JP2014027834A - 回転機 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石の大幅な増量を回避しつつ、ステータ巻線に鎖交する磁束量を調整することができ、低速・高トルクの状態から高速・低トルクの状態に亘る広範な運転領域に対応する何れの回転領域でも高い効率を実現可能な回転機を提供する。
【解決手段】永久磁石列６を構成する第１永久磁石６１，第２永久磁石６２に跨がる位置であって且つ第１ロータコア４と第２ロータコア５に配置した磁性リング７と、第１ロータコア４と第２ロータコア５の間であって且つ磁性リング７のうちステータ１側の周面に巻回した界磁巻線８とを備えたロータ２を適用し、界磁巻線非励磁状態において各永久磁石６１，６２、各ロータコア４，５、磁性リング７、磁性シャフト３を通って短絡する永久磁石列６の磁束を、界磁巻線８の磁束によってステータ巻線１３に鎖交する磁束に変化可能に構成した。
【選択図】図８

Description

本発明は、永久磁石を付帯させたロータをステータに対して回転させる回転機に関するものである。

従来より、永久磁石を有するロータと、このロータとの間に磁気的なギャップ（エアギャップとも称される狭い隙間であり、以下では「磁気ギャップ」と称す）を空けて配置されるステータとを備えた回転機（例えばＰＭモータ）が知られている。回転機のステータには、周方向に等ピッチで並ぶ複数のステータ極を設け、隣り合うステータ極間に形成された各スロットに巻線（ステータ巻線）が配置されている。そして、ステータ巻線に電力を供給することによってステータに磁界が発生し、この磁界とロータが有する永久磁石の磁束との相互作用によってロータが回転するようになっている。

近時では、このような回転機をハイブリッド車や電気自動車などに搭載したり、或いはハイブリッド車や電気自動車などに搭載されるモータの負荷試験を行う試験装置の負荷装置（例えば試験装置用磁石ダイナモ）、或いは風力発電機として適用されることも多い（例えば特許文献１）。

ところで、自動車用駆動モータなどをはじめとした負荷変動が大きい用途で使用される回転機では、出力領域の拡大と高効率化が要求されている。

永久磁石をロータに配置した従来の回転機（永久磁石同期回転機）では、回転する際に発生する磁界である界磁の磁束量と回転数で決定される誘起電圧はロータの回転数に比例して増加するが、低速域で大きな出力（大トルク）を得るために高い誘起電圧を確保できるように設定すれば、高速域では電圧制限により（電源の供給電圧を超過して）駆動できず、一方、高速域まで駆動できるようにすれば、低速域では誘起電圧が低くなり、必要な高い出力（大トルク）を確保できない。

そこで、従来の永久磁石同期回転機では、高速域において電圧制限を超えない程度の誘起電圧を確保しつつ、回転数（出力）をゼロから所定値まで上げることが要求される低速域では、不足する誘起電圧をステータ電力で補うことで高い出力を確保するとともに、高速域ではステータ電力で弱め界磁することで誘起電圧を抑えるように構成されている。

ここで、一般的な従来の永久磁石同期回転機のトルク−回転数（Ｔ−Ｎ）曲線及び出力曲線を図２１に示し、従来の永久磁石同期回転機の回転数に対する誘起電圧、ステータ電力の特性を図２２に示す。これら各図では、説明の便宜上、モータの運転領域（速度領域）を低速回転領域（低速域）、中速回転領域（中速域）、高速回転領域（高速域）に分割し、トルクを相対的に細い実線で示すとともに、出力を相対的に太い実線で示している。また、図２２では、誘起電圧を点線（実際の誘起電圧を相対的に太い点線、界磁制御を行わない場合の誘起電圧を相対的に細い点線）で示し、ステータ電力を１点鎖線で示している。

図２２に示すように、回転数（出力）をゼロから所定値まで上げることが要求される低速域では、誘起電圧が低いため、大トルクを発生させるためにステータ電力が必要となる。回転数（出力）がゼロに近いほど大きいステータ電力が必要である。

中速域では、低速域よりも回転数が高くなり、トルクは小さくなるため、誘起電圧の不足量も低減し、低速域よりも小さいステータ電力で対応することが可能である。

また、高速域では、中速域よりもさらにトルクは小さくなるため、誘起電圧不足は解消される。しかしながら、高速域では、ステータに鎖交する永久磁石の磁束が多過ぎて誘起電圧が高過ぎる状態になるため、ステータ電力で弱め界磁することで誘起電圧を抑える必要がある。

特開２００９−０４７２５０号公報

このように、従来の永久磁石同期回転機は、低速域において不足する誘起電圧をステータ電力で補う必要があったり、高速域において高くなり過ぎる誘起電圧を抑えるためにステータ電力で弱め界磁する必要があった。特に、高速域において弱め界磁制御に要するステータ電力はトルクの発生に寄与しないものであり、従来の永久磁石同期回転機の回転数に対する損失特性を示す図２３からも把握できるように、このステータ電力が大きいほど効率が低下する。なお、図２３では、トルクを相対的に細い実線で示し、出力を相対的に太い実線で示し、鉄損を点線で示し、ステータ銅損を相対的に細い１点鎖線で示し、総損を相対的に太い１点鎖線で示している。

このような問題点の主要因は、ロータに永久磁石を付帯させた回転機において永久磁石の磁束を調整することができないことにある。

そこで、誘起電圧が高くなるように永久磁石の数量を増やすことによって低速域でも誘起電圧の不足分をステータ電力で補う必要のない回転機を構成することが考えられる。しかしながら、永久磁石を増量すればその分だけコストが増加するとともに、高速域では高い誘起電圧を抑えるためにやはり弱め界磁を行う必要があり、トルクに寄与しないステータ電力がより一層増大してしまう。そして、トルクに寄与しないステータ電力の増加に伴い、ステータ銅損が増加するとともに、弱め界磁によって高い誘起電圧を抑えながらロータを回転させることで鉄損も増加し、作動効率の低下を招来するという問題が生じる。

また、コストを削減するとともに、高速域で弱め界磁を行わなくてもよいように永久磁石の数量を減らした場合には、低速域における誘起電圧の不足量が増大し、誘起電圧を補うステータ電力も増大してしまうという問題が生じる。

ところで、特開２００６−０４７２５０号公報には、回転軸の径方向において磁気ギャップを介してロータに対向するステータの両端（軸方向両端）に界磁巻線を設け、各界磁巻線に流す電流の方向を変更することでステータ巻線に鎖交する磁束量（磁束鎖交数）を調整できるように構成された回転機が開示されている。

具体的に、上記公報に開示されているインナー可動型の回転機は、回転軸の軸方向に並ぶロータコア同士の間に永久磁石をＮ極とＳ極が回転軸の軸方向に向かい合う姿勢で配置するとともに、各ロータコアの内周側領域（反ステータ側領域）と、ステータの反ロータ側領域（外周側領域）及びこの外周側領域に一体的に連続し且つ軸方向にロータコアに対向する領域（ロータコア対向領域）をそれぞれ塊状コアによって構成したものである。

そして、軸方向において対向するロータコアとステータのロータ対向領域との間に、ロータとステータとの磁気ギャップよりも大きいギャップが形成されており、界磁巻線に電流を流していない状態では、永久磁石の磁束が、永久磁石のＮ極、一方のロータコアの内周側領域（塊状コア）、一方のロータコアの外周側領域（突極部：非塊状コア）、ロータとステータとの磁気ギャップ、ステータの内周側領域（非塊状コア）、ステータの外周側領域（塊状コア）、ステータの内周側領域（非塊状コア）、ロータとステータとの磁気ギャップ、他方のロータコアの外周側領域（突極部：非塊状コア）、他方のロータコアの内周軸側領域（塊状コア）、永久磁石のＳ極をこの順路で流れる。

また、ステータの両端に設けた各界磁巻線に界磁弱め方向の電流を流した場合には、永久磁石の磁束は、界磁巻線の起磁力に誘導されることによってロータとステータとの磁気ギャップに流れ難くなり、永久磁石のＮ極、一方のロータコアの内周側領域（塊状コア）、一方のロータコアとステータのロータ対向領域とのギャップ、ステータのロータ対向領域（塊状コア）、ステータの外周側領域（塊状コア）、ステータのロータ対向領域（塊状コア）、他方のロータコアとロータ対向領域とのギャップ、他方のロータコアの内周側領域（塊状コア）、永久磁石のＳ極をこの順路で流れる。すなわち、永久磁石の磁束は、ロータとステータとの磁気ギャップを流れず（ステータ巻線に鎖交せず）、塊状コアで構成した領域を通って短絡されることになり、界磁弱めと同等の効果を得ることができる。

