JP4775465B2

JP4775465B2 - 回転電機の駆動装置

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Publication number: JP4775465B2
Application number: JP2009064155A
Authority: JP
Inventors: 健二平本; 英雄中井
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
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Priority date: 2009-03-17
Filing date: 2009-03-17
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2029-03-17
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Description

本発明は、回転電機の駆動装置に関し、特に、界磁巻線に直流電流が流れることで界磁磁束を発生し、電機子巻線に交流電流が流れることで界磁磁束と相互作用する磁界を発生する回転電機の界磁巻線及び電機子巻線に電流を流す装置に関する。

界磁巻線に直流電流が流れることで界磁磁束を発生し、電機子巻線に交流電流が流れることで界磁磁束と相互作用する磁界を発生する回転電機の関連技術が下記特許文献１に開示されている。特許文献１の回転電機においては、図１９，２０に示すように、電機子であるステータ１０１のコア１０２が軸方向に２分割されており、便宜上、２分割された片側の部分をＮ極側コア１０２ａ、他の片側の部分をＳ極側コア１０２ｂとすると、Ｎ極側コア１０２ａとＳ極側コア１０２ｂは、その間に環状の界磁巻線１０５を挟むように軸方向に沿って設けられている。Ｎ極側コア１０２ａとＳ極側コア１０２ｂは、その外周側に設けられたステータヨーク１０４を介して機械的且つ磁気的に連結されている。電機子巻線１０３は、Ｎ極側コア１０２ａとＳ極側コア１０２ｂとをまたぐようにして設けられている。また、ロータ１１１のコア１１２は、シャフト１１５に連結されたロータヨーク１１４に機械的且つ磁気的に連結されている。ロータコア１１２は、部分的に突き出た構造で突極状をなし、永久磁石１１３Ｎ，１１３Ｓが設けられる部分以外の箇所にて突極状部１１２ａを形成する。この突極状部１１２ａは、便宜上、Ｎ極側コア１０２ａに対応して設けられたＮ極側突極状部１１２ａＮと、Ｓ極側コア１０２ｂに対応して設けられたＳ極側突極状部１１２ａＳとに分けられる。ロータ１１１におけるＮ極側コア１０２ａと対向する部分には、Ｎ極永久磁石１１３ＮとＮ極側突極状部１１２ａＮとが周方向に交互に並んで配置され、ロータ１１１におけるＳ極側コア１０２ｂと対向する部分には、Ｓ極永久磁石１１３ＳとＳ極側突極状部１１２ａＳとが周方向に交互に並んで配置されている。さらに、軸方向に関しては、Ｎ極側突極状部１１２ａＮとＳ極永久磁石１１３Ｓとが並んで配置され、Ｎ極永久磁石１１３ＮとＳ極側突極状部１１２ａＳとが並んで配置されている。

特許文献１の回転電機においては、永久磁石１１３Ｎ，１１３Ｓによる界磁磁束は、Ｎ極永久磁石１１３Ｎ→ギャップ→Ｎ極側コア１０２ａ→ステータヨーク１０４→Ｓ極側コア１０２ｂ→ギャップ→Ｓ極永久磁石１１３Ｓ→ロータコア１１２→ロータヨーク１１４→ロータコア１１２→Ｎ極永久磁石１１３Ｎによる閉磁路を通る。さらに、界磁巻線１０５に直流電流を流すことで、図１９に示すように、ステータヨーク１０４→Ｓ極側コア１０２ｂ→ギャップ→Ｓ極側突極状部１１２ａＳ→ロータコア１１２→ロータヨーク１１４→ロータコア１１２→Ｎ極側突極状部１１２ａＮ→ギャップ→Ｎ極側コア１０２ａ→ステータヨーク１０４による閉磁路を通る直流磁束（界磁磁束）が発生する。その際に、界磁磁束の方向は直流電流の向きにより制御可能であり、界磁磁束の大きさは直流電流の大きさにより制御可能である。界磁巻線１０５に流れる直流電流による界磁磁束が永久磁石１１３Ｎ，１１３Ｓによる界磁磁束と同一方向である場合は、界磁巻線１０５に直流電流を流さない場合よりも電機子巻線１０３に鎖交する界磁磁束が減少するため、弱め界磁制御を行うことが可能である。一方、界磁巻線１０５に流れる直流電流による界磁磁束が永久磁石１１３Ｎ，１１３Ｓによる界磁磁束と反対方向である場合は、界磁巻線１０５に直流電流を流さない場合よりも電機子巻線１０３に鎖交する界磁磁束が増加するため、強め界磁制御を行うことが可能である。なお、一方向の直流電流を界磁巻線１０５に流す場合でも、界磁巻線１０５に流す直流電流の大きさを制御することで、界磁制御（電機子巻線１０３に鎖交する界磁磁束の制御）を行うことが可能である。

特許文献１の回転電機において、界磁巻線１０５に直流電流を流すための駆動回路の構成例を図２１に示す。図２１に示す構成例では、駆動回路はブリッジタイプのチョッパ回路（ＤＣ−ＤＣコンバータ）であり、スイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ４とスイッチング素子Ｔｒ２，Ｔｒ３とをスイッチング制御することで、界磁巻線１０５に流す直流電流を双方向に制御することが可能となる。また、電機子巻線１０３に交流電流を流すための駆動回路としては、インバータが用いられ、インバータのスイッチング素子をスイッチング制御することで、電機子巻線１０３に流す交流電流を制御することが可能となる。

