JP2014023393A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】小型で高速回転可能かつ低速回転域で大きなトルクを出力可能な回転電機を提供する。
【解決手段】回転電機１は、周方向に巻回された磁化コイル５１、磁化コイル５１で作られる磁束の磁路となるヨーク５２、及び磁化コイル５１で作られる磁束の磁路の途中に設けられ該磁束に沿って磁化された可変磁石５３を有し、ロータ４の軸方向一端側に間隔を空けて配置される補助界磁ＳＦを備えた。また、ロータコア２２に、第１磁極部３５から軸方向一端側に突出した第１突起３７、及び第２磁極部３６から軸方向一端側に突出するとともに第１突起３７よりも径方向内側に配置される第２突起３８を設けた。そして、ヨーク５２に、第１突起３７と軸方向において対向する外側磁極部５４を設けるとともに、第２突起３８と軸方向において対向する内側磁極部５５を外側磁極部５４との間に環状のギャップＧを介在させて設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機に関する。

従来、回転電機には、ロータコアに永久磁石を埋め込む態様で固定した所謂埋込磁石型のロータを備えたものがある（例えば、特許文献１）。このようにロータに永久磁石を設けた永久磁石式の回転電機では、通常、永久磁石で作られる磁束が一定であるため、ステータのコイルに発生する誘起電圧（逆起電圧）はロータの回転速度に比例して大きくなる。そして、この誘起電圧が電源電圧の上限に達すると、それ以上ロータを高速回転させることができなくなる。そこで、永久磁石で作られる磁束の量をロータが十分に高速回転できるような量に抑える設計とすることが考えられるが、この場合には低速回転域でのトルクが不足する虞がある。

この点を踏まえ、近年では、筒状部及び筒状部の開口端に設けられる天板部を有するハウジング（磁界ヨーク）と、筒状部の内側に固定されるステータと、ステータの内周に配置されるロータとを備え、周方向に沿って巻回された界磁コイルをロータと軸方向において対向するように天板部に固定した回転電機が提案されている（例えば、特許文献２）。この回転電機では、界磁コイルで作られる磁束がハウジングの天板部、ロータ、ステータ、及びハウジングの筒状部を通過するように構成されており、界磁コイルで作られる磁束の向きを変更することで、ステータとロータとの間を通過する磁束の量（ロータコアの外周面での磁束密度）を調整可能となっている。そして、ステータとロータとの間を通過する磁束量を減少させるような磁束を界磁コイルで発生させることにより、誘起電圧の上昇を抑えてロータを高速回転させることが可能になるとともに、同磁束量を増加させるような磁束を界磁コイルで発生させることにより、低速回転域で大きなトルクを発生させることが可能になっている。

特開２０１０−２３３３４６号公報 特開２００８−４３０９９号公報

ところで、上記特許文献２の構成では、ハウジングが界磁コイルで作られる磁束の磁路となっているため、ハウジングを薄肉化すると、同磁路の磁気抵抗が大きくなる。そして、磁気抵抗が過大になると、界磁コイルで作られる磁束によってステータとロータとの間を通過する磁束の量を十分に調整できなくなる虞があるため、回転電機を小型化することが困難であるという問題があった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、小型で高速回転可能かつ低速回転域で大きなトルクを出力可能な回転電機を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、筒状部を有するハウジングと、前記筒状部の内側に固定されたステータと、前記ステータの内周に配置され、ロータコア及び前記ロータコアに埋め込まれる態様で固定された複数の埋込磁石を有するロータと、を備え、前記埋込磁石は、前記ロータの外周に第１の極性の磁極と第２の極性の磁極とが周方向に交互に並ぶように配置された回転電機において、前記ロータコアには、該ロータコアにおける前記第１の極性の磁極が外周に現れた第１磁極部から軸方向の少なくとも一方側に突出した第１突起、及び該ロータコアにおける前記第２の極性の磁極が外周に現れた第２磁極部から軸方向の少なくとも一方側に突出するとともに前記第１突起よりも径方向内側に配置された第２突起が設けられ、前記ロータの軸方向の少なくとも一方側には、周方向に巻回されたコイル、及び前記コイルで作られる磁束の磁路となるヨークを有する補助界磁が配置され、前記補助界磁には、前記第１突起と軸方向において対向する外側磁極部が設けられるとともに、前記第２突起と軸方向において対向する内側磁極部が前記外側磁極部との間にギャップを介在させて設けられたことを要旨とする。

上記構成によれば、外側磁極部は第１突起と対向するため、該外側磁極部を通過する磁束は主に第１突起を介してロータコアの第１磁極部に出入りし、内側磁極部は第２突起と対向するため、該内側磁極部を通過する磁束は主に第２突起を介してロータコアの第２磁極部に出入りする。そして、ヨークの外側磁極部及び内側磁極部に現れる極性を第１の極性（例えば、Ｎ極）又は第２の極性（例えば、Ｓ極）にそれぞれ変更することで、ステータとロータとの間を通過する磁束を調整することができる。

