JP5592848B2 - 横方向磁束型回転電機及び車輌 - Google Patents

横方向磁束型回転電機及び車輌 Download PDF

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Description

実施形態は、横方向磁束型回転電機およびこれを用いた車輌に係る。
横方向磁束型の回転電機では、固定子は回転子と同軸に巻かれた円環状コイルとそれを取り囲み円周上に配置されたＵ字型鉄心で構成され、回転子は固定子の磁極に対向するように配置された永久磁石と鉄心で構成される。この構造は広く知られている。
この固定子と回転子との回転方向における相対関係が異なる組み合わせは2つ以上あり、それらの固定子の円環状コイルに多相交流を供給することによってトルクが発生する。この構造では、一般的に多極磁界を発生することが容易で高いトルクを得ることができる。これまでに、回転子鉄心に突極を設ける構造(特許文献１)の横方向磁束型の回転電機が提案されている。
特許４０８５０５９号公報
これまでに提案された横方向磁束型では、磁束の流れる経路に鉄心、空気および永久磁石で構成されている。永久磁石は回転子側の磁界を発生させるために必要であるが、永久磁石のパーミアンスは空気中とほぼ等しく低いため、高い磁束密度を得ることが難しい。
以下に示す実施形態においては、高い力率と高い磁束密度を実現する横方向磁束型の回転電機及びこれを用いた車輌を提供することができる。
第１の実施形態によれば、回転方向に巻かれた巻線と、前記巻線の一部を取り囲むものであって、前記回転方向に所定の間隔を空けて設けられる第１の強磁性体及び第２の強磁性体と、を備える固定要素と、回転軸まわりに回転可能であって、前記固定要素に対向して設けられる回転要素と、を有する横方向磁束型回転電機であって、前記回転要素は、前記第１の強磁性体の両端に対向する第３の強磁性体と、前記第２の強磁性体の両端に対向する第４の強磁性体と、前記第３の強磁性体と前記第４の強磁性体との間に介挿される第１の磁界発生部及び第２の磁界発生部と、を有し、前記第１の磁界発生部及び前記第２の磁界発生部は前記回転要素の対向する面から前記固定要素の対向する面に向けて磁界を発生させ、この磁界の向きは互いに反対向きである横方向磁束型回転電機が提供される。
第２の実施形態によれば、第１の実施形態の横方向磁束型回転電機を有する車輌が提供される。
第1実施形態に係る回転電機の構成を示す全体図。 図1における駆動要素2の構成を示す断面図。 図2のA-A断面図とB領域拡大図。 第2実施形態に係る回転電機101の構成を示す全体図。 図4における駆動要素102の構成を示す断面図。 図5のC-C断面図とD領域拡大図。 第3実施形態に係る回転電機201の構成を示す全体図。 図7における駆動要素202の構成を示す断面図。 図8のE-E断面図とF領域拡大図。 第4実施形態に係る回転電機301の構成を示す全体図。 図10における駆動要素302の構成を示す断面図。 第5実施形態に係る回転電機401の構成を示す全体図。 図12における駆動要素402の構成を示す断面図。 図13のG-G断面図とH領域拡大図。 第6実施形態に係る回転電機501の構成を示す全体図。 図15に示す矢印C”方向から見た図で、駆動要素502の構成を示す図。 図15における回転要素503の構成を示す断面図。 図15における固定要素504の構成を示す断面図。 図16のI-I断面図とJ領域拡大図。 第7実施形態に係る回転電機601の構成を示す全体図。 図20に示す矢印F”方向から見た図で、駆動要素602の構成を示す図。 図20における回転要素603の構成を示す断面図。 図20における固定要素604の構成を示す断面図。 図20のK-K断面図とL領域拡大図。 第1実施形態に係る回転電機1の右向き駆動力を発生させるための電流の向きと強磁性体42の磁化の関係を示す図。 第1実施形態に係る回転電機1の右向き駆動力を発生させるための電流の向きと強磁性体42の磁化の関係を示す図。 第1実施形態に係る回転電機1の右向き駆動力を発生させるための電流の向きと強磁性体42の磁化の関係を示す図。 第1実施形態に係る回転電機1の右向き駆動力を発生させるための電流の向きと強磁性体42の磁化の関係を示す図。 第1実施形態に係る回転電機1の左向き駆動力を発生させるための電流の向きと強磁性体42の磁化の関係を示す図。 第1実施形態に係る回転電機1の左向き駆動力を発生させるための電流の向きと強磁性体42の磁化の関係を示す図。 第1実施形態に係る回転電機1の左向き駆動力を発生させるための電流の向きと強磁性体42の磁化の関係を示す図。 第1実施形態に係る回転電機1の左向き駆動力を発生させるための電流の向きと強磁性体42の磁化の関係を示す図。 第1実施形態に係る回転電機1の加速時の電流と時刻を示す図。 第1実施形態に係る回転電機1の減速時の電流と時刻を示す図。 第8実施形態に係るシリーズハイブリッド自動車を示す模式図。 