JP2016178833A - アキシャルギャップ型の回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】電機子コイルで発生する空間高調波磁束を利用して、大きなマグネットトルクを得ることのできる巻線界磁構造のアキシャルギャップ型の回転電機を提供すること。【解決手段】シャフト１０１を中心にして回転駆動する２つのロータ１２０、１３０と、シャフトの軸方向においてロータが両面に対面しているステータ１１０と、備えて、ステータのシャフト周りに配置される複数の電機子コイル１１と、２つのロータのそれぞれのシャフト周りに配置される複数の誘導コイル２１および複数の界磁コイル２２と、誘導コイルで発生する誘導電流を整流して界磁コイルに供給するダイオードと、を有しており、電機子コイル、誘導コイルおよび界磁コイルの巻線は、軸方向に延伸されているコア１５、２５にα巻きして巻線コイルに形成されている、アキシャルギャップ型の回転電機１００。【選択図】図２

Description

本発明は、巻線界磁を利用するアキシャルギャップ型の回転電機に関する。

回転電機は、ギャップを介してロータとステータとを対面させて、例えば、ステータ側に配置する電機子コイルで発生させる磁束をロータ側に鎖交させて磁気回路を形成することにより回転力（リラクタンストルク）を得るようになっており、その回転力を補助することを目的として、永久磁石や界磁巻線（電磁石）を配置してマグネットトルクを利用することも行われている。

このような回転電機にあっては、ステータとロータとを軸方向に対面させるアキシャルタイプにすることも提案されており（特許文献１）、また、ステータ側のコア材に帯状の線材を巻線として巻き付けて電機子コイルとすることも提案されている（特許文献２）。

しかしながら、永久磁石は、空間高調波磁束が鎖交すると、内部で発生する渦電流により発熱して保磁力が低下し、これによって磁力が不可逆に小さくなってしまう。これにより、例えば、特許文献１に記載のように、空間高調波磁束が鎖交するロータ側に永久磁石を埋め込むタイプの回転電機であると、その永久磁石の磁力が低下してしまい良好な駆動を実現できない、という問題がある。

この問題を解消するためには、保磁力の高いジスプロシウム（Ｄｙ）やテルビウム（Ｔｂ）などの重希土類を多く添加した高価な磁石を用いることが考えられるが、コスト高になってしまう。

また、特許文献２に記載のように、帯状の線材をコア材に巻き付けるには、巻線の接続用端部を巻線コイルの内側と外側とから引き出す必要があり、引き出すためのスペースを確保するためにコア材を削るなどすると、磁束の通過領域を少なくしてしまい、回転電機の駆動効率の低下を招いてしまう。さらに、コア材の端面側の縁から帯状の線材を引き出すと、コア材の上下に位置する部材との隙間ができてしまい、小型化の妨げにもなる。

特開２０１０−２４６１７１号公報 特開２０１２− ５０３１２号公報

そこで、本発明は、永久磁石を用いることなく、電機子コイルで発生する空間高調波磁束を利用してマグネットトルクを得ることのできる、巻線界磁構造のアキシャルギャップ型の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、回転軸を中心にして回転駆動するロータと、前記回転軸の軸方向において前記ロータが対面しているステータと、を備えて、前記ステータの前記回転軸の軸周りに配置される複数の電機子コイルと、前記ロータの前記回転軸の軸周りに配置される複数の誘導コイルおよび複数の界磁コイルと、前記誘導コイルで発生する誘導電流を整流して前記界磁コイルに供給する整流素子と、を有しており、前記電機子コイル、前記誘導コイルおよび前記界磁コイルのうちの少なくとも１つ以上の巻線は、当該巻線の２つ端部のそれぞれが接続用に引き出される個所の前記コア材の外周面に巻き付けられ、前記回転軸の軸方向において２段で周回する巻線コイルに形成されているものである。

本発明の一態様によれば、永久磁石を用いることなく、電機子コイルで発生する空間高調波磁束を利用してマグネットトルクを得ることのできる、巻線界磁構造のアキシャルギャップ型の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アキシャルギャップ型の回転電機を示す図であり、その概略全体構成を示す軸心を中心に切断した縦断面斜視図である。 図２は、要部構成のステータとロータとを示す斜視図である。 図３は、ステータの構造を示す斜視図である。 図４は、ステータコアと電機子コイルを示す斜視図である。 図５は、ステータの構造を示す分解斜視図である。 図６は、ステータコアの電機子コイルの結線接続を説明する分解斜視図である。 図７は、ステータコアの電機子コイルの結線接続状態を説明する一部拡大分解斜視図である。 図８は、ステータの組み立て状態を示す斜視図である。 図９は、ステータ内の樹脂モールドを示す分解斜視図である。 図１０は、ロータコアと誘導コイルおよび界磁コイルを示す一部分解斜視図である。 図１１は、誘導コイルと界磁コイルとをダイオードを介して接続する閉回路の回路構成図である。 図１２は、図１１に示す閉回路の実機での搭載形態を示す斜視図である。 図１３は、誘導コイルと界磁コイルとをダイオードに接続する結線用基盤の構造を示す斜視図である。 図１４は、ロータの構造を示す分解斜視図である。 図１５は、ロータ内の樹脂モールドを示す分解斜視図である。 図１７は、シャフトの構造を示す正面図である。 図１７は、シャフトへのロータコアとヨークの取り付けを説明する斜視図である。 図１８は、シャフトにステータとロータとを取り付けた状態を説明する一部拡大切断斜視図である。 図１９は、電機子コイル、誘導コイルおよび界磁コイルのコア材への巻き付けを説明するモデル図である。 図２０は、電機子コイル、誘導コイルおよび界磁コイルで発生して鎖交する磁束を説明する磁力線図である。 図２１は、回転座標系における３次の空間高調波磁束の磁束密度および磁束ベクトルを示す磁束特性図である。 図２２は、補極のないラジアルギャップ型の場合における電機子コイル、誘導コイルおよび界磁コイルで発生して鎖交する磁束を説明する磁力線図である。 図２３は、補極のあるラジアルギャップ型の場合における電機子コイル、誘導コイルおよび界磁コイルで発生して鎖交する磁束を説明する磁力線図である。 図２４は、電機子コイルを集中巻きまたは分布巻きとして、ギャップを介して鎖交させた場合に回転角に応じて変化する磁束密度を示すグラフである。 図２５は、図２４に示す磁束に重畳されている空間高調波磁束の次数毎の磁束密度を示すグラフである。 図２６は、ＩＰＭＳＭと、補極なしのラジアルギャップ型と、補極ありのラジアルギャップ型と、比較するために、それぞれで得られるトルク波形を示すグラフである。 図２７は、ステータに回転自在に支持される回転体のシャフトとロータの外観を示す斜視図である。

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２７は本発明の一実施形態に係るアキシャルギャップ型の回転電機を説明する図である。

図１および図２において、回転電機１００は、外形が概略円盤形状になるように形成されているステータ１１０と２つのロータ１２０、１３０とを備えており、後述するように、外部からロータ１２０、１３０に、スリップリングなどを用いた接触式でエネルギー入力する必要のない構造を有して、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。

