JP2007259636A - 電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】外周側回転子と内周側回転子との間の相対的な位相が中間位相であるときの誘起電圧のピーク値を低下させることができ、銅損を低減し、更に、誘起電圧定数に基づく制御が容易となる電動機を提供する。
【解決手段】内周側永久磁石６を具備する内周側回転子３と、外周側永久磁石５を具備する外周側回転子２とを、回転軸４の周囲に同心円状に設ける。少なくとも内周側回転子３と外周側回転子２との一方を周方向に回動させて相対的な位相を変更する回動手段を設ける。内周側永久磁石６と外周側永久磁石５とを、断面形状における長辺５ａ，６ａ同士を対向させる。内周側永久磁石６と外周側永久磁石５との少なくとも一方は、所定の回動方向に向かう側の短辺５ａ，６ａよりその反対側の短辺５ｂ，６ｂを小として形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転子に永久磁石を備えて永久磁石の界磁特性を変更可能な電動機に関する。

従来、永久磁石を備える外周側回転子と永久磁石を備える内周側回転子とが同心円状に配設され、外周側回転子と内周側回転子との何れか一方を他方に対して周方向に回動させることにより外周側回転子と内周側回転子との相対的な位相を変更する電動機が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この電動機では、電動機の回転速度に応じて両回転子における相対的な位相を変更する場合には、遠心力の作用により径方向に沿って変位する部材によって、外周側回転子と内周側回転子との何れか一方を他方に対して周方向に回動させる。また、固定子に発生する回転磁界の速度に応じて両回転子における相対的な位相を変更する場合には、各回転子が慣性により回転速度を維持する状態で固定子巻線に制御電流を通電して回転磁界速度を変更することによって、外周側回転子及び内周側回転子の周方向の相対位置を変更する。

そして、外周側回転子と内周側回転子との相対的な位相を変更することにより、電動機の特性（誘起電圧／回転数の比）を可変とすることができる。即ち、具体的には、外周側回転子の永久磁石と内周側回転子の永久磁石とを互いに異極同士で対向（同極配置）させると、界磁が強め状態（強め界磁位相）となって誘起電圧が大となる。それとは逆に、外周側回転子の永久磁石と内周側回転子の永久磁石とを互いに同極同士で対向（対極配置）させると、界磁が弱め状態（弱め界磁位相）となって誘起電圧が小となる。
特開２００２−２０４５４１号公報

ところで、前述したように、この種の電動機においては外周側回転子と内周側回転子との何れか一方を他方に対して周方向に回動させて、例えば、強め界磁位相から弱め界磁位相に変更されるが、強め界磁位相と弱め界磁位相との間の中間位相では、外周側回転子の永久磁石の一部と内周側回転子の永久磁石の一部との異極同士の対向部分が残る。このため、中間位相であっても、誘起電圧のピーク値が強め界磁位相と同等に高く、誘起電圧を低下させるために固定子巻線に対して界磁弱め電流が必要となって銅損が増加する不都合がある。しかも、回動する側の回転子の位相と誘起電圧定数（即ち、誘起電圧の回転数比）との関係が線形にならないために、誘起電圧定数に基づく電動機の制御が困難となる不都合がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、外周側回転子と内周側回転子との間の相対的な位相が中間位相であるときの誘起電圧のピーク値を低下させることができ、銅損を低減し、更に、誘起電圧定数に基づく制御が容易となる電動機を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、本発明は、周方向に沿って配置された略板状の複数の内周側永久磁石を具備する内周側回転子と周方向に沿って配置された略板状の複数の外周側永久磁石を具備する外周側回転子とが回転軸の周囲に同心円状に配置され、少なくとも前記内周側回転子と前記外周側回転子との何れか一方を周方向に回動させて前記内周側回転子と前記外周側回転子との間の相対的な位相を変更する回動手段を備える電動機であって、前記内周側永久磁石と前記外周側永久磁石とは、前記回転軸に平行な方向に対する断面形状における夫々の長辺が互いに対向するように配置され、前記内周側永久磁石と前記外周側永久磁石との少なくとも一方は、所定の回動方向に向かう側の短辺よりその反対側の短辺が小となる形状に形成されていることを特徴とする。

本発明の電動機は、少なくとも内周側回転子と外周側回転子との何れか一方が回動手段によって周方向に回動されることにより、内周側回転子と外周側回転子との間の相対的な位相が変更される。

