(57)【要約】      （修正有）【課題】ステータから磁性ギャップ及びロータを通過して流れる磁束量を調整することができ、何れの回転領域でも高い効率を実現可能な回転機を提供する。【解決手段】リング状のステータコア１１の複数の所定箇所に設けられ且つ周方向Ａに磁性を持たせた永久磁石１４と、ステータコア１１のうち周方向Ａに隣り合う永久磁石１４同士の間に巻回され且つ各永久磁石１４の磁束と反対方向の磁束を発生する複数の界磁巻線１５とを備えたステータ１を適用し、界磁巻線非励磁状態においてステータティース１２とロータ極２２のギャップに漏れずにステータ１内部を通過する各永久磁石１４の磁束を、界磁巻線励磁状態において各界磁巻線１５の磁束とともに磁性ギャップ及びロータ２を通過する磁束に変化可能に構成した。【選択図】図３
2014093923.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータと、前記ステータと同軸上に配置され且つ前記ステータとの間に磁気ギャップを形成するロータと、前記ロータを前記ステータに対して回転可能に支持するロータ支持部とを備えた回転機であって、
前記ステータは、
リング状のステータ鉄心と、前記ステータ鉄心における所定の複数箇所にそれぞれ設けられ且つ周方向に磁性を持たせた永久磁石と、前記ステータ鉄心のうち周方向に隣り合う前記永久磁石同士の間にそれぞれ巻回され且つ前記永久磁石の磁束と反対方向の磁束を発生する複数の界磁巻線と、前記ステータ鉄心のうち周方向に隣り合う前記永久磁石と前記界磁巻線の間において前記ロータに向かって突出するステータティースと、各ステータティースに巻回したステータ巻線とを備え、対向する前記ステータティースにそれぞれ巻回したステータ巻線同士を同相に設定したものであり、
前記ロータは、
リング状のロータ鉄心と、前記ロータ鉄心から前記ステータに向かって突出し且つ周方向に等ピッチで前記ステータティースとは異なる数のロータ極とを備えたものであり、
前記各界磁巻線に電流を流していない状態において前記磁性ギャップを通過すること無く前記ステータ内部を通過する前記各永久磁石の磁束を、前記各界磁巻線に所定方向の電流を流すことで生じる前記各界磁巻線の磁束とともに前記磁性ギャップ及び前記ロータを通過する磁束に変化可能に構成していることを特徴とする回転機。
【請求項２】
前記ステータ鉄心の周方向に前記永久磁石及び前記界磁巻線の組を３ｎ（ｎはゼロを除く正の整数）組備えている請求項１に記載の回転機。
【請求項３】
前記ロータを前記ステータに対して回転軸の径方向内側に配置している請求項１又は２に記載の回転機。
【請求項４】
前記ロータを前記ステータに対して回転軸の径方向外側に配置している請求項１又は２に記載の回転機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステータに対してロータを回転させる回転機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ステータと、このステータとの間に磁気的なギャップ（エアギャップとも称される狭い隙間であり、以下では「磁気ギャップ」と称す）を空けて配置されるロータとを備えた回転機（例えばＰＭモータ）が知られている。回転機のステータには、周方向に等ピッチで並ぶ複数のステータティースが設けられ、隣り合うステータティース間に形成された各スロットに巻線（ステータ巻線）が配置されている。そして、ステータ巻線に電力を供給することによってステータに磁界が発生し、この磁界とロータに付帯させた永久磁石の磁束との相互作用によってロータが回転するように構成されている（例えば特許文献１）。
【０００３】
ところで、近時では自動車用駆動モータなどをはじめとした負荷変動が大きい用途で使用される回転機も多く、このような回転機に対しては、出力領域の拡大と高効率化が要求されている。
【０００４】
ロータに永久磁石を付帯させた従来の回転機では、永久磁石の磁束が磁気ギャップを通過して、ステータティースに巻回されたステータ巻線に鎖交し、誘起電圧が発生する。ここで、回転する際に発生する磁界である界磁の磁束量と回転数で決定される誘起電圧は、ロータの回転数に比例して増加するが、出力領域の拡大を実現すべく、低速域で大きな出力（大トルク）を得るために高い誘起電圧を確保できるように設定すれば、高速域では電圧制限により（電源の供給電圧を超過して）駆動できず、一方、高速域まで駆動できるようにすれば、低速域では誘起電圧が低くなり、必要な高い出力（大トルク）を確保できない。
【０００５】
そこで、従来の永久磁石同期回転機では、ロータの回転速度を上げて高速域で運転する場合に、コントローラの端子電圧よりも誘起電圧が超えないよう回転機の電気設計（電圧制限を超えない程度の誘起電圧を確保可能な電気設計）を行いつつ、ステータに鎖交する永久磁石の磁束が多過ぎて誘起電圧が高過ぎる状態になる高速域では、電流位相を変えてステータの巻線で発生する磁束により界磁の磁束を弱める（永久磁石の磁束を弱める）ことで誘起電圧を抑えるように制御している。
【０００６】
