JPWO2013129022A1 - ハイブリッド励磁式回転電機 - Google Patents

Abstract

本発明は、ハイブリッド励磁式回転電機に係り、永久磁石で励磁されていない磁極を励磁する励磁コイルによる磁束発生時に生じる鉄損を抑制すべく、少なくとも軸方向一方側に延出するシャフトと、軸方向に隙間を空けて分割され、それぞれ周方向に永久磁石で励磁された第１磁極と永久磁石で励磁されていない第２磁極とが交互に配置され、それぞれの前記第１磁極の極性が互いに異なり、かつ一方の前記第１磁極と他方の前記第２磁極とが軸方向で前記隙間を介して互いに対向配置された第１及び第２コアと、を有するロータと、上記ロータの径方向外側に配置された、前記ロータを回転させる回転磁界を発生させるステータと、上記隙間に配置された、上記第２磁極を励磁する励磁コイルと、上記第１コア、上記第２コア、及び上記励磁コイルの径方向内側に配置された、鉄損が上記シャフトの鉄損に比べて小さい材料で形成された第３コアと、を備える。

Description

本発明は、ハイブリッド励磁式回転電機に係り、特に、励磁回路として永久磁石と電磁石との双方を用いたハイブリッド励磁式回転電機に関する。

従来、永久磁石と電磁石とを備えるハイブリッド励磁式回転電機が知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。この回転電機は、ロータと、ロータの径方向外側に配置され、ロータを回転させる回転磁界を発生させるステータと、を備えている。ステータは、ステータコアと、ステータコイルと、を有している。また、ロータは、軸方向に延びるシャフトと、軸方向に分割された第１及び第２コアと、を有している。第１及び第２コアはそれぞれ、径方向端部に周方向に交互に配置された、永久磁石で励磁された永久磁石励磁磁極と、永久磁石で励磁されていない非励磁の永久磁石非励磁磁極と、を有している。第１コアの永久磁石励磁磁極と第２コアの永久磁石励磁磁極とは、互いに反転した極性からなる。第１コアの永久磁石励磁磁極と第２コアの永久磁石非励磁磁極とは、軸方向で互いに対向配置されていると共に、第１コアの永久磁石非励磁磁極と第２コアの永久磁石励磁磁極とは、軸方向で互いに対向配置されている。

永久磁石による磁束量は略一定である。また、上記の回転電機は、永久磁石非励磁磁極を励磁する励磁コイルを備えている。励磁コイルが外部から通電されると、永久磁石非励磁磁極を励磁して永久磁石による磁束を弱め或いは強める磁束が発生する。従って、上記の回転電機によれば、永久磁石による磁束と電磁石による磁束との合成磁束によりロータを適切に回転させることが可能である。

特開平８−２５１８９１号公報 特許第３７２４４１６号公報

ところで、上記特許文献１記載の回転電機では、励磁コイルが、軸方向に分割された第１コアと第２コアとの軸方向に空いた隙間に配置されている。この場合には、励磁コイルが通電された際に励磁コイルの径方向内側ではシャフトに磁束が流れる。また、上記特許文献２記載の回転電機では、励磁コイルが、軸方向に分割された第１コアと第２コアとの間の径方向外側に配置されている。この場合には、励磁コイルが通電された際に励磁コイルの径方向内側ではシャフト又は第１及び第２コアに磁束が流れる。これらの回転電機の構造では、励磁コイルによる磁束発生時に生じる鉄損が大きくなるので、大きなトルクを発生させるうえで装置自体が大型化してしまう。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、永久磁石で励磁されていない磁極を励磁する励磁コイルによる磁束発生時に生じる鉄損を抑制することが可能なハイブリッド励磁式回転電機を提供することを目的とする。

上記の目的は、少なくとも軸方向一方側に延出するシャフトと、軸方向に隙間を空けて分割され、それぞれ周方向に永久磁石で励磁された第１磁極と永久磁石で励磁されていない第２磁極とが交互に配置され、それぞれの前記第１磁極の極性が互いに異なり、かつ一方の前記第１磁極と他方の前記第２磁極とが軸方向で前記隙間を介して互いに対向配置された第１及び第２コアと、を有するロータと、前記ロータの径方向外側に配置された、前記ロータを回転させる回転磁界を発生させるステータと、前記隙間に配置された、前記第２磁極を励磁する励磁コイルと、前記第１コア、前記第２コア、及び前記励磁コイルの径方向内側に配置された、鉄損が前記シャフトの鉄損に比べて小さい材料で形成された第３コアと、を備えるハイブリッド励磁式回転電機により達成される。

本発明によれば、永久磁石で励磁されていない磁極を励磁する励磁コイルによる磁束発生時に生じる鉄損を抑制することができる。

本発明の一実施例であるハイブリッド励磁式回転電機の構造を示す斜視図である。 本発明の一実施例であるハイブリッド励磁式回転電機を軸中心線を含む平面で切断した際の断面図である。 本発明の一実施例であるハイブリッド励磁式回転電機を、図２に示すIII−IIIで切断した際の断面図である。 本発明の一実施例であるハイブリッド励磁式回転電機を、図２に示すIV−IVで切断した際の断面図である。 本発明の一実施例であるハイブリッド励磁式回転電機の第３コアの形状を表した断面図である。 本発明の一実施例であるハイブリッド励磁式回転電機の分解斜視図である。 本実施例の如きハイブリッド励磁式回転電機の構造において生じ得る現象を説明するための図である。 本実施例の如きハイブリッド励磁式回転電機の構造において生じ得る現象を説明するための図である。 シャフトで発生する渦電流の流通箇所を表した図である。 本実施例のハイブリッド励磁式回転電機においてシャフトに発生する渦電流を抑制する手段の配置位置を表した図である。 本実施例のハイブリッド励磁式回転電機における効果を説明するための図である。

