JP2017093147A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】性能を劣化させることなく機械強度を確保できる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１０１の軸方向においてロータ１２０、１３０が両面に対面しているステータ１１０と、を備える回転電機１００であって、複数のステータコア１５を径方向外側から保持する保持枠７０と、この保持枠７０の径方向外側から径方向内側にかけて貫通した複数の第１の保持孔７０ｈと、ステータコア１５の径方向外側から径方向内側にかけて貫通した複数の第２の保持孔１５ｈに挿入される複数の保持棒７９と、を有する。
【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。

特許文献１には、アキシャルギャップ型の回転電機において、径方向に延伸し高熱伝導性部材により形成される複数のフィンをフレームに設け、このフレームに電機子コイルの巻かれたステータコアを外周側から挿入し、フィンを介在して環状のステータが形成されるものが開示されている。

特開２００６−０９４６６４号公報

しかしながら、特許文献１に記載のものは、ステータの機械強度を確保するためにはフィンの周方向における厚みを大きくする必要があり、フィンの厚みを大きくすると電機子コイルの占積率が低下して銅損が増加するという問題があった。

また、特許文献１に記載のものは、ステータの機械強度を確保するためにフレームやフィンを金属等の剛性の高い材料によって形成する必要があるため、電機子コイルに通電されている電流が金属製のフレームやフィンに流れてしまうことを防止するために電機子コイルとフィンとの間に絶縁部材を介在させる必要があった。このような絶縁部材を介在させる場合、隣り合うフィンの間で電機子コイルを巻き回す領域が減ってしまうため、電機子コイルの占積率が低下して銅損が増加するという問題があった。

そこで、本発明は、性能を劣化させることなく機械強度を確保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、回転軸を中心にして回転駆動する２つのロータと、前記回転軸の軸方向において前記ロータが両面に対面しているステータと、を備える回転電機であって、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ステータコアと、前記複数のステータコアのそれぞれの外周面に巻き付けられる電機子コイルと、前記２つのロータのそれぞれの前記回転軸の軸周りに配置される誘導コイルおよび界磁コイルと、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、前記複数のステータコアを径方向外側から保持する保持枠と、前記保持枠の径方向外側から径方向内側にかけて貫通した複数の第１の保持孔と、前記ステータコアの径方向外側から径方向内側にかけて貫通した複数の第２の保持孔に挿入される複数の保持棒と、を有することを特徴とする。

本発明の一態様によれば、性能を劣化させることなく機械強度を確保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軸心を中心に切断した縦断面斜視図である。 図２は、ステータの構造を示す分解斜視図である。 図３は、ステータのステータコアの保持構造を示す斜視図である。 図４は、ステータのステータコアの詳細な構造を示す斜視図である。 図５は、ステータコアと電機子コイルを示す斜視図である。 図６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７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８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９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１０は、ロータの構造を示す分解斜視図である。 図１１は、ロータ内の樹脂モールドを示す分解斜視図である。 図１２は、シャフトの構造を示す正面図である。 図１３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１４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１５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１６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１７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１８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１９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２０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２１は、図２０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２２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２３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２３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。

図１において、回転電機１００は、ステータ１１０と２つのロータ１２０、１３０とを備えており、ステータ１１０およびロータ１２０、１３０は、概略円盤形状に形成されている。回転電機１００は、後述するように、スリップリング等の接触式の手法で外部からロータ１２０、１３０にエネルギーを入力することなく、ロータ１２０、１３０を回転できるように構成されている。また、回転電機１００は、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において、ステータ１１０の軸方向の両面側には、２つのロータ１２０、１３０がステータ１１０を挟み込むように配置されており、このロータ１２０、１３０は、ステータ１１０に対してギャップＧを介して軸方向に対面している。

回転電機１００は回転軸としてのシャフト１０１を備えており、このシャフト１０１は、ステータ１１０およびロータ１２０、１３０の軸心を貫通している。ステータ１１０は、シャフト１０１を回転自在に支持している。ロータ１２０、１３０は、シャフト１０１に一体回転可能に固定されている。このように、回転電機１００は、ステータ１１０の軸方向の両面側に２つのロータ１２０、１３０を配置し、この２つのロータ１２０、１３０がステータ１１０に対してギャップＧを介して軸方向に対面しており、アキシャルギャップのダブルロータ型モータとして構成されている。

図２、図３、図４において、ステータ１１０は複数のステータコア１５を備えており、このステータコア１５は、シャフト１０１の周りに等間隔で配置されている。本実施形態では、ステータ１１０は１８個のステータコア１５を備えている。ステータコア１５は、シャフト１０１に直交する断面が略台形で、かつ、シャフト１０１の延伸方向に短尺な棒状に形成されている。ステータコア１５は、高透磁率の磁性材料からなる。

