(57)【要約】【課題】本発明は、渦電流損失を低減できるスロットレス構造の回転電機１０を提供する。【解決手段】回転電機１０は、回転自在に支持された回転子４０と、回転子４０に対向して配置される固定子とを備えている。回転子４０は、磁石部４２を有している。固定子は、複数の導線を有する固定子巻線５１を有している。回転電機１０は、周方向に隣り合う導線の間に軟磁性体からなるティースが設けられていない構成となっている。導線は、複数の素線が撚りあった集合体からなる導体を有している。素線は、例えば、繊維状の導電材により構成されており、より具体的には、少なくともカーボンナノチューブ繊維で構成されている。【選択図】      図１
2019024297.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁石部（４２，３２２，４２３，５２２，６２２ａ，６２２ｂ）を有し、回転自在に支持された回転子（４０，３２０，４２０，５２０，６２０）と、
複数の導線（８２）を含む固定子巻線（５１，３３１，４３１，５３１，６３１ａ，６３１ｂ）を有し、前記回転子に対向して配置される固定子（５２，３３０，４３０，５３０，６３０）と、
を備えた回転電機（１０，３００，４００，５００，６００）であって、
周方向に隣り合う前記導線の間に軟磁性体からなるティースが設けられていない構成となっており、
前記導線は、複数の素線（８６）が撚りあった集合体からなる導体（８２ａ）を有している回転電機。
【請求項２】
磁石部（４２）を有し、回転自在に支持された回転子（４０）と、
複数の導線（８２）を含む固定子巻線（５１）と、固定子コア（５２）とを有し、前記回転子に対向して配置される固定子（５２）と、
を備えた回転電機（１０）であって、
前記導線は、前記磁石部に対して径方向に対向する位置に配置される磁石対向部（８３）と、前記磁石対向部よりも軸方向外側となる位置において同相の前記磁石対向部同士を、所定数おきに互いに接続するターン部（８４）とを有し、
前記ターン部により互いに接続される同相の前記磁石対向部同士が、前記回転子の軸心を中心とする同一のピッチ円上となる位置に配置されており、
前記固定子コアは、前記固定子巻線の径方向両側のうち前記回転子とは反対側に設けられているヨーク部（１４１）と、前記ヨーク部から、周方向に隣り合う前記磁石対向部の間に向かって突出するように延びる突起部（１４２）とを有し、
前記突起部における前記ヨーク部からの径方向の厚さ寸法は、前記磁石対向部における径方向の厚さ寸法の１／２よりも小さくなっており、
前記導線は、複数の素線（８６）が撚りあった集合体からなる導体（８２ａ）を有している回転電機。
【請求項３】
前記固定子巻線において、周方向に所定間隔で定められた位置に、径方向内外となる複数層で前記磁石対向部が配置されており、
前記突起部における前記ヨーク部からの径方向の厚さ寸法は、前記複数層の前記磁石対向部のうち前記ヨーク部に径方向に隣接する前記磁石対向部における径方向の厚さ寸法の１／２よりも小さい請求項２に記載の回転電機。
【請求項４】
前記突起部は、周方向において前記磁石対向部に係合している請求項３に記載の回転電機。
【請求項５】
複数の導線（８２）を含む固定子巻線（５１）を有する固定子（５２）と、
前記固定子と対向する面に磁石部（４２）を有し、回転自在に配置された回転子（４０）と、を備えた回転電機（１０）であって、
前記導線は、前記磁石部に対して径方向に対向する位置に配置される磁石対向部（８３）と、前記磁石対向部よりも軸方向外側となる位置において同相の前記磁石対向部同士を、所定数おきに互いに接続するターン部（８４）とを有し、
前記固定子巻線の前記磁石対向部は、周方向に所定間隔で定められた位置にそれぞれ配置されており、
前記磁石部は、前記回転子における前記固定子と対向する面に、周方向に沿って磁極が交互になるように設けられた複数の磁石（９１，９２）を有し、
前記固定子は、周方向に隣り合う前記磁石対向部の間に巻線間部材（５７，１４２）を有しており、
前記巻線間部材は、前記磁石部の１極分の範囲において前記固定子巻線の通電により励磁される前記巻線間部材の周方向の幅寸法をＷｔ、前記巻線間部材の飽和磁束密度をＢｓ、前記磁石部の１極分の周方向の幅寸法をＷｍ、前記磁石部の残留磁束密度をＢｒとする場合、Ｗｔ×Ｂｓ≦Ｗｍ×Ｂｒとなる磁性材料、又は非磁性材料からなり、
前記導線は、複数の素線（８６）が撚りあった集合体からなる導体（８２ａ）を有している回転電機。
【請求項６】
前記素線は、繊維状の導電材により構成されている請求項１〜５のいずれか１項に記載の回転電機。
【請求項７】
前記素線は、少なくともカーボンナノチューブ繊維（２２３）で構成されている請求項６に記載の回転電機。
【請求項８】
前記素線は、カーボンナノチューブ繊維の炭素のうち少なくとも一部をホウ素で置換したホウ素含有微細繊維を含む繊維で構成されている請求項７に記載の回転電機。
【請求項９】
前記固定子巻線は、径方向の厚さ寸法が周方向の幅寸法よりも小さい断面扁平状の導線を用いて構成されている請求項１〜８のいずれか１項に記載の回転電機。
【請求項１０】
前記磁石部は、永久磁石（９１，９２，１３１，１３２）を有する請求項１〜９のいずれか１項に記載の回転電機。
【請求項１１】
前記永久磁石は、磁極中心に向かって磁化方向が円弧状に延びる第１磁石（９１）と、磁極中心に向かって磁化方向が円弧状に延びてかつ前記第１磁石とは磁極が異なる第２磁石（９２）とを有し、
前記回転子において前記固定子との対向面に、前記第１磁石及び前記第２磁石が周方向に交互に配置されている請求項１０に記載の回転電機。
【請求項１２】
前記永久磁石は、磁化方向を径方向とする第１磁石（１３１）と、磁化方向を径方向以外の方向とする第２磁石（１３２）とを有し、
前記回転子において前記固定子との対向面に、周方向に所定間隔で前記第１磁石が配置され、周方向において隣り合う前記第１磁石の間となる位置に前記第２磁石が配置されている請求項１０に記載の回転電機。
【請求項１３】
前記導線は、前記磁石部に対して径方向に対向する位置に配置される磁石対向部（８３）と、前記磁石対向部よりも軸方向外側となる位置において同相の前記磁石対向部同士を、所定数おきに互いに接続するターン部（８４）とを有し、
前記ターン部の断面積が前記磁石対向部の断面積よりも大きい請求項１〜１２のいずれか１項に記載の回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、例えば特許文献１に記載されているように、家電用、産機用、遊技機用、農建機用、自動車用に適用される回転電機が知られている。一般的には、ティースで区画された巻線収容部であるいわゆるスロットが固定子コア（つまり、鉄心）に形成され、銅線やアルミ線等の導線がスロットに収容されることにより固定子巻線が構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−７０５２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一方で、固定子のティースを廃止したスロットレスモータも提案されている。
【０００５】
スロットレスモータでは、回転子の磁石部が発する磁界が、空気中とともに、固定子巻線を構成する導線にも直接印加されてしまう。導線の透磁率はほぼ空気の透磁率に等しいため、空気中及び導線中問わず一様な磁界が印加される。回転子の磁石部が発する磁界は、回転子が機械的に回転しているために回転磁界となり、固定子巻線から見た磁界強度は正弦波状の交流磁界になっている。この回転磁界は、回転子の機械回転周波数に同期する基本周波数よりも高い高調波成分を含むことがある。
【０００６】
導線の電気抵抗は空気の電気抵抗よりも遥かに小さい。このため、高調波成分を含む交流磁界が導線に鎖交し、それにより、この鎖交磁束の時間変化率に比例した導線中を還流する高調波起電圧が発生し、この起電圧に起因する循環電流である渦電流が導線に流れる。その結果、渦電流損失が発生し、固定子の温度が上昇したり、固定子の振動が増大したりする懸念がある。
【０００７】
本発明は、渦電流損失を低減できるスロットレス構造の回転電機を提供することを主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の手段は、磁石部を有し、回転自在に支持された回転子と、複数の導線を含む固定子巻線を有し、前記回転子に対向して配置される固定子と、を備えた回転電機であって、周方向に隣り合う前記導線の間に軟磁性体からなるコア部材が設けられていない構成となっており、前記導線は、複数の素線が撚りあった集合体からなる導体を有している。
【０００９】
第１の手段では、周方向に隣り合う導線の間に軟磁性体からなるティースが設けられていない構成であるスロットレス構造となっている。この構成において、第１の手段では、固定子巻線の各導線が複数の素線の集合体からなる導体を有している。このため、導線における電流流通経路の細線化を図ることができ、高調波磁界を含む磁石部からの磁界が導線と鎖交した場合に渦電流が生じても、その渦電流に対する導線の過電流抑制効果を大きくすることができる。その結果、導線に流れる渦電流を低減でき、渦電流損失を低減することができる。
【００１０】
また、各導線は、素線が撚り合わせられて構成されているため、各素線において磁界の印加方向が互いに逆になる部位が生じ、鎖交磁界に起因した逆起電圧が相殺される。その結果、導線を流れる渦電流の低減効果を高めることができ、渦電流損失の低減効果を高めることができる。
【００１１】
なお、周方向に並ぶ各導線の間においてティースが設けられている構成とは、ティースが、径方向に所定厚さを有し、かつ周方向に所定幅を有することで、各導線の間に磁気回路の一部、すなわち磁石磁路を形成する構成であると言える。この点において、各導線の間にティースが設けられていない構成とは、上記の磁気回路の形成がなされていない構成であると言える。
【００１２】
第２の手段は、磁石部を有し、回転自在に支持された回転子と、複数の導線を含む固定子巻線と、固定子コアとを有し、前記回転子に対向して配置される固定子と、を備えた回転電機であって、前記導線は、前記磁石部に対して径方向に対向する位置に配置される磁石対向部と、前記磁石対向部よりも軸方向外側となる位置において同相の前記磁石対向部同士を、所定数おきに互いに接続するターン部とを有し、前記ターン部により互いに接続される同相の前記磁石対向部同士が、前記回転子の軸心を中心とする同一のピッチ円上となる位置に配置されており、前記固定子コアは、前記固定子巻線の径方向両側のうち前記回転子とは反対側に設けられているヨーク部と、前記ヨーク部から、周方向に隣り合う前記磁石対向部の間に向かって突出するように延びる突起部とを有し、前記突起部における前記ヨーク部からの径方向の厚さ寸法は、前記磁石対向部における径方向の厚さ寸法の１／２よりも小さくされており、前記導線は、複数の素線が撚りあった集合体からなる導体を有している。
【００１３】
第２の手段では、固定子コアは、回転子とは径方向反対側に設けられているヨーク部から、周方向に隣り合う磁石対向部の間に向かって突出するように延びる突起部を有しており、突起部におけるヨーク部からの径方向の厚さ寸法が、磁石対向部における径方向の厚さ寸法の１／２よりも小さくされている。この場合、突起部は、径方向の厚み寸法が制限されており、周方向に隣り合う磁石対向部の間においてティースとして機能するものでない。このため、第２の手段の回転電機はスロットレス構造となっている。
【００１４】
ここで、突起部の径方向の厚み寸法が制限されているため、径方向において突起部から突出した磁石対向部の鎖交磁束が増大してしまう。鎖交磁束の増大は、渦電流の増大につながる。しかし、第２の手段では、固定子巻線の各導線が複数の素線の集合体であり、また、素線が撚り合わせられて各導体が構成されているため、導線に流れる渦電流の低減効果が高められている。したがって、第２の手段によれば、位置決め機能を実現しつつ、渦電流を低減でき、渦電流損失を低減することができる。
【００１５】
ここで、第２の手段は、具体的には例えば、第３の手段とすることができる。第３の手段では、前記固定子巻線において、周方向に所定間隔で定められた位置に、径方向内外となる複数層で前記磁石対向部が配置されており、前記突起部における前記ヨーク部からの径方向の厚さ寸法は、前記複数層の前記磁石対向部のうち前記ヨーク部に径方向に隣接する前記磁石対向部における径方向の厚さ寸法の１／２よりも小さい。
【００１６】
また、第３の手段は、具体的には例えば、第４の手段とすることができる。第４の手段では、前記突起部は、周方向において前記磁石対向部に係合している。
【００１７】
第４の手段によれば、固定子巻線の各磁石対向部を、突起部を位置決め部として用いつつ周方向に並べて配置することができる。
【００１８】
ここで、スロットレス構造としては、具体的には例えば、第５の手段を用いることができる。第５の手段は、複数の導線を含む固定子巻線を有する固定子と、前記固定子と対向する面に磁石部を有し、回転自在に配置された回転子と、を備えた回転電機であって、前記導線は、前記磁石部に対して径方向に対向する位置に配置される磁石対向部と、前記磁石対向部よりも軸方向外側となる位置において同相の前記磁石対向部同士を、所定数おきに互いに接続するターン部とを有し、前記固定子巻線の前記磁石対向部は、周方向に所定間隔で定められた位置にそれぞれ配置されており、前記磁石部は、前記回転子における前記固定子と対向する面に、周方向に沿って磁極が交互になるように設けられた複数の磁石を有し、前記固定子は、周方向に隣り合う前記磁石対向部の間に巻線間部材を有しており、前記巻線間部材は、前記磁石部の１極分の範囲において前記固定子巻線の通電により励磁される前記巻線間部材の周方向の幅寸法をＷｔ、前記巻線間部材の飽和磁束密度をＢｓ、前記磁石部の１極分の周方向の幅寸法をＷｍ、前記磁石部の残留磁束密度をＢｒとする場合、Ｗｔ×Ｂｓ≦Ｗｍ×Ｂｒとなる磁性材料、又は非磁性材料からなる。
【００１９】
第５の手段によれば、回転子が有する磁石部の磁束を固定子で十分受けることができる。
【００２０】
第６の手段では、前記素線は、繊維状の導電材により構成されている。
【００２１】
第６の手段では、各素線が繊維状の導電材により構成されているため、導体における電流流通経路をより細線化でき、また、電流流通経路の撚り回数をより増大できる。これにより、渦電流の低減効果を高めることができ、渦電流損失の低減効果を高めることができる。
【００２２】
ここで、各素線は、具体的には例えば第７の手段のように、少なくともカーボンナノチューブ繊維（以下、ＣＮＴと称す）で構成されていればよい。この場合、渦電流抑制効果をいっそう増大でき、渦電流損失をいっそう低減することができる。
【００２３】
また、各素線は、具体的には例えば第８の手段のように、カーボンナノチューブ繊維の炭素のうち少なくとも一部をホウ素で置換したホウ素含有微細繊維を含む繊維で構成されていればよい。この場合、渦電流抑制効果をさらに増大でき、渦電流損失の低減効果をさらに高めることができる。
