JP2019193353A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータのステータ対向面における磁気特性の低下を抑制しつつ、バイパス部材に流れる短絡磁束量を増加させることができる回転電機を提供すること。【解決手段】回転電機１において、ロータ２００は、永久磁石２８３を有し、ロータ２００の径方向におけるステータ１００との対向面に形成される複数の磁極部２５０と、複数の磁極部２５０のうち一の磁極部２５０と他の磁極部２５０との間で、ロータ２００の軸方向における端部側を通して磁束を通過させるバイパス路２６０と、を備える。複数の磁極部２５０は、それぞれ周方向に並び、かつ、周方向に隣り合う他の磁極部２５０と極性が異なるように配置されている。バイパス路２６０は、Ｎ極の磁極部２５０の軸方向端部側に配置される第１のバイパス部材２６１と、Ｓ極の磁極部２５０の軸方向端部側に配置され、第１のバイパス部材２６１に接続される第２のバイパス部材２６２とを有する。【選択図】図１

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る駆動モータは、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、車両の低速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。

車両の駆動モータとして、ＩＰＭモータ（Interior Permanent Magnet motor）や、ＳＰＭモータ(Surface Permanent Magnet motor)のように、永久磁石を備えるＰＭモータ(Permanent Magnet motor)を用いた場合、ロータが回転したとき、永久磁石の磁束が電機子コイルに鎖交することで電機子コイルに誘起電圧が発生する。

電機子コイルに発生する誘起電圧は、ロータの回転速度が高いほど大きくなる。この誘起電圧が電機子コイルに通電するインバータの電源電圧を超えると、インバータが故障するおそれがある。このため、駆動モータの誘起電圧がインバータの電源電圧を超えないよう、モータの回転速度を制限する必要がある。このため、永久磁石の磁束に起因する誘起電圧がモータの動作点を制約する要因の一つとなっている。

従来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１０３の漏れ磁束をバイパスさせるバイパス路１０６を設けることにより、モータ回転時に生じる誘起電圧を低減している。

特開２０１７−１７７８３号公報

ところで、特許文献１において、バイパス路１０６には永久磁石の漏れ磁束と電機子磁束の両方が流れるため、電機子コイルに通電する負荷時（特に高負荷時）にバイパス部材が磁気飽和してしまい、永久磁石の磁束を隣接する磁束に短絡させることができず、誘起電圧を低減できないという問題がある。このような問題に対し、バイパス路１０６における磁路の断面積を大きくして、バイパス路に流れる最大磁束量を増やす手法を用いることが考えられる。

しかしながら、この手法を特許文献１に適用した場合、ステータと対向するロータの対向面の磁気特性が変わり、モータ全体としての出力が低下してしまうおそれがある。具体的には、バイパス路１０６がｑ軸を跨いで配置されているため、バイパスの寸法を大きくするとｑ軸の磁気抵抗が低下して突極比が小さくなり、リラクタンストルクが低下してしまう。

さらに、バイパス路１０６が一つの永久磁石１０３のＮ極とＳ極との間で磁束が短絡することを防止するためのフラックスバリア１０４、１０５により形成されているため、バイパス路１０６の寸法を大きくすると、フラックスバリアが小さくなる、または、フラックスバリアの位置が変化して、一つの永久磁石のＮ極とＳ極との間で短絡する磁束量が増えて、マグネットトルクが低下してしまうおそれがある。

本発明は、上述のような事情に鑑みてなされたもので、ロータのステータ対向面における磁気特性の低下を抑制しつつ、バイパス部材に流れる短絡磁束量を増加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、電機子コイルを備えるステータと、前記ステータに対して相対的に回転可能なロータと、を有し、前記ロータは、永久磁石を有し、前記ロータの径方向における前記ステータとの対向面に形成される複数の磁極部と、複数の前記磁極部のうち一の前記磁極部と他の前記磁極部との間で、前記ロータの軸方向における端部側を通して磁束を通過させるバイパス路と、を有し、前記複数の磁極部は、それぞれ周方向に並び、かつ、周方向に隣り合う他の磁極部と極性が異なるように配置され、前記バイパス路は、第１の極性を有する前記磁極部の前記軸方向における端部側に配置される第１のバイパス部材と、第２の極性を有する前記磁極部の前記軸方向における端部側に配置される第２のバイパス部材と、を有し、前記第１のバイパス部材と前記第２のバイパス部材とが接続されていることを特徴とする。

