JP2014068456A

JP2014068456A - 回転機

Info

Publication number: JP2014068456A
Application number: JP2012211622A
Authority: JP
Inventors: Takuma Nomiyama; 琢磨野見山
Original assignee: Sinfonia Technology Co Ltd
Current assignee: Sinfonia Technology Co Ltd
Priority date: 2012-09-26
Filing date: 2012-09-26
Publication date: 2014-04-17
Anticipated expiration: 2032-09-26
Also published as: JP6074980B2

Abstract

【課題】ステータから磁性ギャップ及びロータを通過して流れる磁束量を調整することができ、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】リング状のステータコア１１の所定箇所に設けられ且つ周方向Ａに磁性を持たせた単一の永久磁石１４と、ステータコア１１のうち永久磁石１４と対向する位置に巻回され且つ永久磁石１４の磁束と反対方向の磁束を発生する単一の界磁巻線１５とを備えたステータ１を適用し、界磁巻線非励磁状態においてステータ極１２とロータ極２２の磁性ギャップに漏れずにステータ１内部を通過する永久磁石１４の磁束を、界磁巻線励磁状態において界磁巻線１５の磁束とともに磁性ギャップ及びロータ２を通過する磁束に変化可能に構成した。
【選択図】図３

Description

本発明は、ステータに対してロータを回転させる回転機に関するものである。

従来より、ステータと、このステ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ロ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が設けられ、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、この磁界とロータに付帯させた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構成されている（例えば特許文献１）。

ところで、近時では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も多く、このような回転機に対しては、出力領域の拡大と高効率化が要求されている。

ロータに永久磁石を付帯させた従来の回転機では、永久磁石の磁束が磁気ギャップを通過して、ステータ鉄心とステータ極に巻回されたステータ巻線に鎖交し、誘起電圧が発生する。ここで、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、出力領域の拡大を実現すべく、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、ロータの回転速度を上げて高速域で運転する場合に、コントローラの端子電圧よりも誘起電圧が超えないよう回転機の電気設計（電圧制限を超えない程度の誘起電圧を確保可能な電気設計）を行いつつ、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。

このように従来の回転機では、永久磁石の磁束を積極的に弱める弱め界磁制御を行うことで運転範囲の拡大を図っていた。

特開２０１２−０８０７１５号公報

しかしながら、弱め界磁制御が過剰になると永久磁石のクニック点を越えて、永久磁石が不可逆減磁してしまう。

したがって、従来の回転機では、ロータに付帯させた永久磁石の磁束が常にステータ鉄心及びステータ巻線に鎖交して界磁磁束として作用し得る状態にあり、永久磁石が不可逆減磁しない程度まで永久磁石の磁束密度を減少させて磁力を弱めることができても、磁力をゼロ、つまり界磁磁束として作用し得る永久磁石の磁束をゼロにするのは困難であった。そして、界磁磁束として作用し得る永久磁石の磁束がロータから磁性ギャップに漏れてステータに常に流れるため、その分だけ回転時にロスが生じていた。

また、永久磁石をロータに付帯させる態様であれば、ロータの高速回転時に永久磁石が飛散する事態が想定される。このような事態を回避するために、例えば非磁性体の飛散防止リングを永久磁石のうちステータ極に近い側の面を被覆するように取り付ける構成も考えられるが、この場合、飛散防止リングの厚み分だけ磁気ギャップが拡大してしまい、高効率化の妨げとなり得る。

さらには、ロータをステータの内側に配置してモータを組み立てる工程において、ロータの永久磁石がステータ極に吸引されてしまい、組立作業を効率良く行うことができないという不具合もあった。

