JP2016059099A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】損失エネルギーを回収して自己励磁させる電磁石を有効利用しトルクを向上させる構造を容易に構築できる回転電機を提供すること。
【解決手段】
通電により磁束を発生させる電機子極コイル１４を有するステータ１１と、磁束の通過により回転するロータ２１と、を備える回転電機１００であって、ロータは、磁束に重畳する空間高調波成分が鎖交することにより誘導電流を発生する誘導コイル２７が巻かれた複数の補極部材２５と、誘導電流が通電することにより電磁力を発生する電磁石コイル２８が巻かれた複数のロータティース２２と、を有し、補極部材は、隣接するロータティースの間でロータの径方向に延伸するように支持されて誘導コイルが巻かれる本体部３１と、本体部に連結されて、隣接するロータティースの対面する両側面２２ｂに支持される脚部３５と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機に関し、詳しくは、自己励磁による電磁石を備えて高効率回転を実現するためのコイルをロータ側に容易に設置可能にする構造に関する。

回転電機は、各種駆動装置に駆動源として搭載されており、例えば、車載するために、ロータ側に永久磁石を埋め込んでマグネットトルクを利用し大出力（大トルク）を得られるようにするＩＰＭモータ（Interior Permanent Magnet Motor）が知られている。このＩＰＭモータは、小型化や高出力化（高エネルギー密度化）の要求から、残留磁束密度が高く、耐熱性を確保できるネオジウム磁石を採用することが一般的に行われている。このネオジウム磁石は、Ｄｙ（ジスプロシウム）やＴｂ（テルビウム）のように高価な希土類を添加するものであることからコスト高の要因になるとともに、台数の増加に対応しつつ将来に渡って供給を確保することが不安定になる可能性がある。

このことから、近年の回転電機では、永久磁石を電磁石に置き換えた巻線界磁同期モータが提案されており、この巻線界磁同期モータには、外部電源から電力供給を受けてロータ側コイルでの界磁電流とする他励式と、ロータ側コイルで誘導電流を発生させて界磁電流とする自励式とが提案されている。

他励式の巻線界磁同期モータでは、スリップリングなどを介してロータ側にも電力供給する必要があり、回路設計が複雑になるとともに、コスト高になる。これに対して、自励式の巻線界磁同期モータは、ロータへの電力供給を不要にできることから、大出力（大トルク）を得られるのであれば車載用には好適である。特に、ハイブリッド自動車（Hybrid Electric Vehicle）や電気自動車（Electric Vehicle）には大出力が必要である。

この自励式の巻線界磁同期モータとしては、例えば、非特許文献１に記載されているような安価に作製可能なリラクタンスモータ構造で高効率回転を実現して、トルク向上等の特性改善を図ることが提案されている。

この非特許文献１に記載の自励式の巻線界磁同期モータでは、ステータ側の電機子極コイルに供給する駆動電流の基本周波数よりも高い周波数の磁束をロータ側に鎖交させて、そのロータ側に配置する自己励磁用コイル（誘導コイル）に誘導電流を発生させる。この自己励磁式では、その誘導電流を半波整流した後に自己励磁用コイルに供給することにより、自己励磁用コイルを電磁石コイルとしても機能させている。

しかし、非特許文献１に記載の自己励磁では、自己励磁用コイルを電磁石コイルとしても機能させるように兼用させることから、磁気的な干渉が生じて誘導電流を効率よく発生させることができず、また、発生する電磁力も弱めてしまう。

また、非特許文献１に記載の構造では、ロータの外面から離隔する深部まで自己励磁用コイルを配置するが、磁束の高周波成分（空間高調波成分）はロータ深部まで進入する（鎖交する）ことができずに、自己励磁用コイルに非常に小さな誘導電流しか発生させることができない。

なお、誘導電流を発生させる誘導コイルと、その誘導電流を界磁電流として利用し電磁石として機能する電磁石コイルと、をそれぞれ備えさせることは特許文献１に提案されている。この回転電機では、誘導コイルと電磁石コイルとを異なる役割で機能するようにして、効率のよい自己励磁を実現する。

特開２０１４− ５４０６７号公報

野中作太郎著「自励形単相同期電動機」電気学会雑誌７８巻８４２号、１９５８年１１月、Ｐ．１８−２６

しかしながら、このように、誘導コイルと電磁石コイルとを共通の突極に配置する回転電機にあっては、効果的に磁束を鎖交させつつ、磁束密度を考慮した磁路を確保して磁束の高周波成分を有効利用することが難しい。

そこで、本発明は、損失エネルギーを回収して自己励磁させる電磁石を有効利用しトルクを向上させることのできる回転電機を提供することを目的としている。

上記課題を解決する回転電機の発明の一態様は、通電により磁束を発生させる電機子極コイルを有するステータと、前記磁束の通過により回転するロータと、を備える回転電機であって、前記ロータは、前記磁束に重畳する空間高調波成分が鎖交することにより誘導電流を発生する誘導コイルが巻かれた複数の補極部と、前記誘導電流が通電することにより電磁力を発生する電磁石コイルが巻かれた複数の突極部と、を有し、前記補極部は、隣接する前記突極部の間で前記ロータの径方向に延伸するように支持されて前記誘導コイルが巻かれる本体部と、前記本体部に連結されて、隣接する前記突極部の対面する両側面に支持される支持部と、を有するものである。

