JP2012130219A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】最大磁束で回転電機を動作させる際には強い磁束を提供可能であり、弱め界磁状態では良好に磁束を抑制可能な回転電機を提供する。
【解決手段】複数の永久磁石２４により構成される各磁極Ｆの周方向両端に配置される永久磁石２４の磁極端部ＦＴは、連結端部ＦＡよりもサブロータ１０側に配置される。メインロータ２０におけるサブロータ１０との対向面側において各磁極Ｆの磁極端部ＦＴ間の周方向距離を磁極幅Ｍ１とし、周方向に隣接する磁極Ｆの磁極端部ＦＴ間の周方向距離を磁極間隔Ｍ２とする。サブロータ１０におけるメインロータ２０との対向面側において磁気抵抗部７が設けられる周方向の範囲をロータ側磁気抵抗部幅Ｓ１とする。複数の永久磁石２４は、磁極間隔Ｍ２が磁極幅Ｍ１未満となる状態で配置され、磁気抵抗部７は、ロータ側磁気抵抗部幅Ｓ１が磁極間隔Ｍ２以上磁極幅Ｍ１未満になるように形成されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、可変界磁型の回転電機に関する。

今日、永久磁石型の回転電機（ＰＭＳＭ：permanent magnet synchronous motor）が広く用いられている。ＰＭＳＭでは、通常、永久磁石はロータコアに固定されているため、ロータから発生する磁束は一定である。ＰＭＳＭでは、ロータの回転速度が上昇するに従ってステータコイルに発生する誘起電圧が高くなり、誘起電圧が駆動電圧を超えると制御不能となる場合がある。これを回避するため、ある回転速度以上では、ロータからの磁界を実質的に弱める弱め界磁制御が行われる。但し、弱め界磁制御を行うと回転電機から出力されるトルクに対してステータコイルに流れる電流が大きくなるため、銅損が大きくなり効率が低下する。また、永久磁石からステータに到達する磁束が一定のままでは、ロータの回転速度が高い領域において、ステータコアに生じる鉄損も大きくなり効率が低下する。

そこで、ロータに備えられる永久磁石からステータに提供される磁束をロータの回転速度に応じて変化させる技術が提案されている。米国特許第４，８８５，４９３号明細書（特許文献１）には、ロータ（rotor 32）とステータ（stator assembly 30）との間に磁束路変更部材（flux diversion member 34）を備えた回転電機が開示されている（Fig.1, Fig.2a, Fig.2b, 第２欄等。）。この磁束路変更部材は、シャフト（shaft 18）に沿った方向の両端に非磁性体のエンドリング（end ring 36,38）を備え、これらエンドリングが回転可能にシャフトに保持される。ロータと磁束路変更部材との相対位置を変更することにより、ロータの永久磁石からステータへの磁束の経路が変わり、ステータに到達する磁束が変化する。

特許文献１において、永久磁石はロータの表面に配置されており、磁石の表面積に応じて大きくなる磁束をそれ以上増加させることはできない。強い磁力を有する磁石を用いることで磁束を増加させることはできるが、その場合にはコストが上昇し、また、弱め界磁状態に磁束の経路を変化させた際の磁束抑制効果も限定的となる。従って、最大磁束で回転電機を動作させる際には、低コストで強い磁束を提供可能であり、弱め界磁状態では良好に磁束を抑制可能な回転電機の提供が求められる。

また、特許文献１では、永久磁石がロータの表面に所定の間隔で複数個備えられている。そして、磁束抑制を行わない状態では、特許文献１のFig.2aに示されるように、磁束路変更部材の鉄心は、ロータの周方向における各永久磁石の両端部と、各鉄心の両端部とが、周方向の同じ位置に配置される。即ち、永久磁石及び磁束路変更部材の鉄心は、ロータと磁束路変更部材により構成される回転体の周方向において角度を揃えて配置されることとなる。このため、当該回転体とステータとの間のエアギャップの周方向における磁束密度の分布が方形波状となる。その結果、磁束密度に高次高調波成分が多く含まれるようになり、トルクリップルや鉄損を増大させる可能性がある。

米国特許第４，８８５，４９３号明細書

上記背景に鑑み、最大磁束で回転電機を動作させる際には強い磁束を提供可能であり、弱め界磁状態では良好に磁束を抑制可能な回転電機の提供が望まれる。さらに、周方向における磁束密度の分布において高次高調波成分が抑制された界磁束を提供可能な可変磁束型の回転電機の提供が望まれる。

上記課題に鑑みた本発明に係る回転電機の特徴構成は、
周方向の相対位置を調整可能なメインロータ及びサブロータを有したロータと、ステータコイルを有するステータとを備えた回転電機であって、
前記メインロータは、ロータコアの内部に埋め込まれて前記ステータコイルと鎖交する界磁束を提供する永久磁石を備え、
前記メインロータと前記ステータとの間に配置される前記サブロータは、前記界磁束に対して磁気抵抗となる磁気抵抗部をロータコアに備え、
前記メインロータの各磁極は、同極の磁極面を前記サブロータ側に向けて少なくとも磁極面に沿った方向の一端が連結端部として隣り合う状態で配置された複数の前記永久磁石により構成され、
各磁極の周方向両端に配置される前記永久磁石の磁極端部は、前記連結端部よりも前記サブロータ側に配置され、
前記メインロータにおける前記サブロータとの対向面側において各磁極の前記磁極端部間の周方向距離が磁極幅であり、当該対向面側において周方向に隣接する前記磁極の前記磁極端部間の周方向距離が磁極間隔であり、前記サブロータにおける前記メインロータとの対向面側において前記磁気抵抗部が設けられる周方向の範囲がロータ側磁気抵抗部幅であり、
複数の前記永久磁石は、前記磁極間隔が前記磁極幅未満となる状態で配置され、
前記磁気抵抗部は、前記ロータ側磁気抵抗部幅が前記磁極間隔以上前記磁極幅未満になるように形成されている点にある。

