JP2010098826A - 車両用回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】無負荷誘起電圧を低減しつつ、高効率かつ高出力な車両用回転電機の提供。
【解決手段】固定子には、相数Ｐhの固定子コイルが結線数Ｎcを持って保持されている。回転子のロータコア２０に形成された隣接する爪磁極２１ａ，２１ｂの隙間には、爪磁極２１ａ，２１ｂの漏れ磁束を反発させる方向に着磁された永久磁石が設けられている。そして、爪磁極２１ａ，２１ｂの隙間のギャップ寸法Ｇpと、ロータコア２０の外径をＤrとし爪磁極２１ａ，２１ｂの数をＰとした時の長さＬrs＝Ｄr×sin(３６０×Ｎc/(２×Ｐ×Ｐh))との比Ｇp／Ｌrsを、０．８〜１．２に設定した。その結果、漏れ磁束が抑えられて無負荷誘起電圧が低減されると共に、高効率かつ高出力を得ることができる。
【選択図】図６

Description

本発明は、車両走行時には発電機として動作し、エンジン停止時には始動機として動作する発電機兼エンジン始動装置として用いるに好適な車両用回転電機に関する。

従来、爪型磁極を回転子に持つ車両用回転電機では、隣接した爪型磁極間の漏れ磁束を反発させる方向に着磁された磁石を配置している。そのような回転電機において、高効率かつ高出力を得るためには、固定子鉄心の軸方向長さＬ１と回転子円筒部の軸方向長さＬ２の比率Ｌ１／Ｌ２を１．２５〜１．７５の範囲に設定し、且つ回転子の外径Ｒ１と円筒部の外径Ｒ２の比率Ｒ２／Ｒ１を０．５４〜０．６０の範囲に設定したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開１１−１６４４９９号公報

しかしながら、上述した回転電機では、隣接した爪型磁極間の距離によっては漏れ磁束の磁界が磁石の作る磁界よりも強くなり、磁石が有効に働かない場合がある。このような場合、モータ回転数が１００００r／min以上というような高速回転時には、無負荷誘起電圧が大きくなり過ぎて車両系電圧を超過するという問題があるが、上述した特許文献１には、無負荷誘起電圧を低減することについては何ら記載されていなかった。

本発明に係る車両用回転電機は、回転軸に固定される円筒状の継鉄部、該継鉄部の外周に巻回される界磁巻線、継鉄部の軸方向両端からそれぞれ外径方向へ延出する第１および第２の円盤部、第１の円盤部の外周から第２の円盤部の方向へ延出する複数の第１の爪磁極、第２の円盤部の外周から第１の円盤部の方向へ延出し、周方向に沿って第１の爪磁極と交互に配置される複数の第２の爪磁極、および、第１の爪磁極と第２の爪磁極との隙間に配置され、それらの爪型磁極間の漏れ磁束を反発させる方向に着磁された永久磁石を具備する回転子と、回転子の外周側に微小隙間を保って配置され、相数Ｐhの電機子巻線が結線数Ｎcを持って保持されている固定子とを備え、隣接する爪型磁極間のギャップ寸法Ｇｐと、回転子の外径をＤｒとし爪型磁極の数をＰとした時の長さＬrs＝Ｄr×sin(３６０×Ｎc/(２×Ｐ×Ｐh))との比Ｇp／Ｌrsを、０．８〜１．２に設定したことを特徴とする。
さらに、第１および第２の円盤部の厚みＲtと継鉄部の軸方向長さＬyとの比Ｒt／Ｌyを、０．３５〜０．４５に設定するようにしても良い。
また、永久磁石の断面形状を、隙間の幅方向の寸法がＷで径方向の高さ寸法がＨの矩形状とし、そのときの比Ｈ／Ｗを０．４〜０．６に設定するようにしても良い。

本発明によれば、無負荷誘起電圧を低減しつつ、高効率かつ高出力な車両用回転電機が得られる。

以下、図を参照して本発明の一実施形態による車両用回転電機について説明する。図１は、本実施の形態の回転電機を搭載した車両のパワートレインシステムの概略構成を示す図である。図１に示す車両は、内燃機関であるエンジンと１０１を動力源としたエンジンパワートレインである。図１において１０６ｂは後輪を示し、１０７ｂは後輪車軸を示す。エンジン１０１の回転駆動力は変速機１０４、デファイレンシャルギア１０５、前輪車軸１０７ａを介して前輪１０６ａに伝えられる。

