特開 2024-98633 回転電気機械

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024098633

(43)【公開日】2024-07-24

(54)【発明の名称】回転電気機械

(51)【国際特許分類】

   H02K 21/44 20060101AFI20240717BHJP

【ＦＩ】

H02K21/44

【審査請求】未請求

【請求項の数】15

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023002233

(22)【出願日】2023-01-11

(71)【出願人】

【識別番号】000006208

【氏名又は名称】三菱重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100149548

【弁理士】

【氏名又は名称】松沼 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100162868

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 英輔

(74)【代理人】

【識別番号】100161702

【弁理士】

【氏名又は名称】橋本 宏之

(74)【代理人】

【識別番号】100189348

【弁理士】

【氏名又は名称】古都 智

(74)【代理人】

【識別番号】100196689

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 康一郎

(72)【発明者】

【氏名】広江 隆治

(72)【発明者】

【氏名】佐瀬 遼

(72)【発明者】

【氏名】湯下 篤

(72)【発明者】

【氏名】新妻 瞬

【テーマコード（参考）】

5H621

【Ｆターム（参考）】

5H621BB07

5H621GA04

5H621HH09

(57)【要約】

【課題】ブラシ、整流子、および駆動回路を必要としない簡易な構成で、直流発電機、直流電動機、または直流と交流との電力変換器として動作することができる回転電気機械を提供する。
【解決手段】回転電気機械は、回転軸の軸線回りに回転する回転子と、前記回転子と空隙を開けて対向配置され、前記回転軸の軸方向に延びる円筒状の継鉄部と、前記継鉄部と前記回転子との間に設けられた磁石を含む歯と、を有する固定子と、前記固定子の前記歯に前記回転軸と平行に配置されるコイルと、を備える。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転軸の軸線回りに回転する回転子と、
前記回転子と空隙を開けて対向配置され、前記回転軸の軸方向に延びる円筒状の継鉄部と、前記継鉄部と前記回転子との間に設けられた磁石を含む歯と、を有する固定子と、
前記固定子の前記歯に前記回転軸と平行に配置されるコイルと、
を備える回転電気機械。

【請求項2】

前記歯は、前記継鉄部から半径方向に前記回転子に向かって突出する鉄心をさらに有し、
前記磁石は前記鉄心を半径方向に分割するように配置される、
請求項１に記載の回転電気機械。

【請求項3】

前記歯は、前記継鉄部から半径方向に前記回転子に向かって突出するように配置された前記磁石からなる、
請求項１に記載の回転電気機械。

【請求項4】

前記磁石は、前記継鉄部の回転子側の一部を絶縁するように前記継鉄部の内部に埋め込まれ、
前記歯は、前記磁石と、前記継鉄部の前記磁石で囲まれた領域とからなる、
請求項１に記載の回転電気機械。

【請求項5】

前記磁石は永久磁石であり、磁極が半径方向を向くように配置される、
請求項１に記載の回転電気機械。

【請求項6】

前記磁石は、磁極の向きが半径方向に対して傾斜するように配置され、
前記磁石の少なくとも一部は、半径方向において前記継鉄部と前記コイルとの間に位置する、
請求項１に記載の回転電気機械。

【請求項7】

前記コイルの少なくとも一部は、前記歯の半径方向の中間点よりも回転子側に配置される、
請求項１に記載の回転電気機械。

【請求項8】

前記回転子は、半径方向に前記固定子に向かって突出する突極を有する、
請求項１に記載の回転電気機械。

【請求項9】

前記磁石は、回転子側を向く磁極の極性が周方向に隣り合う磁石と逆になるように配置され、
前記磁石の回転子側を向く磁極に応じて前記コイルの軸方向の電流の向きを交番させる、
請求項５に記載の回転電気機械。

【請求項10】

前記突極の周方向の弧の長さをＷ１、隣り合う前記突極の間の弧の長さをＷ１’、前記歯の周方向の弧の長さをＷ２、隣り合う前記歯の間の弧の長さをＷ２’、前記歯の数をｎ_Ｔ、前記突極の数をｎ_ｐｓとしたとき、ｎ_Ｔ・（Ｗ２＋Ｗ２’）＝ｎ_ｐｓ・（Ｗ１＋Ｗ１’）を満たすように、｛Ｗ１，Ｗ１’，Ｗ２，Ｗ２’，ｎ_Ｔ，ｎ_ｐｓ｝の値を定める、
請求項８に記載の回転電気機械。

【請求項11】

前記コイルは、前記歯の前記回転子を向く端面に設けられた溝の内部に、前記回転子との間の空隙と接するように配置される、
請求項１に記載の回転電気機械。

【請求項12】

回転軸の軸線回りに回転する回転子と、
前記回転子と前記回転軸の軸方向に空隙を開けて対向配置され、前記回転軸の軸方向に延びる円筒状の継鉄部と、前記継鉄部と前記回転子との間に設けられた磁石を含む歯と、を有する固定子と、
前記固定子の前記歯に前記回転軸の半径方向に配置されるコイルと、
を備える回転電気機械。

【請求項13】

複数の前記コイルのうち直列接続するコイルの数を変更可能なスイッチをさらに備える、
請求項１に記載の回転電気機械。

【請求項14】

前記磁石は電磁石である、
請求項１に記載の回転電気機械。

【請求項15】

前記歯を巻回する第２のコイルをさらに備える、
請求項１に記載の回転電気機械。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、直流発電機、直流電動機、または電力変換器として動作する回転電気機械に関する。

【背景技術】

【0002】

図３０は、従来技術における直流発電機の構成を示す概略図である。直流発電機９Ａは、直流電力を発電する発電機である。コイル９５Ａは直流発電機９Ａの回転子９３Ａに巻回されており、回転子９３Ａと共に回転軸の軸線Ｏ回りに回転する。コイル９５Ａは、回転すると、固定子となる永久磁石９２Ａまたは電磁石による界磁束（field flux）を交差するよう配置される。コイル９５Ａはそれと共に回転する整流子９６に接続され、ブラシ９７を仲介して直流電源９８に接続される。コイル９５Ａの回転軸方向の長さをＬ、コイル９５Ａの回転半径をｒ、界磁の磁束密度をＢ、直流電源９８によりコイル９５Ａに発生している電流をｉ、コイル９５Ａの微小区間ｄｌが界磁束を直角に横切る速度をｕと記すと、コイル９５Ａが角速度ωで回転するとき、コイル９５Ａの一周の長さｌに発生する誘導起電力ｅは、フレミングの右手の法則から次式（１）で表される。

【0003】

【数1】

【0004】

図３１は、コイル９５Ａが界磁の中を回転するとき、回転角度θを横軸に、コイル一周の誘導起電力ｅを縦軸に表したグラフである。コイル一周の誘導起電力ｅはコイル９５Ａの回転角度について１８０°毎に交番する。図３２は、コイル９５Ａの回転角度θに対する整流子９６の後の電圧ｅ_１のグラフである。整流子９６はコイル９５Ａが１８０°回転する毎にコイル９５Ａと直流電源９８の接続を反転させるので、直流電源９８にかかる電圧ｅ_１は、コイル９５Ａの誘導起電力ｅのグラフの負側を正側に折り返したものとなる。従来の直流発電機９Ａは、このような仕組みにより直流電力を発電し、たとえば直流電池のような直流負荷に発電電力を供給（充電）する。

