JP2020150624A - 回転電機、回転電機システム、車、発電装置、昇降装置、および、ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】より大きなトルクを発生させることできる回転電機を提供する。【解決手段】実施形態の回転電機は、固定子と、回転中心回りに回転可能な回転子と、を備える。固定子は、回転中心を中心とする環状の巻線と、第１の鉄心と、第２の鉄心と、を備える。第１の鉄心は、巻線の一部を取り囲み、磁束が入力する方向が第１の方向である磁極面と、磁束が出力する方向が第１の方向である磁極面と、を有する。第２の鉄心は、巻線の一部を取り囲み、磁束が入力する方向が第２の方向である磁極面と、磁束が出力する方向が第２の方向である磁極面と、を有する。回転子は、第１の鉄心および第２の鉄心に対して離間して配置され、回転中心を中心として固定子に対して相対的に回転可能である。【選択図】図４

Description

本発明の実施形態は、回転電機、回転電機システム、車、発電装置、昇降装置、および、ロボットに関する。

従来、回転電機として、例えば、横方向磁束型回転電機が知られている。

特許第５８７００７２号公報

より大きなトルクを発生させることできる回転電機が得られるのは、有益である。

実施形態の回転電機は、固定子と、回転中心回りに回転可能な回転子と、を備える。固定子は、回転中心を中心とする環状の巻線と、第１の鉄心と、第２の鉄心と、を備える。第１の鉄心は、巻線の一部を取り囲み、磁束が入力する方向が第１の方向である磁極面と、磁束が出力する方向が第１の方向である磁極面と、を有する。第２の鉄心は、巻線の一部を取り囲み、磁束が入力する方向が第２の方向である磁極面と、磁束が出力する方向が第２の方向である磁極面と、を有する。回転子は、第１の鉄心および第２の鉄心に対して離間して配置され、回転中心を中心として固定子に対して相対的に回転可能である。

第１の実施形態の回転電機の一例を示す斜視図。 第１の実施形態の回転電機を垂直方向に切断した断面斜視図。 第１の実施形態の回転電機の１相分の駆動要素の一例を示す斜視図。 第１の実施形態の１相分の駆動要素の構成の断面図。 第１の実施形態の駆動要素を分解して配置した分解斜視図。 第２の実施形態の回転電機の１相分の駆動要素の一例を示す斜視図。 第２の実施形態の１相分の駆動要素の構成の断面図。 第２の実施形態の駆動要素を分解して配置した分解斜視図。 第３の実施形態の駆動要素を分解して配置した分解斜視図。 第４の実施形態の回転電機の１相分の駆動要素の構成の断面図。 第４の実施形態の駆動要素を分解して配置した分解斜視図。 第５の実施形態の回転電機の一例を示す斜視図。 第５の実施形態の回転電機を垂直方向に切断した断面斜視図。 第５の実施形態の回転電機の１相分の駆動要素の一例を示す斜視図。 第５の実施形態の１相分の駆動要素の構成の断面図。 第５の実施形態の駆動要素を分解して配置した分解斜視図。 第６の実施形態の回転電機の１相分の駆動要素の一例を示す斜視図。 第６の実施形態の１相分の駆動要素の構成の断面図。 第６の実施形態の駆動要素を分解して配置した分解斜視図。 第７の実施形態の駆動要素を分解して配置した分解斜視図。 第８の実施形態の回転電機の１相分の駆動要素の構成の断面図。 第８の実施形態の駆動要素を分解して配置した分解斜視図。 第９の実施形態の回転電機の一例を示す斜視図。 第９の実施形態の回転電機を切断した断面斜視図。 第１０の実施形態の回転電機の一例を示す斜視図。 第１０の実施形態の回転電機を切断した断面斜視図。 実施形態の回転電機を含む回転電機システムのブロック図。 実施形態の回転電機を含む車の概略構成図。 車に搭載された回転電機の構成図。 実施形態の回転電機を含む風力発電装置の概略構成図。 実施形態の回転電機を含むエレベータの概略構成図。 実施形態の回転電機を含むロボットの概略構成図。

以下、本発明の例示的な実施形態が開示される。以下に示される実施形態の構成（技術的特徴）、および、当該構成によってもたらされる作用および結果（効果）は、一例である。また、以下に例示される実施形態には、同様の構成要素が含まれている。以下、同様の構成要素には共通の符号が付与され、重複する説明が省略される。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の回転電機１の一例を示す斜視図である。図２は、回転電機１を回転中心Ａｚの軸方向に沿って垂直方向に切断した断面斜視図である。本実施形態の回転電機１は、ラジアルギャップ型の横方向磁束型回転電機である。

回転電機１は、シャフト２と、複数（例えば３つ）の駆動要素３（３Ｕ、３Ｖ、３Ｗ）と、を備える。駆動要素３は、シャフト２を回転駆動する要素である。回転電機１は、複数（例えば３つ）の相を有し、各駆動要素３は、各相に対応している。また、回転電機１は、不図示の筐体を備える。筐体は、複数の駆動要素３を収容するとともに、シャフト２を回転可能に支持する。回転電機１は、モータまたはジェネレータとして機能する。

図２に示されるように、複数の駆動要素３は、それぞれ、固定子４（４Ｕ、４Ｖ、４Ｗ）と、回転子５と、を備える。回転子５は、径方向の内周側の回転子５Ｉと、外周側の回転子５Ｏと、を含む。回転子５Ｉは、それぞれ３つの層に対応する回転子５ＵＩ、５ＶＩ、５ＷＩを含む。回転子５Ｏは、それぞれ３つの層に対応する回転子５ＵＯ、５ＶＯ、５ＷＯ、を含む。すなわち、回転電機１は、軸方向に並んだ固定子４と回転子５との複数（例えば３個）の組を、備えている。固定子４（４Ｕ、４Ｖ、４Ｗ）は、内周面と外周面で回転子５（内周側：５ＵＩ、５ＶＩ、５ＷＩ、外周側：５ＵＯ、５ＶＯ、５ＷＯ）に対向している。

