(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のスロット（１１ｓ）を有する電機子鉄心（１１ｂ）と、前記複数のスロットに巻装される多相巻線（１１ａ）とを含む電機子（１１）と、
第１ギャップ（Ｇ１）を介して前記電機子に対向して設けられた回転子（１３）と、
前記多相巻線への通電を制御する制御部（２０）とを備える回転電機において、
前記回転子は、周方向に離間して配列された複数の磁極部（１３ａ）と、前記磁極部の相互間に配置された複数の極間永久磁石（１３ｍ１，１３ｍ２，１３ｍ３）と、前記電機子とは反対側であって前記複数の磁極部および前記複数の極間永久磁石と第２ギャップ（Ｇ２）を介して設けられたバイパスヨーク部（１３ｃ）とを含み、
前記複数の磁極部の数は、前記多相巻線への通電によって前記電機子鉄心に生じる極数（Ｐｎ）と一致しており、
前記複数の極間永久磁石は、周方向に磁化された状態であって、かつ、周方向に隣り合う前記極間永久磁石どうしで磁化方向が逆になるように配置されており、
前記電機子鉄心と、前記複数の磁極部と、前記複数の極間永久磁石と、前記バイパスヨーク部とは、磁気通路としての連絡に関して周方向に隣り合う前記磁極部を含めて複数の磁気回路（φ１，φ２，φ３）を構成する回転電機（１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ）。
【請求項２】
前記第２ギャップには、前記複数の磁極部と磁気的に抵抗するとともに、前記複数の磁極部および前記バイパスヨーク部とともに回転する磁気抵抗部（１３ｂ）を有する請求項１に記載の回転電機。
【請求項３】
前記複数の磁極部と前記バイパスヨーク部とは、これらの間を連結する支持部位（１３ｄ）または固定部材（１３ｈ）によって一体化された請求項１に記載の回転電機。
【請求項４】
前記複数の極間永久磁石は、前記電機子に向かって開口するようにＶ字状に配置された請求項１から３のいずれか一項に記載の回転電機。
【請求項５】
前記磁極部は、Ｖ字状に配置された前記極間永久磁石の相互間において、凹状部位（１３ｆ）を有する請求項４に記載の回転電機。
【請求項６】
前記第２ギャップには、前記磁極部に対応して設けられた極下永久磁石（１３ｍ４）を有する請求項１から５のいずれか一項に記載の回転電機。
【請求項７】
前記制御部は、前記磁極部間の位置を基準として回転方向（Ｄｒ）にプラスを採るときの電機子起磁力を位相角（β）とするとき、前記位相角を電気角で０度以外に選定して、前記多相巻線に通電する多相交流を制御することにより、前記電機子鉄心に生じる起磁力（Ｆｒ）を前記磁極部に導く請求項１から６のいずれか一項に記載の回転電機。
【請求項８】
前記制御部は、前記電機子鉄心と前記バイパスヨーク部とを含めて磁束が流れる前記磁気回路（φ１）と、前記電機子鉄心と前記極間永久磁石とを含めて磁束が流れる前記磁気回路（φ２）とが同一方向または逆方向のいずれかになるように前記多相巻線に通電する制御を行う請求項１から７のいずれか一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、界磁巻線を含まず、少なくとも電機子と回転子を含む回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
小型高性能、長寿命で高信頼のためには、永久磁石界磁のブラシレス構造をとることが一般的である。広い回転域で使用する用途においては、界磁の強さを可変にすることが求められる。ところが、前述の永久磁石界磁では界磁を可変にすることが困難であるため、損失が生じたり、特性に限界があったりした。そこで、永久磁石界磁でなく、巻線界磁方式をとることが考えられる。巻線は永久磁石に比べてどうしても巻装スペースが大きくなるために、巻線を取り囲む鉄心も含めて、極めて大きな体積を必要とする。そのため、巻線界磁方式では、元々の小型高性能の課題を達成するのが困難になっていた。
【０００３】
例えば下記の特許文献１には、全体の体格を減少させ、磁気飽和もなく、高速回転も可能とすることを目的とするハイブリッド励磁形同期機に関する技術の一例が開示されている。このハイブリッド励磁形同期機は、固定子の外側にあって、回転子バックヨークの内側に電機子鉄心とギャップを介して対峙し、周方向に鉄心突極と永久磁石とを交互に配置し、しかも軸方向にＮ極側とＳ極側とに分けて永久磁石を配置すると共に、Ｎ極側とＳ極側との永久磁石が軸方向に並ばないように互い違いに配置した回転子を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−０４１３６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１の技術では、電機子巻線とは別個に励磁巻線を必要とし、固定子のバックヨーク内に埋め込む。永久磁石と同等の界磁を得るには、上述したように励磁巻線を取り囲む鉄心も含めて、極めて大きな体積を必要とするという問題が残る。また、励磁巻線の巻線作業や組立作業の工程に時間を要するという問題もある。
【０００６】
