JP6766574B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明に係る実施形態は回転電機に関する。

電機子コイルで発生する空間高調波成分を利用して外部からの電力供給なくマグネットトルクを得る回転電機が知られている。

従来の回転電機は、いわゆるアキシャルギャップ型であって、モータシャフトを中心にして回転駆動する２つのロータと、シャフトの軸方向において２つのロータに挟まれるステータと、備えている。ステータは、シャフト周りに配置される複数の電機子コイルを備え、ロータのそれぞれは、シャフト周りに配置される複数の誘導コイルおよび複数の界磁コイルと、誘導コイルで発生する誘導電流を整流して界磁コイルに供給するダイオードと、を備えている。

従来の回転電機は、ステータコアからロータコアに鎖交させる磁束に空間高調波成分が重畳している。このため、２つのロータは、ステータから鎖交される磁束の空間高調波成分の磁束密度の変化を利用して誘導コイルに誘導電流を発生させ、この電流を界磁コイルに供給して起磁力を得ている。

そして、従来の回転電機は、界磁コイルが発生させた磁束をロータコアの端面からステータコアの端面に鎖交させ、主回転力を発生する電機子コイルの磁束とは別にマグネットトルクを得て、２つのロータの回転駆動を補助する。

特開２０１６−１１９７９１号公報

従来の回転電機は、誘導コイルと界磁コイルとを別個に設けることで、両コイルを１つのコイルで兼用する場合に生じる磁気的な干渉を低減させている。

しかし、従来の回転電機は、誘導コイルと界磁コイルとを同一のロータティースに巻いているため、コイルの巻き数に制約を受けてしまう。

誘導電流も起磁力もコイルの巻き数に比例するため、コイルの巻き数の制約が制約されることは、空間高調波成分の利用を制限してしまう。

そこで、本発明は、誘導コイルおよび界磁コイルの巻き数を確保し易く、ひいては空間高調波成分をより効率的に利用可能な回転電機を提供することを目的とする。

前記の課題を解決するため本発明の実施形態に係る回転電機は、筒状のステータと、前記ステータの軸方向の少なくともいずれか一方に配置され隙間を隔てて前記ステータに対面するアキシャルギャップロータと、前記ステータの径方向内側または外側に配置され隙間を隔てて前記ステータに対面するラジアルギャップロータと、を備え、前記ステータは、ステータコアと、前記ステータコアに設けられ前記ステータコアの周方向に等間隔で並ぶ複数のステータティースと、前記ステータコアまたは前記ステータティースに巻かれる電機子コイルと、を有し、前記アキシャルギャップロータは、前記ステータコアに対面し前記アキシャルギャップロータコアの周方向に等間隔で並ぶ複数のアキシャルギャップロータティースと、前記アキシャルギャップロータティースに巻かれ前記ステータで発生する磁束に基づいて誘導電流を誘起させる誘導コイルと、を有し、前記ラジアルギャップロータは、前記ステータコアに対面するラジアルギャップロータコアと、前記ラジアルギャップロータコアに設けられ前記ラジアルギャップロータコアの周方向に等間隔で並ぶ複数のラジアルギャップロータティースと、前記ラジアルギャップロータティースのそれぞれに設けられる永久磁石と、隣り合う前記ラジアルギャップロータティースの間に配置される磁路部材と、前記磁路部材に巻かれ前記誘導電流が流れると磁界を発生させる界磁コイルと、を有し、前記ラジアルギャップロータティースは、前記永久磁石よりも前記ステータ側に配置され前記永久磁石と前記磁路部材との間、および前記永久磁石と前記ステータティースとの間に磁束を通す磁路としての先端部を有している。

また、本発明の実施形態に係る回転電機は、筒状のステータと、前記ステータの軸方向の少なくともいずれか一方に配置され隙間を隔てて前記ステータに対面するアキシャルギャップロータと、前記ステータの径方向内側または外側に配置され隙間を隔てて前記ステータに対面するラジアルギャップロータと、を備え、前記ステータは、ステータコアと、前記ステータコアに設けられ前記ステータコアの周方向に等間隔で並ぶ複数のステータティースと、前記ステータコアまたは前記ステータティースに巻かれる電機子コイルと、を有し、前記ラジアルギャップロータは、前記ステータコアに対面すし周方向に等間隔で並ぶ複数のラジアルギャップロータティースと、前記ラジアルギャップロータティースに巻かれ前記ステータで発生する磁束に基づいて誘導電流を誘起させる誘導コイルと、を有し、前記アキシャルギャップロータは、前記ステータコアに対面するアキシャルギャップロータコアと、前記アキシャルギャップロータコアに設けられ前記アキシャルギャップロータコアの周方向に等間隔で並ぶ複数のアキシャルギャップロータティースと、前記アキシャルギャップロータティースのそれぞれに設けられる永久磁石と、隣り合う前記アキシャルギャップロータティースの間に配置される磁路部材と、前記磁路部材に巻かれ前記誘導電流が流れると磁界を発生させる界磁コイルと、を有している。

本発明によれば、誘導コイルおよび界磁コイルの巻き数を確保し易く、ひいては空間高調波成分をより効率的に利用可能な回転電機を提供できる。

本発明の実施形態に係る回転電機を回転軸に沿う方向から見た図。 本発明の実施形態に係る回転電機を回転軸に直交する方向から見た図。 本発明の実施形態に係る回転電機のステータの斜視図。 本発明の実施形態に係る回転電機のステータコアの斜視図。 本発明の実施形態に係る回転電機のアキシャルギャップロータを回転軸に沿う方向から見た図。 本発明の実施形態に係る回転電機のアキシャルギャップロータを回転軸に直交する方向から見た図。 本発明の実施形態に係る回転電機の横断面図。 本発明の実施形態に係る回転電機の誘電コイルおよび界磁コイルの回路図。 本発明の実施形態に係る回転電機の界磁コイルが生じさせる磁束の変化を概略的に示す図。 本発明の実施形態に係る回転電機の界磁コイルが生じさせる磁束の変化を概略的に示す図。 本発明の実施形態に係る回転電機の他の例の横断面図。 本発明の実施形態に係る回転電機の他の例の横断面図。 本発明の実施形態に係る回転電機の他の例の横断面図。 本発明の実施形態に係る回転電機の他の例の横断面図。 本発明の実施形態に係る回転電機の他の例の界磁コイルが生じさせる磁束の変化を概略的に示す図。

