JP6398180B2 - 電動発電機及びそれを備えたエンジンユニット - Google Patents

Description

本発明は、電動発電機及びそれを備えたエンジンユニットに関し、さらに詳しくは、永久磁石を使用する電動発電機及びそれを備えたエンジンユニットに関する。

航空機、自動車などのエンジンは、スタータジェネレータを備えている。スタータジェネレータは、エンジンの始動時に動力をエンジンに供給する。また、航空機などのバッテリを充電する必要がある場合、スタータジェネレータは、エンジンの回転に応じて発電する。スタータジェネレータは、上記の機能を実現するために、電動発電機を備える。

スタータジェネレータに用いられる電動発電機として、突極巻線型同期発電機がある。

突極巻線型同期発電機においては、巻線が、回転子及び固定子にそれぞれ巻かれている。回転子の巻線は、界磁巻線として用いられる。起磁力は、回転子の巻線に直流電流（界磁電流）を供給することにより発生する。しかし、突極巻線型同期電動機は、その構造上、スリップリングやブラシ又は回転変圧器などの部品点数が多くなるため、信頼性が低い。また、突極巻線型同期電動機は、回転子に巻線を巻くため小型化が困難である。

これらの問題を解決するために、スタータジェネレータに永久磁石型同期発電機を用いることが提案されている。

永久磁石型同期発電機において、巻線が、固定子のティースに巻かれており、永久磁石が、回転子に設けられる。永久磁石により界磁が形成されるため、界磁電流を供給する必要がない。

しかし、永久磁石型同期発電機は、界磁の調整をすることができない。永久磁石の磁束は、無負荷状態及び負荷状態に関係なく、回転子から漏洩し、固定子と鎖交する。この結果、無負荷状態であっても、エンジンの回転数に応じた電圧が発生し、固定子で鉄損（所謂ひきつり損）が生じるためエンジンの効率が低下する。このため、永久磁石型同期発電機をスタータジェネレータとして使用する場合、永久磁石の磁束を無負荷状態において回転子から漏洩しないように、永久磁石の磁束を調整しなければならない。

永久磁石が回転子内に配置されたモータの一例として、特許文献１に開示された回転型パルスモータがある。複数の永久磁石が、回転子の周方向に沿って回転子内に配置される。固定子は、ティースが形成された鉄心と、ティースに巻き回されたコイルとを有する。

電流がコイルに供給されない無負荷状態において、上記の回転型パルスモータの永久磁石の磁束は、Ｎ極から鉄心の最内周の領域を経由してＳ極へ達する。つまり、無負荷状態において、永久磁石の磁束は、回転子から固定子を経由して回転子に戻るループを形成する。上記の回転型パルスモータは、電流がコイルに供給される負荷状態において、永久磁石の磁束を有効に利用するために、永久磁石の磁束を回転子内で短絡させないようにしている。つまり、上記の回転型パルスモータでは、無負荷状態において、永久磁石の磁束を回転子内に閉じ込めることが想定されていない。

特開平５−８３９２１号公報

本発明の目的は、無負荷状態において回転子からの磁束の漏洩を防ぐことができる電動発電機を提供することである。

本発明に係る電動発電機は、回転軸を中心に回転する回転子と、前記回転子の径方向に延びる複数のティースを含み、前記回転子に対向して配置される固定子と、前記回転子内に配置され、前記回転子の周方向に着磁された複数の永久磁石とを備える。前記永久磁石の固定子側の面と前記固定子との距離は、前記回転子と前記固定子との距離よりも大きい。前記複数の永久磁石は、第１の永久磁石と、前記第１の永久磁石の前記周方向における一方側に隣接し、前記第１の永久磁石の磁極と反対方向に着磁された第２の永久磁石とを備える。無負荷状態において、前記複数の永久磁石の磁束は、前記回転子内で短絡する。前記複数の永久磁石のうち前記周方向に互いに隣り合う２つの永久磁石により挟まれた前記回転子の領域を磁極とし、負荷状態において前記第１の永久磁石が前記複数のティースのいずれか１つに対向する場合、前記第１の永久磁石の磁束と前記固定子で発生する磁束とが合成された磁束は、前記第１の永久磁石と前記第２の永久磁石との間における磁極の飽和磁束以上である。前記回転子における前記磁極の数をＰ（Ｐは４の倍数）、前記複数のティースにより形成されるスロットの数をＳとした場合、ＰとＳとの関係は、Ｓ＝（３／４）×Ｐを満たす。

上記の構成によれば、各永久磁石の磁束は、無負荷状態において回転子内で短絡されるため、各永久磁石の磁束が、固定子側に漏洩することを防ぐことができる。負荷状態において、第１の永久磁石と対向するティース（対向ティース）で発生する一部の磁束は、第１の永久磁石を通過することにより、第１の永久磁石の磁束と合成される。磁極の数Ｐと、スロットの数Ｓとの関係が、Ｓ＝（３／４）×Ｐを満たすため、第１の永久磁石がティースに対向する場合、第２の永久磁石は、他のティースと対向せず、第１の永久磁石と第２の永久磁石との間の磁極も、他のティースと対向しない。従って、合成された磁束は、第１の永久磁石と第２の永久磁石との間の磁極及び第２の永久磁石から見て固定子が位置する側と反対側の領域を通過する。合成磁束と、第２の永久磁石の磁束とが、第１の永久磁石と第２の永久磁石との間の磁極で重畳されるため、この磁極で磁気飽和が発生する。

磁気飽和が発生した場合、対向ティースで発生する他の磁束は、第１の永久磁石を新たに通過できないため、第１の永久磁石及び第２の永久磁石から見て固定子が位置する側と反対側の領域を通過し、固定子に戻る磁路を形成する。この結果、負荷状態において、電動発電機が電動機及び発電機のいずれとして動作する場合でも、上記の磁路を形成する磁束により発生する磁気吸引力に基づくトルクを利用することができる。また、負荷状態において、ティースと、永久磁石との間に働く吸引力又は反発力により生じるトルクを利用することができる。従って、負荷状態におけるトルクを増大させることができる。

上記電動発電機において、前記複数の永久磁石の数をＭ（Ｍは４の倍数）とした場合、前記複数の永久磁石のうち前記第１の永久磁石を含む（Ｍ／４）個の永久磁石が、４個の永久磁石ごとに前記複数のティースのいずれか１つに対向し、負荷状態において、前記複数のティースのうち前記（Ｍ／４）個の永久磁石が対向する（Ｍ／４）個のティースで発生する磁束は、前記回転子が位置する方向に向いている。

上記の構成によれば、負荷状態において、上記１つのティース（対向ティース）で発生する磁束が回転子の位置する方向に向くことにより、対向ティースで発生する磁束の一部は、第１の永久磁石のＳ極に流入し、第１の永久磁石の磁束と合成される。第１の永久磁石が対向ティースと対向しているとき、第２の永久磁石は、他のティースと対向しないため、合成された磁束は、第１の永久磁石のＮ極と、第１の永久磁石と第２の永久磁石との間の磁極と、第２の永久磁石から見て固定子の位置する側と反対側の領域を通過する。

このとき、当該領域において、合成された磁束と第２の永久磁石の磁束とが重畳されることにより、磁気飽和が発生する。対向ティースで発生する他の磁束は、第１の永久磁石を通過することができないため、第１の永久磁石及び第２の永久磁石から見て固定子の位置する側と反対側の領域を通過する磁路を形成する。負荷状態において、電動発電機が電動機及び発電機のいずれとして動作する場合でも、上記の磁路を形成する磁束により発生する磁気吸引力に基づくトルクを利用することができる。また、負荷状態において、ティースと、永久磁石との間に働く吸引力又は反発力により生じるトルクを利用することができる。従って、負荷状態におけるトルクを増大させることができる。

上記電動発電機において、前記複数の永久磁石は、さらに、前記周方向において前記第１の永久磁石の他方側に隣接し、前記第１の永久磁石と反対方向に着磁された第３の永久磁石を備え、負荷状態において前記第１の永久磁石が前記複数のティースのいずれか１つに対向する場合、前記第３の永久磁石の磁束は、前記固定子で発生する磁束と合成される。

