JP2017204961A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】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る回転電機を提供すること。【解決手段】ステータ１０とロータ２０とを備えた回転電機１において、ステータ１０は、電機子コイルが集中巻された複数のステータティース１３を有し、ロータ２０は、永久磁石２４が内包された複数のロータティース２３と、永久磁石２４よりもステータ１０側でロータティース２３に巻かれた誘導コイル２２とを有し、周方向に隣り合うロータティース２３の間には、磁路部材３０が隙間Ｇを介して配置されており、磁路部材３０には、誘導コイル２２で発生した誘導電流に基づいて、周方向に隣り合う永久磁石２４間で磁路部材３０を介して短絡する磁束の磁束量を調整可能な可変界磁コイル３５が設けられており、ロータティース２３には、永久磁石２４よりも径方向の外方側に、軸方向に延びる空隙２５が形成されている。【選択図】図１

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。

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、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、電機子コイルを有するステータと、永久磁石を有するロータと、を備えた回転電機であって、前記ステータは、前記電機子コイルが集中巻された複数のステータティースを有し、前記ロータは、前記永久磁石が内包された複数のロータティースと、前記永久磁石よりも前記ステータ側で前記ロータティースに巻かれた誘導コイルと、を有し、周方向に隣り合う前記ロータティースの間には、磁路部材が隙間を介して配置されており、前記磁路部材には、前記誘導コイルで発生した誘導電流に基づいて、周方向に隣り合う前記永久磁石間で短絡する磁束の磁束量を調整可能な可変界磁コイルが設けられており、前記ロータティースには、前記永久磁石よりも径方向の外方側に、軸方向に延びる空隙が形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、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回転軸に直交する平面で切断した断面図である。 図２は、本発明の一実施の形態に係る回転電機において発生する第２次空間高調波の磁束密度及び磁束線を示す図である。 図３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ダイオードとの結線を示す模式図である。 図４は、本発明の一実施の形態に係る回転電機のロータが低回転しているときの磁束の経路を示す模式図である。 図５は、本発明の一実施の形態に係る回転電機のロータが低回転しているときの磁束密度及び磁束線を示す図である。 図６は、本発明の一実施の形態に係る回転電機のロータが高回転しているときの磁束の経路を示す模式図である。 図７は、本発明の一実施の形態に係る回転電機のロータが高回転しているときの磁束密度及び磁束線を示す図である。 図８は、ステータティース間で短絡する磁束を示す断面図である。 図９は、本発明の一実施の形態に係る回転電機の変形例を示す断面図である。

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８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、磁路部材３０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、集中巻によりステータティース１３に巻き回されている。

このように、ステータ１０は、電機子コイル１１が集中巻された複数のステータティース１３を有している。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。

ステータ１０は、上述の通り、電機子コイル１１がステータティース１３に集中巻されている。このため、電機子コイル１１に三相交流を供給した場合、ステータ１０には、ロータ２０の回転と同期して回転する回転磁界の他に、ロータ２０の回転と非同期の高調波回転磁界が発生する。この高調波回転磁界には、静止座標系における第２次空間高調波（同期回転座標系における第３次時間高調波）が含まれる。したがって、ステータ１０で発生する磁束には、高調波成分が重畳されていることとなる。

（ロータ）
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の回転軸に対して一体回転可能に固定されている。ロータコア２１には、ロータコア２１から径方向の外方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。

ロータティース２３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、ロータティース２３に内包されている。永久磁石２４は、磁束の向きが径方向になるようにロータティース２３に配置されている。永久磁石２４は、周方向に隣り合うロータティース２３同士で極性が逆となるように配置されている。永久磁石２４としては、一対の永久磁石を１組としてこれを各ロータティース２３内にＶ字状に配置したものを用いてもよい。

誘導コイル２２は、永久磁石２４よりもステータ１０側で各ロータティース２３に巻かれている。誘導コイル２２は、ロータティース２３の先端部２３ａの側面を囲むように巻かれている。

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。具体的には、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。

図２は、ステータ１０側で発生した第２次空間高調波の磁束密度及び磁束線を示したものである。図２においては、磁束線の間隔が狭い部分ほど磁束密度が高いことを示している。

図２に示すように、ステータ１０側で発生した第２次空間高調波の磁束の多くは、ロータティース２３の先端部２３ａに鎖交している。これに伴い、ロータティース２３の先端部２３ａの側面を囲むように巻かれた誘導コイル２２にも、より多くの第２次空間高調波の磁束が鎖交している。

