、図１４は、先発明に係る回転電機において、ロータの正転及び逆転での、電流位相−トルク特性を示す図である。なお、以下の説明では、図１２、図１３で示した要素と同等部分には同一符号を付して説明する。図１４において、横軸は、ステータ巻線３２ｕ，３２ｖ,３２ｗに流す交流電流の位相である、ロータ１０位置に対する電流進角を表し、縦軸は、回転電機の力行トルクを表している。なお、図１４の縦軸が負である場合には、ロータ１０に逆転方向に回転させるトルクが作用し、回転電機を発電機として使用する場合に、回生する場合に得られる電力が大きくなることを表している。すなわち、図１４の縦軸の負の値の絶対値が大きくなるほど、回生時のトルクである回生トルクが大きくなり、回生する場合に得られる電力が大きくなる。
【００１８】
図１２、図１３に示した先発明に係る回転電機において、ロータ１０が正転である、図１２の矢印α方向に回転する場合には、例えば、図１４に実線で示す電流位相−トルク特性が得られる。すなわち、電流進角が０から大きくなるにしたがって、力行トルクが大きくなり、６０度付近で最大となり、徐々に減少して力行トルクが負となった（すなわち、回生トルクが正となった）後、１８０度付近で最小になる（回生トルクが最大となる）。
【００１９】
これに対して、先発明に係る回転電機において、ロータ１０が逆転である、図１２の矢印β方向に回転する場合には、例えば、図１４に破線で示す電流位相−トルク特性が得られる。すなわち、電流進角が０から大きくなるにしたがって、力行トルクが徐々に減少し、負となった後、１３５度付近で最小になり（すなわち、回生トルクが最大となり）、その後徐々に上昇する。図１４に示した正転時のトルク特性と逆転時のトルク特性とを比較すれば明らかなように、ロータの正転時には逆転時の場合に対して、力行トルクの最大値が大きくなるが、回生トルクの最大値が小さくなる。逆に言えば、ロータの逆転時には、正転時に対して、回生トルクの最大値が大きくなるが、力行トルクの最大値が小さくなる。
【００２０】
次に、トルク特性がこのようになる理由を、図１５、図１６を用いてより詳しく説明する。図１５は、ロータの正転時の電流位相−トルク特性を、永久磁石生成トルク、リラクタンストルク、ロータ巻線生成トルクに分けて示す図である。図１６は、ロータの逆転時の電流位相−トルク特性を、永久磁石生成トルク、リラクタンストルク、ロータ巻線生成トルクに分けて示す図である。図１５、図１６の縦軸、横軸が表す意味は、上記の図１４の場合に説明したものと同様である。図１５、図１６では、破線ａにより永久磁石生成トルクＴmgを表し、一点鎖線ｂによりリラクタンストルクＴreを表し、二点鎖線ｃにより、ロータ巻線生成トルクＴcoilを表している。ロータ巻線生成トルクＴcoilは、ステータ巻線３２ｕ，３２ｖ,３２ｗに３相の交流電流を流すことで生成される起磁力の空間高調波成分がロータ巻線１４ｎ、１４ｓに作用することにより、ロータ巻線１４ｎ、１４ｓに誘導される電流によるトルクである。また、図１５、図１６において、実線ｄにより、永久磁石生成トルクＴmg、リラクタンストルクＴre、ロータ巻線生成トルクＴcoilを合わせた全トルクＴallを表している。
【００２１】
次に、図１５に示す各トルクＴmg、Ｔre、Ｔcoil、Ｔallを、回転電機の力行時について説明する。図１５に示すように、ロータ１０の正転時には、電流進角が０度で永久磁石生成トルクＴmgが最大であるとすると、永久磁石生成トルクＴmgは、電流進角が大きくなるにしたがって減少し、１８０度で最小になる。これに対して、同じ場合に、リラクタンストルクＴreは、電流進角が０度から大きくなるにしたがって大きくなり、４５度で最大になり、その後、徐々に減少して、１３５度で最小になる。また、同じ場合に、ロータ巻線生成トルクＴcoilは、電流進角が０度から大きくなるにしたがって大きくなり、９０度で最大になり、徐々に減少する。これは、図１２に示すように、ロータ巻線１４ｎ、１４ｓに電流が流れることにより、永久磁石２６と同方向に磁化される磁極部１８が、ロータ１０の正転時に、ロータ１０の回転方向に関して、この永久磁石２６よりも進行方向前側に位置することに基づく。この結果、図１４に示す正転時のトルク特性と一致する、図１５に示す全トルクＴallは、電流進角が４５度付近で最大になり、電流進角が１６５度付近で最小になる。
【００２２】
また、同様に回転電機の力行時について説明するが、図１２に示すように、ロータ１０の逆転時には、ロータ巻線１４ｎ、１４ｓに電流が流れることにより、永久磁石２６と同方向に磁化される磁極部１８が、ロータ１０の回転方向に関して、この永久磁石２６よりも進行方向後側に位置する。このため、図１６に示すように、ロータ１０の逆転時には、電流進角が０度で永久磁石生成トルクＴmgが最大であるとすると、ロータ巻線生成トルクＴcoilは、電流進角が０度から大きくなるにしたがって、負の値で減少し、９０度で最小になり、徐々に上昇する。なお、図示は省略するが、電流進角が０度から小さくなる場合には、ロータ巻線生成トルクＴcoilは正の値で徐々に上昇し、−９０度で最大になる。すなわち、図１５、図１６の電流位相−トルク特性で見ると、ロータ巻線生成トルクＴcoilは、正転時に対して逆転時で正負が反転する。この結果、図１４に示す逆転時のトルク特性と一致する、図１６に示すロータ１０の全トルクＴallは、電流進角が１５度付近で最大になり、電流進角が１３５度付近で最小になる。また、ロータ１０の逆転時の力行トルクの最大値は、正転時の力行トルクの最大値に比べて小さくなるが、ロータ１０の逆転時の回生トルクの最大値は、正転時の回生トルクの最大値よりも大きくなる。この結果、先発明に係る回転電機のトルク特性は、上記の図１４に示した電流位相−トルク特性となり、ロータ１０の正転時と逆転時とで、力行トルクの最大値と、回生トルクの最大値とが、それぞれ異なる。
【００２３】