特開平６−３５１２０６号公報特開２００８−１８７８２６号公報

特許文献１においては、界磁巻線１０５に流す直流電流を制御するための駆動回路（ＤＣ−ＤＣコンバータ）と、電機子巻線１０３に流す交流電流を制御するための駆動回路（インバータ）との両方にスイッチング素子がそれぞれ必要となる。その結果、スイッチング素子の数が増加し、駆動回路のコスト高を招くことになる。

本発明は、回転電機の界磁巻線及び電機子巻線に流す電流を制御する場合に、スイッチング素子の数を削減することで低コスト化を実現することを目的とする。

本発明に係る回転電機の駆動装置は、上述した目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明に係る回転電機の駆動装置は、界磁巻線に直流電流が流れることで界磁磁束を発生し、電機子巻線に交流電流が流れることで界磁磁束と相互作用する磁界を発生する回転電機の界磁巻線及び電機子巻線に電流を流す回転電機の駆動装置であって、直流電源からの直流電流を交流に変換して電機子巻線に流すことが可能なインバータと、インバータで交流に変換された電流を直流に整流して界磁巻線に流すことが可能な整流回路と、を備え、電機子巻線は３相巻線であり、インバータは、電機子巻線の各相毎に対応して設けられた複数のスイッチングアームであって、その各々が直流電源の正側端子と負側端子との間で直列接続された１対のスイッチング素子を含む複数のスイッチングアームを有し、整流回路は、電機子巻線の各相毎に対応して設けられた複数の整流アームであって、その各々が界磁巻線の一端と他端との間で直列接続された１対の整流素子を含む複数の整流アームを有し、電機子巻線の各相の一端が、対応するスイッチングアームのスイッチング素子間の中点と接続されており、電機子巻線の各相の他端が、対応する整流アームの整流素子間の中点と接続されており、インバータのスイッチング制御により、電機子巻線に流れる交流電流の大きさと界磁巻線に流れる直流電流の大きさとが比例関係を保ちながら制御されることを要旨とする。

また、本発明に係る回転電機の駆動装置は、界磁巻線に直流電流が流れることで界磁磁束を発生し、電機子巻線に交流電流が流れることで界磁磁束と相互作用する磁界を発生する回転電機の界磁巻線及び電機子巻線に電流を流す回転電機の駆動装置であって、直流電源からの直流電流を交流に変換して電機子巻線に流すことが可能なインバータと、インバータで交流に変換された電流を直流に整流して界磁巻線に流すことが可能な整流回路と、を備え、電機子巻線は３相巻線であり、インバータは、電機子巻線の各相毎に対応して設けられた複数のスイッチングアームであって、その各々が直流電源の正側端子と負側端子との間で直列接続された１対のスイッチング素子を含む複数のスイッチングアームを有し、整流回路は、電機子巻線の各相毎に対応して設けられた複数の整流アームであって、その各々が界磁巻線の一端と他端との間で直列接続された１対の整流素子を含む複数の整流アームを有し、電機子巻線の各相の一端が、対応するスイッチングアームのスイッチング素子間の中点、及び対応する整流アームの整流素子間の中点と接続されており、電機子巻線の各相の他端同士が互いに接続されており、インバータのスイッチング制御により、電機子巻線に流れる交流電流の大きさと界磁巻線に流れる直流電流の大きさとが比例関係を保ちながら制御されることを要旨とする。

本発明の一態様では、整流回路は、インバータで交流に変換された電流を直流に整流して回転電機のステータに設けられた界磁巻線に流すことが好適である。

本発明によれば、回転電機の界磁巻線及び電機子巻線に流す電流を制御する場合に、スイッチング素子の数を削減することができ、低コスト化を実現することができる。

回転電機の構成例を示す図である。回転電機の構成例を示す図である。回転電機の構成例を示す図である。回転電機の構成例を示す図である。回転電機の構成例を示す図である。回転電機の構成例を示す図である。回転電機の構成例を示す図である。回転電機における界磁制御を説明する図である。回転電機における界磁制御を説明する図である。本発明の実施形態に係る回転電機の駆動装置の概略構成を示す図である。回転電機の回転数とトルクとの関係を示す図である。本発明の実施形態に係る回転電機の駆動装置の他の概略構成を示す図である。回転電機の他の構成例を示す図である。回転電機の他の構成例を示す図である。回転電機における界磁制御を説明する図である。回転電機における界磁制御を説明する図である。回転電機の他の構成例を示す図である。回転電機の回転数とトルクとの関係を計算したシミュレーション結果を示す図である。回転電機の他の構成例を示す図である。回転電機の他の構成例を示す図である。関連技術に係る回転電機の駆動装置の概略構成を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。

まず本発明の実施形態に係る駆動装置からの電流が流れる界磁巻線及び電機子巻線を有する回転電機１０の構成例について、図１〜５を用いて説明する。図１，２は回転軸２２と直交する方向から見たロータ及びステータの内部構成の概略を示す断面図であり、図３はロータの構成を示す斜視図であり、図４，５はステータの構成を示す斜視図である。図１は図３のＡ−Ａ断面に相当する位置での断面図を示し、図２は図３のＢ−Ｂ断面に相当する位置での断面図を示す。回転電機１０は、ケーシング１１に固定されたステータ１２と、ステータ１２と対向配置され、ステータ１２に対し回転可能なロータと、を備える。そして、ロータは、ロータ回転軸線（回転軸２２）と直交する径方向（以下単に径方向とする）においてステータ１２と対向配置されたラジアルロータ１４と、ロータ回転軸線（回転軸２２）と平行方向（以下回転軸方向とする）においてステータ１２と対向配置され、ラジアルロータ１４と機械的且つ磁気的に連結された２つのアキシャルロータ６４，８４と、を有する。ラジアルロータ１４及びアキシャルロータ６４，８４はいずれも非磁性の回転軸２２に機械的に連結されており、ラジアルロータ１４とアキシャルロータ６４，８４と回転軸２２とが一体となって回転する。図１〜５に示す例では、ラジアルロータ１４が、ステータ１２の径方向内側に配置され、ステータ１２の内周面（ラジアル面）と所定の空隙（エアギャップ）を空けて対向している。そして、２つのアキシャルロータ６４，８４が、ステータ１２の回転軸方向外側にステータ１２を挟んで配置され、ステータ１２の両側面（アキシャル面）と所定の空隙を空けて対向している。

