JP6772492B2 - 回転電機 - Google Patents

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。

第２回転子を第１回転子から回転軸方向に離隔させた任意所定位置に移動させた状態では、固定子鉄心に設けられた磁気抵抗層によって回転軸方向に生じる磁束流れを遮断することができる。これにより、磁束可変型回転電機の高速回転領域における鉄損を低減することができる。

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永久磁石を有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、所定の間隔で配置される複数のステータティースを有する環状のステータコアと、隣り合う前記ステータティースの間にトロイダル巻された前記電機子コイルと、を有し、前記ロータは、前記ステータコアの軸方向の少なくとも何れか一方の面側に前記永久磁石を内包するロータコアを有し、前記ステータコアの径方向の内面側に配置され、前記ステータ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誘導コイル及び該誘導コイルの巻かれた誘導コアと、前記永久磁石の周囲に配置され、前記永久磁石の磁束の一部を導く磁路部材と、前記磁路部材に設けられ前記誘導コイルで発生した誘導電流に基づいて前記磁路部材に導かれる磁束の磁束量を調整可能な可変界磁コイルと、を有し、前記磁路部材は、前記永久磁石に隣接し、前記永久磁石の軸方向の一方の面側と他方の面側にそれぞれ配置されている隣接部と、前記隣接部とは分離されている分離部とを有し、前記隣接部と前記分離部とによって、前記永久磁石の周囲に環状に形成されており、前記隣接部の端部と前記分離部の端部との間には高磁気抵抗の領域が形成されており、前記可変界磁コイルは、前記分離部に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、本発明の一実施の形態に係る回転電機の一部断面斜視図である。 図２は、本発明の一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整流回路との結線図である。 図３は、本発明の一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ロータからステータに鎖交する磁束量を示す模式図である。 図４は、本発明の一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ロータからステータに鎖交する磁束量を示す模式図である。 図５は、本発明の他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ロータからステータに鎖交する磁束量を示す模式図である。 図６は、本発明の他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ロータからステータに鎖交する磁束量を示す模式図である。

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。図１から図６は本発明の一実施の形態に係る回転電機を説明する図である。

図１および図３に示すように、回転電機１は、ステータ１０とロータ２０とを備えている。回転電機１は、ロータ２０をステータ１０の軸方向に配置したパンケーキ型のアキシャルギャップ構造を有する。ステータ１０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。ロータ２０は、永久磁石２２３を有し、ステータ１０で発生した磁束の通過により回転する。

（ステータ）
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と、このステータコア１２に巻き回された電機子コイル１１とを備えている。ステータ１０は、ステータコア１２の外周面に設けられた非磁性体からなる図示しない連結片を介して図示しないモータケースに磁気的に遮断された状態で固定されている。これにより、例えば漏れ磁束の発生等が抑制される。

ステータコア１２には、軸方向の両側と径方向の内方側に突出したステータティース１３が周方向に所定の間隔で複数形成されている。各ステータティース１３は、軸方向の両側に突出した側面部１３ａと、径方向の内方側に突出した内面部１３ｂとを有する。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。ここで、軸方向とは、ロータ２０の回転軸２（図３参照）が延伸する方向を示す。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に近い側を示し、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、回転軸を中心として放射方向に示される。

電機子コイル１１は、ステータコア１２の周方向において隣り合うステータティース１３の間に形成されたスロット１４にトロイダル巻されている。Ｗ相、Ｖ相、Ｕ相の各電機子コイル１１は、集中巻によりスロット１４に巻き回されている。トロイダル巻とは、ステータコア１２の環の内側と外側を交互に通るよう周回させて、ステータコア１２に電機子コイル１１の巻線を巻き回す方法である。

電機子コイル１１は、断面が長方形の平角線からなり、エッジワイズ巻によるトロイダル巻の状態で、スロット１４に巻回されている。エッジワイズ巻とは、スロット１４に対して、平角線の短辺を回転電機１の径方向の内側と外側に対向させて、平角線を縦に巻き回す方法である。

これにより、巻ピッチ方向に隣り合う平角線同士が長辺で面接触するため、電流に応じた断面積を維持したまま巻数を増加できる。このため、電機子コイル１１の占積率を向上でき、ステータ１０の起磁力を増大できる。