その一方で、小型化と可変界磁とを両立するにあたっては、界磁巻線をもたず、可変界磁の実現を図ることが考えられる。ところが、可変界磁を実現しようとすると、巻線端末の外側を回る鉄心が大がかりとなってしまう問題があった。
【０００７】
本開示はこのような点に鑑みてなしたものであり、小型化でき、界磁巻線をもたずに電機子巻線に相当する多相巻線を利用して可変界磁を実現できる回転電機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するためになされた第１の発明は、複数のスロット（１１ｓ）を有する電機子鉄心（１１ｂ）と、前記複数のスロットに巻装される多相巻線（１１ａ）とを含む電機子（１１）と、第１ギャップ（Ｇ１）を介して前記電機子に対向して設けられた回転子（１３）と、前記多相巻線への通電を制御する制御部（２０）とを備える回転電機（１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ）において、前記回転子は、周方向に離間して配列された複数の磁極部（１３ａ）と、前記磁極部の相互間に配置された複数の極間永久磁石（１３ｍ１，１３ｍ２，１３ｍ３）と、前記電機子とは反対側であって前記複数の磁極部および前記複数の極間永久磁石と第２ギャップ（Ｇ２）を介して設けられたバイパスヨーク部（１３ｃ）とを含み、前記複数の磁極部の数は、前記多相巻線への通電によって前記電機子鉄心に生じる極数（Ｐｎ）と一致しており、前記複数の極間永久磁石は、周方向に磁化された状態であって、かつ、周方向に隣り合う前記極間永久磁石どうしで磁化方向が逆になるように配置されており、前記電機子鉄心と、前記複数の磁極部と、前記複数の極間永久磁石と、前記バイパスヨーク部とは、磁気通路としての連絡に関して周方向に隣り合う前記磁極部を含めて複数の磁気回路（φ１，φ２，φ３）を構成する。この構成によれば、複数の磁気回路は、複数の極間永久磁石に対して並列に選択的に通過しやすい磁気通路となる。ここで、極間永久磁石は一定磁束であり、多相巻線への通電に伴って電機子鉄心に生じる巻線磁束は可変磁束である。そのため、協働させて磁束を強めたり、磁束を互いに逆方向を流すことで磁束を弱めたりすることができ、結果として可変界磁が行える。また、界磁巻線を必要としないので、小型化することができる。
【０００９】
第２の発明は、前記第２ギャップには、前記複数の磁極部と磁気的に抵抗するとともに、前記複数の磁極部および前記バイパスヨーク部とともに回転する磁気抵抗部（１３ｂ）を有する。この構成によれば、バイパスヨーク部は第２ギャップによって複数の磁極部と磁気的に抵抗するので、渦電流が生じず低損失になる。
【００１０】
第３の発明は、前記複数の磁極部と前記バイパスヨーク部とは、これらの間を連結する支持部位（１３ｄ）または固定部材（１３ｈ）によって一体化された。この構成によれば、構造が簡素化し、耐遠心力強度も向上する。
【００１１】
第４の発明は、前記複数の極間永久磁石は、前記電機子に向かって開口するようにＶ字状に配置された。この構成によれば、Ｖ字状に配置された極間永久磁石のそれぞれについてマグネットトルクが加わるので、さらにトルク性能を向上させることができる。
【００１２】
第５の発明は、前記磁極部は、Ｖ字状に配置された前記極間永久磁石の相互間において、凹状部位（１３ｆ）を有する。この構成によれば、凹状部位は磁極部に対して補助的な磁極になり、磁極部に比べて電機子鉄心とのギャップが大きくなる。よって、漏れ磁束が少なくなり、リラクタンストルクを発生して高いトルクが得られる。
【００１３】
第６の発明は、前記第２ギャップには、前記磁極部に対応して設けられた極下永久磁石（１３ｍ４）を有する。この構成によれば、極下永久磁石のマグネットトルクが加わるので、多相巻線に流す電流が小さくても大きな起磁力を得ることができる。
【００１４】
第７の発明は、前記制御部は、前記磁極部間の位置を基準として回転方向（Ｄｒ）にプラスを採るときの電機子起磁力を位相角（β）とするとき、前記位相角を電気角で０度以外に選定して、前記多相巻線に通電する多相交流を制御することにより、前記電機子鉄心に生じる起磁力（Ｆｒ）を前記磁極部に導く。この構成によれば、多相巻線に流す電流に位相角を持たせることで、可変界磁を確実に実現することができる。
【００１５】
第８の発明は、前記制御部は、前記電機子鉄心と前記バイパスヨーク部とを含めて磁束が流れる前記磁気回路（φ１）と、前記電機子鉄心と前記極間永久磁石とを含めて磁束が流れる前記磁気回路（φ２）とが同一方向または逆方向のいずれかになるように前記多相巻線に通電する制御を行う。この構成によれば、磁束が流れる方向が同一方向になるように制御すれば強め界磁を行え、磁束が流れる方向が逆方向になるように制御すれば弱め界磁を行える。そのため、可変界磁の強さを目的に合わせて加減することができる。
【００１６】
