JP6682881B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は回転電機に関し、特にロータ構造に関する。

従来から、複数面、例えばラジアル面とアキシャル面、ラジアル面とラジアル面、アキシャル面とアキシャル面をトルク発生面とする回転電機が提案されている。

特許文献１には、ラジアル面とアキシャル面をトルク発生面とする例として、ステータとロータとが対向配置された回転電機が記載されている。ロータは、 ロータの回転軸線と直交する径方向においてステータと対向配置されたラジアルロータ部と、回転軸線と平行方向においてステータと対向配置され、ラジアルロータ部と機械的かつ磁気的に連結されたアキシャルロータ部を有する。また、ステータは、 環状コア部と、 直流電流が流れることでラジアルロータ部とアキシャルロータ部と環状コア部とを通る界磁磁束を発生させる界磁巻線と、 環状コア部にトロイダル巻きされ、交流電流が流れることで前記界磁磁束と相互作用する磁界を発生する電機子巻線を有する。

ラジアルロータ部は、界磁巻線に直流電流が流れることで磁化するラジアル磁極部を含み、アキシャルロータ部は、回転軸線まわりの周方向に関してラジアル磁極部に対してずらして配置され、界磁巻線に直流電流が流れることでラジアル磁極部と逆の極性に磁化するアキシャル磁極部を含む。その他、特許文献２には、ラジアル面２面をトルク発生面とする回転電機が記載され、特許文献３及び特許文献４には、アキシャル面２面をトルク発生面とする回転電機が記載されている。

特開２０１０−２２６８０８号公報 特開平６−３５１２０６号公報 米国特許出願公開第２００７／００４６１２４号 国際公開第０３／００３５４６号

上記の回転電機では、ラジアル永久磁石及びアキシャル永久磁石による界磁磁束は、
ラジアル永久磁石→エアギャップ→ラジアルティース→環状コア部→アキシャルティース→エアギャップ→アキシャル永久磁石→アキシャルコア→ラジアルコア→ラジアル永久磁石の閉磁路を通る。このため、ロータの突極部分で磁石磁束を使用できず、磁石当たりの磁石トルク発生量が小さい問題がある。

図１５は、上記従来の回転電機の２次元等価磁気回路モデルを示す。図において、ステータヨーク１２ａには、環状コア部の内周面から径方向（径方向内側）にラジアルロータ１４へ向けて突出する複数のラジアルティース３０がロータ回転軸線周りの周方向に沿って互いに等間隔で配列され、各ラジアルティース３０間にスロットが形成される。また、ステータヨーク１２ａには、環状コア部の両側面から回転軸方向（回転軸方向外側）にアキシャルロータ６４へ向けて突出する複数（ラジアルティース３０と同数）のアキシャルティース８０が周方向に沿って互いに等間隔で配列され、各アキシャルティース８０間にスロットが形成される。ラジアルティース３０とアキシャルティース８０は、周方向に関する位置が互いにずれることなく配列される。３相の電機子巻線は、ラジアルティース３０間のスロット及びアキシャルティース８０間のスロットを通ってトロイダル巻きされる。

ラジアルロータ１４は、略円筒形状のラジアルコアと、径方向においてラジアルティース３０と対向してラジアルコアの外周部に配置されたラジアル永久磁石１８を備える。また、ラジアルコアの外周部には、ラジアルティース３０へ向けて径方向外側に突出した複数（ラジアル永久磁石１８と同数）のラジアル突極部１９が周方向に沿って等間隔で配列される。周方向において、ラジアル永久磁石１８とラジアル突極部１９は交互に配列しており、各ラジアル永久磁石１８の着磁方向は互いに同方向である。

アキシャルロータ６４は、略環状のアキシャルコアと、回転軸方向においてアキシャルティース８０と対向してアキシャルコアの側面に配置された複数のアキシャル永久磁石６８を備える。アキシャルコアの側面には、アキシャルティース８０へ向けて回転軸方向（回転軸方向内側）に突出した複数（アキシャル永久磁石６８と同数）のアキシャル突極部６９が周方向に沿って等間隔で配列される。周方向において、アキシャル永久磁石６８とアキシャル突極部６９は交互に配列しており、各アキシャル永久磁石６８の着磁方向は互いに同方向である。

３相の電機子巻線に３相の交流電流を流すことで、ラジアルティース３０及びアキシャルティース８０が順次磁化され、周方向に回転する回転磁界がステータに形成される。ステータに発生した回転磁界は、ラジアルティース３０及びアキシャルティース８０からラジアルロータ１４及びアキシャルロータ６４にそれぞれ作用し、ラジアル永久磁石１８及びアキシャル永久磁石６８の発生する磁界（界磁磁束）がこの回転磁界と相互作用し、吸引及び反発力が生じる。これにより、ラジアルロータ１４及びアキシャルロータ６４にトルクが作用する。

図１６Ａは、ラジアル永久磁石１８の磁束の流れを模式的に示す。また、図１６Ｂは、アキシャル永久磁石６８の磁束の流れを模式的に示す。ラジアル突極部１９及びアキシャル突極部６９は、それぞれラジアル永久磁石１８及びアキシャル永久磁石６８に比べて磁気抵抗が低いため、各磁石磁束の多くはラジアル突極部１９及びアキシャル突極部６９を流れる。図１６Ａ及び図１６Ｂにおいて、この磁束の流れを「１」及び「２」の矢印で示す。また、一部は他の磁石を流れる。図１６Ａ及び図１６Ｂにおいて、この一部の流れを「３」の矢印で示す。これらの磁束の流れのうち、トルクに寄与する磁束は「１」と「３」の磁束である。但し、「１」の磁束の方が磁束量が多いためトルクに与える影響も大きい。このため、「３」の磁束の流れに含まれるロータコアの磁気抵抗Ｒ６を下げて「３」の磁束を増大させても、トルクはほとんど増大しない。

