JP2004166369A - 回転電機 - Google Patents
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Abstract
【課題】回転電機において、高回転時のステータ鎖交磁束を減少させる。
【解決手段】ステータコア（６）と前記ステータコアに巻かれるコイル（１９）とを有する略円筒状のステータ（５）と、前記ステータに対して回転可能に保持され且つ永久磁石（９）を有するロータ（３）とを備えた回転電機において、前記ステータコアが前記ステータの略半径方向に沿って前記コイルに対して移動可能な移動部（６ｂ）を有する。ここで、前記移動部は前記ロータの回転数がゼロの場合基準位置にあり、さらに前記ロータの回転速度の増加に従って前記基準位置から前記ステータの外側に移動し、前記基準位置において前記移動部の少なくとも一部は前記コイルの内部にある。さらに回転電機は前記ステータコアの前記移動部を略半径方向に沿って移動させるための移動機構（１０）を備える。
【選択図】 図１
【解決手段】ステータコア（６）と前記ステータコアに巻かれるコイル（１９）とを有する略円筒状のステータ（５）と、前記ステータに対して回転可能に保持され且つ永久磁石（９）を有するロータ（３）とを備えた回転電機において、前記ステータコアが前記ステータの略半径方向に沿って前記コイルに対して移動可能な移動部（６ｂ）を有する。ここで、前記移動部は前記ロータの回転数がゼロの場合基準位置にあり、さらに前記ロータの回転速度の増加に従って前記基準位置から前記ステータの外側に移動し、前記基準位置において前記移動部の少なくとも一部は前記コイルの内部にある。さらに回転電機は前記ステータコアの前記移動部を略半径方向に沿って移動させるための移動機構（１０）を備える。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電動機、発電機又はその両方として機能する回転電機に関する。特に、ロータに永久磁石を有する回転電機に関係する。
【０００２】
【従来の技術】
ロータに永久磁石を埋め込んだ電動機は、損失が少なく効率が良い、出力が大きい等の理由により数多く使用されている。この電動機は、ロータからの磁束が一定のため、高速回転時には誘起電圧が過大となり、それを弱め界磁電流を流す事で運転している。しかし、弱め界磁電流を流す事で、高速回転時の効率は悪化する。そこで、特開平７−１０７７１８号公報では、ステータ継鉄部の一部を軸方向に移動させることで、高速回転時の磁束を低下させ、誘起電力を抑えている。高速回転時に誘起電圧を抑えることで、コイルに流す電流を少なくすることが可能となり、従って効率を良くすることが可能である。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−１０７７１８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ステータ継鉄部を軸方向に移動させることで、残されたステータコアに磁束が集中し、大きな鉄損が生じてしまう。また、効果をあげようとすると、非常に大きな移動距離が必要となる。
【０００５】
本発明は、より簡便に高速回転時に誘起電圧を抑えることができる電動機を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
ステータコアとステータコアのそれぞれのティースに巻かれるコイルとを有する略円筒状のステータと、前記ステータに対して回転可能に支持され且つ複数の永久磁石を有するロータとを備えた回転電機において、前記ステータコアは、その一部に前記ステータの略半径方向に沿って前記コイルに対して相対移動可能な移動部と、該移動部を前記ロータの回転数に基づき略半径方向に沿って移動させる移動機構を備える。前記移動部は、前記ロータの回転数がゼロの場合、前記移動部の少なくとも一部が前記コイルの内部に位置すると共に前記ロータの回転速度の増加により前記ステータの外側に移動する。
【０００７】
【作用・効果】
ステータコアの一部を移動部として、半径方向に移動させることにより、ステータに対する鎖交磁束を変化させることが可能となり、ステータのコイルへの誘起電圧の調整も可能となる。例えば、トルクが必要な時（低回転時）には、ロータに近づける方向に移動させ、高回転時の効率を上げたい時には回転子から遠ざける方向に移動させることで、電動機の特性を大幅に向上することが可能である。
【０００８】
また、前記移動部のコイル内での移動により、コイル内にエアギャップが生じるため、小さな移動量で鎖交磁束の調整ができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、実施形態は電動機１００に対して説明されるが、発電機に対しても同様に適用可能である。
【００１０】
図１は、本発明の第一実施形態に係る電動機１００の軸方向の断面側面図を示す。図１を参照すると電動機１００は、回転軸１と、回転軸１の周りに配置され且つ回転軸１に固定されるロータ３、ロータ３の周りに配置されるステータ５、ステータ５を収容するケース７を備えている。ロータ３とステータ５は、それぞれ軸方向に延びる略円筒形状をしており、さらにロータ３とステータ５の間にはエアギャップに相当する隙間が存在し互いに接触することはない。ロータ３は円筒形状の外周面２０を、ステータ５は円筒形状の外周面４０を備える。ステータ５のステータコア６には、複数のコイル１９から成る巻線１１が施され、巻線１１に流れる交流電流により発生する回転磁場が永久磁石９に力を及ぼし、ロータ３は回転軸１とともに回転する。
【００１１】
ケース７は、ステータ５に接する円筒板７ａと円筒板７ａの軸方向両端の開口をふさぐ側板７ｂ、７ｃからなる。ただし、円筒板７ａは、ステータコア移動部６ｂが移動時に通る開口を有する。回転軸１の両端は、ベアリング１６を介してケース７の側板７ｂ、７ｃに支持され、ステータ５及びケース７に対して回転可能である。ケース７の一方の側板の外側表面には、回転軸１の回転速度（単位時間あたりの回転数）を検出する回転センサ１２（回転速度検出手段）が取り付けられている。
【００１２】
ステータコア６は、ケース７及びコイル１９に対して固定されているステータコア固定部６ａと、ステータコア固定部６ａに対して、半径方向に移動可能な一つ以上のステータコア移動部６ｂから構成されている。電動機１００は、ステータコア移動部６ｂに半径方向の力を加えてステータコア移動部６ｂを半径方向に移動させるためのステータコア移動機構１０を備えている。ここで、半径方向は、略円筒状のロータ３又は略円筒状のステータ５の半径に沿った方向と定義される。なお、回転軸１の中心軸８は略円筒状のロータ３又は略円筒状のステータ５の中心軸に一致している。
【００１３】
本実施形態において、ステータコア固定部６ａは一体構造のものであるが、円周方向に複数の分割コアに分割される分割構造のものでもかまわない。なお、分割構造の場合、各分割コアはティースを有し、分割コア毎にコイルが巻かれる。
【００１４】
図２は、本発明の第一実施形態に係るロータの軸方向に垂直な断面を示しており、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面である。ロータ３の外周面２０付近には、複数の板状の永久磁石９が、長手方向を回転軸１に略平行にして、回転軸１の中心軸８から略同距離に埋め込まれている。ここで、永久磁石９の形状は、板状形状に限定されるものでなく、Ｖ字形状等様々な形状をとりうる。隣接する磁極が互いに相違するように、永久磁石９はロータ３の円周方向に所定間隔（例えば４５°）毎に配置されている。ここで、円周方向とは、中心軸８を軸とする円筒の円周に沿った方向である。
【００１５】
