JP2017169281A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】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。【解決手段】ステータ１０は、環状のステータコア１２と、隣り合うステータティース１３の間にトロイダル巻された電機子コイル１１と、を有し、ロータ２０は、ステータコア１２の軸方向でステータティース１３に対向する第１のロータティース２１２と、ステータコア１２の径方向の内方側でステータティース１３に対向する第２のロータティース２１２と、第１のロータティース２１２に巻かれた誘導コイル２１５と、第２のロータティース２２２に配置された永久磁石２２３と、永久磁石２２３の磁束の一部を導く磁路部材２２５と、磁路部材２２５に設けられた可変界磁コイル２２６とを有し、ステータコア１２は、隣り合うステータティース１３の間に第１のロータティース２１２と同じ形状のスロット１４を有する。【選択図】図１

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相対的な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、周方向に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側の面で前記ステータティースに対向する第１のロータティースと、前記ステータコアの径方向の内方側で前記ステータティースに対向する第２のロータティースと、前記第１のロータティースに巻かれており、前記ステータ側で発生した磁束に基づいて誘導電流を発生する誘導コイルと、前記第２のロータティースに配置された永久磁石と、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、前記ステータコアは、隣り合う前記ステータティースの間に前記第１のロータティースと同じ形状の溝部を有する。

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のステータの斜視図である。 図３は、本発明の一実施の形態に係る回転電機の平面図であって、第１のロータティースとステータティースの形状と配置を示す図である。 図４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と可変界磁コイルと整流回路との結線図である。 図５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６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７は、本発明の一実施の形態に係る回転電機において、可変界磁コイルにより誘導磁束を発生する際の電機子電流ベクトルの位相制御を示す図である。 図８は、本発明の一実施の形態に係る回転電機における、電機子コイルの誘導起電力の電流位相特性を示す図である。

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８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、図２に示すように、回転電機１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を有するステータ１０と、ステータ１０で発生した磁束の通過により回転するロータ２０と、を備えている。

（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。

図２、図３に示すように、ステータコア１２には、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。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。スロット１４は、本発明における溝部を構成する。ここで、軸方向とは、ロータ２０の回転軸２（図５参照）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であり、回転軸２を中心として放射方向に示される。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。

スロット１４は、回転電機１の軸方向から見て等脚台形の形状に形成されている。具体的には、スロット１４は、径方向の外側に向かって凸状の等脚台形に形成されており、径方向の内側の辺が短く、径方向の外側の辺が長くなっている。

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は、ステータコア１２の軸方向の一方側及び他方側に突出する側面部１３ａと、ステータコア１２の径方向の内方側に突出する内面部１３ｂとを有している。ステータティース１３の側面部１３ａには、後述する第１のロータティース２１２が軸方向で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、後述する第２のロータティース２２２が径方向で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２２１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２２１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（主磁束）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。すなわち、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。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。言い換えると、高調波成分は、静止座標系で観測すると第２次空間高調波であり、同期回転座標系で観測すると第３次空間高調波となる。

（ロータ）
図１に示すように、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と、ステータコア１２の径方向の内方側に配置されたラジアルギャップロータ２２０と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とラジアルギャップロータ２２０とは、互いに同期して回転するように回転軸２（図５参照）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とラジアルギャップロータ２２０とは、一体化されていてもよい。

一対のアキシャルギャップロータ２１０は、それぞれ高透磁率の磁性材料からなる第１のロータティース２１２と、誘導コイル２１５とを備えている。第１のロータティース２１２は、ステータ１０側に向けて軸方向に突出しており、周方向に所定の間隔をおいて互いに分離して複数設けられている。第１のロータティース２１２は、誘導コイル２１５が巻回されて磁路を形成するコアとしての役割を有する。

第１のロータティース２１２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（図５参照）に一体回転可能に固定されている。このように、複数の第１のロータティース２１２は、それぞれが互いにバックヨークで連結されていないため、これら複数の第１のロータティース２１２は互いに磁気的に分離されている。すなわち、複数の第１のロータティース２１２は所謂セグメント構造に構成されている。このため、第１のロータティース２１２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。

第１のロータティース２１２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側から第１のロータティース２１２に磁束が鎖交するときの鉄損の発生を低減できる。

