JP2016197941A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化と可変界磁とを両立させ得る回転電機を提供することである。【解決手段】回転電機１０は、多相巻線１１ａと、多相巻線１１ａを巻装した電機子鉄心１１ｂと、電機子鉄心１１ｂに対向して回転自在に配置された複数の磁極１２ｄと、多相巻線１１ａと、電機子鉄心１１ｂの外側とを取り囲むように配置され、かつ、複数の磁極１２ｄと磁気的に連接するヨーク鉄心１３と、多相交流に直流成分を重畳して多相巻線１１ａに通電する重畳手段とを有し、重畳手段の通電によって電機子鉄心１１ｂ，磁極１２ｄおよびヨーク鉄心１３からなる磁気回路に直流の界磁磁束を流す。この構成によれば、直流成分の大きさや向きを変えることで界磁制御ができるので、界磁巻線がなくてもブラシレス可変界磁が可能となる。多相巻線１１ａとは別個に界磁制御を行うための巻線は不要になるので、小型化を確保できる。【選択図】図１

Description

本発明は、多相巻線や電機子鉄心などを含む回転電機に関する。

小型高性能、長寿命で高信頼のためには、永久磁石界磁のブラシレス構造をとることが一般的である。広い回転域で使用する用途においては、界磁の強さを可変にすることが求められる。ところが、前述の永久磁石界磁では界磁を可変にすることが困難であるため、損失が生じたり、特性に限界があったりした。そこで、永久磁石界磁でなく、巻線界磁方式をとることが考えられる。巻線は永久磁石に比べてどうしても巻装スペースが大きくなるために、巻線を取り囲む鉄心も含めて、極めて大きな体積を必要とする。そのため、巻線界磁方式では、元々の小型高性能の課題を達成するのが困難になっていた。

従来では、永久磁石非励磁磁極を励磁する励磁コイルを適切な位置に配置することで、所望の磁気回路を形成してサイズを大型化することなく実現することを目的とするハイブリッド励磁式回転電機に関する技術の一例が開示されている（例えば特許文献１を参照）。このハイブリッド励磁式回転電機は、第１ロータコア及び第２ロータコアを有するロータと、ロータを回転させる回転磁界を発生させるステータと、ステータから径方向内側に突出して第１ロータコアと第２ロータコアとの隙間に配置された励磁コイルとを備える。

特開２０１３−２１２０３７号公報

しかし、特許文献１の技術を適用しても、第一に、ステータやロータがそれぞれ二つずつになるなど、部品数が多くなりどうしても大型になってしまう。また第二に、励磁コイルの起磁力がちょうど永久磁石磁極の極性に関してはその起磁力を弱める方向の作用となることから、励磁コイルの電流を増して出力増加はするものの永久磁石のもてるポテンシャルを抑制してしまうことになる。これらの二つの大きな課題があったため、大型化しがちであった。

本発明はこのような点に鑑みてなしたものであり、小型化と可変界磁とを両立させ得る回転電機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた第１の発明は、多相巻線と、前記多相巻線を巻装した電機子鉄心と、前記電機子鉄心に対向して回転自在に配置された複数の磁極と、前記電機子巻線と、前記電機子鉄心の外側とを取り囲むように配置され、かつ、前記複数の磁極と磁気的に連接するヨーク鉄心と、多相交流に直流成分を重畳して、前記多相巻線に通電する重畳手段とを有し、前記重畳手段の通電によって、前記電機子鉄心、前記磁極および前記ヨーク鉄心からなる磁気回路に直流の界磁磁束を流すことを特徴とする。

この構成によれば、重畳手段は多相交流（例えば三相交流等）に直流成分を重畳して多相巻線に通電する。また、回転自在に配置される複数の磁極は、電機子鉄心に巻装される電機子鉄心にＮ極とＳ極を交番して鎖交する磁束を導く。よって、多相巻線に通電する多相交流によって電動駆動制御を行え、直流成分の大きさや向きによって界磁制御を行える。多相巻線とは別個に界磁制御を行うための巻線は不要になるので、小型化を確保できる。電機子鉄心に巻装される多相巻線を利用して界磁を行うので、所望の特性を確保することができる。したがって、ブラシレスでかつ界磁が印加でき、小型化と可変界磁とを両立させることができる。

第２の発明は、環状の電磁鋼板を積層して形成される積層構造鉄心からなる回転子鉄心と、一以上の永久磁石と、前記永久磁石の配置した極の中央に挿入して固定された前記積層鋼板とは異なる一以上の軟磁性部材よりなるピン状部材と、前記永久磁石を有する磁極の間に位置する軟磁性体製のコンシクエント磁性極とを有する回転子であって、前記隣り合うコンシクエント磁性極は相互に周方向に前記永久磁石の磁極の内径側で連接させている。またその内側には所定空間を隔てて前記ヨーク鉄心より延在させた筒状部分を形成配置していることを特徴とする。

この構成によれば、複数の磁極は永久磁石や磁性部材からなるので、磁束が集中して流れ易くなる突極性が高められて高性能となる。また、回転子鉄心は環状の積層構造鉄心であることから、高速化または大型化しても剛性や耐遠心力を維持できる。

