(57)【要約】【課題】コスト面及び資源供給面で優れ、トルク発生面の増大によってトルク密度を向上させることができる回転電機を提供すること。【解決手段】ステータ１００は、周方向に所定の間隔で配置されるステータティース１３０を有する環状のステータコア１１０と、このステータコア１１０の隣り合うステータティース１３０の間にトロイダル巻された電機子コイル１４０とを有する。ロータ２００は、軸方向の一方の面側でステータティース１３０に対向する第１ロータティース２３１と、径方向の内面側でステータティース１３０に対向する第２ロータティース２３１と、径方向の外面側でステータティース１３０に対向する第３ロータティース２３３と、を有するロータコア２１０と、ステータ１００側で発生した磁束の鎖交により誘導電流を誘起させる誘導コイルＩと、誘導電流の通電によって磁界を発生させる界磁コイルＦと、を有する。【選択図】図１
2017077135.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コイルへの通電により磁束を発生するステータと、前記磁束の通過により回転するロータとを備える回転電機であって、
前記ステータは、
周方向に所定の間隔で配置されるステータティースを有する環状のステータコアと、
前記環状のステータコアの隣り合うステータティースの間にトロイダル巻された電機子コイルと、を有し、
前記ロータは、
前記ステータコアの軸方向の一方の面側で前記ステータティースに対向するロータティースと、
前記ステータコアの径方向の内面側で前記ステータティースに対向するロータティースと、
前記ステータコアの径方向の外面側で前記ステータティースに対向するロータティースと、を有するロータコアと、
前記ロータティースに巻かれており、前記ステータ側で発生した磁束の鎖交により誘導電流を誘起させる誘導コイルと、
前記ロータティースに巻かれており、前記誘導電流の通電によって磁界を発生させる界磁コイルと、を有することを特徴とする回転電機。
【請求項２】
前記誘導コイルおよび前記界磁コイルは、同一の前記ロータティースに層を成して巻かれており、
前記誘導コイルは、前記界磁コイルよりも前記ステータ側に配置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】
前記ロータコアは、
前記ステータコアの軸方向の両面側で前記ステータティースに対向するロータティースと、前記ステータコアの径方向の外面側で前記ステータティースに対向するロータティースと、が連続した一体構造であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転電機。
【請求項４】
前記ロータコアは、前記ステータの軸方向の一方の面側と、径方向の内面側及び径方向の外面側とにおいて前記ステータを覆う円筒形状であ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、ステータに対するロータのトルク発生面が複数設けられた回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、電機子巻線がトロイダル巻されたステータコアを有する環状のステータと、ステータに対して径方向の内方で対向するラジアルロータと、ステータに対して回転軸の軸方向の一方側及び他方側でそれぞれ対向する２つのアキシャルロータとを備え、ステータに対するロータのトルク発生面を３面とした回転電機が開示されている。
【０００３】
特許文献１に開示された回転電機のラジアルロータ及び２つのアキシャルロータのそれぞれには、周方向に所定の間隔で永久磁石が配置されている。この回転電機は、ステータに発生した回転磁界と、ラジアルロータ及び２つのアキシャルロータの永久磁石の界磁磁束との相互作用によってラジアルロータ及び２つのアキシャルロータにトルクを発生させるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２２６８０８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に開示された回転電機は、ラジアルロータ及び２つのアキシャルロータに磁極を形成するために永久磁石を用いている。このため、ラジアルロータ及び２つのアキシャルロータに設けられる永久磁石として、可採埋蔵量が少なく採掘場所が偏在されている希土類磁石を用いた場合には、材料コストが増加したり、安定的な資源供給が確保できなかったりするおそれがある。
