JP6305364B2 - 回転電機システム - Google Patents

Description

この発明は回転電機システムに関し、特に、車両用電動機および車両発電電動機を含む電動機全般を用いた回転電機システムに関するものである。

従来、車両用電動機の回転電機システムにおいては、２以上の複数の電源装置を備えている場合、１つの電源装置だけが車両用電動機に直接接続され、それ以外は電力変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ）を介して接続されている。電力変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ）を介することで複数の電源間の電力授受を可能としている。

これに対して、固定子巻線を２群として、それぞれに電力変換装置（インバータ）と電源装置を接続し、固定子巻線間で電力変換を行うことで、電力変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ）を不要とする方法がとられている（例えば、特許文献１〜３参照）。

特開２００９−０３８９３４号公報 特開平０８−３３１７０５号公報 特開２００４−１８７４５０号公報

特許文献１〜３に記載のような固定子巻線を利用して異なる電源装置から電力を授受する方法では、電力変換装置（インバータ）を２回通過する必要があり、固定子巻線が３相以上の複数相からなる交流巻線の場合、電力変換装置内では固定子巻線に応じた相数のスイッチング素子を電流が通過するため、素子損失が大きく電力変換効率が低下するという問題点があった。

また、回転子に永久磁石を用いている場合、固定子巻線に流す電流によって永久磁石を減磁させてしまうという問題点があった。

また、固定子巻線の通電電流により、回転子にトルクを発生させる、もしくは、トルクを発生させないとの指令を出力する必要がある。当該指令を出力するためには、回転子の磁極位置情報を考慮して、固定子巻線電流の位相を決める必要があるという問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、素子損失を抑えながら、複数の蓄電装置間の電力変換の効率化を図ることが可能な、回転電機システムを得ることを目的としている。

この発明は、回転子鉄心に回転子巻線が巻回された回転子と固定子鉄心に第１固定子巻線および第２固定子巻線が巻回された固定子とを有した回転電機と、上記回転子巻線に接続されて、上記回転子巻線に電流を供給する回転子電流回路と、電力の充放電を行う第１蓄電装置および第２蓄電装置と、上記第１固定子巻線と上記第１蓄電装置との間に接続され、上記第１固定子巻線と上記第１蓄電装置との間の電力変換を行う第１電力変換装置と、上記第２固定子巻線と上記第２蓄電装置との間に接続され、上記第２固定子巻線と上記第２蓄電装置との間の電力変換を行う第２電力変換装置と、上記回転子に関する回転子情報を検知する回転センサーと、上記第１蓄電装置の状態に関する状態情報を検知する第１蓄電センサーと、上記第２蓄電装置の状態に関する状態情報を検知する第２蓄電センサーと、上記回転センサーからの回転子情報、上記第１蓄電センサーからの状態情報、および、上記第２蓄電センサーからの状態情報に基づいて、上記回転子電流回路、上記第１電力変換装置、および、上記第２電力変換装置を制御する制御装置と、上記第１蓄電装置に接続された車載負荷と上記第１蓄電装置の直流側との間に設けられ、直流／直流の電力変換を行う第３電力変換装置とを備え、上記第１蓄電装置をＰＡＭコンバータと上記ＰＡＭコンバータの電圧を制御するコントローラとから構成して、上記第１蓄電装置の電圧を可変とし、上記制御装置により、上記回転子電流回路、上記第１電力変換装置、および、上記第２電力変換装置を制御することで、上記回転子電流回路が上記第１蓄電装置からの電力により上記回転子巻線に電流を供給することで、上記第２固定子巻線に交流電圧を発生させ、その電力を上記第２電力変換装置で直流電流に変換して上記第２蓄電装置を充電させるか、あるいは、上記回転子電流回路が上記第２蓄電装置からの電力により上記回転子巻線に電流を供給することで、上記第１固定子巻線に交流電圧を発生させ、その電力を上記第１電力変換装置で直流電流に変換して上記第１蓄電装置を充電させることで、上記第１蓄電装置と上記第２蓄電装置間での電力変換を行い、上記第１蓄電装置の電圧が上記第２蓄電装置の電圧よりも高く、かつ、上記回転電機を駆動させるとき、上記コントローラは、上記第１蓄電装置の電圧を上記第２蓄電装置の電圧まで低下させる、回転電機システムである。

この発明によれば、回転子巻線を通電し回転子磁束を発生させ、その磁束を固定子巻線に鎖交させることで、固定子巻線での電圧を発生させ、それを、電力変換装置で交流から直流に変換することで、蓄電装置に充電させることができる。このことにより、回転子巻線と固定子巻線間での電力授受が可能となり、また、電力変換（輸送）で使用する電力変換装置が、回転子電流回路と一方の電力変換装置のみであるので、従来の電力授受に対して、使用する電力変換素子数を減らすことができる。これにより、素子損失を低減することが可能で、蓄電装置間の電力変換の効率化を図ることができる。回転子には、回転子巻線に通電する回転子電流のみが供給されるため、回転子位置に関係なく、制御が可能である。また、回転子には回転子巻線にて磁束を発生させるため、永久磁石を用いることなく、回転電機としての機能を果たせる。このため、電力変換での永久磁石の減磁を考慮する必要がない。