（駆動要素）
図３は、回転電機１の１相分の駆動要素３の一例を示す斜視図である。図４は、１相分の駆動要素３の構成の断面図である。図５は、駆動要素３を回転中心Ａｚの軸方向に沿って分解して配置した分解斜視図である。以下、１相分の駆動要素３についてさらに詳細に説明する。

（固定子）
図４に示されるように、固定子４は、巻線４１と、複数の鉄心４２（４２Ｌ、４２Ｒ）とを有する。

巻線４１は、回転中心Ａｚを中心として複数回環状に巻かれた導線を有している。巻線４１の形状は、回転中心Ａｚを中心として周方向（回転方向）に沿った円環状である。巻線４１は、固定子巻線とも称されうる。

巻線４１は、固定子４ごとに、すなわち各相に、設けられている。複数の巻線４１には、位相が互いに異なる交流電力が印加される。本実施形態では、一列として、３つの巻線４１のそれぞれには、他の２つとの位相差が＋１２０°および−１２０°の交流電力が印加される。なお、複数の相の巻線４１に印加される交流電力は、この例には限定されない。

複数の鉄心４２（４２Ｌ、４２Ｒ）は、それぞれ、周方向に略一定の間隔をあけて並んでいる。なお、複数の鉄心４２の間隔は一定である必要はなく、自由に設定できる。鉄心４２の形状は、例えば扇状である。鉄心４２Ｌと４２Ｒは、巻線４１を取り囲んでいる。

図４に示されるように、鉄心４２は、鉄心４２Ｌと、鉄心４２Ｒと、を有している。鉄心４２Ｌは、巻線４１に対して、軸方向一方（回転中心Ａｚの軸方向の前方）に離れて位置され、径方向（回転中心Ａｚの径方向）に略沿って延びている。鉄心４２Ｒは、巻線４１に対して、軸方向他方（回転中心Ａｚの軸方向の後方）に離れて位置され、径方向に略沿って延びている。

図５に示されるように、鉄心４２Ｌの径方向の端部は、磁極４３（４３Ｉ、４３Ｏ）である。鉄心４２Ｒの径方向の端部は、磁極４４（４４Ｉ、４４Ｏ）である。すなわち、鉄心４２は、磁極４３と磁極４４との間に渡り、巻線４１を取り囲んでいる。これらの磁極４３、４４は、回転子５に面する磁極である。

後述するように、鉄心４２Ｌ、４２Ｒは、磁気回路Ｍｃの一部を構成する。鉄心４２Ｌは、磁束が入力する方向が第１の方向である磁極面と、磁束が出力する方向が第１の方向である磁極面と、を有する。また鉄心４２Ｒは、磁束が入力する方向が第２の方向である磁極面と、磁束が出力する方向が第２の方向である磁極面と、を有する。第２の方向は、例えば第１の方向の逆方向である。

このように、本実施形態では、鉄心４２Ｌ、４２Ｒの組みそれぞれで、４つの磁極面が形成されるため、より大きなトルクを発生させることできる。

図４の磁気回路Ｍｃの例では、鉄心４２Ｌは、径方向の内周側に向かう方向（第１の方向の一例）に磁束が入力する磁極面と、径方向の内周側に向かう方向に磁束が出力する磁極面と、を有する。また、鉄心４２Ｒは、径方向の外周側に向かう方向（第２の方向の一例）に磁束が入力する磁極面と、径方向の外周側に向かう方向に磁束が出力する磁極面と、を有する。鉄心４２Ｌおよび鉄心４２Ｒは、第１の鉄心および第２の鉄心の一例である。

（回転子）
図５に示されるように、回転子５は、固定子４の内周側に位置する回転子５Ｉと、外周側に位置する回転子５Ｏと、を含む。回転子５Ｉは、複数の磁石５１Ｉおよび鉄心５２Ｉを有する。回転子５Ｏは、複数の磁石５１Ｏおよび鉄心５２Ｏを有する。回転子５Ｉと、回転子５Ｏとは、不図示の結合体により連結される。内周側の回転子５Ｉはシャフト２と固定される。すなわち、回転子５は、シャフト２とともに回転中心Ａｚ回りに回転する。このように、回転子５は、鉄心４２Ｌおよび鉄心４２Ｒに対して離間して配置され、回転中心Ａｚを中心として、固定子４に対して相対的に回転可能である。

以下、内周側と外周側で区別する必要がない場合は、回転子５Ｉおよび回転子５Ｏを回転子５といい、磁石５１Ｉおよび磁石５１Ｏを磁石５１といい、鉄心５２Ｉおよび鉄心５２Ｏを鉄心５２という場合がある。

シャフト２の軸心は、回転中心Ａｚと一致している。シャフト２の形状は、例えば円柱状かつ棒状である。シャフト２は、一例としては、非磁性体によって構成される。また、シャフト２と、磁石５１および鉄心５２との間には、絶縁層、または、絶縁性の介在物が挿入されうる。なお、シャフト２は、回転子５の一部でもあるとも言える。

磁石５１は、永久磁石であり、一例としては、高い磁気エネルギー積を有する希土類系の焼結磁石である。磁石５１の形状は、例えば扇状である。

鉄心５２は、径方向の一方で、磁石５１に対して隣接している。鉄心５２の形状は、回転中心Ａｚを中心として周方向に沿った円環状である。

磁石５１Ｉおよび５１Ｏは、それぞれ径方向に着磁される。複数の磁石５１Ｉのそれぞれは、軸方向に離れて位置される磁石５１ＬＩおよび５１ＲＩを含む。複数の磁石５１Ｏのそれぞれは、軸方向に離れて位置される磁石５１ＬＯおよび５１ＲＯを含む。磁石５１ＬＩおよび５１ＲＩは、周方向の位相を合わせて位置される。磁石５１ＬＯおよび５１ＲＯは、周方向の位相を合わせて位置される。

径方向に離れて位置される磁石５１Ｉと５１Ｏは、周方向の位相を合わせて位置される。例えば複数の磁石５１Ｉおよび複数の磁石５１Ｏは、個数が一致し、かつ、周方向の位相が一致するように配置される。