以下、図面を用いて、本発明に係るハイブリッド励磁式回転電機の具体的な実施の形態について説明する。

図１は、本発明の一実施例であるハイブリッド励磁式回転電機１０の構造を示す斜視図を示す。尚、図１には、一部がカットされたハイブリッド励磁式回転電機１０が示されている。図２は、本実施例のハイブリッド励磁式回転電機１０を軸中心線を含む平面で切断した際の断面図を示す。図３は、本実施例のハイブリッド励磁式回転電機１０を、図２に示すIII−IIIで切断した際の断面図を示す。図４は、本実施例のハイブリッド励磁式回転電機１０を、図２に示すIV−IVで切断した際の断面図を示す。図５は、本実施例のハイブリッド励磁式回転電機１０の有するロータコアの形状を表した断面図を示す。また、図６は、本実施例のハイブリッド励磁式回転電機１０の分解斜視図を示す。

本実施例において、ハイブリッド励磁式回転電機１０は、軸回りに回転可能なロータ１２と、ロータ１２を回転させる回転磁界を発生させるステータ１４と、を備えている。ロータ１２は、軸方向両端において軸受１６，１８を介してケース２０に回転可能に支持されている。ステータ１４は、ロータ１２の径方向外側に配置されており、ケース２０に固定されている。ロータ１２とステータ１４とは、互いに径方向に所定長のエアギャップ２２を介して対向している。

ステータ１４は、ステータコア２４と、ステータコイル２８と、を有している。ステータコア２４は、中空円筒状に形成されている。ステータコア２４には、内周面にステータティース２６が形成されている。ステータティース２６は、ステータコア２４の径方向内方すなわち軸中心に向けて突出している。ステータティース２６は、ステータコア２４の内周面において周方向に複数（例えば、１８個）設けられており、周方向に沿って等間隔で設けられている。各ステータティース２６にはそれぞれ、ステータコイル２８が巻き付けられている。ステータコイル２８は、ステータコア２４の内周面において周方向に複数（例えば、１８個）設けられており、周方向に沿って等間隔で設けられている。各ステータコイル２８は、ハイブリッド励磁式回転電機１０が例えば三相交流モータに適用される場合は、Ｕ相コイル、Ｖ相コイル、及びＷ相コイルの何れかを構成する。

ステータコア２４は、軸方向に分割されており、第１ステータコア３０と、第２ステータコア３２と、第３ステータコア３４と、を有している。第１〜第３ステータコア３０〜３４は、それぞれ中空円筒状に形成されており、軸方向に並んでいる。第１〜第３ステータコア３０〜３４は、互いに略同じ内径を有している。第１及び第３ステータコア３０，３４は、軸方向両端に配置されている。第２ステータコア３２は、軸方向中央に配置されている。第２ステータコア３２は、第１ステータコア３０と第３ステータコア３４とに軸方向で挟まれており、それら第１及び第３ステータコア３０，３４の軸方向中央寄りの端面に接着固定される。

第１及び第３ステータコア３０，３４はそれぞれ、絶縁コーティングされた複数の電磁鋼板を軸方向に積層して形成されている。また、第２ステータコア３２は、軟磁性材料、具体的には絶縁コーティングされた軟磁性体粉末を圧縮成型した材料で形成されている。第２ステータコア３２の軸方向における磁気抵抗は、第１及び第３ステータコア３０，３４の軸方向における磁気抵抗よりも小さい。

ステータコア２４の径方向外側には、第１〜第３ステータコア３０〜３４を支持する円筒状のヨーク３６が設けられている。ヨーク３６は、第２ステータコア３２と同様に、絶縁コーティングされた軟磁性体粉末を圧縮成型した材料で形成されている。ヨーク３６の軸方向における磁気抵抗は、第１及び第３ステータコア３０，３４の軸方向における磁気抵抗よりも小さい。ヨーク３６は、第２ステータコア３２と一体であってもよい。ヨーク３６は、第１ステータコア３０及び第３ステータコア３４の径方向外側面に接着固定される。第１ステータコア３０と第３ステータコア３４とは、ヨーク３６により互いに磁気的に結合される。ステータティース２６は、第１〜第３ステータコア３０〜３４それぞれに設けられており、第１〜第３ステータコア３０〜３４それぞれのステータティース２６は、軸方向に並ぶように設けられている。また、各ステータコイル２８は、第１〜第３ステータコア３０〜３４を軸方向に貫くように形成されている。

また、ステータコア２４は、ステータ１４をケース２０に取り付け固定するための径方向外側に突出する取付部３８を有している。取付部３８は、軸方向に積層する複数の電磁鋼板により形成されている。取付部３８は、第１ステータコア３０と一体に形成された取付部３８ａと、第３ステータコア３４と一体に形成された取付部３８ｂと、両取付部３８ａ，３８ｂで挟まれる取付部３８ｃと、を有している。取付部３８ｃは、第２ステータコア３２の径方向外側に配置されている。尚、取付部３８ｃは、軸方向に積層する複数の電磁鋼板により形成されることに代えて、第２ステータコア３２と一体に形成されることとしてもよい。取付部３８は、周方向に複数（例えば３個）設けられている。取付部３８には、軸方向に貫通する貫通穴４０が設けられている。ステータ１４は、取付部３８の貫通穴４０を貫通するボルト４２がケース２０に締結されることによりケース２０に固定される。

ロータ１２は、ステータ１４の径方向内側に配置されている。ロータ１２は、シャフト５０と、ロータコア５２と、を有している。シャフト５０は、軸方向に延びており、軸方向両端側でステータ１４の軸方向端部から延出している。尚、シャフト５０は、少なくとも軸方向一方端でステータ１４の軸方向端部から延出していればよい。シャフト５０は、所定の鉄損を有する材料、具体的にはＳ４５Ｃなどの炭素鋼で形成されている。ロータコア５２は、シャフト５０の径方向外側に配置されてそのシャフト５０に支持される外側ロータコア５４を有している。外側ロータコア５４は、中空円筒状に形成されており、シャフト５０の径方向外側面に固定されている。

外側ロータコア５４は、軸方向に分割されており、第１外側ロータコア５６と、第２外側ロータコア５８と、を有している。第１及び第２外側ロータコア５６，５８はそれぞれ、中空円筒状に形成されており、シャフト５０の径方向外側に配置されてシャフト５０に支持されている。第１及び第２外側ロータコア５６，５８はそれぞれ、絶縁コーティングされた複数の電磁鋼板を軸方向に積層して形成されている。第１外側ロータコア５６と第２外側ロータコア５８とは、互いに軸方向に環状の隙間６０を空けて離間している。