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。

本発明は、このような検討結果に基づき、回転数の変動や運転状況に応じて界磁の磁束量を調整することができ、高効率化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シャフトとを備えた回転機に関するものである。ここで、「ステータと同軸上」の軸はシャフトである。また、「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、ステータとして、リング状のステータ鉄心と、ステータ鉄心の所定箇所に設けられ且つステータ鉄心の周方向に磁性を持たせた単一の永久磁石と、ステータ鉄心のうち永久磁石と対向する位置に巻回され且つ永久磁石の磁束と反対方向の磁束を発生する単一の界磁巻線と、ステータ鉄心のうち永久磁石と界磁巻線の間においてロータに向かって突出し且つ周方向に等ピッチで設けた２ｎ（ｎはゼロを除く正の整数）の複数のステータ極と、これら各ステータ極に巻回したステータ巻線とを備え、対向するステータ極同士を同極相に設定したものを適用するとともに、ロータとして、リング状のロータ鉄心と、ロータ鉄心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ステータ極とは異なる数のロータ極とを備えたものを適用し、界磁巻線に電流を流していない状態においてステータ極とロータ極の磁性ギャップを通過すること無くステータ内部のみを通過する永久磁石の磁束を、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磁性ギャップ及びロータを通過する磁束に変化可能に構成していることを特徴としている。

本発明に係る回転機は、回転軸であるシャフト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が主であるが、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タイプを積極的に排除するものではない。

このような本発明の回転機では、ステータ鉄心の所定箇所に配置した単一の永久磁石の磁性をステータコアの周方向に持たせているため、ステータ鉄心のうち永久磁石と対向する位置に設けた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、永久磁石の磁束は、ステータ鉄心を経由して戻る短絡磁束になる。すなわち、抵抗の低い部分を通る磁束は、界磁巻線の起磁力がゼロの場合に、永久磁石の磁束が磁性ギャップの存在によってロータを通過しない。

一方、界磁巻線に所定方向の電流を流した場合、界磁巻線の磁束が永久磁石の磁束と反対方向の磁束として発生する。したがって、ステータ鉄心内を流れる永久磁石の磁束は、ステータ鉄心内において界磁巻線の磁束とぶつかり、ステータ鉄心のうち永久磁石を配置した部分からステータ鉄心のうち界磁巻線を配置した部分に到達するまでに存在するステータ極を通り、このステータ極と対向し得るロータ極との磁性ギャップを通過し、ロータ極、ロータ鉄心、他のロータ極、このロータ極と対向し得るステータ極との磁性ギャップ、ステータ極、ステータ鉄心をこの順で流れて永久磁石に至る。また、界磁巻線に所定方向の電流を流していない状態（界磁巻線非励磁状態）において界磁巻線の磁束は、ステータ鉄心のうち界磁巻線を配置した箇所を始点として捉えると、この始点からステータ鉄心内を流れ、ステータ鉄心内において永久磁石の磁束とぶつかり、永久磁石の磁束と共にステータ極を通り、このステータ極と対向し得るロータ極との磁性ギャップを通過し、ロータ極、ロータ鉄心、他のロータ極、このロータ極と対向し得るステータ極との磁性ギャップ、ステータ極、ステータ鉄心をこの順で流れて上述の始点に至る。

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（界磁巻線非励磁状態）であればロータに永久磁束が流れない状態または流れ難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、コギングトルクやロストルクをゼロまたは略ゼロとなり、高効率化を図ることができる。また、界磁巻線に所定方向の電流を流した状態（界磁巻線励磁状態）では、永久磁石の磁束と界磁巻線の磁束をロータに通過させる（永久磁石の磁束を界磁巻線の磁束とともにロータに流れる磁束に変化させる）ことができ、この状態でステータ巻線に電圧を印加すれば、永久磁石の磁束及び界磁巻線の磁束が、ステータ巻線に鎖交する界磁磁束として作用し、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。さらに、本発明の回転機では、ステータ極とロータ極の数を異ならせているため、正弦波励磁が利用可能であり、汎用のインバータを利用することができる。また、本発明の回転機では、正弦波励磁が利用可能であることから、ステータ極とロータ極の数が同数の場合に使用するパルス電源で駆動することができる。

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、ロータを通過する磁束量（永久磁石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、ひいては、ステータ巻線に鎖交する界磁磁束量を増減することができる。この際、永久磁石の界磁を弱める弱め界磁は不要であるため、永久磁石の減磁現象を防止することができるとともに、例えば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。

