JP2017169286A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石を備えたロータからステータに鎖交する磁束を低コストな構成で可変させることができる回転電機を提供すること。【解決手段】ステータとロータ２０とを備えた回転電機において、ロータ２０は、ロータティース２３に巻かれ、ステータ側で発生した磁束に基づいて誘導電流を発生する誘導コイル２２と、ロータコア２１の周方向に複数配置された永久磁石２４と、磁路部材２５と、ロータティース２３からステータに鎖交する磁束の磁束量を誘導コイル２２で発生した誘導電流に基づいて調整可能な可変界磁コイル３０とを有し、磁路部材２５は、ロータコア２１に内包された内磁路部２５１と、ロータコア２１の軸方向で内磁路部２５１に空隙Ｇを介して対向するよう配置された外磁路部２５２と、周方向に隣り合う外磁路部２５２同士を接続する環状の環状磁路部２５３とを有し、可変界磁コイル３０が外磁路部２５２に設けられている。【選択図】図３

Description

本発明は、回転電機に関する。

永久磁石の磁束を利用してトルクを出力する回転電機では、永久磁石による有効磁束量を可変することができる回転電機が知られている。例えば、特許文献１には、電機子巻線が巻かれた固定子と、該固定子と空隙を介して回転可能に設けられた回転子を有する回転電機において、固定子が回転軸方向に第１回転子と第２回転子とに二分割され、それぞれに極性の異なる界磁用磁石が回転方向に交互に配置された構造が記載されている。

このような構造から、特許文献１に記載の回転電機は、トルクや回転数の変化に応じて第２回転子を動作させ、第１回転子の永久磁石の極性と第２回転子の永久磁石の極性との位置関係を可変することによって、永久磁石による有効磁束量を調整することができる。このとき、特許文献１に記載の回転電機は、第１回転子の永久磁石の極性と第２回転子の永久磁石の極性との位置関係を可変するにあたって、アクチュエータに入力された制御信号により第２回転子を所定状態に位置させるように制御している。

第２回転子を第１回転子から回転軸方向に離隔させた任意所定位置に移動させた状態では、固定子鉄心に設けられた磁気抵抗層によって回転軸方向に生じる磁束流れを遮断することができる。これにより、磁束可変型回転電機の高速回転領域における鉄損を低減することができる。

特開２０１０−２４６１９６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の回転電機は、上述したように、第２回転子を所定状態に位置させるため、アクチュエータや該アクチュエータを制御するための制御装置が必要である。また、第１回転子と第２回転子とが所定の位置関係となるように第２回転子を機械的に移動させていることから精密な制御が必要である。このため、低コストな構成で永久磁石の磁束を可変させることができない。

本発明は、上述のような事情に鑑みてなされたもので、永久磁石を備えたロータからステータに鎖交する磁束を低コストな構成で可変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、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、複数のロータティースが形成されたロータコアを有するロータと、を備えた回転電機であって、前記ロータは、前記複数のロータティースのそれぞれに巻かれ、前記ステータ側で発生した磁束に基づいて誘導電流を発生する誘導コイルと、前記ロータコアに内包され、前記ロータコアの周方向に所定の間隔をおいて複数配置された永久磁石と、周方向に隣り合う前記永久磁石の間に配置された磁路部材と、前記ロータティースから前記ステータに鎖交する磁束の磁束量を前記誘導電流に基づいて調整可能な可変界磁コイルと、を有し、前記磁路部材は、前記ロータコアに内包された内磁路部と、前記ロータコアの軸方向で前記内磁路部に空隙を介して対向するよう配置された外磁路部と、周方向に隣り合う前記外磁路部同士を接続する環状の環状磁路部と、を有し、前記可変界磁コイルは、前記外磁路部に設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、永久磁石を備えたロータからステータに鎖交する磁束を低コストな構成で可変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、本発明の一実施の形態に係る回転電機を示す斜視図である。 図２は、本発明の一実施の形態に係る回転電機のロータを示す斜視図である。 図３は、本発明の一実施の形態に係る回転電機のロータを径方向の内方側から見た一部断面斜視図である。 図４は、本発明の一実施の形態に係る回転電機のロータを径方向の外方側から見た一部断面斜視図である。 図５は、本発明の一実施の形態に係る回転電機のロータから可変界磁コイルを取り外した状態を示す一部断面斜視図である。 図６は、本発明の一実施の形態に係る回転電機のロータにおける永久磁石の磁化方向を示す斜視図である。 図７は、本発明の一実施の形態に係る回転電機の可変界磁コイルに通電したときの磁束の経路を径方向の内方側から見た斜視図である。 図８は、本発明の一実施の形態に係る回転電機の可変界磁コイルに通電したときの磁束の経路を径方向の外方側から見た斜視図である。 図９は、本発明の一実施の形態に係る回転電機における誘導コイル及び可変界磁コイルと整流回路との結線図である。 図１０は、本発明の一実施の形態に係る回転電機のステータ鎖交磁束数の構成を示すグラフである。 図１１は、本発明の一実施の形態に係る回転電機のロータの第１の変形例を示す一部断面斜視図である。 図１２は、本発明の一実施の形態に係る回転電機のロータの第２の変形例を示す一部断面斜視図である。 図１３は、第２の変形例のロータから可変界磁コイルを取り外した状態を示す一部断面斜視図である。 図１４は、第２の変形例に係るロータのロータコアを軸方向から見た正面図である。 図１５は、本発明の一実施の形態に係る回転電機のロータの第３の変形例を示す一部断面斜視図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。図１から図１０は本発明の一実施の形態に係る回転電機を説明する図である。

