回転電機及び回転電機制御システム
【課題】回転電機において、ロータの突極に隈取りコイルを設けてトルクを得る構成で、トルクを安定して高くすることである。
【解決手段】回転電機１０は、ロータ１４を含む。ロータ１４は、複数のロータ突極４２に巻き回しされた複数のロータコイル４４ｓと、複数のロータ突極４２に設けられた片側先端突極５２に巻き回しされた複数のロータ隈取りコイル４６ｓと、複数の主ダイオード５４ｓ及び副ダイオード５６ｓとを含む。複数の主ダイオード５４ｓは、ロータコイル４４ｓに発生する誘導起電力によってロータ突極４２に生じる磁気特性を周方向で交互に異ならせる。複数の副ダイオード５６ｓは、ロータ隈取りコイル４６ｓに生じる誘導電流により片側先端突極５２に生じる磁気特性を、周方向に交互に異ならせつつ、ロータコイル４４ｓに生じる誘導電流により対応するロータ突極４２に生じる磁気特性と一致させる。
【解決手段】回転電機１０は、ロータ１４を含む。ロータ１４は、複数のロータ突極４２に巻き回しされた複数のロータコイル４４ｓと、複数のロータ突極４２に設けられた片側先端突極５２に巻き回しされた複数のロータ隈取りコイル４６ｓと、複数の主ダイオード５４ｓ及び副ダイオード５６ｓとを含む。複数の主ダイオード５４ｓは、ロータコイル４４ｓに発生する誘導起電力によってロータ突極４２に生じる磁気特性を周方向で交互に異ならせる。複数の副ダイオード５６ｓは、ロータ隈取りコイル４６ｓに生じる誘導電流により片側先端突極５２に生じる磁気特性を、周方向に交互に異ならせつつ、ロータコイル４４ｓに生じる誘導電流により対応するロータ突極４２に生じる磁気特性と一致させる。
【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を備える回転電機制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、特許文献１に記載されているように、ステータとロータとが対向配置される回転電機であって、ロータの周方向複数個所に設けられた突極の端面であって、回転方向の反対側に、磁束変化を妨げる隈取りリングを設けることが記載されている。回転電機の動作時には、ロータの突極がステータの突極に近づいたタイミングで、ステータのコイルに電圧を印加し、それにより生じた磁束によりロータの突極がステータの突極にさらに近づくようにトルクを発生させる。また、ステータの突極とロータの突極とが対向する位置でステータコイルへの電圧の印加を停止させる。ステータコイルへの電圧の印加が停止されても、回路のインダクタンスにより、磁束が遮断されず流れ続ける。この場合、隈取りリングに囲まれた端面に磁束が集中するのでトルクが発生し続けるとされている。
【０００３】
このような回転電機では、ロータの突極に設けられた隈取りリングにより、正トルクを高め、逆トルクを低下させるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２０６０８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載された回転電機において、隈取りリングの代わりに隈取りコイルを使用する構成を採用すれば、遅れ電流によりロータの突極に移動磁界を発生させ、正回転時のトルクを高くできる可能性はあるが、逆回転時には隈取りコイルを設けた端面が、隈取りコイルのない端面よりも先にステータの突極に近づくため、隈取りコイルの存在が回転方向に対する抵抗となり、いわゆるマイナストルクを発生させる可能性がある。このため、逆回転時の回転方向のトルクが減少する可能性がある。また、隈取りコイルに双方向に誘導電流が流れることで、簡単に隈取りコイルを設けた突極の磁極が反転する可能性がある。このため、回転電機のトルクを安定して高くする面から改良の余地がある。
【０００６】
本発明の目的は、回転電機において、ロータの突極に隈取りコイルを設けてトルクを得る構成で、トルクを安定して高くすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る回転電機及び回転電機制御システムは、上記の目的を達成するために以下の手段を採用する。
【０００８】
本発明に係る回転電機は、ロータとステータとが対向配置された回転電機であって、前記ロータは、ロータコアと、前記ロータコアの複数個所に配置され、それぞれ先端部の周方向片側に設けられた片側先端突極を有する複数のロータ突極と、前記各ロータ突極に巻き回しされた主コイルと、前記各片側先端突極に巻き回しされた隈取りコイルと、前記主コイルに接続された主磁気特性調整部と、前記隈取りコイルに接続された副磁気特性調整部とを含み、複数の前記主磁気特性調整部は、前記主コイルに生じる誘導電流により前記複数のロータ突極に生じる磁気特性を周方向に交互に異ならせ、複数の前記副磁気特性調整部は、前記隈取りコイルに生じる誘導電流により前記複数の片側先端突極に生じる磁気特性を、周方向に交互に異ならせつつ、対応する前記主コイルに生じる誘導電流により対応する前記ロータ突極に生じる磁気特性と一致させ、さらに、前記ステータは、ステータコアと、前記ステータコアの周方向複数個所に配置された複数のステータ突極と、前記各ステータ突極に巻き回しされた第２コイルとを含むことを特徴とする回転電機である。
【０００９】
本発明に係る回転電機によれば、ロータの突極に隈取りコイルを設けてトルクを得る構成で、トルクを安定して高くできる。
【００１０】
また、本発明に係る回転電機において、好ましくは、前記主磁気特性調整部は主ダイオードであり、前記副磁気特性調整部は、前記主ダイオードに対し電気的に独立して設けられた副ダイオードであり、さらに、前記ステータは、前記各ステータ突極に巻き回しされた前記第２コイルである第２主コイルと第２隈取りコイルとを含み、前記第２主コイル及び前記第２隈取りコイルは、互いに独立して電流を流すことを可能とする。
【００１１】
上記構成によれば、ロータの突極に隈取りコイルを設けてトルクを得る構成で、第２隈取りコイルに流す電流を第２主コイルに流す電流に対し独立して流すとともに、第２隈取りコイルに流す電流を適切に制御することで、逆回転時の隈取りコイルによるマイナストルクの発生を抑制し、回転方向のトルクの減少を抑制することができる。
【００１２】
また、本発明に係る回転電機制御システムは、本発明に係る回転電機と、電源に接続され、前記第２主コイルに交流電流を出力するインバータと、前記電源または別の電源に接続され、前記第２隈取りコイルに第２電流を出力する第２電流出力部と、前記インバータ及び前記第２電流出力部を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記第２主コイル及び前記第２隈取りコイルに流れる電流を、前記インバータ及び前記第２電流出力部を用いて制御することを特徴とする回転電機制御システムである。
【００１３】
また、本発明に係る回転電機制御システムにおいて、好ましくは、前記制御部は、前記ロータが正回転する場合に、前記第２隈取りコイルに前記第２電流としてパルス電流が印加され、前記ロータが逆回転する場合に、前記第２隈取りコイルにパルス電流が、前記正回転時と異なるタイミングまたは異なる方向に印加されるように、前記第２電流出力部を制御する。
【００１４】
また、本発明に係る回転電機において、好ましくは、前記主磁気特性調整部はダイオードであり、前記副磁気特性調整部はサイリスタであり、前記隈取りコイルは、前記主コイルに前記サイリスタを介して接続されている。この構成において、「サイリスタ」として、予め設定した所定電流値以上の電流が流れる場合にオンされ、所定電流値未満の電流が流れる場合にオフされるサイリスタを使用できる。
【００１５】
上記構成によれば、ロータの突極に隈取りコイルを設けてトルクを得る構成で、第２コイルに流す電流を適切に制御することで、ロータの正回転時にサイリスタがオンされ、逆回転時にサイリスタがオフされるようにすることができ、逆回転時の隈取りコイルによるマイナストルクの発生を抑制し、回転方向のトルクの減少を抑制することができる。
【００１６】
また、本発明に係る回転電機制御システムは、本発明に係る回転電機と、電源に接続され、前記第２コイルに交流電流を出力するインバータと、前記第２コイルに流れる電流を、前記インバータを用いて制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記ロータが逆回転する場合に前記第２コイルに流れる最大電流が、前記ロータが正回転する場合に前記第２コイルに流れる最大電流よりも小さくなるように前記インバータを制御することを特徴とする回転電機制御システムである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の回転電機及び回転電機制御システムによれば、ロータの突極に隈取りコイルを設けてトルクを得る構成で、トルクを安定して高くできる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施形態の回転電機を含む回転電機制御システムを示す概略図である。
【図２】図１のＡ部拡大対応図である。
【図３】図１の回転電機を構成するロータを示す概略図である。
【図４】第１の実施形態の回転電機において、ロータの正回転時の様子を順に示す、図２に対応する図である。
【図５】本発明の第２の実施形態の回転電機を示す、図２に対応する図である。
【図６】第２の実施形態において、１つのロータ突極に対応して、ロータコイル及びロータ隈取りコイルをサイリスタを介して接続した回路の１例を示す図である。
【図７】第２の実施形態の回転電機において、ロータの正回転時の様子を順に示す、図５に対応する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
［第１の実施形態］
以下、本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。図１〜４は、本発明の第１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を含む回転電機制御システムを示す概略図である。図２は、図１のＡ部拡大対応図である。図３は、図１の回転電機を構成するロータを示す概略図である。図４は、本実施形態の回転電機において、ロータの正回転時の様子を順に示す、図２に対応する図である。回転電機は、例えば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、電気自動車、燃料電池車等の電動車両に、車輪駆動用として搭載されることができる。
【００２０】
図１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、図示しないケーシングに固定されたステータ１２と、ステータ１２と所定の空隙をあけて径方向内側に対向配置され、ステータ１２に対し回転可能なロータ１４とを備える（なお、単に「径方向」という場合、ロータの回転中心軸に対し直交する放射方向をいう。本明細書全体及び特許請求の範囲で同じである。）。
【００２１】
また、ステータ１２は、ステータヨークであるステータコア１６と、ステータコア１６の周方向複数個所に一体的に配置されたステータ突極であるティース１８と、各ティース１８に巻き回しされた複数相（図示の例の場合にはｕ相、ｖ相、ｗ相の３相）の第２コイルであるステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗとを含む。すなわち、ステータコア１６の内周面には、径方向内側へ（ロータ１４へ向けて）突出する複数のティース１８がステータ１２の周方向に沿って互いに間隔をおいて配列されており、各ティース１８間にスロット２２が形成されている。また、ステータコア１６及び複数のティース１８は磁性材により、一体に設けられている。
【００２２】
各相のステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗは、スロット２２を通ってティース１８に短節集中巻等の集中巻きで巻装されている。このように、ティース１８にステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗが巻装されることでティース１８に磁極が形成される。そして、複数相のステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗに複数相の交流電流を流すことで、周方向に複数配置されたティース１８が磁化し、周方向に回転する回転磁界をステータ１２に生成することが可能となる。すなわち、複数相のステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗは、ステータ１２に回転磁界を生じさせる。なお、ステータコイルは、このようにステータ１２のティース１８に巻き回しする構成に限定するものではなく、例えばティース１８から外れたステータコア１６の環状部分の周方向複数個所に複数相のステータコイルを巻き回しするトロイダル巻きとし、ステータ１２に回転磁界を生じさせることもできる。
【００２３】
