JP2012244874A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機において、回転トルクを強化しつつ、ロータの構造の複雑化を抑制すること。
【解決手段】第１ロータ部は、回転軸方向に沿った磁極方向を有し、第１ステータギャップ面と対向配置され第１磁極となる第１磁石ギャップ面をそれぞれ備える複数の第１永久磁石部と、第１磁石間コア部とを備える。第２ロータ部は、第１永久磁石部の磁極方向と同じ向きの磁極方向を有し、第２ステータギャップ面と対向配置され第２磁極となる第２磁石ギャップ面をそれぞれ備える第２永久磁石部と、第２磁石間コア部とを備える。複数の第１永久磁石部と複数の第２永久磁石部とは、回転軸方向から見た場合にそれぞれ重なる位置に配置され、第１磁石間コア部と第２磁石間コア部とは、回転軸方向から見た場合に重なる位置に配置される。励磁部は、第１磁石間コア部および第２磁石間コア部を、磁石間コア部に隣接する永久磁石部の磁極方向とは反対方向に励磁する。
【選択図】 図６

Description

本発明は、ステータおよびロータを備えるアキシャルギャップ型の回転電機に関する。

モータ若しくはジェネレータとして動作可能であり、ギャップ面が回転軸と垂直になるようにロータとステータが配置されたアキシャルギャップ型の回転電機が知られている。このような回転電機のロータとしては、ロータの中心部に配置されるロータコア中心部と、ステータコアと対向して配置される複数のロータコア片と、複数の永久磁石と、を備えることが知られている（特許文献１参照）。このロータでは、ロータコア中心部を中心として、ロータの周方向にロータコア片と永久磁石とが交互に配置される。また、回転電機には、回転トルクを強化するためにロータコア片を励磁する励磁コイルも設けられている。そして、このロータでは、複数のロータコア片のうち、幾つかのロータコア片は、他のロータコア片と接続されておらず永久磁石に連結され、その他のロータコア片は、それぞれがロータコア中心部を介して連結されている。

このロータにおいて幾つかのロータコア片が、他のロータコア片と接続されておらず永久磁石に連結されることは、以下の理由による。すなわち、このロータでは、永久磁石は磁極方向がロータの周方向に沿うように配置されるので、永久磁石から出る磁束は、連結するロータコア片を介してステータコイルに向かう。このため、永久磁石の一方の磁極に連結されるロータコア片と、永久磁石の他方の磁極に連結されるロータコア片とが連結されていると、これらロータコア片の間で永久磁石の磁束の受け渡しが行われて、ロータコア片を介してステータコイルに向かう磁束が減少し、ロータに十分な回転トルクを付与できないからである。

特開２００９−２７３２３１号公報

しかしながら、上述の技術のロータでは、複数のロータコア片が、永久磁石を介して連結される構成されるので、構造が複雑であった。その結果、ロータの組み立てをする際に、作業が煩雑になる可能性があった。

本発明は、回転電機において、回転トルクを強化しつつ、ロータの構造の複雑化を抑制する技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
アキシャルギャップ型の回転電機であって、
前記第１ロータ部と第２ロータ部とを備えるロータと、
前記第１ロータ部と前記第２ロータ部との間に配置されるステータであって、ステータコイルと、前記第１ロータ部に対して前記ロータの回転軸方向に対向配置される第１ステータギャップ面と、前記第２ロータ部に対して前記回転軸方向に対向配置される第２ステータギャップ面とを有するステータと、
前記ステータに対して不動な励磁部と、
を備え、
前記第１ロータ部は、
前記回転軸方向に沿った磁極方向を有する複数の第１永久磁石部であって、前記ステータの第１ステータギャップ面と対向配置され第１磁極となる第１磁石ギャップ面をそれぞれ備え、前記ロータの周方向に沿って間隔を置いて配置された複数の第１永久磁石部と、
前記ロータの周方向において前記複数の第１永久磁石部の間に配置される第１磁石間コア部と、を備え、
前記第２ロータ部は、
前記第１永久磁石部の磁極方向と同じ向きの磁極方向を有する複数の第２永久磁石部であって、前記ステータの第２ステータギャップ面と対向配置され前記第１磁極とは異なる第２磁極となる第２磁石ギャップ面をそれぞれ備え、前記ロータの周方向に沿って間隔を置いて配置された複数の第２永久磁石部と、
前記ロータの周方向において前記複数の第２永久磁石部の間に配置される第２磁石間コア部と、を備え、
前記複数の第１永久磁石部と前記複数の第２永久磁石部とは、前記回転軸方向から見た場合にそれぞれ重なる位置に配置されると共に、前記第１磁石間コア部と前記第２磁石間コア部とは、前記回転軸方向から見た場合に重なる位置に配置され、
前記励磁部は、前記第１磁石間コア部および前記第２磁石間コア部を、前記磁石間コア部に隣接する前記永久磁石部の磁極方向とは反対方向に励磁する、
回転電機。

上記構成の回転電機によれば、第１磁極となる第１磁石ギャップ面をそれぞれ有する複数の第１永久磁石部を第１ロータ部が備え、第１磁極とは異なる第２磁極となる第２磁石ギャップ面をそれぞれ有する複数の第２永久磁石部を第２ロータ部が備えている。また、複数の第１永久磁石部と複数の第２永久磁石部とは、それぞれ回転軸方向から見た場合に重なる位置に配置される。さらに、第１ロータ部は、ロータの周方向において複数の第１永久磁石部の間に配置される第１磁石間コア部を備え、第２ロータ部は、ロータの周方向において複数の第２永久磁石部の間に配置される第２磁石間コア部を備え、回転軸方向から見た場合に第１磁石間コア部と第２磁石間コア部とが重なる位置に配置される。これらの結果、複数の第１永久磁石部および複数の第２永久磁石部によって、第１永久磁石部と第２永久磁石部との間に形成される第１磁路と、第１磁石間コア部と第２磁石間コア部との間の磁路であって磁束の方向が第１磁路における磁束方向とは反対方向である第２磁路とを含む磁路が形成される。これにより、回転電機がモータとして動作する場合には、ステータコイルが励磁されることによってロータに周方向のトルク（回転トルク）を生じさせることができ、ロータを回転させることが可能となる。また、回転電機がジェネレータとして動作する場合には、ロータが回転することによってステータコイルに電流を生じさせることが可能となる。