この回転電機１００は、ステータ１１０の両面にギャップＧを介して対面して挟み込む形態になるように、軸心を貫通するシャフト（回転軸）１０１に２つのロータ１２０、１３０がそれぞれ取り付けられており、ステータ１１０がシャフト１０１を回転自在に支持して、ロータ１２０、１３０がそのシャフト１０１に固定されている。すなわち、回転電機１００は、シャフト１０１の軸方向にステータ１１０を２つのロータ１２０、１３０で挟み込んで対面するアキシャルギャップのダブルロータ型モータに構築されている。

ステータ１１０は、図３に示すように、短尺な棒状で断面が概略台形となる複数のステータコア１５（コア材）を備えており、そのステータコア１５に３相の交流電源（例えば、不図示の車載バッテリなどの外部電源）が接続される電機子コイル１１が、それぞれ巻き付けられてシャフト１０１の軸周りに位置するように配置されている。

ステータコア１５は、高透磁率の磁性材料で作製されており、シャフト１０１と平行方向に延伸されて３相各相の電機子コイル１１（１１ｕ、１１ｖ、１１ｗ）がそれぞれ６極ずつ隙間なく並列状態になるように集中巻きされている。

すなわち、電機子コイル１１は、ステータコア１５間の１８箇所のステータスロット１７を利用してシャフト１０１の延伸方向と平行な中心線を有する巻線コイルとして形成することにより、シャフト１０１周りに１８極（磁極数１８）が均等配置されている。要するに、電機子コイル１１は、回転軸の軸方向と平行な方向を中心として巻線が巻かれており、その回転軸の周りにそれぞれ均等配置されている。

このステータコア１５は、図２に示すように、ロータ１２０、１３０との間に介在するように挟み込まれている２枚の円盤形状の保持枠（保持板、枠部材）１６に両端側が保持されており、保持枠１６は、開口する保持穴１６ａ内にステータコア１５の端部１５ａ（図３、図４を参照）を差し込んで端面１５ｂを露出させる状態（所謂、オフセット状態）で保持するようになっている。なお、保持枠１６は、磁気回路の形成を妨げないように非磁性体材料、例えば、後述のＰＰＳ樹脂で作製されており、中心部に取り付けられているベアリング１０８により、貫通するシャフト１０１を回転自在に支持している。

具体的に、ステータコア１５は、図４に示すように、帯状の平角線１１Ｌを、所謂、α巻きに巻き付けることにより電機子コイル１１が形成されている。
ここで、平角線１１Ｌのα巻きは、例えば、ステータコア１５の断面台形における幅の狭い先端部（軸心側に近傍の箇所）１５ｃに、平角線１１Ｌの長さ方向における中心付近を密接させる状態にしつつ襷掛けにして巻き始める巻き方であり、平角線１１Ｌの長さ方向の中心付近に対する一方側を、ステータコア１５の一方の端部１５ａ側の端面１５ｂ（例えば、図４の上面側）の平面方向に沿うように同一箇所を周回させて巻き付けるとともに、平角線１１Ｌの長さ方向の中心付近に対する他方側を、ステータコア１５の他方の端部１５ａ側の端面１５ｂ（例えば、図４の下面側）の平面方向に沿うように同一箇所を周回させて巻き付ける巻き方である。すなわち、電機子コイル１１は、回転軸の軸方向において２段となるように平角線１１Ｌが巻き付けられており、平角線１１Ｌの２段の端部は同じ側（ステータ１１０の外周側）に引き出されている。

これにより、ステータ１１０は、平角線１１Ｌを巻線としてステータコア１５にα巻きして電機子コイル１１が形成されることによって、後述するロータコア２５に鎖交させる磁束に直交する巻線の断面積を小さくすることができ、その巻線内で発生する渦電流損を低減することができる。

また、ステータ１１０は、ステータコア１５の端面１５ｂと電機子コイル１１の周回端面（軸方向における端面）とはオフセット状態にあることから、ステータコア１５の端面１５ｂ付近から直接電機子コイル１１に鎖交する高調波磁束を低減することができる。このため、巻線コイルに発生する渦電流損（高調波銅損）を軽減して発熱分布の発生を制限することができ、巻線における温度分布の発生に起因する抵抗値の均一性低下により銅損が発生するなどの悪循環を抑制することができる。

さらに、ステータ１１０では、ステータコア１５にα巻きする平角線１１Ｌの長さ方向の中心付近に対する一方側の端部１１Ｌａと他方側の端部１１Ｌｂを周回面内で引き出すことができる。このため、電機子コイル１１の平角線１１Ｌの巻き付け量をできるだけ大きくすることができる。また、平角線１１Ｌの端部１１Ｌａ、１１Ｌｂをステータコア１５の端面１５ｂ側から引き出して保持枠１６を設置する場合と比較して、本実施形態の回転電機１００では、保持枠１６の設置の邪魔になってしまうことを回避することができ、さらに、その保持枠１６が振動などした場合でも保持枠１６と平角線１１Ｌやステータコア１５などの部材とが互いに接触して損傷してしまうことを抑制することができる。なお、本実施形態では、平角線１１Ｌの端部１１Ｌａ、１１Ｌｂを先端部１５ｃの反対側、すなわちステータ１１０の外周側から引き出しているが、その先端部１５ｃ側から引き出しても良い。

また、ステータコア１５は、両端部１５ａの台形の幅広となる外周側に切欠１５ｋ（凹部）が形成されており、この切欠１５ｋに対応するよう保持枠１６の保持穴１６ａの幅広側の外周縁には、突起１６ｔ（凸部、図５を参照）が形成されている。そして、保持穴１６ａの突起１６ｔをステータコア１５の切欠１５ｋに嵌め込んで軸方向に位置決め保持するようになっている。ここで、保持枠１６は、保持穴１６ａ内にステータコア１５の両端部１５ａを嵌め込む状態で内部に収容する空間を形成する短尺な有底の円筒形状に作製されており、外周側の肉厚部１６ｄを突き合わせてネジ穴１６ｈを利用してネジ止めすることにより、ステータコア１５を位置決め保持するようになっている。

これによっても、ステータ１１０は、保持枠１６が振動などにより平角線１１Ｌに強く当たってしまうことを未然に防止することができ、損傷してしまうことを抑制することができる。

また、ステータ１１０は、図５に示すように、ステータコア１５の電機子コイル１１が３相のＵ相、Ｖ相、Ｗ相毎に並列接続されており、車載バッテリの直流電流をインバータにより変換した３相の交流電流が相毎の入力線１９から通電されるようになっている。例えば、図６に示すように、その３相の電機子コイル１１ｕ、１１ｖ、１１ｗ毎の一方側の平角線１１Ｌの端部１１Ｌａは、３相のＵ相、Ｖ相、Ｗ相毎に準備されている全体でリング形状となる円弧形状のバスバー１２ｕ、１２ｖ、１２ｗがカシメクリップ１３により作業性良く容易に締結されて並列に導通接続されている。また、その他方側の平角線１１Ｌの端部の１１Ｌｂは、同様に、３相の中性点とするバスバー１２ａがカシメクリップ１３により締結されて並列に導通接続されている。なお、本実施形態では、バスバー１２ｕ、１２ｖ、１２ｗ、１２ａをステータ１１０の外周側に配置するが、これに限らず、内周側に設置しても良い。

ここで、電機子コイル１１の接続端部１１Ｌａ、１１Ｌｂは、図６および図７に示すように、ステータコア１５に巻き付ける平角線１１Ｌの周回面の外側に引き出されて、ステータ１１０の外周側に位置されるようにしている。このことから、板状のバスバー１２（１２ｕ、１２ｖ、１２ｗ、１２ａ）は、板状における平面が軸心と交差する方向と平行になるように設置しつつ外周側で上下２段になるようにして個々に接続するようになっており、軸方向および平面方向に厚くなることなくステータ１１０を構築することができる。