【０００６】
本発明は、上述のような事情に鑑みてなされたもので、コスト面及び資源供給面で優れ、トルク発生面の増大によってトルク密度を向上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】
上記課題を解決する回転電機の発明の一態様は、コイルへの通電により磁束を発生するステータと、前記磁束の通過により回転するロータとを備える回転電機であって、前記ステータは、周方向に所定の間隔で配置されるステータティースを有する環状のステータコアと、前記環状のステータコアの隣り合うステータティースの間にトロイダル巻された電機子コイルと、を有し、前記ロータは、前記ステータコアの軸方向の一方の面側で前記ステータティースに対向するロータティースと、前記ステータコアの径方向の内面側で前記ステータティースに対向するロータティースと、前記ステータコアの径方向の外面側で前記ステータティースに対向するロータティースと、を有するロータコアと、前記ロータティースに巻かれており、前記ステータ側で発生した磁束の鎖交により誘導電流を誘起させる誘導コイルと、前記ロータティースに巻かれており、前記誘導電流の通電によって磁界を発生させる界磁コイルと、を有する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の一態様によれば、コスト面及び資源供給面で優れ、トルク発生面の増大によってトルク密度を向上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、本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図であり、回転電機の全体構成を示す斜視図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図であり、回転軸を通る平面で切断した回転電機の断面図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図であり、一部を断面で表した回転電機の全体構成を示す斜視図である。
【図４】図４は、本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図であり、ステータの斜視図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図であり、ステータコアの斜視図である。
【図６】図６は、本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図であり、電機子コイルの斜視図である。
【図７】図７は、本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図であり、ステータの磁束分布を示す図である。
【図８】図８は、本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図であり、ロータの斜視図である。
【図９】図９は、本発明の一実施形態に係る回転電機を示す図であり、ロータコアの斜視図である。
【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９は本発明の一実施形態に係る回転電機を説明する図である。
【００１１】
（回転電機の概略構成）
図１、図２、図３において、回転電機１は、コイルへの通電により磁束を発生するステータ１００と、磁束の通過により回転するロータ２００と、を備えている。
【００１２】
また、回転電機１は、回転軸１Ｃ上にシャフト２０を備えている。回転軸１Ｃは、回転電機１の中心軸、すなわちロータ２００の回転中心線である。シャフト２０は、ロータ２００の内周部に固定されており、ロータ２００と一体回転する。
【００１３】