図１６Ａ及び図１６Ｂのラジアル永久磁石１８とアキシャル永久磁石６８の磁束を重ねてみると、ラジアル突極部１９とアキシャル突極部６９で、各磁石の磁束が反対の向きに流れていることがわかる。例えば、ラジアル突極部１９に着目すると、図１６Ａでは上から下に磁束が流れているところ、図１６Ｂでは逆に下から上に磁束が流れている。従って、各突極部１９，６９では、それぞれの磁石の磁束が打ち消し合い、このため突極部１９，６９において磁石磁束が使用できず、既述したように磁石当たりの磁石トルク発生量が小さくなってしまう。以上の課題は、ラジアル面１面とアキシャル面２面をトルク発生面として用いる回転電機のみならず、ラジアル面２面をトルク発生面として用いる回転電機、アキシャル面２面をトルク発生面として用いる回転電機等、複数面をトルク発生面として用いる回転電機に共通する課題である。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、複数面をトルク発生面として用いる回転電機において、突極部においても磁石トルクを使用することで、磁石当たりの磁石トルク発生量を増大させる回転電機を提供することにある。

本発明は、ステータとロータが対向配置された回転電機であって、ステータは、環状コア部と、環状コア部に巻回され、交流電流が流れることで磁界を発生する電機子巻線を備え、ロータは、ロータの回転軸線と直交方向においてステータと対向配置され、回転軸線まわりの周方向に交互に配置されたラジアル永久磁石及びラジアル突極部を備えるラジアルロータ部と、回転軸線と平行方向においてステータと対向配置され、回転軸線まわりの周方向に交互に配置されたアキシャル永久磁石及びアキシャル突極部を備えるアキシャルロータ部とを備え、回転軸線まわりの周方向に関してラジアル永久磁石とアキシャル永久磁石は互いにずらして配置され、回転軸線周りの周方向に関してラジアル突極部とアキシャル突極部は互いにずらして配置され、ラジアルロータ部とアキシャルロータ部は機械的に連結されるとともに、ラジアル永久磁石とアキシャル永久磁石の間の少なくともラジアル永久磁石近傍及びアキシャル永久磁石近傍に磁気障壁が配置される回転電機である。

本発明の１つの実施形態では、ステータは、さらに、直流電流が流れることでラジアルロータ部とアキシャルロータ部と環状コア部を通る界磁磁束を発生する界磁巻線を備え、ラジアル永久磁石とアキシャル永久磁石の間のラジアル永久磁石近傍及びアキシャル永久磁石近傍に磁気障壁が配置され、ラジアル突極部とアキシャル突極部の間は磁気障壁なく磁気的に結合される。

本発明の他の実施形態では、ラジアル永久磁石とアキシャル永久磁石の間の全ての領域に磁気障壁が配置される。

本発明のさらに他の実施形態では、ラジアル突極部は回転軸線周りの周方向に３分割されてそれぞれの間に磁気障壁が配置され、３分割されたラジアル突極部のいずれかと、アキシャル突極部の間は磁気障壁なく磁気的に結合される。

本発明のさらに他の実施形態では、ラジアル突極部は回転軸線と平行方向に２分割されてそれぞれの間に磁気障壁が配置され、２分割されたラジアル突極部のいずれかと、アキシャル突極部の間は磁気障壁なく磁気的に結合される。

本発明のさらに他の実施形態では、アキシャル突極部は回転軸線周りの周方向に３分割されてそれぞれの間に磁気障壁が配置され、ラジアル突極部と、３分割されたアキシャル突極部のいずれかの間は磁気障壁なく磁気的に結合される。

本発明のさらに他の実施形態では、アキシャル突極部は回転軸線と平行方向に２分割されてそれぞれの間に磁気障壁が配置され、ラジアル突極部と、２分割されたアキシャル突極部のいずれかの間は磁気障壁なく磁気的に結合される。

本発明のさらに他の実施形態では、ラジアル突極部とアキシャル突極部はそれぞれ回転軸線まわりの周方向に３分割され、３分割されたラジアル突極部のそれぞれの間、及び３分割されたアキシャル突極部のそれぞれの間に磁気障壁が配置され、３分割されたラジアル突極部のいずれかと、３分割されたアキシャル突極部のいずれかの間は磁気障壁なく磁気的に結合される。

本発明のさらに他の実施形態では、ラジアル突極部は回転軸線と平行方向に２分割され、アキシャル突極部は回転軸線と直交方向に２分割され、２分割されたラジアル突極部のそれぞれの間、及び２分割されたアキシャル突極部のそれぞれの間に磁気障壁が配置され、２分割されたラジアル突極部のいずれかと、２分割されたアキシャル突極部のいずれかの間は磁気障壁なく磁気的に結合される。

本発明の磁気障壁は、継鉄に代わる空隙または非磁性材料で構成され得る。

本発明によれば、磁石当たりの磁石トルク発生量を増大させることができる。また、本発明によれば、界磁巻線による界磁磁束の減少を抑制することができる。本発明は、複数面をトルク発生面として用いる回転電機に適用し得る。

実施形態に係る回転電機の基本概略構成を示す図（その１）である。 実施形態に係る回転電機の基本概略構成を示す図（その２）である。 実施形態に係る回転電機の基本概略構成を示す図（その３）である。 実施形態に係る回転電機の基本概略構成を示す図（その４）である。 実施形態に係る回転電機の基本概略構成を示す図（その５）である。 実施形態に係る回転電機の基本概略構成を示す図（その６）である。 基本ロータ構成を示す図である。 第１実施形態のロータ構成を示す図である。 第１実施形態のロータ構成の磁石によるトルクを示すグラフである。 第２実施形態のロータ構成を示す図である。 第２実施形態のロータ構成の磁石によるトルクを示すグラフである。 第２実施形態のロータ構成の磁石と界磁電流によるトルクの合計を示すグラフである。 第３実施形態のロータ構成を示す図である。 第３実施形態のロータ構成の磁石によるトルクを示すグラフである。 第３実施形態のロータ構成の磁石と界磁電流によるトルクの合計を示すグラフである。 第４実施形態のロータ構成を示す図（その１）である。 第４実施形態のロータ構成を示す図（その２）である。 第４実施形態のロータ構成を示す図（その３）である。 回転電機の２次元等価磁気回路モデル図である。 ラジアル永久磁石の磁束の流れを示す模式図である。 アキシャル永久磁石の磁束の流れを示す模式図である。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。

