(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転磁界を発生させる巻線である電機子巻線が円周上に複数配置された固定子と、
前記固定子内で回転可能に支持された略円筒状の回転子と、
前記回転子に設けられて前記電機子巻線への通電の切換に伴って電流を発生する界磁巻線と、
を備えた回転電機において、
前記回転子の外周面は、回転軸方向に設けられた複数の切欠溝にて、円周方向において偶数個の回転子磁極に分離されており、
各回転子磁極には、隣り合う回転子磁極とは回転子の径方向において磁界の方向が反対になるようにＮ極またはＳ極が外周側となるように永久磁石が外周面の近傍に埋め込まれており、
前記界磁巻線は、各回転子磁極あるいは１つおきの回転子磁極に巻回されており、
前記回転子の回転方向は、一方の方向にのみ設定され、あるいは一方の方向の使用頻度のほうが逆方向の使用頻度よりも高く、
各回転子磁極において、円周方向における永久磁石と界磁巻線との間の回転子磁極上の距離は、前記一方の方向のみに設定された回転方向あるいは使用頻度が高い前記一方の方向の回転方向の側の距離の方が、逆方向の側の距離よりも大きくなるように、前記永久磁石は、埋め込まれている回転子磁極において円周方向に対して中央部に埋め込まれていることなく前記逆方向の側に偏った位置に埋め込まれている、
回転電機。
【請求項２】
請求項１に記載の回転電機であって、
各界磁巻線には、前記電機子巻線への通電の切換周期に同期させて当該界磁巻線を短絡または開放に切換可能なスイッチング回路が接続されている、
回転電機。
【請求項３】
請求項１に記載の回転電機であって、
各切欠溝は、各回転子磁極あるいは１つおきの回転子磁極に巻回された前記界磁巻線にて占有されており、あるいは各回転子磁極あるいは１つおきの回転子磁極に巻回された前記界磁巻線と前記切欠溝に充填されたかご型導電体にて形成されたかご型巻線にて占有されており、
前記電機子巻線への通電の切換に伴って前記界磁巻線に発生する電流は、前記界磁巻線にダイオードが接続されることなく、前記回転子の回転軸に直交する前記切欠溝の断面積の大きさと、当該切欠溝を占有している前記界磁巻線、あるいは当該切欠溝を占有している前記界磁巻線及び前記かご型巻線と、で調整されている、
回転電機。
【請求項４】
回転磁界を発生させる巻線である電機子巻線が円周上に複数配置された固定子と、
前記固定子内で回転可能に支持された略円筒状の回転子と、
前記回転子に設けられて前記電機子巻線への通電の切換に伴って電流を発生する界磁部材と、
を備えた回転電機において、
前記回転子の外周面は、回転軸方向に設けられた複数の切欠溝にて、円周方向において偶数個の回転子磁極に分離されており、
各回転子磁極には、隣り合う回転子磁極とは回転子の径方向において磁界の方向が反対になるようにＮ極またはＳ極が外周側となるように永久磁石が外周面の近傍に埋め込まれており、
前記界磁部材は、前記切欠溝に収容可能な断面形状を有する環状の導電体にて一体成形されており、各回転子磁極あるいは１つおきの回転子磁極の周囲を囲むように設けられており、
前記回転子の回転方向は、一方の方向にのみ設定され、あるいは一方の方向の使用頻度のほうが逆方向の使用頻度よりも高く、
各回転子磁極において、円周方向における永久磁石と界磁部材との間の回転子磁極上の距離は、前記一方の方向のみに設定された回転方向あるいは使用頻度が高い前記一方の方向の回転方向の側の距離の方が、逆方向の側の距離よりも大きくなるように、前記永久磁石は、埋め込まれている回転子磁極において円周方向に対して中央部に埋め込まれていることなく前記逆方向の側に偏った位置に埋め込まれている、
回転電機。
【請求項５】
請求項４に記載の回転電機であって、
各回転子磁極あるいは１つおきの回転子磁極に設けられている各界磁部材は、一体成形された界磁部材が複数積層されて構成されている、
回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転磁界を発生させる電機子巻線を有する固定子と、永久磁石と界磁巻線（または界磁部材）とを有する回転子と、を備えた回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転電機の種類の一つとして磁石界磁型回転電機が有り、この磁石界磁型の回転電機の基本構造の例を図１（Ａ）〜（Ｂ）に示す。
図１（Ａ）〜（Ｂ）に示す回転電機では、固定子２０の電機子磁極２０ａ〜２０ｆ（図１は、電機子磁極が６個の例を示している）のそれぞれに回転磁界を発生させる複数の電機子巻線（ＣＵ１、ＣＵ２、ＣＶ１、ＣＶ２、ＣＷ１、ＣＷ２）を備え、回転子１０の回転子磁極１０ａ〜１０ｄ（図１は、回転子磁極が４個の例を示している）のそれぞれに永久磁石Ｍを備えている。そして回転子１０は固定子２０の回転磁界にて、永久磁石Ｍに働く磁石界磁トルクと、回転子１０の回転子鉄芯１１に働くリラクタンストルクによって回転する。なお、図１（Ａ）は回転電機の固定子２０と回転子１０の斜視図を示し、図１（Ｂ）は回転電機の断面図（回転軸ＺＳに沿って切断したＡ−Ａ断面図（左図）と、回転軸ＺＳに直交する方向に切断したＢ−Ｂ断面図（右図））を示している。
【０００３】
図１に示す磁石界磁型の回転電機は、回転子１０に永久磁石Ｍを設けることで回転子１０の界磁に電力が不要であるため高効率であるという利点がある。しかし、回転子１０に設けた永久磁石Ｍによる磁界の強さが固定されているため、電機子巻線（ＣＵ１、ＣＵ２、ＣＶ１、ＣＶ２、ＣＷ１、ＣＷ２）に発生する誘起電圧により、最高回転数及びトルク出力が制限される。