また、上記構成の回転電機によれば、第１ロータ部の複数の第１永久磁石部は、各第１磁石ギャップ面が第１磁極であり、第２ロータ部の複数の第２永久磁石部は、各第２磁石ギャップ面が第１磁極とは異なる第２磁極である。この構成により、第１永久磁石部（第１磁石ギャップ面）と第２永久磁石部（第２磁石ギャップ面）との間に、各磁石間コア部を介さない磁路（上記第１磁路）を形成することができる。この結果、第１ロータ部および第２ロータ部のそれぞれにおいて、各磁石間コア部を分離することなく形成することが可能となり、ロータの構造の複雑化を抑制することができる。

さらに、上記構成の回転電機によれば、第１磁石間コア部および第２磁石間コア部を、磁石間コア部に隣接する永久磁石部の磁極方向とは反対方向に励磁する励磁部を備えている。この構成により、励磁部によって磁石間コア部が励磁されると、磁石間コア部のギャップ面からステータコイルに向かう磁束（電機子鎖交磁束）は、永久磁石部による磁束（上記第２磁路における磁束）に加えて励磁部による磁束を合わせた磁束となる。従って、磁石間コア部の電機子鎖交磁束を、励磁部を備えていない場合と比較して、大きくすることができる。この結果、励磁部によって励磁された際に、ロータに大きな回転トルクを生じさせることができる。

以上の説明のように、上記構成の回転電機は、励磁部によるロータの回転トルクを強化しつつ、ロータの構造の複雑化を抑制することができる。

また、上記構成の回転電機によれば、励磁部は、ステータに対して不動に構成されている。この結果、励磁部がロータと共に回転する場合と比較して、励磁部に容易に電力を供給することが可能である。すなわち、励磁部の構成を簡易にすることができる。

なお、第１磁極は、Ｎ極であってもよいし、Ｓ極であってもよい。第１磁極がＮ極の場合には、第２磁極は、Ｓ極である。第１磁極がＳ極の場合には、第２磁極は、Ｎ極である。

［適用例２］
適用例１に記載の回転電機であって、
前記励磁部は、前記第１ロータ部と前記第２ロータ部との間であって前記ステータよりも前記ロータの回転軸側に配置される、
回転電機。

上記構成の回転電機によれば、励磁部は、ステータよりもロータの回転軸側であって第１ロータ部と第２ロータ部との間に配置されるので、励磁部が、ステータよりも回転軸側とは反対側に配置される場合、および、第１ロータ部と第２ロータ部とで囲まれた空間の外側に配置される場合と比較して、回転電機を小型化することができる。

［適用例３］
適用例１または適用例２に記載の回転電機であって、
前記励磁部は、励磁コイルと、前記励磁コイルの内部に配置され、励磁コアギャップ面を有する励磁コア部とを備え、
前記第１ロータ部は、前記励磁コアギャップ面に対向配置されるロータコアギャップ面を有し、前記励磁コア部と前記第１磁石間コア部との間で磁束を受け渡す磁束受渡コア部を備え、
前記磁束受渡コア部の前記ロータコアギャップ面が前記回転軸に対して傾斜して形成される、
回転電機。

上記構成の回転電機によれば、磁束受渡コア部は、ロータコアギャップ面が回転軸に対して傾斜して形成されるので、ロータコアギャップ面が回転軸に対して傾斜していない場合と比較して、ロータコアギャップ面の表面積を大きくすることができる。この結果、励磁コア部と磁束受渡コア部との間の磁気抵抗の上昇を抑制することができる。

なお、本発明は、例えば、ロータ、回転電機ユニット、および、回転電機を備えた車両等、種々の装置形態で実現することができる。また、回転電機を製造する製造方法など種々の方法形態で実現することができる。

本発明の一実施例としての回転電機１０００の外観構成を示す図である。 図１における回転電機１０００のＡ−Ａ断面を示す図である。 ステータ２００および励磁部５００の概略構成を説明する図である。 第１ロータ３００の概略構成を説明するための図である。 第１ロータ３００の界磁部３２０の分解斜視図である。 図５において一点破線で示す部位の軸方向に平行な断面（Ｂ−Ｂ断面）について、周方向に１周期分の構成を図示した図である。 回転電機１０００を回転軸Ｘを通る異なる２つの平面によって切断した切断面を模式的に示した図である。 励磁部５００による励磁が行われた場合にギャップにおける周方向位置[単位は度]と磁束密度[単位はＴ]との関係を示す図である。 ステータコイル２０２（対象ステータコイル）に対する第１ロータ３００及び第２ロータ４００の相対位置[単位は度]と対象ステータコイルにおける鎖交磁束[単位はＷｂ]との関係を示す図である。 図９の相対位置に対する鎖交磁束について調波解析を行った結果を示す図である。 第２実施例におけるロータコア中心部および励磁コアを説明するための図である。 第２実施例におけるロータコア中心部および励磁コアを説明するための図である。

