電磁石型回転電機
【課題】電磁石型回転電機において、ロータ巻線に生じる誘導電流を大きくすることである。
【解決手段】ステータ１２は、ティース１８に巻線された複数のステータ巻線２０ｕ，２０ｖを含む。ロータ１４は、ロータコア２４と、ロータ１４の複数の主突極２６に巻線された複数のロータ巻線２８ｎ、２８ｓと、ロータ巻線２８ｎ、２８ｓに発生する誘導起電力によって複数の主突極２６に生じる磁気特性を周方向で異ならせる磁気特性調整部であるダイオードとを含む。ロータ１４は、各主突極２６の周方向両側面から突出し、磁性を有する補助突極４４を含む。主突極２６の周方向両側から突出する各補助突極４４は、主突極２６の周方向中央に関して互いに対称形状を有する。
【解決手段】ステータ１２は、ティース１８に巻線された複数のステータ巻線２０ｕ，２０ｖを含む。ロータ１４は、ロータコア２４と、ロータ１４の複数の主突極２６に巻線された複数のロータ巻線２８ｎ、２８ｓと、ロータ巻線２８ｎ、２８ｓに発生する誘導起電力によって複数の主突極２６に生じる磁気特性を周方向で異ならせる磁気特性調整部であるダイオードとを含む。ロータ１４は、各主突極２６の周方向両側面から突出し、磁性を有する補助突極４４を含む。主突極２６の周方向両側から突出する各補助突極４４は、主突極２６の周方向中央に関して互いに対称形状を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステータとロータとが対向配置された電磁石型回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、特許文献１に記載されているように、ステータとロータとが対向配置される電磁石型回転電機であって、ロータの周方向複数個所に設けられた突極と、各突極に巻装されたロータ巻線であって、互いに分断されるロータ巻線と、各ロータ巻線ごとに接続されたダイオードとを含む電磁石型回転電機が知られている。各ダイオードは、各ロータ巻線に流れる電流を整流し、ロータの周方向に隣り合う突極同士で磁化方向が逆になるようにしている。また、ステータは、ステータコアの周方向複数個所に設けられたティースを備える。ステータのティースに複数相のステータ巻線が集中巻きで巻装されている。複数相のステータ巻線に複数相の交流電流を流すことでステータに、周方向に回転する回転磁界が生成される。そして、ステータで発生した起磁力分布に生じる高調波成分である空間高調波によりロータ巻線に誘導電流を生じさせ、ロータの周方向に関して交互に突極にＮ極とＳ極とを形成し、ロータにトルクを発生させるようにしている。このとき、各ダイオードで整流された電流が各ロータ巻線に流れることで、各突極が磁化して磁極の固定された磁石が発生する。
【０００３】
このような電磁石型回転電機では、突極がステータの回転磁界と相互作用してロータにトルクが作用する。また、ステータにより形成される磁界の高調波成分を利用してロータに作用するトルクを効率よく増大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２００９−１１２０９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような回転電機では、ロータに電磁石を形成するためのロータ巻線に生じる誘導電流を大きくする面から改良の余地がある。
【０００６】
本発明の目的は、電磁石型回転電機において、回転磁界に含まれる高調波成分をロータ巻線に多く鎖交させて、ロータ巻線に生じる誘導電流を大きくすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る電磁石型回転電機は、上記の目的を達成するために以下の手段を採用する。
【０００８】
本発明に係る電磁石型回転電機は、ステータとロータとが対向配置された電磁石型回転電機であって、前記ステータは、ステータコアと、前記ステータコアの周方向複数個所に配置されたティースと、少なくとも前記ステータコアまたは前記ティースに巻かれて、回転磁界を生じさせる複数相のステータ巻線とを含み、前記ロータは、ロータコアと、前記ロータコアの周方向複数個所に配置された主突極と、前記各主突極に巻かれた複数のロータ巻線と、前記各ロータ巻線に発生する誘導起電力によって前記複数の主突極に生じる磁気特性を、周方向に交互に異ならせる磁気特性調整部とを含み、さらに、前記ロータは、前記各主突極の周方向両側面から突出し、磁性を有する補助突極を含み、前記主突極の周方向両側から突出する前記各補助突極は、前記主突極の周方向中央に関して互いに対称形状を有することを特徴とする電磁石型回転電機である。
【０００９】
本発明に係る電磁石型回転電機によれば、各主突極の周方向側面から突出し、磁性を有する補助突極を含むので、ステータで生成される回転磁界に含まれ、ロータ巻線に鎖交する高調波成分を増大させることができる。このため、ロータ巻線に鎖交する磁束の磁束密度の変化を大きくし、ロータ巻線に誘導される誘導電流を大きくできる。
【００１０】
また、本発明に係る電磁石型回転電機において、好ましくは、前記各ロータ巻線は、前記磁気特性調整部である整流素子に接続され、前記整流素子は、誘導起電力の発生により前記各ロータ巻線に流れる電流を整流することで、前記周方向に隣り合う前記各ロータ巻線に流れる電流の位相を、Ａ相とＢ相とに交互に異ならせている。
【００１１】
また、本発明に係る電磁石型回転電機において、好ましくは、前記補助突極の先端は、前記補助突極の根元よりもロータの径方向外側に位置する。
【００１２】
上記構成によれば、ステータから補助突極により主突極へ誘導する磁束を多くできるとともに、補助突極よりもロータの径方向外側に配置されたロータ巻線に誘導電流を生じさせることができ、ロータ巻線に生じる誘導電流を大きくできる。
【００１３】
また、本発明に係る電磁石型回転電機において、好ましくは、前記ロータの周方向に隣り合う前記主突極の間に形成されたロータスロット内で周方向に隣り合う前記補助突極は、前記ロータスロット内で連結されており、前記補助突極よりも径方向内側に前記ロータ巻線の少なくとも一部が配置されている。
【００１４】
上記構成によれば、ロータ巻線の遠心力に対する保持強度を向上できる。
【００１５】
また、本発明に係る電磁石型回転電機において、好ましくは、前記複数のロータ巻線は、前記各主突極の本体部の先端側に巻かれ、誘導電流を発生させる誘導巻線と、前記各主突極の前記誘導巻線よりも根元側に巻かれ、前記誘導巻線に接続され、電磁石として機能する共通巻線とを含む。
【００１６】
また、本発明に係る電磁石型回転電機において、好ましくは、前記ロータ巻線は、前記複数の主突極のうち、周方向１つおきの主突極の先端側に巻装された前記誘導巻線である第１誘導巻線と、前記第１誘導巻線が巻装された主突極と隣り合う別の主突極の先端側に巻装された前記誘導巻線である第２誘導巻線と、前記第１誘導巻線が巻装された主突極の根元側に巻装された前記共通巻線である第１共通巻線と、前記第２誘導巻線が巻装された主突極の根元側に巻装された前記共通巻線である第２共通巻線とを含み、前記第１誘導巻線と前記第２誘導巻線とが互いに逆向きの前記磁気特性調整部である整流素子を介して接続点で接続され、前記接続点と前記第１誘導巻線及び前記第２誘導巻線との間に、前記第１共通巻線及び前記第２共通巻線が直列に接続されることにより形成される共通巻線組が接続されている。
【００１７】
また、本発明に係る電磁石型回転電機において、好ましくは、前記各ロータ巻線の前記ロータの周方向に関する幅は、電気角で１８０°に相当する幅よりも短くしている。
【００１８】
また、本発明に係る電磁石型回転電機において、好ましくは、前記各ロータ巻線の前記ロータの周方向に関する幅は、電気角で９０°に相当する幅に等しい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の電磁石型回転電機によれば、ロータ巻線に生じる誘導電流を大きくできる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態の電磁石型回転電機において、ロータ及びステータの周方向一部を示す概略断面図である。
【図２】本発明の実施の形態の電磁石型回転電機からロータのみを取り出して周方向一部を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態において、ロータ巻線に流れる誘導電流により生成される磁束がロータ中に流れる様子を示す模式図である。
【図４】本発明の実施の形態において、ロータ巻線にダイオードを接続して示す模式図である。
【図５Ａ】本発明の実施の形態において、ロータの周方向に隣り合う主突極に巻装した２個のロータ巻線の接続回路の等価回路を示す図である。
【図５Ｂ】ロータ巻線に接続するダイオードの数を少なくした別例を示す、図５Ａに対応する図である。
【図６】図１の電磁石型回転電機を駆動する回転電機駆動システムの概略構成を示す図である。
【図７】比較例１の電磁石型回転電機を示す、図２に対応する図である。
【図８】比較例２の電磁石型回転電機を示す、図３に対応する図である。
【図９】図１の電磁石型回転電機において、周方向に関するロータ巻線の幅θを変化させながらロータ巻線への鎖交磁束の振幅を計算した結果を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態の電磁石型回転電機と、図７の比較例１の電磁石型回転電機とにおいて、正回転時の力行トルク及び回生トルクを比較した図である。
【図１１】本発明の別の実施の形態の電磁石型回転電機において、補助突極の別例の第１例を示す、図１のＡ部拡大対応図である。
【図１２】本発明の別の実施の形態の電磁石型回転電機において、補助突極の別例の第２例を示す、図１１の右側部分に対応する図である。
【図１３】本発明の別の実施の形態の電磁石型回転電機において、補助突極の別例の第３例を示す、図１１の右側部分に対応する図である。
【図１４】本発明の別の実施の形態の電磁石型回転電機において、補助突極の別例の第４例を示す、図１１の右側部分に対応する図である。
【図１５】本発明の別の実施の形態の電磁石型回転電機において、ロータ及びステータの周方向一部を示す概略断面図である。
【図１６】図１５の電磁石型回転電機において、ロータ巻線に流れる誘導電流により生成される磁束がロータ中に流れる様子を示す模式図である。
【図１７】本発明の別の実施の形態の電磁石型回転電機を示す、図４に対応する図である。
【図１８】本発明の別の実施の形態の電磁石型回転電機を示す、図３に対応する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。図１〜６は、本発明の実施形態を示す図である。図１は、本実施の形態の電磁石型回転電機において、ロータ及びステータの周方向一部を示す概略断面図である。図２は、本実施の形態の電磁石型回転電機からロータのみを取り出して周方向一部を示す図である。図３は、本実施の形態において、ロータ巻線に流れる誘導電流により生成される磁束がロータ中に流れる様子を示す模式図である。図４は、本実施の形態において、ロータ巻線にダイオードを接続して示す模式図である。
【００２２】
図１に示すように、電動機または発電機として機能する電磁石型回転電機（以下、単に「回転電機」という。）１０は、図示しないケーシングに固定されたステータ１２と、ステータ１２と所定の空隙をあけて径方向内側に対向配置され、ステータ１２に対し回転可能なロータ１４とを備える（なお、単に「径方向」という場合、ロータの回転中心軸に対し直交する放射方向をいう。本明細書全体及び特許請求の範囲で同じである。）。
【００２３】
また、ステータ１２は、ステータヨークであるステータコア１６と、ステータコア１６の周方向箇所に配置されたティース１８と、各ティース１８に巻線された、すなわち巻かれた複数相（より具体的にはｕ相、ｖ相、ｗ相の３相）のステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗとを含む。すなわち、ステータコア１６の内周面には、径方向内側へ（ロータ１４へ向けて）突出する複数のティース１８がステータ１２の周方向に沿って互いに間隔をおいて配列されており、各ティース１８間にステータスロット２２が形成されている。また、ステータコア１６及び複数のティース１８は磁性材により、一体に設けられている。
【００２４】
各相のステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗは、ステータスロット２２を通ってティース１８に短節集中巻で巻装されている。このように、ティース１８にステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗが巻装されることで磁極が構成される。そして、複数相のステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗに複数相の交流電流を流すことで、周方向に複数配置されたティース１８が磁化し、周方向に回転する回転磁界をステータ１２に生成する。すなわち、複数相のステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗは、ステータ１２に回転磁界を生じさせる。なお、ステータ巻線は、このようにステータ１２のティース１８に巻線する構成に限定するものではなく、例えばティース１８から外れたステータコア１６の環状部分の周方向複数個所に複数相のステータ巻線を巻線するトロイダル巻きとし、ステータ１２に回転磁界を生じさせることもできる。
【００２５】
ティース１８に形成された回転磁界は、その先端面からロータ１４に作用する。図３に示すように、３相（ｕ相、ｖ相、ｗ相）のステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗがそれぞれ巻装された３つのティース１８により１つの極対が構成されている。
【００２６】
一方、図１〜３に示すように、ロータ１４は、円筒状のロータヨークであるロータコア２４と、ロータコア２４の外周面の周方向の等間隔複数個所に、径方向外側に向けて（ステータ１２（図１、図３）に向けて）突出して配置された突部である、主突極２６と、複数のロータ巻線２８ｎ、２８ｓとを含む（なお、単に「周方向」という場合、ロータの回転中心軸を中心として描かれる円形に沿う方向をいう。本明細書全体及び特許請求の範囲で同じである）。ロータコア２４及び複数の主突極２６は、磁性鋼板を複数積層した積層体等の磁性材により、一体に設けられている。より詳しくは、ロータ１４の周方向に関して１つおきの主突極２６に複数の第１ロータ巻線２８ｎをそれぞれ集中巻きで巻線し、第１ロータ巻線２８ｎを巻線した主突極２６と隣り合う別の主突極２６であって、周方向１つおきの主突極２６に、複数の第２ロータ巻線２８ｓをそれぞれ集中巻きで巻線している。また、ロータ１４は、周方向に隣り合う主突極２６の間に形成されたロータスロット４６を有する。
【００２７】
また、各第１ロータ巻線２８ｎは、主突極２６の先端側（図１〜３の上端側）に巻かれた第１誘導巻線３０と、第１誘導巻線３０に接続された第１共通巻線３２とを含む。第１共通巻線３２は、第１誘導巻線３０が巻かれる主突極２６において、第１誘導巻線３０よりも根元側（図１〜３の下端側）に巻かれている。また、各第２ロータ巻線２８ｓは、各第１ロータ巻線２８ｎが巻かれた主突極２６と周方向に隣り合う別の主突極２６の先端側に巻かれた第２誘導巻線３４と、第２誘導巻線３４に接続された第２共通巻線３６とを含む。第２共通巻線３６は、第２誘導巻線３４が巻かれる主突極２６において、第２誘導巻線３４よりも根元側に巻かれている。なお、図１〜３に示す例では、各主突極２６の周囲に巻かれる誘導巻線３０，３４及び各共通巻線３２，３６は、それぞれ主突極２６の周囲の長さ方向（図３の上下方向）に沿って設けられたソレノイドが、主突極２６の周方向（図３の左右方向）に複数層整列した整列巻きで配置されている。なお、各主突極２６の先端側に巻かれる誘導巻線３０，３４は、主突極２６の周囲に複数回、すなわち複数ターン分、渦巻状に巻いた構成とすることもできる。また、図１〜２では誘導巻線３０，３４を黒丸で、共通巻線３２，３６を白丸で示している（後述する図７、図８で同様である）。
【００２８】
図４に示すように、ロータ１４の周方向に隣り合う２個の主突極２６を１組として、各組で１個の主突極２６に巻かれた第１誘導巻線３０の一端と、別の主突極２６に巻かれた第２誘導巻線３４の一端とを、２個の磁気特性調整部であり整流素子である第１ダイオード３８及び第２ダイオード４０を介して接続している。すなわち、図５Ａは、本実施の形態において、ロータ１４（図４）の周方向に隣り合う主突極２６に巻装された２個のロータ巻線２８ｎ、２８ｓの接続回路の等価回路を示す図である。図５Ａに示すように、第１誘導巻線３０及び第２誘導巻線３４の一端は、互いに順方向が逆になる第１ダイオード３８及び第２ダイオード４０を介して、接続点Ｒで接続されている。
【００２９】
