JP2018153029A

JP2018153029A - 回転電機

Info

Publication number: JP2018153029A
Application number: JP2017048599A
Authority: JP
Inventors: 真大青山; Masahiro Aoyama
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2017-03-14
Filing date: 2017-03-14
Publication date: 2018-09-27

Abstract

【課題】無負荷時に高速回転による誘起電圧を低減でき、負荷時に所望の回転数とトルクを得ることができる回転電機を提供すること。【解決手段】ロータ２０において、ロータコア２１の隣り合う突極２２の間には、ロータ２０の外周面における一方の突極２２の近傍からｑ軸を跨いで他方の突極２２の近傍に向かって延伸する第１のバイパス路ＢＰ１が設けられている。第１のバイパス路ＢＰ１には、第１のバイパス路ＢＰ１の延伸方向に磁極を向くように第１の永久磁石ＰＭ１が配置されている。ロータコア２１と第１のバイパス路ＢＰ１との間には、第１のバイパス路ＢＰ１に沿うように第１のフラックスバリアＦＢ１が設けられている。【選択図】図２

Description

本発明は、回転電機に関する。

ハイブリッド自動車や電気自動車等の車両の駆動源に用いられる回転電機として、永久磁石型同期モータが知られている。永久磁石型同期モータは、車両の走行状態によって動作点が異なる。例えば、車両の発進時は高トルク領域の動作点を用い、車両の市街地走行時は低トルク領域の動作点を用い、車両の高速走行時は高速領域の動作点が用いられる。

従来のこの種の回転電機として、特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１に記載のものは、回転子が形成する１つの磁極から他の磁極へ永久磁石の磁束をバイパスさせるバイパス路を備えている。

特許６０３３４２４号公報

ところで、特許文献１に記載の回転電機のようにバイパス路を備える回転電機においては、バイパス路を通る永久磁石の磁束量を電機子コイルの磁束で強める強め界磁制御を行い、永久磁石の磁束を変化させて所望の動作点を得ることが考えられる。

しかしながら、特許文献１に記載の回転電機にあっては、電機子コイルに電流を流していない無負荷状態では、永久磁石の磁束は正弦波状にステータ側に鎖交するため、無負荷状態での高速回転時において電機子コイルに誘起電圧が発生してしまう。誘起電圧が発生すると、この誘起電圧がインバータの電源電圧を超えないようにモータ回転数を制限しなければならず、モータの動作点が狭くなってしまう。

また、特許文献１に記載の回転電機にあっては、電流位相角を進角させた場合に磁石磁束の漏れ磁束量が大きく変化し、十分にマグネットトルクを活用することができない。さらに、特許文献１に記載の回転電機にあっては、ｄ軸上に磁気抵抗が高い永久磁石を配置し、ｑ軸上に外側磁気的空隙部を配置しているので、ｄ軸とｑ軸の磁気抵抗が同等になり、ｄ軸とｑ軸の磁気抵抗比率である突極比が低下し、リラクタンストルクが低下してしまう。

したがって、特許文献１に記載の回転電機にあっては、モータの動作点が狭くなってしまい、リラクタンストルクを有効に活用することができず、出力トルク及び効率が低下してしまう。

本発明は、上述のような事情に鑑みてなされたもので、無負荷時に高速回転による誘起電圧を低減でき、負荷時に所望の回転数とトルクを得ることができる回転電機を提供することを目的としている。

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、ロータコアおよび永久磁石を有するロータと、を備える回転電機であって、前記ロータコアの隣り合う突極の間に、前記ロータの前記ステータとの対向面における一方の突極の近傍からｑ軸を跨いで他方の突極の近傍に向かって延伸する第１のバイパス路が設けられ、前記第１のバイパス路に、前記第１のバイパス路の延伸方向に磁極を向くように前記永久磁石としての第１の永久磁石が配置され、前記ロータコアと前記第１のバイパス路との間に、前記第１のバイパス路に沿うように第１のフラックスバリアが設けられている構成を有する。