第１外側ロータコア５６の径方向外側面は、第１ステータコア３０の径方向内側面と径方向で対向している。すなわち、第１外側ロータコア５６の径方向外側面と第１ステータコア３０の径方向内側面とは互いに径方向で対向している。また、第２外側ロータコア５８の径方向外側面は、第３ステータコア３４の径方向内側面と径方向で対向している。すなわち、第２外側ロータコア５８の径方向外側面と第３ステータコア３４の径方向内側面とは互いに径方向で対向している。隙間６０は、第２ステータコア３２の径方向内側面に面しており、第２ステータコア３２の径方向内側に設けられている。

第１外側ロータコア５６の外周部には、ロータティース６２が形成されている。ロータティース６２は、第１外側ロータコア５６の径方向外方に向けて突出している。ロータティース６２は、第１外側ロータコア５６の外周面において周方向に複数（例えば、６個）設けられており、周方向に沿って等間隔で設けられている。

周方向において互いに隣接するロータティース６２の間にはそれぞれ、永久磁石６４がロータティース６２と隣り合うように取り付けられている。永久磁石６４は、第１外側ロータコア５６の径方向外側に配置されている。永久磁石６４は、例えばフェライト磁石である。永久磁石６４は、周方向に複数（例えば、６個）設けられており、周方向に沿って等間隔で設けられている。各永久磁石６４は、周方向に所定の幅（角度）を有し、かつ、径方向に所定の厚さを有している。各永久磁石６４は、所定の極性（例えば、径方向外側をＮ極としかつ径方向内側をＳ極とする。）に着磁されている。

永久磁石６４の径方向外側端面とロータティース６２の径方向外側端面とは、軸中心から略同じ距離に形成されている。第１外側ロータコア５６は、永久磁石６４で励磁された永久磁石励磁磁極と、永久磁石６４で励磁されていない非励磁の永久磁石非励磁磁極と、を有している。この永久磁石非励磁磁極は、ロータティース６２に形成される。これらの永久磁石励磁磁極と永久磁石非励磁磁極とは、周方向に交互に配置されている。第１外側ロータコア５６は、所定角度ごとに極性の異なる磁極を有しており、永久磁石励磁磁極及び永久磁石非励磁磁極により周方向に所定数（例えば１２個）の極数を有している。

また、第２外側ロータコア５８の外周部には、ロータティース６６が形成されている。ロータティース６６は、第２外側ロータコア５８の径方向外方に向けて突出している。ロータティース６６は、第２外側ロータコア５８の外周面において周方向に複数（例えば、６個）設けられており、周方向に沿って等間隔で設けられている。

周方向において互いに隣接するロータティース６６の間にはそれぞれ、永久磁石６８がロータティース６６と隣り合うように取り付けられている。永久磁石６８は、第２外側ロータコア５８の径方向外側に配置されている。永久磁石６８は、例えばフェライト磁石である。永久磁石６８は、周方向に複数（例えば、６個）設けられており、周方向に沿って等間隔で設けられている。各永久磁石６８は、周方向に所定の幅（角度）を有し、かつ、径方向に所定の厚さを有している。各永久磁石６８は、上記の永久磁石６４の極性とは異なる所定の極性（例えば、径方向外側をＳ極としかつ径方向内側をＮ極とする。）に着磁されている。すなわち、永久磁石６８と永久磁石６４とは、互いに反転した極性を有している。

永久磁石６８の径方向外側端面とロータティース６６の径方向外側端面とは、軸中心から互いに略同じ距離になる位置に形成されている。第２外側ロータコア５８は、永久磁石６８で励磁された永久磁石励磁磁極と、永久磁石６８で励磁されていない非励磁の永久磁石非励磁磁極と、を有している。この永久磁石非励磁磁極は、ロータティース６６に形成される。これらの永久磁石励磁磁極と永久磁石非励磁磁極とは、周方向に交互に配置されている。第２外側ロータコア５８は、所定角度ごとに極性の異なる磁極を有しており、永久磁石励磁磁極及び永久磁石非励磁磁極により周方向に第１外側ロータコア５６の極数と同じ所定数（例えば１２個）の極数を有している。

第１外側ロータコア５６の永久磁石励磁磁極と、第２外側ロータコア５８の永久磁石非励磁磁極とは、軸方向で上記の隙間６０を介して互いに対向配置されている。すなわち、第１外側ロータコア５６の永久磁石６４と第２外側ロータコア５８のロータティース６６とは、軸方向で上記の隙間６０を介して互いに対向配置されている。また、第１外側ロータコア５６の永久磁石非励磁磁極と、第２外側ロータコア５８の永久磁石励磁磁極とは、軸方向で上記の隙間６０を介して互いに対向配置されている。すなわち、第１外側ロータコア５６のロータティース６２と第２外側ロータコア５８の永久磁石６８とは、軸方向で上記の隙間６０を介して互いに対向配置されている。

上記の隙間６０には、すなわち、第１外側ロータコア５６と第２外側ロータコア５８との軸方向間には、ロータティース６２，６６の永久磁石非励磁磁極を励磁する励磁コイル７０が配置されている。励磁コイル７０は、隙間６０の略全域を埋めている。励磁コイル７０は、シャフト５０の回りに環状に形成されており、トロイダル巻きされている。励磁コイル７０は、シャフト５０の径方向外側に配置されていると共に、第２ステータコア３２の径方向内側に配置されており、第２ステータコア３２と径方向で対向している。励磁コイル７０は、ステータ１４（具体的には、そのステータコア２４）に取り付け固定されている。励磁コイル７０には、直流電流（ＤＣ励磁電流）が供給される。励磁コイル７０に直流電流が供給されると、その励磁コイル７０の径方向内側（軸中心側）を軸方向に貫く磁束（ＤＣ励磁磁束）が発生する。この磁束量は、励磁コイル７０に供給された直流電流に応じた大きさである。

尚、励磁コイル７０のステータ１４への固定は、互いの直接接着により実現されてもよい。また、環状の励磁コイル７０を径方向内側から保持するＵ字状の保持部材（クリップ）７１を周方向に複数設け、その保持部材７１の両側爪部を、第２ステータコア３２の径方向内側面に空いた穴又はステータコア２４の第１ステータコア３０及び第３ステータコア３４の互いに面する軸方向端面に空いた穴に挿入して引っ掛けることにより、励磁コイル７０のステータ１４への固定を実現することとしてもよい。尚、図６には、周方向に複数設けられた保持部材７１により励磁コイル７０がステータ１４に固定された状態が示されている。

