回転電機
【課題】回転子が界磁巻線により単極となるように界磁される回転電機において、回転シャフトに加わるラジアル力のアンバランスをなくす。
【解決手段】回転電動機１０のロータ１１は、周方向に一定間隔で磁気的突極１８が形成され、ステータ１２は、筒状に形成されるとともにロータコア１６の外周側に配置され、かつ固定子巻線が集中巻で巻き付けられたティース１９が内周面に一定間隔で形成されている。回転電動機１０は、ステータ１２の外周に設けられた界磁ヨーク１３と、ロータ１１が単極となる磁気回路を形成するための界磁巻線１４とを備えている。また、磁気的突極１８、ティース１９及び固定子巻線の相配置が回転シャフト１５を中心とした回転対称に設定されている。磁気的突極１８の数Ｐｎ及びステータ１２のスロットの数Ｐｓが１以外の公約数を有する。
【解決手段】回転電動機１０のロータ１１は、周方向に一定間隔で磁気的突極１８が形成され、ステータ１２は、筒状に形成されるとともにロータコア１６の外周側に配置され、かつ固定子巻線が集中巻で巻き付けられたティース１９が内周面に一定間隔で形成されている。回転電動機１０は、ステータ１２の外周に設けられた界磁ヨーク１３と、ロータ１１が単極となる磁気回路を形成するための界磁巻線１４とを備えている。また、磁気的突極１８、ティース１９及び固定子巻線の相配置が回転シャフト１５を中心とした回転対称に設定されている。磁気的突極１８の数Ｐｎ及びステータ１２のスロットの数Ｐｓが１以外の公約数を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転子が界磁巻線により界磁される回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転子が界磁巻線により界磁される回転電動機として、回転軸が高速回転した際に回転軸の半径方向の振れが大きくなるのを抑制したホモポーラ形リラクタンスモータが提案されている（特許文献１参照）。このホモポーラ形リラクタンスモータは、図１２に示すように、突極５１を有する一対の回転子５２Ａ，５２Ｂが所定の間隔を有して直列に、かつ各回転子５２Ａ，５２Ｂの突極５１同士が互いにずれた状態で回転軸５３に固定されている。固定子５４Ａ，５４Ｂは、それぞれ回転子５２Ａ，５２Ｂを囲繞するように配置され、回転子５２Ａ，５２Ｂにトルクを発生させるトルク発生用駆動コイル（図示せず）を備えている。固定子５４Ａ，５４Ｂの外側には突極５１を励磁する界磁コイル５５が設けられている。そして、界磁コイル５５に通電すると、図１２に示すように一方の回転子５２Ａの突極５１から他方の回転子５２Ｂの突極５１に通じる磁束が形成され、一方の回転子５２Ａの４個の突極５１が例えばＮ極となり、他方の回転子５２Ｂの４個の突極５１が例えばＳ極になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１３６６２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１のホモポーラ形リラクタンスモータは、回転軸５３に固定された一対の回転子５２Ａ，５２Ｂのうちの一方の回転子５２Ａの全ての突極５１がＮ極になり、他方の回転子５２Ｂの全ての突極５１がＳ極になる。そのため、回転軸５３に作用するラジアル力のバランスが取り易い。しかし、回転子及び固定子をそれぞれ２個ずつ設ける必要があり、構成が複雑で小型化し難い。
【０００５】
回転子が界磁巻線により界磁され、かつ単極となる回転電機で回転子及び固定子を１個ずつにした場合、構成が簡単になり小型化し易くなる。ところが、その際、固定子の巻線に集中巻を採用すると、固定子（ステータ）及び回転子（ロータ）の突極数の組み合わせにより、通電時に回転子に働くラジアル力が不均一に作用する状態となり、回転軸を支持するベアリングの負担が大きくなり、振動増や寿命低下を招くという問題が生じる。
【０００６】
本発明は前記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、回転子が界磁巻線により単極となるように界磁される回転電機において、回転シャフトに加わるラジアル力のアンバランスをなくすことができる回転電機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、回転子が界磁巻線により界磁される回転電機である。そして、回転シャフトに一体回転可能に固定され、かつ周方向に一定間隔で磁気的突極が形成されたロータコアを有する回転子と、筒状に形成されるとともに前記ロータコアの外周側に配置され、かつ固定子巻線が集中巻で巻き付けられたティースが内周面に一定間隔で形成された固定子と、前記固定子の外周に設けられた界磁ヨークと、前記回転子が単極となる磁気回路を形成するための界磁巻線とを備えている。また、前記磁気的突極、前記ティースがそれぞれ前記回転シャフトを中心とした回転対称に配置され、前記固定子巻線の相配置が前記回転シャフトを中心とした回転対称に設定され、かつ前記磁気的突極の数をＰｎ、前記固定子のスロットの数をＰｓとした場合、Ｐｎ及びＰｓが１以外の公約数を有する。ここで、「回転子が単極となる」とは、ロータコアに複数形成された磁気的突極の固定子側端部が、界磁巻線に励磁電流が供給された状態では全てＮ極又はＳ極の同じ磁極になることを意味する。また、「磁気的突極」とは、ロータコアの内側から外面に向かって磁束が流れ易い部分を意味し、ロータコアとして突部を一定間隔で有する形状に限らず、磁性材で形成された突部の間が非磁性材で埋められる、もしくは磁気的突極性を有するようロータコアに非磁性部を配し、全体として平坦な形状のロータコアであってもよい。
【０００８】
この発明では、固定子（ステータ）のティースに集中巻で巻き付けられた固定子巻線が励磁されると回転磁界が発生し、回転磁界による磁束により回転子（ロータ）にトルクが作用する。一方、界磁巻線に励磁電流が供給された状態では、回転子のロータコアに複数形成された全ての磁気的突極の固定子側端部が同じ磁極になる。そして、回転磁界による磁束と、界磁巻線による磁束との相互作用によって回転シャフトにラジアル力が加わる。磁気的突極、ティースがそれぞれ回転シャフトを中心とした回転対称に配置され、前記固定子巻線の相配置が前記回転シャフトを中心とした回転対称に設定され、かつ前記磁気的突極の数をＰｎ、前記固定子のスロットの数をＰｓとした場合、Ｐｎ及びＰｓが１以外の公約数を有するため、回転シャフトに加わるラジアル力のアンバランスがなくなる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記固定子巻線は三相交流電流で励磁される。この発明では、回転子にトルクを発生させるための回転磁界を発生させる構成が一般に使用される三相回転電機と同じで簡単になる。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記磁気的突極の数をＰｎ、前記ステータのスロットの数をＰｓとした場合、Ｐｎ：Ｐｓが１：３、２：３、４：３、４：９、５：３、５：６、５：９、５：１２、８：９、８：１５、８：２１のいずれかを満足する。この発明では、三相回転電機で磁気的突極、ティースをそれぞれ回転シャフトを中心とした回転対称に配置し、かつ固定子巻線の相配置を回転シャフトを中心とした回転対称に設定するのが容易になる。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記Ｐｎ：Ｐｓが２：３、４：９、５：１２のいずれかを満足する。したがって、この発明ではＰｎ：Ｐｓが１：３の場合と異なりトルクバランスも良好になる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、回転子が界磁巻線により単極となるように界磁される回転電機において、回転シャフトに加わるラジアル力のアンバランスをなくすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】（ａ）は回転電動機の模式断面図、（ｂ）はロータの正面図。