また、図４、図５Ａに示すように、各組で１個の主突極２６に巻かれた第１共通巻線３２の一端は、別の主突極２６に巻かれた第２共通巻線３６の一端に接続されている。第１共通巻線３２及び第２共通巻線３６は互いに直列に接続されることで、共通巻線組４２を形成している。さらに、第１共通巻線３２の他端は接続点Ｒに接続され、第２共通巻線３６の他端は、第１誘導巻線３０及び第２誘導巻線３４の接続点Ｒとは反対側の他端に接続されている。また、各ロータ巻線２８ｎ、２８ｓの誘導巻線３０，３４及び共通巻線３２，３６の巻回中心軸は、ロータ１４（図１）の径方向と一致している。なお、各誘導巻線３０，３４及び共通巻線３２，３６は、対応する主突極２６に、樹脂等により造られる電気絶縁性を有するインシュレータ（図示せず）等を介して巻装することもできる。
【００３０】
このような構成では、後述するように、第１誘導巻線３０、第２誘導巻線３４、第１共通巻線３２及び第２共通巻線３６に整流された電流が流れることで主突極２６が磁化し、磁極部として機能する。また、図１に戻って、ステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗに交流電流を流すことで、ステータ１２が回転磁界を生成するが、この回転磁界は、基本波成分の磁界だけでなく、基本波よりも高い次数の高調波成分の磁界を含んでいる。
【００３１】
より詳しくは、ステータ１２に回転磁界を発生させる起磁力の分布は、各相のステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗの配置や、ティース１８及びステータスロット２２によるステータコア１６の形状に起因して、（基本波のみの）正弦波分布にはならず、高調波成分を含むものとなる。特に、集中巻においては、各相のステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗが互いに重なり合わないため、ステータ１２の起磁力分布に生じる高調波成分の振幅レベルが増大する。例えばステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗが３相集中巻の場合は、高調波成分として、入力電気周波数の時間的３次成分であり、空間的な２次成分の振幅レベルが増大する。このようにステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗの配置やステータコア１６の形状に起因して起磁力に生じる高調波成分は空間高調波と呼ばれている。
【００３２】
ステータ１２からロータ１４に、この空間強調波成分を含む回転磁界が作用すると、空間高調波の磁束変動により、ロータ１４の主突極２６間の空間に漏れ出す漏れ磁束の変動が発生し、これにより図３に示す各誘導巻線３０，３４の少なくともいずれかの誘導巻線３０，３４に誘導起電力が発生する。また、ステータ１２から近い、主突極２６の先端側の誘導巻線３０，３４は、主に誘導電流を発生させる機能を有し、ステータ１２から遠い、共通巻線３２，３６は、主に主突極２６を磁化する機能を有する、すなわち電磁石として機能する。また、図５Ａの等価回路から理解されるように、隣り合う主突極２６（図１〜図４）に巻装された誘導巻線３０，３４を流れる電流の合計が共通巻線３２，３６にそれぞれ流れる電流となる。また、隣り合う共通巻線３２、３６同士を直列に接続しているので、両方で巻き数を増加させたのと同じ効果を得られ、各主突極２６に流れる磁束を同じとしたままで各共通巻線３２，３６に流す電流を低減できる。
【００３３】
そして、各誘導巻線３０，３４に誘導起電力が発生すると、第１誘導巻線３０、第２誘導巻線３４、第１共通巻線３２及び第２共通巻線３６にダイオード３８，４０の整流方向に応じた直流電流が流れ、ロータ巻線２８ｎ、２８ｓが巻装された主突極２６が磁化することで、この主突極２６が磁極の固定された磁石である磁極部として機能する。図４に示す、周方向に隣り合う第１ロータ巻線２８ｎと第２ロータ巻線２８ｓとで巻き方向が逆になっており、周方向に隣り合う主突極２６同士で磁化方向が逆になる。図示の例では、第１ロータ巻線２８ｎが巻装された主突極２６の先端にＮ極が生成され、第２ロータ巻線２８ｓが巻装された主突極２６の先端にＳ極が生成されるようにしている。このため、ロータ１４の周方向においてＮ極とＳ極とが交互に配置される。各ダイオード３８，４０（図４）は、各主突極２６に巻かれた複数のロータ巻線２８ｎ、２８ｓに発生する誘導起電力によって複数の主突極２６に生じる磁気特性を、周方向に交互に異ならせている。
【００３４】
また、各ダイオード３８，４０は、対応する誘導巻線３０，３４に接続され、ステータ１２で生成される空間高調波を含む回転磁界による誘導起電力の発生により、対応する誘導巻線３０，３４に流れる電流を整流することで、ロータ１４の周方向に隣り合う誘導巻線３０，３４に流れる電流の位相を、Ａ相とＢ相とに交互に異ならせている。Ａ相は、対応する主突極２６の先端側にＮ極を生成するものであり、Ｂ相は、対応する主突極２６の先端側にＳ極を生成するものである。
【００３５】
また、図１に示すように、ロータ１４の周方向に関する各誘導巻線３０，３４及び各共通巻線３２，３６の幅θは、ロータ１４の電気角で１８０°に相当する幅よりも短く設定し、各誘導巻線３０，３４及び各共通巻線３２，３６は、それぞれ主突極２６に短節巻きで巻装されている。より好ましくは、ロータ１４の周方向に関する各誘導巻線３０，３４及び各共通巻線３２，３６の幅θは、ロータ１４の電気角で９０°に相当する幅に等しく、あるいはほぼ等しくしている。ここでの各誘導巻線３０，３４及び各共通巻線３２，３６の幅θについては、各誘導巻線３０，３４及び各共通巻線３２，３６の断面積を考慮して、各誘導巻線３０，３４及び各共通巻線３２，３６の断面の中心幅で表すことができる。すなわち、各誘導巻線３０，３４及び各共通巻線３２，３６の内周面の幅と外周面の幅との平均値で各誘導巻線３０，３４及び各共通巻線３２，３６の幅θを表すことができる。なお、ロータ１４の電気角は、ロータ１４の機械角にロータ１４の極対数ｐを乗じた値で表される（電気角＝機械角×ｐ）。このため、周方向に関する各誘導巻線３０，３４及び各共通巻線３２，３６の幅θは、ロータ１４の回転中心軸から各誘導巻線３０，３４及び各共通巻線３２，３６までの距離をｒとすると、以下の（１）式を満たす。
【００３６】
θ＜π×ｒ／ｐ （１）
このように幅θを規制している理由は、後で詳しく説明する。
【００３７】
特に、本実施の形態では、ロータ１４は、周方向の複数個所に配置された主突極２６の周方向両側面から突出する補助突極４４を含んでいる。補助突極４４は、主突極２６の軸方向（図１、図２の表裏方向）のほぼ全長にわたり、主突極２６の周方向両側面から、周方向に対し傾斜した方向にそれぞれ突出する板状の磁性体である。複数の補助突極４４は、主突極２６の周方向の両側面において、第１誘導巻線３０と第１共通巻線３２との間、及び、第２誘導巻線３４と第２共通巻線３６との間のそれぞれから突出している。すなわち補助突極４４は、主突極２６に磁気的に接続されている。
【００３８】
また、ロータ１４の周方向に隣り合う主突極２６の間に形成されたロータスロット４６（図１、図２）内で周方向に隣り合う補助突極４４は、ロータスロット４６内で先端部同士が、各補助突極４４の一部である結合部７８で連結され、一体的に形成されている。補助突極４４は、結合部７８も含めて磁性を有する。例えば、図示の例では、補助突極４４は、各主突極２６の周方向両側面の径方向外端寄り（図２の上端寄り）部分に根元部が結合され、先端部である周方向に隣り合う別の補助突極４４に対する結合部７８に向かうほど、ロータ１４の径方向外側になるように周方向に対し傾斜した方向に突出している。このため、各補助突極４４の先端部であって、隣り合う別の補助突極４４に対する結合部７８は、補助突極４４の根元よりもロータ１４の径方向外側に位置している。また、各補助突極４４は、ロータスロット４６内で径方向外側のみに配置されている。また、各補助突極４４の幅は、根元部で大きくし、中間部から先端部にわたり根元部の幅よりも小さい、ほぼ同じ大きさとしている。また、各誘導巻線３０，３４は、対応するロータスロット４６内で補助突極４４によって径方向外側及び内側に仕切られた空間のうち、径方向外側の空間に配置され、各共通巻線３２，３６は、対応するロータスロット４６内で補助突極４４によって径方向外側及び内側に仕切られた空間のうち、径方向内側の空間に配置されている。
【００３９】
また、ロータ１４は、周方向複数個所に設けられる突出部８４であって、それぞれ主突極２６と補助突極４４とにより一体形成され、ロータコア２４の径方向に突出する複数の突出部８４を含んでいる。さらに、各突出部８４は、突出部８４に含まれる主突極２６の周方向中央（例えば図２の破線Ｘで示している。）に関して対称形状を有する。すなわち、各突出部８４において、主突極２６の周方向両側から突出する各補助突極４４は、主突極２６の周方向中央に関して互いに対称形状を有する。また、各ロータスロット４６内に配置される隣り合う補助突極４４は、結合部７８も含めて、各ロータスロット４６の周方向中央（例えば図２の破線Ｙで示している。）に関して対称形状を有する。例えば、主突極２６の周方向両側から突出する各補助突極４４は、互いに同じ長さを有し、かつ、長さ方向に対し直交する方向の最小幅が互いに同じである。
【００４０】
また、補助突極４４は、ロータコア２４及び主突極２６と同じ磁性材料により形成することができる。例えば、ロータコア２４、各主突極２６、及び各補助突極４４を、軸方向に複数枚の磁性鋼板を積層することにより構成される積層体により一体に形成することができる。
【００４１】
また、同じ主突極２６に巻かれる誘導巻線３０，３４と共通巻線３２，３６とは、ロータコア２４の軸方向端面よりも外側に設けられる図示しない片側または両側のコイルエンド側等、補助突極４４から外れた部分で互いに接続されている。なお、各誘導巻線３０，３４と各共通巻線３２，３６とは互いに異なる材料により形成することもできる。例えば、各共通巻線３２，３６は銅線等の導電性材料により形成し、各誘導巻線３０，３４は、アルミニウムまたはアルミニウム合金等の、共通巻線３２，３６を構成する導電性材料よりも軽量な別の導電性材料により形成することもできる。
【００４２】
このような回転電機１０は、図６の回転電機駆動システム５０により駆動する。図６は、図１の回転電機１０を駆動する回転電機駆動システム５０の概略構成を示す図である。回転電機駆動システム５０は、回転電機１０と、回転電機１０を駆動する駆動部であるインバータ５２と、インバータ５２を制御する制御装置５４と、電源部である蓄電装置５６とを備え、回転電機１０を駆動する。
【００４３】
蓄電装置５６は、直流電源として設けられ、充放電可能であり、例えば二次電池により構成する。インバータ５２は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相のアームＡｕ，Ａｖ，Ａｗを備え、各相アームＡｕ，Ａｖ，Ａｗは、それぞれ２のスイッチング素子Ｓｗを直列に接続している。スイッチング素子Ｓｗは、トランジスタ、ＩＧＢＴ等である。各スイッチング素子Ｓｗに逆並列にダイオードＤｉを接続している。各アームＡｕ，Ａｖ，Ａｗの中点は、回転電機１０を構成する対応する相のステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗの一端側に接続されている。ステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗにおいて、同じ相のステータ巻線同士は互いに直列に接続され、異なる相のステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗが中性点で接続されている。
【００４４】
また、蓄電装置５６の正極側及び負極側は、インバータ５２の正極側と負極側とにそれぞれ接続されており、蓄電装置５６とインバータ５２との間にコンデンサ５８が、インバータ５２に対し並列に接続されている。制御装置５４は、例えば車両のアクセルペダルセンサ（図示せず）等から入力される加速指令信号に応じて回転電機１０のトルク目標を算出し、トルク目標等に応じた電流指令値に応じて各スイッチング素子Ｓｗのスイッチング動作を制御する。制御装置５４には、３相のうち、少なくとも２相のステータ巻線（例えば２０ｕ、２０ｖ）側に設けられた電流センサ６０で検出された電流値を表す信号と、レゾルバ等の回転角度検出部（図示せず）で検出された回転電機１０のロータ１４（図１）の回転角度を表す信号とがそれぞれ入力される。制御装置５４は、ＣＰＵ、メモリ等を有するマイクロコンピュータを含むもので、インバータ５２のスイッチング素子Ｓｗのスイッチングを制御することにより、回転電機１０のトルクを制御する。制御装置５４は、機能ごとに分割された複数の制御装置により構成することもできる。
【００４５】
このような制御装置５４は、インバータ５２を構成する各スイッチング素子Ｓｗのスイッチング動作により蓄電装置５６からの直流電力を、ｕ相、ｖ相、ｗ相の３相の交流電力に変換して、ステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗの各相に対応する相の電力を供給することを可能とする。回転電機駆動システム５０は、例えば、車両用走行動力発生装置として、エンジンと走行用モータとを駆動源として備えるハイブリッド車、燃料電池車、電気自動車等に搭載して使用される。なお、蓄電装置５６とインバータ５２との間に電圧変換部であるＤＣ／ＤＣコンバータを接続して、蓄電装置５６の電圧を昇圧してインバータ５２に供給可能とすることもできる。
【００４６】
上記の回転電機１０では、３相のステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗに３相の交流電流を流すことでティース１８に形成された回転磁界（基本波成分）がロータ１４に作用し、これに応じて、ロータ１４の磁気抵抗が小さくなるように、主突極２６がティース１８の回転磁界に吸引される。これによって、ロータ１４にトルク（リラクタンストルク）が作用する。
【００４７】
さらに、ティース１８に形成された空間高調波成分を含む回転磁界がロータ１４の各ロータ巻線２８ｎ、２８ｓの誘導巻線３０，３４に鎖交すると、各誘導巻線３０，３４には、空間高調波成分に起因するロータ１４の回転周波数（回転磁界の基本波成分）と異なる周波数の磁束変動によって、各ロータ巻線２８ｎ、２８ｓに誘導起電力が発生する。この誘導起電力の発生に伴って各ロータ巻線２８ｎ、２８ｓに流れる電流は、各ダイオード３８、４０により整流されることで一方向（直流）となる。そして、各ダイオード３８，４０で整流された直流電流が各ロータ巻線２８ｎ、２８ｓに流れるのに応じて各主突極２６が磁化することで、各主突極２６が、磁極が（Ｎ極かＳ極のいずれか一方に）固定された磁石として機能する。
【００４８】
例えば、図３に示すようにステータ１２の各相のステータ巻線２０ｕ、２０ｖ、２０ｗを巻装したティース１８のいずれもが、ロータ巻線２８ｎ、２８ｓを巻装した主突極２６に径方向に完全には（全部が）対向していないで、少なくとも１個のティース１８がロータ１４の周方向に関して隣り合う２個の主突極２６の間の中央位置に対向する場合を考える。また、この状態で、図３の破線矢印Ｑで示すように、ステータ１２からロータ１４に、ステータ１２の起磁力として、空間的２次の空間高調波の磁束であるｑ軸磁束（誘導磁束）が流れる場合を考える。この場合、補助突極４４があることで空間高調波をステータ１２の（図３ではＷ相の）ティース１８から補助突極４４を介して、主突極２６へ多く誘導し、主突極２６から別の（図３ではＵ相、Ｖ相の）ティース１８へ誘導して、誘導巻線３０，３４に多くの磁束を鎖交させることができる。図３は、１つのティース１８からｑ軸磁束の最大の磁束が流れる位相角に対応する状態を示しており、電気的１周期の中でｑ軸磁束の向き及び大きさが変化する。また、図３では、破線矢印βが誘導巻線３０に鎖交する磁束を示しており、破線矢印γが誘導巻線３４に鎖交する磁束を示している。この場合、Ｓ極となる主突極２６に巻かれた第２誘導巻線３４に第２ダイオード４０（図４）が接続され、第２ダイオード４０は、対応する主突極２６をＳ極とする方向に電流を流す。このため、図３の矢印Ｑ方向に、Ｓ極側の主突極２６にｑ軸磁束によりＳ極をＮ極とする方向に磁束が流れようとし、これを妨げる方向に第２誘導巻線３４に誘導電流が流れようとし、その流れは第２ダイオード４０で妨げられない。この結果、図３の矢印Ｍで示すように、主突極２６に誘導電流による磁束である主磁束が流れ、主磁束を短くするようにＮ極の主突極２６がティース１８（図３ではＵ相のティース１８）に引き寄せられ、ロータ１４が矢印α方向の正回転時の回転方向である正回転方向に回転する。
【００４９】
また、ステータ１２のティース１８からＮ極の主突極２６を介して補助突極４４にｑ軸磁束が流れようとする場合もあり、Ｎ極の主突極２６をＳ極とする方向に磁束が流れようとするときに、これを妨げる方向にＮ極の主突極２６に巻かれた第１誘導巻線３０に誘導電流が流れようとする。この場合、第１誘導巻線３０に接続された第１ダイオード３８（図４）が、対応する主突極２６をＮ極とする方向に電流を流す。この場合も図３の矢印Ｍで示すように主突極２６に誘導電流による磁束である主磁束Ｍが流れる。このため、各主突極２６がＮ極またはＳ極に磁化し、ロータ１４が矢印α方向の正回転方向に回転する。上記のように各主突極２６の片側面から補助突極４４が突出しているので、補助突極４４がない、すなわち各スロット４６内で周方向に隣り合う主突極２６同士の間に空間しかない場合に比べて、各誘導巻線３０，３４に鎖交する磁束の振幅の最大値を大きくできるので、鎖交磁束の変化を大きくできる。