第３の発明は、前記多相巻線は、周方向に電気角の１８０度ピッチで、波状に軸方向と周方向とを交互に蛇行した巻装をなす波状全節巻であることを特徴とする。

この構成によれば、重畳手段によって重畳して通電される直流成分を有効に励磁起磁力に変換することができるので、所望の特性をより容易に確保することができる。

なお、「電機子鉄心」は固定子鉄心と同義である。「外側」は径方向における外径側や外周側を意味し、「内側」は径方向における内径側や内周側を意味する。「回転子」は、円形状（円環状や円筒状等を含む）に成形される。「回転電機」は、回転する部材（例えば軸やシャフト等）を有する機器であれば任意である。例えば、発電機，電動機，電動発電機等が該当する。発電機には電動発電機が発電機の場合を含み、電動機には電動発電機が電動機の場合を含む。「多相巻線」は固定子巻線であり、一本状の巻線でもよく、複数の導体線やコイルを電気的に接続して一本状にしたものでもよい。多相巻線の相数は、三相以上であれば問わない。「巻装」は巻いて装うことを意味し、巻き回す意味の「巻回」と同義に用いる。

回転電機の第１構成例を模式的に示す断面図である。 回転子鉄心の第１構成例であり、図１に示すII−II線の断面図である。 サイド環状鉄心の構成例であり、図１に示す矢印IIIから見た平面図である。 多相巻線の巻装例を示す模式図である。 電力変換部の第１構成例を示す回路図である。 ロータ回転角と電流の関係例を示すグラフ図である。 回転電機の第２構成例を模式的に示す断面図である。 回転子鉄心の第２構成例であり、図７に示すVIII−VIII線の断面図である。 回転電機の第３構成例を模式的に示す断面図である。 回転電機の第４構成例を模式的に示す断面図である。 クローポール型磁極の構成例であり、図１０に示す矢印XIから見た側面図である。 回転電機の第５構成例を模式的に示す断面図である。 回転子の第１構成例であり、図１２に示すXIII-XIII線の断面図である。 電力変換部の第２構成例を示す回路図である。 回転電機の第６構成例を模式的に示す断面図であり、図１６に示すXV−XV線の断面を含む。 回転子鉄心の第３構成例であり、図１５に示すXVI−XVI線の断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面に基づいて説明する。なお、特に明示しない限り、「接続する」という場合には電気的に接続することを意味する。各図は、本発明を説明するために必要な要素を図示し、実際の全要素を図示しているとは限らない。上下左右等の方向を言う場合には、図面の記載を基準とする。英数字の連続符号は記号「〜」を用いて略記する。例えば、「回転電機１０Ａ〜１０Ｆ」は「回転電機１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆ」を意味する。符号の英文字は大文字と小文字とで別の要素を意味する。例えば、図１に示す回転子１２Ａと回転子鉄心１２ａは別の要素である。部材間の固定方法は問わない。磁性部材は、主に軟磁性材であるが、磁束が流れることを条件として材質（材料）や構成などを問わない。

〔実施の形態１〕
実施の形態１は図１〜図６を参照しながら説明する。図１に示す回転電機１０Ａは、回転電機１０の一例である。この回転電機１０Ａは、電機子１１，回転子１２Ａ，回転軸１４，軸受１５，支持体１６Ａなどをヨーク鉄心１３内に有する。

ヨーク鉄心１３は、形状や材料等を任意に設定してよい支持部材１８の一例である。支持部材１８は「筐体」や「ハウジング」等に相当し、少なくとも電機子鉄心１１ｂを支持する。このヨーク鉄心１３は、鉄心本体１３ａや凸状部１３ｂなどを有する。凸状部１３ｂは、鉄心本体１３ａから軸方向かつ回転子１２Ａに向かって凸状に形成される部位である。本形態のヨーク鉄心１３は、その全部が支持部材１８として形成されるとともに、磁気回路ＭＣ１，ＭＣ２が形成される部位を有する。磁気回路ＭＣ１，ＭＣ２は、多相巻線１１ａへの通電に伴って、電機子鉄心１１ｂ，回転子鉄心１２ａ，軟磁性部材１２ｂ，サイド環状鉄心１２ｃ，ヨーク鉄心１３からなる。

電機子１１は、ヨーク鉄心１３に固定され、多相巻線１１ａや電機子鉄心１１ｂ（ステータコア）などを有する。ヨーク鉄心１３への固定方法は問わない。多相巻線１１ａは「電機子巻線（固定子巻線，ステータコイル）」に相当し、図１に凡例で示す向きに電流が流れるように電機子鉄心１１ｂに巻装される。電機子鉄心１１ｂへの巻装例については後述する（図４を参照）。多相巻線１１ａに通電する多相交流によって電動駆動制御を行える。電機子鉄心１１ｂは、磁性材で任意に構成してよい。例えば、電磁鋼板を積層させる構成としてもよく、単体の磁性材で構成してもよい。

回転子１２Ａは、回転子１２の一例である。この回転子１２Ａは、回転子鉄心１２ａ（ロータコア），軟磁性部材１２ｂ，サイド環状鉄心１２ｃなどを有する。回転子鉄心１２ａとサイド環状鉄心１２ｃは軟磁性部材１２ｂを介して固定される（図３を参照）。

回転子鉄心１２ａは、環状の電磁鋼板を積層して形成される積層構造鉄心（積層鋼板）からなる。この回転子鉄心１２ａは、挿入穴１２ａ１や永久磁石１２ａ２などを有する（図２を参照）。挿入穴１２ａ１の数や永久磁石１２ａ２の数は任意に設定してよい。挿入穴１２ａ１は、軟磁性部材１２ｂを挿入して固定できれば、貫通穴でもよく、非貫通穴（凹部）でもよい。複数の永久磁石１２ａ２を設ける場合には、隣り合う永久磁石１２ａ２どうしで互いに逆方向となるように磁極（すなわちＮ極やＳ極）が着磁される（図２を参照）。永久磁石１２ａ２は「磁極」に相当し、電機子鉄心１１ｂにＮ極とＳ極を交番して鎖交する磁束を導く。なお図示を省略するが、単体の磁性部材で回転子鉄心１２ａを構成してもよい。

