JP5102468B2 - クローティース型回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、環状コイルが被装され、複数の爪部を設けた固定子を用いたクローティース型回転電機に関する。

リラクタンストルクを有効利用している回転電機の代表的な例としては、ハイブリッド電気自動車用の駆動モータがある。このモータでは、低速回転時において、強力な希土類系永久磁石により大きなマグネットトルクを発生し、高速回転時においては、弱め界磁によりモータ電圧を抑制しながら、リラクタンストルクの活用により高出力化を達成している。
こうした機能を有するブラシレス電動機として、電磁鋼板（電磁鋼鈑）を積層して形成した固定子鉄心に分布コイルを巻回して構成した固定子と、永久磁石および高透磁率磁性体（補助突極）を設けた回転子と、からなるブラシレス電動機が開示されている（特許文献１）。
特許第２６６７８１５号明細書（請求項１，第１図）

しかしながら、特許文献１に記載のブラシレス電動機は、エアギャップにおける無負荷時の磁場分布を正弦波状にし難く、回転子が周方向に複雑な磁気構造をしている。このため、この電動機は、様々なモードの電磁加振力が発生し、この結果、モータの振動や騒音が発生しやすい。さらに、電磁鋼板を積層した固定子鉄心に巻線を施す関係上、コイルエンド部が必然的に形成されるが、コイルエンド部はモータの軸長を増加させる要因であり、特に、扁平形状のモータにおいてはモータの小型化を実現する上で障害となっていた。

そこで、本発明は、リラクタンストルクを活用しつつ、低振動化、低騒音化することができるクローティース型回転電機を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、回転軸に対して同軸の円筒状面内に複数の永久磁石が配設された回転子と、前記回転軸に対して同軸に設置された円環状の固定子磁心、および、前記固定子磁心を磁化するコイルを備えた固定子とを備えた回転電機であって、前記コイルは、導線が環状に巻回された環状コイルであり、前記固定子磁心は、前記環状コイルを被装する円環部と、この円環部の内径面に等間隔に配置され軸方向に延在する複数の爪部と、隣接する爪部の間に形成される複数の磁気ギャップとを備え、前記爪部の数は、前記永久磁石の数に等しく、前記回転子は、異なる極性の隣接する前記永久磁石の間に金属からなる極間補助極が配設されたことを特徴とする。

これによれば、中心軸方向に対して電気角で直交する方向の磁束によってリラクタンストルクが発生する。また、爪部の数が永久磁石の数に等しいので、マグネットトルクおよびリラクタンストルクが一様に発生する。また、低次の電磁加震力が発生しないことから、円環振動が低減する。したがって、騒音振動が少なくなる。なお、各永久磁石が隣接する永久磁石との間で発生する中心軸方向の磁束よりも、中心軸方向に対して電気角で直交する方向の磁束の方を多くするためには、異なる極性の隣接する永久磁石の間に金属からなる極間補助極を配設することによって実現される。

本発明によれば、リラクタンストルクを活用しつつ、低振動化、低騒音化することができるクローティース型回転電機を提供することができる。

（第１実施形態）
以下、本発明のクローティース型回転電機の一実施形態である２４極のクローティース型モータ（クローティース型回転電機）を図１から図７までを用いて説明する。

先ず、図１の構成図を用いて、クローティース型モータの全体構成を説明する。
クローティース型モータ１は、回転軸２を挿設した回転子３と、この回転子３に対しエアギャップ１６を介して同心状に設置された固定子６と、この固定子６を支持する固定子枠８と、この固定子枠８の軸方向両端に設けられ、回転軸２を回動自在に支持する軸受９Ａ，９Ｂとを備えている。回転子３は、回転軸２と同心状に形成された回転子鉄心４と、その外周に固定された複数の永久磁石５とで構成され、固定子６は、固定子磁心である固定子鉄心７Ｕ、７Ｖ、７Ｗと、固定子鉄心７Ｕ、７Ｖ、７Ｗに被装された環状コイル１０Ｕ、１０Ｖ、１０Ｗとで構成されている。そして、固定子鉄心７は、固定子枠８で支持され、この固定子枠８の軸方向両端部は、軸受９Ａ、９Ｂを介して前記回転軸２を回動自在に支持している。

