JP5539191B2 - 磁気誘導子型回転機およびそれを用いた流体移送装置 - Google Patents

Description

この発明は、鉄損成分がモータ損失のなかで支配的となるような高速回転域で駆動されるのに好適な磁気誘導子型回転機およびそれを用いた流体移送装置に関するものである。

従来の永久磁石式同期回転機では、界磁手段としての磁石が回転子に装着されている。しかし、自動車用過給器のタービンとコンプレッサとの間にモータを配置した、いわゆる電動アシストターボに用いられるモータには、１０万回転／分を超える超高速回転が要求され、かつ高温環境下で使用されることから、そのモータに従来の永久磁石式同期回転機を用いた場合には、磁石保持強度や熱減磁の問題が発生してしまう。

このような状況を鑑み、永久磁石やコイルなどの界磁源を固定子に配置し、歯車状の磁気的な突極性を与えた鉄心を軸方向に２段に、かつ周方向に半極ピッチずらして連設して回転子を構成している従来の磁気誘導子型回転機が提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。この回転子は、単純形状の鉄心のみで構成されており、高速回転させた場合、耐遠心力強度に優れている。そこで、従来の磁気誘導子型回転機は、この回転子の利点を活かして、電動アシストターボなどの高速モータに用いられることが考えられている。

従来の磁気誘導子型回転機における固定子コイルの巻線方式には、１相１コイルが複数のスロットを跨いで巻回され、各相のコイルおよびコイルエンドが周方向に関して交差した重なりを持っている分布巻き方式（例えば、特許文献１）と、１相１コイルがスロットを跨がないでティースに巻回され、各相のコイルおよびコイルエンドが周方向に関して交差した重なりを持たない集中巻き方式（例えば、特許文献２）とがあり、回転子の界磁方式には、コイル（例えば、特許文献２）と、永久磁石（例えば、特許文献１）とがある。固定子コイルの巻線方式の２方式と回転子の界磁方式の２方式との組み合わせは、原理上自由である。

従来の磁気誘導子型回転機では、回転子の回転軸が回転子の軸方向両側に配置された軸受に軸支されているので、回転軸が共振系を構成して撓み振動する、いわゆる軸共振の問題がある。この軸共振は、軸受間の間隔が長く、回転子の回転速度が高くなるほど発生しやすく、最悪の場合には、回転子が固定子に接触することになる。

ここで、超高速回転時における回転子と固定子との接触を回避する対策としては、軸受間の間隔を狭めて、軸共振の発生する回転数を高めることが有効となる。また、耐遠心力強度の制約から、回転子径が小さくなり、それに付随して固定子径が小さくなり、固定子コイルのコイルエンドの回転軸の軸心からの距離が短くなる。一方、軸受は、剛性の確保、および油冷却流路の確保の観点から、大径化が望まれる。従って、軸受を固定子コイルのコイルエンドの内径側に配置させる場合、軸受と固定子コイルのコイルエンドとの間の干渉の問題が発生する。そこで、軸受と固定子コイルのコイルエンドとの干渉を回避して、軸受間の距離を狭めるためには、固定子コイルのコイルエンドの軸方向長さを極力短くすることが有効となる。

このことから、磁気誘導子型回転機を超高速回転が要求される用途に適用するには、分布巻き方式に比べて固定子コイルのコイルエンドの軸方向長さを短くできる集中巻き方式を採用することが望ましい。

特開２００４−８８８０号公報 特開平０８−２１４５１９号公報

従来の磁気誘導子型回転機では、原理的に、界磁源で発生された磁束が、固定子の軸方向一側のティースから回転子の軸方向一側の突極に入り、回転子内を径方向内方に流れ、回転軸内を軸方向他側まで流れ、その後回転子内を径方向外方に流れ、回転子の軸方向他側の突極から固定子の軸方向他側のティースに入り、固定子内を径方向外方に流れ、固定子の外側フレーム内を軸方向一側に流れる磁気回路が構成される。そこで、回転子の突極と固定子のティースとの間の磁路結合状態が回転子の回転にともなって変化し、回転機内部を流れる軸方向磁束量が増減する。回転子および固定子を流れる軸方向磁束量が変動すると、積層鉄心の面内渦電流損が発生するとともに、外側フレームや回転軸などの塊状磁性体にも渦電流損を発生する。この渦電流損は周波数の２乗に比例して増大することから、従来の磁気誘導子型回転機において、特に基本周波数が１ｋＨｚを超えるような高周波駆動すると、この渦電流損は深刻な問題となる。

集中巻き方式の固定子コイルを備えた従来の磁気誘導子型回転機においては、スロット数は分布巻き方式に比べて少なく、スロットピッチが大きな設計となる。そのため、固定子のスロット開口の周方向幅が回転子の突極の周方向幅より大きく形成されているので、回転子の突極は、回転子の回転に伴い、固定子のティースと対向している状態から固定子のティースと全く対向していない状態を経て固定子のティースと対向している状態に移行する。その結果、回転子の突極と固定子のティースとの磁路結合状態の変化の幅が大きく、回転機内部を流れる軸方向磁束量の増減の幅も大きくなる。これにより、渦電流損が大きくなり、モータ効率が低下してしまう。

