JP6645352B2

JP6645352B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP6645352B2
Application number: JP2016096462A
Authority: JP
Inventors: 亮介赤木; 真大青山
Original assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Current assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Priority date: 2016-05-12
Filing date: 2016-05-12
Publication date: 2020-02-14
Anticipated expiration: 2036-05-12
Also published as: JP2017204962A

Description

本発明は、回転電機に関する。

永久磁石の磁束を利用してトルクを出力する回転電機では、永久磁石による有効磁束量を可変することができる回転電機が知られている。例えば、特許文献１には、電機子巻線が巻かれた固定子と、該固定子と空隙を介して回転可能に設けられた回転子を有する回転電機において、固定子が回転軸方向に第１回転子と第２回転子とに二分割され、それぞれに極性の異なる界磁用磁石が回転方向に交互に配置された構造が記載されている。

このような構造から、特許文献１に記載の回転電機は、トルクや回転数の変化に応じて第２回転子を動作させ、第１回転子の永久磁石の極性と第２回転子の永久磁石の極性との位置関係を可変することによって、永久磁石による有効磁束量を調整することができる。このとき、特許文献１に記載の回転電機は、第１回転子の永久磁石の極性と第２回転子の永久磁石の極性との位置関係を可変するにあたって、アクチュエータに入力された制御信号により第２回転子を所定状態に位置させるように制御している。

特開２０１０−２４６１９６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の回転電機は、上述したように、第２回転子を所定状態に位置させるため、アクチュエータや該アクチュエータを制御するための制御装置が必要である。また、第１回転子と第２回転子とが所定の位置関係となるように第２回転子を機械的に移動させていることから精密な制御が必要である。このため、低コストな構成で永久磁石の磁束を可変させることができない。

本発明は、上述のような事情に鑑みてなされたもので、低コストな構成で永久磁石の磁束を可変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、電機子コイルを有するステータと、回転軸を中心に回転するロータと、を備えた回転電機であって、前記ステータは、前記電機子コイルが集中巻された複数のステータティースを有し、前記ロータは、前記ステータ側に向かって広がるＶ字型に配置された複数の永久磁石対と、Ｖ字型に配置された前記永久磁石対によって形成されたロータ磁極部と、前記永久磁石対よりも前記ステータ側に配置された誘導コイルと、前記永久磁石対よりも前記回転軸側に配置された磁路部と、を有し、前記ロータ磁極部と前記磁路部との間には、空隙が形成されており、前記磁路部には、前記誘導コイルで発生した誘導電流に基づいて、前記永久磁石対から前記空隙を介して前記磁路部に鎖交する磁束の磁束量を調整可能な可変界磁コイルが設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、低コストな構成で永久磁石の磁束を可変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、本発明の第１の実施の形態に係る回転電機を回転軸に直交する平面で切断した断面図である。図２は、本発明の第１の実施の形態に係る回転電機において発生する第２次空間高調波の磁束密度及び磁束線を示す図である。図３は、本発明の第１の実施の形態に係る回転電機における誘導コイル及び可変界磁コイルとダイオードとの結線を示す回路図である。図４は、本発明の第１の実施の形態に係る回転電機のロータが低回転しているときの磁束の経路を示す模式図である。図５は、本発明の第１の実施の形態に係る回転電機のロータが低回転しているときの磁束量を示す図である。図６は、本発明の第１の実施の形態に係る回転電機のロータが高回転しているときの磁束の経路を示す模式図である。図７は、本発明の第１の実施の形態に係る回転電機のロータが高回転しているときの磁束量を示す図である。図８は、本発明の第２の実施の形態に係る回転電機を回転軸に直交する平面で切断した断面図である。図９は、本発明の第２の実施の形態に係る回転電機において発生する第２次空間高調波の磁束密度及び磁束線を示す図である。図１０は、本発明の第２の実施の形態に係る回転電機のロータが低回転しているときの磁束の経路を示す模式図である。図１１は、本発明の第２の実施の形態に係る回転電機のロータが低回転しているときの磁束量を示す図である。図１２は、本発明の第２の実施の形態に係る回転電機のロータが高回転しているときの磁束の経路を示す模式図である。図１３は、本発明の第２の実施の形態に係る回転電機のロータが高回転しているときの磁束量を示す図である。図１４は、ステータティース間で短絡する磁束を示す断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
図１から図７は本発明の第１の実施の形態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Ｗ相、Ｖ相、Ｕ相の三相の電機子コイル１１を有するステータ１０と、ステータ１０で発生した磁束の通過により回転軸２を中心に回転するロータ２０と、整流回路５０（図３参照）とを備えている。

