JP7116667B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機に関する。

特許文献１には、ハウジングに回転可能に支持された回転軸、該回転軸に取り付けられた回転子、及び該回転子の外周に配置され且つハウジングに固定されたステータを有し、回転子は，周補強部材に隔置して非磁性部材を順次介在して回転軸上に円筒状に配置された透磁部材、該透磁部材の外周に配置された非磁性材を周方向に隔置して介在した透磁材から成る円筒状磁路コア、及び磁路コアの外周に非磁性部材を周方向に隔置して介在した磁極が交互に異なる状態に円筒状に配置された磁石片から成る永久磁石部材から構成され、また、透磁部材は，少なくとも永久磁石部材の外周面まで延び且つ回転軸の周方向に順次積層された軸方向に延びる中央積層板材及び該中央積層板材の両側で且つ磁路コアの内周面まで延びる回転軸の周方向に順次積層された側部積層板材から構成されていることから成る電動・発電機が記載されている。

特許文献２には、ハウジングに回転可能に支持された回転軸、該回転軸に取り付けられた回転子、該回転子に対応して外周に配置され且つ前記ハウジングに固定されたステータ、及び回転子の両端側の前記回転軸上にそれぞれ配置された電磁石を有し、回転子は、回転軸上の外周に配置され且つ周方向に隔置して軸方向に電磁石に到達するように延びる非磁性材を介在した透磁材から成る円筒状の電磁石コア、該電磁石コア上に円筒状に配置された透磁材から成る円筒状の回転子ヨーク、及び該回転子ヨークの外周に周方向に隔置して軸方向に延びる非磁性部材を介在した磁極が交互に異なる状態に円筒状に配置された磁石片から成る永久磁石部材から構成され、電磁石は回転軸上の電磁石コアの端部と該端部に対応してハウジングの磁路ケースに配置された円筒状の電磁石コイルとから構成され、電磁石コアは軸方向で且つ交互に逆方向に磁束が流れるように周方向に離間させる切欠き部が円周上に隔置して形成されていることから成る複合電動機が記載されている。

特許文献３には、回転可能な回転シャフトと、筒状に形成されたステータコアと、回転シャフトに固設されたロータコアと、異なる磁性の一組の磁極が、ロータコアの径方向に並ぶようにロータコアに設定された磁石と、ステータコアの外周に設けられた界磁ヨークと、界磁ヨークとロータコアとの間に磁気回路を形成することで、ロータコアとステータコアとの間の磁束密度を制御可能な巻線とを備えた回転電動機が記載されている。

特開２０００－２６１９９４号公報 特開２０００－３５４３５８号公報 特開２００８－４３０９９号公報

特許文献１では、ロータのＮ極側とＳ極側が空隙で磁気的に分断される構成であり、磁石磁束の磁気回路に空隙が存在するため、磁気抵抗が増大し、磁石磁束が減少してしまう。また、ロータ表面の磁石間にコアを配置するために、界磁電流磁束の磁気回路となるロータコアの面積（周方向の幅）が小さくなり、磁気抵抗が増大し、界磁電流磁束が減少してしまう。

特許文献２では、第１ロータコアが円環状に繋がって磁石が表面に配置され、ロータコア部が表面にない構成であり、界磁電流磁束の磁気回路に磁石が配置されているため、磁気抵抗が増大し、界磁電流磁束が減少してしまう。また、磁石背面の円環状のロータコアに界磁電流磁束が流れることで、極間の磁気抵抗差が小さくなり、界磁電流磁束が減少してしまう。

特許文献３では、いわゆるコンシクエントポール構成であり、磁石極側には、界磁電流磁束が磁石磁束と逆向きに流れるため、磁石極側の極の電機子鎖交磁束が低下してしまう。また、界磁コイルが２つあるが、それぞれが作る界磁電流磁束が突極部に集中するため、突極側が磁気飽和して、鎖交磁束が減少してしまう。

本発明は、界磁電流磁束の低下を抑制し、界磁電流によるトルクを増加し得る回転電機を提供することを目的とする。

本発明は、回転可能なシャフトと、前記シャフトに固設されたロータコアと、筒状に形成されたステータコアと、前記ステータコアの外側に設けられた界磁ヨークと、前記界磁ヨークの、前記ロータコアの軸方向端部に対向する位置にそれぞれ設けられ、前記界磁ヨークと前記ロータコアとの間に磁気回路を形成する第１界磁コイル及び第２界磁コイルと、を備え、前記ロータコアの前記第１界磁コイルに対向する第１面内に磁気抵抗が相対的に大きい材料で囲まれた第１領域が形成され、前記ロータコアの前記第２界磁コイルに対向する第２面内に磁気抵抗が相対的に大きい材料で囲まれた第２領域が形成され、前記第１領域と前記第２領域は互いに異なる磁極であり、前記第１界磁コイルに流れる電流により前記第１領域に界磁電流磁束が生成され、前記第２界磁電流コイルに流れる電流により前記第２領域に界磁電流磁束が生成され、前記ロータコアの前記第１面内の前記第１領域に設けられ、前記第１界磁コイルの方向に突出する第１追加ロータコアと、前記ロータコアの前記第２面内の前記第２領域に設けられ、前記第２界磁コイルの方向に突出する第２追加ロータコアと、を備え、前記第１追加ロータコア及び前記第２追加ロータコアは、周方向に離間し、かつ軸方向に延在するように設けられる、回転電機である。

