回転電機
【課題】界磁コアと、界磁コアに対向する界磁磁路形成部とのギャップ面積を効率的に確保することができる回転電機を提供する。
【解決手段】ロータティースを有するロータに対し径方向外側にステータが配置されている。界磁極は、界磁コイル７２，８２の通電に伴い界磁コア７１，８１に生じる界磁磁束により界磁コア７１，８１と少なくともロータとステータとによる界磁磁路を形成する。界磁極の界磁コア７１，８１と、界磁コア７１，８１に対向する界磁磁路形成部との空隙が、アキシャルギャップ（Ｇａ１，Ｇａ２，Ｇａ３，Ｇａ４）とラジアルギャップ（Ｇｒ１，Ｇｒ２，Ｇｒ３，Ｇｒ４）で構成されている。
【解決手段】ロータティースを有するロータに対し径方向外側にステータが配置されている。界磁極は、界磁コイル７２，８２の通電に伴い界磁コア７１，８１に生じる界磁磁束により界磁コア７１，８１と少なくともロータとステータとによる界磁磁路を形成する。界磁極の界磁コア７１，８１と、界磁コア７１，８１に対向する界磁磁路形成部との空隙が、アキシャルギャップ（Ｇａ１，Ｇａ２，Ｇａ３，Ｇａ４）とラジアルギャップ（Ｇｒ１，Ｇｒ２，Ｇｒ３，Ｇｒ４）で構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、永久磁石をロータに配設した永久磁石同期モータは、電気自動車やハイブリッド自動車などの様々な分野で駆動源として利用されている。このような永久磁石同期モータにおいて、強め界磁制御を行うことによって大きなトルクを得る一方で、弱め界磁制御を行うことによってステータとロータの間に生じる磁束量を低減して最大回転数を向上させることが提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
特許文献１においては、界磁コアに配した界磁コイルに通電することにより、ロータ、ステータ、および界磁コアによって環状の界磁磁路が形成される。このため、ロータを通過する磁束量を、界磁コイルに流す電流量の変化に伴わせて効果的に変化させることができる。従って、界磁コイルの通電を制御することによって強め界磁制御および弱め界磁制御を可能とし、大きなトルクを得られるとともに最大回転数を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−４３０９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述したような永久磁石を用いない巻線界磁形の同期モータ（磁石レス巻線界磁形同期モータ）では、界磁磁路を使用し、磁束を三次元的に流す構造である。このとき、ロータとステータ間の空隙に加えて、界磁コアとロータ間にもギャップ（空隙）があり、この空隙面積の確保が課題である。
【０００６】
本発明の目的は、界磁コアと、界磁コアに対向する界磁磁路形成部とのギャップ面積を効率的に確保する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】
請求項１に記載の発明では、回転可能に支持され、磁気的な凸極部を有するロータと、前記ロータの凸極部の径方向外側に配置されたステータと、界磁コイルの通電に伴い界磁コアに生じる界磁磁束により当該界磁コアと少なくとも前記ロータと前記ステータとによる界磁磁路を形成する界磁極と、を備えた回転電機であって、前記界磁極の界磁コアと、当該界磁コアに対向する界磁磁路形成部との空隙を、アキシャルギャップとラジアルギャップで構成したことを要旨とする。
【０００８】
ここで磁気的な凸極部とは凸形状のみに限らず、たとえば先端のみを隣接する凸極部の先端とつなげたり、磁性体で凸形状を形成しその間を非磁性体で埋めたりして、実質的に磁気的な凸極であればよい。
【０００９】
請求項１に記載の発明によれば、界磁極の界磁コアと、界磁コアに対向する界磁磁路形成部との空隙が、アキシャルギャップとラジアルギャップで構成されており、界磁極において界磁コイルが通電されると界磁コアに界磁磁束が生じ、この磁束によりアキシャルギャップとラジアルギャップを介して界磁コアと少なくともロータとステータとによる界磁磁路が形成される。
【００１０】
このようにして、アキシャルギャップとラジアルギャップを組み合わせて併用することにより、界磁コアと、界磁コアに対向する界磁磁路形成部とのギャップ面積を効率的に確保することができる。
【００１１】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の回転電機において、前記対向する前記ロータ側の界磁磁路形成部は、前記ロータのロータコアの位置決め部材を含むことを要旨とする。
【００１２】
請求項２に記載の発明によれば、ロータのロータコアの位置決め部材を用いてギャップを形成することができる。
請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の回転電機において、前記アキシャルギャップと前記ラジアルギャップは、複数段形成されていることを要旨とする。
【００１３】
請求項３に記載の発明によれば、アキシャルギャップとラジアルギャップが複数段形成されていると、段数が増すほど応力や磁束流れの分布を滑らかにすることが可能となる。
請求項４に記載のように、請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電機において、前記界磁コアに対向する界磁磁路形成部は、前記ロータに固定されるシャフトを含むものであってもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、界磁コアと、界磁コアに対向する界磁磁路形成部とのギャップ面積を効率的に確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態におけるモータを模式的に示す分解斜視図。
【図２】モータの縦断面図。
【図３】界磁磁束の流れを示すモータの縦断面図。
【図４】モータの要部拡大図。
【図５】別例のモータの要部拡大図。
【図６】別例のモータを模式的に示す分解斜視図。
【図７】別例のモータの縦断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１および図２に示すように、回転電機としてのモータ１０は、永久磁石を用いない巻線界磁形の同期モータである。回転電動機であるモータ１０は、円筒状のバイパスコア（コアバック）２０と、バイパスコア２０の両端の開口部に配される左ブラケット３０、右ブラケット３１と、棒状をなし水平方向に延びるシャフト４０と、回転可能に支持されたロータ（回転子）５０と、ステータ（固定子）６０と、界磁極７０，８０を備えている。
【００１７】
シャフト４０は、軸受（ベアリング）Ｂ１を介して左ブラケット３０に組み付けられているとともに軸受（ベアリング）Ｂ２を介して右ブラケット３１に組み付けられている。そして、シャフト４０は左ブラケット３０、右ブラケット３１に対して回転可能に支持されている。シャフト４０における左ブラケット３０側の一端は左ブラケット３０を貫通している。シャフト４０は磁性体よりなる。
【００１８】
ここで、シャフト４０は、図２において左側から、直径がφ１の第１の部位４１と、直径がφ２の第２の部位４２と、直径がφ３の第３の部位４３と、直径がφ４の第４の部位４４と、直径がφ５の第５の部位４５と、直径がφ６の第６の部位４６と、直径がφ７の第７の部位４７と、直径がφ８の第８の部位４８を有している。
【００１９】
本実施形態では第１の部位４１の直径φ１と第８の部位４８の直径φ８は等しい（φ１＝φ８）。また、第２の部位４２の直径φ２と第７の部位４７の直径φ７は等しく（φ２＝φ７）、かつ、第１の部位４１の直径φ１および第８の部位４８の直径φ８よりも大きい（φ２＞φ１、φ７＞φ８）。第３の部位４３の直径φ３と第６の部位４６の直径φ６は等しく（φ３＝φ６）、かつ、第２の部位４２の直径φ２および第７の部位４７の直径φ７よりも大きい（φ３＞φ２、φ６＞φ７）。第４の部位４４の直径φ４は第３の部位４３の直径φ３よりも大きい（φ４＞φ３）。第５の部位４５の直径φ５は第６の部位４６の直径φ６よりも大きく（φ５＞φ６）、かつ、第４の部位４４の直径φ４よりも小さい（φ５＜φ４）。
【００２０】
また、シャフト４０における第３の部位４３と第４の部位４４との間において垂直なる側壁４９が形成されている。即ち、水平方向に延びる軸線Ｌに対し側壁４９が垂直に形成されている。
【００２１】
そして、シャフト４０の第１の部位４１において軸受（ベアリング）Ｂ１によりシャフト４０が回転可能に支持されている。また、シャフト４０の第８の部位４８において軸受（ベアリング）Ｂ２によりシャフト４０が回転可能に支持されている。
【００２２】
また、円環状のロータコア固定用磁性リング９０は、シャフト４０の右側から第５の部位４５に嵌入される態様で使用される。鉄製のロータコア固定用磁性リング９０は直径がφ９であり、シャフト４０の第４の部位４４の直径φ４と等しい（φ９＝φ４）。シャフト４０の第５の部位４５の外周面とロータコア固定用磁性リング９０の内周面とは密着され、磁気的に連結されている。