固定子鉄心７は、図２に示すように、爪鉄心１１Ａと爪鉄心１１Ｂとから構成され、これら爪鉄心１１Ａ、１１Ｂは、内径部から突出し、磁極面１２Ｆを備え、軸方向に延在する爪部１２と、この爪部１２の端部から外径側に直角に延在する環状継鉄部（円環部）１３と、この環状継鉄部１３から前記爪部１２と同じ方向に延在する外周側継鉄部（円環部）１４とで構成されている。なお、爪部１２の先端には軸方向延在端１２Ｔが形成されている。これら爪部１２は、周方向に等間隔で１２極形成されている。そして、これら爪鉄心１１Ａ、１１Ｂは、絶縁膜で被覆することによってうず電流の発生を回避した鉄粉を成形金型の成型パンチによって圧縮成形して同一形状に形成されており、珪素鋼板（電磁鋼板）を積層して構成するものに比べて複雑な磁極構造を得ることができる。

図３を参照して、固定子６について説明する。
固定子６は、圧粉磁心などの軟磁性体で構成された円環状の２つの爪鉄心１１Ａ、１１Ｂと、被覆導線が円環状に巻回された環状コイル１０を備え、重ね合わせられた２つの爪鉄心１１Ａ、１１Ｂが環状コイル１０を被装するように構成されている。また、鉄粉を圧縮成形して構成された爪鉄心１１Ａと爪鉄心１１Ｂとが、互いの爪部１２（１２Ａ，１２Ｂ）が噛み合わされるように配置され、回転子３の周面に沿って回転子３と同心の２４極の磁極面１２Ｆ（図２参照）が形成される。

図３に示すように爪鉄心１１Ａ、１１Ｂは、断面の縁部がＬ字状に形成され、このＬ字の短辺側Ｓが当接され、爪鉄心１１Ａ、１１Ｂが重ね合わせられる。これにより、固定子６の断面は略長方形に形成される。さらに、内面に形成された凹部に環状コイル１０が配設される。また、爪鉄心１１Ａ、１１Ｂの内周面には、台形状の複数の爪部１２Ａ，１２Ｂが互いに離間して形成されている。

また、各固定子鉄心７Ｕ、７Ｖ、７Ｗの爪鉄心１１Ａと爪鉄心１１Ｂとが互いに噛み合わされることで、爪鉄心１１Ａに形成されたＬ字状の縁部と爪鉄心１１Ｂに形成されたＬ字状の縁部とで各環状コイル１０Ｕ、１０Ｖ、１０Ｗが保持され、これによって固定子６が構成されている。

クローティース型モータ１（図１参照）は、環状コイル１０（１０Ｕ、１０Ｖ、１０Ｗ）を内蔵した１相分の固定子鉄心７（図２参照）を、周方向に電気角で１２０度位置をずらしながら、すなわち、機械角＝電気角／極対数＝１２０度÷１２＝１０度ずつずらしながら軸方向に積み重ね、３層構造としている。これら３連の固定子鉄心７Ｕ、７Ｖ、７Ｗを絶縁樹脂によりモールドすることで、爪鉄心１１Ａと爪鉄心１１Ｂと環状コイル１０とが一体になった固定子６を得ることができる。

図４は、モータ回転軸に垂直な面での断面図であり、爪鉄心１１Ａの環状継鉄部１３、および、爪鉄心１１Ｂの爪部１２を含む面の断面図である。
回転子３は、回転軸２と、回転軸２を嵌挿した回転子鉄心４と、回転子鉄心４の外周表面に等間隔に配設した２４個の永久磁石５より構成され、軸方向に一様な構造になっている。また、回転子鉄心４の外周表面には、周方向に沿って等間隔に極間補助極１５が形成されている。極間補助極１５の間に周方向に等間隔に形成した凹部に永久磁石５が貼設され、永久磁石５の半径方向の極性が周方向に沿って交互に反転するようにしてある。回転子３は、エアギャップ１６を介して固定子６と同心に、軸受９Ａ、９Ｂを用いて回動自在に保持されている。すなわち、固定子６は、回転子３とエアギャップ１６を介して対向している。

