JP2009142120A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機において、回転電機のトルクを有効に高くすることである。
【解決手段】ロータ４０の周方向複数個所に、永久磁石２６を、周方向に隣り合うもの同士で着磁方向が異なるように配置する。ロータ４０の周方向複数個所に位置するインダクタンスが低いｄ軸磁路に、ロータ巻線４２ｎ，４２ｓを配置する。ロータ巻線４２ｎ，４２ｓに一方向ダイオード２２または他方向ダイオード２４をそれぞれ並列に接続する。ロータ巻線４２ｎ，４２ｓに誘導電流を流すことにより、ロータ巻線４２ｎ，４２ｓが巻装された磁極部１８のうち、ロータ４０の周方向に隣り合う磁極部１８の磁気特性を互いに異ならせる。永久磁石２６の磁化方向と、永久磁石２６に対しロータ４０の周方向に一致する磁極部１８の磁化方向とを一致させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ステータとロータとが対向配置された回転電機に関する。

従来から、特許文献１〜４に記載されたようなブラシレス発電機が知られている。また、特許文献１，２に記載された発電機では、巻線構造が複雑になり、小型化が困難となる。また、特許文献３，４に記載された発電機では、巻線構造が複雑化し、ロータの界磁巻線に磁界の高調波成分による誘導起電力を効率よく発生させることが困難である。

特開昭６２−２３３４８号公報 特開平４−２８５４５４号公報 特開平８−６５９７６号公報 特開平１１−２２０８５７号公報

［本発明に先立って発明された先発明］
また、本発明の発明者を含む発明者は、本発明に先立って次のような先発明に係る回転電機を発明した。図１０は、先発明に係る回転電機を構成するロータを、回転軸と平行方向に見た概略構成を示す図である。図１１は、先発明において、ロータの径方向外側に対向した状態で配置するステータの概略構成を示す図である。図１０に示すように、ロータ１０は、鋼等の材料により造るロータコア１２と、ロータコア１２の周方向複数個所に配設された複数のロータ巻線１４ｎ，１４ｓとを備える。ロータコア１２は、回転軸１６に固定している。

また、各ロータ巻線１４ｎ，１４ｓは、ロータコア１２の周方向複数個所に設けた径方向に伸びる柱部等の磁極部１８に巻装している。磁極部１８は、突極とすることもできる。複数のロータ巻線１４ｎ，１４ｓのうち、ロータ１０の周方向に関して１つ置きに配置されたロータ巻線１４ｎ（または１４ｓ）同士は、電気的に直列に接続している。また、複数のロータ巻線１４ｎ，１４ｓのうち、ロータ１０の周方向に隣り合うロータ巻線１４ｎ，１４ｓ同士は、電気的に接続せず、互いに電気的に分断した状態としている。そして、互いに電気的に接続した複数のロータ巻線１４ｎ，１４ｓを含む回路により、互いに電気的に分断された２組のロータ巻線回路２０ａ，２０ｂを構成している。

また、２組のロータ巻線回路２０ａ，２０ｂにそれぞれ整流素子である一方向ダイオード２２及び他方向ダイオード２４を接続し、それぞれのロータ巻線回路２０ａ，２０ｂに流れる電流の向きを一方向に整流している。また、２組のロータ巻線回路２０ａ，２０ｂ同士で、流れる電流の向きが互いに逆になるように、各ロータ巻線回路２０ａ，２０ｂにダイオード２２，２４を、互いに逆向きに接続している。

ロータ巻線１４ｎ，１４ｓに電流が流れると、ロータ巻線１４ｎ，１４ｓが巻装された磁極部１８が磁化される。ロータ１０の周方向に隣り合うロータ巻線１４ｎ，１４ｓ同士で流れる電流の方向が互いに逆になるため、周方向に隣り合う磁極部１８同士で、磁化方向が互いに逆になる。例えば、ロータ巻線１４ｎに流れる電流により生成される複数の磁極部１８の径方向外側にはＮ極が配置され、ロータ巻線１４ｓに流れる電流により生成される複数の磁極部１８の径方向外側にはＳ極が配置される。図１０において、各磁極部１８の径方向外側に配置する矢印は、磁化方向を表している。

また、ロータ１０の周方向複数個所で、かつ、周方向に関して隣り合うロータ巻線１４ｎ，１４ｓの間に、永久磁石２６を配置している。永久磁石２６は、ロータコア１２の内部に埋設することも、ロータコア１２の外周面に露出させることもできる。また、ロータコア１２の内部に永久磁石２６をＶ字状に配置することもできる。また、ロータ１０の周方向に隣り合う永久磁石２６同士で、磁化方向を互いに異ならせている。例えば、図１０において、径方向外側に向く矢印が配置された永久磁石２６の径方向外側にＮ極が配置されるようにし、径方向内側に向く矢印が配置された永久磁石２６の径方向外側にＳ極が配置されるようにする。このようなロータ１０の場合、ロータ１０の周方向複数個所の各磁極部１８に対応する位置である、インダクタンスＬが相対的に高いｑ軸磁路に、ロータ巻線１４ｎ，１４ｓが配置されている。

一方、ロータ１０の径方向外側に、図１１に示すようなステータ２８を配置している。図１０に示すロータ１０の各磁極部１８は、ステータ２８に径方向に対向させる。ステータ２８は、鋼等により造るステータコア３０と、ステータコア３０に配設された複数相（例えば３相等の奇数相）のステータ巻線３２ｕ，３２ｖ,３２ｗとを含む。ステータコア３０に、径方向内側に突出した複数のティース３４を、互いに間隔を置いて配置しており、各ティース３４間にスロット３６を形成している。各相のステータ巻線３２ｕ，３２ｖ,３２ｗは、スロット３６を通って、ティース３４に短節集中巻きで巻装している。複数相のステータ巻線３２ｕ，３２ｖ,３２ｗに複数相（例えば３相等の奇数相）の交流電流を流すことにより、ティース３４が磁化し、ステータ２８の周方向に回転する回転磁界がティース３４に生成されるようにしている。図１１に示す例では、３相（ｕ相、ｖ相、ｗ相）のステータ巻線３２ｕ，３２ｖ,３２ｗが巻装された３つのティース３４により、１つの極対が構成され、ステータ２８全体で４極３相のステータ巻線３２ｕ，３２ｖ,３２ｗがティース３４に巻装されている。したがって、ステータ２８の極対数は４極対となる。

