JP2017050945A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】トルクリップルを平滑化することが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コイル１０４を有するステータ１００と、磁束の通過により回転するインナロータ３００と、インナロータ３００を通過する磁束の磁路の途中に配置されて回転するアウタロータ２００とを備える回転電機１であって、インナロータ３００は、周方向における隣同士が逆向きの周回巻線となる集中巻になるように形成されるロータ巻線３３０が巻かれている複数のロータティース３０２を周方向に並列され、誘導起電力の電流位相が同相となるロータ巻線３３０とダイオードが直列接続された閉回路である整流回路を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、ロータに巻線を有する回転電機に関する。

回転電機は、各種装置に動力源として搭載されており、例えば、車両の場合には単独に搭載されて電気自動車の動力源として機能し、あるいは、内燃機関と共に搭載されてハイブリッド車の動力源として機能する。

特に、ハイブリッド車の場合、遊星歯車を介して内燃機関と組み合わせて発電用と駆動用とで活用するシステムに組み込まれる場合がある。この場合には、内燃機関と、発電用モータと、駆動用モータとのそれぞれを遊星歯車と共にシステム内に組み込むことから大型化してしまい小型車両に搭載するのが難しい、という課題があった。

これに対して、特許文献１に記載の回転電機では、発電用モータ、駆動用モータ、および遊星歯車（ギヤ）として機能させることのできるように複合化された機能を備えるように工夫されている。

例えば、図９に示すように、特許文献１に記載の回転電機Ｍは、６極対の電機子コイルＣを有するステータＳ（極対数Ａ）と、１０極対の永久磁石ＰＭを有する第１のロータＲ１（極対数Ｐ）と、１６極の磁気導通路ＭＰを有する第２のロータＲ２（極数Ｈ（Ａ＋Ｐ））と、を備えている。この回転電機Ｍは、磁気変調原理を利用して、ステータＳと、第１のロータＲ１と、第２のロータＲ２との３つの要素を、遊星歯車におけるサンギヤ、リングギヤ、キャリヤと同等に機能させることができる磁気変調型二軸モータになっている。

特開２０１３−１８８０６５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の回転電機Ｍにあっては、永久磁石の磁力をそのままマグネットトルクとして利用できるＩＰＭモータ（Interior Permanent Magnet Motor）のように、トルク密度を増大させて大出力を得るようにすることが難しく、そのトルクを補うためには残留磁束密度の大きな高価な永久磁石を用いる必要がある。

また、回転電機Ｍの構造では、永久磁石に鎖交する磁束の変動が大きいことから、保磁力が大きく、しかも、熱による減磁の少ない、例えば、Ｄｙ（ジスプロシウム）やＴｂ（テルビウム）のような高価な希土類を添加した高価な永久磁石、例えば、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石（ネオジウム磁石）を採用する必要がある。

このような問題に対し、本件出願人は、従来問題となっていた非同期の磁束変動（ステータ回転磁界とロータ回転速度の差分周波数の磁束変動）を変換して電磁石により磁力を発生させる回転電機を提案している。

この回転電機は、ステータ回転磁界とロータが非同期回転する条件下でロータに鎖交する非同期磁束を誘導起電力に変換させるロータ巻線をロータ上に持つ。発生した誘導起電力はロータ上に実装した整流回路のダイオードによって整流され、整流された電流がロータ巻線に流れることで自励し、電磁石により磁力が発生する。

しかしながら、ロータに鎖交する非同期磁束から変換された誘導起電力を界磁電流に変換する整流回路の構成によっては、トルクリップルが発生したり、誘導起電力を効率よく界磁電流として利用できなかったりする。

そこで、本発明は、トルクリップルを平滑化することが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コイルを有するステータと、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、ステータは、電機子コイルが集中巻きにより形成されており、ロータは、電機子コイルで発生した磁束の鎖交により誘導電流を誘起させるロータ巻線が巻かれた周方向に並列されている複数の突極部と、誘導電流を直流電流に整流する整流回路とを有し、ロータ巻線は、隣接する突極部の磁極の極性が異なるように巻かれており、整流回路は、誘導電流の電流位相が同相の複数のロータ巻線と整流素子とが直列に接続される閉回路であるものである。

