JP2012165540A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】磁石使用量を抑制できる可変界磁型の回転電機を提供する。
【解決手段】回転電機１０は、回転シャフト１２と、回転シャフト１２の外周に固設されたロータコア１４と、ロータコア１４の径方向外方に配置された筒状のステータ１６と、ステータ１６の外周に設けられた界磁ヨーク１８と、界磁ヨーク１８とロータコア１４との間に第１および第２磁気回路ＭＣ１，ＭＣ２を形成することでロータコア１４とステータコア３０との間での磁束量を制御可能な界磁コイル２０ａ，２０ｂとを備える。ロータコア１４は、外周部に第１磁極構成部材２４と第２磁極構成部材２６とを周方向に離れて有している。第１磁極構成部材２４は軸方向一端側の界磁コイル２０ａによって生じる磁束が流れる第１磁気回路ＭＣ１の一部を構成し、第２磁極構成部材２６は軸方向他端側の界磁コイル２０ｂによって生じる磁束が流れる第２磁気回路ＭＣ２の一部を構成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、可変界磁型の回転電機に関する。

従来、ロータに永久磁石を配置した永久磁石型モータが様々な分野で利用されており、例えば、電気自動車やハイブリット自動車の駆動源として利用されている。このような電気自動車やハイブリット自動車の駆動源は、低回転−高出力、高回転−低出力という車両の走行特性が要求される。

モータは、一般にロータからステータに流れる磁束と、ステータコイルに流れるモータ電流によって、発生するトルクが決定される。ステータとロータ間に流れる磁束は、用いられる磁石等によって決定され、回転速度とは関係なく一定に保たれる。そして、回転速度は、モータ電流によって決定される。しかし、モータ電流は、インバータ等の電源からの電圧によって決まるため、ステータコイルの電圧と電源電圧の最大電圧とが一致したときの回転数が最大回転数となる。

このような永久磁石型モータにおいて、電源電圧を一定として定出力運転を行う場合、低回転数における出力を向上させると共に、最高回転数をさらに上昇させて走行特性を広げるために、可変界磁型の回転電機が各種提案されている。

例えば、特開２００８−９９４４７号公報（特許文献１）には、鉄損低減の低減を解決課題とした可変界磁型の回転電機が開示されている。この回転電機では、ロータにマグネット及び制御磁極を設け、固定されたボビンと一体の環状部材によりステータを支持し、ステータに電機子コイルを巻回し、ボビンに設けたコイル保持部に界磁コイルを巻回している。そして、上記ボビンを圧粉磁心材で形成することにより、鉄材でボビンを形成したものに対して電気抵抗が高くなるため、渦電流が生じ難くなり、上記ボビンにおける鉄損の低減を促進できることが記載されている。

特開２００８−９９４４７号公報

上記特許文献１の回転電機では、界磁コイルに流す電流の方向を制御しても制御磁極をＮ極またはＳ極のいずれか一方の極性にしか磁化できないため、制御磁極と極対を形成するために磁石を用いる必要がある。

本発明の目的は、使用する磁石量を抑制できる界磁可変型の回転電機を提供することにある。

本発明に係る回転電機は、
回転可能に設けられた回転シャフトと、
前記回転シャフトの外周に固設されたロータコアと、
前記ロータコアの径方向外方にギャップを隔てて配置され、内周部にステータコイルが巻回されている筒状のステータと、
前記ステータの外周に設けられた界磁ヨークと、
前記界磁ヨークの軸方向両端部にそれぞれ設けられ、前記界磁ヨークと前記ロータコアとの間に第１および第２磁気回路を形成することで前記ロータコアと前記ステータコアとの間での磁束量を制御可能な界磁巻線と、を備え、
前記ロータコアは、その外周部に第１磁極構成部材と第２磁極構成部材とを周方向に離れて有しており、
前記第１磁極構成部材は軸方向一端側の前記界磁巻線によって生じる磁束が流れる前記第１磁気回路の一部を構成し、前記第２磁極構成部材は軸方向他端側の前記界磁巻線によって生じる磁束が流れる前記第２磁気回路の一部を構成する。

