JP5919999B2 - ステータ、回転電機、および電動車両 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機のステータ、回転電機、および回転電機を備える電動車両に関し、特に、ステータの磁気特性の改善に関する。

ハイブリッド自動車、電気自動車、電気機関車等の電動車両や、産業用工作機械、産業用ロボット、昇降機等の動力機械には、電動機または発電機として動作する回転電機が用いられている。回転電機は、シャフトと共に回転するロータ、およびロータとの間で電磁力を作用するステータを備える。ロータには、円柱形状に形成され側面に磁極が配置されたものがある。これに対応するステータは、ロータの側面を囲み、ロータの磁極との間で電磁気的な作用を及ぼし合う。

回転電機が電動機として用いられる場合、ステータは、ロータの側面の周りに回転磁界を発生し、ロータは回転磁界に応じてトルクを発生し回転する。また、回転電機が発電機として用いられる場合、ロータはシャフトから与えられたトルクによって回転し、ステータは、ロータの磁極に基づく回転磁界によって誘導起電力を発生する。

以下の特許文献１および２には回転電機が記載されている。これらの特許文献に記載されている回転電機のステータは、磁性体で形成された環状のコアと、コアによって貫かれた複数のトロイダルコイルを備える。複数のトロイダルコイルは、コアの形状に沿って環状に配置されている。各トロイダルコイルは、コアの周りを周回させた導線を有し、導線が形成する環がコアによって貫かれている。

特開２００９−１３６０４６号公報 特開２０１０−２２６８０８号公報

特許文献１および２に示されている回転電機においては、ステータを構成するコア等の部材に磁性体が用いられている。このような磁性部材は、その形状によっては、外部から与える磁界を大きくしても、磁性部材内の磁束密度が増加しないという磁気飽和が生じ易くなる。ステータにおいて磁気飽和が生じると、電動機の場合にはトルクが減少し、発電機の場合には発電電力が減少するという問題が生じる。

本発明は、回転電機に設けられるステータの磁気飽和を生じ難くすることを目的とする。

本発明は、環状コアと、前記環状コアにトロイダル巻きされたコイルと、前記環状コアから延びるティースと、を備え、前記ティースは、前記環状コアから第１方向に延びる第１ティース部を有し、前記ティースは、前記環状コアから第２方向に延びる第２ティース部を有し、前記第２ティース部の前記環状コアからの長さは、前記第１ティース部の前記環状コアからの長さよりも短く、前記環状コアと前記ティースとの接触面積は、前記第１ティース部の前記第１方向に直交する断面積よりも大きく、前記第１方向は、前記環状コアの内側に向かう方向であり、前記第２方向は、前記第１方向とは異なる方向であり、前記第２ティース部は、前記第１ティース部と隣接し、前記第１ティース部と前記環状コアとの境界から前記第２方向に、前記第１ティース部に対して突出する、回転電機に用いられる。

また、本発明は、環状コアと、前記環状コアにトロイダル巻きされたコイルと、前記環状コアから延びるティースと、を備え、前記ティースは、前記環状コアから第１方向に延びる第１ティース部を有し、前記ティースは、前記環状コアから第２方向に延びる第２ティース部を有し、前記第２ティース部の前記環状コアからの長さは、前記第１ティース部の前記環状コアからの長さよりも短く、前記環状コアと前記ティースとの接触面積は、前記第１ティース部の前記第１方向に直交する断面積よりも大きく、前記第１方向は、前記第２方向とは異なる方向であり、前記第２ティース部は、前記第１ティース部と隣接しており、前記ティースは、前記環状コアから第３方向に延びる第３ティース部を有し、前記第２ティース部の前記環状コアからの長さは、前記第３ティース部の前記環状コアからの長さよりも短く、前記第２ティース部は、前記第１ティース部および前記第３ティース部の間に設けられ、前記第２ティース部は、前記第３ティース部と隣接している。

また、本発明に係るステータは、望ましくは、前記環状コアのトロイダル方向における前記第１ティース部の位置は、前記トロイダル方向における前記第３ティース部の位置と等しく、前記環状コアのポロイダル方向における前記第１ティースの位置は、前記ポロイダル方向における前記第３ティース部の位置と異なり、前記第１方向は、前記環状コアの表面に直交する方向であり、前記第３方向は、前記環状コアの表面に直交する方向である。

また、本発明に係るステータは、望ましくは、前記第１方向は、前記第３方向と直交する方向である。

また、本発明に係るステータは、望ましくは、前記第２ティース部の先端は、前記環状コア部に向かって凹んでいる。

また、本発明に係るステータは、前記ティースは、前記環状コアのトロイダル方向に複数設けられ、前記ティースは、前記トロイダル巻きされたコイルの間に設けられる。

また、本発明に係る回転電機は、ロータと、前記ステータと、を備え、前記第１方向は、前記環状コアから前記ロータに向かう方向である。

また、本発明に係る車両は前記回転電機を備える。

本発明によれば、回転電機に設けられるステータの磁気飽和を生じ難くすることができる。

第１実施形態に係る回転電機の断面図である。 ラジアルロータの一部およびステータの一部を示す斜視図である。 ステータの断面を示す図である。 ステータの断面を示す図である。 第２実施形態に係る回転電機の断面図である。 ラジアルロータ、ステータ、および磁石ホルダのそれぞれの一部、ならびに、永久磁石を示す斜視図である。 ラジアルロータ、ステータ、および磁石ホルダのそれぞれの一部、ならびに、永久磁石を分解して示した図である。 ステータの断面を示す図である。 ステータの断面を示す図である。 ステータの断面を示す図である。 ステータの断面を示す図である。 トルク向上率のシミュレーション結果を示す図である。 トルク向上率のシミュレーション結果を示す図である。 第３実施形態に係る回転電機の断面図である。 ステータの断面を示す図である。 ステータの断面を示す図である。

