JP5653569B2 - 回転電動機および内燃機関用過給機 - Google Patents

Description

この発明は、回転子を磁性体で構成し、固定子にマグネット（永久磁石）を配した回転電動機、およびそれを用いた自動車などの内燃機関用過給機に関する。

従来のスイッチドリラクタンスモータ構造は、機械的な耐久性に富み高効率が期待できることから、特に高速回転用電動機として有利であることはよく知られており、例えば特許文献１などに開示されている。この特許文献１の永久磁石モータは、２個の積層された磁性体それぞれが所定の間隔を有してＮ極とＳ極に分離され、かつ、Ｎ極とＳ極となる突極がそれぞれ半ピッチ捻られて回転軸に装着された回転子と、前記回転子のＮ極とＳ極を囲むように磁性体を軸方向に２分割し、当該磁性体の間に軸方向に着磁された界磁起磁力発生用のマグネットを配置した固定子とを備える構造であった。このような従来の永久磁石モータは、固定子側に設けられたマグネットにより回転子の突極を磁極とする構成であるので、回転子側にマグネットを設ける必要がない。従って、耐遠心性に富む構造であることから、高速回転または超高速回転対応の回転電動機に適している。なお、特許文献１では固定子鉄心とマグネットが略同じ形状であることも図示されている。

特開８−２１４５１９号公報

従来の高速回転用モータは上記特許文献１に開示されているとおり、永久磁石モータ方式であり、一般的には固定子鉄心とマグネットが略同じ形状に設定されていた。しかし、固定子鉄心とマグネットが同じ形状である場合、大電流を必要とする高出力電動機では、固定子鉄心の隣接するティース間に過大な漏洩磁束が発生するためモータ効率が悪化し、その影響により必要回転数に達するまでの時間、即ち応答速度が極度に悪化するという課題があった。

例えば、大電流の供給により、モータの回転軸に連結された回転翼を高速回転させ内燃機関の吸入空気を加圧供給する自動車用の過給機などにおいては、いかにして応答速度を向上させるかが大きな課題となっている。しかしながら、固定子鉄心とマグネットが略同じ形状である限り、ティース間漏洩磁束の影響による応答速度の悪化が避けられない。よって、特に内燃機関用過給機において永久磁石モータ方式を採用する場合、ティース間漏洩磁束の軽減対策が重要な課題であった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、大電流投入が必要で、かつ、回転数が１０万回転に達するような超高速回転が要求される用途に適した回転電動機、およびそれを用いた内燃機関用過給機を提供することを目的とする。

この発明による回転電動機は、フレームと、フレームに軸支された回転軸に固着されて、フレーム内に回転自在に配設された回転子と、フレームに保持され、回転子を囲むように同軸心に配設された２つの同形状の固定子鉄心と、当該２つの固定子鉄心間に挟持され回転子を励磁する界磁起磁力発生用マグネット、および当該２つの固定子鉄心に巻装され回転子に回転トルクを発生させるトルク発生用駆動コイルを有する固定子とを備え、固定子鉄心それぞれは、円盤状のコアバック、および当該コアバック内周面から径方向内方に突設されて内周側に開口するスロットを構成するティースを有し、界磁起磁力発生用マグネットは、固定子鉄心のコアバックと同形状のコアバック状部、およびティースと同形状のティース状部を有し、固定子鉄心の軸方向から見たティースの投影面に対して、界磁起磁力発生用マグネットのティース状部の投影面の一部が周方向にはみ出るようにしたものである。

この発明による内燃機関用過給機は、上述の回転電動機を用いてコンプレッサの回転翼を回転駆動するようにしたものである。

この発明によれば、固定子鉄心の軸方向から見たティースの投影面に対して、界磁起磁力発生用マグネットのティース状部の投影面の一部が周方向にはみ出るようにした。このため、ティースの周方向幅を狭めて界磁起磁力発生用マグネットをはみ出させた場合、トルク発生用駆動コイルを囲む固定子のコアバック、周方向に隣接するティース、およびスロットを通じて発生する漏洩磁束を大幅に軽減できるため、漏洩磁束発生による駆動トルクの減少を抑制できる。一方、界磁起磁力発生用マグネットのティース状部の周方向幅を広げて固定子鉄心のティースからはみ出させた場合、ティースの磁束密度が高まるため、駆動トルクを大きくできる。従って、どちらの場合も超高速回転が要求される用途に適した回転電動機を提供することができる。

この発明によれば、超高速回転に適した回転電動機を用いることにより、過給機の過給能力が高まると共に、過給機能の応答性が大幅に改善できるため、運転者のアクセル操作に応じた応答性の高い内燃機関用過給機を提供することができる。