以下、本発明に係る回転電機の実施形態について図１から図１５を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る回転電機を回転軸に沿う方向から見た図である。

図２は、本発明の実施形態に係る回転電機を回転軸に直交する方向から見た図である。

図１および図２に示すように、本実施形態に係る回転電機１は、概略円柱形状の外観を有する。回転電機１は、筒状のステータ２と、ステータ２の軸方向の少なくともいずれか一方に配置され、隙間Ｇ１を隔ててステータ２に対面するアキシャルギャップロータ３と、ステータ２の径方向内側または外側に配置され、隙間Ｇ２を隔ててステータ２に対面するラジアルギャップロータ５と、を備えている。つまり、回転電機１は、いわゆるアキシャルギャップ型およびラジアルギャップ型の両方の構造を兼ね備えている。

なお、図１は、ステータ２の径方向内側に配置されるラジアルギャップロータ５を備える、いわゆるインナーロータ型の回転電機１の図である。また、図２は、ステータ２の軸方向の両方からステータ２を挟む一対のアキシャルギャップロータ３を備える回転電機１の図である。

また、回転電機１は、ステータ２の中心線に沿って配置される回転軸６を備えている。回転軸６は、ステータ２を挟む一対のアキシャルギャップロータ３を回転一体に支持している。また、回転軸６は、ステータ２の内部にラジアルギャップロータ５を回転一体に支持している。つまり、回転軸６は、アキシャルギャップロータ３およびラジアルギャップロータ５を回転一体に支持している。アキシャルギャップロータ３、ラジアルギャップロータ５、よび回転軸６は、ステータ２の中心線を中心に回転する。回転軸６は、ステータ２、またはステータ２、ラジアルギャップロータ５、およびアキシャルギャップロータ３を収容するケーシング７に軸受（図示省略）を介して回転可能に支持されている。

図３は、本発明の実施形態に係る回転電機のステータの斜視図である。

図４は、本発明の実施形態に係る回転電機のステータコアの斜視図である。

図１および図２に加えて図３および図４に示すように、本実施形態に係る回転電機１のステータ２は、円筒形状のステータコア１１と、ステータコア１１に設けられ、ステータコア１１の周方向に等間隔で並ぶ複数のステータティース１２と、ステータコア１１またはステータティース１２に巻かれる電機子コイル１３と、を備えている。

ステータコア１１は、高透磁率の磁性材料で製作されている。ステータコア１１の中心線方向を臨む面、つまり天面および底面をアキシャル面と呼び、ステータコア１１の径方向を臨む面、つまり内周面および外周面をラジアル面と呼ぶ。

複数、例えば１２のステータティース１２は、放射状に配置されている。ステータティース１２は、ステータコア１１と同じ材料で一体成型されている。隣り合う一対のステータティース１２は、ステータスロットを画定している。換言すると、ステータスロットは、隣り合うステータティース１２の側面に挟まれる空間である。

それぞれのステータティース１２は、ステータコア１１の２つのアキシャル面から突出する第一ティース部１５と、ステータコア１１のラジアル面から突出する第二ティース部１６と、を備えている。第一ティース部１５は、ステータコア１１の厚みの中央部から外側および内側へ向かって狭まる略六角柱状の外観を有している。第二ティース部１６は、第一ティース部１５の内側の形状に整合してステータコア１１の中心線に向かって狭まる台形状を有している。第二ティース部１６は、ステータコア１１の内周面を長手方向、つまりステータコア１１の中心線に平行な方向へ延びている。

電機子コイル１３は、三相交流電源（図示省略）に接続される。電機子コイル１３は、ステータスロットに配置され、ステータコア１１に巻かれている。Ｕ相、Ｖ相、およびＷ相のそれぞれに接続される電機子コイル１３ａ、１３ｂ、１３ｃが、例えば４極ずつ並列にトロイダル集中巻きされている。各相の電機子コイル１３は、ステータティース１２を両脇から挟んでいる。なお、電機子コイル１３は、ステータティース１２に巻かれていても良い。

ステータ２は、電機子コイル１３に交流電力が通電することによって磁束を発生させ、その磁束をステータコア１１のアキシャル面からアキシャルギャップロータ３に鎖交させ、ステータコア１１のラジアル面からラジアルギャップロータ５に鎖交させる。ステータティース１２は、電機子コイル１３に交流電力が通電することによってラジアルギャップロータ５を回転させる磁束を発生する電磁石として機能する。

図５は、本発明の実施形態に係る回転電機のアキシャルギャップロータを回転軸に沿う方向から見た図である。

図６は、本発明の実施形態に係る回転電機のアキシャルギャップロータを回転軸に直交する方向から見た図である。

図１および図２に加えて図５および図６に示すように、本実施形態に係る回転電機１のアキシャルギャップロータ３は、非磁性部材２１と、ステータコア１１に対面し周方向に等間隔で並ぶ複数のアキシャルギャップロータティース２２と、アキシャルギャップロータティース２２に巻かれステータ２で発生する磁束に基づいて誘導電流を誘起させる誘導コイル２３と、を備えている。