このように従来の回転機では、永久磁石の磁束を積極的に弱める弱め界磁制御を行うことで運転範囲の拡大を図っていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１２−０８０７１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、弱め界磁制御が過剰になると永久磁石のクニック点を越えて、永久磁石が不可逆減磁してしまう。
【０００９】
したがって、従来の回転機では、ロータに付帯させた永久磁石の磁束が常にステータ鉄心及びステータ巻線に鎖交して界磁磁束として作用し得る状態にあり、永久磁石が不可逆減磁しない程度まで永久磁石の磁束密度を減少させて磁力を弱めることができても、磁力をゼロ、つまり界磁磁束として作用し得る永久磁石の磁束をゼロにするのは困難であった。そして、界磁磁束として作用し得る永久磁石の磁束がロータから磁性ギャップに漏れてステータに常に流れるため、その分だけ回転時にロスが生じていた。
【００１０】
また、永久磁石をロータに付帯させる態様であれば、ロータの高速回転時に永久磁石が飛散する事態が想定される。このような事態を回避するために、例えば非磁性体の飛散防止リングを永久磁石のうちステータ鉄心に近い側の面を被覆するように取り付ける構成も考えられるが、この場合、飛散防止リングの厚み分だけ磁気ギャップが拡大してしまい、高効率化の妨げとなり得る。
【００１１】
さらには、ロータをステータの内側に配置してモータを組み立てる工程において、ロータの永久磁石がステータ鉄心に吸引されてしまい、組立作業を効率良く行うことができないという不具合もあった。
【００１２】
このような問題点の主要因は、ロータに永久磁石を付帯させた回転機において永久磁石の磁束を調整することができないことにある。
【００１３】
本発明は、このような検討結果に基づき、回転数の変動や運転状況に応じて界磁の磁束量を調整することができ、高効率化を実現可能な回転機を提供することを主たる目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
すなわち本発明は、ステータと、ステータと同軸上に配置され且つステータとの間に磁気ギャップを形成するロータと、ロータをステータに対して回転可能に支持するロータ支持部とを備えた回転機に関するものである。また、本発明に係る回転機は、回転軸の径方向においてロータをステータの内周側に配置したインナー可動型、及び回転軸の径方向においてロータをステータの外周側に配置したアウター可動型の何れをも包含するものであり、インナー可動型の場合、「ロータ支持部」は回転軸（シャフト）そのものであればよく、アウター可動型の場合、「ロータ支持部」としては、ロータよりも回転軸の径方向外側に配置されるフレームを挙げることができる。以下に本願発明の技術的特徴について具体的に説明する。
【００１５】
本発明に係る回転機は、ステータとして、リング状のステータ鉄心と、ステータ鉄心における所定の複数箇所にそれぞれ設けられ且つステータ鉄心の周方向に磁性を持たせた永久磁石と、ステータ鉄心のうち周方向に隣り合う永久磁石同士の間に巻回され且つ永久磁石の磁束と反対方向の磁束を発生する複数の界磁巻線と、ステータ鉄心のうち周方向に隣り合う永久磁石と界磁巻線の間においてロータに向かって突出するステータティースと、各ステータティースに巻回したステータ巻線とを備え、対向するステータティースにそれぞれ巻回したステータ巻線同士を同相に設定したものを適用するとともに、ロータとして、リング状のロータ鉄心と、ロータ鉄心からステータに向かって突出し且つ周方向に等ピッチでステータティースとは異なる数のロータ極とを備えたものを適用し、各界磁巻線に電流を流していない状態においてステータティースとロータ極の磁性ギャップを通過すること無くステータ内部のみを通過する各永久磁石の磁束を、各界磁巻線に所定方向の電流を流すことで生じる各界磁巻線の磁束とともに磁性ギャップ及びロータを通過する磁束に変化可能に構成していることを特徴としている。ここで、「ステータティース」の数は、ロータの極数、相数に基づいて決定される。また、各ステータティースにそれぞれステータ巻線を巻回する構成は、隣り合うステータティース間に形成される各スロットにステータ巻線を配置する構成と同義である。
【００１６】
このような本発明の回転機では、ステータ鉄心のうち所定の複数箇所に配置した各永久磁石の磁性をステータ鉄心の周方向に持たせているため、ステータ鉄心の周方向において永久磁石と隣り合う位置に設けた各界磁巻線に電流を流していない状態（界磁巻線非励磁状態）であれば、各永久磁石の磁束は、ステータ鉄心及び他の永久磁石を経由して戻る短絡磁束になる。すなわち、抵抗の低い部分を通る磁束は、各界磁巻線の起磁力がゼロの場合に、各永久磁石の磁束が磁性ギャップの存在によってロータを通過しない。
【００１７】