このように本発明の一態様によれば、空間高調波成分によって発生された誘導電流を界磁電流として電磁石コイルに供給して電磁力を発生させる、誘導コイルと電磁石コイルのそれぞれを別個の突極部と補極部（本体部）に容易に配置することができる。

したがって、損失エネルギーを回収して自己励磁させる電磁石を有効利用しトルクを向上させることのできる回転電機を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図であり、その概略全体構成を示す円形のうちの半円部分の径方向断面図である。 図２は、誘導コイルと電磁石コイルとをダイオードを介して接続する簡易な回路構成図である。 図３は、空間高調波の重畳する磁束特性を示す磁束線図である。 図４は、誘導コイルを巻き付ける補極部材のロータティースへの取付状態を示す一部断面拡大図である。 図５は、誘導コイルを巻き付けた補極部材のロータへの取付状態を電磁石コイルと共に示す一部断面拡大斜視図である。 図６は、ロータの回転シャフトへの取付状態を示す一部断面斜視図である。 図７は、本実施形態の第２の他の態様を示す図であり、その誘導コイルを巻き付ける補極部材のロータティースへの取付状態を示す一部断面拡大図である。 図８は、本実施形態の第３の他の態様を示す図であり、その誘導コイルを巻き付ける補極部材のロータティースへの取付状態を示す一部断面拡大図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。図１〜図６は本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図である。

図１において、回転電機１００は、後述するように、外部からロータ２１にエネルギー入力する必要のない構造を有しており、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車に搭載するのに好適な性能を有している。

回転電機１００は、概略円筒形状に形成されたステータ（固定子）１１と、図６に示すシャフト１０１に固定されてステータ１１内に収納されるロータ（回転子）２１と、を備えており、ロータ２１は、シャフト１０１の軸心を回転軸に一致させるようにベアリング１０２により支持されて回転自在に取り付けられている。

ステータ１１には、ロータ２１のロータティース２２の外周面２２ａにエアギャップＧを介して内周面１２ａ側を近接対面させるように、径方向に延長されて突極形状に形成されている複数本のステータティース１２が周方向に均等配置されている。ステータティース（突極部）１２には、隣接する側面２２ｂ間に形成される空間のスロット１３を利用して、相毎の３相巻線をそれぞれ個々に集中巻きすることにより電機子極コイル１４が形成されている。ステータティース１２は、電機子極コイル１４に駆動電流を入力することにより、内部に対面収納されているロータ２１を回転させる磁束を発生する電磁石として機能する。

ロータ２１には、ステータティース１２と同様に径方向に延長されて突極形状に形成されている複数本のロータティース２２が周方向に均等配置されている。ロータティース２２は、ステータティース１２と全周方向の本数を異ならせて、相対回転時に外周面２２ａがステータティース１２の内周面１２ａに適宜近接対面するように形成されている。

これにより、回転電機１００は、ステータ１１のスロット１３内の電機子極コイル１４が通電されることにより磁束が発生し、その磁束をステータティース１２の内周面１２ａから対面するロータティース２２の外周面２２ａに鎖交させることができる。この回転電機１００では、ステータティース１２との間で鎖交する磁束が通過する磁路を最短にしようとするリラクタンストルク（主回転力）によりロータ２１を相対回転させる。この結果、回転電機１００は、ステータ１１内で相対回転するロータ２１と軸心を一致させつつ一体回転するシャフト１０１から通電入力する電気的エネルギーを機械的エネルギーとして出力することができる。すなわち、回転電機１００は、リラクタンスモータとして構築されている。

このとき、回転電機１００では、ステータティース１２の内周面１２ａからロータティース２２の外周面２２ａに鎖交する磁束には空間高調波成分が重畳している。このため、ロータ２１側でも、ステータ１１側から鎖交する磁束の空間高調波成分の磁束密度の変化を利用して、内蔵するコイルに誘導電流（補助電流）を発生させ電磁力を得ることができる。

詳細には、ステータ１１の電機子極コイル１４に基本周波数の駆動電力を供給するだけでは、ロータ２１（ロータティース２２）をその基本周波数で変動する主磁束で回転させるだけであることから、ロータ２１側にコイルを単に配置しても鎖交する磁束に変化はなく誘導電流が生じることはない。

その一方で、磁束には空間高調波成分が重畳しており、その空間高調波成分は基本周波数と異なる周期で時間的に変化しつつロータティース２２に外周面２２ａ側から鎖交する。このことから、基本周波数の磁束に重畳する空間高調波成分は、ロータティース２２の外周面２２ａの近傍にコイルを設置することにより、別途入力することなく、効率よく誘導電流を発生させることができる。この結果、鉄損の原因となる空間高調波磁束は自己励磁するためのエネルギーとして回収することができる。

ところで、リラクタンスモータとしては、図示することは省略するが、ロータティース２２の隣接する側面２２ｂ間に形成される空間をスロット２３として利用して、そのロータティース２２に巻線を巻き付けて径方向２段の集中巻を形成することにより、外周面２２ａ側に誘導コイルを形成し、その軸心側に電磁石コイルを配置することが考えられる。