なお、「多相巻線」は固定子巻線と同義であり、一本状の巻線でもよく、複数の導体線やコイル等を電気的に接続して一本状にしたものでもよい。多相巻線の相数は、三相以上であれば問わない。「巻装」は巻いて装うことを意味し、巻き回す意味の「巻回」と同義に用いる。「磁極部」は、Ｎ極やＳ極の極性を帯びる磁性体が該当する。磁性体は、磁束が流れることを条件として材質（ただし材料の意味を含む）や構成などを問わない。例えば、軟磁性体で構成してもよく、永久磁石で構成してもよく、軟磁性体と永久磁石を組み合わせて構成してもよい。「磁気抵抗部」は、磁気的に抵抗すれば任意である。例えば、空隙，非磁性部材，磁路が小さい軟磁性体などが該当する。「回転電機」は、回転する部材（例えば軸やシャフト等）を有する機器であれば任意である。例えば、発電機，電動機，電動発電機等が該当する。発電機には電動発電機が発電機として作動する場合を含み、電動機には電動発電機が電動機として作動する場合を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】回転電機の第１構成例を模式的に示す断面図である。
【図２】図１における矢印II−II線の一部を示す断面図である。
【図３】制御部と多相巻線の接続例を示す回路図である。
【図４】磁気回路の第１構成例を示す模式図である。
【図５】磁気回路の第２構成例を示す模式図である。
【図６】トルクと位相角との関係例を示す模式図である。
【図７】トルクと位相角との関係例を示すグラフ図である。
【図８】従来技術におけるトルクと位相角との関係例を示すグラフ図である。
【図９】回転電機の第２構成例の一部を模式的に示す断面図である。
【図１０】回転電機の第３構成例の一部を模式的に示す断面図である。
【図１１】回転電機の第４構成例の一部を模式的に示す断面図である。
【図１２】回転電機の第５構成例の一部を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明を実施するための形態について、図面に基づいて説明する。なお、特に明示しない限り、「接続する」という場合には電気的に接続することを意味する。各図は、本発明を説明するために必要な要素を図示し、実際の全要素を図示しているとは限らない。上下左右等の方向を言う場合には、図面の記載を基準とする。
【００１９】
英数字の連続符号は記号「〜」を用いて略記する。符号の英文字は大文字と小文字とで別の要素を意味する。例えば、図３に示す回転子１３Ａと磁極部１３ａとは別の要素である。部材間の固定方法は問わない。支持には固定を含む。
【００２０】
〔実施の形態１〕
実施の形態１は図１〜図８を参照しながら説明する。図１に示す回転電機１０は実施の形態１〜４に共通する構成例を示す。この回転電機１０は、界磁巻線を含まず、電機子１１，回転子１３，軸受１４，回転軸１５などをフレーム１２内に有する。回転電機１０の内部または外部には、回転電機１０全体の制御を司る制御部２０が設けられる。
【００２１】
筐体やハウジングなどに相当するフレーム１２は、電機子１１，回転子１３，軸受１４，回転軸１５などを収容できれば、形状や材料等を任意に設定してよい。このフレーム１２は、少なくとも電機子１１を支持して固定するとともに、軸受１４を介して回転軸１５を回転自在に支持する。本形態のフレーム１２は、非磁性体のフレーム部材１２ａ，１２ｂなどを含む。フレーム部材１２ａ，１２ｂは一体成形してもよく、個別に形成した後に固定部材を用いて固定してもよい。固定部材は、例えばボルト，ネジ，ピン等の締結部材を用いる締結や、母材を溶かして溶接等を行う接合などが該当する。
【００２２】
固定子に相当する電機子１１は、多相巻線１１ａや電機子鉄心１１ｂなどを含む。電機子鉄心１１ｂは、図２に示すように複数のティース１１ｔ，複数のスロット１１ｓ，バックヨーク１１ｙなどを含む。本形態の電機子鉄心１１ｂは、多数の電磁鋼板が軸方向に積層されて構成される。
【００２３】
図２に示すティース１１ｔは、バックヨーク１１ｙから回転子１３に向かって径方向に延びる部位である。スロット１１ｓは、周方向に隣り合うティース１１ｔの相互間に形成される空間である。ティース１１ｔとスロット１１ｓの数は、それぞれ任意に設定してよい。一般的には、ティース１１ｔの数とスロット１１ｓの数は一致する。バックヨーク１１ｙは、円筒状に形成される軟磁性体である。本形態の電機子鉄心１１ｂに含まれる電磁鋼板は、ティース１１ｔとバックヨーク１１ｙとを一体成形する。
【００２４】
多相巻線１１ａは、三相以上の巻線であって、スロット１１ｓに収容されて巻装される。この多相巻線１１ａは、電機子巻線，固定子巻線，ステータコイルなどに相当する。巻装形態は任意であり、例えば全節巻，分布巻，集中巻，短節巻などが該当する。図２に示す巻装例は、巻線としての平角線を１スロットで４層に収容し、一磁極ピッチＰＴの角度でスロットを跨ぐ例であって、途中で径方向に曲げられるクランク部位を含む。
【００２５】
ここで、巻装された多相巻線１１ａに通電して電機子鉄心１１ｂに生じる磁極の極数をＰｎとする。極数Ｐｎは正の整数である。１回転の機械角を３６０°とし、極数Ｐｎを用いて一磁極ピッチＰＴを表すと、数式「ＰＴ＝３６０°／Ｐｎ」が成り立つ。巻線の形態は任意であり、例えば断面が四角形状の平角線に限らず、断面が円形状の丸線や、断面が三角形状の三角線などでもよい。制御部２０に接続される多相巻線１１ａの接続例については後述する。