Ａ．第１実施例：
Ａ１：回転電機の構成：
図１は、本発明の一実施例としての回転電機１０００の外観構成を示す図である。図２は、回転電機１０００の断面構成を示す図である。具体的には、図２は、図１における回転電機１０００のＡ−Ａ断面を示す図である。回転電機１０００は、モータおよびジェネレータとして動作可能であり、軸Ｘを回転軸とするアキシャルギャップ型の８極回転電機である。以下では、回転軸Ｘに沿った方向を軸方向とも呼び、回転軸Ｘを通り回転軸Ｘと直交する方向を径方向とも呼び、回転軸Ｘと直交する面において回転軸Ｘとの交点を中心とする円に沿った方向を周方向とも呼ぶ。回転電機１０００は、図１および図２に示すように、ステータ２００と、ステータ２００の軸方向の両側にそれぞれ配置された第１ロータ３００および第２ロータ４００と、励磁部５００と、を備えている。第１ロータ３００は、ステータ２００に対して軸方向の一方の側に対向配置されるギャップ面を有し、第２ロータ４００は、ステータ２００に対して軸方向の一方の側に対向配置されるギャップ面を有している。これらギャップ面についての詳細は、後述する。また、第１ロータ３００および第２ロータ４００について説明する際、軸方向に沿った方向のうち、ステータ２００と対向する方向、すなわち、ギャップ面が配置されている側の方向をステータ対向方向とも呼ぶ。図２において、第１ロータ３００のステータ対向方向は下方向であり、第２ロータ４００のステータ対向方向は上方向である。

図３は、ステータ２００および励磁部５００の概略構成を説明する図である。具体的には、図３（ａ）は、ステータ２００および励磁部５００の外観構成を示す。図３（ｂ）は、ステータ２００の分解斜視図を示す。図３（ｃ）は、励磁部５００の外観構成を示す。図３（ｄ）は、励磁部５００の分解斜視図を示す。ステータ２００は、図３（ｂ）に示すように、複数のステータコア２０１と、複数のステータコイル２０２と、２枚のステータ固定部材２１０と、を備えている。本実施例では、ステータコア２０１およびステータコイル２０２は、それぞれ１２個用いられている。これらステータコア２０１は、それぞれ、軟磁性体で形成され、回転軸Ｘと垂直な断面形状が略二等辺三角形である三角柱形状を有する。ステータコイル２０２は、各ステータコア２０１の側面に巻き回されて構成される。ステータコイル２０２が巻き回された複数のステータコア２０１は、周方向に並べて配置され、全体として、ロータシャフト（後述：図４）が貫通する孔Ｈ１を有する略円筒形状を形成する。各ステータコア２０１の第１ロータ３００と対向する端面は同一平面上に配置され、第１ロータ３００と対向するギャップ面であるステータギャップ面ＧＳ１を形成する。各ステータコア２０１の第２ロータ４００と対向する端面は同一平面上に配置され、第２ロータ４００と対向するギャップ面であるステータギャップ面ＧＳ２を形成する。なお、複数のステータコイル２０２は、周方向に機械角で９０度離れた位置にある４つのステータコイル２０２を同じ組として３組に分けられ、組ごとに位相の異なる三相電流が通電される。各ステータコイル２０２に通電される三相電流によって、回転電機１０００の回転制御が行われる。

ステータ固定部材２１０は、非磁性体で形成されており、図３（ｂ）に示すように、ロータシャフト（後述：図４）が貫通する孔２１３と、各ステータコア２０１の端部が嵌合する複数の孔２１２と、複数のボルト孔２１４と、を備えている。ステータ２００は、２枚のステータ固定部材２１０を介して、回転電機用ケース（図示せず）に固定される。すなわち、図３（ａ）に示すように、ステータ２００は、２枚のステータ固定部材２１０によって、軸方向の両側から挟持される。そして、ステータ２００は、２枚のステータ固定部材２１０における複数のボルト孔２１４にボルト（図示せず）を通すことによって回転電機用ケースに固定される。

励磁部５００は、図３（ｃ）、（ｄ）に示すように、励磁コア５０１と、励磁コイル５０２と、を備えている。励磁部５００は、ステータ固定部材２１０に固定される。励磁コア５０１は、ロータシャフト（後述：図４）が貫通する孔Ｈａを有する略円筒形状である磁性体で形成されている。励磁コイル５０２は、孔Ｈａを周回する様に励磁コア５０１の側面に巻き回されて構成される。励磁部５００は、ステータ２００の孔Ｈ１に挿入される。励磁コア５０１の第１ロータ３００と対向する端面は、第１ロータ３００と対向するギャップ面である励磁コアギャップ面ＧＳ３を形成する。励磁コア５０１の第２ロータ４００と対向する端面は、第２ロータ４００と対向するギャップ面である励磁コアギャップ面ＧＳ４を形成する。励磁部５００の機能については後述する。

図４は、第１ロータ３００の概略構成を説明するための図である。具体的には、図４（ａ）は、第１ロータ３００の外観構成を示す図であり、図４（ｂ）は、第１ロータ３００の分解斜視図である。図５は、第１ロータ３００の界磁部３２０の分解斜視図である。第１ロータ３００は、永久磁石を含み磁束を発生するための界磁部３２０と、界磁部３２０が固定される非磁性体の支持部材３１１とシャフト本体３１２とから構成されたロータシャフト３１０とを備えている。

第２ロータ４００は、第１ロータ３００と同様の部材で構成されており、第２ロータ４００の構成については、適宜に説明を加えながら、第１ロータ３００の構成を中心に説明する。第１ロータ３００のシャフト本体３１２と、第２ロータ４００のシャフト本体とは、組み付けられる際に、ステータ２００の孔Ｈ１（図３）の内部で結合される。そして、第１ロータ３００のシャフト本体３１２および第２ロータ４００のシャフト本体は、回転電機用ケースに軸受を介して回転可能に支持される。この結果、第１ロータ３００と第２ロータ４００は、回転軸Ｘを中心に一体に回転する。