一方、各界磁巻線に所定方向の電流を流した場合、各界磁巻線の磁束が各永久磁石の磁束と反対方向の磁束として発生する。したがって、ステータ鉄心内を流れる各永久磁石の磁束は、ステータ鉄心内において、周方向に隣り合う界磁巻線の磁束とぶつかり、ステータ鉄心のうち各永久磁石を配置した部分からステータ鉄心のうち界磁巻線を配置した部分に到達するまでに存在するステータティースを通り、このステータティースと対向し得るロータ極との磁性ギャップを通過し、ロータ極、ロータ鉄心、他のロータ極、このロータ極と対向し得るステータティースとの磁性ギャップ、ステータティース、ステータ鉄心をこの順で流れて永久磁石に至る。また、各界磁巻線に所定方向の電流を流している状態（界磁巻線励磁状態）において各界磁巻線の磁束は、ステータ鉄心のうち界磁巻線を配置したそれぞれの箇所を始点として捉えると、始点からステータ鉄心内を流れ、ステータ鉄心内において永久磁石の磁束とぶつかり、永久磁石の磁束と共にステータティースを通り、このステータティースと対向し得るロータ極との磁性ギャップを通過し、ロータ極、ロータ鉄心、他のロータ極、このロータ極と対向し得るステータティースとの磁性ギャップ、ステータティース、ステータ鉄心をこの順で流れて上述の各始点に至る。
【００１８】
このように、本発明に係る回転機は、各界磁巻線に所定方向の電流を流していない状態（界磁巻線非励磁状態）であればロータに各永久磁石の磁束が流れない状態または流れ難い状態を確保することができる。したがって、本発明に係る回転機では、各界磁巻線に所定方向の電流を流していない状態において誘起電圧が発生せず、コギングトルクやロストルクはゼロまたは略ゼロとなり、高効率化を図ることができる。また、各界磁巻線に所定方向の電流を流した状態（界磁巻線励磁状態）では、各永久磁石の磁束と各界磁巻線の磁束をロータに通過させる（各永久磁石の磁束を、ステータ鉄心の周方向に隣り合う界磁巻線の磁束とともにロータに流れる磁束に変化させる）ことができ、この状態でステータ巻線に電圧を印加すれば、各永久磁石の磁束及び各界磁巻線の磁束が、ステータ巻線に鎖交する界磁磁束として作用し、誘起電圧を発生させてロータを回転させることができる。さらに、本発明の回転機では、ステータティースとロータ極の数を異ならせているため、正弦波励磁が利用可能であり、汎用のインバータを利用することができる。また、本発明の回転機では、正弦波励磁が利用可能であることから、ステータティースとロータ極の数が同数の場合に使用するパルス電源で駆動することができる。
【００１９】
そして、本発明の回転機であれば、要求される回転数（出力）やトルクに応じて各界磁巻線に流す電流量を調節することで、ロータを通過する磁束量（各永久磁石の磁束に各界磁巻線の磁束を重畳した磁束量であり、各永久磁石の磁束と各界磁巻線の磁束の総和である磁束量）を増減することができ、ひいては、ステータ巻線に鎖交する界磁磁束量を増減することができる。この際、各永久磁石の界磁を弱める弱め界磁は不要であるため、永久磁石の減磁現象を防止することができるとともに、例えば弱め界磁制御と強め界磁制御を選択して行う態様と比較して、各界磁巻線に流す電流方向は一定方向のみであるため、各界磁巻線に流す電流方向を切り替える処理が不要である。
【００２０】
特に、本発明の回転機であれば、ステータ鉄心の周方向に、永久磁石と界磁巻線の組を複数組設け、ステータ鉄心のうち各組の永久磁石と界磁巻線の間にそれぞれ設けたステータティースにステータ巻線を巻回し、各ステータ巻線に流す電流を調整することによってロータの回転中心を挟んで対向するステータティース同士を同相に設定しているため、本発明の回転機単体で多相交流モータ又は多相交流発電機を実現することができる。
【００２１】
また、本発明の回転機は、ロータに永久磁石を付帯させる構成ではないため、ロータの高速回転中に永久磁石が飛散する事態を回避することができる。さらに、ロータに永久磁石を付帯させた回転機であれば永久磁石の飛散を防止するために設ける飛散防止部材が、本発明の回転機では不要であり、この点において、部品点数の削減と、永久磁石のうちステータに対向する面に飛散防止部材を取り付けることによる磁気ギャップの拡大化を回避することが可能であり、高効率化にも貢献する。
【００２２】
特に、本発明の回転機は、ロータを磁性体材料のみから形成することが可能である点においても有利である。
【００２３】
加えて、本発明の回転機は、各界磁巻線に電流を流さない状態で各永久磁石の磁束はステータ内に留まるため、回転機の組立工程のうち、インナー可動型であればステータの内部空間にロータ及びロータ支持部材（シャフト）を組み付けたユニットを挿入する工程、またはアウター可動型であればステータの外側にロータ及びロータ支持部材（フレーム）を組み付けたユニットを挿入する工程では、界磁巻線に電流を流さないことによって、各永久磁石がロータに不意に吸引される事態を防止することができ、スムーズ且つ適切に挿入作業を行うことができる。
【００２４】
また、本発明では、互いの磁束方向が相反する方向となるようにステータ鉄心に設けた永久磁石と界磁巻線の組を、ステータ鉄心の周方向に３ｎ（ｎはゼロを除く正の整数）組設けた回転機を構成することも可能である。このような構成であれば、永久磁石と界磁巻線の各組に対応付けて設けるステータティースの数は、永久磁石及び界磁巻線の組数と同数、つまり３ｎ（ｎはゼロを除く正の整数）になり、回転軸を挟んで対向するステータティースにそれぞれ巻回したステータ巻線同士を同相に設定することにより３相３ｎスロット構造（ｎはゼロを除く正の整数）の回転機となる。そして、３相構造の回転機であれば、全ての相電流によるトルクは正方向となり、合成トルクは大きく、トルク脈動は小さくなる。