本発明によれば、ロータのステータ対向面における磁気特性の低下を抑制しつつ、バイパス部材に流れる短絡磁束量を増加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、本発明の一実施例に係る回転電機の一部断面斜視図である。 図２は、本発明の一実施例に係る回転電機のロータの一部断面斜視図である。 図３は、本発明の一実施例に係る回転電機における誘導コイルおよび界磁コイルと整流回路との結線図である。 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ロータが有するアキシャルギャップロータの斜視図である。 図６は、本発明の一実施例に係る回転電機のロータが有するラジアルギャップロータの斜視図である。 図７は、本発明の一実施例に係る回転電機のロータが有するラジアルギャップロータのロータコアを示す斜視図である。 図８は、本発明の一実施例に係る回転電機のロータが有するラジアルギャップロータのバイパス路を示す斜視図である。 図９は、本発明の一実施例に係る回転電機の、ロータの極低速度回転時における持続密度分布および磁束ベクトルを示す模式図である。 図１０は、本発明の一実施例に係る回転電機の、ロータの中速度以上の回転時における持続密度分布および磁束ベクトルを示す模式図である。 図１１は、本発明の一実施例に係る回転電機の、ロータのバイパス路の変形例を示す一部断面斜視図である。

本発明の一実施の形態に係る回転電機は、電機子コイルを備えるステータと、ステータに対して相対的に回転可能なロータと、を有し、ロータは、永久磁石を有し、ロータの径方向におけるステータとの対向面に形成される複数の磁極部と、複数の磁極部のうち一の磁極部と他の磁極部との間で、ロータの軸方向における端部側を通して磁束を通過させるバイパス路と、を有し、複数の磁極部は、それぞれ周方向に並び、かつ、周方向に隣り合う他の磁極部と極性が異なるように配置され、バイパス路は、第１の極性を有する磁極部の軸方向における端部側に配置される第１のバイパス部材と、第２の極性を有する磁極部の軸方向における端部側に配置される第２のバイパス部材と、を有し、第１のバイパス部材と第２のバイパス部材とが接続さ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、ロータのステータ対向面における磁気特性の低下を抑制しつつ、バイパス部材に流れる短絡磁束量を増加させることができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について詳細に説明する。図１から図１１は本発明の一実施例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Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相の電機子コイル１１０を有するステータ１００と、ステータ１００で発生した磁束の通過により回転するロータ２００と、を備えている。ロータ２００は、ステータ１００に対して所定の大きさのギャップを介して相対的に回転可能に、図示しない回転軸に支持されている。
（ステータ）

図１、図４において、ステータ１００は、高透磁率の磁性材料からなる環状のステータコア１２０と、このステータコア１２０に巻き回された電機子コイル１１０とを備えている。ステータ１００は、ステータコア１２０の外周面に設けられた非磁性体からなる図示しない連結片を介して図示しないハウジングに磁気的に遮断された状態で固定されている。これにより、例えば漏れ磁束の発生等が抑制される。

ステータコア１２０は、円環状のステータヨーク１２１と、このステータヨーク１２１から軸方向の両側と径方向の内面側とに突出したステータティース１２２とを備えている。ステータティース１２２は、ステータヨーク１２１に周方向に所定の間隔で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１２２の間には、溝状の空間であるスロット１２５が形成されている。

ここで、軸方向とは、ロータ２００の回転中心軸２０が延伸する方向を示す。径方向とは、ロータ２００の回転中心軸２０が延伸する方向と直交する方向であり、回転中心軸２０を中心として放射方向に示される。径方向の内方側とは、径方向においてロータ２００の回転中心軸２０に近い側を示し、径方向の外方側とは、径方向においてロータ２００の回転中心軸２０から遠い側を示す。周方向とは、ロータ２００の回転中心軸２０を中心とする円周方向を示す。

この回転電機１では磁路が３次元的に発生するため、ステータコア１２０の材料は、軟磁性複合材料であるＳＭＣ（Soft Magnetic Composite）を用いるのが望ましい。ＳＭＣは、絶縁処理が施された微細な鉄粉を圧縮して固めて成形した圧粉磁心材である。

電機子コイル１１０は、ステータコア１２０の周方向において隣り合うステータティース１２２の間に形成されたスロット１２５にトロイダル巻されている。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各電機子コイル１１０は、集中巻によりスロット１２５に巻き回されている。トロイダル巻とは、ステータコア１２０の環の内側と外側を交互に通るよう周回させて、ステータコア１２０に電機子コイル１１０の巻線を巻き回す方法である。

電機子コイル１１０は、断面が長方形の平角線からなり、エッジワイズ巻によるトロイダル巻の状態で、スロット１２５に巻回されている。エッジワイズ巻とは、スロット１２５に対して、平角線の短辺を回転電機１の径方向の内側と外側に対向させて、平角線を縦に巻き回す方法である。

ステータティース１２２は、ステータコア１２０の軸方向の一方側及び他方側の側面部１２２ａと、ステータコア１２０の径方向の内面部１２２ｂとを有している。ステータティース１２２の側面部１２２ａには、後述する第１のロータティース２１２が軸方向に対向するようになっている。ステータティース１２２の内面部１２２ｂには、後述する第２のロータティース２８２が径方向に対向するようになっている。

ステータ１００は、電機子コイル１１０に三相交流が供給されることで、周方向に回転する基本波回転磁界が発生する。この基本波回転磁束によって発生する磁束（以下、この磁束を「主磁束」という）は、ロータ２００に鎖交するようになっている。これにより、ステータ１００は、ロータ２００を回転させることができる。