【００２６】
回転子１３は、電機子鉄心１１ｂに対向して設けられるとともに、回転軸１５に固定される。すなわち、回転子１３と回転軸１５は一体的に回転する。この回転子１３は、界磁巻線を含まず、複数の磁極部１３ａ、磁気抵抗部１３ｂ、バイパスヨーク部１３ｃなどを含む。本形態の回転子１３は、多数の電磁鋼板が軸方向に積層されて構成される。複数の磁極部１３ａと電機子鉄心１１ｂとの間には、第１ギャップＧ１が設けられる。第１ギャップＧ１の数値は、磁極部１３ａと電機子鉄心１１ｂとの間で磁束が流れる範囲において任意に設定してよい。
【００２７】
図２に示す複数の磁極部１３ａは、周方向に離間して配列された軟磁性体である。周方向に隣り合う磁極部１３ａの相互間には、それぞれ極間永久磁石１３ｍ１が配置される。各極間永久磁石１３ｍ１の断面形状は任意に設定してよい。例えば極間永久磁石１３ｍ１の断面を台形状とし、短辺側を電機子１１に向けて配置すると、回転子１３の回転時に極間永久磁石１３ｍ１が突出するのを阻止できる。複数の極間永久磁石１３ｍ１は、いずれも周方向に磁化されている。ただし図形の矢印で示すように、周方向に隣り合う極間永久磁石１３ｍ１どうしは、磁化方向が逆になるように配置される。この配置によれば、複数の磁極部１３ａは極性が周方向にＮ極とＳ極が交互にあらわれる。なお、磁極部１３ａと極間永久磁石１３ｍ１の数はそれぞれ任意に設定してよいが、全体のトルクを高めるために極数Ｐｎと一致させるとなおよい。
【００２８】
磁気抵抗部１３ｂは、複数の磁極部１３ａとバイパスヨーク部１３ｃとの間で磁気抵抗を持たせる部位である。磁気抵抗部１３ｂの径方向距離は第２ギャップＧ２に相当する。第２ギャップＧ２の数値は、磁極部１３ａとバイパスヨーク部１３ｃとの間で磁束が流れる範囲において任意に設定してよい。
【００２９】
バイパスヨーク部１３ｃは、電機子鉄心１１ｂや磁極部１３ａと同様に軟磁性体で成形される。このバイパスヨーク部１３ｃは、複数の磁極部１３ａとの間、あるいは、電機子鉄心１１ｂとの間で磁束を流して磁気回路を構成する部位である。
【００３０】
図２に示す回転電機１０Ａは、回転電機１０の一例である。回転電機１０Ａには、回転子１３の一例である回転子１３Ａを適用する。回転子１３Ａは、複数の磁極部１３ａ，非磁性保持材１３ｂ１，バイパスヨーク部１３ｃなどを含む。
【００３１】
非磁性保持材１３ｂ１は、磁気抵抗部１３ｂの一例である。この非磁性保持材１３ｂ１は、複数の磁極部１３ａやバイパスヨーク部１３ｃとともに回転するように構成される。すなわち、非磁性保持材１３ｂ１は複数の磁極部１３ａとバイパスヨーク部１３ｃとを連結して固定する部材である。非磁性保持材１３ｂ１は、複数の磁極部１３ａと磁気的に抵抗する非磁性体で円筒形状に成形される。非磁性体の材料は、金属や非金属などを問わない。金属は、例えば銅，ステンレス，アルミニウム，真鍮などが該当する。非金属は、樹脂，繊維強化プラスチック，ガラス繊維，炭素繊維強化複合材などが該当する。
【００３２】
本形態の多相巻線１１ａは、一例としてＵ相，Ｖ相，Ｗ相を含む三相を適用する。具体的には、図３に一点鎖線で示すように、多相巻線１１ａはＵ相巻線１１Ｕ，Ｖ相巻線１１Ｖ，Ｗ相巻線１１Ｗを含む。Ｕ相巻線１１Ｕ，Ｖ相巻線１１Ｖ，Ｗ相巻線１１ＷはＹ結線されるため、各巻線が一点に接続される中性点Ｐｍを有する。中性点Ｐｍは、巻線の端部どうしを接続したり、巻線の中間タップを用いて接続したりして実現するとよい。
【００３３】
制御部２０は、Ｕ相巻線１１Ｕに流す交流のＵ相電流Ｉｕと、Ｖ相巻線１１Ｖに流す交流のＶ相電流Ｉｖと、Ｗ相巻線１１Ｗに流す交流のＷ相電流Ｉｗとを制御する。Ｕ相電流Ｉｕ，Ｖ相電流ＩｖおよびＷ相電流Ｉｗを流す方向に応じて、図４，図５に示すように電機子鉄心１１ｂに生じる磁束の向きが変わる。
【００３４】
図４，図５には、多相巻線１１ａに電流を流した場合に構成される磁気回路φ１，φ２，φ３を示す。磁気回路φ１は、電機子鉄心１１ｂ，複数の磁極部１３ａおよびバイパスヨーク部１３ｃに磁束が流れて構成される。磁気回路φ２は、電機子鉄心１１ｂと複数の磁極部１３ａとに磁束が流れて構成される。磁気回路φ３は、極間永久磁石１３ｍ１によって生じる磁束が複数の磁極部１３ａとバイパスヨーク部１３ｃに流れて構成される。
【００３５】
図４には、ある方向に電流を流した場合の磁気回路φ１，φ２，φ３を示す。この場合において、磁気回路φ１と磁気回路φ２は、複数の磁極部１３ａおよび極間永久磁石１３ｍ１において同一方向に磁束が流れて強め合う。磁気回路φ１と磁気回路φ３は、バイパスヨーク部１３ｃにおいて互いに逆方向に流れて弱め合う。
【００３６】
図５には、図４とは反対方向に電流を流した場合の磁気回路φ１，φ２，φ３を示す。この場合において、磁気回路φ１にかかる磁束の流れが図４とは逆になる。そのため、磁気回路φ１と磁気回路φ２は、複数の磁極部１３ａおよび極間永久磁石１３ｍ１において逆方向に磁束が流れて弱め合う。
【００３７】
