CN105846567B - 外转子型可变励磁式电动机 - Google Patents

外转子型可变励磁式电动机 Download PDF

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Abstract

一种外转子型可变励磁式电动机，在正、反旋转方向均根据负荷转矩的大小自动地进行可变励磁(变速)，在再生制动时也如此。使外转子在电动机轴方向上滑动时，外转子型可变励磁式电动机的磁场特性可被改变，外转子(7)为分割结构，由在电动机轴方向滑动的内侧转子主体(72)和外侧转子主体(71)构成，主磁铁(6A)和副磁铁(6B)配置为在轴方向隔有间隙(g)并且磁铁特性相互反向，在内侧转子主体(72)上配置有凸轮从动件(75)，在外侧转子主体(71)上形成有轴方向的凸轮面(73a)，凸轮从动件(75)能根据施加到电动机轴(4)的负荷沿着凸轮面(73a)移动，外转子(7)相对于定子(5)在电动机轴方向上进行滑动。

Description

外转子型可变励磁式电动机
技术领域
本发明涉及外转子型无刷电动机的结构，其使用换向器型电动 机(带电刷的DC电动机)、旋转励磁型电动机(永久磁铁转子型电 动机)，在正、反旋转方向均根据负荷转矩的大小自动地进行可变 励磁(变速)，而且涉及外转子型可变励磁式电动机，其使永久磁 铁和电磁铁的铁芯的相对位置在电动机轴方向偏移，改变相互的重 叠量，由此进行可变励磁(削弱励磁等)，详细地，使用凸轮进行 可变励磁，并且利用永久磁铁和电磁铁相互的相对移动量(可动范 围)，能将可变励磁的效果增大到1列磁铁式的约2倍程度。
背景技术
可变励磁式、自动可变励磁式电动机与一般的电动机相比结构 变得复杂，因此又大又重，制造成本高。因此，希望用于可变励磁 的机构尽量简单、轻、小。
由于随时间的变化(劣化)也大，因此在运转时需要定期的维 修。
众所周知，有如送风风扇、压缩机那样长时间以满额定输出使 用的电动机。另一方面，有时要求如电动汽车、电动自行车那样从 低速到高速、从高转矩到低转矩自由地改变输出特性的电动机。也 有如下方式：即使在需要改变动力特性时，电动机自身的特性也不 改变，而使用机械式变速器等改变特性。在该情况下，产生动力源 整体的装置大小、重量、成本、寿命(随时间的变化)、噪声(振 动)等的问题。另外，有如下方法：使用液压、电动装置等进行可 变励磁来改变电动机的动力特性。在该情况下，与通常的电动机相 比机构、控制变得复杂，产生装置整体的大小、重量、成本、寿命 (随时间的变化)、维修(保养)等的问题。
如图16所示，即使是相同输出的DC电动机，也有从低速旋转/ 高转矩特性的电动机(1挡)←(因为与汽车的手动式变速器的低 速齿轮的特性相似，所以这样表述)到高速旋转/低转矩特性的电 动机(5挡)的特性不同的电动机。
一般，前者大多为直径大、扁平型的电动机形状，后者大多为 铅笔型的细的电动机形状。以电动汽车为例，前者是适合作为装载 重货物爬坡道的车的动力的电动机特性。但是，如果没有变速器等， 即使是负荷轻的平坦道路，速度也不提高。
另外，后者是适合以高速在平坦道路上行驶的车的动力的电动 机特性。但是，其也是如果没有变速器等，在爬陡峭坡道时、突然 加速时等车的推进力不足。
可以想到，如果增减对电动机施加的电量，即使是图16所示的 (1挡)～(5挡)的任何特性的电动机，也能作为如电动汽车、电 动自行车那样从低速到高速、从高转矩到低转矩地自由改变电动机 输出的电动机来使用。但是，在电动机的特性(曲线的斜率)不改 变的情况下，即使硬是增减对该电动机施加的电量，各T－N特性 线也仅仅是平行移动，仅限于单独地增减转矩、转速。例如，使用 高速旋转、低转矩特性(5挡)的电动机，即使硬是使施加的电量 (电压)增加来得到高转矩，转矩也不会如(1挡)的电动机那样 升高，电动机超出允许输出而发热并烧损。
有如下被称为串励电动机的电动机：伴随转子转速的上升，自 动地减小感应电动势常数(进行削弱励磁)。图17中表示该电动机 的原理图。
通常，带电刷的DC电动机的磁场包括永久磁铁。但是，如图 17所示，当将磁场设为电磁铁式，将电枢线圈101和励磁线圈102 串联连接时，能具有伴随转速的上升自动地进行可变励磁(削弱励 磁)的功能。将电枢线圈101和励磁线圈102串联连接的该方式的电 动机被称为串励电动机。除此之外，有被称为并励电动机和复励电 动机的电动机，并励电动机是将电枢线圈101和励磁线圈102并联连 接，复励电动机是仅将励磁线圈中的一方串联连接，将剩余的一方 与电枢线圈并联连接。另外，也有如下其它励磁式的电动机：将电 枢线圈和励磁线圈独立地连接。在此，对图17的串励电动机进行说 明。
