(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電機子コイルを有するステータと、永久磁石を有するロータと、を備えた回転電機であって、
前記ステータは、
前記電機子コイルが集中巻された複数のステータティースを有し、
前記ロータは、
前記永久磁石が内包された複数のロータティースと、
前記永久磁石よりも前記ステータ側で前記ロータティースに巻かれた誘導コイルと、を有し、
周方向に隣り合う前記ロータティースの間には、磁路部材が空隙を介して配置されており、
前記磁路部材には、前記誘導コイルで発生した誘導電流に基づいて、周方向に隣り合う前記永久磁石間で短絡する磁束の磁束量を調整可能な可変界磁コイルが設けられていることを特徴とする回転電機。
【請求項２】
前記誘導コイルによって誘起された交流の誘導電流を直流に整流して前記可変界磁コイルに供給する整流回路を有する請求項１に記載の回転電機。
【請求項３】
前記可変界磁コイルは、前記磁路部材にトロイダル巻されており、周方向に隣り合う前記永久磁石間で磁束が短絡する向きの磁極が形成されるよう設けられている、請求項１または請求項２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。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石の磁束を利用してトルクを出力する回転電機では、永久磁石による有効磁束量を可変することができる回転電機が知られている。例えば、特許文献１には、電機子巻線が巻かれた固定子と、該固定子と空隙を介して回転可能に設けられた回転子を有する回転電機において、固定子が回転軸方向に第１回転子と第２回転子とに二分割され、それぞれに極性の異なる界磁用磁石が回転方向に交互に配置された構造が記載されている。
【０００３】
このような構造から、特許文献１に記載の回転電機は、トルクや回転数の変化に応じて第２回転子を動作させ、第１回転子の永久磁石の極性と第２回転子の永久磁石の極性との位置関係を可変することによって、永久磁石による有効磁束量を調整することができる。このとき、特許文献１に記載の回転電機は、第１回転子の永久磁石の極性と第２回転子の永久磁石の極性との位置関係を可変するにあたって、アクチュエータに入力された制御信号により第２回転子を所定状態に位置させるように制御している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２４６１９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の回転電機は、上述したように、第２回転子を所定状態に位置させるため、アクチュエータや該アクチュエータを制御するための制御装置が必要である。また、第１回転子と第２回転子とが所定の位置関係となるように第２回転子を機械的に移動させていることから精密な制御が必要である。このため、低コストな構成で永久磁石の磁束を可変させることができない。
【０００６】
本発明は、上述のような事情に鑑みてなされたもので、低コストな構成で永久磁石の磁束を可変させることが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】
【０００７】
本発明は、上記目的を達成するため、電機子コイルを有するステータと、永久磁石を有するロータと、を備えた回転電機であって、前記ステータは、前記電機子コイルが集中巻された複数のステータティースを有し、前記ロータは、前記永久磁石が内包された複数のロータティースと、前記永久磁石よりも前記ステータ側で前記ロータティースに巻かれた誘導コイルと、を有し、周方向に隣り合う前記ロータティースの間には、磁路部材が空隙を介して配置されており、前記磁路部材には、前記誘導コイルで発生した誘導電流に基づいて、周方向に隣り合う前記永久磁石間で短絡する磁束の磁束量を調整可能な可変界磁コイルが設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、低コストな構成で永久磁石の磁束を可変させることができる回転電機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の一実施の形態に係る回転電機の一部断面斜視図である。
