JP2013038918A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機において、ロータコイルに生じる誘導電流を大きくすることである。
【解決手段】回転電機は、ステータに対向配置され、ステータで生成される磁界に含まれる高調波成分が鎖交することにより周方向にＮ極及びＳ極が交互に形成されるように構成されるロータ１４を含む。ロータ１４は、Ｎ極が形成される複数のＮ極形成突極３２ｎと、Ｓ極が形成される複数のＳ極形成突極３２ｓとを有するロータコア２４と、各Ｎ極形成突極３２ｎに巻かれる２つのＮ極ロータコイルであるＮ極誘導コイル２８ｎ及びＮ極コモンコイル３０ｎと、各Ｓ極形成突極３２ｓに巻かれる２つのＳ極ロータコイルであるＳ極誘導コイル２８ｓ及びＳ極コモンコイル３０ｓとを含む。Ｎ極誘導コイル２８ｎ、Ｎ極コモンコイル３０ｎ、Ｓ極誘導コイル２８ｓ及びＳ極コモンコイル３０ｓは、ダイオードブリッジ回路３８に接続する。
【選択図】図４

Description

本発明は、ステータと、ステータで生成される磁界に含まれる高調波成分が鎖交することにより周方向にＮ極及びＳ極が交互に形成されるように構成されるロータとを備える回転電機に関する。

特許文献１に記載されたモータは、ステータの径方向内側に配置されたロータを備え、ステータは、ステータコアの複数のティースに集中巻きで巻回された複数のステータコイルを含む。ロータは、ロータコアの径方向に突出する複数の突極に巻回された複数のロータコイルを含んで構成される。ステータは、ステータコイルに３相の交流電流を流すことで回転磁界を生成し、ステータのティースに形成された高調波成分を含む磁界がロータ巻線に鎖交すると、ロータコイルに磁束変動が生じる。ロータコイルは、ロータの突極に、ステータとのギャップ近傍に配置されるロータコイルと、ロータコイルと別体であり、ロータコイルよりステータから遠くに配置される別のロータコイルとを含む。

隣り合う突極に巻回されているロータコイルであって、ステータから遠くに配置されるロータコイル同士は互いに直列に接続され、主に誘起電流に伴って磁界を形成する作用をもたらす。また、ステータの近くに配置されるロータコイルは、主に誘起電流を励起する作用をもたらす。主に磁界を形成するロータコイルは、主に誘起電流を励起するロータコイルと、主に誘起電流を励起する別のロータコイルとに共通に接続される。主に誘起電流を励起するロータコイルには、半波整流回路を用いて整流されたロータ電流が誘導されている。

また、特許文献２に記載された発電機は、固定子コアに主発電巻線と励磁巻線とが巻装される固定子と、回転子コアに主発電巻線の極数と同極数の界磁巻線が巻装され、複数の界磁巻線は励磁巻線がつくる静止磁界と主発電巻線がつくる電気子反作用磁界の奇数次の空間高調波成分との双方と磁気的結合をなす位置に配列して巻装される回転子とを備える。また、発電機には、主発電巻線の中間から三相交流電流を取り出し、主発電巻線の誘導起電力を全波整流して励磁巻線に直流を流す制御整流装置と、回転子の複数の界磁巻線のそれぞれの誘導起電力を半波整流して界磁巻線に直流を流すダイオードとが設けられている。界磁巻線に誘導される起電力が半波整流されて、回転子の主磁界を増磁し、主発電巻線の起電力を増大させるとされている。

特開２０１０−２７９１６５号公報 特開平８−６５９７６号公報

特許文献１に記載されたモータは、ステータのティースに形成された高調波成分を含む磁界がロータコイルに鎖交することで、ロータコイルに誘導電流を流すものであるが、半波整流回路を利用するため、高調波成分の半分しか利用できておらず、ロータコイルに生じる誘導電流を大きくする面から改良の余地がある。

また、特許文献２に記載された発電機は、複数の界磁巻線のそれぞれの誘導起電力をダイオードにより半波整流しており、やはりロータコイルである界磁巻線に生じる誘導電流を大き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、ロータコイルに生じる誘導電流を大きくすることである。

本発明に係る回転電機は、ステータと、前記ステータに対向配置され、前記ステータで生成される磁界に含まれる高調波成分が鎖交することにより周方向にＮ極及びＳ極が交互に形成されるように構成されるロータとを備え、前記ロータは、前記Ｎ極が形成される複数のＮ極形成突極と、前記Ｓ極が形成される複数のＳ極形成突極とを有するロータコアと、前記各Ｎ極形成突極に巻かれる２つのＮ極ロータコイルと、前記各Ｓ極形成突極に巻かれる２つのＳ極ロータコイルとを含み、前記２つのＮ極ロータコイルと前記２つのＳ極ロータコイルとが、ダイオードブリッジ回路に接続され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、前記２つのＮ極ロータコイルは、前記各Ｎ極形成突極に巻かれるＮ極第１コイルと、前記各Ｎ極形成突極の前記Ｎ極第１コイルよりも前記ステータに近い側に巻かれるＮ極第２コイルとを含み、前記２つのＳ極ロータコイルは、前記各Ｓ極形成突極に巻かれるＳ極第１コイルと、前記各Ｓ極形成突極のＳ極第１コイルよりも前記ステータに近い側に巻かれるＳ極第２コイルとを含む。