ロータティース２３には、永久磁石２４よりも径方向の外方側に、軸方向に延びる空隙２５が形成されている。具体的には、ロータティース２３は、径方向の外方側の外周面２３ｃから永久磁石２４の径方向の外方側の外周面に向けて溝が切り欠かれている。該溝は、ロータティース２３を軸方向に貫通するように形成されている。空隙２５は、該溝の周方向に対向する面と、永久磁石２４の径方向の外方側の外周面とで画成された空間である。

このように、空隙２５は、ロータティース２３の径方向の外方側の外周面２３ｃから永久磁石２４側に向けて切り欠かれた溝状に形成されている。空隙２５は、隣り合うステータティース１３間で主磁束が短絡しないように、高磁気抵抗の領域として機能するものである。

空隙２５は、径方向の内方側の端が、少なくとも外周面２３ｃと永久磁石２４との間の中間位置よりも永久磁石２４側に位置するように、径方向の長さが設定されている。本実施の形態では、空隙２５の径方向の長さは、空隙２５の径方向の内方側の端が永久磁石２４に達する長さに設定されている。空隙２５の径方向の長さは、空隙２５の径方向の内方側の端が永久磁石２４に達しない長さに設定されてもよい。

空隙２５の周方向の幅は、少なくともステータティース１３の内周面とロータティース２３の外周面との間の距離以上の幅に設定されている。これにより、ロータ２０の回転速度が高いときには、空隙２５が高磁気抵抗となって、隣り合うステータティース１３間での主磁束の短絡が抑制される。

（磁路部材）
図１に示すように、磁路部材３０は、永久磁石２４の磁束の一部を、周方向に隣り合うロータティース２３の間で短絡させるよう導くものである。具体的には、磁路部材３０は、Ｎ極に磁化された永久磁石２４で発生した磁束の一部を短絡磁束として、Ｓ極に磁化された永久磁石２４に導くものである。

磁路部材３０は、周方向に隣り合うロータティース２３の間の各ｑ軸（図３参照）上にそれぞれ配置されている。磁路部材３０は、周方向に対向するロータティース２３との間に隙間Ｇを介して配置されている。

磁路部材３０は、例えば樹脂等の非磁性体からなるインシュレータ４０を介して、周方向に隣り合うロータティース２３間に保持されている。これにより、磁路部材３０は、ロータ２０と一体回転するようになっている。

インシュレータ４０は、磁路部材３０が収容されているホルダ部４１と、ホルダ部４１の径方向の外方側に一体形成された鍔部４２とを備えている。

隣り合うロータティース２３間のロータコア２１には、ホルダ部４１の径方向の内方側の端部が嵌る凹部２１ａが形成されている。ロータティース２３の先端部２３ａの周方向の側面には、鍔部４２の周方向の端部が嵌る溝２３ｂが軸方向に延びるように形成されている。

インシュレータ４０は、ホルダ部４１が凹部２１ａに嵌められ、鍔部４２が溝２３ｂに嵌められることによって、隣り合うロータティース２３間に保持される。なお、磁路部材３０は、インシュレータ４０に代えて、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に保持される構成であってもよい。

非磁性体を用いずに磁路部材３０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、磁路部材３０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、磁路部材３０は、ロータコア２１のロータティース２３と磁気的に遮蔽された状態でｑ軸上に配置される。これにより、突極比の低下が防止され、リラクタンストルクの低下が防止される。

磁路部材３０は、複数の電磁鋼板を軸方向に積層したものからなる。磁路部材３０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たものであってもよい。

磁路部材３０には、可変界磁コイル３５が軸方向にトロイダル状に集中巻されている。可変界磁コイル３５は、誘導コイル２２で発生した誘導電流の大きさに応じて、隣接する永久磁石２４の間で短絡する短絡磁束の磁束量を調整可能なコイルである。なお、隣接する永久磁石２４とは、周方向に隣り合うロータティース２３のそれぞれに内包されている永久磁石２４のことである。

可変界磁コイル３５は、隣接する永久磁石２４の間で磁束が短絡する向きの磁極を形成するよう、磁路部材３０にトロイダル巻されている。これにより、可変界磁コイル３５は、後述する整流回路５０で整流された直流電流が供給されると、隣接する永久磁石２４の間で磁束が短絡する向きに誘導磁束を発生させ、磁路部材３０に磁極を形成させるようになっている。すなわち、磁路部材３０は、可変界磁コイル３５で発生する誘導磁束の向きに応じて磁化されるようになっている。