本発明に係る回転電機において、前記第１磁極構成部材は、前記軸方向一端側の前記界磁巻線が巻回されている前記界磁ヨークの部分に一端部が近接する一方で他端部が前記軸方向他端側の前記界磁巻線が巻回されている前記界磁ヨークの部分から離間しており、前記第２磁極構成部材は、前記軸方向一端側の前記界磁巻線が巻回されている前記界磁ヨークの部分に一端部が離間する一方で他端部が前記軸方向他端側の前記界磁巻線が巻回されている前記界磁ヨークの部分に近接しているのが好ましい。

また、本発明に係る回転電機において、前記第１および第２磁極構成部材はそれぞれ、成形された磁性材料から構成され、前記第１磁極構成部材の一端部が前記ロータコアの一端面から突出しており、前記第２磁極構成部材の他端部が前記ロータコアの他端面から突出しているのが好ましい。

また、本発明に係る回転電機において、前記ロータコアは径方向外方へ突出する複数の突極部を周方向に等間隔に有し、前記第１および第２磁極構成部材は周方向に隣り合う前記突極部内に埋設されていてもよい。

この場合、前記突極部内には低透磁率領域が前記第１および第２磁極構成部材の径方向内方の表面に臨んで設けられていてもよい。

さらに、本発明に係る回転電機において、前記第１および第２磁極構成部材のうち、少なくとも１組の前記第１および第２磁極構成部材が粉末成形磁性体からなる非磁石部材で構成され、他の組の前記第１および第２磁極構成部材が磁石で構成されてもよい。

本発明に係る回転電機によれば、ロータコアがその外周部に第１磁極構成部材と第２磁極構成部材とを周方向に離れて有しており、第１磁極構成部材が、軸方向一端側の前記界磁巻線によって生じる磁束が流れる第１磁気回路の一部を構成し、第２磁極構成部材が、軸方向他端側の界磁巻線によって生じる磁束が流れる第２磁気回路の一部を構成することで、軸方向両側にそれぞれ設けられた界磁巻線の電流の流れ方向を調整することによって第１および第２磁極構成部材が磁化される極性を異ならせることができる。これにより、可変界磁型の回転電機におけるロータの設計自由度が大きくなり、磁石使用量を抑制することが可能になる。

本発明の一実施形態である回転電機の径方向断面図である。 図１におけるＡ−Ａ線に沿った断面図である。 第１磁極構成部材と第２磁極構成部材とが異なる極性に磁化されたときの状態を示す、図２と同様の断面図である。 図３におけるＢ−Ｂ線に沿ったロータ断面図である。 図３に示す状態から、界磁コイルの電流の流れ方向を変えたときの状態を示すロータ断面図である。 別の実施形態である回転電機のロータ断面図である。 さらに別の実施形態である回転電機のロータ断面図である。

以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。

図１は、本実施の形態に係る回転電機１０の径方向断面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ線に沿った軸方向断面図である。図１および図２に示されるように、回転電機１０は、回転可能な回転シャフト１２と、この回転シャフト１２の外周に固設されたロータコア１４と、ロータコア１４の径方向外方にエアギャップＧを隔てて配置された筒状のステータ１６と、ステータ１６の外周に固設された界磁ヨーク１８と、界磁ヨーク１８に巻回して設けられている界磁コイル（界磁巻線）２０ａ，２０ｂとを備えている。

回転シャフト１２は、金属製の軸部材であり、その両端部分において軸受２２を介して界磁ヨーク１８に回転可能に設けられている。回転シャフト１２とロータコア１４とによりロータ１５が構成されている。

ロータコア１４は、複数の電磁鋼板１３を軸方向に積層して一体に構成される円筒状の積層体である。このようにロータコア１４は複数の電磁鋼板を積層して構成されて鋼板間には隙間があるため、軸方向の磁気抵抗が、径方向および周方向の磁気抵抗より大きくなっている。このため、ロータコア１４内においては、磁力線は、軸方向に流れ難く、径方向および周方向に流れやすくなっている。

ロータコア１４は、径方向外方へ突出する複数の突極部４０を外周部に均等配置で有している。本実施形態では、たとえば４つの突極部４０が９０度の等間隔で形成されている。突極部４０は、ロータコア１４の軸方向に亘って延在している。これにより、突極部４０は、ロータコア１４内を流れる磁束がロータ外周面から出入りする領域を規定している。すなわち、ロータコア１４内を通る磁束は、突極部４０間の凹部から出入りするのが抑制されている。