このように本発明の一態様によれば、トルクリップルを平滑化することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る回転電機を示す図であり、その概略構成の１／２モデルを示す回転軸に直交する断面図である。 図２は、本発明の第１実施形態に係る回転電機を示す図であり、その回転電機の概略全体構成を説明するモデルであり、その回転軸と平行な断面概念図である。 図３は、本発明の第１実施形態に係る回転電機を示す図であり、そのインナロータとアウタロータの間のギャップ磁束密度の調波解析結果を示す図である。 図４は、本発明の第１実施形態に係る回転電機を示す図であり、そのインナロータの概略構成を示す回転軸に直交する断面図である。 図５は、本発明の第１実施形態に係る回転電機を示す図であり、そのインナロータに設置するダイオードの接続閉回路を示す結線図である。 図６は、本発明の第２実施形態に係る回転電機を示す図であり、その概略構成の１／２モデルを示す回転軸に直交する断面図である。 図７は、本発明の第２実施形態に係る回転電機を示す図であり、そのインナロータに設置するダイオードの接続閉回路を示す結線図である。 図８は、本発明の第２実施形態に係る回転電機を示す図であり、そのインナロータに鎖交する非同期磁束の磁気回路を示す図である。 図９は、本実施形態と比較する異なる構造の磁気変調二軸型の回転電機を示す図であり、その概略全体構成を示す回転軸に直交する断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る回転電機について詳細に説明する。
（第１実施形態）
図１および図２において、本発明の第１実施形態に係る回転電機１は、ダブルロータ形式の回転電機として構成されており、円筒形状に形成されたステータ１００と、このステータ１００内に回転自在に収納されて回転軸１Ｃに一致するアウタ回転軸（単に回転軸ともいう）２１０が固定されているアウタロータ２００と、このアウタロータ（第２のロータ）２００内に回転自在に収納されて回転軸１Ｃに一致するインナ回転軸（単に回転軸ともいう）３１０が固定されているインナロータ（第１のロータ）３００とを備えている。アウタロータ２００およびインナロータ３００は、回転軸１Ｃを回転中心として相対回転可能にそれぞれ支持されている。なお、図１は機械角３６０度のうちの１８０度分（１／２）の径方向断面図を図示している。インナロータ３００は、本発明におけるロータを構成している。

ステータ１００はステータコア１０１を備えており、このステータコア１０１には、軸心に向かう径方向に延伸されている複数本のステータティース１０２が周方向に並列されている。このステータティース１０２は、後述するアウタロータ２００の磁路部材２０１の外周面２０１ａにエアギャップＧ１を介して内周面１０２ａ側を対面させるように形成されている。

このステータ１００は、ステータティース１０２の側面１０２ｂ間をスロット１０３として、三相交流のＷ相、Ｖ相、Ｕ相に対応する電機子コイル１０４が納められている。電機子コイル１０４は集中巻きによりステータティース１０２に巻き回されている。電機子コイル１０４は、通電により磁束を発生させる。

ステータ１００は、この電機子コイル１０４に三相交流が供給されることで、周方向に回転する回転磁界を発生し、発生した磁束をアウタロータ２００やインナロータ３００に鎖交させることによりこれらアウタロータ２００およびインナロータ３００をそれぞれ回転駆動させる。

アウタロータ２００は、透磁率の高い鋼材などの軟磁性体からなる磁路部材２０１と、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂等の磁束を通さない非磁性体からなる非磁性部材２０２とを有する。磁路部材２０１および非磁性部材２０２は軸線方向に延伸されている。なお、軸線方向は、回転軸１Ｃが延伸する方向と同じ方向を示す。

磁路部材２０１および非磁性部材２０２は、例えば、アウタロータ２００の軸方向の一端側に位置する円盤状の大径部２０５と、軸方向の他端側に位置する同心の円筒形状に形成されている円筒軸２０６とに両端部を連結支持されている。

磁路部材２０１は、周方向で非磁性部材２０２に対向するポールピース部２０１Ａと、非磁性部材２０２のステータ側とインナロータ側とにおいて隣り合うポールピース部２０１Ａを接続するブリッジ部２０１Ｂとを有する。

