JP6729431B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、例えば自動車やトラックのような車両に搭載され、電動機や発電機として使用される回転電機に関する。

従来の回転電機として、界磁巻線と、当該界磁巻線により周方向交互に異なる極性の磁極が励磁される複数の爪状磁極部とを有するランデル型ロータを備えた車両用交流発電機が知られている。そして、特許文献１には、爪状磁極部間に永久磁石を介在させて、より大きな出力密度を得られるようにした磁石付きランデル型ロータを備えた発電機が開示されている。このような発電機では、永久磁石の大きさや、ランデル型ロータコアのボス部、ディスク部、爪状磁極部にあたる部分の最適化により設計がなされており、発電能力の向上と逆起電力の低減との両立を図るようにしている。

特許文献１には、発電機出力特性の変曲点を生じる永久磁石の磁束（以下では「磁石磁束」と呼ぶ）と、爪状磁極片の諸定数（具体的には磁極片長Ｌ，基端側長辺長Ｗ，磁気スキュー角θ）との関係を求めることによって導かれた数式が記載されている。諸定数を決めれば、永久磁石の残留磁束密度Ｂｒを画一的に決定することができる。特許文献１に記載された技術によれば、仕様が異なっても普遍的にバッテリ過充電の回避と高効率高出力化とを同時に行えるように、磁極の設定が可能になる。

近年では、車両走行抵抗を減らすためのスラントノーズ化や、エンジンルームの小型化などが図られるが、これに伴い車両用発電機やスタータの搭載スペースも極小化されている。この場合、重要視される能力として、スタータ能力や車両を高効率動作でアシストするための高効率な力行、回生動作が加わるため、相対的に純粋な発電能力だけに能力改善を求める割合は少なくなってきている。よって、界磁電流が短期間で大電流となる場合の発電機の発電，トルク，回生能力が注目されている。

特開平４−２５５４５１号公報

特許文献１に開示されたランデル型ロータは、永久磁石による磁気回路と、界磁コアによる磁気回路の少なくとも二つを並列磁気回路として持つ。すなわち、永久磁石と電磁石との併用型ロータである。このランデル型ロータは、特許文献１に開示されたように、界磁巻線に発生する逆起電力を下げることができる。逆起電力Ｖｅ[Ｖ]は、逆起電力定数をＫｅ[Vs/rad]とし、角周波数をω[rad]とすると、次の式（１）で表される。
Ｖｅ∝Ｋｅ×ω…式（１）

ここで、特許文献１においても、好適な範囲外に於いて、負荷時の発電電流Ｉｇは尚上昇していることが伺える。この発電電流Ｉｇ[Ａ]は、バッテリ電圧をＶｂ[Ｖ]とし、インピーダンスをＺ[Ω]とすると、次の式（２）で表される。
Ｉｇ＝（Ｖｅ−Ｖｂ）／Ｚ…式（２）

非発電時には、発電電流Ｉｇを下げるために、逆起電力定数Ｋｅを下げることになり、負荷時の発電電流Ｉｇを犠牲にしているということが伺える。

本開示はこのような点に鑑みてなしたものであり、発電電動機としての負荷時の発電能力をより向上し得るようにした回転電機を提供することを目的とする。

まず図１９は、磁石付きランデル型ロータの磁気等価回路を表す。図２０は、永久磁石を内蔵するＩＰＭ（Internal parmanent magnet）型ロータについて負荷時に磁石磁束をステータ側に案内するのに好適な磁気等価回路を表す。図１９，図２０では、磁石磁束をφｍとし、磁極部間の空隙の磁気抵抗をＲｍとし、ステータの磁気抵抗をＲｓｔとし、エアギャップをＡＧとし、ロータの磁気抵抗をＲｒｔとし、ｄ軸回路の空隙部の磁気抵抗をＲａとする。図１９に示す磁石付きランデル型ロータの場合は、磁石磁束φｍが分流し、ステータコアを通る磁気回路ＭＣ１と、ランデル型ロータコアのボス部を通る磁気回路ＭＣ２との２つの磁気回路が形成される。

一方、図２０に示すように、負荷時に磁石磁束をステータ側に案内するのに好適な場合は、図９に一点鎖線で示す第１磁石磁気回路３８が経路中に空隙Ｇを含む。空隙Ｇは上述した空隙部に相当する。そのため、図２０に示す磁気回路ＭＣ４の磁気抵抗Ｒａが非常に高く、磁気回路ＭＣ３の磁気抵抗Ｒｓｔが非常に低い。このような磁気抵抗の差は、磁石付きランデル型ロータにおける電動機能力差の原因になる。すなわち、負荷時に磁気抵抗Ｒｒｔを磁気抵抗Ｒｓｔに対して非常に高くし、ロータのインダクタンスＬｒｔがステータのインダクタンスＬｓｔに対して非常に低い状態を作ってやれば、磁石付きランデル型ロータに備えた磁石の能力を効果的にステータ側に作用させられるということになる。

本願の発明者は、上記の知見に基づいて鋭意研究を重ねた結果、磁石付きランデル型ロータにおいて、界磁巻線に流れる界磁電流を利用してＩＰＭ型ロータと同等のトルクを出せる状況を作り出せることを見出した。すなわち、負荷時に好適なロータ磁気回路では、界磁コアの磁気抵抗が高く、ステータコアの磁気抵抗が小さい。界磁巻線に界磁電流が流れるとき、ステータコアの磁気抵抗値よりも大きくなるように界磁コアの磁気抵抗値を上げれば、負荷時に好適な磁気回路と同じ状況が生まれる。

ここで、ロータのインダクタンスをＬｒｔ[Ｈ]とし、ステータのインダクタンスをＬｓｔ[Ｈ]とする。また、ロータを流れる磁束の磁気抵抗をＲｒｔ[A/Wb]とし、ステータを流れる磁束の磁気抵抗をＲｓｔ[A/Wb]とする。ロータに負荷を掛けるときは、下記の式（３），式（４）の関係を満たせば、負荷時に好適な磁気回路と同じ状況を作り出せる。
Ｌｒｔ＜Ｌｓｔ…式（３）
Ｒｒｔ＞Ｒｓｔ…式（４）

また、磁石の残留磁束密度をＢｒとし、永久磁石３４の各磁極の断面積をＡｍ[mm²]とし、ステータの磁束密度をＢｓ[Wb/mm²]とし、ロータ３０の断面積をＡｒ[mm²]とする。ロータに負荷を掛けないときは、下記の式（５），式（６），式（７）の関係を全て満たすことが望ましい。特に、逆起電力Ｖｅがバッテリ電圧Ｖｂよりも低いときの条件である式（７）の関係を満たすことが望ましい。
Ｌｒｔ＞Ｌｓｔ…式（５）
Ｒｒｔ＜Ｒｓｔ…式（６）
２×Ｂｒ×Ａｍ＜Ｂｓ×Ａｒ…式（７）

但し、完成されたトラクションモータやジェネレータなどの回転電機では、上記式（４），式（６）に含まれる磁気抵抗Ｒｒｔ，Ｒｓｔを容易に測定することができない。また、インダクタンスＬは、巻数（具体的にはターン数Ｎの２乗）で変動するため、上下関係を評価することは相応しくない。そのため、以後の評価には、後述の実験手法で容易に測定し、算出することが可能なパーミアンスを用いることにする。パーミアンスＰ[Ｈ]は、磁気抵抗Ｒ[A/Wb]の逆数であり、次の式（８）の関係を満たす。
Ｐ＝１／Ｒ＝Ｌ／Ｎ²…式（８）

ｄ軸磁気回路のパーミアンスをＰｒｔとし、ｑ軸磁気回路のパーミアンスのＰｓｔとする。本願の発明者は、ｄ軸に２軸の合成磁束を有する回転電機が、ロータに負荷を掛ける負荷時に好適な磁気回路として振る舞うためには、負荷時にＰｒｔ＜Ｐｓｔとなるように設ければよいことを見出し、本発明を完成した。

ここで、磁気抵抗をＲ[A/Wb]とし、磁路長をＭＬ[mm]とし、比透磁率をμｓとし、真空の透磁率をμ０とし、磁路断面積をＡ[mm²]とすると、次の式（９）を満たす。係数をＫとして、式（９）を変形すると次の式（１０）を満たす。ただし係数Ｋは、Ｋ＝（μ０×μｓ）／ＭＬである。
Ｒ＝ＭＬ／（μ０×μｓ×Ａ）…式（９）
Ｐ＝１／Ｒ＝（μ０×μｓ×Ａ）／ＭＬ＝Ｋ×Ａ…式（１０）

式（１０）によれば、パーミアンスＰを大きくするには、磁路断面積Ａを大きくすればよいことが分かる。よって、ｄ軸磁気回路のパーミアンスＰｒｔとｑ軸磁気回路のパーミアンスＰｓｔとがＰｒｔ＜Ｐｓｔの関係を満たすには、ステータの磁路断面積Ａｓｔとロータの磁路断面積ＡｆとがＡｓｔ＞Ａｆとなる関係を満たせばよい。

上記課題を解決するためになされた発明の一態様は、ステータコア（２１）に電機子巻線（２５）が巻装されたステータ（２０）と、ブラシ（４１）を介して通電される界磁巻線（３３）を有して回転可能に設けられたロータ（３０）と、を備えた回転電機（１）において、前記ロータは、前記界磁巻線が巻装された筒状のボス部（３２１）と、前記ボス部に対して前記ステータ側に配置されて周方向に交互に異なる極性の磁極が形成される複数の爪状磁極部（３２３）と、を有する界磁コア（３２）と、周方向に隣り合う前記爪状磁極部の間に磁化容易軸が周方向に向けられて配置され、前記界磁巻線の起磁力によって前記爪状磁極部に交互に現れる極性と一致するように磁極が形成されている永久磁石（３４）と、を備え、前記界磁巻線の起磁力により形成される磁束が前記ボス部、一対の前記爪状磁極部および前記ステータコアを経由して流れるｄ軸磁気回路（３６）と、前記永久磁石の磁力により形成される磁束が流れる磁石磁気回路（３８）の少なくとも一部とが共有されており、前記ステータの磁路断面積をＡｓｔとし、前記ロータの磁路断面積をＡｆとするとき、Ａｓｔ＞Ａｆとなる関係を満たし、一極対あたりの前記ボス部の磁路断面積をＡｂとし、前記ボス部に５０００［Ａ／ｍ］の界磁を加えた際の磁束密度をＢ５０とし、前記爪状磁極部間に配置された前記永久磁石の残留磁束密度をＢｒとし、前記永久磁石の磁極となる面の断面積をＡｍとするとき、２×Ｂｒ×Ａｍ＜Ｂ５０×Ａｂとなる関係を満たす。

この構成によれば、周方向に隣り合う爪状磁極部の間に配置された永久磁石により、ステータに鎖交する磁束が流れる磁石磁気回路と、ボス部を通りロータ内で磁束の流れが完結する磁石磁気回路の２つの磁石磁気回路が形成される。そして、ロータに負荷を掛けた時、すなわち、界磁巻線に界磁電流を通電した時に、界磁巻線の起磁力により形成される磁束が界磁コアのボス部、一対の爪状磁極部およびステータコアを経て流れるｄ軸磁気回路が形成される。このとき、２つの磁石磁気回路のうち、ボス部を通りロータ内で完結する磁石磁気回路を流れる磁石磁束は、ｄ軸磁気回路の磁束と逆方向に流れているので、抵抗が大きく流れ難い状態となる。ステータの磁路断面積Ａｓｔとロータの磁路断面積ＡｆとはＡｓｔ＞Ａｆとなるので、結果としてｄ軸磁気回路のパーミアンスＰｒｔとｑ軸磁気回路のパーミアンスＰｓｔとの関係が、Ｐｒｔ＜Ｐｓｔになる。そのため、上記２つの磁石磁気回路のうち、ステータに鎖交する磁束が流れる磁石磁気回路の磁石磁束が増大する。したがって、永久磁石の磁石磁束を有効利用して、発電電動機能力を大幅に向上させることができる。
また、この構成によれば、２×Ｂｒ×Ａｍからなる磁石磁束を効果的にボス部側へ無負荷時に短絡させ、発電を抑制する制御が行える回転電機を提供することができる。