図１には本発明の第１実施形態に係る回転電機の断面図が模式的に示されている。図１においては、左方向がｘ軸の正方向として、上方向がｙ軸の正方向として定義されている。この回転電機は、筐体１０に固定されたステータ１２と、シャフト１４と共に回転するラジアルロータ１６との間の電磁気的な作用により、電動機または発電機として動作する。

ラジアルロータ１６は、円柱形状に形成されたロータコア１８、およびロータコア１８の内部においてｘ軸方向に延びる永久磁石２０を備える。ロータコア１８の中心軸の位置には、ロータコア１８を貫くシャフト１４が固定されている。図１には、２つの永久磁石２０が描かれているが、ラジアルロータ１６の内部には、ロータコア１８の側面形状に沿って複数の永久磁石２０が配置されている。筐体１０は、筒状の胴体部１０Ａ、および胴体部１０Ａを両側から塞ぐシャフト受け部１０Ｂを備える。筐体１０は、ラジアルロータ１６およびステータ１２を収納する。シャフト１４は、両側のシャフト受け部１０Ｂに開けられたシャフト穴を貫通し、各シャフト受け部１０Ｂによって回転自在に支持されている。

図２は、ラジアルロータ１６の一部およびステータ１２の一部を示す斜視図である。図２においては、上方向がｘ軸の正方向として、右方向がｙ軸の正方向として定義されている。ラジアルロータ１６は、例えば、外周側に開いたＶ字（ハの字）を描くよう配置された帯状の永久磁石２０を備える。ラジアルロータ１６には、Ｖ字状に配置された２つの永久磁石２０を１つの永久磁石対２０Ｐとして、複数の永久磁石対２０Ｐがロータの側面形状に沿って配置されている。永久磁石対２０Ｐをなす２つの永久磁石２０のそれぞれの磁力線の方向は、Ｖ字の内側方向または外側方向に揃えられ、隣接する永久磁石対２０Ｐは互いに磁力線Ｈｒが逆向きとなるように配置されている。このような構成によって、ラジアルロータ１６の側面には、外周方向に沿ってＳ極、Ｎ極、Ｓ極、・・・というように、Ｎ極およびＳ極の磁極が交互に現れ、ラジアルロータ１６の側面は筒形状の磁極配置面をなす。なお、ここでは、２つの永久磁石をＶ字状に配置した永久磁石対２０Ｐを用いた例について説明した。各永久磁石の配置はこれに限られず、ラジアルロータ１６の側面に適切な磁極が現れる配置であればよい。

ステータ１２は、ラジアルロータ１６の側面を環状に囲むステータコア２２、および、ステータコア２２に固定された複数のトロイダルコイル２４を備える。図３には、周方向にステータ１２を見た断面が示されている。図３の上下方向は、回転電機のシャフト１４の長手方向（ｘ軸方向）に対応し、左方向および右方向は、それぞれ、ステータ１２の外側方向および内側方向に対応する。以下の説明におけるその他のステータの断面図についても同様に方向が定義される。

ステータコア２２は、ラジアルロータ１６の側面を環状に囲む環状コア２６、および、環状コア２６からラジアルロータ１６の方向に延びてトロイダルコイル２４から突出するラジアルティース部２８を備え、磁性体で形成されている。環状コア２６については、環状（トーラス状）の中空部を囲む方向が、トロイダル方向Ｔとして定義されている。また、トロイダル方向Ｔに垂直な断面内で周回する方向がポロイダル方向Ｐとして定義されている。

ステータコア２２は、さらに、ラジアルティース部２８と環状コア２６との境界から上方向に突出する矩形状の追加ティース部３０Ｕ、および、ラジアルティース部２８と環状コア２６との境界から下方向に突出する矩形状の追加ティース部３０Ｌを備える。追加ティース部３０Ｕおよび３０Ｌのそれぞれの長さは、望ましくは、ラジアルティース部２８が環状コア２６から延びる長さよりも短くする。

ラジアルティース部２８、追加ティース部３０Ｕおよび３０Ｌによって、ステータコア２２のティース３１が形成される。ティース３１は、環状コア２６から突出した部位全体であり、トロイダルコイル２４の導線が巻かれていない部位である。トロイダルコイル２４は、環状コア２６の周りをポロイダル方向に周回させてトロイダル巻きされた導線を有し、導線が形成する環が環状コア２６によって貫かれている。

図３に示されるラジアルティース部２８、追加ティース部３０Ｕ、追加ティース部３０Ｌおよびトロイダルコイル２４の個々の構成によって、ステータ１２が備える複数のトロイダルコイル２４は、環状コア２６のトロイダル方向に配置される。そして、隣接するトロイダルコイル２４の間には、ティース３１が設けられ、ラジアルティース部２８の先端縁がラジアルロータ１６の側面に対向する。

このような構成によれば、トロイダルコイル２４に鎖交する磁束は各ティース部に集中する。これによって、図３に示されるように、環状コア２６を通ってトロイダルコイル２４を貫き、ラジアルティース部２８を通ってその先端縁からラジアルロータ１６に向かう磁力線Ｈｓ、または、その逆向きの磁力線で表される磁束が大きくなる。ラジアルティース部２８とラジアルロータ１６との間の磁束の作用により、回転電機は電動機または発電機として動作する。

回転電機が電動機として動作する場合、各トロイダルコイル２４に流れる電流の位相の制御によって、ラジアルロータ１６の側面の周りに回転磁界が発生する。これによって、ステータ１２とラジアルロータ１６の磁極との間に電磁力が作用し、ラジアルロータ１６およびシャフト１４にトルクが発生する。また、回転電機が発電機として動作する場合、シャフト１４およびラジアルロータ１６の回転によってステータ１２の内側に生じた回転磁界に基づいて、各トロイダルコイル２４に誘導起電力が発生し、各トロイダルコイル２４から引き出された導線から交流電力が得られる。