各軟磁性部材１２ｂは、回転子鉄心１２ａ（積層構造鉄心）とは異なる部材であり、磁束が流れる限りにおいて任意の形状で形成してよい。本形態の軟磁性部材１２ｂは、円柱状のピン状部材に形成し（図１〜図３を参照）、図２に示す挿入穴１２ａ１に挿入して固定する。挿入穴１２ａ１は、周方向に隣り合う永久磁石１２ａ２の相互間における中央に設けるのが望ましい。図示を省略するが、サイド環状鉄心１２ｃに設けられる挿入穴にも挿入して固定する。

サイド環状鉄心１２ｃは、回転子鉄心１２ａの軸方向両側にそれぞれ配置され、一以上の軟磁性部材１２ｂによって回転子鉄心１２ａと固定される。図３に示すように、一方側（例えば図３の左側）のサイド環状鉄心１２ｃに固定される軟磁性部材１２ｂと、他方側（例えば図３の右側）のサイド環状鉄心１２ｃに固定される軟磁性部材１２ｂとは、互い違いになるように回転子鉄心１２ａ（挿入穴１２ａ１）に挿入して固定される。

図１に戻り、電機子１１と回転子１２Ａとの間にはギャップＧ１（空隙）が設けられ、回転子１２Ａとヨーク鉄心１３との間にはギャップＧ２（空隙）が設けられる。ギャップＧ２は「軸方向空隙」に相当する。ギャップＧ１，Ｇ２の大きさ（間隔）は、磁気回路ＭＣ１，ＭＣ２が形成できる範囲において、それぞれ任意に設定してよい。Ｇ１＝Ｇ２でもよく、Ｇ１≠Ｇ２でもよい。

回転軸１４は、軸受１５を介してヨーク鉄心１３に回転自在に設けられる。回転子１２Ａ（回転子鉄心１２ａ）は、非磁性の支持体１６Ａによって回転軸１４に支持される。よって、回転子１２Ａと回転軸１４は一体的に回転する。

支持体１６Ａは、支持体１６の一例である。本形態の支持体１６Ａは軸方向に断面がＵ字状となるように形成しているが、どのような形状で形成してもよい。

図４には、多相巻線１１ａが三相巻線の場合の巻装例を示す。本例の三相巻線は、Ｕ相巻線１１Ｕ，Ｖ相巻線１１Ｖ，Ｗ相巻線１１Ｗであり、いずれの巻線も波状全節巻で巻装される。波状全節巻は、周方向に角度θ（具体的には電気角の１８０度）ピッチで、波状に軸方向と周方向とを交互に蛇行させる巻装形態である。なお、破線で示す矢印Ｄ１は、回転子１２Ａの回転方向の一例である。

図５には、電力変換部２０の構成例を示す。巻線の接続を分かり易くするために、Ｕ相巻線１１Ｕ，Ｖ相巻線１１Ｖ，Ｗ相巻線１１Ｗを便宜的に示す。この電力変換部２０は、Ｕ相Ｈ型ブリッジＵＨＢ，Ｖ相Ｈ型ブリッジＶＨＢ，Ｗ相Ｈ型ブリッジＷＨＢを有する。各相のＨ型ブリッジは同じ構成であるので、Ｕ相Ｈ型ブリッジＵＨＢを代表して説明する。よって、符号「Ｕ」を「Ｖ」に置き換えて読めばＶ相Ｈ型ブリッジＶＨＢになり、符号「Ｕ」を「Ｗ」に置き換えて読めばＷ相Ｈ型ブリッジＷＨＢになる。

Ｕ相Ｈ型ブリッジＵＨＢは、トランジスタＱｕ１〜Ｑｕ４やダイオードＤｕ１〜Ｄｕ４などを有する。トランジスタＱｕ１とトランジスタＱｕ３が直列接続され、トランジスタＱｕ２とトランジスタＱｕ４が直列接続される。トランジスタＱｕ１とトランジスタＱｕ３の接続点と、トランジスタＱｕ２とトランジスタＱｕ４の接続点との間には、橋渡しするようにＵ相巻線１１Ｕが接続される。ダイオードＤｕ１〜Ｄｕ４は、それぞれ還流のためにトランジスタＱｕ１〜Ｑｕ４に並列接続される。

トランジスタＱｕ１〜Ｑｕ４，Ｑｖ１〜Ｑｖ４，Ｑｗ１〜Ｑｗ４は、それぞれ個別に制御部２１によって駆動が制御される。このトランジスタＱｕ１〜Ｑｕ４，Ｑｖ１〜Ｑｖ４，Ｑｗ１〜Ｑｗ４は、オン／オフを制御できれば任意の半導体素子を適用してもよい。例えば、スイッチング素子を含むＦＥＴ（具体的にはＭＯＳＦＥＴ，ＪＦＥＴ，ＭＥＳＦＥＴ等）、ＩＧＢＴ、ＧＴＯ、パワートランジスタなどが該当する。

制御部２１は「重畳手段」に相当し、図６に示すような制御を行って、三相巻線（Ｕ相巻線１１Ｕ，Ｖ相巻線１１Ｖ，Ｗ相巻線１１Ｗ）にそれぞれ通電する。図６には、電気角で３６０度を１周期とする交流電流ｉａ，ｉｂ，ｉｃの波形を示す。二点鎖線で示す交流電流ｉｂは、多相交流の一相分であり、重畳前の基準波となる電流である。本形態の基準波には正弦波を適用するが、正弦波以外の波形（例えば矩形波等）を適用してもよい。