ステータ１２は、環状コア部２６と、この環状コア部２６にトロイダル巻きされた複数相（例えば３相）の電機子巻線２８と、を含む。ステータ１２には、環状コア部２６の内周面から径方向（径方向内側）にラジアルロータ１４へ向けて突出する複数のラジアルティース３０がロータ回転軸線まわりの周方向（以下単に周方向とする）に沿って互いに間隔をおいて（等間隔で）配列されており、各ラジアルティース３０間にスロットが形成されている。さらに、ステータ１２には、環状コア部２６の両側面から回転軸方向（回転軸方向外側）にアキシャルロータ６４へ向けて突出する複数（ラジアルティース３０と同数）のアキシャルティース８０が周方向に沿って互いに間隔をおいて（等間隔で）配列されており、各アキシャルティース８０間にスロットが形成されている。ラジアルティース３０とアキシャルティース８０は、周方向に関する位置が互いにずれることなく配置され、ラジアルティース３０間のスロットとアキシャルティース８０間のスロットも、周方向に関する位置が互いにずれることなく配置されている。３相の電機子巻線２８は、ラジアルティース３０間のスロット及びアキシャルティース８０間のスロットを通って（例えば分布巻等で）トロイダル巻きされている。ここでの環状コア部２６、ラジアルティース３０、及びアキシャルティース８０、つまりステータ１２の鉄心部分については、例えば、鉄等の強磁性体の微小粒の表面に電気を通さない膜のコーティングを施した粉体を押し固めた圧粉磁心材料等の３次元等方性磁性材料により成形することができる。

ラジアルロータ１４は、略円筒形状のラジアルコア１６と、径方向においてステータ１２（ラジアルティース３０）と対向してラジアルコア１６の外周部に配設された複数のラジアル永久磁石１８と、を含む。ラジアルコア１６の外周部には、ステータ１２（ラジアルティース３０）へ向けて径方向外側に突出した複数（ラジアル永久磁石１８と同数）のラジアル突極部１９が周方向に沿って互いに間隔をおいて（等間隔で）配列されている。各ラジアル突極部１９は、径方向においてステータ１２（ラジアルティース３０）と対向している。複数のラジアル永久磁石１８は、周方向に沿って互いに間隔をおいて（等間隔で）配列され、周方向に関して各ラジアル突極部１９間の位置に配置されている。つまり、各ラジアル永久磁石１８は、ラジアル突極部１９に対して周方向に関する位置をずらして配置されており、周方向においてラジアル永久磁石１８とラジアル突極部１９とが交互に並んでいる。各ラジアル永久磁石１８の着磁方向は互いに同方向であり、各ラジアル永久磁石１８の表面（ステータ１２と対向する磁極面）は互いに同じ極性（例えばＮ極）に着磁されている。

アキシャルロータ６４は、略環状のアキシャルコア６６と、回転軸方向においてステータ１２（アキシャルティース８０）と対向してアキシャルコア６６の側面に配設された複数のアキシャル永久磁石６８と、を含む。アキシャルコア６６は、ラジアルコア１６と機械的且つ磁気的に連結されている。アキシャルコア６６の側面には、ステータ１２（アキシャルティース８０）へ向けて回転軸方向（回転軸方向内側）に突出した複数（アキシャル永久磁石６８と同数）のアキシャル突極部６９が周方向に沿って互いに間隔をおいて（等間隔で）配列されている。各アキシャル突極部６９は、回転軸方向においてステータ１２（アキシャルティース８０）と対向している。複数のアキシャル永久磁石６８は、周方向に沿って互いに間隔をおいて（等間隔で）配列され、周方向に関して各アキシャル突極部６９間の位置に配置されている。つまり、図６に示すように、各アキシャル永久磁石６８は、アキシャル突極部６９に対して周方向に関する位置をずらして配置されており、周方向においてアキシャル永久磁石６８とアキシャル突極部６９とが交互に並んでいる。各アキシャル永久磁石６８の着磁方向は互いに同方向であり、各アキシャル永久磁石６８の表面（ステータ１２と対向する磁極面）は互いに同じ極性（例えばＳ極）に着磁されている。

同様に、アキシャルロータ８４は、略環状のアキシャルコア８６と、回転軸方向においてステータ１２（アキシャルティース８０）と対向してアキシャルコア８６の側面に配設された複数のアキシャル永久磁石８８と、を含む。アキシャルコア８６は、ラジアルコア１６と機械的且つ磁気的に連結されている。アキシャルコア８６の側面には、ステータ１２（アキシャルティース８０）へ向けて回転軸方向（回転軸方向内側）に突出した複数（アキシャル永久磁石８８と同数）のアキシャル突極部８９が周方向に沿って互いに間隔をおいて（等間隔で）配列されている。各アキシャル突極部８９は、回転軸方向においてステータ１２（アキシャルティース８０）と対向している。複数のアキシャル永久磁石８８は、周方向に沿って互いに間隔をおいて（等間隔で）配列され、周方向に関して各アキシャル突極部８９間の位置に配置されている。つまり、図７に示すように、各アキシャル永久磁石８８は、アキシャル突極部８９に対して周方向に関する位置をずらして配置されており、周方向においてアキシャル永久磁石８８とアキシャル突極部８９とが交互に並んでいる。各アキシャル永久磁石８８の着磁方向は互いに同方向であり、各アキシャル永久磁石８８の表面（ステータ１２と対向する磁極面）は互いに同じ極性（例えばＳ極）に着磁されている。