【００５０】
そして、各主突極２６（磁極が固定された磁石）の磁界がステータ１２により生成される回転磁界（基本波成分）と相互作用して、吸引及び反発作用が生じる。このステータ１２により生成される回転磁界（基本波成分）と主突極２６（磁石）の磁界との電磁気相互作用（吸引及び反発作用）によっても、ロータ１４にトルク（磁石トルクに相当するトルク）を作用させることができ、ロータ１４がステータ１２で生成される回転磁界（基本波成分）に同期して回転駆動する。このように回転電機１０は、ステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗへの供給電力を利用してロータ１４に動力（機械的動力）を発生させる電動機として機能させることができる。
【００５１】
また、第１誘導巻線３０に流れる誘導電流と、第２誘導巻線３４に流れる誘導電流との位相はずれるので、第１誘導巻線３０と第２誘導巻線３４とに、それぞれ位相がずれた半波整流が生成される。これに対して、第１共通巻線３２と第２共通巻線３６とには、第１誘導巻線３０と第２誘導巻線３４とに流れる電流の和の大きさの電流が流れるので、例えば連続して大きな直流電流が流れるようになる。このため、各主突極２６に磁極が形成されやすくなり、ロータ１４のトルクを増大できる。
【００５２】
さらに、本実施の形態の回転電機１０によれば、ロータ１４は、各主突極２６の周方向両側面から突出し、磁性を有する補助突極４４を含むので、例えば本実施の形態のように、補助突極４４の先端部を根元部よりも径方向外側に位置させることにより、ステータ１２で生成される回転磁界に含まれ、ロータ巻線である誘導巻線３０，３４に鎖交する高調波成分、例えば、時間３次であり、空間２次の高調波成分を、補助突極４４により有効に増大させることができる。このため、誘導巻線３０，３４に鎖交する磁束の磁束密度の変化を大きくし、誘導巻線３０，３４に誘導される誘導電流を大きくできる。例えば、ステータ１２で生成される起磁力分布の高調波成分の多くの磁束をステータ１２のティース１８から補助突極４４を介して主突極２６へ誘導して、誘導巻線３０，３４に多くの磁束を鎖交させることができる。また、高調波成分の多くの磁束をティース１８から主突極２６を介して補助突極４４へ誘導して、誘導巻線３０，３４に多くの磁束を鎖交させることもできる。
【００５３】
しかも、主突極２６の周方向両側から突出する各補助突極４４は、主突極２６の周方向中央に関して互いに対称形状を有するので、ロータ１４の正回転時及び逆回転時の力行トルクを向上できる。例えば主突極２６の正回転方向後側面（図３の右側面）から片側の補助突極４４が突出しているので、正回転時の誘導磁束Ｑをこの片側の補助突極４４により主突極２６からステータ１２へ、またはステータ１２から主突極２６へ多く誘導できる。このため、正回転時に誘導巻線３０，３４に多くの磁束を鎖交させることができ、正回転時の力行トルクの向上を図れる。
【００５４】
同様に、主突極２６の正回転方向前側面（図３の左側面）から他側の補助突極４４が突出しているので、ロータ１４が図３の矢印αと逆方向に回転する、逆回転時の誘導磁束Ｑを他側の補助突極４４により主突極２６からステータ１２へ、またはステータ１２から主突極２６へ多く誘導できる。このため、逆回転時に誘導巻線３０，３４に多くの磁束を鎖交させることができ、逆回転時の力行トルクの向上を図れる。
【００５５】
また、本実施形態によれば、回転電機１０の正回転時において、回転電機１０を発電機として機能させる回生制動時に、ロータ１４が減速するが、この場合に主突極２６の正回転方向前側（図３の左側）の補助突極４４によりステータ１２から主突極２６へ、または主突極２６からステータ１２へ誘導磁束を誘導し、この誘導磁束により各主突極２６及び各ロータ巻線２８ｎ、２８ｓにより生成される電磁石の電磁力を高くできる。このため、回生トルクを向上させることができ、回生制動時の発電量を増大できる。なお、回生制動時には、例えばロータ１４の回転速度を検出し、その回転速度に対応する周波数で各相のステータ巻線２０ｕ、２０ｖ、２０ｗに交流電圧を印加することで回生制動時の発電電力を得ることができる。
【００５６】
また、ロータ１４の周方向に隣り合う主突極２６の間に形成されたロータスロット４６内で周方向に隣り合う補助突極４４は、ロータスロット４６内で連結されている。また、補助突極４４よりも径方向内側にロータ巻線２８ｎ、２８ｓの一部である共通巻線３２，３６が配置されている。このため、共通巻線３２，３６の遠心力に対する保持強度を向上できる。
【００５７】
また、補助突極４４の先端は、補助突極４４の根元よりもロータ１４の径方向外側に位置するので、ステータ１２から補助突極４４により主突極２６へ誘導する磁束を多くできる。これとともに、補助突極４４よりもロータ１４の径方向外側に配置されたロータ巻線である誘導巻線３０，３４に誘導電流を有効に生じさせることができ、ロータ巻線２８ｎ、２８ｓに生じる誘導電流を大きくでき、正回転時及び逆回転時の力行トルクのさらなる向上を図れるとともに、回生トルクのさらなる向上を図れる。次にこれらの効果を、図７，８にそれぞれ示す、比較例１，２と本実施の形態の回転電機１０との比較で説明する。
【００５８】
図７は、比較例１の回転電機を示す、図２に対応する図である。図７の比較例１では、図２の実施形態と異なり、各主突極２６の周方向両側面のいずれにも補助突極４４（図１等参照）を突出させていない。その他の構成は、上記の実施形態と同様である。このような比較例１では、図１〜６に示した補助突極４４がある本実施形態と異なり、ステータ１２（図１参照）で生成される回転磁界に含まれ、ロータ巻線である誘導巻線３０，３４に鎖交する高調波成分、例えば、時間３次であり、空間２次の高調波成分を、補助突極４４により有効に増大させることができない。このため、例えば、回転電機を電動機として使用する場合に、正回転時及び逆回転時のトルク向上及び回生トルクの向上の面から改良の余地がある。
【００５９】
また、図８は、比較例２の電磁石型回転電機を示す、図３に対応する図である。図８の比較例２では、図３の実施形態と異なり、各主突極２６の周方向片側面である、正回転方向（図８の矢印α方向）の後側面のみから補助突極４４が突出している。このため、主突極２６及び補助突極４４により一体形成され、ロータコア２４の径方向に突出する複数の突出部８４は、主突極２６の周方向中央に関して非対称形状を有する。このような比較例２では、上記の実施形態と異なり、主突極２６の正回転方向（図８の矢印α方向）前側から補助突極が突出していない。このため、回転電機１０の逆回転時及び回生制動時に、正回転方向前側の補助突極を用いて誘導巻線３０，３４に鎖交する誘導磁束を増大させることができず、逆回転時の力行トルク向上と回生トルクの向上とを図る面から改良の余地がある。
【００６０】
これに対して、上記の図３に示す実施形態では、主突極２６に対して周方向両側から磁性を有する補助突極４４が突出し、主突極２６の周方向両側から突出する各補助突極４４は、主突極２６の周方向中央に関して互いに対称形状を有する。このため、回転電機１０を電動機として使用する場合での、ロータ１４の正回転時及び逆回転時の力行トルクを向上できる。また、回転電機１０の回生トルクを向上できる。
【００６１】
また、ロータ巻線２８ｎ、２８ｓは、主突極２６の先端側に巻かれた誘導巻線３０，３４と、主突極２６の根元側に巻かれ、誘導巻線３０，３４に接続された共通巻線３２，３６とを含み、誘導巻線３０，３４は、ロータスロット４６内で補助突極４４に仕切られた空間の径方向外側空間に配置され、共通巻線３２，３６は、ロータスロット４６内で補助突極４４に仕切られた空間の径方向内側空間に配置される。このため、誘導巻線３０，３４及び共通巻線３２，３６のうち、誘導巻線３０，３４のみに変動磁束の多くが補助突極４４により鎖交するようになり、誘導巻線３０，３４に生じる誘導電流を増加できる。したがって、誘導巻線３０，３４の巻き数を減らしつつ、誘導巻線３０，３４に主に誘導電流を発生させる機能を有効に発揮させることができるとともに、共通巻線３２，３６の巻き数を多くして、共通巻線３２，３６に主に主突極２６を磁化する機能を有効に発揮させることができる。すなわち、誘導巻線３０，３４の巻き数を減らしても、所望の誘導電流を得るために必要な巻き数を確保でき、その巻き数を減らした分、共通巻線３２，３６の巻き数を多くできる。この結果、主突極２６に電磁石を形成しやすくなり、ロータ磁力を増加させ、回転電機１０を大型化することなく、回転電機１０のトルクの向上を図れる。また、共通巻線３２，３６に多くの磁束が鎖交するのを抑制できるので、損失を低減できる。また、ステータ巻線２０ｕ、２０ｖ、２０ｗに流すステータ電流を小さくしても所望のトルクを得られるので、銅損を低減でき、効率向上を図れる。この結果、回転電機１０のトルク及び効率を向上させることができる。
【００６２】
また、本実施の形態では、各ロータ巻線２８ｎ、２８ｓにおいて、ロータ１４の周方向に関する幅θを上記の（１）式で述べたように規制している。このため、ロータ巻線２８ｎ、２８ｓに発生する、回転磁界の空間高調波による誘導起電力を大きくすることができる。すなわち、空間高調波によるロータ巻線２８ｎ、２８ｓへの鎖交磁束の振幅（変動幅）は、周方向に関するロータ巻線２８ｎ、２８ｓの幅θにより影響を受ける。ここで、周方向に関するロータ巻線２８ｎ、２８ｓの幅θを変化させながら、ロータ巻線２８ｎ、２８ｓへの鎖交磁束の振幅（変動幅）を計算した結果を図９に示している。図９では、コイル幅θを電気角に換算して示している。図９に示すように、コイル幅θが１８０°から減少するにつれてロータ巻線２８ｎ、２８ｓへの鎖交磁束の変動幅が増大しているため、コイル幅θを１８０°よりも小さくする、すなわちロータ巻線２８ｎ、２８ｓを短節巻とすることで、全節巻と比較して、空間高調波による鎖交磁束の振幅を増大させることができる。
【００６３】
したがって、回転電機１０（図１）では、周方向に関する各主突極２６の幅を電気角で１８０°に相当する幅よりも小さくし、ロータ巻線２８ｎ、２８ｓを各主突極２６に短節巻で巻装することで、ロータ巻線２８ｎ、２８ｓに発生する空間高調波による誘導起電力を効率よく増大させることができる。この結果、ロータ１４に作用するトルクを効率よく増大させることができる。
【００６４】
さらに、図９に示すように、コイル幅θが９０°の場合に、空間高調波による鎖交磁束の振幅が最大となる。したがって、空間高調波によるロータ巻線２８ｎ、２８ｓへの鎖交磁束の振幅をより増大させるためには、周方向に関する各ロータ巻線２８ｎ、２８ｓの幅θがロータ１４の電気角で９０°に相当する幅に等しい（あるいはほぼ等しい）ことが好ましい。このため、ロータ１４の極対数をｐとし、ロータ１４の回転中心軸からロータ巻線２８ｎ、２８ｓまでの距離をｒとした場合に、周方向に関する各ロータ巻線２８ｎ、２８ｓの幅θは、以下の（２）式を満たす（あるいはほぼ満たす）ことが好ましい。
【００６５】
θ＝π×ｒ／（２×ｐ） （２）
【００６６】
このようにすることで、ロータ巻線２８ｎ、２８ｓに発生する空間高調波による誘導起電力を最大にすることができ、誘導電流により各主突極２６に発生する磁束を最も効率よく増大させることができる。この結果、ロータ１４に作用するトルクをより効率よく増大させることができる。すなわち、幅θが９０°に相当する幅を大きく超えると、互いに打ち消し合う方向の起磁力がロータ巻線２８ｎ、２８ｓに鎖交しやすくなるが、９０°に相当する幅よりも小さくなるのにしたがって、その可能性が低くなる。ただし、幅θが９０°に相当する幅よりも大きく減少すると、ロータ巻線２８ｎ、２８ｓに鎖交する起磁力の大きさが大きく低下する。このため、幅θを約９０°に相当する幅とすることでそのような不都合を防止できる。このため、周方向に関する各ロータ巻線２８ｎ、２８ｓの幅θは、電気角で９０°に相当する幅に略等しくすることが好ましい。
【００６７】
また、回転電機１０では、ステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗに流す交流電流の位相である、ロータ位置に対する電流進角を制御することで、ロータ１４のトルクを制御することもできる。さらに、ステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗに流す交流電流の振幅を制御することによって、ロータ１４のトルクを制御することもできる。また、ロータ１４の回転数を変化させてもロータ１４のトルクが変化するため、ロータ１４の回転数を制御することによって、ロータ１４のトルクを制御することもできる。
【００６８】
次に、図１０は、図１〜６の本実施の形態の回転電機（本発明）と、図７の補助突極がない構成（比較例１）の回転電機とにおいて、正回転方向の力行トルクと回生トルクとを比較した図である。比較例１の構成は、上記の図７を用いて説明したとおりである。図１０から明らかなように、図１〜６の主突極２６の両側から突出する各補助突極４４が主突極２６の周方向中央に関して互いに対称形状を有する、本実施の形態の回転電機１０では、比較例１の場合に比べて力行トルク及び回生トルクをいずれも向上できることを確認できた。
【００６９】
なお、上記の図４、図５Ａに示した構成では、ロータ１４の周方向に隣り合う２個の主突極２６を１組として、各組で１個の主突極２６に巻かれた第１誘導巻線３０の一端と、別の主突極２６に巻かれた第２誘導巻線３４の一端とを、２個の整流素子である第１ダイオード３８及び第２ダイオード４０を介して接続する場合を説明した。ただし、本実施形態では、図５Ｂのように構成することもできる。図５Ｂは、ロータ巻線に接続するダイオードの数を少なくした別例を示す、図５Ａに対応する図である。図５Ｂに示す別例では、本実施形態において、ロータのＮ極となる周方向１つおきの主突極２６（図３参照）の先端側に巻装した複数の第１誘導巻線３０同士を直列に接続することで第１誘導巻線組９０を形成し、ロータのＳ極となる周方向１つおきの主突極２６の先端側に巻装した複数の第２誘導巻線３４同士を直列に接続することで第２誘導巻線組９２を形成している。第１誘導巻線組９０及び第２誘導巻線組９２の一端は、互いに順方向が逆になる第１ダイオード３８及び第２ダイオード４０を介して、接続点Ｒで接続されている。
【００７０】
また、図５Ｂに示すように、ロータの周方向に隣り合うＮ極及びＳ極の２つの主突極２６（図３参照）を１組とした場合に、各組において第１共通巻線３２及び第２共通巻線３６同士を直列に接続することで共通巻線組４２を形成するとともに、全部の主突極２６に関する全部の共通巻線組４２同士を直列接続している。さらに、直列接続した複数の共通巻線組４２のうち、一端となる１つの共通巻線組４２の第１共通巻線３２の一端を接続点Ｒに接続し、他端となる別の共通巻線組４２の第２共通巻線３６の一端を、第１誘導巻線組９０及び第２誘導巻線組９２の接続点Ｒとは反対側の他端に接続している。このような構成では、上記の図４、図５Ａに示した構成と異なり、ロータに設けるダイオードの総数を第１ダイオード３８及び第２ダイオード４０の２つに減らすことができる。この場合でも各主突極２６の側面に補助突極４４（図３参照）を形成し、補助突極４４で仕切られた径方向外側と径方向内側との空間にそれぞれ誘導巻線３０，３４及び共通巻線３２，３６を配置することができる。
【００７１】
なお、上記の図１〜６の実施の形態において、ロータスロット４６内で周方向に隣り合う両側の補助突極４４同士の結合部７８は、ロータ１４及びステータ１２間の環状のギャップ空間Ｇ（図１参照）に径方向に近づける、すなわち径方向外側に設けることが好ましい。例えば、図１を参照して示すステータ１２のティース１８の先端から結合部７８の径方向外端までの径方向距離が、ギャップ空間Ｇの径方向寸法Ｄに対して２倍以内となるように結合部７８を、ギャップ空間Ｇに近づけることが好ましい。この構成によれば、ステータ１２からの磁束により結合部７８で磁束飽和を生じやすくなる。このため、各主突極２６にトルクに寄与しない磁束が流れるのを抑制し、より有効にトルクの向上を図れる。
【００７２】
例えば、図１〜６の構成のように、ロータスロット４６内で隣り合う補助突極４４同士を磁性材のみで一体に連結している場合には、主突極２６から外れたロータコア２４から、Ｎ極となる主突極２６、この主突極２６に結合された補助突極４４、この補助突極４４に結合された別の補助突極４４、この別の補助突極４４が結合されたＳ極となる主突極２６、及びロータコア２４に順に磁束が流れてループする磁気回路が形成される可能性がある。この場合、このループする磁気回路はトルクに寄与しない。また、このループする磁気回路に磁束が流れる分、主突極２６の磁束飽和が生じやすくなり、トルク向上の面から改良の余地がある。上記のように結合部７８をギャップ空間Ｇに近づける場合、結合部７８で磁束飽和が生じやすくなるので、このような不都合を防止でき、トルクのさらなる向上を図れる。
【００７３】