シャフト５０は、中空形状に形成されている。シャフト５０は、径が比較的大きな大径円筒部７２と、径が比較的小さな小径円筒部７４，７６と、を有している。小径円筒部７４，７６は、軸方向両端に設けられている。シャフト５０は、小径円筒部７４，７６において軸受１６，１８を介してケース２０に支持される。大径円筒部７２は、軸方向中央に設けられており、軸方向両端の小径円筒部７４，７６に挟まれている。第１及び第２外側ロータコア５６，５８は、大径円筒部７２の径方向外側に配置されてその大径円筒部７２に支持されており、その大径円筒部７２の径方向外側面に固定されている。

また、ロータコア５２は、シャフト５０の径方向内側に配置されてそのシャフト５０に支持される内側ロータコア８０を有している。内側ロータコア８０は、ロータコア５２の第１外側ロータコア５６及び第２外側ロータコア５８並びに励磁コイル７０の径方向内側に配置されている。シャフト５０の大径円筒部７２内には、中空空間８２が形成されている。内側ロータコア８０は、大径円筒部７２の中空空間８２内に収容されており、大径円筒部７２の径方向内側面に接着固定されている。内側ロータコア８０は、軟磁性材料具体的には絶縁コーティングされた軟磁性体粉末を圧縮成型した材料で形成されている。内側ロータコア８０は、鉄損がシャフト５０の鉄損に比べて小さい材料で形成されている。

内側ロータコア８０は、周方向に分割されており、軸方向から見て扇状に形成された複数（例えば６個）のロータコア片８４からなる。内側ロータコア８０の周方向における分割は、周方向において等間隔（等角度）で行われ、各ロータコア片８４は、互いに同じ形状を有している。内側ロータコア８０の周方向における分割数すなわちロータコア片８４の数は、外側ロータコア５４における第１及び第２外側ロータコア５６，５８の極数又はその極数の約数である。例えば、極数が“１２”である場合は、分割数は“２”、“３”、“４”、“６”、又は“１２”である（図３及び図４において分割数は“６”である）。

内側ロータコア８０の周方向における分割は、また、ロータ１２やシャフト５０の軸中心と、ロータ１２の第１及び第２外側ロータコア５６，５８において周方向に交互に配置された永久磁石６４，６８及びロータティース６２，６６（すなわち、永久磁石励磁磁極及び永久磁石非励磁磁極）のうちの二以上のものの各周方向中心と、を通る線上で行われる。すなわち、内側ロータコア８０の周方向における分割面を含む各平面はそれぞれ、ロータ１２やシャフト５０の軸中心を通ると共に、何れかの永久磁石６４，６８及びロータティース６２，６６（すなわち、永久磁石励磁磁極及び永久磁石非励磁磁極）の周方向中心を通る。

また、内側ロータコア８０は、軸方向端部に軸方向に空いた切欠穴８６，８８を有している。切欠穴８６，８８は、軸方向両端に設けられている。切欠穴８６，８８は、径が軸方向端面から軸方向中央にかけて小さくなるように図５（Ａ）に示す如きテーパ状に又は図５（Ｂ）に示す如き階段状に形成されている。切欠穴８６，８８の軸方向端部（最浅部）の径は、シャフト５０の大径円筒部７２の内径と略一致し、かつ、切欠穴８６，８８の軸方向中央部（最深部）の径は、所定の径である。内側ロータコア８０は、軸方向中央部で径方向に所定の厚みを有する一方、軸方向両端部それぞれで軸方向中央部の厚みよりも小さい厚みを有する。シャフト５０の大径円筒部７２の径方向の厚みは、モータトルクを伝達するのに必要な強度を維持するような厚さに設定され、内側ロータコア８０の軸方向中央部における径方向の厚みは、励磁コイル７０によって発生する磁束が飽和しない所定の厚さに設定されるため、内側ロータコア８０の軸方向中央部における径方向の厚みは、シャフト５０の大径円筒部７２の径方向の厚みよりも大きい。

切欠穴８６と切欠穴８８とは、互いに軸方向中央側で連通しており、最深部同士で互いに軸方向に貫通する貫通穴８９を通じて接続している。すなわち、内側ロータコア８０は、貫通穴８９が形成されるように中空形状に形成されている。内側ロータコア８０の切欠穴８６，８８及び貫通穴８９はすべて、シャフト５０の軸中心線上に設けられている。内側ロータコア８０の貫通穴８９は、切欠穴８６，８８の最深部の径と略同じ径を有している。

ロータ１２は、軸方向に２分割されている。シャフト５０は、軸方向に２分割されており、互いに嵌合する２つのカップ状部材９０，９２からなる。シャフト５０の軸方向分割位置は、軸方向の略中央である。カップ状部材９０は、小径円筒部７４と、大径円筒部７２の一部（具体的には、小径円筒部７４に接続する側の半分）と、を有している。カップ状部材９２は、小径円筒部７６と、大径円筒部７２の一部（具体的には、小径円筒部７６に接続する側の半分）と、を有している。シャフト５０は、カップ状部材９０とカップ状部材９２とが互いに嵌合することにより形成される。カップ状部材９０には第１外側ロータコア５６が、また、カップ状部材９２には第２外側ロータコア５８が、それぞれ支持される。第１外側ロータコア５６はカップ状部材９０の径方向外側面に、また、第２外側ロータコア５８はカップ状部材９２の径方向外側面に、それぞれ固定される。

カップ状部材９０，９２にはそれぞれ、軸中心上で軸方向に空いたボルト穴９４，９６が形成されている。ボルト穴９４，９６は、内側ロータコア８０の貫通穴８９の径と略同じ径を有している。カップ状部材９０，９２のボルト穴９４，９６及び内側ロータコア８０の貫通穴８９には、ボルト９８が挿入される。カップ状部材９０とカップ状部材９２とは、互いに嵌合しつつ、ボルト９８により締結される。