この発明の実施の形態１，２による回転電機システムとエンジンの関係を示す図である。 この発明の実施の形態１，２による回転電機システムの構成を示す図である。 この発明の実施の形態３による回転電機システムの構成を示す図である。 この発明の実施の形態４による回転電機システムの構成を示す図である。 この発明の実施の形態１，２による回転電機システムに設けられた第１電力変換装置および第２電力変換装置の一例を示す図である。 この発明の実施の形態１，２による回転電機システムに設けられた回転子電流回路の一例を示す図である。 この発明の実施の形態３による回転電機システムに設けられた整流回路（レクチファイヤ）の一例構を示す図である。 この発明の実施の形態５による回転電機システムの構成を示す図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による回転電機システムとエンジンとの関係を示す図である。図２は、回転電機システムの構成を示す図である。また、図５は、図２の回転電機システムに設けられた第１電力変換装置および第２電力変換装置の一例を示す図である。また、図６は、図２の回転電機システムに設けられた回転子電流回路の一例を示す図である。

図１に示すように、回転電機システム１においては、回転電機２の回転子軸３にプーリー５が装着され、ベルト６を介して、エンジン４と接続されている。回転電機２がエンジン４側から回転させられる場合と、回転電機２を駆動させてエンジン４を回転させる場合とがある。

図２において、回転電機システム１は、回転電機２と、回転電機２に接続された回転子電流回路１４と、回転電機２に接続された第１電力変換装置２５及び第２電力変換装置２６と、これらを制御する制御装置３１と、第１電力変換装置２５に接続された第１蓄電装置２７と、第２電力変換装置２６に接続された第２蓄電装置２８とを備えている。第１蓄電装置２７は車載負荷２９に、第２蓄電装置２８は車載負荷３０に接続され、それぞれ、車載負荷２９，３０に電力供給を行う。

回転電機２は、回転子鉄心１２に回転子巻線１３が巻回された回転子１１と、固定鉄心２２に第１固定子巻線２３と第２固定子巻線２４とが巻回された固定子２１とを備えている。また、回転子１１には、回転子１１の回転状態（回転／停止の別）および回転子位置情報を得る回転子センサー３２が設けられている。回転子巻線１３は、回転子電流回路１４に接続され、回転子電流回路１４から回転子電流が与えられる。第１固定子巻線２３は第１電力変換装置２５に接続され、第２固定子巻線２４は第２電力変換装置２６に接続されている。

回転子電流回路１４は、第１蓄電装置２７および第２蓄電装置２８に接続され、それらの蓄電装置のいずれか一方からの直流電力を用いて、回転子巻線１３に給電する。第１電力変換装置２５および第２電力変換装置２６は、第１蓄電装置２７および第２蓄電装置２８からの直流電力を交流電力に変換して、第１固定子巻線２３および第２固定子巻線２４に給電することができ、逆に、第１固定子巻線２３および第２固定子巻線２４に発生した交流電力を直流電力に変換して、第１蓄電装置２７および第２蓄電装置２８を充電することが可能である。第１蓄電装置２７および第２蓄電装置２８は、それぞれ、蓄電状態等（電圧および蓄電量（ＳＯＣ（State Of Charge）））を検知する第１蓄電装置センサー３３および第２蓄電装置センサー３４を有している。

制御装置３１は、回転子センサー３２、第１蓄電装置センサー３３、および、第２蓄電装置センサー３４からの情報に基づき、回転子電流回路１４、第１電力変換装置２５、および、第２電力変換装置２６の制御を行う。

これ以降の説明では、回転子巻線１３は単相巻線（相数１）とし、第１固定子巻線２３および第２固定子巻線２４は３相交流巻線とした場合を、例に挙げて説明する。第１電力変換装置２５および第２電力変換装置２６は、例えば、図５に示すように、ＭＯＳ ＦＥＴからなる２つのスイッチング素子１０１を直列に接続してなるＭＯＳ ＦＥＴ対を並列に３つ接続したフルブリッジ回路からなる３相インバータである場合を例に挙げる。各スイッチング素子１０１には、ダイオードが逆並列で接続されている。図５では、第１電力変換装置２５の構成のみを図示しているが、第２電力変換装置２６の構成は、図５の第１電力変換装置２５と同じであるため、ここでは図示を省略する。第１電力変換装置２５および第２電力変換装置２６は、スイッチング素子１０１をスイッチングさせることで、第１蓄電装置２７および第２蓄電装置２８からの直流電力を交流電力に変換して第１固定子巻線２３および第２固定子巻線２４に給電するとともに、逆に、第１固定子巻線２３および第２固定子巻線２４で発生した交流電圧を直流電力に変換して第１蓄電装置２７および第２蓄電装置２８を充電することができる。また、回転子電流回路１４は、例えば、図６に示すような、ＭＯＳ ＦＥＴからなる複数のスイッチング素子１０２で構成されたフルブリッジ回路を例に挙げる。回転子電流回路１４は、スイッチング素子１０２をスイッチングさせることで、回転子巻線１３に直流または交流電流（高周波電流）を供給できるものとする。なお、ここで、高周波電流とは、周波数が大きい（ふつうは数百Ｈｚ以上）交流電流のことを一般に「高周波電流」と呼ぶが、電力会社から通常送電される電流の周波数は関東では５０Ｈｚ、関西では６０Ｈｚであるので、ここでは、これらの周波数より周波数が大きい交流電流を高周波電流と呼ぶこととする。また、第１蓄電装置２７は高電圧バッテリ（例えば、２次電池、４８Ｖのリチウムイオンバッテリー（ＬｉＢ））とし、第２蓄電装置２８は低電圧バッテリ（例えば、２次電池、１２Ｖの鉛蓄電池）とする。

