JP2010213488A - 永久磁石型回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】磁極のずれを発生させることなく回転子の界磁磁束を変化させることによって、回転数で規定される運転領域を拡大することが可能な永久磁石型回転電機を提供する。
【解決手段】本発明の永久磁石型回転電機は、内部に回転磁界を発生させる円筒状の固定子１２と、回転子コア（１３１１、１３２１、１３３１）と界磁用磁石（１３１２、１３２２、１３３２）とを有し、固定子１２の内部に設けられるとともに、回転磁界によって固定子１２の円周方向に回転する回転子１３と、を備え、回転子１３は、回転軸方向に並んだ複数の層（１３１〜１３３）に分割されており、回転子の両端の２つの層（１３１、１３３）のうち、少なくとも１つの層を回転軸方向に移動可能に構成したことを特徴とするものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転子の界磁磁束を変化させることにより、回転数で規定される運転領域を拡大することが可能な永久磁石型回転電機に関する。

従来、界磁用の永久磁石（以下、界磁用磁石と称す）が設置された回転子を有する永久磁石型回転電機は、一般的に界磁用磁石が回転子に固定されている。つまり、回転子内で界磁用磁石は移動せず、回転子の界磁磁束は変化しない。ここで、永久磁石型回転電機の誘起電圧は、回転子の界磁磁束と回転子の回転数に比例する。よって、回転子の界磁磁束が変化しない永久磁石型回転電機では、単純に誘起電圧が回転子の回転数に比例する関係となるから、回転数に対する誘起電圧の関係は、図７の直線ａｂで示したような特性となる。そのため、仮に永久磁石型回転電機の電源電圧が電圧ｃで制限されるとすると、永久磁石型回転電機の最高回転数は、回転数ｄで制限される。このように、回転子の界磁磁束が変化しない永久磁石型回転電機の運転領域は、回転数ａ〜回転数ｄの範囲となる。
そこで、この回転数で規定される運転領域を拡大するために、回転子の界磁磁束を回転子の回転数に応じて変化させる永久磁石型回転電機が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図８は、特許文献１に示された永久磁石型回転電機の分解斜視図であり、図８（ａ）は磁極ずれが無い状態、図８（ｂ）は磁極ずれ状態をそれぞれ示している。図８において、永久磁石型回転電機は、固定子９１、回転子９２を備える。固定子９１は、円筒状の固定子コア９１１と、固定子コア９１１の磁極９１１ａに巻回された巻線９１２とからなる。巻線９１２には、固定子コア９１１の内側に回転磁界を発生させるように電流が流れる。回転子９２は、シャフト９２１、円柱状の回転子コア９２２、第１界磁用磁石９２３、第２界磁用磁石９２４、及びセンサ磁石９２５からなる。
このような永久磁石型回転電機において、第１界磁用磁石９２３と第２界磁用磁石９２４は、低速回転時には図８（ａ）に示すように同極性の磁極が回転軸方向に並んだ状態（磁極のずれが無い状態）となり、高速回転時には回転子９２の回転方向に移動して図８（ｂ）に示すように同極性の磁極がずれた状態（磁極のずれが有る状態）となる。
図８に示した永久磁石型回転電機によれば、高速回転時には第１界磁用磁石９２３の磁束と第２界磁用磁石９２４の磁束とが相殺するので、高速回転時には誘起電圧が低下する。これにより、仮に永久磁石型回転電機の電源電圧が電圧ｃで制限されたとしても、回転数は回転数ｄよりも大きくなり、結果、永久磁石型回転電機の運転領域を拡大することができる。