このように図１２、図１３に示した先発明に係る回転電機の場合には、ロータ１０の回転方向の違いで、力行トルクと回生トルクとが異なり、例えば、力行トルクを十分に発生できるのが、ロータ１０の正転時に限定される可能性がある。このため、正転逆転の両方で高い性能を発揮させる回転電機、例えばモータとして使用する面からは改良の余地がある。これは、回転電機を発電機として使用する場合の回生トルクについても同様である。このような先発明に係る回転電機の場合、トルクを有効に高くする面から改良の余地がある。
【００２４】
また、先発明に係る回転電機では、例えば、モータとして使用する場合に同期モータのように作用するため、ロータ１０の停止時に停止トルクを発生させるためには、ステータ２８からロータ１０に作用させる磁界の回転を停止させる必要がある。すなわち、ロータ１０の停止時に停止トルクを発生させようとすると、ステータ巻線３２ｕ，３２ｖ,３２ｗに交流電流ではなく、直流電流を流し続ける必要がある。このため、ステータ２８に電力を供給するインバータ等を構成するスイッチング素子等の一部の電気素子に集中して長時間電流を流し続けることになり、熱的に不利になる。このため、回転電機のトルクを有効に高くする面から改良の余地がある。
【００２５】
本発明の目的は、回転電機及び回転電機駆動装置において、回転電機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及び回転電機駆動装置は、上記の目的を達成するために以下の手段を採用する。
【００２７】
本発明の第１の発明に係る回転電機は、高調波成分を含む周波数の回転磁界を生成する複数相のステータ巻線を有するステータと、ロータとが対向配置された回転電機であって、ロータは、ロータの周方向複数個所に配置され、ロータの径方向または軸方向に着磁した永久磁石であって、着磁方向を周方向に隣り合う永久磁石同士で異ならせた永久磁石と、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、ステータで生成された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、各ロータ巻線に対して２個並列に接続し、誘導起電力の発生に伴って各ロータ巻線に流れる電流を互いに逆向きに整流する一方向整流素子及び他方向整流素子と、各ロータ巻線に流れる電流の向きを、切り替え可能とする切り替え手段と、を備え、各ロータ巻線により生成される複数の磁極部の磁気特性が、ロータの周方向に関して交互に異なることを可能とすることを特徴とする回転電機である。
【００２８】
また、本発明の第１の発明に係る回転電機において、好ましくは、ロータ巻線は、ロータの周方向複数個所に短節巻きで巻装されている。
【００２９】
また、本発明の第１の発明に係る回転電機において、好ましくは、ロータ巻線は、ロータの周方向複数個所で、周方向に隣り合う永久磁石の間に巻装されている。
【００３０】
また、本発明の第１の発明に係る回転電機において、好ましくは、ロータ巻線は、ロータの周方向複数個所で、周方向に隣り合う永久磁石の間に巻装されている。
【００３１】
また、本発明の第１の発明に係る回転電機において、好ましくは、切り替え手段は、一方向整流素子及び他方向整流素子に対してそれぞれ直列に配置するように、ロータ巻線毎に２個ずつ設けられ、一方向整流素子及び他方向整流素子のそれぞれとロータ巻線との間の電気的接続を断接可能なスイッチを備える。
【００３２】
また、本発明の第１の発明に係る回転電機において、好ましくは、ロータ巻線は、互いに同じ磁気特性を有する磁極部に巻装されるもの同士で電気的に接続されている。
【００３３】
また、本発明の第１の発明に係る回転電機駆動装置は、本発明の第１の発明に係る回転電機と、ロータの回転方向及び力行回生状態に対応して、切り替え手段により、各ロータ巻線に流れる電流の向きを切り替える制御部と、を備えることを特徴とする回転電機駆動装置である。
【００３４】
また、本発明の第２の発明に係る回転電機は、高調波成分を含む周波数の回転磁界を生成する複数相のステータ巻線を有するステータと、ロータとが対向配置された回転電機であって、ロータは、ロータの周方向複数個所に巻装され、ステータで生成された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、各ロータ巻線に整流素子側切り替え手段を介して接続し、誘導起電力の発生に伴って各ロータ巻線に流れる電流を、周方向に隣り合うロータ巻線により生成される磁極部の磁気特性が互いに異なるように整流する整流素子と、各ロータ巻線に整流素子に対し並列に、短絡路側切り替え手段を介して接続した短絡路と、を備えることを特徴とする回転電機である。
【００３５】
また、本発明の第２の発明に係る回転電機駆動装置は、本発明の第２の発明に係る回転電機と、ロータの回転状態に対応して、切り替え手段により、整流素子側切り替え手段と短絡路側切り替え手段との断接を切り替える制御部と、を備えることを特徴とする回転電機駆動装置である。
【００３６】
また、本発明の第３の発明に係る回転電機は、高調波成分を含む周波数の回転磁界を生成する複数相のステータ巻線を有するステータと、ロータとが対向配置された回転電機であって、ロータは、ロータの周方向複数個所に巻装され、ステータで生成された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、各ロータ巻線に対して２個並列に接続し、誘導起電力の発生に伴って各ロータ巻線に流れる電流を互いに逆向きに整流する一方向整流素子及び他方向整流素子と、各ロータ巻線に流れる電流の向きを切り替え可能で、かつ、各ロータ巻線に電流が両方向に流れることを可能にする切り替え手段と、を備えることを特徴とする回転電機である。
【００３７】
