JP6158022B2 - 回転電機、及び車輌 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、回転電機、及びこれを用いた車輌に関する。

横方向磁束型の回転電機は、回転軸を中心に回転可能な回転子と回転子の外周を覆って設けられた固定子を備える。固定子は回転子と同軸に巻かれた巻線とそれを取り囲み円周上に分割して配置された複数のＵ字型の固定子鉄心を備える。この固定子鉄心はＵ字の両端に磁極部を有している。回転子は固定子鉄心の磁極部に対向するように円周上に交互に配置された永久磁石と鉄心を備える。このような回転電機では、巻線に電流を供給することでトルクを発生させる。

しかしながら、従来の横方向磁束型回転電機では、永久磁石と固定子鉄心との間に、回転電機の駆動中にトルクの脈動（トルクリップル）の１つの原因となる吸引力（コギングトルク）が発生する。回転電機を滑らかに駆動するために、このコギングトルクをできる限り小さくすることが望まれている。

特開２０１２−２１７３１２号公報

本発明が解決しようとする課題は、コジングトルクが小さい回転電機、及びこれを用いた車輌を提供することである。

実施形態に係る回転電機は、回転軸を中心として回転方向に巻かれた環状の巻線と、回転方向に所定の間隔を置いて設けられ、それぞれが巻線の一部を取り囲む複数の第１の強磁性体と、を備える固定子と、第１の強磁性体に対して所定の空隙を持って設けられ、回転軸を中心として回転可能な回転子と、を備える。回転子は、回転方向に所定の間隔を置いて設けられた複数の第２の強磁性体と、隣り合う第２の強磁性体の間に回転方向に磁界を形成する磁界形成部とを備える。回転電機は、隣り合う第２の強磁性体の間に設けられ複数の第２の強磁性体の内周側に位置する。

第１の実施形態に係る回転電機を概略的に示す斜視図。 図１に示した回転子及び固定子の断面斜視図。 図１に示した回転子及び固定子の正面図。 第１の実施形態に係る駆動要素を概略的に示す斜視図。 図４に示した回転子及び固定子の断面斜視図。 （ａ）及び（ｂ）は図４に示した回転子及び固定子の部分断面図。 第２の実施形態に係る回転電機を概略的に示す斜視図。 図７に示した回転子及び固定子の断面斜視図。 図７に示した回転子及び固定子の正面図。 第２の実施形態に係る駆動要素を概略的に示す斜視図。 図１０に示した回転子及び固定子の断面斜視図。 （ａ）及び（ｂ）は図１０に示した回転子及び固定子の部分断面図。 第３の実施形態に係る回転電機駆動系を概略的に示すブロック図。 図１３に示した駆動回路部の構成例を示すブロック図。 図１４に示した電機子巻線に流れる電流の一例を示すグラフ。 図１４に示した電機子巻線に流れる電流の他の例を示すグラフ。 第４の実施形態に係る車輌の一例を概略的に示すブロック図。 第４の実施形態に係る車輌の他の例を概略的に示すブロック図。 第４の実施形態に係る車輌のさらに他の例を概略的に示すブロック図。 第４の実施形態に係る車輌のさらにまた他の例を概略的に示すブロック図。 比較例に係る回転子及び固定子の部分断面図。

以下、図面を参照しながら実施形態を説明する。なお、以下の実施形態では、同一の番号を付した部分については同様の動作を行うものとして、重ねての説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る横方向磁束型の回転電機１０を概略的に示す斜視図である。回転電機１０は、図１に示すように、回転軸５、及び回転軸５を回転駆動する複数の（図１では３つの）駆動要素１を備える。これらの駆動要素１は、回転軸５が延伸する方向である軸方向に配置されている。駆動要素１の各々は固定子２及び回転子３を含む。また、３つの駆動要素１は、回転方向の相対位置（位相）関係において、固定子２または回転子３（図１では回転子３）が各駆動要素１間で回転方向に所定の位相差を持たせて設けられている。回転電機１０は、駆動要素１を収容する円筒形状の筐体（図示せず）をさらに備え、回転軸５は、筐体に設けられている１対の軸受けによって回転自在に支持されている。

図２では、回転軸５を通り且つこの回転軸５に平行な仮想面に沿う回転電機１０の断面が示されている。以下では、断面とは、回転軸５を通り且つ回転軸５に平行な仮想平面での断面、すなわち、回転子３の回転方向に垂直な方向に沿った断面を指す。図２に示すように、回転子３は、回転軸５に取り付けられ、回転軸５を介して互いに連結されている。

回転子３は、回転軸５周りに固定子２（後述の複数の固定子鉄心）に対して相対的に回転可能である。固定子２間には非磁性体の連結部材（図示せず）が設けられ、これら連結部材を介して固定子２は互いに連結されている。固定子２は筐体に固定されている。各駆動要素１では、回転子３及び固定子２（後述の固定子鉄心）は、軸方向に垂直な方向である径方向に、空隙を介して対向している。本実施形態では、回転子３は固定子２の内側に位置している。