本発明によれば、無負荷時に高速回転による誘起電圧を低減でき、負荷時に所望の回転数とトルクを得ることができる。

図１は、本発明の第１実施例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、本発明の第１実施例に係る回転電機の一部を拡大した断面図である。図３は、本発明の第１実施例に係る回転電機における、無負荷時の磁束ベクトルを示す図である。図４は、本発明の第１実施例に係る回転電機における、無負荷時の誘起電圧を示す図である。図５は、本発明の第１実施例に係る回転電機における、負荷時の誘起電圧を示す図である。図６は、本発明の第１実施例に係る回転電機における、ｄ−ｑ座標上に電機子電流（ｉｄ）およびｑ軸電流を表したベクトル図である。図７は、本発明の第１実施例に係る回転電機における、電流位相とトルクの関係を示すトルク特性図である。図８は、本発明の第１実施例に係る回転電機における無負荷時の磁束ベクトルを示す図であり、（ａ）は電気角−９０［deg］における磁束ベクトルを示し、（ｂ）は電気角−６０［deg］における磁束ベクトルを示し、（ｃ）は電気角−３０［deg］における磁束ベクトルを示し、（ｄ）は電気角０［deg］における磁束ベクトルを示す。図９は、本発明の第２実施例に係る回転電機の一部を拡大した断面図である。図１０は、本発明の第３実施例に係る回転電機の一部を拡大した断面図である。

本発明の一実施の形態に係る回転電機は、電機子コイルを有するステータと、ロータコアおよび永久磁石を有するロータと、を備える回転電機であって、ロータコアの隣り合う突極の間に、ロータのステータとの対向面における一方の突極の近傍からｑ軸を跨いで他方の突極の近傍に向かって延伸する第１のバイパス路が設けられ、第１のバイパス路に、第１のバイパス路の延伸方向に磁極を向くように永久磁石としての第１の永久磁石が配置され、ロータコアと第１のバイパス路との間に、第１のバイパス路に沿うように第１のフラックスバリアが設けられていることを特徴とする。これにより、本発明の一実施の形態に係る回転電機は、無負荷時に高速回転による誘起電圧を低減でき、負荷時に所望の回転数とトルクを得ることができる。

以下、本発明に係る回転電機の第１実施例について、図面を用いて説明する。

図１、図２に示すように、本実施例に係る回転電機１は、永久磁石をロータ内部に埋め込んだ埋込磁石同期回転電機(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor：以下、ＩＰＭＳＭという)である。回転電機１は、例えば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。

回転電機１は、環状に形成されたステータ１０と、ステータ１０内に回転自在に収容されたロータ２０とを備えている。ロータ２０は、軸心Ｏを中心に回転する回転軸２に固定されており、回転軸２と一体回転するようになっている。

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１１を備えている。ステータコア１１は、回転軸２の軸線に沿った軸方向に電磁鋼板を積層したものからなる。

ステータコア１１には、径方向の内方側に突出したステータティース１２が周方向に沿って複数（本実施例では４８）設けられている。周方向に隣り合うステータティース１２の間には、溝状の空間であるスロット１３が形成されている。

ここで、径方向とは、上述の軸方向と直交する方向を示す。径方向の内方側とは、径方向において回転軸２に近い側を示し、径方向の外方側とは、径方向において回転軸２から遠い側を示す。周方向とは、回転軸２を中心とする円周方向を示す。

ステータコア１１の各スロット１３には、ステータコア１１の周方向に沿ってＷ相、Ｖ相、Ｕ相の三相の電機子コイル１４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１４は、それぞれのステータティース１２に分布巻されている。

ステータ１０は、電機子コイル１４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。電機子コイル１４には、この電機子コイル１４に流れる電流を制御するためのインバータ（不図示）が接続されており、インバータは、電機子コイル１４に供給される三相交流、すなわち供給電機子電流の振幅および位相を制御する。

ロータ２０は、環状のロータコア２１を備えている。ロータコア２１は、回転軸２の軸線に沿った軸方向に、高透磁率の磁性材料である電磁鋼板を積層したものからなる。

ロータコア２１の外周面には、ロータ２０の周方向に沿って複数（８つ）の突極２２が等間隔で形成されている。突極２２は、径方向外方、すなわちステータ１０方向に突出している。隣り合う突極２２は、周方向に機械角で４５［deg］離れている。