制御部２１は、交流電流ｉｂに対して直流成分（本例は直流電流Ｉｐ，Ｉｍ）を重畳して通電する制御を行うことができれば、任意に構成してよい。当該制御には、交流電流ｉｂの振幅，周波数，波形、直流電流Ｉｐ（Ｉｐ＞０）の大きさ、直流電流Ｉｍ（Ｉｍ＜０）の大きさは、いずれも独立して可変する制御を含む。例えば、実線で示す交流電流ｉａは、交流電流ｉｂに対して直流電流Ｉｐを重畳した電流である。一点鎖線で示す交流電流ｉｃは、交流電流ｉｂに対して直流電流Ｉｍを重畳した電流である。直流成分の向きは、直流電流Ｉｐのようなプラス方向か、直流電流Ｉｍのようなマイナス方向である。

交流電流ｉｂ，ｉｃは、図４に示す多相巻線１１ａの相ごとに流す。通常は、三相巻線（Ｕ相巻線１１Ｕ，Ｖ相巻線１１Ｖ，Ｗ相巻線１１Ｗ）のうちで、いずれか一相に流すとよい。Ｕ相巻線１１Ｕに流せばＵ相電流になり、Ｖ相巻線１１Ｖに流せばＶ相電流になり、Ｗ相巻線１１Ｗに流せばＵ相電流になる。この通電によって、磁気回路ＭＣ１，ＭＣ２に直流の界磁磁束を流すことができる。

〔実施の形態２〕
実施の形態２は図７，図８を参照しながら説明する。図７では、一点鎖線で図示する中心線を基準とする対称性によって、図１の図面上側半分に相当する部分を示す（後述する図９，図１０，図１２，図１５でも同様である）。なお図示および説明を簡単にするため、特に明示しない限り、実施の形態１で用いた要素と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。よって、主に実施の形態１と相違する点を説明する。

図７に示す回転電機１０Ｂは、回転電機１０の一例である。この回転電機１０Ｂは、電機子１１，回転子１２Ｂ，回転軸１４，軸受１５，支持体１６Ｂなどをヨーク鉄心１３内に有する。非磁性の支持体１６Ｂは、支持体１６の一例である。この支持体１６Ｂは、回転軸１４に対して、回転子１２Ｂ（回転子鉄心１２ａ）の軸方向端面（図面右側端面）にかかる一部分を支持する。よって、回転子１２Ｂと回転軸１４は一体的に回転する。

本形態のヨーク鉄心１３は、図１に示すヨーク鉄心１３と比べて、さらに筒状部分１３ｃを有する。この筒状部分１３ｃは、軸方向一方側（図面左側）の鉄心本体１３ａから軸方向他方側（図面右側）に延在して形成される。回転子鉄心１２ａと筒状部分１３ｃとの間にはギャップＧ３（空隙）が設けられる。ギャップＧ３は「径方向空隙」に相当する。ギャップＧ３の大きさ（間隔）は、磁気回路ＭＣ１が形成できる範囲において任意に設定してよい。

本形態の磁気回路ＭＣ１は、多相巻線１１ａへの通電に伴って、電機子鉄心１１ｂ，回転子鉄心１２ａ，筒状部分１３ｃ，ヨーク鉄心１３からなる。磁気回路ＭＣ１の形成に影響しない凸状部１３ｂ（図７に二点鎖線で示す部位）については、有無を問わない。

回転子１２Ｂは、回転子１２の一例である。この回転子１２Ｂは、回転子鉄心１２ａ，軟磁性部材１２ｂ，サイド環状鉄心１２ｃなどを有する点で回転子１２Ａと同じである。回転子１２Ｂが回転子１２Ａと相違するのは、サイド環状鉄心１２ｃの数と、回転子鉄心１２ａの構成である。

サイド環状鉄心１２ｃの数について、回転子１２Ａは二つのサイド環状鉄心１２ｃを有するのに対し（図１，図３を参照）、図７に示す回転子１２Ｂは一つのサイド環状鉄心１２ｃを有する。よって、磁気回路ＭＣ２については、実施の形態１と同様に形成される（図１を参照）。

図８に示す構成例の回転子鉄心１２ａは、挿入穴１２ａ１，永久磁石１２ａ２，収容穴１２ａ３などを有する。収容穴１２ａ３は、三方面から挿入穴１２ａ１を囲むように形成され、少なくとも一部に永久磁石１２ａ２を収容して固定する穴である。本形態の収容穴１２ａ３は、挿入穴１２ａ１を囲むように三辺の各辺が溝状に形成される。図８の例では一辺の溝状穴に永久磁石１２ａ２を収容して固定しているが、永久磁石１２ａ２は必要に応じて二辺以上の溝状穴に設けてよい。磁束は、収容穴１２ａ３によって囲まれない回転子鉄心１２ａの外側（図８の上側）と電機子１１との間で流れる。言い換えると、収容穴１２ａ３の形成によって漏れ磁束を抑制することができる。

周方向に隣り合う収容穴１２ａ３の相互間（図８に破線で囲む部位）は、電機子鉄心１１ｂ・回転子鉄心１２ａ・ヨーク鉄心１３（鉄心本体１３ａと筒状部分１３ｃ）を流れる磁束の通路にもなり得る。そのため、図８に破線で囲む部位は、コンシクエント磁性極になってリラクタンストルクが作用し、性能を高められる。

〔実施の形態３〕
実施の形態３は図９を参照しながら説明する。なお図示および説明を簡単にするため、特に明示しない限り、実施の形態１，２で用いた要素と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。よって、主に実施の形態１，２と相違する点を説明する。

図９に示す回転電機１０Ｃは、回転電機１０の一例である。この回転電機１０Ｃは、電機子１１，回転子１２Ｂ，回転軸１４，軸受１５，支持体１６Ｃ，励磁手段１７などをヨーク鉄心１３内に有する。非磁性の支持体１６Ｃは、支持体１６の一例である。この支持体１６Ｃは、回転軸１４に対して、回転子１２Ｂ（回転子鉄心１２ａ）の軸方向端面（図面右側端面）を支持する。よって、回転子１２Ｂと回転軸１４は一体的に回転する。

