JP6589931B2 - 回転電機駆動システム - Google Patents

Description

本発明は、例えば自動車やトラック等に搭載されて電動機や発電機として使用される回転電機駆動システムに関する。

従来の回転電機として、界磁巻線と、該界磁巻線により周方向交互に異なる極性の磁極が励磁される複数の爪状磁極部とを有するランデル型ロータを備えた車両用交流発電機が知られている。そして、特許文献１には、爪状磁極部間に永久磁石を介在させて、より大きな出力密度を得られるようにした磁石付きランデル型ロータを備えた発電機が開示されている。このような発電機では、永久磁石の大きさや、ランデル型ロータコアのボス部、ディスク部、爪状磁極部にあたる部分の最適化により設計がなされており、発電能力の向上と逆起電力の低減との両立を図るようにしている。

なお、特許文献１には、発電機出力特性の変曲点を生じる永久磁石磁束と、爪状磁極片の諸定数Ｌ，Ｗ及びθとの関係を求めることによって導かれた数式により、諸定数Ｌ、Ｗ及びθを決めれば、永久磁石の残留磁束密度Ｂｒを画一的に決定することができることが記載されている。これにより、仕様が異なっても普遍的にバッテリ過充電の回避と高効率高出力化を同時に行うことができる磁極の設定を可能としている。

また、ロータコアの外周部にＮＳ磁極が周方向に交互となるように永久磁石を埋め込んだ磁石埋め込み型ロータ（ＩＰＭ型ロータ）が知られている。このＩＰＭ型ロータは、高トルクを得られることから、車両用の発電機や電動機などに搭載されて急速に普及した。

近年では、車両走行抵抗を減らすためのスラントノーズ化や、エンジンルームの小型化などが図られるが、これに伴い車両用発電機やスタータの搭載スペースも極小化されてきている。この場合、重要視される能力として、スタータ能力や車両を高効率動作でアシストするための高効率な力行、回生動作が加わったため、相対的に純粋な発電能力だけに能力改善を求める割合は少なくなってきており、界磁電流が短期間で大電流となる場合の発電機の発電、トルク、回生能力が注目されている。

特開平４−２５５４５１号公報

ところで、上記の磁石付きランデル型ロータを搭載した発電機は、逆起電力が高いという問題がある。そのため、例えば車両用交流発電機などの逆起電力の制約が強い製品には、上記の爪状磁極部を有するランデル型ロータが用いられるが、発電出力が低いという問題がある。特許文献１で提案している数式により規定される範囲に設計すれば、磁石を使って発電機の発電能力を高めることが可能であるが、より発電能力の向上が望まれる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、電動トルクをより向上し得るようにした回転電機駆動システムを提供することを解決すべき課題とするものである。

図２７は、磁石付きランデル型ロータの等価磁気回路図であり、図２８は、ＩＰＭ型ロータの等価磁気回路図である。ここで、Φｍは磁石磁束、Ｒｓｔはステータの磁気抵抗、ＡＧはエアギャップ、Ｒｒｔはロータの磁気抵抗、Ｒａはｄ軸回路の空隙部の磁気抵抗である。図２７に示すように、磁石付きランデル型ロータの場合には、磁石磁束Φｍが分流し、ランデル型ロータコアのボス部を通る磁気回路と、ステータコアを通る磁気回路の２つの磁気回路が形成される。

一方、図２８に示すように、ＩＰＭ型ロータの場合には、ｄ軸回路が空隙（破線部分）であることから、磁気抵抗Ｒａが非常に高く、インダクタンスＬｒｔが非常に低い。これが磁石付きランデル型ロータとＩＰＭ型ロータとの負荷時におけるトルク差の原因になっている。即ち、負荷時に磁気抵抗Ｒｒｔを非常に高くし、インダクタンスＬｒｔが非常に低い状態を作ってやれば、磁石付きランデル型ロータでもＩＰＭ型ロータ並のトルクを出せるということになる。

本願発明者は、上記の知見に基づいて鋭意研究を重ねた結果、磁石付きランデル型ロータにおいて、界磁電流Ｉｆを利用してＩＰＭ型ロータ並のトルクを出せる状況を作り出せることを見出した。即ち、ＩＰＭ型ロータでは、界磁コア（ロータコア）にあたる抵抗が高く、ステータコアの抵抗が小さいわけだから、界磁電流Ｉｆの通電時に界磁コア（ランデル型ロータコア）の抵抗値を上げ、ステータコアの抵抗値よりも大きくなれば、ＩＰＭ型ロータの場合と同じ状況が生まれる。

即ち、ロータのインダクタンスをＬｒｔとし、ステータのインダクタンスをＬｓｔとし、ロータを流れる磁束の磁気抵抗をＲｒｔとし、ステータを流れる磁束の磁気抵抗をＲｓｔとすると、ロータに負荷を掛けた時に、Ｌｒｔ＜Ｌｓｔ ……（式１）、又は、Ｒｒｔ＞Ｒｓｔ ……（式２）となるようにすれば、上記の状況を作り出せる。なお、磁石の残留磁束密度をＢｒとし、磁石の各磁極の断面積をＡｍとし、ステータの磁束密度をＢｓとし、ロータの断面積をＡｒとすると、ロータに負荷を掛けない時には、Ｌｒｔ＞Ｌｓｔ、Ｒｒｔ＞Ｒｓｔ、２×Ｂｒ×Ａｍ＞Ｂｓ×Ａｒ（逆起電力が低い条件）となる。

但し、上記（式１）及び（式２）において、製品として、完成されたトラクションモータやジェネレータといった回転電機から磁気抵抗Ｒは容易に測定することはできない。また、インダクタンスＬは、巻数により変化し、且つターン数の２乗で変動するため、上下関係を評価することは相応しくない。そのため、以後の評価には、後述の実験手法で容易に測定、算出することが可能な、磁気抵抗Ｒの逆数であるパーミアンスＰｒｔ，Ｐｓｔ[Ｈ]を用いることとした。これらの関係を示すと、Ｌ／Ｎ^２[Ｈ／Ｎ^２]＝１／Ｒ[Ａ／ｗｂ]＝Ｐ[Ｈ]となる。

よって、本願発明者は、ｄ軸に２軸の合成磁束を有する回転電機が、ロータに負荷を掛けた時にＩＰＭ型ロータの如く振る舞うためには、負荷時にＰｒｔ＜Ｐｓｔとなるようにすればよいことを見出し、本発明を完成した。

即ち、上記課題を解決するためになされた請求項１に記載の発明は、
電機子巻線（２５）が巻装された環状のステータ（２０）、及び、界磁巻線（３３）が巻装されて前記ステータの内周側に径方向に対向して配置されたロータ（３０）を有する回転電機（１）と、前記界磁巻線及び前記電機子巻線の少なくとも一方に供給する電流を制御して前記ロータにトルクを発生させる制御装置（６０）と、を備えた回転電機駆動システムにおいて、
前記ロータは、前記界磁巻線が巻装される筒状のボス部（３２１，３２１ａ，３２１ｂ）、及び、前記ボス部の外周側に配置されて周方向交互に異なる極性の磁極が形成される複数の爪状磁極部（３２３，３２３ａ，３２３ｂ）を有する界磁コア（３２）と、
周方向に隣接する前記爪状磁極部の間に磁化容易軸が周方向に向けられて配置され、前記界磁巻線の起磁力によって前記爪状磁極部に交互に現れる極性と一致するように磁極が形成されている永久磁石（３４，３４Ａ）と、を備え、
前記ロータに負荷を掛けた時に、ｄ軸磁気回路（３６）のパーミアンスＰｒｔと、前記電機子巻線に流れる電流により形成されてｄ軸から電気角で９０°ずれた位置にあるｑ軸を通るｑ軸磁気回路（３７）のパーミアンスＰｓｔとの関係が、Ｐｓｔ＞Ｐｒｔとなるように設定され、
前記ボス部の一対のＮＳ磁極あたりの軸方向に延びる鉄心断面積をＡｂとし、前記ボス部の５０００[Ａ／ｍ]の界磁を加えた際の磁束密度をＢ５０とし、前記爪状磁極部間に配置された前記永久磁石の残留磁束密度をＢｒとし、前記永久磁石の磁極となる面の断面積をＡｍとしたときに、２×Ｂｒ×Ａｍ＜Ｂ５０×Ａｂとなる関係を満たし、
前記制御装置は、前記回転電機が位相制御により力行及び回生のどちらかの動作をするように制御する。

この構成によれば、周方向に隣接する爪状磁極部の間に配置された永久磁石により、ステータに鎖交する磁束が流れる第１磁石磁気回路と、ボス部を通りロータ内で磁束の流れが完結する第２磁石磁気回路の２つの磁石磁気回路が形成されている。そして、ロータに負荷を掛けた時、即ち、制御装置により界磁巻線に界磁電流を通電した時に、界磁巻線の起磁力により形成される磁束が界磁コアのボス部、一対の爪状磁極部及びステータコアを経由して流れるｄ軸磁気回路が形成される。このとき、２つの磁石磁気回路のうち、ボス部を通りロータ内で完結する第２磁石磁気回路を流れる磁石磁束は、ｄ軸磁気回路の磁束と逆方向に流れているので、抵抗が大きく流れ難い状態となる。本発明では、ｄ軸磁気回路のパーミアンスＰｒｔとｑ軸磁気回路のパーミアンスＰｓｔとの関係が、Ｐｓｔ＞Ｐｒｔとなるように設定されているため、上記の第１及び第２磁石磁気回路のうち、ステータに鎖交する磁束が流れる第１磁石磁気回路の磁石磁束が増大する。これにより、磁石磁束を有効利用して、ロータに発生する電動トルクを大幅に向上させることができる。
この構成によれば、永久磁石の発生磁力がｄ軸磁気回路により吸収されることが可能となるので、逆起電力を下げ、無通電時の高速回転状態における発電電力を抑えることができる。
また、本発明の制御装置は、回転電機が位相制御により力行及び回生のどちらかの動作をするように制御する。即ち、回転電機が、力行（加速、速度維持）や回生（ブレーキと発電を同時にする）の動作を行う場合、位相制御により最大実行トルクが得られる。この状況は、弱め界磁磁束を多少いれながら、リラクタンストルクを発生させるという状況である。このとき、弱め界磁磁束をｄ軸に入れるということは、ｄ軸に繋がれた界磁コアに対して弱め界磁磁束を掛けるという意味と同義である。即ち、界磁巻線への通電の際に、界磁コアの飽和を下げ、永久磁石の磁力をステータ側へ案内せず、有効利用することができなくなる。ここで、上記のｄ軸磁気回路のパーミアンスＰｒｔとｑ軸磁気回路のパーミアンスＰｓｔとの大小関係を満たしていれば、十分に界磁コアが飽和されているので、弱め界磁磁束が界磁コアへ流れず、弱め界磁磁束をほとんど無視したリラクタンストルクを得ることができる。これにより、位相制御による力行、回生の動作能力は、ｄ軸だけを使うダイオード整流や同期整流といった動作での本発明適用時の能力向上に比べ、相乗的な能力向上を達成することができる。

本発明において、ロータに負荷を掛けた時とは、定格電流として界磁巻線の界磁電流Ｉｆが車両用ブラシの能力として一般的なＩｆ＝４[Ａ]〜２０[Ａ]の間で通電している状態のことをいう。なお、ブラシに進歩があれば、その時の界磁電流Ｉｆ、例えば３０Ａ等でよいし、ブラシレスのように、界磁電流Ｉｆに制限のない構成であれば、より大きな界磁電流Ｉｆで第一の発明のＰｒｔ＜Ｐｓｔの要件を成立させればよい。なお、現在のブラシでも、Ｐｒｔ＜Ｐｓｔの関係を成立させるという意味では、請求項９に記載の発明の、０．９＜Ａｓ／Ａｂ＜１．７の要件を満たした時の効果は絶大である。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記ｄ軸磁気回路が形成される部位は、飽和磁束密度Ｂｓの異なる２種類の材料で形成されており、前記爪状磁極部が飽和磁束密度Ｂｓの高い材料で形成され、前記爪状磁極部以外の部位が飽和磁束密度Ｂｓの低い材料で形成されている。この構成によれば、爪状磁極部よりもボス部の方が早く磁束飽和し、ＩＰＭ型ロータの磁束特性の挙動に変化し易くなるため、電動トルクの向上をより確実に達成することができる。

また、上記課題を解決するためになされた請求項３に記載の発明は、
電機子巻線（２５）が巻装された環状のステータ（２０）、及び、界磁巻線（３３）が巻装されて前記ステータの内周側に径方向に対向して配置されたロータ（３０）を有する回転電機（１）と、前記界磁巻線及び前記電機子巻線の少なくとも一方に供給する電流を制御して前記ロータにトルクを発生させる制御装置（６０）と、を備えた回転電機駆動システムにおいて、
前記ロータは、前記界磁巻線が巻装される筒状のボス部（３２１，３２１ａ，３２１ｂ）、及び、前記ボス部の外周側に配置されて周方向交互に異なる極性の磁極が形成される複数の爪状磁極部（３２３，３２３ａ，３２３ｂ）を有する界磁コア（３２）と、
周方向に隣接する前記爪状磁極部の間に磁化容易軸が周方向に向けられて配置され、前記界磁巻線の起磁力によって前記爪状磁極部に交互に現れる極性と一致するように磁極が形成されている永久磁石（３４，３４Ａ）と、を備え、
前記ロータに負荷を掛けた時に、ｄ軸磁気回路（３６）のパーミアンスＰｒｔと、前記電機子巻線に流れる電流により形成されてｄ軸から電気角で９０°ずれた位置にあるｑ軸を通るｑ軸磁気回路（３７）のパーミアンスＰｓｔとの関係が、Ｐｓｔ＞Ｐｒｔとなるように設定され、
前記ｄ軸磁気回路が形成される部位は、飽和磁束密度Ｂｓの異なる２種類の材料で形成されており、前記爪状磁極部が飽和磁束密度Ｂｓの高い材料で形成され、前記爪状磁極部以外の部位が飽和磁束密度Ｂｓの低い材料で形成され、
前記制御装置は、前記回転電機が位相制御により力行及び回生のどちらかの動作をするように制御する。

この構成によれば、周方向に隣接する爪状磁極部の間に配置された永久磁石により、ステータに鎖交する磁束が流れる第１磁石磁気回路と、ボス部を通りロータ内で磁束の流れが完結する第２磁石磁気回路の２つの磁石磁気回路が形成されている。そして、ロータに負荷を掛けた時、即ち、制御装置により界磁巻線に界磁電流を通電した時に、界磁巻線の起磁力により形成される磁束が界磁コアのボス部、一対の爪状磁極部及びステータコアを経由して流れるｄ軸磁気回路が形成される。このとき、２つの磁石磁気回路のうち、ボス部を通りロータ内で完結する第２磁石磁気回路を流れる磁石磁束は、ｄ軸磁気回路の磁束と逆方向に流れているので、抵抗が大きく流れ難い状態となる。本発明では、ｄ軸磁気回路のパーミアンスＰｒｔとｑ軸磁気回路のパーミアンスＰｓｔとの関係が、Ｐｓｔ＞Ｐｒｔとなるように設定されているため、上記の第１及び第２磁石磁気回路のうち、ステータに鎖交する磁束が流れる第１磁石磁気回路の磁石磁束が増大する。これにより、磁石磁束を有効利用して、ロータに発生する電動トルクを大幅に向上させることができる。
この構成によれば、爪状磁極部よりもボス部の方が早く磁束飽和し、ＩＰＭ型ロータの磁束特性の挙動に変化し易くなるため、電動トルクの向上をより確実に達成することができる。
また、本発明の制御装置は、回転電機が位相制御により力行及び回生のどちらかの動作をするように制御する。即ち、回転電機が、力行（加速、速度維持）や回生（ブレーキと発電を同時にする）の動作を行う場合、位相制御により最大実行トルクが得られる。この状況は、弱め界磁磁束を多少いれながら、リラクタンストルクを発生させるという状況である。このとき、弱め界磁磁束をｄ軸に入れるということは、ｄ軸に繋がれた界磁コアに対して弱め界磁磁束を掛けるという意味と同義である。即ち、界磁巻線への通電の際に、界磁コアの飽和を下げ、永久磁石の磁力をステータ側へ案内せず、有効利用することができなくなる。ここで、上記のｄ軸磁気回路のパーミアンスＰｒｔとｑ軸磁気回路のパーミアンスＰｓｔとの大小関係を満たしていれば、十分に界磁コアが飽和されているので、弱め界磁磁束が界磁コアへ流れず、弱め界磁磁束をほとんど無視したリラクタンストルクを得ることができる。これにより、位相制御による力行、回生の動作能力は、ｄ軸だけを使うダイオード整流や同期整流といった動作での本発明適用時の能力向上に比べ、相乗的な能力向上を達成することができる。

本発明において、ロータに負荷を掛けた時とは、定格電流として界磁巻線の界磁電流Ｉｆが車両用ブラシの能力として一般的なＩｆ＝４[Ａ]〜２０[Ａ]の間で通電している状態のことをいう。なお、ブラシに進歩があれば、その時の界磁電流Ｉｆ、例えば３０Ａ等でよいし、ブラシレスのように、界磁電流Ｉｆに制限のない構成であれば、より大きな界磁電流Ｉｆで第一の発明のＰｒｔ＜Ｐｓｔの要件を成立させればよい。なお、現在のブラシでも、Ｐｒｔ＜Ｐｓｔの関係を成立させるという意味では、請求項９に記載の発明の、０．９＜Ａｓ／Ａｂ＜１．７の要件を満たした時の効果は絶大である。