【００２３】
ロータコア固定用磁性リング９０の右側面は垂直なる側壁９１となっている。即ち、水平方向に延びる軸線Ｌに対し側壁９１が垂直に形成されている。
バイパスコア２０の内部において、シャフト４０の第５の部位４５には、ロータコア５１が固定されている。このロータコア５１は、シャフト４０の軸線Ｌまわりでシャフト４０と一体に回転可能に構成されている。また、シャフト４０の外周面とロータコア５１の内周面とは密着されている。このため、シャフト４０とロータコア５１とは、磁気的に連結されている。ロータコア５１は、複数枚の鋼板を軸線Ｌに沿った方向に積層して構成されている。詳しくは、複数枚の鋼板を積層してロータコア５１を形成するとともに、シャフト４０の第５の部位４５に図２の右側からシャフト４０に挿入してシャフト４０の第４の部位４４に当接させる。その後、磁性体よりなる円環状のロータコア固定用磁性リング９０をシャフト４０の第５の部位４５に圧入してロータコア５１を挟み込んで固定する。
【００２４】
ロータコア５１は、複数枚の鋼板を軸線Ｌに沿った方向に積層して構成しているので、ロータコア５１内において、磁束が軸線Ｌに沿った方向よりも軸線Ｌに直交するロータコア５１の径方向および周方向へ流れ易くなっている。
【００２５】
ロータ５０（ロータコア５１）はロータティース５２（図１参照）を有しており、ロータティース５２は径方向外側へ向かって突出している。磁気的な凸極部としてのロータティース５２は、複数（本実施形態では５本）形成されている。ロータティース５２は、周方向に等間隔に形成されているとともに、各ロータティース５２の先端面は、何れも同一周面上に位置している。
【００２６】
バイパスコア２０の内部において、ロータコア５１のロータティース５２の径方向外側にはステータ６０（ステータコア６１）が配設され、ステータコア６１はロータコア５１を囲うように円環状をなしている。ステータコア６１は、複数枚の鋼板を軸線Ｌに沿った方向に積層して構成されている。このため、ステータコア６１内において、磁束がシャフト４０の軸線Ｌに沿った方向よりもこの軸線Ｌに直交するステータコア６１の径方向、および周方向へ流れ易くなっている。また、軸線Ｌに沿ったステータコア６１の寸法は、軸線Ｌに沿ったロータコア５１の寸法と同一寸法に設定されている。
【００２７】
また、ステータ６０（ステータコア６１）はステータティース６２（図１参照）を有しており、ステータティース６２はシャフト４０に向かって突出している。ステータティース６２は複数（本実施形態では１２本）形成されているとともに、各ステータティース６２は、周方向に等間隔に形成されている。
【００２８】
各ロータティース５２の先端面（ロータコア５１の外周面）と、ステータティース６２（ステータコア６１）の内周面との間には、僅かな隙間（例えば、０．５ｍｍ）が形成されている。
【００２９】
各ステータティース６２にはステータコイル６３が巻回されている。つまり、ステータティース６２に導線が巻回されて、電機子コイルとしてのステータコイル６３が形成されている。各ステータコイル６３は、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線、およびＷ相巻線の何れかとされており、それぞれ位相の異なる電流を流すことによって回転磁界を発生させるようになっている。
【００３０】
また、ステータコア６１（ステータティース６２）とロータコア５１は、軸線Ｌに沿った寸法を同一寸法に設定されていることから、軸線Ｌに沿った方向におけるステータコイル６３の両端部（コイルエンド）は、ロータコア５１の両端よりも軸線Ｌに沿った方向のうち外側に突出している。
【００３１】
また、軸線Ｌに沿って延びる円筒状のバイパスコア２０は、ステータコア６１の外周面を全周にわたって覆っている。バイパスコア２０は、磁性体で形成されている。本実施形態では粉末成型磁性体（ＳＭＣ:Ｓｏｆｔ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ）よりなる。また、ステータコア６１の外周面と、バイパスコア２０の内周面とは密着されている。このため、ステータコア６１とバイパスコア２０とは、磁気的に連結されている。バイパスコア２０は、外径側界磁磁路となる。
【００３２】
本実施形態では、シャフト４０、ロータ５０、ステータ６０により主電動機部１００が構成されている。
軸線Ｌに沿った方向における左ブラケット３０とロータ５０のロータコア５１の間には、界磁磁束を発生するための界磁極７０が配設されている。また、軸線Ｌに沿った方向における右ブラケット３１とロータ５０のロータコア５１の間には、界磁磁束を発生するための界磁極８０が配設されている。
【００３３】
界磁極７０は、円環状の界磁コア７１と界磁コイル７２を備えている。界磁コア７１は、磁性材料よりなる。円環状の界磁コア７１にはシャフト４０が挿通される。
界磁コア７１における軸線方向でのモータ内面部には界磁コイル７２が配置されている。界磁コイル７２は、ボビン（図示略）に導線がシャフト４０の周りに巻回されて形成されている。軸線Ｌから、当該軸線Ｌと直交する方向の外側に位置する界磁コイル７２の端部までの寸法は、軸線Ｌからステータコイル６３の内周面までの寸法よりも小さく設定されている。即ち、界磁コイル７２はステータコイル６３よりも内径側に配置されている。
【００３４】
界磁コア７１の外周部は、バイパスコア２０の左端部と左ブラケット３０の外周部との間に、嵌合する状態で固定されている。これにより、界磁極７０は、主電動機部１００に対して組み付けられている。界磁コア７１を主電動機部１００に組み付けた状態において、界磁コア７１は、バイパスコア２０に対して密着されている。よって、界磁コア７１とバイパスコア２０とは、磁気的に連結されている。なお、本実施形態では左ブラケット３０は非磁性部材より成り、界磁磁束の漏洩磁束を低減させるとともに、軸受Ｂ１の電蝕を防止している。
【００３５】
また、シャフト４０が挿通される界磁コア７１は、内径がφ１０の第１の部位７５と、内径がφ１１の第２の部位７６を有している。第２の部位７６の内径φ１１は第１の部位７５の内径φ１０よりも大きい（φ１１＞φ１０）。
【００３６】
界磁コア７１の第１の部位７５の内周面とシャフト４０の第３の部位４３の外周面とは、相互に平行となるように対向配置されているとともに、両周面の間には僅かな隙間（例えば、０．５ｍｍ）が形成され、この隙間（ギャップ）を介して磁気的に連結されている。これが、軸の直角方向（径方向）において対向する部材間に形成された第１のラジアルギャップＧｒ１（図３参照）となる。
【００３７】
界磁コア７１の第２の部位７６の内周面とシャフト４０の第４の部位４４の外周面とは、相互に平行となるように対向配置されているとともに、両周面の間には僅かな隙間（例えば、０．５ｍｍ）が形成され、この隙間（ギャップ）を介して磁気的に連結されている。これが第２のラジアルギャップＧｒ２（図３参照）となる。
【００３８】
ここで、図４に示すように、第１のラジアルギャップＧｒ１の軸線方向の長さＬ１と第２のラジアルギャップＧｒ２の軸線方向の長さＬ２を比較すると、第１のラジアルギャップＧｒ１の軸線方向の長さＬ１の方が第２のラジアルギャップＧｒ２の軸線方向の長さＬ２よりも長くなっている（Ｌ１＞Ｌ２）。
【００３９】
また、図２の界磁コア７１の第１の部位７５と第２の部位７６との間において垂直なる側壁７７が形成されている。即ち、水平方向に延びる軸線Ｌに対し側壁７７が垂直に形成されている。界磁コア７１の側壁７７とシャフト４０の側壁４９とは、相互に平行となるように対向配置されているとともに、両面の間には僅かな隙間（例えば、０．５ｍｍ）が形成され、この隙間（ギャップ）を介して磁気的に連結されている。これが、軸方向において対向する部材間に形成された第１のアキシャルギャップＧａ１（図３参照）となる。
【００４０】
さらに、界磁コア７１の第２の部位７６の右側面（垂直なる側壁）とロータコア５１の左側面とは、相互に平行となるように対向配置されているとともに、両面の間には僅かな隙間（例えば、０．５ｍｍ）が形成され、この隙間（ギャップ）を介して磁気的に連結されている。これが第２のアキシャルギャップＧａ２（図３参照）となる。
【００４１】
第１のラジアルギャップＧｒ１と第１のアキシャルギャップＧａ１と第２のラジアルギャップＧｒ２と第２のアキシャルギャップＧａ２で階段状となっている。
同様に、界磁極８０は、円環状の界磁コア８１と界磁コイル８２を備えている。界磁コア８１は、磁性材料よりなる。円環状の界磁コア８１にはシャフト４０が挿通される。
【００４２】