上記の構成によれば、第１の永久磁石に対向するティース（対向ティース）で発生する一部の磁束は、第３の永久磁石を通過し、固定子側に戻る磁路を形成する。対向ティースで発生する磁束が、第２の永久磁石よりも固定子側の領域に集中しないため、当該領域で磁気飽和が発生することが抑制される。従って、当該ティースで発生する磁束を有効に利用することができる。

上記電動発電機において、前記回転子は、前記固定子の内側に配置され、前記第２の永久磁石と前記回転軸との距離は、前記周方向における前記第１の永久磁石と前記第２の永久磁石との間隔よりも大きい。

上記の構成によれば、電動発電機は、インナーロータ型である。この場合において、磁気飽和は、第１の永久磁石と第２の永久磁石との間の領域よりも第２の永久磁石よりも回転子の内周側の領域で発生しにくい。第１の永久磁石と対向するティースで発生する磁束が、第２の永久磁石よりも回転子の内周側の領域を通過しやすくなるため、電動発電機の出力を増大させることができる。

上記電動発電機において、前記第２の永久磁石の前記固定子側の面は、前記回転子と前記固定子との間の空間に露出する。

このとき、第２の永久磁石と回転子の回転軸との距離が最大となるため、第２の永久磁石よりも回転子の内周側の領域における磁気抵抗を最小にすることができる。その結果、回転子の内周側の領域を通過する磁束の量が増加するため、負荷状態におけるトルクをさらに増大させることができる。

本発明のエンジンユニットは、本発明の電動発電機と、回転子の回転軸に連結された回転軸を含むエンジンとを備える。

上記の構成によれば、エンジンの回転を利用して電動発電機を発電機として動作させたり、電動発電機を電動機として利用することによりエンジンを始動させたりすることができる。
本発明のリニアモータは、第１方向に移動する可動子と、前記第１方向と交差する第２方向に延びる複数のティースを含み、前記第２方向において前記可動子と対向して配置される固定子と、前記可動子内に配置され、前記第１方向に着磁された複数の永久磁石とを備える。前記永久磁石の固定子側の面と前記固定子との距離は、前記可動子と前記固定子との距離よりも大きい。前記複数の永久磁石は、第１の永久磁石と、前記第１の永久磁石の前記第１方向における一方側に隣接し、前記第１の永久磁石の磁極と反対方向に着磁された第２の永久磁石とを備える。無負荷状態において、前記複数の永久磁石の磁束は、前記可動子内で短絡する。前記複数の永久磁石のうち前記第１方向に互いに隣り合う２つの永久磁石により挟まれた前記可動子の領域を磁極とし、負荷状態において前記第１の永久磁石が前記複数のティースのいずれか１つに対向する場合、前記第１の永久磁石の磁束と前記固定子で発生する磁束とが合成された磁束は、前記第１の永久磁石と前記第２の永久磁石との間における磁極の飽和磁束以上である。前記可動子における前記磁極の数をＰ、前記複数のティースにより形成されるスロットのうち、前記複数の永久磁石が配置される前記第１方向の範囲内に位置するスロットの数をＳとした場合、ＰとＳとの関係は、Ｓ＝（３／４）×（Ｐ＋１）を満たす。本発明のリニアモータは、電動機及び発電機のいずれとしても動作する。

本発明の第１の実施の形態に係る電動発電機を備えるスタータジェネレータの構成を示す機能ブロック図である。 図１に示す電動発電機の断面図である。 図１に示す電動発電機のスロットコンビネーションを示すテーブルである。 図２に示す回転子内の永久磁石の数と、ティースに対向する永久磁石の数との関係を示すテーブルである。 図２に示す回転子の部分拡大図である。 無負荷状態において図２に示す永久磁石により形成される磁路を示す図である。 無負荷状態における、図２に示す回転子の回転速度と巻線で発生する電圧との関係を示すグラフである。 負荷状態において図２に示すティースで発生する磁束の向きを示す図である。 図２に示すティースで発生する磁束と永久磁石の磁束とが合成された磁束により形成される磁路を示す図である。 図２に示す回転子で磁気飽和が発生した後に形成される磁路を示す図である。 図２に示すティースで発生する磁束と永久磁石の磁束とが合成された磁束により形成される他の磁路を示す図である。 図２に示す電動発電機において負荷状態で形成される磁路を示す図である。 図２に示す回転子の変形例の部分断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る電動発電機の断面図である。 図１３に示す固定子の断面図である。 図１３に示す主巻線及び補助巻線の結線図である。 無負荷状態において、図１３に示す固定子及び回転子において形成される磁路を示す図である。 負荷状態において、図１３に示す固定子及び回転子において形成される磁路を示す図である。 本発明の第３の実施の形態に係る電動発電機の断面図である。 図１８に示す電動発電機において無負荷状態のときに形成される磁路を示す図である。 図１８に示す電動発電機において負荷状態のときにティースで発生する磁束の向きを示す図である。 図１８に示す電動発電機において負荷状態のときに形成される磁路を示す図である。 本発明の第４の実施の形態に係るリニアモータの断面図である。 図２２に示すリニアモータのスロットコンビネーションを示すテーブルである。 図２２に示すリニアモータにおいて無負荷状態のときに形成される磁路を示す図である。 図２２に示すリニアモータにおいて負荷状態のときにティースで発生する磁束の向きを示す図である。 図２２に示すリニアモータにおいて負荷状態のときに形成される磁路を示す図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

［第１の実施の形態］
｛１．スタータジェネレータの構成｝
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る電動発電機２を用いるエンジンユニット２００の構成を示す機能ブロック図である。図１に示すように、エンジンユニット２００は、エンジン１とスタータジェネレータ１００とを備える。スタータジェネレータ１００は、電動発電機２と、コントローラ３と、インバータ４とを備える。スタータジェネレータ１００は、エンジン１に取り付けられる。

エンジン１は、図示しない自動車などの車両あるいは航空機の動力源である。電動発電機２の回転軸は、エンジン１の回転軸に連結される。電動発電機２は、エンジン１が駆動を開始する際の動力を供給する。また、電動発電機２は、エンジン１の回転軸の回転に応じて発電し、発電した電力を図示しないバッテリと負荷に供給する。なお、電動発電機２の回転軸は、エンジン１の回転軸にギアなどを介して間接的に連結されてもよい。

コントローラ３は、入力されるトルク指令４１及び速度指令４２に基づいて、電動発電機２の動作を制御する。コントローラ３は、トルク指令４１、速度指令４２、及び後述する回転子の回転位置θに応じた制御信号４３をインバータ４に供給する。また、コントローラ３は、電動発電機２に供給される電流ｉ_ｕ及びｉ_ｗをインバータ４から受け、その受けた電流を用いて、制御信号４３を調整する。

インバータ４は、コントローラ３からの制御信号４３に応じた電流を電動発電機２に供給する。図１において、電動発電機２に供給される電流は、三相交流に応じた電流であり、ｉ_ｕ、ｉ_ｖ、及びｉ_ｗと表示する。

｛２．電動発電機の構成｝
図２は、電動発電機２の断面図である。図２に示すように、電動発電機２は、インナーロータ型であり、固定子５と、回転子６とを備える。回転子６は、回転軸Ａを中心に回転する。固定子５は、回転子６の外周側に配置される。

固定子５は、固定子コア５１と、巻線５２と、６個のティース５３ａ〜５３ｆとを備える。なお、図２において、一部の巻線５２の符号の表示を省略している。

固定子コア５１は、中空の円筒形状であり、電磁鋼板、圧粉材、アモルファスなどの磁性材料により形成される。ティース５３ａ〜５３ｆが、固定子コア５１の内周側に設けられる。以下、ティース５３ａ〜５３ｆを総称する場合、「ティース５３」と記載する。巻線５２は、集中巻によりティース５３ａ〜５３ｆの各々に巻かれる。スロット５４は、互いに隣り合う２つのティース５３の間の空間である。なお、一部のスロット５４の符号の表示を省略している。