また、上記課題を解決するためになされた請求項４に記載の発明は、
電機子巻線（２５）が巻装された環状のステータ（２０）、前記ステータの内周側に径方向に対向して配置されたロータ（３０）、及び、前記ステータ及び前記ロータを内部に収容し、界磁巻線（３３）が巻装されたボス部（１７）を有するハウジング（１０）を備えたブラシレス構造の回転電機（２）と、前記界磁巻線及び前記電機子巻線の少なくとも一方に供給する電流を制御して前記ロータにトルクを発生させる制御装置（６０）と、を備えた回転電機駆動システムにおいて、
前記ロータは、前記界磁巻線の外周側に配置されて周方向交互に異なる極性の磁極が形成される複数の磁極部（５２ｎ，５２ｓ）を有する界磁コア（５２）と、周方向に隣接する前記磁極部の間に磁化容易軸が周方向に向けられて配置され、前記界磁巻線の起磁力によって前記磁極部に交互に現れる極性と一致するように磁極が形成されている永久磁石（５４）と、を備え、
前記ロータに負荷を掛けた時に、ｄ軸磁気回路（５６）のパーミアンスＰｒｔと、前記電機子巻線に流れる電流により形成されてｄ軸から電気角で９０°ずれた位置にあるｑ軸を通るｑ軸磁気回路（５７）のパーミアンスＰｓｔとの関係が、Ｐｓｔ＞Ｐｒｔとなるように設定され、
前記制御装置は、前記回転電機が位相制御により力行及び回生のどちらかの動作をするように制御する。

この構成によれば、周方向に隣接する磁極部の間に配置された永久磁石により、ステータに鎖交する磁束により形成される第１磁石磁気回路と、ボス部を通りロータ内で完結する第２磁石磁気回路の２つの磁石磁気回路が形成されている。そして、ロータに負荷を掛けた時、即ち、制御装置により界磁巻線に界磁電流を通電した時に、界磁巻線の起磁力により形成される磁束が界磁コアのボス部、一対の磁極部及びステータコアを経由して流れるｄ軸磁気回路が形成される。このとき、２つの磁石磁気回路のうち、ボス部を通りロータ内で完結する第２磁石磁気回路を流れる磁石磁束は、ｄ軸磁気回路の磁束と逆方向に流れているので、抵抗が大きく流れ難い状態となる。本発明では、ｄ軸磁気回路のパーミアンスＰｒｔとｑ軸磁気回路のパーミアンスＰｓｔとの関係が、Ｐｓｔ＞Ｐｒｔとなるように設定されているため、上記の第１及び第２磁石磁気回路のうち、ステータに鎖交する磁束が流れる第１磁石磁気回路の磁石磁束が増大する。これにより、磁石磁束を有効利用して、ロータに発生する電動トルクを大幅に向上させることができる。
特に、ブラシレス構造の回転電機においては、ブラシによる電流制限を受けずに済むため、ブラシにより制約されていた界磁電流Ｉｆの電流値を大きくすることができる。そのため、ブラシレス構造の回転電機においても、界磁回路を飽和させ、磁石磁力を有効利用することができる。また、界磁巻線に界磁電流を通電する電気回路が独立するため、磁石付きランデル型ロータの弱点である遠心強度を、電気回路分の遠心力を磁極部裏に受けずに済むため、遠心力による応力を下げることができる。

また、本発明の制御装置は、回転電機が位相制御により力行及び回生のどちらかの動作をするように制御する。即ち、回転電機が、力行（加速、速度維持）や回生（ブレーキと発電を同時にする）の動作を行う場合、位相制御により最大実行トルクが得られる。この状況は、弱め界磁磁束を多少いれながら、リラクタンストルクを発生させるという状況である。このとき、弱め界磁磁束をｄ軸に入れるということは、ｄ軸に繋がれた界磁コアに対して弱め界磁磁束を掛けるという意味と同義である。即ち、界磁巻線への通電の際に、界磁コアの飽和を下げ、永久磁石の磁力をステータ側へ案内せず、有効利用することができなくなる。ここで、上記のｄ軸磁気回路のパーミアンスＰｒｔとｑ軸磁気回路のパーミアンスＰｓｔとの大小関係を満たしていれば、十分に界磁コアが飽和されているので、弱め界磁磁束が界磁コアへ流れず、弱め界磁磁束をほとんど無視したリラクタンストルクを得ることができる。これにより、位相制御による力行、回生の動作能力を、ｄ軸だけを使うダイオード整流や同期整流といった動作での本発明適用時の能力向上に比べ、相乗的に向上させることができる。

請求項５に記載の発明は、請求項４おいて、前記ボス部の一対のＮＳ磁極あたりの軸方向に延びる鉄心断面積をＡｂとし、前記ボス部の５０００[Ａ／ｍ]の界磁を加えた際の磁束密度をＢ５０とし、前記磁極部間に配置された前記永久磁石の残留磁束密度をＢｒとし、前記永久磁石の磁極となる面の断面積をＡｍとしたときに、２×Ｂｒ×Ａｍ＜Ｂ５０×Ａｂとなる関係を満たす。この構成によれば、永久磁石の発生磁力がｄ軸磁気回路により吸収されることが可能となるので、逆起電力を下げ、無通電時の高速回転状態における発電電力を抑えることができる。

請求項６に記載の発明は、請求項４又は５において、前記ｄ軸磁気回路が形成される部位は、飽和磁束密度Ｂｓの異なる２種類の材料で形成されており、前記磁極部が飽和磁束密度Ｂｓの高い材料で形成され、前記磁極部以外の部位が飽和磁束密度Ｂｓの低い材料で形成されている。この構成によれば、磁極部よりもボス部の方が早く磁束飽和し、ＩＰＭ型ロータの磁束特性の挙動に変化し易くなるため、電動トルクの向上をより確実に達成することができる。

請求項７に記載の発明は、請求項２，３，６の何れか一項において、前記飽和磁束密度Ｂｓの低い材料は、前記飽和磁束密度Ｂｓの高い材料よりも透磁率が高いものである。この構成によれば、ロータへの無負荷時において、起電力の吸収能力を高めることができる。

請求項８に記載の発明は、請求項１〜７の何れか一項において、前記ｄ軸磁気回路のパーミアンスＰｒｔと前記ｑ軸磁気回路のパーミアンスＰｓｔの関係が、Ｐｓｔ：Ｐｒｔ＝２ｎ（ｎは１以上の実数）：１である。この構成によれば、ロータへの負荷時の態様を、ランデル型ロータにおいてもＩＰＭ型ロータに近付けることができ、ｑ軸インダクタンスＬｑとｄ軸インダクタンスＬｄの比（Ｌｑ／Ｌｄ）である突極比ρを２以上にできる。これにより、ランデル型ロータであっても、ＩＰＭ型ロータ並のリラクタンストルクを出すことが可能となる。

また、上記課題を解決するためになされた請求項９に記載の発明は、
電機子巻線（２５）が巻装された環状のステータ（２０）、及び、界磁巻線（３３）が巻装されて前記ステータの内周側に径方向に対向して配置されたロータ（３０）を有する回転電機（１）と、前記界磁巻線及び前記電機子巻線の少なくとも一方に供給する電流を制御して前記ロータにトルクを発生させる制御装置（６０）と、を備えた回転電機駆動システムにおいて、
前記ロータは、筒状のボス部（３２１，３２１ａ，３２１ｂ）、及び、前記ボス部の外周側に配置されて周方向交互に異なる極性の磁極が形成される複数の爪状磁極部（３２３，３２３ａ，３２３ｂ）を有する界磁コア（３２）と、
前記ボス部の外周側に巻装されて通電により起磁力を発生する前記界磁巻線と、
周方向に隣接する前記爪状磁極部の間に磁化容易軸が周方向に向けられて配置され、前記界磁巻線の起磁力によって前記爪状磁極部に交互に現れる極性と一致するように磁極が形成されている永久磁石（３４，３４Ａ）と、を備え、
前記爪状磁極部の外周面の表面積をＡｓとし、前記ボス部の一対のＮＳ磁極あたりの軸方向に延びる鉄心断面積をＡｂとしたときに、前記表面積Ａｓと前記断面積Ａｂとの関係が、０．９＜Ａｓ／Ａｂ＜１．７となる範囲に設定され、
前記制御装置は、前記回転電機が位相制御により力行及び回生のどちらかの動作をするように制御する。

この構成によれば、爪状磁極部の外周面の表面積Ａｓとボス部の一対のＮＳ磁極あたりの軸方向に延びる鉄心断面積Ａｂとの関係が、０．９＜Ａｓ／Ａｂ＜１．７となる範囲に設定されている。そのため、周方向に隣接する爪状磁極部の間に配置された永久磁石により形成される磁石磁気回路のうち、ステータに鎖交する磁石磁束が流れる磁石磁気回路の磁石磁束を増大させることができる。これにより、磁石磁束を有効利用して、電動トルクを大幅に向上させることができる。なお、爪状磁極部間に配置される永久磁石は、従来では磁束の整流や漏れ防止を目的に用いられていた。これに対して、本発明では、爪状磁極部間に配置される永久磁石は、ＩＰＭ型ロータの永久磁石の如く使われ、漏れ防止等ではなく、純粋な磁束アップ、即ち、トルクアップ源や出力アップ源として機能させることができる。
また、本発明の制御装置は、回転電機が位相制御により力行及び回生のどちらかの動作をするように制御する。即ち、回転電機が、力行（加速、速度維持）や回生（ブレーキと発電を同時にする）の動作を行う場合、位相制御により最大実行トルクが得られる。この状況は、弱め界磁磁束を多少いれながら、リラクタンストルクを発生させるという状況である。このとき、弱め界磁磁束をｄ軸に入れるということは、ｄ軸に繋がれた界磁コアに対して弱め界磁磁束を掛けるという意味と同義である。即ち、界磁巻線への通電の際に、界磁コアの飽和を下げ、永久磁石の磁力をステータ側へ案内せず、有効利用することができなくなる。ここで、上記のように、爪状磁極部の外周面の表面積Ａｓとボス部の一対のＮＳ磁極あたりの軸方向に延びる鉄心断面積Ａｂとの関係が、０．９＜Ａｓ／Ａｂ＜１．７となる範囲に設定されていれば、十分に界磁コアが飽和されているので、弱め界磁磁束が界磁コアへ流れず、弱め界磁磁束をほとんど無視したリラクタンストルクを得ることができる。これにより、位相制御による力行、回生の動作能力は、ｄ軸だけを使うダイオード整流や同期整流といった動作での本発明適用時の能力向上に比べ、相乗的な能力向上を達成することができる。

また、上記課題を解決するためになされた請求項１０に記載の発明は、
電機子巻線（２５）が巻装された環状のステータ（２０）、前記ステータの内周側に径方向に対向して配置されたロータ（５０）、及び、前記ステータ及び前記ロータを内部に収容し、界磁巻線（５３）が巻装されたボス部（１７）を有するハウジング（１０）を備えたブラシレス構造の回転電機（２）と、前記界磁巻線及び前記電機子巻線の少なくとも一方に供給する電流を制御して前記ロータにトルクを発生させる制御装置（６０）と、を備えた回転電機駆動システムにおいて、
前記ロータは、前記界磁巻線の外周側に配置されて周方向交互に異なる極性の磁極が形成される複数の磁極部（５２３ｈ，５２３ｉ）を有する界磁コア（５２）と、周方向に隣接する前記磁極部の間に磁化容易軸が周方向に向けられて配置され、前記界磁巻線の起磁力によって前記磁極部に交互に現れる極性と一致するように磁極が形成されている永久磁石（５４）と、を備え、
前記磁極部の外周面の表面積をＡｓとし、前記ボス部の一対のＮＳ磁極あたりの軸方向に延びる鉄心断面積をＡｂとしたときに、前記表面積Ａｓと前記断面積Ａｂとの関係が、０．９＜Ａｓ／Ａｂ＜１．７となる範囲に設定され
前記制御装置は、前記回転電機が位相制御により力行及び回生のどちらかの動作をするように制御する。

この構成によれば、磁極部の外周面の表面積Ａｓとボス部の一対のＮＳ磁極あたりの軸方向に延びる鉄心断面積Ａｂとの関係が、０．９＜Ａｓ／Ａｂ＜１．７となる範囲に設定されている。そのため、周方向に隣接する磁極部の間に配置された永久磁石により形成される磁石磁気回路のうち、ステータに鎖交する磁石磁束が流れる磁石磁気回路の磁石磁束を増大させることができる。これにより、磁石磁束を有効利用して、発電能力を大幅に向上させることができる。なお、磁極部間に配置される永久磁石は、従来では磁束の整流や漏れ防止を目的に用いられていた。これに対して、本発明では、磁極部間に配置される永久磁石は、ＩＰＭ型ロータの永久磁石の如く使われ、漏れ防止等ではなく、純粋な磁束アップ、即ち、トルクアップ源や出力アップ源として機能させることができる。

請求項１１に記載の発明は、請求項９又は１０において、前記ボス部の外径Ｄｂと前記ロータの外径Ｄｒとの関係が、０．４６＜Ｄｂ／Ｄｒ＜０．５３となる範囲に設定されている。この構成によれば、ボス部の断面積が、磁石磁力のボス部磁力に対する反作用を最大限に考慮して決められた範囲であり、その時の磁石磁力による反作用を弾き返せるだけのボス部の磁力が界磁コアに働いているときに、爪状磁極部や磁極部の根元断面積は、ボス部の総磁力と永久磁石の総磁力をステータ側に伝えることができる。

請求項１２に記載の発明は、請求項９〜１１の何れか一項において、前記永久磁石の残留磁束密度Ｂｒが１[Ｔ]以上である。この構成によれば、請求項９〜１１の何れか一項に記載の発明の作用及び効果をより一層効果的に発揮させることができる。

請求項１３に記載の発明は、請求項９〜１２の何れか一項において、前記界磁コアは、磁束の流れ方向と直交する断面の面積が部分的に小さくなっており、前記ロータの外径Ｄｒを直径とする円の面積Ａ１と、磁束の流れ方向と直交する断面の面積が最小となる部分の断面積Ａ２の関係が、０．２１１６＜Ａ２／Ａ１＜０．２８０９となる範囲に設定されている。この構成によれば、界磁コアは、磁束の流れ方向と直交する断面の面積が部分的に小さくなっている。そのため、回転電機の特性が変化する。つまり、特性の異なる回転電機を容易に構成することができる。しかも、ロータの外径Ｄｒを直径とする円の面積Ａ１と、磁束の流れ方向と直交する断面の面積が最小となる部分の断面積Ａ２の関係が、０．２１１６＜Ａ２／Ａ１＜０．２８０９となる範囲に設定されている。そのため、磁束の流れ方向と直交する断面の面積が部分的に小さくなっておらず、ボス部の外径Ｄｂとロータの外径Ｄｒとの関係が、０．４６＜Ｄｂ／Ｄｒ＜０．５３となる範囲に設定されている場合と、同様の磁気的関係を確保でき、同様の効果を得ることができる。
なお、この欄及び特許請求の範囲で記載された各部材や部位の後の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的な部材や部位との対応関係を示すものであり、特許請求の範囲に記載された各請求項の構成に何ら影響を及ぼすものではない。

実施形態１に係る回転電機駆動システムの構成を示す模式図である。 実施形態１に係るロータの斜視図である。 実施形態１に係る界磁コアの諸寸法を示す説明図である。 実施形態１に係る界磁コアの諸寸法を示す説明図である。 実施形態１に係る界磁コアの爪状磁極部の諸寸法を示す説明図である。 実施形態１に係る界磁コアの諸寸法を示す説明図である。 実施形態１に係る回転電機において形成されるｄ軸磁気回路及びｑ軸磁気回路を示す説明図である。 実施形態１に係る回転電機において形成されるｄ軸磁気回路の界磁コア側での磁束の流れを示す説明図である。 ランデル型ロータとＩＰＭ型ロータの突極比ρを示すグラフ図である。 実施形態１に係る回転電機において永久磁石により形成される２つの磁気回路を示す説明図である。 実施形態１に係るインバータの回路結線図である。 実施形態１でのパーミアンスの測定方法を説明するための説明図である。 実施形態１でのパーミアンスの測定方法を説明するための説明図である。 比較例１に係る回転電機のパーミアンスの測定結果を示す線図である。 実施形態１に係る回転電機のパーミアンスの測定結果を示す線図である。 実施形態１においてロータのパーミアンスの測定方法を説明するための説明図である。 実施形態１においてロータのパーミアンスの測定方法を説明するための説明図である。 実施形態１においてステータのパーミアンスの測定方法を説明するための説明図である。 実施形態１においてステータのパーミアンスの測定方法を説明するための説明図である。 爪状磁極部表面積Ａｓとボス部断面積Ａｂの比（Ａｓ／Ａｂ）と、ステータ負荷時の鎖交磁束量との関係を示す線図である。 ボス部外径Ｄｂとロータ外径Ｄｒの比（Ｄｂ／Ｄｒ）と、ステータ負荷時の鎖交磁束量との関係を示す線図である。 爪状磁極部表面積Ａｓとボス部断面積Ａｂの比（Ａｓ／Ａｂ）と、ボス部外径Ｄｂとロータ外径Ｄｒの比（Ｄｂ／Ｄｒ）との関係を示す線図である。 従来の寸法範囲及びパーミアンスの関係で作製された回転電機の電圧ベクトル図である。 本発明の寸法範囲及びパーミアンスの関係で作製された回転電機の電圧ベクトル図である。 ｄ軸が１軸だけの場合の弱め界磁制御の様子を示す説明図である。 ｄ軸が２軸ある場合の弱め界磁制御の様子を示す説明図である。 磁石付きランデル型ロータの等価磁気回路図である。 ＩＰＭ型ロータの等価磁気回路図である。 実施形態２に係る回転電機駆動システムの構成を示す模式図であって、図３０及び図３２のXXIX−XXIX線に沿った切断面に相当する部位の断面模式図である。 実施形態２に係る回転電機の斜視図である。 実施形態２に係るロータ及びカバー部の斜視図である。 実施形態２に係るロータの正面図である。 実施形態２に係るロータの鉄心の正面図である。 実施形態２に係るロータのＮポールコア及びＳポールコアの正面図である。 実施形態２に係る回転電機において永久磁石により形成される２つの磁気回路を示す説明図である。 実施形態２に係る回転電機において形成されるｄ軸磁気回路及びｑ軸磁気回路を示す説明図である。 実施形態３に係るポールコアの軸方向断面図である。 実施形態４に係るポールコアの斜視図である。 実施形態５に係るポールコアの斜視図である。 実施形態６に係るポールコアの斜視図である。 実施形態７に係るポールコアの軸方向断面図である。 実施形態８に係るポールコアの軸方向断面図である。 実施形態９に係るポールコアの斜視図である。 実施形態１０に係るポールコアの斜視図である。 実施形態１１に係るポールコアの軸方向断面図である。 変形例１の永久磁石の配置を示す説明図である。

