JP2017121108A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】コイルの占積率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】電機子コイル１１を有するステータ１０とロータ２０とを備えた回転電機１であって、ロータ２０は、周方向に所定の間隔で突極部２６が複数形成されたロータコア２１と、突極部２６に巻かれており、ステータ１０側で発生した磁束に重畳された空間高調波成分が鎖交することにより誘導電流を発生する誘導コイル２２と、突極部２６に巻かれており、誘導電流が整流されて供給されることにより電磁石として機能する界磁コイル２３と、周方向に隣り合う突極部２６の間にそれぞれ配置された磁性体からなる補極部材５０と、を有し、補極部材５０は、周方向に隣り合う突極部２６の間をつなぐ梁部５１と、梁部５１から径方向の内方側に向けて突出し、ロータコア２１に対して非接触な脚部５２とを有する。【選択図】図４

Description

本発明は、回転電機に関する。

特許文献１には、ロータコアの周方向の複数個所に突極部が設けられ、周方向に隣り合う２つの突極部と周方向に隣り合う突極部同士の間のスロットの底部とに非磁性材料からなるＴ字状の保持部材がそれぞれ支持されており、この保持部材に磁性体が保持されている回転電機が開示されている。前述のロータコアのスロットには、誘導コイル及び共通コイルが巻かれている。

特開２０１３−１６５５９２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の回転電機にあっては、ロータコアのスロット内における保持部材の占有領域が大きいため、当該スロット内の誘導コイル及び共通コイルを巻く領域が制限される。このため、誘導コイル及び共通コイルの占積率が低下してしまう。占積率の低下は、回転電機のトルクの低下につながる。このため、回転電機においては、コイルの占積率を向上させることが望ましい。

本発明は、上述のような事情に鑑みてなされたもので、コイルの占積率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。

本発明は、上記目的を達成するため、通電により磁束を発生させる電機子コイルを有するステータと、前記磁束の通過により回転するロータと、を備えた回転電機であって、前記ロータは、周方向に所定の間隔で突極部が複数形成されたロータコアと、前記突極部に巻かれており、前記ステータ側で発生した磁束に重畳された空間高調波成分が鎖交することにより誘導電流を発生する誘導コイルと、前記突極部に巻かれており、前記誘導電流が整流されて供給されることにより電磁石として機能する界磁コイルと、周方向に隣り合う突極部の間にそれぞれ配置された磁性体からなる補極部材と、を有し、前記補極部材は、周方向に隣り合う突極部の間をつなぐ梁部と、前記梁部から径方向の内方側に向けて突出し、前記ロータコアに対して非接触な脚部とを有する。

本発明によれば、コイルの占積率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１は、本発明の一実施の形態に係る回転電機の断面図である。 図２は、本発明の一実施の形態に係る回転電機の一部拡大断面図である。 図３は、本発明の一実施の形態に係る回転電機の誘導コイル及び界磁コイルを含む閉回路の結線図である。 図４は、本発明の一実施の形態に係る回転電機の補極部材と突極部との接続状態を示す一部拡大断面図である。 図５は、ステータとロータとの間の空間高調波磁束の流れを示す模式図であって、図５（ａ）は、補極部材を備えていない例を示し、図５（ｂ）は、補極部材を備えている例を示す図である。 図６は、誘導コイルの磁束及び誘導電流と電気角との関係を示すグラフであって、補極部材を備えた例と備えない例とを比較したグラフである。 図７は、磁束と次数との関係を示すグラフであって、補極部材を備えた例と備えない例とを比較したグラフである。 図８は、補極部材の有無による各種トルクの比較グラフであって、図８（ａ）は、補極部材を備えない例を示し、図８（ｂ）は、補極部材を備えた例を示す図である。 図９は、補極部材の材料別による出力トルクの比較グラフである。 図１０は、各種トルクと電気角との関係を示すグラフであって、図１０（ａ）は、補極部材に等方性電磁鋼板を用いた場合を示し、図１０（ｂ）は、補極部材に方向性電磁鋼板を用いた場合を示す図である。

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１０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。