ロータコア１４の突極部４０には、第１磁極構成部材２４および第２磁極構成部材２６が外周面に近接する位置に埋設されている。第１磁極構成部材２４と第２磁極構成部材２６とは、互いに周方向に隣り合う突極部４０にそれぞれ埋設されて、磁極対を構成することができる。

本実施形態では、４つの突極部４０に対して、２つずつの第１磁極構成部材２４および第２磁極構成部材２６が径方向に対向して設けられている。すなわち、第１および第２磁極構成部材２４，２６の周方向中心は、ロータコア１４の回転中心（すなわち回転シャフトの回転中心）Ｘに関して９０度だけ離れて交互に配置されている。

第１および第２磁極構成部材２４，２６は、突極部４０内に軸方向へ延伸して形成されている穴に挿入されて配置されている。第１および第２磁極構成部材２４，２６は、上記穴の周方向両側に形成されるポケット部２７に樹脂を充填して硬化させることによりロータコア１４に固定されている。また、ポケット部２７は、第１および第２磁極構成部材２４，２６を通って流れる磁束が周方向端部側から漏れる又は短絡するのを抑制する機能も有する。

さらに、突極部４０内には、低透磁率領域２９が第１および第２磁極構成部材２４，２６の径方向内方の表面に臨んで設けられている。本実施形態において低透磁率領域２９は、第１および第２磁極構成部材２４，２６が挿入されている穴の一部に含まれる空隙として形成されている。これにより、磁力線が第１および第２磁極構成部材２４，２６を径方向に通り抜けて内周側へ流れるのを抑制することができる。なお、低透磁率領域２９は、ロータコア１４を構成する電磁鋼板よりも低透磁率の樹脂等が充填されて形成されてもよい。

第１および第２磁極構成部材２４，２６は、一体成形された磁性材料から構成されており、具体的には粉末成形磁性体（ＳＭＣ：Soft Magnetic Composites）から構成されている。第１および第２磁極構成部材２４，２６は、それぞれ、扁平長方形状の軸方向端面（および断面）を有しており、ロータコア１４の軸方向に亘って延在している。なお、第１および第２磁極構成部材２４，２６は、軸方向に関して複数に分割されていてもよく、その場合、各分割片の接続部での磁気抵抗の増加を抑えるように考慮する必要がある。

第１および第２磁極構成部材２４，２６は一体成形された粉末成形磁性体からなるため、軸方向の磁気抵抗は、ロータコア１４の軸方向の磁気抵抗より小さくされている。したがって、第１および第２磁極構成部材２４，２６では、ロータコア１４内よりも軸方向に磁力線が流れやすくなっている。

第１磁極構成部材２４は、一端部２４ａがロータコア１４の一端面から軸方向に突出しているが、他端部がロータコア１４の他端面と略面一とされている。これに対し、第２磁極構成部材２６は、一端部がロータコア１４の一端面と略面一とされており、他端部がロータコア１４の他端面から突出している。

ここで、第１磁極構成部材２４と第２磁極構成部材２６とは、同じ形状および大きさに形成されるのが好ましい。このようにすることで、ロータコア１４に形成される挿入穴の形状を同じにすることができ、ロータコア１４の製造を容易にすることができるとともに、磁極構成部品の管理や組付けも容易になる利点がある。

ステータ１６は、中空円筒状に形成されたステータコア３０と、このステータコア３０の内周部に形成されてステータコア３０の径方向内方に向けて突出する複数のステータティース３２と、このステータティース３２に巻き付けられたステータコイル３４とを備えている。ステータティース３２は、周方向に等間隔に隔てて形成されている。

ステータコイル３４の一部はＵ相コイルを構成し、残りの一部のステータコイル３４はＶ相コイルを構成し、残りのステータコイル３４はＷ相コイルを構成する。ステータコイル３４の一方端が、端子とされ、他方端が中性点とされ、端子には図示されないインバータの三相ケーブルのＵ相ケーブル、Ｖ相ケーブル、Ｗ相ケーブルのいずれかが接続される。また、中性点は、1点に共通接続される。

ステータコイル３４には、回転電機１０が出力すべきトルク指令値に応じた交流電流が上記の三相ケーブルを介して供給される。これにより、ステータ１６の内周に回転磁界が形成され、その回転磁界の作用によってロータ１５が回転駆動される。その結果、上記トルク指令値によって指定されたトルクが回転電機１０によって出力されるようになっている。

