(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングと、
電機子巻線が巻装されて前記ハウジングの内周面に固定されたステータコアと、
積層又は螺旋巻きされた電磁鋼板により構成されて前記ステータコアの内周面に所定ギャップを隔てて前記ハウジングに相対回転自在に支承される円筒状のロータコアと、
前記ロータコアに固定されて前記ロータコアの外周面に周方向極性交互かつ所定の磁極ピッチで界磁極を形成する複数の永久磁石と、
前記ロータコアに軸方向に挿通されて前記永久磁石により形成される磁石磁界を磁気的に短絡する磁気短絡部材と、
前記ロータコアの径内側に配置されて前記ロータコアを通じて前記磁気短絡部材に軸方向に磁束を流す界磁コイルと、
前記ロータコアの径内側にて前記界磁コイルとともに前記ハウジングの端壁部に固定されて前記ロータコア及び磁気短絡部材とともに前記界磁コイルが形成する磁束を貫流させる短絡磁気回路を構成する静止ヨークと、
を備え、
前記ロータコアの内周部は、前記静止ヨークの外周面に低磁気抵抗で磁気的に結合する磁気的凸部、及び、前記静止ヨークの外周面に高磁気抵抗で磁気的に結合する磁気的凹部が周方向磁極ピッチ毎に交互に形成された磁気的凹凸部を有し、
前記磁気的凸部及び磁気的凹部は、前記ロータコアの内周部の軸方向一端部及び軸方向他端部にて周方向逆位置に配置されることを特徴とする静止界磁コイル式磁石併用同期機。
【請求項２】
請求項１記載の静止界磁コイル式磁石併用同期機において、
前記ロータコアは、軸方向に貫設されて前記永久磁石を収容する磁石収容用貫通孔を有し、
前記永久磁石の磁極面は、周方向両端面に形成され、
周方向に隣接する２つの前記永久磁石の対向端面は同一極性に磁化されて前記２つの前記永久磁石間の前記ロータコアの外周面を同一極性の界磁極に磁化し、前記磁気的凹部は、前記ロータコアの外周面に形成された２つの極性の前記界磁極の一方の径内側に位置して前記ロータコアの内周面から径内側に凹設された凹部からなり、
前記磁気的凸部は、前記ロータコアの外周面に形成された２つの極性の前記界磁極の他方の径内側に位置して前記ロータコアの内周面から径内側に突設された凸部からなることを特徴とする静止界磁コイル式磁石併用同期機。
【請求項３】
請求項１記載の静止界磁コイル式磁石併用同期機において、
前記ロータコアは、軸方向に貫設されて前記永久磁石を収容する磁石収容用貫通孔を有し、
前記永久磁石の磁極面は、周方向両端面に形成され、
周方向に隣接する２つの前記永久磁石の対向端面は同一極性に磁化されて前記２つの前記永久磁石間の前記ロータコアの外周面を同一極性の界磁極に磁化し、前記磁気的凹部は、前記ロータコアの外周面に形成された２つの極性の前記界磁極の一方の径内側に位置して前記ロータコアの内周部に位置して軸方向に貫設された長孔からなり、
前記磁気的凸部は、前記ロータコアの外周面に形成された２つの極性の前記界磁極の他方の径内側に位置して前記ロータコアの内周部に位置して前記長孔をもたない中実部からなることを特徴とする静止界磁コイル式磁石併用同期機。
【請求項４】
請求項１記載の静止界磁コイル式磁石併用同期機において、
前記ロータコアは、周方向両端部が前記ロータコアの外周部に達し、周方向中央部が前記周方向両端部材よりも径内側に位置する円弧状径方向断面をもち、前記ロータコアの界磁極数の半分の個数だけ形成された磁石収容用貫通孔を有し、前記永久磁石は、前記磁石収容用貫通孔の略深さ方向に着磁され、
各前記磁石収容用貫通孔内の前記永久磁石は、略回転対称位置にて同一極性の磁極面をもち、
前記磁石収容用貫通孔の前記周方向中央部は、前記ロータコアの内周面近傍に達して前記磁気的凹部をなすことを特徴とする静止界磁コイル式磁石併用同期機。
【請求項５】
請求項２ないし４のいずれか記載の静止界磁コイル式磁石併用同期機において、
前記ロータコアの外周面は、前記磁石収容用貫通孔の径外側に位置して径内側に凹設された外周凹部を有し、
前記ロータコアを構成する前記電磁鋼板は、前記外周凹部にて溶接されていることを特徴とする静止界磁コイル式磁石併用同期機。
【請求項６】