さらに、図２に示すように、上記各ティース１８は、ティース本体２４と、ティース本体２４の先端面の周方向片側（図２の右側）寄りに径方向に窪んだ溝部２６を形成することで周方向片側に設けられた片側先端突極２８とを有する。各片側先端突極２８に、対応するティース１８のステータコイル２０ｗ（または２０ｕまたは２０ｖ）に対応して、複数相（図示の例の場合にはｕ相、ｖ相、ｗ相の３相）の第２隈取りコイルであるステータ隈取りコイル３０を巻き回ししている。ステータ隈取りコイル３０と、ステータコイル２０ｕ（または２０ｖまたは２０ｗ）とは互いに非接続とし、互いに独立して電流を流すことを可能としている。図２では、同じティース１８に巻き回しするステータコイル２０ｕ（または２０ｕまたは２０ｖ）及びステータ隈取りコイル３０の巻き方向を、互いに同じとしている。
【００２４】
図１に示すように、各相のステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗは、主インバータ３２に接続され、主インバータ３２に直流電源であるバッテリ３４が接続されている。
【００２５】
図２に示すように、各ステータ隈取りコイル３０は、第２電流出力部である副インバータ３６に接続され、副インバータ３６にバッテリ３４が接続されている。すなわち、バッテリ３４には、互いに並列に主インバータ３２と副インバータ３６とが接続されている。なお、主インバータ３２及び副インバータ３６とバッテリ３４との間に、バッテリ３４の電圧を昇圧または降圧し、各インバータ３２、３６に供給する図示しないコンバータを接続することもできる。
【００２６】
各インバータ３２，３６は、入力された直流電力を３相の電流に変換して出力する。例えば、詳細な図示は省略するが、各インバータ３２，３６は、互いに並列接続された３相のアームを有し、各アームは、２個のトランジスタ、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子が直列に接続されたものとする。各アームの中点が３相のステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗまたは３相のステータ隈取りコイル３０の一端に接続される。３相のステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗまたは３相のステータ隈取りコイル３０の他端は、それぞれの中性点に接続される。各インバータ３２，３６のスイッチング素子のオンオフは、制御部（ＥＣＵ）３８により制御される。制御部３８は、例えば図示しない車両のアクセルペダル等の加速指示部に設けられたセンサから加速指令信号を受け取り、図示しない変速操作部等の方向指示部に設けられたセンサから回転方向指令信号を受け取る。そして制御部３８は、加速指令及び回転方向指令に応じた回転電機１０のトルク目標を算出し、トルク目標等に応じた各ステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗに流す電流を生成するための主電流指令値を生成するとともに、各ステータ隈取りコイル３０に流す電流を生成するための副電流指令値を生成する。
【００２７】
制御部３８は、各主電流指令値から主インバータ３２の制御信号を生成し、各副電流指令値から副インバータ３６の制御信号を生成し、それぞれの制御信号に応じて主インバータ３２及び副インバータ３６のスイッチング動作を制御する。例えば、主電流指令値をｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値とし、ｄ軸、ｑ軸両指令値に応じた主インバータ３２の制御信号を生成する。また、副電流指令値は、例えば主インバータ３２の３相の出力電流の各１周期に応じて１回ずつ等の所定回数ずつ予め設定した所定のタイミングで発生させる第２電流であるパルス電流とする。なお、主インバータ３２に接続するバッテリと、副インバータ３６に接続するバッテリとを互いに別のバッテリとすることもできる。
【００２８】
また、制御部３８には、３相のうち、少なくとも２相のステータコイル側に設けられた電流センサで検出された電流値を表す信号と、レゾルバ等の回転角度検出部で検出された回転電機１０のロータ１４（図１）の回転角度を表す信号とをそれぞれ入力し、制御部３８は、それぞれの検出信号に応じて、各ステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗ及び各ステータ隈取りコイル３０に流す電流をフィードバック制御することもできる。
【００２９】
このように構成されるので、主インバータ３２は各相のステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗに交流電力を出力する。また、副インバータ３６は、各相のステータ隈取りコイル３０に第２電流であるパルス電流を出力する。制御部３８は、ステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗ及びステータ隈取りコイル３０に流れる電流を、主インバータ３２及び副インバータ３６を用いて制御する。制御部３８は、例えばＣＰＵ，メモリ等を有するマイクロコンピュータを含む。制御部３８は、単一の制御部により構成できるが、機能ごとに分割された複数の制御部により構成することもできる。
【００３０】
一方、図３に示すように、ロータ１４は、ロータヨークであるロータコア４０と、ロータコア４０の外周面の周方向の等間隔複数個所（図示の例では４個所）に、径方向外側に向けて（ステータ１２（図１）に向けて）突出して配置されたロータ突極４２と、複数のロータコイル４４ｎ、４４ｓ及び複数のロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓとを含む（なお、単に「周方向」という場合、ロータの回転中心軸を中心として描かれる円形に沿う方向をいう。本明細書全体及び特許請求の範囲で同じである）。ロータコア４０及び複数のロータ突極４２は、電磁鋼板等の磁性鋼板を複数積層した積層体等の磁性材により、一体に設けられている。ロータコア４０の中心部には、図示しないケーシングに対し回転可能に支持された回転軸４７を嵌合固定する。
【００３１】
より詳しくは、図３に示すように、上記各ロータ突極４２は、突極本体４８と、突極本体４８の先端面の周方向片側（図２の左側、図３の時計方向）寄りに径方向に窪んだ溝部５０を形成することで周方向片側に設けられた片側先端突極５２とを有する。各ロータ突極４２に対してロータ１４の片側先端突極５２が配置される側と、各ティース１８に対してステータ１２の片側先端突極２８が配置される側とは、周方向に関して互いに逆となっている。ロータ１４の周方向に関して１つおきのロータ突極４２の突極本体４８に複数の主コイルであるロータコイル４４ｎがそれぞれ集中巻きで巻き回しされ、ロータコイル４４ｎが巻き回しされたロータ突極４２と隣り合う別のロータ突極４２であって、周方向１つおきのロータ突極４２の突極本体４８に、複数の主コイルである別のロータコイル４４ｓがそれぞれ集中巻きで巻き回しされている。なお、図１〜３では、ステータ１２のティース１８が６個でロータ１４のロータ突極４２が４個の場合を示しているが、これは１例に過ぎず、ティース１８及びロータ突極４２の数はそれぞれ任意の数とすることができる。
【００３２】
さらに、ロータ１４の各片側先端突極５２に、対応するロータ突極４２のロータコイル４４ｎ（または４４ｓ）に対応して、ロータ隈取りコイル４６ｎ（または４６ｓ）が巻き回しされている。図２では、同じロータ突極４２に巻き回しするロータコイル４４ｎ（または４４ｓ）及びロータ隈取りコイル４６ｎ（または４６ｓ）の巻き方向を、互いに同じとしている。また、各ロータコイル４４ｎ、４４ｓの両端に主磁気特性調整部である主ダイオード５４ｎ、５４ｓが直列に接続され、各ロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓの両端に副磁気特性調整部である副ダイオード５６ｎ、５６ｓが直列に接続されている。各副ダイオード５６ｎ、５６ｓは各主ダイオード５４ｎ、５４ｓに対し非接続であり、互いに電気的に独立して設けられている。
【００３３】
複数の主ダイオード５４ｎ、５４ｓは、対応するロータコイル４４ｎ、４４ｓと組み合わされることで、ロータコイル４４ｎ、４４ｓに生じる誘導電流により複数のロータ突極４２に生じる磁気特性を、ロータ１４の周方向に交互に異ならせている。具体的には、各主ダイオード５４ｎ、５４ｓが対応するロータコイル４４ｎ、４４ｓに流れる電流の方向を規制することで、周方向に１つおきのロータ突極４２の先端にＮ極が形成され、そのロータ突極４２と隣り合う、周方向に１つおきのロータ突極４２の先端にＳ極が形成されるようにしている。図３では、各ロータ突極４２の先端外側に示したＮ，Ｓにより、それぞれで形成される極を表している。
【００３４】
また、複数の副ダイオード５６ｎ、５６ｓは、対応するロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓと組み合わされることで、ロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓに生じる誘導電流により複数の片側先端突極５２に生じる磁気特性を、ロータ１４の周方向に交互に異ならせつつ、対応するロータコイル４４ｎ、４４ｓに生じる誘導電流により対応するロータ突極４２に生じる磁気特性と一致させている。具体的には、各副ダイオード５６ｎ、５６ｓが対応するロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓに流れる電流の方向を規制することで、先端にＮ極が形成されるロータ突極４２が有する、周方向に１つおきの片側先端突極５２の先端にＮ極を形成する。また、Ｎ極が形成されるロータ突極４２と隣り合う別のロータ突極４２であって、先端にＳ極が形成されるロータ突極４２が有する、周方向に１つおきの片側先端突極５２の先端にＳ極が形成されるようにしている。なお、各ロータコイル４４ｎ、４４ｓ及び各ロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓは、対応するロータ突極４２に、樹脂等により造られる電気絶縁性を有するインシュレータ（図示せず）等を介して巻装することもできる。
【００３５】
このような構成では、各ロータコイル４４ｎ、４４ｓ及び各ロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓに整流された電流が流れることでロータ突極４２及び片側先端突極５２が磁化し、磁極部として機能する。また、図１に戻って、ステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗに交流電流を流すことで、ステータ１２が回転磁界を生成するが、この回転磁界は、基本波成分の磁界だけでなく、基本波よりも高い次数の高調波成分の磁界を含んでいる。
【００３６】
より詳しくは、ステータ１２に回転磁界を発生させる起磁力の分布は、各相のステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗの配置や、ティース１８及びスロット２２によるステータコア１６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、各相のステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗが互いに重なり合わないため、ステータ１２の起磁力分布に生じる高調波成分の振幅レベルが増大する。例えばステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗが３相集中巻の場合は、高調波成分として、入力電気周波数の時間的３次成分であり、空間的な２次成分の振幅レベルが増大する。このようにステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗの配置やティース１８を含むステータコア１６の形状に起因して起磁力に生じる高調波成分は空間高調波と呼ばれている。
【００３７】
ステータ１２からロータ１４に、この空間強調波成分を含む回転磁界が作用すると、空間高調波の磁束変動により、ロータ突極４２間の空間に漏れ出す漏れ磁束の変動が発生し、これにより各ロータコイル４４ｎ、４４ｓの少なくともいずれかのロータコイル４４ｎ、４４ｓに誘導起電力が発生する。また、ロータコイル４４ｎ、４４ｓに発生する誘導起電力によりロータ突極４２に生じる磁束変動によりロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓにも誘導起電力が発生する。これにより、各ロータコイル４４ｎ、４４ｓ及び各ロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓに誘導電流が発生し、その誘導電流の方向は主ダイオード５４ｎ、５４ｓまたは副ダイオード５６ｎ、５６ｓで規制される。そして、ロータコイル４４ｎ、４４ｓ及びロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓが巻装されたロータ突極４２が磁化することで、このロータ突極４２が磁極の固定された磁石である磁極部として機能する。このため、複数のロータ突極４２の先端に周方向に交互にＮ極とＳ極とが形成される。
