(57)【要約】【課題】高負荷時に高いトルクが得られるとともに、無負荷または低負荷時における逆起電圧および鉄損を低減できるアウターロータ型回転電機を得る。【解決手段】回転電機１０は、ステータ１４と、前記ステータ１４の外周囲に配される環状のアウターロータ１８であって、複数のコア片３８および複数のアウター磁石４０が周方向に交互に並ぶアウターロータ１８と、前記アウター磁石４０の径方向外側に配され、前記アウター磁石４０の周方向両側に位置する二つのコア片３８を磁気的に短絡させる短絡部材（第一部材４２）と、備える。前記アウター磁石４０は、周方向、かつ、周方向に隣接する他のアウター磁石４０と周方向逆向きに磁化されており、前記短絡部材は、前記コア片３８よりも最大透磁率が高い軟磁性材料からなり、前記コア片３８よりも飽和磁化が小さい。【選択図】図３
2018129950.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータと、
前記ステータの外周囲に配される環状のアウターロータであって、複数のコア片および複数のアウター磁石が周方向に交互に並ぶアウターロータと、
前記アウター磁石の径方向外側に配され、前記アウター磁石の周方向両側に位置する二つのコア片を磁気的に短絡させる短絡部材と、
を備え、
前記アウター磁石は、周方向、かつ、周方向に隣接する他のアウター磁石と周方向逆向きに磁化されており、
前記短絡部材は、前記コア片よりも最大透磁率が高い軟磁性材料からなり、前記コア片よりも飽和磁化が小さい、
ことを特徴とする回転電機。
【請求項２】
請求項１に記載の回転電機であって、
前記アウター磁石は、その外周縁が、前記コア片の外周縁よりも径方向内側になるように配されており、
前記短絡部材は、その周方向両端面が前記二つのコア片の周方向端面に接触または近接対向するように配され、前記コア片よりも最大透磁率が高い軟磁性材料からなるとともに前記接触または近接対向するコア片よりも飽和磁化が小さい第一部材を含む、
ことを特徴とする回転電機。
【請求項３】
請求項１または２に記載の回転電機であって、
前記短絡部材は、その内周面が、前記二つのコア片の外周面に接触または近接対向するように配され、前記コア片よりも最大透磁率が高い軟磁性材料からなるとともに前記接触または近接対向するコア片よりも飽和磁化が小さい第二部材を含む、
ことを特徴とする回転電機。
【請求項４】
請求項３に記載の回転電機であって、
前記第二部材は、アウターロータの外周囲を囲んで固定する固定用外筒である、ことを特徴とする回転電機。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の回転電機であって、
前記短絡部材と前記コア片とは、ギャップを介して、近接対向している、ことを特徴とする回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、ステータと、前記ステータの外周囲に配される環状のアウターロータと、備えた回転電機を開示する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ロータの磁極として永久磁石を用いた永久磁石式回転電機が広く知られている。一般に、永久磁石式回転電機において、高いトルクを得るためには、ステータに流れる永久磁石の磁束（マグネット磁束）量を大きくすることが必要となる。一方、ステータコイルに流れる電流がゼロまたは小さい、無負荷時または低負荷時において、このステータに流れるマグネット磁束量が大きいと、逆起電圧や鉄損が大きくなるという問題を招く。逆起電圧は、弱め界磁制御を行うことで抑制できるが、弱め界磁制御を行った場合、別途、弱め界磁用であって出力に寄与しない負のｄ軸電流を流す必要があり、銅損の増加を招いていた。
【０００３】