請求項２乃至５のいずれか記載の静止界磁コイル式磁石併用同期機において、略径方向へ形成されて前記磁石収容用貫通孔又は前記磁気短絡部材収容孔と前記ロータコアの内周面を連通するスリットを有することを特徴とする静止界磁コイル式磁石併用同期機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、使用回転数範囲の広い自動車用回転機として好適な静止界磁コイル式磁石併用同期機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
永久磁石型同期機は他の形式の同期機に比較して高出力でコンパクト化が容易であり、ハイブリッド車や電気自動の車両走行モータに好適であるが、車両走行モータでは、低速トルクを十分に確保するとともに、高速回転時に過大な電機子巻線誘起電圧が駆動回路の半導体駆動素子などに印加されるのを防止するため、高速回転時の磁石磁界を低減する手段を設ける必要がある。
【０００３】
本出願人の出願になる特開平１０ー３０４６３３号公報は、永久磁石型ロータコア内に、これら永久磁石を磁気的に短絡する磁気短絡部材を軸方向に挿通し、更にロータコアの径内側に静止ヨークを設けてそれに界磁コイルを巻装し、界磁コイルへの通電により磁気短絡部材を流れる短絡磁束量を調節し、これにより電機子巻線と有効に鎖交する有効界磁束量を制御して電機子巻線の発電電圧を調節可能する静止界磁コイル式磁石併用同期機を提案している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した公報の静止界磁コイル式磁石併用同期機は、ロータコアの一端面から軸方向外側へ突出する軟磁性ピンの先端部に回転ヨークを固定し、この回転ヨークの内周面と静止ヨークの外周面とを近接させることにより、界磁コイル電流による磁束（電流磁束）が軟磁性ピンを軸方向へ流れるように構成しているために、ステータコアの内周面と対面するロータコアより上記回転ヨークの分だけロータの軸方向長が増大して体格が増大するという欠点があった。
【０００５】
また、回転慣性質量が増大し、また回転ヨークに作用する遠心力を支承する問題から高速回転性に劣るという問題も派生した。
【０００６】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、軸長短縮及び高速回転性の向上が可能な高出力の静止界磁コイル式磁石併用同期機を提供することをその目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の静止界磁コイル式磁石併用同期機は、ハウジングと、電機子巻線が巻装されて前記ハウジングの内周面に固定されたステータコアと、積層又は螺旋巻きされた電磁鋼板により構成されて前記ステータコアの内周面に所定ギャップを隔てて前記ハウジングに相対回転自在に支承される円筒状のロータコアと、前記ロータコアに固定されて前記ロータコアの外周面に周方向極性交互かつ所定の磁極ピッチで界磁極を形成する複数の永久磁石と、前記ロータコアに軸方向に挿通されて前記永久磁石により形成される磁石磁界を磁気的に短絡する磁気短絡部材と、前記ロータコアの径内側に配置されて前記ロータコアを通じて前記磁気短絡部材に軸方向に磁束を流す界磁コイルと、前記ロータコアの径内側にて前記界磁コイルとともに前記ハウジングの端壁部に固定されて前記ロータコア及び磁気短絡部材とともに前記界磁コイルが形成する磁束を貫流させる短絡磁気回路を構成する静止ヨークとを備え、
前記ロータコアの内周部は、前記静止ヨークの外周面に低磁気抵抗で磁気的に結合する磁気的凸部、及び、前記静止ヨークの外周面に高磁気抵抗で磁気的に結合する磁気的凹部が周方向磁極ピッチ毎に交互に形成された磁気的凹凸部を有し、前記磁気的凸部及び磁気的凹部は、前記ロータコアの内周部の軸方向一端部及び軸方向他端部にて周方向逆位置に配置されることを特徴としている。
【０００８】