具体的には、電機子コイル１１０は、ステータティース１２２の周方向における両隣に配置されており、この一対の電機子コイル１１０は、一方の電機子コイル１１０から発生する磁束と、他方の電機子コイル１１０から発生する磁束とで、磁束の方向が周方向において反対方向となるように、その巻方向及び通電方向が設定されている。

これにより、例えば一方の電機子コイル１１０がＶ＋相で、他方の電機子コイル１１０がＶ−相の場合、この一対の電機子コイル１１０から発生する磁束は、一対の電機子コイル１１０によって挟まれるステータティース１２２に向かい、ステータティース１２２においてぶつかり合うように発生する。そして、ステータティース１２２で発生した磁束は、ステータコア１２０の周方向と直交する側の方向に向きを変え、ステータティース１２２からロータ２００に向かう。

そして、ロータ２００に向かった磁束の一部は、後述する第１のロータコア２１０及び第２のロータコア２８０を通過した後、Ｗ＋相とＷ−相の一対の電機子コイル１１０によって挟まれたステータティース１２２に向かう。また、ロータ２００に向かった磁束の一部は、後述する第１のロータコア２１０及び第２のロータコア２８０を通過した後、Ｕ＋相とＵ−相の一対の電機子コイル１１０によって挟まれたステータティース１２２に向かう。

このように、ステータティース１２２とロータ２００とが対向する面では、電機子コイル１１０で発生した磁束の磁気回路が構成される。回転電機１は、ステータティース１２２とロータ２００とが対向する面をトルク発生面としてロータ２００を回転させる。

また、ステータ１００は、上述の通り、電機子コイル１１０がトロイダル巻で、かつ集中巻されている。このため、電機子コイル１１０に三相交流を供給してロータ２００を回転させると、ステータ１００には、回転磁界の他に、ロータ２００の回転と非同期かつロータ２００の回転方向と逆方向に回転する高調波回転磁界が発生し、空間高調波が発生する。この空間高調波は、静止座標系においては第２次空間高調波（回転座標系における第３次時間高調波）と呼ばれる。また、電機子コイル１１０に供給する三相交流に高調波電流が重畳している場合、空間高調波とは別の時間高調波も発生する。したがって、ステータ１００で発生する磁束には、電機子磁束に高調波成分が重畳されていることとなる。
（ロータ）

図１、図２および図５から図８において、ロータ２００は、軸方向においてステータ１００を挟むようにして配置された一対のアキシャルギャップロータ２００Ａ、２００Ｂと、ステータコア１２０の径方向の内方側に配置されたラジアルギャップロータ２００Ｃとを含んで構成されている。

一対のアキシャルギャップロータ２００Ａ、２００Ｂとラジアルギャップロータ２００Ｃとは、回転中心軸２０に配置された図示しない回転軸に対して一体回転可能に固定されている。一対のアキシャルギャップロータ２００Ａ、２００Ｂとラジアルギャップロータ２００Ｃとは、一体化されていてもよい。

図１、図２および図５において、一対のアキシャルギャップロータ２００Ａ、２００Ｂのそれぞれは、環状の第１のロータコア２１０と、誘導コイル２２０とを備えている。第１のロータコア２１０は、非磁性材料からなる円環状の第１のロータヨーク２１１と、このロータヨーク２１１に保持され、高透磁率の磁性材料からなり軸方向のステータ１００側に向けて突出した突極部としての複数の第１のロータティース２１２とを備えている。

第１のロータティース２１２は、第１のロータヨーク２１１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。

複数の第１のロータティース２１２が非磁性体のロータヨーク２１１により保持されているため、複数の第１のロータティース２１２は互いに磁気的に独立している。また、複数の第１のロータティース２１２は、ロータヨーク２１１を介して、あるいは、非磁性体による固定部材によりラジアルギャップロータ２００Ｃにより保持されているため、第１のロータティース２１２とラジアルギャップロータ２００Ｃとの間も磁気的に独立している。

第１のロータティース２１２は、ステータコア１２０の軸方向の両面側、すなわちステータコア１２０の軸方向の一方側及び他方側で、ステータティース１２２の側面部１２２ａに対向している。

第１のロータティース２１２には、誘導コイル２２０が複数の層（本実施例では２層）をなして巻かれている。誘導コイル２２０は、ステータ１００と軸方向に対面する位置に配置されている。

このように、ロータ２００は突極部としての第１のロータティース２１２を複数有しており、それぞれの第１のロータティース２１２は、ステータ１００と軸方向に対面した状態で、ロータヨーク２１１により保持されている。誘導コイル２２０は、絶縁材料で被覆した巻線からなる。誘導コイル２２０は、ステータ１００側で発生した磁束に重畳された高調波成分が誘導コイル２２０に鎖交することによって、ファラデーの法則に従い誘導コイル２２０に誘起電圧が発生し、誘導コイル２２０に誘導電流が流れ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１１０に供給されてロータ２００が回転すると、ステータ１００側で発生した磁束のうち高調波成分の磁束が誘導コイル２２０に鎖交する。これにより、誘導コイル２２０に、誘起電圧が誘起され、誘導コイル２２０に誘導電流が流れる。