本実施形態では、一例として、軸方向、径方向、および、周方向に隣り合う２つの磁石５１は、それぞれ逆向きに着磁される（磁化方向が逆）。例えば、軸方向に隣り合う磁石５１ＬＩ（ＬＯ）と磁石５１ＲＩ（ＲＯ）とは、相互に逆向きに着磁される。また、径方向に隣り合う磁石５１ＬＩ（ＲＩ）と磁石５１ＬＯ（ＲＯ）とは、相互に逆向きに着磁される。また、周方向に隣り合う２つの磁石５１ＬＩ（ＬＯ、ＲＩ、または、ＲＯ）は、相互に逆向きに着磁される。

このような構成により、各相すなわち各駆動要素３の各鉄心４２、５２において、固定子４と回転子５との間に渡って、図４に示される磁気回路Ｍｃが形成される。磁気回路Ｍｃの方向は、巻線４１に印加される電力と磁石５１の着磁方向等との関係によって定まる。上記のように、本実施形態では、各磁気回路Ｍｃについて、４つの磁極面が形成されるため、より大きなトルクを発生させることできる。

固定子４は１つであるため、巻線４１を１カ所に集中して巻くことができる。すなわち、少ない導線で固定子４を構成できる。そのため、巻線４１で発生する銅損を低く抑えることができる。本実施形態では、固定子４および回転子５が径方向に対向する、ラジアルギャップ型である。このため、軸方向に長い回転電機において、磁極の面積を大きくしやすく、大きなトルクを発生できる。

なお、鉄心４２では、磁束は径方向に流れる。このため、例えば、径方向に磁化容易軸を備えた方向性電磁鋼板を用いて鉄心４２を構成してもよい。方向性電磁鋼板の磁化容易軸には、磁束を低損失で流すことができる。

（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態の回転電機の１相分の駆動要素３Ａの一例を示す斜視図である。図７は、１相分の駆動要素３Ａの構成の断面図である。図８は、駆動要素３Ａを回転中心Ａｚの軸方向に沿って分解して配置した分解斜視図である。なお、本実施形態の回転電機も、ラジアルギャップ型の横方向磁束型回転電機であり、例えば、３つの駆動要素３Ａを備えるように構成できる。以下では、本実施形態の１相分の駆動要素３Ａについて説明する。

本実施形態の回転子５、および、固定子４Ａに含まれる巻線４１は、第１の実施形態と同じ構成であるため同一の符号を付し説明を省略する。本実施形態では、固定子４Ａの鉄心４２Ａ（４２ＬＡ、４２ＲＡ）の構成が、第１の実施形態の固定子４の鉄心４２（４２Ｌ、４２Ｒ）の構成と相違する。

本実施形態では、固定子４Ａの鉄心４２Ａ（４２ＬＡ、４２ＲＡ）は、環状部と、複数の突起部とを含むように構成される。環状部は、回転中心Ａｚを中心とした環状に構成される。突起部は、環状部から径方向に突出する突起である。複数の突起部が、周方向に略一定の間隔をあけて並ぶように構成される。突起部は、第１の実施形態における磁極４３（４３Ｉ、４３Ｏ）および磁極４４（４４Ｉ、４４Ｏ）に相当する。

このような構成により、磁極４３、４４を一体で製作できるため、固定子４Ａの磁極全体の剛性を上げることができる。なお、鉄心４２Ａでも、磁束は径方向に流れるが、一体構成になっているため、複数の磁極４３、４４において、同時に磁化容易軸に合わせることはできない。また、巻線４１が鉄心４２Ａに隣接しているため、周方向に導電性のある材料を用いれば、巻線４１の電流と同じ向きの渦電流が鉄心４２Ａに誘導されうる。そのため、一例として、周方向に電気絶縁性があり、一体で成型可能な圧粉磁心が鉄心４２Ａの材料として望ましい。すなわち、鉄心４２Ａは、圧粉成型体であってもよい。

（第３の実施形態）
図９は、第３の実施形態の回転電機の１相分の駆動要素３Ｂを回転中心Ａｚの軸方向に沿って分解して配置した分解斜視図である。なお、本実施形態の回転電機も、ラジアルギャップ型の横方向磁束型回転電機であり、例えば、３つの駆動要素３Ｂを備えるように構成できる。以下では、本実施形態の１相分の駆動要素３Ｂについて説明する。

本実施形態の固定子４は、第１の実施形態と同じ構成であるため同一の符号を付し説明を省略する。本実施形態では、回転子５Ｂの磁石５１Ｂと鉄心５２Ｂの構成が、第１の実施形態の回転子５の磁石５１と鉄心５２の構成と相違する。本実施形態では、回転子５Ｂの磁石５１Ｂと鉄心５２Ｂは、周方向に交互に並んでいる。本実施形態では、一例として、磁石５１Ｂは周方向に着磁され、周方向に隣り合う磁石５１は、逆向きに着磁される。

なお、図４では、内周側の回転子５ＩＢと外周側の回転子５ＯＢとの間で、磁石５１Ｂ（５１ＩＢ、５１ＯＢ）と、鉄心５２Ｂ（５２ＩＢ、５２ＯＢ）との周方向の位相関係は同じであるが、この限りではない。

なお、図９に示すような回転子５Ｂを、第２の実施形態に適用してもよい。すなわち、第２の実施形態の回転子５を、図９に示す回転子５Ｂで置き換えてもよい。

このような構成により、回転子５Ｂに、より大きな磁石５１Ｂを配置でき、固定子４と対向する位置に磁束を流しやすい鉄心５２Ｂを配置できる。この結果、より大きなトルクを発生できる。

（第４の実施形態）
図１０は、第４の実施形態の回転電機の１相分の駆動要素３Ｃの構成の断面図である。図１１は、駆動要素３Ｃを回転中心Ａｚの軸方向に沿って分解して配置した分解斜視図である。なお、本実施形態の回転電機も、ラジアルギャップ型の横方向磁束型回転電機であり、例えば、３つの駆動要素３Ｃを備えるように構成できる。以下では、本実施形態の１相分の駆動要素３Ｃについて説明する。