尚、内側ロータコア８０は、軸方向に２分割されていてもよい。この場合、内側ロータコア８０の軸方向分割位置は、シャフト５０の軸方向分割位置に対応していてもよく、軸方向の略中央であってもよい。また、内側ロータコア８０の分割された一方はシャフト５０のカップ状部材９０の径方向内側面に、また、内側ロータコア８０の分割された他方はカップ状部材９２の径方向内側面に、それぞれ接着固定されることとすればよい。

上記のハイブリッド励磁式回転電機１０の構造において、環状の励磁コイル７０に直流電流が供給されると、その励磁コイル７０の径方向内側（軸中心側）を軸方向に貫く磁束が発生する。この励磁コイル７０を用いた電磁石による磁束は、第１又は第２外側ロータコア５６，５８の永久磁石非励磁磁極→内側ロータコア８０→第２又は第１外側ロータコア５８，５６の永久磁石非励磁磁極→エアギャップ２２→ステータコア２４→エアギャップ２２→第１又は第２外側ロータコア５６，５８の永久磁石非励磁磁極からなる経路で流通する。かかる磁束が発生すると、第１及び第２外側ロータコア５６，５８の永久磁石非励磁磁極が励磁される。この電磁石による磁束は、永久磁石６４，６８による磁束を弱め或いは強める。また、この電磁石による磁束量は、励磁コイル７０に流す直流電流の大きさに応じて調整される。

従って、本実施例によれば、永久磁石６４，６８による磁束と励磁コイル７０を用いた電磁石による磁束との合成磁束によりロータ１２をステータ１４回りに回転させるトルクを調整することができ、そのロータ１２を適切に回転させることができる。

また、本実施例のハイブリッド励磁式回転電機１０の構造においては、励磁コイル７０の励磁により生じる磁束が、シャフト５０の径方向外側に配置された外側ロータコア５４（具体的には、第１及び第２外側ロータコア５６，５８）及び励磁コイル７０の径方向内側（軸中心側）で、シャフト５０の径方向内側に配置された内側ロータコア８０を流通する。この構造では、シャフト５０の径方向内側に内側ロータコア８０が設けられていない構造と異なり、励磁コイル７０の励磁により励磁コイル７０の径方向内側で軸方向に流れる磁束がシャフト５０自体（具体的には、大径円筒部７２など）を流通することは抑制される。

内側ロータコア８０は、鉄損がシャフト５０の鉄損に比べて小さい材料で形成されているので、内側ロータコア８０の鉄損は、シャフト５０の鉄損に比べて小さい。このため、本実施例のハイブリッド励磁式回転電機１０の構造によれば、励磁コイル７０による磁束発生時に生じる鉄損を抑制することができる。従って、ロータ１２を回転させるトルクを効率的に発生させることができるので、ロータ１２を回転させる際のトルクアップを図ることができ、大きなトルクを発生させるうえで装置自体の大型化を抑制することができる。

また、本実施例のハイブリッド励磁式回転電機１０の構造において、鉄損がシャフト５０の鉄損に比べて小さい上記の内側ロータコア８０は、軟磁性材料（具体的には圧縮された軟磁性体粉末）により形成されている。この内側ロータコア８０は、シャフト５０の径方向内側に配置され、そのシャフト５０の大径円筒部７２の径方向内側面に接着固定されている。かかる構造では、その内側ロータコア８０が、大きな荷重（トルクや遠心力，軸力など）が発生する箇所に介在しない。具体的には、内側ロータコア８０がロータ１２におけるトルク伝達経路外に存在する。このため、トルク伝達に起因して破壊されるのを防止することができる。また、内側ロータコア８０がシャフト５０の径方向内側に存在する。このため、内側ロータコア８０がロータ１２の外径寄りに存在する構造に比べて、遠心力の影響を受け難く、遠心力に起因して破壊され或いは飛散するのを防止することができる。

また、上記の内側ロータコア８０は、周方向に分割されている。このため、内側ロータコア８０が全周で一体となった構造に比べて、遠心力の影響を受け難く、遠心力に起因して破壊され或いは飛散するのを防止することができる。

また、上記の内側ロータコア８０は、周方向に等間隔で分割されており、その分割数は、外側ロータコア５４における第１及び第２外側ロータコア５６，５８の極数又はその極数の約数であると共に、その分割は、ロータ１２やシャフト５０の軸中心と、ロータ１２の第１及び第２外側ロータコア５６，５８において周方向に交互に配置された永久磁石６４，６８及びロータティース６２，６６（すなわち、永久磁石励磁磁極及び永久磁石非励磁磁極）のうちの二以上のものの各周方向中心と、を通る線上で行われる。かかる構造では、内側ロータコア８０の周方向に並んだ互いに隣接する２つのロータコア片８４の間に隙間が形成されるが、永久磁石６４，６８による磁束の経路や励磁コイル７０を用いた電磁石による磁束の経路を遮断することなく、ロータ１２を回転させるうえで望ましい磁路を維持することができる。

励磁コイル７０の励磁により励磁コイル７０の径方向内側で流れる磁束は、外側ロータコア５４の第１又は第２外側ロータコア５６，５８→内側ロータコア８０→第２又は第１外側ロータコア５８，５６→エアギャップ２２→ステータコア２４→エアギャップ２２→第１又は第２外側ロータコア５６，５８の経路で流れる。この際、内側ロータコア８０の、第１及び第２外側ロータコア５６，５８と径方向で対向する軸方向端部では、外径寄りの部位において磁束密度が高い一方、内径寄り（軸中心近傍）の部位において磁束密度が低い。

これに対して、本実施例において、上記の内側ロータコア８０は、軸方向端部に軸方向に空いた切欠穴８６，８８を有している。このため、内側ロータコア８０のうちその機能を発揮しない無駄な部分を削減することができるので、切欠穴８６，８８が存在しない構造に比べて、磁束の流れに与える影響を最小限に抑制しつつ、内側ロータコア８０の重量減を図り、コスト低下を図ることができる。

また、本実施例においては、ロータコア５２が軸方向に分割されかつシャフト５０が軸方向に分割されている。この構造では、ステータコア２４の径方向内側面から軸中心側へ向けて突出する励磁コイル７０を含むステータ１４の製造後、ロータ１２を、軸方向に分割されたロータコア５２及びシャフト５０をステータ１４の軸方向両側からそのステータ１４を挟み込むように組み付けることが可能である。このため、ハイブリッド励磁式回転電機１０の組み付けを容易に行うことができる。

