JP2019080375A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータの回転速度が低い領域においても高いトルクを出力することができる回転電機を提供すること。【解決手段】電機子コイル１１を有するステータ１０とロータ２０とを備えた回転電機１であって、ロータ２０は、周方向に所定の間隔で突極部２２が複数形成されたロータコア２１と、ステー１０側で発生した高調波磁束が鎖交することにより誘導電流を発生させるロータコイル２３と、ロータコイル２３に流れる誘導電流を整流するダイオードとを有し、突極部２２は、永久磁石３０が設けられた第１の突極部３１と、ロータコイル２３が巻かれた第２の突極部３２とを有する。【選択図】図２

Description

本発明は、回転電機に関する。

特許文献１には、ロータがステータの内側に同心配置された回転電機において、ステータにおいて生成される空間高調波を含む回転磁界による誘導起電力によって、ダイオードにより方向を規制された誘導電流がロータ巻線に流れることにより、ロータの突極が磁化する回転電機が開示されている。

特開２０１２−１９６０９５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の回転電機にあっては、ロータの回転速度が低い領域では磁束の時間変化が小さいためロータ巻線に発生する誘導起電力が小さくなる。このため、ロータの回転速度が低い領域においては、ダイオードにより整流されてロータ巻線に流れる界磁電流も小さくなってしまう。したがって、特許文献１に記載の回転電機では、ロータの回転速度が低い領域において高いトルクを出力することができない。

本発明は、上述のような事情に鑑みてなされたもので、ロータの回転速度が低い領域においても高いトルクを出力す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、通電により電機子磁束を発生させる電機子コイルを有するステータと、前記ステータに対して相対回転可能なロータと、を備えた回転電機であって、前記ロータは、周方向に所定の間隔で突極部が複数形成されたロータコアと、前記ステータ側で発生した高調波磁束が鎖交することにより誘導電流を発生させるロータコイルと、前記ロータコイルに流れる誘導電流を整流する整流素子と、を有し、前記突極部は、永久磁石が設けられた第１の突極部と、前記ロータコイルが巻かれた第２の突極部と、を有する。

本発明によれば、ロータの回転速度が低い領域においても高いトルクを出力す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、本発明の一実施例に係る回転電機の斜視図である。 図２は、本発明の一実施例に係る回転電機の分解斜視図である。 図３は、本発明の一実施例に係る回転電機のステータの分解斜視図である。 図４は、本発明の一実施例に係る回転電機のステータの組立の手順を示す斜視図である。 図５は、本発明の一実施例に係る回転電機のステータにおけるステータコアと保持部材の組付状態を示す断面図である。 図６は、本発明の一実施例に係る回転電機の第２のロータの分解斜視図である。 図７は、本発明の一実施例に係る回転電機の整流回路の結線図である。 図８は、本発明の一実施例に係る回転電機の模式図である。 図９は、本発明の一実施例に係る回転電機における第１のロータ及び第２のロータを示す斜視図である。 図１０（ａ）は、本発明の一実施例に係る回転電機におけるｄ軸等価回路を示し、図１０（ｂ）は、本発明の一実施例に係る回転電機におけるｑ軸等価回路を示す。 図１１は、第１のロータ及び第２のロータの第１の配置を示す図である。 図１２は、第１のロータ及び第２のロータの第１の配置における磁束密度を示す図である。 図１３は、第１のロータ及び第２のロータの第２の配置を示す図である。 図１４は、第１のロータ及び第２のロータの第２の配置における磁束密度を示す図である。 図１５は、トルクについて第１の配置と第２の配置とを比較したグラフである。 図１６（ａ）は、第２の突極部を弱め界磁タイプとした場合の磁束の経路を示す図であり、図１６（ｂ）は、第２の突極部を強め界磁タイプとした場合の磁束の経路を示す図である。 図１７は、弱め界磁タイプにおける磁束密度を示す図である。 図１８は、強め界磁タイプにおける磁束密度を示す図である。 図１９は、ロータコイルの巻線を開放した場合の磁束密度を示す図である。 図２０は、電流位相とトルクとの関係について弱め界磁タイプと強め界磁タイプとを比較したグラフである。 図２１は、電機子起磁力とトルクとの関係について弱め界磁タイプと強め界磁タイプとを比較したグラフである。 図２２は、ロータの回転速度とトルクとの関係について弱め界磁タイプと強め界磁タイプとを比較したグラフである。 図２３は、ロータの回転速度と線間電圧との関係について弱め界磁タイプと強め界磁タイプとを比較したグラフである 図２４（ａ）は、弱め界磁タイプにおけるｄ軸及びｑ軸を基準とするベクトル図であり、図２４（ｂ）は、強め界磁タイプにおけるｄ軸及びｑ軸を基準とするベクトル図であり、図２４（ｃ）は、強め界磁タイプにおいて電機子電流ベクトルのベクトルノルムを下げた場合のｄ軸及びｑ軸を基準とするベクトル図である。 図２５は、本実施例のロータの変形例を示す斜視図である。 図２６は、本実施例のロータの変形例を示す模式図である。

本発明の一実施の形態に係る回転電機は、通電により電機子磁束を発生させる電機子コイルを有するステータと、ステータに対して相対回転可能なロータと、を備えた回転電機であって、ロータは、周方向に所定の間隔で突極部が複数形成されたロータコアと、ステータ側で発生した高調波磁束が鎖交することにより誘導電流を発生させるロータコイルと、ロータコイルに流れる誘導電流を整流する整流素子と、を有し、突極部は、永久磁石が設けられた第１の突極部と、ロータコイルが巻かれた第２の突極部と、を有す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、ロータの回転速度が低い領域においても高いトルクを出力することができる。