具体的には、可変界磁コイル３５に直流電流が供給されると、図６に示すように、磁路部材３０は、Ｓ極の永久磁石２４側がＮ極に磁化され、Ｎ極の永久磁石２４側がＳ極に磁化されるようになっている。これにより、Ｎ極の永久磁石２４の磁束の一部が磁路部材３０を介してＳ極の永久磁石２４に短絡する。

可変界磁コイル３５が発生させる誘導磁束の磁束量は、可変界磁コイル３５に供給される直流電流の大きさに応じて調整される。この誘導磁束の磁束量が調整されることによって、隣接する永久磁石２４の間における短絡磁束の磁束量が調整される。

誘導磁束の磁束量は、可変界磁コイル３５に供給される直流電流が大きいほど、可変界磁コイル３５の巻き数が多いほど大きくなる。可変界磁コイル３５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３５に供給される直流電流は、誘導コイル２２に発生する誘導電流の大きさに応じて調整される。このように、短絡磁束の磁束量は、誘導コイル２２に発生する誘導電流の大きさに応じて調整されるようになっている。また、誘導コイル２２に発生する誘導電流は、ロータ２０の回転速度が上昇するにつれて大きくなる。したがって、短絡磁束の磁束量は、ロータ２０の回転速度が上昇するにつれて大きくなる。

磁路部材３０とロータティース２３との間には、高磁気抵抗の領域として所定の大きさの隙間Ｇが形成されている。隙間Ｇは、可変界磁コイル３５に直流電流が供給されていないときには、永久磁石２４の磁束がロータティース２３と磁路部材３０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、隙間Ｇは、可変界磁コイル３５に直流電流が供給されているときには、永久磁石２４の磁束がロータティース２３と磁路部材３０との間で流れるような大きさに設定されている。

（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３５に供給する整流回路５０を備えている。

図３に示すように、整流回路５０は、２つのダイオードＤ１，Ｄ２を整流素子として備え、これらダイオードＤ１，Ｄ２と２つの誘導コイル２２、及び２つの可変界磁コイル３５とを結線した閉回路として構成されている。

ダイオードＤ１，Ｄ２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５０において、２つの誘導コイル２２で発生した交流の誘導電流は、ダイオードＤ１，Ｄ２により整流され、整流後の直流電流は、直列接続されている２つの可変界磁コイル３５に界磁電流として供給される。２つの可変界磁コイル３５は、直流電流が供給されることにより誘導磁束を発生させる。

（回転電機の作用）
次に、図４、図５、図６及び図７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、以上説明したように、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。

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３０及び可変界磁コイル３５の作用によって、永久磁石２４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。

（ロータ低回転時）
本実施の形態に係る回転電機１においてロータ２０の回転速度が低いときは、ステータ１０に高調波成分の磁束が発生していないか、あるいは発生していても微量である。このため、可変界磁コイル３５は、誘導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、隙間Ｇにおいては磁気抵抗が高い状態であり、かつ磁路部材３０にＮ極及びＳ極の磁極が形成されていない。このため、Ｎ極の永久磁石２４の磁束が磁路部材３０を介してＳ極の永久磁石２４に短絡することがないか、あるいは僅かに短絡するだけである。この結果、ロータ２０の回転速度が低いときは、図４及び図５に示すように、永久磁石２４の磁束の全て又は大部分がステータ１０に鎖交する。

このように、ロータ２０の回転速度が低いときは、後述するロータ２０の回転速度が高いときと比べて永久磁石２４からステータ１０に鎖交する磁束の磁束量を増加させることができる。

（ロータ高回転時）
本実施の形態に係る回転電機１においてロータ２０の回転速度が高いときは、ステータ１０に高調波成分の磁束が発生する。その高調波成分の磁束の磁束量は、ロータ２０の回転速度が上昇するにつれて増加する。

この高調波成分の磁束が誘導コイル２２に鎖交することにより、ロータ２０の誘導コイル２２（図１参照）に誘導電流が誘起され、誘起された誘導電流が整流回路５０（図３参照）によって整流されて直流電流として可変界磁コイル３５に供給される。