そこで、回転子１０に界磁巻線ＣＫ１、ＣＫ２を設けて永久磁石Ｍの磁界を弱めて電機子巻線に発生する誘起電圧を低減することで高回転化を実現することや、永久磁石Ｍの磁界を強めて高出力化を実現することができる種々の回転電機が提案されている。
【０００４】
例えば特許文献１に記載された従来技術には、界磁巻線を備えて高回転化するとともに、運転状況（回転速度等）に応じて電機子巻線への電流位相を可変としており、高回転域ではリラクタンストルクを増大させるために電機子巻線への電流位相を進め、磁石界磁トルクとリラクタンストルクの合成トルクが最大となるように制御するハイブリッド励磁回転電機が開示されている。
また特許文献２に記載された従来技術には、界磁巻線を備えて高回転化するとともに、界磁巻線にダイオードを接続し、回転子に設けた永久磁石の磁界を妨げる方向の電流のみが界磁巻線に流れるように構成した永久磁石形電動機が開示されている。
また特許文献３に記載された従来技術には、界磁巻線を備えて高回転化するとともに、電機子への駆動電流に高調波の電流波形を重畳して界磁性能を高めた電動機を有する精紡機が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１２４７５５号公報
【特許文献２】特開２０００−１３９０４７号公報
【特許文献３】特開平７−９５７９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図１の例に示すような磁石界磁型の回転電機では、磁石界磁トルクを最大にするための電機子巻線への電流位相と、リラクタンストルクを最大にするための電機子巻線への電流位相には電気角で４５°の開き（リラクタンストルクを最大にする電流位相の方が４５°進んでいる）があり、磁石界磁トルクとリラクタンストルクの両者を同時に最大とする電機子巻線への通電は簡単にはできない。
特許文献１に記載された従来技術では、磁石界磁トルクとリラクタンストルクの合成トルクが増大するように電機子巻線への電流位相を進めているが、磁石界磁トルクのピークとリラクタンストルクのピークは電気角で４５°の開きがあり、このピークの間隔の中で適切な電気角の位置としている。このため、磁石界磁トルクのピークの位置とリラクタンストルクのピークの位置とを近づけることに比べれば最良とは言い難い。また、電機子巻線への電流位相を進めているため、永久磁石が減磁する可能性がある。
また特許文献２に記載された従来技術では、より高回転化するために界磁巻線にダイオードを接続しているが、ダイオードの許容電流値以下となるように界磁巻線を複数回巻回しており、界磁巻線の製造に手間とコストがかかり、生産性が良いとは言い難い。
また、特許文献３に記載された従来技術では、界磁性能の自由度を高めて低速から高速までのトルク制御ができるが、電機子巻線へ電流を供給する駆動インバータ回路が複雑化して高価になるとともに、界磁巻線への電流の方向や量を調節できるものではない。なお、特許文献１と特許文献２に記載された従来技術では、界磁巻線に流れる電流の方向や量を調節しようとした場合、スリップリング等を介して外部電源にて流れる方向と量を調整した電流を供給してやる必要があり、外部電源のコストがかさむ。
本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、よりシンプルな構成にて、より高回転化、あるいはより高出力化することができる回転電機を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明に係る回転電機は次の手段をとる。
まず、本発明の第１の発明は、回転磁界を発生させる巻線である電機子巻線が円周上に複数配置された固定子と、前記固定子内で回転可能に支持された略円筒状の回転子と、前記回転子に設けられて前記電機子巻線への通電の切換に伴って電流を発生する界磁巻線と、を備えた回転電機である。
前記回転子の外周面は、回転軸方向に設けられた複数の切欠溝にて、円周方向において偶数個の回転子磁極に分離されており、各回転子磁極には、隣り合う回転子磁極とは回転子の径方向において磁界の方向が反対になるようにＮ極またはＳ極が外周側となるように永久磁石が外周面の近傍に埋め込まれており、前記界磁巻線は、各回転子磁極あるいは１つおきの回転子磁極に巻回されている。
そして前記回転子の回転方向は、一方の方向にのみ設定され、あるいは一方の方向の使用頻度のほうが逆方向の使用頻度よりも高く、各回転子磁極において、円周方向における永久磁石と界磁巻線との間の回転子磁極上の距離は、前記一方の方向のみに設定された回転方向あるいは使用頻度が高い前記一方の方向の回転方向の側の距離の方が、逆方向の側の距離よりも大きくなるように、前記永久磁石は、埋め込まれている回転子磁極において円周方向に対して中央部に埋め込まれていることなく前記逆方向の側に偏った位置に埋め込まれている。
【０００８】
この第１の発明によれば、後述する第１の実施の形態にて説明しているように、電機子巻線への電流位相を進めることなく、リラクタンストルクのピークとなる電気角度の位置を磁石界磁トルクのピークとなる電気角度の位置に近づけることが可能となる。
これにより、複雑な構成を必要とすることなく、より適切に高出力化を実現することができる。
【０００９】
次に、本発明の第２の発明は、上記第１の発明に係る回転電機であって、各界磁巻線には、前記電機子巻線への通電の切換周期に同期させて当該界磁巻線を短絡または開放に切換可能なスイッチング回路が接続されている。
【００１０】
この第２の発明によれば、後述する第２の実施の形態にて説明しているように、スイッチング回路を用いて、電機子巻線への通電の切換周期に対して適切なタイミングで界磁巻線を環状に短絡、または開放する。
