JP6668844B2 - Rotating electric machine - Google Patents

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Description

本発明は、回転電機に関する。   The present invention relates to a rotating electric machine.

永久磁石の磁束を利用してトルクを出力する回転電機では、永久磁石による有効磁束量を可変することができる回転電機が知られている。例えば、特許文献１には、電機子巻線が巻かれた固定子と、該固定子と空隙を介して回転可能に設けられた回転子を有する回転電機において、固定子が回転軸方向に第１回転子と第２回転子とに二分割され、それぞれに極性の異なる界磁用磁石が回転方向に交互に配置された構造が記載されている。   As a rotating electric machine that outputs torque by using a magnetic flux of a permanent magnet, a rotating electric machine that can vary an effective magnetic flux amount by a permanent magnet is known. For example, Patent Literature 1 discloses a rotating electric machine having a stator on which an armature winding is wound and a rotor rotatably provided through a gap between the stator and the stator. A structure is described in which the rotor is divided into two parts, a first rotor and a second rotor, and field magnets having different polarities are alternately arranged in the rotation direction.

このような構造から、特許文献１に記載の回転電機は、トルクや回転数の変化に応じて第２回転子を動作させ、第１回転子の永久磁石の極性と第２回転子の永久磁石の極性との位置関係を可変することによって、永久磁石による有効磁束量を調整することができる。このとき、特許文献１に記載の回転電機は、第１回転子の永久磁石の極性と第２回転子の永久磁石の極性との相対的な位置関係を可変するにあたって、アクチュエータに入力された制御信号により第２回転子を所定状態に位置させるように制御している。   With such a structure, the rotating electric machine described in Patent Literature 1 operates the second rotor in accordance with a change in the torque or the number of revolutions, and determines the polarity of the permanent magnet of the first rotor and the permanent magnet of the second rotor. By changing the positional relationship with the polarity, the effective magnetic flux amount of the permanent magnet can be adjusted. At this time, the rotating electric machine described in Patent Document 1 changes the relative positional relationship between the polarity of the permanent magnet of the first rotor and the polarity of the permanent magnet of the second rotor, by controlling the input to the actuator. The second rotor is controlled to be in a predetermined state by a signal.

第２回転子を第１回転子から回転軸方向に離隔させた任意所定位置に移動させた状態では、固定子鉄心に設けられた磁気抵抗層によって回転軸方向に生じる磁束流れを遮断することができる。これにより、磁束可変型回転電機の高速回転領域における鉄損を低減することができる。   In a state where the second rotor is moved to an arbitrary predetermined position separated from the first rotor in the direction of the rotation axis, a magnetic flux flow generated in the direction of the rotation axis may be cut off by the magnetoresistive layer provided on the stator core. it can. Thereby, iron loss in the high-speed rotation region of the variable magnetic flux type rotating electric machine can be reduced.

特開２０１０−２４６１９６号公報JP 2010-246196 A

しかしながら、特許文献１に記載の回転電機は、上述したように、第２回転子を所定状態に位置させるため、アクチュエータや該アクチュエータを制御するための制御装置が必要である。また、第１回転子と第２回転子とが所定の位置関係となるように第２回転子を機械的に移動させていることから精密な制御が必要である。このため、低コストな構成で永久磁石の磁束を可変させることができない。   However, the rotating electric machine described in Patent Literature 1 requires an actuator and a control device for controlling the actuator in order to position the second rotor in a predetermined state, as described above. Further, precise control is required because the second rotor is mechanically moved so that the first rotor and the second rotor have a predetermined positional relationship. Therefore, the magnetic flux of the permanent magnet cannot be varied with a low-cost configuration.

本発明は、上述のような事情に鑑みてなされたもので、低コストな構成で永久磁石の磁束を可変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。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to provide a rotating electric machine that can vary the magnetic flux of a permanent magnet with a low-cost configuration.

本発明は、上記目的を達成するため、環状のステータコアを有するステータと、前記ステータの軸方向の少なくともいずれか一方の面側で前記ステータコアに対向する第１のロータコアを有する第１のロータと、前記ステータの径方向の内面側で前記ステータコアに対向する第２のロータコアを有する第２のロータと、を備える回転電機であって、前記ステータは、前記ステータコアに周方向に所定の間隔で配置された複数のステータティースと、隣り合う前記ステータティースの間にトロイダル巻された電機子コイルとを有し、前記第１のロータは、前記第１のロータコアに配置され前記ステータティースに軸方向に対向するロータティースと、前記ロータティースに巻かれ前記ステータ側で発生した磁束に基づいて誘導電流を誘起させる誘導コイルと、前記ロータティースに巻かれ前記誘導電流の通電によって磁界を発生させる界磁コイルとを有し、前記ロータティースには、前記誘導コイル及び前記界磁コイルが軸方向に層をなすようにして巻かれており、前記第２のロータは、前記ステータティースに径方向に対向する突極部を有し、当該突極部に永久磁石が内包され、前記第１のロータの前記ロータティースの磁極と前記第２のロータの前記永久磁石の磁極とは反対の磁極に形成されている。 In order to achieve the above object, the present invention provides a stator having an annular stator core, a first rotor having a first rotor core facing the stator core on at least one surface side in the axial direction of the stator, A second rotor having a second rotor core facing the stator core on a radially inner surface side of the stator, wherein the stator is disposed on the stator core at predetermined intervals in a circumferential direction. A plurality of stator teeth, and an armature coil that is toroidally wound between adjacent stator teeth, wherein the first rotor is disposed on the first rotor core and faces the stator teeth in the axial direction. And an induced current is induced based on the magnetic flux generated on the rotor side and the stator side wound around the rotor tooth. And guide coil, the wound in the rotor teeth and a magnetic coil field for generating a magnetic field by energization of the induction current, the rotor teeth, so that the induction coil and the field coil is layered in the axial direction The second rotor has a salient pole portion radially opposed to the stator teeth, a permanent magnet is included in the salient pole portion, and the rotor teeth of the first rotor are And the magnetic poles of the permanent magnets of the second rotor are opposite to each other .

本発明によれば、低コストな構成で永久磁石の磁束を可変させることができる回転電機を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a rotating electric machine capable of changing the magnetic flux of a permanent magnet with a low-cost configuration.