（ステータ）
ステータ１０は、図示しないモータケースに固定されている。ステータ１０は、高透磁率の磁性材料からなる環状のステータコア１２を備えている。ステータコア１２には、径方向の内方側に突出したステータティース１３が周方向に沿って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１３の間には、溝状の空間であるスロット１４が形成されている。径方向とは、ロータ２０の回転軸２が延伸する方向と直交する方向を示す。径方向の内方側とは、径方向においてロータ２０の回転軸２に近い側を示す。径方向の外方側とは、径方向においてロータ２０の回転軸２から遠い側を示す。周方向とは、ロータ２０の回転軸２を中心とする円周方向を示す。なお、径方向は、回転軸２を中心として放射方向に示される。

ステータコア１２の各スロット１４には、ステータコア１２の周方向に沿ってＷ相、Ｖ相、Ｕ相の三相の電機子コイル１１がそれぞれ配置されている。Ｗ相、Ｖ相、Ｕ相の各電機子コイル１１は、集中巻によりステータティース１３に巻き回されている。

このように、ステータ１０は、電機子コイル１１が集中巻された複数のステータティース１３を有している。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（以下、この磁束を「主磁束」という）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。

ステータ１０は、上述の通り、電機子コイル１１がステータティース１３に集中巻されている。このため、電機子コイル１１に三相交流を供給した場合、ステータ１０には、ロータ２０の回転と同期して回転する回転磁界の他に、ロータ２０の回転と非同期の高調波回転磁界が発生する。この高調波回転磁界には、静止座標系における第２次空間高調波（同期回転座標系における第３次時間高調波）が含まれる。したがって、ステータ１０で発生する磁束には、高調波成分が重畳されていることとなる。

（ロータ）
ロータ２０は、外周面がステータコア１２の内周面と対向するように、ステータコア１２の径方向の内方側に配置されている。

ロータ２０は、ロータコア２１と、複数の永久磁石対２２と、ロータ磁極部２３と、誘導コイル２４と、磁路部２５とを含んで構成されている。ロータ２０は、後述するように、一対の永久磁石２２Ａ，２２ＢをＶ字型に配置した永久磁石対２２を複数有する逆突極構造である。

逆突極構造では、一対の永久磁石２２Ａ，２２Ｂの間を通るｄ軸方向のインダクタンス（ｄ軸インダクタンスＬｄ）が、周方向に隣り合う永久磁石対２２の間を通り、ｄ軸と電気的・磁気的に直交するｑ軸方向のインダクタンス（ｑ軸インダクタンスＬｑ）よりも小さい特性を有する。したがって、逆突極構造では、永久磁石対２２が発生するマグネットトルクに加えて、ｄ軸インダクタンスＬｄとｑ軸インダクタンスＬｑとの差に応じたリラクタンストルクを発生することができる。これにより、回転電機１におけるトルク密度を向上させることができる。

ロータコア２１は、高透磁率の磁性材料からなり、ロータ２０の回転軸２に対して一体回転可能に固定されている。回転軸２は、ロータコア２１の内周面に固定され、ロータコア２１の径方向と直交する方向に延伸している。以下においては、回転軸２が延伸する方向を軸方向という。

ロータコア２１の径方向の外方側には、ロータコア２１を軸方向に貫通する一対の貫通孔２１Ａ，２１Ｂが形成されている。一対の貫通孔２１Ａ，２１Ｂは、ステータ１０側に向かって広がるＶ字型に配置されている。Ｖ字型に配置された一対の貫通孔２１Ａ，２１Ｂは、ロータコア２１の周方向に沿って所定の間隔で複数個所に設けられている。

一対の貫通孔２１Ａ，２１Ｂの径方向の内方側には、永久磁石対２２が嵌め込み、又は圧入若しくは接着によって嵌め合わされるようになっている。また、一対の貫通孔２１Ａ，２１Ｂの径方向の外方側には、永久磁石対２２に隣接して誘導コイル２４が配置される空間が設けられている。

永久磁石対２２は、永久磁石２２Ａと永久磁石２２Ｂとがステータ１０側に向かって広がるＶ字型に配置されたものからなる。永久磁石対２２は、一対の永久磁石２２Ａ，２２Ｂを１組として、ロータコア２１の周方向に所定間隔で複数組、配置されている。

永久磁石２２Ａ，２２Ｂは、柱状の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２２Ａ，２２Ｂは、Ｖ字型に配置された一対の貫通孔２１Ａ，２１Ｂに嵌め合わされている。

永久磁石２２Ａと永久磁石２２Ｂとは、同一の極性面が互いに対向するように配置されている。これにより、永久磁石２２Ａと永久磁石２２Ｂとの間には、対向する極性面と同一の極性を有するロータ磁極部２３が形成される。このように、ロータ磁極部２３は、Ｖ字型に配置された永久磁石対２２の極性によってＮ極又はＳ極の磁極として形成される。

一対の永久磁石２２Ａ，２２Ｂは、周方向に隣り合う永久磁石対２２同士で極性面の向きが逆向きとなるよう配置されている。これにより、ロータ磁極部２３は、周方向に隣り合うロータ磁極部２３同士で極性が逆となる。