串励电动机是根据转速大小自动地改变图16所示的T－N线图 的斜率的自动地进行可变励磁的电动机。在电动机启动时，电枢线 圈101、励磁线圈102仅有绕组电阻，所以流过大电流。此时，磁场 的磁通密度高，在电枢线圈101中也流过大电流，因此能得到大的 启动转矩。当电动机提高转速时，在电枢线圈101中产生感应电动 势导致的逆电动势，针对从电池105提供的电压在反方向作用。由 此，在电枢线圈101和励磁线圈102中流动的电流减少，磁场的磁通 密度下降。感应电动势常数变小，产生削弱励磁的功能。
因为图17所示的串励电动机有电刷103、换向器104，所以随时 间的变化(磨耗、劣化)大。另外，图17所示的串励电动机是根据 转速的上升自动地削弱励磁的方式。
已知如下电动机(专利文献1)：在换向器型电动机(带电刷的 DC电动机)、旋转励磁型电动机(永久磁铁转子型电动机)中，使 永久磁铁和电磁铁的铁芯的相对位置在电动机轴方向偏移，改变相 互的重叠量，由此进行可变励磁。
专利文献1(特开2014－50251)记载的可变励磁电动机仅在正 旋转方向(在电动自行车中为前进时)具有功能，但是在反旋转方 向、再生制动时不自动地进行可变励磁。另外，因为凸轮和凸轮从 动件位于中心轴附近，所以在位移量(举升量)大时，压力角变大，对凸轮从动件(在专利文献1中为销)施加过大的力，磨耗显著。
根据专利文献1所公开的技术，相互(永久磁铁和电磁铁)的 相对的可变量小，为不实用的程度。在专利文献1中，可变量成为 定子铁芯的堆积厚度的25％程度，当增大可变励磁的量时，转子的 偏移量(可动范围)变大，弹簧的长度也变大，所以这样的电动机 的全长进一步变长。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：特开2014－50251号公报
专利文献2：特开2011－50206号公报
专利文献3：特开2008－141900号公报
专利文献4：特开2008－216110号公报
专利文献5：特开2010－57209号公报
专利文献6：特开2010－51159号公报
专利文献7：特开2008－259364号公报
发明内容
发明要解决的问题
所述专利文献1的可变励磁电动机仅在正旋转方向具有功能， 但是在反旋转方向、再生制动时不进行可变励磁。在用作电动自行 车等的动力源时，在前进时根据负荷转矩的大小自动地进行可变励 磁，但是在再生制动时不进行可变励磁。另外，在用作电动汽车等 的动力源时，在后退时、再生制动时也不进行可变励磁。
而且，专利文献1的可变励磁电动机因为弹簧和转子在电动机 的输出轴方向(串联)排列，所以较长。另外，因为支撑转子的滑 动的轴承在电动机的输出轴方向(串联)排列，所以有电动机的输 出轴方向变长的问题。在专利文献1的图中，转子和定子铁芯的重叠量局限于从75％到100％程度可变。因此，可变励磁量极其小， 小到25％程度。
并且，专利文献1的可变励磁电动机当增大可变励磁的量时， 转子的偏移量(可动范围)变大，弹簧的长度也变大，因此这样的 电动机的全长进一步变长。
而且，专利文献1的可变励磁电动机是IPM(嵌入磁铁型)结 构，在定子和转子两者中层叠电磁钢板来使用。一般，内转子型与 外转子型相比最大转矩小。为了得到需要的转矩，需要增大电动机 的直径或者增大转子和定子铁芯的轴方向长度(堆积厚度)。结果 是电动机变重。
再者，专利文献1的可变励磁电动机是内转子型，是IPM(嵌 入磁铁型)，所以电动机每单位重量的转矩小。一般，内转子型的 电动机大多为高速旋转、低转矩特性。内转子型的电动机为了增大 转矩，需要使用减速器或者增大转子和定子的直径。
这样，专利文献1的可变励磁电动机由于凸轮和凸轮从动件位 于中心轴附近，因此凸轮的周长短，不能增大位移量(举升量)。 当位移量(举升量)大时，压力角变大，对凸轮从动件(在专利文 献1中为销)施加过大的力，因此销和凸轮显著磨耗。
除了专利文献1外，专利文献2、专利文献5、专利文献6、专利 文献7、专利文献3等相对于水、泥水、沙尘等耐环境性差。
在专利文献2、专利文献5、专利文献6、专利文献7、专利文献 3等中，由于是使定子进行动作的结构，所以有时电线弯曲疲劳而 断裂。
本发明目的在于提供如下外转子型可变励磁式电动机：其是在 正、反旋转方向均根据负荷转矩的大小自动地进行可变励磁的(变 速的)外转子型无刷电动机，根据本发明，不会使所需的可变励磁 的效果(的量)下降，能缩短相互(永久磁铁和电磁铁)的相对偏 移量(可动范围)和电动机的全长，能加快可变励磁动作的追随性。
用于解决问题的方案