＜回転電機の基本構成＞
まず、本実施形態の回転電機の基本構成について説明する。

図１〜図５は、回転電機１０の概略構成を示す図である。図１、図２は回転軸２２と直交する方向から見たロータ及びステータの内部構成の概略を示す断面図であり、図３はロータの構成を示す斜視図であり、図４、図５はステータの構成を示す斜視図である。図１は図３のＡ−Ａ断面に相当する位置での断面図を示し、図２は図３のＢ−Ｂ断面に相当する位置での断面図を示す。

回転電機１０は、ケーシング１１に固定されたステータ１２と、ステータ１２と対向配置され、ステータ１２に対し回転可能なロータを備える。ロータは、ロータ回転軸線（回転軸２２）と直交する径方向（以下単に径方向とする）においてステータ１２と対向配置されたラジアルロータ１４と、ロータ回転軸線（回転軸２２）と平行方向（以下回転軸方向とする）においてステータ１２と対向配置され、ラジアルロータ１４と機械的かつ磁気的に連結された２つのアキシャルロータ６４，８４を有する。ラジアルロータ１４及びアキシャルロータ６４，８４はいずれも非磁性の回転軸２２に機械的に連結されており、ラジアルロータ１４とアキシャルロータ６４，８４と回転軸２２とが一体となって回転する。図１〜図５に示す例では、ラジアルロータ１４がステータ１２の径方向内側に配置され、ステータ１２の内周面（ラジアル面）と所定の空隙（エアギャップ）を空けて対向している。また、２つのアキシャルロータ６４，８４が、ステータ１２の回転軸方向外側にステータ１２を挟んで配置され、ステータ１２の両側面（アキシャル面）と所定の空隙を空けて対向している。

ステータ１２は、環状コア部２６と、この環状コア部２６にトロイダル巻きされた複数相（例えば３相）の電機子巻線２８を含む。ステータ１２には、環状コア部２６の内周面から径方向（径方向内側）にラジアルロータ１４へ向けて突出する複数のラジアルティース３０がロータ回転軸線まわりの周方向（以下単に周方向とする）に沿って互いに間隔をおいて（等間隔で）配列されており、各ラジアルティース３０間にスロットが形成されている。さらに、ステータ１２には、環状コア部２６の両側面から回転軸方向（回転軸方向外側）にアキシャルロータ６４へ向けて突出する複数（ラジアルティース３０と同数）のアキシャルティース８０が周方向に沿って互いに間隔をおいて（等間隔で）配列されており、各アキシャルティース８０間にスロットが形成されている。ラジアルティース３０とアキシャルティース８０は、周方向に関する位置が互いにずれることなく配置され、ラジアルティース３０間のスロットとアキシャルティース８０間のスロットも、周方向に関する位置が互いにずれることなく配置されている。３相の電機子巻線２８は、ラジアルティース３０間のスロット及びアキシャルティース８０間のスロットを通ってトロイダル巻きされている。ここでの環状コア部２６、ラジアルティース３０、及びアキシャルティース８０、つまりステータ１２の鉄心部分については、例えば、鉄等の強磁性体の微小粒の表面に電気を通さない膜のコーティングを施した粉体を押し固めた圧粉磁心材料等の３次元等方性磁性材料により成形することができる。

ラジアルロータ１４は、略円筒形状のラジアルコア１６と、径方向においてステータ１２（ラジアルティース３０）と対向してラジアルコア１６の外周部に配設された複数のラジアル永久磁石１８を含む。ラジアルコア１６の外周部には、ステータ１２（ラジアルティース３０）へ向けて径方向外側に突出した複数（ラジアル永久磁石１８と同数）のラジアル突極部１９が周方向に沿って互いに間隔をおいて（等間隔で）配列されている。各ラジアル突極部１９は、径方向においてステータ１２（ラジアルティース３０）と対向している。複数のラジアル永久磁石１８は、周方向に沿って互いに間隔をおいて（等間隔で）配列され、周方向に関して各ラジアル突極部１９間の位置に配置されている。つまり、各ラジアル永久磁石１８は、ラジアル突極部１９に対して周方向に関する位置をずらして配置されており、周方向においてラジアル永久磁石１８とラジアル突極部１９とが交互に並んでいる。各ラジアル永久磁石１８の着磁方向は互いに同方向であり、各ラジアル永久磁石１８の表面（ステータ１２と対向する磁極面）は互いに同じ極性（例えばＮ極）に着磁されている。

アキシャルロータ６４は、略環状のアキシャルコア６６と、回転軸方向においてステータ１２（アキシャルティース８０）と対向してアキシャルコア６６の側面に配設された複数のアキシャル永久磁石６８と、を含む。アキシャルコア６６は、ラジアルコア１６と機械的且つ磁気的に連結されている。アキシャルコア６６の側面には、ステータ１２（アキシャルティース８０）へ向けて回転軸方向（回転軸方向内側）に突出した複数（アキシャル永久磁石６８と同数）のアキシャル突極部６９が周方向に沿って互いに間隔をおいて（等間隔で）配列されている。各アキシャル突極部６９は、回転軸方向においてステータ１２（アキシャルティース８０）と対向している。複数のアキシャル永久磁石６８は、周方向に沿って互いに間隔をおいて（等間隔で）配列され、周方向に関して各アキシャル突極部６９間の位置に配置されている。つまり、図６に示すように、各アキシャル永久磁石６８は、アキシャル突極部６９に対して周方向に関する位置をずらして配置されており、周方向においてアキシャル永久磁石６８とアキシャル突極部６９とが交互に並んでいる。各アキシャル永久磁石６８の着磁方向は互いに同方向であり、各アキシャル永久磁石６８の表面（ステータ１２と対向する磁極面）は互いに同じ極性（例えばＳ極）に着磁されている。