この構成によれば、１つの磁極が複数の永久磁石で構成され、この際、各永久磁石は同極の磁極面をサブロータ側に向け、各磁極の周方向両端の磁極端部は、隣り合う永久磁石の連結端部よりもサブロータ側に配置される。つまり、各磁極は例えばサブロータ側に開いたＶ字型やＵ字型などに配置されるので、サブロータ側即ちステータ側に向いた磁極の表面積を大きく確保することができる。また、複数の永久磁石は、磁極間隔が磁極幅未満となる状態で配置されるので、ステータ側と対向するメインロータの表面積の内、相対的に広くなる方が有効な磁極となる。その結果、多くの磁束をステータコイルへ提供することができる。また、メインロータとステータとの間に配置されるサブロータには、ロータ側磁気抵抗部幅が磁極間隔以上磁極幅未満になるように磁気抵抗部が形成される。つまり、少なくとも磁極間隔と同じ長さに設定されたロータ側磁気抵抗部幅を有する磁気抵抗部が形成されるので、隣り合う磁極間においてサブロータを介した漏れ磁束を効果的に抑制することができる。その結果、永久磁石から出る磁束を効果的にステータコイル側へ導くことが可能となり、強い磁束が提供可能となる。一方、弱め界磁状態の際には、当該磁気抵抗部が磁極幅のほぼ中央に位置するように、サブロータとメインロータとの相対位置を設定すればよい。サブロータを経由して磁束が短絡し、界磁が弱められる。尚、この際、ロータ側磁気抵抗部幅が磁極幅未満に設定されているので、サブロータにおいて周方向に磁気抵抗部が形成されていない非磁気抵抗部（磁性体部）によって、隣り合う磁極同士を結ぶ磁路が確保される。このため、磁極から出る磁束の全てが磁気抵抗部によって遮断されることにはならない。磁極から出る磁束のほとんどが磁気抵抗部によって遮断されると、永久磁石が不可逆減磁し易くなる可能性があるが、そのような可能性が抑制される。従って、永久磁石の不可逆減磁などを生じさせることなく、良好に弱め界磁を実現することができる。

ところで、磁気抵抗部の形状は、ロータ側磁気抵抗部幅のみではなく、サブロータにおけるステータとの対向面側において磁気抵抗部が設けられる周方向の範囲であるステータ側磁気抵抗部幅も規定されると好適である。上述したように、各磁極において永久磁石は、サブロータ側に開いたＶ字型やＵ字型に配置されている。各磁極においてＶ字やＵ字を構成する永久磁石の内、周方向両端に配置される永久磁石の磁極面をサブロータ側に延長した延長線よりも磁極の周方向中心側に磁気抵抗部が無い場合には、当該延長線に沿って広がる領域内において磁束がステータ側へ供給される。その結果、ステータ側では、異なる磁極から提供される磁束の方向がある地点で急激に切り替わることになり、周方向における磁束密度の分布がいわゆる方形波状となる。方形波はフーリエ級数展開を用いて数学的に導かれる波形の特徴上、高次高調波成分を多く含む。磁束密度の高次高調波成分は、回転電機のトルクの低下やトルクリップルの発生、鉄損の増加などの要因となる。従って、周方向における磁束密度の分布が方形波状となることを抑制し、高次高調波成分を低減することが好ましい。このためには、異なる磁極から提供される磁束密度の分布が急激に切り替わることがないように、つまり、中立点（振幅中心）がある程度続くように磁束密度の分布波形が調整されていることが好ましい。

具体的には、各磁極において周方向両端に配置される永久磁石の磁極面をサブロータ側に延長した延長線よりも磁極の周方向中心側にも磁気抵抗部が存在するとよい。好適な一形態として、前記サブロータにおける前記ステータとの対向面側において前記磁気抵抗部が設けられる周方向の範囲がステータ側磁気抵抗部幅であり、前記磁気抵抗部は、前記ステータ側磁気抵抗部幅が前記ロータ側磁気抵抗部幅よりも大きく形成されているとよい。各磁極において周方向両端に配置される永久磁石の磁極面のサブロータ側の端部は、磁極端部である。そして、ロータ側磁気抵抗部幅は、周方向に隣接する磁極の磁極端部間の周方向距離以上に設定されている。従って、ステータ側磁気抵抗部幅がロータ側磁気抵抗部幅よりも大きく形成されていると、各磁極において周方向両端に配置される永久磁石の磁極面をサブロータ側に延長した延長線を超えて各磁極の周方向中心側までステータ側磁気抵抗部幅が延伸されることが確実になる。これにより、磁気抵抗部は、当該延長線を越えて各磁極の周方向中心側まで形成されることになるので、磁極の極性が変わる際に、磁束が遮断される領域が広く設けられ、磁束密度の分布の急激な切り替わりが緩和されて中立点がある程度続くようになる。その結果、高次高調波成分が抑制され、回転電機のトルクの低下やトルクリップルの発生、鉄損の増加なども抑制される。