図１から図２４を参照して、本発明の一実施例に係る回転電機について説明する。

図１及び図２に示すように、回転電機１は、通電により電機子磁束を発生させる電機子コイル１１を有するステータ１０と、ステータ１０に対して相対回転可能なロータ２０と、を備えている。

回転電機１は、ロータ２０の図示しない回転軸の軸方向にステータ１０とロータ２０とが対向し、ステータ１０とロータ２０との間に軸方向に隙間を有するアキシャルギャップ型の回転電機である。回転電機１は、以下に説明するように、外部からロータ２０にエネルギ入力する必要のない自励式巻線界磁形の回転電機である。

（ステータ）
ステータ１０は、周方向に所定の間隔をおいて複数配置されたステータコア１２と、ステータコア１２に巻かれる電機子コイル１１と、ステータコア１２を保持する保持部材１３とを有する。複数のステータコア１２は、周方向に隣り合うステータコア１２同士が別体に構成されている。周方向とは、ロータ２０の図示しない回転軸を中心とする円周方向を示す。本実施例では、各ステータコア１２を別体で構成したが、各ステータコア１２が互いに磁気的に分離されている構造であれば別体でなくともよい。

ステータコア１２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。各ステータコア１２には、Ｗ相、Ｖ相、Ｕ相の各電機子コイル１１がそれぞれ集中巻きされている。ステータコア１２には、絶縁性を高めるために粉状の樹脂等が吹き付けられる粉体塗装が施されている。

本実施例のステータ１０は、上述したように各ステータコア１２を別体で構成し、非磁性体からなる後述する保持部材１３で各ステータコア１２を保持することにより、各ステータコア１２を磁気的に分離している。このため、磁性体のバックヨークを有する場合と比べて、各ステータコア１２に鎖交した第２次空間高調波がバックヨークを介して他のステータコア１２に回り込むことが抑制されるため、各ステータコア１２に鎖交した第２次空間高調波を後述する第２の突極部３２に効率よく鎖交させることができる。また、電機子コイル１１が集中巻きされていることにより、ステータコア１２のロータ２０に対向する両面に不可避に発生する第２次空間高調波を第２の突極部３２に効率よく鎖交させることができる。なお、ステータコア１２の製造を容易とするため、バックヨークを磁性体により形成してもよい。

図３に示すように、ステータコア１２は、分割コア１２Ａ及び分割コア１２Ｂを有し、分割コア１２Ａと分割コア１２Ｂとが軸方向に分割された構造である。

ステータ１０は、ステンレス等の非磁性体によって形成された環状の保持部材１３を有している。保持部材１３は、電機子コイル１１が設けられたステータコア１２を保持するものである。保持部材１３には、周方向に所定の間隔をおいて各ステータコア１２が嵌る保持孔１３ａが複数形成されている。保持部材１３は、外周側において図示しないモータケースに取り付けられるようになっている。

図４を参照して、上述のように構成されたステータ１０の組立手順について説明する。

図４に示すように、電機子コイル１１は、予めα巻きされた状態で、ステータコア１２に組み付ける際の形状に成形されている。α巻きとは、巻線の巻始めと巻終りを外側に向かって同時に巻く方法である。

このようにα巻きされた電機子コイル１１は、巻線の巻始め側の端部が内部に取り残されないので占積率が向上し、巻線の両端部が電機子コイル１１の外部に配置されるので結線を容易に行うことができる。

また、電機子コイル１１には、保持部材１３が配置されるスペースとして軸方向に所定の間隔を有する隙間１１ａが形成されている。

電機子コイル１１は、保持部材１３に対して径方向の外方側から内方側に向かって隙間１１ａが保持部材１３に差し込まれることにより、保持部材１３に組み付けられる。このとき、電機子コイル１１は、巻線により囲まれる内側の空間と保持部材１３の保持孔１３ａとが軸方向に重なるように配置される。

径方向とは、上述の軸方向と直交する方向を示す。径方向の外方側とは、径方向においてロータ２０の図示しない回転軸から遠い側を示し、径方向の内方側とは、径方向においてロータ２０の図示しない回転軸に近い側を示す。

電機子コイル１１が保持部材１３に組み付けられた状態において、分割コア１２Ａと分割コア１２Ｂとが軸方向において電機子コイル１１を挟み込むようにして保持部材１３に組み付けられる。

このように組み立てられたステータ１０は、電機子コイル１１と分割コア１２Ａと分割コア１２Ｂとを保持部材１３に組み付けた状態において、樹脂等によりポッティングされるのが好ましい。これにより、ステータ１０の電磁振動が抑えられたり、冷却のための熱伝導率が向上したりする。

本実施例では、ステータコア１２に粉体塗装を施すことによりステータコア１２の絶縁性を高めたが、これに限らず、例えば絶縁性樹脂等の非磁性材料により成形されたインシュレータを介して電機子コイル１１をステータコア１２に組み付けることによってステータコア１２の絶縁性を高めてもよい。

図５は、上述のようにして組み立てられたステータ１０において、ステータコア１２と保持部材１３との組付状態を示す断面図である。

図５に示すように、分割コア１２Ａ及び分割コア１２Ｂは、軸方向の一方側の端部に、外方に突出したフランジ部１２ａが形成されている。これにより、電機子コイル１１が軸方向に移動してステータコア１２から外れてしまうことが防止される。

このように構成されたステータ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及び図２に示すように、ロータ２０は、第１のロータ２０Ａと、第２のロータ２０Ｂとを備えている。