本実施形態の回転子５Ｂは、第３の実施形態と同じであるため同一の符号を付し説明を省略する。本実施形態では、固定子４Ｃの構成が第２の実施形態の固定子４Ａと異なっている。図１０および図１１に示すように、本実施形態の固定子４Ｃは、磁極４３（４３Ｉ、４３Ｏ）と４４（４４Ｉ、４４Ｏ）の径方向先端部が略直角に折れ曲がっている。図１０および図１１では、径方向の内周側および外周側の両方の端部が折れ曲がることにより、回転子５Ｂと対向する面（磁極面）の方向に磁極４３および４４が延伸されている。なお、内周側および外周側のうちいずれか一方の端部のみが折れ曲がるように構成されてもよい。

このように磁極４３と４４の先端部を折れ曲げることで、回転子５Ｂと対向する磁極４３と４４の端部の面積を増大させ、トルクを増大させることができる。

（第５の実施形態）
図１２は、第５の実施形態の回転電機１１の一例を示す斜視図である。図１３は、回転電機１１を回転中心Ａｚの軸方向に沿って垂直方向に切断した断面斜視図である。本実施形態の回転電機１１は、アキシャルギャップ型の横方向磁束型回転電機である。

回転電機１１は、シャフト１２と、複数（例えば３つ）の駆動要素１３（１３Ｕ、１３Ｖ、１３Ｗ）と、を備える。駆動要素１３は、シャフト１２を回転駆動する要素である。回転電機１１は、複数（例えば３つ）の相を有し、各駆動要素１３は、各相に対応している。また、回転電機１１は、不図示の筐体を備える。筐体は、複数の駆動要素１３を収容するとともに、シャフト１２を回転可能に支持する。回転電機１１は、モータまたはジェネレータとして機能する。

図１３に示されるように、複数の駆動要素１３は、それぞれ、固定子１４（１４Ｕ、１４Ｖ、１４Ｗ）と、回転子１５と、を備える。回転子１５は、軸方向前方の回転子１５Ｌと、軸方向後方の回転子１５Ｒと、を含む。回転子１５Ｌは、それぞれ３つの層に対応する回転子１５ＵＬ、１５ＶＬ、１５ＷＬを含む。回転子１５Ｒは、それぞれ３つの層に対応する回転子１５ＵＲ、１５ＶＲ、１５ＷＲ、を含む。すなわち、回転電機１１は、軸方向に並んだ固定子１４と回転子１５との複数（例えば３個）の組を、備えている。固定子１４（１４Ｕ、１４Ｖ、１４Ｗ）は、軸方向前後の方向で回転子１５（軸方向前方（左側）：１５ＵＬ、１５ＶＬ、１５ＷＬ、軸方向後方（右側）：１５ＵＲ、１５ＶＲ、１５ＷＲ）に対向している。

（駆動要素）
図１４は、回転電機１１の１相分の駆動要素１３の一例を示す斜視図である。図１５は、１相分の駆動要素１３の構成の断面図である。図１６は、駆動要素１３を回転中心Ａｚの軸方向に沿って分解して配置した分解斜視図である。以下、１相分の駆動要素１３についてさらに詳細に説明する。

（固定子）
図１５に示されるように、固定子１４は、巻線１４１と、複数の鉄心１４２（１４２Ｉ、１４２Ｏ）とを有する。

巻線１４１は、回転中心Ａｚを中心として複数回環状に巻かれた導線を有している。巻線１４１の形状は、回転中心Ａｚを中心として周方向に沿った円環状である。巻線１４１は、固定子巻線とも称されうる。

巻線１４１は、固定子１４ごとに、すなわち各相に、設けられている。複数の巻線１４１には、位相が互いに異なる交流電力が印加される。本実施形態では、一列として、３つの巻線１４１のそれぞれには、他の２つとの位相差が＋１２０°および−１２０°の交流電力が印加される。なお、複数の相の巻線１４１に印加される交流電力は、この例には限定されない。

複数の鉄心１４２（１４２Ｉ、１４２Ｏ）は、それぞれ、周方向に略一定の間隔をあけて並んでいる。なお、複数の鉄心１４２の間隔は一定である必要はなく、自由に設定できる。鉄心１４２の形状は、例えば扇状である。鉄心１４２Ｉと１４２Ｏは、巻線１４１を取り囲んでいる。

図１６に示されるように、鉄心１４２は、鉄心１４２Ｉと、鉄心１４２Ｏと、を有している。鉄心１４２Ｉは、巻線１４１の径方向のうち一方（内周側）に離れて位置され、径方向に略沿って延びている。鉄心１４２Ｏは、巻線１４１の径方向のうち他方（外周側）に離れて位置され、径方向に略沿って延びている。

鉄心１４２Ｉの軸方向の端部は、磁極１４３である。鉄心１４２Ｏの軸方向の端部は、磁極１４４である。すなわち、鉄心１４２は、磁極１４３と磁極１４４との間に渡り、巻線１４１を取り囲んでいる。これらの磁極１４３、１４４は、回転子１５に面する磁極である。

後述するように、鉄心１４２Ｉ、１４２Ｏは、磁気回路Ｍｃ’の一部を構成する。鉄心１４２Ｉは、磁束が入力する方向が第１の方向である磁極面と、磁束が出力する方向が第１の方向である磁極面と、を有する。また鉄心１４２Ｏは、磁束が入力する方向が第２の方向である磁極面と、磁束が出力する方向が第２の方向である磁極面と、を有する。第２の方向は、例えば第１の方向の逆方向である。

このように、本実施形態では、鉄心１４２Ｉ、１４２Ｏの組みそれぞれで、４つの磁極面が形成されるため、より大きなトルクを発生させることできる。

図１５の磁気回路Ｍｃ’の例では、鉄心１４２Ｉは、軸方向の一方（回転中心Ａｚの軸方向の後方）に向かう方向（第１の方向の一例）に磁束が入力する磁極面と、軸方向の一方に向かう方向に磁束が出力する磁極面と、を有する。また、鉄心１４２Ｏは、軸方向の他方（回転中心Ａｚの軸方向の前方）に向かう方向（第２の方向の一例）に磁束が入力する磁極面と、軸方向の他方に向かう方向に磁束が出力する磁極面と、を有する。鉄心１４２Ｉおよび鉄心１４２Ｏは、第１の鉄心および第２の鉄心の一例である。

