JP6892219B2

JP6892219B2 - 回転電機

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Publication number: JP6892219B2
Application number: JP2016013662A
Authority: JP
Inventors: 雅史難波; 平本　健二; 健二平本
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2016-01-27
Filing date: 2016-01-27
Publication date: 2021-06-23
Anticipated expiration: 2036-01-27
Also published as: JP2017135853A

Description

本発明は回転電機に関し、特にステータ構造に関する。

従来から、アキシャル面をトルク発生面として利用するアキシャルモータあるいはアキシャルギャップ型モータ等の回転電機が提案されている。

特許文献１には、回転軸周りに回転可能なロータと、回転軸方向の少なくとも一方側からロータに対向配置されたステータとを備えるアキシャルギャップ型モータが記載されている。ステータは、環状のバックヨークと、該バックヨークの周方向の所定間隔毎の位置で回転軸方向にロータに向かい突出する複数のティースとを備え、ティースは略扇型のロータ対向面を有し、ティースのロータ対向面の周方向幅が径方向の一方から他方に向かい減少することに伴い、バックヨークの回転軸方向厚さが径方向の一方から他方に向かい減少傾向に変化することが記載されている。

図１５は、特許文献１に記載されたアキシャルギャップ型モータの分解斜視図である。アキシャルギャップ型モータ１００は、回転軸Ｏまわりに回転可能に設けられた略円環状のロータ１１０と、回転軸Ｏ方向の両側から所定の空隙を介してロータ１１０を挟み込むようにして対向配置され、ロータ１１０を回転させる回転磁界を発生する複数相の各固定子巻線を有する１対のステータ１２０を備える。

ステータ１２０は、略円環板状のヨーク部２１０と、ロータ１１０に対向するヨーク部２１０の対向面上で周方向に所定間隔をおいた位置から回転軸Ｏ方向にロータ１１０に向かい突出すると共に径方向に延びる複数のティース２２０と、周方向で隣り合うティース２２０間のスロット２３０に装着される固定子巻線を備える。ステータ１２０は、ヨーク部２１０の端面上に設けられた複数のボルト穴を用いてハウジングに固定される。

図１６は、ステータ１２０の上面図である。各ティース２２０間のスロット２３０の内径側の幅ａと外径側の幅ｂは同一（ａ＝ｂ）である。

特開２００９−９５０８６号公報

従来技術では、外径側ほど磁束量が増加することに着目して、バックヨークについて外径側で断面積を大きくしているが、ティース間のスロットの内径側の幅ａと外径側の幅ｂを同一としその断面積を内径側と外径側で同一としている。ティース形状はこのようなスロット形状に応じて決定されるので、ロータ側の磁石の形状の略扇形に一致しておらず、径方向で磁束密度が不均一となって局所的な磁気飽和が生じ易く、トルクが減少してしまう問題がある。

他方、図１７に示すように、スロットの内径側の幅ａと外径側の幅ｂを同一としつつ、回転軸Ｏの中心Ｏ’から放射状に延びる線に沿ってティース２２０の側面を成形することでティース２２０のロータ対向面を略扇形とすることも考えられるが、この場合にはティース２２０の外径側の幅が図１６の場合と比較して短くなってしまい、磁束が通過するティースの断面積が減少して磁気抵抗が増大してしまう。

本願発明者等は、図１７に示すティース２２０の形状、いわゆる放射状ティースでは、図１６の場合と比べてトルクが３．９％減少してしまうことをコンピュータによる磁気解析で確認している。

本発明は、かかる従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、アキシャル面をトルク面として利用する回転電機において、トルク減少を抑制することにある。

本発明の回転電機は、ステータとロータが対向配置され、アキシャル面をトルク面として用いる回転電機であって、ステータは、環状のヨーク部と、環状のヨーク部の周方向に配置され、回転軸方向にロータのアキシャル面に向かって突出する複数のティースと、隣り合うティースの間に配置された空間であって、固定子巻線が装着されるスロットとを備え、スロットの固定子巻線の通電面の内径側の周方向の幅と軸長の積である内径側断面積と、外径側の周方向の幅と軸長の積である外径側断面積を同一とし、スロットの固定子巻線の通電面の内径側形状と外径側形状が異なり、スロットの固定子巻線の通電面の内径側形状と外径側形状はともに矩形状であり、アスペクト比が互いに異なり、スロットの固定子巻線の通電面の外径側の周方向の幅は、内径側の周方向の幅よりも長く、スロットの固定子巻線の通電面の外径側の軸長は、内径側の軸長よりも短いことを特徴とする。

