(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電機子コイルが巻かれたステータティースを有するステータと、永久磁石を有するロータと、を備え、前記ロータの前記永久磁石と前記ステータティースと対面する位置に前記永久磁石の磁束によって磁極面が形成される回転電機であって、
前記ロータは、
前記永久磁石の磁束の一部を導く磁路部材を有し、
前記磁路部材は、回転軸に沿う方向において前記永久磁石よりも外側に配置されており、
前記磁路部材は、前記磁路部材に導かれる磁束の磁束量を調整可能な可変界磁コイルを有することを特徴とする回転電機。
【請求項２】
前記磁路部材は、前記永久磁石の周囲に環状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
【請求項３】
前記磁路部材は、前記永久磁石の径方向内側に配置される径方向内側部と、前記永久磁石の径方向外側に配置される径方向外側部と、を有し、
前記ロータは、
通電により前記電機子コイルから発生する電機子磁束に重畳する高調波磁束成分が鎖交することによって誘導電流が発生する誘導コイルと、
前記誘導コイルによって発生した誘導電流を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ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回転電機。
【請求項４】
前記ロータは、前記誘導コイルが巻かれる補極部と、前記永久磁石及び前記磁路部材を含む突極部を有し、
前記補極部は、前記突極部と磁気的に遮蔽されていることを特徴とする請求項３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】
特許文献１には、電機子巻線を有する固定子鉄心と、該固定子鉄心に空隙を介して回転可能に配設され回転軸方向に第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回転子と、その回転子の第１回転子に対する第２回転子の相対的な回転軸方向位置を可変する磁束可変機構と、その固定子鉄心に円周方向に貫いて設けられた磁気抵抗層とを有する回転電機が開示されている。
【０００３】
この特許文献１に記載の回転電機において、第２回転子の相対的な回転軸方向位置を可変するにあたっては、アクチュエータに入力された制御信号によって制御し、可動部が軸受、ストッパを介して第２回転子を所定位置に移動させるようになっている。
【０００４】
第２回転子を第１回転子から回転軸方向に離隔させた任意所定位置に移動させた状態では、固定子鉄心に設けられた磁気抵抗層によって回転軸方向に生じる磁束流れを遮断することができる。これにより、磁束可変型回転電機の高速回転領域における鉄損を低減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【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】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の回転電機にあっては、第２回転子を回転軸方向に移動させる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。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。
【０００７】
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】
【０００８】
本発明は、上記目的を達成するため、電機子コイルが巻かれたステータティースを有するステータと、永久磁石を有するロータと、を備え、前記ロータの前記永久磁石と前記ステータティースと対面する位置に前記永久磁石の磁束によって磁極面が形成される回転電機であって、前記ロータは、前記永久磁石の磁束の一部を導く磁路部材を有し、前記磁路部材は、回転軸に沿う方向において前記永久磁石よりも外側に配置されており、前記磁路部材は、前記磁路部材に導かれる磁束の磁束量を調整可能な可変界磁コイルを有する。
【発明の効果】
【０００９】
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】
【００１０】
【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のロータの周方向を直線状に描いた模式図である。
【図３】図３は、本発明の一実施の形態に係る回転電機のステータの電機子コイルに流れる各相の電流を示すグラフである。
【図４】図４は、本発明の一実施の形態に係る回転電機のロータの一部を示す分解斜視図である。
【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の一部を示す分解斜視図であり、磁路部材を装着した状態を示す図である。
【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の一部を示す分解斜視図であり、可変界磁コイル及び誘導コイルを装着した状態を示す図である。
【図７】図７は、本発明の一実施の形態に係る回転電機における誘導コイル及び可変界磁コイルと整流回路との結線図である。
【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ロータからステータに鎖交する磁束量を示す模式図である。
【図９】図９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ロータからステータに鎖交する磁束量を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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９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。