詳しくは、外側磁極部に第１の極性が現れるとともに内側磁極部に第２の極性が現れる場合には、外側磁極部及び内側磁極部の極性がそれぞれ第１磁極部及び第２磁極部と同一の極性になるため、ロータコアの外周面を通過する埋込磁石の磁束に、補助界磁の磁束が加えられるようになり、ステータとロータとの間を通過する磁束が増加する。これにより、大きなトルクを発生させることが可能になる。一方、外側磁極部に第２の極性が現れるとともに内側磁極部に第１の極性が現れる場合には、外側磁極部及び内側磁極部の極性がそれぞれ第１磁極部及び第２磁極部と反対の極性になるため、埋込磁石で作られる磁束の一部が補助界磁に引き込まれるようになり、ステータとロータとの間を通過する磁束が減少する。これにより、誘起電圧の上昇を抑制してロータを高速回転させることが可能になる。このように上記構成では、補助界磁で作られる磁束は、第１突起及び第２突起のいずれか一方を介してロータに入り、いずれか他方を介してロータから出るため、ハウジングの筒状部をほとんど通過しない。すなわち、筒状部が補助界磁で作られる磁束の磁路とならないため、該筒状部を薄肉化してもその磁気抵抗が大きくならず、容易に回転電機を径方向に小型化することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の回転電機において、前記補助界磁は、前記コイルで作られる磁束の磁路の途中に設けられ、該磁束に沿って磁化された可変磁石を有することを要旨とする。

上記構成によれば、外側磁極部及び内側磁極部には、可変磁石の磁化方向に応じた極性が現れる。また、コイルに大きな電流を供給して強い磁界を形成することで、可変磁石を不可逆的に減磁又は増磁、あるいは可変磁石の磁化方向を変更することができる。これにより、可変磁石で作られる磁束によってステータとロータとの間を通過する磁束を調整することができる。このように上記構成では、継続して補助界磁（コイル）に電流を供給しなくても、ステータとロータとの間を通過する磁束を増加又は減少させることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の回転電機において、前記可変磁石は、環状に形成されるとともに、前記コイルが前記ロータとの間に介在されるように該コイルと軸方向に並置されたことを要旨とする。

コイルで作られる磁束は、第１突起及び第２突起を介してロータに出入りするため、コイルの磁路における第１突起及び第２突起に近接した部分（外側磁極部及び内側磁極部）を通過する磁束は、第１突起及び第２突起と対向する位置に集中し易い。つまり、コイルで作られる磁束の磁束密度が、周方向において均一とはならず、ばらつきが生じる。そのため、例えば可変磁石を外側磁極部又は内側磁極部の近傍に配置すると、コイルで形成される強い磁界によって可変磁石の磁化方向を変更等する際に、磁化の程度にばらつきが生じる虞がある。一方、コイルの磁路における第１突起及び第２突起から離間した部分では、磁束が特定の箇所に集中し難くなる。したがって、上記構成のように、可変磁石をコイルがロータとの間に介在されるようにして該コイルと軸方向に並置することで、可変磁石の磁化の程度が周方向においてばらつくことを抑制できる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転電機において、前記第１突起と前記第２突起とは、軸方向と直交する断面積が互いに等しくなるように形成されたことを要旨とする。

第１突起及び第２突起はそれぞれ補助界磁で作られる磁束の磁路となるため、例えば第１突起及び第２突起のいずれか一方の断面積のみを大きくしても、いずれか他方の断面積が小さく磁気抵抗が大きい場合には、補助界磁とロータとの間を通過する磁束は増加しない。したがって、上記構成のように第１突起及び第２突起の断面積を互いに等しくすることで、補助界磁とロータとの間を通過する磁束を効率的に増加させることが可能になる。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の回転電機において、前記ロータコアは、複数枚の電磁鋼板を軸方向に積層してなるものであって、前記第１磁極部には、軸方向の少なくとも一方側に開口した第１挿入孔が前記外側磁極部と対向する位置に形成されるとともに、前記第２磁極部には、軸方向の少なくとも一方側に開口した第２挿入孔が前記内側磁極部と対向する位置に形成され、前記第１突起は、前記第１挿入孔に挿入され、前記ロータコアの軸方向の磁気抵抗よりも軸方向の磁気抵抗が小さな長尺状の第１磁性体により構成され、前記第２突起は、前記第２挿入孔に挿入され、前記ロータコアの軸方向の磁気抵抗よりも軸方向の磁気抵抗が小さな長尺状の第２磁性体により構成されたことを要旨とする。

上記構成によれば、電磁鋼板によりロータコアが構成されるため、渦電流の発生を抑制することができる。ここで、電磁鋼板の表面には絶縁被膜が設けられていることから、電磁鋼板を積層してなるロータコアでは、軸方向の磁気抵抗が径方向の磁気抵抗よりも大きくなり、磁束がロータコア内を軸方向に流れ難くなる。そのため、例えばロータコアにおける補助界磁から離れた位置では補助界磁から出た磁束が少なくなったり、埋込磁石の補助界磁から離れた部位から出た磁束が補助界磁に引き込まれ難くなったりすることがある。その結果、ステータとロータとの間を通過する磁束が軸方向においてばらつく虞がある。この点、上記構成によれば、磁束が長尺状に形成された第１磁性体及び第２磁性体を通過することで、ロータコア内を軸方向に流れ易くなるため、渦電流の発生を抑制しつつ、ステータとロータとの間を通過する磁束が軸方向においてばらつくことを抑制できる。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の回転電機において、前記第１突起は、前記ロータコアの軸端面における前記外側磁極部と対向する位置に固定された第１磁性体により構成され、前記第２突起は、前記ロータコアの軸端面における前記内側磁極部と対向する位置に固定された第２磁性体により構成されたことを要旨とする。

上記構成によれば、第１磁極部及び第２磁極部に挿入孔を形成するとともにこの挿入孔に磁性体を挿入する場合に比べ、第１磁極部及び第２磁極部の径方向の磁気抵抗が大きくなることを抑制できる。