一方、各界磁巻線に界磁強め方向の電流を流した場合には、各界磁巻線の起磁力は永久磁石の起磁力とは逆方向に与えられ、永久磁石の磁束は、永久磁石のＮ極、一方のロータコアの内周側領域（塊状コア）、一方のロータコアの外周側領域（突極部：非塊状コア）、ロータとステータとの磁気ギャップ、ステータの内周側領域（非塊状コア）、ステータの外周側領域（塊状コア）、ステータの内周側領域（非塊状コア）、ロータとステータとの磁気ギャップ、他方のロータコアの外周側領域（突極部：非塊状コア）、他方のロータコアの内周側領域（塊状コア）、永久磁石のＳ極をこの順路で流れる。すなわち、永久磁石の磁束は、各界磁巻線に電流を流していない状態と同じ流れになり、ステータ巻線に鎖交する。そして、界磁巻線によって発生する磁束もまたステータ巻線に鎖交し、界磁巻線に流す電流を調整することでステータ巻線への磁束鎖交数を増加でき、トルクを増大させることができる。

このような回転機であれば、上述したように各界磁巻線に流す電流の方向を変更して界磁弱め制御又は界磁強め制御を実行することで、ステータ巻線に鎖交する磁束量（磁束鎖交数）を調整できる点で従来の永久磁石同期回転機と比較して有利である。

しかしながら、ロータ及びステータの各所定領域を、永久磁石の磁束がステータ巻線に鎖交しないように迂回させるバイパスとして機能させるために塊状コアで構成しなければならない点、ステータの両端にそれぞれ界磁巻線を配置しなければならない点については、さらなる構造簡素化の余地があるといえる。

また、回転領域（運転領域）の変動に伴って界磁巻線に流す電流の方向を切り替え、磁束を変化させて界磁弱め制御又は界磁強め制御を適切に実行しなければならないこの種の界磁巻線形同期回転機では、電流の２乗に比例する界磁巻線の銅損（界磁銅損）が、界磁強め制御時のみならず、界磁弱め制御時でも増加するため、この界磁銅損の増加が効率を低下させる要因になっている。

本発明は、このような検討結果に基づき、永久磁石の大幅な増量を回避しつつ、ステータ巻線に鎖交する磁束量を調整することができ、低速・高トルクの状態から高速・低トルクの状態に亘る広範な運転領域に対応する何れの回転領域でも高い効率を実現可能な回転機を提供することを主たる目的とするものである。

すなわち本発明は、ステータ極及びステータ巻線を有するステータと、ステータと同軸上に配置され且つステータとの間に磁気ギャップを形成するロータと、ロータをステータに対して回転可能に支持するロータ支持部材とを備えた回転機に関するものである。ここで、「ステータ極」の数は、ロータの極数、相数、係数に基づいて決定される。

そして、本発明に係る回転機は、ロータとして、対をなす第１ロータコア及び第２ロータコアと、永久磁石列と、磁性リングと、界磁巻線とを備えたものを適用している点、ロータ支持部材を磁性体で構成している点、界磁巻線に電流を流していない状態において各永久磁石、各ロータコア、磁性リング、及びロータ支持部材を通って短絡する永久磁石列の磁束を、界磁巻線に所定方向の電流を流すことで生じる界磁巻線の磁束とともにステータ巻線に鎖交する磁束に変化可能に構成している点、これらの点に以下に述べるような特徴を有するものである。

本発明に係る回転機は、回転軸の径方向においてロータをステータの内周側に配置したインナー可動型、及び回転軸の径方向においてロータをステータの外周側に配置したアウター可動型の何れをも包含するものであり、以下に本願発明の技術的特徴について具体的に説明する。

ロータを構成する第１ロータコア及び第２ロータコアは、何れもリング状のヨーク及びヨークからステータに向かって突出し且つ周方向に等ピッチで複数設けた突極部を有する磁性体である。そして、本発明の回転機では、これら第１ロータコア及び第２ロータコアを相互に周方向に１極ピッチ分ずらした状態で回転軸の軸方向に離間して配置している。なお、１極ピッチ分は、一回転３６０度を各ロータコアの突極部の数（第１ロータコアの突極部及び第２ロータコアの突極部の総数ではない）で除した値に相当する。

また、永久磁石列は、第１ロータコアのヨークとロータ支持部材との間に配置され且つヨークに対向するヨーク対向面とロータ支持部材に対向するロータ支持部材対向面に相対応する異なった極性を持たせた第１永久磁石と、第２ロータコアのヨークとロータ支持部材との間に配置され且つヨーク対向面とロータ支持部材対向面の各極性が第１永久磁石の極性と異なる第２永久磁石とを回転軸の軸方向に沿って並べたものである。

磁性リングは、第１ロータコアと第２ロータコアの間であって且つ第１永久磁石及び第２永久磁石に跨がる位置に配置したものであり、界磁巻線は、第１ロータコアと第２ロータコアの間であって且つ磁性リングのうちステータ側の周面に巻回したものである。

また、磁性体で構成したロータ支持部材の一例としては、インナー可動型であれば回転軸（シャフト）を挙げることができ、アウター可動型であれば例えばロータの外周に配置されるフレームを挙げることができる。

このような各部材から構成した本発明の回転機では、界磁巻線に電流を流していない状態（界磁巻線非励磁状態）であれば、永久磁石列の磁束は、例えば第１永久磁石のヨーク対向面がＮ極である場合にこの第１永久磁石のヨーク対向面を始点として捉えると、第１永久磁石のヨーク対向面、第１ロータコアのヨーク、磁性リング、第２ロータコアのヨーク、第２永久磁石のヨーク対向面、第２永久磁石のロータ支持部材対向面、磁性体であるロータ支持部材、第１永久磁石のロータ支持部材対向面、第１永久磁石のヨーク対向面をこの順で流れる。すなわち、界磁巻線の起磁力がゼロの場合には、永久磁石列の磁束がステータ巻線に鎖交しない。言い換えれば、ステータ巻線に界磁磁束（モータが回転する際に発生する磁界である界磁の磁束）が流れない。

一方、界磁巻線に所定方向の電流を流した場合、界磁巻線の磁束は、例えば界磁巻線をステータ側の周面に配置している磁性リングを流れる。この磁性リングを流れる界磁巻線の磁束の向きが、界磁巻線非励磁状態において磁性リングを流れる永久磁石列の磁束の向きと反対になる方向（永久磁石列の磁束とぶつかる方向）の電流を界磁巻線に流す。界磁巻線非励磁状態における永久磁石列の磁束の流れが上述した流れである場合、界磁巻線に所定方向の電流を流すことで生じる界磁巻線の磁束は、磁性リングを第２ロータコアのヨーク側から第１ロータコアのヨークに向かって流れる磁束であり、磁性リングを起点として捉えると、磁性リング、第１ロータコアのヨーク、第１ロータコアの突極部、第１ロータコアの突極部とステータ極の磁気ギャップ、ステータ極、ステータ極と第２ロータコアの突極部の磁気ギャップ、第２ロータコアの突極部、第２ロータコアのヨーク、磁性リングをこの順で流れる。そして、界磁巻線に流す電流量を調節して界磁巻線の起磁力の大きさを調節することができ、界磁巻線の起磁力によって生じる磁束が永久磁石列の磁束よりも大きければ、磁性リングを流れようとする永久磁石の磁束は、界磁巻線の磁束にぶつかって磁性リングを流れず、界磁巻線の磁束に誘導されてロータコアの突極部とステータ極との隙間である磁気ギャップを流れる。その結果、界磁巻線の磁束の流れが上述した流れである場合、界磁巻線の磁束に誘導される永久磁石の磁束は、磁性リングを流れず、界磁巻線の磁束とともに、第１ロータコアのヨーク、第１ロータコアの突極部、第１ロータコアの突極部とステータ極の磁気ギャップ、ステータ極、ステータ極と第２ロータコアの突極部の磁気ギャップ、第２ロータコアの突極部、第２ロータコアのヨークをこの順で流れ、第２ロータコアから第２永久磁石、磁性体であるロータ支持部材、第１永久磁石を流れて第１ロータコアのヨークに至る。