図１及び図２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。ステータ１０及びロータ２０は、回転電機１の図示しない回転軸の軸線に沿った軸方向に電磁鋼板を積層したものからなる。

回転電機１は、以下に説明するように、外部からロータ２０にエネルギー入力する必要のない自励式巻線界磁形の回転電機である。回転電機１は、例えばハイブリッド自動車や電気自動車に搭載するのに好適な性能を有している。

（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設けられている。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が形成されている。なお、径方向とは、上述の軸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電機１の図示しない回転軸に近い側を示し、径方向の外方側とは、径方向において回転電機１の図示しない回転軸に遠い側を示す。

ステータティース１３は、ステータコア１２に一体形成された第１のステータティース１３Ａと、ステータコア１２と別体で構成された第２のステータティース１３Ｂとからなる。第１のステータティース１３Ａと第２のステータティース１３Ｂとは、ステータコア１２の周方向に交互に配置されている。

第２のステータティース１３Ｂは、ステータコア１２側の外周面から径方向の外方に突出した突起形状の先端が周方向に膨らんだフラスコ状の結合部３０を有する。ステータコア１２の径方向の内周面には、第２のステータティース１３Ｂの結合部３０の外形に対応してフラスコ状に切り欠かれた切欠き部１２ａが形成されている。

第２のステータティース１３Ｂは、ステータコア１２の切欠き部１２ａに対して結合部３０が軸方向から嵌め合わされることによって、ステータコア１２に着脱自在に装着されるようになっている。なお、ステータ１０は、切欠き部が第２のステータティース１３Ｂに形成され、結合部がステータコア１２に形成される構成であってもよい。

ステータコア１２の各スロットには、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、それぞれのステータティース１３に集中巻きされている。電機子コイル１１は、例えば絶縁性樹脂等の非磁性材料で成形されたインシュレータ３２を介してステータティース１３に装着されている。

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。

（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、誘導コイル２２と、界磁コイル２３と、整流回路２４と、補極部材５０と、樹脂モールド部６０とを含んで構成されている。

ロータコア２１は、高透磁率の磁性材料からなり、図示しない回転軸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２６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。

突極部２６には、誘導コイル２２及び界磁コイル２３が集中巻きされている。誘導コイル２２及び界磁コイル２３は、例えば絶縁性樹脂等の非磁性材料で成形されたインシュレータ２７を介して突極部２６に装着されている。

誘導コイル２２は、界磁コイル２３よりもステータ１０側に配置されており、ステータ１０側で発生した磁束に重畳された空間高調波成分（以下、「空間高調波磁束」という）が鎖交することにより誘導電流を発生するようになっている。上述したように、ステータ１０で発生する磁束には、ロータ２０を回転させる回転磁界の基本波成分の磁束（以下、「主磁束」という）と、その基本波成分に対して同期していない空間高調波磁束が含まれる。

誘導コイル２２は、周方向に隣り合う突極部２６にそれぞれ巻かれた誘導コイル２２Ｓと誘導コイル２２Ｎとが逆向きの周回巻線となるよう構成されている。誘導コイル２２は、後述する整流素子を介して界磁コイル２３に接続されている。

界磁コイル２３は、誘導コイル２２で発生した交流の誘導電流が整流されて直流電流として供給されることにより電磁石として機能するようになっている。

界磁コイル２３は、周方向に隣り合う突極部２６にそれぞれ巻かれた界磁コイル２３Ｓと界磁コイル２３Ｎとが逆向きの周回巻線となるよう構成されている。したがって、周方向に配列された突極部２６は、各界磁コイル２３に直流電流が供給されることにより周方向に交互にＳ極、Ｎ極を形成する。

（整流回路）
図３に示すように、整流回路２４は、誘導コイル２２で発生した誘導電流を整流して界磁コイル２３に供給するようになっている。

整流回路２４は、２つのダイオードＤ１，Ｄ２を整流素子として備えている。整流回路２４は、これらダイオードＤ１，Ｄ２とロータコア２１の周方向に隣り合う突極部２６にそれぞれ巻かれた誘導コイル２２Ｎ，２２Ｓ及び界磁コイル２３Ｎ，２３Ｓとを結線した閉回路として構成されている。

