JP2015082921A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機の高速化、高トルク化を安価シンプルで信頼性の高い手法で実現させる。【解決手段】固定子と、前記固定子に対して回転軸方向にエアギャップを介して回転可能に配置された回転子と、前記回転子の軸心と同軸心に回転する１次側機構を備えた回転電機において、前記１次側機構は、回転軸方向に移動不能に配置された定位置回転プーリと、前記定位置回転プーリに対して前記回転軸方向に沿って移動可能に配置された可変位置プーリとを備え、記可変位置プーリが、前記回転子と一体に回転且つ軸方向に移動するものである。【選択図】図６

Description

本発明は回転電機に係り、特に、電動機や発電機として用いられる可変エアギャップを有するアキシャルギャップ式回転電機、あるいは更に変速機を組み合わせたものに関する。

電動機や発電機である回転電機は、市場より軽薄短小化の要求が強く、また最近は地球温暖化対策として、省エネルギー化や高効率化の要求も増加してきている。更に、低振動化、低騒化、そして安価であることも強く要求されている。その中で、回転軸方向にエアギャップを有するアキシャルギャップ式回転電機は扁平で薄型に有利な構造であり、回転子を円盤状にすれば慣性も小さくできるので、一定速度運転にも、可変速度運転にも適した回転電機であり、近年注目されだした回転電機の形態である。

特開２０１２−１３００８６号公報

一方、関係する従来技術として上記の特許文献がある。

回転電機はラジアルギャップ式とアキシャルギャップ式があるが、その回転原理は同一である。

従来の一般的なラジアルギャップ式の回転電機で回転子に永久磁石を用いるブラシレスＤＣモータ（以下ＢＬＤＣＭと略す）や同期発電機、あるいは回転子に永久磁石を用いないで磁性体の歯を有したスイッチドレラクタンスモータ（以下ＳＲＭと略す）の場合の技術は、固定子鉄心を珪素鋼鈑で積層して構成し、安価と効率を重視する場合は巻き線は主に集中巻き方式を採用する。

分布巻き方式ではトルク発生に寄与しないコイルエンド部が大きくなり銅損が増大し効率が低下するためと集中巻き方式では巻き線がシンプルでスロットへの直接巻き込が可能となり巻き線が安価となるためである。

一方、アキシャルギャップ式のＢＬＤＣＭやＳＲＭも近年、ハイブリッド車や電気自動車用の駆動用車載モータとして検討されている。その理由はエンジンに併設したり、インホイールモータとする場合、扁平形状が都合がよいためである。その場合、特にアキシャルＢＬＤＣモータでは始動時および低速回転時は高トルクを得るように強め界磁制御を行い、また高速回転時は高速回転を得るため弱め界磁制御を行うことが知られている。このような界磁制御を行っている理由は、界磁磁束が大きいと、低速時は大トルクが得られるが、高速度時は界磁磁束が大きいと起電力定数も大きくなり、電源電圧にモータ内部誘起電圧が近づくことで電流が流れなくなり、トルクもダウンしてしまうためである。また、これを回避するために多極永久磁石界磁モータで界磁制御することも考えられるが、多極永久磁石界磁モータで界磁制御するにはベクトル制御技術を駆使する等、制御が複雑で高価となる。その点、アキシャルギャップ式ＢＬＤＣモータ等では回転子を軸方向に移動させて、低速回転時は固定子と回転子間のエアギャップである距離を狭め、高速回転時は距離を大きくすれば、界磁磁束を強め、あるいは弱め制御したことと同様な特性となることが知られている。

またアキシャルギャップ式モータを電気自動車（以下ＥＶと略す）の動力用に使用する場合、界磁制御のみでの対応では、大きな始動時負荷トルクが必要となる。ダイレクト駆動ではモータサイズが大きくなり、経済的にも、重量的にも問題があり、減速体を介して負荷を駆動することが必要となる。減速体としては、特にＶベルトとテーパープーリを組み合わせた無段変速機構（以下ＣＶＴと略す）が広く使用されている。