为了解决上述问题，本发明是外转子型可变励磁式电动机，使 外转子在电动机轴方向上滑动时，其磁场特性可被改变，上述外转 子包括永久磁铁并且相对于定子配置于该定子的直径方向的外侧， 所述定子包括定子铁芯，所述外转子为分割结构，由通过弹性机构 在电动机轴方向滑动的内侧转子主体和外侧转子主体构成，所述内 侧转子主体的内表面侧配设有永久磁铁，该永久磁铁具有主磁铁和 副磁铁，上述主磁铁和副磁铁配置为在轴方向隔有间隙并且磁铁特 性相互反向，在所述内侧转子主体上配置有凸轮从动件，并且在所 述外侧转子主体上形成有轴方向的凸轮面，所述凸轮从动件能根据 施加到电动机轴的负荷沿着所述凸轮面移动，从而使所述外转子相 对于所述定子在所述电动机轴方向上进行滑动，以通过使所述内侧 转子主体在轴方向上相对于所述外侧转子主体滑动来进行可变励 磁。
在所述内侧转子主体的基端侧配置有所述主磁铁，在所述内侧转子主体的顶端侧配置有所述副磁铁，所述主磁铁和所述副磁铁在电动机轴方向相邻，在所述外转子的所述电动机轴方向的滑动中，通过设于外侧转子主体的凸轮面和配置为与所述电动机轴平行的弹力机构调整在电动机轴方向滑动的内侧转子主体的轴方向位置。
在电动机轴方向上所述主磁铁比所述副磁铁大，以如下方式进 行控制：在电动机为高速时，所述副磁铁与所述定子的定子铁芯在 电动机轴方向上完全重叠。
在电动机轴方向上所述主磁铁比所述副磁铁大，以如下方式进 行控制：在电动机为低速时，所述主磁铁与所述定子的定子铁芯在 电动机轴方向上完全重叠。
发明效果
根据本发明的外转子型可变励磁式电动机，有如下等效果：容 易输出高转矩，能薄型化，容易缠绕定子线圈。外转子的滑动量仅 仅是利用凸轮面和弹簧进行控制，结构简单。可变励磁利用凸轮从 动件和凸轮面，但是与内转子型相比凸轮从动件的数量、大小有自 由度，所以容易确保耐久性。能减少外转子的电动机轴方向的滑动 量。所述外转子为分割结构，由在电动机轴方向滑动的内侧转子主 体和外侧转子主体构成，内侧转子主体的内表面侧配设有永久磁 铁，该永久磁铁具有主磁铁和副磁铁，上述主磁铁和副磁铁配置为在轴方向隔有间隙并且磁铁特性相互反向，所以主磁铁和副磁铁相 对于电磁铁铁芯同时在电动机轴方向移动。由于该移动，主磁铁的 作用增加，同时副磁铁的副作用减少，由此与1列磁铁式相比可得 到更大的可变励磁的效果。主磁铁和副磁铁因为磁铁的极性反向排列，所以在接触状态下相互吸附，在接触部的附近，磁铁的作用下 降。因为在轴方向隔有间隙地并置有主磁铁和副磁铁，所以能使主 磁铁和副磁铁独立地执行功能，磁铁的作用不会下降。
附图说明
图1是表示应用于外转子型无刷电动机的本发明的实施方式的 根据负荷转矩的大小自动地进行可变励磁的外转子型可变励磁式 电动机的结构的纵截面图。
图2是表示用于按压凸轮的凸轮从动件的弹簧的结构的图1的 局部放大截面图。
图3是表示图1的弹簧座的图。
图4是表示磁铁、磁轭、定子、磁传感器等的位置关系的主视 图。
图5(a)是表示外转子型可变励磁式电动机的外观的主视图。 (b)是表示内侧转子主体和外侧转子主体的图5(a)的右视图。
图6是图1的外转子型可变励磁式电动机，是表示负荷转矩为 25％程度的状态的磁铁的位置的截面图。
图7是图1的外转子型可变励磁式电动机，是表示负荷转矩为 50％程度的状态的磁铁的位置的截面图。
图8是图1的外转子型可变励磁式电动机，是表示负荷转矩为 75％程度的状态的磁铁的位置的截面图。
图9是图1的外转子型可变励磁式电动机，是表示负荷转矩为 100％程度的状态的磁铁的位置的截面图。
图10是表示负荷转矩为25％程度的状态的感应电动势的波形 的波形图。
图11是表示负荷转矩为50％程度的状态的感应电动势的波形 的波形图。
图12是表示负荷转矩为75％程度的状态的感应电动势的波形 的波形图。
图13是表示负荷转矩为100％程度的状态的感应电动势的波形 的波形图。
图14是表示内侧转子和定子铁芯的相对位置的展开图，(a)是 表示负荷转矩为100％以上时的位置关系的图，(b)是表示负荷转 矩为75％程度时的位置关系的图，(c)是表示负荷转矩为50％程度 时的位置关系的图，(d)是表示负荷转矩为25％程度时的位置关系 的图。
图15是表示本发明的其它实施方式的外转子型可变励磁式电 动机的结构的纵截面图。
图16是表示现有的电动机的转速和转矩特性的线图。
图17是表示现有的励磁电流也伴随转速的上升而自动地减少 的串励电动机的原理的图。
附图标记说明
1 电动机主体
1a 圆筒部
2 旋转轴承
3 旋转轴承
4 电动机轴
5 定子
6 磁铁
6A 主磁铁
6B 副磁铁
61 主磁铁环
62 副磁铁环
7 外转子
8 基板
9 螺钉
10 滑动轴承
11 螺旋弹簧
12 弹簧座
13 电线
14 旋转位置检测用磁传感器
15 通气口
16 电动机主体前部
17 电动机主体后部
18 螺钉
53 定子线圈
61A、 61B 永久磁铁
62A、 62B 永久磁铁
63 磁轭(磁路)
63A 主磁轭
63B 副磁轭
71 外侧转子主体
72 内侧转子主体
73 凸轮
74 凸轮从动件轴
75 凸轮从动件
76 旋转滑动轴承
具体实施方式
以下一边参照图1至图14所示的附图一边详细说明本发明的外 转子型可变励磁式电动机的实施方式。