以下、本発明に係る回転電機駆動システムの実施形態について図面を参照して具体的に説明する。

〔実施形態１〕
実施形態１に係る回転電機駆動システムについて図１〜図２６を参照して説明する。実施形態１に係る回転電機駆動システムは、車両に搭載されて発電機と電動機の機能を選択的に使用し得る車両用電動発電機の駆動システムである。

＜回転電機駆動システムの全体構成＞
実施形態１の回転電機駆動システムは、図１に示すように、ハウジング１０、ステータ２０及びロータ３０等を有する回転電機１と、励磁回路６１、インバータ６３及びコントローラ６７等を有する制御装置６０とを含んで構成されている。

回転電機１のハウジング１０は、中空円筒状の筒状部１１と、筒状部１１の一端側の開口部に嵌合固定された円盤のカバー部１２と、を備えている。ステータ２０は、周方向に配列された複数のスロット２２及びティース２３（図７参照）が形成された円環状のステータコア２１と、ステータコア２１のスロット２２に巻装された電機子巻線２５とを有する。電機子巻線２５は、図１１に示すように、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の相巻線Ｕ，Ｖ，Ｗにより構成されている。各相巻線Ｕ，Ｖ，Ｗは、それぞれの一端がスター結線されて中性点を形成し、それぞれの他端がインバータ６３の各出力端子Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１に接続されている。このステータ２０は、ステータコア２１の外周面がハウジング１０の筒状部１１の内周面に固定されている。

ロータ３０は、ハウジング１０に一対の軸受け１４，１４を介して回転可能に支持された回転軸３１と、回転軸３１の外周に嵌合固定された一対のポールコア３２ａ，３２ｂよりなるランデル型の界磁コア３２と、界磁コア３２のボス部３２１の外周側に巻装された界磁巻線３３と、界磁コア３２の周方向に隣接する爪状磁極部３２３の間に配置された複数の永久磁石３４と、を有する。

ロータ３０は、界磁コア３２がステータ２０の内周側に径方向に対向して回転可能に設けられている。このロータ３０は、回転軸３１の後端部（図１の右端部）に固定される図示しないプーリや駆動力伝達部材を介して、車両に搭載された図示しないエンジンによって回転駆動される。また、回転軸３１の前端部（図１の左端部）には、後述の励磁回路６１から界磁巻線３３に給電するための装置として、一対のスリップリング４１及び一対のブラシ４２が設けられている。一対のスリップリング４１は、回転軸３１の外周面に嵌合固定されている。一対のブラシ４２は、その径方向内側の先端がスリップリング４１の表面に押圧された状態で摺動可能に配置されている。

界磁コア３２は、図１及び図２に示すように、回転軸３１の前側（図１の左側）に固定された第１ポールコア３２ａと、回転軸３１の後側（図１の右側）に固定された第２ポールコア３２ｂとにより構成されている。第１ポールコア３２ａは、界磁巻線３３の径方向内側にて界磁束を軸方向に流す円筒状の第１ボス部３２１ａと、第１ボス部３２１ａの軸方向前端部から周方向所定ピッチで径方向外側へ延在して界磁束を径方向に流す第１ディスク部３２２ａと、第１ボス部３２１ａの外周側で第１ディスク部３２２ａの先端から界磁巻線３３を囲むように軸方向に延在してステータコア２１と磁束の授受をする第１爪状磁極部３２３ａとからなる。

そして、第２ポールコア３２ｂも第１ポールコア３２ａと同一形状を有する。但し、第２ポールコア３２ｂの第２ボス部は３２１ｂ、第２ディスク部は３２２ｂ、第２爪状磁極部は３２３ｂと付番されている。これら第１及び第２ポールコア３２ａ，３２ｂは、軟磁性体からなる。

実施形態１の界磁コア３２は、飽和磁束密度Ｂｓの異なる２種類の材料で形成されている。即ち、各爪状磁極部３２３は、飽和磁束密度Ｂｓの高い材料で形成され、爪状磁極部３２３以外のボス部３２１及びディスク部３２２は、飽和磁束密度Ｂｓの低い材料で形成されている。飽和磁束密度Ｂｓの高い材料としては、例えばＳ１０Ｃ（ＪＩＳ規定）等の炭素量０．１％程度のものが挙げられる。また、飽和磁束密度Ｂｓの低い材料としては、例えばＳ４５Ｃ（ＪＩＳ規定）等の炭素量が多いものが挙げられる。なお、ＳＵＳ４３０（ＪＩＳ規定）や電磁鋼板等もＳ１０Ｃと比べれば飽和磁束密度Ｂｓが低めである。

なお、飽和磁束密度Ｂｓの低い材料は、飽和磁束密度Ｂｓの高い材料よりも透磁率が高いものが採用されている。透磁率が高い材料としては、例えばパーマロイが挙げられる。ニッケルコバルトを添加した鉄も挙げられるが、飽和磁束密度Ｂｓが高いため適応不可となる。

第１ポールコア３２ａと第２ポールコア３２ｂは、第１爪状磁極部３２３ａと第２爪状磁極部３２３ｂを互い違いに向かい合わせるようにして、第１ポールコア３２ａの軸方向後端面と第２ポールコア３２ｂの軸方向前端面とが接面した状態に組み付けられている。これにより、第１ポールコア３２ａの第１爪状磁極部３２３ａと第２ポールコア３２ｂの第２爪状磁極部３２３ｂとが周方向交互に配置されている。第１及び第２ポールコア３２ａ，３２ｂは、それぞれ８個の爪状磁極部３２３をもち、実施形態１では、１６極（Ｎ極：８、Ｓ極：８）のランデル型ロータコアを形成している。

実施形態１の場合、図３に示すように、界磁コア３２のボス部３２１の外径をＤｂ（以下、「ボス部外径Ｄｂ」ともいう。）とし、ロータ３０（界磁コア３２）の外径をＤｒ（以下、「ロータ外径Ｄｒ」ともいう。）としたときに、ボス部外径Ｄｂとロータ外径Ｄｒとの関係が、０．４６＜Ｄｂ／Ｄｒ＜０．５３となる範囲に設定されている。ボス部外径Ｄｂとロータ外径Ｄｒの関係については、後で詳述する。

また、爪状磁極部３２３の外周面の表面積をＡｓ（以下、「爪状磁極部表面積Ａｓ」ともいう。）とし、ボス部３２１の一対のＮＳ磁極あたりの軸方向に伸びる鉄心断面積（つまり、軸方向に延びる鉄心の延びる方向に垂直な断面の面積）をＡｂ（以下、「ボス部断面積Ａｂ」という。）としたときに、爪状磁極部表面積Ａｓとボス部断面積Ａｂとの関係が、０．９＜Ａｓ／Ａｂ＜１．７となる範囲に設定されている。ここで、ボス部断面積Ａｂは、図３及び図４に示すように、円筒状のボス部３２１の総断面積をＡとし、回転電機の極対数をＰとしたときに、Ａ／Ｐで表される。

次に、爪状磁極部表面積Ａｓについて定義する。図５及び図６に示すように、爪状磁極部３２３の根元乃至ディスク部３２２の周方向幅をＷｒｒとし、爪状磁極部３２３の先端の周方向幅をＷｔｅとし、爪状磁極部３２３の軸方向高さをＨｔとする。また、径方向に対向するロータ３０とステータ２０の対向面において、ステータコア２１の軸長とディスク部３２２の軸方向厚みが径方向に重なっている範囲をディスクガイドと呼びＨｄｇとする。なお、ディスク部３２２や爪状磁極部３２３、ステータコア２１に設けられた磁石挿入用や強度補強用などを目的とした設計上の切り欠き部やＲ部、面取り部では、大きな差異は生じない。このとき、爪状磁極部表面積Ａｓは、Ａｓ＝（Ｗｔｅ＋Ｗｒｒ）×Ｈｔ／２＋Ｈｄｇ×Ｗｒｒである。また、周方向幅Ｗは、本発明では曲率を考慮せず、直線距離で測るものとする。なお、爪状磁極部表面積Ａｓとボス部断面積Ａｂの関係については、後で詳述する。

界磁巻線３３は、第１及び第２ポールコア３２ａ，３２ｂの第１及び第２ボス部３２１ａ，３２１ｂの外周側に界磁コア３２と絶縁された状態で巻装されて第１及び第２爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂに囲まれている。この界磁巻線３３は、制御装置６０の励磁回路６１から界磁電流Ｉｆが通電されることによってボス部３２１に起磁力を発生させる。これにより、第１及び第２ポールコア３２ａ，３２ｂの第１爪状磁極部３２３ａと第２爪状磁極部３２３ｂにそれぞれ異なる極性の磁極が形成される。即ち、第１爪状磁極部３２３ａがＮＳ磁極のうちの一方の極性に磁化され、第２爪状磁極部３２３ｂがＮＳ磁極のうちの他方の極性に磁化される。

これにより、図７及び図８に示すように、界磁コア３２のボス部３２１及び一対の第１及び第２爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂを通る磁束によりｄ軸磁気回路３６（図７及び図８に破線で示す）が形成される。このｄ軸磁気回路３６は、ステータコア２１のｄ軸のティース２３から界磁コア３２の第１爪状磁極部３２３ａに入り、第１ディスク部３２２ａ、第１ボス部３２１ａ、第２ボス部３２１ｂ、第２ディスク部３２２ｂ、第２爪状磁極部３２３ｂを経由して、ステータコア２１の１磁極分ずれた位置にあるティース２３からステータコア２１に戻った後、バックコア２４を通り１磁極分ずれた位置にあるｄ軸のティース２３に至る磁気回路である。このｄ軸磁気回路３６は、ロータ３０の逆起電力を生む磁気回路である。

また、ｄ軸磁気回路３６及び後述の第１磁石磁気回路３８のステータ２０に鎖交する磁束により電機子巻線２５に電流が流れることによって、ｑ軸磁気回路３７（図７に実線で示す）が形成される。このｑ軸磁気回路３７は、ステータコア２１のｄ軸から電気角で９０°ずれた位置にあるｑ軸を通る磁束により形成される磁気回路である。実施形態１では、ロータ３０に負荷を掛けた時に、ｄ軸磁気回路３６のパーミアンスＰｒｔと、ｑ軸磁気回路３７のパーミアンスＰｓｔとの関係が、Ｐｓｔ＞Ｐｒｔとなるように設定されている。

ここで、ロータ３０に負荷を掛けた時とは、定格電流として界磁巻線３３に通電される界磁電流Ｉｆが、車両用ブラシの能力として一般的なＩｆ＝４[Ａ]〜２０[Ａ]の間で通電している状態のことをいう。なお、ブラシの進歩があれば、その時の界磁電流Ｉｆ（例えば３０[Ａ]等）でよいし、ブラシレスのように界磁電流Ｉｆに制限のない構成であれば、これより大きい界磁電流Ｉｆで、Ｐｓｔ＞Ｐｒｔの要件を成立させればよい。現在のブラシでも、Ｐｓｔ＞Ｐｒｔを成立させるという意味では、上記の、ボス部外径Ｄｂとロータ外径Ｄｒとの関係が、０．４６＜Ｄｂ／Ｄｒ＜０．５３となる範囲に設定されていること、及び、爪状磁極部表面積Ａｓとボス部断面積Ａｂとの関係が、０．９＜Ａｓ／Ａｂ＜１．７となる範囲に設定されていることの効果は大変に大きい。

また、ｄ軸磁気回路３６のパーミアンスＰｒｔと、ｑ軸磁気回路３７のパーミアンスＰｓｔとの比が、Ｐｓｔ：Ｐｒｔ＝２ｎ（ｎは１以上の実数）：１となるように設定されている。ここで、ｑ軸インダクタンスＬｑとｄ軸インダクタンスＬｄの比（Ｌｑ／Ｌｄ）を突極比ρとすると、図９に示すように、従来技術のランデル型ロータの突極比ρは、ρ≒１であり、流通する従来技術のＩＰＭ型ロータの突極比ρは、ρ≒２〜４である。実施形態１では、ｄ軸磁気回路３６とｑ軸磁気回路３７のパーミアンス比が上記のように設定されていることにより、ロータ３０への負荷時の態様を、ランデル型ロータにおいてもＩＰＭ型ロータに近付けることができ、突極比ρを２以上にできる。なお、ｄ軸磁気回路３６のパーミアンスＰｒｔ及びｑ軸磁気回路３７のパーミアンスＰｓｔの測定方法については、後で詳述する。

そして、図２、図３及び図８に示すように、周方向交互に配置された第１爪状磁極部３２３ａと第２爪状磁極部３２３ｂの間には、軸方向斜めに縦長に延在する隙間が形成されており、各隙間には永久磁石３４が１個ずつ配置されている。各永久磁石３４は、長方体形状の外形を有し、磁化容易軸が周方向に向けられて、周方向両側の磁極部が第１及び第２爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂの周方向側面にそれぞれ当接した状態で第１及び第２爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂに保持されている。即ち、各永久磁石３４は、界磁巻線３３の起磁力によって第１及び第２爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂに交互に現れる極性と一致するように磁極が形成されている。

このように永久磁石３４が配置されていることによって、図１０に示すように、各永久磁石３４にはそれぞれ２つの第１及び第２磁石磁気回路３８，３９が形成されている。第１磁石磁気回路（図１０に一点鎖線で示す）３８は、磁石磁束のうちステータ２０に鎖交する磁束が流れる磁気回路である。第２磁石磁気回路（図１０に二重線で示す）３９は、磁石磁束のうちボス部３２１ａやディスク部３２２ａ，３２２ｂを通りロータ３０内で完結する磁束が流れる磁気回路である。これら磁石磁束から見れば、ボス部３２１を通る第２磁石磁気回路３９は、ステータ２０にとって無効となる磁石磁束が流れる磁気回路である。一方、第１磁石磁気回路３８は、ステータ２０に鎖交し、逆起電力やトルクになる磁石磁束が流れる磁気回路である。

この場合、第１磁石磁気回路３８と前述のｄ軸磁気回路３６は、第２爪状磁極部３２３ｂからステータ２０を経由して第１爪状磁極部３２３ａに戻るまでの磁気回路を共有している。また、第２磁石磁気回路３９とｄ軸磁気回路３６は、ロータ３０の第１及び第２ボス部３２１ａ，３２１ｂ及び第１及び第２ディスク部３２２ａ，３２２ｂの部分の磁気回路を共有している。

なお、実施形態１の場合、ボス部３２１の一対のＮＳ磁極あたりの軸方向に延びる鉄心断面積をＡｂとし、ボス部３２１の５０００[Ａ／ｍ]の界磁を加えた際の磁束密度をＢ５０とし、爪状磁極部３２３間に配置された永久磁石３４の残留磁束密度をＢｒとし、永久磁石３４の磁極となる面の断面積をＡｍとしたときに、２×Ｂｒ[Ｔ]×Ａｍ[ｍｍ^２]＜Ｂ５０[Ｔ]×Ａｂ[ｍｍ^２]となる関係を満たすように設定されている。この関係の設定については後で詳述する。

制御装置６０の励磁回路６１は、電源Ｂ１から一対のブラシ４２及び一対のスリップリング４１を介して界磁巻線３３に界磁電流Ｉｆとして供給するものである。この励磁回路６１は、例えば絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等からなる図示しないスイッチング素子により構成されている。励磁回路６１のスイッチング素子のオン・オフ操作は、コントローラ（ＥＣＵ）６７により制御される。

インバータ６３は、電機子巻線２５に電機子電流Ｉａを供給するものである。このインバータ６３は、図１１に示すように、合計３つの上アーム素子６４と合計３つの下アーム素子６４とを有し、各アーム素子６４は、それぞれ絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）６４ａ及び還流ダイオード６４ｂにより構成されている。なお、平滑コンデンサ６５は、電源Ｂ２側の交流電流を平滑するためのものである。

このインバータ６３は、公知のＰＷＭ制御インバータと同一の機能を有し、Ｖ／Ｆ制御やベクトル制御の制御出力信号であるＰＷＭ（パルス幅変調）信号により、ＩＧＢＴ６４ａがオン・オフを繰り返し、三相交流電圧を発生する。このとき、上下アーム素子６４のＩＧＢＴ６４ａは互いに反転動作をし、同時にオンすることがないように設定されている。なお、インバータ６３のＩＧＢＴ６４ａのオン・オフ動作は、ロータ３０の回転位置を検出する位置センサ６６の情報に基づいて、コントローラ（ＥＣＵ）６７により制御される。

上記の構成を有する制御装置６０は、界磁巻線３３及び電機子巻線２５に供給する電流を制御して、必要な大きさの電動トルクをロータ３０に発生させる。なお、この制御装置６０は、弱め界磁を行うべく位相制御を行って、回転電機１が力行及び回生のどちらかの動作をするように制御する。これにより、実施形態１の場合には、ロータ３０諸寸法や磁気回路のパーミアンスの関係が上記のように設定されていることから、極めて良好な発電電力やトルクを発生させることが可能となる。

以上のように構成された実施形態１の回転電機駆動システムでは、駆動力伝達部材等を介してエンジンからの回転力が伝えられると、ロータ３０が回転軸３１と共に所定方向に回転する。この状態で、スリップリング４１及びブラシ４２を介して励磁回路６１からロータ３０の界磁巻線３３に励磁電圧を印加することにより、界磁コア３２第１及び第２爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂが励磁されて、ロータ３０の回転周方向に沿って交互にＮＳ磁極が形成される。

これと同期して、制御装置６０のインバータ６３から電機子巻線２５に供給される駆動電流に基づいてステータ２０を励磁させると、その励磁作用によって電動トルク（動力となる場合を含む）が発生してロータ３０が回転する。このとき、制御装置６０は、弱め界磁制御を行うことにより、より大きな電動トルクを発生させる。発生した電動トルクは、ロータ３０及び回転軸３１から駆動力伝達部材を介して、例えば車軸などの駆動部に出力される。このとき、ロータ３０の回転が加速したり回転速度を維持したりする場合には力行の動作を行うこととなり、回転電機１は電動機として作動する。