整流回路２４は、ロータコア２１の周方向に隣り合うＮ極の突極部２６及びＳ極の突極部２６に巻かれた２つの誘導コイル２２及び２つの界磁コイル２３を１組として、当該１組ごとにそれぞれ設けられる。したがって、回転電機１は、ロータ２０の極対数に応じた数の整流回路２４を備える。

ダイオードＤ１，Ｄ２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は、ロータ２０の内部に実装するようにしてもよい。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。

整流回路２４は、ダイオードＤ１，Ｄ２が１８０度位相差になるように結線されることにより、一方の誘導電流を反転させて半波整流出力を合算する中性点クランプ型の全波整流回路として形成される。

整流回路２４において、誘導コイル２２Ｎ，２２Ｓで発生した交流の誘導電流は、ダイオードＤ１，Ｄ２により整流され、整流後の直流電流は、界磁電流として界磁コイル２３Ｎ，２３Ｓに供給される。これにより、界磁コイル２３Ｎ，２３Ｓは、磁界を発生させることができ、電磁石として機能することができる。

ここで、上述の交流の誘導電流は、ステータ１０側で発生した磁束に重畳された空間高調波磁束が誘導コイル２２に鎖交することにより発生する。その空間高調波磁束は、集中巻きタイプのステータ１０に対して突極部２６を有するロータ２０が回転したときにステータ１０とロータ２０との間のギャップにおける磁気抵抗が変動することにより発生する。

こうした空間高調波磁束は、ステータ１０上の静止座標系では第２次空間高調波磁束と称される。また、本実施の形態のように、ステータ１０のスロット数が「１８」でロータ２０の突極数が「１２」、すなわちステータ１０とロータ２０のスロットコンビネーションが「３：２」の回転電機１のロータ２０上の回転座標系では、第３次空間高調波磁束と称される。

具体的には、ステータ１０とロータ２０のスロットコンビネーションが「３：２」の場合には、正方向のｄ軸インダクタンスと負方向のｄ軸インダクタンスとが対称にならずにそれぞれ振幅が異なるため、ロータ２０の回転に伴ってｄ軸インダクタンスのオフセット量が変化する。これにより、ステータ１０上の静止座標系では第２次空間高調波磁束が生じ、ロータ２０上の回転座標系では第３次空間高調波磁束が生ずる。

この第３次空間高調波磁束は、ロータ２０を回転させる回転磁界の基本波成分に対して同期していないため、誘導コイル２２に鎖交して交流の誘導電流を誘起させる。

このように、本実施の形態の回転電機１は、より多くの第３次空間高調波磁束を界磁エネルギー源として利用するために、ステータ１０とロータ２０との間の相互インダクタンスを高めて誘導コイル２２に発生する誘導起電力を大きくするのが好ましい。

そこで、本実施の形態の回転電機１では、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２６の間のｑ軸上に磁性体からなる補極部材５０がそれぞれ配置されている。これにより、ロータ２０における第３次空間高調波磁束が通る磁路が拡大され、また第３次空間高調波磁束が通る磁路の磁気抵抗が低減される。この結果、本実施の形態の回転電機１は、第３次空間高調波磁束を効率的に利用することができる。

（補極部材）
図４に示すように、補極部材５０は、回転電機１の軸方向から見てＴ字形状に形成されており、複数の電磁鋼板を軸方向に積層したものからなる。

ここで、ロータコア２１の周方向に隣り合う突極部２６と補極部材５０との間には、樹脂モールド部６０が設けられている。樹脂モールド部６０は、突極部２６と補極部材５０との隙間に樹脂を充填して固めたものからなる。これにより、補極部材５０と誘導コイル２２及び界磁コイル２３とロータコア２１とが互いに強固に固定される。

補極部材５０は、ロータコア２１の周方向に隣り合う突極部２６の間をつなぐ梁部５１と、梁部５１と一体形成され、梁部５１からロータコア２１の径方向の内方側に向けて突出した形状の脚部５２とを有している。