この軸方向磁束量の変動の問題は、集中巻き方式の固定子コイルを備えた磁気誘導子型回転機特有のものである。言い換えれば、分布巻き方式の固定子コイルを備えた磁気誘導子型回転機では、この軸方向磁束量の変動による鉄損は問題となるレベルにまではならない。つまり、分布巻き方式のものでは、構造上、スロットの開口幅が狭く、回転子の突極は常に固定子の複数のスロットと対向している。そこで、回転子の突極は対向するティースの一部を入れ替えつつ回転し、回転子と固定子との間の磁気抵抗は常に小さな状態に維持される。従って、分布巻き方式の固定子コイルを備えた磁気誘導子型回転機を検討する場合には、軸方向磁束量の変動は問題とならず、磁気解析などでの積層面方向の渦電流は通常無視して解析することが多く、この軸方向磁束量の変動による鉄損は見過ごされてきた損失因子であった。

本出願人は、集中巻き方式の固定子コイルを備えた磁気誘導子型回転機を超高速回転運転して、鉄損が予想以上に大きくなる現象を見出し、鉄損発生要因を注意深く精査検討した結果、軸方向磁束量の変動が鉄損を発生させる要因となるとの見知に基づいて、本発明を発明するに至ったものである。

この発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、超高速回転で駆動されても、渦電流損が少なく、高効率の磁気誘導子型回転機およびそれを用いた流体移送装置を得ることを目的とする。

この発明に係る磁気誘導子型回転機は、内周側に開口するスロットを画成するティースが円筒状のコアバックの内周面から径方向内方に突設されて周方向に並べて複数配設されてなる同一形状に作製された第１固定子コアおよび第２固定子コアを、軸方向に所定距離離反して、かつ上記ティースの周方向位置を一致させて同軸に配置して構成された固定子コア、および上記固定子コアに集中巻きに巻装された固定子コイルを有する固定子と、突極が周方向に等角ピッチで配設されてなる同一形状に作製された第１回転子コアおよび第２回転子コアを、それぞれ上記第１固定子コアおよび上記第２固定子コアの内周側に位置させ、かつ互いに周方向に半突極ピッチずらして回転軸に同軸に固着された回転子と、を備えている。さらに、本磁気誘導子型回転機は、上記固定子に配設され、上記第１回転子コアの突極と上記第２回転子コアの突極とが異なる極性となるように界磁磁束を発生する界磁手段と、上記第１固定子コアのコアバック外周面と上記第２固定子コアのコアバック外周面とを連結するように軸方向に延設された軸方向磁路形成部材と、を備えている。そして、上記界磁手段が発生した上記界磁磁束が、上記第１固定子コアから上記第１回転子コアの突極に入り、該第１回転子コアおよび上記回転軸を軸方向に流れて上記第２回転子コアに入り、該第２回転子コアの突極から上記第２固定子コアに入り、上記軸方向磁路形成部材を軸方向に流れて該第１固定子コアに戻る磁路が構成され、上記第１回転子コアおよび上記第２回転子コアの突極の突極幅βｒが、上記固定子の上記スロットの開口幅θｓより大きく構成されている。

この発明によれば、第１回転子コアおよび第２回転子コアの突極の突極幅βｒが、固定子のスロットの開口幅θｓより大きく構成されているので、回転子は、常に突極が固定子のティースと対向する状態で回転する。そこで、回転子と固定子との間の磁気抵抗を小さく保つことができ、磁束量の変動が最小限に制限される。これにより、回転機を軸方向に流れる磁束量の変動が抑制され、渦電流の発生に起因する鉄損が少なくなり、高効率の回転機を実現できる。

この発明の実施の形態１に係る回転機の構成を示す一部破断斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る回転機に適用される回転子の構成を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る回転機における磁束の流れを説明するための一部破断斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る回転機の動作を説明する正面図である。 比較例としての回転機の動作を説明する正面図である。 突極幅βｒを１００°とした回転子の構造を説明する図である。 突極幅βｒを６０°とした回転子の構造を説明する図である。 この発明の実施の形態２に係る回転機を示す一部破断斜視図である。 この発明の実施の形態３に係る回転機を示す一部破断斜視図である。 この発明の実施の形態４に係る自動車用過給器を有するシステム構成図である。

以下、本発明の磁気誘導子型回転機およびそれを用いた流体移送装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る回転機の構成を示す一部破断斜視図、図２はこの発明の実施の形態１に係る回転機に適用される回転子の構成を示す斜視図である。