図１に示すように、回転電機１は、通電により磁束を発生させるＷ相、Ｖ相、Ｕ相の三相の電機子コイル１１を有するステータ１０と、ステータ１０で発生した磁束の通過により回転するロータ２０と、を備えている。

（ステータ）
ステータ１０は、図示しないモータケースに固定されている。ステータ１０は、高透磁率の磁性材料からなる環状のステータコア１２を備えている。ステータコア１２には、径方向の内方側に突出したステータティース１３が周方向に沿って複数形成されている。周方向に隣り合うステータティース１３の間には、溝状の空間であるスロット１４が形成されている。

径方向とは、ロータ２０の回転軸が延伸する方向と直交する方向を示す。径方向の内方側とは、径方向においてロータ２０の回転軸に近い側を示す。径方向の外方側とは、径方向においてロータ２０の回転軸から遠い側を示す。周方向とは、ロータ２０の回転軸を中心とする円周方向を示す。なお、径方向は、回転軸を中心として放射方向に示される。

ステータコア１２の各スロット１４には、ステータコア１２の周方向に沿ってＷ相、Ｖ相、Ｕ相の三相の電機子コイル１１がそれぞれ配置されている。Ｗ相、Ｖ相、Ｕ相の各電機子コイル１１は、分布巻によりステータティース１３に巻き回されている。また、Ｗ相、Ｖ相、Ｕ相の各電機子コイル１１は、集中巻によりステータティース１３に巻き回されていてもよい。

ステータ１０は、電機子コイル１１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させる。ステータ１０で発生した磁束（以下、この磁束を「主磁束」という）は、ロータ２０に鎖交するようになっている。これにより、ステータ１０は、ロータ２０を回転させることができる。

（ロータ）
図１、図２、図３及び図４に示すように、ロータ２０は、外周面がステータコア１２の内周面と対向するように、ステータコア１２の径方向の内方側に配置されている。ロータ２０は、環状のロータコア２１と、誘導コイル２２と、磁路部材２５とを含んで構成されている。

ロータコア２１は、高透磁率の磁性材料からなり、ロータ２０の回転軸に一体回転可能に固定されている。ロータコア２１には、図３に示すように、ロータコア２１から径方向の外方側に向けて突出したロータティース２３がロータコア２１の周方向に沿って所定の間隔をおいて複数形成されている。ロータ２０の回転軸は、ロータコア２１の内周面に固定され、ロータコア２１の径方向と直交する方向に延伸している。以下においては、ロータ２０の回転軸が延伸する方向を軸方向という。

図５及び図６に示すように、ロータコア２１は、永久磁石２４を備えている。永久磁石２４は、例えばネオジウム磁石（Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石）で構成されており、ロータコア２１に内包されている。

永久磁石２４は、ロータコア２１の周方向に沿って所定の間隔をおいて複数配置されている。永久磁石２４は、図６に示すように、周方向に隣り合う磁路部材２５の間でロータコア２１に内包されている。

具体的には、永久磁石２４は、ロータコア２１をロータティース２３が形成された部分とロータティース２３が形成されていない部分とに周方向に領域分割したときに、ロータティース２３が形成されていない部分に配置される。すなわち、永久磁石２４は、周方向に隣り合うロータティース２３の間の各ｑ軸（図６参照）上に配置されている。