【００３８】
制御部３８は、主インバータ３２を構成する各スイッチング素子のスイッチング動作によりバッテリ３４からの直流電力を、ｕ相、ｖ相、ｗ相の３相の交流電力に変換して、ステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗの各相に、対応する相の電力を供給することを可能とする。回転電機制御システム５８は、回転電機１０、主インバータ３２、副インバータ３６、及び制御部３８を備える。例えば、回転電機制御システム５８も、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ことができる。
【００３９】
上記の回転電機１０では、３相のステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗに３相の交流電流を流すことで、主インバータ３２からの励磁電圧が加わる。このため、ティース１８に形成された回転磁界（基本波成分）がロータ１４に作用し、これに応じて、ロータ１４の磁気抵抗が小さくなるように、ロータ突極４２がティース１８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）が作用する。
【００４０】
さらに、ティース１８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の各ロータコイル４４ｎ、４４ｓに鎖交すると、各ロータコイル４４ｎ、４４ｓには、空間高調波成分に起因するロータ１４の回転周波数（回転磁界の基本波成分）と異なる周波数の磁束変動によって、各ロータコイル４４ｎ、４４ｓ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コイル４４ｎ、４４ｓに流れる電流は、各主ダイオード５４ｎ、５４ｓにより整流されることで一方向（直流）となる。そして、各主ダイオード５４ｎ、５４ｓで整流された直流電流が各ロータコイル４４ｎ、４４ｓに流れるのに応じて各ロータ突極４２が磁化することで、各ロータ突極４２が、磁極が（Ｎ極かＳ極のいずれか一方に）固定された磁石として機能する。
【００４１】
そして、各ロータ突極４２（磁極が固定された磁石）の磁界がステータ１２により生成される回転磁界（基本波成分）と相互作用して、吸引及び反発作用が生じる。このステータ１２により生成される回転磁界（基本波成分）とロータ突極４２（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。このように回転電機１０は、ステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗへの供給電力を利用してロータ１４に動力（機械的動力）を発生させる電動機として機能させることができる。
【００４２】
しかも、各ロータ突極４２に設けられた各片側先端突極５２にロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓが巻き回しされるとともに、各ロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓに副ダイオード５６ｎ、５６ｓが接続されている。複数の副ダイオード５６ｎ、５６ｓは、ロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓに生じる誘導電流により複数の片側先端突極５２に生じる磁気特性を、ロータ１４の周方向に交互に異ならせつつ、対応するロータコイル４４ｎ、４４ｓに生じる誘導電流により対応するロータ突極４２に生じる磁気特性と一致させている。
【００４３】
また、ステータ１２の３相のステータ隈取りコイル３０に副インバータ３６から３相の励磁電圧から独立したパルス電流を流すことで、各ステータ隈取りコイル３０にパルス電圧が加わる。このため、各ロータコイル４４ｎ、４４ｓには、３相のステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗまたは３相のステータ隈取りコイル３０からの空間高調波により励起した誘導電流が、主ダイオード５４ｎ、５４ｓの向きに対応して流れる。また、ロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓには、３相のステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗまたは３相のステータ隈取りコイル３０からの空間高調波により励起した誘導電流が、副ダイオード５６ｎ、５６ｓの向きに対応して流れる。このため、回転電機１０（図１）の動作時には、次の図４の（Ａ）〜（Ｆ）に示すように、ロータ突極４２とティース１８との間で磁束が作用し、ロータ１４が正方向に回転する。
【００４４】
すなわち、図４（Ａ）から図４（Ｂ）に示すように、３相のステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗに主インバータ３２から励磁電圧が加えられることで、ステータ１２に回転磁界が発生すると、ステータ１２のティース１８で発生する励磁磁束Ｊ１により一部のティース１８に一部のロータ突極４２が矢印α方向に引き寄せられる。この場合に、ステータ１２からロータ１４にレベルの高い空間高調波が作用していると、ロータコイル４４ｎ、４４ｓで生じる大きな磁束変動により、大きな誘導電流が生じて、ロータ突極４２の磁力が強くなる。このため、回転電機１０（図１）のトルクが向上する。
【００４５】
また、図４（Ｂ）から図４（Ｄ）に移行するのにしたがって、ロータ突極４２の突極本体４８の先端から出る磁束Ｊ１は徐々に減少するが、ロータコイル４４ｎ、４４ｓからの誘導磁束による遅れ電流がロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓに流れることで、ロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓが設けられた片側先端突極５２の先端から出る磁束Ｊ２が大きくなる。また、図４（Ｃ）から図４（Ｆ）まででステータ隈取りコイル３０にパルス電流を流すように、副インバータ３６（図２）が制御される。また、ステータ隈取りコイル３０に、ステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗからの誘導磁束による遅れ電流も流れる。このため、図４（Ｃ）のようにロータ突極４２の先端がステータ１２のティース１８に径方向に対向した後、図４（Ｄ）のようにティース１８のティース本体２４の先端がロータ１４の片側先端突極５２に径方向に対向し、ティース１８の片側先端突極２８の先端がロータ突極４２の突極本体４８の先端に径方向に対向するように、ロータ１４がステータ１２に対し相対変位する。
【００４６】
次いで、図４（Ｅ）から図４（Ｆ）に示すように、ステータ１２の片側先端突極２８とロータ１４の片側先端突極５２とが径方向に対向するように、ロータ１４がステータ１２に対し相対変位する。この結果、ロータ１４が回転し、しかも回転電機１０のトルクを向上させることが可能になる。このように、制御部３８（図２）は、ロータ１４が正回転する場合に、ステータ隈取りコイル３０に第２電流としてパルス電流が印加されるように、副インバータ３６を制御する。
【００４７】
一方、ロータ１４の逆回転時には、制御部３８は、ステータ隈取りコイル３０に正回転時と逆励磁するような電流を流し、ロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓにより発生する磁界を相殺することでトルクの減少を防止しつつ回転させることが可能となる。例えば、制御部３８は、ロータ１４が逆回転する場合に、ステータ隈取りコイル３０にパルス電流が、正回転時と異なるタイミングまたは異なる方向に印加されるように、副インバータ３６を制御する。例えば、図４（Ｆ）に対応するタイミングで、ステータ隈取りコイル３０にステータ１２の片側先端突極２８とロータ１４の片側先端突極５２とが離れるような逆励磁となる磁界が発生するよう、ステータ１２にパルス電流を発生させ、ロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓの存在が逆回転に対する抵抗となることを防止する。このため、ロータ１４はステータ１２に対し、図４（Ｆ）から図４（Ａ）に移行するよう、図４の矢印αと逆方向に回転する、すなわち逆回転することが可能となる。なお、パルス電流の波形は、三角波、矩形波、一部に曲線を含む形状等、種々の波形とすることができる。
【００４８】
このような回転電機１０によれば、ロータ突極４２に隈取りコイル４６ｎ、４６ｓを設けてトルクを得る構成で、ロータ突極４２及び片側先端突極５２に巻き回しするロータコイル４４ｎ、４４ｓ及びロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓの電流方向を、主ダイオード５４ｎ、５４ｓ及び副ダイオード５６ｎ、５６ｓでそれぞれ規制でき、しかも副ダイオード５６ｎ、５６ｓは、ロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓに生じる誘導電流により片側先端突極５２に生じる磁気特性を、対応するロータコイル４４ｎ、４４ｓに生じる誘導電流により対応するロータ突極４２に生じる磁気特性と一致させている。このため、ロータ１４の回転時に、ロータコイル４４ｎ、４４ｓ及びロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓに双方向に誘導電流が流れることがなく、各ロータ突極４２で磁極が反転することがない。このため、トルクを安定して高くできる。
【００４９】
また、ステータ１２は、各ティース１８に巻き回しされたステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗとステータ隈取りコイル３０とを含み、ステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗ及びステータ隈取りコイル３０は、互いに独立して電流を流すことを可能としている。このため、ロータ突極４２に隈取りコイル３０を設けてトルクを得る構成で、ステータ隈取りコイル３０に流す電流をステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗに流す電流に対し独立して流すとともに、ステータ隈取りコイル３０に流す電流を適切に制御することで、逆回転時のロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓによる回転抵抗となるマイナストルクの発生を抑制し、回転方向のトルクの減少を抑制することができる。すなわち、ステータ隈取りコイル３０に適切なタイミングで適切な電流を流すことができる。上記の特許文献１に記載された従来技術では、ロータの隈取りリングに発生する電流を成り行きとし、ステータ側で適切に制御することは困難であったが、本発明では、ステータ隈取りコイル３０に流す電流を適切に制御することで、ロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓに発生する電流を適切に制御することが可能となる。また、逆回転時の回転方向のトルクの減少を抑制できるので、消費電力の低減に貢献できる。
【００５０】
［第２の実施形態］
図５は、本発明の第２の実施形態の回転電機を示す、図２に対応する図である。図５に示すように、本実施形態の回転電機１０及び回転電機制御システム５８では、上記の第１の実施形態と異なり、ステータ１２のティース１８は、片側先端突極２８（図２参照）を設けていない。各ティース１８には、複数相（例えば３相）のステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗ（２０ｕ、２０ｖは図１参照、以下同じ。）が巻き回しされている。このため、各ティース１８には、隈取りコイル３０（図２参照）を巻き回ししていない。また、回転電機制御システム５８は、副インバータ３６（図２参照）を備えていない。回転電機制御システム５８は、バッテリ３４に接続され、各相のステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗに交流電流を出力するインバータ６０と、各相のステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗに流れる電流を、インバータ６０を用いて制御する制御部３８とを備える。インバータ６０の機能及び構成は、上記の第１の実施形態で使用した主インバータ３２（図１）の場合と同様である。
【００５１】