ロータコア２１の周方向に隣り合う突極部２６は、径方向の外方に端部２６ａを有する。その端部２６ａの周方向の側面２６ｂには、凹部２６ｃが形成されている。凹部２６ｃは、突極部２６の軸方向に沿って溝状に形成され、突極部２６の周方向の両側の側面２６ｂにそれぞれ形成されている。

補極部材５０は、周方向に隣り合う突極部２６の凹部２６ｃに、梁部５１の周方向の後述する両端部５１ｂがそれぞれ嵌め合わされている。これにより、補極部材５０は、ロータコア２１の周方向に隣り合う突極部２６に凹部２６ｃを介して固定されるようになっている。これにより、ロータ２０の回転時に誘導コイル２２及び界磁コイル２３が遠心力によって径方向の外方側に変位することを防止することができる。

梁部５１は、ステータ１０に対向する対向面５１０を有する円弧部５１ａと、円弧部５１ａよりも径方向の内方側に位置する両端部５１ｂと、円弧部５１ａと両端部５１ｂとの間に設けられた連結部５１ｃとを含んで構成されている。

円弧部５１ａは、対向面５１０が突極部２６の径方向の外周面２６０に沿うよう円弧状に形成されている。円弧部５１ａは、突極部２６の径方向の中間位置よりも径方向の外方側に位置していればよく、好ましくは対向面５１０と突極部２６の外周面２６０とが同一の円周面となるよう配置される。

こうした円弧部５１ａの配置は、突極部２６の凹部２６ｃの径方向の位置、又は連結部５１ｃの寸法や形状を任意に設定することで変更可能である。また、円弧部５１ａは、対向面５１０の曲率半径が外周面２６０の曲率半径と同一に設定されるのが好ましい。

両端部５１ｂは、周方向に隣り合う突極部２６の凹部２６ｃに嵌め合わされている。連結部５１ｃは、突極部２６の周方向の側面、すなわち端部２６ａの周方向の側面２６ｂとの間に隙間Ｄを有するよう、その形状や寸法が設定されている。

このため、補極部材５０は、周方向に隣り合う突極部２６に対して両端部５１ｂのみが凹部２６ｃを介して接続した状態で突極部２６に固定されている。したがって、補極部材５０の円弧部５１ａ及び連結部５１ｃは、いずれも突極部２６に接触しない構成となっている。

これにより、補極部材５０と突極部２６との接触領域を小さくすることができ、ステータ１０から突極部２６に流れる磁束が漏れ磁束として補極部材５０に漏れてしまうことを防止することができる。

本実施の形態では、連結部５１ｃの形状を円弧部５１ａの周方向の両端から径方向の内方側に傾斜した形状としたが、円弧部５１ａ及び連結部５１ｃが突極部２６に接触しない形状であればいずれの形状を採用してもよい。

脚部５２は、径方向の内方側の先端５２ａと、周方向の両側に設けられた一対の側面５２ｂとを有している。脚部５２の径方向の長さは、先端５２ａが誘導コイル２２よりも径方向の内方側に位置し、かつ先端５２ａが界磁コイル２３と接触しない位置となる長さに設定されている。したがって、脚部５２は、ロータコア２１に対して非接触である。

脚部５２は、一対の側面５２ｂのそれぞれに、周方向に突出した突起５２ｃを有している。突起５２ｃは、対向する誘導コイル２２及び界磁コイル２３と接触しない位置に設けられ、好ましくは誘導コイル２２と対向する位置に設けられ、より好ましくは誘導コイル２２と対向する位置のうち梁部５１に近い位置であって梁部５１と接触しない位置に設けられる。

また、突起５２ｃは、周方向の長さ、すなわち側面５２ｂから周方向に突出する長さが対向する誘導コイル２２及び界磁コイル２３と接触しない長さに設定されている。突起５２ｃは、径方向の断面形状が三角形状であり、かつ梁部５１側の辺が側面５２ｂと直交する形状に形成されている。この突起５２ｃの三角形状は、先端５２ａ側の辺が側面５２ｂと直交する三角形状であってもよい。

本実施の形態では、上述した突起５２ｃが脚部５２の側面５２ｂに設けられることで、例えば補極部材５０に遠心力が作用した場合であっても突起５２が樹脂モールド部６０に引っ掛かり、補極部材５０が径方向の外方に変位することを防止することができる。