【図２】図２は、本発明の一実施の形態に係る回転電機を回転軸に直交する平面で切断した断面図である。
【図３】図３は、本発明の一実施の形態に係る回転電機において発生する第２次空間高調波の磁束の分布とその磁束ベクトルを示す図である。
【図４】図４は、本発明の一実施の形態に係る回転電機における誘導コイル及び可変界磁コイルとダイオードとの結線を示す模式図である。
【図５】図５は、本発明の一実施の形態に係る回転電機のロータが低回転しているときの磁束の経路を示す模式図である。
【図６】図６は、本発明の一実施の形態に係る回転電機のロータが低回転しているときの磁束量を示す図である。
【図７】図７は、本発明の一実施の形態に係る回転電機のロータが高回転しているときの磁束の経路を示す模式図である。
【図８】図８は、本発明の一実施の形態に係る回転電機のロータが高回転しているときの磁束量を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。図１から図８は本発明の一実施の形態に係る回転電機を説明する図である。
【００１１】
図１及び図２に示すように、回転電機１は、通電により磁束を発生させるＷ相、Ｖ相、Ｕ相の三相の電機子コイル１１を有するステータ１０と、ステータ１０で発生した磁束の通過により回転するロータ２０と、磁路部材３０と、を備えている。図２においては、電機子コイル１１の図示を省略している。
【００１２】
（ステータ）
ステータ１０は、図示しないモータケースに固定されている。ステータ１０は、高透磁率の磁性材料からなる環状のステータコア１２を備えている。ステータコア１２には、径方向の内方側に突出したステータティース１３が周方向に沿って複数形成されている。
【００１３】
周方向に隣り合うステータティース１３の間には、溝状の空間であるスロット１４が形成されている。径方向とは、ロータ２０の回転軸が延伸する方向と直交する方向を示す。径方向の内方側とは、径方向においてロータ２０の回転軸に近い側を示す。径方向の外方側とは、径方向においてロータ２０の回転軸から遠い側を示す。周方向とは、ロータ２０の回転軸を中心とする円周方向を示す。なお、径方向は、回転軸を中心として放射方向に示される。
【００１４】
ステータコア１２の各スロット１４には、ステータコア１２の周方向に沿ってＷ相、Ｖ相、Ｕ相の三相の電機子コイル１１がそれぞれ配置されている。Ｗ相、Ｖ相、Ｕ相の各電機子コイル１１は、集中巻によりステータティース１３に巻き回されている。
【００１５】
このように、ステータ１０は、電機子コイル１１が集中巻された複数のステータティース１３を有している。ステータ１０は、電機子コイル１１に三相交流が供給されることで、周方向に回転する回転磁界を発生させる。ステータ１０で発生した磁束（以下、この磁束を「主磁束」という）は、ロータ２０に鎖交するようになっている。これにより、ステータ１０は、ロータ２０を回転させることができる。
【００１６】
ステータ１０は、上述の通り、電機子コイル１１がステータティース１３に集中巻されている。このため、電機子コイル１１に三相交流を供給した場合、ステータ１０には、ロータ２０の回転と同期して回転する回転磁界の他に、ロータ２０の回転と非同期の高調波回転磁界が発生する。この高調波回転磁界には、静止座標系における第２次空間高調波（同期回転座標系における第３次時間高調波）が含まれる。したがって、ステータ１０で発生する磁束には、高調波成分が重畳されていることとなる。
【００１７】
（ロータ）
ロータ２０は、外周面がステータコア１２の内周面と対向するように、ステータコア１２の径方向の内方側に配置されている。ロータ２０は、環状のロータコア２１と、誘導コイル２２とを含んで構成されている。
【００１８】
ロータコア２１は、高透磁率の磁性材料からなり、ロータ２０の回転軸に対して一体回転可能に固定されている。ロータコア２１には、ロータコア２１から径方向の外方に向けて突出したロータティース２３がロータコア２１の周方向に沿って所定の間隔をおいて複数形成されている。ロータ２０の回転軸は、ロータコア２１の内周面に固定され、ロータコア２１の径方向と直交する方向に延伸している。以下においては、ロータ２０の回転軸が延伸する方向を軸方向という。