図１は、本発明の一実施の形態に係る回転電機の斜視図である。FIG. 1 is a perspective view of a rotating electric machine according to one embodiment of the present invention. 図２は、本発明の一実施の形態に係る回転電機の一部断面斜視図である。FIG. 2 is a partial cross-sectional perspective view of the rotating electric machine according to one embodiment of the present invention. 図３は、本発明の一実施の形態に係る回転電機を示す一部断面斜視図であって、電機子コイル、誘導コイルおよび界磁コイルを省略した図である。FIG. 3 is a partial cross-sectional perspective view showing the rotating electric machine according to one embodiment of the present invention, in which an armature coil, an induction coil, and a field coil are omitted. 図４は、本発明の一実施の形態に係る回転電機における誘導コイルおよび界磁コイルと整流回路との結線図である。FIG. 4 is a connection diagram of the rectifier circuit and the induction coil and the field coil in the rotary electric machine according to one embodiment of the present invention. 図５は、本発明の一実施の形態に係る回転電機を示す一部断面斜視図であって、第１のロータティースが、永久磁石の磁極と反対の磁極に磁化された状態を示す図である。FIG. 5 is a partial cross-sectional perspective view showing the rotary electric machine according to one embodiment of the present invention, showing a state where the first rotor teeth are magnetized to magnetic poles opposite to the magnetic poles of the permanent magnet. is there. 図６は、本発明の一実施の形態に係る回転電機の斜視図であって、永久磁石の磁束と界磁コイルの磁束とが打ち消し合う状態を示す図である。FIG. 6 is a perspective view of the rotating electric machine according to one embodiment of the present invention, showing a state where the magnetic flux of the permanent magnet and the magnetic flux of the field coil cancel each other. 図７は、本発明の一実施の形態に係る回転電機のロータが高回転しているときのロータからステータに鎖交する磁束量を示す模式図である。FIG. 7 is a schematic diagram showing the amount of magnetic flux linking from the rotor to the stator when the rotor of the rotary electric machine according to one embodiment of the present invention is rotating at a high speed. 図８は、本発明の一実施の形態に係る回転電機の、ロータの回転速度に対するロータからステータに鎖交する磁束量を示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing the amount of magnetic flux linked from the rotor to the stator with respect to the rotation speed of the rotor, in the rotating electric machine according to one embodiment of the present invention.

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８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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. 1 to 8 are diagrams illustrating a rotating electric machine according to one embodiment of the present invention.

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Ｗ相、Ｖ相、Ｕ相の三相の電機子コイル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。   As shown in FIGS. 1 and 2, the rotating electric machine 1 includes a stator 10 having three-phase armature coils 11 of W-phase, V-phase, and U-phase that generate a magnetic flux when energized, and a magnetic flux generated by the stator 10. And a rotor 20 that rotates by passing therethrough.

（ステータ）
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と、このステータコア１２に巻き回された電機子コイル１１とを備えている。ステータ１０は、ステータコア１２の外周面に設けられた非磁性体からなる図示しない連結片を介して図示しないモータケースに磁気的に遮断された状態で固定されている。これにより、例えば漏れ磁束の発生等が抑制される。 (Stator)
The stator 10 includes an annular stator core 12 made of a magnetic material having a high magnetic permeability, and an armature coil 11 wound around the stator core 12. Stator 10 is fixed to a motor case (not shown) in a magnetically isolated state via a connecting piece (not shown) made of a non-magnetic material provided on the outer peripheral surface of stator core 12. Thereby, for example, generation of a leakage magnetic flux is suppressed.

図２、図３に示すように、ステータコア１２には、このステータコア１２から軸方向の両側と径方向の内面側とに突出したステータティース１３が周方向に所定の間隔で複数形成されている。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１４が形成されている。ここで、軸方向とは、ロータ２０の回転軸２（図７参照）が延伸する方向を示す。径方向とは、ロータ２０の回転軸２が延伸する方向と直交する方向であり、回転軸２を中心として放射方向に示される。径方向の内方側とは、径方向においてロータ２０の回転軸２に近い側を示し、径方向の外方側とは、径方向においてロータ２０の回転軸２から遠い側を示す。周方向とは、ロータ２０の回転軸２を中心とする円周方向を示す。   As shown in FIGS. 2 and 3, the stator core 12 is formed with a plurality of stator teeth 13 projecting from the stator core 12 on both sides in the axial direction and on the inner surface side in the radial direction at predetermined intervals in the circumferential direction. Slots 14 that are groove-shaped spaces are formed between the stator teeth 13 that are adjacent in the circumferential direction. Here, the axial direction indicates a direction in which the rotation shaft 2 (see FIG. 7) of the rotor 20 extends. The radial direction is a direction orthogonal to the direction in which the rotation axis 2 of the rotor 20 extends, and is indicated in the radial direction with the rotation axis 2 as the center. The radially inner side indicates a side closer to the rotating shaft 2 of the rotor 20 in the radial direction, and the radially outer side indicates a side farther from the rotating shaft 2 of the rotor 20 in the radial direction. The circumferential direction indicates a circumferential direction around the rotation shaft 2 of the rotor 20.

電機子コイル１１は、ステータコア１２の周方向において隣り合うステータティース１３の間に形成されたスロット１４にトロイダル巻されている。Ｗ相、Ｖ相、Ｕ相の各電機子コイル１１は、集中巻によりスロット１４に巻き回されている。トロイダル巻とは、ステータコア１２の環の内側と外側を交互に通るよう周回させて、ステータコア１２に電機子コイル１１の巻線を巻き回す方法である。   The armature coil 11 is toroidally wound around a slot 14 formed between adjacent stator teeth 13 in the circumferential direction of the stator core 12. The W-phase, V-phase, and U-phase armature coils 11 are wound around the slots 14 by concentrated winding. The toroidal winding is a method in which the winding of the armature coil 11 is wound around the stator core 12 by alternately passing the inside and outside of the ring of the stator core 12.

