JP2010226808A

JP2010226808A - 回転電機

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Publication number: JP2010226808A
Application number: JP2009069016A
Authority: JP
Inventors: Kenji Hiramoto; 健二平本; Hideo Nakai; 英雄中井
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2009-03-19
Filing date: 2009-03-19
Publication date: 2010-10-07
Anticipated expiration: 2029-03-19
Also published as: JP5272831B2

Abstract

【課題】構成の大型化を招くことなく界磁磁束の制御を行うことができる回転電機を提供する。
【解決手段】ステータ１２は、直流電流が流れることでラジアルロータ１４とアキシャルロータ６４，８４と電機子巻線２８がトロイダル巻きされた環状コア部２６とを通る界磁磁束を発生させる界磁巻線７０，９０を有する。ラジアルロータ１４は、界磁巻線７０，９０に直流電流が流れることで磁化するラジアル突極部１９を含み、アキシャルロータ６４，８４は、周方向に関してラジアル突極部１９に対してずらして配置され、界磁巻線７０，９０に直流電流が流れることでラジアル突極部１９と逆の極性に磁化するアキシャル突極部６９，８９をそれぞれ含む。
【選択図】図１

Description

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に関し、特に、界磁磁束の制御を行うことが可能な回転電機に関する。

この種の回転電機の関連技術が下記特許文献１，２に開示されている。特許文献１の回転電機においては、図２４，２５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２４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。このように、特許文献１の回転電機においては、界磁巻線１０５に流す直流電流の向きや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。

また、特許文献２の回転電機は、図２６，２７に示すように、ステータ２３０と、ステータ２３０の外周側に設けられた界磁ヨーク２２１と、ステータ２３０の内周側に配置されたロータ２７０と、界磁巻線２５０Ａ，２５０Ｂとを備える。ステータ２３０は、ステータコア２２２と、ステータコア２２２に巻回された電機子巻線２２４とを備える。ロータ２７０は、回転シャフト２４１の軸方向に互いに間隔を隔てて配置された上側ロータ２４３及び下側ロータ２４４を備える。上側ロータ２４３は、外周面に複数のロータティース２４５が周方向に互いに間隔を隔てて形成されたロータコア２７１と、各ロータティース２４５間に設けられたＳ極の永久磁石２４４Ａとを備える。同様に、下側ロータ２４４は、外周面に複数のロータティース２４６が周方向に互いに間隔を隔てて形成されたロータコア２７２と、各ロータティース２４６間に設けられたＮ極の永久磁石２４４Ｂとを備える。上側ロータ２４３のロータコア２７１と下側ロータ２４４のロータコア２７２との間には環状のリング磁石２６０が固設されており、ロータコア２７１側がＮ極、ロータコア２７２側がＳ極に着磁されている。上側ロータ２４３のロータティース２４５と下側ロータ２４４のロータティース２４６は、互いにロータ周方向にずれるように配置され、上側ロータ２４３の永久磁石２４４Ａと下側ロータ２４４の永久磁石２４４Ｂも、互いにロータ周方向にずれるように配置されている。さらに、回転シャフト２４１の軸方向に関しては、上側ロータ２４３のロータティース２４５と下側ロータ２４４の永久磁石２４４Ｂとが並んで配置され、上側ロータ２４３の永久磁石２４４Ａと下側ロータ２４４のロータティース２４６とが並んで配置されている。また、界磁ヨーク２２１には、上側ロータ２４３及び下側ロータ２４４へ向けて突出した突出部２５１が設けられており、界磁巻線２５０Ａ，２５０Ｂは、突出部２５１に巻線が巻回されることで形成されている。