これにより、界磁巻線にダイオードを接続することなく、界磁巻線に発生する電流の方向を所望する方向に設定することができる。更に、適切なタイミングで界磁巻線を環状に短絡、または開放するとともに短絡期間を適切に制御することで、界磁巻線に発生する電流の方向だけでなく、電流の量も調整することができるので、界磁性能の自由度を高めることが可能である。
このように、よりシンプルな構成にて、回転電機をより高回転化、あるいはより高出力化することができる。
【００１１】
次に、本発明の第３の発明は、上記第１の発明に係る回転電機であって、各切欠溝は、各回転子磁極あるいは１つおきの回転子磁極に巻回された前記界磁巻線にて占有されており、あるいは各回転子磁極あるいは１つおきの回転子磁極に巻回された前記界磁巻線と前記切欠溝に充填されたかご型導電体にて形成されたかご型巻線にて占有されており、前記電機子巻線への通電の切換に伴って前記界磁巻線に発生する電流は、前記界磁巻線にダイオードが接続されることなく、前記回転子の回転軸に直交する前記切欠溝の断面積の大きさと、当該切欠溝を占有している前記界磁巻線、あるいは当該切欠溝を占有している前記界磁巻線及び前記かご型巻線と、で調整されている。
【００１２】
この第３の発明によれば、後述する第３の実施の形態にて説明しているように、切欠溝を占有するように界磁巻線、あるいは界磁巻線とかご型巻線とを設け、更に、切欠溝の大きさを調整することで、切欠溝内に位置している界磁巻線及びかご型巻線に発生する電流の方向を所望する方向に設定することができる。
これにより、界磁巻線にダイオードを接続する必要がない。また、非常にシンプルな構成にてより高回転化、あるいはより高出力化することができる。
【００１３】
次に、本発明の第４の発明は、回転磁界を発生させる巻線である電機子巻線が円周上に複数配置された固定子と、前記固定子内で回転可能に支持された略円筒状の回転子と、前記回転子に設けられて前記電機子巻線への通電の切換に伴って電流を発生する界磁部材と、を備えた回転電機である。
前記回転子の外周面は、回転軸方向に設けられた複数の切欠溝にて、円周方向において偶数個の回転子磁極に分離されており、各回転子磁極には、隣り合う回転子磁極とは回転子の径方向において磁界の方向が反対になるようにＮ極またはＳ極が外周側となるように永久磁石が外周面の近傍に埋め込まれている。
そして前記界磁部材は、前記切欠溝に収容可能な断面形状を有する環状の導電体にて一体成形されており、各回転子磁極あるいは１つおきの回転子磁極の周囲を囲むように設けられている。
また、前記回転子の回転方向は、一方の方向にのみ設定され、あるいは一方の方向の使用頻度のほうが逆方向の使用頻度よりも高く、各回転子磁極において、円周方向における永久磁石と界磁部材との間の回転子磁極上の距離は、前記一方の方向のみに設定された回転方向あるいは使用頻度が高い前記一方の方向の回転方向の側の距離の方が、逆方向の側の距離よりも大きくなるように、前記永久磁石は、埋め込まれている回転子磁極において円周方向に対して中央部に埋め込まれていることなく前記逆方向の側に偏った位置に埋め込まれている。
【００１４】
この第４の発明によれば、発生する電流に対して必要となる断面積を有する界磁部材（界磁巻線）を容易に作成可能であり、切欠溝をより効率的に占有することができる。また、回転子への組み付けも容易であり、より生産性の良い界磁巻線（界磁部材）を実現することができる。
【００１５】
次に、本発明の第５の発明は、上記第４の発明に係る回転電機であって、各回転子磁極あるいは１つおきの回転子磁極に設けられている各界磁部材は、一体成形された界磁部材が複数積層されて構成されている。
【００１６】
この第５の発明によれば、図９（Ｃ）の例に示すように、切欠溝を占有する形状の界磁部材を容易に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】磁石界磁型の回転電機の基本構造を説明する斜視図、及び断面図である。
【図２】電機子巻線と駆動回路との接続、及び駆動電圧の波形の例を説明する図である。
【図３】従来の回転電機の例を説明する図である。
【図４】第１の実施の形態の構成と効果を説明する図である。
【図５】第１の実施の形態の、他の例を説明する図である。
【図６】第２の実施の形態の構成と効果を説明する図である。
【図７】第２の実施の形態の、他の例を説明する図である。
【図８】第３の実施の形態の構成と効果を説明する図である。
【図９】第４の実施の形態の構成を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に本発明を実施するための形態を図面を用いて説明する。図１（Ａ）〜（Ｂ）は、本発明の回転電機の第１〜第４の実施の形態における特徴を比較するための、磁石界磁型の回転電機の基本構造の例を示している。図１（Ａ）は回転子１０と固定子２０の斜視図を示しており、図１（Ｂ）は回転電機の断面図（回転軸ＺＳに沿って切断したＡ−Ａ断面図（左図）と、回転軸ＺＳに直交する方向に切断したＢ−Ｂ断面図（右図））を示している。
【００１９】
●［磁石界磁型の回転電機の基本構造（図１）］
図１（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、基本構造の回転電機は、固定子２０、回転子１０、ケース３１、３２、及び軸受３３、３４にて構成されている。
固定子２０は、薄板状の磁性体を回転軸ＺＳ方向に複数積層した電機子鉄芯２１にて円筒状に形成されており、内周面の側には、複数の電機子磁極２０ａ〜２０ｆが形成されている。なお、本実施の形態では６個の電機子磁極２０ａ〜２０ｆを備えた固定子２０の例を説明するが、電機子磁極の数は６個に限定されるものではない。