なお、ステータ側で発生する磁束のうち電機子磁束成分も誘導コイル２２０に鎖交するが、電機子磁束成分が誘導コイル２２０に鎖交しても誘導電流は流れない。なぜならば、電機子磁束を発生させる基本波回転磁界とロータ２００とが同期して回転しているため、ファラデーの法則に従い、電機子磁束に誘起電圧が誘起されないからである。言い換えれば、誘導コイル２２０に対して電機子磁束は相対的に静止しており、誘導コイル２２０に鎖交する電機子磁束量は変化せず、誘導コイル２２０に誘導電流が流れないからである。

本実施例において、誘導コイル２２０は、その配置箇所と巻層の違いにより異なる符号を付して、誘導コイル２２１、２２２、２２３、２２４、２２５、２２６、２２７、２２８に区別して説明する。誘導コイル２２１〜２２８は、それらの配置箇所および巻方向が異なっている。なお、これらの誘導コイル２２１〜２２８を区別しない場合に、これらの総称として誘導コイル２２０という。

アキシャルギャップロータ２００Ａにおいて、一の第１のロータティース２１２の基部側に１層の誘導コイル２２１が配置されており、その第１のロータティース２１２の先端部側に１層の誘導コイル２２２が配置されている。

また、アキシャルギャップロータ２００Ａにおいて、一の第１のロータティース２１２に周方向に隣り合う他の第１のロータティース２１２の基部側に１層の誘導コイル２２３が配置されており、その第１のロータティース２１２の先端部側に１層の誘導コイル２２４が配置されている。

一方、アキシャルギャップロータ２００Ｂにおいて、誘導コイル２２２、２２３と周方向に同位置で、一の第１のロータティース２１２の基部側に１層の誘導コイル２２６が配置されており、その第１のロータティース２１２の先端部側に１層の誘導コイル２２５が配置されている。

また、アキシャルギャップロータ２００Ｂにおいて、一の第１のロータティース２１２に周方向に隣り合う他の第１のロータティース２１２の基部側に１層の誘導コイル２２７が配置されており、その第１のロータティース２１２の先端部側に１層の誘導コイル２２８が配置されている。

各誘導コイル２２１〜２２８の巻方向は、図２にドットマークおよびクロスマークで示す方向となっている。

図１、図２、図６、図７および図８において、ラジアルギャップロータ２００Ｃは、高透磁率の磁性材料からなり回転軸に対して一体回転可能に固定された第２のロータコア２８０と、複数の磁極部２５０と、複数の永久磁石２８３と、バイパス路２６０と、界磁コイル２３０とを有する。

第２のロータコア２８０は、筒状の第２のロータヨーク２８１と、この第２のロータヨーク２８１から径方向の外方に向けて突出した第２のロータティース２８２とを備えている。第２のロータティース２８２は、第２のロータヨーク２８１の周方向に沿って所定の間隔（本実施例では４５°）をおいて複数（本実施例では８個）形成されている。第２のロータコア２８０は電磁鋼板からなる。

第２のロータティース２８２は、ステータコア１２０の径方向の内面側において、ステータティース１２２の内面部１２２ｂと対向するようになっている。なお、第２のロータコア２８０は、第２のロータティース２８２の基部における周方向の両側に、空気層からなるフラックスバリア２１０Ａを有している。フラックスバリア２１０Ａは、その部位における磁束の通過を防止するように機能する。

磁極部２５０は、ＳＭＣのような軸方向および径方向に磁束を通過可能な磁性材料からなり、ロータ２００の径方向における対向面（本実施例では外周面）に形成されている。磁極部２５０は、各第２のロータティース２８２の間に配置されている。ラジアルギャップロータ２００Ｃは、８つの磁極部２５０を備えている。

磁極部２５０は永久磁石２８３を有しており、この永久磁石２８３は、第２のロータティース２８２の周方向の側面に保持されている。永久磁石２８３は、例えばネオジウム磁石（Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石）で構成されている。永久磁石２８３は、磁極部２５０毎に、その磁極部２５０を挟んで周方向に互いに対向するように一対設けられている。一対の永久磁石２８３の同一の極性の磁極面が周方向に互いに対向している。

複数の磁極部２５０は、それぞれ周方向に並び、かつ、周方向に隣り合う他の磁極部２５０と極性が異なるように配置されている。本実施例においては、一対の永久磁石２８３が磁極部２５０を挟んで周方向に互いにＮ極を向くように配置されている磁極部２５０が、Ｎ極の極性を持つ磁極部２５０となる。その一方、一対の永久磁石２８３が磁極部２５０を挟んで周方向に互いにＳ極を向くように配置されている磁極部２５０が、Ｓ極の極性を持つ磁極部２５０となる。つまり、永久磁石２８３の磁束による磁化方向によって磁極部２５０の極性を決めている。なお、本実施例では、一対の永久磁石２８３の磁極部２５０が周方向に向くように配置しているが、これに限定されず、例えば、永久磁石２８３の磁極部２５０を径方向、つまりステータ１００と対向する方向に向くように配置してもよい。