本実施の形態では、Ｎ極の極性面が対向するように配置された永久磁石対２２を「Ｎ極の永久磁石対２２」といい、Ｓ極の極性面が対向するように配置された永久磁石対２２を「Ｓ極の永久磁石対２２」という。

誘導コイル２４は、永久磁石対２２よりもステータ１０側で、永久磁石対２２に隣接して配置されている。具体的には、誘導コイル２４は、一対の貫通孔２１Ａ，２１Ｂの径方向の外方側に設けられた空間を利用して、ロータ磁極部２３を囲むように巻かれている。

誘導コイル２４は、ステータ１０側で発生した磁束に重畳された高調波成分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、三相交流が電機子コイル１１に供給されてステータ１０に回転磁界が発生すると、ステータ１０側で発生した高調波成分の磁束が誘導コイル２４に鎖交する。これにより、誘導コイル２４は、誘導電流を誘起させる。

図２は、ステータ１０側で発生した第２次空間高調波の磁束密度及び磁束線を示したものである。図２においては、磁束線の間隔が狭い部分ほど磁束密度が高いことを示している。

図２に示すように、ステータ１０側で発生した第２次空間高調波の磁束の多くは、ロータコア２１の径方向の外方側に鎖交している。したがって、本実施の形態では、誘導コイル２４がロータコア２１の径方向の外方側でロータ磁極部２３を囲むように巻かれているので、より多くの第２次空間高調波の磁束を誘導コイル２４に鎖交させることができる。

誘導コイル２４は、該誘導コイル２４と径方向に配置されている可変界磁コイル３０と通電方向が同一となるよう、ロータ磁極部２３に巻かれている。このため、誘導コイル２４に誘導電流が流れた際に誘導コイル２４に発生する磁束の向きと、可変界磁コイル３０に発生する誘導磁束の向きとが一致する。これにより、可変界磁コイル３０に発生する誘導磁束に対して、誘導コイル２４に発生する磁束が打ち消すように作用することが防止される。なお、可変界磁コイル３０については後述する。

図１に示すように、ロータコア２１の径方向の内方側には、ロータコア２１を軸方向に貫通する一対の貫通孔２１Ｃ，２１Ｄが形成されている。一対の貫通孔２１Ｃ，２１Ｄは、ロータコア２１の周方向に沿って所定の間隔で複数個所に設けられている。一対の貫通孔２１Ｃ，２１Ｄには、可変界磁コイル３０が配置されるようになっている。

磁路部２５は、永久磁石対２２よりも、径方向の内方側すなわち回転軸２側に配置されている。具体的には、磁路部２５は、一対の貫通孔２１Ｃと貫通孔２１Ｄとの間で、ロータコア２１の径方向の内方側から外方側に向けて突出するようにロータコア２１に一体形成されている。

磁路部２５は、永久磁石対２２の磁束の一部を、周方向に隣り合う永久磁石対２２の間で短絡させるよう導くものである。磁路部２５には、Ｎ極の永久磁石対２２で発生した磁束の一部が短絡磁束として鎖交するようになっている。磁路部２５に鎖交した短絡磁束は、Ｓ極の永久磁石対２２に導かれる。これにより、永久磁石対２２で発生した磁束の一部は、周方向に隣り合う永久磁石対２２の間で短絡する。

磁路部２５は、一対の永久磁石２２Ａ，２２Ｂの間の各ｄ軸上で径方向に延伸するようにそれぞれ配置されている。磁路部２５には、可変界磁コイル３０が集中巻されている。可変界磁コイル３０は、磁路部２５に隣接する一対の貫通孔２１Ｃ，２１Ｄを利用して、磁路部２５を囲むように巻かれている。

可変界磁コイル３０は、誘導コイル２４で発生した誘導電流の大きさに応じて、永久磁石対２２から空隙４０を介して磁路部２５に鎖交する短絡磁束の磁束量を調整可能なコイルである。なお、空隙４０については後述する。

可変界磁コイル３０は、隣接する永久磁石対２２の間で磁束が短絡する向きの誘導磁束を発生させる通電方向となるよう、磁路部２５に集中巻されている。なお、隣接する永久磁石対２２とは、周方向に隣り合うロータ磁極部２３をそれぞれ形成する永久磁石対２２のことである。

「隣接する永久磁石対２２の間で磁束が短絡する向き」とは、Ｎ極の永久磁石対２２の径方向の内方側に配置された磁路部２５にあっては、径方向の外方側から内方側に向かう向きであり、Ｓ極の永久磁石対２２の径方向の内方側に配置された磁路部２５にあっては、径方向の内方側から外方側に向かう向きである。

これにより、可変界磁コイル３０は、整流回路５０で整流された直流電流が供給されると、隣接する永久磁石対２２の間で磁束が短絡する向きに誘導磁束を発生させるようになっている。