界磁コア８１における軸線方向でのモータ内面部には界磁コイル８２が配置されている。界磁コイル８２は、ボビン（図示略）に導線がシャフト４０の周りに巻回されて形成されている。軸線Ｌから、当該軸線Ｌと直交する方向の外側に位置する界磁コイル８２の端部までの寸法は、軸線Ｌからステータコイル６３の内周面までの寸法よりも小さく設定されている（界磁コイル８２はステータコイル６３よりも内径側に配置されている）。
【００４３】
界磁コア８１の外周部は、バイパスコア２０の右端部と右ブラケット３１の外周部との間に、嵌合する状態で固定されている。これにより、界磁極８０は、主電動機部１００に対して組み付けられている。界磁コア８１を主電動機部１００に組み付けた状態において、界磁コア８１は、バイパスコア２０に対して密着されている。よって、界磁コア８１とバイパスコア２０とは、磁気的に連結されている。なお、本実施形態では右ブラケット３１は非磁性部材より成り、界磁磁束の漏洩磁束を低減させるとともに、軸受Ｂ２の電蝕を防止している。
【００４４】
また、シャフト４０が挿通される界磁コア８１は、内径がφ２０の第１の部位８５と、内径がφ２１の第２の部位８６を有している。第２の部位８６の内径φ２１は第１の部位８５の内径φ２０よりも大きい（φ２１＞φ２０）。
【００４５】
界磁コア８１の第１の部位８５の内周面とシャフト４０の第６の部位４６の外周面とは、相互に平行となるように対向配置されているとともに、両周面の間には僅かな隙間（例えば、０．５ｍｍ）が形成され、この隙間（ギャップ）を介して磁気的に連結されている。これが、第３のラジアルギャップＧｒ３（図３参照）となる。
【００４６】
界磁コア８１の第２の部位８６の内周面とロータコア固定用磁性リング９０の外周面とは、相互に平行となるように対向配置されているとともに、両周面の間には僅かな隙間（例えば、０．５ｍｍ）が形成され、この隙間（ギャップ）を介して磁気的に連結されている。これが第４のラジアルギャップＧｒ４（図３参照）となる。ここでも、図４を用いて説明したように、第１のラジアルギャップＧｒ１と第２のラジアルギャップＧｒ２との関係と同じく、第３のラジアルギャップＧｒ３の軸線方向の長さの方が第４のラジアルギャップＧｒ４の軸線方向の長さよりも長くなっている。
【００４７】
また、図２の界磁コア８１の第１の部位８５と第２の部位８６との間において垂直なる側壁８７が形成されている。即ち、水平方向に延びる軸線Ｌに対し側壁８７が垂直に形成されている。界磁コア７１の側壁８７とロータコア固定用磁性リング９０の側壁（右側面）９１とは、相互に平行となるように対向配置されているとともに、両面の間には僅かな隙間（例えば、０．５ｍｍ）が形成され、この隙間（ギャップ）を介して磁気的に連結されている。これが第３のアキシャルギャップＧａ３（図３参照）となる。
【００４８】
さらに、界磁コア８１の第２の部位８６の左側面（垂直なる側壁）とロータコア５１の右側面とは、相互に平行となるように対向配置されているとともに、両面の間には僅かな隙間（例えば、０．５ｍｍ）が形成され、この隙間（ギャップ）を介して磁気的に連結されている。これが第４のアキシャルギャップＧａ４（図３参照）となる。
【００４９】
第３のラジアルギャップＧｒ３と第３のアキシャルギャップＧａ３と第４のラジアルギャップＧｒ４と第４のアキシャルギャップＧａ４で階段状となっている。
このように本実施形態では、界磁極の界磁コア７１，８１と、界磁コア７１，８１に対向する界磁磁路形成部との空隙を、アキシャルギャップＧａ１，Ｇａ２，Ｇａ３，Ｇａ４とラジアルギャップＧｒ１，Ｇｒ２，Ｇｒ３，Ｇｒ４で構成している。
【００５０】
次に、このように構成したモータ１０の作用について、各界磁コイル７２，８２に通電した際に形成される磁路（界磁磁束の流れ）を中心に説明する。
図３に示すように、本実施形態のモータ１０において、界磁コイル７２に電流が流されることにより界磁コア７１に発生された界磁磁束は、矢印Ｙ１に示すようにシャフト４０に向かって流れる。そして、界磁磁束は、矢印Ｙ２，Ｙ３，Ｙ４に示すように第１のラジアルギャップＧｒ１、第２のラジアルギャップＧｒ２、第１のアキシャルギャップＧａ１を通してシャフト４０に流れる。また、界磁磁束は、矢印Ｙ５に示すように第２のアキシャルギャップＧａ２を通してロータコア５１に流れる。このように、アキシャルギャップＧａ１，Ｇａ２を、軸線Ｌと平行に磁束が横切るとともに、ラジアルギャップＧｒ１，Ｇｒ２を、軸線Ｌと直角（径方向）に磁束が横切る。
【００５１】
さらに、界磁磁束は、矢印Ｙ６に示すようにシャフト４０内を軸方向に流れ、矢印Ｙ７に示すようにシャフト４０の軸線Ｌに直交する方向へ流れてロータコア５１（ロータティース５２）を外径側に流れてステータコア６１（ステータティース６２）を通過する。さらに、界磁磁束は、矢印Ｙ８に示すようにバイパスコア２０を界磁コア７１へ向かって誘導される。
【００５２】
このようにして、界磁コア７１とシャフト４０とロータ５０とステータ６０とバイパスコア２０とによる界磁磁路、および、界磁コア７１とロータ５０とステータ６０とバイパスコア２０とによる界磁磁路が形成される。
【００５３】
同様に、界磁コイル８２に電流が流されることにより界磁コア８１に発生された界磁磁束は、矢印Ｙ１１に示すようにシャフト４０に向かって流れる。そして、界磁磁束は、矢印Ｙ１２，Ｙ１３，Ｙ１４に示すように第３のラジアルギャップＧｒ３、第４のラジアルギャップＧｒ４、第３のアキシャルギャップＧａ３を通してシャフト４０に流れる。また、界磁磁束は、矢印Ｙ１５に示すように第４のアキシャルギャップＧａ４を通してロータコア５１に流れる。
【００５４】
さらに、界磁磁束は、矢印Ｙ１６に示すようにシャフト４０内を軸方向に流れ、矢印Ｙ１７に示すようにシャフト４０の軸線Ｌに直交する方向へ流れてロータコア５１（ロータティース５２）を外径側に流れてステータコア６１（ステータティース６２）を通過する。さらに、界磁磁束は、矢印Ｙ１８に示すようにバイパスコア２０を界磁コア８１へ向かって誘導される。
【００５５】
このようにして、界磁コア８１とシャフト４０とロータ５０とステータ６０とバイパスコア２０とによる界磁磁路、および、界磁コア８１とロータ５０とステータ６０とバイパスコア２０とによる界磁磁路が形成される。
【００５６】
このように、本実施形態のモータ１０では、環状（ループ状）の磁路（界磁磁束の流れ）が形成され、ロータ５０のロータティース５２は、界磁磁束によってＮ極の極性を持つことになり、ロータティース５２（界磁磁束）が、永久磁石同期モータにおけるロータに配設された永久磁石と同様の働きを持つことになる。
【００５７】
また、本実施形態のモータ１０では、各界磁コイル７２，８２に流す電流量を増加させることで界磁磁束を増加させ、より大きなトルクを得ることができる。その一方で、本実施形態のモータ１０では、高速回転時において各界磁コイル７２，８２に流す電流量を減少させることで界磁磁束を減少させ、最大回転数を向上させることができる。即ち、本実施形態のモータ１０では、強め界磁制御のみによって最大トルクおよび最大回転数を向上させることができる。従って、本実施形態のモータ１０では、ロータ５０に永久磁石を配設した場合に必要な弱め界磁制御が不要となり、その構成を簡略化できる。
【００５８】
また、図１，２に示したように、磁石レスの巻線界磁形モータとなっており、図３に示すように界磁極７０，８０から磁束を流す磁路（界磁極の磁路）が形成される。このとき、アキシャルギャップ（Ｇａ１，Ｇａ２，Ｇａ３，Ｇａ４）とラジアルギャップ（Ｇｒ１，Ｇｒ２，Ｇｒ３，Ｇｒ４）を併用して構成している。アキシャルギャップ（Ｇａ１，Ｇａ２，Ｇａ３，Ｇａ４）とラジアルギャップ（Ｇｒ１，Ｇｒ２，Ｇｒ３，Ｇｒ４）を併用することで、ラジアルギャップ単独やアキシャルギャップ単独よりも空隙面積の拡大が図られ、トルクアップ（体格ダウン）が図られる。また、アキシャルギャップ単独よりも軸受へのアキシャル荷重が低減される。
【００５９】
以上のごとく、本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）界磁極の界磁コア７１，８１と、界磁コア７１，８１に対向する界磁磁路形成部との空隙を、アキシャルギャップ（Ｇａ１，Ｇａ２，Ｇａ３，Ｇａ４）とラジアルギャップ（Ｇｒ１，Ｇｒ２，Ｇｒ３，Ｇｒ４）で構成した。これにより、アキシャルギャップとラジアルギャップを組み合わせて併用することにより、界磁コア７１，８１と、界磁コア７１，８１に対向する界磁磁路形成部とのギャップ面積（空隙面積）を効率的に確保することができる。
【００６０】
詳しく説明する。
永久磁石を用いない巻線界磁形の同期モータ（磁石レス巻線界磁形同期モータ）では、界磁磁路を使用し、磁束を三次元的に流す構造であり、ロータとステータ間の空隙に加えて、界磁コアと対向する部材間にもギャップ（空隙）があり、この空隙面積も確保する必要がある。
【００６１】