【００２４】
第９の手段では、前記固定子巻線は、径方向の厚さ寸法が周方向の幅寸法よりも小さい断面扁平状の導線を用いて構成されている。
【００２５】
第９の手段では、固定子巻線において導線を扁平状にして磁石対向部における径方向厚さを薄くすることにより、その磁石対向部においてその径方向の中心位置を回転子の磁石部に近づけることができる。これにより、スロットレス構造の採用による固定子での磁気飽和の抑制を図りつつ、固定子巻線の磁石対向部における磁束密度を高めてトルクの増強を図ることが可能となる。
【００２６】
ここで、導線を扁平状にすることによってトルクが増強されるものの、扁平状であることから導線の鎖交磁束が増大してしまう。鎖交磁束の増大は、渦電流の増大につながる。しかし、第９の手段では、固定子巻線の各導線が複数の素線の集合体であり、また、素線が撚り合わせられて各導体が構成されているため、導線に流れる渦電流の低減効果が高められている。また、導線が径方向に薄い扁平状をなしていることによっても、渦電流の低減効果が高まる。したがって、第９の手段によれば、回転電機のトルクの増強を図りつつ、渦電流を低減することができる。
【００２７】
第９の手段は、前記固定子が固定子コアを有しており、前記固定子コアが、前記固定子巻線の径方向両側のうち前記回転子とは反対側に設けられている構成を備えていてもよい。この場合、導線を扁平状にして磁石対向部における径方向厚さを薄くすることにより、固定子コアと回転子との間のエアギャップを小さくできる。その結果、固定子及び回転子を通る磁束の磁気回路の磁気抵抗を低減でき、磁気回路の磁束を増大できる。これにより、スロットレス構造の採用による固定子での磁気飽和の抑制を図りつつ、回転電機のトルクの増強を図ることが可能となる。
【００２８】
第１０の手段では、前記磁石部は、永久磁石を有する。
【００２９】
磁石部が界磁巻線を備える構成では、回転電機の駆動制御を実施しない場合、界磁巻線に通電されず、界磁巻線から磁束が発生しない。これに対し、磁石部が永久磁石を備える構成では、永久磁石から磁界が常時発生している。このため、例えば、回転電機の回転軸が車両の車輪と動力伝達可能とされている場合、回転電機の駆動制御を実施しないときであっても車輪の回転により回転子が回転する。その結果、磁石部から回転磁界が常時発生し、高調波磁界に起因して導線に渦電流が流れてしまい、渦電流損失が発生してしまう。
【００３０】
しかし、第１０の手段では、固定子巻線の各導線が複数の素線の集合体であり、また、素線が撚り合わせられて各導体が構成されているため、導線に流れる渦電流の低減効果が高められている。したがって、第１０の手段によれば、回転電機の駆動制御を実施しない場合においても、渦電流損失を好適に低減することができる。
【００３１】
第１１の手段では、前記永久磁石は、磁極中心に向かって磁化方向が円弧状に延びる第１磁石と、磁極中心に向かって磁化方向が円弧状に延びてかつ前記第１磁石とは磁極が異なる第２磁石とを有し、前記回転子において前記固定子との対向面に、前記第１磁石及び前記第２磁石が周方向に交互に配置されている。
【００３２】
一般的に、埋め込み磁石型回転電機の回転子の構成として、永久磁石がｄ軸に配置され、ｑ軸に鉄心が配置されたものが知られている。この場合、ｄ軸近傍の固定子巻線が励磁されることで、固定子から回転子のｑ軸に励磁電流が流入される。これにより、回転子のｑ軸コア部分に、広範囲の磁気飽和が生じ得る。
【００３３】
そこで、ｑ軸コア部分で生じる磁気飽和をなくすべく、第１１の手段では、回転子において固定子との対向面に永久磁石が配置される構成としている。この構成を前提として、回転電機のトルクを増強すべく、第１１の手段では、極異方構造の永久磁石を採用している。詳しくは、永久磁石は、磁極中心に向かって磁化方向が円弧状に延びる第１磁石と、磁極中心に向かって磁化方向が円弧状に延びてかつ第１磁石とは磁極が異なる第２磁石とを有し、第１磁石及び第２磁石が周方向に交互に配置されている。これにより、磁気回路の磁束を増大でき、回転電機のトルクの増強を図ることが可能となる。
【００３４】
ここで、磁束の増大によってトルクが増強されるものの、導線の鎖交磁束が増大してしまう。鎖交磁束の増大は、渦電流の増大につながる。しかし、第１１の手段では、固定子巻線の各導線が複数の素線の集合体であり、また、素線が撚り合わせられて各導体が構成されているため、導線に流れる渦電流の低減効果が高められている。したがって、第１１の手段によれば、回転電機のトルクの増強を図りつつ、渦電流損失を低減することができる。
【００３５】
永久磁石の構成としては、第１１の手段に代えて、例えば第１２の手段を採用できる。第１２の手段では、前記永久磁石は、磁化方向を径方向とする第１磁石と、磁化方向を径方向以外の方向とする第２磁石とを有し、前記回転子において前記固定子との対向面に、周方向に所定間隔で前記第１磁石が配置され、周方向において隣り合う前記第１磁石の間となる位置に前記第２磁石が配置されている。
【００３６】
第１３の手段では、前記導線は、前記磁石部に対して径方向に対向する位置に配置される磁石対向部と、前記磁石対向部よりも軸方向外側となる位置において同相の前記磁石対向部同士を、所定数おきに互いに接続するターン部とを有し、前記ターン部の断面積が前記磁石対向部の断面積よりも大きい。
【００３７】
磁石対向部よりも軸方向外側となる位置付近は、径方向において磁石部と対向しない位置であるため、ターン部を配置する場合のスペース上の制約が小さい。このため、第１３の手段では、ターン部の断面積が磁石対向部の断面積よりも大きい。これにより、ターン部の電気抵抗を低減し、トルクの増強を図っている。
【００３８】
ここで、回転磁界の漏れ磁束がターン部と鎖交し得る。この場合、ターン部の断面積が大きいことから、渦電流も大きくなる懸念がある。しかし、第１３の手段では、固定子巻線の各導線が複数の素線の集合体であり、また、素線が撚り合わせられて各導体が構成されているため、導線に流れる渦電流の低減効果が高められている。したがって、第１３の手段によれば、回転電機のトルクの増強を図りつつ、渦電流損失を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】回転電機の縦断面斜視図。
【図２】回転電機の縦断面図。
【図３】図２のIII−III線断面図。
【図４】図３の一部を拡大して示す断面図。
【図５】回転電機の分解図。
【図６】インバータユニットの分解図。
【図７】固定子巻線のアンペアターンとトルク密度との関係を示すトルク線図。
【図８】回転子及び固定子の横断面図。
【図９】図８の一部を拡大して示す図。
【図１０】固定子の横断面図。
【図１１】固定子の縦断面図。
【図１２】固定子巻線の斜視図。
【図１３】導線の構成を示す斜視図。
【図１４】素線の構成を示す模式図。
【図１５】ホウ素含有微細繊維を示す模式図。
【図１６】ＣＮＴ繊維を含む素線群の模式図。
【図１７】渦電流の低減効果を説明するための図。
【図１８】渦電流の低減効果を説明するための図。
【図１９】巻線割合及び導体の厚さの関係を示す図。
【図２０】ｎ層目における各導線の形態を示す図。
【図２１】ｎ層目とｎ＋１層目の各導線を示す側面図。
【図２２】実施形態の磁石について電気角と磁束密度との関係を示す図。
【図２３】比較例の磁石について電気角と磁束密度との関係を示す図。
【図２４】回転電機の制御システムの電気回路図。
【図２５】制御装置による電流フィードバック制御処理を示す機能ブロック図。
【図２６】制御装置によるトルクフィードバック制御処理を示す機能ブロック図。
【図２７】固定子巻線に流れる電流値及び回転電機のトルクの推移を示すタイムチャート。
【図２８】第２実施形態における回転子及び固定子の横断面図。
【図２９】図２８の一部を拡大して示す図。
【図３０】磁石部における磁束の流れを具体的に示す図。
【図３１】第３実施形態における固定子の断面図。
【図３２】第３実施形態の変形例２における固定子の断面図。
【図３３】第３実施形態の変形例３における固定子の断面図。
【図３４】第３実施形態の変形例４における固定子の断面図。
【図３５】第４実施形態における回転電機の縦断面図。
【図３６】第５実施形態における回転電機の縦断面図。
【図３７】第６実施形態における回転電機の縦断面図。
【図３８】固定子巻線を示す図。
【図３９】第６実施形態の変形例における回転電機の縦断面図。
【図４０】他の実施形態における直線部及びターン部の一部を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下、実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態における回転電機は、例えば車両動力源として用いられるものとなっている。ただし、回転電機は、産業用、車両用、家電用、ＯＡ機器用、遊技機用などとして広く用いられることが可能となっている。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一又は均等である部分には、図中、同一符号を付しており、同一符号の部分についてはその説明を援用する。
【００４１】
（第１実施形態）
本実施形態に係る回転電機１０は、同期式多相交流モータであり、アウタロータ構造（外転構造）のものとなっている。回転電機１０の概要を図１乃至図５に示す。図１は、回転電機１０の縦断面斜視図であり、図２は、回転電機１０の回転軸１１に沿う方向での縦断面図であり、図３は、回転軸１１に直交する方向での回転電機１０の横断面図（図２のIII−III線断面図）であり、図４は、図３の一部を拡大して示す断面図であり、図５は、回転電機１０の分解図である。なお、図３では、図示の都合上、回転軸１１を除き、切断面を示すハッチングを省略している。以下の記載では、回転軸１１が延びる方向を軸方向とし、回転軸１１の中心から放射状に延びる方向を径方向とし、回転軸１１を中心として円周状に延びる方向を周方向としている。
【００４２】
回転電機１０は、大別して、軸受部２０と、ハウジング３０と、回転子４０と、固定子５０と、インバータユニット６０とを備えている。これら各部材は、いずれも回転軸１１と共に同軸上に配置され、所定順序で軸方向に組み付けられることで回転電機１０が構成されている。
【００４３】
軸受部２０は、軸方向に互いに離間して配置される２つの軸受２１，２２と、その軸受２１，２２を保持する保持部材２３とを有している。軸受２１，２２は、例えばラジアル玉軸受であり、それぞれ外輪２５と、内輪２６と、それら外輪２５及び内輪２６の間に配置された複数の玉２７とを有している。保持部材２３は円筒状をなしており、その径方向内側に軸受２１，２２が組み付けられている。そして、軸受２１，２２の径方向内側に、回転軸１１及び回転子４０が回転自在に支持されている。
【００４４】
ハウジング３０は、円筒状をなす周壁部３１と、その周壁部３１の軸方向両端部のうち一方の端部に設けられた端面部３２とを有している。周壁部３１の軸方向両端部のうち端面部３２の反対側は開口部３３となっており、ハウジング３０は、端面部３２の反対側が開口部３３により全面的に開放された構成となっている。端面部３２には、その中央に円形の孔３４が形成されており、その孔３４に挿通させた状態で、ネジやリベット等の固定具により軸受部２０が固定されている。また、ハウジング３０内、すなわち周壁部３１及び端面部３２により区画された内部スペースには、回転子４０と固定子５０とが収容されている。本実施形態では回転電機１０がアウタロータ式であり、ハウジング３０内には、筒状をなす回転子４０の径方向内側に固定子５０が配置されている。回転子４０は、軸方向において端面部３２の側で回転軸１１に片持ち支持されている。
【００４５】
回転子４０は、中空筒状に形成された回転子本体４１と、その回転子本体４１の径方向内側に設けられた環状の磁石部４２とを有している。回転子本体４１は、略カップ状をなし、磁石保持部材としての機能を有する。回転子本体４１は、筒状をなす磁石保持部４３と、同じく筒状をなしかつ磁石保持部４３よりも小径の固定部４４と、それら磁石保持部４３及び固定部４４を繋ぐ部位となる中間部４５とを有している。磁石保持部４３の内周面に磁石部４２が取り付けられている。
【００４６】
固定部４４の貫通孔４４ａには回転軸１１が挿通されており、その挿通状態で回転軸１１に対して固定部４４が固定されている。つまり、固定部４４により、回転軸１１に対して回転子本体４１が固定されている。なお、固定部４４は、凹凸を利用したスプライン結合やキー結合、溶接、又はかしめ等により回転軸１１に対して固定されているとよい。これにより、回転子４０が回転軸１１と一体に回転する。
【００４７】
また、固定部４４の径方向外側には、軸受部２０の軸受２１，２２が組み付けられている。上述のとおり軸受部２０はハウジング３０の端面部３２に固定されているため、回転軸１１及び回転子４０は、ハウジング３０に回転可能に支持されるものとなっている。これにより、ハウジング３０内において回転子４０が回転自在となっている。
【００４８】
回転子４０には、軸方向両側のうち片側にのみ固定部４４が設けられており、これにより、回転子４０が回転軸１１に片持ち支持されている。ここで、回転子４０の固定部４４は、軸受部２０の軸受２１，２２により、軸方向に異なる２位置で回転可能に支持されている。すなわち、回転子４０は、回転子本体４１における軸方向の両側端部のうち一方の側において、軸方向２箇所の軸受２１，２２により回転可能に支持されている。そのため、回転子４０が回転軸１１に片持ち支持される構造であっても、回転子４０の安定回転が実現されるようになっている。この場合、回転子４０の軸方向中心位置に対して片側にずれた位置で、回転子４０が軸受２１，２２により支持されている。
【００４９】
また、軸受部２０において回転子４０の中心寄り（図の下側）の軸受２２と、その逆側（図の上側）の軸受２１とは、外輪２５及び内輪２６と玉２７との間の隙間寸法が相違しており、例えば回転子４０の中心寄りの軸受２２の方が、その逆側の軸受２１よりも隙間寸法が大きいものとなっている。この場合、回転子４０の中心寄りの側において、回転子４０の振れや、部品公差に起因するインバランスによる振動が軸受部２０に作用しても、その振れや振動の影響が良好に吸収される。具体的には、回転子４０の中心寄り（図の下側）の軸受２２において予圧により遊び寸法（隙間寸法）を大きくしていることで、片持ち構造において生じる振動がその遊び部分により吸収される。前記予圧は、定位置予圧でもよいが、軸受２２の軸方向外側（図の上側）の段差に予圧用バネ、ウェーブワッシャ等を挿入することで与えてもよい。
【００５０】