アキシャルギャップロータ３は、非磁性部材２１、複数のアキシャルギャップロータティース２２、および誘導コイル２３を、例えば樹脂を硬化させて一体化したものである。

非磁性部材２１は、非磁性金属（例えばアルミニウム）や樹脂のような非磁性材料で製作されている。非磁性部材２１には、アキシャルギャップロータティース２２が取り付けられ、複数のアキシャルギャップロータティース２２の相対的な位置が定められている。非磁性部材２１（および樹脂）によって、アキシャルギャップロータ３とラジアルギャップロータとの間、および、複数のアキシャルギャップロータティースの間の磁気抵抗が高められている。

複数、例えば８つのアキシャルギャップロータティース２２は、第二次高調波成分を導くため放射状に配置されたセグメント構造を有している。アキシャルギャップロータティース２２は、断面が概略台形の短尺な棒体であり、台形の短辺を径方向内側に配置し、台形の長辺を径方向外側に配置している。アキシャルギャップロータティース２２は、高透磁率の磁性材料で製作されている。アキシャルギャップロータティース２２は、回転軸６の中心線に平行な方向に延びている。

誘導コイル２３は、アキシャルギャップロータティース２２に集中巻きされている。誘導コイル２３は、外部電源に非接続である。アキシャルギャップロータティース２２毎に巻かれた誘導コイル２３は、アキシャルギャップロータ３全体で直列に接続されている。なお、誘導コイル２３は、全てのアキシャルギャップロータティース２２に巻かれている必要はなく、アキシャルギャップロータティース２２の少なくとも１つに巻かれていれば良い。

回転電機１は、ステータ２のアキシャル面の突極数（すなわち第一ティース部１５の数）とアキシャルギャップロータ３の誘導コイル２３のコア数との比を３：２に設定し、第二次空間高調波成分を効率的に界磁エネルギー源として活用する。

セグメント構造のアキシャルギャップロータティース２２とラジアルギャップロータ５との間に非磁性部材２１が介在しているため、第２次空間高調波成分はラジアルギャップロータ５の基本波磁束の磁路には干渉しない。

また、複数のアキシャルキャップロータティース２２同士の間にも非磁性部材２１および樹脂が介在しているため、基本波磁束の磁路を形成せず、第二次空間高調波成分のみの磁路を形成するため、アキシャル面におけるドラッグトルク（「ブレーキトルク」とも呼ばれる）を大幅に低減する。セグメント構造のアキシャルギャップロータティース２２は、磁路を必要最小限にすることで、磁束の鎖交によって生じる鉄損を抑制する。

図７は、本発明の実施形態に係る回転電機の横断面図である。

なお、図７は、回転電機１の１/４周、すなわち９０度の領域の横断面図であるが、他の領域も同様の構造を有する。

図１および図２に加えて図７に示すように、本実施形態に係る回転電機１のラジアルギャップロータ５は、ステータコア１１に対面するラジアルギャップロータコア３１と、ラジアルギャップロータコア３１に設けられラジアルギャップロータコア３１の周方向に等間隔で並ぶ複数のラジアルギャップロータティース３２と、ラジアルギャップロータティース３２のそれぞれに設けられる永久磁石３３と、隣り合うラジアルギャップロータティース３２の間に配置される磁路部材３４と、磁路部材３４に巻かれ誘導コイル２３が誘起させた誘導電流が通電すると磁界を発生させる界磁コイル３５と、を備えている。

ラジアルギャップロータ３およびアキシャルギャップロータ５は、一体成形され、または回転軸６を介して組み合わされ、回転一体化されている。

複数、例えば８つのラジアルギャップロータティース３２は、放射状に配置されている。ラジアルギャップロータティース３２は、ラジアルギャップロータ５の径方向外側に向かって延びている。ラジアルギャップロータティース３２は、高透磁率の磁性材料で製作されている。ラジアルギャップロータティース３２とステータティース１２との数量は異なる。したがって、ステータコア１１とラジアルギャップロータ５とが相対的に回転するとき、ラジアルギャップロータティース３２の外周面はステータティース１２の内周面に適宜、近接し、対面する。

隣り合う一対のラジアルギャップロータティース３２は、ロータスロットを画定している。ロータスロットは、隣り合うラジアルギャップロータティース３２の側面に挟まれる空間である。

永久磁石３３は、ラジアルギャップロータティース３２に埋設されている。永久磁石３３は、ラジアルギャップロータティース３２毎に２つずつ配置されている。２つの永久磁石３３は、一文字型に並んでいる。２つの永久磁石３３の間には、ブリッジ部３６が設けられている。なお、２つの永久磁石３３は、Ｖ字型に配置されていても良い。

ラジアルギャップロータティース３２は、永久磁石３３よりもステータ２側に配置される先端部５１を有している。先端部５１は、永久磁石３３と磁路部材３４との間、および永久磁石３３とステータティース１２（第二ティース部１６）との間に磁束を通す磁路である。先端部５１は、ラジアルギャップロータティース３２の突出端に相当する。ラジアルギャップロータティース３２のうち、先端部５１よりも根元側、つまり先端部５１よりもステータ２から遠い側は、実質的に一様な幅寸法で延びている。先端部５１は、ラジアルギャップロータ５の中心からの距離を半径とする円弧状の外周面を有している。また、先端部５１は、永久磁石３３よりも磁路部材３４に向かって突出した形状を有している。具体的には、ラジアルギャップロータティース３２の幅寸法よりも拡がってロータスロットに楔状に侵入する突出部５１ａを有している。

磁路部材３４および界磁コイル３５は、ロータスロットに配置されている。

磁路部材３４は、高透磁率の磁性材料で製作されている。磁路部材３４は、ラジアルギャップロータ５の回転中心と平行に延びている。磁路部材３４は、隣り合う一対のラジアルギャップロータティース３２の先端部５１の間を短絡する磁路（以下、単に「磁路」または「バイパス磁路」と言う）を形成する。