（回転子）
図１６に示されるように、回転子１５は、固定子１４に対して軸方向の前方に位置する回転子１５Ｌと、後方に位置する回転子１５Ｒと、を含む。回転子１５Ｌは、複数の磁石１５１Ｌおよび鉄心１５２Ｌを有する。回転子１５Ｒは、複数の磁石１５１Ｒおよび鉄心１５２Ｒを有する。回転子１５Ｌおよび１５Ｒは、シャフト１２と固定される。すなわち、回転子１５は、シャフト１２とともに回転中心Ａｚ回りに回転する。このように、回転子１５は、鉄心１４２Ｌおよび鉄心１４２Ｒに対して離間して配置され、回転中心Ａｚを中心として、固定子１４に対して相対的に回転可能である。

以下、軸方向の前方および後方で区別する必要がない場合は、回転子１５Ｌおよび回転子１５Ｒを回転子１５といい、磁石１５１Ｌおよび磁石１５１Ｒを磁石１５１といい、鉄心１５２Ｌおよび鉄心１５２Ｒを鉄心１５２という場合がある。

シャフト１２の軸心は、回転中心Ａｚと一致している。シャフト１２の形状は、例えば円柱状かつ棒状である。シャフト１２は、一例としては、非磁性体によって構成される。また、シャフト１２と、磁石１５１および鉄心１５２との間には、絶縁層や絶縁性の介在物が挿入されうる。なお、シャフト１２は、回転子１５の一部でもあるとも言える。

磁石１５１は、永久磁石であり、一例としては、高い磁気エネルギー積を有する希土類系の焼結磁石である。磁石１５１の形状は、例えば扇状である。

鉄心１５２は、軸方向の一方で、磁石１５１に対して隣接している。鉄心１５２の形状は、回転中心Ａｚを中心として周方向に沿った円環状である。

複数の磁石１５１は、それぞれ軸方向に着磁される。複数の磁石１５１のそれぞれは、径方向に離れて位置される磁石１５１Ｉおよび１５１Ｏを含む。磁石１５１Ｉおよび１５１Ｏは、周方向の位相を合わせて位置される。

軸方向に離れて位置される磁石１５１Ｌと１５１Ｒは、周方向の位相を合わせて位置される。例えば複数の磁石１５１Ｌおよび複数の磁石１５１Ｒは、個数が一致し、かつ、周方向の位相が一致するように配置される。

本実施形態では、一例として、軸方向、径方向、または、周方向に隣り合う２つの磁石１５１は、それぞれ逆向きに着磁される。例えば、軸方向に隣り合う磁石１５１Ｌと磁石１５１Ｒとは、相互に逆向きに着磁される。また、径方向に隣り合う磁石１５１Ｉと磁石１５１Ｏとは、相互に逆向きに着磁される。また、周方向に隣り合う２つの磁石１５１Ｉ（１５１Ｏ）は、相互に逆向きに着磁される。

このような構成により、各相すなわち各駆動要素１３の各鉄心１４２、１５２において、固定子１４と回転子１５との間に渡って、図１５に示される磁気回路Ｍｃ’が形成される。磁気回路Ｍｃ’の方向は、巻線１４１に印加される電力と磁石１５１の着磁方向等との関係によって定まる。上記のように、本実施形態では、各磁気回路Ｍｃ’について、４つの磁極面が形成されるため、より大きなトルクを発生させることできる。

固定子１４は１つであるため、巻線１４１を１カ所に集中して巻くことができる。すなわち、少ない導線で固定子１４を構成できる。そのため、巻線１４１で発生する銅損を低く抑えることができる。本実施形態では、固定子１４と回転子１５が軸方向に対向する、アキシャルギャップ型である。このため、口径の大きい回転電機において、磁極の面積を大きくしやすく、大きなトルクを発生できる。

なお、鉄心１４２では、磁束は軸方向に流れる。このため、例えば、軸方向に磁化容易軸を備えた方向性電磁鋼板を用いて鉄心１４２を構成してもよい。この場合、鉄心１４２は扇状よりも直方体形状の方が製作しやすい。方向性電磁鋼板の磁化容易軸には、磁束を低損失で流すことができる。

（第６の実施形態）
図１７は、第６の実施形態の回転電機の１相分の駆動要素１３Ａの一例を示す斜視図である。図１８は、１相分の駆動要素１３Ａの構成の断面図である。図１９は、駆動要素１３Ａを回転中心Ａｚの軸方向に沿って分解して配置した分解斜視図である。なお、本実施形態の回転電機も、アキシャルギャップ型の横方向磁束型回転電機であり、例えば、３つの駆動要素１３Ａを備えるように構成できる。以下では、本実施形態の１相分の駆動要素１３Ａについて説明する。

本実施形態の回転子１５、および、固定子１４Ａに含まれる巻線１４１は、第５の実施形態と同じ構成であるため同一の符号を付し説明を省略する。本実施形態では、固定子１４Ａの鉄心１４２Ａ（１４２ＩＡ、１４２ＯＡ）の構成が、第５の実施形態の固定子１４の鉄心１４２（１４２Ｉ、１４２Ｏ）の構成と相違する。

本実施形態では、固定子１４Ａの鉄心１４２Ａ（１４２ＩＡ、１４２ＯＡ）は、環状部と、複数の突起部とを含むように構成される。環状部は、回転中心Ａｚを中心とした環状に構成される。突起部は、環状部から軸方向に突出する突起である。複数の突起部が、周方向に略一定の間隔をあけて並ぶように構成される。突起部は、第５の実施形態における磁極１４３および磁極１４４に相当する。