また、図１０に示すロータ１０の極対数は、ステータ２８（図１１）の極対数と等しくなっている。また、ロータ巻線１４ｎ，１４ｓは、ロータコア１２に短節巻きで巻装している。各磁極部１８において、ロータ１０の周方向に関する幅は、ロータ１０の電気角で１８０度に相当する幅よりも短くしている。

一方、図１１に示すステータ２８に回転磁界を発生させる起磁力の分布は、各相のステータ巻線３２ｕ，３２ｖ,３２ｗの配置や、ティース３４及びスロット３６によるステータコア３０の形状に起因して、（基本波のみの）正弦波分布にはならず、高調波成分を含むものとなる。特に、ティース３４にステータ巻線３２ｕ，３２ｖ,３２ｗを集中巻きで巻装する場合には、各相のステータ巻線３２ｕ，３２ｖ,３２ｗが互いに重なり合わず、ステータ２８の起磁力分布に生じる高調波成分の振幅レベルが増大する。この結果、例えばステータ巻線３２ｕ，３２ｖ,３２ｗが３相集中巻きの場合は、高調波成分として、入力電気周波数３次成分の振幅レベルが増大する。このような、ステータ巻線３２ｕ，３２ｖ,３２ｗの配置やステータコア３０の形状に起因して起磁力に生じる高調波成分は、空間高調波と呼ばれる。

上記の図１１に示したステータ２８の内側に、図１０に示したロータ１０を回転可能に配置し、ステータ２８とロータ１０とを径方向に対向させた回転電機は、次のようにして回転駆動する。すなわち、３相のステータ巻線３２ｕ，３２ｖ,３２ｗに３相の交流電流を流すことでステータ２８により生成された、回転磁界（基本波成分）がロータ１０に作用すると、ロータ１０のうち、ロータ巻線１４ｎ、１４ｓを巻装した磁極部１８が、ステータ２８が生成した回転磁界に吸引される。このため、ロータ１０にトルクであるリラクタンストルクが作用して、ロータ１０がステータ２８で生成される回転磁界（基本波成分）に同期して回転駆動する。なお、ロータに巻線が巻装されていない場合でも、ロータに突極部分または周方向に関して磁気抵抗が低い部分が設けられる場合には、ステータが生成する回転磁界が、ロータの突極部分または磁気抵抗が低い部分を吸引することにより、リラクタンストルクが発生する。

また、図１１に示す３相のステータ巻線３２ｕ，３２ｖ,３２ｗに３相の交流電流を流すことで、ティース３４に生成された回転磁界は空間高調波成分を含むものとなる。そして、空間高調波成分を含む回転磁界が、図１０に示す各ロータ巻線１４ｎ，１４ｓに鎖交すると、各ロータ巻線１４ｎ，１４ｓには、ロータ１０の回転周波数（回転磁界の基本波成分）と異なる周波数の磁束変動が生じ、この磁束変動によって、各ロータ巻線１４ｎ，１４ｓに誘導起電力が発生する。この誘導起電力の発生に伴って各ロータ巻線１４ｎ，１４ｓに流れる電流は、各ダイオード２２，２４により整流されることで、同じ組のロータ巻線回路２０ａ（または２０ｂ）において同方向で、異なる組のロータ巻線回路２０ａ，２０ｂにおいて逆方向に流れる。各ロータ巻線１４ｎ，１４ｓにダイオード２２，２４で整流された電流が流れて各磁極部１８が磁化し、各磁極部１８が磁極の固定された磁石として機能する。また、各磁極部１８の磁化方向は、ロータ１０の周方向に隣り合う磁極部１８同士で互いに逆方向になる。

そして、各磁極部１８により生成される磁界がティース３４（図１１）の回転磁界（基本波成分）と相互作用して、吸引及び反発作用が生じる。このティース３４の回転磁界（基本波成分）と各磁極部１８の磁界との電磁気相互作用（吸引及び反発作用）によっても、ロータ１０にトルクであるロータ巻線生成トルクを作用させることができ、ロータ１０がステータ２８（図１１）で生成される回転磁界（基本波成分）に同期して回転駆動する。

また、図１１に示す３相のステータ巻線３２ｕ，３２ｖ,３２ｗに３相の交流電流を流すことでティース３４に生成された、回転磁界（基本波成分）がロータ１０（図１０）に作用すると、各永久磁石２６（図１０）により生成される磁界がティース３４の回転磁界（基本波成分）と相互作用して、吸引及び反発作用が生じる。このティース３４の回転磁界（基本波成分）と各永久磁石２６の磁界との電磁気相互作用（吸引及び反発作用）によっても、ロータ１０にトルクである永久磁石生成トルクを作用させることができ、ロータ１０がステータ２８で生成される回転磁界（基本波成分）に同期して回転駆動する。

この結果、先発明に係る回転電機において、ステータ巻線３２ｕ，３２ｖ,３２ｗ（図１１）への供給電力を利用してロータ１０（図１０）に動力（機械的動力）を発生させる電動機として機能させることができる。一方、先発明に係る回転電機を、ロータ１０の動力を利用してステータ巻線３２ｕ，３２ｖ,３２ｗに電力を発生させる発電機として機能させることもできる。このような先発明に係る回転電機によれば、ロータ１０にロータ巻線１４ｎ，１４ｓ（図１０）を短節巻きで巻装し、ロータ巻線１４ｎ，１４ｓに誘導起電力に伴って生じる誘導電流をダイオード２２，２４（図１０）で整流する。このため、ステータ巻線３２ｕ，３２ｖ,３２ｗ以外の種類の巻線をステータ２８に、ロータ巻線１４ｎ，１４ｓ以外の種類の巻線をロータ１０に、それぞれ設けることなく、ロータ巻線１４ｎ，１４ｓに高調波成分による誘導起電力を効率よく発生させることができ、回転電機の巻線構造を簡略化できる。