図１１は、補助突極４４の別例の第１例を示す、図１のＡ部拡大対応図である。図１１に示す構成では、各補助突極４４は、各主突極２６の周方向両側面から周方向に突出して、周方向に隣り合う補助突極４４同士で連結部８０で連結されている。また、ロータ１４は、連結部８０から径方向外側に突出し、磁性を有する径方向突極８２を備える。
【００７４】
このような図１１に示す構成では、図１〜６に示した構成の場合と異なり、補助突極４４の径方向外側に配置する誘導巻線３０（３４）の総断面積を大きくできる。このため、ロータ１４の径方向に関して補助突極４４よりも外側に多くのロータ巻線２８ｎ（２８ｓ）を配置しやすくなる。その他の構成及び作用は、図１〜６に示した実施形態と同様である。
【００７５】
次に、図１２は、本発明の別の実施の形態の回転電機において、補助突極４４の別例の第２例を示す、図１１の右側部分に対応する図である。図１２に示す構成では、上記の図１〜６に示した実施形態において、各補助突極４４の先端部に先端に向かうほど周方向に関する幅が大きくなる幅広先端部６２が設けられている。すなわち、各補助突極４４は幅広先端部６２を有し、幅広先端部６２は、ロータ１４の径方向外側に向かうほど周方向に関する幅が大きくなっている。また、周方向に隣り合う補助突極４４を、幅広先端部６２の先端部で結合している。幅広先端部６２のステータ１２に対向する先端面Ｐは、ステータ１２とロータ１４との間の環状のギャップ空間６４の周方向に沿う曲面またはこの曲面に接する平坦面としている。このような構成によれば、各補助突極４４の長さ方向の全体で周方向に関する幅を大きくすることなく、ステータ１２から空間高調波の必要な磁束成分、例えば空間２次の高調波成分を補助突極４４から主突極２６に効率よく誘導できる。このため、ロータ巻線２８ｎ（２８ｓ）の配置空間を過度に小さくすることなく、ステータ１２から空間高調波の必要な磁束成分を補助突極４４または主突極２６を通じて主突極２６または補助突極４４に効率よく誘導して、ロータ巻線２８ｎ（２８ｓ）に効率よく多くの磁束を鎖交させることができる。この結果、回転電機１０のトルク及び効率を有効に向上させることができる。その他の構成及び作用は、図１〜６に示した実施形態と同様である。
【００７６】
また、図１３は、本発明の別の実施の形態の回転電機において、補助突極４４の別例の第３例を示す、図１１の右側部分に対応する図である。図１３に示す構成では、補助突極４４の先端部だけでなく、中間部も周方向の幅を大きくしている。すなわち、補助突極の周方向に関する幅は、根元部から先端に向かうに従って徐々に大きくしている。また、補助突極４４の先端部に、ロータ１４の径方向外側に向かうほど周方向に関する幅が大きくなる幅広先端部６６が設けられている。このような構成の場合も、上記の図１２に示した構成と同様に、ロータ巻線２８ｎ（２８ｓ）の配置空間を過度に小さくすることなく、ステータ１２から空間高調波の必要な磁束成分を補助突極４４または主突極２６を通じて主突極２６または補助突極４４に効率よく誘導して、回転電機１０のトルク及び効率を有効に向上させることができる。その他の構成及び作用は、図１〜６に示した実施形態または図１２に示した構成と同様である。
【００７７】
また、図１４は、本発明の別の実施の形態の回転電機において、補助突極４４の別例の第４例を示す、図１１の右側部分に対応する図である。図１４に示す構成では、周方向に隣り合う補助突極４４の先端部同士を、板状の非磁性結合部８６を介して結合している。非磁性結合部８６は、チタン合金等の非磁性材料または略非磁性材料により形成されている。非磁性結合部８６は、補助突極４４の先端部の軸方向（図１４の表裏方向）に沿って設けられている。このため、ロータスロット４６内で周方向に隣り合う補助突極４４は、非磁性結合部８６を介して結合されている。このような構成によれば、各主突極２６にトルクに寄与しない磁束が流れるのを抑制し、より有効にトルクの向上を図れる。すなわち、上記の図１〜６に示した実施の形態では、隣り合う磁性を有する補助突極４４同士を直接に一体に連結しているが、この場合、上記のように、主突極２６から外れたロータコア２４（図３参照）から、Ｎ極となる主突極２６、この主突極２６に結合された補助突極４４、この補助突極４４に結合された別の補助突極４４、この別の補助突極４４が結合されたＳ極となる主突極２６、及びロータコア２４に順に磁束が流れてループする磁気回路が形成される可能性がある。このため、トルクに寄与する磁束の減少を有効に防止する面から改良の余地がある。図１４の構成によれば、このような点を改良できて、より有効にトルクの向上を図れる。その他の構成及び作用は、図１〜６に示した実施形態と同様である。
【００７８】
図１５は、本発明の別の実施の形態の回転電機において、ロータ１４及びステータ１２の周方向一部を示す概略断面図である。図１６は、図１５の回転電機において、ロータ巻線６８ｎ、６８ｓに流れる誘導電流により生成される磁束がロータ１４中に流れる様子を示す模式図である。図１５、図１６に示す構成では、各主突極２６に巻装するロータ巻線６８ｎ、６８ｓを、隣り合う別の主突極２６に巻装される別のロータ巻線６８ｓ、６８ｎに対して分断されるようにしている。すなわち、ロータ１４は、周方向に関して１つおきの主突極２６に複数の第１ロータ巻線６８ｎをそれぞれ集中巻きで巻線し、第１ロータ巻線６８ｎを巻線した主突極２６と隣り合う主突極２６であって、周方向１つおきの主突極２６に、複数の第２ロータ巻線６８ｓをそれぞれ集中巻きで巻線している。
【００７９】
また、複数の第１ロータ巻線６８ｎを直列接続した第１ロータ巻線回路７０に１つの第１ダイオード３８を接続し、複数の第２ロータ巻線６８ｓを直列接続した第２ロータ巻線回路７２に１つの第２ダイオード４０を接続している。すなわち、ロータ１４の周方向に１つおきに配置された複数の第１ロータ巻線６８ｎは、電気的に直列に接続され、かつ無端状に接続されるとともに、その間の一部に第１ダイオード３８が各第１ロータ巻線６８ｎと直列に接続され、第１ロータ巻線回路７０が構成されている。各第１ロータ巻線６８ｎは、同じ磁極（Ｎ極）として機能する主突極２６に巻装されている。
【００８０】
また、複数の第２ロータ巻線６８ｓは、電気的に直列に接続され、かつ無端状に接続されるとともに、その間の一部に第２ダイオード４０が各第２ロータ巻線６８ｓと直列に接続され、第２ロータ巻線回路７２が構成されている。各第２ロータ巻線６８ｓは、同じ磁極（Ｓ極）として機能する主突極２６に巻装されている。また、周方向に隣り合う（異なる磁極の磁石が形成される）主突極２６に巻装されたロータ巻線６８ｎ、６８ｓは、互いに電気的に分断されている。
【００８１】
また、ロータ１４の周方向に隣り合う主突極２６同士で、異なる磁極の磁石が形成されるように、各ダイオード３８，４０によるロータ巻線６８ｎ、６８ｓの電流の整流方向を互いに逆にしている。すなわち、周方向において隣り合うように配置された第１ロータ巻線６８ｎと第２ロータ巻線６８ｓとで流れる電流の向き（ダイオード３８，４０による整流方向）、すなわち順方向が互いに逆になるようにダイオード３８，４０がロータ巻線６８ｎ、６８ｓに接続されている。ダイオード３８，４０は、互いに逆向きでロータ巻線６８ｎ、６８ｓに接続されている。
【００８２】
また、各ダイオード３８，４０は、ステータ１２で生成される空間高調波を含む回転磁界による誘導起電力の発生により、対応するロータ巻線６８ｎ、６８ｓに流れる電流を整流することで、ロータ１４の周方向に隣り合うロータ巻線６８ｎ、６８ｓに流れる電流の位相を、Ａ相とＢ相とに交互に異ならせている。ダイオード３８，４０は、誘導起電力の発生により、対応するロータ巻線６８ｎ、６８ｓに流れる電流を独立して整流し、各ロータ巻線６８ｎ、６８ｓに流れる電流により生成される周方向複数個所の主突極２６の磁気特性を周方向に交互に異ならせている。この構成では、ダイオード３８，４０の数を全体で２つに減らすことができ、ロータ１４の巻線構造を簡略化することができる。
【００８３】
さらに、各主突極２６の周方向両側面に補助突極４４を突出させ、周方向に隣り合う補助突極４４を一体的に形成している。また、各主突極２６に巻かれたロータ巻線６８ｎ、６８ｓを補助突極４４で先端側と根元側とに分けているが、ロータ巻線６８ｎ、６８ｓの先端側及び根元側同士は直列に接続されている。なお、図示の例では、補助突極４４は、主突極２６の周方向側面に周方向に対し傾斜する方向に突出形成しているが、上記の図１１に示した構成のように、補助突極４４を周方向両側面に周方向に突出させ、連結部８０から径方向突極８２を突出させることもできる。また、図１２、図１３に示した構成のように、補助突極４４の先端部の周方向の幅を大きくすることもできる。図１５、図１６に示した構成の場合も、ロータ巻線６８ｎ、６８ｓの遠心力に対する保持強度を向上できるとともに、正回転時及び逆回転時の力行トルクを向上できるとともに、回生トルクを向上できる。その他の構成及び作用は、上記の図１〜６に示した実施形態と同様である。
【００８４】
また、図１７に示すように、各主突極２６に巻装されたロータ巻線６８ｎ、６８ｓごとにそれぞれ１つずつ第１ダイオード３８または第２ダイオード４０を短絡するように接続することもできる。その他の構成及び作用は、上記の図１〜６に示した構成、または上記の図１５、図１６に示した構成と同様である。
【００８５】
また、上記の各実施形態では、ロータスロット４６内で周方向に隣り合う補助突極４４同士を一体形成した場合を説明したが、本発明はこれに限定するものではない。例えば、図１８は、本発明の別の実施の形態の電磁石型回転電機を示す、図３に対応する図である。図１８に示す実施形態では、上記の図１〜６に示した実施形態において、各主突極２６の周方向両側面から径方向外側に向かうように周方向に対し傾斜し、磁性を有する補助突極４４をそれぞれ突出させている。また、ロータスロット４６内で周方向に隣り合う補助突極４４同士の先端部を結合せず、互いに分離している。また、各主突極２６の周方向両側面から突出する各補助突極４４は、主突極２６の周方向中央に関して互いに対称形状を有する。
【００８６】
このような図１８に示す構成の場合には、ロータスロット４６内で周方向に隣り合う補助突極４４同士が一体形成されていないので、上記の各実施形態よりもロータ巻線６８ｎ、６８ｓの遠心力に対する保持強度が劣る可能性はあるが、上記の各実施形態と同様に、正回転時及び逆回転時の力行トルクを向上できるとともに、回生トルクを向上できる。その他の構成及び作用は、上記の図１〜６に示した実施形態と同様である。
【００８７】
なお、図１８の実施形態において、各補助突極４４の形状は、図示の形状に限定するものではなく、例えば、各主突極２６の周方向両側面から補助突極を周方向に突出させ、突出した部分の長さ方向中間部で径方向外側に向かうように曲げられている構成とすることもできる。また、各補助突極の根元部よりも径方向外側に配置された先端部に、図１２、図１３の構成と同様に、周方向に関する幅が大きくなる幅広先端部を設けることもできる。
【００８８】
なお、図示は省略するが、上記の図６に示した回転電機駆動システム５０において、回転電機１０のｑ軸電流またはｄ軸電流にパルス電流を周期的に重畳させることにより、回転電機１０のさらなるトルク増大を図るこもできる。ｑ軸電流にパルス電流を重畳させる場合、パルス状に減少してから増大する減少パルス電流を重畳させることが、インバータ５２の小型化等を図る面から好ましい。ｄ軸電流にパルス電流を重畳させる場合、パルス状に増大してから減少する増加パルス電流を重畳させることが、トルク増大の面から好ましい。ｄ軸電流に増加パルス電流を重畳させるのと同時にｑ軸電流に減少パルス電流を重畳させることもできる。なお、ｄ軸とは、回転電機１０の周方向に関してロータ巻線２８ｎ、２８ｓ（または６８ｎ、６８ｓ）の巻回中心軸方向である磁極方向をいい、ｑ軸とはｄ軸に対し電気角で９０度進んだ方向をいう。例えば、上記の図１、図１５に示すようにロータ１４の正回転の回転方向が規定される場合、ｄ軸方向、ｑ軸方向は、図１、図１５にそれぞれ矢印で示したような関係で規定される。
【００８９】
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。例えば、上記では、ステータの径方向内側にロータが対向配置された場合を説明したが、ステータの径方向外側にロータが対向配置された構成でも本発明を実施できる。また、ステータ巻線はステータに集中巻きで巻線する場合を説明したが、例えばステータで空間高調波を含む回転磁界を生成できるのであればステータにステータ巻線を分布巻きで巻線する構成でも本発明を実施できる。また、上記の各実施形態では、磁気特性調整部をダイオードとした場合を説明したが、ロータ巻線に発生する誘導起電力によって前記複数の主突極に生じる磁気特性を周方向で異ならせる機能を有するものであれば、他の構成を採用することもできる。また、本発明では、例えばアキシャルギャップ型の回転電機等の構成を採用することもできる。
【符号の説明】
【００９０】
１０ 電磁石型回転電機、１２ ステータ、１４ ロータ、１６ ステータコア、１８ ティース、２０ｕ，２０ｖ，２０ｗ ステータ巻線、２２ ステータスロット、２４ ロータコア、２６ 主突極、２８ｎ 第１ロータ巻線、２８ｓ 第２ロータ巻線、３０ 第１誘導巻線、３２ 第１共通巻線、３４ 第２誘導巻線、３６ 第２共通巻線、３８ 第１ダイオード、４０ 第２ダイオード、４２ 共通巻線組、４４，４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄ 補助突極、４６ ロータスロット、４８ 鍔部、５０ 回転電機駆動システム、５２ インバータ、５４ 制御装置、５６ 蓄電装置、５８ コンデンサ、６０ 電流センサ、６２ 幅広先端部、６６ 幅広先端部、６８ｎ 第１ロータ巻線、６８ｓ 第２ロータ巻線、７０ 第１ロータ巻線回路、７２ 第２ロータ巻線回路、７４ 根元側板部、７６ 先端側板部、７８ 結合部、８０ 連結部、８２ 径方向突極、８４ 突出部、８６ 非磁性結合部、９０ 第１誘導巻線組、９２ 第２誘導巻線組。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステータとロータとが対向配置された電磁石型回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、特許文献１に記載されているように、ステータとロータとが対向配置される電磁石型回転電機であって、ロータの周方向複数個所に設けられた突極と、各突極に巻装されたロータ巻線であって、互いに分断されるロータ巻線と、各ロータ巻線ごとに接続されたダイオードとを含む電磁石型回転電機が知られている。各ダイオードは、各ロータ巻線に流れる電流を整流し、ロータの周方向に隣り合う突極同士で磁化方向が逆になるようにしている。また、ステータは、ステータコアの周方向複数個所に設けられたティースを備える。ステータのティースに複数相のステータ巻線が集中巻きで巻装されている。複数相のステータ巻線に複数相の交流電流を流すことでステータに、周方向に回転する回転磁界が生成される。そして、ステータで発生した起磁力分布に生じる高調波成分である空間高調波によりロータ巻線に誘導電流を生じさせ、ロータの周方向に関して交互に突極にＮ極とＳ極とを形成し、ロータにトルクを発生させるようにしている。このとき、各ダイオードで整流された電流が各ロータ巻線に流れることで、各突極が磁化して磁極の固定された磁石が発生する。
【０００３】
このような電磁石型回転電機では、突極がステータの回転磁界と相互作用してロータにトルクが作用する。また、ステータにより形成される磁界の高調波成分を利用してロータに作用するトルクを効率よく増大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２００９−１１２０９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような回転電機では、ロータに電磁石を形成するためのロータ巻線に生じる誘導電流を大きくする面から改良の余地がある。
【０００６】
本発明の目的は、電磁石型回転電機において、回転磁界に含まれる高調波成分をロータ巻線に多く鎖交させて、ロータ巻線に生じる誘導電流を大きくすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る電磁石型回転電機は、上記の目的を達成するために以下の手段を採用する。
【０００８】
本発明に係る電磁石型回転電機は、ステータとロータとが対向配置された電磁石型回転電機であって、前記ステータは、ステータコアと、前記ステータコアの周方向複数個所に配置されたティースと、少なくとも前記ステータコアまたは前記ティースに巻かれて、回転磁界を生じさせる複数相のステータ巻線とを含み、前記ロータは、ロータコアと、前記ロータコアの周方向複数個所に配置された主突極と、前記各主突極に巻かれた複数のロータ巻線と、前記各ロータ巻線に発生する誘導起電力によって前記複数の主突極に生じる磁気特性を、周方向に交互に異ならせる磁気特性調整部とを含み、さらに、前記ロータは、前記各主突極の周方向両側面から突出し、磁性を有する補助突極を含み、前記主突極の周方向両側から突出する前記各補助突極は、前記主突極の周方向中央に関して互いに対称形状を有することを特徴とする電磁石型回転電機である。