永久磁石２４は、磁束の向きが周方向になるようにロータコア２１に配置されている。周方向に隣り合う永久磁石２４は、互いに磁化方向が逆向きとなるように配置されている。これにより、周方向に隣り合う永久磁石２４の間では、同一の磁極が対向することとなる。

このため、隣り合う永久磁石２４のＮ極側から出た磁束は、その永久磁石２４のＮ極側に位置するロータティース２３を通じてステータ１０に鎖交し、ステータ１０から隣り合う永久磁石２４のＳ極側に位置するロータティース２３に鎖交する。すなわち、永久磁石２４の磁束は、隣り合う永久磁石２４のＮ極が対向する側に位置するロータティース２３からステータ１０へ鎖交し、ステータ１０から隣り合う永久磁石２４のＳ極が対向する側に位置するロータティース２３へ鎖交する。

したがって、隣り合う永久磁石２４のＮ極が対向する側に位置するロータティース２３には、Ｎ極の磁極が形成される。隣り合う永久磁石２４のＳ極が対向する側に位置するロータティース２３には、Ｓ極の磁極が形成される。このように、周方向に隣り合うロータティース２３は、周方向において互いに逆の極性の磁極が形成される。

誘導コイル２２は、ロータティース２３の側面を囲むように複数のロータティース２３のそれぞれに巻かれている。誘導コイル２２は、ステータ１０側で発生した磁束に重畳された高調波成分に基づいて誘導電流を発生するようになっている。

本実施の形態では、電機子コイル１１に供給される三相交流に対して各相の電流と非同期の高調波電流が、図示しない制御装置によって重畳されるようになっている。これにより、ステータ１０側で発生した主磁束に高調波成分が重畳される。

高調波電流の重畳された三相交流が電機子コイル１１に供給されてステータ１０に回転磁界が発生すると、ステータ１０側で発生した高調波成分の磁束が誘導コイル２２に鎖交する。これにより、誘導コイル２２は、誘導電流を誘起させる。

また、本実施の形態における回転電機１は、ロータ２０の回転速度が所定の回転速度未満のときには電機子コイル１１に供給される三相交流に高調波電流を重畳し、ロータ２０の回転速度が所定の回転速度以上のときには電機子コイル１１に供給される三相交流に高調波電流を重畳しないといったロータ２０の回転速度に応じた制御が可能に構成されている。このように、制御装置によって高調波電流の重畳の有無を切り替えるようになっている。高調波電流は、その大きさがロータ２０の回転速度に比例してリニアに変更されることによって重畳の有無を切り替えるものであってもよい。

したがって、ロータ２０の回転速度が所定の回転速度未満であるロータ低回転時は、電機子コイル１１に供給される正弦波電流に高調波電流が重畳された状態である。本実施の形態では、この状態を高調波重畳励磁時という。

ロータ２０の回転速度が所定の回転速度以上であるロータ高回転時は、電機子コイル１１に供給される正弦波電流に高調波電流が重畳されない状態である。本実施の形態では、この状態を正弦波励磁時という。

図１、図２、図３、図４、図５及び図６に示すように、磁路部材２５は、後述する可変界磁コイル３０で発生した磁束（以下、この磁束を「界磁磁束」という）をロータ２０に導くものである。

磁路部材２５は、周方向に隣り合う永久磁石２４の間のそれぞれに配置されている。磁路部材２５は、内磁路部２５１と、外磁路部２５２と、環状磁路部２５３とを含んで構成されている。

図５及び図６に示すように、内磁路部２５１は、ロータティース２３の径方向の内方側でロータコア２１に内包されている。換言すれば、内磁路部２５１は、ロータティース２３が形成された各ｄ軸（図６参照）上で、かつロータコア２１の径方向の中間位置に配置されている。

内磁路部２５１は、ロータコア２１を軸方向に貫通するようにロータコア２１内に設けられている。内磁路部２５１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形成されている。

図５に示すように、外磁路部２５２は、ロータコア２１の軸方向において内磁路部２５１に空隙Ｇを介して対向するように配置されている。具体的には、外磁路部２５２は、軸方向におけるロータコア２１側の端面が内磁路部２５１の軸方向の端面と対向するように、内磁路部２５１の軸方向の両側にそれぞれ配置されている。ロータコア２１側の軸方向の端面と内磁路部２５１の軸方向の端面との間には、高磁気抵抗の領域として所定の大きさの空隙Ｇが形成されている。