特開平１０−１５５２６２号公報

ところが、特許文献１に示した永久磁石型回転電機では、第１界磁用磁石９２３または第２界磁用磁石９２４を回転子９２の回転方向に移動させ、磁極のずれを発生させている。このため、コギングトルクの脈動を減らすためにスキューを施した場合、磁極のずれとともにスキューもずれてしまうことになり、スキューの効果が低下するという問題があった。
また、磁極のずれを発生させているため、誘起電圧の偶数次成分が発生し、誘起電圧の偶数次成分によってトルク脈動が発生するという問題もあった。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、磁極のずれを発生させることなく回転子の界磁磁束を変化させることによって、回転数で規定される運転領域を拡大することが可能な永久磁石型回転電機を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成した。
請求項１に記載の発明は、内部に回転磁界を発生させる円筒状の固定子と、回転子コアと当該回転子コアに設けられた界磁用磁石とを有し、固定子の内部に設けられるとともに、回転磁界によって固定子の円周方向に回転する回転子と、を備える永久磁石型回転電機において、回転子は、回転軸方向に並んだ複数の層に分割されており、回転子の両端の２つの層のうち、少なくとも１つの層を回転軸方向に移動可能に構成したことを特徴とするものである。
また、請求項２に記載の発明は、回転子は、回転軸方向に移動可能に構成された第１層と、当該第１層から見て永久磁石型回転電機の反負荷側に設けられ、回転軸方向に移動不可能に構成された第２層とに分割されており、第１層から見て永久磁石型回転電機の負荷側に設けられ、第１層と接続された磁性板と、巻線を有し、第１層と磁性板との間に設けられた電磁石と、を備えることを特徴とするものである。
また、請求項３に記載の発明は、回転子の回転数を検出する回転数検出回路と、回転数検出回路において検出された回転数に応じて巻線に流れる電流を制御する制御回路と、を備え、制御回路は、検出された回転数が所定数以下である場合のみ、巻線に電流を流すことを特徴とするものである。
また、請求項４に記載の発明は、回転子は、回転軸方向に移動可能に構成された第１層と、当該第１層から見て永久磁石型回転電機の反負荷側に設けられ、回転軸方向に移動可能に構成された第２層とに分割されており、第１層から見て永久磁石型回転電機の負荷側に設けられ、第１層と接続された第１磁性板と、第１巻線を有し、第１層と第１磁性板との間に設けられた第１電磁石と、第２層から見て永久磁石型回転電機の反負荷側に設けられ、第２層と接続された第２磁性板と、第２巻線を有し、第２層と第２磁性板との間に設けられた第２電磁石と、を備えることを特徴とするものである。
また、請求項５に記載の発明は、回転子は、回転軸方向に移動可能に構成された第１層と、当該第１層から見て永久磁石型回転電機の反負荷側に設けられ、回転軸方向に移動不可能に構成された第２層と、当該第２層から見て永久磁石型回転電機の反負荷側に設けられ、回転軸方向に移動可能に構成された第３層とに分割されており、第１層から見て永久磁石型回転電機の負荷側に設けられ、第１層と接続された第１磁性板と、第１巻線を有し、第１層と第１磁性板との間に設けられた第１電磁石と、第３層から見て永久磁石型回転電機の反負荷側に設けられ、第３層と接続された第２磁性板と、第２巻線を有し、第３層と第２磁性板との間に設けられた第２電磁石と、を備えることを特徴とするものである。
また、請求項６に記載の発明は、回転子の回転数を検出する回転数検出回路と、回転数検出回路において検出された回転数に応じて第１巻線及び第２巻線に流れる電流を制御する制御回路と、を備え、制御回路は、検出された回転数が所定数以下である場合のみ、第１巻線及び第２巻線に電流を流すことを特徴とするものである。
また、請求項７に記載の発明は、回転子は、固定子の内面と対向する面に固定子の内面と接触する第１のＯリングを有し、回転軸方向に移動可能に構成された第１層と、当該第１層から見て永久磁石型回転電機の反負荷側に設けられるとともに、固定子の内面と対向する面に固定子の内面と接触する第２のＯリングを有し、回転軸方向に移動不可能に構成された第２層とに分割されており、第１層から見て永久磁石型回転電機の負荷側に設けられた支持部材と、第１層と支持部材との間に設けられた弾性部材と、固定子の内面、第１層、第２層で囲まれた密閉空間に、任意の油圧で油を供給する油圧ポンプと、を備えることを特徴とするものである。
また、請求項８に記載の発明は、回転子の回転数を検出する回転数検出回路と、回転数検出回路において検出された回転数に応じて油圧ポンプの油圧を制御する制御回路と、を備え、制御回路は、検出された回転数が所定数よりも高い場合のみ、検出された回転数に応じた移動量で第１層が移動するように、油圧ポンプの油圧を制御することを特徴とするものである。
また、請求項９に記載の発明は、第１層は、固定子の内面と対向する面に設けられた検出用磁石をさらに有し、固定子コアから見て永久磁石型回転電機の負荷側に設けられ、検出用磁石の磁界を検出する磁界検出素子を備えることを特徴とするものである。
また、請求項１０に記載の発明は、回転子の回転数を検出する回転数検出回路と、回転数検出回路において検出された回転数が所定数よりも高い場合のみ、検出された回転数に応じた移動量で第１層が移動するように、油圧ポンプの油圧を決定する油圧決定回路と、磁界検出素子において検出された磁界に基づいて第１層が実際に移動した実移動量を算出する移動量算出回路と、を備え、油圧決定回路は、実移動量に基づいて油圧ポンプの油圧を補正することを特徴とするものである。
また、請求項１１に記載の発明は、回転子は、固定子の内面と対向する面に固定子の内面と接触する第１のＯリングを有し、回転軸方向に移動可能に構成された第１層と、当該第１層から見て永久磁石型回転電機の反負荷側に設けられるとともに、固定子の内面と対向する面に固定子の内面と接触する第２のＯリングを有し、回転軸方向に移動可能に構成された第２層とに分割されており、第１層から見て永久磁石型回転電機の負荷側に設けられた第１支持部材と、第１層と第１支持部材との間に設けられた第１弾性部材と、第２層から見て永久磁石型回転電機の反負荷側に設けられた第２支持部材と、第２層と第２支持部材との間に設けられた第２弾性部材と、固定子の内面、第１層、第２層で囲まれた密閉空間に、任意の油圧で油を供給する油圧ポンプと、を備えることを特徴とするものである。
また、請求項１２に記載の発明は、回転子の回転数を検出する回転数検出回路と、回転数検出回路において検出された回転数に応じて油圧ポンプの油圧を制御する制御回路と、を備え、制御回路は、検出された回転数が所定数よりも高い場合のみ、検出された回転数に応じた移動量で第１層及び第２層が移動するように、油圧ポンプの油圧を制御することを特徴とするものである。
また、請求項１３に記載の発明は、第１層は、固定子の内面と対向する面に設けられた第１検出用磁石をさらに有し、第２層は、固定子の内面と対向する面に設けられた第２検出用磁石をさらに有し、固定子コアから見て永久磁石型回転電機の負荷側に設けられ、第１検出用磁石の磁界を検出する第１磁界検出素子と、固定子コアから見て永久磁石型回転電機の反負荷側に設けられ、第２検出用磁石の磁界を検出する第２磁界検出素子と、を備えることを特徴とするものである。
また、請求項１４に記載の発明は、回転子の回転数を検出する回転数検出回路と、回転数検出回路において検出された回転数が所定数よりも高い場合のみ、検出された回転数に応じた移動量で第１層及び第２層が移動するように、油圧ポンプの油圧を決定する油圧決定回路と、第１及び第２磁界検出素子において検出された磁界に基づいて第１層及び第２層が実際に移動した実移動量を算出する移動量算出回路と、を備え、油圧決定回路は、実移動量が回転数に応じた移動量と異なる場合、実移動量に基づいて油圧ポンプの油圧を補正することを特徴とするものである。