ステータティース１３の側面部１３ａには、後述するロータコア２１１が対向するようになっている。ステータティース１３の内面部１３ｂには、後述する誘導コア２１４が対向するようになっている。

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。

具体的には、電機子コイル１１は、ステータティース１３の周方向における両隣に配置されており、この一対の電機子コイル１１は、一方の電機子コイル１１から発生する磁束と、他方の電機子コイル１１から発生する磁束とで、磁束の方向が周方向において反対方向となるように、その巻方向及び通電方向が設定されている。

これにより、例えば一方の電機子コイル１１がＶ＋相で、他方の電機子コイル１１がＶ−相の場合、この一対の電機子コイル１１から発生する磁束は、一対の電機子コイル１１によって挟まれるステータティース１３に向かい、ステータティース１３においてぶつかり合うように発生する。そして、ステータティース１３で発生した磁束は、ステータコア１２の周方向と直交する側の方向に向きを変え、ステータティース１３からロータ２０に向かう。

そして、ロータ２０に向かった磁束の一部は、後述するロータコア２１１を通過した後、Ｗ＋相とＷ−相の一対の電機子コイル１１によって挟まれたステータティース１３に向かう。また、ロータ２０に向かった磁束の一部は、後述するロータコア２１１を通過した後、Ｕ＋相とＵ−相の一対の電機子コイル１１によって挟まれたステータティース１３に向かう。

このように、ステータティース１３とロータ２０とが対向する面では、電機子コイル１１で発生した磁束の磁気回路が構成される。回転電機１は、ステータティース１３とロータ２０とが対向する面をトルク発生面としてロータ２０を回転させる。

また、ステータ１０は、上述の通り、電機子コイル１１がトロイダル巻で、かつ集中巻されている。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、軸方向においてステータ１０を挟むようにして配置された一対のアキシャルギャップロータ２１０を含んで構成されている。

一対のアキシャルギャップロータ２１０は、互いに同期して回転するように回転軸２（図３参照）に対して一体回転可能に固定されている。一対のアキシャルギャップロータ２１０は、軸方向においてステータ１０に対して対称に構成されている。以下、一対のアキシャルギャップロータ２１０のうち、軸方向の一方側（図１、図３の紙面上側）のアキシャルギャップロータ２１０について説明する。

アキシャルギャップロータ２１０は、高透磁率の磁性材料からなる環状のロータコア２１１と、永久磁石２２３と、誘導コア２１４と、誘導コイル２１５と、磁路部材２２５と、可変界磁コイル２２６ａ、２２６ｂとを備えている。

ロータコア２１１は、軸方向におけるステータコア１２の一方の面側でステータティース１３に対向するようになっている。このため、一対のロータコア２１１は、ステータコア１２の軸方向の両面側、すなわちステータコア１２の軸方向の一方側及び他方側でステータティース１３に対向するようになっている。

ロータコア２１１は、永久磁石２２３を内包している。永久磁石２２３は、ロータコア２１１のステータ１０側の面に配置されている。永久磁石２２３は、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２２３として、フェライト磁石やアルニコ磁石を採用してもよい。

誘導コア２１４は、径方向におけるステータ１０の内面側に配置されている。誘導コア２１４は、ロータコア２１１の周方向に沿って所定の間隔をおいて複数設けられている。誘導コア２１４は、回転軸２に対して一体回転可能に固定されており、一対のロータコア２１１と同期して回転するようになっている。誘導コア２１４は、ステータティース１３に対してギャップＧ２を隔てて配置されている。誘導コア２１４は、径方向に延伸する形状に形成されている。

誘導コイル２１５は、周方向に沿って誘導コア２１４の周囲に巻回されている。誘導コイル２１５は、絶縁材料で被覆した巻線からなる。

誘導コイル２１５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２１５に鎖交する。これにより、誘導コイル２１５は、誘導電流を誘起させる。

誘導コア２１４は、樹脂等の非磁性材料からなる図示しない固定部材を介して、回転軸２に一体回転可能に固定されている。これら誘導コア２１４は、互いに磁気的に分離されている。すなわち、複数の誘導コア２１４は、所謂セグメント構造に構成されている。このため、誘導コア２１４には、ステータ１０側で発生した主磁束を通過させず、高調波成分の磁束のみを通過させることができる。