メインロータとサブロータとの相対位置を変更する相対位置変換機構のスケルトン図 メインロータとサブロータとの相対位置が基準位置であり、磁束最大の時の磁束分布の一例を示す図 メインロータとサブロータとの相対位置が基準位置に対して９０度であり、最大の弱め界磁状態の磁束分布の一例を示す図 メインロータへの永久磁石の配置形態の一例（ａ）及びサブロータへの空隙（磁気抵抗部）の形成形態の一例（ｂ）を示す図 磁極面の延長線に応じてステータ側磁気抵抗部幅を設定した場合の空隙（磁気抵抗部）の形成例を示す図 周方向の磁束密度の分布の一例を示す図 サブロータの鉄部の幅と高調波成分の抑制効果との関係のシミュレーション結果の一例を示すグラフ サブロータの非空隙部（非磁気抵抗部、磁性体部）の幅とサブロータへの漏れ磁束を生じる幅との一例を示す図 永久磁石の配置形態の他の例を示す図

以下、本発明に係る回転電機の実施形態を図面を利用して説明する。本実施形態では、メインロータとサブロータとの周方向の相対位置に応じてステータコイルに鎖交する界磁束が変化する可変磁束型の回転電機を例として説明する。図１に示すように、回転電機２は、相対位置が可変する２つのロータ４（１０，２０）を有するインナロータ型の回転電機である。ロータ４は、メインロータ２０とサブロータ１０とを有して構成される。本実施形態において、メインロータ２０は、相対的に内側に配置される内ロータである。また、サブロータ１０は、ステータ３と対向して相対的に外側に配置される外ロータである。メインロータ２０及びサブロータ１０の少なくとも一方には永久磁石が備えられる。本実施形態では、メインロータ２０のみに永久磁石が備えられる。図２〜図４に示すように、メインロータ２０は、ロータコア（メインロータコア）２１の内部に埋め込まれて、ステータコイルと鎖交する界磁束を提供する永久磁石２４を備えて構成される。一方、サブロータ１０は、界磁束に対して磁気抵抗となる磁気抵抗部としての空隙７をロータコア（サブロータコア）１１に備えて構成される。これら２つのロータ１０，２０の周方向の相対位置に応じてステータコイル３ｂに鎖交する界磁束が変化し、可変磁束型の回転電機２が実現される。

以下の説明では、特に断らない限り、「軸方向Ｌ」、「径方向Ｒ」、「周方向Ｃ」は、同軸配置されたメインロータコア２１及びサブロータコア１１の軸心（すなわち回転軸）を基準とする。また、以下の説明では、「軸第１方向Ｌ１」は図１における軸方向Ｌに沿った左方を表し、「軸第２方向Ｌ２」は図１における軸方向Ｌに沿った右方を表すものとする。また、「径内方向Ｒ１」は、径方向Ｒの内側（軸心側）へ向かう方向を表し、「径外方向Ｒ２」は、径方向Ｒの外側（ステータ側）へ向かう方向を表す。

図１に示すように、ケース８０の内部に収容されている回転電機２は、ステータ３及びロータ４を備えている。そして、回転電機２は、メインロータ２０とサブロータ１０との周方向の相対位置を調整する相対位置調整機構５０と共に駆動装置１を構成し、回転電機２の駆動力（トルクと同義）を出力軸６に伝達可能に構成されている。

ステータ３は、ケース８０の周壁部の内面に固定されている。ステータ３は、ステータコア３ａとステータコア３ａに巻装されたコイル（ステータコイル）３ｂとを備え、回転電機２の電機子を構成する。ステータコア３ａは、本例では、複数枚の電磁鋼板を積層して構成されており、円筒状に形成されている。ステータ３の径内方向Ｒ１側には、永久磁石を備えた界磁としてのロータ４が配置されている。ロータ４は、回転軸周りに回転可能にケース８０に支持され、ステータ３に対して相対回転する。ロータ４は、メインロータ２０及びサブロータ１０が周方向の相対位置を調整可能に構成されている。

メインロータ２０のメインロータコア２１は、サブロータ１０に対してステータ３とは反対側である径内方向Ｒ１側にあって、サブロータコア１１と同軸配置されている。サブロータ１０のサブロータコア１１は、ステータ３に対して径内方向Ｒ１側において、ステータ３に対して径方向Ｒに対向するように配置される。ステータ３とメインロータ２０との間に配置されるサブロータコア１１は、一定の径方向厚さを有する円筒状に形成され、メインロータコア２１と同軸に配置される。本例では、ステータコア３ａと同様に、メインロータコア２１及びサブロータコア１１は、複数枚の電磁鋼板を積層して構成されている。メインロータコア２１及びサブロータコア１１は、径方向Ｒ視において重複するように配置されている。本例では、メインロータコア２１及びサブロータコア１１は、軸方向Ｌに同じ長さ（軸方向長さ）を有し、径方向Ｒ視において完全に重複するように配置されている。メインロータ２０は、メインロータコア２１を支持すると共にメインロータコア２１と一体回転するメインロータコア支持部材２２を備えている。サブロータ１０は、サブロータコア１１を支持すると共にサブロータコア１１と一体回転するサブロータコア支持部材１２を備えている。