図３は、回転子及び固定子の概略を示す正面図である。駆動要素１は、固定子２と、この固定子２の内周に所定の空隙ｄを隔てて設けられた回転子３とを備えている。

固定子２は、回転軸５の中心から所定の距離（ｒ１）だけ離れた円筒上に、円周方向（回転方向）に巻かれた環状の巻線４と、円周方向（回転方向）に所定の間隔を置いて巻線４の一部を取り囲むように配置された複数の固定子鉄心（第１の強磁性体）２１を備える。

回転子３は、回転軸５の中心から所定の距離（ｒ３）だけ離れた円筒上に、円周方向（回転方向）に所定の間隔を置いて配置された複数の回転子鉄心（第２の強磁性体）３１と、３つの連続して隣り合う回転子鉄心３１において、１番目と２番目の回転子鉄心３１の間に第１の磁界形成部３２Ａと、２番目と３番目の回転子鉄心３１の間に第２の磁界形成部３２Ｂを備えている。回転子鉄心３１は内周側を非磁性体の環状部材３３に連結されている。

図４は、第１の実施形態に係る駆動要素を概略的に示す斜視図である。３つの連続して隣り合う回転子鉄心３１において、１番目と２番目の回転子鉄心３１の間に第３の磁界形成部３２Ｃを備え、第１の磁界形成部３２Ａと第３の磁界形成部３２Ｃは軸方向に対向しており、２番目と３番目の回転子鉄心３１の間に第４の磁界形成部３２Ｄを備え、第２の磁界形成部３２Ｂと第４の磁界形成部３２Ｄは軸方向に対向している。

図５は、回転子及び固定子の概略を示す断面斜視図である。各固定子鉄心２１は、Ｕ字形状であり、Ｕ字の腕の部分に一対の第１の磁極部２１Ａ及び第２の磁極部２１Ｂを有する。各固定子鉄心２１は第１の磁極部２１Ａ及び第２の磁極部２１Ｂにより巻線４の一部を取り囲んでいる。

第１の磁界形成部３２Ａと第２の磁界形成部３２Ｂは、回転軸５の軸方向の位置を第１の磁極部２１Ａに対応させて、径方向の第１の磁極部２１Ａに近い端部に配置されている。回転子３の回転に応じて第１の磁極部２１Ａと回転子鉄心３１が対向する。また、第３の磁界形成部３２Ｃと第４の磁界形成部３２Ｄは、回転軸５の軸方向の位置を第２の磁極部２１Ｂに対応させて、径方向の第２の磁極部２１Ｂに近い端部に配置されている。回転子３の回転に応じて第２の磁極部２１Ｂと回転子鉄心３１が対向する。

図６（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、回転子３の回転に応じて固定子鉄心２１と回転子鉄心３２が対向する状態となった時点について例示して説明するものであって、それぞれ図４の駆動要素１のＡ−Ａ断面図、Ｂ−Ｂ断面図及びＣ−Ｃ断面図である。

第１の磁界形成部３２Ａと第２の磁界形成部３２Ｂは、隣り合う回転子鉄心３１の側面に例えば接着部材（図示せず）を介して接着固定された永久磁石である。第１の磁界形成部３２Ａと第２の磁界形成部３２Ｂは、回転方向（それぞれ矢印１０３２Ａと１０３２Ｂの向き）に磁界を形成することで磁束を流す。矢印１０３２Ａと１０３２Ｂは互いに回転方向に逆向きである。このとき、第１の磁界形成部３２Ａと第２の磁界形成部３２Ｂを介して固定子鉄心２１と回転子鉄心３１との間で閉じた磁気回路５１Ａと５２Ａを形成する。また、第３の磁界形成部３２Ｃと第４の磁界形成部３２Ｄは、隣り合う回転子鉄心３１の側面に例えば接着部材（図示せず）を介して接着固定された永久磁石である。第３の磁界形成部３２Ｃと第２の磁界形成部３２Ｄは、回転方向（それぞれ矢印１０３２Ｃと１０３２Ｄの向き）に磁束を流し、矢印１０３２Ｃと１０３２Ｄは互いに回転方向に逆向きである。このとき、第３の磁界形成部３２Ｃと第４の磁界形成部３２Ｄを介して固定子鉄心２１と回転子鉄心３１との間で閉じた磁気回路５１Ｂと５２Ｂを形成する。加えて、矢印１０３２Ａと１０３２Ｃが逆向きで、矢印１０３２Ｂと１０３２Ｄが逆向きのため、回転子鉄心３１には強力な磁束が流れる。

なお、第１乃至第４の磁界形成部３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３２Ｄは、各々が隣り合う回転子鉄心３１の側面に対して略垂直な磁化方向を有することが好ましいが、第１の磁界形成部３２Ａが形成する磁界と第２の磁界形成部３２Ｂが形成する磁界が回転子鉄心３１において反発して径方向の外周側（回転子３から固定子２）に向かう磁界が形成されればよい。同様に第３の磁界形成部３２Ｃが形成する磁界と第４の磁界形成部３２Ｄが形成する磁界が回転子鉄心３１において反発して径方向の内周側（固定子２から回転子３）に向かう磁界が形成されればよい。

