(57)【要約】【課題】フラックススイッチングモータの構造を採用しつつ、トルク密度を増加させることのできる回転電機を提供すること。【解決手段】ロータ突極部１１を有するロータ１０と、ステータ突極部２１を有するステータ２０とを備える回転電機１００であって、ステータは、ステータ突極部の間に電機子コイル２５および界磁コイル２６を有し、電機子コイルには交流電源が接続され、界磁コイルには発生する誘起電流を整流して直流電流として入力するためのステータ側ダイオード３０が接続され、ロータは、ロータ突極部の間に配置された補極コア６２と、補極コアに形成される巻線コイル６１と、巻線コイルでの通電を一方向に整流するロータ側ダイオード６５とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸を中心にして回転するロータと、前記ロータを回転自在に収容するステータと、を備える回転電機であって、
前記ロータ側に半径方向の外側に向かって突出する複数のロータ突極部を備え、
前記ステータ側に半径方向の内側に向かって突出する複数のステータ突極部を備え、
前記ステータは、
前記ステータ突極部の間に電機子コイルおよび界磁コイルを有し、
前記電機子コイルには交流電流を供給する第１の入力配線が設けられ、
前記界磁コイルには直流電流を供給する第２の入力配線が設けられ、
前記ロータは、
前記ロータ突極部の間に配置された補極コアと、前記補極コアに形成される巻線コイルと、前記巻線コイルでの通電を一方向に整流するロータ側整流器とを有する、回転電機。
【請求項２】
前記電機子コイルの交流励磁により生じる誘起電流を直流電流に整流するステータ側整流器を有し、
前記界磁コイルは、前記ステータ側整流器により整流された直流電流が前記第２の入力配線を介して入力される、請求項１に記載の回転電機。
【請求項３】
前記ステータは、前記電機子コイルを形成する電機子スロットと、前記界磁コイルを形成する界磁スロットとを前記ロータの回転方向において交互に有し、
前記電機子スロットは、前記回転軸を挟む対向位置に設けられており、
前記界磁スロットは、前記回転軸を挟む対向位置に設けられている、請求項２に記載の回転電機。
【請求項４】
前記電機子コイルおよび前記界磁コイルは、全節巻き結線されて、
前記ステータ側整流器は、前記界磁コイルの直流励磁時に電気的にプラス側となる端部にアノード側が接続され、当該界磁コイルの直流励磁時に電気的にマイナス側となる端部にカソード側が接続されている、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、ステータとロータの双方に突極構造を有して、所謂、フラックススイッチングモータとして機能する回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転電機に含まれるリラクタンスモータでは、永久磁石を埋め込むことによるマグネットトルクを利用することなく、リラクタンス力のみで大きな出力トルクを得ることができるように各種工夫がなされている。
【０００３】
この種のリラクタンス力を利用する回転電機において、ステータおよびロータの双方に突極構造を設けて磁気回路を形成することにより回転駆動させる、所謂、フラックススイッチングモータが提案されている。このフラックススイッチングモータは、永久磁石または巻線コイルへの直流電力供給による直流励磁と、巻線コイルへの交流電力供給による交流励磁とを機能させて、ロータを回転駆動させることを基本的構造としている（例えば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４１１３５８６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、このような回転電機にあっては、ロータを回転させる駆動力（回転トルク）の発生する領域が、ステータの突極構造とロータの突極構造とを互いに対面させる対向面であることから限定的であり、トルク密度が低いという課題があった。
【０００６】
そこで、本発明は、フラックススイッチングモータの構造を採用しつつ、トルク密度を増加させることのできる回転電機を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決する回転電機の発明の一態様は、回転軸を中心にして回転するロータと、前記ロータを回転自在に収容するステータと、を備える回転電機であって、前記ロータ側に半径方向の外側に向かって突出する複数のロータ突極部を備え、前記ステータ側に半径方向の内側に向かって突出する複数のステータ突極部を備え、前記ステータは、前記ステータ突極部の間に電機子コイルおよび界磁コイルを有し、前記電機子コイルには交流電流を供給する第１の入力配線が設けられ、前記界磁コイルには直流電流を供給する第２の入力配線が設けられ、前記ロータは、前記ロータ突極部の間に配置された補極コアと、前記補極コアに形成される巻線コイルと、前記巻線コイルでの通電を一方向に整流するロータ側整流器とを有している。