また、回転電機１０は、ロータ１４の隈取りコイル４６ｎ、４６ｓ（４６ｎは図３参照）にダイオードを接続せず、その代わりに隈取りコイル４６ｎ、４６ｓに副磁気特性調整部であるサイリスタ６２が接続されている。サイリスタ６２は、オンされた場合に、対応するロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓと組み合わされることで、ロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓに生じる誘導電流により複数の片側先端突極５２に生じる磁気特性を、ロータ１４の周方向に交互に異ならせつつ、対応するロータコイル４４ｎ、４４ｓに生じる誘導電流により、対応するロータ突極４２に生じる磁気特性と一致させる。具体的には、各サイリスタ６２が対応するロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓに流れる電流の方向を規制することで、先端にＮ極が形成されるロータ突極４２が有する、周方向に１つおきの片側先端突極５２の先端にＮ極が形成される。また、先端にＮ極が形成されるロータ突極４２と隣り合う別のロータ突極４２であって、先端にＳ極が形成されるロータ突極４２が有する、周方向に１つおきの片側先端突極５２の先端にＳ極が形成されるようにしている。
【００５２】
図６に示すように、ロータコイル４４ｎ、４４ｓはロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓに対し接続されている。図６は、本実施形態において、１つのロータ突極４２（図５）に対応して、ロータコイル４４ｎ、４４ｓ及びロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓをサイリスタ６２を介して接続した回路の１例を示す図である。ロータコイル４４ｎ（または４４ｓ）の両端に、主ダイオード５４ｎ（または５４ｓ）及び第１抵抗６４が直列に接続されている。また、ロータコイル４４ｎ（または４４ｓ）の両端に、主ダイオード５４ｎ（または５４ｓ）及び第１抵抗６４の直列接続部分と並列に第２抵抗６６が接続されている。第２抵抗６６の抵抗値は、第１抵抗６４の抵抗値よりも高い。
【００５３】
また、主ダイオード５４ｎ、５４ｓのアノードＡ１側のロータコイル４４ｎ、４４ｓの一端にサイリスタ６２のゲート端子Ｇ２が接続され、サイリスタ６２のカソード端子Ｋ２にロータコイル４４ｎ、４４ｓの他端が接続されている。主ダイオード５４ｎ、５４ｓのカソード端子Ｋ１は第１抵抗６４の一端に接続されている。ロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓの両端にサイリスタ６２のアノード端子Ａ２及びカソード端子Ａ２が接続されている。このようなサイリスタ６２として、予め設定した所定電流値である保持電流値ＩＡ以上の電流がゲート端子Ｇ２に流れる場合にオンされ、保持電流値ＩＡ未満の電流がゲート端子Ｇ２に流れる場合にオフされるサイリスタ６２を使用できる。このように、ロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓの両端にサイリスタ６２が直列に接続されるとともに、ロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓは、ロータコイル４４ｎ、４４ｓにサイリスタ６２を介して接続されている。
【００５４】
図５に示す制御部３８は、ロータ１４が逆回転する場合にステータコイル２０ｕ、２０ｖ、２０ｗに流れる最大電流が、ロータ１４が正回転する場合にステータコイル２０ｕ、２０ｖ、２０ｗに流れる最大電流よりも小さくなり、かつ、逆回転時の最大電流が保持電流値ＩＡ未満となるようにインバータ６０を制御する。したがって、逆回転時に、サイリスタ６２（図６）はオンされず、ロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓに電流は流れない。
【００５５】
このような回転電機１０の動作時には、次の図７の（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、ロータ突極４２とティース１８との間で磁束が作用し、ロータ１４が正方向に回転する。図７は、本実施形態の回転電機において、ロータ１４の正回転時の様子を順に示す、図５に対応する図である。
【００５６】
すなわち、図７（Ａ）から図７（Ｃ）に示すように、３相のステータコイル２０ｕ、２０ｖ、２０ｗにインバータ６０（図５）から励磁電圧が加えられることで、ステータ１２に回転磁界が発生すると、ステータ１２のティース１８で発生する励磁磁束により一部のティース１８に一部のロータ突極４２が矢印α方向に引き寄せられる。この場合に、ステータ１２からロータ１４にレベルの高い空間高調波が作用していると、ロータコイル４４ｎ、４４ｓで生じる大きな磁束変動により、大きな誘導電流が生じて、ロータ突極４２の磁力が強くなる。このため、回転電機１０のトルクが向上する。
【００５７】
この場合、各相のステータコイル２０ｕ、２０ｖ、２０ｗに流れる電流を大きくする等により空間高調波のレベルを上げて、ロータコイル４４ｎ、４４ｓの誘導電流を大きくすると、図７（Ｃ）、（Ｄ）のようにロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓに接続されたサイリスタ６２がオンされ、ロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓに誘導電流が流れ、その誘導電流により片側先端突極５２の先端から出る磁束Ｊ２の量が多くなる。この結果、回転電機１０のトルクが向上する。また、図７（Ａ）から図７（Ｄ）に移行するのにしたがって、ロータ突極４２の突極本体４８の先端から出る磁束Ｊ１は徐々に減少するが、図７（Ｃ）（Ｄ）で、ロータコイル４４ｎ、４４ｓからの誘導磁束による遅れ電流がロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓに流れることで、片側先端突極５２の先端から出る磁束Ｊ２が多くなるので、これによっても回転電機１０のトルクが向上する。
【００５８】
一方、ロータ１４の逆回転時には、サイリスタ６２をオフにしておけば、ロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓによる抵抗となるマイナストルクが働かないので、逆回転が可能となる。すなわち、制御部３８は、ロータ１４の逆回転時にステータコイル２０ｕ、２０ｖ、２０ｗに流れる最大電流が、ロータ１４の正回転時の場合にステータコイル２０ｕ、２０ｖ、２０ｗに流れる最大電流よりも小さくなり、かつ、逆回転時の最大電流がサイリスタ６２の保持電流値ＩＡ未満となるようにインバータ６０を制御する。このため、ロータ１４はステータ１２に対し、図７（Ｄ）から図７（Ａ）に移行するよう、図７の矢印αと逆方向に回転する、すなわち逆回転することが可能となる。
【００５９】
このような回転電機１０の場合には、ロータ突極４２にロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓを設けてトルクを得る構成で、ロータ突極４２及び片側先端突極５２に巻き回しするロータコイル４４ｎ、４４ｓ及びロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓの電流方向を、主ダイオード５４ｎ、５４ｓ及びサイリスタ６２でそれぞれ規制できる。しかもサイリスタ６２は、ロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓに生じる誘導電流により片側先端突極５２に生じる磁気特性を、対応するロータコイル４４ｎ、４４ｓに生じる誘導電流により、対応するロータ突極４２に生じる磁気特性と一致させている。このため、ロータ１４の回転時に、ロータコイル４４ｎ、４４ｓ及びロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓに双方向に誘導電流が流れることがなく、各ロータ突極４２で磁極が反転することがない。このため、トルクを安定して高くできる。
【００６０】
また、ロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓは、ロータコイル４４ｎ、４４ｓにサイリスタ６２を介して接続されている。このため、ロータ突極４２にロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓを設けてトルクを得る構成で、ロータコイル４４ｎ、４４ｓに流す電流を適切に制御することで、ロータ１４の正回転時にサイリスタ６２がオンされ、逆回転時にサイリスタ６２がオフされるようにすることができ、逆回転時のロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓによるマイナストルクの発生を抑制し、回転方向のトルクの減少を抑制することができる。その他の構成及び作用は、上記の第１の実施形態と同様である。
【００６１】
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。例えば、上記では、ステータの径方向内側にロータが対向配置された場合を説明したが、ステータの径方向外側にロータが対向配置された構成でも本発明を実施できる。また、ステータコイルはステータに集中巻きで巻き回しする場合を説明したが、例えばステータで空間高調波を含む回転磁界を生成できるのであればステータにステータコイルを分布巻きで巻き回しする構成でも本発明を実施できる。また、本発明では、例えばアキシャルギャップ型の回転電機等の構成を採用することもできる。
【符号の説明】
【００６２】
１０ 回転電機、１２ ステータ、１４ ロータ、１６ ステータコア、１８ ティース、２０ｕ，２０ｖ，２０ｗ ステータコイル、２２ スロット、２４ ティース本体、２６ 溝部、２８ 片側先端突極、３０ ステータ隈取りコイル、３２ 主インバータ、３４ バッテリ、３６ 副インバータ、３８ 制御部、４０ ロータコア、４２ ロータ突極、４４ｎ、４４ｓ ロータコイル、４６ｎ、４６ｓ ロータ隈取りコイル、４７ 回転軸、４８ 突極本体、５０ 溝部、５２ 片側先端突極、５４ｎ、５４ｓ 主ダイオード、５６ 副ダイオード、５８ 回転電機制御システム、６０ インバータ、６２ サイリスタ、６４ 第１抵抗、６６ 第２抵抗。
【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を備える回転電機制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、特許文献１に記載されているように、ステータとロータとが対向配置される回転電機であって、ロータの周方向複数個所に設けられた突極の端面であって、回転方向の反対側に、磁束変化を妨げる隈取りリングを設けることが記載されている。回転電機の動作時には、ロータの突極がステータの突極に近づいたタイミングで、ステータのコイルに電圧を印加し、それにより生じた磁束によりロータの突極がステータの突極にさらに近づくようにトルクを発生させる。また、ステータの突極とロータの突極とが対向する位置でステータコイルへの電圧の印加を停止させる。ステータコイルへの電圧の印加が停止されても、回路のインダクタンスにより、磁束が遮断されず流れ続ける。この場合、隈取りリングに囲まれた端面に磁束が集中するのでトルクが発生し続けるとされている。
【０００３】
このような回転電機では、ロータの突極に設けられた隈取りリングにより、正トルクを高め、逆トルクを低下させるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２０６０８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載された回転電機において、隈取りリングの代わりに隈取りコイルを使用する構成を採用すれば、遅れ電流によりロータの突極に移動磁界を発生させ、正回転時のトルクを高くできる可能性はあるが、逆回転時には隈取りコイルを設けた端面が、隈取りコイルのない端面よりも先にステータの突極に近づくため、隈取りコイルの存在が回転方向に対する抵抗となり、いわゆるマイナストルクを発生させる可能性がある。このため、逆回転時の回転方向のトルクが減少する可能性がある。また、隈取りコイルに双方向に誘導電流が流れることで、簡単に隈取りコイルを設けた突極の磁極が反転する可能性がある。このため、回転電機のトルクを安定して高くする面から改良の余地がある。
【０００６】
本発明の目的は、回転電機において、ロータの突極に隈取りコイルを設けてトルクを得る構成で、トルクを安定して高くすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る回転電機及び回転電機制御システムは、上記の目的を達成するために以下の手段を採用する。
【０００８】