第１のロータ２０Ａは、軸方向において所定の隙間を介してステータ１０に対面するように図示しない回転軸に一体回転可能に取り付けられている。第２のロータ２０Ｂは、軸方向において第１のロータ２０Ａと反対側でステータ１０に対面するように図示しない回転軸に一体回転可能に取り付けられている。

このように、本実施例のロータ２０は、ステータ１０を軸方向の両側から第１のロータ２０Ａと第２のロータ２０Ｂとによって挟み込む構成のロータである。第１のロータ２０Ａと第２のロータ２０Ｂとは、同一の構成を有する。したがって、以下においては、第１のロータ２０Ａ及び第２のロータ２０Ｂの構成について、第２のロータ２０Ｂを例に説明する。

図２及び図６に示すように、第２のロータ２０Ｂは、環状のロータコア２１と、ロータコイル２３と、整流回路２４（図７参照）とを含んで構成されている。

ロータコア２１には、周方向に所定の間隔で突極部２２が複数形成されている。ロータコア２１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。

突極部２２は、永久磁石３０が設けられた第１の突極部３１と、ロータコイル２３が巻かれた第２の突極部３２とを有している。第１の突極部３１と第２の突極部３２とは、周方向に交互に配置されている。

第１の突極部３１には、軸方向において第２の突極部３２が突出する方向と同一の方向に突出した一対のリブ３１ａが形成されている。永久磁石３０は、第１の突極部３１の一対のリブ３１ａの間に嵌め込まれた状態で接着剤により接着される。永久磁石３０を第１の突極部３１に接着剤としては、例えばシリコン系接着剤、アクリル系接着剤及びエポキシ系接着剤等を用いることができる。ただし、本実施例で挙げた接着剤は、一例であってこれに限定されるものではない。

一対のリブ３１ａは、永久磁石３０の周方向への移動を規制する機能を有する。また、一対のリブ３１ａは、永久磁石３０が接着剤により第１の突極部３１に接着されるまで永久磁石３０を位置決めした状態で保持する機能を兼ねる。これにより、永久磁石３０の接着工程において永久磁石３０を第１の突極部３１に位置決めするための専用の治具が不要となる。このため、接着工程の作業性が向上し、製造コストが抑制される。

第２の突極部３２は、ロータコア２１のステータ１０に対向する面２１ａからステータ１０側に向かって軸方向に突出するよう形成されている。周方向に隣り合う第２の突極部３２と第１の突極部３１との間には、ロータスロット３４が形成されている。ロータスロット３４には、第２の突極部３２に巻かれたロータコイル２３が配置される。

ロータコイル２３は、ステータ１０側で発生した磁束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、ロータコイル２３は、誘導コイル２３ａと、界磁コイル２３ｂとを有する。

誘導コイル２３ａは、軸方向においてステータ１０側に配置され、ステータ１０側で発生した磁束に重畳された空間高調波成分（以下、「空間高調波磁束」という）が鎖交することにより誘導電流を発生するようになっている。誘導コイル２３ａは、後述する整流素子を介して界磁コイル２３ｂに接続されている。

上述したように、ステータ１０で発生する磁束には、ロータ２０を回転させる回転磁界の基本波成分の磁束（以下、「主磁束」という）と、その基本波成分に対して同期していない空間高調波磁束が含まれる。

界磁コイル２３ｂは、誘導コイル２３ａにおいて発生した交流の誘導電流が整流回路２４（図７参照）によって整流されて直流電流として供給されることにより第２の突極部３２を界磁することができる。

整流回路２４は、ロータコイル２３に流れる誘導電流を整流する回路であり、具体的には誘導コイル２３ａにおいて発生した交流の誘導電流を整流して界磁コイル２３ｂに供給する回路である。

図７に示すように、整流回路２４は、２つのダイオードＤ１，Ｄ２を整流素子として備えている。整流回路２４は、図８に示すように、ダイオードＤ１，Ｄ２と、第１のロータ２０Ａの第２の突極部３２に巻かれた誘導コイル２３ａ及び界磁コイル２３ｂと、第２のロータ２０Ｂの第２の突極部３２に巻かれた誘導コイル２３ａ及び界磁コイル２３ｂとを結線した閉回路として構成されている。

整流回路２４は、周方向に１つの突極部分ずれた位置において対向する第１のロータ２０Ａの第２の突極部３２と第２のロータ２０Ｂの第２の突極部３２とのそれぞれに巻かれた２つの誘導コイル２３ａ及び２つの界磁コイル２３ｂを１組として、当該１組ごとにそれぞれ設けられる。したがって、回転電機１は、ロータ２０の極対数に応じた数の整流回路２４を備える。

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。

整流回路２４は、ダイオードＤ１，Ｄ２が１８０度位相差になるように結線されることにより、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として形成される。

整流回路２４において、誘導コイル２３ａ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、界磁電流として界磁コイル２３ｂに供給される。これにより、界磁コイル２３ｂは、磁界を発生させて第２の突極部３２を界磁することができる。

界磁コイル２３ｂは、第１のロータ２０Ａ及び第２のロータ２０Ｂのいずれにおいても、第２の突極部３２に対してＳ極の磁極が形成される向きに巻かれている。

ここで、上述の交流の誘導電流は、ステータ１０側で発生した磁束に重畳された空間高調波磁束が誘導コイル２３ａに鎖交することにより発生する。その空間高調波磁束は、集中巻きタイプのステータ１０に対して突極部２２を有するロータ２０が回転したときにステータ１０とロータ２０との間のギャップにおける磁気抵抗が変動することにより発生する。