この発明の実施の形態１に係る回転電動機の構成を示す一部破断斜視図である。 実施の形態１に係る回転電動機の固定子鉄心とマグネットを軸方向に重ね合わせた状態で、第１固定子鉄心の側から見た平面図である。 実施の形態１に係る回転電動機の固定子を、第１固定子鉄心の側から見た拡大図である。 実施の形態１に係る回転電動機のマグネットの形状を示す平面図である。 マグネットのはみ出し部が存在しない従来形状の固定子を、第１固定子鉄心の側から見た拡大図である。 実施の形態１に係る回転電動機における固定子のティース間に生じる漏洩磁束特性と従来形状における固定子のティース間に生じる漏洩磁束特性とを比較説明するためのティース間漏洩磁束比較グラフである。 実施の形態１に係る回転電動機の、従来形状の回転電動機に対する相対的な性能改善効果を示すグラフである。 実施の形態１に係る回転電動機の変形例を示し、固定子を第１固定子鉄心の側から見た平面図である。 実施の形態１に係る回転電動機の他の変形例を示し、固定子を第１固定子鉄心の側から見た平面図である。 この発明の実施の形態２に係る回転電動機の構成を示す一部破断斜視図である。 実施の形態２に係る回転電動機の変形例を示し、マグネットの形状を示す平面図である。 実施の形態２に係る回転電動機の他の変形例を示し、マグネットの形状を示す平面図である。 この発明の実施の形態３に係る回転電動機の構成を示す一部破断斜視図である。 実施の形態３に係る回転電動機のマグネットの形状を示す平面図である。 実施の形態１〜３に係る回転電動機それぞれの平均トルクを試算した比較結果を示すグラフである。 この発明の実施の形態４に係る内燃機関用過給機の構成を示す断面図であり、実施の形態１〜３の回転電動機を利用した構成である。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
図１に示すように、回転電動機１００は、回転軸１に同軸に固定された回転子２と、回転子２を囲むように同軸に配設され、界磁起磁力発生用のマグネット１１を間に挟み込んだ固定子鉄心７に対して、トルク発生用駆動コイルとしての固定子コイル１０を巻装してなる固定子６と、例えば鉄材またはアルミ材等の金属で作製され、円筒部内に回転子２および固定子６を収納、保持するフレーム１２とを備えている。なお、フレーム１２は、図１に示す円筒部と、この円筒部の両端開口を塞口する、不図示の一対の端板とを有する。

回転子２は、例えば所定形状に成形された多数枚の磁性鋼板を積層一体化して作製された第１磁性体３および第２磁性体４と、所定枚の磁性鋼板を積層一体化して作製され、軸心位置に回転軸１を挿入する挿入孔が穿設された円盤状の隔壁５とを備える。第１磁性体３および第２磁性体４は、同一形状に作製され、軸心位置に回転軸１を挿入する挿入孔が穿設された円筒状の基部３ａ，４ａと、基部３ａ，４ａの外周面から径方向外方に突設されて周方向に等角ピッチで２つ設けられた突極３ｂ，４ｂとから構成されている。なお、第１磁性体３および第２磁性体４は、周方向に半突極ピッチずらして、隔壁５を介して相対して互いに密接して配置され、それらの挿入孔に挿通された回転軸１に固着されるよう構成されている。

なお、第１磁性体３および第２磁性体４は多数枚の磁性鋼板を積層一体化したものとしたが、圧粉鉄芯のような鉄粉を樹脂にて固めたものでも、磁性鋼板を積層一体化したものと同様な効果を得ることが可能である。

固定子鉄心７は、所定形状に成形された複数の磁性鋼板を積層一体化して作製された第１固定子鉄心８および第２固定子鉄心９を備える。第１固定子鉄心８は、円筒状のコアバック８ａと、コアバック８ａの内周面から径方向内方に突設されて周方向に等角ピッチで６つ設けられたティース８ｂとを備え、内周側に開口するスロット８ｃが、周方向に隣り合うティース８ｂ間に形成されている。

なお、固定子鉄心７は、磁性鋼板を積層一体化したものとしたが、圧粉鉄芯のような鉄粉を樹脂にて固めたものでも、磁性鋼板を積層一体化したものと同様な効果を得ることが可能である。

第２固定子鉄心９は、第１固定子鉄心８と同一形状に作製され、円筒状のコアバック９ａと、コアバック９ａの内周面から径方向内方に突設されて周方向に等角ピッチで６つ設けられたティース９ｂとを備え、内周側に開口するスロット９ｃが、周方向に隣り合うティース９ｂ間に形成されている。

このように構成された第１固定子鉄心８および第２固定子鉄心９は、ティース８ｂ，９ｂの周方向位置を一致させて、隔壁５の軸方向厚み分離間して同軸心上に配置され、第１固定子鉄心８が第１磁性体３を囲み、第２固定子鉄心９が第２磁性体４を囲んでいる。

固定子コイル１０は、軸方向に相対して対をなすティース８ｂ，９ｂに巻回した、いわゆる集中巻き方式に巻装された６相の相コイルで構成されている。なお、固定子コイル１０は、実際には、軸方向に相対して対をなす６対のティース８ｂ，９ｂに対して、順次Ｕ，Ｖ，Ｗの３相をＮ回繰り返して集中巻きに巻回して構成されている。