磁路部材３４は、界磁コイル３５が巻かれる基部６１と、隣り合う一対のラジアルギャップロータティース３２のうち少なくとも一方の先端部５１にむかって延びる突出部６２と、を備えている。ラジアルギャップロータティース３２の先端部５１と磁路部材３４の突出部６２との間には、間隔Ｇ３が設けられている。

基部６１は、界磁コイル３５を巻き付けることが可能な板状の形状を有する。基部６１は、ラジアルギャップロータ５の回転中心と平行に延び、かつ隣り合う一対のラジアルギャップロータティース３２の間に架け渡されるように、ラジアルギャップロータ５の周方向に延びている。

突出部６２は、基部６１の周方向側の端部からラジアルギャップロータティース３２の先端部５１へ向かって延びている。

ラジアルギャップロータティース３２と磁路部材３４との間隔Ｇ３は、ステータティース１２（第二ティース部１６）とラジアルギャップロータコア３１との間隔Ｇ４よりも広い。間隔Ｇ３は、ラジアルギャップロータティース３２の先端部５１の突出部５１ａと、磁路部材３４の突出部６２との最短距離である。間隔Ｇ４は、ステータ２の第二ティース部１６の最内周面と、ラジアルギャップロータティース３２の先端部５１の最外周面との最短距離であり、実質的にステータ２とラジアルギャップロータ５との隙間Ｇ２と同じである。

ラジアルギャップロータティース３２と磁路部材３４との間隔Ｇ３を、隙間（空気）で隔てる場合、磁路部材３４は、ラジアルギャップロータコア３１の軸方向におけるそれぞれの端部でラジアルギャップロータコア３１に固定される。ラジアルギャップロータティース３２と磁路部材３４との間隔Ｇ３は、隙間ではなく、非磁性体、例えば樹脂で満たされていても良い。この場合、磁路部材３４は、間隔Ｇ３を埋める樹脂でラジアルギャップロータコア３１に固定される。

永久磁石３３は、隣り合う一対のラジアルギャップロータティース３２においての磁極（Ｎ極、Ｓ極）を逆に向けて設置されている。換言すると、永久磁石３３は、磁路部材３４を挟んで隣り合うもの同士の極性が反対である。ラジアルギャップロータ５の全周においては、永久磁石３３は、ラジアルギャップロータティース３２毎に磁極（Ｎ極、Ｓ極）を交互に逆に向けて設置されている。ある１つのステータティース１２（第二ティース部１６）に着目すると、ラジアルギャップロータ５とステータ２とが相対回転するとき、永久磁石３３のＮ極およびＳ極が、交互に繰り返しステータティース１２（第二ティース部１６）に対面する。

界磁コイル３５は、磁路部材３４の基部６１に集中巻きされている。界磁コイル３５は、隣り合う一対のラジアルギャップロータティース３２の間で磁路を短絡させる向きに巻かれている。また、界磁コイル３５は、ラジアルギャップロータ５の径方向に向かって巻かれている。磁路部材３４毎に巻かれた界磁コイル３５は、ラジアルギャップロータ５全体で直列に接続されている。なお、界磁コイル３５は、並列接続しても良いし、別回路を設ける構造としても良い。

図８は、本発明の実施形態に係る回転電機の誘電コイルおよび界磁コイルの回路図である。

図８に示すように、本実施形態に係る回転電機１は、誘導コイル２３で発生する交流の誘導電流を直流の界磁電流にして界磁コイル３５に供給する。回転電機１は、界磁コイル３５に界磁電流を流し、磁路部材３４を電磁石として機能させる。なお、誘導コイル２３ａは、例えばステータ２の軸方向の一方に配置されるアキシャルギャップロータ３の誘導コイル２３であり、誘導コイル２３ｂは、例えばステータ２の軸方向の他方に配置されるアキシャルギャップロータ３の誘導コイル２３である。

誘導コイル２３および界磁コイル３５は、ダイオード７１ａ、７１ｂを介して接続されている。換言すると、誘導コイル２３および界磁コイル３５は、誘導回路および界磁回路として、外部の電源等の回路に接続されることのない閉回路内にダイオード７１ａ、７１ｂとともに組み込まれている。

この閉回路は、誘導コイル２３で発生する交流の誘導電流を、ダイオード７１ａ、７１ｂを介して半波整流させて直流界磁電流に調整し、この後に合流させて界磁コイル３５に供給する。

ダイオード７１ａ、７１ｂは、それぞれ１８０度位相差になるように結線され、誘導コイル２３の誘導電流を反転させて半波整流出力する中性点クランプ型の半波整流回路を構成している。

上述したとおり、回転電機１は、トロイダル集中巻されるステータ２と、ステータ２のアキシャル面に配置され誘導コイル２３を有するアキシャルギャップロータ３と、ステータ２のラジアル面に配置され界磁コイル３５を有するラジアルギャップロータ５と、を備えている。このように構成される回転電機１は、ステータ２の電機子コイル１３に通電することにより磁束を発生させる。この磁束は、ステータティース１２のラジアル面から対面するラジアルギャップロータティース３２の先端部５１の外周面に鎖交する。回転電機１は、ステータティース１２とラジアルギャップロータティース３２との間で鎖交する磁束の磁路を最短にしようとするリラクタンストルク、および永久磁石３３の磁気反発力ならびに磁石吸引力によるマグネットトルクによってラジアルギャップロータ５を回転させる。そして、回転電機１は、ラジアルギャップロータ５と一体回転する回転軸６から機械的エネルギーを出力する。