なお、第１乃至第４の磁界形成部３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３２Ｄは、予め着磁された永久磁石を用いることもできるし、磁界を形成するものであればよい。例えば鉄心と巻線を組み合わせた部材を用いることで巻線に電流を供給して磁界を発生させることもできる。

従来の横方向磁束型回転電機では、図２１に示されるように磁界形成部２３２は矢印１２３２の方向（径方向）に磁界を形成し、磁束は磁界形成部２３２、回転子鉄心２３１、空隙２６２、固定子鉄心２５２、空隙２６２、磁界形成部２３２の磁気回路２５２に沿って流れる。つまり、非通電時でも磁界形成部２３２の磁界が固定子鉄心２５２に作用して、コギングトルクが発生する。通電時はその駆動電流に相当するトルクが発生するが、その中には、コギングトルクと同じ原因で発生するトルクの脈動分（トルクリップル）が存在する。回転時にその脈動分により回転のうねりが生じるが、一般的に高速回転時には脈動分により生じるうねりは小さい。また、コギングトルクが小さければ、一般的にその脈動分は小さく抑えられ、低速時の滑らかな回転を行うためには、コギングトルクが小さくなるように、モータを設計することが重要である。

次に、図６（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）を参照して、各駆動要素１が非通電時にコギングトルクを抑えつつ、通電時に大きいトルクを発生するメカニズムについて説明する。 巻線４に通電しない場合、固定子鉄心２１と回転子鉄心３１は磁気飽和（鉄心内部の磁化量が最大となること）への進行が進まず、第１の磁界形成部３２Ａと第２の磁界形成部３２Ｂによる磁束のほとんどは鉄心経路が大部分を占める磁気回路５１Ａに沿って流れ、大きな空隙を経路に含む磁気回路５２Ａにはほとんど流れない。また、第３の磁界形成部３２Ｃと第４の磁界形成部３２Ｄによる磁束のほとんどは鉄心経路が大部分を占める磁気回路５１Ｂに沿って流れ、大きな空隙を経路に含む磁気回路５２Ｂにはほとんど流れない。この時、磁気回路５１Ａと５１Ｂに沿って流れる磁束は固定子２には作用せず、コギングトルクは発生しない。

巻線４に通電する場合、その電流に起因する磁束が固定子鉄心２１と回転子鉄心３１を経路とする磁気回路５３に沿って流れ、固定子鉄心２１と回転子鉄心３１の磁気飽和への進行が進み、その電流の大きさに応じて顕著になる。磁気飽和になれば、磁束の流れやすさは空隙とほぼ同等となり、第１の磁界形成部３２Ａと第２の磁界形成部３２Ｂによる磁束は磁気回路５２Ａのように、第３の磁界形成部３２Ｃと第４の磁界形成部３２Ｄによる磁束は磁気回路５２Ｂのように小さい経路に沿って流れるようになる。この磁気回路５２Ａ及び５２Ｂに沿って流れる磁束が磁気回路５３に沿って流れる磁束と相互作用することによって、トルクが発生する。

また、巻線４に通電しない場合に、空隙６１（隣り合う回転子鉄心３１の間）と空隙６２（固定子鉄心２１と回転子鉄心３１の間）の大きさの割合で、磁気回路５１Ａと５１Ｂ及び磁気回路５２Ａと５２Ｂに沿って流れる磁束量の割合がおおよそ決まる。空隙６１は径方向ｒの外側に向けて広がっており、ｇ（ｒ）＝ｇ_０＋（ｒ−ｒ_０）ｔａｎ（θ）と簡略化できる（ｇ_０は空隙６１の最も内径側の空隙長を、θは径方向と回転子鉄心３１の長辺との成す角を表し、ｇ（ｒ）の最小値は非磁性の環状部材３３と接する部分でｒ＝ｒ_０、最大値は磁界形成部３２Ａと接する部分でｒ＝ｒ_ｍとする）。径方向ｒにおける微小区間ｄｒから径方向に直交して磁束が空隙６１１に沿って流れるならば、その部分の単位軸長あたりの磁気抵抗はｇ（ｒ）ｃｏｓ（θ）／（μ_０ｄｒ）と表せる（μ_０は真空の透磁率を表す）。空隙６１１は径方向ｒ＝ｒ_０〜ｒ_ｍまで並列になっており、回転子鉄心３１の磁気抵抗の大きさが無視できるとすれば、ｒについて積分することで空隙６１の磁気抵抗Ｒ_ｍ１は、ｓｉｎθ／μ_０ｌｎ（ｇ_ｍ−ｇ_０）となる（ｇ_ｍはｇ（ｒ_ｍ）を表す）。

一方、磁気回路５２Ａと５２Ｂでは、回転位置によって異なるが、少なくとも空隙長ｄを２か所含むため、その磁気抵抗Ｒ_ｍ２は高くても２ｄ／μ_０ｔである（ｔは回転子鉄心３１の周方向の厚さの半分）。したがって、磁気抵抗Ｒ_ｍ１＜＜Ｒ_ｍ２と設計すれば、巻線４に通電しない場合に、磁界形成部３２Ａの磁束はほとんど磁気回路５１Ａを流れる。