第１ロータ３００の界磁部３２０は、図４（ｂ）および図５に示すように、永久磁石３２３と、ロータコア３２４と、を備えている。各永久磁石３２３は、フェライト磁石である。ロータコア３２４は、軟磁性材料で一体形成されており、具体的には、鉄粉に絶縁性樹脂を混合して金型で圧縮成形した圧粉鉄芯である。

各永久磁石３２３は、図４（ｂ）に示すように、軸方向と垂直な断面形状が扇形状において頂点部分（中心部分）を切り欠いた形状（略扇形状）であり、その断面形状が軸方向に延びた形状を有している。各永久磁石３２３は、界磁部３２０において周方向に沿って等しい間隔をおいて配置されている。永久磁石３２３は、ステータ対向方向の面であってギャップ面となる磁石ギャップ面３２３Ｎと、磁石ギャップ面３２３Ｎの反対面である反対面３２３Ｓと、軸方向に沿った面であり径方向内側の面３２３Ａと、を有している。磁石ギャップ面３２３Ｎは、Ｎ極着磁面であり、反対面３２３Ｓは、Ｓ極着磁面である。これらの面は、回転軸Ｘと略垂直な面である。以下では、磁石ギャップ面３２３ＮをＮ極着磁面３２３Ｎとも呼び、反対面３２３ＳをＳ極着磁面３２３Ｓとも呼ぶ。各永久磁石３２３の軸方向の位置は、それぞれ同一である。すなわち、各永久磁石３２３のＮ極着磁面３２３Ｎは、同一平面上に位置し、各永久磁石３２３の極着磁面３２３Ｓは、同一平面上に位置している。各永久磁石３２３の磁極方向（磁石のＳ極からＮ極へ向かう方向）は、図５において永久磁石３２３上に白い矢印で示すように軸方向に沿っている。面３２３Ａは、回転軸Ｘを中心とする円に沿って形成される。

ロータコア３２４は、永久磁石３２３が配置される磁石配置コア部３２４Ａと、磁石配置コア部３２４Ａより軸方向に突出して形成され磁石配置コア部３２４Ａとの間に位置する磁石間コア部３２４Ｂと、ロータコア中心部３２４Ｃと、を有している。ロータコア３２４は、ロータコア中心部３２４Ｃを中心として、磁石配置コア部３２４Ａと磁石間コア部３２４Ｂとが周方向に交互に配置される。すなわち、界磁部３２０において、磁石間コア部３２４Ｂと永久磁石３２３とは、ロータコア中心部３２４Ｃを中心として周方向に交互に配置される。磁石間コア部３２４Ｂは、ステータ対向方向の面であってギャップ面となるロータコアギャップ面３２４ＢＧを有している。ロータコア中心部３２４Ｃは、ステータ対向方向の面であってギャップ面となるロータコアギャップ面３２４ＣＧを有している。ロータコア中心部３２４Ｃのロータコアギャップ面３２４ＣＧは、励磁部５００の励磁コアギャップ面ＧＳ３と対向する。界磁部３２０でロータコア３２４に永久磁石３２３が配置された状態では、図５に示すように、ロータコアギャップ面３２４ＢＧと、ロータコアギャップ面３２４ＣＧと、磁石ギャップ面（Ｎ極着磁面）３２３Ｎとは、同一平面上に形成される。また、ロータコアギャップ面３２４ＢＧの反対面と、ロータコアギャップ面３２４ＣＧの反対面と、磁石配置コア部３２４Ａにおいて永久磁石３２３が配置される面の反対面との全体、すなわち、ロータコア３２４がロータシャフト３１０に接触する面（ロータコア裏面とも呼ぶ）３２４Ｘは、同一平面上に形成される。

ここで、界磁部３２０の極数は、８であるので、周方向に機械角で９０度離れた位置は、等価である。すなわち、周方向に機械角で９０度分の構成を１周期（電気角で３６０度分に相当する）として、同じ構成が４周期繰り返されている。

図６は、図５において一点破線で示す部位の軸方向に平行な断面（Ｂ−Ｂ断面）について、周方向に１周期分の構成を図示した図である。図６では、図５において一点破線で示すように、１つの永久磁石３２３の周方向の中心を電気角で０度の位置とし、この位置から周方向の時計回りに１周期（電気角で３６０度）離れた位置までを図示している。図６では、理解の容易のため、ステータ２００と第２ロータ４００の構成についても、対応する１周期分の構成を併せて図示している。図７は、回転電機１０００を、回転軸Ｘを通る異なる２つの平面によって切断した切断面を模式的に示した図である。具体的には、図７において右側の切断面は、永久磁石３２３を通る平面によって切断された面を示し、図７において左側の切断面は、ロータコア３２４の磁石間コア部３２４Ｂを通る平面によって切断された面を示している。

第２ロータ４００は、上述したように、第１ロータ３００の部材と同様の部材によって構成されている。第２ロータ４００の構成が第１ロータ３００の構成と相違する相違点は、以下の通りである。すなわち、第１ロータ３００では、磁石ギャップ面がＮ極着磁面となり、反対面がＳ極着磁面となるように構成されている。しかしながら、第２ロータ４００は、永久磁石においてステータ対向方向の面であってギャップ面となる磁石ギャップ面がＳ極着磁面であり、その反対面がＮ極着磁面となるように構成されている。第２ロータ４００の永久磁石を永久磁石４２３とも呼ぶ。第２ロータ４００の永久磁石において、磁石ギャップ面であり、Ｎ極着磁面である面を、磁石ギャップ面４２３Ｓとも呼ぶ。磁石ギャップ面４２３Ｓの反対面を、反対面４２３Ｎとも呼ぶ。第２ロータ４００のその他の構成については、第１ロータ３００と同様である。従って、第２ロータ４００における上記相違点以外の各構成要素の符号は、１桁目を「４」とし、２桁目以降を第１ロータ３００の対応する構成要素の符号の２桁目以降と同一にした符号を用いる。例えば、図２、図６および図７に示すように、第２ロータ４００の磁石配置コア部には、符号「４２４Ａ」を付し、磁石間コア部には、符号「４２４Ｂ」を付す。