ステータコア６は、ティース部６ｃに巻かれたコイル１９に対して固定されているステータコア固定部６ａと、ステータコア固定部６ａ及びステータ５のコイル１９に対して移動可能なステータコア移動部６ｂから構成されている。ここで、ティース部は、半径方向に突き出したステータコア６の部位をいう。ステータコア移動部６ｂは略直方体の形状を有する。なお、ステータコア固定部６ａとステータコア移動部６ｂともに、軸方向に積層された電磁鋼板（例えばけい素鋼板）で構成されている。ステータコアを積層された電磁鋼板により構成することで、材料費用を押さえることができる。
【００１６】
ステータコア固定部６ａはステータコア移動部６ｂを案内する摺動溝１７を有しており、摺動溝１７はステータコア移動部６ｂに適合する略直方体の形状を有している。なお、摺動溝１７は、ステータコア固定部６ａを貫通しておらず、底面３１を有している。また、摺動溝１７は、ステータコア６のティース部６ｃに巻かれたコイル１９内を通過するよう配置されている。ステータコア移動部６ｂはティース部６ｃに巻かれたコイル１９内を移動することにより、コイル１９に対する鎖交磁束を大きく増減させる。ロータ３の回転速度がゼロ付近では、ステータコア移動部６ｂの少なくとも一部は前記コイル１９の内部にあり、ステータコア移動部６ｂは、ロータ３の回転速度の増加にしたがってステータ５の外側（ロータ３と反対側）へ半径方向に沿って移動する。また、ステータコア固定部６ａはステータコア移動部６ｂが通過する開口をステータ外周面４０上で有する。
【００１７】
本実施形態では、ステータコア移動部６ｂは、各ティース部６ｃに対して一つずつ設けられ、ステータコア６の各ティース部６ｃ内を通過する。しかし、一部のティース部６ｃにのみステータコア移動部６ｂを設ける構成にしても良い。ティース部６ｃの数は１２個であり、合計１２個のステータコア移動部６ｂが、ステータコア６に設けられている。また、各ティース部６ｃのまわりでコイル１９が巻かれており、従って巻線１１は１２個のコイル１９を含んでいる。コイル１９がステータコア６と接触しないように、各コイル１９とステータコア固定部６ａとの間には樹脂などにより形成された絶縁体の枠１８が配置されている。各コイル１９は絶縁体の枠１８に接する形で絶縁体の枠１８に巻き付けられている。このように、ステータコアを移動部と固定部に分けることで、電動機１００をより簡易に製造することができ、電動機のコストを押さえられる。
【００１８】
ステータコア移動部６ｂは、回転軸１に平行に延びる略直方体の形状を有しており、長手方向が軸方向に一致している。ステータコア移動部６ｂの回転軸方向に垂直な断面形状は、略長方形であり、この長方形の長軸１５は半径方向にある。ステータコア移動部６ｂは、ロータ３に面する正面７１及び正面７１と半径方向反対側の端にある背面７３を有している。ステータコア移動部６ｂは、ティース部６ｃのロータ３に対峙する先端面１４近傍から略半径方向に延びる摺動溝１７に沿って、略半径方向に摺動する。ステータ外周面４０上にある摺動溝１７の開口をステータコア移動部６ｂが通過して移動する。コイル１９に対する鎖交磁束を低下させ誘起電力を抑える必要がないようなロータ３の低回転時において、ステータコア移動部６ｂは基準位置付近にあり、ロータ３の回転速度がゼロの場合、ステータコア移動部６ｂの正面７１は摺動溝１７の底面３１に当接している。
【００１９】
一方、ロータ３の高速回転時に、巻線１１に対する鎖交磁束を低下させ誘起電力を抑えるために、ステータコア移動部６ｂは、ステータコア移動機構１０により、摺動溝１７の開口を通して半径方向に沿ってステータの外側に引き出される。つまり、ステータコア移動部６ｂは、ロータ３の回転速度の増加に従って、中心軸８に向かう向きとは逆向きに半径方向に沿って移動する。
【００２０】
図３及び図１を参照して、ステータコア移動部６ｂを半径方向に移動させるためのステータコア移動機構１０を詳細に説明する。
【００２１】
ステータコア移動機構１０は、ステータコア移動部６ｂを移動させる駆動力を供給する駆動力源としての駆動用モータ２１と、駆動用モータ２１の回転軸２４に取り付けられる駆動歯車２２と、駆動歯車２２と歯合し且つ内側に歯を有する環状の内歯車２３と、環状の内歯車２３と歯合する複数の長軸歯車２５と、各長軸歯車２５と歯合するピニオン２７と、各ピニオン２７と歯合するラック２８と、ラック２８に結合し固定され且つステータコア移動部６ｂに埋め込まれ固定されている支柱２９と、から構成されている。長軸歯車２５、ピニオン２７、ラック２８の数はいずれもステータコア移動部６ｂと同数（本実施形態では１２個）となる。長軸歯車２５とピニオン２７は、図示しない固定部材に回転可能に軸支されており、駆動用モータ２１も図示しない固定部材に固定されている。駆動用モータ２１としては、回転角度を正確に決定できるステッピングモータが好適である。駆動用モータ２１を複数個設けても良い。
【００２２】
一方、複数の駆動用モータ２１を、各駆動用モータ２１の駆動歯車２２が各ラック２８に直接係合するよう設置すれば、各ステータコア移動部６ｂの位置が各駆動用モータ２１により個別に制御できる。この場合、内歯車２３、長軸歯車２５、ピニオン２７は省略することができる。また、駆動用モータ２１を一部のステータコア移動部６ｂに対してのみ設置して、この一部のステータコア移動部６ｂだけを移動可能とすることもできる。
【００２３】
駆動用モータ２１は駆動歯車２２を介して環状の内歯車２３を回転させ、環状の内歯車２３の回転により複数の長軸歯車２５が同時に回転する。環状の内歯車２３は、駆動用モータ２１の回転を複数の長軸歯車２５に伝達するよう機能している。駆動歯車２２、内歯車２３、長軸歯車２５は、いずれも同方向に回転する。長軸歯車２５の回転はこれに係合するピニオン２７を長軸歯車２５とは逆方向に回転させ、さらにラック２８がピニオン２７の回転を直線運動に変換する。ラック２８の直線方向の運動に伴いステータコア移動部６ｂも直線方向に運動する。この場合、ラック２８の直線方向の運動はステータ及びロータの半径方向の運動である。なお、歯数を複数の長軸歯車２５の間で異ならせることで、各ステータコア移動部６ｂの移動距離を違わせることもできる。
【００２４】
図４（ａ）−（ｃ）は、ステータコア移動部６ｂが半径方向へ移動する様子を示したものである。
【００２５】
図４（ａ）を参照すると、ロータ３の回転数がゼロの場合、ステータコア移動部６ｂが最も内周側の位置にあり、ステータコア移動部６ｂの正面７１は摺動溝１７の底面３１に当接している。なお、本明細書では、この最も内周側の位置を簡単に基準位置と呼ぶことにする。この時に、駆動用モータ２１の回転軸２４は、ステータコア移動部６ｂの基準位置に対応する第一の回転位置にある。
【００２６】
図４（ｂ）を参照すると、電動機１００の鎖交磁束を減少させる必要のある場合において、駆動用モータ２１の回転によりステータコア移動部６ｂは、基準位置から半径方向外側に移動している。ここで、ステータコア移動部６ｂの基準位置からの移動量を半径方向における変位Ｘとして定義する。ステータコア移動部６ｂの変位Ｘは、第一の回転位置を基準にした駆動用モータ２１の回転軸２４の回転角θに比例する。変位Ｘが最大変位Ｘｍａｘになるまで、ステータコア移動部６ｂは半径方向外側に移動する。
【００２７】
図４（ｃ）を参照すると、変位Ｘが最大変位Ｘｍａｘになると、ステータコア移動部６ｂは、ステータに対して最も外周側の位置（最大変位位置）にある。この時、駆動用モータ２１の回転軸２４は、ステータコア移動部６ｂの最大変位位置に対応する第二の回転位置にある。例えば、ステータコア移動部６ｂの最大変位Ｘｍａｘは鎖交磁束を減少させる程度に応じて設定され、この場合、最大変位Ｘｍａｘはロータ３の最高回転数などに依存する。
【００２８】
次に、図５を参照して、電動機１００の制御装置について説明する。
【００２９】