このような構成により、磁極１４３、１４４を一体で製作できるため、固定子１４Ａの磁極全体の剛性を上げることができる。巻線１４１が鉄心１４２Ａに隣接しているため、周方向に導電性のある材料を用いれば、巻線１４１の電流と同じ向きの渦電流が鉄心１４２Ａに誘導されうる。そのため、一例として、周方向に電気絶縁性があり、一体で成型可能な圧粉磁心が鉄心４２Ａの材料として望ましい。なお、鉄心１４２Ａでも、磁束は軸方向に流れる。そのため、電磁鋼板を回転中心Ａｚの周方向に（螺旋状に）巻くことで、周方向の電気絶縁性を保ちつつ、鉄心１４２Ａを一体で構成できる。電磁鋼板は圧粉磁心よりも機械強度と磁気特性が優れている点で望ましい。軸方向に磁化容易軸のある方向性電磁鋼板を用いれば、より高い磁気特性が得られ、鉄心内部の損失を抑えられる。

（第７の実施形態）
図２０は、第７の実施形態の回転電機の１相分の駆動要素１３Ｂを回転中心Ａｚの軸方向に沿って分解して配置した分解斜視図である。なお、本実施形態の回転電機も、アキシャルギャップ型の横方向磁束型回転電機であり、例えば、３つの駆動要素１３Ｂを備えるように構成できる。以下では、本実施形態の１相分の駆動要素１３Ｂについて説明する。

本実施形態の固定子１４は、第６の実施形態と同じ構成であるため同一の符号を付し説明を省略する。本実施形態では、回転子１５Ｂの磁石１５１Ｂと鉄心１５２Ｂの構成が、第６の実施形態の回転子１５の磁石１５１と鉄心１５２の構成と相違する。

本実施形態では、回転子１５Ｂ（１５ＬＢ、１４ＲＢ）の磁石１５１Ｂ（１５１ＬＢ、１５１ＲＢ）と鉄心１５２Ｂ（１５２ＬＢ、１５２ＲＢ）は、周方向に交互に並んでいる。本実施形態では、一例として、磁石１５１Ｂは周方向に着磁され、周方向に隣り合う磁石１５１は、逆向きに着磁される。一例として、磁石１５１Ｂは周方向に着磁され、周方向に隣り合う磁石１５１は、逆向きに着磁される。

なお、図２０では、軸方向前方の回転子１５ＬＢと軸方向後方の回転子１５ＲＢの磁石１５１Ｂと鉄心１５２Ｂの周方向の位相関係は同じであるが、この限りではない。

なお、図２０に示すような回転子１５Ｂを、第６の実施形態に適用してもよい。すなわち、第６の実施形態の回転子１５を、図２０に示す回転子１５Ｂで置き換えてもよい。

このような構成により、回転子１５Ｂに、より大きな磁石１５１Ｂを配置でき、固定子１４Ｂと対向する位置に磁束を流しやすい鉄心１５２Ｂを配置できる。この結果、より大きなトルクを発生できる。

（第８の実施形態）
図２１は、第８の実施形態の回転電機の１相分の駆動要素１３Ｃの構成の断面図である。図２２は、駆動要素１３Ｃを回転中心Ａｚの軸方向に沿って分解して配置した分解斜視図である。なお、本実施形態の回転電機も、アキシャルギャップ型の横方向磁束型回転電機であり、例えば、３つの駆動要素１３Ｃを備えるように構成できる。以下では、本実施形態の１相分の駆動要素１３Ｃについて説明する。

本実施形態の回転子１５Ｂは、第７の実施形態と同じであるため同一の符号を付し説明を省略する。本実施形態では、固定子１４Ｃの構成が第６の実施形態の固定子１４Ａと異なっている。固定子１４Ｃは、巻線１４１と、複数の鉄心１４２Ｃ（１４２ＩＣ、１４２ＯＣ）とを有する。図２１および図２２に示すように、本実施形態の固定子１４Ｃは、磁極１４３と１４４の径方向先端部が径方向に延伸されている。すなわち、固定子１４Ｃは、回転子１５Ｂと対向する面（磁極面）の方向に磁極１４３および１４４が延伸されている。なお、磁極１４３および磁極１４４のうちいずれか一方のみが延伸されてもよい。また、磁極１４３が径方向の外周側に延伸されているが、内周側に延伸されてもよい。また、磁極１４４が径方向の内周側に延伸されているが、外周側に延伸されてもよい。

このように磁極１４３と１４４を延伸させることで、回転子１５Ｂと対向する磁極１４３と１４４の端部の面積を増大させ、トルクを増大させることができる。

（第９の実施形態）
図２３は、第９の実施形態の回転電機２１の一例を示す斜視図である。図２４は、回転中心Ａｚの軸方向と垂直な平面であり、回転電機２１の軸方向の幅の中心を通る平面に沿って回転電機２１を切断した断面斜視図である。本実施形態の回転電機２１は、ラジアルギャップ型の横方向磁束型回転電機である。

回転電機２１は、シャフト２２と、複数（例えば３つ）の駆動要素２３（２３Ｕ、２３Ｖ、２３Ｗ）と、を備える。駆動要素２３は、シャフト２２を回転駆動する要素である。回転電機２１は、複数（例えば３つ）の相を有し、駆動要素２３は、各相に対応している。また、回転電機２１は、不図示の筐体を備える。筐体は、複数の駆動要素２３を収容するとともに、シャフト２２を回転可能に支持する。回転電機２１は、モータまたはジェネレータとして機能する。

図２３に示されるように、複数の駆動要素２３は、それぞれ、固定子２４（２４Ｕ、２４Ｖ、２４Ｗ）と、回転子５（５Ｉ、５Ｏ）と、を備える。すなわち、回転電機２１は、周方向に並んだ複数（例えば３個）の固定子２４（２４Ｕ、２４Ｖ、２４Ｗ）と２つの回転子５（５Ｉ、５Ｏ）を、備えている。固定子２４（２４Ｕ、２４Ｖ、２４Ｗ）は、内周面と外周面で回転子５（内周側：５Ｉ、外周側：５Ｏ）に対向している。なお、本実施形態の回転子５は、第１の実施形態と同じ構成であるため同一の符号を付し説明を省略する。

