JP6597705B2 - 回転電機 - 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に関する。

従来の回転電機として、通電により起磁力を発生する界磁巻線と、該界磁巻線の起磁力により回転周方向に沿って交互にＮＳ磁極が励磁される複数の爪状磁極片とを有するランデル型ロータを備えたものが知られている。そして、特許文献１及び特許文献２には、界磁巻線によって励磁される磁気回路の有効磁束を増加させるために、周方向に隣接する爪状磁極片間に永久磁石を介在させた車両用交流発電機が開示されている。

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、特許文献２には、爪状磁極片の外周側に配置される磁極筒部（磁束短絡部材）を有し、磁束短絡部材の外径側表面に、爪状磁極片の輪郭形状に対応した凸部と、隣り合う爪状磁極片の間の空隙に対応した凹部とを有し、凸部と凹部とをスロープ状に接続することが記載されている。

特開平４−２５５４５１号公報 特開２００９−１４８０５７号公報

ところで、上記特許文献２のように、回転子（ロータ）の爪状磁極片の外周側に磁束短絡部材を設ければ、渦電流を低減することができて信頼性が向上するが、磁束短絡部材により隣接する爪状磁極片のＮ極とＳ極間の磁束が短絡して出力低下となる。また、特許文献２では示唆されていないが、磁石と爪状磁極片で構成したロータは、磁石の重みが増加した分、遠心力による爪状磁極片の径方向外方への変形量が増加する。そのため、遠心力で最も変形量が大きくなった場合でも、磁石を具備しないロータと同等の、固定子（ステータ）とロータ間のエアギャップを確保するには、ステータとロータ間のエアギャップを拡げる必要がある。しかし、エアギャップを拡げると、磁気抵抗の増加によりロータの界磁電流による磁束発生能力が低下する。

なお、上記特許文献１には、磁石付きランデル型発電機が開示されているが、遠心力が永久磁石と爪状磁極片に及ぼす影響と対策については何ら記載されていない。

そこで、上記の課題を解決するために、磁石を備えたランデル型のロータにおいて爪状磁極片が拡がらないように根元部の厚みを厚くして補強すると、磁気回路の最適寸法とならなくなり、結果として出力が低下するという課題がある。そのため、ステータとロータ間のエアギャップを拡げずに、特許文献２に開示されているように爪状磁極片の外周面を磁束短絡部材で強度補強を行うことが好ましいが、特許文献２に記載のように、特許文献１の構成と比べ出力が劣る要因を含むため流通に至っていない。

ところで、ロータは、回転軸に発生する外乱を許容した上で、上記のエアギャップによりステータと接触しないようにする必要がある。エアギャップは、外乱と遠心力によるロータ自体の変形を考慮して設計される。ボールベアリングで比較的牽牛に外乱の影響を抑えられた構成では、特に爪状磁極片の変形が考慮される。そのため、爪状磁極片間に磁石という重みを増やし、信頼性を維持するためには、磁石付きランデル型ロータにおいては、エアギャップを磁石無しランデル型ロータよりも大きくとる必要がある。そのため、界磁電流を大きくとる必要があり、銅損が上昇し、発熱が増加するという新たな課題が発生する。ロータのディスク部の断面積を多くとることにより変形量を抑える設計もあるが、界磁巻線の配置スペース減少による、直流抵抗値の増加による発熱の増加や、軸方向寸法の増加による搭載性の悪化が起こる。

従来、界磁巻線の励磁によりロータのボス部で発生した磁束をディスク部から爪状磁極片へと案内するように設計する場合には、ロータの一部分の断面積を基準に磁束漏れ考慮し、ボス部から爪状磁極片に至るまで磁気特性を一定に、又は緩やかに落とすようにしていた。このような設計において、磁石の重量は、爪状磁極片の重量に対して０．３〜０．７倍程度であり、磁石付きランデル型ロータの爪状磁極片の重量は、従来の１．３〜１．７倍の範囲から大きく逸脱しない範囲であると容易に想定できる。そのため、現状の製品の一般的なエアギャップである０．２５〜０．３５ｍｍに対して０．３７〜０．５２ｍｍ程度のエアギャップ範囲で設計しなければ、従来製品の磁気回路的に良い寸法を用いた磁石付きランデル型ロータを、従来製品と同様の強度的信頼性をもって作製することはできない。

図２５は、起磁力の単位であるアンペアターン（ＡＴ）を横軸にとり、エアギャップが０．３ｍｍと０．４ｍｍの場合の回転電機の界磁特性を縦軸にとった特性図である。図２５から解るように、従来では、エアギャップを０．３ｍｍから０．４ｍｍに拡げると界磁能力を４０％向上させる必要がある。また、界磁能力は、現存のブラシ能力に合わせて設計されているため、従来の磁石無しランデル型ロータと同等の磁束を連続定格可能な電流域で利用することはブラシの耐熱能力的に困難と考えられる。たとえブラシが耐えられたとしても、図２６に示すように、界磁巻線への流入電流増大で銅損による発熱量が９２％悪化し、冷却の見直しが必要になる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、エアギャップの拡大を抑制しつつ十分な強度的信頼性を確保するとともに、界磁特性及び最大磁束の向上により高出力を実現し、且つ界磁巻線の発熱量を低減して熱的信頼性を確保し得るようにした回転電機を提供することを解決すべき課題とするものである。

図７は、エアギャップを０．３ｍｍと０．４ｍｍに設定した場合や、磁石の有無などを種々組み合わせた構成の回転電機について、アンペアターンと飽和磁束との関係を示す特性図である。特許文献２のように、ロータの爪状磁極片の外周側に磁束短絡部材を設けた場合には、図７の細い破線から太い破線への変化となり、界磁特性が低下するというのが現状技術の考え方である。この考え方は、できる限り磁束短絡部材の爪状磁極片間の寸法を小さくするという考えの源になっている。即ち、磁束短絡部材に漏洩する磁束の分だけ電機子巻線への鎖交磁束が低下するという考えである。

また、磁石磁力Ψｍは、界磁ボス部が飽和するに従い、ボス部側の磁気抵抗が高くなっていくため、ステータ側に流れ出し易くなっていくので曲線を描く。ボス部が飽和した後は、界磁電流ＡＴによる反磁界で減磁が起き、実行磁束密度Ｂｄは小さくなる。図７では、ロータに無負荷時には、磁石の磁束がステータ側に案内されないで、バッテリを過充電させないため、Ａｂ・Ｂｓ＝２・Ｂｒ・Ａｍとして磁石量を設定している。なお、Ａｂ：ボス部断面積、Ｂｓ：ボス部Ｂ５０、Ａｍ：永久磁石の磁束流入出面の表面積、Ｂｒ：磁石残留磁束密度である。ボス部断面積Ａｂは、ボス部全体の断面積を、ロータの極対数で割った値である。本願の回転電機の磁界は、磁石の厚み５〜１０ｍｍに対して、温度により変化するが保磁力１００ｋＡ／ｍ程のネオジム磁石を想定しているため、Ｂｓとして飽和磁束密度ではなく、Ｂ５０の値を採用する。なお、このＢ５０の磁束値は電磁軟鉄であればＢｓと１割程度の差しか一般的になく、おおよその場合、誤差少なく適応することができる。

ここで、短絡部がボス部の飽和を、短絡部という磁性体をステータとのエアギャップの手前に追加することにより効果的に磁気抵抗が下がり促進させるため、特許文献１の場合よりもステータが飽和していない時点でボス部が飽和するので、ステータの磁気抵抗がロータと相対的に低くなり、磁石磁力Ψｍのピーク点は低い通電界磁＝反磁界で迎えることになり、高くなるはずである。本願発明者は、この点に着目して鋭意研究を重ね、ボス部の磁気抵抗の増加と短絡部の断面積との関係を粘り強く突き詰めた結果、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、
ステータコア（２１）に電機子巻線（２５）が巻装されてなるステータ（２０）と、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）と、を備えた回転電機において、
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に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界磁巻線（３３）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その極性が励磁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配置された永久磁石（３４）と、
周方向に異なる極性の前記爪状磁極部同士を磁気的に接続する短絡部（３５ａ，３６ａ）を有する磁束短絡部材（３５，３６，３７，３８）と、を備え、
前記ボス部の一対のＮＳ磁極あたりの軸方向断面積をＡｂとし、前記ボス部の材料の磁界の強さ５０００Ａ／ｍにおける磁束密度をＢｓｂとし、前記永久磁石の残留磁束密度をＢｒとし、前記永久磁石の磁束流入出面の表面積をＡｍとし、前記短絡部の周方向断面積をＡｓとし、前記短絡部の材料の磁界の強さ５０００Ａ／ｍにおける磁束密度をＢｓｓとしたときに、
Ａｂ・Ｂｓｂ＋Ａｓ・Ｂｓｓ≧２・Ｂｒ・Ａｍ、且つ０．０３≦Ａｓ／Ａｂ≦０．２２となる関係が成立するように構成されている。