図７及び図８はそれぞれ、本実施例の如きハイブリッド励磁式回転電機１０の構造において生じ得る現象を説明するための図を示す。尚、図７（Ａ）にはロータ１２の有するシャフト５０の斜視図を、また、図７（Ｂ）にはシャフト５０及びその周囲を図７（Ａ）に示すＡ−Ａで切断した際の断面図を、それぞれ示す。また、図８（Ａ）には励磁コイル７０への励磁電流の急減後にシャフト５０及び内側ロータコア８０に磁束が流通する様子を表した図を、また、図８（Ｂ）には励磁コイル７０への励磁電流の急減後にシャフト５０に渦電流が発生する様子を表した図を、それぞれ示す。更に、図９は、シャフト５０で発生する渦電流の流通箇所を表した図を示す。尚、図９（Ａ）にはシャフト５０及びその周囲を側方から見た図を、また、図９（Ｂ）にはシャフト５０及びその周囲を図９（Ａ）に示すＢ−Ｂで切断した際の断面図を、それぞれ示す。

本実施例において、上記の如く、外側ロータコア５４の第１外側ロータコア５６と第２外側ロータコア５８との軸方向間には、ロータティース６２，６６の永久磁石非励磁磁極を励磁する励磁コイル７０が配置されており、この励磁コイル７０は、シャフト５０の周りに環状に形成されている。また、中空形状のシャフト５０の径方向内側には、絶縁コーティングされた軟磁性体粉末を圧縮成型した材料で形成された内側ロータコア８０が配置され、また、そのシャフト５０の径方向外側には、絶縁コーティングされた複数の電磁鋼板を軸方向に積層して形成された外側ロータコア５４が配置されている。内側ロータコア８０は、鉄損がシャフト５０の鉄損に比べて小さい材料で形成されている。

上記した構造において、励磁コイル７０にＤＣ励磁電流が供給されると、その励磁コイル７０の径方向内側（軸中心側）を軸方向に貫くＤＣ励磁磁束が発生し、そのＤＣ励磁磁束がシャフト５０を通過する。励磁コイル７０に供給されるＤＣ励磁電流は、スイッチングにより所定の大きさに制御されるので、高調波成分を含んでいる。このため、このＤＣ励磁電流の変化に伴って励磁コイル７０の周囲に生ずるＤＣ励磁磁束が変動すると、磁路中の電気抵抗が小さい部位（具体的には、シャフト５０）に渦電流が発生し得るので（図７参照）、損失が大きくなるおそれがある。

この場合に渦電流が発生し得る箇所は、シャフト５０の、外側ロータコア５４の第１外側ロータコア５６と第２外側ロータコア５８とに軸方向で挟まれる部位（具体的には、シャフト５０の軸方向に２分割されたカップ状部材９０とカップ状部材９２とが嵌合する部位）の近傍（図９（Ａ）において破線で囲まれる斜線領域Ｓ１）、第１及び第２外側ロータコア５６，５８の軸方向端部に対して径方向内側で対向する部位の近傍（図９（Ａ）において破線で囲まれる斜線領域Ｓ２）、及び／又は、第１及び第２外側ロータコア５６，５８に対して径方向内側で対向しかつ第１及び第２外側ロータコア５６，５８の周方向における互いに隣接するロータティース６２，６６間の中心と軸中心とを通る線（図９（Ｂ）に示す突極間中心線Ｌ）上に位置する部位の近傍（図９（Ａ）及び（Ｂ）において破線で囲まれる斜線領域Ｓ３）である。

また、励磁コイル７０のＤＣ励磁中に逆起電圧を瞬時に低下させる必要のある状況（例えば、三相系異常によるフェール時など）において、励磁コイル７０へのＤＣ励磁電流がゼロにされた際に、磁路中のシャフト５０に渦電流が発生し、励磁コイル７０の周囲に生ずるＤＣ励磁磁束が直ちには消滅せずに残留し得るので（図８参照）、逆起電圧が低下し難いものとなるおそれがある。

この場合に渦電流が流通し得る箇所は、特に、シャフト５０の、外側ロータコア５４の第１外側ロータコア５６と第２外側ロータコア５８とに軸方向で挟まれる部位（具体的には、シャフト５０の軸方向に２分割されたカップ状部材９０とカップ状部材９２とが嵌合する部位）の近傍（図９（Ａ）において破線で囲まれる斜線領域Ｓ１）である。

これらの渦電流は、シャフト５０の、外側ロータコア５４の第１外側ロータコア５６と第２外側ロータコア５８とに軸方向で挟まれる部位の近傍においてはシャフト周方向に流通し、また、シャフト５０の、第１及び第２外側ロータコア５６，５８の軸方向端部に対して径方向内側で対向する部位の近傍においてはシャフト周方向に流通し、更に、シャフト５０の、第１及び第２外側ロータコア５６，５８に対して径方向内側で対向しかつ第１及び第２外側ロータコア５６，５８の周方向における突極間中心線Ｌ上に位置する部位の近傍においてはシャフト軸方向に流通する。

図１０は、本実施例のハイブリッド励磁式回転電機１０においてシャフト５０に発生する渦電流を抑制する手段の配置位置を表した図を示す。尚、図１０（Ａ）にはシャフト５０の斜視図を、また、図１０（Ｂ）にはシャフト５０及びその周囲の断面図を、それぞれ示す。また、図１１は、本実施例のハイブリッド励磁式回転電機１０における効果を説明するための図を示す。尚、図１１（Ａ）には励磁コイル７０に供給される電流の時間変化を、図１１（Ｂ）には本実施例と対比される対比例における逆起電圧の時間変化を、また、図１１（Ｃ）には本実施例における逆起電圧の時間変化を、それぞれ示す。

本実施例のハイブリッド励磁式回転電機１０は、上記の如くシャフト５０に発生する渦電流を抑制する渦電流抑制手段１００を有している。すなわち、ハイブリッド励磁式回転電機１０において、シャフト５０には、渦電流を抑制する渦電流抑制手段１００が設けられている。