また、駆動力伝達部材等を介してエンジンからの回転力が伝えられ、ロータ３０が回転軸３１と共に所定方向に回転するときに、インバータ６３から電機子巻線２５に駆動電流を供給せず、かつ、スリップリング４１及びブラシ４２を介して励磁回路６１からロータ３０の界磁巻線３３に励磁電圧を印加することにより、界磁コア３２の第１及び第２爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂが励磁されて、ロータ３０の回転周方向に沿って交互にＮＳ磁極が形成される。

これにより、ステータ２０の電機子巻線２５に回転磁界が付与されることで、電機子巻線２５に交流の起電力を発生させる。このとき、制御装置６０は、弱め界磁制御を行うことにより、より大きな起電力を発生させる。電機子巻線２５で発生した交流起電力（回生電力）は、インバータ６３を通って直流電流に整流された後、出力端子から取り出され電源Ｂ２に充電される。このとき、ブレーキと発電を同時に行う場合には回生の動作を行うこととなり、回転電機１は発電機として作動する。

以上の構成を有する車両用電動発電機１は、従来に比べ、ポールコア３２ａ，３２ｂのボス部３２１ａ，３２１ｂが細い、又は、ポールコア３２ａ，３２ｂのディスク部３２２ａ，３２２ｂが薄いことを特徴としている。そのため、ボス部３２１ａ，３２１ｂが細くなった分、又は、ディスク部３２２ａ，３２２ｂが薄くなった分、界磁巻線３３をより多く巻くことができる。又は、ボス部３２１ａ，３２１ｂが細くなった分、又は、ディスク部３２２ａ，３２２ｂが薄くなった分、界磁巻線３３を構成する線材を太くすることができる。その結果、界磁コア３２と界磁巻線３３からなるロータ３０において、界磁巻線３３の体積比率が増加することになる。界磁巻線３３は、銅等からなる線材によって構成されており、鉄等からなる界磁コア３２に比べ、熱伝導性がよい。つまり、界磁コア３２と界磁巻線３３からなるロータ３０において界磁コア３２に比べ熱伝導性のよい界磁巻線３３の体積比率が増加することになる。そのため、ロータ３０の放熱性を向上させることができる。これにより、空冷によってロータ３０を冷却することが可能となる。

また、ボス部３２１ａ，３２１ｂが細くなった分、又は、ディスク部３２２ａ，３２２ｂが薄くなった分、ポールコア３２ａ，３２ｂを構成する材料の総量が減少する。そのため、鍛造によって成形する場合に必要とされる加圧力が減少する。これにより、本形態では、ボス部を別体としているが、ボス部とディスク部、さらには爪状磁極部までを一体として成形することが容易になる。

＜２×Ｂｒ[Ｔ]×Ａｍ[ｍｍ^２]＜Ｂ５０[Ｔ]×Ａｂ[ｍｍ^２]の関係の設定について＞
本発明の回転電機駆動システムは、１２Ｖ〜４８Ｖ、公差の範囲を入れても６Ｖ以上、６０Ｖ以下の電源に接続される、オルタネータやスタータ等と置き換え可能な車両用回転電機を対象としている。そのため、逆起電力をＩＰＭ型ロータのように大きく出してはならない。通例７０〜１２０ｍｍ程度のロータ径、３０〜８０ｍｍ程度のロータ軸長で構成される製品群においては、ＩＰＭ型ロータで構成した場合に２００Ｖ〜３００Ｖといった逆起電力を発生させる。これでは、１２Ｖ〜４８Ｖのバッテリの過充電や、過充電を下げても高電圧による他の電気部品への影響が心配されるため、十分にこの逆起電力を下げることができない。

これを解決するべく、２×Ｂｒ[Ｔ]×Ａｍ[ｍｍ^２]＜Ｂｓ[Ｔ]×Ａｂ[ｍｍ^２]となる関係を満たすようにした。こうしなければ磁束を十分に下げることはできない。Ｂｓ[Ｔ]は、界磁コア３２の飽和磁束密度である。ここで、比透磁率が十分に高くなければ十分にＢｒ[Ｔ]を吸収することができない。なお、界磁コア３２の飽和磁束密度Ｂｓ[Ｔ]を採用したが、ここでは一般によく使われるＢ５０[Ｔ]の値で考えることにする。

一般に、１２Ｖ〜４８Ｖ製品で界磁コア３２に掛けられる起磁力は２５００[ＡＴ]程度であるため、永久磁石３４の厚み[ｍｍ]と保持力Ｈｃ［Ａ／ｍ］は、５０００Ａ程度以上に安全率をもって設計する。Ｂｒ値とＨｃ値は、設計者の考える温度によって多少変わるが、使用が想定される−４０℃〜１６０℃のいずれかの温度範囲に５０００Ａの範囲があることが必要である。ここで、５０００ＡＴ程度で設計される永久磁石３４と５０００Ａの時の磁束密度であるＢ５０の値で規定された本発明の信憑性は非常に高いし、これ以前の比透磁率は３０以上であり十分に高い。また、界磁コア３２に空隙が存在しても、挿入のための空隙や、保持のための大きくても空隙距離１ｍｍ程度の空隙に接続された残留磁束密度Ｂｒをもつ永久磁石３４は、十分に高いパーミアンスで磁気回路に設置されているため、実行磁束密度Ｂｄ[Ｔ]＝Ｂｒ[Ｔ]と考えるに十分である。

＜パーミアンスの測定方法＞
以下、ｄ軸磁気回路３６のパーミアンスＰｒｔ、及びｑ軸磁気回路３７のパーミアンスＰｓｔの測定方法について説明する。図１２及び図１３は、ロータ３０のＮ極及びＳ極、界磁巻線３３、ステータ２０を模式的に示す説明図である。測定の際には、直流電源を界磁巻線３３に接続し、ＬＣＲメータと電圧プローブを接続したオシロ等をステータ２０の任意の導通している端子に接続する。オシロ等は、オシロスコープのように電圧を測れるものであればよいから、電圧プローブとあらゆる電圧計測器の組み合わせでよい。

この際、ステータ２０とロータ３０の位置関係は、ロータ３０のｄ軸中心に対してステータ２０が弱め界磁励磁を行わない、ｑ軸へ向けた励磁であることが好ましい。これは、弱め界磁励磁の際に、ロータ３０の界磁回路に対して弱め界磁を掛けるため、正しい測定ができなくなる恐れがあるためである。勿論、弱め界磁効果の低い電気角１５°以内程度の範囲であれば、弱め界磁効果は励磁磁束のうちｓｉｎ１５°≒０．２５であるから、ｑ軸通電から電気角±１５°範囲内で最大のインダクタンスが得られる位置関係でのデータであれば、ある程度信頼ができる。また、磁石磁束を省いて考えるため、永久磁石３４は除くか十分に減磁させて測定することが好ましい。

図１４は、比較例１に係る回転電機のパーミアンスの測定結果を示す線図であり、図１５は、実施形態１に係る回転電機のパーミアンスの測定結果を示す線図である。なお、比較例１は、従来例として前述した特許文献１に記載の数式により規定される回転電機を対象としている。図１４に示すように、比較例１の場合には、無負荷状態ではロータ３０のパーミアンスの方が高い。しかし、ロータ３０の界磁電流を上げるに従いステータ２０と同等のパーミアンスになる。無負荷状態でのステータ２０は、ｑ軸に在る磁気的バリアや磁石等のため、ロータ３０よりパーミアンスが低い。即ち、ステータ２０に磁束は流れ難く無負荷の逆起電力による過充電を妨げる。これは、比較例１と実施形態１で同様であるが、負荷時において、ステータ２０のパーミアンスがロータ３０よりも高くなる。即ち、ステータ２０に磁束が流れ易く、負荷時の逆起電力を上げ、高い主磁束トルク（主磁束（磁石磁束＋界磁磁束）×電流値）を得ることができる。ここで、マグネットトルクをＴｍとし、主磁束をΨとし、ｑ軸電流をＩｑとすると、Ｔｍ[Ｎｍ]＝Ψ×Ｉｑである。

次に、図１６及び図１７を参照してロータ３０のパーミアンス値の算出方法について説明する。界磁巻線３３は、直流電源により界磁され、界磁回路（ｄ軸磁気回路３６）が励起される。このとき、ロータ３０を回転させれば逆起電力が発生する。任意の回転数を決め、定速で運転して逆起電力を測定すると、ロータ３０の回転数に応じて逆起電力は増加する。ここで、ロータ３０の逆起電力が界磁回路の飽和と合わせて、傾きの変化に飽和傾向があることは自明である。ここで、無負荷時のインダクタンスＬ＿０（エルゼロ）を、０ＡＴと０＋ＸＡＴの間の磁束変化とする。添え字の意味であるが、１００ＡＴ励磁時のインダクタンスはＬ＿１００（エルひゃく）と記載する。また、励磁電流Ｉは、（直流電源の流入電流値）×（ボス部３２１に巻装された界磁巻線３３の巻数）である。

Ｌ＿０＝（Ｖ＿ｘ−Ｖ＿０）／（Ｉ＿ｘ−Ｉ＿０）
例えば、１００ＡＴ時のインダクタンスは以下のようになる。
Ｌ＿１００＝（Ｖ＿２００−Ｖ＿１００）／（２００−１００）
この場合、既にターン数を分母に乗じているため、ロータ３０のパーミアンス値[Ｈ]は、これらインダクタンス値[Ｈ]とイコールである。即ち、Ｐ＝Ｌ／Ｎ^２である。

次に、図１８及び図１９を参照してステータ２０のパーミアンス値の算出方法について説明する。界磁巻線３３は、直流電源により界磁され、界磁回路（ｄ軸磁気回路３６）が励起される。このとき、ステータ２０とロータ３０が前述した位置関係に在る状態でステータ２０に通電すれば、磁束変化が起こる。回転電機の回転軸３１をロックし、界磁電流Ｉｆを増加させていけば、ステータ２０の起磁力が低下していき、インダクタンスが低下していく様子を測定することができる。このインダクタンス値をステータ２０の直列導体数の２乗で割ることで、パーミアンス値が求められる。Ｐ＝Ｌ／Ｎ^２である。

＜爪状磁極部表面積Ａｓとボス部断面積Ａｂの関係、及び、ボス部外径Ｄｂとロータ外径Ｄｒの関係について＞
ここで、磁石磁束を有効に使える範囲について検討する。前記特許文献１に記載の関係式の規定においては、条件が部分的であるため、例えば界磁コアのボス部などの大きさが変化したときに、当該関係式が成り立たなくことが懸念される。そのため、ロータ全体として検討を行うものとする。

ステータとロータの対向面と違う箇所（ボス部）で磁束を生み出し、その磁束を軸方向に通すことによりステータの軸長を使い切ることができるクローポール型の回転電機では、図５に示すように、ボス部断面積Ａｂ、ディスク部３２２の断面積Ａｄ、爪状磁極部３２３の断面積Ａｔを概ね一定として、磁束を出力している。

なお、ボス部３２１からディスク部３２２にかけて段付き部が形成されて部分的に断面積が小さくなっている場合には、その断面積が小さくなっている部分をボス部断面積Ａｂ又はディスク部断面積Ａｄとして扱う。この段付き部を設けることによって、許容磁束量を変化させることができる。また、各クロー（爪状磁極部）は、ボス部３２１の外周側に巻装された界磁巻線３３（図５には不図示）への通電によりボス部３２１に発生する界磁磁束を通せるだけ、即ちボス部断面積Ａｂに準じた適量のステータ２０との対向面面積を所持している。

図５に示すように、ディスク部３２２がステータ２０に掛かっている場合は、ステータ２０の軸長Ｔｓｔとディスク部３２２が掛かっている分だけ、ボス部断面積Ａｂよりも爪状磁極部表面積Ａｓを減らすことができる。即ち、Ａｂ≒Ａｄ≒Ａｓ、又は、Ａｓ≒Ａｂ−（Ｔｓｔ−Ｔｂ）／２×Ｗが理想値と計算できる。ここで、永久磁石３４を搭載したロータにおいては、磁力源が増えているわけだから、別の解が存在するはずである。

永久磁石３４と界磁回路を搭載したロータ３０においては、磁石磁束は、界磁磁束（ｄ軸磁気回路３６）に逆らってロータ３０内を通るルート（図１１の第２磁石磁気回路３９）と、ステータ２０側を回るルート（図１１の第１磁石磁気回路３８）の２方向に分流する。即ち、図５に示すボス部断面積Ａｂ、ディスク部３２２の断面積Ａｄ、爪状磁極部３２３の根元断面積Ａｔの３点は、従来技術よりも小さくできるはずである。同時に、起電圧を考慮すれば、Ａｂ×Ｂ５０≧２×Ａｍ×Ｂｒの関係を満たしつつ考慮する必要がある。また、この時、ボス部外径Ｄｂ（図４参照）が小さくなるため、界磁巻線３３の配置スペースが大きくなり、発熱量は小さくなるはずである。

ここで、ロータ外径Ｄｒ（図４参照）が決まれば、極数が変わっても爪状磁極部３２３の幅Ｗとボス部３２１の１極あたりの幅の比は殆ど変化しないから、ロータ外径Ｄｒとボス部外径Ｄｂとの比は一義的に決まってくるはずである。逆流する磁石磁束と界磁磁束から、ボス部外径Ｄｂを計算することができる。この際、発熱を抑えるため、現状の空冷能力を考慮し、モータであれば界磁巻線３３の抵抗値を０．１〜１Ｏｈｍ、発電機であれば１．０〜３．０Ｏｈｍであることは言うまでもない。
Ａｂ×Ｂ５０−２×Ａｍ×Ｂｄ×（Ｐｒｔ／（Ｐｓｔ＋Ｐｒｔ））＝Ａｂｏｐｔ（Ａｂの理想値）

また、現状技術の時点で、爪状磁極部表面積Ａｓは、界磁磁束を十分に流し得る値となっている。ここで、従来技術での永久磁石は、爪状磁極部間の漏洩磁束を防ぐ役割を主に担っていた。そのため、流通しているネオジウム磁石付きランデル型回転電機の爪状磁極部表面積Ａｓは、ボス部断面積Ａｂに準じた値、即ち、Ａｓ＝Ａｂ×０．８〜１．２のＡｂを基準とした範疇に分布している。本発明においては、Ｂｄ×（Ｐｓｔ／（Ｐｓｔ＋Ｐｒｔ））を有効に使えるわけだから、ステータ２０との磁束受け渡しを司る爪状磁極部表面積Ａｓは、Ａｂ×Ｂｓに２×Ａｍ＝Ａｂ×Ｂ５０÷Ｂｒだけの磁石を持つので、[Ａｓ＝Ｂｄ×Ａｍ＋Ａｂ×Ｂｓ]が最適値となるはずのロータ３０の磁束をステータ２０に渡すための寸法が必要であり、Ａｂ×１．２よりは大きいはずである。

以下、Ａｂ×Ｂ５０＝２×Ａｍ×Ｂｒとして検討を進める。これは、界磁回路は、磁石磁束を封じることのできる寸法になっているということになる。この状態で、爪状磁極部表面積Ａｓとボス部断面積Ａｂの比（Ａｓ／Ａｂ）を横軸にとり、ステータ２０の負荷時の鎖交磁束量を縦軸にとると図２０に示すようになる。図２０から解るように、鎖交磁束量は、Ａｓ／Ａｂの概ね１．０〜１．５の範囲でピークとなり、Ａｓ／Ａｂの０．９〜１．７の範囲が好ましい範囲と言える。なお、従来技術（特許文献１）のＡｓ／Ａｂの範囲は、０．４〜０．８程度であり、本発明のＡｓ／Ａｂの好ましい範囲と重複することなく乖離している。

ここで、Ａｓ／Ａｂ＝１．４として検討を進める。また、界磁磁束量と抑えられる磁石磁束の量が適切であり、ＩＰＭ型ロータ並の磁石利用ができることを前提として検討を進める。この時、如何なるボス部外径Ｄｂが最適であるかを計算する。ボス部外径Ｄｂとロータ外径Ｄｒの比（Ｄｂ／Ｄｒ）を横軸にとり、ステータ２０の負荷時の鎖交磁束量を縦軸にとると図２１に示すようになる。図２１から解るように、鎖交磁束量は、Ｄｂ／Ｄｒの０．５１付近でピークとなり、Ｄｂ／Ｄｒの０．４６〜０．５３の範囲が好ましい範囲と言える。なお、従来技術（特許文献１）のＤｂ／Ｄｒの範囲は、０．５４〜０．５９５程度であり、本発明のＤｂ／Ｄｒの好ましい範囲と重複することなく乖離している。

なお、爪状磁極部表面積Ａｓとボス部断面積Ａｂの比（Ａｓ／Ａｂ）を縦軸にとり、ボス部外径Ｄｂとロータ外径Ｄｒの比（Ｄｂ／Ｄｒ）を横軸にとると、図２２に示すようになる。図２２から解るように、本発明の範囲と従来技術の範囲は、重複することなく乖離していることが明らかである。

本検討では、Ａｂ×Ｂ５０＝２×Ａｍ×Ｂｒの値が大きい場合により大きな効果を発揮するため、Ｂｒ＝１．２[Ｔ]程度の磁石を想定している。最大の効果を発揮する材料は、Ｂｒ＝０．４[Ｔ]程度のＦｅ磁石ではなく、Ｂｒ＝１[Ｔ]以上のネオジウム磁石であることが好適である。さらに、ボス部断面積Ａｂが小さくなっているため、小さくなった分のスペースを界磁巻線３３の抵抗を下げるために使うことができるので、界磁巻線３３の発熱量を従来より低減することができる。

＜トルクの向上について＞
磁石トルクとリラクタンストルクを併用するモータ（電動機）では、磁石磁束をΨ、ｑ軸の電流をＩｑ、ｄ軸の電流をＩｄ、ｑ軸のインダクタンスをＬｑ、ｄ軸のインダクタンスをＬｄとすれば、磁石トルクは、Ψ×Ｉｑで表され、リラクタンストルクは、（Ｌｑ−Ｌｄ）×Ｉｄ×Ｉｑで表される。よって、総トルクＴは、Ｔ＝Ψ×Ｉｑ×（Ｌｑ−Ｌｄ）×Ｉｄ×Ｉｑで表される。