【図２】（ａ）は図１のII−II線模式断面図、（ｂ）はロータが（ａ）の状態から回転した状態の模式断面図。
【図３】参考例の回転電動機の模式断面図。
【図４】ラジアル力の変化を示すグラフ。
【図５】別の実施形態の図２（ｂ）に対応する模式断面図。
【図６】別の実施形態の回転電動機の模式断面図。
【図７】別の実施形態の回転電動機の模式断面図。
【図８】別の実施形態の回転電動機の模式断面図。
【図９】別の実施形態の回転電動機の模式断面図。
【図１０】（ａ）は別の実施形態の回転電動機の模式断面図、（ｂ）は別の実施形態のロータの正面図。
【図１１】別の実施形態のロータの正面図。
【図１２】従来技術の概略断面斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を三相の回転電動機に具体化した一実施形態を図１〜図４にしたがって説明する。なお、図２（ａ），（ｂ）及び図３の模式断面図において図示の都合上、断面のハッチングを省略している。
【００１５】
図１（ａ）に示すように、回転電機としての回転電動機１０は、ロータ（回転子）１１と、ロータ１１の外側に配置された筒状のステータ（固定子）１２と、ステータ１２の外側に設けられた界磁ヨーク１３と、ロータ１１を界磁する界磁巻線１４とを備えている。界磁ヨーク１３は回転電動機１０のケースとしても機能し、ステータ１２の外周と対向する円筒部１３ａと、円筒部１３ａの両端に固定された一対の円板部１３ｂとを有する。
【００１６】
ロータ１１は、回転シャフト１５に一体回転可能に固定されたロータコア１６を有し、回転シャフト１５は円板部１３ｂを貫通する状態でベアリング１７を介して円板部１３ｂに回転可能に支持されている。回転シャフト１５は磁性材で形成されている。
【００１７】
図１（ｂ）に示すように、ロータコア１６は、径方向に突出する突部が周方向に一定間隔で形成されており、突部が磁気的突極１８を構成する。磁気的突極１８は、ロータコア１６を軸方向から見た場合に回転シャフト１５を中心とした回転対称となるように配置されている。この実施形態では磁気的突極１８は８個設けられ、各磁気的突極１８はロータコア１６の軸方向全長に亘って延設されている。ロータコア１６は、電磁鋼板を複数枚（例えば数十枚）積層して構成されており、軸方向の磁気抵抗が、径方向及び周方向の磁気抵抗より大きくなっている。このため、ロータコア１６内においては、磁束は軸方向に流れ難く、径方向及び周方向に流れ易くなる。
【００１８】
ステータ１２は、電磁鋼板を積層して略円筒状に形成されており、ステータ１２の径方向及び周方向の磁気抵抗は、軸方向の磁気抵抗より小さくなっている。このため、ステータ１２内においては、磁束はステータ１２の周方向及び径方向に流れ易く、軸方向に流れ難くなる。
【００１９】
図２に示すように、ステータ１２の内側には複数のティース１９が周方向に一定間隔で形成されるようにスロット２０が等間隔で設けられている。ティース１９及びスロット２０は、ステータ１２を軸方向から見た場合に回転シャフト１５を中心とした回転対称となるように配置されている。この実施形態ではティース１９及びスロット２０がそれぞれ１８個設けられている。したがって、ロータコア１６の磁気的突極１８の数をＰｎ、ステータ１２のスロット２０の数をＰｓとした場合、Ｐｎ＝８、Ｐｓ＝１８となり、Ｐｎ及びＰｓが１以外の公約数を有し、かつＰｎ：Ｐｓが４：９を満足する。
【００２０】
各ティース１９には、固定子巻線としてのＵ相巻線２１ｕ、Ｖ相巻線２１ｖ、Ｗ相巻線２１ｗがそれぞれ集中巻で巻き付けられている。Ｕ相巻線２１ｕ、Ｖ相巻線２１ｖ、Ｗ相巻線２１ｗは、図２において時計方向にＵ相、Ｖ相、Ｗ相の順で、かつ同じ相の巻線が巻き付けられたティース１９が３個ずつ隣り合うように巻き付けられている。即ち、固定子巻線を構成するＵ相巻線２１ｕ、Ｖ相巻線２１ｖ、Ｗ相巻線２１ｗの相配置が回転シャフト１５を中心とした回転対称に設定されている。
【００２１】
界磁ヨーク１３の両円板部１３ｂには、円環状の突条１３ｃがロータコア１６に向かって突出するように形成され、突条１３ｃには外周部に界磁巻線１４が巻き付けられたボビン２３が嵌合固定されている。突条１３ｃ及びボビン２３は、ロータ１１が単極となる磁気回路を形成するための界磁巻線１４が巻き付けられた界磁巻線巻回部を構成する。ロータ１１が単極となるとは、ロータコア１６に複数形成された磁気的突極１８のステータ１２側端部が、界磁巻線１４に励磁電流が供給された状態では全てＮ極又はＳ極の同じ磁極になることを意味する。
【００２２】
この実施形態では、各界磁巻線１４に電流が供給されると、界磁ヨーク１３とロータコア１６との間にロータコア１６の磁気的突極が全て同じ磁極（Ｎ極）となる磁気回路が形成されるようになっている。詳述すると、図１（ａ）において左側に位置する一方の界磁巻線１４においては、磁束が環状の界磁巻線１４の左側から内周側に進入して右側から界磁巻線１４の外部へ出るように発生する。また、図１（ａ）において右側に位置する他方の界磁巻線１４においては、磁束が環状の界磁巻線１４の右側から内周側に進入して左側から界磁巻線１４の外部へ出るように発生する。その結果、両界磁巻線１４から発生した磁束の経路は、回転シャフト１５内を対向する方向に進んだ後、ロータコア１６の内側から磁気的突極１８内を通ってステータ１２のティース１９内へ進み、界磁ヨーク１３の円筒部１３ａ及び円板部１３ｂを通って再び回転シャフト１５内に進入する経路となる。
【００２３】
次に前記のように構成された回転電動機１０の作用を説明する。
回転電動機１０は、Ｕ相巻線２１ｕ、Ｖ相巻線２１ｖ、Ｗ相巻線２１ｗが三相インバータに接続され、界磁巻線１４が直流電源に接続された状態で使用される。そして、制御装置により三相インバータから出力される制御電流量と、直流電源から界磁巻線１４に供給される電流量が制御される。
【００２４】
界磁巻線１４に直流が供給されると、界磁巻線１４から発生した磁束（磁力線）が、図１（ａ）に破線で示すように、界磁ヨーク１３の円板部１３ｂ→回転シャフト１５→ロータコア１６→磁気的突極１８→ステータ１２→界磁ヨーク１３の円筒部１３ａ→界磁ヨーク１３の円板部１３ｂの経路で通過する磁気回路が形成される。その結果、界磁巻線１４に励磁電流が供給された状態では、図２に示すように、ロータコア１６に複数形成された磁気的突極１８のステータ１２側端部が、全てＮ極になってステータ１２が単極となる。
【００２５】
一方、ステータ１２のＵ相巻線２１ｕ、Ｖ相巻線２１ｖ、Ｗ相巻線２１ｗには所定周波数の三相交流が順次供給されてステータ１２に回転磁界が発生し、ロータ１１に回転磁界が作用する。そして、回転磁界と磁気的突極１８の磁束との間の磁気的な吸引力及び反発力によりロータ１１が回転磁界と同期して回転する。また、界磁巻線１４に供給する電流量を調整することにより、生成する磁束量を調整することができる。そのため、界磁巻線１４に供給する電流量を調整することにより、所謂「弱め界磁制御」や「強め界磁制御」、自在な界磁磁束制御を行うことができる。
【００２６】