可変界磁コイル３０が発生させる誘導磁束の磁束量は、可変界磁コイル３０に供給される直流電流の大きさに応じて調整される。この誘導磁束の磁束量が調整されることによって、隣接する永久磁石対２２の間における短絡磁束の磁束量が調整される。

誘導磁束の磁束量は、可変界磁コイル３０に供給される直流電流が大きいほど、可変界磁コイル３０の巻き数が多いほど大きくなる。可変界磁コイル３０の巻き数は、予め実験的に求められた巻き数に設定される。

可変界磁コイル３０に供給される直流電流は、誘導コイル２４に発生する誘導電流の大きさに応じて調整される。このように、短絡磁束の磁束量は、誘導コイル２４に発生する誘導電流の大きさに応じて調整されるようになっている。また、誘導コイル２４に発生する誘導電流は、ロータ２０の回転速度が上昇するにつれて大きくなる。したがって、短絡磁束の磁束量は、ロータ２０の回転速度が上昇するにつれて大きくなる。

ロータ磁極部２３と磁路部２５との間には、高磁気抵抗の領域として所定の大きさの空隙４０が形成されている。空隙４０は、可変界磁コイル３０に直流電流が供給されていないときには、永久磁石対２２の磁束がロータ磁極部２３と磁路部２５との間で流れることがない、又は流れても微量となるような大きさである。また、空隙４０は、可変界磁コイル３０に直流電流が供給されているときには、永久磁石対２２の磁束がロータ磁極部２３と磁路部２５との間で流れるような大きさに設定されている。

空隙４０は、ロータコア２１を軸方向に貫通するように形成されている。空隙４０は、ロータ磁極部２３及び永久磁石対２２の径方向の内方側の面と、磁路部２５及び可変界磁コイル３０の径方向の外方側の面とで画成された空間である。

空隙４０は、一対の永久磁石２２Ａ，２２Ｂの間で永久磁石対２２の径方向の内周面よりも径方向の外方側に突出する部分が、径方向の内方側から外方側に向かうにしたがい周方向の幅が小さくなるテーパ形状に形成されている。本実施の形態では、テーパ形状として台形形状を採用している。

このように、空隙４０が径方向の外方側に突出していることで、可変界磁コイル３０を配置する空間を大きくとることができる。これにより、可変界磁コイル３０の巻数を多くすることができ、より多くの誘導磁束を発生させることができる。なお、可変界磁コイル３０を配置する空間を十分に確保できる場合には、空隙４０に上述したようなテーパ形状の部分を形成しなくともよい。

テーパ形状としては、台形形状に限らず、例えば三角形状、半円形状及び弾頭形状等、径方向の内方側から外方側に向かうにしたがい周方向の幅が小さくなる形状であれば種々の形状を採用することができる。

本実施の形態では、永久磁石対２２と可変界磁コイル３０との間の隙間を含めて空隙４０としたが、当該隙間を廃してロータ磁極部２３と磁路部２５とで画成される空間を空隙４０としてもよい。

また、ロータ磁極部２３と磁路部２５との間に、ロータ磁極部２３と磁路部２５とを接続するブリッジ部を形成してもよい。この場合、ロータコア２１の強度を高めることができる。ただし、ロータ低回転時に永久磁石対２２の磁束がブリッジ部を介して磁路部２５側に漏れないようにするために、ブリッジ部の周方向の幅は狭い方が好ましい。

（整流回路）
回転電機１は、誘導コイル２４によって誘起された交流の誘導電流を直流に整流して可変界磁コイル３０に供給する整流回路５０を備えている。

図３に示すように、整流回路５０は、２つのダイオードＤ１，Ｄ２を整流素子として備え、これらダイオードＤ１，Ｄ２と２つの誘導コイル２４、及び２つの可変界磁コイル３０とを結線した閉回路として構成されている。

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。

整流回路５０において、２つの誘導コイル２４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、直列接続されている２つの可変界磁コイル３０に界磁電流として供給される。２つの可変界磁コイル３０は、直流電流が供給されることにより誘導磁束を発生させる。

（回転電機の作用）
次に、図４、図５、図６及び図７を参照して、本実施の形態に係る回転電機１の作用について説明する。

本実施の形態に係る回転電機１は、以上説明したように、ロータ２０に永久磁石対２２を備え、その永久磁石対２２の磁束を利用してトルクを出力する永久磁石型同期モータである。

従来の永久磁石型同期モータでは、永久磁石の磁束が一定のため、ロータの回転速度が上昇するにつれて永久磁石の磁束によってステータの電機子コイルに生じる逆起電力が増加する。そして、ロータの回転速度がある回転速度に達すると、電機子コイルに生じた逆起電力が永久磁石型同期モータの電源電圧と等しくなる。これにより、永久磁石型同期モータにはそれ以上電流を流すことができなくなる。この結果、ロータの回転速度を上昇させることができなくなってしまう。