ここで、ロータコア２１と突極２２とは、一体で構成されており磁気的にも結合されている。このため、本実施例におけるロータコア２１は、複数の突極２２の基部を機械的および磁気的に結合するヨーク部として機能する。

本実施例において、突極２２を通る軸をｄ軸とし、このｄ軸と電気的および磁気的に直交する軸（電気角で９０［deg］離れた軸）をｑ軸とする。本実施例において、ｑ軸は、ｄ軸から周方向に機械角で２２．５［deg］離れており、周方向に隣り合う突極２２の中間を通過する。

ロータコア２１の隣り合う突極２２の間には、第１のバイパス路ＢＰ１が設けられている。第１のバイパス路ＢＰ１は、ロータ２０の外周面における一方の突極２２の近傍からｑ軸を跨いで他方の突極２２の近傍に向かって延伸している。ここで、本実施例のロータ２０はインナロータ型のラジアルギャップロータであるため、ロータ２０の外周面はステータ１０との対向面を構成している。また、突極２２の「近傍」の範囲は、隣り合う突極２２同士の間であって、ｄ軸である突極２２からｑ軸の間である。すなわち、一方（他方）の突極２２の近傍とは、当該突極２２とｑ軸との間の空間を意味する。

より詳しくは、第１のバイパス路ＢＰ１は、ロータ２０の外周面における一方の突極２２の先端部の近傍において、突極２２と平行に径方向内方に延伸している。その後、第１のバイパス路ＢＰ１は、一方の突極２２の基部の近傍から、ｑ軸を跨いで他方の突極２２の基部の近傍に向かって周方向に延伸している。その後、第１のバイパス路ＢＰ１は、他方の突極２２の基部の近傍から先端部の近傍まで突極２２と平行に径方向外方に延伸している。

言い換えれば、第１のバイパス路ＢＰ１は、隣り合う一方の突極２２の先端の側部から、ロータコア２１の内周部を経て、他方の突極２２の先端の側部に向かうように、Ｕ字状に湾曲している。

第１のバイパス路ＢＰ１には、第１のバイパス路ＢＰ１の延伸方向に磁極を向くように第１の永久磁石ＰＭ１が配置されている。第１の永久磁石ＰＭ１はｑ軸の近傍に配置されている。図２において、突極２２を挟んで隣り合う２つの第１の永久磁石ＰＭ１は、何れもロータ２０の外周側がＮ極になるように、それぞれの第１のバイパス路ＢＰ１に配置されている。突極２２の幅は第１の永久磁石ＰＭ１の磁極幅よりも大きくされている。ここで、突極２２の幅とは、突極２２の突出方向を横切る面の長さであり、突極２２の周方向の長さに等しい。磁極幅とは、永久磁石（ここでは第１の永久磁石ＰＭ１）の磁極の面の幅である。

ロータコア２１と第１のバイパス路ＢＰ１との間には、第１のバイパス路ＢＰ１に沿うように第１のフラックスバリアＦＢ１が設けられている。第１のフラックスバリアＦＢ１は、磁束の回り込みを防止するものであり、透磁率の低い物質（本実施例では空気）から構成されている。

また、ロータコア２１には、第１のバイパス路ＢＰ１に沿って、第２のバイパス路ＢＰ２が設けられている。第２のバイパス路ＢＰ２は、ロータ２０の外周面における一方の突極２２の近傍からｑ軸を跨いで他方の突極２２の近傍に向かって延伸している。

第２のバイパス路ＢＰ２には、第２のバイパス路ＢＰ２の延伸方向に磁極を向くように第２の永久磁石ＰＭ２が配置されている。第２の永久磁石ＰＭ２はｑ軸の近傍に配置されている。図２において、突極２２を挟んで隣り合う２つの第２の永久磁石ＰＭ２は、何れもロータ２０の外周側がＮ極になるように、それぞれの第２のバイパス路ＢＰ２に配置されている。突極２２の幅は第２の永久磁石ＰＭ２の磁極幅よりも大きくされている。