また、本発明の第３の発明に係る回転電機駆動装置は、本発明の第２の発明に係る回転電機と、ロータの回転状態に対応して、切り替え手段の接続により、各ロータ巻線に電流が両方向に流れることを可能にする制御部と、を備えることを特徴とする回転電機駆動装置である。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば、回転電機のトルクを有効に高くすることができる。例えば、第１の発明によれば、ロータの回転方向及び力行回生状態に応じて、切り替え手段により各ロータ巻線に流れる電流の向きを切り替えることにより、ロータの回転方向及び力行回生状態にかかわらず、電流位相−トルク特性を適切に設定して、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。
【００３９】
また、第２の発明によれば、ロータの回転停止時に各ロータ巻線を、短絡路側切り替え手段及び短絡路を介して短絡させ、各ロータ巻線と整流素子との間の接続を切断することにより、ロータを含む回転電機を、誘導機として作用させることができる。この場合には、ロータ巻線に流れる電流が一方向には整流されず、両方向に流れることが可能になる。また、ロータの回転停止時にステータ巻線に交流電流を流すことにより生成される回転磁界に基づいて、ロータの回転停止トルクを得ることができる。このため、ステータに電力を供給するインバータ等を構成するスイッチング素子等の一部の電気素子に集中して長時間電流を流し続ける必要がなくなり、熱的に有利になる。したがって、ロータの回転停止時のトルクを有効に高くできる。
【００４０】
また、第３の発明によれば、ロータの回転停止時に切り替え手段により、各ロータ巻線に電流が両方向に流れることを可能にすることにより、第２の発明と同様に、ロータを含む回転電機を、誘導機として作用させることができる。また、ロータの回転停止時にステータ巻線に交流電流を流すことにより生成される回転磁界に基づいて、ロータの回転停止トルクを得ることができる。このため、ステータに電力を供給するインバータ等を構成するスイッチング素子等の一部の電気素子に集中して長時間電流を流し続ける必要がなくなり、ロータの回転停止時のトルクを有効に高くできる。このように、本発明によれば、回転電機のトルクを有効に高くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
［第１の発明の実施の形態］
以下、本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施形態の回転電機を、回転軸と平行方向から見た略図である。図２は、図１のロータの概略構成を、回転軸と平行方向から見た略図である。図３は、ロータ巻線とダイオードとを接続した回路を示す図である。図４は、第１の実施の形態の回転電機を駆動する回転電機駆動装置の略構成図である。図５は、回転電機のトルク特性を、正転時に力行トルク有利特性とし、逆転時に回生トルク有利特性とするために、ロータ巻線の両側に一部のダイオードを接続した状態を示す、図２に対応する略図である。図６は、回転電機のトルク特性を、逆転時に力行トルク有利特性とし、正転時に回生トルク有利特性とするために、ロータ巻線の両側に一部のダイオードを接続した状態を示す、図２に対応する略図である。図７は、回転電機の電流位相−トルク特性を、力行トルク有利特性と回生トルク有利特性とで、それぞれ示す図である。
【００４２】
本実施の形態の回転電機３８は、図示しないケーシングに固定されたステータ２８と、ステータ２８と所定の空隙を空けて径方向に対向配置され、ステータ２８に対し回転可能なロータ４０とを備える。図１から図２は、ステータ２８とロータ４０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３８の例を示しており、ロータ４０がステータ２８の径方向内側に配置されている。ステータ２８は、複数のティース３４に巻装された３相等の奇数相のステータ巻線３２ｕ，３２ｖ,３２ｗを有し、例えば３相のステータ巻線３２ｕ，３２ｖ,３２ｗに３相の交流電流を流すことで、ティース３４に高調波成分を含む周波数の回転磁界を生成する。なお、本実施の形態の主な特徴は、ロータ４０の構造にあり、ステータ２８の構成及び作用は、上記の図１２、図１３に示した先発明に係るステータ２８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説明を省略もしくは簡略にする。
【００４３】
図２に示すように、ロータ４０は、ロータコア１２と、ロータコア１２の周方向複数個所に配置され、巻装されたロータ巻線４２ａ，４２ｂと、ロータ４０の周方向複数個所に配置された永久磁石２６とを含む。ロータ４０は、回転軸１６に固定されている。ロータコア１２の周方向複数個所に、径方向に伸びる柱部等の磁極部１８が形成され、ロータ巻線４２ａ，４２ｂは、各磁極部１８に巻装されている。永久磁石２６は、ロータ４０の周方向複数個所の、磁極部１８に対して周方向に外れた部分に配置されている。永久磁石２６は、ロータ４０の径方向に着磁させるとともに、その着磁方向を、ロータ４０の周方向に隣り合う永久磁石２６同士で異ならせている。図１、図２、図５、図６において、永久磁石２６に配置された矢印は、磁化方向を表している。なお、永久磁石２６は、例えば、ロータ４０の径方向に関して内側から外側に向かって広がるようなＶ字状に配置することもできる。なお、磁極部１８は、ロータ４０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。
【００４４】
図２に示すように、ロータコア１２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４０のうち、各永久磁石２６から周方向に外れ、周方向に関して磁極部１８と同位置である、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２６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４２ａ，４２ｂは、ロータ４０の周方向複数個所に位置するｑ軸磁路に配置されている。