上述したように、回転電機１０００は、第１ロータ３００がＮ極着磁面となる磁石ギャップ面３２３Ｎをそれぞれ有する複数の永久磁石３２３を備え、第２ロータ４００がＳ極着磁面となる磁石ギャップ面４２３Ｓをそれぞれ有する複数の永久磁石４２３を備えている。そして、図６に示すように、第１ロータ３００の永久磁石３２３から見てステータ２００を挟んで軸方向に対向する位置には、第２ロータ４００の永久磁石４２３が配置される。言い換えれば、複数の永久磁石３２３と複数の永久磁石４２３とは、それぞれ軸方向から見た場合に重なる位置に配置される。

また、周方向において複数の永久磁石３２３の間に配置される磁石間コア部３２４Ｂから見てステータ２００を挟んで軸方向に対向する位置には、それぞれ磁石間コア部４２４Ｂが配置される。言い換えれば、複数の磁石間コア部３２４Ｂと、複数の磁石間コア部４２４Ｂとは、それぞれ軸方向から見た場合に重なる位置に配置される。

以上のように構成された第１ロータ３００の界磁部３２０と、第２ロータ４００の界磁部によって発生する磁束の磁路は、図６および図７の右切断面において破線で示す内側磁路と、図６および図７の右切断面において実線で示す外側磁路とを含む。

内側磁路は、第１ロータ３００の永久磁石３２３のＮ極着磁面である磁石ギャップ面３２３Ｎから、ステータ２００を通り、対向する第２ロータ４００の永久磁石４２３の磁石ギャップ面４２３Ｓへ向かう磁路を含む。

外側磁路は、第２ロータ４００の永久磁石４２３のＮ極着磁面である反対面４２３Ｎから、磁石間コア部４２４Ｂのロータコアギャップ面４２４ＢＧ、ステータ２００、および、第１ロータ３００の磁石間コア部３２４Ｂのロータコアギャップ面３２４ＢＧを通り、第１ロータ３００の永久磁石３２３のＳ極着磁面である反対面３２３Ｓへ向かう磁路を含む。

ところで、本実施例の回転電機１０００では、励磁部５００の励磁コイル５０２の通電を制御することによって（すなわち励磁によって）、第１ロータ３００と第２ロータ４００との間に磁束の経路（励磁磁路）が形成される。この励磁磁路は、図６および図７の左切断面において一点鎖線で示す磁路を含む。

励磁磁路は、励磁コアギャップ面ＧＳ４（図７参照）から、第２ロータ４００のロータコア中心部４２４Ｃのロータコアギャップ面４２４ＣＧ、磁石間コア部４２４Ｂのロータコアギャップ面４２４ＢＧ、ステータ２００、第１ロータ３００の磁石間コア部３２４Ｂのロータコアギャップ面３２４ＢＧ、および、ロータコア中心部３２４Ｃのロータコアギャップ面３２４ＣＧを通り、励磁コアギャップ面ＧＳ３へ向かう磁路を含む。すなわち、励磁部５００は、第１ロータ３００の磁石間コア部３２４Ｂおよび第２ロータ４００の磁石間コア部４２４Ｂを、当該磁石間コア部に隣接する永久磁石部の磁極方向とは反対方向に励磁する。

Ａ２：励磁部５００による励磁の検証：
図８は、励磁部５００による励磁が行われた場合にギャップにおける周方向位置[単位は度]と磁束密度[単位はＴ]との関係を示す図である。図８に示すギャップにおける周方向位置は、図６における断面図の周方向位置と同様に電気角で示す。図８における０度の位置は、図６における０度の位置に対応している。図８に示す磁束密度は、第１ロータ３００のギャップ面からステータギャップ面ＧＳ１へ向かう方向を正とし、ステータギャップ面ＧＳ１から第１ロータ３００のギャップ面へ向かう方向を負としている。また、図８では、励磁部５００によって励磁が行われない場合を破線（０％励磁電流）で示し、励磁コイル５０２に所定の最大電流の半分の電流を流して励磁部５００による励磁を行った場合を一点鎖線（５０％励磁電流）で示し、励磁コイル５０２に上記最大電流を流して励磁部５００による励磁を行った場合を実線（１００％励磁電流）で示す。図８に示すように、励磁電流が多いほど、第１ロータ３００のロータコアギャップ面３２４ＢＧ上での磁束密度の絶対値が大きくなっているのが分かる。従って、第１ロータ３００の磁石ギャップ面３２３Ｎ上での磁束密度（図８では正）に対する、ロータコアギャップ面３２４ＢＧ上での磁束密度（図８では負）の相対値は、励磁電流が多いほど、大きくなることが分かる。この結果、励磁電流が多いほど、第１ロータ３００に大きな回転トルクを生じさせることができることが分かる。

図９は、ステータコイル２０２（対象ステータコイル）に対する第１ロータ３００及び第２ロータ４００の相対位置[単位は度]と対象ステータコイルにおける鎖交磁束[単位はＷｂ]との関係を示す図である。この相対位置は、電気角で表す。相対位置が０度の場合は、ロータコアの周方向の中心位置（図８の１８０度の位置）がステータコイルの周方向の中心位置に対向する状態を表している。図９では、励磁部５００によって励磁が行われない場合を破線（０％励磁電流）で示し、励磁コイル５０２に所定の最大電流の半分の電流を流して励磁部５００による励磁を行った場合を一点鎖線（５０％励磁電流）で示し、励磁コイル５０２に上記最大電流を流して励磁部５００による励磁を行った場合を実線（１００％励磁電流）で示す。