また、本発明の回転機は、ロータに永久磁石を付帯させる構成ではないため、ロータの高速回転中に永久磁石が飛散する事態を回避することができる。さらに、ロータに永久磁石を付帯させた回転機であれば永久磁石の飛散を防止するために設ける飛散防止部材が、本発明の回転機では不要であり、この点において、部品点数の削減と、永久磁石のうちステータに対向する面に飛散防止部材を取り付けることによる磁気ギャップの拡大化を回避することが可能であり、高効率化にも貢献する。

特に、本発明の回転機は、ロータを磁性体材料のみから形成することが可能である点においても有利である。

加えて、本発明の回転機は、ステータに付帯させた界磁巻線に電流を流さない状態で永久磁石の磁束はステータ内に留まるため、回転機の組立工程のうち、ステータの内部空間にロータ及びシャフトを組み付けたユニットを挿入する工程では、界磁巻線に電流を流さないことによって、永久磁石がロータに不意に吸引される事態を防止することができ、スムーズ且つ適切に挿入作業を行うことができる。

また、本発明では、ステータ及びロータの組をシャフトの軸方向に複数配置し、且つ各組同士の位相をシャフトの周方向にずらした回転機を構成することも可能である。この場合、例えば組数を「ｎ」とすれば、各組同士を、「３６０÷ｎ」度ずつシャフトの周方向にずらせばよい。そして、ステータ及びロータの組数ｎは当該回転機の位相数ｎを意味し、例えば３組であれば、当該回転機は３相構造となり、「３６０÷３」すなわち１２０度ずつシャフトの周方向にずらすことで、全ての相電流によるトルクは正方向となり、合成トルクは大きく、トルク脈動は小さくなる。仮に、３組のステータ及びシャフトの周方向にずらさない場合には、ある１相の電流によるトルクは正方向になるが、残り２相の電流によりトルクは負方向になり、トルク脈動が生じる。

本発明によれば、永久磁石及び界磁巻線をそれぞれ１つずつステータコアにおける対向位置に配置し、界磁巻線非励磁状態では磁性ギャップに漏れないか漏れ難くしてステータ内を流れるように磁気短絡させた永久磁石の磁束を、界磁巻線に電流を流すことで界磁巻線の磁束とともに磁性ギャップ及びロータに流れて、界磁磁束として作用し得る磁束に変化可能に構成しているため、回転数の変動や運転状況に応じて界磁の磁束量を調整することができ、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。

本発明の一実施形態に係る回転機の断面模式図。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。同実施形態に係る回転機の一変形例を示す図。図４の回転機のうちステータの配置を示す図。

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の径方向内側に配置したインナー可動型の回転機Ｘである。

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。

ステータ１は、ステータコア１１（本発明のステータ鉄心に相当）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Ａ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、各ステータティース１２に巻回されたステータ巻線１３と、ステータコア１１のうち所定箇所（図示例では四角筒状をなすステータコア１１の一つの辺の中央部）に配置した単一の永久磁石１４と、ステータコア１１のうち永久磁石１４と対向する位置に巻回して設けた単一の界磁巻線１５とを有するものである。

ステータコア１１は、シャフト３の軸方向に直交する断面形状がリング状をなす磁性体である。本実施形態では、周方向Ａに４分割した単位ステータコア１１ａを適宜の手段で一体的に接合したステータコア１１を適用しているが、周方向Ａに分割していないステータコアであっても勿論構わない。ステータコア１１の一部には、永久磁石１４を配置する空洞部１１ｓを形成している。この空洞部１１ｓは、図１に示すように、ステータコア１１を厚み方向（シャフト３の径方向）に貫通するものであってもよいし、ステータコア１１を厚み方向に所定領域分だけ窪ませたもの（図示省略）であってもよい。また、本実施形態では、シャフト３の軸方向に直交する断面形状が略四角筒形状（角部は部分円筒状）をなすステータコア１１を適用しているが、四角筒形以外の多角筒状または円筒形状のステータコア１１であってもよい。本実施形態のステータコア１１は、角部にシャフト３の軸方向に貫通する貫通孔を形成し、この貫通孔を通じてステータ１を取付対象物に固定することができる。