第8実施形態に係るパラレルハイブリッド自動車を示す模式図。 第8実施形態に係るシリーズ・パラレルハイブリッド自動車を示す模式図。 第8実施形態に係る電気自動車を示す模式図。 第9実施形態に係る回転要素102の構成を示す断面図。 図39のB-B、C-C、E-E断面図とD領域拡大図。 第10実施形態に係る回転要素102の構成を示す断面図。 図41のB’-B’、C’-C’、E’-E’断面図とD’領域拡大図。 第11実施形態に係る回転電機801の構成を示す全体図。 図43における回転要素803の構成を示すA”-A”断面図。 図43における固定要素804の構成を示すB”-B”断面図。 図44と図45のC”領域の拡大図及びA”-A”断面図。 図44と図45のC”領域の拡大図及びD”-D”断面図。 図46の駆動要素802の２つ分を直列に接続した場合の構成図及びD”-D”断面図。 図47の駆動要素802の２つ分を直列に接続した場合の構成図及びD”-D”断面図。
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
〔第１実施形態〕
以下、第1実施形態における回転電機1について、図1〜図3と図25〜34を参照して説明する。
図1〜図3は本実施形態による回転電機1の構成を説明するための図である。まず、図1には、回転電機1の全体図を示している。回転電機1には、回転要素3と固定要素4で構成される駆動要素2が軸方向に複数(この例では二個)配置され、各回転要素3は回転軸5により連結されている。図2は駆動要素2の断面を示している。図3は図2のA-Aにおける断面図とB領域部の拡大図を示している。駆動要素2では、回転要素3と固定要素4は径方向に空隙45を介して対向している。当然のことながら、回転電機1は回転軸周りに回転要素3が回転するものであるが、以下の図面についての説明は回転要素3と固定要素4が当該図面に示す状態となった時について例示して説明するものである。
回転要素3は強磁性体31（第３の強磁性体31a、第４の強磁性体31b）と径方向で互いに反対方向の磁界を発生させる磁界発生部32、34で構成されている。なお、磁化方向33、35はそれぞれ磁界発生部32、34が発生する磁界の向きを示している。このような回転要素3の構造により、周方向に対して磁界発生部32(34)と強磁性体31で異なる方向の磁界が発生し、空隙45aと45bにおける磁界の向きが反転する。
一方、固定要素4は巻線41と、この巻線41の一部を取り囲む強磁性体42で構成されている。強磁性体42（第１の強磁性体42a、第２の強磁性体42b）は磁化容易軸44を有し、分割線43に示されるように分割構造を組み合わせることで、異方性強磁性体としての良好な磁気特性を活用することができる。
なお、ここで、強磁性体42に異方性の無い強磁性体を用いる場合は分割構造とする必要は無い。巻線41を励磁すれば、巻線41を囲う強磁性体31と強磁性体42に磁束が流れ、磁界発生部32、34によって発生した磁界と相互作用して、その結果トルクを発生する。
回転電機1は少なくとも回転要素3と固定要素4の回転方向の相対的な位相が異なる2種類の駆動要素2を有する。そのため、複数の駆動要素2の巻線41に供給する電流量の割合を調整することにより、トルクを制御することができる。例えば、回転電機1が二個の駆動要素2を有していれば、二個の巻線41に二相交流を適用することで、トルクを制御することができる。第１実施形態では巻線41の励磁による磁束の経路が強磁性体と空隙のみで構成されるため、パーミアンスが高く、同一の巻線41の起磁力で強力な磁界を空隙部に発生することができる。また、第１実施形態では回転要素3と固定要素4の双方に磁束源を有するため、回転電機1では高い力率を得ることが出来る。
図25〜32は回転電機1の駆動力と電流の向きとの関係を示す図である。回転要素3に一定の駆動力を与えるために必要な巻線41の電流は、回転要素3の回転角度φrによって異なる。ここで、図25〜28では回転要素3に右向きの駆動力を与えるために必要な巻線41a、 42bの電流Ia、 Ibの向きと、その時の強磁性体42a、 42bの磁化(N極もしくはS極)の関係を示している。なお、回転要素3の回転角度φrと固定要素4の1つの強磁性体42aの角度位置φsとの関係は、図25ではφs−π/2 < φr < φs、図26ではφs < φr < φs＋π/2、図27ではφs＋π/2 < φr < φs＋π、図28ではφs−π < φr < φs−π/2を表している。また、図29〜32では回転要素3に左向きの駆動力を与えるために必要な巻線41a、 42bの電流Ia、 Ibの向きと、その時の強磁性体42a、 42bの磁化(N極もしくはS極)を示している。図29ではφs−π/2 < φr < φs、図30ではφs < φr < φs＋π/2、図31ではφs＋π/2 < φr < φs＋π、図32ではφs−π < φr < φs−π/2を表している。