図１および図２において、回転機１は、磁気誘導子型同期回転機であり、鉄などの塊状磁性体で作製された回転軸２に同軸に固着された回転子３と、回転子３を囲繞するように配設された固定子コア８にトルク発生用駆動コイルとしての固定子コイル１１を巻装してなる固定子７と、界磁手段としての界磁コイル１２と、回転子３、固定子７および界磁コイル１２を収納するハウジング１３と、を備えている。

回転子３は、例えば所定形状に成形された多数枚の磁性鋼板を積層一体化して作製された第１および第２回転子コア４，５と、所定枚の磁性鋼板を積層一体化して作製され、軸心位置に回転時挿入孔（図示せず）が穿設された円盤状の隔壁６と、を備える。第１および第２回転子コア４，５は、同一形状に作製され、軸心位置に回転軸挿入孔（図示せず）が穿設された円筒状の基部４ａ，５ａと、基部４ａ，５ａの外周面から径方向外方に突設され、かつ軸方向に延設されて、周方向に等角ピッチで２つ設けられた突極４ｂ，５ｂと、から構成されている。第１および第２回転子コア４，５は、周方向に半突極ピッチずらして、隔壁６を介して相対して互いに密接して配置され、それらの回転軸挿入孔に挿通された回転軸２に固着されて構成されている。そして、回転子３は、回転軸２の両端を軸受（図示せず）に支持されてハウジング１３内に回転自在に配設されている。

固定子コア８は、所定形状に成形された多数枚の磁性鋼板を積層一体化して作製された第１および第２固定子コア９，１０を備える。第１固定子コア９は、円筒状のコアバック９ａと、コアバック９ａの内周面から径方向内方に突設されて周方向に等角ピッチで６つ設けられたティース９ｂと、を備える。内周側に開口するスロット９ｃが、コアバック９ａと隣り合うティース９ｂとにより画成されている。第２固定子コア１０は、第１固定子コア９と同一形状に作製され、円筒状のコアバック１０ａと、コアバック１０ａの内周面から径方向内方に突設されて周方向に等角ピッチで６つ設けられたティース１０ｂと、を備える。内周側に開口するスロット１０ｃが、コアバック１０ａと隣り合うティース１０ｂとにより画成されている。第１および第２固定子コア９，１０は、ティース９ｂ，１０ｂの周方向位置を一致させて、かつ隔壁６の軸方向厚み分離間して、それぞれ第１および第２回転子コア４，５を囲繞するように、ハウジング１３内に配設されている。

固定子コイル１１は、導体線をスロット９ｃ，１０ｃを跨がないで軸方向に相対して対をなすティース９ｂ，１０ｂに巻回した、いわゆる集中巻き方式に巻回された３相の相コイルを有する。つまり、固定子コイル１１は、軸方向に相対する６対のティース９ｂ、１０ｂに対して順次Ｕ，Ｖ，Ｗの３相を２回繰り返して集中巻きに巻回して構成されている。そして、各相の相コイルのコイルエンドは、互いに、周方向に関して交差した重なりを持っていない。

界磁コイル１２は、導体線を円筒状に巻回した円筒状コイルであり、第１および第２固定子コア９，１０のコアバック９ａ，１０ａ間に介装されている。
ハウジング１３は、鉄などの塊状磁性体で作製され、第１固定子コア９のコアバック９ａの外周面と第２固定子コア１０のコアバック外周面とに密接するように配設され、軸方向磁路形成部材を構成している。

ついで、このように構成された回転機１の動作について図３を参照しつつ説明する。図３はこの発明の実施の形態１に係る回転機における磁束の流れを説明するための一部破断斜視図である。

界磁コイル１２に通電されると、図３に矢印で示されるように、磁束が第１固定子コア９のティース９ｂから第１回転子コア４の突極４ｂに入り、第１回転子コア４内を径方向内方に流れ、その後磁束の一部が基部４ａ及び隔壁６内を軸方向に流れ、磁束の残部が回転軸２内を軸方向に流れる。そして、磁束は、第２回転子コア５に入り、第２回転子コア５内を径方向外方に流れ、第２回転子コア５の突極５ｂから第２固定子コア１０のティース１０ｂに入り、第２固定子コア１０内を径方向外方に流れ、ハウジング１３内を軸方向に流れ、第１固定子コア９に戻る。この時、第１および第２回転子コア４，５の突極４ｂ，５ｂが周方向に半突極ピッチずれているので、磁束は、軸方向から見ると、Ｎ極とＳ極とが周方向に交互に配置されたように作用する。これにより、回転機１は、軸方向に連設した２極のＮ極と２極のＳ極とからなる４極の回転子３に対して６スロットの集中巻き方式の固定子コイル１１を有する磁気誘導子型同期回転機として動作する。