励磁手段１７は、ヨーク鉄心１３に設けられる。この励磁手段１７には、制御部２１によって重畳する電流とは別個に直流（電圧や電流）が通電される。通電に伴って励磁手段１７に磁束φが発生して磁気回路ＭＣ１に加わるので、励磁力が強められる。

〔実施の形態４〕
実施の形態４は図１０，図１１を参照しながら説明する。なお図示および説明を簡単にするため、特に明示しない限り、実施の形態１〜３で用いた要素と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。よって、主に実施の形態１〜３と相違する点を説明する。

図１０に示す回転電機１０Ｄは、回転電機１０の一例である。この回転電機１０Ｄは、電機子１１，回転子１２Ｄ，回転軸１４，軸受１５，支持体１６Ｄなどをヨーク鉄心１３内に有する。非磁性の支持体１６Ｄは、支持体１６の一例である。この支持体１６Ｄは、回転軸１４に対して、回転子１２Ｄの内側を支持する。よって、回転子１２Ｄと回転軸１４は一体的に回転する。

回転子１２Ｄは、回転子１２の一例である。この回転子１２Ｄは、回転子１２Ａに代わる構成例であり、磁極１２ｄや環状部１２ｅなどを有する。図１１に示す磁極１２ｄは、「クローポール型磁極」に相当し、電機子１１（具体的には電機子鉄心１１ｂ）に対向する。また磁極１２ｄは、互い違いに軸方向に延びるとともに、軸方向に延びるに伴って径方向の厚さが薄くなるように形成される。磁極１２ｄの数（磁極数）は、１以上の数で任意に設定してよい。通常は、電機子１１の磁極数と、磁極１２ｄの数が同じになるように設定するとよい。環状に形成される環状部１２ｅは、複数の磁極１２ｄを固定するか、あるいは複数の磁極１２ｄとともに一体化される。

図１０に戻り、磁気回路ＭＣ３，ＭＣ４は電機子鉄心１１ｂ，磁極１２ｄ，ヨーク鉄心１３からなる。磁気回路ＭＣ３は図１の磁気回路ＭＣ１に相当し、磁気回路ＭＣ４は図１の磁気回路ＭＣ２に相当する。電機子１１と回転子１２Ｄ（磁極１２ｄ）との間にはギャップＧ１が設けられ、回転子１２Ｄとヨーク鉄心１３（凸状部１３ｂ）との間にはギャップＧ２が設けられる。

〔実施の形態５〕
実施の形態５は図１２，図１３を参照しながら説明する。なお図示および説明を簡単にするため、特に明示しない限り、実施の形態１〜４で用いた要素と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。よって、主に実施の形態１〜４と相違する点を説明する。

図１２に示す回転電機１０Ｅは、回転電機１０の一例である。この回転電機１０Ｅは、電機子１１，回転子１２Ｅ，回転軸１４，軸受１５，支持体１６Ｅなどをヨーク鉄心１３内に有する。非磁性の支持体１６Ｅは、支持体１６の一例である。この支持体１６Ｅは、回転軸１４に対して、回転子１２Ｅの内側を支持する。よって、回転子１２Ｅと回転軸１４は一体的に回転する。

回転子１２Ｅは、回転子１２の一例である。この回転子１２Ｅは、回転子１２Ａに代わる構成例であり、磁極１２ｄ，環状部１２ｅ，補助極１２ｆ，永久磁石１２ｇ（図１３を参照）などを有する。

図１３には回転子１２Ｅの構成例を断面図で示す。ただし、図１３では環状部１２ｅの図示を省略する。磁極１２ｄは、回転子１２Ｄの磁極１２ｄ（図１１を参照）と同様に、「クローポール型磁極」に相当する。無極性の補助極１２ｆは、周方向に隣り合う磁極１２ｄの相互間に設けられる。この補助極１２ｆは、外側（図面上側）に向けて突起する突起状部位と、内側（図面下側）に環状に形成される環状部位とを有しており、突起状部位と環状部位とは磁気的に連接される。補助極１２ｆは環状部位を介して支持体１６Ｅに固定される。複数の永久磁石１２ｇは、周方向に隣り合う磁極１２ｄと補助極１２ｆの突起状部位との間にそれぞれ介在して設けられる。補助極１２ｆの突起状部位はコンシクエント磁性極でもある。よって、周方向に隣り合うコンシクエント磁性極（突起状部位）は、永久磁石１２ｇの磁極の内側で環状部位によって連接される。

〔実施の形態６〕
実施の形態６は図１４を参照しながら説明する。なお図示および説明を簡単にするため、特に明示しない限り、実施の形態１〜５で用いた要素と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。よって、主に実施の形態１〜５と相違する点を説明する。

図１４に示す電力変換部２２は、三相巻線（Ｕ相巻線１１Ｕ，Ｖ相巻線１１Ｖ，Ｗ相巻線１１Ｗ）で発電された電力を変換して電源Ｅに充電する機能を担う。Ｕ相巻線１１Ｕ，Ｖ相巻線１１Ｖ，Ｗ相巻線１１Ｗは、Ｙ結線されて中性点Ｐｍを有する。

この電力変換部２２は、トランジスタＱｕ１，ＱｍやダイオードＤｕ１，Ｄｕ３，Ｄｖ１，Ｄｖ３，Ｄｗ１，Ｄｗ３，Ｄｍなどを有する。ダイオードＤｕ１，Ｄｕ３，Ｄｖ１，Ｄｖ３，Ｄｗ１，Ｄｗ３は、三相フルブリッジ型で構成される。ダイオードＤｍは、中性点ＰｍとグラウンドＧＮＤとの間に接続される。グラウンドＧＮＤは共通電位であり、必ずしも０[Ｖ]とは限らない。

