JP6898836B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機に関し、特に、ロータに永久磁石が設けられている回転電機に関する。

従来、ステータ及びロータを備え、ロータの磁極に永久磁石が配置されている永久磁石同期型の回転電機が公知である。このような回転電機は、ハイブリッド自動車、電気自動車等の電動車両に搭載され、バッテリから供給される電力によって回転駆動されることで、走行用動力を出力する動力源として広く用いられている（例えば、特許文献１参照）。

上記の回転電機のステータは、例えば、三相交流電流がステータコアに巻装されたステータ巻線に供給されることによって、ステータの内周側に回転磁界を発生させる。ロータの外周には、永久磁石を埋め込んで構成される磁極が周方向等間隔に配置されており、これらの磁極とステータによる回転磁界とが吸引及び反発することによってロータに回転トルクが生じる。

特開２００８−２５２９９０号公報

ところで、永久磁石同期型の回転電機のロータでは、永久磁石をそれぞれ含む複数の磁石磁極と、これらの磁石磁極間に位置する複数のリラクタンス磁極が存在する。ロータを構成するロータコアは、磁性材料で形成されるため、リラクタンス磁極は、ステータによって生じる回転磁界により吸引されて回転トルクを生じさせる。

しかし、永久磁石同期型の回転電機では、ステータ巻線に供給される三相交流電流に関し、磁石磁極が回転トルクを発生できない電流位相角と、リラクタンス磁極がトルクを発生できない電流位相角を同じ角度（一般に、電気角で９０度）として設計される。そのため、例えば、三相のステータ巻線のうち二相のステータ巻線にしか交流電流が供給されない事態が生じた場合には、ステータによって発生される磁界は回転磁界とはならず、電流位相角９０度の向きにおいて磁束流れ方向が変わる交番磁界が生じることになり、ロータに回転トルクを発生することができなくなる。

本発明の目的は、ステータ巻線に三相交流電流のうち二相交流電流しか通電できないときでも、ロータに回転トルクを発生させることができる回転電機を提供することである。

本発明に係る回転電機は、ステータコアに巻装されたステータ巻線に三相交流電流が流れることによって回転磁界を生じさせるステータと、前記ステータによる回転磁界と、界磁巻線に流れる直流電流によって生じる界磁との相互作用によって回転トルクを発生するロータと、を備える。前記ロータは、永久磁石を起磁力とする第１磁極部と、前記界磁巻線に流れる直流電流を起磁力とする第２磁極部とを有し、前記第１磁極部と前記第２磁極部とは周方向に位相差がある。そして、前記ステータ巻線に前記三相交流電流のうち二相交流電流しか通電できないとき、前記第２磁極部の起磁力を制御する直流電流を変更することにより前記ロータに回転トルクを発生させることを特徴とする。

本発明に係る回転電機において、前記ステータは筒状のステータコアを含み、前記ステータ巻線は前記ステータコアにトロイダル巻きされた三相コイルであり、前記ロータは前記ステータコアの内周側に配置されるラジアルコアと前記ステータコアの軸方向端面に対向するアキシャルコアとを含み、前記ラジアルコア及びアキシャルコアは前記第１磁極部及び第２磁極部をそれぞれ有しており、前記界磁巻線は、前記ステータコアの軸方向端部であって前記アキシャルコアに対向する位置でステータ周方向に沿って巻回されていてもよい。

また、本発明に係る回転電機において、前記ロータは、永久磁石が設けられた前記第１磁極部と、突極部に前記界磁巻線が巻回されて構成される前記第２磁極部とが周方向に交互に配置されていてもよい。

この場合、前記第２磁極部は、前記ロータを構成するロータコアとの磁気抵抗差を用いて位相がずらされていてもよい。

本発明に係る回転電機によれば、ステータ巻線に三相交流電流のうち二相交流電流しか通電できないとき、第２磁極部の起磁力を制御する直流電流を変更することによりロータに回転トルクを発生させることができる。したがって、このような回転電機が動力源として搭載された車両では、緊急避難的に車両を路肩等に退避させる退避走行が可能になる。

第１実施形態の回転電機の径方向に沿った断面図である。 比較例の回転電機の径方向断面図である。 図２の回転電機におけるステータ巻線に流れる交流電流の電流進角とトルクとの関係を示すグラフである。 図１の回転電機において界磁巻線に界磁電流が図１とは反対方向に流れる状態を示す図である。 図１に示す方向に界磁電流が流れるときのステータ巻線に流れる交流電流の電流進角とトルクとの関係を示すグラフである。 図４に示す方向に界磁電流が流れるときのステータ巻線に流れる交流電流の電流進角とトルクとの関係を示すグラフである。 第２実施形態の回転電機の軸方向に沿った断面図である。 図６に示す回転電機を構成するロータの斜視図である。 図７中のＧ−Ｇ断面図である。 図６に示す回転電機を構成するステータの斜視図である。 図６に示す回転電機において、強め界磁制御を行う場合を説明するための図７のＥ−Ｅ断面相当図である。 図６に示す回転電機において、弱め界磁制御を行う場合を説明するための図７のＦ−Ｆ断面相当図である。 図６に示す回転電機において強め界磁制御を行った場合のステータ巻線に流れる交流電流の電流進角とトルクとの関係を示すグラフである。 図６に示す回転電機において弱め界磁制御を行った場合のステータ巻線に流れる交流電流の電流進角とトルクとの関係を示すグラフである。