また、中間部４５は、径方向中心側とその外側とで軸方向の段差を有する構成となっている。この場合、中間部４５において、径方向の内側端部と外側端部とは、軸方向の位置が相違しており、これにより、軸方向において磁石保持部４３と固定部４４とが一部重複している。つまり、固定部４４の基端部（図の下側の奥側端部）よりも軸方向外側に、磁石保持部４３が突出するものとなっている。本構成では、中間部４５が段差無しで平板状に設けられる場合に比べて、回転子４０の重心近くの位置で、回転軸１１に対して回転子４０を支持させることが可能となり、回転子４０の安定動作が実現できるものとなっている。
【００５１】
上述した中間部４５の構成によれば、回転子４０には、径方向において固定部４４を囲みかつ中間部４５の内寄りとなる位置に、軸受部２０の一部を収容する軸受収容凹部４６が環状に形成されるとともに、径方向において軸受収容凹部４６を囲みかつ中間部４５の外寄りとなる位置に、後述する固定子５０の固定子巻線５１のコイルエンド部５４を収容するコイル収容凹部４７が形成されている。そして、これら各収容凹部４６，４７が、径方向の内外で隣り合うように配置されるようになっている。つまり、軸受部２０の一部と、固定子巻線５１のコイルエンド部５４とが径方向内外に重複するように配置されている。これにより、回転電機１０において軸方向の長さ寸法の短縮が可能となっている。
【００５２】
コイルエンド部５４は、径方向の内側又は外側に曲げられることで、そのコイルエンド部５４の軸方向寸法を小さくすることができ、固定子軸長を短縮することが可能である。コイルエンド部５４の曲げ方向は、回転子４０との組み付けを考慮したものであるとよい。回転子４０の径方向内側に固定子５０を組み付けることを想定すると、その回転子４０に対する挿入先端側では、コイルエンド部５４が径方向内側に曲げられるとよい。その逆側の曲げ方向は任意でよいが、空間的に余裕のある外径側が製造上好ましい。
【００５３】
また、磁石部４２は、磁石保持部４３の径方向内側において、周方向に沿って磁極が交互に変わるように配置された複数の磁石により構成されている。ただし、磁石部４２の詳細については後述する。
【００５４】
固定子５０は、回転子４０の径方向内側に設けられている。固定子５０は、略筒状に巻回形成された固定子巻線５１と、その径方向内側に配置された固定子コア５２とを有しており、固定子巻線５１が、所定のエアギャップを挟んで円環状の磁石部４２に対向するように配置されている。固定子巻線５１は複数の相巻線よりなる。それら各相巻線は、周方向に配列された複数の導線が所定ピッチで互いに接続されることで構成されている。本実施形態では、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の３相巻線と、Ｘ相、Ｙ相及びＺ相の３相巻線とを用い、それら３相２組の相巻線を用いることで、固定子巻線５１が６相の相巻線として構成されている。
【００５５】
固定子コア５２は、軟磁性体からなる積層鋼板により円環状に形成されており、固定子巻線５１の径方向内側に組み付けられている。
【００５６】
固定子巻線５１は、軸方向において固定子コア５２に重複する部分であり、かつ固定子コア５２の径方向外側となるコイルサイド部５３と、軸方向において固定子コア５２の一端側及び他端側にそれぞれ張り出すコイルエンド部５４，５５とを有している。コイルサイド部５３は、径方向において固定子コア５２と回転子４０の磁石部４２にそれぞれ対向している。回転子４０の内側に固定子５０が配置された状態では、軸方向両側のコイルエンド部５４，５５のうち軸受部２０の側（図の上側）となるコイルエンド部５４が、回転子４０の回転子本体４１により形成されたコイル収容凹部４７に収容されている。ただし、固定子５０の詳細については後述する。
【００５７】
インバータユニット６０は、ハウジング３０に対してボルト等の締結具により固定されるユニットベース６１と、そのユニットベース６１に組み付けられる電気コンポーネント６２とを有している。ユニットベース６１は、ハウジング３０の開口部３３側の端部に対して固定されるエンドプレート部６３と、そのエンドプレート部６３に一体に設けられ、軸方向に延びるケーシング部６４とを有している。エンドプレート部６３は、その中心部に円形の開口部６５を有しており、開口部６５の周縁部から起立するようにしてケーシング部６４が形成されている。
【００５８】
ケーシング部６４の外周面には固定子５０が組み付けられている。つまり、ケーシング部６４の外径寸法は、固定子コア５２の内径寸法と同じか、又は固定子コア５２の内径寸法よりも僅かに小さい寸法になっている。ケーシング部６４の外側に固定子コア５２が組み付けられることで、固定子５０とユニットベース６１とが一体化されている。また、ユニットベース６１がハウジング３０に固定されることからすると、ケーシング部６４に固定子コア５２が組み付けられた状態では、固定子５０がハウジング３０に対して一体化された状態となっている。
【００５９】
また、ケーシング部６４の径方向内側は、電気コンポーネント６２を収容する収容空間となっており、その収容空間には、回転軸１１を囲むようにして電気コンポーネント６２が配置されている。ケーシング部６４は、収容空間形成部としての役目を有している。電気コンポーネント６２は、インバータ回路を構成する半導体モジュール６６や、制御基板６７、コンデンサモジュール６８を具備する構成となっている。
【００６０】
ここで、上記図１〜図５に加え、インバータユニット６０の分解図である図６を用いて、インバータユニット６０の構成をさらに説明する。
【００６１】
ユニットベース６１において、ケーシング部６４は、筒状部７１と、その筒状部７１の軸方向両端部のうち一方の端部（軸受部２０側の端部）に設けられた端面部７２とを有している。筒状部７１の軸方向両端部のうち端面部７２の反対側は、エンドプレート部６３の開口部６５を通じて全面的に開放されている。端面部７２には、その中央に円形の孔７３が形成されており、その孔７３に回転軸１１が挿通可能となっている。
【００６２】
ケーシング部６４の筒状部７１は、その径方向外側に配置される回転子４０及び固定子５０と、その径方向内側に配置される電気コンポーネント６２との間を仕切る仕切り部となっており、筒状部７１を挟んで径方向内外に、回転子４０及び固定子５０と電気コンポーネント６２とが並ぶようにそれぞれ配置されている。
【００６３】
また、電気コンポーネント６２は、インバータ回路を構成する電気部品であり、固定子巻線５１の各相巻線に対して所定順序で電流を流して回転子４０を回転させる力行機能と、回転軸１１の回転に伴い固定子巻線５１に流れる３相交流電流を入力し、発電電力として外部に出力する発電機能とを有している。なお、電気コンポーネント６２は、力行機能と発電機能とのうちいずれか一方のみを有するものであってもよい。発電機能は、例えば回転電機１０が車両用動力源として用いられる場合、回生電力として外部に出力する回生機能である。
【００６４】
電気コンポーネント６２の具体的な構成として、回転軸１１の周りには、中空円筒状をなすコンデンサモジュール６８が設けられており、そのコンデンサモジュール６８の外周面上に、複数の半導体モジュール６６が周方向に並べて配置されている。コンデンサモジュール６８は、互いに並列接続された平滑用のコンデンサ６８ａを複数備えている。具体的には、コンデンサ６８ａは、複数枚のフィルムコンデンサが積層されてなる積層型フィルムコンデンサであり、横断面が台形状をなしている。コンデンサモジュール６８は、１２個のコンデンサ６８ａが環状に並べて配置されることで構成されている。
【００６５】
なお、コンデンサ６８ａの製造過程においては、例えば、複数のフィルムが積層されてなる所定幅の長尺フィルムを用い、フィルム幅方向を台形高さ方向とし、かつ台形の上底と下底とが交互になるように長尺フィルムが等脚台形状に切断されることにより、コンデンサ素子が作られる。そして、そのコンデンサ素子に電極等を取り付けることでコンデンサ６８ａが作製される。
【００６６】
半導体モジュール６６は、例えばＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子を有し、略板状に形成されている。本実施形態では、回転電機１０が２組の３相巻線を備えており、その３相巻線ごとにインバータ回路が設けられていることから、計１２個の半導体モジュール６６が電気コンポーネント６２に設けられている。
【００６７】
半導体モジュール６６は、ケーシング部６４の筒状部７１とコンデンサモジュール６８との間に挟まれた状態で配置されている。半導体モジュール６６の外周面は筒状部７１の内周面に当接し、半導体モジュール６６の内周面はコンデンサモジュール６８の外周面に当接している。この場合、半導体モジュール６６で生じた熱は、ケーシング部６４を介してエンドプレート部６３に伝わり、エンドプレート部６３から放出される。
【００６８】
半導体モジュール６６は、外周面側、すなわち径方向において半導体モジュール６６と筒状部７１との間にスペーサ６９を有しているとよい。この場合、コンデンサモジュール６８では軸方向に直交する横断面の断面形状が正１２角形である一方、筒状部７１の内周面の横断面形状が円形であるため、スペーサ６９は、内周面が平坦面、外周面が曲面となっている。スペーサ６９は、各半導体モジュール６６の径方向外側において円環状に連なるように一体に設けられていてもよい。なお、筒状部７１の内周面の横断面形状をコンデンサモジュール６８と同じ１２角形にすることも可能である。この場合、スペーサ６９の内周面及び外周面がいずれも平坦面であるとよい。
【００６９】
また、本実施形態では、ケーシング部６４の筒状部７１に、冷却水を流通させる冷却水通路７４が形成されており、半導体モジュール６６で生じた熱は、冷却水通路７４を流れる冷却水に対しても放出される。つまり、ケーシング部６４は水冷機構を備えている。図３や図４に示すように、冷却水通路７４は、電気コンポーネント６２（半導体モジュール６６及びコンデンサモジュール６８）を囲むように環状に形成されている。半導体モジュール６６は筒状部７１の内周面に沿って配置されており、その半導体モジュール６６に対して径方向内外に重なる位置に冷却水通路７４が設けられている。
【００７０】
筒状部７１の外側には固定子５０が配置され、内側には電気コンポーネント６２が配置されていることから、筒状部７１に対しては、その外側から固定子５０の熱が伝わるとともに、内側から半導体モジュール６６の熱が伝わることになる。この場合、固定子５０と半導体モジュール６６とを同時に冷やすことが可能となっており、回転電機１０における発熱部材の熱を効率良く放出することができる。
【００７１】
また、電気コンポーネント６２は、軸方向において、コンデンサモジュール６８の一方の端面に設けられた絶縁シート７５と、他方の端面に設けられた配線モジュール７６とを備えている。この場合、コンデンサモジュール６８の軸方向両端面のうち一方の端面（軸受部２０側の端面）は、ケーシング部６４の端面部７２に対向しており、絶縁シート７５を挟んだ状態で端面部７２に重ね合わされている。また、他方の端面（開口部６５側の端面）には、配線モジュール７６が組み付けられている。
【００７２】
配線モジュール７６は、合成樹脂材よりなり円形板状をなす本体部７６ａと、その内部に埋設された複数のバスバー７６ｂ，７６ｃを有しており、そのバスバー７６ｂ，７６ｃにより、半導体モジュール６６やコンデンサモジュール６８と電気的接続がなされている。具体的には、半導体モジュール６６は、その軸方向端面から延びる接続ピン６６ａを有しており、その接続ピン６６ａが、本体部７６ａの径方向外側においてバスバー７６ｂに接続されている。また、バスバー７６ｃは、本体部７６ａの径方向外側においてコンデンサモジュール６８とは反対側に延びており、その先端部にて配線部材７９に接続されるようになっている（図２参照）。
【００７３】
上記のとおりコンデンサモジュール６８の軸方向両側に絶縁シート７５と配線モジュール７６とがそれぞれ設けられた構成によれば、コンデンサモジュール６８の放熱経路として、コンデンサモジュール６８の軸方向両端面から端面部７２及び筒状部７１に至る経路が形成される。これにより、コンデンサモジュール６８において半導体モジュール６６が設けられた外周面以外の端面部からの放熱が可能になっている。つまり、径方向への放熱だけでなく、軸方向への放熱も可能となっている。
【００７４】
また、コンデンサモジュール６８は中空円筒状をなし、その内周部には所定の隙間を介在させて回転軸１１が配置されることから、コンデンサモジュール６８の熱はその中空部からも放出可能となっている。この場合、回転軸１１の回転により空気の流れが生じることにより、その冷却効果が高められるようになっている。
【００７５】
配線モジュール７６には、円板状の制御基板６７が取り付けられている。制御基板６７は、所定の配線パターンが形成されたプリントサーキットボード（ＰＣＢ）を有しており、そのボード上には各種ＩＣや、マイコン等からなる制御装置７７が実装されている。制御基板６７は、ネジ等の固定具により配線モジュール７６に固定されている。制御基板６７は、その中央部に、回転軸１１を挿通させる挿通孔６７ａを有している。
【００７６】
なお、配線モジュール７６の軸方向両側のうちコンデンサモジュール６８の反対側に制御基板６７が設けられ、その制御基板６７の両面の一方側から他方側に配線モジュール７６のバスバー７６ｃが延びる構成となっている。かかる構成において、制御基板６７には、バスバー７６ｃとの干渉を回避する切欠が設けられているとよい。例えば、円形状をなす制御基板６７の外縁部の一部が切り欠かれているとよい。
【００７７】
上述のとおり、ケーシング部６４に囲まれた空間内に電気コンポーネント６２が収容され、その外側に、ハウジング３０、回転子４０及び固定子５０が層状に設けられている構成によれば、インバータ回路で生じる電磁ノイズが好適にシールドされるようになっている。すなわち、インバータ回路では、所定のキャリア周波数によるＰＷＭ制御を利用して各半導体モジュール６６でのスイッチング制御が行われ、そのスイッチング制御により電磁ノイズが生じることが考えられるが、その電磁ノイズを、電気コンポーネント６２の径方向外側のハウジング３０、回転子４０、固定子５０等により好適にシールドできる。
【００７８】
筒状部７１においてエンドプレート部６３の付近には、その外側の固定子５０と内側の電気コンポーネント６２とを電気的に接続する配線部材７９（図２参照）を挿通させる貫通孔７８が形成されている。図２に示すように、配線部材７９は、圧着、溶接などにより、固定子巻線５１の端部と配線モジュール７６のバスバー７６ｃとにそれぞれ接続されている。配線部材７９は、例えばバスバーであり、その接合面は平たく潰されていることが望ましい。貫通孔７８は、１カ所又は複数箇所に設けられているとよく、本実施形態では２カ所に貫通孔７８が設けられている。２カ所に貫通孔７８が設けられる構成では、２組の３相巻線から延びる巻線端子を、それぞれ配線部材７９により容易に結線することが可能となり、多相結線を行う上で好適なものとなっている。
【００７９】