一般に、環状コアに複数のティースが接合され、隣接するティースの間にコイルの導線が設けられるステータでは、ティースと環状コアとの境界断面において磁気飽和が生じ易い。本実施形態に係るステータ１２によれば、次に説明する原理に基づき磁気飽和が生じ難くなる。

本実施形態に係るステータ１２においては、ティース３１と環状コア２６との接触面積が、ラジアルティース部２８と環状コア２６との接触面積よりも大きくなる。すなわち、ラジアルティース部２８が環状コア２６と接する区間Ｋ１における接触面積をＳ１とし、追加ティース部３０Ｕおよび追加ティース部３０Ｌのそれぞれが環状コア２６とが接する区間Ｋ２における接触面積をＳ２とした場合、ティース３１の接触面積は、Ｓ１＋２・Ｓ２となる。したがって、ティース３１の接触面積は、ラジアルティース部２８の接触面積２・Ｓ２よりも大きくなる。別の観点からは、ラジアルティース部２８と環状コア２６との境界断面を通る磁路に加えて、追加コア部３０Ｕおよび３０Ｌを通る磁路が形成され、ラジアルティース部２８と環状コア２６との境界断面に磁束が集中することが回避されるといえる。また、ラジアルティース２８から環状コア２６に至る磁路の磁気抵抗は減少する。これによって、ラジアルティース部２８に磁束が集中することが回避され、ティース３１における磁気飽和が生じ難くなる。

より一般的には、本実施形態の構成および技術的思想は次のように説明される。ステータ１２が備えるティース３１は、第１ティース部としてラジアルティース部２８を備え、第２ティース部として追加ティース部３０Ｕおよび３０Ｌを備える。ラジアルティース部２８が環状コア２６から延びる方向を第１方向として、ラジアルティース部２８に隣接する追加ティース部３０Ｕおよび３０Ｌは、第１方向とは異なる方向に延びる。各追加ティース部の長さは、望ましくは、ラジアルティース部２８が環状コア２６から延びる長さよりも短くする。この構成によって、ティース３１と環状コア２６との接触面積は、ラジアルティース部２８と環状コア２６との接触面積（第１方向に直交する方向のラジアルティース部２８の断面積）よりも大きくなる。これによって、第１ティース部としてのラジアルティース部２８に磁束が集中することが回避され、ティース３１における磁気飽和が生じ難くなる。なお、追加ティース部３０Ｕおよび３０Ｌは両方を備えている必要はなく、いずれか一方のみを備えていれば磁気飽和が生じ難くなるという効果が得られる。

なお、上記では、環状コア２６を通ってトロイダルコイル２４を貫き、ラジアルティース部２８を通ってその先端縁からラジアルロータ１６に向かう磁力線Ｈｓ、または、その逆向きの磁力線について説明した。このような磁力線によって表される磁束の他、ステータ１２には、環状コア２６を通ってトロイダルコイル２４を貫き、ラジアルティース部２８を通らずにラジアルロータ１６から反れた方向に向かう磁力線、または、その逆向きの磁力線によって表される磁束が生じることがある。このような漏れ磁束は、ラジアルロータ１６に物理的な作用をもたらさない。そのため、漏れ磁束は、回転電機を電動機として用いる場合にはトルクの減少の原因となり、発電機として用いる場合には、発電電力の減少の原因となる。

本実施形態に係るステータ１２においては、追加ティース部３０Ｕおよび３０Ｌが上下方向に突出しているため、漏れ磁束が生じることがある。そこで、図４に示されるように、追加ティース部３０Ｕおよび３０Ｌの形状は、角を凹ませた形状としてもよい。各追加ティース部を凹ませる形状は、例えば、弧状とする。このように追加ティース部３０Ｕおよび３０Ｌの形状を、外形を凹ませた欠損部分を有する形状とすることで、図３に示される形状に比べて、環状コア２６から上下方向へ向かう磁束、および、上下方向から環状コア２６に向かう磁束が低減され、漏れ磁束が低減される。

なお、ステータ１２においては、必ずしも総てのトロイダルコイル２４の間にこれらの追加ティース部を備えていなくてもよい。さらに、追加ティース部の形状は矩形に限られず、その他の多角形、円形、楕円形等であってもよい。

図５には本発明の第２実施形態に係る回転電機の断面図が模式的に示されている。この 回転電機では、円柱形状のラジアルロータ１６に加えて、円板形状の２つのアキシャルロータ３２Ａおよび３２Ｂが用いられている。ラジアルロータ１６は、第１実施形態に係る回転電機のラジアルロータ１６と同様の構成を有する。図１〜図４に示される構成要素と同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。

２つのアキシャルロータ３２Ａおよび３２Ｂは、ラジアルロータ１６の両端を挟む位置に、ラジアルロータ１６の側面に対して板面が垂直になる向きに配置されている。アキシャルロータ３２Ａおよび３２Ｂのそれぞれの中心には、ラジアルロータ１６と共通のシャフト１４が貫き固定され、アキシャルロータ３２Ａおよび３２Ｂは、シャフト１４およびラジアルロータ１６と共に回転する。アキシャルロータ３２Ａおよび３２Ｂは、円板部材３４、磁性体で形成された磁石ホルダ３６、および永久磁石３８を備える。磁石ホルダ３６は、円板部材３４のラジアルロータ１６側の板面に固定され、ラジアルロータ１６側に永久磁石３８を保持する。