こうした空間高調波磁束は、ステータ１０上の静止座標系では第２次空間高調波磁束と称される。また、第２次空間高調波磁束は、基本波回転磁界に対して逆相の２倍調波で回転するため、回転座標系つまり基本波回転磁界に同期回転する回転電機１のロータ２０上から観測すると第３次空間高調波磁束と称される。

本実施例においては、ステータ１０のスロット数が「１８」でロータ２０の突極数が「１２」、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」と設定しているため、突極部２２のパーミアンス分布が３倍調波で脈動することから第３次空間高調波成分の磁気結合係数が最大となり、第３次空間高調波成分が突極部２２に鎖交しやすくなる。

具体的には、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」の場合には、正方向のｄ軸インダクタンスと負方向のｄ軸インダクタンスとが対称にならずにそれぞれ振幅が異なるため、ロータ２０の回転に伴ってｄ軸インダクタンスのオフセット量が変化する。これにより、ステータ１０上の静止座標系では第２次空間高調波磁束が生じ、ロータ２０上の回転座標系では第３次空間高調波磁束が生ずる。

この第３次空間高調波磁束は、ロータ２０を回転させる回転磁界の基本波成分に対して同期していないため、誘導コイル２２に鎖交して交流の誘導電流を誘起させる。

（ロータコアの表面構造）
図２に示すように、ロータコア２１において突極部２２が形成されていない面２１ｂには、軸方向においてステータ１０側と反対側に隆起した隆起部４０が形成されている。隆起部４０は、ロータコア２１の周方向に所定の間隔をおいて複数形成されている。

隆起部４０は、上面部４０ａが平面状に形成されており、その上面部４０ａに後述する整流回路２４のダイオードＤ１，Ｄ２が収納された図示しないダイオードケースを取り付ける際の位置決め用の孔４０ｂが形成されている。ダイオードケースは、例えば環状に形成されており、ロータコア２１に対向する面に形成された複数の突起が前述の孔４０ｂに嵌ることによりロータコア２１に対して位置決めされる。上面部４０ａの外縁は、テーパ状に形成されている。

本実施例のロータ２０は、ロータコア２１が複数の隆起部４０を有することによりロータコア２１の面２１ｂに凹凸を形成してロータコア２１の表面積を増加させている。このため、扁平なロータコア２１の剛性を高めることができる。これにより、ロータ２０の回転時にロータコア２１の固有振動として発生する面振動を抑制することができる。

これに対して、ロータコアに隆起部が形成されていないロータにあっては、扁平なロータコアの剛性が低いため、ロータの回転時にロータコアの固有振動として発生する面振動を抑制することができない。

（コンシクエントポール構造）
図９に示すように、本実施例の第１のロータ２０Ａ及び第２のロータ２０Ｂはいずれも、永久磁石３０が設けられた第１の突極部３１と、永久磁石が設けられていない第２の突極部３２とが周方向に交互に配置され、永久磁石が設けられていない第２の突極部３２に誘導コイル２３ａ及び界磁コイル２３ｂが巻かれた構造である。

ここで、ロータの構造として、永久磁石が設けられた突極部と、永久磁石が設けられていない磁性体からなる突極部（以下、この突極部を「イメージポール」という）とが周方向に交互に配置された、コンシクエントポール構造がある。このコンシクエントポール構造を採用すると、永久磁石の磁束がイメージポールに鎖交することでイメージポールが磁化されるため、イメージポールは、永久磁石が設けられた突極部の極性と反対の極性を持つ磁極として機能する。

コンシクエントポール構造のロータは、永久磁石の使用量を半減できるという利点を有する一方で、次のような課題を有する。すなわち、コンシクエントポール構造のロータにおいては、永久磁石が設けられた突極部における磁気抵抗よりもイメージポールにおける磁気抵抗が高いため、永久磁石が設けられた突極部とステータとの間のギャップ磁束に比べてイメージポールとステータとの間のギャップ磁束が小さくなってしまう。これにより、トルク脈動が大きくなってしまうという課題がある。

本実施例の第１のロータ２０Ａ及び第２のロータ２０Ｂはいずれも、永久磁石が設けられていない第２の突極部３２に誘導コイル２３ａ及び界磁コイル２３ｂを設けることによって第２の突極部３２における磁気抵抗を可変とすることができる。

具体的には、第２の突極部３２における磁気抵抗は、誘導コイル２３ａに生ずる誘導起電力の大きさによって変化する。誘導コイル２３ａに生ずる誘導起電力は、誘導コイル２３ａに鎖交する第２次空間高調波磁束の大きさに応じて変化する。第２次空間高調波磁束は、電機子電流、電流位相、又はロータ２０の回転速度に応じて変化する。

このため、第２の突極部３２における磁気抵抗は、電機子電流、電流位相、及びロータ２０の回転速度によって可変となる。したがって、本実施例の第２の突極部３２は、電機子電流、電流位相、又はロータ２０の回転速度に応じて磁気抵抗が変化する図１０（ｂ）のｑ軸等価回路に示すように可変界磁極としての機能を有する。図１０（ａ）は、ｄ軸等価回路である。図１０（ａ）及び図１０（ｂ）において、Ｖｄは電機子電圧のｄ軸成分、Ｖｑは電機子電圧のｑ軸成分、ｉｄは電機子電流のｄ軸成分、ｉｑは電機子電流のｑ軸成分、Ｒａは巻線抵抗、Ｒｃは鉄損抵抗、ωは角速度、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、Ψｍは永久磁石磁束をそれぞれ示している。