上述のとおりハウジング３０内には、図４に示すように径方向外側から順に回転子４０、固定子５０が設けられ、固定子５０の径方向内側にインバータユニット６０が設けられている。ここで、ハウジング３０の内周面の半径をｄとした場合に、回転中心からｄ×０．７０５の距離よりも径方向外側に回転子４０と固定子５０とが配置されている。この場合、回転子４０及び固定子５０のうち径方向内側の固定子５０の内周面（すなわち固定子コア５２の内周面）から径方向内側となる領域を第１領域Ｘ１、径方向において固定子５０の内周面からハウジング３０までの間の領域を第２領域Ｘ２とすると、第１領域Ｘ１の横断面の面積は、第２領域Ｘ２の横断面の面積よりも大きい構成となっている。また、軸方向において回転子４０の磁石部４２及び固定子巻線５１が重複する範囲で見て、第１領域Ｘ１の容積が第２領域Ｘ２の容積よりも大きい構成となっている。
【００８０】
なお、回転子４０及び固定子５０を磁気回路コンポーネントとすると、ハウジング３０内において、その磁気回路コンポーネントの内周面から径方向内側となる第１領域Ｘ１が、径方向において磁気回路コンポーネントの内周面からハウジング３０までの間の第２領域Ｘ２よりも容積が大きい構成となっている。
【００８１】
次いで、回転子４０及び固定子５０の構成をより詳しく説明する。
【００８２】
一般に、回転電機における固定子の構成として、積層鋼板よりなりかつ円環状をなす固定子コアに周方向に複数のスロットを設け、そのスロット内に固定子巻線を巻装するものが知られている。具体的には、固定子コアは、ヨーク部から所定間隔で径方向に延びる複数のティースを有しており、周方向に隣り合うティース間にスロットが形成されている。そして、スロット内に、例えば径方向に複数層の導線が収容され、その導線により固定子巻線が構成されている。
【００８３】
ただし、上述した固定子構造では、固定子巻線の通電時において、固定子巻線の起磁力が増加するのに伴い固定子コアのティース部分で磁気飽和が生じ、それに起因して回転電機のトルク密度が制限されることが考えられる。つまり、固定子コアにおいて、固定子巻線の通電により生じた回転磁束がティースに集中することで、磁気飽和が生じると考えられる。
【００８４】
また、一般的に、回転電機におけるＩＰＭロータの構成として、永久磁石がｄ軸に配置され、ｑ軸にロータコアが配置されたものが知られている。このような場合、フレミングの法則によりｄ軸近傍の固定子巻線が励磁されることで、フレミングの法則により固定子から回転子のｑ軸に磁束が流入される。そしてこれにより、回転子のｑ軸コア部分に、広範囲の磁気飽和が生じると考えられる。
【００８５】
図７は、固定子巻線の起磁力を示すアンペアターン［ＡＴ］とトルク密度［Ｎｍ／Ｌ］との関係を示すトルク線図である。破線が一般的なＩＰＭロータ型の回転電機における特性を示す。図７に示すように、一般的な回転電機では、固定子において起磁力を増加させていくことにより、スロット間のティース部分及びｑ軸コア部分の２カ所で磁気飽和が生じ、それが原因でトルクの増加が制限されてしまう。このように、当該一般的な回転電機では、アンペアターン設計値がＸ１で制限されることになる。
【００８６】
そこで本実施形態では、磁気飽和に起因するトルク制限を解消すべく、回転電機１０において、以下に示す構成を付与するものとしている。すなわち、第１の工夫として、固定子において固定子コアのティースで生じる磁気飽和をなくすべく、固定子５０においてスロットレス構造を採用し、かつＩＰＭロータのｑ軸コア部分で生じる磁気飽和をなくすべく、ＳＰＭロータを採用している。第１の工夫によれば、磁気飽和が生じる上記２カ所の部分をなくすことができるが、低電流域でのトルクが減少することが考えられる（図７の一点鎖線参照）。そのため、第２の工夫として、ＳＰＭロータの磁束増強を図ることでトルク減少を挽回すべく、回転子４０の磁石部４２において磁石磁路を長くして磁力を高めた極異方構造を採用している。
【００８７】
また、第３の工夫として、固定子巻線５１のコイルサイド部５３において導線の径方向厚さを小さくした扁平導線構造を採用してトルク減少の挽回を図っている。ここで、上述の磁力を高めた極異方構造によって、対向する固定子巻線５１には、より大きな渦電流が発生することが考えられる。しかしながら、第３の工夫によれば、径方向に薄い扁平導線構造のため、固定子巻線５１における径方向の渦電流の発生を抑制することができる。このように、これら第１〜第３の各構成によれば、図７に実線で示すように、磁力の高い磁石を採用してトルク特性の大幅な改善を見込みつつも、磁力の高い磁石ゆえに生じ得る大きい渦電流発生の懸念も改善できるものとなっている。
【００８８】
さらに、第４の工夫として、極異方構造を利用し正弦波に近い磁束密度分布を有する磁石部を採用している。これによれば、後述するパルス制御等によって正弦波整合率を高めてトルク増強を図ることができるとともに、ラジアル磁石と比べ緩やかな磁束変化のため渦電流損もまた更に抑制することができるのである。
【００８９】
また、第５の工夫として、固定子巻線５１を複数の素線を寄せ集めて撚った素線導体構造としている。これによれば、基本波成分は集電されて大電流が流せるとともに、扁平導線構造で周方向に広がった導線で発生する周方向に起因する渦電流の発生を、素線それぞれの断面積が小さくなるため、第３の工夫による径方向に薄くする以上に効果的に抑制することができる。そして、複数の素線が撚り合っていることで、導体からの起磁力に対しては、電流通電方向に対して右ネジの法則で発生する磁束に対する渦電流を相殺することができる。
【００９０】
このように、第４の工夫、第５の工夫をさらに加えると、第２の工夫である磁力の高い磁石を採用しながら、さらにその高い磁力に起因する渦電流損を抑制しながらトルク増強を図ることができる。
【００９１】
以下に、上述した固定子５０のスロットレス構造、固定子巻線５１の扁平導線構造、及び磁石部４２の極異方構造について個別に説明を加える。ここではまずは、固定子５０におけるスロットレス構造と固定子巻線５１の扁平導線構造とを説明する。図８は、回転子４０及び固定子５０の横断面図であり、図９は、図８に示す回転子４０及び固定子５０の一部を拡大して示す図である。図１０は、固定子５０の横断面を示す断面図であり、図１１は、固定子５０の縦断面を示す断面図である。また、図１２は、固定子巻線５１の斜視図である。なお、図８及び図９には、磁石部４２における磁石の磁化方向を矢印にて示している。
【００９２】
図８乃至図１１に示すように、固定子コア５２は、軸方向に複数の電磁鋼板が積層され、かつ径方向に所定の厚さを有する円筒状をなしており、その径方向外側に固定子巻線５１が組み付けられるものとなっている。固定子コア５２の外周面が導線設置部となっている。固定子コア５２の外周面は凹凸のない曲面状をなしており、その外周面において周方向に並べて複数の導線群８１が配置されている。固定子コア５２は、回転子４０を回転させるための磁気回路の一部となるバックヨークとして機能する。この場合、周方向に隣り合う各導線群８１の間には、軟磁性体からなるティース（つまり、鉄心）が設けられていない構成（つまり、スロットレス構造）となっている。本実施形態において、それら各導線群８１の間隙５６には、封止部５７の樹脂材料が入り込む構造となっている。つまり、封止部５７の封止前の状態で言えば、固定子コア５２の径方向外側には、それぞれ導線間領域である間隙５６を隔てて周方向に所定間隔で導線群８１が配置されており、これによりスロットレス構造の固定子５０が構築されている。
【００９３】
なお、周方向に並ぶ各導線群８１の間においてティースが設けられている構成とは、ティースが、径方向に所定厚さを有し、かつ周方向に所定幅を有することで、各導線群８１の間に磁気回路の一部、すなわち磁石磁路を形成する構成であると言える。この点において、各導線群８１の間にティースが設けられていない構成とは、上記の磁気回路の形成がなされていない構成であると言える。
【００９４】
図１０及び図１１に示すように、固定子巻線５１は、封止材としての合成樹脂材からなる封止部５７により封止されている。図１０の横断面で見れば、封止部５７は、各導線群８１の間、すなわち間隙５６に合成樹脂材が充填されて設けられており、封止部５７により、各導線群８１の間に絶縁部材が介在する構成となっている。つまり、間隙５６において封止部５７が絶縁部材として機能する。封止部５７は、固定子コア５２の径方向外側において、各導線群８１を全て含む範囲、すなわち径方向の厚さ寸法が各導線群８１の径方向の厚さ寸法よりも大きくなる範囲で設けられている。
【００９５】
また、図１１の縦断面で見れば、封止部５７は、固定子巻線５１のターン部８４を含む範囲で設けられている。固定子巻線５１の径方向内側では、固定子コア５２の端面の少なくとも一部を含む範囲で封止部５７が設けられている。この場合、固定子巻線５１は、各相の相巻線の端部、すなわちインバータ回路との接続端子を除く略全体で樹脂封止されている。
【００９６】
封止部５７が固定子コア５２の端面を含む範囲で設けられた構成では、封止部５７により、固定子コア５２の積層鋼板を軸方向内側に押さえ付けることができる。これにより、封止部５７を用いて、各鋼板の積層状態を保持することができる。なお、本実施形態では、固定子コア５２の内周面を樹脂封止していないが、これに代えて、固定子コア５２の内周面を含む固定子コア５２の全体を樹脂封止する構成であってもよい。
【００９７】
回転電機１０が車両動力源として使用される場合には、封止部５７が、高耐熱のフッ素樹脂や、エポキシ樹脂、ＰＰＳ樹脂、ＰＥＥＫ樹脂、ＬＣＰ樹脂、シリコン樹脂、ＰＡＩ樹脂、ＰＩ樹脂等により構成されていることが好ましい。また、膨張差による割れ抑制の観点から線膨張係数を考えると、固定子巻線５１の導線の外被膜と同じ材質であることが望ましい。すなわち、線膨張係数が、一般的に他樹脂の倍以上であるシリコン樹脂は望ましくは除外される。なお、電気車両の如く、燃焼を利用した機関を持たない電気製品においては、１８０℃程度の耐熱性を持つＰＰＯ樹脂やフェノール樹脂、ＦＲＰ樹脂も候補となる。回転電機の周囲温度が１００℃未満と見做せる分野においては、この限りではない。
【００９８】
回転電機１０のトルクは磁束の大きさに比例する。ここで、固定子コアがティースを有している場合には、固定子での最大磁束量がティースでの飽和磁束密度に依存して制限されるが、固定子コアがティースを有していない場合には、固定子での最大磁束量が制限されない。そのため、固定子巻線５１に対する通電電流を増加して回転電機１０のトルク増加を図る上で、有利な構成となっている。
【００９９】
固定子コア５２の径方向外側における各導線群８１は、断面が扁平矩形状をなす複数の導線８２が径方向に並べて配置されて構成されている。各導線８２は、横断面において「径方向寸法＜周方向寸法」となる向きで配置されている。これにより、各導線群８１において径方向の薄肉化が図られている。また、径方向の薄肉化を図るとともに、導体領域が、ティースが従来あった領域まで平らに延び、扁平導線領域構造となっている。これにより、薄肉化により断面積が小さくなることで懸念される導線の発熱量の増加を、周方向に扁平化して導体の断面積を稼ぐことで抑えている。なお、複数の導線を周方向に並べ、かつそれらを並列結線とする構成であっても、導体被膜分の導体断面積低下は起こるものの、同じ理屈に依る効果が得られる。
【０１００】
スロットがないことから、本実施形態における固定子巻線５１では、その周方向の一周における導体領域を、隙間領域より大きく設計することができる。なお、従来の車両用回転電機は、固定子巻線の周方向の一周における導体領域／隙間領域は１以下であるのが当然であった。一方、本実施形態では、導体領域が隙間領域と同等又は導体領域が隙間領域よりも大きくなるようにして、各導線群８１が設けられている。ここで、図１０に示すように、周方向において導線８２（つまり、後述する直線部８３）が配置された導線領域をＷＡ、隣り合う導線８２の間となる導線間領域をＷＢとすると、導線領域ＷＡは、導線間領域ＷＢより周方向において大きいものとなっている。
【０１０１】
回転電機１０のトルクは、導線群８１の径方向の厚さに略反比例する。この点、固定子コア５２の径方向外側において導線群８１の厚さを薄くしたことにより、回転電機１０のトルク増加を図る上で有利な構成となっている。その理由としては、回転子４０の磁石部４２から固定子コア５２までの距離（つまり、鉄の無い部分の距離）を小さくして磁気抵抗を下げることができるためである。これによれば、永久磁石による固定子コア５２の鎖交磁束を大きくすることができ、トルクを増強することができる。
【０１０２】
導線８２は、導体８２ａの表面が絶縁被膜８２ｂにより被覆された被覆導線よりなり、径方向に互いに重なる導線８２同士の間、及び導線８２と固定子コア５２との間においてそれぞれ絶縁性が確保されている。導線８２における絶縁被膜８２ｂの厚さは例えば８０μｍであり、これは一般に使用される導線の被膜厚さ（２０〜４０μｍ）よりも厚肉となっている。これにより、導線８２と固定子コア５２との間に絶縁紙等を介在させることをしなくても、これら両者の間の絶縁性が確保されている。なお、導線８２により構成される各相巻線は、接続のための露出部分を除き、絶縁被膜８２ｂによる絶縁性が保持されるものとなっている。露出部分としては、例えば、入出力端子部や、星形結線とする場合の中性点部分である。導線群８１では、樹脂固着や自己融着被覆線を用いて、径方向に隣り合う各導線８２が相互に固着されている。これにより、導線８２同士が擦れ合うことによる絶縁破壊や、振動、音が抑制される。
【０１０３】
本実施形態では、導体８２ａが複数の素線８６の集合体として構成されており、各導体８２ａにおいて複数の素線８６が並列接続されている。具体的には、図１３に示すように、導体８２ａは、複数の素線８６を撚ることで撚糸状に形成されている。電気抵抗は、一般的に、素線の断面積に反比例する。このため、素線８６の数が多いほど、素線８６の断面積が小さくなり、渦電流の減衰効果が大きくなる。また、図１４に示すように、素線８６は、細い繊維状の導電材８７を束ねた複合体として構成されている。素線８６の表面は、エナメルなどの高分子絶縁層で覆われている。
【０１０４】
素線８６はＣＮＴ（カーボンナノチューブ）繊維の複合体である。ＣＮＴの電気抵抗は、銅線の１／５程度以下が期待できる。本実施形態では、ＣＮＴ繊維として、炭素の少なくとも一部をホウ素で置換したホウ素含有微細繊維を含む繊維が用いられている。ホウ素含有微細繊維は導電性が高いため、導線８２の電気抵抗をいっそう小さくできる。なお、炭素系微細繊維としては、ＣＮＴ繊維以外に、気相成長法炭素繊維（ＶＧＣＦ）等を用いることができるが、ＣＮＴ繊維を用いることが好ましい。
【０１０５】
ＣＮＴ繊維としては、図１５に示すように、炭素系微細繊維における実質的に全ての炭素原子をホウ素、窒素で置換したものが好ましい。また、ホウ素窒素含有微細繊維におけるホウ素と窒素との比率は、原子数比で１：１であることが好ましい。
【０１０６】
