JP2018061392A - 電機子および回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】周方向の幅が狭い鉄心歯に流れる磁束を従来よりも多くし、トルクを従来よりも高めた電機子および回転電機を提供することである。【解決手段】電機子１１の電機子鉄心１１ｂは、バックヨーク１１ｂ１から径方向に突出して相巻線１１ａが集中巻される複数の幅広鉄心歯１１ｂ３と、バックヨーク１１ｂ１から径方向に突出して幅広鉄心歯１１ｂ３よりも周方向の幅が狭い複数の幅狭鉄心歯１１ｂ２とを有する。幅広鉄心歯１１ｂ３と幅狭鉄心歯１１ｂ２とは、電機子鉄心１１ｂの周方向に交互に配列して設けられる。バックヨーク１１ｂ１の径方向の幅をＷ１とし、幅狭鉄心歯１１ｂ２の周方向の幅をＷ２とするとき、１≦（Ｗ１／Ｗ２）≦２の不等式を満たす。この構成によれば、相巻線１１ａに通電して発生する磁束は、バックヨーク１１ｂ１を経て幅狭鉄心歯１１ｂ２に流れ易くなり、漏れ磁束が少なくなる。【選択図】図３

Description

本発明は、電機子鉄心と相巻線とを有する電機子と、当該電機子を含む回転電機に関する。

従来では、電機子鉄心の鉄心歯に相巻線を巻く巻装形態として、全節巻と短節巻が知られている。全節巻は、相巻線を収容して巻くスロット（すなわち鉄心溝）のピッチが磁極ピッチと等しい。そのため、良好な性能が得られるという長所がある反面、相巻線の巻装が複雑なために作業コストが高くて巻線の全長が長くなるという短所がある。これに対して、短節巻はスロットのピッチが磁極ピッチよりも小さい。そのため、相巻線の全長が短くなるという長所がある反面、巻線係数が低いために磁束が有効に活用されにくく回転やトルクなどの性能も低いという短所がある。

例えば下記の特許文献１では、相間絶縁することなく、容易に組み付けができ、性能の低下も抑えることを目的とする三相回転電機に関する技術が開示されている。この三相回転電機の電機子鉄心は、第１歯状部と、最小歯幅が第１歯状部の最小歯幅より広い第２歯状部とを有する。第１歯状部の数と第２歯状部の数が等しく、第１歯状部と第２歯状部が周方向に交互に配置される。第２歯状部には相巻線が集中巻されるが、第１歯状部には相巻線が巻かれない。

特開２０１０−２７３４５８号公報

しかし、特許文献１には、電機子鉄心のバックヨークにかかる径方向の幅（すなわち厚み）について何ら考慮されていない。図示された電機子鉄心は、バックヨークの径方向の幅が第１歯状部の周方向の幅より４．５倍程度も大きく確保されている。第２歯状部に巻かれた相巻線に通電して発生する磁束は、バックヨークの径方向の幅が広いために、第１歯状部に流れにくく、漏れ磁束が生じ易い。したがって、第１歯状部と回転子との間で流れる磁束は極端に少なくなり、リラクタンストルクが得られにくい。

本開示はこのような点に鑑みてなしたものであり、周方向の幅が狭い鉄心歯に流れる磁束を従来よりも多くし、トルクを従来よりも高めた電機子および当該電機子を含む回転電機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた第１の発明は、バックヨーク（１１ｂ１）を含む電機子鉄心（１１ｂ）と、複数相の相巻線（１１ａ）とを有する電機子（１１）において、前記電機子鉄心は、前記バックヨークから径方向に突出して前記相巻線が集中巻される複数の幅広鉄心歯（１１ｂ３）と、前記バックヨークから径方向に突出して前記幅広鉄心歯よりも周方向の幅が狭い複数の幅狭鉄心歯（１１ｂ２）とを有し、前記幅広鉄心歯と前記幅狭鉄心歯とは、前記電機子鉄心の周方向に交互に配列して設けられ、前記バックヨークの径方向の幅をＷ１とし、前記幅狭鉄心歯の周方向の幅をＷ２とするとき、１≦（Ｗ１／Ｗ２）≦２の不等式を満たす。この構成によれば、幅広鉄心歯に巻かれた相巻線に通電して発生する磁束は、バックヨークを経て幅狭鉄心歯に流れ易くなり、漏れ磁束が少なくなる。したがって、幅狭鉄心歯と回転子との間で流れる磁束が従来よりも増えて、リラクタンストルクが得られ易くなり、トルクを従来よりも高めることができる。

第２の発明は、さらに前記幅狭鉄心歯に相巻線が集中巻され、前記幅広鉄心歯と前記幅狭鉄心歯とに巻かれた相巻線は、前記複数相が周方向に相順に配置されている。この構成によれば、複数相の相巻線が幅広鉄心歯と幅狭鉄心歯とで周方向に相順に配置されるので、複数相の相巻線に流す電流の制御が容易になる。また幅狭鉄心歯にも相巻線が集中巻されることで、より多く起磁力を確保することができる。

第３の発明は、前記幅広鉄心歯の周方向の幅をＷ３とするとき、１．５≦（Ｗ３／Ｗ２）≦２．７の不等式を満たす。この構成によれば、幅広鉄心歯と幅狭鉄心歯とに磁束を最適に流せるので、トルクを従来よりも確実に高めることができる。

第４の発明は、前記幅広鉄心歯に巻かれる相巻線の巻数をＮ１とし、前記幅狭鉄心歯に巻かれる相巻線の巻数をＮ２とするとき、０＜Ｎ２≦Ｎ１の不等式を満たす。この構成によれば、幅広鉄心歯における起磁力を大きく確保するとともに、幅狭鉄心歯でも起磁力を確保することができ、全体のトルクを従来よりも高めることができる。