【０００９】
本発明に係る電磁石型回転電機によれば、各主突極の周方向側面から突出し、磁性を有する補助突極を含むので、ステータで生成される回転磁界に含まれ、ロータ巻線に鎖交する高調波成分を増大させることができる。このため、ロータ巻線に鎖交する磁束の磁束密度の変化を大きくし、ロータ巻線に誘導される誘導電流を大きくできる。
【００１０】
また、本発明に係る電磁石型回転電機において、好ましくは、前記各ロータ巻線は、前記磁気特性調整部である整流素子に接続され、前記整流素子は、誘導起電力の発生により前記各ロータ巻線に流れる電流を整流することで、前記周方向に隣り合う前記各ロータ巻線に流れる電流の位相を、Ａ相とＢ相とに交互に異ならせている。
【００１１】
また、本発明に係る電磁石型回転電機において、好ましくは、前記補助突極の先端は、前記補助突極の根元よりもロータの径方向外側に位置する。
【００１２】
上記構成によれば、ステータから補助突極により主突極へ誘導する磁束を多くできるとともに、補助突極よりもロータの径方向外側に配置されたロータ巻線に誘導電流を生じさせることができ、ロータ巻線に生じる誘導電流を大きくできる。
【００１３】
また、本発明に係る電磁石型回転電機において、好ましくは、前記ロータの周方向に隣り合う前記主突極の間に形成されたロータスロット内で周方向に隣り合う前記補助突極は、前記ロータスロット内で連結されており、前記補助突極よりも径方向内側に前記ロータ巻線の少なくとも一部が配置されている。
【００１４】
上記構成によれば、ロータ巻線の遠心力に対する保持強度を向上できる。
【００１５】
また、本発明に係る電磁石型回転電機において、好ましくは、前記複数のロータ巻線は、前記各主突極の本体部の先端側に巻かれ、誘導電流を発生させる誘導巻線と、前記各主突極の前記誘導巻線よりも根元側に巻かれ、前記誘導巻線に接続され、電磁石として機能する共通巻線とを含む。
【００１６】
また、本発明に係る電磁石型回転電機において、好ましくは、前記ロータ巻線は、前記複数の主突極のうち、周方向１つおきの主突極の先端側に巻装された前記誘導巻線である第１誘導巻線と、前記第１誘導巻線が巻装された主突極と隣り合う別の主突極の先端側に巻装された前記誘導巻線である第２誘導巻線と、前記第１誘導巻線が巻装された主突極の根元側に巻装された前記共通巻線である第１共通巻線と、前記第２誘導巻線が巻装された主突極の根元側に巻装された前記共通巻線である第２共通巻線とを含み、前記第１誘導巻線と前記第２誘導巻線とが互いに逆向きの前記磁気特性調整部である整流素子を介して接続点で接続され、前記接続点と前記第１誘導巻線及び前記第２誘導巻線との間に、前記第１共通巻線及び前記第２共通巻線が直列に接続されることにより形成される共通巻線組が接続されている。
【００１７】
また、本発明に係る電磁石型回転電機において、好ましくは、前記各ロータ巻線の前記ロータの周方向に関する幅は、電気角で１８０°に相当する幅よりも短くしている。
【００１８】
また、本発明に係る電磁石型回転電機において、好ましくは、前記各ロータ巻線の前記ロータの周方向に関する幅は、電気角で９０°に相当する幅に等しい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の電磁石型回転電機によれば、ロータ巻線に生じる誘導電流を大きくできる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態の電磁石型回転電機において、ロータ及びステータの周方向一部を示す概略断面図である。
【図２】本発明の実施の形態の電磁石型回転電機からロータのみを取り出して周方向一部を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態において、ロータ巻線に流れる誘導電流により生成される磁束がロータ中に流れる様子を示す模式図である。
【図４】本発明の実施の形態において、ロータ巻線にダイオードを接続して示す模式図である。
【図５Ａ】本発明の実施の形態において、ロータの周方向に隣り合う主突極に巻装した２個のロータ巻線の接続回路の等価回路を示す図である。
【図５Ｂ】ロータ巻線に接続するダイオードの数を少なくした別例を示す、図５Ａに対応する図である。
【図６】図１の電磁石型回転電機を駆動する回転電機駆動システムの概略構成を示す図である。
【図７】比較例１の電磁石型回転電機を示す、図２に対応する図である。
【図８】比較例２の電磁石型回転電機を示す、図３に対応する図である。
【図９】図１の電磁石型回転電機において、周方向に関するロータ巻線の幅θを変化させながらロータ巻線への鎖交磁束の振幅を計算した結果を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態の電磁石型回転電機と、図７の比較例１の電磁石型回転電機とにおいて、正回転時の力行トルク及び回生トルクを比較した図である。
【図１１】本発明の別の実施の形態の電磁石型回転電機において、補助突極の別例の第１例を示す、図１のＡ部拡大対応図である。
【図１２】本発明の別の実施の形態の電磁石型回転電機において、補助突極の別例の第２例を示す、図１１の右側部分に対応する図である。
【図１３】本発明の別の実施の形態の電磁石型回転電機において、補助突極の別例の第３例を示す、図１１の右側部分に対応する図である。
【図１４】本発明の別の実施の形態の電磁石型回転電機において、補助突極の別例の第４例を示す、図１１の右側部分に対応する図である。
【図１５】本発明の別の実施の形態の電磁石型回転電機において、ロータ及びステータの周方向一部を示す概略断面図である。
【図１６】図１５の電磁石型回転電機において、ロータ巻線に流れる誘導電流により生成される磁束がロータ中に流れる様子を示す模式図である。
【図１７】本発明の別の実施の形態の電磁石型回転電機を示す、図４に対応する図である。
【図１８】本発明の別の実施の形態の電磁石型回転電機を示す、図３に対応する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。図１〜６は、本発明の実施形態を示す図である。図１は、本実施の形態の電磁石型回転電機において、ロータ及びステータの周方向一部を示す概略断面図である。図２は、本実施の形態の電磁石型回転電機からロータのみを取り出して周方向一部を示す図である。図３は、本実施の形態において、ロータ巻線に流れる誘導電流により生成される磁束がロータ中に流れる様子を示す模式図である。図４は、本実施の形態において、ロータ巻線にダイオードを接続して示す模式図である。
【００２２】
図１に示すように、電動機または発電機として機能する電磁石型回転電機（以下、単に「回転電機」という。）１０は、図示しないケーシングに固定されたステータ１２と、ステータ１２と所定の空隙をあけて径方向内側に対向配置され、ステータ１２に対し回転可能なロータ１４とを備える（なお、単に「径方向」という場合、ロータの回転中心軸に対し直交する放射方向をいう。本明細書全体及び特許請求の範囲で同じである。）。
【００２３】
また、ステータ１２は、ステータヨークであるステータコア１６と、ステータコア１６の周方向箇所に配置されたティース１８と、各ティース１８に巻線された、すなわち巻かれた複数相（より具体的にはｕ相、ｖ相、ｗ相の３相）のステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗとを含む。すなわち、ステータコア１６の内周面には、径方向内側へ（ロータ１４へ向けて）突出する複数のティース１８がステータ１２の周方向に沿って互いに間隔をおいて配列されており、各ティース１８間にステータスロット２２が形成されている。また、ステータコア１６及び複数のティース１８は磁性材により、一体に設けられている。
【００２４】
各相のステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗは、ステータスロット２２を通ってティース１８に短節集中巻で巻装されている。このように、ティース１８にステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗが巻装されることで磁極が構成される。そして、複数相のステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗに複数相の交流電流を流すことで、周方向に複数配置されたティース１８が磁化し、周方向に回転する回転磁界をステータ１２に生成する。すなわち、複数相のステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗは、ステータ１２に回転磁界を生じさせる。なお、ステータ巻線は、このようにステータ１２のティース１８に巻線する構成に限定するものではなく、例えばティース１８から外れたステータコア１６の環状部分の周方向複数個所に複数相のステータ巻線を巻線するトロイダル巻きとし、ステータ１２に回転磁界を生じさせることもできる。
【００２５】
ティース１８に形成された回転磁界は、その先端面からロータ１４に作用する。図３に示すように、３相（ｕ相、ｖ相、ｗ相）のステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗがそれぞれ巻装された３つのティース１８により１つの極対が構成されている。
【００２６】
一方、図１〜３に示すように、ロータ１４は、円筒状のロータヨークであるロータコア２４と、ロータコア２４の外周面の周方向の等間隔複数個所に、径方向外側に向けて（ステータ１２（図１、図３）に向けて）突出して配置された突部である、主突極２６と、複数のロータ巻線２８ｎ、２８ｓとを含む（なお、単に「周方向」という場合、ロータの回転中心軸を中心として描かれる円形に沿う方向をいう。本明細書全体及び特許請求の範囲で同じである）。ロータコア２４及び複数の主突極２６は、磁性鋼板を複数積層した積層体等の磁性材により、一体に設けられている。より詳しくは、ロータ１４の周方向に関して１つおきの主突極２６に複数の第１ロータ巻線２８ｎをそれぞれ集中巻きで巻線し、第１ロータ巻線２８ｎを巻線した主突極２６と隣り合う別の主突極２６であって、周方向１つおきの主突極２６に、複数の第２ロータ巻線２８ｓをそれぞれ集中巻きで巻線している。また、ロータ１４は、周方向に隣り合う主突極２６の間に形成されたロータスロット４６を有する。
【００２７】
また、各第１ロータ巻線２８ｎは、主突極２６の先端側（図１〜３の上端側）に巻かれた第１誘導巻線３０と、第１誘導巻線３０に接続された第１共通巻線３２とを含む。第１共通巻線３２は、第１誘導巻線３０が巻かれる主突極２６において、第１誘導巻線３０よりも根元側（図１〜３の下端側）に巻かれている。また、各第２ロータ巻線２８ｓは、各第１ロータ巻線２８ｎが巻かれた主突極２６と周方向に隣り合う別の主突極２６の先端側に巻かれた第２誘導巻線３４と、第２誘導巻線３４に接続された第２共通巻線３６とを含む。第２共通巻線３６は、第２誘導巻線３４が巻かれる主突極２６において、第２誘導巻線３４よりも根元側に巻かれている。なお、図１〜３に示す例では、各主突極２６の周囲に巻かれる誘導巻線３０，３４及び各共通巻線３２，３６は、それぞれ主突極２６の周囲の長さ方向（図３の上下方向）に沿って設けられたソレノイドが、主突極２６の周方向（図３の左右方向）に複数層整列した整列巻きで配置されている。なお、各主突極２６の先端側に巻かれる誘導巻線３０，３４は、主突極２６の周囲に複数回、すなわち複数ターン分、渦巻状に巻いた構成とすることもできる。また、図１〜２では誘導巻線３０，３４を黒丸で、共通巻線３２，３６を白丸で示している（後述する図７、図８で同様である）。
【００２８】
図４に示すように、ロータ１４の周方向に隣り合う２個の主突極２６を１組として、各組で１個の主突極２６に巻かれた第１誘導巻線３０の一端と、別の主突極２６に巻かれた第２誘導巻線３４の一端とを、２個の磁気特性調整部であり整流素子である第１ダイオード３８及び第２ダイオード４０を介して接続している。すなわち、図５Ａは、本実施の形態において、ロータ１４（図４）の周方向に隣り合う主突極２６に巻装された２個のロータ巻線２８ｎ、２８ｓの接続回路の等価回路を示す図である。図５Ａに示すように、第１誘導巻線３０及び第２誘導巻線３４の一端は、互いに順方向が逆になる第１ダイオード３８及び第２ダイオード４０を介して、接続点Ｒで接続されている。
【００２９】
また、図４、図５Ａに示すように、各組で１個の主突極２６に巻かれた第１共通巻線３２の一端は、別の主突極２６に巻かれた第２共通巻線３６の一端に接続されている。第１共通巻線３２及び第２共通巻線３６は互いに直列に接続されることで、共通巻線組４２を形成している。さらに、第１共通巻線３２の他端は接続点Ｒに接続され、第２共通巻線３６の他端は、第１誘導巻線３０及び第２誘導巻線３４の接続点Ｒとは反対側の他端に接続されている。また、各ロータ巻線２８ｎ、２８ｓの誘導巻線３０，３４及び共通巻線３２，３６の巻回中心軸は、ロータ１４（図１）の径方向と一致している。なお、各誘導巻線３０，３４及び共通巻線３２，３６は、対応する主突極２６に、樹脂等により造られる電気絶縁性を有するインシュレータ（図示せず）等を介して巻装することもできる。
【００３０】
このような構成では、後述するように、第１誘導巻線３０、第２誘導巻線３４、第１共通巻線３２及び第２共通巻線３６に整流された電流が流れることで主突極２６が磁化し、磁極部として機能する。また、図１に戻って、ステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗに交流電流を流すことで、ステータ１２が回転磁界を生成するが、この回転磁界は、基本波成分の磁界だけでなく、基本波よりも高い次数の高調波成分の磁界を含んでいる。
【００３１】
より詳しくは、ステータ１２に回転磁界を発生させる起磁力の分布は、各相のステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗの配置や、ティース１８及びステータスロット２２によるステータコア１６の形状に起因して、（基本波のみの）正弦波分布にはならず、高調波成分を含むものとなる。特に、集中巻においては、各相のステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗが互いに重なり合わないため、ステータ１２の起磁力分布に生じる高調波成分の振幅レベルが増大する。例えばステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗが３相集中巻の場合は、高調波成分として、入力電気周波数の時間的３次成分であり、空間的な２次成分の振幅レベルが増大する。このようにステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗの配置やステータコア１６の形状に起因して起磁力に生じる高調波成分は空間高調波と呼ばれている。
【００３２】
ステータ１２からロータ１４に、この空間強調波成分を含む回転磁界が作用すると、空間高調波の磁束変動により、ロータ１４の主突極２６間の空間に漏れ出す漏れ磁束の変動が発生し、これにより図３に示す各誘導巻線３０，３４の少なくともいずれかの誘導巻線３０，３４に誘導起電力が発生する。また、ステータ１２から近い、主突極２６の先端側の誘導巻線３０，３４は、主に誘導電流を発生させる機能を有し、ステータ１２から遠い、共通巻線３２，３６は、主に主突極２６を磁化する機能を有する、すなわち電磁石として機能する。また、図５Ａの等価回路から理解されるように、隣り合う主突極２６（図１〜図４）に巻装された誘導巻線３０，３４を流れる電流の合計が共通巻線３２，３６にそれぞれ流れる電流となる。また、隣り合う共通巻線３２、３６同士を直列に接続しているので、両方で巻き数を増加させたのと同じ効果を得られ、各主突極２６に流れる磁束を同じとしたままで各共通巻線３２，３６に流す電流を低減できる。
【００３３】
そして、各誘導巻線３０，３４に誘導起電力が発生すると、第１誘導巻線３０、第２誘導巻線３４、第１共通巻線３２及び第２共通巻線３６にダイオード３８，４０の整流方向に応じた直流電流が流れ、ロータ巻線２８ｎ、２８ｓが巻装された主突極２６が磁化することで、この主突極２６が磁極の固定された磁石である磁極部として機能する。図４に示す、周方向に隣り合う第１ロータ巻線２８ｎと第２ロータ巻線２８ｓとで巻き方向が逆になっており、周方向に隣り合う主突極２６同士で磁化方向が逆になる。図示の例では、第１ロータ巻線２８ｎが巻装された主突極２６の先端にＮ極が生成され、第２ロータ巻線２８ｓが巻装された主突極２６の先端にＳ極が生成されるようにしている。このため、ロータ１４の周方向においてＮ極とＳ極とが交互に配置される。各ダイオード３８，４０（図４）は、各主突極２６に巻かれた複数のロータ巻線２８ｎ、２８ｓに発生する誘導起電力によって複数の主突極２６に生じる磁気特性を、周方向に交互に異ならせている。
【００３４】