そして、ステータ１１０は、電機子コイル１１（平角線１１Ｌ）が巻き付けられてバスバー１２ｕ、１２ｖ、１２ｗ、１２ａにより導通接続されているステータコア１５を保持枠１６内に収容した状態とした後に、その保持枠１６内に、例えば、放熱特性に優れるＰＰＳ（Polyphenylenesulfide）樹脂を射出充填（注入）して固定するようになっている。具体的には、図８に示すように、ステータ１１０は、ステータコア１５などを保持枠１６の内部に収容して肉厚部１６ｄをネジ止めした後に、その肉厚部１６ｄに開口して電機子コイル１１の３相分の入力線１９を引き出す引出口１６ｅから内部にＰＰＳ樹脂（樹脂材料）を射出充填して固化させるようになっている。

これにより、ステータ１１０は、図９に示すように、保持枠１６内の収容空間におけるステータスロット１７などの部材間の隙間にＰＰＳ樹脂を注入することができ、射出充填用金型を準備することなく、そのステータコア１５や電機子コイル１１やバスバー１２やカシメクリップ１３の間の隙間にＰＰＳ樹脂を侵入させて固定した樹脂モールドＭｏＳにすることができる。このため、各部材が樹脂モールドＭｏＳに保持されることにより、遠心力や振動により移動することが制限されて、特性を安定化させることにより電磁振動等を抑制することができる。また、遠心力や振動、衝撃に対する堅牢性を確保することができる。また、樹脂モールドＭｏＳとすることにより水分等の浸入を制限して耐久性も向上させることができる。

これにより、ステータコア１５は、その端部１５ａの端面１５ｂが、ロータ１２０、１３０の後述するロータコア（コア材）２５の端部２５ａの端面２５ｂにギャップＧを介して対面するようにステータ１１０に配置されている。ステータ１１０は、電機子コイル１１に交流電力を通電されることにより磁束を発生させ、その磁束をステータコア１５の端面１５ｂからロータ１２０、１３０のロータコア２５の端面２５ｂに鎖交させることができる。

このため、回転電機１００では、ステータコア１５の両側に位置するロータコア２５に鎖交させる磁束を後述のヨーク２６で迂回させることにより閉じた磁気回路を形成することができ、その磁気回路を形成する磁束の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、ステータ１１０を挟み込む２つのロータ１２０、１３０をそれぞれ回転駆動させることができる。

このことから、回転電機１００は、共通のシャフト１０１に固定されているロータ１２０、１３０を同等の回転力で一体回転させる必要があり、そのロータ１２０、１３０はステータ１１０の両面側で対称となる構造に構築されている。

この結果、回転電機１００は、通電入力する電気的エネルギーを、ステータ１１０の両面側で回転駆動するロータ１２０、１３０と軸心を一致させつつ一体回転するシャフト１０１から機械的エネルギーとして出力することができる。

このとき、回転電機１００では、ステータコア１５からロータコア２５に鎖交させる磁束に空間高調波成分が重畳している。このため、ロータ１２０、１３０側でも、ステータ１１０側から鎖交され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１１０の電機子コイル１１が生成する磁束は、通電する交流電力の基本周波数で変動する主磁束に空間高調波成分が重畳して、ロータ１２０、１３０（ロータコア２５）に鎖交するようになっている。

このため、ロータ１２０、１３０は、主磁束の基本周波数と異なる周期で時間的に変化する空間高調波磁束がロータコア２５に鎖交することになり、ロータコア２５にコイルを設置することにより、別途、車載バッテリなどの外部電源等に接続して電力を入力することなく、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を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。

回転電機１００は、図１０に示すように、シャフト１０１に固定するための円筒部２３の周囲にロータコア２５が均等配置されており、このロータコア２５の隣接する側面間に形成される空間をロータスロット２７として利用して、誘導コイル２１と界磁コイル２２とを配置している。この誘導コイル２１と界磁コイル２２は、ロータコア２５の長さ方向（軸方向）に２段の巻線として、電機子コイル１１の平角線１１Ｌよりも幅の狭い平角線２１Ｌ、２２Ｌをそれぞれα巻きにして巻き付けられている。すなわち、誘導コイル２１と界磁コイル２２は、回転軸の軸方向において２段となるように平角線２１Ｌ、２２Ｌがそれぞれ巻き付けられており、平角線２１Ｌ、２２Ｌそれぞれの２段の端部は同じ側（ロータ１２０、１３０の外周側）に引き出されている。

これにより、ロータ１２０、１３０において、ステータコア１５から鎖交する磁束に対して直交する巻線の断面積を小さくすることができ、その巻線内で発生する渦電流損を低減することができる。また、α巻きする平角線２１Ｌ、２２Ｌは、ロータコア２５に幅広面を接触させているので、通電による発熱を効率よく伝熱して連続稼動させることができる。また、ロータコア２５の端面２５ｂと誘導コイル２１の周回端面とがオフセット状態にあることから、誘導コイル２１で発生する誘導電流が不安定になって界磁電流の脈動が大きくなることによるトルクリプルなどの特性劣化の発生を抑制することができる。

さらに、ロータ１２０、１３０において、平角線２１Ｌ、２２Ｌをα巻きすることにより誘導コイル２１や界磁コイル２２の巻き付け量を大きくすることができる。また、誘導コイル２１や界磁コイル２２から後述の第１、第２接続端部２１ｐ、２１ｑ、２２ｐ、２２ｑを巻線から引き出す際に、ロータコア２５周りでの部材の積み重ねや後述の保持盤４１の取り付けに邪魔になってしまうことを回避することができる。これにより、保持盤４１と平角線２１Ｌ、２２Ｌやロータコア２５などの部材とが互いに接触して負荷を受けることにより損傷してしまうことを効果的に抑制することができる。

具体的に、ロータ１２０、１３０は、短尺な棒状で断面が概略台形となる複数のロータコア２５をヨーク２６の一面側に備えており、このロータコア２５に誘導コイル２１と界磁コイル２２とが巻き付けられてシャフト１０１の軸周りに位置するように配置されている。

ロータコア２５は、高透磁率の磁性材料で作製されており、シャフト１０１と平行方向に延伸されて、共通のコア材として上下２段になるように誘導コイル２１と界磁コイル２２とがそれぞれ隙間なく集中巻きされて並列されている。

すなわち、誘導コイル２１と界磁コイル２２は、ロータコア２５間の１２箇所のロータスロット２７を利用してシャフト１０１と平行な中心線となる巻線コイルに形成することによりシャフト１０１周りに１２極（スロット数１２）が均等配置されている。要するに、誘導コイル２１と界磁コイル２２は、回転軸の軸方向と平行な方向を中心として巻線が巻かれており、その回転軸の周りにそれぞれ均等配置されている。

よって、回転電機１００は、ロータ１２０、１３０側の誘導コイル２１および界磁コイル２２のスロット数Ｓ（１２）とステータ１１０側の電機子コイル１１の磁極数Ｐ（１８）との構成比Ｓ／Ｐが２／３となるように形成されている。