図６は、ラジアルロータ１６、ステータ４０、および磁石ホルダ３６のそれぞれの一部、ならびに、永久磁石３８を示す斜視図である。また、図７は、これらの部材の分解斜視図である。ステータ４０は、ラジアルロータ１６の側面を環状に囲むステータコア４２、および、ステータコア４２に固定された複数のトロイダルコイル２４を備える。磁石ホルダ３６は環状に形成され、ステータ４０の上下においてステータ４０に対向する。上側の磁石ホルダ３６には、周方向に沿ってＮ極およびＳ極が下向きに交互に現れるよう、複数の永久磁石３８が固定されている。下側の磁石ホルダ３６には、周方向に沿ってＮ極およびＳ極が上向きに交互に現れるよう、複数の永久磁石３８が固定されている。

図８には、トロイダル方向にステータ４０を見た断面が示されている。ステータコア４２は、環状コア２６、ラジアルティース部２８、アキシャルティース部４４Ｕおよび４４Ｌを備え、磁性体で形成されている。環状コア２６は環状に形成され、ラジアルロータ１６の側面を囲む。ラジアルティース部２８は、環状コア２６からラジアルロータ１６の方向に延びてトロイダルコイル２４から突出する。また、アキシャルティース部４４Ｕは、環状コア２６から上側の磁石ホルダ３６の方向に延びてトロイダルコイル２４から突出し、アキシャルティース部４４Ｌは、環状コア２６から下側の磁石ホルダ３６の方向に延びてトロイダルコイル２４から突出する。

ステータコア４２は、アキシャルティース部４４Ｕと環状コア２６との境界からステータ４０の外側に突出する矩形状の外側追加ティース部４６Ｕ、および、アキシャルティース部４４Ｌと環状コア２６との境界からステータ４０の外側に突出する矩形状の外側追加ティース部４６Ｌを備える。外側追加ティース部４６Ｕおよび４６Ｌのそれぞれの長さは、望ましくは、アキシャルティース部４４Ｕおよび４４Ｌのそれぞれが環状コア２６から延びる長さよりも短くする。

ステータコア４２は、さらに、アキシャルティース部４４Ｕとラジアルティース部２８とが形成する角に充填され、環状コア２６から張り出した充填追加ティース部４８Ｕを備える。図８に示される例では、充填追加ティース部４８Ｕにおける、アキシャルティース部４４Ｕとラジアルティース部２８との間の縁は直線である。同様に、ステータコア４２は、アキシャルティース部４４Ｌとラジアルティース部２８とが形成する角に充填され、環状コア２６から張り出した充填追加ティース部４８Ｌを備える。図８に示される例では、充填追加ティース部４８Ｌにおける、アキシャルティース部４４Ｌとラジアルティース部２８との間の縁は直線である。充填追加ティース部４８Ｕおよび４８Ｌのそれぞれが、環状コア２６から張り出す距離は、望ましくは、アキシャルティース部４４Ｕ、４４Ｌ、およびラジアルティース部２８のそれぞれの長さよりも小さくする。

アキシャルティース部４４Ｕ、４４Ｌ、およびラジアルティース部２８、外側追加ティース部４６Ｕ、４６Ｌ、充填追加ティース部４８Ｕおよび４８Ｌによって、ステータコア４２のティース４７が形成される。ティース４７は、環状コア２６から突出した部位全体であり、トロイダルコイル２４の導線が巻かれていない部位である。

このような構成によれば、トロイダルコイル２４に鎖交する磁束は、各ティース部に集中する。これによって、環状コア２６を通ってトロイダルコイル２４を貫き、ラジアルティース部２８を通ってその先端縁からラジアルロータ１６に向かう磁力線Ｈｓ１、または、その逆向きの磁力線で表される磁束が大きくなる。また、環状コア２６を通ってトロイダルコイル２４を貫き、各アキシャルティース部を通って各先端縁から各アキシャルロータに向かう磁力線Ｈｓ２、または、その逆向きの磁力線で表される磁束が大きくなる。

ラジアルティース部２８とラジアルロータ１６との間の磁束の作用、および、各アキシャルティース部と各アキシャルロータとの間の磁束の作用により、回転電機は電動機または発電機として動作する。

回転電機が電動機として動作する場合、各トロイダルコイル２４に流れる電流の位相の制御によって、ラジアルロータ１６の側面の周りに回転磁界が発生し、ステータ４０とラジアルロータ１６の磁極との間に電磁力が作用する。同時に、アキシャルロータ３２Ａおよび３２Ｂの磁石ホルダ３６に沿って回転磁界が発生し、ステータ４０とアキシャルロータ３２Ａおよび３２Ｂの磁極との間に電磁力が作用する。これによって、ラジアルロータ１６、アキシャルロータ３２Ａ、３２Ｂおよびシャフト１４にトルクが発生する。

また、回転電機が発電機として動作する場合、シャフト１４およびラジアルロータ１６の回転によってステータ４０の内側に生じた回転磁界に基づいて、さらに、シャフト１４、アキシャルロータ３２Ａおよび３２Ｂの回転によってステータ４０の上下に生じた回転磁界に基づいて、各トロイダルコイル２４に誘導起電力が発生し、各トロイダルコイル２４から引き出された導線から交流電力が得られる。

本実施形態に係るステータ４０においては、充填追加ティース部４８Ｕおよび４８Ｌを備える。これによって、ラジアルティース部２８と環状コア２６との境界断面を通る磁路に加えて、充填追加ティース部４８Ｕを通る磁路および充填追加ティース部４８Ｌを通る磁路が形成され、ラジアルティース部２８と環状コア２６との境界断面に磁束が集中することが回避される。すなわち、ラジアルティース部２８から環状コア２６に至る磁路の磁気抵抗が減少する。これによって、ラジアルティース部２８と環状コア２６との境界断面における磁気飽和が生じ難くなる。