図２〜図４に示すように、サブロータコア１１には、磁束に対して磁気抵抗となるフラックスバリアとしての空隙７が形成されている。具体的には、本実施形態では、図４に示すように、サブロータコア１１は、両ロータ１０，２０の相対位置が所定の基準位置にある状態で、周方向に隣接する磁極Ｆの磁極端部ＦＴの間（即ち、磁極間）に配置され、界磁束に対して磁気抵抗となる空隙（磁極間空隙、磁気抵抗部）７を備えている。この空隙７により、メインロータ２０とサブロータ１０との間の周方向の相対位置に応じてステータ３のコイル３ｂに到達する鎖交磁束が変化する。詳細は後述するが、永久磁石２４及び空隙７は、メインロータ２０とサブロータ１０との間の周方向の相対位置に応じて、永久磁石２４からサブロータコア１１内を通る漏れ磁束が抑制されてステータ３に到達する磁束（界磁束）が多くなる状態と、サブロータコア１１内を通る漏れ磁束が多くなってステータ３に到達する磁束が少なくなる状態との間で遷移可能に配置されている。つまり、メインロータ２０とサブロータ１０との間の周方向の相対位置を調整して、ステータ３のコイル３ｂに到達する鎖交磁束を調整可能である。

再び、図１を参照すると、相対位置調整機構５０は、メインロータコア支持部材２２とサブロータコア支持部材１２との間の周方向の相対位置を調整する機構である。上述したように、メインロータコア支持部材２２はメインロータコア２１と一体回転し、サブロータコア支持部材１２はサブロータコア１１と一体回転する。従って、相対位置調整機構５０により、メインロータコア２１とサブロータコア１１との間の周方向の相対位置が調整される。本実施形態では、図１に示すように、相対位置調整機構５０は、２つの差動歯車装置（第１差動歯車装置５１及び第２差動歯車装置５２）を備えて構成され、回転電機２に対して軸第１方向Ｌ１側に配置されている。２つの差動歯車装置５１，５２は、第１差動歯車装置５１が第２差動歯車装置５２に対して軸第１方向Ｌ１側に位置するように、軸方向Ｌに並べて配置されている。

第１差動歯車装置５１及び第２差動歯車装置５２は、本実施形態では、３つの回転要素を備えたシングルピニオン型の遊星歯車機構により構成されている。第１差動歯車装置５１は、複数のピニオンギヤを支持する第１キャリヤ５１ｂと、これらピニオンギヤにそれぞれ噛み合う第１サンギヤ５１ａ及び第１リングギヤ５１ｃとを回転要素として有している。また、第２差動歯車装置５２は、複数のピニオンギヤを支持する第２キャリヤ５２ｂと、これらピニオンギヤにそれぞれ噛み合う第２サンギヤ５２ａ及び第２リングギヤ５２ｃとを回転要素として有している。第１サンギヤ５１ａは、メインロータコア支持部材２２と一体回転するように駆動連結され、第２サンギヤ５２ａは、サブロータコア支持部材１２と一体回転するように駆動連結されている。第１キャリヤ５１ｂ及び第２キャリヤ５２ｂは、出力軸６と一体回転するように駆動連結されている。これにより、メインロータコア支持部材２２及びサブロータコア支持部材１２は、相対位置調整機構５０を介して出力軸６に駆動連結される。即ち、本例では、メインロータコア支持部材２２とサブロータコア支持部材１２との双方が、相対位置調整機構５０を介して共通の出力軸６に駆動連結されている。また、第２リングギヤ５２ｃは、リング状部材を介してケース８０に固定されている。

第１リングギヤ５１ｃの外周面（径外方向Ｒ２を向く面、以下同様）にはウォームホイール５４ｂが設けられている。このウォームホイール５４ｂは、第１リングギヤ５１ｃの回転位置（周方向位置）を調整するためのウォームギヤ５４ａと噛み合っている。ウォームギヤ５４ａは、不図示のモータなどの駆動力源と接続されている。この駆動力源によりウォームギヤ５４ａを回転させることで、ウォームホイール５４ｂを介して第１リングギヤ５１ｃの回転位置（周方向位置）を変えることができる。第１リングギヤ５１ｃの回転位置の調整時には駆動力源によりウォームギヤ５４ａが回転駆動され、調整時以外では停止した駆動力源を介してウォームギヤ５４ａが固定される。つまり、第１リングギヤ５１ｃは、回転位置の調整時を除いて固定された状態となる。

本実施形態では、第１キャリヤ５１ｂと第２キャリヤ５２ｂとは一体的に一体キャリヤ５３を構成しており、一体キャリヤ５３が出力軸６と一体回転するように駆動連結されている。また、本実施形態では、第１差動歯車装置５１と第２差動歯車装置５２とは互いに同径に構成され、第１差動歯車装置５１の歯数比（＝第１サンギヤ５１ａの歯数／第１リングギヤ５１ｃの歯数）と第２差動歯車装置５２の歯数比（＝第２サンギヤ５２ａの歯数／第２リングギヤ５２ｃの歯数）とは互いに等しく設定されている。そして、第１リングギヤ５１ｃの回転位置の調整時を除いて、第１リングギヤ５１ｃ及び第２リングギヤ５２ｃの双方は固定された状態となる。よって、第１サンギヤ５１ａに駆動連結されたメインロータコア支持部材２２と、第２サンギヤ５２ａに駆動連結されたサブロータコア支持部材１２とは、互いに同じ回転速度（ロータ回転速度）で回転する。そして、出力軸６の回転速度は、ロータ回転速度に対して減速されたものとなる。すなわち、本例では、出力軸６には、回転電機２のトルクが増幅されて伝達される。