図１４は典型的な従来技術によるアキシャルギャップ式ＢＬＤＣＭに無段変速機構、所謂ＣＶＴを取り付けた断面図である。固定子鉄心１９は一般に珪素鋼鈑の積層方式で形成され、例えば６個で３相巻き線２が設けられ、回転子は４極の例が一般的である。尚ホール素子等の図示は省略してある。回転子は、永久磁石１８を備えており、永久磁石１８は、４個の扇形セグメント磁石が軸方向に磁化されて、交互に異極性に周方向に配置され、軸方向にエアギャップを介して固定子鉄心１９と平面対向するように配置されている。即ち図１４に記載した従来のアキシャルギャップ式ＢＬＤＣＭは、プレーンエアギャップ式となっている。そして回転子は、バックヨーク１７を備えており、バックヨーク１７により、磁気回路を形成する。回転子は、回転軸７を備えており、回転軸７は先端がテーパ状のテーパ面を有する軸体であり、スラスト方向には固定され軸受け１１を介して固定子鉄心１９に対して回転自在に保持されている。このように、バックヨーク１７，永久磁石１８とは一体に構成されて回転子を形成する。以上が駆動部即ちモータとなる。

回転子は、さらにプーリ８を備えている。プーリ８はスラスト方向に移動可能で且つ回転軸７とともに回転自在に配置されると共に、回転軸７のテーパ面と対応して形成されたテーパ所謂傾斜面を有する。回転軸７とプーリ８の互いに対向するテーパ面でＶ字型溝ができて、その溝でＶ字状ベルト１５がサンドイッチ状に挟持されている。通常はプーリ８は図示は省略するが油圧やバネ圧等でＶ字状ベルト１５を加圧するように制御されている。以上が駆動側であり、説明の便宜上、これらを１次側とよぶ。そして巻き線２に３相交流電流を流すことで、モータは回転磁界が発生して、Ｖ字状ベルト１５は駆動される。Ｖ字状ベルト１５は負荷軸２０を駆動するが、負荷軸２０は回転軸７と類似形状でその先端はテーパ状のテーパ面を有する軸体である。また負荷軸２０に回転自在に設けられたプーリ２１はプーリ８と同様の形状を有しており、スラスト方向に移動可能で且つ負荷軸２０と共に回転自在に設けられたテーパ面を有している。また、上述した１次側と同様に、負荷軸２０とプーリ２１のテーパ面でサンドイッチ状に前述のＶ字状ベルト１５を挟持している。なお、プーリ２１は、負荷軸２０に固着されたストッパ２２を力点としてスプリングバネ２３によって常にＶ字状ベルト１５を加圧している。そして負荷軸２０の右端に負荷が接続される。これらを説明の便宜上２次側とよぶ。例えばＥＶの場合は１次側がモータで、２次側が駆動輪タイヤとなる。この様な構成では無段変速機構が形成される。即ち、モータが始動開始すればＶ字状ベルト１５の張力が大きくなるため、プーリ８は図１４において右側に移動して、Ｖ字状ベルト１５の１次側の径は小さくなり、反対に２次側ではＶ字状ベルト１５がたわむのでスプリングバネ２３の加圧でプーリ２１がＶ字状ベルト１５の内周にもぐりこみ、ベルト径は大きくなる。即ち減速機が形成され、大きな負荷トルクを駆動可能になる。即ち図１４と反対の状態となる。逆に、高回転時は負荷トルクは低減されるので、Ｖ字状ベルト１５の張力が駆動側で緩むため、あるいは、前述のプーリ８に加えられている油圧やバネ圧等の制御でプーリ８がＶ字状ベルト１５の内周にもぐりこみＶ字状ベルト１５は駆動側で径大、負荷側で径小になり増速機能を有したものとなる。即ち図１４に図示した状態となる。このように無段変速が可能となる。