第１のバイパス路ＢＰ１と第２のバイパス路ＢＰ２との間には、第２のフラックスバリアＦＢ２が設けられている。第２のフラックスバリアＦＢ２は、磁束の回り込みを防止するものであり、透磁率の低い物質（本実施例では空気）から構成されている。

この第２のバイパス路ＢＰ２も、第１のバイパス路ＢＰ１と同様に、隣り合う一方の突極２２の先端の側部から、ロータコア２１の内周部を経て、他方の突極２２の先端の側部に向かうように、Ｕ字状に湾曲している。

ロータ２０の表面近傍における第２のバイパス路ＢＰ２に囲まれる部位には、空気層２３が設けられており、この空気層２３によって磁束の回り込みが防止される。

このように、ロータコア２１には、第１の永久磁石ＰＭ１を備える第１のバイパス路ＢＰ１と、第２の永久磁石ＰＭ２を備える第２のバイパス路ＢＰ２とが層をなして２層形成されている。これにより、第１の永久磁石ＰＭ１の磁石磁束と第２の永久磁石ＰＭ２の磁石磁束とが、第１のバイパス路ＢＰ１と第２のバイパス路ＢＰ２とをそれぞれ通って流れやすくなり、これらの磁石磁束をロータ２０内で短絡しやすくできる。

前述したように、ロータ２０において、ｑ軸は第１のフラックスバリアＦＢ１および第２のフラックスバリアＦＢ２を跨いでおり、ｑ軸上には第１の永久磁石ＰＭ１および第２の永久磁石ＰＭ２が配置されている。このため、突極２２のあるｄ軸においては磁束が通過しやすいが、第１のフラックスバリアＦＢ１および第２のフラックスバリアＦＢ２があるｑ軸方向においては磁束が通過しにくい。

すなわち、突極２２を通るｄ軸方向のインダクタンス（ｄ軸インダクタンスＬｄ）は、ｑ軸方向のインダクタンス（ｑ軸インダクタンスＬｑ）よりも大きい。したがって、ロータ２０は順突極構造（Ｌｄ＞Ｌｑ）であり、ハイブリッド車両等において今日一般的に用いられている逆突極構造（Ｌｄ＜Ｌｑ）の回転電機とは異なっている。

順突極構造では、永久磁石ＰＭ１が発生するマグネットトルクに加えて、ｄ軸インダクタンスＬｄとｑ軸インダクタンスＬｑとの差に応じたリラクタンストルクを発生することができる。

次に、図３から図８を参照して、本実施例に係る回転電機１の動作と作用効果について説明する。

回転電機１が無負荷状態で高速回転しているとき（無負荷時）は、図３に示すように、第１の永久磁石ＰＭ１を備えた第１のバイパス路ＢＰ１とステータ１０の間、および、第２の永久磁石ＰＭ２を備えた第２のバイパス路ＢＰ２とステータ１０の間において、第１の永久磁石ＰＭ１および第２の永久磁石ＰＭ２によって短絡磁路が形成される。

このため、図４に示すように、ロータ２０に発生する誘起電圧は、ｄ軸の突極２２の部分（電気角９０［deg］の部分）で中央部分（正弦波の頂点に相当する部分）が大きく凹んだ状態の、歪んだ電圧波形になる場合がある。

そこで、本実施例では、無負荷状態における電機子コイル１４の非通電時は、磁石磁束に逆相３倍調波が重畳するようにロータ界磁磁束を形成することで、誘起電圧を低減し、電圧波形の歪を低減している。ここで、逆相３倍調波とは、同期回転する周波数で変動する磁束波形である基本波に対して、逆相かつ３倍の周波数を有する磁束を意味する。また、３倍とは、略３倍も含む。磁石磁束に重畳する逆相３倍調波は、順突極構造（Ｌｄ＞Ｌｑ）にされたロータ２０の周方向のインダクタンス分布に起因している。すなわち、ロータ２０の周方向のインダクタンス分布は、ｄ軸において凹み（インダクタンスが高い）、ｑ軸において突起した（インダクタンスが低い）分布となる。