直流電流が供給された可変界磁コイル３５は、隣接する永久磁石２４の間で磁束が短絡するように誘導磁束を発生させる。すなわち、磁路部材３０において、隣接する永久磁石２４の間で磁束が短絡する位置関係となるように、Ｎ極及びＳ極の磁極が形成される。

この結果、磁路部材３０と永久磁石２４との間で互いの磁化方向が９０°異なるハルバッハ配列が形成される。これに伴い、隙間Ｇにおける磁気抵抗が低下する。ハルバッハ配列とは、隣り合う磁石間で磁化方向を９０°異ならせるように磁石が配置された配列のことをいう。

上述したように隙間Ｇにおける磁気抵抗が低下すると、図６及び図７に示すように、Ｎ極の永久磁石２４の磁束の一部が短絡磁束として磁路部材３０を介してＳ極の永久磁石２４に短絡する。これにより、永久磁石２４の磁束の全磁束量のうち短絡磁束の磁束量を除いた磁束量の磁束がステータ１０に鎖交する。すなわち、ロータ２０の回転速度が高いときは、ロータ２０の回転速度が低いときと比べて、永久磁石２４からステータ１０に鎖交する磁束の磁束量が抑えられる。

したがって、ロータ２０の回転速度が高い場合であっても弱め界磁制御を不要とすることができる。このため、弱め界磁制御により生ずる高調波磁束に起因した鉄損や電磁振動を防止することができる。

また、弱め界磁制御を不要としたので、保磁力の高い永久磁石を用いる必要がなく、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もない。これにより、回転電機１のコストを低減させることができる。

このように、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永久磁石２４からステータ１０に鎖交する磁束量を調整可能とした。具体的には、ロータ２０の回転速度が高いときには効率の低下を防止することができる。また、ロータ２０の回転速度が低いときには出力の向上を図ることができる。

（空隙２５の作用）
図８は、空隙２５が形成されていない回転電機１０１を示したものである。この回転電機１０１は、本実施の形態の回転電機１とは、空隙２５が形成されていない点で異なるが、他の構成は回転電機１と同一である。回転電機１と同一の構成については、本実施の形態と同一の符号を用いる。

図８に示すように、電機子コイル１１が集中巻されたステータ１０では、隣り合うステータティース１３の磁極が反対磁極となる。このため、隣り合うステータティース１３間で、図８中、矢印Ａで示すように、ステータ１０で発生した主磁束の一部がロータティース２３を介して短絡する。

隣り合うステータティース１３間で短絡する磁束量は、ロータ低回転時とロータ高回転時とで異なる。ロータ低回転時は、永久磁石２４からステータ１０に鎖交する磁束量が多いため、これら永久磁石２４の磁束が、隣り合うステータティース１３間で短絡する主磁束を打ち消すように作用する。これにより、ロータ低回転時は、隣り合うステータティース１３間で短絡する磁束量が抑えられている。

ロータ高回転時は、上述したように、永久磁石２４からステータ１０に鎖交する磁束量が減少するため、ロータ低回転時と比べて、隣り合うステータティース１３間で短絡する磁束量が増加する。

ここで、電機子コイル１１には、永久磁石２４の磁束と、上述のように隣り合うステータティース１３間で短絡する主磁束とが鎖交する。電機子コイル１１に生じる誘導起電力は、電機子コイル１１に鎖交する磁束量の総数を「Φ」としたとき、該Φを時間微分したものである。すなわち、電機子コイル１１に生じる誘導起電力Ｖは、「Ｖ＝−ｄΦ／ｄｔ」となる。

このため、永久磁石２４の磁束量を減らしているにも関わらず、隣り合うステータティース１３間で短絡する磁束量が増加してしまうと、電機子コイル１１に鎖交する磁束量の総数を減らすことができなくなる。

この結果、ロータ高回転時は、永久磁石２４の磁束量を減らしているにも関わらず、電機子コイル１１に生じる誘導起電力が低下しないといったことが生ずる。

本実施の形態に係る回転電機１では、ロータ高回転時に、隣り合うステータティース１３間で主磁束が短絡しないように、ロータティース２３に上述した溝状の空隙２５を形成した。空隙２５は、ロータ高回転時に高磁気抵抗の領域として機能することにより、隣り合うステータティース１３間で主磁束が短絡することを抑制する。

