JP2018148632A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】コンシクエントポール型のロータを備えるハイブリッド界磁型の回転電機において、補助磁石を追加することなく、最大トルクを増加させることである。【解決手段】回転電機は、ロータと、ロータの半径方向外側に配置されたステータとを含むハイブリッド界磁型である。ロータは、周方向複数位置において半径方向に突出する突極部を有する磁性材製のロータコアと、周方向複数位置に配置された同極の磁石部とを有し、磁石部と突極部とが外周において周方向に交互に並ぶように配置されるコンシクエントポール型である。ステータは、ロータに界磁を作る直流電流を流す界磁巻線と、界磁との相互作用によりトルクを発生させるための交流電流を流す電機子巻線とを有する。磁石部は、磁石と、磁石の半径方向外側を覆う外側磁性材部と、外側磁性材部の周方向端及び突極部を結ぶ磁性材製のブリッジ部とを有する。【選択図】図４

Description

本発明は、ロータがコンシクエントポール型であるハイブリッド界磁型の回転電機に関する。

ステータとロータとが対向することにより構成され、モータまたは発電機として機能させることが可能な回転電機が知られている。このような回転電機において、特許文献１〜３に記載された構成のように、コンシクエントポール型ロータを備えるモータが知られている。このモータでは、ロータにおいて、鉄芯を主体とした極と、永久磁石とが周方向に交互に配置される。

また、特許文献３に記載された構成では、ロータにおいて、主磁石が埋め込まれた磁石磁極部と、ロータコアの突極とが周方向に交互に配置され、突極と磁石磁極部との間に空隙が形成される。また、この空隙の外径側部分を塞ぐようにブリッジ形状をなす補助磁石が配置される。補助磁石から発生する磁束の一部は、ロータの半径方向外側、または空隙の半径方向内側を経由する。このとき、補助磁石から発生する磁束は、ロータコアのうち、主磁石の周方向端部に配置される連結部から所定の領域Ｒを磁気飽和させる。これにより主磁石から発生する漏れ磁束を低減させ、主磁石の磁束がモータトルクの発生に効果的に寄与することができるとされている。ここで、漏れ磁束は、主磁石から発生するが対向するステータに向かわない磁束であって、モータトルクに寄与しない磁束である。

一方、コンシクエントポール型のロータと、界磁巻線を含むステータとを備えるモータにおいて、界磁巻線に直流電流を流すことでロータの突極部を磁化させる構成も知られている。この構成は、ハイブリッド界磁型モータと呼ばれる。

例えば、特許文献４には、ステータが環状のコア部と、２つの界磁巻線と３相の電機子巻線とを含む回転電機が記載されている。２つの界磁巻線は、コア部の軸方向両端に固定される。３相の電機子巻線は、コア部の半径方向内側に突出する複数のラジアルティース間のスロット、及びコア部の軸方向両端において、軸方向外側に突出する複数のアキシャルティース間のスロットを通って、コア部にトロイダル巻きされる。ロータは、半径方向においてステータと対向配置されるラジアルロータ部と、回転軸と平行方向にステータと対向配置されるアキシャルロータ部とを含む。

界磁巻線に直流電流が流れることで、ロータのラジアルロータ部及びアキシャルロータ部と、ステータのコア部とを通る界磁磁束を発生させる。電機子巻線に交流電流が流れることで界磁磁束と相互作用する磁界を発生させる。ラジアルロータ部は、界磁巻線に直流電流が流れることで磁化する突極部に相当するラジアル磁極部を含む。アキシャルロータ部は、ロータの回転軸周りの周方向に関してラジアル磁極部に対してずらして配置され、界磁巻線に直流電流が流れることでラジアル磁極部とは逆の極性に磁化するアキシャル磁極部を含む。

また、特許文献５には、界磁磁束の制御を行うために、ステータコアを軸方向に二分割してＮ極側コア及びＳ極側コアを構成し、その外周側が環状のヨークによって磁気的かつ機械的に連結される回転電機が記載されている。Ｎ極側コア及びＳ極側コアの間には環状の界磁巻線が挟まれて軸方向に沿って設けられる。電機子巻線は、Ｎ極側コア及びＳ極側コアを跨ぐようにステータコアに設けられる。ロータコアには、Ｎ極側コアに対向して、Ｎ極磁石とＮ極突極部とが周方向に交互に配置される。また、ロータコアには、Ｓ極側コアに対向して、Ｓ極磁石とＳ極突極部とが周方向に交互に配置される。

特許文献４及び特許文献５に記載された構成のように、ハイブリッド界磁型の回転電機では、磁石によって発生する磁石トルクに対し、界磁巻線に界磁電流を流すことでトルクを増加できる可能性がある。ここで、界磁巻線に界磁電流を流すことで増加するトルクを界磁電流トルクと定義する。このとき、ハイブリッド界磁型の回転電機の最大トルクは、磁石トルクと、界磁電流トルクとの和であり、コンシクエントポール型のロータを備えるがハイブリッド界磁型ではない回転電機の最大トルクより大きくできる可能性がある。

特開２００４−３５７４８９号公報 特開平９−３２７１３９号公報 特開２０１２−１０５４８０号公報 特開２０１０−２２６８０８号公報 特開平６−３５１２０６号公報

ハイブリッド界磁型であっても、コンシクエントポール型のロータを備える回転電機では、ロータの磁石部からステータに向かうべき磁束が、ステータに向かわずに短絡する可能性がある。これにより、回転電機の最大トルクを増加させる面から改良の余地がある。一方、特許文献４及び特許文献５に記載されたハイブリッド界磁型の構成に、特許文献３に記載された補助磁石付ロータの構成を組み合わせる構成が考えられる。この構成では、主磁石の周方向端面を覆うブリッジ部が磁気飽和されて、主磁石の短絡磁束を低減することで、最大トルクを増加できる可能性がある。しかしながら、その場合には補助磁石を追加する分、回転電機のコストが増大する原因となる。