図６に示す回転磁極ＲＭａ，ＲＭｂは、多相巻線１１ａに多相交流をそれぞれ通電することで電機子鉄心１１ｂに生じる回転磁界の磁極である。本形態では、多相交流として三相交流を適用する。回転磁極ＲＭａ，ＲＭｂは、それぞれ図形の矢印で示す極性（すなわちＮ極，Ｓ極）に磁化され、例えば回転方向Ｄｒに回転する。回転磁極ＲＭａ，ＲＭｂの回転起磁力Ｆｒは「電機子起磁力」または「起磁力」に相当し、ベクトルで示す。回転子１３に含まれる磁極部１３ａに関して、極央のｄ軸と極間のｑ軸とをそれぞれ実線のベクトルで示す。
【００３８】
磁極部１３ａ間の位置（すなわち図６ではベクトルで示すｑ軸）を基準として回転方向Ｄｒにプラスを採るとき、各々ベクトルで示すｑ軸と回転起磁力Ｆｒとの間の角度が「位相角β」に相当する。なお、図６における回転方向Ｄｒは左回転の例を示すが、右回転の場合も同様であるので図示を省略する。すなわち回転方向Ｄｒが右回転の場合は、位相角βも逆方向（すなわち右回転がプラス方向）になる。また、図６では２極モデルの例を示すが、４極以上の場合も同様であるので図示を省略する。
【００３９】
ここで、一つの磁極部１３ａごとに生じるトルクＦは、全ての磁極部１３ａの総和であるトルクＴを極数Ｐｎで除したものである。相電流Ｉａは一相分の電流であって、Ｕ相電流Ｉｕ，Ｖ相電流ＩｖおよびＷ相電流Ｉｗのいずれかに対応する。一相分の磁束鎖交数をΨａと仮定し、一相分の磁気回路φ１を流れる磁束の磁束鎖交数をΨecと仮定し、一相分の磁気回路φ２を流れる磁束の磁束鎖交数をΨemと仮定する。相電流Ｉａと全磁束鎖交数Ψａに付す添え字「ａ」は相を示し、本形態ではＵ相，Ｖ相，Ｗ相のいずれかである。多相巻線１１ａのインダクタンスをＬｆと仮定し、ｄ軸インダクタンスをＬｄと仮定し、ｑ軸インダクタンスをＬｑと仮定する。これらの変数と位相角βとを用いて、トルクＦを表すと次に示す数式（ａ）〜（ｄ）が成り立つ。
【００４０】
【数１】
0006455725.tif 000002
【００４１】
数式（ｄ）の右辺には、磁石トルクＴｍ，バイパスヨークトルクＴbyc，リラクタンストルクＴｒがあらわれる。磁石トルクＴｍは、極間永久磁石１３ｍ１から生じる磁束によって得られるトルクである。バイパスヨークトルクＴbycは、バイパスヨーク部１３ｃを流れる磁束によって得られるトルクである。リラクタンストルクＴｒは、磁極部１３ａを流れる磁束によって得られるトルクである。
【００４２】
上述した位相角βとトルクＦとの関係例を図７に示す。実線で示す特性線Ｆ１は、回転電機１０Ａの構成によって得られる特性線である。一点鎖線で示す特性線Ｆ２は、回転電機１０Ａから極間永久磁石１３ｍ１を除いた構成によって得られる特性線である。二点鎖線で示す特性線Ｆ３は、磁石がない状態でステータの励磁電流トルクのうちリラクタンストルク分である。このリラクタンストルク分は、上述したリラクタンストルクＴｒに相当する。なお、図７に示す「degE」は電気角の「度」を意味する。
【００４３】
位相角β１において、特性線Ｆ１と特性線Ｆ２との間にはトルク差Ｆａがあり、特性線Ｆ２と特性線Ｆ３との間にはトルク差Ｆｂがある。トルク差Ｆａは、極間永久磁石１３ｍ１によるマグネットトルクに起因し、上述した磁石トルクＴｍに相当する。トルク差Ｆｂは、磁気回路φ１，φ３によってバイパスヨーク部１３ｃに流れる磁束に起因し、上述したバイパスヨークトルクＴbycに相当する。よって、特性線Ｆ１は特性線Ｆ２と特性線Ｆ３を合成して得られる特性線である。
【００４４】
制御部２０は、作動態様に応じて位相角βを設定するとよい。図示するように、電気角で０度を境として、０度＜β＜９０度の位相角βで発電機トルクを出力でき、−９０度＜β＜０度の位相角βで電動機トルクを出力できる。
【００４５】
参考のために、従来の回転電機によって得られるトルク特性を図８に示す。実線で示す特性線Ｆ４は、従来の回転電機にかかる総合的なトルク特性である。一点鎖線で示す特性線Ｆ５は、従来の回転電機に含まれる磁石によって得られる磁石トルク特性である。二点鎖線で示す特性線Ｆ６は、上記特性線Ｆ３と同等の特性を示し、従来の回転電機に磁石がない状態でステータの励磁電流トルクのうちリラクタンストルク特性である。図示するように、電動機トルクは出力できるものの、発電機トルクは出力できない。
【００４６】
上述した実施の形態１によれば、以下に示す各作用効果を得ることができる。
【００４７】
（１）回転電機１０Ａは、少なくとも電機子１１と回転子１３Ａとを含めた。回転子１３Ａは、図２に示すように、周方向に離間して配列された複数の磁極部１３ａと、磁極部１３ａの相互間に配置された複数の極間永久磁石１３ｍ１と、電機子１１とは反対側であって複数の磁極部１３ａおよび複数の極間永久磁石１３ｍ１と第２ギャップＧ２を介して設けられたバイパスヨーク部１３ｃとを含めた。複数の磁極部１３ａの数は、多相巻線１１ａへの通電によって電機子鉄心１１ｂに生じる極数Ｐｎと一致させた。複数の極間永久磁石１３ｍ１は、図２に示すように、周方向に磁化された状態であって、かつ、周方向に隣り合う極間永久磁石１３ｍ１どうしで磁化方向が逆になるように配置した。電機子鉄心１１ｂと、複数の磁極部１３ａと、複数の極間永久磁石１３ｍ１と、バイパスヨーク部１３ｃとは、図４，図５に示すように、磁気通路としての連絡に関して周方向に隣り合う磁極部１３ａを含めて複数の磁気回路φ１，φ２，φ３を構成した。こうした構成によれば、複数の磁気回路φ１，φ２，φ３は、複数の極間永久磁石１３ｍ１に対して並列に選択的に通過しやすい磁気通路となる。ここで、極間永久磁石１３ｍ１は一定磁束であり、多相巻線１１ａへの通電に伴って電機子鉄心１１ｂに生じる巻線磁束は可変磁束である。そのため、図４に示すように協働させて磁束を強めたり、図５に示すように磁束を互いに逆方向を流すことで磁束を弱めたりすることができ、結果として可変界磁が行える。また、界磁巻線を必要としないので、小型化することができる。