ここでは、回転電機1が二個の駆動要素2を有しており、回転要素3の強磁性体31、磁界発生部34(32)および固定要素4の強磁性体42は、回転方向(進行方向)に対して2τの間隔で配置されている。また、二組の回転要素3は回転方向に対して同位相で、二組の固定要素4は回転方向に９０°の位相差(ずれ量τ/2に対応)になるように配置されている。図25〜32において、回転要素3に駆動力を与えるためには、回転要素3の回転角度φrに合わせて、巻線41a、 41bにそれぞれ適切な電流Ia、 Ibを供給する必要がある。そのため、第１実施形態では回転要素3の回転角度φrを測定するセンサ84と、センサ84の信号を受け取り、巻線41の電流を制御する制御器83が必要である。図25〜28の82aと82bは回転要素3に右向きの駆動力81、 181、 281、 381を与えるために必要な電流Ia、 Ibの向きを示しており、図29〜32の電流82aと82bは回転要素3に左向きの駆動力481、 581、 681、 781を与えるために必要な電流Ia、 Ibの向きを示している。図25〜28より右向きに加速を行うためには、例えば、電流82aと82bは図33に示すような交流電流を供給する必要がある。電流Iaは電流Ibより90°位相が進んでおり、時間の経過によって、周期Tは短く(周波数は高く)なっている。これは、加速時間が長くなれば、回転要素3の単位時間当たりの位置変化量が大きくなり、それに合わせて速く電流の向きを変化させる必要があるためである。一方、図29〜32より右向きの運動を減速するためには、例えば、電流82aと82bは図34に示すような交流電流を供給する必要がある。電流波形Iaは電流Ibより90°位相が遅れており、時間の経過によって、周期T’は長く(周波数は低く)なっている。これは、減速時間が長くなれば、回転要素3の単位時間当たりの位置変化量が小さくなり、それに合わせて遅く電流の向きを変化させる必要があるためである。ここでは、例として電流波形91、 92、 93、 191、 192、 193は矩形波としているが、その他に正弦波など様々な交流電流についても同様である。また、駆動要素2が多数組有する場合は、それと同数の巻線41に多相交流を適用することで、回転要素3の駆動制御を同様に実現できる。
（第１実施形態の作用）
第１実施形態において、トルクが発生する場合の作用について説明する。
第一に、巻線41に電流を流すことにより励磁すると、そのまわりにある強磁性体42、空隙45a、強磁性体31、空隙45b、強磁性体42の経路で磁束が流れ、径方向と軸方向に平行な磁気回路70が形成される。一方、磁界発生部32(34)の磁束は磁界発生部32(34)、空隙45a(45b)、強磁性体42、空隙45a(45b)、強磁性体31、空隙46a(46b)、磁界発生部32(34)の経路で流れ、径方向と周方向に平行な磁気回路71が形成される。この時に、強磁性体42、空隙45a(45b)、強磁性体31の経路において、巻線41の励磁と磁界発生部32(34)による磁束は相互作用して、その結果、回転要素3にトルクが発生する。そして、対向し合う回転要素3と固定要素4との組は複数あり、回転要素3と固定要素4との回転方向の相対的な位相が異なる組が複数あるため、それらの組の巻線41の電流を調整することにより、各々の位置でトルク制御が可能になる。また、強磁性体31(42)の磁化容易軸37(44)を磁束の経路と合わせることによって、等方性強磁性体よりも高い磁束密度が得られ、鉄損を低減することができる。
〔第２実施形態〕
図4〜図6は、第2実施形態による回転電機101の構成を説明するための図である。
基本的な構成は前述の回転電機1と同様であるが、回転要素103の、固定要素104と対向しない面に強磁性体138が取り付けられている点が異なる。この構成によって、磁界発生部132(134)の磁束は磁界発生部132(134)、空隙145a(145b)、強磁性体142、空隙145a(145b)、強磁性体131、強磁性体138、磁界発生部132(134)の経路で流れ、径方向と周方向に平行な磁気回路171が形成される。第1実施形態とは異なり、磁界発生部132(134)による磁束が強磁性体131から磁界発生部132(134)へ向かう際に、空隙46a(46b)を通らずに、パーミアンスの高い強磁性体138を流れるため、磁界発生部132(134)の起磁力が同一でも強力な磁界を空隙145a(145b)に発生することができる。
〔第３実施形態〕
図7〜図9は、第3実施形態による回転電機201の構成を説明するための図である。