ところで、一般的な固定界磁形の永久磁石同期モータは、高回転で駆動するとき、永久磁石の磁束に起因する逆起電力（ステータ巻線誘導起電力、速度起電力とも言う）が増加する。そこで、逆起電力の電圧が電源電圧を超えないように、インバータを用いた電圧制限制御、いわゆる弱め磁束制御が行われる。この弱め磁束制御は、トルクに寄与しない磁束ベクトル方向に永久磁石の磁束を打ち消すベクトルを発生させる。したがって、弱め磁束制御は、モータの出力に寄与しない無駄なエネルギーを必要とし、効率を低下させる。また、弱め磁束制御は、ステータとロータとのギャップ中の磁束を大きく歪ませ、高調波成分を発生させ、鉄損を増加させ、電磁振動を増加させる。さらに、弱め磁束制御は、永久磁石に対向する逆磁界ベクトルを発生させて永久磁石の磁束を抑え込むため、比較的保磁力の高い磁石を必要とし、コストを増加させる。

本実施形態に係る回転電機１も、ステータティース１２からラジアルギャップロータティース３２に鎖交する磁束に高調波成分が重畳する。基本周波数の磁束に重畳する高調波成分は、基本周波数と異なる周期で時間的に変化しつつアキシャルギャップロータティース２２にも鎖交する。

そこで、回転電機１は、ステータ２からアキシャルギャップロータ３に鎖交する磁束の高調波成分の磁束密度の変化を利用して、アキシャルギャップロータ３の誘導コイル２３に誘導電流を発生させる。つまり、誘導コイル２３は、第二次高調波成分を利用することによって、外部からの電力等を必要とすることなく、効率よく誘導電流を発生させる。この結果、回転電機１は、鉄損の原因となる高調波成分を自己励磁するためのエネルギーとして回収する。

図９および図１０は、本発明の実施形態に係る回転電機の界磁コイルが生じさせる磁束の変化を概略的に示す図である。

なお、図９および図１０は、ラジアルギャップロータ５に生じる磁束を矢印で表し、ステータ２に生じる磁束を省略して図示している。

図９は、回転電機１が低速で回転しているときの様子を示し、図１０は、回転電機１が高速で回転しているときの様子を示している。

回転電機１は、誘導コイル２３が発生させた誘導電流をダイオード７１ａ、７１ｂで整流し、この整流した誘導電流を界磁電流として界磁コイル３５に流す。界磁コイル３５は、界磁電流が流れることによって自己励磁し、磁路部材３４、つまりバイパス磁路に磁極を形成する。誘導コイル２３に発生する誘導起電力は、ファラデーの法則に基づき、回転電機１の回転速度の増加とともに増加する、つまり正の相関関係を有する。図９は回転電機１が低速で回転し誘導起電力が小さい状態を図示しているため、界磁電流（または界磁コイルの起電力）の図示を省略している。他方、図１０は、回転電機１が低速で回転し誘導起電力が大きい状態を図示しているため、界磁電流（または界磁コイルの起電力）を図示している。誘導コイル２３に発生する誘導起電力が回転電機１の回転速度の増加とともに増加するため、界磁コイル３５は、回転電機１の回転速度の増加とともに磁路部材３４の磁力を強め、隣り合うラジアルギャップロータティース３２（３２ａ、３２ｂ）に埋設される永久磁石３３（３３ａ、３３ｂ）の磁束をラジアルギャップロータ５内で短絡させ、ハルバッハ配列を形成する。この結果、回転電機１は、回転速度の変化に応じてステータ２に鎖交する磁束量を変化させる。換言すると、回転電機１は、回転速度の変化に応じてステータ２に鎖交する磁束量を可変させる。図９および図１０は、磁路部材３４の磁力による影響を矢印の太さで表している。回転電機１は、ステータ２に鎖交する磁束量を可変させるため、ステータ２に鎖交する磁束量を「φ」と表すとき、ステータ端子電圧Ｖ＝電機子コイル巻数Ｎ×ｄφ／ｄｔで表されるステータ端子電圧Ｖの増加を防ぐことができる。

したがって、回転電機１は、ステータ２に鎖交する磁束量を制御し、ステータ端子電圧Ｖの増加を防ぎ、ひいては弱め界磁制御を不要にできる。また、回転電機１は、弱め界磁制御に起因するモータ電磁振動を大幅に低減させる。そして、回転電機１は、高回転時における出力を増加させ、効率を向上させる。

また、回転電機１は、回転速度の増加に応じて磁路部材３４の磁力を強め、この磁力を永久磁石３３の磁束の短絡に利用するため、誘導起電力が増加する高回転域で特に好適である。

なお、アキシャルギャップロータ３およびラジアルギャップロータ５は、誘導コイル２３と界磁コイル３５とが電気的に接続されている限りにおいて、常に回転一体化されている必要はない。

次いで、本実施形態に係る回転電機１の他の例を説明する。なお、各例で説明する回転電機１Ａ、１Ｂ、および１Ｃにおいて、図１から図１０の回転電機１と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図１１は、本発明の実施形態に係る回転電機の他の例の横断面図である。

図１１に示すように、本実施形態に係る回転電機１Ａは、ラジアルギャップロータ５の中心側から略一様な幅寸法で延びるラジアルギャップロータティース３２Ａと、磁路部材３４Ａと、を備えている。

ラジアルギャップロータティース３２Ａは、根元から突出端、つまり先端部５１Ａまでラジアルギャップロータ５の中心側から略一様な幅寸法で延びている。

磁路部材３４Ａは、誘導コイル２３が巻かれる基部６１と、隣り合う一対のラジアルギャップロータティース３２Ａの先端部５１Ａにむかって延びる突出部６２Ａと、を備えている。磁路部材３４Ａの突出部６２Ａは、図７における先端部５１の突出部５１ａを兼ねている。