渦電流抑制手段１００は、シャフト５０の渦電流が流通し得る箇所、具体的には、シャフト５０の、外側ロータコア５４の第１外側ロータコア５６と第２外側ロータコア５８とに軸方向で挟まれる部位（具体的には、カップ状部材９０とカップ状部材９２とが嵌合する部位）の近傍（斜線領域Ｓ１）、第１及び第２外側ロータコア５６，５８の軸方向端部に対して径方向内側で対向する部位の近傍（斜線領域Ｓ２）、及び／又は、第１及び第２外側ロータコア５６，５８に対して径方向内側で対向し、かつ、第１及び第２外側ロータコア５６，５８の周方向における互いに隣接するロータティース６２，６６間の中心と軸中心とを通る突極間中心線Ｌ上に位置する部位の近傍（斜線領域Ｓ３）に配置される。

例えば、渦電流抑制手段１００は、シャフト５０の、外側ロータコア５４の第１外側ロータコア５６と第２外側ロータコア５８とに軸方向で挟まれる部位の近傍に設けられるスリット１０２である。このスリット１０２は、図１０に示す如く、シャフト５０の、第１外側ロータコア５６と第２外側ロータコア５８とに軸方向で挟まれる部位の近傍の表面から軸中心方向へ向けて開きかつその軸方向に直線状に延びている。尚、上記のスリット１０２は、シャフト５０の周方向において一箇所設けられてもよいが、シャフト５０の周方向において複数箇所設けられることが好ましい。

上記のスリット１０２によれば、このスリット１０２が設けられないものに比べて、シャフト５０の、第１外側ロータコア５６と第２外側ロータコア５８とに軸方向で挟まれる部位の近傍をシャフト周方向に電流が流れる際の電気抵抗が大きくなるので、その部位近傍においてシャフト周方向に流れる渦電流が抑制される。

また例えば、渦電流抑制手段１００は、シャフト５０の、第１及び第２外側ロータコア５６，５８の軸方向端部に対して径方向内側で対向する部位の近傍に設けられる穴１０４である。この穴１０４は、図１０に示す如く、シャフト５０の、第１及び第２外側ロータコア５６，５８の軸方向端部に対して径方向内側で対向する部位の近傍の表面から軸中心方向へ向けて開いた空隙である。

尚、上記の穴１０４は、シャフト５０の軸方向に直線状に延びていてもよく、また、シャフト５０の、第１及び第２外側ロータコア５６，５８の軸方向端部それぞれに対して、シャフト５０の周方向において一箇所設けられてもよいが、シャフト５０の周方向において複数箇所設けられることが好ましい。また、上記の穴１０４は、渦電流を抑制するうえでは、シャフト５０の、第１及び第２外側ロータコア５６，５８の周方向における突極間中心線Ｌ上に位置する部位の近傍に設けられることが好ましい。

上記の穴１０４によれば、この穴１０４が設けられないものに比べて、シャフト５０の、第１及び第２外側ロータコア５６，５８の軸方向端部に対して径方向内側で対向する部位の近傍をシャフト周方向に電流が流れる際の電気抵抗が大きくなるので、その部位近傍においてシャフト周方向に流れる渦電流が抑制される。

更に例えば、渦電流抑制手段１００は、シャフト５０の、第１及び第２外側ロータコア５６，５８に対して径方向内側で対向し、かつ、第１及び第２外側ロータコア５６，５８の周方向における互いに隣接するロータティース６２，６６間の中心と軸中心とを通る突極間中心線Ｌ上に位置する部位の近傍に設けられる樹脂１０６である。この樹脂１０６は、シャフト５０本体の電気抵抗よりも大きな電気抵抗を有している。この樹脂１０６は、図１０に示す如く、シャフト５０の上記部位の近傍に埋設されている。

尚、上記の樹脂１０６は、シャフト５０の軸方向に直線状に延びていてもよく、また、シャフト５０の周方向において一箇所設けられてもよいが、シャフト５０の周方向において複数箇所設けられることが好ましく、上記した突極間中心線Ｌごとに設けられていてもよい。

上記の樹脂１０６によれば、この樹脂１０６が設けられないものに比べて、シャフト５０の、第１及び第２外側ロータコア５６，５８に対して径方向内側で対向し、かつ、第１及び第２外側ロータコア５６，５８の周方向における突極間中心線Ｌ上に位置する部位の近傍をシャフト軸方向に電流が流れる際の電気抵抗が大きくなるので、その部位近傍においてシャフト軸方向に流れる渦電流が抑制される。

このように、本実施例のハイブリッド励磁式回転電機１０の構造によれば、シャフト５０の上記した所定位置に渦電流抑制手段１００としてのスリット１０２、穴１０４、及び／又は樹脂１０６を設けることで、シャフト５０に発生する渦電流を抑制することができる。

このため、本実施例によれば、励磁コイル７０に供給される高調波成分を含むＤＣ励磁電流の変化に伴ってＤＣ励磁磁束が変動する際、シャフト５０における渦電流損を低減することができ、回転電機１０における効率を向上させることが可能となる。また、渦電流抑制手段１００が設けられない構成に比べて、励磁コイル７０へのＤＣ励磁電流がゼロなどに急減された際（図１１における時刻ｔ＝ｔ１）、励磁コイル７０の周囲に残留するＤＣ励磁磁束を低減することができ、逆起電圧を直ちに低下させることが可能となる（図１１参照）。

尚、上記の実施例においては、第１及び第２外側ロータコア５６，５８の永久磁石６４，６８で励磁された永久磁石励磁磁極が特許請求の範囲に記載した「第１磁極」に、永久磁石６４，６８で励磁されていない永久磁石非励磁磁極が特許請求の範囲に記載した「第２磁極」に、第１及び第２外側ロータコア５６，５８が特許請求の範囲に記載した「第１及び第２コア」に、また、内側ロータコア８０が特許請求の範囲に記載した「第３コア」に、それぞれ相当している。

ところで、上記の実施例においては、ロータ１２及びシャフト５０が軸方向に分割されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、それぞれ一体で構成することも可能である。また、この変形例では、内側ロータコア８０の軸方向両側に軸方向に空いた切欠穴８６，８８を設けることとすれば十分であって、シャフト５０のカップ状部材９０とカップ状部材９２とをボルト締結するボルト９８の挿入のために内側ロータコア８０を中空形状に形成することは不要であり、両切欠穴８６，８８を連通させることは不要である。