空隙Ｇは、後述する可変界磁コイル３０に直流電流が供給されていないときには、永久磁石２４の磁束が内磁路部２５１と外磁路部２５２との間で流れることがない、又は流れても微量となるような大きさである。また、空隙Ｇは、可変界磁コイル３０に直流電流が供給されているときには、可変界磁コイル３０で発生した界磁磁束が外磁路部２５２から内磁路部２５１に流れるような大きさに設定されている。

環状磁路部２５３は、環状に形成され、ロータコア２１の軸方向の両側の端面から該軸方向に離隔した位置で周方向に隣り合う外磁路部２５２同士を接続するようになっている。これにより、周方向に隣り合う外磁路部２５２は、環状磁路部２５３を介して磁気的に結合される。

外磁路部２５２と環状磁路部２５３とは、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一体形成されている。外磁路部２５２及び環状磁路部２５３は、内磁路部２５１とは別体として構成されている。

外磁路部２５２及び環状磁路部２５３は、例えば樹脂等の非磁性体からなる図示しないブラケットや連結部材等を介してロータ２０の回転軸又はロータコア２１に保持されている。したがって、外磁路部２５２及び環状磁路部２５３は、ロータ２０と一体回転するようになっている。

非磁性体を用いずに外磁路部２５２及び環状磁路部２５３をロータ２０の回転軸又はロータコア２１に保持させる場合には、外磁路部２５２及び環状磁路部２５３とロータ２０の回転軸又はロータコア２１との磁気的な結合を極力小さくした状態で互いに連結するのが好ましい。

このように、外磁路部２５２及び環状磁路部２５３は、ロータ２０の回転軸又はロータコア２１に対して磁気的に遮蔽された状態で保持されるのが好ましい。これにより、後述する可変界磁コイル３０で発生した界磁磁束がロータ２０の回転に寄与しない漏れ磁束としてロータ２０の回転軸又はロータコア２１に漏れてしまうことが防止される。

（可変界磁コイル）
図３及び図４に示すように、磁路部材２５の外磁路部２５２には、可変界磁コイル３０が設けられている。可変界磁コイル３０は、ロータコア２１の周方向に延在する環状のコイルからなり、ロータコア２１の軸方向の両側にそれぞれ設けられている。

可変界磁コイル３０は、ロータティース２３からステータ１０に鎖交する磁束の磁束量を誘導コイル２２で発生した誘導電流に基づいて調整可能なコイルである。上述したロータティース２３からステータ１０に鎖交する磁束には、永久磁石２４の磁束の他に可変界磁コイル３０で発生した界磁磁束が含まれる。本実施の形態では、誘導電流の大きさに応じて界磁磁束の磁束量が調整されることで、ロータティース２３からステータ１０に鎖交する磁束の磁束量が調整される。

界磁磁束の磁束量は、可変界磁コイル３０に供給される直流電流が大きいほど、可変界磁コイル３０の巻き数が多いほど大きくなる。可変界磁コイル３０の巻き数は、予め実験的に求められた巻き数に設定される。

可変界磁コイル３０は、周方向に隣り合う外磁路部２５２のうち一方の外磁路部２５２では該外磁路部２５２の径方向の内方側を通り、他方の外磁路部２５２では該外磁路部２５２の径方向の外方側を通るよう形成されている。

すなわち、可変界磁コイル３０は、周方向に沿って並んだ全ての外磁路部２５２に対して径方向の内方側と外方側とを交互に通されることにより、全ての外磁路部２５２に共通の１つの環状のコイルとして形成されている。

具体的には、図７及び図８に示すように、可変界磁コイル３０への直流電流の通電方向が図中に示した矢印方向である場合、可変界磁コイル３０は、永久磁石２４のＮ極が対向する側に配置された外磁路部２５２（図７及び図８において「２５２Ｎ」と記す）に対しては径方向の内方側を通るようになっている。また、可変界磁コイル３０は、永久磁石２４のＳ極が対向する側に配置された外磁路部２５２（図７及び図８において「２５２Ｓ」と記す）に対しては、可変界磁コイル３０が径方向の外方側を通るようになっている。

これにより、可変界磁コイル３０で発生した界磁磁束は、図７及び図８中、矢印Ｂｆで示すように、外磁路部２５２Ｓから環状磁路部２５３を介して外磁路部２５２Ｎに導かれるようになっている。外磁路部２５２Ｎに導かれた界磁磁束は、空隙Ｇを通過して内磁路部２５１に導かれる。