マグネット１１は、第１固定子鉄心８および第２固定子鉄心９と略同形状に形成され、これら第１固定子鉄心８および第２固定子鉄心９によって同軸心上に挟持されている。ただし、マグネット１１はティース８ｂ，９ｂから部分的にはみ出す形状に形成されている。第１固定子鉄心８、第２固定子鉄心９およびマグネット１１の形状の詳細は後述する。

フレーム１２の一対の図示しない端板に回転軸１が軸支され、回転子２が回転自在な状態でフレーム１２の円筒部内に収納され、固定子６が、この回転子２を取り囲むように同軸に配置された状態でフレーム１２の円筒部内に圧入、保持されて、回転電動機１００が構成されている。

このように構成された回転電動機１００においては、マグネット１１の磁力により、図１に矢印で示されるように、第１磁性体３の突極３ｂから第１固定子鉄心８に流れ、第２固定子鉄心９から第２磁性体４の突極４ｂに戻る磁束が形成される。このとき、第１磁性体３および第２磁性体４の突極３ｂ，４ｂが周方向に半突極ピッチずれているので、磁束は、軸方向から見るとＮ極とＳ極とが周方向に交互に配置されたように作用する。これにより、回転電動機１００は、無整流子モータとして動作し、磁気的には、４極６スロットの集中巻き方式の永久磁石式回転電動機と同様に動作する。

次に、第１固定子鉄心８、第２固定子鉄心９およびマグネット１１の形状の詳細を説明する。
図２は、実施の形態１に係る回転電動機１００の固定子鉄心７とマグネット１１を軸方向に重ね合わせた状態で、第１固定子鉄心８の側から見た平面図であり、図３にその一部の拡大図を示す。図４は、マグネット１１の形状を示す平面図である。

マグネット１１は、第１固定子鉄心８および第２固定子鉄心９のコアバック８ａ，９ａと略同形状であってコアバック８ａ，９ａの間に挟み込まれたコアバック状部１１ａと、ティース８ｂ，９ｂと略同形状であってティース８ｂ，９ｂの間に挟み込まれたティース状部１１ｂとを有する。また、ティース状部１１ｂ間には、スロット８ｃ，９ｃと略同形状のスロット状部１１ｄが開口し、スロット状部１１ｄそれぞれに固定子コイル１０が貫通する。ティース状部１１ｂの周方向寸法（幅）は、ティース８ｂ，９ｂの周方向寸法（幅）より大きく設定されており、ティース８ｂ，９ｂからはみ出した部分をはみ出し部１１ｃとする。図４でははみ出し部１１ｃを斜線で示している。

従って、図２において、マグネット１１を第１固定子鉄心８および隠れて見えない第２固定子鉄心９で挟持した状態の固定子鉄心７を、軸方向から見た場合、マグネット１１のはみ出し部１１ｃがティース８ｂの周方向へはみ出る。図２のＴｃは、第１固定子鉄心８および隠れて見えない第２固定子鉄心９のティース８ｂ，９ｂの周方向の寸法を示し、Ｍｃはマグネット１１のはみ出し部１１ｃを含めたティース状部１１ｂの周方向の寸法を示し、Ｍｃ＞Ｔｃの関係にある。

ここで、固定子鉄心７のティース８ｂ，９ｂにおけるマグネット１１のはみ出し効果を説明する。
図５は、マグネット１１のはみ出し部１１ｃが存在しないＭｃ＝Ｔｃの関係にある形状、即ち従来形状におけるティース８ｂ間の漏洩磁束の発生状況を模式的に示している。図５においてマグネット１１および第２固定子鉄心９が第１固定子鉄心８と同形状に形成されているため、これらを重ねた状態ではマグネット１１および第２固定子鉄心９が第１固定子鉄心８に隠れて見えない。また、マグネット１１のティース状部１１ｂの周方向寸法を図２と図５で同じとする一方、図２ではティース８ｂ，９ｂの先端部の周方向寸法を図５より小さくして（スロット８ｃ，９ｃを広くして）、はみ出し部１１ｃを形成している。

図２および図５において、固定子コイル１０に電流を流すと、固定子コイル１０を囲むコアバック８ａ，９ａおよびティース８ｂ，９ｂを経由してスロット８ｃ，９ｃの大気中に磁束が漏れる。その結果、固定子コイル１０を中心とする図中破線で示した磁路が形成され、磁束の漏れが生じる。
自動車の内燃機関用過給機のように大電流を流す必要がある回転電動機の場合、周方向に隣り合うティース８ｂ間およびティース９ｂ間の漏洩磁束発生による効率悪化は過給機の駆動トルクの減少につながり、例えば１０万回転に達するような超高速回転電動機ではその応答速度が大幅に低下してしまう。