【００４５】
また、各磁極部１８に巻装されたロータ巻線４２ａ，４２ｂ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４２ａ，４２ｂに２個ずつの整流素子であり、それぞれ一方向整流素子と他方向整流素子とである、一方向ダイオード２２と他方向ダイオード２４とがそれぞれ並列に接続されている。また、ロータ４０の周方向の一つ置きの一部のロータ巻線４２ａに接続された一方向ダイオード２２の片側と一部のロータ巻線４２ａとの間、及び、残りのロータ巻線４２ｂに接続された他方向ダイオード２４の片側と残りのロータ巻線４２ｂとの間に、それぞれ切り替え手段４４（図３）を構成する、正転力行用接続スイッチ４６を設けている。
【００４６】
また、ロータ４０の周方向の一つ置きの一部のロータ巻線４２ａに接続された他方向ダイオード２４の片側と一部のロータ巻線４２ａとの間、及び、残りのロータ巻線４２ｂに接続された一方向ダイオード２２の片側と残りのロータ巻線４２ｂとの間に、それぞれ切り替え手段４４（図３）を構成する、逆転力行用接続スイッチ４８を設けている。図３に示すように、切り替え手段４４は、一方向ダイオード２２及び他方向ダイオード２４に対してそれぞれ直列に配置するように、ロータ巻線４２ａ，４２ｂ毎に２個ずつ設けられ、一方向ダイオード２２及び他方向ダイオード２４のそれぞれの片側とロータ巻線４２ａ，４２ｂとの間の電気的接続を断接可能な正転力行用接続スイッチ４６及び逆転力行用接続スイッチ４８を備える。正転力行用接続スイッチ４６または逆転力行用接続スイッチ４８を接続した状態で、各ロータ巻線４２ａ，４２ｂが一方向ダイオード２２または他方向ダイオード２４を介して短絡される。これにより、各ロータ巻線４２ａ，４２ｂに流れる電流が一方向に整流される。
【００４７】
ロータ巻線４２ａ，４２ｂにダイオード２２，２４の整流方向に応じた直流電流が流れると、ロータ巻線４２ａ，４２ｂが巻装された磁極部１８（図１、図２）が磁化することで、この磁極部１８が磁極の固定された磁石として機能する。また、図３に示すように、各ロータ巻線４２ａ，４２ｂに設けた正転力行用接続スイッチ４６と逆転力行用接続スイッチ４８とは、いずれもトランジスタ等のスイッチング素子である。図３に示すように、接続スイッチ４６，４８のいずれかに接続のための信号が入力されることにより、接続スイッチ４６，４８が接続され、各ロータ巻線４２ａ，４２ｂに一方向ダイオード２２または他方向ダイオード２４を介して電流が一方向に流れるようになる。また、一方向ダイオード２２と他方向ダイオード２４とは、互いに逆方向にロータ巻線４２ａ，４２ｂに電流を流す機能を有する。切り替え手段４４は、各ロータ巻線４２ａ，４２ｂに流れる電流の向きを切り替え可能とする。なお、正転力行用接続スイッチ４６と逆転力行用接続スイッチ４８とは、リレー等のスイッチング素子とすることもできる。
【００４８】
また、図４に示すように、本実施の形態の回転電機駆動装置５０は、回転電機３８と、蓄電装置５２と、インバータ５４と、制御部である制御装置５６とを備える。蓄電装置５２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５４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５２からの直流電力を、３相等の奇数相の交流に変換して、ステータ２８を構成するステータ巻線３２ｕ，３２ｖ,３２ｗの各相に電力を供給することを可能とする。制御装置５６は、インバータ５４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３２ｕ，３２ｖ,３２ｗ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４０のトルクを制御する。
【００４９】
また、制御装置５６は、各接続スイッチ４６，４８に、接続または切断のための信号を入力可能としている。制御装置５６は、少なくともロータ４０の回転時において、正転力行用接続スイッチ４６と逆転力行用接続スイッチ４８とのいずれに接続のための信号を入力するかを選択する。具体的には、ロータ４０の正転時、すなわち図２、図５の矢印α方向にロータ４０を回転させる場合で、回転電機３８（図１、図３）を力行させる場合には、すべての正転力行用接続スイッチ４６を接続し、すべての逆転力行用接続スイッチ４８を切断する。これにより、各ロータ巻線４２ａ，４２ｂとダイオード２２，２４との接続状態は、図５に示すようになる。この場合には、回転電機３８の電流位相−トルク特性が、図７に実線γで示すような、力行トルク有利特性となる。すなわち、力行トルクの最大値を高くできる。言い換えれば、この場合には、上記の図１２、図１３に示した先発明の場合において、図１２の矢印α方向にロータ４０を回転させる場合に得られる、図１４に実線で示した、電流位相−トルク特性と同様になり、力行トルクの最大値を高くできる。なお、図５において、ロータ巻線４２ａ，４２ｂの、ロータ４０の径方向に関する外側に配置した矢印の向きは、磁化方向を表している（後述する図６も同様である）。また、この場合には、ロータ巻線４２ａ，４２ｂに電流が流れることにより、永久磁石２６と同方向に磁化される磁極部１８が、ロータ４０の回転方向に関して、この永久磁石２６よりも進行方向前側に位置する。
【００５０】