回転子６は、回転子コア６１と、８個の永久磁石６２ａ〜６２ｈとを備える。回転子コア６１は、円柱形状であり、回転軸Ａを中心に回転する。回転軸Ａは、エンジン１の回転軸に連結される。回転子コア６１は、電磁鋼板、圧粉材、アモルファスなどの磁性材料により形成される。

永久磁石６２ａ〜６２ｈは、回転子コア６１の周方向に沿って配置され、周方向に着磁される。以下、永久磁石６２ａ〜６２ｈを総称する場合、「永久磁石６２」と記載する。永久磁石６２は、ネオジム磁石、サマリウムコバルト磁石、フェライトコアなどを、永久磁石６２ａ〜６２ｈとして使用可能である。永久磁石６２の形状は、直方体である。

永久磁石６２は、互いに周方向において隣接する他の永久磁石と反対方向に着磁される。例えば、永久磁石６２ａの一方（反時計回り方向）側は、Ｎ極であり、他方（時計回り方向）側は、Ｓ極である。永久磁石６２ａの反時計回り側に隣接する永久磁石６２ｂにおいて、Ｎ極は、永久磁石６２ａ側であり、Ｓ極は、永久磁石６２ｃ側である。

また、永久磁石６２ｂと回転軸Ａとの距離は、永久磁石６２ａと永久磁石６２ｂとの間隔よりも大きい。この関係は、周方向において互いに隣接する２つの永久磁石において同様に成り立つ。これにより、回転子６の永久磁石６２よりも内周側の領域において磁気飽和の発生が抑制される。この理由については後述する。

電動発電機２のスロットコンビネーションを図３に示す。Ｐは、回転子６の極数を示し、４の倍数である。ここで、極数とは、回転子６内に形成される磁極６８の数を示す。磁極６８とは、回転子６において周方向に互いに隣接する２つの永久磁石の間の領域である。回転子６の外部からの磁束は、磁極６８を経由して回転子６内に入り込む。また、回転子６内の磁束は、磁極６８を経由して、回転子６の外へ出る。図２に示す電動発電機２の場合、磁極６８の数（極数）は、８である。Ｓは、固定子５のスロット数である。極数Ｐとスロット数Ｓとの関係は、下記の式（１）を満たす。

Ｓ＝（３／４）×Ｐ ・・・（１）

電動発電機２が上記式（１）の要件を満たし、かつ、負荷状態において永久磁石６２ａがティース５３ａに対向する場合、ティース５３ａで発生する磁束と永久磁石６２ａの磁束とが合成された磁束は、永久磁石６２ａと永久磁石６２ｂとの間における磁極６８における飽和磁束以上となる。また、無負荷状態において、永久磁石６２ａの磁束は、回転子６内で短絡する。この結果、負荷状態において、無負荷状態における磁路と異なる磁路が形成される。電動発電機２で形成される磁路の詳細は、後述する。

図４は、回転子６内の永久磁石の数と、ティース５３に対向する永久磁石の数との関係を示すテーブルである。図４に示すように、回転子６内における永久磁石の数Ｍと、ティース５３に対向する永久磁石の数Ｆとの関係は、以下の式（２）を満たす。

Ｆ＝（１／４）×Ｍ ・・・（２）

なお、永久磁石の数Ｍは、極数Ｐに一致し、４の倍数である。また、図４及び式（２）より、永久磁石の数Ｍに関係なく、永久磁石６２は、４個おきにティース５３に対向する。つまり、ティース５３に対向する２個の永久磁石６２の間に存在する永久磁石の数は、永久磁石の数Ｍに関係なく一定（３個）である。図２に示す構成（Ｐ＝８）の場合、永久磁石６２ａ及び６２ｅが、ティース５３ａ及び５３ｄにそれぞれ対向する。永久磁石６２ａと永久磁石６２ｅとの間に位置する永久磁石６２ｂ〜６２ｄと永久磁石６２ｆ〜６２ｈとは、ティース５３に対向しない。

｛３．電動発電機２の磁路の変化｝
図２に示す構成を有する電動発電機２で形成される磁路を、無負荷状態及び負荷状態に分けて説明する。負荷状態は、回転子６が回転しているときに電流が固定子５に供給されている状態である。無負荷状態は、回転子６が回転しているときに電流が固定子５に供給されていない状態である。

｛３．１．無負荷状態の磁路｝
以下、永久磁石６２ａ及び６２ｂを例にして、無負荷状態において電動発電機２に形成される磁路を説明する。

図５は、永久磁石６２ａ及び６２ｂ付近における回転子６の部分拡大図である。無負荷状態では、回転子６がエンジン１の駆動により回転しているが、固定子５が励磁されない。この状態では、永久磁石６２ａの磁束は、永久磁石６２ａよりも回転子６の内周側の領域６３ａを通過する磁路６７ａを形成する。永久磁石６２ａの磁束は、磁路６７ａを形成して回転子６内で短絡するため、回転子６から漏洩しない。

永久磁石６２ａは、回転子コア６１の中に埋め込まれ、回転子６の外側に露出していない。従って、実際には、永久磁石６２ａの一部の磁束は、永久磁石６２ａよりも回転子コア６１の外周側の領域６４ａを通過する。しかし、外周側の領域６４ａの径方向の長さは、内周側の領域６３ａの径方向の長さよりも短いため、外周側の領域６４ａは、永久磁石６２ａの磁束により飽和する。この結果、永久磁石６２ａの磁束の大部分は、磁路６７ａを形成する。

永久磁石６２ｂの磁束も、永久磁石６２ａと同様に、磁路６７ｂを形成して、回転子コア６１内で短絡する。磁路６７ｂが、永久磁石６２ｂよりも回転子６の内周側の領域６３ｂを通過するため、永久磁石６２ｂの磁束は、回転子６から漏洩しない。

上述のように、永久磁石６２ａ及び６２ｂの形状は、直方体であるため、回転子コア６１における永久磁石６２ａと永久磁石６２ｂとの間の領域（磁極６８）の幅（周方向の長さ）は、回転子６の内周側に進むにしたがって狭くなる。つまり、磁極６８の幅は、永久磁石６２ａ及び６２ｂの最も内周側で最小となる。磁極６８の幅が最小となる永久磁石６２ａと永久磁石６２ｂとの間の領域を、以下、狭窄領域６６と呼ぶ。

図５に示すように、永久磁石６２ａ及び６２ｂの磁束が、無負荷状態において、狭窄領域６６を通過する。無負荷状態において、磁気飽和が狭窄領域６６で発生した場合、永久磁石６２ａ及び６２ｂの磁束は、回転子６から漏洩するおそれがある。無負荷状態における磁気飽和の発生を防ぐために、永久磁石６２ａ及び６２ｂの合成磁束が狭窄領域６６における飽和磁束よりも小さくなるように、狭窄領域６６の幅が設定される。

図６Ａは、無負荷状態において永久磁石６２ａ〜６２ｈの各々が形成する磁路を示す図である。永久磁石６２ｃ〜６２ｈの磁束により形成される磁路６７ｃ〜６７ｈは、磁路６７ａ及び６７ｂと同様に、永久磁石６２ｃ〜６２ｈよりも回転子６の内周側の領域を通過して短絡する。従って、永久磁石６２の磁束は、無負荷状態において回転子６から漏洩しない。

図６Ｂは、無負荷状態における、回転子６の回転速度と巻線５２で発生する電圧（線間電圧）との関係を示すグラフである。図６Ｂにおいて、１点鎖線は、従来の電動発電機における回転子の回転速度と線間電圧との関係を示す。実線は、電動発電機２における回転子の回転速度と線間電圧との関係を示す。

図６Ｂに示すように、無負荷状態における電動発電機２の線間電圧が、従来の電動発電機の線間電圧よりも大幅に低くなっている。永久磁石６２の磁束が、電動発電機２の回転子６内で短絡することにより、回転子６からの磁束の漏洩を抑制できているためである。