図１２は、本発明の実施形態に係る回転電機の他の例の横断面図である。

図１２に示すように、本実施形態に係る回転電機１Ｂは、ラジアルギャップロータティース３２Ｂと、磁路部材３４Ｂと、を備えている。

磁路部材３４Ｂは、誘導コイル２３が巻かれる基部６１を有する。

ラジアルギャップロータティース３２Ｂは、磁路部材３４Ｂの基部６１に向かって延びる先端部５１Ｂを有している。ラジアルギャップロータティース３２Ｂの先端部５１Ｂは、図７における磁路部材３４の突出部６２を兼ねている。

図１３は、本発明の実施形態に係る回転電機の他の例の横断面図である。

図１３に示すように、本実施形態に係る回転電機１Ｃは、ラジアルギャップロータ５の周方向において非対称なラジアルギャップロータティース３２Ｃと、磁路部材３４Ｃと、を備えている。

ラジアルギャップロータティース３２Ｃは、ラジアルギャップロータ５の周方向においていずれか一方、図１３では時計回りの方向に図１１と同様な構造を有し、ラジアルギャップロータ５の周方向においていずれか他方、図１３では反時計回りの方向に図１２と同様な構造を有している。

磁路部材３４Ｃは、ラジアルギャップロータ５の周方向においていずれか一方、図１３では時計回りの方向に図１２と同様な構造を有し、ラジアルギャップロータ５の周方向においていずれか他方、図１３では反時計回りの方向に図１１と同様な構造を有している。

ラジアルギャップロータティース３２Ｃの時計回り方向の半分は、根元から突出端、つまり先端部５１Ｃまでラジアルギャップロータ５の中心側から略一様な幅寸法で延びている。

磁路部材３４Ｃの反時計回り方向の半分は、誘導コイル２３が巻かれる基部６１と、隣り合う一対のラジアルギャップロータティース３２Ｃの先端部５１Ｃにむかって延びる突出部６２Ｃと、を備えている。磁路部材３４Ｃの突出部６２Ｃは、図７における先端部５１の突出部５１ａを兼ねている。

磁路部材３４Ｃの時計回りの半分は、誘導コイル２３が巻かれる基部６１を有する。

ラジアルギャップロータティース３２Ｃの反時計回りの半分は、磁路部材３４Ｃの基部６１に向かって延びる先端部５１Ｃを有している。ラジアルギャップロータティース３２Ｃの先端部５１Ｃは、図７における磁路部材３４の突出部６２を兼ねている。

図１３の回転電機１Ｃは、図１３における時計回りおよび反時計回りのいずれか一方にのみ回転させる場合に好適である。また、回転電機１Ｃは、正転と逆転との特性を変化させる場合にも好適である。

このように構成される本実施形態に係る回転電機１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃは、誘導コイル２３と界磁コイル３５とを別々のロータ（すなわち、アキシャルギャップロータ３、ラジアルギャップロータ５）に巻いているため、従来の回転電機のように誘導コイル２３と界磁コイル３５とを同一のロータに巻く場合に比べてそれぞれのコイルを巻く領域をより大きく確保することができる。このことは、誘導コイル２３および界磁コイル３５それぞれの巻き数を増加させ、空間高調波の利用効率を高める。

また、本実施形態に係る回転電機１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃは、隣り合うラジアルギャップロータティース３２、３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃの間に、永久磁石３３の磁束のバイパス回路としての磁路部材３４、３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃを配置しているため、ラジアルギャップロータティース３２、３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃにフラックスバリアとしての空隙を設けてバイパス回路を形成する場合に比べ、永久磁石３３を配置する場所を大きく確保することができる。なお、ラジアルギャップロータティース３２、３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃにフラックスバリアを設けてバイパス回路を形成する場合には、より小さい永久磁石３３を配置して界磁コイル３５の配置場所を確保する代わりにより小さい永久磁石３３を採用したり、同程度の大きさの永久磁石３３を配置することでラジアルギャップロータティース３２、３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃを周方向に幅広に確保する代わりに界磁コイル３５の巻き数を減じたりしなければならなくなる。

さらに、本実施形態に係る回転電機１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃは、界磁コイル３５を磁路部材３４、３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃに巻いているため、界磁コイル３５を永久磁石に巻く場合に比べ、永久磁石の磁気抵抗がなく、界磁コイル３５の磁束が通りやすく、効率的に磁束を発生させることができる。

さらにまた、本実施形態に係る回転電機１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃは、ラジアルギャップロータティース３２、３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃと磁路部材３４、３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃとの間隔Ｇ３を有するため、磁路部材３４、３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃに巻かれる界磁コイル３５に生じる熱がラジアルギャップロータティース３２、３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃに埋設される永久磁石３３に伝わり難く、熱影響による永久磁石３３の磁気特性の低下を防止できる。

また、本実施形態に係る回転電機１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃは、ラジアルギャップロータティース３２、３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃと磁路部材３４、３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃとの間隔Ｇ３が、ステータティース１２とラジアルギャップロータコア３１との間隔Ｇ４よりも広いため、ラジアルギャップロータティース３２、３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃと磁路部材３４、３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃとの間の磁気抵抗が、ステータコア１１とラジアルギャップロータコア３１との磁気抵抗よりも大きい。このことは、界磁コイル３５に流れる界磁電流が少ない低回転時において、磁路部材３４、３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃを介する永久磁石３３間の磁束の短絡を減じ、トルクの低下を抑制する。

さらに、本実施形態に係る回転電機１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃは、ラジアルギャップロータ５の径方向に向かって巻かれる界磁コイル３５を備えているため、極数の多いロータ、つまりラジアルギャップロータティース３２、３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃが多く、ロータスロットの幅が狭いラジアルギャップロータ５であっても、界磁コイル３５の占積率を高めることができる。