一方、回転電機１が負荷を受けた状態で低速回転しているとき（負荷時）は、本実施例では、３倍調波を打ち消して磁石磁束と電機子磁束の合成磁束が正弦波となるように、電機子コイル１４から電機子磁束を発生させている。なお、ここでいう正弦波は、略正弦波も含む。

これにより、ｄ軸電流によってｄ軸の突極２２の部分が磁化されるため、図５に示すように、ロータ２０に発生する誘起電圧は正弦波に近い波形となり、波形の歪は発生しない。

本実施例の回転電機１は、順突極性（Ｌｄ＞Ｌｑ）の構造のロータ２０を備えているため、図６に示すｄ−ｑ座標において、ｄ軸電流（ｉｄ）が正の値かつ、ｑ軸電流（ｉｑ）が正の値となる第１象限（＋ｉｄかつ＋ｉｑ）に電流ベクトルを配置するようにして駆動される。すなわち、この回転電機１では、磁石磁束ベクトルと同方向にｄ軸電流（ｉｄ）を通電することで、強め界磁を行いながらトルクを発生させている。

図７は、電機子コイル１４のピーク電流（Ａｐｋ）の電流位相とロータ２０のトルクとの関係を示すトルク特性図である。図７に示すように、電流が大きいほど大きなトルクを得ることができる。また、電流位相が−３０のとき最も大きいトルクを得ることができる。このことからリラクタンストルクを活用し、かつ、順突極特性を備えていることを確認できる。

図８は、無負荷時の磁束ベクトルを表している。図８において（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、電気角が−９０［deg］、−６０［deg］、−３０［deg］、０［deg］における磁束ベクトル分布をそれぞれ示している。図８において、−９０［deg］がｄ軸に対応し、０［deg］がｑ軸に対応する。

図８に示すように、磁束はロータ２０内の各バイパス路を最短経路で流れようとする特性があり、この特性によりリラクタンストルクが発生する。図８（ａ）から図８（ｄ）の何れにおいても、ステータ１０で発生した磁束は、第１のバイパス路ＢＰ１および第２のバイパス路ＢＰ２を通過している。一方、図８（ａ）では、ロータコア２１から突極２２を通ってステータ１０に出て行く磁束が多く、図８（ｄ）に示す０［deg］では、ステータ１０から突極２２を通ってロータコア２１に入っていく磁束が多くなっている。

本実施例では、電機子電流の振幅および位相を制御することによってロータ界磁量を調整できる。また、永久磁石が減磁するリスクを大幅に減らすことができ、保持力の弱い安価な永久磁石を採用することができる。

回転電機１において、電機子コイル１４の各相の線間電圧は直流バス電圧により制約される。本実施例では、線間電圧が電圧制限に達した場合、ｄ軸電流（ｉｄ）をｑ軸電流（ｉｑ）側に進角させて０に近づけるようになっている。これにより、界磁調整を容易に行うことができ、ロータ２０の回転速度の可変速特性を拡大できる。

一方、逆突極性を有する回転電機においては、第２象限において、負のｄ軸電流（−ｉｄ）によってロータ界磁磁束ベクトルに対して反磁界になるようにｄ軸電流ベクトルを大きくさせ、磁束を打ち消し合うことで弱め界磁を実現している。

しかし、逆突極性を有する回転電機は、弱め界磁のために負のｄ軸電流（−ｉｄ）を用いているため効率が悪化してしまう。また、逆突極性を有する回転電機は、磁束波形が大きく歪むことにより鉄損が大幅に増加してしまう。また、逆突極性を有する回転電機は、磁束波形の歪によって、空間高調波が増加し、トルクリプル、電磁振動および振動が増加してしまう。

これに対し、本実施例の回転電機１は、順突極性を有することからｄ軸電流で強め界磁を行いながらｑ軸電流でトルクを発生させること、またはｄ軸電流の振幅を減少させることによって、ｄ軸磁化量を調整できる。このため、トルクに直接寄与しないｄ軸電流が減少し、効率を増加させることができる。