｛３．２．負荷状態の磁路｝
インバータ４が巻線５２に電流を供給することにより、電動発電機２は、無負荷状態から負荷状態に移行する。負荷状態への移行により、電動発電機２内の磁路は、図６Ａに示す経路から変化する。

負荷状態は、上述のように、電流が巻線５２に供給された状態であり、電動発電機２が電動機として動作する場合と、発電機として動作する場合とを含む。負荷状態において形成される磁路は、両者の場合で共通である。

電動発電機２が電動機として動作する場合、コントローラ３は、インバータ４を用いて、三相交流を従来と同様に固定子５に供給する。すなわち、インバータ４は、電流ｉ_ｕ，ｉ_ｖ及びｉ_ｗを巻線５２に供給する。

電動発電機２が発電機として動作する場合も、コントローラ３は、三相交流を固定子５に供給する。ただし、固定子５に供給される電流の向きは、電動発電機２が電動機として動作するときに供給される電流の向きと反対である。つまり、巻線５２に供給される電流は、−ｉ_ｕ、−ｉ_ｖ及び−ｉ_ｗとなる。固定子５に供給される電流の大きさは、電動発電機２が電動機として動作するときに供給される電流よりも小さい。この理由については、後述する。

図７は、負荷状態においてティース５３で発生する磁束の向きを示す図である。電流が巻線５２に流れた場合、ティース５３ａ〜５３ｆには、矢印５５ａ〜５５ｈで示す向きの磁束が発生する。具体的には、ティース５３ａ及び５３ｄには、外周側から内周側に向く磁束が発生し、ティース５３ｂ、５３ｃ、５３ｅ及び５３ｆには、内周側から外周側に向く磁束が発生する。つまり、永久磁石６２ａに対向するティース５３ａで発生する磁束と、永久磁石６２ｅに対向するティース５３ｄで発生する磁束は、回転子６が位置する方向に向いている。

以下、負荷状態において形成される磁路を、ティース５３ａで発生する磁束を例にして説明する。

ティース５３ａで発生する磁束は、（１）ティース５３ａ、回転子６の内周側の領域６３ａ及び６３ｂ（図５参照）、ティース５３ｂを経由する第１の磁路と、（２）ティース５３ａ、永久磁石６２ｈ、ティース５３ｆを経由する第２の磁路とを形成する。以下、第１の磁路と、第２の磁路とについて具体的に説明する。

（１）第１の磁路
図８は、ティース５３ａで発生した磁束（励磁磁束）と、永久磁石６２ａの磁束とが合成された磁束（第１の合成磁束）により形成される磁路を示す図である。図８に示す磁路は、第１の磁路が形成される前の段階で形成される。

電流が巻線５２に流れ始める初期段階において、励磁磁束の量は、比較的小さい。この場合、励磁磁束は、ティース５３ａから永久磁石６２ａ及び６２ｈの間の磁極６８を通過して、永久磁石６２ａのＳ極に流入する（矢印３１１）。矢印５５ａで示すようにティース５３ａの内周側がＮ極であり、かつ、永久磁石６２ａがティース５３ａに対向している。このとき、磁気抵抗は、回転子６における永久磁石６２ａのＮ極側の領域よりも、永久磁石６２ａのＳ極側の領域の方が小さいため、励磁磁束は、ティース５３ａにおけるティース５３ｆ側の領域から永久磁石６２ａのＳ極に流入する。

永久磁石６２ａのＳ極に流入した励磁磁束と、永久磁石６２ａの磁束とが合成されることにより、第１の合成磁束が発生する。固定子５と回転子６との間のエアギャップの磁気抵抗は、狭窄領域６６の磁気抵抗よりも大きい。この結果、第１の合成磁束は、永久磁石６２ｂよりも内周側の領域６３ｂと、永久磁石６２ｂ及び６２ｃの間の磁極６８とを経由して、ティース５３ｂに達する（矢印３１３）。ティース５３ｂには、内周側から外周側へ向かう磁束が発生しているため、第１の合成磁束は、矢印５５ｂに沿ってティース５３ｂを通過し（矢印３１４）、ティース５３ａに戻る（矢印３１５）。この結果、矢印３１１〜３１５を通過する磁路が形成される。

その後、巻線５２に流れる電流が増加するにつれて、励磁磁束が増加する。第１の合成磁束と永久磁石６２ｂの磁束の総和が狭窄領域６６の飽和磁束以上となったとき、励磁磁束は、永久磁石６２ａのＳ極に新たに流入することができない。

図９は、狭窄領域６６で磁気飽和が発生した後に形成される磁路を示す図である。新たに発生した励磁磁束は、永久磁石６２ａのＳ極に入ることができないため、内周側の領域６３ａ及び６３ｂと、永久磁石６２ｂ及び６２ｃの間の磁極６８を通過して、ティース５３ｂに達する（矢印３１６）。この理由は、内周側の領域６３ａの磁気抵抗が狭窄領域６６の磁気抵抗よりも小さいためである。この結果、矢印３１６、３１４、３１５の順に周回する第１の磁路が形成される。

なお、図８を用いて説明した磁路は、第１の磁路が形成された後も消滅することなく存在する。従って、図８に示す磁路と、図９に示す第１の磁路と、磁路６７ｂとが、内周側の領域６３ｂを通過する。しかし、永久磁石６２ｂと回転軸Ａとの距離が狭窄領域６６の周方向の幅よりも大きいため、内周側の領域６３ｂで磁気飽和は発生しない。内周側の領域６３ｂで磁気飽和を発生させないためには、永久磁石６２ｂと回転軸Ａとの距離を極力大きくすることが望ましい。具体的には、永久磁石６２ｂと回転軸Ａとの距離が、狭窄領域６６の幅よりも大きければよい。

（２）第２の磁路
図１０は、励磁磁束と永久磁石６２ｈの磁束とが合成された磁束（第２の合成磁束）により形成される第２の磁路を示す図である。

図１０に示すように、ティース５３ａから回転子６に流入した励磁磁束の一部は、永久磁石６２ａ及び６２ｈの間の磁極を通過して、永久磁石６２ａのＳ極ではなく、永久磁石６２ｈのＳ極に流入する（矢印３２１）。永久磁石６２ｈのＳ極に流入した励磁磁束が永久磁石６２ｈの磁束と合成されることにより、第２の合成磁束が発生する。

矢印５５ｆで示すように、ティース５３ｆで発生する磁束が内周側から外周側に向いているため、第２の合成磁束は、永久磁石６２ｇ及び６２ｈの間の磁極とエアギャップとを通過して、ティース５３ｆに流入する（矢印３２２）。その後、第２の合成磁束は、固定子コア５１を経由して（矢印３２３）、ティース５３ａに達する。このようにして、矢印３２１〜３２３の順に周回する第２の磁路が形成される。

第１の磁路だけでなく、第２の磁路が形成されることにより、負荷状態において、磁束が内周側の領域６３ｂ（図９参照）に集中しない。このため、磁気飽和が狭窄領域６６以外の領域で発生することを防ぐことができる。その結果、巻線５２に流れる電流の上限を大きくすることができるため、電動発電機２の出力を向上させることができる。

図１１は、負荷状態の電動発電機２において形成される磁路を示す図である。図１１において、矢印３１及び３２は、上述した第１の磁路及び第２の磁路に対応する。矢印３５は、第１の磁路が形成される前の段階で形成される磁路（矢印３１２及び３１３）に対応する。

また、図１１に示すように、永久磁石６２ｅが対向するティース５３ｄで発生する磁束も、上記と同様の原理により、磁路３３及び３４を形成する。すなわち、ティース５３ｄで発生する一部の磁束は、永久磁石６２ｅ及び６２ｆよりも回転子６の内周側の領域と、ティース５３ｅを経由して、ティース５３ｄに戻る磁路３３を形成する。この磁路は、上記の第１の磁路に対応する。また、ティース５３ｄで発生する一部の磁束は、永久磁石６２ｄとティース５３ｃとを経由してティース５３ｄに戻る磁路３４を形成する。この磁路は、上記の第２の磁路に対応する。矢印３６は、磁路３３が形成される前の段階で形成される磁路に対応する。