回転電機１は、ステータ１００およびロータ２００を覆う図示しないケースを備えており、このケースは、回転電機１の軸方向の他方側（上方側）からステータ１００を静止状態に保持している。ここで、図１、図２、図３、図４、図５、図８、図９では、下方側が回転電機１の軸方向の一方側であり、上方側が回転電機１の軸方向の他方側である。
【００１４】
回転電機１は、詳細を後述するように、ステータ１００の電機子コイル１４０に通電することで発生した回転磁界によって、ロータ２００の誘導コイルＩに誘導電流を発生させるようになっている。そして、回転電機１は、この誘導電流を界磁電流としてロータ２００の界磁コイルＦに通電することで、ロータ２００を電磁石として機能させ、トルクを発生するようになっている。このように、回転電機１は、磁石フリーの自励式巻線界磁形同期モータとして構成されている。
【００１５】
（ステータ）
図１、図２、図３、図４、図５において、ステータ１００は、環状のステータコア１１０と、このステータコア１１０に巻回された電機子コイル１４０とを備えている。ステータコア１１０は、回転軸１Ｃに同心の円環状に形成された高透磁率の磁性材料からなる。
【００１６】
ステータコア１１０は、環状のステータヨーク１２０と、このステータヨーク１２０に周方向に所定間隔で設けられた複数のステータティース１３０とから構成されている。ステータヨーク１２０の断面は、円形または長円形の断面形状に形成されている。
【００１７】
ステータティース１３０は、ステータヨーク１２０の表面から突出しており、回転電機１の軸方向から見て台形、かつ、回転電機１の周方向の断面が矩形の形状に形成されている。ステータティース１３０は、ステータヨーク１２０に周方向に所定間隔で１２個設けられている。
【００１８】
具体的には、ステータティース１３０は、第１ステータティース１３１、第２ステータティース１３２および第３ステータティース１３３を有している。
【００１９】
第１ステータティース１３１は、ステータヨーク１２０における回転電機１の軸方向の一方側に設けられており、このステータヨーク１２０から回転電機１の軸方向の一方側に突出している。
【００２０】
第２ステータティース１３２は、ステータヨーク１２０における回転電機１の内周面側に設けられており、ステータヨーク１２０から回転電機１の内周面側に突出している。
【００２１】
第３ステータティース１３３は、ステータヨーク１２０における回転電機１の外周面側に設けられており、ステータヨーク１２０から回転電機１の外周面側に突出している。
【００２２】
本実施形態では、ステータコア１１０は、分割されておらず一体型（ワンピース）の環状構造になっている。このため、ステータコア１１０を分割構造とした場合よりステータコア１１０の機械強度を向上できる。また、ステータコア１１０は、機械強度が向上されたことで、励磁振動に対する十分な耐性を備えることができる。
【００２３】
電機子コイル１４０は、ステータコア１１０の隣り合うステータティース１３０の間をスロットとして、環状のステータヨーク１２０にトロイダル巻されている。トロイダル巻とは、ステータヨーク１２０の環の内側と外側を交互に通って、ステータヨーク１２０に巻線１４１を周回させて巻き回す方法である。
【００２４】
このように、ステータヨーク１２０に電機子コイル１４０をトロイダル巻する構造を採用したことにより、ステータコア１１０を、ステータヨーク１２０を備えた一体構造にすることができ、ステータコア１１０の機械強度を向上させることができる。
【００２５】
電機子コイル１４０は、ステータティース１３０と、このステータティース１３０に周方向で隣り合うステータティース１３０との中間位置の間に配置されている。電機子コイル１４０は、三相交流のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の何れかに対応している。
【００２６】
ステータティース１３０を挟んで周方向に対向する１対の電機子コイル１４０は、一方の電機子コイル１４０から発生する磁束と、他方の電機子コイル１４０から発生する磁束とで、磁束の方向が周方向において反対方向となるように、その巻方向および通電方向が設定されている。
【００２７】