また、本発明に係る回転電機において、好ましくは、前記Ｎ極第１コイル及び前記Ｓ極第１コイルは、互いに直列に接続され、かつ、前記ダイオードブリッジ回路のアノード・アノード接続端とカソード・カソード接続端との間に接続されており、前記Ｎ極第２コイル及び前記Ｓ極第２コイルは、互いに直列に接続され、かつ、前記ダイオードブリッジ回路の２つのアノード・カソード接続端の間に接続されている。

本発明の回転電機によれば、ロータコイルに生じる誘導電流を大きくすることができる。

本発明の実施形態に係る回転電機の全体構成を示す概略断面図である。 図１からステータを取り出して示す図である。 図１からロータを取り出して示す図である。 本発明の実施形態において、ロータの周方向一部の突極に巻かれたロータコイルとダイオードブリッジ回路との結線状態を示す模式図である。 本発明の実施の形態において、第２コイルである誘導コイルに鎖交する磁束により発生する誘起電圧（誘導コイル電圧）と、ダイオードブリッジ回路の２つの接続端Ｐ１，Ｐ２間に加わる電圧（Ｎ＋Ｓ極誘導コイル電圧）と、ダイオードブリッジ回路の別の２つの接続端Ｐ３，Ｐ４間に発生する電圧（全波整流電圧）と、第１コイルであるコモンコイルに流れる電流（コモンコイル電流）とを示す図である。 従来構造の回転電機において、ロータの周方向一部の突極に巻かれたロータコイルの結線状態を示す模式図である。 図６の構造において、ロータの周方向に隣り合う突極に２つずつ巻装されたロータコイルの接続回路の等価回路を示す図である。 図６の構造において、誘導コイルに鎖交する磁束により発生する誘起電圧（誘導コイル電圧）と、コモンコイルに流れる電流（コモンコイル電流）とを示す図である。 本発明の実施形態に係る回転電機と、図６の従来構造の回転電機との回転数及びモータトルクの関係を示す図である。 本発明の実施の形態に係る回転電機の別例の第１例において、各突極に巻かれたロータ巻線とダイオードブリッジ回路との結線状態を示す回路図である。 本発明の実施の形態に係る回転電機の別例の第２例において、各突極に巻かれたロータ巻線とダイオードブリッジ回路との結線状態を示す回路図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。図１〜５は、本発明の実施形態を示す図である。図１は、本発明の実施形態に係る回転電機の全体構成を示す概略断面図である。図２は、図１からステータを取り出して示す図である。図３は、図１からロータを取り出して示す図である。図４は、本発明の実施形態において、ロータの周方向一部の突極に巻かれたロータコイルとダイオードブリッジ回路との結線状態を示す模式図である。図１に示すように、本実施形態の回転電機１０は、電動機または発電機として機能するものであり、図示しないケーシングに固定されたステータ１２と、ステータ１２と所定の空隙をあけて径方向内側に対向配置され、ステータ１２に対し回転可能なロータ１４とを備える。なお、「径方向」とは、ロータ１４の回転中心軸に対し直交する放射方向をいう（以下、特に断らない限り「径方向」の意味は同じである。）。

図２に示すように、ステータ１２は、磁性材製のステータコア１６と、ステータコア１６に配設された複数相（より具体的には例えばＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相）のステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗとを含む。ステータコア１６の内周面の周方向複数個所には、径方向内側へ（ロータ１４（図１）へ向けて）突出する複数の第１ティースである、ティース１８が配置されており、各ティース１８間に第１スロットであるスロット２２が形成されている。複数のティース１８は、ロータ１４の回転軸である回転中心軸周りの周方向に沿って互いに間隔をおいて配列されている。なお、「周方向」とは、ロータ１４の回転中心軸を中心として描かれる円形に沿う方向をいう（以下、特に断らない限り「周方向」の意味は同じである。）。

各相のステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗは、スロット２２を通ってステータコア１６のティース１８に短節集中巻で巻装されている。このように、ティース１８にステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗが巻装されることで磁極が構成される。そして、複数相のステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗに複数相の交流電流を流すことで、周方向に並べられたティース１８が磁化し、周方向に回転する回転磁界をステータ１２に生成することができる。なお、ステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗは、このようにステータ１２のティース１８に巻線する構成に限定するものではなく、例えばティース１８から外れたステータコア１６の環状部分の周方向複数個所に複数相のステータコイルを巻線するトロイダル巻きとし、ステータ１２に回転磁界を生じさせることもできる。

ティース１８に形成された回転磁界は、その先端面からロータ１４に作用する。図２に示す例では、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗがそれぞれ巻装された３つのティース１８により１つの極対が構成されている。

一方、図３に示すように、ロータ１４は、磁性材料製のロータコア２４と、複数のロータコイルである、Ｎ極誘導コイル２８ｎ、Ｎ極コモンコイル３０ｎ、Ｓ極誘導コイル２８ｓ、及びＳ極コモンコイル３０ｓとを含む。ロータコア２４は、外周面の周方向複数個所に径方向外側に向けて（ステータ１２（図１）に向けて）突出して設けられた複数の磁極部であり、突部であり、かつ第２ティースであるＮ極形成突極３２ｎ及びＳ極形成突極３２ｓを有する。Ｎ極形成突極３２ｎとＳ極形成突極３２ｓとは、ロータコア２４の周方向に沿って交互に、かつ、互いに間隔をおいて配置されており、各突極３２ｎ、３２ｓがステータ１２と対向している。ロータコア２４の環状部分であるロータヨーク及び複数の突極３２ｎ、３２ｓは、磁性鋼板を複数積層した積層体等の磁性材により、一体に設けられている。Ｎ極形成突極３２ｎとＳ極形成突極３２ｓとは、互いに同一の形状及び大きさを有する。