この構成によれば、界磁巻線への通電により界磁磁束が界磁コアに励磁されたときに、界磁巻線が巻装されているボス部を流れる磁束を飽和させて、永久磁石の磁力Ψｍをステータへ流出させることができる。そのため、永久磁石の磁力Ψｍにより、従来の爪状磁極部間に設けられた短絡部の磁束漏れによる能力低下と同等以上の磁力増加を引き出すことが可能となり、界磁特性及び最大磁束を高く設定することが可能となり、高出力を実現することができる。

また、磁束短絡部材は、爪状磁極部の外周側や内周側を含めて周方向に異なる極性の爪状磁極部の間にあって、永久磁石を除いたスペースに配置されている。磁束短絡部材が爪状磁極部の外周側に配置された場合には、遠心力による爪状磁極部の径方向強度が増加されているため、爪状磁極部が遠心力により径方向外側に拡がるのを抑制することができる。そのため、ステータとロータ間のエアギャップを、従来の流通多数を占める磁石無しランデル型ロータと同一レベルにすることができる。これにより、エアギャップの拡大を抑制しつつ十分な強度的信頼性を確保することができる。また、エアギャップの減少により、界磁巻線に通電する界磁電流を少なくできるため、従来の磁石付きランデル型ロータと比べ、界磁巻線の発熱量を低減することができる。これにより、熱的信頼性を現状の空気冷却機構の能力で成立させることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記ロータは、１≦（Ａｂ・Ｂｓｂ＋Ａｓ・Ｂｓｓ）／（２・Ｂｒ・Ａｍ）≦１．４となる関係が成立するように構成されている。この構成によれば、低電圧範囲において、逆起電力を厳しく低減させることができるほか、永久磁石の削減によりコストダウンを図ることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２において、前記短絡部は、軸方向断面積が周方向において一定にされている。この構成によれば、短絡部の周方向断面積を用いて設定する請求項１の関係式を容易に導き出すことができる。また、短絡部は、応力集中係数がなく応力集中が起きないため、磁束短絡部材自身の遠心力に対する強度と、爪状磁極部の広がりに対抗するのに十分な強度を確保することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の何れか一項において、前記短絡部は、前記ロータと前記ステータコアとの径方向に対向する対向面の軸方向外側に少なくとも一部がはみ出すように設けられている。この構成によれば、短絡部がロータとステータコアとの対向面以外の所で磁束を短絡するため、短絡部を通る磁束がステータコアに漏れ難くなるので、逆起電力をより下げ易くすることができる。

また、上記課題を解決するためになされた請求項５に記載の発明は、
ステータコア（２１）に電機子巻線（２５）が巻装されてなるステータ（２０）と、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）と、を備えた回転電機において、
前記ロータは、
筒状のボス部（５２１）、及び、前記ボス部の軸方向両端から周方向所定ピッチで径方向外側に突出するディスク部（５２２，５２２ａ，５２２ｂ）を有するポールコア（５２）と、
周方向に交互に異なる極性の磁極が形成される複数の磁極部（５３１，５３１ａ，５３１ｂ）、前記磁極部を通るｄ軸から電気角で９０°ずれた所に位置するｑ軸コア部（５３２）、及び、周方向に異なる極性の前記磁極部同士を磁気的に接続する短絡部（５３３）を有するコア部材（５３）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界磁巻線（５４）と、
前記磁極部と前記ｑ軸コア部の間に配置されて前記磁極部に交互に現れる極性と一致するように配置された永久磁石（５５）と、を備え、
前記ボス部の一対のＮＳ磁極あたりの軸方向断面積をＡｂとし、前記ボス部の材料の磁界の強さ５０００Ａ／ｍにおける磁束密度をＢｓｂとし、前記永久磁石の残留磁束密度をＢｒとし、前記永久磁石の磁束流入出面の表面積をＡｍとし、前記短絡部の周方向断面積をＡｓとし、前記短絡部の材料の磁界の強さ５０００Ａ／ｍにおける磁束密度をＢｓｓとしたときに、
Ａｂ・Ｂｓｂ＋Ａｓ・Ｂｓｓ≧２・Ｂｒ・Ａｍ、且つ０．０３≦Ａｓ／Ａｂ≦０．２２となる関係が成立するように構成されている。

この構成によれば、界磁巻線への通電により界磁磁束が界磁コアに励磁されたときに、界磁巻線が巻装されているボス部を流れる磁束を飽和させて、永久磁石の磁力Ψｍをステータへ流出させることができる。そのため、永久磁石の磁力Ψｍにより、従来の爪状磁極部間に設けられた短絡部の磁束漏れによる能力低下と同等以上の磁力増加を引き出すことが可能となり、界磁特性及び最大磁束の向上により高出力を実現することができる。この効果は、外周側に設置された円筒状の部材に限られず、磁極部の内周側などに配置された磁性鉄板などによっても実現しうる。また、後述する実施形態では円筒状の磁束短絡部材が爪状磁極部の外周側に配置されていることにより、遠心力による爪状磁極部の径方向強度が増加されているため、爪状磁極部が遠心力により径方向外側に拡がるのを抑制することができる。そのため、ステータとロータ間のエアギャップを、従来の流通多数を占める磁石無しランデル型ロータと同一レベルにすることができる。これにより、エアギャップの拡大を抑制しつつ十分な強度的信頼性を確保することができる。

また、エアギャップの減少により、界磁巻線に通電する界磁電流を少なくできるため、従来の磁石付きランデル型ロータと比べ、界磁巻線の発熱量を非常に効果的に、９０％程度低減することができる。これにより、熱的信頼性を現状の空気冷却機構の能力で成立させることができる。また、ロータは、ボス部及びディスク部を有するポールコアと、複数の磁極部、ｑ軸コア部及び短絡部を有するコア部材とを備える構成であるため、リラクタンストルクや回生出力を上昇させることができる。

請求項６に記載の発明は、請求項５において、前記ロータは、１≦（Ａｂ・Ｂｓｂ＋Ａｓ・Ｂｓｓ）／（２・Ｂｒ・Ａｍ）≦１．４となる関係が成立するように構成されている。この構成によれば、低電圧範囲において、逆起電力を厳しく低減させることができるほか、永久磁石の削減によりコストダウンを図ることができる。

請求項７に記載の発明は、請求項１〜６の何れか一項において、前記ロータを単体にてインダクタンスの測定を行った際、負荷時のインダクタンスが、無負荷時のインダクタンスよりも半分以下となっている。この構成によれば、負荷時に磁石磁束を有効にステータ側に案内し、無負荷時に磁石磁束をロータ内で短絡させることができる。また、ランデル型を使う理由の一つである逆起電力を無負荷時に抑制するという効果を向上しつつ、高磁束を得ることができる。

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、前記ステータコアは、径方向に延びる複数のティース（２３）を有し、前記短絡部は、前記永久磁石から前記界磁巻線までのスペースと、前記永久磁石から前記ティースの径方向先端までのスペースとのうちで少なくとも一方に設けられている。言い換えると、周方向に異なる極性の爪状磁極部の間、かつ、径方向における界磁巻線とティースとの間であって、永久磁石を除いたスペースに短絡部が設けられている。この構成によれば、逆起電力を厳しく低減させることができる。また、ロータとステータ間のエアギャップを通らない非常に低い磁気抵抗の逆起電力抑制磁路が設けられ、逆起電力を５０％から７０％程度まで低減することができる。