特許文献２の回転電機においても、界磁巻線２５０Ａ，２５０Ｂに流す直流電流の向きや大きさを制御することで、界磁制御を行うことが可能である。例えば、強め界磁制御を行う場合は、図２６に示すように、界磁巻線２５０Ａによる界磁磁束ｍｆ２５０Ａが、界磁ヨーク２２１の突出部２５１からロータコア２７１に入り、ロータティース２４５からエアギャップ及びステータコア２２２を介して界磁ヨーク２２１に達するように、界磁巻線２５０Ａに直流電流を流す。それとともに、界磁巻線２５０Ｂによる界磁磁束ｍｆ２５０Ｂが、界磁ヨーク２２１の周壁部からステータコア２２２に入り、エアギャップ及びロータコア２７２を介して界磁ヨーク２２１の突出部２５１に達するように、界磁巻線２５０Ｂに直流電流を流す。一方、図２８に示すように、界磁巻線２５０Ａ，２５０Ｂによる界磁磁束ｍｆ２５０Ｃが、界磁ヨーク２２１の上側ロータ２４３側の突出部２５１→界磁ヨーク２２１→界磁ヨーク２２１の下側ロータ２４４側の突出部２５１→ロータコア２７２→リング磁石２６０→ロータコア２７１→界磁ヨーク２２１の上側ロータ２４３側の突出部２５１による磁路を通るように、界磁巻線２５０Ａ，２５０Ｂに直流電流を流すことで、弱め界磁制御を行うことが可能となる。

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、界磁磁束の制御を行うために、ステータコア１０２を軸方向に２分割してその間（Ｎ極側コア１０２ａとＳ極側コア１０２ｂとの間）に界磁巻線１０５を配置しているため、その分、大型化する。さらに、界磁巻線１０５による界磁磁束が通る磁路として、ステータヨーク１０４をステータコア１０２の外周側に設ける必要があるため、この点でも大型化が避けられない。

また、特許文献２においても、界磁磁束の制御を行うために、ロータ２７０の軸方向両端部の外側に界磁巻線２５０Ａ，２５０Ｂを配置しているため、その分、大型化する。さらに、界磁巻線２５０Ａ，２５０Ｂによる界磁磁束が通る磁路として、界磁ヨーク２２１をステータコア２２２の外周側及びロータ２７０の軸方向両端部の外側に設ける必要があるため、この点でも大型化が避けられない。

本発明は、構成の大型化を招くことなく界磁磁束の制御を行うことができる回転電機を提供することを目的とする。

本発明に係る回転電機は、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は、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、ロータの回転軸線と直交する径方向においてステータと対向配置されたラジアルロータ部と、前記回転軸線と平行方向においてステータと対向配置され、ラジアルロータ部と機械的且つ磁気的に連結されたアキシャルロータ部と、を有し、ステータは、環状コア部と、直流電流が流れることでラジアルロータ部とアキシャルロータ部と環状コア部とを通る界磁磁束を発生させる界磁巻線と、環状コア部にトロイダル巻きされ、交流電流が流れることで前記界磁磁束と相互作用する磁界を発生する電機子巻線と、を有し、ラジアルロータ部は、界磁巻線に直流電流が流れることで磁化するラジアル磁極部を含み、アキシャルロータ部は、前記回転軸線まわりの周方向に関してラジアル磁極部に対してずらして配置され、界磁巻線に直流電流が流れることでラジアル磁極部と逆の極性に磁化するアキシャル磁極部を含むことを要旨とする。

本発明の一態様では、界磁巻線は、前記周方向に沿って環状に巻回されており、界磁巻線が通る位置は、前記径方向に関して環状コア部よりもラジアルロータ部寄りの位置で、且つ前記回転軸線と平行方向に関して環状コア部よりもアキシャルロータ部寄りの位置であることが好適である。

本発明の一態様では、ラジアルロータ部は、前記周方向に関してラジアル磁極部に対してずらして配置されたラジアル永久磁石をさらに含み、アキシャルロータ部は、前記周方向に関してアキシャル磁極部及びラジアル永久磁石に対してずらして配置され、ラジアル永久磁石と逆の極性に着磁されたアキシャル永久磁石をさらに含むことが好適である。この態様では、ラジアル磁極部がラジアル永久磁石と同じ極性に磁化し、アキシャル磁極部がアキシャル永久磁石と同じ極性に磁化するように、界磁巻線に直流電流を流すことで、界磁巻線に直流電流を流さない場合よりも電機子巻線に鎖交する界磁磁束を減少させることが好適である。また、この態様では、ラジアル磁極部がラジアル永久磁石と逆の極性に磁化し、アキシャル磁極部がアキシャル永久磁石と逆の極性に磁化するように、界磁巻線に直流電流を流すことで、界磁巻線に直流電流を流さない場合よりも電機子巻線に鎖交する界磁磁束を増加させることが好適である。