【0005】

従来の直流発電機９Ａは、整流子９６およびブラシ９７が消耗部品であるので寿命が短い、ブラシ９７から電気ノイズや騒音が発生するなどの課題がある。そこで、課題を解決する技術の一つに、ブラシと整流子を取り去ったブラシレス直流発電機がある。同発電機では、ブラシレスにするためにブラシと整流子の機械的な接触を、半導体素子のスイッチング動作に替えている。ブラシレス直流発電機は、寿命・メンテナンス性・音響ノイズの点で優れるが、駆動回路が必要となりコストアップすることが課題である。課題を解決する他の技術として、特許文献１および特許文献２は、図３３に示すようなブラシレス直流発電機９Ｂを開示している。ブラシレス直流発電機９Ｂは、固定子９２Ｂにコイル９５Ｂが設置され、回転子９３Ｂに永久磁石９３１が設置される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０００－１５２６０２号公報

【特許文献2】特開２０２０－１５６１９３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

特許文献２のブラシレス直流発電機９Ｂの特徴は、磁石９３１の磁極を周方向に交番させないことである。すなわち、ブラシレス直流発電機９Ｂの界磁束は回転子９３Ｂが回転しても、図３３に破線で示すように一方向であり交番しない。したがって、回転子を一方向に回すなら、コイル９５Ｂの誘導起電力は直流であり、一つひとつのコイルを誘導起電力が相加するように接続するだけで直流発電機として機能する。しかし、ブラシレス直流発電機９Ｂは、固定子９２Ｂを包むようにコイルを巻回しなければならずコイルが長くなり電気抵抗による損失が大きい、回転子９３Ｂに磁石９３１を配置するので高速回転の用途では磁石の保持が困難である、という課題があった。

【0008】

本開示の目的は、ブラシ、整流子、および駆動回路を必要としない簡易な構成で、直流発電機、直流電動機、または直流と交流との電力変換器として動作し、高速回転の用途にも適する回転電気機械を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本開示の一態様によれば、回転電気機械は、回転軸の軸線回りに回転する回転子と、前記回転子と空隙を開けて対向配置され、前記回転軸の軸方向に延びる円筒状の継鉄部と、前記継鉄部と前記回転子との間に設けられた磁石を含む歯と、を有する固定子と、前記固定子の前記歯に前記回転軸と平行に配置されるコイルと、を備える。

【0010】

本開示の一態様によれば、回転電気機械は、回転軸の軸線回りに回転する回転子と、前記回転子と前記回転軸の軸方向に空隙を開けて対向配置され、前記回転軸の軸方向に延びる円筒状の継鉄部と、前記継鉄部と前記回転子との間に設けられた磁石を含む歯と、を有する固定子と、前記固定子の前記歯に前記回転軸の半径方向に配置されるコイルと、を備える。

【発明の効果】

【0011】

上記態様によれば、ブラシ、整流子、および駆動回路を必要としない簡易な構成で、直流発電機、直流電動機、または直流と交流との電力変換器として動作することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】第１の実施形態に係る回転電気機械の構成の概略を示す断面図である。

【図2】第１の実施形態に係る回転電気機械の第１の部分拡大図である。

【図3】第１の実施形態に係る回転電気機械の第２の部分拡大図である。

【図4】第１の実施形態に係る回転電気機械の第３の部分拡大図である。

【図5】第１の実施形態に係る回転電気機械の第４の部分拡大図である。

【図6】第１の実施形態に係る回転電気機械の第５の部分拡大図である。

【図7】永久磁石の配置例を示す第１の図である。

【図8】永久磁石の配置例を示す第２の図である。

【図9】永久磁石の配置例を示す第３の図である。

【図10】永久磁石の配置例を示す第４の図である。

【図11】永久磁石の配置例を示す第５の図である。

【図12】歯の構成例を示す図である。

【図13】歯および突極の配置例を説明するための第１の図である。

【図14】コイルの配置例を説明するための第１の図である。

【図15】コイルの配置例を説明するための第２の図である。

【図16】コイルの配置例を説明するための第３の図である。

【図17】コイルの配置例を説明するための第４の図である。

【図18】第２の実施形態に係る回転電気機械の構成の概略を示す斜視図である。

【図19】第２の実施形態に係る回転電気機械の第１の部分拡大図である。

【図20】第２の実施形態に係る回転電気機械の第２の部分拡大図である。

【図21】第３の実施形態に係る回転電気機械のコイルの構成を示す第１の概略図である。

【図22】第３の実施形態に係るスイッチと起電力の対応を示す表である。

【図23】第３の実施形態に係る回転電気機械のコイルの構成を示す第２の概略図である。

【図24】第４の実施形態に係る回転電気機械の第１の部分拡大図である。

【図25】第４の実施形態に係る回転電気機械の第２の部分拡大図である。

【図26】第５の実施形態に係る回転電気機械の第１の部分拡大図である。

【図27】第５の実施形態に係る回転電気機械の第２の部分拡大図である。

【図28】第５の実施形態に係る回転電気機械を電力変換器として動作させる例を示す図である。

【図29】第６の実施形態に係る回転電気機械の部分拡大図である。

【図30】従来技術における直流発電機の構成を示す第１の概略図である。

【図31】従来技術における直流発電機の整流子前の電圧の例を示すグラフである。

【図32】従来技術における直流発電機の整流子後の電圧の例を示すグラフである。

【図33】従来技術における直流発電機の構成を示す第２の概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

＜第１の実施形態＞
図１は、第１の実施形態に係る回転電気機械の構成の概略を示す断面図である。
図１に示す回転電気機械１は、直流発電機、直流電動機、または直流と交流とを変換する電力変換器として機能する。本実施形態では、回転電気機械１が直流電機（直流発電機または直流電動機）である態様を例として説明する。

【0014】

（回転電気機械の構成）
図１に示すように、回転電気機械１は、固定子２と、回転子３と、回転軸４と、コイル５とを備える。固定子２および回転子３は、回転軸４と同心に配置される。図１は、回転電気機械１の回転軸４に対して垂直な断面を表したものである。

【0015】

回転軸４は、軸線Ｏに沿って延びる。以下の説明では、回転軸４の延びる方向を「軸方向Ｄａ」、周方向を「周方向Ｄｃ」、半径方向を「半径方向Ｄｒ」と記載する。

【0016】

回転子３は、回転軸４の軸線Ｏ回りに回転する。

【0017】

固定子２は、回転について固定されており、回転子３を半径方向Ｄｒの外側から囲うように回転子３と空隙Ｇをあけて対向配置される。なお、他の実施形態では、回転電気機械１は、回転子３が固定子２を半径方向Ｄｒの外側から囲うように配置されたアウターロータの構成であってもよい。

【0018】

なお、図１には、断面の形状が軸方向Ｄａの位置に依存しない一般的な回転電気機械の例が示されているが、これに限られることはない。他の実施形態では、たとえば固定子２の歯２２や回転子３の突極３２をスキュー配置としてもよい。

【0019】

図２は、第１の実施形態に係る回転電気機械の第１の部分拡大図である。
図２は、回転電気機械１の回転軸４に対して垂直な断面を表している。図２に示すように、固定子２は、継鉄部２１と、永久磁石２２２を含む歯２２とを有する。継鉄部２１は、軟磁性材料からなり、回転軸４の軸方向Ｄａに延びる円筒状に形成される。歯２２は、周方向Ｄｃに複数が並べて配置される。たとえば歯２２は、図２に示すように、鉄心２２１と永久磁石２２２とからなる。鉄心２２１は、軟磁性材料からなり、継鉄部２１から回転子３に向かって半径方向Ｄｒに突出する。永久磁石２２２は、鉄心２２１を半径方向Ｄｒに分割するように、鉄心２２１の内部に埋め込まれる。永久磁石２２２は、磁極が半径方向Ｄｒを向くように配置される。また、永久磁石２２２は、回転子３側を向く磁極の極性が、周方向Ｄｃに隣り合う永久磁石２２２と逆になるように配置される。たとえば、各歯２２ａ～２２ｃの永久磁石２２２は、歯２２ｂの回転子３側の磁極がＮ極である場合、隣り合う歯２２ａ，２２ｃの回転子３側の磁極はＳ極となるように配置される。