従来、こうした問題を解決するために、ステータの電機子コイルに永久磁石による磁束を打ち消す電流を流すことにより電機子コイルに生じる逆起電力を等価的に低減させる弱め界磁制御が行われていた。

しかしながら、この弱め界磁制御は、永久磁石の磁束を打ち消す方向の磁束を発生させるべく電流を流すことから、トルクに寄与しない磁束を発生させることになるため、出力に対して無駄なエネルギを消費しており、効率の低下を招いていた。

また、弱め界磁制御では、高調波磁束が生じるため、その高調波磁束に起因して永久磁石型同期モータの鉄損や電磁振動が増加するおそれがある。さらに、弱め界磁制御では、永久磁石の磁束に対して逆向きの磁束を発生させて永久磁石の磁束を抑え込むため、永久磁石の不可逆減磁が生じるおそれがある。このため、比較的保磁力の高い永久磁石を用いる必要があり、コストが増加してしまう。

永久磁石としてネオジウム磁石を用いた場合には、弱め界磁制御による外部磁場の変動により永久磁石に渦電流が生じ、永久磁石が発熱する。この発熱によって永久磁石の不可逆減磁が生じるおそれがある。したがって、耐熱性の高いレアアース等の材料を永久磁石に添加する必要がある。しかし、この場合には、添加されたレアアース等の材料が永久磁石にとって不純物となるため、永久磁石本来の性能を発揮させることができないおそれがある。

そこで、本実施の形態に係る回転電機１では、弱め界磁制御を行わずに、上述した磁路部２５及び可変界磁コイル３０の作用によって、永久磁石対２２からステータ１０に鎖交する磁束量を調整可能な構成とした。これにより、本実施の形態に係る回転電機１は、上述したような弱め界磁制御による問題を解決することができる。

（ロータ低回転時）
本実施の形態に係る回転電機１においてロータ２０の回転速度が低いときは、ステータ１０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、可変界磁コイル３０は、誘導磁束を発生してないか、あるいは発生していても微量である。

したがって、空隙４０においては磁気抵抗が高い状態である。このため、Ｎ極の永久磁石対２２の磁束が空隙４０を介して磁路部２５に鎖交しないか、あるいは僅かに鎖交するだけである。よって、Ｎ極の永久磁石対２２の磁束は、Ｓ極の永久磁石対２２に短絡することがないか、あるいは僅かに短絡するだけである。この結果、ロータ２０の回転速度が低いときは、図４及び図５に示すように、永久磁石対２２の磁束の全て又は大部分（図４中、白抜きの矢印で示す）がステータ１０に鎖交する。

このように、ロータ２０の回転速度が低いときは、後述するロータ２０の回転速度が高いときと比べて永久磁石対２２からステータ１０に鎖交する磁束の磁束量を増加させることができる。

（ロータ高回転時）
本実施の形態に係る回転電機１においてロータ２０の回転速度が高いときは、ステータ１０に高調波成分の磁束が発生する。その高調波成分の磁束の磁束量は、ロータ２０の回転速度が上昇するにつれて増加する。

この高調波成分の磁束が誘導コイル２４に鎖交することにより、ロータ２０の誘導コイル２４に誘導電流が誘起され、誘起された誘導電流が整流回路５０（図３参照）によって整流されて直流電流として可変界磁コイル３０に供給される。

直流電流が供給された可変界磁コイル３０は、隣接する永久磁石対２２の間で磁束が短絡するように誘導磁束を発生させる。これに伴い、空隙４０における磁気抵抗が低下する。

上述したように空隙４０における磁気抵抗が低下すると、図６及び図７に示すように、Ｎ極の永久磁石対２２の磁束の一部が短絡磁束（図６中、黒塗りの矢印で示す）として空隙４０を介して磁路部２５に鎖交する。磁路部２５に鎖交した短絡磁束は、磁路部２５及びロータコア２１を介してＳ極の永久磁石対２２に短絡する。これにより、永久磁石対２２の磁束の全磁束量のうち短絡磁束の磁束量を除いた磁束量の磁束（図６中、白抜きの矢印で示す）がステータ１０に鎖交する。すなわち、ロータ２０の回転速度が高いときは、ロータ２０の回転速度が低いときと比べて、永久磁石対２２からステータ１０に鎖交する磁束の磁束量が抑えられる。

したがって、ロータ２０の回転速度が高い場合であっても弱め界磁制御を不要とすることができる。このため、弱め界磁制御により生ずる高調波磁束に起因した鉄損や電磁振動を防止することができる。

また、弱め界磁制御を不要としたので、保磁力の高い永久磁石を用いる必要がなく、耐熱性の高いレアアース等の材料を永久磁石に添加する必要もない。これにより、回転電機１のコストを低減させることができる。

このように、本実施の形態に係る回転電機１では、弱め界磁制御を行わずに永久磁石対２２からステータ１０に鎖交する磁束量を調整可能とした。具体的には、ロータ２０の回転速度が高いときには効率の低下を防止することができる。また、ロータ２０の回転速度が低いときには出力の向上を図ることができる。