また、本実施例の回転電機１は、磁束を打ち消し合う弱め界磁を行いながら駆動するのではなく、ｄ軸電流で磁束をアシストする強め界磁を行いながら駆動できるため、永久磁石の使用量を低減できる。また、永久磁石の使用量を低減できるため、永久磁石で発生する渦電流を低減できる。

このように、本実施例では、ロータ２０を順突極構造にしたこと、および隣り合う突極２２間に磁石磁束のバイパス路を設けたことにより、ｄ軸電流によって強め界磁調整ができる。このため、簡易な構造で、ロータ界磁磁束を調整でき、可変速特性を向上でき、高効率領域を増加させることができる。

また、永久磁石の使用量を減少させることができ、低コストで回転電機１を制作できる。

以上のように、本実施例に係る回転電機１において、ロータコア２１の隣り合う突極２２の間には、ロータ２０の外周面における一方の突極２２の近傍からｑ軸を跨いで他方の突極２２の近傍に向かって延伸する第１のバイパス路ＢＰ１が設けられている。

また、第１のバイパス路ＢＰ１には、第１のバイパス路ＢＰ１の延伸方向に磁極を向くように永久磁石としての第１の永久磁石ＰＭ１が配置されている。そして、ロータコア２１と第１のバイパス路ＢＰ１との間には、第１のバイパス路ＢＰ１に沿うように第１のフラックスバリアＦＢ１が設けられている。

これにより、ロータ２０が高速回転する無負荷時は、ｄ軸を中心に凹状となる逆相３倍調波をロータ２０で発生させることができる。このため、ロータ２０の高速回転時に生ずる誘起電圧を小さくでき、ロータ２０の最大回転数を大きくでき、回転電機の動作点を広げることができる。

また、本実施例に係る回転電機１において、ロータコア２１には、第１のバイパス路ＢＰ１に沿って、第２のバイパス路ＢＰ２が設けられている。第２のバイパス路ＢＰ２は、ロータ２０の外周面における一方の突極２２の近傍からｑ軸を跨いで他方の突極２２の近傍に向かって延伸している。第２のバイパス路ＢＰ２には、第２のバイパス路ＢＰ２の延伸方向に磁極を向くように第２の永久磁石ＰＭ２が配置されている。第１のバイパス路ＢＰ１と第２のバイパス路ＢＰ２との間には、第２のフラックスバリアＦＢ２が設けられている。

これにより、永久磁石を備えるバイパス路が２層形成されているので、各バイパス路の永久磁石の磁石磁束が、各バイパス路を通ってロータコア２１に流れやすくなり、磁石磁束をロータ２０内で短絡しやすくできる。

また、本実施例に係る回転電機１において、電機子コイル１４は、磁石磁束に重畳する逆相３倍調波との合成磁束が正弦波となるような電機子磁束を、負荷時に発生する。

これにより、負荷時において、３倍調波を打ち消して磁石磁束と合成磁束とが正弦波となる位相の電流を電機子コイル１４に通電することで、所望の回転数とトルクを得ることができる。

また、本実施例に係る回転電機１において、永久磁石はｑ軸の近傍に配置されている。

これにより、第１の永久磁石ＰＭ１および第２の永久磁石ＰＭ２が第１のバイパス路ＢＰ１および第２のバイパス路ＢＰ２においてロータ２０の径方向内方に配置されることになり、これらの永久磁石と電機子コイル１４との距離を大きくできる。この結果、ステータ１０側で生ずる高調波磁束が永久磁石に作用しにくくなり、高調波磁束の作用により永久磁石内でうず電流が発生してうず電流による発熱によって永久磁石が減磁してしまうことを低減することができる。

本実施例に係る回転電機１において、突極２２の幅が永久磁石の磁極幅よりも大きくされている。

これにより、永久磁石の磁束が突極２２に流れてロータ２０内に短絡しやすい。この結果、弱め界磁した場合、突極２２に永久磁石磁束および電機子磁束が流れることで突極２２が磁気飽和することを低減することができ、永久磁石をロータ２０内に短絡させやすくできる。