電動機１００の制御装置は、電動機５０に電流を供給するインバータ４５と、該電流を検出する電流センサ４７と、インバータ４５から電動機５０に加わる電圧を検出する電圧センサ４９と、前述の回転センサ１２と、インバータ４５及びステータコア移動機構１０に設けられた駆動用モータ２１を制御するコントローラ６０から構成される。本実施形態の場合、インバータ４５は交流電流を三相三線式で電動機に供給し、電流センサ４７は線電流を、電圧センサ４９は線間電圧をそれぞれ検出する。本実施形態の場合、巻線１１は１２個のコイル１９から構成されている。
【００３０】
コントローラ６０は、互いにバスを介して結合されている中央演算装置 （ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ （ＲＯＭ） 、ランダムアクセスメモリ （ＲＡＭ） 及び入出力インタフェース （Ｉ／Ｏ インタフェース） をもつマイクロコンピュータから構成されている。回転センサ１２、電流センサ４７、電圧センサ４９からの信号は入出力インタフェースを介してコントローラ６０に入力されている。
【００３１】
コントローラ６０は、インバータ４５が供給すべき三相交流の電流を設定し、この電流に相当する電流指令値をインバータ４５に出力する。インバータ４５は、電流指令値に基づいて電流を電動機１００に供給する。さらに、コントローラ６０は、ステータコア移動部６ｂの目標の変位Ｘに基づいて、駆動用モータ２１の回転軸２４の回転角θを決定し、この回転角θに相当する指令信号を駆動用モータ２１に出力する。駆動用モータ２１がステッピングモータである場合には、コントローラ６０は回転角θに比例する数のパルスを駆動用モータ２１に送出する。なお、インバータ４５と駆動用モータ２１は、コントローラ６０と電気的に結合してコントローラ６０の指令を受信するインターフェースを具備している。
【００３２】
コントローラ６０は、回転センサ１２で検出されるロータ３の回転速度、電流センサ４７で検出される電流値、電圧センサ４９で検出される電圧値の少なくとも一つに従ってステータコア移動部６ｂの目標の変位Ｘを決定し、この目標の変位Ｘに相当する目標の回転角θを設定する。
【００３３】
一般的に、ロータ３の回転速度の増加はインバータ４５から与えられる電流、電圧の増加をもたらすので、コントローラ６０は、回転速度の指標として電流値や電圧値を用いることができる。このため、回転速度を検出せずとも、電流値又は電圧値を検出しこれに応じて回転角θを設定することにより、高回転領域での誘起電圧を削減することもできる。つまり、電流センサ４７とコントローラ６０との組合せ、又は、電圧センサ４９とコントローラ６０との組合せを、ロータの回転速度を検出する回転速度検出手段として用いることができる。
【００３４】
図６のフローチャートを参照して、コントローラ６０が実行するステータコア移動部の位置制御のための制御ルーチンについて説明する。コントローラ６０は、電動機の運転中に所定時間毎に制御ルーチンを繰り返し実行する。
【００３５】
ステップＳ１において、ロータの回転速度、電動機に供給される電流、または電動機に供給される電圧の一つが読込まれる。
【００３６】
ステップＳ２において、マップが参照される。回転速度が検出される場合、ステータコア移動部６ｂの変位Ｘと回転速度の関係を示す図７（ａ）のマップが参照され、電流が検出される場合、変位Ｘと電流の関係を示す図７（ｂ）のマップが参照され、電圧が検出される場合、変位Ｘと電圧の関係を示す図７（ｃ）のマップが参照される。これらのマップにおいて、変位Ｘは、回転速度、電流又は電圧の増加により増加する。つまり、変位Ｘと回転速度、電流または電圧の関係は、鎖交磁束の減少により高回転領域でのステータの巻線１１に発生する誘起電圧が小さくなる関係に設定されている。図７（ａ）のマップ、図７（ｂ）のマップ、及び図７（ｃ）のマップは、マイクロコンピュータのメモリに格納されている。なお、これらのマップは例示的に示したものであり、電動機の特性により様々な変更がなしうる。例えば、回転速度、電流または電圧が、それぞれの閾値以下になるような低回転領域において、目標の変位Ｘをゼロのまま維持するようにし、閾値以上でのみ目標の変位Ｘを増加するようにしてもよい。
【００３７】
なお、図７（ａ）−（ｃ）のマップは、ステータコア移動部６ｂの目標の変位Ｘを決定するものであるが、変位Ｘと回転角θは比例関係にあるので、目標の回転角θと回転速度、電流又は電圧の関係を規定するマップを用いて、直接的に目標の回転角θを設定するようにしてもよい。
【００３８】
ステップＳ３において、読込まれた回転速度、電流又は電圧に応じて、上述のマップを利用して、変位Ｘの目標値が計算される。なお、回転角θを決定するマップを備える場合、ここで、回転角θの目標値が直接マップから決定されてもよい。
【００３９】
ステップＳ４において、変位Ｘの目標値から駆動用モータ２１の回転軸２４の目標の回転角θが計算される。
【００４０】
ステップＳ５において、駆動用モータ２１が回転角θの目標値を実現するよう制御される。こうして、ステータコア移動部６ｂが、目標の変位Ｘだけ移動する。
【００４１】
図８を参照して、上記の実施形態による電動機１００の効率に対する効果を説明する。ステータコア移動部６ｂがロータ３の回転速度によらず常に最も内周側の位置にある場合（通常の電動機の場合）、すなわち変位Ｘがゼロの場合に、図８（ａ）に示すように、ハッチングで示された９５パーセント以上の高効率の領域は、高トルク低回転側にある。一方、ステータコア移動部６ｂが最も外周側の位置にある場合、すなわち変位Ｘが最大値Ｘｍａｘの場合に、図８（ｂ）に示すように、９５パーセント以上の高効率の領域は、変位Ｘがゼロの場合に比べて高回転側に位置している。
【００４２】
このように、ステータコア移動部６ｂをステータ外周側に移動させる場合、ロータ３の高回転領域での効率が上昇する。これは、ステータコア移動部６ｂが移動することで、コイル１９に鎖交する磁束量が変化するために起こる。
【００４３】
次に、ステータコア移動部６ｂについての第二実施形態について説明する。ステータコア移動部６ｂ以外の構成は、第一実施形態と同じであり説明を省略する。
【００４４】
図９を参照すると、第一実施形態と違って、ステータコア移動部６ｂは、軸方向に垂直なステータの円周方向に電磁鋼板を積層することにより構成される。この場合、軸方向に電磁鋼板を積層するよりも電磁鋼板の積層数が減り、コストが削減される。また、鉄損の一部であるうず電流損が発生しにくくなるため、効率も向上する。
【００４５】
次に、図１０を参照して、ステータコア移動部６ｂ及び摺動溝１７についての第三実施形態について説明する。ステータコア移動部６ｂ及び摺動溝１７以外の構成は、第一実施形態と同じであり説明を省略する。
【００４６】
第一実施形態では、ステータコア移動部６ｂは略直方体の形状をしており、ステータコア移動部６ｂの両方の側面７５は、正面７１に略直角である。しかし、第三の実施形態において、ステータコア移動部６ｂの側面７５と正面７１との間の角度は、９０度より大きい鈍角であり、ステータコア移動部６ｂはテーパ−状になっている。従って、図のように、軸方向に垂直なステータコア移動部６ｂの断面形状は、半径方向外側に進むにつれて両側面間の幅が大きくなるような略台形の形状になる。さらに、ステータコア移動部６ｂの摺動溝１７は、変位Ｘがゼロの場合ステータコア移動部６ｂに嵌合する形状をしており、同様に半径方向外側に進むにつれて両側面間の幅が大きくなるような略台形の形状になる。従って、ステータコア移動部６ｂの変位Ｘがゼロの場合、ステータコア移動部６ｂは摺動溝１７の内周に密着させることができ、これによりステータコア固定部６ａとステータコア移動部６ｂとの間の磁気抵抗を減少させ、電動機の特性を向上することが可能である。
【００４７】
なお、後述のようにステータコア固定部６ａを圧粉コアで形成すれば、ステータコア移動部６ｂの形状をこの他にも様々に設定可能である。例えば、ステータコア移動部６ｂの側面７５と正面７１との間の角度は略直角に維持したまま、上記と同様に、ステータコア移動部６ｂの軸方向の端面７７と円周方向の側面７５との間の角度を９０度より大きい角度にすることもできる。