以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。また、以下において複数の実施形態や変形例などが含まれる場合、それらの特徴部分を適宜に組み合わせて用いることは当初から想定されている。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態である回転電機１０の径方向に沿った断面図である。本実施形態に係る回転電機１０は、図示しないケーシングに固定されたステータ１２と、ステータ１２と所定の空隙を空けて対向配置されステータ１２に対し回転可能なロータ１４とを備える。図１では、ステータ１２とロータ１４とが回転軸１５と直交する径方向において対向配置されたラジアル型の回転電機の例を示しており、ロータ１４がステータ１２の径方向内側に配置されている。

ステータ１２は、ステータコア１６と、ステータコア１６に配設されたステータ巻線１８とを含む。ステータコア１６には、径方向内側へ（ロータ１４へ向けて）突出した複数のティース２０が回転軸１５まわりの周方向に沿って互いに間隔をおいて配列されており、各ティース２０間にスロット２２が形成されている。つまり、ステータコア１６には、複数のスロット２２が周方向に互いに間隔をおいて形成されている。

ステータ巻線１８は、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の三相ステータ巻線１８ｕ，１８ｖ、１８ｗを含む。各相のステータ巻線１８ｕ，１８ｖ，１８ｗは、スロット２２を通ってティース２０に分布巻で巻装されている。本実施形態では、周方向に隣接する２つのスロット２２にＵ相ステータ巻線１８ｕを構成する導線が配置される。このＵ相ステータ巻線１８ｕに周方向に隣接する２つのスロット２２に、Ｖ相ステータ巻線１８ｖを構成する導線が配置される。また、このＶ相ステータ巻線１８ｖに周方向に隣接する２つのスロット２２に、Ｗ相ステータ巻線１８ｗを構成する導線が配置されている。このようにステータ１２には、周方向において隣接する２つのスロット２２ごとにＵ相、Ｖ相、及び、Ｗ相のステータ巻線１８ｕ，１８ｖ，１８ｗが順次に全周にわたって配設されている。

このように構成される三相のステータ巻線１８ｕ，１８ｖ，１８ｗに三相交流電流が通電されると、ティース２０が周方向に順次磁化し、周方向に回転する回転磁界をティース２０に形成することができる。ティース２０に形成された回転磁界は、その先端面からロータ１４に作用してロータ１４に回転トルクを生じさせる。

ロータ１４は、回転軸１５と、回転軸１５の外周に固定されたロータコア２４とを備える。ロータコア２４は、例えば、円盤状に打ち抜き加工された磁性鋼板を軸方向に積層して一体に連結することにより構成される。

ロータ１４は、永久磁石を起磁力とする第１磁極部２６と、界磁巻線３２に流れる直流電流を起磁力とする第２磁極部２８とを有している。ロータ１４は、第１磁極部２６及び第２磁極部２８がロータ周方向に交互に配置される。

第１磁極部２６は、ロータコア２４に固定された永久磁石によって構成される。永久磁石は、周方向外側の極性がＮ極の永久磁石２６ｎと、周方向外側の極性がＳ極の永久磁石２６ｓとを含む。永久磁石２６ｎと永久磁石２６ｓとは、ロータ周方向に等間隔で交互に配置されている。本実施形態では、８つの永久磁石２６ｎ，２６ｓが設けられており、周方向に隣り合う各１つの永久磁石２６ｎ，２６ｓによって１つの磁極対が構成される。したがって、本実施形態におけるロータ１４は、４つの磁極対を含んで構成される。なお、各永久磁石２６ｎ，２６ｓは、ロータコア２４の外周面に露出した状態で設けられてもよいし、あるいは、ロータコア２４の外周近傍の内部に埋め込まれていてもよい。

ロータ１４の第２磁極部２８は、ロータコア２４の外周であって各永久磁石２６ｎ，２６ｓの間に形成された突極部３０に界磁巻線３２が巻装されて構成される。本実施形態では、各磁極対ごとに２つの第２磁極部２８、合計で８つの第２磁極部２８が設けられた例が示される。第２磁極部２８の界磁巻線３２には、回転電機１０の外部からブラシおよびスリップリング（いずれも図示せず）を介して界磁電流を供給することができる。ここで、界磁巻線３２に流れる界磁電流は直流電流である。

このように本実施形態のロータ１４では、第１磁極部２６と第２磁極部２８は周方向に交互に配置されて、位相差が付けられている。具体的には、第１磁極部２６と第２磁極部２８とは、電気角９０度に相当する位相差がある。