また、第１のロータティース２１２をセグメント構造にしたことで、第１のロータティース２１２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の側面部１３ａとの間で、軸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。

ここで、ステータティース１３の側面部１３ａの数と第１のロータティース２１２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。

第１のロータティース２１２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。

第１のロータティース２１２には、誘導コイル２１５が軸方向に層をなすようにして巻かれている。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。

本実施形態では、第１のロータティース２１２は、回転電機１の軸方向から見て等脚台形の形状に形成されている（図３参照）。具体的には、第１のロータティース２１２は、径方向の内側の辺の方が径方向の外側の辺よりも短い等脚台形の形状に形成されており、径方向の内側の辺（上底）が短く、径方向の外側の辺（下底）が長くなっている。

また、ステータコア１２は、隣り合うステータティース１３の側面部１３ａの間に、第１のロータティース２１２と同じ形状のスロット１４を有している。すなわち、第１のロータティース２１２は、スロット１４と同じ等脚台形の形状に形成されている。

このため、ステータティース１３の側面部１３ａの形状も、スロット１４と同じ等脚台形を径方向において反転した形状、すなわちスロット１４と径方向において対称の形状となっている。側面部１３ａは、径方向の外側の辺の方が径方向の内側の辺よりも短い等脚台形の形状に形成されており、径方向の外側の辺（上底）が短く、径方向の内側の辺（下底）が長くなっている。

これにより、ロータ２０が回転して側面部１３ａと第１のロータティース２１２とが対面状態ですれ違うとき、側面部１３ａの台形の脚の辺と、第１のロータティース２１２の台形の脚の辺が、平行に対向した状態ですれ違うことになる。言い換えると、ロータ２０が回転するとき、ステータティース１３の台形形状の側面部１３ａに対して、台形形状の第１のロータティース２１２が、径方向の外側と内側とで、同時にかつ同じ重なり幅ですれ違うことになる。これにより、ステータティース１３の側面部１３ａと第１のロータティース２１２との間で発生するドラッグトルク（ブレーキトルク）を最小限に低減できる。また、インダクタンスの脈動が最大になるため、第１のロータティース２１２に鎖交する第２次空間高調波の振幅を最大にでき、誘導コイル２１５に発生する誘導起電力を増加させることができる。

なお、本実施の形態では、第１のロータティース２１２およびスロット１４が何れも台形形状に形成されているが、互いに同じ形状であればよく、台形形状に限定されない。

ラジアルギャップロータ２２０は、高透磁率の磁性材料からなり回転軸２（図５参照）に対して一体回転可能に固定されたロータコア２２１と、永久磁石２２３と、磁路部材２２５とを有する。

ロータコア２２１には、ロータコア２２１から径方向の外方に向けて突出した第２のロータティース２２２がロータコア２２１の周方向に沿って所定の間隔をおいて複数形成されている。

第２のロータティース２２２は、ステータコア１２の径方向の内方側においてステータティース１３と対向するようになっている。第２のロータティース２２２には、永久磁石２２３が配置されている。

永久磁石２２３は、例えばネオジウム磁石（Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石）で構成されており、第２のロータティース２２２に内包されている。

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２２１の軸方向に漏れる磁束（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とともに第２のロータティース２２２に内包された内包部２２５ａと、第２のロータティース２２２からロータコア２２１の軸方向に突出するよう延伸された延伸部２２５ｂとを備えている。磁路部材２２５は、永久磁石２２３の軸方向の側面２２３ａ側に位置する部分が第２のロータティース２２２から軸方向に延伸されるような形状で延伸部２２５ｂが形成されている。

内包部２２５ａは、永久磁石２２３を径方向で挟み込むようにして永久磁石２２３の径方向の内方側及び外方側にそれぞれ配置されている。内包部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。内包部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。

延伸部２２５ｂは、磁路部材２２５の第２のロータティース２２２から軸方向に延伸された部分に相当し、高磁気抵抗の領域を介して第２のロータティース２２２の軸方向の両側にそれぞれ設けられている。

延伸部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。延伸部２２５ｂは、第２のロータティース２２２側の各端面が各内包部２２５ａの軸方向の端面と対向するように配置されている。また、延伸部２２５ｂは、軸方向の両側における各内包部２２５ａの端面と対向するように配置されている。