具体的には、ラジアルギャップのみで空隙面積を確保するには、ラジアルギャップの軸方向長さを拡大するか、ラジアルギャップ径を拡大する方策が挙げられるが、前者の場合モータ軸長が増大し、モータが大型化し車両への搭載性が悪化する。後者の場合シャフトが大径化し、ロータ慣性質量が増大する。これにより、電動機を搭載した車両のドライバビリティに影響する。また、両者ともにシャフトの大型化となり、電動機質量増加による効率悪化、コストの増大につながる。一方、アキシャルギャップのみで空隙面積を確保すると、ロータと界磁極とのスラスト力が増大し、軸受に大きなスラスト荷重がかかる。また、アキシャルギャップのみで構成する場合は、薄板の積層（薄板ラミネーション）により製造するロータ積厚の公差ばらつきによるトルク変動が大きくなる。これを回避するには、組立時にシム（厚さ寸法調整板）等を選択してアキシャル空隙を調整しながら、組立を実施する必要がでてくるため、工数増・コスト増につながる。
【００６２】
これに対し本実施形態では、ラジアルギャップ単独よりもアキシャルギャップを併用することで、ギャップ面積を拡大することができ、トルクアップあるいは、体格低減を図ることができる。また、アキシャルギャップ単独よりも、ラジアルギャップを併用することで、同上の効果を得られるとともに、軸受に印加されるアキシャル荷重を低減することができるため、軸受の耐久性が向上する。さらに、アキシャルギャップとラジアルギャップの比率を設計時に任意に調整できるため、鋼板の積層（鋼板ラミネーション）により製造される、ロータコアの積厚公差ばらつきにより発生するアキシャル空隙のばらつきによるトルク変動を吸収させやすい。
【００６３】
このように本実施形態では、巻線界磁形のモータの質量や体格の低減を図ることができるとともに、軸受に印加されるスラスト力を適当な範囲に調整し、モータの耐久信頼性を向上させることができる。
【００６４】
（２）界磁コア７１，８１に対向する界磁磁路形成部は、ロータのロータコア５１の位置決め部材としての第４の部位４４およびロータコア固定用磁性リング９０を含むので、ロータのロータコア５１の位置決め部材を用いてギャップを形成することができる。位置決め部材はロータコア５１に隣接する円筒状の周面と軸線Ｌに垂直な壁面を有しているので、アキシャルギャップとラジアルギャップを形成するのに好適である。
【００６５】
（３）アキシャルギャップとラジアルギャップは、複数段形成されている。よって、アキシャルギャップとラジアルギャップが複数段形成されていると、段数が増すほど応力や磁束流れの分布を滑らかにすることが可能となりモータ性能の向上につながる。
【００６６】
（４）界磁コア７１，８１に対向する界磁磁路形成部は、ロータ５０に固定されるシャフト４０を含むので、シャフト４０を介して界磁磁路を形成することができる。
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。
【００６７】
・上記実施形態では、図４に示すように第１のラジアルギャップＧｒ１の軸線方向の長さＬ１の方が第２のラジアルギャップＧｒ２の軸線方向の長さＬ２よりも長くなっていたが、これに代わり、図５に示すように、第２のラジアルギャップＧｒ２の軸線方向の長さＬ２の方を第１のラジアルギャップＧｒ１の軸線方向の長さＬ１よりも長くしてもよい（Ｌ２＞Ｌ１）。これにより、より効率的にギャップの対向面積を向上させることができる。
【００６８】
・アキシャルギャップとラジアルギャップは、図３のように２段でなくとも、１段でもよいし、３段以上の複数段にしてよい。上述したように段数を増すほど応力や磁束流れの分布を滑らかに形成することが可能となる。
【００６９】
・上記実施形態では左右ブラケット３０，３１に軸受Ｂ１，Ｂ２を配設しているが、軸受の電蝕を防止する構造にして、界磁コア端部にベアリングを配置してもよい。
・上記実施形態では第１の部位４１の直径φ１と第８の部位４８の直径φ８は等しく、また、第２の部位４２の直径φ２と第７の部位４７の直径φ７は等しく構成したが、この構成に限らない。組み立て上不都合が生じなければ、変更しても良い。
【００７０】
・図１，２に示した界磁極構成に限ることなく、図６，７に示す界磁極の構成としてもよい。
図６，７において、バイパスコア２０の両端部には界磁極２００が配置されている。界磁極２００は界磁コア２１０と界磁コイル２２０を備えている。界磁コア２１０は、磁性体よりなる。界磁コア２１０は、円環状に形成されシャフト４０を挿通するための固定部２１１と、この固定部２１１から軸線Ｌに直交し、且つ軸線Ｌから外側へ向けて放射状に延びる複数本の腕部２１２を備えている。各腕部２１２は、等間隔に配置されている。各腕部２１２においてシャフト４０（固定部２１１）側には、それぞれ導線が巻回されて界磁コイル２２０が形成されている。界磁コア２１０の各腕部２１２の先端部はバイパスコア２０に固定され、各腕部２１２の先端面はバイパスコア２０に対して密着されており、磁気的に連結されている。また、界磁コア２１０の固定部２１１には、シャフト４０が挿通され、固定部２１１の内周面とシャフト４０の外周面とは、相互に平行となるように対向配置されているとともに、両周面の間には僅かな隙間（例えば、０．５ｍｍ）が形成されている。
【００７１】
ここで、シャフト４０が挿通される界磁コア２１０の固定部２１１の内面には径が異なるように段差が形成されている。そして、界磁コア２１０の固定部２１１の内周面とシャフト４０の第３の部位４３の外周面とは、相互に平行となるように対向配置され、第１のラジアルギャップＧｒ１が形成されている。また、界磁コア２１０の固定部２１１の内周面とシャフト４０の第４の部位４４の外周面とは、相互に平行となるように対向配置され、第２のラジアルギャップＧｒ２が形成されている。また、界磁コア２１０の固定部２１１の垂直なる側壁とシャフト４０の側壁４９とは、相互に平行となるように対向配置され、第１のアキシャルギャップＧａ１が形成されている。界磁コア２１０の固定部２１１の側面（垂直なる側壁）とロータコア５１の側面とは、相互に平行となるように対向配置され、第２のアキシャルギャップＧａ２が形成されている。
【００７２】
バイパスコア２０のもう片方の界磁極２００についても同様の構成となっている。
・図１，２において界磁極７０のみ、あるいは、界磁極８０のみ設けてもよい。また、図６，７において主電動機部１００（シャフト４０）の片方側にのみ界磁極２００を設けてもよい。
【００７３】
・上記実施形態において、ロータのロータティース５２の数は、適宜変更してもよい。また、ステータのステータティース６２の数は、適宜変更してもよい。
・シャフト４０を介して界磁磁路を形成したが、シャフト４０を介さずに界磁磁路を形成してもよい。例えば、シャフトとロータコア５１との間にＳＭＣの部材を介在させて、ＳＭＣの部材が界磁磁路を形成するように、ＳＭＣの部材を界磁コアに対してアキシャルギャップとラジアルギャップを形成するような形状としても良い。
【００７４】
・実施形態において磁気的な凸極部としてのロータティース５２は形状的に凸形状であったが、この構成に限らない。磁気的に凸極性があればよい。例えばロータティースの先端のみが隣接するロータティースと連結されていたり、ロータティース間の凹部が非磁性体で埋められたりして、全体としてロータが円筒状でもよい。
【００７５】
・実施形態において、ロータコア５１を鋼板（電磁鋼板）を複数枚積層して構成したが、ＳＭＣや鉄塊などの磁性体で構成してもよい。
・上記実施形態では回転電機としてモータに具体化したが、これに限ることなく発電機として用いてもよい。
【符号の説明】
【００７６】
１０…モータ、２０…バイパスコア、４０…シャフト、５０…ロータ、５１…ロータコア、５２…ロータティース、６０…ステータ、６１…ステータコア、６２…ステータティース、６３…ステータコイル、７０…界磁極、７１…界磁コア、７２…界磁コイル、８０…界磁極、８１…界磁コア、８２…界磁コイル、９０…ロータコア固定用磁性リング、Ｇａ１…第１のアキシャルギャップ、Ｇａ２…第２のアキシャルギャップ、Ｇａ３…第３のアキシャルギャップ、Ｇａ４…第４のアキシャルギャップ、Ｇｒ１…第１のラジアルギャップ、Ｇｒ２…第２のラジアルギャップ、Ｇｒ３…第３のラジアルギャップ、Ｇｒ４…第４のラジアルギャップ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、永久磁石をロータに配設した永久磁石同期モータは、電気自動車やハイブリッド自動車などの様々な分野で駆動源として利用されている。このような永久磁石同期モータにおいて、強め界磁制御を行うことによって大きなトルクを得る一方で、弱め界磁制御を行うことによってステータとロータの間に生じる磁束量を低減して最大回転数を向上させることが提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