本実施形態においては、爪部１２の数、および、永久磁石５の数が「２４」と比較的大きく設定してある。磁極数を大きくすることにより、磁石の一極当たりの鎖交磁束数が減少し、固定子６の径方向厚みを低減できるので、モータを小型化する上で有効である。しかし、回転子３の極数を多く設定した場合には、永久磁石５を貼設するために、製造工数が増えてコストアップの原因になる。これを解決する方法としては、鉄粉と磁石粉とを一体成形して回転子３を製作する方法がある。

次に、クローティース型モータ１の動作を説明する。
最初に、環状コイル１０に交流電流を流すことにより、爪部１２が磁化されることを述べ、次に、回転子３が回転することにより環状コイル１０に誘導起電力が発生することを述べる。
まず、図５を参照して、爪鉄心１１Ａに設けられた爪部１２Ａと爪鉄心１１Ｂに設けられた爪部１２Ｂとは、内周面側に交互に配列され、空気によるギャップが形成されている。
固定子６の環状コイル１０に正弦波交流電流を流すと、右ねじの法則にしたがった方向の磁束が、爪鉄心１１Ａと爪鉄心１１Ｂと隣接する爪部１２Ａ，１２Ｂの間に形成された磁気ギャップとからなる閉路に生成する。なお、太実線のように爪部１２Ｂから爪鉄心１１Ａ，１１Ｂのコア部を介して爪部１２Ａまで時計回りに流れる磁束の場合は、爪部１２ＢがＮ極に磁化し、爪部１２ＡがＳ極に磁化する（図５にゴシック体で記載）。逆に、太破線のように爪部１２Ａから爪鉄心１１Ａ０ａ，１１Ｂｂのコア部を介して爪部１２Ｂまで反時計回りに流れる磁束の場合は、爪部１２ＡがＮ極に磁化し、爪部１２ＢがＳ極に磁化する（図５に明朝体で記載）。

固定子鉄心７の爪部１２の総数は２４であり（図２参照）、これらが交互に爪鉄心１１Ａ、爪鉄心１１Ｂの一部となって磁気回路を構成しているので、２４極（１２極対）の回転子３が１／１２回転する毎に、環状コイル１０Ｕ、１０Ｖ、１０Ｗに鎖交する。すなわち、回転子３が１／１２回転する毎に、永久磁石５による鎖交磁束数が１周期分だけ変化する。

したがって、回転子３が１回転する間に、各環状コイル１０Ｕ、１０Ｖ、１０Ｗには１２周期分の交流誘起電圧が発生することになる。このことと、固定子鉄心７Ｕ、７Ｖ、７Ｗが周方向に電気角で１２０度ずつ位置をずらして３層構造に配置してあることから、各環状コイル１０Ｕ、１０Ｖ、１０Ｗに発生する誘起電圧は３相交流電圧となる。したがって、これらの環状コイル１０Ｕ、１０Ｖ、１０ＷをＹ結線ないしΔ結線して、３相交流電源から電力を供給するとともに、適当な手段によりモータの磁極位置を検出して供給電力を制御することにより、３相同期モータとして動作させることができる。

こうした立場からモータの動作を考えると、本実施形態によるクローティース型モータ１と電磁鋼板（珪素鋼板）を積層してスロット状の固定子鉄心７を形成したスロット型回転電機とでは、動作原理上の大きな違いはない。しかし、トルク、電磁力の詳細な発生状況まで踏み込んで比較すると、クローティース型モータ１はスロット型回転電機とは著しく異なる。