請求項１に記載の発明によると、回転子が高速で回転するときに回転子の界磁磁束を低下させる場合、回転子の少なくとも１つの層を回転軸方向に移動させることによって回転子の界磁磁束を低下させることができる。よって、回転子の界磁磁束を低下させる場合、磁極のずれが発生しないので、スキューを施した場合でも、スキューの角度が変化せず、スキューの効果が減少しない。このように、回転子の界磁磁束を低下させる場合でも、コギングトルクとトルク脈動を小さくすることができる。さらに、回転子の界磁磁束を低下させる場合、磁極のずれが発生しないので、誘起電圧の偶数次成分が発生せず、トルク脈動を小さくすることもできる。さらに、回転子の界磁磁束を低下させる場合、固定子の内周面と対向する回転子コアの総体積が減少するので、回転子が低速で回転するとき（つまり、回転子の界磁磁束を低下させない場合）と比べて回転子コアによる鉄損を減少させることもできる。
請求項２に記載の発明によると、回転子が低速で回転するときに回転子の第１層を永久磁石型回転電機の反負荷側に移動させて回転子の界磁磁束を増大させるために、電磁石の磁気吸引力を利用することができる。
請求項３に記載の発明によると、回転子が低速で回転するとき、回転子の第１層を永久磁石型回転電機の反負荷側に移動させることができる。
請求項４に記載の発明によると、回転子が低速で回転するときに回転子の第１層を永久磁石型回転電機の反負荷側に移動させ、第２層を永久磁石型回転電機の負荷側に移動させて回転子の界磁磁束を増加させるために、電磁石の磁気吸引力を利用することができる。
請求項５に記載の発明によると、回転子が低速で回転するときに回転子の第１層を永久磁石型回転電機の反負荷側に移動させ、第３層を永久磁石型回転電機の負荷側に移動させて回転子の界磁磁束を増加させるために、電磁石の磁気吸引力を利用することができる。
請求項６に記載の発明によると、回転子が低速で回転するとき、回転子の第１層を永久磁石型回転電機の反負荷側に移動させ、請求項４に記載の発明においては第２層を、請求項５に記載の発明においては第３層を、永久磁石型回転電機の負荷側に移動させることができる。
請求項７に記載の発明によると、回転子が高速で回転するときに回転子の第１層を永久磁石型回転電機の負荷側に移動させて回転子の界磁磁束を低下させるために、密閉空間に満たされた油の圧力を利用することができる。
請求項８に記載の発明によると、回転子が高速で回転するとき、回転子の第１層を永久磁石型回転電機の負荷側に移動させることができる。
請求項９に記載の発明によると、第１層の実際の移動量を算出する場合、磁界検出素子で検出された検出用磁石の磁界を利用することができる。
請求項１０に記載の発明によると、回転子の第１層をより精度良く移動させることができる。
請求項１１に記載の発明によると、回転子が高速で回転するときに回転子の第１層を永久磁石型回転電機の負荷側に移動させ、第２層を永久磁石型回転電機の反負荷側に移動させて回転子の界磁磁束を低下させるために、密閉空間に満たされた油の圧力を利用することができる。
請求項１２に記載の発明によると、回転子が高速で回転するとき、回転子の第１層を永久磁石型回転電機の負荷側に移動させ、第２層を永久磁石型回転電機の反負荷側に移動させることができる。
請求項１３に記載の発明によると、第１層の実際の移動量を算出する場合、第１磁界検出素子で検出された第１検出用磁石の磁界を利用し、第２層の実際の移動量を算出する場合、第２磁界検出素子で検出された第２検出用磁石の磁界を利用することができる。
請求項１４に記載の発明によると、回転子の第１層及び第２層をより精度良く移動させることができる。

本発明の実施例１に係る永久磁石型回転電機の分解斜視図 実施例１に係る永久磁石型回転電機の側断面図 本発明の実施例２に係る永久磁石型回転電機の分解斜視図 実施例２に係る永久磁石型回転電機の側断面図 本発明の実施例３に係る永久磁石型回転電機の分解斜視図 実施例３に係る永久磁石型回転電機の側断面図 従来の永久磁石型回転電機における回転数に対する誘起電圧の関係を示す図 特許文献１に示された永久磁石型回転電機の分解斜視図

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る永久磁石型回転電機の分解斜視図である。図２は、実施例１に係る永久磁石型回転電機の側断面図であり、図２（ａ）は、低速回転時の側断面図であり、図２（ｂ）は、高速回転時の側断面図である。なお、図２は、図１に示した永久磁石型回転電機を組み立てた後、線ＡＯＢを含む平面で切断したときの側断面図であり、線ＡＡに対し線ＯＢ側の側断面が主に示されている。

まず、図１及び図２を参照して、永久磁石型回転電機の構造について説明する。図１及び図２において、永久磁石型回転電機は、フレーム１１、固定子１２、回転子１３、シャフト１４、第１固定部材１５、第１磁性板１６、第１電磁石１７、第２固定部材１８、第２磁性板１９、第２電磁石２０、エンコーダ（図示なし）、及び制御回路（図示なし）を備える。

フレーム１１は、図１では便宜上点線で示されているが、その内部に、固定子１２、回転子１３、シャフト１４、第１固定部材１５、第１磁性板１６、第１電磁石１７、第２固定部材１８、第２磁性板１９、第２電磁石２０、エンコーダ、及び制御回路が設けられる。
固定子１２は、円筒状の固定子コア１２１と、固定子コア１２１の磁極部１２１ａに巻回された固定子巻線１２２とを備える。固定子巻線１２２には、固定子コア１２１の内側に回転磁界を発生させるように電流が流れる。図１では、便宜上、一部の固定子巻線１２２しか記載されていない。固定子１２は、外周がフレーム１１の内周に接するように、フレーム１１内に設けられる。

回転子１３は、円筒状の回転子コアと、当該回転子コア内に挿入された界磁用磁石とを有する。回転子１３は、外周が固定子１２の内周面と空隙を介して対向するように、固定子１２の内部に設けられる。回転子１３は、線ＡＡを回転軸として、固定子１２の円周方向に回転する。回転子１３は、回転軸方向に並んだ第１〜第３層１３１〜１３３に分割される。第１層１３１は、円柱状の第１回転子コア１３１１と、第１回転子コア１３１１内部に設けられた複数の第１界磁用磁石１３１２とを備える。第２層１３２は、高さが第１回転子コア１３１１よりも高い円柱状の第２回転子コア１３２１と、第２回転子コア１３２１内部に設けられた複数の第２界磁用磁石１３２２とを備え、第１層１３１の反負荷側に設けられる。第３層１３３は、高さが第１回転子コア１３１１と同じ円柱状の第３回転子コア１３３１と、第３回転子コア１３３１内部に設けられた複数の第３界磁用磁石１３３２とを備え、第２層１３２の反負荷側に設けられる。
第１〜第３層１３１〜１３３は、回転子１３を分割したものであるため、それぞれの表面磁極は、回転軸方向（線ＡＡと平行な方向）において同極となっている。第１層１３１と第３層１３３は、回転軸方向に移動可能となるように、かつシャフト１４の回転とともに回転するように、シャフト１４と接続され、第２層１３２は、回転軸方向には移動できないように、かつシャフト１４の回転とともに回転するように、シャフト１４と接続される。一例として、シャフト１４には、回転軸方向に沿って溝部（凹部）が形成され、第１層１３１と第３層１３３のシャフト１４との接続部には、凹部と係合する凸部が形成されている。これにより、第１層１３１と第３層１３３は、回転軸方向に移動可能となるように、かつシャフト１４の回転とともに回転するように、シャフト１４と接続される。

