JP6805835B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機に関する。

従来、ステータと、ロータと、を備える回転電機が知られている（例えば、特許文献１など）。特許文献１記載の回転電機において、ロータは、界磁コアと、界磁巻線と、永久磁石と、を備えている。界磁コアは、回転軸に固定される筒状のボス部と、ボス部の軸方向端部から径方向外側に広がるディスク部と、ディスク部の径方向先端から軸方向に延在し、ボス部の径方向外側に配置される爪状磁極部と、を有している。爪状磁極部は、回転軸回りに所定角度ごとに設けられており、回転周方向に交互に異なる極性の磁極が形成されるように複数設けられている。界磁巻線は、ボス部と爪状磁極部との間に配置されており、通電により起磁力を発生する。また、永久磁石は、回転周方向に隣接する２つの爪状磁極部の間に磁化容易軸が回転周方向に向けられて配置されており、その永久磁石の磁極は、界磁巻線の起磁力により回転周方向に隣接する２つの爪状磁極部に現れる極性と一致するように形成されている。

永久磁石は、ステータに鎖交する磁束が流れる第１磁石磁気回路と、ボス部を通りロータ内で磁束の流れが完結する第２磁石磁気回路との２つの磁石磁気回路を形成する。また、ロータに負荷がかけられたときすなわち界磁巻線に界磁電流が通電されたとき、界磁巻線の起磁力により形成される磁束が界磁コアのボス部、ディスク部、一対の爪状磁極部、ステータコアを経由して流れるｄ軸磁気回路が形成される。上記２つの磁石磁気回路のうち第２磁石磁気回路を流れる磁石磁束は、ｄ軸磁気回路の磁束と逆方向に流れるので、抵抗が大きく流れ難い状態になる。

ｄ軸磁気回路のパーミアンスＰｒｔ及びｑ軸磁気回路のパーミアンスＰｓｔがＰｓｔ＞Ｐｒｔの関係が成立するように設定されれば、上記第１磁石磁気回路を流れる磁石磁束が増大するので、永久磁石の磁石磁束を有効利用して発電能力を大幅に向上させることが可能である。この具体的な実現手段としては、爪状磁極部及びディスク部を一体として第１軟磁性材料により形成すると共に、ボス部を爪状磁極部及びディスク部とは別体で上記の第１軟磁性材料に比してパーミアンス係数の小さな第２軟磁性材料により形成することが考えられる。この場合、ロータコアは、爪状磁極部及びディスク部が一体化されたポール部材の一対とボス部材とを合わせた３ピース構造となり、回転軸を貫通させて支持固定している。或いは、爪状磁極部、ディスク部、及びボス部を同一の軟磁性材料により一体形成したものを２ピース突き合わせたうえで、ボス部若しくはディスク部の一部若しくは全部を細くして磁路断面積を小さくして磁束飽和し易くすることが考えられる。これらの手法によれば、永久磁石の磁石磁束が、ボス部側を通過し難くなり、ステータに鎖交し易くなる。

特開平４−２５５４５１号公報

ところで、界磁コアのディスク部は、ロータの高速回転により発生する爪状磁極部及び永久磁石に作用する遠心力に耐え得る支持機能を有するものである。しかし、上記の３ピース構造のロータコアでは、ディスク部の保持が回転軸にのみ依存することとなるので、ディスク部の剛性が低下して爪状磁極部及び永久磁石の遠心力に耐えられなくなるおそれがある。また、ボス部やディスク部の磁路断面積が小さい場合も、そのディスク部の剛性が低下して爪状磁極部及び永久磁石の遠心力に耐えられなくなるおそれがある。更に、ボス径が小さいと、ディスク部の径方向長が伸びて遠心力による曲げモーメントが大きくなり、やはり遠心力に対する耐性が低下してしまう。

このため、回転電機の運用面では、フェールセーフのため、最高回転数を低く抑え、或いは、ロータ界磁コアとステータとの干渉防止のためステータとロータとの空隙距離を拡大することが考えられるが、これでは、回転電機の性能低下や大型化を招いてしまう。

本発明は、爪状磁極部及び永久磁石の遠心力に対する耐性を向上させることで、性能低下や大型化を回避した回転電機を提供することを目的とする。

本発明は、ステータコアにステータ巻線が巻装されている環状のステータと、前記ステータに対して径方向内側に対向して配置されるロータと、を備える回転電機であって、前記ロータは、回転軸に固定される筒状のボス部と、前記ボス部の軸方向端部から径方向外側に広がるディスク部と、前記ディスク部の径方向先端部から軸方向に延在し、前記ボス部の径方向外側に配置され、回転周方向に交互に異なる極性の磁極が形成される複数の爪状磁極部と、を有する界磁コアと、前記ボス部と前記爪状磁極部との間に配置され、通電により起磁力を発生する界磁巻線と、回転周方向に隣接する２つの前記爪状磁極部の間に磁化容易軸が回転周方向に向けられて配置され、前記界磁巻線の起磁力により該２つの前記爪状磁極部に現れる極性と一致するように磁極が形成されている永久磁石と、前記爪状磁極部における前記ボス部に対向する内周側部位に固定され、前記爪状磁極部を内周側から支持する環状の固定部材と、を備え、前記界磁巻線の起磁力により形成される磁束が前記ボス部、前記ディスク部、一対の前記爪状磁極部、及び前記ステータコアを経由して流れるｄ軸磁気回路と、前記永久磁石の磁力により形成される磁束が流れる磁石磁気回路と、は少なくとも一部で互いに共通した共通回路部を有し、前記ロータの負荷時、前記ｄ軸磁気回路のパーミアンスは、前記ステータ巻線の通電時に形成される磁束がｄ軸に対して電気角で９０°ずれた位置にあるｑ軸を通るｑ軸磁気回路のパーミアンスに比べて小さく、前記界磁コアは、第１材料と前記第１材料に比べて飽和磁束密度が低い第２材料とにより形成されており、前記爪状磁極部は、前記第１材料により形成され、前記ボス部及び前記ディスク部は、前記第２材料により形成されている、回転電機である。

この構成によれば、回転周方向に隣接する爪状磁極部の間に配置された永久磁石の磁力により、ステータに鎖交する磁束が流れる磁石磁気回路と、ボス部を通りロータ内で完結する磁束が流れる磁石磁気回路との２つの磁石磁気回路が形成される。そして、ロータに負荷が掛けられた時、すなわち、界磁巻線に界磁電流が通電された時に、界磁巻線の起磁力により形成される磁束が界磁コアのボス部、一対の爪状磁極部及びステータコアを経由して流れるｄ軸磁気回路が形成される。このとき、２つの磁石磁気回路のうちステータに鎖交する磁束が流れる磁石磁気回路を流れる磁石磁束は、ｄ軸磁気回路の磁束と逆方向に流れているので、抵抗が大きく流れ難い状態となる。また、ｄ軸磁気回路のパーミアンスＰｒｔは、ｑ軸磁気回路のパーミアンスＰｓｔに比べて小さいため、２つの磁石磁気回路のうちステータに鎖交する磁束が流れる磁石磁気回路の磁石磁束が増大する。これにより、磁石磁束を有効活用して、発電能力を大幅に向上させることができる。また、ロータの有する各爪状磁極部におけるボス部に対向する内周側部位に環状の固定部材が固定されているため、その固定部材により、ロータの回転時に生じる遠心力などによって界磁コアの爪状磁極部が径方向外側に向けて移動する変形を抑えることができる。これにより、爪状磁極部及び永久磁石の遠心力に対する耐性を向上させることができ、性能低下及び大型化を回避することができる。

上記した回転電機において、前記ｄ軸磁気回路のパーミアンスＰｒｔ及び前記ｑ軸磁気回路のパーミアンスＰｓｔは、前記ロータの負荷時において、Ｐｓｔ：Ｐｒｔ＝２ｎ（但し、ｎは１以上の実数である。）：１の関係が成立するように設定されている。この構成によれば、ランデル型ロータへの負荷時の態様をＩＰＭ型ロータの態様に近付けることができ、ｑ軸インダクタンスＬｑとｄ軸インダクタンスＬｄとの比（＝Ｌｑ／Ｌｄ）である突極比ρを２以上にできる。これにより、ランデル型ロータであっても、ＩＰＭ型ロータ並のリラクタンストルクを出すことが可能である。