ステータティース１２は、ステータコア１１の内向き面からロータ２側（シャフト３の径方向内側）に向かって突出するものである。本実施形態の回転機Ｘは、ステータコア１１の各角部からロータ２に向かって突出する計４つのステータティース１２を有し、各ステータティース１２にステータ巻線１３を巻回している。

そして、本実施形態の回転機Ｘは、ステータコア１１の空洞部１１ｓに永久磁石１４を配置している。本実施形態では、シャフト３の径方向に沿った寸法をステータコア１１の厚みと同一または略同一の寸法に設定した永久磁石１４を適用している。この永久磁石１４は、ステータコア１１の周方向Ａに磁性を持たせたものである。図１では、同図におけるステータコア１１の周方向Ａ左側の面をＳ極、ステータコア１１の周方向Ａ右側の面をＮ極に着磁した永久磁石１４をステータコア１１の一部に配置した構成を例示している。本実施形態の永久磁石１４は、Ｓ極及びＮ極をそれぞれステータコア１１の端面（空洞部１１ｓの開口縁）と隙間無く密着させた状態でステータコア１１の一部に配置されている。

界磁巻線１５は、ステータコア１１のうち永久磁石１４と対向する位置に巻回したものである。この界磁巻線１５に直流電流を流すと、永久磁石１４の磁束と反対方向の磁束が生じるように設定している。

本実施形態では、四角筒形状をなすステータコア１１のうち対向する２辺のうち一方の辺（図１では上側の辺）に永久磁石１４を配置し、他方の辺（図１では下側の辺）に界磁巻線１５を巻回している。したがって、ステータコア１１の各角部にステータティース１２を設けた本実施形態の回転機Ｘは、ステータコア１１のうち永久磁石１４を配置した箇所と界磁巻線１５を巻回した箇所の間において周方向Ａに等ピッチで２ｎ（ｎはゼロを除く正の整数であり、本実施形態であれば１である）本のステータティース１２を有するものである。また、本実施形態の回転機Ｘでは、シャフト３を挟んで対向するステータティース１２同士を同極相に設定している。

ロータ２は、図１に示すように、リング状のロータコア２１（本発明のロータ鉄心に相当）と、ロータコア２１からステータ１側（シャフト３の径方向外側）に向かって突出するロータティース２２（本発明のロータ極に相当）とを有する磁性体である。本実施形態のロータ２は、ロータコア２１及びロータティース２２を一体に形成している。なお、本実施形態では、周方向Ａに６分割した単位ロータコア２１を適宜の手段で一体的に接合したロータコア２１を適用しているが、周方向Ａに分割していないロータコアであってもよい。また、ロータコア２１の中心部には、シャフト３が挿通可能なシャフト挿通孔２１ｓを形成している。シャフト挿通孔２１ｓに挿通したシャフト３はロータ２と一体回転可能である。

図１に示す本実施形態の回転機Ｘは、円筒状をなすロータコア２１の外向き面（外周面）から６本のロータティース２２を放射状に突出させたものである。ここで、本実施形態の回転機Ｘでは、リング状をなすステータコア１１の内向き面に等ピッチで設けたステータティース１２と、リング状をなすロータコア２１の外向き面に等ピッチで設けたロータティース２２との数を相互に異ならせている。本実施形態では、ステータティース１２の本数を４に設定し、ロータティース２２の本数を６に設定している。

そして、本実施形態の回転機Ｘは、ステータ１とロータ２の間、より具体的にはステータティース１２とロータティース２２の間に、回転軸Ｗの周方向Ａに周回する磁気ギャップを形成している。本実施形態では、各ステータティース１２の内向き面（突出端面）をシャフト３の軸中心を中心とする同一円弧上に一致する部分円弧面に設定するとともに、各ロータティース２２の外向き面（突出端面）を各ステータティース１２の内向き面と同心円であって各ステータティース１２の内向き面よりも径を僅かに小さく設定した円弧上に一致する部分円弧面に設定している。