図６は、モータが最大のトルクを発生しながら同期回転したときの、ある時刻における回転子３と固定子６の展開図である。図６では、マグネットトルクの発生状況をわかりやすく説明するために、回転子３に設けてある極間補助極１５を省略してある。また、この展開図は、Ｕ相の固定子鉄心７Ｕの電流が最大になる時刻（位置）を選んである。回転子３の展開図の下方がエアギャップ１６に面し、固定子６の展開図の上方がエアギャップ１６に面している。固定子６では、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の固定子鉄心７Ｕ、７Ｖ、７Ｗがそれぞれ電気角で１２０度ずつ相対的な位置をずらして配置されている。

回転子３の展開図に示した↓、↑は永久磁石５における磁化ベクトル、固定子６の展開図に示した↓、↑は、環状コイル１０Ｕ、１０Ｖ、１０Ｗの電流により生じた爪部１２における磁化ベクトルを示している。例えば、Ｕ相環状コイル１０Ｕの電流が最大であるから、Ｕ相電流の大きさを＋１．０とすれば、Ｖ相電流およびＷ相電流は−０．５である。図中では、この電流の大きさと向きの違いを反映して、Ｖ相およびＷ相の爪部１２における磁化ベクトルを小さめに表示してある。

図６において、永久磁石５、および、固定子鉄心７Ｕ、７Ｖ、７Ｗの爪部１２に存在する磁化ベクトル間の相互作用であるマグネットトルクの発生の様子を考えると、Ｕ相固定子鉄心７Ｕの爪部１２が永久磁石５の中間に位置し、かつ、爪部１２における磁化ベクトルが最大になっているので、Ｕ相固定子鉄心７Ｕに最も大きなマグネットトルクＮｍｕが作用することがわかる。その他の相の固定子鉄心７Ｖ、７Ｗには、この瞬間において図中に示すように互いに逆向きの小さなマグネットトルクＮｍｖ，Ｎｍｗが作用する。こうしたマグネットトルクの発生の仕方は、スロット型多相回転電機にはない特徴である。

すなわち、各相の固定子鉄心７Ｕ、７Ｖ、７Ｗに作用する、瞬時のマグネットトルクに大きな差があり、各相の固定子鉄心７Ｕ、７Ｖ、７Ｗにおいて爪部１２に作用するマグネットトルクが一様になっている。これは、回転子３の永久磁石５の数量と爪部１２の数量が同一であることにより生じる事柄である。また、固定子６全体に作用するトルクは各相固定子鉄心７Ｕ、７Ｖ、７ＷのマグネットトルクＮｍｕ、Ｎｍｖ、Ｎｍｗの和であり、全体として、固定子６に対して右向きのマグネットトルクが作用している。一方、回転子３にはこれの反作用として逆方向の同じ大きさのマグネットトルクが作用している。

これが、モータが最も効率よくマグネットトルクを発生している、瞬間（位置）におけるマグネットトルクの発生状況である。このとき、環状コイル１０Ｕ、１０Ｖ、１０Ｗ（図１参照）に流れる電流と誘起電圧の位相とは同じであり、電流の向きは回転電機の理論で言うところのｑ軸方向に一致している。なお、図６に示す時刻から時間が進むにつれて、回転子３と固定子６との相対位置は変化し、さらに環状コイル１０Ｕ、１０Ｖ、１０Ｗの電流も変化するので、最大のマグネットトルクが発生する固定子６はＶ相、Ｗ相、Ｕ相、・・・の順に推移する。