【0020】

回転子３は、継鉄部３１と、突極３２とを有する。継鉄部３１は、軟磁性材料からなり、回転軸４の軸方向Ｄａに延びる円筒状に形成される。突極３２は、継鉄部３１から固定子２に向かって半径方向Ｄｒに突出する。回転子３の継鉄部３１および突極３２は、回転子３の回転とともに周方向Ｄｃに移動する。

【0021】

図３は、第１の実施形態に係る回転電気機械の第２の部分拡大図である。
図２および図３に示すように、コイル５は、回転軸４と平行に、固定子２の歯２２を軸方向Ｄａに貫通するように配置される。たとえば、コイル５は、軸方向Ｄａの一方側（図２の紙面裏側、図３の紙面上側）から他方側（図２の紙面表側、図３の紙面下側）に向かって歯２２ａを貫通し、軸方向Ｄａの他方側の端面で折り返して隣の歯２２ｂを他方側から一方側に貫通する。同様に、コイル５は、軸方向の一方側の端面で折り返し、さらに隣の歯２２ｃを軸方向Ｄａの一方側から他方側に貫通する。このように、コイル５は波巻きで各歯２２に巻かれてもよい。なお、コイル５は、図２の例のように、固定子２の鉄心２２１の回転子３側の端面に設けられた溝２２３の内部に設置されてもよい。また、一つの溝２２３に複数のコイル５を設置してもよい。

【0022】

上記した式（１）は、界磁束Ｂに直交する向きに電流を流すと、誘導起電力ｅが発生することを表している。図３０の直流発電機９Ａは、コイル９５Ａが回転子９３Ａにあれば、磁極は固定子９２Ａに配置する。この場合、コイル９５Ａに交差する磁極はＮ極とＳ極が交番する。このため、式（１）によると、たとえばコイル９５ＡがＮ極と交差する期間は正の電圧が発生しても、次にＳ極と交差すると負の電圧が発生し、両方を時間的に平均すると電圧は０となる。したがって、コイル９５Ａの電流が直流であるなら誘導起電力ｅの期待値は零となり、両者の積である電力は得られない。電力を得るためには、界磁束の交番に合わせて、コイル９５Ａの電流も交番さなければならない。すなわち、コイル９５Ａに交流を流さなければならない。

【0023】

これに対し、本実施形態に係る回転電気機械１は、コイル５と、磁極（永久磁石２２２）とを共に固定子２に配置するところが特徴である。コイル５と磁極を共に固定子２に配置すれば、コイル５からみたとき界磁束は交番しない。界磁束が交番しなければ、式（１）の誘導起電力は時間的な期待値が０にはならず、正または負のどちらかになる。固定子２のどの歯２２に配置されたコイル５の電圧が正になるか、または負になるかは、磁極の向きで決まっている。したがって、一つひとつのコイル５をそれぞれに発生する誘導起電力を相加するように接続すると直流電力を得ることができる。なお、他の実施形態では、コイル５と永久磁石２２２とを共に回転子３に配置してもよい。

【0024】

特許文献２（図３３）のブラシレス直流発電機９Ｂは、磁極は回転子９３Ｂに、コイル９５Ｂは固定子９２Ｂに配置しているが、磁極が周方向Ｄｃに交番しないので、即ちコイル９５Ｂは常にＮ極またはＳ極のどちら一方と交差する。したがって、本願と同様に、コイル９５Ｂには直流電圧が発生し直流電力を得ることができる。

【0025】

たとえば図２のような磁極（永久磁石２２２）を有する固定子２の歯２２と、回転子３の突極３２とを考える。磁極の方向は半径方向Ｄｒであり、磁極は周方向Ｄｃに交番するよう配置する。図２において歯２２と突極３２とが完全に交差したとき、空隙Ｇの界磁束密度はＢ_０であるとする。また、歯２２と突極３２を周方向Ｄｃに等間隔Ｗ１でｎ_Ｔ個配置したとする。このとき、固定子２の界磁束密度は一周でｎ_Ｔ回交番するので、突極３２が固定子２の角度θの位置にあるときの界磁束密度は式（２）で近似的に表すことにする。

【0026】

【数2】

【0027】

突極３２が回転子３とともに周方向Ｄｃに速度ｕで移動すると、フレミングの右手の法則から、固定子２に軸方向Ｄａに配置したコイル５には単位長さあたり式（３）の誘導起電力ｅが発生する。

【0028】

【数3】

【0029】

コイル５がｎ_Ｔ本あり、それぞれの固定子２上の角度を｛θ_１，θ_２，…，θｎ_Ｔ｝とする。空隙Ｇの界磁束密度は式（２）のように角度θに依存するので、角度が分ると界磁束密度の正負がわかる。

【0030】

すると、図２および図３に示すように、たとえば磁束が半径方向Ｄｒに内向きの歯２２ｂではコイル５に電流が紙面表側から裏側の方向に流れるように、磁束が半径方向Ｄｒに外向きの歯２２ａ，２２ｃではコイル５に電流が紙面裏側から表側に流れるように、コイル５を結線することにより、突極３２が周方向Ｄｃに速度ｕで移動するときにコイル５に発生する起電力が相殺しないように相加することができる。たとえば、起電力を正に揃えるなら、コイル５を接続する向きを符号関数ｓｇｎ（ｃｏｓ（ｎ_Ｔθ／２））が１なら順方向、－１なら逆方向のように設定する。そうすれば、コイル５の誘導起電力は全て正に揃うので相加することができる。図２では、紙面表側から裏側に通電するコイル５は（×）で、紙面裏側から表側に通電するコイルは（・）で示している。

【0031】

コイルｋ（ｋ番目のコイル５）の単位長さに発生する電力を、コイルｋの電圧×コイルｋの電流で計算すると、式（４）となる。

【0032】

【数4】

【0033】

コイルが横切る界磁束の軸方向Ｄａの長さをＬで表すと、回転電気機械１の全体の電力Ｐ（θ）は式（５）となる。

【0034】

【数5】

【0035】

回転子３の突極３２の１回転について平均すると式（５）は式（６）のように表され、回転電気機械１が出力する平均的な電力が分る。

【0036】

【数6】

【0037】

電力を角速度で偏微分するとトルクになる。空隙Ｇの半径をｒとすると、トルクは次式（７）である。

【0038】

【数7】

【0039】

図２のように、コイル５を歯２２の溝２２３に設置すると、突極３２と歯２２との空隙Ｇが狭くなり、界磁束の磁束密度Ｂが増加して回転電気機械１の出力が向上する。

【0040】

図４は、第１の実施形態に係る回転電気機械の第３の部分拡大図である。
図５は、第１の実施形態に係る回転電気機械の第４の部分拡大図である。
コイル５は、図４に示すように溝２２３をなくして、すなわち、コイル５の左右の鉄心２２１をなくして、空隙Ｇに裸で設置してもよい。コイル５を保持する目的で図２のように歯２２に溝２２３を形成する場合も、図４のように空隙Ｇにコイル５を裸で設置するのと原理的には等価である。鉄心２２１が無いと空隙Ｇの磁束密度が低下するので、それを補うために永久磁石２２２を半径方向Ｄｒに厚くしてもよい。永久磁石２２２を極端に厚くすると、図５の例のように永久磁石２２２が継鉄部２１と接することになる。本実施形態では、継鉄部２１と空隙Ｇとの間に形成される構造を歯と呼ぶことにする。すなわち、歯２２は、図５の例のように永久磁石２２２のみで形成されたものであってよい。