特許文献１においては、界磁コアに配した界磁コイルに通電することにより、ロータ、ステータ、および界磁コアによって環状の界磁磁路が形成される。このため、ロータを通過する磁束量を、界磁コイルに流す電流量の変化に伴わせて効果的に変化させることができる。従って、界磁コイルの通電を制御することによって強め界磁制御および弱め界磁制御を可能とし、大きなトルクを得られるとともに最大回転数を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−４３０９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述したような永久磁石を用いない巻線界磁形の同期モータ（磁石レス巻線界磁形同期モータ）では、界磁磁路を使用し、磁束を三次元的に流す構造である。このとき、ロータとステータ間の空隙に加えて、界磁コアとロータ間にもギャップ（空隙）があり、この空隙面積の確保が課題である。
【０００６】
本発明の目的は、界磁コアと、界磁コアに対向する界磁磁路形成部とのギャップ面積を効率的に確保する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】
請求項１に記載の発明では、回転可能に支持され、磁気的な凸極部を有するロータと、前記ロータの凸極部の径方向外側に配置されたステータと、界磁コイルの通電に伴い界磁コアに生じる界磁磁束により当該界磁コアと少なくとも前記ロータと前記ステータとによる界磁磁路を形成する界磁極と、を備えた回転電機であって、前記界磁極の界磁コアと、当該界磁コアに対向する界磁磁路形成部との空隙を、アキシャルギャップとラジアルギャップで構成したことを要旨とする。
【０００８】
ここで磁気的な凸極部とは凸形状のみに限らず、たとえば先端のみを隣接する凸極部の先端とつなげたり、磁性体で凸形状を形成しその間を非磁性体で埋めたりして、実質的に磁気的な凸極であればよい。
【０００９】
請求項１に記載の発明によれば、界磁極の界磁コアと、界磁コアに対向する界磁磁路形成部との空隙が、アキシャルギャップとラジアルギャップで構成されており、界磁極において界磁コイルが通電されると界磁コアに界磁磁束が生じ、この磁束によりアキシャルギャップとラジアルギャップを介して界磁コアと少なくともロータとステータとによる界磁磁路が形成される。
【００１０】
このようにして、アキシャルギャップとラジアルギャップを組み合わせて併用することにより、界磁コアと、界磁コアに対向する界磁磁路形成部とのギャップ面積を効率的に確保することができる。
【００１１】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の回転電機において、前記対向する前記ロータ側の界磁磁路形成部は、前記ロータのロータコアの位置決め部材を含むことを要旨とする。
【００１２】
請求項２に記載の発明によれば、ロータのロータコアの位置決め部材を用いてギャップを形成することができる。
請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の回転電機において、前記アキシャルギャップと前記ラジアルギャップは、複数段形成されていることを要旨とする。
【００１３】
請求項３に記載の発明によれば、アキシャルギャップとラジアルギャップが複数段形成されていると、段数が増すほど応力や磁束流れの分布を滑らかにすることが可能となる。
請求項４に記載のように、請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電機において、前記界磁コアに対向する界磁磁路形成部は、前記ロータに固定されるシャフトを含むものであってもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、界磁コアと、界磁コアに対向する界磁磁路形成部とのギャップ面積を効率的に確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態におけるモータを模式的に示す分解斜視図。
【図２】モータの縦断面図。
【図３】界磁磁束の流れを示すモータの縦断面図。
【図４】モータの要部拡大図。
【図５】別例のモータの要部拡大図。
【図６】別例のモータを模式的に示す分解斜視図。
【図７】別例のモータの縦断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１および図２に示すように、回転電機としてのモータ１０は、永久磁石を用いない巻線界磁形の同期モータである。回転電動機であるモータ１０は、円筒状のバイパスコア（コアバック）２０と、バイパスコア２０の両端の開口部に配される左ブラケット３０、右ブラケット３１と、棒状をなし水平方向に延びるシャフト４０と、回転可能に支持されたロータ（回転子）５０と、ステータ（固定子）６０と、界磁極７０，８０を備えている。
【００１７】
シャフト４０は、軸受（ベアリング）Ｂ１を介して左ブラケット３０に組み付けられているとともに軸受（ベアリング）Ｂ２を介して右ブラケット３１に組み付けられている。そして、シャフト４０は左ブラケット３０、右ブラケット３１に対して回転可能に支持されている。シャフト４０における左ブラケット３０側の一端は左ブラケット３０を貫通している。シャフト４０は磁性体よりなる。
【００１８】
ここで、シャフト４０は、図２において左側から、直径がφ１の第１の部位４１と、直径がφ２の第２の部位４２と、直径がφ３の第３の部位４３と、直径がφ４の第４の部位４４と、直径がφ５の第５の部位４５と、直径がφ６の第６の部位４６と、直径がφ７の第７の部位４７と、直径がφ８の第８の部位４８を有している。
【００１９】
本実施形態では第１の部位４１の直径φ１と第８の部位４８の直径φ８は等しい（φ１＝φ８）。また、第２の部位４２の直径φ２と第７の部位４７の直径φ７は等しく（φ２＝φ７）、かつ、第１の部位４１の直径φ１および第８の部位４８の直径φ８よりも大きい（φ２＞φ１、φ７＞φ８）。第３の部位４３の直径φ３と第６の部位４６の直径φ６は等しく（φ３＝φ６）、かつ、第２の部位４２の直径φ２および第７の部位４７の直径φ７よりも大きい（φ３＞φ２、φ６＞φ７）。第４の部位４４の直径φ４は第３の部位４３の直径φ３よりも大きい（φ４＞φ３）。第５の部位４５の直径φ５は第６の部位４６の直径φ６よりも大きく（φ５＞φ６）、かつ、第４の部位４４の直径φ４よりも小さい（φ５＜φ４）。
【００２０】
また、シャフト４０における第３の部位４３と第４の部位４４との間において垂直なる側壁４９が形成されている。即ち、水平方向に延びる軸線Ｌに対し側壁４９が垂直に形成されている。
【００２１】
そして、シャフト４０の第１の部位４１において軸受（ベアリング）Ｂ１によりシャフト４０が回転可能に支持されている。また、シャフト４０の第８の部位４８において軸受（ベアリング）Ｂ２によりシャフト４０が回転可能に支持されている。
【００２２】
また、円環状のロータコア固定用磁性リング９０は、シャフト４０の右側から第５の部位４５に嵌入される態様で使用される。鉄製のロータコア固定用磁性リング９０は直径がφ９であり、シャフト４０の第４の部位４４の直径φ４と等しい（φ９＝φ４）。シャフト４０の第５の部位４５の外周面とロータコア固定用磁性リング９０の内周面とは密着され、磁気的に連結されている。
【００２３】
ロータコア固定用磁性リング９０の右側面は垂直なる側壁９１となっている。即ち、水平方向に延びる軸線Ｌに対し側壁９１が垂直に形成されている。
バイパスコア２０の内部において、シャフト４０の第５の部位４５には、ロータコア５１が固定されている。このロータコア５１は、シャフト４０の軸線Ｌまわりでシャフト４０と一体に回転可能に構成されている。また、シャフト４０の外周面とロータコア５１の内周面とは密着されている。このため、シャフト４０とロータコア５１とは、磁気的に連結されている。ロータコア５１は、複数枚の鋼板を軸線Ｌに沿った方向に積層して構成されている。詳しくは、複数枚の鋼板を積層してロータコア５１を形成するとともに、シャフト４０の第５の部位４５に図２の右側からシャフト４０に挿入してシャフト４０の第４の部位４４に当接させる。その後、磁性体よりなる円環状のロータコア固定用磁性リング９０をシャフト４０の第５の部位４５に圧入してロータコア５１を挟み込んで固定する。
【００２４】
ロータコア５１は、複数枚の鋼板を軸線Ｌに沿った方向に積層して構成しているので、ロータコア５１内において、磁束が軸線Ｌに沿った方向よりも軸線Ｌに直交するロータコア５１の径方向および周方向へ流れ易くなっている。
【００２５】
ロータ５０（ロータコア５１）はロータティース５２（図１参照）を有しており、ロータティース５２は径方向外側へ向かって突出している。磁気的な凸極部としてのロータティース５２は、複数（本実施形態では５本）形成されている。ロータティース５２は、周方向に等間隔に形成されているとともに、各ロータティース５２の先端面は、何れも同一周面上に位置している。
【００２６】