基本的な構成は前述の回転電機1と同様であるが、回転要素203の、固定要素204と対向しない面に、強磁性体231の内部の磁界を強める磁界発生部251、252(255、256)が取り付けられている点が異なる。第３実施形態では、磁界発生部251、252(255、256)は回転方向と平行で互いに反対方向の磁界を発生させる構成としている。この構成によって、磁界発生部232(234)の磁束は磁界発生部232(234)、空隙245a(245b)、強磁性体242、空隙245a(245b)、強磁性体231、磁界発生部251、 252(255、 256)、磁界発生部232(234)の経路で流れ、径方向と周方向に平行な磁気回路271が形成される。第1実施形態とは異なり、強磁性体231から磁界発生部232(234)へ向かう際に、空隙46a(46b)に相当する位置に、磁界発生部251、252(255、256)があるため、磁力が増強される。磁界発生部に永久磁石を用いる場合、一般的に空隙とパーミアンスはほぼ等しいが、前述の磁力の増強により、回転要素203と固定要素204との間の空隙245a(245b)で、強力な磁界を空隙部に発生することができる。
〔第４実施形態〕
図10と図11は、第4実施形態による回転電機301の構成を説明するための図である。基本的な構成は前述の回転電機201と同様であるが、回転要素303に周方向全周にわたって強磁性体342が等間隔に配置されておらず、複数の全周にわたらない巻線341を有する点が異なる。ここでは、巻線341は二個としており、巻線341で取り囲まれている強磁性体342aと342bは、それぞれ周方向に等間隔に配置されているが、強磁性体342aは強磁性体342bと周方向に角度θずれて配置されている。これにより固定要素304aと回転要素303との組と、固定要素304bと回転要素303との組では、回転方向の相対的な位相が異なることとなり、複数の駆動要素302の巻線341に供給する電流の割合を調整することにより、トルクを制御することができる。この場合、巻線341aと341bに二相交流を適用することにより、トルクを制御することができる。
〔第５実施形態〕
図12〜図14は、第5実施形態による回転電機401の構成を説明するための図である。基本的な構成は前述の回転電機201と同様であるが、駆動要素402に複数組の回転要素403と固定要素404を同心円上に有する点が異なる。ここでは、二組の固定要素404a、 404bと、空隙445a、 445bに磁界を発生させる磁界発生部432a、 434aと強磁性体431aおよび空隙445c、 445dに磁界を発生させる磁界発生部432b、 434bと強磁性体431bを有する回転要素403で構成されている。また、ここでは、磁界発生部451、 452を磁界発生部432a、 434a、 強磁性体431aと磁界発生部432b、 434b、 強磁性体431bとの間に配置することにより、第3実施形態と同様に磁力を増強している。磁界発生部432a、 434a、 強磁性体431aは、それぞれ磁界発生部432b、 434b、 強磁性体431bに対して、回転方向に同位相で配置されており、磁界発生部432a、 434aはそれぞれ磁界発生部432b、 434bの磁界に対して逆向きの磁界を発生させている。この構成により、回転要素403の径方向内側と外側で二組の固定要素404a、 404bと磁気的な相互作用を起こし、強力なトルクを発生することができる。
〔第６実施形態〕
図15〜図19は、第6実施形態による回転電機501の構成を説明するための図である。基本的な構成は前述の回転電機1と同様であるが、回転要素503と固定要素504が軸方向に対向している点が異なる。この場合、巻線541を励磁すると、そのまわりにある強磁性体542、空隙545a、強磁性体531、空隙545b、強磁性体542の経路で磁束が流れ、その時に形成される磁気回路570は、第1実施形態と同様に径方向と軸方向に平行になる。一方、磁界発生部532(534)の磁束は磁界発生部532(534)、空隙545a(545b)、強磁性体542、空隙545a(545b)、強磁性体531、空隙546a(546b)、磁界発生部532(534)の経路で流れるが、その時に形成される磁気回路571は第1実施形態とは異なり、軸方向と周方向に平行になる。この構成では、回転要素503と固定要素504の直径をD2とすれば、回転要素503と固定要素504の対向する面の面積は最大でπD2 2となり、直径D2の二乗に比例して、回転要素503と固定要素504の軸方向の長さL2、 L2’にほぼ依存しない。そのため、軸方向の長さL2、 L2’が小さい回転電機501を構成することが可能で、直径D2を大きくすることで、その二乗に比例する強力なトルクを発生することができる。
〔第７実施形態〕