図１４の構成例では、ダイオードＤｕ１にトランジスタＱｕ１が並列接続され、ダイオードＤｍにトランジスタＱｍが並列接続される。これらのトランジスタＱｕ１，Ｑｍは、それぞれ個別に制御部２３によって駆動が制御される。

制御部２３は「充電制御手段」に相当し、回転子１２の回転に伴って多相巻線１１ａで発電された電力を変換して電源Ｅに充電することができれば、任意に構成してよい。制御部２３は、上述した制御部２１と同一に構成してもよく、異なる構成としてもよく、制御部２３と制御部２１の機能を含むように構成してもよい。制御部２１，２３は、各々の機能を実現する限りにおいて、ＣＰＵがプログラムを実行するソフトウェア構成でもよく、ハードウェアロジックで作動するハードウェア構成でもよい。

図１４に示す電力変換部２２は、上述した回転電機１０Ａ〜１０Ｅや、後述する回転電機１０Ｆに対してそれぞれ適用することができる。すなわち、多相巻線１１ａ（三相巻線としてのＵ相巻線１１Ｕ，Ｖ相巻線１１Ｖ，Ｗ相巻線１１Ｗを含む）で発電された電力を変換して電源Ｅに充電することができる。

図示を省略するが、電力変換部２２はダイオードＤｕ３，Ｄｖ１，Ｄｖ３，Ｄｗ１，Ｄｗ３のうちで一以上のダイオードについて、制御部２３によってオン／オフが制御されるトランジスタを並列接続してもよい。ダイオードＤｕ３，Ｄｖ１，Ｄｖ３，Ｄｗ１，Ｄｗ３の全てについてトランジスタを並列接続した場合には、図５に示す各相のＨ型ブリッジにおける左側の直列接続部分のようになる。

〔実施の形態７〕
実施の形態７は図１５，図１６を参照しながら説明する。なお図示および説明を簡単にするため、特に明示しない限り、実施の形態１〜６で用いた要素と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。よって、主に実施の形態１〜６と相違する点を説明する。

図１５に示す回転電機１０Ｆは、回転電機１０の一例である。この回転電機１０Ｆは、電機子１１，回転子１２Ｆ，回転軸１４，軸受１５，支持体１６Ｆなどをヨーク鉄心１３内に有する。非磁性の支持体１６Ｆは、支持体１６の一例である。この支持体１６Ｆは、回転軸１４に対して、回転子１２Ｆの内側を支持する。よって、回転子１２Ｆと回転軸１４は一体的に回転する。

回転子１２Ｆは、回転子１２の一例である。この回転子１２Ｆは、回転子鉄心１２ａ，軟磁性部材１２ｂ，永久磁石１２ｈなどを有する。回転子１２Ｆが回転子１２Ａと相違するのは、サイド環状鉄心１２ｃの無い回転子鉄心１２ａの構成としている点である。

図１６に示す回転子鉄心１２ａは、挿入穴１２ａ１，永久磁石１２ａ２，収容穴１２ａ３などを有する。挿入穴１２ａ１には、軟磁性部材１２ｂが挿入して固定される。図１６の例では、周方向に隣り合う軟磁性部材１２ｂの極性（すなわちＮ極やＳ極）が交互に変わるように励磁される。

収容穴１２ａ３は、一つの回転子鉄心１２ａに対して、二方面から挿入穴１２ａ１を囲むように形成される。図１６の例では各収容穴１２ａ３に永久磁石１２ａ２を収容して固定しているが、永久磁石１２ａ２は必要に応じて設けてよい。磁束は、収容穴１２ａ３によって囲まれない回転子鉄心１２ａの外側（図１６の上側）と電機子１１との間で流れる。言い換えると、収容穴１２ａ３の形成によって漏れ磁束を抑制することができる。

図１５に戻り、磁気回路ＭＣ５，ＭＣ６は電機子鉄心１１ｂ，回転子鉄心１２ａ，軟磁性部材１２ｂ，ヨーク鉄心１３からなる。磁気回路ＭＣ５は図１の磁気回路ＭＣ１に相当し、磁気回路ＭＣ６は図１の磁気回路ＭＣ２に相当する。電機子１１と回転子１２Ｆ（回転子鉄心１２ａ）との間にはギャップＧ１が設けられ、回転子１２Ｆ（軟磁性部材１２ｂ）とヨーク鉄心１３（凸状部１３ｂ）との間にはギャップＧ２が設けられる。

〔他の実施の形態〕
以上では本発明を実施するための形態について実施の形態１〜７に従って説明したが、本発明は当該形態に何ら限定されるものではない。言い換えれば、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施することもできる。例えば、次に示す各形態を実現してもよい。

電機子１１と回転子１２の組み合わせとして、実施の形態１では電機子１１と回転子１２Ａを適用した（図１を参照）。実施の形態２，３では電機子１１と回転子１２Ｂを適用した（図７，図９を参照）。実施の形態４では電機子１１と回転子１２Ｄを適用した（図１０を参照）。実施の形態５では電機子１１と回転子１２Ｅを適用した（図１２を参照）。実施の形態７では電機子１１と回転子１２Ｆを適用した（図１５を参照）。これらの形態に代えて、磁気回路ＭＣ１〜ＭＣ６が形成されることを条件として、実施の形態１〜７の組み合わせ以外で電機子１１と回転子１２（１３Ａ〜１３Ｆ）を組み合わせる構成としてもよい。電機子１１と回転子１２の組み合わせの相違に過ぎないので、実施の形態１〜７と同様の作用効果を得ることができる。