特許文献１には、ステータに流れるマグネット磁束（鎖交磁束）量が可変となる可変磁束型回転電機が開示されている。特許文献１の回転電機は、ステータの内側にロータが配されたインナーロータ型であり、ロータは、径方向に磁化された永久磁石を有する。ロータコアのうち、隣接する二つの永久磁石の間には、電気的な空隙部が形成されている。この空隙部とロータコア外周縁との間には、当該隣接する二つの永久磁石による磁束バイパス路が形成される。この磁束バイパス路は、空隙部と永久磁石との間に形成される磁路よりも、幅広で磁気抵抗が小さい。そのため、電流を通電しない場合には、永久磁石から出た磁束の一部は、磁束バイパス路を介して隣接する永久磁石に漏洩する。このマグネット磁束の漏洩は、ステータコイルに通電すると、電気子反作用により抑制される。その結果、無負荷あるいは低負荷状態で回転する際には、ステータに流れるマグネット磁束量を低減でき、逆起電圧および鉄損を低減できる。また、高負荷時で回転する際には、磁束バイパスに漏洩する磁束が低下し、鎖交磁束が増加するため、高いトルクを得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２０１５−５２１８３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、回転電機の中には、特許文献１のように、ロータが、ステータの内側に配されたインナーロータ型回転電機の他に、ロータがステータの外側に配されたアウターロータ型回転電機もある。アウターロータ型の場合、ロータの径方向厚みを、インナーロータ型と同じにしても、回転に伴い生じる遠心力が大きくなる。そのため、アウターロータ型は、インナーロータ型に比べて、ロータの径方向厚みを、小さく抑えることが要求される。
【０００６】
特許文献１に開示の技術は、電気的空隙とロータ外周縁との間に、十分な幅の磁束バイパスを設ける必要がある。かかる技術は、ロータの径方向厚みが大きいインナーロータ型では有効である。しかし、上述したように、遠心力との関係で、径方向厚みを小さく抑えることが要求されるアウターロータ型では、特許文献１の技術を適用することは難しい。
【０００７】
そこで、本願では、高負荷時に高いトルクが得られるとともに、無負荷または低負荷時における逆起電圧および鉄損を低減できるアウターロータ型回転電機を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願で開示する回転電機は、ステータと、前記ステータの外周囲に配される環状のアウターロータであって、複数のコア片および複数のアウター磁石が周方向に交互に並ぶアウターロータと、前記アウター磁石の径方向外側に配され、前記アウター磁石の周方向両側に位置する二つのコア片を磁気的に短絡させる短絡部材と、備え、前記アウター磁石は、周方向、かつ、周方向に隣接する他のアウター磁石と周方向逆向きに磁化されており、前記短絡部材は、前記コア片よりも最大透磁率が高い軟磁性材料からなり、前記コア片よりも飽和磁化が小さい、ことを特徴とする。
【０００９】
かかる構成とすることで、電流磁束が無いまたは少ない無負荷または低負荷状態では、マグネット磁束の一部が、短絡部材を介して短絡する。その結果、無負荷・低負荷状態で、ステータに流れるマグネット磁束が低下し、逆起電圧および鉄損を低減できる。また、電流磁束が多くなる高負荷状態では、短絡部材が電流磁束により磁気飽和するため、短絡するマグネット磁束が減少し、ステータに流れるマグネット磁束が増加する。その結果、高負荷状態では、高いトルクを出力できる。
【００１０】
前記アウター磁石は、その外周縁が、前記コア片の外周縁よりも径方向内側になるように配されており、前記短絡部材は、その周方向両端面が前記二つのコア片の周方向端面に接触または近接対向するように配され、前記コア片よりも最大透磁率が高い軟磁性材料からなるとともに前記接触または近接対向するコア片よりも飽和磁化が小さい第一部材を含んでもよい。
【００１１】
かかる構成とすることで、マグネット磁束の短絡磁路の磁気抵抗が小さくなり、無負荷・低負荷状態で、ステータに流れるマグネット磁束をより低減できる。結果として、無負荷・低負荷状態において、逆起電圧および鉄損をより低減できる。
【００１２】
また、前記短絡部材は、その内周面が、前記二つのコア片の外周面に接触または近接対向するように配され、前記コア片よりも最大透磁率が高い軟磁性材料からなるとともに前記接触または近接対向するコア片よりも飽和磁化が小さい第二部材を含んでもよい。
【００１３】
この場合、前記第二部材は、アウターロータの外周囲を囲んで固定する固定用外筒であってもよい。