この構造では、誘導コイルは、ステータティース１２の内周面１２ａからロータティース２２の外周面２２ａに鎖交する磁束の空間高調波成分、すなわち、磁束密度の変化により誘導電流を発生させて電磁石コイルに供給することができる。このため、電磁石コイルは、その誘導コイルから受け取った誘導電流を界磁電流として自己励磁することにより、磁束（電磁力）を発生させることができる。要するに、ロータティース２２自体に誘導コイルと電磁石コイルを配置して、誘導電流を界磁電流として利用可能な独立回路を備えさせることで、主回転力を発生する電機子極コイル１４の磁束とは別に鎖交する磁束が通過磁路を最短にしようとするリラクタンストルク（補助回転力）を得て、ロータ２１の相対回転を補助することができ、また、損失要因となっていた磁束の空間高調波成分をエネルギーとして回収して利用することができる。

ここで、このようにロータティース２２にコイルを巻くことは、野中作太郎著「自励形単相同期電動機」電気学会雑誌７８巻８４２号、１９５８年１１月、Ｐ．１８−２６にも記載されている。この非特許文献１に記載のリラクタンスモータは、基本周波数よりも高い周波数の磁束がロータ側コイルに鎖交することで誘導電流を発生させるものであり、その誘導電流を整流素子（ダイオード）で半波整流して戻すことにより、そのロータ側コイルを自己励磁式の電磁石として機能させるようになっている。

しかしながら、この文献に記載の自己励磁技術には、次のような課題がある。
１．ロータ側のコイルとしては、誘導電流を発生させるコイルおよび整流した誘導電流を界磁電流として流すコイルとして兼用するので、磁気的な干渉が生じて効率よく誘導電流を発生させることができず、また、起磁力も非常に小さくなってしまう。
２．基本周波数よりも高い高次の磁束の高周波成分は、ロータ２１（ロータティース２２）に鎖交するにしても外周面２２ａ付近に分布するのに留まるため、軸心側にコイルを配置してしまうと非常に小さな誘導電流しか発生しない。なお、ロータ側コイルは、ロータティース２２の外周面２２ａ付近に設置するにしても、現実的には無理がある。例えば、線径の細い導線の極少量を巻いてコイルとしても、導体抵抗が高くなって、その結果、銅損が増加して効率のよい電磁石として機能させるのは難しい。また、ロータ表面では、ステータ側に接触してしまう懸念も生じてしまう。
３．ステータ１１側のコイルとしては、分布巻にしてしまうと、高次の高調波が磁束に重畳する傾向にあり、上述するように、高次の磁束の高周波成分ではより小さな誘導電流しか期待できない。要するに、コイルの巻き方としては、分布巻は不適当である。
４．この文献では、基本周波数の２倍の高調波磁束でロータ側コイルを励磁するように説明するが、２次の高調波磁束で発生する誘導電流は整流合成したときに谷ができてしまう。また、誘導電流は磁束の時間変化が大きいほど大電流となるので、高くなり過ぎない３次程度の高調波磁束の方が有利である。

そこで、本実施形態の回転電機１００では、ロータ２１側において、補極部材（補極部）２５に集中巻線した誘導コイル２７の全体をロータティース２２間のスロット２３内に収容して回転方向に並列配置するとともに、直列接続して集中巻して形成した電磁石コイル２８（２８ａ、２８ｂ）がロータティース２２の全体で１段となるように配置されている。

誘導コイル２７は、電磁鋼（磁性体）からなる補極部材２５を採用することにより、透磁率を高めて磁束を高密度に鎖交可能にしており、ステータティース１２の内周面１２ａに極力小さなエアギャップＧを介して対面する磁路上に位置させることで、より多くの空間高調波磁束を鎖交させるようになっている。この誘導コイル２７は、ステータティース１２の内周面１２ａからロータティース２２の外周面２２ａ側に鎖交する磁束の３次の空間高調波成分を有効利用するように磁界解析を行って厳密に空間高調波磁路を確認することにより、効率よく誘導電流を発生させることができるように設置している。なお、誘導コイル２７は、電磁石コイル２８との間に必要十分な空隙を確保するようにロータティース２２の間に位置するように配置されている。

このように、集中巻構造を採用することにより、誘導コイル２７や電磁石コイル２８では、複数スロットに亘って周方向に巻線をする必要がなく、全体的に小型化することができる。また、誘導コイル２７では、１次側での銅損損失を低減しつつ、低次である３次の空間高調波磁束の鎖交による誘導電流を効率よく発生させて、回収可能な損失エネルギーを増加させることができる。

また、誘導コイル２７には、３次の空間高調波磁束を利用することにより、上述の非特許文献１で説明する２次の空間高調波磁束を利用する場合よりも、効果的に誘導電流を発生させることができる。具体的には、誘導電流は２次よりも３次の空間高調波磁束を利用する方が磁束の時間変化を大きくして大電流にすることができ、効率よく回収することができる。なお、この非特許文献１では、ロータの軸心側深部に巻線したコイルが図示されており、空間高調波の鎖交領域が考慮されておらず、有効利用できる構造になっていない。

そして、誘導コイル２７は、後述するように、ロータティース２２の外周面２２ａの間で磁気的に独立する形態でスロット２３内に配置されている。
また、電磁石コイル２８は、ロータティース２２の全長にわたって巻線することにより全体を有効利用して磁束を発生させる。
このように、誘導コイル２７および電磁石コイル２８は、磁束経路が干渉し合わないように分割されているので、磁気的干渉を低減することができ、効率よく誘導電流を発生させることができるとともに、効果的に電磁石として機能させて磁束を発生させることができる。

さらに、誘導コイル２７は、ロータ２１の径方向に対して同一の周回巻線となる集中巻に形成されて、ロータ２１の周方向に配列されて並列接続されている。また、電磁石コイル２８は、ロータ２１の径方向に対して隣同士が逆向きの周回巻線となる集中巻に形成されて、ロータ２１の周方向の外周側と軸心側とを交互に接続する全直列接続にされている。