本発明の１つの実施形態では、異なる磁極が周方向に交互に離間して配置されるように前記ロータコアに設けられる磁石とを備え、前記磁気抵抗が相対的に大きい材料は前記磁石を含み、前記界磁ヨークと前記ロータコアの前記第１面内の前記第１領域との間の軸方向の磁気抵抗は、前記界磁ヨークと前記ロータコアの前記第１面内の前記磁気抵抗が相対的に大きい材料の領域の軸方向の磁気抵抗よりも小さく、前記界磁ヨークと前記ロータコアの前記第２面内の前記第２領域との間の軸方向の磁気抵抗は、前記界磁ヨークと前記ロータコアの前記第２面内の前記磁気抵抗が相対的に大きい材料の領域の軸方向の磁気抵抗よりも小さい。

本発明のさらに他の実施形態では、前記ロータコアは、筒状の第１ロータコアと、前記第１ロータコアの内周側に設けられた第２ロータコアとを備え、前記磁石は、少なくとも前記第１ロータコアに設けられる。

本発明のさらに他の実施形態では、前記ロータコアは、筒状の第１ロータコアと、前記第１ロータコアの内周側に設けられた第２ロータコアとを備え、前記第１追加ロータコアは、前記第１ロータコアと前記第２ロータコアの少なくともいずれかに設けられ、前記第２追加ロータコアは、前記第１ロータコアと前記第２ロータコアの少なくともいずれかに設けられる。

本発明のさらに他の実施形態では、前記磁石は、軸方向に平行に延在する。

本発明のさらに他の実施形態では、前記磁石は、軸方向に斜めに延在する。

本発明のさらに他の実施形態では、前記ロータコアのうち、前記第１追加ロータコアが設けられた側と軸方向反対側の端部の内径側が部分的に削除され、前記ロータコアのうち、前記第２追加ロータコアが設けられた側と軸方向反対側の端部の内径側が部分的に削除される。

本発明のさらに他の実施形態では、前記第１ロータコアと前記第２ロータコアは、径方向に結合されるとともに周方向に結合される。

本発明によれば、第１界磁コイルに流れる電流により磁気抵抗が相対的に小さい第１領域に界磁電流磁束が生成され、第２界磁電流コイルに流れる電流により磁気抵抗が相対的に小さい第２領域に界磁電流磁束が生成されるので、界磁電流磁束の低下を抑制し、界磁電流によるトルクを増加できる。

実施形態のロータの斜視図である。 図１の一部拡大図である。 実施形態の回転電機の上面図である。 実施形態の回転電機の電機子鎖交磁束説明図である。 実施形態の回転電機の磁石磁束説明図である。 実施形態の回転電機の界磁電流磁束説明図である。 特許文献１の界磁電流と鎖交磁束との関係を示すグラフ図である。 特許文献２の界磁電流と鎖交磁束との関係を示すグラフ図である。 実施形態の界磁電流と鎖交磁束との関係を示すグラフ図である。 特許文献３と実施形態の、界磁電流と鎖交磁束との関係を示すグラフ図である。 実施形態の磁石配置説明図である。 実施形態の他の磁石配置説明図である。 実施形態のさらに他の磁石配置説明図である。 実施形態のさらに他の磁石配置説明図である。 実施形態の他の追加ロータコア配置説明図である。 実施形態のさらに他の追加ロータコア配置説明図である。 実施形態の第１ロータコアと第２ロータコアの結合説明図（その１）である。 実施形態の第１ロータコアと第２ロータコアの結合説明図（その２）である。 実施形態のさらに他の磁石配置説明図である。 実施形態の回転電機の斜視図である。 実施形態の他の回転電機の斜視図である。 実施形態の追加ロータコア配置説明図（その１）である。 実施形態の追加ロータコア配置説明図（その２）である。 実施形態の他の追加ロータコア配置説明図（その１）である。 実施形態の他の追加ロータコア配置説明図（その２）である。 実施形態のさらに他の磁石配置説明図である。 実施形態のさらに他の磁石配置説明図である。 実施形態の他のロータコア形状説明図である。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。

図１は、本実施形態における回転電機のロータ１０の斜視図を示す。また、図２は、図１に示すロータ１０の一部拡大図、より詳しくはロータ１０のシャフト１２を除く１／４カットの斜視図を示す。