また、ロータコア２５は、ステータコア１５の端面１５ｂにギャップＧを介して端面２５ｂを対面させるように端部２５ａから離隔する側を円盤形状のヨーク２６の一面側に一体形成されている。なお、ヨーク２６は、中心部にシャフト１０１を貫通させて固定する円筒部２３が一体になるように取り付けられている。

この構造により、ステータコア１５の端面１５ｂ側からロータコア２５の端面２５ｂに鎖交する磁束は、その端面２５ｂの背面側のヨーク２６を迂回して別個のロータコア２５を磁路とすることができ、そのロータコア２５の端面２５ｂに対面するステータコア１５の端面１５ｂに再度鎖交することにより閉じた磁気回路を形成することができる。

そして、誘導コイル２１は、ロータコア２５のヨーク２６から離隔してステータコア１５からの空間高調波磁束を効果的に鎖交させることのできる端部２５ａ側に配置されており、界磁コイル２２は、ロータコア２５のヨーク２６に近接する連接部２５ｃ側に配置されている。

これにより、回転電機１００は、小さなギャップＧを介してステータコア１５の端面１５ｂからロータコア２５の端面２５ｂに磁束を高密度に鎖交させることができ、その鎖交する磁束に含まれる空間高調波成分（基本波に対する磁束密度の変化）により誘導コイル２１に誘導電流を発生させて界磁コイル２２に供給することができる。

この界磁コイル２２は、誘導コイル２１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）を発生することができ、その磁束をロータコア２５の端面２５ｂからステータコア１５の端面１５ｂに鎖交させることができる。

このため、回転電機１００は、主回転力を発生する電機子コイル１１の磁束とは別にマグネットトルク（補助回転力）を得ることができ、ロータ１２０、１３０の回転駆動を補助することができる。

このとき、回転電機１００は、誘導コイル２１で発生させる交流の誘導電流を直流の界磁電流にして界磁コイル２２に供給することにより、ロータコア２５を電磁石として機能させて電磁力を発生させることから、その交流の誘導電流を有効利用するために、図１１に示す閉回路３０内に誘導コイル２１と界磁コイル２２がそれぞれ組み込まれている。

これら誘導コイル２１と界磁コイル２２は、隣接位置のロータコア２５とロータスロット２７との２組を１セットとして、ダイオード（整流素子）２９Ａ、２９Ｂと共に閉回路３０を構成している。

閉回路３０は、図１１に示すように、直列接続されている２つの界磁コイル２２の両端部が、並列接続されている２つの誘導コイル２１の両端部にそれぞれダイオード２９Ａ、２９Ｂを介して接続されている。

具体的に、閉回路３０は、逆向きの周回方向に集中巻きされて直列接続されている２つの界磁コイル２２の一方側の第１接続端部２２ｐと、同一の周回方向に集中巻きされて並列接続されている２つの誘導コイル２１の２つの第１接続端部２１ｐとが１つの接続点で接続されている。また、直列接続されている２つの界磁コイル２２の他方側の第２接続端部２２ｑはダイオード２９Ａ、２９Ｂの双方のカソード側の接続ピン（接続端子）２９ｃに接続され、また、並列接続されている２つの誘導コイル２１の２つの第２接続端部２１ｑはダイオード２９Ａ、２９Ｂのそれぞれのアノード側の接続ピン２９ｃに接続されている。すなわち、ダイオード２９Ａ、２９Ｂは、それぞれのカソード側同士を接続した接続ピン２９ｃを外部に露出させ、アノード側の接続ピン２９ｃのそれぞれをそのまま外部に露出させるカソードコモン型にパッケージ化されている。

このダイオード２９Ａ、２９Ｂは、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を合算する中性点クランプ型の全波整流回路に形成されている。

これにより、回転電機１００では、隣接する誘導コイル２１と界磁コイル２２の２組ずつとダイオード２９Ａ、２９Ｂとの１セットで閉回路３０を構成するが、閉回路３０における誘導コイル２１は、同一の周回方向に巻かれる集中巻きにされて並列されているとともに、界磁コイル２２は、ロータ１２０、１３０の全周方向において、巻かれる周回方向が交互になるように巻き付けられている。

このため、回転電機１００では、自励により得られた直流電力（界磁電流）の通電によりロータコア２５の界磁コイル２２で発生する電磁石の磁化方向は、周方向において交互にされており、ステータ１１０のステータコア１５に対してＮ極とＳ極とが交互に対面するようになっている。

そして、回転電機１００は、図１１に示す閉回路３０の６セットが、ロータ１２０、１３０の周方向に並置されている。すなわち、図１２に示すように、ダイオード２９Ａ、２９Ｂを収納するダイオードケース３２が、ヨーク２６のロータコア２５の背面側でロータ１２０、１３０の周方向に並列するように配置されている。

この回転電機１００では、ロータ１２０、１３０において誘導コイル２１と界磁コイル２２を巻き付けるロータコア２５の突極数Ｐと、ステータ１１０において電機子コイル１１を設置するステータスロット１７のスロット数Ｓとの構成比（コンビネーション）がＰ／Ｓ＝２／３となる構造を採用することにより、それぞれの閉回路３０の誘導コイル２１に鎖交する高調波磁束の波形を共通にしている。

このため、位相差なく誘導コイル２１で発生させる誘導電流は、ダイオード２９Ａ、２９Ｂで整流した同程度の界磁電流として界磁コイル２２に供給することができ、発生する電磁力を損失なく有効利用して、ロータ１２０、１３０を効率よくかつ高品質に回転駆動させることができる。

このような回路構成により、本実施形態の回転電機１００では、閉回路３０毎の６セットにセグメント化させているため、ロータ１２０、１３０の誘導コイル２１および界磁コイル２２の全てを２つのダイオード２９Ａ、２９Ｂで整流して電磁石として機能させる直列回路とする場合よりも、巻線抵抗が積算されて高抵抗値になってしまうことを回避することができる。

このことから、例えば、車両を低速走行させるためにロータ１２０、１３０を低速回転させるような場合では、誘導コイル２１に鎖交する磁束量の変化が小さくなって発生する誘導電流も小さくなる。しかしながら、回転電機１００では、その誘導コイル２１や界磁コイル２２の巻線抵抗での浪費を少なくして（制限抵抗値を小さくして）、界磁コイル２２を無駄な電力浪費なく励磁させることができる。これにより、効率よく電磁力を発生させることができ、ステータ１１０の電機子コイル１１により発生される回転力を有効に補助させることができる。

このとき、誘導コイル２１で発生させる誘導電圧や界磁コイル２２で発生する界磁電圧も分散させて低電圧に抑えることができ、巻線に通電することにより発生する銅損も低減することができる。よって、電圧値が高くなり過ぎるために所望のトルクを得ることができなくなってしまうことを回避することができる。

ところで、誘導コイル２１や界磁コイル２２の低抵抗化や低電圧化は、その誘導コイル２１と界磁コイル２２の個々をそれぞれ並列接続することでも達成することができる。しかしながら、両端部が並列接続されている誘導コイル２１と界磁コイル２２のそれぞれでは、磁束の発生（変化）を打ち消す方向の誘起電圧が発生するので、誘導コイル２１や界磁コイル２２の並列回路内に循環電流が発生してしまい磁束（磁力）の発生を妨げてしまう。このため、回転電機１００の整流回路としては、ロータ１２０、１３０に閉回路３０をそれぞれ６セット配置するのが好適である。