「ロータに負荷を掛けた時」とは、界磁巻線に流す界磁電流Ｉｆの定格電流がブラシの能力として一般的なＩｆ＝４〜２０[Ａ]の間で通電している状態をいう。ブラシに進歩があれば、界磁電流Ｉｆは２０[Ａ]を超える電流値（例えば３０[Ａ]や５０[Ａ]等）でもよい。現在のブラシでも、Ｐｒｔ＜Ｐｓｔの関係を成立させるという意味では、爪状磁極部の磁束授受面である表面積がロータの磁路断面積よりも大きいことを満たした時の効果は絶大である。

第２の発明は、前記ロータの磁路断面積をＡｆとし、前記ステータコアと磁束を授受する面の前記爪状磁極部の表面積をＡｓとするとき、Ａｆ＜Ａｓとなる関係を満たす。

この構成によれば、ステータコアとの磁束を授受する面である爪状磁極部の表面積は、ロータの磁路断面積よりも大きい。そのため、ステータとロータとの間で永久磁石の磁束の授受をＩＰＭの如く確実に行うことができる。

また、発明の一態様は、ステータコア（２１）に電機子巻線（２５）が巻装されたステータ（２０）と、ブラシ（４１）を介して通電される界磁巻線（３３）を有して回転可能に設けられたロータ（３０）と、を備えた回転電機（１）において、前記ロータは、前記界磁巻線が巻装された筒状のボス部（３２１）と、前記ボス部に対して前記ステータ側に配置されて周方向に交互に異なる極性の磁極が形成される複数の爪状磁極部（３２３）と、を有する界磁コア（３２）と、周方向に隣り合う前記爪状磁極部の間に磁化容易軸が周方向に向けられて配置され、前記界磁巻線の起磁力によって前記爪状磁極部に交互に現れる極性と一致するように磁極が形成されている永久磁石（３４）と、を備え、前記界磁巻線の起磁力により形成される磁束が前記ボス部、一対の前記爪状磁極部および前記ステータコアを経由して流れるｄ軸磁気回路（３６）と、前記永久磁石の磁力により形成される磁束が流れる磁石磁気回路（３８）の少なくとも一部とが共有されており、前記ステータの磁路断面積をＡｓｔとし、前記ロータの磁路断面積をＡｆとするとき、Ａｓｔ＞Ａｆとなる関係を満たし、前記ロータに負荷を掛けた時に、前記ｄ軸磁気回路のパーミアンスをＰｒｔとし、前記電機子巻線に流れる電流により形成されてｄ軸から電気角で９０°ずれた位置にあるｑ軸を通るｑ軸磁気回路（３７）のパーミアンスをＰｓｔとするとき、Ｐｒｔ＜Ｐｓｔとなる関係を満たす。

この構成によれば、ｄ軸磁気回路のパーミアンスＰｒｔとｑ軸磁気回路のパーミアンスＰｓｔとの関係が、Ｐｒｔ＜Ｐｓｔを満たすように設けられる。そのため、上記２つの磁石磁気回路のうち、ステータに鎖交する磁束が流れる磁石磁気回路の磁石磁束が増大する。これにより、永久磁石の磁石磁束を有効利用して、発電電動機能力を大幅に向上させることができる。

また、発明の一態様は、ステータコア（２１）に電機子巻線（２５）が巻装されたステータ（２０）と、界磁巻線を有して前記ステータに対向して回転可能に配置されたロータ（５０）と、前記ステータおよび前記ロータを内部に収容して支持するハウジング（１０）と、を備えたブラシレス型の回転電機（２）において、前記ハウジングは、前記ステータから離反する側に配置されたボス部（１７）と、前記ボス部に巻装された前記界磁巻線（５３）と、を備え、前記ロータは、前記界磁巻線よりも前記ステータに近接して配置され、周方向に交互に異なる極性の磁極が形成される複数の磁極部（５２ｎ，５２ｓ）を有する界磁コア（５２）と、周方向に隣り合う前記磁極部の間に磁化容易軸が周方向に向けられて配置され、前記界磁巻線の起磁力によって前記磁極部に交互に現れる極性と一致するように磁極が形成されている永久磁石（５４）と、を備え、前記界磁巻線の起磁力により形成される磁束が前記ボス部、一対の前記磁極部および前記ステータコアを経由して流れるｄ軸磁気回路（５７）と、前記永久磁石の磁力により形成される磁束が流れる磁石磁気回路の少なくとも一部とが共有されており、前記ロータの磁路断面積をＡｆとし、前記ステータと対向する面の前記磁極部の表面積をＡｓとするとき、Ａｆ＜Ａｓとなる関係を満たし、前記ステータの磁路断面積をＡｓｔとし、前記ロータの磁路断面積をＡｆとするとき、Ａｓｔ＞Ａｆとなる関係を満たし、前記ロータに負荷を掛けた時に、前記ｄ軸磁気回路のパーミアンスをＰｒｔとし、前記電機子巻線に流れる電流により形成されてｄ軸から電気角で９０°ずれた位置にあるｑ軸を通るｑ軸磁気回路（３７）のパーミアンスをＰｓｔとするとき、Ｐｒｔ＜Ｐｓｔとなる関係を満たす。

この構成によれば、ｄ軸磁気回路のパーミアンスＰｒｔとｑ軸磁気回路のパーミアンスＰｓｔとの関係が、Ｐｒｔ＜Ｐｓｔを満たすように設けられる。そのため、上記２つの磁石磁気回路のうち、ステータに鎖交する磁束が流れる磁石磁気回路の磁石磁束が増大する。これにより、永久磁石の磁石磁束を有効利用して、発電電動機能力を大幅に向上させることができる。特にブラシレスで構成される回転電機のように、界磁電流Ｉｆに制限がなければ、より大きな界磁電流ＩｆでもＰｒｔ＜Ｐｓｔとなる関係を満たせばよい。

第７の発明は、前記ステータコアは、バックヨーク（２４）と、前記バックヨークから前記ロータ側に向かって径方向に延びる複数のティース（２３）とを有し、前記バックヨークの外径をＤｏｕｔとし、前記バックヨークの内径をＤｉｎとするとき、０．９０５＜Ｄｉｎ／Ｄｏｕｔ＜０．９３８となる関係を満たす。
る関係を満たす。

この構成によれば、ロータの永久磁石は、負荷時にＩＰＭ型ロータの如く使われ、純粋な磁束アップとして機能させることができる。つまり、ボス部の総磁力と永久磁石の総磁力をステータ側に伝えることができる。

なお、「外径側」は径方向における外側や外周側を意味し、「内径側」は径方向における内側や内周側を意味する。「巻装」は巻いて装うことを意味し、巻き回すことを意味する「巻回」と同義に用いる。「電機子巻線」は、ステータ巻線や固定子巻線とも呼ぶ。「回転電機」は、回転する部位（例えば軸やシャフト等）を有する機器であれば任意である。例えば、発電機，電動機，電動発電機等が該当する。「ステータの磁路断面積」は、磁気回路を構成するステータの磁路（例えばバックヨークやティースなど）のうちで最も小さい断面積である。「ロータの磁路断面積」は、磁気回路を構成するロータの磁路（例えばボス部やディスク部など）のうちで最も小さい断面積である。「一極対あたりの前記ボス部の磁路断面積」は、一極対が「一対のＮ極とＳ極」を意味するので、ボス部の磁路断面積全体を極対数で除して得られる面積である。

回転電機の第１構成例を示す軸方向断面図である。 界磁コアの第１構成例を示す斜視図である。 界磁コアの第１構成例を示す一部断面の斜視図である。 界磁コアの寸法を示す模式図である。 界磁コアの爪状磁極部の寸法を示す模式図である。 界磁コアとステータにかかるディスクガイドの寸法を示す模式図である。 ｄ軸磁気回路とｑ軸磁気回路とを示す模式図である。 界磁コアにおけるｄ軸磁気回路の磁束の流れを示す模式図である。 永久磁石により形成される２つの磁気回路を示す模式図である。 ステータの断面積と径比に関与する寸法を示す模式図である。 ステータの磁路断面積を説明する模式図である。 パーミアンスの測定方法を説明するための説明図である。 従来技術のパーミアンスの測定結果を示すグラフ図である。 本願発明のパーミアンスの測定結果を示すグラフ図である。 ロータのパーミアンスの測定方法を示す説明図である。 ロータのパーミアンスの測定結果を示すグラフ図である。 ステータのパーミアンスの測定方法を示す説明図である。 ステータのパーミアンスの測定結果を示すグラフ図である。 磁石付きランデル型ロータの磁気等価回路を表す図である。 ＩＰＭ型ロータの磁気等価回路を表す図である。 断面積比と径比との関係を示すグラフ図である。 発電電流と径比との関係を示すグラフ図である。 回転電機の第２構成例であり、図２７に示すXXIII−XXIII線の断面図である。 ロータの構成例を示す模式図である。 ロータに含まれる鉄心の構成例を示す模式図である。 Ｎ極ポールコアとＳ極ポールコアとの構成例を示す模式図である。 回転電機の第２構成例を示す斜視図である。 筒状部を除いた回転電機の第２構成例を示す斜視図である。 永久磁石により形成される２つの磁気回路を示す模式図である。 ｄ軸磁気回路とｑ軸磁気回路とを示す模式図である。 永久磁石の配置に関する変形例を示す模式図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面に基づいて説明する。なお、特に明示しない限り、「接続する」という場合には電気的に接続することを意味する。各図は、本発明を説明するために必要な要素を図示し、実際の全要素を図示しているとは限らない。上下左右等の方向を言う場合には、図面の記載を基準とする。記号「≒」は近似的に等しいことを意味するが、例えば製造許容誤差、設計許容誤差、実用上支障がない誤差などのような誤差範囲を含む。「円環状」には円筒状を含む。単位は角括弧で括る。一例として、電流の単位はアンペアの[Ａ]であり、起磁力の単位はアンペア回数（もしくはアンペアターン）の[AT]である。

〔実施の形態１〕
実施の形態１は図１〜図２２を参照しながら説明する。本形態の回転電機は、車両に搭載されて発電機として使用される車両用交流発電機１である。なお、図４は模式図であって断面図ではないが、説明の都合により面積を表す部位にハッチ線で示す。

＜車両用交流発電機の全体構成＞
図１に示す車両用交流発電機１は、ブラシを含む構造であって、ハウジング１０，ステータ２０，ロータ３０，界磁巻線給電装置４０，整流器４４を有する。

ハウジング１０は、主にフロントハウジング１１とリアハウジング１２を有する。ハウジング１０は、軸受１４，ステータ２０，ロータ３０，界磁巻線給電装置４０，整流器４４などを内部に収容して支持する。本形態のフロントハウジング１１とリアハウジング１２は、それぞれ一端が開口した有底円筒状であり、開口部同士が接した状態でボルト１３により締結される。

ステータ２０は、ステータコア２１，複数のスロット２２，複数のティース２３，電機子巻線２５を有する。ステータコア２１は、円環状の軟磁性体である。複数のスロット２２と複数のティース２３は、ステータコア２１の周方向に沿って交互に配列される。電機子巻線２５は、複数相の相巻線であり、スロット２２に巻装される。本形態のステータ２０は、フロントハウジング１１とリアハウジング１２の周壁内周面に、軸方向に挟持された状態で固定されている。複数相は三相以上であればよく、本形態では三相とする。

ロータ３０は、回転軸３１，界磁コア３２，界磁巻線３３，複数の永久磁石３４を有する。このロータ３０は、回転軸３１の前端部（図１では左側端部）に固定されたプーリ３５を介して、車両に搭載されたエンジン（図示せず）によって回転駆動される。

回転軸３１は、ハウジング１０に一対の軸受１４を介して回転可能に支持されている。ランデル型の界磁コア３２は、回転軸３１の外周に嵌合して固定された一対の第１ポールコア３２ａおよび第２ポールコア３２ｂを含む。よって、回転軸３１，界磁コア３２，プーリ３５は同期して回転する。