図２（ａ）に示すように、Ａで示す１８０度の機械角をなす一対の磁気的突極１８が、Ｕ相巻線２１ｕが巻き付けられた隣接する３個のティース１９の中央のティース１９と対向する状態において、それぞれ１８０度の機械角をなす他の３対の磁気的突極１８のティース１９との位置関係も、対毎に同じ状態となる。詳述すると、Ｂで示す磁気的突極１８は、Ｖ相巻線２１ｖが巻き付けられた隣接する３個のティース１９のうちＵ相巻線２１ｕが巻き付けられたティース１９寄りのティース１９と対向する。Ｃで示す磁気的突極１８は、Ｖ相巻線２１ｖが巻き付けられた隣接する３個のティース１９のうちＷ相巻線２１ｗが巻き付けられたティース１９寄りのティース１９と、Ｗ相巻線２１ｗが巻き付けられた隣接する３個のティース１９のうちＶ相巻線２１ｖが巻き付けられたティース１９寄りのティース１９とに対向する。Ｄで示す磁気的突極１８はＷ相巻線２１ｗが巻き付けられた隣接する３個のティース１９のうちＵ相巻線２１ｕが巻き付けられたティース１９寄りのティース１９と対向する。したがって、この状態では１８０度の機械角をなすＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄで示す各一対の磁気的突極１８に作用するラジアル方向の力は、各一対の磁気的突極１８毎に同じとなり、回転シャフト１５に加わるラジアル力はバランスした状態になる。
【００２７】
また、図２（ａ）に示す状態からロータ１１が任意の角度回転した場合、例えば、図２（ｂ）に示す状態においても、１８０度の機械角をなすＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄで示す各一対の磁気的突極１８のティース１９及び固定子巻線の相配置に対する位置関係は、各一対の磁気的突極１８毎に同じとなり、回転シャフト１５に加わるラジアル力はバランスした状態になる。
【００２８】
一方、磁気的突極１８、ティース１９がそれぞれ回転シャフト１５を中心とした回転対称に配置され、かつ固定子巻線の相配置が回転シャフト１５を中心とした回転対称に設定されていても、磁気的突極１８の数Ｐｎとステータ１２のスロット２０の数Ｐｓとが１以外の公約数を有しない場合は、回転シャフト１５に加わるラジアル力はアンバランスになる。
【００２９】
例えば、図３に、Ｐｎ＝５、Ｐｓ＝１２の場合を示す。磁気的突極１８は３６０／５度で回転対称であり、ティース１９（相配置）は３６０／２度で回転対称であるが、ＰｎとＰｓが１以外の公約数を有していない。図３に示す状態において、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅで示す各磁気的突極１８は、Ｕ相巻線２１ｕ、Ｖ相巻線２１ｖ及びＷ相巻線２１ｗが巻き付けられたティース１９との位置関係がそれぞれ異なり、回転シャフト１５に加わるラジアル力はアンバランスになる。
【００３０】
図４に、Ｐｎ＝８、Ｐｓ＝１８の場合（８突極１８スロットの場合）と、Ｐｎ＝５、Ｐｓ＝１２の場合（５突極１２スロットの場合）の回転シャフト１５に加わるラジアル力のシミュレーション結果を示す。図４においてラジアル力を表す縦軸の値はラジアル力の平均値に対する相対的な値を示し、１．０が平均値となる。
【００３１】
図４に示すように、実施形態の回転電動機１０である８突極１８スロットの場合は、電気角０〜３６０度の範囲に亘ってラジアル力は０、即ち回転シャフト１５に特定方向へのラジアル力が作用しないこと、即ち回転シャフト１５に加わるラジアル力のアンバランスがないこと確認された。一方、図３に示す比較例、即ち５突極１２スロットの場合は、電気角０〜３６０度の範囲において、特定方向へのラジアル力が６０度周期で変動することが確認された。
【００３２】
この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）回転電動機１０は、回転シャフト１５に一体回転可能に固定され、かつ周方向に一定間隔で磁気的突極１８が形成されたロータコア１６を有するロータ１１と、筒状に形成されるとともにロータコア１６の外周側に配置され、かつ固定子巻線が集中巻で巻き付けられたティース１９が内周面に一定間隔で形成されたステータ１２とを備えている。また、回転電動機１０は、ステータ１２の外周に設けられた界磁ヨーク１３と、ロータ１１が単極となる磁気回路を形成するための界磁巻線１４とを備えている。磁気的突極１８、ティース１９がそれぞれ回転対称に配置され、固定子巻線の相配置が回転対称に設定され、かつ磁気的突極１８の数をＰｎ及びステータ１２のスロット２０の数Ｐｓが１以外の公約数を有する。したがって、回転シャフト１５に加わるラジアル力のアンバランスをなくすことができる。
【００３３】
（２）固定子巻線（Ｕ相巻線２１ｕ、Ｖ相巻線２１ｖ及びＷ相巻線２１ｗ）は三相交流電流で励磁される。したがって、ロータコア１６にトルクを発生させるための回転磁界を発生させる構成が一般に使用される三相回転電動機と同じで簡単になる。
【００３４】
（３）回転電動機１０は、磁気的突極１８の数Ｐｎが８、ステータ１２のスロット２０の数Ｐｓが１８であるため、Ｐｎ及びＰｓが１以外の公約数を有し、かつＰｎ：Ｐｓが４：９を満足する。したがって、トルクバランスも良好になる。
【００３５】
（４）界磁巻線１４は界磁ヨーク１３の両端部にそれぞれ設けられているため、各磁気的突極１８に所望の量の磁束を円滑に流すために必要な円筒部１３ａの断面積を小さくすることができ、回転電動機１０の小型化に寄与する。
【００３６】
（５）界磁巻線巻回部はボビン２３を円板部１３ｂに形成された円環状の突条１３ｃに嵌合固定することで構成されている。したがって、界磁巻線１４を巻き付けたボビン２３を突条１３ｃに固定することができ、界磁巻線１４を円板部１３ｂに突設された突条１３ｃに直接巻き付ける場合に比べて、界磁巻線１４の巻き付け作業が簡単になる。
【００３７】
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 磁気的突極１８、ティース１９がそれぞれ回転対称に配置され、固定子巻線の相配置が回転対称に設定され、かつ磁気的突極１８の数Ｐｎ及びステータ１２のスロットの数Ｐｓが１以外の公約数を有していれば、磁気的突極１８の数Ｐｎとスロット２０の数Ｐｓとの組み合わせはＰｎ＝８、Ｐｓ＝１８に限らない。例えば、図３に示した磁気的突極１８の数Ｐｎが５、スロット２０の数Ｐｓが１２の回転電動機１０ではＰｎ及びＰｓが１以外の公約数を有せず、回転シャフト１５に加わるラジアル力がアンバランスになったが、Ｐｎ及びＰｓが１以外の公約数を有する組み合わせにすると、回転シャフト１５に加わるラジアル力のアンバランスをなくすことができる。例えば、Ｐｎ及びＰｓが１以外の公約数を有するように、Ｐｎ＝１０、Ｐｓ＝２４にすると、図５に示すように、１８０度の機械角をなすＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅで示す各一対の磁気的突極１８に作用するラジアル方向の力は、各一対の磁気的突極１８毎に同じとなり、回転シャフト１５に加わるラジアル力はバランスした状態になる。
【００３８】
○ 磁気的突極１８の数Ｐｎとスロット２０の数Ｐｓとの組み合わせはＰｎ＝８、Ｐｓ＝１８及びＰｎ＝１０、Ｐｓ＝２４に限らず、例えば、Ｐｎ及びＰｓが１以外の公約数を有し、かつＰｎ：Ｐｓが１：３、２：３、４：３、４：９、５：３、５：６、５：９、５：１２、８：９、８：１５、８：２１のいずれかを満足すればよい。しかし、そのうち、Ｐｎ：Ｐｓが１：３、４：３、５：３、５：６、５：９、８：９、８：１５、８：２１の組み合わせは、トルク変動が大きい。したがって、トルクバランスも良好になるＰｎ：Ｐｓが２：３、４：９、５：１２のいずれかの組み合わせが好ましい。