図１に示す界磁巻線３２において、○の中に黒丸（・）を示す記号は界磁巻線３２を構成する導線に紙面奥側から手前方向に界磁電流が流れることを表しており、○の中に×を示す記号は界磁巻線３２を構成する導線に紙面手前方向から奥側に界磁電流が流れることを表している。図１では、周方向に永久磁石２６ｎ又は２６ｓを挟んで隣り合う２つの第２磁極部２８において界磁電流の流れ方向が逆方向になるように構成される。そのため、界磁巻線３２に界磁電流が流れることによって突極部３０が電磁石となり、突極部３０の外周側端部が周方向で交互にＮ極とＳ極に磁化される。これにより、第１磁極部２６の永久磁石２６ｎ，２６ｓからの磁束に、電磁石となった第２突極部２８から生じる磁束が加わることで、磁束量および磁束密度が増加する。その結果、ステータ１２によって生成される回転磁界との吸引および反発で生じる回転トルクが増大させることができる。また、界磁巻線３２に流れる界磁電流の値を制御することで、回転トルクの増大量を調整することが可能である。このように本実施形態の回転電機１０では、ステータ１２による回転磁界と、界磁巻線３２に流れる界磁電流（直流電流）によって生じる界磁との相互作用によってロータ１４に回転トルクが発生する。その結果、ロータ１４が回転する。

図２は、比較例の回転電機１０Ａの径方向断面図である。以下において、比較例の回転電機１０Ａの構成は、第２磁極部の有無を除いて、上述した本実施形態の回転電機１０と同様である。したがって、下記では、回転電機１０Ａの構成のうち上記回転電機１０と同一構成には同一符号を付して、重複することになる説明を適宜に省略する。

図２に示すように、回転電機１０Ａのロータ１４Ａは、ロータコア２４の外周に８つの永久磁石２６ｎ，２６ｓが周方向で交互に配置されており、この点は上記回転電機１０におけるロータ１４と同じである。一方、ロータ１４Ａには、界磁巻線が設けられておらず、周方向に隣り合う２つの永久磁石２６ｎ，２６ｓの間にはロータコア２４の外周に形成された突極部３０ａが配置されている。このような構成を有するロータ１４Ａを備えた回転電機１０Ａでは、突極部３０ａがリラクタンス磁極となり、ステータ１２で生成された回転磁界によって吸引力が作用して、リラクタンストルクが発生する。したがって、この場合には永久磁石２６ｎ，２６ｓによって構成される磁石磁極がステータ１２の回転磁界に対して吸引及び反発することで生じる磁石トルクと上記リラクタンストルクとの和である総トルクがロータ１４Ａに発生する回転トルクとなる。

また、図２に示すように、回転電機１０Ａでは、ロータ１４Ａにおいて突極部３０ａの周方向中央位置を通る径方向（ｄ軸方向）線を電気角０度とした場合、これに周方向で隣接する永久磁石２６ｓ（または２６ｎ）の周方向中央位置を通る径方向（ｑ軸方向）線は電気角９０度に相当する。なお、この点は、第１磁極部２６と第２磁極部２８とで電気角９０度に相当する位相差が存在する本実施形態の回転電機１０と同様である。

図３は、図２の回転電機１０Ａにおけるステータ巻線１８の電流進角とトルクとの関係を示すグラフである。図３において、横軸は、ステータ巻線１８に流れる交流電流の電流進角を表し、縦軸が回転トルクを表している。図３において、ステータ１２による回転磁界が永久磁石２６ｎ，２６ｓと吸引及び反発することによって生成される磁石トルクが破線で示され、ステータ１２による回転磁界が永久磁石２６ｎ，２６ｓ間の突極部３０ａに作用する吸引力によって生成されるリラクタンストルクが一点鎖線で示され、これらの磁石トルクとリラクタンストルクの和である総トルクが実線で示されている。

図３に示すように、磁石トルクは電流進角０度の正の最大値から次第に小さくなり、電流進角９０度で０になり、電流進角１８０度で負の最小値となる。リラクタンストルクは、電流進角０度から次第に大きくなり、電流進角４５度で正の最大値となり、そこから次第に小さくなって電流進角９０度で０となる。そして、リラクタンストルクは、電流進角１３５度で負の最小値となり、そこから次第に大きくなって電流進角１８０度で０となる。また、磁石トルクとリラクタンストルクの和である総トルクは、電流進角０度から次第に大きくなり、電流進角３０度付近で正の最大値となる。そこから、総トルクは、次第に小さくなり、電流進角９０度で０になり、電流進角１５０度付近で負の最小値となり、そこから次第に大きくなる。

図３から明らかなように、ロータ１４Ａに作用する回転トルクである総トルクは、電流進角９０度で０になる。ステータ巻線１８に供給される三相交流電流のうち、例えば断線やインバータ故障等が原因で或る一相（例えば、Ｖ相）のステータ巻線１８に交流電流を供給できず、残りの二相のステータ巻線１８にしか交流電流が供給されない事態が生じた場合には、ステータ１２によって発生される磁界は回転磁界とはならず、電流位相角９０度の向きにおいて磁束流れ方向が変わる交番磁界が生じるだけになる。そのため、このような場合には、電流進角９０度で総トルクが０になることからロータ１４Ａに回転トルクを発生することができなくなる。

このようなことは図１を参照して説明した本実施形態の回転電機１０でも起こり得る。しかし、本実施形態の回転電機１０では、ロータ１４に、界磁巻線３２に流れる直流電流を起磁力とする第２磁極部２８が第１磁極部２６に対して周方向に隣接して設けられている。したがって、界磁巻線３２に流れる界磁電流を流れ方向を図１に示す状態から反対方向に切り替えることで、電流進角９０度の場合にもロータ１４に回転トルクを作用させることが可能になる。