ステータコア３０は、電磁鋼板を複数積層して形成されており、電磁鋼板間には、エアギャップが形成されている。このため、ステータコア３０の径方向および周方向の磁気抵抗は、軸方向の磁気抵抗より小さくなっている。これにより、ステータティース３２の径方向端面からステータコア３０に出入りする磁力線は、ステータコア３０内においてステータコア３０の周方向および径方向に流れやすく、軸方向に流れることが抑制されている。

図２に示すように、界磁ヨーク１８は、ステータ１６およびロータ１５から離れて軸方向両端部に配置された端板部１８ａ，１８ｂと、この端板部１８ａの周縁部に連なって形成された円筒状の側壁部１８ｃとを備えており、その内部にロータ１５およびステータ１６が収容されている。

端板部１８ａ，１８ｂの中央部には、貫通孔２３が形成されており、貫通孔２３内には、軸受２２を介して、回転シャフト１２が挿入されている。側壁部１８ｃは、ステータコア３０の外表面に固設されている。

界磁ヨーク１８は、一体成形された磁性材料から構成されており、具体的には、３次元完全等方材料である粉末成形磁性体（ＳＭＣ）から構成されている。このため、界磁ヨーク１８の軸方向の磁気抵抗は、ステータコア３０の軸方向の磁気抵抗よりも小さくされている。なお、界磁ヨーク１８は、軸方向または周方向に関して複数に分割されていてもよく、その場合、各分割片の接続部での磁気抵抗の増加を抑えるように考慮する必要がある。

界磁ヨーク１８の軸方向一端部にある端板部１８ａは、ロータコア１４に向かって円板状または円環状に突出した突部１９ａを有する。そして、ロータコア１４の端面から突出する第１磁極構成部材２４の一端部２４ａが、磁力線を途切れることなく受け渡し可能な程度に、突部１９ａに近接している。一方、第１磁極構成部材２４の他端部は、上記他端側の突部１９ｂとの間で磁力線の受け渡しが生じないように離間している。

これにより、界磁ヨーク１８とロータコア１４との間に、第１磁極構成部材２４を一部に含む第１磁気回路ＭＣ１が形成されている。すなわち、界磁コイル２０ａが通電されて励磁されたとき、磁力線が、ステータティース３２の端面からエアギャップＧを介してロータコア１４の突極部４０に入り込み、それから第１磁極構成部材２４内を軸方向に流れて隙間を介して界磁ヨーク１８の突部１９ａへと渡り、そこから界磁ヨーク１８の端板部１８ａおよび側壁部１８ｃ内を通ってステータコア３０に入り込んで、ステータティース３２へ戻るという方向、または、この逆方向に流れる第１磁気回路ＭＣ１を形成している。

これに対し、界磁ヨーク１８の軸方向他端部にある端板部１８ｂは、ロータコア１４に向かって円板状または円環状に突出した突部１９ｂを有する。そして、ロータコア１４の端面から突出する第２磁極構成部材２６の他端部２６ａが、磁力線を切れることなく受け渡し可能な程度に、突部１９ｂに近接している。なお、第２磁極構成部材２６の一端部は、上記一端側の突部１９ａとの間で磁力線の受け渡しが生じないように離間している。

これにより、界磁ヨーク１８とロータコア１４との間に、第２磁極構成部材２６を一部に含む第２磁気回路ＭＣ２が形成されている。すなわち、界磁コイル２０ｂが通電されて励磁されたとき、磁力線が、ステータティース３２の端面からエアギャップＧを介してロータコア１４の突極部４０に入り込み、それから第２磁極構成部材２６内を軸方向に流れて隙間を介して界磁ヨーク１８の突部１９ｂへと渡り、そこから界磁ヨーク１８の端板部１８ｂおよび側壁部１８ｃ内を通ってステータコア３０に入り込んでステータティース３２へ戻るという方向、または、この逆方向に流れる第２磁気回路ＭＣ２を形成している。

このように形成される第１および第２磁気回路ＭＣ１，ＭＣ２において、ステータコア３０の径方向の磁気抵抗は小さく抑えられており、界磁ヨーク１８内の磁気抵抗も小さく抑えられており、さらに、粉末成形磁性体からなる第１および第２磁極構成部材２４，２６の磁気抵抗も小さく抑えられているため、磁気エネルギーのロスを小さく抑えることができる。