【００２５】
本発明に係る回転機は、上述したように、回転軸の径方向においてロータをステータの内周側に配置したインナー可動型であってもよいし、回転軸の径方向においてロータをステータの外周側に配置したアウター可動型であってもよい。何れのタイプの回転機においても、ロータ支持部材は磁性体で構成されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、永久磁石及び界磁巻線の組をステータコアの周方向に複数配置し、界磁巻線非励磁状態では磁性ギャップに漏れないか漏れ難くしてステータ内を流れるように磁気短絡させた各永久磁石の磁束を、各界磁巻線に電流を流すことで各界磁巻線の磁束とともに磁性ギャップ及びロータに流れて、界磁磁束として作用し得る磁束に変化可能に構成しているため、回転数の変動や運転状況に応じて界磁の磁束量を調整することができ、広範な運転領域に対応する何れの回転領域でも高効率で作動する回転機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施形態に係る回転機の断面模式図。
【図２】界磁巻線無励磁状態における磁石磁束の流れを図１に対応させて模式的に示す図。
【図３】界磁巻線励磁状態における磁石磁束の流れを図３に対応させて模式的に示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
【００２９】
本実施形態に係る回転機Ｘは、例えば図示しない航空機のスタータジェネレータなど、低速高トルク出力が要求される駆動モータまたは発電機として好適に用いられるものである。
【００３０】
回転機Ｘは、図１に示すように、ステータ１と、ステータ１と同軸上に配置され且つステータ１との間に磁気ギャップを形成するロータ２と、ロータ２をステータ１に対して回転可能に支持するロータ支持部材３とを備えたものである。本実施形態に係る回転機Ｘは、ロータ２をステータ１よりも回転軸３の径方向内側に配置したインナー可動型の回転機Ｘである。
【００３１】
本実施形態では、ロータ支持部材として、ロータ２の回転軸そのものとして機能するシャフト３を適用している。すなわち、シャフト３及びロータ２は一体回転可能に構成されている。
【００３２】
ステータ１は、ステータコア１１（本発明のステータ鉄心に相当）と、ステータコア１１からロータ２側に向かって突出し且つ周方向Ａに等角ピッチで配列された複数のステータティース１２と、各ステータティース１２に巻回されたステータ巻線１３と、ステータコア１１のうち所定の複数箇所（図示例では四角筒状をなすステータコア１１の一つの辺の中央部）に配置した複数の永久磁石１４と、ステータコア１１のうち周方向に隣り合う永久磁石１４同士の位置（本実実施形態では隣り合う永久磁石１４同士の中間位置）にそれぞれ巻回して設けた複数の界磁巻線１５とを有するものである。
【００３３】
ステータコア１１は、シャフト３の軸方向に直交する断面形状がリング状をなす磁性体である。本実施形態では、周方向Ａに６分割した単位ステータコア１１ａを適宜の手段で一体的に接合したステータコア１１を適用しているが、周方向Ａに６以外の数に分割した単位ステータコア１１ａを適宜の手段で一体的に接合したステータコアや、周方向Ａに分割していないステータコアであっても構わない。
【００３４】
本実施形態のステータコア１１では、周方向Ａに隣り合う単位ステータコア１１ａ同士の間に所定サイズの空洞部１１ｓが形成され、各空洞部１１ｓに永久磁石１４又は永久磁石１４と略同一形状の磁性体１６を配置している。具体的には、ステータコアの周方向Ａに所定ピッチで形成される空洞部１１ｓに、永久磁石１４と磁性体１６を周方向Ａに交互に配置している。磁性体１６は、鉄などの適宜の磁性材料から形成されたものであればよく、具体的な材質が特に限定されるものではない。各空洞部１１ｓは、図１に示すように、ステータコア１１を厚み方向（シャフト３の径方向）に貫通するものであってもよいし、ステータコア１１を厚み方向に所定領域分だけ窪ませたもの（図示省略）であってもよい。
【００３５】
また、本実施形態では、シャフト３の軸方向に直交する断面形状が円筒形状（角部は部分円筒状）をなすステータコア１１を適用しているが、円筒形以外の筒状、例えば四角筒状などの多角筒状のステータコアであってもよい。
【００３６】
ステータティース１２は、ステータコア１１の内向き面（内周面）から所定ピッチでロータ２側（シャフト３の径方向内側）に向かって突出するものである。本実施形態の回転機Ｘは、ステータコア１１のステータコア１１ａの周方向に所定距離隔てて隣り合う永久磁石１４と界磁巻線１５との間の領域からロータ２に向かって突出する計６つのステータティース１２を有し、各ステータティース１２にステータ巻線１３を巻回している。本実施形態の回転機Ｘでは、６つの単位ステータコア１１ａを周方向Ａに並べたステータコア１１を適用しており、各単位ステータコア１１ａのうち内周面における周方向Ａ中央部分からステータティース１２をロータ２側に向かって突出させている。本実施形態では、各ステータティース１２の突出端面１２ｔをロータコア２の回転中心（シャフト３の軸心）を中心とする共通の円弧上に形成している。したがって、各ステータティース１２の突出端面１２ｔは、ステータコア１１側に凹んだ円弧状の面である。