また、各ダイオード３８，４０は、対応する誘導巻線３０，３４に接続され、ステータ１２で生成される空間高調波を含む回転磁界による誘導起電力の発生により、対応する誘導巻線３０，３４に流れる電流を整流することで、ロータ１４の周方向に隣り合う誘導巻線３０，３４に流れる電流の位相を、Ａ相とＢ相とに交互に異ならせている。Ａ相は、対応する主突極２６の先端側にＮ極を生成するものであり、Ｂ相は、対応する主突極２６の先端側にＳ極を生成するものである。
【００３５】
また、図１に示すように、ロータ１４の周方向に関する各誘導巻線３０，３４及び各共通巻線３２，３６の幅θは、ロータ１４の電気角で１８０°に相当する幅よりも短く設定し、各誘導巻線３０，３４及び各共通巻線３２，３６は、それぞれ主突極２６に短節巻きで巻装されている。より好ましくは、ロータ１４の周方向に関する各誘導巻線３０，３４及び各共通巻線３２，３６の幅θは、ロータ１４の電気角で９０°に相当する幅に等しく、あるいはほぼ等しくしている。ここでの各誘導巻線３０，３４及び各共通巻線３２，３６の幅θについては、各誘導巻線３０，３４及び各共通巻線３２，３６の断面積を考慮して、各誘導巻線３０，３４及び各共通巻線３２，３６の断面の中心幅で表すことができる。すなわち、各誘導巻線３０，３４及び各共通巻線３２，３６の内周面の幅と外周面の幅との平均値で各誘導巻線３０，３４及び各共通巻線３２，３６の幅θを表すことができる。なお、ロータ１４の電気角は、ロータ１４の機械角にロータ１４の極対数ｐを乗じた値で表される（電気角＝機械角×ｐ）。このため、周方向に関する各誘導巻線３０，３４及び各共通巻線３２，３６の幅θは、ロータ１４の回転中心軸から各誘導巻線３０，３４及び各共通巻線３２，３６までの距離をｒとすると、以下の（１）式を満たす。
【００３６】
θ＜π×ｒ／ｐ （１）
このように幅θを規制している理由は、後で詳しく説明する。
【００３７】
特に、本実施の形態では、ロータ１４は、周方向の複数個所に配置された主突極２６の周方向両側面から突出する補助突極４４を含んでいる。補助突極４４は、主突極２６の軸方向（図１、図２の表裏方向）のほぼ全長にわたり、主突極２６の周方向両側面から、周方向に対し傾斜した方向にそれぞれ突出する板状の磁性体である。複数の補助突極４４は、主突極２６の周方向の両側面において、第１誘導巻線３０と第１共通巻線３２との間、及び、第２誘導巻線３４と第２共通巻線３６との間のそれぞれから突出している。すなわち補助突極４４は、主突極２６に磁気的に接続されている。
【００３８】
また、ロータ１４の周方向に隣り合う主突極２６の間に形成されたロータスロット４６（図１、図２）内で周方向に隣り合う補助突極４４は、ロータスロット４６内で先端部同士が、各補助突極４４の一部である結合部７８で連結され、一体的に形成されている。補助突極４４は、結合部７８も含めて磁性を有する。例えば、図示の例では、補助突極４４は、各主突極２６の周方向両側面の径方向外端寄り（図２の上端寄り）部分に根元部が結合され、先端部である周方向に隣り合う別の補助突極４４に対する結合部７８に向かうほど、ロータ１４の径方向外側になるように周方向に対し傾斜した方向に突出している。このため、各補助突極４４の先端部であって、隣り合う別の補助突極４４に対する結合部７８は、補助突極４４の根元よりもロータ１４の径方向外側に位置している。また、各補助突極４４は、ロータスロット４６内で径方向外側のみに配置されている。また、各補助突極４４の幅は、根元部で大きくし、中間部から先端部にわたり根元部の幅よりも小さい、ほぼ同じ大きさとしている。また、各誘導巻線３０，３４は、対応するロータスロット４６内で補助突極４４によって径方向外側及び内側に仕切られた空間のうち、径方向外側の空間に配置され、各共通巻線３２，３６は、対応するロータスロット４６内で補助突極４４によって径方向外側及び内側に仕切られた空間のうち、径方向内側の空間に配置されている。
【００３９】
また、ロータ１４は、周方向複数個所に設けられる突出部８４であって、それぞれ主突極２６と補助突極４４とにより一体形成され、ロータコア２４の径方向に突出する複数の突出部８４を含んでいる。さらに、各突出部８４は、突出部８４に含まれる主突極２６の周方向中央（例えば図２の破線Ｘで示している。）に関して対称形状を有する。すなわち、各突出部８４において、主突極２６の周方向両側から突出する各補助突極４４は、主突極２６の周方向中央に関して互いに対称形状を有する。また、各ロータスロット４６内に配置される隣り合う補助突極４４は、結合部７８も含めて、各ロータスロット４６の周方向中央（例えば図２の破線Ｙで示している。）に関して対称形状を有する。例えば、主突極２６の周方向両側から突出する各補助突極４４は、互いに同じ長さを有し、かつ、長さ方向に対し直交する方向の最小幅が互いに同じである。
【００４０】
また、補助突極４４は、ロータコア２４及び主突極２６と同じ磁性材料により形成することができる。例えば、ロータコア２４、各主突極２６、及び各補助突極４４を、軸方向に複数枚の磁性鋼板を積層することにより構成される積層体により一体に形成することができる。
【００４１】
また、同じ主突極２６に巻かれる誘導巻線３０，３４と共通巻線３２，３６とは、ロータコア２４の軸方向端面よりも外側に設けられる図示しない片側または両側のコイルエンド側等、補助突極４４から外れた部分で互いに接続されている。なお、各誘導巻線３０，３４と各共通巻線３２，３６とは互いに異なる材料により形成することもできる。例えば、各共通巻線３２，３６は銅線等の導電性材料により形成し、各誘導巻線３０，３４は、アルミニウムまたはアルミニウム合金等の、共通巻線３２，３６を構成する導電性材料よりも軽量な別の導電性材料により形成することもできる。
【００４２】
このような回転電機１０は、図６の回転電機駆動システム５０により駆動する。図６は、図１の回転電機１０を駆動する回転電機駆動システム５０の概略構成を示す図である。回転電機駆動システム５０は、回転電機１０と、回転電機１０を駆動する駆動部であるインバータ５２と、インバータ５２を制御する制御装置５４と、電源部である蓄電装置５６とを備え、回転電機１０を駆動する。
【００４３】
蓄電装置５６は、直流電源として設けられ、充放電可能であり、例えば二次電池により構成する。インバータ５２は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相のアームＡｕ，Ａｖ，Ａｗを備え、各相アームＡｕ，Ａｖ，Ａｗは、それぞれ２のスイッチング素子Ｓｗを直列に接続している。スイッチング素子Ｓｗは、トランジスタ、ＩＧＢＴ等である。各スイッチング素子Ｓｗに逆並列にダイオードＤｉを接続している。各アームＡｕ，Ａｖ，Ａｗの中点は、回転電機１０を構成する対応する相のステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗの一端側に接続されている。ステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗにおいて、同じ相のステータ巻線同士は互いに直列に接続され、異なる相のステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗが中性点で接続されている。
【００４４】
また、蓄電装置５６の正極側及び負極側は、インバータ５２の正極側と負極側とにそれぞれ接続されており、蓄電装置５６とインバータ５２との間にコンデンサ５８が、インバータ５２に対し並列に接続されている。制御装置５４は、例えば車両のアクセルペダルセンサ（図示せず）等から入力される加速指令信号に応じて回転電機１０のトルク目標を算出し、トルク目標等に応じた電流指令値に応じて各スイッチング素子Ｓｗのスイッチング動作を制御する。制御装置５４には、３相のうち、少なくとも２相のステータ巻線（例えば２０ｕ、２０ｖ）側に設けられた電流センサ６０で検出された電流値を表す信号と、レゾルバ等の回転角度検出部（図示せず）で検出された回転電機１０のロータ１４（図１）の回転角度を表す信号とがそれぞれ入力される。制御装置５４は、ＣＰＵ、メモリ等を有するマイクロコンピュータを含むもので、インバータ５２のスイッチング素子Ｓｗのスイッチングを制御することにより、回転電機１０のトルクを制御する。制御装置５４は、機能ごとに分割された複数の制御装置により構成することもできる。
【００４５】
このような制御装置５４は、インバータ５２を構成する各スイッチング素子Ｓｗのスイッチング動作により蓄電装置５６からの直流電力を、ｕ相、ｖ相、ｗ相の３相の交流電力に変換して、ステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗの各相に対応する相の電力を供給することを可能とする。回転電機駆動システム５０は、例えば、車両用走行動力発生装置として、エンジンと走行用モータとを駆動源として備えるハイブリッド車、燃料電池車、電気自動車等に搭載して使用される。なお、蓄電装置５６とインバータ５２との間に電圧変換部であるＤＣ／ＤＣコンバータを接続して、蓄電装置５６の電圧を昇圧してインバータ５２に供給可能とすることもできる。
【００４６】
上記の回転電機１０では、３相のステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗに３相の交流電流を流すことでティース１８に形成された回転磁界（基本波成分）がロータ１４に作用し、これに応じて、ロータ１４の磁気抵抗が小さくなるように、主突極２６がティース１８の回転磁界に吸引される。これによって、ロータ１４にトルク（リラクタンストルク）が作用する。
【００４７】
さらに、ティース１８に形成された空間高調波成分を含む回転磁界がロータ１４の各ロータ巻線２８ｎ、２８ｓの誘導巻線３０，３４に鎖交すると、各誘導巻線３０，３４には、空間高調波成分に起因するロータ１４の回転周波数（回転磁界の基本波成分）と異なる周波数の磁束変動によって、各ロータ巻線２８ｎ、２８ｓに誘導起電力が発生する。この誘導起電力の発生に伴って各ロータ巻線２８ｎ、２８ｓに流れる電流は、各ダイオード３８、４０により整流されることで一方向（直流）となる。そして、各ダイオード３８，４０で整流された直流電流が各ロータ巻線２８ｎ、２８ｓに流れるのに応じて各主突極２６が磁化することで、各主突極２６が、磁極が（Ｎ極かＳ極のいずれか一方に）固定された磁石として機能する。
【００４８】
例えば、図３に示すようにステータ１２の各相のステータ巻線２０ｕ、２０ｖ、２０ｗを巻装したティース１８のいずれもが、ロータ巻線２８ｎ、２８ｓを巻装した主突極２６に径方向に完全には（全部が）対向していないで、少なくとも１個のティース１８がロータ１４の周方向に関して隣り合う２個の主突極２６の間の中央位置に対向する場合を考える。また、この状態で、図３の破線矢印Ｑで示すように、ステータ１２からロータ１４に、ステータ１２の起磁力として、空間的２次の空間高調波の磁束であるｑ軸磁束（誘導磁束）が流れる場合を考える。この場合、補助突極４４があることで空間高調波をステータ１２の（図３ではＷ相の）ティース１８から補助突極４４を介して、主突極２６へ多く誘導し、主突極２６から別の（図３ではＵ相、Ｖ相の）ティース１８へ誘導して、誘導巻線３０，３４に多くの磁束を鎖交させることができる。図３は、１つのティース１８からｑ軸磁束の最大の磁束が流れる位相角に対応する状態を示しており、電気的１周期の中でｑ軸磁束の向き及び大きさが変化する。また、図３では、破線矢印βが誘導巻線３０に鎖交する磁束を示しており、破線矢印γが誘導巻線３４に鎖交する磁束を示している。この場合、Ｓ極となる主突極２６に巻かれた第２誘導巻線３４に第２ダイオード４０（図４）が接続され、第２ダイオード４０は、対応する主突極２６をＳ極とする方向に電流を流す。このため、図３の矢印Ｑ方向に、Ｓ極側の主突極２６にｑ軸磁束によりＳ極をＮ極とする方向に磁束が流れようとし、これを妨げる方向に第２誘導巻線３４に誘導電流が流れようとし、その流れは第２ダイオード４０で妨げられない。この結果、図３の矢印Ｍで示すように、主突極２６に誘導電流による磁束である主磁束が流れ、主磁束を短くするようにＮ極の主突極２６がティース１８（図３ではＵ相のティース１８）に引き寄せられ、ロータ１４が矢印α方向の正回転時の回転方向である正回転方向に回転する。
【００４９】
また、ステータ１２のティース１８からＮ極の主突極２６を介して補助突極４４にｑ軸磁束が流れようとする場合もあり、Ｎ極の主突極２６をＳ極とする方向に磁束が流れようとするときに、これを妨げる方向にＮ極の主突極２６に巻かれた第１誘導巻線３０に誘導電流が流れようとする。この場合、第１誘導巻線３０に接続された第１ダイオード３８（図４）が、対応する主突極２６をＮ極とする方向に電流を流す。この場合も図３の矢印Ｍで示すように主突極２６に誘導電流による磁束である主磁束Ｍが流れる。このため、各主突極２６がＮ極またはＳ極に磁化し、ロータ１４が矢印α方向の正回転方向に回転する。上記のように各主突極２６の片側面から補助突極４４が突出しているので、補助突極４４がない、すなわち各スロット４６内で周方向に隣り合う主突極２６同士の間に空間しかない場合に比べて、各誘導巻線３０，３４に鎖交する磁束の振幅の最大値を大きくできるので、鎖交磁束の変化を大きくできる。
【００５０】
そして、各主突極２６（磁極が固定された磁石）の磁界がステータ１２により生成される回転磁界（基本波成分）と相互作用して、吸引及び反発作用が生じる。このステータ１２により生成される回転磁界（基本波成分）と主突極２６（磁石）の磁界との電磁気相互作用（吸引及び反発作用）によっても、ロータ１４にトルク（磁石トルクに相当するトルク）を作用させることができ、ロータ１４がステータ１２で生成される回転磁界（基本波成分）に同期して回転駆動する。このように回転電機１０は、ステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗへの供給電力を利用してロータ１４に動力（機械的動力）を発生させる電動機として機能させることができる。
【００５１】
また、第１誘導巻線３０に流れる誘導電流と、第２誘導巻線３４に流れる誘導電流との位相はずれるので、第１誘導巻線３０と第２誘導巻線３４とに、それぞれ位相がずれた半波整流が生成される。これに対して、第１共通巻線３２と第２共通巻線３６とには、第１誘導巻線３０と第２誘導巻線３４とに流れる電流の和の大きさの電流が流れるので、例えば連続して大きな直流電流が流れるようになる。このため、各主突極２６に磁極が形成されやすくなり、ロータ１４のトルクを増大できる。
【００５２】
さらに、本実施の形態の回転電機１０によれば、ロータ１４は、各主突極２６の周方向両側面から突出し、磁性を有する補助突極４４を含むので、例えば本実施の形態のように、補助突極４４の先端部を根元部よりも径方向外側に位置させることにより、ステータ１２で生成される回転磁界に含まれ、ロータ巻線である誘導巻線３０，３４に鎖交する高調波成分、例えば、時間３次であり、空間２次の高調波成分を、補助突極４４により有効に増大させることができる。このため、誘導巻線３０，３４に鎖交する磁束の磁束密度の変化を大きくし、誘導巻線３０，３４に誘導される誘導電流を大きくできる。例えば、ステータ１２で生成される起磁力分布の高調波成分の多くの磁束をステータ１２のティース１８から補助突極４４を介して主突極２６へ誘導して、誘導巻線３０，３４に多くの磁束を鎖交させることができる。また、高調波成分の多くの磁束をティース１８から主突極２６を介して補助突極４４へ誘導して、誘導巻線３０，３４に多くの磁束を鎖交させることもできる。
【００５３】
しかも、主突極２６の周方向両側から突出する各補助突極４４は、主突極２６の周方向中央に関して互いに対称形状を有するので、ロータ１４の正回転時及び逆回転時の力行トルクを向上できる。例えば主突極２６の正回転方向後側面（図３の右側面）から片側の補助突極４４が突出しているので、正回転時の誘導磁束Ｑをこの片側の補助突極４４により主突極２６からステータ１２へ、またはステータ１２から主突極２６へ多く誘導できる。このため、正回転時に誘導巻線３０，３４に多くの磁束を鎖交させることができ、正回転時の力行トルクの向上を図れる。
【００５４】
同様に、主突極２６の正回転方向前側面（図３の左側面）から他側の補助突極４４が突出しているので、ロータ１４が図３の矢印αと逆方向に回転する、逆回転時の誘導磁束Ｑを他側の補助突極４４により主突極２６からステータ１２へ、またはステータ１２から主突極２６へ多く誘導できる。このため、逆回転時に誘導巻線３０，３４に多くの磁束を鎖交させることができ、逆回転時の力行トルクの向上を図れる。
【００５５】
また、本実施形態によれば、回転電機１０の正回転時において、回転電機１０を発電機として機能させる回生制動時に、ロータ１４が減速するが、この場合に主突極２６の正回転方向前側（図３の左側）の補助突極４４によりステータ１２から主突極２６へ、または主突極２６からステータ１２へ誘導磁束を誘導し、この誘導磁束により各主突極２６及び各ロータ巻線２８ｎ、２８ｓにより生成される電磁石の電磁力を高くできる。このため、回生トルクを向上させることができ、回生制動時の発電量を増大できる。なお、回生制動時には、例えばロータ１４の回転速度を検出し、その回転速度に対応する周波数で各相のステータ巻線２０ｕ、２０ｖ、２０ｗに交流電圧を印加することで回生制動時の発電電力を得ることができる。
【００５６】
