JP2017077134A

JP2017077134A - 回転電機

Info

Publication number: JP2017077134A
Application number: JP2015204764A
Authority: JP
Inventors: 一清中島; Kazukiyo Nakajima; 真大青山; Masahiro Aoyama
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2015-10-16
Filing date: 2015-10-16
Publication date: 2017-04-20
Also published as: CN106602826B; DE102016219828B4; CN106602826A; DE102016219828A1

Abstract

【課題】コスト面及び資源供給面で優れ、トルク発生面の増大によってトルク密度を向上させることができる回転電機を提供すること。
【解決手段】ステータ１００とロータ２００とを備えた回転電機１であって、ステータ１００は、ステータティース１３０を有する環状のステータコア１１０と、周方向に隣り合うステータティース１３０の間にトロイダル巻された電機子コイル１４０とを有し、ロータ２００は、ステータコア１１０の軸方向の両面側でステータティース１３０に対面する第１及び第２ロータティースとステータコア１１０の径方向の内面側でステータティース１３０に対面する第３ロータティースとを有するロータコア２１０を有し、第１、第２及び第３ロータティースには、ステータ１００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Ｉと誘導電流の通電によって磁界を発生させる界磁コイルＦとが巻かれている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ステータに対するロータのトルク発生面が複数設けられた回転電機に関する。

特許文献１には、電機子巻線がトロイダル巻されたステータコアを有する環状のステータと、ステータに対して径方向の内方で対向するラジアルロータと、ステータに対して回転軸の軸線方向の一方側及び他方側でそれぞれ対向する２つのアキシャルロータとを備え、ステータに対するロータのトルク発生面を３面とした回転電機が開示されている。

特許文献１に開示された回転電機のラジアルロータ及び２つのアキシャルロータのそれぞれには、周方向に所定の間隔で永久磁石が配置されている。この回転電機は、ステータに発生した回転磁界と、ラジアルロータ及び２つのアキシャルロータの永久磁石の界磁磁束との相互作用によってラジアルロータ及び２つのアキシャルロータにトルクを発生させるものである。

特開２０１０−２２６８０８号公報

しかしながら、特許文献１に開示された回転電機は、ラジアルロータ及び２つのアキシャルロータに磁極を形成するために永久磁石を用いている。このため、ラジアルロータ及び２つのアキシャルロータに設けられる永久磁石として、可採埋蔵量が少なく採掘場所が偏在している希土類磁石を用いた場合には、材料コストが増加したり、安定的な資源供給が確保できなかったりするおそれがある。

本発明は、上述のような事情に鑑みてなされたもので、コスト面及び資源供給面で優れ、トルク発生面の増大によってトルク密度を向上させることができる回転電機を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するため、コイルへの通電により磁束を発生するステータと、前記磁束の通過により回転するロータとを備えた回転電機であって、前記ステータは、周方向に所定の間隔で複数配置されるステータティースを有する環状のステータコアと、前記環状のステータコアの隣り合うステータティースの間にトロイダル巻された電機子コイルと、を有し、前記ロータは、前記ステータコアの軸方向の両面側で前記ステータティースに対向するロータティースと前記ステータコアの径方向の内面側で前記ステータティースに対向するロータティースとを有するロータコアと、前記ロータティースに巻かれており、前記ステータ側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、前記ロータティースに巻かれており、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、を有する。

本発明によれば、コスト面及び資源供給面で優れ、トルク発生面の増大によってトルク密度を向上させることが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、回転電機の全体構成を示す斜視図である。図２は、本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図であり、回転軸を通る平面で切断した回転電機の断面図である。図３は、本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図であり、ステータの斜視図である。図４は、本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図であり、ステータコアの斜視図である。図５は、本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図であり、ステータコアの分解斜視図である。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り、ステータコアの連結構造を示す斜視図である。図７は、本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図であり、電機子コイルの斜視図である。図８は、本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図であり、電機子コイルの結線構造の一例を示す斜視図である。図９は、本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図であり、ステータの磁束分布を示す図である。図１０は、本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図であり、ロータの斜視図である。図１１は、本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図であり、ロータコアの斜視図である。図１２は、本発明の一実施形態に係る回転電機のロータコアの分割構造を示す斜視図である。図１３は、本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図であり、誘導コイルの斜視図である。図１４は、本発明の一実施形態に係る回転電機のロータの変形例を示す図であり、誘導コイル及び界磁コイル用のインシュレータを示す斜視図である。図１５は、本発明の一実施形態に係る回転電機のロータの変形例を示す図であり、インシュレータのロータコアへの取付け例を示す斜視図である。図１６は、本発明の一実施形態に係る回転電機のステータの変形例を示す斜視図である。図１７は、本発明の一実施形態に係る回転電機のステータの変形例を示す図であり、ステータコアを示す斜視図である。図１８は、本発明の一実施形態に係る回転電機のステータの変形例を示す図であり、ステータヨークの連結構造を示す斜視図である。図１９は、本発明の一実施形態に係る回転電機のステータの変形例を示す図であり、ステータヨークの斜視図である。図２０は、本発明の一実施形態に係る回転電機のステータの変形例を示す分解斜視図である。

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１３は本発明の一実施形態に係る回転電機を説明する図である。

（回転電機の概略構成）
図１、図２において、回転電機１は、コイルへの通電により磁束を発生するステータ１００と、磁束の通過により回転するロータ２００と、を備えている。ロータ２００は、ステータ１００よりも回転軸１Ｃ側に配置されている。回転軸１Ｃは、ロータ２００の回転中心線である。

また、回転電機１は、回転軸１Ｃ上にシャフト２０を備えている。シャフト２０は、ロータ２００の内周部に固定されており、ロータ２００と一体回転する。

ここで、図１、図２、図３、図４、図５、図６、図８、図１０、図１１、図１３では、回転電機１の軸方向の一方側を図面の下方側とし、回転電機１の軸方向の他方側を図面の上方側として、回転電機１を図示している。