本発明は、ステータコアにステータ巻線が巻装されている環状のステータと、前記ステータに対して径方向内側に対向して配置されるロータと、を備える回転電機であって、前記ロータは、回転軸に固定される筒状のボス部と、前記ボス部の軸方向端部から径方向外側に広がるディスク部と、前記ディスク部の径方向先端部から軸方向に延在し、前記ボス部の径方向外側に配置され、回転周方向に交互に異なる極性の磁極が形成される複数の爪状磁極部と、を有する界磁コアと、前記ボス部と前記爪状磁極部との間に配置され、通電により起磁力を発生する界磁巻線と、回転周方向に隣接する２つの前記爪状磁極部の間に磁化容易軸が回転周方向に向けられて配置され、前記界磁巻線の起磁力により該２つの前記爪状磁極部に現れる極性と一致するように磁極が形成されている永久磁石と、前記爪状磁極部における前記ボス部に対向する内周側部位に固定され、前記爪状磁極部を内周側から支持する環状の固定部材と、を備え、前記爪状磁極部の外周面の表面積Ａｓ及び前記ボス部の一対のＮＳ磁極当たりの磁路断面積Ａｂは、０．９＜Ａｓ／Ａｂ＜１．７の関係が成立するように設定されており、前記界磁コアは、第１材料と前記第１材料に比べて飽和磁束密度が低い第２材料とにより形成されており、前記爪状磁極部は、前記第１材料により形成され、前記ボス部及び前記ディスク部は、前記第２材料により形成されている、回転電機である。

この構成によれば、固定部材が爪状磁極部を内周側から支持しているので、ボス部の磁路断面積Ａｂが従来よりも小さく、爪状磁極部及び永久磁石が及ぼす遠心力に対するボス部の剛性が劣っていても、爪状磁極部が径方向外側に広がる変形を抑えることができる。この状態において、以下の作用が生じてもロータの遠心力による変形を抑止できる。また、爪状磁極部の外周面の表面積Ａｓ及びボス部の一対のＮＳ磁極当たりの磁路断面積Ａｂは、０．９＜Ａｓ／Ａｂ＜１．７の関係が成立するように設定されているため、回転周方向に隣接する爪状磁極部の間に配置された永久磁石により形成される磁石磁気回路のうち、ステータに鎖交する磁束が流れる磁石磁気回路の磁石磁束を増大させることができる。これにより、磁石磁束を有効活用して、発電能力を大幅に向上させることができる。また、従来では隣接する爪状磁極部間の磁束の整流や漏れ防止を目的に使われていた永久磁石を、ＰＭ型ロータの永久磁石の如く使用しており、漏れ防止ではなく、純粋な磁束アップ、即ち、トルクアップ源や出力アップ源として扱うことができる。

上記した回転電機において、前記ボス部の外径Ｄｂ及び前記ロータの外径Ｄｒは、０．４６＜Ｄｂ／Ｄｒ＜０．５３の関係が成立するように設定されている。この構成によれば、ボス部断面積Ａｂが、磁石磁力のボス磁力に対する反作用を最大限に考慮されて決められた範囲であり、その時の磁石磁力による反作用を弾き返せるだけのボス部の磁力が界磁コアに働いている時に、ボス部の総磁力及び磁石の総磁力をステータ側に伝えることができる。

本発明は、ステータコアにステータ巻線が巻装されている環状のステータと、前記ステータに対して径方向内側に対向して配置されるロータと、を備える回転電機であって、前記ロータは、回転軸に固定される筒状のボス部と、前記ボス部の軸方向端部から径方向外側に広がるディスク部と、前記ディスク部の径方向先端部から軸方向に延在し、前記ボス部の径方向外側に配置され、回転周方向に交互に異なる極性の磁極が形成される複数の爪状磁極部と、を有する界磁コアと、前記ボス部と前記爪状磁極部との間に配置され、通電により起磁力を発生する界磁巻線と、回転周方向に隣接する２つの前記爪状磁極部の間に磁化容易軸が回転周方向に向けられて配置され、前記界磁巻線の起磁力により該２つの前記爪状磁極部に現れる極性と一致するように磁極が形成されている永久磁石と、前記爪状磁極部における前記ボス部に対向する内周側部位に固定され、前記爪状磁極部を内周側から支持する環状の固定部材と、を備え、前記爪状磁極部の外周面の表面積Ａｓ及び前記ディスク部の磁路断面積Ａｄは、０．９＜Ａｓ／Ａｄ＜１．７の関係が成立するように設定されており、前記界磁コアは、第１材料と前記第１材料に比べて飽和磁束密度が低い第２材料とにより形成されており、前記爪状磁極部は、前記第１材料により形成され、前記ボス部及び前記ディスク部は、前記第２材料により形成されている、回転電機である。

この構成によれば、固定部材が爪状磁極部を内周側から支持しているので、ディスク部の磁路断面積Ａｄが従来よりも小さく、爪状磁極部及び永久磁石が及ぼす遠心力に対するディスク部の剛性が劣っていても、爪状磁極部が径方向外側に広がる変形を抑えることができる。この状態において、以下の作用が生じてもロータの遠心力による変形を抑止できる。また、爪状磁極部の外周面の表面積Ａｓ及びディスク部の磁路断面積Ａｄは、０．９＜Ａｓ／Ａｄ＜１．７の関係が成立するように設定されているため、回転周方向に隣接する爪状磁極部の間に配置された永久磁石により形成される磁石磁気回路のうち、ステータに鎖交する磁束が流れる磁石磁気回路の磁石磁束を増大させることができる。これにより、磁石磁束を有効活用して、発電能力を大幅に向上させることができる。また、従来では隣接する爪状磁極部間の磁束の整流や漏れ防止を目的に使われていた永久磁石を、ＰＭ型ロータの永久磁石の如く使用しており、漏れ防止ではなく、純粋な磁束アップ、即ち、トルクアップ源や出力アップ源として扱うことができる。

上記した回転電機において、前記永久磁石の残留磁束密度が１［Ｔ］以上である。この構成によれば、上記した作用効果を一層効果的に発揮させることができる。

上記した回転電機において、前記ボス部の一対のＮＳ磁極当たりの磁路断面積Ａｂ、前記ボス部に５０００［Ａ／ｍ］の界磁が加えられた際の磁束密度Ｂ５０、前記永久磁石の残留磁束密度Ｂｒ、及び前記永久磁石の磁路断面積Ａｍは、２×Ｂｒ×Ａｍ＜Ｂ５０×Ａｂの関係が成立するように設定されている。この構成によれば、永久磁石の発生磁力がｄ軸磁気回路により吸収されることが可能となるので、逆起電力を下げ、無通電時の高速回転状態における発電電力を抑えることができる。

これらの発明の構成によれば、爪状磁極部及びディスク部よりもボス部が早めに磁束飽和し、ＩＰＭ型ロータの磁束特性の挙動に変化し易くなるので、発電能力の向上をより確実に達成することができる。

上記した回転電機において、前記第２材料は、前記第１材料に比べて透磁率が高い材料である。この構成によれば、ロータへの無負荷時において、逆起電力の吸収能力を高めることができる。

上記した回転電機において、前記固定部材は、前記爪状磁極部に固定される固定部の外径が回転周方向全域において一致するように円環状に形成されている。この構成によれば、固定部材の形状を簡素化することができると共に、固定部材を爪状磁極部に固定するうえでの作業性を容易化することができる。

本発明の一実施形態に係る回転電機を軸線を含む面で切断した際の断面図である。 本実施形態の回転電機が備えるロータの斜視図である。 本実施形態の回転電機が備えるロータの諸寸法を表した、軸線を含む面で切断したロータの斜視図である。 本実施形態の回転電機が備えるロータ及びステータの諸寸法を表した断面図である。 本実施形態の回転電機が備えるロータの有する固定部材の斜視図である。 本実施形態の回転電機が備えるロータの爪状磁極部の諸寸法を表した側面図である。 本実施形態の回転電機が備えるロータ及びステータの諸寸法を表した断面図である。 本実施形態の回転電機において形成されるｄ軸磁気回路及びｑ軸磁気回路を表した図である。 本実施形態の回転電機において形成されるｄ軸磁気回路の界磁コア側での磁束の流れを表した図である。 本実施形態の回転電機におけるロータの突極比をランデル型ロータ及びＩＰＭ型ロータそれぞれの突極比ρと比較した図である。 本実施形態の回転電機において永久磁石により形成される２つの磁石磁気回路を表した図である。 本実施形態の回転電機における、爪状磁極部の表面積Ａｓとボス部の磁路断面積Ａｂとの比（＝Ａｓ／Ａｂ）と、ステータ負荷時の鎖交磁束量との関係を表した図である。 本実施形態の回転電機における、ボス部の外径Ｄｂとロータの外径Ｄｒとの比（＝Ｄｂ／Ｄｒ）と、ステータ負荷時の鎖交磁束量との関係を表した図である。 本実施形態の回転電機における、爪状磁極部の表面積Ａｓとボス部の磁路断面積Ａｂとの比（＝Ａｓ／Ａｂ）と、ボス部の外径Ｄｂとロータの外径Ｄｒとの比（＝Ｄｂ／Ｄｒ）との関係を表した図である。 本発明の変形形態に係る回転電機において形成される磁石磁気回路の磁束の流れを表した図である。