図４は、図１の回転電機１０において界磁巻線３２に界磁電流が図１とは反対方向に流れる状態を示す図である。図４に示すように、界磁巻線３２において界磁電流の流れ方向を示す記号が、○中に黒丸（・）の記号から○中に×の記号に、または、これとは逆に変わっている。このような界磁電流の流れ方向の変更は、回転電機１０の外部からブラシおよびスリップリングを介して直流電流が供給される場合、回転電機１０の外部に設けられるスイッチ手段（図示せず）を切り替えることによって実現できる。このように界磁電流の流れ方向が反対方向になることで、第２磁極部２８において突極部３０の外周側端部の極性が、例えば、Ｎ極からＳ極に、又は、Ｓ極からＮ極に切り替わることになる。

図５Ａは、図１に示す方向に界磁電流が流れるときのステータ巻線１８の電流進角とトルクとの関係を示すグラフである。図５Ｂは、図４に示す方向に界磁電流が流れるときのステータ巻線１８の電流進角とトルクとの関係を示すグラフである。図５Ａ及び図５Ｂの各グラフにおいて、横軸は、ステータ巻線１８に流れる交流電流の電流進角を表し、縦軸が回転トルクを表している。また、図５Ａ及び図５Ｂの各グラフにおいて、ステータ１２による回転磁界がロータ１４の第１磁極部２６と吸引及び反発することによって生成される磁石トルクが破線で示され、ステータ１２による回転磁界がロータ１４の第２磁極部２８と吸引及び反発することによって生成される電磁石トルクが一点鎖線で示され、これらの磁石トルクと電磁石トルクの和である総トルクが実線で示されている。

ロータ１４の界磁巻線３２に図１に示した方向に界磁電流が流れるとき、回転電機１０のロータ１４に作用する回転トルクは図５Ａに示すようになる。すなわち、磁石トルクは、電流進角０度における正の最大値から次第に小さくなって電流進角９０度で０になり、そして、そこから更に小さくなって電流進角１８０度で負の最小値となる。一方、電磁石トルクは、電流進角０度で０であり、そこから次第に大きくなって電流進角９０度で正の最大値となる。そして、電磁石トルクは、そこから次第に小さくなって電流進角１８０度で０になる。その結果として、総トルクは、電流進角０度から次第に大きくなって電流進角３０度辺りで正の最大値となる。そして、総トルクは、次第に小さくなって電流進角１２０度辺りで０になり、そこから更に小さくなって負の値になっていく。

このように総トルクが変化する状態において、ステータ巻線１８に供給される三相交流電流のうち、例えば断線やインバータ故障等が原因で或る一相のステータ巻線１８に交流電流を供給できず、残りの二相のステータ巻線１８にしか交流電流が供給されない事態が生じた場合には、ステータ１２によって発生される磁界は回転磁界とはならず、電流位相角１２０度の向きにおいて磁束流れ方向が変わる交番磁界が生じることが生じ得る。このような場合には、電流進角１２０度で総トルクが０になることからロータ１４に回転トルクを発生させることができなくなる。なお、ステータ巻線１８に供給される三相交流電流は電流進角がそれぞれ１２０度ずつずれた例えば正弦波状の交流電流であり、各相の交流電流は電流センサによって検出され制御装置において監視されている。したがって、三相交流電流のうち或る一相の交流電流が流れない状態になったことは電流センサによる検出値に基づいて制御装置が判定することができる。

このように一相の交流電流が流れなくなって残り二相の交流電圧によって生成される磁界が電流進角１２０度辺りで交番する交番磁界になったとき、制御装置から指令に応じてスイッチ手段を切り替えることによって界磁巻線３２における界磁電流の流れ方向を反対方向に変更する。すなわち、界磁電流は図１に示す流れ方向から図４に示す流れ方向に切り替えられる。これにより、回転電機１０においてロータ１４に作用する回転トルクは、図５Ｂのグラフに示す状態になる。

図５Ｂを参照すると、磁石トルクは変化していないが、電磁石トルクは図５Ａに示す状態から反転した状態に変化している。すなわち、電磁石トルクは、電流進角０度で０であり、そこから次第に小さくなって電流進角９０度で負の最小値となり、そこから次第に大きくなって電流進角１８０度で０になる。その結果として、磁石トルクと電磁石トルクの和である総トルクは、電流進角０度から次第に小さくなって電流進角７０辺りで０になり、そこから更に小さくなって電流進角１５０度辺りで負の最小値となる。

このように界磁電流の流れ方向が逆方向になって総トルクが０になる不動角が電流進角約１２０度から約７０度に変化する。これにより、電流進角１２０度で不動状態にあったロータ１４に回転トルクを作用させることができる。その結果、回転電機１０が搭載された車両を例えば路肩に移動させる退避走行を行うことが可能になる。