ここで、本実施形態の回転機Ｘは、図シャフト３の軸方向Ａ（以下、単に「軸方向Ａ」と称する場合がある）に複数のロータ２を配置し、各ロータ２にはそれぞれステータ１を対応付けて配置している。そして、これらステータ１及びロータ２の組をシャフト３の軸方向に配置し、各組同士の位相をシャフト３の周方向Ａに互いに所定角度、具体的には、組数を「ｎ」とした場合、「３６０÷ｎ」の角度ずつシャフト３の周方向にずらした状態で配置している。ずらせばよい。ここで、組数ｎは回転機Ｘの相数を意味し、例えばステータ１及びロータ２の組を３組有する回転機Ｘは、３相の回転機Ｘであり、ステータ１及びロータ２の組をシャフト３の周方向に１２０度ずつずらした状態で配置している。

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、ステータコア１１に設けた界磁巻線１５に直流電流が流れていない場合（界磁巻線非励磁状態）、永久磁石１４の磁束（以下では「磁石磁束」と称する場合がある）は、図２（同図は、界磁巻線非励磁状態における永久磁石１４の磁束を模式的に示したものであり、図１と比較してステータ１やロータ２の各部分の外縁形状に多少の歪みが現れているが、その歪みに本質的な意味はなく、永久磁石１４の磁束自体の歪みも本質的な意味はない。図２に示すように、例えば永久磁石１４のうちＮ極に着磁された面（Ｎ極着磁面）を始点として捉えると、この永久磁石１４のＮ極着磁面、ステータコア１１を流れて、永久磁石１４の他方の着磁面（Ｓ極着磁面）に至る。すなわち、永久磁石１４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１４の磁束はステータコア１１を経由して戻る短絡磁束になる。この界磁巻線非励磁状態における永久磁石１４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ステータ１内におさまり、ロータ２に流れない。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１４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１５に所定方向の直流電流を流した場合（界磁巻線励磁状態）、具体的には、図３に示すように、非励磁状態磁石磁束の向きと反対になる方向の直流電流を界磁巻線１５に流した場合、磁石磁束は、ステータコア１１内において界磁巻線１５の磁束とぶつかり、界磁巻線１５の磁束が抵抗となって界磁巻線１５の磁束よりも抵抗の小さいロータ２とステータ１の磁気ギャップを通過し、ロータティース２２、ロータコア２１、他のロータティース２２、このロータティース２２とステータティース１２の磁気ギャップ、ステータティース１２、ステータコア１１を流れて永久磁石１４に戻る磁束となる。そして、界磁巻線１５に流す直流電流を大きくすればするほど、界磁巻線１５の磁束量を増量させることができ、ステータコア１１のうち界磁巻線１５を配置した領域及びその近傍領域が磁気飽和に近い状態になり、これらの領域に磁石磁束は流れ難くなり、その分だけ磁気ギャップ及びロータ２に流れる磁石磁束の量が多くなる。

そして、本実施形態の回転機Ｘは、所定値以上の電流（大電流）を界磁巻線１５に流した場合（界磁巻線励磁状態）に、ステータコア１１のうち界磁巻線１５を配置した領域及びその近傍領域が磁気飽和になり、図３に示すように、これらの領域に磁石磁束は流れず、全部または略全部の磁石磁束が磁気ギャップに漏れて、ロータ２に流れる磁石磁束の量が多くなる。また、界磁巻線１５の磁束も、ロータコア２１、ロータティース２２、磁気ギャップ、ロータティース２２、ロータコア２１、他のロータティース２２、このロータティース２２とステータティース１２の磁気ギャップ、ステータティース１２、ステータコア１１をこの順に流れる。したがって、界磁巻線１５に流す電流量の増大に伴って、ロータ２を通過する総磁束量（磁石磁束と界磁巻線１５の磁束の総和）も増大する。