【００３７】
そして、本実施形態の回転機Ｘは、ステータコア１１の空洞部１１ｓに永久磁石１４を配置している。本実施形態では、シャフト３の径方向に沿った寸法をステータコア１１の厚みと同一または略同一の寸法に設定した永久磁石１４を適用している。各永久磁石１４は、ステータコア１１の周方向Ａに磁性を持たせたものである。図１では、同図におけるステータコア１１の周方向Ａに沿った時計回りに各永久磁石１４を通過する場合、最初に通過する面がＳ極になるように各永久磁石１４をステータコア１１の空洞部１１ｓに所定の向き・姿勢で配置した構成を例示している。本実施形態の永久磁石１４は、Ｓ極及びＮ極をそれぞれ単位ステータコア１１ａの端面（空洞部１１ｓの開口縁）と隙間無く密着させた状態でステータコア１１の一部に配置されている。なお、ステータコア１１の周方向Ａに永久磁石１４と交互に配置される磁性体１６は永久磁石１４と略同一形状であり、ステータコア１１の周方向Ａに並ぶ単位ステータコア１１ａ同士の間に不要なギャップが形成されることを防止して磁路を確保するために配置される。したがって、周方向Ａに隣り合う永久磁石１４同士の間に隙間（空洞部１１ｓ）が形成されない形状に設定したステータコア１１又は単位ステータコア１１ａであれば、磁性体１６は不要である。
【００３８】
各界磁巻線１５は、ステータコア１１のうち周方向Ａに隣り合う永久磁石１４同士の間に巻回したものである。本実施形態では、ステータコア１１のうち、周方向Ａに隣り合う永久磁石１４同士の間に配置した磁性体１６の設置領域にそれぞれ界磁巻線１５を巻回している。ここで、各磁性体１６は、ステータコア１１に界磁巻線１５を巻回する際の巻回目標位置を示す目印として機能し得る。
【００３９】
そして、本実施形態に係る回転機Ｘは、各界磁巻線１５にそれぞれ所定方向の直流電流を流すと、永久磁石１４の磁束と反対方向の磁束が生じるように設定している。
【００４０】
本実施形態では、円筒形状をなすステータコア１１の周方向に永久磁石１４と界磁巻線１５の組を複数組配置し、各組の永久磁石１４と界磁巻線１５の間に、ステータ巻線１３を巻回したステータティース１２を配置している。そして、永久磁石１４と界磁巻線１５の組をステータコア１１の周方向Ａに等ピッチで配置した本実施形態の回転機Ｘは、永久磁石１４及び界磁巻線１５の組数と同数のステータティース１２を周方向Ａに等ピッチで設けたステータ１を有するものである。また、本実施形態の回転機Ｘでは、回転軸３の軸心を通る直線上で対向するステータティース１２にそれぞれ巻回して設けたステータ巻線１３同士を同相に設定し、周方向Ａに並ぶ各ステータ巻線１３をＵ、Ｖ、Ｗの三相に分けて、各ステータ巻線１３に１２０度ずつ位相のずれた三相交流電流を励磁（通電）可能に構成している。
【００４１】
ロータ２は、図１に示すように、リング状のロータコア２１（本発明のロータ鉄心に相当）と、ロータコア２１からステータ１側（シャフト３の径方向外側）に向かって突出するロータティース２２（本発明のロータ極に相当）とを有する磁性体である。本実施形態のロータ２は、ロータコア２１及びロータティース２２を一体に形成している。なお、本実施形態では、周方向Ａに５分割した単位ロータコア２１を適宜の手段で一体的に接合したロータコア２１を適用しているが、周方向Ａに分割していない一体のロータコアであってもよい。また、ロータコア２１の中心部には、シャフト３が挿通可能なシャフト挿通孔２１ｓを形成している。シャフト挿通孔２１ｓに挿通したシャフト３はロータ２と一体回転可能である。
【００４２】
図１に示す本実施形態の回転機Ｘは、円筒状をなすロータコア２１の外向き面（外周面）から５本のロータティース２２を放射状に突出させたものである。本実施形態では、各ロータティース２２の突出端面２２ｔをロータコア２１の回転中心を中心とする共通の円弧上に形成している。したがって、各ロータティース２２の突出端面２２ｔは、回転軸中心から見て径方向外側に膨らんだ円弧状の面である。
【００４３】
ここで、本実施形態の回転機Ｘでは、リング状をなすステータコア１１の内向き面に等ピッチで設けたステータティース１２と、リング状をなすロータコア２１の外向き面に等ピッチで設けたロータティース２２との数を相互に異ならせている。本実施形態では、ステータティース１２の数を６に設定し、ロータティース２２の数を５に設定している。また、本実施形態の回転機Ｘは、ロータティース２２の突出端面２２ｔにおけるロータコア２の周方向Ａに沿った寸法（突出端面２２ｔの円弧の長さ）を、ステータティース１２の突出端面１２ｔにおけるステータコア１の周方向Ａに沿った寸法（突出端面１２ｔの円弧の長さ）と同一または略同一或いは、テータティース１２の突出端面１２ｔの円弧の長さよりも所定寸法分大きく設定している。そして、本実施形態では、ステータ１に対してロータ２がどのような相対回転角度姿勢であっても、各ロータティース２２が、１本のステータティース１２と対向する相対位置関係、または周方向Ａに隣り合う２本のステータティース１２を跨ぐ相対位置関係の何れかを確保できるように設定している。