電機子コイル１１は、断面が長方形の平角線からなり、エッジワイズ巻によるトロイダル巻の状態で、スロット１４に巻回されている。エッジワイズ巻とは、スロット１４に対して、平角線の短辺を回転電機１の径方向の内側と外側に対向させて、平角線を縦に巻き回す方法である。   The armature coil 11 is formed of a rectangular wire having a rectangular cross section, and is wound around the slot 14 in a toroidal winding state by edgewise winding. The edgewise winding is a method of winding the rectangular wire vertically with the short side of the rectangular wire facing the inside and outside in the radial direction of the rotary electric machine 1 with respect to the slot 14.

これにより、巻ピッチ方向に隣り合う平角線同士が長辺で面接触するため、電流に応じた断面積を維持したまま巻数を増加できる。このため、電機子コイル１１の占積率を向上でき、ステータ１０の起磁力を増大できる。   Thereby, the rectangular wires adjacent to each other in the winding pitch direction are in surface contact with each other on the long side, so that the number of windings can be increased while maintaining the cross-sectional area according to the current. Therefore, the space factor of the armature coil 11 can be improved, and the magnetomotive force of the stator 10 can be increased.

ステータティース１３は、ステータコア１２の軸方向の一方側及び他方側の側面部１３ａと、ステータコア１２の径方向の内面部１３ｂとを有している。ステータティース１３の側面部１３ａには、後述する第１のロータティース２１２が軸方向に対向するようになっている。ステータティース１３の内面部１３ｂには、後述する第２のロータティース２２２が径方向に対向するようになっている。   The stator teeth 13 have side surfaces 13 a on one side and the other side in the axial direction of the stator core 12, and a radial inner surface 13 b of the stator core 12. A first rotor tooth 212, which will be described later, faces the side surface portion 13 a of the stator tooth 13 in the axial direction. A second rotor tooth 222, which will be described later, faces the inner surface 13b of the stator tooth 13 in the radial direction.

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（以下、この磁束を「主磁束」という）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。   The stator 10 generates a rotating magnetic field that rotates in the circumferential direction when the three-phase alternating current is supplied to the armature coil 11. The magnetic flux generated in the stator 10 (hereinafter, this magnetic flux is referred to as “main magnetic flux”) is linked to the rotor 20. Thereby, the stator 10 can rotate the rotor 20.

具体的には、電機子コイル１１は、ステータティース１３の周方向における両隣に配置されており、この一対の電機子コイル１１は、一方の電機子コイル１１から発生する磁束と、他方の電機子コイル１１から発生する磁束とで、磁束の方向が周方向において反対方向となるように、その巻方向及び通電方向が設定されている。   Specifically, the armature coils 11 are arranged on both sides in the circumferential direction of the stator teeth 13, and the pair of armature coils 11 includes a magnetic flux generated from one armature coil 11 and a magnetic flux generated from the other armature coil. The winding direction and the energizing direction are set such that the direction of the magnetic flux generated by the coil 11 is opposite to the circumferential direction.

これにより、例えば一方の電機子コイル１１がＶ＋相で、他方の電機子コイル１１がＶ−相の場合、この一対の電機子コイル１１から発生する磁束は、一対の電機子コイル１１によって挟まれるステータティース１３に向かい、ステータティース１３においてぶつかり合うように発生する。そして、ステータティース１３で発生した磁束は、ステータコア１２の周方向と直交する側の方向に向きを変え、ステータティース１３からロータ２０に向かう。   Thus, for example, when one armature coil 11 is in the V + phase and the other armature coil 11 is in the V− phase, the magnetic flux generated from the pair of armature coils 11 is sandwiched by the pair of armature coils 11. It occurs toward the stator teeth 13 so as to collide with the stator teeth 13. The magnetic flux generated by the stator teeth 13 changes its direction in a direction orthogonal to the circumferential direction of the stator core 12 and travels from the stator teeth 13 to the rotor 20.

そして、ロータ２０に向かった磁束の一部は、後述する第１のロータコア２１１及び第２のロータコア２２１を通過した後、Ｗ＋相とＷ−相の一対の電機子コイル１１によって挟まれたステータティース１３に向かう。また、ロータ２０に向かった磁束の一部は、後述する第１のロータコア２１１及び第２のロータコア２２１を通過した後、Ｕ＋相とＵ−相の一対の電機子コイル１１によって挟まれたステータティース１３に向かう。   Then, a part of the magnetic flux toward the rotor 20 passes through a first rotor core 211 and a second rotor core 221 to be described later, and then the stator teeth sandwiched by the pair of W + and W− phase armature coils 11. Go to 13. Further, a part of the magnetic flux toward the rotor 20 passes through a first rotor core 211 and a second rotor core 221 to be described later, and then the stator teeth sandwiched by the pair of U + phase and U− phase armature coils 11. Go to 13.

このように、ステータティース１３とロータ２０とが対向する面では、電機子コイル１１で発生した磁束の磁気回路が構成される。回転電機１は、ステータティース１３とロータ２０とが対向する面をトルク発生面としてロータ２０を回転させる。   Thus, on the surface where the stator teeth 13 and the rotor 20 face each other, a magnetic circuit of the magnetic flux generated by the armature coil 11 is formed. The rotating electric machine 1 rotates the rotor 20 using a surface where the stator teeth 13 and the rotor 20 face each other as a torque generating surface.

また、ステータ１０は、上述の通り、電機子コイル１１がトロイダル巻で、かつ集中巻されている。このため、電機子コイル１１に三相交流を供給した場合、ステータ１０には、ロータ２０の回転と同期して回転する回転磁界の他に、ロータ２０の回転と非同期の高調波回転磁界が発生する。この高調波回転磁界には、静止座標系における第２次空間高調波（同期回転座標系における第３次時間高調波）が含まれる。したがって、ステータ１０で発生する磁束には、高調波成分が重畳されていることとなる。   As described above, the armature coil 11 of the stator 10 is toroidally wound and concentratedly wound. For this reason, when a three-phase alternating current is supplied to the armature coil 11, in addition to a rotating magnetic field that rotates in synchronization with the rotation of the rotor 20, a harmonic rotating magnetic field that is asynchronous with the rotation of the rotor 20 is generated in the stator 10. I do. The harmonic rotating magnetic field includes a second spatial harmonic in the stationary coordinate system (a third time harmonic in the synchronous rotating coordinate system). Therefore, a harmonic component is superimposed on the magnetic flux generated in the stator 10.