なお、上記においては界磁巻線３２に流れる界磁電流の流れ方向を回転電機１０の外部のスイッチング手段により変更すると説明したが、これに限定されない。例えば、界磁巻線３２に一方向に界磁電流を流すのを許容する第１のダイオードと、反対方向に界磁電流を流すのを許容する第２のダイオードとを並列に接続し、これらの第１及び第２のダイオードにスイッチ手段をそれぞれ直列接続した回路構成としてもよい。この場合、ステータによる回転磁界に含まれる高調波成分の作用によって界磁巻線に誘起電流が流れることになる。したがって、第１及び第２のダイオードに直列に接続されている各スイッチ手段を切り替え制御することで、界磁巻線に流れる界磁電流の流れ方向を変更することができる。

＜第２実施形態＞
次に、図６ないし図１２Ｂを参照して第２実施形態の回転電機１０Ｂについて説明する。図６は、第２実施形態の回転電機１０Ｂの軸方向に沿った断面図である。図７は、図６に示す回転電機１０Ｂを構成するロータ１４Ｂの斜視図である。図８は、図７中のＧ−Ｇ断面図である。図９は、図６に示す回転電機１０Ｂを構成するステータ１２Ｂの斜視図である。図１０は、図６に示す回転電機１０Ｂにおいて、強め界磁制御を行う場合を説明するための図７のＥ−Ｅ断面相当図である。図１１は、図６に示す回転電機１０Ｂにおいて、弱め界磁制御を行う場合を説明するための図７のＦ−Ｆ断面相当図である。

図６に示すように、回転電機１０Ｂは、ロータ１４Ｂと、ロータ１４Ｂの外径側に配置されたステータ１２Ｂとを含む。ロータ１４Ｂは、非磁性の回転軸１５を介してケーシング４０に対し軸受により回転可能に支持される。

ロータ１４Ｂは、ラジアルロータ４２と、２つのアキシャルロータ４４，４６とを有する。ラジアルロータ４２は、ロータ１４Ｂの軸方向中間部に形成され、ステータ１２Ｂと空隙（エアギャップ）を介して半径方向に対向する。２つのアキシャルロータ４４，４６は、ロータ１４Ｂの軸方向両端部に形成され、ステータ１２Ｂの軸方向両端とロータ回転軸線と平行方向である軸方向に対向する。ラジアルロータ４２及びアキシャルロータ４４，４６は、機械的かつ磁気的に連結されている。

ラジアルロータ４２は、円筒状のラジアルコア部４８の外周部において周方向等間隔の複数位置に配置された複数のラジアル磁石５０を含む。ラジアル磁石５０は、永久磁石により構成される。ラジアル磁石５０は、半径方向に互いに同方向に着磁され、各ラジアル磁石５０の表面は、同じ極性（例えばＮ極）に着磁される。また、ラジアルコア部４８の外周部において、隣り合うラジアル磁石５０の間には、半径方向外側に突出するラジアル突極部５２が形成される。このようにラジアルコア部４８は、ラジアル磁石５０とラジアル突極部５２とを含むコンシクエントポール構造を備えている。本実施形態では、ラジアル磁石５０が第１磁極部に相当し、ラジアル突極部５２が第２磁極部に相当する。

図７及び図８に示すように、ラジアル磁石５０とラジアル突極部５２との間には溝状の空隙５３が設けられている。本実施形態において、空隙５３は、ラジアル突極部５２に対し時計回り方向側に接して形成されている。この場合、１つのラジアル磁石５０の周方向幅と１つのラジアル突極部５２の周方向幅の和は電気角１８０度よりも小さくなるように設定されている。また、この場合、ラジアル突極部５２の周方向幅は、ラジアル磁石５０の周方向幅よりも小さくなっている。空隙５３は、ラジアル突極部５２に比べて磁気抵抗が大きい。そのため、空隙５３が設けられることで、ラジアル突極部５２の周方向位置の位相が、空隙５３が設けられていない場合よりも反時計回り方向へずれることになる。つまり、ロータ１４Ｂでは、ロータ１４Ｂを構成するラジアルコア部４８と空隙５３との磁気抵抗差を用いてラジアル突極部５２の周方向の位相がずらされている。その結果、後述するように界磁巻線６２，６４に流れる界磁電流の流れ方向を反転させると、ロータ１４Ｂに作用する回転トルクが０になるステータ巻線６６の電流進角をずらすことが可能になる。

なお、本実施形態では、ラジアル突極部５２の時計回り方向側に空隙５３を設けてラジアル突極部５２の周方向の位相を反時計回り方向側へずらした場合を例示したが、これに限定されない。ラジアル突極部５２の反時計回り方向側に空隙を設けて、ラジアル突極部５２の周方向の位相を時計回り方向側へずらしてもよい。また、上記では空隙５３を設けることによりラジアル突極部５２の周方向幅をラジアル磁石５０の周方向幅よりも小さくする例について説明したが、これに限定されない。空隙を設けることによりラジアル磁石５０の周方向幅をラジアル突極部５２よりも小さくなるようにして、ラジアル磁石５０の周方向の位相をずらしてもよい。