回転電機１００はエンジン１０１に取り付けられており、エンジンプーリー１０１ａと回転電機１００のプーリー２１がベルト１０２にて機械的に連結されている。本実施の形態の回転電機１００は、エンジン１０１に回転駆動力を与える電動機としての機能を有するとともに、エンジン１０１から回転駆動力を受けて発電を行う発電機としても機能する。

回転電機１００が電動機として動作する場合には、整流装置１１０は、バッテリー１０８からの直流電力を３相交流電力に変換し、電力ケーブル３３を介して回転電機１００に供給する。また、整流装置１１０に組み込まれた界磁回路は、バッテリー１０８からの電流が所望の電流値となるように調整して、回転電機１００の界磁巻線に電力を供給する。

整流装置１１０は、エンジンコントロールユニット１０９からの運転指令値や回転位置検出装置のセンサ信号等の入力信号に応じた指令信号を算出し、この指令信号から駆動信号を生成する。さらに、この駆動信号に基づいて整流装置１１０内の整流素子をオン・オフ駆動する。整流素子にはＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電解効果トランジスタ）が用いられている。また、ＭＯＳＦＥＴの替わりにＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）を用いることもできる。また、整流装置内１１０の界磁回路部分では、上記入力信号から回転電機１００の界磁コイルに流す電流値を算出する。そして、界磁駆動回路内のスイッチング素子のデューティを制御してバッテリー１０８の直流電力から所望の界磁電流を生成し、信号線１１１を介して回転電機１００に供給する。

一方、回転電機１００が発電機として動作する場合には、エンジン１０１の回転駆動力を受けて回転電機１００の回転子が回転し、回転電機１００の固定子コイルに起電力が誘起されて３相交流電力が発生する。発生した３相交流電力は、整流装置１１０により直流電力に変換され、バッテリー１０８に供給される。整流装置１１０内の界磁駆動回路部では、バッテリー１０８の充電状態や、回転電機１００の回転数等の情報等に基づいて回転電機１００の界磁巻線に流す電流値が算出される。そして、界磁駆動回路内のスイッチング素子のデューティを制御することで、バッテリー１０８の直流電力から所望の界磁電流を生成し、信号線１１１を介して回転電機１００に供給する。

図１に示す車両は複数の運転モードを有しており、エンジンコントロールユニット１０９は、各運転モードに応じてエレクトリックパワートレインの駆動を制御する。エンジンコントロールユニット１０９と整流装置１１０との間はＣＡＮやＬＩＮ等の通信手段１１２が設けられ、相互の信号通信を行っている。

エンジン１０１が初期始動モードにある時、すなわち、エンジン１０１が冷えている状態においてイグニションキースイッチがオンされエンジン１０１が始動されるコールド始動の場合には、バッテリー１０８からの電力をスタータ１０３に供給して、スタータ１０３を駆動させる。これにより、エンジン１０１は始動する。

エンジン１０１が再始動モード（アイドルストップモード）にある場合には、エンジンコントロールユニット１０９から整流装置１１０に駆動信号が送られ、整流装置１１０は、バッテリー１０８の直流電力を交流に変換して回転電機１００に供給する。なお、再始動モード（アイドルストップモード）とは、例えば、信号待ちなどの停車時などのようにエンジン１０１が温まっていて、かつ、イグニションキーがオンの状態において、エンジン１０１を一旦停止させ、再発車時にエンジン１０１を再始動（ホット始動）させるモードである。

エンジンコントロールユニット１０９は、エンジン１０１が完爆状態になったと判断した際には、回転電機１００が発電機として働くよう整流装置１１０に指令を送る。なお、バッテリー１０８の充電状態が低い場合や、エンジン１０１が充分に温まっていない時など、エンジンコントロールユニット１０９がエンジン１０１を停止するべきでないことを判断した際には、エンジン１０１を停止せず駆動を継続する。

図２は、回転電機１００の全体構成を示す断面図である。本実施形態の回転電機１００は爪型磁極回転子を有する３相同期回転電機であり、バッテリー１０８等の直流電力を３相交流電力に変換するインバータ装置９０が一体化されている。このインバータ装置９０は図１に示した整流装置１１０に対応するものであり、整流装置１１０を回転電機１００に一体化させた場合の構成を示している。固定子１はフロント側ハウジング３とリア側ハウジング４とにより挟持され、固定子１の外周はフロント側ハウジング３に覆われた構造となっている。固定子１に設けられた固定子鉄心１１のスロットには、３相分の固定子コイル１２が波巻により巻回されている。