本発明の目的は、コンシクエントポール型のロータを備えるハイブリッド界磁型の回転電機において、補助磁石を追加することなく、最大トルクを増加させることである。

本発明の１つの態様の回転電機は、ロータと、前記ロータの半径方向外側に対向して配置されたステータとを備え、前記ロータは、環状部の周方向複数位置において半径方向に突出する突極部が形成された磁性材製のロータコアと、周方向複数位置に配置された同極の磁石部とを含み、前記磁石部と前記突極部とが外周において周方向に交互に並ぶように配置されるコンシクエントポール型であり、前記ステータは、前記ロータに界磁を作る直流電流を流す界磁巻線と、界磁との相互作用によりトルクを発生させるための交流電流を流す電機子巻線とを含む、ハイブリッド界磁型の回転電機であって、前記磁石部は、磁石と、前記磁石の半径方向外側を覆う外側磁性材部と、前記外側磁性材部の周方向端及び前記突極部を結ぶ磁性材製のブリッジ部とを有する、回転電機である。

本発明によれば、コンシクエントポール型のロータを備えるハイブリッド界磁型の回転電機において、補助磁石を追加することなく、最大トルクを増加させることができる。

本発明の実施形態の回転電機を示す断面図である。 図１に示す回転電機を構成するロータの透視斜視図である。 図１のＡ−Ａ断面において一部を省略して周方向一部を示す図である。 図３のロータに対応する部分の拡大図である。 図１に示す回転電機を含む回転電機制御システムの回路図である。 実施形態において、磁石から発生する磁束（磁石磁束）と界磁電流で生じる磁束（界磁電流磁束）とを示している図３の部分拡大相当図である。 比較例の回転電機を構成するロータの図４に対応する図である。 比較例において、磁石から発生する磁束（磁石磁束）と界磁電流で生じる磁束（界磁電流磁束）とを示している図６に対応する図である。 図１に示す実施形態（実施例１）と図７に示す比較例とにおいて、計算で求めた最大トルクの関係を示す図である。 本発明の実施形態の別例の回転電機を構成するロータを示している図７に対応する図である。 本発明の実施形態の別例の回転電機を構成するロータを示している図７に対応する図である。 図１、図１０、図１１に示す実施形態（実施例１，２，３）と図７に示す比較例とにおいて、計算で求めた最大トルクの関係を示す図である。 本発明の実施形態の別例の回転電機を構成するロータを示している図７に対応する図である。 本発明の実施形態の別例の回転電機の３例と、その３例における最大トルクとを示す図である。 図１に示す回転電機において、ステータの電機子巻線の通電により発生した磁束（電機子電流磁束）が短絡する可能性について説明するための図３の部分拡大相当図である。 本発明の実施形態の別例の回転電機における図３の部分拡大相当図である。 本発明の実施形態の別例の回転電機における図３の部分拡大相当図である。

以下に図面を用いて本発明に係る実施形態につき詳細に説明する。以下で述べる形状、材料、数値、数量等は、説明のための例示であって、回転電機の仕様等に合わせ、適宜変更が可能である。また、以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付して説明する。なお、以下では、回転電機がモータの場合を説明するが、回転電機を発電機、またはモータ及び発電機の両方の機能を持つモータジェネレータとしてもよい。

図１は、実施形態の回転電機１０を示す断面図である。図２は、回転電機１０を構成するロータ１２の透視斜視図である。図３は、図１のＡ−Ａ断面において一部を省略して周方向一部を示す図である。図４は、図３のロータ１２に対応する部分の拡大図である。

図１から図４に示す回転電機１０は、特許文献５に記載された構成と同様に、コンシクエントポール型のロータ１２と、界磁巻線を含むステータ５０とを備えるハイブリッド界磁型モータである。具体的には、回転電機１０は、非磁性のシャフト１００に固定されたロータ１２と、ロータ１２の半径方向外側に対向して配置されたステータ５０とを備える。シャフト１００は、ケーシング（図示せず）に対し軸受により回転可能に支持される。

ロータ１２は、環状の磁性材製のロータヨーク１３と、ロータヨーク１３の外周側に固定された磁性材製のロータコア１４と、複数の同極のＮ極磁石部２５ｎ及び複数の同極のＳ極磁石部２５ｓとを含む。ロータコア１４は、外周面が円筒面である環状部１５と、複数の第１突極部１６及び複数の第２突極部１８とを有する。複数の第１突極部１６は、環状部１５の軸方向一方側（図１の左側）外周面の周方向複数位置において、等間隔で半径方向外側に突出するように形成される。複数の第２突極部は、環状部の軸方向他方側（図１の右側）外周面の周方向複数位置において、等間隔で半径方向外側に突出するように形成される。例えば、ロータコア１４は積層鋼板により形成される。また、図２に示すように、ロータコア１４の内周面において第１突極部１６に対応する位置には半径方向に突出し軸方向に長い突部１９が形成される。各突部１９は、ロータヨーク１３の外周面の複数位置に形成された軸方向に長い溝部１３ａに係合する。各溝部１３ａは軸方向両端がロータヨーク１３の軸方向端面に達するので、ロータコア１４をロータヨーク１３に軸方向に向かって嵌合させて結合させることが可能である。

さらに、複数のＮ極磁石部２５ｎは、複数のＮ極磁石２６ｎと、複数のＮ側ブリッジ部材２７ｎとを有する。複数のＮ極磁石２６ｎは、ロータコア１４の軸方向一方側（図２の左側）外周面において、隣り合う第１突極部１６の間に１つずつ固定される。これにより、第１突極部１６とＮ極磁石２６ｎとは、ロータコア１４の周方向に交互に配置される。Ｎ極磁石２６ｎは、断面円弧形で軸方向に長い。Ｎ極磁石２６ｎは外側面がＮ極で内側面がＳ極となるように磁化される。