請求項９に記載の発明は、請求項１〜８の何れか一項において、前記ロータは、コア部（３２１，５２）を有し、前記短絡部（３５ａ，３６ａ，３８）の部材は、前記コア部の材料よりも高い比透磁率の材料で構成されている。この構成によれば、無負荷時の磁束低減効果を持つ短絡磁路の非透磁率が高いため、より効果的に逆起電力を低減することができる。

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に係る回転電機の軸方向断面図である。 実施形態１に係るロータの磁束短絡部材を外した状態の斜視図である。 実施形態１に係るロータの磁束短絡部材を装着した状態の斜視図である。 実施形態１に係るロータの軸方向から見た正面図である。 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に係るロータの磁束短絡部材の一部を周方向に展開した部分展開図である。 エアギャップを０．３ｍｍと０．４ｍｍに設定した場合や磁石の有無などを種々組み合わせた回転電機について、アンペアターンと飽和磁束との関係を示す特性図である。 実施形態１において電機子巻線への鎖交磁束量とＡｓ／Ａｂとの関係を示す特性図である。 実施形態１において電機子巻線への鎖交磁束量とＳ／Ψｎとの関係を示す特性図である。 変形例１において磁束短絡部材の短絡部とステータとの位置関係を示す説明図である。 変形例２に係るロータの斜視図である。 実施形態２に係る回転電機の軸方向断面図である。 実施形態２に係るロータの一部を示す部分斜視図である。 実施形態２に係るロータのポールコアの一部を示す部分斜視図である。 実施形態２に係るロータのコア部材の一部を示す部分平面図である。 実施形態３に係る回転電機の軸方向断面図である。 実施形態３に係るロータのコア部材を示す一部断面の斜視図である。 実施形態３に係る磁束短絡部材を示す斜視図である。 ｄ軸の磁気回路を示す部分平面図である。 ｄ軸の磁気回路を示す一部断面の斜視図である。 実施形態３に係るｄ軸の磁気回路を示す部分平面図である。 界磁電流とパーミアンスとの関係を示すグラフ図である。 磁束短絡部材の配置例を示す模式図である。 実施形態３に係る磁束短絡部材の変形例を示す斜視図である。 エアギャップを０．３ｍｍと０．４ｍｍに設定したときのアンペアターンと飽和磁束密度との関係を示す特性図である。 エアギャップを０．３ｍｍと０．４ｍｍに設定したときのアンペアターン比と界磁巻線発熱量比との関係を示す特性図である。

以下、本発明に係る回転電機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に係る回転電機について図１〜図１１，図１９，図２０を参照して説明する。実施形態１に係る回転電機は、車両に搭載されて発電機として使用される車両用交流発電機である。

＜車両用交流発電機の全体構成＞
実施形態１の車両用交流発電機１は、図１に示すように、ハウジング１０、ステータ２０、ロータ３０、界磁巻線給電装置、整流器４５等を含んで構成されている。ハウジング１０は、それぞれ一端が開口した有底円筒状のフロントハウジング１１とリアハウジング１２とからなる。フロントハウジング１１とリアハウジング１２は、開口部同士が接合された状態でボルト１３により締結されている。

ステータ２０は、周方向に配列された図１９，図２０に示す複数のスロット２２及び複数のティース２３を有する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に巻装された三相の相巻線よりなる電機子巻線２５とを有する。複数のティース２３はステータコア２１から径方向に延びる部位である。複数のスロット２２は、周方向に隣り合うティース２３の間に形成される空間であって、電機子巻線２５を収容する部位である。このステータ２０は、フロントハウジング１１とリアハウジング１２の周壁内周面に、軸方向に挟持された状態で固定されている。

ロータ３０は、図２、図３及び図４に示すように、ハウジング１０に一対の軸受け１４，１４を介して回転自在に支持された回転軸３１（図１参照）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。このロータ３０は、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の前端部に固定されたプーリ３１Ａ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。ボス部３２１は「コア部」に相当する。

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。

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触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とが周方向に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。

界磁巻線３３は、第１及び第２ボス部３２１ａ，３２１ｂの外周面に界磁コア３２と絶縁された状態で巻装されており、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、図示しない界磁電流制御回路から界磁電流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。実施形態１の場合には、第１爪状磁極部３２３ａがＳ極に磁化され、第２爪状磁極部３２３ｂがＮ極に磁化される。

この場合、界磁巻線３３により界磁コア３２のボス部３２１に発生した磁束は、例えば第１ポールコア３２ａの第１ボス部３２１ａから第１ディスク部３２２ａ、第１爪状磁極部３２３ａに流れた後、第１爪状磁極部３２３ａからステータコア２１を経由して第２ポールコア３２ｂの第２爪状磁極部３２３ｂに流れ、第２爪状磁極部３２３ｂから第２ディスク部３２２ｂ、第２ボス部３２１ｂを経由して第１ボス部３２１ａに戻る磁気回路を形成する。この磁気回路は、ロータ３０の逆起電力を生む磁気回路である。

そして、図２に示すように、周方向に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、周方向両側の端面（磁束流入出面）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。これにより、各永久磁石３４は、その極性が界磁巻線３３の励磁によって第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配置されている（図６参照）。

磁束短絡部材３５は、図３〜図６に示すように、軟磁性体により軸方向断面積（肉厚）が周方向において一定の中空円筒状に形成されており（図４参照）、界磁コア３２の外周側に各爪状磁極部３２３の外周面と接触した状態で嵌合固定されている。即ち、この磁束短絡部材３５は、周方向に交互に配置された異なる極性の爪状磁極部３２３同士を磁気的に接続する短絡部３５ａを有している。実施形態１の場合、磁束短絡部材３５は、図５に示すように、ステータコア２１の軸長Ｌ２よりも大きい軸長Ｌ１を有し、軸長Ｌ１の全長が短絡部３５ａとされている。これにより、短絡部３５ａは、軸方向両端部がロータ３０とステータコア２１との径方向に対向する対向面の軸方向外側にはみ出すように設けられている。また、短絡部３５ａの軸方向の断面積Ａｓは、周方向において一定にされている。即ち、短絡部３５ａには、周方向において肉厚が変化するような凹凸部や孔が設けられていない。短絡部３５ａの部材は、逆起電力を低減させるため、界磁コア３２（特にボス部３２１）の材料よりも高い比透磁率の材料で構成するとよい。

界磁巻線給電装置は、界磁巻線３３に給電するための装置であり、図１に示すように、一対のブラシ４１、一対のスリップリング４２及びレギュレータ４３等を有する。一対のスリップリング４２は、回転軸３１の軸方向一端（図１の右側端）に嵌合固定されている。一対のブラシ４１は、その径方向内側の先端がスリップリング４２の表面に押圧された状態で摺動可能に配置されている。一対のブラシ４１は、スリップリング４２を介して界磁巻線３３に給電する。レギュレータ４３は、界磁巻線３３に流す界磁電流Ｉｆを制御することによって車両用交流発電機１の出力電圧を調整する装置である。また、整流器４５は、電機子巻線２５に電気的に接続されており、電機子巻線２５から出力される交流電流を直流電流に整流する装置である。この整流器４５は、複数のダイオード（整流素子）等により構成されている。

以上の構成を有する車両用交流発電機１は、ベルト等を介してプーリ３１Ａに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、ブラシ４１からスリップリング４２を介してロータ３０の界磁巻線３３に励磁電圧を印加することにより、第１及び第２ポールコア３２ａ，３２ｂのそれぞれの第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。電機子巻線２５で発生した交流の起電力は、整流器４５を通って直流電流に整流された後、図示しないバッテリに供給される。

次に、実施形態１に係る車両用交流発電機１の特徴構成について説明する。上記のように構成された車両用交流発電機１において、ボス部３２１の一対のＮＳ磁極あたりの軸方向断面積をＡｂ（以下、「ボス部断面積Ａｂ」という。）とし、ボス部３２１の材料の磁界の強さ５０００Ａ／ｍにおける磁束密度をＢｓｂとし、永久磁石３４の残留磁束密度をＢｒとし、永久磁石３４の磁束流入出面の表面積をＡｍとし、短絡部３５ａの周方向断面積をＡｓ（以下、「短絡部断面積Ａｓ」という。）とし、短絡部３５ａの材料の磁界の強さ５０００Ａ／ｍにおける磁束密度をＢｓｓとしたときに、Ａｂ・Ｂｓｂ＋Ａｓ・Ｂｓｓ≧２・Ｂｒ・Ａｍ、且つ０．０３≦Ａｓ／Ａｂ≦０．２２となる関係が成立するように構成されている。なお、ボス部断面積Ａｂは、図５に示すように、円筒状のボス部３２１の総断面積をＡとし、対をなすＮＳ極の極対数をＰとしたときに、Ａｂ＝Ａ／Ｐで表される。