また、本実施形態に係るステータ４０においては、充填追加ティース部４８Ｕおよび４８Ｌの他、外側追加ティース部４６Ｕおよび外側追加ティース部４６Ｌを備える。これによって、アキシャルティース部４４Ｕと環状コア２６との境界断面を通る磁路に加えて、外側追加ティース部４６Ｕを通る磁路および充填追加ティース部４８Ｕを通る磁路が形成され、アキシャルティース部４４Ｕと環状コア２６との境界断面に磁束が集中することが回避される。すなわち、アキシャルティース部４４Ｕから環状コア２６に至る磁路の磁気抵抗が減少する。これによって、アキシャルティース部４４Ｕと環状コア２６との境界断面における磁気飽和が生じ難くなる。同様の原理に基づき、外側追加ティース部４６Ｌおよび充填追加ティース部４８Ｌの作用により、アキシャルティース部４４Ｌと環状コア２６との境界断面における磁気飽和が生じ難くなる。

より一般的には、本実施形態の構成および技術的思想は次のように説明される。ステータコア４２が備えるティース４７は、第１ティース部としてラジアルティース部２８を備え、第２ティース部として充填追加ティース部４８Ｕおよび４８Ｌを備える。さらに、ティース４７は、第３ティース部としてアキシャルティース部４４Ｕおよび４４Ｌを備える。ラジアルティース部２８が環状コア２６から延びる方向を第１方向として、ラジアルティース部２８およびアキシャルティース部４４Ｕの間にある充填追加ティース部４８Ｕは、第１方向とは異なる方向に環状コア２６から延びる。同様に、ラジアルティース部２８およびアキシャルティース部４４Ｌの間にある充填追加ティース部４８Ｌは、第１方向とは異なる方向に環状コア２６から延びる。各充填追加ティース部が環状コア２６から延びる長さは、望ましくは、ラジアルティース部２８が環状コア２６から延びる長さ、および、各アキシャルティース部が環状コア２６から延びる長さよりも短くする。この構成によって、第１ティース部と環状コア２６との接触断面、および、第２ティース部と環状コア２６との接触断面の他、第３ティース部に磁路が形成され、第１ティース部に磁束が集中することが回避される。これによって、ティース４７における磁気飽和が生じ難くなる。

また、図８に示されるティース４７およびトロイダルコイル２４の個々の構成によって、ステータコア４２が備える複数のトロイダルコイル２４は、環状コア２６のトロイダル方向に配置される。そして、隣接するトロイダルコイル２４の間には、ティース４７が設けられる。すなわち、隣接するトロイダルコイル２４の間における、第１ティース部としてのラジアルティース部２８と、第３ティース部としての各アキシャルティース部とは、環状コア２６のトロイダル方向における等しい位置にある。そして、ラジアルティース部２８の位置と、各アキシャルティース部との位置は、ラジアルロータ１６および各アキシャルロータの位置に基づいており、環状コア２６のポロイダル方向におけるこれらのティース部の位置は異なっている。図８の例では、ラジアルティース部２８と各アキシャルロータとは、互いに直交するよう配置されている。

なお、本実施形態においては、図９（ａ）に示されるように、外側追加ティース部を備えず、充填追加ティース部４８Ｕおよび４８Ｌのみを備える構成としてもよい。また、図９（ｂ）に示されるように、充填追加ティース部４８Ｕおよび４８Ｌを、トロイダルコイル２４を塞ぐ形状としてもよいし、図９（ｃ）に示されるように矩形としてもよい。さらに、図９（ｄ）に示されるように、充填追加ティース部４８Ｕおよび４８Ｌを凹ませた形状としてもよい。充填追加ティース部４８Ｕおよび４８Ｌを凹ませる形状は、例えば、弧状とする。

図９（ａ）〜（ｄ）に示された形状では、外側追加ティース部を備えていない。これによって、トロイダルコイル２４からステータ４０の外側への漏れ磁束が抑制される。また、図９（ｄ）に示された形状では、図９（ａ）〜（ｃ）に示された形状に比べて、トロイダルコイル２４から内側斜め上方向および内側斜め下方向への漏れ磁束が減少する。図９（ａ）〜（ｄ）に示されたステータ４０によれば、図８に示されたステータ４０に比べて、外側方向への漏れ磁束による回転電機の性能劣化が抑制される。

本実施形態においては、図１０（ａ）に示されるように、充填追加ティース部を備えず、外側追加ティース部４６Ｕおよび４６Ｌのみを備える構成としてもよい。また、図１０（ｂ）に示されるように、外側追加ティース部４６Ｕおよび４６Ｌの角を凹ませた形状としてもよい。外側追加ティース部４６Ｕおよび４６Ｌを凹ませる形状は、例えば、弧状とする。

図１０（ａ）および１０（ｂ）に示された形状では、充填追加ティース部を備えていないため、トロイダルコイル２４から内側斜め上方向および内側斜め下方向への漏れ磁束が抑制される。また、図１０（ｂ）に示された形状では、図１０（ａ）に示された形状に比べて、トロイダルコイル２４から外側方向への漏れ磁束が減少する。図１０（ａ）および（ｂ）に示されたステータによれば、図８に示されたステータに比べて、内側斜め上方向および内側斜め下方向への漏れ磁束による回転電機の性能劣化が抑制される。

なお、磁気飽和および漏れ磁束の両者の影響を抑制する形状として、図１１に示されるように、外側追加ティース部４６Ｕおよび４６Ｌ、ならびに、充填追加ティース部４８Ｕおよび４８Ｌを備え、各追加ティース部の角を凹ませた形状を採用してもよい。

図１２には、回転電機を電動機として動作させた場合のトルク向上率のシミュレーション結果が示されている。この表では、充填追加ティース部および外側追加ティース部のいずれも備えていないステータ（追加ティース部なし）、図９（ｄ）のステータ（充填追加ティース部のみ）、図１０（ｂ）のステータ（外側追加ティース部のみ）、および、図１１のステータ（充填追加ティース部および外側追加ティース部を備えるステータ）について、トルク向上率が示されている。トルクは、ラジアルロータのトルク、アキシャルロータのトルク、および全トルクに分類されている。ただし、追加ティース部を備えていないステータのトルク向上率を０％とし、充填追加ティース部および外側追加ティース部を備えるステータの全トルクについてのトルク向上率を１００％としている。