【発明の効果】
【０００８】
このように本発明の一態様によれば、フラックススイッチングモータの構造を採用しつつ、トルク密度を増加させることの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、本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図であり、その概略全体構成を示す回転軸に直交する断面構成図である。
【図２】図２は、本実施形態の基本構造における本体部分を示す回転軸に直交する断面構成図である。
【図３】図３は、本実施形態の回転電機の基本構造における全体構成を図示する模式図である。
【図４】図４は、本実施形態の回転電機の基本構造と対比する比較例の回転電機を示す模式図である。
【図５】図５は、図４に示す回転電機の基本構造における界磁コイル（ＤＣコイル）に直流電力のみ供給した場合に、回転力を発生する磁束のベクトル方向や分布を図示するフラックスライン図である。
【図６Ａ】図６Ａは、図４に示す回転電機の基本構造における界磁コイルに直流電力のみ供給した場合に電機子コイルコイルに鎖交する磁束の変化を図示するグラフである。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６Ａに示す磁束の変化で電機子コイルに発生する誘起電圧を示すグラフである。
【図７】図７は、図４に示す回転電機の電機子コイル（ＡＣコイル）に交流電力のみ供給した場合に、回転力を発生する磁束のベクトル方向や分布を図示するフラックスライン図である。
【図８】図８は、図４に示す回転電機の電機子コイルに交流電力のみ供給した場合に界磁コイルコイルに鎖交する磁束の変化を図示するグラフである。
【図９Ａ】図９Ａは、図４に示す回転電機の界磁コイルに直流電力のみ供給して反時計回り（ＣＣＷ）方向に回転させる場合における、直流励磁磁束のベクトル方向や分布を図示するフラックスライン図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、図４に示す回転電機の電機子コイルに交流電力のみ供給して反時計回り（ＣＣＷ）方向に回転させる場合における、単相正弦波の交流励磁磁束のベクトル方向や分布を図示するフラックスライン図である。
【図９Ｃ】図９Ｃは、図４に示す回転電機の界磁コイルに直流電力を供給するのに加えて、電機子コイルに交流電力を供給して反時計回り（ＣＣＷ）方向に回転させる場合における、直流励磁磁束と交流励磁磁束とを合成した磁束のベクトル方向や分布を図示するフラックスライン図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、本実施形態の回転電機の基本構造における電機子コイルに交流電力を供給する際に発生する磁束に重畳する２次の空間高周波成分のベクトル方向や分布を図示するフラックスライン図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、本実施形態の回転電機の基本構造における電機子コイルに交流電力を供給する際に発生する磁束に重畳する４次の空間高周波成分のベクトル方向や分布を図示するフラックスライン図である。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、本実施形態の回転電機の基本構造における電機子コイルに交流電力を供給する際に発生する磁束に重畳する６次の空間高周波成分のベクトル方向や分布を図示するフラックスライン図である。
【図１１】図１１は、本実施形態の回転電機の基本構造における電機子コイルに交流電力を供給して鎖交させる磁束で発生する誘起電圧を整流することにより界磁コイルで発生する磁束の変化を図示するグラフである。
【図１２】図１２は、図１１に示す磁束を発生させる際の界磁コイルにおける界磁電流を示すグラフである。
【図１３】図１３は、本実施形態の回転電機の基本構造における電機子コイルに交流電力を供給する交流励磁により回転を開始しつつ界磁コイルに発生する界磁電流を整流して直流励磁も活用する場合と、図４に示す回転電機のように直流電源から直流電力を供給する場合とで得られる出力トルクを比較するグラフである。
【図１４】図１４は、本実施形態の回転電機の基本構造に設置する補極構造の構成を示す一部拡大概念図である。
【図１５】図１５は、本実施形態の回転電機の基本構造に設置する補極構造における巻線コイルに接続するロータ側整流器との結線図である。