ただし、このような先発明に係る回転電機の場合、トルクを有効に高くする面からまだ改良の余地がある。例えば、図１２は、先発明に係る回転電機において、ロータの正転及び逆転での、電流位相−トルク特性を示す図である。なお、以下の説明では、図１０、図１１で示した要素と同等部分には同一符号を付して説明する。図１２において、横軸は、ステータ巻線３２ｕ，３２ｖ,３２ｗに流す交流電流の位相である、ロータ１０位置に対する電流進角を表し、縦軸は、回転電機の力行トルクを表している。なお、図１２の縦軸が負である場合には、ロータ１０に逆転方向に回転させるトルクが作用し、回転電機を発電機として使用する場合に、回生する場合に得られる電力が大きくなることを表している。すなわち、図１２の縦軸の負の値の絶対値が大きくなるほど、回生時のトルクである回生トルクが大きくなり、回生する場合に得られる電力が大きくなる。

図１０、図１１に示した先発明に係る回転電機において、ロータ１０が正転である、図１０の矢印α方向に回転する場合には、例えば、図１２に実線で示す電流位相−トルク特性が得られる。すなわち、電流進角が０から大きくなるにしたがって、力行トルクが大きくなり、６０度付近で最大となり、徐々に減少して力行トルクが負となった（すなわち、回生トルクが正となった）後、１８０度付近で最小になる（回生トルクが最大となる）。

これに対して、先発明に係る回転電機において、ロータ１０が逆転である、図１０の矢印β方向に回転する場合には、例えば、図１２に破線で示す電流位相−トルク特性が得られる。すなわち、電流進角が０から大きくなるにしたがって、力行トルクが徐々に減少し、負となった後、１３５度付近で最小になり（すなわち、回生トルクが最大となり）、その後徐々に上昇する。図１２に示した正転時のトルク特性と逆転時のトルク特性とを比較すれば明らかなように、ロータの正転時には逆転時の場合に対して、力行トルクの最大値が大きくなるが、回生トルクの最大値が小さくなる。逆に言えば、ロータの逆転時には、正転時に対して、回生トルクの最大値が大きくなるが、力行トルクの最大値が小さくなる。

次に、トルク特性がこのようになる理由を、図１３、図１４を用いてより詳しく説明する。図１３は、ロータの正転時の電流位相−トルク特性を、永久磁石生成トルク、リラクタンストルク、ロータ巻線生成トルクに分けて示す図である。図１４は、ロータの逆転時の電流位相−トルク特性を、永久磁石生成トルク、リラクタンストルク、ロータ巻線生成トルクに分けて示す図である。図１３、図１４の縦軸、横軸が表す意味は、上記の図１２の場合に説明したものと同様である。図１３、図１４では、破線ａにより永久磁石生成トルクＴmgを表し、一点鎖線ｂによりリラクタンストルクＴreを表し、二点鎖線ｃにより、ロータ巻線生成トルクＴcoilを表している。ロータ巻線生成トルクＴcoilは、ステータ巻線３２ｕ，３２ｖ,３２ｗに３相の交流電流を流すことで生成される起磁力の空間高調波成分がロータ巻線１４ｎ、１４ｓに作用することにより、ロータ巻線１４ｎ、１４ｓに誘導される電流によるトルクである。また、図１３、図１４において、実線ｘにより、永久磁石生成トルクＴmg、リラクタンストルクＴre、ロータ巻線生成トルクＴcoilを合わせた全トルクＴallを表している。

次に、図１３に示す各トルクＴmg、Ｔre、Ｔcoil、Ｔallを、回転電機の力行時について説明する。図１３に示すように、ロータ１０の正転時には、電流進角が０度で永久磁石生成トルクＴmgが最大であるとすると、永久磁石生成トルクＴmgは、電流進角が大きくなるにしたがって減少し、１８０度で最小になる。これに対して、同じ場合に、リラクタンストルクＴreは、電流進角が０度から大きくなるにしたがって大きくなり、４５度で最大になり、その後、徐々に減少して、１３５度で最小になる。また、同じ場合に、ロータ巻線生成トルクＴcoilは、電流進角が０度から大きくなるにしたがって大きくなり、９０度で最大になり、徐々に減少する。これは、図１０に示すように、ロータ巻線１４ｎ、１４ｓに電流が流れることにより、永久磁石２６と同方向に磁化される磁極部１８が、ロータ１０の正転時に、ロータ１０の回転方向に関して、この永久磁石２６よりも進行方向前側に位置することに基づく。この結果、図１２に示す正転時のトルク特性と一致する、図１３に示す全トルクＴallは、電流進角が４５度付近で最大になり、電流進角が１６５度付近で最小になる。

また、同様に回転電機の力行時について説明するが、図１０に示すように、ロータ１０の逆転時には、ロータ巻線１４ｎ、１４ｓに電流が流れることにより、永久磁石２６と同方向に磁化される磁極部１８が、ロータ１０の回転方向に関して、この永久磁石２６よりも進行方向後側に位置する。このため、図１４に示すように、ロータ１０の逆転時には、電流進角が０度で永久磁石生成トルクＴmgが最大であるとすると、ロータ巻線生成トルクＴcoilは、電流進角が０度から大きくなるにしたがって、負の値で減少し、９０度で最小になり、徐々に上昇する。なお、図示は省略するが、電流進角が０度から小さくなる場合には、ロータ巻線生成トルクＴcoilは正の値で徐々に上昇し、−９０度で最大になる。すなわち、図１３、図１４の電流位相−トルク特性で見ると、ロータ巻線生成トルクＴcoilは、正転時に対して逆転時で正負が反転する。この結果、図１２に示す逆転時のトルク特性と一致する、図１４に示すロータ１０の全トルクＴallは、電流進角が１５度付近で最大になり、電流進角が１３５度付近で最小になる。また、ロータ１０の逆転時の力行トルクの最大値は、正転時の力行トルクの最大値に比べて小さくなるが、ロータ１０の逆転時の回生トルクの最大値は、正転時の回生トルクの最大値よりも大きくなる。この結果、先発明に係る回転電機のトルク特性は、上記の図１２に示した電流位相−トルク特性となり、ロータ１０の正転時と逆転時とで、力行トルクの最大値と、回生トルクの最大値とが、それぞれ異なる。