【００１９】
ロータティース２３は、永久磁石２４を備えている。永久磁石２４は、例えばネオジウム磁石（Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石）で構成されており、ロータティース２３に内包されている。永久磁石２４は、磁束の向きが径方向になるようにロータティース２３に配置されている。永久磁石２４は、周方向に隣り合うロータティース２３同士で極性が逆となるように配置されている。永久磁石２４としては、一対の永久磁石を１組としてこれを各ロータティース２３内にＶ字状に配置したものを用いてもよい。
【００２０】
誘導コイル２２は、永久磁石２４よりもステータ１０側で各ロータティース２３に巻かれている。誘導コイル２２は、ロータティース２３の先端部２３ａの側面を囲むように巻かれている。
【００２１】
誘導コイル２２は、ステータ１０側で発生した磁束に重畳された高調波成分に基づいて誘導電流を発生するようになっている。具体的には、三相交流が電機子コイル１１に供給されてステータ１０に回転磁界が発生すると、ステータ１０側で発生した高調波成分の磁束が誘導コイル２２に鎖交する。これにより、誘導コイル２２は、誘導電流を誘起させる。
【００２２】
図３は、ステータ１０側で発生した第２次空間高調波の磁束の分布とその磁束ベクトルを示したものである。図３に示すように、ステータ１０側で発生した第２次空間高調波の磁束の多くは、ロータティース２３の先端部２３ａに鎖交している。したがって、本実施の形態では、誘導コイル２２がロータティース２３の先端部２３ａの側面を囲むように巻かれているので、より多くの第２次空間高調波の磁束を誘導コイル２２に鎖交させることができる。
【００２３】
（磁路部材）
磁路部材３０は、永久磁石２４の磁束の一部を、周方向に隣り合うロータティース２３の間で短絡させるよう導くものである。具体的には、磁路部材３０は、Ｎ極に磁化された永久磁石２４で発生した磁束の一部を短絡磁束として、Ｓ極に磁化された永久磁石２４に導くものである。
【００２４】
磁路部材３０は、周方向に隣り合うロータティース２３の間の各ｑ軸（図４参照）上にそれぞれ配置されている。磁路部材３０は、周方向に対向するロータティース２３との間に空隙Ｇを介して配置されている。
【００２５】
磁路部材３０は、例えば樹脂等の非磁性体からなる図示しないブラケットや連結部材等を介してロータ２０の回転軸又はロータコア２１に保持されている。したがって、磁路部材３０は、ロータ２０の回転と一体回転するようになっている。
【００２６】
非磁性体を用いずに磁路部材３０をロータ２０の回転軸又はロータコア２１に保持させる場合には、磁路部材３０とロータ２０の回転軸又はロータコア２１との磁気的な結合を極力小さくした状態で互いに連結するのが好ましい。
【００２７】
このように、磁路部材３０は、ロータコア２１のロータティース２３と磁気的に遮蔽された状態でｑ軸上に配置される。これにより、突極比の低下が防止され、リラクタンストルクの低下が防止される。
【００２８】
磁路部材３０は、複数の電磁鋼板を軸方向に積層したものからなる。磁路部材３０は、強磁性体の微細な粉末が圧縮して固められた圧粉磁心によって形成されたものであってもよい。
【００２９】
磁路部材３０は、周方向に延在するコア部３１と、コア部３１の周方向における両端から径方向の外方に向かって突出した一対の対向部３２とを有している。コア部３１と一対の対向部３２とは一体形成されている。
【００３０】
コア部３１には、可変界磁コイル３５が軸方向にトロイダル状に集中巻されている。可変界磁コイル３５は、誘導コイル２２で発生した誘導電流の大きさに応じて、隣接する永久磁石２４の間で短絡する短絡磁束の磁束量を調整可能なコイルである。なお、隣接する永久磁石２４とは、周方向に隣り合うロータティース２３のそれぞれに内包されている永久磁石２４のことである。
【００３１】
可変界磁コイル３５は、隣接する永久磁石２４の間で磁束が短絡する向きの磁極を形成するよう、磁路部材３０にトロイダル巻されている。これにより、可変界磁コイル３５は、後述する整流回路４０で整流された直流電流が供給されると、隣接する永久磁石２４の間で磁束が短絡する向きに誘導磁束を発生させ、磁路部材３０に磁極を形成させるようになっている。すなわち、磁路部材３０は、可変界磁コイル３５で発生する誘導磁束の向きに応じて磁化されるようになっている。