次に、本発明に係る回転電機の第２実施例について、図面を用いて説明する。第２実施例は、第１実施例から第２のバイパス路ＢＰ２を取り去って第１のバイパス路ＢＰ１だけを備えるようにした構成を例示するものである。第２実施例は、１つのパイパス磁路を備える点で第１実施例と異なり、他の構成は同一であるため、第１実施例との差異について説明する。

図９に示すように、ロータ２０には、ロータコア２１の隣り合う突極２２の間に第１のバイパス路ＢＰ１が設けられている。第１のバイパス路ＢＰ１は、ロータ２０の外周面における一方の突極２２の近傍からｑ軸を跨いで他方の突極２２の近傍に向かって延伸している。

なお、ロータ２０の表面近傍における第１のバイパス路ＢＰ１に囲まれる部位には、第１実施例の空気層２３と同様の空気層２４が設けられており、この空気層２４によって磁束の回り込みが防止される。また、本実施例は、第１実施例に比べて構造がシンプルであるため、ロータ２０を製造しやすい。

以上のように、本実施例に係る回転電機１において、ロータ２０が高速回転する無負荷時は、ｄ軸を中心に凹状となる逆相３倍調波をロータ２０で発生させることができる。このため、ロータ２０の高速回転時に生ずる誘起電圧を小さくでき、ロータ２０の最大回転数を大きくでき、回転電機の動作点を広げることができる。

次に、本発明に係る回転電機の第３実施例について、図面を用いて説明する。第３実施例は、第１実施例に第３のバイパス路を追加した構成を例示するものである。第３実施例は、３つのパイパス磁路を備える点で第１実施例と異なり、他の構成は同一であるため、第１実施例との差異について説明する。

図１０に示すように、ロータ２０には、第３のバイパス路ＢＰ３が設けられている。第３のバイパス路ＢＰ３は、第１のバイパス路ＢＰ１と第２のバイパス路ＢＰ２との間に配置されている。第３のバイパス路ＢＰ３は、ロータ２０の外周面における一方の突極２２の近傍からｑ軸を跨いで他方の突極２２の近傍に向かって延伸している。

また、第１のバイパス路ＢＰ１と第２のバイパス路ＢＰ２との間には、第３のフラックスバリアＦＢ３が設けられている。第３のバイパス路ＢＰ３は、第２のフラックスバリアＦＢ２と第３のフラックスバリアＦＢ３との間に設けられている。

なお、ロータ２０の表面近傍における第２のバイパス路ＢＰ２に囲まれる部位には、第１実施例の空気層２３と同様の空気層２５が設けられており、この空気層２５によって磁束の回り込みが防止される。

以上のように、本実施例に係る回転電機１において、無負荷時に第３のバイパス路ＢＰ３が永久磁石の磁束をロータ２０内で短絡する経路として機能するため、無負荷状態で永久磁石が高速回転しているときに、電機子コイル１４に発生する誘起電圧を低減することができる。このため、回転電機１の許容回転速度を拡大できる。また、負荷時において、第３のバイパス路ＢＰ３に電機子磁束が流れることでリラクタンストルクを向上させることができる。なお、図１０において、フラックスバリアＦＢ３は、ステータ１０との対向面近傍の端部において、第２のバイパス路ＢＰ２側に膨出する膨出部を有しており、この膨出部によって第２のバイパス路ＢＰ２の幅を狭めている。言い換えれば、第２のバイパス路ＢＰ２の幅は、ステータ１０との対向面近傍において、幅が狭く形成された幅狭部を有しており、この幅狭部によってフラックスバリアＦＢ３の膨出部が形成されている。ステータ１０との対向面近傍において第２のバイパス路ＢＰ２に幅狭部を設けることによって、第２の永久磁石ＰＭ２の磁束がステータ１０とロータ２０との間のギャップを通過する際、ロータ２０の周方向を向くように磁路が形成されるため、ロータ２０のトルクの向上を図ることができる。