【0041】

図６は、第１の実施形態に係る回転電気機械の第５の部分拡大図である。
コイル５は、図６に示すように永久磁石２２２の回転子３を向く端面に設けられた溝２２４の内部に設置してもよい。コイル５を永久磁石２２２の溝２２４に設置すれば空隙Ｇの磁束密度は維持され、図２の形態と同様の出力が得られる。

【0042】

なお、図５と図６では、歯２２は鉄心２２１がない。歯２２に鉄心２２１が無いとコイル５のインダクタンスが小さくなる。これにより、回転電気機械１の接触器（不図示）などではサージ電圧が抑制されるので、運転の安全性や信頼性が向上する。

【0043】

（永久磁石の配置例）
図２に示す構成例は、本実施形態の回転電気機械１の標準的な形態であるが、これ以外にもいくつかの形態がある。ここでは、図７～図１１を参照しながら永久磁石２２２の配置例について説明する。

【0044】

図７は、永久磁石の配置例を示す第１の図である。
図２の例では、永久磁石２２２を磁極の向きが半径方向Ｄｒと一致するように配置した。これに対し、変形例では、図７のように、永久磁石２２２の磁極の向きが半径方向Ｄｒに対して傾斜するように配置してもよい。図７の例では、Ｖ字形状に形成した永久磁石２２２を歯２２の鉄心２２１に埋め込むことにより、永久磁石２２２を傾斜して配置している。このように、永久磁石２２２を傾斜させると、永久磁石２２２の法面の長さ（法長）が増すので、界磁束が増大し回転電気機械１の出力が向上する。

【0045】

また、図７のように永久磁石２２２を傾斜して配置すると、継鉄部２１と永久磁石２２２とを接続する継鉄延伸部２２１ａが、歯２２の周方向Ｄｃの側面全体に占める比率を増やすことになる。継鉄延伸部２２１ａの磁位は近似的に継鉄部２１と等しいので、周方向Ｄｃに隣接する歯２２の継鉄延伸部２２１ａの磁位も継鉄部２１に等しく、結果的に両側面に磁位の差が無くなる。これにより、隣接する歯の側面に発生する磁束漏洩が減る。漏洩磁束が減れば界磁束が増えるので、回転電気機械１の出力が向上する。

【0046】

図８は、永久磁石の配置例を示す第２の図である。図９は、永久磁石の配置例を示す第３の図である。
図８のように、歯２２（鉄心２２１）を永久磁石２２２の法面より空隙Ｇ側に延長してもよい。また、図９のように、永久磁石２２２は、Ｖ字形状の第１磁石２２２ａと、第１磁石２２２ａの周方向Ｄｃの両端部を半径方向Ｄｒに空隙Ｇまで延長する第２磁石２２２ｂとを有していてもよい。第２磁石２２２ｂは、歯２２の周方向Ｄｃの側面のうち、継鉄延伸部２２１ａよりも空隙Ｇ側の側面２２１ｂを覆う。第２磁石２２２ｂは、磁束が歯２２の周方向Ｄｃの側面２２１ｂから漏出することを防止することが目的である。このため、第２磁石２２２ｂは、歯２２の周方向Ｄｃの側面２２１ｂから歯２２の周方向Ｄｃの中心への磁束を助勢するように磁極を配置する。

【0047】

図１０は、永久磁石の配置例を示す第４の図である。図１１は、永久磁石の配置例を示す第５の図である。
図１０は、正負両方の磁極とその起磁力を具体的に破線の矢印で表したものである。図１１は、図９の構成をさらに変形させて、永久磁石２２２を傾斜しない（矩形状の永久磁石２２２を周方向Ｄｃに沿って配置する）場合の例である。これらの形態も本実施形態の一態様に含まれる。

【0048】

（歯の構成例）
図１２は、歯の構成例を示す図である。
図２や図７の例では、歯２２は磁極毎に独立していた。図１２は、図７の歯２２を周方向Ｄｃに互いに接するように形成、配置した例である。具体的には、継鉄部２１の回転子３側の一部を絶縁するように、継鉄部２１の内部にＶ字形状の永久磁石２２２が埋め込まれる。継鉄部２１は、内部に埋め込まれた永久磁石２２２により、基端部２１１ａと先端部２１１ｂとに分割される。コイル５は先端部２１１ｂに設置される。

【0049】

図１２の例では、見掛け上は歯（回転子３に向かって半径方向Ｄｒに突出する部分）が無いものの、コイル５は永久磁石２２２で周囲を囲まれるので、図２や図７の構成と同様に界磁束が発生する。空隙Ｇとの境界（すなわち、継鉄部２１の回転子３側の端面）から永久磁石２２２の基端部２１１ａ側の端部までが事実上の歯２２である。つまり、図１２の例では、固定子２の歯２２は、永久磁石２２２と、継鉄部２１の永久磁石２２２で囲まれた先端部２１１ｂとからなる。

【0050】

（歯および突極の配置例）
図１３は、歯および突極の配置例を説明するための第１の図である。
図１３は、歯２２および突極３２の周方向Ｄｃにおける配置例を示している。突極３２の周方向Ｄｃの弧の長さをＷ１、隣り合う突極３２間の弧の長さをＷ１’、歯２２の弧の長さをＷ２、隣り合う歯２２間の弧の長さをＷ２’、歯２２の数をｎ_Ｔ、突極３２の数をｎ_ｐｓとする。磁極の正負が交番する周期はＷ２＋Ｗ２’である。磁極は周方向Ｄｃにｎ_Ｔ個あるので、磁極をｎ_Ｔ個配置するにはｎＴ×（Ｗ２＋Ｗ２’）の周長が必要である。一方、突極３２の周期はＷ１＋Ｗ１’であるので、突極をｎ_ｐｓ個配置するにはｎ_ｐｓ×（Ｗ１＋Ｗ１’）の周長が必要である。磁極と突極３２は半径方向Ｄｒに、例えば１ｍｍ程度の空隙Ｇがあるが、近似的に空隙Ｇが無いものとすると、磁極をｎ_Ｔ個配置する周長と、突極をｎ_ｐｓ個配置する周長は等しくなければならない。このことから、回転電気機械１の設計変数である｛Ｗ１，Ｗ１’，Ｗ２，Ｗ２’，ｎ_Ｔ，ｎ_ｐｓ｝は次式（８）を満たすように設定する。式（８）は、Ｗ２＋Ｗ２’とＷ１＋Ｗ１’との関係を示している。したがって、Ｗ１とＷ１’は両者の和が重要であり、Ｗ１とＷ１’は必ずしも同じ値でなくてもよい。Ｗ１＝Ｗ１’を基本として、その周囲で微調整してもよい。Ｗ２についても同様である。Ｗ２＝Ｗ１を基本として、その周囲で微調整してもよい。

【0051】

【数8】

【0052】

（コイルの配置例）
図１４は、コイルの配置例を説明するための第１の図である。
図２の例のように、コイル５は、回転軸４と平行に、歯２２を軸方向Ｄａに貫通するように配置される。さらに、図１４に示すように、コイル５の少なくとも一部が回転子３に近い側に位置するように配置されることが望ましい。具体的には、コイル５の回転子３側の端部が、歯２２の半径方向Ｄｒの長さの中間点ｍと同じ位置、または、中間点ｍよりも回転子３側に位置するように配置される。