ここで、Ａｂ・Ｂｓｂ＋Ａｓ・Ｂｓｓ≧２・Ｂｒ・Ａｍにおいて、Ａｂ・Ｂｓｂは、ボス部３２１を流れる磁束であり、Ａｓ・Ｂｓｓは、短絡部３５ａを流れる磁束であり、Ｂｒ・Ａｍは、永久磁石３４一つの磁束である。よって、ボス部３２１を流れる磁束と短絡部３５ａを流れる磁束の和が、永久磁石３４の磁束よりも大きいことを意味する。

図８は、（短絡部断面積Ａｓ）／（ボス部断面積Ａｂ）と電機子巻線２５への鎖交磁束量との関係を本願発明者が調べた結果である。即ち、図８に示すように、電機子巻線２５への鎖交磁束量は、Ａｓ／Ａｂが０．０３〜０．２２の範囲で円筒部材を設置しないときと比べ、磁束量が低下することなく、同等であることが解った。なお、ステータ２０側の断面積設計を現状製品一定として設計する場合は、本構成により円筒部材を設置した場合に低下する磁束と同等の磁石磁束を得ることができる。そのため、ステータ２０から測定される磁束量の上昇による逆起電力定数やインダクタンスの特記すべき変化は起きない。その一方、従来技術では起こるとされている漏洩磁束をゼロとし、磁束低下を起こさず、円環による強度増加、爪のステータ励磁電流との共振の防止、風切音の低下などの、良好な副次効果を得ることが可能である。ここで、電機子巻線２５への鎖交磁束は、磁石磁束Ψｎと界磁磁束Ψｍの和となるため、永久磁石３４を削減してコストダウンし、抵抗値が減った分だけ界磁磁束Ψｍを利用することができる。さらには、４８Ｖや１２Ｖといった、車両用としてはハイブリッド車の２００Ｖ〜７００Ｖよりも遙かに低い低電圧域のバッテリに接続してもＥＭＦ（起電力）による過充電を防げるように短絡性能を向上させることができる。また、図８の条件として、このときのステータ２０の背厚の１極あたりの断面積Ａｃｂとステータ２０の極歯１極分あたりの断面積Ａteethの内で小さい方の断面積をＡstatorとする。このとき、従来の技術ではＡｂ×０．５≦Ａstator≦Ａｂ×１．０とすることが一般的であるが、本願ではＡstator≧１．０Ａｂとすることが望ましい。

また、実施形態１に係る車両用交流発電機１では、ロータ３０は、１≦（Ａｂ・Ｂｓｂ＋Ａｓ・Ｂｓｓ）／（２・Ｂｒ・Ａｍ）≦１．４となる関係が成立するように構成されている。ここで、Ａｓ／Ａｂを電機子巻線２５への鎖交磁束のピーク値である１．４に固定し、短絡能力Ｓ：（Ｂｓ・Ａｂ＋Ｂｓ・Ａｓ）と無負荷時の磁石磁束Ψｎ：（Ｂｒ・Ａｍ）のＳ／Ψｎを横軸にとり、電機子巻線２５への鎖交磁束量を縦軸にとると、図９に示す結果が得られる。即ち、Ａｂ・Ｂｓｂ＋Ａｓ・Ｂｓｓ≧２・Ｂｒ・Ａｍ、且つ０．０３≦Ａｓ／Ａｂ≦０．２２となる関係を満たし、Ｓ／Ψｎが１〜１．４の範囲でＥＭＦ制約が厳しい低電圧範囲でも、ロバスト性高くＥＭＦ条件を成立させて、電機子巻線２５への鎖交磁束量を減らさずに利用することができる。

＜作用及び効果＞
以上のように構成された実施形態１の車両用交流発電機１によれば、ロータ３０は、Ａｂ・Ｂｓｂ＋Ａｓ・Ｂｓｓ≧２・Ｂｒ・Ａｍ、且つ０．０３≦Ａｓ／Ａｂ≦０．２２となる関係が成立するように構成されている。これにより、界磁巻線３３への通電により界磁磁束が界磁コア３２に励磁されたときに、界磁巻線３３が巻装されているボス部３２１を流れる磁束を飽和させて、永久磁石３４の磁力Ψｍをステータ２０へ流出させることができる。そのため、永久磁石３４の磁力Ψｍにより、従来の爪状磁極部間に設けられた短絡部の磁束漏れによる能力低下よりも高い磁力増加を引き出すことが可能となり、界磁特性及び最大磁束の向上により高出力を実現することができる。

また、実施形態１では、円筒状の磁束短絡部材３５が爪状磁極部３２３の外周側に配置されていることにより、遠心力による爪状磁極部３２３の径方向強度が増加されているため、爪状磁極部３２３が遠心力により径方向外側に拡がるのを抑制することができる。そのため、ステータ２０とロータ３０間のエアギャップを、従来の流通多数を占める磁石無しランデル型ロータと同一レベルにすることができる。これにより、エアギャップの拡大を抑制しつつ十分な強度的信頼性を確保することができる。

また、実施形態１では、エアギャップの減少により、界磁巻線３３に通電する界磁電流を少なくできるため、従来の磁石付きランデル型ロータと比べ、界磁巻線３３の発熱量を低減することができる。これにより、熱的信頼性を現状の空気冷却機構の能力で成立させることができる。

また、実施形態１では、円筒状の磁束短絡部材３５が爪状磁極部３２３を拘束することにより、爪状磁極部３２３の共振を抑え、騒音を低減することができる。更に、爪状磁極部３２３を爪先端に近づく程細くする場合、界磁巻線３３を巻く更なるスペースが生まれる。このスペースに界磁巻線３３を追加巻装し、爪状磁極部３２３を裏（つまり内周側）から抑え込むことにより、更に爪状磁極部３２３の振動を低減し、低騒音化をすることができる。

また、実施形態１では、円筒状の磁束短絡部材３５により円周上に（すなわち周方向に沿って）ならぶ爪状磁極部３２３を覆い隠した。この構成によれば、爪状磁極部３２３の間の風を切る騒音を低下させ、負荷トルクを減少させることで効率性能を向上させることが可能である。

また、実施形態１では、円筒状の磁束短絡部材３５が爪状磁極部３２３よりもステータ２０側へ突出してステータ２０の内周面と対向することにより、界磁巻線３３により軸方向からステータ２０側へ案内される磁束の向きが軸を法線とする平面に倣うようになる。よって、通例では電気的に絶縁された電磁鋼板を積層することで作られるステータ２０の軸方向への磁束を少なくし、渦電流損を低減することができる。

また、実施形態１では、ロータ３０は、１≦（Ａｂ・Ｂｓｂ＋Ａｓ・Ｂｓｓ）／（２・Ｂｒ・Ａｍ）≦１．４となる関係が成立するように構成されている。これにより、低電圧範囲において、逆起電力を厳しく低減させることができるほか、永久磁石３４の削減によりコストダウンを図ることができる。

また、実施形態１では、磁束短絡部材３５の短絡部３５ａは、周方向断面積Ａｓが周方向において一定にされていることから、短絡部３５ａの周方向断面積Ａｓを用いて設定する上記の関係式を容易に導き出すことができる。また、短絡部３５ａは、応力集中係数がなく応力集中が起きないため、磁束短絡部材３５の十分な強度を確保することができる。

また、実施形態１では、短絡部３５ａは、ロータ３０とステータコア２１との径方向に対向する対向面の軸方向外側に少なくとも一部がはみ出すように設けられている。これにより、短絡部３５ａがロータ３０とステータコア２１との対向面以外の所で磁束を短絡するため、短絡部３５ａを通る磁束がステータコア２１に漏れ難くなるので、逆起電力をより下げ易くすることができる。