（固定子）
図２４に示されるように、固定子２４（２４Ｕ、２４Ｖ、２４Ｗ）は、巻線２４１（２４１Ｕ、２４１Ｖ、２４１Ｗ）と、鉄心２４２（２４２Ｕ、２４２Ｖ、２４２Ｗ）とを有する。なお図２４は断面図のため、軸方向の後方の鉄心２４２のみが示されているが、軸方向の前方にも対応する鉄心２４２が備えられている。軸方向の前方および後方の鉄心２４２は、第１の鉄心および第２の鉄心の一例である。

巻線２４１（２４１Ｕ、２４１Ｖ、２４１Ｗ）は、対応する鉄心２４２（２４２Ｕ、２４２Ｖ、２４２Ｗ）全体にわたって巻かれた導線を有している。巻線２４１の形状は、例えば略扇状である。巻線２４１は、固定子巻線とも称されうる。

巻線２４１は、固定子２４ごとに、すなわち各相に、設けられている。複数の巻線２４１には、位相が互いに異なる交流電力が印加される。本実施形態では、一列として、３つの巻線２４１のそれぞれには、他の２つとの位相差が＋１２０°および−１２０°の交流電力が印加される。なお、複数の相の巻線２４１に印加される交流電力は、この例には限定されない。

複数の鉄心２４２Ｕ、２４２Ｖ、２４２Ｗは、周方向に略一定の間隔をあけて並んでいる。なお、複数の鉄心２４２（２４２Ｕ、２４２Ｖ、２４２Ｗ）の間隔は一定である必要はなく、自由に設定できる。鉄心２４２Ｕと他の２つの鉄心（２４２Ｖと２４２Ｗ）との位相差は電気角で＋１２０°および−１２０°である。鉄心２４２の形状は、例えば扇状である。

このような構成により、駆動要素２３の各鉄心２４２、５２において、固定子２４と回転子５との間に渡って磁気回路が形成される。上記実施形態と同様に、各磁気回路について、４つの磁極面が形成されるため、より大きなトルクを発生させることできる。

（第１０の実施形態）
図２５は、第１０の実施形態の回転電機２１Ａの一例を示す斜視図である。図２６は、回転中心Ａｚの軸方向と垂直な平面であり、回転電機２１Ａの軸方向の幅の中心を通る平面に沿って回転電機２１Ａを切断した断面斜視図である。本実施形態の回転電機２１Ａは、ラジアルギャップ型の横方向磁束型回転電機である。

回転電機２１Ａは、シャフト２２と、複数（例えば３つ）の駆動要素２３Ａ（２３ＵＡ、２３ＶＡ、２３ＷＡ）と、を備える。本実施形態の回転子５は、第１の実施形態の回転子５と同じであるため同一の符号を付し説明を省略する。本実施形態では、固定子２４Ａの鉄心２４２Ａの構成が、第９の実施形態の固定子２４の鉄心２４２の構成と相違する。本実施形態では、固定子２４Ａ（２４ＵＡ、２４ＶＡ、２４ＷＡ）の鉄心２４２Ａ（２４２ＵＡ、２４２ＶＡ、２４２ＷＡ）は、相ごとに略扇状に連結される。

このような構成により、各鉄心２４２ＵＡ、２４２ＶＡ、２４２ＷＡを一体で製作できるため、固定子２４Ａの磁極全体の剛性を上げることができる。

なお、上記実施形態の回転電機は、ロボット全般、一般機械、電気機械、輸送用機械、および、精密機械等にも、搭載可能である。

以下に、回転電機システム、車（自動車、鉄道車両など）、発電装置（風力発電装置など）、昇降装置（エレベータ、クレーンなど）、および、ロボットへの適用例について説明する。以下では、第１の実施形態の回転電機１を適用した例を説明するが、他の実施形態の回転電機を適用してもよい。

（回転電機システム）
図２７は、回転電機１を含む回転電機システム１００の構成例の一例を示すブロック図である。図２７に示されるように、回転電機システム１００は、駆動回路１２０、角度センサ１２１、制御部１１０等を有する。

駆動回路１２０は、制御部１１０による制御に応じて、回転電機１に電力を供給する。駆動回路１２０は、電力の供給源（電源）としてのバッテリなどを備えている。

角度センサ１２１は、例えば、ロータリエンコーダ等を含み、回転電機１の回転子５の回転角度を検出する。なお、回転子５の回転角度は、角度センサ１２１による回転角度の検出に替えて、後述する駆動回路１２０が出力する電力と、回転電機１の物理モデルと、に基づいて推定されてもよい。このような推定は、センサレス位置推定と称されうる。

制御部１１０は、駆動回路１２０の動作を制御する。制御部１１０は、回転角度測定部１１１と、回転制御部１１２と、を有する。回転角度測定部１１１は、角度センサ１２１の検出結果に基づいて、回転角度情報を出力する。回転制御部１１２は、所定のアルゴリズムに従って、回転角度情報や外部からの要求値等に応じた指令値を取得し、当該指令値に応じた電力を回転電機１に印加するよう、駆動回路１２０を制御する。制御部１１０は、角度センサ１２１の検出結果、または、センサレス位置推定に基づいて、回転電機１の角度フィードバック制御を実行することができる。

（車への適用例）
図２８は、回転電機１を含む車２００の概略構成図である。車２００（機械）は、第１の実施形態の回転電機１を有することができる。図２８の例では、車２００は、いわゆるハイブリッド車両である。車２００の車体２１１は、２つの前輪２１２および２つの後輪２１３を有している。前輪２１２は、駆動輪（作動部）であり、駆動シャフト２１４、ディファレンシャルギア２１６および駆動シャフト２１５を介して回転電機１に接続される。駆動シャフト２１５は、回転電機１のシャフト２（回転子５）と連結される。車２００は、エンジン２１７をさらに備える。エンジン２１７は、連結シャフト２１８を介して回転電機１または駆動シャフト２１５と連結される。このような構成により、エンジン２１７のトルクおよび回転電機１の動力は、ともに前輪２１２に伝達される。

図２９は、車２００に搭載された回転電機１の構成図である。図２９に示すように、回転電機１の各駆動要素３Ｕ、３Ｖ、３Ｗの巻線には、駆動回路１２０の動力線が接続される。なお、回転電機１は、車両駆動時にはモータとして動作し、エネルギー回生時には、発電機として動作する。