さらにまた、本実施形態に係る回転電機１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃは、永久磁石３３と電磁石になった磁路部材３４、３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃとがハルバッハ配列になるため、界磁コイル３５の磁束を永久磁石３３の磁束に作用させやすい。

また、本実施形態に係る回転電機１、１Ａ、１Ｃは、誘導コイル２３が巻かれる基部６１から隣接する一対のラジアルギャップロータティース３２、３２Ａ、３２Ｃのうち少なくとも一方の先端部５１にむかって延びる突出部６２、６２Ａ、６２Ｃを有する磁路部材３４、３４Ａ、３４Ｃを備えることによって、界磁コイル３５の配置の自由度を高めることができる。磁路部材３４、３４Ａ、３４Ｃは、ロータスロットの径方向における略中央に基部６１を配置することで界磁コイル３５の占積率を高めることができる。このとき、磁路部材３４、３４Ａ、３４Ｃの基部６１とラジアルギャップロータティース３２、３２Ａ、３２Ｃの先端部５１、５１Ａ、５１Ｃとは、ラジアルギャップロータ５の径方向に離間してしまうことになる。そこで、回転電機１、１Ｂ、１Ｃは、磁路部材３４、３４Ｂ、３４Ｃに突出部６２を設けることによって、基部６１とラジアルギャップロータティース３２、３２Ａ、３２Ｃの先端部５１、５１Ａ、５１Ｃとの離間距離、すなわち間隔Ｇ３を容易に調整することができる。

さらに、本実施形態に係る回転電機１、１Ｂ、１Ｃは、ラジアルギャップロータティース３２、３２Ｂ、３２Ｃに永久磁石３３よりも磁路部材３４、３４Ｂ、３４Ｃに向かって突出した形状を有する先端部５１、５１Ｂ、５１Ｃを有することによって、永久磁石３３の磁束を磁束線に沿ったバイパス磁路に容易に形成できる。

図１４は、本発明の実施形態に係る回転電機の他の例の横断面図である。

なお、本実施形態に係る回転電機１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃは、図１から図１３のようなステータ２の内側にラジアルギャップロータ５を配置するインナーロータ型に限られず、図１４に示すように、ステータ２の外側にラジアルギャップロータ５を配置するアウターロータ型であっても良い。

この場合、回転電機１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃは、筒状のステータ２と、ステータ２の軸方向の少なくともいずれか一方に配置され、隙間Ｇ１を隔ててステータ２に対面するアキシャルギャップロータ３と、ステータ２の径方向外側に配置され、隙間Ｇ２を隔ててステータ２に対面するラジアルギャップロータ５と、を備えることになる。ステータ２の第二ティース部１６は、第一ティース部１５の外側の形状に整合してステータコア１１の中心線に向かって狭まる台形状を有している。第二ティース部１６は、ステータコア１１の外周面を長手方向、つまりステータコア１１の中心線に平行な方向へ延びている。ラジアルギャップロータティース３２は、ラジアルギャップロータ５の径方向内側に向かって延びている。

また、本実施形態に係る回転電機１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃは、非磁性部材２１に代えて、または非磁性部材２１とは別に、アキシャルギャップロータティース２２と同一材料で形成されるアキシャルギャップロータコアを備えていても良い。この場合、アキシャルギャップロータコアとアキシャルギャップロータティース２２とを一体形成でき、製造コストおよび製造工数を低減することができる。

また、本実施形態に係る回転電機１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃは、アキシャルギャップロータ３の非磁性部材２１および誘導コイル２３と、ラジアルギャップロータ５のラジアルギャップロータコア３１、界磁コイル３５、永久磁石３３、および磁路部材３４とを入れ替えても良い。つまり、回転電機１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃのラジアルギャップロータ５は、非磁性部材２１、ステータコア１１に対面し周方向に等間隔で並ぶ複数のラジアルギャップロータティース３２と、ラジアルギャップロータティース３２に巻かれステータ２で発生する磁束に基づいて誘導電流を誘起させる誘導コイル２３と、を有し、アキシャルギャップロータ３は、ステータコア１１に対面するアキシャルギャップロータコア２１と、アキシャルギャップロータコア２１に設けられアキシャルギャップロータコア２１の周方向に等間隔で並ぶ複数のアキシャルギャップロータティース２２と、アキシャルギャップロータティース２２のそれぞれに設けられる永久磁石３３と、隣り合うアキシャルギャップロータティース２２の間に配置される磁路部材３４と、磁路部材３４に巻かれ誘導コイル２３が誘起させた誘導電流が流れると磁界を発生させる界磁コイル３５と、を有するものであっても良い。この場合においても、本実施形態に係る回転電機１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃは、非磁性部材２１に代えて、または非磁性部材２１とは別に、アキシャルギャップロータティース２２と同一材料で形成されるアキシャルギャップロータコアを設けても良い。

図１５は、本発明の実施形態に係る回転電機の他の例の界磁コイルが生じさせる磁束の変化を概略的に示す図である。

さらに、本実施形態に係る回転電機１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃは、図１０のように界磁コイル３５の起磁力を、電機子コイル１３および永久磁石３３の磁束を弱める方向に利用するものに限られない。インバータの電源電圧に制約がなければ、本実施形態に係る回転電機１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃは、図１５に示すように従来技術のように、界磁コイル３５の起磁力を、電機子コイル１３および永久磁石３３の磁束を強める方向に利用しても良い。この場合、界磁コイル３５は、図１０の場合の反対方向に巻かれる。