本発明によれば、界磁コイルが巻装された静止ヨークの外周面にギャップを挟んで対面するロータコアの内周部に磁気的凹凸部を設けているので、静止界磁コイル式磁石併用同期機において、上記公報のごとき回転ヨークロータコアの軸方向外側に追設する必要がなく、その分だけロータの軸長を短縮して小型高出力化を実現することができる。  また、回転慣性質量の低減及びロータコア又は磁気短絡部材に掛かる遠心力を低減することができるので、高速回転が可能となり、出力向上、小型軽量化が可能となる。
【０００９】
請求項２記載の構成によれば請求項１記載の静止界磁コイル式磁石併用同期機において更に、前記ロータコアは、軸方向に貫設されて前記永久磁石を収容する磁石収容用貫通孔を有し、前記永久磁石の磁極面は、周方向両端面に形成され、周方向に隣接する２つの前記永久磁石の対向端面は同一極性に磁化されて前記２つの前記永久磁石間の前記ロータコアの外周面を同一極性の界磁極に磁化し、前記磁気的凹部は、前記ロータコアの外周面に形成された２つの極性の前記界磁極の一方の径内側に位置して前記ロータコアの内周面から径内側に凹設された凹部からなり、前記磁気的凸部は、前記ロータコアの外周面に形成された２つの極性の前記界磁極の他方の径内側に位置して前記ロータコアの内周面から径内側に突設された凸部からなることを特徴としている。
【００１０】
本構成によれば、簡素な構成で請求項１記載の磁気的凹凸部を形成することができる。
【００１１】
請求項３記載の構成によれば請求項１記載の静止界磁コイル式磁石併用同期機において更に、前記ロータコアは、軸方向に貫設されて前記永久磁石を収容する磁石収容用貫通孔を有し、前記永久磁石の磁極面は、周方向両端面に形成され、周方向に隣接する２つの前記永久磁石の対向端面は同一極性に磁化されて前記２つの前記永久磁石間の前記ロータコアの外周面を同一極性の界磁極に磁化し、前記磁気的凹部は、前記ロータコアの外周面に形成された２つの極性の前記界磁極の一方の径内側に位置して前記ロータコアの内周部に位置して軸方向に貫設された長孔からなり、前記磁気的凸部は、前記ロータコアの外周面に形成された２つの極性の前記界磁極の他方の径内側に位置して前記ロータコアの内周部に位置して前記長孔をもたない中実部からなることを特徴としている。
【００１２】
本構成によれば、簡素な構成で請求項１記載の磁気的凹凸部を形成することができる。
【００１３】
請求項４記載の構成によれば請求項１記載の静止界磁コイル式磁石併用同期機において、前記ロータコアは、周方向両端部が前記ロータコアの外周部に達し、周方向中央部が前記周方向両端部材よりも径内側に位置する円弧状径方向断面をもち、前記ロータコアの界磁極数の半分の個数だけ形成された磁石収容用貫通孔を有し、前記永久磁石は、前記磁石収容用貫通孔の略深さ方向に着磁され、各前記磁石収容用貫通孔内の前記永久磁石は、略回転対称位置にて同一極性の磁極面をもち、前記磁石収容用貫通孔の前記周方向中央部は、前記ロータコアの内周面近傍に達して前記磁気的凹部をなすことを特徴としている。
【００１４】
本構成によれば、簡素な構成で請求項１記載の磁気的凹凸部を形成することができる。
【００１５】
請求項５記載の構成によれば請求項２ないし４のいずれか記載の静止界磁コイル式磁石併用同期機において更に、前記ロータコアの外周面は、前記磁石収容用貫通孔の径外側に位置して径内側に凹設された外周凹部を有し、前記ロータコアを構成する前記電磁鋼板は、前記外周凹部にて溶接されていることを特徴としている。
【００１６】
本構成によれば、溶接肉盛部を後加工することなくロータコアの積層電磁鋼板を一体化して機械的強度を向上することができるとともに、ロータコアの磁気特性を損なうことが少ない。
【００１７】
請求項６記載の構成によれば請求項２乃至５のいずれか記載の静止界磁コイル式磁石併用同期機において更に、略径方向へ形成されて前記磁石収容用貫通孔又は前記磁気短絡部材収容孔と前記ロータコアの内周面を連通するスリットを有することを特徴としている。
【００１８】
本構成によれば、磁気短絡部材収容孔や磁石収容用貫通孔への磁気短絡部材や磁石の挿通が容易となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な態様を実施例を参照して以下に説明する。
【００２０】
【実施例１】
実施例１記載の静止界磁コイル式磁石併用同期機を図１〜図３を参照して説明する。