【図１６】図１６は、図１５と異なる他の例を示す巻線コイルとロータ側整流器との結線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。図１〜図１５は本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図である。
【００１１】
図１において、回転電機１００は、回転軸１０１を中心にして一体回転するロータ１０と、このロータ１０を回転自在に収容するステータ２０と、を備えており、そのロータ１０に補極構造６０が一体に回転するように設置されている。この回転電機１００は、レアアースを必要とする高価な永久磁石によるマグネットトルクを必要とすることなく、ロータ１０を回転駆動させることができる。すなわち、回転電機１００は、レアアースレスモータに構築されており、例えば、コストダウンと共に大出力を要求されるハイブリッド自動車や電気自動車に駆動源として好適に搭載される。補極構造６０については後述する。
【００１２】
図２および図３において、回転電機１００は、ロータ１０およびステータ２０の双方に突極部１１、２１が設けられ、ステータ２０側のスロット２３、２４に配置される巻線コイル２５、２６の一方に電源５０が接続されるとともに、巻線コイル２５、２６の他方がステータ側ダイオード３０で短絡結線される簡易な構造に作製されている。
【００１３】
この構造により、回転電機１００は、ステータ２０側の巻線コイル２５、２６のそれぞれで突極部２１を直流励磁または交流励磁させて磁極として機能させて磁気回路を形成することによりロータ１０を回転駆動させる、所謂、フラックススイッチングモータと同様に機能させることができるようになっている。
【００１４】
ロータ１０は、回転軸１０１を固定するハブ１９と、ハブ１９の外周面から回転軸１０１を中心にする均等位置２箇所で半径方向の外側に突出している一対のロータ突極部１１と、を備える。ハブ１９とロータ突極部１１は、同一材料で一体形成されている。このロータ１０は、例えば、損失少なく磁気回路を形成可能で機械強度にも優れる電磁鋼板を積層することで作製されている。半径方向とは、回転軸１０１の延伸する方向と直交する方向をいう。半径方向の外側とは、半径方向において回転軸１０１に遠い側を示し、半径方向の内側とは、半径方向において回転軸１０１に近い側を示す。
【００１５】
ステータ２０は、ロータ１０の収容空間２０ｓを内部に有する概略筒形状に形成されており、その内周面から回転軸１０１を中心にする均等位置４箇所で半径方向の内側に突出している４つのステータ突極部２１を備えて、電磁鋼板を積層することで一体に作製されている。
【００１６】
ロータ１０のロータ突極部１１とステータ２０のステータ突極部２１は、互いに対向する対向面の外端面１１ａと内端面２１ａが微小の隙間（エアギャップ）Ｇを介して対面しつつ相対回転するように、その外端面１１ａと内端面２１ａが回転軸１０１の軸心を中心にする円弧形状に形成されている。
【００１７】
ステータ２０のステータ突極部２１は、側面２１ｂの間が巻線コイル２５、２６を収容するスロット２３、２４として機能するように形成されている。回転軸１０１を中心にする対角位置の電機子スロット２３には、２組の電機子コイル２５Ａ、２５Ｂが収容されており、その電機子コイル２５Ａ、２５Ｂは、１つの電源で電力供給可能に、１本の巻線がコイル状に巻き掛けられて形成されている。また、回転軸１０１を中心にする対角位置の界磁スロット２４にも、同様に、１つの電源でも電力供給可能に、１本の巻線がコイル状に巻き掛けられて形成される２組の界磁コイル２６Ａ、２６Ｂが収容されている。
【００１８】
２組の電機子コイル２５Ａ、２５Ｂは、対角位置毎の電機子スロット２３内で周方向に並列する状態に配索されており、回転軸１０１と平行に延長された後に、それぞれがステータ２０の両端面側と平行になる姿勢で互いに離隔する方向（図２中に破線で示す方向）に屈曲されることにより、回転軸１０１の軸周りに位置する湾曲形状になるように形成されている。すなわち、電機子コイル２５Ａ、２５Ｂは、全節巻き結線されている。周方向とは、回転軸１０１を中心とする円周方向をいう。
【００１９】
２組の界磁コイル２６Ａ、２６Ｂは、対角位置毎の界磁スロット２４内で周方向に並列する状態に配索されており、回転軸１０１と平行に延長された後に、それぞれがステータ２０の両端面側と平行になる姿勢で互いに離隔する方向（図２中に破線で示す方向）に屈曲されることにより、回転軸１０１の軸周りに位置する湾曲形状になるように形成されている。すなわち、界磁コイル２６Ａ、２６Ｂも、全節巻き結線されている。
【００２０】