本発明によれば、小型で高速回転可能かつ低速回転域で大きなトルクを出力可能な回転電機を提供することができる。

第１実施形態の回転電機の軸方向に沿った断面図。 第１実施形態の回転電機の軸方向と直交する断面図（Ａ−Ａ断面図）。 第１実施形態のロータを軸方向一端側から見た側面図。 （ａ），（ｂ）は第１実施形態の回転電機における磁束の流れを示す作用説明図。 第２実施形態の回転電機の軸方向に沿った断面図。 第２実施形態のロータを軸方向一端側から見た側面図。 第３実施形態の回転電機の軸方向に沿った断面図。 （ａ），（ｂ）は別例の補助界磁近傍の拡大断面図。 （ａ），（ｂ）は別例のロータを軸方向一端側から見た側面図。

（第１実施形態）
以下、本発明を具体化した第１実施形態を図面に従って説明する。
図１及び図２に示す回転電機（電動モータ）１は、例えば電気自動車やハイブリッド自動車の駆動源として用いられる。同図に示すように、回転電機１は、円筒状のハウジング２内に収容されたステータ３と、ステータ３の径方向内側において回転可能に支持されたロータ４とを備えている。ハウジング２は、一端側（図２における右側）が開口した有底筒状のハウジング本体５と、ハウジング本体５の開口端を閉塞するように設けられる円環状のカバー６とからなる。なお、本実施形態では、ハウジング本体５及びカバー６は、非磁性材料により構成されている。

ステータ３は、ハウジング本体５の筒状部５ａの内側に固定された円筒状の円筒部１１と、円筒部１１から径方向内側に向って放射状に延びる複数（本実施形態では、１２個）のティース１２とからなるステータコア１３を備えている。ステータコア１３は、珪素鋼板等の電磁鋼板１４を複数枚積層することにより構成されている。そして、各ティース１２には、複数（本実施形態では、１２個）のステータコイル１５が巻装されている。

ロータ４は、回転軸２１と、回転軸２１と一体回転可能に固定される円柱状のロータコア２２と、ロータコア２２に埋め込まれる態様で固定された複数（本実施形態では、１０個）の埋込磁石２３とを備えている。つまり、本実施形態のロータ４は、所謂埋込磁石型のロータとして構成されている。回転軸２１は、例えば炭素鋼等の金属材料により構成されており、ロータコア２２は、珪素鋼板等の電磁鋼板２４を複数枚積層することにより構成されている。なお、図１において拡大して示すように、電磁鋼板２４の表面には、絶縁被膜２４ａが設けられている。これにより、ロータコア２２は、その軸方向の磁気抵抗が径方向の磁気抵抗よりも大きくなっている。

このように構成された回転電機１は、制御装置（図示略）から三相の励磁電流がステータコイル１５に対して供給されると、ステータ３に回転磁界が発生し、その回転磁界に基づいてロータ４が回転するようになっている。

ここで、本実施形態の回転電機１には、ロータ４の軸方向一端側（図１における左側）に補助界磁ＳＦがロータ４と間に間隔を空けて設けられており、この補助界磁ＳＦで作られる磁束がロータ４に出入りすることによって、ステータ３とロータ４との間を通過する磁束の量が調整可能となっている。以下、ステータ３とロータ４との間を通過する磁束を調整するための構成について説明する。

先ず、ロータの構成について詳細に説明する。
図２及び図３に示すように、ロータコア２２には、回転軸２１が挿通される貫通孔３１がその中央に形成されている。また、ロータコア２２には、埋込磁石２３が内部に配置される複数の空洞部３２が設けられている。空洞部３２は、軸方向に延びる断面長方形の孔状にそれぞれ形成されるとともに、その長手方向が径方向に沿うようにロータコア２２に対して配置されている。また、空洞部３２の径方向両側には、空洞部３２と連続する断面略半円形の膨出部３３が形成されている。さらに、ロータコア２２における径方向内側部分には、複数の空隙３４が形成されている。なお、本実施形態の各空隙３４は、軸方向に延びる断面略円形状に形成されており、隣り合う膨出部３３間に配置されている。

埋込磁石２３は、空洞部３２の断面形状に対応した断面長方形の平板状に形成されており、空洞部３２内に配置されている。つまり、埋込磁石２３は、放射状に配置されている。そして、各埋込磁石２３は、周方向において同一の極性（Ｎ極又はＳ極）が対向するとともに、埋込磁石２３によってロータコア２２の外周面に形成される磁極（ロータ磁極）の極性が周方向に交互に並ぶように磁化（着磁）されている。したがって、ロータコア２２における隣り合う空洞部３２間の略扇形状に形成された複数の部位のうち、第１の極性（本実施形態では、Ｎ極）の磁極が外周に現れた部位が第１磁極部３５として構成され、第２の極性（本実施形態では、Ｓ極）の磁極が外周に現れた部位が第２磁極部３６として構成されている。なお、埋込磁石２３で作られる磁束は、径方向外側に配置された膨出部３３により、埋込磁石２３の径方向外側を通過することが抑制されるとともに、径方向内側に配置された膨出部３３及び空隙３４により、埋込磁石２３の径方向内側を通過することが抑制されている。また、本実施形態の埋込磁石２３には、例えばフェライト系のボンド磁石（プラスチックマグネット、ゴムマグネット等）が用いられている。

そして、図１〜図３に示すように、ロータコア２２には、第１磁極部３５から軸方向一端側に突出した第１突起３７、及び第２磁極部３６から軸方向一端側に突出するとともに第１突起３７よりも径方向内側に配置された第２突起３８が設けられている。