（全体構造の説明）
回転機１０００は、ステータ１１００と、ロータ１２００とを有し、ステータ１１００は、フロントフレーム１９１０およびエンドフレーム１９１１の内周面に固定されている。
【００２１】
ロータ１２００は、軸受け１９２０、１９２１を介してフロントフレーム１９１０およびエンドフレーム１９１１に支承されており、その外周面はエアギャップを介してステータ１１００の内周面に対面している。１９３０はロータ１２００の回転位置を測定するレゾルバロータであり、１９３１はレゾルステータである。
【００２２】
ステータ１１００は、電磁鋼板を軸方向に積層してなるステータコア１１２０に３相コイル１１１０を巻装してなり、ステータコア１１２０は、３相コイル１１１０を挿入するスロット１１２１、ティース１１２２およびコアバック１１２３を有している。
【００２３】
ロータ１２００は、電磁鋼板製のロータコア１２１０、軟磁性体鉄心製のロータヨーク１２７０を有している。
【００２４】
ロータコア１２１０は、図２（図１におけるＥーＥ線矢視断面図）に示すように多数の輪板状の電磁鋼板を軸方向に積層することにより（電磁薄鋼板を螺旋状に巻き重ねて軸方向に積層してもよい）円筒形状に形成されている。ロータコア１２１０は、周方向に等間隔ピッチ（磁極ピッチ）で軸方向に貫設された角形の磁石挿入孔（磁石収容用貫通孔）１２１１、及び、周方向に隣り合う２つの磁石挿入孔１２１１の間に軸方向に貫設された丸孔（短絡部材収容用貫通孔）１２１２を有している。
【００２５】
ロータコア１２１０の内周部には、後述の界磁ヨーク１２３２からの磁束が通過容易な磁気的凸部１２５０、及び、通過しにくい磁気的凹部１２５１が磁極ピッチ毎に交互に形成されてなる磁気的凹凸部が形成されている。
【００２６】
磁石挿入孔１２１１には磁石１２８０が、丸孔１２１２には軟磁性体からなる軟磁性ピン（磁気短絡部材）１２８１が軸方向に圧入（または嵌合）されている。
【００２７】
磁気的凸部１２５０は、周方向一つおきの丸孔１２１２の内周側に隣接して周方向両側の２つの磁石挿入孔１２１１の間にわたって設けられ、磁気的凹部１２５１は、他の丸孔１２１２の内周側に隣接して周方向両側の２つの磁石挿入孔１２１１の間にわたって設けられている。磁気的凸部１２５０及び磁気的凹部１２５１は、図１に示すように、ロータコア１２１０の軸方向前半部と軸方向後半部とで位置が逆転して形成されている。
【００２８】
各磁石挿入孔１２１１に軸方向に挿入された磁石１２８０は、その厚さ方向すなわち略周方向に磁化されており、周方向に隣接する２つの磁石１２８０は、互いに対面する端面が同一極性の磁極面となっている。
【００２９】
軟磁性ピン１２８１は、基端部に丸孔１２１２より径大の鍔部を有し、圧入後に軟磁性ピン１２８１の先端部を押し広げてロータコア１２１０の各電磁鋼板を軸方向に挟圧している。また、一つおきの軟磁性ピン１２８１はロータコア１２１０をロータヨーク１２７０に固定している。
【００３０】
ロータコア１２１０は、その外周面と磁石挿入孔１２１１の径外端との間にて図８に示すように径内側へ凹設された凹設部をもち、この凹設部は、磁石挿入孔１２１１に沿って軸方向に形成されている。この凹設部は、ロータコア１２１０の外周面とステータコア１１２０の内周面との間に大きなギャップを確保し、磁石１２８０の磁束が電機子巻線１１１０と十分に鎖交せずに漏れ磁束となってしまうのを抑止している。また、この凹設部は、ロータコア１２１０の外周面と磁石挿入孔１２１１の径外端との間のロータコア１２１０の周方向磁気通路を狭窄して、磁石１２８０の漏れ磁束を低減している。更に、この凹設部は、ロータコア１２１０の外周面側から軸方向へレーザ溶接されており、これにより、ロータコア１２１０を構成する各電磁鋼板を一体化するとともに、この凹設部の磁気特性を劣化させてこの部位を周方向に流れる漏れ磁束を低減している。
【００３１】