つぎに、この実施の形態１による鉄損低減効果について図４および図５を参照しつつ説明する。図４はこの発明の実施の形態１に係る回転機の動作を説明する正面図、図５は比較例としての回転機の動作を説明する正面図である。ここで、固定子のスロット開口幅θｓは、回転軸の軸心と直交する平面上で、スロット開口の周方向両端と回転軸の軸心とを結ぶ線分のなす角度（中心角）で表される。また、回転子の突極幅βｒは、回転軸の軸心と直交する平面上で、突極の外周面の周方向両端と回転軸の軸心とを結ぶ線分のなす角度（中心角）で表される。そして、比較例の回転機１００では、固定子７のスロット開口幅θｓが回転子３Ａの突極幅βｒより大きく形成されている。なお、図５では、説明の便宜上、図４で示した回転機と同一または相当部分には同一符号を付している。また、図４および図５では、磁束量の大小関係を矢印の太さで表している。

まず、図５に示される比較例としての回転機１００について説明する。
回転子３Ａの回転に伴い、突極４ｂは、図５の（ａ）に示されるティース９ｂと対向する状態から、図５の（ｂ）に示されるスロット９ｃの開口と対向する状態を経て、図５の（ｃ）に示される隣のティース９ｂに対向する状態に移行する。

図５の（ａ）に示される状態では、突極４ｂがティース９ｂと対向しているので、固定子７と回転子３Ａとの間の磁気抵抗は小さい。そこで、界磁コイル１２が作る磁束は、ハウジング１３から第１固定子コア９に入り、第１固定子コア９内を径方向内方に流れ、突極４ｂとティース９ｂとの間の空隙を介して突極４ｂに入る。ついで、磁束は、第１回転子コア４内を径方向内方に流れ、その磁束の一部が基部４ａおよび隔壁６を軸方向に流れ、磁束の残部が回転軸２内を軸方向に流れる。ついで、磁束は、図示していないが、第２回転子コア５に入り、径方向外方に流れ、突極５ｂから第２固定子コア１０に入り、第２固定子コア１０内を径方向外方に流れ、ハウジング１３を軸方向に流れて、第１固定子コア９に戻る。このように、界磁コイル１２を周回する磁路が形成される。このとき、図５の（ａ）に太い矢印で示されるように、第１および第２固定子コア９，１０および第１および第２回転子コア４、５内を径方向に流れる磁束量、および回転軸２およびハウジング１３内を軸方向に流れる磁束量は多い。

そして、回転子３Ａが回転し、突極４ｂがスロット９ｃの開口と対向する位置となると、磁束はティース９ｂの内周端の周方向端部から突極４ｂに入ることになり、固定子７と回転子３Ａとの間の磁気抵抗が著しく大きくなる。これにより、界磁コイル１２が作る磁束量が急激に減少し、図５の（ｂ）に細い矢印で示されるように、第１および第２固定子コア９，１０および第１および第２回転子コア４，５内を径方向に流れる磁束量、および回転軸２およびハウジング１３内を軸方向に流れる磁束量は少なくなる。

さらに、回転子３Ａが回転し、突極４ｂがティース９ｂと対向する位置となると、固定子７と回転子３Ａとの間の磁気抵抗が小さくなる。そこで、図５の（ｃ）に太い矢印で示されるように、第１および第２固定子コア９，１０および第１および第２回転子コア４，５内を径方向に流れる磁束量、および回転軸２およびハウジング１３内を軸方向に流れる磁束量が多くなる。
このように、比較例の回転機１００においては、第１および第２固定子コア９，１０および第１および第２回転子コア４，５内を径方向に流れる磁束成分、および回転軸２およびハウジング１３内を軸方向に流れる磁束成分が大きく変動する。

ここで、第１および第２固定子コア９，１０が磁性鋼板の積層体で構成されているので、第１および第２固定子コア９，１０を径方向に流れる磁束成分の変動による渦電流の発生が抑制され、鉄損として大きな問題とはならない。同様に、第１および第２回転子コア４，５を径方向に流れる磁束成分の変動も、鉄損として大きな問題とはならない。
しかし、磁性鋼板の積層体は、回転軸２およびハウジング１３を軸方向に流れる磁束成分の増減（変動）によりその積層面内に渦電流を発生し、大きな鉄損となる。また、磁性鋼板の積層体に代えて、樹脂コーティングされた鉄粉を圧縮成型した圧粉鉄心を用いた場合でも、導電率があるので、磁束変動に起因して渦電流損やヒステリシス損などの鉄損が生じてしまう。

この実施の形態１による回転機１では、図４に示されるように、回転子３の突極幅βｒが固定子７のスロット開口幅θｓより大きく形成されている。
そこで、回転子３の回転に伴い、突極４ｂは、図４の（ａ）に示されるティース９ｂと対向する状態から、図４の（ｂ）に示される隣り合う２つのティース９ｂと対向する状態を経て、図４の（ｃ）に示される隣のティース９ｂに対向する状態に移行する。
このように、回転子３が回転しても、突極４ｂは常にティース９ｂと対向する状態となっているので、回転子３と固定子７との間の磁気抵抗を小さく保つことができ、磁束量の変動が最小限に制限される。