具体的に、閉回路３０は、ダイオードケース３２内のダイオード２９Ａ、２９Ｂの接続ピン２９ｃと誘導コイル２１および界磁コイル２２とが複数の結線材３３を介して接続されている。また、ダイオードケース３２と結線材３３は、図１３に示すように、ヨーク２６のロータコア２５の背面側に設置されている樹脂製（例えば、ＰＰＳ樹脂）の結線基盤３５のホルダ穴３６や結線材用溝３７を利用して位置決め保持でき、容易に結線作業を行えるようになっている。

ここで、結線基盤３５は、軸方向外面３５ａ側で周方向に均等間隔になるように、ダイオードケース３２をセットするホルダ穴３６が形成されており、そのダイオードケース３２は、ホルダ穴３６内に締付ボルト３９により取り付けるようになっている。この結線基盤３５は、ダイオードケース３２から外部に突出するダイオード２９Ａ、２９Ｂの接続ピン２９ｃが、軸心を中心とする径方向に延伸して外周側に向かうように設置されるようにホルダ穴３６が配列されている。このように、結線基盤３５は、ダイオード２９Ａ、２９Ｂの接続ピン２９ｃを周方向に沿うように配列する場合よりもコンパクトに設置されるように形成されている。

また、結線基盤３５は、誘導コイル２１や界磁コイル２２のα巻きされている巻線（平角線２１Ｌ、２２Ｌ）から第１、第２接続端部２１ｐ、２１ｑ、２２ｐ、２２ｑが引き出されて、それぞれが絶縁される所定の間隔を確保しつつ、結線基盤３５の外周面３５ｂに沿うように屈曲する形状に成形されて、外面３５ａ側（背面側）に向かう方向に延長されている。

これに対して、結線基盤３５には、結線材用溝３７として、径方向溝３７ａと周方向溝３７ｂとがそれぞれ複数形成されている。結線材用溝３７の径方向溝３７ａは、誘導コイル２１および界磁コイル２２の第１、第２接続端部２１ｐ、２１ｑ、２２ｐ、２２ｑとダイオードケース３２（ダイオード２９Ａ、２９Ｂ）外部の接続ピン２９ｃの双方を収容可能に、幅広の窪み形状のまま外面３５ａ側から外周面３５ｂ側まで径方向に向かって連続する形状に形成されている。結線材用溝３７の周方向溝３７ｂは、結線材３３と同等程度の幅で径方向溝３７ａとの間を繋げるように、軸心からの離隔間隔の異なる３本が形成されている。

この結線材３３は、図１１および図１２に示すように、結線材用溝３７の径方向溝３７ａ内に設置する複数本の径方向線材（第１の導体）３３ａと、結線材用溝３７の周方向溝３７ｂ内に設置する複数本の周方向線材（第２の導体）３３ｂと、が適宜溶接や半田付け等されることにより、誘導コイル２１および界磁コイル２２をダイオード２９Ａ、２９Ｂに接続する結線経路Ｒ１〜Ｒ５を形成するようになっている。ここで、この結線材３３は、結線材用溝３７（３７ａ、３７ｂ）の形状に合わせて成形しておくことにより容易に接続作業を行うことができ、また、帯状に形成することにより放熱特性も向上させることができる。

なお、詳細には、結線経路Ｒ１は、２つの界磁コイル２２の一方側の第１接続端部２２ｐと、２つの誘導コイル２１の２つの第１接続端部２１ｐとの間が導通接続されている。結線経路Ｒ２は、直列接続されている２つの界磁コイル２２の間の第１、第２接続端部２２ｐ、２２ｑの間が導通接続されている。結線経路Ｒ３、Ｒ４は、並列接続されている２つの誘導コイル２１の２つの第２接続端部２１ｑとダイオード２９Ａ、２９Ｂのそれぞれのアノード側の接続ピン２９ｃとの間がそれぞれ導通接続されている。結線経路Ｒ５は、直列接続されている２つの界磁コイル２２の他方側の第２接続端部２２ｑとダイオード２９Ａ、２９Ｂの双方のカソード側の接続ピン２９ｃとの間が導通接続されている。

そして、ロータ１２０、１３０は、図１４に示すように、ステータ１１０との間に介在するように、言い換えると、保持枠１６に対面するように結線基盤３５の反対側に保持盤４１が取り付けられている。保持盤４１は、開口する保持穴４１ａ内にロータコア２５の端部２５ａ側を嵌め込んで端面２５ｂを露出させる状態で保持するようになっている。

保持盤４１は、結線基盤３５の外周面３５ｂの径方向溝３７ａ内における隙間に入り込ませるフック４２が保持穴４１ａ間の外周側の複数個所に一体形成されている。詳細には、フック４２は、誘導コイル２１の第１接続端部２１ｐに隣接する隙間に入り込ませて、結線基盤３５の外面３５ａ側に引っ掛けるようになっている。

この保持盤４１は、フック４２を結線基盤３５の外面３５ａ側に引っ掛けることにより誘導コイル２１や界磁コイル２２をロータコア２５に巻き付けた状態に保持しつつ、保持枠１６の保持穴１６ａから露出するステータコア１５の端面１５ｂに、保持穴４１ａから露出する端面２５ｂが近接対面する状態を維持するようになっている。なお、この保持盤４１は、磁気回路の形成を妨げないように非磁性体材料で作製されており、例えば、フック４２を容易に変形させて結線基盤３５に取り付けることができるように樹脂材料（例えば、ＰＰＳ樹脂）を成形して作製しても良い。

また、ロータ１２０、１３０は、結線基盤３５の外面３５ａ側から保持盤４１までを有底で短尺な円筒形状に形成されているカバー４５内に収容して保護するようになっており、カバー４５は、非磁性金属板、例えば、真鍮板を成形することにより、稼動時における磁路の形成等に影響しないように作製されている。

このカバー４５は、外周壁４６の内周面側に、結線基盤３５の外周面３５ｂに設けられた径方向溝３７ａに嵌まり込ませる凸形状部４６ａ（図１５を参照）が形成されている。また、軸心の開口４５ｃ周りには、結線基盤３５のホルダ穴３６内にセットしたダイオードケース３２を固定する締付ボルト３９のネジ部を貫通させる貫通孔４５ｄが形成されている。

これにより、カバー４５は、外周壁４６の凸形状部４６ａを結線基盤３５の外周面３５ｂの径方向溝３７ａに嵌まり込ませて周方向に位置決めして被せることができる。また、開口４５ｃ周りの貫通孔４５ｄに、締付ボルト３９を差し込んで結線基盤３５のホルダ穴３６内のダイオードケース３２の一面側に密接する状態で取り付けることができる。これにより、カバー４５は、ダイオード２９Ａ、２９Ｂが整流動作する際に発生する熱を熱交換して外部に放出する放熱部材として機能することができる。また、結線基盤３５から締付ボルト３９を緩めて取り外すだけでダイオードケース３２（ダイオード２９Ａ、２９Ｂ）の交換作業を行うことができ、作業性を向上させることができる。

さらに、ロータ１２０、１３０は、隣接する保持穴４１ａの間において、複数個所に注入口４１ｂが設けられている。そして、ロータ１２０、１３０は、カバー４５を結線基盤３５に取り付けた状態にして、カバー４５の外周壁４６および保持盤４１の外周縁４１ｃとの間に形成される隙間Ｄ１（図１５を参照）と、ロータコア２５の軸心側の円筒部２３と保持盤４１の内周縁４１ｄとの間に形成される隙間Ｄ２（図１５を参照）と、注入口４１ｂとからＰＰＳ樹脂を射出（注入）できるようになっている。