次に、回転電機システム１の動作について説明する。
本実施の形態に係る回転電機システム１では、“発電”、“駆動（力行）”及び“電力変換”の３つの動作モードがある。これらの３つの動作モードは、車両走行状態（エンジン回転数）または第１蓄電装置２７及び第２の蓄電装置２８の状態により分類される。まず、車両走行状態のみ考えると、各動作モードは、主には、次の状態で分けられる。車両走行状態が「車両減速時」の場合は動作モードは“発電”となり、車両走行状態が「車両発進時」または「エンジン低速回転時」の場合は動作モードは“駆動（力行）”となり、車両走行状態がそれ以外の場合に動作モードは“電力変換”となる。

これらは車両走行状態のみで分けているが、蓄電装置の状態によっては必ずしもこの走行状態で分類されるものではなく、ＥＣＵでの車両エネルギーマネジメントなど上位からの指令によっては動作モードが変わり得ることがある。各動作モードについては次に個別で説明する。

まず、動作モードが“発電”の場合は、回転電機システム１で機械エネルギーを入力として電気エネルギーを出力する。入力としてエンジン４側からの外部の力により回転子１１が回転させられる機械エネルギーを発電により電気エネルギーに変換し、第１蓄電装置２７および第２蓄電装置２８および車載負荷２９，３０に電力供給する。また、回転子巻線１３に回転子電流回路１４からほぼ一定となる直流電流を供給し、回転子１１に磁極を作り、第１固定子巻線２３および第２固定子巻線２４に交流電圧を発生させ、この交流電力を第１電力変換装置２５および第２電力変換装置２６で直流電力に変換し、第１蓄電装置２７および第２蓄電装置２８を充電する。この場合、制御装置３１が、回転子センサー３２の回転数情報と、第１蓄電装置センサー３３での蓄電状態と、第２蓄電装置センサー３４の蓄電状態情報とに基づいて、回転子電流回路１４に接続された第１蓄電装置２７および第２蓄電装置２８のうちの蓄電量が少ない方を充電すべき蓄電装置として選択し、第１蓄電装置２７および第２蓄電装置２８を制御する。すなわち、制御装置３１は、回転子１１の回転数が大きく第１固定子巻線２３と第２固定子巻線２４のどちらでも発電できる場合は、第１蓄電装置２７および第２蓄電装置２８の蓄電状態によって、例えば、第１蓄電装置２７，第２蓄電装置２８の両方が満充電でない場合は、第１蓄電装置２７，第２蓄電装置２８の両方充電し、どちらかが満充電、または、どちらかが充電過不足状態（非満充電）であれば、充電過不足の蓄電装置側のみを充電する。また、回転数が大きくなく発電量を大きく取れない場合は、第１蓄電装置センサー３３での蓄電状態情報および第２蓄電装置センサー３４の蓄電状態情報により、蓄電量が小さい方の蓄電装置を優先して充電させる。このように、“発電”においては、回転子電流回路１４から回転子巻線１３に直流電流を供給することで、第１蓄電装置２７および第２蓄電装置２８を充電する。

次に、動作モードが“駆動（力行）”の場合は、回転電機システム１で電気エネルギーを入力として機械エネルギーを出力する。第１蓄電装置２７または第２蓄電装置２８から第１電力変換装置２５または第２電力変換装置２６に電力供給し、回転電機２の回転子１１を駆動させ、ベルト６で接続されているエンジン４のエンジン軸を回転、もしくは、回転アシストを行う状態である。高電圧側である第１蓄電装置２７からの直流電力を第１電力変換装置２５で交流電力に変換して第１固定子巻線２３に給電するとともに、第１蓄電装置２７からの直流電力を用いて回転子電流回路１４により回転子巻線１３にほぼ一定となる直流電流を供給させることで、回転子１１にトルクを発生させる。上記説明では、第１蓄電装置２７から電力供給としたが、第１蓄電装置センサー３３での蓄電状態情報および第２蓄電装置センサー３４の蓄電状態情報により、制御装置３１は、蓄電量が大きい方の蓄電装置を電力源として、第１固定子巻線２３または第２の固定子巻線２４のいずれか一方と回転子巻線１３とに電力供給を決める。ただし、蓄電量の大きい方の一方の蓄電装置のみから第１固定子巻線２３または第２固定子巻線２４と回転子巻線１３との両方に電力供給する必要はなく、第１蓄電装置２７および第２蓄電装置２８ともに蓄電量に余裕がある場合は、蓄電量の大きい方の蓄電装置が第１固定子巻線２３及び第２の固定子巻線２４に電力供給し、蓄電量の小さい方の蓄電装置が回転子巻線１３へ電力供給してもよい。