【００１４】
かかる構成とすることで、固定用外筒と別に第二部材を設ける必要が無く、回転電機の部品点数、コストを低減できる。
【００１５】
また、前記短絡部材と前記コア片とは、ギャップを介して、近接対向してもよい。
【００１６】
かかる構成とした場合、ギャップの大きさを調整することで、負荷状態に対する鎖交磁束の変化特性を調整できる。
【発明の効果】
【００１７】
本願で開示する回転電機によれば、電流磁束が無いまたは少ない無負荷または低負荷状態では、マグネット磁束の一部が、短絡部材を介して短絡する。その結果、無負荷・低負荷状態で、ステータに流れるマグネット磁束が低下し、逆起電圧および鉄損を低減できる。また、電流磁束が多くなる高負荷状態では、短絡部材が電流磁束により磁気飽和するため、短絡するマグネット磁束が減少し、ステータに流れるマグネット磁束が増加する。その結果、高負荷状態では、高いトルクを出力できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】回転電機の概略的な縦断面図である。
【図２】回転電機の概略的な横断面図である。
【図３】図２のＡ部拡大図である。
【図４】低負荷状態におけるマグネット磁束の流れを示すイメージ図である。
【図５】高負荷状態におけるマグネット磁束の流れを示すイメージ図である。
【図６】無負荷状態におけるマグネット磁束のシミュレーション結果を示す図である。
【図７】高負荷状態における電流磁束のシミュレーション結果を示す図である。
【図８】高負荷状態におけるマグネット磁束のシミュレーション結果を示す図である。
【図９】アウターロータの他の一例を示す図である。
【図１０】アウターロータの他の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本願で開示する回転電機１０について図面を参照して説明する。なお、以下では、ステータの内側および外側の双方に、ロータを有したデュアルロータ型の回転電機を例示して説明するが、本願の技術は、ステータの外側に配されたロータを有したアウターロータ型であれば、デュアルロータ型、シングルロータ型のいずれに適用されてもよい。
【００２０】
図１は、回転電機１０の概略的な縦断面図である。また、図２は、回転電機１０の概略的な横断面図である。図３は、図２のＡ部拡大図である。この回転電機１０は、一つのステータ１４と、二つのロータ１６，１８と、を有したデュアルロータ型の回転電機である。より具体的には、図１、図２に示すように、回転軸２０の外周面にインナーロータ１６が固着されており、当該インナーロータ１６の外周囲にステータ１４が配され、さらに、ステータ１４の外周囲にアウターロータ１８が配されている。
【００２１】
アウターロータ１８は、連結部材２２を介して回転軸２０に固着されている。連結部材２２は、回転軸２０に挿通されて固着された略平板状部材である。連結部材２２のうち、アウターロータ１８との対向面からは、当該アウターロータ１８に向かって延びる環状リブ２２ａが設けられている。この環状リブ２２ａの先端面は、アウターロータ１８の軸方向端面に固着されている。そして、アウターロータ１８が回転する力は、当該連結部材２２を介して回転軸２０に伝達される。なお、ここで示した連結部材２２の構成は一例であり、アウターロータ１８およびインナーロータ１６の回転力が回転軸２０に伝達されるのであれば、他の構成でもよい。例えば、連結部材２２は、回転軸２０ではなく、インナーロータ１６に固着される構成でもよく、この場合、アウターロータ１８の回転力は、連結部材２２およびインナーロータ１６を介して、回転軸２０に伝達される。また、別の形態として、インナーロータ１６を、回転軸２０に固着せず、連結部材２２にインナーロータ１６およびアウターロータ１８を固着し、この連結部材２２を回転軸２０に固着する構成としてもよい。いずれにしても、デュアルロータ型の回転電機１０においては、インナーロータ１６およびアウターロータ１８の回転力が、一つの回転軸２０に伝達される。
【００２２】