このように図１０、図１１に示した先発明に係る回転電機の場合には、ロータ１０の回転方向の違いで、力行トルクと回生トルクとが異なり、例えば、力行トルクを十分に発生できるのが、ロータ１０の正転時に限定される可能性がある。このため、ロータ１０の正転逆転の両方で高い性能を発揮させる回転電機、例えばモータとして使用する面からは改良の余地がある。これは、回転電機を発電機として使用する場合の回生トルクについても同様である。このような先発明に係る回転電機の場合、トルクを有効に高くする面から改良の余地がある。

また、永久磁石生成トルクＴmgと、ロータ巻線生成トルクＴcoilとは、電流進角の位相が異なる場合に最大となるので、全トルクＴallを大きくする面から改良の余地がある。このような面からも、トルクを有効に高くする面から改良の余地がある。

本発明の目的は、回転電機において、回転電機のトルクを有効に高くすることである。

本発明に係る回転電機及び回転電機駆動装置は、上記の目的を達成するために以下の手段を採用する。

本発明に係る回転電機は、高調波成分を含む周波数の回転磁界を生成する複数相のステータ巻線を有するステータと、ロータとが対向配置された回転電機であって、ロータは、ロータの周方向複数個所に位置するインダクタンスが低いｄ軸磁路に配置され、ステータで生成された回転磁界が鎖交することで誘導起電力が発生するロータ巻線と、各ロータ巻線を短絡し、誘導起電力の発生に伴って各ロータ巻線に流れる電流を整流する整流素子と、を備え、各ロータ巻線に流れる電流により生成される複数の磁極部の磁気特性を、ロータの周方向に関して交互に異ならせていることを特徴とする回転電機である。

また、本発明に係る回転電機において、好ましくは、ロータの周方向複数個所に、ロータの径方向に着磁した永久磁石を配置するとともに、着磁方向を、周方向に隣り合う永久磁石同士で異ならせ、ロータの周方向複数個所で、複数の永久磁石に対しロータの周方向に一致する位置にロータ巻線を配置し、永久磁石の磁化方向と、永久磁石に対しロータの周方向に一致する磁極部の磁化方向とを一致させている。

また、本発明に係る回転電機において、好ましくは、ロータ巻線は、ロータの周方向複数個所に短節巻きで巻装されている。

また、本発明に係る回転電機において、好ましくは、ロータの周方向に関して隣り合うロータ巻線の間部分を、ステータ側に突出させている。

また、本発明に係る回転電機において、好ましくは、ロータ巻線は、互いに同じ磁気特性を有する磁極部に巻装されるもの同士で電気的に接続されている。

また、本発明に係る回転電機において、好ましくは、ロータの内部に設けられた複数の空隙部を備え、ロータの周方向に関してインダクタンスが低い部分と高い部分とを交互に配置し、インダクタンスが低いｄ軸磁路にロータ巻線を配置している。

本発明によれば、回転電機のトルクを有効に高くすることができる。すなわち、ロータの周方向複数個所に位置するインダクタンスが低いｄ軸磁路にロータ巻線を配置するので、ロータの回転方向にかかわらず、電流位相−トルク特性が同じになり、しかもトルクの最大値が高くなり、トルクを有効に高くすることができる。例えば、力行トルクを大きくする場合に、ロータ正転時とロータ逆転時との両方で力行トルクを大きくすることができる。また、回生トルクを大きくする場合に、ロータ正転時とロータ逆転時との両方で回生トルクを大きくすることができる。したがって、ロータ回転の正転逆転両方で高いトルクを得られる回転電機の実現が可能になる。

また、ロータの周方向複数個所に、ロータの径方向に着磁した永久磁石を配置するとともに、着磁方向を、周方向に隣り合う永久磁石同士で異ならせ、ロータの周方向複数個所で、複数の永久磁石に対しロータの周方向に一致する位置にロータ巻線を配置し、永久磁石の磁化方向と、永久磁石に対しロータの周方向に一致する磁極部の磁化方向とを一致させている構成によれば、永久磁石により生成される永久磁石生成トルクと、ロータ巻線に流れる誘導電流により生成されるロータ巻線生成トルクとが、電流進角の同位相で最大トルクとなる。すなわち、ロータ巻線での誘導電流により、ロータ巻線が等価的に電磁石として機能し、永久磁石に鎖交する磁束が増大してその分、回転電機のトルクが増加する。このため、回転電機のトルクをより有効に高くすることができ、しかもトルク特性がロータの回転方向に依存せず同じとなる。また、ロータ巻線に流れる誘導電流により、永久磁石内の磁束変動が抑えられるため、永久磁石内部での渦電流損失が抑えられ、磁石発熱を低減できる。

［第１の発明の実施の形態］
以下、本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施形態の回転電機を、回転軸と平行方向から見た略図である。図２は、図１のロータの概略構成を、回転軸と平行方向から見た略図である。図３は、第１の実施の形態の回転電機を駆動する回転電機駆動装置の略構成図である。図４は、ロータの正転時と逆転時とで一致する回転電機の電流位相−トルク特性を示す図である。図５は、第１の実施の形態において、永久磁石内の磁束密度の変動の時間経過を示す図である。

本実施の形態の回転電機３８は、図示しないケーシングに固定されたステータ２８と、ステータ２８と所定の空隙を空けて径方向に対向配置され、ステータ２８に対し回転可能なロータ４０とを備える。図１から図２は、ステータ２８とロータ４０とが径方向に対向するように配置された、ラジアル型の回転電機３８の例を示しており、ロータ４０がステータ２８の径方向内側に配置されている。ステータ２８は、複数のティース３４に巻装された３相等の奇数相のステータ巻線３２ｕ，３２ｖ,３２ｗを有し、例えば３相のステータ巻線３２ｕ，３２ｖ,３２ｗに３相の交流電流を流すことで、ティース３４に高調波成分を含む周波数の回転磁界を生成する。なお、本実施の形態の主な特徴は、ロータ４０の構造にあり、ステータ２８の構成及び作用は、上記の図１０、図１１に示した先発明に係るステータ２８と同様であるため、同等部分には同一符号を付して重複する説明を省略もしくは簡略にする。