第５の発明は、前記幅広鉄心歯は、回転子（１３）に対向する対向面に設けられて軸方向に延びる一以上の溝（１１ｃ）を有する。この構成によれば、溝がある部位（以下では「溝部位」と呼ぶ）は磁気抵抗が高くて磁束が流れ難いが、溝の周方向両側にある部位（以下では「非溝部位」と呼ぶ）は回転子との間で磁束が流れる。そのため、回転子の磁極が溝部位に達すると、回転方向先の非溝部位との間で磁束が流れようとして吸引力が作用する。したがって、回転性能を向上させることができる。

第６の発明は、前記幅広鉄心歯は、前記対向面の周方向に沿って設けられる複数の前記溝を有し、周方向に隣り合う前記溝は、極数をｐとし、相数をｍとするとき、機械角で３６０°／（ｐ×ｍ）の角度ピッチ（θｐ）になるように設けられている。この構成によれば、極数と相数に合わせた溝が設けられるので、回転性能を確実に向上させることができる。

第７の発明は、前記溝の深さである溝深（１１ｃ１）は、回転子（１３）との空隙（Ｇ）の長さである空隙長（ＧＬ）以上になるように設けられている。この構成によれば、溝部位の磁気抵抗を高く確保することで、回転子の磁極が回転方向先の非溝部位との間で吸引力がより大きく作用するようになる。したがって、回転性能を確実に向上させることができる。

第８の発明は、前記溝の周方向の幅である溝幅（１１ｃ２）は、前記空隙長の二倍以上になるように設けられている。この構成によれば、溝部位の磁気抵抗を高く確保することで、回転子の磁極が回転方向先の非溝部位との間で吸引力がより大きく作用するようになる。したがって、回転性能を確実に向上させることができる。

第９の発明は、周方向に隣り合う前記幅広鉄心歯と前記幅狭鉄心歯との間に開口する開口部（１１ｂ４）は、前記開口部に対応する開口角をθとし、極数をｐとし、相数をｍとするとき、機械角で１８０°／（ｐ×ｍ）≦θ≦３６０°／（ｐ×ｍ）の不等式を満たす。開口部はスロットの一部である。この構成によれば、幅広鉄心歯と幅狭鉄心歯に集中巻する相巻線のスペースを確保するとともに、幅広鉄心歯と幅狭鉄心歯との間で直接的に磁束が流れる漏れ磁束を防止できる。

第１０の発明は、前記集中巻はアルファ巻で行われている。アルファ巻は、巻始めと巻終わりが一方側に配置される巻装形態である。この構成によれば、スロットに巻装される相巻線の占積率が高く、巻数が多くなって起磁力を高めることができる。

第１１の発明は、回転電機（１０）において、請求項１から１０のいずれか一項に記載の電機子（１１）と、空隙（Ｇ）を介して前記電機子に径方向に対向して設けられる回転子（１３）とを有する。この構成によれば、幅狭鉄心歯と回転子との間で流れる磁束を従来よりも増やし、トルクを従来よりも高めた回転電機を提供することができる。

なお、「相巻線」は電機子巻線や固定子巻線と同義であり、一本状の巻線でもよく、複数の導体線やコイル等を電気的に接続して一本状にしたものでもよい。相巻線の相数は、三相以上であれば問わない。「相順」は、複数相に割り当てた相が順番にあらわれることを意味する。例えば複数相をＵ相，Ｖ相，Ｗ相とするとき、相順はＵ相，Ｖ相，Ｗ相の順番にあらわれる。「幅広鉄心歯」および「幅狭鉄心歯」は、いずれも鉄心歯（ティースとも呼ぶ）の一形態である。鉄心歯に関する「周方向の幅」は、鉄心歯本体部の周方向の幅を意味し、端部から周方向に延びる鍔部を含まない。「回転電機」は、シャフトとも呼ぶ回転軸を有すれば任意の機器を適用でき、例えば発電機，電動機，電動発電機等が該当する。発電機には電動発電機が発電機として作動する場合を含み、電動機には電動発電機が電動機として作動する場合を含む。

回転電機の第１構成例を模式的に示す断面図である。 図１におけるII−II線から見た断面図である。 径方向幅および周方向幅を説明する模式図である。 幅広鉄心歯に設けられる溝の角度ピッチを説明する模式図である。 幅比とトルクとの関係を示すグラフ図である。 歯幅比とトルクとの関係を示すグラフ図である。 本発明の電機子と回転子における磁束の流れを示す模式図である。 従来の電機子と回転子における磁束の流れを示す模式図である。 他の従来の電機子と回転子における磁束の流れを示す模式図である。 電流位相とトルクとの関係を示すグラフ図である。 回転電機の第２構成例を模式的に示す断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面に基づいて説明する。なお、特に明示しない限り、「接続する」という場合には電気的に接続することを意味する。各図は、本発明を説明するために必要な要素を図示し、実際の全要素を図示しているとは限らない。上下左右等の方向を言う場合には、図面の記載を基準とする。英数字の連続符号は記号「〜」を用いて略記する。「巻装」は巻いた状態に装うことを意味し、巻き回す意味の「巻回」と同義である。「電流」は、特に明示しない限り「電機子電流」を意味する。径方向の幅を「径方向幅」と呼び、周方向の幅を「周方向幅」と呼ぶ。

〔実施の形態１〕
実施の形態１は図１〜図１０を参照しながら説明する。図１に示す回転電機１０は、電機子１１，回転子１３，軸受１４，回転軸１５などをフレーム１２内に有する。この回転電機１０は、インナーロータ型の回転電機であって、Interior Permanent Magnet（以下では「ＩＰＭ」と呼ぶ）モータに相当する。フレーム１２の内部または外部には、回転電機１０の回転制御（後述する電流位相βの制御を含む）を司る制御部１６が設けられる。