ステータ１４は、ステータコア２６と、当該ステータコア２６に巻回されるステータコイル２８と、を有している。ステータコア２６は、図２に示すように、円環状のヨーク２９と、当該ヨーク２９の内周から径方向内側に突出する複数のインナーティース３０と、当該ヨークの外周から径方向外側に突出する複数のアウターティース３２と、に大別される。隣接する二つのインナーティース３０の間の空間が、インナースロット３１となり、隣接する二つのアウターティース３２の間の空間が、アウタースロット３３となる。
【００２３】
インナーティース３０の配置ピッチ角度および位相は、アウターティース３２の配置ピッチ角度および位相と同じとなっている。図示例では、インナーティース３０およびアウターティース３２は、いずれも、１５度間隔で周方向に並んでおり、全体としては、インナーティース３０およびアウターティース３２は、それぞれ、２４本ずつ設けられている。すなわち、内側および外側ともにスロット数は、２４である。こうしたステータコア２６は、複数の電磁鋼板（例えばケイ素鋼板）から構成される。複数の電磁鋼板は、互いに位置決めされて、接合され、ステータコア２６を構成する。
【００２４】
ステータコイル２８は、三相のコイル、すなわち、Ｕ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルから構成される。三相のコイルそれぞれの一端は、入出力端子（図示せず）に接続されており、三相コイルそれぞれの他端は、互いに結合されて中性点を構成する。すなわち、このステータコイル２８は、スター結線されている。なお、当然ながら、スター結線に替えて、他の結線態様、例えば、デルタ結線等を採用してもよい。
【００２５】
各相のコイルを構成する巻線は、ステータコア２６に巻回される。巻線の巻回方式としては、巻線が複数スロットに跨ぐように巻回する分布巻や、巻線を一つのティースに巻回する集中巻、巻線をヨーク２９に巻回するトロイダル巻等が知られている。本実施形態では、巻線をトロイダル巻で巻回、すなわち、巻線をヨーク２９に巻回している。この場合、ステータコイル２８に電流印加した際に、アウターティース３２側に形成される磁界の極性と、インナーティース３０側に形成される磁界の極性と、が反転する。なお、ただし、必要に応じて、巻線は、集中巻や分布巻で巻回されてもよい。いずれにしても、以下では、このステータコイル２８に電流印加した際に発生する磁束を、「電流磁束」と呼ぶ。
【００２６】
インナーロータ１６は、ステータ１４の内側に配されるロータで、円環状のインナーコア３４と、当該インナーコア３４に埋め込まれたインナー磁石３６と、を有している。インナーコア３４は、複数の電磁鋼板（例えばケイ素鋼板）を積層して構成される。インナー磁石３６は、インナーロータ１６の磁極を構成する永久磁石である。このインナー磁石３６は、軸方向視で扁平な略長方形をしており、その短辺方向に磁化されている。インナー磁石３６の形状や個数、配置位置等は、特に限定されないが、後述するように、インナーロータ１６の磁極の個数は、アウターロータ１８の磁極の個数と、同じであることが望ましい。本実施形態では、インナーロータ１６に、８極の磁極を設けており、一つの磁極は、径方向外側に向かって開いた略Ｖ字状に配された二つのインナー磁石３６で構成される。したがって、インナーロータ１６全体としては、磁極の数の２倍、すなわち、１６個のインナー磁石３６が設けられている。また、インナーロータ１６のｄ軸Ｌｄｉと、アウターロータ１８のｄ軸Ｌｄｏは、一致することが望ましい。ここで、インナーロータ１６のｄ軸Ｌｄｉとは、一つの磁極を構成する二つのインナー磁石３６の間の間隙の周方向中心と、回転電機１０の中心点とを結ぶ直線である。
【００２７】
アウターロータ１８は、ステータ１４の外周囲に配されるロータで、周方向に交互に並ぶコア片３８およびアウター磁石４０を備えている。複数のコア片３８およびアウター磁石４０は、交互に並んで、略円環形状を構成する。各コア片３８は、複数の電磁鋼板（例えばケイ素鋼板）を積層して構成される。
【００２８】
アウター磁石４０は、アウターロータ１８の磁極を構成する永久磁石である。アウター磁石４０は、永久磁石であるため、当然ながら、当該アウター磁石４０からは、常に、一定の磁束が、発生している。以下、このアウター磁石４０から発生する磁束を「マグネット磁束」と呼び、さらに、マグネット磁束のうち、ステータ１４に流れて、ステータコイル２８と鎖交する磁束を「鎖交磁束」と呼ぶ。