これにより、例えば、一方の電機子コイル１４０がＵ＋相で、他方の電機子コイル１４０がＵ−相の場合、一方の電機子コイル１４０と他方の電機子コイル１４０からステータティース１３０に向かう磁束が発生する。
【００２８】
図６において、電機子コイル１４０の巻線１４１は、断面が長方形の平角線からなる。電機子コイル１４０は、この巻線１４１をエッジワイズ巻によるトロイダル巻の状態で、ステータコア１１０のステータヨーク１２０に巻回されている。エッジワイズ巻とは、ステータヨーク１２０に対して、巻線１４１の短辺を回転電機１の径方向の内側と外側に対向させて、巻線１４１を縦に巻き回す方法である。
【００２９】
これにより、巻ピッチ方向に隣り合う巻線１４１同士が長辺で面接触するため、電流に応じた断面積を確保したまま巻数を増加できる。この結果、電機子コイル１４０の占積率を向上でき、ステータ１００の起磁力を増大できる。
【００３０】
また、巻ピッチ方向に隣り合う巻線１４１同士が長辺で面接触するため、巻線１４１の間で大きな面積で均一に熱伝導が行える。これにより、熱伝導が分散し放熱性を向上できる。
【００３１】
また、巻線１４１の巻始めまたは巻終りとなる両端部１４１Ａ、１４１Ｂを、ステータ１００の軸方向の他方側の同一面に配置することができるため、複数の電機子コイル１４０の結線を容易化できる。
【００３２】
（ステータの磁束分布）
図７は、電磁界解析によって得たステータ１００の磁束分布を示す図である。図７では、説明を容易にするためにステータコア１１０およびロータ２００を直線状に記している。また、図７では、第１ステータティース１３１、第２ステータティース１３２または第３ステータティース１３３を区別せずに、単にステータティース１３０として表している。なお、図７は、Ｖ相の電流振幅を基準値の１として、Ｕ相、Ｗ相の電流振幅値をそれぞれ−０．５として通電した場合の解析結果を示している。
【００３３】
図７において、ステータティース１３０を挟んで周方向に隣り合う一対の電機子コイル１４０の一方がＶ＋相で他方がＶ−相のとき、この一対の電機子コイル１４０から発生する磁束は、一対の電機子コイル１４０が挟むステータティース１３０に向かい、ステータティース１３０においてぶつかり合うように発生する。そして、ステータティース１３０で発生した磁束は、ステータヨーク１２０に直交する方向に向きを変え、ステータティース１３０からロータ２００に向かう。
【００３４】
そして、ロータ２００に向かった磁束の一部は、ロータ２００の後述するロータコア２１０を通過した後、Ｗ＋相とＷ−相の一対の電機子コイル１４０で挟まれたステータティース１３０に向かう。また、ロータ２００に向かった磁束の残りの部分は、ロータ２００の後述するロータコア２１０を通過した後、Ｕ＋相とＵ−相の一対の電機子コイル１４０で挟まれたステータティース１３０に向かう。
【００３５】
このように、ステータティース１３０とロータ２００とが対向する面では、電機子コイル１４０で発生した磁束の磁気回路が構成される。回転電機１は、ステータティース１３０とロータ２００とが対向する面をトルク発生面としている。
【００３６】
このため、トルク発生面が多いほど、電機子コイル１４０で発生する磁束を有効に利用してトルク密度を高めることができる。トルク密度とは、体積当たりのトルクの大きさを意味している。
【００３７】
ロータ２００は、回転電機１の軸方向の一方の面側と径方向の内周側および外周側とからなる３面のトルク発生面を備えてトルク密度を高めている。このように、トルク発生面を多くすることによって、回転電機１は小型で高トルクが発生できるため、特にハイブリッド自動車等に搭載する回転電機として優れたものにできる。
【００３８】
（ロータ）
図１、図２、図３、図８、図９において、ロータ２００は、ロータコア２１０と、誘導コイルＩと、界磁コイルＦとを備えている。
【００３９】
ロータコア２１０は、回転軸１Ｃに直行する平面上に配置された円盤部２１１と、この円盤部２１１の内縁部に連続する円筒部２１２と、円盤部２１１の外縁部に連続する円筒部２１３とを有している。
円盤部２１１は、軸方向の他端側からステータコア１１０を覆うように配置されている。円筒部２１２は、ステータコア１１０を周方向の内側から覆うように配置されている。