〔変形例１〕
変形例１は、図１０に示すように、磁束短絡部材３６の構造が上記実施形態１のものと異なる。変形例１の磁束短絡部材３６は、軟磁性体により肉厚が一定の中空円筒状に形成されているが、界磁コア３２の周方向に隣接する爪状磁極部３２３の間に配置された永久磁石３４と径方向に対向する部位に複数の窓部３６ｂが形成されている点で異なる。窓部３６ｂは、爪状磁極部３２３の周方向側面に沿って軸方向斜めに傾斜して延在しており、傾斜方向が逆になった窓部３６ｂが周方向に交互に配置されている。

この磁束短絡部材３６は、窓部３６ｂ以外の部位が、周方向に交互に配列された第１爪状磁極部３２３ａ及び第２爪状磁極部３２３ｂの外周面に接触した状態で、界磁コア３２の外周に嵌合固定されている。これにより、磁束短絡部材３６の軸方向両端部には、周方向に隣接する第１爪状磁極部３２３ａと第２爪状磁極部３２３ｂとを磁気的に接続する短絡部３６ａが形成されている。即ち、短絡部３６ａは、第１爪状磁極部３２３ａの根元部と第２爪状磁極部３２３ｂの先端部、又は、第１爪状磁極部３２３ａの先端部と第２爪状磁極部３２３ｂの根元部を接続している。この短絡部３６ａは、実施形態１と同様に、軸方向断面積が周方向において一定にされている。また、短絡部３６ａは、ロータ３０とステータコア２１との径方向に対向する対向面の軸方向外側に一部がはみ出すように設けられている。よって、変形例１場合にも、実施形態１と同様の作用及び効果を奏する。短絡部３６ａの部材は、短絡部３５ａと同様に逆起電力を低減させるため、界磁コア３２（特にボス部３２１）の材料よりも高い比透磁率の材料で構成するとよい。

〔変形例２〕
変形例２の磁束短絡部材３７は、図１１に示すように、変形例１の磁束短絡部材３６における軸方向両端部の２つの短絡部３６ａ，３６ａの部分だけを抽出したもので構成されている。即ち、磁束短絡部材３７は、界磁コア３２の軸方向両端部に配置された２つのリング状部材よりなる。各磁束短絡部材３７は、変形例１の短絡部３６ａと同様に、第１爪状磁極部３２３ａの根元部と第２爪状磁極部３２３ｂの先端部、又は、第１爪状磁極部３２３ａの先端部と第２爪状磁極部３２３ｂの根元部を接続している。

よって、変形例２の磁束短絡部材３７によれば、変形例１の磁束短絡部材３６に比べ、軸方向中央部分が削除されているため、遠心力による爪状磁極部３２３の径方向外方への変形を防止しつつ、重量の大幅な軽減を実現することができる。また、爪状磁極部３２３の遠心力による変位の小さい根元部と、遠心力による変位が最大となる先端部を押さえ付けているため、擬似的に両持ちの構造となるので、相乗的に牽牛な構成にすることができる。さらに、磁束短絡部材３７で爪状磁極部３２３の先端部を抑えているため、径方向外方への変形を効果的に抑えることができる。また、変形例２の磁束短絡部材３７は、界磁コア３２の軸方向両端部に装着されるため、変形例１の磁束短絡部材３６のように界磁コア３２の軸方向中央部に装着されるものに比べ、簡単に取り付けることができる。

また、変形例２では、爪状磁極部３２３の外周面に対して、グルービングと呼ばれるボーダーライン状の周方向に延びる溝３６ｃが付けられている。これにより、爪状磁極部３２３に発生する渦電流損を低減することができる。

〔実施形態２〕
実施形態２に係る回転電機について図１２〜図１５，図１９，図２０を参照して説明する。実施形態２に係る回転電機は、実施形態１と同様の車両用交流発電機であるが、主にロータ５０の構成が実施形態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。

＜車両用交流発電機の全体構成＞
実施形態２の車両用交流発電機２は、図１２に示すように、ハウジング１０、ステータ２０、ロータ５０、スリップリング５６、回転センサ５７等を含んで構成されている。ハウジング１０は、一端が開口した有底円筒状のフロントハウジング１１と、フロントハウジング１１の開口部に嵌合固定された蓋状のリアハウジング１２とからなる。

ステータ２０は、実施形態１と同様に構成されたものであり、図１９，図２０に示す複数のスロット２２及び複数のティース２３を有する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に巻装された三相の相巻線よりなる電機子巻線２５とを有する。図１２の符号２６は、電機子巻線２５から取り出した電力を出力する出力線である。このステータ２０は、フロントハウジング１１の周壁内周面の軸方向中央部に固定されている。

ロータ５０は、図１２に示すように、ハウジング１０に一対の含油軸受け１４，１４を介して回転自在に支持された回転軸５１と、回転軸５１の外周に嵌合固定されたポールコア５２と、第１及び第２磁極部５３１ａ，５３１ｂ、ｑ軸コア部５３２並びに短絡部５３３を有するコア部材５３と、界磁コア３２のボス部３２１に巻装された界磁巻線５４と、磁極部とｑ軸コア部の間に配置された永久磁石５５と、を備えている。このロータ５０は、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おり、図示しないプーリやギア等の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。ポールコア５２は「コア部」に相当する。

ポールコア５２は、図１３及び図１４に示すように、界磁巻線５４の径方向内側にて界磁束を軸方向に流す円筒状のボス部５２１と、ボス部５２１の軸方向両端からそれぞれ周方向所定ピッチで径方向外側に突出する第１ディスク部５２２ａ及び第２ディスク部５２２ｂと、を有する。第１ディスク部５２２ａは、ボス部５２１の軸方向一端側（図１３及び図１４の上側）に８個設けられ、径方向外側の先端から軸方向他端側へ突出する第１突出部５２３ａを有する。第２ディスク部５２２ｂは、ボス部５２１の軸方向他端側に８個設けられ、径方向外側の先端から軸方向一端側へ突出する第２突出部５２３ｂを有する。第１ディスク部５２２ａと第２ディスク部５２２ｂは、周方向において電気角で１８０°位相がずれた位置に設けられている。

コア部材５３は、図１３及び図１５に示すように、界磁巻線５４の外周側に配置されて周方向に交互に異なる極性の磁極が形成される複数（実施形態２では１６個）の磁極部５３１と、磁極部５３１を通るｄ軸から電気角で９０°ずれた所に位置するｑ軸コア部５３２と、磁極部５３１の外周側に設けられて隣接する異なる極性の磁極部５３１同士を磁気的に接続する短絡部５３３と、を有する。

磁極部５３１は、Ｓ極に磁化される第１磁極部５３１ａと、Ｎ極に磁化される第２磁極部５３１ｂが周方向に交互に８個ずつ設けられている。第１磁極部５３１ａは、軸方向一端側の端面が第１ディスク部５２２ａの第１突出部５２３ａと当接し、第２磁極部５３１ｂは、軸方向他端側の端面が第２ディスク部５２２ｂの第２突出部５２３ｂと当接している。各磁極部５３１の周方向両側と内周側の３箇所には、永久磁石５５を収容する磁石収容孔５３４が設けられている。磁石収容孔５３４は、永久磁石５５の断面形状よりも大きい断面形状を有し、磁石収容孔５３４に収容された永久磁石５５の磁化困難軸の軸方向両側に磁気的空隙部（バリア）５３５が設けられている。短絡部５３３は、コア部材５３の外周部に一体に設けられている。具体的には、ｑ軸コア部５３２とその周方向両側にある２つの磁石収容孔５３４の外周側に位置する部位である。短絡部５３３の部材は、逆起電力を低減させるため、ポールコア５２の材料よりも高い比透磁率の材料で構成するとよい。

界磁巻線５４は、ボス部５２１の外周面にポールコア５２と絶縁された状態で巻装されており、ポールコア５２及びコア部材５３に囲まれている。この界磁巻線５４は、図示しない界磁電流制御回路から図示しないブラシや回転軸５１に固定されたスリップリング５６を介して界磁電流Ｉｆが供給されることによってボス部５２１に起磁力を発生させる。これにより、コア部材５３の第１磁極部５３１ａと第２磁極部５３１ｂにそれぞれ異なる極性の磁極が形成される。実施形態２の場合には、第１磁極部５３１ａがＳ極に磁化され、第２磁極部５３１ｂがＮ極に磁化される。