電磁石コイル２８は、図２に示すように、全直列接続されている両端部が、並列接続されている誘導コイル２７の両端部にそれぞれダイオード（整流素子）２９Ａ、２９Ｂを介して接続されている。すなわち、電磁石コイル２８は、巻線の巻き方向毎のコイル２８Ａ１〜２８Ａｎ（ｎ：極数／２）とコイル２８Ｂ１〜２８Ｂｎが全直列接続されており、その電磁石コイル２８Ａ１〜２８Ａｎ、２８Ｂ１〜２８Ｂｎに対応するように直列接続されている誘導コイル２７Ａ１〜２７Ａｎ、２７Ｂ１〜２７Ｂｎの両端部に並列接続されている。

ダイオード２９Ａ、２９Ｂは、誘導コイル２７や電磁石コイル２８を多極化させる場合でも、そのうちの電磁石コイル２８を全直列させることで使用数を抑えている。このダイオード２９Ａ、２９Ｂは、大量使用を回避するために、一般的なＨブリッジ型の全波整流回路を形成するのではなく、それぞれ１８０度位相差になるように結線して、一方の誘導電流を反転させて半波整流出力する中性点クランプ型の半波整流回路（整流素子）を形成している。

これにより、回転電機１００では、誘導コイル２７の透磁率の高い電磁鋼の補極部材２５に、電磁石コイル２８との干渉を極力少なく（誘導電流の減少を少なく）、ステータティース１２の内周面１２ａからロータティース２２の外周面２２ａ側に鎖交する磁束の空間高調波成分を通過させることにより、誘導電流を効率よく発生させて回収することができる。誘導コイル２７の個々に発生させる誘導電流は、ダイオード２９Ａ、２９Ｂで整流させた後に合流させて、直列接続させている電磁石コイル２８の個々に流し有効利用することができ、その電磁石コイル２８を効果的に自己励磁させて大きな磁束（電磁力）を発生させることができる。

この結果、回転電機１００は、励磁用と電磁石用とで分割して独立させる誘導コイル２７および電磁石コイル２８で、互いに干渉して弱め合ってしまうことを回避しつつ、発生する磁束を有効かつ平滑化させて利用することができ、効率よくエネルギーとして回収して出力することができる。すなわち、電磁石コイル２８がロータティース２２と共に突極を構成して、誘導コイル２７が補極部材２５と共に補極を構成している。

また、誘導コイル２７および電磁石コイル２８は、ロータ２１の周方向に複数配置して多極化しているので、上述の非特許文献１に記載のような２極モータの場合よりも、ロータティース２２の１歯当たりの鎖交する磁束量を周方向に分散化させることができ、個々のロータティース２２に作用する電磁力（リラクタンストルク）も周方向に分散化させて電磁振動を抑えることができ、静寂化させることができる。

このように、回転電機１００は、ロータ２１側に誘導コイル２７と電磁石コイル２８を設置することで、３次空間高調波磁束をステータ１１側のステータティース１２から効果的に鎖交させて効率よくリラクタンストルクを発生させることができる。例えば、図３に示すように、３次空間高調波磁束の磁界解析により求めた磁束線ＦＬを図示すると、電磁石コイル２８のロータティース２２の外周面２２ａに誘導コイル２７の補極部材２５の外端面３２ａを加えて、ステータ１１とロータ２１との間で磁束を鎖交させることができる。このため、ロータティース２２の外周面２２ａのみの場合よりも、ロータ２１の外周面側での磁束の鎖交面積を大きくして（鎖交位置を分散化させて）、磁気飽和してしまうことなく（磁気抵抗少なく）鎖交させて効率よくリラクタンストルクを発生させることができる。また、誘導コイル２７は、補極部材２５の外端面３２ａをロータ２１の外周側に位置させていることから、磁束を直交方向から鎖交させることができ、効率よく誘導電流を発生させることができる。

このため、回転電機１００では、電磁石コイル２８と周方向に並列させて誘導コイル２７を設置することで、その誘導コイル２７内に磁束を効果的に誘導して誘導電流を発生させ電磁石コイル２８に界磁電流として供給することができる。この結果、回転電機１００では、エアギャップＧ間を介して鎖交する３次空間高調波磁束が磁気飽和近くになって抑えられることを少なくして、より多くの磁束を誘導コイル２７に鎖交させて大容量の誘導電流を発生させることができる。

これにより、回転電機１００では、３次空間高調波磁束（磁束ベクトル）をロータティース２２の外周面２２ａ側に高密度に発生させつつ、誘導コイル２７を含めて、ステータティース１２の間の全体で鎖交させることができ、周方向の広範囲にリラクタンストルクを効果的に発生させて電機子極コイル１４による駆動力を補助することができる。

ここで、誘導コイル２７は、周囲との間の磁気抵抗が小さいと、ロータティース２２の突極比を低下させてしまうことになり、リラクタンストルクを著しく減少させてしまう。また、ロータティース２２に磁束が大量に流れ込むと、ステータ１１とロータ２１との相対的な位置関係によっては、負（逆回転）方向へのトルクが働いたり、磁気的干渉が生じたりしてトルク低下の要因となってしまうことがある。