これにより、電機子コイル２５Ａ、２５Ｂおよび界磁コイル２６Ａ、２６Ｂは、通電して励磁されることにより、ステータ２０の電機子スロット２３間および界磁スロット２４間に位置するステータ突極部２１の内端面２１ａと、ロータ１０のロータ突極部１１の外端面１１ａとの間で隙間Ｇを介して磁束を鎖交させる磁気回路を形成することができ、ステータ２０のステータ突極部２１を磁極として機能させることができる。
【００２１】
ここで、本実施形態では、ロータ１０には２つのロータ突極部１１を形成して、ステータ２０には４つのステータ突極部２１を形成する場合を一例にして説明するが、これに限るものではなく、ロータ１０がバランスよく回転駆動可能に、回転軸１０１周りに巻線コイル２５、２６を均等配置可能に形成すればよい。
【００２２】
図３の模式図に示すように、電機子コイル２５Ａ、２５Ｂ（Armature windings）には、それぞれ巻き線の端部を引き出した第１のリード線（第１の入力配線）２５ｗに、交流電源５０が電力供給可能に接続されており、界磁コイル２６Ａ、２６Ｂ（Field pole windings）には、それぞれ巻き線の端部を引き出した第２のリード線（第２の入力配線）２６ｗに、一方向を短絡させるように後述するステータ側ダイオード（ステータ側整流器）３０が接続されている。
【００２３】
ここで、電機子コイル２５Ａ、２５Ｂの第１のリード線２５ｗに交流電源５０を接続し、界磁コイル２６Ａ、２６Ｂの第２のリード線２６ｗに直流電源１５０を電力供給可能に接続すれば、図４の模式図に示すような上記の特許文献１に記載の回転電機２００と同様に機能させることができる。
【００２４】
この回転電機２００では、直流電源１５０から電力供給することにより、図５に示すベクトルＶ方向の磁束（フラックスライン）ＦＬを発生させて、ロータ１０のロータ突極部１１とステータ２０のステータ突極部２１の端面１１ａ、２１ａの間を鎖交させ、そのロータ１０の回転を開始させることができる。
【００２５】
このとき、図６Ａに示すように、直流電源１５０が接続されている界磁コイル２６Ａ、２６Ｂ（ＤＣコイル）には、一定の直流電力が供給されているだけであるので、磁束に変化はない。交流電源５０が接続されている電機子コイル２５Ａ、２５Ｂ（ＡＣコイル）には、その交流電源５０がＯＦＦであっても、直流電源１５０の電力供給により発生する磁束がロータ突極部１１を介して鎖交する。
【００２６】
このロータ突極部１１は、回転していることから、あたかもステータ突極部２１に対する接続スイッチを入り切りするように機能して、図６Ａに示す波形で変動する磁束を電機子コイル２５Ａ、２５Ｂに鎖交させる。この図６Ａに示す磁束が鎖交する電機子コイル２５Ａ、２５Ｂ（ＡＣコイル）には、図６Ｂに示すように変動する誘起電圧が発生する。なお、この機能から、回転電機２００は、フラックススイッチングモータとも言われる。
【００２７】
また、回転電機２００では、交流電源５０から電力供給することにより、図７に示すベクトルＶ方向の磁束（フラックスライン）ＦＬを発生させて、ロータ１０のロータ突極部１１とステータ２０のステータ突極部２１の端面１１ａ、２１ａの間を鎖交させ、そのロータ１０の回転を開始させることもできる。
【００２８】
このとき、図８に示すように、交流電源５０が接続されている電機子コイル２５Ａ、２５Ｂ（ＡＣコイル）には、変動する交流電力が供給されるので、変動する磁束を発生させる。直流電源１５０が接続されている界磁コイル２６Ａ、２６Ｂ（ＤＣコイル）には、その直流電源１５０がＯＦＦであっても、交流電源５０の電力供給により発生する磁束がロータ突極部１１を介して鎖交する。このロータ突極部１１は、回転しており、ステータ突極部２１に鎖交させる磁束も変動していることから、界磁コイル２６Ａ、２６Ｂ（ＤＣコイル）には、図８に示すように２倍の周期で変動する磁束が発生する。
【００２９】
そして、図９Ａに示すように、この回転電機２００では、直流電源１５０から界磁コイル２６Ａ、２６Ｂに電力供給する際には、ロータ突極部１１とステータ突極部２１の端面１１ａ、２１ａの先行側領域Ａ側で鎖交する磁束が反時計回り（ＣＣＷ）方向にロータ１０を回転させようとする回転力（リラクタンス力）の発生に寄与する。一方、ロータ突極部１１とステータ突極部２１の端面１１ａ、２１ａの後追い側領域Ｂ側で鎖交する磁束は、反時計回り方向に回転しようとするロータ１０を時計回り方向に引きもどす回転力の発生に寄与する。
【００３０】
このことから、図９Ｂに示すように、この回転電機２００では、ロータ突極部１１とステータ突極部２１の端面１１ａ、２１ａの先行側領域Ａ側には、直流電源１５０の電力供給によるロータ１０の反時計回り方向への回転力を補助する回転力（リラクタンス力）を発生させる位相となるタイミングで交流電力を交流電源５０から電機子コイル２５Ａ、２５Ｂに供給する。同時に、ロータ突極部１１とステータ突極部２１の端面１１ａ、２１ａの後追い側領域Ｂ側で鎖交する磁束としては、ロータ１０を時計回り方向に引きもどす回転力（磁束）を相殺するようにベクトルＶ方向が逆向きとなる位相のタイミングの交流電力を交流電源５０から電機子コイル２５Ａ、２５Ｂに供給する。