このとき、ロータ１２０、１３０では、図１５に示すように、結線基盤３５の外面３５ａ側までが埋まってしまわない程度にＰＰＳ樹脂の射出量が調整されており、カバー４５と結線基盤３５との間のロータスロット２７内などにＰＰＳ樹脂を充填して固化させるようになっている。

これにより、ロータ１２０、１３０でも、ロータスロット２７などの部材間の隙間にＰＰＳ樹脂を注入することができ、射出充填用金型を準備することなく、ロータコア２５や誘導コイル２１や界磁コイル２２の間の隙間にＰＰＳ樹脂を侵入させて固定した樹脂モールドＭｏＲにすることができる。このため、各部材が樹脂モールドＭｏＲにより保持されることにより、遠心力や振動により移動することが制限されて、特性を安定化させることにより電磁振動等を抑制することができる。また、遠心力や振動、衝撃に対する堅牢性を確保することができる。また、樹脂モールドＭｏＲとすることにより水分等の浸入を制限して耐久性も向上させることができる。

このとき、結線基盤３５の外面３５ａ側がＰＰＳ樹脂で埋まってしまうことがなく、カバー４５を結線基盤３５から外してダイオードケース３２（ダイオード２９Ａ、２９Ｂ）を交換する作業を不能にしてしまうことがない。

そして、回転電機１００は、図１に示すように、ステータ１１０とロータ１２０、１３０とがモータケース１５０内に収容されている。この回転電機１００は、モータケース１５０の軸方向両端側の端板１５２、１５３に設置するベアリング１５９によりシャフト１０１の両端側が回転自在に支持されている。そして、そのシャフト１０１をベアリング１０８により回転自在に支持するステータ１１０の外周縁側が、モータケース１５０の側板１５４に連結されて、その電機子コイル１１に電力が供給されるようになっている。

この回転電機１００は、ステータ１１０の電機子コイル１１に電力供給してロータ１２０、１３０が回転駆動する際の回転トルクを、モータケース１５０の端板１５３の外部に露出（突出）するシャフト１０１の連結端部１０１ａ側に連結される負荷側に出力するようになっている。このシャフト１０１（ロータ１２０、１３０）の回転は、モータケース１５０の端板１５２から突出する回転端部１０１ｂに不図示のレゾルバなどの回転センサを取り付けて回転速度などを検出するようになっており、この回転端部１０１ｂは端板１５２の外部側に損傷防止用のガードケース１５６が設置されて保護されている。

シャフト１０１は、図１６に示すように、ステータ１１０やロータ１２０、１３０を取り付ける設置箇所に径の異なる段差部１０２、１０３を形成してステータ１１０とロータ１２０、１３０を軸方向に位置決めして取り付けるようになっている。ステータ１１０は、段差部１０２を軸心側に位置させてシャフト１０１に取り付ける。ロータ１２０、１３０は、その段差部１０２の軸方向の両側の設置面１０１ｒを軸心側に位置させてシャフト１０１に取り付ける。

このロータ１２０、１３０は、ヨーク２６の軸心側の円筒部２３の内周面２３ａを嵌め込むシャフト１０１の設置面１０１ｒよりも大径に形成する段差部１０２の両端面１０２ａ、１０２ｂ（ロータ位置決め部、第１、第２のロータ段差部）に、その円筒部２３を突き当てた状態を基準にして締込リング１０５、１０６を両端側の不図示のネジ部に噛み合わせて接近方向に締め込むことにより軸方向に位置決めするようになっている。また、ロータ１２０、１３０は、回転方向には、図１７に示すように、円筒部２３の内周面２３ａ側に形成されているキー溝２４と、シャフト１０１の設置面１０１ｒの軸方向に連続するキー溝１０４と、にキー部材１２９を嵌め込んで位置決めするようになっている。

また、シャフト１０１は、図１６に示すように、ロータ１２０、１３０を位置決めする段差部１０２の一端側に端面１０２ｂを共通にするように、より大径の段差部１０３が形成されており、その段差部１０３を基準にステータ１１０を位置きめして取り付けるようになっている。

このステータ１１０は、図１に示すように、保持枠１６の内周縁側にベアリング受け１０７を設置してベアリング１０８を回転自在に支持させており、そのベアリング１０８の一端側端部を段差部１０３の共通の端面１０２ｂの反対側の端面１０３ａ（ステータ位置決め部、ステータ段差部）に突き当てた状態を基準にして軸方向に位置決めするようになっている。さらに、ステータ１１０は、回転方向には、保持枠１６の肉厚部１６ｄのネジ穴１６ｈに差し込む固定ボルト１１９をモータケース１５０の側板１５４の内周面側に形成されているフランジ部１５５のネジ止め穴１５５ａに締め込んで位置決めするようになっている。この構造により、ステータ１１０は、外周側がモータケース１５０の側板１５４に固定されることにより、軸方向のたわみ振動を低減することができる。

このように、回転電機１００は、モータケース１５０の端板１５２、１５３側とステータ１１０の保持枠１６側とに設置されているベアリング１５９、１０８に回転自在に支持されているシャフト１０１に、そのステータ１１０を挟み込むようにロータ１２０、１３０を固定して一体回転させる構造に構築されている。

この構造により、回転電機１００は、図１８に示すように、モータケース１５０側に固定するステータコア１５の両端面１５ｂとシャフト１０１側に固定するロータコア２５の端面２５ｂとをギャップＧを介して近接対面させて、ロータ１２０、１３０を回転自在に支持することができる。また、この回転電機１００では、ステータ１１０の電機子コイル１１に車載バッテリから交流電流を通電して回転磁界を発生させることにより、ロータ１２０、１３０の誘導コイル２１に高調波磁束を鎖交させて誘導電流を発生させることができ、その誘導電流を整流して界磁コイル２２に界磁電流として供給することによって電磁石として機能させて回転トルクを得ることができる。

ここで、誘導コイル２１および界磁コイル２２は、ステータコア１５の端面１５ｂからロータコア２５の端面２５ｂに鎖交する３次の時間高調波磁束を有効利用するように、磁界解析を行って高調波磁路を確認した上で、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されている。具体的には、上述するように、ロータ１２０、１３０のスロット数Ｓとステータ１１０の磁極数Ｐとの構成比Ｓ／Ｐを２／３とすることにより、回転座標系における３ｆ次の時間高調波磁束（ｆ＝１、２、３・・・）を効率よく利用可能な構造に形成されている。

詳細には、例えば、回転座標系における高次の時間高調波磁束では、ロータコア２５の端面２５ｂの表面付近でのみ振動する波形に過ぎないことから誘導コイル２１に効率よく誘導電流を発生させることができない。これに対して、回転座標系における３次の時間高調波磁束を回収対象とすると、電機子コイル１１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して有効に誘導コイル２１に誘導電流を発生させることができる。このため、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。

加えて、上記と同様に磁束密度分布の磁界解析をすると分かるように、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１１０に働く電磁力分布にも偏在が認められることになる。

このため、回転電機１００では、ロータ１２０、１３０のスロット数Ｓとステータ１１０の磁極数Ｐとの構成比Ｓ／Ｐを２／３とす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１２０、１３０をステータ１１０に対面させつつ高品質に相対回転させることができる。