ステータ１１０は、３相交流のＵ相、Ｖ相、Ｗ相にそれぞれ対応する電機子コイル１１をステータコア１５ごとに備えている。ステータ１１０は、１８極（磁極数１８）の電機子コイル１１をシャフト１０１周りに等間隔で備えている。電機子コイル１１は、ステータコア１５の間の１８箇所の隙間をステータスロット１７として、このステータスロット１７に配置されている。電機子コイル１１は、６極ずつ隙間なく並列状態になり、シャフト１０１の延伸方向に直交する平面上で周回するように、ステータコア１５に集中巻で巻回されている。

電機子コイル１１は、３相のＵ相、Ｖ相、Ｗ相毎に並列接続されており、不図示の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相の交流電流が供給される。ステータ１１０の外周部には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相に対応する３本の図示しない入力線と、各相に対応する図示しない板状のバスバーが設けられている。

インバータで生成された３相の各相の交流電流は、各相のバスバーと入力線を通って各相の電機子コイル１１に供給される。

ステータ１１０は、円盤形状の２つのカバー部材９０を備えており、このカバー部材９０は、ステータコア１５とロータ１２０との間、およびステータコア１５とロータ１３０との間に配置されている。

カバー部材９０には、台形の複数の嵌合穴９０ａが周方向に設けられている。カバー部材９０は、この嵌合穴９０ａ内にステータコア１５の軸方向の端部１５ａを嵌め込むことにより、この端部１５ａの端面１５ｂをロータ１２０、１３０側に露出させる状態（所謂、オフセット状態）で、ステータコア１５を位置決めしている。

カバー部材９０は、樹脂材料から構成されている。本実施形態では、磁気回路の形成が妨げられることのないように、カバー部材９０の樹脂材料として、非磁性体の樹脂材料であるＰＰＳ（Polyphenylenesulfide）樹脂を採用している。

このように、カバー部材９０に形成した嵌合穴９０ａにステータコア１５を嵌め込むことにより、ステータコア１５を容易に位置決めでき、ステータコア１５の組み付け性を向上できる。また、嵌合穴９０ａにステータコア１５を嵌め込むことで、カバー部材９０により電機子コイル１１を軸方向に挟んで保持できるため、電機子コイル１１の脱落を容易に防止することができる。また、カバー部材９０を樹脂材料から構成したことで、渦電流損の発生によるモータ損失の増加を防止できる。

また、カバー部材９０を樹脂材料から構成したことで、隣接するステータコア１５の間に絶縁部材等を介在させる必要がなくなり、隣接するステータコア１５の間を効率的に利用して電機子コイル１１を配置できるため、電機子コイル１１の占積率を十分に確保でき、性能が劣化するのを防止できる。

ステータ１１０は、カバー部材９０の外周部が固定される円筒形状の保持枠７０と、カバー部材９０の内周部が固定される円筒形状のハブ部材７５と、を備えている。

保持枠７０は、軸方向の両端部の内周側に凹部７０ａを有しており、この凹部７０ａにはカバー部材９０の外縁部が嵌め込まれている。カバー部材９０の外縁部は、接着等により保持枠７０の凹部７０ａに固定されている。保持枠７０は、機械強度に優れる鉄等の金属から構成される。

ハブ部材７５は、軸方向の両端部の外周側に凹部７５ａを有しており、この凹部７５ａにはカバー部材９０の内縁部が嵌め込まれている。カバー部材９０の内縁部は、接着等によりハブ部材７５の凹部７５ａに固定されている。ハブ部材７５は、機械強度に優れる鉄等の金属から構成される。

ハブ部材７５の内周側にはシャフト１０１が貫通しており、ハブ部材７５は、ベアリング１０８を介してシャフト１０１を回転自在に支持している。

凹部７０ａ、７５ａの軸方向の寸法（深さ）は、カバー部材９０の軸方向の寸法（厚さ）と等しく形成されている。これにより、保持枠７０およびハブ部材７５の凹部７０ａ、７５にカバー部材９０の外縁部と内縁部がそれぞれ嵌め込まれたときに、保持枠７０、カバー部材９０およびハブ部材７５の軸方向の端面の位置が等しくなるため、軸方向の寸法を短縮でき、保持枠７０、カバー部材９０およびハブ部材７５がロータ１２０に干渉することを防止できる。