より詳しくは、ロータ１４の周方向に関して１つおきの突極であるＮ極形成突極３２ｎのそれぞれに、２つのＮ極ロータコイルである、Ｎ極第１コイルであるＮ極コモンコイル３０ｎとＮ極第２コイルであるＮ極誘導コイル２８ｎとが集中巻きで巻線されている。また、ロータ１４において、Ｎ極形成突極３２ｎと隣り合う別の突極であり、周方向１つおきの突極であるＳ極形成突極３２ｓのそれぞれに、２つのＳ極ロータコイルである、Ｓ極第１コイルであるＳ極コモンコイル３０ｓとＳ極第２コイルであるＳ極誘導コイル２８ｓとが集中巻きで巻線されている。また、ロータ１４は、周方向に隣り合う突極３２ｎ、３２ｓの間に形成された第２スロットであるスロット３４（図３）を有する。すなわち、ロータコア２４には、複数のスロット３４が、ロータ１４の回転軸まわりの周方向に互いに間隔をおいて形成されている。また、ロータコア２４は、回転軸３６の径方向外側に嵌合固定されている。

各Ｎ極誘導コイル２８ｎは、各Ｎ極形成突極３２ｎにおいて、Ｎ極コモンコイル３０ｎよりも先端側、すなわち、ステータ１２（図１）に近い側に巻かれている。各Ｓ極誘導コイル２８ｓは、各Ｓ極形成突極３２ｓにおいて、Ｓ極コモンコイル３０ｓよりも先端側、すなわち、ステータ１２に近い側に巻かれている。なお、各突極３２ｎ、３２ｓの周囲に巻かれる誘導コイル２８ｎ、２８ｓ及び各コモンコイル３０ｎ、３０ｓは、それぞれ突極３２ｎ（または３２ｓ）の周囲の長さ方向（図４の上下方向）に沿って設けられたソレノイドが、突極３２ｎ（または３２ｓ）の周方向（図４の左右方向）に複数層整列した整列巻きで配置されることもできる。なお、各突極３２ｎ、３２ｓの先端側に巻かれる誘導コイル２８ｎ、２８ｓは、突極３２ｎ、３２ｓの周囲に複数回、すなわち複数ターン分、渦巻状に巻いた構成とすることもできる。

図４に示すように、ロータ１４の周方向に隣り合う２個の突極３２ｎ、３２ｓを１組として、各組で１個のＮ極形成突極３２ｎに巻かれたＮ極誘導コイル２８ｎと、１個のＳ極形成突極３２ｓに巻かれたＳ極誘導コイル２８ｓとは、互いに直列に接続され、かつ、ダイオードブリッジ回路３８の２つのアノード・カソード接続端Ｐ１，Ｐ２の間に接続されている。

また、２個の突極３２ｎ、３２ｓを１組とした各組で１個のＮ極形成突極３２ｎに巻かれたＮ極コモンコイル３０ｎと、１個のＳ極形成突極３２ｓに巻かれたＳ極コモンコイル３０ｓとは、互いに直列に接続され、かつ、ダイオードブリッジ回路３８のアノード・アノード接続端Ｐ３とカソード・カソード接続端Ｐ４との間に接続されている。したがって、回転電機１０（図１）は複数のダイオードブリッジ回路３８を含み、各ダイオードブリッジ回路３８に、１つのＮ極形成突極３２ｎに巻かれるＮ極誘導コイル２８ｎ及びＮ極コモンコイル３０ｎと、１つのＳ極形成突極３２ｓに巻かれるＳ極誘導コイル２８ｓ及びＳ極コモンコイル３０ｓとが接続されている。

さらに、Ｎ極誘導コイル２８ｎが突極３２ｎに巻かれる向きと、Ｓ極誘導コイル２８ｓが突極３２ｓに巻かれる向きとは互いに同じ向きとなっている。これに対して、Ｎ極コモンコイル３０ｎが突極３２ｎに巻かれる向きと、Ｓ極コモンコイル３０ｓが突極３２ｓに巻かれる向きとは互いに逆向きとなっている。

また、各誘導コイル２８ｎ、２８ｓ及び各コモンコイル３０ｎ、３０ｓの巻回中心軸は、ロータ１４（図３）の径方向と一致している。なお、各誘導コイル２８ｎ、２８ｓ及び各コモンコイル３０ｎ、３０ｓは、対応する突極３２ｎ（または３２ｓ）に、樹脂等により造られる電気絶縁性を有するインシュレータ（図示せず）等を介して巻装することもできる。誘導コイル２８ｎ、２８ｓ及び各コモンコイル３０ｎ、３０ｓがこのように配置されるので、図３に示すように、ロータ１４の周方向に関して誘導コイル２８ｎ、２８ｓ及び各コモンコイル３０ｎ、３０ｓの巻回中心軸方向となる磁極方向にｄ軸磁路が形成され、ロータ１４の周方向に関して、誘導コイル２８ｎ、２８ｓ及び各コモンコイル３０ｎ、３０ｓの巻回中心軸の間位置にｑ軸磁路が形成される。なお、図３では、矢印α方向にロータ１４が回転する場合のｄ軸方向及びｑ軸方向を矢印で示している。