【００３２】
具体的には、可変界磁コイル３５に直流電流が供給されると、図７に示すように、磁路部材３０は、Ｓ極の永久磁石２４側がＮ極に磁化され、Ｎ極の永久磁石２４側がＳ極に磁化されるようになっている。これにより、Ｎ極の永久磁石２４の磁束の一部が磁路部材３０を介してＳ極の永久磁石２４に短絡する。
【００３３】
可変界磁コイル３５が発生させる誘導磁束の磁束量は、可変界磁コイル３５に供給される直流電流の大きさに応じて調整される。この誘導磁束の磁束量が調整されることによって、隣接する永久磁石２４の間における短絡磁束の磁束量が調整される。
【００３４】
誘導磁束の磁束量は、可変界磁コイル３５に供給される直流電流が大きいほど、可変界磁コイル３５の巻き数が多いほど大きくなる。可変界磁コイル３５の巻き数は、予め実験的に求められた巻き数に設定される。
【００３５】
可変界磁コイル３５に供給される直流電流は、誘導コイル２２に発生する誘導電流の大きさに応じて調整される。このように、短絡磁束の磁束量は、誘導コイル２２に発生する誘導電流の大きさに応じて調整されるようになっている。また、誘導コイル２２に発生する誘導電流は、ロータ２０の回転速度が上昇するにつれて大きくなる。したがって、短絡磁束の磁束量は、ロータ２０の回転速度が上昇するにつれて大きくなる。
【００３６】
一対の対向部３２は、コア部３１の周方向における両端から径方向の外方に向かって突出しており、この突出の端部が少なくとも永久磁石２４よりも径方向の外方に位置するようになっている。これにより、ロータティース２３と対向する磁路部材３０の面積が、対向部３２がない磁路部材の場合と比べて大きくなる。したがって、可変界磁コイル３５に直流電流が供給された際には、永久磁石２４から多くの磁束を磁路部材３０に導くことができる。
【００３７】
対向部３２とロータティース２３との間には、高磁気抵抗の領域として所定の大きさの空隙Ｇが形成されている。空隙Ｇは、可変界磁コイル３５に直流電流が供給されていないときには、永久磁石２４の磁束がロータティース２３と磁路部材３０との間で流れることがない、又は流れても微量となるような大きさである。また、空隙Ｇは、可変界磁コイル３５に直流電流が供給されているときには、永久磁石２４の磁束がロータティース２３と磁路部材３０との間で流れるような大きさに設定されている。
【００３８】
（整流回路）
回転電機１は、誘導コイル２２によって誘起された交流の誘導電流を直流に整流して可変界磁コイル３５に供給する整流回路４０を備えている。
【００３９】
図４に示すように、整流回路４０は、２つのダイオードＤ１，Ｄ２を整流素子として備え、これらダイオードＤ１，Ｄ２と２つの誘導コイル２２、及び２つの可変界磁コイル３５とを結線した閉回路として構成されている。
【００４０】
ダイオードＤ１，Ｄ２は、例えば図示しないダイオードケースに収納された状態でロータ２０に設けられている。ダイオードＤ１，Ｄ２は、ロータ２０の内部に実装するようにしてもよい。
【００４１】
整流回路４０において、２つの誘導コイル２２で発生した交流の誘導電流は、ダイオードＤ１，Ｄ２により整流され、整流後の直流電流は、直列接続されている２つの可変界磁コイル３５に界磁電流として供給される。２つの可変界磁コイル３５は、直流電流が供給されることにより誘導磁束を発生させる。
【００４２】
（回転電機の作用）
次に、図５、図６、図７及び図８を参照して、本実施の形態に係る回転電機１の作用について説明する。
【００４３】
本実施の形態に係る回転電機１は、以上説明したように、ロータ２０に永久磁石２４を備え、その永久磁石２４の磁束を利用してトルクを出力する永久磁石型同期モータである。
【００４４】
従来の永久磁石型同期モータでは、永久磁石の磁束が一定のため、ロータの回転速度が上昇するにつれて永久磁石の磁束によってステータの電機子コイルに生じる逆起電力が増加する。そして、ロータの回転速度がある回転速度に達すると、電機子コイルに生じた逆起電力が永久磁石型同期モータの電源電圧と等しくなる。これにより、永久磁石型同期モータにはそれ以上電流を流すことができなくなる。この結果、ロータの回転速度を上昇させることができなくなってしまう。