【００１２】
図１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、を備えている。
【００１３】
（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。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。なお、径方向とは、回転軸２（図８参照）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、径方向において回転軸２に近い側を示し、径方向の外方側とは、径方向において回転軸２に遠い側を示す。
【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、分布巻によりステータティース１３に巻き回されている。
【００１５】
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】
（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、ロータコア２１と、補極部２２とを含んで構成されている。
【００１７】
ロータコア２１は、高透磁率の磁性材料からなり、回転軸２（図８参照）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突極部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。
【００１８】
突極部２３は、永久磁石２４と、磁路部材２５と、可変界磁コイル２６とを備えている。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、突極部２３に内包されている。
【００１９】
磁路部材２５は、永久磁石２４の磁束の一部を導くもので、永久磁石２４の周囲に環状に形成されている。具体的には、磁路部材２５は、永久磁石２４で発生した磁束のうち、永久磁石２４からロータコア２１の軸方向に漏れる磁束（以下、この磁束を「漏れ磁束」という）を導くものである。磁路部材２５は、例えば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環状に成形されている。なお、軸方向とは、回転軸２（図８参照）が延伸する方向と同じ方向を示す。
【００２０】
磁路部材２５は、永久磁石２４とともに突極部２３に内包された内包部２５ａと、内包部２５ａから連続的に形成され、突極部２３からロータコア２１の軸方向に突出するよう延伸された延伸部２５ｂとを備えている。磁路部材２５は、永久磁石２４の軸方向の側面２４ａ側に位置する部分が突極部２３から軸方向に延伸されることで延伸部２５ｂが形成される。
【００２１】
内包部２５ａは、永久磁石２４の径方向の内方側及び外方側の側面に接しており、永久磁石２４からステータ１０に鎖交する磁束を通すようになっている。
【００２２】
延伸部２５ｂは、磁路部材２５の突極部２３から軸方向に延伸された部分に相当し、突極部２３の軸方向の両側にそれぞれ設けられている。延伸部２５ｂには、ロータコア２１の周方向に沿って可変界磁コイル２６が巻き回されている。
【００２３】
このように構成された磁路部材２５は、図８に矢印で示すように、永久磁石２４の漏れ磁束をステータ１０側の内包部２５ａから延伸部２５ｂを介して回転軸２側の内包部２５ａに導くようになっている。
【００２４】
可変界磁コイル２６は、後述する誘導コイル２８で発生した誘導電流の大きさに応じて、永久磁石２４から磁路部材２５に導かれる磁束、すなわち漏れ磁束の磁束量を調整可能なコイルである。
【００２５】
可変界磁コイル２６は、永久磁石２４の漏れ磁束が磁路部材２５内を導かれる方向（図８に矢印で示す方向）と逆向きに磁束（以下、この磁束を「遮蔽磁束」という）が流れるように、磁路部材２５の延伸部２５ｂに対して巻き回されている。そして、可変界磁コイル２６は、後述する整流回路３０で整流された直流電流が供給されることにより、図９に示すように遮蔽磁束を発生させるようになっている。従って、整流回路３０で整流された直流電流の供給を制御することにより遮蔽磁束の磁束量が調整されて、永久磁石２４から磁路部材２５に導かれる漏れ磁束の磁束量が調整される。
【００２６】
遮蔽磁束の磁束量は、可変界磁コイル２６に供給される直流電流が大きいほど、可変界磁コイル２６の巻き数が多いほど大きくなる。可変界磁コイル２６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。
【００２７】
可変界磁コイル２６に供給される直流電流は、後述するように誘導コイル２８に発生する誘導電流の大きさに応じて可変される。これにより、永久磁石２４から磁路部材２５に導かれる漏れ磁束の磁束量は、誘導コイル２８に発生する誘導電流の大きさに応じて調整される。
【００２８】
補極部２２は、図１及び図２に示すように、ロータコア２１の周方向に隣り合う突極部２３の間の各ｑ軸上にそれぞれ配置されている。補極部２２は、径方向における断面を見たときに、隣り合う突極部２３の間において空隙を介して配置されている。また、補極部２２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コア２１又は回転軸２に保持されている。非磁性体を用いずに補極部２２をロータコア２１又は回転軸２に保持させる場合には、補極部２２とロータコア２１又は回転軸２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。