【００４８】
次に、ステータコア移動部６ｂの摺動溝１７についての第四実施形態について説明する。摺動溝１７以外の構成は、第一実施形態と同じであり説明を省略する。
【００４９】
図１１を参照すると、第一実施形態と違って、摺動溝１７は、ステータコア固定部６ａを貫通して、底面３１を有していない。従って、摺動溝１７は、ティース部６ｃの先端面１４とステータ外周面４０で開口を有する。この摺動溝１７の構造は、ステータコア固定部６ａが第一実施形態のように電磁鋼板を積層して形成される場合には、電磁鋼板が分断されるので好ましくない。このため、ステータコア固定部６ａは、図１２に示す形状をもって、鉄合金粉末やフェライト粉末等の強磁性体粉末と絶縁性粘結剤との混合物を圧縮焼成又は圧縮成形して作製する圧粉コアで構成されている。こうして、点線で示される摺動溝１７はステータコア固定部６ａを貫通することが可能となり、ステータコア移動部６ｂをよりロータ３側に近づけることができ、低速回転時のトルクはよくなる。さらに、ステータコア固定部６ａを圧粉コアで構成することで、ステータコア固定部及び移動部の形状に関して自由度が高まる。
【００５０】
次に、ステータコア移動部６ｂについての第五実施形態について説明する。
【００５１】
第一実施形態では、ステータコア６は、ステータコア固定部６ａとステータコア移動部６ｂとに分けられ、ステータコア移動部６ｂがステータコア固定部６ａに対して移動して、コイル１９への鎖交磁束の調整が行われた。しかし、本実施形態において、図１３のように、ステータコア６は、ステータコア固定部を有さず、ステータコア移動部のみから構成される。ステータコア６は、それぞれが一つのティ−ス部５１ａを含む同形の分割コア５１に分けられており、各分割コア５１がステータコア移動部に相当する。複数の分割コア５１が、全体で円筒状になるように連結され一体化され、ステータコア６を形成している。それぞれの分割コア５１が、ステータコア移動機構１０により半径方向に移動される。
【００５２】
図１４を参照すると、絶縁体の枠１８は、分割コア５１の略直方体状のティース部５１ａに適合する直方体形状の摺動溝５５（点線で示されている）を有する。各コイル１９は絶縁体の枠１８に密着する形で巻き付けられている。分割コア５１のティース部５１ａは、摺動溝５５内つまりコイル１９内で半径方向に摺動する。このように、ステータコア６全体を移動可能な部材で構成することにより、同じ移動量であっても、第一実施形態に比べ、電動機の特性を大幅に向上することが可能である。
【００５３】
上記の各実施形態において、ステータコア移動機構１０は、複数のステータコア移動部６ｂをすべて移動する構成であるが、必要に応じて一部のステータコア移動部６ｂを移動させる構成にしてもよい。ステータ巻線について規定していないが、ステータ巻線は集中巻でも分布巻でもよい。また、ステータ５は１２極であり、ロータ３の極数は８極であるが、他の極数のステータやロータにも本発明は適用可能である。ステータコア移動部６ｂを移動させる駆動力を供給する駆動力源として駆動用モータ２１を用いたが、本発明はこれに限定されず、油圧ポンプ等の他の駆動力源を用いてステータコア移動部６ｂを移動させることもできる。さらに、交流、直流を問わず、電動機、発電機、またはその両方として動作する回転電機に対して本発明は適用できる。
【００５４】
本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第一実施形態に係る電動機の軸方向の断面側面図である。
【図２】第一実施形態に係る電動機の軸方向に垂直な断面図であり、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面を示す図である。
【図３】第一実施形態に係る電動機のステータコア移動機構を示す斜視図である。
【図４】ステータコア移動部が半径方向へ移動する様子を示す電動機の軸方向に垂直な概略部分断面図である。（ａ）は、ステータコア移動部が最も内周側にある場合（Ｘ＝０）、（ｂ）は、ステータコア移動部が、最も内周側から変位Ｘだけ半径方向外側に移動した場合、（ｃ）は、ステータコア移動部が最も外周側にある場合（Ｘ＝Ｘｍａｘ）、を示す。ロータの回転速度の増加に伴って、ステータコア移動部の変位Ｘが増加する。
【図５】電動機の制御装置を示す概略図である。
【図６】ステータコア移動部の位置制御のための制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図７】（ａ）ステータコア移動部の変位Ｘとロータの回転速度の関係を示すマップである。（ｂ）ステータコア移動部の変位Ｘと電動機の電流の関係を示すマップである。（ｃ）ステータコア移動部の変位Ｘと電動機の電圧の関係を示すマップである。
【図８】（ａ）ステータコア移動部がロータの回転速度によらず常に最も内周側の位置にある場合、すなわち変位Ｘがゼロの場合に、９５パーセント以上の効率の領域を回転数−トルク平面上に示す電動機の効率マップである。（ｂ）は、ステータコア移動部がロータの回転速度によらず常に最も外周側の位置にある場合、すなわち変位Ｘが最大値Ｘｍａｘの場合に、９５パーセント以上の効率の領域を回転数−トルク平面上に示す電動機の効率マップである。９５パーセント以上の効率の領域は、ハッチングされた領域で示されている。
【図９】第二実施形態に係る電動機の軸方向に垂直な概略部分断面図である。（ａ）は、ステータコア移動部が最も内周側にある場合（Ｘ＝０）、（ｂ）は、ステータコア移動部が、最も内周側から変位Ｘだけ半径方向外側に移動した場合、（ｃ）は、ステータコア移動部が最も外周側にある場合（Ｘ＝Ｘｍａｘ）、を示す。
【図１０】第三実施形態に係る電動機の軸方向に垂直な概略部分断面図である。（ａ）は、ステータコア移動部が最も内周側にある場合（Ｘ＝０）、（ｂ）は、ステータコア移動部が、最も内周側から変位Ｘだけ半径方向外側に移動した場合、（ｃ）は、ステータコア移動部が最も外周側にある場合（Ｘ＝Ｘｍａｘ）、を示す。
【図１１】第四実施形態に係る電動機の軸方向に垂直な概略部分断面図である。（ａ）は、ステータコア移動部が最も内周側にある場合（Ｘ＝０）、（ｂ）は、ステータコア移動部が、最も内周側から変位Ｘだけ半径方向外側に移動した場合、（ｃ）は、ステータコア移動部が最も外周側にある場合（Ｘ＝Ｘｍａｘ）、を示す。
【図１２】第四実施形態に係るステータコア固定部の形状を示す斜視図である。
【図１３】第五実施形態に係る電動機の軸方向に垂直な概略部分断面図である。（ａ）は、ステータコア移動部が最も内周側にある場合（Ｘ＝０）、（ｂ）は、ステータコア移動部が、最も内周側から変位Ｘだけ半径方向外側に移動した場合、（ｃ）は、ステータコア移動部が最も外周側にある場合（Ｘ＝Ｘｍａｘ）、を示す。
【図１４】第五実施形態に係る電動機の絶縁体の枠を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 回転軸
３ ロータ
５ ステータ
６ ステータコア
６ａ ステータコア固定部
６ｂ ステータコア移動部
８ 中心軸
９ ロータの永久磁石
１０ ステータコア移動機構
１２ 回転センサ
１７ 摺動溝
１８ 絶縁体枠
１９ コイル
２１ 駆動用モータ
２３ 内歯車
２３ ピニオン
２４ モータ回転軸
４０ ステータ外周面
４５ インバータ
４７ 電流センサ
４９ 電圧センサ
５０ 電動機
６０ コントローラ
７１ 正面
７３ 背面
７５ 側面
７７ 端面
【発明の属する技術分野】
この発明は、電動機、発電機又はその両方として機能する回転電機に関する。特に、ロータに永久磁石を有する回転電機に関係する。
【０００２】
【従来の技術】