円筒部２１３は、ステータコア１１０を周方向の外側から覆うように配置されている。ロータコア２１０は、高透磁率の磁性材料からなる。
【００４０】
このように、ロータコア２１０は、軸方向の他方の面側と径方向の両面側においてステータ１００を覆うように、全体として円筒形状に形成されている。
【００４１】
言い換えると、ロータコア２１０は、円盤部２１１と２つの円筒部２１２、２１３を各辺とするコの字の断面形状を有する円筒形状に形成されており、ステータコア１１０を軸方向の一方側から他方側に向かって覆っている。
【００４２】
また、ロータコア２１０は、第１ロータティース２３１、第２ロータティース２３２および第３ロータティース２３３を周方向の同じ位置に備えている。
【００４３】
この第１ロータティース２３１、第２ロータティース２３２および第３ロータティース２３３は、ステータ１００の第１ステータティース１３１、第２ステータティース１３２および第３ステータティース１３３との間で、それぞれトルク発生面を形成している。
【００４４】
第１ロータティース２３１は、円盤部２１１における軸方向の他方側の面に設けられており、円盤部２１１からステータコア１１０に向かって軸方向の他方側に突出している。この第１ロータティース２３１は、第１ステータティース１３１に対して、所定のエアギャップを隔てて軸方向に対向している。
【００４５】
第２ロータティース２３２は、円筒部２１２における径方向の外側の面に設けられており、円筒部２１２からステータコア１１０に向かって径方向の外側に突出している。この第２ロータティース２３２は、第２ステータティース１３２に対して、所定のエアギャップを隔てて径方向に対向している。
【００４６】
第３ロータティース２３３は、円筒部２１３における径方向の内側の面に設けられており、円筒部２１３からステータコア１１０に向かって径方向の内側に突出している。この第３ロータティース２３３は、第３ステータティース１３３に対して、所定のエアギャップを隔てて径方向に対向している。
【００４７】
第１ロータティース２３１の径方向の内側の端部は、第２ロータティース２３２の軸方向の一方側の端部に連続している。また、第１ロータティース２３１の径方向の外側の端部は、第３ロータティース２３３の軸方向の一方側の端部に連続している。
【００４８】
このように、ロータコア２１０は、第１ロータティース２３１と第２ロータティース２３２と第３ロータティース２３３とが連続した一体構造になっている。すなわち、第１ロータティース２３１、第２ロータティース２３２および第３ロータティース２３３は、一体化されて１つのロータティース２３０を形成している。ロータコア２１０は、複数のロータティース２３０を周方向に等間隔で備えている。
【００４９】
回転電機１は保持リング４Ａ、４Ｂを備えている。この保持リング４Ａ、４Ｂがシャフト２０に嵌入または螺合されることで、保持リング４Ａ、４Ｂがロータコア２１０を軸方向に挟み、ロータコア２１０がシャフト２０に固定される。
【００５０】
ロータコア２１０の円筒部２１２の内周部とシャフト２０の外周部には、図示しないキー溝がそれぞれ形成されている。ロータコア２１０は、キー溝にキーが差し込まれることで、シャフト２０に対して回り止めされて一体回転することができる。
【００５１】
（誘導コイル、界磁コイル）
誘導コイルＩの巻線Ｉｗおよび界磁コイルＦの巻線Ｆｗは、断面形状が長方形の銅線を絶縁材料で被覆した平角線からなる。誘導コイルＩおよび界磁コイルＦは、この巻線Ｉｗ、Ｆｗをα巻することで構成されている。ここで、α巻とは、巻線Ｉｗ、Ｆｗの巻始めと巻終りを外側に向かって同時に巻く方法である。
【００５２】
このようにα巻された誘導コイルＩおよび界磁コイルＦは、巻線Ｉｗ、Ｆｗの巻始め側の端部が内部に取り残されないので占積率が向上し、巻線Ｉｗ、Ｆｗの両端部が誘導コイルＩおよび界磁コイルＦの外部に配置されるので結線を容易に行うことができる。
【００５３】
本実施形態では、誘導コイルＩの巻線Ｉｗは、巻きピッチ方向に２列に巻かれており、巻線Ｉｗの１列目の端部と２列目の端部は、ロータ２００における同一面側に引き出されている。
【００５４】