【００３１】
このように、回転電機２００では、直流電源１５０から界磁コイル２６Ａ、２６Ｂ（ＤＣコイル）に直流電力を供給しつつ、交流電源５０から電機子コイル２５Ａ、２５Ｂ（ＡＣコイル）には、ロータ１０の反時計回り方向への回転を妨げることなく補助する磁束を効果的に発生させる位相タイミングで交流電力を供給する。
【００３２】
これにより、この回転電機２００では、図９Ｃに示すように、直流電源１５０から界磁コイル２６Ａ、２６Ｂに直流電力を供給しつつ、交流電源５０から電機子コイル２５Ａ、２５Ｂに交流電力をタイミングのよい位相で供給することにより、ロータ突極部１１とステータ突極部２１の端面１１ａ、２１ａの間で鎖交する磁束の密度を、後追い側領域Ｂよりも先行側領域Ａ側の方を高くして、反時計回り方向にロータ１０を回転させる回転力（リラクタンス力）を効率よく発生させることができる。
【００３３】
ここで、交流電源５０から交流電力を供給する電機子コイル２５Ａ、２５Ｂは、ロータ突極部１１とステータ突極部２１の端面１１ａ、２１ａの間で鎖交する磁束を発生するが、その磁束には空間高調波成分が重畳している。その磁束に重畳する、例えば、２次の空間高調波成分は図１０Ａのように、４次の空間高調波成分は図１０Ｂのように、６次の空間高調波成分は図１０Ｃのように、図示される。
【００３４】
図１０Ａ〜図１０Ｃによれば、ロータ１０とステータ２０の構造の場合には、６次の空間高調波成分よりも、低次の２次、４次の空間高調波成分の方が多くの磁束量でロータ突極部１１とステータ突極部２１の端面１１ａ、２１ａ間に鎖交している。
【００３５】
ところで、この電機子コイル２５Ａ、２５Ｂに交流電力を供給して発生させる磁束は、正弦波形で変動しつつ空間高調波成分も重畳して界磁コイル２６Ａ、２６Ｂに鎖交することにより励磁させている（図８を参照）。このとき、界磁コイル２６Ａ、２６Ｂでは、鎖交する磁束量の変動に応じて励磁効率も変化することから、電機子コイル２５Ａ、２５Ｂで発生させる磁束に重畳する空間高調波についても変動量の大きな高次の方が磁束の発生に効果的に寄与することができる。このため、磁束に重畳する空間高調波としては、低次の２次、４次などよりも６次以上の空間高調波が大きく発生するようにしてもよく、例えば、ロータ突極部１１やステータ突極部２１の相対的な突極形状で特有の空隙を形成するようにしてもよい。
【００３６】
そして、上述するように、回転電機１００では、図３に示すように、界磁コイル２６Ａ、２６Ｂには、第２のリード線２６ｗにステータ側ダイオード３０を接続することにより、界磁コイル２６Ａ、２６Ｂの導通方向における一方向が短絡結線されている。
【００３７】
また、図８に示すように、電機子コイル２５Ａ、２５Ｂで発生する磁束は正弦波形で変動して界磁コイル２６Ａ、２６Ｂに鎖交するので、界磁コイル２６Ａ、２６Ｂにはその正弦波形の２倍の周期で大きく変動する磁束が発生する。さらに、電機子コイル２５Ａ、２５Ｂで発生する磁束は正弦波形で変動しつつ空間高調波成分も重畳して変動しているので、界磁コイル２６Ａ、２６Ｂには正弦波形の２倍の周期で大きく変動する磁束に加えて、空間高調波成分と同等の周期で変動する磁束が重畳している。
【００３８】
このため、界磁コイル２６Ａ、２６Ｂには、電機子コイル２５Ａ、２５Ｂで発生する空間高調波成分の重畳する正弦波形の磁束の鎖交により正逆方向に変動する誘起電圧が生じる。
【００３９】
このことから、ステータ側ダイオード３０は、界磁コイル２６Ａ、２６Ｂの導通方向における一方向を短絡結線することにより、ロータ１０の回転を補助する磁束の発生に寄与する誘電電流は導通する一方、その磁束の発生を妨げる向きの誘起電流（逆起電力）は遮断するように接続されている。
【００４０】
すなわち、この回転電機１００では、図４に示す回転電機２００の直流電源１５０とは電流の流れる向きが逆向きになるようにステータ側ダイオード３０を界磁コイル２６Ａ、２６Ｂに接続している。要するに、ステータ側ダイオード３０は、回転電機２００のように直流電源１５０を接続して直流励磁した際に電気的にプラス側となる第２のリード線２６ｗにアノード側を接続し、その直流励磁した際に電気的にマイナス側となる第２のリード線２６ｗにカソード側を接続している。
【００４１】