界磁コア３２は、ボス部３２１，ディスク部３２２，複数の爪状磁極部３２３を有する。ボス部３２１は、ステータ２０から離反する側に配置される円筒状部位であり、界磁束を軸方向に流す。ディスク部３２２は、ボス部３２１からステータ２０側に延びる円環状部位であり、界磁束を径方向に流す。複数の爪状磁極部３２３は、周方向に所定ピッチで設けられ、ディスク部３２２の先端部から界磁巻線３３を囲むように軸方向に延びる爪状部位であり、ステータコア２１との間で磁束を授受する。界磁巻線３３は、ステータ２０に近接する側のボス部３２１に巻装される。複数の永久磁石３４は、周方向に隣り合う爪状磁極部３２３の間に配置される。永久磁石３４の断面積Ａｍは、爪状磁極部３２３と磁束を授受する断面積であって、例えば図３にクロスハッチ線で示す部位である。このクロスハッチ線の部位は、説明の都合上により記載し、見える部分に記載している。

図１，図２に示す第１ポールコア３２ａは、回転軸３１のフロント側（図１では左側）に固定される軟磁性体であり、第１ボス部３２１ａ，第１ディスク部３２２ａ，第１爪状磁極部３２３ａを有する。第１ボス部３２１ａは、第１ポールコア３２ａのボス部３２１である。第１ディスク部３２２ａは、第１ポールコア３２ａのディスク部３２２である。第１爪状磁極部３２３ａは、第１ポールコア３２ａの爪状磁極部３２３である。

図１，図２に示す第２ポールコア３２ｂは、回転軸３１のリア側（図１では右側）に固定される軟磁性体であり、第２ボス部３２１ｂ，第２ディスク部３２２ｂ，第２爪状磁極部３２３ｂを有する。第２ボス部３２１ｂは、第２ポールコア３２ｂのボス部３２１である。第２ディスク部３２２ｂは、第２ポールコア３２ｂのディスク部３２２である。第２爪状磁極部３２３ｂは、第２ポールコア３２ｂの爪状磁極部３２３である。

本形態では、第１ポールコア３２ａと第２ポールコア３２ｂとが同一形状である。爪状磁極部３２３に対応する第１爪状磁極部３２３ａと第２爪状磁極部３２３ｂは、軸方向に対向するように設けられる。

本形態の界磁コア３２は、飽和磁束密度Ｂｓが異なる２種類の材料で形成されている。すなわち爪状磁極部３２３は、ボス部３２１およびディスク部３２２よりも飽和磁束密度Ｂｓが高い材料で形成される。飽和磁束密度Ｂｓの高い材料は、例えばＳ１０Ｃ等のように炭素量が０．１％程度のものが挙げられる。また、飽和磁束密度Ｂｓの低い材料は、例えばＳ４５Ｃ等のように炭素量が多いものが挙げられる。なお、ＳＵＳ４３０や電磁鋼板等は、Ｓ１０Ｃと比べれば飽和磁束密度Ｂｓが低めである。

なお、飽和磁束密度Ｂｓの低い材料は、飽和磁束密度Ｂｓの高い材料よりも透磁率が高いものが採用されている。透磁率が高い材料としては、例えばパーマロイが挙げられる。ただし、ニッケルコバルトを添加した鉄は、透磁率が高いものの、飽和磁束密度Ｂｓも高いため適応不可となる。

第１ポールコア３２ａと第２ポールコア３２ｂは、第１爪状磁極部３２３ａと第２爪状磁極部３２３ｂを互い違いに向かい合わせるようにして、第１ポールコア３２ａの軸方向後端面と第２ポールコア３２ｂの軸方向前端面とが面接触した状態で組み付けられている。これにより、第１ポールコア３２ａの第１爪状磁極部３２３ａと第２ポールコア３２ｂの第２爪状磁極部３２３ｂとが周方向に互い違いに配置される。第１ポールコア３２ａと第２ポールコア３２ｂは、それぞれ８個の爪状磁極部３２３をもつ。第１ポールコア３２ａと第２ポールコア３２ｂは、一方のポールコアがＮ極に磁化され、他方のポールコアがＳ極に磁化される。よって界磁コア３２は、極数が１６になり、極対数が８になる。

本形態では、図３に示すように、界磁コア３２のボス部３２１の外径をＤｂ（以下では「ボス部外径Ｄｂ」とも呼ぶ）とし、ロータ３０（界磁コア３２）の外径をＤｒ（以下でも「ロータ外径Ｄｒ」とも呼ぶ）とする。このとき、ボス部外径Ｄｂとロータ外径Ｄｒとの関係は、次の式（１１）を満たすように設けられる。
０．４６＜Ｄｂ／Ｄｒ＜０．５３…式（１１）

図４において便宜的にハッチ線で示すように、爪状磁極部３２３の外周面の表面積をＡｓ[mm²]（以下では「磁極部表面積Ａｓ」とも呼ぶ）とする。この磁極部表面積Ａｓは、図４の右側に示すように、爪状磁極部３２３の表面積うちでステータ２０に対向する部位の面積である。

また、一極対あたりのボス部３２１の磁路断面積をＡｂ[mm²]（以下では「ボス部断面積Ａｂ」とも呼ぶ）とする。ボス部断面積Ａｂは、ボス部３２１を径方向に切断した総断面積を極対数で除した断面積のうちで最も小さい断面積を採用する。ここで、ボス部３２１を径方向（図１では縦方向）に切断した総断面積をＡとし、界磁コア３２の極対数をＮｐとするとき、次の式（１２）で表される。本形態では、Ｎｐ＝８である。
Ａｂ＝Ａ／Ｎｐ…式（１２）

さらに、爪状磁極部３２３の根元における断面積をＡｔ[mm²]（以下では「根元断面積Ａｔ」とも呼ぶ）とする。根元断面積Ａｔは、爪状磁極部３２３の根元部分を径方向（図４では水平方向）に切断した断面積を採用する。爪状磁極部３２３のうちで磁極部表面積Ａｓの対象とならない部位を、磁束の流れに直交する方向に切断した断面積のうちで最も小さい断面積を採用してもよい。

図４に示す断面積のうちで、磁極部表面積Ａｓとボス部断面積Ａｂとの関係は、次の式（１３）を満たすように設けられる。
０．９＜Ａｓ／Ａｂ＜１．７…式（１３）

ロータ３０の磁路断面積をＡｆ[mm²]（以下では「磁路断面積Ａｆ」とも呼ぶ）とする。磁路断面積Ａｆは、ロータ３０に形成される磁気回路の磁路のうちで最も小さい断面積を採用する。具体的には、図４に示すボス部断面積Ａｂ，ディスク部断面積Ａｄのうちで最も小さい断面積を採用する。

ロータ３０の磁路断面積Ａｆと、上述した磁極部表面積Ａｓとの関係は、次の式（１４）を満たすように設けられる。
Ａｆ＜ＡｓまたはＡｆ≦Ａｓ…式（１４）

次に、磁極部表面積Ａｓについて定義する。図５に示すように、爪状磁極部３２３の根元からディスク部３２２までの周方向幅をＷｒｒ[mm]とし、爪状磁極部３２３の先端の周方向幅をＷｔｅ[mm]とし、爪状磁極部３２３の軸方向高さをＨｔ[mm]とする。なお、周方向幅Ｗｔｅ，Ｗｒｒは、いずれも曲率を考慮せず、直線距離で測るものとする。

図６に示すように、ロータ３０とステータ２０とが径方向に対向する対向面において、ステータコア２１の軸長Ｔｓｔとディスク部３２２の軸方向厚みが径方向に重なっている範囲をディスクガイドと呼び、Ｈｄｇ[mm]とする。このとき、磁極部表面積Ａｓは次の式（１５）で表される。なお、磁極部表面積Ａｓとボス部断面積Ａｂの関係については、後で詳述する。
Ａｓ＝（Ｗｔｅ＋Ｗｒｒ）×Ｈｔ／２＋Ｈｄｇ×Ｗｒｒ…式（１５）

なお設計上では、界磁コア３２のディスク部３２２，爪状磁極部３２３や、ステータコア２１に磁石挿入用や強度補強用などを目的とする部位が設けられる場合がある。例えば、切り欠き部，Ｒ部，面取り部などが該当する。これらの部位が設けられたとしても、式（１５）で求められる磁極部表面積Ａｓの値に大きな差異は生じない。

界磁巻線３３は、第１ポールコア３２ａの第１ボス部３２１ａと、第２ポールコア３２ｂの第２ボス部３２１ｂとのステータ２０側（本形態では外径側）に巻装される。界磁巻線３３は、第１ポールコア３２ａの第１ディスク部３２２ａおよび第１爪状磁極部３２３ａと、第２ポールコア３２ｂの第１爪状磁極部３２３ａおよび第２爪状磁極部３２３ｂとで囲まれる。

界磁巻線３３に界磁電流Ｉｆが流れると、界磁コア３２のボス部３２１に起磁力を発生させる。界磁電流Ｉｆは、図示しない界磁電流制御回路から図１に示すレギュレータ４３，ブラシ４１，スリップリング４２を介して界磁巻線３３に流れる。ボス部３２１に発生する起磁力によって、第１ポールコア３２ａの第１爪状磁極部３２３ａと、第２ポールコア３２ｂの第２爪状磁極部３２３ｂとで異なる極性に磁化される。すなわち、第１爪状磁極部３２３ａがＮ極とＳ極のうちで一方の極性に磁化され、第２爪状磁極部３２３ｂがＮ極とＳ極のうちで他方の極性に磁化される。

界磁巻線３３に界磁電流Ｉｆが流れているとき、図７，図８に示すように、ロータ３０の逆起電力を生むｄ軸磁気回路３６が形成される。図７に太破線で示すｄ軸磁気回路３６は、界磁コア３２のボス部３２１と、一対の第１爪状磁極部３２３ａおよび第２爪状磁極部３２３ｂとを通る磁束により形成される。

上記磁束の流れは、一例を図８に太破線で示す。本例は、界磁巻線３３に電流が流れて、第１ポールコア３２ａがＮ極に磁化され、第２ポールコア３２ｂがＳ極に磁化される例である。まずステータコア２１のｄ軸のティース２３から界磁コア３２の第２爪状磁極部３２３ｂに入る。その後、第２ディスク部３２２ｂ，第２ボス部３２１ｂ，第１ボス部３２１ａ，第１ディスク部３２２ａ，第１爪状磁極部３２３ａを経由する。さらに、ステータコア２１の１磁極分ずれた位置にあるティース２３からステータコア２１に戻った後、バックヨーク２４を通り１磁極分ずれた位置にあるｄ軸のティース２３に至る。図示を省略するが、第１ポールコア３２ａがＳ極に磁化され、第２ポールコア３２ｂがＮ極に磁化される場合には、磁束は上記と逆順に流れる。

また、ｄ軸磁気回路３６および後述する第１磁石磁気回路３８によってステータ２０に鎖交する磁束により電機子巻線２５に電流が流れると、図７に太実線で示すｑ軸磁気回路３７が形成される。このｑ軸磁気回路３７は、ステータコア２１のｄ軸から電気角で９０°ずれた位置にあるｑ軸を通る磁束により形成される。本形態では、ロータ３０に負荷を掛けた時に、ｄ軸磁気回路３６のパーミアンスＰｒｔと、ｑ軸磁気回路３７のパーミアンスＰｓｔとは、次の式（１６）の関係を満たすように設けられる。
Ｐｒｔ＜Ｐｓｔ…式（１６）

「ロータ３０に負荷を掛けた時」とは、定格電流として界磁巻線３３に通電される界磁電流Ｉｆが、車両用ブラシ（本形態ではブラシ４１に相当する）の能力として一般的なＩｆ＝４〜２０[Ａ]の間で通電している状態である。車両用ブラシに技術的進歩があれば、界磁電流Ｉｆは２０[Ａ]を超える電流値（例えば３０[Ａ]や５０[Ａ]等）でもよい。車両用交流発電機１をブラシレスで構成した場合のように界磁電流Ｉｆに制限のない構成であれば、これよりも大きな界磁電流Ｉｆでもよい。ただし、上記式（１６）の関係を満たすように設けられる。現在のブラシ４１であっても、式（１６）を成立させるという意味では、上述した式（８），式（１１）を満たせば効果が大変に大きい。