同様に、アキシャルロータ８４は、略環状のアキシャルコア８６と、回転軸方向においてステータ１２（アキシャルティース８０）と対向してアキシャルコア８６の側面に配設された複数のアキシャル永久磁石８８と、を含む。アキシャルコア８６は、ラジアルコア１６と機械的且つ磁気的に連結されている。アキシャルコア８６の側面には、ステータ１２（アキシャルティース８０）へ向けて回転軸方向（回転軸方向内側）に突出した複数（アキシャル永久磁石８８と同数）のアキシャル突極部８９が周方向に沿って互いに間隔をおいて（等間隔で）配列されている。各アキシャル突極部８９は、回転軸方向においてステータ１２（アキシャルティース８０）と対向している。複数のアキシャル永久磁石８８は、周方向に沿って互いに間隔をおいて（等間隔で）配列され、周方向に関して各アキシャル突極部８９間の位置に配置されている。

アキシャル永久磁石８８はアキシャル永久磁石６８と同数設けられ、アキシャル突極部８９もアキシャル突極部６９と同数設けられている。アキシャル永久磁石８８は、アキシャル永久磁石６８に対して周方向に関する位置をずらすことなく配置され、回転軸方向においてステータ１２を挟んでアキシャル永久磁石６８と対向している。アキシャル突極部８９も、アキシャル突極部６９に対して周方向に関する位置をずらすことなく配置され、回転軸方向においてステータ１２を挟んでアキシャル突極部６９と対向している。各アキシャル永久磁石８８の表面（ステータ１２と対向する磁極面）は、各アキシャル永久磁石６８の表面（ステータ１２と対向する磁極面）と同じ極性（例えばＳ極）に着磁されている。

さらに、ラジアル永久磁石１８はアキシャル永久磁石６８（アキシャル永久磁石８８）と同数設けられ、ラジアル突極部１９もアキシャル突極部６９（アキシャル突極部８９）と同数設けられている。アキシャル永久磁石６８，８８は、ラジアル永久磁石１８に対して周方向に関する位置をずらして配置され、アキシャル突極部６９，８９も、ラジアル突極部１９に対して周方向に関する位置をずらして配置されている。そして、アキシャル永久磁石６８，８８とラジアル突極部１９が、周方向に関する位置が互いにずれることなく配置され、アキシャル突極部６９，８９とラジアル永久磁石１８も、周方向に関する位置が互いにずれることなく配置されている。また、各アキシャル永久磁石６８，８８の表面（ステータ１２と対向する磁極面）は、各ラジアル永久磁石１８の表面（ステータ１２と対向する磁極面）と逆の極性に着磁されている。図３、図６に示す例では、各ラジアル永久磁石１８の表面がＮ極に着磁され、各アキシャル永久磁石６８，８８の表面がＳ極に着磁されている。ただし、各ラジアル永久磁石１８の表面がＳ極に着磁され、各アキシャル永久磁石６８，８８の表面がＮ極に着磁されていてもよい。

複数相（３相）の電機子巻線２８に複数相（３相）の交流電流を流すことで、ラジアルティース３０及びアキシャルティース８０が順次磁化され、周方向に回転する回転磁界がステータ１２に形成される。ステータ１２に発生した回転磁界は、ラジアルティース３０及びアキシャルティース８０からラジアルロータ１４及びアキシャルロータ６４，８４にそれぞれ作用し、ラジアル永久磁石１８及びアキシャル永久磁石６８，８８の発生する磁界（界磁磁束）がこの回転磁界と相互作用して、吸引及び反発作用が生じる。このラジアルティース３０及びアキシャルティース８０の回転磁界とラジアル永久磁石１８及びアキシャル永久磁石６８，８８の界磁磁束との電磁気相互作用（吸引及び反発作用）により、ラジアルロータ１４及びアキシャルロータ６４，８４にトルク（磁石トルク）を作用させることができる。

トロイダル巻きは分布巻きと比較して巻線の製作が容易となる反面、ロータのトルクの発生に有効に働かない巻線が増加しやすくなるため、体格増及び銅損増を招きやすくなる。基本構成では、ロータに回転磁界を作用させてトルクを発生させるためのトルク発生面として、ラジアルティース３０の先端面（ラジアル面）だけでなくアキシャルティース８０の先端面（アキシャル面）も利用することで、トルク発生面積を増大させることができる。その結果、ロータ（ラジアルロータ１４及びアキシャルロータ６４，８４）のトルクの発生に有効に働かない巻線を減らすことができ、体格増及び銅損増を抑えながらロータのトルクの増大を図ることができる。

基本構成では、ステータ１２の回転磁界と相互作用する界磁磁束の制御を行うために、界磁巻線７０，９０がステータ１２に設けられている。各界磁巻線７０，９０は周方向に沿って環状に巻回されている。界磁巻線７０が通る（巻回された）位置は、径方向に関して環状コア部２６よりもラジアルロータ１４（ラジアル永久磁石１８及びラジアル突極部１９）寄りの位置で、且つ回転軸方向に関して環状コア部２６よりもアキシャルロータ６４（アキシャル永久磁石６８及びアキシャル突極部６９）寄りの位置である。そして、界磁巻線９０が通る（巻回された）位置は、径方向に関して環状コア部２６よりもラジアルロータ１４（ラジアル永久磁石１８及びラジアル突極部１９）寄りの位置で、且つ回転軸方向に関して環状コア部２６よりもアキシャルロータ８４（アキシャル永久磁石８８及びアキシャル突極部８９）寄りの位置である。図１〜図５に示す例では、界磁巻線７０，９０は、径方向に関して各アキシャルティース８０よりもラジアルロータ１４側（内側）で、且つ回転軸方向に関して各ラジアルティース３０よりもアキシャルロータ６４，８４側（外側）の位置に、各ラジアルティース３０、各アキシャルティース８０、及び各電機子巻線２８と近接して配置されている。界磁巻線７０，９０は、絶縁体により電機子巻線２８と電気的に絶縁されている。さらに、各電機子巻線２８の外周面における界磁巻線７０，９０に近接する部分には、凸曲面２８ａが形成されている。各電機子巻線２８の凸曲面２８ａに近接する界磁巻線７０の外周面の外径は、回転軸方向に関してアキシャルロータ６４側から環状コア部２６側へ（外側から内側へ）向かうにつれて徐々に減少し、各電機子巻線２８の凸曲面２８ａに近接する界磁巻線９０の外周面の外径は、回転軸方向に関してアキシャルロータ８４側から環状コア部２６側へ向かうにつれて徐々に減少している。なお、界磁巻線７０，９０のステータ１２への固定については、例えば、図４に示すように、電機子巻線２８の上から繊維７１等で縛ることで固定してもよいし、ステータ全体を樹脂等でモールドして固定してもよい。