図６は、図２に示す本実施の形態１の形状（はみ出し部１１ｃあり）と、図５に示す従来形状（はみ出し部１１ｃなし）におけるそれぞれのティース間漏洩磁束量の試算結果を示すグラフである。図中横軸は電気角［度］、縦軸はティース間漏洩磁束量［ｍＷｂ］である。また、従来形状（はみ出し部１１ｃなし）の漏洩磁束特性を点線にて示し、本実施の形態１の形状（はみ出し部１１ｃあり）の漏洩磁束特性を実線にて表示している。
この試算例では、電気角１８０度毎に漏洩磁束の絶対値が最大値となり、この最大値において従来形状（はみ出し部１１ｃなし）と本実施の形態１の形状（はみ出し部１１ｃあり）の漏洩磁束を比較すると、本実施の形態１の形状（はみ出し部１１ｃあり）の漏洩磁束は、従来形状（はみ出し部１１ｃなし）の漏洩磁束に比べて約６０％程度低減されることが分かる。

従って、第１固定子鉄心８および第２固定子鉄心９のティース８ｂ，９ｂの周方向寸法を小さく設定して、マグネット１１のティース状部１１ｂにはみ出し部１１ｃを設けてＭｃ＞Ｔｃの関係が成立する形状にしたことで、従来形状、即ちＭｃ＝Ｔｃの関係にある形状の回転電動機に比べ漏洩磁束を大幅に軽減することが可能であることが分かった。

そこで、発明者等は、従来形状（はみ出し部１１ｃなし）と本実施の形態１の形状（はみ出し部１１ｃあり）の固定子鉄心７を有したモータ性能評価用試作機を製作し、漏洩磁束の低減による回転電動機の性能改善効果を確認した。
図７は、回転電動機の性能改善効果確認のための相対的な試験結果を示す棒グラフであり、白い棒は、従来形状（はみ出し部１１ｃなし）の固定子鉄心を有する回転電動機の試験結果、黒い棒は、本実施の形態１の形状（はみ出し部１１ｃあり）の固定子鉄心７を有する回転電動機１００の試験結果を示している。

従来形状（はみ出し部１１ｃなし）の固定子鉄心７に対して、本実施の形態１の形状（はみ出し部１１ｃあり）の固定子鉄心７を用いることで、ティース間の漏洩磁束が約６０％改善（減少）されることは、先の図６でも説明したとおりである。その際、本実施の形態１ではティース８ｂ，９ｂの先端部の周方向寸法を小さくしたことにより、回転子２に向き合うティース８ｂ，９ｂの先端面積が若干狭く設定されたため、平均トルクが４％低下した。しかし、この平均トルクの低下は微々たるものであり、回転電動機１００の応答速度は従来形状（はみ出し部１１ｃなし）の固定子鉄心を用いた回転電動機の応答速度と殆ど同等であった。

本発明の達成すべき目的である回転電動機１００の出力向上については、図７に示されるとおり、従来形状の回転電動機に比べて約１２％もの出力向上が見られた。従って、本実施の形態１の形状（はみ出し部１１ｃあり）の固定子鉄心７により奏されるティース間漏洩磁束低減効果が、回転電動機１００の出力向上に大きく貢献したことは明白である。

以上より、実施の形態１によれば、回転電動機１００は、フレーム１２と、フレーム１２に軸支された回転軸１に固着されて、フレーム１２内に回転自在に配設された回転子２と、フレーム１２に保持され、回転軸１を囲むように同軸心に配設された同形状の第１固定子鉄心８と第２固定子鉄心９、第１固定子鉄心８と第２固定子鉄心９に挟持され回転子２を励磁するマグネット１１、および第１固定子鉄心８と第２固定子鉄心９に巻装され回転軸１に回転トルクを発生させる固定子コイル１０を有する固定子６とを備え、第１固定子鉄心８および第２固定子鉄心９それぞれは、磁性鋼板を積層して作製され、円盤状のコアバック８ａ，９ａ、およびコアバック８ａ，９ａの内周面から径方向内方に突設されて内周側に開口するスロット８ｃ，９ｃを構成するティース８ｂ，９ｂを有し、マグネット１１は、第１固定子鉄心８および第２固定子鉄心９のコアバック８ａ，９ａと略同形状のコアバック状部１１ａ、およびティース８ｂ，９ｂと略同形状のティース状部１１ｂを有し、第１固定子鉄心８と第２固定子鉄心９の軸方向から見たティース８ｂ，９ｂの投影面に対して、マグネット１１のティース状部１１ｂの投影面の一部が周方向にはみ出るように構成した。特に、固定子鉄心７のティース８ｂ，９ｂの周方向寸法Ｔｃを狭めてマグネット１１のティース状部１１ｂをはみ出させることによって、ティース８ｂ，９ｂ間の漏洩磁束を大幅に軽減することが可能であり、ティース８ｂ，９ｂの磁束密度を高くすることができる。従って、回転電動機１００の応答速度を低下させることなく出力性能を大幅に向上させることが可能となり、超高速回転が要求される用途に適する。