また、ｄ軸磁気回路３６のパーミアンスＰｒｔと、ｑ軸磁気回路３７のパーミアンスＰｓｔとの比は、ｎを１以上の実数とし、次の式（１７）を満たすように設けられると好ましい。なお、パーミアンスＰｒｔおよびパーミアンスＰｓｔの測定方法については後述する。
Ｐｓｔ：Ｐｒｔ＝２ｎ：１…式（１７）

次に、ｑ軸インダクタンスＬｑとｄ軸インダクタンスＬｄとのインダクタンス比（すなわちＬｑ／Ｌｄ）を突極比ρとする。従来技術のランデル型ロータは突極比ρがρ≒１であり、流通する従来技術のＩＰＭ型ロータは突極比ρがρ≒２〜４である。本形態では、ｄ軸磁気回路３６とｑ軸磁気回路３７とのパーミアンス比が上記式（１７）を満たすように設けられる。このように設けると、ランデル型ロータであってもロータ３０への負荷時の態様をＩＰＭ型ロータに近付けることができ、突極比ρを２以上にできる。

図５に示すように、周方向に互い違いに配置された第１爪状磁極部３２３ａと第２爪状磁極部３２３ｂとの間には隙間ＳＰが設けられる。各隙間ＳＰは、軸方向に対して斜めの縦長状に延びて設けられ、二点鎖線で示す永久磁石３４が１個ずつ配置される。永久磁石３４は、界磁コア３２への反磁界を十分に供給するため、残留磁束密度Ｂｒが１[Ｔ]以上のものを用いるが望ましい。

永久磁石３４は、長方体形状の外形を有し、磁化容易軸が周方向に向けられる。永久磁石３４は、周方向両側の磁極部が第１爪状磁極部３２３ａおよび第２爪状磁極部３２３ｂの周方向側面にそれぞれ接して保持される。界磁コア３２に生じる起磁力によって第１爪状磁極部３２３ａと第２爪状磁極部３２３ｂとで交互に現れる極性と永久磁石３４の極性が一致するように、永久磁石３４が配置される。図７に示すように、例えば第１爪状磁極部３２３ａがＮ極であり、第２爪状磁極部３２３ｂがＳ極であると仮定する。この仮定の下では、第１爪状磁極部３２３ａ側の永久磁石３４がＮ極であり、第２爪状磁極部３２３ｂ側の永久磁石３４がＳ極になるように配置される。

上記のように配置された永久磁石３４から生じる磁石磁束によって、図９に示す第１磁石磁気回路３８および第２磁石磁気回路３９が形成される。一点鎖線で示す第１磁石磁気回路３８は、図１９に示す磁気回路ＭＣ１に相当し、磁石磁束の一部がステータ２０に鎖交するように流れる。このように、第１磁石磁気回路３８はステータ２０に鎖交するため、永久磁石３４の磁石磁束が逆起電力の向上やトルクの向上に寄与する。

二点鎖線で示す第２磁石磁気回路３９は、図１９に示す磁気回路ＭＣ２に相当し、磁石磁束の全部がボス部３２１やディスク部３２２を流れてロータ３０内で完結する。第２磁石磁気回路３９はステータ２０に鎖交しないため、永久磁石３４の磁石磁束が逆起電力の向上やトルクの向上には寄与しない。

図７のｄ軸磁気回路３６と図８の第１磁石磁気回路３８は、第２爪状磁極部３２３ｂからステータ２０を経て第１爪状磁極部３２３ａに戻るまでの磁気回路を部分的に共有している。また、図７のｄ軸磁気回路３６と図８の第２磁石磁気回路３９は、ロータ３０の第１ボス部３２１ａおよび第２ボス部３２１ｂと、第１ディスク部３２２ａおよび第２ディスク部３２２ｂとで磁気回路を部分的に共有している。

ここで、一極対あたりのボス部３２１の磁路断面積をＡｂ[mm²]とする。ボス部３２１に５０００[A/m]の界磁を加えた際の磁束密度をＢ５０[Ｔ]とする。周方向に隣り合う爪状磁極部３２３の間に配置された永久磁石３４の残留磁束密度をＢｒ[Ｔ]とする。図２にクロスハッチ線で示すように、永久磁石３４の磁極となる面の断面積をＡｍ[mm²]とする。これらの下で、ボス部３２１と永久磁石３４は次の式（１８）を満たすように設けられる。この関係の設定については後で詳述する。
２×Ｂｒ×Ａｍ＜Ｂ５０×Ａｂ…式（１８）

図１に示す界磁巻線給電装置４０は、界磁巻線３３に給電する装置である。本形態の界磁巻線給電装置４０は、一対のブラシ４１，一対のスリップリング４２，レギュレータ４３，整流器４４を有する。一対のスリップリング４２は、回転軸３１の軸方向一端（図１では右側端）に嵌合して固定される。一対のブラシ４１は、径方向内側の先端がスリップリング４２の表面に押圧された状態で摺動可能に配置されている。一対のブラシ４１は、スリップリング４２を介して界磁巻線３３に給電する。レギュレータ４３は、界磁巻線３３に流す界磁電流Ｉｆを制御することによって車両用交流発電機１の出力電圧を調整する。整流器４４は、電機子巻線２５に接続され、電機子巻線２５から出力される交流電流を直流電流に整流する。整流器４４は１以上の整流素子で構成される。整流素子は、例えばダイオード，サイリスタ，ＭＯＳＦＥＴなどが該当する。

以上のように構成された車両用交流発電機１は、エンジンからベルト等を介してプーリ３５に動力（すなわち回転力）が伝えられると、ロータ３０が所定方向に回転する。ロータ３０が回転しているときに、ブラシ４１，スリップリング４２を介して界磁巻線３３に界磁電流Ｉｆを流すと、第１ポールコア３２ａおよび第２ポールコア３２ｂが励磁される。この励磁によって、第１爪状磁極部３２３ａと第２爪状磁極部３２３ｂとで異なる極性に磁化されるので、ロータ３０の回転周方向に沿ってＮ極とＳ極が交互に形成される。

永久磁石３４で生じた磁石磁束は、第１爪状磁極部３２３ａおよび第２爪状磁極部３２３ｂを介してステータ２０（具体的にはステータコア２１のティース２３）に流れ、電機子巻線２５に鎖交する。こうして電機子巻線２５に回転磁界が付与され、電機子巻線２５に交流の起電力が発生する。電機子巻線２５で発生した交流起電力は、整流器４４で直流に整流された後、出力端子からバッテリ（図示せず）に供給される。バッテリは界磁巻線給電装置４０に電力を供給する電源に相当し、充放電が可能な二次電池である。

＜式（１８）の関係の設定について＞
回転電機に相当する車両用交流発電機１は、オルタネータやスタータ等と置き換え可能な発電機であって、定格電圧が１２〜４８[Ｖ]の範囲内の電源に接続される。当該定格電圧の公差は、６〜６０[Ｖ]の範囲内である。そのため、逆起電力をＩＰＭ型ロータのように大きく出力してはならない。７０〜１２０[mm]程度のロータ径、３０〜８０[mm]程度のロータ軸長で構成される製品群は、ＩＰＭ型ロータで構成すると２００〜３００[Ｖ]といった逆起電力を発生させる。この逆起電力では、１２〜４８[Ｖ]のバッテリには過充電になる。仮に過充電とならないように充電制御すると、高電圧による他の電気部品への影響が心配されるため、十分に逆起電力を下げることができない。

これを解決するべく、式（１８）の関係を満たした。こうしなければ、逆起電力の要因である磁束を十分に下げることはできない。飽和磁束密度Ｂｓは、界磁コア３２の飽和磁束密度とする。ここで、比透磁率が十分に高くなければ十分に残留磁束密度Ｂｒを吸収することができない。なお、界磁コア３２の飽和磁束密度Ｂｓを採用したが、ここでは一般によく使われる磁束密度Ｂ５０の値で考えることにする。

一般に、定格電圧が１２〜４８[Ｖ]を電源とする製品で界磁コア３２に掛けられる起磁力は２５００[AT]以下である。そのため、永久磁石３４の厚み[mm]と保持力Ｈｃ[A/m]は、５０００[AT]以上となるように余裕をもって設計する。残留磁束密度Ｂｒ[Ｔ]と保持力Ｈｃは、設計者によって多少変わるものの、想定される使用環境の温度が−４０℃〜１６０℃の範囲内に５０００[AT]が含まれる必要がある。起磁力は、５０００[AT]程度で設計される永久磁石３４と、５０００[AT]の時の磁束密度Ｂ５０の値で規定された本発明の信憑性は非常に高い。これ以前の比透磁率は３０以上であり十分に高い。

界磁コア３２に永久磁石３４を挿入して配置するために設けられる隙間ＳＰには、距離で１[mm]程度の遊びを含む。この程度の遊びならば、残留磁束密度Ｂｒをもつ永久磁石３４は、十分に高いパーミアンスで磁気回路に設置される。そのため、実行磁束密度Ｂｄは残留磁束密度Ｂｒと等しい（すなわちＢｄ＝Ｂｒ）と考えるに十分である。

図１０には、ステータ２０のステータコア２１に関する寸法を示す。ステータ２０の中心点２０ｐを基準として、バックヨーク２４の外径をＤｏｕｔ[mm]とし、バックヨーク２４の内径をＤｉｎ[mm]とする。このとき、ステータコア２１は次の式（１９）を満たすように設けられる。
０．９０５＜Ｄｉｎ／Ｄｏｕｔ＜０．９３８…式（１９）

図１１において、バックヨーク２４の径方向幅をＷｃｂ[mm]（以下では「バックヨーク幅Ｗｃｂ」とも呼ぶ）とする。バックヨーク幅Ｗｃｂが変化する場合は、最も狭い幅を採用する。ティース２３の周方向幅をＷteeth[mm]（以下では「ティース幅Ｗteeth」とも呼ぶ）とする。図１０のようにティース幅Ｗteethが変化する場合は、最も狭い幅を採用する。

図１，図４，図６に示すようにステータ２０の軸長をＴｓｔ[mm]とするとき、バックヨーク２４の断面積であるバックヨーク断面積Ａｂｃ[mm²]は次の式（２０）で表される。電機子巻線２５の相数が電気角で１２０°等配である三相とし、スロット倍数をＳとするとき、ティース２３の断面積であるティース断面積Ａｔｅ[mm²]は次の式（２１）で表される。本形態のスロット倍数Ｓは、三相の電機子巻線２５を２組有するので、Ｓ＝２である。
Ａｂｃ＝Ｔｓｔ×Ｗｃｂ…式（２０）
Ａｔｅ＝Ｔｓｔ×Ｗteeth×１．５×Ｓ…式（２１）

ステータ２０の磁路断面積をＡｓｔ[mm²]（以下では「磁路断面積Ａｓｔ」とも呼ぶ）とする。磁路断面積Ａｓｔは、ステータ２０に形成される磁気回路の磁路のうちで最も小さい断面積を採用する。例えば図１１に示すバックヨーク断面積Ａｂｃとティース断面積Ａｔｅとでは、いずれか小さいほうの断面積を採用する。ただし、図１１に示すティース断面積Ａｔｅは１相分である。ステータ２０の磁路断面積Ａｓｔと、上述したロータ３０の磁路断面積Ａｆとは、次の式（２２），式（２３）の関係を満たすように設けられる。
１．０＜Ａｓｔ／Ａｆ＜１．６…式（２２）
Ａｓｔ＞Ａｆ…式（２３）
電機子巻線２５の相数が三相以外の時は、Ａｂｃ＝Ａｓｔとみなしても構わない。

図７に示すｄ軸磁気回路３６は、ステータ２０だけでなく、図８に示すロータ３０の界磁コア３２（すなわちボス部３２１，ディスク部３２２，爪状磁極部３２３）を磁路に含む。これに対して、図７に示すｑ軸磁気回路３７は、ステータ２０が主な磁路であり、ロータ３０は永久磁石３４や爪状磁極部３２３を磁路に含むに過ぎない。したがって、上記式（２３）を満たせば、磁気抵抗に関する式（１０）を考慮すると、パーミアンスに関する式（１６）も満たすことになる。