しかし、特にＥＶ用途等のように低速から高速まで広範囲に速度制御を必要とする場合は速度制御を十分に効率よく行うにはＣＶＴのみでは不十分で高速時は弱め界磁制御、低速時は強め界磁制御が必要であった。この弱め、強め界磁制御をおこなうには、界磁制御用の余分な電力や複雑なベクトル制御が必要であった。しかし、アキシャルギャップ式モータでは回転子と固定子間のエアギャップ長を可変にすることで比較的簡単に高速時の弱め界磁制御、低速時の強め界磁制御と同等の効果が得られることが知られている。

その典型的なアキシャルギャップ式ＢＬＤＣモータに更にギャップ長を外力で強制的に可変させる先行技術として上述した特開２０１２−１３００８６がある。しかし上記の図１０、図１１を含めた上述の先行技術に記載された方法では次のような欠点があった。即ち、界磁磁石と固定子鉄心が平面で対向するプレーンエアギャップ式ではラジアルギャップモータと比較して、最小エアギャップが小さく出来ないこと等によりトルクが小さく実用性に問題があった。すなわち、ラジアルギャップ式に対してアキシャルギャップ式では回転子面振れを考慮して、エアギャップ長が概略２倍必要となり、その分トルクが低下してしまうという問題もあった。さらに、エアギャップ長対トルク特性がエアギャップ長に対して線形変化でなく、非線形となるため制御性がよくないといった問題があった。

そこで、本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、上述したＣＶＴに適したモータ構造である立体エアギャップモータを採用することで、アキシャルギャップ式でエアギャップ可変回転子とＣＶＴの位置可変プーリを合体させてモータとＣＶＴを融合させたコンパクトな、ＣＶＴを有したアキシャル可変ギャップモータを提供するものである。本発明は以上の問題を解決して安価で高性能なアキシャルモータを提供するものである。

本発明に係る回転電機は、固定子と、前記固定子に対して回転軸方向にエアギャップを介して回転可能に配置された回転子と、前記回転子の軸心と同軸心に回転する１次側機構を備えた回転電機において、前記１次側機構は、回転軸方向に移動不能に配置された定位置回転プーリと、前記定位置回転プーリに対して前記回転軸方向に沿って移動可能に配置された可変位置プーリとを備え、記可変位置プーリが、前記回転子と一体に回転且つ軸方向に移動するものであることを特徴とする。

また、本発明に係る回転電機において、前記可変位置プーリは、前記回転子との間に円錐体内部状空間部を有し、その空間部内で軸方向に移動不能に設けられた前記円錐体内部と逆方向に傾斜面を有するプレートとでできる空間内で前記回転軸の周方向に１個または複数に分割配置された錘を備え、前記錘は、必要により縮径方向に付勢する弾性部材によって一連に組み付けられると好適である。

また、本発明に係る回転電機において、前記回転子は、偶数極で周方向に異極性に磁化された永久磁石を備えることとすることができる。

また、本発明に係る回転電機において、前記回転子は、永久磁石を備えないこととすることができる。

また、本発明に係る回転電機において、前記固定子は、同心円弧的で軸方向に第１の歯部を突き出して有した複数の巻き線用突極鉄心を有するとともに、巻き線軸が前記回転軸と平行に形成された前記巻き線用突極鉄心を周方向に複数分布配置した固定子鉄心部を備え、前記回転子は、複数の磁性体による回転子磁極が周方向に分布されて各々の回転子磁極は同心円的で軸方向に前記第１の歯部と前記エアギャップを介して噛み合うように対向配置された第２の歯部を突き出して有すると好適である。

また、本発明に係る回転電機において、前記１次側機構及び２次側機構の定位置及び可変位置プーリで可変幅Ｖ溝を形成してＶ字状ベルトを架け渡して無段変速機構を構成することができる。

また、本発明に係る回転電機において、前記固定子又は前記回転子の何れかの巻き線を有する方へ電力を入力して前記１次側機構を回転させて前記２次側機構から出力を得ることができる。