また、各固定子鉄心７Ｕ、７Ｖ、７Ｗがエアギャップ１６に作る２４極の磁場を重ね合わせた合成磁場に着目してマグネットトルクを考えると、スロット型回転電機との類似性が再び浮かび上がる。
モータの極数をＰとしたとき、各相の固定子鉄心７Ｕ、７Ｖ、７Ｗが作るＰ極の交番磁場は、環状コイル１０Ｕ、１０Ｖ、１０Ｗの電流に比例し、各固定子鉄心７Ｕ、７Ｖ、７Ｗの相対位置で位相が決まるから、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の固定子鉄心７Ｕ、７Ｖ、７Ｗがエアギャップ１６に作る交番磁場は、ｎ（＝Ｐ／2）を極対数、ωを電源の各周波数（角速度）として、それぞれ、Ｃｏｓ［ω＊ｔ］＊Ｃｏｓ［ｎ＊θ］、Ｃｏｓ［ω＊ｔ−2＊Ｐｉ／３］＊Ｃｏｓ［ｎ＊（θ−２＊Ｐｉ／３／ｎ）］、Ｃｏｓ［ω＊ｔ−４＊Ｐｉ／３］＊Ｃｏｓ［ｎ＊（θ−４＊Ｐｉ／３／ｎ）］に比例する。詳しい計算は省略するが、これらの合成磁場は１．５＊Ｃｏｓ［ｎ＊θ−ω＊ｔ］となる。

したがって、各相の固定子鉄心７Ｕ、７Ｖ、７Ｗが作るＰ極の交番磁場を重ね合わせたものは、角周波数（角速度）ω／ｎで回転する、Ｐ極の回転磁場になっていることがわかる。この磁場が、軸方向に一様な構造を持つ回転子３と相互作用してトルクを発生すると見れば、固定子６全体に作用するマグネットトルク、すなわち、Ｎｍｕ、Ｎｍｖ、Ｎｍｗの和の発生の仕方は、スロット型回転電機と同じである。しかし、この見方では、前記のクローティース型モータ１におけるマグネットトルクの詳細な発生の仕方までは説明できない。

図７は、図６と同様にモータの展開図であり、クローティース型モータ１においてもリラクタンストルクが有効に発生することを示すものである。図６では図示しなかった極間補助極１５を図中に示してある。図７は、図６と同様にＵ相の環状コイル１０Ｕの電流が最大になる瞬間の時刻（位置関係）を示しており、この瞬間にリラクタンストルクが最も有効に発生する。このため、図６では、電流位相をｑ軸方向に一致させていたが、図７ではｑ軸方向から電気角で４５度程度進んだ電流位相にしてある。これにより、Ｕ相電流が最大となる瞬間において、回転子３と固定子６との位置関係が図６と若干ずれている。

図７において、回転子３に設けてある極間補助極１５と固定子鉄心７Ｕ、７Ｖ、７Ｗの爪部１２に生じた磁化ベクトル間の相互作用として、リラクタンストルクが発生する。このリラクタンストルク発生の様子を考えると、Ｕ相の固定子鉄心７Ｕの爪部１２における磁化ベクトルが最大であり、かつ、極間補助極１５が効率的に吸引可能な位置にあることから、Ｕ相の固定子鉄心７Ｕに最も大きなリラクタンストルクが作用することがわかる。その他の相の固定子鉄心７Ｖ、７Ｗには、図に示すように小さな、互いに逆向きのリラクタンストルクが作用する。

こうしたリラクタンストルクの発生の仕方は、スロット型多相回転電機にはない特徴である。すなわち、各相の固定子鉄心７Ｕ、７Ｖ、７Ｗに作用する、瞬時のリラクタンストルクに大きな差があり、各相の固定子鉄心７Ｕ、７Ｖ、７Ｗに設けられている爪部１２に作用するリラクタンストルクが一様になっている。固定子６全体に作用するリラクタンストルクは各相の固定子鉄心７Ｕ、７Ｖ、７ＷのリラクタンストルクＮｒｕ、Ｎｒｖ、Ｎｒｗの和であり、全体として、固定子６に対して右向きのリラクタンストルクが作用する。これは、前記したマグネットトルクと同じ方向である。一方、回転子３にはこれの反作用として逆方向の同じ大きさのリラクタンストルクが作用している。