永久磁石５５は、図１５に示すように、各磁極部５３１の周方向両側と内周側のそれぞれの３箇所に設けられた磁石収容孔に１個ずつ収容配置されている。この場合、各磁極部５３１の周方向両側で磁極部５３１とｑ軸コア部５３２の間に配置された永久磁石５５ａは、磁化容易軸が周方向に向けられてその極性が励磁によって磁極部５３１に交互に現れる極性と一致するように配置されている。また、各磁極部５３１の内周側に配置された永久磁石５５ｂは、磁化容易軸が径方向に向けられて径方向外側の極性が励磁によって現れる磁極部５３１の極性と一致するように配置されている。

なお、実施形態２の場合、界磁巻線５４への通電によってコア部材５３に形成されるｄ軸磁気回路（図１５に実線で示す）は、大きく見れば第１ｄ軸回路５８ａと第２ｄ軸回路５８ｂの２種類が存在する。第１ｄ軸回路５８ａは、磁極部５３１とｑ軸コア部５３２の間に配置された永久磁石５５ａを周方向に横切る磁気回路である。また、第２ｄ軸回路５８ｂは、磁極部５３１の内周側に配置された永久磁石５５ｂを径方向に横切る磁気回路である。一方、ｄ軸磁気回路の鎖交磁束により電機子巻線２５に流れる電流によってコア部材５３に形成されるｑ軸磁気回路５９（図１５に破線で示す）は、ｑ軸コア部５３２から永久磁石５５ｂの内周側を経由して、隣接するｑ軸コア部５３２を通り抜ける磁気回路である。

回転センサ５７は、ロータ５０の回転位相を検知するものである。この回転センサ５７は、車両用交流発電機２を制御する図示しない制御部と出力線５７ａで接続されており、検知したロータ５０の回転位相情報を制御部に送る。

以上の構成を有する車両用交流発電機２は、図示しないエンジンから駆動力伝達部材を介して回転軸５１に回転力が伝えられると、回転軸５１と共にロータ５０が所定方向に回転する。この状態で、スリップリング５６を介してロータ５０の界磁巻線５４に励磁電圧を印加することにより、第１及び第２磁極部５３１ａ，５３１ｂが励磁されて、ロータ５０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。電機子巻線２５で発生した交流の起電力は、図示しない整流器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図示しないバッテリに供給される。

上記のように構成された実施形態２に係る車両用交流発電機２は、実施形態１の場合と同様に、ボス部５２１の一対のＮＳ磁極あたりの軸方向断面積をＡｂ（以下、「ボス部断面積Ａｂ」という。）とし、ボス部５２１の材料の磁界の強さ５０００Ａ／ｍにおける磁束密度をＢｓｂとし、永久磁石５５の残留磁束密度をＢｒとし、永久磁石５５の磁束流入出面の表面積をＡｍとし、短絡部５３３の周方向断面積をＡｓ（以下、「短絡部断面積Ａｓ」という。）とし、短絡部５３３の材料の磁界の強さ５０００Ａ／ｍにおける磁束密度をＢｓｓとしたときに、Ａｂ・Ｂｓｂ＋Ａｓ・Ｂｓｓ≧２・Ｂｒ・Ａｍ、且つ０．０３≦Ａｓ／Ａｂ≦０．２２となる関係が成立するように構成されている。また、ロータ５０は、１≦（Ａｂ・Ｂｓｂ＋Ａｓ・Ｂｓｓ）／（２・Ｂｒ・Ａｍ）≦１．４となる関係が成立するように構成されている。

＜作用及び効果＞
以上のように構成された実施形態２の車両用交流発電機２によれば、ロータ５０は、Ａｂ・Ｂｓｂ＋Ａｓ・Ｂｓｓ≧２・Ｂｒ・Ａｍ、且つ０．０３≦Ａｓ／Ａｂ≦０．２２となる関係が成立するように構成されている。これにより、エアギャップの拡大を抑制しつつ十分な強度的信頼性を確保するとともに、界磁特性及び最大磁束を同等以上とすることにより高出力を実現し、且つ界磁巻線５４の発熱量を低減して熱的信頼性を確保することができる等、実施形態１と同様の作用及び効果を奏する。

また、実施形態２では、ロータ５０は、１≦（Ａｂ・Ｂｓｂ＋Ａｓ・Ｂｓｓ）／（２・Ｂｒ・Ａｍ）≦１．４となる関係が成立するように構成されている。これにより、低電圧範囲において、逆起電力を厳しく低減させることができ、永久磁石５５の削減によりコストダウンを図ることができる等、実施形態１と同様の作用及び効果を奏する。

そして、実施形態２のロータ５０は、永久磁石５５ａ，５５ｂが埋め込まれたコア部材５３を、ポールコア５２のディスク部５２２で軸方向両側から挟み込んだ構造を有する。これにより、ｄ軸のインダクタンスが低い本構成において、コア部材５３部分のｑ軸トルクを有効に使うことができる。

また、ロータ５０は、磁極部５３１の外周側に設けられて異なる極性の磁極部５３１同士を磁気的に接続する短絡部５３３を有するコア部材５３を備えている。これにより、短絡部５３３の短絡磁路を逆起電力抑制構造として利用できるため、ボス部５２１やディスク部５２２の断面積を小さくすることで界磁巻線５４のスペースを大きくすることができる。そのため、上記の熱的信頼性を確保する上でより一層効果的となる。

〔実施形態３〕
実施形態３に係る回転電機について図１６〜図２２を参照して説明する。実施形態３に係る回転電機は、実施形態１と同様の車両用交流発電機であるが、主にロータ３０の構成が実施形態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。

＜車両用交流発電機の全体構成＞
実施形態３の車両用交流発電機３は、図１６に示すように、ハウジング１０、ステータ２０、ロータ３０、界磁巻線給電装置、整流器４５等を含んで構成されている。実施形態１の図１に示す車両用交流発電機１に備える磁束短絡部材３５に代えて、車両用交流発電機３では磁束短絡部材３８を備える点が相違する。

磁束短絡部材３８は、実施形態１の短絡部３５ａ，３６ａに相当する。この磁束短絡部材３８は、周方向に交互に配置された異なる極性の爪状磁極部３２３同士を磁気的に短絡するように接続する軟磁性体（例えば磁性鉄板など）である。

本形態の磁束短絡部材３８は、図１７に示すように、永久磁石３４よりも径方向内側、かつ、界磁巻線３３よりも径方向外側に設けられている。また図１８に示すように、周方向に隣り合う爪状磁極部３２３（すなわち第１爪状磁極部３２３ａと第２爪状磁極部３２３ｂ）の双方に接して設けられている。言い換えると、磁束短絡部材３８は界磁巻線３３と永久磁石３４との間に設けられて爪状磁極部３２３に接するので、異なる極性の爪状磁極部３２３同士を磁気的に短絡する。磁束短絡部材３８は、爪状磁極部３２３に接する配置でもよく、永久磁石３４と接着したり接合したりして設けてもよく、界磁巻線３３と接着して設けてもよい。接合は、アーク溶接やレーザビーム溶接などの融接でもよく、抵抗溶接や鍛接などの圧接でもよく、はんだ付けやろう付けなどのろう接でもよい。

＜磁束短絡部材３８の作用＞
次に、界磁巻線３３に流す界磁電流Ｉｆに応じて、磁石磁束Ψｎの流れを制御する技術について説明する。ここで、完成された回転電機は、ステータ２０およびロータ３０の各磁気抵抗を容易に測定することができない。インダクタンスは、巻数（具体的にはターン数）の２乗で変動するため、大小関係を評価するのは難しい。そのため、本形態での評価には、後述する測定法で容易に測定でき、算出することが可能なパーミアンスを用いることにする。パーミアンスＰ[Ｈ]は、インダクタンスをＬ[Ｈ]とし、巻線の巻数をＮとすると、一般式のＰ＝Ｌ／Ｎ²の関係を有する。したがって、インダクタンスを測定できれば、容易にパーミアンスも求められる。また、巻数Ｎは定数であるので、パーミアンスＰとインダクタンスＬとは比例関係がある。