回転電機１は、詳細を後述するように、ステータ１００の電機子コイル１４０に通電することで発生した回転磁界によって、ロータ２００の誘導コイルＩに誘導電流を発生させるようになっている。そして、回転電機１は、この誘導電流を界磁電流としてロータ２００の界磁コイルＦに通電することで、ロータ２００を電磁石として機能させ、トルクを発生するようになっている。このように、回転電機１は、磁石フリーの自励式巻線界磁形同期モータとして構成されている。

（ステータ）
図１から図３において、ステータ１００は、環状のステータコア１１０と、このステータコア１１０に巻回された電機子コイル１４０とを備えている。ステータコア１１０は、回転軸１Ｃに同心の円環状に形成された高透磁率の磁性材料からなる。

図４に示すように、ステータコア１１０は、環状のステータヨーク１２０と、このステータヨーク１２０に周方向に所定間隔で設けられた複数のステータティース１３０とから構成されている。ステータヨーク１２０の断面は、矩形の断面形状に形成されている。

ステータティース１３０は、ステータヨーク１２０の表面から回転電機１の軸方向の両側及び径方向の内周面側に突出するよう設けられており、回転電機１の軸方向から見て台形、かつ、図２に示すように回転電機１の周方向の断面がコの字型の形状に形成されている。ステータティース１３０は、ステータヨーク１２０に周方向に所定間隔で１２個設けられている。

具体的には、ステータティース１３０は、第１ステータティース１３１、第２ステータティース１３２及び第３ステータティース１３３を有している。第１ステータティース１３１は、ステータヨーク１２０における回転電機１の軸方向の一方側に設けられており、このステータヨーク１２０から回転電機１の軸方向の一方側に突出している。

第２ステータティース１３２は、ステータヨーク１２０における回転電機１の軸方向の他方側に設けられており、ステータヨーク１２０から回転電機１の軸方向の他方側に突出している。第３ステータティース１３３は、ステータヨーク１２０における回転電機１の内周面側に設けられており、ステータヨーク１２０から回転電機１の内周面側に突出している。

本実施形態のステータ１００は、ステータ１００を図示しないモータケースに取り付けるためのピース部材１３５を備えている。ピース部材１３５は、例えばステンレスやアルミニウム等の非磁性材料からなる。ピース部材１３５の径方向の外側の端部には、ボルト貫通孔１３５ａが形成されている。

本実施形態では、ピース部材１３５のボルト貫通孔１３５ａに図示しないボルトを通して、このボルトを図示しないモータケースの内壁に設けられたブラケットやモータケースの内壁に直接固定することによってステータ１００をモータケースに固定することができる。

また、図４から図６に示すように、ステータ１００において、ステータコア１１０は、ステータヨーク１２０と、ステータティース１３０と、ピース部材１３５とがそれぞれ分割された構造になっている。

具体的には、図５及び図６に示すように、ステータヨーク１２０は、ステータヨーク１２０の周方向に分割された１２個の分割ヨーク１２１からなる。各分割ヨーク１２１は、周方向の一方側及び他方側の端部に切欠き部１２１ａ及び切欠き部１２１ｂがそれぞれ形成されている。切欠き部１２１ａ及び切欠き部１２１ｂの切り欠かれた方向は、回転電機１の軸方向に逆向きである。

分割ヨーク１２１の切欠き部１２１ａは、周方向に隣り合う分割ヨーク１２１の切欠き部１２１ｂと嵌め合わされる。このとき、切欠き部１２１ａと切欠き部１２１ｂとの間には、図５に示すように、回転電機１の軸方向に所定の隙間１２１ｃが形成されるようになっている。

この所定の隙間１２１ｃには、ピース部材１３５が嵌め合わされるようになっている。所定の隙間１２１ｃは、図２に示すように、ステータヨーク１２０の軸方向の中央部に位置している。ここで、ステータヨーク１２０の軸方向の中央部は、他の部分と比べて磁気回路への影響が少ない（図９参照）。

これにより、所定の隙間１２１ｃにピース部材１３５を嵌め合わせた場合であっても、磁気回路への影響を最小限に抑えることができる。したがって、回転電機１の性能を低下させることなくステータ１００をモータケースに固定することができる。

また、分割ヨーク１２１の切欠き部１２１ａ及び切欠き部１２１ｂには、ボルト１３６が通される貫通孔１２１ｄ、１２１ｅがそれぞれ形成されている。

さらに、ピース部材１３５の径方向の内側の端部には、ボルト１３６が通される貫通孔１３５ｂが形成されている。ボルト１３６は、例えばステンレスやアルミニウム等の非磁性材料からなる。

図５及び図６に示すように、ステータティース１３０は、断面がコの字型に形成され、第１ステータティース１３１と第２ステータティース１３２と第３ステータティース１３３とが一体形成されている。

ステータティース１３０は、周方向に隣り合う分割ヨーク１２１の切欠き部１２１ａと切欠き部１２１ｂが嵌め合わされた連結部分に径方向の内側から嵌め合わされるようになっている。これにより、周方向に隣り合う分割ヨーク１２１の連結部分は、ステータティース１３０の内部に位置するようになる。このため、分割ヨーク１２１の連結部分と電機子コイル１４０との干渉を避けることができる。

ステータティース１３０の第２ステータティース１３２には、ボルト１３６が通される貫通孔１３２ａが形成されている。また、ステータティース１３０の第１ステータティース１３１には、ボルト１３６が締結される締結孔１３１ａが形成されている。

このように構成されたステータコア１１０は、次の手順により作成される。すなわち、まず、隣り合う分割ヨーク１２１の切欠き部１２１ａと切欠き部１２１ｂとが嵌め合わされた状態でピース部材１３５が隙間１２１ｃにステータコア１１０の径方向の外側から挿入される。