ロータヨーク１２７０は、図１及び図１のＰ視断面図である図３に示すように、軟磁性体鉄心を鍛造加工して形成されている。ロータヨーク１２７０は、径方向に延在する円板部１２７１と、円板部１２７１の内周端からリヤ側に延在するボス部１２７２とからなるフランジ部材であって、円板部１２７１は、円板部１２７１の外周端縁から更に径外方向へ放射状に張り出した磁石挿入孔１２１１の半分の数のリブ１２７３を有している。リブ１２７３は、ロータヨーク１２７０の軸方向後半部の丸孔１２１２（図２参照）と同一位置に同一径で形成された丸孔１２７８を有している。ロータヨーク１２７０の丸孔１２１２を貫通した軟磁性ピン（磁性ピン）１２８１はリブ１２７３の丸孔１２７８に圧入され、これにより、ロータコア１２１０がロータヨーク１２７０に固定されている。１２４０はスプライン１２４１をもつシャフトであって、ボス部１２７２に相対回転不能に圧入されている。
【００３２】
１２７４は、軟磁性体よりなるフランジ状の界磁コア（静止ヨーク）であって、その円板部はエンドフレーム１９１１の端壁部にねじ１９４０にて固定されている。界磁コア１２７４のボス部の内周面は、ロータヨーク１２７０のボス部１２７２の外周面に微小ギャップを隔てて相対回転自在に嵌着され、ロータコア１２１０の径内側に存在する空間に軸方向に突出している。界磁コア１２７４の上記ボス部の外周面には、界磁巻線１２３０が巻装され、界磁巻線１２３０の軸方向両側には、界磁磁束をロータコア１２１０の内周面に導くための積層電磁鋼板製の界磁ヨーク１２３２が圧入により嵌着されている。
【００３３】
なお、１３５０は、外部から界磁巻線１２３０へ給電するためのリード部である。
【００３４】
回転電機１０００の３相コイル１１１０は、直ー交電力変換器（インバータ）２００を通じてバッテリ３００から給電されている。界磁コイル１２３０に流れる界磁電流は、リード線１３５０を通じて界磁電流制御回路４００から給電され、レゾルバのステータ１９３１は信号処理回路５００に出力し、インバータ２００、界磁電流制御回路４００及び信号処理回路５００は制御回路６００により制御される。
（磁気回路の説明）
次に、磁石１２８０が形成する磁石磁界及び界磁コイル１２３０の電流が形成する電流磁界について以下に説明する。特に重要な点は、既に説明したようにロータコア１２１０の軸方向前半部の磁気的凸部１２５０と軸方向後半部の磁気的凸部１２５０とが周方向へ１磁極ピッチだけずれている点にある。
【００３５】
厚さ方向（略周方向）に着磁された磁石１２８０はロータコア１２１０の外周面に周方向交互にＳ磁極、Ｎ磁極を形成する。このＳ磁極から出た磁束は、ステータコア１１２０との間のエアギャップを通じてステータコア１１２０内で電機子巻線１１１０と鎖交し、エアギャップを通じてロータコア１２１０に戻る有効磁束となる。
【００３６】
また、磁石１２８０のＳ磁極から出た磁石磁束は、ロータコア１２１０のＳ磁極部分の軟磁性体ピン１２８１、ロータヨーク１２７０のリブ部１２７３、円板部１２７１、ボス部１２７２、界磁コア１２７４のボス部、界磁ヨーク１２３２、ロータコア１２１０の軸方向後半部の磁気的凸部１２５０、Ｎ磁極側軟磁性体ピン１２８１を通って磁石１２８０のＮ磁極に戻り、これにより短絡磁気回路が形成される。
【００３７】
また、磁石１２８０のＳ磁極から出た磁石磁束は、ロータコア１２１０のＳ磁極部分の軟磁性体ピン１２８１、ロータコア１２１０の軸方向前半部の磁気的凸部１２５０、界磁ヨーク１２３２（軸方向前部）、界磁コア１２７４のボス部、界磁ヨーク１２３２（軸方向後部）、ロータコア１２１０の軸方向後半部の磁気的凸部１２５０、Ｎ磁極側軟磁性体ピン１２８１を通って磁石１２８０のＮ磁極に戻り、これにより上記短絡磁気回路とほぼ並列の短絡磁気回路が形成される。
【００３８】
当然、ステータ１１００の電機子巻線１１１０と鎖交する上記有効磁束は、この短絡磁気回路を流れる磁束分だけ減少する。
【００３９】
上記両短絡磁気回路は、界磁コイル１２３０とも鎖交しているので、磁石磁界から短絡磁気回路にされる磁束の量は、界磁コイル１２３０に通電する電流により制御することができる。
【００４０】
この回転電機の等価磁気回路を図４に示す。
【００４１】