本実施例では、後述するように第２の突極部３２における界磁タイプとして強め界磁タイプを採用している。このため、本実施例においては、電機子電流、電流位相、又はロータ２０の回転速度に応じて誘導コイル２３ａに生ずる誘導起電力を大きくすることにより第２の突極部３２における磁気抵抗を低下させることができる。この結果、本実施例では、第２の突極部３２とステータ１０との間のギャップ磁束を大きくすることができ、第１の突極部３１とステータ１０との間のギャップ磁束と、第２の突極部３２とステータ１０との間のギャップ磁束との大きさの違いに起因したトルク脈動を抑制することができる。

（第１のロータ及び第２のロータの配置）
本実施例におけるロータ２０は、第１のロータ２０Ａと第２のロータ２０Ｂとによりステータ１０を挟み込む構成のダブルロータである。こうした構成のダブルロータにおいては、第１のロータ２０Ａ及び第２のロータ２０Ｂの配置として例えば次の２通りが考えられる。

第１の配置は、図１１に示すように、永久磁石３０が設けられた第１の突極部３１を互いに対向させる配置である。図１１に示す第１の配置においては、第１のロータ２０Ａの永久磁石３０と第２のロータ２０Ｂの永久磁石３０とで逆極性が対向するように配置している。

第２の配置は、図１３に示すように、第１のロータ２０Ａと第２のロータ２０Ｂとで永久磁石３０が設けられた第１の突極部３１を周方向に１突極分ずらした配置、すなわち第１のロータ２０Ａと第２のロータ２０Ｂとで互いの第１の突極部３１と第２の突極部３２とを軸方向に対向させる配置である。図１３に示す第２の配置においては、第１のロータ２０Ａの永久磁石３０と第２のロータ２０Ｂの永久磁石３０とでステータ１０に対向する極性が同一となるように永久磁石３０を配置している。

図１２及び図１４を参照して、第１の配置の磁束密度と第２の配置の磁束密度とを比較する。

図１２は、第１のロータ２０Ａ及び第２のロータ２０Ｂの配置を第１の配置とした場合において、第１のロータ２０Ａの第２の突極部３２及び第２のロータ２０Ｂの第２の突極部３２のいずれにおいても永久磁石３０の磁束である永久磁石磁束（図１１中、矢印Ｆｐｍで表す）を弱める向きにロータコイル２３が巻かれている例における磁束密度（Magnetic flux density）を示す図である。図１２に示す第１の配置の例においては、永久磁石磁束Ｆｐｍの向きと自己励磁によって発生する界磁磁束（図１１中、矢印Ｆｅｍで表す）の向きとが対向している。

図１４は、第１のロータ２０Ａ及び第２のロータ２０Ｂの配置を第２の配置とした場合において、第１のロータ２０Ａの第２の突極部３２及び第２のロータ２０Ｂの第２の突極部３２のいずれにおいても永久磁石３０の永久磁石磁束（図１３中、矢印Ｆｐｍで表す）を弱める向きにロータコイル２３が巻かれている例における磁束密度（Magnetic flux density）を示す図である。図１４に示す第２の配置の例においては、永久磁石磁束Ｆｐｍの向きと自己励磁によって発生する界磁磁束（図１３中、矢印Ｆｅｍで表す）の向きとが対向している。

図１２に示すように、第１の配置では、ロータ２０の周方向において第１の突極部３１同士が対向する位置と第２の突極部３２同士が対向する位置とで磁束密度が大きく異なり、かつ第１のロータ２０Ａと第２のロータ２０Ｂとで対向する突極部における磁束密度が略同じである。

このため、図１５に示すように、第１の配置では、第１のロータ２０Ａと第２のロータ２０Ｂとにおいていずれか一方のトルクが最大となるときにいずれか他方のトルクも最大となる。この結果、第１の配置では、第１のロータ２０Ａのトルクと第２のロータ２０Ｂのトルクとを総合した総合トルクの最大値を増大できる反面、トルク脈動が大きくなってしまう。

これに対して、第２の配置では、第１の突極部３１が周方向に１突極分ずらして配置されているため、第１のロータ２０Ａと第２のロータ２０Ｂとにおいて互いに対向する位置の突極部同士で磁束密度が異なる。具体的には、第１のロータ２０Ａと第２のロータ２０Ｂとで対向する突極部のうち、一方の突極部の磁束密度が高いときには対向する他方の突極部の磁束密度が低い。図１４においては、磁束密度の高い第１のロータ２０Ａの第２の突極部３２に対向する第２のロータ２０Ｂの第１の突極部３１の磁束密度は低い。

このため、図１５に示すように、第２の配置では、第１のロータ２０Ａと第２のロータ２０Ｂとにおいていずれか一方のトルクが最大となるときにいずれか他方のトルクが最小となる。この結果、第２の配置では、第１の配置と比較して第１のロータ２０Ａのトルクと第２のロータ２０Ｂのトルクとを総合した総合トルクの最大値は小さくなるが、第１の配置と比べてトルク脈動は小さくなる。

このように、第１のロータ２０Ａと第２のロータ２０Ｂとを第２の配置となるよう配置すれば、トルク脈動を大きく低減させることが可能となる。本実施例においては、第１のロータ２０Ａと第２のロータ２０Ｂとの配置として、トルク脈動を大きく低減できる第２の配置を採用している。

（界磁タイプ）
次に、図１６から図２４を参照して、可変界磁極として機能する第２の突極部３２における界磁タイプについて説明する。この界磁タイプは、上述した第１の配置にも同様に適用される。

第２の突極部３２の界磁タイプとしては、図１６（ａ）に示すような弱め界磁タイプと、図１６（ｂ）に示すような強め界磁タイプとがある。図１６（ａ）及び図１６（ｂ）では、第１の突極部３１の極性がＮ極となるよう永久磁石３０が配置されているが、第１の突極部３１の極性がＳ極となるよう永久磁石３０を配置してもよい。