ここで、ロータ１０の外周側にロータ１０との間にギャップを形成して配置されるステータは、例えば特許文献１、２と同様の構成である。具体的には、ステータは、ステータコアと、ステータコアの内表面に形成され、ステータコアの径方向に向けて突出する複数のステータティースと、ステータティースに巻回されたステータコイルを備える。ステータティースは、周方向に等間隔に離間して形成される。ステータコイルはＵ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルを構成し、ステータコイルの一端が端子とされ、他端が中性点とされる。端子にはインバータの三相ケーブルのＵ相ケーブル、Ｖ相ケーブル、Ｗ相ケーブルのいずれかが接続され、中性点は１点に共通接続される。三相ケーブルには、制御装置からトルク指令値に応じた制御電流が供給される。

また、ステータの外側に界磁ヨーク及び界磁コイルを備える。界磁ヨークは、ステータ及びロータ１０の両端部から軸方向に離間した位置に配置された天板部と、天板部の周縁部に形成された円筒状の側壁部と、天板部に形成された円筒状の突部を備える。天板部の中央部には貫通穴が形成され、この貫通穴にシャフト１２が挿入される。また、側壁部はステータコアの外表面に固設される。天板部に形成された円筒状の突部は、天板部の内表面に形成され、ロータ１０の軸方向端部に向けて突出する。突部とロータ１０の端部との間は、磁力線が途切れない程度に、突部とロータ１０の端部とが近接する。

界磁コイルは、突部の外表面に巻回される。界磁コイルに界磁電流を流すことにより、突部の端部側に例えばＳ極の磁性を誘起するとともに側壁部にＮ極の磁性を誘起させることができる。具体的には、界磁コイルに界磁電流を流すことで、界磁ヨークの天板部を通り、側壁部からステータコア内に入り込み、ギャップを介してロータ１０のロータコア内に入り込み、ロータコア内を軸方向に進み、ロータコアの軸方向端部から突部を介して界磁ヨークに入り込むような磁気回路が形成される。界磁コイルは、ロータ１０の軸方向両端部に対向する位置にそれぞれ配置される。なお、界磁ヨーク及び界磁コイルの構成については、さらに後述する。

図１及び図２において、ロータ１０は、回転軸としてのシャフト１２の外周に筒状に配置されたロータコアと、ロータコアの外周側にその磁極が互いに相違するように順次配置された磁石１８ｎ、１８ｓを含む。磁石１８ｎ、１８ｓは、周方向に隔置してスポーク状に配置され、ロータ１０の軸方向（シャフト１２の軸方向）に延在するように配置される。

ロータコアは、外周側の筒状の第１ロータコア１４と、内周側の第２ロータコア１６から構成される。第１ロータコア１４は、磁石１８ｎ、１８ｓにより第１ロータコア１４ｎと第１ロータコア１４ｓに周方向に分割される。シャフト１２の外周と磁石１８ｎ、１８ｓの間には、シャフト１２の外周から磁石１８ｎ、１８ｓまで径方向に延在する非磁性体２０（あるいは空隙）が配置される。また、第２ロータコア１６は非磁性体２０（あるいは空隙）により第２ロータコア１６ｎと第２ロータコア１６ｓに周方向に分割される。ここで、符号に付されたｎ及びｓは、それぞれ磁極のＮ極及びＳ極を意味する。

図３は、ロータ１０の１／４カットの上面図を示す。ステータのステータコア５のヨーク部にステータコイル（電機子巻線）６が巻回され、Ｎ極（第１極）及びＳ極（第２極）が形成される。他方、ロータ１０の周方向には磁石１８ｎ、１８ｓが交互に配置され、第１ロータコア１４及び第２ロータコア１６はそれぞれＮ極とＳ極に磁石１８ｎ、１８ｓ及び非磁性体２０で磁気的に分断される。磁気抵抗に関しては、磁石１８ｎ、１８ｓ及び非磁性体２０が配置された領域は、磁気抵抗が相対的に大きい領域であり、磁石１８ｎ、１８ｓ及び非磁性体２０が配置されていない領域、言い替えれば磁石１８ｎ、１８ｓ及び非磁性体２０で囲まれた第１ロータコア１４ｎ、１４ｓ、第２ロータコア１６ｎ、１６ｓの領域は、磁気抵抗が相対的に小さい領域である。

図４は、ロータ１０の１／４カットの上面図であり、ステータのステータコイル６に鎖交する電機子鎖交磁束の向きを矢印１００で示す。また、図５は、ロータ１０の１／４カットの上面図であり、磁石１８ｎ、１８ｓにより生じる磁石磁束を破線２００で示す。

特許文献１では、磁石磁束の磁気回路に空隙が存在するため磁気抵抗が増大し、磁石磁束が減少してしまうが、本実施形態では、図５に示すように磁石磁束２００の磁気回路には磁石１８ｓと第１ロータコア１４ｎとの間、及び磁石１８ｓと第１ロータコア１４ｓとの間に空隙が存在しないために磁気抵抗が増大せず、磁石磁束は減少しない。