バイパスコア２０の内部において、ロータコア５１のロータティース５２の径方向外側にはステータ６０（ステータコア６１）が配設され、ステータコア６１はロータコア５１を囲うように円環状をなしている。ステータコア６１は、複数枚の鋼板を軸線Ｌに沿った方向に積層して構成されている。このため、ステータコア６１内において、磁束がシャフト４０の軸線Ｌに沿った方向よりもこの軸線Ｌに直交するステータコア６１の径方向、および周方向へ流れ易くなっている。また、軸線Ｌに沿ったステータコア６１の寸法は、軸線Ｌに沿ったロータコア５１の寸法と同一寸法に設定されている。
【００２７】
また、ステータ６０（ステータコア６１）はステータティース６２（図１参照）を有しており、ステータティース６２はシャフト４０に向かって突出している。ステータティース６２は複数（本実施形態では１２本）形成されているとともに、各ステータティース６２は、周方向に等間隔に形成されている。
【００２８】
各ロータティース５２の先端面（ロータコア５１の外周面）と、ステータティース６２（ステータコア６１）の内周面との間には、僅かな隙間（例えば、０．５ｍｍ）が形成されている。
【００２９】
各ステータティース６２にはステータコイル６３が巻回されている。つまり、ステータティース６２に導線が巻回されて、電機子コイルとしてのステータコイル６３が形成されている。各ステータコイル６３は、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線、およびＷ相巻線の何れかとされており、それぞれ位相の異なる電流を流すことによって回転磁界を発生させるようになっている。
【００３０】
また、ステータコア６１（ステータティース６２）とロータコア５１は、軸線Ｌに沿った寸法を同一寸法に設定されていることから、軸線Ｌに沿った方向におけるステータコイル６３の両端部（コイルエンド）は、ロータコア５１の両端よりも軸線Ｌに沿った方向のうち外側に突出している。
【００３１】
また、軸線Ｌに沿って延びる円筒状のバイパスコア２０は、ステータコア６１の外周面を全周にわたって覆っている。バイパスコア２０は、磁性体で形成されている。本実施形態では粉末成型磁性体（ＳＭＣ:Ｓｏｆｔ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ）よりなる。また、ステータコア６１の外周面と、バイパスコア２０の内周面とは密着されている。このため、ステータコア６１とバイパスコア２０とは、磁気的に連結されている。バイパスコア２０は、外径側界磁磁路となる。
【００３２】
本実施形態では、シャフト４０、ロータ５０、ステータ６０により主電動機部１００が構成されている。
軸線Ｌに沿った方向における左ブラケット３０とロータ５０のロータコア５１の間には、界磁磁束を発生するための界磁極７０が配設されている。また、軸線Ｌに沿った方向における右ブラケット３１とロータ５０のロータコア５１の間には、界磁磁束を発生するための界磁極８０が配設されている。
【００３３】
界磁極７０は、円環状の界磁コア７１と界磁コイル７２を備えている。界磁コア７１は、磁性材料よりなる。円環状の界磁コア７１にはシャフト４０が挿通される。
界磁コア７１における軸線方向でのモータ内面部には界磁コイル７２が配置されている。界磁コイル７２は、ボビン（図示略）に導線がシャフト４０の周りに巻回されて形成されている。軸線Ｌから、当該軸線Ｌと直交する方向の外側に位置する界磁コイル７２の端部までの寸法は、軸線Ｌからステータコイル６３の内周面までの寸法よりも小さく設定されている。即ち、界磁コイル７２はステータコイル６３よりも内径側に配置されている。
【００３４】
界磁コア７１の外周部は、バイパスコア２０の左端部と左ブラケット３０の外周部との間に、嵌合する状態で固定されている。これにより、界磁極７０は、主電動機部１００に対して組み付けられている。界磁コア７１を主電動機部１００に組み付けた状態において、界磁コア７１は、バイパスコア２０に対して密着されている。よって、界磁コア７１とバイパスコア２０とは、磁気的に連結されている。なお、本実施形態では左ブラケット３０は非磁性部材より成り、界磁磁束の漏洩磁束を低減させるとともに、軸受Ｂ１の電蝕を防止している。
【００３５】
また、シャフト４０が挿通される界磁コア７１は、内径がφ１０の第１の部位７５と、内径がφ１１の第２の部位７６を有している。第２の部位７６の内径φ１１は第１の部位７５の内径φ１０よりも大きい（φ１１＞φ１０）。
【００３６】
界磁コア７１の第１の部位７５の内周面とシャフト４０の第３の部位４３の外周面とは、相互に平行となるように対向配置されているとともに、両周面の間には僅かな隙間（例えば、０．５ｍｍ）が形成され、この隙間（ギャップ）を介して磁気的に連結されている。これが、軸の直角方向（径方向）において対向する部材間に形成された第１のラジアルギャップＧｒ１（図３参照）となる。
【００３７】
界磁コア７１の第２の部位７６の内周面とシャフト４０の第４の部位４４の外周面とは、相互に平行となるように対向配置されているとともに、両周面の間には僅かな隙間（例えば、０．５ｍｍ）が形成され、この隙間（ギャップ）を介して磁気的に連結されている。これが第２のラジアルギャップＧｒ２（図３参照）となる。
【００３８】
ここで、図４に示すように、第１のラジアルギャップＧｒ１の軸線方向の長さＬ１と第２のラジアルギャップＧｒ２の軸線方向の長さＬ２を比較すると、第１のラジアルギャップＧｒ１の軸線方向の長さＬ１の方が第２のラジアルギャップＧｒ２の軸線方向の長さＬ２よりも長くなっている（Ｌ１＞Ｌ２）。
【００３９】
また、図２の界磁コア７１の第１の部位７５と第２の部位７６との間において垂直なる側壁７７が形成されている。即ち、水平方向に延びる軸線Ｌに対し側壁７７が垂直に形成されている。界磁コア７１の側壁７７とシャフト４０の側壁４９とは、相互に平行となるように対向配置されているとともに、両面の間には僅かな隙間（例えば、０．５ｍｍ）が形成され、この隙間（ギャップ）を介して磁気的に連結されている。これが、軸方向において対向する部材間に形成された第１のアキシャルギャップＧａ１（図３参照）となる。
【００４０】
さらに、界磁コア７１の第２の部位７６の右側面（垂直なる側壁）とロータコア５１の左側面とは、相互に平行となるように対向配置されているとともに、両面の間には僅かな隙間（例えば、０．５ｍｍ）が形成され、この隙間（ギャップ）を介して磁気的に連結されている。これが第２のアキシャルギャップＧａ２（図３参照）となる。
【００４１】
第１のラジアルギャップＧｒ１と第１のアキシャルギャップＧａ１と第２のラジアルギャップＧｒ２と第２のアキシャルギャップＧａ２で階段状となっている。
同様に、界磁極８０は、円環状の界磁コア８１と界磁コイル８２を備えている。界磁コア８１は、磁性材料よりなる。円環状の界磁コア８１にはシャフト４０が挿通される。
【００４２】
界磁コア８１における軸線方向でのモータ内面部には界磁コイル８２が配置されている。界磁コイル８２は、ボビン（図示略）に導線がシャフト４０の周りに巻回されて形成されている。軸線Ｌから、当該軸線Ｌと直交する方向の外側に位置する界磁コイル８２の端部までの寸法は、軸線Ｌからステータコイル６３の内周面までの寸法よりも小さく設定されている（界磁コイル８２はステータコイル６３よりも内径側に配置されている）。
【００４３】
界磁コア８１の外周部は、バイパスコア２０の右端部と右ブラケット３１の外周部との間に、嵌合する状態で固定されている。これにより、界磁極８０は、主電動機部１００に対して組み付けられている。界磁コア８１を主電動機部１００に組み付けた状態において、界磁コア８１は、バイパスコア２０に対して密着されている。よって、界磁コア８１とバイパスコア２０とは、磁気的に連結されている。なお、本実施形態では右ブラケット３１は非磁性部材より成り、界磁磁束の漏洩磁束を低減させるとともに、軸受Ｂ２の電蝕を防止している。
【００４４】
また、シャフト４０が挿通される界磁コア８１は、内径がφ２０の第１の部位８５と、内径がφ２１の第２の部位８６を有している。第２の部位８６の内径φ２１は第１の部位８５の内径φ２０よりも大きい（φ２１＞φ２０）。
【００４５】
界磁コア８１の第１の部位８５の内周面とシャフト４０の第６の部位４６の外周面とは、相互に平行となるように対向配置されているとともに、両周面の間には僅かな隙間（例えば、０．５ｍｍ）が形成され、この隙間（ギャップ）を介して磁気的に連結されている。これが、第３のラジアルギャップＧｒ３（図３参照）となる。
【００４６】
界磁コア８１の第２の部位８６の内周面とロータコア固定用磁性リング９０の外周面とは、相互に平行となるように対向配置されているとともに、両周面の間には僅かな隙間（例えば、０．５ｍｍ）が形成され、この隙間（ギャップ）を介して磁気的に連結されている。これが第４のラジアルギャップＧｒ４（図３参照）となる。ここでも、図４を用いて説明したように、第１のラジアルギャップＧｒ１と第２のラジアルギャップＧｒ２との関係と同じく、第３のラジアルギャップＧｒ３の軸線方向の長さの方が第４のラジアルギャップＧｒ４の軸線方向の長さよりも長くなっている。