本発明によれば、回転電機の構成の大型化を招くことなく、界磁巻線に流す直流電流の制御により界磁磁束の制御を行うことができる。

本発明の実施形態に係る回転電機の概略構成を示す図である。本発明の実施形態に係る回転電機の概略構成を示す図である。本発明の実施形態に係る回転電機の概略構成を示す図である。本発明の実施形態に係る回転電機の概略構成を示す図である。本発明の実施形態に係る回転電機の概略構成を示す図である。本発明の実施形態に係る回転電機の概略構成を示す図である。本発明の実施形態に係る回転電機の概略構成を示す図である。本発明の実施形態に係る回転電機における強め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における強め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における弱め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における弱め界磁制御を説明する図である。界磁電流と界磁磁束との関係を示す図である。回転電機の回転数とトルクとの関係を示す図である。界磁巻線に界磁電流を流すための駆動回路の構成例を示す図である。界磁巻線に界磁電流を流すための駆動回路の他の構成例を示す図である。本発明の実施形態に係る回転電機の他の概略構成を示す図である。本発明の実施形態に係る回転電機の他の概略構成を示す図である。本発明の実施形態に係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他の概略構成を示す図である。本発明の実施形態に係る回転電機の他の概略構成を示す図である。本発明の実施形態に係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における界磁制御を説明する図である。関連技術に係る回転電機の概略構成を示す図である。関連技術に係る回転電機の概略構成を示す図である。関連技術に係る回転電機の概略構成を示す図である。関連技術に係る回転電機の概略構成を示す図である。関連技術に係る回転電機における界磁制御を説明する図である。

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。

図１〜５は、本発明の実施形態に係る回転電機１０の概略構成を示す図である。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。本実施形態に係る回転電機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、本実施形態に係る回転電機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、本実施形態に係る回転電機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。

トロイダル巻きは分布巻きと比較して巻線の製作が容易となる反面、ロータのトルクの発生に有効に働かない巻線が増加しやすくなるため、体格増及び銅損増を招きやすくなる。本実施形態では、ロータに回転磁界を作用させてトルクを発生させるためのトルク発生面として、ラジアルティース３０の先端面（ラジアル面）だけでなくアキシャルティース８０の先端面（アキシャル面）も利用することで、トルク発生面積を増大させることができる。その結果、ロータ（ラジアルロータ１４及びアキシャルロータ６４，８４）のトルクの発生に有効に働かない巻線を減らすことができ、体格増及び銅損増を抑えながらロータのトルクの増大を図ることができる。

本実施形態では、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、本実施形態では、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による界磁磁束の方向は、界磁巻線７０，９０に流す直流電流の向きにより制御可能であり、ラジアル突極部１９とアキシャル突極部６９，８９がそれぞれどの極性（Ｎ極またはＳ極）に磁化するかについても、界磁巻線７０，９０に流す直流電流の向きにより制御可能である。そして、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。

強め界磁制御を行う場合は、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。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）。これによって、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→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に直流電流を流さない場合よりも電機子巻線２８に鎖交する界磁磁束が増加する。したがって、強め界磁制御を行うことが可能である。そして、界磁巻線７０，９０に流す直流電流の大きさが増大するのに対して、電機子巻線２８に鎖交する界磁磁束が増加する。

一方、弱め界磁制御を行う場合は、図１０，１１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の表面と同じ極性（例えばＮ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の表面と同じ極性（例えばＳ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。これによって、界磁巻線７０，９０による界磁磁束７２，９２は、ラジアル突極部１９→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→アキシャル突極部６９，８９→アキシャルコア６６，８６→ラジアルコア１６→ラジアル突極部１９による閉磁路を通る。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逆方向となる。そのため、界磁巻線７０，９０に直流電流を流さない場合よりも電機子巻線２８に鎖交する界磁磁束が減少する。したがって、弱め界磁制御を行うことが可能である。そして、界磁巻線７０，９０に流す直流電流の大きさが増大するのに対して、電機子巻線２８に鎖交する界磁磁束が減少する。このように、界磁巻線７０，９０に流す直流電流の方向や大きさを制御して、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とを通る界磁磁束の向きや量を制御することで、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。