ロータに永久磁石を埋め込んだ電動機は、損失が少なく効率が良い、出力が大きい等の理由により数多く使用されている。この電動機は、ロータからの磁束が一定のため、高速回転時には誘起電圧が過大となり、それを弱め界磁電流を流す事で運転している。しかし、弱め界磁電流を流す事で、高速回転時の効率は悪化する。そこで、特開平７−１０７７１８号公報では、ステータ継鉄部の一部を軸方向に移動させることで、高速回転時の磁束を低下させ、誘起電力を抑えている。高速回転時に誘起電圧を抑えることで、コイルに流す電流を少なくすることが可能となり、従って効率を良くすることが可能である。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−１０７７１８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ステータ継鉄部を軸方向に移動させることで、残されたステータコアに磁束が集中し、大きな鉄損が生じてしまう。また、効果をあげようとすると、非常に大きな移動距離が必要となる。
【０００５】
本発明は、より簡便に高速回転時に誘起電圧を抑えることができる電動機を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
ステータコアとステータコアのそれぞれのティースに巻かれるコイルとを有する略円筒状のステータと、前記ステータに対して回転可能に支持され且つ複数の永久磁石を有するロータとを備えた回転電機において、前記ステータコアは、その一部に前記ステータの略半径方向に沿って前記コイルに対して相対移動可能な移動部と、該移動部を前記ロータの回転数に基づき略半径方向に沿って移動させる移動機構を備える。前記移動部は、前記ロータの回転数がゼロの場合、前記移動部の少なくとも一部が前記コイルの内部に位置すると共に前記ロータの回転速度の増加により前記ステータの外側に移動する。
【０００７】
【作用・効果】
ステータコアの一部を移動部として、半径方向に移動させることにより、ステータに対する鎖交磁束を変化させることが可能となり、ステータのコイルへの誘起電圧の調整も可能となる。例えば、トルクが必要な時（低回転時）には、ロータに近づける方向に移動させ、高回転時の効率を上げたい時には回転子から遠ざける方向に移動させることで、電動機の特性を大幅に向上することが可能である。
【０００８】
また、前記移動部のコイル内での移動により、コイル内にエアギャップが生じるため、小さな移動量で鎖交磁束の調整ができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、実施形態は電動機１００に対して説明されるが、発電機に対しても同様に適用可能である。
【００１０】
図１は、本発明の第一実施形態に係る電動機１００の軸方向の断面側面図を示す。図１を参照すると電動機１００は、回転軸１と、回転軸１の周りに配置され且つ回転軸１に固定されるロータ３、ロータ３の周りに配置されるステータ５、ステータ５を収容するケース７を備えている。ロータ３とステータ５は、それぞれ軸方向に延びる略円筒形状をしており、さらにロータ３とステータ５の間にはエアギャップに相当する隙間が存在し互いに接触することはない。ロータ３は円筒形状の外周面２０を、ステータ５は円筒形状の外周面４０を備える。ステータ５のステータコア６には、複数のコイル１９から成る巻線１１が施され、巻線１１に流れる交流電流により発生する回転磁場が永久磁石９に力を及ぼし、ロータ３は回転軸１とともに回転する。
【００１１】
ケース７は、ステータ５に接する円筒板７ａと円筒板７ａの軸方向両端の開口をふさぐ側板７ｂ、７ｃからなる。ただし、円筒板７ａは、ステータコア移動部６ｂが移動時に通る開口を有する。回転軸１の両端は、ベアリング１６を介してケース７の側板７ｂ、７ｃに支持され、ステータ５及びケース７に対して回転可能である。ケース７の一方の側板の外側表面には、回転軸１の回転速度（単位時間あたりの回転数）を検出する回転センサ１２（回転速度検出手段）が取り付けられている。
【００１２】
ステータコア６は、ケース７及びコイル１９に対して固定されているステータコア固定部６ａと、ステータコア固定部６ａに対して、半径方向に移動可能な一つ以上のステータコア移動部６ｂから構成されている。電動機１００は、ステータコア移動部６ｂに半径方向の力を加えてステータコア移動部６ｂを半径方向に移動させるためのステータコア移動機構１０を備えている。ここで、半径方向は、略円筒状のロータ３又は略円筒状のステータ５の半径に沿った方向と定義される。なお、回転軸１の中心軸８は略円筒状のロータ３又は略円筒状のステータ５の中心軸に一致している。
【００１３】
本実施形態において、ステータコア固定部６ａは一体構造のものであるが、円周方向に複数の分割コアに分割される分割構造のものでもかまわない。なお、分割構造の場合、各分割コアはティースを有し、分割コア毎にコイルが巻かれる。
【００１４】
図２は、本発明の第一実施形態に係るロータの軸方向に垂直な断面を示しており、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面である。ロータ３の外周面２０付近には、複数の板状の永久磁石９が、長手方向を回転軸１に略平行にして、回転軸１の中心軸８から略同距離に埋め込まれている。ここで、永久磁石９の形状は、板状形状に限定されるものでなく、Ｖ字形状等様々な形状をとりうる。隣接する磁極が互いに相違するように、永久磁石９はロータ３の円周方向に所定間隔（例えば４５°）毎に配置されている。ここで、円周方向とは、中心軸８を軸とする円筒の円周に沿った方向である。
【００１５】
ステータコア６は、ティース部６ｃに巻かれたコイル１９に対して固定されているステータコア固定部６ａと、ステータコア固定部６ａ及びステータ５のコイル１９に対して移動可能なステータコア移動部６ｂから構成されている。ここで、ティース部は、半径方向に突き出したステータコア６の部位をいう。ステータコア移動部６ｂは略直方体の形状を有する。なお、ステータコア固定部６ａとステータコア移動部６ｂともに、軸方向に積層された電磁鋼板（例えばけい素鋼板）で構成されている。ステータコアを積層された電磁鋼板により構成することで、材料費用を押さえることができる。
【００１６】
ステータコア固定部６ａはステータコア移動部６ｂを案内する摺動溝１７を有しており、摺動溝１７はステータコア移動部６ｂに適合する略直方体の形状を有している。なお、摺動溝１７は、ステータコア固定部６ａを貫通しておらず、底面３１を有している。また、摺動溝１７は、ステータコア６のティース部６ｃに巻かれたコイル１９内を通過するよう配置されている。ステータコア移動部６ｂはティース部６ｃに巻かれたコイル１９内を移動することにより、コイル１９に対する鎖交磁束を大きく増減させる。ロータ３の回転速度がゼロ付近では、ステータコア移動部６ｂの少なくとも一部は前記コイル１９の内部にあり、ステータコア移動部６ｂは、ロータ３の回転速度の増加にしたがってステータ５の外側（ロータ３と反対側）へ半径方向に沿って移動する。また、ステータコア固定部６ａはステータコア移動部６ｂが通過する開口をステータ外周面４０上で有する。
【００１７】
本実施形態では、ステータコア移動部６ｂは、各ティース部６ｃに対して一つずつ設けられ、ステータコア６の各ティース部６ｃ内を通過する。しかし、一部のティース部６ｃにのみステータコア移動部６ｂを設ける構成にしても良い。ティース部６ｃの数は１２個であり、合計１２個のステータコア移動部６ｂが、ステータコア６に設けられている。また、各ティース部６ｃのまわりでコイル１９が巻かれており、従って巻線１１は１２個のコイル１９を含んでいる。コイル１９がステータコア６と接触しないように、各コイル１９とステータコア固定部６ａとの間には樹脂などにより形成された絶縁体の枠１８が配置されている。各コイル１９は絶縁体の枠１８に接する形で絶縁体の枠１８に巻き付けられている。このように、ステータコアを移動部と固定部に分けることで、電動機１００をより簡易に製造することができ、電動機のコストを押さえられる。