本発明の一つの実施形態では、環状のヨーク部の外径側の軸長は内径側の軸長よりも長い。

本発明のさらに他の実施形態では、ティースは略扇形のロータ対向面を有する。

本発明によれば、スロットの固定子巻線の通電面の内径側形状と外径側形状を異ならせ、外径側における磁石磁束の磁路長を調整することで磁気抵抗及び漏れ磁束を減少させ、トルク減少を抑制できる。また、本発明によれば、スロットの固定子巻線の通電面の内径側形状と外径側形状を異ならせるとともに、ティースのロータ対向面の形状を略扇形とすることで、径方向での磁束密度を均一化してトルク減少をさらに抑制できる。

第１実施形態のステータの上面図である。第１実施形態のステータの斜視図である。第１実施形態の固定子巻線（スロット）の模式的斜視図である。第１実施形態のヨーク部の斜視図である。第１実施形態の磁気解析結果を示すグラフである。第２実施形態のヨーク部の斜視図である。第２実施形態の磁気解析結果を示すグラフである。第３実施形態のヨーク部の斜視図である。第４実施形態の回転電機の基本概略構成を示す図（その１）である。第４実施形態の回転電機の基本概略構成を示す図（その２）である。第４実施形態の回転電機の基本概略構成を示す図（その３）である。第４実施形態の回転電機の基本概略構成を示す図（その４）である。第４実施形態の回転電機の基本概略構成を示す図（その５）である。第４実施形態の回転電機の基本概略構成を示す図（その６）である。第４実施形態のヨーク部の斜視図である。アキシャルギャップ型モータの分解斜視図である。図１５に示すモータのステータ上面図である。図１５に示すモータの他のステータ上面図である。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
＜第１実施形態＞
本実施形態のアキシャルギャップ型の回転電機の全体構成は、図１５に示すアキシャルギャップ型モータの全体構成と略同一である。

すなわち、回転軸Ｏまわりに回転可能に設けられた略円環状のロータ１１０と、回転軸Ｏ方向の両側から所定の空隙を介してロータ１１０を挟み込むようにして対向配置され、ロータ１１０を回転させる回転磁界を発生する複数相の各固定子巻線を有する１対のステータ１２０を備える。

但し、本実施形態におけるステータ１２０は、図１５に示すステータ１２０とは、ティース２２０の形状及びスロット２３０の形状が相違する。

図１は、本実施形態におけるステータ１２０の上面図である。各ティース２２０間のスロット２３０の内径側の幅ａと外径側の幅ｂは同一でなく、内径側の幅ａよりも外径側の幅ｂの方が大きく、ａ＜ｂである。また、回転軸Ｏの中心Ｏ’から放射状に延びる線に沿ってティース２２０の側面を成形することでティース２２０のロータ対向面の形状を略扇形としている。図１７に示す放射状ティースと同様である。

さらに、スロット２３０の回転軸Ｏ方向（図１において紙面に対して直交方向）の長さ（軸長）は内径側と外径側で同一ではなく、内径側の長さよりも外径側の長さを小さくする。

つまり、本実施形態では、固定子巻線が装着されるスロット２３０の通電面の断面積は内径側と外径側で同一であり、内径側の幅ａよりも外径側の幅ｂの方を大きくするとともに、外径側の軸長を内径側の軸長よりも小さくする。

図２Ａは、本実施形態のステータ１２０の斜視図を示す。ティース２２０に固定子巻線２４０を巻回した状態である。また、図２Ｂは、図２Ａにおけるスロット２３０に装着される固定子巻線２４０のみを取り出した拡大図である。

図２Ａ及び図２Ｂにおいて、回転軸Ｏ方向のスロット２３０の内径側の軸長をｃ、外径側の軸長をｄで示す。図１６に示す従来のステータ１２０ではｃ＝ｄであるが、本実施形態ではｃ＞ｄである。言い換えれば、スロット２３０に装着される固定子巻線２４０の内径側の通電面の断面積Ｓ１と外径側の通電面の断面積Ｓ２を同一とすべく、内径側の幅ａと外径側の幅ｂを
ａ＜ｂ
とするとともに、内径側の軸長ｃと外径側の軸長ｄを
ｃ＞ｄ
として、
Ｓ１＝ａ・ｃ＝ｂ・ｄ＝Ｓ２
としたものである。