アキシャル永久磁石８８はアキシャル永久磁石６８と同数設けられ、アキシャル突極部８９もアキシャル突極部６９と同数設けられている。アキシャル永久磁石８８は、アキシャル永久磁石６８に対して周方向に関する位置をずらすことなく配置され、回転軸方向においてステータ１２を挟んでアキシャル永久磁石６８と対向している。アキシャル突極部８９も、アキシャル突極部６９に対して周方向に関する位置をずらすことなく配置され、回転軸方向においてステータ１２を挟んでアキシャル突極部６９と対向している。各アキシャル永久磁石８８の表面（ステータ１２と対向する磁極面）は、各アキシャル永久磁石６８の表面（ステータ１２と対向する磁極面）と同じ極性（例えばＳ極）に着磁されている。

さらに、ラジアル永久磁石１８はアキシャル永久磁石６８（アキシャル永久磁石８８）と同数設けられ、ラジアル突極部１９もアキシャル突極部６９（アキシャル突極部８９）と同数設けられている。アキシャル永久磁石６８，８８は、ラジアル永久磁石１８に対して周方向に関する位置をずらして配置され、アキシャル突極部６９，８９も、ラジアル突極部１９に対して周方向に関する位置をずらして配置されている。そして、アキシャル永久磁石６８，８８とラジアル突極部１９が、周方向に関する位置が互いにずれることなく配置され、アキシャル突極部６９，８９とラジアル永久磁石１８も、周方向に関する位置が互いにずれることなく配置されている。また、各アキシャル永久磁石６８，８８の表面（ステータ１２と対向する磁極面）は、各ラジアル永久磁石１８の表面（ステータ１２と対向する磁極面）と逆の極性に着磁されている。図３，６，７に示す例では、各ラジアル永久磁石１８の表面がＮ極に着磁され、各アキシャル永久磁石６８，８８の表面がＳ極に着磁されている。ただし、各ラジアル永久磁石１８の表面がＳ極に着磁され、各アキシャル永久磁石６８，８８の表面がＮ極に着磁されていてもよい。

複数相（３相）の電機子巻線２８に複数相（３相）の交流電流を流すことで、ラジアルティース３０及びアキシャルティース８０が順次磁化され、周方向に回転する回転磁界がステータ１２に形成される。ステータ１２に発生した回転磁界は、ラジアルティース３０及びアキシャルティース８０からラジアルロータ１４及びアキシャルロータ６４，８４にそれぞれ作用し、ラジアル永久磁石１８及びアキシャル永久磁石６８，８８の発生する磁界（界磁磁束）がこの回転磁界と相互作用して、吸引及び反発作用が生じる。このラジアルティース３０及びアキシャルティース８０の回転磁界とラジアル永久磁石１８及びアキシャル永久磁石６８，８８の界磁磁束との電磁気相互作用（吸引及び反発作用）により、ラジアルロータ１４及びアキシャルロータ６４，８４にトルク（磁石トルク）を作用させることができる。したがって、回転電機１０を、電機子巻線２８への供給電力を利用してラジアルロータ１４及びアキシャルロータ６４，８４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、回転電機１０を、ラジアルロータ１４及びアキシャルロータ６４，８４の動力を利用して電機子巻線２８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。

さらに、ステータ１２の回転磁界と相互作用する界磁磁束の制御を行うために、界磁巻線７０，９０がステータ１２に設けられている。各界磁巻線７０，９０は周方向に沿って環状に巻回されている。界磁巻線７０が通る（巻回された）位置は、径方向に関して環状コア部２６よりもラジアルロータ１４（ラジアル永久磁石１８及びラジアル突極部１９）寄りの位置で、且つ回転軸方向に関して環状コア部２６よりもアキシャルロータ６４（アキシャル永久磁石６８及びアキシャル突極部６９）寄りの位置である。そして、界磁巻線９０が通る（巻回された）位置は、径方向に関して環状コア部２６よりもラジアルロータ１４（ラジアル永久磁石１８及びラジアル突極部１９）寄りの位置で、且つ回転軸方向に関して環状コア部２６よりもアキシャルロータ８４（アキシャル永久磁石８８及びアキシャル突極部８９）寄りの位置である。図１〜５に示す例では、界磁巻線７０，９０は、径方向に関して各アキシャルティース８０よりもラジアルロータ１４側（内側）で、且つ回転軸方向に関して各ラジアルティース３０よりもアキシャルロータ６４，８４側（外側）の位置に、各ラジアルティース３０、各アキシャルティース８０、及び各電機子巻線２８と近接して配置されている。界磁巻線７０，９０は、絶縁体により電機子巻線２８と電気的に絶縁されている。さらに、各電機子巻線２８の外周面における界磁巻線７０，９０に近接する部分には、凸曲面２８ａが形成されている。各電機子巻線２８の凸曲面２８ａに近接する界磁巻線７０の外周面の外径は、回転軸方向に関してアキシャルロータ６４側から環状コア部２６側へ（外側から内側へ）向かうにつれて徐々に減少し、各電機子巻線２８の凸曲面２８ａに近接する界磁巻線９０の外周面の外径は、回転軸方向に関してアキシャルロータ８４側から環状コア部２６側へ向かうにつれて徐々に減少している。なお、界磁巻線７０，９０のステータ１２への固定については、例えば、図４に示すように、電機子巻線２８の上から繊維７１等で縛ることで固定してもよいし、ステータ全体を樹脂等でモールドして固定してもよい。