【００４４】
本実施形態の回転機Ｘは、ステータ１とロータ２の間、より具体的にはステータティース１２とロータティース２２の間に、回転軸Ｗの周方向Ａに周回する磁気ギャップを形成している。すなわち、各ステータティース１２の内向き面（突出端面１２ｔ）をシャフト３の軸中心を中心とする同一円弧上に一致する部分円弧面に設定し、各ロータティース２２の外向き面（突出端面２２ｔ）を各ステータティース１２の内向き面と同心円であって各ステータティース１２の内向き面よりも径を僅かに小さく設定した円弧上に一致する部分円弧面に設定している。
【００４５】
次に、このような構成を有する本実施形態に係る回転機Ｘの動作及び作用について説明する。
【００４６】
本実施形態の回転機Ｘにおいて、ステータコア１１に設けた各界磁巻線１５に所定の電流が流れていない場合（界磁巻線非励磁状態）、各永久磁石１４の磁束（以下では「磁石磁束」と称する場合がある）は、図２（同図は、界磁巻線非励磁状態における各永久磁石１４の磁束を模式的に示したものであり、図１と比較してステータ１やロータ２の各部分の外縁形状に多少の歪みが現れているが、その歪みに本質的な意味はなく、各永久磁石１４の磁束自体の歪みも本質的な意味はない）に示すように、Ｎ極着磁面からステータコア１１内を通る磁束となり、この磁束方向に並ぶ永久磁石１４のＮ極着磁面、Ｓ極着磁面を順次通過して、自身のＳ極着磁面に至る。すなわち、永久磁石１４の磁束の経路（磁路）は、常に全体の磁気抵抗が最も小さくなる磁路が必然的に選ばれるため、界磁巻線非励磁状態における磁石磁束は、ロータ２とステータ１の磁気ギャップを避けて流れることになる。したがって、界磁巻線非励磁状態では永久磁石１４の磁束はステータコア１１を経由して戻る短絡磁束になる。この界磁巻線非励磁状態における永久磁石１４の磁束を以下では「非励磁状態磁石磁束」と称す。このように、非励磁状態磁石磁束はステータ１内におさまり、ロータ２に流れない。したがって、誘起電圧が発生せず、安全な状態であるといえる。なお、各永久磁石１４の磁束量は常に一定である。また、本実施形態では、ステータコアの所定箇所に磁性体１６を配置しているが、非励磁状態磁石磁束は各磁性体１６の存在によってその方向や磁束量が変化するものではない。
【００４７】
一方、本実施形態の回転機Ｘにおいて、各界磁巻線１５に所定方向の直流電流を流した場合（界磁巻線励磁状態）、具体的には、図３に示すように、非励磁状態磁石磁束の向きと反対になる方向の直流電流を各界磁巻線１５に流した場合、磁石磁束は、ステータコア１１内において界磁巻線１５の磁束とぶつかり、界磁巻線１５の磁束が抵抗となって界磁巻線１５の磁束よりも抵抗の小さいロータ２とステータ１の磁気ギャップを通過し、ロータティース２２、ロータコア２１、他のロータティース２２、このロータティース２２とステータティース１２の磁気ギャップ、ステータティース１２、ステータコア１１を流れて永久磁石１４に戻る磁束となる。そして、各界磁巻線１５に流す電流を大きくすればするほど、各界磁巻線１５の磁束量を増量させることができ、ステータコア１１のうち界磁巻線１５を配置した領域及びその近傍領域が磁気飽和に近い状態になり、これらの領域に磁石磁束は流れ難くなり、その分だけ磁気ギャップ及びロータ２に流れる磁石磁束の量が多くなる。
【００４８】
そして、本実施形態の回転機Ｘは、所定値以上の電流（大電流）を各界磁巻線１５に流した場合（界磁巻線励磁状態）に、ステータコア１１のうち界磁巻線１５を配置した領域及びその近傍領域が磁気飽和になり、図３に示すように、これらの領域に磁石磁束は流れず、全部または略全部の磁石磁束が磁気ギャップに漏れて、ロータ２に流れる磁石磁束の量が多くなる。また、界磁巻線１５の磁束も、ロータコア２１、ロータティース２２、磁気ギャップ、ロータティース２２、ロータコア２１、他のロータティース２２、このロータティース２２とステータティース１２の磁気ギャップ、ステータティース１２、ステータコア１１をこの順に流れる。したがって、各界磁巻線１５に流す電流量の増大に伴って、ロータ２を通過する総磁束量（磁石磁束と界磁巻線１５の磁束の総和）も増大する。
【００４９】
そして、本実施形態に係る回転機Ｘにおいて、磁石磁束が界磁巻線１５の磁束とともにロータ２に流れる状態で、さらに各ステータティース１２に巻回したステータ巻線１３にも電流を流した場合に誘起電圧が発生し、ロータ２を回転させることができ、要求される回転数（出力）やトルクに応じて界磁巻線１５に流す電流量（界磁電力）を調節することで、ロータ２を流れる磁束量（永久磁石１４の磁束と界磁巻線１５の磁束の総和である磁束量）を増減することができる。この際、各ステータティース１２に設けたステータ巻線１３をＵ、Ｖ、Ｗの三相に分けて、各相のステータ巻線１３単位で１２０度ずつ位相のずれた三相交流電流を励磁する（通電）ことによって、誘起電圧が発生し、ロータ２を回転させるトルクが生じる。