これにより、この回転電機１００では、図１１に示すように、交流電源５０が接続されて電力供給される電機子コイル２５Ａ、２５Ｂ（ＡＣコイル）には、空間高調波が重畳しつつ大きくは正弦波形で変動する磁束が発生する。また、ステータ側ダイオード３０が接続されている界磁コイル２６Ａ、２６Ｂ（ＤＣコイル）には、そのステータ側ダイオード３０により一方向に整流された誘起電圧で一定の磁束量に安定した磁束を発生させる。このとき、界磁コイル２６Ａ、２６Ｂに発生する誘起電圧はステータ側ダイオード３０により整流されて断続的な波形に整形されるが、鎖交する磁束に重畳する空間高調波成分により発生する誘起電圧も存在し、また、励磁される磁束自体が瞬間的に変動することは難しいことから平滑化されて、図１１に示すように、界磁コイル２６Ａ、２６Ｂに発生する磁束は一定の磁束量で推移する安定した波形となっている。
【００４２】
このため、回転電機１００は、交流電源５０から電機子コイル２５Ａ、２５Ｂに交流電力を供給することによりロータ１０を回転させるのに加えて、界磁コイル２６Ａ、２６Ｂにはその回転力を補助する磁束を発生させることができている。
【００４３】
この結果、図１２に示すように、界磁コイル２６Ａ、２６Ｂでは、交流電源５０による電機子コイル２５Ａ、２５Ｂへの交流電力の供給開始当初（交流の１／４サイクル中）には、ステータ側ダイオード３０の整流により誘起電圧の発生はなく、電機子コイル２５Ａ、２５Ｂで発生する正弦波形の磁束の鎖交により発生する界磁電流のみが発生する。この後（交流の１／４サイクル後）の界磁コイル２６Ａ、２６Ｂでは、電機子コイル２５Ａ、２５Ｂで発生する正弦波形の磁束の鎖交により発生する界磁電流に加えて、ステータ側ダイオード３０で整流する界磁電流（誘起電流）を追加することができる。
【００４４】
なお、電機子コイル２５Ａ、２５Ｂへの交流電力の供給開始当初の期間（上記実施形態では、交流の１／４サイクル）は、ロータ１０の電気的巻線時定数τ（τ＝Ｌ／Ｒ  Ｌ：ロータ巻線の自己インダクタンス、Ｒ：ロータ巻線の抵抗）によって決まるため、ロータの巻線時定数τに基づいて調整可能である。
【００４５】
これにより、回転電機１００は、図１３に示すように、直流電源１５０を界磁コイル２６Ａ、２６Ｂに接続する回転電機２００と同等の出力トルクを得てロータ１０を回転駆動させることができ、界磁コイル２６Ａ、２６Ｂにステータ側ダイオード３０を接続することで、直流電源１５０を必要とすることのない自励式のフラックススイッチングモータとして構築することができる。
【００４６】
このように、回転電機１００においては、ステータ２０の内面側の周方向に均等な４箇所にスロット２３、２４を形成して、回転軸１０１を挟む対角位置毎に電機子コイル２５Ａ、２５Ｂと界磁コイル２６Ａ、２６Ｂを収容し、電機子コイル２５Ａ、２５Ｂには交流電源５０を接続し、また、界磁コイル２６Ａ、２６Ｂには回転電機２００での直流励磁時に電気的にプラスとなる側にステータ側ダイオード３０のアノードを接続し、電気的にマイナスとなる側にステータ側ダイオード３０のカソードを接続している。
【００４７】
これにより、回転電機１００では、交流電源５０から電機子コイル２５Ａ、２５Ｂに電力を供給して発生する磁束がロータ突極部１１とステータ突極部２１との間で鎖交することにより、リラクタンス力を利用してロータ１０を回転させることができる。また、その鎖交する磁束の変動に応じて界磁コイル２６Ａ、２６Ｂに発生する誘起電圧をステータ側ダイオード３０で整流して、ロータ１０の回転を補助する磁束を発生させることができる。さらに、このときに電機子コイル２５Ａ、２５Ｂで形成する磁束には空間高調波成分が重畳して界磁コイル２６Ａ、２６Ｂに磁束を発生させることができるため、ロータ１０を効率よく回転させることができる。
【００４８】
したがって、回転電機１００は、回転電機２００のように直流電源１５０を接続することなく、また、高価な永久磁石をロータ側に埋め込むなどすることなく、その回転電機２００と同等のトルクを得て回転駆動させることができ、安価な自励式のフラックススイッチングモータとして利用することができる。
【００４９】
（回転電機１００の補極構造６０）
本実施形態の補極構造６０は、図１に示すように、補極コイル（巻線コイル）６１と補極コア６２とを備える。補極コイル６１は、回転電機１００のステータ２０内でロータ１０と一体に回転するように補極コア６２に設置されている。
【００５０】
補極コイル６１は、ステータ２０内の均等位置２箇所のロータ突極部１１の間のそれぞれの空間をスロット６４として利用して補極コア６２に巻き回されている。補極コイル６１は、ロータ１０側において補助的な磁極として機能する。
【００５１】
補極コア６２は、図１４に示すように、ロータ１０のロータ突極部１１間におけるハブ１９の外面から半径方向の外側に向かって突出するようハブ１９に設けられている。補極コア６２は、透磁率の大きな材料、例えば、電磁鋼板を積層したものからなる。