また、より単純化して考えるならば、ｇ_０＜＜ｄと設計するのとほぼ同様である。

（第２の実施形態）
第２の実施形態に係る回転電機は、回転子鉄心が磁性体の環状部材に連結されている点が第１の実施形態と異なる。

図７は、第２の実施形態に係る横方向磁束型の回転電機１１０を概略的に示す斜視図である。回転電機１１０は、図７に示すように、回転軸１０５、及び回転軸１０５を回転駆動する複数の（図７では３つの）駆動要素１０１を備える。これらの駆動要素１０１は、回転軸１０５が延伸する方向である軸方向に配置されている。駆動要素１０１の各々は固定子１０２及び回転子１０３を含む。また、３つの駆動要素１０１は、回転方向の相対位置（位相）関係において、固定子１０２または回転子１０３（図７では回転子１０３）が各駆動要素１０１間で回転方向に所定の位相差を持たせて設けられている。回転電機１１０は、駆動要素１０１を収容する円筒形状の筐体（図示せず）をさらに備え、回転軸１０５は、筐体に設けられている１対の軸受けによって回転自在に支持されている。

図８では、回転軸１０５を通り且つこの回転軸１０５に平行な仮想面に沿う回転電機１１０の断面が示されている。以下では、断面とは、回転軸１０５を通り且つ回転軸１０５に平行な仮想平面での断面、すなわち、回転子１０３の回転方向に垂直な方向に沿った断面を指す。図８に示すように、回転子１０３は、回転軸１０５に取り付けられ、回転軸１０５を介して互いに連結されている。回転子１０３は、回転軸１０５周りに回転可能である。固定子１０２間には非磁性体の連結部材（図示せず）が設けられ、これら連結部材を介して固定子１０２は互いに連結されている。固定子１０２は筐体に固定されている。各駆動要素１０１では、回転子１０３及び固定子１０２は、軸方向に垂直な方向である径方向に、空隙を介して対向している。本実施形態では、回転子１０３は固定子１０２の内側に位置している。

図９は、回転子及び固定子の概略を示す正面図である。駆動要素１０１は、固定子１０２と、この固定子１０２の内周に所定の空隙ｄを隔てて設けられた回転子１０３とを備えている。

固定子１０２は、回転軸１０５の中心から所定の距離（ｒ１）だけ離れた円筒上に、円周方向（回転方向）に巻かれた環状の巻線１０４と、円周方向（回転方向）に所定の間隔を置いて巻線１０４の一部を取り囲むように配置された複数の固定子鉄心（第１の強磁性体）１２１を備える。

回転子１０３は、回転軸１０５の中心から所定の距離（ｒ３）だけ離れた円筒上に、円周方向（回転方向）に所定の間隔を置いて配置された複数の回転子鉄心（第２の強磁性体）１３１と、３つの連続して隣り合う回転子鉄心１３１において、１番目と２番目の回転子鉄心１３１の間に第１の磁界形成部１３２Ａと、２番目と３番目の回転子鉄心１３１の間に第２の磁界形成部１３２Ｂを備えている。回転子鉄心１３１は内周側を強磁性体の環状部材１３３（第３の強磁性体）に連結されている。

図１０は、第２の実施形態に係る駆動要素を概略的に示す斜視図である。３つの連続して隣り合う回転子鉄心１３１において、１番目と２番目の回転子鉄心１３１の間に第３の磁界形成部１３２Ｃを備え、第１の磁界形成部１３２Ａと第３の磁界形成部１３２Ｃは軸方向に対向しており、２番目と３番目の回転子鉄心１３１の間に第４の磁界形成部１３２Ｄを備え、第２の磁界形成部１３２Ｂと第４の磁界形成部１３２Ｄは軸方向に対向している。

図１１は、回転子及び固定子の概略を示す断面斜視図である。各固定子鉄心１２１は、Ｕ字形状であり、Ｕ字の腕の部分に一対の第１の磁極部１２１Ａ及び第２の磁極部１２１Ｂを有する。各固定子鉄心１２１は第１の磁極部１２１Ａ及び第２の磁極部１２１Ｂにより巻線１０４の一部を取り囲んでいる。

第１の磁界形成部１３２Ａと第２の磁界形成部１３２Ｂは、回転軸１０５の軸方向の位置を第１の磁極部１２１Ａに対応させて、第１の磁極部１２１Ａに近い端部に配置されている。回転子１０３の回転に応じて第１の磁極部１２１Ａと回転子鉄心１３１が対向する。また、第３の磁界形成部１３２Ｃと第４の磁界形成部１３２Ｄは、回転軸１０５の軸方向の位置を第２の磁極部１２１Ｂに対応させて、第２の磁極部１２１Ｂに近い端部に配置されている。回転子１０３の回転に応じて第２の磁極部１２１Ｂと回転子鉄心１３１が対向する。

図１２（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、回転子１０３の回転に応じて固定子鉄心１２１と回転子鉄心１３２が対向する状態となった時点について例示して説明するものであって、それぞれ図１０の駆動要素１０１のＡ−Ａ断面図、Ｂ−Ｂ断面図及びＣ−Ｃ断面図である。