誘導コア２１４をセグメント構造にしたことで、磁束が鎖交する面積を最小限にできる。このため、ステータ１０側から誘導コア２１４に磁束が鎖交するときの鉄損の発生を低減できる。

また、誘導コア２１４をセグメント構造にしたことで、誘導コア２１４は、第２次空間高調波のみの磁路を形成し、主磁束の磁路を形成しない。このため、ステータティース１３とステータティース１３の内面部１３ｂとの間で、径方向に主磁束が通過した場合におけるドラッグトルク（ブレーキトルク）の発生を大幅に低減できる。

また、このようにドラッグトルクによるトルクの低下を防止しつつ、漏れ磁束の制御用のエネルギとなる第２次空間高調波を、ステータ１０側からロータ２０の可変界磁コイル２２６に非接触で供給することができる。

ステータティース１３の内面部１３ｂの数と誘導コア２１４の数との比は、３：２となっている。これにより、第２次空間高調波を界磁エネルギとして最も効率的に活用できる。

磁路部材２２５は、永久磁石２２３の磁束の一部を導くもので、永久磁石２２３の周囲に環状に形成されている。具体的には、磁路部材２２５は、永久磁石２２３で発生した磁束のうち、永久磁石２２３からロータコア２１１の径方向に漏れる磁束（以下、この磁束を「漏れ磁束」という）を導くものである。

磁路部材２２５は、永久磁石２２３に隣接する隣接部２２５ａと、この隣接部２２５ａとは分離されている分離部２２５ｂ、２２５ｃとを備えている。分離部２２５ｂ、２２５ｃは、本発明における第１の分離部、第２の分離部をそれぞれ構成する。

隣接部２２５ａは、永久磁石２２３を軸方向で挟み込むようにして永久磁石２２３の軸方向の一方の面側と他方の面側にそれぞれ配置されている。隣接部２２５ａは、永久磁石２２３からステータ１０に鎖交する磁束を通すようになっている。隣接部２２５ａは、例えば強磁性体の微細な粉末が圧縮して固められた圧粉磁心によって成形されている。

分離部２２５ｂは、磁路部材２２５のロータコア２１１から径方向の内面側に分離された部分に相当し、高磁気抵抗の領域（後述するギャップＧ３）を介してロータコア２１１の径方向の内面側に設けられている。

分離部２２５ｂは、例えば強磁性体の微細な粉末が圧縮して固められた圧粉磁心によってコの字状に成形されている。分離部２２５ｂは、ロータコア２１１側の端面のそれぞれが各隣接部２２５ａの径方向の内面側の端面と対向するように配置されている。

分離部２２５ｂは、隣接部２２５ａとは別体として構成されており、図示しない連結部材を介してロータコア２１１に保持されている。これにより、隣接部２２５ａと分離部２２５ｂとは、ロータコア２１１の径方向で分離されている。

隣接部２２５ａの径方向の内面側の端面と、分離部２２５ｂのロータコア２１１側の端面との間には、所定の大きさのギャップＧ３（図３参照）が形成されている。このギャップＧ３が高磁気抵抗の領域として形成されている。ギャップＧ３の大きさは、後述する可変界磁コイル２２６ａに直流電流が供給されていないときには、永久磁石２２３の漏れ磁束が隣接部２２５ａから分離部２２５ｂに流れることがない、又は流れても微量となるような大きさである。また、ギャップＧ３は、後述する可変界磁コイル２２６ａに直流電流が供給されているときには、永久磁石２２３の漏れ磁束が隣接部２２５ａから分離部２２５ｂに流れるような大きさに設定されている。

分離部２２５ｂには、ロータコア２１１の周方向に沿って可変界磁コイル２２６ａが巻き回されている。可変界磁コイル２２６ａは、誘導コイル２１５で発生した誘導電流の大きさに応じて、永久磁石２２３から磁路部材２２５に導かれる漏れ磁束（すなわち磁路部材２２５内を短絡する永久磁石２２３の漏れ磁束）の磁束量を調整可能なコイルである。

可変界磁コイル２２６ａは、磁路部材２２５内を短絡して永久磁石２２３の漏れ磁束を磁路部材２２５に導く方向（図４に矢印で示す方向）に磁束（以下、この磁束を「誘導磁束」という）が流れるように、磁路部材２２５の分離部２２５ｂに対して巻き回されている。