具体的には、各第１磁極部３５の径方向外側部分には、軸方向に貫通した第１挿入孔４１が形成されるとともに、各第２磁極部３６の径方向内側部分には、軸方向に貫通した第２挿入孔４２が形成されている。なお、第１挿入孔４１が形成されている径方向の範囲と、第２挿入孔４２が形成されている径方向の範囲とは、周方向において重ならないように設定されている。また、第１挿入孔４１は、その長手方向が径方向と直交するような断面長方形に形成され、第２挿入孔４２は、その長手方向が径方向に沿うような断面長方形に形成されている。そして、第１挿入孔４１と第２挿入孔４２とは、これらの断面積が互いに略等しくなるように形成されている。

第１挿入孔４１及び第２挿入孔４２には、それぞれ長尺状の第１磁性体４３及び第２磁性体４４が挿入されている。第１磁性体４３は、第１挿入孔４１の断面形状に対応した断面長方形に形成されるとともに、その軸方向の全体に亘って断面略一定に形成されている。一方、第２磁性体４４は、第２挿入孔４２の断面形状に対応した断面長方形に形成されるとともに、その軸方向の全体に亘って断面略一定に形成されている。また、第１磁性体４３と第２磁性体４４とは、これらの断面積が互いに略等しくなるように形成されている。本実施形態の第１磁性体４３及び第２磁性体４４は、珪素鋼板等の電磁鋼板４５をロータコア２２を構成する電磁鋼板２４の積層方向と直交する方向に積層することにより構成されている。これにより、第１磁性体４３及び第２磁性体４４の軸方向の磁気抵抗は、ロータコア２２の軸方向の磁気抵抗よりも小さくなっている。なお、電磁鋼板４５の表面にも、ロータコア２２の電磁鋼板２４と同様に絶縁皮膜が設けられている。そして、図１に示すように、第１磁性体４３及び第２磁性体４４は、ロータコア２２の軸方向長さよりも長く形成されており、第１磁性体４３及び第２磁性体４４の一端部４３ａ，４４ａがロータコア２２の軸端面よりも軸方向一端側に突出している。つまり、本実施形態では、第１磁性体４３の一端部４３ａが第１突起３７として構成され、第２磁性体４４の一端部４４ａが第２突起３８として構成されている。

次に、補助界磁の構成について詳細に説明する。
補助界磁ＳＦは、導線を周方向に巻回してなる円環状のコイルとしての磁化コイル５１と、磁化コイル５１で作られる磁束の磁路となる円環状のヨーク５２と、磁化コイル５１で作られる磁束の磁路の途中に設けられた円環状の可変磁石５３とを備えている。そして、補助界磁ＳＦには、第１突起３７と軸方向において対向する外側磁極部５４が設けられるとともに、第２突起３８と軸方向において対向する内側磁極部５５が外側磁極部５４との間に環状のギャップＧを介在させて設けられている。

具体的には、ヨーク５２は、略円筒状の外側部材６１と、外側部材６１の内周に配置された略円筒状の内側部材６２とを有している。なお、外側部材６１及び内側部材６２は、圧粉磁心により構成されている。外側部材６１の一端部（ロータ４と反対側の端部）には、径方向内側に延出された円環状の固定フランジ部６３が形成され、外側部材６１の他端部（ロータ４側の端部）には、径方向内側に延出された円環状の対向フランジ部６４が形成されている。そして、外側部材６１は、ロータ４と同軸上に配置されるとともに、対向フランジ部６４が第１突起３７と軸方向において対向するようにカバー６の内側に固定されている。つまり、本実施形態では、対向フランジ部６４が外側磁極部５４として構成されている。一方、内側部材６２の一端部には、径方向外側に延出された円環状の固定フランジ部６５が形成され、内側部材６２の他端部には、径方向外側に延出された円環状の対向フランジ部６６が形成されている。そして、内側部材６２は、ロータ４と同軸上に配置されるとともに、対向フランジ部６６が第２突起３８と軸方向において対向するようにカバー６の内側に固定されている。つまり、本実施形態では、対向フランジ部６６が内側磁極部５５として構成されている。

また、外側部材６１と内側部材６２とは、径方向に間隔を空けてカバー６に固定されている。これにより、対向フランジ部６４（外側磁極部５４）と対向フランジ部６６（内側磁極部５５）との間には、上記ギャップＧが形成されている。そして、ギャップＧの径方向の幅は、対向フランジ部６４と第１突起３７との軸方向の間隔、及び対向フランジ部６６と第２突起３８との軸方向の間隔の双方よりも大きくなるように設定されている。なお、対向フランジ部６４，６６の径方向の幅は、それぞれ第１突起３７及び第２突起３８の全体と対向するように設定されている（図３参照）。

外側部材６１の軸方向中央部と内側部材６２の軸方向中央部との間には、磁化コイル５１がロータ４と同軸上に配置されるように固定されている。これにより、磁化コイル５１で発生する磁束の磁路には、ヨーク５２（外側部材６１及び内側部材６２）が含まれるようになっている。なお、磁化コイル５１の導線は、上記ステータコイル１５の導線よりも線径の太いものが用いられている。また、外側部材６１の固定フランジ部６３と内側部材６２の固定フランジ部６５との間には、可変磁石５３が磁化コイル５１をロータ４との間に介在させるようにして磁化コイル５１と軸方向に並置されている。なお、可変磁石５３と固定フランジ部６３，６５とは互いに密着している。そして、可変磁石５３は、磁化コイル５１で作られる磁束に沿った方向（本実施形態では、径方向）に磁化（着磁）されている。これにより、外側磁極部５４となる対向フランジ部６４及び内側磁極部５５となる対向フランジ部６６には、可変磁石５３の磁化方向に応じた極性が現れている。なお、本実施形態の可変磁石５３には、サマコバ系の焼結磁石等、埋込磁石２３よりも保磁力の小さな磁石が用いられている。