第１磁性板１６の形状は、中心に開口部が形成された円板形状である。第１磁性板１６は、円筒状の第１固定部材１５を介して第１層１３１の負荷側の面に接続される。第１電磁石１７は、円環状の第１磁性部材１７１と、第１磁性部材１７１に設けられた第１巻線１７２とを備え、第１磁性板１６と第１層１３１の間に設けられる。第１電磁石１７は、外周がフレーム１１の内周に接するように、フレーム１１内に設けられる。
第２磁性板１９の形状は、中心に開口部が形成された円板形状である。第２磁性板１９は、円筒状の第２固定部材１８を介して第３層１３３の反負荷側の面に接続される。第２電磁石２０は、円環状の第２磁性部材２０１と、第２磁性部材２０１に設けられた第２巻線２０２とを備え、第２磁性板１９と第３層１３３の間に設けられる。第２電磁石２０は、外周がフレーム１１の内周に接するように、フレーム１１内に設けられる。

エンコーダは、回転子１３の回転数を検出する回転数検出回路であり、例えば、フレーム１１内に設けられたホールＩＣと、ホールＩＣからの信号に基づいて回転子１３の回転数に応じたパルス状の回転数信号を出力するパルスジェネレータ回路とからなる。
制御回路は、入力がエンコーダの出力と接続され、出力が第１電磁石１７の第１巻線１７２と第２電磁石２０の第２巻線２０２とに接続される。制御回路は、エンコーダからの回転数信号が示す回転数に応じて、第１巻線１７２と第２巻線２０２とに流れる電流を制御する。

次に、回転子１３が固定子１２に与える界磁磁束（回転子１３の界磁磁束）を変化させる動作について説明する。
制御回路は、エンコーダからの回転数信号が示す回転数が所定数以下である場合（低速回転時）、第１巻線１７２と第２巻線２０２とに所定値の電流を流す。このとき、第１電磁石１７及び第２電磁石２０に磁気吸引力が発生するので、図２（ａ）に示すように、第１磁性板１６は第１電磁石１７に引き寄せられ、第２磁性板１９は第２電磁石２０に引き寄せられる。このため、第１層１３１は第２層１３２と接触するまで反負荷側に移動し、第３層１３３は第２層１３２と接触するまで負荷側に移動する。
このように、低速回転時、第１層１３１及び第２層１３２間、第２層１３２及び第３層１３３間には、ギャップがなくなる。これにより、回転子１３の界磁磁束は最大となり、高トルクを得ることができる。

一方、エンコーダからの回転数信号が示す回転数が所定数よりも高い場合（高速回転時）、制御回路は、第１巻線１７２と第２巻線２０２とに電流を流さない。よって、高速回転時、第１電磁石１７及び第２電磁石２０には磁気吸引力が発生しない。
しかしながら、第１〜第３層１３１〜１３３の表面磁極は回転軸方向において同極になっている（図１）ので、第１層１３１及び第２層１３２間、第２層１３２及び第３層１３３間それぞれに、磁気的な反発力が発生する。このため、図２（ｂ）に示すように、第１層１３１は負荷側に移動して第２層１３２から離れ、第３層１３３は反負荷側に移動して第２層１３２から離れる。
このように、高速回転時、第１層１３１及び第２層１３２間、第２層１３２及び第３層１３３間には、キャップが形成される。これにより、回転子１３の界磁磁束は小さくなり、誘起電圧を低下させることができる。その結果、永久磁石型回転電機の運転領域を拡大することができる。
なお、高速回転時、固定子１２の内周面と対向する回転子コアの総体積が減少するので、低速回転時と比べて回転子コアによる鉄損を減少させることもできる。

以上のように、実施例１によれば、回転子１３の界磁磁束を変化させるにあたり、第１層１３１及び第３層１３３が回転子１３の回転方向に回転しない。つまり、回転子１３の界磁磁束を変化させるにあたり、磁極のずれが発生しない。このため、仮に第１〜第３層１３１〜１３３にスキューを施した場合でも、スキュー角度が変化せず、スキュー効果は低下しない。このため、コギングトルクとトルク脈動を小さくすることが可能となる。さらに、磁極のずれが発生しないので、誘起電圧の偶数次成分も発生せず、トルク脈動を防止することもできる。さらに、高速回転時、固定子１２の内周面と対向する回転子コアの総体積が減少するので、低速回転時と比べて回転子コアによる鉄損を減少させることもできる。

なお、上述では、２つの電磁石（第１電磁石１７及び第２電磁石２０）を用いて、２つの層（第１層１３１及び第３層１３３）を回転軸方向に移動させていたが、これに限定されない。１つの電磁石を用いて、１つの層を回転軸の軸方向に移動させる構成であってもよい。この場合、永久磁石型回転電機は、第１層１３１、第１固定部材１５、第１磁性板１６、第１電磁石１７のセットと、第３層１３３、第２固定部材１８、第２磁性板１９、第２電磁石２０のセットのうち、いずれか１つのセットを省略した構成となる。

また、上述では、回転軸方向に移動可能に構成された２つ層（第１層１３１及び第３層１３３）の間に、回転軸方向に移動不可能に構成された１つの層（第２層１３２）を設けた構成を説明したが、回転軸方向に移動不可能に構成された１つの層（第２層１３２）を省略した構成であってもよい。

図３は、本発明の実施例２に係る永久磁石型回転電機の分解斜視図である。図４は、実施例２に係る永久磁石型回転電機の側断面図であり、図４（ａ）は、低速回転時の側断面図であり、図４（ｂ）は、高速回転時の側断面図である。なお、図４は、図２に示した永久磁石型回転電機を組み立てた後、線ＡＯＢを含む平面で切断したときの側断面図であり、線ＡＡに対し線ＯＢ側の側断面が主に示されている。