その後、周方向に隣り合う分割ヨーク１２１の切欠き部１２１ａと切欠き部１２１ｂが嵌め合わされた連結部分に径方向の内側からステータティース１３０が嵌め合わされる。そして、ボルト１３６が貫通孔１３２ａ、１２１ｄ、１３５ｂ、１２１ｅを通して締結孔１３１ａに締結されることで、ステータティース１３０とピース部材１３５とが一体となった状態で周方向に隣り合う分割ヨーク１２１同士が連結される。

こうした連結作業を他の分割ヨーク１２１に対して順次行うことで環状のステータコア１１０が形成される。なお、電機子コイル１４０は、周方向に隣り合う分割ヨーク１２１同士を連結する度に、トロイダル巻される形状に予め成形された状態でステータヨーク１２０に装着される。そして、全ての分割ヨーク１２１が環状に連結されると、図３に示したようなステータ１００が形成される。

本実施形態によれば、ステータ１００を図示しないモータケースに取り付けるためのピース部材１３５が非磁性材料からなるため、ステータ１００を磁気的に遮断した状態でモータケースに取り付けることができる。これにより、例えば漏れ磁束の発生等を抑制することができる。

図１、図３及び図７に示すように、電機子コイル１４０は、ステータコア１１０の隣り合うステータティース１３０の間をスロットとして、環状のステータヨーク１２０（図４参照）にトロイダル巻されている。トロイダル巻とは、ステータヨーク１２０の環の内側と外側を交互に通って、ステータヨーク１２０に巻線１４１を周回させて巻き回す方法である。

本実施形態では、図７に示すように、電機子コイル１４０は、ステータヨーク１２０にトロイダル巻される形状に予め成形された状態で、ステータヨーク１２０の分割ヨーク１２１（図６参照）に装着されるようになっている。電機子コイル１４０がステータヨーク１２０の分割ヨーク１２１に装着された後は、その分割ヨーク１２１に、周方向に隣り合う他の分割ヨーク１２１をステータティース１３０とともに連結する。これにより、図３に示すように、電機子コイル１４０は、ステータコア１１０のスロットにトロイダル巻された状態となる。

このように、本実施形態では、電機子コイル１４０をステータヨーク１２０に直接巻回する必要がないため、電機子コイル１４０の絶縁性、及びステータ１００の組立性が向上する。

電機子コイル１４０は、ステータティース１３０と、このステータティース１３０に周方向で隣り合うステータティース１３０との中間位置の間に配置されている。電機子コイル１４０は、三相交流のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の何れかに対応している。

ステータティース１３０を挟んで周方向に対向する１対の電機子コイル１４０は、一方の電機子コイル１４０から発生する磁束と、他方の電機子コイル１４０から発生する磁束とで、磁束の方向が周方向において反対方向となるように、その巻方向及び通電方向が設定されている。

これにより、例えば、一方の電機子コイル１４０がＵ＋相で、他方の電機子コイル１４０がＵ−相の場合、一方の電機子コイル１４０と他方の電機子コイル１４０からステータティース１３０に向かう磁束が発生する。

図７において、電機子コイル１４０の巻線１４１は、断面が長方形の平角線からなる。電機子コイル１４０は、この巻線１４１をエッジワイズ巻によるトロイダル巻の状態で、ステータコア１１０のステータヨーク１２０に巻回されている。エッジワイズ巻とは、ステータヨーク１２０に対して、巻線１４１の短辺を回転電機１の径方向の内側と外側に対向させて、巻線１４１を縦に巻き回す方法である。

これにより、巻ピッチ方向に隣り合う巻線１４１同士が長辺で面接触するため、電流に応じた断面積を維持したまま巻数を増加できるため、電機子コイル１４０の占積率を向上でき、ステータ１００の起磁力を増大できる。

また、巻ピッチ方向に隣り合う巻線１４１同士が長辺で面接触するため、巻線１４１の間で大きな面積で均一に熱伝導が行える。これにより、熱伝導が分散し放熱性を向上できる。

また、巻線１４１の巻始め又は巻終りとなる両端部１４１Ａ、１４１Ｂを、ステータ１００の外周側の同一面に配置することができるため、複数の電機子コイル１４０の結線を容易化できる。

例えば、図８に示すように、電機子コイル１４０の巻線１４１の両端部１４１Ａ、１４１Ｂを導電性部材からなる環状の結線用リング１５０の内周面に接続することにより、電機子コイル１４０の結線を容易化できる。巻線１４１の両端部１４１Ａ、１４１Ｂと結線用リング１５０の内周面との接続方法としては、例えば、はんだ付けや溶接等が可能である。

この他に、例えば巻線１４１の両端部１４１Ａ、１４１Ｂに雌コネクタ又は雄コネクタの一方を取り付け、結線用リング１５０の内周面に雌コネクタ又は雄コネクタの他方を設け、これら雌コネクタ及び雄コネクタを用いて電機子コイル１４０の結線を行ってもよい。この場合、雌コネクタ及び雄コネクタは、回転電機１の軸方向から嵌合するような構造であることが好ましい。このように、雌コネクタ及び雄コネクタを用いることで、より簡単に電機子コイル１４０の結線を行うことができる。

結線用リング１５０は、図示しないモータケースと一体化され、あるいはモータケースの内壁面に嵌め込んで固定されている。これにより、モータケースの大型化を抑えることができる。

（ステータの磁束分布）
図９は、電磁界解析によって得たステータ１００の磁束分布を示す図である。図９では、説明を容易にするためにステータコア１１０及びロータ２００を直線状に記している。また、図９では、第１ステータティース１３１、第２ステータティース１３２又は第３ステータティース１３３を区別せずに、単にステータティース１３０として表している。なお、図９は、Ｖ相の電流振幅を基準値の１として、Ｕ相、Ｗ相の電流振幅値をそれぞれ−０．５として通電した場合の解析結果を示している。