界磁コイル２０ａ，２０ｂは、突部１９ａ，１９ｂの外周面にそれぞれ巻き付けられている。軸方向一端側の界磁コイル２０ａに電流を流すことにより、突部１９ａの軸方向の端部側、すなわち第１磁極構成部材２４の一端部２４ａに近接した表面側に例えばＮ極の磁性を持たせると共に側壁部１８ｃにＳ極の磁性を持たせたり、あるいは、突部１９ａの端部側にＳ極の磁性を持たせると共に側壁部１８ｃにＮ極の磁性を持たせたりすることができる。

このことは突部１９ｂについても同様である。軸方向他端側の界磁コイル２０ｂに電流を流すことにより、突部１９ｂの軸方向の端部側、すなわち第２磁極構成部材２６の他端部２６ａに近接した表面側に例えばＮ極の磁性を持たせると共に側壁部１８ｃにＳ極の磁性を持たせたり、あるいは、突部１９ｂの端部側にＳ極の磁性を持たせると共に側壁部１８ｃにＮ極の磁性を持たせたりすることができる。

このように本実施形態では、第１磁気回路ＭＣ１の界磁コイル２０ａと第２磁気回路ＭＣ２の界磁コイル２０ｂとについて電流の流れ方向および大きさを個別に制御することができる。したがって、界磁コイル２０ａ，２０ｂの電流の流れ方向を調整することによって第１および第２磁極構成部材２４，２６が磁化される極性を異ならせることができる。

なお、本実施形態においては、界磁コイル２０ａ，２０ｂは、界磁ヨーク１８の突部１９ａ，１９ｂに設けられているが、この位置に限られず、界磁ヨーク１８に設けられていればよい。ここで、界磁コイル２０ａ，２０ｂが界磁ヨーク１８に設けられているとは、界磁コイル２０ａ，２０ｂが界磁ヨーク１８の表面に当接している場合に限られず、界磁ヨーク１８内の磁力線の流れを制御可能な程度であれば、界磁ヨーク１８の表面から離れて配置されている場合も含む。

続いて、上記のように構成される回転電機１０の動作について、図３から図５を用いて説明する。図３は、第１磁極構成部材２４と第２磁極構成部材２６とが異なる極性に磁化されたときの状態を示す、図２と同様の断面図である。図４は、図３におけるＢ−Ｂ線に沿ったロータ断面図である。図５は、図３に示す状態から、界磁コイル２０ａ，２０ｂの電流の流れ方向を変えたときの状態を示すロータ断面図である。ここでは図４，５においてロータコア１４の断面ハッチングが省略されている。

図３および図４を参照すると、ロータコア１４において、第１磁極構成部材２４の外周側表面をＳ極に磁化させるとともに第２磁極構成部材２６の外周側表面をＮ極に磁化させるように、第１および第２磁気回路ＭＣ１，ＭＣ２に磁力線をそれぞれ流す。これは、上記のように界磁コイル２０ａ，２０ｂの電流の流れ方向を制御することによって可能となる。

まず、第１磁気回路ＭＣ１について見ると、図３中に二点鎖線で示すように、ステータコア３０からエアギャップＧを介してロータコア１４へと磁力線が流れる。すなわち、界磁コイル２０ａに電流が流されることによって生じた磁力線は、ステータティース３２の端面からエアギャップＧを介してロータコア１４の突極部４０に入り込み、突極部４０の外周面からロータコア１４を構成する各電磁鋼板に入り込み、それから第１磁極構成部材２４内を軸方向一端部２４ａへ向かって流れ、そして隙間を介して界磁ヨーク１８の突部１９ａへと渡り、そこから界磁ヨーク１８の端板部１８ａおよび側壁部１８ｃ内を通ってステータコア３０に入り込んで、ステータティース３２へ戻るというように流れる。このとき、第１磁極構成部材２４は、Ｓ極性を帯びた磁極として機能する。