以上のように、本実施の形態の回転電機１によれば、ステータ１０側で発生した磁束に重畳された高調波成分を誘導コイル２４に鎖交させることにより誘導電流を発生させ、その誘導電流を整流回路５０で整流して可変界磁コイル３０に供給する。これにより、周方向に隣り合う永久磁石対２２の間で短絡する短絡磁束の磁束量を調整することができる。

また、ステータ１０側で発生した磁束に重畳される高調波成分は、ステータ１０に集中巻された電機子コイル１１に三相交流を供給することによって得られる。このため、可変界磁コイル３０に供給される直流電流を発生させるために、例えばＤＣ／ＤＣコンバータ等の特別な装置を必要としない。

これによって、本実施の形態の回転電機１は、例えばＤＣ／ＤＣコンバータ等の特別な装置を利用することなく簡易な構成で、永久磁石対２２からステータ１０に鎖交する磁束の磁束量を調整することができる。この結果、本実施の形態の回転電機１は、低コストな構成で永久磁石対２２の磁束を可変させることができる。

［第２の実施の形態］
図８から図１３は本発明の第２の実施の形態に係る回転電機を説明する図である。

本実施の形態の回転電機２０１は、第１の実施の形態の回転電機１とは、ロータの構成が一部異なるが、他の構成は同一である。以下においては、第１の実施の形態の同一の構成については同一の符号を用いる。

図８に示すように、本実施の形態の回転電機２０１は、ステータ１０と、ロータ２２０と、整流回路５０（図３参照）とを備えている。

本実施の形態のロータ２２０において、ロータ磁極部２３の径方向の外方側であって一対の貫通孔２１Ａと貫通孔２１Ｂとの間には、ロータコア２１を軸方向に貫通する貫通孔２１Ｅが形成されている。

貫通孔２１Ｅは、ロータコア２１の周方向に長尺な形状に形成されており、ロータコア２１の周方向に沿って所定の間隔で複数個所に設けられている。貫通孔２１Ｅの周方向の中間位置には、後述する補助磁石２２２が嵌め込み、又は圧入若しくは接着によって嵌め合わされるようになっている。

また、貫通孔２１Ｅの周方向の両端側には、補助磁石２２２に周方向で隣接するようにしてフラックスバリア２５０が形成されている。フラックスバリア２５０は、貫通孔２１Ｅの内周面と補助磁石２２２の周方向の側面とで画成された空間からなる。

本実施の形態のロータ２２０は、磁束を発生させる永久磁石として、永久磁石対２２に加えて補助磁石２２２を備えている。補助磁石２２２は、柱状の例えばネオジウム磁石（Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石）で構成されている。補助磁石２２２は、上述した貫通孔２１Ｅに嵌め合わされている。これにより、補助磁石２２２は、ロータ磁極部２３の径方向の外方側に配置される。

補助磁石２２２は、永久磁石対２２によってロータ磁極部２３に形成される極性と逆極性の極性面が径方向の内方側を向くよう配置されている。例えば、Ｎ極の永久磁石対２２に対しては、補助磁石２２２は、Ｓ極の極性面が径方向の内方側に向くように配置されている。

これにより、永久磁石対２２の磁束の向きと補助磁石２２２の磁束の向きとが一致する。したがって、補助磁石２２２が永久磁石対２２の磁束の流れを妨げることがない。また、永久磁石対２２の磁束に加えて補助磁石２２２の磁束をステータ１０に鎖交させることができる。

また、本実施の形態のロータ２２０において、ロータ磁極部２３と磁路部２５との間のｄ軸上には、ロータ磁極部２３と磁路部２５とを接続するブリッジ部２６０が形成されている。これにより、ロータコア２１の強度が高められる。ただし、ロータ低回転時に永久磁石対２２の磁束がブリッジ部２６０を介して磁路部２５側に漏れないように、ブリッジ部２６０の周方向の幅が狭い幅に設定されている。ロータコア２１の強度が確保できる場合には、ブリッジ部２６０は設けなくともよい。

図９は、ステータ１０側で発生した第２次空間高調波の磁束密度及び磁束線を示したものである。図９においては、磁束線の間隔が狭い部分ほど磁束密度が高いことを示している。

図９に示すように、本実施の形態においても、ステータ１０側で発生した第２次空間高調波の磁束の多くは、ロータ２２０のロータコア２１の径方向の外方側に鎖交している。したがって、本実施の形態でも、誘導コイル２４がロータコア２１の径方向の外方側でロータ磁極部２３を囲むように巻かれているので、より多くの第２次空間高調波の磁束を誘導コイル２４に鎖交させることができる。