【００２９】
アウター磁石４０は、軸方向視で略長方形であり、その一辺が、周方向と略平行になるような姿勢で配されている。各アウター磁石４０は、略周方向に磁化されている。すなわち、アウター磁石４０は、その周方向一端がＮ極であり、周方向他端がＳ極となっている。また、周方向に隣接する二つのアウター磁石４０の磁化の向きを、互いに周方向逆向きとしている。すなわち、周方向に隣接する二つのアウター磁石４０の対向面が、互いに同じ極になるような向きで磁化している。この場合、周方向に隣接する二つのアウター磁石４０それぞれの周方向片側部分で、一つの磁極を構成している。換言すれば、一つのアウター磁石４０は、一つのＮ磁極の一部を構成するとともに、一つのＳ磁極の一部を構成している。そして、隣接する二つのアウター磁石４０の間の間隙の周方向中心と、回転電機１０の中心点と、を結ぶ直線がアウターロータ１８のｄ軸Ｌｄｏとなる。
【００３０】
本例では、アウターロータ１８の磁極数を、インナーロータ１６の磁極数とおなじ８極としている。そのため、アウターロータ１８全体では、８個のアウター磁石４０が設けられている。また、本実施形態では、アウターロータ１８の磁極のｄ軸Ｌｄｏと、インナーロータ１６の磁極のｄ軸Ｌｄｉと、を一致させている。このように、二つのｄ軸Ｌｄｏ，Ｌｄｉを一致させれば、ステータ１４の回転磁界に対するロータ１６，１８の磁極の角度関係を、アウター側およびインナー側で同じにできる。その結果、アウター側およびロータ側で、電流・電圧の制御の切り替えが不要となる。なお、本実施形態では、ステータコイル２８をトロイダル巻としている関係上、ステータ１４に形成される回転磁界の極性が、インナー側およびアウター側で逆になる。この場合、ステータ１４を挟んで径方向に対向するインナーロータ１６の磁極およびアウターロータ１８の磁極は、互いに、その極性を同じにする。すなわち、ステータ１４を挟んで、アウターロータ１８のＮ磁極の反対側には、インナーロータ１６のＮ磁極を配置し、ステータ１４を挟んで、アウターロータ１８のＳ磁極の反対側には、インナーロータ１６のＳ磁極を配置している。
【００３１】
なお、既述した通り、ステータコイル２８は、巻線をヨーク２９に巻回するトロイダル巻ではなく、巻線をティース３０，３２に巻回する分布巻または集中巻としてもよい。ティース３０，３２に巻回する分布巻または集中巻の場合、巻線の巻回の向きが、アウター側とインナー側とで、互いに逆になる巻回方式と、互いに同じになる巻回方式と、がある。巻線の巻回の向きがアウター／インナーで、互いに逆にした場合、電流印加に伴い生じる回転磁界の極性は、アウター／インナーで、互いに逆になる。この場合、ステータ１４を挟んで径方向に対向するインナーロータ１６の磁極およびアウターロータ１８の磁極は、トロイダル巻の場合と同様に、その極性が互いに同じであることが望ましい。一方、巻線の巻回の向きがアウター／インナーで、互いに同じにした場合、電流印加に伴い生じる回転磁界の極性は、アウター／インナーで、互いに同じになる。この場合、ステータ１４を挟んで径方向に対向するインナーロータ１６の磁極およびアウターロータ１８の磁極は、トロイダル巻の場合とは逆に、その極性が互いに逆にすることが望ましい。
【００３２】
回転電機１０は、さらに、アウター磁石４０を挟んで周方向両側に位置する二つのコア片３８を磁気的に短絡させる短絡部材を設けている。短絡部材の形態としては、種々考えられるが、本例では、アウター磁石４０の径方向外側に配される第一部材を短絡部材として用いている。
【００３３】
すなわち、図３から明らかな通り、本例では、アウター磁石４０の径方向厚みは、コア片３８の径方向厚みより小さい。そして、アウター磁石４０の外周縁は、コア片３８の外周縁よりも径方向内側に位置し、アウター磁石４０の内周縁は、コア片３８の内周縁よりも径方向外側に位置している。別の見方をすれば、アウター磁石４０の径方向外側には、一対のコア片３８の周方向端面とアウター磁石４０の外周面とで囲まれた凹部が形成されている。第一部材４２は、この凹部に配されている。
【００３４】