【００３９】
○ 回転電動機１０は、界磁巻線１４が界磁ヨーク１３の片側（一端側）に設けられた構成でもよい。例えば、図６に示すように、界磁ヨーク１３は円板部１３ｂが円筒部１３ａの一端側にのみ設けられ、他端側には非磁性材で形成された支持円板２４が設けられる。支持円板２４は界磁ヨーク１３と共に回転電動機１０のケースを構成し、ベアリング１７を介して回転シャフト１５の他端を支持する。この実施形態では、界磁巻線１４に電流が供給されると、磁束が界磁ヨーク１３の円板部１３ｂ→回転シャフト１５→ロータコア１６→磁気的突極１８→ステータ１２→界磁ヨーク１３の円筒部１３ａ→界磁ヨーク１３の円板部１３ｂの経路で通過する磁気回路が形成され、各磁気的突極１８がＮ極になる。この場合、界磁巻線１４が円筒部１３ａの両側に設けられた実施形態と異なり、各磁気的突極１８を流れた磁束が円筒部１３ａを経て円板部１３ｂに戻るために必要な円筒部１３ａの断面積が２倍になる。
【００４０】
○ 図７に示すように、ロータコア１６を、円筒状に形成されて回転シャフト１５に固設された筒状コア１６ａと、筒状コア１６ａの外周に設けられた積層ロータコア１６ｂとで構成し、突条１３ｃの先端を筒状コア１６ａの端面近傍まで延設するとともに突条１３ｃの厚さを厚くして、その分、回転シャフト１５の径を小さくしてもよい。磁気的突極１８は積層ロータコア１６ｂに形成する。筒状コア１６ａは、一体の磁性材料で形成されており、具体的には粉末成形磁性体（ＳＭＣ：Soft Magnetic Composites）で形成されている。粉末成形磁性体の磁気抵抗は、積層ロータコア１６ｂや回転シャフト１５の材質より小さい。この場合、界磁巻線１４で発生した磁束が回転シャフト１５より筒状コア１６ａ内を流れ易くなり、磁束が回転シャフト１５を流れる場合に比べて磁束の経路長が短くなる。その結果、界磁電流量を低減させることができる。また、積層ロータコア１６ｂ内においては、磁束は、軸方向に流れ難く、径方向及び周方向に流れ易くなるのに対して、筒状コア１６ａ内では積層ロータコア１６ｂ内より軸方向に磁束が流れ易くなる。このため、筒状コア１６ａが無い構成に比べて、磁束の経路が積層ロータコア１６ｂを構成する全ての電磁鋼板に分散して流れ易くなる。
【００４１】
○ ロータコア１６、１６ｂは電磁鋼板を積層して形成したが、鉄塊やＳＭＣで形成しても良い。
○ 図８に示すように、回転シャフト１５を、外周側の磁気抵抗が内周側の磁気抵抗より小さい２重構造に形成してもよい。この場合、界磁巻線１４に電流が供給されて界磁巻線１４から発生した磁束がロータコア１６に向かって流れる際、磁束は磁気抵抗の小さい外周側を流れるため、磁束の経路長が短くなる。その結果、界磁電流量を低減させることができる。
【００４２】
○ 図８に示すように、回転電動機１０に専用のケース２５を設け、ケース２５で回転シャフト１５をベアリング１７を介して支持するようにしてもよい。この場合、界磁ヨーク１３の円板部１３ｂの形状が簡単になる。また、界磁ヨーク１３がケースを兼用する場合に比べてケース２５の形状や材質の自由度が大きくなる。図８では回転シャフト１５が２重構造の場合を図示しているが、２重構造の場合に限らない。
【００４３】
○ 図９に示すようにシャフトの径をそのベアリング部において細くするようにしても良い。この場合、ベアリングの小径化が可能になる。
○ ティース１９に巻き付けられるＵ相巻線２１ｕ、Ｖ相巻線２１ｖ及びＷ相巻線２１ｗの配置は、各巻線が巻き付けられたティース１９がそれぞれ二つのグループ（３６０／２度で回転対称）に分けられる構成に限らない。例えば、図１０（ａ）に示すように、Ｐｎ＝１０、Ｐｓ＝２４の回転電動機１０において、各巻線が巻き付けられたティース１９がそれぞれ四つのグループ（３６０／４度で回転対称）に分けられた構成にしてもよい。
【００４４】
○ ロータコア１６の形状は、磁気的突極１８となるための突部を有する形状に限らない。例えば、図１０（ｂ）に示すように、ロータコア１６として突部を一定間隔で有する形状の部分を磁性材で形成し、突部の間を非磁性材２６で埋めて全体として平坦な形状としたものであってもよい。また、図１１に示すように突部の先端のみを隣接する突部の先端とつなげても、実質的に磁気的突極になればよい。
【００４５】
○ ボビン２３を設けずに、突条１３ｃの外周に界磁巻線１４を直接巻き付けて、突条１３ｃを界磁巻線巻回部としてもよい。
○ 固定子巻線としてのＵ相巻線２１ｕ、Ｖ相巻線２１ｖ及びＷ相巻線２１ｗは、一つのスロット２０に２本の巻線の一部がそれぞれ収容される状態ではなく、一つのスロット２０に１本の固定子巻線の一部が収容される構成であってもよい。
【００４６】
○ ロータ１１が単極となる場合、各磁気的突極１８のステータ１２側端部が、全てＮ極になるのではなく、全てＳ極になる構成にしてもよい。
○ 磁気的突極１８はロータコア１６の全長に亘って延設されずに、全長より短く形成されていてもよい。
【００４７】
○ 回転電動機１０は三相交流で駆動されるものに限らず、単相交流や二相交流あるいは四相以上の多相交流で駆動されるものであってもよい。
○ 電動機ではなく発電機に適用してもよい。
【００４８】
以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の発明において、前記界磁巻線は前記界磁ヨークの両端部にそれぞれ設けられている。
【００４９】
（２）請求項１〜請求項４及び前記技術的思想（１）のいずれか１項に記載の発明において、前記回転シャフトは、外周側の磁気抵抗が内周側の磁気抵抗より小さい２重構造に形成されている。
【００５０】
（３）請求項１〜請求項４及び前記技術的思想（１）のいずれか１項に記載の発明において、前記ロータコアは、筒状コアと前記筒状コアの外側に形成された積層コアとで構成され、前記筒状コアの材質は磁気抵抗が前記積層コアの材質より小さく構成されている。
【符号の説明】
【００５１】
１０…回転電機としての回転電動機、１１…ロータ（回転子）、１２…ステータ（固定子）、１３…界磁ヨーク、１４…界磁巻線、１５…回転シャフト、１６…ロータコア、１８…磁気的突極、１９…ティース、２０…スロット、２１ｕ…固定子巻線としてのＵ相巻線、２１ｖ…同じくＶ相巻線、２１ｗ…同じくＷ相巻線。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転子が界磁巻線により界磁される回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転子が界磁巻線により界磁される回転電動機として、回転軸が高速回転した際に回転軸の半径方向の振れが大きくなるのを抑制したホモポーラ形リラクタンスモータが提案されている（特許文献１参照）。このホモポーラ形リラクタンスモータは、図１２に示すように、突極５１を有する一対の回転子５２Ａ，５２Ｂが所定の間隔を有して直列に、かつ各回転子５２Ａ，５２Ｂの突極５１同士が互いにずれた状態で回転軸５３に固定されている。固定子５４Ａ，５４Ｂは、それぞれ回転子５２Ａ，５２Ｂを囲繞するように配置され、回転子５２Ａ，５２Ｂにトルクを発生させるトルク発生用駆動コイル（図示せず）を備えている。固定子５４Ａ，５４Ｂの外側には突極５１を励磁する界磁コイル５５が設けられている。そして、界磁コイル５５に通電すると、図１２に示すように一方の回転子５２Ａの突極５１から他方の回転子５２Ｂの突極５１に通じる磁束が形成され、一方の回転子５２Ａの４個の突極５１が例えばＮ極となり、他方の回転子５２Ｂの４個の突極５１が例えばＳ極になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１３６６２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１のホモポーラ形リラクタンスモータは、回転軸５３に固定された一対の回転子５２Ａ，５２Ｂのうちの一方の回転子５２Ａの全ての突極５１がＮ極になり、他方の回転子５２Ｂの全ての突極５１がＳ極になる。そのため、回転軸５３に作用するラジアル力のバランスが取り易い。しかし、回転子及び固定子をそれぞれ２個ずつ設ける必要があり、構成が複雑で小型化し難い。