【００２９】
このように、補極部２２は、ロータコア２１の突極部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。
【００３０】
補極部２２は、複数の電磁鋼板を軸方向に積層したものからなる。なお、補極部２２は、圧粉磁心によって形成してもよい。補極部２２には、ステータ１０側で発生した主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誘導コイル２８が巻かれている。
【００３１】
本実施の形態では、図３に示すように、電機子コイル１１に供給される三相交流に対して各相の電流と非同期の高調波電流が、図示しない制御装置によって重畳されるようになっている。これにより、ステータ１０側で発生した主磁束に高調波成分が重畳される。
【００３２】
上述の高調波電流が重畳された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２８に鎖交する。これにより、誘導コイル２８は、誘導電流を誘起させる。
【００３３】
なお、上述の高調波電流は、ｄ軸と電気的、磁気的に直交するｑ軸電流として重畳される。このため、ｄ軸上に配置された永久磁石２４の磁束は、上述の高調波成分によって発生する磁束の影響を受けることがない。したがって、永久磁石２４からステータ１０に鎖交する磁束の磁束量を安定して制御することができる。
【００３４】
また、本実施の形態では、ロータ２０の回転速度が所定の回転速度未満となったことを条件に電機子コイル１１に供給される三相交流に高調波電流を重畳し、ロータ２０の回転速度が所定の回転速度以上のときには電機子コイル１１に供給される三相交流に高調波電流を重畳しないよう、制御装置によって高調波電流の重畳の有無を切り替えるようになっている。高調波電流は、その大きさがロータ２０の回転速度に比例してリニアに変更されることによって重畳の有無を切り替えるものであってもよい。
【００３５】
（ロータの作成方法）
以上のように構成されたロータ２０は、図４に示すように、突極部２３が内方側突極部２３Ａと外方側突極部２３Ｂとに分割されている。内方側突極部２３Ａは、ロータコア２１の径方向の内方側でロータコア２１に連続して形成されている。外方側突極部２３Ｂは、内方側突極部２３Ａと別体に形成されている。これら内方側突極部２３Ａ及び外方側突極部２３Ｂは、いずれも複数の電磁鋼板を軸方向に積層したものからなる。
【００３６】
まず、図４に示すように、内方側突極部２３Ａ、外方側突極部２３Ｂ、永久磁石２４及び補極部２２が所定の位置に配置される。永久磁石２４は、内方側突極部２３Ａと外方側突極部２３Ｂとの間に配置される。補極部２２は、隣り合う突極部２３の間に配置される。
【００３７】
続いて、図５に示すように、磁路部材２５が永久磁石２４の周囲に形成される。例えば、磁路部材２５は、ロータコア２１の軸方向の一方側と他方側とに２分割されており、２分割された一方側の磁路部材と他方側の磁路部材とがそれぞれ軸方向の一方側及び他方側から永久磁石２４と突極部２３との隙間に挿入されることにより永久磁石２４の周囲に環状に形成される。
【００３８】
その後、図６に示すように、可変界磁コイル２６が磁路部材２５の延伸部２５ｂに巻き回され、誘導コイル２８が補極部２２に巻き回される。図６に示すように配置又は形成されたロータ２０の各構成部は、樹脂等により含浸固着される。これにより、ロータコア２１及び補極部２２がロータ２０として一体化される。
【００３９】
上述したロータ２０の作成方法は、一例であってこれに限定されるものではない。例えば、可変界磁コイル２６及び誘導コイル２８は、それぞれ予め磁路部材２５の延伸部２５ｂ及び補極部２２に巻き回されていてもよい。この場合、可変界磁コイル２６が延伸部２５ｂに巻き回された状態の２分割された一方側の磁路部材と他方側の磁路部材とを永久磁石２４と突極部２３との隙間に挿入するのが望ましい。また、補極部２２は、誘導コイル２８が巻き回された状態で隣り合う突極部２３の間に配置される。
【００４０】
（整流回路）
また、回転電機１は、誘導コイル２８で発生した誘導電流を整流して可変界磁コイル２６に供給する整流回路３０を備えている。
【００４１】
図７に示すように、整流回路３０は、４つのダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４を整流素子として備え、これらダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４と誘導コイル２８及び可変界磁コイル２６とを結線した閉回路として構成されている。整流素子としては、ダイオードに限らず、他のスイッチング素子などの半導体素子を採用してもよい。
【００４２】
ダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４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，Ｄ３，Ｄ４は、ロータ２０の内部に実装するようにしてもよい。
【００４３】
整流回路３０において、誘導コイル２８で発生した交流の誘導電流は、ダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４により整流され、整流後の直流電流は、界磁電流として可変界磁コイル２６に供給される。可変界磁コイル２６は、直流電流が供給されることにより遮蔽磁束を発生させる。
【００４４】
（回転電機の作用）
次に、図８及び図９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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