（回転電機の作用）
次に、図１０、図１１、図１２及び図１３を参照して、本実施の形態に係る回転電機２０１の作用について説明する。

（ロータ低回転時）
本実施の形態に係る回転電機２０１においてロータ２２０の回転速度が低いときは、ステータ１０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、可変界磁コイル３０は、誘導磁束を発生してないか、あるいは発生していても微量である。

したがって、空隙４０においては磁気抵抗が高い状態である。このため、Ｎ極の永久磁石対２２の磁束が空隙４０を介して磁路部２５に鎖交しないか、あるいは僅かに鎖交するだけである。よって、Ｎ極の永久磁石対２２の磁束は、Ｓ極の永久磁石対２２に短絡することがないか、あるいは僅かに短絡するだけである。この結果、ロータ２２０の回転速度が低いときは、図１０及び図１１に示すように、永久磁石対２２の磁束の全て又は大部分（図１０中、白抜きの矢印で示す）と補助磁石２２２の磁束とがステータ１０に鎖交する。

このように、ロータ２２０の回転速度が低いときは、後述するロータ２２０の回転速度が高いときと比べて永久磁石対２２からステータ１０に鎖交する磁束の磁束量を増加させることができる。

（ロータ高回転時）
本実施の形態に係る回転電機２０１においてロータ２２０の回転速度が高いときは、ステータ１０に高調波成分の磁束が発生する。その高調波成分の磁束の磁束量は、ロータ２２０の回転速度が上昇するにつれて増加する。

この高調波成分の磁束が誘導コイル２４に鎖交することにより、ロータ２２０の誘導コイル２４に誘導電流が誘起され、誘起された誘導電流が整流回路５０（図３参照）によって整流されて直流電流として可変界磁コイル３０に供給される。

上述したように空隙４０における磁気抵抗が低下すると、図１２及び図１３に示すように、Ｎ極の永久磁石対２２の磁束の一部が短絡磁束（図１２中、黒塗りの矢印で示す）として空隙４０を介して磁路部２５に鎖交する。磁路部２５に鎖交した短絡磁束は、磁路部２５及びロータコア２１を介してＳ極の永久磁石対２２に短絡する。これにより、永久磁石対２２の磁束の全磁束量のうち短絡磁束の磁束量を除いた磁束量に補助磁石２２２の磁束量を加えた磁束（図１２中、白抜きの矢印で示す）がステータ１０に鎖交する。すなわち、ロータ２２０の回転速度が高いときは、ロータ２２０の回転速度が低いときと比べて、永久磁石対２２からステータ１０に鎖交する磁束の磁束量が抑えられる。

したがって、本実施の形態の回転電機２０１においても、弱め界磁制御を不要とすることができ、弱め界磁制御により生ずる高調波磁束に起因した鉄損や電磁振動を防止することができる。

また、弱め界磁制御を不要としたので、保磁力の高い永久磁石を用いる必要がなく、耐熱性の高いレアアース等の材料を永久磁石に添加する必要もない。これにより、回転電機２０１のコストを低減させることができる。

このように、本実施の形態に係る回転電機２０１においても、弱め界磁制御を行わずに永久磁石対２２からステータ１０に鎖交する磁束量を調整可能とした。具体的には、ロータ２２０の回転速度が高いときには効率の低下を防止することができる。また、ロータ２２０の回転速度が低いときには出力の向上を図ることができる。

（補助磁石及びフラックスバリアの作用）
図１４は、補助磁石２２２及びフラックスバリア２５０を有していない回転電機３０１を示したものである。この回転電機３０１は、本実施の形態の回転電機２０１とは、補助磁石２２２及びフラックスバリア２５０を有していない点で異なるが、他の構成は回転電機２０１と同一である。回転電機２０１と同一の構成については、本実施の形態と同一の符号を用いる。

図１４に示すように、電機子コイル１１が集中巻されたステータ１０では、隣り合うステータティース１３の磁極が反対磁極となる場合がある。この場合、隣り合うステータティース１３間で、図１４中、矢印Ａで示すように、ステータ１０で発生した主磁束の一部がロータ磁極部２３を介して短絡する。

隣り合うステータティース１３間で短絡する磁束量は、ロータ低回転時とロータ高回転時とで異なる。ロータ低回転時は、永久磁石対２２からステータ１０に鎖交する磁束量が多いため、これら永久磁石対２２の磁束が、隣り合うステータティース１３間で短絡する主磁束を打ち消すように作用する。これにより、ロータ低回転時は、隣り合うステータティース１３間で短絡する磁束量が抑えられている。

ロータ高回転時は、上述したように、永久磁石対２２からステータ１０に鎖交する磁束量が減少するため、ロータ低回転時と比べて、隣り合うステータティース１３間で短絡する磁束量が増加する。

ここで、電機子コイル１１には、永久磁石対２２の磁束と、上述のように隣り合うステータティース１３間で短絡する主磁束とが鎖交する。電機子コイル１１に生じる誘導起電力は、電機子コイル１１に鎖交する磁束量の総数を「Φ」としたとき、該Φを時間微分したものである。すなわち、電機子コイル１１に生じる誘導起電力Ｖは、「Ｖ＝−ｄΦ／ｄｔ」となる。