ラジアルロータのトルクについては、充填追加ティース部のみの場合、充填追加ティース部および外側追加ティース部を備える場合、外側追加ティース部のみの場合の順にトルクが大きい。また、 アキシャルロータのトルクについては、充填追加ティース部および外側追加ティース部を備える場合、外側追加ティース部のみの場合、充填追加ティース部のみの場合の順にトルクが大きい。そして、全トルクについては、充填追加ティース部および外側追加ティース部を備える場合、充填追加ティース部のみの場合、外側追加ティース部のみの場合の順にトルクが大きい。

この順位は、充填追加ティース部および外側追加ティース部による次のような作用に基づくものである。すなわち、充填追加ティース部は、ラジアルティース部と環状コアとの境界断面、および、アキシャルティース部と環状コアとの境界断面における磁気飽和を抑制する一方で、内側斜め上方向および内側斜め下方向への漏れ磁束を増加させる。また、外側追加ティース部は、アキシャルティース部と環状コアとの境界断面における磁気飽和を抑制する一方で、外側方向への漏れ磁束を増加させる。これらの作用の組み合わせによるトルクの増減によって、表に示される例のように、トルクの大小関係が定まる。

図１３には、トルク向上率についての別のシミュレーション結果が示されている。グラフに付されている符号（ａ）〜（ｆ）は、それぞれ、図１３（ａ）〜（ｆ）に示されたステータの形状に対応する。図１３（ａ）および（ｂ）に示されるステータは、充填追加ティース部を備える。図１３（ａ）の充填追加ティース部は、その縁をアキシャルティース部とラジアルティース部を結ぶ直線としたものである。この直線は、アキシャルティース部の内側の縁の中点と、ラジアルティース部の上側の縁の中点とを結んでいる。図１３（ｂ）の追加ティース部は、矩形状に形成されたものである。この矩形は、アキシャルティース部の内側の縁の中点から内側に延びた辺と、ラジアルティース部の横方向の各縁の中点から上下に延びた辺からなる。

図１３（ｃ）〜（ｅ）に示されるステータは、外側追加ティース部を備える。図１３（ｅ）に示されるステータは、外側追加ティース部の外側の端をトロイダルコイルの外周に揃えたものである。図１３（ｃ）に示されるステータは、外側追加ティース部の外側方向への長さを、図１３（ｅ）の外側追加ティース部の長さの１／３としたものである。図１３（ｄ）に示されるステータは、外側追加ティース部の外側方向への長さを、図１３（ｅ）の外側追加ティース部の長さの２／３としたものである。

図１３（ｆ）に示されるステータは、充填追加ティース部として図１３（ａ）と同様の形状を有するものを採用し、外側追加ティース部として、図１３（ｃ）と同様の形状を有するものを採用したものである。図１３（ｇ）に示されるステータは、外側追加ティース部および充填追加ティース部のいずれも備えていないものである。なお、以下の説明では、図１３（ａ）〜（ｇ）に示されたステータを、それぞれ、ステータ（ａ）〜（ｇ）と称する。

図１３のグラフにおいては、ステータ（ｇ）についてのトルク向上率を０％とし、ステータ（ｆ）についてのトルク向上率を１００％としている。グラフに示されているように、ステータ（ｂ）に比べてステータ（ａ）の方がトルクが大きい。その理由は、ステータ（ａ）の方がステータ（ｂ）よりも、内側斜め上方向および内側斜め下方向への漏れ磁束が小さいためであると考えられる。また、ステータ（ｃ）に比べてステータ（ｂ）の方がトルクが大きい。その理由は、ステータ（ｂ）における充填追加ティース部の効果が、ステータ（ｃ）における外側追加ティース部の効果を上回ったためであると考えられる。また、ステータ（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）の順にトルクが大きい。その理由は、ステータ（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）の順に外側方向への漏れ磁束が小さいためであると考えられる。

さらに、ステータ（ａ）〜（ｄ）および（ｆ）のいずれも、ステータ（ｇ）に比べてトルクが大きい。その理由は、外側追加ティース部または充填追加ティース部によって、磁気飽和が抑制されているためであると考えられる。また、ステータ（ｅ）はステータ（ｇ）に比べてトルクが小さい。その理由は、外側方向への漏れ磁束が増加するためであると考えられる。ステータ（ｆ）は、外側追加ティース部および充填追加ティース部の両者の効果が得られる形状であり、ステータ（ａ）〜（ｆ）の中で最もトルクが大きい。

なお、外側追加ティース部および充填追加ティース部は、必ずしも総てを備えていなくてもよい。また、必ずしも総てのトロイダルコイル２４の間にこれらの追加ティース部を備えていなくてもよい。さらに、外側追加ティース部の形状は矩形に限られず、その他の多角形、円形、楕円形等であってもよい。また、充填追加ティース部の縁は、直線に限られず任意の曲線であってもよい。

また、上記では、２つのアキシャルロータを用いる回転電機について説明したが、回転電機はいずれか一方のアキシャルロータを用いる構成としてもよい。この場合、ステータは、一方向のみにアキシャルティース部を設けた構成とすればよい。

図１４には本発明の第３実施形態に係る回転電機の断面図が模式的に示されている。この回転電機では、円柱形状のラジアルロータ１６に加えて、円筒容器形状のシリンダロータ５０が用いられている。ラジアルロータ１６は、第１実施形態に係る回転電機のラジアルロータ１６と同様の構成を有する。図１〜図４に示される構成要素と同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。