まず、図３及び図４を参照して、永久磁石型回転電機の構造について説明する。図３及び図４において、永久磁石型回転電機は、フレーム３１、筐体３２、固定子３３、回転子３４、シャフト３５、第１ばね３６、第１支持部材３７、第２ばね３８、第２支持部材３９、油圧ポンプ４０、エンコーダ（図示なし）、及び制御回路（図示なし）を備える。
実施例２に係る永久磁石型回転電機は、上述した実施例１に係る永久磁石型回転電機に対し、回転子の層を回転軸方向に移動させる機構、ならびに移動制御の方法が大きく異なる。

フレーム３１は、図３では便宜上点線で示されているが、その内部に、固定子３３、回転子３４、シャフト３５、第１ばね３６、第１支持部材３７、第２ばね３８、第２支持部材３９、油圧ポンプ４０、エンコーダ、及び制御回路が設けられる。
固定子３３は、円筒状の固定子コア３３１と、固定子コア３３１の磁極部３３１ａに巻回された固定子巻線３３２とを備える。固定子巻線３３２には、固定子コア３３１の内側に回転磁界を発生させるように電流が流れる。図３では、便宜上、一部の固定子巻線３３２しか記載されていない。固定子３３は、外周がフレーム３１の内周に接するように、フレーム３１内に設けられる。

回転子３４は、略円筒状の回転子コアと、当該回転子コア内に挿入された界磁用磁石とを有する。回転子３４は、外周の一部が固定子３３の内周面と接するように、固定子３３の内部に設けられる。回転子３４は、線ＡＡを回転軸として、固定子３３の円周方向に回転する。回転子３４は、回転軸方向に並んだ第１層３４１と第２層３４２とに分割される。第１層３４１は、略円柱状の第１回転子コア３４１１と、第１回転子コア３４１１内部に設けられた複数の第１界磁用磁石３４１２と、複数の第１のＯリング３４１３とを備える。第２層３４２は、高さが第１回転子コア３４１１と同じ略円柱状の第２回転子コア３４２１と、第２回転子コア３４２１内部に設けられた複数の第２界磁用磁石３４２２と、複数の第２のＯリング３４２３とを備え、第１層３４１の反負荷側に設けられる。
第１層３４１及び第２層３４２は、回転子３４を分割したものであるため、それぞれの表面磁極は、回転軸方向（線ＡＡと平行な方向）において同極となっている。第１層３４１及び第２層３４２は、回転軸方向に移動可能となるように、かつシャフト３５の回転とともに回転するように、シャフト３５と接続される。一例として、シャフト３５には、回転軸方向に沿って溝部（凹部）が形成され、第１層３４１及び第２層３４２のシャフト３５との接続部には、凹部と係合する凸部が形成されている。これにより、第１層３４１及び第２層３４２は、回転軸方向に移動可能となるように、かつシャフト３５の回転とともに回転するように、シャフト３５と接続される。また、シャフト３５には、中空部３５ａが形成され、中空部３５ａによって、後述する空洞Ｒ１と、後述する油圧ポンプ４０の開口部４０ａとが接続される。
また、第１層３４１及び第２層３４２には、図４（ａ）に示すように、円筒状の空洞部が形成され、第２層３４２には、さらに、第１層３４１の空洞部と嵌合する円筒状の突起部が設けられている。第１層３４１と第２層３４２が嵌合したとき、これらの空洞部によって空洞Ｒ１が形成される。空洞Ｒ１は、油圧ポンプ４１から供給された油で満たされている。
なお、第１のＯリング３４１３は、第１層３４１のうち、固定子３３の内周面と接する箇所、第２層３４２と接する箇所、シャフト３５と接する箇所にそれぞれ設けられ、空洞Ｒ１内の油が外部に漏れることを防ぐ。第２のＯリング３４２３は、第２層３４２のうち、固定子３３の内周面と接する箇所、シャフト３５と接する箇所にそれぞれ設けられ、空洞Ｒ１内の油が外部に漏れることを防ぐ。

第１支持部材３７は、中心に開口部が形成された円板形状である。第１支持部材３７は、第１層３４１の負荷側のシャフト３５に固定される。第１ばね３６は、弾性部材であり、第１層３４１の負荷側であって、第１支持部材３７と第１層３４１との間に設けられる。第１ばね３６は、第１層３４１及び第２層３４２の表面磁極による反発力よりも大きな力で、第１層３４１を反負荷側に押している。第２支持部材３９は、中心に開口部が形成された円板形状である。第２支持部材３９は、第２層３４２の反負荷側のシャフト３５に固定される。第２ばね３８は、弾性部材であり、第２層３４２の反負荷側であって、第２支持部材３９と第２層３４２との間に設けられる。第２ばね３８は、第１層３４１及び第２層３４２の表面磁極による反発力よりも大きな力で、第２層３４２を負荷側に押している。
筐体３２は、フレーム３１の反負荷側に設けられる。油圧ポンプ４０は、任意の油圧で、シャフト３５の中空部３５ａを介して空洞Ｒ１に油を供給する装置である。油圧ポンプ４０からの油は、開口部４０ａから放出される。

エンコーダは、回転子３４の回転数を検出する回転数検出回路であり、例えば、フレーム３１内に設けられたホールＩＣと、ホールＩＣからの信号に基づいて回転子３４の回転数に応じたパルス状の回転数信号を出力するパルスジェネレータ回路とからなる。
制御回路は、入力がエンコーダの出力と接続され、出力が油圧ポンプ４０とに接続される。制御回路は、エンコーダからの回転数信号が示す回転数に応じて、油圧ポンプ４０の油圧を制御する。

次に、回転子３４が固定子３３に与える界磁磁束（回転子３４の界磁磁束）を変化させる動作について説明する。
制御回路は、エンコーダからの回転数信号が示す回転数が所定数以下である場合（低速回転時）、油圧ポンプ４０の油圧を０とする。このとき、図４（ａ）に示すように、第１層３４１は第１ばね３６の力によって反負荷側に移動し、第２層３４２は第２ばね３８の力によって負荷側に移動し、第１層３４１及び第２層３４２は嵌合する。
このように、低速回転時、第１層３４１及び第２層３４２が嵌合する。これにより、回転子３４の界磁磁束が最大となり、高トルクを得ることができる。