図１０は、図９の相対位置に対する鎖交磁束について調波解析を行った結果を示す図である。図９に示す鎖交磁束と相対位置との関係は、１８０度を通り縦軸に並行な線を基準として線対称の関係である。従って、この調波解析は、正弦波を用いて対称成分（０および奇数次数）のみを対象として行った。図１０の横軸には、次数を示した。すなわち、図１０の横軸には周期の長い成分から周期の短い成分を順に示した。図１０の縦軸には、鎖交磁束[単位はＷｂ]を示した。調波解析の結果から、第１ロータ３００と対象ステータコイルとの相対位置に対する鎖交磁束は、定数成分である０次成分と、変動成分である１次成分を他の成分より多く含むことがわかる。回転トルクは、相対位置に対する鎖交磁束の変動が大きいほど大きくなるので、０次成分は回転トルクには寄与しない。また、３次成分以降の次数の成分の寄与は十分に小さい。従って、回転トルクは、１次成分の大きさによって決まるといえる。そこで、図１０を観察すると、励磁電流が大きいほど、１次成分が大きくなっている。この結果、励磁電流が多いほど、第１ロータ３００に大きな回転トルクを生じさせることができることが分かる。

以上のように、本実施例の回転電機１０００では、第１ロータ３００の複数の永久磁石３２３および第２ロータ４００の複数の永久磁石４２３によって、永久磁石３２３と永久磁石４２３との間に形成される内側磁路と、第１ロータ３００の磁石間コア部３２４Ｂと第２ロータ４００の磁石間コア部４２４Ｂとの間の磁路であって磁束の方向が内側磁路における磁束方向とは反対方向の磁路を含む外側磁路とが形成される。これにより、回転電機１０００がモータとして動作する場合には、ステータコイル２０２が励磁されることによって第１ロータ３００および第２ロータ４００に周方向のトルク（回転トルク）を生じさせることができ、第１ロータ３００および第２ロータ４００を回転させることが可能となる。また、回転電機１０００がジェネレータとして動作する場合には、第１ロータ３００および第２ロータ４００が回転することによってステータコイル２０２に電流を生じさせることが可能となる。

また、本実施例の回転電機１０００によれば、第１ロータ３００の複数の永久磁石３２３は、各磁石ギャップ面３２３ＮがＮ極着磁面であり、第２ロータ４００の複数の永久磁石４２３は、各磁石ギャップ面４２３ＳがＳ極着磁面である。この構成により、永久磁石３２３（磁石ギャップ面３２３Ｎ）と永久磁石４２３（磁石ギャップ面４２３Ｓ）との間に、各磁石間コア部を介さない磁路（上記内側磁路）を形成することができる（図６参照）。この結果、第１ロータ３００および第２ロータ４００のそれぞれにおいて、各磁石間コア部を分離することなく形成することが可能となり、ロータの構造の複雑化を抑制することができる。

さらに、本実施例の回転電機１０００によれば、励磁部５００は、第１ロータ３００の磁石間コア部３２４Ｂおよび第２ロータ４００の磁石間コア部４２４Ｂを、当該磁石間コア部に隣接する永久磁石部の磁極方向とは反対方向に励磁する（図６参照）。この構成により、励磁部５００によって磁石間コア部が励磁されると、磁石間コア部のギャップ面からステータコイル２０２に向かう磁束（電機子鎖交磁束）は、永久磁石３２３および永久磁石４２３による磁束（上記外側磁路における磁束）に加えて励磁部５００による磁束とを合わせた磁束となる（図６参照）。従って、第１ロータ３００および第２ロータ４００における磁石間コア部の電機子鎖交磁束を、励磁部５００を備えていない場合と比較して、大きくすることができる。この結果、励磁部５００によって励磁された際に、ロータに大きな回転トルクを生じさせることができる（図８〜図１０参照）。

以上の説明のように、本実施例の回転電機１０００は、励磁部５００によってロータの回転トルクを強化しつつ、ロータの構造の複雑化を抑制することができる。

また、本実施例の回転電機１０００によれば、励磁部５００は、ステータ固定部材２１０に固定される（図３（ａ）参照）。すなわち、励磁部５００は、ステータ２００に対して不動に構成されている。この結果、励磁部５００がロータと共に回転する場合と比較して、励磁部５００に容易に電力を供給することが可能である。すなわち、励磁部５００の構成を簡易にすることができる。

本実施例の回転電機１０００によれば、第１ロータ３００の複数の永久磁石３２３は、各磁石ギャップ面３２３ＮがＮ極着磁面であり、第２ロータ４００の複数の永久磁石４２３は、各磁石ギャップ面４２３ＳがＳ極着磁面である。そして、第１ロータ３００および第２ロータ４００において、各磁石間コア部は、周方向において複数の永久磁石の間に配置される。この構成により、第１ロータ３００および第２ロータ４００における各磁石間コア部の電機子鎖交磁束として、各磁石間コア部において隣接する２つの永久磁石から生じる磁束を用いることができる（図６参照）。

本実施例の回転電機１０００によれば、励磁部５００は、第１ロータ３００と第２ロータ４００との間であってステータ２００よりも径方向内側に配置されている。このようにすれば、励磁部が、ステータ２００よりも径方向外側に配置される場合、および、第１ロータ３００と第２ロータ４００とで囲まれた空間の外側に配置される場合と比較して、回転電機１０００を小型化することができる。

上記実施例において、第１ロータ３００は、特許請求の範囲における「第１ロータ部」の例である。第２ロータ４００は、特許請求の範囲における「第２ロータ部」の例である。第１ロータ３００と第２ロータ４００との全体が、特許請求の範囲における「ロータ」の例である。ステータギャップ面ＧＳ１は、特許請求の範囲における「第１ステータギャップ面」の例である。ステータギャップ面ＧＳ２は、特許請求の範囲における「第２ステータギャップ面」の例である。永久磁石３２３は、特許請求の範囲における「第１永久磁石部」の例である。永久磁石４２３は、特許請求の範囲における「第２永久磁石部」の例である。磁石間コア部３２４Ｂは、特許請求の範囲における「第１磁石間コア部」の例である。磁石間コア部４２４Ｂは、特許請求の範囲における「第２磁石間コア部」の例である。