弱め界磁タイプでは、第２の突極部３２に対して永久磁石３０の永久磁石磁束を弱める方向に界磁磁束が発生するようにロータコイル２３が巻かれている。図１６（ａ）においては、第１のロータ２０Ａの第２の突極部３２及び第２のロータ２０Ｂの第２の突極部３２のいずれも、永久磁石磁束（図１６（ａ）中、矢印Ｆｐｍで表す）に対して反対方向の界磁磁束（図１６（ａ）中、矢印Ｆｅｍで表す）が発生するようにロータコイル２３が巻かれている。

このため、弱め界磁タイプにおいては、永久磁石磁束Ｆｐｍの向きと自己励磁によって発生する界磁磁束Ｆｅｍの向きとが対向することとなる。これにより、弱め界磁タイプにおいては、第２の突極部３２における磁気抵抗が高くなるため、図１７に示すように第２の突極部３２における磁束密度が低く、ステータ１０から第２の突極部３２に鎖交した磁束が周方向に隣り合う第１の突極部３１に導かれ難くなっている。この結果、弱め界磁タイプでは、図２０に示すようにロータ２０のトルクの最大値が小さくなる。

これに対して、強め界磁タイプでは、第２の突極部３２に対して永久磁石３０の永久磁石磁束を強める方向に界磁磁束が発生するようにロータコイル２３が巻かれている。図１６（ｂ）においては、第１のロータ２０Ａの第２の突極部３２及び第２のロータ２０Ｂの第２の突極部３２のいずれも、永久磁石磁束（図１６（ｂ）中、矢印Ｆｐｍで表す）に対して同一の方向の界磁磁束（図１６（ｂ）中、矢印Ｆｅｍで表す）が発生するようにロータコイル２３が巻かれている。

このため、強め界磁タイプにおいては、永久磁石磁束Ｆｐｍの向きと界磁磁束Ｆｅｍの向きとが同一の方向となる。これにより、強め界磁タイプにおいては、第２の突極部３２における磁気抵抗が低くなるため、図１８に示すように第２の突極部３２における磁束密度が高く、ステータ１０から第２の突極部３２に鎖交した磁束が周方向に隣り合う第１の突極部３１に導かれ易くなっている。この結果、強め界磁タイプでは、図２０に示すようにロータ２０のトルクの最大値が大きくなる。

図１９は、参考用としてロータコイル２３の巻線を開放した場合の磁束密度を示している。図１９に示す参考用において、第２の突極部３２における磁束密度は、弱め界磁タイプよりも高いが、強め界磁タイプよりも低くなる。したがって、図１９に示す参考用では、図２０に示すようにロータ２０のトルクの最大値も弱め界磁タイプよりも大きいが、強め界磁タイプよりも小さくなる。

図２１は、ｄ軸電流が０（ｉｄ＝０）に制御されているときの電機子起磁力とトルクとの関係について、弱め界磁タイプと強め界磁タイプとを比較したグラフである。電機子起磁力は、コイルの巻き数と電機子電流との積により求められる。

図２１に示すように、弱め界磁タイプ及び強め界磁タイプは、いずれも電機子起磁力が大きくなるほどトルクが高くなる特性を有する。また、強め界磁タイプは、弱め界磁タイプに比べて、電機子起磁力ごとのトルクが高く、かつトルクの上昇率が大きい。

図２２は、最大トルク制御（ＭＴＰＡ：Maximum Torque Per Ampere）のもとでのロータ２０の回転速度とトルクとの関係について、弱め界磁タイプと強め界磁タイプとを比較したグラフである。最大トルク制御とは、リラクタンストルクを有効利用して電流に対する発生トルクが最大となるように電流ベクトルを制御するものである。

図２２に示すように、弱め界磁タイプは、所定の回転速度（図２２に示す例では１０００［ｒ／ｍｉｎ］程度）までは回転速度が高くなるにしたがいトルクが低下する。また、所定の回転速度以降は、自己励磁によって得られるエネルギが限界を迎えるため、回転速度が高くなってもそれ以上、トルクが低下しなくなる。

これに対して、強め界磁タイプは、所定の回転速度（図２２に示す例では２０００［ｒ／ｍｉｎ］程度）までは回転速度が高くなるにしたがいトルクが上昇する。また、所定の回転速度以降は、自己励磁によって得られるエネルギが限界を迎えるため、回転速度が高くなってもそれ以上、トルクが上昇しなくなる。

図２３は、最大トルク制御のもとでのロータ２０の回転速度と線間電圧との関係について、弱め界磁タイプと強め界磁タイプとを比較したグラフである。

図２３に示すように、弱め界磁タイプ及び強め界磁タイプは、いずれも回転速度が高くなるほどトルクが高くなる特性を有する。また、強め界磁タイプは、弱め界磁タイプに比べて、回転速度ごとのトルクが高く、かつトルクの上昇率が大きい。

図２４は、弱め界磁タイプ及び強め界磁タイプのそれぞれについて、ｄ軸及びｑ軸を基準とするベクトル図により示したものである。図２４（ａ）、図２４（ｂ）及び図２４（ｃ）の各図において、一点鎖線で示す各ベクトルは、ロータコイル２３の巻線を開放することにより界磁磁束ベクトルψｅ−ｃｏｉｌを０とした場合のものである。

図２４（ａ）に示すように、弱め界磁タイプでは、可変界磁極として機能する第２の突極部３２における永久磁石磁束ベクトルψｍに対して逆方向の界磁磁束ベクトルψｅ−ｃｏｉｌが形成されるため磁気抵抗が高くなる。