なお、上記実施の形態１では、集中巻きの回転電動機１００を構成したが、分布巻きの回転電動機でも同様の効果が得られることは特筆するまでもない。

また、上記実施の形態１では、マグネット１１の内径と固定子鉄心７の内径を同じにした（即ち、マグネット１１のティース状部１１ｂの径方向長さと固定子鉄心７のティース８ｂ，９ｂの径方向長さを同じにした）が、異なっていてもよい。ただし、マグネット１１の内径と固定子鉄心７の内径を同じにすることでトルクが向上するため、好ましい。
一方、回転電動機１００を製作する上では、固定子鉄心７の内径よりマグネット１１の内径を大きくして、マグネット１１を外周側に配置することで、空いた内周側の空間を樹脂などで封止することができるので、好ましい。

例えば、図８に示す軸方向視の固定子鉄心７の平面図において、マグネット１１のティース状部１１ｂの径方向長さＭｒを、ティース８ｂ，９ｂの径方向長さＴｒより短くし、空いた空間を樹脂封止して樹脂封止部１３を形成し、ティース状部１１ｂおよびはみ出し部１１ｃを被覆する。樹脂封止部１３を形成することで、マグネット１１に万一割れまたはカケが発生しても、内周側の回転子２が回転しているところにマグネット１１の破片が入って回転子２をロックする（動かなくする）などの故障を防ぐことができる。また、ネオジム磁石など、磁束の変化により磁石表面に渦電流が流れるような磁石をマグネット１１に用いた場合は、図８のように回転子２からの位置を遠ざけることにより、渦電流損を減らす効果もある。渦電流を低減することで高効率な回転電動機１００を実現できる。

また、上記実施の形態１では、マグネット１１のティース状部１１ｂの周方向寸法は変えずに、固定子鉄心７のティース８ｂ，９ｂの周方向寸法を小さくすることによりはみ出し部１１ｃを形成する構成にしたが、反対に、固定子鉄心７のティース８ｂ，９ｂの周方向寸法は変えずに、マグネット１１のティース状部１１ｂの周方向寸法を大きくすることによりはみ出し部１１ｃを形成することも可能である。

例えば、図９に示す軸方向視の固定子鉄心７の平面図において、マグネット１１のティース状部１１ｂの周方向寸法Ｍｃを、ティース８ｂ，９ｂの周方向寸法Ｔｃより大きく設定して、はみ出し部１１ｃを形成する。図５の従来形状（はみ出し部１１ｃなし）とこの図９とではティース８ｂ，９ｂの周方向寸法Ｔｃは同じままとし、図９ではマグネット１１のティース状部１１ｂの先端部の周方向寸法Ｍｃを大きくしてはみ出し部１１ｃを形成している。この場合、ティース８ｂ，９ｂの形状を変更していないので漏洩磁束は軽減されないが、マグネット１１を大きくしているのでティース８ｂ，９ｂの磁束密度が高まりトルクが向上する。よって、図５の従来形状（はみ出し部１１ｃなし）と出力同等で、トルクが必要な場合には、図９の形状が有効である。

実施の形態２．
図１０は、この発明の実施の形態２に係る回転電動機１００の構成を示す一部破断斜視図であり、図１と同一または相当の部分については同一の符号を付し説明を省略する。上記実施の形態１では、マグネット１１のティース状部１１ｂの周方向寸法を、固定子鉄心７のティース８ｂ，９ｂの周方向寸法より大きく設定して、はみ出し部１１ｃを形成していたが、本実施の形態２では、ティース８ｂ，９ｂの固定子コイル１０より径方向内方に位置するスロット８ｃ，９ｃを埋めるための内側リング状マグネット２１を設置して、はみ出し部１１ｃを形成する。

図１１は、本実施の形態２におけるマグネット１１の形状例を示す平面図である。
具体的には、マグネット１１を、大径の外側リング状マグネット２０と、この外側リング状マグネット２０に内接する小径の内側リング状マグネット２１の２ピースで構成する。外側リング状マグネット２０は、コアバック８ａ，９ａおよびティース８ｂ，９ｂの基部と略同形状で形成されている。また、固定子コイル１０が貫通する部分に凹部２０ａを設けてスロット状部１１ｄを構成している。内側リング状マグネット２１は、外側リング状マグネット２０の内周側に、回転子２の第１磁性体３と第２磁性体４との間に設けられた隔壁５の外周を囲むように配設されている。

外側リング状マグネット２０と内側リング状マグネット２１からなるマグネット１１を、第１固定子鉄心８と第２固定子鉄心９とで同軸心上に挟持した場合、内側リング状マグネット２１の一部がティース８ｂ，９ｂからはみ出すはみ出し部１１ｃ（図１１に斜線で示す部分）を形成する。

図１１に示す構成の場合はマグネット１１が２ピース構成となっているため、回転電動機１００の製作時に別体の外側リング状マグネット２０と内側リング状マグネット２１を組み付ける際、２部品であるがゆえに若干手間がかかることが課題として残る。しかし、その際は外側リング状マグネット２０と内側リング状マグネット２１の接触面に接着材を塗布するなどして一体化することにより、前記課題を解消できる。