【００４８】
（２）第２ギャップＧ２は、図１に示すように、複数の磁極部１３ａと磁気的に抵抗するとともに、複数の磁極部１３ａおよびバイパスヨーク部１３ｃとともに回転する磁気抵抗部１３ｂを有する構成とした。磁気抵抗部１３ｂには、図２に示す非磁性保持材１３ｂ１を用いた。これらの構成によれば、バイパスヨーク部１３ｃは第２ギャップＧ２によって複数の磁極部１３ａと磁気的に抵抗するので、渦電流が生じず低損失になる。
【００４９】
（７）制御部２０は、図６に示すように磁極部１３ａ間の位置を基準として回転方向Ｄｒにプラスを採るときの回転起磁力Ｆｒを位相角βとするとき、図７に示すように位相角βを電気角で０度以外に選定して多相巻線１１ａに通電する多相交流を制御することにより、電機子鉄心１１ｂに生じる起磁力を磁極部１３ａに導く構成とした。この構成によれば、多相巻線１１ａに流す電流に位相角βを持たせることで、可変界磁を確実に実現することができる。
【００５０】
（８）制御部２０は、図４，図５に示すように、電機子鉄心１１ｂとバイパスヨーク部１３ｃとを含めて磁束が流れる磁気回路φ１と、電機子鉄心１１ｂと極間永久磁石１３ｍ１とを含めて磁束が流れる磁気回路φ２とが同一方向または逆方向のいずれかになるように多相巻線１１ａに通電する制御を行う構成とした。この構成によれば、磁束が流れる方向が同一方向になるように制御すれば強め界磁を行え、磁束が流れる方向が逆方向になるように制御すれば弱め界磁を行える。そのため、可変界磁の強さを目的に合わせて加減することができる。
【００５１】
〔実施の形態２〕
実施の形態２は図９を参照しながら説明する。なお図示および説明を簡単にするため、特に明示しない限り、実施の形態１で用いた要素と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。よって、主に実施の形態１と相違する点を説明する。
【００５２】
図９に示す回転電機１０Ｂは、回転電機１０の一例であって、図２と同様に図１における矢印II−II線の一部を断面図で示す。ただし、多相巻線１１ａは実施の形態１と同じであるので、図９では図示を省略する。
【００５３】
回転電機１０Ｂには、回転子１３の一例である回転子１３Ｂを適用する。回転子１３Ｂは、複数の磁極部１３ａ，空隙部１３ｂ２，バイパスヨーク部１３ｃなどを含む。周方向に隣り合う磁極部１３ａの相互間は、電機子１１と対面する側において連結部位１３ｅで連結される。連結部位１３ｅの径方向距離は、連結強度と磁気漏洩防止とを考慮して設定するとよい。周方向に隣り合う磁極部１３ａの相互間には、それぞれ極間永久磁石１３ｍ２が配置される。極間永久磁石１３ｍ２は、例えば断面が四角形状または台形状に成形され、極間永久磁石１３ｍ１と同様の磁化および配置がされる。
【００５４】
空隙部１３ｂ２は、磁気抵抗部１３ｂの一例である。この空隙部１３ｂ２は第２ギャップＧ２の空隙とともに、複数の支持部位１３ｄが設けられる。複数の支持部位１３ｄはブリッジに相当し、複数の磁極部１３ａとバイパスヨーク部１３ｃとを支持して固定する機能を担う。支持部位１３ｄの周方向距離は、支持強度と磁気漏洩防止とを考慮して設定するとよい。
【００５５】
本形態の回転子１３Ｂを構成する電磁鋼板は、複数の磁極部１３ａ，複数の連結部位１３ｅ，バイパスヨーク部１３ｃ，複数の支持部位１３ｄを一体成形する。
【００５６】
制御部２０は、実施の形態１と同様に多相巻線１１ａに通電する多相交流を制御する。この制御によって、図４，図５に示す磁気回路φ１，φ２，φ３を構成でき、図６に示す回転起磁力Ｆｒを発生させ、図７に示す特性線Ｆ１のトルクＦが得られる。
【００５７】
上述した実施の形態２によれば、実施の形態１と同様の作用効果を得ることができるとともに、次の作用効果を得ることができる。
【００５８】
（３）複数の磁極部１３ａとバイパスヨーク部１３ｃとは、図９に示すように、これらの間を連結する支持部位１３ｄによって一体化された構成とした。この構成によれば、構造が簡素化し、耐遠心力強度も向上する。
【００５９】
〔実施の形態３〕
実施の形態３は図１０を参照しながら説明する。なお図示および説明を簡単にするため、特に明示しない限り、実施の形態１，２で用いた要素と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。よって、主に実施の形態１，２と相違する点を説明する。
【００６０】