このように、本発明に係る回転機は、界磁巻線に所定方向の電流を流していない状態であればステータ巻線に界磁磁束が鎖交していない状態を確保することができる。したがって、本発明に係る回転機では、界磁巻線に所定方向の電流を流していない状態において誘起電圧が発生せず、安全な状態を確保することができる。また、界磁巻線に所定方向の電流を流した場合には、永久磁石列の磁束と界磁巻線の磁束をステータ巻線に鎖交させる（永久磁石列の磁束を界磁巻線の磁束とともにステータ巻線に鎖交する界磁磁束に変化させる）ことができ、誘起電圧を発生させてロータを回転させることができる。

そして、本発明の回転機であれば、要求される回転数（出力）やトルクに応じて界磁巻線に流す電流量を調節することで、ステータ巻線に鎖交する磁束量（永久磁石列の磁束に界磁巻線の磁束を重畳した磁束量であり、永久磁石列の磁束と界磁巻線の磁束の総和である磁束量）を増減することができる。この際、永久磁石列の界磁を弱める弱め界磁は不要であるため、永久磁石列を構成する永久磁石の減磁現象を防止することができるとともに、弱め界磁制御と強め界磁制御を選択して行う態様と比較して、界磁巻線に流す電流方向は一定方向のみであるため、界磁巻線に流す電流方向を切り替える処理が不要である。そして、弱め界磁制御時に要する「トルクに寄与しないステータ電力」が不要となり、界磁巻線の銅損（界磁銅損）の減少を実現できる。

さらに、本発明の回転機は、ステータに対してロータを回転可能に支持するロータ支持部材を磁性体にし、このロータ支持部材と、回転軸の軸方向に並ぶ第１ロータコア、磁性リング及び第２ロータコアの間に、永久磁石列を回転軸の径方向に挟むように配置することで、永久磁石列の磁束を磁気短絡させており、ステータの一部を永久磁石の磁束が流れるバイパスとして機能させる構成と比較して短い磁路を実現することができるとともに、バイパス機能を発揮させるためにステータの所定領域を他の領域よりも抵抗を低くして磁束が流れ易くする特殊な構造にする処理も不要であり、構造の簡素化の点においても有利である。

このような本発明に係る回転機であれば、界磁巻線の起磁力がゼロの場合にはステータ巻線に鎖交しない永久磁石の磁束を、界磁巻線に電流を流すことで界磁巻線の磁束に重畳させて、ステータ巻線に鎖交する磁束（界磁磁束）に変化させることが可能であり、且つ永久磁石の大幅な増量を回避しつつ、低速・高トルクの状態から高速・低トルクの状態に亘る広範な運転領域に対応する何れの回転領域でも高い効率を実現することができる。

本発明によれば、永久磁石列及び界磁巻線をロータに配置し、界磁巻線非励磁状態では磁性リング及び磁性体のロータ支持部材によってステータ巻線に鎖交しないように磁気短絡させた永久磁石列の磁束を、界磁巻線に所定方向の電流を流すことで界磁巻線の磁束とともにステータ巻線に鎖交する磁束（界磁磁束）に変化可能に構成しているため、永久磁石の大幅な増量を回避しつつ、広範な運転領域に対応する何れの回転領域でも高効率で作動する回転機を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る回転機の一部を破断して模式的に示す図。 同実施形態に係る回転機を軸方向から見た正面図。 同実施形態に係る回転機の断面模式図。 同実施形態におけるロータユニットの全体図。 界磁巻線無励磁状態における磁石磁束の流れを図１に対応させて模式的に示す図。 界磁巻線無励磁状態における磁石磁束の流れを図３に対応させて模式的に示す図。 界磁巻線励磁状態における磁石磁束及び界磁巻線磁束の流れを図１に対応させて模式的に示す図。 界磁巻線励磁状態における磁石磁束及び界磁巻線磁束の流れを図３に対応させて模式的に示す図。 同実施形態に係る回転機の回転数に対する誘起電圧、界磁電力、ステータ電力の特性を示す図。 同実施形態に係る回転機の回転数に対する損失特性を示す図。 本発明の第２実施形態に係る回転機の一部を破断して模式的に示す図。 同実施形態に係る回転機を軸方向から見た正面図。 同実施形態に係る回転機の断面模式図。 同実施形態におけるロータユニットの全体図。 界磁巻線無励磁状態における磁石磁束の流れを図１１に対応させて模式的に示す図。 界磁巻線無励磁状態における磁石磁束の流れを図１３に対応させて模式的に示す図。 界磁巻線励磁状態における磁石磁束及び界磁巻線磁束の流れを図１１に対応させて模式的に示す図。 界磁巻線励磁状態における磁石磁束及び界磁巻線磁束の流れを図３に対応させて模式的に示す図。 同実施形態に係る回転機の回転数に対する誘起電圧、界磁電力、ステータ電力の特性を示す図。 同実施形態に係る回転機の回転数に対する損失特性を示す図。 従来の永久磁石同期回転機のトルク−回転数曲線及び出力曲線を示す図。 従来の永久磁石同期回転機の回転数に対する誘起電圧、ステータ電力の特性を示す図。 従来の永久磁石同期回転機の回転数に対する損失特性を示す図。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

本実施形態に係る回転機Ｘは、例えば図示しない電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド車（ＨＥＶ）の駆動モータとして適用可能なものである。

回転機Ｘは、図１乃至図３に示すように、ステータ１と、ステータ１と同軸上に配置され且つステータ１との間に磁気ギャップを形成するロータ２と、ロータ２をステータ１に対して回転可能に支持するロータ支持部材３とを備えたものである。本実施形態に係る回転機Ｘは、ロータ２をステータ１よりも回転軸Ｗの径方向Ｃ内側に配置したインナー可動型の回転機である。

ステータ１は、リング状のステータコア１１と、ステータコア１１からロータ２側に向かって突出し且つ周方向Ｂに等角ピッチで配列された複数のステータティース１２（本発明のステータ極に相当）と、周方向Ｂに隣り合うステータティース１２同士の間に形成されるスロットに配置したステータ巻線１３とを有するものである。本実施形態の回転機Ｘは、ステータ１の外周面を被覆する円筒状の磁性フレーム（図示省略）を備えている。本実施形態では、磁性フレームの内周面とステータ１の外周面（ステータコア１１の外周面）の隙間がゼロ又は略ゼロとなるように磁性フレームの内径及びステータコア１１の外径を設定している。

ロータ２は、図１乃至図４に示すように、対となる磁性体の第１ロータコア４及び第２ロータコア５と、永久磁石列６と、磁性リング７と、界磁巻線８とを備えている。

第１ロータコア４及び第２ロータコア５は同一形状であり、それぞれリング状のヨーク４１，ヨーク５１と、各ヨーク４１，５１のそれぞれからステータ１側に向かって突出し且つ周方向Ｂに等角ピッチで複数設けた突極部４２，突極部５２を有するものである。そして、本実施形態では、図４に示すように、これら第１ロータコア４及び第２ロータコア５を周方向Ｂに互いに１極ピッチ分ずらした状態でシャフト３の軸方向Ａに並べて配置している。図４に示す各ロータコア（第１ロータコア４，第２ロータコア５）はそれぞれ４つの突極部４２，突極部５２を有するものであり、これらロータコア（第１ロータコア４，第２ロータコア５）を周方向Ｂに互いに９０度（一回転３６０を４で除した値）ずらした状態で回転軸Ｗの軸方向Ａ（以下、単に「軸方向Ａ」と称する場合がある）に並べて配置している。ここで、本実施形態の回転機Ｘは、軸方向Ａに所定距離離間して並ぶ第１ロータコア４と第２ロータコア５との間に磁性リング７を介在させている。

ここで、本実施形態の回転機Ｘでは、ステータ１とロータ２の間、より具体的にはステータ１のステータティース１２と各ロータコア（第１ロータコア４，第２ロータコア５の突極部４２，突極部５２）の間に、回転軸Ｗの周方向Ｂに周回する磁気ギャップを形成している。