【０００５】
回転子が界磁巻線により界磁され、かつ単極となる回転電機で回転子及び固定子を１個ずつにした場合、構成が簡単になり小型化し易くなる。ところが、その際、固定子の巻線に集中巻を採用すると、固定子（ステータ）及び回転子（ロータ）の突極数の組み合わせにより、通電時に回転子に働くラジアル力が不均一に作用する状態となり、回転軸を支持するベアリングの負担が大きくなり、振動増や寿命低下を招くという問題が生じる。
【０００６】
本発明は前記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、回転子が界磁巻線により単極となるように界磁される回転電機において、回転シャフトに加わるラジアル力のアンバランスをなくすことができる回転電機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、回転子が界磁巻線により界磁される回転電機である。そして、回転シャフトに一体回転可能に固定され、かつ周方向に一定間隔で磁気的突極が形成されたロータコアを有する回転子と、筒状に形成されるとともに前記ロータコアの外周側に配置され、かつ固定子巻線が集中巻で巻き付けられたティースが内周面に一定間隔で形成された固定子と、前記固定子の外周に設けられた界磁ヨークと、前記回転子が単極となる磁気回路を形成するための界磁巻線とを備えている。また、前記磁気的突極、前記ティースがそれぞれ前記回転シャフトを中心とした回転対称に配置され、前記固定子巻線の相配置が前記回転シャフトを中心とした回転対称に設定され、かつ前記磁気的突極の数をＰｎ、前記固定子のスロットの数をＰｓとした場合、Ｐｎ及びＰｓが１以外の公約数を有する。ここで、「回転子が単極となる」とは、ロータコアに複数形成された磁気的突極の固定子側端部が、界磁巻線に励磁電流が供給された状態では全てＮ極又はＳ極の同じ磁極になることを意味する。また、「磁気的突極」とは、ロータコアの内側から外面に向かって磁束が流れ易い部分を意味し、ロータコアとして突部を一定間隔で有する形状に限らず、磁性材で形成された突部の間が非磁性材で埋められる、もしくは磁気的突極性を有するようロータコアに非磁性部を配し、全体として平坦な形状のロータコアであってもよい。
【０００８】
この発明では、固定子（ステータ）のティースに集中巻で巻き付けられた固定子巻線が励磁されると回転磁界が発生し、回転磁界による磁束により回転子（ロータ）にトルクが作用する。一方、界磁巻線に励磁電流が供給された状態では、回転子のロータコアに複数形成された全ての磁気的突極の固定子側端部が同じ磁極になる。そして、回転磁界による磁束と、界磁巻線による磁束との相互作用によって回転シャフトにラジアル力が加わる。磁気的突極、ティースがそれぞれ回転シャフトを中心とした回転対称に配置され、前記固定子巻線の相配置が前記回転シャフトを中心とした回転対称に設定され、かつ前記磁気的突極の数をＰｎ、前記固定子のスロットの数をＰｓとした場合、Ｐｎ及びＰｓが１以外の公約数を有するため、回転シャフトに加わるラジアル力のアンバランスがなくなる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記固定子巻線は三相交流電流で励磁される。この発明では、回転子にトルクを発生させるための回転磁界を発生させる構成が一般に使用される三相回転電機と同じで簡単になる。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記磁気的突極の数をＰｎ、前記ステータのスロットの数をＰｓとした場合、Ｐｎ：Ｐｓが１：３、２：３、４：３、４：９、５：３、５：６、５：９、５：１２、８：９、８：１５、８：２１のいずれかを満足する。この発明では、三相回転電機で磁気的突極、ティースをそれぞれ回転シャフトを中心とした回転対称に配置し、かつ固定子巻線の相配置を回転シャフトを中心とした回転対称に設定するのが容易になる。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記Ｐｎ：Ｐｓが２：３、４：９、５：１２のいずれかを満足する。したがって、この発明ではＰｎ：Ｐｓが１：３の場合と異なりトルクバランスも良好になる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、回転子が界磁巻線により単極となるように界磁される回転電機において、回転シャフトに加わるラジアル力のアンバランスをなくすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】（ａ）は回転電動機の模式断面図、（ｂ）はロータの正面図。
【図２】（ａ）は図１のII−II線模式断面図、（ｂ）はロータが（ａ）の状態から回転した状態の模式断面図。
【図３】参考例の回転電動機の模式断面図。
【図４】ラジアル力の変化を示すグラフ。
【図５】別の実施形態の図２（ｂ）に対応する模式断面図。
【図６】別の実施形態の回転電動機の模式断面図。
【図７】別の実施形態の回転電動機の模式断面図。
【図８】別の実施形態の回転電動機の模式断面図。
【図９】別の実施形態の回転電動機の模式断面図。
【図１０】（ａ）は別の実施形態の回転電動機の模式断面図、（ｂ）は別の実施形態のロータの正面図。
【図１１】別の実施形態のロータの正面図。
【図１２】従来技術の概略断面斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を三相の回転電動機に具体化した一実施形態を図１〜図４にしたがって説明する。なお、図２（ａ），（ｂ）及び図３の模式断面図において図示の都合上、断面のハッチングを省略している。
【００１５】
図１（ａ）に示すように、回転電機としての回転電動機１０は、ロータ（回転子）１１と、ロータ１１の外側に配置された筒状のステータ（固定子）１２と、ステータ１２の外側に設けられた界磁ヨーク１３と、ロータ１１を界磁する界磁巻線１４とを備えている。界磁ヨーク１３は回転電動機１０のケースとしても機能し、ステータ１２の外周と対向する円筒部１３ａと、円筒部１３ａの両端に固定された一対の円板部１３ｂとを有する。
【００１６】
ロータ１１は、回転シャフト１５に一体回転可能に固定されたロータコア１６を有し、回転シャフト１５は円板部１３ｂを貫通する状態でベアリング１７を介して円板部１３ｂに回転可能に支持されている。回転シャフト１５は磁性材で形成されている。
【００１７】