Ｂ．第２実施例：
第２実施例の回転電機は、第１実施例の回転電機１０００と比較して、第１ロータ３００および第２ロータ４００のロータコア中心部および励磁部の励磁コアの構成が異なる。第２実施例の回転電機のその他の構成については、第１実施例の回転電機１０００と同じ構成であり、同じ符号を付して説明を省略する。第２実施例の回転電機おいて第１実施例の回転電機１０００と相違する構成については、回転電機１０００と対応する部材の符号に「ｍ」を付加して説明する。例えば、第２実施例の回転電機における励磁コアは、「５０１ｍ」で示される。

図１１および図１２は、第２実施例におけるロータコア中心部および励磁コアを説明するための図である。具体的には、図１１は、第２実施例における回転電機を回転軸Ｘを通り軸方向に並行な平面で切断した断面図である。図１２（ａ）は、第２実施例におけるロータコア中心部３２４Ｃｍを有する界磁部３２０の斜視図である。図１２（ｂ）は、第２実施例における励磁コア５０１ｍを有する励磁部５００の斜視図である。第２実施例の回転電機では、第１ロータ３００のロータコア中心部３２４Ｃｍにおけるロータコアギャップ面３２４ＣＧｍおよび励磁部５００の励磁コア５０１ｍにおける励磁コアギャップ面ＧＳ３ｍが、回転軸Ｘに対して傾斜して形成される。具体的には、ロータコアギャップ面３２４ＣＧｍは、径方向内側に進むにつれてロータコア裏面３２４Ｘに近づくように傾斜して形成される。これに伴って、励磁コアギャップ面ＧＳ３ｍも、径方向内側に進むにつれてロータコア裏面３２４Ｘに近づくように傾斜して形成される。そして、ロータコアギャップ面３２４ＣＧｍと励磁コアギャップ面ＧＳ３ｍとは、磁石ギャップ面３２３Ｎとステータギャップ面ＧＳ１との間のギャップと同程度のギャップを保つように配置される。

また、第２ロータ４００のロータコア中心部４２４Ｃ１におけるロータコアギャップ面４２４ＣＧｍおよび励磁部５００の励磁コア５０１における励磁コアギャップ面ＧＳ４ｍが、軸方向に対して傾斜して形成される。具体的には、ロータコアギャップ面４２４ＣＧｍは、径方向内側に進むにつれてロータコア裏面４２４Ｘに近づくように傾斜して形成される。これに伴って、励磁コアギャップ面ＧＳ４ｍも、径方向内側に進むにつれてロータコア裏面４２４Ｘに近づくように傾斜して形成される。そして、ロータコアギャップ面４２４ＣＧｍと励磁コアギャップ面ＧＳ４ｍとは、磁石ギャップ面４２３Ｓとステータギャップ面ＧＳ２との間のギャップと同程度のギャップを保つように配置される。

以上のように第２実施例の回転電機によれば、第１ロータ３００および第２ロータ４００のロータコア中心部は、ロータコアギャップ面が回転軸Ｘに対して傾斜して形成されるので、ロータコアギャップ面が回転軸に対して傾斜していない場合と比較して、ロータコアギャップ面の表面積を大きくすることができる。この結果、励磁コアとロータコア中心部との間の磁気抵抗の上昇を抑制することができる。

なお、本実施例において、ロータコアギャップ面３２４ＣＧｍおよびロータコアギャップ面４２４ＣＧｍのどちらとも回転軸Ｘに対して傾斜して形成される構成であるが、これに限られず、ロータコアギャップ面３２４ＣＧｍおよびロータコアギャップ面４２４ＣＧｍのどちらか一方のみが回転軸Ｘに対して傾斜して形成される構成としてもよい。また、ロータコアギャップ面３２４ＣＧｍは、径方向内側に進むにつれてロータコア裏面３２４Ｘに近づくように傾斜して形成され、これに伴って、励磁部５００の励磁コア５０１における励磁コアギャップ面ＧＳ３ｍも、径方向内側に進むにつれてロータコア裏面３２４Ｘに近づくように傾斜して形成されているが、これに限られない。例えば、ロータコアギャップ面３２４ＣＧｍは、径方向内側に進むにつれてロータコア裏面３２４Ｘから遠ざかるように傾斜して形成され、これに伴って、励磁コアギャップ面ＧＳ３ｍも、径方向内側に進むにつれてロータコア裏面３２４Ｘから遠ざかるように傾斜して形成されていてもよい。本実施例において、ロータコア中心部３２４Ｃｍおよびロータコア中心部４２４Ｃ１は、特許請求の範囲における「磁束受渡コア部」の例である。

Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｃ１．第１変形例：
上記実施例の回転電機において、第１ロータ３００は４個の永久磁石３２３を備え、第２ロータ４００は４個の永久磁石４２３を備えている。そして、各永久磁石３２３と各永久磁石４２３とが軸方向から見た場合に重なるように配置されるが、これに限られるものではない。例えば、回転電機において、第１ロータ３００はＮ（１以上の整数）個の永久磁石３２３を備え、第２ロータ４００はＮ個の永久磁石４２３を備えてもよい。この場合、第１ロータ３００の永久磁石３２３と、第２ロータ４００の永久磁石４２３とが１対１に対応し、Ｎ個の永久磁石３２３とＮ個の永久磁石４２３とを軸方向から見た場合にそれぞれ重なるように配置されてもよい。