本発明に係る回転電機は、ロータとステータとが対向配置された回転電機であって、前記ロータは、ロータコアと、前記ロータコアの複数個所に配置され、それぞれ先端部の周方向片側に設けられた片側先端突極を有する複数のロータ突極と、前記各ロータ突極に巻き回しされた主コイルと、前記各片側先端突極に巻き回しされた隈取りコイルと、前記主コイルに接続された主磁気特性調整部と、前記隈取りコイルに接続された副磁気特性調整部とを含み、複数の前記主磁気特性調整部は、前記主コイルに生じる誘導電流により前記複数のロータ突極に生じる磁気特性を周方向に交互に異ならせ、複数の前記副磁気特性調整部は、前記隈取りコイルに生じる誘導電流により前記複数の片側先端突極に生じる磁気特性を、周方向に交互に異ならせつつ、対応する前記主コイルに生じる誘導電流により対応する前記ロータ突極に生じる磁気特性と一致させ、さらに、前記ステータは、ステータコアと、前記ステータコアの周方向複数個所に配置された複数のステータ突極と、前記各ステータ突極に巻き回しされた第２コイルとを含むことを特徴とする回転電機である。
【０００９】
本発明に係る回転電機によれば、ロータの突極に隈取りコイルを設けてトルクを得る構成で、トルクを安定して高くできる。
【００１０】
また、本発明に係る回転電機において、好ましくは、前記主磁気特性調整部は主ダイオードであり、前記副磁気特性調整部は、前記主ダイオードに対し電気的に独立して設けられた副ダイオードであり、さらに、前記ステータは、前記各ステータ突極に巻き回しされた前記第２コイルである第２主コイルと第２隈取りコイルとを含み、前記第２主コイル及び前記第２隈取りコイルは、互いに独立して電流を流すことを可能とする。
【００１１】
上記構成によれば、ロータの突極に隈取りコイルを設けてトルクを得る構成で、第２隈取りコイルに流す電流を第２主コイルに流す電流に対し独立して流すとともに、第２隈取りコイルに流す電流を適切に制御することで、逆回転時の隈取りコイルによるマイナストルクの発生を抑制し、回転方向のトルクの減少を抑制することができる。
【００１２】
また、本発明に係る回転電機制御システムは、本発明に係る回転電機と、電源に接続され、前記第２主コイルに交流電流を出力するインバータと、前記電源または別の電源に接続され、前記第２隈取りコイルに第２電流を出力する第２電流出力部と、前記インバータ及び前記第２電流出力部を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記第２主コイル及び前記第２隈取りコイルに流れる電流を、前記インバータ及び前記第２電流出力部を用いて制御することを特徴とする回転電機制御システムである。
【００１３】
また、本発明に係る回転電機制御システムにおいて、好ましくは、前記制御部は、前記ロータが正回転する場合に、前記第２隈取りコイルに前記第２電流としてパルス電流が印加され、前記ロータが逆回転する場合に、前記第２隈取りコイルにパルス電流が、前記正回転時と異なるタイミングまたは異なる方向に印加されるように、前記第２電流出力部を制御する。
【００１４】
また、本発明に係る回転電機において、好ましくは、前記主磁気特性調整部はダイオードであり、前記副磁気特性調整部はサイリスタであり、前記隈取りコイルは、前記主コイルに前記サイリスタを介して接続されている。この構成において、「サイリスタ」として、予め設定した所定電流値以上の電流が流れる場合にオンされ、所定電流値未満の電流が流れる場合にオフされるサイリスタを使用できる。
【００１５】
上記構成によれば、ロータの突極に隈取りコイルを設けてトルクを得る構成で、第２コイルに流す電流を適切に制御することで、ロータの正回転時にサイリスタがオンされ、逆回転時にサイリスタがオフされるようにすることができ、逆回転時の隈取りコイルによるマイナストルクの発生を抑制し、回転方向のトルクの減少を抑制することができる。
【００１６】
また、本発明に係る回転電機制御システムは、本発明に係る回転電機と、電源に接続され、前記第２コイルに交流電流を出力するインバータと、前記第２コイルに流れる電流を、前記インバータを用いて制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記ロータが逆回転する場合に前記第２コイルに流れる最大電流が、前記ロータが正回転する場合に前記第２コイルに流れる最大電流よりも小さくなるように前記インバータを制御することを特徴とする回転電機制御システムである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の回転電機及び回転電機制御システムによれば、ロータの突極に隈取りコイルを設けてトルクを得る構成で、トルクを安定して高くできる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施形態の回転電機を含む回転電機制御システムを示す概略図である。
【図２】図１のＡ部拡大対応図である。
【図３】図１の回転電機を構成するロータを示す概略図である。
【図４】第１の実施形態の回転電機において、ロータの正回転時の様子を順に示す、図２に対応する図である。
【図５】本発明の第２の実施形態の回転電機を示す、図２に対応する図である。
【図６】第２の実施形態において、１つのロータ突極に対応して、ロータコイル及びロータ隈取りコイルをサイリスタを介して接続した回路の１例を示す図である。
【図７】第２の実施形態の回転電機において、ロータの正回転時の様子を順に示す、図５に対応する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
［第１の実施形態］
以下、本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。図１〜４は、本発明の第１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を含む回転電機制御システムを示す概略図である。図２は、図１のＡ部拡大対応図である。図３は、図１の回転電機を構成するロータを示す概略図である。図４は、本実施形態の回転電機において、ロータの正回転時の様子を順に示す、図２に対応する図である。回転電機は、例えば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、電気自動車、燃料電池車等の電動車両に、車輪駆動用として搭載されることができる。
【００２０】
図１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、図示しないケーシングに固定されたステータ１２と、ステータ１２と所定の空隙をあけて径方向内側に対向配置され、ステータ１２に対し回転可能なロータ１４とを備える（なお、単に「径方向」という場合、ロータの回転中心軸に対し直交する放射方向をいう。本明細書全体及び特許請求の範囲で同じである。）。
【００２１】
また、ステータ１２は、ステータヨークであるステータコア１６と、ステータコア１６の周方向複数個所に一体的に配置されたステータ突極であるティース１８と、各ティース１８に巻き回しされた複数相（図示の例の場合にはｕ相、ｖ相、ｗ相の３相）の第２コイルであるステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗとを含む。すなわち、ステータコア１６の内周面には、径方向内側へ（ロータ１４へ向けて）突出する複数のティース１８がステータ１２の周方向に沿って互いに間隔をおいて配列されており、各ティース１８間にスロット２２が形成されている。また、ステータコア１６及び複数のティース１８は磁性材により、一体に設けられている。
【００２２】
各相のステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗは、スロット２２を通ってティース１８に短節集中巻等の集中巻きで巻装されている。このように、ティース１８にステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗが巻装されることでティース１８に磁極が形成される。そして、複数相のステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗに複数相の交流電流を流すことで、周方向に複数配置されたティース１８が磁化し、周方向に回転する回転磁界をステータ１２に生成することが可能となる。すなわち、複数相のステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗは、ステータ１２に回転磁界を生じさせる。なお、ステータコイルは、このようにステータ１２のティース１８に巻き回しする構成に限定するものではなく、例えばティース１８から外れたステータコア１６の環状部分の周方向複数個所に複数相のステータコイルを巻き回しするトロイダル巻きとし、ステータ１２に回転磁界を生じさせることもできる。
【００２３】
さらに、図２に示すように、上記各ティース１８は、ティース本体２４と、ティース本体２４の先端面の周方向片側（図２の右側）寄りに径方向に窪んだ溝部２６を形成することで周方向片側に設けられた片側先端突極２８とを有する。各片側先端突極２８に、対応するティース１８のステータコイル２０ｗ（または２０ｕまたは２０ｖ）に対応して、複数相（図示の例の場合にはｕ相、ｖ相、ｗ相の３相）の第２隈取りコイルであるステータ隈取りコイル３０を巻き回ししている。ステータ隈取りコイル３０と、ステータコイル２０ｕ（または２０ｖまたは２０ｗ）とは互いに非接続とし、互いに独立して電流を流すことを可能としている。図２では、同じティース１８に巻き回しするステータコイル２０ｕ（または２０ｕまたは２０ｖ）及びステータ隈取りコイル３０の巻き方向を、互いに同じとしている。
【００２４】
図１に示すように、各相のステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗは、主インバータ３２に接続され、主インバータ３２に直流電源であるバッテリ３４が接続されている。
【００２５】
図２に示すように、各ステータ隈取りコイル３０は、第２電流出力部である副インバータ３６に接続され、副インバータ３６にバッテリ３４が接続されている。すなわち、バッテリ３４には、互いに並列に主インバータ３２と副インバータ３６とが接続されている。なお、主インバータ３２及び副インバータ３６とバッテリ３４との間に、バッテリ３４の電圧を昇圧または降圧し、各インバータ３２、３６に供給する図示しないコンバータを接続することもできる。
【００２６】
各インバータ３２，３６は、入力された直流電力を３相の電流に変換して出力する。例えば、詳細な図示は省略するが、各インバータ３２，３６は、互いに並列接続された３相のアームを有し、各アームは、２個のトランジスタ、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子が直列に接続されたものとする。各アームの中点が３相のステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗまたは３相のステータ隈取りコイル３０の一端に接続される。３相のステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗまたは３相のステータ隈取りコイル３０の他端は、それぞれの中性点に接続される。各インバータ３２，３６のスイッチング素子のオンオフは、制御部（ＥＣＵ）３８により制御される。制御部３８は、例えば図示しない車両のアクセルペダル等の加速指示部に設けられたセンサから加速指令信号を受け取り、図示しない変速操作部等の方向指示部に設けられたセンサから回転方向指令信号を受け取る。そして制御部３８は、加速指令及び回転方向指令に応じた回転電機１０のトルク目標を算出し、トルク目標等に応じた各ステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗに流す電流を生成するための主電流指令値を生成するとともに、各ステータ隈取りコイル３０に流す電流を生成するための副電流指令値を生成する。
【００２７】
制御部３８は、各主電流指令値から主インバータ３２の制御信号を生成し、各副電流指令値から副インバータ３６の制御信号を生成し、それぞれの制御信号に応じて主インバータ３２及び副インバータ３６のスイッチング動作を制御する。例えば、主電流指令値をｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値とし、ｄ軸、ｑ軸両指令値に応じた主インバータ３２の制御信号を生成する。また、副電流指令値は、例えば主インバータ３２の３相の出力電流の各１周期に応じて１回ずつ等の所定回数ずつ予め設定した所定のタイミングで発生させる第２電流であるパルス電流とする。なお、主インバータ３２に接続するバッテリと、副インバータ３６に接続するバッテリとを互いに別のバッテリとすることもできる。
【００２８】
また、制御部３８には、３相のうち、少なくとも２相のステータコイル側に設けられた電流センサで検出された電流値を表す信号と、レゾルバ等の回転角度検出部で検出された回転電機１０のロータ１４（図１）の回転角度を表す信号とをそれぞれ入力し、制御部３８は、それぞれの検出信号に応じて、各ステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗ及び各ステータ隈取りコイル３０に流す電流をフィードバック制御することもできる。
【００２９】