以下、本発明に係る回転電機の具体的な実施形態について、図１〜図１５を参照しつつ説明する。

本実施形態において、回転電機１は、例えば、車両などに搭載されており、バッテリなどの電源から電力が供給されることで車両を駆動するための駆動力を発生すると共に、車両のエンジンから動力が供給されることでバッテリを充電するための電力を発生する車両用発電電動機である。回転電機１は、図１に示す如く、ハウジング１０と、ステータ２０と、ロータ３０と、界磁巻線給電装置４０と、整流装置５０と、を備えている。

ハウジング１０は、フロントハウジング１１と、リアハウジング１２と、を有している。フロントハウジング１１及びリアハウジング１２はそれぞれ、一端が開口した有底円筒状に形成されている。フロントハウジング１１及びリアハウジング１２は、開口部同士が接合された状態でボルト１３により締結されている。

ステータ２０は、ステータコア２１と、ステータ巻線２２と、を有している。ステータコア２１は、円環状に形成されている。ステータコア２１は、ティース２３と、スロット２４と、を有している。ティース２３は、円環部の径方向内面から径方向内側に向けて延びており、回転周回りに複数配置されている。スロット２４は、回転周方向に隣接する２つのティース２３の間に設けられた孔部である。ステータコア２１は、フロントハウジング１１及びリアハウジング１２により軸方向に挟持されつつその内周壁面に固定されている。

ステータ巻線２２は、ステータコア２１（具体的には、そのティース２３）に巻装されている。ステータ巻線２２は、ステータコア２１のスロット２４に収容される直線状のスロット収容部と、ステータコア２１の軸方向端から軸方向外側に突出する湾曲状のコイルエンド部と、を有している。ステータ巻線２２は、回転電機１の相数に対応した数だけ設けられた多相巻線（例えば三相の相巻線）である。ステータ巻線２２の各相巻線はそれぞれ、インバータ装置に接続されている。各相巻線に印加される電圧は、インバータ装置内のスイッチング素子がスイッチング駆動されることにより制御される。

ロータ３０は、ステータ２０（具体的には、ティース２３の先端）に対して径方向内側に対向して配置されている。ロータ３０とステータ２０との間には、所定の空隙が空けられている。ロータ３０は、ステータ２０の径方向内側において回転可能に設けられている。

ロータ３０は、いわゆるランデル型回転子である。ロータ３０は、回転軸３１と、界磁コア３２と、界磁巻線３３と、永久磁石３４と、リング部材３５と、を有している。回転軸３１は、ハウジング１０に一対の軸受１４，１５を介して回転可能に支持されている。ロータ３０は、回転軸３１に締め付け固定されたプーリ３６を介して、車両のエンジンにより回転駆動される。界磁巻線３３は、界磁コア３２のボス部３２１の外周側に巻装されている。

界磁コア３２は、軸方向に２分割された一対のポールコア３２ａ，３２ｂよりなるランデル型の界磁コアである。以下、一対のポールコア３２ａ，３２ｂを第１ポールコア３２ａ及び第２ポールコア３２ｂと称す。第１ポールコア３２ａ及び第２ポールコア３２ｂはそれぞれ、軟磁性体からなり、例えば鍛造成形される。第１ポールコア３２ａ及び第２ポールコア３２ｂは、互いに同一形状をなしている。第１ポールコア３２ａは、回転軸３１の一端側（図１における左側）に固定されている。第２ポールコア３２ｂは、回転軸３１の他端側（図１における右側）に固定されている。

第１ポールコア３２ａは、第１ボス部３２１ａと、第１ディスク部３２２ａと、第１爪状磁極部３２３ａと、を有している。第２ポールコア３２ｂは、第２ボス部３２１ｂと、第２ディスク部３２２ｂと、第２爪状磁極部３２３ｂと、を有している。第１ボス部３２１ａ及び第２ボス部３２１ｂは、回転軸３１が挿入可能なシャフト孔が開いた円筒状の部材であって、回転軸３１の外周側に嵌合固定される部位である。第１ボス部３２１ａ及び第２ボス部３２１ｂには、界磁束が界磁巻線３３の径方向内側にて軸方向に流れる。

第１ディスク部３２２ａは、第１ボス部３２１ａの軸方向一端部から径方向外側に広がる円盤状の部位であって、回転周方向の所定角度ピッチで径方向外側へ延在する部位である。第２ディスク部３２２ｂは、第２ボス部３２１ｂの軸方向他端部から径方向外側に広がる円盤状の部位であって、回転周方向の所定角度ピッチで径方向外側へ延在する部位である。第１ディスク部３２２ａ及び第２ディスク部３２２ｂには、界磁束が径方向に流れる。

第１爪状磁極部３２３ａは、第１ディスク部３２２ａの径方向先端部から軸方向他端側に延在し、第１ボス部３２１ａの径方向外側に配置される部位である。第２爪状磁極部３２３ｂは、第２ディスク部３２２ｂの径方向先端部から軸方向一端側に延在し、第２ボス部３２１ｂの径方向外側に配置される部位である。第１爪状磁極部３２３ａ及び第２爪状磁極部３２３ｂは、界磁巻線３３の径方向外側において軸方向に延在するように配置されている。第１爪状磁極部３２３ａ及び第２爪状磁極部３２３ｂは、ステータコア２１との間で磁束を授受することが可能である。

第１爪状磁極部３２３ａ及び第２爪状磁極部３２３ｂは、ロータ３０の回転周方向において複数の同じ数（例えば、８個）ずつ設けられている。第１ポールコア３２ａと第２ポールコア３２ｂとは、第１爪状磁極部３２３ａと第２爪状磁極部３２３ｂとが互い違いに向かい合うように軸方向端面同士が接した状態に組み付けられる。第１爪状磁極部３２３ａと第２爪状磁極部３２３ｂとは、図２及び図３に示す如く、回転周方向に隙間空間３７を空けて交互に配置されている。第１爪状磁極部３２３ａと第２爪状磁極部３２３ｂとは、ディスク部３２２ａ，３２２ｂに連接する軸方向根元側（又は軸方向先端側）が互いに軸方向逆側となるように回転周方向に交互に配置されている。第１爪状磁極部３２３ａ及び第２爪状磁極部３２３ｂには、互いに異なる極性（具体的には、Ｎ極及びＳ極）の磁極が形成される。

各爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂは、回転周方向において所定の幅（すなわち、周方向幅）を有すると共に、径方向において所定の厚さ（すなわち、径方向厚さ）を有するように形成されている。各爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂは、ディスク部３２２ａ，３２２ｂとの連接部近傍の根元側から軸方向先端側にかけて、周方向幅が徐々に小さくなりかつ径方向厚さが徐々に小さくなるように形成されている。すなわち、各爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂは、軸方向先端側ほど回転周方向及び径方向の双方において細くなるように形成されている。尚、各爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂは、回転周方向にその周方向中心を挟んで左右対称となるように形成されていることが好ましい。

以下、図３に示す如く、界磁コア３２のボス部３２１ａ，３２１ｂの外径をボス部外径Ｄｂとし、かつ、ロータ３０（すなわち、爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂ）の外径をロータ外径Ｄｒとする。これらのボス部外径Ｄｂ及びロータ外径Ｄｒは、次式（１）の関係が成立するように設定されている。
０．４６＜Ｄｂ／Ｄｒ＜０．５３ ・・・（１）

また、図４に示す如く、爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂの表面積（すなわち、径方向外側に向いた面の面積）を爪状磁極部表面積Ａｓ［ｍｍ^２］とし、ボス部３２１ａ，３２１ｂの一対のＮＳ磁極当たりの磁路断面積（すなわち、軸方向に延びるボス部３２１ａ，３２１ｂをその軸方向に対して垂直な面で切断した際に現れる面の面積）をボス部断面積Ａｂ［ｍｍ^２］とし、かつ、ディスク部３２２ａ，３２２ｂの磁路断面積（すなわち、径方向に延びるディスク部３２２ａ，３２２ｂをその延在方向に対して垂直な面で切断した際に現れる面の面積）をディスク部断面積Ａｄ［ｍｍ^２］とする。爪状磁極部表面積Ａｓ及びボス部断面積Ａｂは、次式（２）の関係が成立するように設定されている。また、爪状磁極部表面積Ａｓ及びディスク部断面積Ａｄは、次式（３）の関係が成立するように設定されている。尚、ボス部断面積Ａｂは、ボス部３２１ａ，３２１ｂの総断面積をＡとしかつ回転電機１の極対数をＰとしたとき、Ａ／Ｐで表される。
０．９＜Ａｓ／Ａｂ＜１．７ ・・・（２）
０．９＜Ａｓ／Ａｄ＜１．７ ・・・（３）