（ロータ）
図１、図２、図３に示すように、ロータ２０は、軸方向においてステータ１０を挟むようにして配置された一対のアキシャルギャップロータ２１０と、ステータコア１２の径方向の内方側に配置されたラジアルギャップロータ２２０とを含んで構成されている。 (Rotor)
As shown in FIGS. 1, 2, and 3, the rotor 20 includes a pair of axial gap rotors 210 arranged so as to sandwich the stator 10 in the axial direction, and a radially arranged radially inner side of the stator core 12. The gap rotor 220 is included.

一対のアキシャルギャップロータ２１０とラジアルギャップロータ２２０とは、互いに同期して回転するように回転軸２（図７参照）に対して一体回転可能に固定されている。一対のアキシャルギャップロータ２１０とラジアルギャップロータ２２０とは、一体化されていてもよい。   The pair of axial gap rotors 210 and the radial gap rotor 220 are integrally rotatably fixed to the rotating shaft 2 (see FIG. 7) so as to rotate in synchronization with each other. The pair of axial gap rotors 210 and the radial gap rotor 220 may be integrated.

一対のアキシャルギャップロータ２１０のそれぞれは、高透磁率の磁性材料からなる環状の第１のロータコア２１１と、誘導コイル２１５と、界磁コイル２１６とを備えている。第１のロータコア２１１には、第１のロータコア２１１から軸方向のステータ１０側に向けて突出した第１のロータティース２１２が第１のロータコア２１１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。   Each of the pair of axial gap rotors 210 includes an annular first rotor core 211 made of a magnetic material having a high magnetic permeability, an induction coil 215, and a field coil 216. The first rotor core 211 includes a plurality of first rotor teeth 212 protruding from the first rotor core 211 toward the stator 10 in the axial direction at predetermined intervals along the circumferential direction of the first rotor core 211. Is formed.

第１のロータティース２１２は、ステータコア１２の軸方向の両面側、すなわちステータコア１２の軸方向の一方側及び他方側でステータティース１３に対向するようになっている。   The first rotor teeth 212 face the stator teeth 13 on both axial sides of the stator core 12, that is, on one side and the other side in the axial direction of the stator core 12.

第１のロータティース２１２には、誘導コイル２１５及び界磁コイル２１６が軸方向に層をなすようにして巻かれている。誘導コイル２１５及び界磁コイル２１６は、いずれも絶縁材料で被覆した巻線からなる。   An induction coil 215 and a field coil 216 are wound around the first rotor teeth 212 so as to form layers in the axial direction. Each of the induction coil 215 and the field coil 216 is formed of a winding covered with an insulating material.

誘導コイル２１５は、界磁コイル２１６よりもステータ１０側に配置されている。誘導コイル２１５は、ステータ１０側で発生した磁束に重畳された高調波成分に基づいて誘導電流を発生するようになっている。   The induction coil 215 is disposed closer to the stator 10 than the field coil 216. The induction coil 215 generates an induction current based on a harmonic component superimposed on the magnetic flux generated on the stator 10 side.

具体的には、三相交流が電機子コイル１１に供給されてステータ１０に回転磁界が発生すると、ステータ１０側で発生した高調波成分の磁束が誘導コイル２１５に鎖交する。これにより、誘導コイル２１５は、誘導電流を誘起させる。   Specifically, when a three-phase alternating current is supplied to the armature coil 11 and a rotating magnetic field is generated in the stator 10, the magnetic flux of the harmonic component generated on the stator 10 is linked to the induction coil 215. Thereby, the induction coil 215 induces an induced current.

界磁コイル２１６は、誘導コイル２１５よりも第１のロータコア２１１側に配置されている。界磁コイル２１６は、誘導コイル２１５で発生した誘導電流が整流されて供給されることにより磁界を発生させるようになっている。   The field coil 216 is disposed closer to the first rotor core 211 than the induction coil 215 is. The field coil 216 generates a magnetic field by rectifying and supplying an induced current generated by the induction coil 215.

これにより、第１のロータティース２１２を電磁石として機能させることができ、ステータティース１３と第１のロータティース２１２とが対向する面をトルク発生面として機能させることができる。   Thereby, the first rotor teeth 212 can function as an electromagnet, and the surface of the stator teeth 13 and the first rotor teeth 212 facing each other can function as a torque generating surface.

ラジアルギャップロータ２２０は、高透磁率の磁性材料からなり回転軸２（図７参照）に対して一体回転可能に固定された第２のロータコア２２１と、永久磁石２２３とを有する。   The radial gap rotor 220 has a second rotor core 221 made of a magnetic material having high magnetic permeability and fixed so as to be able to rotate integrally with the rotating shaft 2 (see FIG. 7), and a permanent magnet 223.

第２のロータコア２２１には、第２のロータコア２２１から径方向の外方に向けて突出した第２のロータティース２２２が第２のロータコア２２１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。   A plurality of second rotor teeth 222 protruding radially outward from the second rotor core 221 are formed on the second rotor core 221 at predetermined intervals along the circumferential direction of the second rotor core 221. Have been.

第２のロータティース２２２は、ステータコア１２の径方向の内面側においてステータティース１３と対向するようになっている。第２のロータティース２２２は、本発明における突極部を構成する。第２のロータティース２２２には、永久磁石２２３が配置されている。   The second rotor teeth 222 face the stator teeth 13 on the radially inner side of the stator core 12. The second rotor teeth 222 constitute a salient pole in the present invention. A permanent magnet 223 is arranged on the second rotor tooth 222.

永久磁石２２３は、例えばネオジウム磁石（Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石）で構成されており、第２のロータティース２２２に内包されている。   The permanent magnet 223 is made of, for example, a neodymium magnet (Nd-Fe-B magnet), and is included in the second rotor teeth 222.

（整流回路）
また、回転電機１は、誘導コイル２１５で発生した誘導電流を整流して界磁コイル２１６に供給する整流回路３０を備えている。 (Rectifier circuit)
The rotating electric machine 1 further includes a rectifier circuit 30 that rectifies the induced current generated in the induction coil 215 and supplies the rectified current to the field coil 216.