なお、固定子１の外周とフロント側ハウジング３との間の熱伝導を向上させるために、熱伝導率の良い樹脂などを介在させても良い。また、このような樹脂を設けることにより、電磁振動の抑制を図ることができる。

回転子２は、固定子１の内周側に微小隙間を保って対向配置されている。回転子２は、複数の第１の爪磁極２１ａと、複数の第２の爪磁極２１ｂと、継鉄部２２とを有するルンデル型のロータコア２０を備えている。継鉄部２２の外周には、ボビン２６を介して界磁コイル２３が巻回されている。ボビン２６は絶縁性を有する材料（例えば、樹脂）で形成されている。界磁コイル２３には、ブラシ６及びスリップリング７を介して界磁電流が供給される。界磁コイル２３に界磁電流を通電することにより、発電や駆動に必要な界磁磁束が発生する。第１の爪磁極２１ａと第２の爪磁極２１ｂとの間には、永久磁石２４がそれぞれ挿入されている。これらの永久磁石２４を設けることで、界磁電流により発生した界磁磁束の効果を、より向上させるようにしている。

ロータコア２０が固定されているシャフト５は、フロント側ハウジング３に取り付けられているフロント側ベアリング８とリア側ハウジング４に取付けられているリア側ベアリング９とによって回転可能に支持されている。シャフト５の一方の端部には、プーリー１５が固定されている。図１に示したように、プーリー１５とエンジン１０１のクランクシャフトプーリー１０１ａとの間にはベルト１０２が架け回される。回転子２のロータコア２０の両端面には、フロント側ファン１６ａ、リア側ファン１６ｂが取り付けられている。リア側ハウジング４には、樹脂等で形成された絶縁性のケース９１が固定されている。ケース９１内にはインバータ装置９０が収納されている。

図３はロータコア２０の構成を説明するための斜視図である。上述したように、ロータコア２０は第１の爪磁極２１ａ、第２の爪磁極２１ｂおよび継鉄部２２を備えている。さらに、ロータコア２０は継鉄部２２の軸方向両端に配置される第１および第２の円盤部２５ａ，２５ｂを備えている。第１の爪磁極２１ａは第１の円盤部２５ａの外周部に一体に形成されており、第１の円盤部２５ａの外周部から第２の円盤部２５ｂの方向へ伸延している。一方、第２の爪磁極２１ｂは第２の円盤部２ｂの外周部に一体に形成されており、第１の円盤部２５ａの方向へ伸延している。互いに噛み合うよう形態で配置された第１および第２の爪磁極２１ａ，２１ｂとは、所定の間隔で周方向に交互に配置されている。

図３ではロータコア２０を３ピース構造としたが、図４はロータコア２０を２ピース構造とした場合の構成を示す図である。この場合、各円盤部２５ａ，２５ｂの中央部分に継鉄部２２ａ，２２ｂが一体に形成されている。円盤部２５ａ，２５ｂは、互いの継鉄部２２ａ，２２ｂが当接するようにシャフト５に固定され、一対の継鉄部２２ａ，２２ｂによって図３に示す継鉄部２２が構成される。

前述したように、継鉄部２２の周囲に巻回されている界磁コイル２３に界磁電流を通電すると、第１および第２の爪磁極２１ａ，２１ｂの一方にはＮ極が形成され、他方にはＳ極が形成される。その結果、ロータコア２０には、Ｎ極とＳ極とが周方向に交互に形成されることになる。第１の爪磁極２１ａと第２の爪磁極２１ｂとの間に配置されている永久磁石２４は周方向に着磁されており、Ｎ極が形成された爪磁極に対向する面側がＮ極に、Ｓ極が形成された爪磁極に対向する面側がＳ極になっている。そのため、爪磁極２１ａ，２１ｂを通る界磁磁束は永久磁石２４によって反発されるように固定子鉄心１１（図２参照）に入る。すなわち、永久磁石２４は、爪磁極２１ａ，２１ｂ間に形成される漏れ磁束を低減するように機能している。漏れ磁束とは、固定子コイルと鎖交しない磁束、すなわち、固定子鉄心１１へ入らずに、Ｎ極の爪磁極から隣のＳ極の爪磁極に直接入ってしまう磁束のことである。この漏れ磁束が小さいほど、発電機または電動機としての効率が向上する。