スロット２３０の通電面の断面積は、図２Ｂに示すように内径側及び外径側ともに矩形状であり、
ａ＜ｂ
ｃ＞ｄ
とすることは、内径側の通電面と外径側の通電面の形状を互いに異ならせ、より特定的には、内径側の矩形状通電面のアスペクト比と、外径側の矩形状通電面のアスペクト比を互いに異ならせるものである。これに対し、図１６あるいは図１７のステータ１２０では、内径側の矩形状通電面のアスペクト比と、外径側の矩形状通電面のアスペクト比は互いに同一である。

なお、スロット２３０の軸長はティース２２０の軸長であるから、スロット２３０の内径側の軸長ｃと外径側の軸長ｄを
ｃ＞ｄ
とすることは、ティース２２０の内径側の軸長ｃと外径側の軸長ｄを
ｃ＞ｄ
とすることと等価である。

このように、本実施形態のステータ１２０によれば、ティース２２０の外径側の軸長ｄが内径側よりも短くなっており、すなわち図１６に示す従来のティース２２０よりも短くなっているので、磁石磁束の磁路長が短くなり、磁気抵抗が減少する。また、ティース２２０の外径側の軸長ｄが短くなったことで、ヨーク部２１０部まで到達せず、隣り合うティース２２０間で短絡する漏れ磁束も低減できる。さらに、ティース２２０のロータ対向面の形状を略扇形としているので、径方向で磁束密度を均一化して局所的な磁気飽和を防止し、結果としてトルクの減少を抑制できる。

なお、ティース２２０の外径側の軸長ｄを内径側よりも短くしているが、ヨーク部２１０については従来と同様に内径側と外径側とで同一のまま維持してもよい。磁気回路上（磁束密度の均一化）、従来形状とヨーク部２１０の磁束通過断面積は同一でよいからである。図３は、この場合のヨーク部２１０の斜視図を示す。ティース２２０の外径側の軸長ｄが短くなった分、ヨーク部２１０の外径部をギャップ面に近づける。

図４は、コンピュータによる磁気解析結果であり、本実施形態（実施形態１）における回転電機のトルクと図１６に示す従来の回転電機のトルクを対比して示す。本実施形態では、従来に比べてトルクが２．３％増大する。

＜第２実施形態＞
図５は、本実施形態におけるステータ１２０の斜視図である。

図３に示すステータ１２０では、ヨーク部２１０の内径側の軸長と外径側の軸長は同一であるが、本実施形態ではヨーク部２１０の内径側の軸長ｅと外径側の軸長ｆはｅ＜ｆの関係にある。

すなわち、本実施形態でも、第１実施形態と同様にティース２２０のロータ対向面の形状を略扇形とし、スロット２３０あるいはティース２２０の内径側の軸長ｃと外径側の軸長ｄは
ｃ＞ｄ
の関係にあるが、ティース２１０の外径側の軸長ｄを内径側よりも短くした分だけ、ヨーク部２１０の外径側の軸長ｆを内径側よりも長くする。

このように、ヨーク部２１０の外径側の軸長ｆを長くすることで、ヨーク部２１０の磁束通過断面積が増大することになるから磁気抵抗が減少し、第１実施形態よりもさらにトルクが増大する。

図６は、コンピュータによる磁気解析結果であり、本実施形態（実施形態２）における回転電機のトルクと図１６に示す従来の回転電機のトルクを対比して示す。本実施形態では、従来に比べてトルクが４．４％増大する。

＜第３実施形態＞
第２実施形態では、ティース２２０のロータ対向面の形状を略扇形としているが、他の形状としてもよい。

図７は、本実施形態におけるステータ１２０の斜視図である。ティース２２０のロータ対向面の形状を略扇形の代わりにストレート形状としたものである。この場合においても、第１実施形態と同様に、ティース２２０の外径側の軸長が従来よりも短くなっているので、磁石磁束の磁路長が短くなり、磁気抵抗が減少する。また、ティース２２０の外径側の軸長が短くなったことで、ヨーク部２１０部まで到達せず、隣り合うティース２２０間で短絡する漏れ磁束も低減できる。さらに、第２実施形態と同様に、ヨーク部２１０の磁束通過断面積が増大することになるから磁気抵抗が減少してトルクが増大する。

＜第４実施形態＞
第１〜第３実施形態では、アキシャル面をトルク面として利用するアキシャルギャップ型回転電機に適用した例を示したが、アキシャル面とラジアル面をトルク面として利用する回転電機にも適用することができる。本実施形態では、この場合について説明する。