ステータ１１００側の磁気抵抗をＲｓ、エアギャップの磁気抵抗をＲｇ、磁石部の磁気抵抗をＲｍとする。Ｒｍは上記有効磁束が流れる磁気回路のロータ側の磁気抵抗である。上記短絡磁気回路の磁気抵抗のうち上記Ｒｍを除く磁気抵抗（短絡磁気抵抗）をＲｒ、磁石の起磁力をＦｍ、界磁巻線の起磁力をＦｃとすると、ステータ１１００側に流れる有効磁束量Φ１は次式で表わせる。
【００４２】
Φ１＝（ＲｍＦｃ＋ＲｒＦｍ）／（ＲｒＲｍ＋Ｒｍ（Ｒｇ＋Ｒｓ）＋（Ｒｇ＋Ｒｓ）Ｒｒ）
Φ２は短絡磁束量である。各パラメータの設定により有効磁束量Φ１は任意に設定できる。例えば界磁巻線１２３０に電流を流さないとき（Ｆｃ＝０）の有効磁束量Φ１０は、
Φ１０＝ＲｒＦｍ／（ＲｒＲｍ＋Ｒｍ（Ｒｇ＋Ｒｓ）＋（Ｒｇ＋Ｒｓ）Ｒｒ）
となり、短絡磁気抵抗Ｒｒが小のときはΦ１０はほぼ０となる。短絡磁気抵抗Ｒｒは、軟磁性体ピン１２８１、リブ部１２２３、円筒状鉄心１２３１および各部材の接合部の磁気抵抗により決定されるため、各部の断面積および長さを設定することで、界磁巻線１２３０に電流を流さない時の有効磁束量Φ１０を設定することができる。ここでは、有効磁束が流れる磁路を構成する磁性材料のＢーＨ特性の線形領域（図５に示す０〜Φ’の領域）に設定し、有効磁束量Φ１が磁路を構成する磁性材料の磁気飽和領域に達しないようにする。
【００４３】
界磁巻線１２３０に通電した場合は、界磁巻線起磁力Ｆｃ分の磁束量Φ１ｃが形成される。
【００４４】
Φ１ｃ＝ＲｍＦｃ／（ＲｒＲｍ＋Ｒｍ（Ｒｇ＋Ｒｓ）＋（Ｒｓ＋Ｒｓ）Ｒｒ）
その結果、有効磁束量Φ１は
Φ１＝Φ１０＋Φ１ｃ
となり、界磁巻線通電流により有効磁束量を調整することができる。なお、磁束量Φ１ｃは、短絡磁気回路に漏れる磁石磁束量を減らすと考えることができる。
【００４５】
（実施例効果）
上記説明した磁石併用式同期機は、ハイブリッド車や電機自動車などの走行用モータとして特に好適である。
【００４６】
この種の走行用モータは車輪回転数に応じて広い回転数範囲で用いられる。弱め界磁制御が不要な低回転域では、界磁巻線１２３０への通電電流を増加させ、有効磁束量Φ１を増加する。モータ発生トルクは有効磁束量Φ１とトルク電流とに比例するため、有効磁束量Φ１を増加させることにより電機子巻線１１１０に通電する電機子電流を低減することができる。
【００４７】
反作用誘起電圧が印加電圧を超えるため、モータ駆動に弱め界磁制御が必要な高回転域では、界磁巻線１２３０への通電電流をゼロ又は低減して、磁石磁束を短絡磁路へ分流させて、電機子巻線に流す弱め界磁電流を減少させるか又は０とすることができる。これにより、最大電機子電流を減らすことができるため、巻線部の発熱が抑えられ回転機を小型化ができ、更に電力変換器２００の半導体スイッチング素子を小型化することができる。
【００４８】
なお、界磁コイル１２３０の銅損は電機子巻線１１１０の銅損に比べてわずかであるため、この実施例記載の界磁電流による弱め界磁は、従来の電機子電流によるそれに比較して効率向上をもたらす。
【００４９】
また、この実施例では、界磁巻線起磁力Ｆｃ＝０のときの有効磁束量Φ１０を有効磁路を構成する磁性材料のＢーＨ特性の線形領域に設定しているので、有効磁束量Φ１０による反作用誘起電圧が印加電圧以上となる高回転域でモータ駆動する必要が生じたとき、電機子巻線１１１０からの弱め界磁に必要な電機子電流を最小限に抑えることができる。
【００５０】
図５において説明すると、電機子電流により有効磁束をΦ０からΦ’に減少させる場合、ＢーＨカーブが線形であるときに必要ＡＴをＡＴａ、非線形であるときの必要ＡＴをＡＴｂとするとＡＴａ＜ＡＴｂとなるので、その差に比例して電機子電流を低減することができる。
【００５１】
更に、従来の永久磁石回式転電機をモータとして動作させ、電機子巻線に弱め界磁電流を流して制御する場合のＴーＮ（トルクー回転数）特性上の効率マップを図６に示し、この実施例の回転電機を上記制御方法にて駆動した場合のＴーＮ特性上の効率マップを図７に示す。両図の比較からわかるように、効率マップ上の最大効率範囲が拡大する。
【００５２】
なお、この実施例の回転電機を発電機動作させる場合、Φ１０を車両用常用負荷のレベルに設定しておき、それ以上の出力が要求されるときのみ界磁巻線に通電すれば、界磁巻線の銅損が低減でき高効率の発電が可能である。