このため、誘導コイル２７は、コイルを巻き付ける補極部材２５を後述する簡易な取付構造に形成してロータ２１に組み付けるようになっており、できるだけ小さな磁気結合のみに制限して磁気的に独立した状態でスロット２３内に配置することによりロータティース２２に磁気的に結合することによる不都合を回避するようになっている。

このことから、回転電機１００は、誘導コイル２７を電磁石コイル２８間に磁気的に独立させつつ並列させることにより、ロータ２１の回転を開始するのに伴って鎖交する３次空間高調波磁束を並列させていない場合よりも増加させることができ、誘導コイル２７に誘導電流を効率よく発生させて損失エネルギーを効果的に回収できる。また、この回転電機１００では、誘導コイル２７を電磁石コイル２８間に並列させることで、発生させる誘導電流の波形を安定させることができ、定常トルクを向上させるとともに、トルクリプルを低減させて、トルク特性を高品質にすることができる。

そして、回転電機１００は、３ｆ次の空間高調波磁束（ｆ＝１、２、３・・・）を主に利用する構造として、ロータ２１側の突極（ロータティース２２）の数Ｐ：ステータ１１側のスロット１３の数Ｓが２：３になる構造に作製されている。例えば、３次の空間高調波磁束は、電機子極コイル１４に入力する基本周波数よりも周波数が高いために短周期で脈動する。このため、ロータ２１は、ロータティース２２間の誘導コイル２７に鎖交する磁束強度が変化することにより、効率的に誘導電流を発生させることができ、基本周波数の磁束に重畳する空間高調波成分の損失エネルギーを効率よく回収して回転することができる。

また、このように、回転電機１００は、ロータ２１側とステータ１１側の間での相対的な磁気的作用の品質を決定する構造として、ロータティース突極数Ｐとステータスロット数Ｓの比としてＰ／Ｓ＝２／３を採用するのは、電磁振動を低減して電磁騒音の小さな回転を実現するためである。

詳細には、上記と同様に磁束密度分布の磁界解析をすると、ロータティース突極数Ｐとステータスロット数Ｓの比に応じて、機械角３６０度内の周方向に磁束密度分布も分散化されるため、ステータ１１に働く電磁力分布にも偏在が認められることになる。

これに対して、回転電機１００では、ロータティース突極数Ｐ／ステータスロット数Ｓ＝２／３となる構造を採用することにより、機械角３６０度の全周に亘って均等な密度分布となる磁束を鎖交させることができ、ロータ２１をステータ１１内で高品質に回転させることができる。

これにより、回転電機１００では、空間高調波磁束を利用して、回転動作させることができるため、損失エネルギーを効率よく回収して、電磁振動を大幅に低減し静寂性高く回転させることができる。

このように、回転電機１００は、ステータ１１の電機子極コイル１４以外に電力供給することなく、ロータ２１側に配置する誘導コイル２７に誘導電流を効率よく発生させて電磁石コイル２８に界磁電流として供給し、自己励磁電磁石として機能させることができるため、電機子極コイル１４への電力供給による主回転力を補助する補助回転力（電磁力）を得て高効率回転させることができる。

図１に戻って、この回転電機１００の補極部材２５は、ロータ２１の軸心と平行なシャフト１０１が積層する電磁鋼板を貫通してネジ止め等する形態に代えて、ロータ２１におけるロータティース２２で対面する両側面２２ｂに脚部（支持部）３５を支持させるようになっており、誘導コイル２７を巻き付けた本体部３１をその脚部３５で連結支持してロータティース２２の側面２２ｂ間のスロット２３内に位置決め保持するようになっている。

補極部材２５の本体部３１は、回転軸と平行に延長されつつ、ロータ２１のロータティース２２の両側面２２ｂに対面して誘導コイル２７を巻き付け可能な板状になるように電磁鋼板を積層することにより形成されており、この本体部３１は、ロータティース２２間のスロット２３内で、回転軸からロータ２１の径方向外方に延伸して誘導コイル２７が巻き付けられ、その径方向外端部３２の外端面３２ａをステータ１１のステータティース１２の内周面１２ａに対面させるようにロータ２１に組み付けられている。なお、この補極部材２５の本体部３１は、外端部３２がロータ２１の外周面側を軸心側よりも厚くなるように形成されており、巻き付けた誘導コイル２７が回転時の遠心力でずれてしまうことを抑制するようになっている。ここで、ロータ２１の径方向外方とは、軸心を通る直線上において軸心から外周面の外側に向かう方向を意味する。

補極部材２５の脚部３５は、回転軸と平行に延長され、電磁鋼板を積層することにより形成されている。この補極部材２５の脚部３５は、本体部３１のロータ２１の径方向内方端部３１ｉからロータティース２２の両側面２２ｂに向かって支持するように延伸された板状になるように形成されている。また、この脚部３５は、先端部（延伸端部）３６を、ロータティース２２の両側面２２ｂに形成されている支持溝３９内に嵌め込むことにより組み付けて（連結させて）本体部３１を支持するようになっている。ここで、ロータ２１の径方向内方とは、軸心を通る直線上において外周面から軸心側に向かう方向を意味する。

この補極部材２５の脚部３５は、本体部３１を支持する十分な強度を確保し、幅をできるだけ狭く形成した電磁鋼板を積層して形成されており、例えば、積層する電磁鋼板の２枚分の厚さ以下の幅で回転軸方向に延長される形状に形成されている。すなわち、この脚部３５は、本体部３１とロータティース２２との間を通過する磁束量をできるだけ制限するように断面積の小さな板状にして、補極部材２５がロータティース２２と別個の磁極（補極）として機能する磁気的に独立した形態で支持するように形成されている。