図４に示すように、整流回路３０は、２つのダイオードＤ１，Ｄ２を整流素子として備え、これらダイオードＤ１，Ｄ２と２つの誘導コイル２１５、および２つの界磁コイル２１６を結線した閉回路として構成されている。整流回路３０は、ロータ２０の軸方向の一方側及び他方側の誘導コイル２１５及び界磁コイル２１６のそれぞれに対応するように、ロータ２０の軸方向の一方側及び他方側にそれぞれ設けられる。   As shown in FIG. 4, the rectifier circuit 30 includes two diodes D1 and D2 as rectifier elements, and is configured as a closed circuit in which the diodes D1 and D2 are connected to two induction coils 215 and two field coils 216. Have been. The rectifier circuit 30 is provided on one side and the other side in the axial direction of the rotor 20 so as to correspond to the induction coil 215 and the field coil 216 on one side and the other side in the axial direction of the rotor 20, respectively.

整流回路３０における２つの誘導コイル２１５は、アキシャルギャップロータ２１０の周方向に隣り合う誘導コイル２１５である。２つの界磁コイル２１６は、ラジアルギャップロータ２２０の周方向に隣り合う界磁コイル２１６である。   The two induction coils 215 in the rectifier circuit 30 are induction coils 215 that are circumferentially adjacent to the axial gap rotor 210. The two field coils 216 are field coils 216 that are adjacent in the circumferential direction of the radial gap rotor 220.

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アキシャルギャップロータ２１０又はラジアルギャップロータ２２０に設けられている。ダイオードＤ１，Ｄ２は、アキシャルギャップロータ２１０又はラジアルギャップロータ２２０の内部に実装するようにしてもよい。   The diodes D1 and D2 are provided on the axial gap rotor 210 or the radial gap rotor 220, for example, in a state housed in a diode case (not shown). The diodes D1 and D2 may be mounted inside the axial gap rotor 210 or the radial gap rotor 220.

整流回路３０において、２つの誘導コイル２１５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、直列接続されている２つの界磁コイル２１６に界磁電流として供給される。２つの界磁コイル２１６は、直流電流が供給されることにより誘導磁束を発生させる。   In the rectifier circuit 30, the alternating current induced by the two induction coils 215 is rectified by the diodes D1 and D2, and the rectified DC current is supplied to the two field coils 216 connected in series as field currents. Supplied. The two field coils 216 generate an induced magnetic flux when supplied with a direct current.

本実施形態では、直流電流により、２つの界磁コイル２１６が反対方向の誘導磁束を発生させるようになっている。具体的には、一方の界磁コイル２１６が巻回された第１のロータティース２１２はＮ極に磁化され、他方の界磁コイル２１６が巻回された第１のロータティース２１２はＳ極に磁化されるように、界磁コイル２１６の巻方向が設定されている。また、図５に示すように、第１のロータティース２１２の磁極と、この第１のロータティース２１２と周方向で同位置にある永久磁石２２３の磁極とが反対の磁極に形成されるように、界磁コイル２１６の巻方向が設定されている。   In the present embodiment, the two field coils 216 generate induced magnetic fluxes in opposite directions by a DC current. Specifically, the first rotor tooth 212 wound with one field coil 216 is magnetized to the N pole, and the first rotor tooth 212 wound with the other field coil 216 is magnetized to the S pole. The winding direction of the field coil 216 is set so as to be magnetized. Also, as shown in FIG. 5, the magnetic pole of the first rotor tooth 212 and the magnetic pole of the permanent magnet 223 located at the same position in the circumferential direction as the first rotor tooth 212 are formed in opposite magnetic poles. , The winding direction of the field coil 216 is set.

（回転電機の作用）
次に、図６、図７及び図８を参照して、本実施の形態に係る回転電機１の作用について説明する。 (Operation of rotating electric machine)
Next, an operation of the rotating electric machine 1 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.

本実施の形態に係る回転電機１は、以上説明したように、ロータ２０に永久磁石２２３を備え、その永久磁石２２３の磁束を利用してトルクを出力する永久磁石型同期モータである。   As described above, the rotating electric machine 1 according to the present embodiment is a permanent magnet type synchronous motor that includes the permanent magnet 223 on the rotor 20 and outputs torque using the magnetic flux of the permanent magnet 223.

従来の永久磁石型同期モータでは、永久磁石の磁束が一定のため、ロータの回転速度が上昇するにつれて永久磁石の磁束によってステータの電機子コイルに生じる逆起電力が増加する。そして、ロータの回転速度がある回転速度に達すると、電機子コイルに生じた逆起電力が永久磁石型同期モータの電源電圧と等しくなる。これにより、永久磁石型同期モータにはそれ以上電流を流すことができなくなる。この結果、ロータの回転速度を上昇させることができなくなってしまう。   In the conventional permanent magnet type synchronous motor, since the magnetic flux of the permanent magnet is constant, the back electromotive force generated in the armature coil of the stator by the magnetic flux of the permanent magnet increases as the rotation speed of the rotor increases. When the rotation speed of the rotor reaches a certain rotation speed, the back electromotive force generated in the armature coil becomes equal to the power supply voltage of the permanent magnet type synchronous motor. As a result, no more current can flow through the permanent magnet type synchronous motor. As a result, the rotation speed of the rotor cannot be increased.

従来、こうした問題を解決するために、ステータの電機子コイルに永久磁石による磁束を打ち消す電流を流すことにより電機子コイルに生じる逆起電力を等価的に低減させる弱め界磁制御が行われていた。   Conventionally, in order to solve such a problem, field weakening control has been performed in which a back electromotive force generated in the armature coil is equivalently reduced by flowing a current through the armature coil of the stator to cancel the magnetic flux generated by the permanent magnet.

しかしながら、この弱め界磁制御は、永久磁石の磁束を打ち消す方向の磁束を発生させるべく電流を流すことから、トルクに寄与しない磁束を発生させることになる。このため、出力に対して無駄なエネルギを消費しており、効率の低下を招いていた。   However, this field-weakening control generates a magnetic flux that does not contribute to the torque because a current is applied to generate a magnetic flux in a direction to cancel the magnetic flux of the permanent magnet. For this reason, useless energy is consumed for the output, and the efficiency is reduced.