図６及び図７に示すように、アキシャルロータ４４，４６は、円板状のアキシャルコア部５４において、ステータ１２Ｂと回転軸方向に対向する内側面に配置された複数のアキシャル磁石５６を含む。アキシャル磁石５６は、永久磁石により構成される。複数のアキシャル磁石５６は、アキシャルコア部５４の内側面において、周方向等間隔の複数位置に配置される。アキシャル磁石５６は、回転軸方向に互いに同方向に着磁され、各アキシャル磁石５６の表面は、同じ極性（例えばＳ極）に着磁される。また、アキシャルコア部５４の外周部において、隣り合うアキシャル磁石５６の間には、回転軸方向において、ステータ１２Ｂ側に突出するアキシャル突極部５８が形成される。このようにアキシャルコア部５４は、それぞれ複数のアキシャル磁石５６とアキシャル突極部５８とを含むコンシクエントポール構造を備えている。本実施形態では、アキシャル磁石５６が第１磁極部に相当し、アキシャル突極部５８が第２磁極部に相当する。

ラジアル磁石５０は、各アキシャルロータ４４，４６のアキシャル磁石５６と同数で設けられ、ラジアル突極部５２も、各アキシャルロータ４４，４６のアキシャル突極部５８と同数で設けられる。アキシャル磁石５６は、ラジアル磁石５０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５８も、ラジアル突極部５２に対して周方向に関する位置をずらして配置される。そして、アキシャル磁石５６とラジアル突極部５２とが、周方向に関して同じ位置に配置される。また、アキシャル突極部５８とラジアル磁石５０とが、周方向に関して同じ位置に配置される。また、各アキシャル磁石５６の表面（ステータ１２Ｂと対向する磁極面）は、各ラジアル磁石５０の表面（ステータ１２Ｂと対向する磁極面）と逆の極性に着磁される。例えば、各ラジアル磁石５０の表面がＮ極に着磁される場合、各アキシャル磁石５６の表面はＳ極に着磁される。なお、各ラジアル磁石５０の表面がＳ極に着磁され、各アキシャル磁石５６の表面がＮ極に着磁されてもよい。

図示していないが、図８を参照して説明したラジアルコア部４８の場合と同様に、アキシャルコア部５４においても、空隙を設けることによってアキシャル突極部５８又はアキシャル磁石５６の周方向の位相をずらしてもよい。

図６及び図９に示すように、回転電機１０Ｂのステータ１２Ｂは、環状のコア部６０と、２つの界磁巻線６２，６４と、三相のステータ巻線６６とを含んで構成される。コア部６０は、内周面の周方向等間隔の複数位置において、半径方向内側に突出するように複数のラジアルティース６０ａが形成される。また、コア部６０の軸方向両端部において、周方向に関してラジアルティース６０ａと同位置には、複数のアキシャルティース６０ｂが回転軸方向外側に突出するように形成される。三相のステータ巻線６６は、ラジアルティース６０ａ間のスロット及びアキシャルティース６０ｂ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る。環状のコア部６０、ラジアルティース６０ａ、及びアキシャルティース６０ｂを含むステータ１２Ｂの鉄心部分は、磁性材製の粉末が樹脂等のバインダで一体化されたものでもよい。以下において、ステータ巻線を三相コイルということがある。

また、ステータ１２Ｂのコア部６０において、複数のラジアルティース６０ａの軸方向両端部であって、複数のアキシャルティース６０ｂの半径方向内端部に位置する部分には、段部が形成される。また、コア部６０の軸方向両端部には、複数の段部の内側に位置するように、円環状の界磁巻線６２，６４が配置される。これにより、界磁巻線６２，６４は、半径方向に関して各アキシャルティース６０ｂよりもラジアルロータ４２側（径方向内側）であって、回転軸方向に関して各ラジアルティース６０ａよりもアキシャルロータ４４，４６側（回転軸方向外側）に配置される。また、界磁巻線６２，６４は、ステータ１２Ｂのコア部６０の軸方向端部であってアキシャルコア部５４に対向する位置でステータ周方向に沿って巻回されている。

また、界磁巻線６２，６４は、各ラジアルティース６０ａ、各アキシャルティース６０ｂ、及び各ステータ巻線６６と近接して配置される。界磁巻線６２，６４は、絶縁体によりステータ巻線６６と電気的に絶縁される。また、界磁巻線６２，６４は、ステータ１２Ｂに対し、例えば、図９に示すように、ステータ巻線６６の上から繊維６８等で縛ることで固定してもよいし、あるいは、ステータ全体を樹脂でモールドすることにより固定してもよい。

界磁巻線６２，６４に直流電流が流れることで、ロータ１４Ｂに界磁を作り、ロータ１４Ｂのラジアルロータ４２のラジアルコア部４８及びアキシャルロータ４４，４６のアキシャルコア部５４が電磁石となる。その結果、ラジアルロータ４２及びアキシャルロータ４４，４６と、ステータ１２Ｂのコア部６０とを通る界磁磁束が発生する。ステータ巻線６６に交流電流が流れることでロータ１４Ｂの界磁との相互作用により回転トルクを発生させる磁界を形成する。ラジアルロータ４２では、界磁巻線６２，６４に直流電流が流れることでラジアル突極部５２が電磁石となる。アキシャルロータ４４，４６では、界磁巻線６２，６４に直流電流が流れることで、アキシャル突極部５８がラジアル突極部５２とは逆の極性に磁化された電磁石となる。