図１２は、本実施の形態２におけるマグネット１１の他の形状例を示す平面図である。
具体的には、外側リング状マグネット２０と内側リング状マグネット２１からなるマグネット１１を一体的に成形するために、６ピースのピースマグネット２２−１〜２２−６に分割している。ピースマグネット２２−１〜２２−６は扇状であり、その径方向長さが外側リング状マグネット２０から内側リング状マグネット２１までの径方向長さと略同じになっている。各々のピースマグネット２２−１〜２２−６の固定子コイル１０が貫通する部分には凹部２２ａを設けてスロット状部１１ｄを構成している。

ピースマグネット２２−１〜２２−６を組み合わせてドーナツ状にしたマグネット１１を、第１固定子鉄心８と第２固定子鉄心９とで同軸心上に挟持した場合、ピースマグネット２２−１〜２２−６それぞれの内周部分が図１１の内側リング状マグネット２１と略同形状になり、ティース８ｂ，９ｂからはみ出すはみ出し部１１ｃ（図１２に斜線で示す部分）を形成する。

図１２に示す構成の場合、ピースマグネット２２−１〜２２−６と同様に、第１固定子鉄心８および第２固定子鉄心９も６ピースに分割することで、固定子コイル１０の占積率（スロット８ｃ，９ｃに対する固定子コイル１０の割合）を上げることができる。固定子コイル１０の占積率が上がると、通電できる電流が増えることによるトルク向上、または銅損の低減が可能となり、固定子コイル１０の効率向上が可能となる。

このときの製作方法としては、先ず、第１固定子鉄心８を６ピースに分割した第１固定子鉄心ピースと、第２固定子鉄心９を６ピースに分割した第２固定子鉄心ピースと、マグネット１１を６ピースに分割したピースマグネット２２−１〜２２−６を接着などにより固定し、６ピースの固定子コアブロックを製作する。各固定子コアブロックに固定子コイル１０を巻回することで、大電流を通電するための太くて堅い巻線を固定子コイル１０として使用する場合でも巻回しやすくなり、固定子コイル１０の占積率を向上させることができる。これを６ピース分製作し、最終的にフレーム１２に組み付けることで、フレーム１２の内周面に沿ってそれぞれの固定子コアブロックをドーナツ状に配置可能である。

また、回転子２と固定子６の隙間（エアギャップ）が重要な高速回転用の回転電動機１００では、６ピース分の固定子コアブロックの内周面を揃えた状態で、樹脂などで成形してドーナツ状に一体化し、固定子６を製作する。このとき、部品寸法のばらつきなどにより固定子６の外周面が不揃いになることがあるため、外側に変形可能なフレーム１２を使用して、固定子６をフレーム１２に組み付ける。これにより、固定子６の内周面は真円度を確保可能な回転電動機１００を製作可能である。また、接着材などを使用せずにピースマグネット２２−１〜２２−６を一体化することができる。

図１１および図１２に示す形状のマグネット１１には、上記実施の形態１と同様に固定子コイル１０を貫通させるスロット状部１１ｄを形成しているので、ティース８ｂ，９ｂに固定子コイル１０を巻回して交流磁界を発生することができる。また、上記実施の形態１に比べてマグネット１１の体積が増大することになり、ティース８ｂ，９ｂの磁束密度を高めることができる。従って、回転軸１の駆動に必要な平均トルクを更に大きくすることができ、回転電動機１００の応答速度を向上させることが可能となる。

なお、第１固定子鉄心８とマグネット１１との隙間、第２固定子鉄心９とマグネット１１との隙間をできるだけ少なくすることで、トルク低下を防ぐことができる。また、マグネット１１の体積が大きい方がトルクが向上するので、図１２の場合にはピースマグネット２２−１〜２２−６の隙間をできるだけ少なくして、体積を大きくすることが望ましい。

以上より、実施の形態２によれば、回転電動機１００は、第１固定子鉄心８と第２固定子鉄心９の軸方向から見たティース８ｂ，９ｂの投影面に対して、マグネット１１のティース状部１１ｂの投影面の一部が周方向にはみ出るように構成すべく、回転軸１を囲むリング状の内側リング状マグネット２１を設置して、ティース状部１１ｂの先端側のはみ出し部１１ｃを周方向に延設するようにした。このため、回転軸１の駆動に必要な平均トルクを大きくすることができ、回転電動機１００の応答速度を向上させることができる。従って、超高速回転が要求される用途に適する回転電動機１００を提供することができる。

なお、上記実施の形態２では、２ピースのマグネット（外側リング状マグネット２０と内側リング状マグネット２１）を組み合わせる構成と、６ピースのマグネット（ピースマグネット２２−１〜２２−６）を組み合わせる構成を例示したが、これに限定されるものではない。例えば、６箇所のスロット状部を開口したドーナツ形状のマグネット１ピースで代用可能である。