本実施形態では、保持枠７０は、複数のステータコア１５を径方向外側から保持している。具体的には、保持枠７０には、複数の第１の保持孔７０ｈが形成されており、この第１の保持孔７０ｈは、径方向外側から径方向内側にかけて保持枠７０を貫通している。第１の保持孔７０ｈは、矩形の断面形状を有する。

この第１の保持孔７０ｈは、周方向でステータコア１５と同位置に形成されている。また、第１の保持孔７０ｈの保持孔７０ｈは、保持枠７０の周方向の同位置で、軸方向の一方の端部近傍と他方の端部近傍にそれぞれ形成さており、保持枠７０の凹部７０ａでは溝７０ｂとして露出している。

ステータコア１５には複数の第２の保持孔１５ｈが形成されており、この第２の保持孔１５ｈは、径方向外側から径方向内側にかけてステータコア１５を貫通している。第２の保持孔１５ｈは、矩形の断面形状に形成され、ステータコア１５を直線状に貫通している。本実施形態では、１つのステータコア１５に対して、軸方向の一端部と他端部の２箇所に第２の保持孔１５ｈが形成されている。

また、ハブ部材７５には、複数の第３の保持孔７５ｈが形成されており、この第３の保持孔７５ｈは、径方向外側から径方向内側にかけてハブ部材７５を貫通している。第３の保持孔７５ｈは、第１の保持孔７０ｈおよび第２の保持孔１５ｈと等しい寸方の矩形の断面形状を有する。

保持枠７０の第１の保持孔７０ｈ、およびハブ部材７５の第３の保持孔７５ｈは、ステータコア１５の２つの第２の保持孔１５ｈと一直線上に並ぶ位置と角度に形成されている。

また、ステータ１１０は、棒状の保持棒７９を備えており、この保持棒７９は、保持枠７０の径方向外側から内側に向かって、保持枠７０の第１の保持孔７０ｈと、ステータコア１５の第２の保持孔１５ｈと、ハブ部材７５の第３の保持孔７５ｈとに順次挿入されている。保持棒７９は、第１の保持孔７０ｈ、第２の保持孔１５ｈおよび第３の保持孔７５ｈより僅かに大きい寸法の矩形の断面形状を有し、第１の保持孔７０ｈ、第２の保持孔１５ｈおよび第３の保持孔７５ｈにすきまばめで嵌入されている。保持棒７９は、アルミ等の非磁性金属から構成されている。このため、保持棒７９の磁気回路への影響を防止できる。

このように、第１の保持孔７０ｈ、第２の保持孔１５ｈおよび第３の保持孔７５ｈに保持棒７９が挿入されることで、ハブ部材７５の外周側に保持棒７９を介して保持枠７０を支持することができる。また、保持枠７０の内周側に保持棒７９を介してステータコア１５を支持することができる。このため、保持枠７０は、複数のステータコア１５を径方向外側から保持することができ、ステータコア１５への軸方向の荷重に対する強度を向上させることができる。また、保持棒７９によってステータコア１５を保持することにより、電機子コイル１１の脱落を防止でき、エアギャップ長の管理を容易化できる。

また、ステータコア１５に形成された複数の第２の保持孔１５ｈと、このステータコア１５の外周側の保持枠７０に形成された複数の第１の保持孔７０ｈに、複数の保持棒７９を外周側からシャフト１０１側に向かって貫通させることで、ステータコア１５を保持しているため、機械強度を確保できる。この結果、性能を劣化させることなく機械強度を確保できる。

ここで、カバー部材９０の外周部のステータコア１５側には、溝９０ｂが形成されており、この溝９０ｂは、嵌合穴９０ａの外周部に連通している。さらに、カバー部材９０の内周部のステータコア１５側には、溝９０ｃが形成されており、この溝９０ｃは、嵌合穴９０ａの内周部に連通している。これらの溝９０ｂ、９０ｃには保持棒７９が係合するようになっており、保持棒７９が溝９０ｂ、９０ｃに係合することで、保持棒７９の撓みを防止することができる。

また、複数の保持棒７９は、シャフト１０１を中心とした放射状となるように複数の第１の保持孔７０ｈおよび複数の第２の保持孔１５ｈに挿入されている。

このように第１の保持孔７０ｈと第２の保持孔１５ｈに対して、シャフト１０１を中心とした放射状となるように保持棒７９が挿入されることにより、ステータコア１５の第２の保持孔１５ｈは、ステータコア１５の外周部で広い間隔となり、ステータコア１５の内周部で狭い間隔となるように、放射状に形成される。

このため、ステータコア１５における第２の保持孔１５ｈの位置に応じてステータ１１０におけるステータコア１５の径方向の位置が決定され、ステータコア１５が振動等によって径方向に移動することを、保持棒７９によって防止することができる。