このような構成では、各コモンコイル３０ｎ、３０ｓに整流された電流が流れることで突極３２ｎ、３２ｓが磁化し、磁極部として機能する。図２に戻って、ステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗに交流電流を流すことで、ステータ１２が回転磁界を生成するが、この回転磁界は、基本波成分の磁界だけでなく、基本波よりも高い次数の高調波成分の磁界を含んでいる。

より詳しくは、ステータ１２に回転磁界を発生させる起磁力の分布は、各相のステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗの配置や、ティース１８及びスロット２２によるステータコア１６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、集中巻においては、各相のステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗが互いに重なり合わないため、ステータ１２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。例えばステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗが３相集中巻の場合は、高調波成分として、入力電気周波数の時間的３次成分であり、空間的な２次成分の振幅レベルが増大する。このようにステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗの配置やステータコア１６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ている。

ステータ１２からロータ１４（図３）に、この空間高調波成分を含む回転磁界が作用すると、空間高調波の磁束変動により、ロータ１４の隣り合う突極３２ｎ、３２ｓ間の空間に漏れ出す漏れ磁束の変動が発生し、これにより図４に示す隣り合うＮ極形成突極３２ｎ及びＳ極形成突極３２ｓにそれぞれ巻装された誘導コイル２８ｎ、２８ｓに誘導電圧が発生する。また、ステータ１２から近い、突極３２ｎ、３２ｓの先端側の誘導コイル２８ｎ、２８ｓは、主に誘導電流を発生させる機能を有し、ステータ１２から遠い、コモンコイル３０ｎ、３０ｓは、主に突極３２ｎ、３２ｓを磁化する機能を有する、すなわち電磁石として機能する。

本実施形態では、２つの誘導コイル２８ｎ、２８ｓが直列に接続されるため、例えば各誘導コイル２８ｎ、２８ｓの巻き数が同じとした場合に２つの誘導コイル２８ｎ、２８ｓを合わせたもので巻き数が２倍になったものと同様に作用し、２倍の電圧等の振幅の大きな交流電圧が、ダイオードブリッジ回路３８の２つのアノード・カソード接続端Ｐ１、Ｐ２間に加わる。このため、ダイオードブリッジ回路３８のアノード・アノード接続端Ｐ３とカソード・カソード接続端Ｐ４との間に振幅の大きな全波整流電圧が発生し、この全波整流電圧が２つのコモンコイル３０ｎ、３０ｓに作用する。このため、各コモンコイル３０ｎ、３０ｓにこの全波整流電圧に基づく電流により、図４に矢印βで示す方向に、ロータ１４の内部に磁束が発生する。この結果、コモンコイル３０ｎ、３０ｓが巻装された突極３２ｎ、３２ｓが磁化することで、突極３２ｎ、３２ｓが磁極の固定された磁石である磁極部として機能する。

図４に示す、周方向に隣り合うＮ極コモンコイル３０ｎとＳ極コモンコイル３０ｓとで巻き方向が逆になっており、周方向に隣り合う突極３２ｎ、３２ｓ同士で磁化方向が逆になる。図示の例では、Ｎ極コモンコイル３０ｎが巻装されたＮ極形成突極３２ｎの先端にＮ極が生成され、Ｓ極コモンコイル３０ｓが巻装されたＳ極形成突極３２ｓの先端にＳ極が生成されるようにしている。このため、ロータ１４の周方向においてＮ極とＳ極とが交互に配置される。すなわち、ロータ１４は、ステータ１２で生成される磁界に含まれる高調波成分が鎖交することにより、周方向にＮ極及びＳ極が交互に形成されるように構成される。

また、図３に示すように、ロータ１４の周方向に関する各誘導コイル２８ｎ、２８ｓ及び各コモンコイル３０ｎ、３０ｓの幅θは、ロータ１４の電気角で１８０°に相当する幅よりも短く設定し、各誘導コイル２８ｎ、２８ｓ及び各コモンコイル３０ｎ、３０ｓは、それぞれ突極３２ｎ、３２ｓに短節巻きで巻装されている。ここでの各誘導コイル２８ｎ、２８ｓ及び各コモンコイル３０ｎ、３０ｓの幅θについては、各誘導コイル２８ｎ、２８ｓ及び各コモンコイル３０ｎ、３０ｓの断面積を考慮して、各誘導コイル２８ｎ、２８ｓ及び各コモンコイル３０ｎ、３０ｓの断面の中心幅で表すことができる。すなわち、各誘導コイル２８ｎ、２８ｓ及び各コモンコイル３０ｎ、３０ｓの内周面の幅と外周面の幅との平均値で幅θを表すことができる。なお、ロータ１４の電気角は、ロータ１４の機械角にロータ１４の極対数ｐを乗じた値で表される（電気角＝機械角×ｐ）。このため、周方向に関する各誘導コイル２８ｎ、２８ｓ及び各コモンコイル３０ｎ、３０ｓの幅θは、ロータ１４の回転中心軸から各誘導コイル２８ｎ、２８ｓ及び各コモンコイル３０ｎ、３０ｓまでの距離をｒとすると、以下の（１）式を満たす。
θ＜π×ｒ／ｐ （１）