実施の形態３．
図１３は、この発明の実施の形態３に係る回転電動機１００の構成を示す一部破断斜視図であり、図１と同一または相当の部分については同一の符号を付し説明を省略する。上記実施の形態１では、マグネット１１のティース状部１１ｂの周方向寸法を、固定子鉄心７のティース８ｂ，９ｂの周方向寸法より大きく設定して、はみ出し部１１ｃを形成していたが、本実施の形態３では、ティース８ｂ，９ｂの固定子コイル１０より径方向内方に位置するスロット８ｃ，９ｃを埋めるための柱状マグネット３１を設置して、はみ出し部１１ｃを形成する。

図１４は、本実施の形態３におけるマグネット１１の形状例を示す平面図である。
具体的には、マグネット１１を、第１固定子鉄心８および第２固定子鉄心９と略同形状のマグネット３０と、このマグネット３０に形成されたスロット状部１１ｄの内周側開口部を埋める柱状マグネット３１とで構成する。なお、回転電動機１００は４極６スロットのため、６箇所のスロット状部１１ｄに６本の柱状マグネット３１（図１４の柱状マグネット３１−１〜３１−６）を、回転子２の第１磁性体３と第２磁性体４との間に設けられた隔壁５の外周を囲むように、軸方向に挿入している。
これら柱状マグネット３１−１〜３１−６が、第１固定子鉄心８および第２固定子鉄心９のティース８ｂ，９ｂからはみ出すはみ出し部１１ｃ（図１４に斜線で示す部分）を形成する。

図１４に示す構成の場合は、マグネット３０を第１固定子鉄心８と第２固定子鉄心９の間に挟んで接着などにより一体化した後、固定子コイル１０を巻回し、その後に柱状マグネット３１−１〜３１−６をスロット８ｃ，９ｃへ軸方向に挿入してマグネット３０、第１固定子鉄心８および第２固定子鉄心９に接着する。

なお、柱状マグネット３１−１〜３１−６の形状はスロット８ｃ，９ｃの形状に応じて変形可能であり、図１４の例に限定されるものではない。図１４では柱状マグネット３１−１〜３１−６をテーパ形状にして、外周側の周方向寸法をスロット８ｃ，９ｃの内周側開口部の周方向寸法より小さく設定しているので、内周方向への抜け止めができる。柱状マグネット３１−１〜３１−６の周方向寸法をスロット８ｃ，９ｃの内周側開口部の周方向寸法より小さくして、内周方向へ抜け出ることが可能な形状にした場合でも、柱状マグネット３１−１〜３１−６を固定子６に接着することで、固定子６との接着および固定子６との間に働く磁力の作用により、柱状マグネット３１−１〜３１−６が動くことは困難となる。

ここで、実施の形態１〜３に示した構造について効果を比較する。
図１５は、実施の形態１〜３に示した構造について、それぞれの平均トルクを試算し比較した結果を示す棒グラフである。図中、横軸は実施の形態１〜３、縦軸は実施の形態１を１００％としたときの実施の形態２，３のトルク比を示している。
図１５で示されるとおり、実施の形態２，３のようにマグネット１１をスロット８ｃ，９ｃを埋める形状にしたことで、ティース８ｂ，９ｂの磁束密度が高くなるため、回転子２を駆動する平均トルクは約３％前後向上できることが分かった。

以上より、実施の形態３によれば、回転電動機１００は、第１固定子鉄心８と第２固定子鉄心９の軸方向から見たティース８ｂ，９ｂの投影面に対して、マグネット１１のティース状部１１ｂの投影面の一部が周方向にはみ出るように構成すべく、第１固定子鉄心８と第２固定子鉄心９のスロット８ｃ，９ｃまで軸方向に延在した形状の柱状マグネット３１−１〜３１−６を設置して、ティース状部１１ｂの先端側のはみ出し部１１ｃを周方向に延設するようにした。このため、回転軸１の駆動に必要な平均トルクを大きくすることができ、回転電動機１００の応答速度を向上させることができる。従って、超高速回転が要求される用途に適する回転電動機１００を提供することができる。

なお、図示例では、柱状マグネット３１−１〜３１−６を、第１固定子鉄心８および第２固定子鉄心９のそれぞれのスロット８ｃ，９ｃまで軸方向に延在させる形状としたが、スロット８ｃおよびスロット９ｃのいずれか一方まで軸方向に延在させる形状であってもよい。

実施の形態４．
図１６は、実施の形態１〜３に基づく回転電動機１００を、自動車などの内燃機関用過給機に利用した場合の、具体的な構造を説明するための断面図である。以下では図１、図１０および図１３を援用して説明する。
回転子２の両端が２個の軸受１０１で回転自在に保持され、マグネット１１を挟み込んだ第１固定子鉄心８および第２固定子鉄心９がフレーム１２に内包されている。また、回転軸１はその片端に回転翼１１１が装着され、回転翼１１１はコンプレッサハウジング１１０に回転自在に内包されている。