【００５３】
更に付言すれば、従来、ロータから界磁コントロ−ル可能な同期回転機として突極形同期機、クローボール形同期機があるが、これらは共に界磁巻線のみにより有効磁束を得ており、有効磁束の必要最小限（短絡磁束解消分）を界磁巻線で補うことが可能なこの実施例の回転電機と比較して、界磁巻線への通電電流が大きく、界磁コイルの大型化、や界磁コイルの抵抗損が大きいという問題がある。ロータ巻装の界磁コイルは冷却性において電機子巻線に劣るので、本実施例の採用により界磁コイルの損失、発熱低減が可能となる。
【００５４】
更に、この実施例では、ロータコア１２１０の内周面の軸方向前半部（又は軸方向一端部）と、軸方向後半部（又は軸方向他端部）に磁極ピッチごとに交互に磁気的凸部１２５０を設けているので、ロータコア１２１０に貫挿した軟磁性ピン１２８１を軸方向反リブ１２７３側に突出させて、この部分から磁性材にて静止ヨークに磁束を流す必要がないため、ロータの軸長短縮及び軽量化を図ることができ、耐遠心力性能も向上することができる。
【００５５】
【実施例２】
本発明の磁石併用式同期機の他の実施例を図８を参照して説明する。
【００５６】
この実施例では、ロータコア１２１０の内周部に設ける磁気的凹凸部は、内周面に近接して周方向所定ピッチでそれぞれ軸方向に貫された長孔１２５２により形成され、各長孔１２５２は互いに隣接する磁石１２８０の間に一つおきに設けられている。当然、ロータコア１２１０の内周部のうち、長孔１２５２をもつ部位は磁気的凹部になり、他の部位が磁気的凸部となる。
【００５７】
なお、長孔１２５２と内周面との間の薄肉部１２５３は隣接する磁石１２８０同士の漏れ磁束通路となるが磁気飽和するために漏れ磁束量は無視することができる。
【００５８】
【実施例３】
本発明の磁石併用式同期機の他の実施例を図９を参照して説明する。
【００５９】
この実施例では、ロータコア１２１０の内周部に設ける磁気的凹凸部は、実施例２と同様の長孔１２５５により形成されている。ただし、この実施例の長孔１２５５の周方向両端部は径外側へ向かうにつれて互いに周方向に離れるように傾斜しつつロータコア１２１０の外周面近傍に達し、磁石１２５４が長孔１２５５の周方向両端部にそれぞれ収容されている。すなわち、長孔１２５５の周方向両端部は磁石収容用貫通孔となっている。
【００６０】
このように磁石１２５４の磁極面を傾斜させると磁石磁束の方向を磁極中心方向に集中させることができるので、ロータコア１２１０の外周面の界磁極を強化することができる。また、磁石１２５４を孔１２５５の傾斜孔部に装着した後で着磁することが可能になるため、生産性が向上する。
【００６１】
（変形態様）
図９記載の長孔１２５５を図１０に示すように円弧状の径方向断面形状に変形した変形態様を図１０に示す。この場合でも、長孔１２５７は図９の長孔１２５５と同様の効果を奏することができる。
【００６２】
更に、この実施例では、長孔１２５７内部一杯に磁石１２５６を設けている。すなわち、実施例３の２つの磁石１２５４に比較して磁石個数を半減することができ、更に、磁石体積を増大できる分だけ、界磁極を強化することができる。
【００６３】
この場合も、実施例３と同じく、ロータコア１２１０の内周面及び外周面に外部着磁装置の磁極面を設けてロータコア１２１０内の磁石１２５６を着磁することができ、生産性が向上する。
【００６４】
特に、図１０の例では、円弧状磁石１２５６の中央部は、磁石１２５６の径外側に向いた磁極面をロータコア１２１０の内周面から遮断するため、磁気的凹部として機能することができ、好都合である。
【００６５】
また、界磁ヨークの外周面から出た磁束は、上記長孔１２５７の形状により、ロータコア１２１０の内周面のより広い部分を利用してロータコア１２１０の内周面に入ることができるために、短絡磁気回路の磁気抵抗を低減することができる。
【００６６】
【実施例４】
本発明の磁石併用式同期機の他の実施例を図１１を参照して説明する。
【００６７】
この実施例は、図８に示す丸形断面の磁気短絡部材収容孔を、角部がＲ面取りされた角形断面に変更し、角部がＲ面取りされた角形断面の軟磁性ピン１２１４をこの角形断面の磁気短絡部材収容孔に収容しているので、磁気短絡部材の径方向断面積を増大して、その磁気抵抗を低減しているので、短絡磁束量を更に増大することができる。