【0053】

図１４のようにコイル５を空隙Ｇに近づけて配置すると、歯２２と突極３２が半径方向Ｄｒに対面する空隙Ｇの界磁束をコイル５で支配することができる。図１４の例では、空隙Ｇの界磁束が下向き（回転子３へ向かう方向）であるとして、コイル５に紙面裏側から表側に電流を流したとする。このとき、右ネジの法則（アンペールの法則）にしたがってコイル５の周囲に破線５１で示すような反時計回りに磁界が作られる。その結果、空隙Ｇにはコイル５によって右向きの磁界ができて、破線５２で示すように空隙Ｇを通る界磁の磁束線は湾曲する。このとき、コイル５には磁束線が直線になろうとする方向に電磁力Ｆが作用する。同時に突極３２には逆向きに－Ｆが作用して回転子を駆動する。このように、回転電気機械１は電動機として機能する。また、突極３２を外力で回すとコイル５の両端に誘導起電力が発生するので回転電気機械１は発電機として機能する。図１４では、コイル５を空隙Ｇに接するように配置してコイル５の一部を空隙Ｇに露出させている。こうすることにより、コイル５によって空隙Ｇに生じる磁界５１が増大し、回転電気機械１の出力が向上する。コイル５は溝２２３に配置してもよい。一つの歯２２に多数のコイル５を配置しようとすると、すべてのコイル５を空隙Ｇに露出させることが難しくなる。そのような場合、溝２２３は有効であり、複数のコイル５を溝２２３に配置してもよい。溝２２３が空隙Ｇに開口する領域には一つひとつのコイル５を合算した磁界５１が発生し、等価的に溝２２３に配置したコイル５全てを空隙Ｇに露出させたことになる。

【0054】

図１５は、コイルの配置例を説明するための第２の図である。
図１５は、図１４の配置例との対比として、コイル５を空隙Ｇから遠ざけた配置例である。コイル５が空隙Ｇから遠ざかると、コイル５による磁界が空隙Ｇの界磁束に影響し難くなる。このため、図１５の配置例は、図１４の配置例と比較して電気出力が低下する。

【0055】

図１６は、コイルの配置例を説明するための第３の図である。図１７は、コイルの配置例を説明するための第４の図である。
次に、一つの歯２２に複数のコイル５を周方向Ｄｃに分けて配置する例について説明する。図１６～図１７は一つの歯２２に２条のコイル５ａ，５ｂを周方向Ｄｃに分けて配置する例を示している。コイル５ａ、５ｂの間隔は歯２２の間隔を等分割してもよい。図１６～図１７はコイル５を周方向Ｄｃに２条に分けて配置するので、コイル５ａ，５ｂの間隔は歯２２の弧の長さＷ２の半分としている。これは式（９）のように表されるが、式（８）と意味は同じである。

【0056】

【数9】

【0057】

なお、図１７ではコイル５を波巻き（Wave Winding）とする例が示されているが、重ね巻き（Wrap Winding）であってもよい。

【0058】

（作用、効果）
以上のように、本実施形態に係る回転電気機械１は、回転軸４の軸線Ｏ回りに回転する回転子３と、回転子３と空隙Ｇを開けて対向配置され、回転軸４の軸方向Ｄａに延びる円筒状の継鉄部２１と、継鉄部２１と回転子３との間に設けられた永久磁石２２２を含む歯２２と、を有する固定子２と、固定子２の歯２２に回転軸４と平行に配置されるコイル５と、を備える。

【0059】

従来技術では、コイルを回転子に配置し、磁石を固定子に配置して、コイルと磁石とを相対運動（交番）させていた。これに対し、本実施形態に係る回転電気機械１は、上記したように、コイル５および永久磁石２２２の両方を固定子２に配置して、両者の相対運動をさせないので、整流が不要となる。これにより、回転電気機械１は、ブラシ、整流子、および駆動回路を必要となしない簡易な構成で、直流発電機または直流電動機として動作することができる。これにより、直流発電機または直流電動機を安価かつ簡易な構造で製造することが可能となる。他方、特許文献２の技術では固定子９２Ｂを包むようにコイル９５Ｂを巻回しなければならずコイルが長くなり電気抵抗による損失が大きい、回転子９３Ｂに磁石９３１を配置するので高速回転の用途では磁石の保持が困難である、という課題があった。これに対し、本実施形態に係る回転電気機械１は永久磁石２２２を固定子２に配置して磁石保持の課題を、コイル５を波巻きまたは重ね巻きによりコイルを短縮して電気抵抗による損失の課題を、解決することが可能となる。

【0060】

また、歯２２は、継鉄部２１から半径方向Ｄｒに回転子３に向かって突出する鉄心２２１をさらに有し、永久磁石２２２は鉄心２２１を半径方向Ｄｒに分割するように配置される。

【0061】

このようにすることで、回転電気機械１は、固定子２の歯２２と回転子３との間の空隙Ｇを狭めて界磁束の磁束密度を増加させることができるので、出力（トルク）を高めることができる。

【0062】

また、歯２２は、継鉄部２１から半径方向Ｄｒに回転子３に向かって突出するように配置された永久磁石２２２からなる。

【0063】

回転電気機械１は、このように歯２２から鉄心をなくすことによってコイル５のインダクタンスを小さくすることができる。これにより、回転電気機械１に用いられる接触器などのサージ電圧を抑制し、運転の安全性や信頼性を向上させることができる。

【0064】

また、永久磁石２２２は、継鉄部２１の回転子３側の一部を絶縁するように継鉄部２１の内部に埋め込まれ、歯２２は、永久磁石２２２と、継鉄部２１の永久磁石２２２で囲まれた領域（先端部２１１ｂ）とからなる。

【0065】

このように、歯２２が鉄心を有していないコアレスモータのような構成であっても、永久磁石２２２で囲まれた領域を歯２２として機能させて、歯２２を半径方向Ｄｒに突出させた構成と同様の効果を得ることができる。

【0066】

また、永久磁石２２２は、磁極が半径方向Ｄｒを向くように配置される。

【0067】

このように、回転電気機械１は、コイル５に対し常に一方の磁極（Ｎ極またはＳ極）の対向させることにより、コイル５から見て界磁束が交番しないので、従来技術で用いられるコイルの電流を交番させるための駆動回路を省略することができる。

【0068】

また、永久磁石２２２は、磁極の向きが半径方向Ｄｒに対して傾斜するように配置され、永久磁石２２２の少なくとも一部は、半径方向Ｄｒにおいて継鉄部２１とコイル５との間に位置する。

【0069】

このようにすることで、回転電気機械１は、永久磁石２２２の法面の長さを増して界磁即を増大させ、出力を高めることができる。

【0070】

また、コイル５の少なくとも一部は、歯２２の半径方向Ｄｒの中間点ｍよりも回転子３側に配置される。

【0071】

このようにすることで、回転電気機械１は、コイル５に電流を流したときに発生する界が、空隙Ｇの界磁束に与える影響を高めることができる。これにより、コイル５を中間点ｍよりも回転子３から遠ざけた場合と比較して、コイル５に作用する電磁力、または、コイル５の両端に発生する電圧を大きくし、回転電気機械１の出力を高めることができる。

【0072】

また、回転子３は、半径方向Ｄｒに固定子２に向かって突出する突極３２を有する。

【0073】

このようにすることで、回転電気機械１は、固定子２の歯２２と回転子３の突極３２との間の空隙Ｇを狭めて界磁束の磁束密度を増加させることができるので、出力（トルク）を高めることができる。

【0074】

また、永久磁石２２２は、回転子３側を向く磁極の極性が周方向Ｄｃに隣り合う永久磁石２２２と逆になるように配置され、永久磁石の回転子３側を向く磁極に応じてコイル５の軸方向Ｄａの電流の向きを交番させる。