また、本発明に係る回転電機において、前記２次側機構に風力、水力又はエンジンなどの外力によって駆動力を入力し、１次側機構に設けられた回転電機を発電機として用いることができる。

本発明に係るアキシャル可変ギャップ式の回転電機の回転子を軸方向に移動する手段とＣＶＴの可変位置プーリを直結させれば、両者とも同じ動きで、低速時大トルクで高速時高回転で高出力の特性がモータとＣＶＴで相乗効果をうむ。

また、本発明に係るアキシャルギャップ式ＢＬＤＣＭは固定子に形成された第１の歯部と回転子に形成された第２の歯部同士がかみ合い回転できるので、鎖交磁束がプレーンギャップの２倍以上と大きくなり、始動時および低速時のトルクも２倍以上が得られる。また従来のアキシャルギャップ式モータに比べ本モータは凹凸噛み合い部がラジアルギャップも有しているので低騒音である。
さらに、固定子に形成された第１の歯部と回転子に形成された第２の歯部の間のエアギャップ対向部がかみ合い対向なので、対向面積が増大しエアギャップ部パーミアンスの大きな高効率回転電機にして、エアギャップの増加に対して、そのアキシャル方向吸引力及びトルクはエアギャップ長にほぼ比例するのでギャップ長制御でトルク制御が容易に行える。

また、本発明に係るアキシャルギャップ式ＳＲＭも凹凸状に固定子に形成された第１の歯部と回転子に形成された第２の歯部同士がかみ合い回転できるので、従来技術に比較して優れたものとなる。

さらに、本発明に係るアキシャルギャップ式の回転電機を電気自動車の駆動主機に応用すれば、低速時の強め界磁や高速時の弱め界磁に要する電力が不要で効率を高めることができる。

また、本発明に係るアキシャルギャップ式の回転電機においてＣＶＴの２次側軸を風力で駆動するように構成すれば、微風時は増速とし、大風時は減速制御して、ほぼ一定電力が得られる発電装置を構成することができる。

本発明の第１の実施形態に係る回転電機の軸方向断面図 図１におけるＡ−Ａ断面図 図１におけるＢ−Ｂ断面図 本発明の第１の実施形態の変形例の回転電機の軸方向断面図 本発明の第１の実施形態の更なる変形例の回転電機の軸方向断面図 図４（ａ）及び（ｂ）における錘の部分断面図 本発明に係る回転電機の動作説明図 本発明に係る回転電機の動作説明図 本発明の第２の実施形態に係る回転電機の動作説明図 本発明の第２の実施形態に係る回転電機の動作説明図 更に別の本発明のＣＶＴ装着時回転電機の動作説明図 本発明の回転電機の動作説明図 本発明の回転電機の特性説明図 本発明の回転電機の特性説明図 従来技術の回転電機の動作説明図

以下図面によって説明する。

［第一の実施形態］
本発明のアキシャルギャップ式モータの固定子鉄心１や回転子磁極４あるいは永久磁石５のバックヨーク６等は軟磁性鉄粉をプレスすることで簡単安価に製作できる。珪素鋼鈑の積層式の場合において、従来のラジアルギャップ式の場合は２次元形状の鉄心を軸方向に積層して、界磁磁束も軸と垂直平面磁路で用いられる。しかしアキシャルギャップ式モータでは界磁磁束磁路は立体的になるので珪素鋼鈑の積層方式を採用するには積層方式では積層方向には磁束が通過困難であるという問題があり、これがアキシャルギャップモータがラジアルギャップに比べて普及しない別の理由でもあった。この点、圧粉鉄心は無方向性であるので立体的な形状を構成するのに適したものとなる。圧粉鉄心とは軟磁性鉄粉を樹脂コーテングして加圧後熱処理したもので、プレス型で複雑な形状品を製作できる。また、透磁率は珪素鋼鈑の圧延方向には劣るが、磁束通過方向は無方向性である。さらに鉄粉が個々に樹脂で絶縁されているので渦電流が発生せず、鉄損が小さい鉄心とすることができる。