第１の磁界形成部１３２Ａと第２の磁界形成部１３２Ｂは、隣り合う回転子鉄心１３１の側面に例えば接着部材（図示せず）を介して接着固定された永久磁石である。第１の磁界形成部１３２Ａと第２の磁界形成部１３２Ｂは、回転方向（それぞれ矢印１１３２Ａと１１３２Ｂの向き）に磁界を形成することで磁束を流す。矢印１１３２Ａと１１３２Ｂは互いに回転方向に逆向きである。このとき、第１の磁界形成部１３２Ａと第２の磁界形成部１３２Ｂを介して固定子鉄心１２１と回転子鉄心１３１との間で閉じた磁気回路１５１Ａと１５２Ａを形成する。また、第３の磁界形成部１３２Ｃと第４の磁界形成部１３２Ｄは、隣り合う回転子鉄心１３１の側面に例えば接着部材（図示せず）を介して接着固定された永久磁石である。第３の磁界形成部１３２Ｃと第２の磁界形成部１３２Ｄは、回転方向（それぞれ矢印１１３２Ｃと１１３２Ｄの向き）に磁束を流し、矢印１１３２Ｃと１１３２Ｄは互いに周方向に逆向きである。このとき、第３の磁界形成部１３２Ｃと第４の磁界形成部１３２Ｄを介して固定子鉄心１２１と回転子鉄心１３１との間で閉じた磁気回路１５１Ｂと１５２Ｂを形成する。加えて、矢印１１３２Ａと１１３２Ｃが逆向きで、矢印１１３２Ｂと１１３２Ｄが逆向きのため、回転子鉄心１３１には強力な磁束が流れる。

なお、第１乃至第４の磁界形成部１３２Ａ、１３２Ｂ、１３２Ｃ、１３２Ｄは、各々が隣り合う回転子鉄心１３１の側面に対して略垂直な磁化方向を有することが好ましいが、第１の磁界形成部１３２Ａが形成する磁界と第２の磁界形成部１３２Ｂが形成する磁界が反発して径方向の外周側（回転子１０３から固定子１０２）に向かう磁界が形成されればよい。同様に第３の磁界形成部１３２Ｃが形成する磁界と第４の磁界形成部１３２Ｄが形成する磁界が反発して径方向の内周側（固定子１０２から回転子１０３）に向かう磁界が形成されればよい。

なお、第１乃至第４の磁界形成部１３２Ａ、１３２Ｂ、１３２Ｃ、１３２Ｄは、予め着磁された永久磁石を用いることもできるし、磁界を形成するものであればよい。例えば鉄心と巻線を組み合わせた部材を用いることで巻線に電流を供給して磁界を発生させることもできる。

次に、図１２（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）を参照して、各駆動要素１０１が非通電時にコギングトルクを抑えつつ、通電時に大きいトルクを発生するメカニズムについて説明する。

巻線１０４に通電しない場合、固定子鉄心１２１、回転子鉄心１３１及び磁性体の環状部材１３３は磁気飽和への進行が進まず、第１の磁界形成部１３２Ａと第２の磁界形成部１３２Ｂによる磁束のほとんどは鉄心経路が全区間を占める磁気回路１５１Ａに沿って流れ、大きな空隙を経路に含む磁気回路１５２Ａにはほとんど流れない。また、第３の磁界形成部１３２Ｃと第４の磁界形成部１３２Ｄによる磁束のほとんどは鉄心経路が全区間を占める磁気回路１５１Ｂに沿って流れ、大きな空隙を経路に含む磁気回路１５２Ｂにはほとんど流れない。この時、磁気回路１５１Ａと１５１Ｂに沿って流れる磁束は固定子１０２には作用せず、コギングトルクは発生しない。

第１の実施形態と比較して、磁性体の環状部材１３３があるために、磁気回路１５１Ａと１５１Ｂは磁気回路５１Ａと５１Ｂに比較して小さな磁気回路となり、磁界形成部１３２Ａ、１３２Ｂ、１３２Ｃ、１３２Ｄによる磁束がより流れやすい。そのため、磁気回路１５２Ａと１５２Ｂに沿って流れる磁束がより少なくなり、その結果、コギングトルクをより小さくできる。

巻線１０４に通電する場合、その電流に起因する磁束が固定子鉄心１２１、回転子鉄心１３１及び磁性体の環状部材１３３を経路とする磁気回路１５３に沿って流れ、固定子鉄心１２１、回転子鉄心１３１及び磁性体の環状部材１３３の磁気飽和への進行が進み、その電流の大きさに応じて顕著になる。磁気飽和になれば、磁束の流れやすさは空隙とほぼ同等となり、第１の磁界形成部１３２Ａと第２の磁界形成部１３２Ｂによる磁束は磁気回路１５２Ａのように、第３の磁界形成部１３２Ｃと第４の磁界形成部１３２Ｄによる磁束は磁気回路１５２Ｂのように小さい経路に沿って流れるようになる。この磁気回路１５２Ａ及び１５２Ｂに沿って流れる磁束が磁気回路１５３に沿って流れる磁束と相互作用することによって、トルクが発生する。