上記の回転電機１０では、３相のステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗに３相の交流電流を流すことでティース１８に形成された回転磁界（基本波成分）がロータ１４に作用し、これに応じて、ロータ１４の磁気抵抗が小さくなるように、突極３２ｎ、３２ｓがティース１８の回転磁界に吸引される。これによって、ロータ１４にトルク（リラクタンストルク）が作用する。

また、各突極３２ｎ、３２ｓで生成される磁極が固定された磁石の磁界がステータ１２により生成される回転磁界（基本波成分）と相互作用して、吸引及び反発作用が生じる。このステータ１２により生成される回転磁界（基本波成分）と突極３２ｎ、３２ｓ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１４にトルク（磁石トルクに相当するトルク）を作用させることができ、ロータ１４がステータ１２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。このように回転電機１０は、ステータコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗへの供給電力を利用してロータ１４に動力（機械的動力）を発生させる電動機（モータ）として機能させることができる。

さらに、上記のように、２つのＮ極ロータコイルであるＮ極誘導コイル２８ｎ及びＮ極コモンコイル３０ｎと、２つのＳ極ロータコイルであるＳ極誘導コイル２８ｓ及びＳ極コモンコイル３０ｓとが、ダイオードブリッジ回路３８に接続されているので、上記のように、大きな振幅の全波整流電圧が２つのコモンコイル３０ｎ、３０ｓに作用する。このため、この全波整流電圧に基づいて各コモンコイル３０ｎ、３０ｓで生じる誘導電流を高効率で大きくでき、ロータ１４の内部に大きな磁束が発生し、各突極３２ｎ、３２ｓの磁力が強くなるので、回転電機１０のトルクを大きくできる。

これについて、図５を用いて詳しく説明する。図５は、本実施の形態において、誘導コイルに鎖交する磁束により発生する誘起電圧（誘導コイル電圧）と、ダイオードブリッジ回路の２つの接続端Ｐ１，Ｐ２間に加わる電圧（Ｎ＋Ｓ極誘導コイル電圧）と、ダイオードブリッジ回路の別の２つの接続端Ｐ３，Ｐ４間に発生する電圧（全波整流電圧）と、コモンコイルに流れる電流（コモンコイル電流）とを示す図である。以下の説明では、図１〜４に示した要素と同一の要素には同一の符号を付して説明する。図５に示すように、互いに隣り合う突極３２ｎ、３２ｓに巻かれるＮ極誘導コイル２８ｎ及びＳ極誘導コイル２８ｓが同じ巻き方向で直列に接続されているため、ステータ１２で生成される磁界に含まれる空間高調波に基づいて、ロータ１４の隣り合う突極３２ｎ、３２ｓ間に生じる変動磁束が各誘導コイル２８ｎ、２８ｓに鎖交することで、各突極３２ｎ、３２ｓに同じように変動する交流電圧が発生する。このため、図４で示すダイオードブリッジ回路３８の２つの接続端Ｐ１，Ｐ２同士の間に、「Ｎ極誘導コイル電圧」と「Ｓ極誘導コイル電圧」との和である「Ｎ＋Ｓ極誘導コイル電圧」の交流電圧が加わる。そして、ダイオードブリッジ回路３８の別の２つの接続端Ｐ３，Ｐ４同士の間に、この交流電圧に基づく「全波整流電圧」が発生し、Ｎ極コモンコイル３０ｎ及びＳ極コモンコイル３０ｓに加わる。すなわち、各コモンコイル３０ｎ、３０ｓでは常に各誘導コイル２８ｎ、２８ｓの誘導電圧を利用できる。このため、各コモンコイル３０ｎ、３０ｓにこの全波整流電圧に基づく大きなコモンコイル電流を高効率で得られて、ロータ１４の内部に流れる磁束を大きくできる。この結果、各突極３２ｎ、３２ｓで生成される電磁石を強くでき、回転電機１０のトルク増大を図れる。

また、上記のようにロータ１４の周方向に関する各誘導コイル２８ｎ、２８ｓ及び各コモンコイル３０ｎ、３０ｓの幅θは、ロータ１４の電気角で１８０°に相当する幅よりも短く設定し、各誘導コイル２８ｎ、２８ｓ及び各コモンコイル３０ｎ、３０ｓは、それぞれ突極３２ｎ、３２ｓに短節巻きで巻装している。このため、各誘導コイル２８ｎ、２８ｓ及び各コモンコイル３０ｎ、３０ｓに発生する、回転磁界の空間高調波による誘導起電力を大きくできる。このため、各突極３２ｎ、３２ｓに発生する磁石の磁束を効率よく増大させ、回転電機１０のトルクを効率よく増大できる。また、空間高調波による各誘導コイル２８ｎ、２８ｓ及び各コモンコイル３０ｎ、３０ｓへの鎖交磁束の振幅をより増大させる面から、周方向に関する各誘導コイル２８ｎ、２８ｓ及び各コモンコイル３０ｎ、３０ｓの幅θを、ロータ１４の電気角で９０°に相当する幅に等しく（あるいはほぼ等しく）することが好ましい。また、各誘導コイル２８ｎ、２８ｓ及び各コモンコイル３０ｎ、３０ｓのうち、少なくとも各誘導コイル２８ｎ、２８ｓの幅θのみを、ロータ１４の電気角で１８０°に相当する幅よりも短く設定することもできる。