これに対して、第２磁気回路ＭＣ２では、図３中に一点鎖線で示すように、ロータコア１４からエアギャップＧを介してステータコア３０へと磁力線が流れる。すなわち、界磁コイル２０ｂに電流が流されることによって生じた磁力線は、界磁ヨーク１８の端板部１８ｂの突部１９ｂから隙間を介して第２磁極構成部材２６の他端部２６ａへと渡り、それから第２磁極構成部材２６を軸方向に進みながらロータコア１４を構成する各電磁鋼板に入り込み、そして突極部４０の外周面からエアギャップＧを介してステータコア３０のステータティース３２の端面へと渡り、その後、ステータコア３０から界磁ヨーク１８に入り込み、界磁ヨーク１８の側壁部１８ｃを軸方向他端側へ流れて端板部１８ｂの突部１９ｂへと戻るというように流れる。このとき、第２磁極構成部材２６は、Ｎ極性を帯びた磁極として機能する。また、低透磁率領域２９が設けられていることによって、図４中に点線で示されるように第２磁極構成部材２６からロータコア１４内を通って第１磁極構成部材２４に磁力線が流れるのを抑制することができる。これにより、界磁コイル２０ａによって生じた磁気エネルギーを回転電機１０のトルク発生に効率よく用いることができる。

これとは反対に、図５に示すように、界磁コイル２０ａ，２０ｂの電流の流れ方向を反転させて第１および第２磁気回路ＭＣ１，ＭＣ２の磁力線の流れ方向をそれぞれ逆にすることによって、第１磁極構成部材２４をＮ磁性の磁極として機能させるとともに、第２磁極構成部材２６をＳ極性の磁極として機能させることができる。このときもまた、低透磁率領域２９が設けられていることによって、図５中に点線で示されるように第１磁極構成部材２４からロータコア１４内を通って第２磁極構成部材２６に磁力線が流れるのを抑制することができる。これにより、界磁コイル２０ａによって生じた磁気エネルギーを回転電機１０のトルク発生に効率よく用いることができる。

このように、軸方向両側にそれぞれ設けられた界磁コイル２０ａ，２０ｂにおける電流の流れ方向を調整することによって、第１および第２磁極構成部材２４，２６が磁化される極性を異ならせることができる。また、界磁コイル２０ａ，２０ｂに流す電流の大きさを調整することによって、ロータコア１４とステータコア３０との間での磁束量を制御することができ、低回転数−高出力運転時における強め界磁制御、および、高回転数−低出力運転時における弱め界磁制御が可能である。したがって、本実施形態の回転電機１０によれば、可変界磁型回転電機のロータを磁石レスで構成することができ、大幅なコスト低減を図ることができる。

次に、図６を参照して、別の実施形態である回転電機１０Ａについて説明する。図６は、回転電機１０Ａのロータ断面図である。ロータコア以外の構成は、上記実施形態と同じであるため、同一構成要素に同一または類似の参照符号を付して、重複することとなる説明を援用によって省略する。

回転電機１０Ａのロータコア１４ａは、第１および第２磁極構成部材のうち、少なくとも１組の第１および第２磁極構成部材が粉末成形磁性体からなる非磁石部材で構成され、他の組の第１および第２磁極構成部材が磁石で構成されている。

図６に示す例では、周方向に隣り合う１組の第１および第２磁極構成部材２４ｂ，２６ｂが上記実施形態と同様に粉末成形磁性体で構成され、これらと径方向にそれぞれ対向する各１つの第１および第２磁極構成部材２４ｃ，２６ｃが磁石で構成されている。

ここで、第１磁極構成部材２４ｂは、界磁コイル２０ａによって生じた磁束が流れることによって外周側表面がＳ極性に磁化され、内周側表面がＮ極性に磁化されている。また、第２磁極構成部材２６ｂは、界磁コイル２０ｂによって生じた磁束が流れることによって外周面側表面がＮ極性に磁化され、内周側表面がＳ極性に磁化されている。

これに対して、第１磁極構成部材２４ｂに径方向に対向するもう１つの第１磁極構成部材２４ｃである磁石は、外周側表面がＳ極性で内周側表面がＮ極性に着磁されている。また、第２磁極構成部材２６ｂに径方向に対向するもう１つの第２磁極構成部材２６ｃである磁石は、外周側表面がＳ極性で内周側表面がＮ極性に着磁されている。これにより、周方向に隣り合う突極部４０にそれぞれ埋設される第１および第２磁極構成部材２４ｃ，２６ｃが磁極対を構成している。なお、他の構成は、上記実施形態と同様である。

この実施形態の回転電機１０Ａでは、第１および第２磁極構成部材２４ｂ，２６ｂがそれぞれ異なる極性を有するように磁化される様子は図３，４を参照して上述したのと同様である。