次に、本実施形態の回転電機における補助界磁の作用について説明する。
可変磁石５３は、制御装置から磁化コイル５１に大きな電流が供給されて強い磁界を形成されることで、不可逆的に減磁又は増磁、あるいは磁化方向が変更される。そして、可変磁石５３の磁化方向が変更されることにより、外側磁極部５４及び内側磁極部５５に現れる極性が変更される。

また、外側磁極部５４は第１突起３７と対向するため、外側磁極部５４を通過する磁束は主に第１突起３７を介してロータコア２２の第１磁極部３５に出入りし、内側磁極部５５は第２突起３８と対向するため、内側磁極部５５を通過する磁束は主に第２突起３８を介してロータコア２２の第２磁極部３６に出入りする。そして、外側磁極部５４及び内側磁極部５５に現れる極性によって、ステータ３とロータ４との間を通過する磁束が増加又は減少する。換言すれば、埋込磁石２３で作られる磁束は、外側磁極部５４及び内側磁極部５５に現れる極性によって強められる（強め磁束）、又は弱められる（弱め磁束）。なお、可変磁石５３の磁化の程度に応じて、ステータ３とロータ４との間を通過する磁束の増加量（減少量）が調整される。

詳しくは、図４（ａ）に示すように、外側磁極部５４に第１の極性（Ｎ極）が現れるとともに内側磁極部５５に第２の極性（Ｓ極）が現れる場合には、外側磁極部５４及び内側磁極部５５の極性がそれぞれ第１磁極部３５及び第２磁極部３６と同一の極性になる。そのため、ロータコア２２の外周面を通過する埋込磁石２３の磁束Ｍ１に、可変磁石５３（補助界磁ＳＦ）の磁束Ｍ２が加えられるようになる。より具体的には、外側磁極部５４から出る磁束Ｍ２は、第１突起３７を介して第１磁極部３５に入り、埋込磁石２３で作られる磁束Ｍ１と同様にステータ３を介して第２磁極部３６に入ってから第２突起３８を介して内側磁極部５５に戻る。これにより、ステータ３とロータ４との間を通過する磁束が増加し、大きなトルクを発生させることが可能になる。なお、図４では、可変磁石５３の磁化方向を矢印で示している。

一方、図４（ｂ）に示すように、外側磁極部５４に第２の極性が現れるとともに内側磁極部５５に第１の極性が現れる場合には、外側磁極部５４及び内側磁極部５５の極性がそれぞれ第１磁極部３５及び第２磁極部３６と反対の極性になる。そのため、埋込磁石２３で作られる磁束Ｍ１の一部が補助界磁ＳＦに引き込まれるようになる。より具体的には、外側磁極部５４に埋込磁石２３で作られる磁束Ｍ１の一部が第１突起３７を介して引き込まれ、内側磁極部５５から出る磁束Ｍ２は、第２突起３８を介して第２磁極部３６に入り、埋込磁石２３に引き込まれる。これにより、ステータ３とロータ４との間を通過する磁束が減少し、誘起電圧の上昇を抑制してロータ４を高速回転させることが可能になる。このように補助界磁ＳＦで作られる磁束Ｍ２は、第１突起３７及び第２突起３８のいずれか一方を介してロータ４に入り、いずれか他方を介してロータ４から出るため、ハウジング２の筒状部５ａをほとんど通過しない。すなわち、筒状部５ａが補助界磁ＳＦで作られる磁束の磁路とならないようになっている。

以上記述したように、本実施形態によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）ハウジング２の筒状部５ａをほとんど通過しない磁束を発生させる補助界磁ＳＦによってステータ３とロータ４との間を通過する磁束を増加又は減少させるようにしたため、筒状部５ａを薄肉化してもその磁気抵抗が大きくならず、容易に回転電機１を径方向に小型化することができる。

（２）補助界磁ＳＦに、磁化コイル５１で作られる磁束に沿って磁化された可変磁石５３を設けたため、継続して補助界磁ＳＦに電流を供給しなくても、ステータ３とロータ４との間を通過する磁束を増加又は減少させることができる。

（３）可変磁石５３を環状に形成するとともに、磁化コイル５１をロータ４との間に挟み込むようにして磁化コイル５１と軸方向に並置した。
ここで、磁化コイル５１で作られる磁束は、第１突起３７及び第２突起３８を介してロータ４に出入りするため、磁化コイル５１の磁路における第１突起３７及び第２突起３８に近接した部分（外側磁極部５４及び内側磁極部５５）を通過する磁束は、第１突起３７及び第２突起３８と対向する位置に集中し易い。つまり、磁化コイル５１で作られる磁束の磁束密度が、周方向において均一とはならず、ばらつきが生じる。そのため、例えば可変磁石５３を外側磁極部５４又は内側磁極部５５の近傍に配置すると、磁化コイル５１で形成される強い磁界によって可変磁石５３の磁化方向を変更等する際に、磁化の程度にばらつきが生じる虞がある。一方、磁化コイル５１の磁路における第１突起３７及び第２突起３８から離間した部分では、磁束が特定の箇所に集中し難くなる。したがって、本実施形態のように、可変磁石５３を磁化コイル５１がロータ４との間に介在されるようにして該磁化コイル５１と軸方向に並置することで、可変磁石５３の磁化の程度が周方向においてばらつくことを抑制できる。