従って、この実施の形態１によれば、渦電流の要因となる軸方向に流れる磁束量の変動が少なくなり、渦電流の発生が抑制され、高効率の回転機を実現できる。
また、回転子３での発熱は、回転軸２を介して軸受に伝達され、軸受での潤滑油やグリースの熱劣化をもたらし、軸受寿命の短縮をもたらす。そして、高周波駆動される超高速回転運転では、回転子３での発熱が顕著となる。しかし、この実施の形態１によれば、渦電流の発生が抑制され、回転子３での発熱が少なくなる。
そこで、本回転機１を超高速回転が要求される電動アシストターボなどのモータに適用すれば、超高速回転における軸共振の問題もなく、かつ軸受の長寿命化が図られる。

つぎに、回転子の突極幅βｒの制約について図６および図７を参照しつつ説明する。図６は突極幅βｒを１００°とした回転子の構造を説明する図であり、図６の（ａ）はその正面図、図６の（ｂ）は回転子を周方向に展開した展開平面図である。図７は突極幅βｒを６０°とした回転子の構造を説明する図であり、図７の（ａ）はその正面図、図７の（ｂ）は回転子を周方向に展開した展開平面図である。なお、図６の（ａ）および図７の（ａ）では、隔壁６が省略されている。

図６に示される回転子３Ｂは、突極数Ｎｒが２であり、突極幅βｒが１００°である。図６（ａ），（ｂ）に重なり部δで示されるように、第１回転子コア４の突極４ｂ（Ｎ極）の一部と第２回転子コア５の突極５ｂ（Ｓ極）の一部とが軸方向に重なっている。この重なり部δは軸方向に積分すると、有効な磁極として作用せず、トルクに寄与しない無効な軸方向成分の漏れ磁束４０を発生する。この漏れ磁束４０は、トルクに寄与しないだけでなく、回転機の各磁路を磁気飽和せしめてトルクに寄与する有効磁束を減じて、出力を低下させる。また、この無効な漏れ磁束４０の量が、回転子３Ｂの位置により変化するため、鉄損の要因となり、問題となる。

この損失発生メカニズムを以下に説明する。
重なり部δが第１固定子コア９のティース９ｂと対向する位置にくると、第１固定子コア９のティース９ｂから第１回転子コア４の突極４ｂおよび第２回転子コア５の突極５ｂを経て第２固定子コア１０のティース１０ｂに至る経路で軸方向の漏れ磁束４０が流れる。この経路の磁気抵抗は小さいので、この漏れ磁束４０の磁束量は大きく、しかもその磁束の成分は軸方向成分が主となる。そして、重なり部δが第１固定子コア９のスロット９ｃと対向する位置にくると、突極４ｂとティース９ｂとの間の磁気抵抗が大きくなるので、この漏れ磁束４０の磁束量は小さく、かつその磁束の成分は周方向成分と径方向成分とが主となる。したがって、漏れ磁束４０は回転子位置が変化すると、磁束量の大きさが３次元ベクトル的に変動する。

その結果、特に、軸方向磁束成分が変動することが問題である。なぜならば、この漏れ磁束４０の変動は回転子および固定子の積層体部位のうち、特に空隙近傍において生じるが、軸方向磁束成分の増減に起因して発生する渦電流は、積層鉄心の面内を流れるため、回転子および固定子を積層体で構成することによる効果が得られない。また、本回転機のように集中巻き方式磁気誘導子型回転機において、重なり部δで発生する磁束は、主磁束の一部であるため、磁束量が大きく、かつ高周波数で変動する。その結果、軸方向磁束成分の変動が大きな鉄損となる。

図７に示される回転子３は、突極数Ｎｒが２であり、突極幅βｒが６０°である。図７（ａ），（ｂ）からわかるように、この回転子構造では、第１回転子コア４の突極４ｂ（Ｎ極）と第２回転子コア５の突極５ｂ（Ｓ極）との軸方向の重なり部δがなくなっている。そこで、この回転子３では、第１回転子コア４の突極４ｂと第２回転子コア５の突極５ｂとの軸方向の重なり部δが形成されていないので、上述の漏れ磁束４０が発生せず、鉄損を低減することができる。

これらのことから、集中巻き方式の固定子コイルを備えた磁気誘導子型回転機を超高速回転運転させる場合には、１８０／Ｎｒ＞βｒ＞θｓを満足するように回転子を構成することが望ましい。但し、回転子の突極数Ｎｒは、回転子の極数（総突極数）の半分の値に相当する。つまり、回転子の突極数Ｎｒは第１回転子コア４（第２回転子コア５）の突極数である。

なお、上記実施の形態１では、回転子の突極数が２（回転子の極数が４）、固定子のスロット数が６の回転機について説明しているが、回転子の突極数および固定子のスロット数はこれに限定されるものではない。