また、ロータ４０の逆転時、すなわち図２、図６の矢印β方向にロータ４０を回転させる場合で、回転電機３８（図１、図３）を力行させる場合には、すべての逆転力行用接続スイッチ４８を接続し、すべての正転力行用接続スイッチ４６を切断する。これにより、各ロータ巻線４２ａ，４２ｂとダイオード２２，２４との接続状態は、図６に示すようになる。この場合も、ロータ４０が逆転方向に回転するのにもかかわらず、回転電機３８の電流位相−トルク特性が、図７に実線γで示すような、力行トルク有利特性となる。すなわち、力行トルクの最大値を高くできる。すなわち、この場合には、ロータ４０の回転が、逆転方向（図６の矢印β方向）になるが、ロータ巻線４２ａ，４２ｂに流れる電流の向きが、図５の場合と逆になる。このため、永久磁石２６と同方向に磁化される磁極部１８が、ロータ４０の回転方向に関して、この永久磁石２６よりも進行方向前側に位置する。したがって、上記の図５でロータ４０を正転方向（矢印α方向）に回転させる場合と、図６でロータ４０を逆転方向（矢印β方向）に回転させる場合とで、回転電機３８のトルク特性は同じになる。この結果、ロータ４０の回転方向にかかわらず、図７に実線γで示すように、力行トルクの最大値を大きくできる。
【００５１】
また、ロータ４０の正転時、すなわち図２、図６の矢印α方向にロータ４０を回転させる場合で、回転電機３８（図１、図３）を回生させる場合には、すべての逆転力行用接続スイッチ４８を接続し、すべての正転力行用接続スイッチ４６を切断する。これにより、各ロータ巻線４２ａ，４２ｂとダイオード２２，２４との接続状態は、図６に示すようになる。この場合には、回転電機３８の電流位相−トルク特性が、図７に破線δで示すような、回生トルク有利特性となる。すなわち、回生トルクの最大値を高くできる。言い換えれば、この場合には、上記の図１２、図１３に示した先発明の場合において、図１２の矢印β方向にロータ４０を回転させる場合に得られる、図１４の破線で示した、電流位相−トルク特性と同様になり、回生トルクの最大値を高くできる。この場合には、ロータ巻線４２ａ，４２ｂに電流が流れることにより、永久磁石２６と同方向に磁化される磁極部１８が、ロータ４０の回転方向に関して、この永久磁石２６よりも進行方向後側に位置する。
【００５２】
また、ロータ４０の逆転時、すなわち図２、図５の矢印β方向にロータ４０を回転させる場合で、回転電機３８（図１、図３）を回生させる場合には、すべての正転力行用接続スイッチ４６を接続し、すべての逆転力行用接続スイッチ４８を切断する。これにより、各ロータ巻線４２ａ，４２ｂとダイオード２２，２４との接続状態は、図５に示すようになる。この場合も、回転電機３８の電流位相−トルク特性が、図７に破線δで示すような、回生トルク有利特性となる。すなわち、回生トルクの最大値を高くできる。言い換えれば、この場合には、ロータ４０の回転が、逆転方向（図５の矢印β方向）になるが、ロータ巻線４２ａ，４２ｂに流れる電流の向きが、図６の場合と逆になるため、永久磁石２６と同方向に磁化される磁極部１８が、ロータ４０の回転方向に関して、この永久磁石２６よりも進行方向後側に位置する。このため、上記の図６でロータ４０を正転方向（矢印α方向）に回転させる場合と、図５でロータ４０を逆転方向（矢印β方向）に回転させる場合とで、回転電機３８のトルク特性は同じになる。この結果、ロータ４０の回転方向にかかわらず、図７に破線δで示すように、回生トルクの最大値を大きくできる。このように各スイッチ２２，２４は、ロータ４０の回転方向及び力行回生状態に応じて、力行トルクまたは回生トルクで最大値が得られるように、断接が切り替わるようにする。
【００５３】
このような正転力行用接続スイッチ４６と逆転力行用接続スイッチ４８との断接状態の切り替えは、図４に示した制御装置５６からの信号を、各スイッチ４６，４６の少なくとも一部に入力することにより行う。制御装置５６には、ロータ４０の回転方向と、回転状態と、力行回生状態とを表す信号を入力し、制御装置５６は、この信号が表すロータ４０の回転方向、回転状態、力行回生状態に基づいて、各スイッチ４６，４８のいずれを接続し、いずれを切断するかを判断し、この判断に対応する信号を各スイッチ４６，４８の少なくとも一部に入力する。このために、例えば、信号伝達手段を介して、ステータ２８側からロータ４０側に各スイッチ４６，４８の切り替えのための信号を送信可能としている。信号伝達手段は、例えば、ステータ２８側に固定したブラシ（図示せず）と、ロータ４０側に固定したスリップリング（図示せず）とにより構成する摺接切り替え手段、発光素子及び受光素子を備えるフォトカプラ（図示せず）、ステータ２８側とロータ４０側とに設けた信号伝達用巻線（図示せず）等により構成する。制御装置５６は、ロータ４０の回転方向に対応して、各スイッチ４６，４８により、各ロータ巻線４２ａ，４２ｂに流れる電流の向きを切り替える。
【００５４】
このように、正転力行用接続スイッチ４６と逆転力行用接続スイッチ４８との断接状態の切り替えにより、ロータ４０の周方向に隣り合うロータ巻線４２ａ，４２ｂ同士で直流電流の方向が互いに逆方向になる。そして、図５、図６に示すように、ロータ４０の周方向に隣り合う磁極部１８同士で磁化方向が互いに逆になる。すなわち、本実施の形態では、磁極部１８の磁気特性が、ロータ４０の周方向に関して交互に異なることを可能とする。例えば、図５では、ロータ４０の周方向１つ置きの磁極部１８の径方向外側にＮ極が配置され、Ｎ極の磁極部１８と周方向に隣り合う磁極部１８の径方向外側にＳ極が配置されるようにする。また、図６では、図５でＮ極が配置されていた磁極部１８の径方向外側にＳ極が配置され、図５でＳ極が配置されていた磁極部１８の径方向外側にＮ極が配置されるようにする。そして、ロータ４０の周方向に隣り合う２つの磁極部１８（Ｎ極及びＳ極）により、１つの極対が構成される。図２、図５、図６に示す例では、８極の磁極部１８が形成され、ロータ４０の極対数は４極対となる。また、ステータ２８（図１）の極対数とロータ４０の極対数とはいずれも４極対で、ステータ２８の極対数とロータ４０の極対数とは等しい。ただし、ステータ２８の極対数及びロータ４０の極対数は、いずれも４極対以外とすることもできる。
【００５５】