以上のように、本実施の形態の回転電機１によれば、ステータ１０側で発生した磁束に重畳された高調波成分を誘導コイル２２に鎖交させることにより誘導電流を発生させ、その誘導電流を整流回路５０で整流して可変界磁コイル３５に供給する。これにより、周方向に隣り合う永久磁石２４の間で短絡する短絡磁束の磁束量を調整することができる。

また、ステータ１０側で発生した磁束に重畳される高調波成分は、ステータ１０に集中巻された電機子コイル１１に三相交流を供給することによって得られる。このため、可変界磁コイル３５に供給される直流電流を発生させるために、例えばＤＣ／ＤＣコンバータ等の特別な装置を必要としない。

これによって、本実施の形態の回転電機１は、例えばＤＣ／ＤＣコンバータ等の特別な装置を利用することなく簡易な構成で、永久磁石２４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、低コストな構成で永久磁石２４の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、ロータティース２３に溝状の空隙２５を形成したので、ロータ高回転時に、隣り合うステータティース１３間で主磁束が短絡することを抑制することができる。これにより、ロータ高回転時に電機子コイル１１に鎖交する磁束量の総数を減らすことができる。したがって、ロータ高回転時において、電機子コイル１１に生じる誘導起電力を低下させることができる。

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。

本実施の形態では、回転電機１をラジアルギャップ型の回転電機に適用したが、アキシャルギャップ型の回転電機に適用してもよい。

本実施の形態の回転電機１は、ステータ１０のスロット１４の数とロータ２０のロータティース２３の数との比、すなわちステータ１０とロータ２０のスロットコンビネーションが「３：２」であれば、スロット１４の数とロータティース２３の数の組合せがどのような組合せであってもよい。

また、本実施の形態の回転電機１は、図９に示すロータ２２０を採用してもよい。図９に示すように、ロータ２２０は、ロータティース２３に形成された空隙の形状が本実施の形態と異なる。

ロータ２２０のロータティース２３には、永久磁石２４よりも径方向の外方側に、軸方向に延びる空隙２２５が形成されている。空隙２２５は、ロータティース２３の径方向の外方側から永久磁石２４側に向かうにしたがい周方向の幅が小さくなるテーパ形状に形成されている。

図９に示す空隙２２５は、テーパ形状として三角形状を採用している。テーパ形状としては、三角形状に限らず、例えば台形形状、半円形状及び弾頭形状等、径方向の外方側から内方側に向かうにしたがい周方向の幅が小さくなる形状であれば種々の形状を採用することができる。

また、図９に示す例では、空隙２２５の径方向の外方側に、ロータティース２３の外周部を構成するブリッジ部２２３ｃが形成されている。ブリッジ部２２３ｃは、ロータティース２３の強度を維持するために設けられるが、ロータティース２３の強度が十分に確保されている場合には、なくてもよい。

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
１２ ステータコア
１３ ステータティース
１４ スロット
２０、２２０ ロータ
２１ ロータコア
２２ 誘導コイル
２３ ロータティース
２３ａ 先端部
２３ｃ 外周面
２４ 永久磁石
２５、２２５ 空隙
３０ 磁路部材
３５ 可変界磁コイル
５０ 整流回路
Ｄ１，Ｄ２ ダイオード
Ｇ 隙間

Claims (3)

1. 電機子コイルを有するステータと、永久磁石を有するロータと、を備えた回転電機であって、
   前記ステータは、
   前記電機子コイルが集中巻された複数のステータティースを有し、
   前記ロータは、
   前記永久磁石が内包された複数のロータティースと、
   前記永久磁石よりも前記ステータ側で前記ロータティースに巻かれた誘導コイルと、を有し、
   周方向に隣り合う前記ロータティースの間には、磁路部材が隙間を介して配置されており、
   前記磁路部材には、前記誘導コイルで発生した誘導電流に基づいて、周方向に隣り合う前記永久磁石間で短絡する磁束の磁束量を調整可能な可変界磁コイルが設けられており、
   前記ロータティースには、前記永久磁石よりも径方向の外方側に、軸方向に延びる空隙が形成されていることを特徴とする回転電機。
2. 前記空隙は、前記ロータティースの径方向の外方側の外周面から前記永久磁石側に向けて切り欠かれた溝状に形成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. 前記空隙は、前記ロータティースの径方向の外方側から前記永久磁石側に向かうにしたがい周方向の幅が小さくなるテーパ形状に形成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。
   

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