電動発電機２は、電動機及び発電機のいずれとして動作する場合であっても、磁路３１〜３４を形成する磁束により発生する磁気吸引力に基づくトルクを利用することができる。回転子６の回転に応じて、磁路３１〜３４を形成する磁束は、エアギャップ付近で引き伸ばされる。この結果、引き伸ばされた磁束が元の長さに戻るように縮むことにより、上記の磁気吸引力に基づくトルク（第１のトルク）が発生する。

また、ティース５３で発生する磁束の向きは、巻線５２に流れる電流の向きにより変化する。従って、負荷状態において永久磁石６２とティース５３との間にはたらく反発力、永久磁石６２とティース５３との間にはたらく吸引力に基づくトルク（第２のトルク）が発生する。

従って、電動発電機２は、モータとして動作する場合、第１のトルク及び第２のトルクを利用して回転子６を回転させることができる。その結果、回転子６のトルクを増大させることができるため、モータとしての定格出力を増大させることができる。

一方、電動発電機２が発電機として動作する場合、電動発電機２は、第１のトルク及び第２のトルクを利用して発電することができる。従って、コントローラ３は、第１の合成磁束が狭窄領域６６の飽和磁束以上になる電流を巻線５２に供給すればよい。この結果、電動発電機２が発電機として動作する場合に巻線５２に供給される電流は、電動発電機２が電動機として動作する場合に巻線５２に供給される電流よりも小さくなる。

以上説明したように、無負荷状態において、永久磁石６２の磁束は、回転子コア６１内で他の永久磁石を通過することなく短絡し、負荷状態において、固定子５及び回転子コア６１内を通過する。従って、負荷状態及び無負荷状態において、永久磁石６２により発生する界磁を調整することができる。

なお、永久磁石６２は、図１２に示すように、固定子５と回転子６との間の空間（エアギャップ）に露出していてもよい。これにより、永久磁石６２と回転軸Ａとの距離が最大となるため、狭窄領域６６を通過可能な磁束の量も最大となり、永久磁石６２の内周側の領域を通過可能な磁束の量も最大となる。これにより、電動発電機２の出力を向上させることができる。この場合、図１２に示すように、回転子コア６１に嵌め込まれた永久磁石６２が、回転子６の回転による遠心力により飛び出さないように、永久磁石６２の外周面の一部を覆うリブ６１１を回転子コア６１に取り付ければよい。図１２に示すようなリブを回転子コア６１に設ける場合、永久磁石６２の固定子５側の面と固定子５との距離は、回転子６と固定子５との距離よりも大きくなる。また、図１２に示すようなリブを回転子コア６１に設ける場合、永久磁石の固定子５側の面が、磁束を透過する素材により覆われていてもよい。

［第２の実施の形態］
図１３は、第２の実施の形態に係る電動発電機２の断面図である。図１３に示すように、本実施の形態において、電動発電機２は、固定子８と、回転子９とを備える。

回転子９は、回転子コア９１と、８つの永久磁石９２ａ〜９２ｈとを備える。永久磁石９２ａ〜９２ｈは、図２に示す永久磁石６２ａ〜６２ｈに対応する。以下、永久磁石９２ａ〜９２ｈを総称する場合、「永久磁石９２」と記載する。上記実施の形態と異なり、永久磁石９２の磁束は、無負荷状態において、回転子９から漏洩する。

図１４は、図１３に示す固定子８の断面図である。固定子８は、無負荷状態において発生する誘起電圧をキャンセルする。図１４に示すように、固定子８は、固定子コア８１と、主ティース８３ａ〜８３ｆと、補助ティース８４ａ〜８４ｆと、主巻線８５ａ〜８５ｆと、補助巻線８６ａ〜８６ｆとを備える。

主ティース８３ａ〜８３ｆの幅は、補助ティース８４ａ〜８４ｆの幅よりも広い。ただし、図１３及び図１４では、主ティース８３ａ〜８３ｆと補助ティース８４ａ〜８４ｆとの比を誇張して表示し、補助ティース８４ａ〜８４ｆの幅を大きく示している。

主巻線８５ａ〜８５ｆは、集中巻により、主ティース８３ａ〜８３ｆの各々に巻かれる。補助巻線８６ａ〜８６ｆは、集中巻により、補助ティース８４ａ〜８４ｆの各々に巻かれる。補助巻線８６ａ〜８６ｆは、主巻線８５ａ〜８５ｆと反対向きに巻かれる。

図１３及び１４に示す固定子８は、図３に示すスロットコンビネーションにおいて、Ｐ＝８の場合に対応する。この理由は、互いに隣接する主ティースと補助ティースとの間の空間は、スロットとしてカウントされず、補助ティースを介して隣り合う２つの主ティースの間に形成される空間が、１スロットとしてカウントされるためである。すなわち、固定子８のスロット数は６であり、永久磁石９２の数は８であるため、上記式（１）を満たす。

固定子８と、図２に示す固定子５との対応関係は、以下の通りである。固定子８のティース８３ａ〜８３ｆは、固定子５のティース５３ａ〜５３ｆに対応する。主巻線８５ａ〜８５ｆは、巻線５２に対応する。

図１５は、図１４に示す固定子８に巻かれる主巻線及び補助巻線の結線図である。固定子８を備える電動発電機２において、並列回路数は、２である。図１５は、２つの並列回路のうち一方の並列回路を示す。

図１５に示す回路は、主巻線８５ａ，８５ｃ，８５ｅと、補助巻線８６ａ〜８６ｆとの結線図である。なお、主巻線８５ａ，８５ｃ，８５ｅとして複数のコイルが示されているが、これら複数のコイルの各々は、主ティースに巻かれた１巻き分のコイルを示している。

補助巻線８６ｆと、主巻線８５ａと、補助巻線８６ａとは直列に接続される。補助巻線８６ｆは、端子８７１に接続される。電流ｉ_ｕが、インバータ４から端子８７１に供給される。補助巻線８６ａは、接地される。

補助巻線８６ｂと、主巻線８５ｃと、補助巻線８６ｃとは直列に接続される。補助巻線８６ｂは、端子８７２に接続される。電流ｉ_ｖが、インバータ４から端子８７２に供給される。補助巻線８６ｃは、接地される。

補助巻線８６ｄと、主巻線８５ｅと、補助巻線８６ｅとは直列に接続される。補助巻線８６ｄは、端子８７３に接続される。電流ｉ_ｗが、インバータ４から端子８７３に供給される。補助巻線８６ｅは、接地される。

図１６は、無負荷状態において、回転子９から漏洩する磁束（漏洩磁束）が固定子８と鎖交した際に発生する磁路を示す図である。図１６において，主巻線８５ａのうち、主ティース８３ａに対する１巻きを、主巻線８５ａ−１，８５ａ−２とし、主巻線８５ａ−１，８５ａ−２を除く主巻線の表示を省略している。また、補助巻線８６ａ，８６ｆは、１巻き分のみを示している。

以下、図１５及び図１６を参照しながら、無負荷状態において、誘起電圧がキャンセルされる理由を、永久磁石９２ａ及び９２ｈを例にして説明する。

永久磁石９２ａの磁束は、無負荷状態において、回転子９から漏洩し、固定子８と鎖交する。漏洩磁束が固定子８と鎖交することにより、固定子８及び回転子９を通過する磁路８７が形成される。磁路８７は、永久磁石９２ａ、補助ティース８４ａ、及び主ティース８３ａを通過する。

同様に、永久磁石９２ｈの磁束が固定子８と鎖交することにより、磁路８８が形成される。磁路８８は、永久磁石９２ｈ、主ティース８３ａ、及び補助ティース８４ｆを通過する。