しかしながら、第１の爪磁極２１ａと第２の爪磁極２１ｂとの間隔（後述するポールギャップＧp）の大きさによっては、漏れ磁束の磁界が永久磁石２４の作る磁界よりも強くなり、上述した永久磁石２４の機能が有効に働かなくなる場合がある。また、界磁電流がゼロ（すなわち無励磁）とされた場合、爪磁極の間隔が小さいと、永久磁石２４が形成する磁束が隣接する爪磁極間に漏れやすくなり、漏れ出た磁束が固定子コイルと鎖交して誘起電圧が生成されることになる。電機子電流ゼロ、界磁電流ゼロのときの誘起電圧は無励磁無負荷誘起電圧と呼ばれるが、前述したように、回転電機１００の回転数が毎分１００００回転を超える高速回転時には、無励磁無負荷誘起電圧が車両系電圧を超過してしまうという問題がある。本実施の形態の回転電機１００では、以下に説明するように爪磁極間隔やロータコア２０の寸法を設定することでこれらの問題点を改善し、高効率かつ高出力を得られるようにした。

図５〜７は、ロータコア２０の各部の寸法関係を示す図である。図５はロータコア２０の断面形状（半断面）を示したものである。図５に示すように、ロータコア２０の外径（直径）をＤｒ、円盤部２５ａ，２５ｂの厚さ（軸方向寸法）をＲt、継鉄部２２の厚さ（軸方向寸法）をＬyとする。なお、円盤部２５ａ，２５ｂは同一厚さＲtに設定されている。

［ポールギャップＧpの設定方法］
図６は永久磁石２４が挿入される部分の寸法を示す図である。図３，４に示すように爪磁極２１ａ，２１ｂの外周面の形状は先細りの台形状をしており、爪磁極２１ａ，２１ｂに形成され永久磁石２４が挿入される隙間は、軸方向に対して斜めになっている。図６は、この斜めになっている隙間の一つをその斜め方向から見た図であり、隙間の断面形状はＵ字形状になっている。図７は、隣接する一対の爪磁極２１ａ，２１ｂとその間に形成された隙間とを、外周側から見た図である。

各爪磁極２１ａ，２１ｂには鍔部２００が形成されていて、永久磁石２４は鍔部２００よりも内側（軸側）に保持される。なお、永久磁石２４は単体で構成されても良く、複数の磁石で構成されていても良い。そのため、爪磁極２１ａ，２１ｂの永久磁石２４が保持される部分の幅寸法は、鍔部２００が形成されている部分の幅寸法よりも小さくなっている。すなわち、鍔部２００部分のギャップ寸法（以下ではポールギャップと呼ぶ）をＧp、鍔部２００部分の幅寸法をＬpとすると、永久磁石が保持される部分の幅寸法はＧp＋２Ｌpとなる。なお、ここでの幅寸法とは、図７に示すように、隙間の延在方向に対して直交する方向の寸法（最短距離）を指す。

ここで、固定子鉄心１１の隣り合う２つのティースの中心間の角度を固定子１スロット分の角度とすれば、この固定子１スロット分の角度に対応する回転子２の外径（すなわち、ロータコア２０の外径）における弦長さＬrsは、式（１）で表される。なお、式（１）において、Ｐは爪磁極２１ａ，２１ｂの総数、すなわち回転子２の磁極数であり、ＰhおよびＮcは固定子巻線の相数および結線数である。
Ｌrs＝Ｄr×sin（３６０×Ｎc／（２×Ｐ×Ｐh）） …（１）

前述したように、爪磁極２１ａ，２１ｂ間のポールギャップＧpの大きさによって永久磁石２４の機能が有効に働かなくなり、漏れ磁束が多くなり（すなわち鎖交磁束が少なくなり）発電時の出力電流が小さくなってしまう場合がある。

図８はポールギャップＧpと漏れ磁束および出力電流との関係を図示したものである。なお、図８では、磁極数Ｐに関係なくロータコア２０の外径Ｄrは同一に設定されている。漏れ磁束および出力電流を示す曲線の形状は、回転子２の磁極数Ｐが異なっていてもほぼ同一形状をしている。一方、磁極数Ｐが異なると曲線が左右方向にずれており、例えば、磁極数Ｐ＝１２における漏れ磁束曲線に対して、磁極数Ｐが８の場合の漏れ磁束曲線は右側にシフトし、磁極数Ｐが１６の場合には左側にシフトしている。