従来の寸法範囲及びパーミアンスの関係で作製された回転電機は、ｑ軸インダクタンスＬｑとｄ軸インダクタンスＬｄの突極比ρ：Ｌｑ／Ｌｄが低く、１．０前後であるから、上記トルク式の（Ｌｑ−Ｌｄ）が０以下又は低く、トルクを十分に出すことができない。しかし、本発明の寸法範囲及びパーミアンスの関係で作製された回転電機は、前記のＰｓｔ：Ｐｒｔ＝２ｎ：１の関係が狙えるレベルの突極比ρに設定できるため、従来技術より大きいトルクを出すことができる。

上記のように、本発明においては、ｑ軸インダクタンスＬｑがｄ軸インダクタンスＬｄに対して高いと説明した。この特徴として、線間電圧を高くできるという特徴がある。図２３及び図２４に従来と本発明のベクトル図を示すように、ｑ軸インダクタンスＬｑとｄ軸インダクタンスＬｄのベクトル和が同じインダクタンス値となっても、ｑ軸インダクタンスＬｑがｄ軸インダクタンスＬｄに対して大きい方が電圧Ｖが長いことが伺える。

即ち、本発明では、低速回転数での電圧が高いため、「発電電圧がバッテリ電圧を超えたときに発電を開始する」という条件を満たし易い。これは、アイドリングストップ等での高速回転をしたくない状況のエンジン動作において、従来技術よりも低速で発電が可能で、高い発電能力を得られるという利点がある。アイドリングストップの回転数を従来通りとした場合でも、電圧Ｖが上がった分、電機子巻線の巻数を落としても同じ電圧を得られることである。これは、発電開始の低速化又は高速回転時の出力増加を、従来より大きな範囲で行うことができるということである。

＜位相制御の能力向上について＞
（１）トルク、電圧及び電流の式について
上記のように、磁石トルクとリラクタンストルクを併用するモータ（電動機）では、磁石トルクは、Ψ×Ｉｑで表され、リラクタンストルクは、（Ｌｑ−Ｌｄ）×Ｉｄ×Ｉｑで表される。

また、発電については、図２４の電圧ベクトル図より各軸の発生電圧Ｖｄ、Ｖｑは、Ｖｄ＝ωＬｑＩｑ、Ｖｑ＝ωΨｍ−ωＬｄＬｑで表される。ＶｄとＶｑの式より、Ｌｑが高いと電圧が高い。これは、発電開始回転数が低くなり、位相制御による発電能力が高いことを示す。

また、発電電流Ｉは、Ｉ＝（ωΨ−Ｖbattery）／Ｚで表される。但し、Ｚ：インピーダンス、Ｖbattery：バッテリ電圧である。発電電流Ｉの式より、インピーダンスが低いと磁石磁束Ψが大きく、発電電流Ｉが高い。本発明により磁石磁束Ψが高くなり、インピーダンスＺ（＝√Ｒ^２＋２πｆＬ）を低くできる設計が可能となるので、従来技術より発電電流Ｉを上げることができる。

（２）従来と本発明のｄ軸の相違について
通例のＩＰＭ型ロータのように考えると、ｄ軸のインダクタンスＬｄは、図２５の一点鎖線だけである。ＩＰＭ型ローラのようにｄ軸が１軸だけであれば、弱め界磁を行うべく位相制御を行うと、即ち、ｄ軸にステータ側から励磁電流を掛けて弱め界磁をすると、無駄なくＩＰＭ型ロータの如く弱め界磁制御が行われる。

しかし、本発明の場合には、界磁磁束によるｄ軸と、磁石磁束によるｄ軸の２種のｄ軸を有する。この場合は、両ｄ軸に対して弱め界磁が行われる。即ち、図２５のｄ軸磁気回路３６のｄ軸と、図２６の第１磁石磁気回路３８のｄ軸に対してである。このとき、弱め界磁磁束（図２５の点線で示す）が、ボス部３２１の界磁巻線によるｄ軸磁気回路の磁束を弱める。この動作は、界磁電流という入力を入れてステータ２０に向けて磁束を生み出すが、ステータ２０の電機子巻線２５にも界磁電流という入力を入れてその磁束を打ち消すという入力エネルギの無駄遣いをしているということになる。

本発明においては、図２５のｄ軸磁気回路３６が十分に飽和していて、磁束が通り難い磁気抵抗になると述べた。即ち、図２５のｄ軸磁気回路３６にステータ２０による弱めｄ軸磁束がほとんど流れないことになる。この効果により、ｄ軸インダクタンスＬｄが下がり、前記の式の発電電流Ｉとリラクタンストルクが上がることが判る。また、ｄ軸に流れなかった分の磁束はｑ軸に向けて流れることになり、ｑ軸インダクタンスＬｑが上がり、前記の式の発電電圧Ｖｄ，Ｖｑが上昇する。この作用により、本発明の場合には、従来技術よりも能力が向上することとなる。

＜作用及び効果＞
実施形態１の回転電機駆動システムでは、周方向に隣接する爪状磁極部３２３の間に配置された永久磁石３４により、ステータ２０に鎖交する磁束が流れる第１磁石磁気回路３８と、ボス部３２１を通りロータ３０内で磁束の流れが完結する第２磁石磁気回路３９の２つの磁石磁気回路が形成されている。そして、ロータ３０に負荷を掛けた時、即ち、制御装置６０により界磁巻線３３に界磁電流Ｉｆを通電した時に、界磁巻線３３の起磁力により形成される磁束が界磁コア３２のボス部３２１、一対の爪状磁極部３２３及びステータコア２１を経由して流れるｄ軸磁気回路３６が形成される。

このとき、２つの磁石磁気回路のうち、ボス部３２１を通りロータ３０内で完結する第２磁石磁気回路３９を流れる磁石磁束は、ｄ軸磁気回路３６の磁束と逆方向に流れているので、抵抗が大きく流れ難い状態となる。実施形態１では、ｄ軸磁気回路３６のパーミアンスＰｒｔとｑ軸磁気回路３７のパーミアンスＰｓｔとの関係が、Ｐｓｔ＞Ｐｒｔとなるように設定されているため、上記の第１及び第２磁石磁気回路３８，３９のうち、ステータ２０に鎖交する磁束が流れる第１磁石磁気回路３８の磁石磁束が増大する。これにより、磁石磁束を有効利用して、ロータ３０に発生する電動トルクを大幅に向上させることができる。

また、実施形態１の制御装置６０は、回転電機１が位相制御により力行及び回生のどちらかの動作をするように制御する。即ち、回転電機１が、力行（加速、速度維持）や回生（ブレーキと発電を同時にする）の動作を行う場合、位相制御により最大実行トルクが得られる。この状況は、弱め界磁磁束を多少いれながら、リラクタンストルクを発生させるという状況である。このとき、弱め界磁磁束をｄ軸に入れるということは、ｄ軸に繋がれた界磁コアに対して弱め界磁磁束を掛けるという意味と同義である。即ち、界磁巻線３３への通電の際に、界磁コア３２の飽和を下げ、永久磁石３４の磁力をステータ２０側へ案内せず、有効利用することができなくなる。

ここで、上記のｄ軸磁気回路３６のパーミアンスＰｒｔとｑ軸磁気回路３７のパーミアンスＰｓｔとの大小関係を満たしていれば、十分に界磁コア３２が飽和されているので、弱め界磁磁束が界磁コア３２へ流れず、弱め界磁磁束をほとんど無視したリラクタンストルクを得ることができる。これにより、位相制御による力行、回生の動作能力は、ｄ軸だけを使うダイオード整流や同期整流といった動作での能力向上に比べ、相乗的な能力向上を達成することができる。

また、実施形態１では、ボス部断面積をＡｂとし、ボス部３２１の５０００[Ａ／ｍ]の界磁を加えた際の磁束密度をＢ５０とし、永久磁石３４の残留磁束密度をＢｒとし、永久磁石３４の磁極となる面の断面積をＡｍとしたときに、２×Ｂｒ[Ｔ]×Ａｍ[ｍｍ^２]＜Ｂ５０[Ｔ]×Ａｂ[ｍｍ^２]となる関係を満たすようにされている。これにより、永久磁石３４の発生磁力がｄ軸磁気回路３６により吸収されることが可能となる。即ち、逆起電力を下げ、無通電時の高速回転状態における発電電力を抑えることができる。

また、実施形態１では、ｄ軸磁気回路３６のパーミアンスＰｒｔと、ｑ軸磁気回路３７のパーミアンスＰｓｔとの比が、Ｐｓｔ：Ｐｒｔ＝２ｎ（ｎは１以上の実数）：１となるように設定されている。そのため、ロータ３０への負荷時の態様を、ランデル型ロータにおいてもＩＰＭ型ロータに近付けることができ、ｑ軸インダクタンスＬｑとｄ軸インダクタンスＬｄの比（Ｌｑ／Ｌｄ）である突極比ρを２以上にできる。これにより、ＩＰＭ型ロータ並のリラクタンストルクを出すことが可能となる。

また、実施形態１では、爪状磁極部表面積Ａｓとボス部断面積Ａｂとの関係が、０．９＜Ａｓ／Ａｂ＜１．７となる範囲に設定されている。即ち、ボス部断面積Ａｂよりも爪状磁極部表面積Ａｓの方が大きいことを意味している。これにより、従来では、隣接する爪状磁極部３２３間の磁束の整流や漏れ防止を目的に使われていた永久磁石３４を、実施形態１では、ＩＰＭ型ロータの如き使用しており、漏れ防止ではなく、純粋な磁束アップ、即ち、トルクアップ源や出力アップ源として扱うことができる。

また、実施形態１では、ボス部外径Ｄｂとロータ外径Ｄｒとの関係が、０．４６＜Ｄｂ／Ｄｒ＜０．５３となる範囲に設定されている。即ち、ボス部断面積Ａｂが、磁石磁力のボス磁力に対する反作用を最大限に考慮されて決められた範囲であり、その時の磁石磁力による反作用を弾き返せるだけのボス部３２１の磁力が界磁コア３２に働いている時に、爪状磁極部３２３の根元断面積Ａｔは、ボス部３２１の総磁力と磁石の総磁力をステータ２０側に伝えることができる。

また、実施形態１では、永久磁石３４の残留磁束密度Ｂｒが１[Ｔ]以上とされている。磁石磁力がネオジウム鉄ボロンのボンド磁石、サマリウム鉄窒素の射出成型によるプラスチック成型磁石などの場合には、界磁コア３２への反磁界を十分に供給しきれない場合が多い。即ち、磁石の断面積を用意する余りに界磁巻線３３のスペースの削減を伴う場合が多い。そのため、上記の作用及び効果は、特に、永久磁石３４の残留磁束密度Ｂｒが１[Ｔ]以上の場合に効果的に発揮される。

また、実施形態１では、界磁コア３２のｄ軸磁気回路３６が形成される部位は、飽和磁束密度Ｂｓの異なる２種類の材料で形成されており、爪状磁極部３２３が飽和磁束密度Ｂｓの高い材料で形成され、爪状磁極部３２３以外の部位が飽和磁束密度Ｂｓの低い材料で形成されている。そのため、ボス部３２１がすぐに磁束飽和してＩＰＭ型ロータの磁束特性の挙動に変化し易いので、電動トルクの向上をより確実に達成することができる。

また、実施形態１では、爪状磁極部３２３以外の部位で用いられている飽和磁束密度Ｂｓの低い材料は、飽和磁束密度Ｂｓの高い材料よりも透磁率が高いものであるため、ロータ３０への無負荷時において、起電力の吸収効果を高めることができる。

〔実施形態２〕
実施形態２に係る回転電機駆動システムについて図２９〜図３６を参照して説明する。実施形態２における回転電機２は、実施形態１と同様の車両用電動発電機であるが、ブラシレス構造を有するものである点で、実施形態１のものと異なる。以下、異なる点及び重要な点について説明する。なお、実施形態１と共通する要素については同じ符号を使用し、詳しい説明を省略する。

＜回転電機駆動システムの全体構成＞
実施形態２の回転電機駆動システムは、図２９、図３０及び図３１に示すように、電機子巻線（２５）が巻装された環状のステータ２０、ステータ２０の内周側に径方向に対向して配置されたロータ３０、及び、ステータ２０及びロータ３０を内部に収容し、界磁巻線３３が巻装されたボス部１７を有するハウジング１０を備えたブラシレス構造の回転電機２と、界磁巻線３３及び電機子巻線２５に供給する電流を制御して必要な大きさの電動トルクをロータ３０に発生させる制御装置６０と、を含んで構成されている。

ハウジング１０は、中空円筒状の筒状部１５と、筒状部１５の一端側の開口部に嵌合固定された円板状のカバー部１６と、カバー部１６の中央部から軸方向に突出して筒状部１５の内周側に同軸状に配置されたボス部１７と、を備えている。ボス部１７の軸方向中央部の外周側には、通電により起磁力を発生する一対の界磁巻線５３，５３がボス部１７と絶縁された状態で巻装されている。一対の界磁巻線５３，５３は、並列接続されて軸方向に離間して配置されており、界磁電流Ｉｆを供給する励磁回路６１と出力線５３ａを介して接続されている。

ステータ２０は、実施形態１と同様に構成されたステータコア２１及び電機子巻線２５を有する。電機子巻線２５は、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の相巻線Ｕ，Ｖ，Ｗにより構成されている（図１１参照）。各相巻線Ｕ，Ｖ，Ｗは、それぞれの一端がスター結線されて中性点を形成し、それぞれの他端がインバータ６３の各出力端子Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１に接続されている。

ロータ５０は、図２９に示すように、ボス部１７の軸方向両端部に設けられた一対の軸受け１４，１４を介してボス部１７に回転可能に支持されている。このロータ５０は、一対の界磁巻線５３，５３の径方向及び軸方向外側に位置して、ステータ２０の内周側に径方向に対向して配置されている。このロータ５０は、フロント側のＮポールコア５１ｂに嵌合固定された連結部材４７や図示しない駆動力伝達手段を介して、車両に搭載された図示しないエンジンによって回転駆動される。このロータ５０は、図３２〜図３４に示すように、鉄心５２ａ、一対のＮポールコア５２ｂ，５２ｂ、Ｓポールコア５２ｃ、Ｎポール（磁極部）５２ｎ及びＳポール（磁極部）５２ｓを有するタンデム型の界磁コア５２と、鉄心５２ａに埋設された複数の永久磁石５４と、を備えている。

界磁コア５２の鉄心５２ａは、図３３に示すように、中空円筒状に形成されており、Ｎポール５２ｎが挿入配置される円形断面の８個のＮポール孔５２ｄと、Ｓポール５２ｓが挿入配置される円形断面の８個のＳポール孔５２ｅと、永久磁石５４が埋設される矩形断面の１６個の磁石収容孔５２ｆと、を有する。８個のＮポール孔５２ｄと８個のＳポール孔５２ｅは、周方向に所定距離隔てて交互に配置されている。Ｎポール孔５２ｄ及びＳポール孔５２ｅは、鉄心５２ａの中心軸線に対して平行に形成されている。これにより、Ｎポール孔５２ｄに収容されたＮポール５２ｎとＳポール孔５２ｅに収容されたＳポール５２ｓは、ボス部１７の外周側で軸方向に延在して周方向交互に配置されている。また、磁石収容孔５２ｆは、隣接するＮポール孔５２ｄとＳポール孔５２ｅの間に所定距離を隔てて１個ずつ設けられている。

一対のＮポールコア５２ｂ，５２ｂは、図３４に示すように、リング状に形成されており、鉄心５２ａの軸方向両端面を挟持した状態で、その内周面がボス部１７の外周面に嵌合固定されている（図２９参照）。各Ｎポールコア５２ｂの外周部には、径方向に凹んだ凹部と径方向に突出した凸部とが周方向交互に８個ずつ形成されている。各凸部には、Ｎポール５２ｎの端部を保持する保持孔５２ｇが形成されている。そして、Ｎポール５２ｎは、鉄心５２ａのＮポール孔５２ｄに軸方向中間部分が嵌挿された状態で、一対のＮポールコア５２ｂ，５２ｂの保持孔５２ｇに両端部が保持されている。

Ｓポールコア５２ｃは、図３４に示すように、リング状に形成されており、Ｎポールコア５２ｂの内径と同じ内径を有する。このＳポールコア５２ｃは、一対の界磁巻線５３，５３の間に位置して、ボス部１７の軸方向中央部の外周面に嵌合固定されている（図２９参照）。Ｓポールコア５２ｃの外周部には、径方向に凹んだ凹部と径方向に突出した凸部とが周方向交互に８個ずつ形成されており、Ｓポールコア５２ｃの凸部の突出先端面（外周面）が、Ｎポールコア５２ｂの凹部の底面と同じ所に位置している。Ｓポールコア５２ｃは、その凸部の突出先端面（外周面）が鉄心５２ａの内周面と接触した状態に配置されている（図２９参照）。これにより、Ｓポールコア５２ｃは、Ｓポール孔５２ｅに収容されたＳポール５２ｓと鉄心５２ａを介して磁気的に接続されている。

実施形態２の場合、実施形態１と同様に、界磁コア５２のボス部の外径をＤｂ（以下、「ボス部外径Ｄｂ」ともいう。）とし、ロータ５０（界磁コア３２）の外径をＤｒ（以下、「ロータ外径Ｄｒ」ともいう。）としたときに、ボス部外径Ｄｂとロータ外径Ｄｒとの関係が、０．４６＜Ｄｂ／Ｄｒ＜０．５３となる範囲に設定されている。ボス部外径Ｄｂとロータ外径Ｄｒの関係については、後で詳述する。

また、実施形態と同様に、磁極部となるＮポール５２ｎ及びＳポール５２ｓの外周面の表面積をＡｓ（以下、「磁極部表面積Ａｓ」ともいう。）とし、ボス部の一対のＮＳ磁極あたりの軸方向に伸びる鉄心断面積をＡｂ（以下、「ボス部断面積Ａｂ」という。）としたときに、磁極部表面積Ａｓとボス部断面積Ａｂとの関係が、０．９＜Ａｓ／Ａｂ＜１．７となる範囲に設定されている。ここで、ボス部断面積Ａｂは、円筒状のボス部の総断面積をＡとし、回転電機の極対数をＰとしたときに、Ａ／Ｐで表される。