ポールピース部２０１Ａとブリッジ部２０１Ｂとは、一体形成されている。したがって、磁路部材２０１は、ポールピース部２０１Ａとブリッジ部２０１Ｂとが一体形成された一体コアとして構成されている。一体コアとして構成された磁路部材２０１は、複数の電磁鋼板を軸線方向に積層したものからなる。

非磁性部材２０２は、ポールピース部２０１Ａおよびブリッジ部２０１Ｂで囲まれる空間に設けられている。したがって、本実施形態のアウタロータ２００は、軟磁性体のポールピース部２０１Ａと非磁性部材２０２とが周方向に交互に配置されている。

アウタロータ２００は、ステータ１００のステータティース１０２の内周面１０２ａと、後述するインナロータ３００のロータティース３０２の外周面３０２ａに対して、磁路部材２０１の外周面２０１ａと内周面２０１ｂとが対面するように形成されている。

このアウタロータ２００は、ステータ１００の電機子コイル１０４で発生し鎖交する磁束が磁路部材２０１のポールピース部２０１Ａを効率よく通過する一方、非磁性部材２０２ではその磁束の通過を妨げる。このステータ１００の電機子コイル１０４で発生する磁束は、アウタロータ２００のポールピース部２０１Ａを通過した後には、後述するように、インナロータ３００のロータティース３０２の外周面３０２ａに鎖交して、再度、アウタロータ２００のポールピース部２０１Ａを通過することにより、ステータ１００に戻る磁気回路を形成する。

このようにアウタロータ２００が回転することで、電機子コイル１０４で発生する回転磁界の極数および周波数を変更させることができる。この変調された回転磁界とインナロータ３００が同期回転することによりトルクが発生する。

インナロータ３００は、複数の電磁鋼板を軸線方向に積層したロータコア３０１を備えている。このロータコア３０１には、軸心から離隔する径方向に向かって延長されている複数本のロータティース（突極部）３０２が周方向に並列されている。ロータティース３０２は、アウタロータ２００の磁路部材２０１の内周面２０１ｂにエアギャップＧ２を介して外周面３０２ａを対面させるように形成されている。

このロータティース３０２は、隣接するロータティース３０２の側面３０２ｂ間をスロット３０３として、ロータ巻線３３０が巻き付けられている。

ロータ巻線３３０は、ロータティース３０２毎にインナロータ３００の周方向において隣同士が逆向きの周回巻線となる集中巻になるように形成されて、インナロータ３００の周方向に配列されている。このロータ巻線３３０は、磁束が鎖交することにより誘導電流を発生（誘起）し、発生した誘導電流を界磁電流として供給されることにより励磁されてロータティース３０２を電磁石として機能させる。

ロータ巻線３３０は、インナロータ３００の周方向において隣り合うロータティース３０２の磁極の極性が異なるように配線されている。

ここで、図１の機械角１８０度分の８つのロータ巻線３３０を、回転方向（反時計方向）にロータ巻線３３０−１〜ロータ巻線３３０−８と符合を付けて区別する。

このような回転電機１において、ステータ１００の起磁力が、アウタロータ２００によって変調され、その変調された磁束とインナロータ３００が同期回転することで駆動する。一方、ステータ１００の起磁力が変調されずにインナロータ３００へ鎖交する非同期の磁束が存在する。

図３にインナロータ３００とアウタロータ２００の間のギャップ磁束密度の調波解析結果を示す。ポールコンビネーションは、ステータ１００が４極対、アウタロータ２００が１２極、インナロータ３００が８極対の場合で、インナロータ３００は、ソリッドロータ（磁気抵抗の脈動を持たないロータ）での結果である。

図３に示すように、ステータ１００による４次の磁束が、アウタロータ２００により変調され、低次の項の８次と、高次の項の１６次のギャップ磁束が存在することが分かる。また、アウタロータ２００によるパーミアンス直流重畳項により４次の磁束も存在することが分かる。

この変調されない非同期磁束の空間的な次数はステータの極対数となる。解析例の場合、インナロータ３００に空間４次の磁束が鎖交する（機械角３６０°を１次としたとき）。

図４は、インナロータ３００の機械角３６０度の径方向断面図を示している。ここで、図４の機械角３６０度分の１６個のロータ巻線３３０を、回転方向（反時計方向）にロータ巻線３３０−１〜ロータ巻線３３０−１６と符合を付けて区別する。