このため、弱め界磁タイプでは、図２４（ａ）中、一点鎖線で示す線間電圧ベクトルＶｓに比べて、図２４（ａ）中、実線で示すように線間電圧ベクトルＶｓを低下させることができる。

これに対して、強め界磁タイプでは、図２４（ｂ）に示すように、可変界磁極として機能する第２の突極部３２における永久磁石磁束ベクトルψｍに対して同方向の界磁磁束ベクトルψｅ−ｃｏｉｌが形成されるため磁気抵抗が低くなる。

このため、強め界磁タイプでは、図２４（ｂ）中、一点鎖線で示す線間電圧ベクトルＶｓに比べて、図２４（ｂ）中、実線で示すように線間電圧ベクトルＶｓを増加させることができる。

強め界磁タイプにおいて、線間電圧Ｖｓを抑制したい場合には、界磁磁束ベクトルψｅ−ｃｏｉｌが電機子起磁力に対して受動的に変化するため、図２４（ｃ）に示すように、電機子電流ベクトルＩａのベクトルノルムを図２４（ｃ）中、点線で示すように下げることにより強め界磁量を低減させることができる。

なお、ｄ軸インダクタンスＬｄがｑ軸インダクタンスＬｑより大きい（Ｌｄ＞Ｌｑ）関係にある順突極タイプの場合、電機子電圧のｑ軸成分ｖｑが電機子電圧のｄ軸成分ｖｄよりも大きくなり、ｑ軸を長軸の半径とするｄｑ軸電圧楕円となる。このため、順突極タイプの場合は、電機子電流ベクトルのベクトルノルムを下げて駆動する必要がある。

以上に説明した内容から、弱め界磁タイプと強め界磁タイプとを比較すると、強め界磁タイプを採用して電機子電流ベクトルのベクトルノルムにより線間電圧の動作点を調整するほうが、トルクの向上を図ることができ、また電機子銅損の低減によって効率を向上させることができる。

したがって、本実施例の回転電機１においては、図１６（ｂ）に示すように強め界磁タイプとなるようロータコイル２３の巻かれる方向を設定するのが好ましい。

以上のように、本実施例の回転電機１は、第１のロータ２０Ａ及び第２のロータ２０Ｂの第１の突極部３１に永久磁石３０が設けられているので、リラクタンストルクに加えて永久磁石３０によるマグネットトルクも得ることができる。このため、本実施例の回転電機１は、ロータ２０の回転速度が低い領域においても高いトルクを出力することができる。

本実施例の回転電機１は、第１のロータ２０Ａ及び第２のロータ２０Ｂにおいて永久磁石３０が設けられていない第２の突極部３２に巻かれたロータコイル２３に発生した誘導電流を整流回路２４のダイオードＤ１，Ｄ２により整流するので、ロータコイル２３によって第２の突極部３２が自己励磁されることから、第２の突極部３２を可変界磁極として機能させることができる。

また、第２の突極部３２を可変界磁極として機能させることができるので、電機子電流を調整して電機子起磁力を調整することによって空間高調波の量を変化させれば、回転電機１の出力範囲を変化させることができる。例えば、ロータ２０の回転速度が高い場合には、電機子起磁力を低下させて空間高調波を少なくすれば、回転電機１の出力範囲を拡大することができる。

本実施例の回転電機１は、第１のロータ２０Ａ及び第２のロータ２０Ｂのそれぞれにおける突極部を、永久磁石３０が設けられた第１の突極部３１と永久磁石３０が設けられていない第２の突極部３２とにより構成したので、ロータコイル２３が配置される範囲を第１の突極部３１に近接する位置まで拡大できる。このため、ロータコイル２３の巻き数を増やすことができ、誘導電流に基づき第２の突極部３２に作用する磁束量を増加させることができる。

さらに、本実施例の回転電機１は、第１のロータ２０Ａ及び第２のロータ２０Ｂにおける全ての突極部に永久磁石を配置していないため、突極部の全てに永久磁石を配置する構成のものと比較して突極比を大きくでき、リラクタンストルクを向上させることができる。また、永久磁石３０の量を減らすことができ、製造コストを低減することができる。

本実施例の回転電機１は、第１の突極部３１にロータコイル２３が巻かれないため、ロータコイル２３に誘導電流が流れた際に発生する熱が永久磁石３０に伝わり、当該永久磁石３０が減磁してしまうことを抑制することができる。

本実施例の回転電機１は、第１のロータ２０Ａ及び第２のロータ２０Ｂのそれぞれにおいて第１の突極部３１と第２の突極部３２とが周方向に交互に配置されているので、第１の突極部３１と第１の突極部３１との間に第２の突極部３２が配置されることとなる。これにより、周方向に並ぶ永久磁石３０同士の磁気的な干渉を低減することができる。

本実施例の回転電機１は、ロータ２０が第１のロータ２０Ａと第２のロータ２０Ｂとによりステータ１０を挟み込む構成のダブルロータであるため、トルク発生面を増やすことができ、トルク密度を高めることができる。これにより、本実施例の回転電機１は、モータ出力を向上させることができる。

本実施例の回転電機１において、第１のロータ２０Ａと第２のロータ２０Ｂとは互いの第１の突極部３１と第２の突極部３２とが軸方向に対向するように配置されている。これにより、第１のロータ２０Ａと第２のロータ２０Ｂとが電気角で１８０°ずれた状態で回転するため、第１のロータ２０Ａの回転により生ずる空間高調波に基づき発生する第１のロータ２０Ａのトルク脈動と、第２のロータ２０Ｂの回転により生ずる空間高調波に基づき発生する第２のロータ２０Ｂのトルク脈動とが互いに打ち消し合うように作用する。この結果、第１のロータ２０Ａのトルクと第２のロータ２０Ｂのトルクとを総合した総合トルクのトルク脈動を抑えることができる。