界磁巻線３３に界磁電流Ｉｆが流れているとき、図１９，図２０に太破線で示すように、ロータ３０の逆起電力を生むｄ軸磁気回路Ｍｄが形成される。図１９に示すｄ軸磁気回路Ｍｄは、界磁コア３２のボス部３２１と、一対の第１爪状磁極部３２３ａおよび第２爪状磁極部３２３ｂとを通る磁束により形成される。ボス部３２１は「コア部」に相当する。

上記磁束の流れは、さらに図２０に一例を太破線で示す。本例は、界磁巻線３３に電流が流れて、第１ポールコア３２ａがＮ極に磁化され、第２ポールコア３２ｂがＳ極に磁化される例である。まずステータコア２１のｄ軸のティース２３から界磁コア３２の第２爪状磁極部３２３ｂに入る。その後、第２ディスク部３２２ｂ，第２ボス部３２１ｂ，第１ボス部３２１ａ，第１ディスク部３２２ａ，第１爪状磁極部３２３ａを経由する。さらに、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、バックヨーク２４を通って１磁極分ずれた位置にあるｄ軸のティース２３に至る。図示を省略するが、第１ポールコア３２ａがＳ極に磁化され、第２ポールコア３２ｂがＮ極に磁化される場合には、磁束は上述した順番と逆順に流れる。

上述したｄ軸磁気回路Ｍｄを考慮すると、ロータ３０のパーミアンスＰｒｔ[Ｈ]は、界磁巻線３３のインダクタンスを測定すれば求められる。界磁巻線３３の巻数をＮｒとし、測定されたインダクタンスをＬｒ[Ｈ]とすれば、Ｐｒｔ＝Ｌｒ／Ｎｒ²で求められる。

また、ステータ２０のパーミアンスＰｓｔ[Ｈ]は、電機子巻線２５のインダクタンスを測定すれば求められる。電機子巻線２５の巻数をＮｓとし、測定されたインダクタンスをＬｓ[Ｈ]とすれば、Ｐｓｔ＝Ｌｓ／Ｎｓ²で求められる。

本形態では、図１６，図１７に示したように、ロータ３０は永久磁石３４および磁束短絡部材３８を有する。そのため、図２１に太破線で示す新たな磁気回路３９が形成される。この磁気回路３９は、界磁電流Ｉｆが流れないとき（すなわちＩｆ＝０）に形成され、ボス部３２１，ディスク部３２２，磁束短絡部材３８を流れてロータ３０内で完結する。一方、界磁電流Ｉｆが流れるときは、磁束短絡部材３８を通る磁束が飽和してしまうため、磁気回路３９は形成されない。すなわち磁束短絡部材３８は、界磁電流Ｉｆが流れないときに磁石磁束Ψｎを抑制する最短絡路となり、界磁電流Ｉｆが流れるときに漏洩磁束を無くす役割を担う。このことから、界磁電流Ｉｆが流れるとき、漏洩磁束が無くなった磁石磁束Ψｎは、その磁束のほぼ全てをステータ２０側に供給できるので、車両用交流発電機３は永久磁石型モータのように作用する。

図２２には、界磁電流Ｉｆに対するパーミアンスＰｒｔ，Ｐｓｔの変化を示す。実線で示すパーミアンスＰｒｔと、一点鎖線で示すパーミアンスＰｓｔは、いずれもロータ３０を単体にてインダクタンスの測定を行った結果に基づくものである。比較例として、二点鎖線で示すパーミアンスＰｒｔ２は、永久磁石３４および磁束短絡部材３８を有しない従来技術のロータのものである。

パーミアンスＰｒｔは、無負荷時である界磁電流Ｉｆが０[Ａ]のときに最大値Ｐ２になり、界磁電流Ｉｆが大きくなるにつれて低下してゆく。界磁電流ＩｆがＩｆ１[Ａ]以上のとき、パーミアンスＰｒｔは半分値Ｐ１以下となっている。半分値Ｐ１は最大値Ｐ２を半分した値である。上述したようにパーミアンスＰとインダクタンスＬとは比例関係があるので、パーミアンスＰをインダクタンスＬに読み替えることもできる。すなわち、界磁電流Ｉｆが負荷時に流れるＩｆ１[Ａ]以上のとき、インダクタンスＬは界磁電流Ｉｆが０[Ａ]のときの値よりも半分値以下となる。

これに対して、パーミアンスＰｓｔは界磁電流Ｉｆの大きさに関わらず、一定幅の範囲で推移する。そのため、無負荷時はＰｒｔ＞Ｐｓｔになり、負荷時はＰｓｔ＞Ｐｒｔになる。Ｐｓｔ＞Ｐｒｔが成り立つのは、厳密には界磁電流Ｉｆが閾値電流Ｉｆｔｈよりも大きい範囲（すなわちＩｆ＞Ｉｆｔｈ）に限られる。負荷時は、界磁巻線３３に流す界磁電流Ｉｆの定格電流が一般的なブラシの能力（例えばＩｆ＝４〜２０[Ａ]の間）であって、閾値電流Ｉｆｔｈよりも大きな電流を流している状態である。ブラシに進歩が向上すれば、界磁電流Ｉｆは一般的なブラシの能力である２０[Ａ]を超えた電流値（例えば３０[Ａ]や５０[Ａ]等）を流してもよい。

上述したように、界磁電流Ｉｆが０[Ａ]のときにはロータ３０とステータ２０のパーミアンスをＰｒｔ＞Ｐｓｔにすることで、磁石磁束Ψｎをロータ３０内に留めることができる。磁束短絡部材３８は、周方向に異なる極性の爪状磁極部３２３の間に設けられるので、磁石磁束Ψｎを十分に短絡して、逆起電力を厳しく低減させることができる。

一方、界磁電流Ｉｆが負荷時の電流のときにはロータ３０とステータ２０のパーミアンスをＰｓｔ＞Ｐｒｔにすることで、磁石磁束Ψｎをステータ２０側に流すことができる。周方向に異なる極性の爪状磁極部３２３の間に設けられた磁束短絡部材３８は、界磁巻線３３に流れた界磁電流Ｉｆによって生じる界磁磁束Ψｍで飽和するので、磁石磁束Ψｎはステータ２０に向けて流せる。こうして、界磁巻線３３に流す界磁電流Ｉｆの大きさに基づいて、ロータ３０とステータ２０のパーミアンスの大小関係を制御できる。

＜作用及び効果＞
以上のように構成された実施形態３の車両用交流発電機３によれば、ロータ３０は、Ａｂ・Ｂｓｂ＋Ａｓ・Ｂｓｓ≧２・Ｂｒ・Ａｍ、且つ０．０３≦Ａｓ／Ａｂ≦０．２２となる関係が成立するように構成されている。これにより、界磁巻線３３への通電により界磁磁束が界磁コア３２に励磁されたときに、界磁巻線３３が巻装されているボス部３２１を流れる磁束を飽和させて、永久磁石３４の磁力Ψｍをステータ２０へ流出させることができる。そのため、永久磁石３４の磁力Ψｍにより、従来の爪状磁極部間に設けられた磁束短絡部材３８の磁束漏れによる能力低下と比べて同等以上の磁力増加を引き出すことが可能となり、界磁特性及び最大磁束の向上により高出力を実現することができる。

また、実施形態３では、ロータ３０を単体にてインダクタンスの測定を行った際、負荷時のインダクタンスが、無負荷時のインダクタンスよりも半分以下となっている。この構成によれば、負荷時に磁石磁束Ψｎを有効にステータ２０側に案内し、無負荷時に磁石磁束Ψｎをロータ３０内で短絡させることができる。また、ランデル型を使う理由の一つである逆起電力を無負荷時に抑制するという効果を向上しつつ、高磁束を得ることができる。

また、実施形態３では、短絡部に相当する磁束短絡部材３８は、永久磁石３４から界磁巻線３３までのスペースと、永久磁石３４からステータコア２１のティースの径方向先端までのスペースとのうちで少なくとも一方に設けられている。この構成によれば、逆起電力を厳しく低減させることができる。ロータ３０とステータ２０間のエアギャップを通らない非常に低い磁気抵抗の逆起電力抑制磁路が設けられ、逆起電力を５０％から７０％程度まで低減することができる。