図２に示すように、ロータ４０は、ロータコア１２と、ロータコア１２の周方向複数個所に配置され、巻装されたロータ巻線４２ｎ，４２ｓと、ロータ４０の周方向複数個所に配置された永久磁石２６とを含む。ロータ４０は、回転軸１６に固定されている。ロータコア１２の周方向複数個所に、径方向に伸びる柱部等の磁極部１８が形成され、ロータ巻線４２ｎ，４２ｓは、各磁極部１８に巻装されている。

また、永久磁石２６は、ロータ４０の周方向複数個所の、各ロータ巻線４２ｎ，４２ｓとロータ４０の周方向に関して一致する部分に設けられた磁極部１８の内部に配置され、すなわち埋設されている。逆に言えば、各永久磁石２６の周囲にロータ巻線４２ｎ，４２ｓが巻装されている。永久磁石２６は、ロータ４０の径方向に着磁させるとともに、その着磁方向を、ロータ４０の周方向に隣り合う永久磁石２６同士で異ならせている。図１、図２（後述する図６も同様。）において、永久磁石２６の上に配置された実線矢印は、永久磁石２６の磁化方向を表している。なお、磁極部１８は、ロータ４０の周方向複数個所に径方向に伸びるように配置した突極等により構成することもできる。

ロータ４０は、周方向に関して異なる磁気的突極特性を有する。ロータ４０のうち、各永久磁石２６から周方向に外れ、周方向に関して磁極部１８と外れた位置である、インダクタンスＬが高い磁路をｑ軸磁路とし、各永久磁石２６と周方向に一致するインダクタンスＬが低い磁路をｄ軸磁路とすると、各ロータ巻線４２ｎ，４２ｓは、ロータ４０の周方向複数個所に位置するｄ軸磁路に配置されている。

また、各磁極部１８に巻装されたロータ巻線４２ｎ，４２ｓは、互いに電気的に接続されておらず分断（絶縁）されている。そして、電気的に分断された各ロータ巻線４２ｎ，４２ｓに、一方向整流素子である一方向ダイオード２２または他方向整流素子である他方向ダイオード２４が並列に接続されている。また、ロータ４０の周方向の一つ置きの一部のロータ巻線４２ｎに一方向ダイオード２２が接続され、残りのロータ巻線４２ｓに他方向ダイオード２４が接続されている。このため、各ロータ巻線４２ｎ，４２ｓは、一方向ダイオード２２または他方向ダイオード２４を介して短絡されている。したがって、各ロータ巻線４２ｎ，４２ｓに流れる電流が一方向に整流される。

ロータ巻線４２ｎ，４２ｓにダイオード２２，２４の整流方向に応じた直流電流が流れると、ロータ巻線４２ｎ，４２ｓが巻装された磁極部１８（図１、図２）が磁化することで、この磁極部１８が磁極の固定された磁石として機能する。図１、図２にロータ巻線４２ｎ，４２ｓの、ロータ４０の径方向に関する外側に示した破線矢印の向きは、磁極部１８の磁化方向を表している。

また、図３に示すように、本実施の形態の回転電機駆動装置５０は、回転電機３８と、蓄電装置５２と、インバータ５４と、制御部である制御装置５６とを備える。蓄電装置５２は、直流電源として設けられ、充放電可能であり、例えば二次電池により構成する。インバータ５４は、スイッチング素子（図示せず）を備え、スイッチング素子のスイッチング動作により蓄電装置５２からの直流電力を、３相等の奇数相の交流に変換して、ステータ巻線３２ｕ，３２ｖ,３２ｗの各相に電力を供給することを可能とする。制御装置５６は、インバータ５４を構成するスイッチング素子のスイッチング動作を制御して、ステータ巻線３２ｕ，３２ｖ,３２ｗに流す交流電流の位相（電流進角）を制御することで、ロータ４０（図１、図２）のトルクを制御する。

また、図２に示すように、ロータ４０の周方向に隣り合うロータ巻線４２ｎ，４２ｓ同士で直流電流の方向が互いに逆方向になる。そして、ロータ４０の周方向に隣り合う磁極部１８同士で磁化方向が互いに逆になる。すなわち、本実施の形態では、磁極部１８の磁気特性が、ロータ４０の周方向に関して交互に異なっている。例えば、図１、図２では、ロータ４０の周方向１つ置きの磁極部１８である、ロータ巻線４２ｎとロータ４０の周方向に一致する部分の径方向外側にＮ極が配置され、Ｎ極の磁極部１８と周方向に隣り合う磁極部１８である、ロータ巻線４２ｓとロータ４０の周方向に一致する部分の径方向外側にＳ極が配置されるようにする。そして、ロータ４０の周方向に隣り合う２つの磁極部１８（Ｎ極及びＳ極）により、１つの極対が構成される。また、各永久磁石２６の磁化方向と、各永久磁石２６に対しロータ４０の周方向に一致する磁極部１８の磁化方向とを一致させている。

また、図１、図２に示す例では、８極の磁極部１８が形成され、ロータ４０の極対数は４極対となる。また、ステータ２８（図１）の極対数とロータ４０の極対数とはいずれも４極対で、ステータ２８の極対数とロータ４０の極対数とは等しい。ただし、ステータ２８の極対数及びロータ４０の極対数は、いずれも４極対以外とすることもできる。

また、本実施の形態では、ロータ４０の周方向に関する各磁極部１８の幅がロータ４０の電気角で１８０度に相当する幅よりも短く設定されている。そして、周方向に関する各ロータ巻線４２ｎ，４２ｓの幅θ（図２）はロータ４０の電気角で１８０度に相当する幅よりも短く設定されており、ロータ巻線４２ｎ，４２ｓは各磁極部１８に短節巻きで巻装されている。