图1表示应用于无刷电动机的在正反旋转方向均根据负荷转矩 的大小自动地进行可变励磁的开放型的外转子型可变励磁式电动 机的结构。图2是表示利用图1的外转子型可变励磁式电动机的凸轮 和凸轮从动件的作用使内侧转子主体移动的状态的图。
在图1和图2中，本实施方式的外转子型可变励磁式电动机具 备：电动机主体1；电动机轴4，其通过一对旋转轴承2、3旋转自如 地支撑于该电动机主体1的圆筒部1a的内周面侧；定子5，其设于所 述圆筒部1a的外周面侧；以及外转子7，其支撑于所述电动机轴4 的一端部，并且隔有一定间隔地配置于所述定子5的外周侧，磁铁6 能在轴方向移动。
所述电动机主体1在所述圆筒部1a的一端外周面侧设有端板 1b，在设于该端板1b的内侧的多个凸起部1c通过螺钉9装配有基板 8。在所述圆筒部1a的内周面侧设有滑动轴承10，在该滑动轴承10 的内表面侧设有间隙地配置有所述旋转轴承3，所述旋转轴承3能在轴方向滑动。
图示左侧的旋转轴承2针对电动机主体1仅以旋转的1个自由度 支撑电动机轴4。右侧的旋转轴承3仅在半径方向支撑电动机轴4。 该轴承3在电动机轴4外周面能滑动地配置有内轮，在滑动轴承10 的内表面侧隔有间隙地组装有外轮。因此，该轴承3伴随后述的内侧转子主体72的滑动在电动机轴方向可动。滑动轴承10以具有间隙 的方式支撑右侧的旋转轴承3的外轮并使其能滑动。
在所述旋转轴承2与所述旋转轴承3之间，在所述电动机轴4的 周围沿圆周方向隔有一定间隔地配置有作为针对轴方向赋予作用 力的弹力机构的多个螺旋弹簧11。所述螺旋弹簧11如图3所示，两 端部卡止于在所述圆筒部1a的内表面配置的一对圆板状的弹簧座12。所述一对弹簧座12在所述旋转轴承2与所述旋转轴承3之间相对 配置，支撑在圆周方向以一定间隔配置的所述螺旋弹簧11的两端 部。配置于所述旋转轴承3侧的弹簧座12配置成：在旋转轴承3滑动 的同时能在轴方向滑动。
所述定子5包括：定子铁芯51，其是将钢板层叠而成的；以及 定子线圈53，其卷绕到绝缘体52，绝缘体52组装到定子铁芯51，所 述定子5通过装配螺钉54组装到所述圆筒部1a的外周面侧。所述定 子线圈53的两端部连接到所述基板8的电路，利用包括连接到该电路的外部动力线和控制线的电线13送来驱动电力和控制信号。所述 定子铁芯51如图4所示，每个隔40度角度地形成9个极齿51a，在所 述各极齿51a上卷绕绕组53a而构成所述定子线圈53。在所述定子铁 芯51上预先组装用绝缘原材料成形的绝缘体52，保持定子铁芯51和定子线圈53的绝缘。
所述外转子7包括有底圆筒状的外侧转子主体71和有底圆筒体 状的内侧转子主体72，为两部分，外侧转子主体71的中心部安装于 所述电动机轴4的基端部，内侧转子主体72配置于该外侧转子主体 71的内侧，并能在所述电动机轴4的轴方向滑动。在所述外侧转子 主体71的外周部圆筒部71a的端面，如图5(b)所示，在图示例子 中在圆周方向以规定间隔在3处形成凸轮73，凸轮73沿着圆周方向 以在轴方向形成呈倾斜面的凹部的凸轮面73a的方式弯曲。该凸轮 73的凸轮面73a的形状形成为在所述电动机轴方向设有谷的大致V 字形状。
该凸轮73的凸轮面73a形成倾斜部73c，该倾斜部73c从形成为 大致V字形状的谷的底部73b的最下点73A向两侧逐渐地上升，在谷 的上部73d的最上点73B形成止动部73e，该止动部73e以描绘相互相 对的方向的大致半圆的方式弯曲。
另一方面，在所述内侧转子主体72的外周部圆筒部72a，直径 方向的凸轮从动件轴74以形成正三角形的方式安装于各顶点位置， 在该凸轮从动件轴74上分别安装有凸轮从动件75，凸轮从动件75 沿着所述凸轮面73a转动地移动。所述内侧转子主体72的中心侧基 端部72b安装于环状的旋转滑动轴承76，在轴线上所述电动机轴4 插通于该旋转滑动轴承76，所述电动机轴4能旋转且滑动地被旋转 滑动轴承76支撑。该旋转滑动轴承76如图1所示，与右侧旋转轴承3 的内轮右侧面滑动接触，且旋转和滑动地与电动机轴4接触。
14是配设于所述定子5的定子极齿51a相互间的旋转位置检测 用磁传感器，该旋转位置检测用磁传感器14对设于内侧转子主体72 的主磁铁环61上的主磁铁6A相对于定子5的旋转方向的位置进行检 测。不检测内侧转子主体72的电动机轴方向的位置。如图1和图2 所示，即使内侧转子主体72在电动机轴方向滑动，也能在整个区域 中检测出内侧转子主体72(主磁铁6A)相对于定子5的旋转方向的 位置。15是通气口，用于将伴随在所述旋转轴承2、3间形成的空气 室的体积变化的压力变动释放到大气中而缓和。
所述内侧转子主体72的外周部圆筒部72a相对于所述外侧转子 主体71的外周部圆筒部71a较长地形成轴方向的长度，在所述内侧 转子主体72的外周部圆筒部72a的内表面侧安装有磁铁6，磁铁6是 将主磁铁6A和副磁铁6B隔有间隙g地在轴方向排列而成的。所述主 磁铁6A和副磁铁6B相互反向地构成磁铁特性。