図３、図６に示す例（ラジアル永久磁石１８の表面がＮ極、アキシャル永久磁石６８，８８の表面がＳ極に着磁されている例）では、ラジアル永久磁石１８及びアキシャル永久磁石６８，８８による界磁磁束は、
ラジアル永久磁石１８→エアギャップ→ラジアルティース３０→環状コア部２６→アキシャルティース８０→エアギャップ→アキシャル永久磁石６８，８８→アキシャルコア６６，８６→ラジアルコア１６→ラジアル永久磁石１８
で示す閉磁路を通る（ラジアル永久磁石１８の表面がＳ極、アキシャル永久磁石６８，８８の表面がＮ極に着磁されている場合は界磁磁束の向きが逆になる）。
さらに、界磁巻線７０，９０に直流電流（界磁電流）を流すことで、ラジアル突極部１９、ラジアルコア１６、アキシャルコア６６，８６、アキシャル突極部６９，８９、エアギャップ、アキシャルティース８０、環状コア部２６、ラジアルティース３０、エアギャップ、及びラジアル突極部１９による閉磁路を通る界磁磁束が発生し、この界磁磁束が電機子巻線２８に交流電流を流すことでステータ１２に発生する回転磁界と相互作用する。その際に、各ラジアル突極部１９の表面（ステータ１２との対向面）は互いに同じ極性に磁化し、各アキシャル突極部６９，８９の表面（ステータ１２との対向面）は互いに同じ極性に磁化する。ただし、各アキシャル突極部６９，８９の表面は、各ラジアル突極部１９の表面と逆の極性に磁化する。界磁巻線７０，９０による界磁磁束の方向は、界磁巻線７０，９０に流す直流電流の向きにより制御可能であり、ラジアル突極部１９とアキシャル突極部６９，８９がそれぞれどの極性（Ｎ極またはＳ極）に磁化するかについても、界磁巻線７０，９０に流す直流電流の向きにより制御可能である。そして、界磁巻線７０，９０による界磁磁束の大きさは、界磁巻線７０，９０に流す直流電流の大きさにより制御可能である。

このような回転電機の２次元等価磁気回路は図１５に示した通りであり、ラジアル永久磁石１８の磁束の流れ、及びアキシャル永久磁石６８の磁束の流れはそれぞれ図１６Ａ、図１６Ｂに示した通りである。

より詳しくは、ラジアル永久磁石１８の磁束の流れは以下の通りである。
「１」：
ラジアル永久磁石１８→ステータ１２→ラジアル突極部１９→ラジアル永久磁石１８
「２」：
ラジアル永久磁石１８→ステータ１２→アキシャル突極部６９→ロータコア１５→ラジアル永久磁石１８
「３」：
ラジアル永久磁石１８→ステータ１２→アキシャル永久磁石６８→ロータコア１５→ラジアル永久磁石１８
また、アキシャル永久磁石６８の磁束の流れは以下の通りである。
「１」：
アキシャル永久磁石６８→アキシャル突極部６９→ステータ１２→アキシャル永久磁石６８
「２」：
アキシャル永久磁石６８→ロータコア１５→ラジアル突極部１９→ステータ１２→アキシャル永久磁石６８
「３」：
アキシャル永久磁石６８→ロータコア１５→ラジアル永久磁石１８→ステータ１２→アキシャル永久磁石６８
各磁石磁束の流れの特徴をまとめると以下の表の通りである。

＜ロータの基本構成＞
図７は、ロータを模式的に示す。なお、アキシャルロータ６４，８４の構成は同様であるので、以下ではアキシャルロータ６４の構成のみを示す。

ロータは、ロータ回転軸線と直交する径方向においてステータ１２と対向配置されたラジアルロータ１４と、ロータ回転軸線と平行方向においてステータ１２と対向配置され、ラジアルロータ１４と機械的かつ磁気的に連結されたアキシャルロータ６４を有する。ラジアルロータ１４は、略円筒形状のラジアルコアの外周部に配設された複数のラジアル永久磁石１８と、複数のラジアル突極部１９を有する。ラジアル永久磁石１８とラジアル突極部１９は、ラジアル継鉄１４ａで繋がれる。アキシャルロータ６４は、略環状のアキシャルコアの側面に配設された複数のアキシャル永久磁石６８と、複数のアキシャル突極部６９を有する。アキシャル永久磁石６８とアキシャル突極部６９は、アキシャル継鉄６４ａで繋がれる。ラジアルロータ１４とアキシャルロータ６４は、面接続継鉄１５ａで繋がれる。ラジアルロータ１４とアキシャルロータ８４についても同様である。

以上のような基本構成では、既述したように、ラジアル突極部１９とアキシャル突極部６９で、各磁石の磁束が反対の向きに流れてそれぞれの磁石の磁束が打ち消し合い、突極部１９，６９において磁石磁束が使用できず、磁石当たりの磁石トルク発生量が小さくなってしまう。

そこで、本実施形態では、ラジアルロータ１４とアキシャルロータ６４を繋ぐ面接続継鉄１５ａに着目し、この部分を低透磁率の材料で構成することで突極部１９，６９における磁束の打ち消し合いを抑制する。