図１（ｂ）に示すように、ロータコア１６は、径方向に突出する突部が周方向に一定間隔で形成されており、突部が磁気的突極１８を構成する。磁気的突極１８は、ロータコア１６を軸方向から見た場合に回転シャフト１５を中心とした回転対称となるように配置されている。この実施形態では磁気的突極１８は８個設けられ、各磁気的突極１８はロータコア１６の軸方向全長に亘って延設されている。ロータコア１６は、電磁鋼板を複数枚（例えば数十枚）積層して構成されており、軸方向の磁気抵抗が、径方向及び周方向の磁気抵抗より大きくなっている。このため、ロータコア１６内においては、磁束は軸方向に流れ難く、径方向及び周方向に流れ易くなる。
【００１８】
ステータ１２は、電磁鋼板を積層して略円筒状に形成されており、ステータ１２の径方向及び周方向の磁気抵抗は、軸方向の磁気抵抗より小さくなっている。このため、ステータ１２内においては、磁束はステータ１２の周方向及び径方向に流れ易く、軸方向に流れ難くなる。
【００１９】
図２に示すように、ステータ１２の内側には複数のティース１９が周方向に一定間隔で形成されるようにスロット２０が等間隔で設けられている。ティース１９及びスロット２０は、ステータ１２を軸方向から見た場合に回転シャフト１５を中心とした回転対称となるように配置されている。この実施形態ではティース１９及びスロット２０がそれぞれ１８個設けられている。したがって、ロータコア１６の磁気的突極１８の数をＰｎ、ステータ１２のスロット２０の数をＰｓとした場合、Ｐｎ＝８、Ｐｓ＝１８となり、Ｐｎ及びＰｓが１以外の公約数を有し、かつＰｎ：Ｐｓが４：９を満足する。
【００２０】
各ティース１９には、固定子巻線としてのＵ相巻線２１ｕ、Ｖ相巻線２１ｖ、Ｗ相巻線２１ｗがそれぞれ集中巻で巻き付けられている。Ｕ相巻線２１ｕ、Ｖ相巻線２１ｖ、Ｗ相巻線２１ｗは、図２において時計方向にＵ相、Ｖ相、Ｗ相の順で、かつ同じ相の巻線が巻き付けられたティース１９が３個ずつ隣り合うように巻き付けられている。即ち、固定子巻線を構成するＵ相巻線２１ｕ、Ｖ相巻線２１ｖ、Ｗ相巻線２１ｗの相配置が回転シャフト１５を中心とした回転対称に設定されている。
【００２１】
界磁ヨーク１３の両円板部１３ｂには、円環状の突条１３ｃがロータコア１６に向かって突出するように形成され、突条１３ｃには外周部に界磁巻線１４が巻き付けられたボビン２３が嵌合固定されている。突条１３ｃ及びボビン２３は、ロータ１１が単極となる磁気回路を形成するための界磁巻線１４が巻き付けられた界磁巻線巻回部を構成する。ロータ１１が単極となるとは、ロータコア１６に複数形成された磁気的突極１８のステータ１２側端部が、界磁巻線１４に励磁電流が供給された状態では全てＮ極又はＳ極の同じ磁極になることを意味する。
【００２２】
この実施形態では、各界磁巻線１４に電流が供給されると、界磁ヨーク１３とロータコア１６との間にロータコア１６の磁気的突極が全て同じ磁極（Ｎ極）となる磁気回路が形成されるようになっている。詳述すると、図１（ａ）において左側に位置する一方の界磁巻線１４においては、磁束が環状の界磁巻線１４の左側から内周側に進入して右側から界磁巻線１４の外部へ出るように発生する。また、図１（ａ）において右側に位置する他方の界磁巻線１４においては、磁束が環状の界磁巻線１４の右側から内周側に進入して左側から界磁巻線１４の外部へ出るように発生する。その結果、両界磁巻線１４から発生した磁束の経路は、回転シャフト１５内を対向する方向に進んだ後、ロータコア１６の内側から磁気的突極１８内を通ってステータ１２のティース１９内へ進み、界磁ヨーク１３の円筒部１３ａ及び円板部１３ｂを通って再び回転シャフト１５内に進入する経路となる。
【００２３】
次に前記のように構成された回転電動機１０の作用を説明する。
回転電動機１０は、Ｕ相巻線２１ｕ、Ｖ相巻線２１ｖ、Ｗ相巻線２１ｗが三相インバータに接続され、界磁巻線１４が直流電源に接続された状態で使用される。そして、制御装置により三相インバータから出力される制御電流量と、直流電源から界磁巻線１４に供給される電流量が制御される。
【００２４】
界磁巻線１４に直流が供給されると、界磁巻線１４から発生した磁束（磁力線）が、図１（ａ）に破線で示すように、界磁ヨーク１３の円板部１３ｂ→回転シャフト１５→ロータコア１６→磁気的突極１８→ステータ１２→界磁ヨーク１３の円筒部１３ａ→界磁ヨーク１３の円板部１３ｂの経路で通過する磁気回路が形成される。その結果、界磁巻線１４に励磁電流が供給された状態では、図２に示すように、ロータコア１６に複数形成された磁気的突極１８のステータ１２側端部が、全てＮ極になってステータ１２が単極となる。
【００２５】
一方、ステータ１２のＵ相巻線２１ｕ、Ｖ相巻線２１ｖ、Ｗ相巻線２１ｗには所定周波数の三相交流が順次供給されてステータ１２に回転磁界が発生し、ロータ１１に回転磁界が作用する。そして、回転磁界と磁気的突極１８の磁束との間の磁気的な吸引力及び反発力によりロータ１１が回転磁界と同期して回転する。また、界磁巻線１４に供給する電流量を調整することにより、生成する磁束量を調整することができる。そのため、界磁巻線１４に供給する電流量を調整することにより、所謂「弱め界磁制御」や「強め界磁制御」、自在な界磁磁束制御を行うことができる。
【００２６】
図２（ａ）に示すように、Ａで示す１８０度の機械角をなす一対の磁気的突極１８が、Ｕ相巻線２１ｕが巻き付けられた隣接する３個のティース１９の中央のティース１９と対向する状態において、それぞれ１８０度の機械角をなす他の３対の磁気的突極１８のティース１９との位置関係も、対毎に同じ状態となる。詳述すると、Ｂで示す磁気的突極１８は、Ｖ相巻線２１ｖが巻き付けられた隣接する３個のティース１９のうちＵ相巻線２１ｕが巻き付けられたティース１９寄りのティース１９と対向する。Ｃで示す磁気的突極１８は、Ｖ相巻線２１ｖが巻き付けられた隣接する３個のティース１９のうちＷ相巻線２１ｗが巻き付けられたティース１９寄りのティース１９と、Ｗ相巻線２１ｗが巻き付けられた隣接する３個のティース１９のうちＶ相巻線２１ｖが巻き付けられたティース１９寄りのティース１９とに対向する。Ｄで示す磁気的突極１８はＷ相巻線２１ｗが巻き付けられた隣接する３個のティース１９のうちＵ相巻線２１ｕが巻き付けられたティース１９寄りのティース１９と対向する。したがって、この状態では１８０度の機械角をなすＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄで示す各一対の磁気的突極１８に作用するラジアル方向の力は、各一対の磁気的突極１８毎に同じとなり、回転シャフト１５に加わるラジアル力はバランスした状態になる。
【００２７】
また、図２（ａ）に示す状態からロータ１１が任意の角度回転した場合、例えば、図２（ｂ）に示す状態においても、１８０度の機械角をなすＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄで示す各一対の磁気的突極１８のティース１９及び固定子巻線の相配置に対する位置関係は、各一対の磁気的突極１８毎に同じとなり、回転シャフト１５に加わるラジアル力はバランスした状態になる。
【００２８】
一方、磁気的突極１８、ティース１９がそれぞれ回転シャフト１５を中心とした回転対称に配置され、かつ固定子巻線の相配置が回転シャフト１５を中心とした回転対称に設定されていても、磁気的突極１８の数Ｐｎとステータ１２のスロット２０の数Ｐｓとが１以外の公約数を有しない場合は、回転シャフト１５に加わるラジアル力はアンバランスになる。
【００２９】
例えば、図３に、Ｐｎ＝５、Ｐｓ＝１２の場合を示す。磁気的突極１８は３６０／５度で回転対称であり、ティース１９（相配置）は３６０／２度で回転対称であるが、ＰｎとＰｓが１以外の公約数を有していない。図３に示す状態において、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅで示す各磁気的突極１８は、Ｕ相巻線２１ｕ、Ｖ相巻線２１ｖ及びＷ相巻線２１ｗが巻き付けられたティース１９との位置関係がそれぞれ異なり、回転シャフト１５に加わるラジアル力はアンバランスになる。