図20〜図24は、第7実施形態による回転電機601の構成を説明するための図である。基本的な構成は前述の回転電機501と同様であるが、図21のK-K断面図に示すように、径方向に巻線641、強磁性体642、強磁性体631、磁界発生部632、 651、 652(634、 655、 656)が複数組配置されている点が異なる。ここでは、四組の巻線641、強磁性体642、強磁性体631と、三組の磁界発生部632、 651、 652と、二組の磁界発生部634、 655、 656で構成されている。一組分の巻線641、強磁性体642、強磁性体631、磁界発生部632、 651、 652(634、 655、 656)で見れば第6実施形態と同様だが、四組の巻線641a、 641b、 641c、 641dを励磁することによって四組の磁気回路670a、 670b、 670c、 670dが形成される。ここで、巻線641aと641cの電流の向きが等しく、その向きが巻線641b、 641dの電流の向きと反対であれば、空隙645b、 645c、 645dにおいて四個の巻線から発生した磁界が強め合う。この構成によって、巻線641、強磁性体642、強磁性体631、磁界発生部632、 651、 652(634、 655、 656)を高密度に配置でき、回転電機の高出力密度化を実現することができる。
〔第８実施形態〕
第8の実施形態に係る車輌は、第1の実施形態に係る回転電機を備える。ここでいう車輌としては、二輪〜四輪のハイブリッド電気車輌、二輪〜四輪の電気車輌、アシスト自転車などが挙げられる。
図35〜37は、内燃機関と電池駆動の回転電機とを組み合わせて走行動力源としたハイブリッドタイプの車輌を、図38は、電池駆動の回転電機を走行動力源とした電気自動車の車輌を示している。車輌の駆動力には、その走行条件に応じ、広範囲な回転数及びトルクの動力源が必要となる。一般的に内燃機関は理想的なエネルギー効率を示すトルク・回転数が限られているため、それ以外の運転条件ではエネルギー効率が低下する。ハイブリッドタイプの車輌は、内燃機関を最適条件で稼動させて発電すると共に、車輪を高効率な回転電機にて駆動することによって、あるいは内燃機関と回転電機の動力を合わせて駆動したりすることによって、車輌全体のエネルギー効率を向上できるという特徴を有する。また、減速時に車両のもつ運動エネルギーを電力として回生することによって、通常の内燃機関単独走行の車輌に比較して、単位燃料当りの走行距離を飛躍的に増大させることができる。
ハイブリッド車輌は、内燃機関と回転電機の組み合わせ方によって、大きく3つに分類することができる。
図35には、一般にシリーズハイブリッド車輌と呼ばれるハイブリッド車輌50が示されている。内燃機関51の動力を一旦すべて発電機52で電力に変換し、この電力をインバータ53を通じて電池パック54に蓄える。電池パック54の電力はインバータ53を通じて第1実施形態に係る回転電機55に供給され、回転電機55により車輪56が駆動する。電気車輌に発電機が複合されたようなシステムである。内燃機関は高効率な条件で運転でき、電力回生も可能である。その反面、車輪の駆動は回転電機のみによって行われるため、高出力な回転電機が必要となる。
図36には、パラレルハイブリッド車輌と呼ばれるハイブリッド車輌57が示されている。付番58は、発電機を兼ねた第1実施形態に係る回転電機を示す。内燃機関51は主に車輪56を駆動し、場合によりその動力の一部を発電機58で電力に変換し、その電力で電池パック54が充電される。負荷が重くなる発進や加速時には回転電機58により駆動力を補助する。通常の車輌がベースになっており、内燃機関51の負荷変動を少なくして高効率化を図り、電力回生なども合わせて行うシステムである。車輪56の駆動は主に内燃機関51によって行うため、回転電機58の出力は必要な補助の割合によって任意に決定することができる。比較的小さな回転電機58及び電池パック54を用いてもシステムを構成することができる。
図37には、シリーズ・パラレルハイブリッド車輌と呼ばれるハイブリッド車輌59が示されている。シリーズとパラレルの両方を組み合わせた方式である。動力分割機構60は、内燃機関51の出力を、発電用と車輪駆動用とに分割する。パラレル方式よりもきめ細かくエンジンの負荷制御を行い、エネルギー効率を高めることができる。
図38には、電気自動車の車輌61が示されている。付番58は、発電機を兼ねた第1実施形態に係る回転電機を示す。回転電機58は車輪56を駆動し、場合により発電機58として電力に変換し、その電力で電池パック54が充電される。
〔第９実施形態〕
図39〜図40は、第９実施形態による回転電機101の構成を説明するための図である。
基本的な構成は前述の第２実施形態に係る回転電機101と同様であるが、強磁性体142の間に強磁性体147が挿入されている点が異なる。