第一部材４２の周方向両端面は、二つのコア片３８の周方向端面に接触しており、第一部材４２は、一つのコア片３８から他のコア片３８に流れる磁束の磁路を構成する。この第一部材４２は、コア片３８よりも最大透磁率が高い軟磁性材料からなり、接触する二つのコア片３８よりも飽和磁化が小さい。したがって、短絡部材（第一部材４２）は、コア片３８よりも軽負荷で磁束が流れやすく、高負荷で磁気飽和が生じやすくなっている。かかる短絡部材（第一部材４２）を設けるのは、負荷状態に応じて、鎖交磁束量を可変にするためだが、これについては、後に詳説する。
【００３５】
本例の回転電機１０は、さらに、コア片３８の外周囲を囲って固定する固定用外筒４４を備えている。固定用外筒４４は、コア片３８とアウター磁石４０を囲って拘束することで、コア片３８およびアウター磁石４０の分離を防止するために設けられている。この固定用外筒４４は、非磁性材料、例えば、ステンレス鋼等からなる。なお、この固定用外筒４４は、後に詳説するように、軟磁性材料で構成されてもよく、その場合、固定用外筒４４は、二つのコア片３８を磁気的に短絡する短絡部材の一部として機能する。
【００３６】
次に、アウターロータ１８において、アウター磁石４０を周方向に磁化するとともに、アウター磁石４０の外周側に短絡部材（第一部材４２）を配置する理由について説明する。アウターロータ１８は、当然ながら、ステータ１４の径方向外側に配置されるため、回転中心からの距離が大きく、回転に伴う遠心力が大きくなりやすい。そのため、遠心力の増加を抑えるために、アウターロータ１８は、インナーロータ１６に比して、径方向の厚みを抑えることが求められている。
【００３７】
また、ステータコイル２８への電流印加に伴い電流磁束が発生するが、この電流磁束の一部は、アウターティース３２からアウターロータ１８に、または、アウターロータ１８からアウターティース３２に向かって、径方向に進む。そのため、アウター磁石４０を、径方向に磁化させた場合、当該アウター磁石４０の磁化の向きと逆向きに電流磁束が流れる、いわゆる「逆磁界」が発生することになる。かかる逆磁界が発生すると、アウター磁石４０の磁力が減少する減磁が生じる。そして、アウター磁石４０が減磁することで、マグネットトルクの低下、ひいては、回転電機１０の出力トルクの低下を招く。
【００３８】
本願で開示する回転電機１０では、上述した通り、アウター磁石４０を周方向に磁化させている。そのため、径方向に磁化させる場合に比べて、アウター磁石４０の径方向厚みを抑えやすくなり、ひいては、アウターロータ１８の径方向の厚みを抑えることができる。また、アウター磁石４０を周方向に磁化させることで、電流磁束が磁化と逆向きに進む逆磁界を抑制でき、アウター磁石４０の減磁を効果的に防止できる。
【００３９】
ところで、回転電機１０の出力トルクを高くするためには、ステータ１４に流れ込むマグネット磁束量、すなわち、鎖交磁束量を大きくする必要がある。その一方で、鎖交磁束量が大きいと、ステータコイル２８に流れる電流がゼロまたは小さい状態、すなわち、無負荷状態または低負荷状態において、逆起電圧や鉄損が大きくなるという問題を招く。逆起電圧は、弱め界磁制御を行うことで抑制できるが、弱め界磁制御を行った場合、別途、出力に寄与しない、弱め界磁用の負のｄ軸電流を流す必要があり、銅損の増加を招く。
【００４０】
つまり、鎖交磁束量は、高負荷状態・高トルク出力状態では、大きく、無負荷・低負荷状態では、小さくなるように、負荷状態に応じて可変であることが望まれる。そこで、本願で開示する回転電機１０では、負荷状態に応じて、鎖交磁束量を可変にするために、アウター磁石４０の径方向外側に、短絡部材として機能する第一部材４２を設けている。
【００４１】
第一部材４２は、既述した通り、コア片３８よりも最大透磁率が高い軟磁性材料からなり、コア片３８よりも飽和磁化が小さい。かかる第一部材４２を設けた場合のマグネット磁束の流れについて図４、図５を参照して説明する。図４、図５において、破線は、マグネット磁束の流れを示している。また、図４は、無負荷状態を、図５は、高負荷状態を示している。
【００４２】