図９において、ステータティース１３０を挟んで周方向に隣り合う一対の電機子コイル１４０の一方がＶ＋相で他方がＶ−相のとき、この一対の電機子コイル１４０から発生する磁束は、一対の電機子コイル１４０が挟むステータティース１３０に向かい、ステータティース１３０においてぶつかり合うように発生する。そして、ステータティース１３０で発生した磁束は、ステータヨーク１２０に直交する方向に向きを変え、ステータティース１３０からロータ２００に向かう。

そして、ロータ２００に向かった磁束の一部は、ロータ２００の後述するロータコア２１０を通過した後、Ｗ＋相とＷ−相の一対の電機子コイル１４０で挟まれたステータティース１３０に向かう。また、ロータ２００に向かった磁束の残りの部分は、ロータ２００の後述するロータコア２１０を通過した後、Ｕ＋相とＵ−相の一対の電機子コイル１４０で挟まれたステータティース１３０に向かう。

このように、ステータティース１３０とロータ２００とが対向する面では、電機子コイル１４０で発生した磁束の磁気回路が構成される。回転電機１は、ステータティース１３０とロータ２００とが対向する面をトルク発生面としている。

このため、トルク発生面が多いほど、電機子コイル１４０で発生する磁束を有効に利用してトルク密度を高めることができる。トルク密度とは、体積当たりのトルクの大きさを意味している。

ロータ２００は、回転電機１の軸方向の両面側と内周面側からなる３面のトルク発生面を備えてトルク密度を高めている。このように、トルク発生面を多くすることによって、回転電機１は小型で高トルクが発生できるため、特にハイブリッド自動車等に搭載する回転電機として優れたものにできる。

（ロータ）
図１、図２、図１０、図１１において、ロータ２００は、ロータコア２１０と、誘導コイルＩと、界磁コイルＦとを備えている。

ロータコア２１０は、円盤形状の２つの円盤部２１１、２１２と、この円盤部２１１、２１２の内延部において円盤部２１１と円盤部２１２とを接続する円筒形状の円筒部２１３とを有している。

円盤部２１１、２１２は、回転電機１の軸方向の一方側と他方側からそれぞれステータコア１１０を覆うように、回転軸１Ｃに直交する平面上に配置されている。円筒部２１３の径方向の中心部には、嵌入孔２１３Ａが形成されている。嵌入孔２１３Ａは、回転電機１の軸方向に円筒部２１３を貫通している。この嵌入孔２１３Ａには、シャフト２０が嵌入されている。

円筒部２１３は、ステータコア１１０の径方向の内側に配置されている。ロータコア２１０は、高透磁率の磁性材料からなる。

このように、ロータコア２１０は、ステータ１００の軸方向の両面側と径方向の内面側の３面においてステータ１００と対向するように、円筒部２１３の軸方向の両端にフランジを有するボビン型の形状に形成されている。言い換えると、ロータコア２１０は、２つの円盤部２１１、２１２と円筒部２１３とによって形成されたコの字の断面形状が嵌入孔２１３Ａを中心に環状に連続した形状をなしており、ステータコア１１０を内周側から外周側に向かって覆っている。

また、ロータコア２１０は、第１ロータティース２３１、第２ロータティース２３２及び第３ロータティース２３３を周方向の同じ位置に備えている。この第１ロータティース２３１、第２ロータティース２３２及び第３ロータティース２３３は、ステータ１００の第１ステータティース１３１、第２ステータティース１３２及び第３ステータティース１３３との間で、それぞれトルク発生面を形成している。

第１ロータティース２３１は、円盤部２１１における軸方向の他方側の面に設けられており、円盤部２１１からステータコア１１０に向かって軸方向の他方側に突出している。この第１ロータティース２３１は、第１ステータティース１３１に対して、所定のエアギャップを隔てて軸方向に対向している。

第２ロータティース２３２は、円盤部２１２における軸方向の一方側の面に設けられており、円盤部２１２からステータコア１１０に向かって軸方向の一方側に突出している。この第２ロータティース２３２は、第２ステータティース１３２に対して、所定のエアギャップを隔てて軸方向に対向している。

第３ロータティース２３３は、円筒部２１３の外周面、すなわち円筒部２１３における径方向の外側の面に設けられており、円筒部２１３からステータコア１１０に向かって径方向の外側に突出している。この第３ロータティース２３３は、第３ステータティース１３３に対して、所定のエアギャップを隔てて径方向に対向している。

第１ロータティース２３１の径方向の内側端部は、第３ロータティース２３３の軸方向の一方側の端部に連続している。また、第２ロータティース２３２の径方向の内側端部は、第３ロータティース２３３の軸方向の他方側の端部に連続している。

このように、ロータコア２１０は、第１ロータティース２３１と後述する第１ロータコア２１０Ａ側の第３ロータティース２３３とが連続した一体構造になっており、第２ロータティース２３２と後述する第２ロータコア２１０Ｂ側の第３ロータティース２３３とが連続した一体構造になっている。したがって、後述するように分割構造のロータコア２１０において、第１ロータコア２１０Ａと第２ロータコア２１０Ｂとを締結したときには、第１ロータティース２３１、第２ロータティース２３２及び第３ロータティース２３３が一体化されて１つのロータティース２３０を形成することとなる。ロータコア２１０には、複数のロータティース２３０が周方向に等間隔で設けられている。

このように構成されたロータコア２１０は、シャフト２０に一体回転可能に固定されている。具体的には、回転電機１は保持リング４Ｂを備えおり、この保持リング４Ｂは、シャフト２０に嵌入又は螺合されることで、ロータコア２１０をシャフト２０に固定している。