また、ロータ１４の周方向に隣り合う主突極２６の間に形成されたロータスロット４６内で周方向に隣り合う補助突極４４は、ロータスロット４６内で連結されている。また、補助突極４４よりも径方向内側にロータ巻線２８ｎ、２８ｓの一部である共通巻線３２，３６が配置されている。このため、共通巻線３２，３６の遠心力に対する保持強度を向上できる。
【００５７】
また、補助突極４４の先端は、補助突極４４の根元よりもロータ１４の径方向外側に位置するので、ステータ１２から補助突極４４により主突極２６へ誘導する磁束を多くできる。これとともに、補助突極４４よりもロータ１４の径方向外側に配置されたロータ巻線である誘導巻線３０，３４に誘導電流を有効に生じさせることができ、ロータ巻線２８ｎ、２８ｓに生じる誘導電流を大きくでき、正回転時及び逆回転時の力行トルクのさらなる向上を図れるとともに、回生トルクのさらなる向上を図れる。次にこれらの効果を、図７，８にそれぞれ示す、比較例１，２と本実施の形態の回転電機１０との比較で説明する。
【００５８】
図７は、比較例１の回転電機を示す、図２に対応する図である。図７の比較例１では、図２の実施形態と異なり、各主突極２６の周方向両側面のいずれにも補助突極４４（図１等参照）を突出させていない。その他の構成は、上記の実施形態と同様である。このような比較例１では、図１〜６に示した補助突極４４がある本実施形態と異なり、ステータ１２（図１参照）で生成される回転磁界に含まれ、ロータ巻線である誘導巻線３０，３４に鎖交する高調波成分、例えば、時間３次であり、空間２次の高調波成分を、補助突極４４により有効に増大させることができない。このため、例えば、回転電機を電動機として使用する場合に、正回転時及び逆回転時のトルク向上及び回生トルクの向上の面から改良の余地がある。
【００５９】
また、図８は、比較例２の電磁石型回転電機を示す、図３に対応する図である。図８の比較例２では、図３の実施形態と異なり、各主突極２６の周方向片側面である、正回転方向（図８の矢印α方向）の後側面のみから補助突極４４が突出している。このため、主突極２６及び補助突極４４により一体形成され、ロータコア２４の径方向に突出する複数の突出部８４は、主突極２６の周方向中央に関して非対称形状を有する。このような比較例２では、上記の実施形態と異なり、主突極２６の正回転方向（図８の矢印α方向）前側から補助突極が突出していない。このため、回転電機１０の逆回転時及び回生制動時に、正回転方向前側の補助突極を用いて誘導巻線３０，３４に鎖交する誘導磁束を増大させることができず、逆回転時の力行トルク向上と回生トルクの向上とを図る面から改良の余地がある。
【００６０】
これに対して、上記の図３に示す実施形態では、主突極２６に対して周方向両側から磁性を有する補助突極４４が突出し、主突極２６の周方向両側から突出する各補助突極４４は、主突極２６の周方向中央に関して互いに対称形状を有する。このため、回転電機１０を電動機として使用する場合での、ロータ１４の正回転時及び逆回転時の力行トルクを向上できる。また、回転電機１０の回生トルクを向上できる。
【００６１】
また、ロータ巻線２８ｎ、２８ｓは、主突極２６の先端側に巻かれた誘導巻線３０，３４と、主突極２６の根元側に巻かれ、誘導巻線３０，３４に接続された共通巻線３２，３６とを含み、誘導巻線３０，３４は、ロータスロット４６内で補助突極４４に仕切られた空間の径方向外側空間に配置され、共通巻線３２，３６は、ロータスロット４６内で補助突極４４に仕切られた空間の径方向内側空間に配置される。このため、誘導巻線３０，３４及び共通巻線３２，３６のうち、誘導巻線３０，３４のみに変動磁束の多くが補助突極４４により鎖交するようになり、誘導巻線３０，３４に生じる誘導電流を増加できる。したがって、誘導巻線３０，３４の巻き数を減らしつつ、誘導巻線３０，３４に主に誘導電流を発生させる機能を有効に発揮させることができるとともに、共通巻線３２，３６の巻き数を多くして、共通巻線３２，３６に主に主突極２６を磁化する機能を有効に発揮させることができる。すなわち、誘導巻線３０，３４の巻き数を減らしても、所望の誘導電流を得るために必要な巻き数を確保でき、その巻き数を減らした分、共通巻線３２，３６の巻き数を多くできる。この結果、主突極２６に電磁石を形成しやすくなり、ロータ磁力を増加させ、回転電機１０を大型化することなく、回転電機１０のトルクの向上を図れる。また、共通巻線３２，３６に多くの磁束が鎖交するのを抑制できるので、損失を低減できる。また、ステータ巻線２０ｕ、２０ｖ、２０ｗに流すステータ電流を小さくしても所望のトルクを得られるので、銅損を低減でき、効率向上を図れる。この結果、回転電機１０のトルク及び効率を向上させることができる。
【００６２】
また、本実施の形態では、各ロータ巻線２８ｎ、２８ｓにおいて、ロータ１４の周方向に関する幅θを上記の（１）式で述べたように規制している。このため、ロータ巻線２８ｎ、２８ｓに発生する、回転磁界の空間高調波による誘導起電力を大きくすることができる。すなわち、空間高調波によるロータ巻線２８ｎ、２８ｓへの鎖交磁束の振幅（変動幅）は、周方向に関するロータ巻線２８ｎ、２８ｓの幅θにより影響を受ける。ここで、周方向に関するロータ巻線２８ｎ、２８ｓの幅θを変化させながら、ロータ巻線２８ｎ、２８ｓへの鎖交磁束の振幅（変動幅）を計算した結果を図９に示している。図９では、コイル幅θを電気角に換算して示している。図９に示すように、コイル幅θが１８０°から減少するにつれてロータ巻線２８ｎ、２８ｓへの鎖交磁束の変動幅が増大しているため、コイル幅θを１８０°よりも小さくする、すなわちロータ巻線２８ｎ、２８ｓを短節巻とすることで、全節巻と比較して、空間高調波による鎖交磁束の振幅を増大させることができる。
【００６３】
したがって、回転電機１０（図１）では、周方向に関する各主突極２６の幅を電気角で１８０°に相当する幅よりも小さくし、ロータ巻線２８ｎ、２８ｓを各主突極２６に短節巻で巻装することで、ロータ巻線２８ｎ、２８ｓに発生する空間高調波による誘導起電力を効率よく増大させることができる。この結果、ロータ１４に作用するトルクを効率よく増大させることができる。
【００６４】
さらに、図９に示すように、コイル幅θが９０°の場合に、空間高調波による鎖交磁束の振幅が最大となる。したがって、空間高調波によるロータ巻線２８ｎ、２８ｓへの鎖交磁束の振幅をより増大させるためには、周方向に関する各ロータ巻線２８ｎ、２８ｓの幅θがロータ１４の電気角で９０°に相当する幅に等しい（あるいはほぼ等しい）ことが好ましい。このため、ロータ１４の極対数をｐとし、ロータ１４の回転中心軸からロータ巻線２８ｎ、２８ｓまでの距離をｒとした場合に、周方向に関する各ロータ巻線２８ｎ、２８ｓの幅θは、以下の（２）式を満たす（あるいはほぼ満たす）ことが好ましい。
【００６５】
θ＝π×ｒ／（２×ｐ） （２）
【００６６】
このようにすることで、ロータ巻線２８ｎ、２８ｓに発生する空間高調波による誘導起電力を最大にすることができ、誘導電流により各主突極２６に発生する磁束を最も効率よく増大させることができる。この結果、ロータ１４に作用するトルクをより効率よく増大させることができる。すなわち、幅θが９０°に相当する幅を大きく超えると、互いに打ち消し合う方向の起磁力がロータ巻線２８ｎ、２８ｓに鎖交しやすくなるが、９０°に相当する幅よりも小さくなるのにしたがって、その可能性が低くなる。ただし、幅θが９０°に相当する幅よりも大きく減少すると、ロータ巻線２８ｎ、２８ｓに鎖交する起磁力の大きさが大きく低下する。このため、幅θを約９０°に相当する幅とすることでそのような不都合を防止できる。このため、周方向に関する各ロータ巻線２８ｎ、２８ｓの幅θは、電気角で９０°に相当する幅に略等しくすることが好ましい。
【００６７】
また、回転電機１０では、ステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗに流す交流電流の位相である、ロータ位置に対する電流進角を制御することで、ロータ１４のトルクを制御することもできる。さらに、ステータ巻線２０ｕ，２０ｖ，２０ｗに流す交流電流の振幅を制御することによって、ロータ１４のトルクを制御することもできる。また、ロータ１４の回転数を変化させてもロータ１４のトルクが変化するため、ロータ１４の回転数を制御することによって、ロータ１４のトルクを制御することもできる。
【００６８】
次に、図１０は、図１〜６の本実施の形態の回転電機（本発明）と、図７の補助突極がない構成（比較例１）の回転電機とにおいて、正回転方向の力行トルクと回生トルクとを比較した図である。比較例１の構成は、上記の図７を用いて説明したとおりである。図１０から明らかなように、図１〜６の主突極２６の両側から突出する各補助突極４４が主突極２６の周方向中央に関して互いに対称形状を有する、本実施の形態の回転電機１０では、比較例１の場合に比べて力行トルク及び回生トルクをいずれも向上できることを確認できた。
【００６９】
なお、上記の図４、図５Ａに示した構成では、ロータ１４の周方向に隣り合う２個の主突極２６を１組として、各組で１個の主突極２６に巻かれた第１誘導巻線３０の一端と、別の主突極２６に巻かれた第２誘導巻線３４の一端とを、２個の整流素子である第１ダイオード３８及び第２ダイオード４０を介して接続する場合を説明した。ただし、本実施形態では、図５Ｂのように構成することもできる。図５Ｂは、ロータ巻線に接続するダイオードの数を少なくした別例を示す、図５Ａに対応する図である。図５Ｂに示す別例では、本実施形態において、ロータのＮ極となる周方向１つおきの主突極２６（図３参照）の先端側に巻装した複数の第１誘導巻線３０同士を直列に接続することで第１誘導巻線組９０を形成し、ロータのＳ極となる周方向１つおきの主突極２６の先端側に巻装した複数の第２誘導巻線３４同士を直列に接続することで第２誘導巻線組９２を形成している。第１誘導巻線組９０及び第２誘導巻線組９２の一端は、互いに順方向が逆になる第１ダイオード３８及び第２ダイオード４０を介して、接続点Ｒで接続されている。
【００７０】
また、図５Ｂに示すように、ロータの周方向に隣り合うＮ極及びＳ極の２つの主突極２６（図３参照）を１組とした場合に、各組において第１共通巻線３２及び第２共通巻線３６同士を直列に接続することで共通巻線組４２を形成するとともに、全部の主突極２６に関する全部の共通巻線組４２同士を直列接続している。さらに、直列接続した複数の共通巻線組４２のうち、一端となる１つの共通巻線組４２の第１共通巻線３２の一端を接続点Ｒに接続し、他端となる別の共通巻線組４２の第２共通巻線３６の一端を、第１誘導巻線組９０及び第２誘導巻線組９２の接続点Ｒとは反対側の他端に接続している。このような構成では、上記の図４、図５Ａに示した構成と異なり、ロータに設けるダイオードの総数を第１ダイオード３８及び第２ダイオード４０の２つに減らすことができる。この場合でも各主突極２６の側面に補助突極４４（図３参照）を形成し、補助突極４４で仕切られた径方向外側と径方向内側との空間にそれぞれ誘導巻線３０，３４及び共通巻線３２，３６を配置することができる。
【００７１】
なお、上記の図１〜６の実施の形態において、ロータスロット４６内で周方向に隣り合う両側の補助突極４４同士の結合部７８は、ロータ１４及びステータ１２間の環状のギャップ空間Ｇ（図１参照）に径方向に近づける、すなわち径方向外側に設けることが好ましい。例えば、図１を参照して示すステータ１２のティース１８の先端から結合部７８の径方向外端までの径方向距離が、ギャップ空間Ｇの径方向寸法Ｄに対して２倍以内となるように結合部７８を、ギャップ空間Ｇに近づけることが好ましい。この構成によれば、ステータ１２からの磁束により結合部７８で磁束飽和を生じやすくなる。このため、各主突極２６にトルクに寄与しない磁束が流れるのを抑制し、より有効にトルクの向上を図れる。
【００７２】
例えば、図１〜６の構成のように、ロータスロット４６内で隣り合う補助突極４４同士を磁性材のみで一体に連結している場合には、主突極２６から外れたロータコア２４から、Ｎ極となる主突極２６、この主突極２６に結合された補助突極４４、この補助突極４４に結合された別の補助突極４４、この別の補助突極４４が結合されたＳ極となる主突極２６、及びロータコア２４に順に磁束が流れてループする磁気回路が形成される可能性がある。この場合、このループする磁気回路はトルクに寄与しない。また、このループする磁気回路に磁束が流れる分、主突極２６の磁束飽和が生じやすくなり、トルク向上の面から改良の余地がある。上記のように結合部７８をギャップ空間Ｇに近づける場合、結合部７８で磁束飽和が生じやすくなるので、このような不都合を防止でき、トルクのさらなる向上を図れる。
【００７３】
図１１は、補助突極４４の別例の第１例を示す、図１のＡ部拡大対応図である。図１１に示す構成では、各補助突極４４は、各主突極２６の周方向両側面から周方向に突出して、周方向に隣り合う補助突極４４同士で連結部８０で連結されている。また、ロータ１４は、連結部８０から径方向外側に突出し、磁性を有する径方向突極８２を備える。
【００７４】
このような図１１に示す構成では、図１〜６に示した構成の場合と異なり、補助突極４４の径方向外側に配置する誘導巻線３０（３４）の総断面積を大きくできる。このため、ロータ１４の径方向に関して補助突極４４よりも外側に多くのロータ巻線２８ｎ（２８ｓ）を配置しやすくなる。その他の構成及び作用は、図１〜６に示した実施形態と同様である。
【００７５】
次に、図１２は、本発明の別の実施の形態の回転電機において、補助突極４４の別例の第２例を示す、図１１の右側部分に対応する図である。図１２に示す構成では、上記の図１〜６に示した実施形態において、各補助突極４４の先端部に先端に向かうほど周方向に関する幅が大きくなる幅広先端部６２が設けられている。すなわち、各補助突極４４は幅広先端部６２を有し、幅広先端部６２は、ロータ１４の径方向外側に向かうほど周方向に関する幅が大きくなっている。また、周方向に隣り合う補助突極４４を、幅広先端部６２の先端部で結合している。幅広先端部６２のステータ１２に対向する先端面Ｐは、ステータ１２とロータ１４との間の環状のギャップ空間６４の周方向に沿う曲面またはこの曲面に接する平坦面としている。このような構成によれば、各補助突極４４の長さ方向の全体で周方向に関する幅を大きくすることなく、ステータ１２から空間高調波の必要な磁束成分、例えば空間２次の高調波成分を補助突極４４から主突極２６に効率よく誘導できる。このため、ロータ巻線２８ｎ（２８ｓ）の配置空間を過度に小さくすることなく、ステータ１２から空間高調波の必要な磁束成分を補助突極４４または主突極２６を通じて主突極２６または補助突極４４に効率よく誘導して、ロータ巻線２８ｎ（２８ｓ）に効率よく多くの磁束を鎖交させることができる。この結果、回転電機１０のトルク及び効率を有効に向上させることができる。その他の構成及び作用は、図１〜６に示した実施形態と同様である。
【００７６】
また、図１３は、本発明の別の実施の形態の回転電機において、補助突極４４の別例の第３例を示す、図１１の右側部分に対応する図である。図１３に示す構成では、補助突極４４の先端部だけでなく、中間部も周方向の幅を大きくしている。すなわち、補助突極の周方向に関する幅は、根元部から先端に向かうに従って徐々に大きくしている。また、補助突極４４の先端部に、ロータ１４の径方向外側に向かうほど周方向に関する幅が大きくなる幅広先端部６６が設けられている。このような構成の場合も、上記の図１２に示した構成と同様に、ロータ巻線２８ｎ（２８ｓ）の配置空間を過度に小さくすることなく、ステータ１２から空間高調波の必要な磁束成分を補助突極４４または主突極２６を通じて主突極２６または補助突極４４に効率よく誘導して、回転電機１０のトルク及び効率を有効に向上させることができる。その他の構成及び作用は、図１〜６に示した実施形態または図１２に示した構成と同様である。
【００７７】
また、図１４は、本発明の別の実施の形態の回転電機において、補助突極４４の別例の第４例を示す、図１１の右側部分に対応する図である。図１４に示す構成では、周方向に隣り合う補助突極４４の先端部同士を、板状の非磁性結合部８６を介して結合している。非磁性結合部８６は、チタン合金等の非磁性材料または略非磁性材料により形成されている。非磁性結合部８６は、補助突極４４の先端部の軸方向（図１４の表裏方向）に沿って設けられている。このため、ロータスロット４６内で周方向に隣り合う補助突極４４は、非磁性結合部８６を介して結合されている。このような構成によれば、各主突極２６にトルクに寄与しない磁束が流れるのを抑制し、より有効にトルクの向上を図れる。すなわち、上記の図１〜６に示した実施の形態では、隣り合う磁性を有する補助突極４４同士を直接に一体に連結しているが、この場合、上記のように、主突極２６から外れたロータコア２４（図３参照）から、Ｎ極となる主突極２６、この主突極２６に結合された補助突極４４、この補助突極４４に結合された別の補助突極４４、この別の補助突極４４が結合されたＳ極となる主突極２６、及びロータコア２４に順に磁束が流れてループする磁気回路が形成される可能性がある。このため、トルクに寄与する磁束の減少を有効に防止する面から改良の余地がある。図１４の構成によれば、このような点を改良できて、より有効にトルクの向上を図れる。その他の構成及び作用は、図１〜６に示した実施形態と同様である。
【００７８】