図３，６，７に示す例（ラジアル永久磁石１８の表面がＮ極、アキシャル永久磁石６８，８８の表面がＳ極に着磁されている例）では、ラジアル永久磁石１８及びアキシャル永久磁石６８，８８による界磁磁束は、ラジアル永久磁石１８→エアギャップ→ラジアルティース３０→環状コア部２６→アキシャルティース８０→エアギャップ→アキシャル永久磁石６８，８８→アキシャルコア６６，８６→ラジアルコア１６→ラジアル永久磁石１８による閉磁路を通る（ラジアル永久磁石１８の表面がＳ極、アキシャル永久磁石６８，８８の表面がＮ極に着磁されている場合は界磁磁束の向きが逆になる）。さらに、界磁巻線７０，９０に直流電流を流すことで、ラジアル突極部１９、ラジアルコア１６、アキシャルコア６６，８６、アキシャル突極部６９，８９、エアギャップ、アキシャルティース８０、環状コア部２６、ラジアルティース３０、エアギャップ、及びラジアル突極部１９による閉磁路を通る界磁磁束が発生し、この界磁磁束が電機子巻線２８に交流電流を流すことでステータ１２に発生する回転磁界と相互作用する。その際に、各ラジアル突極部１９の表面（ステータ１２との対向面）は互いに同じ極性に磁化し、各アキシャル突極部６９，８９の表面（ステータ１２との対向面）は互いに同じ極性に磁化する。ただし、各アキシャル突極部６９，８９の表面は、各ラジアル突極部１９の表面と逆の極性に磁化する。界磁巻線７０，９０による界磁磁束の大きさは、界磁巻線７０，９０に流す直流電流の大きさにより制御可能である。

図８，９に示すように、各ラジアル突極部１９の表面が各ラジアル永久磁石１８の表面と逆の極性（例えばＳ極）に磁化し、各アキシャル突極部６９，８９の表面が各アキシャル永久磁石６８，８８の表面と逆の極性（例えばＮ極）に磁化する方向に界磁巻線７０，９０に直流電流（界磁電流）を流すことで、界磁巻線７０，９０による界磁磁束７２，９２は、アキシャル突極部６９，８９→エアギャップ→アキシャルティース８０→環状コア部２６→ラジアルティース３０→エアギャップ→ラジアル突極部１９→ラジアルコア１６→アキシャルコア６６，８６→アキシャル突極部６９，８９による閉磁路を通る。図８，９において、○（白丸印）内に●（黒丸印）の部分は図面の手前方向の電流が流れる場合を表し、○（白丸印）内に×（バツ印）の部分は図面の奥方向の電流が流れる場合を表す（以下の図でも同様）そして、図８，９において、○（白丸印）内に→Ａの部分は断面Ａ−Ａ（図８）へ磁束が流れる場合を表し、○（白丸印）内にＡ→の部分は断面Ａ−Ａ（図８）から磁束が流れ込む場合を表し、○（白丸印）内に→Ｂの部分は断面Ｂ−Ｂ（図９）へ磁束が流れる場合を表し、○（白丸印）内にＢ→の部分は断面Ｂ−Ｂ（図９）から磁束が流れ込む場合を表す（以下の図でも同様）。この場合は、界磁巻線７０，９０による界磁磁束７２，９２とラジアル永久磁石１８及びアキシャル永久磁石６８，８８による界磁磁束とが、環状コア部２６を周方向に通るときに互いに同方向となる。そのため、界磁巻線７０，９０に流す直流電流の大きさを増加させることで、電機子巻線２８に鎖交する界磁磁束を増加させることができ、強め界磁制御を行うことができる。一方、界磁巻線７０，９０に流す直流電流の大きさを減少させることで、電機子巻線２８に鎖交する界磁磁束を減少させることができ、弱め界磁制御を行うことができる。このように、界磁巻線７０，９０に流す直流電流を制御して、ラジアルロータ１４（ラジアル突極部１９）とアキシャルロータ６４，８４（アキシャル突極部６９，８９）と環状コア部２６とを通る界磁磁束を制御することで、電機子巻線２８に鎖交する界磁磁束を制御することができ、界磁制御を行うことが可能である。

次に、本実施形態に係る回転電機の駆動装置、つまり回転電機１０の界磁巻線７０，９０及び電機子巻線２８に電流を流す駆動装置の構成について、図１０を用いて説明する。本実施形態に係る回転電機の駆動装置は、直流電源４０からの直流電流を交流に変換して電機子巻線２８に流すことが可能なインバータ４１と、インバータ４１で交流に変換され電機子巻線２８に流れる交流電流を直流に整流して界磁巻線７０，９０に流すことが可能な整流回路４２と、を備える。