各電機子磁極には、回転磁界を発生させる巻線である電機子巻線（ＣＵ１、ＣＶ１、ＣＷ１、ＣＵ２、ＣＶ２、ＣＷ２）が巻回されており、各電機子巻線が円周上に複数配置されている。そして固定子２０はケース３１、３２にて固定されている。
【００２０】
回転子１０は、固定子２０の内周面に近接する径の外周面を備え、薄板状の磁性体を回転軸ＺＳ方向に複数積層した回転子鉄芯１１にて円筒状に形成され、固定子２０に収容されている。また回転子１０の回転軸部材であるシャフトＳＦは回転子鉄芯１１に圧入され、軸受３３、３４を介してケース３１、３２にて回転可能に支持されている。
また回転子１０の外周面は、回転軸ＺＳ方向に設けられた複数の切欠溝にて、円周方向において偶数個の回転子磁極１０ａ〜１０ｄに分離されている。なお、本実施の形態では４つの切欠溝にて４個の回転子磁極１０ａ〜１０ｄを有する回転子１０の例を説明するが、回転子磁極の数は４個に限定されるものではない。
各回転子磁極には、隣り合う回転子磁極とは回転子の径方向において（回転子の中心に向かう方向に対して）磁界の方向が反対になるように、外周面の近傍に永久磁石Ｍが埋め込まれている（各回転子磁極には回転軸ＺＳ方向の孔部が形成されており、当該孔部に永久磁石Ｍが挿通されている）。従って、Ｎ極が外周側となるように永久磁石Ｍが埋め込まれた回転子磁極の隣に位置する回転子磁極では、Ｓ極が外周側となるように永久磁石Ｍが埋め込まれている。
なお、図１（Ａ）〜（Ｂ）に示す基本構造の回転電機では、永久磁石Ｍは、各回転子磁極の円周方向における中央に配置されている。
【００２１】
また、永久磁石Ｍによって発生している磁界を減少させる界磁巻線が各切欠溝に配置されるように、各回転子磁極あるいは１つおきの回転子磁極には、界磁巻線ＣＫ１、ＣＫ２が巻回されている。図１に示す例では、１つおきの回転子磁極に界磁巻線ＣＫ１、ＣＫ２が巻回された例を示しており、当該２つの界磁巻線ＣＫ１、ＣＫ２にて、４つの切欠溝に界磁巻線を配置させているが、図８（Ａ）の例に示すように４個の回転子磁極１０ａ〜１０ｄの全てに界磁巻線ＣＫ１〜ＣＫ４を巻回して４つの切欠溝に界磁巻線を配置させるように構成してもよい。
【００２２】
●［回転電機の駆動回路と駆動信号（図２）］
図２（Ａ）に、図１に示した基本構造の回転電機における各電機子巻線と、各電機子巻線を駆動する駆動回路Ｉｖ１（駆動インバータ回路）と、界磁巻線ＣＫ１、ＣＫ２の接続状態の例を示す。また、図２（Ｂ）に、６個の電機子巻線への駆動信号を示す。なお、駆動回路Ｉｖ１、６個の電機子巻線と駆動回路との接続方法、及び駆動信号、駆動回路Ｉｖ１を制御する制御回路は周知であるので説明を省略する。
なお、第１〜第４の実施の形態にて説明する回転電機は４極６スロット（４個の回転子磁極１０ａ〜１０ｄと、６個の電機子磁極２０ａ〜２０ｆ）の例で、電機子を３相駆動しているので、図２に示すように、３０°周期で電機子への駆動信号が切換る。
そして以降に説明する第１〜第４の実施の形態では、この３０°の回転角度を基準としている。
【００２３】
●［第１の実施の形態（図３〜図５）］
次に図３〜図５を用いて第１の実施の形態の回転電機について説明する。第１の実施の形態の回転電機は、図１に示す基本構造の回転電機に対して、回転子磁極１０ａ〜１０ｄに埋め込む永久磁石Ｍの位置をより適切な位置とすることで、リラクタンストルクのピークとなる位置を、磁石界磁トルクのピークとなる位置に、より近づけるものである。
なお、第１の実施の形態にて説明する回転電機は、例えば電機自動車の駆動モータのように、一方の方向の回転のみ、あるいは一方の方向の回転のほうが逆方向の回転に対して使用頻度が非常に大きい場合に有効である（効果の有る回転方向が決まっている）。
【００２４】
図３は従来の回転電機（図１に示す基本構造の回転電機）の構造と、各界磁（永久磁石Ｍ、界磁巻線ＣＫ１、ＣＫ２、電機子磁極）によるそれぞれの磁束を示しており、図４（Ａ）は第１の実施の形態の回転電機の構造と、各界磁（永久磁石Ｍ、界磁巻線ＣＫ１、ＣＫ２、電機子磁極）によるそれぞれの磁束を示している。
なお、図３及び図４（Ａ）に示す第１の実施の形態の回転電機では、使用頻度の高い回転方向が左回りである場合の例を示している。
【００２５】
図３に示す従来の回転電機では、各回転子磁極１０ａ〜１０ｄに埋め込まれている永久磁石Ｍが、円周方向に対して中央部に埋め込まれている。従って図３に示すように、円周方向における永久磁石Ｍと界磁巻線ＣＫ１、ＣＫ２との回転方向（正転方向）の側の距離ＤＦと、回転方向と反対（逆転方向）の側の距離ＤＢが同じである。
そして電機子磁極２０ａ〜２０ｆの位置に対して、回転子磁極１０ａ〜１０ｄが図３に示す位置である場合、電機子磁極２０ａと２０ｄをＮ極となるように励磁し、電機子磁極２０ｂと２０ｅをＳ極となるように励磁する。
この場合、回転子磁極１０ｂと１０ｄの永久磁石Ｍの磁石磁束（図３中に点線矢印で示す）が磁石界磁トルクに、界磁巻線ＣＫ１、ＣＫ２の界磁巻線磁束（図３中に実線矢印で示す）が巻線界磁トルクに、電機子磁極２０ａ、２０ｂ、２０ｄ、２０ｅの電機子磁束（図３中に一点鎖線矢印で示す）がリラクタンストルクに、それぞれ関与している。
【００２６】
図３から明らかなように、磁石磁束（点線矢印）と界磁巻線磁束（実線矢印）の磁束は同じ電流位相（同じ方向に向かう）であるが、電機子磁束（一点鎖線矢印）の磁束は位相が異なる（向かう方向が違う）。このため、リラクタンストルクを増大するように電機子巻線への電流位相を進めると、磁石界磁トルクと巻線界磁トルクが低下するため、最良の性能を得ることはできない。また、電機子磁束が磁石磁束を妨げる方向に向かうため、永久磁石Ｍが減磁する可能性があり、好ましくない。