【００５０】
このような回転機Ｘを例えば航空機のエンジンスタータと発電機を兼ねたスタータジェネレータとして適用した場合、始動時を含む低速域では、ステータ１のコイル（ステータ巻線１３）に通電するとともに、各界磁巻線１５に所定方向の電流を流して界磁巻線非励磁状態から界磁巻線励磁状態に切り替えることで励磁されたロータ２が回転駆動する。
【００５１】
本実施形態に係る回転機Ｘは、大トルクが要求される低速域において、各界磁巻線１５に流す電流量を上げる（界磁電力を大きくする）ことによって、その界磁電力に応じた大きい界磁巻線１５の磁束と、各界磁巻線１５の磁束に誘導される各永久磁石１４の磁束をロータ２に通過させることができ、ロータ２を流れてステータ巻線１３に鎖交する界磁の磁束量を増大させる（磁束密度を高める）ことができる。したがって、例えば各ステータ巻線１３に流す電流を大きくすることに依らずとも、各界磁巻線１５に所定方向の電流を流す界磁制御を行うことで大トルクを得ることができ、界磁制御を行わない場合に比べて誘起電圧を高くすることができる。
【００５２】
また、本実施形態の回転機Ｘは、中速域において、界磁巻線励磁状態で運転しつつ、低速域時よりも界磁電力を少なくすることで誘起電圧を一定に保ち、トルクを必要としない領域に到達した時点で界磁電力をさらに少なくすることでロータ２を通過してステータ巻線１３に鎖交する磁束量を低速域よりも減少させて、ロータ２における磁束密度を抑えることができる。そして、本実施形態の回転機Ｘでは、ロータ２の磁束密度を抑えることによって、鉄損を低減することができる。
【００５３】
また、本実施形態に係る回転機Ｘは、高速域では、界磁電力をゼロに近付けることによって、リラクタンストルクのみで回転させることができる。すなわち、界磁電力をゼロに近付けることによって、各界磁巻線１５の磁束量がゼロに近付き、ロータ２を通過してステータ巻線１３に鎖交する磁束量が中速域よりも減少し、ロータ２における磁束密度をさらに抑えることができる。また、界磁電力をゼロに近付けることで低速域や中速域と比較して界磁巻線１５の銅損も減少するとともに、高速域では磁束密度の低減に伴って鉄損を低減できることから、本実施形態に係る回転機Ｘでは、高速回転領域で誘起電圧が低い（磁束密度が低い）ため、鉄損を低減することができる。
【００５４】
このような構成をなす本実施形態の回転機Ｘは、界磁巻線非励磁状態において各永久磁石１４の磁束がロータ２を通過しない又は殆ど通過しないように構成しているため、ロータ２を経由してステータ巻線１３に鎖交する磁束をゼロまたは略ゼロにすることができ、モータとして機能する場合であればコギングトルクをゼロまたは略ゼロにすることが可能であるとともに、発電機として機能する場合であればロストルクをゼロまたは略ゼロにすることが可能である。また、この界磁巻線非励磁状態では誘起電圧が発生せず、安全な状態を確保することができ、制御機器（電源、インバータなど）が停止したときには自ずと誘起電圧が発生しない状態を確保することができ、制御機器の破損防止に役立つ。また、本実施形態の回転機Ｘでは、各界磁巻線１５に所定方向の電流を流した場合に、各界磁巻線１５の磁束と共にそれぞれの界磁巻線１５と組をなして配置した各永久磁石１４の磁束が、ロータ２内を通過してステータ巻線１３に鎖交する状態となり、誘起電圧を発生させてロータ２を回転させることができ、要求される回転数（出力）やトルクに応じて界磁巻線１５に流す電流量を調節することで、ロータ２を経由してステータ巻線１３に鎖交する磁束量を増減することができる。この際、永久磁石１４の界磁を弱める弱め界磁は不要であるため、各永久磁石１４の減磁現象を防止することができる。そして、本実施形態に係る回転機Ｘは、弱め界磁制御実行時に生じ得る界磁銅損の発生を防止・抑制することができ、弱め界磁制御と強め界磁制御を選択して行う態様と比較して、各界磁巻線１５に流す電流方向は一定方向のみであるため、各界磁巻線１５に流す電流方向を切り替える処理が不要であり、高速域において、弱め界磁制御であれば必要な「トルクに寄与しないステータ電力」が不要となり、ステータ銅損を低減させることができる。
【００５５】
このように、本実施形態の回転機Ｘであれば、各界磁巻線１５の起磁力がゼロの場合にはロータ２を通過しない各永久磁石１４の磁束を、それぞれの界磁巻線１５に電流を流すことで各界磁巻線１５の磁束に重畳させて、ロータ２を通過してステータ巻線１３に鎖交する磁束（界磁磁束）に変えることが可能であり、永久磁石１４の大幅な増量を回避しつつ、低速・高トルクの状態から高速・低トルクの状態に亘る広範な運転領域に対応する何れの回転領域でも高い効率を実現できる。
【００５６】
しかも、本実施形態に係る回転機Ｘは、ステータティース１２を介して周方向Ａに隣り合う位置に配置した永久磁石１４及び界磁巻線１５の組を、ロータコア１１の周方向Ａに等ピッチで複数組、具体的には３ｎ（ｎはゼロを除く正の整数）組設けることによって、上述した作用効果を奏する三相同期回転機として機能する。したがって、例えば単相同期回転機をシャフトの軸方向に複数配置し、且つ各単相同期回転機の位相をシャフトの周方向にずらすことで全体として三相同期回転機として機能させる構成と比較して、小型化及び部品点数の削減を図ることが可能な三相同期回転機Ｘを実現できる。