本実施例の回転電機１においては、誘導コイル２３ａと界磁コイル２３ｂとをそれぞれ別のコイルで構成したので、ロータコイル２３における誘導電流の誘導作用と界磁電流の界磁作用とを２つのコイルに分離することができる。これにより、２つの磁気的な誘導作用と界磁作用とが磁気的に干渉することによって誘導作用及び界磁作用の効率が低下することを抑制することができる。

本実施例の回転電機１は、ステータコア１２が非磁性体の保持部材１３に保持される構成のため、各ステータコア１２同士を磁気的に分離することができる。このため、１つのステータコア１２に生じた空間高調波が他のステータコア１２に漏れないため、ロータ２０の回転時に生ずる空間高調波を誘導コイル２３ａに鎖交させやすくすることができる。この結果、より効率的に空間高調波を利用することができる。

なお、本実施例においては、誘導コイル２３ａと界磁コイル２３ｂとをそれぞれ別のコイルで構成したが、これに限らず、誘導コイル２３ａと界磁コイル２３ｂとを１つのコイルで構成してもよい。この場合、誘導コイルと界磁コイルを兼用する１つのコイルと整流用の１つのダイオードとで閉回路を構成する。

また、本実施例においては、第１のロータ２０Ａと第２のロータ２０Ｂとの配置として第２の配置を採用しているが、第１のロータ２０Ａと第２のロータ２０Ｂとの配置として第１の配置を採用してもよい。

また、本実施例においては、第１のロータ２０Ａと第２のロータ２０Ｂとをいずれも永久磁石３０が設けられた第１の突極部３１とロータコイル２３が巻かれた第２の突極部３２とを周方向に交互に配置した構成としたが、これに限らず、図２５及び図２６に示すような構成としてもよい。

具体的には、図２５及び図２６に示すように、第１のロータ２０Ａの突極部の全てを永久磁石３０が設けられた第１の突極部３１とし、第２のロータ２０Ｂの突極部の全てをロータコイル２３が巻かれた第２の突極部３２としてもよい。

図２５及び図２６に示す変形例においては、周方向に隣り合う第２の突極部３２同士でロータコイル２３が巻かれる方向を逆向きとし、周方向に隣り合う第１の突極部３１同士で永久磁石３０の磁化方向を逆向きとする。

図２５及び図２６に示す変形例では、ロータコイル２３が巻かれた第２のロータ２０Ｂ側のトルクが、ロータコイル２３が巻かれていない第１のロータ２０Ａ側に比べて大きくなる。このため、例えば回転速度に応じて二つのロータで負荷が異なる場合などに適用できる。

回転電機１は、車載用の他、例えば風力発電用の発電機や工作機械用の電動機としても用いることができる。

また、本実施例では、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。また、本実施例では、回転電機１を三相モータで構成したが、四相モータ、五相モータ又は二相モータにより構成してもよい。

また、本実施例のステータ１０は、電機子コイルがステータコアに対して集中巻きによりトロイダル巻きされたステータよって構成してもよい。この場合、ステータ１０及びロータ２０においては、ステータ１０と軸方向に対面する一対のトルク発生面に加えて、ステータ１０と径方向外方で対面するトルク発生面を備えた構成とすることができる。これにより、トルク発生面を３面とすることができ、トルクをさらに向上させることができる。

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。

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 保持部材
２０ ロータ
２０Ａ 第１のロータ
２０Ｂ 第２のロータ
２１ ロータコア
２２ 突極部
２３ ロータコイル
２３ａ 誘導コイル
２３ｂ 界磁コイル
２４ 整流回路
３０ 永久磁石
３１ 第１の突極部
３２ 第２の突極部
Ｄ１，Ｄ２ ダイオード（整流素子）

Claims (7)

1. 通電により電機子磁束を発生させる電機子コイルを有するステータと、前記ステータに対して相対回転可能なロータと、を備えた回転電機であって、
   前記ロータは、
   周方向に所定の間隔で突極部が複数形成されたロータコアと、
   前記ステータ側で発生した高調波磁束が鎖交することにより誘導電流を発生させるロータコイルと、
   前記ロータコイルに流れる誘導電流を整流する整流素子と、を有し、
   前記突極部は、
   永久磁石が設けられた第１の突極部と、
   前記ロータコイルが巻かれた第２の突極部と、を有することを特徴とする回転電機。
2. 前記第１の突極部と前記第２の突極部とが周方向に交互に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. 前記ロータは、
   前記ロータの回転軸の軸方向において前記ステータに対面する第１のロータと、
   前記軸方向において前記第１のロータと反対側で前記ステータに対面する第２のロータと、を備え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. 前記第１のロータと前記第２のロータとは、互いの前記第１の突極部と前記第２の突極部とが前記軸方向に対向するように配置されていることを特徴とする請求項３に記載の回転電機。
5. 前記ロータコイルは、
   前記高調波磁束が鎖交することにより誘導電流を発生する誘導コイルと、
   前記誘導電流が前記整流素子によって整流されて供給されることにより前記突極部を界磁する界磁コイルと、を備えることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の回転電機。
6. 前記ステータは、前記電機子コイルが巻かれたステータコアを複数有し、
   前記複数のステータコアは、磁気的に分離されて保持されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の回転電機。
7. 前記第２の突極部に鎖交する前記永久磁石の磁束を強める方向に界磁するよう前記ロータコイルが前記第２の突極部に巻かれていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の回転電機。
   
   

Images