ここで、例えば、内周側永久磁石と外周側永久磁石との異極同士が対向した状態（同極配置）では、内周側回転子と外周側回転子との相対的な位相が強め界磁位相となる。そして、回動手段によって、内周側回転子と外周側回転子との何れか一方を所定の回動方向に回動させることで、内周側永久磁石と外周側永久磁石との同極同士が対向し（対極配置）、内周側回転子と外周側回転子との相対的な位相が弱め界磁位相となる。

また、内周側回転子と外周側回転子との相対的な位相のうち、強め界磁位相から弱め界磁位相となる間の中間位相では、内周側永久磁石と外周側永久磁石との一部（回動方向に向かう側の部分）同士が対極配置されても、他部（回動方向と反対側となる部分）同士が同極配置の状態で残される。このとき、内周側永久磁石と外周側永久磁石とのうち少なくとも一方において、所定の回動方向に向かう側の短辺よりその反対側（同極配置の状態で残される部分に対応する側）の短辺が小とされていることにより、同極配置の状態で残される部分の磁束が低減し、強め界磁位相に比して中間位相の誘起電圧のピーク値が低下する。

これによって、中間位相における磁界弱め電流を減少させて銅損を低減することができ、また、位相と誘起電圧定数との関係が線形に近づくので、位相に対する誘起電圧定数の推定が容易となり、電動機の制御を容易に行うことができる。

本発明の一態様としては、前記内周側永久磁石と前記外周側永久磁石とを共にくさび形状とすることが挙げられる。そしてこの場合には、くさび形状であることによる夫々の傾斜面を互いに平行に対向するように配置することが好ましい。

即ち、くさび形状とされた内周側永久磁石と外周側永久磁石とは、強め界磁位相及び弱め界磁位相において互いに対向したときに夫々の傾斜面が平行となる。そして、内周側永久磁石と外周側永久磁石とが所定の回動方向に変位し、内周側回転子と外周側回転子との相対的な位相が中間位相となったときには、同極配置の状態で残される部分の内周側永久磁石と外周側永久磁石との傾斜面同士の間隔が広がる。これにより、中間位相の同極配置が残る部分においては十分に界磁磁束を弱めることができるので、強め界磁位相に比して中間位相の誘起電圧のピーク値を確実に低下させることができる。

本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本実施形態に係る電動機の要部の概略構成を示す説明図、図２（ａ）は内周側回転子と外周側回転子との強め界磁位相状態を示す説明図、図２（ｂ）は内周側回転子と外周側回転子との中間位相状態を示す説明図、図２（ｃ）は内周側回転子と外周側回転子との弱め界磁位相状態を示す説明図、図３（ａ）は強め界磁位相における内周側永久磁石と外周側永久磁石との対向状態を模式的に示す説明図、図３（ｂ）は中間位相における内周側永久磁石と外周側永久磁石との対向状態を模式的に示す説明図、図４は本実施形態における位相と誘起電圧との関係を示す説明図、図５は本実施形態に対する比較例における位相と誘起電圧との関係を示す説明図である。

本実施形態の電動機１は、所謂ブラシレスＤＣモータであって、図１に示すように、環状の外周側回転子２と、外周側回転子２の内側に配設された内周側回転子３とを備えている。外周側回転子２は図示しないドライブプレートを介して回転軸４に連結され、内周側回転子３は回転軸４に回動自在に支持されて、外周側回転子２と内周側回転子３とは同心円状に配設されている。

外周側回転子２は、周方向に沿って配列された複数の外周側永久磁石５を備えている。内周側回転子３は、各外周側永久磁石５に対応して周方向に沿って配列された複数の内周側永久磁石６を備えている。外周側永久磁石５と内周側永久磁石６とは共にくさび形状とされた略板状に形成されており、図示するように、回転軸４に平行な方向に対する断面形状における夫々の長辺（傾斜面５ｃ，６ｃ）同士が対向するように配設されている。

外周側回転子２に設けられた外周側永久磁石５は、その厚さ方向（即ち外周側回転子２の径方向）に磁化されており、隣り合う外周側永久磁石５同士では磁化方向が異なる方向となるように配列されている。即ち、互いに隣り合うもののうち一方の外周側永久磁石５は外周側がＮ極となるように設けられ、他方の外周側永久磁石５は外周側がＳ極となるように設けられて、外周側がＮ極の外周側永久磁石５と外周側がＳ極の外周側永久磁石５とは周方向に交互に配列されている。

同様に、内周側回転子３に設けられた内周側永久磁石６は、その厚さ方向（即ち内周側回転子３の径方向）に磁化されている。そして、隣り合う内周側永久磁石６同士では磁化方向が異なる方向となるように配列されている。即ち、互いに隣り合うもののうち一方の内周側永久磁石６は外周側がＮ極となるように設けられ、他方の内周側永久磁石６は外周側がＳ極となるように設けられて、外周側がＮ極の内周側永久磁石６と外周側がＳ極の内周側永久磁石６とは周方向に交互に配列されている。