図４に示すように、複数のＮ側ブリッジ部材２７ｎは、断面円弧形で軸方向に長い磁性材製である。Ｎ側ブリッジ部材２７ｎは、周方向中央部でＮ極磁石２６ｎを覆うようにＮ極磁石２６ｎの半径方向外側面に固定される。

複数のＳ極磁石部２５ｓは、複数のＳ極磁石２６ｓと、複数のＳ側ブリッジ部材２７ｓとを有する。複数のＳ極磁石２６ｓは、ロータコア１４の軸方向他方側（図２の右側）外周面において、隣り合う第２突極部１８の間に１つずつが固定される。これにより、第２突極部１８とＳ極磁石２６ｓとは、ロータコア１４の周方向に交互に配置される。Ｓ極磁石２６ｓは、断面円弧形で軸方向に長い。Ｓ極磁石２６ｓは外側面がＳ極で内側面がＮ極となるように磁化される。

複数のＳ側ブリッジ部材２７ｓは、断面円弧形で軸方向に長い磁性材製である。Ｓ側ブリッジ部材２７ｓは、周方向中央部でＳ極磁石２６ｓを覆うようにＳ極磁石２６ｓの半径方向外側面に固定される。

図２に示すように、Ｎ極磁石２６ｎと第２突極部１８とは、軸方向に隙間をあけて並んでいる。Ｓ極磁石２６ｓと第１突極部１６とは、軸方向に隙間をあけて並んでいる。Ｎ極磁石２６ｎ、Ｓ極磁石２６ｓ、第１突極部１６、及び第２突極部１８は、軸方向における長さが略同じである。

各突極部１６，１８の先端面は、Ｎ極磁石２６ｎ及びＳ極磁石２６ｓのそれぞれの半径方向外側面よりも、半径方向において外側に位置する。なお、半径方向とは、特に断らない限りロータ１２の半径方向をいう。また、周方向とはロータ１２の周方向をいい、軸方向とはロータ１２の軸方向をいう。

複数のブリッジ部材２７ｎ、２７ｓの周方向両端は、対応する側の突極部１６，１８の先端近傍の周方向側面に突き当てた状態で突極部１６，１８に固定される。各突極部１６，１８の先端面、Ｎ側ブリッジ部材２７ｎの外側面、及びＳ側ブリッジ部材２７ｓの外側面は、それぞれロータ１２の回転中心を中心とする円弧形の断面を有する曲面である。また、各ブリッジ部材２７ｎ、２７ｓの外側面と、突極部１６，１７の先端面とは円筒面上に位置する。

各ブリッジ部材２７ｎ、２７ｓは、外側磁性材部２８（図４）と、磁性材製のブリッジ部２９とを有する。外側磁性材部２８は、Ｎ極磁石２６ｎまたはＳ極磁石２６ｓの半径方向外側面に接触して、磁石２６ｎ、２６ｓの半径方向外側を覆う部分である。ブリッジ部２９は、ブリッジ部材２７ｎ、２７ｓのうち、外側磁性材部２８の周方向端及び第１及び第２突極部１６，１８を結ぶ部分である。図４では、分かりやすくするためにブリッジ部２９を砂地部で示している。これにより、磁石部２５ｎ、２５ｓは、ロータ１２の周方向複数位置に配置される。また、ロータ１２には、軸方向一方側の外周においてＮ極磁石部２５ｎと第１突極部１６とが周方向に交互に並ぶように配置される。さらに、ロータ１２には、軸方向他方側の外周においてＳ極磁石部２５ｓと第２突極部１８とが周方向に交互に並ぶように配置される。また、ブリッジ部２９は、磁石側部分を含めて周方向の全体が、ロータ１２の半径方向の最外端位置にあり、周方向に沿って配置される。ブリッジ部２９の半径方向の厚みと外側磁性材部２８の半径方向の厚みとは略同じである。ロータ１２にブリッジ部２９が形成されることで、ロータ１２の外周部には、磁石２６ｎ、２６ｓとブリッジ部２９と第１及び第２突極部１６，１８とで囲まれて軸方向に貫通する空間４０が形成される。

このようにロータ１２が、外側磁性材部２８の周方向端と第１及び第２突極部１６，１８とを結ぶブリッジ部２９を有するので、後述のように、補助磁石を追加することなく、回転電機１０の最大トルクを増加させることができる。

図１に示すように、ステータ５０は、軸方向に分かれた磁性材製で環状の第１ステータコア５１及び第２ステータコア５２と、ステータヨーク６０と、電機子巻線６１及び界磁巻線６２とを含む。例えば各ステータコア５１，５２は、積層鋼板により形成される。ステータヨーク６０は、磁性材製で環状であり、第１ステータコア５１及び第２ステータコア５２の外径側に掛け渡すように固定される。これによりステータヨーク６０は各ステータコア５１，５２に磁気的に結合される。

図３に示すように、第１ステータコア５１の内周面の周方向複数位置には、半径方向内側に突出するティース５３が形成されるとともに、隣り合うティース５３の間にはスロット５４が形成される。第２ステータコア５２にも、第１ステータコア５１と同様に、ティース５３（図１）及びスロットが形成される。

電機子巻線６１は、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線、及びＷ相巻線を含む。Ｕ相巻線、Ｖ相巻線、及びＷ相巻線のそれぞれは、分布巻または集中巻で、第１ステータコア５１及び第２ステータコア５２に跨るように、それぞれのステータコア５１，５２に形成されたティース５３に巻回される。