従来、こうした問題を解決するため、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って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。
【００４８】
しかしながら、この弱め界磁制御は、トルクに寄与しない磁束ベクトル方向に永久磁石の磁束を打ち消すベクトルを発生させるべく電流を流すため、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。
【００４９】
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。
【００５０】
また、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。このため、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。
【００５１】
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２５及び可変界磁コイル２６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。
【００５２】
（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の電機子コイル１１に供給される三相交流に高調波電流が重畳されない。このため、図８に示すように、永久磁石２４の磁束の一部が漏れ磁束として磁路部材２５内を短絡する。これにより、永久磁石２４の磁束のうち漏れ磁束を除いた磁束がステータ１０に鎖交する。すなわち、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。
【００５３】
この結果、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。
【００５４】
さらに、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、また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。
【００５５】
（ロータ低回転時）
一方、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、電機子コイル１１に供給される三相交流と非同期の高調波電流が制御装置によって電機子コイル１１に供給される三相交流に重畳される。これにより、ステータ１０側で発生した主磁束に高調波成分が重畳される。
【００５６】
この結果、ロータ２０の誘導コイル２８に誘導電流が誘起され、誘起された誘導電流が整流回路３０によって整流されて直流電流として可変界磁コイル２６に供給される。直流電流が供給された可変界磁コイル２６は、図９に示すように、遮蔽磁束を発生させる。これにより、ロータ２０の回転速度が高いときのように磁路部材２５内を短絡していた永久磁石２４の漏れ磁束がなくなる。
【００５７】
これにより、永久磁石２４の磁束の全てがステータ１０に鎖交する。さらに、可変界磁コイル２６に供給される直流電流が大きければ、可変界磁コイル２６によって発生した遮蔽磁束が永久磁石２４の磁束に加えられてステータ１０に鎖交する。
【００５８】
このように、ロータ２０の回転速度が低いときは、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。
【００５９】
したがって、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ので、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。
【００６０】
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に基づき補極部２２の誘導コイル２８に誘導電流を発生させて、その誘導電流を整流回路３０で整流して可変界磁コイル２６に供給することにより、磁路部材２５に導かれる永久磁石２４の漏れ磁束の磁束量を調整することができる。
【００６１】
これによって、本実施の形態の回転電機１は、特別な付加巻線やアクチュエータ等の構成を設け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。
【００６２】
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。
【００６３】
なお、本実施の形態では、電機子コイル１１は分布巻によりステータティース１３に巻き回されているが、集中巻によりステータティース１３に巻き回されてもよい。
【００６４】
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】
【００６５】
１  回転電機
１０  ステータ
１１  電機子コイル
２０  ロータ
２２  補極部
２３  突極部
２４  永久磁石
２４ａ  側面
２５  磁路部材
２５ａ  内包部
２５ｂ  延伸部（磁路部材の突極部から軸方向に延伸された部分）
２６  可変界磁コイル
２８  誘導コイル
３０  整流回路
【図１】
0006724362.tif 000002
【図２】
0006724362.tif 000003
【図３】
0006724362.tif 000004
【図４】
0006724362.tif 000005
【図５】
0006724362.tif 000006
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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