上述したように、本実施形態では、第２リングギヤ５２ｃがケース８０に固定されているのに対し、第１リングギヤ５１ｃは回転位置が調整可能となっている。すなわち、キャリヤが一体的に形成された２つの遊星歯車機構において、一方のリングギヤを他方のリングギヤに対して周方向に相対移動（すなわち相対回転）させることが可能となっている。この相対回転に伴い、一方のサンギヤが他方のサンギヤに対して相対回転する。よって、第１リングリヤ５１ｃの回転位置を調整することで、第１サンギヤ５１ａと第２サンギヤ５２ａとの間の周方向の相対位置を調整することができる。その結果、メインロータコア支持部材２２とサブロータコア支持部材１２との間の周方向の相対位置を調整することができる。

上述したように、本実施形態の回転電機２は、メインロータ２０とサブロータ１０との間の周方向の相対位置を調整して、ステータ３のコイル３ｂに到達する鎖交磁束を調整することが可能である。回転電機２を制御する一般的な方法として、永久磁石の磁束（界磁束）の方向であるｄ軸と、このｄ軸に対して電気角で直交する方向であるｑ軸とのｄｑベクトル空間を用いたベクトル制御が知られている。永久磁石の磁束はｄｑベクトル空間におけるｄ軸磁束に相当する。図２及び図３は、メインロータ２０とサブロータ１０との相対位置に応じたｄ軸磁束を例示している。図２及び図３は、ロータ４の軸直交断面を示しており、おおよそ電気角の１周期に相当する部分断面図である。図中の破線は、磁力線（磁束）を示している。図２は、メインロータ２０とサブロータ１０との相対位置が基準位置（０度）である状態を示しており、図３は、相対位置が基準位置に対して電気角で９０度ずれた状態を示している。図２に示す基準位置は、ステータ３のコイル３ｂと鎖交するｄ軸磁束（界磁束）が最大となる相対位置であり、図３に示す位置は、コイル３ｂと鎖交するｄ軸磁束が最小となる相対位置を例示している。図２に比べて図３では、サブロータ１０を通る漏れ磁束が増加し、ステータコイル３ｂと鎖交する磁束が減少しており、いわゆる弱め界磁状態となっている。

図４は、磁極Ｆと空隙７との関係を示している。メインロータ２０とサブロータ１０との相対位置は、図２と同様に基準位置である。図４（ａ）に実線で示すように、メインロータ２０は、メインロータコア２１と、このメインロータコア２１の内部に埋め込まれてコイル３ｂと鎖交する界磁束を提供する永久磁石２４とを備えている。永久磁石２４は、複数個で１つの磁極Ｆを構成している。具体的には、各磁極Ｆは、同極の磁極面ＦＰ（Ｎ極面ＮＰ及びＳ極面ＳＰ）をサブロータ１０の側に向けて、少なくとも磁極面ＦＰに沿った方向の一端が連結端部ＦＡとして隣り合う状態で配置された複数の永久磁石２４により構成されている。この際、各磁極Ｆの周方向両端に配置される永久磁石２４の磁極端部ＦＴは、連結端部ＦＡよりもサブロータ１０の側に配置されている。本実施形態では、２つの永久磁石２４により１つの磁極が構成される。図４（ａ）に例示した配置では、永久磁石２４は、軸方向Ｌに見てサブロータ１０側に開いたＶ字型に配置されている。ロータ４からステータ３への磁束は、ステータ３側から見た永久磁石２４の表面積が大きいほど多くなる。永久磁石２４をＶ字型に配置することによって表面積を拡大し、磁束を増やすことができる。

また、図４（ｂ）に実線で示すように、サブロータコア１１には、両ロータ１０，２０の相対位置が基準位置の状態で、周方向に隣接する磁極Ｆの間に、界磁束に対して磁気抵抗となる空隙７が形成されている。これに対して、周方向に隣り合う空隙７の間のサブロータコア１１の部分は、磁束を積極的に通す磁路としての非空隙部（非磁気抵抗部）９となる。上述したように、永久磁石２４は、各磁極Ｆにおいて同極の磁極面ＦＰをサブロータ１０の側に向けて配置されている。従って、周方向に隣接する磁極Ｆの間とは、メインロータ２０のＮ極を構成する永久磁石２４ＮのＮ極面ＮＰと、Ｓ極を構成する永久磁石２４ＳのＳ極面ＳＰとの周方向における間の領域である。より詳しくは、磁極Ｆの間とは、Ｎ極面ＮＰの径外側方向Ｒ２の径方向端部（径方向外端）である磁極端部ＦＴと、Ｓ極面ＳＰの径方向外端である磁極端部ＦＴとの間の領域である。本実施形態では、磁極Ｆの間とは、メインロータ２０におけるサブロータ１０との対向面側において周方向Ｃに隣接する磁極Ｆの磁極端部ＦＴの間の周方向距離（磁極間隔Ｍ２）を有する領域をいう。尚、磁極Ｆの領域とは、１つの磁極Ｆにおける当該対向面側での磁極端部ＦＴの間の周方向距離（磁極幅Ｍ１）を有する領域をいう。