また、ロータコア２１０の嵌入孔２１３Ａの内周部とシャフト２０の外周部には、図示しないキー溝がそれぞれ形成されている。ロータコア２１０は、キー溝にキーが差し込まれることで、シャフト２０に対して回り止めされて一体回転することができる。

また、本実施形態では、ロータ２００へのステータ１００の組付け作業を容易化させるために、ロータコア２１０を分割構造としている。

具体的には、図１２に示すように、ロータコア２１０は、軸方向の中間位置において、軸方向の一方側の第１ロータコア２１０Ａと、軸方向の他方側の第２ロータコア２１０Ｂとに分割されている。このため、第３ロータティース２３３は、第１ロータコア２１０Ａ側と第２ロータコア２１０Ｂとに分割される。

また、第２ロータコア２１０Ｂには、締結用ボルト２１５を通す貫通孔２１６が嵌入孔２１３Ａの周りに４つ形成されており、第１ロータコア２１０Ａには、貫通孔２１６を通された締結用ボルト２１５が締結される図示しない締結孔が嵌入孔２１３Ａの周りに４つ形成されている。

これにより、分割された第１ロータコア２１０Ａと第２ロータコア２１０Ｂとを、ステータコア１１０を軸方向に挟み込むように連結して、４つの締結用ボルト２１５によって第１ロータコア２１０Ａと第２ロータコア２１０Ｂとを締結することで、回転電機１を組み立てることができる。

上述した貫通孔２１６及び締結孔が、磁気回路への影響の少ないロータコア２１０の内径部である嵌入孔２１３Ａの周りに形成されているため、回転電機１の性能が劣化することなく、回転電機１の組立性が向上する。

また、上述した締結用ボルト２１５の材質としては、例えばステンレス等の非磁性体材料を用いることが望ましい。これにより、回転電機１の機械的強度を確保できる。

また、ロータコア２１０を軸方向の中間位置で分割したことで、第１ロータコア２１０Ａと第２ロータコア２１０Ｂとを同形状にできるため、第１ロータコア２１０Ａ及び第２ロータコア２１０Ｂの製造工程の全て又は一部を共通にすることができる。

また、ロータコア２１０について、上述したような分割構造を採用することで、ステータコア１１０として分割構造でない一体型（ワンピース）の環状構造を採用することも可能である。一体型のステータコア１１０は、分割構造とした場合より強度に優れ、ステータコア１１０に作用する励磁振動に対して十分な耐性を有している。分割構造でない一体型ステータコア１１０を採用した場合には、誘導コイルＩ及び界磁コイルＦを配置した状態でステータコア１１０を軸方向に挟み込むように連結することで回転電機１を組み立てることができる。

（誘導コイル、界磁コイル）
図１０及び図１３に示すように、誘導コイルＩの巻線Ｉｗ及び界磁コイルＦの巻線Ｆｗは、断面形状が長方形の銅線を絶縁材料で被覆した平角線からなる。図１３では、誘導コイルＩを示しているが、界磁コイルＦについても図１３に示す誘導コイルＩと同一の構成を有する。誘導コイルＩ及び界磁コイルＦは、この巻線Ｉｗ、Ｆｗをα巻することで構成されている。ここで、α巻とは、巻線Ｉｗ、Ｆｗの巻始めと巻終りを外側に向かって同時に巻く方法である。

このようにα巻された誘導コイルＩ及び界磁コイルＦは、巻線Ｉｗ、Ｆｗの巻始め側の端部が内部に取り残されないので占積率が向上し、巻線Ｉｗ、Ｆｗの両端部が誘導コイルＩ及び界磁コイルＦの外部に配置されるので結線を容易に行うことができる。

本実施形態では、誘導コイルＩの巻線Ｉｗは、巻きピッチ方向に２列に巻かれており、巻線Ｉｗの１列目の端部と２列目の端部は、ロータ２００における同一面側に引き出されている。

また、界磁コイルＦの巻線Ｆｗは、巻きピッチ方向に２列に巻かれており、巻線Ｆｗの１列目の端部と２列目の端部は、ロータ２００における同一面側に引き出されている。

このようにα巻された誘導コイルＩ及び界磁コイルＦは、巻線Ｉｗ、Ｆｗの端部がロータ２００における同一面側に引き出されることで、同一面で結線を行うことができるため、結線を容易に行うことができる。

また、誘導コイルＩ及び界磁コイルＦは、平角線からなる巻線Ｉｗ、Ｆｗの短辺が磁束の発生方向に対して垂直になるように巻回されている。

これにより、ロータコア２１０に鎖交させる磁束に直交する巻線Ｉｗ、Ｆｗの断面積を小さくすることができ、その巻線Ｉｗ、Ｆｗ内で発生する渦電流損を低減することができる。

さらに、誘導コイルＩ及び界磁コイルＦは、α巻された巻線Ｉｗ、Ｆｗをコの字型に折り曲げた形状に形成されている。

具体的には、界磁コイルＦは、コの字型のロータコア２１０の内側の面に沿い、かつ、ロータティース２３０の基端部を周回するように、コの字型に折り曲げられている。

一方、誘導コイルＩは、コの字型の界磁コイルＦの内側の面に沿い、かつ、ロータティース２３０の先端部を周回するように、コの字型に折り曲げられている。

このように、誘導コイルＩ及び界磁コイルＦは、同一のロータティース２３０に対して、このロータティース２３０の先端部側及び基端部側に誘導コイルＩ及び界磁コイルＦがそれぞれ配置されるように層をなして配置されている。このため、誘導コイルＩは、界磁コイルＦよりもロータティース２３０のステータ１００側に配置されている。