ホウ素窒素含有微細繊維は、例えば、炭素系微細繊維を含む繊維状集合体と、ホウ素元素とを混合し、窒素雰囲気下で加熱して炭素系微細繊維の一部をホウ素窒素含有微細繊維に変換する工程と、炭素系微細繊維を含む繊維状集合体とホウ素元素とを混合し、実質的に窒素元素を含まない不活性ガス雰囲気下で加熱して炭素系微細繊維の一部をホウ素含有微細繊維に変換する工程とにより製造することができる。ＣＮＴにおける炭素の置換については、例えば、特許４５７７３８５号公報に開示されている方法で生成すればよい。
【０１０７】
この方法について説明すると、ＣＮＴワイヤとホウ酸とをモル比２：１となるように、加熱用の黒鉛坩堝に入れる。これを、高周波加熱炉により、２０００℃の温度で、アルゴン雰囲気下（２００ｓｃｃｍ,１．０ａｔｍ）において３０分間加熱し、その後、室温まで自然冷却する。この工程で、ＣＮＴワイヤを構成するＣＮＴの一部において、炭素のうちの少なくとも一部がホウ素で置換される。加熱炉よりルツボを取り出し、ＣＮＴワイヤとホウ酸とがモル比５：１となるように、再度ホウ酸を加える。加熱炉により、２０００℃の温度で、窒素雰囲気下（２００ｓｃｃｍ、１．０ａｔｍ）において３０分間加熱する。この工程で、ＣＮＴワイヤを構成するＣＮＴの一部において、図１５に示すように、炭素が窒素とホウ素で置換される。炭素がホウ素及び窒素で置換されたＣＮＴにおいて、六員環を構成する窒素が有する２価の価電子は、窒素の電気陰性度が高いため、自由に動くことができない。その結果、炭素がホウ素及び窒素で置換されたＣＮＴは電気的絶縁性を有する。なお、上記のようにして、一部のＣＮＴにおける炭素がホウ素及び窒素で置換されたワイヤを処理後ＣＮＴワイヤと称し、炭素を置換していないＣＮＴワイヤを未処理ＣＮＴワイヤと称す。図１６（ａ）に示すように、処理後ＣＮＴワイヤ２２２の外層は、炭素がホウ素及び窒素で置換された処理後ＣＮＴ２２４で覆われている。また、処理後ＣＮＴワイヤ２２２の中心部には、炭素がホウ素及び窒素のいずれにも置換されていないＣＮＴ２２３と、炭素の一部がホウ素に置換されたＣＮＴ２２５とが混在している。
【０１０８】
ちなみに、処理後ＣＮＴワイヤとしては、図１６（ａ）に示すように、炭素がホウ素及び窒素のいずれにも置換されていないＣＮＴ２２３と、炭素の一部がホウ素に置換されたＣＮＴ２２４と、炭素がホウ素及び窒素のいずれにも置換されていないＣＮＴ２２３とが混在しているものであってもよい。
【０１０９】
従来は、図１７（ａ）に示すように、太い導体（例えば断面矩形状の角形導線）で固定子巻線が構成されていたため、導体に印加される磁界Ｈに対してループ状の渦電流Ｉｅ１が流れる。導体中は電気伝導率が一様に大きいので渦電流を遮るものがなく、渦電流Ｉｅ１のループの面積が大きくなり、渦電流も大きくなる。これに対し、本実施形態の導体８２ａでは、図１７（ｂ）に示すように、複数の素線８６が撚り合わされて構成されており、各素線８６が絶縁層で覆われているため、素線８６を跨いで渦電流は流れない。このため、渦電流Ｉｅ２のループ面積が小さくなり、渦電流を低減できる。
【０１１０】
また、各素線８６が捻られていることで、図１８（ａ）に示すように、１本の素線８６において磁界の印加方向が互いに逆になる部位が生じる。１本の素線８６を展開すると、図１８（ｂ）に示すように、磁界に起因した逆起電圧が相殺される。そのため、やはり渦電流の低減を図ることができる。特に、素線８６を繊維状の導電材８７により構成することで、細線化することと捻り回数を格段に増やすこととが可能になり、渦電流をより好適に低減することができる。
【０１１１】
図４に示すように、磁石部４２の径方向内側の内周面から、固定子コア５２の径方向外側の外周面までの距離をｇ１とし、磁石部４２の径方向内側の内周面から、固定子巻線５１の径方向外側の外周面までの距離をｇ２とする。「ｇ１−ｇ２」は、固定子巻線５１の径方向の厚さ寸法に相当する。そして、巻線割合ＫをＫ＝（ｇ１−ｇ２）／ｇ１で定義する。ＣＮＴ繊維を用いた構成によれば、図１９に示すように、巻線割合Ｋを６６％以下にできる。図１９は、導体の厚さと巻線割合Ｋとの関係を示す図である。図１９には、縦軸の巻線割合Ｋを百分率で示している。巻線割合Ｋを小さくできるのは、ＣＮＴを用いることにより電気伝導率が飛躍的に増加し、電気装荷の実装密度を高くすることができるためである。その結果、磁石部４２の径方向内側の内周面から固定子コア５２の径方向外側の外周面までの距離を大幅に短縮でき、磁気回路の磁気抵抗を大幅に低減することができる。その結果、例えば、等量の磁束を発生させるのに必要な起磁力が低減でき、回転子の永久磁石の厚さを薄くすることができる。
【０１１２】
なお、図１９は、固定子コア５２の外径が約２００ｍｍのものでの設計事例である。銅線を採用する場合、空隙を占める導体の割合が７５％を下回ることができず、空隙の長さを短縮することが困難である。銅合金は、純銅よりも電気抵抗率が大きい。純銅よりも電気抵抗の小さな銀でも、巻線割合Ｋを７０％未満にできない。例えば、高温超電導という選択も可能であるが、現時点での動作可能温度はまだ室温には程遠く、特に自動車の車載用には使えないものである。ＣＮＴであれば室温環境下でも低抵抗を維持できるため、磁石部４２の径方向内側の内周面から固定子コア５２の径方向外側の外周面までの距離を短縮するのに効果的である。
【０１１３】
上述のとおり導線８２は、断面が扁平矩形状をなし、径方向に複数並べて配置されるものとなっており、例えば複数の素線８６を撚った状態で集合させ、その状態で合成樹脂等により所望の形状に固めて成形するとよい。
【０１１４】
各導線８２は、周方向に所定の配置パターンで配置されるように折り曲げ形成されており、これにより、固定子巻線５１として相ごとの相巻線が形成されている。図１２に示すように、固定子巻線５１では、各導線８２のうち軸方向に直線状に延びる直線部８３によりコイルサイド部５３が形成され、軸方向においてコイルサイド部５３よりも両外側に突出するターン部８４によりコイルエンド部５４，５５が形成されている。各導線８２は、直線部８３とターン部８４とが交互に繰り返されることにより、波巻状の一連の導線として構成されている。直線部８３は、磁石部４２に対して径方向に対向する位置に配置されており、磁石部４２の軸方向外側となる位置において所定間隔を隔てて配置される同相の直線部８３同士が、ターン部８４により互いに接続されている。なお、直線部８３が「磁石対向部」に相当する。
【０１１５】
本実施形態では、固定子巻線５１が分布巻きにより円環状に巻回形成されている。この場合、コイルサイド部５３では、相ごとに、磁石部４２の１極対に対応するピッチで周方向に直線部８３が配置され、コイルエンド部５４，５５では、相ごとの各直線部８３が、略Ｖ字状に形成されたターン部８４により互いに接続されている。１極対に対応して対となる各直線部８３は、それぞれ電流の向きが互いに逆になるものとなっている。また、一方のコイルエンド部５４と他方のコイルエンド部５５とでは、ターン部８４により接続される一対の直線部８３の組み合わせがそれぞれ相違しており、そのコイルエンド部５４，５５での接続が周方向に繰り返されることにより、固定子巻線５１が略円筒状に形成されている。
【０１１６】
より具体的には、固定子巻線５１は、各相２対ずつの導線８２を用いて相ごとの巻線を構成しており、固定子巻線５１のうち一方の３相巻線（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）と他方の３相巻線（Ｘ相、Ｙ相、Ｚ相）とが径方向内外の２層に設けられるものとなっている。巻線の相数をＳ、導線８２の対数をｍとすれば、極対ごとに２×Ｓ×ｍ＝２Ｓｍ個の導線群８１が形成されることになる。本実施形態では、相数Ｓが３、対数ｍが２であり、８極対（１６極）の回転電機であることから、２×３×２×８＝９６の導線群８１が周方向に配置されている。
【０１１７】
図１２に示す固定子巻線５１では、コイルサイド部５３において、径方向内外の２層で直線部８３が重ねて配置されるとともに、コイルエンド部５４，５５において、径方向内外に重なる各直線部８３から、互いに周方向逆となる向きでターン部８４が周方向に延びる構成となっている。つまり、径方向に隣り合う各導線８２では、コイル端となる部分を除き、ターン部８４の向きが互いに逆となっている。
【０１１８】
ここで、固定子巻線５１における導線８２の巻回構造を具体的に説明する。本実施形態では、波巻にて形成された複数の導線８２を、径方向内外に複数層（例えば２層）に重ねて設ける構成としている。図２０は、ｎ層目における各導線８２の形態を示す図であり、（ａ）には、固定子巻線５１の側方から見た導線８２の形状を示し、（ｂ）には、固定子巻線５１の軸方向一側から見た導線８２の形状を示している。なお、図２０では、導線群８１が配置される位置をそれぞれＤ１，Ｄ２，Ｄ３，…と示している。また、説明の便宜上、３本の導線８２のみを示しており、それを第１導線８２＿Ａ、第２導線８２＿Ｂ、第３導線８２＿Ｃとしている。
【０１１９】
各導線８２＿Ａ〜８２＿Ｃでは、直線部８３が、いずれもｎ層目の位置、すなわち径方向において同じ位置に配置され、周方向に６位置（３×ｍ対分）ずつ離れた直線部８３同士がターン部８４により互いに接続されている。換言すると、各導線８２＿Ａ〜８２＿Ｃでは、いずれも回転子４０の軸心を中心とする同一のピッチ円上において、５個おきの直線部８３がターン部８４により互いに接続されている。例えば第１導線８２＿Ａでは、一対の直線部８３がＤ１，Ｄ７にそれぞれ配置され、その一対の直線部８３同士が、逆Ｖ字状のターン部８４により接続されている。また、他の導線８２＿Ｂ，８２＿Ｃは、同じｎ層目において周方向の位置を１つずつずらしてそれぞれ配置されている。この場合、各導線８２＿Ａ〜８２＿Ｃは、いずれも同じ層に配置されるため、ターン部８４が互いに干渉することが考えられる。そのため本実施形態では、各導線８２＿Ａ〜８２＿Ｃのターン部８４に、その一部を径方向にオフセットした干渉回避部を形成することとしている。
【０１２０】
具体的には、各導線８２＿Ａ〜８２＿Ｃのターン部８４は、同一のピッチ円上で周方向に延びる部分である傾斜部８４ａと、傾斜部８４ａからその同一のピッチ円よりも径方向内側（図２０（ｂ）において上側）にシフトし、別のピッチ円上で周方向に延びる部分である頂部８４ｂ、傾斜部８４ｃ及び戻り部８４ｄとを有している。頂部８４ｂ、傾斜部８４ｃ及び戻り部８４ｄが干渉回避部に相当する。なお、傾斜部８４ｃは、傾斜部８４ａに対して径方向外側にシフトする構成であってもよい。
【０１２１】
つまり、各導線８２＿Ａ〜８２＿Ｃのターン部８４は、周方向の中央位置である頂部８４ｂを挟んでその両側に、一方側の傾斜部８４ａと他方側の傾斜部８４ｃとを有しており、それら各傾斜部８４ａ，８４ｃの径方向の位置（図２０（ａ）では紙面前後方向の位置、図２０（ｂ）では上下方向の位置）が互いに相違するものとなっている。例えば第１導線８２＿Ａのターン部８４は、ｎ層のＤ１位置を始点位置として周方向に沿って延び、周方向の中央位置である頂部８４ｂで径方向（例えば径方向内側）に曲がった後、周方向に再度曲がることで、再び周方向に沿って延び、さらに戻り部８４ｄで再び径方向（例えば径方向外側）に曲がることで、終点位置であるｎ層のＤ９位置に達する構成となっている。
【０１２２】
上記構成によれば、導線８２＿Ａ〜８２＿Ｃでは、一方の各傾斜部８４ａが、上から第１導線８２＿Ａ→第２導線８２＿Ｂ→第３導線８２＿Ｃの順に上下に並ぶとともに、頂部８４ｂで各導線８２＿Ａ〜８２＿Ｃの上下が入れ替わり、他方の各傾斜部８４ｃが、上から第３導線８２＿Ｃ→第２導線８２＿Ｂ→第１導線８２＿Ａの順に上下に並ぶ構成となっている。そのため、各導線８２＿Ａ〜８２＿Ｃが互いに干渉することなく周方向に配置できるようになっている。
【０１２３】
ここで、複数の導線８２を径方向に重ねて導線群８１とする構成において、複数層の各直線部８３のうち径方向内側の直線部８３に接続されたターン部８４と、径方向外側の直線部８３に接続されたターン部８４とが、それら各直線部８３よりも径方向に離して配置されているとよい。また、ターン部８４の端部、すなわち直線部８３との境界部付近で、複数層の導線８２が径方向の同じ側に曲げられる場合に、その隣り合う層の導線８２同士の干渉により絶縁性が損なわれることが生じないようにするとよい。
【０１２４】
例えば図２０のＤ７〜Ｄ９では、径方向に重なる各導線８２が、ターン部８４の戻り部８４ｄでそれぞれ径方向に曲げられる。この場合、図２１に示すように、ｎ層目の導線８２とｎ＋１層目の導線８２とで、曲がり部の曲げアールを相違させるとよい。具体的には、径方向内側（ｎ層目）の導線８２の曲げアールＲ１を、径方向外側（ｎ＋１層目）の導線８２の曲げアールＲ２よりも小さくする。
【０１２５】
また、ｎ層目の導線８２とｎ＋１層目の導線８２とで、径方向のシフト量を相違させるとよい。具体的には、径方向内側（ｎ層目）の導線８２のシフト量Ｓ１を、径方向外側（ｎ＋１層目）の導線８２のシフト量Ｓ２よりも大きくする。
【０１２６】
上記構成により、径方向に重なる各導線８２が同じ向きに曲げられる場合であっても、各導線８２の相互干渉を好適に回避することができる。これにより、良好な絶縁性が得られることとなる。
【０１２７】
次に、回転子４０における磁石部４２の構造について説明する。本実施形態では、永久磁石として、残留磁束密度Ｂｒ＝１．０［Ｔ］、保磁力ｂＨｃ＝４００［ｋＡ／ｍ］以上のものを想定している。５０００〜１００００［ＡＴ］が相間励磁により掛かるものであるから、１極対で２５［ｍｍ］の永久磁石を使えば、ｂＨｃ＝１００００［Ａ］となり、減磁をしないことが伺える。ここで、本実施形態においては、配向により磁化容易軸をコントロールした永久磁石を利用しているから、その磁石内部の磁気回路長を、従来１．０［Ｔ］以上を出す直線配向磁石の磁気回路長と比べて、長くすることができる。すなわち、１極対あたりの磁気回路長を、少ない磁石量で達成できる他、従来の直線配向磁石を利用した設計と比べ、過酷な高熱条件に曝されても、その可逆減磁範囲を保つことができる。また、本願発明者は、従来技術の磁石を用いても、極異方性磁石と近しい特性を得られる構成を見いだした。
【０１２８】
図８及び図９に示すように、磁石部４２は、円環状をなしており、回転子本体４１の内側（詳しくは磁石保持部４３の径方向内側）に設けられている。磁石部４２は、それぞれ極異方性磁石でありかつ磁極が互いに異なる第１磁石９１及び第２磁石９２を有している。第１磁石９１及び第２磁石９２は周方向に交互に配置されている。第１磁石９１は、回転子４０においてＮ極となる磁石であり、第２磁石９２は、回転子４０においてＳ極となる磁石である。第１磁石９１及び第２磁石９２は、例えばネオジム磁石等の希土類磁石からなる永久磁石である。
【０１２９】