再び図１及び図２に戻り、第１ロータコア１４ｎ、１４ｓ及び第２ロータコア１６ｎ、１６ｓは、周方向に交互にＮ極、Ｓ極が配置されるが、第２ロータコア１６ｎ、１６ｓに関しては、軸方向に交互に追加第２ロータコア１７、すなわち追加第２ロータコア１７ｎ、１７ｓが追加されて軸方向に延長される。

すなわち、第２ロータコア１６ｓについては、図中軸方向の上方向に追加第２ロータコア１７ｓが追加されて軸方向の上方向に延長され、第２ロータコア１６ｎについては、図中軸方向の下方向に追加第２ロータコア１７ｎが追加されて軸方向の下方向に延長される。ロータ１０の両端面のうち、図中軸方向の上方向に位置する端面を第１面、図中軸方向の下方向に位置する端面を第２面とすると、第１面では周方向に配置された第２ロータコア１６ｓにのみ追加第２ロータコア１７ｓが追加され、第２ロータコア１６ｎには追加第２ロータコア１７は追加されない。また、第２面では周方向に配置された第２ロータコア１６ｎにのみ追加第２ロータコア１７ｎが追加され、第２ロータコア１６ｓには追加第２ロータコア１７は追加されない。従って、第１面では、追加ロータコア１７ｓが追加されたことにより周方向に交互に凹凸が形成され、第２面でも、追加ロータコア１７ｎが追加されたことにより周方向に交互に凹凸が形成される。第１面の凸部は第２ロータコア１６ｓに相当する部分であり、第２面の凸部は第２ロータコア１６ｎに相当する部分であるから、第１面の凹凸と第２面の凹凸は、周方向にずれる（第１面の凸部分は第２面の凹部分であり、第１面の凸部分は第２面の凹部分である）。

既述したように、ロータ１０の第１面及び第２面にはそれぞれ界磁ヨークの突部に巻回された界磁コイルが対向しており、第１面に対向する界磁コイルを第１界磁コイル、第２面に対向する界磁コイルを第２界磁コイルとすると、第１面の追加第２ロータコア１７ｓは第１界磁コイルに向かって延在し、第２面の追加第２ロータコア１７ｎは第２界磁コイルに向かって延在する。従って、第１界磁コイルと第１面の第２ロータコア１６ｎ、１６ｓとの関係では、追加第２ロータコア１７ｓが追加された分だけ第１界磁コイルと第２ロータコア１６ｓと間の軸方向の磁気抵抗が小さくなり、第１界磁コイルで生じた磁束は第２ロータコア１６ｓ（及び第１ロータコア１４ｓ）を選択的に流れる。第１面の第１ロータコア１４ｓ、第２ロータコア１６ｓ及び追加ロータコア１７ｓの領域を第１領域とすると、第１領域は相対的に磁気抵抗が小さい領域であり、第１界磁コイルで生じた磁束は、磁気抵抗が相対的に大きい磁石１８ｎ、１８ｓを流れることなく相対的に磁気抵抗が小さい第１領域を流れる。追加第２ロータコア１７ｓにより第１領域が形成され得る。

また、第２界磁コイルと第２面の第２ロータコア１６ｎ、１６ｓとの関係では、追加第２ロータコア１７ｎが追加された分だけ第２界磁コイルと第２ロータコア１６ｎと間の軸方向の磁気抵抗が小さくなり、第２界磁コイルで生じた磁束は第２ロータコア１６ｎ（及び第１ロータコア１４ｎ）を選択的に流れる。第２面の第１ロータコア１４ｎ、第２ロータコア１６ｎ及び追加ロータコア１７ｎの領域を第２領域とすると、第２領域は相対的に磁気抵抗が小さい領域であり、第２界磁コイルで生じた磁束は、磁気抵抗が相対的に大きい磁石１８ｎ、１８ｓを流れることなく相対的に磁気抵抗が小さい第２領域を流れる。追加第２ロータコア１７ｎにより第２領域が形成され得る。

従って、第１界磁コイル及び第２界磁コイルでそれぞれ生じた磁束により、第１ロータコア１４ｎ及び第１ロータコア１４ｓに交互に異なる磁極が形成される。

図６は、ロータ１０の１／４カットの上面図であり、第１界磁コイル及び第２界磁コイルにより生じる界磁電流磁束を破線３００で示す。第１面では追加第２ロータコア１７ｓにより第１界磁コイルで生じた磁束を選択的に第１ロータコア１４ｓに流し、第２面では追加第２ロータコア１７ｎにより第２界磁コイルで生じた磁束を選択的に第１ロータコア１４ｎに流すので、周方向に交互に向きの異なる界磁電流磁束が生じる。図５の磁石磁束２００と図６の界磁電流磁束３００とを対比すると、第１ロータコア１４ｎに流れる磁石磁束２００と界磁電流磁束３００は同じ向きであり、かつ、第１ロータコア１４ｓに流れる磁石磁束２００と界磁電流磁束３００は同じ向きである。このことは、界磁電流磁束により磁石磁束を強めることを意味する。