また、弱め界磁制御では、高調波磁束が生じるため、その高調波磁束に起因して永久磁石型同期モータの鉄損や電磁振動が増加するおそれがある。さらに、弱め界磁制御では、永久磁石の磁束に対して逆向きの磁束を発生させて永久磁石の磁束を抑え込むため、永久磁石の不可逆減磁が生じるおそれがある。このため、比較的保磁力の高い永久磁石を用いる必要があり、コストが増加してしまう。   Further, in the field-weakening control, since a harmonic magnetic flux is generated, there is a possibility that iron loss and electromagnetic vibration of the permanent magnet type synchronous motor increase due to the harmonic magnetic flux. Further, in the field-weakening control, a magnetic flux in the opposite direction to the magnetic flux of the permanent magnet is generated to suppress the magnetic flux of the permanent magnet, so that irreversible demagnetization of the permanent magnet may occur. For this reason, it is necessary to use a permanent magnet having a relatively high coercive force, which increases the cost.

また、永久磁石としてネオジウム磁石を用いた場合には、弱め界磁制御による外部磁場の変動により永久磁石に渦電流が生じ、永久磁石が発熱する。この発熱によって永久磁石の不可逆減磁が生じるおそれがある。したがって、耐熱性の高いレアアース等の材料を永久磁石に添加する必要がある。しかし、この場合には、添加されたレアアース等の材料が永久磁石にとって不純物となるため、永久磁石本来の性能を発揮させることができないおそれがある。   When a neodymium magnet is used as the permanent magnet, an eddy current is generated in the permanent magnet due to a change in the external magnetic field due to the field weakening control, and the permanent magnet generates heat. This heat may cause irreversible demagnetization of the permanent magnet. Therefore, it is necessary to add a material such as a rare earth having high heat resistance to the permanent magnet. However, in this case, since the added material such as rare earth becomes an impurity for the permanent magnet, there is a possibility that the intrinsic performance of the permanent magnet cannot be exhibited.

そこで、本実施の形態に係る回転電機１では、弱め界磁制御を行わずに、上述した界磁コイル２１６の作用によって、永久磁石２２３からステータ１０に鎖交する磁束量を調整可能な構成とした。これにより、本実施の形態に係る回転電機１は、上述したような弱め界磁制御による問題を解決することができる。   Therefore, the rotating electric machine 1 according to the present embodiment has a configuration in which the amount of magnetic flux linked from the permanent magnet 223 to the stator 10 can be adjusted by the operation of the field coil 216 described above without performing the field-weakening control. Thereby, the rotating electric machine 1 according to the present embodiment can solve the problem caused by the field weakening control as described above.

（ロータ低回転時）
本実施の形態に係る回転電機１においてロータ２０の回転速度が低いときは、ステータ１０に高調波成分の磁束が発生していないか、あるいは発生していても微量である。このため、界磁コイル２１６は、誘導磁束を発生してないか、あるいは発生していても微量である。 (At low rotor speed)
In the rotating electric machine 1 according to the present embodiment, when the rotation speed of rotor 20 is low, the magnetic flux of the harmonic component is not generated in stator 10, or even if generated, the amount is small. For this reason, the field coil 216 does not generate an induced magnetic flux, or generates a very small amount even if it does.

このため、第１のロータティース２１２は、Ｎ極またはＳ極の何れにも磁化されないか、磁化されても微量である。したがって、永久磁石２２３の磁束の全てがステータ１０に鎖交する。   For this reason, the first rotor teeth 212 are not magnetized in either the N pole or the S pole, or a very small amount is magnetized. Therefore, all of the magnetic flux of the permanent magnet 223 links with the stator 10.

このように、ロータ２０の回転速度が低いときは、ロータ２０の回転速度が高いときと比べて永久磁石２２３からステータ１０に鎖交する磁束の磁束量を増加させることができる。   As described above, when the rotation speed of the rotor 20 is low, the amount of magnetic flux linked to the stator 10 from the permanent magnet 223 can be increased as compared with when the rotation speed of the rotor 20 is high.

（ロータ高回転時）
一方、本実施の形態に係る回転電機１においてロータ２０の回転速度が高いときは、ステータ１０に高調波成分の磁束が発生する。その高調波成分の磁束の磁束量は、ロータ２０の回転速度が上昇するにつれて増加する。 (At high rotor speed)
On the other hand, in the rotating electric machine 1 according to the present embodiment, when the rotation speed of the rotor 20 is high, a magnetic flux of a harmonic component is generated in the stator 10. The amount of magnetic flux of the harmonic component increases as the rotation speed of the rotor 20 increases.

これにより、アキシャルギャップロータ２１０の誘導コイル２１５において誘導電流が誘起され、この誘起された誘導電流が整流回路３０によって整流されて直流電流として界磁コイル２１６に供給される。   Thus, an induced current is induced in the induction coil 215 of the axial gap rotor 210, and the induced current is rectified by the rectifier circuit 30 and supplied to the field coil 216 as a DC current.

直流電流が供給された界磁コイル２１６は、周方向における同じ位置に相当する永久磁石２２３の磁極とは反対の磁極となるよう、第１のロータティース２１２を磁化する方向に磁束を発生させる。すなわち、図５に示すように、第１のロータティース２１２の磁極と永久磁石２２３の磁極とは反対の磁極に形成される。   The field coil 216 supplied with the DC current generates a magnetic flux in a direction for magnetizing the first rotor teeth 212 so as to be a magnetic pole opposite to the magnetic pole of the permanent magnet 223 corresponding to the same position in the circumferential direction. That is, as shown in FIG. 5, the magnetic pole of the first rotor tooth 212 and the magnetic pole of the permanent magnet 223 are formed in opposite magnetic poles.

このため、図６に示すように、界磁コイル２１６による磁束の磁路（白抜きの矢印で示す）が、軸方向および径方向の両方で、永久磁石２２３による磁束の磁路（黒塗りの矢印で示す）とは逆方向に発生する。この逆向きの磁路は、ステータ１０のステータコア１２において打ち消し合う。   For this reason, as shown in FIG. 6, the magnetic path of the magnetic flux by the field coil 216 (indicated by a white arrow) is the magnetic path of the magnetic flux by the permanent magnet 223 (in black) in both the axial direction and the radial direction. (Indicated by an arrow). This reverse magnetic path cancels out in the stator core 12 of the stator 10.