なお、第１の実施形態と比較すれば、磁性体の環状部材１３３が回転子鉄心１３１と接しているため、磁気回路１５１Ａと１５１Ｂでは空隙を含まず、磁気抵抗は極めて小さい。そのため、巻線１０４に通電しない場合、そのほぼ全ての磁束は磁気回路１５１Ａと１５１Ｂに沿って流れる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態では、回転電機を駆動するシステムについて説明する。

図１３は、第３の実施形態に係る回転電機駆動系４０１を概略的に示している。回転電機駆動系４０１は、図１３に示すように、回転電機４０２、回転角度検出部４０３、回転制御部４０４、及び駆動回路部４０５を備える。回転電機４０２は、第１と第２の実施形態のいずれかの実施形態に係る回転電機であり得る。

回転角度検出部４０３は、回転電機４０２に含まれる回転子の回転軸周りの回転角度を検出する。一例では、回転角度検出部４０３は、回転電機４０２の回転軸に取り付けられた回転角度センサ４３１の出力信号から回転角度を検出する。他の例では、回転角度検出部４０３は、駆動回路部４０５により出力される電圧及び電流と、回転電機４０２の物理モデルと、を用いて回転角度を検出する。後者の検出方法をセンサレス推定と呼ぶ。

回転制御部４０４は、回転角度検出部４０３から出力された回転角度情報（検出信号ともいう）に基づいて駆動回路部４０５を制御する。具体的には、回転制御部４０４は、回転角度情報と実装された回転制御アルゴリズムとに基づいて駆動回路部４０５に印加すべき電圧を決定し、この電圧を駆動回路部４０５に供給する。

駆動回路部４０５は、回転制御部４０４からの電圧供給及び図示しない電源装置からの電源供給を受け、回転電機４０２の電機子巻線に電流を供給する。例えば、回転電機４０２が第１の実施形態で説明した回転電機１０（図１）である場合、電機子巻線は固定子２の巻線４に対応する。電流の供給により回転電機４０２の回転子にトルクが加わり、回転電機４０２が駆動される。

図１４は、駆動回路部４０５の構成例を概略的に示している。図１４に示される駆動回路部４０５は、スイッチング回路４５０、及びゲートドライブ回路４５３を備える。スイッチング回路４５０は、例えばＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）及びダ
イオードなどを含む複数のスイッチング部４５１を含む。スイッチング部４５１は各相の電機子巻線４２１にブリッジ接続されている。スイッチング部４５１は、ゲートドライブ回路４５３からのパルス信号により駆動される。図１４では、回転電機４０２は三相の回転電機（すなわち、図１に示されるような回転子と固定子を含む駆動要素を３つ含む回転電機）であり、電機子巻線は三相結線を想定している。

なお、回転電機４０２の相数が異なる場合にも、同様にその相数に対応したスイッチング回路４５０を適用できる。また、電機子巻線４２１に電力増幅回路（図示せず）を適用してもよい。

図１５は、三相結線をした電機子巻線４２１に流れる電流の一例を示す。図１５では、スイッチング回路４５０を用いたＰＷＭ（pulse width modulation）制御を適用した場合、或いは、電力増幅回路（図示せず）の出力を適用した場合における三相電流４６１を示している。実際は三相電流４６１にはノイズが含まれるが、図１５には、位相が１２０度ずつ異なる基本波成分のみが示されている。この基本波の周波数に対応した速度で回転子は駆動される。

図１６は、三相結線をした電機子巻線４２１に流れる電流の他の例を示す。図１６では、スイッチング回路４５０を用いたパルス制御を行い、それぞれ位相が１２０度異なる矩形波状の三相電流４７１を供給している。

第３の実施形態に係る回転電機駆動系４０１では、回転子の位置に対して適切な制御系が組まれているので、安定な回転動作が可能になる。さらに、回転角度検出部４０３がセンサレス推定を行う場合、回転角度センサ４３１が不要となり、コストが抑えられる。また、回転電機４０２は相数を任意に設定でき、その相数に応じて、既存の同期モータのＰＷＭ制御や、既存のＰＭ（permanent magnet）型又はハイブリッド型のステッピングモータと同様の制御を適用して駆動することが可能である。

（第４の実施形態）
第４の実施形態では、回転電機を備える車輌について説明する。この回転電機は、第１と第２の実施形態のいずれかの実施形態で説明した回転電機であり得る。第４の実施形態に係る車輌の例としては、二輪、三輪、又は四輪のハイブリッド自動車、二輪、三輪、又は四輪の電気自動車、電動アシスト自転車などが挙げられる。