もう１組の第１および第２磁極構成部材２４ｃ，２６ｃ間では、第２磁極構成部材２６ｃから出た磁力線が、エアギャップＧを介してステータコア３０に入り込み、ステータコア３０を構成する電磁鋼板内を径方向および周方向に流れて、再びエアギャップＧを介してロータコア１４の第１磁極構成部材２４ｃがある突極部４０へ渡り、第１磁極構成部材２４ｃを通り抜けてロータコア１４を構成する電磁鋼板内を周方向に流れて、第２磁極構成部材２６ｃに戻るというように流れる。すなわち、上記第１および第２磁気回路ＭＣ１，ＭＣ２とは別の経路でロータおよびステータ間を渡って磁力線が流れることでトルク発生に寄与するものである。このようにロータコア１４内に磁石磁束を流れるのを阻害しないように、第１および第２磁極構成部材２４ｃ，２６ｃが埋設されている突極部４０には、低透磁率領域を設けないこととするのが好ましい。

上記のように本実施形態の回転電機１０Ａによれば、軸方向両側にそれぞれ設けられた界磁コイル２０ａ，２０ｂにおける電流の流れ方向を調整することによって、第１および第２磁極構成部材２４ｂ，２６ｂが磁化される極性を異ならせることができるとともに、界磁コイル２０ａ，２０ｂに流す電流の大きさを調整することによって低回転−高出力運転時における強め界磁制御、および、高回転−低出力運転時における弱め界磁制御が可能である。したがって、本実施形態の回転電機１０Ａによれば、可変界磁型回転電機のロータにおける磁石使用量を抑制することができ、コスト低減を図ることができる。

なお、図６に示す例では、１組の第１および第２磁極構成部材２４ｂ，２６ｂを粉末成形磁性体で構成し、もう１組の第１および第２磁極構成部材２４ｃ，２６ｃを磁石で構成するものと説明したが、これに限定されるのもではなく、粉末成形磁性体からなる磁極対と磁石からなる磁極対をロータコアの周方向に均等配置でそれぞれ複数対、設けてもよい。

次に、図７を参照して、さらに別の実施形態の回転電機１０Ｂについて説明する。図７は、回転電機１０Ｂのロータ断面図である。ロータコア以外の構成は、上記実施形態と同じであるため、同一構成要素に同一または類似の参照符号を付して、重複することとなる説明を援用によって省略する。

回転電機１０Ｂのロータコア１４ｂは、周方向に隣り合う２つの突極部４０に、磁石からなる第１磁曲構成部材２４ｄと、粉末成形磁性体からなる非磁石部材である第２磁極構成部材２６ｄとがそれぞれ埋設されて、磁極対をなしている。この実施形態では、磁石と粉末成形磁性体とからなる磁極対が周方向に均等配置で少なくとも二対設けられている。

この実施形態において、第１磁極構成部材２４ｄを構成する磁石は、外周側表面がＳ極性で内周側表面がＮ極性に着磁されている。一方、第２磁極構成部材２６ｄは、界磁コイル２０ａ，２０ｂに電流を流すことによってＮ極性の磁極として機能するように磁化される。このとき、径方向に対向する２つの第２磁極構成部材２６ｄは、同極性に磁化されればよいから、２つの第２磁極構成部材２６ｄの各他端部をロータコア１４ｂの同じ側の軸方向端面から突出させて第１および第２磁気回路ＭＣ１，ＭＣ２のいずれかを用いて磁化させてもよいし、両端部を突出させて第１および第２磁気回路ＭＣ１，ＭＣ２の両方を用いて磁化させてもよいし、あるいは、上記２つの磁極構成部材２６ｄにおいて端部突出方向を異ならせて第１および第２磁気回路ＭＣ１，ＭＣ２をそれぞれについて分担して磁化させるように用いてもよい。

また、この実施形態では、ロータコア１４ｂ内で第１磁極構成部材２４ｄから第２磁極構成部材２６ｄへと磁石磁束を良好に流すために、突極部４０内に低透磁率領域を設けないこととするのが好ましい。さらに、第２磁極構成部材２６ｄに第２磁気回路ＭＣ２を介して界磁コイル２０ｂによる界磁磁束を磁石磁束に加えるか又は減じるように流すことによって強め界磁制御および弱め界磁制御を行うことができる。