所述主磁铁6A是在圆周方向交替地配置永久磁铁61A和永久 磁铁62A而形成6组磁极，永久磁铁61A的N极的极性配置于内周侧， S极的极性配置于外周侧，永久磁铁62A的S极的极性配置于内周 侧，N极的极性配置于外周侧。另一方面，所述副磁铁6B是在圆周 方向交替地配置永久磁铁61B和永久磁铁62B而形成6组磁极，永久 磁铁61B的N极的极性配置于内周侧，S极的极性配置于外周侧，永 久磁铁62B的S极的极性配置于内周侧，N极的极性配置于外周侧。 图4中(61B)、(62B)所示的附图标记表示：在圆周方向错开60度 而与主磁铁6A相比改变极性地配置的副磁铁6B的永久磁铁61B、永 久磁铁62B的位置。
上述永久磁铁61A以及永久磁铁61B和永久磁铁62A以及永久 磁铁62B通过圆筒状的主磁轭63A和副磁轭63B组装到所述内侧转 子主体72的外周部圆筒部72a的内表面侧。磁轭63A和63B形成磁 路，通过磁轭止动螺钉64安装到所述内侧转子主体72的外周部圆筒 部72a。
所述主磁铁6A和副磁铁6B如图4所示，设置于主磁轭(磁路) 63A和副磁轭63B的内侧，形成有主磁铁环61和副磁铁环62，它们分 别在半径方向起磁。所述主磁轭63A和副磁轭63B设置于内侧转子 主体72的外周部圆筒部72a的内侧。表面磁铁型的外转子型的磁铁 与内转子型的磁铁相比，由于离心力等脱落的情况较少，所以大多 不需要防脱环。由此，所述主磁铁6A和副磁铁6B能在半径方向更 接近定子铁芯51。因此，产生的最大转矩也变大。主磁铁环61和副 磁铁环62的厚度的比为副磁铁环62的厚度(轴方向长度)＝3/8× 主磁铁环61的厚度(轴方向长度)的关系。
接着，说明所述内侧转子主体72、凸轮73以及凸轮从动件75 的关系。
在所述内侧转子主体72的内侧，在电动机轴方向隔有磁间隙g 地设置主磁铁环61和副磁铁环62，防止磁铁的作用下降。在所述内 侧转子主体72的外周，在圆周方向以一定间隔设置3个凸轮从动件 75。所述内侧转子主体72如图1和图2所示，被螺旋弹簧11和弹簧座 12从中心附近向上述图的右方按压。如上所述，从电动机的正面观 看时，3组凸轮73和凸轮从动件75配置成正三角形。
由此，内侧转子主体72以三个脚稳定地站立的方式被外侧转子 主体71(3处凸轮面)支撑，稳定地进行旋转和滑动的相对运动。 如图1和图4所示，利用以具有间隙的方式与电动机轴4嵌合的旋转 滑动轴承3进行内侧转子主体72的半径方向的定位。
内侧转子主体72根据电动机轴4(与外侧转子主体71成为一体) 受到的负荷转矩的大小，改变与外侧转子主体71的相对的旋转方向 的位置。此时，利用设于外侧转子主体71和内侧转子主体72上的凸 轮73和凸轮从动件75的作用，内侧转子主体72相对于外侧转子主体 71也改变电动机轴方向的位置。
在图1的例子中，在电动机轴4受到的负荷转矩的大小为最大转 矩的25％程度以下时，内侧转子主体72处于最接近外侧转子主体71 的状态。图6至图9中也表示受到负荷转矩为25％程度以下至100％ 以上的转矩时的相对于定子铁芯51的磁铁6的相对位置。图6至图9 中表示4个挡位的状态，但是内侧转子主体72根据施加到电动机轴4 的负荷转矩的大小向电动机的轴方向无级地滑动，磁铁6和定子铁 芯51的重叠量无级地改变。
图6表示负荷转矩为25％程度的状态的磁铁6的位置，副磁铁 6B的轴方向顶端移动到与定子铁芯51的顶端大致一致的位置，主磁 铁6A的基端部侧从定子铁芯51的基端偏离，移动到定子线圈53的端 部位置。
图7表示负荷转矩为50％程度的状态的磁铁的位置，副磁铁6B 的轴方向顶端移动到与比定子铁芯51的顶端靠前的定子线圈53的 中间位置大致一致的位置，主磁铁6A的基端部侧从定子铁芯51的基 端偏离，移动到与相反侧的定子线圈53的中间位置大致一致的位 置。
图8表示负荷转矩为75％程度的状态的磁铁的位置，副磁铁6B 的轴方向顶端移动到与比定子铁芯51的顶端靠前的定子线圈53的 顶端位置附近大致一致的位置，主磁铁6A的顶端移动到定子铁芯51 的顶端附近，主磁铁6A的基端部侧从定子铁芯51的基端稍微偏离， 移动到与相反侧的定子线圈53基本一致的位置。
图9表示负荷转矩为100％程度的状态的磁铁的位置，副磁铁 6B的轴方向顶端移动到与比定子铁芯51的顶端靠前的定子线圈53 的顶端位置大致一致的位置，主磁铁6A的顶端移动到与定子铁芯51 的顶端大致一致的位置，主磁铁6A的基端部侧移动到与定子铁芯51 的基端大致一致的位置。
在图10～图13中表示此时的感应电动势。在各附图中，单点划 线表示主磁铁6A的波形，虚线表示副磁铁6B的波形，实线表示主 磁铁6A和副磁铁6B的合成波形。图10表示负荷转矩为25％程度的 状态的感应电动势波形。图11表示负荷转矩为50％程度的状态的感应电动势波形。图12表示负荷转矩为75％程度的状态的感应电动势 波形。图13表示负荷转矩为100％程度的状态的感应电动势波形。