【００４５】
従来、こうした問題を解決するために、ステータの電機子コイルに永久磁石による磁束を打ち消す電流を流すことにより電機子コイルに生じる逆起電力を等価的に低減させる弱め界磁制御が行われていた。
【００４６】
しかしながら、この弱め界磁制御は、永久磁石の磁束を打ち消す方向の磁束を発生させるべく電流を流すことから、トルクに寄与しない磁束を発生させることになるため、出力に対して無駄なエネルギを消費しており、効率の低下を招いていた。
【００４７】
また、弱め界磁制御では、高調波磁束が生じるため、その高調波磁束に起因して永久磁石型同期モータの鉄損や電磁振動が増加するおそれがある。さらに、弱め界磁制御では、永久磁石の磁束に対して逆向きの磁束を発生させて永久磁石の磁束を抑え込むため、永久磁石の不可逆減磁が生じるおそれがある。このため、比較的保磁力の高い永久磁石を用いる必要があり、コストが増加してしまう。
【００４８】
永久磁石としてネオジウム磁石を用いた場合には、弱め界磁制御による外部磁場の変動により永久磁石に渦電流が生じ、永久磁石が発熱する。この発熱によって永久磁石の不可逆減磁が生じるおそれがある。したがって、耐熱性の高いレアアース等の材料を永久磁石に添加する必要がある。しかし、この場合には、添加されたレアアース等の材料が永久磁石にとって不純物となるため、永久磁石本来の性能を発揮させることができないおそれがある。
【００４９】
そこで、本実施の形態に係る回転電機１では、弱め界磁制御を行わずに、上述した磁路部材３０及び可変界磁コイル３５の作用によって、永久磁石２４からステータ１０に鎖交する磁束量を調整可能な構成とした。これにより、本実施の形態に係る回転電機１は、上述したような弱め界磁制御による問題を解決することができる。
【００５０】
（ロータ低回転時）
本実施の形態に係る回転電機１においてロータ２０の回転速度が低いときは、ステータ１０に高調波成分の磁束が発生していないか、あるいは発生していても微量である。このため、可変界磁コイル３５は、誘導磁束を発生してないか、あるいは発生していても微量である。
【００５１】
したがって、空隙Ｇにおいては磁気抵抗が高い状態であり、かつ磁路部材３０にＮ極及びＳ極の磁極が形成されていない。このため、Ｎ極の永久磁石２４の磁束が磁路部材３０を介してＳ極の永久磁石２４に短絡することがないか、あるいは僅かに短絡するだけである。この結果、ロータ２０の回転速度が低いときは、図５及び図６に示すように、永久磁石２４の磁束の全て又は大部分がステータ１０に鎖交する。
【００５２】
このように、ロータ２０の回転速度が低いときは、後述するロータ２０の回転速度が高いときと比べて永久磁石２４からステータ１０に鎖交する磁束の磁束量を増加させることができる。
【００５３】
（ロータ高回転時）
本実施の形態に係る回転電機１においてロータ２０の回転速度が高いときは、ステータ１０に高調波成分の磁束が発生する。その高調波成分の磁束の磁束量は、ロータ２０の回転速度が上昇するにつれて増加する。
【００５４】
この高調波成分の磁束が誘導コイル２２に鎖交することにより、ロータ２０の誘導コイル２２（図２参照）に誘導電流が誘起され、誘起された誘導電流が整流回路４０（図４参照）によって整流されて直流電流として可変界磁コイル３５（図２参照）に供給される。
【００５５】
直流電流が供給された可変界磁コイル３５は、隣接する永久磁石２４の間で磁束が短絡するように誘導磁束を発生させる。すなわち、磁路部材３０において、隣接する永久磁石２４の間で磁束が短絡する位置関係となるように、Ｎ極及びＳ極の磁極が形成される。
【００５６】
この結果、磁路部材３０と永久磁石２４との間で互いの磁化方向が９０°異なるハルバッハ配列が形成される。これに伴い、空隙Ｇにおける磁気抵抗が低下する。ハルバッハ配列とは、隣り合う磁石間で磁化方向を９０°異ならせるように磁石が配置された配列のことをいう。
【００５７】
上述したように空隙Ｇにおける磁気抵抗が低下すると、図７及び図８に示すように、Ｎ極の永久磁石２４の磁束の一部が短絡磁束として磁路部材３０を介してＳ極の永久磁石２４に短絡する。これにより、永久磁石２４の磁束の全磁束量のうち短絡磁束の磁束量を除いた磁束量の磁束がステータ１０に鎖交する。すなわち、ロータ２０の回転速度が高いときは、ロータ２０の回転速度が低いときと比べて、永久磁石２４からステータ１０に鎖交する磁束の磁束量が抑えられる。