図４において、ステータ１００からインナロータ３００に空間４次の磁束が鎖交する。この磁束による誘導起電力の電流位相は機械角９０°ごとに同相となる。

本実施形態においては、非同期磁束による誘導起電力の電流位相が同相となるロータ巻線３３０を直列接続し、整流素子によって整流する。

図５に示すように、誘導起電力の電流位相が同相となるロータ巻線３３０−１、ロータ巻線３３０−５、ロータ巻線３３０−９、ロータ巻線３３０−１３とダイオードＤ１が直列接続され、閉回路である整流回路Ｃ１を形成している。

同様に、ロータ巻線３３０−２、ロータ巻線３３０−６、ロータ巻線３３０−１０、ロータ巻線３３０−１４とダイオードＤ２が直列接続され、閉回路である整流回路Ｃ２を形成している。

ロータ巻線３３０−３、ロータ巻線３３０−７、ロータ巻線３３０−１１、ロータ巻線３３０−１５とダイオードＤ３が直列接続され、閉回路である整流回路Ｃ３を形成している。

ロータ巻線３３０−４、ロータ巻線３３０−８、ロータ巻線３３０−１２、ロータ巻線３３０−１６とダイオードＤ４が直列接続され、閉回路である整流回路Ｃ４を形成している。

すなわち、ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４は、本発明における整流素子を構成する。

このように構成することによって、整流回路Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４のそれぞれで、電流リップルの位相が異なるため、誘導電流変動に伴うトルクリップルを平滑化することができる。

また、ロータ巻線３３０それぞれにダイオードを接続した閉回路を形成するのに比べ、ダイオードの数量を低減させることができ、ダイオードによる電圧降下を抑えて界磁電流を大きくすることができる。

また、ダイオードの数量を低減させることで、回転電機１の小型化および軽量化が可能となる。

ここで、回転電機１のトルクの発生原理を説明する。インナロータ３００は、ステータ１００からアウタロータ２００を介して鎖交する磁束のうち、そのアウタロータ２００の回転によって変調された磁束がインナロータ３００の回転と同期して鎖交する。

また、一方で、回転電機１は、インナロータ３００のロータ巻線３３０に鎖交する磁束に、アウタロータ２００により変調されずに（インナロータ３００の回転に同期せずに）変動する成分が含まれており、これによりロータ巻線３３０に交流の誘導電流を発生させることができる。そして、その交流の誘導電流をダイオードで整流して直流の界磁電流とし、ロータ巻線３３０に通電することにより、ロータティース３０２を電磁石として機能させて界磁磁束を発生させることができる。このようにして、回転電機１はトルクを発生することができる。

なお、このとき、ステータ１００のステータティース１０２からアウタロータ２００のポールピース部２０１Ａを介してインナロータ３００のロータティース３０２に鎖交する磁束は、集中巻きした電機子コイル１０４に交流電源から電力供給して発生させる。

ところで、この電機子コイル１０４は、本実施形態では集中巻きを採用するが、分布巻きを採用してもよい。

これらのことから、回転電機１は、永久磁石を設けることなく、インナロータ３００を電磁石トルク（回転力）により相対回転させることができる。このインナロータ３００では、磁化方向（Ｎ極、Ｓ極）が周方向に向かって交互になるように並列されている電磁石としてロータティース３０２を機能させることにより、アウタロータ２００との間で鎖交させる磁束をスムーズにスロット３０３を迂回させて受け渡すことができる。

この回転電機１は、ステータ１００に対してアウタロータ２００が相対回転し、また、その回転するアウタロータ２００（磁路部材２０１）を経由する磁束が鎖交されるインナロータ３００が電磁石トルクにより相対回転されるので、アウタロータ２００を低速回転させつつインナロータ３００を高速回転させることができる。また、反対に、アウタロータ２００を高速回転させ、インナロータ３００を低速回転させることもできる。