また、本実施の形態では、ロータ４０の周方向に関する各磁極部１８の幅がロータ４０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４２ａ，４２ｂの幅θ（図２）はロータ４０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４２ａ，４２ｂは各磁極部１８に短節巻きで巻装されている。
【００５６】
このような回転電機において、３相のステータ巻線３２ｕ，３２ｖ,３２ｗに３相の交流電流を流すことでティース３４（図１）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４０に作用する。そしてこれに応じて、ロータ４０に、リラクタンストルクと永久磁石生成トルクとロータ巻線生成トルクとが作用して、ロータ４０がステータ２８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。このような作用は、上記の図１２、図１３に示した先発明に係る回転電機の場合と同様である。例えば、各ロータ巻線４２ａ，４２ｂでは、ステータ２８で生成された回転磁界が鎖交することで誘導起電力が発生する。また、一方向ダイオード２２及び他方向ダイオード２４は、誘導起電力の発生に伴って各ロータ巻線４２ａ，４２ｂに流れる電流を互いに逆向きに整流する。
【００５７】
このような本実施の形態の回転電機及び回転電機駆動装置によれば、回転電機３８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４０の回転方向及び力行回生状態に応じて、正転力行用接続スイッチ４６及び逆転力行用接続スイッチ４８の切り替えにより、各ロータ巻線４２ａ，４２ｂに流れる電流の向きを切り替えることにより、ロータ４０の回転方向及び力行回生状態にかかわらず、電流位相−トルク特性を適切に設定して、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４０正転時とロータ４０逆転時との両方で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４０正転時とロータ４０逆転時との両方で大きくすることができる。したがって、ロータ４０回転の正転逆転両方で高いトルクを得られる回転電機３８の実現が可能になる。
【００５８】
また、ロータ４０の回転停止時において、正転力行用接続スイッチ４６及び逆転力行用接続スイッチ４８のすべてが接続されるように、制御装置５６により制御することにより、ロータ巻線４２ａ，４２ｂに流れる電流が一方向に整流されないようになる。この場合には、回転電機３８を、同期機としてではなく、誘導機として作用させることができ、ステータ巻線３２ｕ，３２ｖ,３２ｗに交流電流を流すことにより生成される回転磁界に基づいて、ロータ４０の回転停止トルクを得ることができる。このため、ステータ２８に電力を供給するインバータ５４を構成するスイッチング素子等の一部の電気素子に集中して長時間電流を流し続ける必要がなくなる。すなわち、複数の電気素子のうち、電流が流れる電気素子が変化する。このため、熱的に有利になり、ロータ４０の回転停止時のトルクを有効に高くできる。
【００５９】
また、ロータ４０の回転時において、正転力行用接続スイッチ４６及び逆転力行用接続スイッチ４８のすべてが接続されるように、制御装置５６により制御した場合も、ロータ巻線４２ａ，４２ｂに流れる電流が一方向に整流されないようになる。この場合も、回転電機３８を、同期機としてではなく、誘導機として作用させることができる。この場合には、ロータ４０の回転に同期しない異なる周波数の電源周波数の電圧で回転電機３８を駆動することにより、ロータ巻線４２ａ，４２ｂに誘導電流が流れるようになる。
【００６０】
また、ロータ巻線４２ａ，４２ｂは、ロータ４０の周方向複数個所に短節巻きで巻装し、ロータ巻線４２ａ，４２ｂに誘導起電力に伴って生じる誘導電流をダイオード２２，２４で整流する。このため、ステータ巻線３２ｕ，３２ｖ,３２ｗ以外の種類の巻線をステータ２８に、ロータ巻線４２ａ，４２ｂ以外の種類の巻線をロータ４０に、それぞれ設けることなく、ロータ巻線４２ａ，４２ｂ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３８の巻線構造を簡略化できる。
【００６１】
［第２の発明の実施の形態］
図８は、本発明の第２の実施の形態において、図２に対応する略図である。本実施の形態では、複数のロータ巻線４２ａ，４２ｂのうち、ロータ４０ａ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４２ａ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４２ｂ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１８に巻装されたロータ巻線４２ａ（または４２ｂ）同士を電気的に直列接続している。また、ロータ４０ａの周方向に隣り合う磁極部１８に巻装されたロータ巻線４２ａ，４２ｂ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４２ａ（または４２ｂ）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５７ａ、５７ｂを構成している。すなわち、ロータ巻線４２ａ，４２ｂは、互いに同じ磁気特性を有する磁極部１８に巻装されるもの同士で、電気的に接続している。
【００６２】