このように構成された誘導コイルＩは、電機子コイル１４０で回転磁界が発生すると、ステータ１００側で発生した磁束の鎖交により誘導電流を誘起させる。
（整流回路）

ここで、ロータ２００には図示しないダイオードが整流素子として設けられており、このダイオードと誘導コイルＩ及び界磁コイルＦは整流回路を構成するように結線されている。この整流回路において、誘導コイルＩで発生した交流の誘導電流はダイオードにより整流され、整流後の直流の電流は、界磁電流として界磁コイルＦに供給される。界磁コイルＦは、界磁電流として通電されることで磁界を発生させるようになっている。

このようにα巻された誘導コイルＩ及び界磁コイルＦは、巻線Ｉｗ、Ｆｗの巻始めと巻終りが、誘導コイルＩ及び界磁コイルＦの外部に配置されている。このため、誘導コイルＩ及び界磁コイルＦにおいて、全ての巻線Ｉｗ、Ｆｗの巻始め及び巻終りを、ロータ２００の外周部に配置することができる。

また、誘導コイルＩ及び界磁コイルＦの全ての巻線Ｉｗ、Ｆｗの巻始めと巻終りをロータ２００の外周部から軸方向の片面側へ引き出すことができるため、ロータ２００の軸方向の片面側に配置した図示しない結線基板等の結線部品を用いて、同一平面上で結線を行うことができる。

また、誘導コイルＩ及び界磁コイルＦをロータティース２３０にα巻したことによって、誘導コイルＩ及び界磁コイルＦの熱伝導率が均一になり、ロータ２００の放熱性が向上する。

また、平角線からなる巻線Ｉｗ、Ｆｗの短辺が磁束の発生方向に対して垂直になるように誘導コイルＩ及び界磁コイルＦを形成したことで、誘導コイルＩ及び界磁コイルＦでの渦電流の発生を低減することができる。

（界磁エネルギー）
回転電機１は、１２個のステータティース１３０と８個のロータティース２３０を備えている。このため、ステータ１００のスロット数Ｓ（１２）と、ロータ２００の磁極数Ｐ（８）と、の構成比Ｓ／Ｐが３／２となる。

また、本実施形態の回転電機１は、トロイダル巻に形成された電機子コイル１４０が集中巻されているため、基本周波数の磁束には、漏れ磁束として静止座標系で空間的に第２次空間高調波が約５０％重畳している。

したがって、構成比Ｓ／Ｐを３／２としたことで、ロータ２００には回転座標系で時間的に第３次時間高調波が鎖交する。回転座標系で発生する第３次時間高調波は、ロータ２００の回転速度に対して非同期周波数である。

このため、ロータ２００の突極であるロータティース２３０に誘導コイルＩを巻くことで、誘導コイルＩに第３次時間高調波を鎖交させて誘導電流を発生させ、その誘導電流を整流した直流電流を界磁電流として用いることで界磁コイルＦに界磁を発生させ、ロータ２００を電磁石として機能させることができる。

ここで、回転座標系における４次や５次等の高次の時間高調波磁束は、ロータコア２１０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Ｉ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、第３次時間高調波のような低次の空間高調波は、比較的に低周波磁束のため、ロータコア２１０の内部まで鎖交することができる。

本実施形態では、基本周波数の磁束に重畳する空間高調波成分のうち、第３次時間高調波を回収対象としており、この第３次時間高調波は、電機子コイル１４０に入力する基本周波数や２次の時間高調波よりも周波数が高く短周期で脈動する。

このため、空間高調波成分の損失エネルギーを効率よく回収し、誘導コイルＩに鎖交する磁束の時間変化を大きくして誘導電流を大電流にすることができ、大きな回転トルクを得ることができる。

以上のように説明した本実施形態の回転電機１の作用効果について説明する。本実施形態の回転電機１において、ステータ１００は、周方向に所定の間隔で配置されるステータティース１３０を有する環状のステータコア１１０と、この環状のステータコア１１０の隣り合うステータティース１３０の間にトロイダル巻された電機子コイル１４０と、を有する。

また、ロータ２００は、ステータコア１１０の軸方向の両面側でステータティース１３０に対向する第１ロータティース２３１及び第２ロータティース２３２と、ステータコア１１０の径方向の内面側でステータティース１３０に対向する第３ロータティース２３３と、を有するロータコア２１０を有する。

さらに、ロータ２００は、ロータティース２３０に巻かれており、ステータ１００側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Ｉと、ロータティース２３０に巻かれており、誘導電流の通電によって磁界を発生させる界磁コイルＦと、を有する。

本実施形態によれば、ステータ１００側で発生した磁束の鎖交により誘導コイルＩに誘導電流を発生でき、その誘導電流を整流した直流電流を界磁電流として用いて界磁コイルＦに界磁を発生できるため、ロータ２００を電磁石として機能させ、ロータ２００の回転トルクを得ることができる。

このため、永久磁石を用いることなくロータ２００の回転トルクを得ることができるので、永久磁石として希土類磁石を用いることによって材料コストが増加したり資源供給が不安定になったりすることを防止できる。これにより、コスト面及び資源供給面で優れた回転電機１を提供できる。

また、本実施形態によれば、ステータ１００側で発生した磁束は、第１ロータティース２３１、第２ロータティース２３２及び第３ロータティース２３３の３面でロータティース２３０に鎖交するため、トルク発生面を増大させることができ、トルク密度を向上させることができる。

さらに、本実施形態によれば、基本周波数の磁束に重畳する空間高調波成分のうち、第３次時間高調波を回収対象としたことにより、ステータ１００で発生する高調波をロータティース２３０に効果的に鎖交させることができ、より多くの界磁エネルギーを得ることができる。

また、本実施形態の回転電機１において、誘導コイルＩ及び界磁コイルＦは、同一のロータティース２３０に層を成して巻かれており、誘導コイルＩは、ロータティース２３０における界磁コイルＦよりもステータ１００側に配置されている。