また、上記の実施例においては、内側ロータコア８０がシャフト５０の径方向内側面に固定されてロータ１２と一体で回転するが、例えばシャフト５０内に配置された非回転部材とされることとしてもよい。

また、上記の実施例においては、シャフト５０に発生する渦電流を抑制する渦電流抑制手段１００として、シャフト５０の所定位置に表面から軸中心方向へ向けて開けられるスリット１０２及び穴１０４、並びに、シャフト５０の所定位置に埋設される樹脂１０６を用いることとしているが、何れの位置においても、渦電流を抑制するものであれば、スリット、穴、及び樹脂のうち何れであってもよく、また、シャフト５０本体の電気抵抗よりも大きな電気抵抗を有するものであれば、スリット、穴、及び樹脂以外のものであってもよい。

また、シャフト５０に発生する渦電流を抑制するうえでは、渦電流抑制手段１００を、図９に示す斜線領域Ｓ１、Ｓ２、及びＳ３のすべてに配置することが望ましいが、何れか一以上の領域に配置することとしてもよい。

尚、本国際出願は、２０１２年（平成２４年）２月２９日に出願した日本国特許出願２０１２−０４４８５１号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願２０１２−０４４８５１号の全内容を本国際出願に援用する。

１０ ハイブリッド励磁式回転電機
１２ ロータ
１４ ステータ
２４ ステータコア
２８ ステータコイル
５０ シャフト
５２ ロータコア
５４ 外側ロータコア
５６ 第１外側ロータコア
５８ 第２外側ロータコア
６０ 隙間
６２，６６ ロータティース
６４，６８ 永久磁石
７０ 励磁コイル
７２ 大径円筒部
８０ 内側ロータコア
８４ ロータコア片
８６，８８ 切欠穴
９０，９２ カップ状部材
１００ 渦電流抑制手段
１０２ スリット
１０４ 穴
１０６ 樹脂

Claims (14)

1. 少なくとも軸方向一方側に延出するシャフトと、軸方向に隙間を空けて分割され、それぞれ周方向に永久磁石で励磁された第１磁極と永久磁石で励磁されていない第２磁極とが交互に配置され、それぞれの前記第１磁極の極性が互いに異なり、かつ一方の前記第１磁極と他方の前記第２磁極とが軸方向で前記隙間を介して互いに対向配置された第１及び第２コアと、を有するロータと、
   前記ロータの径方向外側に配置された、前記ロータを回転させる回転磁界を発生させるステータと、
   前記隙間に配置された、前記第２磁極を励磁する励磁コイルと、
   前記第１コア、前記第２コア、及び前記励磁コイルの径方向内側に配置された、鉄損が前記シャフトの鉄損に比べて小さい材料で形成された第３コアと、
   を備えることを特徴とするハイブリッド励磁式回転電機。
2. 前記シャフトは、中空形状に形成され、
   前記第１コア及び前記第２コアはそれぞれ、前記シャフトの径方向外側に配置されて該シャフトに支持されると共に、
   前記第３コアは、前記シャフトの径方向内側に配置されて該シャフトに支持されることを特徴とする請求項１記載のハイブリッド励磁式回転電機。
3. 前記シャフトに設けられた、前記励磁コイルでの磁束変動により該シャフトに発生する渦電流を抑制する渦電流抑制手段を備えることを特徴とする請求項２記載のハイブリッド励磁式回転電機。
4. 前記渦電流抑制手段は、前記シャフトの、前記第１コアと前記第２コアとで軸方向に挟まれる部位の近傍、前記第１コア及び前記第２コアの軸方向端部に対して径方向内側で対向する部位の近傍、及び／又は、前記第１コア及び前記第２コアに対して径方向内側で対向しかつ前記第１コア及び前記第２コアの周方向における突極間中心を通る線上に位置する部位の近傍に設けられることを特徴とする請求項３記載のハイブリッド励磁式回転電機。
5. 前記渦電流抑制手段は、前記シャフトに開けられるスリット若しくは空隙であり、又は、前記シャフトの本体に比べて電気抵抗の大きい材料で構成された部材であることを特徴とする請求項３又は４記載のハイブリッド励磁式回転電機。
6. 前記第１コア及び前記第２コアはそれぞれ、絶縁コーティングされた複数の電磁鋼板を軸方向に積層して形成されていると共に、
   前記第３コアは、絶縁コーティングされた軟磁性体粉末を圧縮成型して形成されていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項記載のハイブリッド励磁式回転電機。
7. 前記第３コアは、周方向に分割されていることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項記載のハイブリッド励磁式回転電機。
8. 前記第３コアの周方向における分割は、軸中心と、周方向に交互に配置されたすべての前記第１磁極及び前記第２磁極のうちの二以上の磁極の各周方向中心と、を通る線上で行われることを特徴とする請求項７記載のハイブリッド励磁式回転電機。
9. 前記第３コアは、周方向に等間隔で分割され、
   前記第３コアの周方向における分割数は、周方向に交互に配置された前記第１磁極及び前記第２磁極の極数又は該極数の約数であることを特徴とする請求項７又は８記載のハイブリッド励磁式回転電機。
10. 前記第３コアは、軸方向端部に、径が軸方向端面から軸方向中央にかけて小さくなる切欠穴を有することを特徴とする請求項１乃至９の何れか一項記載のハイブリッド励磁式回転電機。
11. 前記切欠穴は、テーパ状又は階段状に形成されていることを特徴とする請求項１０記載のハイブリッド励磁式回転電機。
12. 軸方向両端部それぞれの前記切欠穴は、互いに連通しており、
    前記第３コアは、中空形状に形成されていることを特徴とする請求項１０又は１１記載のハイブリッド励磁式回転電機。
13. 前記シャフトは、軸方向に２分割されたカップ状部材が互いに嵌合することにより形成されることを特徴とする請求項１乃至１２の何れか一項記載のハイブリッド励磁式回転電機。
14. 軸方向に２分割されたカップ状部材は、一方が前記第１コアを支持しかつ他方が前記第２コアを支持すると共に、前記励磁コイルが配置された前記隙間の径方向内側で互いに嵌合されることを特徴とする請求項１３記載のハイブリッド励磁式回転電機。

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