このように構成されるので、主インバータ３２は各相のステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗに交流電力を出力する。また、副インバータ３６は、各相のステータ隈取りコイル３０に第２電流であるパルス電流を出力する。制御部３８は、ステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗ及びステータ隈取りコイル３０に流れる電流を、主インバータ３２及び副インバータ３６を用いて制御する。制御部３８は、例えばＣＰＵ，メモリ等を有するマイクロコンピュータを含む。制御部３８は、単一の制御部により構成できるが、機能ごとに分割された複数の制御部により構成することもできる。
【００３０】
一方、図３に示すように、ロータ１４は、ロータヨークであるロータコア４０と、ロータコア４０の外周面の周方向の等間隔複数個所（図示の例では４個所）に、径方向外側に向けて（ステータ１２（図１）に向けて）突出して配置されたロータ突極４２と、複数のロータコイル４４ｎ、４４ｓ及び複数のロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓとを含む（なお、単に「周方向」という場合、ロータの回転中心軸を中心として描かれる円形に沿う方向をいう。本明細書全体及び特許請求の範囲で同じである）。ロータコア４０及び複数のロータ突極４２は、電磁鋼板等の磁性鋼板を複数積層した積層体等の磁性材により、一体に設けられている。ロータコア４０の中心部には、図示しないケーシングに対し回転可能に支持された回転軸４７を嵌合固定する。
【００３１】
より詳しくは、図３に示すように、上記各ロータ突極４２は、突極本体４８と、突極本体４８の先端面の周方向片側（図２の左側、図３の時計方向）寄りに径方向に窪んだ溝部５０を形成することで周方向片側に設けられた片側先端突極５２とを有する。各ロータ突極４２に対してロータ１４の片側先端突極５２が配置される側と、各ティース１８に対してステータ１２の片側先端突極２８が配置される側とは、周方向に関して互いに逆となっている。ロータ１４の周方向に関して１つおきのロータ突極４２の突極本体４８に複数の主コイルであるロータコイル４４ｎがそれぞれ集中巻きで巻き回しされ、ロータコイル４４ｎが巻き回しされたロータ突極４２と隣り合う別のロータ突極４２であって、周方向１つおきのロータ突極４２の突極本体４８に、複数の主コイルである別のロータコイル４４ｓがそれぞれ集中巻きで巻き回しされている。なお、図１〜３では、ステータ１２のティース１８が６個でロータ１４のロータ突極４２が４個の場合を示しているが、これは１例に過ぎず、ティース１８及びロータ突極４２の数はそれぞれ任意の数とすることができる。
【００３２】
さらに、ロータ１４の各片側先端突極５２に、対応するロータ突極４２のロータコイル４４ｎ（または４４ｓ）に対応して、ロータ隈取りコイル４６ｎ（または４６ｓ）が巻き回しされている。図２では、同じロータ突極４２に巻き回しするロータコイル４４ｎ（または４４ｓ）及びロータ隈取りコイル４６ｎ（または４６ｓ）の巻き方向を、互いに同じとしている。また、各ロータコイル４４ｎ、４４ｓの両端に主磁気特性調整部である主ダイオード５４ｎ、５４ｓが直列に接続され、各ロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓの両端に副磁気特性調整部である副ダイオード５６ｎ、５６ｓが直列に接続されている。各副ダイオード５６ｎ、５６ｓは各主ダイオード５４ｎ、５４ｓに対し非接続であり、互いに電気的に独立して設けられている。
【００３３】
複数の主ダイオード５４ｎ、５４ｓは、対応するロータコイル４４ｎ、４４ｓと組み合わされることで、ロータコイル４４ｎ、４４ｓに生じる誘導電流により複数のロータ突極４２に生じる磁気特性を、ロータ１４の周方向に交互に異ならせている。具体的には、各主ダイオード５４ｎ、５４ｓが対応するロータコイル４４ｎ、４４ｓに流れる電流の方向を規制することで、周方向に１つおきのロータ突極４２の先端にＮ極が形成され、そのロータ突極４２と隣り合う、周方向に１つおきのロータ突極４２の先端にＳ極が形成されるようにしている。図３では、各ロータ突極４２の先端外側に示したＮ，Ｓにより、それぞれで形成される極を表している。
【００３４】
また、複数の副ダイオード５６ｎ、５６ｓは、対応するロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓと組み合わされることで、ロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓに生じる誘導電流により複数の片側先端突極５２に生じる磁気特性を、ロータ１４の周方向に交互に異ならせつつ、対応するロータコイル４４ｎ、４４ｓに生じる誘導電流により対応するロータ突極４２に生じる磁気特性と一致させている。具体的には、各副ダイオード５６ｎ、５６ｓが対応するロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓに流れる電流の方向を規制することで、先端にＮ極が形成されるロータ突極４２が有する、周方向に１つおきの片側先端突極５２の先端にＮ極を形成する。また、Ｎ極が形成されるロータ突極４２と隣り合う別のロータ突極４２であって、先端にＳ極が形成されるロータ突極４２が有する、周方向に１つおきの片側先端突極５２の先端にＳ極が形成されるようにしている。なお、各ロータコイル４４ｎ、４４ｓ及び各ロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓは、対応するロータ突極４２に、樹脂等により造られる電気絶縁性を有するインシュレータ（図示せず）等を介して巻装することもできる。
【００３５】
このような構成では、各ロータコイル４４ｎ、４４ｓ及び各ロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓに整流された電流が流れることでロータ突極４２及び片側先端突極５２が磁化し、磁極部として機能する。また、図１に戻って、ステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗに交流電流を流すことで、ステータ１２が回転磁界を生成するが、この回転磁界は、基本波成分の磁界だけでなく、基本波よりも高い次数の高調波成分の磁界を含んでいる。
【００３６】
より詳しくは、ステータ１２に回転磁界を発生させる起磁力の分布は、各相のステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗの配置や、ティース１８及びスロット２２によるステータコア１６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、各相のステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗが互いに重なり合わないため、ステータ１２の起磁力分布に生じる高調波成分の振幅レベルが増大する。例えばステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗが３相集中巻の場合は、高調波成分として、入力電気周波数の時間的３次成分であり、空間的な２次成分の振幅レベルが増大する。このようにステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗの配置やティース１８を含むステータコア１６の形状に起因して起磁力に生じる高調波成分は空間高調波と呼ばれている。
【００３７】
ステータ１２からロータ１４に、この空間強調波成分を含む回転磁界が作用すると、空間高調波の磁束変動により、ロータ突極４２間の空間に漏れ出す漏れ磁束の変動が発生し、これにより各ロータコイル４４ｎ、４４ｓの少なくともいずれかのロータコイル４４ｎ、４４ｓに誘導起電力が発生する。また、ロータコイル４４ｎ、４４ｓに発生する誘導起電力によりロータ突極４２に生じる磁束変動によりロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓにも誘導起電力が発生する。これにより、各ロータコイル４４ｎ、４４ｓ及び各ロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓに誘導電流が発生し、その誘導電流の方向は主ダイオード５４ｎ、５４ｓまたは副ダイオード５６ｎ、５６ｓで規制される。そして、ロータコイル４４ｎ、４４ｓ及びロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓが巻装されたロータ突極４２が磁化することで、このロータ突極４２が磁極の固定された磁石である磁極部として機能する。このため、複数のロータ突極４２の先端に周方向に交互にＮ極とＳ極とが形成される。
【００３８】
制御部３８は、主インバータ３２を構成する各スイッチング素子のスイッチング動作によりバッテリ３４からの直流電力を、ｕ相、ｖ相、ｗ相の３相の交流電力に変換して、ステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗの各相に、対応する相の電力を供給することを可能とする。回転電機制御システム５８は、回転電機１０、主インバータ３２、副インバータ３６、及び制御部３８を備える。例えば、回転電機制御システム５８も、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ことができる。
【００３９】
上記の回転電機１０では、３相のステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗに３相の交流電流を流すことで、主インバータ３２からの励磁電圧が加わる。このため、ティース１８に形成された回転磁界（基本波成分）がロータ１４に作用し、これに応じて、ロータ１４の磁気抵抗が小さくなるように、ロータ突極４２がティース１８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）が作用する。
【００４０】
さらに、ティース１８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の各ロータコイル４４ｎ、４４ｓに鎖交すると、各ロータコイル４４ｎ、４４ｓには、空間高調波成分に起因するロータ１４の回転周波数（回転磁界の基本波成分）と異なる周波数の磁束変動によって、各ロータコイル４４ｎ、４４ｓ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コイル４４ｎ、４４ｓに流れる電流は、各主ダイオード５４ｎ、５４ｓにより整流されることで一方向（直流）となる。そして、各主ダイオード５４ｎ、５４ｓで整流された直流電流が各ロータコイル４４ｎ、４４ｓに流れるのに応じて各ロータ突極４２が磁化することで、各ロータ突極４２が、磁極が（Ｎ極かＳ極のいずれか一方に）固定された磁石として機能する。
【００４１】
そして、各ロータ突極４２（磁極が固定された磁石）の磁界がステータ１２により生成される回転磁界（基本波成分）と相互作用して、吸引及び反発作用が生じる。このステータ１２により生成される回転磁界（基本波成分）とロータ突極４２（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。このように回転電機１０は、ステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗへの供給電力を利用してロータ１４に動力（機械的動力）を発生させる電動機として機能させることができる。
【００４２】
しかも、各ロータ突極４２に設けられた各片側先端突極５２にロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓが巻き回しされるとともに、各ロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓに副ダイオード５６ｎ、５６ｓが接続されている。複数の副ダイオード５６ｎ、５６ｓは、ロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓに生じる誘導電流により複数の片側先端突極５２に生じる磁気特性を、ロータ１４の周方向に交互に異ならせつつ、対応するロータコイル４４ｎ、４４ｓに生じる誘導電流により対応するロータ突極４２に生じる磁気特性と一致させている。
【００４３】
また、ステータ１２の３相のステータ隈取りコイル３０に副インバータ３６から３相の励磁電圧から独立したパルス電流を流すことで、各ステータ隈取りコイル３０にパルス電圧が加わる。このため、各ロータコイル４４ｎ、４４ｓには、３相のステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗまたは３相のステータ隈取りコイル３０からの空間高調波により励起した誘導電流が、主ダイオード５４ｎ、５４ｓの向きに対応して流れる。また、ロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓには、３相のステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗまたは３相のステータ隈取りコイル３０からの空間高調波により励起した誘導電流が、副ダイオード５６ｎ、５６ｓの向きに対応して流れる。このため、回転電機１０（図１）の動作時には、次の図４の（Ａ）〜（Ｆ）に示すように、ロータ突極４２とティース１８との間で磁束が作用し、ロータ１４が正方向に回転する。