一方、エンコーダからの回転数信号が示す回転数が所定数よりも高い場合（高速回転時）、制御回路は、第１層３４１及び第２層３４２が回転数に応じた移動量で移動するように、油圧ポンプ４０の油圧を変化させる。具体的には、制御回路には、回転数と、当該回転数に応じた１つの移動量と、当該移動量で第１層３４１及び第２層３４２を移動させることが可能と予測される油圧とが対応付けされたテーブルが予め記憶されている。制御回路は、自身に記憶されたテーブルから、エンコーダからの回転数信号が示す回転数に対応する油圧を抽出し、抽出した油圧を油圧ポンプ４０の油圧として決定する。これにより、図４（ｂ）に示すように、第１層３４１は、空洞Ｒ１を満たす油の圧力によって、回転数に応じた移動量だけ負荷側に移動し、第２層３４２は、空洞Ｒ１を満たす油の圧力によって、回転数に応じた移動量だけ反負荷側に移動する。
このように、高速回転時、第１層３４１及び第２層３４２が互いに離れる。これにより、回転子３４の界磁磁束は小さくなり、誘起電圧を低下させることができる。その結果、永久磁石型回転電機の運転領域を拡大することができる。
なお、高速回転時、固定子３３の内周面と対向する固定子コアの総体積が減少するので、低速回転時と比べて回転子コアによる鉄損を減少させることもできる。

以上のように、実施例２によれば、実施例１と同様、回転子３４の界磁磁束を変化させるにあたり、第１層３４１及び第２層３４２が回転子３４の回転方向に回転しない。このため、仮に第１層３４１及び第２層３４２にスキューを施した場合でも、スキュー角度が変化せず、スキュー効果は低下しない。このため、コギングトルクとトルク脈動を小さくすることが可能となる。さらに、磁極のずれが発生しないので、誘起電圧の偶数次成分も発生せず、トルク脈動を防止することもできる。さらに、高速回転時、固定子３３の内周面と対向する回転子コアの総体積が減少するので、低速回転時と比べて回転子コアによる鉄損を減少させることもできる。

なお、上述では、２つのばね（第１ばね３６及び第２ばね３８）と油圧ポンプ４０を用いて、２つの層（第１層３４１及び第２層３４２）を回転軸方向に移動させていたが、これに限定されない。１つのばねと油圧ポンプ４０を用いて、一方の層を回転軸方向に移動させ、他方の層を回転軸方向に対し固定する構成であってもよい。この場合、永久磁石型回転電機は、第１ばね３６及び第１支持部材３７のセットと、第２ばね３８及び第２支持部材３９のセットのうち、いずれか１つのセットを省略し、省略したセットに関わる層を回転軸方向に対し固定した構成となる。

また、上述では、第１支持部材３７と第１層３４１との間、第２支持部材３９と第２層３４２との間に挿入する弾性部材としてばねを用いていたが、これの代わりに、ゴム部材などを用いてもよい。

図５は、本発明の実施例３に係る永久磁石型回転電機の分解斜視図である。図６は、実施例３に係る永久磁石型回転電機の側断面図であり、図６（ａ）は、低速回転時の側断面図であり、図６（ｂ）は、高速回転時の側断面図である。なお、図６は、図５に示した永久磁石型回転電機を組み立てた後、線ＡＯＢを含む平面で切断したときの側断面図であり、線ＡＡに対し線ＯＢ側の側断面が主に示されている。

まず、図５及び図６を参照して、永久磁石型回転電機の構造について説明する。図５及び図６において、永久磁石型回転電機は、フレーム３１、筐体３２、固定子３３、回転子３４、シャフト３５、第１ばね３６、第１支持部材３７、第２ばね３８、第２支持部材３９、油圧ポンプ４０、第３磁性部材５１、第１磁界検出素子５２、第４磁性部材５３、第２磁界検出素子５４、エンコーダ（図示なし）、及び制御回路（図示なし）を備える。
実施例３に係る永久磁石型回転電機は、上述した実施例２に係る永久磁石型回転電機に対し、第１層３４１が第１検出用磁石３４１４をさらに備え、第２層３４２が第２検出用磁石３４２４をさらに備え、第３磁性部材５１、第１磁界検出素子５２、第４磁性部材５３、第２磁界検出素子５４が追加された点、ならびに、移動制御の方法が大きく異なる。その他の構成部品は、実施例２と同様であり、同じ符号を付して説明を省略する。

第１層３４１は、略円柱状の第１回転子コア３４１１と、第１回転子コア３４１１内部に設けられた複数の第１界磁用磁石３４１２と、複数の第１のＯリング３４１３と、第１回転子コア３４１１の外周に設けられた複数の第１検出用磁石３４１４とを備える。第２層３４２は、略円柱状の第２回転子コア３４２１と、第２回転子コア３４２１内部に設けられた複数の第２界磁用磁石３４２２と、複数の第２のＯリング３４２３と、第２回転子コア３４２１の外周に設けられた複数の第２検出用磁石３４２４とを備える。

第３磁性部材５１は、円環状であり、固定子３３の負荷側に設けられる。第１磁界検出素子５２は、回転軸方向に並ぶように、第３磁性部材５１の内周に複数設けられ、第１検出用磁石３４１４が形成する磁界を検出する。第４磁性部材５３は、円環状であり、固定子３３の反負荷側に設けられる。第２磁界検出素子５４は、回転軸方向に並ぶように、第４磁性部材５３の内周に複数設けられ、第２検出用磁石３４２４が形成する磁界を検出する。

エンコーダは、回転子３４の回転数を検出する回転数検出回路であり、例えば、フレーム３１内に設けられたホールＩＣと、ホールＩＣからの信号に基づいて回転子３４の回転数に応じたパルス状の回転数信号を出力するパルスジェネレータ回路とからなる。
制御回路は、エンコーダからの回転数信号が示す回転数に応じて、油圧ポンプ４０の油圧を決定する油圧決定回路と、第１磁界検出素子５２及び第２磁界検出素子５３からの検出磁界を示す電圧に基づいて、第１層３４１及び第２層３４２が実際に移動した移動量（以下、実移動量と称す）をそれぞれ算出する移動量算出回路とを有する。移動量算出回路の入力は、第１磁界検出素子５２及び第２磁界検出素子５３と接続され、出力は、油圧決定回路と接続される。油圧決定回路の入力は、エンコーダの出力、移動量算出回路の出力と接続され、出力は、油圧ポンプ４０に接続される。