図１０に示す回転電機１０Ｃは、回転電機１０の一例であって、図２と同様に図１における矢印II−II線の一部を断面図で示す。ただし、多相巻線１１ａは実施の形態１と同じであるので、図１０では図示を省略する。
【００６１】
回転電機１０Ｃには、回転子１３の一例である回転子１３Ｃを適用する。回転子１３Ｃは、複数の磁極部１３ａ，空隙部１３ｂ３，バイパスヨーク部１３ｃなどを含む。周方向に隣り合う磁極部１３ａの相互間は、電機子１１と対面する側において凹状部位１３ｆが設けられ、電機子１１に向かって開口するようにＵ字状穴部位１３ｇが設けられる。
【００６２】
凹状部位１３ｆは、隣り合う磁極部１３ａの相互間に設けられるので、一方の磁極部１３ａから他方の磁極部１３ａに磁束が流れて漏洩するのを防止する。また凹状部位１３ｆが設けられることによって、複数の磁極部１３ａは突極として機能する。そのため、回転電機１０Ｃを電動機として作動させる場合は、同期電動機と同様に機能する。
【００６３】
Ｕ字状穴部位１３ｇには、電機子１１に近い部位にそれぞれ極間永久磁石１３ｍ３が収容される。結果として、極間永久磁石１３ｍ３は電機子１１に向かって開口するようにＶ字状に配置される。Ｖ字状に配置された一対の極間永久磁石１３ｍ３は、極間永久磁石１３ｍ１と同様に磁化されている。
【００６４】
第２ギャップＧ２の空隙部１３ｂ３と、極間永久磁石１３ｍ３が収容されずに空隙となる部位のＵ字状穴部位１３ｇとは、それぞれ磁気抵抗部１３ｂの一例である。
【００６５】
本形態の回転子１３Ｃを構成する電磁鋼板は、複数の磁極部１３ａ，複数の凹状部位１３ｆ，バイパスヨーク部１３ｃ，複数の支持部位１３ｄを一体成形する。
【００６６】
制御部２０は、実施の形態１と同様に多相巻線１１ａに通電する多相交流を制御する。この制御によって、図４，図５に示す磁気回路φ１，φ２，φ３を構成でき、図６に示す回転起磁力Ｆｒを発生させ、図７に示す特性線Ｆ１のトルクＦが得られる。
【００６７】
上述した実施の形態３によれば、実施の形態１，２と同様の作用効果を得ることができるとともに、次の作用効果を得ることができる。
【００６８】
（４）複数の極間永久磁石１３ｍ３は、図１０に示すように、電機子１１に向かって開口するようにＶ字状に配置された構成とした。この構成によれば、Ｖ字状に配置された極間永久磁石１３ｍ３のそれぞれについてマグネットトルクが加わるので、さらにトルク性能を向上させることができる。
【００６９】
（５）磁極部１３ａは、図１０に示すように、Ｖ字状に配置された極間永久磁石１３ｍ３の相互間において、凹状部位１３ｆを有する構成とした。この構成によれば、凹状部位１３ｆは磁極部１３ａに対して補助的な磁極になり、磁極部１３ａに比べて電機子鉄心１１ｂとのギャップが大きくなる。よって、漏れ磁束が少なくなり、リラクタンストルクを発生して高いトルクＦが得られる。
【００７０】
〔実施の形態４〕
実施の形態４は図１１を参照しながら説明する。なお図示および説明を簡単にするため、特に明示しない限り、実施の形態１〜３で用いた要素と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。よって、主に実施の形態１〜３と相違する点を説明する。
【００７１】
図１１に示す回転電機１０Ｄは、回転電機１０の一例であって、図２と同様に図１における矢印II−II線の一部を断面図で示す。ただし、多相巻線１１ａは実施の形態１と同じであるので、図１１では図示を省略する。
【００７２】
回転電機１０Ｄには、回転子１３の一例である回転子１３Ｄを適用する。回転子１３Ｄは、複数の磁極部１３ａ，空隙部１３ｂ４，バイパスヨーク部１３ｃなどを含む。実施の形態３と同様に、周方向に隣り合う磁極部１３ａの相互間には、複数の凹状部位１３ｆと、複数のＵ字状穴部位１３ｇとが設けられる。
【００７３】
さらに、磁極部１３ａごとに対応する空隙部１３ｂ４には、極下永久磁石１３ｍ４が収容して設けられる。すなわち、極下永久磁石１３ｍ４は磁極部１３ａとバイパスヨーク部１３ｃとの間における第２ギャップＧ２に配置される。複数の極下永久磁石１３ｍ４は、図形の矢印で示すように、磁極部１３ａの極性に合わせて径方向に磁化されている。周方向に隣り合う極下永久磁石１３ｍ４どうしは、磁化方向が逆になるように配置される。
【００７４】
極間永久磁石１３ｍ３が収容されずに第２ギャップＧ２の空隙となる部位のＵ字状穴部位１３ｇは、磁気抵抗部１３ｂの一例である。
【００７５】
本形態の回転子１３Ｄを構成する電磁鋼板は、複数の磁極部１３ａ，複数の凹状部位１３ｆ，バイパスヨーク部１３ｃ，複数の支持部位１３ｄを一体成形する。
【００７６】
制御部２０は、実施の形態１と同様に多相巻線１１ａに通電する多相交流を制御する。この制御によって、図４，図５に示す磁気回路φ１，φ２，φ３を構成でき、図６に示す回転起磁力Ｆｒを発生させ、図７に示す特性線Ｆ１のトルクＦが得られる。
【００７７】
上述した実施の形態４によれば、実施の形態１〜３と同様の作用効果を得ることができるとともに、次の作用効果を得ることができる。
【００７８】