例えば、３相の集中巻き方式の固定子コイルを備えた回転機では、３の倍数のスロット数を選択できる。しかし、回転子の突極数と固定子のスロット数との最大公約数が１であると、径方向磁気吸引力が大きくなり、振動騒音が発生する。また、回転子の突極数と固定子のスロット数とが等しい場合には、３相モータとして成立しない。また、固定子のスロット数が少ないほど、固定子コイルのコイル数が減り、固定子の高量産性、低コスト化を期待できる。これらのことから、固定子のスロット数を、６，９，１２の中から選択することが現実的である。これに対応した回転子の突極数としては、重量的なアンバランスが生じることが自明である１を除くと、２若しくは４、３若しくは６、４若しくは８などが考えられる。

従って、固定子のティース数をＮｓ、回転子の突極数をＮｒ、回転子の突極幅をβｒ、固定子のスロットの開口幅をθｓとしたときに、
Ｎｓ＝３×（Ｎ＋１）
Ｎｒ＝Ｍ×（Ｎ＋１）
１８０／Ｎｒ＞βｒ＞θｓ
を満足するように、回転機を設計することが望ましい。但し、Ｍ＝１，２、Ｎ＝１，２，３である。

なお、上記実施の形態１では、ハウジング１３を塊状磁性体で作製して軸方向磁路形成部材として用いるものとしているが、鉄などの塊状磁性体で作製された円筒形や断面円弧形の部材をコアバック９ａ，１０ａの外周面同士を連結するように架設して軸方向磁路形成部材を構成するようにしてもよい。この場合、ハウジングは磁性体で作製する必要はなく、ステンレスなどの金属や樹脂で作製すればよい。

実施の形態２．
図８はこの発明の実施の形態２に係る回転機を示す一部破断斜視図である。なお、図８において、固定子コイルは省略されている。
図８において、第１固定子コア９Ａは、円筒状のコアバック９ａと、コアバック９ａの内周面から径方向内方に突設されて周方向に等角ピッチで６つ設けられたティース９ｂと、を備える。そして、鍔部９ｄが各ティース９ｂの内周端部から周方向の両側に延設され、スロット９ｃの開口幅を縮小している。第２固定子コア１０Ａは、第１固定子コア９Ａと同一形状に作製され、鍔部１０ｄが各ティース１０ｂの内周端部から周方向の両側に延設され、スロット１０ｃの開口幅を縮小している。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。

このように構成された回転機１Ａは、上記実施の形態１の回転機１と同様に、固定子７Ａのティース数Ｎｓが６、回転子３の突極数Ｎｒが２であり、１８０／Ｎｒ＞βｒ＞θｓを満足している。
従って、この実施の形態２においても、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。
また、この実施の形態２では、鍔部９ｄ、１０ｄをティース９ｂ，１０ｂの内周端部から周方向の両側に延設しているので、突極幅βｒを大きくできないような場合でも、βｒ＞θｓを満足する固定子の設計が容易となる。

実施の形態３．
図９はこの発明の実施の形態３に係る回転機を示す一部破断斜視図である。なお、図９において、固定子コイルは省略されている。
図９において、界磁手段としての第１永久磁石４１が第１固定子コア９Ａのコアバック９ａの外周面とハウジング１３との間に密接状態に介装され、着磁方向４３が径方向内方に向くように着磁配向されている。また、界磁手段としての第２永久磁石４２が第２固定子コア１０Ａのコアバック１０ａの外周面とハウジング１３との間に密接状態に介装され、着磁方向４３が径方向外方に向くように着磁配向されている。
なお、他の構成は上記実施の形態２と同様に構成されている。

このように構成された回転機１Ｂは、界磁コイル１２に代えて、第１および第２永久磁石４１，４２を用いており、上記実施の形態１の回転機１と同様に動作する。
従って、この実施の形態３においても、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。

ここで、第１および第２永久磁石４１，４２には、例えば、磁束密度の高いネオジウム・鉄・ボロン磁石やサマリウムコバルト磁石などの焼結された希土類磁石が用いられる。そして、第１および第２永久磁石４１，４２として希土類磁石を使用した場合、磁石自身も導電性をもっているので、回転子３の突極と固定子７Ａのティースとの相対位置の変化により回転子３と固定子７Ａとの間の磁気抵抗が変動することにより、即ち第１および第２永久磁石４１，４２の動作点が変わり、磁石自身を貫き磁石磁束量が変動することにより、磁石内部に渦電流を発生することになる。磁石部が損失による温度上昇すると、熱減磁の問題が懸念される。この観点から、界磁手段として永久磁石を用いる場合には、損失面のみならず、磁石信頼性を確保する上でも、１８０／Ｎｒ＞βｒ＞θｓを満足するように設計することが望ましい。