上述した実施の形態３では、回転電機１０Ｃに励磁手段１７を備える構成とした（図９を参照）。この形態に代えて、実施の形態１，２，４〜７に示す回転電機１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｄ〜１０Ｅに備える構成としてもよい。回転電機１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｄ〜１０Ｅについても、実施の形態３と同様の作用効果を得ることができる。

上述した実施の形態１〜７では、単体の永久磁石１２ａ２や永久磁石１２ｇを備える構成とした（図２，図８，図１３を参照）。この形態に代えて、永久磁石１２ａ２および永久磁石１２ｇのうちで一方または双方について、分割磁石で構成してもよい。永久磁石１２ａ２や永久磁石１２ｇを分割するか否かの相違に過ぎないので、実施の形態１〜７と同様の作用効果を得ることができる。

上述した実施の形態１〜７では、ヨーク鉄心１３の全部を支持部材１８として形成する構成とした（図１，図７，図９，図１０，図１２，図１５を参照）。この形態に代えて、ヨーク鉄心１３の一部を支持部材１８として形成する構成としてもよい。言い換えると、磁気回路ＭＣ１〜ＭＣ６が形成される部位をヨーク鉄心１３とし、磁気回路ＭＣ１〜ＭＣ６が形成されない部位を非磁性の支持部材１８として筐体やハウジングを構成する。磁気回路ＭＣ１〜ＭＣ６は確実に形成されるので、実施の形態１〜７と同様の作用効果を得ることができる。

上述した実施の形態１〜３，７では、軟磁性部材１２ｂは円柱状に形成する構成とした（図１〜図３，図７，図９，図１５を参照）。この形態に代えて、軟磁性部材１２ｂを円柱状以外の形状で形成する構成としてもよい。円柱状以外の形状は任意であり、例えば三角柱状や四角柱状などのような多角柱状や、三角錐状や四角錐状などのような多角錐状などが該当する。軟磁性部材１２ｂの形状が相違するに過ぎないので、実施の形態１〜３，７と同様の作用効果を得ることができる。

〔作用効果〕
上述した実施の形態１〜７および他の実施の形態によれば、以下に示す各効果を得ることができる。

（１）多相巻線１１ａと、多相巻線１１ａを巻装した電機子鉄心１１ｂと、電機子鉄心１１ｂに対向して回転自在に配置された複数の磁極１２ｄと、多相巻線１１ａと、電機子鉄心１１ｂの外側とを取り囲むように配置され、かつ、複数の磁極１２ｄと磁気的に連接するヨーク鉄心１３と、交流電流ｉｂ（多相交流）に直流電流Ｉｐ，Ｉｍ（直流成分）を重畳して、多相巻線１１ａに通電する制御部２１（重畳手段）とを有し、制御部２１の通電によって、電機子鉄心１１ｂ、磁極１２ｄおよびヨーク鉄心１３からなる磁気回路ＭＣ１〜ＭＣ６に直流の界磁磁束を流す構成とした（図１，図５〜図７，図９，図１０，図１２，図１５を参照）。この構成によれば、ブラシレスでかつ界磁が印加でき、かつ直流成分の大きさや向きを変えることで界磁制御ができ、従来問題点の解決、すなわち界磁巻線がなくてもブラシレス可変界磁が可能となる。多相巻線１１ａとは別個に界磁制御を行うための巻線は不要になるので、小型化を確保できる。電機子鉄心１１ｂに巻装される多相巻線１１ａを利用して界磁を行うので、所望の特性を確保することができる。したがって、ブラシレスでかつ界磁が印加でき、小型化と可変界磁とを両立させることができる。

（２）ヨーク鉄心１３の一部または全部は、電機子鉄心１１ｂを支持する支持部材１８を兼ねる構成とした（図１，図７，図９，図１０，図１２，図１５を参照）。この構成によれば、ヨーク鉄心１３は支持部材１８も兼ねることで、材料コストを低減でき、部品数が少なくなって製造工程や体格等を低減できる。

（３）環状の電磁鋼板を積層して形成される積層構造鉄心（積層鋼板）からなる回転子鉄心１２ａと、一以上の永久磁石１２ｃ２と、周方向に隣り合う永久磁石１２ｃ２の相互間に挿入して固定されて積層構造鉄心とは異なる一以上の軟磁性部材１２ｂとを含む回転子１２（１２Ａ〜１２Ｆ）を有し、複数の磁極１２ｄは、一以上の永久磁石１２ｃ２と、一以上の軟磁性部材１２ｂとからなる構成とした（図１〜図３，図１５，図１６を参照）。この構成によれば、軟磁性部材１２ｂによって突極性が高められて高性能となる。また、回転子鉄心１２ａは一連の環状体で形成されることから耐遠心力が向上する。高速化または大型化しても剛性や耐遠心力を維持できる。

（４）多相巻線１１ａ（Ｕ相巻線１１Ｕ，Ｖ相巻線１１Ｖ，Ｗ相巻線１１Ｗ）は、周方向に電気角の１８０度ピッチで、波状に軸方向と周方向とを交互に蛇行した巻装をなす波状全節巻である構成とした（図４を参照）。この構成によれば、重ね巻や短節巻とは異なり、直流成分が有効に励磁起磁力に変換されるので、所望の特性をより容易に確保することができる。

（５）多相巻線１１ａは、相ごとにＨ型ブリッジ（Ｕ相Ｈ型ブリッジＵＨＢ，Ｖ相Ｈ型ブリッジＶＨＢ，Ｗ相Ｈ型ブリッジＷＨＢ）を構成し、制御部２１は多相交流の振幅と直流成分の大きさとを独立して可変させて重畳する構成とした（図５，図６を参照）。この構成によれば、多相交流と直流成分との独立制御のほかにも、多相巻線１１ａを相ごとに独立して制御することもできるので、トルク重視や回転速度重視などのように自在なコントロールも可能になる。