分離部２２５ｃは、磁路部材２２５の軸方向の一方側に分離された部分に相当し、高磁気抵抗の領域（後述するギャップＧ４）を介して設けられている。分離部２２５ｃは、磁路部材２２５において、軸方向でステータ１０とは反対側に分離されている。分離部２２５ｃは、隣接部２２５ａの径方向外側の端部の軸方向における一方側から分離されており、この分離されている部分から軸方向の一方側に延伸し、さらに径方向の内側に向かって延伸した形状に形成されている。

分離部２２５ｃは、例えば強磁性体の微細な粉末が圧縮して固められた圧粉磁心によってコの字状に成形されている。分離部２２５ｃは、ロータコア２１１側の端面のそれぞれが、隣接部２２５ａの径方向外側の端部に対して軸方向で対向するように配置されている。

分離部２２５ｃは、隣接部２２５ａとは別体として構成されており、図示しない連結部材を介してロータコア２１１に保持されている。このようにして、隣接部２２５ａと分離部２２５ｃとは、ロータコア２１１の軸方向で分離されている。

また、隣接部２２５ａの径方向外側の端部の側面と、分離部２２５ｃのロータコア２１１側の端面との間には、所定の大きさのギャップＧ４（図３参照）が形成されている。このギャップＧ４が高磁気抵抗の領域として形成されている。ギャップＧ４の大きさは、後述する可変界磁コイル２２６ｂに直流電流が供給されていないときには、永久磁石２２３の漏れ磁束が隣接部２２５ａから分離部２２５ｃに流れることがない、又は流れても微量となるような大きさである。また、ギャップＧ４は、可変界磁コイル２２６ｂに直流電流が供給されているときには、永久磁石２２３の漏れ磁束が隣接部２２５ａから分離部２２５ｃに流れるような大きさに設定されている。

分離部２２５ｃには、ロータコア２１１の周方向に沿って可変界磁コイル２２６ｂが巻き回されている。可変界磁コイル２２６ｂは、誘導コイル２１５で発生した誘導電流の大きさに応じて、永久磁石２２３から磁路部材２２５に導かれる漏れ磁束（すなわち磁路部材２２５内を短絡する永久磁石２２３の漏れ磁束）の磁束量を調整可能なコイルである。

可変界磁コイル２２６ｂは、磁路部材２２５内を短絡して永久磁石２２３の漏れ磁束を磁路部材２２５に導く方向（図４に矢印で示す方向）へ磁束（以下、この磁束を「誘導磁束」という）が流れるように、磁路部材２２５の分離部２２５ｃに対して巻き回されている。

これにより、可変界磁コイル２２６ａ、２２６ｂは、後述する整流回路３０で整流された直流電流が供給されることにより誘導磁束を発生させて、図４に示すように、永久磁石２２３の漏れ磁束の磁路部材２２５内での短絡を補助するようになっている。この誘導磁束の磁束量が調整されることによって、磁路部材２２５内を短絡する永久磁石２２３の漏れ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２２６ａ、２２６ｂに供給される直流電流が大きいほど、可変界磁コイル２２６の巻き数が多いほど大きくなる。可変界磁コイル２２６ａ、２２６ｂ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２２６ａ、２２６ｂに供給される直流電流は、誘導コイル２１５に発生する誘導電流の大きさに応じて可変される。これにより、磁路部材２２５内を短絡する永久磁石２２３の漏れ磁束の磁束量は、誘導コイル２１５に発生する誘導電流の大きさに応じて調整される。誘導コイル２１５に発生する誘導電流は、ロータ２０回転速度が上昇するにつれて大きくなる。したがって、磁路部材２２５内を短絡する永久磁石２２３の漏れ磁束の磁束量は、ロータ２０回転速度が上昇するにつれて大きくなる。

（整流回路）
また、回転電機１は、誘導コイル２１５で発生した誘導電流を整流して可変界磁コイル２２６に供給する整流回路３０を備えている。

図２に示すように、整流回路３０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２１５および２つの可変界磁コイル２２６ａ、２２６ｂとを結線した閉回路として構成されている。整流回路３０は、２つの誘導コイル２１５が、ロータ２０の軸方向の一方側及び他方側に設けられている４対の可変界磁コイル２２６ａ、２２６ｂに対応するように設けられる。