「筐体」や「ハウジング」などに相当するフレーム１２は、電機子１１，回転子１３，軸受１４，回転軸１５などを収容できれば、形状や材質等を問わない。このフレーム１２は、少なくとも電機子１１を支持して固定するとともに、軸受１４を介して回転軸１５を回転自在に支持する。本形態のフレーム１２は、非磁性体のフレーム部材１２ａ，１２ｂなどを含む。フレーム部材１２ａ，１２ｂは一体成形してもよく、個別に成形した後に固定してもよい。固定は、例えばボルト，ネジ，ピン等のような締結部材を用いる締結や、母材を溶かして溶接を行う接合などが該当する。

「固定子」や「ステータ」などに相当する電機子１１は、相巻線１１ａ，電機子鉄心１１ｂ，複数のスロット１１ｓなどを含む。「固定子鉄心」や「ステータコア」などに相当する電機子鉄心１１ｂは、図２に示す複数のスロット１１ｓを含む。電機子鉄心１１ｂは磁束が流れればよく、本形態では軟磁性体である多数の電磁鋼板を軸方向に積層して構成する。スロット１１ｓは、「鉄心溝」とも呼ばれ、相巻線１１ａを収容して巻装するために電機子鉄心１１ｂに設けられた空間部位である。

「電機子巻線」や「ステータコイル」などに相当する相巻線１１ａは、スロット１１ｓに収容して巻装される。本形態の相巻線１１ａは、相数を三相とし、巻装形態を集中巻とする。相巻線１１ａの断面形状は、例えば平角線の四角形状や、丸線の円形状、三角線の三角形状などが該当する。本形態では、後述する鉄心歯（例えば図３に示す幅狭鉄心歯１１ｂ２や幅広鉄心歯１１ｂ３）に対して、アルファ巻で巻装する。アルファ巻は、相巻線１１ａの巻始めと巻終わりにかかるリード線が両方とも径方向の端側（本形態では外周側）に設けられる巻装形態である。

「ロータ」に相当する回転子１３は、電機子鉄心１１ｂに対向して内径側に設けられるとともに、回転軸１５に固定される。すなわち、回転子１３と回転軸１５は一体的に回転する。回転子１３の構成例については後述する。回転子１３と電機子１１との間には、空隙Ｇが設けられる。空隙Ｇは回転子１３と電機子１１との間で磁束が流れるような数値を設定してよく、本形態では図１に示す空隙長ＧＬとする。

制御部１６は、例えば力行時において相巻線１１ａに流す多相交流を制御したり、回生時において相巻線１１ａで発生した起電力の利用（例えば蓄電や供給等）を制御したりする。多相交流の相数は、相巻線１１ａの相数と等しくするとよい。

図２に示す回転電機１０は、フレーム１２の図示を省略している。電機子１１は、上述したように相巻線１１ａ，電機子鉄心１１ｂ，スロット１１ｓなどを含む。電機子鉄心１１ｂに設けられた複数のスロット１１ｓには、相巻線１１ａが収容されて巻装される。電機子鉄心１１ｂの具体的な構成例については、後述する。

回転子１３は、界磁巻線を含まず、回転子鉄心１３ａ，永久磁石１３ｂ，収容穴１３ｃなどを有する。回転子鉄心１３ａは、磁束が流れればどのように構成してもよい。本形態では、図１に示すように多数の電磁鋼板を軸方向に積層して構成する。

複数の永久磁石１３ｂは、軸方向に垂直な断面が矩形状の角柱状である。永久磁石１３ｂは、長辺が回転子鉄心１３ａの周縁に沿うように収容穴１３ｃに収容される。それぞれ永久磁石１３ｂは、径方向に磁化される。周方向に隣り合う永久磁石１３ｂは、径方向に磁化される磁化方向が逆になっている。言い換えると、永久磁石１３ｂで磁化される回転子鉄心１３ａの周縁部（すなわち磁極部）は、Ｎ極とＳ極が交互にあらわれる。回転子鉄心１３ａ（具体的には収容穴１３ｃ）に収容する永久磁石１３ｂの数は、回転電機１０の定格や仕様等に応じて適切に設定してよく、本形態では「８」とする。

次に、電機子鉄心１１ｂの構成例について、図３と図４を参照しながら説明する。図３に示す電機子鉄心１１ｂは、バックヨーク１１ｂ１，複数の幅狭鉄心歯１１ｂ２，複数の幅広鉄心歯１１ｂ３などを有する。図２にも示すように、本形態では幅狭鉄心歯１１ｂ２および幅広鉄心歯１１ｂ３の数をそれぞれ「６」とする。

バックヨーク１１ｂ１は、電機子鉄心１１ｂにおける円筒状の部位である。複数の幅狭鉄心歯１１ｂ２と複数の幅広鉄心歯１１ｂ３は、バックヨーク１１ｂ１から径方向に突出して設けられる凸状の部位である。幅狭鉄心歯１１ｂ２と幅広鉄心歯１１ｂ３は、電機子鉄心１１ｂの周方向に交互に配列して設けられる。電機子鉄心１１ｂは多数の電磁鋼板を積層して構成されているので、結果的にバックヨーク１１ｂ１，幅狭鉄心歯１１ｂ２および幅広鉄心歯１１ｂ３は一体成形される。

複数の幅狭鉄心歯１１ｂ２と複数の幅広鉄心歯１１ｂ３には、それぞれ相巻線１１ａが集中巻される。本形態の相数は三相であるので、例えばＵ相，Ｖ相，Ｗ相とする。三相の相巻線１１ａは、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相が周方向に相順に配置されて制御部１６に接続される。図２に符号として「Ｕ」，「Ｖ」，「Ｗ」を付したように、本形態の相巻線１１ａは反時計回りに相順（すなわちＵ相，Ｖ相，Ｗ相の順番）で繰り返し配置している。図示を省略するが、時計回りに相順で繰り返し配置してもよい。