回転子９は、無負荷状態においても回転を続けている。このため、磁路８７及び８８が形成されることにより、主巻線８５ａ及び補助巻線８６ａ，８６ｆに誘起電圧が発生する。

図１５に示す矢印は、主巻線８５ａ及び補助巻線８６ａ，８６ｆの各々で発生する誘起電圧の向きを示す。補助巻線８６ａ及び８６ｆは、主巻線８５ａと反対方向に巻かれているため、補助巻線８６ａ及び８６ｆで発生する誘起電圧の向きは、主巻線８５ａで発生する誘起電圧の向きと逆である。主巻線８５ａ及び補助巻線８６ａ，８６ｆが直列接続されているため、主巻線８５ａで発生する誘起電圧は、補助巻線８６ａ及び８６ｆで発生する誘起電圧によりキャンセルされる。

発動電動機２の内部が故障により短絡した場合、電動発電機２を無負荷状態に移行させる必要がある。無負荷状態においても、漏れ磁束による誘起電圧を原因とする電流が固定子８で発生することを抑制できるため、電流が、電動発電機２の内部で短絡することがないため、電動発電機２の発熱及び故障を防ぐことができる。

図１７は、負荷状態において、固定子８及び回転子９に形成される磁路を示す図である。負荷状態においては、インバータ４は、主巻線８５ａ及び補助巻線８６ａ，８６ｆに電流を供給する。補助巻線８６ａ，８６ｆは、主巻線８５ａと反対向きに巻かれているため、補助巻線８６ａ，８６ｆで発生する磁束は、主巻線８５ａで発生する磁束をキャンセルする方向に作用する。

しかし、補助ティース８４ａ及び８４ｆの幅は、主ティース８３ａの幅より小さいため、補助ティース８４ａ，８４ｆは、補助ティース８４ａ，８４ｆで発生する磁束により飽和する。従って、負荷状態では、主巻線８５ａで発生する磁束は、飽和した補助ティース８４ａ，８４ｆを通過することができない。合成された磁束は、磁路８９ａ及び８９ｂを通過する。磁路８９ａは、上記実施の形態の第１の磁路に相当し、磁路８９ｂは、第２の磁路に相当する。磁路８９を通過する磁束により、電動発電機２は、回転子９を回転させたり、回転子９の回転に応じた発電を行ったりすることが可能である。

以上、主巻線８５ａ及び補助巻線８６ａ，８６ｆを例に、無負荷状態における誘起電圧がキャンセルされる理由を説明したが、直列接続された主巻線８５ｃ及び補助巻線８６ｂ，８６ｃについても同様である。直列接続された主巻線８５ｅ及び補助巻線８６ｄ，８６ｅについても同様である。また、永久磁石９２ｂ〜９２ｈについても、上記の説明が同様に成り立つ。また、本実施の形態において、回転子９に代えて回転子６を使用してもよい。

［第３の実施の形態］
上記実施の形態では、インナーロータ型の電動発電機２について説明した。しかし、電動発電機２は、アウターロータ型であってもよい。以下、アウターロータ型の電動発電機２について、上記実施の形態と異なる点を中心に説明する。

図１８は、本実施の形態に係る電動発電機２の断面図である。図１８に示す電動発電機２は、アウターロータ型であり、固定子１５と、回転子１６とを備える。固定子１５は、回転軸Ａと同軸に配置される。回転子１６は、回転子１５の外周に配置される。

固定子１５は、固定子コア１５１と、巻線１５２と、６個のティース１５３ａ〜１５３ｆとを備える。なお、図１８において、巻線１５２の一部の符号の表示を省略している。

固定子コア１５１は、円柱形状であり、固定子コア５１（図２参照）と同様の素材により形成される。ティース１５３ａ〜１５３ｆが、固定子コア１５１の外周側に設けられる。以下、ティース１５３ａ〜１５３ｆを総称する場合、「ティース１５３」と記載する。巻線１５２は、集中巻によりティース１５３ａ〜１５３ｆの各々に巻かれる。スロット１５４は、互いに隣り合う２つのティース１５３の間の空間である。なお、スロット１５４の一部の符号の表示を省略している。

回転子１６は、回転子コア１６１と、８個の永久磁石１６２ａ〜１６２ｈとを備える。回転子コア１６１は、中空の円柱形状であり、回転軸Ａを中心に回転する。回転子コア１６１は、回転子コア６１（図２参照）と同様の素材により形成される。

永久磁石１６２ａ〜１６２ｈは、回転子コア６１の周方向に沿って、回転子コア６１内に配置される。以下、永久磁石１６２ａ〜１６２ｈを総称する場合、「永久磁石１６２」と記載する。永久磁石１６２の素材は、永久磁石６２（図２参照）と同様である。永久磁石１６２は、回転子コア１６１の周方向に沿って着磁される。互いに周方向において隣接する２つの永久磁石は、着磁の方向が反対となる。

アウターロータ型の電動発電機２において、周方向に互いに隣接する回転子内の領域が、磁極となる。アウターロータ型の電動発電機２におけるスロットコンビネーションは、図３に示す通りである。つまり、極数Ｐとスロット数Ｓとの関係は、上記実施の形態と同じである。

また、アウターロータ型の電動発電機２において、ティース１５３に対向する永久磁石の数と、回転子１６の極数Ｐとの関係は、図４に示す通りであり、上記実施の形態と同じである。極数Ｐに関係なく、永久磁石１６２は、４個ごとにティース１５３に対向する。

以下、本実施の形態に係る電動発電機２における磁路の変化について説明する。

図１９は、図１８に示す電動発電機２において無負荷状態のときに形成される磁路を示す図である。以下、永久磁石１６２ａにより形成される磁路について説明する。

図１９に示すように、永久磁石１６２ａの磁束は、回転子コア１６１における永久磁石１６２ａよりも外側の領域１６３を通過する磁路１６７ａを形成する。永久磁石１６２ａの磁束は、回転子コア１６１内で短絡するため、無負荷状態において回転子１６から漏洩しない。

実際には、永久磁石１６２ａの磁束の一部は、回転子コア１６１における永久磁石１６２ａよりも内側の領域１６４を通過する。しかし、領域１６４の径方向の長さは、領域１６３の径方向の長さよりも短い。領域１６４は、永久磁石１６２ａの磁束により飽和するため、永久磁石１６２ａの磁束の大部分は、領域１６３を通過して、磁路１６７ａを形成する。

永久磁石１６２ｂ〜１６２ｈの各々の磁束も、永久磁石１６２ａの磁束と同様に、磁路１６７ｂ〜１６７ｈを形成する。

図２０は、図１８に示す電動発電機２において負荷状態のときに、ティース１５３で発生する磁束の向きを示す図である。

図２０に示すように、負荷状態において、ティース１５３ａ〜１５３ｆには、磁束１５５ａ〜１５５ｆが発生する。

磁束１５５ａ及び１５５ｄの向きは、回転軸Ａの方向であり、磁束１５５ｂ、１５５ｃ、１５５ｅ及び１５５ｆの向きは、内周から外周に向く方向である。つまり、アウターロータ型の電動発電機２においても、ティース１５３のうち、永久磁石１６２ａに対向するティース１５３ａと、永久磁石１６２ｅに対向するティース１５３とで発生する磁束は、回転子１６が位置する方向に向いている。

図２１は、図１８に示す電動発電機２において負荷状態のときに形成される磁路を示す図である。

図２１に示すように、負荷状態において、矢印１３１〜１３６で示す磁路が形成される。以下、矢印１３１〜１３６で示す磁路を、「磁路１３１〜１３６」と呼ぶ。

磁路１３１〜１３６は、図１１に示す矢印３１〜３６で示す磁路に相当する。磁路１３１〜１３６が形成される過程は、上記第１の実施の形態と基本的に同じである。ただし、本実施の形態に係る電動発電機２は、アウターロータ型であるため、磁路１３１及び１３３は、回転子コア１６１における永久磁石１６２よりも外側の領域を通過する。

本実施の形態において、電動発電機２は、電動機及び発電機のいずれとして動作する場合であっても、磁路１３１〜１３６を形成する磁束により発生する磁気吸引力に基づくトルクを利用することができる。このトルクは、上記第１のトルクに相当する。また、負荷状態において永久磁石１６２とティース１５３との間にはたらく反発力又は吸引力に基づくトルクが発生する。このトルクは、上記第２のトルクに相当する。従って、本実施の形態に係る電動発電機２は、上記実施の形態に係る電動発電機２と同様に、これらのトルクを利用して電動機又は発電機として動作することが可能である。