そして、本実施形態に係る回転機Ｘにおいて、磁石磁束が界磁巻線１５の磁束とともにロータ２に流れる状態で、さらにステータ巻線１３にも電流を流した場合に誘起電圧が発生し、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１５に流す電流量（界磁電力）を調節することで、ロータ２を流れる磁束量（永久磁石１４の磁束と界磁巻線１５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、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１５に所定方向の直流電流を流して界磁巻線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。

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１５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１５の磁束と、この界磁巻線１５の磁束に誘導される永久磁石１４の磁束をロータ２に通過させることができ、ロータ２を流れてステータ巻線１３に鎖交する界磁の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１５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。

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ロータ２を通過してステータ巻線１３に鎖交する磁束量を低速域よりも減少させて、ロータ２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では、ロータ２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。

また、本実施形態に係る回転機Ｘは、高速域では、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ことができる。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１５の磁束量がゼロに近付き、ロータ２を通過してステータ巻線１３に鎖交する磁束量が中速域よりも減少し、ロータ２における磁束密度をさらに抑えることができる。また、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１５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。

このような構成をなす本実施形態の回転機Ｘは、界磁巻線非励磁状態において永久磁石１４の磁束がロータ２を通過しない又は殆ど通過しないように構成しているため、ロータ２を経由してステータ巻線１３に鎖交する磁束をゼロまたは略ゼロにすることができ、コギングトルクをゼロまたは略ゼロにすることが可能である。また、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１５に一方向の電流を流した場合に、界磁巻線１５の磁束と共に永久磁石１４の磁束が、ロータ２内を通過してステータ巻線１３に鎖交する状態となり、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１５に流す電流量を調節することで、ロータ２を経由してステータ巻線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１４の界磁を弱める弱め界磁は不要であるため、永久磁石１４を構成する永久磁石１４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１５に流す電流方向は一定方向のみであるため、界磁巻線１５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。

このように、本実施形態の回転機Ｘであれば、界磁巻線１５の起磁力がゼロの場合にはロータ２を通過しない永久磁石１４の磁束を、界磁巻線１５に電流を流すことで界磁巻線１５の磁束に重畳させて、ロータ２を通過してステータ巻線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１４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。

また、本実施形態の回転機Ｘは、ロータ２に永久磁石１４を付帯させる構成ではないため、ロータ２の高速回転中に永久磁石１４が飛散する事態を回避することができる。さらにまた、本実施形態の回転機Ｘは、ロータ２に永久磁石１４を付帯させた構成であれば永久磁石１４の飛散を防止するために設ける飛散防止部材が不要であり、この点において、部品点数の削減と、飛散防止部材の存在による磁気ギャップの拡大化防止を実現することができる。

特に、本実施形態の回転機Ｘは、ロータ２を磁性体材料のみから形成することが可能である点においても有利である。

加えて、本実施形態の回転機Ｘは、ステータ１に付帯させた界磁巻線１５に電流を流さない状態で永久磁石１４の磁束はステータ１内に留まるため、回転機Ｘの組立工程のうち、ステータ１の内部空間にロータ２及びシャフト３を組み付けたユニットを挿入する工程では、界磁巻線１５に電流を流さないことによって、永久磁石１４がロータ２に不意に吸引される事態を防止することができ、スムーズ且つ適切に挿入作業を行うことができる。

さらに、本実施形態の回転機Ｘでは、ステータ極１２とロータ極２２の数を異ならせているため、正弦波励磁が利用可能であり、汎用のインバータを利用することができる。また、本実施形態の回転機Ｘでは、正弦波励磁が利用可能であることから、ステータ極１２とロータ極２２の数が同数の場合に使用するパルス電源で駆動することができ、実用性及び汎用性に富む。

また、本実施形態の回転機Ｘは、ステータ１及びロータ２の組を複数組備え、シャフト３の軸方向に並ぶ各組同士の位相をシャフト３の周方向に所定角度、具体的には、１回転３６０度をステータ１及びロータ２の組数ｎで除算した値、３組であれば１２０度ずつシャフト３の周方向にずらして配置しているため、全ての相電流によるトルクは正方向となり、合成トルクは大きく、トルク脈動は小さくなる。