【００５２】
また、補極コイル６１は、図１５に示すように、巻線の一端部６１Ａａ、６１Ｂｂ同士が直接接続され、また、巻線の他端部６１Ａｂ、６１Ｂａがロータ側ダイオード（ロータ側整流器）６５に接続されて短絡結線されることにより、全体で一方向にのみの通電を許容する整流回路内に組み込まれている。なお、この補極コイル６１は、図１６に示すように、補極コア６２毎に、巻線の両端部６１Ａａ、６１Ａｂ間と両端部６１Ｂａ、６１Ｂｂ間のそれぞれがロータ側ダイオード６５に接続されて短絡結線されていてもよい。
【００５３】
補極コア６２は、例えば、図１４に示すように、ロータ１０のハブ１９に形成されている支持溝６９内に、透磁率の小さな材料からなるスペーサ７０を介在させつつ基端部６３を嵌め込むことにより、磁気的に独立する状態でロータ突極部１１の間に位置するように設置されている。
【００５４】
この補極コア６２は、基端部６３、支持溝６９、スペーサ７０のそれぞれに、ロータ１０の外周面側よりも大きな拡大部６３ａ、６９ａ、７０ａが形成されている。これにより、補極コア６２の基端部６３は、スペーサ７０と共に、拡大部６３ａ、７０ａが支持溝６９の拡大部６９ａ内に嵌め合わされて、回転時の遠心力に抗して嵌め込み状態を維持することができる。
【００５５】
なお、この補極コア６２は、断面積の小さな支持脚を介してロータ１０のハブ１９に連結させることにより、実質的にロータ突極部１１側から磁気的に独立する状態で支持されるようにしてもよい。また、補極コア６２は、電磁鋼板に限らず、磁性体であれば同等の作用効果を得ることができる。
【００５６】
また、補極コア６２は、ロータ突極部１１と同様に、ステータ突極部２１の端面２１ａに対して微小の隙間Ｇを介して対面しつつ相対回転するように、その外端面６２ａが回転軸１０１の軸心を中心にする円弧形状に形成されている。
【００５７】
これにより、補極コア６２に巻き付けた補極コイル６１は、界磁コイル２６Ａ、２６Ｂと同様に、電機子コイル２５Ａ、２５Ｂで発生する磁束（磁気脈動）が鎖交することによって誘起電流を発生させることができる。この磁束には、２倍の電源周波数で変動して空間高調波が重畳されている。
【００５８】
このことから、ロータ側ダイオード６５は、補極コイル６１の導通方向における一方向を短絡結線することにより、ロータ１０の回転を補助する磁束の発生に寄与する誘起電流は導通する一方、その磁束の発生を妨げる向きの誘起電流（逆起電力）は遮断するように接続されている。
【００５９】
すなわち、ロータ側ダイオード６５は、図１５に示すように、補極コイル６１を直流励磁するように一方向を短絡する接続状態に連結されており、直流励磁した際に電気的にプラス側となる補極コイル６１の端部６１Ａａ、６１Ｂａにアノード側を接続し、その直流励磁した際に電気的にマイナス側となる端部６１Ａｂ、６１Ｂｂにカソード側を接続している。
【００６０】
これにより、回転電機１００では、交流電源５０から電機子コイル２５Ａ、２５Ｂへ交流電力を供給する時に、界磁コイル２６Ａ、２６Ｂにロータ１０の回転力を補助する磁束を発生させる。これに加えて、回転電機１００では、補極構造６０を設置することにより、ロータ１０の補極コイル６１でもロータ１０の回転力を補助する磁束を発生させることができる。
【００６１】
具体的に、この回転電機１００では、補極コイル６１に発生する誘起電流を、ロータ側ダイオード６５で整流して界磁電流として戻すことにより、ステータ２０側からの鎖交磁束ベクトルに対して逆方向のベクトルを発生させることができる。これにより、磁気的に遮蔽されている補極構造６０側でも電機子反作用トルク（誘起トルク）を発生させることができる。
【００６２】
したがって、回転電機１００は、ロータ突極部１１の外端面１１ａのトルク発生面の他に、補極構造６０における補極コア６２の外端面６２ａをトルク発生面として加えることができる。よって、回転電機１００では、トルク発生面の増加によりトルク密度を向上させて、より大きな回転力でロータ１０を回転駆動させることができる。
【００６３】
ここで、補極コイル６１をロータ突極部１１に設置することも考えられるが、この場合には、フラックススイッチングモータの動作原理である突極部分での界磁磁束と電機子磁束のベクトル和によるトルク発生を期待することができなくなるため、本実施形態の補極構造６０のように、ロータ突極部１１の間に補極コイル６１を設置する必要がある。
【００６４】
また、補極構造６０は、フラックススイッチングモータの動作原理でもある二重突極構造が失われないように、ｑ軸インダクタンス低下を防止するために、磁気的に遮蔽された（独立した）構造に構築されている。
【００６５】