この結果、図８に示すように、内磁路部２５１に導かれた界磁磁束と矢印Ｂｍで示した永久磁石２４の磁束とが合成されるようになっている。この合成された磁束（図８中、矢印「Ｂｍ＋Ｂｆ」で示す）は、上述したようにＮ極の磁極が形成されたロータティース２３からステータ１０に鎖交するようになっている。図７及び図８では、誘導コイル２２の図示を省略している。

可変界磁コイル３０への直流電流の通電方向が図７及び図８で示した方向と逆向きとした場合には、可変界磁コイル３０は、永久磁石２４のＮ極が対向する側に配置された外磁路部２５２に対しては径方向の外方側を通り、永久磁石２４のＳ極が対向する側に配置された外磁路部２５２に対しては径方向の内方側を通るのが好ましい。

図２に示すように、本実施の形態では、可変界磁コイル３０は、ロータコア２１の軸方向の両側に設けられ、この軸方向の両側において同一の内磁路部２５１（図３参照）に対向する外磁路部２５２のうち、一方の外磁路部２５２では、この外磁路部２５２の径方向の内方側を通り、他方の外磁路部２５２では、この外磁路部２５２の径方向の外方側を通るよう形成されている。すなわち、同一の内磁路部２５１を軸方向から挟むように配置される外磁路部２５２は、軸方向の両側において互いに径方向の反対側を可変界磁コイル３０が通るよう構成されている。このように、可変界磁コイル３０の巻き方は、ロータコア２１の軸方向の両側に設けられた外磁路部２５２において非対称である。

例えば、軸方向の一方側（図２中、上方側）の外磁路部２５２で可変界磁コイル３０が径方向の外方側を通っている場合には、同一の内磁路部２５１に軸方向で対向する他方側（図２中、下方側）の外磁路部２５２では可変界磁コイル３０が径方向の内方側を通るようになっている。

これにより、本実施の形態に係る回転電機１では、周方向に隣り合うロータティース２３のうち一方のステータ１０に鎖交する磁束が少なくなる等、磁束量の偏りが生じないようにできる。このため、回転電機１は、周方向に隣り合うロータティース２３間でステータ１０に鎖交する磁束の磁束量の差を少なくできる。すなわち、回転電機１は、ステータ１０に鎖交する磁束の磁束量を全てのロータティース２３において均等にすることができる。この結果、回転電機１は、トルクリプルの発生を抑制することができる。

（整流回路）
回転電機１は、誘導コイル２２によって誘起された交流の誘導電流を直流に整流して可変界磁コイル３０に供給する整流回路４０を備えている。

図９に示すように、整流回路４０は、４つのダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４を整流素子として備え、これらダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４と誘導コイル２２及び可変界磁コイル３０とを結線した閉回路として構成されている。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。

ダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４は、例えば図示しないダイオードケースに収納された状態でロータ２０に設けられている。ダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４は、ロータ２０の内部に実装するようにしてもよい

整流回路４０において、誘導コイル２２で発生した交流の誘導電流は、ダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４により整流され、整流後の直流電流は、界磁電流として可変界磁コイル３０に供給される。可変界磁コイル３０は、直流電流が供給されることにより界磁磁束を発生させる。

（回転電機の作用）
次に、図７及び図８を参照して、本実施の形態に係る回転電機１の作用について説明する。

本実施の形態に係る回転電機１は、ロータ２０に永久磁石２４を備え、その永久磁石２４の磁束を利用してトルクを出力する永久磁石型同期モータである。

従来の永久磁石型同期モータでは、永久磁石の磁束が一定のため、ロータの回転速度が上昇するにつれて永久磁石の磁束によってステータの電機子コイルに生じる逆起電力が増加する。そして、ロータの回転速度がある回転速度に達すると、電機子コイルに生じた逆起電力が永久磁石型同期モータの電源電圧と等しくなる。これにより、永久磁石型同期モータにはそれ以上電流を流すことができなくなる。この結果、ロータの回転速度を上昇させることができなくなってしまう。

従来、こうした問題を解決するために、ステータの電機子コイルに永久磁石による磁束を打ち消す電流を流すことにより電機子コイルに生じる逆起電力を等価的に低減させる弱め界磁制御が行われていた。

しかしながら、この弱め界磁制御は、永久磁石の磁束を打ち消す方向の磁束を発生させるべく電流を流すことから、トルクに寄与しない磁束を発生させることになるため、出力に対して無駄なエネルギーを消費しており、効率の低下を招いていた。