【００２７】
そこで図４（Ａ）に示す第１の実施の形態の回転電機では、円周方向における永久磁石と界磁巻線との回転方向の側の距離ＤＦの方が、回転方向と反対の側の距離ＤＢよりも大きくなるように（距離ＤＦ＞距離ＤＢ）、円周方向において永久磁石を回転方向に対して逆方向の側に偏った位置となるように埋め込まれている。
そして電機子磁極２０ａ〜２０ｆの位置に対して、回転子磁極１０ａ〜１０ｄが図４（Ａ）に示す位置である場合、電機子磁極２０ａと２０ｄをＮ極となるように励磁し、電機子磁極２０ｂと２０ｅをＳ極となるように励磁する。
この場合、回転子磁極１０ｂと１０ｄの永久磁石Ｍの磁石磁束（図４（Ａ）中に点線矢印で示す）が磁石界磁トルクに、界磁巻線ＣＫ１、ＣＫ２の界磁巻線磁束（図４（Ａ）中に実線矢印で示す）が巻線界磁トルクに、電機子磁極２０ａ、２０ｂ、２０ｄ、２０ｅの電機子磁束（図４（Ａ）中に一点鎖線矢印で示す）がリラクタンストルクに、それぞれ関与している。
【００２８】
図４（Ａ）に示すように、第１の実施の形態の回転電機では、回転子磁極１０ｂ、１０ｄにおける距離ＤＦの側に発生した電機子磁束（一点鎖線矢印）と界磁巻線磁束（実線矢印）は、反対側（距離ＤＢの側）の磁路の幅が狭いため、大半の磁束がそこに流れ込むことができず、結果として間近の隣の回転子磁極（この場合、回転子磁極１０ａ、１０ｃ）の永久磁石Ｍに流れ込み、磁石磁束（点線矢印）と界磁巻線磁束（実線矢印）と電機子磁束（一点鎖線矢印）が全て同じ方向の磁束となる。
従って、リラクタンストルクも、磁石界磁トルクや巻線界磁トルクと同じ電流位相で発生することとなり、全てのトルクのピークが同じ電流位相となる。しかも電機子磁束は、磁石磁束を増大する側に働くため、永久磁石Ｍを減磁する心配はない。
【００２９】
図４（Ｂ）は、磁場解析によるトルクのシミュレーション結果であり、横軸は電流位相を示し、縦軸はトルクを示している。
図示省略するが図３に示す従来の回転電機では、磁石界磁トルクのピーク（電流位相０°でピーク）に対して、リラクタンストルクのピークは電流位相で４５°進んだ位置である。
これに対して図４（Ｂ）に示す第１の実施の形態の回転電機では、磁石界磁トルク（Ｔ１）のピーク（電流位相０°でピーク）に対して、巻線界磁トルクとリラクタンストルクの一部合成トルク（Ｔ２）のピークがほぼ電流位相０°の位置となる。従って、磁石界磁トルク（Ｔ１）と、巻線界磁トルクとリラクタンストルクの合成トルク（Ｔ２）との全体合成トルク（Ｔ１＋Ｔ２）のピークは、ほぼ電流位相０°の位置となる。
各トルクのピークの開きが４５°であり、合成トルクの最大となるように電流位相を調整した従来と比較して、第１の実施の形態では、各ピークの位置をほぼ電流位相０°の位置としているので、合成トルクのピークはほぼ最良であり、ほぼ理想的な電流位相で回転電機を運転することができる。
このように、よりシンプルな構成にて、より高出力化することができる。また、電流位相を進める必要がないので、永久磁石Ｍの減磁の心配もない。
【００３０】
なお、図５（Ａ）に示すように、回転子磁極１０ａ〜１０ｄに対して永久磁石Ｍが外周側に露出（永久磁石Ｍの外周側の面が、回転子の外周面と一致）するように構成してもよい。また、図５（Ｂ）に示すように、永久磁石Ｍが外周側に露出するとともに、回転方向の反対側にも露出するように構成してもよい（この場合、距離ＤＢ＝ゼロ）。
【００３１】
なお、第１の実施の形態において、界磁巻線ＣＫ１、ＣＫ２への給電方法は、後述する図６に示すスリップリングＳＲ１、ＳＲ２を用いて外部電源から給電してもよいし、図８（Ｃ）に示すように、界磁巻線に発生する電流の流れる方向を一方に固定するようにダイオードＤ１、Ｄ２を接続してもよい。
図５（Ｃ）の左図の例では、界磁巻線を環状に短絡させずに、界磁巻線ＣＫ１の手前側を切り離し、向かって左側の端部をダイオードＤ１のカソードに接続し、向かって右側の端部をダイオードＤ１のアノードに接続している（界磁巻線ＣＫ２も同様）。
また図５（Ｃ）の右図の例は、４つの回転子磁極のそれぞれに界磁巻線を設けた場合において、各界磁巻線に接続するダイオードの向きを示している。この場合、一方の隣のダイオードとはカソードが向き合い、他方の隣のダイオードとはアノードが向き合うように接続される。
なお、界磁巻線にダイオードを接続して界磁電流の流れる方向を一方にすることは周知の技術であるので、詳細な説明は省略する。
【００３２】
●［第２の実施の形態（図６、図７）］
次に図６、図７を用いて第２の実施の形態の回転電機について説明する。
従来の回転電機では、界磁巻線にダイオードを接続して（特開２０００−１３９０４７号公報等）界磁巻線に流れる電流の方向を一方の方向にするものが存在したが、界磁性能に自由度が無く、回転電機の運転状況で界磁巻線に流れる電流の方向を変更することができない（高回転化する場合の電流の方向と、低回転時における高出力化の電流の方向は異なる）。
また、従来の回転電機では、スリップリングを介して外部電源から界磁巻線に所望する電流を流すものも存在したが、外部電源や外部電源とスリップリングの間に入れる制御回路等、装置が複雑化し、高価となる。
また、従来の回転電機には、電機子巻線の駆動電流に高調波の電流波形を重畳させるものも存在するが（特開平７−９５７９０号公報等）、電機子巻線に駆動電流を供給するインバータ回路が複雑化し、高価となる。また、界磁巻線に流れる電流の方向を自由に変更できるものではない。
【００３３】