＜パーミアンスの測定方法＞
次に、ｄ軸磁気回路３６のパーミアンスＰｒｔと、ｑ軸磁気回路３７のパーミアンスＰｓｔの測定方法について説明する。測定は、図１２に示すように直流電源７１を界磁巻線３３に接続し、ＬＣＲメータ７２や計測機器７０を電機子巻線２５に接続して行う。計測機器７０は、電圧プローブを介して電圧を測れる電圧計測器であればよい。例えば、オシロスコープ，電圧計，コンピュータなどのように、あらゆる組み合わせでもよい。

測定を行うとき、ステータ２０とロータ３０の位置関係は、ロータ３０のｄ軸中心に対してステータ２０が弱め界磁励磁を行わず、ｑ軸へ向けた励磁であることが好ましい。この理由は、弱め界磁励磁の際に、ロータ３０の界磁回路に対して弱め界磁を掛けるため、正しい測定ができなくなる恐れがあるためである。もちろん、弱め界磁効果の低い電気角で１５°以内程度の範囲であれば、弱め界磁効果は励磁磁束のうちＳｉｎ１５°≒０．２５である。ただし、ｑ軸方向を基準として電気角で±１５°の範囲内で最大のインダクタンスが得られる位置関係でのデータであれば、ある程度信頼ができる。また、磁石磁束を省いて考えるため、永久磁石３４は除くか十分に減磁させて測定することが好ましい。

上述のようにして測定したパーミアンスＰの変化を図１３，図１４に示す。図１２は、従来技術に係る回転電機のパーミアンスＰの変化を示す。なお、従来技術は特許文献１に記載の数式により規定される回転電機を対象として測定した。図１４は、本形態の車両用交流発電機１のパーミアンスＰの変化を示す。ロータのパーミアンスＰｓｔの変化を実線で示し、ステータのパーミアンスＰｒｔの変化を一点鎖線で示す。横軸はロータ３０の起磁力Ｆｒであり、界磁巻線３３に流す界磁電流Ｉｆの大きさに関係する。

図１３において、起磁力Ｆｒが低い無負荷状態では、パーミアンスＰｓｔがパーミアンスＰｒｔよりも高い。界磁巻線に流す界磁電流を上げるに従って起磁力Ｆｒが高くなると、パーミアンスＰｓｔとパーミアンスＰｒｔの差が縮まり、最終的にパーミアンスＰｓｔはパーミアンスＰｒｔと同等になる。こうなるのは、無負荷状態のステータは、ｑ軸に在る磁気的バリアや磁石等によって、ロータ３０よりパーミアンスが低くなるからである。すなわちステータ２０に磁束が流れ難く、無負荷の逆起電力が生じて過充電を妨げる。

図１４において、起磁力Ｆｒが低い無負荷状態では、図１３と同様にパーミアンスＰｓｔがパーミアンスＰｒｔよりも高い。ところが、界磁巻線３３に流す界磁電流Ｉｆを上げるに従って、パーミアンスＰｓｔはパーミアンスＰｒｔよりも大きく下落する。そのため、起磁力Ｆｒが起磁力Ｆｒ１のときにパーミアンスＰｓｔとパーミアンスＰｒｔが等しくなり、起磁力Ｆｒが起磁力Ｆｒ１よりも大きな領域ではパーミアンスＰｓｔがパーミアンスＰｒｔよりも低い。このようになるのは、ステータ２０に磁束が流れ易く、負荷時の逆起電力を上げられ、高いトルクを得られるためである。

ここで、永久磁石３４の磁石磁束をφｍ[Wb]とし、界磁巻線３３に界磁電流Ｉｆを流して生じる界磁磁束をφｆ[Wb]とすると、主磁束Ψ[Wb]は次の式（２４）で表される。
Ψ＝φｍ＋φｆ…式（２４）

マグネットトルクＴｍ[Nm]は、主磁束をΨ[Wb]とし、ｑ軸電流をＩｑ[Ａ]とすると、上記式（２４）を考慮して、次の式（２５）で表される。
Ｔｍ＝Ψ×Ｉｑ＝（φｍ＋φｆ）×Ｉｑ…式（２５）

次に、図１５を参照してｄ軸磁気回路３６のパーミアンスＰｒｔを算出する方法について説明する。界磁巻線３３は、直流電源７１から流される電流（後述する流入電流Ｉｓ）によって界磁され、界磁回路（すなわち図７，図８に破線で示すｄ軸磁気回路３６）が励起される。界磁回路が励起された状態でロータ３０を回転させれば、界磁巻線３３に逆起電力Ｖｅが発生する。任意かつ一定の回転数で運転して逆起電力を計測機器７０で測定すると、ロータ３０の回転数が増えるにつれて逆起電力Ｖｅも増加する。

ロータ３０の起磁力Ｆｒと、界磁巻線３３の逆起電力Ｖｅとの関係を図１６に示す。図１４に実線の特性線ＣＬ１で示すように、ロータ３０の逆起電力Ｖｅは界磁回路の飽和と合わせて、傾きの変化に飽和傾向があることは明らかである。

ロータ３０に負荷を掛けない無負荷時には、開始値０を[AT]とし、正の実数値である終了値をχ[AT]とすれば、０[AT]とχ[AT]の間の磁束変化を求める。非励磁時では、インダクタンスをＬ０[Ｈ]とし、界磁巻線３３に発生する逆起電力をＶ０[Ｖ]とし、界磁巻線３３に流れる励磁電流をＩ０[Ａ]として計測する。χ[AT]の励磁時では、界磁巻線３３に発生する逆起電力をＶχ[Ｖ]とし、界磁巻線３３に流れる励磁電流をＩχ[Ａ]として計測する。これらの条件下におけるインダクタンスＬ０は、次の式（２６）で求められる。
Ｌ０＝（Ｖχ−Ｖ０）／（Ｉχ−Ｉ０）…式（２６）

ロータ３０に負荷を掛ける負荷時には、界磁回路が励起された状態で計測を行う。一例として、インダクタンスをＬ１００[Ｈ]とし、開始値を１００[AT]とし、終了値を２００[AT]とすれば、１００[AT]と２００[AT]の間の磁束変化を求める。１００[AT]の励磁時では、界磁巻線３３に発生する逆起電力をＶ１００[Ｖ]とし、界磁巻線３３に流れる励磁電流をＩ１００[Ａ]として計測する。２００[AT]の励磁時では、界磁巻線３３に発生する逆起電力をＶ２００[Ｖ]とし、界磁巻線３３に流れる励磁電流をＩ２００[Ａ]として計測する。これらの条件下におけるインダクタンスＬ１００は、次の式（２７）で求められる。
Ｌ１００＝（Ｖ２００−Ｖ１００）／（Ｉ２００−Ｉ１００）…式（２７）

励磁電流Ｉｆｓは、直流電源７１から界磁巻線３３に流入する流入電流をＩｓとし、ボス部３２１に巻装された界磁巻線３３の巻数（すなわちターン数Ｎｒの２乗）とすると、式（２８）で表される。励磁電流Ｉｆｓは、励磁電流Ｉ０，Ｉχ，Ｉ１００，Ｉ２００も同様に当てはまる。
Ｉｆｓ＝Ｉｓ×Ｎｒ²…式（２８）

式（２６）と式（２７）は、いずれも式（２８）を考慮すると、ターン数Ｎｒを分母に乗じている。そのため、ｄ軸磁気回路３６のパーミアンスＰｒｔは、インダクタンスＬ０，Ｌ１００と等しくなる。すなわち、一般式である式（８）と同じになる。

次に、図１７を参照してｑ軸磁気回路３７のパーミアンスＰｓｔを算出する方法について説明する。界磁巻線３３は、直流電源７１から流される電流（上述した流入電流Ｉｓ）によって界磁され、界磁回路（すなわち図７，図８に破線で示すｄ軸磁気回路３６）が励起される。界磁回路が励起された状態であり、かつ、ステータ２０とロータ３０が前述した位置関係に在る状態のとき、ステータ２０の電機子巻線２５に通電すれば、磁束変化が起こる。ステータ２０のインダクタンスＬｓは、ロータ３０の回転軸３１をロックした状態で界磁巻線３３に流す励磁電流を増加させ、ＬＣＲメータ７２によって計測できる。

ロータ３０の起磁力Ｆｒと、ステータ２０のインダクタンスＬｓとの関係を図１８に示す。図１６に実線の特性線ＣＬ２で示すように、インダクタンスＬｓは界磁回路の飽和と合わせて、傾きの変化に飽和傾向があることは明らかである。

ｑ軸磁気回路３７のパーミアンスＰｓｔは、ステータ２０の電機子巻線２５の巻数（すなわちターン数Ｎｓの２乗）が予め分かっているので、ＬＣＲメータ７２によってインダクタンスＬｓが計測されると、次の式（２９）で求められる。この式（２９）は、一般式である式（８）と同じである。
Ｐｓｔ＝Ｌｓ／Ｎｓ²…式（２９）

＜磁極部表面積Ａｓとボス部断面積Ａｂの関係について＞
ここで、永久磁石３４から発生する磁石磁束を有効に使える範囲について検討する。特許文献１に記載された関係式の規定においては、条件が部分的である。例えば、界磁コア３２のボス部３２１などの大きさが変化したときに、当該関係式が成り立たなくことが懸念される。そこで、ロータ３０全体として検討を行うものとする。

クローポール型の回転電機でもある車両用交流発電機１は、ステータ２０とロータ３０の対向面と違う部位（すなわちボス部３２１）で磁束を生み出し、その磁束を軸方向に通すことによりステータ２０の軸長Ｔｓｔを使い切ることができる。図４に示すように、ボス部断面積Ａｂ、ディスク部３２２の断面積Ａｄ、爪状磁極部３２３の断面積Ａｔを概ね一定として、磁束を出力している。なお、ボス部３２１からディスク部３２２にかけて段付き部が形成されて部分的に断面積が小さくなっている場合には、その断面積が小さくなっている部分をボス部断面積Ａｂ又はディスク部断面積Ａｄとして扱う。この段付き部を設けることによって、許容磁束量を変化させることができる。また、各クロー（爪状磁極部）は、ボス部３２１の外径側に巻装された界磁巻線３３（図４には不図示）への通電によりボス部３２１に発生する界磁磁束を通せるだけ、すなわちボス部断面積Ａｂに準じた適量のステータ２０との対向面面積を所持している。

図４に示すように、ディスク部３２２がステータ２０に掛かっている場合は、ステータ２０の軸長Ｔｓｔとディスク部３２２が掛かっている分だけ、ボス部断面積Ａｂよりも磁極部表面積Ａｓを減らすことができる。すなわち、次の式（３０）または式（３１）を満たすときが理想値と計算できる。ここで、永久磁石３４を搭載したロータ３０は、磁力源が増えているわけだから、別の解が存在するはずである。
Ａｂ≒Ａｄ≒Ａｓ…式（３０）
Ａｓ≒Ａｂ−（Ｔｓｔ−Ｔｂ）／２×Ｗ…式（３１）

永久磁石３４と界磁回路を有するロータ３０において、磁石磁束は、界磁磁束（すなわちｄ軸磁気回路３６）に逆らってロータ３０内を通るルート（図９に示す第２磁石磁気回路３９）と、ステータ２０側を回るルート（すなわち図９に示す第１磁石磁気回路３８）の２方向に分流する。すなわち、図４に示すボス部断面積Ａｂ，ディスク部３２２の断面積Ａｄおよび爪状磁極部３２３の根元断面積Ａｔの３つは、従来技術よりも小さくできるはずである。同時に、界磁巻線３３の逆起電力Ｖｅを考慮すれば、次の式（３２）の関係を満たしつつ考慮する必要がある。このとき、図３に示すボス部外径Ｄｂが小さくなるため、界磁巻線３３の配置スペースが大きくなり、発熱量は小さくなるはずである。
Ａｂ×Ｂ５０≧２×Ａｍ×Ｂｒ…式（３２）