各磁石９１，９２では、それぞれ磁極中心であるｄ軸と磁極境界であるｑ軸との間において磁化方向が円弧状に延びている。各磁石９１，９２それぞれにおいて、ｄ軸側では磁化方向が径方向とされ、ｑ軸側では磁化方向が周方向とされている。磁石部４２では、各磁石９１，９２により、隣接するＮ，Ｓ極間を円弧状に磁束が流れるため、例えばラジアル異方性磁石に比べて磁石磁路が長くなっている。このため、図２２に示すように、磁束密度分布が正弦波に近いものとなる。その結果、図２３に比較例として示すラジアル異方性磁石の磁束密度分布とは異なり、磁極位置に磁束を集中させることができ、回転電機１０のトルクを高めることができる。なお、図２２及び図２３において、横軸は電気角を示し、縦軸は磁束密度を示す。また、図２２及び図２３において、横軸の９０°はｄ軸（すなわち磁極中心）を示し、横軸の０°，１８０°はｑ軸を示す。
【０１３０】
また、磁束密度分布の正弦波整合率は、例えば４０％以上の値とされていればよい。このようにすれば、正弦波整合率が３０％程度であるラジアル配向磁石、パラレル配向磁石を用いる場合に比べ、確実に波形中央部分の磁束量を向上させることができる。また、正弦波整合率を６０％以上とすれば、ハルバッハ配列と呼ばれる磁束集中配列と比べ、確実に波形中央部分の磁束量を向上させることができる。
【０１３１】
図２３に示す比較例では、ｑ軸付近において磁束密度が急峻に変化する。磁束密度の変化が急峻なほど、固定子巻線５１に発生する渦電流が増加してしまう。これに対し、本実施形態では、磁束密度分布が正弦波に近い。このため、ｑ軸付近において、磁束密度の変化が、ラジアル異方性磁石の磁束密度の変化よりも小さい。これにより、渦電流の発生を抑制することができる。
【０１３２】
ところで、磁石部４２では、各磁石９１，９２のｄ軸付近（すなわち磁極中心）において磁極面に直交する向きで磁束が生じ、その磁束は、磁極面から離れるほど、ｄ軸から離れるような円弧状をなす。また、磁極面に直交する磁束ほど、強い磁束となる。この点において、本実施形態の回転電機１０では、上述のとおり各導線群８１を径方向に薄くしたため、導線群８１の径方向の中心位置が磁石部４２の磁極面に近づくことになり、固定子５０において回転子４０から強い磁石磁束を受けることができる。
【０１３３】
また、固定子５０には、固定子巻線５１の径方向内側、すなわち固定子巻線５１を挟んで回転子４０の逆側に円筒状の固定子コア５２が設けられている。そのため、各磁石９１，９２の磁極面から延びる磁束は、固定子コア５２に引きつけられ、固定子コア５２を磁路の一部として用いつつ周回する。この場合、磁石磁束の向き及び経路を適正化することができる。
【０１３４】
次に、回転電機１０を制御する制御システムの構成について説明する。図２４は、回転電機１０の制御システムの電気回路図であり、図２５は、制御装置１１０による制御処理を示す機能ブロック図である。
【０１３５】
図２４では、固定子巻線５１として２組の３相巻線５１ａ，５１ｂが示されており、３相巻線５１ａはＵ相巻線、Ｖ相巻線及びＷ相巻線よりなり、３相巻線５１ｂはＸ相巻線、Ｙ相巻線及びＺ相巻線よりなる。本実施形態では、２組の３相巻線５１ａ，５１ｂが電気角で３０°ずらされて配置されている。３相巻線５１ａ，５１ｂごとに、第１インバータ１０１と第２インバータ１０２とがそれぞれ設けられている。インバータ１０１，１０２は、相巻線の相数と同数の上下アームを有するフルブリッジ回路により構成されており、各アームに設けられたスイッチ（半導体スイッチング素子）のオンオフにより、固定子巻線５１の各相巻線において通電電流が調整される。
【０１３６】
各インバータ１０１，１０２には、直流電源１０３と平滑用のコンデンサ１０４とが並列に接続されている。直流電源１０３は、例えば複数の単電池が直列接続された組電池により構成されている。なお、インバータ１０１，１０２の各スイッチが、図１等に示す半導体モジュール６６に相当し、コンデンサ１０４が、図１等に示すコンデンサモジュール６８に相当する。
【０１３７】
制御装置１１０は、ＣＰＵや各種メモリからなるマイコンを備えており、回転電機１０における各種の検出情報や、力行駆動及び発電の要求に基づいて、インバータ１０１，１０２における各スイッチのオンオフにより通電制御を実施する。制御装置１１０が、図６に示す制御装置７７に相当する。回転電機１０の検出情報には、例えば、レゾルバ等の角度検出器により検出される回転子４０の回転角度（電気角情報）や、電圧センサにより検出される電源電圧（インバータ入力電圧）、電流センサにより検出される各相の通電電流が含まれる。制御装置１１０は、インバータ１０１，１０２の各スイッチを操作する操作信号を生成して出力する。なお、発電の要求は、例えば回転電機１０が車両用動力源として用いられる場合、回生駆動の要求である。
【０１３８】
第１インバータ１０１は、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相からなる３相において上アームスイッチＳｐと下アームスイッチＳｎとの直列接続体をそれぞれ備えている。各相の上アームスイッチＳｐの高電位側端子は直流電源１０３の正極端子に接続され、各相の下アームスイッチＳｎの低電位側端子は直流電源１０３の負極端子（グランド）に接続されている。各相の上アームスイッチＳｐと下アームスイッチＳｎとの間の中間接続点には、それぞれＵ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線の一端が接続されている。これら各相巻線は星形結線（Ｙ結線）されており、各相巻線の他端は中性点にて互いに接続されている。
【０１３９】
第２インバータ１０２は、第１インバータ１０１と同様の構成を有しており、Ｘ相、Ｙ相及びＺ相からなる３相において上アームスイッチＳｐと下アームスイッチＳｎとの直列接続体をそれぞれ備えている。各相の上アームスイッチＳｐの高電位側端子は直流電源１０３の正極端子に接続され、各相の下アームスイッチＳｎの低電位側端子は直流電源１０３の負極端子（グランド）に接続されている。各相の上アームスイッチＳｐと下アームスイッチＳｎとの間の中間接続点には、それぞれＸ相巻線、Ｙ相巻線、Ｚ相巻線の一端が接続されている。これら各相巻線は星形結線（Ｙ結線）されており、各相巻線の他端は中性点で互いに接続されている。
【０１４０】
図２５には、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の各相電流を制御する電流フィードバック制御処理と、Ｘ，Ｙ，Ｚ相の各相電流を制御する電流フィードバック制御処理とが示されている。ここではまず、Ｕ，Ｖ，Ｗ相側の制御処理について説明する。
【０１４１】
図２５において、電流指令値設定部１１１は、トルク−ｄｑマップを用い、回転電機１０に対する力行トルク指令値又は発電トルク指令値や、電気角θを時間微分して得られる電気角速度ωに基づいて、ｄ軸の電流指令値とｑ軸の電流指令値とを設定する。なお、電流指令値設定部１１１は、Ｕ，Ｖ，Ｗ相側及びＸ，Ｙ，Ｚ相側において共通に設けられている。なお、発電トルク指令値は、例えば回転電機１０が車両用動力源として用いられる場合、回生トルク指令値である。
【０１４２】
ｄｑ変換部１１２は、相ごとに設けられた電流センサによる電流検出値（各相電流）を、界磁方向をｄ軸とする直交２次元回転座標系の成分であるｄ軸電流とｑ軸電流とに変換する。
【０１４３】
ｄ軸電流フィードバック制御部１１３は、ｄ軸電流をｄ軸の電流指令値にフィードバック制御するための操作量としてｄ軸の指令電圧を算出する。また、ｑ軸電流フィードバック制御部１１４は、ｑ軸電流をｑ軸の電流指令値にフィードバック制御するための操作量としてｑ軸の指令電圧を算出する。これら各フィードバック制御部１１３，１１４では、ｄ軸電流及びｑ軸電流の電流指令値に対する偏差に基づき、ＰＩフィードバック手法を用いて指令電圧が算出される。
【０１４４】
３相変換部１１５は、ｄ軸及びｑ軸の指令電圧を、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の指令電圧に変換する。なお、上記の各部１１１〜１１５が、ｄｑ変換理論による基本波電流のフィードバック制御を実施するフィードバック制御部であり、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の指令電圧がフィードバック制御値である。
【０１４５】
そして、操作信号生成部１１６は、周知の三角波キャリア比較方式を用い、３相の指令電圧に基づいて、第１インバータ１０１の操作信号を生成する。具体的には、操作信号生成部１１６は、３相の指令電圧を電源電圧で規格化した信号と、三角波信号等のキャリア信号との大小比較に基づくＰＷＭ制御により、各相における上下アームのスイッチ操作信号（デューティ信号）を生成する。
【０１４６】
また、Ｘ，Ｙ，Ｚ相側においても同様の構成を有しており、ｄｑ変換部１２２は、相ごとに設けられた電流センサによる電流検出値（各相電流）を、界磁方向をｄ軸とする直交２次元回転座標系の成分であるｄ軸電流とｑ軸電流とに変換する。
【０１４７】
ｄ軸電流フィードバック制御部１２３はｄ軸の指令電圧を算出し、ｑ軸電流フィードバック制御部１２４はｑ軸の指令電圧を算出する。３相変換部１２５は、ｄ軸及びｑ軸の指令電圧を、Ｘ相、Ｙ相及びＺ相の指令電圧に変換する。そして、操作信号生成部１２６は、３相の指令電圧に基づいて、第２インバータ１０２の操作信号を生成する。具体的には、操作信号生成部１２６は、３相の指令電圧を電源電圧で規格化した信号と、三角波信号等のキャリア信号との大小比較に基づくＰＷＭ制御により、各相における上下アームのスイッチ操作信号（デューティ信号）を生成する。
【０１４８】
ドライバ１１７は、操作信号生成部１１６，１２６にて生成されたスイッチ操作信号に基づいて、各インバータ１０１，１０２における各３相のスイッチＳｐ，Ｓｎをオンオフさせる。
【０１４９】
続いて、トルクフィードバック制御処理について説明する。この処理は、例えば高回転領域及び高出力領域等、各インバータ１０１，１０２の出力電圧が大きくなる運転条件において、主に回転電機１０の高出力化や損失低減の目的で用いられる。制御装置１１０は、回転電機１０の運転条件に基づいて、トルクフィードバック制御処理及び電流フィードバック制御処理のいずれか一方の処理を選択して実行する。
【０１５０】
図２６には、Ｕ，Ｖ，Ｗ相に対応するトルクフィードバック制御処理と、Ｘ，Ｙ，Ｚ相に対応するトルクフィードバック制御処理とが示されている。ここではまず、Ｕ，Ｖ，Ｗ相側の制御処理について説明する。
【０１５１】
電圧振幅算出部１２７は、回転電機１０に対する力行トルク指令値又は発電トルク指令値と、電気角θを時間微分して得られる電気角速度ωとに基づいて、電圧ベクトルの大きさの指令値である電圧振幅指令を算出する。
【０１５２】
トルク推定部１２８ａは、ｄｑ変換部１１２により変換されたｄ軸電流とｑ軸電流とに基づいて、Ｕ，Ｖ，Ｗ相に対応するトルク推定値を算出する。なお、トルク推定部１２８ａは、ｄ軸電流、ｑ軸電流及び電圧振幅指令が関係付けられたマップ情報に基づいて、電圧振幅指令を算出すればよい。
【０１５３】
トルクフィードバック制御部１２９ａは、力行トルク指令値又は発電トルク指令値にトルク推定値をフィードバック制御するための操作量として、電圧ベクトルの位相の指令値である電圧位相指令を算出する。トルクフィードバック制御部１２９ａでは、力行トルク指令値又は発電トルク指令値に対するトルク推定値の偏差に基づき、ＰＩフィードバック手法を用いて電圧位相指令が算出される。
【０１５４】
操作信号生成部１３０ａは、電圧振幅指令、電圧位相指令及び電気角θに基づいて、第１インバータ１０１の操作信号を生成する。具体的には、操作信号生成部１３０ａは、電圧振幅指令、電圧位相指令及び電気角θに基づいて３相の指令電圧を算出し、算出した３相の指令電圧を電源電圧で規格化した信号と、三角波信号等のキャリア信号との大小比較に基づくＰＷＭ制御により、各相における上下アームのスイッチ操作信号を生成する。
【０１５５】
ちなみに、操作信号生成部１３０ａは、電圧振幅指令、電圧位相指令、電気角θ及びスイッチ操作信号が関係付けられたマップ情報であるパルスパターン情報、電圧振幅指令、電圧位相指令並びに電気角θに基づいて、スイッチ操作信号を生成してもよい。
【０１５６】
また、Ｘ，Ｙ，Ｚ相側においても同様の構成を有しており、トルク推定部１２８ｂは、ｄｑ変換部１２２により変換されたｄ軸電流とｑ軸電流とに基づいて、Ｘ，Ｙ，Ｚ相に対応するトルク推定値を算出する。
【０１５７】
トルクフィードバック制御部１２９ｂは、力行トルク指令値又は発電トルク指令値にトルク推定値をフィードバック制御するための操作量として、電圧位相指令を算出する。トルクフィードバック制御部１２９ｂでは、力行トルク指令値又は発電トルク指令値に対するトルク推定値の偏差に基づき、ＰＩフィードバック手法を用いて電圧位相指令が算出される。
【０１５８】
操作信号生成部１３０ｂは、電圧振幅指令、電圧位相指令及び電気角θに基づいて、第２インバータ１０２の操作信号を生成する。具体的には、操作信号生成部１３０ｂは、電圧振幅指令、電圧位相指令及び電気角θに基づいて３相の指令電圧を算出し、算出した３相の指令電圧を電源電圧で規格化した信号と、三角波信号等のキャリア信号との大小比較に基づくＰＷＭ制御により、各相における上下アームのスイッチ操作信号を生成する。ドライバ１１７は、操作信号生成部１３０ａ，１３０ｂにて生成されたスイッチ操作信号に基づいて、各インバータ１０１，１０２における各３相のスイッチＳｐ，Ｓｎをオンオフさせる。
【０１５９】
ちなみに、操作信号生成部１３０ｂは、電圧振幅指令、電圧位相指令、電気角θ及びスイッチ操作信号が関係付けられたマップ情報であるパルスパターン情報、電圧振幅指令、電圧位相指令並びに電気角θに基づいて、スイッチ操作信号を生成してもよい。
【０１６０】
スイッチＳｐ，Ｓｎのオンオフにより、図２７（ａ）に示すように、２組の３相巻線５１ａ，５１ｂそれぞれにおいて、電気角で３０°ずれた各相電流が流れる。これにより、図２７（ｂ）に示すように、３相巻線５１ａに対応するトルクＴｒ１と３相巻線５１ｂに対応するトルクＴｒ２とが発生し、回転電機１０の発生トルクのうち６倍調波の脈動成分を好適に低減できる。
【０１６１】
以上説明した本実施形態によれば、以下の効果が得られる。
【０１６２】
回転電機１０は、周方向に隣り合う導線８２の間に軟磁性体からなるティースが設けられていないスロットレス構造となっている。この構成において、各導線８２は、複数の素線８６の集合体からなる導体８２ａを有している。このため、導線８２における電流流通経路の細線化を図ることができ、高調波磁界を含む磁石部４２からの磁界が導線８２と鎖交した場合に渦電流が生じる場合であっても、その渦電流に対する導線８２の電気抵抗を大きくすることができる。その結果、導線８２に流れる渦電流を低減することができ、渦電流損失を低減することができる。
【０１６３】
また、各導線８２は、素線８６が撚り合わせられて構成されているため、各素線８６において磁界の印加方向が互いに逆になる部位が生じ、鎖交磁界に起因した逆起電圧が相殺される。その結果、導線８２を流れる渦電流の低減効果を高めることができ、渦電流損失の低減効果を高めることができる。
【０１６４】