また、図４に示すように、ロータティース２２の支持溝３９は、側面２２ｂの開口部３９ａよりも深部３９ｂ側ほど開口幅が大きくなるように形成されている。そして、補極部材２５の脚部３５の先端部３６は、その支持溝３９と略同一形状に形成されている。この補極部材２５は、脚部３５の先端部３６をロータティース２２の支持溝３９内に回転軸方向の端面側から嵌め込んでスライドさせることにより組み付けるようになっている。

これにより、ロータ２１は、補極部材２５の脚部３５を通過する磁束量が制限され、磁束線ＦＬが直ちに密になるため、図３中の黒塗りの領域Ｓとして図示するように、簡単に磁気飽和する。このような構造から、補極部材２５とロータティース２２との磁気結合を抑制することができ、補極部材２５をロータティース２２から磁気的に十分に独立した状態で支持することができる。このため、ロータティース２２と補極部材２５のそれぞれに鎖交する磁束が干渉しあって誘導電流や電磁力の発生効率を低下させてしまうことを回避することができ、ロータ２１を大トルクで高効率回転させることができる。

また、この構造により、ロータ２１は、補極部材２５をロータティース２２に支持させる前に、そのロータティース２２の軸心側内方側またはロータティース２２の全体に、電磁石コイル２８の一部または全部を巻き付けることができ、この後に、補極部材２５の脚部３５をロータティース２２の支持溝３９に嵌め込んで支持させることができる。

このとき、誘導コイル２７は、ロータティース２２に補極部材２５の脚部３５を支持させる前に、あるいは、支持させた後に、本体部３１に巻き付ければよい。また、電磁石コイル２８は、補極部材２５の脚部３５よりも径方向内方の第１コイル２８ａと、補極部材２５の脚部３５よりも径方向外方の第２コイル２８ｂとに分割した状態でロータティース２２に巻き付けられており、この第１、第２コイル２８ａ、２８ｂは直列接続されて電磁石コイル２８を構成している。

このように補極部材２５の脚部３５によって支持させることで、ロータ２１は、誘導コイル２７を補極部材２５の本体部３１に巻き付けてロータ２１の外周面側に位置させることができる。また、補極部材２５の脚部３５をロータティース２２の支持溝３９に嵌め込んで支持させるため、その補極部材２５の脚部３５に妨げられることなく、電磁石コイル２８の第１、第２コイル２８ａ、２８ｂをロータティース２２の全体に巻き付けることができる。本発明に係る実施形態によれば、このような構成により、スロット２３内の空間を有効利用して、効率よく誘導コイル２７で誘導電流を発生させ、また、その誘導電流を電磁石コイル２８に供給して効果的に電磁力を発生させることができる。

なお、電磁石コイル２８の第１、第２コイル２８ａ、２８ｂは、ロータティース２２の全体（径方向内方と径方向外方の両側）に一工程で巻き付ける際には、補極部材２５の脚部３５がスロット２３内をスライドする空間を残した状態で巻き付ければよい。また、ロータティース２２に補極部材２５を支持させる前後に第１、第２コイル２８ａ、２８ｂをそれぞれ巻き付ける際には、そのロータティース２２の軸心側内方（径方向内方）に第１コイル２８ａを巻き付けた後に、補極部材２５の本体部３１に誘導コイル２７を巻き付ける前に、あるいは、その本体部３１に誘導コイル２７が巻き付けられた状態で、そのロータティース２２の外周側外方（径方向外方）に第２コイル２８ｂを巻き付ければよい。

ここで、この誘導コイル２７を巻き付ける補極部材２５の本体部３１は、例えば、脚部３５に代えて後述するコイルエンドカバー５０にネジ止めしてロータ２１に支持させる形態を採用する場合には、ネジ止めするボルト頭部やナットによって渦電流を発生させてしまい、また、誘導コイル２７のコイル長がロータ２１の両端部側で拡大することにより長くなって導体抵抗が大きくなって、損失を発生させてしまう。しかしながら、本実施形態の補極部材２５の本体部３１は、脚部３５によりロータティース２２に直接支持させるので、渦電流が発生することを回避することができる。また、本実施形態の補極部材２５の本体部３１は、誘導コイル２７のコイル長が無駄に長くなって導体抵抗が大きくなってしまうこともなく、効率よく誘導電流を発生させて効果的に電磁石コイル２８で電磁力を発生させることができる。

また、このロータ２１は、図５にも図示するように、スロット２３を閉塞するようにロータティース２２間にカップ部材４１を取り付けるようになっている。このロータティース２２は、外周面２２ａを軸心側よりも幅広に形成して側面２２ｂの外周面側先端部２２ｃが滑らかに連続する湾曲面になるように形成されている。また、このロータティース２２は、外周面側先端部２２ｃの湾曲面から側面２２ｂの平面に切り替わる位置に取付溝２４が回転軸と平行に延長されている形態で形成されている。

これに対して、カップ部材４１は、補極部材２５の外端面３２ａから両側のロータティース２２の側面２２ｂに向かって支持されるように延長されて外面側が外周面側先端部２２ｃに連続するように形成されており、その端辺部４２はロータティース２２の側面２２ｂに向かう方向に屈曲して取付溝２４に嵌まり込んで取り付け状態を維持するようになっている。これにより、カップ部材４１は、巻き付けた誘導コイル２７や電磁石コイル２８が遠心力で外れてステータ１１側に干渉してしまうことを回避するようになっている。