空隙７は、サブロータコア１１を周方向に通る漏れ磁束に対して大きな磁気抵抗となるフラックスバリアとして機能する。その結果、基準位置においてはロータ４における漏れ磁束を大幅に抑制し、コイル３ｂの鎖交磁束を最大限に確保することができる。図２に示すように、永久磁石２４が発生する界磁束（ｄ軸磁束）は良好にコイル３ｂの鎖交磁束となる。

一方、図３を参照すると、図２とは異なり、周方向に隣接する磁極Ｆの間には空隙７が存在しない。このため、図３に示すように、永久磁石２４の界磁束は、ステータ３の方向に比べて磁気抵抗の低いサブロータコア１１の周方向に導かれる。つまり、界磁束の多くがロータ４において漏れ磁束となり、ステータ３のコイル３ｂの鎖交磁束が減少する。このように、メインロータ２０とサブロータ１０との相対位置によって界磁束を調整し、いわゆる弱め界磁が実現される。これにより、コイル３ｂに流す電流の内のいわゆるｄ軸電流を増加させることなく、回転電機２の弱め界磁制御が可能となる。

本実施形態においては、メインロータ２０に設けられる磁極Ｆと、サブロータ１０に形成される空隙７とを適切に配置することによって、界磁束を最大限に利用する最大トルク制御と、界磁束を制限する弱め界磁制御とが実現される。ここで、図４（ａ）に示すように、メインロータ２０におけるサブロータ１０との対向面側において各磁極Ｆの磁極端部ＦＴの間の周方向距離を磁極幅Ｍ１とする。また、当該対向面側において周方向Ｃに隣接する磁極Ｆの磁極端部ＦＴの間の周方向距離を磁極間隔Ｍ２とする。さらに、図４（ｂ）に示すように、サブロータ１０におけるメインロータ２０との対向面側において空隙７が設けられる周方向Ｃの範囲をロータ側磁気抵抗部幅（ロータ側空隙幅）Ｓ１とする。また、サブロータ１０におけるステータ３との対向面側において空隙７が設けられる周方向Ｃの範囲をステータ側磁気抵抗部幅（ステータ側空隙幅）Ｓ２とする。図４に示すように、本実施形態では、磁極幅Ｍ１、磁極間隔Ｍ２、ロータ側磁気抵抗部幅Ｓ１、ステータ側磁気抵抗部幅Ｓ２の各幅を回転電機２の回転軸を中心とした角度で表すこととする。

図２〜図４に示すように、本実施形態においては、複数の永久磁石２４は、磁極間隔Ｍ２が磁極幅Ｍ１未満となる状態（Ｍ２＜Ｍ１）で配置され、強い界磁束を提供可能に構成される。複数の永久磁石２４が、磁極間隔Ｍ２が磁極幅Ｍ１未満となる状態で配置されるので、ステータ３側と対向するメインロータ２０の表面積の内、相対的に広くなる方が有効な磁極となる。その結果、多くの磁束をステータコイル３ｂへ提供することができる。

一方、空隙７は、ロータ側空隙幅Ｓ１が磁極間隔Ｍ２以上磁極幅Ｍ１未満になるように形成されている（Ｍ２≦Ｓ１＜Ｍ１）。空隙７のロータ側磁気抵抗部幅Ｓ１が、磁極間隔Ｍ２未満の場合には、図２に示したような基準位置においてサブロータコア１１を通る漏れ磁束が多く発生する可能性がある。基準位置は、ステータコイル３ｂとの鎖交磁束が最も多くなるように制御された相対位置であるから、漏れ磁束は可能な限り少ない方が好ましい。本実施形態では、少なくとも磁極間隔Ｍ２と同じ長さに設定されたロータ側磁気抵抗部幅Ｓ１を有する空隙７が形成されることにより、隣り合う磁極Ｆ間においてサブロータ１０を介した漏れ磁束を効果的に抑制することができる。

本実施形態では、径方向において強度的に必要最低限のブリッジ幅を残して、空隙７の径方向厚さがサブロータコア１１の径方向厚さのほぼ全てとなるように設定されている。従って、サブロータコア１１を介した漏れ磁束のほぼ全てが抑制される。更に、永久磁石２４の磁極端部ＦＴは、メインロータ２０の外周面に対して強度的に必要最低限のブリッジ幅を残して限界まで径方向外側に配置されている。これにより、メインロータコア２１を介した漏れ磁束も効果的に抑制される。その結果、永久磁石２４から出る磁束のほぼ全てをステータ３側へ導くことが可能となり、強い磁束が提供可能となる。この様に、最大に磁束を利用する際には、ロータ側磁気抵抗部幅Ｓ１は、磁極間隔Ｍ２の全体を覆うことができるように設定されることが好ましい。

一方、図３に示したように最大に弱め界磁を実施する際には、サブロータコア１１を短絡磁路として、漏れ磁束を増加させることが好ましい。ここで、空隙７のロータ側磁気抵抗部幅Ｓ１が、磁極幅Ｍ１以上の場合には磁極Ｆと対向するサブロータコア１１の全域に空隙７が形成されることになる。つまり、磁極Ｆからサブロータコア１１及びステータ３への磁路は、空隙７によってほぼ全て遮断されることになる。ステータ３の鎖交磁束を減少させて弱め界磁を実現する目的を達成する上では、磁路がほぼ全て遮断されてもよい。しかし、磁路の遮断によって、永久磁石２４の磁束密度が低下すると、不可逆減磁が生じる可能性が高くなる。弱め界磁は界磁を一時的に弱める調整であるから、界磁が弱くなって元に戻らない不可逆減磁は当然ながら好ましくない。