＜第１実施形態＞
図８は、第１実施形態のロータを模式的に示す。図７の基本ロータと同様に、ロータは、ラジアルロータ１４と、アキシャルロータ６４を有する。ラジアルロータ１４は、略円筒形状のラジアルコアの外周部に配設された複数のラジアル永久磁石１８と、複数のラジアル突極部１９を有する。ラジアル永久磁石１８とラジアル突極部１９は、ラジアル継鉄１４ａで繋がれる。アキシャルロータ６４は、略環状のアキシャルコアの側面に配設された複数のアキシャル永久磁石６８と、複数のアキシャル突極部６９を有する。アキシャル永久磁石６８とアキシャル突極部６９は、アキシャル継鉄６４ａで繋がれる。

他方、本実施形態では、図７と異なり、ラジアルロータ１４とアキシャルロータ６４は、面接続部１５ｂで繋がれる。面接続部１５ｂは、面接続継鉄１５ａよりも相対的に透磁率が低い材料で構成されており、具体的には空隙や非磁性材料で構成される。図において、面接続部１５ｂの領域を斜線で示す。ラジアルロータ１４とアキシャルロータ８４についても同様である。

このように、ラジアルロータ１４とアキシャルロータ６４の接続部を面接続部１５ｂで構成することで、この部分の磁気抵抗が増大し磁気障壁として機能する。その結果、図１６Ａ及び図１６Ｂの磁束の流れにおいて、「１」の磁束が増大し、「２」と「３」の磁束の流れが減少する。磁石の主磁束は「１」と「２」であり、トルクに寄与する磁束は「１」と「３」であるため、「１」の磁束増大の寄与分が大きく、磁石トルクが増大する。

図９は、有限要素法を用いたコンピュータによる３次元の磁界解析結果を示す。図７に示す基本ロータ構成と本実施形態（図では実施形態１として示す）のトルクを対比して示す。本実施形態によるロータ構成では、基本ロータ構成に比べて磁石トルクが４４％増大している。

＜第２実施形態＞
図１〜図５に示す回転電機では、界磁巻線７０，９０に直流電流（界磁電流）を流すことで、ラジアル突極部１９、ラジアルコア１６、アキシャルコア６６，８６、アキシャル突極部６９，８９、エアギャップ、アキシャルティース８０、環状コア部２６、ラジアルティース３０、エアギャップ、及びラジアル突極部１９による閉磁路を通る界磁磁束が発生し、この界磁磁束が電機子巻線２８に交流電流を流すことでステータ１２に発生する回転磁界と相互作用する（ハイブリッド励磁型）。

界磁電流による磁束は、ラジアル突極部１９→ラジアルコア１６→アキシャルコア６６，８６→アキシャル突極部６９，８９と流れるため、この部分を第１実施形態のように低透磁率材料で構成すると界磁電流によるトルクが減少する場合がある。

そこで、本実施形態では、面接続継鉄１５ａを低透磁率材料で構成するのではなく、ラジアル継鉄１４ａの一部、及びアキシャル継鉄６４ａの一部のみを低透磁率材料で構成する。

図１０は、第２実施形態のロータを模式的に示す。図７の基本ロータと同様に、ロータは、ラジアルロータ１４と、アキシャルロータ６４を有する。ラジアルロータ１４は、略円筒形状のラジアルコアの外周部に配設された複数のラジアル永久磁石１８と、複数のラジアル突極部１９を有する。ラジアル永久磁石１８とラジアル突極部１９は、ラジアル継鉄１４ａで繋がれる。アキシャルロータ６４は、略環状のアキシャルコアの側面に配設された複数のアキシャル永久磁石６８と、複数のアキシャル突極部６９を有する。アキシャル永久磁石６８とアキシャル突極部６９は、アキシャル継鉄６４ａで繋がれる。

他方、本実施形態では、ラジアルロータ１４とアキシャルロータ６４は、面接続継鉄１５ａで繋がれるものの、ラジアル継鉄１４ａの一部、及びアキシャル継鉄６４ａの一部は接続部１５ｃで構成される。接続部１５ｃは、面接続継鉄１５ａよりも相対的に透磁率が低い材料で構成されており、具体的には空隙や非磁性材料で構成される。図において、接続部１５ｃの領域を斜線で示す。ラジアル継鉄１４ａの一部とは、具体的にはラジアル継鉄１４ａのうちのラジアル永久磁石１８と面接続継鉄１５ａの間の領域であって、ラジアル永久磁石１８とラジアル突極部１９の間の中間まで延在する。アキシャル継鉄６４ａの一部とは、具体的にはアキシャル継鉄６４ａのうちのアキシャル永久磁石６８と面接続継鉄１５ａの間の領域であって、アキシャル永久磁石６８とアキシャル突極部６９の間の中間まで延在する。

なお、上記の説明では、ラジアル継鉄１４ａの一部、及びアキシャル継鉄６４ａの一部が接続部１５ｃで構成されると説明したが、面接続継鉄１５ａのうちの、ラジアル永久磁石１８近傍の領域、及びアキシャル永久磁石６８近傍の領域が接続部１５ｃで構成されるということもできる。接続部１５ｃは、面接続部１５ｂと同様に磁気障壁として機能する。

図１０のロータ構成では、ラジアル突極部１９とアキシャル突極部６９の間には、図７と同様にラジアル継鉄１４ａ、面接続継鉄１５ａ、及びアキシャル継鉄６４ａが存在し、両者を繋いでいる点に留意されたい。ラジアルロータ１４とアキシャルロータ８４についても同様である。

このような構成によれば、ラジアル突極部１９及びアキシャル突極部６９の間は、ラジアル継鉄１４ａ、面接続継鉄１５ａ、及びアキシャル継鉄６４ａで機械的かつ磁気的に結合されているため、界磁電流による磁束の減少を抑制することができる。また、各磁石から面接続継鉄１５ａに流れるトルクに寄与しない無駄な磁石磁束は、一旦、隣り合う突極側のラジアル継鉄１４ａ及びアキシャル継鉄６４ａを介することで磁路長が増大し、その磁束量が減少する。