第９実施形態では、巻線141に電流を流して励磁すると、図40のE-E断面図に示すように、そのまわりにある強磁性体142、空隙145a、強磁性体131、空隙145b、強磁性体142の経路で磁束が流れ、径方向と軸方向に平行な磁気回路170が形成される。一方、磁界発生部132(134)の磁束は磁界発生部132(134)、空隙145a(145b)、強磁性体147a(147b)、強磁性体142、空隙145a(145b)、強磁性体131、強磁性体138a(138b)、磁界発生部132(134)の経路で流れ、径方向と周方向に平行な磁気回路171a(171b)が形成される。この時に、強磁性体142、空隙145a(145b)、強磁性体131の経路において、巻線141の励磁と磁界発生部132(134)による磁束は相互作用して、その結果、回転要素103にトルクが発生する。そして、対向し合う回転要素103と固定要素104との組は複数あり、回転要素103と固定要素104との回転方向の相対的な位相が異なる組が複数あるため、それらの組の巻線141の電流を調整することにより、各々の位置でトルク制御が可能になる。ここで、強磁性体138と147を用いることによって、磁界発生部側の磁気回路171におけるパーミアンスが増大し、同一の起磁力で強力な磁界を発生でき、高トルク化を実現できる。
また、この回転電機の強磁性体に異方性強磁性体を適用して、例えば、強磁性体131(142)の磁化容易軸137(144)を磁気回路170での磁束の経路と合わせることによって、等方性強磁性体よりも高い磁束密度が得られ、鉄損を低減することができる。
〔第１０実施形態〕
図41〜図42は、第１０実施形態による回転電機101の構成を説明するための図である。基本的な構成は前述の第９実施形態に係る回転電機101と同様であるが、固定要素104の強磁性体142と強磁性体147rが接触して取り付けられている点が異なる。図41では、強磁性体147rはリング状で、強磁性体142と異なる方向に積層して接触配置しているが、この両者は個別に製作せず、切削加工や圧粉磁心の圧縮成形などで一体にしても同様の原理で駆動が可能である。
この場合、組立工数を格段に少なくすることが可能になる。回転要素103と固定要素104との間の空隙は図41と図42に示すように空隙145と空隙148の2種類がある。巻線141に電流を流せば、磁気回路170が形成されるが、その経路の中で強磁性体147rと強磁性体131の間では、ほとんどの磁束が空隙145を経由して集中的に流れ、その振る舞いは第９実施形態に係る回転電機101の時とほぼ同様である。一方、磁界発生部132(134)の磁束もその多くが空隙145を経由して流れるが、磁界発生部132(134)の表面上で空隙145から離れた部分では、空隙148を経由して流れやすい。そのため、第２実施形態に係る回転電機101よりも、第１０実施形態に係る回転電機101の方が磁界発生部132(134)側から見たパーミアンスが高くなり、強力な磁界を発生することができる。第１０実施形態に係る回転電機101も第９実施形態に係る回転電機101と同様に少なくとも回転要素103と固定要素104の相対的な位置関係が異なる2種類の駆動要素102を有する。そのため、複数の駆動要素102の巻線141に供給する電流量の割合を調整することにより、トルクを制御することができる。駆動力と電流との関係や駆動制御に関することは基本的に第１実施形態と同様である。
なお、強磁性体147rは図42に示すように、回転要素103と対向する側に回転方向に凹凸を有していることが好ましい。これにより本実施形態特有の効果を確実に得ることが可能となる。
〔第１１実施形態〕
図43〜図49は、本発明の第１１実施形態による回転電機801の構成を説明するための図である。基本的な構成は前述の第６実施形態に係る回転電機501と同様であるが、回転電機801は回転電機501と比較して、2つの回転要素803の間に固定要素804が介挿されている点が異なる。図44は図43の回転要素803をA’’-A’’断面から見た構成を説明するための図である。基本的な構成は前述の第９実施形態に係る回転要素103と同様であるが、磁界発生部832(834)による磁界の向きが回転軸805の長手方向である点が異なる。図45は図43の固定要素804をB’’-B’’断面から見た構成を説明するための図である。巻線841を囲む強磁性体842と、隣り合う強磁性体842の間に強磁性体847が挿入されている点では前述の第９実施形態に係る固定要素104と同じ構成であり、それにより回転電機101に強磁性体147を挿入するのと同様に、磁界発生部側の磁気回路871におけるパーミアンスが増大し、同一の起磁力で強力な磁界を発生でき、高トルク化を実現できる。図46に図44と図45のC’’領域を回転軸805の長手方向に並べた構成を示す。隣り合う強磁性体842の間に挿入されている強磁性体847は強磁性体842と同じU字型の形状で強磁性体842とは逆向きに配置されており、回転要素803aと803bは固定要素804に対して、対称に配置されている。この構成によって、隣り合う強磁性体842の間の空間においても、巻線841を励磁することにより発生する磁束で強磁性体847と回転要素803bとの間で磁気回路870bを形成して、それらの磁束を空気中に漏らさずに有効に活用することができ、さらには固定要素804の集積度の面からも有利である。また、図47に示すように、固定要素804に対して対称構造ではない回転要素803aと803bを構成しても、図46の場合と同様に空気中への磁束の漏れを低減するのと同時に、固定要素804の高集積化を実現することができる。