ここで、爪状磁極部表面積Ａｓについて定義する。図６及び図７に示す如く、爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂの根元乃至ディスク部３２２ａ，３２２ｂの周方向幅を周方向幅Ｗｒｒとし、爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂの軸方向先端の周方向幅を周方向幅Ｗｔｅとし、かつ、爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂの軸方向高さを軸方向高さＨｔとする。また、ロータ３０とステータ２０との径方向における対向面において、ステータコア２１の軸長とディスク部３２２ａ，３２２ｂの軸方向厚みとが径方向において重なっている範囲をディスクガイドＨｄｇとする。尚、ディスク部３２２ａ，３２２ｂ、爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂ、ステータコア２１などに設けられた磁石挿入や強度補強などを目的とした設計上の切り欠き部やＲ部，面取り部では、大きな差異は生じていない。この場合、爪状磁極部表面積Ａｓは、次式（４）で表される。尚、周方向幅Ｗは、本実施形態では曲率を考慮せず、直線距離で測るものとする。
Ａｓ＝（Ｗｔｅ＋Ｗｒｒ）×Ｈｔ／２＋Ｈｄｇ×Ｗｒｒ ・・・（４）

上記した隙間空間３７は、互いに回転周方向に隣接する第１爪状磁極部３２３ａと第２爪状磁極部３２３ｂとの間ごとに設けられている。隙間空間３７は、軸方向斜めに延在しており、ロータ３０の回転軸３１に対して軸方向端部から反対側の軸方向端部にかけて所定角度で傾斜している。各隙間空間３７は、その回転周方向の大きさ（すなわち、寸法）が軸方向位置に応じて変化することがほとんど無いように、すなわち、その周方向寸法が一定若しくはその一定値を含む極僅かな範囲内に維持されるように設定されている。各隙間空間３７には、永久磁石３４が配置される。

界磁コア３２は、飽和磁束密度の異なる２種類の材料により形成されている。界磁コア３２のうち爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂは、第１材料により形成されている。界磁コア３２のうち爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂ以外のボス部３２１ａ，３２１ｂ及びディスク部３２２ａ，３２２ｂは、上記の第１材料に比べて飽和磁束密度が低い第２材料により形成されている。

第１材料としては、例えばＳ１０Ｃなどの炭素量０．１％程度のものが挙げられる。また、第２材料としては、例えばＳ４５Ｃなどの炭素量が比較的多いものが挙げられる。尚、ＳＵＳ４３０や電磁鋼板なども、Ｓ１０Ｃに比べて飽和磁束密度の低いものである。また、第２材料は、第１材料に比べて透磁率が高い材料である。透磁率が高い材料としては、例えばパーマロイやニッケルコバルトを添加した鉄などが挙げられるが、第２材料としてはパーマロイが最適である。

界磁巻線３３は、ポールコア３２ａ，３２ｂのボス部３２１ａ，３２１ｂの外周側に界磁コア３２と絶縁された状態で巻装されている。界磁巻線３３は、第１ポールコア３２ａの第１ボス部３２１ａと第１爪状磁極部３２３ａとの径方向に空いた隙間及び第２ポールコア３２ｂの第２ボス部３２１ｂと第２爪状磁極部３２３ｂとの径方向に空いた隙間に配置されている。界磁巻線３３は、直流の界磁電流の通電によりボス部３２１ａ，３２１ｂに起磁力を発生させるコイル部材である。界磁巻線３３により発生した磁束は、ボス部３２１ａ，３２１ｂからディスク部３２２ａ，３２２ｂを介して爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂに導かれる。界磁巻線３３は、発生磁束により第１爪状磁極部３２３ａをＮ極に磁化させかつ第２爪状磁極部３２３ｂをＳ極に磁化させる。

界磁コア３２のボス部３２１ａ，３２１ｂ、ディスク部３２２ａ，３２２ｂ、及び一対の第１及び第２爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂを通る磁束は、ｄ軸磁気回路６０を形成する。このｄ軸磁気回路６０は、図８及び図９に破線で示す如く、磁束が、ステータコア２１のｄ軸のティース２３から界磁コア３２の第１爪状磁極部３２３ａに入り、第１ディスク部３２２ａ→第１ボス部３２１ａ→第２ボス部３２１ｂ→第２ディスク部３２２ｂ→第２爪状磁極部３２３ｂを経由して、ステータコア２１の１磁極分ずれた位置にあるティース２３からステータコア２１に戻った後、バックコア２５を通り１磁極分ずれた位置にあるｄ軸のティース２３に至る磁気回路である。このｄ軸磁気回路６０は、ロータ３０の逆起電力を生む磁気回路である。

また、ｄ軸磁気回路６０及び後述の第１磁石磁気回路６２のステータ２０に鎖交する磁束によりステータ巻線２２に電流が流れることによって、ｑ軸磁気回路６１が形成される。ｑ軸磁気回路６１は、図８に実線で示す如く、ステータコア２１のｄ軸から電気角で９０°ずれた位置にあるｑ軸を通る磁束により形成される磁気回路である。ｄ軸磁気回路６０のパーミアンスＰｒｔ及びｑ軸磁気回路６１のパーミアンスＰｓｔは、ロータ３０に負荷が掛けられた時に次式（５）の関係が成立するように設定されている。尚、パーミアンスＰｒｔ，Ｐｓｔは、磁気抵抗の逆数のことである。
Ｐｓｔ＞Ｐｒｔ ・・・（５）

ここで、ロータ３０に負荷が掛けられた時とは、定格電流として界磁巻線３３に通電される界磁電流Ｉｆが、車両用ブラシの能力として一般的であるＩｆ＝４［Ａ］〜２０［Ａ］の間にある状態のことをいう。尚、ブラシの進歩があればその時の界磁電流Ｉｆが例えば３０［Ａ］でもよいし、ブラシレスのように界磁電流Ｉｆに制限のない構成であれば界磁電流Ｉｆがこの範囲より大きいものでもよく、Ｐｓｔ＞Ｐｒｔの関係が成立すればよい。また、現状のブラシでも、Ｐｓｔ＞Ｐｒｔの関係を成立させるという意味では、ボス部外径Ｄｂ及びロータ外径Ｄｒが上記（１）式の関係を満たすこと、及び、爪状磁極部表面積Ａｓ、ボス部断面積Ａｂ、及びディスク部断面積Ａｄが上記（２）式又は（３）式の関係を満たすことの効果は大変に大きい。

また、ｄ軸磁気回路６０のパーミアンスＰｒｔ及びｑ軸磁気回路６１のパーミアンスＰｓｔは、次式（６）の関係が成立するように設定されている。但し、ｎは１以上の実数である。
Ｐｓｔ：Ｐｒｔ＝２ｎ：１ ・・・（６）

ここで、ｑ軸インダクタンスＬｑとｄ軸インダクタンスＬｄとの比（＝Ｌｑ／Ｌｄ）を突極比ρとすると、図１０に示す如く、従来技術のランデル型ロータの突極比ρは略“１”であり（ρ≒１）、従来技術のＩＰＭ型ロータの突極比ρの値は略“２”〜“４”である（ρ≒２〜４）。本実施形態においては、ｄ軸磁気回路６０のパーミアンスＰｒｔ及びｑ軸磁気回路６１のパーミアンスＰｓｔが上記（６）式の関係を満たすように設定されていることにより、ランデル型ロータにおいても、ＩＰＭ型ロータの態様に近づけることができ、ロータ３０への負荷時に突極比ρの値を“２”以上にすることができる。

図２、図３、及び図９に示す如く、永久磁石３４は、第１爪状磁極部３２３ａと第２爪状磁極部３２３ｂとの間の隙間空間３７ごとに一つずつ配置されており、隙間空間３７の数と同数だけ設けられている。各永久磁石３４は、概ね直方体形状に形成されている。各永久磁石３４は、軸方向斜めに傾斜して延在するように配置されており、ロータ３０の回転軸３１に対して軸方向端部から反対側の軸方向端部にかけて所定角度で傾斜している。

永久磁石３４は、爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂの間の漏れ磁束を減少させる向きの磁極が形成されるように配置されている。各永久磁石３４は、磁化容易軸が回転周方向（より具体的には、永久磁石３４の回転軸３１に対する傾斜分だけ回転周方向に対して傾斜した方向）に向けられて配置されている。各永久磁石３４は、回転周方向両側それぞれの磁極部が第１及び第２爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂの周方向側面に対向した状態或いは当接した状態に保持されている。各永久磁石３４は、界磁巻線３３の起磁力によって第１及び第２爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂに現れる極性と一致するように磁極が形成されている磁石である。すなわち、各永久磁石３４は、Ｎ極に磁化される第１爪状磁極部３２３ａに対向する回転周方向の面の磁極がＮ極となり、かつ、Ｓ極に磁化される第２爪状磁極部３２３ｂに対向する回転周方向の面の磁極がＳ極となるように配置形成されている。