（４）第１突起３７と第２突起３８とを、軸方向と直交する断面積が互いに等しくなるように形成した。
ここで、第１突起３７及び第２突起３８は、それぞれ補助界磁ＳＦで作られる磁束の磁路となるため、例えば第１突起３７及び第２突起３８のいずれか一方の断面積のみを大きくしても、いずれか他方の断面積が小さく磁気抵抗が大きい場合には、補助界磁ＳＦとロータ４との間を通過する磁束は増加しない。したがって、本実施形態のように第１突起３７及び第２突起３８の断面積を互いに等しくすることで、補助界磁ＳＦとロータ４との間を通過する磁束を効率的に増加させることが可能になる。

（５）ロータコア２２は、複数枚の電磁鋼板２４を軸方向に積層して構成したため、渦電流の発生を抑制することができる。しかし、上記のように電磁鋼板２４を積層してなるロータコア２２では、軸方向の磁気抵抗が径方向の磁気抵抗よりも大きくなるため、磁束がロータコア２２内を軸方向に流れ難くなる。そのため、例えばロータコア２２における補助界磁ＳＦから離れた位置では補助界磁ＳＦから出た磁束が少なくなったり、埋込磁石２３の補助界磁ＳＦから離れた部位から出た磁束が補助界磁ＳＦに引き込まれ難くなったりすることがある。その結果、ステータ３とロータ４との間を通過する磁束が軸方向においてばらつく虞がある。

この点、本実施形態では、第１突起３７が、第１磁極部３５に形成された第１挿入孔４１に挿入され、ロータコア２２の軸方向の磁気抵抗よりも軸方向の磁気抵抗が小さな長尺状の第１磁性体４３の一端部４３ａにより構成されている。また、第２突起３８が、第２磁極部３６に形成された第２挿入孔４２に挿入され、ロータコア２２の軸方向の磁気抵抗よりも軸方向の磁気抵抗が小さな長尺状の第２磁性体４４の一端部４４ａにより構成されている。したがって、磁束が長尺状に形成された第１磁性体４３及び第２磁性体４４を通過することで、ロータコア２２内を軸方向に流れ易くなるため、ステータ３とロータ４との間を通過する磁束が軸方向においてばらつくことを抑制できる。

（６）各埋込磁石２３を平板状に形成するとともにロータコア２２に対して放射状に配置し、隣り合う埋込磁石２３と周方向において同じ極性が対向するように磁化した。そのため、第１磁極部３５及び第２磁極部３６を径方向の広範囲に広がった形状とするとともに、軸方向から見た第１磁極部３５及び第２磁極部３６の面積を大きくすることができる。これにより、第１突起３７及び第２突起３８の断面積をそれぞれ大きくすることが可能になり、効果的にステータ３とロータ４との間を通過する磁束を増加又は減少させることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明を具体化した第２実施形態を図面に従って説明する。なお、本実施形態と上記第１実施形態との主たる相違点は、第１突起及び第２突起の構成である。そのため、説明の便宜上、同一の構成については上記第１実施形態と同一の符号を付してその説明を省略する。

図５及び図６に示すように、各第１磁極部３５の軸方向一端側の軸端面には、外側磁極部５４と軸方向において対向する位置に短尺状の第１磁性体７１が配置され、各第２磁極部３６の軸方向一端側の軸端面には、内側磁極部５５と軸方向において対向する位置に短尺状の第２磁性体７２が配置されている。なお、本実施形態の第１磁性体７１及び第２磁性体７２は圧粉磁心により構成されている。第１磁性体７１及び第２磁性体７２の軸方向と直交する断面形状は、それぞれ略扇形状とされるとともに、その軸方向の全体に亘って断面略一定に形成されている。そして、第１磁性体７１及び第２磁性体７２は、ロータコア２２の軸方向一端側の軸端面に固定されたホルダ７３によってされている。なお、本実施形態のホルダ７３は、樹脂材料により構成されている。

ホルダ７３は円板状に形成されるとともに、ホルダ７３の中央には回転軸２１が挿通される貫通孔７４が形成されている。また、ホルダ７３には、第１磁性体７１及び第２磁性体７２と対応する位置にこれらが嵌合する嵌合孔７５，７６が形成されている。そして、ホルダ７３は、接着剤等によりロータコア２２に固定されている。なお、ホルダ７３には、ロータ４の空隙３４と対向する位置に複数の位置決め孔７７が形成されており、位置決め孔７７にピン（図示略）を挿入した状態で該ピンを空隙３４に挿入することで、容易にホルダ７３のロータコア２２に対する位置決めがされるようになっている。

本実施形態の回転電機１では、上記第１実施形態と同様に、可変磁石５３の磁化方向が変更されることで外側磁極部５４及び内側磁極部５５に現れる極性が変更され、補助界磁ＳＦで作られる磁束が第１突起３７及び第２突起３８を介してロータ４に出入りすることで、ステータ３とロータ４との間を通過する磁束が増加又は減少する。

以上記述したように、本実施形態によれば、上記第１実施形態の（１）〜（４），（６）の効果に加え、以下の作用効果を奏することができる。
（７）第１突起３７を第１磁極部３５の軸端面における外側磁極部５４と対向する位置に固定された短尺状の第１磁性体７１により構成し、第２突起３８を第２磁極部３６の軸端面における内側磁極部５５と対向する位置に固定された短尺状の第２磁性体７２により構成した。そのため、第１磁極部３５及び第２磁極部３６に挿入孔を形成するとともにこの挿入孔に磁性体を挿入する場合（例えば、上記第１実施形態）に比べ、第１磁極部３５及び第２磁極部３６の径方向の磁気抵抗が大きくなることを抑制できる。