シリンダロータ５０は、側壁部材５２、円板部材５４、磁石ホルダ５６、および永久磁石５８を備える。側壁部材５２は円筒形状に形成されており、一方の開口が円板部材５４によって塞がれている。側壁部材５２および円板部材５４は、非磁性体で形成されている。側壁部材５２の内側の壁面には、壁面に沿った環形状を有する磁石ホルダ５６が固定されている。磁石ホルダ５６には、その周方向に沿ってＮ極およびＳ極が交互にシリンダロータ５０の内側に向けられるよう、複数の永久磁石５８が保持されている。シリンダロータ５０は、ステータ６０およびラジアルロータ１６を覆い、磁石ホルダ５６に保持された永久磁石５８は、ステータ６０の外周に対向する。円板部材５４の中心には、ラジアルロータ１６と共通のシャフト１４が貫き固定され、シリンダロータ５０は、シャフト１４およびラジアルロータ１６と共に回転する。

図１５には、ステータ６０のトロイダル方向を見た断面が示されている。本実施形態に係るステータ６０は、図１〜図４に示される第１実施形態のステータ１２に対し、外側に延びてトロイダルコイル２４から突出する外側ラジアルティース部６４Ｂを追加したものである。ステータコア６２は、環状コア２６、内側ラジアルティース部６４Ａおよび外側ラジアルティース部６４Ｂを備え、磁性体で形成されている。環状コア２６は、環状に形成され、ラジアルロータ１６の側面を囲む。内側ラジアルティース部６４Ａは、環状コア２６からラジアルロータ１６の方向に延びてトロイダルコイル２４から突出し、外側ラジアルティース部６４Ｂは、環状コア２６からシリンダロータ５０の磁石ホルダ５６の方向に延びてトロイダルコイル２４から突出する。

ステータコア６２は、内側ラジアルティース部６４Ａと環状コア２６との境界から上下に突出する矩形状の追加ティース部６６Ａを備える。また、ステータコア６２は、外側ラジアルティース部６４Ｂと環状コア２６との境界から上下方向に突出する矩形状の追加ティース部６６Ｂを備える。

このような構成によれば、トロイダルコイル２４に鎖交する磁束は、内側ラジアルティース部６４Ａおよび外側ラジアルティース部６４Ｂに集中する。これによって、環状コア２６を通ってトロイダルコイル２４を貫き、内側ラジアルティース部６４Ａを通ってその先端縁からラジアルロータ１６に向かう磁力線Ｈｓ３、または、その逆向きの磁力線で表される磁束が大きくなる。同様に、環状コア２６を通ってトロイダルコイル２４を貫き、外側ラジアルティース部６４Ｂを通ってその先端縁からシリンダロータ５０に向かう磁力線Ｈｓ４、または、その逆向きの磁力線で表される磁束が大きくなる。

内側ラジアルティース部６４Ａとラジアルロータ１６との間の磁束の作用、および、外側ラジアルティース部６４Ｂとシリンダロータ５０との間の磁束の作用により、回転電機は電動機または発電機として動作する。

回転電機が電動機として動作する場合、各トロイダルコイル２４に流れる電流の位相の制御によって、ラジアルロータ１６の側面の周りに回転磁界が発生し、ステータ６０とラジアルロータ１６の磁極との間に電磁力が作用する。同時に、シリンダロータ５０の磁石ホルダ５６に沿って回転磁界が発生し、ステータ６０とシリンダロータ５０の磁極との間に電磁力が作用する。これによって、ラジアルロータ１６、シリンダロータ５０およびシャフト１４にトルクが発生する。

また、回転電機が発電機として動作する場合、シャフト１４およびラジアルロータ１６
の回転によってステータ６０の内側に生じた回転磁界に基づいて、さらに、シャフト１４およびシリンダロータ５０の回転によってステータ６０の外側に生じた回転磁界に基づいて、各トロイダルコイル２４に誘導起電力が発生し、各トロイダルコイル２４から引き出された導線から交流電力が得られる。

本実施形態に係るステータ６０においては、追加ティース部６６Ａを備える。これによって、内側ラジアルティース部６４Ａと環状コア２６との境界断面を通る磁路に加えて、追加ティース部６６Ａを通る磁路が形成され、内側ラジアルティース部６４Ａと環状コア２６との境界断面に磁束が集中することが回避される。すなわち、内側ラジアルティース部６４Ａから環状コア２６に至る磁路の磁気抵抗が減少する。これによって、内側ラジアルティース部６４Ａと環状コア２６との境界断面における磁気飽和が生じ難くなる。同様の原理に基づき、追加ティース部６６Ｂの作用により、外側ラジアルティース部６４Ｂと環状コア２６との境界断面における磁気飽和が生じ難くなる。

なお、ここでは、矩形の追加ティース部６６Ａおよび６６Ｂについて説明したが、図１６に示されるように、これらの追加ティース部は角を凹ませた形状としてもよい。追加ティース部６６Ａおよび６６Ｂを凹ませる形状は、例えば、弧状とする。このような形状によれば、図１６の上下方向の漏れ磁束が低減される。

また、追加ティース部６６Ａおよび６６Ｂは、これらの総てを備えていなくてもよい。そして、必ずしも総てのトロイダルコイル２４の間にこれらの追加ティース部を備えていなくてもよい。さらに、追加ティース部の形状は矩形に限られず、その他の多角形、円形、楕円形等であってもよい。

上記では、第１実施形態として、ラジアル面（回転軸に直交する方向においてティースの先端が対向する磁極配置面）を１面とした回転電機を取り上げた。また、第２実施形態として、ラジアル面を１面とし、アキシャル面（回転軸方向においてティースの先端が対向する磁極配置面）を２面とした回転電機を取り上げた。そして、第３実施形態として、ラジアル面を２面とした回転電機を取り上げた。