このように永久磁石３４が配置形成されることにより、各永久磁石３４それぞれにおいて２つの磁石磁気回路６２，６３が形成される。第１磁石磁気回路６２は、図１１に一点鎖線で示す如く、磁石磁束のうちステータ２０に鎖交する磁束が流れる磁気回路である。第２磁石磁気回路６３は、図１１に二重線で示す如く、磁石磁束のうちボス部３２１ａ，３２１ｂやディスク部３２２ａ，３２２ｂを通りロータ３０内で完結する磁束が流れる磁気回路である。これらの磁石磁束から見れば、ボス部３２１ａ，３２１ｂを通る第２磁石磁気回路６３は、ステータ２０にとって無効となる磁石磁束が流れる磁気回路である。これに対して、第１磁石磁気回路６２は、ステータ２０に鎖交して逆起電力やトルクになる磁石磁束が流れる磁気回路である。

第１磁石磁気回路６２とｄ軸磁気回路６０とは、少なくとも一部で互いに共通した共通回路部を有している。具体的には、第２爪状磁極部３２３ｂからステータ２０を経由して第１爪状磁極部３２３ａに至るまでの磁気回路は、第１磁石磁気回路６２とｄ軸磁気回路６０とで共有されている。第２磁石磁気回路６３とｄ軸磁気回路６０とは、少なくとも一部で互いに共通した共通回路部を有している。具体的には、ロータ３０のボス部３２１ａ，３２１ｂ及びディスク部３２２ａ，３２２ｂにおける磁気回路は、第２磁石磁気回路６３とｄ軸磁気回路６０とで共有されている。

尚、ボス部３２１ａ，３２１ｂの一対のＮＳ磁極当たりの磁路断面積をボス部断面積Ａｂとし、ボス部３２１ａ，３２１ｂに５０００［Ａ／ｍ］の界磁が加えられた際の磁束密度を磁束密度Ｂ５０［Ｔ］とし、爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂの間に配置された永久磁石３４の残留磁束密度を残留磁束密度Ｂｒ［Ｔ］とし、永久磁石３４の磁極となる面の磁路断面積を永久磁石断面積Ａｍ［ｍｍ^２］とする。これらのボス部断面積Ａｂ、磁束密度Ｂ５０、残留磁束密度Ｂｒ、及び永久磁石断面積Ａｍは、次式（７）の関係が成立するように設定されている。
２×Ｂｒ×Ａｍ＜Ｂ５０×Ａｂ ・・・（７）

また、ロータ３０において、リング部材３５は、図３、図４、及び図５に示す如く、環状に形成された部材であって、ロータ３０の有するすべての爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂに固定される固定部材である。リング部材３５は、各爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂにおけるボス部３２１ａ，３２１ｂに対向する内周側部位（すなわち、径方向においてステータ２０側とは反対側の裏面部位）に固定されている。

尚、爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂへのリング部材３５の固定は、例えば溶接やろう付けによる嵌着により実現されるものであってよい。また、各爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂは、ディスク部３２２ａ，３２２ｂとの連接部近傍の根元側から軸方向先端側にかけて径方向厚さが徐々に小さくなるように形成されている。そこで、上記したリング部材３５の固定は、第１爪状磁極部３２３ａの内径と第２爪状磁極部３２３ｂの内径とが一致する軸方向部位（例えば、第１及び第２爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂの軸方向中央部）にてリング部材３５が固定されるものであってよい。この場合、リング部材３５は、図５に示す如く、第１爪状磁極部３２３ａに固定される固定部と第２爪状磁極部３２３ｂに固定される固定部とが同じ外径を有するように、すなわち、爪状磁極部３２３に固定される固定部の外径が回転周方向全域において一致するように、円環状に形成されている。

尚、上記したリング部材３５の固定は、第１爪状磁極部３２３ａの内径と第２爪状磁極部３２３ｂの内径とが一致する軸方向部位にて固定されるものに代えて、それらの爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂの内径が一致する軸方向部位から何れかの軸方向にずれた部位にて固定されるものであってもよい。この場合、リング部材３５は、第１爪状磁極部３２３ａの内径及び第２爪状磁極部３２３ｂの内径に合わせて外径が回転周方向において周期的に変化するように環状に形成されるものとなる。

リング部材３５は、非磁性材料（例えば、オーステナイト系のステンレス鋼や黄銅など）により形成されている。リング部材３５は、すべての爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂを内周側から支持している。リング部材３５は、ロータ３０の回転時に生じる遠心力などによって界磁コア３２の爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂが径方向外側に向けて移動する変形を抑える機能を有している。

界磁巻線給電装置４０は、界磁巻線３３に給電するための装置である。界磁巻線給電装置４０は、スリップリング４１と、ブラシ４２と、レギュレータ４３と、を有している。スリップリング４１は、回転軸３１の軸方向一端（図１における右側端）に嵌合固定されている。スリップリング４１は、ロータ３０の界磁巻線３３に直流電流を供給するための機能を有している。ブラシ４２は、２個一対設けられており、ハウジング１０に取り付け固定されたブラシホルダに保持されている。スリップリング４１は、ブラシ４２に対応して２個一対設けられている。

一対のブラシ４２はそれぞれ、その径方向内側の先端が回転軸３１側に押圧された状態でスリップリング４１の表面に摺動するように配置されている。一対のブラシ４２はそれぞれ、スリップリング４１を介して界磁巻線３３に直流電流を流す給電を行う。レギュレータ４３は、界磁巻線３３に流す界磁電流Ｉｆを制御することによって回転電機１の出力電圧を調整する装置である。

整流装置５０は、ステータ２０のステータ巻線２２に電気的に接続されている。整流装置５０は、ステータ巻線２２で生じた交流電流を直流電流に整流して出力する装置である。整流装置５０は、複数のダイオード（すなわち、整流素子）などにより構成されている。

このような構成を有する回転電機１においては、車両のエンジンからベルトなどを介してプーリ３６に回転トルクが付与されると、回転軸３１の回転によりロータ３０が所定方向に回転する。この状態で界磁巻線給電装置４０のブラシ４２からスリップリング４１を介してロータ３０の界磁巻線３３に励磁電圧が印加されると、ポールコア３２ａ，３２ｂの爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂが励磁されて、ロータ３０の回転周方向に沿って交互にＮＳ磁極が形成される。

爪状磁極部３２３ａ，３２３ｂにＮＳ磁極が形成されると、ステータ２０のステータ巻線２２に回転磁界が付与されることで、ステータ巻線２２に交流の起電力が発生する。ステータ巻線２２で発生した交流起電力は、整流装置５０を通って直流に整流された後、出力端子から取り出されてバッテリに供給される。従って、回転電機１を、ステータ巻線２２の起電力発生によりバッテリを充電させる発電機として機能させることができる。

（２×Ｂｒ［Ｔ］×Ａｍ［ｍｍ^２］＜Ｂ５０［Ｔ］×Ａｂ［ｍｍ^２］の関係の設定について）
回転電機１は、１２Ｖ〜４８Ｖ（尚、公差を含めた場合は６Ｖ〜６０Ｖ）の電源に接続される、オルタネータやスタータ等と置き換え可能な車両用発電電動機を対象とする。このため、逆起電力をＩＰＭ型ロータのように大きくすることはできない。通例、ロータ径が７０ｍｍ〜１２０ｍｍ程度でありかつロータ軸長が３０ｍｍ〜８０ｍｍ程度である製品群においては、ＩＰＭロータで構成した場合に２００Ｖ〜３００Ｖの逆起電力を発生させる。しかし、この構成では、１２Ｖ〜４８Ｖのバッテリの過充電や、過充電を下げても高電圧による他の電気部品への影響が懸念されるため、十分にこの逆起電力を下げることができない。

そこで、この課題を解決すべく、２×Ｂｒ［Ｔ］×Ａｍ［ｍｍ^２］＜Ｂｓ［Ｔ］×Ａｂ［ｍｍ^２］の関係を満たすようにした。このように設計することで、永久磁石３４で発生する磁束量（＝２×Ｂｒ×Ａｍ）に対し、許容磁束量である（Ｂｓ×Ａｂ）を大きくするので、その永久磁石３４で発生するほぼ全磁束量をボス部３２１で吸収することができる。Ｂｓ［Ｔ］は、界磁コア３２の飽和磁束密度である。ここで、比透磁率が十分に高くなければ十分に残留磁束密度Ｂｒ［Ｔ］を吸収することができない。尚、界磁コア３２の飽和磁束密度Ｂｓ［Ｔ］を採用したが、ここでは一般によく使われるＢ５０［Ｔ］の値で考えることにする。