（８）第１磁性体７１及び第２磁性体７２をホルダ７３よりロータコア２２に固定したため、例えば接着剤等により第１磁性体７１及び第２磁性体７２をロータコア２２に固定する場合に比べ、第１磁性体７１及び第２磁性体７２とロータコア２２との間の磁気抵抗を小さくすることができる。

（第３実施形態）
次に、本発明を具体化した第３実施形態を図面に従って説明する。なお、本実施形態と上記第１実施形態との主たる相違点は、補助界磁の構成である。そのため、説明の便宜上、同一の構成については上記第１実施形態と同一の符号を付してその説明を省略する。

図７に示すように、本実施形態の補助界磁ＳＦは、コイルとしての界磁コイル８１と、ヨーク５２とを備えており、可変磁石５３を備えていない。界磁コイル８１の導線は、ステータコイル１５の導線と略同一の線径を有している。また、ヨーク５２の外側部材６１の固定フランジ部６３と内側部材６２の固定フランジ部６５とが互いに密着している。

次に、本実施形態の回転電機における補助界磁の作用について説明する。
本実施形態では、外側磁極部５４及び内側磁極部５５に現れる極性は、界磁コイル８１への通電方向に応じて変更される。また、界磁コイル８１への通電量に応じて、ステータ３とロータ４との間を通過する磁束の増加量（減少量）が調整される。そして、上記第１実施形態と同様に、補助界磁ＳＦで作られる磁束が第１突起３７及び第２突起３８を介してロータ４に出入りすることで、ステータ３とロータ４との間を通過する磁束が増加又は減少する。

以上記述したように、本実施形態によれば、上記第１実施形態の（１），（４）〜（６）と同様の作用効果を奏することができる。
なお、上記各実施形態は、これを適宜変更した以下の態様にて実施することもできる。

・上記第１及び第２実施形態では、磁化コイル５１がロータ４との間に介在されるようにして磁化コイル５１と可変磁石５３とを軸方向に並置したが、これに限らず、例えば図８（ａ）に示すように、可変磁石５３を磁化コイル５１の外周側に固定したり、又は図８（ｂ）に示すように、可変磁石５３を磁化コイル５１の内周側に固定したりしてもよい。さらに、可変磁石５３を第１突起３７又は第２突起３８と対向するようにヨーク５２に固定してもよい。なお、この場合には、可変磁石５３が外側磁極部５４又は内側磁極部５５として構成される。

・上記第１実施形態では、ロータコア２２内において平板状に形成された複数の埋込磁石２３を放射状に配置したが、これに限らず、例えば図９（ａ）に示すように、径方向外側に開いたＵ字状の埋込磁石２３を環状に配置してもよい。この場合には、径方向外側が第１の極性となるように磁化された埋込磁石２３の内側の領域が第１磁極部３５となり、径方向外側が第２の極性となるように磁化された埋込磁石２３の内側の領域が第２磁極部３６となる。そして、第１突起３７及び第２突起３８は、それぞれ第１磁極部３５及び第２磁極部３６から軸方向一端側に突出するとともに、周方向において重ならないように形成されている。

また、例えば図９（ｂ）に示すように、周方向において同一の極性が対向するように磁化された一対の埋込磁石２３ａ，２３ｂを環状に配置してもよい。この場合には、ロータコア２２における第１の磁極が対向する埋込磁石２３ａ，２３ｂ間の領域が第１磁極部３５となり、第２の磁極が対向する埋込磁石２３ａ，２３ｂ間の領域が第２磁極部３６となる。そして、第１突起３７及び第２突起３８は、それぞれ第１磁極部３５及び第２磁極部３６から軸方向一端側に突出するとともに、周方向において重ならないように形成されている。

要は、第１磁極部３５から突出する第１突起３７と第２磁極部３６から突出する第２突起３８とを周方向において重ならないように設けることができれば、埋込磁石２３の形状や配置等は適宜変更可能である。同様に、上記第２及び第３実施形態においても埋込磁石２３の形状や配置等は適宜変更可能である。

・上記第１及び第３実施形態では、第１磁性体４３及び第２磁性体４４を、電磁鋼板４５をロータコア２２を構成する電磁鋼板２４の積層方向と直交する方向に積層することにより構成したが、軸方向の磁気抵抗がロータコア２２の軸方向の磁気抵抗よりも小さければよく、例えば圧粉磁心等により構成してもよい。

・上記第２実施形態では、ホルダ７３によって第１磁性体７１及び第２磁性体７２をロータコア２２に固定したが、これに限らず、例えば接着剤等により第１磁性体７１及び第２磁性体７２をロータコア２２に固定してもよい。

・上記各実施形態において、第１突起３７の断面積と第２突起３８の断面積とが互いに異なるように形成してもよい。
・上記各実施形態では、埋込磁石２３にフェライト系のボンド磁石を用いたが、これに限らず、例えばネオジウム系の焼結磁石等の他の磁石を用いてもよい。同様に、可変磁石５３にサマリウム−コバルト系の焼結磁石以外の磁石を用いてもよい。

・上記各実施形態において、ロータコア２２に第１磁極部３５及び第２磁極部３６から軸方向両側に突出する第１突起３７及び第２突起３８を設けるとともに、補助界磁ＳＦをロータ４の軸方向両側に設けてもよい。