界磁巻線６２は、ロータ１２に界磁を作る直流電流を流すために用いられる。界磁巻線６２は、第１ステータコア５１及び第２ステータコア５２の軸方向の間に、絶縁された状態で固定される。また、界磁巻線６２は、半径方向についての１層または複数相で導線が巻回されることにより形成される。複数相で巻回される場合には、半径方向に複数回巻いたものが軸方向に連続する。このような界磁巻線６２は全体でリング状となり、十分なターン数を持つ。界磁巻線６２は、第１突極部１６及びＮ極磁石２６ｎと、第２突極部１８及びＳ極磁石２６ｓとの軸方向の隙間に対し、軸方向において略同位置に配置される。電機子巻線６１は、ロータ１２の界磁との相互作用によりトルクを発生させるための交流電流を流すために用いられる。

図５は、回転電機１０を含む回転電機制御システム１１０の回路図である。回転電機制御システム１１０は、直流電源１１２と、回転電機１０と、第１駆動回路１１３と、第２駆動回路１１４と、制御装置１１５とを含んで構成される。回転電機１０は、第１駆動回路１１３及び第２駆動回路１１４によって駆動される。制御装置１１５は、第１駆動回路１１３及び第２駆動回路１１４を制御する。

具体的には、第１駆動回路１１３及び第２駆動回路１１４は、直流電源１１２に対し並列に接続される。第１駆動回路１１３は、並列接続された第１アームＡ１及び第２アームＡ２を含むフルブリッジ回路で構成される。また、各アームＡ１，Ａ２には２つのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２（またはＳ３，Ｓ４）が直列に接続され、各スイッチング素子の両端には、各スイッチング素子の電流方向とは逆方向の電流が流れるようにダイオードが並列接続される。界磁巻線６２の一端は、第１アームＡ１のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２間の中点に接続され、界磁巻線６２の他端は、第２アームＡ２のスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４間の中点に接続される。また、第１アームＡ１の正側のスイッチング素子Ｓ１及び第２アームＡ２の負側のスイッチング素子Ｓ４のスイッチング制御により、正の界磁電流の大きさを制御できる。一方、第１アームＡ１の負側のスイッチング素子Ｓ２及び第２アームＡ２の正側のスイッチング素子Ｓ３のスイッチング制御により、負の界磁電流の大きさを制御できる。これにより、第１駆動回路１１３は、界磁巻線６２の電流をスイッチングによって制御する。界磁巻線６２に正の界磁電流が流れることにより、後述の強め界磁が行われ、負の界磁電流が流れることにより、後述の弱め界磁が行われる。

一方、第２駆動回路１１４は、３相インバータである。具体的には、第２駆動回路１１４は、並列接続されたＵ相アームＢ１、Ｖ相アームＢ２及びＷ相アームＢ３を含む。また、各アームＢ１，Ｂ２，Ｂ３には２つのスイッチング素子Ｓａ、Ｓｂが直列に接続され、各スイッチング素子Ｓａ、Ｓｂの両端には、各スイッチング素子の電流方向とは逆方向の電流が流れるようにダイオードが並列接続される。図１では、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線にそれぞれｕ、ｖ、ｗの符号を付している。第２駆動回路１１４は、３相の電機子巻線６１の電流をスイッチングによって制御する。図１では、各相の電機子巻線６１を簡略化して示して、各相で１つのみとしているが、実際には、各相で複数の巻線が直列に接続される。

Ｕ相巻線の一端は、Ｕ相アームＢ１のスイッチング素子Ｓａ、Ｓｂ間の中点に接続される。Ｖ相巻線の一端は、Ｖ相アームＢ２のスイッチング素子Ｓａ、Ｓｂ間の中点に接続される。Ｗ相巻線の一端は、Ｗ相アームＢ３のスイッチング素子Ｓａ、Ｓｂ間の中点に接続される。Ｕ相巻線、Ｖ相巻線及びＷ相巻線の他端は、中性点Ｇで共通に接続される。

制御装置１１５は、第１駆動回路１１３及び第２駆動回路１１４のスイッチングを制御する。制御装置１１５は、発生または入力されたトルク指令に基づいて、スイッチングの指令信号を生成し、その指令信号によって、第２駆動回路１１４のスイッチングを制御する。また、制御装置１１５は、予め設定された強め界磁制御条件及び弱め界磁制御条件の一方の成立に基づいて、対応する界磁制御を行うように第１駆動回路１１３のスイッチング制御を行う。

回転電機１０を強め界磁制御する場合には、特許文献５に記載された構成と同様に、界磁巻線６２を流れる直流電流により発生する磁束である界磁電流磁束が、磁石により発生する磁束である磁石磁束と、ステータ及びロータを結ぶ磁気経路について逆方向となる。具体的には、磁石磁束は、Ｎ極磁石２６ｎから発生する。このとき、Ｎ極磁石２６ｎからの磁束は、ステータ及びロータの間のギャップ→第１ステータコア５１→ステータヨーク６０→第２ステータコア５２→ギャップ→Ｓ極磁石２６ｓ→ロータコア１４→ロータヨーク１３→ロータコア１４→Ｎ極磁石の順に流れる。一方、界磁電流磁束は、第１ステータコア５１→ギャップ→第１突極部１６→ロータコア１４→ロータヨーク１３→ロータコア１４→第２突極部１８→ギャップ→第２ステータコア５２→ステータヨーク６０の順に流れる。これにより、ロータ表面での合成磁束を考えると、Ｎ極磁石２６ｎから出た磁束が周方向に隣り合う第１突極部１６に入る。また、第２突極部１８から出た磁束が周方向に隣り合うＳ極磁石２６ｓに入る。これにより、等価的に界磁磁束を強めることができるので、回転電機１０の最大トルクを向上できる。