幅広鉄心歯１１ｂ３に巻かれる相巻線１１ａの巻数をＮ１とし、幅狭鉄心歯１１ｂ２に巻かれる相巻線１１ａの巻数をＮ２とする。全体のトルクＴを従来よりも高めるには、０＜Ｎ２≦Ｎ１の不等式を満たすとよい。巻数Ｎ１，Ｎ２の上限値に制限は無いが、一本の相巻線１１ａの断面積Ｓ１とスロット１１ｓの断面積Ｓ２との関係によって事実上の上限値が定まる。すなわち、（Ｎ１＋Ｎ２）×Ｓ１≦Ｓ２の不等式を満たす必要がある。

図３に示す電機子１１において、バックヨーク１１ｂ１は径方向幅Ｗ１の幅（あるいは厚み）を有する。幅狭鉄心歯１１ｂ２は周方向幅Ｗ２の幅を有する。幅広鉄心歯１１ｂ３は周方向幅Ｗ３の幅を有する。径方向幅Ｗ１と周方向幅Ｗ２との関係や、周方向幅Ｗ２と周方向幅Ｗ３との関係は後述する。なお、周方向幅Ｗ２は、図３に示す幅狭鉄心歯１１ｂ２の鉄心歯本体部ｂ２ａにかかる周方向の幅を意味し、端部から周方向に延びる鍔部ｂ２ｂを含まない。周方向幅Ｗ３は、図４に示す幅広鉄心歯１１ｂ３の鉄心歯本体部ｂ３ａにかかる周方向の幅を意味し、端部から周方向に延びる鍔部ｂ３ｂを含まない。

図３において、周方向に隣り合う幅狭鉄心歯１１ｂ２と幅広鉄心歯１１ｂ３の間には、開口部１１ｂ４が開口する。開口部１１ｂ４はスロット１１ｓが開口する部位でもある。開口部１１ｂ４に対応する開口角をθとし、極数をｐとし、相数をｍとするとき、機械角で１８０°／（ｐ×ｍ）≦θ≦３６０°／（ｐ×ｍ）の不等式を満たすとよい。本形態では、ｍ＝３であるので、６０°／ｐ≦θ≦１２０°／ｐの関係になる。

幅広鉄心歯１１ｂ３は、回転子１３に対向する対向面１１ｆに一以上の溝１１ｃが設けられる。本例では、二つの溝１１ｃが設けられ、軸方向（図３では紙面の表裏方向）に延びている。図示を省略するが、幅広鉄心歯１１ｂ３は、一つの溝１１ｃを設けてもよく、周方向に沿って三つ以上の溝１１ｃを設けてもよい。

幅広鉄心歯１１ｂ３に複数の溝１１ｃを設ける場合には、図４に示すように設ける。図４では、周方向に隣り合う溝１１ｃの間隔を機械角で角度ピッチθｐだけあける。電機子１１の極数をｐとし、相数をｍとするとき、θｐ＝３６０°／（ｐ×ｍ）を満たすとよい。本形態では、ｍ＝３であるので、θｐ＝１２０°／ｐになる。

図４に示す溝１１ｃは、回転子１３に対向する対向面１１ｆに設けられる。溝１１ｃは、溝深１１ｃ１の径方向深さと、溝幅１１ｃ２の周方向幅を有する。溝深１１ｃ１は、回転性能を向上させるため、空隙長ＧＬ以上になるように設けるとよい。例えば溝深１１ｃ１をｄとすると、ｄ≧ＧＬを満たすように設ける。溝幅１１ｃ２は、回転性能を向上させるため、空隙長ＧＬの二倍以上になるように設けるとよい。例えば溝幅１１ｃ２をｗとすると、ｗ≧２×ＧＬを満たすように設ける。

次に、バックヨーク１１ｂ１の径方向幅Ｗ１と幅狭鉄心歯１１ｂ２の周方向幅Ｗ２との関係について、図５を参照しながら説明する。図５には、縦軸をトルクＴとし、横軸を幅比Ｗｒ１としたとき、回転電機１０の特性線Ｌ１を示す。幅比Ｗｒ１は、図３に示す径方向幅Ｗ１を周方向幅Ｗ２で除した比率である。すなわち、Ｗｒ１＝Ｗ１／Ｗ２の関係を満たす。

回転電機１０の外形体格を一定、すなわち電機子鉄心１１ｂの外径を一定のもとで、性能が極大となる最適設計をする観点で検討した。この検討により、図５において、１≦Ｗｒ１≦２の不等式を満たすと、閾値トルクＴth以上のトルクＴが得られることを見出した。閾値トルクＴthが従来技術で得られる最大トルクならば、回転電機１０は従来以上のトルクＴが得られる。なお、Ｗｒ１＜１の範囲はＷ１＜Ｗ２の関係になる。この関係では、バックヨーク１１ｂ１の径方向幅Ｗ１が狭いために磁束が飽和し易くなり、トルクＴが低くなると考えられる。Ｗｒ１＞２の範囲では、バックヨーク１１ｂ１の径方向幅Ｗ１が広いために、必要な巻線スペースを確保する条件のため、回転子１３の径を小さく設計することになり、ひいては小出力となってしまう。回転子１３の体格が小さくなると界磁力が弱くなり、また磁界の変化速度も遅くなるからである。結局は、回転電機１０のトルクＴが低くなると考えられる。

次に、幅狭鉄心歯１１ｂ２の周方向幅Ｗ２と幅広鉄心歯１１ｂ３の周方向幅Ｗ３との関係について、図６を参照しながら説明する。図６には、縦軸をトルクＴとし、横軸を歯幅比Ｗｒ２としたとき、回転電機１０の特性線Ｌ２を示す。歯幅比Ｗｒ２は、図３に示す周方向幅Ｗ３を周方向幅Ｗ２で除した比率である。すなわち、Ｗｒ２＝Ｗ３／Ｗ２の関係を満たす。