永久磁石５４は、矩形断面で長方体形状の外形を有し、鉄心５２ａに設けられた磁石収容孔５２ｆに１個ずつ埋設されている。永久磁石５４の残留磁束密度Ｂｒが１[Ｔ]以上とされている。各永久磁石５４は、磁化容易軸が周方向に向けられて配置されており、界磁巻線５３の起磁力によって各磁極部（Ｎポール５２ｎ、Ｓポール５２ｓ）に交互に現れる極性と一致するように磁極が形成されている。このように永久磁石５４が配置されていることによって、図３５に示すように、各永久磁石５４にはそれぞれ２つの第１及び第２磁石磁気回路５８，５９が形成されている。

第１磁石磁気回路（一点鎖線）５８は、磁石磁束のうち鉄心５２ａのＳポール５２ｅ、永久磁石５４及びＮポール５２ｎを通り、図示しないステータコア２１を経由して鉄心５２ａのＳポール５２ｓに戻るように流れる磁束の磁気回路である。また、第２磁石磁気回路（二重線）５９は、磁石磁束のうち鉄心５２ａのＳポール５２ｓ、永久磁石５４及びＮポール５２ｎを通り、Ｓポールコア５２ｃからボス部１７及びＮポールコア５２ｂを経由して鉄心５２ａのＳポール５２ｓに戻るように流れてロータ５０内で完結する磁気回路である。これら磁石磁束から見れば、ボス部１７を通る第２磁石磁気回路５９は、ステータ２０にとって無効となる磁石磁束が流れる磁気回路である。一方、第１磁石磁気回路５８は、ステータ２０に鎖交し、逆起電力やトルクになる磁石磁束が流れる磁気回路である。

制御装置６０の励磁回路６１は、電源Ｂ１から界磁巻線５３に界磁電流Ｉｆとして供給するものである。この励磁回路６１は、実施形態１と同様に構成されたものであり、コントローラ（ＥＣＵ）６７により制御される。インバータ６３は、電機子巻線２５に電機子電流Ｉａを供給するものであり、実施形態１と同様に構成されている（図１１参照）。このインバータ６３も、実施形態１と同様に、ロータ３０の回転位置を検出する位置センサ６６の情報に基づいて、コントローラ（ＥＣＵ）６７により制御される。

なお、上記の界磁巻線５３に、励磁回路６１から界磁電流Ｉｆが通電されるとボス部１７に起磁力を発生させ、Ｎポール５２ｎがＮ極に磁化されるとともに、Ｓポール５２ｓがＳ極に磁化される。これにより、図３６に示すように、ハウジング１０のボス部１７から一対のＮポールコア５２ｂ，５２ｂ及びＮポール５２ｎを通り、ステータコア２１を経由して鉄心５２ａのＳポール５２ｓ、Ｓポールコア５２ｃを通ってボス部１７に戻るように流れる磁束によりｄ軸磁気回路５６（図３６に破線で示す）が形成される。この場合、図２９に示すように、軸方向中央部のＳポールコア５２ｃを通った後、軸方向両側でｄ軸のＮ極の向きが反転することから、ｄ軸磁気回路５６は、ｄ１とｄ２の２つに分流する。このｄ軸磁気回路５６は、ロータ５０の逆起電力を生む磁気回路である。

また、ｄ軸磁気回路５６及び第１磁石磁気回路５８のステータ２０に鎖交する磁束により電機子巻線２５に電流が流れることによって、ｑ軸磁気回路５７（図３６に実線で示す）が形成される。このｑ軸磁気回路５７は、ステータコア２１のｄ軸から電気角で９０°ずれた位置にあるｑ軸を通る磁束により形成される磁気回路である。実施形態２の場合にも、実施形態１と同様に、ロータ５０に負荷を掛けた時に、ｄ軸磁気回路５６のパーミアンスＰｒｔと、ｑ軸磁気回路５７のパーミアンスＰｓｔとの関係が、Ｐｓｔ＞Ｐｒｔとなるように設定されている。

また、実施形態２では、実施形態１と同様に、ｄ軸磁気回路５６のパーミアンスＰｒｔと、ｑ軸磁気回路５７のパーミアンスＰｓｔとの比が、Ｐｓｔ：Ｐｒｔ＝２ｎ（ｎは１以上の実数）：１となるように設定されている。これにより、ロータ５０への負荷時の態様を、ＩＰＭ型ロータに近付けることができ、突極比ρを２以上にできる。なお、ｄ軸磁気回路５６のパーミアンスＰｒｔ及びｑ軸磁気回路５７のパーミアンスＰｓｔの測定方法は、実施形態１と同様である。

実施形態２の場合には、ｄ軸磁気回路５６と第１磁石磁気回路５８は、Ｓポール５２ｓから鉄心５２ａ、ステータ２０及び鉄心５２ａを経由してＮポール５２ｎに戻るまでの磁気回路を共有している。また、ｄ軸磁気回路５６と第２磁石磁気回路５９は、ロータ５０のＳポール５２ｓから鉄心５２ａ、Ｓポールコア５２ｃ、ボス部１７及びＮポールコア５２ｂを経由してＮポール５２ｎに戻るまでの部分の磁気回路を共有している。よって、ｄ軸磁気回路５６と、第１及び第２磁石磁気回路５８，５９の少なくとも一部分とが共有されている。

なお、実施形態２の場合にも、実施形態１と同様に、ボス部１７の一対のＮＳ磁極あたりの軸方向に延びる鉄心断面積をＡｂとし、ボス部１７の５０００[Ａ／ｍ]の界磁を加えた際の磁束密度をＢ５０とし、Ｎポール５２ｎとＳポール５２ｓの間に配置された永久磁石５４の残留磁束密度をＢｒとし、永久磁石５４の磁極となる面の断面積をＡｍとしたときに、２×Ｂｒ[Ｔ]×Ａｍ[ｍｍ^２]＜Ｂ５０[Ｔ]×Ａｂ[ｍｍ^２]となる関係を満たすように設定されている。

また、界磁コア５２及びハウジング１０のｄ軸磁気回路５６が形成される部位は、飽和磁束密度Ｂｓの異なる２種類の材料で形成されている。実施形態２の場合には、磁極部となるＮポール５２ｎ及びＳポール５２ｓが、飽和磁束密度Ｂｓの高い材料で形成され、界磁コア５２のＮポール５２ｎ及びＳポール５２ｓ以外の部位及びボス部１７が、飽和磁束密度Ｂｓの低い材料で形成されている。飽和磁束密度Ｂｓの高い材料及び飽和磁束密度Ｂｓの低い材料については、実施形態１と同様である。

＜作用及び効果＞
以上のように構成された実施形態２の車両用電動発電機２によれば、ロータ５０に負荷を掛けた時に、ｄ軸磁気回路５６のパーミアンスＰｒｔとｑ軸磁気回路５７のパーミアンスＰｓｔとの関係が、Ｐｓｔ＞Ｐｒｔとなるように設定されている。そのため、実施形態１と同様に、ステータ２０に鎖交しｄ軸磁気回路５６と同じ方向に流れる磁束により形成される第１磁石磁気回路５８の磁石磁束を増大させることができる。これにより、磁石磁束を有効利用して、電動トルクを大幅に向上させることができる。

特に、ブラシレス構造の回転電機においては、ブラシによる電流制限を受けずに済むため、界磁電流Ｉｆの電流値を大きくすることができる。そのため、ブラシレス構造の回転電機２においても、界磁回路（ｄ軸磁気回路５６）を飽和させ、磁石磁力を有効利用することができる。また、磁石付きランデル型ロータの弱点である遠心強度を、電気回路分の遠心力を磁極部裏に受けずに済むため、遠心力による応力を下げることができる。

また、制御装置６０は、回転電機１が位相制御により力行及び回生のどちらかの動作をするように制御する。そのため、実施形態２では、上記のｄ軸磁気回路３６のパーミアンスＰｒｔとｑ軸磁気回路３７のパーミアンスＰｓｔとの大小関係を満たしていることにより、位相制御による力行、回生の動作能力を、ｄ軸だけを使うダイオード整流や同期整流といった動作での能力向上に比べ、相乗的に向上させることができる。

また、実施形態２では、ボス部断面積をＡｂとし、ボス部１７の５０００[Ａ／ｍ]の界磁を加えた際の磁束密度をＢ５０とし、永久磁石５４の残留磁束密度をＢｒとし、永久磁石５４の磁極となる面の断面積をＡｍとしたときに、２×Ｂｒ[Ｔ]×Ａｍ[ｍｍ^２]＜Ｂ５０[Ｔ]×Ａｂ[ｍｍ^２]となる関係を満たすようにされている。これにより、実施形態１と同様に、逆起電力を下げ、無通電時の高速回転状態における発電電力を抑えることができる。

また、実施形態２では、ｄ軸磁気回路５６のパーミアンスＰｒｔと、ｑ軸磁気回路５７のパーミアンスＰｓｔとの比が、Ｐｓｔ：Ｐｒｔ＝２ｎ（ｎは１以上の実数）：１となるように設定されている。これにより、実施形態１と同様に、突極比ρを２以上にでき、ＩＰＭ型ロータ並のリラクタンストルクを出すことが可能となる。

また、実施形態２では、磁極部表面積Ａｓとボス部断面積Ａｂとの関係が、０．９＜Ａｓ／Ａｂ＜１．７となる範囲に設定されている。即ち、ボス部断面積Ａｂよりも磁極部表面積Ａｓの方が大きいことを意味している。これにより、従来では、隣接する磁極部間の磁束の整流や漏れ防止を目的に使われていた永久磁石５４を、実施形態２では、ＩＰＭ型ロータの如き使用しており、漏れ防止ではなく、純粋な磁束アップ、即ち、トルクアップ源や出力アップ源として扱うことができる。

また、実施形態２では、ボス部外径Ｄｂとロータ外径Ｄｒとの関係が、０．４６＜Ｄｂ／Ｄｒ＜０．５３となる範囲に設定されている。即ち、ボス部断面積Ａｂが、磁石磁力のボス磁力に対する反作用を最大限に考慮されて決められた範囲であり、その時の磁石磁力による反作用を弾き返せるだけのボス部の磁力が界磁コア５２に働いている時に、磁極部となるＮポール５２ｎ及びＳポール５２ｓの根元断面積Ａｔは、ボス部の総磁力と磁石の総磁力をステータ２０側に伝えることができる。

また、実施形態２では、永久磁石５４の残留磁束密度Ｂｒが１[Ｔ]以上とされている。磁石磁力がネオジウム鉄ボロンのボンド磁石、サマリウム鉄窒素の射出成型によるプラスチック成型磁石などの場合には、界磁コア５２への反磁界を十分に供給しきれない場合が多い。即ち、磁石の断面積を用意する余りに界磁巻線５３のスペースの削減を伴う場合が多い。そのため、上記の作用及び効果は、特に、永久磁石５４の残留磁束密度Ｂｒが１[Ｔ]以上の場合に効果的に発揮される。

また、実施形態２では、界磁巻線５５の起磁力によりｄ軸磁気回路５６が形成される界磁コア５１は、飽和磁束密度Ｂｓの異なる２種類の材料で形成されており、Ｎポール５２ｎ及びＳポール５２ｓが飽和磁束密度Ｂｓの高い材料で形成され、Ｎポール５２ｎ及びＳポール５２ｓ以外の部位が飽和磁束密度Ｂｓの低い材料で形成されている。そのため、ボス部３２１がすぐに飽和してＩＰＭ型ロータの磁束特性の挙動に変化し易いので、電動トルクの向上をより確実に達成することができる。

また、実施形態２では、Ｎポール５２ｎ及びＳポール５２ｓ以外の部位で用いられている飽和磁束密度Ｂｓの低い材料は、飽和磁束密度Ｂｓの高い材料よりも透磁率が高いものであるため、ロータ３０の無負荷時において、起電力の吸収効果を高めることができる。

〔実施形態３〕
実施形態３に係る回転電機システムについて図３７を参照して説明する。実施形態３に係る回転電機システムの車両用電動発電機は、実施形態１と同様の車両用電動発電機であるが、界磁コアを構成するポールコアの構造だけが実施形態１のものと異なる。以下、異なる点及び重要な点について説明する。なお、実施形態１と共通する要素については同じ符号を使用し、詳しい説明を省略する。

＜界磁コアの構成＞
界磁コア３２は、第１ポールコア３２ａと、第２ポールコア３２ｂとにより構成されている。図３７に示すように、第１ポールコア３２ａは、第１ボス部３２１ａと、第１ディスク部３２２ａと、第１爪状磁極部３２３ａとからなる。第１ディスク部３２２ａには、磁束の流れ方向と直交する断面の面積を部分的に小さくするために、溝部３２２ｃが形成されている。溝部３２２ｃは、第２ディスク部３２２ｂと軸方向に対向する第１ディスク部３２２ａの内側の面に形成されている。溝部３２２ｃは、第１ディスク部３２２ａの径方向の最も外側の第１爪状磁極部３２３ａと繋がる部分に、周方向に延在するように円弧状に形成されている。

磁束は、第１ディスク部３２２ａを径方向に流れる第１ディスク部３２２ａの径方向の最も外側の第１爪状磁極部３２３ａと繋がる部分であって、第２ディスク部３２２ｂと軸方向に対向する内側の面には、周方向に延在するように、円弧状の溝部３２２ｃが形成されている。そのため、溝部３２２ｃによって、磁束の流れ方向と直交する断面の面積が部分的に小さくなる。第１爪状磁極部３２３ａと繋がる第１ディスク部３２２ａの最外周部分の断面が小さくなる。

実施形態３の場合、ロータ３０の外径となる第１ポールコア３２ａの外径Ｄｒを直径とした円の面積Ａ１と、磁束の流れ方向と直交する断面の面積が最小となる部分の断面積Ａ２の関係が、０．２１１６＜Ａ２／Ａ１＜０．２８０９となる範囲に設定されている。ここで、断面積Ａ２は、第１爪状磁極部３２３ａと繋がる、溝部３２２ｃが形成された部分における第１ディスク部３２２ａの断面積Ａ０を極対数Ｐ倍したものである。

第２ポールコア３２ｂも第１ポールコア３２ａと同一形状であり、磁束の流れ方向と直交する断面の面積を部分的に小さくするため、溝部が形成されている。

＜作用及び効果＞
実施形態３の車両用電動発電機では、界磁コア３２は、磁束の流れ方向と直交する断面の面積が部分的に小さくなっている。具体的には、ディスク部の断面の面積が部分的に小さくなっている。そのため、車両用電動発電機の特性が変化する。つまり、特性の異なる車両用電動発電機を容易に構成することができる。しかも、ロータの外径Ｄｒを直径とする円の面積Ａ１と、磁束の流れ方向と直交する断面の面積が最小となる部分の断面積Ａ２の関係が、０．２１１６＜Ａ２／Ａ１＜０．２８０９となる範囲に設定されている。そのため、磁束の流れ方向と直交する断面の面積が部分的に小さくなっておらず、ボス部の外径Ｄｂとロータの外径Ｄｒとの関係が、０．４６＜Ｄｂ／Ｄｒ＜０．５３となる範囲に設定されている場合と、同様の磁気的関係を確保でき、同様の効果を得ることができる。

また、実施形態３では、第１ディスク部３２２ａ及び第２ディスク部３２２ｂに円弧状の溝部を形成することで、磁束の流れ方向と直交する断面の面積を部分的に小さくしている。円弧状の溝部は、フライス等によって容易に加工することができる。そのため、磁束の流れ方向と直交する断面の面積を容易に部分的に小さくすることができる。しかも、第１ディスク部３２２ａ及び第２ディスク部３２２ｂの内側の面に円弧状の溝部が形成されるだけなので、溝部形成前に用いられていた界磁巻線や巻枠等をそのまま用いることができる。そのため、特性の異なる車両用電動発電機を構成する場合において、変更に伴う費用を抑えることができる。

〔実施形態４〕
実施形態４に係る回転電機システムについて図３８を参照して説明する。実施形態４に係る回転電機システムの車両用電動発電機は、実施形態１と同様の車両用電動発電機であるが、界磁コアを構成するポールコアの構造だけが実施形態１のものと異なる。実施形態３と同様にディスク部の断面積を部分的に小さくしたものであるが、実施形態３とは異なる構成によって部分的に小さくしたものである。以下、異なる点及び重要な点について説明する。なお、実施形態１と共通する要素については同じ符号を使用し、詳しい説明を省略する。

＜界磁コアの構成＞
界磁コア３２は、第１ポールコア３２ａと、第２ポールコア３２ｂとにより構成されている。図３８に示すように、第１ポールコア３２ａは、第１ボス部３２１ａと、第１ディスク部３２２ａと、第１爪状磁極部３２３ａとからなる。第１ディスク部３２２ａには、磁束の流れ方向と直交する断面の面積を部分的に小さくするために、幅の異なる溝部３２２ｄ，３２２ｅが形成されている。溝部３２２ｄ，３２２ｅは、第２ディスク部３２２ｂと軸方向に対向する第１ディスク部３２２ａの内側の面に形成されている。溝部３２２ｄ，３２２ｅは、第１ディスク部３２２ａの径方向内側の所定位置から、径方向外側に放射状に延在するように形成されている。

磁束は、第１ディスク部３２２ａを径方向に流れる第２ディスク部３２２ｂと軸方向に対向する第１ディスク部３２２ａの内側の面には、径方向内側の所定位置から、径方向外側に放射状に延在するように溝部３２２ｄ，３２２ｅが形成されている。そのため、溝部３２２ｄ，３２２ｅによって、磁束の流れ方向と直交する断面の面積が部分的に小さくなる。第１爪状磁極部３２３ａと繋がる第１ディスク部３２２ａの最外周部分の断面が小さくなる。

実施形態４の場合、実施形態３と同様に、ロータ３０の外径となる第１ポールコア３２ａの外径Ｄｒを直径とした円の面積Ａ１と、磁束の流れ方向と直交する断面の面積が最小となる部分の断面積Ａ２の関係が、０．２１１６＜Ａ２／Ａ１＜０．２８０９となる範囲に設定されている。ここで、断面積Ａ２は、実施形態３と同様に、第１爪状磁極部３２３ａと繋がる第１ディスク部３２２ａの断面積Ａ１を極対数Ｐ倍したものである。