突起５２ｃは、軸方向に連続して形成されたものでも、軸方向に所定の間隔で複数設けられたものでもよい。突起５２ｃは、それぞれの側面５２ｂの径方向に所定の間隔で複数設けられていてもよい。

また、突起５２ｃは、脚部５２の周方向のそれぞれの側面５２ｂで設けられる位置が異なっていてもよい。また、本実施の形態では、突起５２ｃは、脚部５２の周方向の両方の側面５２ｂに設けられているが、脚部５２の周方向の片側にだけ設けられていてもよい。

さらに、突起５２ｃの径方向の断面形状は、補極部材５０に遠心力が作用した場合であっても突起５２ｃが樹脂モールド部６０に引っ掛かる形状であれば三角形状に限らずいずれの形状でもよい。突起５２ｃの他の断面形状としては、例えば四角形状や半円形状、弾頭形状等の種々の形状を採用することが可能である。

このように構成された補極部材５０は、上述したように複数の電磁鋼板を軸方向に積層したものからなるが、その電磁鋼板としては一定の方向に磁化しやすい方向性電磁鋼板を用いる。

具体的には、補極部材５０を構成する方向性電磁鋼板は、図４中、矢印Ｂ１で示す方向、すなわち梁部５１から脚部５２に向かう方向及び脚部５２から梁部５１に向かう方向に沿って磁束が通りやすい磁気特性を有する。

このため、補極部材５０は、周方向には磁束が通り難くなっている。したがって、突極部２６の端部２６ａと補極部材５０の梁部５１との間では、図４中、矢印Ｂ２で示す方向、すなわち突極部２６から梁部５１に向かう方向及び梁部５１から突極部２６に向かう方向に磁束が通り難くなっている。

このように、補極部材５０においては、ステータ１０側で発生した空間高調波磁束が図４中、矢印Ｂ１で示す方向に通りやすくなる一方で、ステータ１０から突極部２６に流れる主磁束が漏れ磁束として梁部５１に漏れ難いようになっている。

これにより、補極部材５０を介して空間高調波磁束を誘導コイル２２に効率的に鎖交させることができ、かつ突極部２６から補極部材５０に漏れる漏れ磁束を抑制することができる。

方向性電磁鋼板としては、図４中、矢印Ｂで示す方向に限らず、例えば実験解析等により補極部材５０を通る磁束の向きを確認し、確認した磁束の向きに沿う方向に磁束を通しやすい磁気特性を有する方向性電磁鋼板を用いることも可能である。この場合、実際に補極部材５０を通る磁束の向きに磁化しやすい方向性電磁鋼板を用いるため、より多くの空間高調波磁束を誘導コイル２２に鎖交させることができる。

以上のように構成された補極部材５０は、各突極部２６に誘導コイル２２及び界磁コイル２３が巻かれた状態で、梁部５１の両端部５１ｂがロータコア２１の軸方向から突極部２６の凹部２６ｃに挿入されることによって突極部２６に固定される。このとき、補極部材５０の両端部５１ｂのみが凹部２６ｃを介して突極部２６に接触し、連結部５１ｃが突極部２６に接触しないので、突極部２６に対する補極部材５０の組付け性がよい。その後、突極部２６と補極部材５０との隙間に樹脂が充填されて樹脂モールド部６０が形成される。

（回転電機１の作用効果）
図５は、ステータとロータとの間の空間高調波磁束の流れについて、補極部材５０を備えた本実施の形態の回転電機１と、補極部材５０を備えていない回転電機１０１とを比較した図である。なお、図５は、ステータとロータとを直線状に配置した模式図である。回転電機１及び回転電機１０１のいずれも、誘導コイル２２、１２２がロータ２０、１２０の径方向に沿って突極部２６、１２６にそれぞれ巻かれている。

図５（ａ）に示すように、補極部材５０を備えていない回転電機１０１においては、図５（ａ）中、破線で示す空間高調波磁束が径方向の外方側の誘導コイル１２２に鎖交し、径方向の内方側の誘導コイル１２２までは鎖交しない。