バイパス路２６０は、第１のバイパス部材２６１、第２のバイパス部材２６２および第３のバイパス部材２６３を有している。バイパス路２６０は、複数の磁極部２５０のうち一の磁極部２５０と他の磁極部２５０との間で、ロータ２００の軸方向における端部側を通して磁束を通過させるようになっている。

バイパス路２６０は、第１の極性としてのＮ極を有する磁極部２５０の軸方向における端部側に配置される複数の第１のバイパス部材２６１と、第２の極性としてのＳ極を有する磁極部２５０の軸方向における端部側に配置される複数の第２のバイパス部材２６２と、を有している。そして、第１のバイパス部材２６１と第２のバイパス部材２６２とが接続されている。

バイパス路２６０は、複数の第１のバイパス部材２６１と複数の第２のバイパス部材２６２とを接続する１つの第３のバイパス部材２６３を有している。すなわち、複数の第１のバイパス部材２６１と、複数の第２のバイパス部材２６２とが一つの第３のバイパス部材２６３によって接続されている。第１のバイパス部材２６１は、軸方向におけるロータ２００の一端部側に設けられ、第２のバイパス部材２６２は、軸方向におけるロータ２００の他端部側に設けられている。

そして、第３のバイパス部材２６３は、径方向において磁極部２５０を挟んでステータ１００と反対側に配置されている。

このように、磁極部２５０およびバイパス路２６０は、軸方向に対向するクローポール形に構成されている。

界磁コイル２３０は、第３のバイパス部材２６３を周回するように設けられている。界磁コイル２３０は、誘導コイル２２０で発生した誘導電流が、後述する整流回路３０（図３参照）により整流されて供給されることにより磁界を発生させるようになっている。

このため、界磁コイル２３０に通電を行うことにより、バイパス路２６０に流れる短絡磁束量が変化する。具体的には、界磁コイル２３０を、短絡磁束量が増加する方向（本実施例では回転電機１を上から見て時計回り）に巻くことによって、短絡磁束量を増加でき、短絡磁束量が減少する方向（本実施例では回転電機１を上から見て反時計回り）に巻くことによって、短絡磁束量を減らすことができる。

なお、界磁コイル２３０の通電方法は、誘導コイル２２０から整流回路３０を介して誘導電流を流す方法に限定されない。例えば、ロータ２００の回転軸に図示しないスリップリングを設け、このスリップリングを介して外部電源から界磁コイル２３０に電力を供給するようにしてもよい。この場合、アキシャルギャップロータ２００Ａ、２００Ｂは、必ずしも設けなくても良い。

バイパス路２６０には、磁気抵抗部２６０Ａ、２６０Ｂが設けられており、これらの磁気抵抗部２６０Ａ、２６０Ｂは、空隙（空気層）あるいは非磁性体で形成され、バイパス路２６０に流れる短絡磁束量を調整するための磁束調整部として機能する。磁気抵抗部２６０Ａは、磁極部２５０と第１のバイパス部材２６１との間に形成されており、磁極部２５０と第１のバイパス部材２６１との間の磁気抵抗を調整している。磁気抵抗部２６０Ｂは、第３のバイパス部材２６３における軸方向の中間位置に形成されており、第３のバイパス部材２６３における軸方向の磁気抵抗を調整している。

本実施例では、磁極部２５０と第１のバイパス部材２６１とは、これらの間に所定のギャップ幅の磁気抵抗部２６０Ａが形成された状態で、樹脂等からなる保持具により保持されている。また、第３のバイパス部材２６３は、軸方向の一方側と他方側とに分割された分割構造となっており、一方側と他方側との間に磁気抵抗部２６０Ｂが形成された状態で、樹脂等からなる保持具により保持されている。

このように、回転電機１は、ステータティース１２２に、２つの側面部１２２ａと、１つの内面部１２２ｂを設けることで、三面のエアギャップを利用可能な回転電機として構成されている。ステータ１００とロータ２００のスロットコンビネーショは、ロータ：ステータ=２：３になるように突極数が設定されている。
（整流回路）

回転電機１は、図３に示す整流回路３０を備えている。この整流回路３０は、整流回路３０は、整流素子としてのダイオードＤ１、Ｄ２と、誘導コイル２２１〜２２８と、界磁コイル２３０とを、中性点クランプ形整流回路として結線した閉回路として構成されている。整流回路３０は、誘導コイル２２０で発生した誘導電流を整流して界磁コイル２３０に供給する。

整流回路３０において、誘導コイル２２１、２２２、２２５および２２６と、ダイオードＤ１とが直列に接続されており、誘導コイル２２３、２２４、２２７および２２８と、ダイオードＤ２とが直列に接続されている。

整流回路３０において、２つの誘導コイル２２０で発生した交流の誘導電流は、ダイオードＤ１、Ｄ２により直流に整流される。ダイオードＤ１、Ｄ２による整流後の直流は、直列接続されている界磁コイル２３０に界磁電流として供給される。界磁コイル２３０は、直流の界磁電流が供給されることにより誘導磁束を発生させる。