さらに、ロータ２１は、補極部材２５の外端面３２ａに、制限溝３３が回転軸と平行に延長されるように形成されている。

これに対して、カップ部材４１は、補極部材２５の外端面３２ａに対面する箇所において、ロータティース２２に向かって延長されている箇所よりも厚く形成された厚板部（ロータ外周面側外端面の対面部材）４５が配置されており、この厚板部４５は、その補極部材２５が回転時の遠心力で径方向外方に移動しようとするのを押さえるように機能する。また、この厚板部４５は、補極部材２５の外端部３２側に向かって突出して、外端面３２ａの制限溝３３内に嵌まり込む制限リブ（突当部）４６が形成されている。この厚板部４５は、制限リブ４６が補極部材２５の外端部３２の制限溝３３に嵌まり込んでその補極部材２５が回転方向に移動しようとするのを制限するため、補極部材２５の全体が回転方向に揺れて誘導コイル２７や電磁石コイル２８を損傷させてしまうことを抑制することができる。

このカップ部材４１は、図６にも図示するように、ロータ２１のロータティース２２や補極部材２５に巻き付けて軸方向外側の外端面２１ａ側に露出する誘導コイル２７や電磁石コイル２８（これらコイルの図示は省略）を覆うように取り付けるコイルエンドカバー５０と一体に形成されている。そして、カップ部材４１は、そのコイルエンドカバー５０をロータ２１に取り付ける際に、ロータティース２２の外周面側先端部２２ｃ内側に位置するように差し込んで端辺部４２をロータティース２２の側面２２ｂの取付溝２４内に嵌め込ませつつスライドさせて取り付けるようになっている。

この構造により、ロータ２１は、カップ部材４１の厚板部４５が補極部材２５の外端部３２の外側に位置してロータティース２２に取り付けられることから、ステータティース１２の内周面１２ａから補極部材２５の外端面３２ａまでの最短離隔距離が、ステータティース１２の内周面１２ａからロータティース２２の外周面２２ａまでの最短離隔距離よりも大きくなり（エアギャップＧの隙間が大きくなり）、この補極部材２５をスロット２３内に位置させることによって、ロータティース２２の突極比が低下してしまうことを回避することができる。

ところで、補極部材２５は、本体部３１の径方向内方端部３１ｉにおいて一対の脚部３５をロータティース２２の両側面２２ｂに支持されるように屈曲させて延伸し、その一対の脚部３５間を大きく開いたＹ字形状に形成されている。この脚部３５は、本体部３１よりも薄板に形成されているので弾性力を有するとともに、その本体部３１の径方向内方端部３１ｉ側の屈曲部３５ａでも弾性力を発揮して、ロータ２１の回転時における振動等で損傷してしまうことを効果的に回避することができる。

このように、本実施形態においては、誘導コイル２７を補極部材２５の本体部３１に巻き付けてロータティース２２の両側面２２ｂの支持溝３９に脚部３５の先端部３６を嵌め込んで支持させる簡易な構造のため、誘導コイル２７をスロット２３内に位置させるように容易に組み付けることができる。また、補極部材２５をスロット２３に組み付ける前に電磁石コイル２８をロータティース２２の全体に亘って容易に巻き付けることができる。

また、補極部材２５は、本体部３１の外端面３２ａの制限溝３３に、カップ部材４１の厚板部４５の制限リブ４６を嵌まり込ませて位置決めされるので、回転時に移動することを制限することができ、回転負荷により外れてしまうことを抑制することができる。また、補極部材２５は、ステータティース１２の内周面１２ａと外端面３２ａとのエアギャップＧの離隔間隔を、ステータティース１２の内周面１２ａとロータティース２２の外周面２２ａとのエアギャップＧの離隔間隔より大きくすることができるため、ロータティース２２の突極比が低くなって回転効率が低下してしまうことを回避することができる。

したがって、損失エネルギーとなっていた空間高調波成分により誘導コイル２７で発生した誘導電流を効果的に界磁電流として電磁石コイル２８に供給することができるため、損失エネルギーを効率よく回収して自己励磁することで高効率回転する回転電機１００を簡易な構造で実現することができる。

ここで、本実施形態では、補極部材２５の制限溝３３内にカップ部材４１の制限リブ４６を嵌め込んで、その制限溝３３の内面を制限リブ４６の側面に突き当てて回転時の移動を制限するが、これに限るものではない。

例えば、本実施形態の第１の他の態様としては、図示することは省略するが、補極部材２５の外端部３２を嵌め込む枠形状をコイルエンドカバー（ロータ軸方向外端面の対面部材）５０側に設けてもよい。これにより、その枠形状は、補極部材２５の外端部３２を突き当てて移動を制限する突当部として機能することができる。

また、本実施形態では、補極部材２５の脚部３５の断面積が小さくなるように薄板形状に形成して、その脚部３５を通過する磁束量を制限することにより、誘導コイル２７を巻き付ける補極部材２５の本体部３１を、電磁石コイル２８を巻き付けるロータティース２２から磁気的に独立させるが、これに限るものではない。