ハイブリッドタイプの車輌は、内燃機関と電池駆動の回転電機とを組み合わせて走行動力源とする。電気自動車は、電池駆動の回転電機を走行原動力とする。車輌の駆動力には、その走行条件に応じ、広範囲な回転数及びトルクの動力源が必要となる。一般的に内燃機関は理想的なエネルギー効率を示すトルク及び回転数が限られているため、それ以外の走行条件ではエネルギー効率が低下する。ハイブリッドタイプの車輌は、内燃機関を最適条件で稼動させて発電するとともに、高効率な回転電機で車輪を駆動することによって、或いは、内燃機関と回転電機の動力を合わせて車輪を駆動することによって、車輌全体のエネルギー効率を向上できる。また、減速時に車輌が持つ運動エネルギーを電力として回生することによって、通常の内燃機関単独走行の車輌と比較して、単位燃料当りの走行距離を飛躍的に増大させることができる。

ハイブリッド自動車は、内燃機関と回転電機の組み合わせ方によって大きく３つに分類することができる。

図１７は、一般にシリーズハイブリッド自動車と呼ばれるハイブリッド自動車５００を概略的に示している。このハイブリッド自動車５００は、図１７に示すように、内燃機関５０１、発電機５０２、インバータ５０３、電源５０４、回転電機５０５、及び車輪５０６を備える。回転電機５０５は、例えば、第１の実施形態に係る回転電機１０（図１）である。

ハイブリッド自動車５００では、内燃機関５０１で発生した動力は一旦全て発電機５０２で電力に変換される。この電力はインバータ５０３を通じて電源５０４に蓄えられる。

電源５０４に蓄えられた電力は、インバータ５０３を通じて回転電機５０５に供給され、回転電機５０５によって車輪５０６が回転駆動される。このように、シリーズハイブリッド自動車は、電気自動車に発電機が複合されたようなシステムである。内燃機関は高効率な条件で運転でき、電力回生も可能である。その反面、車輪５０６の駆動は回転電機５０５によって行われるため、高出力な回転電機５０５が必要となる。

図１８は、パラレルハイブリッド自動車と呼ばれるハイブリッド自動車５１０を示している。このハイブリッド自動車５１０は、図１８に示すように、内燃機関５０１、インバータ５０３、電源５０４、回転電機５０７、及び車輪５０６を備える。回転電機５０７は、例えば第１の実施形態に係る回転電機１０（図１）であり、車輪５０６の駆動に使用されるとともに、発電機としても利用される。

ハイブリッド自動車５１０では、車輪５０６は主に内燃機関５０１によって駆動される。内燃機関５０１で発生した動力の一部は、場合によって回転電機５０７で電力に変換される。この電力はインバータ５０３を通じて電源５０４に蓄えられる。負荷が重くなる発進や加速時には、電源５０４からインバータ５０３を通じて回転電機５０７に電力を供給し、回転電機５０７により駆動力を補助する。ハイブリッド自動車５１０は、通常の自動車がベースになっており、内燃機関５０１の負荷変動を少なくして高効率化を図り、電力回生なども合わせて行うシステムである。車輪５０６の駆動は主に内燃機関５０１によって行うため、回転電機５０７の出力は、必要な補助の割合によって任意に決定することができる。比較的小さな回転電機５０７及び電源５０４を用いてシステムを構築することができる。

図１９は、シリーズ・パラレルハイブリッド自動車と呼ばれるハイブリッド自動車５２０を示している。ハイブリッド自動車５２０は、シリーズとパラレルの両方を組み合わせたシステムである。動力分割機構５０８は、内燃機関５０１の出力を発電用と車輪駆動用とに分割する。パラレル方式よりもきめ細かくエンジンの負荷制御を行い、エネルギー効率を高めることができる。

図２０は、第４の実施形態に係る電気自動車５３０を概略的に示している。回転電機５０７は、例えば第１の実施形態に係る回転電機１０（図１）であり、車輪５０６の駆動に使用されるとともに、発電機としても利用される。

電気自動車５３０では、電源５０４に蓄えられた電力は、インバータ５０３を通じて回転電機５０５に供給され、回転電機５０７によって車輪５０６が回転駆動される。回転電機５０７は、車輪５０６を駆動する一方で、場合により発電機として機能して電力を生成する。この電力により電源５０４が充電される。

以上のように、第４の実施形態によれば、上述した実施形態に係る横方向磁束型回転電機を用いた車両が提供される。

以上述べた少なくとも１つの実施形態に係る横方向磁束型回転電機では、隣り合う回転子鉄心３１の間に回転方向に磁界を形成する各磁界形成部を設けており，その他方の先端が近接もしくは強磁性体を介して連結されているので、非通電時に磁束が短絡し，コギングトルクを小さくすることができる。