このような回転電機において、３相のステータ巻線３２ｕ，３２ｖ,３２ｗに３相の交流電流を流すことでティース３４（図１）に生成された高調波成分を含む周波数の回転磁界がロータ４０に作用する。そしてこれに応じて、ロータ４０に、リラクタンストルクと永久磁石生成トルクとロータ巻線生成トルクとが作用して、ロータ４０がステータ２８で生成される回転磁界（基本波成分）に同期して回転駆動する。このような作用は、上記の図１０、図１１に示した先発明に係る回転電機の場合と同様である。ただし、本実施の形態では、ロータ４０の周方向複数個所に永久磁石２６を配置するとともに、周方向に隣り合う永久磁石２６同士で着磁方向を異ならせ、ロータ４０の周方向複数個所で、複数の永久磁石２６に対しロータ４０の周方向に一致する位置にロータ巻線４２ｎ，４２ｓを配置し、各永久磁石２６の磁化方向と、各永久磁石２６に対しロータ４０の周方向に一致する磁極部１８の磁化方向とを一致させている。このため、図４に示すように、永久磁石２６により生成される永久磁石生成トルクＴmg（図４の破線ｄ）と、ロータ巻線４２ｎ，４２ｓに流れる誘導電流により生成されるロータ巻線生成トルクＴcoil（図４の二点鎖線ｆ）とが、電流進角の同位相（図４の０度）で最大トルクとなる。また、永久磁石生成トルクＴmgと、ロータ巻線生成トルクＴcoilとが、電流進角の同位相（図４の１８０度）で最小トルクとなる。また、リラクタンストルクＴreは、電流進角が４５度で最小となり、１３５度で最小となる。この結果、回転電機３８の全トルクＴall（図４の実線）が、３０度付近で最大になり、１５０度付近で最小となる。また、このような各トルクＴmg，Ｔcoil，Ｔre，Ｔallは、ロータ４０の回転方向がいずれになる場合でも同じトルク−電流進角特性となる。

このような本実施の形態の回転電機によれば、回転電機３８のトルクを有効に高くすることができる。すなわち、ロータ４０の周方向複数個所に位置するインダクタンスが低いｄ軸磁路にロータ巻線４２ｎ，４２ｓを配置するので、ロータ４０の回転方向にかかわらず、電流位相−トルク特性が同じになり、しかもトルクの最大値が高くなり、トルクを有効に高くすることができる。例えば、力行トルクを大きくする場合に、ロータ４０正転時（図２の矢印α方向にロータ４０が回転する場合）とロータ４０逆転時（図２の矢印β方向にロータ４０が回転する場合）との両方で力行トルクを大きくすることができる。また、回生トルクを大きくする場合に、ロータ４０正転時とロータ４０逆転時との両方で回生トルクを大きくすることができる。したがって、ロータ４０回転の正転逆転両方で高いトルクを得られる回転電機３８の実現が可能になる。

また、ロータ４０の周方向複数個所に、ロータ４０の径方向に着磁した永久磁石２６を配置するとともに、周方向に隣り合う永久磁石２６同士で着磁方向を異ならせ、ロータ４０の周方向複数個所で、複数の永久磁石２６に対しロータ４０の周方向に一致する位置にロータ巻線４２ｎ，４２ｓを配置し、永久磁石２６の磁化方向と、永久磁石２６に対しロータ４０の周方向に一致する磁極部１８の磁化方向とを一致させている。このため、永久磁石２６により生成される永久磁石生成トルクＴmgと、ロータ巻線４２ｎ，４２ｓに流れる誘導電流により生成されるロータ巻線生成トルクＴcoilとが、電流進角の同位相で最大トルクとなる。すなわち、ロータ巻線４２ｎ，４２ｓでの誘導電流により、ロータ巻線４２ｎ，４２ｓが等価的に電磁石として機能し、各永久磁石２６に鎖交する磁束が増大してその分、回転電機３８のトルクが増加する。このため、回転電機３８のトルクをより有効に高くすることができ、しかもトルク特性がロータ４０の回転方向に依存せず同じとなる。

また、ロータ巻線４２ｎ，４２ｓに流れる誘導電流により、各永久磁石２６内の磁束変動が抑えられるため、各永久磁石２６内部での渦電流損失が抑えられ、磁石発熱を低減できる。図５は、本実施の形態において、各永久磁石２６内の磁束変動の時間変化を示している。図５の破線ｇは、本実施の形態と同様の構成において、すべてのロータ巻線４２ｎ，４２ｓ（図１、図２参照）を省略した比較例の場合を表している。すなわち、比較例は、ロータの周方向複数個所に永久磁石を配置し、周方向に隣り合う永久磁石同士で着磁方向を異ならせ、永久磁石生成トルクとリラクタンストルクとにより、回転電機の全トルクを生成する。このような比較例では、ステータからロータに回転磁界が作用することで、時間経過に関して各永久磁石内の磁束密度が大きく変動する。このような比較例の場合には、各永久磁石内部に渦電流損が生じて、磁石発熱が大きくなる可能性がないとはいえない。

これに対して、本実施の形態では、図５に実線ｈで表すように、時間経過に関する各永久磁石２６内の磁束密度の変動量が小さくなる。これは、各永久磁石２６の周囲にロータ巻線４２ｎ，４２ｓが配置され、ロータ巻線４２ｎ，４２ｓに流れる誘導電流により、各ロータ巻線４２ｎ，４２ｓ周囲の、ステータ２８からの回転磁界の磁束変動、及び、各永久磁石２６の磁束変動に反抗するようにダイオード２２，２４で整流された誘導電流に基づく磁界が作用し、比較例で磁束密度が減少する場合に対して、磁束密度を大きくできることに基づくものである。この結果、各永久磁石２６内部での渦電流損失が抑えられ、磁石発熱を低減できる。

また、ロータ巻線４２ｎ，４２ｓは、ロータ４０の周方向複数個所に短節巻きで巻装し、ロータ巻線４２ｎ，４２ｓに誘導起電力に伴って生じる誘導電流をダイオード２２，２４で整流する。このため、ステータ巻線３２ｕ，３２ｖ,３２ｗ以外の種類の巻線をステータ２８に、ロータ巻線４２ｎ，４２ｓ以外の種類の巻線をロータ４０に、それぞれ設けることなく、ロータ巻線４２ｎ，４２ｓに高調波成分による誘導起電力を効率よく発生させることができ、回転電機３８の巻線構造を簡略化できる。