なお、上記実施の形態３では、第１および第２固定子コアの両コアバックの外周に永久磁石を配設するものとしているが、永久磁石は第１および第２固定子コアの少なくとも一方のコアバックの外周に配設すればよい。
また、上記実施の形態１〜３では、一対の第１および第２固定子コアにより固定子コアを構成するものとして説明しているが、固定子コアは複数対の第１および第２固定子コアをティースの周方向位置を一致させて軸方向に同軸に配列して構成してもよい。この場合、回転子も、複数対の第１および第２回転子コアを、第１回転子コア同士の突極の周方向位置を一致させて、かつ第２回転子コア同士の突極の周方向位置を一致させて同軸に配列して構成することになる。

実施の形態４．
図１０はこの発明の実施の形態４に係る自動車用過給器を有するシステム構成図である。
図１０において、本システムでは、エンジン２１の回転トルクにより駆動される発電電動機２５と、エンジン２１の排気システムに接続された自動車用過給器としての電動アシストターボ３０と、を備える。
発電電動機２５は、プーリ２６をエンジン２１のクランクシャフト２２に固着されたプーリ２３にベルト２４を介して連結されている。発電電動機２５は、ベルト２４を介して伝達されたエンジン２１の駆動力を交流電力に変換する。この交流電力は、発電電動機２５のプーリ２６と反対側に一体に取り付けられたインバータ２７により直流電力に変換され、バッテリ２９を充電するとともに、車載負荷（図示せず）に供給される。

電動アシストターボ３０は、エンジン２１の排気系統３６に配設されたタービン３１と、タービン３１の回転軸３２に固着され、エンジン２１の吸気系統３５に配設されたコンプレッサ３３と、回転軸３２に同軸に取り付けられた超高速回転機３４と、を有する。超高速回転機３４は、発電機能と電動機能とを備え、発電電動機２５のインバータ２７と大電流配線２８を介して電気的に接続されている。

このように構成された電動アシストターボ３０の動作について説明する。
まず、通常状態では、吸気ガスＡが、吸気系統３５を介してエンジン２１に供給され、エンジン２１の内部で燃焼される。燃焼後の排気ガスＢが、排気系統３６を介して外部に排気される。タービン３１は、排気系統３６を流通する排気ガスＢにより駆動される。これにより、タービン３１の回転軸３２に固着されたコンプレッサ３３が回転駆動され、吸気ガスＡが大気圧以上に過給される。

そして、例えば、車両の運転者がアクセル操作によって加速しようとした場合、エンジン２１が所定の回転数以上となり、かつ排気ガスＢが十分な流体パワーを得るまでの間の１〜２秒程度は、十分な動力をタービン３１に与えることができず、コンプレッサ３３の反応が遅れ、いわゆるターボラグという現象を生じる。そこで、バッテリ２９の直流電力がインバータ２７により交流電力に変換されて、大電流配線２８を介して超高速回転機３４に供給され、超高速回転機３４が駆動される。これにより、ターボラグが生じる低速で、排気ガスＢの流体パワーが十分に得られない場合でも、駆動力が回転軸３２に印加され、コンプレッサ３３を迅速に駆動でき、ターボラグの発生が抑制される。

また、車両の高速走行、或いは高負荷走行時には、排気ガスＢは電動アシストターボ３０に対して必要な動力以上の流体エネルギーを有する。その場合、超高速回転機３４を発電機として動作させ、インバータ２７を回生モードで動作させることにより、バッテリ２９および車載負荷に電力を供給することができる。

このように、電動アシストターボ３０では、超高速回転機３４を追加することで、ターボの性能を飛躍的に向上させることができるが、従来の永久磁石式同期回転機を超高速回転機３４に適用すると、界磁手段としての磁石の保持の問題が発生する。この磁石の保持の問題を回避するために、分布巻き方式の固定子コイルを備えた従来の磁気誘導子型回転機を超高速回転機３４に適用すると、固定子コイルのコイルエンドの軸方向長さが長くなり、回転軸を軸支する軸受間距離が長くなり、軸共振の問題が発生する。

この軸共振の問題を回避するために、集中巻き方式の固定子コイルを備えた従来の磁気誘導子型回転機を超高速回転機３４に適用すると、軸方向磁束量の変動による鉄損が発生し、超高速回転機３４の各部が発熱する。そして、電動アシストターボ３０のように高温環境下で動作する場合には、高温の環境温度に加え、超高速回転機３４自身が発熱し、超高速回転機３４の温度が一層高温となる。この超高速回転機３４の熱が回転軸３２を介して軸受に伝達され、軸受での潤滑油やグリースの熱劣化をもたらし、軸受寿命の短縮をもたらす。このように、集中巻き方式の固定子コイルを備えた従来の磁気誘導子型回転機を超高速回転機３４に適用する場合には、大規模な冷却機構を設けるなどしないと成立せず、現実的ではなかった。