したがって、回転電機１０１においては、誘導コイル１２２に鎖交する空間高調波磁束が少ないため、界磁コイル１２３に供給される界磁エネルギーも少なくなる。この結果、本実施の形態の回転電機１と比較して、ステータ１１０とロータ１２０との間に発生する電磁石トルクが小さくなり、回転電機１０１の出力トルクが小さくなる。

これに対して、図５（ｂ）に示すように、補極部材５０を備えた本実施の形態の回転電機１は、図５（ｂ）中、破線で示す空間高調波磁束が補極部材５０を介して径方向の内方側の誘導コイル１２２にまで鎖交する。

したがって、回転電機１においては、上述の回転電機１０１と比較して誘導コイル２２に鎖交する空間高調波磁束が多くなる。また、回転電機１は、上述したように補極部材５０の脚部５２が誘導コイル２２よりも径方向の内方側にまで延びているため、より多くの空間高調波磁束を誘導コイル２２で回収することができる。

このため、界磁コイル２３に供給される界磁エネルギーも多くなる。この結果、上述の回転電機１０１と比較して、ステータ１０とロータ２０との間に発生する電磁石トルクが大きくなり、回転電機１の出力トルクが大きくなる。

図６は、誘導コイルの磁束及び誘導電流と電気角との関係について、補極部材を備えた例（図６では「補極有」と記載）と補極部材を備えない例（図６では「補極無」と記載）とを同一の条件で比較したグラフである。補極部材を備えた例は、本実施の形態の回転電機１であり、補極部材を備えない例は、例えば上述した回転電機１０１である。

図６に示すように、補極部材を備えた本実施の形態の回転電機１は、補極部材を備えない例と比較して、誘導コイル２２に鎖交する磁束（図６では「誘導コイル磁束」と記載）が多い。したがって、補極部材を備えた本実施の形態の回転電機１は、補極部材を備えない例と比較して誘導コイル２２で発生する誘導電流も大きいことが図６から分かる。

また、補極部材を備えない例では、電気角４０［ｄｅｇ］、１６０［ｄｅｇ］、２８０［ｄｅｇ］付近で誘導電流の発生が制限されている。これは、第３次空間高調波磁束とともに発生する第６次空間高調波磁束が第３次空間高調波磁束に干渉しているためである。すなわち、第６次空間高調波磁束は、第３次空間高調波磁束と干渉することにより誘導電流の発生を妨げる成分となり得る。

回転電機の低負荷、低回転域では、第３次空間高調波磁束に対して第６次空間高調波磁束の比率が高いため、第６次空間高調波磁束が誘導電流の発生に大きな影響を与える。したがって、第６次空間高調波磁束は、可能な限り少ないほうが望ましい。

図７は、誘導コイルに鎖交する磁束（図７では「誘導コイル磁束」と記載）と次数との関係について、補極部材を備えた例（図７では「補極有」と記載）と補極部材を備えない例（図７では「補極無」と記載）とを同一の条件で比較したグラフである。補極部材を備えた例は、本実施の形態の回転電機１であり、補極部材を備えない例は、例えば上述した回転電機１０１である。

図７に示すように、補極部材を備えた本実施の形態の回転電機１は、補極部材を備えない例と比較して、第３次空間高調波磁束が多い。さらに、本実施の形態の回転電機１は、補極部材を備えない例と比較して第６次空間高調波磁束が少ないことが図７から分かる。

これは、次の理由による。すなわち、本実施の形態の回転電機１は、ロータ２０の周方向に隣り合う突極部２６の間に補極部材５０を設けたため突極間の磁気抵抗変動が緩やかとなる。この結果、本実施の形態の回転電機１では、第３次空間高調波磁束とともに発生する第６次空間高調波磁束を低減することができる。

このように、本実施の形態の回転電機１は、界磁エネルギーとして利用する第３次空間高調波磁束を増大させつつ、第６次空間高調波磁束を低減することができる。これにより、効率よく回転電機１の出力トルクを増大させることができる。