［第２の発明の実施の形態］
図６は、本発明の第２の実施の形態において、図２に対応する略図である。本実施の形態では、複数のロータ巻線１４ｎ，１４ｓのうち、ロータ４０ａの周方向において１つおきに配置された一部のロータ巻線１４ｎ同士を電気的に直列接続し、周方向において１つおきに配置された残りのロータ巻線１４ｓ同士を電気的に直列接続している。すなわち、同じ方向に磁化される磁石として機能する磁極部１８に巻装されたロータ巻線１４ｎ（または１４ｓ）同士を電気的に直列接続している。また、ロータ４０ａの周方向に隣り合う磁極部１８に巻装されたロータ巻線１４ｎ，１４ｓ同士は、電気的に分断している。そして、互いに電気的に接続したロータ巻線１４ｎ（または１４ｓ）を含む回路により、互いに電気的に分断された２組のロータ巻線回路５８ａ、５８ｂを構成している。すなわち、ロータ巻線１４ｎ，１４ｓは、互いに同じ磁気特性を有する磁極部１８に巻装されるもの同士で、電気的に接続している。

また、２組のロータ巻線回路５８ａ，５８ｂにそれぞれ整流素子である一方向ダイオード２２または他方向ダイオード２４を、１つずつのロータ巻線１４ｎ，１４ｓに対して並列に接続し、それぞれのロータ巻線回路５８ａ，５８ｂに流れる電流の向きを一方向に整流している。また、２組のロータ巻線回路５８ａ，５８ｂのうち、一方向ダイオード２２により整流される一方のロータ巻線回路５８ａを流れる電流と、他方向ダイオード２４により整流される他方のロータ巻線回路５８ｂを流れる電流とを互いに逆方向にしている。その他の構成及び作用については、上記の第１の実施の形態と同様であるため、同等部分には同一符号を付して重複する図示及び説明を省略する。

［第３の発明の実施の形態］
図７は、本発明の第３の実施の形態において、図２に対応する略図である。本実施の形態の回転電機を構成するロータ４０ｂは、上記の図６に示した第２の実施の形態で、ロータ４０ａに設けていた永久磁石２６を省略している。また、ロータコア１２は、外周面の周方向複数個所に径方向に突出する突部６０を設けた構成とし、各ロータ巻線１４ｎ，１４ｓを、ロータ４０ｂの周方向に隣り合う突部６０の間に配置している。すなわち、各ロータ巻線１４ｎ，１４ｓは、内部が空間部となる空芯状態で配置される。また、ロータ４０ｂの周方向に関してロータ巻線１４ｎ，１４ｓの間部分が、ステータ２８（図１参照）側に突出し、ロータコア１２は磁気的突極特性を有する。

このようなロータ４０ｂの場合、ロータ４０ｂの周方向に関して突部６０と一致する磁路が、インダクタンスが高いｑ軸磁路となり、ロータ４０ｂの周方向に関して突部６０と外れた位置が、インダクタンスが低いｄ軸磁路となる。そして、各ロータ巻線１４ｎ，１４ｓは、ｄ軸磁路に配置されている。

このような本実施の形態では、上記の各実施の形態と異なり、ロータ４０ｂに永久磁石２６（図６参照）が配置されていないが、ロータ４０ｂの回転方向にかかわらず回転電機のトルクを大きくできる。すなわち、ロータ４０ｂの周方向複数個所に位置するインダクタンスが低いｄ軸磁路にロータ巻線１４ｎ，１４ｓを配置するので、ロータ４０ｂの回転方向にかかわらず、電流位相−トルク特性が同じになり、しかもトルクの最大値が高くなり、トルクを有効に高くすることができる。例えば、力行トルクを大きくする場合に、ロータ４０ｂ正転時とロータ４０ｂ逆転時との両方で力行トルクを大きくすることができる。また、回生トルクを大きくする場合に、ロータ４０ｂ正転時とロータ４０ｂ逆転時との両方で回生トルクを大きくすることができる。したがって、ロータ４０ｂ回転の正転逆転両方で高いトルクを得られる回転電機の実現が可能になる。その他の構成及び作用については、上記の第１の図１から図５に示した第１の実施の形態、または上記の図６に示した第２の実施の形態と同様であるため、同等部分には同一符号を付して重複する図示及び説明を省略する。

［第４の発明の実施の形態］
図８は、本発明の第４の実施の形態において、図２に対応する略図である。本実施の形態の回転電機を構成するロータ４０ｃも、上記の図７に示した第３の実施の形態の場合と同様に、ロータ４０ｃに永久磁石２６（図１等参照）を設けていない。本実施の形態では、ロータ４０ｃを構成するロータコア１２の内部に空隙部である、スリット６２を形成することにより、ロータ４０ｃの磁気抵抗を回転方向に関して変化させている。すなわち、ロータコア１２の周方向複数個所に、断面略Ｕ字形で軸方向に伸び、径方向外側に開口する複数のスリット６２を、ロータ４０ｃの径方向に間隔をあけて配置している。そして、ロータコア１２の周方向複数個所で、複数のスリット６２の周方向中央位置と一致する位置の磁路をインダクタンスが低いｄ軸磁路とし、周方向に隣り合うスリット６２の間の磁路をインダクタンスが高いｑ軸磁路としている。そして、ロータ４０ｃの周方向に関してｄ軸磁路とｑ軸磁路とを交互に配置している。

また、ロータ４０ｃの周方向複数個所の各ｄ軸磁路に対応する磁極部１８に、ロータ巻線４２ｎ，４２ｓを配置し、巻装している。また、ロータ巻線４２ｎ，４２ｓを一方向ダイオード２２または他方向ダイオード２４で短絡している。一方向ダイオード２２で短絡したロータ巻線４２ｎと、他方向ダイオード２４で短絡したロータ巻線４２ｓとを、ロータ４０ｃの周方向に関して交互に配置し、ロータ巻線４２ｎ，４２ｓに流れる電流により生成される複数の磁極部１８の磁気特性を、ロータ４０ｃの周方向に関して交互に異ならせている。

このような本実施の形態の場合には、ステータ２８（図１参照）からの回転磁界がロータ巻線４２ｎ，４２ｓに鎖交することで、各ロータ巻線４２ｎ，４２ｓに各ダイオード２２，２４で整流された直流電流が流れて、各ｄ軸磁路に位置する周方向複数個所の磁極部１８が磁化し、各磁極部１８が磁極の固定された磁石として機能する。また、ロータ４０ｃの周方向に関する各ロータ巻線４２ｎ，４２ｓの幅を、ロータ４０ｃの電気角で１８０度に相当する幅よりも短く設定し、ロータ巻線４２ｎ，４２ｓを各磁極部１８に短節巻きで巻装している。