一般に、１２Ｖ〜４８Ｖの製品で界磁コア３２に掛けられる起磁力は２５００［ＡＴ］以下である。すなわち、２５００［ＡＴ］が永久磁石３４に印加される反磁界強度となるためには、その２倍程度の反磁界耐性が必要とされる。つまり、永久磁石３４の厚み及び保持力Ｈｃは５０００Ａ程度以上に安全率をもって設計されることが望ましい。残留磁束密度Ｂｒ及び保持力Ｈｃは、使用される温度に応じて多少変化するので、使用が想定される−４０℃〜＋１６０℃の温度範囲に５０００［Ａ］での範囲が存在することが必要である。ここで、５０００［Ａ］程度で設計される永久磁石３４と、ボス部３２１が５０００［ＡＴ］での磁束密度であるＢ５０の値で規定された本実施形態の設計事例では、２×Ｂｒ［Ｔ］×Ａｍ［ｍｍ^２］＜Ｂｓ［Ｔ］×Ａｂ［ｍｍ^２］の関係を満足させることが可能なのである。また、界磁電流を弱めた際のボス部３２１の比透磁率は３０以上であり十分に高い。

（爪状磁極部表面積Ａｓとボス部断面積Ａｂとの関係、及び、ボス部外径Ｄｂとロータ外径Ｄｒとの関係について）
磁石磁束を有効に使用できる範囲について検討する。上記特許文献１記載の関係式の規定においては、条件が部分的であるため、例えば、界磁コア３２のボス部３２１などの大きさが変化したときに、当該関係式が成立しなくなることが懸念される。そのため、ロータ全体として検討を行うものとする。

ステータとロータとの対向面と異なる箇所（具体的には、ボス部）で磁束を生み出し、その磁束を軸方向に流すことによりステータの軸長を使い切ることができるクローポール型の回転電機では、図４に示す如く、ボス部断面積Ａｂ、ディスク部断面積Ａｄ、爪状磁極部３２３の根元側の断面積（以下、爪状磁極部断面積と称す。）Ａｔを概ね一定として、磁束を出力している。尚、ボス部３２１からディスク部３２２にかけて段付き部が形成されて部分的に断面積が小さくなっている場合には、その断面積が小さくなっている部分をボス部断面積Ａｂ又はディスク部断面積Ａｄとして扱う。この段付き部を設けることによって、許容磁束量を変化させることができる。また、各クロー（すなわち、爪状磁極部）は、ボス部３２１の外周側に巻装された界磁巻線３３（但し、図４には不図示）への通電によりボス部３２１に発生する界磁磁束を通せるだけ、すなわち、ボス部断面積Ａｂに準じた適量のステータ２０との対向面面積を所持している。

図４に示す如く、ディスク部３２２がステータ２０に掛かっている場合、すなわち、ディスク部３２２とステータ２０とが軸方向でオーバーラップする部分を有する場合は、そのオーバーラップ分だけボス部断面積Ａｂよりも爪状磁極部表面積Ａｓを減らすことができる。すなわち、Ａｂ≒Ａｄ≒Ａｓ、又は、Ａｓ≒Ａｂ−（Ｔｓｔ−Ｔｂ）／２×Ｗが理想値と計算できる。ここで、永久磁石３４を搭載したロータにおいては、磁力源が増えているので、別の解が存在する筈である。

永久磁石３４及び界磁回路を搭載したロータ３０においては、磁石磁束は、界磁磁束（すなわち、ｄ軸磁気回路６０）に逆らってロータ３０内を通るルート（図１１における第２磁石磁気回路６３）と、ステータ２０を通るルート（図１１における第１磁石磁気回路６２）と、の２方向に分流する。すなわち、図４に示すボス部断面積Ａｂ、ディスク部断面積Ａｄ、及び爪状磁極部断面積Ａｔは、従来技術よりも小さくできる筈である。同時に、起電圧を考慮すれば、２×Ｂｒ×Ａｍ≦Ｂ５０×Ａｂの関係を満たしつつ考慮する必要がある。また、この時、ボス部外径Ｄｂが小さくなるため、界磁巻線３３の配置スペースが大きくなり、発熱量は小さくなる筈である。

ここで、ロータ外径Ｄｒが決まれば、極数が変わっても爪状磁極部３２３の幅Ｗとボス部３２１の１極当たりの幅との比はほとんど変化しないので、ロータ外径Ｄｒとボス部外径Ｄｂとの比は一義的に決まってくる筈である。逆流する磁石磁束及び界磁磁束に基づいてボス部外径Ｄｂを計算することができる。この際、発熱を抑えるため、現状の空冷能力を考慮し、界磁巻線３３の抵抗値を、モータであれば０．１Ω〜１．０Ωとし、発電機であれば１．０Ω〜３．０Ωとすることは言うまでもない。尚、Ａｂ＿ｏｐｔは、ボス部断面積Ａｂの理想値である。
Ｂ５０×Ａｂ−２×Ｂｄ×Ａｍ×（Ｐｒｔ／（Ｐｓｔ＋Ｐｒｔ））＝Ａｂ＿ｏｐｔ

また、現状技術の時点で、爪状磁極部表面積Ａｓは、界磁磁束を十分に流し得る値となっている。ここで、従来技術での永久磁石は、爪状磁極部間の漏洩磁束を防ぐ役割を主に担っていた。そのため、流通しているネオジム磁石付きランデル型回転電機の爪状磁極部表面積Ａｓは、ボス部断面積Ａｂに準じた値、すなわち、Ａｓ＝Ａｂ×０．８〜１．２のＡｂを基準とした範疇に分布している。

これに対して、本実施形態においては、Ｂｄ×（Ｐｓｔ／（Ｐｓｔ＋Ｐｒｔ））を有効に使えるわけであるので、ステータ２０との磁束受け渡しを司る爪状磁極部３２３の爪状磁極部表面積Ａｓは、Ａｂ×Ｂｓに２×Ａｍ＝Ａｂ×Ｂ５０÷Ｂｒだけの磁石を持つので、［Ａｓ＝Ｂｄ×Ａｍ＋Ａｂ×Ｂｓ］が最適値となるはずのロータ３０の磁束をステータ２０に渡すための寸法が必要であり、Ａｂ×１．２よりも大きい筈である。

以下、Ｂ５０×Ａｂ＝２×Ｂｒ×Ａｍとして検討を進める。これは、界磁回路が磁石磁束を封じることのできる寸法に設計されているということになる。この状態で、爪状磁極部表面積Ａｓとボス部断面積Ａｂとの比（＝Ａｓ／Ａｂ）と、ステータ２０の負荷時の鎖交磁束量との関係は、図１２に示す如きものとなる。このように、鎖交磁束量は、Ａｓ／Ａｂが概ね１．０〜１．５の範囲内にあるときにピークとなるので、Ａｓ／Ａｂ＝０．９〜１．７の範囲が好ましい範囲と言える。尚、従来技術（特許文献１）のＡｓ／Ａｂの範囲は、０．４〜０．８程度であり、本実施形態のＡｓ／Ａｂの好ましい範囲と重複することなく乖離している。

ここで、Ａｓ／Ａｂ＝１．４として検討を進める。また、界磁磁束量及び抑えられる磁石磁束量とが適切であり、ＩＰＭ型ロータ並みの磁石利用ができることを前提として検討を進める。この時、如何なるボス部外径Ｄｂが最適であるかを計算する。ボス部外径Ｄｂとロータ外径Ｄｒとの比（＝Ｄｂ／Ｄｒ）と、ステータ２０の負荷時の鎖交磁束量との関係は、図１３に示す如きものとなる。このように、鎖交磁束量は、Ｄｂ／Ｄｒが０．５１付近にあるときにピークとなるので、Ｄｂ／Ｄｒ＝０．４６〜０．５３の範囲が好ましい範囲と言える。尚、従来技術（特許文献１）のＤｂ／Ｄｒの範囲は、０．５４〜０．５９５程度であり、本実施形態のＤｂ／Ｄｒの好ましい範囲と重複することなく乖離している。

尚、爪状磁極部表面積Ａｓとボス部断面積Ａｂとの比（＝Ａｓ／Ａｂ）と、ボス部外径Ｄｂとロータ外径Ｄｒとの比（＝Ｄｂ／Ｄｒ）との関係は、図１４に示す如きものとなる。このように、本実施形態の範囲と従来技術の範囲とは、重複することなく乖離している。