なお、本実施の形態において、永久磁石１６２を、固定子１５と回転子１６との間の空間に露出させてもよい。この場合、上記実施の形態で説明したようなリブ６１１を用いなくてもよい。回転子１６が回転するときに、永久磁石１６２が永久磁石１６２に働く遠心力により、回転子コア１６１に押し付けられるためである。

以上説明したように、電動発電機２は、インナーロータ型及びアウターロータ型のいずれであってもよい。つまり、固定子が、回転軸を中心に回転する回転子に対向して配置されていればよい。

また、上記実施の形態において、電動発電機２は、負荷状態において、上述した磁路を形成しなくてもよい。すなわち、電動発電機２は、以下の条件を満たしていればよい。つまり、複数の永久磁石は、回転子内に配置され、周方向に着磁される。周方向に互いに隣接する２つの永久磁石において、着磁方向は反対向きである。そして、各永久磁石の磁束は、無負荷状態において、回転子内で短絡する。これにより、永久磁石の磁束が、無負荷状態において回転子から漏洩することを防ぐことができる。

［第４の実施の形態］
上記実施の形態では、回転軸を中心に回転するインナーロータ型又はアウターロータ型の電動発電機２について説明した。本実施の形態では、リニアモータについて説明する。

図２２は、本実施の形態に係るリニアモータ２ａの断面図である。図２２に示すリニアモータ２ａは、磁石可動型であり、固定子２５と可動子２６とを備える。固定子２５は、矢印Ｂ方向及び矢印Ｂ方向と反対方向に延びる。以下、矢印Ｂ方向を「右方向」、矢印Ｂ方向と反対の方向を「左方向」と呼ぶ。可動子２６は、固定子２５の上を左右方向に移動する。

固定子２５は、固定子コア２５１と、巻線２５２と、ティース２５３ａ〜２５３ｉとを有する。固定子コア２５１は、左右方向に延びる部材であり、固定子コア５１と同様の素材により形成される。ティース２５３ａ〜２５３ｉは、固定子コア２５１から上方に延びており、左右方向に等間隔に配置される。スロット２５４は、左右方向に互いに隣接する２つのティースの間の空間である。巻線２５２は、集中巻によりティース２５３ａ〜２５３ｉの各々に巻かれる。図２２において、一部の巻線２５２及びスロット２５４の符号の表示を省略している。

なお、図示を省略しているが、固定子２５は、ティース２５３ａ〜２５３ｉの他にも、左右方向に等間隔に配列された複数のティースを有している。以下、固定子コア２５１が有する複数のティースを総称する場合、「ティース２５３」と記載する。

可動子２６は、固定子２５の上方に配置され、左右方向に移動可能となるように、図示せぬ支持部材により支持される。可動子２６は、可動子コア２６１と、８個の永久磁石２６２ａ〜２６２ｈとを有する。以下、永久磁石２６２ａ〜２６２ｈを総称する場合、「永久磁石２６２」と記載する。

可動子コア２６１は、固定子コア６１と同様の素材により形成される。永久磁石２６２ａ〜２６２は、可動子コア２６１内に配置される。永久磁石２６２ａ〜２６２ｈは、永久磁石６２と同様の素材に形成され、等間隔となるように左右方向に一列に並べられる。

永久磁石２６２ａ〜２６２ｈにおいて、左右方向に互いに隣り合う２つの永久磁石は、着磁方向が反対である。例えば、互いに隣り合う永久磁石２６２ａ及び２６２ｂは、Ｓ極が対向するように配置される。従って、永久磁石２６２ａ及び２６２ｂの着磁方向は、左右方向に関して逆向きである。

次に、リニアモータ２ａにおけるスロットコンビネーションを説明する。図２３は、リニアモータ２ａのスロットコンビネーションを示すテーブルである。リニアモータ２ａにおいて、磁極２６８は、可動子２６において左右方向に互いに隣接する２つの永久磁石の間の領域である。磁極２６８は、可動子２６の外部からの磁束が可動子２６内に流入可能な領域であり、可動子２６内の磁束が可動子２６の外に流出可能な領域である。

なお、磁束は、永久磁石２６２ａと可動子２６の左端との間の領域２６５ａ、又は永久磁石２６２ｈと可動子２６の右端との間の領域２６５ｂを経由して、可動子２６から出入り可能である。しかし、領域２６５ａ，２６５ｂは、磁極としてカウントされない。これは、永久磁石２６２ａ（２６２ｈ）が、可動子２６の左端（右端）に露出していてもよいためである。従って、磁極２６８の数（極数）は、上記実施の形態と異なり、永久磁石の数（４の倍数）よりも１つ少なくなる。

この結果、図２３に示すように、極数をＰ、スロット数をＳとした場合、スロット数Ｓと極数Ｐとの関係は、下記の式（３）を満たす。

Ｓ＝（３／４）×（Ｐ＋１） ・・・（３）

式（３）において、スロット数Ｓは、８個の永久磁石２６２ａ〜２６２ｈが配置される矢印Ｂ方向の範囲Ｒ内に位置するスロット２５４の数である。図２２に示すリニアモータ２ａの場合、スロット数Ｓは、６である。

可動子２６内の永久磁石の数Ｍと、ティース２５３に対向する永久磁石との関係は、上記実施の形態と同様に、図４と同様である。つまり、永久磁石２６２の数Ｍは、４の倍数であり、永久磁石２６２は、永久磁石の数Ｍに関係なく、４個おきにティース５３に対向する。

以下、本実施の形態に係るリニアモータ２ａにおける磁路の変化について説明する。

図２４は、図２２に示すリニアモータ２ａにおいて無負荷状態のときに形成される磁路を示す図である。以下、永久磁石２６２ｄにより形成される磁路について説明する。

図２４に示すように、永久磁石２６２ｄの磁束は、磁路２６７ｄを形成する。磁路２６７ｄは、永久磁石２６２ｄを基準にして、可動子コア２６１における固定子２５が存在する方向の領域２６４と反対の領域２６３を通過する。永久磁石２６２ｄの磁束は、可動子コア２６１内で短絡するため、無負荷状態において可動子２６から漏洩しない。

実際には、永久磁石２６２ｄの磁束の一部は、領域２６４を通過する。しかし、領域２６４の上下方向の長さは、領域２６３の上下方向の長さよりも短い。領域２６４は、永久磁石２６２ｄの磁束により飽和するため、永久磁石２６２ｄの磁束の大部分は、領域２６３を通過して、磁路２６７ｄを形成する。

永久磁石２６２ｄを除く永久磁石２６２の各々の磁束も、永久磁石２６２ｄの磁束と同様に、磁路２６７ａ〜２６７ｃ，２６７ｅ〜２６７ｈを形成する。

図２５は、図２２に示すリニアモータ２ａにおいて負荷状態のときにティース２５３で発生する磁束の向きを示す図である。

図２５に示すように、負荷状態において、ティース２５３ａ〜２５３ｉには、磁束２５５ａ〜２５５ｉが発生する。上向き（可動子２６が位置する方向）の磁束が、永久磁石２６２ｃが対向するティース２５３ｃと、永久磁石２６２ｇが対向するティース２５３ｆとで発生する。上向きの磁束は、３つのティースおきに発生するため、磁束２５５ｉは、上方向に向く。下向き（可動子２６が位置する方向と反対方向）の磁束が、永久磁石が対向しないティース２５３ａ，２５３ｂ，２５３ｄ，２５３ｅ，２５３ｇ，２５３ｈで発生する。