また、この回転電機１は、ステータ１００、アウタロータ２００およびインナロータ３００の構造に応じて上述の回転駆動に必要なトルクが発生するようになっている。具体的には、ステータ１００の電機子コイル１０４の極対数をＡとし、アウタロータ２００の極数となるポールピース部２０１Ａの数をＨとし、インナロータ３００の極対数となるロータティース（電磁石）３０２の極対数をＰとしたときに、次式（１）を成立させる組み合わせとなる。

Ｈ＝｜Ａ±Ｐ｜ ......（１）
この構造では、トルクを効果的に発生させてアウタロータ２００とインナロータ３００とをステータ１００に対して効率よく相対回転させることができる。例えば、本実施形態の回転電機１では、ステータ１００の電機子コイル１０４の極対数Ａ＝４、アウタロータ２００の極数Ｈ＝１２、および、インナロータ３００のロータティース３０２の極対数Ｐ＝８であり、上記の式（１）を満たしている。

図２に示すように、回転電機１は、ステータ１００内にアウタロータ２００が回転自在に収容されており、さらに、そのアウタロータ２００内にインナロータ３００が回転自在に収容されている。

また、アウタロータ２００には、アウタ回転軸２１０が一体回転可能に連結されている。インナロータ３００には、インナ回転軸３１０が一体回転可能に連結されている。これにより、回転電機１は、磁気変調原理を利用してアウタ回転軸２１０およびインナ回転軸３１０のそれぞれに動力を伝達することのできる磁気変調型二軸モータとして構成される。

したがって、回転電機１は、例えばステータ１００を遊星歯車機構のサンギヤ、アウタロータ２００を遊星歯車機構のキャリヤ、インナロータ３００を遊星歯車機構のリングギヤとして機能させることができ、機械式の遊星歯車機構と同等の機能を備えることができる。なお、本実施形態に係る回転電機１は、アウタロータ２００がキャリヤとして機能するよう構成される。

この構造により、回転電機１は、例えば、ハイブリッド自動車にエンジン（内燃機関）と共に駆動源として搭載する場合、アウタロータ２００のアウタ回転軸２１０とインナロータ３００のインナ回転軸３１０とをそれぞれ車両の動力伝達経路に直接連結して、ステータ１００の電機子コイル１０４にインバータを介して車両のバッテリを接続することにより駆動源と共に動力伝達機構としても機能させることができる。

このように、上述の第１実施形態では、ロータティース３０２毎にインナロータ３００の周方向における隣同士が逆向きの周回巻線となる集中巻に形成されて、インナロータ３００の周方向に配列されているロータ巻線３３０と、誘導起電力の電流位相が同相となるロータ巻線３３０とダイオードが直列接続された閉回路である整流回路Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４とを備える。

これにより、整流回路Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４のそれぞれで、電流リップルの位相が異なるため、誘導電流変動に伴うトルクリップルを平滑化することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。ここで、第２実施形態は上述の第１実施形態と略同様に構成されているので、同様な構成には同一の符号を付して特徴部分を説明する。

図６におけるロータ巻線３３０は、誘導コイルＩと界磁コイルＦとからなる。誘導コイルＩは、隣接するロータティース３０２の側面３０２ｂ間をスロット３０３として、ロータティース３０２のアウタロータ２００側に巻き付けられている。界磁コイルＦは、隣接するロータティース３０２の側面３０２ｂ間をスロット３０３として、ロータティース３０２の軸心側に巻き付けられている。すなわち、誘導コイルＩは、スロット３０３においてインナロータ３００の径方向外側に巻き付けられており、界磁コイルＦは、スロット３０３においてインナロータ３００の径方向内側に巻き付けられている。

誘導コイルＩは、ロータティース３０２毎にインナロータ３００の周方向における隣同士が逆向きの周回巻線となる集中巻に形成されて、インナロータ３００の周方向に配列されている。この誘導コイルＩは、磁束が鎖交することにより誘導電流を発生（誘起）する。

界磁コイルＦは、ロータティース３０２毎にインナロータ３００の周方向における隣同士が逆向きの周回巻線となる集中巻になるように形成されて、インナロータ３００の周方向に配列されている。この界磁コイルＦは、界磁電流を供給されることにより励磁されてロータティース３０２を電磁石として機能させる。