なお、本発明は上述した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、ステータコアやロータコアは、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。ステータティースやロータティースの数や回転軸の周方向に隣り合うティース同士のピッチは適宜変更することができる。

ステータコアの外縁形状（径方向外向き面の形状）や内縁形状（径方向内向き面の形状）は、上述の実施形態で示した形状に限らず、円形や、四角形以外の多角形状であってもよく、径方向外向き面の形状と径方向内向き面の形状が相互に異なるものであっても構わない。図４には、径方向外向き面の形状が円形であり、径方向内向き面が略八角形状のステータコア１１を採用した回転機Ｘを示す。なお、図４に示す回転機Ｘは、図１に示す回転機Ｘに準じた構成を有するものであり、図１における各パーツや部分にそれぞれ対応するパーツ・部分には同じ符号を付している。また、図４に示す回転機Ｘは、ステータ１及びロータ２の組を３組備えた３相タイプであり、図４及び図４の各ステータ１同士の間隔を大きくして示す図５から把握できるように、シャフト３の軸方向に並べて配置する３組のステータ１及びロータ２の組同士の位相を１２０度ずつシャフト３の周方向にずらした状態で配置している。図５に基づいて具体的に説明すると、シャフト３の軸方向に並ぶ３つのステータ１のうち、真ん中のステータ１の永久磁石１４の中心を基準（基準点）とし、同図左下（手前）のステータ１の永久磁石１４の中心を基準点に対してシャフト３の周方向にマイナス１２０度ずらし、同図右上（奥方）のステータ１の永久磁石１４の中心を基準点に対してシャフト３の周方向にプラス１２０度ずらした状態で配置している。これにより、各ステータ１に付帯させた界磁巻線１５の電流位相は１２０度の位相ずれになる。その結果、全ての相電流によるトルクは正方向となり、合成トルクは大きく、トルク脈動は小さくなる。特に、シャフト３の軸方向に並べて配置する複数組のステータ１及びロータ２の組同士の位相を所定角度ずつシャフト３の周方向にずらすべく、永久磁石１４及び界磁巻線１５をそれぞれ有する各ステータ１の位置を所定角度ずつシャフト３の周方向にずらすことで、各ステータ１にそれぞれ巻回された界磁巻線１５がシャフト３の軸方向において相互に干渉する事態を回避することができる。

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
１１…ステータ鉄心（ステータコア）
１２…ステータ極（ステータティース）
１３…ステータ巻線
１４…永久磁石
１５…界磁巻線
２…ロータ
２１…ロータ鉄心（ロータコア）
２２…ロータ極（ロータティース）
３…ロータ支持部材（シャフト）
Ｘ…回転機

Claims

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シャフトとを備えた回転機であって、
前記ステータは、
リング状のステータ鉄心と、前記ステータ鉄心の所定箇所に設けられ且つ周方向に磁性を持たせた単一の永久磁石と、前記ステータ鉄心のうち前記永久磁石と対向する位置に巻回され且つ前記永久磁石の磁束と反対方向の磁束を発生する単一の界磁巻線と、前記ステータ鉄心のうち前記永久磁石と前記界磁巻線の間において前記ロータに向かって突出し且つ周方向に等ピッチで設けた２ｎ（ｎはゼロを除く正の整数）の複数のステータ極と、これら各ステータ極に巻回したステータ巻線とを備え、対向する前記ステータ極同士を同極相に設定したものであり、
前記ロータは、
リング状のロータ鉄心と、前記ロータ鉄心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前記ステータ極とは異なる数のロータ極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ステータ極と前記ロータ極の前記磁性ギャップを通過すること無く前記ステータ内部を通過する前記永久磁石の磁束を、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磁性ギャップ及び前記ロータを通過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。
前記ステータ及び前記ステータの組を前記シャフトの軸方向に複数配置し、且つ各組同士の位相を前記シャフトの周方向にずらしている請求項１に記載の回転機。