また、本実施形態ではロータ支持部材として、ロータ２の回転軸Ｗそのものとして機能する磁性体のシャフト３を適用している。すなわち、シャフト３及びロータ２は一体回転可能に構成されている。本実施形態では、図１及び図３に示すように、シャフト３のうち径方向Ｃにおいてロータ２及びステータ１と重なり得る領域を他の領域よりも外径が大きい大径部３１に設定し、この大径部３１のうちシャフト３の軸方向Ａ一端部には径方向Ｃ外側に突出する鍔部３２を形成している。

永久磁石列６は、回転軸Ｗ（シャフト３）の軸方向Ａに並べて配置した第１永久磁石６１及び第２永久磁石６２を用いて構成したものである。本実施形態では、第１ロータコア４のヨーク４１とシャフト３（具体的にはシャフト３の大径部３１）との間に第１永久磁石６１を配置するとともに、第２ロータコア５のヨーク５１とシャフト３（具体的にはシャフト３の大径部３１）との間に第２永久磁石６２を配置している。本実施形態の回転機Ｘでは、何れもリング状をなす第１永久磁石６１及び第２永久磁石６２の外径を各ロータコア（第１ロータコア４，第２ロータコア５）の内径（具体的にはヨーク４１，ヨーク５１の内径）よりも僅かに大きい値に設定し、第１永久磁石６１及び第２永久磁石６２の内径をシャフト３のうち大径部３１の外径よりも僅かに小さい値に設定している。

第１永久磁石６１は、ヨーク４１に対向するヨーク対向面６１ａとシャフト３に対向するシャフト対向面６１ｂ（本発明のロータ支持部材対向面に相当）に相対応する異なった極性を持たせたものであり、本実施形態では、例えばヨーク対向面６１ａをＮ極、シャフト対向面６１ｂをＳ極に着磁した第１永久磁石６１を適用している。また、第２永久磁石６２は、ヨーク対向面６２ａとシャフト対向面６２ｂの各極性が第１永久磁石６１の極性と異なるように着磁した（つまり、ヨーク対向面６２ａをＳ極、シャフト対向面６２ｂをＮ極に着磁した）ものである。

本実施形態の回転機Ｘは、シャフト３の大径部３１のうち、シャフト３の軸方向Ａに沿って上述の鍔部３２側から第１永久磁石６１及び第２永久磁石６２をこの順番に配置している。つまり、第１永久磁石６１及び第２永久磁石６２をこの順にシャフト３の大径部３１のうち鍔部３２を設けていない側の端部から大径部３１を外嵌するように挿入することで、上述した配置条件及び着磁条件を満たす永久磁石列６を実現している。第１永久磁石６１及び第２永久磁石６２はシャフト３の軸方向Ａに隙間無く並んだ状態で配置される。そして、このような構成をなす永久磁石列６はシャフト３と一体回転可能である。

また、本実施形態に係る回転機Ｘは、第１ロータコア４と第２ロータコア５の間に磁性リング７を配置している。具体的に、この磁性リング７は、第１ロータコア４のヨーク４１と第２ロータコア５のヨーク５１の間であって且つシャフト３の軸方向Ａに沿って第１永久磁石６１及び第２永久磁石６２を跨ぐ位置に配置したものである。本実施形態の回転機Ｘでは、磁性リング７の内径を各ロータコア（第１ロータコア４，第２ロータコア５）の内径（具体的にはヨーク４１，ヨーク５１の内径）と同一または略同一に設定し、磁性リング７の外径を各ロータコア（第１ロータコア４，第２ロータコア５）のヨーク４１，ヨーク５１の外径と同一または略同一に設定している。また、磁性リング７の厚み自体は、各永久磁石（第１永久磁石６１，第２永久磁石６２）の厚みよりも薄い。

本実施形態の磁性リング７は、これら永久磁石（第１永久磁石６１，第２永久磁石６２）を上述した順でシャフト３の大径部３１に外嵌させた後に、第１ロータコア４及び第２ロータコア５と同様に永久磁石列６を外嵌するように挿入することで、第１ロータコア４のヨーク４１と第２ロータコア５のヨーク５１の間に配置することができる。具体的には、第１ロータコア４、磁性リング７、第２ロータコア５の順にシャフト３の大径部３１のうち鍔部３２を設けていない側の端部から大径部３１を外嵌するように挿入すると、第１ロータコア４が鍔部３２に当接してそれ以上の挿入動作が規制され、この第１ロータコア４に続いて磁性リング７及び第２ロータコア５をシャフト３の軸方向Ａに隙間無く並べて配置することができる。この磁性リング７は、各ロータコア（第１ロータコア４，第２ロータコア５）に挟持された状態で各ロータコア４，５及び永久磁石列６とともにシャフト３と一体回転可能である。

本実施形態に係る回転機Ｘは、磁性リング７のうちステータ１側の周面、すなわちインナー可動型の回転機Ｘであれば磁性リング７の外周面に、界磁巻線８を巻回している。界磁巻線８は、図１乃至図４に示すように、回転軸Ｗの径方向Ｃにおいて磁性リング７と重なり、回転軸Ｗの軸方向Ａにおいて第１ロータコア４と第２ロータコア５に挟まれる位置に配置される。本実施形態では、界磁巻線８のうち径方向Ｃにおいて最も内側の領域を磁性リング７の外周面に接触させ、界磁巻線８のうち径方向Ｃにおいて最も外側の領域を各ロータコア（第１ロータコア４，第２ロータコア５）の突極部４２（突極部４２，突極部５２）の先端面（外周面）よりもステータ１から離間した位置に設定している。なお、図２では、説明の便宜上、回転軸Ｗ回りに周回する界磁巻線８に共通のパターンを付している。

そして、本実施形態に係る回転機Ｘは、シャフト３の軸方向Ａに沿った永久磁石列６の幅寸法と、第１ロータコア４、磁性リング７及び第２ロータコア５の並び方向（軸方向Ａ）における幅寸法の総和が同一または略同一になるように設定している。すなわち、本実施形態では、各ロータコア（第１ロータコア４，第２ロータコア５）の軸方向Ａに沿った幅寸法を各永久磁石（第１永久磁石６１，第２永久磁石６２）の幅寸法よりも小さく設定している。

ここで、図４に示すように、シャフト３に永久磁石列６、ロータ２、磁性リング７及び界磁巻線８を組み付けたユニットは、ステータ１に対して回転可能な部材のみを組み付けたものであることからロータユニットＵと捉えることができる。そして、このロータユニットＵは、ステータ１の径方向Ｃ内側に挿通され、ステータティース１２との間に形成される磁気ギャップを介してステータ１に対してシャフト３の軸心回りに回転自在に設けられる。

次に、このような構成を有する本実施形態に係る回転機Ｘの動作及び作用について説明する。

本実施形態の回転機Ｘにおいて、磁性リング７を周回する位置に設けた界磁巻線８に電流が流れていない場合（界磁巻線非励磁状態）、永久磁石列６の磁束（以下では「磁石磁束」と称する場合がある）は、図５及び図６に点線で示すように、例えば第１永久磁石６１のヨーク対向面６１ａ（Ｎ極）を始点として捉えると、この第１永久磁石６１のヨーク対向面６１ａ、第１ロータコア４のヨーク４１、磁性リング７、第２ロータコア５のヨーク５１、第２永久磁石６２のヨーク対向面６２ａ（Ｓ極）、第２永久磁石６２のシャフト対向面６２ｂ（Ｎ極）、シャフト３、第１永久磁石６１のシャフト対向面６１ｂ（Ｓ極）、第１永久磁石６１のヨーク対向面６１ａ（Ｎ極）を流れる。すなわち、永久磁石列６の磁束の経路（磁路）は、常に全体の磁気抵抗が最も小さくなる磁路が必然的に選ばれるため、界磁巻線非励磁状態における磁石磁束は、ロータ２とステータ１の磁気ギャップを避けて流れることになる。したがって、界磁巻線非励磁状態では永久磁石列６の磁束がステータ巻線１３に鎖交することはない。特に、本実施形態では、各永久磁石（第１永久磁石６１，第２永久磁石６２）及び各ロータコア（第１ロータコア４，第２ロータコア５）を回転軸Ｗの径方向Ｃに流れる永久磁石列６の磁束が、第１ロータコア４と第２ロータコア５の間に配置した磁性リング７、及び磁性体であるシャフト３では軸方向Ａに流れるように設定し、永久磁石列６の磁束を短絡させている。この界磁巻線非励磁状態における永久磁石列６の磁束を以下では「非励磁状態磁石磁束」と称す。このように、非励磁状態磁石磁束はロータ２内におさまり、ステータ巻線１３に鎖交しない。したがって、誘起電圧が発生せず、安全な状態であるといえる。なお、永久磁石列６の磁束量は常に一定である。