・上記各実施形態において、第１の極性をＳ極とし、第２の極性をＮ極としてもよい。
・上記各実施形態では、外側部材６１及び内側部材６２、また、第１磁性体７１及び第２磁性体７２を圧粉磁心により構成したが、例えば低炭素綱等を用いてもよい。

・上記各実施形態では、本発明を電気自動車やハイブリッド自動車の駆動源に用いられる回転電機１に具体化したが、これに限らず、例えば電動パワーステアリング装置等の他の装置の駆動源として用いてもよく、また、発電機として用いてもよい。なお、上記第１及び第３実施形態のように可変磁石５３によって補助界磁ＳＦの磁束を発生させる回転電機は、大きなトルクを出力する状態又は高速回転する状態が継続する用途に適用することが好ましい。また、上記第２実施形態のように界磁コイル８１によって補助界磁ＳＦの磁束を発生させる回転電機は、大きなトルクを出力する状態又は高速回転する状態が頻繁に切り替わる用途に適用することが好ましい。

次に、上記各実施形態及び別例から把握できる技術的思想について、それらの効果とともに以下に追記する。
（イ）請求項１〜６のいずれか一項に記載の回転電機において、前記各埋込磁石は、板状に形成されるとともに、前記ロータコアに対して放射状に配置され、隣り合う前記埋込磁石と周方向において同じ極性が対向するように磁化されていることを特徴とする回転電機。上記構成によれば、第１磁極部及び第２磁極部を径方向の広範囲に広がった形状とするとともに、軸方向から見た第１磁極部及び第２磁極部の面積を大きくすることができるため、第１突起及び第２突起の断面積をそれぞれ大きくすることが可能になり、効果的にステータとロータとの間を通過する磁束を増加又は減少させることができる。

１…回転電機、２…ハウジング、３…ステータ、４…ロータ、５…ハウジング本体、５ａ…筒状部、２１…回転軸、２２…ロータコア、２３，２３ａ，２３ｂ…埋込磁石、２４，４５…電磁鋼板、３５…第１磁極部、３６…第２磁極部、３７…第１突起、３８…第２突起、４１…第１挿入孔、４２…第２挿入孔、４３，７１…第１磁性体、４３ａ，４４ａ…一端部、４４，７２…第２磁性体、５１…磁化コイル、５２…ヨーク、５３…可変磁石、５４…外側磁極部、５５…内側磁極部、６４，６６…対向フランジ部、７３…ホルダ、８１…界磁コイル、Ｇ…ギャップ、Ｍ１，Ｍ２…磁束、ＳＦ…補助界磁。

Claims (6)

1. 筒状部を有するハウジングと、
   前記筒状部の内側に固定されたステータと、
   前記ステータの内周に配置され、ロータコア及び前記ロータコアに埋め込まれる態様で固定された複数の埋込磁石を有するロータと、を備え、
   前記埋込磁石は、前記ロータの外周に第１の極性の磁極と第２の極性の磁極とが周方向に交互に並ぶように配置された回転電機において、
   前記ロータコアには、該ロータコアにおける前記第１の極性の磁極が外周に現れた第１磁極部から軸方向の少なくとも一方側に突出した第１突起、及び該ロータコアにおける前記第２の極性の磁極が外周に現れた第２磁極部から軸方向の少なくとも一方側に突出するとともに前記第１突起よりも径方向内側に配置された第２突起が設けられ、
   前記ロータの軸方向の少なくとも一方側には、周方向に巻回されたコイル、及び前記コイルで作られる磁束の磁路となるヨークを有する補助界磁が配置され、
   前記補助界磁には、前記第１突起と軸方向において対向する外側磁極部が設けられるとともに、前記第２突起と軸方向において対向する内側磁極部が前記外側磁極部との間にギャップを介在させて設けられたことを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記補助界磁は、前記コイルで作られる磁束の磁路の途中に設けられ、該磁束に沿って磁化された可変磁石を有することを特徴とする回転電機。
3. 請求項２に記載の回転電機において、
   前記可変磁石は、環状に形成されるとともに、前記コイルが前記ロータとの間に介在されるように該コイルと軸方向に並置されたことを特徴とする回転電機。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転電機において、
   前記第１突起と前記第２突起とは、軸方向と直交する断面積が互いに等しくなるように形成されたことを特徴とする回転電機。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の回転電機において、
   前記ロータコアは、複数枚の電磁鋼板を軸方向に積層してなるものであって、
   前記第１磁極部には、軸方向の少なくとも一方側に開口した第１挿入孔が前記外側磁極部と対向する位置に形成されるとともに、前記第２磁極部には、軸方向の少なくとも一方側に開口した第２挿入孔が前記内側磁極部と対向する位置に形成され、
   前記第１突起は、前記第１挿入孔に挿入され、前記ロータコアの軸方向の磁気抵抗よりも軸方向の磁気抵抗が小さな長尺状の第１磁性体により構成され、
   前記第２突起は、前記第２挿入孔に挿入され、前記ロータコアの軸方向の磁気抵抗よりも軸方向の磁気抵抗が小さな長尺状の第２磁性体により構成されたことを特徴とする回転電機。
6. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の回転電機において、
   前記第１突起は、前記ロータコアの軸端面における前記外側磁極部と対向する位置に固定された第１磁性体により構成され、
   前記第２突起は、前記ロータコアの軸端面における前記内側磁極部と対向する位置に固定された第２磁性体により構成されたことを特徴とする回転電機。