例えば、本実施形態の第２の他の態様としては、図７に示すように、ロータティース２２の支持溝３９の深部３９ｂ側底面３９ｃに対面する補極部材２５の先端部３６の先端面３６ａを窪ませ、また、脚部３５の長さをロータティース２２の側面２２ｂまでの離隔間隔よりも短めに形成してもよい。これにより、脚部３５の先端部３６は、ロータティース２２の支持溝３９内に嵌め込んだ状態では、そのスロット２３から離隔する側で窪む先端面３６ａの両端部３６ｃのみが接したり、また、そのスロット２３側の一部３６ｂのみが接したりすることができる。この結果、補極部材２５は、組み付け時におけるロータティース２２との間の連結部における磁気抵抗を高くして、磁気的独立性をより高めることができる。なお、補極部材２５の脚部３５の長さを長めに形成し、その先端部３６のスロット２３側の一部３６ｂ側も窪ませることにより、ロータティース２２の支持溝３９内に嵌め込んだ状態では、そのスロット２３から離隔する側で窪む先端面３６ａの両端部３６ｃのみが接するようにして連結部の磁気的独立性を高めることもできる。

さらに、第３の他の実施形態としては、図８に示すように、この補極部材２５の先端部３６の先端面３６ａ側にアルミ合金や硬質樹脂材料などの非磁性材料からなる終端部材５１を嵌め込んでもよい。これにより、補極部材２５とロータティース２２との間の連結部における磁気抵抗を大きくして、磁気的独立性をさらに高めることもできる。

また、本実施形態の第４の他の態様としては、図示することは省略するが、回転電機１００のように径方向にエアギャップＧを形成するラジアルギャップ構造に限らずに、回転軸方向にギャップを形成するアキシャルギャップ構造に適用することも可能である。この場合にも、ステータ側とロータ側とで対面する軸方向端面に電機子極コイルと共に誘導コイルや電磁石コイルを配置すればよい。

また、回転電機１００のようなラジアルギャップ構造の場合には、ステータ１１やロータ２１を電磁鋼板の積層構造で形成することに限定されず、例えば、鉄粉などの磁性を有する粒子の表面を絶縁被覆処理した軟磁性複合粉材（Soft Magnetic Composites）をさらに鉄粉圧縮成形および熱処理製造した圧粉磁心、所謂、ＳＭＣコアを採用してもよい。このＳＭＣコアは、成形が容易であることからアキシャルギャップ構造に好適である。

また、回転電機１００は、車載用に限定されるものではなく、例えば、風力発電や、工作機械などの駆動源として好適に採用することができる。

本発明の実施形態を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正及び等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。

１１ ステータ
１２ ステータティース
１２ａ 内周面
１３、２３ スロット
１４ 電機子極コイル
２１ ロータ
２２ ロータティース（突極部）
２２ａ 外周面
２２ｂ 側面
２４ 取付溝
２５ 補極部材（補極部）
２７、２７Ａ１〜２７Ａｎ、２７Ｂ１〜２７Ｂｎ 誘導コイル
２８、２８Ａ１〜２８Ａｎ、２８Ｂ１〜２８Ｂｎ 電磁石コイル
２８ａ 第１コイル
２８ｂ 第２コイル
２９Ａ、２９Ｂ ダイオード
３１ 本体部
３１ｉ 径方向内方端部
３２ 径方向外端部
３２ａ 外端面
３３ 制限溝
３５ 脚部（支持部）
３６ 先端部（延伸端部）
３６ａ 先端面
３６ｂ 一部
３６ｃ 両端部
３９ 支持溝
４１ カップ部材
４２ 端辺部
４５ 厚板部（対面部材）
４６ 制限リブ
５０ コイルエンドカバー
５１ 終端部材
１００ 回転電機
ＦＬ 磁束線
Ｇ エアギャップ

Claims (6)

1. 通電により磁束を発生させる電機子極コイルを有するステータと、前記磁束の通過により回転するロータと、を備える回転電機であって、
   前記ロータは、前記磁束に重畳する空間高調波成分が鎖交することにより誘導電流を発生する誘導コイルが巻かれた複数の補極部と、前記誘導電流が通電することにより電磁力を発生する電磁石コイルが巻かれた複数の突極部と、を有し、
   前記補極部は、隣接する前記突極部の間で前記ロータの径方向に延伸するように支持されて前記誘導コイルが巻かれる本体部と、前記本体部に連結されて、隣接する前記突極部の対面する両側面に支持される支持部と、を有する、回転電機。
2. 前記補極部は、前記支持部よりも前記ロータの径方向外方に位置する前記本体部に前記誘導コイルが巻かれており、
   前記突極部は、前記支持部よりも前記ロータの径方向外方および径方向内方に前記電磁石コイルが巻かれている、請求項１に記載の回転電機。
3. 前記支持部は、前記本体部における前記ロータの径方向内方の端部から前記突極部の対面する両側面に支持されるよう延伸されており、
   前記突極部は、前記支持部の延伸端部を嵌め合わせる溝が前記両側面に形成されている、請求項１または請求項２に記載の回転電機。
4. 前記ロータは、前記補極部の径方向外方の外端面と対面する対面部材を有しており、
   前記対面部材と前記補極部の外端面の少なくとも一方に突当部が形成されている、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の回転電機。
5. 前記ステータの内面側と前記ロータの外端面側との隙間の離隔間隔が、前記突極部より前記補極部の方が大きい、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の回転電機。
6. 前記支持部と前記突極部との間の連結箇所の磁気抵抗が、前記補極部および前記突極部のそれぞれの磁気抵抗よりも大きい、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の回転電機。
   
   

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