本実施形態によれば、誘導コイルＩが界磁コイルＦよりもステータ１００側に配置されているため、より多くの高調波を誘導コイルＩに鎖交させ、誘導コイルＩに大きな電流を発生させることができる。また、誘導コイルＩと界磁コイルＦを同一のロータティース２３０に層を成して巻いたことにより、誘導コイルＩと界磁コイルＦとを密接させることができ、誘導コイルＩ及び界磁コイルＦの占積率を向上させることができる。

また、本実施形態の回転電機１において、ロータコア２１０は、軸方向の一方側の第１ロータコア２１０Ａと、軸方向の他方側の第２ロータコア２１０Ｂとに分割されている。

本実施形態によれば、ステータコア１１０を軸方向に挟み込むようにして第１ロータコア２１０Ａと第２ロータコア２１０Ｂとを締結することで、回転電機１を組み立てることができる。したがって、ロータ２００へのステータ１００の組付けを容易に行うことができ、回転電機１の組立が容易となる。

また、本実施形態の回転電機１において、ロータコア２１０は、円筒部２１３の軸方向の両端に円盤部２１１、２１２がそれぞれ一体化されたボビン型の形状に形成されている。これにより、ロータコア２１０は、円盤部２１１と円盤部２１２とが円筒部２１３を介して一体となっている。このため、円筒部２１３の嵌入孔２１３Ａに嵌入されたシャフト２０とロータコア２１０との同心が確保される。

（ロータの変形例）
本実施形態では、ロータ２００において、コの字型に折り曲げられた誘導コイルＩ及び界磁コイルＦを直接ロータティース２３０に設置する構成について説明したが、これに限らず、図１４及び図１５に示すように、樹脂製のインシュレータ２４０を介して誘導コイルＩ及び界磁コイルＦをロータティース２３０に設置するようにしてもよい。

図１４及び図１５に示すように、インシュレータ２４０は、誘導コイルＩ及び界磁コイルＦに対向する第１ロータティース２３１、第２ロータティース２３２及び第３ロータティース２３３の外周側面に沿った形状の内壁部２４０ａと、内壁部２４０ａのステータ１００側の端部から連続して外方に延在するフランジ状の鍔部２４０ｂと、を有する。

インシュレータ２４０とコの字型に折り曲げられた誘導コイルＩ及び界磁コイルＦとは、ロータティース２３０に設置される前に一体化される。すなわち、誘導コイルＩ及び界磁コイルＦは、インシュレータ２４０に装着される。次いで、誘導コイルＩ及び界磁コイルＦが装着されたインシュレータ２４０は、ロータティース２３０に装着される。

このような変形例によれば、インシュレータ２４０によってコの字型の形状を維持した状態で誘導コイルＩ及び界磁コイルＦを容易にロータティース２３０に装着することができる。例えば、図１５に示すように、第１ロータコア２１０Ａ側の第１ロータティース２３１及び第３ロータティース２３３に対して、誘導コイルＩ及び界磁コイルＦが装着されたインシュレータ２４０をロータ２００の軸方向の他方側から装着した後、第２ロータコア２１０Ｂを第１ロータコア２１０Ａに連結する。これにより、誘導コイルＩ及び界磁コイルＦを容易にロータティース２３０に装着することができ、ロータ２００の組立性が向上する。

また、この変形例によれば、ロータティース２３０と誘導コイルＩ及び界磁コイルＦとの間に樹脂製のインシュレータ２４０を介すことで、絶縁性を確保することができる。

さらに、この変形例によれば、インシュレータ２４０の鍔部２４０ｂによって誘導コイルＩのステータ１００側の面を支持しているため、絶縁性を向上でき、かつ誘導コイルＩ及び界磁コイルＦの脱落を防止することができる。

（ステータの変形例）
本実施形態の回転電機１では、図３から図６に示したステータ１００を用いたが、これに限らず、図１６から図２０に示すステータ３００を用いてもよい。

図１６に示すように、この変形例のステータ３００は、ステータコア３１０と、電機子コイル１４０とを備えている。図１７から図２０に示すように、ステータコア３１０は、ステータヨーク３２０とステータティース３３０とがそれぞれ分割された構造になっている。

具体的には、図１８及び図１９に示すように、ステータヨーク３２０は、ステータヨーク３２０の周方向に分割された１２個の分割ヨーク３２１からなる。各分割ヨーク３２１は、周方向の一方側の側面に、当該側面から周方向の一方側に突出する突出部３２１ａが形成されている。また、各分割ヨーク３２１は、周方向の他方側の側面に、当該側面から周方向の一方側に凹んだ凹部３２１ｂが形成されている。

分割ヨーク３２１の突出部３２１ａは、周方向の一方側に隣り合う分割ヨーク３２１の凹部３２１ｂに嵌め合わされるようになっている。

分割ヨーク３２１の突出部３２１ａには、回転電機１の軸方向に突出部３２１ａを貫通する貫通孔３２１ｃが形成されている。貫通孔３２１ｃは、突出部３２１ａにおいてステータヨーク３２０の径方向の外面側に形成されている。

分割ヨーク３２１の周方向の他方側には、貫通孔３２１ｄと、締結孔３２１ｅとが形成されている。貫通孔３２１ｄは、回転電機１の軸方向の他方側から凹部３２１ｂに向けて分割ヨーク３２１を貫通している。締結孔３２１ｅは、凹部３２１ｂから回転電機１の軸方向の一方側に向かって分割ヨーク３２１を貫通、又は分割ヨーク３２１内の所定深さまで形成されている。