弱め界磁は、磁極Ｆの磁路の遮断のみでなく、サブロータコア１１に短絡磁路を設けて漏れ磁束を増加させることによっても充分に達成可能である。従って、空隙７のロータ側磁気抵抗部幅Ｓ１は、不可逆減磁を起こしにくい、磁極幅Ｍ１未満に設定されることが好ましい。上記説明より、ロータ側磁気抵抗部幅Ｓ１は、最低限、磁極間隔Ｍ２をカバーすることができ、最大弱め界磁状態の時に磁極幅Ｍ１を全て塞ぐことなく、サブロータコア１１に短絡磁路を設けることができればよいから、「Ｍ２≦Ｓ１＜Ｍ１」の関係を満たせばよい。界磁を弱める際にサブロータコア１１を介して磁束を短絡させる上では、可能な限り短絡磁路を広く設けることが好ましい。従って、ロータ側磁気抵抗部幅Ｓ１は可能な限り短く設定されるとよく、最も好適には、図示のように「ロータ側磁気抵抗部幅Ｓ１＝磁極間隔Ｍ２」に設定されるとよい。

また、空隙７は、ステータ側磁気抵抗部幅Ｓ２がロータ側磁気抵抗部幅Ｓ１よりも大きく形成されている（Ｓ２＞Ｓ１）。図５に示すように、１つの態様として、各磁極Ｆの磁極面ＦＰを径外側方向Ｒ２に延長し、隣り合う磁極Ｆの当該延長した線の間にステータ側磁気抵抗部幅Ｓ２’を設定することも考えられる。この場合には上述した「Ｓ２＞Ｓ１」の関係は満たされず、「Ｓ２＜Ｓ１」となる。この場合、ステータコイル３ｂに鎖交する磁束の波形は、図６（ａ）に示すように、Ｎ極とＳ極とが急速に入れ替わる方形波状に近くなる。

各磁極ＦにおいてＶ字やＵ字を構成する永久磁石２４の内、周方向両端に配置される永久磁石２４の磁極面ＦＰをサブロータ１０側に延長して延長線よりも磁極Ｆの周方向中心側の空隙７が少ない場合には、当該延長線に沿って広がる領域内において磁束がステータ３の側へ供給される。その結果、ステータ３の側では、異なる磁極Ｆから提供される磁束の方向が急激に切り替わることになり、周方向における磁束密度の分布がいわゆる方形波状となる。「Ｓ２＜Ｓ１」となると、後述する中間的な極性（ゼロ極性）を有する期間が短くなり、周方向における磁束密度の分布が方形波状に近づく。方形波は、フーリエ級数展開を用いて数学的に導かれる波形の特徴上、高次高調波成分を多く含む。この高次高調波成分により、回転電機２のトルクリップルや鉄損が増加する可能性がある。

そこで、ステータ側磁気抵抗部幅を、隣り合う磁極Ｆの磁極面ＦＰの延長線間の周方向長さ（Ｓ２’）よりも長くする。ステータ側磁気抵抗部幅をＳ２’よりも長くすることによって空隙７が周方向に拡大され、磁極Ｆからステータ３に提供される磁束が遮断される。これにより、ステータコイル３ｂに鎖交する磁束の波形は、図６（ｂ）に示すように、Ｎ極とＳ極との入れ替わりの際に中間的な極性（ゼロ極性）を有するようになる。つまり、磁束密度の分布波形は、方形波状から基本波成分の正弦波に近づく。フーリエ級数展開を用いた公知の数学的な波形解析から明らかなように、この分布波形が正弦波に近づくことによって、極性の切り替わり時に生じる高調波成分が低減される。尚、サブロータコア１１における周方向のコア延在範囲は狭くなるが、永久磁石２４が発生する磁束は変化しないので、狭くなったコアに磁束が集まり、磁束密度の振幅は方形波の時の振幅ａ１よりも大きい振幅ａ２となる。従って、空隙７を広げ、コア延在範囲を狭くしてもトルクにはほとんど影響しない。

図７は、サブロータコア１１における周方向のコア延在範囲である非空隙部９の幅（非空隙部幅、非磁気抵抗部幅）Ｈ１と、高次高調波成分の磁束密度の振幅との関係をシミュレーションした結果を示している。尚、本実施形態では、磁極幅Ｍ１等と同様に、コア延在範囲である非空隙部幅Ｈ１及び後述する漏れ磁束幅Ｈ２についても回転電機２の回転軸を中心とした角度で表す。ところで、本実施形態においては、３次高調波成分が最も鉄損に対して影響する。図７を参照すれば、この３次高調波成分は、図８に示すステータ３側の非空隙部幅Ｈ１を電気角で１２０度とした際に最も小さくなる。従って、理論上は、非空隙部幅Ｈ１を電気角で１２０度とすると好適である。但し、実際には上述したようにサブロータコア１１及びメインロータコア２１のブリッジ部などを経由する漏れ磁束が存在するので、この漏れ磁束の分を１２０度から差し引いて非空隙部幅Ｈ１が設定される。