磁極数Ｐが増加するとポールギャップＧpが小さくなるが、同時に弦長さＬrsも小さくなる。そのため、固定子と回転子との寸法関係が相対的にほぼ同じとなり、漏れ磁束および出力電流もほぼ同様の傾向となることが推測される。すなわち、図９に示すように横軸としてポールギャップＧpの代わりに比率Ｇp／Ｌrsを用いることで、磁極数によらず漏れ磁束および出力電流を同一の曲線で表すことができることが分かった。

図９に示す漏れ磁束曲線Ｌ3は左上がりの曲線となり、比率Ｇp／Ｌrsが小さくなるほど漏れ磁束が大きくなる。例えば、Ｌrs＝一定として漏れ磁束を考えた場合、漏れ磁束は、永久磁石２４の磁界に逆らって隣接する爪磁極に入る磁束なので、ポールギャップＧpが小さくなって反対極の爪磁極が近付くほど大きくなる。逆に、ポールギャップＧpが大きくなるほど漏れ磁束は小さくなり、例えば比率Ｇp／Ｌrsが１．１以上では、漏れ磁束は殆ど変化しなくなる。

出力電流は、一方の爪磁極から固定子鉄心１１に入って他方の爪磁極へと戻る有効磁束の量に依存するので、漏れ磁束が小さくなって有効磁束が増えるほど出力電流は大きくなる。しかし、ポールギャップＧpが大きくなると爪磁極２１ａ，２１ｂの幅寸法が小さくなり、爪磁極２１ａ，２１ｂを通る磁束に対して磁気抵抗が大きくなる。そのため、比率Ｇp／Ｌrsが所定値を越えると有効磁束が減少し始め、出力電流も減少し出す。図９に示す例では、比率Ｇp／Ｌrsがほぼ０．９のところで出力電流がピークとなり、比率Ｇp／Ｌrsがさらに大きくなると出力電流は減少する。

また、界磁電流ゼロの場合に、固定子コイルと鎖交する永久磁石２４の磁束は、漏れ磁束の場合と同様の傾向を有しており、比率Ｇp／Ｌrsが小さいほど大きくなる。そのため、無励磁無負荷誘起電圧は、比率Ｇp／Ｌrsが小さいほど大きくなる。出力電流を最大にするという観点からは、比率Ｇp／Ｌrsを０．９に設定するのが好ましい。一方、０．９よりもＧp／Ｌrsが小さい方が漏れ磁束（同様に、固定子コイルと鎖交する永久磁石２４の磁束）は小さくなるが、Ｇp／Ｌrs＝０．９において漏れ磁束はかなり小さくなっているため、漏れ磁束の減少によるメリットに比べて出力電流の減少によるデメリットのほうが影響が大きい。よって、図９の場合には、Ｇp／Ｌrsは０．９に設定される。

ところで、図９では比率Ｇp／Ｌrs＝０．９において出力電流曲線Ｌ4にピークが現れたが、ピークとなる比率Ｇp／Ｌrsの値はロータコア２０の外径Ｄrに依存する。ロータコア外径Ｄrはエンジン１０１の大きさ（排気量）が増加するに従って大きく設定されるが、その場合、ポールギャップＧpはそのままで外径Ｄrのみが大きく設定される。そのため、回転電機１００を小型化してロータコア２０の外径Ｄrを小さくすると比率Ｇp／Ｌrsが大きくなり、出力電流曲線Ｌ4および漏れ磁束曲線Ｌ3は、図１０に示すように比率Ｇp／Ｌrsが大きくなる方向である右側へそれぞれ移動する。

ただし、ロータコア外径Ｄrを小さくしすぎると、ロータコア２０の鉄量が減少し、また、巻回できる界磁巻線量も減少し出力電流が全体的低下し始める。そのため、出力電流の全体的低下を考慮すると、出力電流がピークとなる比率Ｇp／Ｌrsの上限は１．２程度となる。

一方、ロータコア２０の外径Ｄrを大きくした場合には比率Ｇp／Ｌrsが小さくなり、出力電流曲線Ｌ4および漏れ磁束曲線Ｌ3は、図１１に示すように比率Ｇp／Ｌrsが小さくなる方向である左側へそれぞれ移動する。ただし、本実施の形態の回転電機１００は従来のオルタネータの代替品として利用するので、大きさには制限がかかる。そのため、比率Ｇp／Ｌrsの下限は０．８程度に設定される。結局、比率Ｇp／Ｌrsを０．８から１．２の範囲に設定するのが好ましく、このように設定することにより、高い出力電流を得ると共に、無負荷誘起電圧を低く抑えることができる。