【００１８】
ステータコア移動部６ｂは、回転軸１に平行に延びる略直方体の形状を有しており、長手方向が軸方向に一致している。ステータコア移動部６ｂの回転軸方向に垂直な断面形状は、略長方形であり、この長方形の長軸１５は半径方向にある。ステータコア移動部６ｂは、ロータ３に面する正面７１及び正面７１と半径方向反対側の端にある背面７３を有している。ステータコア移動部６ｂは、ティース部６ｃのロータ３に対峙する先端面１４近傍から略半径方向に延びる摺動溝１７に沿って、略半径方向に摺動する。ステータ外周面４０上にある摺動溝１７の開口をステータコア移動部６ｂが通過して移動する。コイル１９に対する鎖交磁束を低下させ誘起電力を抑える必要がないようなロータ３の低回転時において、ステータコア移動部６ｂは基準位置付近にあり、ロータ３の回転速度がゼロの場合、ステータコア移動部６ｂの正面７１は摺動溝１７の底面３１に当接している。
【００１９】
一方、ロータ３の高速回転時に、巻線１１に対する鎖交磁束を低下させ誘起電力を抑えるために、ステータコア移動部６ｂは、ステータコア移動機構１０により、摺動溝１７の開口を通して半径方向に沿ってステータの外側に引き出される。つまり、ステータコア移動部６ｂは、ロータ３の回転速度の増加に従って、中心軸８に向かう向きとは逆向きに半径方向に沿って移動する。
【００２０】
図３及び図１を参照して、ステータコア移動部６ｂを半径方向に移動させるためのステータコア移動機構１０を詳細に説明する。
【００２１】
ステータコア移動機構１０は、ステータコア移動部６ｂを移動させる駆動力を供給する駆動力源としての駆動用モータ２１と、駆動用モータ２１の回転軸２４に取り付けられる駆動歯車２２と、駆動歯車２２と歯合し且つ内側に歯を有する環状の内歯車２３と、環状の内歯車２３と歯合する複数の長軸歯車２５と、各長軸歯車２５と歯合するピニオン２７と、各ピニオン２７と歯合するラック２８と、ラック２８に結合し固定され且つステータコア移動部６ｂに埋め込まれ固定されている支柱２９と、から構成されている。長軸歯車２５、ピニオン２７、ラック２８の数はいずれもステータコア移動部６ｂと同数（本実施形態では１２個）となる。長軸歯車２５とピニオン２７は、図示しない固定部材に回転可能に軸支されており、駆動用モータ２１も図示しない固定部材に固定されている。駆動用モータ２１としては、回転角度を正確に決定できるステッピングモータが好適である。駆動用モータ２１を複数個設けても良い。
【００２２】
一方、複数の駆動用モータ２１を、各駆動用モータ２１の駆動歯車２２が各ラック２８に直接係合するよう設置すれば、各ステータコア移動部６ｂの位置が各駆動用モータ２１により個別に制御できる。この場合、内歯車２３、長軸歯車２５、ピニオン２７は省略することができる。また、駆動用モータ２１を一部のステータコア移動部６ｂに対してのみ設置して、この一部のステータコア移動部６ｂだけを移動可能とすることもできる。
【００２３】
駆動用モータ２１は駆動歯車２２を介して環状の内歯車２３を回転させ、環状の内歯車２３の回転により複数の長軸歯車２５が同時に回転する。環状の内歯車２３は、駆動用モータ２１の回転を複数の長軸歯車２５に伝達するよう機能している。駆動歯車２２、内歯車２３、長軸歯車２５は、いずれも同方向に回転する。長軸歯車２５の回転はこれに係合するピニオン２７を長軸歯車２５とは逆方向に回転させ、さらにラック２８がピニオン２７の回転を直線運動に変換する。ラック２８の直線方向の運動に伴いステータコア移動部６ｂも直線方向に運動する。この場合、ラック２８の直線方向の運動はステータ及びロータの半径方向の運動である。なお、歯数を複数の長軸歯車２５の間で異ならせることで、各ステータコア移動部６ｂの移動距離を違わせることもできる。
【００２４】
図４（ａ）−（ｃ）は、ステータコア移動部６ｂが半径方向へ移動する様子を示したものである。
【００２５】
図４（ａ）を参照すると、ロータ３の回転数がゼロの場合、ステータコア移動部６ｂが最も内周側の位置にあり、ステータコア移動部６ｂの正面７１は摺動溝１７の底面３１に当接している。なお、本明細書では、この最も内周側の位置を簡単に基準位置と呼ぶことにする。この時に、駆動用モータ２１の回転軸２４は、ステータコア移動部６ｂの基準位置に対応する第一の回転位置にある。
【００２６】
図４（ｂ）を参照すると、電動機１００の鎖交磁束を減少させる必要のある場合において、駆動用モータ２１の回転によりステータコア移動部６ｂは、基準位置から半径方向外側に移動している。ここで、ステータコア移動部６ｂの基準位置からの移動量を半径方向における変位Ｘとして定義する。ステータコア移動部６ｂの変位Ｘは、第一の回転位置を基準にした駆動用モータ２１の回転軸２４の回転角θに比例する。変位Ｘが最大変位Ｘｍａｘになるまで、ステータコア移動部６ｂは半径方向外側に移動する。
【００２７】
図４（ｃ）を参照すると、変位Ｘが最大変位Ｘｍａｘになると、ステータコア移動部６ｂは、ステータに対して最も外周側の位置（最大変位位置）にある。この時、駆動用モータ２１の回転軸２４は、ステータコア移動部６ｂの最大変位位置に対応する第二の回転位置にある。例えば、ステータコア移動部６ｂの最大変位Ｘｍａｘは鎖交磁束を減少させる程度に応じて設定され、この場合、最大変位Ｘｍａｘはロータ３の最高回転数などに依存する。
【００２８】
次に、図５を参照して、電動機１００の制御装置について説明する。
【００２９】
電動機１００の制御装置は、電動機５０に電流を供給するインバータ４５と、該電流を検出する電流センサ４７と、インバータ４５から電動機５０に加わる電圧を検出する電圧センサ４９と、前述の回転センサ１２と、インバータ４５及びステータコア移動機構１０に設けられた駆動用モータ２１を制御するコントローラ６０から構成される。本実施形態の場合、インバータ４５は交流電流を三相三線式で電動機に供給し、電流センサ４７は線電流を、電圧センサ４９は線間電圧をそれぞれ検出する。本実施形態の場合、巻線１１は１２個のコイル１９から構成されている。
【００３０】
コントローラ６０は、互いにバスを介して結合されている中央演算装置 （ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ （ＲＯＭ） 、ランダムアクセスメモリ （ＲＡＭ） 及び入出力インタフェース （Ｉ／Ｏ インタフェース） をもつマイクロコンピュータから構成されている。回転センサ１２、電流センサ４７、電圧センサ４９からの信号は入出力インタフェースを介してコントローラ６０に入力されている。
【００３１】
コントローラ６０は、インバータ４５が供給すべき三相交流の電流を設定し、この電流に相当する電流指令値をインバータ４５に出力する。インバータ４５は、電流指令値に基づいて電流を電動機１００に供給する。さらに、コントローラ６０は、ステータコア移動部６ｂの目標の変位Ｘに基づいて、駆動用モータ２１の回転軸２４の回転角θを決定し、この回転角θに相当する指令信号を駆動用モータ２１に出力する。駆動用モータ２１がステッピングモータである場合には、コントローラ６０は回転角θに比例する数のパルスを駆動用モータ２１に送出する。なお、インバータ４５と駆動用モータ２１は、コントローラ６０と電気的に結合してコントローラ６０の指令を受信するインターフェースを具備している。
【００３２】
コントローラ６０は、回転センサ１２で検出されるロータ３の回転速度、電流センサ４７で検出される電流値、電圧センサ４９で検出される電圧値の少なくとも一つに従ってステータコア移動部６ｂの目標の変位Ｘを決定し、この目標の変位Ｘに相当する目標の回転角θを設定する。
【００３３】