本発明の実施例を開示したが、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。

本実施例では、インナロータ型のラジアルギャップロータに本発明を適用したが、アウタロータ型のラジアルギャップロータや、アキシャルギャップロータにも本発明を適用できる。

また、本実施例では、各パイパス路に配置した複数の永久磁石をｑ軸に対して斜めに配置したが、永久磁石の磁極がｑ軸と直行する方向に向くように永久磁石を配置してもよい。さらに、第１のバイパス路ＢＰ１に配置される第１の永久磁石ＰＭ１と第２のバイパス路ＢＰ２に配置される第２の永久磁石ＰＭ２とをクロスポール状に配置してもよい。また、各フラックスバリア（ＦＢ１〜ＦＢ３）は、少なくともステータ１０との対向面近傍のフラックスバリア（ＦＢ１〜ＦＢ３）の幅をＬａ、隣り合うステータティース１２間の幅（特にロータ２０との対向面側）をＬｂとしたとき、Ｌａ＜Ｌｂとなるよう設定するとよい。このようにすれば、無負荷時あるいは弱め界磁を行う場合、永久磁石（ＰＭ１、ＰＭ２）の磁束がステータ１０に鎖交するよりもロータ２０内で短絡しやすくなり、電機子鎖交磁束を低減することができる。また、本実施例では、ｄ軸電流（ｉｄ）の電流位相角を進角させて強め界磁を行っているが、弱め界磁を行ってもよい。また、進角には、電流位相角を進める場合だけでなく、後退させる場合も含む。

１回転電機
１０ステータ
１４電機子コイル
２０ロータ
２１ロータコア
２２突極
ＢＰ１第１のバイパス路
ＢＰ２第２のバイパス路
ＢＰ３第３のバイパス路
ＦＢ１第１のフラックスバリア
ＦＢ２第２のフラックスバリア
ＦＢ３第３のフラックスバリア
ＰＭ１第１の永久磁石（永久磁石）
ＰＭ２第２の永久磁石（永久磁石）

Claims

電機子コイルを有するステータと、ロータコアおよび永久磁石を有するロータと、を備える回転電機であって、
前記ロータコアの隣り合う突極の間に、前記ロータの前記ステータとの対向面における一方の突極の近傍からｑ軸を跨いで他方の突極の近傍に向かって延伸する第１のバイパス路が設けられ、
前記第１のバイパス路に、前記第１のバイパス路の延伸方向に磁極を向くように前記永久磁石としての第１の永久磁石が配置され、
前記ロータコアと前記第１のバイパス路との間に、前記第１のバイパス路に沿うように第１のフラックスバリアが設けられていることを特徴とする回転電機。
前記電機子コイルは、磁石磁束に重畳する逆相３倍調波との合成磁束が正弦波となるような電機子磁束を、負荷時に発生することを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
前記第１のバイパス路に沿って、前記ロータの前記ステータとの対向面における一方の突極の近傍からｑ軸を跨いで他方の突極の近傍に向かって延伸する第２のバイパス路が設けられ、
前記第２のバイパス路に、前記第２のバイパス路の延伸方向に磁極を向くように前記永久磁石としての第２の永久磁石が配置され、
前記第１のバイパス路と前記第２のバイパス路との間に、第２のフラックスバリアが設けられてい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。
前記第１のバイパス路と前記第２のバイパス路との間に、前記ロータの前記ステータとの対向面における一方の突極の近傍からｑ軸を跨いで他方の突極の近傍に向かって延伸する第３のバイパス路が設けられ、
前記第１のバイパス路と前記第２のバイパス路との間に、第３のフラックスバリアが設けられ、
前記第３のバイパス路は、前記第２のフラックスバリアと前記第３のフラックスバリアとの間に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の回転電機。
前記永久磁石はｑ軸の近傍に配置されていることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか１項に記載の回転電機。
前記突極の幅が前記永久磁石の磁極幅よりも大きいことを特徴とする請求項１から請求項５の何れか１項に記載の回転電機。