【００４４】
すなわち、図４（Ａ）から図４（Ｂ）に示すように、３相のステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗに主インバータ３２から励磁電圧が加えられることで、ステータ１２に回転磁界が発生すると、ステータ１２のティース１８で発生する励磁磁束Ｊ１により一部のティース１８に一部のロータ突極４２が矢印α方向に引き寄せられる。この場合に、ステータ１２からロータ１４にレベルの高い空間高調波が作用していると、ロータコイル４４ｎ、４４ｓで生じる大きな磁束変動により、大きな誘導電流が生じて、ロータ突極４２の磁力が強くなる。このため、回転電機１０（図１）のトルクが向上する。
【００４５】
また、図４（Ｂ）から図４（Ｄ）に移行するのにしたがって、ロータ突極４２の突極本体４８の先端から出る磁束Ｊ１は徐々に減少するが、ロータコイル４４ｎ、４４ｓからの誘導磁束による遅れ電流がロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓに流れることで、ロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓが設けられた片側先端突極５２の先端から出る磁束Ｊ２が大きくなる。また、図４（Ｃ）から図４（Ｆ）まででステータ隈取りコイル３０にパルス電流を流すように、副インバータ３６（図２）が制御される。また、ステータ隈取りコイル３０に、ステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗからの誘導磁束による遅れ電流も流れる。このため、図４（Ｃ）のようにロータ突極４２の先端がステータ１２のティース１８に径方向に対向した後、図４（Ｄ）のようにティース１８のティース本体２４の先端がロータ１４の片側先端突極５２に径方向に対向し、ティース１８の片側先端突極２８の先端がロータ突極４２の突極本体４８の先端に径方向に対向するように、ロータ１４がステータ１２に対し相対変位する。
【００４６】
次いで、図４（Ｅ）から図４（Ｆ）に示すように、ステータ１２の片側先端突極２８とロータ１４の片側先端突極５２とが径方向に対向するように、ロータ１４がステータ１２に対し相対変位する。この結果、ロータ１４が回転し、しかも回転電機１０のトルクを向上させることが可能になる。このように、制御部３８（図２）は、ロータ１４が正回転する場合に、ステータ隈取りコイル３０に第２電流としてパルス電流が印加されるように、副インバータ３６を制御する。
【００４７】
一方、ロータ１４の逆回転時には、制御部３８は、ステータ隈取りコイル３０に正回転時と逆励磁するような電流を流し、ロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓにより発生する磁界を相殺することでトルクの減少を防止しつつ回転させることが可能となる。例えば、制御部３８は、ロータ１４が逆回転する場合に、ステータ隈取りコイル３０にパルス電流が、正回転時と異なるタイミングまたは異なる方向に印加されるように、副インバータ３６を制御する。例えば、図４（Ｆ）に対応するタイミングで、ステータ隈取りコイル３０にステータ１２の片側先端突極２８とロータ１４の片側先端突極５２とが離れるような逆励磁となる磁界が発生するよう、ステータ１２にパルス電流を発生させ、ロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓの存在が逆回転に対する抵抗となることを防止する。このため、ロータ１４はステータ１２に対し、図４（Ｆ）から図４（Ａ）に移行するよう、図４の矢印αと逆方向に回転する、すなわち逆回転することが可能となる。なお、パルス電流の波形は、三角波、矩形波、一部に曲線を含む形状等、種々の波形とすることができる。
【００４８】
このような回転電機１０によれば、ロータ突極４２に隈取りコイル４６ｎ、４６ｓを設けてトルクを得る構成で、ロータ突極４２及び片側先端突極５２に巻き回しするロータコイル４４ｎ、４４ｓ及びロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓの電流方向を、主ダイオード５４ｎ、５４ｓ及び副ダイオード５６ｎ、５６ｓでそれぞれ規制でき、しかも副ダイオード５６ｎ、５６ｓは、ロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓに生じる誘導電流により片側先端突極５２に生じる磁気特性を、対応するロータコイル４４ｎ、４４ｓに生じる誘導電流により対応するロータ突極４２に生じる磁気特性と一致させている。このため、ロータ１４の回転時に、ロータコイル４４ｎ、４４ｓ及びロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓに双方向に誘導電流が流れることがなく、各ロータ突極４２で磁極が反転することがない。このため、トルクを安定して高くできる。
【００４９】
また、ステータ１２は、各ティース１８に巻き回しされたステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗとステータ隈取りコイル３０とを含み、ステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗ及びステータ隈取りコイル３０は、互いに独立して電流を流すことを可能としている。このため、ロータ突極４２に隈取りコイル３０を設けてトルクを得る構成で、ステータ隈取りコイル３０に流す電流をステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗに流す電流に対し独立して流すとともに、ステータ隈取りコイル３０に流す電流を適切に制御することで、逆回転時のロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓによる回転抵抗となるマイナストルクの発生を抑制し、回転方向のトルクの減少を抑制することができる。すなわち、ステータ隈取りコイル３０に適切なタイミングで適切な電流を流すことができる。上記の特許文献１に記載された従来技術では、ロータの隈取りリングに発生する電流を成り行きとし、ステータ側で適切に制御することは困難であったが、本発明では、ステータ隈取りコイル３０に流す電流を適切に制御することで、ロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓに発生する電流を適切に制御することが可能となる。また、逆回転時の回転方向のトルクの減少を抑制できるので、消費電力の低減に貢献できる。
【００５０】
［第２の実施形態］
図５は、本発明の第２の実施形態の回転電機を示す、図２に対応する図である。図５に示すように、本実施形態の回転電機１０及び回転電機制御システム５８では、上記の第１の実施形態と異なり、ステータ１２のティース１８は、片側先端突極２８（図２参照）を設けていない。各ティース１８には、複数相（例えば３相）のステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗ（２０ｕ、２０ｖは図１参照、以下同じ。）が巻き回しされている。このため、各ティース１８には、隈取りコイル３０（図２参照）を巻き回ししていない。また、回転電機制御システム５８は、副インバータ３６（図２参照）を備えていない。回転電機制御システム５８は、バッテリ３４に接続され、各相のステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗに交流電流を出力するインバータ６０と、各相のステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗに流れる電流を、インバータ６０を用いて制御する制御部３８とを備える。インバータ６０の機能及び構成は、上記の第１の実施形態で使用した主インバータ３２（図１）の場合と同様である。
【００５１】
また、回転電機１０は、ロータ１４の隈取りコイル４６ｎ、４６ｓ（４６ｎは図３参照）にダイオードを接続せず、その代わりに隈取りコイル４６ｎ、４６ｓに副磁気特性調整部であるサイリスタ６２が接続されている。サイリスタ６２は、オンされた場合に、対応するロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓと組み合わされることで、ロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓに生じる誘導電流により複数の片側先端突極５２に生じる磁気特性を、ロータ１４の周方向に交互に異ならせつつ、対応するロータコイル４４ｎ、４４ｓに生じる誘導電流により、対応するロータ突極４２に生じる磁気特性と一致させる。具体的には、各サイリスタ６２が対応するロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓに流れる電流の方向を規制することで、先端にＮ極が形成されるロータ突極４２が有する、周方向に１つおきの片側先端突極５２の先端にＮ極が形成される。また、先端にＮ極が形成されるロータ突極４２と隣り合う別のロータ突極４２であって、先端にＳ極が形成されるロータ突極４２が有する、周方向に１つおきの片側先端突極５２の先端にＳ極が形成されるようにしている。
【００５２】
図６に示すように、ロータコイル４４ｎ、４４ｓはロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓに対し接続されている。図６は、本実施形態において、１つのロータ突極４２（図５）に対応して、ロータコイル４４ｎ、４４ｓ及びロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓをサイリスタ６２を介して接続した回路の１例を示す図である。ロータコイル４４ｎ（または４４ｓ）の両端に、主ダイオード５４ｎ（または５４ｓ）及び第１抵抗６４が直列に接続されている。また、ロータコイル４４ｎ（または４４ｓ）の両端に、主ダイオード５４ｎ（または５４ｓ）及び第１抵抗６４の直列接続部分と並列に第２抵抗６６が接続されている。第２抵抗６６の抵抗値は、第１抵抗６４の抵抗値よりも高い。
【００５３】
また、主ダイオード５４ｎ、５４ｓのアノードＡ１側のロータコイル４４ｎ、４４ｓの一端にサイリスタ６２のゲート端子Ｇ２が接続され、サイリスタ６２のカソード端子Ｋ２にロータコイル４４ｎ、４４ｓの他端が接続されている。主ダイオード５４ｎ、５４ｓのカソード端子Ｋ１は第１抵抗６４の一端に接続されている。ロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓの両端にサイリスタ６２のアノード端子Ａ２及びカソード端子Ａ２が接続されている。このようなサイリスタ６２として、予め設定した所定電流値である保持電流値ＩＡ以上の電流がゲート端子Ｇ２に流れる場合にオンされ、保持電流値ＩＡ未満の電流がゲート端子Ｇ２に流れる場合にオフされるサイリスタ６２を使用できる。このように、ロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓの両端にサイリスタ６２が直列に接続されるとともに、ロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓは、ロータコイル４４ｎ、４４ｓにサイリスタ６２を介して接続されている。
【００５４】
図５に示す制御部３８は、ロータ１４が逆回転する場合にステータコイル２０ｕ、２０ｖ、２０ｗに流れる最大電流が、ロータ１４が正回転する場合にステータコイル２０ｕ、２０ｖ、２０ｗに流れる最大電流よりも小さくなり、かつ、逆回転時の最大電流が保持電流値ＩＡ未満となるようにインバータ６０を制御する。したがって、逆回転時に、サイリスタ６２（図６）はオンされず、ロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓに電流は流れない。
【００５５】
このような回転電機１０の動作時には、次の図７の（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、ロータ突極４２とティース１８との間で磁束が作用し、ロータ１４が正方向に回転する。図７は、本実施形態の回転電機において、ロータ１４の正回転時の様子を順に示す、図５に対応する図である。
【００５６】
すなわち、図７（Ａ）から図７（Ｃ）に示すように、３相のステータコイル２０ｕ、２０ｖ、２０ｗにインバータ６０（図５）から励磁電圧が加えられることで、ステータ１２に回転磁界が発生すると、ステータ１２のティース１８で発生する励磁磁束により一部のティース１８に一部のロータ突極４２が矢印α方向に引き寄せられる。この場合に、ステータ１２からロータ１４にレベルの高い空間高調波が作用していると、ロータコイル４４ｎ、４４ｓで生じる大きな磁束変動により、大きな誘導電流が生じて、ロータ突極４２の磁力が強くなる。このため、回転電機１０のトルクが向上する。