整流回路３０における２つの誘導コイル２１５は、アキシャルギャップロータ２１０の周方向に隣り合う誘導コイル２１５である。４対の可変界磁コイル２２６ａ、２２６ｂは、アキシャルギャップロータ２１０の周方向に隣り合う可変界磁コイル２２６である。より詳しくは、４対の可変界磁コイル２２６ａ、２２６ｂは、ロータ２０の軸方向の一方側においてアキシャルギャップロータ２１０の周方向に隣り合う２対の可変界磁コイル２２６と、ロータ２０の軸方向の他方側の対称位置において周方向に隣り合う２対の可変界磁コイル２２６からなる。言い換えると、４対の可変界磁コイル２２６ａ、２２６ｂは、ロータ２０の周方向の同位置において軸方向の一方側及び他方側に設けられている２対の可変界磁コイル２２６（図４参照）と、この２対の可変界磁コイル２２６にロータ２０の周方向で隣り合う２対の可変界磁コイル２２６からなる。このように、４対の可変界磁コイル２２６ａ、２２６ｂは、アキシャルギャップロータ２１０の周方向に隣り合い、かつ、軸方向の対称位置にある８つの可変界磁コイル２２６からなる。

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アキシャルギャップロータ２１０に設けられている。ダイオードＤ１，Ｄ２は、アキシャルギャップロータ２１０の内部に実装するようにしてもよい。

整流回路３０において、２つの誘導コイル２１５で発生した交流の誘導電流は、ダイオードＤ１，Ｄ２により整流される。このようにして整流された直流電流は、直列接続されている４対（８つ）の可変界磁コイル２２６ａ、２２６ｂに界磁電流として供給される。これらの可変界磁コイル２２６ａ、２２６ｂ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３及び図４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２２３を備え、その永久磁石２２３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。このため、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。

また、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、上述した磁路部材２２５及び可変界磁コイル２２６ａ、２２６ｂの作用によって、永久磁石２２３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。

また、本実施の形態の回転電機１は、ロータ２０をステータ１０の軸方向に配置するパンケーキ型のアキシャルギャップ構造であるため、ステータの径方向の内面側にロータを配置するラジアルギャップ構造の回転電機と比較して、トルク発生面を拡大することができ、トルク密度を向上させることができる。

一方で、パンケーキ型のアキシャルギャップ構造では、永久磁石２２３から電機子コイル１１に鎖交する磁束量が増加するため、ラジアルギャップ構造よりも基底回転速度が低回転側にシフトし、可変速トルク特性が狭まることも考えられる。

そこで、本実施の形態では、高回転域では電機子コイル１１の逆方向の誘起電圧の増加を防ぎ、可変速特性を拡大できる構成とした。

（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２２６ａ、２２６ｂ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、ギャップＧ３、Ｇ４においては、磁気抵抗が高い状態である。

この結果、図３に示すように、永久磁石２２３の漏れ磁束は、磁路部材２２５内を短絡しない。これにより、永久磁石２２３の磁束の全てがステータ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、ロータ２０の回転速度が高いときと比べて永久磁石２２３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）
一方、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。

これにより、アキシャルギャップロータ２１０の誘導コイル２１５に誘導電流が誘起される。この誘起された誘導電流が、整流回路３０によって整流されて直流電流として可変界磁コイル２２６ａ、２２６ｂに供給される。

直流電流が供給された可変界磁コイル２２６ａ、２２６ｂは、永久磁石２２３の漏れ磁束が磁路部材２２５内を短絡する方向へ流れるように誘導磁束を発生させる。これにより、ギャップＧ３、Ｇ４における磁気抵抗が低下する。

この結果、図４に示すように、永久磁石２２３の磁束の一部が磁路部材２２５内を短絡する。これにより、永久磁石２２３の磁束のうち、磁路部材２２５内を短絡する磁束を除いた磁束がステータ１０に鎖交する。すなわち、永久磁石２２３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。

さらに、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、また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２２３からステータ１０に鎖交する磁束量を調整可能としたので、ロータ２０の回転速度が高いときであっても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。