特に本実施形態では、各素線８６は、カーボンナノチューブ繊維の炭素のうち少なくとも一部をホウ素で置換したホウ素含有微細繊維を含む繊維で構成されている。この場合、導体８２ａにおける電流流通経路をより細線化でき、また、電流流通経路の撚り回数をより増大できる。これにより、渦電流に対する電気抵抗をさらに増大でき、渦電流損失の低減効果をさらに高めることができる。
【０１６５】
固定子巻線５１の導線８２を扁平状にした。このため、直線部８３における径方向厚さを薄くすることができ、その直線部８３においてその径方向の中心位置を磁石部４２に近づけることができる。また、導線８２を扁平状にして直線部８３における径方向厚さを薄くすることにより、固定子コア５２と磁石部４２との間のエアギャップを小さくできる。このため、固定子５０及び回転子４０を通る磁束の磁気回路の磁気抵抗を低減でき、磁気回路の磁束を増大できる。これにより、スロットレス構造の採用による固定子５０での磁気飽和の抑制を図りつつ、直線部８３における磁束密度を高めて回転電機１０のトルクの増強を図ることができる。
【０１６６】
ここで、導線８２を扁平状にすることによってトルクが増強されるものの、扁平状であることから、磁石部４２から導線８２への鎖交磁束が増大し、渦電流が増大する。しかし、本実施形態では、各導線８２が複数の素線８６の集合体であり、また、素線８６が撚り合わせられて各導体８２ａが構成されている。このため、導線８２に流れる渦電流の低減効果が高められている。また、導線８２が径方向に薄い扁平状をなしていることによっても、渦電流の低減効果が高まる。したがって、本実施形態によれば、回転電機１０のトルクの増強を図りつつ、渦電流損失を低減することができる。
【０１６７】
磁石部４２が永久磁石である第１磁石９１及び第２磁石９２を有する構成とした。この構成では、磁石部４２から磁界が常時発生している。このため、制御装置１１０により回転電機１０の駆動制御を実施しない場合であっても、回転子４０の空転により、磁石部４２から回転磁界が常時発生し、高調波磁界に起因して導線８２に渦電流が流れてしまう。しかし、本実施形態では、各導線８２が複数の素線８６の集合体であり、また、素線８６が撚り合わせられて各導体８２ａが構成されている。このため、導線８２に流れる渦電流の低減効果が高められている。したがって、本実施形態によれば、回転電機１０の駆動制御を実施しない場合においても、渦電流損失を好適に低減することができる。
【０１６８】
ｑ軸コア部分で生じる磁気飽和をなくすべく、回転子４０において固定子５０との対向面に第１磁石９１及び第２磁石９２が配置される構成とした。この構成を前提として、回転電機１０のトルクを増強すべく、第１磁石９１及び第２磁石９２として極異方構造の永久磁石を採用した。この構成によれば、磁束の増大によってトルクが増強されるものの、導線８２の鎖交磁束が増大し、渦電流が増大する。しかし、本実施形態では、各導線８２が複数の素線８６の集合体であり、また、素線８６が撚り合わせられて各導体８２ａが構成されている。このため、導線８２に流れる渦電流の低減効果が高められている。したがって、本実施形態によれば、回転電機１０のトルクの増強を図りつつ、渦電流損失を低減することができる。
【０１６９】
（第２実施形態）
以下、第２実施形態について、第１実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、回転子４０における磁石部４２の極異方構造を変更しており、以下に詳しく説明する。
【０１７０】
図２８及び図２９に示すように、磁石部４２は、ハルバッハ配列と称される磁石配列を用いて構成されている。すなわち、磁石部４２は、磁化方向（磁極の向き）を径方向とする第１磁石１３１と、磁化方向（磁極の向き）を周方向とする第２磁石１３２とを有しており、周方向に所定間隔で第１磁石１３１が配置されるとともに、周方向において隣り合う第１磁石１３１の間となる位置に第２磁石１３２が配置されている。第１磁石１３１及び第２磁石１３２は、例えばネオジム磁石等の希土類磁石からなる永久磁石である。
【０１７１】
第１磁石１３１は、固定子５０に対向する側（径方向内側）の極が交互にＮ極、Ｓ極となるように周方向に互いに離間して配置されている。また、第２磁石１３２は、各第１磁石１３１の隣において周方向の磁極の向きが交互に逆向きとなるように配置されている。
【０１７２】
また、第１磁石１３１の径方向外側、すなわち回転子本体４１の磁石保持部４３の側には、軟磁性材料よりなる磁性体１３３が配置されている。例えば磁性体１３３は、電磁鋼板や軟鉄、圧粉鉄心材料により構成されているとよい。この場合、磁性体１３３の周方向の長さは第１磁石１３１の周方向の長さ（特に第１磁石１３１の外周部の周方向の長さ）と同じである。また、第１磁石１３１と磁性体１３３とを一体化した状態でのその一体物の径方向の厚さは、第２磁石１３２の径方向の厚さと同じである。換言すれば、第１磁石１３１は第２磁石１３２よりも磁性体１３３の分だけ径方向の厚さが薄くなっている。各磁石１３１，１３２と磁性体１３３とは、例えば接着剤により相互に固着されている。磁石部４２において第１磁石１３１の径方向外側は、固定子５０とは反対側であり、磁性体１３３は、径方向における第１磁石１３１の両側のうち、固定子５０とは反対側（反固定子側）に設けられている。
【０１７３】
磁性体１３３の外周部には、径方向外側、すなわち回転子本体４１の磁石保持部４３の側に突出する凸部としてのキー１３４が形成されている。また、磁石保持部４３の内周面には、磁性体１３３のキー１３４を収容する凹部としてのキー溝１３５が形成されている。キー１３４の突出形状とキー溝１３５の溝形状とは同じであり、各磁性体１３３に形成されたキー１３４に対応して、キー１３４と同数のキー溝１３５が形成されている。キー１３４及びキー溝１３５の係合により、第１磁石１３１及び第２磁石１３２と回転子本体４１との周方向（回転方向）の位置ずれが抑制されている。なお、キー１３４及びキー溝１３５（凸部及び凹部）を、回転子本体４１の磁石保持部４３及び磁性体１３３のいずれに設けるかは任意でよく、上記とは逆に、磁性体１３３の外周部にキー溝１３５を設けるとともに、回転子本体４１の磁石保持部４３の内周部にキー１３４を設けることも可能である。
【０１７４】
ここで、磁石部４２では、第１磁石１３１と第２磁石１３２とを交互に配列することにより、第１磁石１３１での磁束密度を大きくすることが可能となっている。そのため、磁石部４２において、磁束の片面集中を生じさせ、固定子５０寄りの側での磁束強化を図ることができる。
【０１７５】
また、第１磁石１３１の径方向外側、すなわち反固定子側に磁性体１３３を配置したことにより、第１磁石１３１の径方向外側での部分的な磁気飽和を抑制でき、ひいては磁気飽和に起因して生じる第１磁石１３１の減磁を抑制できる。これにより、結果的に磁石部４２の磁力を増加させることが可能となっている。本実施形態の磁石部４２は、言うなれば、第１磁石１３１において減磁が生じ易い部分を磁性体１３３に置き換えた構成となっている。
【０１７６】
図３０は、磁石部４２における磁束の流れを具体的に示す図であり、（ａ）は、磁石部４２において磁性体１３３を有していない従来構成を用いた場合を示し、（ｂ）は、磁石部４２において磁性体１３３を有している本実施形態の構成を用いた場合を示している。なお、図３０では、回転子本体４１の磁石保持部４３及び磁石部４２を直線状に展開して示しており、図の下側が固定子側、上側が反固定子側となっている。
【０１７７】
図３０（ａ）の構成では、第１磁石１３１の磁極面と第２磁石１３２の側面とが、それぞれ磁石保持部４３の内周面に接触している。また、第２磁石１３２の磁極面が第１磁石１３１の側面に接触している。この場合、磁石保持部４３には、第２磁石１３２の外側経路を通って第１磁石１３１との接触面に入る磁束Ｆ１と、磁石保持部４３と略平行で、かつ第２磁石１３２の磁束Ｆ２を引きつける磁束との合成磁束が生じる。そのため、磁石保持部４３において第１磁石１３１と第２磁石１３２との接触面付近において、部分的に磁気飽和が生じることが懸念される。
【０１７８】
これに対し、図３０（ｂ）の構成では、第１磁石１３１の反固定子側において第１磁石１３１の磁極面と磁石保持部４３の内周面との間に磁性体１３３が設けられているため、その磁性体１３３で磁束の通過が許容される。したがって、磁石保持部４３での磁気飽和を抑制でき、減磁に対する耐力が向上する。
【０１７９】
また、図３０（ｂ）の構成では、図３０（ａ）とは異なり、磁気飽和を促すＦ２を消すことができる。これにより、磁気回路全体のパーミアンスを効果的に向上させることができる。このように構成することで、その磁気回路特性を、過酷な高熱条件下でも保つことができる。
【０１８０】
また、従来のＳＰＭロータにおけるラジアル磁石と比べて、磁石内部を通る磁石磁路が長くなる。そのため、磁石パーミアンスが上昇し、磁力を上げ、トルクを増強することができる。さらに、磁束がｄ軸の中央に集まることにより、正弦波整合率を高くすることができる。特に、ＰＷＭ制御により、電流波形を正弦波や台形波とする、又は１２０度通電のスイッチングＩＣを利用すると、より効果的にトルクを増強することができる。
【０１８１】
（第３実施形態）
以下、第３実施形態について、第１実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。上記実施形態では、固定子コア５２の外周面を凹凸のない曲面状とし、その外周面に所定間隔で複数の導線群８１を並べて配置する構成としたが、これを変更してもよい。例えば、図３１に示すように、固定子コア５２は、固定子巻線５１の径方向両側のうち回転子とは反対側（図の下側）に設けられた円環状のヨーク部１４１と、そのヨーク部１４１から、周方向に隣り合う直線部８３の間に向かって突出するように延びる突起部１４２とを有している。突起部１４２は、ヨーク部１４１の径方向外側、すなわち回転子４０側に所定間隔で設けられている。固定子巻線５１の各導線群８１は、突起部１４２と周方向において係合しており、突起部１４２を位置決め部として用いつつ周方向に並べて配置されている。なお、突起部１４２が「巻線間部材」に相当する。
【０１８２】
突起部１４２は、ヨーク部１４１からの径方向の厚さ寸法が、ヨーク部１４１に径方向に隣接する直線部８３の径方向の厚さ寸法の１／２（図のＨ１）よりも小さい構成となっている。こうした突起部１４２の厚さ制限により、周方向に隣り合う導線群８１（すなわち直線部８３）の間において突起部１４２がティースとして機能せず、ティースによる磁路形成がなされないようになっている。突起部１４２は、周方向に並ぶ各導線群８１の間ごとに全て設けられていなくてもよく、周方向に隣り合う少なくとも１組の導線群８１の間に設けられていればよい。突起部１４２の形状は、矩形状、円弧状など任意の形状でよい。
【０１８３】
なお、回転軸１１の中心を軸心とし、かつヨーク部１４１に径方向に隣接する直線部８３の径方向の中心位置を通る仮想円を想定すると、突起部１４２は、その仮想円の範囲内においてヨーク部１４１から突出する形状、換言すれば仮想円よりも径方向外側（すなわち回転子４０側）に突出しない形状をなしているとよい。
【０１８４】
以上説明した本実施形態によれば、固定子巻線５１の各直線部８３を、突起部１４２を位置決め部として用いつつ周方向に並べて配置することができる。これにより、巻線作業を容易に実施できる。
【０１８５】
ここで、突起部１４２の径方向の厚さ寸法が制限されているため、径方向において突起部１４２から突出した直線部８３の磁石部４２からの鎖交磁束が増大してしまう。鎖交磁束の増大は、渦電流の増大につながる。しかし、各導線８２が複数の素線８６の集合体であり、また、素線８６が撚り合わせられて各導体８２ａが構成されているため、渦電流を低減することができる。
【０１８６】
（第３実施形態の変形例１）
固定子コア５２のヨーク部１４１と、回転子４０の磁石部４２（すなわち各磁石９１，９２）とが所定距離以上離れていれば、突起部１４２の径方向の厚さ寸法は、図３１のＨ１に縛られるものではない。具体的には、ヨーク部１４１と磁石部４２とが２ｍｍ以上離れていれば、突起部１４２の径方向の厚さ寸法は、図３１のＨ１以上であってもよい。例えば、直線部８３の径方向厚み寸法が２ｍｍを越えており、かつ導線群８１が径方向内外の２層の導線８２により構成されている場合に、ヨーク部１４１に隣接していない直線部８３、すなわちヨーク部１４１から数えて２層目の導線８２の半分位置までの範囲で、突起部１４２が設けられていてもよい。この場合、突起部１４２の径方向厚さ寸法が「Ｈ１×３／２」までになっていれば、導線群８１における導体断面積を大きくすることで、前記効果を少なからず得ることはできる。
【０１８７】
（第３実施形態の変形例２）
固定子コア５２は、図３２に示す構成であってもよい。なお、図３２では、封止部５７を省略しているが、封止部５７が設けられていてもよい。図３２では、便宜上、磁石部４２及び固定子コア５２を直線状に展開して示している。
【０１８８】
図３２の構成では、固定子５０は、周方向に隣接する導線８２（すなわち直線部８３）の間に、巻線間部材としての突起部１４２を有している。ここで、磁石部４２の１極分の範囲において固定子巻線５１の通電により励磁される突起部１４２の周方向の幅寸法をＷｔ、突起部１４２の飽和磁束密度をＢｓ、磁石部４２の１極分の周方向の幅寸法をＷｍ、磁石部４２の残留磁束密度をＢｒとする場合、突起部１４２は、
Ｗｔ×Ｂｓ≦Ｗｍ×Ｂｒ      …（１）
となる磁性材料により構成されている。
【０１８９】
詳しくは、本実施形態では、固定子巻線５１の３相巻線が分布巻であり、その固定子巻線５１では、磁石部４２の１極に対して、突起部１４２の数、すなわち各導線群８１の間となる間隙５６の数が「３×ｍ」個となっている。なお、ｍは導線８２の対数である。この場合、固定子巻線５１が各相所定順序で通電されると、１極内において２相分の突起部１４２が励磁される。したがって、磁石部４２の１極分の範囲において固定子巻線５１の通電により励磁される突起部１４２の周方向の幅寸法Ｗｔは、突起部１４２（つまり、間隙５６）の周方向の幅寸法をＡとすると、「２×Ａ×ｍ」となる。そして、こうして幅寸法Ｗｔが規定された上で、固定子コア５２において、突起部１４２が、上記（１）の関係を満たす磁性材料として構成されている。なお、幅寸法Ｗｔは、１極内において比透磁率が１よりも大きくなりえる部分の周方向寸法でもある。
【０１９０】
なお、固定子巻線５１を集中巻とする場合には、固定子巻線５１において、磁石部４２の１極対（つまり２極）に対して、突起部１４２の数、すなわち各導線群８１の間となる間隙５６の数が「３×ｍ」個となっている。この場合、固定子巻線５１が各相所定順序で通電されると、１極内において１相分の突起部１４２が励磁される。したがって、磁石部４２の１極分の範囲において固定子巻線５１の通電により励磁される突起部１４２の周方向の幅寸法Ｗｔは、「Ａ×ｍ」となる。そして、こうして幅寸法Ｗｔが規定された上で、突起部１４２が、上記（１）の関係を満たす磁性材料として構成されている。
【０１９１】