なお、図１０，１１で説明したように、ロータコア外径Ｄrに応じて曲線Ｌ４のピークが左右に移動するので、特定のＤrに対応して曲線Ｌ４がピークとなる比率Ｇp／Ｌrsが存在する。そして、その比率Ｇp／Ｌrsに設定すれば、そのときの出力電流はピーク位置となる。すなわち、与えられた外径Ｄrに対して、出力電流がピークとなるような比率Ｇp／Ｌrsに設定することができる。

［ロータコア２０の軸方向寸法の設定方法］
次に、ロータコア２０の軸方向に関する寸法設定について説明する。具体的には、円盤部軸方向寸法Ｒtと継鉄部軸方向寸法Ｌyとの比率Ｒt／Ｌyの設定方法について、図１２参照して説明する。図１２は、ロータコア２０の軸方向長さを一定とした場合の、比率Ｒt／Ｌyに対する出力／重量（Ａ／ｋｇ）および効率の変化を示す図である。回転電機１００の発電量は大型化すれば容易に大きくすることができるので、一般的には、回転電気１００の発電能力を評価する指標としては出力／重量（Ａ／ｋｇ）が採用される。すなわち、より小さな重量でより大きな出力電流を得られるものほど、回転電機としての能力が高いことになる。

まず、出力／重量を表す曲線Ｌ6について説明する。図１２において、横軸は比率Ｒt／Ｌyを示し、横軸の右側に近づくほどＲtが大きくなり逆にＬyが小さくなる。厚さＲtの円盤部２５ａ，２５ｂの外径は、厚さＬyの継鉄部２２の外径よりも大きいので、横軸の右側に近づくほど重量は増加し、界磁巻線のターン数は減る傾向になる。そのため、比率Ｒt／Ｌyの増加とともに出力／重量の曲線Ｌ6は大きく減少する。

逆に、比率Ｒt／Ｌyを小さくするほどターン数が増加して出力も増加するはずであるが、円盤分の厚さＲtが小さくなると磁気抵抗が大きくなって磁束量が飽和し始める、その結果、比率Ｒt／Ｌyを小さくしたときの出力／重量の増加の度合いが小さくなる。そして、比率Ｒt／Ｌy＝０．４５はこの減少傾向が変化する境目を示している。

次に、効率曲線Ｌ5について説明する。効率は界磁巻線の抵抗に依存しており、界磁巻線のターン数が増えると抵抗も増えるため、効率は低下する。界磁巻線のターン数は継鉄部２２の軸方向寸法Ｌyに比例するので、比率Ｒt／Ｌyを示す横軸は１／ターン数に比例している。そのため、横軸の左側に近づくほどターン数は極端に大きくなり、効率曲線Ｌ5は図１１のような傾向を示すようになる。すなわち、Ｒt／Ｌy＝０．３５付近を境目に効率曲線Ｌ5の傾きが大きく変化する。

回転電機１００として出力／重量および発電効率を考慮した場合、比率Ｒt／Ｌyを０．３５から０．４５の範囲に設定することにより、出力／重量と発電効率とが両立した高出力、高効率の回転電機が得られる。

［永久磁石２４の寸法Ｈ，Ｗについて］
図１３は永久磁石２４の形状を示す図である。永久磁石２４は立方体形状を成しており、周方向（溝幅方向）の幅寸法をＷ、径方向の高さ寸法をＨとする。永久磁石２４は、溝幅方向（Ｗ方向）に着磁されている。ギャップの寸法であるポールギャップＧｐが変化すると、それに応じて爪磁極２１ａ，２１ｂ間に挿入されている永久磁石２４の幅寸法Ｗも変化することになる。

図１４は、永久磁石２４の断面の高さと幅との比率Ｈ／Ｗを横軸とし、漏れ磁束および耐遠心力性との関係を示す図である。漏れ磁束は比率Ｈ／Ｗが大きくなるにつれて増加している。一方、永久磁石２４は、図６に示すＵ字断面形状を有する隙間に挿入されている。永久磁石２４は鍔部２００によって保持され、ロータ回転時の遠心力によって永久磁石２４が隙間空間から飛び出さないように構成されている。そのため、永久磁石２４の質量（すなわち体積）に応じて、ロータ２０の鍔部２００に加わる遠心力が変化する。すなわち、永久磁石２４の体積に応じて、ロータ２０の耐遠心力性が変化する。例えば、図１４において、幅寸法Ｗを一定にしたまま高さ寸法Ｈを変化させると、寸法Ｈが大きくなるほど耐遠心力性が小さくなる。逆に、寸法Ｈを一定にしたまま幅寸法を小さくした場合も耐遠心力性が小さくなる。