【００５７】
この場合、各相のステータコイル２０ｕ、２０ｖ、２０ｗに流れる電流を大きくする等により空間高調波のレベルを上げて、ロータコイル４４ｎ、４４ｓの誘導電流を大きくすると、図７（Ｃ）、（Ｄ）のようにロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓに接続されたサイリスタ６２がオンされ、ロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓに誘導電流が流れ、その誘導電流により片側先端突極５２の先端から出る磁束Ｊ２の量が多くなる。この結果、回転電機１０のトルクが向上する。また、図７（Ａ）から図７（Ｄ）に移行するのにしたがって、ロータ突極４２の突極本体４８の先端から出る磁束Ｊ１は徐々に減少するが、図７（Ｃ）（Ｄ）で、ロータコイル４４ｎ、４４ｓからの誘導磁束による遅れ電流がロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓに流れることで、片側先端突極５２の先端から出る磁束Ｊ２が多くなるので、これによっても回転電機１０のトルクが向上する。
【００５８】
一方、ロータ１４の逆回転時には、サイリスタ６２をオフにしておけば、ロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓによる抵抗となるマイナストルクが働かないので、逆回転が可能となる。すなわち、制御部３８は、ロータ１４の逆回転時にステータコイル２０ｕ、２０ｖ、２０ｗに流れる最大電流が、ロータ１４の正回転時の場合にステータコイル２０ｕ、２０ｖ、２０ｗに流れる最大電流よりも小さくなり、かつ、逆回転時の最大電流がサイリスタ６２の保持電流値ＩＡ未満となるようにインバータ６０を制御する。このため、ロータ１４はステータ１２に対し、図７（Ｄ）から図７（Ａ）に移行するよう、図７の矢印αと逆方向に回転する、すなわち逆回転することが可能となる。
【００５９】
このような回転電機１０の場合には、ロータ突極４２にロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓを設けてトルクを得る構成で、ロータ突極４２及び片側先端突極５２に巻き回しするロータコイル４４ｎ、４４ｓ及びロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓの電流方向を、主ダイオード５４ｎ、５４ｓ及びサイリスタ６２でそれぞれ規制できる。しかもサイリスタ６２は、ロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓに生じる誘導電流により片側先端突極５２に生じる磁気特性を、対応するロータコイル４４ｎ、４４ｓに生じる誘導電流により、対応するロータ突極４２に生じる磁気特性と一致させている。このため、ロータ１４の回転時に、ロータコイル４４ｎ、４４ｓ及びロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓに双方向に誘導電流が流れることがなく、各ロータ突極４２で磁極が反転することがない。このため、トルクを安定して高くできる。
【００６０】
また、ロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓは、ロータコイル４４ｎ、４４ｓにサイリスタ６２を介して接続されている。このため、ロータ突極４２にロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓを設けてトルクを得る構成で、ロータコイル４４ｎ、４４ｓに流す電流を適切に制御することで、ロータ１４の正回転時にサイリスタ６２がオンされ、逆回転時にサイリスタ６２がオフされるようにすることができ、逆回転時のロータ隈取りコイル４６ｎ、４６ｓによるマイナストルクの発生を抑制し、回転方向のトルクの減少を抑制することができる。その他の構成及び作用は、上記の第１の実施形態と同様である。
【００６１】
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。例えば、上記では、ステータの径方向内側にロータが対向配置された場合を説明したが、ステータの径方向外側にロータが対向配置された構成でも本発明を実施できる。また、ステータコイルはステータに集中巻きで巻き回しする場合を説明したが、例えばステータで空間高調波を含む回転磁界を生成できるのであればステータにステータコイルを分布巻きで巻き回しする構成でも本発明を実施できる。また、本発明では、例えばアキシャルギャップ型の回転電機等の構成を採用することもできる。
【符号の説明】
【００６２】
１０ 回転電機、１２ ステータ、１４ ロータ、１６ ステータコア、１８ ティース、２０ｕ，２０ｖ，２０ｗ ステータコイル、２２ スロット、２４ ティース本体、２６ 溝部、２８ 片側先端突極、３０ ステータ隈取りコイル、３２ 主インバータ、３４ バッテリ、３６ 副インバータ、３８ 制御部、４０ ロータコア、４２ ロータ突極、４４ｎ、４４ｓ ロータコイル、４６ｎ、４６ｓ ロータ隈取りコイル、４７ 回転軸、４８ 突極本体、５０ 溝部、５２ 片側先端突極、５４ｎ、５４ｓ 主ダイオード、５６ 副ダイオード、５８ 回転電機制御システム、６０ インバータ、６２ サイリスタ、６４ 第１抵抗、６６ 第２抵抗。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータとステータとが対向配置された回転電機であって、
前記ロータは、ロータコアと、前記ロータコアの複数個所に配置され、それぞれ先端部の周方向片側に設けられた片側先端突極を有する複数のロータ突極と、前記各ロータ突極に巻き回しされた主コイルと、前記各片側先端突極に巻き回しされた隈取りコイルと、前記主コイルに接続された主磁気特性調整部と、前記隈取りコイルに接続された副磁気特性調整部とを含み、
複数の前記主磁気特性調整部は、前記主コイルに生じる誘導電流により前記複数のロータ突極に生じる磁気特性を周方向に交互に異ならせ、
複数の前記副磁気特性調整部は、前記隈取りコイルに生じる誘導電流により前記複数の片側先端突極に生じる磁気特性を、周方向に交互に異ならせつつ、対応する前記主コイルに生じる誘導電流により対応する前記ロータ突極に生じる磁気特性と一致させ、
さらに、前記ステータは、ステータコアと、前記ステータコアの周方向複数個所に配置された複数のステータ突極と、前記各ステータ突極に巻き回しされた第２コイルとを含むことを特徴とする回転電機。
【請求項２】
請求項１に記載の回転電機において、
前記主磁気特性調整部は主ダイオードであり、
前記副磁気特性調整部は、前記主ダイオードに対し電気的に独立して設けられた副ダイオードであり、
さらに、前記ステータは、前記各ステータ突極に巻き回しされた前記第２コイルである第２主コイルと第２隈取りコイルとを含み、
前記第２主コイル及び前記第２隈取りコイルは、互いに独立して電流を流すことを可能とす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に記載の回転電機と、
電源に接続され、前記第２主コイルに交流電流を出力するインバータと、
前記電源または別の電源に接続され、前記第２隈取りコイルに第２電流を出力する第２電流出力部と、
前記インバータ及び前記第２電流出力部を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記第２主コイル及び前記第２隈取りコイルに流れる電流を、前記インバータ及び前記第２電流出力部を用いて制御することを特徴とする回転電機制御システム。
【請求項４】
請求項３に記載の回転電機制御システムにおいて、
前記制御部は、前記ロータが正回転する場合に、前記第２隈取りコイルに前記第２電流としてパルス電流が印加され、前記ロータが逆回転する場合に、前記第２隈取りコイルにパルス電流が、前記正回転時と異なるタイミングまたは異なる方向に印加されるように、前記第２電流出力部を制御することを特徴とする回転電機制御システム。
【請求項５】
請求項１に記載の回転電機において、
前記主磁気特性調整部はダイオードであり、
前記副磁気特性調整部はサイリスタであり、
前記隈取りコイルは、前記主コイルに前記サイリスタを介して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５に記載の回転電機と、
電源に接続され、前記第２コイルに交流電流を出力するインバータと、
前記第２コイルに流れる電流を、前記インバータを用いて制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記ロータが逆回転する場合に前記第２コイルに流れる最大電流が、前記ロータが正回転する場合に前記第２コイルに流れる最大電流よりも小さくなるように前記インバータを制御することを特徴とする回転電機制御システム。
【請求項１】
ロータとステータとが対向配置された回転電機であって、
前記ロータは、ロータコアと、前記ロータコアの複数個所に配置され、それぞれ先端部の周方向片側に設けられた片側先端突極を有する複数のロータ突極と、前記各ロータ突極に巻き回しされた主コイルと、前記各片側先端突極に巻き回しされた隈取りコイルと、前記主コイルに接続された主磁気特性調整部と、前記隈取りコイルに接続された副磁気特性調整部とを含み、
複数の前記主磁気特性調整部は、前記主コイルに生じる誘導電流により前記複数のロータ突極に生じる磁気特性を周方向に交互に異ならせ、
複数の前記副磁気特性調整部は、前記隈取りコイルに生じる誘導電流により前記複数の片側先端突極に生じる磁気特性を、周方向に交互に異ならせつつ、対応する前記主コイルに生じる誘導電流により対応する前記ロータ突極に生じる磁気特性と一致させ、
さらに、前記ステータは、ステータコアと、前記ステータコアの周方向複数個所に配置された複数のステータ突極と、前記各ステータ突極に巻き回しされた第２コイルとを含むことを特徴とする回転電機。
【請求項２】
請求項１に記載の回転電機において、
前記主磁気特性調整部は主ダイオードであり、
前記副磁気特性調整部は、前記主ダイオードに対し電気的に独立して設けられた副ダイオードであり、
さらに、前記ステータは、前記各ステータ突極に巻き回しされた前記第２コイルである第２主コイルと第２隈取りコイルとを含み、
前記第２主コイル及び前記第２隈取りコイルは、互いに独立して電流を流すことを可能とす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に記載の回転電機と、
電源に接続され、前記第２主コイルに交流電流を出力するインバータと、
前記電源または別の電源に接続され、前記第２隈取りコイルに第２電流を出力する第２電流出力部と、
前記インバータ及び前記第２電流出力部を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記第２主コイル及び前記第２隈取りコイルに流れる電流を、前記インバータ及び前記第２電流出力部を用いて制御することを特徴とする回転電機制御システム。
【請求項４】
請求項３に記載の回転電機制御システムにおいて、
前記制御部は、前記ロータが正回転する場合に、前記第２隈取りコイルに前記第２電流としてパルス電流が印加され、前記ロータが逆回転する場合に、前記第２隈取りコイルにパルス電流が、前記正回転時と異なるタイミングまたは異なる方向に印加されるように、前記第２電流出力部を制御することを特徴とする回転電機制御システム。
【請求項５】
請求項１に記載の回転電機において、
前記主磁気特性調整部はダイオードであり、
前記副磁気特性調整部はサイリスタであり、
前記隈取りコイルは、前記主コイルに前記サイリスタを介して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５に記載の回転電機と、
電源に接続され、前記第２コイルに交流電流を出力するインバータと、
前記第２コイルに流れる電流を、前記インバータを用いて制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記ロータが逆回転する場合に前記第２コイルに流れる最大電流が、前記ロータが正回転する場合に前記第２コイルに流れる最大電流よりも小さくなるように前記インバータを制御することを特徴とする回転電機制御システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−１１０９４２（Ｐ２０１３−１１０９４２Ａ）
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５６５４０（Ｐ２０１１−２５６５４０）
【出願日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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