無負荷状態または低負荷状態では、図４に示すように、マグネット磁束の一部は、最大透磁率が高く、コア片３８よりも、磁気抵抗が小さくて磁束が流れやすい、第一部材４２へと流れていく。その結果、アウター磁石４０の一端（Ｎ極）から出たマグネット磁束の一部は、ステータ１４に流れることなく、当該アウター磁石４０の他端（Ｓ極）へと流れる。すなわち、マグネット磁束の一部は、ステータ１４に流れることなく短絡した状態となる。このように、マグネット磁束の一部が短絡することで、第一部材４２を設けない場合に比べて、ステータ１４へと流れるマグネット磁束量、すなわち、鎖交磁束量が大幅に低下する。
【００４３】
一方、ステータコイル２８に比較的大きな電流を流した高負荷状態では、図５に示すように、第一部材４２に流れるマグネット磁束（短絡するマグネット磁束）が大幅に低減し、マグネット磁束の大部分は、ステータ１４に流れていく。これは、高負荷状態となると、多量の電流磁束（磁束密度が高い磁束）が発生するためである。多量に発生した電流磁束は、マグネット磁束よりも優先的に、第一部材４２へと流れていく。また、第一部材４２の飽和磁化は、コア片３８の飽和磁化よりも低いため、第一部材４２は、コア片３８よりも先に、磁気飽和する。結果として、高負荷状態では、第一部材４２は、電流磁束により磁気飽和しやすくなる。第一部材４２が電流磁束で磁気飽和することで、マグネット磁束の大部分は、第一部材４２に流れず、ステータ１４へと流れていく。その結果、高負荷状態では、鎖交磁束量を、大きく保つことができる。
【００４４】
つまり、本願で開示する回転電機１０では、アウター磁石４０の径方向外側に、最大透磁率が高く、飽和磁化が小さい短絡部材（第一部材４２）を設けているため、鎖交磁束量を、高負荷状態・高トルク出力状態では大きく、無負荷状態または低負荷状態では、小さくできる。その結果、アウターロータ型の回転電機において、無負荷または低負荷状態における逆起電圧および鉄損の発生を抑制しつつ、高負荷状態において高いトルクを出力することができる。
【００４５】
次に、図１〜図３に例示した回転電機１０における磁束の流れのシミュレーション結果について説明する。図６は、無負荷状態におけるマグネット磁束の、図７は、高負荷状態における電流磁束の、図８は、高負荷状態におけるマグネット磁束のシミュレーション結果である。なお、図６〜図８において、墨の濃度は、磁束密度を示しており、墨の色が濃いほど磁束密度が高いことを示している。
【００４６】
図６に示す通り、無負荷状態では、アウター磁石４０によるマグネット磁束の一部は、当該アウター磁石４０の周方向一端から、アウター磁石４０の径方向外側を通って、アウター磁石４０の周方向他端へと向かう。すなわち、マグネット磁束の一部は、ステータ１４に流れることなく、短絡している。そして、一部のマグネット磁束が短絡することで、鎖交磁束量が低減し、逆起電圧や鉄損を効果的に抑制することができる。
【００４７】
一方、高負荷状態では、図７に示すように、電流磁束が、第一部材４２に流れ込み、第一部材４２が磁気飽和する。そのため、図８に示すように、マグネット磁束は、第一部材４２には、殆ど流れ込まず、大部分が、ステータ１４に流れていく。その結果、高負荷状態では、鎖交磁束量を大きくでき、高いトルクを得ることが可能となる。
【００４８】
また、本願出願人は、高負荷状態および低負荷状態それぞれにおける損失量をシミュレーションした。その結果、高負荷状態での損失量は、短絡部材（第一部材）の有無に関わらず、ほぼ同じであるが、低負荷状態での損失量は、短絡部材を設けない場合に比して、短絡部材を設けた場合のほうが、１０〜２０％程度、低下することが分かった。つまり、本願で開示した回転電機１０によれば、高負荷状態における損失量の増加を防止しつつ、無負荷・低負荷状態における損失量を低減でき、回転電機１０全体として効率を向上できる。
【００４９】
なお、これまで説明した構成は、一例であり、アウター磁石４０の径方向外側に、コア片３８よりも最大透磁率が高い材料からなり、コア片３８よりも飽和磁化が小さい短絡部材が配されるのであれば、その他の構成は、適宜、変更されてもよい。
【００５０】