また、弱め界磁制御では、高調波磁束が生じるため、その高調波磁束に起因して永久磁石型同期モータの鉄損や電磁振動が増加するおそれがある。さらに、弱め界磁制御では、永久磁石の磁束に対して逆向きの磁束を発生させて永久磁石の磁束を抑え込むため、永久磁石の不可逆減磁が生じるおそれがある。このため、比較的保磁力の高い永久磁石を用いる必要があり、コストが増加してしまう。

また、永久磁石としてネオジウム磁石を用いた場合には、弱め界磁制御による外部磁場の変動により永久磁石に渦電流が生じ、永久磁石が発熱する。この発熱によって永久磁石の不可逆減磁が生じるおそれがある。したがって、耐熱性の高いレアアース等の材料を永久磁石に添加する必要がある。しかし、この場合には、添加されたレアアース等の材料が永久磁石にとって不純物となるため、永久磁石本来の性能を発揮させることができないおそれがある。

そこで、本実施の形態に係る回転電機１では、弱め界磁制御を行わずに、上述した磁路部材２５及び可変界磁コイル３０の作用によって、永久磁石２４を備えたロータ２０からステータ１０に鎖交する磁束量を調整可能な構成とした。これにより、本実施の形態に係る回転電機１は、上述したような弱め界磁制御による問題を解決することができる。

（正弦波励磁時）
本実施の形態に係る回転電機１において電機子コイル１１に供給される電流が高調波成分を含まない正弦波電流である場合、誘導コイル２２に鎖交する高調波成分の磁束はないか、あるいは鎖交していても微量である。このため、可変界磁コイル３０は、界磁磁束を発生してないか、あるいは発生していても微量である。したがって、空隙Ｇにおいては、磁気抵抗が高い状態である。

この結果、外磁路部２５２には、図７及び図８において矢印Ｂｆで示すような界磁磁束が流れない。したがって、正弦波励磁時にロータ２０からステータ１０に鎖交する磁束の全て又は大部分は、永久磁石２４の磁束となる。

（高調波重畳励磁時）
本実施の形態に係る回転電機１において電機子コイル１１に供給される電流に高調波成分が重畳されている場合、誘導コイル２２に高調波成分の磁束が鎖交し、誘導電流が誘起される。この誘導電流が、整流回路４０によって整流されて直流電流として可変界磁コイル３０に供給される。直流電流が供給された可変界磁コイル３０は、界磁磁束を発生させる。

この界磁磁束は、図７及び図８において矢印Ｂｆで示すように、外磁路部２５２Ｓから環状磁路部２５３を介して外磁路部２５２Ｎに導かれる。外磁路部２５２Ｎに導かれた界磁磁束は、空隙Ｇを通過して内磁路部２５１に導かれる。

この結果、図８中、矢印「Ｂｍ＋Ｂｆ」で示すように、内磁路部２５１に導かれた界磁磁束と永久磁石２４の磁束とが合成された磁束が、ロータティース２３からステータ１０に鎖交する。このため、高調波重畳励磁時は、永久磁石２４の磁束に加えて可変界磁コイル３０による界磁磁束をステータ１０に鎖交させることができ、正弦波励磁時と比較してロータ２０の界磁量を強めることができる。

また、電機子コイル１１に供給される三相交流に重畳される高調波電流の周波数や振幅を変更することで、誘導コイル２２に鎖交する磁束量を変えることができる。これにより、可変界磁コイル３０に供給される電流の大きさを変えることができる。このため、可変界磁コイル３０で発生する界磁磁束の磁束量を変えることができ、ロータ２０の強め界磁量を可変とすることが可能となる。

このことから、ロータ２０の回転数が高く弱め界磁が必要なときには上述の正弦波励磁を行い、ロータ２０の回転数が低くトルクが必要なときには上述の高調波重畳励磁を行うことで、図１０に示すように、永久磁石２４として、弱め界磁のときに鎖交させる磁束数の磁石を使用したとしても、電機子コイル１１に供給される三相交流に重畳させる高調波によりロータ２０の界磁量を強めて、必要な磁束数をステータ１０に鎖交させることができる。したがって、磁石量を削減させたり、残留磁束密度の低い安価な磁石を使用したりしてもトルクを確保することができ、回転電機１のコストを低減させることができる。

さらに、弱め界磁を不要とすることができ、高回転時の出力増加と効率向上を図ることができる。加えて、弱め界磁磁束によって発生する高調波を無くすことができ、電磁振動を大幅に低減させることができる。