図６において、１．５≦Ｗｒ２≦２．７の不等式を満たすと、従来トルクＴold以上のトルクＴが得られる。従来トルクＴoldは、従来技術で得られる最大トルクである。不等式を満たす範囲で周方向幅Ｗ２と周方向幅Ｗ３を設定すれば、回転電機１０は従来以上のトルクＴが得られる。シミュレーションでは、Ｗｒ２＝１．９のときに最大トルクＴmaxが得られ、最大トルクＴmaxは従来トルクＴoldよりも３０％程度増加した。

なお、１≦Ｗｒ２＜１．５の範囲では、幅狭鉄心歯１１ｂ２と幅広鉄心歯１１ｂ３の周方向幅に差が無くなる。本来は、鉄心幅の広い方のグループを主として、回転子１３に備えた永久磁石１３ｂの磁束が集中して均整のとれた正常な三相の電機子１１の作用をする。鉄心歯の周方向幅に差が無くなれば、永久磁石１３ｂの磁束が分散して均整が崩れるため、トルクＴは得られ難くなると考えられる。Ｗｒ２＞２．７の範囲では、特許文献１に記載の従来技術と同様に、幅狭鉄心歯１１ｂ２に磁束が流れにくく、漏れ磁束が増えてトルクＴが低くなると考えられる。Ｗｒ２＜１の範囲は、幅狭鉄心歯１１ｂ２の周方向幅Ｗ２と幅広鉄心歯１１ｂ３の周方向幅Ｗ３を逆に入れ替えた場合と同じである。

次に、相巻線１１ａに電流を流して得られる磁束の流れについて、図７〜図９を参照しながら説明する。図７には、ある時点において回転電機１０に備える電機子１１と回転子１３に流れる磁束を示す。

図７に示す回転電機１０では、回転子１３の磁極の進行方向で斜向かいに位置するときの幅広鉄心歯１１ｂ３と幅狭鉄心歯１１ｂ２に非常に多くの磁束が集中している。回転子１３の磁極と真向いに位置するときの幅広鉄心歯１１ｂ３と幅狭鉄心歯１１ｂ２には、磁束は少なく抑制されている。ゴムひもに見立てられる磁束線は収縮力が働いて吸引力を発揮すると考えられるので、限られた磁束の原資を回転方向の磁気力、すなわちトルクＴに有効に作用させていることを示している。当然のことながら、相巻線１１ａへの通電によって電機子１１には回転磁界が生成されるので、図７に示す磁束の流れも回転磁界に追従して変化する。

図７に示す回転子１３は反時計回りに回転する例であり、溝１１ｃの回転方向先である非溝部位Ｋに磁束が集中して流れている。よって、回転子１３と非溝部位Ｋとの間で吸引力がより大きく作用しているのは明らかである。

図８には、ある時点において従来の回転電機２０に備える電機子２１と回転子１３に流れる磁束を示す。電機子２１は、幅狭鉄心歯１１ｂ２と同等の鉄心歯２１ｂ２を有し、相巻線２１ａをスロット２１ｓに全節分布巻きをしている。磁束は回転方向前方の鉄心歯に集中しているが、集中する鉄心歯の数が回転電機１０の１／３であるため、磁束量は回転電機１０よりも少ない。しかも、磁束は真向いに位置する鉄心歯や回転後方に位置する鉄心歯にも流れているので、限られた総磁束が有効にトルクとして作用しておらず、回転電機１０よりも低いものとなっている。

図９には、ある時点において従来の回転電機３０に備える電機子３１と回転子１３に流れる磁束を示す。電機子３１は、幅広鉄心歯１１ｂ３と同等の鉄心歯を有し、相巻線３１ａをスロット３１ｓに短節巻している。回転電機１０や回転電機２０と同様に、回転子１３の前方の斜向かいに位置する鉄心歯に磁束は集中しているものの、その鉄心歯の本数割合は全体に対して少ない。また、斜向かいに位置していない鉄心歯への磁束の無駄な流れが比較的多い。そのためトルクＴは回転電機１０よりも低い。

上述した回転電機１０，２０，３０でそれぞれ得られるトルクＴの特性について、同じ条件でシミュレーションした結果を図１０に示す。図１０には、縦軸をトルクＴとし、横軸を電流位相βとしたときの特性線を示す。回転電機１０は太線で示す特性線Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３が該当する。回転電機２０は中太線で示す特性線Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ２３が該当する。回転電機３０は細線で示す特性線Ｌ３１，Ｌ３２，Ｌ３３が該当する。実線で示す特性線Ｌ１１，Ｌ２１，Ｌ３１はトータルトルクの特性である。一点鎖線で示す特性線Ｌ１２，Ｌ２２，Ｌ３２はマグネットトルクの特性である。二点鎖線で示す特性線Ｌ１３，Ｌ２３，Ｌ３３はリラクタンストルクの特性である。

図１０において、回転電機１０の特性線Ｌ１１は、電流位相β３で最大のトルクＴ３を得ている。回転電機２０の特性線Ｌ２１は、電流位相β２で最大のトルクＴ２を得ている。回転電機３０の特性線Ｌ３１は、電流位相β１で最大のトルクＴ１を得ている。図１０によって明らかなように、Ｔ３＞Ｔ２＞Ｔ１である。

上記の特性が得られる要因は、マグネットトルクにあり、幅狭鉄心歯１１ｂ２および幅広鉄心歯１１ｂ３を介して電機子１１に磁束が流れるためと考えられる。特性線Ｌ１２，Ｌ２２，Ｌ３２を比較してみると、全般的にＬ１２＞Ｌ２２＞Ｌ３２の大きさで推移している。リラクタンストルクは、特性線Ｌ３３が全般的に特性線Ｌ１３，Ｌ２３よりも大きいものの、マグネットトルクに比べてトルク差が小さい。