このように、ロータ２００は、整流素子としてのダイオードＤ１、Ｄ２と、ステータ１００と軸方向に対面する位置に配置され、ダイオードＤ１、Ｄ２を介して界磁コイル２３０と接続される誘導コイル２２０と、を有する。

なお、ロータ２００の軸方向における端部側を通して、一の磁極部２５０と他の磁極部２５０との間で磁束を通過させるバイパス路２６０に代えて、図１１に示すように、ロータ２００の軸方向における端部側を通して、一の磁極部２５０（図８参照）と他の磁極部２５０との間で磁束を通過させるバイパス路２７０を備えるようにしてもよい。なお、図１１ではバイパス路２７０は、１つしか表示していないが、実際にはバイパス路２７０は４つあり、残りの三つのバイパス路２７０は省略している。これらのバイパス路２７０は、非磁性部材を介してアキシャルギャップロータ２００Ａ、２００Ｂないしラジアルギャップロータ２００Ｃによって保持されている。

このバイパス路２７０は、第１のバイパス部材２７１、第２のバイパス部材２７２および第３のバイパス部材２７３を備えており、これら第１のバイパス部材２７１、第２のバイパス部材２７２および第３のバイパス部材２７３は、それぞれ前述の第１のバイパス部材２６１、第２のバイパス部材２６２および第３のバイパス部材２６３と同様に機能する。

詳しくは、図１１において、一の磁極部２５０の軸方向における一端部側に第１のバイパス部材２７１が配置されている。また、一の磁極部２５０と周方向に隣り合う他の磁極部２５０の軸方向における一端部側に第２のバイパス部材２７２が配置されている。

そして、ロータ２００の軸方向における一端部側に第３のバイパス部材２７３が配置されており、第３のバイパス部材２７３は、第１のバイパス部材２７１と第２のバイパス部材２７２と接続している。そして、バイパス路２７０は、第１のバイパス部材２７１から第２のバイパス部材２７２に、第３のバイパス部材２７３によって磁束を通過させるようになっている。第３のバイパス部材２７３には、その軸方向の厚みを薄くすることによって、磁気抵抗部２７３Ａが形成されている。なお、バイパス路２７０は、ロータ２００の軸方向における一端部だけでなく両端部に設けられていてもよい。

また、本実施例では、回転電機１がインナーロータ形の構成を有しているが、回転電機１をアウターロータ形の構成としてもよい。回転電機１がアウターロータ形であっても本発明は成立する。また、本実施例では、ステータ１００に回転磁界を発生させるために電機子コイル１１０に三相交流を供給しているが、電機子コイル１１０に四相、五相または二相の交流を供給してもよい。電機子コイル１１０に四相、五相または二相の交流を供給する場合でも本発明は成立する。

さらに、アキシャルギャップロータ２００Ａ、２００Ｂとラジアルギャップロータ２００Ｃとを入れ替えてもよい。アキシャルギャップロータ２００Ａ、２００Ｂとラジアルギャップロータ２００Ｃとを入れ替えた構成とした場合でも、本発明は成立する。
（ロータ極低速回転時）

本実施例に係る回転電機１においてロータ２００の回転速度が極低速度のときは、ステータ１００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、誘導コイル２２０に発生する誘導起電力が低く、また、誘導電流は誘導コイル２２０自身の導体抵抗によってジュール損として消費され、界磁コイル２３０に界磁電流が流れない。

このため、図９に示すように、バイパス路２６０における第３のバイパス部材２６３で、軸方向の磁束が発生しない。したがって、永久磁石２８３の磁束は、他の磁束によって打ち消されることなく、ステータ１００に鎖交し、マグネットトルクの発生に寄与することができる。
（ロータ中速度以上回転時）

一方、本実施例に係る回転電機１においてロータ２００の回転速度が中速度以上のときは、ステータ１００に高調波成分の磁束が多く発生する。その高調波成分の磁束の磁束量は、ロータ２００の回転速度が上昇するにつれて増加する。

このため、アキシャルギャップロータ２００Ａ、２００Ｂの誘導コイル２２０において誘導起電圧が誘起され、この誘導起電圧が誘導コイル２２０の導体抵抗による電圧降下量よりも大きくなる。そして、誘導起電力による誘導電流が、整流回路３０によって整流され、直流電流として界磁コイル２３０に供給される。

界磁コイル２３０に電流が供給されることにより、図１０に示すように、バイパス路２６０における第３のバイパス部材２６３で、軸方向の磁束が発生する。本実施例では、この軸方向の磁束が第１のバイパス部材２６１および第２のバイパス部材２６２を介して磁極部２５０に流れる永久磁石２８３の磁束が磁極と反転するように、界磁コイル２３０の巻き方向が設定されている。

このため、ロータ２００内で磁束の打ち消し合いが発生し、界磁コイル２３０で発生した磁束により永久磁石２８３の磁束が打ち消される。この結果、ステータ１００に鎖交する永久磁石２８３の磁束量を低減でき、回転速度の増加とともにパッシブに可変界磁を行うことができる。