次に、動作モードが“電力変換”の場合は、回転電機システム１で電気エネルギーを入力として電気エネルギーを出力する。回転子１１の回転数が小さく発電が十分に行えない状態で、第１蓄電装置２７または第２蓄電装置２８の一方が、車載負荷２９，３０に対する畜電量が不足となる場合、第１蓄電装置２７及び第２蓄電装置２８間での電力変換（転送）を行う。例えば、畜電量が多い第１蓄電装置２７から畜電量不足の第２蓄電装置２８への電力変換（転送）を行う場合について示す。第１蓄電装置２７から回転子電流回路１４に直流電力を給電して、回転子電流回路１４のＭＯＳ ＦＥＴをスイッチングさせることで、交流電流（高周波電流）を回転子巻線１３に与える。交流電流（高周波電流）であることにより、回転子１１がつくる磁束は回転子１１が停止していても時間的に変化していることで、固定子巻線２４に交流電圧が発生し、この電力を第２電力変換装置２６で直流電力に変換することで、第２蓄電装置２８を充電できる。これは、機械入力を用いることなく、第１蓄電装置２７の電力を回転子巻線１３と第２固定子巻線２４を利用することで、第２蓄電装置２８に電力変換（輸送）することができる。この場合、第２電力変換装置２６と回転子電流回路１４での電力変換素子損失が発生するが、回転子電流回路１４は単相に相当する為、電力変換素子の数が少なく、損失を小さく抑えることができるので効率を高められる。
また、回転子１１に永久磁石を用いてないため、永久磁石の減磁を心配しなくてもよい。また、回転子センサー３２により、回転子情報をみながら、制御装置３１で全体制御を行うので、トルクの調整が可能である。
また、ベルト６が切れるなどして、回転子１１が回転できず、発電ができずに第１蓄電装置２７および第２蓄電装置２８に充電ができない状態となって、どちらかの蓄電装置２７，２８の畜電量がなくなっても、回転子巻線１３に交流電流（高周波電流）を通電することで、蓄電装置２７，２８間での電力変換（輸送）を行うことで、車両の電装品に電力供給を行える。

なお、上記の説明では、第１蓄電装置２７（高電圧側）から第２蓄電装置２８（低電圧側）への電力変換（輸送）としたが、第２蓄電装置２８（低電圧側）から第１蓄電装置２７（高電圧側）への電力変換（輸送）も同様に可能である。

以上のように、本実施の形態では、制御装置３１により、回転子電流回路１４、第１電力変換装置２５、および、第２電力変換装置２６を制御することで、回転子電流回路１４が第１蓄電装置２７からの電力により回転子巻線１３に電流を供給することで、第２固定子巻線２４に交流電圧を発生させ、その電力を第２電力変換装置２６で直流電流に変換して第２蓄電装置２８を充電させるか、あるいは、回転子電流回路１４が第２蓄電装置２８からの電力により回転子巻線１３に電流を供給することで、第１固定子巻線２３に交流電圧を発生させ、その電力を第１電力変換装置２５で直流電流に変換して第１蓄電装置２７を充電させることで、第１蓄電装置２７と第２蓄電装置２８との間の電力変換（輸送）を行う。本実施の形態では、このように、一方の蓄電装置からの電力を用いて回転子巻線１３に高周波電流を通電し回転子磁束を発生させ、その磁束を固定子巻線に鎖交させ、高周波での磁束変化をさせることで固定子巻線での電圧を発生させ、それを、回転子巻線１３が接続されていない側の蓄電装置に接続されている電力変換装置で交流を直流に変換することで蓄電装置に充電させることができる。このことにより、回転子巻線と固定子巻線間での電力授受が可能である。また、回転子１１には、回転子巻線１３に通電する回転子電流のみが供給され、回転子位置に関係なく制御が可能である。また、電力授受で使用する電力変換装置が、回転子巻線１３のための回転子電流回路１４（単相）と一方の固定子巻線のための１組（３相１組）の電流変換装置だけであり、従来の電力授受に対して、使用する電力変換素子数を減らすことができるので、電力変換部での損失を低減することが可能で、電力変換の損失を低減し高効率化することができる。また、回転子１１には回転子巻線１３にて磁束を発生させるため、永久磁石を用いることなく、回転電機としての機能を果たせる。このため、電力変換での永久磁石の減磁を考慮する必要がない。本実施の形態においては、従来の動作、発電、駆動（機械エネルギー←→電気エネルギー変換）以外の、電気エネルギー←→電気エネルギー変換が可能である。

また、本実施の形態では、回転子電流回路１４は、回転子巻線１３に直流電流と交流電流の両方が供給可能であって、回転電機２の駆動対象であるエンジン４を駆動させる“駆動”モード時、および、第１蓄電装置２７および第２蓄電装置２８を充電させる“発電”モード時には、回転子巻線１３に直流電流を供給し、一方、第１蓄電装置２７と第２蓄電装置２８間での“電力変換”モード時には、回転子巻線１３に交流電流（高周波電流）を供給するようにした。このように、本実施の形態では、第１蓄電装置２７と第２蓄電装置２８間での電力変換（輸送）時に、回転子巻線１３に供給する電流を高周波電流とし、回転子巻線１３に高周波電流を通電することで、固定子巻線２３，２４への磁束が時間変化するため、回転子１１が停止している時にも、電力変換を行うことが可能である。