一般的に、ロータ３の回転速度の増加はインバータ４５から与えられる電流、電圧の増加をもたらすので、コントローラ６０は、回転速度の指標として電流値や電圧値を用いることができる。このため、回転速度を検出せずとも、電流値又は電圧値を検出しこれに応じて回転角θを設定することにより、高回転領域での誘起電圧を削減することもできる。つまり、電流センサ４７とコントローラ６０との組合せ、又は、電圧センサ４９とコントローラ６０との組合せを、ロータの回転速度を検出する回転速度検出手段として用いることができる。
【００３４】
図６のフローチャートを参照して、コントローラ６０が実行するステータコア移動部の位置制御のための制御ルーチンについて説明する。コントローラ６０は、電動機の運転中に所定時間毎に制御ルーチンを繰り返し実行する。
【００３５】
ステップＳ１において、ロータの回転速度、電動機に供給される電流、または電動機に供給される電圧の一つが読込まれる。
【００３６】
ステップＳ２において、マップが参照される。回転速度が検出される場合、ステータコア移動部６ｂの変位Ｘと回転速度の関係を示す図７（ａ）のマップが参照され、電流が検出される場合、変位Ｘと電流の関係を示す図７（ｂ）のマップが参照され、電圧が検出される場合、変位Ｘと電圧の関係を示す図７（ｃ）のマップが参照される。これらのマップにおいて、変位Ｘは、回転速度、電流又は電圧の増加により増加する。つまり、変位Ｘと回転速度、電流または電圧の関係は、鎖交磁束の減少により高回転領域でのステータの巻線１１に発生する誘起電圧が小さくなる関係に設定されている。図７（ａ）のマップ、図７（ｂ）のマップ、及び図７（ｃ）のマップは、マイクロコンピュータのメモリに格納されている。なお、これらのマップは例示的に示したものであり、電動機の特性により様々な変更がなしうる。例えば、回転速度、電流または電圧が、それぞれの閾値以下になるような低回転領域において、目標の変位Ｘをゼロのまま維持するようにし、閾値以上でのみ目標の変位Ｘを増加するようにしてもよい。
【００３７】
なお、図７（ａ）−（ｃ）のマップは、ステータコア移動部６ｂの目標の変位Ｘを決定するものであるが、変位Ｘと回転角θは比例関係にあるので、目標の回転角θと回転速度、電流又は電圧の関係を規定するマップを用いて、直接的に目標の回転角θを設定するようにしてもよい。
【００３８】
ステップＳ３において、読込まれた回転速度、電流又は電圧に応じて、上述のマップを利用して、変位Ｘの目標値が計算される。なお、回転角θを決定するマップを備える場合、ここで、回転角θの目標値が直接マップから決定されてもよい。
【００３９】
ステップＳ４において、変位Ｘの目標値から駆動用モータ２１の回転軸２４の目標の回転角θが計算される。
【００４０】
ステップＳ５において、駆動用モータ２１が回転角θの目標値を実現するよう制御される。こうして、ステータコア移動部６ｂが、目標の変位Ｘだけ移動する。
【００４１】
図８を参照して、上記の実施形態による電動機１００の効率に対する効果を説明する。ステータコア移動部６ｂがロータ３の回転速度によらず常に最も内周側の位置にある場合（通常の電動機の場合）、すなわち変位Ｘがゼロの場合に、図８（ａ）に示すように、ハッチングで示された９５パーセント以上の高効率の領域は、高トルク低回転側にある。一方、ステータコア移動部６ｂが最も外周側の位置にある場合、すなわち変位Ｘが最大値Ｘｍａｘの場合に、図８（ｂ）に示すように、９５パーセント以上の高効率の領域は、変位Ｘがゼロの場合に比べて高回転側に位置している。
【００４２】
このように、ステータコア移動部６ｂをステータ外周側に移動させる場合、ロータ３の高回転領域での効率が上昇する。これは、ステータコア移動部６ｂが移動することで、コイル１９に鎖交する磁束量が変化するために起こる。
【００４３】
次に、ステータコア移動部６ｂについての第二実施形態について説明する。ステータコア移動部６ｂ以外の構成は、第一実施形態と同じであり説明を省略する。
【００４４】
図９を参照すると、第一実施形態と違って、ステータコア移動部６ｂは、軸方向に垂直なステータの円周方向に電磁鋼板を積層することにより構成される。この場合、軸方向に電磁鋼板を積層するよりも電磁鋼板の積層数が減り、コストが削減される。また、鉄損の一部であるうず電流損が発生しにくくなるため、効率も向上する。
【００４５】
次に、図１０を参照して、ステータコア移動部６ｂ及び摺動溝１７についての第三実施形態について説明する。ステータコア移動部６ｂ及び摺動溝１７以外の構成は、第一実施形態と同じであり説明を省略する。
【００４６】
第一実施形態では、ステータコア移動部６ｂは略直方体の形状をしており、ステータコア移動部６ｂの両方の側面７５は、正面７１に略直角である。しかし、第三の実施形態において、ステータコア移動部６ｂの側面７５と正面７１との間の角度は、９０度より大きい鈍角であり、ステータコア移動部６ｂはテーパ−状になっている。従って、図のように、軸方向に垂直なステータコア移動部６ｂの断面形状は、半径方向外側に進むにつれて両側面間の幅が大きくなるような略台形の形状になる。さらに、ステータコア移動部６ｂの摺動溝１７は、変位Ｘがゼロの場合ステータコア移動部６ｂに嵌合する形状をしており、同様に半径方向外側に進むにつれて両側面間の幅が大きくなるような略台形の形状になる。従って、ステータコア移動部６ｂの変位Ｘがゼロの場合、ステータコア移動部６ｂは摺動溝１７の内周に密着させることができ、これによりステータコア固定部６ａとステータコア移動部６ｂとの間の磁気抵抗を減少させ、電動機の特性を向上することが可能である。
【００４７】
なお、後述のようにステータコア固定部６ａを圧粉コアで形成すれば、ステータコア移動部６ｂの形状をこの他にも様々に設定可能である。例えば、ステータコア移動部６ｂの側面７５と正面７１との間の角度は略直角に維持したまま、上記と同様に、ステータコア移動部６ｂの軸方向の端面７７と円周方向の側面７５との間の角度を９０度より大きい角度にすることもできる。
【００４８】
次に、ステータコア移動部６ｂの摺動溝１７についての第四実施形態について説明する。摺動溝１７以外の構成は、第一実施形態と同じであり説明を省略する。
【００４９】
図１１を参照すると、第一実施形態と違って、摺動溝１７は、ステータコア固定部６ａを貫通して、底面３１を有していない。従って、摺動溝１７は、ティース部６ｃの先端面１４とステータ外周面４０で開口を有する。この摺動溝１７の構造は、ステータコア固定部６ａが第一実施形態のように電磁鋼板を積層して形成される場合には、電磁鋼板が分断されるので好ましくない。このため、ステータコア固定部６ａは、図１２に示す形状をもって、鉄合金粉末やフェライト粉末等の強磁性体粉末と絶縁性粘結剤との混合物を圧縮焼成又は圧縮成形して作製する圧粉コアで構成されている。こうして、点線で示される摺動溝１７はステータコア固定部６ａを貫通することが可能となり、ステータコア移動部６ｂをよりロータ３側に近づけることができ、低速回転時のトルクはよくなる。さらに、ステータコア固定部６ａを圧粉コアで構成することで、ステータコア固定部及び移動部の形状に関して自由度が高まる。
【００５０】
次に、ステータコア移動部６ｂについての第五実施形態について説明する。
【００５１】
第一実施形態では、ステータコア６は、ステータコア固定部６ａとステータコア移動部６ｂとに分けられ、ステータコア移動部６ｂがステータコア固定部６ａに対して移動して、コイル１９への鎖交磁束の調整が行われた。しかし、本実施形態において、図１３のように、ステータコア６は、ステータコア固定部を有さず、ステータコア移動部のみから構成される。ステータコア６は、それぞれが一つのティ−ス部５１ａを含む同形の分割コア５１に分けられており、各分割コア５１がステータコア移動部に相当する。複数の分割コア５１が、全体で円筒状になるように連結され一体化され、ステータコア６を形成している。それぞれの分割コア５１が、ステータコア移動機構１０により半径方向に移動される。
【００５２】