由此，表示出电动机自动地进行可变励磁的情况。
说明此时的螺旋弹簧11的作用。
如上所述，螺旋弹簧11将设置于内侧转子主体72的外周的凸轮 从动件75按压到设置于外侧转子主体71的外周部的凸轮73。螺旋弹 簧11的力如图1所示传递到螺旋弹簧11、右侧的弹簧座12、右侧的 旋转轴承3的内轮、旋转滑动轴承76、内侧转子主体72、凸轮从动 件75、凸轮73、外侧转子主体71、电动机轴4、左侧的旋转轴承2 的右侧的轴止动环22、左侧的弹簧座12，力返回到螺旋弹簧11(力 闭合)。这样，螺旋弹簧11的力相对于支撑电动机轴4的旋转的两旋 转轴承2、3不作用为推力，所以螺旋弹簧11的力不会直接成为电动 机轴4的旋转负荷阻力。
如图3所示，螺旋弹簧11绕电动机轴4排列设置多个(在图3中， 表示出6个的例子)。通过将螺旋弹簧11分为多个，能分担弹簧载荷， 能减小螺旋弹簧11的线径。即使如图1所示在紧密接触长度较小的 情况下，也能增加各个螺旋弹簧11的匝数，因此能在更宽范围设定 弹簧常数。另外，设置螺旋弹簧11的空间的利用效率也提高。螺旋 弹簧11的两端被设于弹簧座12的沉孔支撑。螺旋弹簧11的力集中于 弹簧座12，利用设于靠近电动机轴4的部分的突起(座)，能在靠近 电动机轴4的部分传递到下一部件。
利用图5(b)和图14(a)(b)(c)(d)说明凸轮73和凸轮从 动件75的关系时，从电动机正面观看，凸轮73在外侧转子主体71 的外周部配置成正三角形，凸轮从动件75在内侧转子主体72的外周 部配置成正三角形。
图1和图14(d)的右侧表示电动机轴4受到的负荷转矩的大小 为最大转矩的25％程度以下时。在该位置上，外侧转子主体71和内 侧转子主体72最接近。在该最下点73A，为了缓和凸轮73和凸轮从 动件75的运动中的冲击，相对于凸轮从动件75的辊的半径稍微增大 凸轮73的接触面的半径。
图2和图14(a)表示电动机轴4受到的负荷转矩的大小为最大 转矩100％以上时。在该最上点73B也稍微增大凸轮73的接触面的半 径。在最上点73B处如图5(b)、图14(a)所示设置止动部73e。连 接最下点73A和最上点73B的凸轮面73a用曲面连接。图14(b)表 示负荷转矩为最大转矩的75％程度时。另外，图14(c)表示负荷 转矩为最大转矩的50％程度时。
接着，说明本发明的实施方式的外转子型可变励磁式电动机的 动作。
如图1所示，利用在定子5与外转子7之间产生的旋转磁场，外 转子7旋转，与电动机轴4直接连接的外侧转子主体71的旋转传递到 电动机轴4，组装到电动机轴4的负荷被驱动。如果负荷是汽车，则 电动机轴4的旋转传递到车轮，开始行驶。外转子7的内侧转子主体72的旋转通过凸轮73和凸轮从动件75传递到外侧转子主体71，电动 机轴4被驱动。
当对电动机轴4施加负荷时，在与电动机轴4直接连接的外侧转 子主体71与装配于旋转滑动轴承76的内侧转子主体72之间产生伴 随旋转的偏移，内侧转子主体72的凸轮从动件75沿着外侧转子主体 71的凸轮73的凸轮面73a转动，使内侧转子主体72在轴方向移动。 内侧转子主体72对抗螺旋弹簧11的作用力从图6向图9依次移动。
在负荷转矩为25％程度的状态下，如图6所示，副磁铁6B的轴 方向顶端移动到与定子铁芯51的顶端大致一致的位置，主磁铁6A 的基端部侧从定子铁芯51的基端脱离，移动到定子线圈53的端部位 置。图10中实线表示此时的感应电动势的波形。
接着，在负荷转矩为50％程度的状态下，如图7所示，副磁铁 6B的轴方向顶端移动到与比定子铁芯51的顶端靠前的定子线圈53 的中间位置大致一致的位置，主磁铁6A的基端部侧从定子铁芯51 的基端脱离，移动到与相反侧的定子线圈53的中间位置大致一致的位置。图11中实线表示此时的感应电动势的波形。
并且，在负荷转矩为75％程度的状态下，如图8所示，副磁铁 6B的轴方向顶端移动到与比定子铁芯51的顶端靠前的定子线圈53 的顶端位置附近大致一致的位置，主磁铁6A的顶端移动到定子铁芯 51的顶端附近，主磁铁6A的基端部侧从定子铁芯51的基端稍微偏离，移动到与相反侧的定子线圈53基本上一致的位置。图12中实线 表示此时的感应电动势的波形。
另外，在负荷转矩为100％程度的状态下，图9所示，副磁铁6B 的轴方向顶端移动到与比定子铁芯51的顶端靠前的定子线圈53的 顶端位置大致一致的位置，主磁铁6A的顶端移动到与子铁芯51的顶 端大致一致的位置，主磁铁6A的基端部侧移动到与定子铁芯51的基 端大致一致的位置。
图13中实线表示此时的感应电动势的波形。
这样，如图6至图9所示，利用螺旋弹簧11、凸轮73以及凸轮从 动件75改变定子铁芯51与包括主磁铁6A和副磁铁6B的磁铁6的相 对的重叠量，从而改变感应电动势常数(转矩常数)，改变电动机 的特性(图16的T－N线的斜率)。