また、界磁コイルＦの巻線Ｆｗは、巻きピッチ方向に２列に巻かれており、巻線Ｆｗの１列目の端部と２列目の端部は、ロータ２００における同一面側に引き出されている。
【００５５】
このようにα巻された誘導コイルＩおよび界磁コイルＦは、巻線Ｉｗ、Ｆｗの端部をロータ２００の内周または外周の同一面（軸方向の他方側の面）側に引き出して配置できるため、ロータ２００の軸方向の他方側の面側に配置した図示しない結線基板等の結線部品を用いて、同一面上で結線を容易に行うことができ、回転電機１の軸方向の長さを抑えることができる。
【００５６】
なお、ロータコア２１０が軸方向の一方の面側と径方向の両面側においてステータ１００を覆うように全体として円筒形状に形成されている場合、α巻された誘導コイルＩおよび界磁コイルＦは、巻線Ｉｗ、Ｆｗの端部をロータ２００の内周または外周の同一面（軸方向の一方側の面）側に引き出して配置してもよい。この場合、ロータ２００の軸方向の一方側の面側に配置した図示しない結線基板等の結線部品を用いて、同一面上で結線を容易に行うことができ、回転電機１の軸方向の長さを抑えることができる。
【００５７】
また、誘導コイルＩおよび界磁コイルＦをα巻したことで、巻線Ｉｗと巻線Ｆｗの熱伝導率を均一にできるため、ロータ２００の放熱性を向上できる。
【００５８】
誘導コイルＩおよび界磁コイルＦをα巻したことで、占積率を向上でき、銅損を低減できる。
【００５９】
また、誘導コイルＩおよび界磁コイルＦは、平角線からなるＩｗ、Ｆｗの短辺が磁束の発生方向に対して垂直になるように巻回されている。
【００６０】
これにより、誘導コイルＩおよび界磁コイルＦで発生する渦電流損を低減することができる。
【００６１】
誘導コイルＩおよび界磁コイルＦは、α巻された巻線Ｉｗ、Ｆｗをコの字形に折り曲げた形状に形成されている。
【００６２】
具体的には、界磁コイルＦは、コの字型のロータコア２１０の内側の面に沿い、かつ、ロータティース２３０の基端部を周回するように、コの字形に折り曲げられている。
【００６３】
一方、誘導コイルＩは、コの字形の界磁コイルＦの内側の面に沿い、かつ、ロータティース２３０の先端部を周回するように、コの字型に折り曲げられている。
【００６４】
このように、誘導コイルＩおよび界磁コイルＦは、同一のロータティース２３０に対して、このロータティース２３０の先端側および基端側に誘導コイルＩおよび界磁コイルＦがそれぞれ配置されるように層をなして配置されており、誘導コイルＩは、界磁コイルＦよりもロータティース２３０のステータ１００側に配置されている。このため、誘導コイルＩと界磁コイルＦとを密接させることができ、誘導コイルＩおよび界磁コイルＦの占積率を向上させることができる。
【００６５】
また、コの字形状のロータコア２１０が回転電機１の軸方向の他方側に開放されているため、ステータコア１１０を分割しなくても、ステータコア１１０をロータコア２１０に対して軸方向の他方側から挿入することで回転電機１の組み付けを行うことができる。これにより、組み付け性を向上させることができる。また、ロータコア２１０が回転電機１の軸方向の他方側に開放されているため、この開放された側から効率的に放熱を行うことができ、冷却性能を向上させることができる。
【００６６】
このように構成された誘導コイルＩは、電機子コイル１４０で回転磁界が発生すると、ステータ１００側で発生した磁束の鎖交により誘導電流を誘起させる。
【００６７】
（整流回路）
ここで、ロータ２００には図示しないダイオードが整流素子として設けられており、このダイオードと誘導コイルＩおよび界磁コイルＦは整流回路を構成するように結線されている。この整流回路において、誘導コイルＩで発生した交流の誘導電流はダイオードにより整流され、整流後の直流の電流は、界磁電流として界磁コイルＦに供給される。界磁コイルＦは、界磁電流として通電されることで磁界を発生させるようになっている。
【００６８】
（界磁エネルギー）
回転電機１は、１２個のステータティース１３０と８個のロータティース２３０を備えている。このため、ステータ１００のスロット数Ｓ（１２）と、ロータ２００の磁極数Ｐ（８）と、の構成比Ｓ／Ｐが３／２となる。
【００６９】