これにより、回転電機１００では、空間高調波磁束を損失とすることなく有効利用して、損失エネルギーを効率よく回収することができ、電磁振動を大幅に低減して静寂性高く回転させることができる。

また、誘導コイル２１や界磁コイル２２は、集中巻構造を採用することにより、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２１では、回転座標系における１次側での銅損損失を低減しつつ、低次である３次の時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。

さらに、誘導コイル２１は、回転座標系における３次の時間高調波磁束を利用することにより、回転座標系における２次の時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。詳細には、誘導電流は２次よりも３次の時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。

このように、回転電機１００は、図１９にモデル図として示すように、ステータ１１０の電機子コイル１１を巻き付けるステータコア１５の両端面１５ｂにギャップＧを介してロータ１２０、１３０のそれぞれのロータコア２５の端面２５ｂを対面させている。そして、それぞれのロータコア２５の端部側２５ａに誘導コイル２１を、また、それぞれのロータコア２５のヨーク２６（連接部２５ｃ）側に界磁コイル２２を巻き付けている。

これによって、回転電機１００は、図２０に示すように、電機子コイル１１に通電して発生させる磁束ＭＦをステータコア１５と両側のロータコア２５との間を鎖交させてヨーク２６を迂回させる磁気回路を形成することができ、ステータ１１０に対して２つのロータ１２０、１３０を相対回転させることができる。また、これに加えて、その磁束ＭＦに重畳する空間高調波磁束ＨＦもステータコア１５から両側のロータコア２５に鎖交させてそれぞれの端部側２５ａの誘導コイル２１で効率よく回収させて誘導電流を発生させることができ、その誘導電流をダイオード２９Ａ、２９Ｂで整流した界磁電流を界磁コイル２２に供給することができる。このため、例えば、図２１において、ステータコア１５と両側の２つのロータコア２５との間で鎖交させる３次の時間高調波磁束ＨＦの磁束密度を磁束ベクトルＶで示すように、回転電機１００は、ステータコア１５と両側の２つのロータコア２５との間で空間高調波磁束ＨＦを高磁束密度に鎖交させて大きなマグネットトルクでシャフト１０１を回転させることができる。

これに対して、例えば、径方向にステータとロータとをギャップを介して対面させるラジアルギャップ型の回転電機において、ステータを間に挟むように直径の異なるインナロータとアウタロータとを配置する構造の場合、ラジアル方向にステータと対面させる面積がインナロータとアウタロータとで大きく異なるため、回転トルクに大きな差異が生じてしまう。

このことから、ラジアルギャップ型の回転電機は、構造上、アキシャルギャップ型よりも空間高調波磁束の鎖交する面積を大きく確保することができず、電機子コイル１１を集中巻きにして空間高調波磁束の発生量を多くしても効果的に鎖交させにくい特性がある。反対に、アキシャルギャップ型の回転電機１００は、構造上、ラジアルギャップ型よりも漏れ磁束が多いが、その漏れを有効に回収可能な構造であるので、空間高調波磁束を効果的に鎖交させることができる。

例えば、１つのロータを用いるラジアルギャップ型の回転電機の場合には、図２２に示すように、電機子コイル９３１を巻き付けるステータコア９３５の片側の端面９３５ｂに、ギャップＧを介して１つのロータコア９４５の端面９４５ｂを対面させる構造になる。このような構造では、電機子コイル９３１に通電して発生させる磁束ＭＦに重畳する空間高調波磁束ＨＦを、アキシャルギャップ型よりも効率よく回収することができず、大きなマグネットトルクを発生させにくい。また、ヨーク９４６側での鉄損がアキシャルギャップダブルロータ型の回転電機１００よりも増加してしまう。

また、図２３に示すように、ラジアルギャップ型の回転電機でも、より多くの空間高調波磁束ＨＦを回収するために、ロータコア９４５間のロータスロット９４７内に回収用の補極コア９４８を配置して誘導コイル９４９を巻き付けることも考えられる。しかしながら、このような構造でも、ステータコア９３５の片側に漏れる空間高調波磁束ＨＦを回収できるだけであることから、得られるマグネットトルクは回転電機１００よりも小さい。また、このような構造では、ロータコア９４５間に磁束を鎖交させる補極コア９４８を配置することから、ロータ側の突極比が小さくなってしまう。

さらに、回転電機１００は、ステータ１１０やロータ１２０、１３０に、巻線コイルを集中巻きにした電機子コイル１１、誘導コイル２１および界磁コイル２２をそれぞれ配置するが、集中巻きに代えて、分布巻きにすることもできる。しかしながら、ステータコア１５の端面１５ｂとロータコア２５の端面２５ｂとの間で鎖交する磁束密度は、電機子コイル１１、誘導コイル２１および界磁コイル２２を集中巻きまたは分布巻きした場合で比較すると、図２４に示すような磁束密度波形となる。この磁束密度波形を電磁界解析すると、図２５に示すように、集中巻きの場合には静止座標系における２次の空間高調波磁束（回転座標系における３次の時間高調波磁束）を、分布巻きの場合よりも多く含んでいることが分かる。この結果、回転電機１００では、集中巻きを採用することにより、分布巻きの場合よりもロータコア２５の端面２５ｂの深くに入り込む空間高調波磁束を多く誘導コイル２１に鎖交させ、誘導電流を界磁電流として界磁コイル２２に供給することができる。

このことから、図２６にトルク波形で示すように、アキシャルギャップダブルロータ型の回転電機１００は、ステータ１１０の電機子コイル１１への交流電流の供給を開始すると、図中に実線で示すように高トルクでシャフト１０１を回転させることができる。これに対して、図２６中に一点鎖線で示す図２２のようなラジアルギャップ型で補極なしの構造や、図２６中に二点鎖線で示す図２３のようなラジアルギャップ型で補極ありの構造では、アキシャルギャップダブルロータ型の回転電機１００のように大きなトルクを得ることができていない。また、図２６中に点線で示すように、高トルクを得ることを目的として、永久磁石をロータ内に埋め込んでマグネットトルクを利用するＩＰＭＳＭ（Interior Permanent Magnet Synchronous Motor）の構造でも、アキシャルギャップダブルロータ型の回転電機１００のように大きなトルクでシャフト１０１を回転駆動させることができていないことが分かる。

ところで、この回転電機１００は、図２７に示すように、カバー４５の外面４５ａ側の複数個所に冷却フィン６１が形成されている。この冷却フィン６１は、回転方向に向かう側を傾斜面６１ａとすることにより回転負荷となることを回避しつつモータケース１５０内の空気を対流させるようになっている。

これにより、回転電機１００は、ロータ１２０、１３０の結線基盤３５を内部に収容するカバー４５本体が、ダイオード２９Ａ、２９Ｂの整流動作時に伝達される発熱を、冷却フィン６１を含むカバー４５の表面を外気等に効率よく接触されて熱交換させることができる。これにより、効果的に放熱させることができ、温度上昇で回転効率が低下してしまうことを抑制することができる。なお、この回転電機１００は、シャフト１０１の軸心を貫通する冷媒用流路１０９も備えている。

このように、本実施形態においては、シャフト１０１周りに巻き方向の平行な電機子コイル１１、誘導コイル２１および界磁コイル２２を、アキシャルギャップ型のダブルロータ構造に構築されるステータ１１０およびロータ１２０、１３０のそれぞれに配置するので、電機子コイル１１で発生させる主磁束に重畳する空間高調波磁束を、ステータ１１０の両側に設けられたロータ１２０、１３０の誘導コイル２１に効果的に鎖交させることができる。そして、これにより誘導コイル２１に発生した誘導電流を界磁電流として、界磁コイル２２に効率よく供給することができる。