【００３０】
図４に、Ｐｎ＝８、Ｐｓ＝１８の場合（８突極１８スロットの場合）と、Ｐｎ＝５、Ｐｓ＝１２の場合（５突極１２スロットの場合）の回転シャフト１５に加わるラジアル力のシミュレーション結果を示す。図４においてラジアル力を表す縦軸の値はラジアル力の平均値に対する相対的な値を示し、１．０が平均値となる。
【００３１】
図４に示すように、実施形態の回転電動機１０である８突極１８スロットの場合は、電気角０〜３６０度の範囲に亘ってラジアル力は０、即ち回転シャフト１５に特定方向へのラジアル力が作用しないこと、即ち回転シャフト１５に加わるラジアル力のアンバランスがないこと確認された。一方、図３に示す比較例、即ち５突極１２スロットの場合は、電気角０〜３６０度の範囲において、特定方向へのラジアル力が６０度周期で変動することが確認された。
【００３２】
この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）回転電動機１０は、回転シャフト１５に一体回転可能に固定され、かつ周方向に一定間隔で磁気的突極１８が形成されたロータコア１６を有するロータ１１と、筒状に形成されるとともにロータコア１６の外周側に配置され、かつ固定子巻線が集中巻で巻き付けられたティース１９が内周面に一定間隔で形成されたステータ１２とを備えている。また、回転電動機１０は、ステータ１２の外周に設けられた界磁ヨーク１３と、ロータ１１が単極となる磁気回路を形成するための界磁巻線１４とを備えている。磁気的突極１８、ティース１９がそれぞれ回転対称に配置され、固定子巻線の相配置が回転対称に設定され、かつ磁気的突極１８の数をＰｎ及びステータ１２のスロット２０の数Ｐｓが１以外の公約数を有する。したがって、回転シャフト１５に加わるラジアル力のアンバランスをなくすことができる。
【００３３】
（２）固定子巻線（Ｕ相巻線２１ｕ、Ｖ相巻線２１ｖ及びＷ相巻線２１ｗ）は三相交流電流で励磁される。したがって、ロータコア１６にトルクを発生させるための回転磁界を発生させる構成が一般に使用される三相回転電動機と同じで簡単になる。
【００３４】
（３）回転電動機１０は、磁気的突極１８の数Ｐｎが８、ステータ１２のスロット２０の数Ｐｓが１８であるため、Ｐｎ及びＰｓが１以外の公約数を有し、かつＰｎ：Ｐｓが４：９を満足する。したがって、トルクバランスも良好になる。
【００３５】
（４）界磁巻線１４は界磁ヨーク１３の両端部にそれぞれ設けられているため、各磁気的突極１８に所望の量の磁束を円滑に流すために必要な円筒部１３ａの断面積を小さくすることができ、回転電動機１０の小型化に寄与する。
【００３６】
（５）界磁巻線巻回部はボビン２３を円板部１３ｂに形成された円環状の突条１３ｃに嵌合固定することで構成されている。したがって、界磁巻線１４を巻き付けたボビン２３を突条１３ｃに固定することができ、界磁巻線１４を円板部１３ｂに突設された突条１３ｃに直接巻き付ける場合に比べて、界磁巻線１４の巻き付け作業が簡単になる。
【００３７】
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 磁気的突極１８、ティース１９がそれぞれ回転対称に配置され、固定子巻線の相配置が回転対称に設定され、かつ磁気的突極１８の数Ｐｎ及びステータ１２のスロットの数Ｐｓが１以外の公約数を有していれば、磁気的突極１８の数Ｐｎとスロット２０の数Ｐｓとの組み合わせはＰｎ＝８、Ｐｓ＝１８に限らない。例えば、図３に示した磁気的突極１８の数Ｐｎが５、スロット２０の数Ｐｓが１２の回転電動機１０ではＰｎ及びＰｓが１以外の公約数を有せず、回転シャフト１５に加わるラジアル力がアンバランスになったが、Ｐｎ及びＰｓが１以外の公約数を有する組み合わせにすると、回転シャフト１５に加わるラジアル力のアンバランスをなくすことができる。例えば、Ｐｎ及びＰｓが１以外の公約数を有するように、Ｐｎ＝１０、Ｐｓ＝２４にすると、図５に示すように、１８０度の機械角をなすＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅで示す各一対の磁気的突極１８に作用するラジアル方向の力は、各一対の磁気的突極１８毎に同じとなり、回転シャフト１５に加わるラジアル力はバランスした状態になる。
【００３８】
○ 磁気的突極１８の数Ｐｎとスロット２０の数Ｐｓとの組み合わせはＰｎ＝８、Ｐｓ＝１８及びＰｎ＝１０、Ｐｓ＝２４に限らず、例えば、Ｐｎ及びＰｓが１以外の公約数を有し、かつＰｎ：Ｐｓが１：３、２：３、４：３、４：９、５：３、５：６、５：９、５：１２、８：９、８：１５、８：２１のいずれかを満足すればよい。しかし、そのうち、Ｐｎ：Ｐｓが１：３、４：３、５：３、５：６、５：９、８：９、８：１５、８：２１の組み合わせは、トルク変動が大きい。したがって、トルクバランスも良好になるＰｎ：Ｐｓが２：３、４：９、５：１２のいずれかの組み合わせが好ましい。
【００３９】
○ 回転電動機１０は、界磁巻線１４が界磁ヨーク１３の片側（一端側）に設けられた構成でもよい。例えば、図６に示すように、界磁ヨーク１３は円板部１３ｂが円筒部１３ａの一端側にのみ設けられ、他端側には非磁性材で形成された支持円板２４が設けられる。支持円板２４は界磁ヨーク１３と共に回転電動機１０のケースを構成し、ベアリング１７を介して回転シャフト１５の他端を支持する。この実施形態では、界磁巻線１４に電流が供給されると、磁束が界磁ヨーク１３の円板部１３ｂ→回転シャフト１５→ロータコア１６→磁気的突極１８→ステータ１２→界磁ヨーク１３の円筒部１３ａ→界磁ヨーク１３の円板部１３ｂの経路で通過する磁気回路が形成され、各磁気的突極１８がＮ極になる。この場合、界磁巻線１４が円筒部１３ａの両側に設けられた実施形態と異なり、各磁気的突極１８を流れた磁束が円筒部１３ａを経て円板部１３ｂに戻るために必要な円筒部１３ａの断面積が２倍になる。
【００４０】
○ 図７に示すように、ロータコア１６を、円筒状に形成されて回転シャフト１５に固設された筒状コア１６ａと、筒状コア１６ａの外周に設けられた積層ロータコア１６ｂとで構成し、突条１３ｃの先端を筒状コア１６ａの端面近傍まで延設するとともに突条１３ｃの厚さを厚くして、その分、回転シャフト１５の径を小さくしてもよい。磁気的突極１８は積層ロータコア１６ｂに形成する。筒状コア１６ａは、一体の磁性材料で形成されており、具体的には粉末成形磁性体（ＳＭＣ：Soft Magnetic Composites）で形成されている。粉末成形磁性体の磁気抵抗は、積層ロータコア１６ｂや回転シャフト１５の材質より小さい。この場合、界磁巻線１４で発生した磁束が回転シャフト１５より筒状コア１６ａ内を流れ易くなり、磁束が回転シャフト１５を流れる場合に比べて磁束の経路長が短くなる。その結果、界磁電流量を低減させることができる。また、積層ロータコア１６ｂ内においては、磁束は、軸方向に流れ難く、径方向及び周方向に流れ易くなるのに対して、筒状コア１６ａ内では積層ロータコア１６ｂ内より軸方向に磁束が流れ易くなる。このため、筒状コア１６ａが無い構成に比べて、磁束の経路が積層ロータコア１６ｂを構成する全ての電磁鋼板に分散して流れ易くなる。
【００４１】
○ ロータコア１６、１６ｂは電磁鋼板を積層して形成したが、鉄塊やＳＭＣで形成しても良い。