【００５７】
また、本実施形態の回転機Ｘは、ロータ２に各永久磁石１４を付帯させる構成ではないため、ロータ２の高速回転中に各永久磁石１４が飛散する事態を回避することができる。さらにまた、本実施形態の回転機Ｘは、ロータ２に永久磁石１４を付帯させた構成であれば永久磁石１４の飛散を防止するために設ける飛散防止部材が不要であり、この点において、部品点数の削減と、飛散防止部材の存在による磁気ギャップの拡大化防止を実現することができる。
【００５８】
特に、本実施形態の回転機Ｘは、ロータ２を磁性体材料のみから形成することが可能である点においても有利である。
【００５９】
加えて、本実施形態の回転機Ｘは、ステータ１に付帯させた各界磁巻線１５に電流を流さない状態で各永久磁石１４の磁束はステータ１内に留まるため、回転機Ｘの組立工程のうち、ステータ１の内部空間にロータ２及びシャフト３を組み付けたユニットを挿入する工程では、各界磁巻線１５に電流を流さないことによって、各永久磁石１４がロータ２に不意に吸引される事態を防止することができ、スムーズ且つ適切に挿入作業を行うことができる。
【００６０】
さらに、本実施形態の回転機Ｘでは、ステータティース１２とロータティース２２の数を異ならせているため、正弦波励磁が利用可能であり、汎用のインバータを利用することができる。また、本実施形態の回転機Ｘでは、正弦波励磁が利用可能であることから、ステータティース１２とロータティース２２の数が同数の場合に使用するパルス電源で駆動することができ、実用性及び汎用性に富む。
【００６１】
また、本実施形態の回転機Ｘは、ステータコア１１の周方向Ａに所定距離隔てて配置する永久磁石１４と界磁巻線１５の組を、ステータコア１１の周方向Ａに等間隔で複数組、具体的には計６組を配置し、各組の永久磁石１４と界磁巻線１５の間にステータ巻線１３を巻回したステータティース１２を設け、各ステータ巻線１３をＵ、Ｖ、Ｗの三相に分けて、これら各ステータ巻線１３に１２０度ずつ位相のずれた三相交流電流を励磁することにより、回転磁界が発生し、回転トルクを得ることができる。そして、全ての相電流によるトルクは正方向となり、合成トルクは大きく、トルク脈動は小さくなる。
【００６２】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した各実施形態の回転機を、航空機のスタータジェネレータ以外の用途、例示すれば、風力発電機、フォークリフトや重量物搬送車両のモータ、或いは重量物を載置した状態で回転動作可能なターンテーブル、ＶＳＣＦ（Variable Speed Constant Frequencyの略で可変速・定周波定電圧電源装置）、大型発電機、建設機械向け旋回用電動機等、低速高トルク出力が要求される発電機や電動機（モータ）として用いることができる。
【００６３】
また、ステータコアやロータコアは、磁性を有する板状部材を積層して形成した積層体であってもよいし、全体として１つのブロックである塊状体であってもよい。
【００６４】
ステータコアの周方向に所定ピッチで配置する永久磁石及び界磁巻線の組数は適宜変更することができる。
【００６５】
永久磁石と界磁巻線の組数に応じて、ステータティースの数やピッチも変更すればよく、ステータティースの数に応じて三相以外の適宜の多相交流回転機を構成しても構わない。
【００６６】
また、ロータティースの数や周方向に隣り合うティース同士のピッチは適宜変更することができる。
【００６７】
ステータコアの外縁形状（径方向外向き面の形状）や内縁形状（径方向内向き面の形状）は、上述の実施形態で示した形状に限らず、四角形などの多角形状であってもよく、径方向外向き面の形状と径方向内向き面の形状が相互に異なるものであっても構わない。
【００６８】
さらには、ロータをステータに対して回転軸の径方向外側に配置したアウター可動型の回転機を構成することもできる。この場合、ロータをステータに対して回転可能に支持するフレーム（ロータ支持部材）は、ロータと一体に回転する。アウター可動型の回転機を採用する場合にも、各部の構成を上述の実施形態に準じた構成にすることで、上述の作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
【００６９】
その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【符号の説明】
【００７０】
１…ステータ
１１…ステータ鉄心（ステータコア）
１２…ステータティース
１３…ステータ巻線
１４…永久磁石
１５…界磁巻線
２…ロータ
２１…ロータ鉄心（ロータコア）
２２…ロータ極（ロータティース）
３…ロータ支持部材（シャフト）
Ｘ…回転機
【図１】
2014093923.tif 000003
【図２】
2014093923.tif 000004
【図３】
2014093923.tif 000005