実施の形態２．
上記の実施の形態１では、第１蓄電装置２７の電力で、回転子巻線１３に通電し、第２固定子巻線２４に電力変換（輸送）をしていたが、本実施の形態では、回転子巻線１３だけでなく、第１固定子巻線２３にも第１蓄電装置２７から第１電力変換装置２５を介して、交流電流を通電させることで、電力変換（輸送）を行う場合について説明する。

本実施の形態の回転電機システムの構成は、上記の実施の形態１で、図１、図２、図５、図６に示したものと同じであるため、ここでは、その説明を省略する。

本実施の形態と上記の実施の形態１との動作における差異は、“電力変換”の動作だけである。以下に、本実施の形態における“電力変換”の動作について説明する。なお、他の動作は、上記の実施の形態１と同じであるため、ここでは、その説明を省略する。

本実施の形態において、動作モードが“電力変換”の場合は、回転電機システム１で電気エネルギーを入力として電気エネルギーを出力する。回転子１１の回転数が小さく発電が十分に行えない状態で、第１蓄電装置２７または第２蓄電装置２８の一方が、車載負荷２９，３０に対して、充電量が不足となる場合、第１蓄電装置２７及び第２蓄電装置２８間での電力変換（転送）を行う。例えば、充電量が多い第１蓄電装置２７から充電量不足の第２蓄電装置２８への電力変換（転送）を行う場合について示す。第１蓄電装置２７から回転子電流回路１４に直流電力を給電して、回転子電流回路１４のＭＯＳ ＦＥＴをスイッチングさせることで、交流電流（高周波電流）を回転子巻線１３に与える。交流電流（高周波電流）であることにより、回転子１１がつくる磁束は回転子１１が停止していても時間的に変化していることで、固定子巻線２４に交流電圧が発生し、この電力を第２電力変換装置２６で直流電力に変換することで、第２蓄電装置２８を充電できる。これは、機械入力を用いることなく、第１蓄電装置２７の電力を回転子巻線１３と第２固定子巻線２４を利用することで、第２蓄電装置２８に電力変換（輸送）することができる。この場合、第２電力変換装置２６と回転子電流回路１４での電力変換素子損失が発生するが、回転子電流回路１４は単相に相当する為、電力変換素子の数が少なく、損失を小さく抑えることができるので効率を高められる。また、回転子１１に永久磁石を用いてないため、永久磁石の減磁を心配しなくてもよい。また、回転子センサー３２により、回転子情報をみながら、制御装置３１で全体制御を行うので、トルクの調整が可能である。また、ベルト６が切れるなどして、回転子１１が回転できず、発電ができずに第１蓄電装置２７および第２蓄電装置２８に充電ができない状態となって、どちらかの蓄電装置２７，２８の充電量がなくなっても、回転子巻線１３に交流電流（高周波電流）を通電することで、蓄電装置２７，２８間での電力変換（輸送）を行うことで、車両の電装品に電力供給を行える。

ここまでの動作は、上記の実施の形態１と同じである。
本実施の形態においては、交流電流（高周波電流）を回転子巻線１３に与えると同時に、第１固定子巻線２３にも、第１蓄電装置２７から第１電力変換装置２５を介して、交流電流を通電させる。
こうして、第１固定子巻線２３に交流電流が流れることで、第１固定子巻線２３に磁束が発生し、この磁束が、回転子巻線１３により作成される磁束をアシストすることで、第２固定子巻線２４の磁束量を増やし、第２蓄電装置２８への充電量を大きくさせることができる。
この場合、第１固定子巻線２３には回転子電流のアシストとして、小電流しか流さない為、第１電力変換装置２５での電力損失は大きくないため効率低下をとどめつつ、第２蓄電装置への充電量を大きくできる。

なお、上記の説明では、第１蓄電装置２７（高電圧側）から第２蓄電装置２８（低電圧側）への電力変換（輸送）としたが、第２蓄電装置２８（低電圧側）から第１蓄電装置２７（高電圧側）への電力変換（輸送）も同様に可能である。

以上のように、本実施の形態においては、上記の実施の形態１と同様の効果が得られるとともに、さらに、本実施の形態では、制御装置３１により、回転子電流回路１４、第１電力変換装置２５、および、第２電力変換装置２６を制御することで、回転子電流回路１４が第１蓄電装置２７からの電力により回転子巻線１３に電流を供給するとともに、第１電力変換装置２５が第１蓄電装置２７からの電力により第１固定子巻線２３に電流を供給することで、第２固定子巻線２４に交流電圧を発生させ、その電力を第２電力変換装置２６で直流電流に変換して第２蓄電装置２８を充電させる。あるいは、その逆で、回転子電流回路１４が第２蓄電装置２８からの電力により回転子巻線１３に電流を供給するとともに、第２電力変換装置２６が第２蓄電装置２８からの電力により第２固定子巻線２４に電流を供給することで、第１固定子巻線２３に交流電圧を発生させ、その電力を第１電力変換装置２５で直流電流に変換して第１蓄電装置２７を充電させる。こうすることで、第１蓄電装置２７と第２蓄電装置２８間での電力変換（輸送）を行うことができる。本実施の形態では、このように、回転子巻線１３だけでなく、第１固定子巻線２３または第２固定子巻線２４にも通電することで、電力変換（輸送）を行うようにしたので、回転子巻線１３での磁束に、固定子巻線２３または２４での磁束をアシストすることで、充電側の固定子巻線２４または２３の鎖交磁束量を向上することができる。また、アシストする側の固定子巻線２３または２４の電流は小さいことから、電力変換装置２５または２６での損失を小さくすることができる。