インバータ４１は、直流電源４０の正側ラインＰＬと負側ラインＳＬとの間で互いに並列接続され、電機子巻線２８の各相２８Ｕ，２８Ｖ，２８Ｗ毎にそれぞれ対応して設けられた複数（図１０では３本）のスイッチングアーム４３，４４，４５を備える。スイッチングアーム４３においては、１対のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２が直流電源４０の正側ラインＰＬと負側ラインＳＬとの間で直列接続され、さらに、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２のそれぞれと逆並列接続された１対のダイオード（整流素子）Ｄ１，Ｄ２が設けられている。同様に、スイッチングアーム４４においては、１対のスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４が直流電源４０の正側ラインＰＬと負側ラインＳＬとの間で直列接続され、さらに、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４のそれぞれと逆並列接続された１対のダイオードＤ３，Ｄ４が設けられており、スイッチングアーム４５においては、１対のスイッチング素子Ｓ５，Ｓ６が直流電源４０の正側ラインＰＬと負側ラインＳＬとの間で直列接続され、さらに、スイッチング素子Ｓ５，Ｓ６のそれぞれと逆並列接続された１対のダイオードＤ５，Ｄ６が設けられている。電機子巻線２８の各相２８Ｕ，２８Ｖ，２８Ｗの一端は、対応するスイッチングアーム４３，４４，４５のスイッチング素子間の中点４６，４７，４８とそれぞれ接続されている。インバータ４１は、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６のオンオフを繰り返すスイッチング動作により、直流電源４０からの直流電力を３相交流に変換して３相の電機子巻線２８Ｕ，２８Ｖ，２８Ｗへ供給することが可能である。さらに、インバータ４１は、電機子巻線２８Ｕ，２８Ｖ，２８Ｗの３相交流電力を直流に変換して直流電源４０に回収する方向の変換も可能である。

整流回路４２は、界磁巻線７０，９０の一端と他端との間で互いに並列接続され、電機子巻線２８の各相２８Ｕ，２８Ｖ，２８Ｗ毎にそれぞれ対応して設けられた複数（図１０では３本）の整流アーム５３，５４，５５を備える。整流アーム５３においては、１対のダイオード（整流素子）Ｄ１１，Ｄ１２が界磁巻線７０，９０の一端と他端との間で直列接続されている。同様に、整流アーム５４においては、１対のダイオードＤ１３，Ｄ１４が界磁巻線７０，９０の一端と他端との間で直列接続され、整流アーム５５においては、１対のダイオードＤ１５，Ｄ１６が界磁巻線７０，９０の一端と他端との間で直列接続されている。電機子巻線２８の各相２８Ｕ，２８Ｖ，２８Ｗの他端は、対応する整流アーム５３，５４，５５のダイオード間の中点５６，５７，５８とそれぞれ接続されている。整流回路４２は、インバータ４１で交流に変換され電機子巻線２８に供給された３相交流電力をダイオード（整流素子）Ｄ１１〜Ｄ１６により整流することで直流に変換してから界磁巻線７０，９０に供給することが可能である。このように、本実施形態では、３相の電機子巻線２８Ｕ，２８Ｖ，２８Ｗの中性点部分に整流回路４２を接続し、電機子巻線２８Ｕ，２８Ｖ，２８Ｗから整流回路４２を介して界磁巻線７０，９０に直流電流を流す。

本実施形態では、インバータ４１のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６のスイッチング動作により、直流電源４０からの直流電流が交流に変換されて３相の電機子巻線２８Ｕ，２８Ｖ，２８Ｗに流れる。さらに、電機子巻線２８Ｕ，２８Ｖ，２８Ｗに流れる交流電流は、整流回路４２のダイオードＤ１１〜Ｄ１６により直流に整流されて界磁巻線７０，９０にも流れる。電機子巻線２８Ｕ，２８Ｖ，２８Ｗに流れる交流電流の大きさ（振幅）と、界磁巻線７０，９０に流れる直流電流の大きさとは、比例関係になり、電機子巻線２８Ｕ，２８Ｖ，２８Ｗに流れる交流電流の大きさが増加するのに対して、界磁巻線７０，９０に流れる直流電流の大きさも増加する。そして、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６のスイッチング制御により、電機子巻線２８Ｕ，２８Ｖ，２８Ｗに流れる交流電流の大きさ、及び界磁巻線７０，９０に流れる直流電流の大きさの両方がこの比例関係を保ちながら制御される。なお、電機子巻線２８Ｕ，２８Ｖ，２８Ｗに流れる交流電流の大きさと、界磁巻線７０，９０に流れる直流電流の大きさとの比は、界磁巻線７０，９０のターン数（巻数）を調整することで調整可能である。

回転電機１０の回転数−トルク特性は、例えば図１１に示すように、低回転数では高トルクであることが望ましい。また、高回転数では、電機子巻線２８の誘起電圧を減少させることで、回転電機１０の運転範囲をより高回転側に拡大することが望ましい。そのためには、界磁巻線７０，９０に流す界磁電流（直流電流）については、低回転数時にはトルクを増加させるために大きくし、高回転時には誘起電圧を抑制するために小さくすることが望ましい。同様に、電機子巻線２８に流す交流電流の大きさについても、低回転数時には大きくし、高回転時には小さくすることが望ましい。すなわち、界磁巻線７０，９０に流す界磁電流の大きさと、電機子巻線２８に流す交流電流の大きさとは、比例した関係で所望される。

これに対して本実施形態では、ロータ（ラジアルロータ１４及びアキシャルロータ６４，８４）の回転数が低いときには、電機子巻線２８Ｕ，２８Ｖ，２８Ｗに流れる交流電流の大きさを増加させるようにインバータ４１（スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６）のスイッチング制御を行うことで、界磁巻線７０，９０に流れる直流電流の大きさを増加させることができ、電機子巻線２８に鎖交する界磁磁束を増加させることができる（強め界磁制御を行うことができる）。その結果、ロータの回転数が低いときに、ロータのトルクを増加させることができる。一方、ロータの回転数が高いときには、電機子巻線２８Ｕ，２８Ｖ，２８Ｗに流れる交流電流の大きさを減少させるようにインバータ４１のスイッチング制御を行うことで、界磁巻線７０，９０に流れる直流電流の大きさを減少させることができ、電機子巻線２８に鎖交する界磁磁束を減少させることができる（弱め界磁制御を行うことができる）。その結果、ロータの回転数が高いときに、電機子巻線２８の誘起電圧を減少させることができ、回転電機１０の運転範囲をより高回転側に拡大することができる。したがって、本実施形態によれば、回転電機１０の制御性を向上させることができる。