一方、本実施形態の回転機Ｘにおいて、界磁巻線８に所定方向の電流を流した場合（界磁巻線励磁状態）、具体的には、図７及び図８に示すように、磁性リング７における界磁巻線８の磁束（同図において二点鎖線で示す磁束であり、以下では「界磁巻線磁束」と称する場合がある）の向きが非励磁状態磁石磁束の向きと反対になる方向の電流を界磁巻線８に流した場合、界磁巻線磁束は、例えば第１ロータコア４のヨーク４１を始点として捉えると、この第１ロータコア４のヨーク４１、第１ロータコア４の突極部４２、磁気ギャップ、ステータティース１２、ステータコア１１、ステータティース１２、磁気ギャップ、第２ロータコア５の突極部５２、第２ロータコア５のヨーク５１、磁性リング７、第１ロータコア４のヨーク４１を流れる。そして、界磁巻線８の起磁力の大きさに依存する界磁巻線８の磁束量（界磁電力の大きさに依存する界磁巻線８の磁束量）が永久磁石列６の磁束量よりも大きい場合に、上述した非励磁状態磁石磁束のうち、第１ロータコア４のヨーク４１から磁性リング７を経て第２ロータコア５のヨーク５１に向かう永久磁石列６の磁束が、界磁巻線８の磁束によって誘導されて、第１ロータコア４のヨーク４１から磁性リング７及び第２ロータコア５のヨーク５１に向かわずに、界磁巻線８の磁束と同一方向、つまり、第１ロータコア４のヨーク４１、第１ロータコア４の突極部４２、磁気ギャップ、ステータティース１２、ステータコア１１、ステータティース１２、磁気ギャップ、第２ロータコア５の突極部５２、第２ロータコア５のヨーク５１へと流れる磁束（以下では「励磁状態磁石磁束」と称す）となる。この励磁状態磁石磁束は、第２ロータコア５のヨーク５１から、第２永久磁石６２のヨーク対向面６２ａ（Ｓ極）、第２永久磁石６２のシャフト対向面６２ｂ（Ｎ極）、シャフト３、第１永久磁石６１のシャフト対向面６１ｂ（Ｓ極）、第１永久磁石６１のヨーク対向面６１ａ（Ｎ極）へと流れる。

そして、本実施形態に係る回転機Ｘにおいて、このような励磁状態磁石磁束が、界磁巻線８の磁束とともにステータ巻線１３に鎖交することによって、誘起電圧を発生させてロータ２を回転させることができる。さらに、本実施形態に係る回転機Ｘは、要求される回転数（出力）やトルクに応じて界磁巻線８に流す電流量（界磁電力）を調節することで、ステータ巻線１３に鎖交する磁束量（永久磁石列６の磁束と界磁巻線８の磁束の総和である磁束量）を増減することができる。

したがって、このような回転機Ｘを電気自動車やハイブリッド車の駆動モータとして適用した場合、回転機Ｘの回転数に対する誘起電圧、界磁電力、ステータ電力の特性を示す図９からも把握できるように、始動時を含む低速域では、ステータ１のコイル（ステータ巻線１３）に通電するとともに、界磁巻線８に所定方向の電流を流して非励磁状態から界磁巻線励磁状態に切り替えることで励磁されたロータ２が回転駆動する。なお、図９では、トルクを相対的に細い実線で示し、出力を相対的に太い実線で示し、誘起電圧を点線（実際の誘起電圧を相対的に太い点線、界磁制御を行わない場合の誘起電圧を相対的に細い点線）で示し、界磁電力を２点鎖線で示し、ステータ電力を１点鎖線で示している。

本実施形態に係る回転機Ｘは、大トルクが要求される低速域において、界磁巻線８に流す電流量を上げる（界磁電力を大きくする）ことによって、その界磁電力に応じた大きい界磁巻線８の磁束と、この界磁巻線８の磁束に誘導される永久磁石列６の磁束をステータ巻線１３に鎖交させることができ、ステータ１巻線に鎖交する磁束量を増大させる（磁束密度を高める）ことができる。したがって、例えばステータ巻線１３に流す電流を大きくすることに依らずとも、界磁巻線８に所定方向の電流を流す界磁制御を行うことで大トルクを得ることができ、界磁制御を行わない場合に比べて誘起電圧を高くすることができる。図９には、比較対象として界磁制御を行わない場合の誘起電圧を実際の誘起電圧を示す点線よりも細い点線で示している。

また、本実施形態の回転機Ｘは、中速域において、界磁巻線励磁状態で運転しつつ、低速域時よりも界磁電力を少なくすることで誘起電圧を一定に保ち、トルクを必要としない領域に到達した時点で界磁電力をさらに少なくすることでステータ巻線１３に鎖交する磁束量を低速域よりも減少させて、ステータ１における磁束密度を抑えることができる。そして、本実施形態の回転機Ｘにおける回転数に対する鉄損、界磁巻線８の銅損、ステータ１の銅損の特性（損失特性）を示す図１０に示すように、ステータ１の磁束密度を抑えることによって、鉄損を低減することができる。なお、図１０では、トルクを相対的に細い実線で示し、出力を相対的に太い実線で示し、鉄損を点線で示し、ステータ銅損を相対的に細い１点鎖線で示し、界磁銅損（界磁巻線８の銅損）を２点鎖線で示し、総損を相対的に太い１点鎖線で示している。

また、本実施形態に係る回転機Ｘは、高速域では、図９に示すように、界磁電力をゼロに近付けることで、リラクタンストルクのみで回転させる。すなわち、界磁電力をゼロに近付けることによって、界磁巻線８の磁束量がゼロに近付き、ステータ巻線１３に鎖交する磁束量が中速域よりも減少し、ステータ１における磁束密度をさらに抑えることができる。また、図１０に示すように、界磁電力をゼロに近付けることで低速域や中速域と比較して界磁巻線８の銅損も減少するとともに、高速域では磁束密度の低減に伴って鉄損を低減できることから、本実施形態に係る回転機Ｘでは、高速回転領域で誘起電圧が低い（磁束密度が低い）ため、鉄損を低減することができる。

このような各部材から構成した本実施形態に係る回転機Ｘは、界磁巻線非励磁状態において永久磁石列６の磁束がステータ巻線１３に鎖交しないように構成しているため、この界磁巻線非励磁状態では誘起電圧が発生せず、安全な状態を確保することができ、制御機器（電源、インバータなど）が停止したときには自ずと誘起電圧が発生しない状態を確保することができ、制御機器の破損防止に役立つ。また、本実施形態の回転機Ｘでは、界磁巻線８に一方向の電流を流した場合に、磁気ギャップを介してステータ１とロータ２との間を流れる界磁巻線８の磁束に誘導されて永久磁石列６の磁束をステータ１に流すことができ、誘起電圧を発生させてロータ２を回転させることができ、要求される回転数（出力）やトルクに応じて界磁巻線８に流す電流量を調節することで、ステータ巻線１３に鎖交する磁束量を増減することができる。この際、永久磁石列６の界磁を弱める弱め界磁は不要であるため、永久磁石列６を構成する永久磁石の減磁現象を防止することができる。そして、本実施形態に係る回転機Ｘは、弱め界磁制御実行時に生じ得る界磁銅損の発生を防止・抑制することができ、弱め界磁制御と強め界磁制御を選択して行う態様と比較して、界磁巻線８に流す電流方向は一定方向のみであるため、界磁巻線８に流す電流方向を切り替える処理が不要であり、高速域において、弱め界磁制御であれば必要な「トルクに寄与しないステータ電力」が不要となり、ステータ銅損を低減させることができる。