図６において、界磁電流磁束３００の磁気回路となる第１ロータコア１４ｎ、１４ｓの周方向の幅は、第１ロータコア１４ｎ、１４ｓの周方向に空隙が存在しないため特許文献１の場合に比べて十分に広い。

また、界磁電流磁束３００の磁気回路に磁気抵抗が相対的に大きい磁石１８ｎ、１８ｓが存在しないため、特許文献２のように磁石の分だけ磁気抵抗が増大することもない。

さらに、界磁電流磁束３００が１つの極に集中しない磁気回路となるので、特許文献３のように２つの界磁コイルにより生じた界磁電流磁束が鉄突極部に集中して突極側が磁気飽和することもなく、鎖交磁束の減少が抑制される。

すなわち、本実施形態のロータ１０では、磁石磁束の磁気回路に空隙が存在せず、磁気抵抗の増大がないため磁石磁束を有効に利用し得る。また、界磁電流磁束の磁気回路に磁石が存在せず、かつ１つの極に集中することもないので界磁電流磁束を有効に利用し得る。

図７、図８、及び図９は、それぞれ特許文献１、特許文献２、及び本実施形態の鎖交磁束を示す。横軸は界磁電流、縦軸は鎖交磁束量であり、界磁電流を変化させた場合の鎖交磁束量を磁界解析で計算した結果である。鎖交磁束については、磁石磁束と界磁電流磁束に分けて示す。これらの図において、ステータの構造は全て同一としている。第１界磁コイル及び第２界磁コイルに流す界磁電流が０の場合は、磁石磁束のみの場合であり、その時の鎖交磁束の値が磁石磁束である。

図７は、特許文献１の鎖交磁束であり、磁石磁束の磁気回路に空隙が存在するため磁石磁束が相対的に小さくなっている。

図８は、特許文献２の鎖交磁束であり、磁石磁束は相対的に大きいものの、界磁電流磁束の磁気回路に磁気抵抗の大きな磁石が存在するため界磁電流磁束は相対的に小さくなっている。

図９は、本実施形態の鎖交磁束であり、磁石磁束及び界磁電流磁束ともに良好な値を示している。これは、既述したように、磁石磁束の磁気回路に空隙が存在せず、かつ、界磁電流磁束の磁気回路に磁石が存在しないことによるものである。

図１０は、特許文献３と本実施形態の鎖交磁束を示す。図において、破線は特許文献３の鎖交磁束であり、実線は本実施形態の鎖交磁束である。なお、特許文献１、２と本実施形態ではステータの構造は同一でロータの構造が相違するが、特許文献３と本実施形態ではステータ及びロータの構造が相違するため、磁石磁束からの増加分、つまり界磁電流磁束のみを鎖交磁束として示す。特許文献３では、界磁電流磁束が突極部に集中するため磁気飽和して頭打ちになるのに対し、本実施形態では磁気飽和しないため界磁電流の増加とともに界磁電流磁束が増大していることが分かる。

以上より、本実施形態にかかる回転電機では、磁石磁束及び界磁電流磁束のいずれも従来の回転電機に比べて増大させることができ、磁石によるトルクと界磁電流によるトルクをいずれも増大させ得る。

本実施形態では、スポーク状の磁石１８を第１ロータコア１４の間に配置しているが、他の配置構成としてもよい。

図１１は、本実施形態における磁石１８の配置構成であり、既述したようにロータコアの外周側の第１ロータコア１４間に配置される構成である。磁石１８とシャフト１２の間は径方向に延在する非磁性体２０（あるいは空隙）で磁気的に分断される。

図１２は、磁石１８の他の配置構成であり、ロータコアの内周側の第２ロータコア１６間に配置される構成である。磁石１８とロータコア外周の間は径方向に延在する非磁性体２０（あるいは空隙）で磁気的に分断される。

図１３は、磁石１８のさらに他の配置構成であり、第１ロータコア１４間に配置すると共に第２ロータコア１６間に配置される構成である。

図１４は、磁石１８のさらに他の配置構成であり、図１１と同様に第１ロータコア１４間に配置されると共に、第２ロータコア１６間にその一部が延在する配置構成である。図１１と図１３の中間の構成といえる。

図１１～図１４のいずれの配置構成も可能であるが、磁石１８はステータ側に近い方がより望ましい。ステータ側に近い方が電機子磁束量が多くなり、磁石によるトルクが増大するからである。

また、本実施形態におけるロータ１０のステータとのギャップ表面での渦電流による損失を低減するためには、第１ロータコア１４は、積層鋼板等で構成されることが望ましい。すなわち、第１ロータコア１４は、軸方向の磁気抵抗よりも、周方向及び径方向の磁気抵抗が小さい。そして、界磁電流磁束は、第２ロータコア１６の軸方向から追加第２ロータコア１７ｎ、１７ｓを通って流れるので、第２ロータコア１６の軸方向の磁気抵抗は、第１ロータコア１４の軸方向の磁気抵抗よりも小さいことが望ましい。