さらに、本実施形態では、インバータ４１（スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６）のスイッチング制御だけで、界磁巻線７０，９０に流す界磁電流の大きさと、電機子巻線２８に流す交流電流の大きさとの両方を、比例関係を保ちながら制御することができるので、界磁巻線７０，９０に流す界磁電流を制御するためのスイッチング素子を含むＤＣ−ＤＣコンバータを別途設ける必要がなくなる。その結果、スイッチング素子の数を削減することができ、駆動装置の低コスト化・小型化を実現することができる。

本実施形態では、例えば図１２に示すように、整流回路４２を電機子巻線２８に並列に接続して構成することも可能である。図１２に示す構成例では、図１０に示す構成例と比較して、電機子巻線２８の各相２８Ｕ，２８Ｖ，２８Ｗの一端が、対応するスイッチングアーム４３，４４，４５のスイッチング素子間の中点４６，４７，４８、及び対応する整流アーム５３，５４，５５のダイオード間の中点５６，５７，５８とそれぞれ接続されている。そして、電機子巻線２８の各相２８Ｕ，２８Ｖ，２８Ｗの他端同士が互いに接続されている。つまり、３相の電機子巻線２８Ｕ，２８Ｖ，２８ＷがＹ（スター）結線されている。図１２に示す構成例でも、インバータ４１のスイッチング制御だけで、界磁巻線７０，９０に流す界磁電流の大きさと、電機子巻線２８に流す交流電流の大きさとの両方を、比例関係を保ちながら制御することができる。

また、回転電機１０においては、例えば図１３，１４に示すように、ラジアル永久磁石１８及びアキシャル永久磁石６８，８８を省略することも可能である。この場合でも、例えば図１５，１６に示すように、整流回路４２から界磁巻線７０，９０に界磁電流（直流電流）を流すことで、ラジアル突極部１９、ラジアルコア１６、アキシャルコア６６，８６、アキシャル突極部６９，８９、エアギャップ、アキシャルティース８０、環状コア部２６、ラジアルティース３０、エアギャップ、及びラジアル突極部１９による閉磁路を通る界磁磁束７２，９２が発生し、この界磁磁束７２，９２がインバータ４１から電機子巻線２８に交流電流を流すことでステータ１２に発生する回転磁界と相互作用する。その際にも、各アキシャル突極部６９，８９の表面は、各ラジアル突極部１９の表面と逆の極性に磁化する。図１３，１４に示す構成例でも、インバータ４１のスイッチング制御により界磁巻線７０，９０に流す界磁電流の大きさを増加させることで、電機子巻線２８に鎖交する界磁磁束を増加させることができ、強め界磁制御を行うことができる。一方、インバータ４１のスイッチング制御により界磁巻線７０，９０に流す界磁電流の大きさを減少させることで、電機子巻線２８に鎖交する界磁磁束を減少させることができ、弱め界磁制御を行うことができる。また、回転電機１０においては、界磁巻線７０，９０のいずれか一方を省略することも可能である。

また、本実施形態に係る回転電機の駆動装置は、図１９，２０に示した特許文献１の回転電機の界磁巻線１０５及び電機子巻線１０３に電流を流す場合に対しても適用可能である。その場合は、界磁巻線１０５による界磁磁束が永久磁石１１３Ｎ，１１３Ｓによる界磁磁束と反対方向となる向きに、整流回路４２から界磁巻線１０５に直流電流を流すことで、ロータの回転数が低いときにロータのトルクを増加させることができ、ロータの回転数が高いときに電機子巻線１０３の誘起電圧を減少させることができる。さらに、本実施形態に係る回転電機の駆動装置は、図１９，２０に示す回転電機から永久磁石１１３Ｎ，１１３Ｓを除いた構成に対しても適用可能である。また、本実施形態に係る回転電機の駆動装置は、特許文献２の回転電機の界磁巻線及び電機子巻線に電流を流す場合に対しても適用可能である。

また、本実施形態に係る回転電機の駆動装置は、例えば図１７に示すような、界磁巻線７０がロータ２１４に設けられた回転電機１０に対しても適用可能である。図１７に示す構成例では、ステータ１２（ステータコア）に３相の電機子巻線２８Ｕ，２８Ｖ，２８Ｗが設けられている。ロータ２１４（ロータコア）の外周部には、複数の永久磁石２１８と、ステータ１２へ向けて径方向外側に突出した複数（永久磁石２１８と同数）の突極部２１９とが周方向に沿って互いに間隔をおいて（等間隔で）配列されている。複数の永久磁石２１８は、周方向に関して各突極部２１９間の位置に配置されている。つまり、各永久磁石２１８は、突極部２１９に対して周方向に関する位置をずらして配置されており、周方向において永久磁石２１８と突極部２１９とが交互に並んでいる。界磁巻線７０は各突極部２１９に装着されており、整流回路４２からスリップリングを介して界磁巻線７０に直流電流を流すことで界磁磁束が発生し、この界磁磁束がインバータ４１から電機子巻線２８Ｕ，２８Ｖ，２８Ｗに交流電流を流すことでステータ１２に発生する回転磁界と相互作用する。その際には、各突極部２１９の表面（ステータ１２と対向する磁極面）が各永久磁石２１８の表面（ステータ１２と対向する磁極面）と異なる極性に磁化する方向に、界磁巻線７０に直流電流（界磁電流）を流す。図１７に示す構成例でも、インバータ４１のスイッチング制御により界磁巻線７０に流す界磁電流の大きさを増加させることで、電機子巻線２８Ｕ，２８Ｖ，２８Ｗに鎖交する界磁磁束を増加させることができ、強め界磁制御を行うことができる。一方、インバータ４１のスイッチング制御により界磁巻線７０に流す界磁電流の大きさを減少させることで、電機子巻線２８Ｕ，２８Ｖ，２８Ｗに鎖交する界磁磁束を減少させることができ、弱め界磁制御を行うことができる。なお、図１７に示す構成例では、各永久磁石２１８の代わりに、界磁巻線が装着された突極部を設けることもできる。