以上が、クローティース型モータ１が最も効率よくリラクタンストルクを発生している、ある瞬間におけるリラクタンストルクの発生状況である。このとき、前記したように環状コイル１０Ｕ、１０Ｖ、１０Ｗの電流位相は、ｑ軸方向から電気角で４５度程度進んだ位相になっている。ここで、ｑ軸とは、永久磁石５の磁極の中心軸方向に電気的に直交する方向である。なお、図７に示す時刻から時間が進むにつれて、回転子３と固定子６との相対位置は変化し、さらに環状コイル１０Ｕ、１０Ｖ、１０Ｗの電流も変化するので、最大のリラクタンストルクが発生する固定子鉄心７はＶ相、Ｗ相、Ｕ相、・・・の順に推移する。

以上説明したように、リラクタンストルクの発生の仕方はスロット型回転電機とは著しく異なる。しかし、各固定子鉄心７Ｕ、７Ｖ、７Ｗによる交番磁界を重ね合わせることにより得られるＰ極の回転磁界に注目する立場からは、固定子６全体に作用するリラクタンストルク、すなわち、Ｎｒｕ、Ｎｒｖ、Ｎｒｗの和は、スロット型回転電機と類似のものとして取り扱うことができる。すなわち、回転電機の理論によれば、永久磁石５の磁極の中心軸方向に沿った磁束φｄ、これに電気的に直交する方向の磁束φｑに関するインダクタンスをそれぞれＬｄ、Ｌｑとして、リラクタンストルクは（φｑ−φｄ）すなわち（Ｌｑ−Ｌｄ）に比例することが知られている。

図８に本実施形態の回転子３の展開図に前記した磁束φｄと磁束φｑを示す。永久磁石５を磁束φｄをブロックする位置に配置してあることから、（Ｌｑ−Ｌｄ）＞０を満足していることがわかる。このことから、モータ全体でリラクタンストルクが発生することがわかる。Ｌｑ＞Ｌｄとなる性質は逆突極性と呼ばれ、逆突極性を有するその他の例としては、回転子鉄心４の中に永久磁石５を埋め込んだ構成のものがある。

次に、モータ内における電磁加振力の発生状況について述べる。
スロット型回転電機では、固定子６、および、回転子３がモータの軸方向に一様な構造を持つことから、軸方向にほぼ一様な分布の電磁加振力が固定子鉄心７に作用する。この電磁加振力は、様々な空間、および、時間次数を持つ周方向の進行波の重ね合わせになっている。電磁加振力を径方向成分および周方向成分にわけた場合、前者の径方向成分がモータの振動や騒音の原因となりやすい。これは、固定子鉄心７や固定子枠８における円環振動に結び付きやすいからである。

モータの極数をＰとしたとき、スロット型回転電機では、空間０次と空間Ｐ次との間の、比較的低次の次数についても多くのモードの電磁加振力が発生することが知られている。特に、リラクタンストルクを活用するスロット型回転電機においては、エアギャップ１６における無負荷時の磁場分布を正弦波状にしにくいこと、回転子３が周方向に複雑な磁気構造を持つことなどが原因で様々な次数の電磁加振力が発生し、これらによってモータが円環状に振動して、振動、騒音が著しく大きくなる場合がある。

これに対して、本実施形態のクローティース型モータ１においては、各相の固定子鉄心７Ｕ、７Ｖ、７Ｗがエアギャップ１６に作る磁場はＰ極の定在波であり、また、回転子３はＰ極の回転磁界を作る。こうした磁界同士が原因で発生しうる電磁加振力は空間０次ないし空間Ｐ次、２Ｐ次、…とＰの倍数次になる。また、マグネットトルクやリラクタンストルクが時間経過とともに最大のトルク発生場所がＵ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｕ相、…固定子鉄心７の順に推移するのと同様に、電磁加振力は、時間とともに隣の固定子鉄心７へ移り、あたかも軸方向の進行波のように各相の固定子鉄心７Ｕ、７Ｖ、７Ｗ間を伝搬する。

本実施形態のクローティース型モータ１とスロット型回転電機における電磁加振力の発生状況を比較した場合、クローティース型モータ１の特筆すべき特徴は、電磁加振力の空間次数を十分に大きくとることができる点である。例えば、スロット型回転電機の極数を８とすれば、スロット型回転電機においては、８以下の、非ゼロの空間次数の電磁加振力が発生するのに対して、クローティース型モータ１では、最低次数（非ゼロ）の電磁加振力の空間次数は２４である。