図１５は、本発明の別の実施の形態の回転電機において、ロータ１４及びステータ１２の周方向一部を示す概略断面図である。図１６は、図１５の回転電機において、ロータ巻線６８ｎ、６８ｓに流れる誘導電流により生成される磁束がロータ１４中に流れる様子を示す模式図である。図１５、図１６に示す構成では、各主突極２６に巻装するロータ巻線６８ｎ、６８ｓを、隣り合う別の主突極２６に巻装される別のロータ巻線６８ｓ、６８ｎに対して分断されるようにしている。すなわち、ロータ１４は、周方向に関して１つおきの主突極２６に複数の第１ロータ巻線６８ｎをそれぞれ集中巻きで巻線し、第１ロータ巻線６８ｎを巻線した主突極２６と隣り合う主突極２６であって、周方向１つおきの主突極２６に、複数の第２ロータ巻線６８ｓをそれぞれ集中巻きで巻線している。
【００７９】
また、複数の第１ロータ巻線６８ｎを直列接続した第１ロータ巻線回路７０に１つの第１ダイオード３８を接続し、複数の第２ロータ巻線６８ｓを直列接続した第２ロータ巻線回路７２に１つの第２ダイオード４０を接続している。すなわち、ロータ１４の周方向に１つおきに配置された複数の第１ロータ巻線６８ｎは、電気的に直列に接続され、かつ無端状に接続されるとともに、その間の一部に第１ダイオード３８が各第１ロータ巻線６８ｎと直列に接続され、第１ロータ巻線回路７０が構成されている。各第１ロータ巻線６８ｎは、同じ磁極（Ｎ極）として機能する主突極２６に巻装されている。
【００８０】
また、複数の第２ロータ巻線６８ｓは、電気的に直列に接続され、かつ無端状に接続されるとともに、その間の一部に第２ダイオード４０が各第２ロータ巻線６８ｓと直列に接続され、第２ロータ巻線回路７２が構成されている。各第２ロータ巻線６８ｓは、同じ磁極（Ｓ極）として機能する主突極２６に巻装されている。また、周方向に隣り合う（異なる磁極の磁石が形成される）主突極２６に巻装されたロータ巻線６８ｎ、６８ｓは、互いに電気的に分断されている。
【００８１】
また、ロータ１４の周方向に隣り合う主突極２６同士で、異なる磁極の磁石が形成されるように、各ダイオード３８，４０によるロータ巻線６８ｎ、６８ｓの電流の整流方向を互いに逆にしている。すなわち、周方向において隣り合うように配置された第１ロータ巻線６８ｎと第２ロータ巻線６８ｓとで流れる電流の向き（ダイオード３８，４０による整流方向）、すなわち順方向が互いに逆になるようにダイオード３８，４０がロータ巻線６８ｎ、６８ｓに接続されている。ダイオード３８，４０は、互いに逆向きでロータ巻線６８ｎ、６８ｓに接続されている。
【００８２】
また、各ダイオード３８，４０は、ステータ１２で生成される空間高調波を含む回転磁界による誘導起電力の発生により、対応するロータ巻線６８ｎ、６８ｓに流れる電流を整流することで、ロータ１４の周方向に隣り合うロータ巻線６８ｎ、６８ｓに流れる電流の位相を、Ａ相とＢ相とに交互に異ならせている。ダイオード３８，４０は、誘導起電力の発生により、対応するロータ巻線６８ｎ、６８ｓに流れる電流を独立して整流し、各ロータ巻線６８ｎ、６８ｓに流れる電流により生成される周方向複数個所の主突極２６の磁気特性を周方向に交互に異ならせている。この構成では、ダイオード３８，４０の数を全体で２つに減らすことができ、ロータ１４の巻線構造を簡略化することができる。
【００８３】
さらに、各主突極２６の周方向両側面に補助突極４４を突出させ、周方向に隣り合う補助突極４４を一体的に形成している。また、各主突極２６に巻かれたロータ巻線６８ｎ、６８ｓを補助突極４４で先端側と根元側とに分けているが、ロータ巻線６８ｎ、６８ｓの先端側及び根元側同士は直列に接続されている。なお、図示の例では、補助突極４４は、主突極２６の周方向側面に周方向に対し傾斜する方向に突出形成しているが、上記の図１１に示した構成のように、補助突極４４を周方向両側面に周方向に突出させ、連結部８０から径方向突極８２を突出させることもできる。また、図１２、図１３に示した構成のように、補助突極４４の先端部の周方向の幅を大きくすることもできる。図１５、図１６に示した構成の場合も、ロータ巻線６８ｎ、６８ｓの遠心力に対する保持強度を向上できるとともに、正回転時及び逆回転時の力行トルクを向上できるとともに、回生トルクを向上できる。その他の構成及び作用は、上記の図１〜６に示した実施形態と同様である。
【００８４】
また、図１７に示すように、各主突極２６に巻装されたロータ巻線６８ｎ、６８ｓごとにそれぞれ１つずつ第１ダイオード３８または第２ダイオード４０を短絡するように接続することもできる。その他の構成及び作用は、上記の図１〜６に示した構成、または上記の図１５、図１６に示した構成と同様である。
【００８５】
また、上記の各実施形態では、ロータスロット４６内で周方向に隣り合う補助突極４４同士を一体形成した場合を説明したが、本発明はこれに限定するものではない。例えば、図１８は、本発明の別の実施の形態の電磁石型回転電機を示す、図３に対応する図である。図１８に示す実施形態では、上記の図１〜６に示した実施形態において、各主突極２６の周方向両側面から径方向外側に向かうように周方向に対し傾斜し、磁性を有する補助突極４４をそれぞれ突出させている。また、ロータスロット４６内で周方向に隣り合う補助突極４４同士の先端部を結合せず、互いに分離している。また、各主突極２６の周方向両側面から突出する各補助突極４４は、主突極２６の周方向中央に関して互いに対称形状を有する。
【００８６】
このような図１８に示す構成の場合には、ロータスロット４６内で周方向に隣り合う補助突極４４同士が一体形成されていないので、上記の各実施形態よりもロータ巻線６８ｎ、６８ｓの遠心力に対する保持強度が劣る可能性はあるが、上記の各実施形態と同様に、正回転時及び逆回転時の力行トルクを向上できるとともに、回生トルクを向上できる。その他の構成及び作用は、上記の図１〜６に示した実施形態と同様である。
【００８７】
なお、図１８の実施形態において、各補助突極４４の形状は、図示の形状に限定するものではなく、例えば、各主突極２６の周方向両側面から補助突極を周方向に突出させ、突出した部分の長さ方向中間部で径方向外側に向かうように曲げられている構成とすることもできる。また、各補助突極の根元部よりも径方向外側に配置された先端部に、図１２、図１３の構成と同様に、周方向に関する幅が大きくなる幅広先端部を設けることもできる。
【００８８】
なお、図示は省略するが、上記の図６に示した回転電機駆動システム５０において、回転電機１０のｑ軸電流またはｄ軸電流にパルス電流を周期的に重畳させることにより、回転電機１０のさらなるトルク増大を図るこもできる。ｑ軸電流にパルス電流を重畳させる場合、パルス状に減少してから増大する減少パルス電流を重畳させることが、インバータ５２の小型化等を図る面から好ましい。ｄ軸電流にパルス電流を重畳させる場合、パルス状に増大してから減少する増加パルス電流を重畳させることが、トルク増大の面から好ましい。ｄ軸電流に増加パルス電流を重畳させるのと同時にｑ軸電流に減少パルス電流を重畳させることもできる。なお、ｄ軸とは、回転電機１０の周方向に関してロータ巻線２８ｎ、２８ｓ（または６８ｎ、６８ｓ）の巻回中心軸方向である磁極方向をいい、ｑ軸とはｄ軸に対し電気角で９０度進んだ方向をいう。例えば、上記の図１、図１５に示すようにロータ１４の正回転の回転方向が規定される場合、ｄ軸方向、ｑ軸方向は、図１、図１５にそれぞれ矢印で示したような関係で規定される。
【００８９】
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。例えば、上記では、ステータの径方向内側にロータが対向配置された場合を説明したが、ステータの径方向外側にロータが対向配置された構成でも本発明を実施できる。また、ステータ巻線はステータに集中巻きで巻線する場合を説明したが、例えばステータで空間高調波を含む回転磁界を生成できるのであればステータにステータ巻線を分布巻きで巻線する構成でも本発明を実施できる。また、上記の各実施形態では、磁気特性調整部をダイオードとした場合を説明したが、ロータ巻線に発生する誘導起電力によって前記複数の主突極に生じる磁気特性を周方向で異ならせる機能を有するものであれば、他の構成を採用することもできる。また、本発明では、例えばアキシャルギャップ型の回転電機等の構成を採用することもできる。
【符号の説明】
【００９０】
１０ 電磁石型回転電機、１２ ステータ、１４ ロータ、１６ ステータコア、１８ ティース、２０ｕ，２０ｖ，２０ｗ ステータ巻線、２２ ステータスロット、２４ ロータコア、２６ 主突極、２８ｎ 第１ロータ巻線、２８ｓ 第２ロータ巻線、３０ 第１誘導巻線、３２ 第１共通巻線、３４ 第２誘導巻線、３６ 第２共通巻線、３８ 第１ダイオード、４０ 第２ダイオード、４２ 共通巻線組、４４，４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄ 補助突極、４６ ロータスロット、４８ 鍔部、５０ 回転電機駆動システム、５２ インバータ、５４ 制御装置、５６ 蓄電装置、５８ コンデンサ、６０ 電流センサ、６２ 幅広先端部、６６ 幅広先端部、６８ｎ 第１ロータ巻線、６８ｓ 第２ロータ巻線、７０ 第１ロータ巻線回路、７２ 第２ロータ巻線回路、７４ 根元側板部、７６ 先端側板部、７８ 結合部、８０ 連結部、８２ 径方向突極、８４ 突出部、８６ 非磁性結合部、９０ 第１誘導巻線組、９２ 第２誘導巻線組。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータとロータとが対向配置された電磁石型回転電機であって、
前記ステータは、ステータコアと、前記ステータコアの周方向複数個所に配置されたティースと、少なくとも前記ステータコアまたは前記ティースに巻かれて、回転磁界を生じさせる複数相のステータ巻線とを含み、
前記ロータは、ロータコアと、前記ロータコアの周方向複数個所に配置された主突極と、前記各主突極に巻かれた複数のロータ巻線と、前記各ロータ巻線に発生する誘導起電力によって前記複数の主突極に生じる磁気特性を、周方向に交互に異ならせる磁気特性調整部とを含み、
さらに、前記ロータは、前記各主突極の周方向両側面から突出し、磁性を有する補助突極を含み、
前記主突極の周方向両側から突出する前記各補助突極は、前記主突極の周方向中央に関して互いに対称形状を有することを特徴とする電磁石型回転電機。
【請求項２】
請求項１に記載の電磁石型回転電機において、
前記各ロータ巻線は、前記磁気特性調整部である整流素子に接続され、前記整流素子は、誘導起電力の発生により前記各ロータ巻線に流れる電流を整流することで、前記周方向に隣り合う前記各ロータ巻線に流れる電流の位相を、Ａ相とＢ相とに交互に異ならせていることを特徴とする電磁石型回転電機。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の電磁石型回転電機において、
前記補助突極の先端は、前記補助突極の根元よりもロータの径方向外側に位置することを特徴とする電磁石型回転電機。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１に記載の電磁石型回転電機において、
前記ロータの周方向に隣り合う前記主突極の間に形成されたロータスロット内で周方向に隣り合う前記補助突極は、前記ロータスロット内で連結されており、前記補助突極よりも径方向内側に前記ロータ巻線の少なくとも一部が配置されていることを特徴とする電磁石型回転電機。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１に記載の電磁石型回転電機において、
前記複数のロータ巻線は、前記各主突極の本体部の先端側に巻かれ、誘導電流を発生させる誘導巻線と、前記各主突極の前記誘導巻線よりも根元側に巻かれ、前記誘導巻線に接続され、電磁石として機能する共通巻線とを含むことを特徴とする電磁石型回転電機。
【請求項６】
請求項５に記載の電磁石型回転電機において、
前記ロータ巻線は、
前記複数の主突極のうち、周方向１つおきの主突極の先端側に巻装された前記誘導巻線である第１誘導巻線と、前記第１誘導巻線が巻装された主突極と隣り合う別の主突極の先端側に巻装された前記誘導巻線である第２誘導巻線と、前記第１誘導巻線が巻装された主突極の根元側に巻装された前記共通巻線である第１共通巻線と、前記第２誘導巻線が巻装された主突極の根元側に巻装された前記共通巻線である第２共通巻線とを含み、
前記第１誘導巻線と前記第２誘導巻線とが互いに逆向きの前記磁気特性調整部である整流素子を介して接続点で接続され、前記接続点と前記第１誘導巻線及び前記第２誘導巻線との間に、前記第１共通巻線及び前記第２共通巻線が直列に接続されることにより形成される共通巻線組が接続されていることを特徴とする電磁石型回転電機。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１に記載の電磁石型回転電機において、
前記各ロータ巻線の前記ロータの周方向に関する幅は、電気角で１８０°に相当する幅よりも短くしていることを特徴とする電磁石型回転電機。
【請求項１】
ステータとロータとが対向配置された電磁石型回転電機であって、
前記ステータは、ステータコアと、前記ステータコアの周方向複数個所に配置されたティースと、少なくとも前記ステータコアまたは前記ティースに巻かれて、回転磁界を生じさせる複数相のステータ巻線とを含み、
前記ロータは、ロータコアと、前記ロータコアの周方向複数個所に配置された主突極と、前記各主突極に巻かれた複数のロータ巻線と、前記各ロータ巻線に発生する誘導起電力によって前記複数の主突極に生じる磁気特性を、周方向に交互に異ならせる磁気特性調整部とを含み、
さらに、前記ロータは、前記各主突極の周方向両側面から突出し、磁性を有する補助突極を含み、
前記主突極の周方向両側から突出する前記各補助突極は、前記主突極の周方向中央に関して互いに対称形状を有することを特徴とする電磁石型回転電機。
【請求項２】
請求項１に記載の電磁石型回転電機において、
前記各ロータ巻線は、前記磁気特性調整部である整流素子に接続され、前記整流素子は、誘導起電力の発生により前記各ロータ巻線に流れる電流を整流することで、前記周方向に隣り合う前記各ロータ巻線に流れる電流の位相を、Ａ相とＢ相とに交互に異ならせていることを特徴とする電磁石型回転電機。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の電磁石型回転電機において、
前記補助突極の先端は、前記補助突極の根元よりもロータの径方向外側に位置することを特徴とする電磁石型回転電機。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１に記載の電磁石型回転電機において、
前記ロータの周方向に隣り合う前記主突極の間に形成されたロータスロット内で周方向に隣り合う前記補助突極は、前記ロータスロット内で連結されており、前記補助突極よりも径方向内側に前記ロータ巻線の少なくとも一部が配置されていることを特徴とする電磁石型回転電機。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１に記載の電磁石型回転電機において、
前記複数のロータ巻線は、前記各主突極の本体部の先端側に巻かれ、誘導電流を発生させる誘導巻線と、前記各主突極の前記誘導巻線よりも根元側に巻かれ、前記誘導巻線に接続され、電磁石として機能する共通巻線とを含むことを特徴とする電磁石型回転電機。
【請求項６】
請求項５に記載の電磁石型回転電機において、
前記ロータ巻線は、
前記複数の主突極のうち、周方向１つおきの主突極の先端側に巻装された前記誘導巻線である第１誘導巻線と、前記第１誘導巻線が巻装された主突極と隣り合う別の主突極の先端側に巻装された前記誘導巻線である第２誘導巻線と、前記第１誘導巻線が巻装された主突極の根元側に巻装された前記共通巻線である第１共通巻線と、前記第２誘導巻線が巻装された主突極の根元側に巻装された前記共通巻線である第２共通巻線とを含み、
前記第１誘導巻線と前記第２誘導巻線とが互いに逆向きの前記磁気特性調整部である整流素子を介して接続点で接続され、前記接続点と前記第１誘導巻線及び前記第２誘導巻線との間に、前記第１共通巻線及び前記第２共通巻線が直列に接続されることにより形成される共通巻線組が接続されていることを特徴とする電磁石型回転電機。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１に記載の電磁石型回転電機において、
前記各ロータ巻線の前記ロータの周方向に関する幅は、電気角で１８０°に相当する幅よりも短くしていることを特徴とする電磁石型回転電機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２０１３−５５７５（Ｐ２０１３−５５７５Ａ）
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３３８９３（Ｐ２０１１−１３３８９３）
【出願日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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