このため、永久磁石対２２の磁束量を減らしているにも関わらず、隣り合うステータティース１３間で短絡する磁束量が増加してしまうと、電機子コイル１１に鎖交する磁束量の総数を減らすことができなくなる。

この結果、ロータ高回転時は、電機子コイル１１に生じる誘導起電力を低下させるために永久磁石対２２の磁束量を減らしているにも関わらず、電機子コイル１１に生じる誘導起電力が低下しないといったことが生ずる。

本実施の形態に係る回転電機２０１では、ロータ高回転時に、隣り合うステータティース１３間で主磁束が短絡しないように、ロータ磁極部２３の径方向の外方側に上述した補助磁石２２２及びフラックスバリア２５０を設けた。

補助磁石２２２及びフラックスバリア２５０は、ロータ高回転時に高磁気抵抗の領域として機能することにより、隣り合うステータティース１３間で主磁束が短絡することを抑制する。

以上のように、本実施の形態の回転電機２０１によれば、ステータ１０側で発生した磁束に重畳された高調波成分を誘導コイル２４に鎖交させることにより誘導電流を発生させ、その誘導電流を整流回路５０で整流して可変界磁コイル３０に供給する。これにより、周方向に隣り合う永久磁石対２２の間で短絡する短絡磁束の磁束量を調整することができる。

これによって、本実施の形態の回転電機２０１は、例えばＤＣ／ＤＣコンバータ等の特別な装置を利用することなく簡易な構成で、永久磁石対２２からステータ１０に鎖交する磁束の磁束量を調整することができる。この結果、本実施の形態の回転電機２０１は、低コストな構成で永久磁石対２２の磁束を可変させることができる。

また、本実施の形態の回転電機２０１は、ロータ磁極部２３の径方向の外方側に補助磁石２２２及びフラックスバリア２５０を設けたので、ロータ高回転時に、隣り合うステータティース１３間で主磁束が短絡することを抑制することができる。これにより、ロータ高回転時に電機子コイル１１に鎖交する磁束量の総数を減らすことができる。したがって、ロータ高回転時において、電機子コイル１１に生じる誘導起電力を低下させることができる。

上述の第１及び第２の実施の形態の回転電機は、例えば車載用の電動機、風力発電用の発電機や工作機械用の電動機として好適に採用することができる。

上述の第１及び第２の実施の形態では、回転電機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。

上述の第１及び第２の実施の形態の回転電機は、ステータ１０のスロット１４の数とロータ２０のロータ磁極部２３の数との比、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」であれば、スロット１４の数とロータ磁極部２３の数の組合せがどのような組合せであってもよい。

本発明の実施の形態を開示したが、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、２０１回転電機
２回転軸
１０ステータ
１１電機子コイル
１３ステータティース
２０、２２０ロータ
２２永久磁石対
２２Ａ，２２Ｂ永久磁石
２３ロータ磁極部
２４誘導コイル
２５磁路部
３０可変界磁コイル
４０空隙
５０整流回路
２２２補助磁石
２５０フラックスバリア
２６０ブリッジ部
Ｄ１，Ｄ２ダイオード

Claims

電機子コイルを有するステータと、回転軸を中心に回転するロータと、を備えた回転電機であって、
前記ステータは、
前記電機子コイルが集中巻された複数のステータティースを有し、
前記ロータは、
前記ステータ側に向かって広がるＶ字型に配置された複数の永久磁石対と、
Ｖ字型に配置された前記永久磁石対によって形成されたロータ磁極部と、
前記永久磁石対よりも前記ステータ側に配置された誘導コイルと、
前記永久磁石対よりも前記回転軸側に配置された磁路部と、を有し、
前記ロータ磁極部と前記磁路部との間には、空隙が形成されており、
前記磁路部には、前記誘導コイルで発生した誘導電流に基づいて、前記永久磁石対から前記空隙を介して前記磁路部に鎖交する磁束の磁束量を調整可能な可変界磁コイルが設けられていることを特徴とする回転電機。
前記誘導コイルは、前記永久磁石対に隣接して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。
前記磁路部は、前記永久磁石対を構成する一対の永久磁石の間のｄ軸上で径方向に延伸するよう配置されてい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。
前記ロータ磁極部と前記磁路部との間には、前記ロータ磁極部と前記磁路部とを接続するブリッジ部が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の回転電機。
前記ロータは、前記ロータ磁極部の径方向の外方側に配置された補助磁石を備え、
前記ロータ磁極部には、前記補助磁石に周方向で隣接するようにしてフラックスバリアが形成されており、
前記補助磁石は、前記永久磁石対によって前記ロータ磁極部に形成される極性と逆極性の極性面が径方向の内方側を向くよう配置されてい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。