本実施形態では、空隙７のそれぞれステータ３側及びメインロータ２０側に、サブロータコア１１を周方向に延在させるブリッジ部が形成されている。例えば、図８に破線で示すようにメインロータ２０側のブリッジ部Ｂを経由する漏れ磁束が生じる。図示は省略するが、メインロータコア２１の外周部のブリッジ部においても漏れ磁束が生じる。このような漏れ磁束の磁力線に対応する周方向幅（漏れ磁束幅）Ｈ２が１２０度から差し引かれる。漏れ磁束幅Ｈ２は、磁極Ｆの両端の磁極端部ＦＴにおいて生じるから、図７及び図８に示すように、１２０度から漏れ磁束幅Ｈ２の２倍の幅が差し引かれる。本実施形態では、非空隙部幅Ｈ１は概ね１００度となる。ステータ側磁気抵抗部幅Ｓ２は、電気角の半周期（１８０度）から非空隙幅Ｈ１及び漏れ磁束幅Ｈ２を除いた幅とすることができる。

〔他の実施形態〕
（１）上記実施形態においては、各磁極の周方向両端に配置される永久磁石２４の磁極端部ＦＴが、連結端部ＦＡよりもサブロータ１０側に配置される例として、２つの永久磁石２４がサブロータ１０側に開いたＶ字型の配置を示した（図２〜図５等）。しかし、永久磁石２４の配置は、この例に限定されるものではない。図９に示すように、３つの永久磁石２４がサブロータ１０側に開いたＵ字型の配置であってもよい。当然ながら、４つ以上の永久磁石２４によって１つの磁極Ｆが構成されてもよい。

（２）上記実施形態においては、ステータ側磁気抵抗部幅Ｓ２とロータ側磁気抵抗部幅Ｓ１との関係を「Ｓ２＞Ｓ１」とすることによって、高次高調波成分を効果的に抑制する形態を説明した。しかし、例えば、「Ｓ２＝０」のように極端にステータ側磁気抵抗部幅Ｓ２が短くならなければ、周方向における磁束密度の分布波形において極性の切り替わり時に幾分かの中間極性が現れる。従って、図７に示したように、最も効果的に３次高調波を減衰させるような状態にはできなくとも、磁束密度の分布波形における高調波成分を幾分かは減衰させることができる。つまり、ロータ側磁極幅Ｓ１が、「Ｍ２≦Ｓ１＜Ｍ１」の関係を満たすという点だけによっても、限定的ではあるが高調波の抑制効果を得ることができる。

（３）上記実施形態においては、磁気抵抗部として空隙７を好適な例として説明した。しかし、磁気抵抗部は、空隙７のような穴（孔）や、空間に限定されることなく、アルミニウムやステンレスなどの非磁性体によって構成されていてもよい。当然ながら、空隙の内部に、そのような非磁性体が埋め込まれて、磁気抵抗部が構成されていてもよい。

本発明は、最大磁束で回転電機を動作させる際には強い磁束を提供可能であり、弱め界磁状態では良好に磁束を抑制可能な回転電機に適用することができる。また、周方向における磁束密度の分布において高次高調波成分が抑制された界磁束を提供可能な可変磁束型の回転電機に適用することができる。

３：ステータ
３ｂ：ステータコイル
４：ロータ
７：空隙（磁気抵抗部）
１０：サブロータ
１１：サブロータコア（ロータコア）
２０：メインロータ
２１：メインロータコア（ロータコア）
２４：永久磁石
Ｃ：周方向
Ｆ：磁極
ＦＡ：連結端部
ＦＰ：磁極面
ＦＴ：磁極端部
Ｍ１：磁極幅
Ｍ２：磁極間隔
Ｓ１：ロータ側磁気抵抗部幅
Ｓ２：ステータ側磁気抵抗部幅

Claims (2)

1. 周方向の相対位置を調整可能なメインロータ及びサブロータを有したロータと、ステータコイルを有するステータとを備えた回転電機であって、
   前記メインロータは、ロータコアの内部に埋め込まれて前記ステータコイルと鎖交する界磁束を提供する永久磁石を備え、
   前記メインロータと前記ステータとの間に配置される前記サブロータは、前記界磁束に対して磁気抵抗となる磁気抵抗部をロータコアに備え、
   前記メインロータの各磁極は、同極の磁極面を前記サブロータ側に向けて少なくとも磁極面に沿った方向の一端が連結端部として隣り合う状態で配置された複数の前記永久磁石により構成され、
   各磁極の周方向両端に配置される前記永久磁石の磁極端部は、前記連結端部よりも前記サブロータ側に配置され、
   前記メインロータにおける前記サブロータとの対向面側において各磁極の前記磁極端部間の周方向距離が磁極幅であり、当該対向面側において周方向に隣接する前記磁極の前記磁極端部間の周方向距離が磁極間隔であり、前記サブロータにおける前記メインロータとの対向面側において前記磁気抵抗部が設けられる周方向の範囲がロータ側磁気抵抗部幅であり、
   複数の前記永久磁石は、前記磁極間隔が前記磁極幅未満となる状態で配置され、
   前記磁気抵抗部は、前記ロータ側磁気抵抗部幅が前記磁極間隔以上前記磁極幅未満になるように形成されている回転電機。
2. 前記サブロータにおける前記ステータとの対向面側において前記磁気抵抗部が設けられる周方向の範囲がステータ側磁気抵抗部幅であり、前記磁気抵抗部は、前記ステータ側磁気抵抗部幅が前記ロータ側磁気抵抗部幅よりも大きく形成されている請求項１に記載の回転電機。

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