実施の形態３．
図３は、実施の形態３における回転電機システムの構成を示す図である。
上記の実施の形態１、２では、第１電力変換装置２５及び第２電力変換装置２６は、蓄電装置２７，２８と固定子巻線２３，２４との間を、交流電力→直流電力、直流電力→交流電力の交直双方向変換としていた。実施の形態３では、これまでの低電圧側であった第２電力変換装置２６を整流装置（レクチファイヤ）４１に置き換える。他の構成については、上記の実施の形態１、２と同じであるため、ここでは、説明を省略する。

整流装置（レクチファイヤ）４１は、例えば、図７に示すように、２つのダイオード１０３を直列に接続してなるダイオード対を並列に３つ接続したダイオードブリッジ回路からなる３相全波整流回路で構成される。第２電力変換装置２６の代わりに、整流装置（レクチファイヤ）４１とすることで、第２固定子巻線２４で発生した交流電圧を、第２蓄電装置２８への直流になるよう整流して供給する一方向変換となる。

本実施の形態では、“電力変換”モード時は、制御装置３１により、回転子電流回路１４、および、第１電力変換装置２５を制御することで、回転子電流回路１４が第１蓄電装置２７からの電力により回転子巻線１３に電流を供給することで、第２固定子巻線２４に交流電圧を発生させ、その電力を整流装置４１で整流して直流電流に変換して第２蓄電装置２８を充電させることで、第１蓄電装置２７と第２蓄電装置２８との間の電力変換（輸送）を行う。これにより、第１蓄電装置２７と第２蓄電装置２８間の電力変換（輸送）に回転子巻線１３を利用することで、使用する電気回路は、回転子電流回路１４と固定子巻線側の整流装置４１のみであり、電力素子損失を低減させて、電力変換の損失を低減し高効率化することができる。従来の動作、発電、駆動（機械エネルギー←→電気エネルギー変換）以外の、電気エネルギー←→電気エネルギー変換が可能である。

このように、本実施の形態においては、整流装置４１を用いることで、電気回路部を小さくすることができ、回転電機システム１を小さくし、車載搭載性を向上させることが可能となる。また、整流装置４１は受動素子であるため、制御する必要がなくなり、制御装置３１での制御ロジックを簡素化できる。

本実施の形態の場合、“駆動”モード時は、第１蓄電装置２７から第１電力変換装置２５を介して第１固定子巻線２３に電力供給して、回転子１１を回転させることとなる。“発電”モード時は、整流装置４１により整流して第２蓄電装置２８に充電することが可能である。また、第１電力変換装置２５を動作させることで、第１蓄電装置２７にも充電が可能である。

なお、上記の説明においては、第２蓄電装置２８側（低電圧側）の第２電力変換装置を整流装置４１に置き換える例について説明したが、その場合に限らず、第１蓄電装置２７側（高電圧側）の第１電力変換装置を整流装置４１に置き換えるようにしてもよい。

以上のように、本実施の形態においては、上記の実施の形態１，２と同様の効果が得られるとともに、さらに、本実施の形態では、第１電力変換装置２５および第２電力変換装置２６のいずれか１つを整流装置４１で構成するようにした。このように、本実施の形態においては、電力変換装置を整流装置４１とすることで、回路構成を簡素化でき、小型化が可能となる。また、受動素子の整流装置４１とすることで制御ロジックを簡素化できる。

実施の形態４．
図４は、実施の形態４での回転電機システムの構成を示す図である。
本実施の形態では、図４に示すように、上記の実施の形態１〜３（図２または図３）の構成に対して、第１蓄電装置２７と第２蓄電装置２８の間に電力変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ）４２をさらに備えている。他の構成については、上記の実施の形態１〜３と同じであるため、ここでは、その説明を省略する。

本実施の形態では、電力変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ）４２により、第１蓄電装置２７と第２蓄電装置２８とで直接の電力変換（輸送）を直流−直流で変換が可能となり、実施の形態１〜３での回転子巻線１３と固定子巻線間との電力変換（輸送）の補助的なものとして利用する。そのため、電力変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ）４２の電力変換容量を小さくすることができ、電力変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ）４２のサイズを小さくでき、車載搭載性を向上させることができる。また、電力変換の一部を電力変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ）で行うため、固定子巻線に接続された電力変換装置での変換量を小さくできるため、素子での損失を小さくすることが熱的負担を軽減できる。

以上のように、本実施の形態においては、上記の実施の形態１〜３と同様の効果が得られるとともに、さらに、本実施の形態では、第１蓄電装置２７と第２蓄電装置２８との間に、直流／直流の電力変換を行う電力変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ）４２をさらに備えるようにしたので、第１蓄電装置２７、第２蓄電装置２８間の電力変換を、回転子巻線１３、固定子巻線２３，２４間で行う以外にも、補助的に、蓄電装置２７，２８間に設けた電力変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ）４２で電力変換することで、固定子巻線２３，２４の電力変換装置２５，２６、回転子巻線１３の回転子電流回路１４での負担、損失を低減させることができる、また、上記のいずれかが故障した場合のバックアップとして電力変換を行うこともできる。