また、磁路部材２５の内磁路部２５１がロータコア２１を軸方向に貫通しているため、可変界磁コイル３０による界磁磁束がロータコア２１の内部にまで通りやすくなり、界磁磁束の磁束数を増加させることができる。

また、軸方向におけるロータコア２１の一方側及び他方側のそれぞれにおいて、可変界磁コイル３０が全ての外磁路部２５２に対して共通の１つの環状のコイルとして形成されているので、ロータ２０の軸方向の長さを抑えることができる。このため、ロータ２０の軸方向の長さが増えることで発生が懸念される振動を抑えることができる。

また、ロータコア２１の軸方向の両側で強め界磁可能な界磁磁束を発生させることができるので、界磁磁束を増加させることができ、界磁磁束の可変界磁幅を拡大させることができる。

以上のように、本実施の形態の回転電機１によれば、電機子コイル１１に供給される三相交流に重畳された高調波電流により、誘導コイル２２に誘導電流を発生させ、その誘導電流を整流回路４０で整流して可変界磁コイル３０に供給することにより、可変界磁コイル３０に界磁磁束を発生させることができる。これにより、永久磁石２４の磁束に加えて可変界磁コイル３０による界磁磁束をステータ１０に鎖交させることができ、ロータ２０の界磁量を強めることができる。

また、電機子コイル１１に供給される三相交流に重畳される高調波電流の周波数や振幅を変えることにより、誘導コイル２２に発生する誘導電流を変えることができる。これによって、可変界磁コイル３０による界磁磁束の磁束量を可変にできる。

このようなことから、本実施の形態の回転電機１は、特別な付加巻線やアクチュエータ等の構成を設けることなく簡易な構成で、ロータ２０からステータ１０に鎖交する磁束の磁束量を調整することができる。この結果、本実施の形態の回転電機１は、低コストな構成でロータ２０からステータ１０に鎖交する磁束を可変させることができる。

また、本実施の形態の回転電機１は、温度変化によって永久磁石２４の磁束量が増減した場合であっても、可変界磁コイル３０の界磁磁束を調整することでロータ２０の界磁量を必要な界磁量に維持することができる。これにより、本実施の形態の回転電機１は、温度変化に対するロバスト性が向上し、高品質で安定した駆動が可能となる。

回転電機１は、例えば車載用の電動機、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。

（ロータの第１の変形例）
本実施の形態に係る回転電機１では、内磁路部２５１がロータコア２１の径方向における中間位置に配置されたロータ２０を適用したが、図１１に示すように、内磁路部２５１がロータコア２１の径方向における内方側に配置されたロータ１２０を適用してもよい。

具体的には、磁路部材２５の外磁路部２５２は、軸方向でのロータコア２１側の端部２５２ａと、環状磁路部２５３と接続された本体部２５２ｂとを有する。端部２５２ａは、ロータコア２１側の端面が内磁路部２５１の端面と対向するように、本体部２５２ｂの端部から径方向の内方側に延伸している。これにより、内磁路部２５１がロータコア２１の径方向の内方側に配置された場合であっても、空隙Ｇを介して外磁路部２５２を内磁路部２５１に対向させることができる。

ロータ１２０においては、内磁路部２５１が、永久磁石２４の磁束が通りにくいロータコア２１の径方向の内方側に配置されているので、正弦波励磁時における永久磁石２４の磁束が外磁路部２５２に漏れてしまうことを防止することができる。

（ロータの第２の変形例）
上述したロータの第１の変形例では、外磁路部２５２の端部２５２ａと内磁路部２５１の端面との間に空隙Ｇが形成されていたが、図１２及び図１３に示すように、外磁路部２５２の端部２５２ａと内磁路部２５１の端面との間に空隙Ｇを形成しない構成であってもよい。

具体的には、第２の変形例に係るロータ２２０は、端部２５２ａのロータコア２１側の端面と内磁路部２５１の端面とが密着した状態となるように、内磁路部２５１と外磁路部２５２とが配置されたものである。内磁路部２５１と外磁路部２５２とが一体形成されていてもよい。

また、図１４に示すように、ロータコア２１には、内磁路部２５１を軸方向に通すための貫通孔２１ａが形成されている。貫通孔２１ａは、内磁路部２５１との間に空隙Ｇｒを形成するようにその大きさが設定されている。このため、ロータコア２１と内磁路部２５１とは、空隙Ｇｒを介して対向するようになっている。