また、電機子コイル１１はステータコア１５の軸方向の中央部に巻回されているため、ステータコア１５の軸方向の両方の端部１５ａは、電機子コイル１１が巻回されていない部分となる。このステータコア１５の軸方向の両方の端部１５ａに、第２の保持孔１５ｈが形成されている。

このように電機子コイル１１が巻付けられないステータコア１５の両方の端部１５ａに第２の保持孔１５ｈが形成されているため、電機子コイル１１の占積率を十分に確保したまま、第２の保持孔１５ｈをステータコア１５に形成することができる。

図５において、電機子コイル１１は、ステータコア１５に対して帯状の平角線１１Ｌを、所謂、α巻に巻き付けることにより形成されている。

ここで、α巻とは、平角線１１Ｌの長さ方向における中心部を巻始め位置として、隣り合う２つの平面上で平角線１１Ｌの一方の端部側と他方の端部側を逆方向に周回させる巻き方のことである。本実施形態の電機子コイル１１は、ステータコア１５の径方向の内方の端部（台形の上底に相当する端部）に、平角線１１Ｌの長さ方向における中心部を密接させる状態にしつつ襷掛けにして巻き始めている。そして、電機子コイル１１は、平角線１１Ｌの長さ方向の中心付近に対する一方側が、ステータコア１５の軸方向の一方の端部１５ａ側の端面１５ｂ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られている。また、平角線１１Ｌの長さ方向の中心付近に対する他方側は、ステータコア１５の軸方向の他方の端部１５ａ側の端面１５ｂ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られている。

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側から引き出してカバー部材９０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、カバー部材９０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、そのカバー部材９０が振動などした場合でもカバー部材９０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。

ここで、電機子コイル１１の接続端部１１Ｌａ、１１Ｌｂは、図２、図３、図５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をバスバーで接続し、ステータコア１５をカバー部材９０で軸方向から覆い、ステータコア１５を保持棒７９により保持枠７０に保持させた後に、カバー部材９０と保持枠７０とで画成された内部空間に、例えば、放熱特性に優れるＰＰＳ樹脂を射出充填（注入）して固定するようになっている。

これにより、ＰＰＳ樹脂をステータスロット１７などの部材間の隙間に充填することができるため、射出充填用金型を準備することなく、ＰＰＳ樹脂を、ステータコア１５や電機子コイル１１やバスバー間の隙間に侵入させて、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に保持されることにより、振動等により各部材が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、振動や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のロータコア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。

図６において、ロータ１２０、１３０は、円筒部２３と、複数のロータコア２５と、複数の誘導コイル２１と、複数の界磁コイル２２を備えている。円筒部２３は、シャフト１０１の外周面に固定されている。複数のロータコア２５は、円筒部２３の周囲に周方向で均等に配置されている。誘導コイル２１および界磁コイル２２は、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、このロータスロット２７に配置されている。

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、ステータ１１０のスロット数Ｓ（１８）とロータ１２０の磁極数Ｐ（１２）との構成比Ｓ／Ｐが３／２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７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。

図７において、閉回路３０は、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２２ｐ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７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８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９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７、図８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それぞれの第２接続端部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１接続端部２２ｐ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１０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、カバー部材９０（図２参照）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、カバー部材９０の嵌合穴９０ａ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１１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１１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１１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１１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１２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１３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１２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を位置決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、カバー部材９０の内周縁側に、ベアリング受け１０７と、このベアリング受け１０７に回転自在に支持されるベアリング１０８とを備えている。ステータ１１０は、ベアリング１０８の一端側端部が段差部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）に突き当てた状態となることで、シャフト１０１に対して軸方向に位置決めされている。

さらに、ステータ１１０の保持枠７０には複数のネジ穴７０ｓ（図２、図３参照）が周方向に設けられており、このネジ穴７０ｓは、保持枠７０を回転電機１００の軸方向に貫通している。一方、モータケース１５０の側板１５４の内周面側にはフランジ部１５５が設けられており、このフランジ部１５５にはネジ止め穴１５５ａが回転電機１００の軸方向に貫通している。

ステータ１１０は、保持枠７０のネジ穴７０ｓと、フランジ部１５５のネジ止め穴１５５ａと、に固定ボルト１１９を差し通して締結することで、モータケース１５０に位置決めおよび固定されている。このように、ステータ１１０がその外周側でモータケース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のカバー部材９０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１４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、ステータ１１０のスロット数Ｓとロータ１２０、１３０の磁極数Ｐとの構成比Ｓ／Ｐを３／２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、ステータ１１０のスロット数Ｓとロータ１２０、１３０の磁極数Ｐとの構成比Ｓ／Ｐを３／２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１５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２５ａ側に誘導コイル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１６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２５ａ側の誘導コイル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１７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１８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１９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２０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２１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２２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２２中に一点鎖線で示す図１８のようなラジアルギャップ型で補極なしの構造や、図２２中に二点鎖線で示す図１９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２２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２３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。