その結果、例えば図１２に示すように、界磁巻線７０，９０に流す界磁電流Ｉｆの変化に応じて、電機子巻線２８に鎖交する界磁磁束を変化させることができる。ここでの界磁電流Ｉｆについては、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の表面と逆の極性に磁化する方向を正とし、各ラジアル突極部１９の表面が各ラジアル永久磁石１８の表面と同じ極性に磁化し、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の表面と同じ極性に磁化する方向を負としている。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ると、例えば図１３の波線に示すように、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は、正の界磁電流Ｉｆの大きさを増加させて電機子巻線２８に鎖交する界磁磁束を増加させる（強め界磁制御を行う）ことで、ラジアルロータ１４及びアキシャルロータ６４，８４のトルクを増加させることができる。一方、ラジアルロータ１４及びアキシャルロータ６４，８４の回転数が高いときは、負の界磁電流Ｉｆの大きさを増加させて電機子巻線２８に鎖交する界磁磁束を減少させる（弱め界磁制御を行う）ことで、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。

界磁巻線７０，９０に界磁電流（直流電流）Ｉｆを流すための駆動回路の構成例を図１４に示す。図１４に示す構成例では、駆動回路は、直流電源４０の正側端子４０ｐと負側端子４０ｎとの間で互いに並列接続された２本のスイッチングアーム４１，４２を備えるＤＣ−ＤＣコンバータにより構成される。スイッチングアーム４１においては、１対のスイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ３が直流電源４０の正側端子４０ｐと負側端子４０ｎとの間で直列接続され、さらに、スイッチング素子Ｔｒ３と逆並列接続されたダイオードＤ１が設けられている。スイッチングアーム４２においては、１対のスイッチング素子Ｔｒ２，Ｔｒ４が直流電源４０の正側端子４０ｐと負側端子４０ｎとの間で直列接続され、さらに、スイッチング素子Ｔｒ４と逆並列接続されたダイオードＤ２が設けられている。界磁巻線７０，９０の一端はスイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ３間の中点４３に接続され、界磁巻線７０，９０の他端はスイッチング素子Ｔｒ２，Ｔｒ４間の中点４４に接続されている。図１４に示す構成例では、スイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ４のスイッチング制御により、正の界磁電流Ｉｆの大きさを制御することができ、スイッチング素子Ｔｒ２，Ｔｒ３のスイッチング制御により、負の界磁電流Ｉｆの大きさを制御することができる。

ただし、界磁制御を行うためには、必ずしも双方向の界磁電流Ｉｆを界磁巻線７０，９０に流す必要はなく、一方向の界磁電流Ｉｆを界磁巻線７０，９０に流すことによっても、界磁制御を行うことが可能である。正方向のみの界磁電流Ｉｆを界磁巻線７０，９０に流す場合は、正の界磁電流Ｉｆ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（強め界磁制御を行う）ことができ、正の界磁電流Ｉｆ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（弱め界磁制御を行う）ことができる。一方、負方向のみの界磁電流Ｉｆを界磁巻線７０，９０に流す場合は、負の界磁電流Ｉｆ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減少させる（弱め界磁制御を行う）ことができ、負の界磁電流Ｉｆ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増加させる（強め界磁制御を行う）ことができる。このように、界磁巻線７０，９０に流す直流電流の大きさを制御して、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とを通る界磁磁束の量を制御することによっても、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。

界磁巻線７０，９０に一方向の界磁電流（直流電流）Ｉｆを流すための駆動回路の構成例を図１５に示す。図１５に示す構成例では、駆動回路は、一端が直流電源４０の正側端子４０ｐに接続され、他端が界磁巻線７０，９０の一端に接続されたスイッチング素子Ｔｒ５と、カソード端がスイッチング素子Ｔｒ５の他端及び界磁巻線７０，９０の一端に接続され、アノード端が直流電源４０の負側端子４０ｎ及び界磁巻線７０，９０の他端に接続されたダイオードＤ３と、を備えるチョッパ回路（ＤＣ−ＤＣコンバータ）により構成される。図１５に示す構成例では、スイッチング素子Ｔｒ５のスイッチング制御により、正または負の界磁電流Ｉｆの大きさを制御することができる。