本検討では、Ｂ５０×Ａｂ＝２×Ｂｒ×Ａｍの値が大きい場合により大きな効果を発揮するため、Ｂｒ＝１．２［Ｔ］程度の磁石を想定している。最大の効果を発揮する材料は、Ｂｒ＝０．４［Ｔ］程度のＦｅ磁石ではなく、Ｂｒ＝１［Ｔ］以上のネオジム磁石であることは明らかである。更に、ボス部断面積Ａｂが小さくなっているため、小さくなった分のスペースを界磁巻線３３の抵抗を下げるために使うことができるので、界磁巻線３３の発熱量を従来よりも低減することができる。

（作用及び効果）
本実施形態の回転電機１では、回転周方向に隣接する爪状磁極部３２３の間に配置された永久磁石３４の磁力により、ステータ２０に鎖交する磁束が流れる第１磁石磁気回路６２と、ボス部３２１を通りロータ３０内で完結する磁束が流れる第２磁石磁気回路６３との２つの磁石磁気回路が形成される。そして、ロータ３０に負荷が掛けられた時、すなわち、界磁巻線３３に界磁電流Ｉｆが通電された時に、界磁巻線３３の起磁力により形成される磁束が界磁コア３２のボス部３２１、一対の爪状磁極部３２３及びステータコア２１を経由して流れるｄ軸磁気回路６０が形成される。このとき、２つの磁石磁気回路６２，６３のうちの第２磁石磁気回路６３を流れる磁石磁束は、ｄ軸磁気回路６０の磁束と逆方向に流れているので、抵抗が大きく流れ難い状態となる。

本実施形態では、ｄ軸磁気回路６０のパーミアンスＰｒｔ及びｑ軸磁気回路６１のパーミアンスＰｓｔは、Ｐｓｔ＞Ｐｒｔの関係が成立するように設定されている。すなわち、ｄ軸磁気回路６０のパーミアンスＰｒｔは、ｑ軸磁気回路６１のパーミアンスＰｓｔに比べて小さい。このため、２つの磁石磁気回路６２，６３のうちステータ２０に鎖交する磁束が流れる第１磁石磁気回路６２の磁石磁束が増大する。これにより、磁石磁束を有効活用して、発電能力を大幅に向上させることができる。

また、本実施形態では、ロータ３０の有する各爪状磁極部３２３におけるボス部３２１に対向する内周側部位に環状のリング部材３５が固定されている。このリング部材３５は、すべての爪状磁極部３２３を内周側から支持している。このため、リング部材３５により、ロータ３０の回転時に生じる遠心力などによって界磁コア３２の爪状磁極部３２３が径方向外側に向けて移動する変形を抑えることができる。従って、リング部材３５の存在により、爪状磁極部３２３の変形を抑えるうえで、ボス部３２１やディスク部３２２による爪状磁極部３２３を支持する剛性を低くすることが可能である。すなわち、爪状磁極部３２３及び永久磁石３４の遠心力に対する耐性を向上させることができるので、ボス部３２１やディスク部３２２による爪状磁極部３２３の支持剛性が低下しても性能低下が生じるのを回避することができ、ボス部３２１やディスク部３２２による支持剛性の増強に伴うロータ３０ひいては回転電機１の大型化を回避することができる。

また、本実施形態では、ボス部３２１の一対のＮＳ磁極当たりのボス部断面積Ａｂ、ボス部３２１に５０００［Ａ／ｍ］の界磁が加えられた際の磁束密度Ｂ５０、永久磁石３４の残留磁束密度Ｂｒ、及び永久磁石３４の磁極となる面の磁路断面積Ａｍは、２×Ｂｒ［Ｔ］×Ａｍ［ｍｍ^２］＜Ｂ５０［Ｔ］×Ａｂ［ｍｍ^２］の関係が成立するように設定されている。これにより、永久磁石３４の発生磁力がｄ軸磁気回路６０により吸収されることが可能となる。即ち、逆起電力を下げ、無通電時の高速回転状態における発電電力を抑えることができる。

また、本実施形態では、ｄ軸磁気回路６０のパーミアンスＰｒｔ及びｑ軸磁気回路６１のパーミアンスＰｓｔは、Ｐｓｔ：Ｐｒｔ＝２ｎ（ｎは１以上の実数）：１の関係が成立するように設定されている。そのため、ランデル型ロータであるロータ３０への負荷時の態様をＩＰＭ型ロータの態様に近付けることができ、ｑ軸インダクタンスＬｑとｄ軸インダクタンスＬｄとの比（＝Ｌｑ／Ｌｄ）である突極比ρを２以上にできる。これにより、ランデル型ロータであっても、ＩＰＭ型ロータ並のリラクタンストルクを出すことが可能となる。

また、本実施形態では、爪状磁極部表面積Ａｓ及びボス部断面積Ａｂが、０．９＜Ａｓ／Ａｂ＜１．７の関係が成立するように設定されている。また、爪状磁極部表面積Ａｓ及びディスク部断面積Ａｄは、０．９＜Ａｓ／Ａｄ＜１．７の関係が成立するように設定されている。これにより、従来では隣接する爪状磁極部３２３間の磁束の整流や漏れ防止を目的に使われていた永久磁石３４を、本実施形態では、ＩＰＭ型ロータの永久磁石の如く使用しており、漏れ防止ではなく、純粋な磁束アップ、即ち、トルクアップ源や出力アップ源として扱うことができる。

また、本実施形態では、ボス部外径Ｄｂ及びロータ外径Ｄｒは、０．４６＜Ｄｂ／Ｄｒ＜０．５３の関係が成立するように設定されている。即ち、ボス部断面積Ａｂが、磁石磁力のボス磁力に対する反作用を最大限に考慮されて決められた範囲であり、その時の磁石磁力による反作用を弾き返せるだけのボス部３２１の磁力が界磁コア３２に働いている時に、ボス部３２１の総磁力及び磁石の総磁力をステータ２０側に伝えることができる。

また、本実施形態では、永久磁石３４の残留磁束密度Ｂｒが１[Ｔ]以上とされている。磁石磁力が、ネオジウム鉄ボロンのボンド磁石、サマリウム鉄窒素の射出成型によるプラスチック成型磁石などによる場合には、界磁コア３２への反磁界を十分に供給しきれない場合が多い。つまり、体格不変で設計する場合、磁石の断面積を拡大すると界磁巻線３３のスペースを確保できなくなる場合が多い。そのため、上記の作用及び効果は、特に、永久磁石３４の残留磁束密度Ｂｒが１[Ｔ]以上である場合に効果的に発揮される。もちろん、機器を大型化すれば問題は容易に解決されるが、搭載困難性が増して競争力が低下してしまう。

また、本実施形態では、界磁コア３２のｄ軸磁気回路６０が形成される部位は、飽和磁束密度Ｂｓの異なる２種類の材料で形成されており、爪状磁極部３２３が飽和磁束密度Ｂｓの比較的高い材料で形成され、爪状磁極部３２３以外のボス部３２１及びディスク部３２２が飽和磁束密度Ｂｓの比較的低い材料で形成されている。そのため、ボス部３２１がすぐに磁束飽和してＩＰＭ型ロータの磁束特性の挙動に変化し易いので、発電能力の向上をより確実に達成することができる。

また、本実施形態では、爪状磁極部３２３以外のボス部３２１及びディスク部３２２で用いられている飽和磁束密度Ｂｓの低い材料は、爪状磁極部３２３で用いられている飽和磁束密度Ｂｓの高い材料よりも透磁率が高いものである。このため、ロータ３０への無負荷時において、逆起電力の吸収能力を高めることができる。

（他の実施形態）
尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を施すことが可能である。

例えば、上記の実施形態では、爪状磁極部表面積Ａｓ及びボス部断面積Ａｂは、０．９＜Ａｓ／Ａｂ＜１．７の関係が成立するように設定されていると共に、爪状磁極部表面積Ａｓ及びディスク部断面積Ａｄは、０．９＜Ａｓ／Ａｄ＜１．７の関係が成立するように設定されている。しかし、何れか一方のみの関係が成立するものであってよい。

また、上記の実施形態では、ｄ軸磁気回路６０と第１磁石磁気回路６２とが一部で共有されていると共に、ｄ軸磁気回路６０と第２磁石磁気回路６３とが一部で共有されている。しかし、ｄ軸磁気回路６０上に永久磁石３４を埋め込んだり設置したりすることによって、ｄ軸磁気回路６０と第１磁石磁気回路６２とが全部で共有されるようにしてもよいし、ｄ軸磁気回路６０と第２磁石磁気回路６３とが全部で共有されるようにしてもよい。例えば、図１５に示す如く、ｄ軸磁気回路６０が形成される界磁コア３２のボス部３２１の外周部に、軸方向両端部に磁極を有する円筒状の永久磁石３４Ａが同軸状に装着されてもよい。この構造によれば、ｄ軸磁気回路６０（図８及び図９参照）と第１磁石磁気回路６２Ａとが全部で共有されるようになる。なお、ボス部３２１の一対のＮＳ磁極当たりの磁路断面積Ａｂは、ボス部３２１の永久磁石３４Ａが装着された部位の磁路の総断面積をＡとし、回転電機の極対数をＰとしたときに、Ａ／Ｐで表される。