また、本実施形態の場合と異なり、上記の特許文献２に記載された構成の場合、固定子に設けられた３相の主発電巻線とは別に、固定子に励磁巻線を設ける必要がある。また、固定子に設けられた主発電巻線と励磁巻線とを接続し、主発電巻線から電圧を取り出すケーブルが必要となる。このため、上記の特許文献２に記載された構成では、回転電機が大型化し、コストが増大する要因となる。これに対して、本実施形態によれば、このような不都合をいずれもなくして、回転電機を小型にできるとともに、コスト低減を図れるという効果を得られる。

次に、本実施形態の効果を確認するために従来構造の回転電機と本実施形態の回転電機とのトルクを比較した結果を説明する。まず、図６〜８を用いて、従来構造の回転電機の構成を説明する。図６は、従来構造の回転電機において、ロータの周方向一部の突極に巻かれたロータコイルの結線状態を示す模式図である。図７は、図６の構造において、ロータの周方向に隣り合う突極に２つずつ巻装されたロータコイルの接続回路の等価回路を示す図である。図６〜８に示す従来構造において、ロータコイルの接続回路以外は、上記の図１〜４に示した本実施形態の構成と同様である。すなわち、図６に示す従来構造では、ロータ１４の周方向に隣り合う２個の突極であるＮ極形成突極３２ｎ及びＳ極形成突極３２ｓを１組として、各組で１個のＮ極形成突極３２ｎに巻かれたＮ極誘導コイル４０ｎの一端と、１個のＳ極形成突極３２ｓに巻かれたＳ極誘導コイル４０ｓの一端とを、第１ダイオード４４及び第２ダイオード４６を介して接続している。すなわち、図７に示すように、Ｎ極誘導コイル４０ｎ及びＳ極誘導コイル４０ｓの一端は、互いに順方向が逆になる第１ダイオード４４及び第２ダイオード４６を介して、接続点Ｒで接続している。また、Ｎ極誘導コイル４０ｎとＳ極誘導コイル４０ｓとは互いに逆向きに、それぞれ対応する突極３２ｎ（または３２ｓ）に巻かれている。

また、各組で１個のＮ極形成突極３２ｎに巻かれたＮ極コモンコイル４２ｎの一端は、１個のＳ極形成突極３２ｓに巻かれたＳ極コモンコイル４２ｓの一端に接続している。Ｎ極コモンコイル４２ｎ及びＳ極コモンコイル４２ｓは互いに直列に接続することで、接続コモンコイル要素４８を形成している。さらに、Ｎ極コモンコイル４２ｎの他端は接続点Ｒに接続し、Ｓ極コモンコイル４２ｓの他端は、Ｎ極誘導コイル４０ｎ及びＳ極誘導コイル４０ｓの接続点Ｒとは反対側の他端に接続している。

図８を用いて、このような従来構造の回転電機でコモンコイル４２ｎ、４２ｓに誘導電流が流れる様子を説明する。図８は、図６の構造において、誘導コイルに鎖交する磁束により発生する誘起電圧（誘導コイル電圧）と、コモンコイルに流れる電流（コモンコイル電流）とを示す図である。以下の説明では、図１〜４に示した要素、または、図６〜７に示した要素と同一の要素には同一の符号を付して説明する。従来構造の回転電機では、ステータ１２で生成される磁界に含まれる空間高調波が各誘導コイル４０ｎ、４０ｓに鎖交するが、各誘導コイル４０ｎ、４０ｓには、それぞれに接続されたダイオード４４，４６の順方向と一致する方向の電流しか流れず、しかも、Ｎ極誘導コイル４０ｎとＳ極誘導コイル４０ｓとは互いに逆向きに、それぞれ対応する突極３２ｎ（または３２ｓ）に巻かれている。このため、ステータ１２で生成される起磁力の高調波成分に基づいて、ロータ１４の隣り合う突極３２ｎ、３２ｓ間に流れる磁束変動に基づいて、図８に示すように、Ｎ極誘導コイル４０ｎとＳ極誘導コイル４０ｓとで、交互に正となるような交流電圧（Ｎ極誘導コイル電圧、Ｓ極誘導コイル電圧）が発生し、交互に整流された誘導電流が流れる。この結果、各コモンコイル４２ｎ、４２ｓには、全波整流されたコモンコイル電流が流れる。このような従来構造では、上記の図５を用いて説明した実施形態と図８との比較から明らかなように、各コモンコイル４２ｎ、４２ｓで得られるコモンコイル電流が、上記の図５の実施形態の場合よりも小さくなる。逆に言えば、上記の実施形態によれば、図６〜８に示す従来構造に対してコモンコイル電流を大きくできる。

図９は、図１〜５に示した本実施形態に係る回転電機と、図６〜８に示した従来構造の回転電機との回転数及びモータトルクの関係を示す図である。図９では、実線ａが実施形態の場合を、破線ｂが従来構造の場合を、それぞれ表している。図８に示す実施形態と従来構造とのトルク比較から明らかなように、実施形態では、従来構造に比べてコモンコイル電流が増加することでほぼすべての回転域でトルクを増大でき、トルク及び出力をともに増大できることが分かる。

なお、本実施形態において、各誘導コイル２８ｎ、２８ｓと各コモンコイル３０ｎ、３０ｓとは互いに異なる材料により形成することもできる。例えば、各コモンコイル３０ｎ、３０ｓは銅線等の導電性材料により形成し、各誘導コイル２８ｎ、２８ｓは、アルミニウムまたはアルミニウム合金等の、コモンコイル３０ｎ、３０ｓを構成する導電性材料よりも軽量な別の導電性材料により形成することもできる。