一方、回転電機１０を弱め界磁制御する場合には、強め界磁制御を行う場合と逆方向に界磁巻線６２に直流電流を流す。

さらに、上記の回転電機１０によれば、ロータ１２が、外側磁性材部２８の周方向端と第１及び第２突極部１６，１８とを結ぶブリッジ部２９（図４）を有するので、ブリッジ部２９を介した磁石の磁束短絡を抑制できる。図６は、実施形態において、ｎ極磁石２６ｎから発生する磁束（磁石磁束）と界磁電流で生じる磁束（界磁電流磁束）とを示している図３の部分拡大相当図である。図６では、実線矢印により磁石磁束を示し、破線矢印により界磁電流磁束を示している。また、図６では、電機子巻線の図示を省略している。以下では、ｎ極磁石２６ｎと、第１突極部１６とについての磁束の流れを中心に説明する。以下ではｎ極磁石２６ｎを磁石２６ｎと記載し、第１突極部１６を突極部１６と記載する場合がある。

図６に示すように強め界磁が行われる場合には、破線矢印で示すようにステータ５０のティース５３の先端から出た界磁電流磁束が突極部１６に向かって流れる。一方、実線矢印で示すように、磁石磁束は、磁石２６ｎから出てティース５３に向かうが、磁石磁束の一部は、磁気抵抗の小さい経路として、外側磁性材部２８からブリッジ部２９、突極部１６を経由して短絡する傾向となる。このとき、ブリッジ部２９の突極部１６側の付け根部（図６に丸Ｐ１で囲った部分）では、ブリッジ部２９の断面積が小さい部分に破線矢印で示す界磁電流磁束も流れようとするので、ブリッジ部２９の磁気飽和が促進される。このため、磁石２６ｎから発生し、ステータ５０を介さずに短絡する漏れ磁束が減少する。この結果、磁石２６ｎからステータ５０に向かう磁束が多くなって最大トルクをさらに増加させることができる。また、本例の構成によれば、特許文献３に記載された構成と異なり、トルク増大のために磁石と突極部との間に補助磁石を追加する必要がないので、コスト低減を図りやすい。

図７は、比較例の回転電機を構成するロータ１２ａの図４に対応する図である。図７に示す比較例のロータ１２ａは、図１から図６の実施形態と異なり、特許文献３に記載された構成で補助磁石を持たない構成を含むものである。具体的には、ロータ１２ａの外周部において、周方向に隣り合う突極部１６の間には、軸方向に貫通した磁石孔１１７を有する磁性材製の磁石保持部１１６が形成される。磁石保持部１１６は、ロータコア１４の環状部に一体的に連結され、周方向両端の２つの側壁部１１８と側壁部１１８の半径方向外端に連結された外周連結部１１９とを含む。磁石孔１１７は、２つの側壁部１１８及び外周連結部１１９で囲まれた部分により形成される。そして磁石孔１１７に磁石２６ｎが挿入されて固定される。また、比較例では、外周連結部１１９と突極部１６とを結ぶブリッジ部は形成されない。その他の構成は、図１から図６の構成と同様である。

このような比較例では、磁石２６ｎからの短絡磁束が多くなるので、トルク増大効果が低くなる。図８を用いてこの比較例の不都合を説明する。図８は、比較例において、磁石磁束と界磁電流磁束とを示している図６に対応する図である。図８において実線矢印及び破線矢印の意味は、図６と同様である。

図８に示すように、比較例では、実線矢印の磁石磁束が、磁石保持部１１６の側壁部１１８に沿って流れて短絡する。この場合には、破線矢印の界磁電流磁束が磁石保持部１１６の側壁部１１８にまで達しにくいので、磁石保持部１１６の磁束飽和が促進されない。このため、磁石２６ｎの短絡磁束が多くなるのでトルク増大効果が低くなる。

また、図１から図６の構成では、ブリッジ部２９において、磁石側部分を含めた部分が、ロータ１２の半径方向の最外端位置にある。これにより、ブリッジ部２９の磁石側部分を含む部分に磁石２６ｎからの漏れ磁束と界磁巻線６２の通電による界磁電流磁束との両方が通過しやすくなり、ブリッジ部２９での磁束飽和がより促進される。これにより、トルク増大効果をより高くできる。

また、図１から図６の構成では、外側磁性材部２８と突極部１６とを結ぶブリッジ部２９を設けたことにより、ロータ１２の外周面の凹凸が少なくなるので、ロータの回転時における空気抵抗による損失を低減できる。特に、図１から図６の構成のように、ブリッジ部２９の全体が周方向に沿う場合には、ロータ１２の外周面の凹凸をなくすことができるので、空気抵抗による損失をより低減できる。

図９は、図１から図６に示す実施形態（実施例１）と図７に示す比較例とにおいて、計算で求めた最大トルクの関係を示す図である。図９の縦軸は、回転電機の最大トルクを、無次元単位（p.u.）で相対値として示している。図９から明らかなように、図１から図６に示す実施形態の場合には、比較例に比べて最大トルクを高くできる。

図１０は、実施形態の別例の回転電機を構成するロータ１２ｂを示している図７に対応する図である。図１０の構成では、図１から図６の構成と異なり、ブリッジ部２９ａは、外側磁性材部側端から突極部側端に向かって周方向に対し半径方向内側に傾斜している。そして、ブリッジ部２９ａの半径方向の最内端位置が、突極部１６の周方向側面に結合される。これにより、図１０の構成では、後述の基準線Ｄ１を基準とした、ブリッジ部２９ａの突極部側部分においてロータ１２ｂの半径方向の最内端に位置する部分は、ブリッジ部２９ａにおける半径方向の最内端に位置する。ここで、基準線Ｄ１は、磁石２６ｎの周方向中心を通る半径方向の第１直線Ｃ１と、突極部１６の周方向中心を通る半径方向の第２直線Ｃ２とがなす角度を二等分して半径方向に伸びる線である。このため、ブリッジ部２９ａの突極部側部分においてロータの半径方向の最内端に位置する部分は、ブリッジ部２９ａの磁石側部分においてロータの半径方向の最内端に位置する部分より半径方向内側に位置する。図１０では、ロータ１２ｂの半径方向最外端を通り、ロータの回転中心Ｏをその中心とする円Ｓも示している。図１０に示す構成では、ブリッジ部２９ａが上記のように形成されるので、ブリッジ部２９ａは、半径方向の内側に落ち込んだ落ち込み部を有する。