これら貫通孔３２１ｄ及び締結孔３２１ｅは、分割ヨーク３２１の周方向の他方側においてステータヨーク３２０の径方向の外面側に形成されている。また、分割ヨーク３２１の凹部３２１ｂに周方向の他方側に隣り合う分割ヨーク３２１の突出部３２１ａが嵌め合わされた際には、貫通孔３２１ｄ及び締結孔３２１ｅは、隣り合う分割ヨーク３２１の突出部３２１ａに形成された貫通孔３２１ｃと回転電機１の軸方向に連通するようになっている。

各分割ヨーク３２１は、固定ピン３２２によって互いに連結されるようになっている。具体的には、周方向に隣り合う一方の分割ヨーク３２１の突出部３２１ａと他方の分割ヨーク３２１の凹部３２１ｂとを嵌め合わせた状態で、固定ピン３２２が貫通孔３２１ｄ、貫通孔３２１ｃに挿通され、締結孔３２１ｅに圧入されることによって各分割ヨーク３２１が互いに連結される。このように、ステータヨーク３２０は、各分割ヨーク３２１が固定ピン３２２によって締結されることにより図１９に示すように環状に形成される。

ここで、本実施形態では、固定ピン３２２を締結孔３２１ｅに圧入する構成について説明したが、これに限らず、例えば固定ピン３２２の先端部をねじ山構造として、この固定ピン３２２を締結孔３２１ｅにねじ締結する構成であってもよい。

図２０に示すように、ステータティース３３０は、回転電機１の軸方向に２分割された、分割ティース３３０Ａ及び分割ティース３３０Ｂから構成されている。分割ティース３３０Ａと分割ティース３３０Ｂとは、回転電機１の軸方向からステータヨーク３２０を挟むようにして接着等により互いに締結される。

この変形例のステータ３００において、電機子コイル１４０は、ステータヨーク３２０にトロイダル巻される形状に予め成形された状態で、ステータヨーク３２０に装着されるようになっている。電機子コイル１４０がステータヨーク３２０に装着された後は、その電機子コイル１４０を周方向に挟むようにして分割ティース３３０Ａ及び分割ティース３３０Ｂをステータヨーク３２０に取り付ける。これにより、電機子コイル１４０は、ステータコア３１０のスロットにトロイダル巻された状態となる。

このように、本変形例では、電機子コイル１４０をステータヨーク３２０に直接巻回する必要がないため、電機子コイル１４０の絶縁性、及びステータ３００の組立性が向上する。

また、本変形例では、上述の通りステータヨーク３２０を分割構造としたので、ロータ２００を取り囲むようにしてステータ３００を組み立てることができる。これにより、回転電機１の組立性が向上する。

（その他の変形例）
本実施形態の分割ヨーク１２１及び上述した変形例の分割ヨーク３２１は、強磁性体の微細な粉末が圧縮して固められた圧粉磁心によって成形してもよい。圧粉磁心は、微細な粉末を圧縮して固めて成形するため、成形部材の寸法が大きいほど大型のプレス機を用いる必要があり、またその成形も困難となる。これに対して、本実施形態の分割ヨーク１２１及び上述した変形例の分割ヨーク３２１は、分割構造でないステータヨークと比較して寸法が小さい。このため、大型のプレス機を用いずに圧粉磁心によって分割ヨーク１２１及び分割ヨーク３２１を容易に成形することができる。これにより、ステータヨークの生産性を向上させることができる。

なお、電機子コイル１４０、誘導コイルＩ及び界磁コイルＦの巻線としては、銅線に限らず、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１は、界磁コイルＦに加えて永久磁石をロータ２００に配置するハイブリッド界磁形（ハイブリッドタイプ）に構成してもよく、この場合、永久磁石と、電磁石として機能する界磁コイルＦとを効果的に協働させてトルクを発生させることができる。このため、コスト上昇を引き起こす希土類磁石の使用量を抑制でき、大型化することなく同等の出力を得ることができる。

さらに、整流素子としては、ダイオードに限らず、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い。整流素子は、ダイオードケース内に収納するタイプに限らず、ロータ２００の内部に実装するようにしてもよい。

また、回転電機１は、車載用に限定されるものではなく、例えば、風力発電用の発電機や、工作機械用の電動機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。

１回転電機
１００、３００ステータ
１１０、３１０ステータコア
１２０、３２０ステータヨーク
１３０、３３０ステータティース
１３１、３３１第１ステータティース
１３２、３３２第２ステータティース
１３３、３３３第３ステータティース
１４０電機子コイル（コイル）
２００ロータ
２１０ロータコア
２１０Ａ第１ロータコア
２１０Ｂ第２ロータコア
２３０ロータティース
２３１第１ロータティース（ステータコアの軸方向の両面側でステータティースに対向するロータティース）
２３２第２ロータティース（ステータコアの軸方向の両面側でステータティースに対向するロータティース）
２３３第３ロータティース（ステータコアの径方向の内面側でステータティースに対向するロータティース）
Ｆ界磁コイル
Ｉ誘導コイル

Claims

コイルへの通電により磁束を発生するステータと、前記磁束の通過により回転するロータとを備えた回転電機であって、
前記ステータは、
周方向に所定の間隔で複数配置されるステータティースを有する環状のステータコアと、
前記環状のステータコアの隣り合うステータティースの間にトロイダル巻された電機子コイルと、を有し、
前記ロータは、
前記ステータコアの軸方向の両面側で前記ステータティースに対向するロータティースと前記ステータコアの径方向の内面側で前記ステータティースに対向するロータティースとを有するロータコアと、
前記ロータティースに巻かれており、前記ステータ側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、
前記ロータティースに巻かれており、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、を有することを特徴とする回転電機。
前記誘導コイル及び前記界磁コイルは、同一の前記ロータティースに層を成して巻かれており、
前記誘導コイルは、前記界磁コイルよりも前記ステータ側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
前記ロータコアは、前記ロータコアの軸方向の一方側の第１ロータコアと、前記ロータコアの軸方向の他方側の第２ロータコアとに分割されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回転電機。