【0075】

このようにすることで、回転電気機械１は、回転子３が回転するときにコイル５に発生する起電力が相殺しないように相加することができる。

【0076】

また、突極３２の周方向Ｄｃの弧の長さをＷ１、隣り合う突極３２の間の弧の長さをＷ１’、歯２２の周方向Ｄｃの弧の長さをＷ２、隣り合う歯２２の間の弧の長さをＷ２’、歯２２の数をｎ_Ｔ、突極３２の数をｎ_ｐｓとしたとき、ｎ_Ｔ・（Ｗ２＋Ｗ２’）＝ｎ_ｐｓ・（Ｗ１＋Ｗ１’）を満たすように、｛Ｗ１，Ｗ１’，Ｗ２，Ｗ２’，ｎ_Ｔ，ｎ_ｐｓ｝の値を定める。

【0077】

このようにすることで、回転電気機械１は、突極３２および歯２２の数や、弧の長さを任意に変更することができる。

【0078】

＜第２の実施形態＞
次に、第２の実施形態に係る回転電気機械１について説明する。上述の実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。

【0079】

図１８は、第２の実施形態に係る回転電気機械の構成の概略を示す斜視図である。図１９は、第２の実施形態に係る回転電気機械の第１の部分拡大図である。図２０は、第２の実施形態に係る回転電気機械の第２の部分拡大図である。
図１８～図２０に示すように、本実施形態に係る回転電気機械１は、固定子２と回転子とを軸方向Ｄａに並べたアキシャルギャップ電動機、またはアキシャルギャップ発電機である。

【0080】

フレミングの右手の法則によると、起電力はコイルの特定部分に発生する。特定部分とは、コイルの電流の方向が、界磁束の方向に垂直であり、かつ、コイルの移動方向にも垂直である部分である。第１の実施形態では、界磁束が半径方向である一般的な直流電機について説明した。一般的な直流電機は、界磁束は半径方向であり、コイルは界磁束に対して相対的に周方向に移動するから、コイルの電流が軸方向に流れる部分が上記した「コイルの特定部分」である。よって、直流電機の形状を軸方向に延ばすと式（６）におけるＬが増大し電気出力が向上する。

【0081】

しかし、扁平形状が好まれる用途では、直流電機そのものが軸方向に制約されるので、コイルを軸方向に長く配置することができない。そこで、扁平形状の用途では、図１９のように界磁束を軸方向Ｄａに生成し、かつ、コイル５を自転車の車輪のスポークのように半径方向Ｄｒに長く延ばして配置する。そうするとコイル５を半径方向Ｄｒに長く延ばした部分が界磁束に交差するので、電気出力の向上に役立つ。

【0082】

＜第３の実施形態＞
次に、第３の実施形態に係る回転電気機械１について説明する。上述の実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。

【0083】

図２１は、第３の実施形態に係る回転電気機械のコイルの構成を示す第１の概略図である。図２２は、第３の実施形態に係るスイッチと起電力との対応を示す表である。図２３は、第３の実施形態に係る回転電気機械のコイルの構成を示す第２の概略図である。

【0084】

直流電機の出力は、式（６）に示すようにコイルの電流に比例する。コイル５の電流は、電源の電圧と直流電機の起電力の差に比例する。たとえばコイル５が４個あるとして、図２１のように接続したとする。

【0085】

このとき、コイル５全体の起電力は、スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３を開閉することによって、図２２に示す対応表Ｔ１のように調節することができる。コイル５が４個の場合は起電力の切り替えは対応表Ｔ１のように４段階であるが、例えば１２個であれば１２段階に切り替えることができる。もちろん、コイルが１２個あるからといって１２段階にする必要はない。例えば１２個を３個ずつ４組にわければ４段階に切り替えることができる。必要とされる段数に応じて組数を分ければよい。

【0086】

図２１では、直列接続するコイル５の数を変更することにより、全てのコイル５を使いつつ起電力を調節した。一部のコイルを休止させるならば、シンプルに図２３のように多接点のスイッチＳＷを利用して起電力を切り替えても良い。

【0087】

一般に、直流電圧の変換にはチョッパーのような電力変換器が利用され、例えば１ミリ秒毎にスイッチのＯＮとＯＦＦとを切り替えている。１ミリ秒毎の切り替えは電圧変換のためのものであり、例えば鉄道車両の速度調整にはこのような高速の切り替えは不要である。鉄道車両は、運転士は力行の出力ハンドルを切替えて車両の速度を調節しているが、切り替えの段数（ノッチ数）は数段しかない。このような用途では出力の切り替えは低速のスイッチで充分であり本実施形態に記載の技術が好適である。

【0088】

＜第４の実施形態＞
次に、第４の実施形態に係る回転電気機械１について説明する。上述の実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。

【0089】

図２４は、第４の実施形態に係る回転電気機械の第１の部分拡大図である。図２５は、第４の実施形態に係る回転電気機械の第２の部分拡大図である。
図２４に示すように、固定子２の歯２２は、永久磁石２２２に代えて電磁石２２５を有していてもよい。また、図２５に示すように、固定子２の歯２２は、永久磁石２２２と電磁石２２５の両方を有していてもよい。

【0090】

このように、歯２２に電磁石２２５を設けることにより、永久磁石２２２の使用量を減らすことができる。これにより回転電気機械１のさらなる低コスト化が可能となる。

【0091】

また、電磁石２２５は電流を変えて起磁力を可変にできる。これにより、運転中に出力電圧を調整することができる。電磁石２２５の電源はコイル５と共通であってもよい。電磁石２２５は超電導電磁石であってもよい。

【0092】

電磁石２２５は永久磁石２２２を代替するものであって、電磁石２２５の起磁力の向きは永久磁石２２２の起磁力の向きと同一である。図２４の例のように、ひとつまたは全ての永久磁石２２２の磁極を電磁石で完全に置き換えてもよいし、図２５の例のように永久磁石２２２と電磁石２２５とを併用しても良い。

【0093】

＜第５の実施形態＞
次に、第５の実施形態に係る回転電気機械１について説明する。上述の実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。

【0094】

図２６は、第５の実施形態に係る回転電気機械の第１の部分拡大図である。図２７は、第５の実施形態に係る回転電気機械の第２の部分拡大図である。
図２６に示すように、本実施形態に係る回転電気機械１は、歯２２に巻回された第２のコイル６をさらに備える。

【0095】

直流電機は、式（１）に示したように、交番しない直流の界磁をコイルが界磁と直角方向に移動することにより誘導起電力ｅを得ている。誘導起電力の大きさは、界磁の磁束密度Ｂに比例する。したがって、図２の例のように、コイル５は磁束密度が最大となる磁極（歯２２）の周方向中央に配置すべきである。逆向きの磁極が隣り合う位置では磁極が相殺され界磁の磁束密度は０となる。したがって、逆向きの磁極の境界にコイル５を配置しても無駄である。

【0096】

一方、式（１０）のように交流電機はコイルを貫く交番磁束φの時間変化により起電力を得ている。

【0097】

【数10】

【0098】

コイルを貫く磁束φが大きいと交番するときのｄφ／ｄｔも大きい。したがって、交流電機ではコイルを貫く磁束φを大きくすることが望ましい。このため、磁極が発生する磁束が全てコイルを貫くよう、周方向については磁束密度が０になる磁極の境界にコイルを配置すべきである。

【0099】

このように、交流電機は直流電機とコイルを配置する位置が異なり、前述の実施形態では交流電機のコイルに好適な磁極の境界が使われていない。そこで、本実施形態では、図２６に示すように、磁極の境界に第２のコイル６を巻回し、交流電機としての出力を追加的に得られるようにする。