例えば、図７に例示するロータ１４Ｂを備えた回転電機１０Ｂでは、ラジアル磁石５０及びアキシャル磁石５６による界磁磁束は、ラジアル磁石５０→エアギャップ→ラジアルティース６０ａ→コア部６０の環状部分→アキシャルティース６０ｂ→エアギャップ→アキシャル磁石５６に達する。そして、ラジアル磁石５０及びアキシャル磁石５６による界磁磁束は、アキシャル磁石５６→アキシャルコア部５４→ラジアルコア部４８→ラジアル磁石５０に達するように閉磁路を通る。

さらに、界磁巻線６２，６４に直流電流を流すことでロータ１４Ｂのラジアルコア部４８及びアキシャルコア部５４が電磁石となって界磁磁束が発生する。この直流電流による界磁磁束は、ラジアル突極部５２、ラジアルコア部４８、アキシャルコア部５４、アキシャル突極部５８、エアギャップ、アキシャルティース６０ｂ、コア部６０、ラジアルティース６０ａ、エアギャップ、及び、ラジアル突極部５２を順に通る。そして、この界磁磁束は、ステータ巻線６６に交流電流を流すことでステータ１２Ｂ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５２の表面は互いに同じ極性に磁化し、各アキシャル突極部５８の表面は互いに同じ極性に磁化する。また、各アキシャル突極部５８の表面は、各ラジアル突極部５２の表面と逆の極性に磁化する。界磁巻線６２，６４による界磁磁束の方向は、界磁巻線６２，６４に流す直流電流の向きにより制御できる。

強め界磁制御を行う場合は、図１０及び図１１に示すように、各界磁巻線６２，６４に直流電流（界磁電流）を流す。図１０及び図１１において、白丸の中に黒丸（・）を付した部分は紙面の手前方向に電流が流れる場合を表し、白丸の内側に×を付した部分は紙面の奥側に電流が流れる場合を表す。このとき、各ラジアル突極部５２の表面が各ラジアル磁石５０の表面とは逆の極性（例えばＳ極）に磁化し、各アキシャル突極部５８の表面が各アキシャル磁石５６の表面とは逆の極性（例えばＮ極）に磁化する。これによって、界磁巻線６２，６４による界磁磁束は、アキシャル突極部５８→エアギャップ→アキシャルティース６０ｂ→コア部６０の環状部分→ラジアルティース６０ａ→エアギャップ→ラジアル突極部５２に達する。そして、この界磁磁束は、ラジアル突極部５２→ラジアルコア部４８→アキシャルコア部５４→アキシャル突極部５８に流れるように、閉磁路を通る。図１０及び図１１において、白丸内に「→Ｅ」を示す部分は断面Ｅ−Ｅ（図１０）へ磁束が流れる場合を表し、白丸内に「Ｅ→」を示す部分は断面Ｅ−Ｅ（図１０）から磁束が流れ込む場合を表す。白丸内に「→Ｆ」を示す部分は断面Ｆ−Ｆ（図１１）へ磁束が流れる場合を表し、白丸内に「Ｆ→」を示す部分は断面Ｆ−Ｆ（図１１）から磁束が流れ込む場合を表す。この場合には、界磁巻線６２，６４による界磁磁束とラジアル磁石５０及びアキシャル磁石５６による界磁磁束とが、コア部６０の環状部分を周方向に通るときに互いに同方向となる。そのため、界磁巻線６２，６４に直流電流を流さない場合よりもステータ巻線６６に鎖交する界磁磁束が増加する。したがって、強め界磁制御を行うことが可能である。

一方、弱め界磁制御を行う場合には、図１０及び図１１に示す場合とは、界磁巻線６２，６４に逆方向の直流電流を流す。この場合には、界磁巻線６２，６４による界磁磁束とラジアル磁石５０及びアキシャル磁石５６による界磁磁束とが、コア部６０の環状部分を周方向に通るときに互いに逆方向となる。そのため、界磁巻線６２，６４に直流電流を流さない場合よりもステータ巻線６６に鎖交する界磁磁束が減少する。したがって、弱め界磁制御を行うことが可能である。

図１２Ａは、図６に示す回転電機１０Ｂにおいて強め界磁制御を行った場合の界磁巻線６２，６４を流れる交流電流の電流進角とトルクとの関係を示すグラフである。図１２Ｂは、図６に示す回転電機１０Ｂにおいて弱め界磁制御を行った場合の界磁巻線６２，６４を流れる交流電流の電流進角とトルクとの関係を示すグラフである。図１２Ａ及び図１２Ｂの各グラフに示される横軸、縦軸、及び各曲は図５Ａ及び図５Ｂと同様である。

回転電機１０Ｂにおいて強め界磁制御が行われる場合、ロータ１４Ｂに作用する回転トルクは図１２Ａに示すようになる。具体的には、磁石トルクは、電流進角０度で正の最大値となり、そこから次第に小さくなって電流進角９０度で０となる。それから、磁石トルクは、さらに次第に小さくなって、電流進角１８０度で負の最小値となる。また、電磁石トルクは、磁石トルクに比べて正の最大値および負の最小値がそれぞれ１／２になるが、電流進角との関係はほぼ同様であり、電流進角９０度で０となる。したがって、磁石トルクと電磁石トルクの和である総トルクもまた、電流進角０度で正の最大値となり、そこから次第に小さくなって電流進角９０度で０となり、それからさらに次第に小さくなって電流進角１８０度で負の最小値となる。