また、上記の図３で示すように、各突極３２ｎ、３２ｓの長さ方向中間部で、誘導コイル２８ｎ、２８ｓを巻装した部分とコモンコイル３０ｎ、３０ｓを巻装した部分との間から巻線脱落防止部５０を突出させ、各コモンコイル３０ｎ、３０ｓが、ロータ１４の回転に伴う遠心力で脱落しないように、巻線脱落防止部５０に各コモンコイル３０ｎ、３０ｓを係止することもできる。例えば、巻線脱落防止部５０は、突極３２ｎ、３２ｓの周方向に突出する突出部とし、各突極３２ｎ、３２ｓの根元から巻線脱落防止部５０までの部分にコモンコイル３０ｎ、３０ｓを巻回することができる。また、図示は省略するが、各突極３２ｎ、３２ｓの先端部の周方向両側面から周方向に突出する鍔部を設けることで、各誘導コイル２８ｎ、２８ｓの遠心力による脱落を防止することもできる。

また、図示は省略するが、各突極３２ｎ、３２ｓの周方向両側面または片側面から周方向に対し、先端に向かうほど径方向外側になるように傾斜した方向等に突出する磁性を有する補助突極を、突極３２ｎ、３２ｓと一体に形成することもできる。このような補助突極を形成した場合、ステータ１２で生成される回転磁界に含まれ、誘導コイル２８ｎ、２８ｓに鎖交する高調波成分である空間高調波、例えば、時間３次である空間２次の高調波成分を、補助突極により有効に増大させることができる。例えば、ステータ１２で生成される起磁力分布の高調波成分の多くの磁束をステータ１２のティース１８から、補助突極を介して突極３２ｎ、３２ｓへ誘導して、誘導コイル２８ｎ、２８ｓに多くの磁束を鎖交させることができる。また、高調波成分の多くの磁束をティース１８から突極３２ｎ、３２ｓを介して補助突極へ誘導して、誘導コイル２８ｎ、２８ｓに多くの磁束を鎖交させることもできる。このため、誘導コイル２８ｎ、２８ｓに鎖交する磁束の磁束密度の変化を大きくし、誘導コイル２８ｎ、２８ｓに誘導される誘導電流をより大きくでき、突極３２ｎ、３２ｓに形成される電磁石である磁極の磁力をより強くできる。このため、ロータ磁力を増加させ、回転電機のトルクをより増大できる。例えば、補助突極は、突極３２ｎ、３２ｓの周方向両側面の、誘導コイル２８ｎ、２８ｓを巻装した部分とコモンコイル３０ｎ、３０ｓを巻装した部分との間から突出させることができる。

次に、図１０は、本発明の実施の形態に係る回転電機の別例の第１例において、各突極に巻かれたロータ巻線とダイオードブリッジ回路との結線状態を示す回路図である。以下の説明では、上記の図１〜５に示した実施形態と同一の要素には同一の符号を付して説明する。図１〜５に示した実施形態では、ロータ１４に複数組のＮ極形成突極３２ｎ及びＳ極形成突極３２ｓに対応して、複数のダイオードブリッジ回路３８（図４）が設けられている。これに対して、図１０の構成例では、ロータ１４にダイオードブリッジ回路３８が１つのみ設けられている。すなわち、ロータ１４の各突極３２ｎ、３２ｓに巻装された誘導コイル２８ｎ、２８ｓのすべてを直列接続することで接続誘導コイル要素５２を形成し、ダイオードブリッジ回路３８の２つのアノード・カソード接続端Ｐ１，Ｐ２の間に接続誘導コイル要素５２を接続している。

また、ロータ１４の各突極３２ｎ、３２ｓに巻装されたコモンコイル３０ｎ、３０ｓのすべてを直列接続することで接続コモンコイル要素５４を形成し、ダイオードブリッジ回路３８のアノード・アノード接続端Ｐ３とカソード・カソード接続端Ｐ４との間に接続コモンコイル要素５４を接続している。

このような構成例によれば、ダイオードブリッジ回路３８の２つのアノード・カソード接続端Ｐ１，Ｐ２の間に直列接続される誘導コイル２８ｎ、２８ｓの数が多くなるので、２つのアノード・カソード接続端Ｐ１，Ｐ２間に加わる電圧の振幅をより増大でき、ダイオードブリッジ回路３８のアノード・アノード接続端Ｐ３とカソード・カソード接続端Ｐ４との間に発生する全波整流電圧の振幅もより増大できる。その他の構成及び作用は、上記の図１〜５に示した実施形態と同様である。

図１１は、本発明の実施の形態に係る回転電機の別例の第２例において、各突極に巻かれたロータ巻線とダイオードブリッジ回路との結線状態を示す回路図である。以下の説明では、上記の図１〜５に示した実施形態と同一の要素には同一の符号を付して説明する。図１１の構成例でも、上記の図１０の構成例と同様に、ロータ１４にダイオードブリッジ回路３８が１つのみ設けられている。すなわち、ロータ１４の周方向に隣り合う２つの突極３２ｎ、３２ｓに巻装されたＮ極誘導コイル２８ｎ及びＳ極誘導コイル２８ｓを直列接続したものを１組の接続誘導コイル要素５６として、複数組の接続誘導コイル要素５６を、互いに並列接続し、かつ、ダイオードブリッジ回路３８の２つのアノード・カソード接続端Ｐ１，Ｐ２間に接続している。