【0100】

第２のコイル６を巻回するスペースを広げるために、図２６のように、第２のコイル６は２つの歯２２を囲むように巻回してもよい。図２６では２つの歯２２が二股に分かれている。突極３２は二股のどちらか一方と交差するので、二股の根元の周方向Ｄｃの幅Ｗ３は突極の幅Ｗ１と等しくしておけば磁束が通るのに充分である。したがって、二股の根元は歯一つ分の幅で充分であり、残りは第２のコイル６を巻回するスペースに使う事ができる。スペースが広くなれば、第２のコイルを太くして電気抵抗に起因するジュール発熱が低減でき、効率の改善に役立つ。

【0101】

図２６において、歯２２が二股に分かれる切込み部分には破線の矢印で表す磁極の起磁力により磁位差が発生するので、歯２２の周方向Ｄｃの側面から磁束が周方向Ｄｃ右向きに漏洩する。この漏洩の対策として、図２７に示すように歯２２の周方向Ｄｃの側面に磁位差を相殺するよう第２磁石２２２ｂを配置する。すると、周方向Ｄｃ左向きの磁束が発生して漏洩を相殺または軽減する。これは図１１の構成と同様である。図２７は破線で示すように起磁力が左向きとなるよう歯２２の周方向Ｄｃの側面に第２磁石２２２ｂを配置する様子を表している。

【0102】

第２のコイル６には式（１０）の誘導起電力ｅが発生する。誘導起電力ｅに同期して同位相で第２のコイル６に交番電流を流すと、回転電気機械１は交流発電機として動作する。誘導起電力ｅに同期して逆位相で第２のコイル６に交番電流を流すと、回転電気機械１は交流電動機として動作する。このように、第２のコイル６に流れる電流の位相を調節することにより、コイルは回転子３に動力を与えることもできるし、回転子３から動力を取り出すこともできる。この性質を利用すると第２のコイル６を有する回転電気機械１を順変換器または逆変換器として利用することができる。

【0103】

図２８は、第５の実施形態に係る回転電気機械を電力変換器として動作させる例を示す図である。
図２８のように、第２のコイル６を交流電力系統に接続して有効電力Ｐ_ＡＣを与え、コイル５を直流電力系統に接続してＰ_ＤＣを与えると、式（１１）のように回転子３に動力ＰＲが発生する。

【0104】

【数11】

【0105】

回転子３を開放して自由に回転させるとする。回転子３の慣性能率をＪ、回転子３の角速度をωとすると、回転子３が発生する出力Ｐ_Ｒは次式（１２）で表される。

【0106】

【数12】

【0107】

回転子３の角速度が整定するとｄＰ_Ｒ／ｄｔ＝０となりＰ_ＤＣ＋Ｐ_ＡＣ＝０が成り立つ。これは、第２のコイル６を有する回転電気機械１が交流電力系統と直流電力系統の間の電力変換器として機能することを表している。例えば、コイル５を直流電力系統に接続して有効電力Ｐ_ＤＣを与えると、第２のコイル６にはＰ_ＡＣの有効電力が発生する。逆に、第２のコイル６にＰ_ＡＣの有効電力を与えると、第１のコイル５にはＰ_ＤＣの電力が発生する。このように、図２８のように電力系統と接続するだけでサイリスタやＩＧＢＴのようなパワー半導体を用いなくても、直流と交流の電力変換ができることは有効である。

【0108】

近年、送電のロスが少ないことから直流送電が実用化されはじめている。特に海底ケーブルでは直流送電のメリットが顕著であり、津軽海峡での北海道と本州の接続、紀伊水道での四国と本州の接続は直流送電方式で行われている。たとえば、津軽海峡での変換所ではパワー半導体を数十個直列接続するなど大量の半導体を要し、パワー半導体部分だけでも高さ１１．５ｍ、重量３８．５トンにも及ぶ。さらに、パワー半導体にはミリ秒でＯＮ／ＯＦＦして電圧などを調整する制御装置も必要である。つまり、従来のパワー半導体を用いた直流送電はコストが膨大となる。

【0109】

これに対し、本実施形態に係る回転電気機械１は、極論すれば電線を繋ぐだけで電力変換器として機能する。

【0110】

さらに、コイル棒の直列の数を変えるだけで変換器の出力調整ができるので制御もシンプルである。最近は火力発電などの回転式の発電機が休止して、電力系統の慣性不足が懸念されている。本実施形態に係る回転電気機械１において、回転子３は慣性として機能し、電力系統の需給変動による周波数変動を抑制する働きがある。したがって、本実施形態に係る回転電気機械１において、回転子３にフライホイールを接続すれば、さらにその効果を高めることができる。

【0111】

＜第６の実施形態＞
次に、第６の実施形態に係る回転電気機械１について説明する。上述の実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。

【0112】

図２９は、第６の実施形態に係る回転電気機械の部分拡大図である。
これまで、上述の実施形態では、回転子３が突極３２を有する構成を例として説明してきた。しかし、上述の各実施形態では、回転子３の突極３２は必須の構成要素ではない。このため、本実施形態では、図２９に示すように、回転子３が突極３２を有していない構成について説明する。

【0113】

図２９は、図１３の変形例であり、図１３の構成から回転子３の突極３２を取り除いている。図２９の例では、図１３と同様に空隙Ｇの界磁束が下向きであるとして、コイル５に紙面裏側から表側に電流を流したときを表している。このとき、回転子３に突極３２がなくても、右ネジの法則（アンペールの法則）にしたがってコイル５の周囲に破線５１で示すように反時計回りに磁界ができる。したがって、突極３２がなくても破線５２で示すように空隙Ｇを通る磁束線は湾曲するので。つまり、突極３２がなくても空隙Ｇを挟んで固定子２と回転子３との間には電磁力が作用する。回転子３に突極３２が無い場合、空隙Ｇの磁束密度は回転子３の角度に依らず最大値Ｂ_０で一定となる。突極３２がある場合、直流電機の平均的な出力は式（６）で表される。突極３２が無い場合、空隙Ｇの磁束密度がＢ_０で一定となるので、式（１３）のようにπ／２倍に向上する。

【0114】

【数13】

【0115】

トルクも同様に、式（１４）のようにπ／２倍に向上する。

【0116】

【数14】

【0117】

以上のとおり、本開示に係るいくつかの実施形態を説明したが、これら全ての実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態及びその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【0118】

＜付記＞
上述の実施形態に記載の回転電気機械１は、例えば以下のように把握される。

【0119】

（１）第１の態様によれば、回転電気機械１は、回転軸４の軸線Ｏ回りに回転する回転子３と、回転子３と空隙Ｇを開けて対向配置され、回転軸４の軸方向Ｄａに延びる円筒状の継鉄部２１と、継鉄部２１と回転子３との間に設けられた磁石２２２，２２５を含む歯２２と、を有する固定子２と、固定子２の歯２２に回転軸４と平行に配置されるコイル５と、を備える。

【0120】

従来技術では、コイルを回転子に配置し、磁石を固定子に配置して、コイルと磁石とを相対運動（交番）させていた。これに対し、本実施形態に係る回転電気機械１は、上記したように、コイル５および永久磁石２２２の両方を固定子２に配置して、両者の相対運動をさせないので、整流が不要となる。これにより、回転電気機械１は、ブラシ、整流子、および駆動回路を必要となしない簡易な構成で、直流発電機または直流電動機として動作することができる。これにより、直流発電機または直流電動機を安価かつ簡易な構造で製造することが可能となる。