一般に、大きな空間次数の電磁加振力に対しては、固定子鉄心７や固定子枠８が変形しづらくなり、振動の振幅を抑制することができる。したがって、電磁加振力の空間次数を大きくできる特徴は、振動、騒音の低減の観点から非常に有利である。以上の理由から、本実施形態のクローティース型モータ１では、マグネットトルクと同時にリラクタンストルクも活用でき、さらにモータの振動や騒音を大幅に低減することができる。言い換えれば、クローティース型モータ１によれば、モータの軸長を増大させる要因のコイルエンド部がなく、シンプルな構成の小型モータを実現でき、また、リラクタンストルクの活用により高速回転時におけるモータ出力の向上と、振動、騒音の大幅な低減が可能になる。

マグネットトルク、リラクタンストルク、電磁加振力の発生の仕方に関しては、本実施形態のクローティース型モータ１とスロット型回転電機において著しい違いがあるが、多相モータとしてのマクロな特性（トルクの和の発生）に関しては、本実施形態のクローティース型モータ１をスロット型回転電機と同様に取り扱うことができることを前記した。そこで、ベクトル図を用いて、クローティース型モータ１における電圧や電流を更に詳しく説明する。

図９は、ある相に注目したベクトル図である。本ベクトル図は図７で説明したモータの運転状況を示したものである。電流Ｉの各成分をＩｑ、Ｉｄとして、相電圧Ｖは、相誘起電圧Ｅ、コイル抵抗Ｒによる電圧降下ＲＩ、インダクタンスによる電圧降下ωＬｑＩｑ、ωＬｄＩｄのベクトル和になる。図７の説明の際に述べた電流Ｉの進み角が図中のβである。βを電気角で４５度程度進めることにより、相電圧Ｖを比較的小さく抑制することができる。このとき、リラクタンストルクも同時に発生しているので、ｑ軸方向の電流成分が減少したことによるマグネットトルクの減少を補うことができる。こうした運転の仕方は、弱め磁界と呼ばれ、ハイブリッド電気自動車用の駆動モータなどにおいてよく用いられる。すなわち、クローティース型モータ１によれば、モータの電圧を抑制しながら、効率よくトルクを発生できるので、モータの高速回転領域まで比較的大きなトルクを発生できる。

こうしたモータの特性は、電源電圧が比較的低く、同時に大きな出力を発生する必要がある場合に特に有効である。この場合には、モータにかなり大きな電流を流す必要があることから、途中の配線抵抗やインバータなどにおける電圧降下により、モータに供給される電圧がかなり小さくなるので、前記した弱め磁界が重要になる。例えば、バッテリーなどの低電圧電源をエネルギー供給源とするものとして、自動車用の電動ウォータポンプやオイルポンプ用モータ、電動パワーステアリング用モータ、電動ブレーキ用モータなどが、本実施形態によるクローティース型モータ１への応用として好適である。これらの応用ではモータの小型化も同時に重要であり、コイルエンド部などの無駄な空間がないクローティース型モータ１の特徴を活かすことができる。

（第２実施形態）
図１０に本発明によるクローティース型モータの第２実施形態を示す。固定子６は第１実施形態と同一のものを使用している。しかし、回転子３においては、永久磁石５の数を第１実施形態の二分の一の１２極にしてあり、回転子鉄心４の外周には、周方向に沿って等間隔に１２カ所の極間補助極１５を形成してある。第１実施形態では、径方向の永久磁石５の極性を周方向に交互に反転させながら貼り付けてあるが、第２実施形態では、径方向の永久磁石５の極性はすべて同一方向にして配置してある。こうした構成にすることにより、永久磁石５間の極間補助極１５が仮想的な磁極として動作して、１２個の永久磁石５により、２４極の回転子３を構成することができる。