このような本実施の形態の場合も、ロータ４０ｃに永久磁石が配置されていないが、ロータ４０ｃの回転方向にかかわらず回転電機のトルクを大きくできる。すなわち、ロータ４０ｃの周方向複数個所に位置するインダクタンスが低いｄ軸磁路にロータ巻線４２ｎ，４２ｓを配置するので、ロータ４０ｃの回転方向にかかわらず、電流位相−トルク特性が同じになり、しかもトルクの最大値が高くなり、トルクを有効に高くすることができる。したがって、ロータ４０ｃ回転の正転逆転両方で高いトルクを得られる回転電機の実現が可能になる。その他の構成及び作用については、上記の第１の図１から図５に示した第１の実施の形態と同様であるため、同等部分には同一符号を付して重複する図示及び説明を省略する。

［第５の発明の実施の形態］
図９は、本発明の第５の実施の形態において、図２に対応する略図である。本実施の形態の回転電機を構成するロータ４０ｄでは、上記の図１から図５に示した第１の実施の形態を構成するロータ４０（図２）において、ロータコア１２に磁気的突極特性を持たせず、ロータコア１２の外周面の周方向複数個所に永久磁石２６を固定している。また、各永久磁石２６の周囲にロータ巻線４２ｎ，４２ｓを巻装している。本実施の形態では、ロータ４０ｄの周方向複数個所の、各永久磁石２６と周方向に一致する部分を磁極部としている。また、各ロータ巻線４２ｎ，４２ｓを一方向ダイオード２２または他方向ダイオード２４で短絡している。その他の構成及び作用については、上記の第１の図１から図５に示した第１の実施の形態と同様であるため、同等部分には同一符号を付して重複する図示及び説明を省略する。

なお、上記の各実施形態では、ステータ２８とロータ４０，４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄとが回転軸１６と直交する径方向において対向配置されている場合について説明した。ただし、本発明に係る回転電機は、ステータ２８とロータ４０，４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄとが回転軸１６と平行方向（回転軸方向）において対向配置されたアキシャル型の回転電機の場合でも同様に適用可能である。この場合には、ロータ巻線に流れる電流により生成される複数の磁極部の磁化方向をロータの軸方向とし、複数の磁極部の磁化方向をロータの周方向に関して交互に異ならせる。

本発明の第１の実施形態の回転電機を、回転軸と平行方向から見た略図である。 図１からロータの概略構成を、回転軸と平行方向から見た略図である。 第１の実施の形態の回転電機を駆動する回転電機駆動装置の略構成図である。 ロータの正転時と逆転時とで一致する回転電機の電流位相−トルク特性を示す図である。 第１の実施の形態において、永久磁石内の磁束密度の変動の時間経過を示す図である。 本発明の第２の実施の形態において、図２に対応する略図である。 本発明の第３の実施の形態において、図２に対応する略図である。 本発明の第４の実施の形態において、図２に対応する略図である。 本発明の第５の実施の形態において、図２に対応する略図である。 先発明に係る回転電機を構成するロータを、回転軸と平行方向に見た概略構成を示す図である。 先発明において、ロータの径方向外側に対向した状態で配置するステータの概略構成を示す図である。 先発明に係る回転電機において、ロータの正転及び逆転での、電流位相−トルク特性を示す図である。 ロータの正転時の電流位相−トルク特性を、永久磁石生成トルク、リラクタンストルク、ロータ巻線生成トルクに分けて示す図である。 ロータの逆転時の電流位相−トルク特性を、永久磁石生成トルク、リラクタンストルク、ロータ巻線生成トルクに分けて示す図である。

符号の説明

１０ ロータ、１２ ロータコア、１４ｎ，１４ｓ ロータ巻線、１６ 回転軸、１８ 磁極部、２０ａ，２０ｂ ロータ巻線回路、２２ 一方向ダイオード、２４ 他方向ダイオード、２６ 永久磁石、２８ ステータ、３０ ステータコア、３２ｕ，３２ｖ,３２ｗ ステータ巻線、３４ ティース、３６ スロット、３８ 回転電機、４０，４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄ ロータ、４２ｎ，４２ｓ ロータ巻線、５０ 回転電機駆動装置、５２ 蓄電装置、５４ インバータ、５６ 制御装置、５８ａ，５８ｂ ロータ巻線回路、６０ 突部、６２ スリット。

Claims (6)

1. 高調波成分を含む周波数の回転磁界を生成する複数相のステータ巻線を有するステータと、ロータとが対向配置された回転電機であって、
   ロータは、
   ロータの周方向複数個所に位置するインダクタンスが低いｄ軸磁路に配置され、ステータで生成された回転磁界が鎖交することで誘導起電力が発生するロータ巻線と、
   各ロータ巻線を短絡し、誘導起電力の発生に伴って各ロータ巻線に流れる電流を整流する整流素子と、を備え、
   各ロータ巻線に流れる電流により生成される複数の磁極部の磁気特性を、ロータの周方向に関して交互に異ならせていることを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機において、
   ロータの周方向複数個所に、ロータの径方向に着磁した永久磁石を配置するとともに、着磁方向を、周方向に隣り合う永久磁石同士で異ならせ、
   ロータの周方向複数個所で、複数の永久磁石に対しロータの周方向に一致する位置にロータ巻線を配置し、
   永久磁石の磁化方向と、永久磁石に対しロータの周方向に一致する磁極部の磁化方向とを一致させていることを特徴とする回転電機。
3. 請求項１または請求項２に記載の回転電機において、
   ロータ巻線は、ロータの周方向複数個所に短節巻きで巻装されていることを特徴とする回転電機。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１に記載の回転電機において、
   ロータの周方向に関して隣り合うロータ巻線の間部分を、ステータ側に突出させていることを特徴とする回転電機。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１に記載の回転電機において、
   ロータ巻線は、互いに同じ磁気特性を有する磁極部に巻装されるもの同士で電気的に接続されていることを特徴とする回転電機。
6. 請求項１に記載の回転電機において、
   ロータの内部に設けられた複数の空隙部を備え、
   ロータの周方向に関してインダクタンスが低い部分と高い部分とを交互に配置し、インダクタンスが低いｄ軸磁路にロータ巻線を配置していることを特徴とする回転電機。

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