実施の形態５．
図８は、実施の形態５による回転電機システムの構成を示す図である。
本実施の形態では、図８に示すように、上記の実施の形態１〜４（図２または図３または図４）の構成に対して、高圧側の蓄電装置である第１蓄電装置として可変蓄電装置４３が設けられている。可変蓄電装置４３は、内部に、可変電圧可能なＰＡＭコンバータと、ＰＡＭコンバータの電圧を制御するコントローラとを有している。このため、可変蓄電装置４３によって、高圧側の電圧を低圧側と同じ電圧まで複数段もしくはリニア（線形）に変化させることが可能なシステムとなる。コントローラの制御方法としては、例えば、“発電”、“駆動（力行）”、“電力変換”の回転電機システム１の各動作モードに合わせて、ＰＡＭコンバータの電圧を制御する。コントローラは、制御装置３１から、現在の動作モードの情報を得て、動作モードが、回転電機２の駆動対象であるエンジン４を駆動させる“駆動”モードであることを検知した場合には、ＰＡＭコンバータの電圧を低圧側と同じ電圧まで段階的にもしくはリニア（線形）に変化させる。この変化パターンは、予めコントローラに記憶させておいてもよく、あるいは、ＰＡＭコンバータの電圧を測定し、フィードバック制御するようにしてもよい。一方、コントローラは、動作モードが“発電”または“電力変換”の場合には、インバータの効率と回転電機の効率を鑑みてＰＡＭコンバータの電圧を高圧、低圧に変化させてシステム全体として効率よく駆動できる状態を保つようにする。また、“駆動”モードにおいても、エンジンのアシストする領域で、回転電機のトルクが小さい状態では、ＰＡＭコンバータ電圧を下げた方がインバータおよび回転電機の効率が高くなることがあるため、エンジン回転数(回転電動機回転数)および入力電力に応じて電圧を変化させる。
また、本実施の形態においては、図８に示すように、高圧側の車載負荷２９と可変電圧可能な可変蓄電装置４３との間に直流／直流の電力変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ）４２が備えられている。そのため、電力変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ）４２により、高圧側の車載負荷２９へ供給する電力の電圧を調整することができるため、可変電圧可能な可変蓄電装置４３の電圧が変更されても、高圧側の車載負荷２９の電圧を一定に保つことが可能である。もしくは、図示していないが、可変蓄電装置４３のＰＡＭコンバータを通過しない高圧側の電源回路を持つことによって、上記直流／直流の電力変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ）４２を省くことが可能である。

他の構成については、上記の実施の形態１〜４と同じであるため、ここでは、その説明を省略する。

本実施の形態では、高圧側の蓄電装置である第１蓄電装置として可変蓄電装置４３を用いて、高圧側の電源電圧を可変にすることで、回転電機２の駆動対象であるエンジン４を駆動させる“駆動”モード時に発生する回転電機２の突入電流を抑えることが可能となる。通常、高電圧側の巻線は低電圧側の巻線と比較して抵抗が大きくなっている。しかしながら、巻線の抵抗が電圧に比例して大きくなっていないことから高電圧側は突発的な電流が発生する可能性が大きい。よって、回転電機２の駆動対象であるエンジン４を駆動させる“駆動”モード時において、可変蓄電装置４３のコントローラによって、可変電圧可能なＰＡＭコンバータの電圧を下げておくことによって、突入電流を低減することが可能である。

以上のように、本実施の形態においては、上記の実施の形態１〜４と同様の効果が得られるとともに、さらに、本実施の形態では、第１蓄電装置として可変蓄電装置４３を設け、当該第１蓄電装置をＰＡＭコンバータおよびコントローラから構成して、第１蓄電装置の電圧を可変可能とし、さらに、第１蓄電装置に接続された高圧側の車載負荷２９と第１蓄電装置との間に直流／直流の電力変換を行う電力変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ）４２をさらに備えるようにしたので、回転電機２の駆動対象であるエンジン４を駆動させる“駆動”モード時に発生する回転電機２の突入電流を抑えることが可能となる。

なお、上記各実施の形態１〜５では、第１固定子巻線２３及び第２固定子巻線２４を３相交流巻線としたが、３相交流巻線に限定されず、これらの固定子巻線２３，２４を多相交流巻線（例えば、５相、７相）でもよい。この場合、第１電力変換装置２５及び第２電力変換装置２６も多相巻線対応した回路構成とする。

また、上記各実施の形態１〜５において、第１電力変換装置２５，第２電力変換装置２６、回転子電流回路１４、制御装置３１は、回転電機２と一体であってもよく、別体としてあってもよい。

また、上記各実施の形態１〜５の回転電機システムにおいては、エンジン自動車をもとに、エンジン軸とベルト６等で回転子軸が接続されているとして説明したが、エンジン軸とベルト等で接続していない、ハイブリッド電気自動車としてもよい。ハイブリッド電気自動車の場合でも、駆動、発電（回生）、電力変換と同じ動作モードが存在し、同じ効果が得られる。