また、本実施形態の回転電機１は、トロイダル巻に形成された電機子コイル１４０が集中巻されているため、基本周波数の磁束には、漏れ磁束として静止座標系で空間的に第２次空間高調波が約５０％重畳している。
【００７０】
したがって、構成比Ｓ／Ｐを３／２としたことで、ロータ２００には回転座標系で時間的に第３次時間高調波が鎖交する。回転座標系で発生する第３次時間高調波は、ロータ２００の回転速度に対して非同期周波数である。
【００７１】
このため、ロータ２００の突極であるロータティース２３０に誘導コイルＩを巻くことで、誘導コイルＩに第３次時間高調波を鎖交させて誘導電流を発生させ、その誘導電流を整流した直流電流を界磁電流として用いることで界磁コイルＦに界磁を発生させ、ロータ２００を電磁石として機能させることができる。
【００７２】
ここで、回転座標系における４次や５次等の高次の時間高調波磁束は、ロータコア２１０の表面付近でのみ振動する波形に過ぎないことから、誘導コイルＩに効率よく誘導電流を発生させることができない。これに対し、第３次時間高調波のような低次の空間高調波は、比較的に低周波磁束のため、ロータコア２１０の内部まで鎖交することができる。
【００７３】
本実施形態では、基本周波数の磁束に重畳する空間高調波成分のうち、第３次時間高調波を回収対象としており、この第３次時間高調波は、電機子コイル１４０に入力する基本周波数や２次の時間高調波よりも周波数が高く短周期で脈動する。
【００７４】
このため、空間高調波成分の損失エネルギーを効率よく回収し、誘導コイルＩに鎖交する磁束の時間変化を大きくして誘導電流を大電流にすることができ、大きな回転トルクを得ることができる。
【００７５】
以上のように説明した本実施形態の回転電機１の作用効果について説明する。本実施形態の回転電機１において、ステータ１００は、周方向に所定の間隔で配置されるステータティース１３０を有する環状のステータコア１１０と、この環状のステータコア１１０の隣り合うステータティース１３０の間にトロイダル巻された電機子コイル１４０と、を有する。
【００７６】
また、ロータ２００は、ステータコア１１０の軸方向の一方の面側で第１ステータティース１３１に対向する第１ロータティース２３１と、ステータコア１１０の径方向の内面側で第２ステータティース１３２に対向する第２ロータティース２３２と、ステータコア１１０の径方向の外面側で第３ステータティース１３３に対向する第３ロータティース２３３と、を有するロータコア２１０を有する。
【００７７】
さらに、ロータ２００は、ロータティース２３０に巻かれており、ステータ１００側で発生した磁束の鎖交により誘導電流を誘起させる誘導コイルＩと、ロータティース２３０に巻かれており、誘導電流の通電によって磁界を発生させる界磁コイルＦと、を有する。
【００７８】
本実施形態によれば、ステータ１００側で発生した磁束の鎖交により誘導コイルＩに誘導電流を発生でき、その誘導電流を整流した直流電流を界磁電流として用いて界磁コイルＦに界磁を発生できるため、ロータ２００を電磁石として機能させ、ロータ２００の回転トルクを得ることができる。
【００７９】
このため、永久磁石を用いることなくロータ２００の回転トルクを得ることができるので、永久磁石として希土類磁石を用いることによって材料コストが増加したり資源供給が不安定になったりすることを防止できる。これにより、コスト面及び資源供給面で優れた回転電機１を提供できる。
【００８０】
また、本実施形態によれば、ステータ１００側で発生した磁束は、第１ロータティース２３１、第２ロータティース２３２および第３ロータティース２３３の３面でロータティース２３０に鎖交するため、トルク発生面を増大させることができ、トルク密度を向上させることができる。
【００８１】
この結果、コスト面及び資源供給面で優れ、トルク発生面の増大によってトルク密度を向上させることができる。
【００８２】
さらに、本実施形態によれば、基本周波数の磁束に重畳する空間高調波成分のうち、第３次時間高調波を回収対象としたことにより、ステータ１００で発生する高調波をロータティース２３０に効果的に鎖交させることができ、より多くの界磁エネルギーを得ることができる。
【００８３】