また、実施形態３では、短絡部に相当する磁束短絡部材３８の部材は、コア部に相当するボス部３２１の材料よりも高い比透磁率の材料で構成されている。この構成によれば、無負荷時の磁束低減効果を持つ短絡磁路の非透磁率が高いため、より効果的に逆起電力を低減することができる。

実施形態３では、図１６，図１７に示すように、磁束短絡部材３８は永久磁石３４から界磁巻線３３までのスペースに設ける構成とした。この構成に限らず、図２３，図２４に示すように、永久磁石３４からステータコア２１のティース２３の径方向先端（図２３ではステータ２０の左側端面）までのスペースに設ける構成としてもよい。永久磁石３４から界磁巻線３３までと、永久磁石３４からティース２３の径方向先端までの双方に磁束短絡部材３８を設ける構成としてもよい。要するに１以上の磁束短絡部材３８は、周方向に異なる極性の爪状磁極部３２３の間、かつ、図２３に示す界磁巻線３３からティース２３の径方向先端までのスペースＳＰのうちで永久磁石３４を除いた部位に設けることができる。いずれの場所に設けた場合でも、上述した作用効果が得られる。

実施形態３では、磁束短絡部材３８によって、界磁電流Ｉｆが０[Ａ]のときにはロータ３０とステータ２０のパーミアンスをＰｒｔ＞Ｐｓｔにし、界磁電流Ｉｆが負荷時の電流のときにはロータ３０とステータ２０のパーミアンスをＰｓｔ＞Ｐｒｔにした。このことは、実施形態１の短絡部３５ａ，３６ａや、実施形態２の短絡部５３３でも同様に実現できる。すなわち、実施形態３の作用効果は実施形態１，２でも得られる。

〔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、本発明に係る回転電機を車両用交流発電機に適用した例を説明したが、車両に搭載される回転電機としての電動機や、さらには発電機と電動機を選択的に使用し得る回転電機にも本発明を適用することができる。

１，２，３…車両用交流発電機（回転電機）、１０…ハウジング、１１…フロントハウジング、１２…リアハウジング、１３…ボルト、１４…軸受け、２０…ステータ、２１…ステータコア、２２…スロット、２３…ティース、２５…電機子巻線、２６…符号、３０…ロータ、３１…回転軸、３１Ａ…プーリ、３２…界磁コア、３２ａ…第１ポールコア、３２ｂ…第２ポールコア、３２１…ボス部、３２１ａ…第１ボス部、３２１ｂ…第２ボス部、３２２ａ…第１ディスク部、３２２ｂ…第２ディスク部、３２３…爪状磁極部、３２３ａ…第１爪状磁極部、３２３ｂ…第２爪状磁極部、３３，５４…界磁巻線、３４，５５，５５ａ，５５ｂ…永久磁石、３５，３６，３７，３８…磁束短絡部材、３５ａ，３６ａ，５３３…短絡部、３６ｂ…窓部、３６ｃ…溝、４１…ブラシ、４２…スリップリング、４３…レギュレータ、４５…整流器、５０…ロータ、５１…回転軸、５２…ポールコア、５２１…ボス部、５２２…ディスク部、５２２ａ…第１ディスク部、５２２ｂ…第２ディスク部、５２３ａ…第１突出部、５２３ｂ…第２突出部、５３…コア部材、５３１…磁極部、５３１ａ…第１磁極部、５３１ｂ…第２磁極部、５３２…ｑ軸コア部、５３４…磁石収容孔、５６…スリップリング、５７…回転センサ、５７ａ…出力線、５８ａ…第１ｄ軸回路、５８ｂ…第２ｄ軸回路、５９…ｑ軸磁気回路、Ａｂ…ボス部断面積、Ａｓ…短絡部断面積、Ａｍ…表面積、Ｂｄ…実行磁束密度、Ｂｒ…残留磁束密度、Ｉｆ…界磁電流。

Claims (9)

1. ステータコア（２１）に電機子巻線（２５）が巻装されてなるステータ（２０）と、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）と、を備えた回転電機において、
   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に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界磁巻線（３３）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その極性が励磁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配置された永久磁石（３４）と、
   周方向に異なる極性の前記爪状磁極部同士を磁気的に接続する短絡部（３５ａ，３６ａ）を有する磁束短絡部材（３５，３６，３７，３８）と、を備え、
   前記ボス部の一対のＮＳ磁極あたりの軸方向断面積をＡｂとし、前記ボス部の材料の磁界の強さ５０００Ａ／ｍにおける磁束密度をＢｓｂとし、前記永久磁石の残留磁束密度をＢｒとし、前記永久磁石の磁束流入出面の表面積をＡｍとし、前記短絡部の周方向断面積をＡｓとし、前記短絡部の材料の磁界の強さ５０００Ａ／ｍにおける磁束密度をＢｓｓとしたときに、
   Ａｂ・Ｂｓｂ＋Ａｓ・Ｂｓｓ≧２・Ｂｒ・Ａｍ、且つ０．０３≦Ａｓ／Ａｂ≦０．２２となる関係が成立するように構成されている回転電機。
2. 請求項１において、
   前記ロータは、１≦（Ａｂ・Ｂｓｂ＋Ａｓ・Ｂｓｓ）／（２・Ｂｒ・Ａｍ）≦１．４となる関係が成立するように構成されている回転電機。
3. 請求項１又は２において、
   前記短絡部は、軸方向断面積が周方向において一定にされている回転電機。
4. 請求項１〜３の何れか一項において、
   前記短絡部は、前記ロータと前記ステータコアとの径方向に対向する対向面の軸方向外側に少なくとも一部がはみ出すように設けられている回転電機。
5. ステータコア（２１）に電機子巻線（２５）が巻装されてなるステータ（２０）と、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）と、を備えた回転電機において、
   前記ロータは、
   筒状のボス部（５２１）、及び、前記ボス部の軸方向両端から周方向所定ピッチで径方向外側に突出するディスク部（５２２，５２２ａ，５２２ｂ）を有するポールコア（５２）と、
   周方向に交互に異なる極性の磁極が形成される複数の磁極部（５３１，５３１ａ，５３１ｂ）、前記磁極部を通るｄ軸から電気角で９０°ずれた所に位置するｑ軸コア部（５３２）、及び、周方向に異なる極性の前記磁極部同士を磁気的に接続する短絡部（５３３）を有するコア部材（５３）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界磁巻線（５４）と、
   前記磁極部と前記ｑ軸コア部の間に配置されて前記磁極部に交互に現れる極性と一致するように配置された永久磁石（５５）と、を備え、
   前記ボス部の一対のＮＳ磁極あたりの軸方向断面積をＡｂとし、前記ボス部の材料の磁界の強さ５０００Ａ／ｍにおける磁束密度をＢｓｂとし、前記永久磁石の残留磁束密度をＢｒとし、前記永久磁石の磁束流入出面の表面積をＡｍとし、前記短絡部の周方向断面積をＡｓとし、前記短絡部の材料の磁界の強さ５０００Ａ／ｍにおける磁束密度をＢｓｓとしたときに、
   Ａｂ・Ｂｓｂ＋Ａｓ・Ｂｓｓ≧２・Ｂｒ・Ａｍ、且つ０．０３≦Ａｓ／Ａｂ≦０．２２となる関係が成立するように構成されている回転電機。
6. 請求項５において、
   前記ロータは、１≦（Ａｂ・Ｂｓｂ＋Ａｓ・Ｂｓｓ）／（２・Ｂｒ・Ａｍ）≦１．４となる関係が成立するように構成されている回転電機。
7. 請求項１〜６の何れか一項において、
   前記ロータを単体にてインダクタンスの測定を行った際、負荷時のインダクタンスが、無負荷時のインダクタンスよりも半分以下となっている回転電機。
8. 請求項１〜７の何れか一項において、
   前記ステータコアは、径方向に延びる複数のティース（２３）を有し、
   前記短絡部は、前記永久磁石から前記界磁巻線までのスペースと、前記永久磁石から前記ティースの径方向先端までのスペースとのうちで少なくとも一方に設けられている回転電機。
9. 請求項１〜８の何れか一項において、
   前記ロータは、コア部（３２１，５２）を有し、
   前記短絡部（３５ａ，３６ａ，３８）の部材は、前記コア部の材料よりも高い比透磁率の材料で構成されている回転電機。