次に、回転子３４の界磁磁束を変化させる動作について説明する。
油圧決定回路は、エンコーダからの回転数信号が示す回転数が所定数以下である場合（低速回転時）、油圧ポンプ４０の油圧を０とする。このとき、図６（ａ）に示すように、第１層３４１は第１ばね３６の力によって反負荷側に移動し、第２層３４２は第２ばね３８の力によって負荷側に移動し、第１層３４１及び第２層３４２は嵌合する。
このように、低速回転時、第１層３４１及び第２層３４２が嵌合する。これにより、回転子３４の界磁磁束が最大となり、高トルクを得ることができる。

一方、エンコーダからの回転数信号が示す回転数が所定数よりも高い場合（高速回転時）、油圧決定回路は、第１層３４１及び第２層３４２が回転数に応じた移動量で移動するように、油圧ポンプ４０の油圧を変化させる。具体的には、油圧決定回路には、回転数と、当該回転数に応じた１つの移動量と、当該移動量で第１層３４１及び第２層３４２を移動させることが可能と予測される油圧とが対応付けされたテーブルが予め記憶されている。油圧決定回路は、自身に記憶されたテーブルから、エンコーダからの回転数信号が示す回転数に対応する油圧を抽出し、抽出した油圧を油圧ポンプ４０の油圧として決定する。これにより、図６（ｂ）に示すように、第１層３４１は、空洞Ｒ１を満たす油の圧力によって、回転数に応じた移動量だけ負荷側に移動し、第２層３４２は、空洞Ｒ１を満たす油の圧力によって、回転数に応じた移動量だけ反負荷側に移動する。
このように、高速回転時、第１層３４１及び第２層３４２が互いに離れる。これにより、回転子３４の界磁磁束は小さくなり、誘起電圧を低下させることができる。その結果、永久磁石型回転電機の運転領域を拡大することができる。

ここで、移動量算出回路は、第１磁界検出素子５２及び第２磁界検出素子５３からの電圧に基づいて、第１層３４１及び第２層３４２の実移動量をそれぞれ算出する。油圧決定回路は、移動量算出回路から入力された第１層３４１及び第２層３４２の実移動量の平均値である平均移動量を算出する。油圧決定回路は、算出した平均移動量と、決定していた油圧に対応する移動量とが一致するか否か判断する。一致しない場合、油圧決定回路は、平均移動量と、決定していた油圧に対応する移動量とが一致するように、決定していた油圧ポンプ４０の油圧を補正する。
このように、第１層３４１及び第２層３４２の実移動量に基づき油圧ポンプ４０の油圧が補正されることで、回転子３４の界磁磁束を精度高く変化させることができる。

以上のように、実施例３によれば、回転子３４の界磁磁束を精度高く変化させることができる。

本発明に係る永久磁石型回転電機は、電気自動車用モータ、工作機械等に使用される高速回転型の永久磁石型回転電機等に適用可能である。

１１、３１ フレーム
１２、３３ 固定子
１２１、３３１ 固定子コア
１２２、３３２ 固定子巻線
１３、３４ 回転子
１３１、３４１ 第１層
１３２、３４２ 第２層
１３３ 第３層
１３１１、３４１１ 第１回転子コア
１３１２、３４１２ 第１界磁用磁石
１３２１、３４２１ 第２回転子コア
１３２２、３４２２ 第２界磁用磁石
１３３１ 第３回転子コア
１３３２ 第３界磁用磁石
１４、３５ シャフト
１５ 第１固定部材
１６ 第１磁性板
１７ 第１電磁石
１７１ 第１磁性部材
１７２ 第１巻線
１８ 第２固定部材
１９ 第２磁性板
２０ 第２電磁石
２０１ 第２磁性部材
２０２ 第２巻線
３２ 筐体
３６ 第１ばね
３７ 第１支持部材
３８ 第２ばね
３９ 第２支持部材
４０ 油圧ポンプ
３４１３ 第１のＯリング
３４２３ 第２のＯリング
３４１４ 第１検出用磁石
３４２４ 第２検出用磁石
５１ 第３磁性部材
５２ 第１磁界検出素子
５３ 第４磁性部材
５４ 第２磁界検出素子

Claims (14)