ここで、回転電機１の出力トルクは、リラクタンストルクと電磁石トルクとの合計からなる。リラクタンストルクとは、ステータ１０とロータ２０との間で鎖交する磁束が通過する磁路を最短にしようとロータ２０を回転させる回転力である。また、電磁石トルクとは、回転磁界の極とロータ２０の界磁コイル２３による電磁石の磁極との吸引及び反発によって発生する回転力である。

したがって、回転電機１の出力トルクを大きくするには、リラクタンストルク及び電磁石トルクの双方を増加させればよい。しかしながら、リラクタンストルクを大きくするには、ロータの突極間の磁気抵抗変動を大きくする必要がある。ロータの突極間の磁気抵抗変動を大きくするには、上述した回転電機１０１のようにロータの突極間に補極部材を設けなければよい。ところが、この場合には、リラクタンストルクは大きくなるが、リラクタンストルクのリプルも大きくなってしまい、結果として回転電機の出力トルクの変動が大きくなってしまい好ましくない。

本実施の形態の回転電機１では、上述したような補極部材５０を備えることによりリラクタンストルクを抑えて電磁石トルクを増加させることができる。この結果、回転電機１の出力トルクの変動を抑制しつつ、その出力トルクを増加させることができる。

図８は、リラクタンストルク、電磁石トルク及び出力トルク（図８では「モータトルク」と記載）について、補極部材を備えた例と補極部材を備えない例とを同一の条件で比較したグラフである。図８（ａ）が補極部材を備えない例を示し、図８（ｂ）が補極部材を備えた例を示している。補極部材を備えた例は、本実施の形態の回転電機１であり、補極部材を備えない例は、例えば上述した回転電機１０１である。

図８（ａ）に示すように、補極部材を備えない例では、補極部材を備えた例と比較してリラクタンストルクは大きいが、リラクタンストルクのリプルも大きくなっている。また、補極部材を備えない例では、補極部材を備えていないため誘導コイルで発生する誘導電流も少ない。このため、補極部材を備えない例では、補極部材を備えた例と比較して電磁石トルクも小さい。したがって、補極部材を備えない例では、補極部材を備えた例と比較して出力トルクが小さいばかりか、その出力トルクのリプルも大きくなってしまう。

これに対して、図８（ｂ）に示すように、補極部材を備えた本実施の形態の回転電機１では、補極部材を備えない例と比較してリラクタンストルクは小さいが、リラクタンストルクのリプルは抑えられている。また、本実施の形態の回転電機１では、補極部材を備えているため誘導コイルで発生する誘導電流も大きい。このため、本実施の形態の回転電機１では、補極部材を備えない例と比較して電磁石トルクが大きい。

したがって、本実施の形態の回転電機１では、補極部材を備えない例と比較して出力トルクが大きく、かつその出力トルクのリプルが小さい。

図９は、補極部材の材料として、プラスチック、ステンレス、等方性電磁鋼板及び方向性電磁鋼板を用いたときの回転電機の出力トルクをそれぞれ同一条件で比較したグラフである。等方性電磁鋼板とは、特定の方向に偏って磁化しない電磁鋼板である。

図９に示すように、補極部材の材料として、プラスチック、ステンレス、等方性電磁鋼板及び方向性電磁鋼板のうち方向性電磁鋼板を用いた場合が最も出力トルクが大きいことが分かる。

本実施の形態の回転電機１では、上述したように図４中、矢印Ｂ１で示す方向に磁束が通りやすい磁気特性を有する方向性電磁鋼板を補極部材５０の材料として用いたので、等方性電磁鋼板を用いた場合と比較して出力トルクを大きくすることができる。

図１０は、回転電機１の出力トルクについて、補極部材５０の材料として等方性電磁鋼板を用いた例と方向性電磁鋼板を用いた例とを同一の条件で比較したグラフである。図１０（ａ）は、補極部材５０の材料として等方性電磁鋼板を用いた場合のリラクタンストルク、電磁石トルク及び出力トルクを示し、図１０（ｂ）は、補極部材５０の材料として方向性電磁鋼板を用いた場合のリラクタンストルク、電磁石トルク及び出力トルクを示している。