なお、ラジアルコア１６及びアキシャルコア６６，８６については、例えば圧粉磁心材料等の３次元等方性磁性材料により成形することが可能である。磁束変動の大きい各ラジアル突極部１９及び各アキシャル突極部６９，８９については、比抵抗（電気抵抗）の高い圧粉磁心材料により成形することで、磁束変動による渦電流を低減することができる。ただし、各ラジアル突極部１９については、薄い珪素鋼板（電磁鋼板）を回転軸方向に積層して構成することも可能であり、各アキシャル突極部６９，８９については、薄い電磁鋼板を径方向に積層して構成することも可能である。また、図１〜７に示す例では、ラジアル永久磁石１８がラジアルロータ１４の表面（外周面）に露出しているが、ラジアル永久磁石１８はラジアルロータ１４（ラジアルコア１６）の内部に埋設されていてもよい。同様に、図１〜７に示す例では、アキシャル永久磁石６８，８８がアキシャルロータ６４，８４の表面（側面）にそれぞれ露出しているが、アキシャル永久磁石６８，８８はアキシャルロータ６４，８４（アキシャルコア６６，８６）の内部にそれぞれ埋設されていてもよい。

以上説明した本実施形態では、界磁磁束の制御を行うための界磁巻線７０，９０をステータ１２のデッドスペースに配置することができるので、界磁巻線７０，９０を追加しても、回転電機１０の構成の大型化を招くことがない。さらに、ラジアルロータ１４（ラジアルコア１６）とアキシャルロータ６４，８４（アキシャルコア６６，８６）とを磁気的に接続することで、界磁巻線７０，９０による界磁磁束７２，９２が通る閉磁路を形成することができる。そのため、界磁巻線７０，９０による界磁磁束７２，９２を通すためのヨーク（磁路）をステータ１２の外側に新たに設ける必要もない。したがって、本実施形態によれば、回転電機１０の構成の大型化を招くことなく、界磁巻線７０，９０に流す界磁電流の制御により界磁磁束の制御を行うことができる。

本実施形態では、例えば図１６，１７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１８，１９に示すように、界磁巻線７０，９０に界磁電流（直流電流）Ｉｆ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１６，１７に示す構成例では、界磁巻線７０，９０に流す界磁電流Ｉｆ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に流す界磁電流Ｉｆ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、図２０，２１に示す構成例でも、ラジアル永久磁石１８及びアキシャル永久磁石６８，８８が省略されている。さらに、図２０，２１に示す構成例では、ラジアルロータ１４は、アキシャルロータ６４（アキシャルコア６６）と機械的且つ磁気的に連結されたラジアルコア１６と、アキシャルロータ８４（アキシャルコア８６）と機械的且つ磁気的に連結されたラジアルコア３６と、を含む。ラジアルコア１６の外周部には、複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）配列されており、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。同様に、ラジアルコア３６の外周部には、複数（ラジアル突極部１９と同数）のラジアル突極部３９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、各ラジアル突極部３９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。ラジアルコア３６（ラジアル突極部３９）は、周方向に関してラジアルコア１６（ラジアル突極部１９）間の位置に配置されている。つまり、ラジアル突極部３９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突極部３９とラジアル突極部１９とが交互に並んでいる。ラジアルコア１６（ラジアル突極部１９）とラジアルコア３６（ラジアル突極部３９）は、非磁性の回転軸２２を介して機械的に連結されているが、磁気的には連結されておらず互いに絶縁されている。ラジアル突極部１９はアキシャル突極部６９と同数設けられ、ラジアル突極部３９はアキシャル突極部８９と同数設けられている。アキシャル突極部６９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、アキシャル突極部８９は、ラジアル突極部３９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、アキシャル突極部８９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とラジアル突極部３９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ている。