【００５８】
したがって、ロータ２０の回転速度が高い場合であっても弱め界磁制御を不要とすることができる。このため、弱め界磁制御により生ずる高調波磁束に起因した鉄損や電磁振動を防止することができる。
【００５９】
また、弱め界磁制御を不要としたので、保磁力の高い永久磁石を用いる必要がなく、耐熱性の高いレアアース等の材料を永久磁石に添加する必要もない。これにより、回転電機１のコストを低減させることができる。
【００６０】
このように、本実施の形態に係る回転電機１では、弱め界磁制御を行わずに永久磁石２４からステータ１０に鎖交する磁束量を調整可能とした。具体的には、ロータ２０の回転速度が高いときには効率の低下を防止することができる。また、ロータ２０の回転速度が低いときには出力の向上を図ることができる。
【００６１】
以上のように、本実施の形態の回転電機１によれば、ステータ１０側で発生した磁束に重畳された高調波成分を誘導コイル２２に鎖交させることにより誘導電流を発生させ、その誘導電流を整流回路４０で整流して可変界磁コイル３５に供給する。これにより、周方向に隣り合う永久磁石２４の間で短絡する短絡磁束の磁束量を調整することができる。
【００６２】
また、ステータ１０側で発生した磁束に重畳される高調波成分は、ステータ１０に集中巻された電機子コイル１１に三相交流を供給することによって得られる。このため、可変界磁コイル３５に供給される直流電流を発生させるために、例えばＤＣ／ＤＣコンバータ等の特別な装置を必要としない。
【００６３】
これによって、本実施の形態の回転電機１は、例えばＤＣ／ＤＣコンバータ等の特別な装置を利用することなく簡易な構成で、永久磁石２４からステータ１０に鎖交する磁束の磁束量を調整することができる。この結果、本実施の形態の回転電機１は、低コストな構成で永久磁石２４の磁束を可変させることができる。
【００６４】
回転電機１は、例えば車載用の電動機、風力発電用の発電機や工作機械用の電動機として好適に採用することができる。
【００６５】
本実施の形態では、回転電機１をラジアルギャップ型の回転電機に適用したが、アキシャルギャップ型の回転電機に適用してもよい。
【００６６】
本実施の形態の回転電機１は、ステータ１０のスロット１４の数とロータ２０のロータティース２３の数との比、すなわちステータ１０とロータ２０のスロットコンビネーションが「３：２」であれば、スロット１４の数とロータティース２３の数の組合せがどのような組合せであってもよい。
【００６７】
例えば、図１及び図２に示す例では、スロット１４の数が「１２」でロータティース２３の数が「８」の組合せであり、図３、図６及び図８に示す例では、スロット１４の数が「１８」でロータティース２３の数が「１２」の組合せであるが、いずれの組合せもスロットコンビネーションは「３：２」である。
【００６８】
本発明の実施の形態を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正及び等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。
【符号の説明】
【００６９】
１  回転電機
１０  ステータ
１１  電機子コイル
１３  ステータティース
２０  ロータ
２２  誘導コイル
２３  ロータティース
２４  永久磁石
３０  磁路部材
３５  可変界磁コイル
４０  整流回路
【図１】
0006589703.tif 000002
【図２】
0006589703.tif 000003
【図３】
0006589703.tif 000004
【図４】
0006589703.tif 000005
【図５】
0006589703.tif 000006
【図６】
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【図７】
0006589703.tif 000008
【図８】
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