このように、誘導コイルＩと界磁コイルＦは、電流の向きが等しくなるように巻き回されている。

ここで、図６の機械角１８０度分の８つの誘導コイルＩを、回転方向（反時計方向）に誘導コイルＩ１〜Ｉ８と呼んで区別する。また、機械角１８０度分の８つの界磁コイルＦを回転方向に界磁コイルＦ１〜Ｆ８と呼んで区別する。

図７において、誘導コイルＩ１、Ｉ３、Ｉ５、Ｉ７と界磁コイルＦ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４は、ダイオードＤ５、Ｄ６と共に閉回路である整流回路Ｃ５を形成している。

この整流回路Ｃ５において、３つ置きの誘導コイルＩ１、Ｉ５とダイオードＤ５が直列接続され、３つ置きの誘導コイルＩ３、Ｉ７とダイオードＤ６が直列接続され、界磁コイルＦ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４が直列接続されている。

また、誘導コイルＩ１、Ｉ５、ダイオードＤ５からなる直列接続（第１の直列回路）と誘導コイルＩ３、Ｉ７、ダイオードＤ６からなる直列接続（第２の直列回路）は、両端部で並列接続された後、ダイオードＤ５、Ｄ６のカソード側で、界磁コイルＦ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４からなる直列接続に接続されている。このように、整流回路Ｃ５は、誘導コイルＩ１、Ｉ３、Ｉ５、Ｉ７で発生する交流の誘導電流をダイオードＤ５、Ｄ６でそれぞれ一方向に整流して界磁コイルＦ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４に直流界磁電流として供給するように結線された回路構成となっている。

また、誘導コイルＩ２、Ｉ４、Ｉ６、Ｉ８と界磁コイルＦ５、Ｆ６、Ｆ７、Ｆ８は、ダイオードＤ７、Ｄ８と共に閉回路である整流回路Ｃ６を形成している。

この整流回路Ｃ６において、３つ置きの誘導コイルＩ２、Ｉ６とダイオードＤ７が直列接続され、３つ置きの誘導コイルＩ４、Ｉ８とダイオードＤ８が直列接続され、界磁コイルＦ５、Ｆ６、Ｆ７、Ｆ８が直列接続されている。

また、誘導コイルＩ２、Ｉ６、ダイオードＤ７からなる直列接続（第１の直列回路）と誘導コイルＩ４、Ｉ８、ダイオードＤ８からなる直列接続（第２の直列回路）は、両端部で並列接続された後、ダイオードＤ７、Ｄ８のカソード側で界磁コイルＦ５、Ｆ６、Ｆ７、Ｆ８からなる直列接続に接続されている。このように、整流回路Ｃ６は、誘導コイルＩ２、Ｉ４、Ｉ６、Ｉ８で発生する交流の誘導電流をダイオードＤ７、Ｄ８でそれぞれ一方向に整流して界磁コイルＦ５、Ｆ６、Ｆ７、Ｆ８に直流界磁電流として供給するように結線された回路構成となっている。

すなわち、ダイオードＤ５、Ｄ６、Ｄ７、Ｄ８は、本発明における整流素子を構成する。

この回路構成により、誘導コイルＩで発生させた誘導電流を整流し界磁電流として界磁コイルＦを励磁させることができるため、ロータティース３０２を電磁石として機能させることができる。

ここで、ダイオードＤ５、Ｄ６、Ｄ７、Ｄ８は、誘導コイルＩや界磁コイルＦを多極化させる場合でも、直列接続することにより使用数を抑えており、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を形成している。

整流回路Ｃ５、Ｃ６の界磁コイルＦは、隣接するロータティース３０２毎の巻付方向を逆向きにされている。このことから、磁気回路の一部を構成するインナロータ３００の一つのロータティース３０２は、アウタロータ２００のポールピース部２０１Ａから誘導する方向となるＳ極を対面させる電磁石として機能するように磁化されている。また、隣接するもう一つのロータティース３０２は、磁束をアウタロータ２００側に誘導する方向となるＮ極を対面させる電磁石として機能するように磁化されている。

ここで、回転電機１のトルクの発生原理を説明する。インナロータ３００は、ステータ１００からアウタロータ２００を介して鎖交する磁束のうち、そのアウタロータ２００の回転によって変調された磁束がインナロータ３００の回転と同期して鎖交する。