さらに、本実施形態の回転機Ｘは、ステータ１に対してロータ２を回転可能に支持するロータ支持部材３であるシャフト３を磁性体にし、このシャフト３と、軸方向Ａに並ぶ第１ロータコア４、磁性リング７及び第２ロータコア５の間に、永久磁石列６を回転軸Ｗの径方向Ｃに挟むように配置することで、永久磁石列６の磁束を短絡させており、ステータ１の一部を永久磁石の磁束がステータ１とロータ２との磁気ギャップを回避して流れるバイパスとして機能させる構成と比較して、短い磁路を実現することができるとともに、バイパス機能を発揮させるためにステータ１の所定領域を他の領域よりも抵抗を低くして磁束が流れ易くする特殊な構造にする処理も不要であり、構造の簡素化の点においても有利である。

このように、本実施形態の回転機Ｘであれば、第１ロータコア４及び第２ロータコア５の構造及び配置に加えて、一対の永久磁石の組み合わせ及び配置、さらには界磁巻線８及び磁性リング７の配置を上述の各条件に合致させることで、界磁巻線８の起磁力がゼロの場合にはステータ巻線１３に鎖交しない永久磁石列６の磁束を、界磁巻線８に電流を流すことで界磁巻線８の磁束に重畳させて、ステータ巻線１３に鎖交する磁束（界磁磁束）に変えることが可能であり、永久磁石の大幅な増量を回避しつつ、低速・高トルクの状態から高速・低トルクの状態に亘る広範な運転領域に対応する何れの回転領域でも高い効率を実現できる。

次に、上記実施形態とは異なる実施形態（第２実施形態と称する場合がある）を、図面を参照して説明する。なお、上記実施形態と第２実施形態の説明において符号は重複（共通）しているが、各符号はそれぞれの実施形態に関連付けて付した符号であり、共通の符号であっても、その符号が表す部材や部分が各実施形態で共通しているということではない。

第２実施形態に係る回転機Ｘは、例えば図示しない電気自動車やハイブリッド車の駆動モータ、或いは産業機器や大型風力発電装置に適用可能なものである。

回転機Ｘは、図１１乃至図１３に示すように、ステータ１と、ステータ１と同軸上に配置され且つステータ１との間に磁気ギャップを形成するロータ２と、ロータ２をステータ１に対して回転可能に支持するロータ支持部材３とを備えたものである。本実施形態に係る回転機Ｘは、ロータ２をステータ１よりも回転軸Ｗの径方向Ｃ外側に配置したアウター可動型の回転機である。

ステータ１は、円柱状のステータコア１１と、ステータコア１１からロータ２側に向かって突出し且つ周方向Ｂに等角ピッチで配列された複数のステータティース１２（本発明のステータ極）と、周方向Ｂに隣り合うステータティース１２同士の間に形成されるスロットに配置したステータ巻線１３とを有するものである。

ロータ２は、図１１乃至図１４に示すように、対となる磁性体の第１ロータコア４及び第２ロータコア５と、永久磁石列６と、磁性リング７と、界磁巻線８とを備えている。

第１ロータコア４及び第２ロータコア５は同一形状であり、それぞれリング状のヨーク４１，ヨーク５１と、各ヨーク４１，５１のそれぞれからステータ１側に向かって突出し且つ周方向Ｂに等角ピッチで複数設けた突極部４２，突極部５２を有するものである。そして、本実施形態では、図１４に示すように、これら第１ロータコア４及び第２ロータコア５を周方向Ｂに互いに１極ピッチ分ずらした状態で回転軸Ｗの軸方向Ａに並べて配置している。図１４に示す各ロータコア（第１ロータコア４，第２ロータコア５）はそれぞれ８つの突極部４２，突極部５２を有するものであり、これらロータコア（第１ロータコア４，第２ロータコア５）を周方向Ｂに互いに４５度（一回転３６０を８で除した値）ずらした状態で回転軸Ｗの軸方向Ａ（以下、単に「軸方向Ａ」と称する場合がある）に並べて配置している。ここで、本実施形態の回転機Ｘは、軸方向Ａに所定距離離間して並ぶ第１ロータコア４と第２ロータコア５との間に磁性リング７を介在させている。

ここで、本実施形態の回転機Ｘでは、ステータ１とロータ２の間、より具体的にはステータ１のステータティース１２と各ロータコア（第１ロータコア４，第２ロータコア５の突極部４２，突極部５２）の間に、回転軸Ｗの周方向Ｂに周回する磁気ギャップを形成している。

また、本実施形態ではロータ支持部材として、ロータ２の外周面を被覆する円筒状の磁性フレーム３を適用している。この磁性フレーム３はロータ２と一体回転可能に構成されている。本実施形態では、磁性フレーム３の内周面とロータ２の外周面（永久磁石６１，６２の外周面）の隙間がゼロ又は略ゼロとなるように磁性フレーム３の内径及び各永久磁石６１，６２の外径を設定している。

永久磁石列６は、回転軸Ｗの軸方向Ａに並べて配置した第１永久磁石６１及び第２永久磁石６２を用いて構成したものである。本実施形態では、第１ロータコア４のヨーク４１と磁性フレーム３との間に第１永久磁石６１を配置するとともに、第２ロータコア５のヨーク５１と磁性フレーム３との間に第２永久磁石６２を配置している。本実施形態の回転機Ｘでは、何れもリング状をなす第１永久磁石６１及び第２永久磁石６２の外径を磁性フレーム３の内径よりも僅かに小さい値に設定し、第１永久磁石６１及び第２永久磁石６２の内径を各ロータコア（第１ロータコア４，第２ロータコア５）の外径（具体的にはヨーク４１，ヨーク５１の外径）よりも僅かに大きい値に設定している。

第１永久磁石６１は、ヨーク４１に対向するヨーク対向面６１ａと磁性フレーム３に対向するフレーム対向面６１ｂ（本発明のロータ支持部材対向面に相当）に相対応する異なった極性を持たせたものであり、本実施形態では、例えばヨーク対向面６１ａをＳ極、フレーム対向面６１ｂをＮ極に着磁した第１永久磁石６１を適用している。また、第２永久磁石６２は、ヨーク対向面６２ａとフレーム対向面６２ｂの各極性が第１永久磁石６１の極性と異なるように着磁した（つまり、ヨーク対向面６２ａをＮ極、フレーム対向面６２ｂをＳ極に着磁した）ものである。本実施形態の回転機Ｘは、回転軸Ｗの軸方向Ａに沿って第１永久磁石６１及び第２永久磁石６２を隙間無く順番に並べて配置している。このような構成をなす永久磁石列６は、各ロータコア４，５と一体回転可能である。

また、本実施形態に係る回転機Ｘは、第１ロータコア４と第２ロータコア５の間に磁性リング７を配置している。具体的に、この磁性リング７は、第１ロータコア４のヨーク４１と第２ロータコア５のヨーク５１の間であって且つ回転軸Ｗの軸方向Ａに沿って第１永久磁石６１及び第２永久磁石６２を跨ぐ位置に配置したものである。本実施形態の回転機Ｘでは、磁性リング７の外径を各ロータコア（第１ロータコア４，第２ロータコア５）の外径（具体的にはヨーク４１，ヨーク５１の外径）と同一または略同一に設定し、磁性リング７の内径を各ロータコア（第１ロータコア４，第２ロータコア５）のヨーク４１，ヨーク５１の内径と同一または略同一に設定している。また、磁性リング７の厚み自体は、各永久磁石（第１永久磁石６１，第２永久磁石６２）の厚みよりも薄い。

本実施形態では、第１ロータコア４、磁性リング７及び第２ロータコア５を回転軸Ｗの軸方向Ａに隙間無く並べて配置し、第１ロータコア４と第２ロータコア５の間に挟持した磁性リング７を各ロータコア（第１ロータコア４，第２ロータコア５）と一体回転可能に構成している。