上記の構成によれば、基準線Ｄ１を基準として、ブリッジ部２９ａの突極部側部分においてロータの半径方向の最内端に位置する部分は、ブリッジ部２９ａの磁石側部分においてロータの半径方向の最内端に位置する部分より半径方向内側に位置する。この構成によれば、ロータ１２ｂの回転時に磁石２６ｎに遠心力が作用する場合において、ブリッジ部２９ａがブリッジ部２９ａとの付け根部（図１０の丸Ｐ２で囲った部分）を支点として変形させる力が作用する。これにより、図１から図６の構成のように支点がロータ１２の半径方向の最外端位置にある場合と異なり、ブリッジ部２９ａが変形しにくくなり、ロータ１２ｂの機械的強度を高くできる。その他の構成及び作用は、図１から図６の構成と同様である。

図１１は、実施形態の別例の回転電機を構成するロータ１２ｃを示している図７に対応する図である。図１１の構成では、図１０の構成と異なり、ブリッジ部２９ｂは、基準線Ｄ１を基準とした磁石側部分の全部を含む部分に形成され周方向に沿って伸びた周方向部３０と、周方向部３０に連結された傾斜部３１とを有する。傾斜部３１は、周方向部３０において、基準線Ｄ１の近傍に位置する一端から折れ曲がって、突極部側に向かって周方向に対し半径方向内側に傾斜している。傾斜部３１は、ブリッジ部２９ｂの半径方向内側に落ち込んだ落ち込み部３２を形成する。これにより、図１１の構成の場合も、図１０の構成と同様に、基準線Ｄ１を基準とした、ブリッジ部２９ｂの突極部側部分においてロータの半径方向の最内端に位置する部分は、ブリッジ部２９ｂの半径方向の最内端に位置する。このため、ブリッジ部２９ｂの突極部側部分においてロータの半径方向の最内端に位置する部分は、ブリッジ部２９ｂの磁石側部分においてロータの半径方向の最内端に位置する部分より半径方向内側に位置する。また、ブリッジ部２９ｂのうち、基準線Ｄ１を基準とした磁石側部分の全部が周方向に沿って伸びており、その磁石側部分の全部は、ロータ１２ｃの半径方向の最外端位置にある。

上記の構成では、図１から図６の構成に比べて、図１０の構成と同様の理由によりロータ１２ｃの機械的強度を高くできる。これに加えて、上記の構成では、図１０の構成と異なり、ブリッジ部２９ｂの磁石側部分の全部が、ロータ１２ｃの半径方向の最外端位置にあるので、その磁石側部分の全部と、ステータ５０（図３）のティース５３（図３）先端との半径方向の隙間は最小となる。このため、図１１の構成では、図１０の構成に比べてトルク増大効果を高くできる。その他の構成及び作用は、図１から図６の構成、または図１０の構成と同様である。なお、図１１の構成において、ブリッジ部２９の周方向に伸びる部分は、ロータの半径方向の最外端位置でなくても、その最外端位置より少し半径方向内側に位置させてもよく、その場合も図１０の構成に比べてトルク増大効果を高くできる。

図１２は、図１、図１０、図１１に示す実施形態（実施例１，２，３）と図７に示す比較例とにおいて、計算で求めた最大トルクの関係を示す図である。図１２の縦軸の意味は、図９の場合と同様である。実施例２は、図１０に示す実施形態に相当し、実施例３は、図１１に示す実施形態に相当する。図１２の最大トルクの関係から分かるように、最大トルクは、図１の実施形態（実施例１）、図１１の実施形態（実施例３）、図１０の実施形態（実施例２）の順に高くなっており、図７の比較例で最小となった。一方、ロータの機械的強度は、実施例２、実施例３、実施例１の順に高くなる。

図１３は、実施形態の別例の回転電機を構成するロータ１２ｄを示している図７に対応する図である。図１３の構成では、図１０の構成と異なり、磁石２６ｎの断面が略矩形である。また、外側磁性材部２８ａはこれに合わせて半径方向に直交する方向に伸びた略矩形の断面形状を有する。外側磁性材部２８ａの周方向両端には、ブリッジ部２９ｃの磁石側端部３３が連結され、その磁石側端部３３の厚みは、外側磁性材部２８ａの周方向両端の厚みとほぼ同じである。ブリッジ部２９ｃは、磁石側端部３３と、第１周方向部３４、第２周方向部３５、及び傾斜部３６を有する。第１周方向部３４は、磁石側端部３３の周方向端の最外周位置に連結され半径方向の厚みが小さくなって周方向に伸びる。第２周方向部３５は、ブリッジ部２９ｃの突極側部分に形成され周方向に伸びる。第１周方向部３４と、第２周方向部３５とは、周方向に対し傾斜した傾斜部３６で連結される。第１周方向部３４は、ロータの半径方向の最外端位置にあり、第２周方向部３５は、第１周方向部３４よりロータの半径方向の内側に位置する。傾斜部３６と第２周方向部３５とは、ブリッジ部２９ｃの半径方向の内側に落ち込んだ落ち込み部３７を形成する。第１周方向部３４、第２周方向部３５、傾斜部３６の厚みはほぼ同じである。これにより、基準線Ｄ１を基準とした、ブリッジ部２９ｃの突極部側部分においてロータの半径方向の最内端に位置する部分は、ブリッジ部２９ｃの磁石側部分においてロータの半径方向の最内端に位置する部分より半径方向内側に位置する。また、ブリッジ部２９ｃのうち、基準線Ｄ１を基準とした磁石側部分の少なくとも一部は、ロータの半径方向の最外端位置にある。また、外側磁性材部２８ａの半径方向の最小厚みは、ブリッジ部２９ｃの磁石側端から突極部側端に向かう方向に対し直交する方向の厚みの最小値である最小厚みより大きい。