ところで、爪磁極間のポールギャップＧpを大きくしたり小さくしたりすると、それに対応して永久磁石２４の幅寸法Ｗも大きくしたり小さくしたりする必要がある。すなわち、比率Ｇp／Ｌrsの大きさを図９に示す範囲内で変化させると、比率Ｈ／Ｗの値も変化する。すなわち、比率Ｈ／Ｗの値は、Ｇp／Ｌrs＝０．８に対応する値（下限値）と、Ｇp／Ｌrs＝１．２に対応する値（上限値）との間で変化することになる。さらに、上限値および下限値の大きさは高さ寸法Ｈにも依存するので、図１４に示す上限値および下限値のラインは、Ｈが大きい場合には右方向に移動し、Ｈが小さい場合には逆に左方向に移動する。

図１４に示すように、耐遠心力性の変化は比率Ｈ／Ｗが小さい所では小さく、比率Ｈ／Ｗが大きくなると変化も大きくなる。そこで、高さ寸法Ｈを調整して図１４のように上限値を０．６とすることで、耐遠心力性を十分高く設定することができる。上限値Ｈ／Ｗ＝０．６は、ポールギャップＧpをＧp／Ｌrs＝０．８に設定した場合の値である。一方、下限値Ｈ／Ｗ＝０．４はＧp／Ｌrs＝１．２に設定した場合の値である。このようにＨ／Ｗの範囲を０．４〜０．６に設定することで、高速時の耐遠心力性を高めつつ、漏れ磁束を減少させることができる。

上述した実施の形態は、以下に述べるような作用効果を奏する。
（１）固定子１には、相数Ｐhの固定子コイル２３が結線数Ｎcを持って保持されている。回転子２のロータコア２０に形成された隣接する爪磁極２１ａ，２１ｂの隙間には、爪磁極２１ａ，２１ｂの漏れ磁束を反発させる方向に着磁された永久磁石２４が設けられている。そして、爪磁極２１ａ，２１ｂの隙間のギャップ寸法Ｇpと、ロータコア２０の外径をＤrとし爪磁極２１ａ，２１ｂの数をＰとした時の長さＬrs＝Ｄr×sin(３６０×Ｎc/(２×Ｐ×Ｐh))との比Ｇp／Ｌrsを、図９に示すように０．８〜１．２に設定した。その結果、漏れ磁束が抑えられて無負荷誘起電圧が低減されると共に、出力電流はピークまたはその周囲の値となり、高効率かつ高出力を得ることができる。
（２）さらに、第１および第２の円盤部２５ａ，２５ｂの厚みＲtと継鉄部２２の軸方向長さＬyとの比Ｒt／Ｌyを、０．３５〜０．４５に設定することにより、出力／重量と発電効率とが両立した、高出力・高効率の回転電機をえることができる。
（３）また、矩形断面を有する永久磁石の、爪型磁極間の隙間の幅方向の寸法をＷ、径方向の高さ寸法をＨとしたとき、比Ｈ／Ｗを０．４〜０．６に設定したことにより、ロータコア２０の耐遠心力性を十分な値に維持することができる。
（４）固定子１を支持するケーシングに回転電機１００の整流装置であるインバータ装置９０を設けたことにより、回転電機１００を搭載する装置の小型化を図ることができる。
（５）継鉄部２２と第１および第２の円盤部２５ａ，２５ｂとを別体で形成したことにより、継鉄部２２への界磁巻線の巻回しが容易となる。また、継鉄部を軸方向に２分割した２つの継鉄部２２ａ，２２ｂで構成し、継鉄部２２ａと円盤部２５ａとを一体に形成し、継鉄部２２ｂと円盤部２５ｂとを一体に形成するようにしても良い。この場合、継鉄部２２ａ，２２ｂの少なくとも一方に界磁巻線を巻回してから、継鉄部２２ａ，２２ｂを対向させるように組み立てる。