延伸部２２５ｂは、内包部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２２１又は他の部材に保持されている。これにより、内包部２２５ａと延伸部２２５ｂとは、ロータコア２２１の軸方向で分離されている。

また、内包部２２５ａの軸方向の両側の端面と延伸部２２５ｂの第２のロータティース２２２側の端面との間には、所定の大きさのギャップＧ（図５参照）が形成されている。このギャップＧが高磁気抵抗の領域として形成されている。ギャップＧは、後述する可変界磁コイル２２６に直流電流が供給されていないときには、永久磁石２２３の漏れ磁束が内包部２２５ａから延伸部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Ｇは、後述する可変界磁コイル２２６に直流電流が供給されているときには、永久磁石２２３の漏れ磁束が内包部２２５ａから延伸部２２５ｂに流れるような大きさに設定されている。

延伸部２２５ｂには、ロータコア２２１の周方向に沿って可変界磁コイル２２６が巻き回されている。可変界磁コイル２２６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の磁束量を調整可能に機能するコイルである。すなわち、可変界磁コイル２２６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に導くことにより、ロータ２０からステータ１０へ鎖交する永久磁石２４の磁束量を調整可能なコイルである。

可変界磁コイル２２６は、永久磁石２２３の漏れ磁束が磁路部材２２５により導かれる方向（図６に矢印で示す方向）に流れるように、磁路部材２２５の延伸部２２５ｂに対して巻き回されている。具体的には、可変界磁コイル２２６は、永久磁石２２３の漏れ磁束を磁路部材２２５内で短絡する方向（図６に矢印で示す方向）に誘導する磁束（以下、この磁束を「誘導磁束」という）を発生させるように、延伸部２２５ｂに対して巻き回されている。

これにより、可変界磁コイル２２６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６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２２６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２２６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２２６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４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及び２つの可変界磁コイル２２６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、ロータ２０の軸方向の一方側及び他方側の誘導コイル２１５及び可変界磁コイル２２６のそれぞれに対応するように、ロータ２０の軸方向の一方側及び他方側にそれぞれ設けられる。

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。２つの可変界磁コイル２２６は、ラジアルギャップロータ２２０の周方向に隣り合う可変界磁コイル２２６である。

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又はラジアルギャップロータ２２０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又はラジアルギャップロータ２２０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、整流後の直流電流は、直列接続されている２つの可変界磁コイル２２６に界磁電流として供給される。２つの可変界磁コイル２２６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５及び図６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２２６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。

（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２２６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Ｇにおいては、磁気抵抗が高い状態である。

この結果、図５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において誘導電流が誘起され、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２２６に供給される。

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

この結果、図６に示すように、永久磁石２２３の磁束の一部が漏れ磁束として磁路部材２２５内を短絡する。これにより、永久磁石２２３の磁束のうち漏れ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には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。

（電機子コイルの電流位相制御）
漏れ磁束を大きくして永久磁石２２３からステータ１０に鎖交する磁束の磁束量をより抑えるためには、図７に示すように、電機子コイル１１に供給する電流のベクトル（以下、電機子電流ベクトルともいう）を＋ｄ軸方向に遅角させることが好ましい。

図７において、永久磁石２２３の磁極の方向をｄ軸、磁極間をｑ軸と定義し、ｑ軸を電機子電流ベクトルβの位相の基準（電流位相βが０°）としている。また、−ｄ軸方向（永久磁石２２３の磁極に対向する方向）を進角側（弱め界磁領域）、＋ｄ軸方向（永久磁石２２３の磁極の順方向側）を遅角側（強め界磁領域）としている。

図７に示すように、電機子電流ベクトルβの位相を＋ｄ軸方向に遅角させることで、永久磁石２２３の磁束をより多く漏れ磁束として磁路部材２２５内を短絡させることができる。これにより、永久磁石２２３からステータ１０に鎖交する磁束の磁束量をより抑えることができる。

また、電機子電流ベクトルβの位相を＋ｄ軸方向に遅角させることで、ステータ１０からの磁束が永久磁石２２３の磁束に対して順方向に鎖交する。このため、永久磁石２２３の減磁対策を容易にでき、低コストな磁石を採用でき、磁石の発熱対策を容易にできる。