また、２組のロータ巻線回路５７ａ，５７ｂにそれぞれ整流素子である一方向ダイオード２２と他方向ダイオード２４とを、１つずつのロータ巻線４２ａ，４２ｂに対して並列に接続し、それぞれのロータ巻線回路５７ａ，５７ｂに流れる電流の向きを一方向に整流可能としている。また、２組のロータ巻線回路５７ａ，５７ｂのうち、一方のロータ巻線回路５７ａに設ける一方向ダイオード２２の片側とロータ巻線４２ａとの間に正転力行用接続スイッチ４６を設けている。また、一方のロータ巻線回路５７ａに設ける他方向ダイオード２４の片側とロータ巻線４２ａとの間に逆転力行用接続スイッチ４８を設けている。一方、２組のロータ巻線回路５７ａ，５７ｂのうち、他方のロータ巻線回路５７ｂに設ける一方向ダイオード２２の片側とロータ巻線４２ｂとの間に逆転力行用接続スイッチ４８を設けている。また、他方のロータ巻線回路５７ｂに設ける他方向ダイオード２４の片側とロータ巻線４２ｂとの間に正転力行用接続スイッチ４６を設けている。ロータ４０ａの回転方向、回転状態、力行回生状態のそれぞれに対応して、回転電機３８（図１、図３参照）からの信号を各スイッチ４６，４８の少なくとも一部に入力することにより、正転力行用接続スイッチ４６と逆転力行用接続スイッチ４８との一方を接続し、他方を切断するようにしている。その他の構成及び作用については、上記の第１の実施の形態と同様であるため、同等部分には同一符号を付して重複する図示及び説明を省略する。
【００６３】
［第３の発明の実施の形態］
図９は、本発明の第３の実施の形態において、図２に対応する略図である。図１０は、第３の実施の形態の回転電機を駆動する回転電機駆動装置の略構成図である。本実施の形態の回転電機３８（図１０）を構成するロータ４０ｂは、上記の図１から図７に示した第１の実施の形態で、ロータ４０に設けていた永久磁石２６を省略している。また、各磁極部１８に巻装されたロータ巻線４２ａ，４２ｂ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４２ａ，４２ｂのうち、ロータ巻線４２ａに整流素子である一方向ダイオード２２を、整流素子側切り替え手段である片側スイッチ５８を介して接続している。また、ロータ巻線４２ｂに整流素子である他方向ダイオード２４を、整流素子側切り替え手段である片側スイッチ５８を介して接続している。
【００６４】
また、ロータ巻線４２ａ，４２ｂのうち、ロータ４０ｂの周方向の一つ置きに配置されたロータ巻線４２ａ（または４２ｂ）に接続するダイオード２２（または２４）同士で、電流が流れる方向を同じとし、ロータ４０ｂの周方向に隣り合うロータ巻線４２ａ，４２ｂに接続するダイオード２２，２４同士で、電流が流れる方向を互いに異ならせるようにする。片側スイッチ５８の構成は、例えば、上記の第１の実施の形態の場合の正転力行用接続スイッチ４６及び逆転力行用接続スイッチ４８と同様である。そして、ダイオード２２，２４が、ステータ２８（図１０）側からの誘導起電力の発生に伴って各ロータ巻線４２ａ，４２ｂに流れる電流を整流することにより、周方向に隣り合う磁極部１８の磁気特性が互いに異なるようにする。
【００６５】
また、各ロータ巻線４２ａ，４２ｂに、ダイオード２２，２４に対し並列に短絡路６０を、短絡路側切り替え手段である、他側スイッチ６２を介して接続している。他側スイッチ６２の構成も、例えば、上記の第１の実施の形態の場合の正転力行用接続スイッチ４６及び逆転力行用接続スイッチ４８と同様である。このような本実施の形態では、上記の各実施の形態の場合と異なり、永久磁石２６を設けていないため、片側スイッチ５８を接続した状態で、ロータ４０ｂの回転方向にかかわらず、回転電機３８（図１０）の電流位相−トルク特性は変化しない。
【００６６】
また、図１０に示すように、本実施の形態の回転電機駆動装置５０は、回転電機３８と、蓄電装置５２と、インバータ５４と、制御部である制御装置５６とを備える。制御装置５６は、インバータ５４の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３２ｕ，３２ｖ,３２ｗ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４０ｂのトルクを制御する。また、制御装置５６は、ロータ４０ｂの回転状態を表す信号が入力され、この信号に基づく回転状態に対応して、片側スイッチ５８と他側スイッチ６２との一方を接続し、他方を切断するように、各スイッチ５８，６２の少なくとも一部に信号を入力する。すなわち、制御装置５６は、ロータ４０ｂの回転状態に対応して、片側スイッチ５８と他側スイッチ６２との断接を切り替える。具体的には、ロータ４０ｂの回転時には、片側スイッチ５８を接続し、他側スイッチ６２を切断する。これに対して、ロータ４０ｂの回転停止時には、他側スイッチ６２を接続し、片側スイッチ５８を切断する。これにより、ロータ４０ｂの回転停止時に各ロータ巻線４２ａ，４２ｂを、他側スイッチ６２及び短絡路６０を介して短絡させ、各ロータ巻線４２ａ，４２ｂとダイオード２２，２４との間の接続が切断される。これにより、ロータ４０ｂを含む回転電機３８を、誘導機として作用させることができる。この場合には、ロータ巻線４２ａ，４２ｂに流れる電流が一方向には整流されず、両方向に流れることが可能になる。また、ロータ４０ｂの回転停止時にステータ巻線３２ｕ，３２ｖ,３２ｗに交流電流を流すことにより生成される回転磁界に基づいて、ロータ４０ｂの回転停止トルクを得ることができる。このため、ステータ２８に電力を供給するインバータ５４を構成するスイッチング素子等の一部の電気素子に集中して長時間電流を流し続ける必要がなくなる。すなわち、複数の電気素子のうち、電流が流れる電気素子が変化する。このため、熱的に有利になり、ロータ４０ｂの回転停止時のトルクを有効に高くできる。その他の構成及び作用については、上記の図１から図７に示した第１の実施の形態と同様であるため、同等部分には同一符号を付して重複する図示及び説明を省略する。
【００６７】
［第４の発明の実施の形態］