这样，能利用图1所示的螺旋弹簧11、凸轮73以及凸轮从动件 75形成在正、反旋转方向均根据负荷转矩的大小自动地进行可变励 磁的(变速的)外转子型无刷电动机的功能和结构。
主磁铁环61和副磁铁环62相对于定子铁芯51在电动机轴方向同 时移动。利用该移动，主磁铁环61的作为电动机的作用增加，副磁 铁环62的作为发电机的副作用减少，由此与1列磁铁式相比可得到 更大的(约2倍的)可变励磁的效果。主磁铁环61和副磁铁环62因为磁铁的极性反向排列，所以在接触状态下相互吸附，在接触部的附 近，磁铁的作用下降。因为在主磁铁环61与副磁铁环62之间设置磁 性间隙g，所以能使主磁铁环61和副磁铁环62相对于电磁铁的铁芯独 立地执行功能，能防止磁铁的作用下降。主磁铁环61和副磁铁环62用螺钉等固定于非磁性体制的转子，所以不会通过框体、磁轭进行 磁耦合而失去磁铁的作用。主磁铁环61相对于电磁铁的铁芯独立地 作用，副磁铁环62相对于电磁铁的铁芯独立地作用。这样，在主磁 铁环61和电磁铁的铁芯作为电动机执行功能时，副磁铁环62和电磁 铁的铁芯能作为发电机执行功能。
在再生制动时也根据负荷转矩的大小(在此根据制动转矩的大 小)自动地进行可变励磁。在电动机低速旋转时，也伴随制动的强 度(输出的电流的大小)如图6至图9所示自动地进行可变励磁，感 应电动势常数如图10至图13所示变大，因此再生制动的效果更大。因此，能更有效地回收再生电力。
不对支撑电动机轴4的旋转轴承2、3施加上述的螺旋弹簧11的 推力载荷。由此，由于附加了可变励磁功能而导致的旋转阻力不会 增加。
包括主磁铁6A和副磁铁6B的内侧转子主体72的惯性(惯性动 量)小，因此启动时的可变励磁功能的响应快。由此，在电动机启 动时，即使对电动机轴4施加的负荷转矩大、外侧转子主体71的旋 转的响应慢，可变励磁效果也会更快地体现，因此转矩常数更快速地变大，电动机轴4的响应变快。
如图1所示，在正、反旋转方向均根据负荷转矩的大小自动地 进行可变励磁的开放型的外转子型无刷电动机因为外转子7和定子 5是开放型的结构，所以空冷的效果较高。
因为仅内侧转子主体72在电动机的内侧在电动机轴方向滑动， 所以电动机的全长没有变化。
通过利用树脂包覆或者模塑定子铁芯51部、基板8、磁铁6以及 磁轭(磁路)等，从而提高防水滴等耐环境性。
通过设置外侧转子主体71和具备主磁铁6A和副磁铁6B的内侧 转子主体72，从而以改变外转子7和定子5的(电动机轴方向的)重 叠量的方法实现所谓的可变励磁功能，同时定子5、外侧转子主体 71都不(在电动机轴方向)移动。
通过将电动机轴4、螺旋弹簧11、滑动轴承10、定子铁芯51、 内侧转子主体72的旋转位置检测用磁传感器14、磁铁6、磁轭(磁 路)63、凸轮从动件75、凸轮73等功能部件在半径方向重叠配置， 从而实现扁平、高转矩的外转子型无刷电动机结构。
图15表示本发明的其它实施方式的密封型的外转子型可变励 磁式电动机，与图1以及图2相同的部分标注相同附图标记，相同部 分的说明省略。
图15的上半部表示与图1相同的电动机轴4受到的负荷转矩的 大小为最大转矩的25％程度以下时。另外，图15的下半部表示与图 2相同的电动机轴4受到的负荷转矩的大小为100％以上时。
电动机主体1包括电动机主体前部16和电动机主体后部17，将 设于外周部的外周筒部16a和外周筒部17a利用螺钉18紧固而构成 密封型电动机。在电动机主体后部17的中央部设有凸起部17b，在 该凸起部17b内配置旋转轴承32而形成密封结构。
这样，密封型电动机与图1的开放型电动机相比基本性能、功 能相同，在此基础上，将电动机主体1设为密封结构，所以相对于 水、尘埃等耐环境性较高。
根据上述的实施方式的外转子型可变励磁式电动机，在正、反 旋转方向均根据负荷转矩的大小自动地进行可变励磁，所以在正旋 转时不必说，在电动汽车等中无论在后退时(反旋转时)还是在启 动时都能输出高转矩。
另外，在再生制动时也根据负荷转矩(此时为制动转矩)的大 小自动地进行可变励磁。因此，在低速旋转的状态下也能更有效地 回收再生电力。
另外，因为将外侧转子主体71和具备主磁铁6A和副磁铁6B的 内侧转子主体72、定子5、弹簧11、电动机轴4在直径方向配置，将 厚度部分形成为扁平型，所以在启动时产生高转矩。而且通过可变 励磁，也能进行高速旋转。
而且，开放型的电动机的空冷的效果高，另外较轻，所以能增 大每单位重量的输出。
另一方面，密封型的电动机因为耐环境性高，所以能在如电动 汽车、电动自行车那样的使用条件严格的场所使用。
另外，在可变励磁时，仅包括主磁铁6A和副磁铁6B的内侧转 子主体72在电动机的内侧在电动机轴方向滑动，所以在可变励磁时 电动机的全长也没有变化。电动机的重心的变化也少。