回転電動機１００のコンプレッサハウジング１１０とは反対側には、回転翼１１１の回転を制御するためのコントローラ２００が図示しないネジによって一体的に装着されている。また、コントローラ２００と同じ側の回転軸１の端部周辺に回転検出センサ２０７が設置されている。
なお、カバー２０６によって覆われたコントローラ２００は、回転翼１１１を回転制御するために必要な電子部品２０５を搭載した基板ＡＳＳＹ２０４が内蔵されており、電源コネクタ２０１から供給された電力を、バスバーＡＳＳＹ２０２で一体的にモールドされたバスバー２０３を通じて固定子コイル１０の各相に順次切り替え制御するものである。

このように構成された内燃機関用過給機は、実施の形態１〜３に示したようにマグネット１１のティース状部１１ｂの周方向幅が、第１固定子鉄心８および第２固定子鉄心９のティース８ｂ，９ｂの周方向幅より大きく設定されている。
これにより、図１に矢印で示したような、回転子２の突極３ｂから第１固定子鉄心８のティース８ｂに流れる磁束密度、および第２固定子鉄心９のティース９ｂから回転子２の突極４ｂに流れる磁束密度を高められるため、回転軸１の駆動トルクが向上する。
よって、このようなマグネット１１にて構成された回転電動機１００を内燃機関用過給機に活用した場合、目標回転数への到達時間を大幅に短縮することが可能となる。

以上より、実施の形態４によれば、自動車等の内燃機関用過給機は、上記実施の形態１〜３に係る回転電動機１００を用いてコンプレッサの回転翼１１１を回転駆動するように構成したので、回転翼１１１の駆動トルクを大きくすることができる。従って、過給機の過給能力が高まると共に、過給機能の応答性が大幅に改善できるため、運転者のアクセル操作に応じた応答性の高い内燃機関用過給機を提供することができる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

以上のように、この発明に係る回転電動機は、固定子鉄心７のティース８ｂ，９ｂの周方向幅に対して、マグネット１１のティース状部１１ｂの周方向幅を大きく設定して超高速回転に適する構成にしたので、自動車などに搭載された内燃機関用過給機などに用いるのに適している。

１ 回転軸、２ 回転子、３ 第１磁性体、３ａ 基部、３ｂ 突極、４ 第２磁性体、４ａ 基部、４ｂ 突極、５ 隔壁、６ 固定子、７ 固定子鉄心、８ 第１固定子鉄心、８ａ，９ａ コアバック、８ｂ，９ｂ ティース、８ｃ，９ｃ スロット、９ 第２固定子鉄心、１０ 固定子コイル（トルク発生用駆動コイル）、１１ マグネット（界磁起磁力発生用マグネット）、１１ａ コアバック状部、１１ｂ ティース状部、１１ｃ はみ出し部、１１ｄ スロット状部、１２ フレーム、１３ 樹脂封止部、２０ 外側リング状マグネット、２０ａ，２２ａ 凹部、２１ 内側リング状マグネット、２２−１〜２２−６ ピースマグネット、１００ 回転電動機、１０１ 軸受、１１０ コンプレッサハウジング、１１１ 回転翼、２００ コントローラ、２０１ 電源コネクタ、２０２ バスバーＡＳＳＹ、２０３ バスバー、２０４ 基板ＡＳＳＹ、２０５ 電子部品、２０６ カバー、２０７ 回転検出センサ。

Claims (5)

1. フレームと、
   前記フレームに軸支された回転軸に固着されて、前記フレーム内に回転自在に配設された回転子と、
   前記フレームに保持され、前記回転子を囲むように同軸心に配設された２つの同形状の固定子鉄心、当該２つの固定子鉄心間に挟持され前記回転子を励磁する界磁起磁力発生用マグネット、および当該２つの固定子鉄心に巻装され前記回転子に回転トルクを発生させるトルク発生用駆動コイルを有する固定子とを備え、
   前記固定子鉄心それぞれは、円盤状のコアバック、および当該コアバック内周面から径方向内方に突設されて内周側に開口するスロットを構成するティースを有し、
   前記界磁起磁力発生用マグネットは、前記固定子鉄心の前記コアバックと同形状のコアバック状部、および前記ティースと同形状のティース状部を有し、
   前記固定子鉄心の軸方向から見た前記ティースの投影面に対して、前記界磁起磁力発生用マグネットの前記ティース状部の投影面の一部が周方向にはみ出ていることを特徴とする回転電動機。
2. 前記固定子鉄心の前記ティースの周方向幅に対して、前記界磁起磁力発生用マグネットの前記ティース状部の周方向幅が大きく設定されていることを特徴とする請求項１記載の回転電動機。
3. 前記界磁起磁力発生用マグネットの前記ティースからはみ出た部分が周方向に延設されて、前記回転子を囲むリング状に形成されていることを特徴とする請求項２記載の回転電動機。
4. 前記界磁起磁力発生用マグネットの前記ティースからはみ出た部分が、前記２つの固定子鉄心のそれぞれの前記スロットまで軸方向に延在していることを特徴とする請求項２記載の回転電動機。
5. 請求項１記載の回転電動機を用いてコンプレッサの回転翼を回転駆動することを特徴とする内燃機関用過給機。

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