これに加え、本実施形態によれば、コの字形状のロータコア２１０が回転電機１の軸方向の他方側に開放されているため、ステータコア１１０を分割しなくても、ステータコア１１０をロータコア２１０に対して軸方向の他方側から挿入することで回転電機１の組み付けを行うことができる。これにより、組み付け性を向上させることができる。また、ロータコア２１０が回転電機１の軸方向の他方側に開放されているため、この開放された側から効率的に放熱を行うことができ、冷却性能を向上させることができる。
【００８４】
また、本実施形態によれば、誘導コイルＩおよび界磁コイルＦの巻線Ｉｗ、Ｆｗの端部をロータ２００の軸方向の他端側の同一面に配置でき、この他端側の同一面に結線基板等の結線部品を配置して結線を行うことができるため、回転電機１の軸方向の長さを抑えることができる。
【００８５】
また、本実施形態の回転電機１において、誘導コイルＩおよび界磁コイルＦは、同一のロータティース２３０に層を成して巻かれており、誘導コイルＩは、ロータティース２３０における界磁コイルＦよりもステータ１００側に配置されている。
【００８６】
本実施形態によれば、誘導コイルＩが界磁コイルＦよりもステータ１００側に配置されているため、より多くの高調波を誘導コイルＩに鎖交させ、誘導コイルＩに大きな電流を発生させることができる。また、誘導コイルＩと界磁コイルＦを同一のロータティース２３０に層をなして巻いたことにより、誘導コイルＩと界磁コイルＦとを密接させることができ、誘導コイルＩおよび界磁コイルＦの占積率を向上させることができる。
【００８７】
また、本実施形態の回転電機１において、ロータコア２１０は、ステータコア１１０の軸方向の一方の面側で第１ステータティース１３１に対向する第１ロータティース２３１と、ステータコア１１０の径方向の内面側で第２ステータティース１３２に対向する第２ロータティース２３２と、ステータコア１１０の径方向の外面側で第３ステータティース１３３に対向する第３ロータティース２３３と、が連続した一体構造である。
【００８８】
また、本実施形態の回転電機１において、ロータコア２１０は、ステータ１００の軸方向の一方の面側と径方向の内面側と径方向の外面側においてステータ１００を覆う円筒形状である。
【００８９】
なお、電機子コイル１４０、誘導コイルＩおよび界磁コイルＦの巻線としては、銅線に限らず、例えば、アルミ導体や、高周波電流用撚り線のリッツ線を採用してもよい。
【００９０】
また、回転電機１は、界磁コイルＦに加えて永久磁石をロータ２００に配置するハイブリッド界磁形（ハイブリッドタイプ）に構成してもよく、この場合、永久磁石と、電磁石として機能する界磁コイルＦとを効果的に協働させてトルクを発生させることができる。このため、コスト上昇を引き起こす希土類磁石の使用量を抑制でき、大型化することなく同等の出力を得ることができる。
【００９１】
さらに、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。整流素子は、ダイオードケース内に収納するタイプに限らず、ロータ２００の内部に実装するようにしてもよい。
【００９２】
また、回転電機１は、車載用に限定されるものではなく、例えば、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。
【００９３】
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】
【００９４】
１ 回転電機
１００ ステータ
１１０ ステータコア
１３０ ステータティース
１４０ 電機子コイル（コイル）
２００ ロータ
２１０ ロータコア
２３０ ロータティース
２３１ 第１ロータティース（ステータコアの軸方向の一方の面側でステータティースに対向するロータティース）
２３２ 第２ロータティース（ステータコアの径方向の内面側でステータティースに対向するロータティース）
２３３ 第３ロータティース（ステータコアの径方向の外面側で前記ステータティースに対向するロータティース）
Ｆ 界磁コイル
Ｉ 誘導コイル
【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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