そこで、第２の実施の形態の回転電機では、界磁巻線ＣＫ１、ＣＫ２を環状に短絡することなくスイッチング回路ＳＷ１、ＳＷ２にて任意のタイミングで短絡または開放とする構成を備える。そして、短絡または開放のタイミングを調整することで、界磁巻線ＣＫ１、ＣＫ２に発生する誘導電流のレベルを制御し、界磁巻線ＣＫ１、ＣＫ２にダイオードを接続（図６（Ａ）中のダイオードＤ１、Ｄ２参照）することなく、界磁巻線に流れる誘導電流の方向、及び電流の量を調整可能とするものである。なお、界磁巻線は１巻きの巻線であり、単数あるいは複数の界磁巻線が回転子磁極に設けられている。
図６（Ａ）に示すように、界磁巻線ＣＫ１の一方の端部はスリップリングＳＲ１の一方に接続され、界磁巻線ＣＫ１の他方の端部はスリップリングＳＲ１の他方に接続されている。同様に、界磁巻線ＣＫ２の一方の端部はスリップリングＳＲ２の一方に接続され、界磁巻線ＣＫ２の他方の端部はスリップリングＳＲ２の他方に接続されている。
スリップリングＳＲ１のそれぞれにはブラシＢ１を介してスイッチング回路ＳＷ１が接続されている。同様にスリップリングＳＲ２のそれぞれにはブラシＢ２を介してスイッチング回路ＳＷ２が接続されている。この構成により、スイッチング回路ＳＷ１（スイッチング回路ＳＷ２）をＯＮ／ＯＦＦすることで、界磁巻線ＣＫ１（界磁巻線ＣＫ２）を短絡／開放することができる。
【００３４】
なお、第１〜第４の実施の形態にて説明する回転電機は４極６スロット（４個の回転子磁極と、６個の電機子磁極）で、電機子を３相駆動しているので、図２に示すように、３０°周期で電機子への駆動信号が切換る。そして、界磁巻線のスイッチング回路ＳＷ１（またはＳＷ２）の切換は、電機子への駆動信号の切換に同期して行うので、３０°毎に切換る。そして３０°毎に切換たスイッチング回路による界磁巻線に発生する電流も３０°毎の発生を繰り返す。
【００３５】
次に図６（Ｂ）及び（Ｃ）を用いて、スイッチング回路ＳＷ１のＯＮ／ＯＦＦタイミングと、当該タイミングにおける界磁巻線ＣＫ１に発生する誘導電流について説明する。なお、図６（Ｂ）において横軸は［（回転）角度（°）］を示し、縦軸はＯＮ／ＯＦＦを示し、図６（Ｃ）において横軸は［（回転）角度（°）］を示し、縦軸は界磁電流（Ａ）（すなわち誘導電流）を示している。またスイッチング回路ＳＷ２による界磁巻線ＣＫ２に発生する誘導電流も同様であるので、スイッチング回路ＳＷ２の側の説明は省略する。
【００３６】
以下の説明では「ｎ」を整数として説明する。なお、スイッチング回路ＳＷ１、ＳＷ２の制御回路については説明を省略する。
図６（Ｂ）における作動パターンＰ１ａは、回転角度が「３０ｎ＋０」°毎にスイッチング回路ＳＷ１を「ＯＦＦ」に駆動し、回転角度が「３０ｎ＋１」°毎にスイッチング回路ＳＷ１を「ＯＮ」に駆動するパターンである。
この作動パターンＰ１ａにより、図６（Ｃ）のグラフの「Ｐ１ａ」に示す結果が得られる（この結果が３０°毎に繰り返される）。
作動パターンＰ１ａでは、界磁電流（誘導電流）が常に「正」となるので、ダイオードを用いることなく、界磁電流の流れる方向を一方の方向のみにすることができる。
【００３７】
図６（Ｂ）における作動パターンＰ１ｂは、回転角度が「３０ｎ＋１０」°毎にスイッチング回路ＳＷ１を「ＯＦＦ」に駆動し、回転角度が「３０ｎ＋１１」°毎にスイッチング回路ＳＷ１を「ＯＮ」に駆動するパターンである。
この作動パターンＰ１ｂにより、図６（Ｃ）のグラフの「Ｐ１ｂ」に示す結果が得られる（この結果が３０°毎に繰り返される）。
また図６（Ｂ）における作動パターンＰ１ｃは、回転角度が「３０ｎ＋２０」°毎にスイッチング回路ＳＷ１を「ＯＦＦ」に駆動し、回転角度が「３０ｎ＋２１」°毎にスイッチング回路ＳＷ１を「ＯＮ」に駆動するパターンである。
この作動パターンＰ１ｃにより、図６（Ｃ）のグラフの「Ｐ１ｃ」に示す結果が得られる（この結果が３０°毎に繰り返される）。
作動パターンＰ１ｂ、Ｐ１ｃでは、界磁電流（誘導電流）が「負」の場合と「正」の場合の双方が有るので、界磁電流の流れる方向を一方の方向のみにするにはダイオードが必要となるので、好ましい作動パターンではない。
【００３８】
図６（Ｂ）における作動パターンＰ１ｄは、回転角度が「３０ｎ＋２９」°毎にスイッチング回路ＳＷ１を「ＯＦＦ」に駆動し、回転角度が「３０ｎ＋０」°毎にスイッチング回路ＳＷ１を「ＯＮ」に駆動するパターンである。
この作動パターンＰ１ｄにより、図６（Ｃ）のグラフの「Ｐ１ｄ」に示す結果が得られる（この結果が３０°毎に繰り返される）。
作動パターンＰ１ｄでは、界磁電流（誘導電流）が常に「負」となるので、ダイオードを用いることなく、界磁電流の流れる方向を一方の方向のみ（作動パターンＰ１ａとは逆の方向）にすることができる。
【００３９】
なお、図６（Ｃ）に示すグラフにおいて、「正」の界磁電流は永久磁石Ｍの磁界を減少させる方向の電流を示しており（高回転化に寄与する）、「負」の界磁電流は永久磁石Ｍの磁界を増加させる方向の電流を示している（高出力化に寄与する）。また図６（Ｃ）に示すグラフでは、開放時期にて界磁電流がゼロとなり、ゼロとなった地点から再び界磁電流が変化しており、開放時期により平行移動したような特性を示している。
以上より、電機子巻線への通電の切換（この場合、３０°毎に切換）によって発生する誘導電流を、作動パターンＰ１ａ、またはＰ１ｄのパターンにて電機子巻線への通電の切換周期に同期させて界磁巻線を短絡または開放することで、ダイオードを用いることなく界磁巻線に流れる電流の方向を、一方の方向、または逆方向に、任意に変更することができる。
【００４０】