図１１Ａは、有限要素法を用いたコンピュータによる３次元の磁界解析結果を示す。図７に示す基本ロータ構成と本実施形態（図では実施形態２として示す）の磁石トルクを対比して示す。本実施形態によるロータ構成では、基本ロータ構成に比べて磁石トルクが６％増大している。

図１１Ｂは、有限要素法を用いたコンピュータによる３次元の磁界解析結果を示す。図７に示す基本ロータ構成と本実施形態（図では実施形態２として示す）の磁石トルクと界磁電流トルクの合計トルクを対比して示す。本実施形態によるロータ構成では、基本ロータ構成に比べて合計トルクが０．５％増大している。

＜第３実施形態＞
図１２は、第３実施形態のロータを模式的に示す。本実施形態では、ラジアル突極部１９を回転軸線まわりの周方向に３分割するとともに、アキシャル突極部６９を回転軸まわりの周方向に３分割する。３分割されたそれぞれの間は低透磁率材料、具体的には空隙または非磁性材料で構成される。また、第２実施形態と同様に、面接続継鉄１５ａのうちのラジアル永久磁石１８近傍の領域、及びアキシャル永久磁石６８近傍の領域は低透磁率材料の接続部１５ｃで構成される。第２実施形態では、ラジアルロータ１４側の接続部１５ｃは、ラジアル永久磁石１８とラジアル突極部１９の間の中間まで延在するが、本実施形態では、接続部１５ｃは、ラジアル永久磁石１８から３分割されたラジアル突極部１９のうちの左側のラジアル突極部１９まで延在し、さらに右側のラジアル突極部１９近傍にも形成される。中央のラジアル突極部１９近傍には形成されない。また、アキシャルロータ６４側の接続部１５ｃは、アキシャル永久磁石６８とアキシャル突極部６９の間の中間まで延在するが、本実施形態では、接続部１５ｃは、アキシャル永久磁石６８から３分割されたアキシャル突極部６９のうちの右側のアキシャル突極部６９まで延在し、さらに左側のアキシャル突極部６９近傍にも形成される。中央のアキシャル突極部６９近傍には形成されない。

この構成によれば、磁石と突極とそれらを繋ぐ継鉄で循環する磁石磁束の磁路と、ラジアル突極部１９とアキシャル突極部６９と面接続継鉄１５ａの間で循環する界磁電流磁束の磁路が磁気的に分断されることになる。本実施形態でも、中央のラジアル突極部１９及び中央のアキシャル突極部６９の間は、ラジアル継鉄１４ａ、面接続継鉄１５ａ、及びアキシャル継鉄６４ａで機械的かつ磁気的に結合されているため、界磁電流による磁束の減少を抑制することができる。

図１３Ａは、有限要素法を用いたコンピュータによる３次元の磁界解析結果を示す。図７に示す基本ロータ構成と本実施形態（図では実施形態３として示す）の磁石トルクを対比して示す。本実施形態によるロータ構成では、基本ロータ構成に比べて磁石トルクが１３％増大している。

図１３Ｂは、有限要素法を用いたコンピュータによる３次元の磁界解析結果を示す。図７に示す基本ロータ構成と本実施形態（図では実施形態３として示す）の磁石トルクと界磁電流トルクの合計トルクを対比して示す。本実施形態によるロータ構成では、基本ロータ構成に比べて合計トルクが３．０％増大している。

＜第４実施形態＞
図１４Ａ、図１４Ｂ及び図１４Ｃは、第４実施形態のロータを模式的に示す。本実施形態では、第２実施形態と同様にラジアル継鉄１４ａの一部及びアキシャル継鉄６４ａの一部を低透磁率の接続部１５ｃで構成し、さらに、ラジアル突極部１９を回転軸線と平行方向に２分割し、アキシャル突極部６９を回転軸線と直交方向に２分割し、２分割されたラジアル突極部１９とアキシャル突極部６９のそれぞれの内側の突極部を磁石の磁束用とし、２分割されたラジアル突極部１９とアキシャル突極部６９のそれぞれの外側の突極部を界磁電流の磁束用とする。２分割されたラジアル突極部１９の間は空隙あるいは非磁性材料で構成され、２分割されたアキシャル突極部６９の間も同様に空隙あるいは非磁性材料で構成される。本実施形態でも、２分割されたラジアル突極部１９のうちの内側と、２分割されたアキシャル突極部６９のうちの内側の間は、ラジアル継鉄１４ａ、面接続継鉄１５ａ、及びアキシャル継鉄６４ａで機械的かつ磁気的に結合されているため、界磁電流の磁束の減少が抑制される。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。

例えば、第１実施形態〜第４実施形態のロータ構成を互いに組み合わせてもよい。具体的には、ラジアルロータ１４については第１実施形態の構成とし、アキシャルロータ６４については第２実施形態の構成とする等である。また、ラジアルロータ１４については第３実施形態の構成とし、アキシャルロータ６４については第４実施形態の構成とする等である。要するに、ラジアルロータ１４の構成を第１実施形態〜第４実施形態のいずれかとし、アキシャルロータ６４の構成を第１実施形態〜第４実施形態のいずれかとすることができる。

ラジアルロータ１４の構成を第３実施形態とし、アキシャルロータ６４の構成を第２実施形態とした場合、回転軸線まわりの周方向に３分割されたラジアル突極部１９のいずれか（例えば中央のラジアル突極部）と分割されていないアキシャル突極部６９が磁気障壁なく磁気結合される。

ラジアルロータ１４の構成を第４実施形態とし、アキシャルロータ６４の構成を第２実施形態とした場合、回転軸線に平行方向に２分割されたラジアル突極部１９のいずれか（アキシャルロータ６４側の突極部）と分割されていないアキシャル突極部６９が磁気障壁なく磁気結合される。