以上のように、本実施例の回転電機１において、ロータ２００は、永久磁石２８３を有し、ロータ２００の径方向におけるステータ１００との対向面に形成される複数の磁極部２５０と、複数の磁極部２５０のうち一の磁極部２５０と他の磁極部２５０との間で、ロータ２００の軸方向における端部側を通して磁束を通過させるバイパス路２６０と、を備える。また、複数の磁極部２５０は、それぞれ周方向に並び、かつ、周方向に隣り合う他の磁極部２５０と極性が異なるように配置されている。

また、バイパス路２６０は、第１の極性であるＮ極を有する磁極部２５０の軸方向における端部側に配置される第１のバイパス部材２６１と、第２の極性であるＳ極を有する磁極部２５０の軸方向における端部側に配置される第２のバイパス部材２６２と、を有している。そして、第１のバイパス部材２６１と第２のバイパス部材２６２とが接続されている。

このように本実施例の回転電機１によれば、ロータ２００の軸方向における端部側を通して、一の磁極部２５０と他の磁極部２５０との間で、図８に矢印Ａで示すように、ロータ２００の軸方向における端部側を通して磁束を通過させるように、バイパス路２６０を設けたので、バイパス路２６０の形状または寸法を変えた場合でも、トルク発生面となるロータ２００の径方向における磁気特性が変わることがない。

これにより、バイパス路２６０の設計自由度を高めることができるため、バイパス路２６０の寸法を大きくでき、バイパス路２６０の形状を最適化して短絡磁束量を増やすことができる。

この結果、ロータのステータ対向面における磁気特性の低下を抑制しつつ、バイパス部材に流れる短絡磁束量を増加させることができる。

また、本実施例の回転電機１において、バイパス路２６０は、第１のバイパス部材２６１と第２のバイパス部材２６２とを接続する第３のバイパス部材２６３を有しており、第１のバイパス部材２６１は、軸方向におけるロータ２００の一端部側に設けられ、第２のバイパス部材２６２は、軸方向におけるロータ２００の他端部側に設けられている。そして、第３のバイパス部材２６３は、径方向において磁極部２５０を挟んでステータ１００と反対側に配置されている。

これにより、バイパス路２６０を３次元構造に形成できるので、バイパス路２６０の磁気抵抗を調整しやすくでき、回転電機１に所望のトルク特性を与えることができる。

また、本実施例の回転電機１において、ロータ２００は、バイパス路２６０に設けられる界磁コイル２３０を有する。

これにより、界磁コイル２３０に通電することで、バイパス路２６０に流れる短絡磁束量を変化させることができる。具体的には、界磁コイル２３０を、短絡磁束量が増加する方向（平面視で時計回り）に巻くことによって、短絡磁束量を増加でき、短絡磁束量が減少する方向（平面視で反時計回り）に巻くことによって、短絡磁束量を減らすことができる。

また、ロータ２００とステータ１００との間のトルク発生面であるロータ２００の外周面に界磁コイル２３０を巻く必要がないので、界磁コイル２３０の配置や巻き数の設計自由度を向上させることができる。

また、第３のバイパス部材２６３を設けることによりバイパス路２６０の長さが長くなるため、界磁コイル２３０の巻き数を増やすことができ、界磁コイル２３０から発生する磁束量を増やすことができる。

また、本実施例の回転電機１において、第１のバイパス部材２６１および第２のバイパス部材２６２はそれぞれ複数設けられており、複数の第１のバイパス部材２６１と、複数の第２のバイパス部材２６２とが一つの第３のバイパス部材２６３によって接続されている。そして、第３のバイパス部材２６３に界磁コイル２３０が巻かれている。

これにより、複数の第１のバイパス部材２６１および第２のバイパス部材２６２のそれぞれに界磁コイル２３０を巻く必要がなくなり、第１のバイパス部材２６１および第２のバイパス部材２６２を界磁する界磁コイルを、第３のバイパス部材２６３に配置した一つのコイルで共有できるので、コストを抑制でき、生産性を向上できる。

また、本実施例の回転電機１において、ロータ２００は、整流素子としてのダイオードＤ１、Ｄ２と、ステータ１００と軸方向に対面する位置に配置され、ダイオードＤ１、Ｄ２を介して界磁コイル２３０と接続される誘導コイル２２０と、を有する。

これにより、誘導コイル２２０に鎖交する空間高調波を利用して界磁コイル２３０を自励することができるので、界磁コイル２３０に外部から通電する必要がない。また、ロータ２００の回転速度が速いほど空間高調波が多く発生するため、ロータ２００の回転速度に比例して誘導コイル２２０に流れる誘導電流量を増やすことができる。

したがって、ロータ２００の回転速度に比例してバイパス路２６０を通過する磁束量を増加させることができ、ロータ２００の回転速度の増加に伴うマグネットトルクの減少を抑制できる。