第２ポールコア３２ｂも第１ポールコア３２ａと同一形状であり、磁束の流れ方向と直交する断面の面積を部分的に小さくするため、溝部が形成されている。

＜作用及び効果＞
実施形態４の車両用電動発電機では、界磁コア３２は、磁束の流れ方向と直交する断面の面積が部分的に小さくなっている。具体的には、ディスク部の断面の面積が部分的に小さくなっている。そのため、車両用電動発電機の特性が変化する。つまり、特性の異なる車両用電動発電機を容易に構成することができる。しかも、ロータの外径Ｄｒを直径とする円の面積Ａ１と、磁束の流れ方向と直交する断面の面積が最小となる部分の断面積Ａ２の関係が、０．２１１６＜Ａ２／Ａ１＜０．２８０９となる範囲に設定されている。そのため、磁束の流れ方向と直交する断面の面積が部分的に小さくなっておらず、ボス部の外径Ｄｂとロータの外径Ｄｒとの関係が、０．４６＜Ｄｂ／Ｄｒ＜０．５３となる範囲に設定されている場合と、同様の磁気的関係を確保でき、同様の効果を得ることができる。

また、実施形態４では、第１ディスク部３２２ａ及び第２ディスク部３２２ｂに、溝部が径方向に放射状に延在するように形成される。その結果、溝部の間に、断面２次モーメントの高いリブが、放射状に形成されることになる。そのため、実施形態３に比べ、遠心力に対する界磁コア３２の剛性を向上させることができる。また、溝部が形成されることによって、第１ディスク部３２２ａと界磁巻線３３の接触面積、及び、第２ディスク部３２２ｂと界磁巻線３３の接触面積が減少する。そのため、渦電流によって界磁コア３２が発熱しても、界磁コア３２から界磁巻線３３への熱伝導を抑えることができる。従って、熱による劣化を抑え、界磁巻線３３の信頼性を向上させることができる。また、実施形態３と同様に、溝部形成前に用いられていた界磁巻線や巻枠等をそのまま用いることができる。そのため、特性の異なる車両用電動発電機を構成する場合において、変更に伴う費用を抑えることができる。

〔実施形態５〕
実施形態５に係る回転電機システムについて図３９を参照して説明する。実施形態５に係る回転電機システムの車両用電動発電機は、実施形態１と同様の車両用電動発電機であるが、界磁コアを構成するポールコアの構造だけが実施形態１のものと異なる。実施形態３、４とは異なり、ボス部の断面積を部分的に小さくしたものである。以下、異なる点及び重要な点について説明する。なお、実施形態１と共通する要素については同じ符号を使用し、詳しい説明を省略する。

＜界磁コアの構成＞
界磁コア３２は、第１ポールコア３２ａと、第２ポールコア３２ｂとにより構成されている。図３９に示すように、第１ポールコア３２ａは、第１ボス部３２１ａと、第１ディスク部３２２ａと、第１爪状磁極部３２３ａとからなる。第１ボス部３２１ａには、磁束の流れ方向と直交する断面の面積を部分的に小さくするために、溝部３２１ｃが形成されている。溝部３２１ｃは、第１ボス部３２１ａの軸方向の中間部分の外周面に円形状に形成されている。

磁束は、第１ボス部３２１ａを軸方向に流れる。第１ボス部３２１ａの軸方向の中間部分の外周面には、円形状の溝部３２１ｃが形成されている。そのため、溝部３２１ｃによって、磁束の流れ方向と直交する断面の面積が部分的に小さくなる。第１ボス部３２１ａの軸方向の中間部分の断面が、他の部分に比べ部分的に小さくなる。

実施形態５の場合、ロータ３０の外径となる第１ポールコア３２ａの外径Ｄｒを直径とした円の面積Ａ１と、磁束の流れ方向と直交する断面の面積が最小となる部分の断面積Ａ２の関係が、０．２１１６＜Ａ２／Ａ１＜０．２８０９となる範囲に設定されている。ここで、断面積Ａ２は、溝部３２１ｃが形成された部分における第１ボス部３２１ａの断面積である。溝部３２１ｃの形成された部分における軸方向と直交する断面の面積である。

第２ポールコア３２ｂも第１ポールコア３２ａと同一形状であり、磁束の流れ方向と直交する断面の面積を部分的に小さくするため、溝部が形成されている。

＜作用及び効果＞
実施形態５の車両用電動発電機では、界磁コア３２は、磁束の流れ方向と直交する断面の面積が部分的に小さくなっている。具体的には、ボス部の断面積が部分的に小さくなっている。そのため、車両用電動発電機の特性が変化する。つまり、特性の異なる車両用電動発電機を容易に構成することができる。しかも、ロータの外径Ｄｒを直径とする円の面積Ａ１と、磁束の流れ方向と直交する断面の面積が最小となる部分の断面積Ａ２の関係が、０．２１１６＜Ａ２／Ａ１＜０．２８０９となる範囲に設定されている。そのため、磁束の流れ方向と直交する断面の面積が部分的に小さくなっておらず、ボス部の外径Ｄｂとロータの外径Ｄｒとの関係が、０．４６＜Ｄｂ／Ｄｒ＜０．５３となる範囲に設定されている場合と、同様の磁気的関係を確保でき、同様の効果を得ることができる。

また、実施形態５では、溝部が、第１ボス部３２１ａ及び第２ボス部３２１ｂに形成されている。そのため、遠心力に対する剛性を低下させることなく界磁コア３２を構成することができる。また、実施形態３と同様に、溝部形成前に用いられていた界磁巻線や巻枠等をそのまま用いることができる。そのため、特性の異なる車両用電動発電機を構成する場合において、変更に伴う費用を抑えることができる。

〔実施形態６〕
実施形態６に係る回転電機システムについて図４０を参照して説明する。実施形態６に係る回転電機システムの車両用電動発電機は、実施形態１と同様の車両用電動発電機であるが、界磁コアを構成するポールコアの構造だけが実施形態１のものと異なる。実施形態５と同様に、ボス部の断面積を部分的に小さくしたものであるが、実施形態５とは異なる部分を部分的に小さくしたものである。以下、異なる点及び重要な点について説明する。なお、実施形態１と共通する要素については同じ符号を使用し、詳しい説明を省略する。

＜界磁コアの構成＞
界磁コア３２は、第１ポールコア３２ａと、第２ポールコア３２ｂとにより構成されている。図４０に示すように、第１ポールコア３２ａは、第１ボス部３２１ａと、第１ディスク部３２２ａと、第１爪状磁極部３２３ａとからなる。第１ボス部３２１ａには、磁束の流れ方向と直交する断面の面積を部分的に小さくするために、小径部３２１ｄが形成されている。小径部３２１ｄは、他の部分よりも外径が小さい部位であり、第２ボス部３２１ｂと軸方向に対向する第１ボス部３２１ａの軸方向端部に形成されている。

磁束は、第１ボス部３２１ａを軸方向に流れる。第１ボス部３２１ａの軸方向端部には、他の部分よりも外径が小さい小径部３２１ｄが形成されている。そのため、小径部３２１ｄによって、磁束の流れ方向と直交する断面の面積が部分的に小さくなる。第１ボス部３２１ａの軸方向端部の断面が、他の部分に比べ部分的に小さくなる。

実施形態６の場合、ロータ３０の外径となる第１ポールコア３２ａの外径Ｄｒを直径とした円の面積Ａ１と、磁束の流れ方向と直交する断面の面積が最小となる部分の断面積Ａ２の関係が、０．２１１６＜Ａ２／Ａ１＜０．２８０９となる範囲に設定されている。ここで、断面積Ａ２は、小径部３２１ｄが形成された部分における第１ボス部３２１ａの断面積である。小径部３２１ｄが形成された部分における軸方向と直交する断面の面積である。

第２ポールコア３２ｂも第１ポールコア３２ａと同一形状であり、磁束の流れ方向と直交する断面の面積を部分的に小さくするため、溝部が形成されている。

＜作用及び効果＞
実施形態６の車両用電動発電機では、実施形態５と同様の効果を得ることができる。

〔実施形態７〕
実施形態７に係る回転電機システムについて図４１を参照して説明する。実施形態７に係る回転電機システムの車両用電動発電機は、実施形態１と同様の車両用電動発電機であるが、界磁コアを構成するポールコアの構造だけが実施形態１のものと異なる。実施形態５、６と同様にボス部の断面積を部分的に小さくしたものであるが、実施形態５、６とは異なる構成で部分的に小さくしたものである。以下、異なる点及び重要な点について説明する。なお、実施形態１と共通する要素については同じ符号を使用し、詳しい説明を省略する。

＜界磁コアの構成＞
界磁コア３２は、第１ポールコア３２ａと、第２ポールコア３２ｂとにより構成されている。図４１に示すように、第１ポールコア３２ａは、第１ボス部３２１ａと、第１ディスク部３２２ａと、第１爪状磁極部３２３ａとからなる。第１ボス部３２１ａには、磁束の流れ方向と直交する断面の面積を部分的に小さくするために、面取り部３２１ｅが形成されている。第１ボス部３２１ａは、回転軸３１と嵌合する貫通孔部３２１ｆを有している。面取り部３２１ｅは、第１ディスク部３２２ａ側の貫通孔部３２１ｆの軸方向端部に、全周に渡って形成されている。

磁束は、第１ボス部３２１ａを軸方向に流れる。また、第１ディスク部３２２ａを径方向に流れる。第１ディスク部３２２ａと繋がる第１ボス部３２１ａの第１ディスク部３２２ａ側の部分では、磁束の流れが軸方向から径方向、又は、径方向から軸方向に変化することになる。第１ディスク部３２２ａ側の貫通孔部３２１ｆの軸方向端部には、全周に渡って面取り部３２１ｅが形成されている。そのため、溝部３２１ｃによって、磁束の流れ方向と直交する断面の面積が部分的に小さくなる。

実施形態７の場合、ロータ３０の外径となる第１ポールコア３２ａの外径Ｄｒを直径とした円の面積Ａ１と、磁束の流れ方向と直交する断面の面積が最小となる部分の断面積Ａ２の関係が、０．２１１６＜Ａ２／Ａ１＜０．２８０９となる範囲に設定されている。ここで、断面積Ａ２は、第１ボス部３２１ａの外周面が第１ディスク部３２２ａの内側の面と接する点をＫとし、点Ｋと面取り部３２１ｅの傾斜面３２１ｇとを最短距離で結ぶ線をＭとすると、線Ｍに沿って切断した切り口の面積である。

第２ポールコア３２ｂも第１ポールコア３２ａと同一形状であり、磁束の流れ方向と直交する断面の面積を部分的に小さくするため、溝部が形成されている。

＜作用及び効果＞
実施形態７の車両用電動発電機では、界磁コア３２は、磁束の流れ方向と直交する断面の面積が部分的に小さくなっている。具体的には、ボス部の断面積が部分的に小さくなっている。そのため、車両用電動発電機の特性が変化する。つまり、特性の異なる車両用電動発電機を容易に構成することができる。しかも、ロータの外径Ｄｒを直径とする円の面積Ａ１と、磁束の流れ方向と直交する断面の面積が最小となる部分の断面積Ａ２の関係が、０．２１１６＜Ａ２／Ａ１＜０．２８０９となる範囲に設定されている。そのため、磁束の流れ方向と直交する断面の面積が部分的に小さくなっておらず、ボス部の外径Ｄｂとロータの外径Ｄｒとの関係が、０．４６＜Ｄｂ／Ｄｒ＜０．５３となる範囲に設定されている場合と、同様の磁気的関係を確保でき、同様の効果を得ることができる。

また、実施形態７では、第１ボス部３２１ａ及び第２ボス部３２１ｂに面取り部を形成することで、磁束の流れ方向と直交する断面の面積を部分的に小さくしている。面取り部は、ドリル等によって容易に加工することができる。そのため、磁束の流れ方向と直交する断面の面積を容易に部分的に小さくすることができる。しかも、第１ボス部３２１ａ及び第２ボス部３２１ｂの貫通孔部の軸方向端部に面取り部が形成されるだけなので、面取り部形成前に用いられていた界磁巻線や巻枠等をそのまま用いることができる。そのため、特性の異なる車両用電動発電機を構成する場合において、変更に伴う費用を抑えることができる。

〔実施形態８〕
実施形態８に係る回転電機システムについて図４２を参照して説明する。実施形態８に係る回転電機システムの車両用電動発電機は、実施形態１と同様の車両用電動発電機であるが、界磁コアを構成するポールコアの構造だけが実施形態１のものと異なる。実施形態７と同様の構成によってボス部の断面積を小さくしたものであるが、実施形態７とは異なる部分を部分的に小さくしたものである。以下、異なる点及び重要な点について説明する。なお、実施形態１と共通する要素については同じ符号を使用し、詳しい説明を省略する。

＜界磁コアの構成＞
界磁コア３２は、第１ポールコア３２ａと、第２ポールコア３２ｂとにより構成されている。図４２に示すように、第１ポールコア３２ａは、第１ボス部３２１ａと、第１ディスク部３２２ａと、第１爪状磁極部３２３ａとからなる。第１ボス部３２１ａには、磁束の流れ方向と直交する断面の面積を部分的に小さくするために、面取り部３２１ｈが形成されている。面取り部３２１ｈは、第２ボス部３２１ｂ側の貫通孔部３２１ｆの軸方向端部に、全周に渡って形成されている。

磁束は、第１ボス部３２１ａを軸方向に流れる。第２ボス部３２１ｂ側の貫通孔部３２１ｆの軸方向端部には、面取り部３２１ｈが形成されている。そのため、面取り部３２１ｈによって、磁束の流れ方向と直交する断面の面積が部分的に小さくなる。第１ボス部３２１ａの軸方向端部の断面が、他の部分に比べ部分的に小さくなる。

＜作用及び効果＞
実施形態８の車両用電動発電機では、実施形態７と同様の効果を得ることができる。

〔実施形態９〕
実施形態９に係る回転電機システムについて図４３を参照して説明する。実施形態９に係る回転電機システムの車両用電動発電機は、実施形態１と同様の車両用電動発電機であるが、界磁コアを構成するポールコアの構造だけが実施形態１のものと異なる。実施形態５〜８と同様にボス部の断面積を部分的に小さくしたものであるが、実施形態５〜８とは異なる構成で部分的に小さくしたものである。以下、異なる点及び重要な点について説明する。なお、実施形態１と共通する要素については同じ符号を使用し、詳しい説明を省略する。

＜界磁コアの構成＞
界磁コア３２は、第１ポールコア３２ａと、第２ポールコア３２ｂとにより構成されている。図４３に示すように、第１ポールコア３２ａは、第１ボス部３２１ａと、第１ディスク部３２２ａと、第１爪状磁極部３２３ａとからなる。第１ボス部３２１ａには、磁束の流れ方向と直交する断面の面積を部分的に小さくするために、溝部３２１ｉが形成されている。溝部３２１ｉは、第２ボス部３２１ｂと軸向に対向する第１ボス部３２１ａの軸方向端面に円形状に形成されている。

磁束は、第１ボス部３２１ａを軸方向に流れる。第１ボス部３２１ａの軸方向端面には、円形状の溝部３２１ｉが形成されている。そのため、溝部３２１ｉによって、磁束の流れ方向と直交する断面の面積が部分的に小さくなる。第１ボス部３２１ａの軸方向端部の断面が、他の部分に比べ部分的に小さくなる。

実施形態９の場合、ロータ３０の外径となる第１ポールコア３２ａの外径Ｄｒを直径とした円の面積Ａ１と、磁束の流れ方向と直交する断面の面積が最小となる部分の断面積Ａ２の関係が、０．２１１６＜Ａ２／Ａ１＜０．２８０９となる範囲に設定されている。ここで、断面積Ａ２は、溝部３２１ｉが形成された第１ボス部３２１ａの軸方向端部の断面積である。溝部３２１ｉを設けることによって形成された円筒部３２１ｊ，３２１ｋの軸方向端面の面積を足し合わせた面積である。

第２ポールコア３２ｂも第１ポールコア３２ａと同一形状であり、磁束の流れ方向と直交する断面の面積を部分的に小さくするため、溝部が形成されている。

＜作用及び効果＞
実施形態９の車両用電動発電機では、実施形態５と同様の効果を得ることができる。

〔実施形態１０〕
実施形態１０に係る回転電機システムについて図４４を参照して説明する。実施形態１０に係る回転電機システムの車両用電動発電機は、実施形態１と同様の車両用電動発電機であるが、界磁コアを構成するポールコアの構造だけが実施形態１のものと異なる。実施形態９の変形形態に相当するものである。以下、異なる点及び重要な点について説明する。なお、実施形態１と共通する要素については同じ符号を使用し、詳しい説明を省略する。

＜界磁コアの構成＞
図４４に示すように、第１ボス部３２１ａには、磁束の流れ方向と直交する断面の面積を部分的に小さくするために、溝部３２１ｌ，３２１ｍが形成されている。溝部３２１ｌ，３２１ｍは、第２ボス部３２１ｂと軸向に対向する第１ボス部３２１ａの軸方向端面に同心円形状に形成されている。そのため、溝部３２１ｌ，３２１ｍによって、磁束の流れ方向と直交する断面の面積が部分的に小さくなる。第１ボス部３２１ａの軸方向端部の断面が、他の部分に比べ部分的に小さくなる。

実施形態１０の場合、ロータ３０の外径となる第１ポールコア３２ａの外径Ｄｒを直径とした円の面積Ａ１と、磁束の流れ方向と直交する断面の面積が最小となる部分の断面積Ａ２の関係が、０．２１１６＜Ａ２／Ａ１＜０．２８０９となる範囲に設定されている。ここで、断面積Ａ２は、溝部３２１ｌ，３２１ｍが形成された第１ボス部３２１ａの軸方向端部の断面積である。溝部３２１ｌ，３２１ｍを設けることによって形成された円筒部３２１ｎ〜３２１ｐの軸方向端面の面積を足し合わせた面積である。