図２６は、図１８に示すリニアモータ２ａにおいて負荷状態のときに形成される磁路を示す図である。

図２６に示すように、負荷状態において、矢印２３１〜２３６で示す磁路が形成される。以下、矢印２３１〜２３６で示す磁路を、「磁路２３１〜２３６」と呼ぶ。

磁路２３１〜２３６は、図１１に示す矢印３１〜３６で示す磁路に相当する。磁路２３１〜２３６が形成される過程は、上記第１の実施の形態と基本的に同じである。ただし、リニアモータ２ａにおいて、磁路２３１及び２３３は、可動子コア２６１において永久磁石２６２よりも上の領域（永久磁石２６２を基準にして固定子２５が位置する方向と反対の領域）を通過する。

本実施の形態において、リニアモータ２ａは、電動機及び発電機のいずれとして動作する場合であっても、磁路２３１〜２３６を形成する磁束により発生する磁気吸引力を利用することができる。また、負荷状態において永久磁石２６２とティース２５３との間にはたらく反発力又は吸引力が発生する。従って、本実施の形態に係るリニアモータ２ａは、上記実施の形態に係る電動発電機２と同様に、磁気吸引力等を利用して電動機又は発電機として動作することが可能である。

また、本実施の形態において、リニアモータ２ａは、負荷状態において、上述した磁路２３１〜２３６の全てを形成しなくてもよい。すなわち、電動発電機２は、以下の条件を満たしていればよい。つまり、複数の永久磁石は、可動子内に配置され、可動子の移動方向に着磁される。移動方向に互いに隣接する２つの永久磁石において、着磁方向は反対向きである。そして、各永久磁石の磁束は、無負荷状態において、可動子内で短絡する。これにより、永久磁石の磁束が、無負荷状態において可動子から漏洩することを防ぐことができる。

また、本実施の形態において、リニアモータ２ａが磁石可動型である場合を例に説明したが、これに限られない。リニアモータ２ａは、コイル可動型であってもよい。つまり、リニアモータ２ａの固定子が、等間隔に配置された複数の永久磁石を備え、可動子が、固定子の位置する方向に向かって伸びるティースと、ティースに巻かれた巻線とを備えてもよい。この場合、可動子に対向する範囲に存在する永久磁石の数が、４の倍数となるとともに、リニアモータ２ａが、図２３に示すスロットコンビネーションを有していればよい。

上記実施の形態では、永久磁石の各々が１つの磁石により構成されている例を説明したが、これに限られない。例えば、複数の永久磁石（以下、便宜的に「要素磁石」と呼ぶ。）を径方向又は周方向に並べることにより、永久磁石６２ａを構成するようにしてもよい。この場合、永久磁石６２ａは、複数の要素磁石を有する。例えば、永久磁石６２ａは、複数の要素磁石を周方向に配列したものであってもよい。永久磁石６２ａは、複数の要素磁石を径方向に配列したものであってもよい。あるいは、複数の永久磁石は、周方向及び径方向の各方向に配列されることにより、永久磁石６２ａを構成してもよい。この場合、要素磁石は、所定の間隔を空けるようにして配置されてもよいし、他の要素磁石と密着していてもよい。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。

１ エンジン
２ 電動発電機
３ コントローラ
４ インバータ
５，８ 固定子
６，９ 回転子
３１〜３４，６７ａ〜６７ｈ，８７，８８，８９ａ，８９ｂ 磁路
５１ 固定子コア
５２ 巻線
５３ａ〜５３ｆ ティース
６１ 回転子コア
６２ａ〜６２ｈ，９２ａ〜９２ｈ 永久磁石
６３ａ，６３ｂ 内周側の領域
６６ 狭窄領域
８３ａ〜８３ｆ 主ティース
８４ａ〜８４ｆ 補助ティース
８５ａ〜８５ｆ 主巻線
８６ａ〜８６ｆ 補助巻線
１００ スタータジェネレータ
２００ エンジンユニット

Claims (7)

1. 回転軸を中心に回転する回転子と、
   前記回転子の径方向に延びる複数のティースを含み、前記回転子に対向して配置される固定子と、
   前記回転子内に配置され、前記回転子の周方向に着磁された複数の永久磁石とを備え、
   前記永久磁石の固定子側の面と前記固定子との距離は、前記回転子と前記固定子との距離よりも大きく、
   前記複数の永久磁石は、
   第１の永久磁石と、
   前記第１の永久磁石の前記周方向における一方側に隣接し、前記第１の永久磁石の磁極と反対方向に着磁された第２の永久磁石とを備え、
   無負荷状態において、前記複数の永久磁石の磁束は、前記回転子内で短絡し、
   前記複数の永久磁石のうち前記周方向に互いに隣り合う２つの永久磁石により挟まれた前記回転子の領域を磁極とし、負荷状態において前記第１の永久磁石が前記複数のティースのいずれか１つに対向する場合、前記第１の永久磁石の磁束と前記固定子で発生する磁束とが合成された磁束は、前記第１の永久磁石と前記第２の永久磁石との間における磁極の飽和磁束以上であり、
   前記回転子における前記磁極の数をＰ（Ｐは４の倍数）、前記複数のティースにより形成されるスロットの数をＳとした場合、ＰとＳとの関係は、
   Ｓ＝（３／４）×Ｐ
   を満たす電動発電機。
2. 請求項１に記載の電動発電機であって、
   前記複数の永久磁石の数をＭ（Ｍは４の倍数）とした場合、前記複数の永久磁石のうち前記第１の永久磁石を含む（Ｍ／４）個の永久磁石が、４個の永久磁石ごとに前記複数のティースのいずれか１つに対向し、
   負荷状態において、前記複数のティースのうち前記（Ｍ／４）個の永久磁石が対向する（Ｍ／４）個のティースで発生する磁束は、前記回転子が位置する方向に向いている電動発電機。
3. 請求項１又は２に記載の電動発電機であって、
   前記複数の永久磁石は、さらに、
   前記周方向において前記第１の永久磁石の他方側に隣接し、前記第１の永久磁石の磁極と反対方向に着磁された第３の永久磁石を備え、
   負荷状態において前記第１の永久磁石が前記複数のティースのいずれか１つに対向する場合、前記第３の永久磁石の磁束は、前記固定子で発生する磁束と合成される電動発電機。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の電動発電機であって、
   前記回転子は、前記固定子の内側に配置され、
   前記第２の永久磁石と前記回転軸との距離は、前記周方向における前記第１の永久磁石と前記第２の永久磁石との間隔よりも大きい電動発電機。
5. 請求項４に記載の電動発電機であって、
   前記第２の永久磁石の前記固定子側の面は、前記回転子と前記固定子との間の空間に露出する電動発電機。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の電動発電機と、
   前記回転子の前記回転軸に連結された回転軸を含むエンジンとを備えるエンジンユニット。
7. 第１方向に移動する可動子と、
   前記第１方向と交差する第２方向に延びる複数のティースを含み、前記第２方向において前記可動子と対向して配置される固定子と、
   前記可動子内に配置され、前記第１方向に着磁された複数の永久磁石とを備え、
   前記永久磁石の固定子側の面と前記固定子との距離は、前記可動子と前記固定子との距離よりも大きく、
   前記複数の永久磁石は、
   第１の永久磁石と、
   前記第１の永久磁石の前記第１方向における一方側に隣接し、前記第１の永久磁石の磁極と反対方向に着磁された第２の永久磁石とを備え、
   無負荷状態において、前記複数の永久磁石の磁束は、前記可動子内で短絡し、
   前記複数の永久磁石のうち前記第１方向に互いに隣り合う２つの永久磁石により挟まれた前記可動子の領域を磁極とし、負荷状態において前記第１の永久磁石が前記複数のティースのいずれか１つに対向する場合、前記第１の永久磁石の磁束と前記固定子で発生する磁束とが合成された磁束は、前記第１の永久磁石と前記第２の永久磁石との間における磁極の飽和磁束以上であり、
   前記可動子における前記磁極の数をＰ、前記複数のティースにより形成されるスロットのうち、前記複数の永久磁石が配置される前記第１方向の範囲内に位置するスロットの数をＳとした場合、ＰとＳとの関係は、
   Ｓ＝（３／４）×（Ｐ＋１）
   を満たす、電動機及び発電機のいずれとしても動作するリニアモータ。

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