回転軸４は径方向に突出する規制部７を備え、内周側回転子３は規制部７により所定の回動範囲内に規制されている。規制部７が規制する内周側回転子３の回動範囲は、図２（ａ）に示すように、内周側回転子３の内周側永久磁石６と外周側回転子２の外周側永久磁石５とが異極の磁極同士で対向するように配置（同極配置）される位相（強め界磁位相）から、図２（ｂ）に示す中間位相を経て、図２（ｃ）に示すようにように、内周側回転子３の内周側永久磁石６と外周側回転子２の外周側永久磁石５とが同極の磁極同士で対向するように配置（対極配置）される位相（弱め界磁位相）までとされている。内周側回転子３は、図示しないアクチュエータ（回動手段）により周方向に回動され、この回動によって外周側回転子２との間の相対的な位相が変更可能とされている。

更に、図１に示すように、外周側永久磁石５と内周側永久磁石６とはくさび形状とされていることは前述の通りであるが、内周側回転子３が強め界磁位相から弱め界磁位相に位相を変更する方向を内周側回転子３の回動方向とすると、内周側永久磁石６は、内周側回転子３の回動方向に向かう側の短辺６ａが大とされ、その反対側の短辺６ｂが小とされ、両短辺６ａ，６ｂの大小に伴い一方の長辺が傾斜面６ｃとされている。また、外周側永久磁石５は、内周側永久磁石６とは反対向きに大小の短辺５ａ，５ｂが位置するように配置され、両短辺５ａ，５ｂの大小に伴って形成された一方の長辺の傾斜面５ｃが内周側永久磁石６の傾斜面６ｃに対向する。

そして、外周側回転子２の外周には、外周側回転子２及び内周側回転子３を回転させる回転磁界を発生する複数相の固定子巻線（図示略）を有する固定子８が設けられている。

このように構成された本実施形態の電動機１は、例えばハイブリッド車両や電動車両等の車両に駆動源として搭載され、電動機１の回転軸４はトランスミッション（図示略）の入力軸に接続され、電動機１の駆動力がトランスミッションを介して車両の駆動輪（図示略）に伝達されるようになっている。

なお、車両の減速時に駆動輪側から電動機１に駆動力が伝達されると、電動機１は発電機として機能していわゆる回生制動力を発生し、車体の運動エネルギーを電気エネルギー（回生エネルギー）として回収する。さらに、例えばハイブリッド車両においては、この電動機１の回転軸４が内燃機関（図示略）のクランクシャフトに連結されており、内燃機関の出力が電動機１に伝達された場合にも電動機１は発電機として機能して発電エネルギーを発生する。

次に、図２乃至図５を参照して本実施形態の電動機１の作動を説明する。なお、外周側回転子２と内周側回転子３とは図１に示すように円環状であるため、図２（ａ）乃至（ｃ）に示すように一部を示す場合には湾曲形状となるが、図３乃至図５においては、説明の便宜上、外周側回転子２と内周側回転子３とを平板状に図示する。

図２（ａ）及び図３（ａ）は外周側回転子２と内周側回転子３とが強め界磁位相となった状態を示している。この状態では、外周側永久磁石５に対して内周側永久磁石６が異極の磁極で対向する（同極配置となる）ので、内周側永久磁石６によって外周側永久磁石５の磁束が強められる。そして、図４に示すような強め界磁位相での誘起電圧の波形Ａが得られ、そのピーク値Ａｐは比較的高くなる。

そして、内周側回転子３を回動させると、図２（ｂ）及び図３（ｂ）に示すように外周側永久磁石５に対して内周側永久磁石６が変位して中間位相となる。この状態では、外周側永久磁石５に対して内周側永久磁石６が異極の磁極で対向する（同極配置となる）部分が残るが、外周側永久磁石５と内周側永久磁石６とが共にくさび形状であって、傾斜面５ｃ，６ｃを平行に対向させていることにより、図３（ａ）に示す強め界磁位相での外周側永久磁石５と内周側永久磁石６との対向間隔Ｌ１に比べて、図３（ｂ）に示す中間位相での外周側永久磁石５と内周側永久磁石６との対向間隔Ｌ２が広くなる。これによって、内周側永久磁石６による外周側永久磁石５の磁束の強め状態を抑えることができるので、図４に示すような中間位相での誘起電圧の波形Ｂが得られ、そのピーク値Ｂｐは、強め界磁位相のピーク値Ａｐに比べて低くなる。