上述した実施の形態１によれば、以下に示す各作用効果を得ることができる。

（１）電機子１１の電機子鉄心１１ｂは、バックヨーク１１ｂ１から径方向に突出して相巻線１１ａが集中巻される複数の幅広鉄心歯１１ｂ３と、バックヨーク１１ｂ１から径方向に突出して幅広鉄心歯１１ｂ３よりも周方向の幅が狭い複数の幅狭鉄心歯１１ｂ２とを有する。幅広鉄心歯１１ｂ３と幅狭鉄心歯１１ｂ２とは、電機子鉄心１１ｂの周方向に交互に配列して設けられる。バックヨーク１１ｂ１の径方向の幅をＷ１とし、幅狭鉄心歯１１ｂ２の周方向の幅をＷ２とするとき、１≦（Ｗ１／Ｗ２）≦２の不等式を満たす。この構成によれば、幅広鉄心歯１１ｂ３に巻かれた相巻線１１ａに通電して発生する磁束は、バックヨーク１１ｂ１を経て幅狭鉄心歯１１ｂ２に流れ易くなり、漏れ磁束が少なくなる。よって、幅狭鉄心歯１１ｂ２と回転子１３との間で流れる磁束が従来よりも増え、リラクタンストルクが得られ易くなり、トルクＴを従来よりも高めることができる。

（２）幅広鉄心歯１１ｂ３に加えて、幅狭鉄心歯１１ｂ２にも相巻線１１ａが集中巻される。幅広鉄心歯１１ｂ３と幅狭鉄心歯１１ｂ２とに巻かれた相巻線１１ａは、複数相（本形態ではＵ相，Ｖ相，Ｗ相）が周方向に相順に配置される。この構成によれば、複数相の相巻線１１ａが幅広鉄心歯１１ｂ３と幅狭鉄心歯１１ｂ２とで周方向に相順に配置されるので、複数相の相巻線１１ａに流す電流の制御が容易になる。また幅狭鉄心歯１１ｂ２にも相巻線１１ａが巻かれるので、より多くの起磁力を確保することができる。

（３）幅広鉄心歯１１ｂ３の周方向の幅をＷ３とするとき、１．５≦（Ｗ３／Ｗ２）≦２．７の不等式を満たす。この構成によれば、幅広鉄心歯１１ｂ３と幅狭鉄心歯１１ｂ２とに磁束を最適に流せるので、トルクＴを従来よりも確実に高めることができる。

（４）幅広鉄心歯１１ｂ３に巻かれる相巻線１１ａの巻数をＮ１とし、幅狭鉄心歯１１ｂ２に巻かれる相巻線１１ａの巻数をＮ２とするとき、０＜Ｎ２≦Ｎ１の不等式を満たす。この構成によれば、幅広鉄心歯１１ｂ３における起磁力を大きく確保するとともに、幅狭鉄心歯１１ｂ２でも起磁力を確保することができ、全体のトルクＴを従来よりも高めることができる。

（５）幅広鉄心歯１１ｂ３は、回転子１３に対向する対向面１１ｆに設けられた一以上の溝１１ｃを有する。溝１１ｃは、軸方向に延びている。この構成によれば、溝１１ｃがある溝部位は磁気抵抗が高くて磁束が流れ難いが、溝１１ｃが無い非溝部位Ｋは回転子１３との間で磁束が流れる。そのため、回転子１３の磁極が溝１１ｃに達すると、回転方向先の非溝部位Ｋとの間で磁束が流れようとして吸引力が作用する。したがって、回転性能を向上させることができる。

（６）幅広鉄心歯１１ｂ３は、複数の溝１１ｃを有する。周方向に隣り合う溝１１ｃは、極数をｐとし、相数をｍとするとき、機械角で３６０°／（ｐ×ｍ）の角度ピッチθｐになるように設けられる。この構成によれば、極数ｐと相数ｍに合わせた溝１１ｃが設けられるので、回転性能を確実に向上させることができる。

（７）溝１１ｃの深さである溝深１１ｃ１は、空隙長ＧＬ以上になるように設けられる。この構成によれば、溝１１ｃ（すなわち溝部位）の磁気抵抗を非溝部位Ｋよりも高く確保することで、回転子１３の磁極が回転方向先の非溝部位Ｋとの間で吸引力がより大きく作用するようになる。したがって、回転性能を確実に向上させることができる。

（８）溝１１ｃの周方向の幅である溝幅１１ｃ２は、空隙長ＧＬの二倍以上になるように設けられる。この構成によれば、溝１１ｃ（すなわち溝部位）の磁気抵抗を非溝部位Ｋよりも高く確保することで、回転子１３の磁極が回転方向先の非溝部位Ｋとの間で吸引力がより大きく作用する。したがって、回転性能を確実に向上させることができる。

（９）周方向に隣り合う幅広鉄心歯１１ｂ３と幅狭鉄心歯１１ｂ２との間に開口する開口部１１ｂ４は、開口部１１ｂ４に対応する開口角をθとし、極数をｐとし、相数をｍとするとき、機械角で１８０°／（ｐ×ｍ）≦θ≦３６０°／（ｐ×ｍ）の不等式を満たす。開口部１１ｂ４はスロット１１ｓが開口する部位でもある。この構成によれば、幅広鉄心歯１１ｂ３と幅狭鉄心歯１１ｂ２に集中巻し易くするためのスペースを確保するとともに、幅広鉄心歯１１ｂ３と幅狭鉄心歯１１ｂ２との間で直接的に磁束が流れる漏れ磁束を防止できる。

（１０）相巻線１１ａは、集中巻の一つであるアルファ巻で行った。この構成によれば、スロット１１ｓに巻装される相巻線１１ａの占積率が高く、巻数Ｎが多くなって起磁力を高めることができる。

（１１）回転電機１０は、電機子１１と、回転子１３とを有する。この構成によれば、幅狭鉄心歯１１ｂ２と回転子１３との間で流れる磁束を従来よりも増やし、トルクＴを従来よりも高めた回転電機１０を提供することができる。