本実施形態に係る回転機Ｘは、磁性リング７のうちステータ１側の周面、すなわちアウター可動型の回転機Ｘであれば磁性リング７の内周面に、界磁巻線８を巻回している。界磁巻線８は、図１１乃至図１４に示すように、回転軸Ｗの径方向Ｃにおいて磁性リング７と重なり、回転軸Ｗの軸方向Ａにおいて第１ロータコア４と第２ロータコア５に挟まれる位置に配置される。本実施形態では、界磁巻線８のうち径方向Ｃにおいて最も外側の領域を磁性リング７の内周面に接触させ、界磁巻線８のうち径方向Ｃにおいて最も内側の領域を各ロータコア（第１ロータコア４，第２ロータコア５）の突極部４２（突極部４２，突極部５２）の先端面（内周面）と同一または突極部４２の先端面よりも若干ステータ１から離間した位置に設定している。なお、図１２では、説明の便宜上、回転軸Ｗ回りに周回する界磁巻線８に共通のパターンを付している。

そして、本実施形態に係る回転機Ｘは、回転軸Ｗの軸方向Ａに沿った永久磁石列６の幅寸法と、第１ロータコア４、磁性リング７及び第２ロータコア５の並び方向（軸方向Ａ）における幅寸法の総和が同一または略同一になるように設定している。すなわち、本実施形態では、各ロータコア（第１ロータコア４，第２ロータコア５）の軸方向Ａに沿った幅寸法を各永久磁石（第１永久磁石６１，第２永久磁石６２）の幅寸法よりも小さく設定している。

ここで、図１４に示すように、磁性フレーム３の内側領域に永久磁石列６、ロータ２、磁性リング７及び界磁巻線８を組み付けたユニットは、ステータ１に対して回転可能な部材のみを組み付けたものであることからロータユニットＵと捉えることができる。そして、このロータユニットＵは、ステータ１の径方向Ｃ外側に挿通され、ステータティース１２との間に形成される磁気ギャップを介してステータ１に対して回転軸Ｗの軸心回りに回転自在に設けられる。

次に、このような構成を有する本実施形態に係る回転機Ｘの動作及び作用について説明する。

本実施形態の回転機Ｘにおいて、磁性リング７を周回する位置に設けた界磁巻線８に電流が流れていない場合（界磁巻線非励磁状態）、永久磁石列６の磁束（以下では「磁石磁束」と称する場合がある）は、図１５及び図１６に点線で示すように、第１永久磁石６１のフレーム対向面６１ｂ（Ｎ極）を始点として捉えると、この第１永久磁石６１のフレーム対向面６１ｂ、フレーム３、第２永久磁石６２のフレーム対向面６２ｂ（Ｓ極）、第２永久磁石６２のヨーク対向面６２ｂ（Ｎ極）、第２ロータコア５のヨーク５１、磁性リング７、第１ロータコア４のヨーク４１、第１永久磁石６１のヨーク対向面６１ａ（Ｓ極）、第１永久磁石６１のフレーム対向面６１ｂ（Ｎ極）を流れる。すなわち、界磁巻線非励磁状態における磁石磁束は、ロータ２とステータ１の磁気ギャップを避けて流れることになる。したがって、界磁巻線非励磁状態では永久磁石列６の磁束がステータ巻線１３に鎖交することはない。特に、本実施形態では、各永久磁石（第１永久磁石６１，第２永久磁石６２）及び各ロータコア（第１ロータコア４，第２ロータコア５）を回転軸Ｗの径方向Ｃに流れる永久磁石列６の磁束が、第１ロータコア４と第２ロータコア５の間に配置した磁性リング７、及び磁性体であるフレーム３では軸方向Ａに流れるように設定し、永久磁石列６の磁束を短絡させている。この界磁巻線非励磁状態における永久磁石列６の磁束を以下では「非励磁状態磁石磁束」と称す。このように、非励磁状態磁石磁束はロータ２内におさまり、ステータ巻線１３に鎖交しない。したがって、誘起電圧が発生せず、安全な状態であるといえる。なお、永久磁石列６の磁束量は常に一定である。

一方、本実施形態の回転機Ｘにおいて、界磁巻線８に所定方向の電流を流した場合（界磁巻線励磁状態）、具体的には、図１７及び図１８に示すように、磁性リング７における界磁巻線８の磁束（同図において二点鎖線で示す磁束であり、以下では「界磁巻線磁束」と称する場合がある）の向きが非励磁状態磁石磁束の向きと反対になる方向の電流を界磁巻線８に流した場合、界磁巻線磁束は、例えば第１ロータコア４のヨーク４１を始点として捉えると、この第１ロータコア４のヨーク４１、磁性リング７、第２ロータコア５のヨーク５１、第２ロータコア５の突極部５２、磁気ギャップ、ステータティース１２、ステータコア１１、ステータティース１２、磁気ギャップ、第１ロータコア４の突極部４２、第１ロータコア４のヨーク４１を流れる。そして、界磁巻線８の起磁力の大きさに依存する磁束量（界磁電力の大きさに依存する界磁巻線８の磁束量）が永久磁石列６の磁束量よりも大きい場合に、上述した非励磁状態磁石磁束のうち、第２ロータコア５のヨーク５１から磁性リング７を経て第１ロータコア４のヨーク４１に向かう永久磁石列６の磁束が、界磁巻線８の磁束によって誘導されて、第２ロータコア５のヨーク５１から磁性リング７及び第１ロータコア４のヨーク４１に向かわずに、界磁巻線８の磁束と同一方向、つまり、第２ロータコア５のヨーク５１、第２ロータコア５の突極部５２、磁気ギャップ、ステータティース１２、ステータコア１１、ステータティース１２、磁気ギャップ、第１ロータコア４の突極部４２、第１ロータコア４のヨーク４１へと流れる磁束（以下では「励磁状態磁石磁束」と称す）となる。この励磁状態磁石磁束は、第１ロータコア４のヨーク４１から、第１永久磁石６１のヨーク対向面６１ａ（Ｓ極）、第１永久磁石６１のフレーム対向面６１ｂ（Ｎ極）、第２永久磁石６２のフレーム対向面６２ｂ（Ｓ極）、第２永久磁石６２のヨーク対向面６２ａ（Ｎ極）へと流れる。

そして、本実施形態に係る回転機Ｘにおいて、このような励磁状態磁石磁束が、界磁巻線８の磁束とともにステータ巻線１３に鎖交することによって、誘起電圧を発生させてロータ２を回転させることができる。さらに、本実施形態に係る回転機Ｘは、要求される回転数（出力）やトルクに応じて界磁巻線８に流す電流量を調節することで、ステータ巻線１３に鎖交する磁束量（永久磁石列６の磁束と界磁巻線８の磁束の総和である磁束量）を増減することができる。

したがって、このような回転機Ｘを電気自動車やハイブリッド車の駆動モータとして適用した場合、回転機Ｘの回転数に対する誘起電圧、界磁電力、ステータ電力の特性を示す図１９からも把握できるように、始動時を含む低速域では、ステータ１のコイル（ステータ巻線１３）に通電するとともに、界磁巻線８に所定方向の電流を流して非励磁状態から界磁巻線励磁状態に切り替えることで励磁されたロータ２が回転駆動する。なお、図１９では、トルクを相対的に細い実線で示し、出力を相対的に太い実線で示し、誘起電圧を点線で示し、界磁電力を２点鎖線で示し、ステータ電力を１点鎖線で示している。

本実施形態に係る回転機Ｘは、大トルクが要求される低速域において、界磁巻線８に流す電流量を上げる（界磁電力を大きくする）ことによって、その界磁電力に応じた大きい界磁巻線８の磁束と、この界磁巻線８の磁束に誘導される永久磁石列６の磁束をステータ巻線１３に鎖交させることができ、ステータ１巻線に鎖交する磁束量を増大させる（磁束密度を高める）ことができる。したがって、例えばステータ巻線１３に流す電流を大きくすることに依らずとも、界磁巻線８に所定方向の電流を流す界磁制御を行うことで大トルクを得ることができ、界磁制御を行わない場合に比べて誘起電圧を高くすることができる。図１９には、比較対象として界磁制御を行わない場合の誘起電圧を実際の誘起電圧を示す点線よりも細い点線で示している。