図３に示すロータ外径Ｄｒが決まれば、極対数Ｎｐが変わっても爪状磁極部３２３の幅Ｗとボス部３２１の１極あたりの幅の比は殆ど変化しないから、ロータ外径Ｄｒとボス部外径Ｄｂとの比は一義的に決まってくるはずである。逆流する磁石磁束と界磁磁束から、ボス部外径Ｄｂを計算することができる。現状の空冷能力を考慮して発熱を抑えるため、界磁巻線３３の抵抗値は電動機であれば０．１〜１[Ω]の範囲内とし、発電機であれば１．０〜３．０[Ω]の範囲内とすることは言うまでもない。ボス部断面積Ａｂの理想値をＡｂｏｐｔ[mm²]とすると、次の式（３３）によって求められる。
Ａｂｏｐｔ＝Ａｂ×Ｂ５０−２×Ａｍ×Ｂｄ×（Ｐｒｔ／（Ｐｓｔ＋Ｐｒｔ））…式（３３）

現時点における技術の磁極部表面積Ａｓは、界磁磁束を十分に流し得る値となっている。従来技術の永久磁石は、爪状磁極部間の漏洩磁束を防ぐ役割を主に担っていた。そのため、流通しているネオジム磁石付きランデル型回転電機の磁極部表面積Ａｓは、ボス部断面積Ａｂを含む所定範囲に分布している。所定範囲は、次の式（３４）の関係を満たす範囲である。
Ａｂ×０．８≦Ａｓ≦Ａｂ×１．２…式（３４）

ここで、ステータ２０の磁路断面積Ａｓｔとロータ３０の磁路断面積Ａｆとの断面積比（Ａｓｔ／Ａｆ）を縦軸とし、バックヨーク２４の内径Ｄｉｎと外径Ｄｏｕｔとの径比（Ｄｉｎ／Ｄｏｕｔ）を横軸とすると、図２１に示すようになる。断面積比（Ａｓｔ／Ａｆ）の範囲は式（１４）で表され、径比（Ｄｉｎ／Ｄｏｕｔ）の範囲は式（１９）で表される。図２１で明らかなように、本発明の範囲ＳＣ１と従来技術の範囲ＳＣ２とは、重複することなく乖離している。

また、発電電流Ｉｇを縦軸とし、バックヨーク２４の内径Ｄｉｎと外径Ｄｏｕｔとの径比（Ｄｉｎ／Ｄｏｕｔ）を横軸とすると、図２２に示すようになる。径比（Ｄｉｎ／Ｄｏｕｔ）の範囲は、式（１９）で表される。すなわち図２２に示すα，β，γの値は、α＝０．９０５，β＝０．９３８，γ＝０．９４５である。式（１９）を満たす範囲では、発電電流Ｉｇが閾値電流Ｉｇｔｈ以上になる。図２２で明らかなように、本発明の範囲ＳＣ３と従来技術の範囲ＳＣ４とは、重複することなく乖離している。

＜本形態の作用効果＞
上述した実施の形態１によれば、周方向に隣り合う爪状磁極部３２３の間に配置された永久磁石３４により、ステータ２０に鎖交する磁束が流れる第１磁石磁気回路３８と、ボス部３２１を通りロータ３０内で完結する磁束が流れる第２磁石磁気回路３９とが形成される。そして、ロータ３０に負荷を掛けた時（すなわち界磁巻線３３に界磁電流Ｉｆを通電した時）、界磁巻線３３の起磁力により形成される磁束が界磁コア３２のボス部３２１、一対の爪状磁極部３２３およびステータコア２１を経て流れるｄ軸磁気回路３６が形成される。このとき、第２磁石磁気回路３９を流れる磁石磁束は、ｄ軸磁気回路３６の磁束とは逆方向に流れるので磁気抵抗が大きくなる。本形態では、ステータ２０の磁路断面積Ａｓｔとロータ３０の磁路断面積をＡｆとはＡｓｔ＞Ａｆとなる関係を満たすように設けられる。こうすれば、ｄ軸磁気回路３６のパーミアンスＰｒｔとｑ軸磁気回路３７のパーミアンスＰｓｔとがＰｒｔ＜Ｐｓｔとなる関係を満たす。そのため、第１磁石磁気回路３８と第２磁石磁気回路３９のうちで、ステータ２０に鎖交する磁束が流れる第１磁石磁気回路３８の磁石磁束が増大する。したがって、永久磁石３４の磁石磁束をステータ２０に鎖交させて有効に利用することができ、車両用交流発電機１の発電能力を大幅に向上させることができる。

ロータ３０の磁路断面積Ａｆと磁極部表面積Ａｓとの関係は、Ａｆ＜Ａｓを満たすように設けた。ステータコア２１との磁束授受面である爪状磁極部３２３の磁極部表面積Ａｓは、ロータ３０の磁路断面積Ａｆよりも大きい。そのため、ステータ２０とロータ３０との間で永久磁石３４の磁束の授受を確実に行うことができる。

一極対あたりのボス部３２１の磁路断面積をＡｂとし、ボス部３２１に５０００[A/m]の界磁を加えた際の磁束密度をＢ５０とし、永久磁石３４の残留磁束密度をＢｒとし、永久磁石３４の磁極となる面の断面積をＡｍとしたときに、２×Ｂｒ×Ａｍ＜Ｂ５０×Ａｂとなる関係を満たすように設けられる。これにより、永久磁石３４から発生する磁力がｄ軸磁気回路３６により吸収されることが可能となる。すなわち、逆起電力を下げ、無通電時の高速回転状態における発電電力を抑えることができる。

ｄ軸磁気回路３６のパーミアンスＰｒｔと、ｑ軸磁気回路３７のパーミアンスＰｓｔとの比が、Ｐｓｔ：Ｐｒｔ＝２ｎ：１となるように設けられる。そのため、ランデル型ロータであるロータ３０への負荷時の態様をＩＰＭ型ロータに近付けることができる。

突極比ρ、すなわちｑ軸インダクタンスＬｑとｄ軸インダクタンスＬｄとのインダクタンス比（Ｌｑ／Ｌｄ）を２以上にできる。そのため、車両用交流発電機１はＩＰＭ型ロータと同等のリラクタンストルクを得ることが可能になる。

ロータ３０のボス部断面積Ａｂと磁極部表面積Ａｓとの関係は、０．９＜Ａｓ／Ａｂ＜１．７の関係を満たすように設けられた。すなわち、磁極部表面積Ａｓはボス部断面積Ａｂよりも大きいことを意味している。従来技術では、周方向に隣り合う爪状磁極部間の磁束の整流や漏れ防止を目的として永久磁石をロータに設けていた。これに対して本形態のロータ３０は、ＩＰＭ型ロータのように永久磁石３４の磁石磁束がステータ２０に鎖交するように設けられる。したがって、本形態の永久磁石３４はＩＰＭ型ロータに設けられる永久磁石のように機能し、漏れ防止ではなく、ステータ２０に流れる磁束を向上させる。すなわち、永久磁石３４の磁石磁束は、逆起電力（すなわち発電出力）の向上やトルクの向上に寄与する。

ロータ３０の磁路断面積Ａｆと磁極部表面積Ａｓとの関係は、１．０＜Ａｓ／Ａｆ＜１．６を満たすように設けられた。すなわち、磁極部表面積Ａｓは磁路断面積Ａｆよりも大きいことを意味している。これにより、界磁巻線３３に界磁電流Ｉｆを流して生じる界磁磁束はボス部３２１，ディスク部３２２，爪状磁極部３２３を介してステータ２０に流れる磁束を向上させる。したがって、ボス部３２１で生じる界磁磁束は、逆起電力（すなわち発電出力）の向上やトルクの向上に寄与する。

ボス部外径Ｄｂとロータ外径Ｄｒとは、０．４６＜Ｄｂ／Ｄｒ＜０．５３の関係を満たすように設けられた。ボス部断面積Ａｂは、磁石磁力のボス磁力に対する反作用を最大限に考慮されて決められる。永久磁石３４の磁力による反作用を弾き返せるだけのボス部３２１の磁力が界磁コア３２に働くとき、ボス部３２１の総磁力と永久磁石３４の総磁力は爪状磁極部３２３を介してステータ２０に伝えることができる。

永久磁石３４は、残留磁束密度Ｂｒが１[Ｔ]以上のものを用いた。もし永久磁石３４がネオジウム鉄ボロンのボンド磁石、サマリウム鉄窒素の射出成型によるプラスチック成型磁石などの場合には、界磁コア３２への反磁界を十分に供給しきれない場合が多いからである。すなわち、磁石の断面積を用意する余りに界磁巻線３３のスペースの削減を伴う場合が多い。そのため、上述した作用効果は、永久磁石３４の残留磁束密度Ｂｒが１[Ｔ]以上で効果的に発揮される。

界磁コア３２のｄ軸磁気回路３６が形成される部位は、飽和磁束密度Ｂｓの異なる２種類の材料で形成した。具体的には、界磁コア３２のうちで爪状磁極部３２３が他の部位よりも飽和磁束密度Ｂｓの高い材料で形成し、爪状磁極部３２３以外の他の部位が飽和磁束密度Ｂｓの低い材料で形成した。ボス部３２１が磁束飽和し易くなり、ＩＰＭ型ロータの磁束特性の挙動に変化し易いので、発電能力の向上をより確実に達成できる。

界磁コア３２のうちで爪状磁極部３２３以外の他の部位は、爪状磁極部３２３よりも飽和磁束密度Ｂｓが低い材料とした。飽和磁束密度Ｂｓの高い材料よりも透磁率が高いものであるため、ロータ３０への無負荷時に逆起電力の吸収効果を高めることができる。

〔実施の形態２〕
実施の形態２は図２３〜図３０を参照しながら説明する。本形態の回転電機は、車両に搭載されて発電機として使用される車両用交流発電機２である。なお図示および説明を簡単にするため、特に明示しない限り、実施の形態１で用いた要素と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。よって、主に実施の形態１と相違する点を説明するものとし、実施の形態１で示した各式も適用される。

＜車両用交流発電機の全体構成＞
図２３に示す車両用交流発電機２は、ブラシレス型の回転電機であって、ハウジング１０，ステータ２０，ロータ５０，連結部材６０を有する。

ハウジング１０は、筒状部１５，カバー部１６を有する。ハウジング１０は、ステータ２０，ロータ５０，連結部材６０などを内部に収容して支持する。本形態の筒状部１５は、中空円筒状の部材である。カバー部１６は、円板状の軟磁性体であって、筒状部１５の一端側の開口部に嵌合して固定される。カバー部１６は、径方向の中央部から軸方向（図２３では左側）に突出して配置されたボス部１７を有する。ボス部１７は、筒状部１５の内径側（すなわちステータ２０から離反する側）に同軸状に配置される。

ボス部１７の軸方向中央部における外径側（すなわちステータ２０側）には、一対の界磁巻線５３が巻装されている。一対の界磁巻線５３は、ボス部１７と絶縁され、かつ、並列接続されて軸方向に離間した状態で巻装される。一対の界磁巻線５３は、界磁電流Ｉｆを供給する電源（図示せず）と出力線５３ａを介して接続される。一対の界磁巻線５３に界磁電流Ｉｆが流れると、起磁力が発生する。

ステータ２０は、ステータコア２１の外周面がハウジング１０の筒状部１５の内周面に固定される点を除いて、実施の形態１と同じである。

ロータ５０は、一対の軸受１４を介して、ボス部１７に回転可能に支持されている。このロータ５０は、一対の界磁巻線５３よりも外径側（すなわちステータ２０側）に位置し、ステータ２０に対向して配置されている。本形態では、一対の軸受１４をボス部１７にかかる軸方向の両端部に設けている。

ロータ５０は、フロント側（図２３では左側）のＮ極ポールコア５２ｂに嵌合して固定された連結部材６０や図示しない駆動力伝達手段を介して、車両に搭載されたエンジン（図示せず）によって回転駆動される。