本実施形態では、追加第２ロータコア１７ｎ、１７ｓを第２ロータコア１６ｎ、１６ｓの軸方向に追加しているが、必ずしも第２ロータコア１６ｎ、１６ｓの軸方向ではなく、第１ロータコア１４ｎ、１４ｓの軸方向や、第１ロータコア１４ｎ、１４ｓ及び第２ロータコア１６ｎ、１６ｓの軸方向にロータコアを追加してもよい。第１ロータコア１４ｎ、１４ｓの軸方向に追加する場合には追加第１ロータコアを追加するといえ、第１ロータコア１４ｎ、１４ｓ及び第２ロータコア１６ｎ、１６ｓの軸方向に追加する場合には単に追加ロータコアといえる。以下では、追加第１ロータコア及び追加第２ロータコアをまとめて追加ロータコアと称する。

図１５は、追加ロータコア１７を第１ロータコア１４ｎ、１４ｓの軸方向に追加した配置構成である。図では第１面に追加ロータコア１７ｓを追加する場合を示しているが、第２面については追加ロータコア１７ｎを追加する。

図１６は、追加ロータコア１７を第１ロータコア１４ｎ、１４ｓ及び第２ロータコア１６ｎ、１６ｓの軸方向に追加した配置構成である。

図１５、図１６のいずれの配置構成も可能であるが、第１ロータコア１４を積層鋼板で構成した場合には軸方向の磁気抵抗が大きくなり、界磁電流磁束は第１ロータコア１４及び第２ロータコア１６を軸方向に流れるから、追加ロータコア１７は第２ロータコア１６の軸方向のみに追加するのが磁気抵抗の観点からより望ましいといえる。

また、本実施形態において、シャフト１２は非磁性体等、磁気抵抗の大きい材料が望ましい。あるいは、シャフト１２と第２ロータコア１６との間に、空隙や非磁性体等、磁気抵抗の大きい材料を配置することが望ましい。その理由は、第２ロータコア１６とシャフト１２が磁気的に結合すると、磁石磁束が内径側のシャフト１２内を短絡して磁石磁束が減少するだけでなく、界磁電流磁束もシャフト１２内を流れるようになり界磁電流トルクも減少してしまうからである。

また、第１ロータコア１４と第２ロータコア１６は、それぞれ径方向だけでなく周方向にも結合されていることが望ましい。第１ロータコア１４と第２ロータコア１６を周方向に結合することで、第１ロータコア１４及び第２ロータコア１６の機械強度を向上させ得る。

図１７及び図１８は、この場合のロータ１０の構成を示す。図１８に示すように、磁石１８ｓの径方向の両端部にブリッジ部２２、２３が形成される。第１ロータコア１４を構成する第１ロータコア１４ｎ、１４ｓは、ブリッジ部２２により周方向に連結される。また、第２ロータコア１６を構成する第２ロータコア１６ｎ、１６ｓは、第２ロータコア１６ｎ、１６ｓと図示しないシャフト１２との間に設けられたブリッジ部２３で周方向に連結される。

なお、この場合においても、例えば第１ロータコア１４ｎ、第２ロータコア１６ｎに着目すると、相対的に磁気抵抗の大きな磁石１８ｎ、１８ｓ及び非磁性体２０で囲まれた領域ということができる。

また、本実施形態では、スポーク状に配置された磁石１８を前提として追加ロータコアを軸方向に追加する構成を例示したが、磁石１８の配置はスポーク状に限定されず、他の配置も可能である。

図１９は、磁石１８をＶ字型に配置した構成を示す。ロータ１０には、Ｖ字型に配置された２つの磁石からなる磁石対１８ｓと、この磁石対１８ｓに対して周方向に離間して配置され、Ｖ字型に配置された２つの磁石からなる磁石対１８ｎが設けられる。なお、これらの磁石対１８ｎ、１８ｓは、ロータ１０に形成された磁石挿入用穴部内に挿入されるＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）構成である。追加ロータコア１７ｓは、Ｖ字型に配置された磁石対１８ｓで囲まれた領域に追加される。この場合にも、追加ロータコア１７ｓは、ロータ面内において磁気抵抗の相対的に大きい領域で囲まれた領域に追加される。
また、軸方向下側の面において、追加ロータコア１７ｎが、Ｖ字型に配置された磁石対１８ｎで囲まれた領域に追加される。

図１９では、ロータ面内において磁気抵抗の相対的に大きい領域に囲まれた領域に追加ロータコア１７を軸方向に追加し、軸方向の磁気抵抗差を利用しているが、軸方向の磁気抵抗差に加え、径方向の磁気抵抗差を利用してもよい。

図２０は、軸方向の磁気抵抗差を利用する本実施形態の回転電機の構成を示す。ロータ１０の構成は図１に示す通りであるが、図２０ではステータの界磁ヨーク及び界磁コイルの配置も併せて示す。図２０を参照することで、本実施形態におけるロータ１０と界磁ヨーク及び２つの界磁コイルとの位置関係がより明確に理解される。