次に作用効果について説明する。以上説明したように、本実施形態の回転電機１００は、複数のステータコア１５を径方向外側から保持する保持枠７０と、この保持枠７０の径方向外側から径方向内側にかけて貫通した複数の第１の保持孔７０ｈと、ステータコア１５の径方向外側から径方向内側にかけて貫通した複数の第２の保持孔１５ｈに挿入される複数の保持棒７９と、を有する。

本実施形態によれば、隣接するステータコア１５の間にフィンや絶縁部材等を介在させておらず、隣接するステータコア１５の間を効率的に利用できるため、電機子コイル１１の占積率を十分に確保でき、性能が劣化するのを防止できる。

また、本実施形態によれば、ステータコア１５と、このステータコア１５を外周側から保持する保持枠７０に形成された複数の第１の保持孔７０ｈに、複数の保持棒７９を外周側からシャフト１０１側に向かって貫通させることで、ステータコア１５を保持しているため、機械強度を確保できる。この結果、性能を劣化させることなく機械強度を確保できる。

また、本実施形態の回転電機１００において、複数の保持棒７９は、シャフト１０１を中心とした放射状となるように複数の第１の保持孔７０ｈおよび複数の第２の保持孔１５ｈに挿入される。

本実施形態によれば、第１の保持孔７０ｈと第２の保持孔１５ｈに対して、シャフト１０１を中心とした放射状となるように保持棒７９が挿入されることにより、ステータコア１５の第２の保持孔１５ｈは、ステータコア１５の外周部で間隔が広く内周部で間隔が狭くなるように、放射状に形成される。

このため、ステータコア１５における第２の保持孔１５ｈの位置に応じてステータ１１０におけるステータコア１５の径方向の位置が決定されるので、振動等によってステータコア１５が径方向に移動することを保持棒７９によって防止することができる。

また、本実施形態の回転電機１００において、第１の保持孔７０ｈは、電機子コイル１１が巻付けられないステータコア１５の両端部１５ａに形成される。

本実施形態によれば、磁気回路への影響が小さいステータコア１５の両端部１５ａに第１の保持孔７０ｈが形成されるため、電機子コイル１１の占積率を十分に確保したまま、第１の保持孔７０ｈをステータコア１５に形成することができる。

また、本実施形態の回転電機１００において、ステータ１１０は、ステータコア１５の両端部１５ａを嵌め込む嵌合穴９０ａが形成されたカバー部材９０を有する。

本実施形態によれば、カバー部材９０の嵌合穴９０ａにステータコア１５の両端部１５ａが嵌め込まれることにより、カバー部材９０によってもステータコア１５を保持できる。

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
１５ ステータコア
１５ａ 両端部
１５ｈ 第２の保持孔
２１ 誘導コイル
２２ 界磁コイル
２９Ａ、２９Ｂ ダイオード（整流素子）
７０ 保持枠
７０ｈ 第１の保持孔
７９ 保持棒
９０ カバー部材
９０ａ 嵌合穴
１００ 回転電機
１０１ シャフト（回転軸）
１１０ ステータ
１２０ ロータ

Claims (4)

1. 回転軸を中心にして回転駆動する２つのロータと、前記回転軸の軸方向において前記ロータが両面に対面しているステータと、を備える回転電機であって、
   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ステータコアと、
   前記複数のステータコアのそれぞれの外周面に巻き付けられる電機子コイルと、
   前記２つのロータのそれぞれの前記回転軸の軸周りに配置される誘導コイルおよび界磁コイルと、
   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、
   前記複数のステータコアを径方向外側から保持する保持枠と、
   前記保持枠の径方向外側から径方向内側にかけて貫通した複数の第１の保持孔と、前記ステータコアの径方向外側から径方向内側にかけて貫通した複数の第２の保持孔に挿入される複数の保持棒と、を有することを特徴とする回転電機。
2. 前記複数の保持棒は、前記回転軸を中心とした放射状となるように前記複数の第１の保持孔および前記複数の第２の保持孔に挿入されることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記第２の保持孔は、前記電機子コイルが巻付けられない前記ステータコアの両端部に形成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転電機。
4. 前記ステータは、前記ステータコアの両端部を嵌め込む嵌合穴が形成されたカバー部材を有することを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項に記載の回転電機。