ラジアルロータ１４の構成を第２実施形態とし、アキシャルロータ６４の構成を第３実施形態とした場合、分割されていないラジアル突極部１９と回転軸線まわりの周方向に３分割されたアキシャル突極部６９のいずれか（例えば中央のアキシャル突極部）が磁気障壁なく磁気結合される。

ラジアルロータ１４の構成を第２実施形態とし、アキシャルロータ６４の構成を第４実施形態とした場合、分割されていないラジアル突極部１９と回転軸線に平行方向に２分割されたアキシャル突極部６９のいずれか（ラジアルロータ１４側の突極部）が磁気障壁なく磁気結合される。

本実施形態において本質的な点は、ラジアルロータ１４とアキシャルロータ６４の間のラジアル永久磁石１８近傍領域及びアキシャル永久磁石６８近傍領域に、空隙や非磁性材料等の低透磁率材料で構成された磁気障壁領域を配置することで、ラジアル突極部１９及びアキシャル突極部６９での磁石磁束の打ち消しを抑制する点にあり、さらに、ラジアル突極部１９とアキシャル突極部６９の少なくとも一部を互いに磁気的に連結して界磁電流による磁束の減少を抑制する点にあり、このような技術思想の範囲内で種々の変更が可能である。本実施形態では、ラジアル面とアキシャル面をトルク発生面とする回転電機について例示したが、ラジアル面とラジアル面をトルク発生面とする回転電機、アキシャル面とアキシャル面をトルク発生面とする回転電機についても同様に適用し得る。

１０ 回転電機、１１ ケーシング、１２ ステータ、１４ ラジアルロータ、１６，３６ ラジアルコア、１８ ラジアル永久磁石、１９，３９ ラジアル突極部、２２ 回転軸、２６ 環状コア部、２８ 電機子巻線、３０ ラジアルティース、６４，８４ アキシャルロータ、６６，８６ アキシャルコア、６８，８８ アキシャル永久磁石、６９，８９ アキシャル突極部、７０，９０ 界磁巻線、８０ アキシャルティース。

Claims (10)

1. ステータとロータが対向配置された回転電機であって、
   ステータは、
   環状コア部と、
   環状コア部に巻回され、交流電流が流れることで磁界を発生する電機子巻線
   を備え、
   ロータは、
   ロータの回転軸線と直交方向においてステータと対向配置され、回転軸線まわりの周方向に交互に配置されたラジアル永久磁石及びラジアル突極部を備えるラジアルロータ部と、
   回転軸線と平行方向においてステータと対向配置され、回転軸線まわりの周方向に交互に配置されたアキシャル永久磁石及びアキシャル突極部を備えるアキシャルロータ部と、
   を備え、
   回転軸線まわりの周方向に関してラジアル永久磁石とアキシャル永久磁石は互いにずらして配置され、
   回転軸線周りの周方向に関してラジアル突極部とアキシャル突極部は互いにずらして配置され、
   ラジアルロータ部とアキシャルロータ部は機械的に連結されるとともに、ラジアル永久磁石とアキシャル永久磁石の間の少なくともラジアル永久磁石近傍及びアキシャル永久磁石近傍に磁気障壁が配置される、
   回転電機。
2. ステータは、さらに、
   直流電流が流れることでラジアルロータ部とアキシャルロータ部と環状コア部を通る界磁磁束を発生する界磁巻線
   を備え、
   ラジアル永久磁石とアキシャル永久磁石の間のラジアル永久磁石近傍及びアキシャル永久磁石近傍に磁気障壁が配置され、
   ラジアル突極部とアキシャル突極部の間は磁気障壁なく磁気的に結合される、
   請求項１に記載の回転電機。
3. ラジアル永久磁石とアキシャル永久磁石の間の全ての領域に磁気障壁が配置される、
   請求項１に記載に回転電機。
4. ラジアル突極部は回転軸線周りの周方向に３分割されてそれぞれの間に磁気障壁が配置され、
   ３分割されたラジアル突極部のいずれかと、アキシャル突極部の間は磁気障壁なく磁気的に結合される、
   請求項２に記載の回転電機。
5. ラジアル突極部は回転軸線と平行方向に２分割されてそれぞれの間に磁気障壁が配置され、
   ２分割されたラジアル突極部のいずれかと、アキシャル突極部の間は磁気障壁なく磁気的に結合される、
   請求項２に記載の回転電機。
6. アキシャル突極部は回転軸線周りの周方向に３分割されてそれぞれの間に磁気障壁が配置され、
   ラジアル突極部と、３分割されたアキシャル突極部のいずれかの間は磁気障壁なく磁気的に結合される、
   請求項２に記載の回転電機。
7. アキシャル突極部は回転軸線と平行方向に２分割されてそれぞれの間に磁気障壁が配置され、
   ラジアル突極部と、２分割されたアキシャル突極部のいずれかの間は磁気障壁なく磁気的に結合される、
   請求項２に記載の回転電機。
8. ラジアル突極部とアキシャル突極部はそれぞれ回転軸線まわりの周方向に３分割され、
   ３分割されたラジアル突極部のそれぞれの間、及び３分割されたアキシャル突極部のそれぞれの間に磁気障壁が配置され、
   ３分割されたラジアル突極部のいずれかと、３分割されたアキシャル突極部のいずれかの間は磁気障壁なく磁気的に結合される、
   請求項２に記載の回転電機。
9. ラジアル突極部は回転軸線と平行方向に２分割され、アキシャル突極部は回転軸線と直交方向に２分割され、
   ２分割されたラジアル突極部のそれぞれの間、及び２分割されたアキシャル突極部のそれぞれの間に磁気障壁が配置され、
   ２分割されたラジアル突極部のいずれかと、２分割されたアキシャル突極部のいずれかの間は磁気障壁なく磁気的に結合される、
   請求項２に記載の回転電機。
10. 磁気障壁は、空隙または非磁性材料で構成される、
    請求項１〜９のいずれかに記載の回転電機。