また、本実施例の回転電機１において、ロータ２００は、ステータ１００と軸方向に対面し、非磁性体により保持される複数の突極部としての第１のロータティース２１２を有し、第１のロータティース２１２に誘導コイル２２０が設けられている。

これにより、誘導コイル２２０と界磁コイル２３０とを磁気的に分離でき、誘導コイル２２０に誘導電流が流れることにより生ずる磁束と、界磁コイル２３０に誘導電流が流れることにより生ずる磁束とが干渉しにくくなる。このため、誘導コイル２２０から効率的に誘導電流を発生でき、かつ、界磁コイル２３０から発生する磁束を効率的に可変界磁に利用できる。

また、本実施例の回転電機１において、バイパス路２６０には、磁気抵抗部２６０Ａ、２６０Ｂが設けられている。

これにより、ロータ２００の低速回転時は、バイパス路２６０を介してロータ２００内で短絡する永久磁石２８３の磁束量を減らすことができ、ロータ２００の低速回転時におけるマグネットトルク、すなわちモータ出力を向上することができる。

また、本実施例の回転電機１において、永久磁石２８３は、磁極部２５０毎に、その磁極部２５０を挟んで周方向に互いに対向するように一対設けられており、一対の永久磁石２８３の同一の極性の磁極面が周方向に互いに対向している。

これにより、磁気抵抗が高い永久磁石２８３をロータ２００のｄ軸（図６参照）上に配置することを回避できるため、ロータ２００の突極比を大きくしてリラクタンストルクを向上できる。

また、バイパス路１６０の第１のバイパス部材１６１と対面する磁極部２５０の軸方向の面（いわゆるアキシャル面）の面積を大きくでき、バイパス路１６０を通過する磁束量を大きくすることができる。これにより、ロータ２００の高回転時に、バイパス路１６０を通過する磁束量を大きくでき、可変界磁の幅を拡大できる。

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
１００ ステータ
１０３ 永久磁石
１０６ バイパス路
１１０ 電機子コイル
２００ ロータ
２１２ 第１のロータティース（突極部）
２２０〜２２８ 誘導コイル
２３０ 界磁コイル
２５０ 磁極部
２６０，２７０ バイパス路
２６０Ａ，２６０Ｂ 磁気抵抗部
２６１，２７１ バイパス部材
２６２，２７２ バイパス部材
２６３，２７３ バイパス部材
２８３ 永久磁石
Ｄ１，Ｄ２ ダイオード（整流素子）

Claims (8)

1. 電機子コイルを備えるステータと、
   前記ステータに対して相対的に回転可能なロータと、を有し、
   前記ロータは、
   永久磁石を有し、前記ロータの径方向における前記ステータとの対向面に形成される複数の磁極部と、
   複数の前記磁極部のうち一の前記磁極部と他の前記磁極部との間で、前記ロータの軸方向における端部側を通して磁束を通過させるバイパス路と、を有し、
   前記複数の磁極部は、それぞれ周方向に並び、かつ、周方向に隣り合う他の磁極部と極性が異なるように配置され、
   前記バイパス路は、
   第１の極性を有する前記磁極部の前記軸方向における端部側に配置される第１のバイパス部材と、
   第２の極性を有する前記磁極部の前記軸方向における端部側に配置される第２のバイパス部材と、を有し、
   前記第１のバイパス部材と前記第２のバイパス部材とが接続されていることを特徴とする回転電機。
2. 前記バイパス路は、前記第１のバイパス部材と前記第２のバイパス部材とを接続する第３のバイパス部材を有し、
   前記第１のバイパス部材は、前記軸方向における前記ロータの一端部側に設けられ、
   前記第２のバイパス部材は、前記軸方向における前記ロータの他端部側に設けられ、
   前記第３のバイパス部材は、前記径方向において前記磁極部を挟んで前記ステータと反対側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、前記バイパス路に設けられる界磁コイルを有することを特徴とする請求項２に記載の回転電機。
4. 前記第１のバイパス部材および第２のバイパス部材はそれぞれ複数設けられ、
   複数の前記第１のバイパス部材と、複数の前記第２のバイパス部材とが一つの前記第３のバイパス部材によって接続されており、
   前記第３のバイパス部材に前記界磁コイルが巻か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. 前記ロータは、
   整流素子と、前記ステータと前記軸方向に対面する位置に配置され、前記整流素子を介して前記界磁コイルと接続される誘導コイルと、を有することを特徴とする請求項３または請求項４に記載の回転電機。
6. 前記ロータは、前記ステータと前記軸方向に対面し、非磁性体により保持される複数の突極部を有し、
   前記突極部に前記誘導コイルが設けられていることを特徴とする請求項５に記載の回転電機。
7. 前記バイパス路には、磁気抵抗部が設けられていることを特徴とする請求項１から請求項６の何れか１項に記載の回転電機。
8. 前記永久磁石は、前記磁極部毎に、該磁極部を挟んで周方向に互いに対向するように一対設けられており、
   一対の前記永久磁石の同一の極性の磁極面が周方向に互いに対向していることを特徴とする請求項１から請求項７の何れか１項に記載の回転電機。

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