Ｃ２．第２変形例：
上記実施例の回転電機において、励磁部５００は、第１ロータ３００と第２ロータ４００との間であってステータ２００よりも径方向内側に配置されているが、これに限られるものではない。例えば、励磁部５００は、第１ロータ３００と第２ロータ４００との間であってステータ２００よりも径方向外側に配置されてもよい。

Ｃ３．第３変形例：
上記実施例の回転電機は、ロータの回転トルク強化のため励磁部５００を備えているが、例えば、励磁部５００に加えて、励磁部５００のごとく第１ロータ３００の磁石間コア部３２４Ｂおよび第２ロータ４００の磁石間コア部４２４Ｂを、当該磁石間コア部に隣接する永久磁石部の磁極方向とは反対方向に励磁する他の励磁部を備えていてもよい。この場合、他の励磁部は、例えば、第１ロータ３００と第２ロータ４００との間であってステータ２００よりも径方向外側に配置されてもよい。このようにすれば、ロータにより大きな回転トルクを生じさせることができる。

Ｃ４．第４変形例：
上記実施例の回転電機は、極数が８極であるが、これに限られず、極数が、２極、４極、６極、および、１０極以上であってもよい。

Ｃ５．第５変形例：
上記各実施例または上記変形例において、回転電機は、モータおよびジェネレータの双方として動作可能であるが、これに限られるものではない。例えば、回転電機は、モータとして動作不可でありジェネレータとしてのみ動作可能であってもよく、または、ジェネレータとしては動作不可でありモータとしてのみ動作可能であってもよい。

Ｃ６．第６変形例：
励磁部５００は、各ロータコアの磁石間コア部を当該磁石間コア部に隣接する永久磁石の磁極方向と同じ方向に励磁すると、回転トルクが小さくなるものの永久磁石の引きずりトルクを低下させることができ、要求トルクが０[単位はＮｍ]の時などには好適である。

１００...回転電機、２００...ステータ、２０１...ステータコア、２０２...ステータコイル、２１０...ステータ固定部材、２１２、２１３...孔、２１４...ボルト孔、３００...第１ロータ、３１０...ロータシャフト、３１１...支持部材、３１２...シャフト本体、３２０...界磁部、３２３、４２３...永久磁石、３２３Ａ...面、３２３Ｎ、４２３Ｓ...磁石ギャップ面、３２３Ｓ、４２３Ｎ...反対面、３２４ＢＧ、３２４ＣＧ、３２４ＣＧｍ、４２４ＢＧ、４２４ＣＧ、４２４ＣＧｍ...ロータコアギャップ面、３２４...ロータコア、３２４Ａ、４２４Ａ...磁石配置コア部、３２４Ｂ、４２４Ｂ...磁石間コア部、３２４Ｃ、３２４Ｃｍ、４２４Ｃ、４２４Ｃ１...ロータコア中心部、４００...第２ロータ、５００...励磁部、５０１...励磁コア、５０２...励磁コイル、１０００...回転電機、Ｘ...回転軸、ＧＳ３ｍ、ＧＳ４ｍ...励磁コアギャップ面、Ｈ１、Ｈａ...孔、ＧＳ１、ＧＳ２...ステータギャップ面、ＧＳ３、ＧＳ４...励磁コアギャップ面

Claims (3)

1. アキシャルギャップ型の回転電機であって、
   前記第１ロータ部と第２ロータ部とを備えるロータと、
   前記第１ロータ部と前記第２ロータ部との間に配置されるステータであって、ステータコイルと、前記第１ロータ部に対して前記ロータの回転軸方向に対向配置される第１ステータギャップ面と、前記第２ロータ部に対して前記回転軸方向に対向配置される第２ステータギャップ面とを有するステータと、
   前記ステータに対して不動な励磁部と、
   を備え、
   前記第１ロータ部は、
   前記回転軸方向に沿った磁極方向を有する複数の第１永久磁石部であって、前記ステータの第１ステータギャップ面と対向配置され第１磁極となる第１磁石ギャップ面をそれぞれ備え、前記ロータの周方向に沿って間隔を置いて配置された複数の第１永久磁石部と、
   前記ロータの周方向において前記複数の第１永久磁石部の間に配置される第１磁石間コア部と、を備え、
   前記第２ロータ部は、
   前記第１永久磁石部の磁極方向と同じ向きの磁極方向を有する複数の第２永久磁石部であって、前記ステータの第２ステータギャップ面と対向配置され前記第１磁極とは異なる第２磁極となる第２磁石ギャップ面をそれぞれ備え、前記ロータの周方向に沿って間隔を置いて配置された複数の第２永久磁石部と、
   前記ロータの周方向において前記複数の第２永久磁石部の間に配置される第２磁石間コア部と、を備え、
   前記複数の第１永久磁石部と前記複数の第２永久磁石部とは、前記回転軸方向から見た場合にそれぞれ重なる位置に配置されると共に、前記第１磁石間コア部と前記第２磁石間コア部とは、前記回転軸方向から見た場合に重なる位置に配置され、
   前記励磁部は、前記第１磁石間コア部および前記第２磁石間コア部を、前記磁石間コア部に隣接する前記永久磁石部の磁極方向とは反対方向に励磁する、
   回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機であって、
   前記励磁部は、前記第１ロータ部と前記第２ロータ部との間であって前記ステータよりも前記ロータの回転軸側に配置される、
   回転電機。
3. 請求項１または請求項２に記載の回転電機であって、
   前記励磁部は、励磁コイルと、前記励磁コイルの内部に配置され、励磁コアギャップ面を有する励磁コア部とを備え、
   前記第１ロータ部は、前記励磁コアギャップ面に対向配置されるロータコアギャップ面を有し、前記励磁コア部と前記第１磁石間コア部との間で磁束を受け渡す磁束受渡コア部を備え、
   前記磁束受渡コア部の前記ロータコアギャップ面が前記回転軸に対して傾斜して形成される、
   回転電機。

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