図46と図47に示される2つの回転要素の構造的な違いによって、コギングトルクと軸方向に発生する力(垂直力)の挙動に差が出てくる。図46の場合、回転要素803aに作用するリラクタンストルクは右側、回転要素803bに作用するリラクタンストルクは左側となり、両者は打ち消し合い、全体で発生するリラクタンストルクは少ない。一方、図47の場合、回転要素803aと回転要素803bに作用するリラクタンストルクは共に右側となり、発生するリラクタンストルクは大きい。このリラクタンストルクが大きければ、コギングトルクも大きくなる。したがって、これらのリラクタンストルクの差がコギングトルクの差として影響してくる。また、強磁性体842と強磁性体831aおよび強磁性体847と強磁性体831bとの対向面積は、図47の場合は等しいため、軸方向に発生する力は完全に打ち消し合うが、図46の場合は異なるため、軸方向に力は発生する。この軸方向の力はベアリングでの保持特性に影響してくる。したがって、用途に応じて、2つの回転要素803の組み合わせを使い分けることができる。
図48には、図46に示された回転要素803と固定要素804を適用した駆動要素802を2組適用した場合の構成を示す。ここでは、2組の駆動要素802における全ての回転要素803の位相は同じで、2組の固定要素804の位相は90°異なっている。そのため、巻線841aと841bに2相交流を適用すれば、トルクを制御することができる。また、駆動要素802aの回転要素803bと駆動要素802bの回転要素803cでは、強磁性体838dを共通に用いることにより、高集積化を実現している。また、第３実施形態に係る回転電機201と同様に、磁気回路871の磁界を強めるために、強磁性体838を磁界発生部に代えることも可能である。その場合も巻線841の励磁により形成される磁気回路870から見たパーミアンスは低下せず、磁気回路871の強力な磁界と相互作用することによって、トルクの増大を実現することができる。図49には、図47に示された回転要素803と固定要素804を適用した駆動要素802を2組適用した場合の構成を示しており、図48の場合と同様の特性が得られる。この両者はコギングトルク特性およびベアリング保持特性のどちらを重視するかで使い分けられる。

これら実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、様々の省略、置き換え、変更を行うことができる。例えば、第８実施形態に係る車輌において、第１実施形態の回転電機に代えて、他の実施形態に係る回転電機を適用することも可能である。
また、これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同時に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
回転電機・・・1、 101、 201、 301、 401、 501、 601、801
駆動要素・・・2、 102、 202、 302、 402、 502、 602、802
回転要素・・・3、 103、 203、 303、 403、 503、 603、803
固定要素・・・4、 104、 204、 304、 404、 504、 604、804
回転軸・・・5、 105、 205、 305、 405、 505、 605、805
強磁性体・・・31、 42、 131、 138、 142、 147、 231、 242、 331、 342、 431、 442、 531、 542、 631、 642、831、 838、 842、 847
磁化容易軸・・・37、 44、 137、 144、 237、 244、 337、 344、 437、 444、 537、 544、 637、 644、 837、 844
分割線・・・36、 43、 136、 143、 236、 243、 336、 343、 436、 443、 536、 543、 636、 643、836、 843
空隙・・・45、 46、 145、 245、 345、 445、 545、 645、 845
磁界発生部・・・32、 34、 132、 134、 232、 234、 251、 252、 255、 256、 332、 334、 351、 352、 355、 356、 432、 434、 451、 452、 455、 456、 532、 534、 551、 552、 555、 556、 632、 634、 651、 652、 655、 656、 832、 834
磁化方向・・・33、 35、 133、 135、 233、 235、 253、 254、 257、 258、 333、 335、 353、 354、 357、 358、 433、 435、 453、 454、 457、 458、 533、 535、 553、 554、 557、 558、 633、 635、 653、 654、 657、 658、 833、 835