なお、実施形態に係る回転電機は、図１、図７に示したような回転子と固定子との対向面の法線が半径方向となるラジアルギャップモータである例に限らず、回転子と固定子との対向面の法線が軸方向となるアキシャルギャップモータであってもよい。さらに、実施形態に係る回転電機は、図１、図７に示したような回転子が固定子の内側に位置するインナーロータである例に限らず、回転子が固定子の外側に位置するアウターロータであってもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０、１１０…横方向磁束型回転電機、５、１０５…回転軸、１、１０１…駆動要素、２、１０２…固定子、２１、１２１、２２１…強磁性体、４、１０４、２０４…巻線、２１Ａ、２１Ｂ、１２１Ａ、１２１Ｂ、２２１Ａ、２２１Ｂ…磁極、３、１０３…回転子、３１、１３１、１３３、２３３…強磁性体、３３、２３３…非磁性体、３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３２Ｄ、１３２Ａ、１３２Ｂ、１３２Ｃ、１３２Ｄ、２３２Ａ、２３２Ｂ、２３２Ｃ、２３２Ｄ…磁界発生部、５１Ａ、５１Ｂ、５２Ａ、５２Ｂ、１５１Ａ、１５１Ｂ、１５２Ａ、１５２Ｂ、２５２Ａ、２５２Ｂ…磁気回路、１０３２Ａ、１０３２Ｂ、１０３２Ｃ、１０３２Ｄ、１１３２Ａ、１１３２Ｂ、１１３２Ｃ、１１３２Ｄ、１２３２Ａ、１２３２Ｂ、１２３２Ｃ、１２３２Ｄ…矢印（磁化方向）、４０１…回転電機駆動系、４０２…回転電機、４０３…回転角度検出部、４０４…回転制御部、４０５…駆動回路部、４３１…回転角度センサ、４５０…スイッチング回路、４５３…ゲートドライブ回路、４５１…スイッチング部、４２１…電機子巻線、４６１、４７１…三相電流、５００、５１０、５２０…ハイブリッド自動車、５０１…内燃機関、５０２…発電機、５０３…インバータ、５０４…電源、５０５、５０７…回転電機、５０６…車輪、５０８…動力分割機構、５３０…電気自動車。

Claims (8)

1. 回転軸を中心として回転方向に巻かれた環状の巻線と、前記回転方向に所定の間隔を置いて設けられ、それぞれが前記巻線の一部を取り囲む複数の第１の強磁性体と、を備える固定子と、
   前記第１の強磁性体に対して所定の空隙を持って設けられ、前記回転軸を中心として回転可能な回転子と、
   を備え、
   前記回転子は、前記回転方向に所定の間隔を置いて設けられた複数の第２の強磁性体と、隣り合う前記第２の強磁性体の間に前記回転方向に磁界を形成する磁界形成部とを備え、
   隣り合う前記第２の強磁性体の間に設けられ前記複数の第２の強磁性体の内周側に位置する第３の強磁性体をさらに備える回転電機。
2. 前記第２の強磁性体は、前記回転方向に沿って１番目の第２の強磁性体、２番目の第２の強磁性体、３番目の第２の強磁性体を含み、
   前記磁界形成部は、前記１番目の第２の強磁性体と前記２番目の第２の強磁性体との間に設けられた第１の磁界形成部と、前記第２番目の第２の強磁性体と前記３番目の第２の強磁性体との間に設けられた第２の磁界形成部とを含み、前記第１の磁界形成部と前記第２の磁界形成部とは、前記回転方向であって互いに逆方向に磁界を形成する、請求項１に記載の回転電機。
3. 前記第１の強磁性体または前記第２の強磁性体は、少なくとも一部に磁気的な異方性を有する、請求項１または２に記載の回転電機。
4. 前記回転子と前記固定子の組を前記回転軸の軸方向に複数有し、
   前記回転軸の軸方向に隣り合う２つの前記回転子、または前記回転軸の軸方向に隣り合う２つの前記固定子が、前記回転方向に位相差を有している請求項１乃至３のいずれか１項に記載の回転電機。
5. 前記回転子の前記回転軸周りの回転角度を検出して検出信号を生成する検出部と、
   前記巻線に電流を供給する駆動回路部と、
   前記検出信号に基づいて前記駆動回路部を制御する回転制御部と、
   をさらに備える請求項１乃至４のいずれか１項に記載の回転電機。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の回転電機を備える車輌。
7. 回転軸を中心として回転方向に巻かれた環状の巻線と、前記回転方向に所定の間隔を置いて設けられ、それぞれが前記巻線の一部を取り囲む複数の第１の強磁性体と、を備える固定子と、
   前記第１の強磁性体に対して所定の空隙を持って設けられ、前記回転軸を中心として回転可能な回転子と、
   を備え、
   前記回転子は、前記回転方向に所定の間隔を置いて設けられた複数の第２の強磁性体と、隣り合う前記第２の強磁性体の間に前記回転方向に磁界を形成する磁界形成部とを備え、
   隣り合う前記第２の強磁性体の間に設けられ前記複数の第２の強磁性体の内周寄りに位置する第３の強磁性体をさらに備える回転電機。
8. 回転軸を中心として回転方向に巻かれた環状の巻線と、前記回転方向に所定の間隔を置いて設けられ、それぞれが前記巻線の一部を取り囲む複数の第１の強磁性体と、を備える固定子と、
   前記第１の強磁性体に対して所定の空隙を持って設けられ、前記回転軸を中心として回転可能な回転子と、
   を備え、
   前記回転子は、前記回転方向に所定の間隔を置いて設けられた複数の第２の強磁性体と、隣り合う前記第２の強磁性体の間に前記回転方向に磁界を形成する磁界形成部とを備え、
   隣り合う前記第２の強磁性体の間に設けられ前記回転軸寄りに位置する第３の強磁性体をさらに備える回転電機。

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