【００４７】
また、図２の界磁コア８１の第１の部位８５と第２の部位８６との間において垂直なる側壁８７が形成されている。即ち、水平方向に延びる軸線Ｌに対し側壁８７が垂直に形成されている。界磁コア７１の側壁８７とロータコア固定用磁性リング９０の側壁（右側面）９１とは、相互に平行となるように対向配置されているとともに、両面の間には僅かな隙間（例えば、０．５ｍｍ）が形成され、この隙間（ギャップ）を介して磁気的に連結されている。これが第３のアキシャルギャップＧａ３（図３参照）となる。
【００４８】
さらに、界磁コア８１の第２の部位８６の左側面（垂直なる側壁）とロータコア５１の右側面とは、相互に平行となるように対向配置されているとともに、両面の間には僅かな隙間（例えば、０．５ｍｍ）が形成され、この隙間（ギャップ）を介して磁気的に連結されている。これが第４のアキシャルギャップＧａ４（図３参照）となる。
【００４９】
第３のラジアルギャップＧｒ３と第３のアキシャルギャップＧａ３と第４のラジアルギャップＧｒ４と第４のアキシャルギャップＧａ４で階段状となっている。
このように本実施形態では、界磁極の界磁コア７１，８１と、界磁コア７１，８１に対向する界磁磁路形成部との空隙を、アキシャルギャップＧａ１，Ｇａ２，Ｇａ３，Ｇａ４とラジアルギャップＧｒ１，Ｇｒ２，Ｇｒ３，Ｇｒ４で構成している。
【００５０】
次に、このように構成したモータ１０の作用について、各界磁コイル７２，８２に通電した際に形成される磁路（界磁磁束の流れ）を中心に説明する。
図３に示すように、本実施形態のモータ１０において、界磁コイル７２に電流が流されることにより界磁コア７１に発生された界磁磁束は、矢印Ｙ１に示すようにシャフト４０に向かって流れる。そして、界磁磁束は、矢印Ｙ２，Ｙ３，Ｙ４に示すように第１のラジアルギャップＧｒ１、第２のラジアルギャップＧｒ２、第１のアキシャルギャップＧａ１を通してシャフト４０に流れる。また、界磁磁束は、矢印Ｙ５に示すように第２のアキシャルギャップＧａ２を通してロータコア５１に流れる。このように、アキシャルギャップＧａ１，Ｇａ２を、軸線Ｌと平行に磁束が横切るとともに、ラジアルギャップＧｒ１，Ｇｒ２を、軸線Ｌと直角（径方向）に磁束が横切る。
【００５１】
さらに、界磁磁束は、矢印Ｙ６に示すようにシャフト４０内を軸方向に流れ、矢印Ｙ７に示すようにシャフト４０の軸線Ｌに直交する方向へ流れてロータコア５１（ロータティース５２）を外径側に流れてステータコア６１（ステータティース６２）を通過する。さらに、界磁磁束は、矢印Ｙ８に示すようにバイパスコア２０を界磁コア７１へ向かって誘導される。
【００５２】
このようにして、界磁コア７１とシャフト４０とロータ５０とステータ６０とバイパスコア２０とによる界磁磁路、および、界磁コア７１とロータ５０とステータ６０とバイパスコア２０とによる界磁磁路が形成される。
【００５３】
同様に、界磁コイル８２に電流が流されることにより界磁コア８１に発生された界磁磁束は、矢印Ｙ１１に示すようにシャフト４０に向かって流れる。そして、界磁磁束は、矢印Ｙ１２，Ｙ１３，Ｙ１４に示すように第３のラジアルギャップＧｒ３、第４のラジアルギャップＧｒ４、第３のアキシャルギャップＧａ３を通してシャフト４０に流れる。また、界磁磁束は、矢印Ｙ１５に示すように第４のアキシャルギャップＧａ４を通してロータコア５１に流れる。
【００５４】
さらに、界磁磁束は、矢印Ｙ１６に示すようにシャフト４０内を軸方向に流れ、矢印Ｙ１７に示すようにシャフト４０の軸線Ｌに直交する方向へ流れてロータコア５１（ロータティース５２）を外径側に流れてステータコア６１（ステータティース６２）を通過する。さらに、界磁磁束は、矢印Ｙ１８に示すようにバイパスコア２０を界磁コア８１へ向かって誘導される。
【００５５】
このようにして、界磁コア８１とシャフト４０とロータ５０とステータ６０とバイパスコア２０とによる界磁磁路、および、界磁コア８１とロータ５０とステータ６０とバイパスコア２０とによる界磁磁路が形成される。
【００５６】
このように、本実施形態のモータ１０では、環状（ループ状）の磁路（界磁磁束の流れ）が形成され、ロータ５０のロータティース５２は、界磁磁束によってＮ極の極性を持つことになり、ロータティース５２（界磁磁束）が、永久磁石同期モータにおけるロータに配設された永久磁石と同様の働きを持つことになる。
【００５７】
また、本実施形態のモータ１０では、各界磁コイル７２，８２に流す電流量を増加させることで界磁磁束を増加させ、より大きなトルクを得ることができる。その一方で、本実施形態のモータ１０では、高速回転時において各界磁コイル７２，８２に流す電流量を減少させることで界磁磁束を減少させ、最大回転数を向上させることができる。即ち、本実施形態のモータ１０では、強め界磁制御のみによって最大トルクおよび最大回転数を向上させることができる。従って、本実施形態のモータ１０では、ロータ５０に永久磁石を配設した場合に必要な弱め界磁制御が不要となり、その構成を簡略化できる。
【００５８】
また、図１，２に示したように、磁石レスの巻線界磁形モータとなっており、図３に示すように界磁極７０，８０から磁束を流す磁路（界磁極の磁路）が形成される。このとき、アキシャルギャップ（Ｇａ１，Ｇａ２，Ｇａ３，Ｇａ４）とラジアルギャップ（Ｇｒ１，Ｇｒ２，Ｇｒ３，Ｇｒ４）を併用して構成している。アキシャルギャップ（Ｇａ１，Ｇａ２，Ｇａ３，Ｇａ４）とラジアルギャップ（Ｇｒ１，Ｇｒ２，Ｇｒ３，Ｇｒ４）を併用することで、ラジアルギャップ単独やアキシャルギャップ単独よりも空隙面積の拡大が図られ、トルクアップ（体格ダウン）が図られる。また、アキシャルギャップ単独よりも軸受へのアキシャル荷重が低減される。
【００５９】
以上のごとく、本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）界磁極の界磁コア７１，８１と、界磁コア７１，８１に対向する界磁磁路形成部との空隙を、アキシャルギャップ（Ｇａ１，Ｇａ２，Ｇａ３，Ｇａ４）とラジアルギャップ（Ｇｒ１，Ｇｒ２，Ｇｒ３，Ｇｒ４）で構成した。これにより、アキシャルギャップとラジアルギャップを組み合わせて併用することにより、界磁コア７１，８１と、界磁コア７１，８１に対向する界磁磁路形成部とのギャップ面積（空隙面積）を効率的に確保することができる。
【００６０】
詳しく説明する。
永久磁石を用いない巻線界磁形の同期モータ（磁石レス巻線界磁形同期モータ）では、界磁磁路を使用し、磁束を三次元的に流す構造であり、ロータとステータ間の空隙に加えて、界磁コアと対向する部材間にもギャップ（空隙）があり、この空隙面積も確保する必要がある。
【００６１】
具体的には、ラジアルギャップのみで空隙面積を確保するには、ラジアルギャップの軸方向長さを拡大するか、ラジアルギャップ径を拡大する方策が挙げられるが、前者の場合モータ軸長が増大し、モータが大型化し車両への搭載性が悪化する。後者の場合シャフトが大径化し、ロータ慣性質量が増大する。これにより、電動機を搭載した車両のドライバビリティに影響する。また、両者ともにシャフトの大型化となり、電動機質量増加による効率悪化、コストの増大につながる。一方、アキシャルギャップのみで空隙面積を確保すると、ロータと界磁極とのスラスト力が増大し、軸受に大きなスラスト荷重がかかる。また、アキシャルギャップのみで構成する場合は、薄板の積層（薄板ラミネーション）により製造するロータ積厚の公差ばらつきによるトルク変動が大きくなる。これを回避するには、組立時にシム（厚さ寸法調整板）等を選択してアキシャル空隙を調整しながら、組立を実施する必要がでてくるため、工数増・コスト増につながる。
【００６２】
これに対し本実施形態では、ラジアルギャップ単独よりもアキシャルギャップを併用することで、ギャップ面積を拡大することができ、トルクアップあるいは、体格低減を図ることができる。また、アキシャルギャップ単独よりも、ラジアルギャップを併用することで、同上の効果を得られるとともに、軸受に印加されるアキシャル荷重を低減することができるため、軸受の耐久性が向上する。さらに、アキシャルギャップとラジアルギャップの比率を設計時に任意に調整できるため、鋼板の積層（鋼板ラミネーション）により製造される、ロータコアの積厚公差ばらつきにより発生するアキシャル空隙のばらつきによるトルク変動を吸収させやすい。
【００６３】
このように本実施形態では、巻線界磁形のモータの質量や体格の低減を図ることができるとともに、軸受に印加されるスラスト力を適当な範囲に調整し、モータの耐久信頼性を向上させることができる。
【００６４】
（２）界磁コア７１，８１に対向する界磁磁路形成部は、ロータのロータコア５１の位置決め部材としての第４の部位４４およびロータコア固定用磁性リング９０を含むので、ロータのロータコア５１の位置決め部材を用いてギャップを形成することができる。位置決め部材はロータコア５１に隣接する円筒状の周面と軸線Ｌに垂直な壁面を有しているので、アキシャルギャップとラジアルギャップを形成するのに好適である。