本回転機１は、集中巻き方式の固定子コイルを備えているので、軸受間距離を短くでき、軸剛性を高めて、超高速回転動作時における軸共振の問題を回避することができる。また、本回転機１は、軸方向磁束量の変動を極めて小さくできるので、鉄損が小さくなり、回転機１自身の発熱を抑えることができる。従って、本回転機１を超高速回転機３４に適用することにより、軸共振の問題がなく、大規模な冷却機構を設ける必要のない、高性能、かつ小型の電動アシストターボ３０を安価に実現することができる。

なお、上記実施の形態４では、本回転機を流体移送装置としての電動アシストターボの超高速回転機に適用するものとして説明しているが、本回転機は、電動アシストターボに限らず、超高速回転運転される流体移送装置、例えば、遠心ファンを高速に回転させる掃除機やジェットタオル（乾燥機）などのモータに適用することができる。

また、上記各実施の形態では、固定子鉄心のティースが周方向に等角ピッチで配列されており、スロット開口の周方向中心の配列ピッチが等角ピッチとなっている。しかし、スロット開口の周方向中心の配列ピッチは必ずしも等角ピッチである必要はなく、不等ピッチであってもよい。この場合、例えば、ティースの配列ピッチやティースの周方向幅を変えることで、スロット開口の周方向中心の配列ピッチを不等ピッチとすることができる。さらには、ティースの先端に周方向に延出する鍔部を設け、その鍔部の周方向の延出長さを変えることで、スロット開口の周方向中心の配列ピッチを不等ピッチにすることができる。

また、上記各実施の形態では、全てのスロットの開口幅が等しく形成されているものとして説明されているが、各スロットの開口幅が第１および第２回転子コアの突極幅より小さく形成されていれば、全てのスロットの開口幅は必ずしも等しくする必要はない。

Claims (7)

1. 内周側に開口するスロットを画成するティースが円筒状のコアバックの内周面から径方向内方に突設されて周方向に並べて複数配設されてなる同一形状に作製された第１固定子コアおよび第２固定子コアを、軸方向に所定距離離反して、かつ上記ティースの周方向位置を一致させて同軸に配置して構成された固定子コア、および上記固定子コアに集中巻きに巻装された固定子コイルを有する固定子と、
   突極が周方向に等角ピッチで配設されてなる同一形状に作製された第１回転子コアおよび第２回転子コアを、それぞれ上記第１固定子コアおよび上記第２固定子コアの内周側に位置させ、かつ互いに周方向に半突極ピッチずらして回転軸に同軸に固着された回転子と、
   上記固定子に配設され、上記第１回転子コアの突極と上記第２回転子コアの突極とが異なる極性となるように界磁磁束を発生する界磁手段と、
   上記第１固定子コアのコアバック外周面と上記第２固定子コアのコアバック外周面とを連結するように軸方向に延設された軸方向磁路形成部材と、を備え、
   上記界磁手段が発生した上記界磁磁束が、上記第１固定子コアから上記第１回転子コアの突極に入り、該第１回転子コアおよび上記回転軸を軸方向に流れて上記第２回転子コアに入り、該第２回転子コアの突極から上記第２固定子コアに入り、上記軸方向磁路形成部材を軸方向に流れて該第１固定子コアに戻る磁路が構成され、
   上記第１回転子コアおよび上記第２回転子コアの突極の突極幅βｒが、上記固定子の上記スロットの開口幅θｓより大きく構成されていることを特徴とする磁気誘導子型回転機。
2. 上記第１回転子コアおよび上記第２回転子コアの突極の突極幅βｒが、（１８０／Ｎｒ）°（但し、Ｎｒは上記第１回転子コアおよび上記第２回転子コアの各突極数である）より小さく構成されていることを特徴とする請求項１記載の磁気誘導子型回転機。
3. 上記界磁手段は上記第１固定子コアおよび上記第２固定子コアの少なくとも一方のコアバックと上記軸方向磁路形成部材との間に配設された永久磁石であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の磁気誘導子型回転機。
4. 上記界磁手段は上記第１固定子コアと上記第２固定子コアのコアバック間に介装された円筒状コイルであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の磁気誘導子型回転機。
5. 上記第１固定子コア、上記第２固定子コア、上記第１回転子コア、および上記第２回転子コアが磁性鋼板を積層して作製され、上記回転軸、および上記軸方向磁路形成部材が塊状磁性体で作製されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の磁気誘導子型回転機。
6. 上記第１固定子コアおよび上記第２固定子コアの各ティース数Ｎｓが、Ｎｓ＝３×（Ｎ＋１）を満足し、上記第１回転子コアおよび上記第２回転子コアの各突極数Ｎｒが、Ｎｒ＝Ｍ×（Ｎ＋１）を満足するように構成されている（但し、Ｍは１，２、Ｎは１，２，３である）ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の磁気誘導子型回転機。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の上記磁気誘導子型回転機をモータとして用いた流体移送装置。

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