図８において、縦軸は電機子コイル１１の端子間電圧、すなわち逆方向の誘導起電力を示し、横軸は電機子電流ベクトルβの位相（図中、電流位相と記す）を示している。横軸に示す位相は、０より右側が進角側（−ｄ軸方向、弱め界磁領域）であり、０より左側が遅角側（＋ｄ軸方向、強め界磁領域）である。なお、図８では、漏れ磁束を制御するための誘導コイル２１５および可変界磁コイル２２６を含む回路を設けた本発明の構成の場合（図中、ロータ回路あり、と記す）と、この回路を設けていない比較例の場合（図中、ロータ回路なし、と記す）における、電機子コイル１１の端子間電圧を示している。図８に示すように、ロータ回路ありの場合は、電機子電流ベクトルβの位相を＋ｄ軸方向（左方向）に遅角させることで、ロータ回路なしの場合よりも端子間電圧を低下させることができる。

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２２６に供給する。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２２６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、ステータコア１２は、隣り合うステータティース１３の間に第１のロータティース２１２と同じ形状のスロット１４を有するので、ロータ２０の回転時においてステータティース１３の側面部１３ａと第１のロータティース２１２とが対面する領域の周方向の幅を、径方向の外側と内側とが等しい状態を保ちながら変化させることができる。これにより、径方向の外側で鎖交する磁束量と径方向の内側で鎖交する磁束量とを均等にできることから、面振動の発生を防止できる。また、ステータティース１３の側面部１３ａと第１のロータティース２１２との間で発生する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。また、インダクタンスの脈動が最大になるため、第１のロータティース２１２に鎖交する第２次空間高調波の振幅を最大にでき、誘導コイル２１５に発生する誘導起電力を増加させることが可能となる。

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。

なお、本実施の形態では、第１のロータティース２１２がステータコア１２の軸方向の両面側に対向するように設けられているが、これに限らず、例えばステータコア１２の軸方向の一方側の側面又は他方側の側面に対向するように設けられてもよい。すなわち、第１のロータティース２１２は、ステータコア１２の軸方向の一方側の側面及び他方側の側面のうち、いずれか一方の側面側にのみ設ける構成であってもよい。この場合、軸方向の片側のアキシャルギャップロータ２１０のみを採用した分、回転電機１の体格を小さくすることができる。

また、本実施の形態の回転電機１は、ステータの径方向の内側にアウタロータ及びインナロータの２つのロータを備える、ダブルロータタイプの回転電機にも適用可能である。この場合、電機子コイルは、ステータに集中巻されるが、トロイダル巻は採用されない。また、このダブルロータタイプの回転電機では、アウタロータに誘導コイルが配置され、インナロータに永久磁石、磁路部材及び可変界磁コイルが配置される。なお、前述のアウタロータとインナロータの構成は、逆であってもよい。

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（溝部）
２０ ロータ
３０ 整流回路
２１０ アキシャルギャップロータ
２１２ 第１のロータティース
２１５ 誘導コイル
２２０ ラジアルギャップロータ
２２１ ロータコア
２２２ 第２のロータティース
２２３ 永久磁石
２２５ 磁路部材
２２５ａ 内包部
２２５ｂ 延伸部
２２６ 可変界磁コイル
Ｄ１，Ｄ２ ダイオード

Claims (4)

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、
   周方向に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側の面で前記ステータティースに対向する第１のロータティースと、
   前記ステータコアの径方向の内方側で前記ステータティースに対向する第２のロータティースと、
   前記第１のロータティースに巻かれており、前記ステータ側で発生した磁束に基づいて誘導電流を発生する誘導コイルと、
   前記第２のロータティースに配置された永久磁石と、
   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、
   前記ステータコアは、隣り合う前記ステータティースの間に前記第１のロータティースと同じ形状の溝部を有することを特徴とする回転電機。
2. 前記ステータは、前記溝部に前記電機子コイルがトロイダル巻されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記第１のロータティースが、周方向に所定の間隔で互いに分離して複数設けられている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。
4. 前記ロータは、前記ステータコアの軸方向の両面側に前記第１のロータティースを有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の回転電機。

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