図１１に第２実施形態における回転子３の展開図を示す。ｑ軸方向の磁束φｑとｄ軸方向の磁束φｄに関する磁気回路を比較すると、磁束φｄに対しては永久磁石５が磁束をブロックするように配置されているので、本施形態においても、逆突極性（Ｌｑ＞Ｌｄ）が成立していることがわかる。
以上より、本実施形態においても第１実施形態と同様の効果が期待できる。さらに、永久磁石５の数が少ないので、廉価に回転子３を製作できる効果もある。

（変形例）
本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような種々の変形が可能である。
（１）前記各実施形態は、クローティース型モータ１をモータ（電動機）として説明したが、発電機としても使用することができる。
（２）前記各実施形態では、永久磁石５および極間補助極を用いてマグネットトルクおよびリラクタンストルクを発生させたが、永久磁石５を一切使用しないで同期リラクタンスモータとして動作させることができる。この場合の回転子鉄芯は、爪部の数に対応して周方向に凹凸形状が設けられた略円筒形状であり、この回転子鉄芯の回転によってリラクタンスが変化するように構成される。また、回転子鉄芯を回転角方向に透磁率を変化させて極間補助極を形成することもできる。

本発明の一実施形態であるクローティース型回転電機の断面図である。 固定子を構成する爪鉄心の斜視図である。 固定子の一部の斜視図である。 本発明の一実施形態であるクローティース型回転電機の他の断面図である。 固定子の磁化を説明するための図である。 マグネットトルクの発生を説明するための図である。 リラクタンストルクの発生を説明するための図である。 q軸方向の磁束φqとd軸方向の磁束φdに関する磁気回路を示す回転子の展開図である。 リラクタンストルク発生時におけるベクトル図である。 第２実施形態におけるクローティース型回転電機の断面図である。 第２実施形態におけるq軸方向の磁束φqとd軸方向の磁束φdに関する 磁気回路を示す回転子の展開図である。

符号の説明

１ クローティース型モータ（クローティース型回転電機）
２ 回転軸
３ 回転子
４ 回転子鉄心
５ 永久磁石
６ 固定子
７，７Ｕ，７Ｖ，７Ｗ 固定子鉄心（固定子磁心）
８ 固定子枠
９Ａ，９Ｂ 軸受
１０，１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗ 環状コイル
１１Ａ，１１Ｂ 爪鉄心
１２，１２Ａ，１２Ｂ 爪部
１２Ｆ 磁極面
１２Ｔ 軸方向延在端
１３ 環状継鉄部（円環部）
１４ 外周側継鉄部（円環部）
１５ 極間補助極
１６ エアギャップ

Claims (3)

1. 回転軸に対して同軸の円筒状面内に複数の永久磁石が配設された回転子と、
   前記回転軸に対して同軸に設置された円環状の固定子磁心、および、前記固定子磁心を磁化するコイルを備えた固定子と
   を備えた回転電機であって、
   前記コイルは、導線が環状に巻回された環状コイルであり、
   前記固定子磁心は、前記環状コイルを被装する円環部と、この円環部の内径面に等間隔に配置され軸方向に延在する複数の爪部と、隣接する爪部の間に形成される複数の磁気ギャップとを備え、
   前記爪部の数は、前記永久磁石の数に等しく、
   前記回転子は、異なる極性の隣接する前記永久磁石の間に金属からなる極間補助極が配設されたことを特徴とするクローティース型回転電機。
2. 前記回転子は、円筒状の回転子鉄心と、この回転子鉄心の外周面に配設された複数の永久磁石とを備え、
   前記極間補助極は、前記回転子鉄心により形成されることを特徴とする請求項１に記載のクローティース型回転電機。
3. 前記回転子は、
   円筒状の回転子鉄心の外周表面に前記複数の永久磁石が配設され、
   前記各永久磁石と隣接する永久磁石との間に金属からなる極間補助極が前記回転子鉄心の外周に、周方向に沿って等間隔に形成され、
   前記各永久磁石の極性が周方向に沿って交互に反転していることを特徴とする請求項１に記載のクローティース型回転電機。

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