ここで本実施形態との比較例を挙げれば、図５に示すように、外周側永久磁石５´と内周側永久磁石６´とがくさび形状でない単なる板状のものでは、中間位相において外周側永久磁石５´と内周側永久磁石６´と同極配置となる部分では、磁束が強められた状態で残るため、中間位相での誘起電圧の波形Ｅにおけるピーク値Ｅｐは、強め界磁位相での誘起電圧の波形Ｄにおけるピーク値Ｄｐと同等に高くなる。

それに対して本実施形態においては、図４に示すように、中間位相での誘起電圧の波形Ｂにおけるピーク値Ｂｐが、強め界磁位相のピーク値Ａｐに比べて低くなるので、中間位相における磁界弱め電流を減少させて銅損を低減することができる。

その後、内周側回転子３を更に回動させると、図２（ｃ）に示すように外周側永久磁石５に対して内周側永久磁石６が対向して弱め界磁位相となる。この状態では、外周側永久磁石５に対して内周側永久磁石６が同極の磁極で対向する（対極配置となる）ので、内周側永久磁石６によって外周側永久磁石５の磁束が弱められる。このときには、図３（ａ）に示す対向間隔Ｌ１と同じ間隔で外周側永久磁石５と内周側永久磁石６とが対向するので、内周側永久磁石６によって外周側永久磁石５の磁束を十分に弱められ、図４に示すような弱め界磁位相での誘起電圧の波形Ｃが得られる。

このように、本実施形態によれば、図４示の如く中間位相での誘起電圧の波形Ｂにおけるピーク値Ｂｐを低下させることができる。そしてこれにより、外周側回転子２と内周側回転子３との相対的な位相と誘起電圧定数との関係が線形に近づくため、誘起電圧定数の推定が比較的正確に行え、電動機１の運転制御を容易に行うことができる。

なお、本実施形態においては、外周側永久磁石５と内周側永久磁石６とを共にくさび形状とし、そのれらの傾斜面５ｃ，６ｃ同士を対向させた例を示したが、本発明はそれに限るものではなく、図示しないが、外周側永久磁石５と内周側永久磁石６との何れか一方のみをくさび形状として、くさび形状とされた一方の永久磁石の傾斜面を他方の永久磁石に対向させてもよい。

また、本実施形態においては、外周側永久磁石５及び内周側永久磁石６をくさび形状と
したが、本発明はそれに限るものではなく、内周側永久磁石及び外周側永久磁石の形状は、回動方向に向かう側の短辺よりその反対側の短辺が小となる形状であればよい。例えば、図示しないが、内周側永久磁石及び外周側永久磁石において、回動方向に向かう側の厚みを大とし、段差を介してその反対側の厚みを小とした形状の永久磁石を採用し、段差を設けた側同士を対向させるように配設してもよい。また、この形状を外周側永久磁石と内周側永久磁石との何れか一方にのみ採用してもよく、この場合には、一方の永久磁石の段差を設けた側を他方の永久磁石に対向させればよい。

本発明の一実施形態に係る電動機の要部の概略構成を示す説明図。 内周側回転子と外周側回転子との各位相での状態を示す説明図。 内周側永久磁石と外周側永久磁石との対向状態を模式的に示す説明図。 本実施形態における位相と誘起電圧との関係を示す説明図。 本実施形態に対する比較例における位相と誘起電圧との関係を示す説明図。

符号の説明

１…電動機、２…外周側回転子、３…内周側回転子、４…回転軸、５…外周側永久磁石、６…内周側永久磁石、５ｃ，６ｃ…長辺（傾斜面）、５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ…短辺。

Claims (2)

1. 周方向に沿って配置された略板状の複数の内周側永久磁石を具備する内周側回転子と周方向に沿って配置された略板状の複数の外周側永久磁石を具備する外周側回転子とが回転軸の周囲に同心円状に配置され、少なくとも前記内周側回転子と前記外周側回転子との何れか一方を周方向に回動させて前記内周側回転子と前記外周側回転子との間の相対的な位相を変更する回動手段を備える電動機であって、
   前記内周側永久磁石と前記外周側永久磁石とは、前記回転軸に平行な方向に対する断面形状における夫々の長辺が互いに対向するように配置され、
   前記内周側永久磁石と前記外周側永久磁石との少なくとも一方は、所定の回動方向に向かう側の短辺よりその反対側の短辺が小となる形状に形成されていることを特徴とする電動機。
2. 前記内周側永久磁石と前記外周側永久磁石とは共にくさび形状とされており、夫々の傾斜面が互いに平行に対向するように配置されていることを特徴とする請求項１記載の電動機。

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