図２３〜図２６に示すロータ５０は、界磁コア５２，複数の永久磁石５４を有する。図２４，図２５に示すタンデム型の界磁コア５２は、鉄心５２ａ，一対のＮ極ポールコア５２ｂ，Ｓ極ポールコア５２ｃを有する。一対のＮ極ポールコア５２ｂとＳ極ポールコア５２ｃは、いずれも実施の形態１の爪状磁極部３２３に対応する。複数の永久磁石５４は、いずれも鉄心５２ａに埋設される。

図２５に示す鉄心５２ａは、中空円筒状の軟磁性体であり、複数のＮ極ポール孔５２ｄ，複数のＳ極ポール孔５２ｅ，複数の磁石収容孔５２ｆを有する。

複数のＮ極ポール孔５２ｄは、それぞれＮ極ポール５２ｎが挿入して配置される孔である。複数のＳ極ポール孔５２ｅは、それぞれＳ極ポール５２ｓが挿入して配置される孔である。本形態のＮ極ポール孔５２ｄとＳ極ポール孔５２ｅは、いずれも断面が円形状の貫通孔である。Ｎ極ポール５２ｎとＳ極ポール５２ｓは、いずれも「磁極部」に相当する。

磁石収容孔５２ｆは、永久磁石５４を収容して埋設される矩形状断面の孔である。本形態では、Ｎ極ポール孔５２ｄとＳ極ポール孔５２ｅの数をそれぞれ８個とし、磁石収容孔５２ｆの数を１６個とする。よって、永久磁石５４の数は１６個である。

複数のＮ極ポール孔５２ｄと複数のＳ極ポール孔５２ｅは、周方向に離間して交互に配置される。それぞれのＮ極ポール孔５２ｄとＳ極ポール孔５２ｅは、鉄心５２ａの中心軸線に対して平行になるように設けられる。これにより、Ｎ極ポール孔５２ｄに収容されたＮ極ポール５２ｎとＳ極ポール孔５２ｅに収容されたＳ極ポール５２ｓは、ボス部１７の外径側で軸方向に延在して周方向交互に配置されている。磁石収容孔５２ｆは、隣接するＮ極ポール孔５２ｄとＳ極ポール孔５２ｅの間に離間して１個ずつ設けられている。

図２６に示す一対のＮ極ポールコア５２ｂは、円環状の軟磁性体であり、図２３に示すように内周面がボス部１７の外周面に嵌合して固定される。図２７，図２８に示すように、一対のＮ極ポールコア５２ｂとボス部１７の間には、鉄心５２ａの軸方向両端面が挟持される。

Ｎ極ポールコア５２ｂの外周部には、径方向に凹んだ複数の凹部と、径方向に突出した複数の凸部とが周方向に交互に設けられる。本形態では、凹部と凸部の数をそれぞれ８個とする。凸部には、Ｎ極ポール５２ｎの端部を保持する保持孔５２ｇが設けられる。

Ｎ極ポール５２ｎは、軸方向の中間部分がＮ極ポール孔５２ｄに挿入され、かつ、軸方向の両端部が一対のＮ極ポールコア５２ｂの保持孔５２ｇに保持されている。

図２６に示すＳ極ポールコア５２ｃは、円環状の軟磁性体であり、Ｎ極ポールコア５２ｂと同じ内径を有する。Ｓ極ポールコア５２ｃは、図２３に示すように一対の界磁巻線５３の間に配置され、ボス部１７の軸方向中央部の外周面に嵌合して固定されている。

Ｓ極ポールコア５２ｃの外周部には、Ｎ極ポールコア５２ｂの外周部と同様に、複数の凹部と複数の凸部とが周方向に交互に設けられる。本形態では、凹部と凸部の数をそれぞれ８個とする。

図２６に示すように、Ｓ極ポールコア５２ｃの凸部の突出先端面（すなわち外周面）は、Ｎ極ポールコア５２ｂの凹部の底面と同じ所に位置している。Ｓ極ポールコア５２ｃは、図２３に示すように、凸部の突出先端面（すなわち外周面）が鉄心５２ａの内周面と接触した状態に配置されている。これにより、Ｓ極ポールコア５２ｃは、Ｓ極ポール孔５２ｅに収容されたＳ極ポール５２ｓと鉄心５２ａを介して磁気的に接続される。

永久磁石５４は、矩形断面で長方体状の外形を有し、図２５に示すように鉄心５２ａに設けられた磁石収容孔５２ｆに１個ずつ埋設されている。各永久磁石５４は、磁化容易軸が周方向に向けられる。界磁巻線５３の起磁力によって各磁極部（すなわちＮ極ポール５２ｎとＳ極ポール５２ｓ）に交互に現れる極性と、永久磁石５４の極性とが同じになるように設けられる。このように配置された永久磁石５４から生じる磁石磁束によって、図２９に示す第１磁石磁気回路５８および第２磁石磁気回路５９が形成される。

ロータ５０の磁路断面積Ａｆ[mm²]は、図２３に示すボス部１７，Ｎ極ポールコア５２ｂ，Ｓ極ポールコア５２ｃについて１極分の断面積である。具体的には、ボス部１７，Ｎ極ポールコア５２ｂ，Ｓ極ポールコア５２ｃを径方向に切断した総断面積を極対数で除した断面積のうちで最も小さい断面積を採用する。ロータ５０の磁極部表面積Ａｓ[mm²]は、Ｎ極ポールコア５２ｂやＮ極ポールコア５２ｂについて、ステータコア２１と磁束の授受を行う面の表面積である。ロータ５０の磁路断面積Ａｆと磁極部表面積Ａｓとの関係は、次の式（３５）を満たすように設けられる。
Ａｆ≦Ａｓ…式（３５）

図２９に一点鎖線で示す第１磁石磁気回路５８は、磁石磁束がロータ５０とステータコア２１を流れる磁気回路である。すなわち、磁石磁束の一部が鉄心５２ａのＳ極ポール５２ｓ，永久磁石５４，Ｎ極ポール５２ｎを通り、図２３に示すステータコア２１を経て鉄心５２ａのＳ極ポール５２ｓに戻る。第１磁石磁気回路５８は、磁石磁束がステータ２０に鎖交するため、永久磁石３４の磁石磁束が逆起電力の向上やトルクの向上に寄与する。

図２９に実線で示す第２磁石磁気回路５９は、磁石磁束がロータ５０内で流れて完結する磁気回路である。すなわち、磁石磁束の全部が鉄心５２ａのＳ極ポール５２ｓ，永久磁石５４，Ｎ極ポール５２ｎを通り、Ｓ極ポールコア５２ｃからボス部１７，Ｎ極ポールコア５２ｂを経て鉄心５２ａのＳ極ポール５２ｓに戻る。第２磁石磁気回路３９は、磁束がステータ２０に鎖交しないため、永久磁石３４の磁石磁束が逆起電力の向上やトルクの向上に寄与しない。

図示しない界磁電流制御回路から界磁電流Ｉｆを界磁巻線５３に流すと、ボス部１７に起磁力が発生するとともに、Ｎ極ポール５２ｎがＮ極に磁化され、Ｓ極ポール５２ｓがＳ極に磁化される。これにより、図３０に破線で示すｄ軸磁気回路５６が形成される。ｄ軸磁気回路５６は、図２３に示すハウジング１０のボス部１７から一対のＮ極ポールコア５２ｂおよびＮ極ポール５２ｎを通り、さらにステータコア２１を経て鉄心５２ａのＳ極ポール５２ｓ，Ｓ極ポールコア５２ｃを経てボス部１７に戻る。

図２３に示すように、ｄ軸磁気回路５６は軸方向中央部のＳ極ポールコア５２ｃを通った後、軸方向両側でｄ軸のＮ極の向きが反転する。そのため、ｄ軸磁気回路５６は磁気回路ｄ１と磁気回路ｄ２の２つに分流する。このｄ軸磁気回路５６は、ロータ５０の界磁巻線５３に逆起電力を生む磁気回路である。

また、ｄ軸磁気回路５６および第１磁石磁気回路５８のステータ２０に鎖交する磁束により電機子巻線２５に電流が流れると、図３０に二点鎖線で示すｑ軸磁気回路５７が形成される。このｑ軸磁気回路５７は、ステータコア２１のｄ軸から電気角で９０°ずれた位置にあるｑ軸を通る磁束により形成される磁気回路である。

本形態では、実施の形態１と同様に、ロータ５０に負荷を掛けた時に、ｄ軸磁気回路５６のパーミアンスＰｒｔとｑ軸磁気回路５７のパーミアンスＰｓｔとの関係が式（１６）および式（１８）を満たすように設けられる。これにより、ロータ５０への負荷時の態様を、ＩＰＭ型ロータに近付けることができ、突極比ρを２以上にできる。なお、パーミアンスＰｒｔ，Ｐｓｔの測定方法は、実施の形態１と同様である。

本形態では、ｄ軸磁気回路５６と第１磁石磁気回路５８は、Ｓ極ポール５２ｓから鉄心５２ａ、ステータ２０および鉄心５２ａを経てＮ極ポール５２ｎに戻るまでの磁気回路を共有している。また、ｄ軸磁気回路５６と第２磁石磁気回路５９は、ロータ５０のＳ極ポール５２ｓから鉄心５２ａ、Ｓ極ポールコア５２ｃ、ボス部１７およびＮ極ポールコア５２ｂを経てＮ極ポール５２ｎに戻るまでの部分の磁気回路を共有している。よって、ｄ軸磁気回路５６と、第１磁石磁気回路５８および第２磁石磁気回路５９の一部とが共有されている。このように磁気回路の一部が共有されることによって、２つのＮ極ポールコア５２ｂが持つ材料ばらつきは、１つのＳ極ポールコア５２ｃの許容磁束量の範囲で考えることができ、ロバスト性が向上する。

本形態では、実施の形態１と同様に、ボス部１７の一対のＮＳ磁極あたりの磁路断面積をＡｂとし、ボス部１７に５０００[A/m]の界磁を加えた際の磁束密度をＢ５０とし、Ｎ極ポール５２ｎとＳ極ポール５２ｓの間に配置された永久磁石５４の残留磁束密度をＢｒとし、永久磁石５４の磁極となる面の断面積をＡｍとしたときに、式（１８）の関係を満たすように設けられる。

また、界磁コア５２およびハウジング１０のｄ軸磁気回路５６が形成される部位は、飽和磁束密度Ｂｓの異なる２種類の材料で形成されている。実施形態２の場合には、磁極部となるＮ極ポール５２ｎおよびＳ極ポール５２ｓが、飽和磁束密度Ｂｓの高い材料で形成され、界磁コア５２のＮ極ポール５２ｎおよびＳ極ポール５２ｓ以外の部位およびボス部１７が、飽和磁束密度Ｂｓの低い材料で形成されている。飽和磁束密度Ｂｓの高い材料および飽和磁束密度Ｂｓの低い材料については、実施の形態１と同様である。

＜本形態の作用効果＞
上述した実施の形態２によれば、車両用交流発電機２は、ロータ５０に負荷を掛けた時に、ｄ軸磁気回路５６のパーミアンスＰｒｔとｑ軸磁気回路５７のパーミアンスＰｓｔとがＰｒｔ＜Ｐｓｔとなる関係を満たす設けられる。そのため、実施の形態１と同様に、ステータ２０に鎖交してｄ軸磁気回路５６と同じ方向に流れる磁束により形成される第１磁石磁気回路５８の磁石磁束を増大させることができる。これにより、永久磁石３４の磁石磁束を有効利用して、発電能力を大幅に向上させることができる。

ボス部断面積をＡｂとし、ボス部１７に５０００[A/m]の界磁を加えた際の磁束密度をＢ５０とし、永久磁石５４の残留磁束密度をＢｒとし、永久磁石５４の磁極となる面の断面積をＡｍとしたときに、２×Ｂｒ×Ａｍ＜Ｂ５０×Ａｂとなる関係を満たすように設けられる。これにより、２×Ｂｒ×Ａｍからなる磁石磁束を効果的にボス部１７側へ無負荷時に短絡させ、発電を抑制する制御が行える。また、実施の形態１と同様に、逆起電力を下げ、無通電時の高速回転状態における発電電力を抑えることができる。