したがって、図７に示すように、永久磁石２２３の磁束のうち、界磁コイル２１６の磁束によって打ち消されなかった磁束が、ステータ１０に鎖交する。また、永久磁石２２３の磁束の一部が、ステータコア１２の軸方向の端部において、ギャップ（空隙）を通過して第１のロータティース２１２側に流れる。この結果、永久磁石２２３からステータ１０に鎖交する磁束の磁束量が抑えられる。   Therefore, as shown in FIG. 7, of the magnetic flux of the permanent magnet 223, the magnetic flux that is not canceled by the magnetic flux of the field coil 216 links with the stator 10. In addition, a part of the magnetic flux of the permanent magnet 223 flows toward the first rotor teeth 212 through the gap (gap) at the axial end of the stator core 12. As a result, the amount of magnetic flux linked from the permanent magnet 223 to the stator 10 is suppressed.

また、図８において、回転数Ｒ１より小さい領域では、第１のロータティース２１２に磁極が形成されず、径方向において永久磁石２２３の磁束がステータ１０に鎖交する。また、回転数Ｒ１より大きい領域では、第１のロータティース２１２の磁極が永久磁石２２３の磁極とは反対の磁極に形成されるので、径方向と軸方向において永久磁石２２３の磁束がステータ１０に鎖交し、永久磁石２２３からステータ１０に鎖交する磁束の磁束量が抑えられる。また、ロータ２０の回転数が高くなるに連れて、誘導コイル２１５に誘起される誘導電流が多くなり、永久磁石２２３からステータ１０に鎖交する磁束の磁束量が減少する。   In FIG. 8, in a region smaller than the rotation speed R <b> 1, no magnetic pole is formed in the first rotor teeth 212, and the magnetic flux of the permanent magnet 223 links with the stator 10 in the radial direction. Further, in a region higher than the rotation speed R1, the magnetic poles of the first rotor teeth 212 are formed on the magnetic poles opposite to the magnetic poles of the permanent magnets 223, so that the magnetic flux of the permanent magnets 223 is applied to the stator 10 in the radial and axial directions. The amount of magnetic flux linked to the stator 10 from the permanent magnet 223 is suppressed. Further, as the rotation speed of the rotor 20 increases, the induced current induced in the induction coil 215 increases, and the amount of magnetic flux linked from the permanent magnet 223 to the stator 10 decreases.

したがって、ロータ２０の回転速度が高い場合であっても弱め界磁制御を不要とすることができる。このため、弱め界磁制御により生ずる高調波磁束に起因した鉄損や電磁振動を防止することができる。   Therefore, even if the rotation speed of the rotor 20 is high, the field weakening control can be unnecessary. For this reason, it is possible to prevent iron loss and electromagnetic vibration caused by harmonic magnetic flux generated by the field weakening control.

さらに、弱め界磁制御を不要としたので、保磁力の高い永久磁石を用いる必要がなく、また耐熱性の高いレアアース等の材料を永久磁石に添加する必要もない。これにより、回転電機１のコストを低減させることができる。   Further, since the field-weakening control is not required, there is no need to use a permanent magnet having a high coercive force, and it is not necessary to add a material such as a rare earth having high heat resistance to the permanent magnet. Thereby, the cost of the rotary electric machine 1 can be reduced.

このように、本実施の形態に係る回転電機１では、弱め界磁制御を行わずに永久磁石２２３からステータ１０に鎖交する磁束量を調整可能としたので、ロータ２０の回転速度が高いときであっても効率の低下を防止することができる。また、ロータ２０の回転速度が低いときには出力の向上を図ることができる。   As described above, in the rotating electric machine 1 according to the present embodiment, the amount of magnetic flux linked from the permanent magnet 223 to the stator 10 can be adjusted without performing the field-weakening control, so that the rotation speed of the rotor 20 is high. However, a decrease in efficiency can be prevented. Further, when the rotation speed of the rotor 20 is low, the output can be improved.

以上のように、本実施の形態の回転電機１によれば、ステータ１０側で発生した磁束に重畳された高調波成分に基づきアキシャルギャップロータ２１０の誘導コイル２１５に誘導電流を発生させて、その誘導電流を整流回路３０で整流して界磁コイル２１６に供給する。これにより、磁路部材２２５内を短絡する永久磁石２２３の漏れ磁束の磁束量を調整することができる。   As described above, according to the rotating electric machine 1 of the present embodiment, the induction current is generated in the induction coil 215 of the axial gap rotor 210 based on the harmonic component superimposed on the magnetic flux generated on the stator 10 side. The induced current is rectified by the rectifier circuit 30 and supplied to the field coil 216. Thus, the amount of leakage magnetic flux of the permanent magnet 223 that short-circuits the inside of the magnetic path member 225 can be adjusted.

また、ステータ１０側で発生した磁束に重畳される高調波成分は、ステータ１０にトロイダル巻で、かつ集中巻された電機子コイル１１に三相交流を供給することによって得られる。このため、界磁コイル２１６に供給される直流電流を発生させるために、例えばＤＣ／ＤＣコンバータ等の特別な装置を必要としない。   The harmonic component superimposed on the magnetic flux generated on the stator 10 side is obtained by supplying a three-phase alternating current to the armature coil 11 which is wound in a toroidal manner on the stator 10 and concentrated. Therefore, a special device such as a DC / DC converter is not required to generate the DC current supplied to the field coil 216.

これによって、本実施の形態の回転電機１は、例えばＤＣ／ＤＣコンバータ等の特別な装置を利用することなく簡易な構成で、永久磁石２２３からステータ１０に鎖交する磁束の磁束量を調整することができる。この結果、本実施の形態の回転電機１は、低コストな構成で永久磁石２２３の磁束を可変させることができる。   Thus, the rotating electric machine 1 of the present embodiment adjusts the amount of magnetic flux linked to the stator 10 from the permanent magnet 223 with a simple configuration without using a special device such as a DC / DC converter. be able to. As a result, the rotating electric machine 1 of the present embodiment can change the magnetic flux of the permanent magnet 223 with a low-cost configuration.