以上説明したように、本実施形態に係る回転電機の駆動装置は、界磁巻線に直流電流が流れることで界磁磁束を発生し、電機子巻線に交流電流が流れることで界磁磁束と相互作用する磁界を発生する回転電機に対して適用可能である。

ここで、表面磁石型の回転電機において、磁石磁束のうちの半分を界磁巻線に流れる界磁電流による磁束で補う場合を例に、回転数とトルクとの関係を計算したシミュレーション結果を図１８に示す。図１８において、「界磁巻線なし」は、界磁磁束を磁石磁束φａのみで電機子巻線電流（３相電流）によらずに一定とした場合のシミュレーション結果を示し、「実施形態」は、界磁磁束を磁石磁束１／２×φａと界磁電流による磁束φｉとの和とした場合（ただし、最大電流時にφｉ＝１／２×φａ）のシミュレーション結果を示す。図１８に示すように、「界磁巻線なし」よりも「実施形態」の方が、回転電機の運転範囲をより高回転側に拡大できることがわかる。なお、シミュレーションの際には、「実施形態」の界磁電流最大時の界磁磁束を、「界磁巻線なし」の界磁磁束と同じにしているため、低回転数での最大トルクは変化しないが、界磁電流による磁束φｉを増加させる等すれば、低回転数でのトルク増加も可能である。

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等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。

１０回転電機、１１ケーシング、１２ステータ、１４ラジアルロータ、１６，３６ラジアルコア、１８ラジアル永久磁石、１９，３９ラジアル突極部、２２回転軸、２６環状コア部、２８電機子巻線、３０ラジアルティース、４０直流電源、４１インバータ、４２整流回路、４３，４４，４５スイッチングアーム、４６，４７，４８，５６，５７，５８中点、５３，５４，５５整流アーム、６４，８４アキシャルロータ、６６，８６アキシャルコア、６８，８８アキシャル永久磁石、６９，８９アキシャル突極部、７０，９０界磁巻線、７２，９２界磁磁束、８０アキシャルティース、２１８永久磁石、２１９突極部、Ｄ１〜Ｄ６，Ｄ１１〜Ｄ１６ダイオード、Ｓ１〜Ｓ６スイッチング素子。

Claims

界磁巻線に直流電流が流れることで界磁磁束を発生し、電機子巻線に交流電流が流れることで界磁磁束と相互作用する磁界を発生する回転電機の界磁巻線及び電機子巻線に電流を流す回転電機の駆動装置であって、
直流電源からの直流電流を交流に変換して電機子巻線に流すことが可能なインバータと、
インバータで交流に変換された電流を直流に整流して界磁巻線に流すことが可能な整流回路と、
を備え、
電機子巻線は３相巻線であり、
インバータは、電機子巻線の各相毎に対応して設けられた複数のスイッチングアームであって、その各々が直流電源の正側端子と負側端子との間で直列接続された１対のスイッチング素子を含む複数のスイッチングアームを有し、
整流回路は、電機子巻線の各相毎に対応して設けられた複数の整流アームであって、その各々が界磁巻線の一端と他端との間で直列接続された１対の整流素子を含む複数の整流アームを有し、
電機子巻線の各相の一端が、対応するスイッチングアームのスイッチング素子間の中点と接続されており、電機子巻線の各相の他端が、対応する整流アームの整流素子間の中点と接続されており、
インバータのスイッチング制御により、電機子巻線に流れる交流電流の大きさと界磁巻線に流れる直流電流の大きさとが比例関係を保ちながら制御される、回転電機の駆動装置。
界磁巻線に直流電流が流れることで界磁磁束を発生し、電機子巻線に交流電流が流れることで界磁磁束と相互作用する磁界を発生する回転電機の界磁巻線及び電機子巻線に電流を流す回転電機の駆動装置であって、
直流電源からの直流電流を交流に変換して電機子巻線に流すことが可能なインバータと、
インバータで交流に変換された電流を直流に整流して界磁巻線に流すことが可能な整流回路と、
を備え、
電機子巻線は３相巻線であり、
インバータは、電機子巻線の各相毎に対応して設けられた複数のスイッチングアームであって、その各々が直流電源の正側端子と負側端子との間で直列接続された１対のスイッチング素子を含む複数のスイッチングアームを有し、
整流回路は、電機子巻線の各相毎に対応して設けられた複数の整流アームであって、その各々が界磁巻線の一端と他端との間で直列接続された１対の整流素子を含む複数の整流アームを有し、
電機子巻線の各相の一端が、対応するスイッチングアームのスイッチング素子間の中点、及び対応する整流アームの整流素子間の中点と接続されており、電機子巻線の各相の他端同士が互いに接続されており、
インバータのスイッチング制御により、電機子巻線に流れる交流電流の大きさと界磁巻線に流れる直流電流の大きさとが比例関係を保ちながら制御される、回転電機の駆動装置。
請求項１または２に記載の回転電機の駆動装置であって、
整流回路は、インバータで交流に変換された電流を直流に整流して回転電機のステータに設けられた界磁巻線に流す、回転電機の駆動装置。