また、ロータ１４の周方向に隣り合う２つの突極３２ｎ、３２ｓに巻装されたＮ極コモンコイル３０ｎ及びＳ極コモンコイル３０ｓを直列接続したものを１組の接続コモンコイル要素５８として、複数組の接続コモンコイル要素５８を、互いに並列接続し、かつ、ダイオードブリッジ回路３８のアノード・アノード接続端Ｐ３とカソード・カソード接続端Ｐ４との間に接続している。

このような構成例によれば、上記の図１０の構成例に比べて、ダイオードブリッジ回路３８の２つのアノード・カソード接続端Ｐ１、Ｐ２間に直列接続される誘導コイル２８ｎ、２８ｓの数が少なくなるので、２つのアノード・カソード接続端Ｐ１、Ｐ２間に加わる電圧が小さくなるが、それぞれのアノード・カソード接続端Ｐ１、Ｐ２に入力される電流を大きくできる。その他の構成及び作用は、上記の図１〜５に示した実施形態と同様である。

なお、上記の図１０の構成例の一部と図１１の構成例の一部とを組み合わせることもできる。例えば、図１０の構成例で、ダイオードブリッジ回路３８のアノード・アノード接続端Ｐ３とカソード・カソード接続端Ｐ４との間に、図１１のように互いに並列接続した複数組の接続コモンコイル要素５８を接続することもできる。また、図１１の構成例で、ダイオードブリッジ回路３８のアノード・アノード接続端Ｐ３とカソード・カソード接続端Ｐ４との間に、図１０のように互いにすべてのコモンコイル３０ｎ、３０ｓを直列接続した接続コモンコイル要素５４を接続することもできる。

さらに、図１０または図１１の構成例で、すべてのＮ極誘導コイル２８ｎを直列接続したものと、すべてのＳ極誘導コイル２８ｓを直列接続したものとを並列接続したり、すべてのＮ極コモンコイル３０ｎを直列接続したものと、すべてのＳ極コモンコイル３０ｓを直列接続したものとを並列接続することもできる。また、図４または図１０または図１１の構成で、ダイオードブリッジ回路３８のアノード・アノード接続端Ｐ３とカソード・カソード接続端Ｐ４との間に、２つのコモンコイル３０ｎ、３０ｓまたはすべてのコモンコイル３０ｎ、３０ｓを並列接続することもできる。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何ら限定されるものではなく、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し得ることは勿論である。本発明では、例えばアキシャルギャップ型の回転電機等を備える構成を採用することもできる。

１０ 回転電機、１２ ステータ、１４ ロータ、１６ ステータコア、１８ ティース、２０ｕ，２０ｖ，２０ｗ ステータコイル、２２ スロット、２４ ロータコア、２８ｎ Ｎ極誘導コイル、２８ｓ Ｓ極誘導コイル、３０ｎ Ｎ極コモンコイル、３０ｓ Ｓ極コモンコイル、３２ｎ Ｎ極形成突極、３２ｓ Ｓ極形成突極、３４ スロット、３６ 回転軸、３８ ダイオードブリッジ回路、４０ｎ Ｎ極誘導コイル、４０ｓ Ｓ極誘導コイル、４２ｎ Ｎ極コモンコイル、４２ｓ Ｓ極コモンコイル、４４ 第１ダイオード、４６ 第２ダイオード、４８ 接続コモンコイル要素、５０ 巻線脱落防止部、５２ 接続誘導コイル要素、５４ 接続コモンコイル要素、５６ 接続誘導コイル要素、５８ 接続コモンコイル要素。

Claims (3)

1. ステータと、
   前記ステータに対向配置され、前記ステータで生成される磁界に含まれる高調波成分が鎖交することにより周方向にＮ極及びＳ極が交互に形成されるように構成されるロータとを備え、
   前記ロータは、
   前記Ｎ極が形成される複数のＮ極形成突極と、前記Ｓ極が形成される複数のＳ極形成突極とを有するロータコアと、
   前記各Ｎ極形成突極に巻かれる２つのＮ極ロータコイルと、前記各Ｓ極形成突極に巻かれる２つのＳ極ロータコイルとを含み、
   前記２つのＮ極ロータコイルと前記２つのＳ極ロータコイルとが、ダイオードブリッジ回路に接続され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、
   前記２つのＮ極ロータコイルは、前記各Ｎ極形成突極に巻かれるＮ極第１コイルと、前記各Ｎ極形成突極の前記Ｎ極第１コイルよりも前記ステータに近い側に巻かれるＮ極第２コイルとを含み、
   前記２つのＳ極ロータコイルは、前記各Ｓ極形成突極に巻かれるＳ極第１コイルと、前記各Ｓ極形成突極のＳ極第１コイルよりも前記ステータに近い側に巻かれるＳ極第２コイルとを含むことを特徴とする回転電機。
3. 請求項２に記載の回転電機において、
   前記Ｎ極第１コイル及び前記Ｓ極第１コイルは、互いに直列に接続され、かつ、前記ダイオードブリッジ回路のアノード・アノード接続端とカソード・カソード接続端との間に接続されており、
   前記Ｎ極第２コイル及び前記Ｓ極第２コイルは、互いに直列に接続され、かつ、前記ダイオードブリッジ回路の２つのアノード・カソード接続端の間に接続されていることを特徴とする回転電機。

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