また、本実施形態の回転機Ｘは、中速域では、界磁巻線励磁状態で運転しつつ、低速域運転時よりも界磁電力を少なくすることで誘起電圧を一定に保ち、トルクを必要としない領域に到達した時点で界磁電力をさらに少なくすることでステータ巻線１３に鎖交する磁束量が低速域よりも減少し、ステータ１における磁束密度を抑えることができる。そして、本実施形態の回転機Ｘにおける回転数に対する鉄損、界磁巻線８の銅損、ステータ１の銅損の特性（損失特性）を示す図２０に示すように、ステータ１の磁束密度を抑えることによって、鉄損を低減することができる。なお、図２０では、トルクを相対的に細い実線で示し、出力を相対的に太い実線で示し、鉄損を点線で示し、ステータ銅損を相対的に細い１点鎖線で示し、界磁銅損（界磁巻線８の銅損）を２点鎖線で示し、総損を相対的に太い１点鎖線で示している。

また、本実施形態に係る回転機Ｘは、高速域では、図１９に示すように、界磁電力をゼロに近付けることで、リラクタンストルクのみで回転させる。すなわち、界磁電力をゼロに近付けることによって、界磁巻線８の磁束量がゼロに近付き、ステータ巻線１３に鎖交する磁束量が中速域よりも減少し、ステータ１における磁束密度をさらに抑えることができる。また、図２０に示すように、界磁電力をゼロに近付けることで低速域や中速域と比較して界磁巻線８の銅損も減少するとともに、高速域では磁束密度の低減に伴って鉄損を低減できることから、本実施形態に係る回転機Ｘでは、高速回転領域で誘起電圧が低い（磁束密度が低い）ため、鉄損を低減することができる。

このような各部材から構成した本実施形態に係る回転機Ｘは、界磁巻線非励磁状態において永久磁石列６の磁束がステータ巻線１３に鎖交しないように構成しているため、この界磁巻線非励磁状態では誘起電圧が発生せず、安全な状態を確保することができ、制御機器（電源、インバータなど）が停止したときには自ずと誘起電圧が発生しない状態を確保することができ、制御機器の破損防止に役立つ。また、本実施形態の回転機Ｘでは、界磁巻線８に一方向の電流を流した場合に、磁気ギャップを介してステータ１とロータ２との間を流れる界磁巻線８の磁束に誘導されて永久磁石列６の磁束をステータ１に流すことができ、誘起電圧を発生させてロータ２を回転させることができ、要求される回転数（出力）やトルクに応じて界磁巻線８に流す電流量を調節することで、ステータ巻線１３に鎖交する磁束量（永久磁石列６の磁束と界磁巻線８の磁束の総和である磁束量）を増減することができる。この際、永久磁石列６の界磁を弱める（永久磁石列６の磁束を打ち消す）弱め界磁は不要であるため、永久磁石列６を構成する永久磁石の減磁現象を防止することができるとともに、弱め界磁制御実行時に生じ得る界磁銅損の発生を防止・抑制することができ、弱め界磁制御と強め界磁制御を選択して行う態様と比較して、界磁巻線８に流す電流方向は一定方向のみであるため、界磁巻線８に流す電流方向を切り替える処理が不要であり、高速域において、弱め界磁制御であれば必要な「トルクに寄与しないステータ電力」が不要となり、ステータ銅損を低減させることができる。

さらに、本実施形態の回転機Ｘは、ステータ１に対してロータ２を回転可能に支持するロータ支持部材３であるフレーム３を磁性体にし、このフレーム３と、軸方向Ａに並ぶ第１ロータコア４、磁性リング７及び第２ロータコア５の間に、永久磁石列６を回転軸Ｗの径方向Ｃに挟むように配置することで、永久磁石列６の磁束を短絡させており、ステータ１の一部を永久磁石の磁束が流れるバイパスとして機能させる構成と比較して短い磁路を実現することができるとともに、バイパス機能を発揮させるためにステータ１の所定領域を他の領域よりも抵抗を低くして磁束が流れ易くする特殊な構造にする処理も不要であり、構造の簡素化の点においても有利である。

このように、本実施形態の回転機Ｘであれば、ロータ２を構成する第１ロータコア４及び第２ロータコア５の構造及び配置に加えて、一対の永久磁石の組み合わせ及び配置、さらには界磁巻線８及び磁性リング７の配置を上述の各条件に合致させることで、界磁巻線８の起磁力がゼロの場合にはステータ巻線１３に鎖交しない永久磁石列６の磁束を、界磁巻線８に電流を流すことで界磁巻線８の磁束に重畳させて、ステータ巻線１３に鎖交する磁束（界磁磁束）に変えることが可能であり、永久磁石の大幅な増量を回避しつつ、低速・高トルクの状態から高速・低トルクの状態に亘る広範な運転領域に対応する何れの回転領域でも高効率化を実現できる。

なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した各実施形態の回転機を、電気自動車やハイブリッド車等の車両用駆動モータ以外の用途、例示すれば、或いはハイブリッド車や電気自動車などに搭載されるモータの負荷試験を行う試験装置の負荷装置や、ＶＳＣＦ（Variable Speed Constant Frequencyの略で可変速・定周波定電圧電源装置）、風力発電機、大型発電機、スタータジェネレータ（航空機）或いは建設機械向け旋回用電動機等、速度や出力変動が激しい各種負荷装置、発電機や電動機として用いることができる。

また、各ロータコアは、磁性を有する板状部材を積層して形成した積層体であってもよいし、全体として１つのブロックである塊状体であってもよい。各ロータコアの突極部の数や回転軸の周方向に隣り合う突極部同士のピッチは適宜変更することができる。

磁性リングは、磁束が流れ易いように全体として１つの塊状体であることが好ましいが、磁束の流れを阻害しない条件下であれば積層体にしてもよい。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

１…ステータ
１２…ステータ極（ステータティース）
１３…ステータ巻線
２…ロータ
３…ロータ支持部材（磁性シャフト、磁性フレーム）
４…第１ロータコア
５…第２ロータコア
４１，５１…ヨーク
４２，５２…突極部
６…永久磁石列
６１…第１永久磁石
６２…第２永久磁石
６１ａ，６２ａ…ヨーク対向面
６１ｂ，６２ｂ…ロータ支持部材対向面（シャフト対向面、フレーム対向面）
７…磁性リング
８…界磁巻線
Ｘ…回転機

Claims (3)

1. ステータ極及びステータ巻線を有するステータと、前記ステータと同軸上に配置され且つ前記ステータとの間に磁気ギャップを形成するロータと、前記ロータを前記ステータに対して回転可能に支持するロータ支持部材とを備えた回転機であって、
   前記ロータは、
   リング状のヨーク及び前記ヨークから前記ステータに向かって突出し且つ周方向に等ピッチで複数設けた突極部をそれぞれ有する磁性体であり且つ相互に周方向に１極ピッチ分ずらした状態で回転軸の軸方向に離間して配置した第１ロータコア及び第２ロータコアと、
   前記第１ロータコアの前記ヨークと前記ロータ支持部材との間に配置され且つ前記ヨークに対向するヨーク対向面と前記ロータ支持部材に対向するロータ支持部材対向面に相対応する異なった極性を持たせた第１永久磁石、及び前記第２ロータコアの前記ヨークと前記ロータ支持部材との間に配置され且つ前記ヨーク対向面と前記ロータ支持部材対向面の各極性が前記第１永久磁石の極性と異なる第２永久磁石を回転軸の軸方向に沿って並べた永久磁石列と、
   前記第１ロータコアと前記第２ロータコアの間であって且つ前記第１永久磁石及び前記第２永久磁石に跨がる位置に配置した磁性リングと、
   前記第１ロータコアと前記第２ロータコアの間であって且つ前記磁性リングのうち前記ステータ側の周面に巻回した界磁巻線とを備えたものであり、
   前記界磁巻線に電流を流していない状態において前記各永久磁石、前記各ロータコア、前記磁性リング、及び磁性体で構成した前記ロータ支持部材を通って短絡する前記永久磁石列の磁束を、前記界磁巻線に所定方向の電流を流すことで生じる界磁巻線の磁束とともに前記ステータ巻線に鎖交する磁束に変化可能に構成していることを特徴とする回転機。
2. 前記ロータを前記ステータよりも回転軸の径方向内側に配置したインナー可動型である請求項１に記載の回転機。
3. 前記ロータを前記ステータよりも回転軸の径方向外側に配置したアウター可動型である請求項１に記載の回転機。
   
   

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