【0121】

（２）第２の態様によれば、第１の態様に係る回転電気機械１において、歯２２は、継鉄部２１から半径方向Ｄｒに回転子３に向かって突出する鉄心２２１をさらに有し、磁石２２２は鉄心を半径方向Ｄｒに分割するように配置される。

【0122】

このようにすることで、回転電気機械１は、固定子２の歯２２と回転子３との間の空隙Ｇを狭めて界磁束の磁束密度を増加させることができるので、出力（トルク）を高めることができる。

【0123】

（３）第３の態様によれば、第１の態様に係る回転電気機械１において、歯２２は、継鉄部２１から半径方向Ｄｒに回転子３に向かって突出するように配置された磁石２２２からなる。

【0124】

回転電気機械１は、このように歯２２から鉄心をなくすことによってコイル５のインダクタンスを小さくすることができる。これにより、回転電気機械１に用いられる接触器などのサージ電圧を抑制し、運転の安全性や信頼性を向上させることができる。

【0125】

（４）第４の態様によれば、第１の態様に係る回転電気機械１において、磁石２２２は、継鉄部２１の回転子３側の一部を絶縁するように継鉄部２１の内部に埋め込まれ、歯２２は、磁石２２２と、継鉄部２１の磁石２２２で囲まれた領域とからなる。

【0126】

このように、歯２２が鉄心を有していないコアレスモータのような構成であっても、永久磁石２２２で囲まれた領域を歯２２として機能させて、歯２２を半径方向Ｄｒに突出させた構成と同様の効果を得ることができる。

【0127】

（５）第５の態様によれば、第１から第３の何れか一の態様に係る回転電気機械１において、磁石２２２は永久磁石であり、磁極が半径方向Ｄｒを向くように配置される。

【0128】

このように、回転電気機械１は、コイル５に対し常に一方の磁極（Ｎ極またはＳ極）の対向させることにより、コイル５から見て界磁束が交番しないので、従来技術で用いられるコイルの電流を交番させるための駆動回路を省略することができる。

【0129】

（６）第６の態様によれば、第１から第３の何れか一の態様に係る回転電気機械１において、磁石２２２は、磁極の向きが半径方向Ｄｒに対して傾斜するように配置され、磁石２２２の少なくとも一部は、半径方向Ｄｒにおいて継鉄部２１とコイル５との間に位置する。

【0130】

このようにすることで、回転電気機械１は、永久磁石２２２の法面の長さを増して界磁即を増大させ、出力を高めることができる。

【0131】

（７）第７の態様によれば、第１から第６の何れか一の態様に係る回転電気機械１において、コイル５の少なくとも一部は、歯２２の半径方向Ｄｒの中間点ｍよりも回転子３側に配置される。

【0132】

このようにすることで、回転電気機械１は、コイル５に電流を流したときに発生する界が、空隙Ｇの界磁束に与える影響を高めることができる。これにより、コイル５を中間点ｍよりも回転子３から遠ざけた場合と比較して、コイル５に作用する電磁力、または、コイル５の両端に発生する電圧を大きくし、回転電気機械１の出力を高めることができる。

【0133】

（８）第８の態様によれば、第１から第７の何れか一の態様に係る回転電気機械１において、回転子３は、半径方向Ｄｒに固定子２に向かって突出する突極３２を有する。

【0134】

このようにすることで、回転電気機械１は、固定子２の歯２２と回転子３の突極３２との間の空隙Ｇを狭めて界磁束の磁束密度を増加させることができるので、出力（トルク）を高めることができる。

【0135】

（９）第９の態様によれば、第１から第８の何れか一の態様に係る回転電気機械１において、磁石２２２は、回転子３側を向く磁極の極性が周方向Ｄｃに隣り合う磁石２２２と逆になるように配置され、磁石２２２の回転子３側を向く磁極に応じてコイル５の軸方向Ｄａの電流の向きを交番させる。

【0136】

このようにすることで、回転電気機械１は、回転子３が回転するときにコイル５に発生する起電力が相殺しないように相加することができる。

【0137】

（１０）第１０の態様によれば、第８の態様に係る回転電気機械１において、突極３２の周方向Ｄｃの弧の長さをＷ１、隣り合う突極３２の間の弧の長さをＷ１’、歯２２の周方向Ｄｃの弧の長さをＷ２、隣り合う歯２２の間の弧の長さをＷ２’、歯２２の数をｎ_Ｔ、突極３２の数をｎ_ｐｓとしたとき、ｎ_Ｔ・（Ｗ２＋Ｗ２’）＝ｎ_ｐｓ・（Ｗ１＋Ｗ１’）を満たすように、｛Ｗ１，Ｗ１’，Ｗ２，Ｗ２’，ｎ_Ｔ，ｎ_ｐｓ｝の値を定める。

【0138】

このようにすることで、回転電気機械１は、突極３２および歯２２の数や、弧の長さを任意に変更することができる。

【0139】

（１１）第１１の態様によれば、第１から第１０の何れか一の態様に係る回転電気機械１において、コイル５は、歯２２の回転子３を向く端面に設けられた溝２２３の内部に、回転子３との間の空隙Ｇと接するように配置される。

【0140】

このようにすることで、コイル５によって空隙Ｇに生じる磁界５１が増大するので、回転電気機械１の出力を向上させることができる。

【0141】

（１２）第１２の態様によれば、回転電気機械１は、回転軸４の軸線Ｏ回りに回転する回転子３と、回転子３と回転軸４の軸方向Ｄａに空隙Ｇを開けて対向配置され、回転軸４の軸方向Ｄａに延びる円筒状の継鉄部２１と、継鉄部２１と回転子３との間に設けられた磁石２２２を含む歯２２と、を有する固定子２と、固定子２の歯２２に回転軸４の半径方向Ｄｒに配置されるコイル５と、を備える。

【0142】

このようにすることで、回転電気機械１は、界磁束を軸方向Ｄａに生成し、コイル５を半径方向Ｄｒに長く延ばして配置することができる。これにより、扁平形状が好まれる用途など、軸方向の寸法に制約がある場合であっても、回転電気機械１の電気出力の低下を抑制することができる。

【0143】

（１３）第１３の態様によれば、第１から第１１の何れか一の態様に係る回転電気機械１は、複数のコイル５のうち直列接続コイルの数を変更可能なスイッチＳＷをさらに備える。

【0144】

このようにすることで、回転電気機械１は、スイッチＳＷを操作することにより起電力を調節することができる。

【0145】

（１４）第１４の態様によれば、第１から第１１の何れか一の態様に係る回転電気機械１において、磁石は電磁石２２５である。

【0146】

このようにすることで、回転電気機械１は、永久磁石２２２の使用量を減らすことができる。これにより回転電気機械１のさらなる低コスト化が可能となる。

【0147】

（１５）第１５の態様によれば、第１から第１２の何れか一の態様に係る回転電気機械１は、歯２２を巻回する第２のコイル６をさらに備える。

【0148】

このようにすることで、回転電気機械１は、交流電機としての出力を追加的に得ることができる。

【符号の説明】

【0149】

１ 回転電気機械
２ 固定子
２１ 継鉄部
２１１ａ 基端部
２１１ｂ 先端部
２２１ 鉄心
２２１ａ 継鉄延伸部
２２１ｂ 側面
２２ 歯
２２２ 磁石（永久磁石）
２２２ａ 第１磁石
２２２ｂ 第２磁石
２２３，２２４ 溝
２２５ 磁石（電磁石）
３ 回転子
３１ 継鉄部
３２ 突極
４ 回転軸
５ コイル（第１のコイル）
６ 第２のコイル
Ｇ 空隙

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31】

【図32】

【図33】