図１１は、本発明の第４の実施の形態において、図２に対応する略図である。本実施の形態の回転電機を構成するロータ４０ｃは、上記の図１から図７に示した第１の実施の形態で、ロータ４０に設けていた永久磁石２６を省略している。このような本実施の形態の場合も、上記の図９から図１０に示した第３の実施の形態と同様に、それぞれ切り替え手段を構成する、正転力行用接続スイッチ４６または逆転力行用接続スイッチ４８を接続した状態で、ロータ４０ｃの回転方向にかかわらず、電流位相−トルク特性は変化しない。
【００６８】
また、本実施の形態では、制御装置５６（図４参照）により、ロータ４０ｃの回転停止時に、正転力行用接続スイッチ４６及び逆転力行用接続スイッチ４８のすべてが接続されるように制御する。すなわち、制御装置５６は、ロータ４０ｃの回転状態に対応して、切り替え手段４４（図４参照）の接続により、各ロータ巻線４２ａ，４２ｂに電流が両方向に流れることを可能にする。このため、ロータ巻線４２ａ，４２ｂに流れる電流が一方向に整流されないようになる。この場合には、回転電機３８（図４参照）を、同期機としてではなく、誘導機として作用させることができ、ステータ巻線３２ｕ，３２ｖ,３２ｗ（図４参照）に交流電流を流すことにより生成される回転磁界に基づいて、ロータ４０ｃの回転停止トルクを得ることができる。このため、ステータ２８（図４参照）に電力を供給するインバータ５４を構成するスイッチング素子等の一部の電気素子に集中して長時間電流を流し続ける必要がなくなる。すなわち、複数の電気素子のうち、電流が流れる電気素子が変化する。このため、熱的に有利になり、ロータ４０ｃの回転停止時のトルクを有効に高くできる。その他の構成及び作用については、上記の図１から図７に示した第１の実施の形態と同様であるため、同等部分には同一符号を付して重複する図示及び説明を省略する。
【００６９】
なお、上記の各実施形態では、ステータ２８とロータ４０，４０ａ，４０ｂ，４０ｃとが回転軸１６と直交する径方向において対向配置されている場合について説明した。ただし、本発明に係る回転電機は、ステータ２８とロータ４０，４０ａ，４０ｂ，４０ｃとが回転軸１６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の場合でも同様に適用可能である。この場合には、例えば永久磁石の着磁方向をロータの軸方向とし、着磁方向をロータの周方向に隣り合う永久磁石同士で異ならせる。また、ロータ巻線に流れる電流により生成される複数の磁極部の磁化方向をロータの軸方向とし、複数の磁極部の磁化方向をロータの周方向に関して交互に異ならせる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の第１の実施形態の回転電機を、回転軸と平行方向から見た略図である。
【図２】図１のロータの概略構成を、回転軸と平行方向から見た略図である。
【図３】ロータ巻線とダイオードとを接続した回路を示す図である。
【図４】第１の実施の形態の回転電機を駆動する回転電機駆動装置の略構成図である。
【図５】回転電機のトルク特性を、正転時に力行トルク有利特性とし、逆転時に回生トルク有利特性とするために、ロータ巻線の両側に一部のダイオードを接続した状態を示す、図２に対応する略図である。
【図６】回転電機のトルク特性を、逆転時に力行トルク有利特性とし、正転時に回生トルク有利特性とするために、ロータ巻線の両側に一部のダイオードを接続した状態を示す、図２に対応する略図である。
【図７】回転電機の電流位相−トルク特性を、力行トルク有利特性と回生トルク有利特性とで、それぞれ示す図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態において、図２に対応する略図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態において、図２に対応する略図である。
【図１０】第３の実施の形態の回転電機を駆動する回転電機駆動装置の略構成図である。
【図１１】本発明の第４の実施の形態において、図２に対応する略図である。
【図１２】先発明に係る回転電機を構成するロータを、回転軸と平行方向に見た概略構成を示す図である。
【図１３】先発明において、ロータの径方向外側に対向した状態で配置するステータの概略構成を示す図である。
【図１４】先発明に係る回転電機において、ロータの正転及び逆転での、電流位相−トルク特性を示す図である。
【図１５】ロータの正転時の電流位相−トルク特性を、永久磁石生成トルク、リラクタンストルク、ロータ巻線生成トルクに分けて示す図である。
【図１６】ロータの逆転時の電流位相−トルク特性を、永久磁石生成トルク、リラクタンストルク、ロータ巻線生成トルクに分けて示す図である。
【符号の説明】
【００７１】
１０  ロータ、１２  ロータコア、１４ｎ、１４ｓ  ロータ巻線、１６  回転軸、１８  磁極部、２０ａ，２０ｂ  ロータ巻線回路、２２  一方向ダイオード、２４  他方向ダイオード、２６  永久磁石、２８  ステータ、３０  ステータコア、３２ｕ，３２ｖ,３２ｗ  ステータ巻線、３４  ティース、３６  スロット、３８  回転電機、４０，４０ａ，４０ｂ，４０ｃ  ロータ、４２ａ，４２ｂ  ロータ巻線、４４  切り替え手段、４６  正転力行用接続スイッチ、４８  逆転力行用接続スイッチ、５０  回転電機駆動装置、５２  蓄電装置、５４  インバータ、５６  制御装置、５７ａ，５７ｂ  ロータ巻線回路、５８  片側スイッチ、６０  短絡路、６２  他側スイッチ。
【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】
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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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