したがって、永久磁石を用いることなく（空間高調波磁束によって磁力の低下を生じさせてしまうことなく）、かつ、外部から電力を供給することなく、空間高調波磁束を効果的に利用することにより、リラクタンストルクと共にマグネットトルクをロータ１２０、１３０のそれぞれに作用させて大きな回転力で回転駆動させることができる。

また、電機子コイル１１は、コア材（ステータコア１５）周りに平角線１１Ｌをα巻きして、端部１１Ｌａおよび端部１１Ｌｂを巻線の周回方向そのままにステータ１１０の外周側へ引き出している。これにより、保持枠１６との間の空間を有効に利用して巻線コイルを形成することができる。このような構造のため、そのコア材の端部１５ａを保持枠１６の保持穴１６ａから露出させて挟み込む、所謂、オフセット状態にして巻線の全周に接して支持することができる。また、周回箇所から引き出して屈曲させることによりコンパクトに結線させることができる。

また、誘導コイル２１および界磁コイル２２は、コア材（ロータコア２５）周りに平角線２１Ｌ、２２Ｌをα巻きして、第１接続端部２１ｐ、２２ｐおよび第２接続端部２１ｑ、２２ｑを周回方向そのままにロータ１２０、１３０の外周側へ引き出すことができ、保持盤４１との間の空間を有効に利用して巻線コイルを形成することができる。このような構造のため、そのコア材の端部２５ａを保持盤４１の保持穴４１ａから露出させて挟み込む、所謂、オフセット状態にして巻線の全周に接して支持することができる。また、周回箇所から引き出して屈曲させることによりコンパクトに結線させることができる。

さらに、電機子コイル１１は、ステータ１１０の外周側に沿うリング形状で板状のバスバー１２（１２ｕ、１２ｖ、１２ｗ、１２ａ）が、その板状における平面方向を軸心と直交させる上下２段に設置されているので、ステータコア１５の外周側でコンパクトに結線接続することができ、容易に作製することができる。

ここで、本実施形態の他の態様としては、ステータ１１０をロータ１２０、１３０で挟む形態のシングルステータ＆ダブルロータに限らず、ロータをステータで挟み込む形態のダブルステータ＆シングルロータのアキシャルギャップモータに構築しても同様の作用効果を得ることができる。

また、巻線コイルとしては、巻線に銅線を採用する場合に限らず、例えば、アルミ導体や、高周波電流用撚り線のリッツ線を採用してもよい。

また、回転電機１００は、ロータ１２０、１３０に永久磁石を追加して配置するハイブリッドタイプに構築してもよく、マグネットトルクをハイブリッド界磁型で得られるようにしてもよい。

さらに、整流素子としては、ダイオード２９Ａ、２９Ｂだけでなく、他のスイッチング素子などの半導体素子を採用してもよく、ダイオードケース３２内に収納するタイプに限らず、ロータ１２０、１３０の内部に実装するようにしてもよい。

この回転電機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 電機子コイル
１２ａ、１２ｕ、１２ｖ、１２ｗ バスバー
１５ ステータコア
１５ａ 端部
１５ｋ 切欠（凹部）
１６ 保持枠（保持板、枠部材）
１６ａ 保持穴
１６ｔ 突起（凸部）
１７ ステータスロット
２１ 誘導コイル
２１ｐ、２１ｑ 接続端部
２２ 界磁コイル
２２ 接続端部
２２ｐ、２２ｑ 接続端部
２５ ロータコア
２５ａ 端部
２６ ヨーク
２７ ロータスロット
２９Ａ、２９Ｂ ダイオード（整流素子）
２９ｃ 接続ピン
３０ 閉回路
３２ ダイオードケース
３３ 結線材
３３ａ 径方向線材（第１の導体）
３３ｂ 周方向線材（第２の導体）
３５ 結線基盤
３６ ホルダ穴
３７ 結線材用溝
３９ 締付ボルト
４１ 保持盤
４１ａ 保持穴
４２ フック
４５ カバー
４６ 外周壁
６１ 冷却フィン
１００ 回転電機
１０１ シャフト
１０２、１０３ 段差部
１０２ａ、１０２ｂ 端面（ロータ位置決め部、第１、第２のロータ段差部）
１０３ａ 端面（ステータ位置決め部、ステータ段差部）
１０８、１５９ ベアリング
１１０ ステータ
１２０ ロータ
１５０ モータケース
１５５ フランジ部
Ｄ１ 隙間
Ｄ２ 隙間
Ｇ ギャップ
ＭｏＲ、ＭｏＳ 樹脂モールド

Claims (7)

1. 回転軸を中心にして回転駆動するロータと、前記回転軸の軸方向において前記ロータが対面しているステータと、を備えて、
   前記ステータの前記回転軸の軸周りに配置される複数の電機子コイルと、
   前記ロータの前記回転軸の軸周りに配置される複数の誘導コイルおよび複数の界磁コイルと、
   前記誘導コイルで発生する誘導電流を整流して前記界磁コイルに供給する整流素子と、を有しており、
   前記電機子コイル、前記誘導コイルおよび前記界磁コイルのうちの少なくとも１つ以上の巻線は、当該巻線の２つ端部のそれぞれが接続用に引き出される個所の前記コア材の外周面に巻き付けられ、前記回転軸の軸方向において２段で周回する巻線コイルに形成されている、アキシャルギャップ型の回転電機。
2. 前記巻線は、前記回転軸と平行な方向を中心として前記コア材の外周面に巻き付けられており、
   当該巻線の接続用に引き出される２つ端部は、前記回転軸に近接する側の近接箇所および前記回転軸から離隔する側の離隔箇所のいずれか一方から引き出されている、請求項１に記載のアキシャルギャップ型の回転電機。
3. 前記電機子コイルは、前記ステータにおいて前記回転軸の軸周りに配置されており、
   前記巻線の接続用に引き出される端部は、前記ステータの外周に沿う円弧形状に形成されるバスバーにより接続されている、請求項２に記載のアキシャルギャップ型の回転電機。
4. 前記バスバーは、板状に形成されて、当該板状の平面が前記回転軸と交差する方向と平行になるように設置されている、請求項３に記載のアキシャルギャップ型の回転電機。
5. 前記誘導コイルおよび前記界磁コイルは、前記回転軸の軸方向において、共通の前記コア材の異なる２箇所に配置されており、
   前記巻線の接続用に引き出される端部は、前記ステータから離隔する側に向かって絶縁間隔を保ちつつ屈曲する形状に成形されている、請求項２から請求項４のいずれか１項に記載のアキシャルギャップ型の回転電機。
6. 前記電機子コイルは、前記コア材の両端側に前記巻線を巻き付けない露出箇所を形成して、当該露出箇所を嵌め込む保持穴を有する２枚の保持板により当該巻線を巻き付ける箇所を挟み込んで前記ステータに設置されている、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のアキシャルギャップ型の回転電機。
7. 前記電機子コイルは、前記コア材の露出箇所と前記保持板の前記保持穴の縁との対応する位置に、互いに嵌め合って位置決めする凸部と凹部とが配置されている、請求項６に記載のアキシャルギャップ型の回転電機。

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