〔実施の形態２〕
実施の形態２は図１１を参照しながら説明する。なお図示および説明を簡単にするため、特に明示しない限り、実施の形態１で用いた要素と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。よって、主に実施の形態１と相違する点を説明する。

図１１に示す回転電機１０は、図１，図２に示す回転電機１０に代わる構成である。図１１は、図２と同様の断面図である。図１１に示す回転電機１０は、図１と同様に、電機子１１，回転子１３，軸受１４，回転軸１５などをフレーム１２内に有する。図１１に示す回転電機１０は、電機子１１（具体的には相巻線１１ａ）の構成が図２に示す回転電機１０と相違する。

図１１に示す相巻線１１ａは、幅広鉄心歯１１ｂ３には集中巻するが、幅狭鉄心歯１１ｂ２には巻かない。幅狭鉄心歯１１ｂ２に巻かない分だけ、スロット１１ｓにスペースができるので、幅広鉄心歯１１ｂ３に集中巻する巻数Ｎが増える。よって、相巻線１１ａへの通電に伴って幅広鉄心歯１１ｂ３に生じる起磁力を増やせる。

上述した実施の形態２によれば、幅狭鉄心歯１１ｂ２に相巻線１１ａを巻くか否かの相違に過ぎず、回転子１３との間で磁束が流れる電機子鉄心１１ｂは同じである。図５に示す特性線Ｌ１や図６に示す特性線Ｌ２が得られるので、（２）と（４）を除いて実施の形態１と同様の作用効果を得ることができる。

〔他の実施の形態〕
以上では本発明を実施するための形態について実施の形態１，２に従って説明したが、本発明は当該形態に何ら限定されるものではない。言い換えれば、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施することもできる。例えば、次に示す各形態を実現してもよい。

上述した実施の形態では、図１に示すように、インナーロータ型の回転電機１０に適用する構成とした。この形態に代えて、アウターロータ型の回転電機に適用する構成としてもよい。アウターロータ型の回転電機では、電機子１１を内径側に配置し、回転子１３を外径側に配置する。電機子１１と回転子１３の配置が相違するに過ぎないので、実施の形態１，２と同様の作用効果が得られる。

上述した実施の形態１，２では、図１に示すように、ラジアルギャップ型の回転電機１０に適用する構成とした。この形態に代えて、アキシャルギャップ型の回転電機に適用する構成としてもよい。アキシャルギャップ型では、電機子１１と回転子１３とをアキシャル方向（すなわち軸方向）に配置する。電機子１１と回転子１３の配置が相違するに過ぎないので、実施の形態１，２と同様の作用効果が得られる。

上述した実施の形態１，２では、幅狭鉄心歯１１ｂ２や幅広鉄心歯１１ｂ３にアルファ巻で相巻線１１ａを巻装する構成とした。この形態に代えて、他の集中巻で相巻線１１ａを巻装する構成としてもよい。他の集中巻には、例えばｎ条巻（ｎは正の整数）などがある。ｎ条巻は、ｎ本の相巻線１１ａを束ねて螺線状に巻く巻装形態であり、一条巻，二条巻，三条巻などが該当する。巻装形態が相違するに過ぎないので、実施の形態１，２と同様の作用効果を得ることができる。

上述した実施の形態１，２では、図１に示すように多数の電磁鋼板を軸方向に積層することで電機子鉄心１１ｂおよび回転子鉄心１３ａを構成した。この形態に代えて、電機子鉄心１１ｂおよび回転子鉄心１３ａのうちで少なくとも一方は、例えば円柱状の磁性体を加工して構成してもよく、鋳造によって構成してもよく、冶金によって構成してもよい。加工には、例えば切削工具による切削加工、放電による放電加工、レーザ光によるレーザ加工などが該当する。電機子鉄心１１ｂや回転子鉄心１３ａの構成が相違するに過ぎないので、実施の形態１，２と同様の作用効果を得ることができる。

上述した実施の形態１，２では、永久磁石１３ｂの数を回転子１３の極数ｐと同数の「８」とし、幅狭鉄心歯１１ｂ２および幅広鉄心歯１１ｂ３の数をそれぞれ「６」とする構成である。この形態に代えて、永久磁石１３ｂの数を極数ｐの半数（すなわちコンシクエント極構成）としたり、また極数ｐを任意の数値に設定したりしてもよい。幅狭鉄心歯１１ｂ２および幅広鉄心歯１１ｂ３の数は、それぞれ回転子１３の極数ｐの３／４の数であれば任意に設定できる。単に回転子１３の機械的回転に対して電気的回転の周期が異なり、永久磁石１３ｂ，幅狭鉄心歯１１ｂ２および幅広鉄心歯１１ｂ３の数が相違するに過ぎないので、実施の形態１，２と同様の作用効果が得られる。

上述した実施の形態１，２では、回転子鉄心１３ａに埋め込む複数の永久磁石１３ｂを単体で構成した。この形態に代えて、複数の永久磁石１３ｂのうちで一以上の永久磁石１３ｂは、複数の分割磁石を含む複合体で構成してもよい。複合体の永久磁石は、全体として単体の永久磁石と同様に機能する。一以上の永久磁石１３ｂが単体であるか複合体であるかの相違に過ぎないので、実施の形態と同様の作用効果が得られる。

上述した実施の形態１，２では、永久磁石１３ｂの断面を矩形状とし、永久磁石１３ｂの長辺が回転子鉄心１３ａの周縁に沿うように収容して回転子鉄心１３ａに埋め込む構成とした。この形態に代えて、他の断面形状の永久磁石１３ｂを埋め込む構成としてもよく、他の姿勢で永久磁石１３ｂを埋め込む構成としてもよい。他の断面形状は、例えば四角形状以外の多角形状（すなわち三角形状や五角形状以上の形状）、円や楕円を含む円形状、複数の形状を合成して得られる合成形状などが該当する。他の姿勢は、長辺が径方向に沿う放射状に埋め込む姿勢や、長辺が径方向と交差する方向に沿って埋め込む姿勢などが該当する。単に永久磁石１３ｂの断面形状や姿勢が相違するに過ぎないので、実施の形態１，２と同様の作用効果が得られる。