1. 内部に回転磁界を発生させる円筒状の固定子と、
   回転子コアと当該回転子コアに設けられた界磁用磁石とを有し、前記固定子の内部に設けられるとともに、前記回転磁界によって前記固定子の円周方向に回転する回転子と、を備える永久磁石型回転電機において、
   前記回転子は、回転軸方向に並んだ複数の層に分割されており、
   前記回転子の両端の２つの層のうち、少なくとも１つの層を回転軸方向に移動可能に構成したことを特徴とする永久磁石型回転電機。
2. 前記回転子は、前記回転軸方向に移動可能に構成された第１層と、当該第１層から見て前記永久磁石型回転電機の反負荷側に設けられ、前記回転軸方向に移動不可能に構成された第２層とに分割されており、
   前記第１層から見て前記永久磁石型回転電機の負荷側に設けられ、前記第１層と接続された磁性板と、
   巻線を有し、前記第１層と前記磁性板との間に設けられた電磁石と、を備えることを特徴とする請求項１記載の永久磁石型回転電機。
3. 前記回転子の回転数を検出する回転数検出回路と、
   前記回転数検出回路において検出された回転数に応じて前記巻線に流れる電流を制御する制御回路と、を備え、
   前記制御回路は、前記検出された回転数が所定数以下である場合のみ、前記巻線に電流を流すことを特徴とする請求項２記載の永久磁石型回転電機。
4. 前記回転子は、前記回転軸方向に移動可能に構成された第１層と、当該第１層から見て前記永久磁石型回転電機の反負荷側に設けられ、前記回転軸方向に移動可能に構成された第２層とに分割されており、
   前記第１層から見て前記永久磁石型回転電機の負荷側に設けられ、前記第１層と接続された第１磁性板と、
   第１巻線を有し、前記第１層と前記第１磁性板との間に設けられた第１電磁石と、
   前記第２層から見て前記永久磁石型回転電機の反負荷側に設けられ、前記第２層と接続された第２磁性板と、
   第２巻線を有し、前記第２層と前記第２磁性板との間に設けられた第２電磁石と、を備えることを特徴とする請求項１記載の永久磁石型回転電機。
5. 前記回転子は、前記回転軸方向に移動可能に構成された第１層と、当該第１層から見て前記永久磁石型回転電機の反負荷側に設けられ、前記回転軸方向に移動不可能に構成された第２層と、当該第２層から見て前記永久磁石型回転電機の反負荷側に設けられ、前記回転軸方向に移動可能に構成された第３層とに分割されており、
   前記第１層から見て前記永久磁石型回転電機の負荷側に設けられ、前記第１層と接続された第１磁性板と、
   第１巻線を有し、前記第１層と前記第１磁性板との間に設けられた第１電磁石と、
   前記第３層から見て前記永久磁石型回転電機の反負荷側に設けられ、前記第３層と接続された第２磁性板と、
   第２巻線を有し、前記第３層と前記第２磁性板との間に設けられた第２電磁石と、を備えることを特徴とする請求項１記載の永久磁石型回転電機。
6. 前記回転子の回転数を検出する回転数検出回路と、
   前記回転数検出回路において検出された回転数に応じて前記第１巻線及び前記第２巻線に流れる電流を制御する制御回路と、を備え、
   前記制御回路は、前記検出された回転数が所定数以下である場合のみ、前記第１巻線及び前記第２巻線に電流を流すことを特徴とする請求項４または５記載の永久磁石型回転電機。
7. 前記回転子は、前記固定子の内面と対向する面に前記固定子の内面と接触する第１のＯリングを有し、前記回転軸方向に移動可能に構成された第１層と、当該第１層から見て前記永久磁石型回転電機の反負荷側に設けられるとともに、前記固定子の内面と対向する面に前記固定子の内面と接触する第２のＯリングを有し、前記回転軸方向に移動不可能に構成された第２層とに分割されており、
   前記第１層から見て前記永久磁石型回転電機の負荷側に設けられた支持部材と、
   前記第１層と前記支持部材との間に設けられた弾性部材と、
   前記固定子の内面、前記第１層、前記第２層で囲まれた密閉空間に、任意の油圧で油を供給する油圧ポンプと、を備えることを特徴とする請求項１記載の永久磁石型回転電機。
8. 前記回転子の回転数を検出する回転数検出回路と、
   前記回転数検出回路において検出された回転数に応じて前記油圧ポンプの油圧を制御する制御回路と、を備え、
   前記制御回路は、前記検出された回転数が所定数よりも高い場合のみ、前記検出された回転数に応じた移動量で前記第１層が移動するように、前記油圧ポンプの油圧を制御することを特徴とする請求項７記載の永久磁石型回転電機。
9. 前記第１層は、前記固定子の内面と対向する面に設けられた検出用磁石をさらに有し、
   前記固定子コアから見て前記永久磁石型回転電機の負荷側に設けられ、前記検出用磁石の磁界を検出する磁界検出素子を備えることを特徴とする請求項７記載の永久磁石型回転電機。
10. 前記回転子の回転数を検出する回転数検出回路と、
    前記回転数検出回路において検出された回転数が所定数よりも高い場合のみ、前記検出された回転数に応じた移動量で前記第１層が移動するように、前記油圧ポンプの油圧を決定する油圧決定回路と、
    前記磁界検出素子において検出された磁界に基づいて前記第１層が実際に移動した実移動量を算出する移動量算出回路と、を備え、
    前記油圧決定回路は、前記実移動量に基づいて前記油圧ポンプの油圧を補正することを特徴とする請求項９記載の永久磁石型回転電機。
11. 前記回転子は、前記固定子の内面と対向する面に前記固定子の内面と接触する第１のＯリングを有し、前記回転軸方向に移動可能に構成された第１層と、当該第１層から見て前記永久磁石型回転電機の反負荷側に設けられるとともに、前記固定子の内面と対向する面に前記固定子の内面と接触する第２のＯリングを有し、前記回転軸方向に移動可能に構成された第２層とに分割されており、
    前記第１層から見て前記永久磁石型回転電機の負荷側に設けられた第１支持部材と、
    前記第１層と前記第１支持部材との間に設けられた第１弾性部材と、
    前記第２層から見て前記永久磁石型回転電機の反負荷側に設けられた第２支持部材と、
    前記第２層と前記第２支持部材との間に設けられた第２弾性部材と、
    前記固定子の内面、前記第１層、前記第２層で囲まれた密閉空間に、任意の油圧で油を供給する油圧ポンプと、を備えることを特徴とする請求項１記載の永久磁石型回転電機。
12. 前記回転子の回転数を検出する回転数検出回路と、
    前記回転数検出回路において検出された回転数に応じて前記油圧ポンプの油圧を制御する制御回路と、を備え、
    前記制御回路は、前記検出された回転数が所定数よりも高い場合のみ、前記検出された回転数に応じた移動量で前記第１層及び第２層が移動するように、前記油圧ポンプの油圧を制御することを特徴とする請求項１１記載の永久磁石型回転電機。
13. 前記第１層は、前記固定子の内面と対向する面に設けられた第１検出用磁石をさらに有し、
    前記第２層は、前記固定子の内面と対向する面に設けられた第２検出用磁石をさらに有し、
    前記固定子コアから見て前記永久磁石型回転電機の負荷側に設けられ、前記第１検出用磁石の磁界を検出する第１磁界検出素子と、
    前記固定子コアから見て前記永久磁石型回転電機の反負荷側に設けられ、前記第２検出用磁石の磁界を検出する第２磁界検出素子と、を備えることを特徴とする請求項１１記載の永久磁石型回転電機。
14. 前記回転子の回転数を検出する回転数検出回路と、
    前記回転数検出回路において検出された回転数が所定数よりも高い場合のみ、前記検出された回転数に応じた移動量で前記第１層及び第２層が移動するように、前記油圧ポンプの油圧を決定する油圧決定回路と、
    前記第１及び第２磁界検出素子において検出された磁界に基づいて前記第１層及び第２層が実際に移動した実移動量を算出する移動量算出回路と、を備え、
    前記油圧決定回路は、前記実移動量に基づいて前記油圧ポンプの油圧を補正することを特徴とする請求項１３記載の永久磁石型回転電機。

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