（６）ヨーク鉄心１３と磁極１２ｄとは、軸方向における回転子１２との間にギャップＧ２（軸方向空隙）を介して磁気的に連接され、電機子鉄心１１ｂとは反対側の径方向における回転子１２との間にギャップＧ３（径方向空隙）を介して磁気的に連接される構成とした（図７，図９を参照）。この構成によれば、側面より軟磁性部材１２ｂを挿すための加工や、軟磁性部材１２ｂの部品数を低減することができる。

（７）ヨーク鉄心１３に巻装され、制御部２１とは別個に直流を通電する励磁手段１７を有する構成とした（図９を参照）。この構成によれば、励磁手段１７に通電して生じる磁束によって、励磁力が強められる。

（８）磁極１２ｄは、非磁性の支持体１６Ｄによって支持されるクローポール型磁極である構成とした（図１０，図１１を参照）。この構成によれば、回転子１２Ｄに隙間が設けられるので、回転子１２Ｄや多相巻線１１ａの冷却が容易に行える。

（９）周方向に隣り合う磁極１２ｄの相互間に設けられ、かつ、磁気的に連接される無極性の補助極１２ｆを有する構成とした（図１２，図１３を参照）。この構成によれば、補助極１２ｆと磁極１２ｄの間に磁石を介在したものよりも横軸リラクタンスが低下し、逆突極性が増せて高性能となる。

（１０）多相巻線１１ａは、Ｙ結線される三相巻線（Ｕ相巻線１１Ｕ，Ｖ相巻線１１Ｖ，Ｗ相巻線１１Ｗ）であり、三相巻線の中性点Ｐｍと電源Ｅとの間に介在するトランジスタＱｕ１，Ｑｍのオン／オフを制御して、三相巻線の起電力を電源Ｅに充電する制御部２３（充電制御手段）とを有する構成とした（図１４を参照）。この構成によれば、トランジスタの数を少なくできる。

１１ 電機子（固定子）
１１ａ 多相巻線
１１ｂ 電機子鉄心
１２（１２Ａ〜１２Ｆ） 回転子
１２ｄ 磁極
１３ ヨーク鉄心
２１ 制御部（重畳手段）
２３ 制御部（充電制御手段）
Ｉｍ，Ｉｐ 直流電流（直流成分）
ＭＣ１〜ＭＣ６ 磁気回路
ｉｂ 交流電流（多相交流，基準電流）
ｉａ，ｉｃ 交流電流（重畳電流）

Claims (10)

1. 多相巻線（１１ａ）と、
   前記多相巻線を巻装した電機子鉄心（１１ｂ）と、
   前記電機子鉄心に対向して回転自在に配置された複数の磁極（１２ｄ）と、
   前記多相巻線と、前記電機子鉄心の外側とを取り囲むように配置され、かつ、前記複数の磁極と磁気的に連接するヨーク鉄心（１３）と、
   多相交流に直流成分を重畳して、前記多相巻線に通電する重畳手段（２１）とを有し、
   前記重畳手段の通電によって、前記電機子鉄心、前記磁極および前記ヨーク鉄心からなる磁気回路（ＭＣ１〜ＭＣ６）に直流の界磁磁束を流すことを特徴とする回転電機（１０）。
2. 前記ヨーク鉄心の一部または全部は、前記電機子鉄心を支持する支持部材（１８）を兼ねることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 環状の電磁鋼板を積層して形成される積層構造鉄心からなる回転子鉄心（１２ａ）と、一以上の永久磁石（１２ｃ２）と、周方向に隣り合う前記永久磁石の相互間に挿入して固定されて前記積層構造鉄心とは異なる一以上の軟磁性部材（１２ｂ）とを含む回転子（１２）を有し、
   前記複数の磁極は、一以上の前記永久磁石と、一以上の前記磁性部材とからなることを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機。
4. 前記多相巻線は、周方向に電気角の１８０度ピッチで、波状に軸方向と周方向とを交互に蛇行した巻装をなす波状全節巻であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の回転電機。
5. 前記多相巻線は、相ごとにＨ型ブリッジ（ＵＨＢ，ＶＨＢ，ＷＨＢ）を構成し、
   前記重畳手段は、前記多相交流の振幅と前記直流成分の大きさとを独立して可変させて重畳することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の回転電機。
6. 前記ヨーク鉄心と前記磁極とは、
   軸方向における前記回転子との間に軸方向空隙（Ｇ２）を介して磁気的に連接され、
   前記電機子鉄心とは反対側の径方向における前記回転子との間に径方向空隙（Ｇ３）を介して磁気的に連接されることを特徴とする請求項３から５のいずれか一項に記載の回転電機。
7. 前記ヨーク鉄心に巻装され、前記重畳手段とは別個に直流を通電する励磁手段（１７）を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の回転電機。
8. 前記磁極は、非磁性の支持体（１６Ｄ）によって支持されるクローポール型磁極であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の回転電機。
9. 周方向に隣り合う前記磁極の相互間に設けられ、かつ、磁気的に連接される無極性の補助極（１２ｆ）を有することを特徴とする請求項８に記載の回転電機。
10. 前記多相巻線は、Ｙ結線される三相巻線であり、
    前記三相巻線の中性点（Ｐｍ）と電源（Ｅ）との間に介在するトランジスタ（Ｑｖ１，Ｑｍ）と、
    前記トランジスタのオン／オフを制御して、前記三相巻線の起電力を前記電源に充電する充電制御手段（２３）とを有することを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の回転電機。

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