空隙Ｇｒは、可変界磁コイル３０に直流電流が供給されていないときには永久磁石２４の磁束がロータコア２１と内磁路部２５１との間で流れることがない、又は流れても微量となるような大きさである。また、空隙Ｇｒは、可変界磁コイル３０に直流電流が供給されているときには可変界磁コイル３０で発生した界磁磁束が内磁路部２５１からロータコア２１に流れるような大きさに設定されている。

また、ロータ２２０において、内磁路部２５１を軸方向に対して直交する平面で切断したときの断面形状は、径方向の外方側と径方向の内方側との間で等辺を有する六角形状に形成されている。これにより、永久磁石２４からロータティース２３に向かう磁束の経路から内磁路部２５１を遠ざけることができる。このため、正弦波励磁時における永久磁石２４の磁束が内磁路部２５１を介して外磁路部２５２側に漏れてしまうことを防止することができる。なお、内磁路部２５１の断面形状は、径方向の外方側に頂点を有する三角形状に形成されていても同様の効果が得られる。

（ロータの第３の変形例）
上述したロータの第２の変形例では、外磁路部２５２の端部２５２ａと内磁路部２５１の端面との間に空隙Ｇを形成しない構成としたが、図１５に示すように、外磁路部２５２の端部２５２ａと内磁路部２５１の端面との間に空隙Ｇを形成してもよい。

この第３の変形例に係るロータ３２０は、外磁路部２５２の端部２５２ａと内磁路部２５１の軸方向の端面との間に空隙Ｇを形成した点で第２の変形例に係るロータ２２０とは異なるが、他の構成は第２の変形例に係るロータ２２０と同様である。

第３の変形例に係るロータ３２０によれば、ロータコア２１と内磁路部２５１との間の空隙Ｇｒに加えて上述の空隙Ｇを有するので、正弦波励磁時における永久磁石２４の磁束が内磁路部２５１を介して外磁路部２５２側に漏れてしまうことをより一層防止することができる。

本発明の実施の形態を開示したが、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
１０ ステータ
１１ 電機子コイル
２０、１２０、２２０、３２０ ロータ
２１ ロータコア
２２ 誘導コイル
２３ ロータティース
２４ 永久磁石
２５ 磁路部材
３０ 可変界磁コイル
４０ 整流回路
２５１ 内磁路部
２５２、２５２Ｎ、２５２Ｓ 外磁路部
２５３ 環状磁路部
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４ ダイオード
Ｇ、Ｇｒ 空隙

Claims (5)

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、複数のロータティースが形成されたロータコアを有するロータと、を備えた回転電機であって、
   前記ロータは、
   前記複数のロータティースのそれぞれに巻かれ、前記ステータ側で発生した磁束に基づいて誘導電流を発生する誘導コイルと、
   前記ロータコアに内包され、前記ロータコアの周方向に所定の間隔をおいて複数配置された永久磁石と、
   周方向に隣り合う前記永久磁石の間に配置された磁路部材と、
   前記ロータティースから前記ステータに鎖交する磁束の磁束量を前記誘導電流に基づいて調整可能な可変界磁コイルと、を有し、
   前記磁路部材は、
   前記ロータコアに内包された内磁路部と、
   前記ロータコアの軸方向で前記内磁路部に空隙を介して対向するよう配置された外磁路部と、
   周方向に隣り合う前記外磁路部同士を接続する環状の環状磁路部と、を有し、
   前記可変界磁コイルは、前記外磁路部に設けられていることを特徴とする回転電機。
2. 周方向に隣り合う前記永久磁石は、互いに磁化方向が逆向きとなるよう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。
3. 前記内磁路部は、前記ロータティースの径方向の内方側で前記ロータコアに内包されており、
   前記永久磁石は、周方向に隣り合う前記内磁路部の間で前記ロータコアに内包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。
4. 前記可変界磁コイルは、前記ロータコアの周方向に延在する環状のコイルからなり、周方向に隣り合う前記外磁路部のうち一方の外磁路部では該外磁路部の径方向の内方側を通り、他方の外磁路部では該外磁路部の径方向の外方側を通るよう形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の回転電機。
5. 前記外磁路部は、前記内磁路部の軸方向の両側に設けられ、
   前記可変界磁コイルは、前記ロータコアの軸方向の両側に設けられ、前記軸方向の両側で同一の内磁路部に対向する外磁路部のうち一方の外磁路部では該外磁路部の径方向の内方側を通り、他方の外磁路部では該外磁路部の径方向の外方側を通るよう形成されていることを特徴とする請求項４に記載の回転電機。
   

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