さらに本例の構成では、ロータ１２ｄは、ブリッジ部２９ｃの磁石側端部３３と、突極部１６とを結ぶように形成された梁部４１を含む。梁部４１は、突極部側に向かって周方向に対し半径方向内側に傾斜している。梁部４１は、ブリッジ部２９ｃ、突極部１６、及び磁石２６ｎに囲まれて軸方向に貫通する空間の中間部を仕切って２つの空間４０ａ、４０ｂに分ける。さらに、梁部４１の磁石側接合点は、突極部側接合点よりも半径方向外側に位置する。

上記の構成の場合も、図１１の構成と同様に、ブリッジ部２９ｃの磁石側部分の少なくとも一部は、ロータの半径方向の最外端位置にある。これにより、トルク増大効果を高くできる。また、ロータが梁部４１を含み、梁部４１の磁石側接合点が、突極部側接合点よりも半径方向外側に位置する。これにより、ブリッジ部２９ｃ、突極部１６及び磁石２６ｎによって囲まれた空間に梁部４１が設けられ、外側磁性材部２８ａと突極部１６との結合強度を高くできるので、ロータ全体の機械的強度をより高くできる。その他の構成及び作用は、図１から図６の構成、または図１１の構成と同様である。

また、図１３の構成において、梁部４１は、ブリッジ部２９ｃの磁石側端部と、ロータコア１４の突極部１６とは異なる位置の外周面、または突極部１６とを結ぶように形成される構成であればよい。例えば、図１１の構成において、ブリッジ部２９ｂの磁石側端部と、ロータコア１４の突極部１６とは異なる位置（例えば図１１の点Ｑで示す位置）の外周面とを結ぶように梁部が形成されてもよい。この場合でも、ロータの機械的強度を高くできる。

図１４は、実施形態の別例の回転電機の３例と、その３例における最大トルクとを示す図である。図１４（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す３例の構成の基本的構成は、図１３と同様である。図１４（ａ）、図１４（ｂ）、図１４（ｃ）の順に、ブリッジ部２９ｃのうち、傾斜部の半径方向最外端の位置が、磁石側から突極部側に変化している。図１４では、傾斜部の半径方向最外端Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３を通る半径方向の線を、破線Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５で示している。図１４（ｂ）の破線Ｃ４と基準線Ｄ１とは一致する。

図１４に示すように、ブリッジ部２９の傾斜部の半径方向最外端Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３が突極部側に変化するほど、ブリッジ部２９ｃの半径方向最外端の周方向長さが大きくなる。そして、ブリッジ部２９ｃの半径方向最外端の周方向長さが大きくなるほど、回転電機の最大トルクが高くなった。一方、図１４（ｂ）に示している傾斜部の半径方向最外端Ｅ２が基準線Ｄ１上に位置する構成と、図１４（ｃ）に示している傾斜部の半径方向最外端Ｅ２が図１４（ｂ）より突極部側に位置する構成とでは、最大トルクが略同じとなった。これにより、図１４（ｂ）の構成では、最大トルクを高くすることと、機械的強度を高くすることとを高度に両立させやすい。

図１５は、図１に示す回転電機において、ステータ５０の電機子巻線６１（図３）の通電により発生した磁束である電機子電流磁束が短絡する可能性について説明するための図３の部分拡大相当図である。図１の構成のように、ブリッジ部２９が外側磁性材部２８と突極部１６とを周方向に沿って結ぶように形成される場合には、ロータ１２のうち、外側磁性材部２８及び突極部１６から離れた位置のティース５３がブリッジ部２９に接近する場合がある。このため、図１５にＴ１で示すティース５３から出た電機子電流磁束がブリッジ部２９を介して、Ｔ２で示す隣り合うティース５３に向かって短絡する可能性がある。この場合には、ブリッジ部２９とティース５３とにおける鉄損が増大する原因となる。次に説明する図１６に示す構成は、このような鉄損の増大を抑制するために考えられたものである。

図１６は、実施形態の別例の回転電機を構成するロータ１２ｅを示している図３の部分拡大相当図である。図１６の構成では、ブリッジ部２９ｃは、ロータ１２ｅの半径方向の内側に落ち込んだ落ち込み部３７を有する。そして、落ち込み部３７についての第１角度α１と、ステータ５０のスロット５４の幅についての第２角度βとの関係が規定される。具体的には、第１角度α１は、突極部１６の先端のうち、周方向におけるブリッジ部２９側端Ｆ１と落ち込み部３７の磁石側端Ｆ２との周方向長さのロータの回転中心Ｏについての中心角である。また、第２角度βは、ステータ５０の周方向におけるスロット５４の幅のステータ５０の中心Ｏについての中心角である。そして、第１角度α１が第２角度β以上であるように規制される。

上記の構成によれば、ブリッジ部２９ｃの一部がステータ５０のティース５３の先端から遠ざけられ、隣り合うティース５３の幅との関係で、隣り合うティース５３間でのブリッジ部２９ｃを介した電機子電流磁束の短絡が生じにくくなる。このため、ブリッジ部２９ｃとティース５３とにおける鉄損の低減を図れる。その他の構成及び作用は、図１３の構成と同様である。