而且，在可变励磁时，定子线圈53不在电动机轴方向滑动(可 动)，所以电线13不会弯曲疲劳。
再者，用于产生根据负荷转矩的大小自动地进行可变励磁的功 能的弹簧11的力在转子7内闭合。即，弹簧11的力相对于支撑电动 机轴4的旋转的两旋转轴承2、3不作为推力发挥作用。因此，弹簧 11的力不会直接成为电动机轴4的旋转负荷阻力，因此不会成为电动机的损失。
能制造在正、反旋转方向均根据负荷转矩的大小自动地进行可 变励磁的高性能的无刷电动机且是小型(扁平)、轻量、低成本、 高转矩、高速旋转、在宽转速段高效的电动机。另外，在用作再生 制动时，如果在低速旋转时也较大地取得再生能量，则能根据负荷转矩(此时为制动转矩)的大小自动地进行可变励磁(感应电动势 常数变大)，能更多地回收再生能量(再生制动有效)。
本发明通过将旋转轴、弹簧、轴承、定子、转子、凸轮、凸轮 从动件等功能部件在半径方向重叠地配置而能小型(扁平)化。另 外，为了防止转子滑动时的倾斜、摇晃，利用兼顾旋转和滑动的轴 承、设置于转子的外周的3组凸轮和凸轮从动件、按压它们的弹簧 来实现。这样，放置在地板上的三个脚由于重力而稳定，能防止倾 斜、摇晃。
外转子型虽然是在磁轭(磁路)的内侧直接设置(粘接)磁铁 的SPM(表面磁铁型)结构，但是因为对磁铁施加的离心力朝向外 侧(磁轭侧)，所以在高速旋转时也不会由于离心力而导致磁铁脱 落。在这方面，SPM(表面磁铁型)的内转子型在磁铁的外侧需要 防脱用环。
本发明的基本形式是外转子型无刷电动机。一般，外转子型与 内转子型相比转子的直径大，因此大多转矩比较高，低速旋转。因 此，电动机的每单位重量的转矩大。能期待在车轮内置型电动机、 直接驱动电动机等需要高转矩的领域中应用。
当如本发明那样使得转子和定子铁芯的重叠量能在25％至 100％程度可变(可变励磁量为4倍)时，特开2014－50251的图成 为进一步在轴方向变长的结构。
工业上的可利用性
此外，本发明不仅限于上述实施方式，外转子型可变励磁式电 动机除了用于电动汽车或者电动自行车以外，只要是变速地驱动， 就能使用于其它的负荷。另外，在上述实施方式中，对使用3组凸 轮73和凸轮从动件75的情况进行了说明，但是也能使用4组、5组、 6组等3组以上的凸轮73和凸轮从动件75。内侧转子主体72的旋转位 置检测用磁传感器14也能与此对应地使用4组、5组、6组等旋转位 置检测用磁传感器14。除此之外，能在不变更本发明的技术范围的 范围内适当变更后实施是不言而喻的。

Claims (4)

1.一种外转子型可变励磁式电动机，具备：电动机主体(1)；电动机轴(4)，其通过一对旋转轴承(2、3)旋转自如地支撑于该电动机主体(1)的圆筒部(1a)的内周面；以及定子(5)，其设于所述圆筒部(1a)的外周面侧，包括定子铁芯(51)，
使外转子(7)在所述电动机轴方向上滑动时，其磁场特性可被改变，上述外转子(7)包括永久磁铁(6)并且相对于所述定子(5)配置于该定子(5)的直径方向的外侧，上述外转子型可变励磁式电动机的特征在于，
所述外转子(7)为分割结构，由通过弹性机构(11)在电动机轴方向滑动的内侧转子主体(72)和外侧转子主体(71)构成，
所述弹性机构(11)配置在所述圆筒部(1a)的内表面，
所述内侧转子主体(72)的内表面侧配设有永久磁铁，该永久磁铁具有主磁铁(6A)和副磁铁(6B)，上述主磁铁(6A)和副磁铁(6B)配置为在轴方向隔有间隙并且磁铁特性相互反向，
在所述内侧转子主体(72)上配置有凸轮从动件(75)，并且在所述外侧转子主体(71)上形成有轴方向的凸轮面，所述凸轮从动件(75)能根据施加到电动机轴的负荷沿着所述凸轮面移动，从而使所述外转子(7)相对于所述定子在所述电动机轴方向上滑动，以通过使所述内侧转子主体(72)在轴方向上相对于所述外侧转子主体(71)滑动来进行可变励磁。
2.根据权利要求1所述的外转子型可变励磁式电动机，其特征在于，在所述内侧转子主体的基端侧配置有所述主磁铁，在所述内侧转子主体的顶端侧配置有所述副磁铁，所述主磁铁和所述副磁铁在电动机轴方向相邻，在所述外转子的所述电动机轴方向的滑动中，通过设于外侧转子主体的凸轮面和配置为与所述电动机轴平行的弹力机构调整在电动机轴方向滑动的内侧转子主体的轴方向位置。
3.根据权利要求1或2所述的外转子型可变励磁式电动机，其特征在于，在电动机轴方向上所述主磁铁比所述副磁铁大，在电动机为高速时，所述副磁铁与所述定子的定子铁芯在电动机轴方向上完全重叠。
4.根据权利要求1或2所述的外转子型可变励磁式电动机，其特征在于，在电动机轴方向上所述主磁铁比所述副磁铁大，在电动机为低速时，所述主磁铁与所述定子的定子铁芯在电动机轴方向上完全重叠。
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