【００６８】
また、図８の長孔１２５３に相当する磁気遮断孔１２５９をその径外側の磁気短絡部材収容孔に連通孔１２６１を介して連通させている。
【００６９】
更に、磁気遮断孔１２５９及び磁石収容用貫通孔をスリット１２９１、１２９０を介して連通させている。
【００７０】
これにより、磁石や軟磁性ピン１２１４の装着が容易となり、これら装着時における電磁鋼板の応力緩和効果も生じる。
【００７１】
また、連通孔１２６１の両側のフック部１２６２を角形の軟磁性ピン１２１４に接して設けているので、軟磁性ピン１２１４の径方向のずれを防止することができる。    更に、この実施例では、ロータコア１２１０は、磁石１２８０の径外側の外周面に磁石１２８０に沿って軸方向に形成された凹部１２６０を有し、この凹部１２６０において、ロータコア１２１０を構成する積層電磁鋼板がレーザー溶接などで溶着補強されている。これにより、ロータコア１２１０の他の部位の磁気特性への影響を抑止しつつ、ロータコア１２１０の機械的強度を向上することができる。
【００７２】
以上説明した各実施例において、磁石挿入孔を周方向等間隔に形成することにより、磁石をロータコア１２１０の軸方向全体を貫通するように配設することができ磁石を軸方向で二分する必要がなくなる。
【００７３】
また、図９、図１０に示す実施例３とその変形実施例では、磁石はロータコア１２１０の軸方向前半部及び軸方向後半部で別々に配設すればよい。
【００７４】
また、上記各実施例では、ロータコア１２１０を厚さが等しい電磁鋼板を用いて形成したが、厚さがばらついてもよい。また、各電磁鋼板のうち、一部の電磁鋼板の孔形状を他の電磁鋼板の孔形状と異なるようにしてもよい。
【００７５】
以上説明した様に本発明によれば、埋込み磁石形回転子の中に有効磁束をコントロ−ル可能な界磁巻線を設けることにより、回転機の全回転数領域において効率最大となる制御が可能となる。また、磁極を円環状電磁鋼板により構成しているため遠心力に対して強く、磁極表面に発生する鉄損を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の磁石併用式同期機の軸方向断面図である。
【図２】図１のＥーＥ線矢視断面図である。
【図３】図１のロータのＰ視矢視側面図である。
【図４】図１の同期機の等価磁気回路図である。
【図５】図１の同期機に用いる磁気材料の磁束密度と磁界との関係を示すＢ−Ｈ特性図である。
【図６】従来の永久磁石型同期機のトルクと回転数の関係を示す特性図である。
【図７】図１の磁石併用式同期機のトルクと回転数の関係を示す特性図である。
【図８】実施例２のロータコアを示す径方向断面図である。
【図９】実施例３のロータコアを示す径方向断面図である。
【図１０】図９に示す実施例３の変形態様のロータコアを示す径方向断面図である。
【図１１】実施例４のロータコアを示す径方向断面図である。
【符号の説明】
１０００  回転電機
１１００  ステータ
１１２０  ステータコア
１２００  ロータ
１２３０  界磁巻線
１２１１  磁石挿入孔（磁石収容用貫通孔）
１２１２  丸孔（短絡部材収容用貫通孔）
１２７０  ロータヨーク
１２８０  磁石（永久磁石）
１２８１  軟磁性体ピン（磁気短絡部材）
１９１０  フロントフレーム（ハウジング）
１９１１  エンドフレーム（ハウジング）
１１１０  電機子巻線
１２３２  界磁ヨーク（静止ヨーク）
１２７４  界磁コア（静止ヨーク）
【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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【図１０】
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【図１１】
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