ｄ軸磁気回路５６のパーミアンスＰｒｔと、ｑ軸磁気回路５７のパーミアンスＰｓｔとの比が、Ｐｓｔ：Ｐｒｔ＝２ｎ：１となるように設けられる。これにより、実施の形態１と同様に、突極比ρを２以上にでき、ＩＰＭ型ロータと同等のリラクタンストルクを出すことが可能となる。

界磁巻線５３の起磁力によりｄ軸磁気回路５６が形成される界磁コア５２は、飽和磁束密度Ｂｓの異なる２種類の材料で形成されており、Ｎ極ポール５２ｎおよびＳ極ポール５２ｓが飽和磁束密度Ｂｓの高い材料で形成され、Ｎ極ポール５２ｎおよびＳ極ポール５２ｓ以外の部位が飽和磁束密度Ｂｓの低い材料で形成されている。そのため、ボス部３２１がすぐに飽和してＩＰＭ型ロータの磁束特性の挙動に変化し易いので、発電能力の向上をより確実に達成することができる。

Ｎ極ポール５２ｎおよびＳ極ポール５２ｓ以外の部位で用いられている飽和磁束密度Ｂｓの低い材料は、飽和磁束密度Ｂｓの高い材料よりも透磁率が高いものであるため、ロータ３０の無負荷時において、起電力の吸収効果を高めることができる。

〔他の実施の形態〕
以上では本発明を実施するための形態について実施の形態１，２に従って説明したが、本発明は当該形態に何ら限定されるものではない。言い換えれば、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施することもできる。例えば、次に示す各形態を実現してもよい。

上述した実施の形態１，２では、本発明に係る回転電機を車両用交流発電機１，２に適用した。この形態に代えて、車両に搭載される回転電機としての電動機や、発電機と電動機の機能を選択的に使用し得る回転電機にも本発明を適用することができる。回転電機の形態が相違するに過ぎないので、実施の形態１，２と同様の作用効果が得られる。

上述した実施の形態１，２では、ステータ２０を外径側に配置し、ロータ３０を内径側に配置するインナーロータ型の回転電機として車両用交流発電機１，２に適用した。この形態に代えて、ステータ２０を内径側に配置し、ロータ３０を外径側に配置するアウターロータ型の回転電機に適用してもよい。この場合には、外径側と内径側が実施の形態１，２と逆になる。ステータ２０とロータ３０の配置が相違するに過ぎないので、実施の形態１，２と同様の作用効果が得られる。

上述した実施の形態１，２では、ｄ軸磁気回路３６，５６と、第１磁石磁気回路３８，５８および第２磁石磁気回路３９，５９の一部分とを共有した。この形態に代えて、ｄ軸磁気回路３６，５６と、第１磁石磁気回路３８，５８および第２磁石磁気回路３９，５９の全部を共有してもよい。具体的には、ｄ軸磁気回路３６，５６上に永久磁石３４，５４を埋め込んだり設置したりすればよい。例えば図３１に示す変形例のように、ｄ軸磁気回路３６が形成される界磁コア３２のボス部３２１の外周部に、軸方向両端部に磁極を有する円筒状の永久磁石３４Ａを同軸で配置する。このようにすれば、図８に示すｄ軸磁気回路３６と、図３１に示す第１磁石磁気回路３８Ａおよび第２磁石磁気回路３９Ａの全部とが共有されるようになる。このように磁気回路の全部が共有されることによって、永久磁石の遠心力が磁極部に加えられることによる、耐遠心力特性の悪化が防止される。その他については、実施の形態１，２と同様の作用効果が得られる。

上述した実施の形態１では、周方向に隣り合う爪状磁極部３２３の間に永久磁石３４を配置した。この形態に代えて、界磁コア３２に永久磁石３４を埋め込んでもよい。例えば、図３１に示すボス部３２１に埋め込んでもよく、ディスク部３２２に埋め込んでもよく、爪状磁極部３２３に埋め込んでもよい。図８に示すｄ軸磁気回路３６が形成されるディスク部３２２に永久磁石を埋め込む場合は、ディスク部３２２，爪状磁極部３２３の各断面積は、永久磁石を除いた部位の断面積とする。このことは、実施の形態２において周方向に隣り合うＮ極ポールコア５２ｂとＳ極ポールコア５２ｃの間に配置した永久磁石５４にも適用できる。すなわち、界磁コア５２に永久磁石５４を埋め込んでもよい。いずれにせよ、ｄ軸磁気回路３６上に永久磁石が設けられるので、実施の形態１，２と同様の作用効果が得られる。

１，２…車両用交流発電機（回転電機）、１０…ハウジング、１１…フロントハウジング、１２…リアハウジング、１３…ボルト、１４…軸受、１５…筒状部、１６…カバー部、１７…ボス部、２０…ステータ、２１…ステータコア、２２…スロット、２３…ティース、２４…バックヨーク、２５…電機子巻線、３０，５０…ロータ、３１…回転軸、３２，５２…界磁コア、３２ａ…第１ポールコア、３２ｂ…第２ポールコア、３２１…ボス部、３２１ａ…第１ボス部、３２１ｂ…第２ボス部、３２２…ディスク部、３２２ａ…第１ディスク部、３２２ｂ…第２ディスク部、３２３…爪状磁極部、３２３ａ…第１爪状磁極部、３２３ｂ…第２爪状磁極部、３３，５３…界磁巻線、３４，３４Ａ，５４…永久磁石、３５…プーリ、３６，５６…ｄ軸磁気回路、３７，５７…ｑ軸磁気回路、３８，３８Ａ，５８…第１磁石磁気回路、３９，３９Ａ，５９…第２磁石磁気回路、４０…界磁巻線給電装置、４１…ブラシ、４２…スリップリング、４３…レギュレータ、４４…整流器、５２ａ…鉄心、５２ｂ…Ｎ極ポールコア、５２ｃ…Ｓ極ポールコア、５２ｄ…Ｎ極ポール孔、５２ｅ…Ｓ極ポール孔、５２ｎ…Ｎ極ポール、５２ｓ…Ｓ極ポール、５２ｆ…磁石収容孔、５２ｇ…保持孔、６０…連結部材、７０…計測機器、７１…直流電源、７２…ＬＣＲメータ

Claims (5)

1. ステータコア（２１）に電機子巻線（２５）が巻装されたステータ（２０）と、ブラシ（４１）を介して通電される界磁巻線（３３）を有して回転可能に設けられたロータ（３０）と、を備えた回転電機（１）において、
   前記ロータは、
   前記界磁巻線が巻装された筒状のボス部（３２１）と、前記ボス部に対して前記ステータ側に配置されて周方向に交互に異なる極性の磁極が形成される複数の爪状磁極部（３２３）と、を有する界磁コア（３２）と、
   周方向に隣り合う前記爪状磁極部の間に磁化容易軸が周方向に向けられて配置され、前記界磁巻線の起磁力によって前記爪状磁極部に交互に現れる極性と一致するように磁極が形成されている永久磁石（３４）と、を備え、
   前記界磁巻線の起磁力により形成される磁束が前記ボス部、一対の前記爪状磁極部および前記ステータコアを経由して流れるｄ軸磁気回路（３６）と、前記永久磁石の磁力により形成される磁束が流れる磁石磁気回路（３８）の少なくとも一部とが共有されており、
   前記ステータの磁路断面積をＡｓｔとし、前記ロータの磁路断面積をＡｆとするとき、Ａｓｔ＞Ａｆとなる関係を満たし、
   一極対あたりの前記ボス部の磁路断面積をＡｂとし、前記ボス部に５０００［Ａ／ｍ］の界磁を加えた際の磁束密度をＢ５０とし、前記爪状磁極部間に配置された前記永久磁石の残留磁束密度をＢｒとし、前記永久磁石の磁極となる面の断面積をＡｍとするとき、２×Ｂｒ×Ａｍ＜Ｂ５０×Ａｂとなる関係を満たす回転電機。
2. 前記ロータの磁路断面積をＡｆとし、前記ステータコアと磁束を授受する面の前記爪状磁極部の表面積をＡｓとするとき、Ａｆ＜Ａｓとなる関係を満たす請求項１に記載の回転電機。
3. ステータコア（２１）に電機子巻線（２５）が巻装されたステータ（２０）と、ブラシ（４１）を介して通電される界磁巻線（３３）を有して回転可能に設けられたロータ（３０）と、を備えた回転電機（１）において、
   前記ロータは、
   前記界磁巻線が巻装された筒状のボス部（３２１）と、前記ボス部に対して前記ステータ側に配置されて周方向に交互に異なる極性の磁極が形成される複数の爪状磁極部（３２３）と、を有する界磁コア（３２）と、
   周方向に隣り合う前記爪状磁極部の間に磁化容易軸が周方向に向けられて配置され、前記界磁巻線の起磁力によって前記爪状磁極部に交互に現れる極性と一致するように磁極が形成されている永久磁石（３４）と、を備え、
   前記界磁巻線の起磁力により形成される磁束が前記ボス部、一対の前記爪状磁極部および前記ステータコアを経由して流れるｄ軸磁気回路（３６）と、前記永久磁石の磁力により形成される磁束が流れる磁石磁気回路（３８）の少なくとも一部とが共有されており、
   前記ステータの磁路断面積をＡｓｔとし、前記ロータの磁路断面積をＡｆとするとき、Ａｓｔ＞Ａｆとなる関係を満たし、
   前記ロータに負荷を掛けた時に、前記ｄ軸磁気回路のパーミアンスをＰｒｔとし、前記電機子巻線に流れる電流により形成されてｄ軸から電気角で９０°ずれた位置にあるｑ軸を通るｑ軸磁気回路（３７）のパーミアンスをＰｓｔとするとき、Ｐｒｔ＜Ｐｓｔとなる関係を満たす回転電機。
4. ステータコア（２１）に電機子巻線（２５）が巻装されたステータ（２０）と、界磁巻線を有して前記ステータに対向して回転可能に配置されたロータ（５０）と、前記ステータおよび前記ロータを内部に収容して支持するハウジング（１０）と、を備えたブラシレス型の回転電機（２）において、
   前記ハウジングは、前記ステータから離反する側に配置されたボス部（１７）と、前記ボス部に巻装された前記界磁巻線（５３）と、を備え、
   前記ロータは、
   前記界磁巻線よりも前記ステータに近接して配置され、周方向に交互に異なる極性の磁極が形成される複数の磁極部（５２ｎ，５２ｓ）を有する界磁コア（５２）と、
   周方向に隣り合う前記磁極部の間に磁化容易軸が周方向に向けられて配置され、前記界磁巻線の起磁力によって前記磁極部に交互に現れる極性と一致するように磁極が形成されている永久磁石（５４）と、を備え、
   前記界磁巻線の起磁力により形成される磁束が前記ボス部、一対の前記磁極部および前記ステータコアを経由して流れるｄ軸磁気回路（５７）と、前記永久磁石の磁力により形成される磁束が流れる磁石磁気回路の少なくとも一部とが共有されており、
   前記ロータの磁路断面積をＡｆとし、前記ステータと対向する面の前記磁極部の表面積をＡｓとするとき、Ａｆ＜Ａｓとなる関係を満たし、
   前記ステータの磁路断面積をＡｓｔとし、前記ロータの磁路断面積をＡｆとするとき、Ａｓｔ＞Ａｆとなる関係を満たし、
   前記ロータに負荷を掛けた時に、前記ｄ軸磁気回路のパーミアンスをＰｒｔとし、前記電機子巻線に流れる電流により形成されてｄ軸から電気角で９０°ずれた位置にあるｑ軸を通るｑ軸磁気回路（３７）のパーミアンスをＰｓｔとするとき、Ｐｒｔ＜Ｐｓｔとなる関係を満たす回転電機。
5. 前記ステータコアは、バックヨーク（２４）と、前記バックヨークから前記ロータ側に向かって径方向に延びる複数のティース（２３）とを有し、
   前記バックヨークの外径をＤｏｕｔとし、前記バックヨークの内径をＤｉｎとするとき、０．９０５＜Ｄｉｎ／Ｄｏｕｔ＜０．９３８となる関係を満たす請求項１から４のいずれか一項に記載の回転電機。

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