【００６５】
（３）アキシャルギャップとラジアルギャップは、複数段形成されている。よって、アキシャルギャップとラジアルギャップが複数段形成されていると、段数が増すほど応力や磁束流れの分布を滑らかにすることが可能となりモータ性能の向上につながる。
【００６６】
（４）界磁コア７１，８１に対向する界磁磁路形成部は、ロータ５０に固定されるシャフト４０を含むので、シャフト４０を介して界磁磁路を形成することができる。
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。
【００６７】
・上記実施形態では、図４に示すように第１のラジアルギャップＧｒ１の軸線方向の長さＬ１の方が第２のラジアルギャップＧｒ２の軸線方向の長さＬ２よりも長くなっていたが、これに代わり、図５に示すように、第２のラジアルギャップＧｒ２の軸線方向の長さＬ２の方を第１のラジアルギャップＧｒ１の軸線方向の長さＬ１よりも長くしてもよい（Ｌ２＞Ｌ１）。これにより、より効率的にギャップの対向面積を向上させることができる。
【００６８】
・アキシャルギャップとラジアルギャップは、図３のように２段でなくとも、１段でもよいし、３段以上の複数段にしてよい。上述したように段数を増すほど応力や磁束流れの分布を滑らかに形成することが可能となる。
【００６９】
・上記実施形態では左右ブラケット３０，３１に軸受Ｂ１，Ｂ２を配設しているが、軸受の電蝕を防止する構造にして、界磁コア端部にベアリングを配置してもよい。
・上記実施形態では第１の部位４１の直径φ１と第８の部位４８の直径φ８は等しく、また、第２の部位４２の直径φ２と第７の部位４７の直径φ７は等しく構成したが、この構成に限らない。組み立て上不都合が生じなければ、変更しても良い。
【００７０】
・図１，２に示した界磁極構成に限ることなく、図６，７に示す界磁極の構成としてもよい。
図６，７において、バイパスコア２０の両端部には界磁極２００が配置されている。界磁極２００は界磁コア２１０と界磁コイル２２０を備えている。界磁コア２１０は、磁性体よりなる。界磁コア２１０は、円環状に形成されシャフト４０を挿通するための固定部２１１と、この固定部２１１から軸線Ｌに直交し、且つ軸線Ｌから外側へ向けて放射状に延びる複数本の腕部２１２を備えている。各腕部２１２は、等間隔に配置されている。各腕部２１２においてシャフト４０（固定部２１１）側には、それぞれ導線が巻回されて界磁コイル２２０が形成されている。界磁コア２１０の各腕部２１２の先端部はバイパスコア２０に固定され、各腕部２１２の先端面はバイパスコア２０に対して密着されており、磁気的に連結されている。また、界磁コア２１０の固定部２１１には、シャフト４０が挿通され、固定部２１１の内周面とシャフト４０の外周面とは、相互に平行となるように対向配置されているとともに、両周面の間には僅かな隙間（例えば、０．５ｍｍ）が形成されている。
【００７１】
ここで、シャフト４０が挿通される界磁コア２１０の固定部２１１の内面には径が異なるように段差が形成されている。そして、界磁コア２１０の固定部２１１の内周面とシャフト４０の第３の部位４３の外周面とは、相互に平行となるように対向配置され、第１のラジアルギャップＧｒ１が形成されている。また、界磁コア２１０の固定部２１１の内周面とシャフト４０の第４の部位４４の外周面とは、相互に平行となるように対向配置され、第２のラジアルギャップＧｒ２が形成されている。また、界磁コア２１０の固定部２１１の垂直なる側壁とシャフト４０の側壁４９とは、相互に平行となるように対向配置され、第１のアキシャルギャップＧａ１が形成されている。界磁コア２１０の固定部２１１の側面（垂直なる側壁）とロータコア５１の側面とは、相互に平行となるように対向配置され、第２のアキシャルギャップＧａ２が形成されている。
【００７２】
バイパスコア２０のもう片方の界磁極２００についても同様の構成となっている。
・図１，２において界磁極７０のみ、あるいは、界磁極８０のみ設けてもよい。また、図６，７において主電動機部１００（シャフト４０）の片方側にのみ界磁極２００を設けてもよい。
【００７３】
・上記実施形態において、ロータのロータティース５２の数は、適宜変更してもよい。また、ステータのステータティース６２の数は、適宜変更してもよい。
・シャフト４０を介して界磁磁路を形成したが、シャフト４０を介さずに界磁磁路を形成してもよい。例えば、シャフトとロータコア５１との間にＳＭＣの部材を介在させて、ＳＭＣの部材が界磁磁路を形成するように、ＳＭＣの部材を界磁コアに対してアキシャルギャップとラジアルギャップを形成するような形状としても良い。
【００７４】
・実施形態において磁気的な凸極部としてのロータティース５２は形状的に凸形状であったが、この構成に限らない。磁気的に凸極性があればよい。例えばロータティースの先端のみが隣接するロータティースと連結されていたり、ロータティース間の凹部が非磁性体で埋められたりして、全体としてロータが円筒状でもよい。
【００７５】
・実施形態において、ロータコア５１を鋼板（電磁鋼板）を複数枚積層して構成したが、ＳＭＣや鉄塊などの磁性体で構成してもよい。
・上記実施形態では回転電機としてモータに具体化したが、これに限ることなく発電機として用いてもよい。
【符号の説明】
【００７６】
１０…モータ、２０…バイパスコア、４０…シャフト、５０…ロータ、５１…ロータコア、５２…ロータティース、６０…ステータ、６１…ステータコア、６２…ステータティース、６３…ステータコイル、７０…界磁極、７１…界磁コア、７２…界磁コイル、８０…界磁極、８１…界磁コア、８２…界磁コイル、９０…ロータコア固定用磁性リング、Ｇａ１…第１のアキシャルギャップ、Ｇａ２…第２のアキシャルギャップ、Ｇａ３…第３のアキシャルギャップ、Ｇａ４…第４のアキシャルギャップ、Ｇｒ１…第１のラジアルギャップ、Ｇｒ２…第２のラジアルギャップ、Ｇｒ３…第３のラジアルギャップ、Ｇｒ４…第４のラジアルギャップ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転可能に支持され、磁気的な凸極部を有するロータと、
前記ロータの凸極部の径方向外側に配置されたステータと、
界磁コイルの通電に伴い界磁コアに生じる界磁磁束により当該界磁コアと少なくとも前記ロータと前記ステータとによる界磁磁路を形成する界磁極と、
を備えた回転電機であって、
前記界磁極の界磁コアと、当該界磁コアに対向する界磁磁路形成部との空隙を、アキシャルギャップとラジアルギャップで構成したことを特徴とする回転電機。
【請求項２】
前記界磁コアに対向する界磁磁路形成部は、前記ロータのロータコアの位置決め部材を含むことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
【請求項３】
前記アキシャルギャップと前記ラジアルギャップは、複数段形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機。
【請求項４】
前記界磁コアに対向する界磁磁路形成部は、前記ロータに固定されるシャフトを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電機。
【請求項１】
回転可能に支持され、磁気的な凸極部を有するロータと、
前記ロータの凸極部の径方向外側に配置されたステータと、
界磁コイルの通電に伴い界磁コアに生じる界磁磁束により当該界磁コアと少なくとも前記ロータと前記ステータとによる界磁磁路を形成する界磁極と、
を備えた回転電機であって、
前記界磁極の界磁コアと、当該界磁コアに対向する界磁磁路形成部との空隙を、アキシャルギャップとラジアルギャップで構成したことを特徴とする回転電機。
【請求項２】
前記界磁コアに対向する界磁磁路形成部は、前記ロータのロータコアの位置決め部材を含むことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
【請求項３】
前記アキシャルギャップと前記ラジアルギャップは、複数段形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機。
【請求項４】
前記界磁コアに対向する界磁磁路形成部は、前記ロータに固定されるシャフトを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１８２９４５（Ｐ２０１２−１８２９４５Ａ）
【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２０１１−４５３１４（Ｐ２０１１−４５３１４）
【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）】
[ Back to top ]