図１４を参照すると、絶縁体の枠１８は、分割コア５１の略直方体状のティース部５１ａに適合する直方体形状の摺動溝５５（点線で示されている）を有する。各コイル１９は絶縁体の枠１８に密着する形で巻き付けられている。分割コア５１のティース部５１ａは、摺動溝５５内つまりコイル１９内で半径方向に摺動する。このように、ステータコア６全体を移動可能な部材で構成することにより、同じ移動量であっても、第一実施形態に比べ、電動機の特性を大幅に向上することが可能である。
【００５３】
上記の各実施形態において、ステータコア移動機構１０は、複数のステータコア移動部６ｂをすべて移動する構成であるが、必要に応じて一部のステータコア移動部６ｂを移動させる構成にしてもよい。ステータ巻線について規定していないが、ステータ巻線は集中巻でも分布巻でもよい。また、ステータ５は１２極であり、ロータ３の極数は８極であるが、他の極数のステータやロータにも本発明は適用可能である。ステータコア移動部６ｂを移動させる駆動力を供給する駆動力源として駆動用モータ２１を用いたが、本発明はこれに限定されず、油圧ポンプ等の他の駆動力源を用いてステータコア移動部６ｂを移動させることもできる。さらに、交流、直流を問わず、電動機、発電機、またはその両方として動作する回転電機に対して本発明は適用できる。
【００５４】
本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第一実施形態に係る電動機の軸方向の断面側面図である。
【図２】第一実施形態に係る電動機の軸方向に垂直な断面図であり、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面を示す図である。
【図３】第一実施形態に係る電動機のステータコア移動機構を示す斜視図である。
【図４】ステータコア移動部が半径方向へ移動する様子を示す電動機の軸方向に垂直な概略部分断面図である。（ａ）は、ステータコア移動部が最も内周側にある場合（Ｘ＝０）、（ｂ）は、ステータコア移動部が、最も内周側から変位Ｘだけ半径方向外側に移動した場合、（ｃ）は、ステータコア移動部が最も外周側にある場合（Ｘ＝Ｘｍａｘ）、を示す。ロータの回転速度の増加に伴って、ステータコア移動部の変位Ｘが増加する。
【図５】電動機の制御装置を示す概略図である。
【図６】ステータコア移動部の位置制御のための制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図７】（ａ）ステータコア移動部の変位Ｘとロータの回転速度の関係を示すマップである。（ｂ）ステータコア移動部の変位Ｘと電動機の電流の関係を示すマップである。（ｃ）ステータコア移動部の変位Ｘと電動機の電圧の関係を示すマップである。
【図８】（ａ）ステータコア移動部がロータの回転速度によらず常に最も内周側の位置にある場合、すなわち変位Ｘがゼロの場合に、９５パーセント以上の効率の領域を回転数−トルク平面上に示す電動機の効率マップである。（ｂ）は、ステータコア移動部がロータの回転速度によらず常に最も外周側の位置にある場合、すなわち変位Ｘが最大値Ｘｍａｘの場合に、９５パーセント以上の効率の領域を回転数−トルク平面上に示す電動機の効率マップである。９５パーセント以上の効率の領域は、ハッチングされた領域で示されている。
【図９】第二実施形態に係る電動機の軸方向に垂直な概略部分断面図である。（ａ）は、ステータコア移動部が最も内周側にある場合（Ｘ＝０）、（ｂ）は、ステータコア移動部が、最も内周側から変位Ｘだけ半径方向外側に移動した場合、（ｃ）は、ステータコア移動部が最も外周側にある場合（Ｘ＝Ｘｍａｘ）、を示す。
【図１０】第三実施形態に係る電動機の軸方向に垂直な概略部分断面図である。（ａ）は、ステータコア移動部が最も内周側にある場合（Ｘ＝０）、（ｂ）は、ステータコア移動部が、最も内周側から変位Ｘだけ半径方向外側に移動した場合、（ｃ）は、ステータコア移動部が最も外周側にある場合（Ｘ＝Ｘｍａｘ）、を示す。
【図１１】第四実施形態に係る電動機の軸方向に垂直な概略部分断面図である。（ａ）は、ステータコア移動部が最も内周側にある場合（Ｘ＝０）、（ｂ）は、ステータコア移動部が、最も内周側から変位Ｘだけ半径方向外側に移動した場合、（ｃ）は、ステータコア移動部が最も外周側にある場合（Ｘ＝Ｘｍａｘ）、を示す。
【図１２】第四実施形態に係るステータコア固定部の形状を示す斜視図である。
【図１３】第五実施形態に係る電動機の軸方向に垂直な概略部分断面図である。（ａ）は、ステータコア移動部が最も内周側にある場合（Ｘ＝０）、（ｂ）は、ステータコア移動部が、最も内周側から変位Ｘだけ半径方向外側に移動した場合、（ｃ）は、ステータコア移動部が最も外周側にある場合（Ｘ＝Ｘｍａｘ）、を示す。
【図１４】第五実施形態に係る電動機の絶縁体の枠を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 回転軸
３ ロータ
５ ステータ
６ ステータコア
６ａ ステータコア固定部
６ｂ ステータコア移動部
８ 中心軸
９ ロータの永久磁石
１０ ステータコア移動機構
１２ 回転センサ
１７ 摺動溝
１８ 絶縁体枠
１９ コイル
２１ 駆動用モータ
２３ 内歯車
２３ ピニオン
２４ モータ回転軸
４０ ステータ外周面
４５ インバータ
４７ 電流センサ
４９ 電圧センサ
５０ 電動機
６０ コントローラ
７１ 正面
７３ 背面
７５ 側面
７７ 端面
Claims (10)
- 複数のステータコアと該複数のステータコアのそれぞれに巻かれるコイルとを有する略円筒状のステータと、
前記ステータに対して回転可能に支持され且つ複数の永久磁石を有するロータとを備えた回転電機において、
前記ステータコアは、その一部に前記ステータの略半径方向に沿って前記コイルに対して相対移動可能な移動部と、
該移動部を前記ロータの回転数に基づき略半径方向に沿って移動させる移動機構とを備え、
前記移動部は、前記ロータの回転数がゼロの場合、前記移動部の少なくとも一部が前記コイルの内部に位置すると共に、前記ロータの回転速度の増加により前記ステータの外側に移動することを特徴とする回転電機。 - 前記ステータコアは、前記移動部と前記コイルに対して相対移動しない固定部とを備え、
該固定部は、前記移動部が移動するために案内する溝を有することを特徴とする請求項１記載の回転電機。 - 前記ステータコアは、積層された電磁鋼板から形成されることを特徴とする請求項１から２記載の回転電機。
- 前記移動部は、ステータの円周方向に積層された電磁鋼板から形成されることを特徴とする請求項２記載の電動機。
- 前記移動部は、ロータに対面する正面とステータの円周方向に互いに対峙する二つの側面を備え、正面と側面との間の角度が鈍角であることを特徴とする請求項２記載の電動機。
- 前記固定部は、圧粉コアにより構成されたことを特徴とする請求項２記載の電動機。
- 複数のコイルとステータコアとが接触しないように、それぞれのコイルとステータコア固定部との間に絶縁体の枠を備えており、
前記複数のステータコアのうち、少なくとも一つのステータコアの少なくとも一部分が前記絶縁体の枠内で略半径方向に移動可能であることを特徴とする請求項１記載の回転電機。 - 前記移動機構は、前記移動部を移動させる駆動力を供給する駆動力源と、
前記ロータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、
該駆動力源と電気的に結合する制御手段とを有することを特徴とする請求項１から７に記載の回転電機。 - 前記回転速度検出手段は、前記回転電機の電圧を検出すると共に前記電圧を出力する電圧センサを備え、前記ロータの回転速度を推定することを特徴とする請求項８に記載の回転電機。
- 前記回転速度検出手段は、前記回転電機の電流を検出すると共に前記電流を出力する電流センサを備え、前記ロータの回転速度を推定することを特徴とする請求項８に記載の回転電機。
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