また、ｄ軸磁気回路６０が形成される界磁コア３２のディスク部３２２ａ，３２２ｂに永久磁石を埋め込んだり設置したりすることとしてもよい。この構造では、ディスク部３２２ａ，３２２ｂの断面積は、ディスク部３２２ａ，３２２ｂの永久磁石を設けた部位（ディスク部鉄心部分）の断面積とする。

また、上記の実施形態では、回転電機１を車両用発電電動機に適用した例を説明した。しかし、回転電機１は、車両に搭載される回転電機としての発電機、電動機、又は発電機と電動機を選択的に使用し得る回転電機にも適用することができる。

１：回転電機、１０：ハウジング、２０：ステータ、２１：ステータコア、２２：ステータ巻線、３０：ロータ、３１：回転軸、３２：界磁コア、３２ａ，３２ｂ：ポールコア、３３：界磁巻線、３４：永久磁石、３５：リング部材、６０：ｄ軸磁気回路、６１：ｑ軸磁気回路、６２：第１磁石磁気回路、６３：第２磁石磁気回路、３２１，３２１ａ，３２１ｂ：ボス部、３２２，３２２ａ，３２２ｂ：ディスク部、３２３，３２３ａ，３２３ｂ：爪状磁極部。

Claims (9)

1. ステータコア（２１）にステータ巻線（２２）が巻装されている環状のステータ（２０）と、前記ステータに対して径方向内側に対向して配置されるロータ（３０）と、を備える回転電機（１）であって、
   前記ロータは、
   回転軸に固定される筒状のボス部（３２１，３２１ａ，３２１ｂ）と、前記ボス部の軸方向端部から径方向外側に広がるディスク部（３２２，３２２ａ，３２２ｂ）と、前記ディスク部の径方向先端部から軸方向に延在し、前記ボス部の径方向外側に配置され、回転周方向に交互に異なる極性の磁極が形成される複数の爪状磁極部（３２３，３２３ａ，３２３ｂ）と、を有する界磁コア（３２）と、
   前記ボス部と前記爪状磁極部との間に配置され、通電により起磁力を発生する界磁巻線（３３）と、
   回転周方向に隣接する２つの前記爪状磁極部の間に磁化容易軸が回転周方向に向けられて配置され、前記界磁巻線の起磁力により該２つの前記爪状磁極部に現れる極性と一致するように磁極が形成されている永久磁石（３４，３４Ａ）と、
   前記爪状磁極部における前記ボス部に対向する内周側部位に固定され、前記爪状磁極部を内周側から支持する環状の固定部材（３５）と、
   を備え、
   前記界磁巻線の起磁力により形成される磁束が前記ボス部、前記ディスク部、一対の前記爪状磁極部、及び前記ステータコアを経由して流れるｄ軸磁気回路（６０）と、前記永久磁石の磁力により形成される磁束が流れる磁石磁気回路（６２，６３）と、は少なくとも一部で互いに共通した共通回路部を有し、
   前記ロータの負荷時、前記ｄ軸磁気回路のパーミアンスは、前記ステータ巻線の通電時に形成される磁束がｄ軸に対して電気角で９０°ずれた位置にあるｑ軸を通るｑ軸磁気回路（６１）のパーミアンスに比べて小さく、
   前記界磁コアは、第１材料と前記第１材料に比べて飽和磁束密度が低い第２材料とにより形成されており、
   前記爪状磁極部は、前記第１材料により形成され、
   前記ボス部及び前記ディスク部は、前記第２材料により形成されている、回転電機。
2. 前記ｄ軸磁気回路のパーミアンスＰｒｔ及び前記ｑ軸磁気回路のパーミアンスＰｓｔは、前記ロータの負荷時において、Ｐｓｔ：Ｐｒｔ＝２ｎ（但し、ｎは１以上の実数である。）：１の関係が成立するように設定されている、請求項１記載の回転電機。
3. ステータコア（２１）にステータ巻線（２２）が巻装されている環状のステータ（２０）と、前記ステータに対して径方向内側に対向して配置されるロータ（３０）と、を備える回転電機（１）であって、
   前記ロータは、
   回転軸に固定される筒状のボス部（３２１，３２１ａ，３２１ｂ）と、前記ボス部の軸方向端部から径方向外側に広がるディスク部（３２２，３２２ａ，３２２ｂ）と、前記ディスク部の径方向先端部から軸方向に延在し、前記ボス部の径方向外側に配置され、回転周方向に交互に異なる極性の磁極が形成される複数の爪状磁極部（３２３，３２３ａ，３２３ｂ）と、を有する界磁コア（３２）と、
   前記ボス部と前記爪状磁極部との間に配置され、通電により起磁力を発生する界磁巻線（３３）と、
   回転周方向に隣接する２つの前記爪状磁極部の間に磁化容易軸が回転周方向に向けられて配置され、前記界磁巻線の起磁力により該２つの前記爪状磁極部に現れる極性と一致するように磁極が形成されている永久磁石（３４，３４Ａ）と、
   前記爪状磁極部における前記ボス部に対向する内周側部位に固定され、前記爪状磁極部を内周側から支持する環状の固定部材（３５）と、
   を備え、
   前記爪状磁極部の外周面の表面積Ａｓ及び前記ボス部の一対のＮＳ磁極当たりの磁路断面積Ａｂは、０．９＜Ａｓ／Ａｂ＜１．７の関係が成立するように設定されており、
   前記界磁コアは、第１材料と前記第１材料に比べて飽和磁束密度が低い第２材料とにより形成されており、
   前記爪状磁極部は、前記第１材料により形成され、
   前記ボス部及び前記ディスク部は、前記第２材料により形成されている、回転電機。
4. 前記ボス部の外径Ｄｂ及び前記ロータの外径Ｄｒは、０．４６＜Ｄｂ／Ｄｒ＜０．５３の関係が成立するように設定されている、請求項３記載の回転電機。
5. ステータコア（２１）にステータ巻線（２２）が巻装されている環状のステータ（２０）と、前記ステータに対して径方向内側に対向して配置されるロータ（３０）と、を備える回転電機（１）であって、
   前記ロータは、
   回転軸に固定される筒状のボス部（３２１，３２１ａ，３２１ｂ）と、前記ボス部の軸方向端部から径方向外側に広がるディスク部（３２２，３２２ａ，３２２ｂ）と、前記ディスク部の径方向先端部から軸方向に延在し、前記ボス部の径方向外側に配置され、回転周方向に交互に異なる極性の磁極が形成される複数の爪状磁極部（３２３，３２３ａ，３２３ｂ）と、を有する界磁コア（３２）と、
   前記ボス部と前記爪状磁極部との間に配置され、通電により起磁力を発生する界磁巻線（３３）と、
   回転周方向に隣接する２つの前記爪状磁極部の間に磁化容易軸が回転周方向に向けられて配置され、前記界磁巻線の起磁力により該２つの前記爪状磁極部に現れる極性と一致するように磁極が形成されている永久磁石（３４，３４Ａ）と、
   前記爪状磁極部における前記ボス部に対向する内周側部位に固定され、前記爪状磁極部を内周側から支持する環状の固定部材（３５）と、
   を備え、
   前記爪状磁極部の外周面の表面積Ａｓ及び前記ディスク部の磁路断面積Ａｄは、０．９＜Ａｓ／Ａｄ＜１．７の関係が成立するように設定されており、
   前記界磁コアは、第１材料と前記第１材料に比べて飽和磁束密度が低い第２材料とにより形成されており、
   前記爪状磁極部は、前記第１材料により形成され、
   前記ボス部及び前記ディスク部は、前記第２材料により形成されている、回転電機。
6. 前記永久磁石の残留磁束密度が１［Ｔ］以上である、請求項３乃至５の何れか一項記載の回転電機。
7. 前記ボス部の一対のＮＳ磁極当たりの磁路断面積Ａｂ、前記ボス部に５０００［Ａ／ｍ］の界磁が加えられた際の磁束密度Ｂ５０、前記永久磁石の残留磁束密度Ｂｒ、及び前記永久磁石の磁路断面積Ａｍは、２×Ｂｒ×Ａｍ＜Ｂ５０×Ａｂの関係が成立するように設定されている、請求項１乃至６の何れか一項記載の回転電機。
8. 前記第２材料は、前記第１材料に比べて透磁率が高い材料である、請求項１乃至７の何れか一項記載の回転電機。
9. 前記固定部材は、前記爪状磁極部に固定される固定部の外径が回転周方向全域において一致するように円環状に形成されている、請求項１乃至８の何れか一項記載の回転電機。

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