（他の実施の形態）
磁路部材２２５は、永久磁石２２３に隣接する隣接部２２５ａと、この隣接部２２５ａとは分離されている分離部２２５ｂとから構成されていてもよい。すなわち、分離部２２５ｃを設けずに、軸方向の両側に分離部２２５ｂをそれぞれ設けてもよい。

図５において、分離部２２５ｂは、磁路部材２２５のロータコア２１１から径方向の内面側に分離した部分と、径方向の外面側に分離した部分とにそれぞれ設けられている。

図５に示す構成において、ロータ２０の回転速度が低いときは、ギャップＧ３において磁気抵抗が高い状態となり、永久磁石２２３の漏れ磁束は、磁路部材２２５内を短絡しない。これにより、永久磁石２２３の磁束の全てがステータ１０に鎖交する。このため、ロータ２０の回転速度が低いときは、ロータ２０の回転速度が高いときと比べて永久磁石２２３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。

一方、ロータ２０の回転速度が高いときは、図６に示すように、ステータ１０に高調波成分の磁束が発生し、ギャップＧ３における磁気抵抗が低下する。これにより、永久磁石２２３の磁束の一部が磁路部材２２５内を短絡し、永久磁石２２３からステータ１０に鎖交する磁束の磁束量が抑えられる。

このように、図５に示す構成においても、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、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に基づきアキシャルギャップロータ２１０の誘導コイル２１５に誘導電流を発生させて、その誘導電流を整流回路３０で整流して可変界磁コイル２２６ａ、２２６ｂに供給する。これにより、磁路部材２２５を流れる永久磁石２２３の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にトロイダル巻で、かつ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２２６ａ、２２６ｂ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２２３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２２３の磁束を可変させることができる。

また、本実施の形態では、高回転域では自励的にロータ２０内で短絡磁束が発生し、ステータ１０からロータ２０に鎖交する磁束が低減される。このため、電機子コイル１１の逆方向の誘起電圧の増加を防ぐことができ、可変速特性を拡大できる。

回転電機１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。

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 回転電機
２ 回転軸
１０ ステータ
１１ 電機子コイル
１２ ステータコア
１３ ステータティース
１３ａ 側面部
１３ｂ 内面部
１４ スロット
２０ ロータ
３０ 整流回路
２１０ アキシャルギャップロータ
２１１ ロータコア
２１４ 誘導コア
２１５ 誘導コイル
２２３ 永久磁石
２２５ 磁路部材
２２５ａ 隣接部
２２５ｂ 分離部（第１の分離部）
２２５ｃ 分離部（第２の分離部）
２２６、２２６ａ、２２６ｂ 可変界磁コイル
Ｄ１、Ｄ２ ダイオード
Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４ ギャップ

Claims (3)

1. 電機子コイルを有するステータと永久磁石を有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、
   所定の間隔で配置される複数のステータティースを有する環状のステータコアと、
   隣り合う前記ステータティースの間にトロイダル巻された前記電機子コイルと、を有し、
   前記ロータは、
   前記ステータコアの軸方向の少なくとも何れか一方の面側に前記永久磁石を内包するロータコアを有し、
   前記ステータコアの径方向の内面側に配置され、前記ステータ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誘導コイル及び該誘導コイルの巻かれた誘導コアと、
   前記永久磁石の周囲に配置され、前記永久磁石の磁束の一部を導く磁路部材と、
   前記磁路部材に設けられ前記誘導コイルで発生した誘導電流に基づいて前記磁路部材に導かれる磁束の磁束量を調整可能な可変界磁コイルと、を有し、
   前記磁路部材は、
   前記永久磁石に隣接し、前記永久磁石の軸方向の一方の面側と他方の面側にそれぞれ配置されている隣接部と、
   前記隣接部とは分離されている分離部とを有し、
   前記隣接部と前記分離部とによって、前記永久磁石の周囲に環状に形成されており、
   前記隣接部の端部と前記分離部の端部との間には高磁気抵抗の領域が形成されており、
   前記可変界磁コイルは、前記分離部に設けられていることを特徴とする回転電機。
2. 前記分離部は、前記隣接部とは径方向に分離されている第１の分離部を含むことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記分離部は、前記隣接部とは軸方向で分離され、前記隣接部の径方向外側の端部から軸方向の一方側と径方向の内側に向かって順次延伸した形状の第２の分離部を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転電機。

Images