（６）第２ギャップＧ２に相当する空隙部１３ｂ４には、磁極部１３ａに対応して設けられた極下永久磁石１３ｍ４を有する構成とした。この構成によれば、極下永久磁石１３ｍ４のマグネットトルクが加わるので、多相巻線１１ａに流す電流が小さくても大きな起磁力を得ることができる。
【００７９】
〔他の実施の形態〕
以上では本発明を実施するための形態について実施の形態１〜４に従って説明したが、本発明は当該形態に何ら限定されるものではない。言い換えれば、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施することもできる。例えば、次に示す各形態を実現してもよい。
【００８０】
上述した実施の形態３，４では、図１０，図１１に示すように、複数の磁極部１３ａとバイパスヨーク部１３ｃとを支持部位１３ｄで支持して固定する構成とした。この形態に代えて、複数の磁極部１３ａとバイパスヨーク部１３ｃとを固定部材で固定する構成としてもよい。固定部材の材料は非磁性体が望ましい。例えば図１０に示す回転電機１０Ｃの変形例を図１２に示す。図１２には、図１０に示す支持部位１３ｄに代えて、固定部材に相当するネジ１３ｈを用いて複数の磁極部１３ａとバイパスヨーク部１３ｃとを固定している。複数の磁極部１３ａとバイパスヨーク部１３ｃとの間に二点鎖線で示すスペーサＳＰを介在させると、第２ギャップＧ２の間隔を維持して偏位を防止できる。図示を省略するが、図１１に示す回転電機１０Ｄについても支持部位１３ｄに代えてネジ１３ｈを用いて固定できる。固定部材は、ネジ１３ｈに限らず、ボルトやピンなどでもよい。支持部位１３ｄで支持するか、ネジ１３ｈで支持するかの相違に過ぎないので、実施の形態３，４と同様の作用効果を得ることができる。また、複数の磁極部１３ａとバイパスヨーク部１３ｃとは、図１２に示すように、これらの間を支持して固定するネジ１３ｈによって一体化された構成とした。この構成によれば、構造が簡素化し、耐遠心力強度も向上する。
【００８１】
上述した実施の形態１〜４の各回転子１３は、図１に示すように、回転軸１５とは別体にバイパスヨーク部１３ｃを備える構成とした。この形態に代えて、回転軸１５の少なくとも一部が軟磁性体で成形される場合には、バイパスヨーク部１３ｃに対応する部位を回転軸１５で代用してもよい。言い換えると、回転軸１５にバイパスヨーク部１３ｃを含む。回転軸１５は、バイパスヨーク部１３ｃと同様に磁気回路φ１，φ３を構成するので、実施の形態１〜４と同様の作用効果を得ることができる。
【００８２】
上述した実施の形態１〜４の制御部２０は、図３に示すように、多相交流として三相交流を適用する構成とした。この形態に代えて、例えば四相，六相，十二相などのように、四相以上の多相交流を適用してもよい。交流の相数が相違するに過ぎないので、実施の形態１〜４と同様の作用効果を得ることができる。
【００８３】
上述した実施の形態１〜４の多相巻線１１ａは、図３に示すように、Ｕ相巻線１１Ｕ，Ｖ相巻線１１Ｖ，Ｗ相巻線１１ＷをＹ結線する構成とした。この形態に代えて、Ｕ相巻線１１Ｕ，Ｖ相巻線１１Ｖ，Ｗ相巻線１１Ｗは、Δ結線としてもよく、Ｙ結線とΔ結線を組み合わせるＹ−Δ結線としてもよい。結線形態が相違するに過ぎないので、実施の形態１〜４と同様の作用効果を得ることができる。
【００８４】
上述した実施の形態１〜４では、図１に示すように、インナーロータ型の回転電機１０に適用する構成とした。この形態に代えて、アウターロータ型の回転電機に適用する構成としてもよい。アウターロータ型では、電機子１１を内径側に配置し、回転子１３を外径側に配置する。電機子１１と回転子１３の配置が相違したりするに過ぎないので、実施の形態１〜４と同様の作用効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００８５】
１０（１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ）  回転電機
１１  電機子（固定子）
１１ａ  多相巻線
１１ｂ  電機子鉄心
１３（１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ，１３Ｅ）  回転子
１３ａ  磁極部
１３ｂ  磁気抵抗部
１３ｃ  バイパスヨーク部
１３ｍ１，１３ｍ２，１３ｍ３  極間永久磁石
２０  制御部
Ｇ１  第１ギャップ
Ｇ２  第２ギャップ
【図１】
0006455725.tif 000003
【図２】
0006455725.tif 000004
【図３】
0006455725.tif 000005
【図４】
0006455725.tif 000006
【図５】
0006455725.tif 000007
【図６】
0006455725.tif 000008
【図７】
0006455725.tif 000009
【図８】
0006455725.tif 000010
【図９】
0006455725.tif 000011
【図１０】
0006455725.tif 000012
【図１１】
0006455725.tif 000013
【図１２】
0006455725.tif 000014