○ 図８に示すように、回転シャフト１５を、外周側の磁気抵抗が内周側の磁気抵抗より小さい２重構造に形成してもよい。この場合、界磁巻線１４に電流が供給されて界磁巻線１４から発生した磁束がロータコア１６に向かって流れる際、磁束は磁気抵抗の小さい外周側を流れるため、磁束の経路長が短くなる。その結果、界磁電流量を低減させることができる。
【００４２】
○ 図８に示すように、回転電動機１０に専用のケース２５を設け、ケース２５で回転シャフト１５をベアリング１７を介して支持するようにしてもよい。この場合、界磁ヨーク１３の円板部１３ｂの形状が簡単になる。また、界磁ヨーク１３がケースを兼用する場合に比べてケース２５の形状や材質の自由度が大きくなる。図８では回転シャフト１５が２重構造の場合を図示しているが、２重構造の場合に限らない。
【００４３】
○ 図９に示すようにシャフトの径をそのベアリング部において細くするようにしても良い。この場合、ベアリングの小径化が可能になる。
○ ティース１９に巻き付けられるＵ相巻線２１ｕ、Ｖ相巻線２１ｖ及びＷ相巻線２１ｗの配置は、各巻線が巻き付けられたティース１９がそれぞれ二つのグループ（３６０／２度で回転対称）に分けられる構成に限らない。例えば、図１０（ａ）に示すように、Ｐｎ＝１０、Ｐｓ＝２４の回転電動機１０において、各巻線が巻き付けられたティース１９がそれぞれ四つのグループ（３６０／４度で回転対称）に分けられた構成にしてもよい。
【００４４】
○ ロータコア１６の形状は、磁気的突極１８となるための突部を有する形状に限らない。例えば、図１０（ｂ）に示すように、ロータコア１６として突部を一定間隔で有する形状の部分を磁性材で形成し、突部の間を非磁性材２６で埋めて全体として平坦な形状としたものであってもよい。また、図１１に示すように突部の先端のみを隣接する突部の先端とつなげても、実質的に磁気的突極になればよい。
【００４５】
○ ボビン２３を設けずに、突条１３ｃの外周に界磁巻線１４を直接巻き付けて、突条１３ｃを界磁巻線巻回部としてもよい。
○ 固定子巻線としてのＵ相巻線２１ｕ、Ｖ相巻線２１ｖ及びＷ相巻線２１ｗは、一つのスロット２０に２本の巻線の一部がそれぞれ収容される状態ではなく、一つのスロット２０に１本の固定子巻線の一部が収容される構成であってもよい。
【００４６】
○ ロータ１１が単極となる場合、各磁気的突極１８のステータ１２側端部が、全てＮ極になるのではなく、全てＳ極になる構成にしてもよい。
○ 磁気的突極１８はロータコア１６の全長に亘って延設されずに、全長より短く形成されていてもよい。
【００４７】
○ 回転電動機１０は三相交流で駆動されるものに限らず、単相交流や二相交流あるいは四相以上の多相交流で駆動されるものであってもよい。
○ 電動機ではなく発電機に適用してもよい。
【００４８】
以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の発明において、前記界磁巻線は前記界磁ヨークの両端部にそれぞれ設けられている。
【００４９】
（２）請求項１〜請求項４及び前記技術的思想（１）のいずれか１項に記載の発明において、前記回転シャフトは、外周側の磁気抵抗が内周側の磁気抵抗より小さい２重構造に形成されている。
【００５０】
（３）請求項１〜請求項４及び前記技術的思想（１）のいずれか１項に記載の発明において、前記ロータコアは、筒状コアと前記筒状コアの外側に形成された積層コアとで構成され、前記筒状コアの材質は磁気抵抗が前記積層コアの材質より小さく構成されている。
【符号の説明】
【００５１】
１０…回転電機としての回転電動機、１１…ロータ（回転子）、１２…ステータ（固定子）、１３…界磁ヨーク、１４…界磁巻線、１５…回転シャフト、１６…ロータコア、１８…磁気的突極、１９…ティース、２０…スロット、２１ｕ…固定子巻線としてのＵ相巻線、２１ｖ…同じくＶ相巻線、２１ｗ…同じくＷ相巻線。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子が界磁巻線により界磁される回転電機であって、
回転シャフトに一体回転可能に固定され、かつ周方向に一定間隔で磁気的突極が形成されたロータコアを有する回転子と、
筒状に形成されるとともに前記ロータコアの外周側に配置され、かつ固定子巻線が集中巻で巻き付けられたティースが内周面に一定間隔で形成された固定子と、
前記固定子の外周に設けられた界磁ヨークと、
前記回転子が単極となる磁気回路を形成するための界磁巻線と
を備え、
前記磁気的突極、前記ティースがそれぞれ前記回転シャフトを中心とした回転対称に配置され、前記固定子巻線の相配置が前記回転シャフトを中心とした回転対称に設定され、かつ前記磁気的突極の数をＰｎ、前記固定子のスロットの数をＰｓとした場合、Ｐｎ及びＰｓが１以外の公約数を有する回転電機。
【請求項２】
前記固定子巻線は三相交流電流で励磁される請求項１に記載の回転電機。
【請求項３】
前記磁気的突極の数をＰｎ及び前記固定子のスロットの数は、Ｐｎ：Ｐｓが１：３、２：３、４：３、４：９、５：３、５：６、５：９、５：１２、８：９、８：１５、８：２１のいずれかを満足する請求項２に記載の回転電機。
【請求項４】
前記Ｐｎ：Ｐｓが２：３、４：９、５：１２のいずれかを満足する請求項３に記載の回転電機。
【請求項１】
回転子が界磁巻線により界磁される回転電機であって、
回転シャフトに一体回転可能に固定され、かつ周方向に一定間隔で磁気的突極が形成されたロータコアを有する回転子と、
筒状に形成されるとともに前記ロータコアの外周側に配置され、かつ固定子巻線が集中巻で巻き付けられたティースが内周面に一定間隔で形成された固定子と、
前記固定子の外周に設けられた界磁ヨークと、
前記回転子が単極となる磁気回路を形成するための界磁巻線と
を備え、
前記磁気的突極、前記ティースがそれぞれ前記回転シャフトを中心とした回転対称に配置され、前記固定子巻線の相配置が前記回転シャフトを中心とした回転対称に設定され、かつ前記磁気的突極の数をＰｎ、前記固定子のスロットの数をＰｓとした場合、Ｐｎ及びＰｓが１以外の公約数を有する回転電機。
【請求項２】
前記固定子巻線は三相交流電流で励磁される請求項１に記載の回転電機。
【請求項３】
前記磁気的突極の数をＰｎ及び前記固定子のスロットの数は、Ｐｎ：Ｐｓが１：３、２：３、４：３、４：９、５：３、５：６、５：９、５：１２、８：９、８：１５、８：２１のいずれかを満足する請求項２に記載の回転電機。
【請求項４】
前記Ｐｎ：Ｐｓが２：３、４：９、５：１２のいずれかを満足する請求項３に記載の回転電機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−１８２９４３（Ｐ２０１２−１８２９４３Ａ）
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４５３１２（Ｐ２０１１−４５３１２）
【出願日】平成２３年３月２日（２０１１．３．２）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【出願人】（３０４０２１２７７）国立大学法人 名古屋工業大学 (784)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２日（２０１１．３．２）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【出願人】（３０４０２１２７７）国立大学法人 名古屋工業大学 (784)
【Ｆターム（参考）】
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