既述したように、ステータの外側に界磁ヨーク３０及び２つの界磁コイル４０、５０が設けられる。界磁ヨーク３０は、ロータ１０の両端部から軸方向に離間した位置に配置された天板部３０ａと、天板部３０ａの周縁部に形成された円筒状の側壁部３０ｂと、天板部３０ａに形成された円筒状の突部３０ｃを備える。天板部３０ａの中央部には貫通穴が形成され、この貫通穴にシャフト１２が挿入される。また、側壁部３０ｂはステータコアの外表面に固設される。天板部３０ａに形成された円筒状の突部３０ｃは、天板部３０ａの内表面に形成され、ロータ１０の軸方向端部に向けて突出する。

界磁コイル４０は、図中軸方向の上方向の突部３０ｃの外表面に巻回される。また、界磁コイル５０は、図中軸方向下方の突部３０ｃの外表面に巻回される。界磁コイル４０、５０に同方向の界磁電流を流すことにより、界磁電流磁束が生じる。界磁コイル４０に界磁電流を流すことで、界磁ヨーク３０の天板部３０ａを通り、側壁部３０ｂからステータコア内に入り込み、ギャップを介してロータ１０の第１ロータコア１４、第２ロータコア１６内に入り込み、第２ロータコア１６及び追加ロータコア（追加第２ロータコア）１７内を軸方向に進み、追加ロータコア（追加第２ロータコア）１７の軸方向端部から突部３０ｃを介して界磁ヨーク３０に入り込むような磁気回路４００が形成される。

図２１は、径方向の磁気抵抗差を利用する他の実施形態の回転電機の構成を示す。図２０と同様に追加第２ロータコア１７が第２ロータコア１６に軸方向に追加されるが、この追加第２ロータコア１７は、図２０よりもさらに軸方向に延長され、界磁ヨーク３０の天板部３０ａ近傍に達する。従って、軸方向にさらに延在された追加第２ロータコア１７によって、界磁ヨーク３０の天板部３０ａにおいて径方向に磁気抵抗差が生じ、追加第２ロータコア１７が追加された部位では他の部位に比べて磁気抵抗が小さくなる。すなわち、追加第２ロータコア１７を追加することで軸方向に加えて径方向にも磁気抵抗差が生じることになり、界磁コイル４０が作る磁束は追加第２ロータコア１７を選択的に流れる。界磁コイル５０が作る磁束も同様にして追加第２ロータコア１７を選択的に流れる。

また、図２１の構成においても、界磁コイル４０が作る磁気回路４００内に磁石１８が配置されていないから、磁石１８による界磁電流磁束の減少が防止される。界磁コイル５０が作る磁気回路４００についても同様である。

また、本実施形態では、図２２Ａに示す斜視図及び図２２Ｂに示す追加ロータコア１７の斜視図のように、追加ロータコア１７は、周方向に互いに離間して配置されているが、磁気抵抗差が確保できる範囲内で、周方向に互いに結合されていてもよい。

図２３Ａ及び図２３Ｂは、この場合の追加ロータコア１７の構成を示す。追加ロータコア１７は、周方向に互いに離間して配置されており、かつ、その軸方向端部、すなわち界磁ヨーク３０の突部３０ｃ側の端部が円環状コア１９ｓにより周方向に結合される。これにより、磁気抵抗差を維持しつつも追加ロータコア１７の機械強度を向上させることができる。

また、本実施形態では、磁石１８はスポーク状に配置して軸方向に延在しているが、磁石１８を軸方向に平行ではなく、一定の角度だけ傾斜させて配置してもよい。この場合、磁石１８の傾斜配置により、第１ロータコア１４及び第２ロータコア１６も併せて軸方向に対して傾斜させて配置してもよい。

図２４及び図２５は、磁石１８を軸方向に対して傾斜させて配置した構成を示す。図２４と図２５では、磁石１８の傾斜角度が異なっている。これらの構成によっても、図１等と同様の効果が得られる。磁石１８とともに第１ロータコア１４及び第２ロータコア１６を傾斜して配置することで、追加第２ロータコア１７の界磁電流磁束が通過する面の面積が増大するため、その分だけ磁気飽和の緩和による界磁電流トルクがさらに増大し得る。

さらに、本実施形態において、第２ロータコア１６において、追加ロータコア１７が追加された側と軸方向において反対側の端部を径方向に一部削除（カット）してもよい。

図２６は、この場合のロータ１０の構成を示す。第２ロータコア１６の軸方向に追加第２ロータコア１７を追加するとともに、第２ロータコア１６の軸方向反対側の一部を径方向に一部カットする。図において、一部カットしたカット面１６ａを示す。図２０の磁気回路４００に示すように、界磁コイル４０に界磁電流を流すことで、界磁ヨーク３０の天板部３０ａを通り、側壁部３０ｂからステータコア内に入り込み、ギャップを介してロータ１０の第１ロータコア１４、第２ロータコア１６内に入り込み、第２ロータコア１６及び追加ロータコア１７内を軸方向に進み、追加ロータコア１７の軸方向端部から突部３０ｃを介して界磁ヨーク３０に入り込むような磁気回路４００が形成されるため、第２ロータコア１６のうち、追加ロータコア１７が追加されていない反対側の端部の内径側には界磁電流磁束は通らないか、あるいは無視し得る程度の微小量である。従って、この部分を一部カットしても界磁電流磁束の磁束量はほとんど変化せず、第２ロータコア１６の軽量化を図ることができる。一部カットされた部分にはスペースが生じるため、当該スペースを他の用途に利用することも可能である。