また、一方で、回転電機１は、インナロータ３００の誘導コイルＩに鎖交する磁束に、アウタロータ２００により変調されずに（インナロータ３００の回転に同期せずに）変動する成分が含まれており、これにより誘導コイルＩに交流の誘導電流を発生させることができる。そして、その交流の誘導電流をダイオードＤ５、Ｄ６で整流して直流の界磁電流とし、界磁コイルＦに通電することにより、ロータティース３０２を電磁石として機能させて界磁磁束を発生させることができる。このようにして、回転電機１はトルクを発生することができる。

なお、このとき、ステータ１００のステータティース１０２からアウタロータ２００のポールピース部２０１Ａを介してインナロータ３００のロータティース３０２に鎖交する磁束は、集中巻きした電機子コイル１０４に交流電源から電力供給して発生させる。

図８は、インナロータ３００に鎖交する非同期磁束の磁気回路を示す。図８に示すように、インナロータ３００のロータティース３０２には一様に磁束が鎖交するため、界磁コイルＦにも誘導起電力が発生する。しかし、界磁コイルＦの誘導起電力を活用した場合、誘導コイルＩの誘導起電力と干渉してしまい、並列接続された誘導コイルＩ（第１の直列回路と第２の直列回路）の位相関係が崩れてしまう。結果として、全波整流することができず、誘導電流変動に伴うトルクリップルが大きくなってしまう。

そのため、誘導コイルＩの誘導起電力に干渉しないように、界磁コイルＦの誘導起電力を打ち消すように結線している。すなわち、第２実施形態においては、機械角９０°内の界磁コイルＦを直列接続している。

このような結線とすることで、並列接続された誘導コイルＩ（第１の直列回路と第２の直列回路）の位相関係を保ちつつ、界磁コイルＦに流れる電流を全波整流することができる。

また、第１実施形態のように、誘導起電力の位相が同相となるロータ巻線３３０のみを直列接続し、ダイオードに結線した場合と比較して、誘導電流が全波整流されるため、トルクリップルを大幅に低減させることができる。

また、全波整流によりロータ電流振幅が小さくなり、許容電流値の低いダイオードを選択することができ、コストの削減および部品の軽量化が可能となる。

さらに、界磁コイルＦの誘導起電力が打ち消されるように結線することで、界磁電流による起磁力を確保しながら、差分周波数（ステータ回転磁界とロータ回転速度との差分周波数）が高くなっても自己インダクタンスにおける電圧降下が過度に大きくならず、トルク特性を改善することができる。

このように、上述の第２実施形態では、ロータティース３０２毎にインナロータ３００の周方向における隣同士が逆向きの周回巻線となる集中巻に形成されて、インナロータ３００の周方向に配列されている誘導コイルＩと、ロータティース３０２毎にインナロータ３００の周方向における隣同士が逆向きの周回巻線となる集中巻になるように形成されて、インナロータ３００の周方向に配列されている界磁コイルＦと、誘導電流の電流位相が同相の複数の誘導コイルＩとダイオードが直列に接続された第１の直列回路および第２の直列回路を有する整流回路Ｃ５、Ｃ６と、を備える。

これにより、整流回路Ｃ５、Ｃ６の第１の直列回路、第２の直列回路のそれぞれで、電流リップルの位相が異なるため、誘導電流変動に伴うトルクリップルを平滑化することができる。

また、整流回路Ｃ５、Ｃ６は、誘導電流の電流位相が同相の複数の誘導コイルＩとダイオードが直列に接続された第１の直列回路と、誘導電流の電流位相が第１の直列回路と逆相の複数の誘導コイルＩとダイオードが直列に接続された第２の直列回路と、を有し、第１の直列回路と第２の直列回路が並列に接続される。

これにより、誘導電流が全波整流されるため、トルクリップルを大幅に低減させることができる。

また、整流回路Ｃ５、Ｃ６は、第１の直列回路と第２の直列回路の並列回路と直列に、界磁コイルＦの誘導起電力を互いに打ち消すように複数の界磁コイルＦを接続する閉回路である。