１ 回転電機システム、２ 回転電機、３ 回転軸、４ エンジン、５ プーリー、６ ベルト、１１ 回転子、１２ 回転子鉄心、１３ 回転子巻線、１４ 回転子電流回路、２１ 固定子、２２ 固定子鉄心、２３ 第１固定子巻線、２４ 第２固定子巻線、２５ 第１電力変換装置、２６ 第２電力変換装置、２７ 第１蓄電装置、２８ 第２蓄電装置、２９ 車載負荷、３０ 車載負荷、３１ 制御装置、３２ 回転センサー、３３ 第一蓄電装置センサー、３４ 第２蓄電装置センサー、４１ 整流装置、４２ 電力変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ）、４３ 可変蓄電装置、１０１，１０２ スイッチング素子（ＭＯＳ ＦＥＴ）、１０３ ダイオード。

Claims (5)

1. 回転子鉄心に回転子巻線が巻回された回転子と固定子鉄心に第１固定子巻線および第２固定子巻線が巻回された固定子とを有した回転電機と、
   上記回転子巻線に接続されて、上記回転子巻線に電流を供給する回転子電流回路と、
   電力の充放電を行う第１蓄電装置および第２蓄電装置と、
   上記第１固定子巻線と上記第１蓄電装置との間に接続され、上記第１固定子巻線と上記第１蓄電装置との間の電力変換を行う第１電力変換装置と、
   上記第２固定子巻線と上記第２蓄電装置との間に接続され、上記第２固定子巻線と上記第２蓄電装置との間の電力変換を行う第２電力変換装置と、
   上記回転子に関する回転子情報を検知する回転センサーと、
   上記第１蓄電装置の状態に関する状態情報を検知する第１蓄電センサーと、
   上記第２蓄電装置の状態に関する状態情報を検知する第２蓄電センサーと、
   上記回転センサーからの回転子情報、上記第１蓄電センサーからの状態情報、および、上記第２蓄電センサーからの状態情報に基づいて、上記回転子電流回路、上記第１電力変換装置、および、上記第２電力変換装置を制御する制御装置と、
   上記第１蓄電装置に接続された車載負荷と上記第１蓄電装置の直流側との間に設けられ、直流／直流の電力変換を行う第３電力変換装置と
   を備え、
   上記第１蓄電装置をＰＡＭコンバータと上記ＰＡＭコンバータの電圧を制御するコントローラとから構成して、上記第１蓄電装置の電圧を可変とし、
   上記制御装置により、上記回転子電流回路、上記第１電力変換装置、および、上記第２電力変換装置を制御することで、
   上記回転子電流回路が上記第１蓄電装置からの電力により上記回転子巻線に電流を供給することで、上記第２固定子巻線に交流電圧を発生させ、その電力を上記第２電力変換装置で直流電流に変換して上記第２蓄電装置を充電させるか、あるいは、
   上記回転子電流回路が上記第２蓄電装置からの電力により上記回転子巻線に電流を供給することで、上記第１固定子巻線に交流電圧を発生させ、その電力を上記第１電力変換装置で直流電流に変換して上記第１蓄電装置を充電させることで、
   上記第１蓄電装置と上記第２蓄電装置間での電力変換を行い、
   上記第１蓄電装置の電圧が上記第２蓄電装置の電圧よりも高く、かつ、上記回転電機を駆動させるとき、上記コントローラは、上記第１蓄電装置の電圧を上記第２蓄電装置の電圧まで低下させる、
   回転電機システム。
2. 上記回転子電流回路は、上記回転子巻線に直流電流と交流電流の両方が供給可能であって、
   上記回転電機の駆動対象を駆動させる駆動時、および、上記第１蓄電装置および上記第２蓄電装置を充電させる発電時には、上記回転子巻線に直流電流を供給し、
   上記第１蓄電装置と上記第２蓄電装置間での電力変換時には、上記回転子巻線に交流電流を供給する
   請求項１に記載の回転電機システム。
3. 上記制御装置により、上記回転子電流回路、上記第１電力変換装置、および、上記第２電力変換装置を制御することで、
   上記回転子電流回路が上記第１蓄電装置からの電力により上記回転子巻線に電流を供給するとともに、上記第１電力変換装置が上記第１蓄電装置からの電力により上記第１固定子巻線に電流を供給することで、上記第２固定子巻線に交流電圧を発生させ、その電力を上記第２電力変換装置で直流電流に変換して上記第２蓄電装置を充電させるか、あるいは、
   上記回転子電流回路が上記第２蓄電装置からの電力により上記回転子巻線に電流を供給するとともに、上記第２電力変換装置が上記第２蓄電装置からの電力により上記第２固定子巻線に電流を供給することで、上記第１固定子巻線に交流電圧を発生させ、その電力を上記第１電力変換装置で直流電流に変換して上記第１蓄電装置を充電させることで、
   上記第１蓄電装置と上記第２蓄電装置間での電力変換を行う
   請求項１または２に記載の回転電機システム。
4. 上記第１電力変換装置および上記第２電力変換装置のいずれか１つは、整流装置で構成されている
   請求項１から３までのいずれか１項に記載の回転電機システム。
5. 上記第１蓄電装置と上記第２蓄電装置との間に、直流／直流の電力変換を行う電力変換装置をさらに備えた
   請求項１から４までのいずれか１項に記載の回転電機システム。

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