回転電機１は、例えば車載用の電動機、風力発電用の発電機や工作機械用の電動機として好適に採用することができる。   The rotating electric machine 1 can be suitably adopted, for example, as a motor for a vehicle, a generator for a wind power generator, or a motor for a machine tool.

なお、本実施の形態では、第１のロータティース２１２がステータコア１２の軸方向の両面側に対向するように設けられているが、これに限らず、例えばステータコア１２の軸方向の一方側の側面又は他方側の側面に対向するように設けられてもよい。すなわち、第１のロータティース２１２は、ステータコア１２の軸方向の一方側の側面及び他方側の側面のうち、いずれか一方の側面側にのみ設ける構成であってもよい。この場合、軸方向の片側のアキシャルギャップロータ２１０のみを採用した分、回転電機１の体格を小さくすることができる。   In the present embodiment, the first rotor teeth 212 are provided so as to face both axial sides of the stator core 12. However, the present invention is not limited to this, and, for example, one side surface of the stator core 12 in the axial direction is provided. Alternatively, it may be provided so as to face the side surface on the other side. That is, the first rotor teeth 212 may be provided only on one of the one side surface and the other side surface of the stator core 12 in the axial direction. In this case, since only the axial gap rotor 210 on one side in the axial direction is employed, the size of the rotating electric machine 1 can be reduced.

また、本実施の形態の回転電機１は、ステータの径方向の内側にアウタロータ及びインナロータの２つのロータを備える、ダブルロータタイプの回転電機にも適用可能である。この場合、電機子コイルは、ステータに集中巻されるが、トロイダル巻は採用されない。また、このダブルロータタイプの回転電機では、アウタロータに誘導コイルが配置され、インナロータに永久磁石、磁路部材及び可変界磁コイルが配置される。なお、前述のアウタロータとインナロータの構成は、逆であってもよい。   The rotating electric machine 1 of the present embodiment is also applicable to a double-rotor-type rotating electric machine including two rotors, an outer rotor and an inner rotor, inside the stator in the radial direction. In this case, the armature coil is concentratedly wound around the stator, but no toroidal winding is employed. In this double-rotor type rotating electric machine, an induction coil is arranged on an outer rotor, and a permanent magnet, a magnetic path member and a variable field coil are arranged on an inner rotor. The configuration of the outer rotor and the inner rotor may be reversed.

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。   While embodiments of the present invention have been disclosed, it will be apparent that modifications may be made by those skilled in the art without departing from the scope of the invention. All such modifications and equivalents are intended to be included in the following claims.

１ 回転電機
２ 回転軸
１０ ステータ
１１ 電機子コイル
１２ ステータコア
１３ ステータティース
１３ａ 側面部
１３ｂ 内面部
２０ ロータ
３０ 整流回路
２１０ アキシャルギャップロータ
２１１ 第１のロータコア
２１２ 第１のロータティース
２１５ 誘導コイル
２１６ 界磁コイル
２２０ ラジアルギャップロータ
２２１ 第２のロータコア
２２２ 第２のロータティース（突極部）
２２３ 永久磁石
Ｄ１，Ｄ２ ダイオード REFERENCE SIGNS LIST 1 rotating electric machine 2 rotating shaft 10 stator 11 armature coil 12 stator core 13 stator teeth 13a side surface 13b inner surface 20 rotor 30 rectifying circuit 210 axial gap rotor 211 first rotor core 212 first rotor tooth 215 induction coil 216 field coil 220 Radial gap rotor 221 Second rotor core 222 Second rotor tooth (salient pole portion)
223 Permanent magnet D1, D2 Diode

Claims (2)

環状のステータコアを有するステータと、
前記ステータの軸方向の少なくともいずれか一方の面側で前記ステータコアに対向する第１のロータコアを有する第１のロータと、
前記ステータの径方向の内面側で前記ステータコアに対向する第２のロータコアを有する第２のロータと、を備える回転電機であって、
前記ステータは、
前記ステータコアに周方向に所定の間隔で配置された複数のステータティースと、
隣り合う前記ステータティースの間にトロイダル巻された電機子コイルとを有し、
前記第１のロータは、
前記第１のロータコアに配置され前記ステータティースに軸方向に対向するロータティースと、
前記ロータティースに巻かれ前記ステータ側で発生した磁束に基づいて誘導電流を誘起させる誘導コイルと、
前記ロータティースに巻かれ前記誘導電流の通電によって磁界を発生させる界磁コイルとを有し、
前記ロータティースには、前記誘導コイル及び前記界磁コイルが軸方向に層をなすようにして巻かれており、
前記第２のロータは、
前記ステータティースに径方向に対向する突極部を有し、当該突極部に永久磁石が内包され、
前記第１のロータの前記ロータティースの磁極と前記第２のロータの前記永久磁石の磁極とは反対の磁極に形成されていることを特徴とする回転電機。 A stator having an annular stator core;
A first rotor having a first rotor core facing the stator core on at least one side in the axial direction of the stator;
A second rotor having a second rotor core facing the stator core on a radially inner surface side of the stator,
The stator is
A plurality of stator teeth arranged at predetermined intervals in a circumferential direction on the stator core;
Having an armature coil that is toroidally wound between the adjacent stator teeth,
The first rotor includes:
Rotor teeth disposed on the first rotor core and axially opposed to the stator teeth;
An induction coil wound on the rotor teeth to induce an induction current based on a magnetic flux generated on the stator side;
A field coil that is wound around the rotor teeth and generates a magnetic field by passing the induced current,
On the rotor teeth, the induction coil and the field coil are wound in layers in the axial direction,
The second rotor,
It has a salient pole portion radially opposed to the stator teeth, and a permanent magnet is included in the salient pole portion,
A rotating electric machine , wherein a magnetic pole of the rotor teeth of the first rotor and a magnetic pole of the permanent magnet of the second rotor are formed in opposite magnetic poles . 前記ロータティースには、前記誘導コイル及び前記界磁コイルが軸方向に層をなすようにして巻かれていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。 The rotating electric machine according to claim 1 , wherein the induction coil and the field coil are wound around the rotor teeth so as to form a layer in an axial direction .
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