このように、本実施形態の回転電機１００においては、電機子コイル２５Ａ、２５Ｂで発生させる電磁力による同期モータ、界磁コイル２６Ａ、２６Ｂで発生させる電磁力によるフラックススイッチングモータ、補極コイル６１で発生させる電磁力による自己励磁モータという、３つのモータ駆動原理を利用することによって、大きなトルク密度で回転力を発生させ、ロータ１０を回転駆動させることができる。
【００６６】
また、この回転電機１００では、回転電機２００に設けられたような直流電源を必要とすることなく（インバータが出力する交流電流を直流電流に変換するチョッパ回路などを必要とすることなく）、また、永久磁石を設置する必要もないことから、低コストに構築することができ、さらに、高いエネルギ効率でロータ１０を回転駆動させることができる。
【００６７】
さらに、回転電機１００では、外部の一次側直流電源から電力供給することによって発生する界磁ロスによる効率低下を抑制することができる。また、回転電機１００では、補極構造６０を設置することにより、ロータ１０の断面を真円に近い構造にして、回転時の空気抵抗による損失を小さくすることができる。
【００６８】
本実施形態の他の態様としては、回転電機２００に補極構造６０を設置しても同様の作用効果を得ることができる。また、回転軸１０１を中心にする回転方向の４箇所にステータ突極部２１を均等配置し、その回転方向の２箇所にロータ突極部１１を均等配置する構造に限るものではなく、ロータ突極部１１とステータ突極部２１は、ロータ１０を回転させるリラクタンス力を効果的に得られる比率や配置にすればよい。
【００６９】
また、ロータ突極部１１がロータ１０の直径方向を中心にする線対称となる突極形状に形成されているが、これに限るものではなく、例えば、回転方向に非対称となるように端面１１ａを延長させた形状に形成してもよい。
【００７０】
さらに、ロータ突極部１１とステータ突極部２１の端面１１ａ、２１ａを径方向で対面させてエアギャップＧを形成するラジアルギャップ構造に限らずに、回転軸１０１の延長方向にギャップを形成するアキシャルギャップ構造に作製しても本実施形態と同様に機能させることができる。
【００７１】
ロータ１０やステータ２０は、電磁鋼板の積層構造で作製するばかりでなく、例えば、鉄粉などの磁性を有する粒子の表面を絶縁被覆処理した軟磁性複合粉材（SoftMagnetic Composites）をさらに鉄粉圧縮成形および熱処理製造した圧粉磁心、所謂、ＳＭＣコアを採用してもよい。このＳＭＣコアは、成形が容易であることからアキシャルギャップ構造にも好適である。また、アルミ導体を用いてロータ１０やステータ２０を作製しても本実施形態と同様に機能させることができる。
【００７２】
また、単相電力で回転させる単相モデルの回転電機１００を一例にして説明するが、これに限るものではなく、例えば、三相電力を利用する三相モデルの場合にも二重突極構造で発生する空間高調波を界磁エネルギ源とする自励式フラックススイッチングモータとして機能させることができる。
【００７３】
回転電機１００は、車載用に限定されるものではなく、例えば、風力発電や、工作機械などの他の産業分野で利用される駆動源として好適に採用することができる。
【００７４】
本発明の実施形態を開示したが、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】
【００７５】
１０ ロータ
１１ ロータ突極部
１１ａ 外端面
１９ ハブ
２０ ステータ
２１ ステータ突極部
２１ａ 内端面
２３ 電機子スロット
２４ 界磁スロット
２５、２５Ａ、２５Ｂ 電機子コイル（巻線コイル）
２５ｗ 第１のリード線（第１の入力配線）
２６ｗ 第２のリード線（第２の入力配線）
２６、２６Ａ、２６Ｂ 界磁コイル（巻線コイル）
３０ ステータ側ダイオード（ステータ側整流器）
５０ 交流電源
６０ 補極構造
６１ 補極コイル
６１Ａａ、６１Ａｂ、６１Ｂｂ、６１Ｂｂ 端部
６２ 補極コア
６２ａ 外端面
６３ 基端部
６３ａ、６９ａ、７０ａ 拡大部
６４ スロット
６５ ロータ側ダイオード（ロータ側整流器）
６９ 支持溝
７０ スペーサ
１００、２００ 回転電機
１０１ 回転軸
１５０ 直流電源
Ｇ エアギャップ（隙間）
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１】
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【図１２】
2017184467.tif 000019
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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