このような構成の他、アキシャル面を１面とした構成、アキシャル面を２面とした構成等も可能である。アキシャル面を１面とする場合、図５に示される回転電機において、ロータ１６を用いず、さらに、アキシャルロータ３２Ａおよび３２Ｂのうちいずれか一方を用いないものとする。そして、ステータコアにおいては、１方向にアキシャルティース部が延びるティースを設ければよい。また、アキシャル面を２面とする場合、図５に示される回転電機において、ロータ１６を用いないものとする。そして、ステータコアにおいては、２方向にアキシャルティース部が延びるティースを設ければよい。

より一般的に本発明は、２つのアキシャル面、および、２つのラジアル面のうち少なくとも１つを任意に採用した回転電機に対して用いることが可能である。ティースには、ロータの磁極配置面の方向に延びるティース部を備えるものを用いればよい。

上述の各実施形態に係る回転電機では、角が丸められた矩形の形状のトロイダルコイルが採用されているが、トロイダルコイルは環状のその他の形状のものを採用してもよい。例えば、ティースが延びる方向に辺を有する多角形の形状のトロイダルコイルを採用してもよい。

また、上記の各実施形態に係る回転電機では、ティース部と環状コアとの境界から、環状コアのトロイダル方向に垂直な面内で突出した追加ティース部が用いられている。このような平坦な追加ティース部の他、ティースとトロイダルコイルとの間に隙間がある場合には、ティースの厚み方向に突出させた立体的な追加ティース部を採用してもよい。

本発明に係る回転電機は、ハイブリッド自動車、電気自動車等の電動車両に用いてもよい。一般に、電動車両は、繰り返して充放電が可能な二次電池、および電力制御回路が搭載される。回転電機は、例えば、駆動用の電動機および二次電池充電用の発電機として用いられる。この場合、電力制御回路は、運転操作および車両の走行状態に応じて、二次電池から回転電機に供給される駆動電力を制御し、または、回転電機から二次電池に供給される発電電力を制御して二次電池を充電する。

１０ 筐体、１２，４０，６０ ステータ、１４ シャフト、１６ ラジアルロータ、１８ ロータコア、２０，３８，５８ 永久磁石、２２，４２，６２ ステータコア、２４ トロイダルコイル、２６ 環状コア、２８ ラジアルティース部、３１，４７ ティース、３０U，３０Ｌ，６６Ａ，６６Ｂ 追加ティース部、３２A，３２B アキシャルロータ、３４，５４ 円板部材、３６，５６ 磁石ホルダ、４４U，４４Ｌ アキシャルティース部、４６Ｕ，４６Ｌ 外側追加ティース部、４８Ｕ，４８Ｌ 充填追加ティース部、５０ シリンダロータ、５２ 側壁部材、６４Ａ 内側ラジアルティース部、６４Ｂ 外側ラジアルティース部。

Claims (8)

1. 環状コアと、
   前記環状コアにトロイダル巻きされたコイルと、
   前記環状コアから延びるティースと、
   を備え、
   前記ティースは、前記環状コアから第１方向に延びる第１ティース部を有し、
   前記ティースは、前記環状コアから第２方向に延びる第２ティース部を有し、
   前記第２ティース部の前記環状コアからの長さは、前記第１ティース部の前記環状コアからの長さよりも短く、
   前記環状コアと前記ティースとの接触面積は、前記第１ティース部の前記第１方向に直交する断面積よりも大きく、
   前記第１方向は、前記環状コアの内側に向かう方向であり、前記第２方向は、前記第１方向とは異なる方向であり、
   前記第２ティース部は、前記第１ティース部と隣接し、前記第１ティース部と前記環状コアとの境界から前記第２方向に、前記第１ティース部に対して突出する、
   回転電機に用いられるステータ。
2. 環状コアと、
   前記環状コアにトロイダル巻きされたコイルと、
   前記環状コアから延びるティースと、
   を備え、
   前記ティースは、前記環状コアから第１方向に延びる第１ティース部を有し、
   前記ティースは、前記環状コアから第２方向に延びる第２ティース部を有し、
   前記第２ティース部の前記環状コアからの長さは、前記第１ティース部の前記環状コアからの長さよりも短く、
   前記環状コアと前記ティースとの接触面積は、前記第１ティース部の前記第１方向に直交する断面積よりも大きく、
   前記第１方向は、前記第２方向とは異なる方向であり、
   前記第２ティース部は、前記第１ティース部と隣接しており、
   前記ティースは、前記環状コアから第３方向に延びる第３ティース部を有し、
   前記第２ティース部の前記環状コアからの長さは、前記第３ティース部の前記環状コアからの長さよりも短く、
   前記第２ティース部は、前記第１ティース部および前記第３ティース部の間に設けられ、
   前記第２ティース部は、前記第３ティース部と隣接している、ステータ。
3. 前記環状コアのトロイダル方向における前記第１ティース部の位置は、前記トロイダル方向における前記第３ティース部の位置と等しく、
   前記環状コアのポロイダル方向における前記第１ティース部の位置は、前記ポロイダル方向における前記第３ティース部の位置と異なり、
   前記第１方向は、前記環状コアの表面に直交する方向であり、
   前記第３方向は、前記環状コアの表面に直交する方向である、
   請求項２に記載のステータ。
4. 前記第１方向は、前記第３方向と直交する方向である請求項２または請求項３に記載のステータ。
5. 前記第２ティース部の先端は、前記環状コアに向かって凹んでいる、
   請求項２から請求項４のいずれか１項に記載のステータ。
6. 前記ティースは、前記環状コアのトロイダル方向に複数設けられ、前記ティースは、前記トロイダル巻きされたコイルの間に設けられた、
   請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のステータ。
7. ロータと、
   請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のステータと、
   を備え、
   前記第１方向は、前記環状コアから前記ロータに向かう方向である、
   回転電機。
8. 請求項７に記載の回転電機を備える車両。

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