以上では、第２の実施の形態において、界磁巻線に流れる電流の「方向」を任意に調整できることを説明したが、次に図７を用いて、界磁巻線に流れる電流の「量」を調整する方法について説明する。
図７（Ａ）に示す作動パターンＰ２ａは、図６（Ｂ）の作動パターンＰ１ｄである。従って、この場合、図７（Ｂ）のグラフの「Ｐ２ａ」は、図６（Ｃ）のグラフ「Ｐ１ｄ」と同じであり、界磁電流（誘導電流）が常に「負」となる。
この作動パターンＰ２ａに対して、図４（Ａ）における作動パターンＰ２ｂは、ＯＮ期間を２９°から１９°へと短くしたパターンであり、回転角度が「３０ｎ＋１９」°毎にスイッチング回路ＳＷ１を「ＯＦＦ」に駆動し、回転角度が「３０ｎ＋０」°毎にスイッチング回路ＳＷ１を「ＯＮ」に駆動するパターンである。
この作動パターンＰ２ｂにより、図７（Ｂ）のグラフ「Ｐ２ｂ」に示す結果が得られ、界磁電流の「量」をグラフ「Ｐ２ａ」よりも減少させることができる（この結果が３０°毎に繰り返される）。
【００４１】
図７（Ａ）における作動パターンＰ２ｃは、作動パターンＰ２ａに対してＯＮ期間を２９°から９°へと短くしたパターンであり、回転角度が「３０ｎ＋９」°毎にスイッチング回路ＳＷ１を「ＯＦＦ」に駆動し、回転角度が「３０ｎ＋０」°毎にスイッチング回路ＳＷ１を「ＯＮ」に駆動するパターンである。
この作動パターンＰ２ｃにより、図７（Ｂ）のグラフ「Ｐ２ｃ」に示す結果が得られ、界磁電流の「量」をグラフ「Ｐ２ｂ」よりも更に減少させることができる（この結果が３０°毎に繰り返される）。
【００４２】
以上より、電機子巻線への通電の切換周期に同期させてスイッチング回路による短絡期間を制御することで、電機子巻線への通電の切換（この場合、３０°毎に切換）によって発生する誘導電流の「量」を、所望する量へと無段階に減少させることができる。
なお同様にして、図６（Ｂ）における作動パターンＰ１ａに対して、ＯＮ期間を変更することで、「正」の界磁電流（誘導電流）の「量」を、所望する量へと無段階に減少させることができる。
以上、第２の実施の形態では、界磁巻線にスイッチング回路を接続するというシンプルな構成にて、電機子巻線への通電の切換周期に同期させて界磁巻線を短絡／開放に制御することで、界磁巻線に流れる電流の「方向」と「量」を調整可能である。
例えば、高出力よりも高回転を所望する場合は「正」の界磁電流が流れるように調整し、高回転よりも高出力を所望する場合は「負」の界磁電流が流れるように調整すればよい。また、所望する高回転あるいは高出力の程度に応じて電流の量を調整すればよい。
なお、第２の実施の形態では、永久磁石Ｍを省略してもよい。
【００４３】
●［第３の実施の形態（図８）］
次に図８（Ａ）〜（Ｃ）を用いて第３の実施の形態について説明する。第３の実施の形態では、回転子磁極を分離している切欠溝を、界磁巻線（あるいは界磁巻線とかご型巻線）にて占有（充填）するように構成し、回転子の回転軸に直交する切欠溝の断面面積（すなわち、界磁巻線とかご型巻線の断面面積）を調整することで、発生する界磁電流を調整するものである。
図８（Ａ）〜（Ｃ）にて説明する例では、界磁巻線ＣＫ１〜ＣＫ４と、かご型巻線ＣＣとを備え、界磁巻線ＣＫ１〜ＣＫ４（及びかごＣＣ）に発生する誘導電流のレベルを制御し、ダイオードを用いることなく、誘導電流の流れる方向を一方のみにすることができる。なお、特開２０００−１３９０４７号公報では、１本のコイル線を複数回巻回してダイオードを介して短絡して界磁巻線を構成しているが、第３の実施の形態では、巻回数が１回の巻線を複数用いて界磁巻線として使用している。
【００４４】
図８（Ａ）の左図に示すように、界磁巻線ＣＫ１〜ＣＫ４（界磁部材）は、４個の回転子磁極１０ａ〜１０ｄのそれぞれに巻回されている（設けられている）。そして円筒状の回転子鉄芯１１における端面（上面と底面）、及び切欠溝には、導電体で構成された、かご型巻線ＣＣが設けられている。この場合、かご型巻線ＣＣはアルミダイキャスト等にて切欠溝に充填されている。なお、図８（Ａ）の左図からかご型巻線ＣＣのみを抽出した図が図８（Ａ）の右図である。
なお、第３の実施の形態の説明では、界磁巻線とかご型巻線にて切欠溝を充填する例を説明するが、界磁巻線は単数でも複数でもよく、界磁巻線のみで切欠溝を充填するようにしてもよい。
また、第３の実施の形態では、各界磁巻線の巻回数は１回であり、単数あるいは複数の界磁巻線を、対応する回転子磁極に巻回している。複数の界磁巻線を用いた場合、発生した電流が各界磁巻線に分散されるので、断面積が小さく許容電流が低い界磁巻線であっても、適切に複数用いることで所望する許容電流まで耐えられる界磁巻線として使用することができる。
【００４５】
図８（Ｂ）は、回転軸ＺＳに直交する面にて図８（Ａ）に示す回転子鉄芯１１を切断した断面図である。なお、断面積Ｋは界磁巻線とかご型巻線にて占有されている（充填されている）。
図８（Ｂ）に示す切欠溝の断面積Ｋを、ある一定の値にした場合（このときの断面積を基準面積Ｓとする）をパターンＰ３ａとすると、図８（Ｃ）のグラフ「Ｐ３ａ」に示す結果が得られた（この結果が３０°毎に繰り返される）。
また、切欠溝の断面積Ｋを基準面積Ｓの６．２５倍にした場合をパターンＰ３ｂとすると、図８（Ｃ）のグラフ「Ｐ３ｂ」に示す結果が得られた（この結果が３０°毎に繰り返される）。
パターンＰ３ａ、Ｐ３ｂでは、界磁電流（誘導電流）が「負」の場合と「正」の場合の双方が有るので、界磁電流の流れる方向を一方の方向のみにするにはダイオードが必要であるので、好ましいパターンではない。
【００４６】
これに対して切欠溝の断面積Ｋを基準面積Ｓの１００倍にした場合をパターンＰ３ｃとすると、図８（Ｃ）のグラフ「Ｐ３ｃ」に示す結果が得られた（この結果が３０°毎に繰り返される）。