図１７は、実施形態の別例の回転電機を構成するロータ１２ｆを示している図３の部分拡大相当図である。図１７の構成では、図１６の構成と異なり、ブリッジ部２９ｄの突極部側端が半径方向において突極部１６の先端近傍に位置する。本例においても、図１６の構成と同様に、落ち込み部３７についての第１角度α２は、ステータ５０のスロット５４の幅についての第２角度β以上であるように規制される。その他の構成及び作用は、図１６の構成と同様である。

なお、上記の実施形態の各例では、Ｎ極磁石の外径側を覆う部分と突極部とを結ぶブリッジ部を形成する場合について説明したが、Ｓ極磁石の外径側を覆う部分と突極部とを結ぶブリッジ部を形成することもできる。また、上記の実施形態の各例の構成は、図１、図２に示したハイブリッド界磁型の回転電機と組み合わせる場合に限定せず、他の構造のハイブリッド界磁型の回転電機と組み合わされてもよい。例えば、上記の実施形態の各例は、特許文献４に記載された構成のように、ステータが環状のコア部と２つの界磁巻線と３相の電機子巻線とを含み、２つの界磁巻線がコア部の軸方向両端に固定されるハイブリッド界磁型の回転電機と組み合わされてもよい。また、ハイブリッド界磁型の回転電機は、ロータが複数ずつのＮ極磁石とＳ極磁石とを含む構成に限定しない。例えば、ロータが磁石として複数のＮ極磁石のみを持ち、ロータの外周部にＮ極磁石と突極部とが交互に配置される構成に上記の実施形態の各例の構成を適用してもよい。

１０ 回転電機、１２，１２ａ〜１２ｆ ロータ、１３ ロータヨーク、１３ａ 溝部、１４ ロータコア、１５ 環状部、１６ 第１突極部、１８ 第２突極部、１９ 突部、２５ｎ Ｎ極磁石部，２５ｓ Ｓ極磁石部、２６ｎ Ｎ極磁石、２６ｓ Ｓ極磁石、２７ｎ Ｎ側ブリッジ部材、２７ｓ Ｓ側ブリッジ部材、２８，２８ａ 外側磁性材部、２９，２９ａ〜２９ｄ ブリッジ部、３０ 周方向部、３１ 傾斜部、３２ 落ち込み部、３３ 磁石側端部、３４ 第１周方向部、３５ 第２周方向部、３６ 傾斜部、３７ 落ち込み部、４０，４０ａ，４０ｂ 空間、４１ 梁部、５０ ステータ、５１ 第１ステータコア、５２ 第２ステータコア、５３ ティース、５４ スロット、６０ ステータヨーク、６１ 電機子巻線、６２ 界磁巻線、１００ シャフト、１１０ 回転電機制御システム、１１２ 直流電源、１１３ 第１駆動回路、１１４ 第２駆動回路、１１５ 制御装置、１１６ 磁石保持部、１１７ 磁石孔、１１８ 側壁部、１１９ 外周連結部。

Claims (6)

1. ロータと、前記ロータの半径方向外側に対向して配置されたステータとを備え、
   前記ロータは、環状部の周方向複数位置において半径方向に突出する突極部が形成された磁性材製のロータコアと、周方向複数位置に配置された同極の磁石部とを含み、前記磁石部と前記突極部とが外周において周方向に交互に並ぶように配置されるコンシクエントポール型であり、
   前記ステータは、前記ロータに界磁を作る直流電流を流す界磁巻線と、界磁との相互作用によりトルクを発生させるための交流電流を流す電機子巻線とを含む、ハイブリッド界磁型の回転電機であって、
   前記磁石部は、磁石と、前記磁石の半径方向外側を覆う外側磁性材部と、前記外側磁性材部の周方向端及び前記突極部を結ぶ磁性材製のブリッジ部とを有する、回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記磁石の周方向中心を通る半径方向の第１直線と、前記突極部の周方向中心を通る半径方向の第２直線とがなす角度を二等分して半径方向に伸びる線である基準線を基準とし、前記ブリッジ部の突極部側部分において前記ロータの半径方向の最内端に位置する部分は、前記ブリッジ部の磁石側部分において前記ロータの半径方向の最内端に位置する部分より半径方向内側に位置する、回転電機。
3. 請求項１または請求項２に記載の回転電機において、
   前記ロータは、前記ブリッジ部の磁石側端部と、前記ロータコアの前記突極部とは異なる位置の外周面または前記突極部とを結ぶように形成され、前記ブリッジ部、前記突極部、及び前記磁石に囲まれて軸方向に貫通する空間を仕切る梁部を含み、
   前記梁部の磁石側接合点が突極部側接合点よりも半径方向外側に位置する、回転電機。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１に記載の回転電機において、
   前記ステータは、環状のステータコアと、前記ステータコアの周方向複数位置に形成され、半径方向内側に突出するティースと、隣り合う前記ティースの間に形成されたスロットとを含み、
   前記ブリッジ部は、前記ロータの半径方向の内側に落ち込んだ落ち込み部を有し、
   前記突極部の先端のうち、周方向におけるブリッジ部側端と前記落ち込み部の磁石側端との周方向長さの前記ロータの回転中心についての中心角である第１角度は、前記ステータの周方向における前記スロットの幅の前記ステータの中心についての中心角である第２角度以上である、回転電機。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１に記載の回転電機において、
   前記ブリッジ部の磁石側部分の少なくとも一部は、前記ロータの半径方向の最外端位置にある、回転電機。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１に記載の回転電機において、
   前記外側磁性材部の半径方向の最小厚みは、前記ブリッジ部の磁石側端から突極部側端に向かう方向に対し直交する方向の最小厚みより大きい、回転電機。

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