実施形態と変形例の一つ、もしくは複数を組み合わせることも可能である。変形例をどのように組み合わせることも可能である。

また、以上の説明はあくまで一例であり、本発明は上記実施形態の構成に何ら限定されるものではない。

本実施の形態の回転電機を搭載した車両のパワートレインシステムの概略構成を示す図である。 回転電機１００の全体構成を示す断面図である。 ロータコア２０の構成を示す図である。 ロータコア２０の変形例を示す図である。 ロータコア２０の断面形状（半断面）を示す図である。 ロータコア２０の永久磁石２４が挿入される部分の寸法を示す図である。 隣接する一対の爪磁極２１ａ，２１ｂとその間に形成された隙間とを、外周側から見た図である。 ポールギャップＧpと漏れ磁束および出力電流との関係を示す図である。 横軸としてポールギャップＧpの代わりに比率Ｇp／Ｌrsを使用した場合の、漏れ磁束と出力電流の曲線Ｌ3，Ｌ4を示す図である。 回転電機１００を小型化してロータコア２０の外径Ｄrを小さくした場合の曲線Ｌ3，Ｌ4を示す図である。 ロータコア２０の外径Ｄrを大きくした場合の曲線Ｌ4，Ｌ3を示す図である。 ロータコア２０の軸方向長さを一定とした場合の、比率Ｒt／Ｌyに対する出力／重量（Ａ／ｋｇ）および効率の変化を示す図である。 永久磁石２４の形状を示す図である。 永久磁石２４の断面の高さと幅との比率Ｈ／Ｗを横軸とし、漏れ磁束および耐遠心力性との関係を示す図である。

符号の説明

１：固定子、２：回転子、３：フロント側ハウジング、４：リア側ハウジング、５：シャフト、７：界磁巻線、１１：固定子鉄心、１２：固定子コイル、２０：ロータコア、２１ａ，２１ｂ：爪磁極、２２，２２ａ，２２ｂ：継鉄部、２３：界磁コイル、２４：永久磁石、２５：円盤部２５ａ，２５ｂ、９０：インバータ装置、９１：ケース、１００：回転電機、１０１：エンジン、１０３：スタータ、１０８：バッテリー、１０９：エンジンコントロールユニット、１１０：整流装置、２００：鍔部、

Claims (6)

1. 回転軸に固定される円筒状の継鉄部、該継鉄部の外周に巻回される界磁巻線、前記継鉄部の軸方向両端からそれぞれ外径方向へ延出する第１および第２の円盤部、前記第１の円盤部の外周から前記第２の円盤部の方向へ延出する複数の第１の爪磁極、前記第２の円盤部の外周から前記第１の円盤部の方向へ延出し、周方向に沿って前記第１の爪磁極と交互に配置される複数の第２の爪磁極、および、前記第１の爪磁極と前記第２の爪磁極との隙間に配置され、それらの爪型磁極間の漏れ磁束を反発させる方向に着磁された永久磁石を具備する回転子と、
   前記回転子の外周側に微小隙間を保って配置され、相数Ｐhの電機子巻線が結線数Ｎcを持って保持されている固定子とを備え、
   隣接する爪型磁極間のギャップ寸法Ｇｐと、前記回転子の外径をＤｒとし前記爪型磁極の数をＰとした時の長さＬrs＝Ｄr×sin(３６０×Ｎc/(２×Ｐ×Ｐh))との比Ｇp／Ｌrsを、０．８〜１．２に設定したことを特徴とする車両用回転電機。
2. 請求項１に記載の車両用回転電機において、
   前記第１および第２の円盤部の厚みＲtと前記継鉄部の軸方向長さＬyとの比Ｒt／Ｌyを、０．３５〜０．４５に設定したことを特徴とする車両用回転電機。
3. 請求項１または２に記載の車両用回転電機において、
   前記永久磁石は、前記爪型磁極間の隙間の幅方向に断面した形状が矩形であって、前記隙間の延在方向に延在する磁石形状を成し、
   前記永久磁石の前記幅方向の寸法をＷ、径方向の高さ寸法をＨとしたとき、比Ｈ／Ｗを０．４〜０．６に設定したことを特徴とする車両用回転電機。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の車両用回転電機において、
   前記固定子を支持するケーシングを備え、該ケーシングに前記車両用回転電機の整流装置を設けたことを特徴とする車両用回転電機。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の車両用回転電機において、
   前記継鉄部と前記第１および第２の円盤部とを別体で形成したことを特徴とする車両用回転電機。
6. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の車両用回転電機において、
   前記継鉄部は、軸方向に２分割されて端面同士が対向する第１および第２の継鉄部から成り、
   前記第１の継鉄部の前記対向する端面と反対側の端面に前記第１の円盤部を一体で形成し、前記第２の継鉄部の前記対向する端面と反対側の端面に前記第２の円盤部を一体で形成したことを特徴とする車両用回転電機。

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