図８〜図１２は、回転電機１０の概略構成を示す図である。図８、図９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１０はロータの構成を示す斜視図であり、図１１、図１２はステータの構成を示す斜視図である。図８は図１０のＡ−Ａ断面に相当する位置での断面図を示し、図９は図１０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（例えば分布巻等で）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１３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１０、図１３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。

また、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８〜図１２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１１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１０、図１３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。

図１４は、ロータ１２のアキシャルティース８０及びヨーク部２１０の斜視図を示す。図１４（ａ）は、基本的なアキシャルティース８０及びヨーク部２１０の構成であり、アキシャルティース８０は図１６に示す平面形状と同様であり、アキシャルティース８０の間のスロットの内径側の幅と外径側の幅は等しく、アキシャルティース８０の内径側の軸長と外径側の軸長は等しい。

他方、図１４（ｂ）は、本実施形態におけるロータ１２のアキシャルティース８０及びヨーク部２１０の斜視図を示す。図１４（ａ）に対し、アキシャルティース８０の平面形状を第１〜第３実施形態と同様に略扇形とし（放射線状アキシャルティース）、アキシャルティース８０の外径側の軸長を内径側の軸長よりも短くし、かつ、ヨーク部２１０の外径側の軸長を内径側の軸長よりも長くする。すなわち、図１４（ａ）、（ｂ）におけるアキシャルティース８０の内径側の軸長をｃ１、ヨーク部２１０の内径側の軸長をｅ１とすると、図１４（ａ）では、ｃ１＝ｄ１、ｅ１＝ｆ１であるところ、図１４（ｂ）では、ｃ１＞ｄ２、ｅ１＜ｆ２である。

本実施形態においても、第１実施形態と同様に、アキシャルティース８０の外径側の軸長が短くなっているので、磁石磁束の磁路長が短くなり、磁気抵抗が減少する。また、アキシャルティース８０の外径側の軸長が短くなったことで、ヨーク部２１０部まで到達せず、隣り合うアキシャルティース８０間で短絡する漏れ磁束も低減できる。また、アキシャルティース８０の形状を略扇形としているので、径方向で磁束密度を均一化して局所的な磁気飽和を防止し、トルクの減少を抑制できる。さらに、第２実施形態と同様に、ヨーク部２１０の外径側の軸長を長くすることで、ヨーク部２１０の磁束通過断面積が増大することで磁気抵抗が減少し、トルクが増大する。コンピュータによる磁気解析の結果、本実施形態（実施形態４）における回転電機のトルクと図１４（ａ）に示す従来のステータ１２を備える回転電機のトルクを対比した場合、本実施形態では、従来に比べてトルクが２．０％増大することを確認している。

１０回転電機、１１ケーシング、１２ステータ、１４ラジアルロータ、１８ラジアル永久磁石、１９，３９ラジアル突極部、２２回転軸、３０ラジアルティース、６４，８４アキシャルロータ、６８，８８アキシャル永久磁石、６９，８９アキシャル突極部、８０アキシャルティース、１２０ステータ、２１０ヨーク部、２２０ティース、２３０スロット、２４０固定子巻線。

Claims

ステータとロータが対向配置され、アキシャル面をトルク面として用いる回転電機であって、
ステータは、
環状のヨーク部と、
環状のヨーク部の周方向に配置され、回転軸方向にロータのアキシャル面に向かって突出する複数のティースと、
隣り合うティースの間に配置された空間であって、固定子巻線が装着されるスロットと、
を備え、
スロットの固定子巻線の通電面の内径側の周方向の幅と軸長の積である内径側断面積と、外径側の周方向の幅と軸長の積である外径側断面積を同一とし、
スロットの固定子巻線の通電面の内径側形状と外径側形状が異なり、
スロットの固定子巻線の通電面の内径側形状と外径側形状はともに矩形状であり、アスペクト比が互いに異なり、
スロットの固定子巻線の通電面の外径側の周方向の幅は、内径側の周方向の幅よりも長く、
スロットの固定子巻線の通電面の外径側の軸長は、内径側の軸長よりも短い、
ことを特徴とする回転電機。
環状のヨーク部の外径側の軸長は、内径側の軸長よりも長い、
請求項１に記載の回転電機。
ティースは略扇形のロータ対向面を有する、
請求項１，２のいずれかに記載の回転電機。