上記のように、この実施形態の回転電機１０Ｂによっても、可変界磁型回転電機のロータにおける磁石使用量を抑制することができ、コスト低減を図ることができる。

なお、上記において各実施形態の回転電機１０，１０Ａ，１０Ｂについて説明したが、本発明に係る回転電機は上記構成に限定されるものではなく、種々の変更や改良が可能である。

例えば、図６，７に示す実施形態では磁石を埋設したＩＰＭ(Interior Permanent Magnet)型ロータを例示したが、磁石の表面がロータコアの外周面に露出したＳＰＭ(Surface Permanent Magnet)型ロータであってもよい。

また、本発明に係る回転電機は、ハイブリッド車両、電気自動車、燃料電池車等の電動車両の動力源として搭載される場合に限られず、産業機械、空調機械、環境機器等の様々な機器に搭載される回転電機に対しても適用可能である。

１０，１０Ａ，１０Ｂ 回転電機、１２ 回転シャフト、１３ 電磁鋼板、１４，１４ａ，１４ｂ ロータコア、１５ ロータ、１６ ステータ、１８ 界磁ヨーク、１８ａ，１８ｂ 端板部、１８ｃ 側壁部、１９ａ，１９ｂ 突部、２０ａ，２０ｂ 界磁コイル、２２ 軸受、２３ 貫通孔、２４，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ 第１磁極構成部材、２４ａ 一端部、２６，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ 第２磁極構成部材、２６ａ 他端部、２７ ポケット部、２９ 低透磁率領域、３０ ステータコア、３２ ステータティース、３４ ステータコイル、４０ 突極部、Ｇ エアギャップ、ＭＣ１ 第１磁気回路、ＭＣ２ 第２磁気回路。

Claims (6)

1. 回転可能に設けられた回転シャフトと、
   前記回転シャフトの外周に固設されたロータコアと、
   前記ロータコアの径方向外方にギャップを隔てて配置され、内周部にステータコイルが巻回されている筒状のステータと、
   前記ステータの外周に設けられた界磁ヨークと、
   前記界磁ヨークの軸方向両端部にそれぞれ設けられ、前記界磁ヨークと前記ロータコアとの間に第１および第２磁気回路を形成することで前記ロータコアと前記ステータコアとの間での磁束量を制御可能な界磁巻線と、を備え、
   前記ロータコアは、その外周部に第１磁極構成部材と第２磁極構成部材とを周方向に離れて有しており、
   前記第１磁極構成部材は軸方向一端側の前記界磁巻線によって生じる磁束が流れる前記第１磁気回路の一部を構成し、前記第２磁極構成部材は軸方向他端側の前記界磁巻線によって生じる磁束が流れる前記第２磁気回路の一部を構成する、
   回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記第１磁極構成部材は、前記軸方向一端側の前記界磁巻線が巻回されている前記界磁ヨークの部分に一端部が近接する一方で他端部が前記軸方向他端側の前記界磁巻線が巻回されている前記界磁ヨークの部分から離間しており、
   前記第２磁極構成部材は、前記軸方向一端側の前記界磁巻線が巻回されている前記界磁ヨークの部分に一端部が離間する一方で他端部が前記軸方向他端側の前記界磁巻線が巻回されている前記界磁ヨークの部分に近接していることを特徴とする、回転電機。
3. 請求項１または２に記載の回転電機において、
   前記第１および第２磁極構成部材はそれぞれ、成形された磁性材料から構成され、前記第１磁極構成部材の一端部が前記ロータコアの一端面から突出しており、前記第２磁極構成部材の他端部が前記ロータコアの他端面から突出していることを特徴とする、回転電機。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転電機において、
   前記ロータコアは径方向外方へ突出する複数の突極部を周方向に等間隔に有し、前記第１および第２磁極構成部材は周方向に隣り合う前記突極部内に埋設されていることを特徴とする、回転電機。
5. 請求項４に記載の回転電機において、
   前記突極部内には低透磁率領域が前記第１および第２磁極構成部材の径方向内方の表面に臨んで設けられていることを特徴とする、回転電機。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の回転電機において、
   前記第１および第２磁極構成部材のうち、少なくとも１組の前記第１および第２磁極構成部材が粉末成形磁性体からなる非磁石部材で構成され、他の組の前記第１および第２磁極構成部材が磁石で構成されることを特徴とする、回転電機。

Images