図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示すように、補極部材５０の材料としては、等方性電磁鋼板を用いるよりも方向性電磁鋼板を用いたほうが回転電機１の出力トルクが大きいことが分かる。補極部材５０の材料として等方性電磁鋼板を用いた場合は、ステータ１０からの主磁束が漏れ磁束として補極部材５０に流れやすくなるため、補極部材５０の材料に方向性電磁鋼板を用いた場合と比較して回転電機１の出力トルクが小さくなる。

以上のように、本実施の形態の回転電機１において、磁性体からなる補極部材５０は、周方向に隣り合う突極部２６の間をつなぐ梁部５１と、梁部５１から径方向の内方側に向けて突出しロータコア２１に対して非接触な脚部５２とを有する。

このため、本実施の形態の回転電機１は、磁性体からなる補極部材５０が梁部５１を介して直接突極部２６に固定されているので、補極部材５０を保持するための保持部材等が不要となる。したがって、保持部材等がない分だけ周方向に隣り合う突極部２６の間における誘導コイル２２及び界磁コイル２３の占有領域を拡大することができる。

この結果、従来と比較してロータ２０における誘導コイル２２及び界磁コイル２３の占積率を向上させることができる。これにより、本実施の形態の回転電機１は、従来と比較して出力トルクを向上させることができる。

回転電機１は、車載用の他、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も用いることができる。

また、本実施の形態では、回転電機１をラジアルギャップ型の回転電機に適用したが、アキシャルギャップ型の回転電機に適用してもよい。

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。

１ 回転電機
１０ ステータ
１１ 電機子コイル
２０ ロータ
２１ ロータコア
２２、２２Ｓ、２２Ｎ 誘導コイル
２３、２３Ｓ、２３Ｎ 界磁コイル
２４ 整流回路
２６ 突極部
２６ａ 端部
２６ｂ 側面
２６ｃ 凹部
５０ 補極部材
５１ 梁部
５１ａ 円弧部
５１ｂ 両端部
５１ｃ 連結部
５２ 脚部
５２ｂ 側面
５２ｃ 突起
６０ 樹脂モールド部
２６０ 外周面
５１０ 対向面
Ｄ 隙間

Claims (5)

1. 通電により磁束を発生させる電機子コイルを有するステータと、前記磁束の通過により回転するロータと、を備えた回転電機であって、
   前記ロータは、
   周方向に所定の間隔で突極部が複数形成されたロータコアと、
   前記突極部に巻かれており、前記ステータ側で発生した磁束に重畳された空間高調波成分が鎖交することにより誘導電流を発生する誘導コイルと、
   前記突極部に巻かれており、前記誘導電流が整流されて供給されることにより電磁石として機能する界磁コイルと、
   周方向に隣り合う突極部の間にそれぞれ配置された磁性体からなる補極部材と、を有し、
   前記補極部材は、周方向に隣り合う突極部の間をつなぐ梁部と、前記梁部から径方向の内方側に向けて突出し、前記ロータコアに対して非接触な脚部とを有することを特徴とする回転電機。
2. 前記突極部は、径方向の外方に端部を有し、
   前記端部の周方向の側面には、凹部が形成されており、
   前記補極部材は、周方向に隣り合う前記突極部の前記凹部に前記梁部の周方向の両端部がそれぞれ嵌め合わ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。
3. 前記梁部は、
   前記ステータに対向する対向面が前記突極部の径方向の外周面に沿うよう円弧状に形成された円弧部と、
   前記円弧部よりも径方向の内方側に位置する前記両端部と、
   前記円弧部と前記両端部との間に設けられた連結部と、を有し、
   前記連結部は、前記突極部の周方向の側面との間に隙間を有することを特徴とする請求項２に記載の回転電機。
4. 前記補極部材は、前記梁部から前記脚部に向かう方向及び前記脚部から前記梁部に向かう方向に沿って磁束が通りやすい磁気特性を有する方向性電磁鋼板が前記ロータコアの軸方向に積層されたものからなることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の回転電機。
5. 前記ロータは、周方向に隣り合う突極部と前記補極部材との間に樹脂モールド部を有し、
   前記補極部材は、前記脚部の側面に突起を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の回転電機。
   

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