さらにまた、本実施形態に係る回転電機１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃは、誘導コイル２３と界磁コイル３５とをアキシャルギャップロータ３とラジアルギャップロータ５とに分けて配置するものに限られない。本実施形態に係る回転電機１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃは、誘導コイル２３と界磁コイル３５とを兼用するコイルを、アキシャルギャップロータ３およびラジアルギャップロータ５のそれぞれに設けても良い。この場合、本実施形態に係る回転電機１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃは、誘導コイル２３および界磁コイル３５を兼用するコイルを別々のロータ（すなわち、アキシャルギャップロータ３、ラジアルギャップロータ５）に巻いているため、従来の回転電機のように誘導コイル２３と界磁コイル３５とを同一のロータに巻く場合に比べてそれぞれのコイルを巻く領域をより大きく確保することができる。

また、本実施形態に係る回転電機１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃは、外部からアキシャルギャップロータ３およびラジアルギャップロータ５にエネルギーを入力する必要のない構造を有し、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車に搭載することが好適な性能を有している。

したがって、本発明に係る回転電機１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃによれば、誘導コイル２３および界磁コイル３５の巻き数を確保し易く、ひいては空間高調波成分をより効率的に利用することができる。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ…回転電機、２…ステータ、３…アキシャルギャップロータ、５…ラジアルギャップロータ、６…回転軸、７…ケーシング、１１…ステータコア、１２…ステータティース、１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ…電機子コイル、１５…第一ティース部、１６…第二ティース部、２１…非磁性部材、２２…アキシャルギャップロータティース、２３、２３ａ、２３ｂ…誘導コイル、３１…ラジアルギャップロータコア、３２、３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３２ａ、３２ｂ…ラジアルギャップロータティース、３３、３３ａ、３３ｂ…永久磁石、３４、３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃ…磁路部材、３５…界磁コイル、３５…界磁コイル、３６…ブリッジ部、５１、５１Ａ、５１Ｂ、５１Ｃ…先端部、５１ａ…突出部、６１…基部、６２、６２Ａ、６２Ｃ…突出部、７１ａ、７１ｂ…ダイオード。

Claims (6)

1. 筒状のステータと、
   前記ステータの軸方向の少なくともいずれか一方に配置され隙間を隔てて前記ステータに対面するアキシャルギャップロータと、
   前記ステータの径方向内側または外側に配置され隙間を隔てて前記ステータに対面するラジアルギャップロータと、を備え、
   前記ステータは、
   ステータコアと、
   前記ステータコアに設けられ前記ステータコアの周方向に等間隔で並ぶ複数のステータティースと、
   前記ステータコアまたは前記ステータティースに巻かれる電機子コイルと、を有し、
   前記アキシャルギャップロータは、
   前記ステータコアに対面し前記アキシャルギャップロータコアの周方向に等間隔で並ぶ複数のアキシャルギャップロータティースと、
   前記アキシャルギャップロータティースに巻かれ前記ステータで発生する磁束に基づいて誘導電流を誘起させる誘導コイルと、を有し、
   前記ラジアルギャップロータは、
   前記ステータコアに対面するラジアルギャップロータコアと、
   前記ラジアルギャップロータコアに設けられ前記ラジアルギャップロータコアの周方向に等間隔で並ぶ複数のラジアルギャップロータティースと、
   前記ラジアルギャップロータティースのそれぞれに設けられる永久磁石と、
   隣り合う前記ラジアルギャップロータティースの間に配置される磁路部材と、
   前記磁路部材に巻かれ前記誘導電流が流れると磁界を発生させる界磁コイルと、を有し、
   前記ラジアルギャップロータティースは、前記永久磁石よりも前記ステータ側に配置され前記永久磁石と前記磁路部材との間、および前記永久磁石と前記ステータティースとの間に磁束を通す磁路としての先端部を有する回転電機。
2. 前記ラジアルギャップロータティースと前記磁路部材との間隔は、前記ステータティースと前記ラジアルギャップロータコアとの間隔よりも広い請求項１に記載の回転電機。
3. 前記界磁コイルは、前記ラジアルギャップロータの径方向に向かって巻かれている請求項１または２に記載の回転電機。
4. 前記永久磁石は、前記磁路部材を挟んで隣り合うもの同士の極性が反対であり、
   前記磁路部材は、前記誘導コイルが巻き付けられる基部と、隣接する一対の前記ラジアルギャップロータティースのうち少なくとも一方の前記先端部にむかって延びる突出部と、を有している請求項３に記載の回転電機。
5. 前記先端部は、前記永久磁石よりも前記磁路部材に向かって突出した形状を有する請求項４に記載の回転電機。
6. 筒状のステータと、
   前記ステータの軸方向の少なくともいずれか一方に配置され隙間を隔てて前記ステータに対面するアキシャルギャップロータと、
   前記ステータの径方向内側または外側に配置され隙間を隔てて前記ステータに対面するラジアルギャップロータと、を備え、
   前記ステータは、
   ステータコアと、
   前記ステータコアに設けられ前記ステータコアの周方向に等間隔で並ぶ複数のステータティースと、
   前記ステータコアまたは前記ステータティースに巻かれる電機子コイルと、を有し、
   前記ラジアルギャップロータは、
   前記ステータコアに対面すし周方向に等間隔で並ぶ複数のラジアルギャップロータティースと、
   前記ラジアルギャップロータティースに巻かれ前記ステータで発生する磁束に基づいて誘導電流を誘起させる誘導コイルと、を有し、
   前記アキシャルギャップロータは、
   前記ステータコアに対面するアキシャルギャップロータコアと、
   前記アキシャルギャップロータコアに設けられ前記アキシャルギャップロータコアの周方向に等間隔で並ぶ複数のアキシャルギャップロータティースと、
   前記アキシャルギャップロータティースのそれぞれに設けられる永久磁石と、
   隣り合う前記アキシャルギャップロータティースの間に配置される磁路部材と、
   前記磁路部材に巻かれ前記誘導電流が流れると磁界を発生させる界磁コイルと、を有する回転電機。

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