１０ ロータ、１２ シャフト、１４，１４ｎ，１４ｓ 第１ロータコア、１６，１６ｎ，１６ｓ 第２ロータコア、１７，１７ｎ，１７ｓ 追加ロータコア（追加第２ロータコア）、１８，１８ｎ，１８ｓ 磁石、２０ 非磁性体、２２，２３ ブリッジ部、３０ 界磁ヨーク、３０ａ 天板部、３０ｂ 側壁部、３０ｃ 突部、４０，５０ 界磁コイル。

Claims (9)

1. 回転可能なシャフトと、
   前記シャフトに固設されたロータコアと、
   筒状に形成されたステータコアと、
   前記ステータコアの外側に設けられた界磁ヨークと、
   前記界磁ヨークの、前記ロータコアの軸方向端部に対向する位置にそれぞれ設けられ、前記界磁ヨークと前記ロータコアとの間に磁気回路を形成する第１界磁コイル及び第２界磁コイルと、
   を備え、
   前記ロータコアの前記第１界磁コイルに対向する第１面内に磁気抵抗が相対的に大きい材料で囲まれた第１領域が形成され、前記ロータコアの前記第２界磁コイルに対向する第２面内に磁気抵抗が相対的に大きい材料で囲まれた第２領域が形成され、前記第１領域と前記第２領域は互いに異なる磁極であり、
   前記第１界磁コイルに流れる電流により前記第１領域に界磁電流磁束が生成され、前記第２界磁電流コイルに流れる電流により前記第２領域に界磁電流磁束が生成され、
   前記ロータコアの前記第１面内の前記第１領域に設けられ、前記第１界磁コイルの方向に突出する第１追加ロータコアと、
   前記ロータコアの前記第２面内の前記第２領域に設けられ、前記第２界磁コイルの方向に突出する第２追加ロータコアと、
   を備え、
   前記第１追加ロータコア及び前記第２追加ロータコアは、周方向に離間し、かつ軸方向に延在するように設けられる、
   回転電機。
2. 異なる磁極が周方向に交互に離間して配置されるように前記ロータコアに設けられる磁石と、
   を備え、
   前記磁気抵抗が相対的に大きい材料は前記磁石を含み、
   前記界磁ヨークと前記ロータコアの前記第１面内の前記第１領域との間の軸方向の磁気抵抗は、前記界磁ヨークと前記ロータコアの前記第１面内の前記磁気抵抗が相対的に大きい材料の領域の軸方向の磁気抵抗よりも小さく、前記界磁ヨークと前記ロータコアの前記第２面内の前記第２領域との間の軸方向の磁気抵抗は、前記界磁ヨークと前記ロータコアの前記第２面内の前記磁気抵抗が相対的に大きい材料の領域の軸方向の磁気抵抗よりも小さい
   請求項１に記載の回転電機。
3. 前記ロータコアは、
   筒状の第１ロータコアと、
   前記第１ロータコアの内周側に設けられた第２ロータコアと、
   を備え、
   前記磁石は、少なくとも前記第１ロータコアに設けられる
   請求項２に記載の回転電機。
4. 前記ロータコアは、
   筒状の第１ロータコアと、
   前記第１ロータコアの内周側に設けられた第２ロータコアと、
   を備え、
   前記第１追加ロータコアは、前記第１ロータコアと前記第２ロータコアの少なくともいずれかに設けられ、
   前記第２追加ロータコアは、前記第１ロータコアと前記第２ロータコアの少なくともいずれかに設けられる
   請求項１に記載の回転電機。
5. 前記磁石は、軸方向に平行に延在する
   請求項２に記載の回転電機。
6. 前記磁石は、軸方向に斜めに延在する
   請求項２に記載の回転電機。
7. 前記ロータコアのうち、前記第１追加ロータコアが設けられた側と軸方向反対側の端部の内径側が部分的に削除され、
   前記ロータコアのうち、前記第２追加ロータコアが設けられた側と軸方向反対側の端部の内径側が部分的に削除される
   請求項１に記載の回転電機。
8. 前記第１ロータコアと前記第２ロータコアは、径方向に結合されるとともに周方向に結合される
   請求項３，４のいずれかに記載の回転電機。
9. 前記ロータコアは、
   筒状の第１ロータコアと、
   前記第１ロータコアの内周側に設けられた第２ロータコアと、
   を備え、
   前記第１追加ロータコア及び前記第２追加ロータコアは、前記第２ロータコアのみに設けられる
   請求項１に記載の回転電機。

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