例えば、上述の説明では、コア片３８の周方向端面に接触する第一部材４２を設ける例を挙げたが、第一部材４２に替えて、または、加えて、コア片３８の外周面に接触する第二部材を設けてもよい。例えば、図９に示す通り、第一部材４２を設けない替わりに、コア片３８の外周面に接触する第二部材４６を設けてもよい。第二部材４６は、コア片３８よりも最大透磁率が高い軟磁性材料からなり、接触または近接するコア片３８よりも飽和磁化が小さい。この第二部材４６は、アウターロータ１８の外周囲を囲って固定する固定用外筒４４と別に設けられてもよいし、固定用外筒４４を第二部材４６として設けてもよい。
【００５１】
この場合でも、無負荷・低負荷状態では、マグネット磁束の一部は、第二部材４６に流れて短絡するため、鎖交磁束量を低減できる。また、高負荷状態となれば、電流磁束により第二部材４６が磁気飽和し、マグネット磁束が第二部材４６に流れにくくなるため、鎖交磁束量が大きくなる。つまり、この場合でも、鎖交磁束量は、無負荷・低負荷状態では小さくなり、高負荷状態では大きくなる。そして結果として、無負荷・低負荷状態での逆起電圧および鉄損を抑制しつつ、高負荷状態で高いトルクを得ることができる。
【００５２】
ただし、第二部材４６は、第一部材４２に比べて、アウター磁石４０との距離が大きくなり、第二部材４６を用いる場合のほうが、第一部材４２を用いる場合に比べて、マグネット磁束の短絡磁路が長くなり、磁気抵抗が高くなる。その結果、第一部材４２を用いる場合に比して、第二部材４６を用いる場合のほうが、早期に（電流値が低い段階で）、マグネット磁束の短絡が無くなり、鎖交磁束量が大きくなる。換言すれば、第一部材４２に替えて第二部材４６を設けたほうが、高負荷状態での運転に、有利であると言える。
【００５３】
一方、短絡部材として、第二部材４６ではなく、第一部材４２を用いる場合には、マグネット磁束の短絡磁路の磁気抵抗が小さくなる。そのため、マグネット磁束の短絡量を増加でき、無負荷・低負荷状態での逆起電圧および鉄損を、図８の場合に比して、より効果的に抑制できる。換言すれば、第二部材４６を設けず、第一部材４２のみを設けた場合のほうが、無負荷・低負荷状態の損失低減に有利であると言える。
【００５４】
さらに、第一部材４２とともに、第二部材４６を設けるようにしてもよい。この場合、マグネット磁束の短絡磁路の磁気抵抗が小さくなり、また、短絡部材全体（第一部材４２および第二部材４６）の体積が増加するため、飽和磁化が大きくなる。その結果、マグネット磁束の短絡量を増加でき、無負荷・低負荷状態での逆起電圧および鉄損を、図２や図８の場合に比して、より効果的に抑制できる。また、負荷が比較的、高くなるまで、短絡部材が磁気飽和しないため、逆起電圧および鉄損を抑制した状態を、電流が、比較的高くなるまで維持できる。
【００５５】
また、これまでの説明では、短絡部材（第一部材４２、第二部材４６）を、コア片３８に接触させているが、短絡部材と、コア片３８との間に、ギャップＧを設けてもよい。すなわち、短絡部材とコア片３８は、接触せずに、近接対向する構成としてもよい。例えば、図１０に示すように、第一部材４２の周方向端部と、コア片３８の周方向端部との間に、ギャップＧを設けてもよい。そして、このギャップＧの大きさを調整することで、マグネット磁束の短絡磁路の磁気抵抗を調整でき、ひいては、負荷に対する鎖交磁束量の可変特性を調整できる。
【００５６】
また、これまで説明した回転電機１０の構成は、全て、一例であり、求められる仕様に応じて、適宜、変更されてもよい。例えば、回転電機１０は、インナーロータ１６を有さない、シングルロータ型・アウターロータ型の回転電機１０でもよい。また、これまでの説明で挙げた磁極数やティース数等も適宜、変更されてもよい。
【符号の説明】
【００５７】
１０  回転電機、１４  ステータ、１６  インナーロータ、１８  アウターロータ、２０  回転軸、２２  連結部材、２６  ステータコア、２８  ステータコイル、２９  ヨーク、３０  インナーティース、３２  アウターティース、３８  コア片、４０  アウター磁石、４２  第一部材、４４  固定用外筒、４６  第二部材。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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