この構成例では、例えば図２２，２３に示すように、界磁巻線７０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、アキシャル突極部６９、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が発生する。その際に、各アキシャル突極部６９の表面（ステータ１２との対向面）は、各ラジアル突極部１９の表面（ステータ１２との対向面）と逆の極性に磁化する。それとともに、界磁巻線９０に直流電流を流すことで、ラジアル突極部３９、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、アキシャル突極部８９、アキシャルコア８６、ラジアルコア３６、及びラジアル突極部３９による閉磁路を通る界磁磁束９２が発生する。その際に、各アキシャル突極部８９の表面（ステータ１２との対向面）は、各ラジアル突極部３９の表面（ステータ１２との対向面）と逆の極性に磁化する。ここでは、各ラジアル突極部３９の表面が各ラジアル突極部１９の表面と逆の極性に磁化し、各アキシャル突極部８９の表面が各アキシャル突極部６９の表面と逆の極性に磁化するように、界磁巻線７０，９０に流す直流電流（界磁電流）Ｉｆの向きを設定する。この構成例でも、界磁巻線７０，９０に流す界磁電流Ｉｆ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に流す界磁電流Ｉｆ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。

以上の実施形態の説明では、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ているものとした。ただし、本実施形態では、ラジアルロータ１４をステータ１２の径方向外側に配置することもできる。

また、以上の実施形態の説明では、２つのアキシャルロータ６４，８４が回転軸方向においてステータ１２を挟んで対向しているものとした。ただし、本実施形態では、アキシャルロータ６４，８４のいずれか一方を省略して、１つのアキシャルロータを回転軸方向においてステータ１２と対向させることもできる。さらに、ラジアルロータ１４をステータ１２の径方向内側と径方向外側の両方に配置することもできる。また、本実施形態では、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。

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、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。

Claims

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、
ロータの回転軸線と直交する径方向においてステータと対向配置されたラジアルロータ部と、
前記回転軸線と平行方向においてステータと対向配置され、ラジアルロータ部と機械的且つ磁気的に連結されたアキシャルロータ部と、
を有し、
ステータは、
環状コア部と、
直流電流が流れることでラジアルロータ部とアキシャルロータ部と環状コア部とを通る界磁磁束を発生させる界磁巻線と、
環状コア部にトロイダル巻きされ、交流電流が流れることで前記界磁磁束と相互作用する磁界を発生する電機子巻線と、
を有し、
ラジアルロータ部は、界磁巻線に直流電流が流れることで磁化するラジアル磁極部を含み、
アキシャルロータ部は、前記回転軸線まわりの周方向に関してラジアル磁極部に対してずらして配置され、界磁巻線に直流電流が流れることでラジアル磁極部と逆の極性に磁化するアキシャル磁極部を含む、回転電機。
請求項１に記載の回転電機であって、
界磁巻線は、前記周方向に沿って環状に巻回されており、
界磁巻線が通る位置は、前記径方向に関して環状コア部よりもラジアルロータ部寄りの位置で、且つ前記回転軸線と平行方向に関して環状コア部よりもアキシャルロータ部寄りの位置である、回転電機。
請求項１または２に記載の回転電機であって、
ラジアルロータ部は、前記周方向に関してラジアル磁極部に対してずらして配置されたラジアル永久磁石をさらに含み、
アキシャルロータ部は、前記周方向に関してアキシャル磁極部及びラジアル永久磁石に対してずらして配置され、ラジアル永久磁石と逆の極性に着磁されたアキシャル永久磁石をさらに含む、回転電機。
請求項３に記載の回転電機であって、
ラジアル磁極部がラジアル永久磁石と同じ極性に磁化し、アキシャル磁極部がアキシャル永久磁石と同じ極性に磁化するように、界磁巻線に直流電流を流すことで、界磁巻線に直流電流を流さない場合よりも電機子巻線に鎖交する界磁磁束を減少させる、回転電機。
請求項３または４に記載の回転電機であって、
ラジアル磁極部がラジアル永久磁石と逆の極性に磁化し、アキシャル磁極部がアキシャル永久磁石と逆の極性に磁化するように、界磁巻線に直流電流を流すことで、界磁巻線に直流電流を流さない場合よりも電機子巻線に鎖交する界磁磁束を増加させる、回転電機。