パターンＰ３ｃでは、界磁電流（誘導電流）が常に「正」となるので、ダイオードを用いることなく、界磁電流の流れる方向を一方の方向のみにすることができる。
以上より、切欠溝の断面積（及び界磁巻線とかご型巻線の断面積）の大きさを変更することで、電機子巻線への通電の切換（この場合、３０°毎に切換）によって発生する誘導電流の流れる方向を、ダイオードを用いることなく、一方の方向のみにすることができる。
この場合、「正」の界磁電流とすることができるので、永久磁石Ｍの磁界を減少させる方向の電流を流すことができるので、高回転化に寄与することができる。
なお、切欠溝の断面積Ｋ（及び界磁巻線とかご型巻線の断面積）の設定にて、界磁巻線に「負」の界磁電流のみが流れるように構成（高出力化に寄与する）することも可能である。例えばこの場合は、高回転化が可能となるように永久磁石Ｍの磁界の力を予め小さくしておき、低回転時には界磁巻線にて永久磁石Ｍの磁界を増加させるように構成すればよい。
なお、界磁巻線やかご型巻線の材質として、より抵抗値の低いものを用いることで、回転電機の特性をより向上させることができる。
【００４７】
●［第４の実施の形態（図９）］
次に図９（Ａ）及び（Ｂ）を用いて第４の実施の形態について説明する。第４の実施の形態では、界磁巻線に流れる電流の量をより簡単に増加できるとともに、界磁巻線の組み付けをより容易にする（生産性を向上させる）ものである。
図９（Ａ）は、界磁巻線の断面積を増加させる従来の方法である。断面が円形の界磁巻線では、界磁巻線の断面積を大きくするために界磁巻線の径を大きくすると、切欠溝との隙間が大きくなってしまうので、比較的細い界磁巻線（１巻きの短絡した巻線）を複数本にして回転子磁極に巻回していた（嵌め込んでいた）。しかし、界磁巻線と切欠溝との隙間を小さくすることはできるが、巻線の数が増えるので、組み付けに手間がかかる。
【００４８】
そこで図９（Ｂ）に示す本実施の形態では、巻線を用いることなく、切欠溝（回転軸ＺＳに直交する断面が、中心角９０°の扇形の切欠溝）に収容可能な断面形状（厚さＴｗ、幅Ｔｔの矩形であり、切欠溝の面に対向する界磁部材の面が隙間なく接触する形状）を有する環状の導電体にて形成した界磁部材ＣＫＡ、ＣＫＢを、各回転子磁極あるいは１つおきの回転子磁極に組み付ける（嵌め込む）。例えば界磁部材ＣＫＡは、抵抗値の低い所定厚さ（Ｔｗ）の銅板から打ち抜きにより一体成形されている（あるいはアルミダイカストで一体成形されている）。
これにより、界磁部材ＣＫＡ、ＣＫＢと切欠溝との隙間をほぼ無くすことが可能である。しかも、界磁部材ＣＫＡ、ＣＫＢの製造は、上述したように打ち抜きにて可能であり、更に界磁部材を取り付けるべき回転子磁極に対して１個の界磁部材を嵌め込むだけでよいので、組み付けも容易である。
なお、図９（Ｃ）の例に示すように、一体成形した界磁部材を複数積層して新たな界磁部材ＣＫＡ、ＣＫＢとしてもよい。この場合、図９（Ｃ）に示すように、より簡単に切欠溝を充填できる。
【００４９】
本発明の回転電機は、本実施の形態で説明した構成、構造、動作等に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能である。
第１〜第４の実施の形態にて説明した回転電機は４極６スロット（４個の回転子磁極と、６個の電機子磁極）で、電機子を３相駆動している例にて説明したので、図２に示すように、３０°周期で電機子への駆動信号が切換り、界磁巻線のスイッチング回路ＳＷ１（またはＳＷ２）の切換も３０°毎に切換り、界磁巻線に発生する電流も３０°毎の発生を繰り返す例を説明したが、回転子磁極の数、電機子磁極の数、電機子への駆動信号の切換周期は、これらに限定されるものではない。
また、第１〜第４の実施の形態にて説明した構成を、どのように組み合わせてもよい。例えば第１の実施の形態の構成と第２の実施の形態の構成と第４の実施の形態を組み合わせてもよい。
また、本実施の形態の説明に用いた数値は一例であり、この数値に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
例えば本実施の形態にて説明した回転電機を電気自動車の駆動用モータに適用すれば、より高回転化、より高出力化することができるので便利である。また図９（Ｂ）に示す界磁部材ＣＫＡ、ＣＫＢを用いれば、回転電機の生産性をより向上させることができる。
【符号の説明】
【００５１】
１０      回転子
１０ａ〜１０ｄ    回転子磁極
１１      回転子鉄芯
２０      固定子
２０ａ〜２０ｆ    電機子磁極
２１      電機子鉄芯
３１、３２    ケース
３３、３４    軸受
Ｂ１、Ｂ２    ブラシ
ＣＣ      かご型巻線
ＣＫ１〜ＣＫ４    界磁巻線
ＣＫＡ、ＣＫＢ    界磁部材
ＣＵ１、ＣＵ２、ＣＶ１、ＣＶ２、ＣＷ１、ＣＷ２    電機子巻線
Ｍ        永久磁石
ＳＦ      シャフト
ＳＲ１、ＳＲ２    スリップリング
ＳＷ１、ＳＷ２    スイッチング回路
ＺＳ      回転軸
【図１】
0005575528.tif 000002
【図２】
0005575528.tif 000003
【図３】
0005575528.tif 000004
【図４】
0005575528.tif 000005
【図５】
0005575528.tif 000006
【図６】
0005575528.tif 000007
【図７】
0005575528.tif 000008
【図８】
0005575528.tif 000009
【図９】
0005575528.tif 000010