これにより、並列接続された第１の直列回路と第２の直列回路の位相関係を保ちつつ、界磁コイルＦに流れる電流を全波整流することができ、トルクリップルを大幅に低減させることができる。

第１および第２実施形態の回転電機１は、ラジアルギャップ構造のインナーロータタイプであるが、アキシャルギャップ構造またはアウタロータ構造であってもよい。また、ポールコンビネーションは、ステータ１００が４極対、アウタロータ２００が１２極、インナロータ３００が８極対の場合を示したが、異なるポールコンビネーションでも同様の構成とすることができる。

また、各コイルには、銅線、アルミ導体、リッツ線を用いることができる。また、磁路部材２０１やロータコア３０１には、積層電磁鋼板に代えて、軟磁性複合材料であるＳＭＣ（Soft Magnetic Composite）コアを用いることができる。

また、磁路部材２０１および非磁性部材２０２からなる磁気変調子をインナロータとして、ロータ巻線３３０、または界磁コイルＦおよび誘導コイルＩを備える界磁ロータをアウタロータとしてもよい。

また、磁気変調子を持たない、ステータの空間高調波による鎖交磁束によりロータの巻線に誘導起電力を生じさせる回転電機においても同様に適用できる。

また、回転電機１は、ハイブリッド車両のみでなく、風力発電機、工作機械等の他の産業分野にも適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およ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。

１ 回転電機
１００ ステータ
１０４ 電機子コイル
２００ アウタロータ（第２のロータ）
２０１ 磁路部材
２０２ 非磁性部材
３００ インナロータ（ロータ、第１のロータ）
３０２ ロータティース（突極部）
３３０−１〜１６ ロータ巻線
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６ 整流回路
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６、Ｄ７、Ｄ８ ダイオード（整流素子）
Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５、Ｆ６、Ｆ７、Ｆ８ 界磁コイル
Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４、Ｉ５、Ｉ６、Ｉ７、Ｉ８ 誘導コイル

Claims (4)

1. 通電により磁束を発生させる電機子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、
   前記ステータは、前記電機子コイルが集中巻きにより形成されており、
   前記ロータは、前記電機子コイルで発生した磁束の鎖交により誘導電流を誘起させるロータ巻線が巻かれた周方向に並列されている複数の突極部と、前記誘導電流を直流電流に整流する整流回路とを有し、
   前記ロータ巻線は、隣接する前記突極部の磁極の極性が異なるように巻かれており、
   前記整流回路は、前記誘導電流の電流位相が同相の複数の前記ロータ巻線と整流素子とが直列に接続される閉回路である回転電機。
2. 通電により磁束を発生させる電機子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第１のロータと、
   前記第１のロータを通過する前記磁束の磁路の途中に配置されて回転する第２のロータと、を備える回転電機であって、
   前記ステータは、前記電機子コイルが集中巻きにより形成されており、
   前記第２のロータは、周方向に所定の間隔を保持するように複数の軟磁性体が配置されており、
   前記第１のロータは、前記電機子コイルで発生した磁束の鎖交により誘導電流を誘起させる誘導コイルと前記誘導電流の通電によって磁界を発生させる界磁コイルとが巻かれた周方向に並列されている複数の突極部と、前記誘導電流を直流電流に整流する整流回路とを有し、
   前記誘導コイルは、隣接する前記突極部の磁極の極性が異なるように巻かれており、
   前記界磁コイルは、隣接する前記突極部の磁極の極性が異なるように巻かれており、
   前記整流回路は、前記誘導電流の電流位相が同相の複数の前記誘導コイルと整流素子が直列に接続される回転電機。
3. 前記整流回路は、前記誘導電流の電流位相が同相の複数の前記誘導コイルと前記整流素子とが直列接続される第１の直列回路と、前記誘導電流の電流位相が前記第１の直列回路とは逆相の複数の前記誘導コイルと前記整流素子とが直列接続される第２の直列回路とを有し、前記第１の直列回路と前記第２の直列回路とが並列に接続される請求項２に記載の回転電機。
4. 前記整流回路は、前記第１の直列回路と前記第２の直列回路の並列回路と直列に、前記界磁コイルの誘導起電力を互いに打ち消すように複数の前記界磁コイルを接続する閉回路である請求項３に記載の回転電機。