＜作用及び効果＞
実施形態１０の車両用電動発電機では、実施形態５と同様の効果を得ることができる。

〔実施形態１１〕
実施形態１１に係る回転電機システムについて図４５を参照して説明する。実施形態１１に係る回転電機システムの車両用電動発電機は、実施形態２と同様の車両用電動発電機であるが、界磁コアを構成するポールコアの構造だけが実施形態２のものと異なる。実施形態３の界磁コアを、ブラシレス構造に対応できるように変更したものである。以下、異なる点及び重要な点について説明する。なお、実施形態２と共通する要素については同じ符号を使用し、詳しい説明を省略する。実施形態３の界磁コアと対応する構成要素については、同じ名称を使用する。

＜界磁コアの構成＞
図４５に示すように、界磁コア５２は第１ポールコア５２ｈと、第２ポールコア５２ｉとにより構成されている。

第１ポールコア５２ｈは、第１ディスク部５２２ｈと、第１爪状磁極部５２３ｈとからなる。実施形態３の第１ポールコア３２ａから、第１ボス部３２１ａを取り除いた構成である。第１ディスク部５２２ｈには、磁束の流れ方向と直交する断面の面積を部分的に小さくするために、溝部５２２ｊが形成されている。溝部５２２ｊは、第２ディスク部５２２ｉと軸方向に対向する第１ディスク部５２２ｈの内側の面に形成されている。溝部５２２ｊは、第１ディスク部５２２ｈの径方向の最も外側の第１爪状磁極部５２３ｈと繋がる部分に、周方向に延在するように円弧状に形成されている。

第２ポールコア５２ｉは、第２ボス部５２１ｉと、第２ディスク部５２２ｉと、第２爪状磁極部５２３ｉとからなる。実施形態３の第１ポールコア３２ａと同一の構成である。第２ディスク部５２２ｉには、磁束の流れ方向と直交する断面の面積を部分的に小さくするために、溝部５２２ｋが形成されている。溝部５２２ｋは、第１ディスク部５２２ｈと軸方向に対向する第２ディスク部５２２ｉの内側の面に形成されている。溝部５２２ｋは、第２ディスク部５２２ｉの径方向の最も外側の第２爪状磁極部５２３ｉと繋がる部分に、周方向に延在するように円弧状に形成されている。

第１ポールコア５２ｈは、第１ディスク部５２２ｈの内周面がボス部１７の外周面と間隔をあけて径方向に対向するように配置されている。第２ポールコア５２ｉは、第１爪状磁極部５２３ｈと第２爪状磁極部５２３ｉが周方向に交互になるように配置されている。第２ポールコア５２ｉは、第２ボス部５２１ｉの軸方向端面がボス部１７の軸方向端面と間隔をあけて軸方向に対向するように配置されている。第１ポールコア５２ｈと第２ポールコア５２ｉは、第１爪状磁極部５２３ｈと第２爪状磁極部５２３ｉの内周側が固定部材５２ｌによって固定されている。固定部材５２ｌによって固定された第１ポールコア５２ｈと第２ポールコア５２ｉは、軸受けを介してハウジング１０に回転可能に支持されている。第１ポールコア５２ｈと第２ポールコア５２ｉの間の空間には、界磁巻線５３が配置されている。界磁巻線５３は、ボス部１７に固定されている。

磁束は、ディスク部５２２ｈ，５２２ｉを径方向に流れる。ディスク部５２２ｈ，５２２ｉの径方向の最も外側の爪状磁極部５２３ｈ、５２３ｉと繋がる部分には、周方向に延在するように、円弧状の溝部５２２ｊ，５２２ｋが形成されている。そのため、溝部５２２ｊ，５２２ｋによって、磁束の流れ方向と直交する断面の面積が部分的に小さくなる。爪状磁極部５２３ｈ，５２３ｉと繋がるディスク部５２２ｈ，５２２ｉの最外周部分の断面が小さくなる。

実施形態１１の場合、ロータ５０の外径となるポールコア５２ｈ，５２ｉの外径Ｄｒを直径とした円の面積Ａ１と、磁束の流れ方向と直交する断面の面積が最小となる部分の断面積Ａ２の関係が、０．２１１６＜Ａ２／Ａ１＜０．２８０９となる範囲に設定されている。ここで、断面積Ａ２は、爪状磁極部５２３ｈ，５２３ｉと繋がる、溝部５２２ｊ，５２２ｋが形成された部分におけるディスク部５２２ｈ，５２２ｉの断面積Ａ０を極対数Ｐ倍したものである。

＜作用及び効果＞
実施形態１１の車両用電動発電機では、ブラシレス構造であっても、実施形態３と同様の効果を得ることができる。

なお、ブラシレス構造であっても、界磁コアの基本構成は実施形態４〜１０と同一であるため、ブラシレス構造の車両用電動発電機において、実施形態４〜１０の構成を適用することは可能である。この場合、ブラシレス構造であっても、実施形態４〜１０と同様の効果を得ることができる。

〔他の実施形態〕
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更することが可能である。

例えば、上記の実施形態では、ｄ軸磁気回路３６と第１及び第２磁石磁気回路３８，３９の一部分、或いはｄ軸磁気回路５６と第１及び第２磁石磁気回路５８，５９の一部分が共有されていた。しかし、ｄ軸磁気回路３６，５６上に永久磁石３４，５４を埋め込んだり設置したりすることによって、ｄ軸磁気回路と第１及び第２磁石磁気回路の全部とが共有されるようにしてもよい。

図４６に示す変形例１の場合には、ｄ軸磁気回路３６が形成される界磁コア３２のボス部３２１の外周部に、軸方向両端部に磁極を有する円筒状の永久磁石３４Ａが同軸状に装着されている。このようにすれば、ｄ軸磁気回路３６（図１０参照）と第１及び第２磁石磁気回路３８Ａ，３９Ａの全部とが共有されるようになる。なお、ボス部３２１の一対のＮＳ磁極あたりの軸方向に延びる鉄心断面積Ａｂは、ボス部３２１の永久磁石３４Ａが装着された部位の径方向総断面積をＡとし、回転電機の極対数をＰとしたときに、Ａ／Ｐで表される。

また、この他に、ｄ軸磁気回路３６が形成される界磁コア３２のディスク部３２２ａ，３２２ｂ（図４６参照）に永久磁石を埋め込んだり設置したりすることができる。この場合のディスク部３２２ａ，３２２ｂの断面積は、ディスク部３２２ａ，３２２ｂの永久磁石を設けた部位（ディスク部鉄心部分）の断面積とする。

１、２…回転電機、 １０…ハウジング、 １７…ボス部、 ２０…ステータ、 ２１…ステータコア、 ２５…電機子巻線、 ３０…ロータ、 ３２…界磁コア、 ３２１…ボス部、 ３２１ａ…第１ボス部、 ３２１ｂ…第２ボス部、 ３２３…爪状磁極部、３２３ａ…第１爪状磁極部、 ３２３ｂ…第２爪状磁極部、 ３３…界磁巻線、 ３４，３４Ａ…永久磁石、 ３６…ｄ軸磁気回路、 ３７…ｑ軸磁気回路、 ３８…第１磁石磁気回路、 ３９…第２磁石磁気回路、 ５０…ロータ、 ５２…界磁コア、 ５２ｎ…Ｎポール（磁極部）、 ５２ｓ…Ｓポール（磁極部）、 ５３…界磁巻線、 ５４…永久磁石、 ５６…ｄ軸磁気回路、 ５７…ｑ軸磁気回路、 ５８…第１磁石磁気回路、 ５９…第２磁石磁気回路、 ６０…制御装置。

Claims (13)

1. 電機子巻線（２５）が巻装された環状のステータ（２０）、及び、界磁巻線（３３）が巻装されて前記ステータの内周側に径方向に対向して配置されたロータ（３０）を有する回転電機（１）と、前記界磁巻線及び前記電機子巻線の少なくとも一方に供給する電流を制御して前記ロータにトルクを発生させる制御装置（６０）と、を備えた回転電機駆動システムにおいて、
   前記ロータは、前記界磁巻線が巻装される筒状のボス部（３２１，３２１ａ，３２１ｂ）、及び、前記ボス部の外周側に配置されて周方向交互に異なる極性の磁極が形成される複数の爪状磁極部（３２３，３２３ａ，３２３ｂ）を有する界磁コア（３２）と、
   周方向に隣接する前記爪状磁極部の間に磁化容易軸が周方向に向けられて配置され、前記界磁巻線の起磁力によって前記爪状磁極部に交互に現れる極性と一致するように磁極が形成されている永久磁石（３４，３４Ａ）と、を備え、
   前記ロータに負荷を掛けた時に、ｄ軸磁気回路（３６）のパーミアンスＰｒｔと、前記電機子巻線に流れる電流により形成されてｄ軸から電気角で９０°ずれた位置にあるｑ軸を通るｑ軸磁気回路（３７）のパーミアンスＰｓｔとの関係が、Ｐｓｔ＞Ｐｒｔとなるように設定され、
   前記ボス部の一対のＮＳ磁極あたりの軸方向に延びる鉄心断面積をＡｂとし、前記ボス部の５０００[Ａ／ｍ]の界磁を加えた際の磁束密度をＢ５０とし、前記爪状磁極部間に配置された前記永久磁石の残留磁束密度をＢｒとし、前記永久磁石の磁極となる面の断面積をＡｍとしたときに、２×Ｂｒ×Ａｍ＜Ｂ５０×Ａｂとなる関係を満たし、
   前記制御装置は、前記回転電機が位相制御により力行及び回生のどちらかの動作をするように制御する回転電機駆動システム。
2. 請求項１において、
   前記ｄ軸磁気回路が形成される部位は、飽和磁束密度Ｂｓの異なる２種類の材料で形成されており、前記爪状磁極部が飽和磁束密度Ｂｓの高い材料で形成され、前記爪状磁極部以外の部位が飽和磁束密度Ｂｓの低い材料で形成されている回転電機駆動システム。
3. 電機子巻線（２５）が巻装された環状のステータ（２０）、及び、界磁巻線（３３）が巻装されて前記ステータの内周側に径方向に対向して配置されたロータ（３０）を有する回転電機（１）と、前記界磁巻線及び前記電機子巻線の少なくとも一方に供給する電流を制御して前記ロータにトルクを発生させる制御装置（６０）と、を備えた回転電機駆動システムにおいて、
   前記ロータは、前記界磁巻線が巻装される筒状のボス部（３２１，３２１ａ，３２１ｂ）、及び、前記ボス部の外周側に配置されて周方向交互に異なる極性の磁極が形成される複数の爪状磁極部（３２３，３２３ａ，３２３ｂ）を有する界磁コア（３２）と、
   周方向に隣接する前記爪状磁極部の間に磁化容易軸が周方向に向けられて配置され、前記界磁巻線の起磁力によって前記爪状磁極部に交互に現れる極性と一致するように磁極が形成されている永久磁石（３４，３４Ａ）と、を備え、
   前記ロータに負荷を掛けた時に、ｄ軸磁気回路（３６）のパーミアンスＰｒｔと、前記電機子巻線に流れる電流により形成されてｄ軸から電気角で９０°ずれた位置にあるｑ軸を通るｑ軸磁気回路（３７）のパーミアンスＰｓｔとの関係が、Ｐｓｔ＞Ｐｒｔとなるように設定され、
   前記ｄ軸磁気回路が形成される部位は、飽和磁束密度Ｂｓの異なる２種類の材料で形成されており、前記爪状磁極部が飽和磁束密度Ｂｓの高い材料で形成され、前記爪状磁極部以外の部位が飽和磁束密度Ｂｓの低い材料で形成され、
   前記制御装置は、前記回転電機が位相制御により力行及び回生のどちらかの動作をするように制御する回転電機駆動システム。
4. 電機子巻線（２５）が巻装された環状のステータ（２０）、前記ステータの内周側に径方向に対向して配置されたロータ（５０）、及び、前記ステータ及び前記ロータを内部に収容し、界磁巻線（５３）が巻装されたボス部（１７）を有するハウジング（１０）を備えたブラシレス構造の回転電機（２）と、前記界磁巻線及び前記電機子巻線の少なくとも一方に供給する電流を制御して前記ロータにトルクを発生させる制御装置（６０）と、を備えた回転電機駆動システムにおいて、
   前記ロータは、前記界磁巻線の外周側に配置されて周方向交互に異なる極性の磁極が形成される複数の磁極部（５２ｎ，５２ｓ）を有する界磁コア（５２）と、周方向に隣接する前記磁極部の間に磁化容易軸が周方向に向けられて配置され、前記界磁巻線の起磁力によって前記磁極部に交互に現れる極性と一致するように磁極が形成されている永久磁石（５４）と、を備え、
   前記ロータに負荷を掛けた時に、ｄ軸磁気回路（５６）のパーミアンスＰｒｔと、前記電機子巻線に流れる電流により形成されてｄ軸から電気角で９０°ずれた位置にあるｑ軸を通るｑ軸磁気回路（５７）のパーミアンスＰｓｔとの関係が、Ｐｓｔ＞Ｐｒｔとなるように設定され、
   前記制御装置は、前記回転電機が位相制御により力行及び回生のどちらかの動作をするように制御する回転電機駆動システム。
5. 請求項４において、
   前記ボス部の一対のＮＳ磁極あたりの軸方向に延びる鉄心断面積をＡｂとし、前記ボス部の５０００[Ａ／ｍ]の界磁を加えた際の磁束密度をＢ５０とし、前記磁極部間に配置された前記永久磁石の残留磁束密度をＢｒとし、前記永久磁石の磁極となる面の断面積をＡｍとしたときに、２×Ｂｒ×Ａｍ＜Ｂ５０×Ａｂとなる関係を満たす回転電機駆動システム。
6. 請求項４又は５において、
   前記ｄ軸磁気回路が形成される部位は、飽和磁束密度Ｂｓの異なる２種類の材料で形成されており、前記磁極部が飽和磁束密度Ｂｓの高い材料で形成され、前記磁極部以外の部位が飽和磁束密度Ｂｓの低い材料で形成されている回転電機駆動システム。
7. 請求項２，３，６の何れか一項において、
   前記飽和磁束密度Ｂｓの低い材料は、前記飽和磁束密度Ｂｓの高い材料よりも透磁率が高いものである回転電機駆動システム。
8. 請求項１〜７の何れか一項において、
   前記ｄ軸磁気回路のパーミアンスＰｒｔと前記ｑ軸磁気回路のパーミアンスＰｓｔの関係が、Ｐｓｔ：Ｐｒｔ＝２ｎ（ｎは１以上の実数）：１である回転電機駆動システム。
9. 電機子巻線（２５）が巻装された環状のステータ（２０）、及び、界磁巻線（３３）が巻装されて前記ステータの内周側に径方向に対向して配置されたロータ（３０）を有する回転電機（１）と、前記界磁巻線及び前記電機子巻線の少なくとも一方に供給する電流を制御して前記ロータにトルクを発生させる制御装置（６０）と、を備えた回転電機駆動システムにおいて、
   前記ロータは、筒状のボス部（３２１，３２１ａ，３２１ｂ）、及び、前記ボス部の外周側に配置されて周方向交互に異なる極性の磁極が形成される複数の爪状磁極部（３２３，３２３ａ，３２３ｂ）を有する界磁コア（３２）と、
   前記ボス部の外周側に巻装されて通電により起磁力を発生する前記界磁巻線と、
   周方向に隣接する前記爪状磁極部の間に磁化容易軸が周方向に向けられて配置され、前記界磁巻線の起磁力によって前記爪状磁極部に交互に現れる極性と一致するように磁極が形成されている永久磁石（３４，３４Ａ）と、を備え、
   前記爪状磁極部の外周面の表面積をＡｓとし、前記ボス部の一対のＮＳ磁極あたりの軸方向に延びる鉄心断面積をＡｂとしたときに、前記表面積Ａｓと前記断面積Ａｂとの関係が、０．９＜Ａｓ／Ａｂ＜１．７となる範囲に設定され、
   前記制御装置は、前記回転電機が位相制御により力行及び回生のどちらかの動作をするように制御する回転電機駆動システム。
10. 電機子巻線（２５）が巻装された環状のステータ（２０）、前記ステータの内周側に径方向に対向して配置されたロータ（５０）、及び、前記ステータ及び前記ロータを内部に収容し、界磁巻線（５３）が巻装されたボス部（１７）を有するハウジング（１０）を備えたブラシレス構造の回転電機（２）と、前記界磁巻線及び前記電機子巻線の少なくとも一方に供給する電流を制御して前記ロータにトルクを発生させる制御装置（６０）と、を備えた回転電機駆動システムにおいて、
    前記ロータは、前記界磁巻線の外周側に配置されて周方向交互に異なる極性の磁極が形成される複数の磁極部（５２３ｈ，５２３ｉ）を有する界磁コア（５２）と、周方向に隣接する前記磁極部の間に磁化容易軸が周方向に向けられて配置され、前記界磁巻線の起磁力によって前記磁極部に交互に現れる極性と一致するように磁極が形成されている永久磁石（５４）と、を備え、
    前記磁極部の外周面の表面積をＡｓとし、前記ボス部の一対のＮＳ磁極あたりの軸方向に延びる鉄心断面積をＡｂとしたときに、前記表面積Ａｓと前記断面積Ａｂとの関係が、０．９＜Ａｓ／Ａｂ＜１．７となる範囲に設定され、
    前記制御装置は、前記回転電機が位相制御により力行及び回生のどちらかの動作をするように制御する回転電機駆動システム。
11. 請求項９又は１０において、
    前記ボス部の外径Ｄｂと前記ロータの外径Ｄｒとの関係が、０．４６＜Ｄｂ／Ｄｒ＜０．５３となる範囲に設定されている回転電機駆動システム。
12. 請求項９〜１１の何れか一項において、
    前記永久磁石の残留磁束密度Ｂｒが１[Ｔ]以上である回転電機駆動システム。
13. 請求項９〜１２の何れか一項において、
    前記界磁コアは、磁束の流れ方向と直交する断面の面積が部分的に小さくなっており、
    前記ロータの外径Ｄｒを直径とする円の面積Ａ１と、磁束の流れ方向と直交する断面の面積が最小となる部分の断面積Ａ２の関係が、０．２１１６＜Ａ２／Ａ１＜０．２８０９となる範囲に設定されている回転電機駆動システム。

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