なお、車２００は、ハイブリッド車両には限定されず、エンジン２１７を有さない電気自動車、および、燃料電池自動車等であってもよい。

（風力発電装置への適用例）
図３０は、回転電機１を含む風力発電装置３００の概略構成図である。風力発電装置３００（機械）は、第１の実施形態の回転電機１を有することができる。図３０の例では、風力発電装置３００のブレード３１１（作動部）は風力によって回転し、回転シャフト３１２を介して増速機３１４に動力が伝達される。増速機３１４の動力は、回転シャフト３１３および軸継手３１５を介して回転電機１のシャフト２（回転子５）に伝達され、回転電機１は当該動力によって発電する。発生した電力は、変圧器３１６および系統保護装置３１７を介して電力系統３１８に供給される。

なお、第１の実施形態の回転電機１は、このような風力発電装置３００以外の発電装置、例えば水力発電装置を始めとする発電装置全般にも、適用することができる。

（エレベータへの適用例）
図３１は、回転電機１を含むエレベータ４００の概略構成図である。エレベータ４００（機械）は、第１の実施形態の回転電機１を有することができる。図３１の例では、エレベータ４００は、巻上機４１４、かご４１１（作動部）、釣合い錘４１２、およびロープ４１３を備えている。巻上機４１４は、回転電機１およびシーブ４１４ａを含む。ロープ４１３は、かご４１１の滑車、巻上機４１４のシーブ４１４ａ（作動部）、および釣合い錘４１２の滑車に巻き掛けられる。ロープ４１３の両端は、それぞれ建物等の別個の位置に固定される。巻上機４１４のモータとしての回転電機１が作動すると、回転電機１の発生トルクによってシーブ４１４ａが回転する。巻上機４１４は、シーブ４１４ａとロープ４１３との間の摩擦力を利用してロープ４１３を巻き上げるまたは巻き下げることで、かご４１１を上昇または下降することができる。なお、巻上機４１４も、機械の一例であると言える。

なお、第１の実施形態の回転電機１は、このようなエレベータ４００以外の昇降装置、例えばクレーンなどにも適用することができる。

（ロボットへの適用例）
図３２は、回転電機１を含むロボット５００の概略構成図である。ロボット５００（機械）は、第１の実施形態の回転電機１を有することができる。図３２の例では、ロボット５００は、多関節ロボットであり、ベース５１１および複数の可動部５１２（作動部）を有する。回転電機１は、２つの可動部５１２が回動可能に連結された関節部分のそれぞれに、設けられている。回転電機１は、関節部分の一方の可動部５１２に固定され、他方の可動部５１２を一方の可動部５１２に対して相対的に回転させる。ロボット５００は、複数の回転電機１を制御することにより、多関節アームの先端に位置する可動部５１２の位置や、姿勢、動作（移動速度等）を制御し、任意の位置の物体５１３にアクセスしたり、物体を搬送したりすることができる。

なお、第１の実施形態の回転電機１は、このようなロボット５００以外のロボット、例えばパラレルリンクロボット、直交ロボット、走行（歩行）ロボット、および、補助ロボットを始めとするロボット全般にも、適用することができる。

また、第１の実施形態の回転電機１は、これまで例示した機械以外の機械、例えば、一般機械、電気機械、輸送用機械、および、精密機械等にも搭載可能である。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１、１１、２１ 回転電機
２、１２、２２ シャフト
３、１３、２３ 駆動要素
４、１４、２４ 固定子
５、１５ 回転子
４１、１４１、２４１ 巻線
４２、１４２、２４２ 鉄心
４３、４４、１４３、１４４ 磁極
５１、１５１ 磁石
５２、１５２ 鉄心

Claims (13)

1. 固定子と、回転中心回りに回転可能な回転子と、を備え、
   前記固定子は、
   前記回転中心を中心とする環状の巻線と、
   前記巻線の一部を取り囲み、磁束が入力する方向が第１の方向である磁極面と、磁束が出力する方向が前記第１の方向である磁極面と、を有する第１の鉄心と、
   前記巻線の一部を取り囲み、磁束が入力する方向が第２の方向である磁極面と、磁束が出力する方向が前記第２の方向である磁極面と、を有する第２の鉄心と、
   を備え、
   前記回転子は、
   前記第１の鉄心および前記第２の鉄心に対して離間して配置され、前記回転中心を中心として前記固定子に対して相対的に回転可能である、
   回転電機。
2. 前記第１の鉄心および前記第２の鉄心の少なくとも一方は、環状部と、前記環状部から突出した複数の磁極と、を備える、
   請求項１に記載の回転電機。
3. 前記第１の鉄心および前記第２の鉄心の少なくとも一方は、前記回転子と対向する面の方向に延伸された磁極を有する、
   請求項１に記載の回転電機。
4. 前記回転子は、
   前記回転中心の周方向に交互に配置される複数の磁石と複数の鉄心とを有する、
   請求項１に記載の回転電機。
5. １つの鉄心を介して隣り合う２つの磁石は、磁化方向が逆である、
   請求項４に記載の回転電機。
6. 複数の前記磁石の磁化方向は、前記回転中心の周方向である、
   請求項５に記載の回転電機。
7. 前記第１の鉄心および前記第２の鉄心は、圧粉成型体である、
   請求項１に記載の回転電機。
8. 前記第１の鉄心および前記第２の鉄心は、前記回転中心の周方向に巻かれた鋼板である、
   請求項１に記載の回転電機。
9. 請求項１〜８のうちいずれか一つに記載の回転電機と、
   前記回転電機に電力を供給する駆動回路と、
   前記駆動回路の動作を制御する制御部と、
   を備える回転電機システム。
10. 請求項１〜８のうちいずれか一つに記載の回転電機を備えた、車。
11. 請求項１〜８のうちいずれか一つに記載の回転電機を備えた、発電装置。
12. 請求項１〜８のうちいずれか一つに記載の回転電機を備えた、昇降装置。
13. 請求項１〜８のうちいずれか一つに記載の回転電機を備えた、ロボット。

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