上述した実施の形態１，２では、ＩＰＭモータの機能を実現するように、永久磁石１３ｂを回転子鉄心１３ａに埋め込んで回転子１３を構成した。この形態に代えて、Surface Permanent Magnet（以下では「ＳＰＭ」と呼ぶ）モータの機能を実現するように、電機子１１と径方向に対向する回転子鉄心１３ａの周面に永久磁石１３ｂを貼り付けて回転子１３を構成してもよい。回転子鉄心１３ａに永久磁石１３ｂを設ける位置が相違するに過ぎないので、実施の形態１，２と同様の作用効果が得られる。なお、ＩＰＭモータはＳＰＭモータよりも高速回転や高トルクが得られる。これに対して、ＳＰＭモータはＩＰＭモータよりも有効磁束量が大きくなってトルクリプルが小さくなる。

上述した実施の形態１，２では、複数相や多相交流として三相（すなわちｍ＝３）を用いる構成とした。この形態に代えて、例えば四相，六相，十二相などのように、四相以上を用いてもよい。ただし、多くても数十相である。相数が相違するに過ぎないので、実施の形態１，２と同様の作用効果が得られる。

上述した実施の形態１，２では、複数相にＵ相，Ｖ相，Ｗ相を適用した。この形態に代えて、他の複数相を適用してもよい。他の複数相は、例えばＸ相，Ｙ相，Ｚ相や、Ａ相，Ｂ相，Ｃ相，Ｄ相，Ｅ相，Ｆ相などが該当する。単に複数相として割り当てる相の名称が相違するに過ぎないので、実施の形態１，２と同様の作用効果が得られる。

１０…回転電機、１１…電機子、１１ａ…相巻線、１１ｂ…電機子鉄心、１１ｂ１…バックヨーク、１１ｂ２…幅狭鉄心歯、１１ｂ３…幅広鉄心歯、１１ｂ４…開口部、１１ｃ…溝、１１ｃ１…溝深、１１ｃ２…溝幅、１１ｓ…スロット、１２…フレーム、１２ａ，１２ｂ…フレーム部材、１３…回転子、１３ａ…回転子鉄心、１３ｂ…永久磁石、１３ｃ…収容穴、１４…軸受、１５…回転軸、１６…制御部、Ｗ１…径方向幅、Ｗ２…周方向幅、Ｗ３…周方向幅、Ｗｒ１…幅比、Ｗｒ２…歯幅比、θ…開口角、θｐ…角度ピッチ、ｐ…極数、ｍ…相数、Ｇ…空隙、ＧＬ…空隙長

Claims (11)

1. バックヨーク（１１ｂ１）を含む電機子鉄心（１１ｂ）と、複数相の相巻線（１１ａ）とを有する電機子（１１）において、
   前記電機子鉄心は、前記バックヨークから径方向に突出して前記相巻線が集中巻される複数の幅広鉄心歯（１１ｂ３）と、前記バックヨークから径方向に突出して前記幅広鉄心歯よりも周方向の幅が狭い複数の幅狭鉄心歯（１１ｂ２）とを有し、
   前記幅広鉄心歯と前記幅狭鉄心歯とは、前記電機子鉄心の周方向に交互に配列して設けられ、
   前記バックヨークの径方向の幅をＷ１とし、前記幅狭鉄心歯の周方向の幅をＷ２とするとき、１≦（Ｗ１／Ｗ２）≦２の不等式を満たす電機子。
2. さらに前記幅狭鉄心歯に相巻線が集中巻され、
   前記幅広鉄心歯と前記幅狭鉄心歯とに巻かれた相巻線は、前記複数相が周方向に相順に配置される請求項１に記載の電機子。
3. 前記幅広鉄心歯の周方向の幅をＷ３とするとき、１．５≦（Ｗ３／Ｗ２）≦２．７の不等式を満たす請求項１または２に記載の電機子。
4. 前記幅広鉄心歯に巻かれる相巻線の巻数をＮ１とし、前記幅狭鉄心歯に巻かれる相巻線の巻数をＮ２とするとき、０＜Ｎ２≦Ｎ１の不等式を満たす請求項２または３に記載の電機子。
5. 前記幅広鉄心歯は、回転子（１３）に対向する対向面に設けられて軸方向に延びる一以上の溝（１１ｃ）を有する請求項１から４のいずれか一項に記載の電機子。
6. 前記幅広鉄心歯は、前記対向面の周方向に沿って設けられる複数の前記溝を有し、
   周方向に隣り合う前記溝は、極数をｐとし、相数をｍとするとき、機械角で３６０°／（ｐ×ｍ）の角度ピッチ（θｐ）になるように設けられている請求項５に記載の電機子。
7. 前記溝の深さである溝深（１１ｃ１）は、回転子（１３）との空隙（Ｇ）の長さである空隙長（ＧＬ）以上になるように設けられている請求項５または６に記載の電機子。
8. 前記溝の周方向の幅である溝幅（１１ｃ２）は、前記空隙長の二倍以上になるように設けられている請求項７に記載の電機子。
9. 周方向に隣り合う前記幅広鉄心歯と前記幅狭鉄心歯との間に開口する開口部（１１ｂ４）は、前記開口部に対応する開口角をθとし、極数をｐとし、相数をｍとするとき、機械角で１８０°／（ｐ×ｍ）≦θ≦３６０°／（ｐ×ｍ）の不等式を満たす請求項１から８のいずれか一項に記載の電機子。
10. 前記集中巻は、アルファ巻で行われている請求項１から９のいずれか一項に記載の電機子。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の電機子（１１）と、
    空隙（Ｇ）を介して前記電機子に径方向に対向して設けられる回転子（１３）とを有する回転電機（１０）。

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