ちなみに、ネオジム磁石やサマリウムコバルト磁石、フェライト磁石といったＢＨ積が２０［ＭＧＯｅ（ｋＪ／ｍ^3）］以上の磁石ではＢｄ＝１．０強［Ｔ］、鉄ではＢｒ＝２．０強［Ｔ］である。そのため、高出力モータとしては、固定子コア５２において、突起部１４２が、Ｗｔ＜１／２×Ｗｍの関係を満たす磁性材料であればよい。
【０１９２】
（第３実施形態の変形例３）
上記実施形態では、固定子巻線５１を覆う封止部５７を、固定子コア５２の径方向外側において各導線群８１を全て含む範囲、すなわち径方向の厚さ寸法が各導線群８１の径方向の厚さ寸法よりも大きくなる範囲で設ける構成としたが、これを変更してもよい。例えば、図３３に示すように、封止部５７を、導線８２の一部がはみ出すように設ける構成とする。より具体的には、封止部５７を、導線群８１において最も径方向外側となる導線８２の一部を径方向外側、すなわち固定子５０側に露出させた状態で設ける構成とする。この場合、封止部５７の径方向の厚さ寸法は、各導線群８１の径方向の厚さ寸法と同じ、又はその厚さ寸法よりも小さいとよい。
【０１９３】
導線８２の一部がはみ出すように封止部５７を設ける構成とすることにより、導線８２の露出部分が空冷される。このため、導線８２の放熱性を高めることができる。
【０１９４】
なお、図３３には、突起部１４２が設けられない構成を示したが、突起部１４２が設けられる構成であってもよい。
【０１９５】
（第３実施形態の変形例４）
図３４に示すように、各導線群８１が封止部５７により封止されていない構成としてもよい。つまり、固定子巻線５１を覆う封止部５７を用いない構成とする。この場合、周方向に並ぶ各導線群８１の間は、コア部材のない空隙となっている。
【０１９６】
なお、図３４には、突起部１４２が設けられない構成を示したが、突起部１４２が設けられる構成であってもよい。
【０１９７】
（第４実施形態）
以下、第４実施形態について、第１実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態において、回転電機は、インナロータ構造（内転構造）のものである。図３５は、回転電機３００の回転軸３０１に沿う方向での縦断面図である。
【０１９８】
回転電機３００は、回転軸３０１、２つの軸受３０２，３０３、ハウジング３１０、回転子３２０及び固定子３３０を備えている。これら各部材は、いずれも回転軸３０１と共に同軸上に配置されている。
【０１９９】
各軸受３０２，３０３は、ハウジング３１０に設けられており、軸方向に互いに離間して配置されている。各軸受３０２，３０３は、例えばラジアル玉軸受である。各軸受３０２，３０３により、回転軸３０１及び回転子３２０が回転自在に支持されている。
【０２００】
回転子３２０は、円筒状に形成されたロータ本体３２１と、そのロータ本体３２１の外周側に設けられた環状の磁石部３２２とを有している。磁石部３２２は、周方向に沿って磁極が交互に変わるように配置された複数の磁石により構成されている。
【０２０１】
固定子３３０は、回転子３２０の径方向外側に設けられている。固定子３３０は、略筒状に巻回形成された固定子巻線３３１と、その径方向外側に配置された固定子コア３３２とを有している。固定子コア３３２は、円環状をなしており、ハウジング３１０の径方向内側に設けられている。固定子コア３３２は、例えば、接着剤等によりハウジング３１０に固定されている。固定子コア３３２は、第１実施形態と同様、ティースが存在しないスロットレスのものである。
【０２０２】
固定子巻線３３１は、所定のエアギャップを挟んで円環状の磁石部３２２に対向するように配置されている。固定子巻線３３１は、３相巻線であり、巻線方式は全節分布巻であるが、これに限るものではない。固定子巻線３３１を構成する導線は、第１実施形態と同様に、扁平状のものである。また、固定子巻線３３１を構成する導体は、第１実施形態と同様に、複数の素線の集合体として構成されており、複数の素線を撚ることで撚糸状に形成されている。
【０２０３】
ちなみに、例えばハウジング３１０内において、回転子４０の径方向内側にインバータユニットが設けられているとよい。また、図３３には、磁石部３２２の径方向外側の外周面から、固定子コア３３２の径方向内側の内周面までの距離ｇ１と、磁石部３２２の径方向外側の外周面から、固定子巻線３３１の径方向内側の内周面までの距離ｇ２とを示す。本実施形態においても、巻線割合Ｋを小さくでき、磁気回路の磁気抵抗を低減できる。
【０２０４】
以上説明した本実施形態によれば、第１実施形態の効果に準じた効果を得ることができる。
【０２０５】
（第５実施形態）
以下、第５実施形態について、第１実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態において、回転電機は、図３６に示すように、アウタロータ構造のものであり、第１実施形態のものとは異なる。図３６は、回転電機４００の回転軸４０１に沿う方向での縦断面図である。
【０２０６】
回転電機４００は、回転軸４０１、２つの軸受４０２，４０３、ハウジング４１０、回転子４２０及び固定子４３０を備えている。これら各部材は、いずれも回転軸４０１と共に同軸上に配置されている。各軸受４０２，４０３は、ハウジング４１０に設けられており、軸方向に互いに離間して配置されている。各軸受４０２，４０３により、回転軸４０１及び回転子４２０が回転自在に支持されている。
【０２０７】
回転子４２０は、中空円筒状に形成されたロータ本体４２１と、そのロータ本体４２１の径方向内側に設けられた環状の回転子コア４２２と、その回転子コア４２２の径方向内側に設けられた環状の磁石部４２３とを有している。磁石部４２３は、周方向に沿って磁極が交互に変わるように配置された複数の磁石により構成されている。
【０２０８】
固定子４３０は、回転子４２０の径方向内側に設けられている。固定子４３０は、略筒状に巻回形成された固定子巻線４３１と、その径方向内側に配置された固定子コア４３２とを有している。固定子コア４３２は、円環状をなしている。固定子コア４３２は、第１実施形態と同様、ティースが存在しないスロットレスのものである。
【０２０９】
固定子巻線４３１は、所定のエアギャップを挟んで円環状の磁石部４２３に対向するように配置されている。固定子巻線４３１を構成する導線は、第１実施形態と同様に、扁平状のものである。また、固定子巻線４３１を構成する導体は、第１実施形態と同様に、複数の素線の集合体として構成されており、複数の素線を撚ることで撚糸状に形成されている。なお、図３４には、磁石部４２３の径方向内側の内周面から、固定子コア４３２の径方向外側の外周面までの距離ｇ１と、磁石部４２３の径方向内側の内周面から、固定子巻線４３１の径方向外側の外周面までの距離ｇ２とを示す。
【０２１０】
以上説明した本実施形態によれば、第１実施形態の効果に準じた効果を得ることができる。
【０２１１】
（第６実施形態）
以下、第６実施形態について、第１実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態において、回転電機は、ラジアルギャップ構造のものではなく、図３７に示すように、アキシャルギャップ構造のものである。図３７は、回転電機５００の回転軸５０１に沿う方向での縦断面図である。
【０２１２】
回転電機５００は、回転軸５０１、軸受５０２、ハウジング５１０、回転子５２０及び固定子５３０を備えている。軸受５０２は、ハウジング５１０に設けられており、例えばラジアル玉軸受である。軸受５０２により、回転軸５０１及び回転子５２０が回転自在に支持されている。
【０２１３】
回転子５２０は、円盤状に形成されたロータ本体５２１と、そのロータ本体５２１に設けられた円盤状の磁石部５２２とを有している。磁石部５２２は、周方向に沿って磁極が交互に変わるように配置された複数の磁石により構成されている。
【０２１４】
固定子５３０は、軸方向において回転子５２０と対向する位置に設けられている。固定子５３０は、円盤状に形成された固定子巻線５３１と、固定子コア５３２とを有している。固定子コア５３２は、円盤状をなしている。固定子コア５３２は、ティースが存在しないスロットレスのものである。
【０２１５】
固定子巻線４３１は、所定のエアギャップを挟んで円環状の磁石部４２３に対向するように配置されている。固定子巻線５３１は、図３８に示すように扇形をなしている。固定子巻線５３１を構成する導線は、第１実施形態と同様に、扁平状のものである。また、固定子巻線５３１を構成する導体は、第１実施形態と同様に、複数の素線の集合体として構成されており、複数の素線を撚ることで撚糸状に形成されている。なお、図３７には、磁石部５２２において固定子巻線５３１との対向面から、固定子コア５３２の軸方向両端部のうち固定子巻線５３１とは反対側の面までの距離ｇ１と、磁石部５２２において固定子巻線５３１との対向面から、固定子巻線５３１において磁石部５２２との対向面までの距離ｇ２とを示す。
【０２１６】
ちなみに、従来、ティース付きのアキシャルギャップ構造の回転電機においては、巻線作業の煩わしさから集中巻巻線が主流となっていた。しかし、スロットレス構造とされたことにより、全節分布巻などの振動騒音に有利な巻線が比較的容易に実施できる。
【０２１７】
以上説明した本実施形態によれば、第１実施形態の効果に準じた効果を得ることができる。
【０２１８】
（第６実施形態の変形例）
アキシャルギャップ構造の回転電機としては、図３９に示すように、軸方向において固定子６３０を挟んで２つの磁石部６２２ａ，６２２ｂが配置されたタンデム型のものであってもよい。回転電機６００は、回転軸６０１、２つの軸受６０２，６０３、ハウジング６１０、回転子６２０及び固定子６３０を備えている。固定子６３０は、第１，第２固定子巻線６３１ａ，６３１ｂと、固定子コア６３２とを有している。回転子６２０は、第１，第２回転子コア６２１ａ，６２１ｂと、第１，第２磁石部６２２ａ，６２２ｂとを有している。図３９に示す構成によれば、第６実施形態よりも回転電機６００のトルクを増強できる。
【０２１９】
（他の実施形態）
なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
【０２２０】
・コイルエンド部付近は、コイル収容凹部４７となっているため、導線を配置するに際してスペース上の制約が小さい。このため、図４０に示すように、ターン部７０２の断面積が直線部７０１の断面積よりも大きくされていてもよい。これにより、ターン部７０２の電気抵抗を低減でき、流通電流を大きくでき、トルクの増強を図ることができる。
【０２２１】
ここで、回転磁界の漏れ磁束がターン部７０２と鎖交し得る。この場合、ターン部７０２の断面積が直線部７０１の断面積よりも大きいことから、渦電流も大きくなる懸念がある。しかし、固定子巻線の各導線が複数の素線の集合体であり、また、素線が撚り合わせられて各導体が構成されていることにより、導線に流れる渦電流を低減できる。これにより、渦電流損失を低減できる。
【０２２２】
・第２実施形態において、磁性体１３３及びキー１３４は必須ではない。
【０２２３】
・第２実施形態において、第２磁石１３２の磁化方向が、径方向及び周方向それぞれの成分を含む方向とされていてもよい。
【０２２４】
・固定子５０が固定子コア５２を具備していない構成としてもよい。この場合、固定子５０は、図１２に示す固定子巻線５１により構成されることになる。なお、固定子コア５２を具備していない固定子５０において、固定子巻線５１を封止材により封止する構成としてもよい。又は、固定子５０が、軟磁性材からなる固定子コア５２に代えて、合成樹脂等の非磁性材からなる円環状の巻線保持部を備える構成であってもよい。
【０２２５】
・固定子巻線５１において、導線８２の直線部８３を径方向に単層で設ける構成としてもよい。また、径方向内外に複数層で直線部８３を配置する場合に、その層数は任意でよく、３層、４層、５層、６層等で設けてもよい。
【０２２６】
・上記実施形態では、回転軸１１を、軸方向で回転電機１０の一端側及び他端側の両方に突出するように設けたが、これを変更し、一端側にのみ突出する構成としてもよい。この場合、回転軸１１は、軸受部２０により片持ち支持される部分を端部とし、その軸方向外側に延びるように設けられるとよい。本構成では、インバータユニット６０の内部に回転軸１１が突出しない構成となるため、インバータユニット６０の内部空間、詳しくは筒状部７１の内部空間をより広く用いることができることとなる。
【０２２７】
・回転軸１１を回転自在に支持する構成として、回転子４０の軸方向一端側及び他端側の２カ所に軸受を設ける構成としてもよい。この場合、図１の構成で言えば、インバータユニット６０を挟んで一端側及び他端側の２カ所に軸受が設けられるとよい。
【０２２８】
・上記実施形態では、回転子４０において回転子本体４１の中間部４５を、軸方向に段差を有する構成としたが、これを変更し、中間部４５の段差を無くし、平板状としてもよい。
【０２２９】
・上記実施形態では、固定子５０の径方向内側にインバータユニット６０を設ける構成としたが、これに代えて、固定子５０の径方向内側にインバータユニット６０を設けない構成としてもよい。この場合、固定子５０の径方向内側となる内部領域を空間としておくことが可能である。また、その内部領域に、インバータユニット６０とは異なる部品を配することが可能である。
【０２３０】
・回転電機１０において、ハウジング３０を具備しない構成としてもよい。この場合、例えばホイールや他の車両部品の一部において、回転子４０、固定子５０等が保持される構成であってもよい。
【０２３１】
・素線としては、第１実施形態で説明したもの以外に、例えば、銅線又はアルミ線が用いられてもよい。
【０２３２】
なお、この明細書における開示は、例示された実施形態に制限されない。開示は、例示された実施形態と、それらに基づく当業者による変形態様を包含する。例えば、開示は、実施形態において示された部品および／または要素の組み合わせに限定されない。開示は、多様な組み合わせによって実施可能である。開示は、実施形態に追加可能な追加的な部分をもつことができる。開示は、実施形態の部品および／または要素が省略されたものを包含する。開示は、ひとつの実施形態と他の実施形態との間における部品および／または要素の置き換え、または組み合わせを包含する。開示される技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示されるいくつかの技術的範囲は、請求の範囲の記載によって示され、さらに請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものと解されるべきである。
【符号の説明】
【０２３３】
１０…回転電機、４０…回転子、４２…磁石部、５１…固定子巻線、５２…固定子、８２…導線、８２ａ…導体、８６…素線。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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