本実施形態において、ステータ巻線６６に供給される三相交流電流のうち、例えば断線やインバータ故障等が原因で或る一相のステータ巻線６６に交流電流を供給できず、残りの二相のステータ巻線６６にしか交流電流が供給されない事態が生じた場合には、ステータ１２Ｂによって発生される磁界は回転磁界とはならず、電流進角９０度の向きにおいて磁束流れ方向が変わる交番磁界が生じることが生じ得る。このような場合には、電流進角９０度で総トルクが０になることからロータ１４Ｂに回転トルクを発生することができなくなる。なお、本実施形態においても、三相交流電流のうち或る一相の交流電流が流れない状態になったことは電流センサによる検出値に基づいて制御装置が判定することができる。

このように一相の交流電流が流れなくなって残り二相の交流電流によって生成される磁界が電流進角９０度で交番する交番磁界になったとき、制御装置から指令に応じてスイッチ手段を切り替えることによって界磁巻線６２，６４における界磁電流の流れ方向を反対方向に変更する。すなわち、回転電機１０Ｂにおいて、強め界磁制御から弱め界磁制御に切り替えられる。これにより、回転電機１０Ｂにおいてロータ１４Ｂに作用する回転トルクは、図１２Ｂのグラフに示す状態になる。

図１２Ｂを参照すると、磁石トルクは変化していないが、電磁石トルクは図１２Ａに示す状態から反転した状態に変化している。すなわち、電磁石トルクは、電流進角０度から次第に大きくなって電流進角８０度付近で０となり、そこから更に次第に大きくなって電流進角１７０度付近で正の最大値となる。その結果として、磁石トルクと電磁石トルクの和である総トルクが０になる電機進角は、９０度から１００度付近に変更される。このように界磁電流の流れ方向が逆方向になって総トルクが０になる不動角が電流進角約９０度から約１００度に変化する。これにより、電流進角９０度で不動状態にあったロータ１４Ｂに回転トルクを作用させることができる。その結果、回転電機１０Ｂが搭載された車両を例えば路肩に移動させる退避走行を行うことが可能になる。

なお、本発明に係る回転電機は、上述した実施形態およびその変形例に限定されるものではなく、本願の特許請求の範囲に記載された事項およびその均等な範囲において種々の変更や改良が可能であることは勿論である。

１０，１０Ｂ 回転電機、１２，１２Ｂ ステータ、１４，１４Ｂ ロータ、１５ 回転軸、１６ ステータコア、１８，６６ ステータ巻線、１８ｕ Ｕ相ステータ巻線、１８ｖ Ｖ相ステータ巻線、１８ｗ Ｗ相ステータ巻線、２０ ティース、２２ スロット、２４ ロータコア、２６ 第１磁極部、２６ｎ，２６ｓ 永久磁石、２８ 第２磁極部、３０，３０ａ 突極部、３２，６２，６４ 界磁巻線、４０ ケーシング、４２ ラジアルロータ、４４，４６ アキシャルロータ、４８ ラジアルコア部、５０ ラジアル磁石、５２ ラジアル突極部、５３ 空隙、５４ アキシャルコア部、５６ アキシャル磁石、５８ アキシャル突極部、６０ コア部、６０ａ ラジアルティース、６０ｂ アキシャルティース、６２，６４ 界磁巻線、６６ ステータ巻線、６８ 繊維。

Claims (4)

1. ステータコアに巻装されたステータ巻線に三相交流電流が流れることによって回転磁界を生じさせるステータと、
   前記ステータによる回転磁界と、界磁巻線に流れる直流電流によって生じる界磁との相互作用によって回転トルクを発生するロータと、を備え、
   前記ロータは、永久磁石を起磁力とする第１磁極部と、前記界磁巻線に流れる直流電流を起磁力とする第２磁極部とを有し、前記第１磁極部と前記第２磁極部とは周方向に位相差があり、
   前記ステータ巻線に前記三相交流電流のうち二相交流電流しか通電できないとき、前記第２磁極部の起磁力を制御する直流電流を変更することにより前記ロータに回転トルクを発生させることを特徴とする、
   回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記ステータは筒状のステータコアを含み、前記ステータ巻線は前記ステータコアにトロイダル巻きされた三相コイルであり、
   前記ロータは前記ステータコアの内周側に配置されるラジアルコアと前記ステータコアの軸方向端面に対向するアキシャルコアとを含み、前記ラジアルコア及びアキシャルコアは前記第１磁極部及び第２磁極部をそれぞれ有しており、
   前記界磁巻線は、前記ステータコアの軸方向端部であって前記アキシャルコアに対向する位置でステータ周方向に沿って巻回されていることを特徴とする、回転電機。
3. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記ロータは、永久磁石が設けられた前記第１磁極部と、突極部に前記界磁巻線が巻回されて構成される前記第２磁極部とが周方向に交互に配置されていることを特徴とする、回転電機。
4. 請求項３に記載の回転電機において、
   前記第２磁極部は、前記ロータを構成するロータコアとの磁気抵抗差を用いて位相がずらされていることを特徴とする、回転電機。

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