巻線・・・41、 141、 241、 341、 441、 541、 641、 841
内燃機関・・・51
発電機・・・52
インバータ・・・53
電池パック・・・54
車輪・・・56
車輌・・・50、57、59、61
発電機を兼ねた回転電機・・・58
動力分割機構・・・60
磁気回路・・・70、 71、 170、 171、 270、 271、 470、 471、 570、 571、 670、 671、 870、871
駆動力の向き・・・81、181、281、381、481、581、681、781
電流の向き・・・82、146、182、282、382、482、582、682、782、846
制御器・・・83
センサ・・・84
電流波形・・・91、 92、 93、 191、 192、 193

Claims (12)

  1. 回転方向に巻かれた巻線と、前記巻線の一部を取り囲むものであって、前記回転方向に所定の間隔を空けて設けられる第１の強磁性体及び第２の強磁性体と、を備える固定要素と、
    回転軸まわりに回転可能であって、前記固定要素に対向して設けられる回転要素と、
    を有する横方向磁束型回転電機であって、
    前記回転要素は、
    前記第１の強磁性体の両端に対向する第３の強磁性体と、
    前記第２の強磁性体の両端に対向する第４の強磁性体と、
    前記第３の強磁性体と前記第４の強磁性体との間に介挿される第１の磁界発生部及び第２の磁界発生部と、を有し、
    前記第１の磁界発生部及び前記第２の磁界発生部は前記回転要素の対向する面から前記固定要素の対向する面に向けて磁界を発生させ、この磁界の向きは互いに反対向きである横方向磁束型回転電機。
  2. 前記回転要素と前記固定要素の組を複数有し、
    前記回転要素と前記固定要素との回転方向の相対位置関係において複数の異なる組を有する請求項１に記載の横方向磁束型回転電機。
  3. 前記回転要素の前記固定要素と対向しない面において、前記第３の強磁性体、第４の強磁性体、前記第１の磁界発生部、または前記第２の磁界発生部の少なくともいずれか１つに取り付けられる第５の強磁性体を有することを特徴とする請求項１または２に記載の横方向磁束型回転電機。
  4. 前記回転要素の前記固定要素と対向しない面において前記第３の強磁性体、第４の強磁性体、前記第１の磁界発生部、または前記第２の磁界発生部の少なくともいずれか１つに取り付けられ、前記第３の強磁性体及び第４の強磁性体の各強磁性体中の磁界を強める向きに磁界を発生させるように配置される第３の磁界発生部及び第４の磁界発生部を有することを特徴とする請求項１または２に記載の横方向磁束型回転電機。
  5. 前記第３の磁界発生部及び前記第４の磁界発生部は前記回転方向に向けて磁界を発生させ、この磁界の向きは互いに反対向きである請求項４に記載の横方向磁束型回転電機。
  6. 前記固定要素は、以下の（Ａ）または（Ｂ）のいずれかである請求項１乃至５のいずれか１項に記載の横方向磁束型回転電機。
    （Ａ）前記固定要素は、前記第１の強磁性体と前記第２の強磁性体との間に介挿される第６の強磁性体を有する。
    （Ｂ）前記固定要素は、前記回転要素、及び前記第１の強磁性体もしくは前記第２の強磁性体との間に介挿され、前記回転要素と対向する側に凹凸を有する第６の強磁性体を有する。
  7. 前記回転要素は前記固定要素を回転軸に対して同心円状に介挿するように２つ配置され、
    一方の回転要素は前記巻線の励磁によって前記第１の強磁性体と前記第２の強磁性体を経由する磁界と相互作用し、
    他方の回転要素は前記巻線の励磁によって前記第６の強磁性体を経由する磁界と相互作用する請求項６に記載の横方向磁束型回転電機。
  8. 前記第１の強磁性体乃至前記第４の強磁性体の少なくとも１つが部分的または全体的に磁気的な異方性を有する強磁性体である請求項１乃至７のいずれか１項に記載の横方向磁束型回転電機。
  9. 前記第５の強磁性体が部分的または全体的に磁気的な異方性を有する強磁性体である請求項３に記載の横方向磁束型回転電機。
  10. 前記第６の強磁性体が部分的または全体的に磁気的な異方性を有する強磁性体である請求項６に記載の横方向磁束型回転電機。
  11. 前記回転要素の回転軸まわりの回転角度を測定する測定部と、
    前記測定部からの信号に基づいて前記巻線に流す電流量を制御する制御部と、
    を有することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の横方向磁束型回転電機。
  12. 請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の横方向磁束型回転電機を有する車輌。
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