図１は本発明の構成の一部を示したものであり、軸回転式のアキシャル可変シングルギャップ式回転電機とＣＶＴの１次側部品を示したものである。図２は図１の回転電機のＡ−Ａ断面矢視図、図３は図１の回転電機のＢ−Ｂ断面矢視図である。図１〜３を参照して第一の本発明例を説明する。

図２に示すように固定子鉄心１は圧粉鉄心等によって構成された巻き線用突極鉄心１ｂが円盤状に配列されており、巻き線用突極鉄心１ｂは、図１に示すように軸線方向に同心的に複数の第１の歯部１ａが突き出して円弧状に形成されている。本図の場合は固定子鉄心１は６個の略扇形溝つきの巻き線突極用鉄心１ｂあるいは６個の分割鉄心で構成され、３相巻き線、回転子は４極の例である。例えばこの他に固定子が１２スロットで回転子が８，１０，１４極あるいは、固定子が９スロットで回転子が８，１０極等多数の組合せを適用可能である。

なお、固定子鉄心１の外周面には、巻き線２が巻かれており、この場合、６個の巻き線が、図２に示したように周方向に配置されて、固定子鉄心１の６個の溝部に略扇形に設けられている。回転子は図３に示したように回転子磁極４が４個でそれらの裏側には磁化された永久磁石５があり、４極でＮ極、Ｓ極が交互に配置されている。

永久磁石５は４個の磁石片を軸方向で磁石厚み方向に交互に異極性となるように磁化しバックヨーク６をその裏面に配置するのが望ましいが、１枚の円盤状磁石をＮ極Ｓ極交互に磁化し、軸方向に重ねて４個の回転子磁極４を固着させてもよい。永久磁石５の裏側にはバックヨーク６あるいは回転子支持体があり、定位置回転プーリ７の１次側鍔つき回転軸部に固着されている。そして固定子鉄心１及び回転子磁極４には同心的に軸方向に突き出た第１の歯部１ａ及び第２の歯部４ａを有して、固定子と回転子が凹凸状にエアギャップを介してかみ合いながら軸受け１１及びスベリ軸受け１０で回転自在に対向している。ラジアルギャップ式回転電機に、この凹凸エギャップを適用すると、固定子鉄心１を分割して、回転子と組み合わせないと、回転電機として組みあがらない。しかしアキシャルギャップ式であれば、組み立ては容易である。また固定子及び回転子は凹凸かみ合いの第１の歯部１ａ及び第２の歯部４ａがあっても、圧粉鉄心製法なら簡単安価にできる。なお、軸受け１１は一対配置されており、軸受け１１の間及び定位置回転プーリ７の回転軸には、スペーサ３及び９が介在している。即ち図１で回転子磁極４，永久磁石５，バックヨーク６及び可変位置プーリ８はお互いに固着合体されて１個の回転子を形成し、この回転子は、スベリ軸受け１０を介して１次側鍔つき回転軸を有する定位置回転プーリ７とは回転もスラスト移動も可能としてある。定位置回転プーリ７は軸受け１１に回転可能に保持されているので、固定子に対してスラスト方向には定位置で固定される。尚ホール素子等の図示は省略してある。

次に、図１の動作を説明する。この回転電機が負荷を始動させる場合はＢＬＤＣＭの特性から始動負荷トルクに見合った最大電流が流れる。アキシャルギャップモータはラジアルギャップモータと比較して大きなアキシャル方向の吸引力がしかも電流に比例した大きさで発生するので図１図示の如く回転子は固定子鉄心１に最小の所定エアギャップで吸引されて始動を開始する。また回転子の可変位置プーリ８はＶ字状ベルト１５の張力が始動時は大きいため該張力によって回転子磁極４は一層固定子鉄心１とのエアギャップが小さくなる方向に力を受けた状態で始動する。即ち定位置回転プーリ７と可変位置プーリ８の間のＶ溝間隔が開いた状態で始動する。此のときＶ字状ベルト１５の径は最小状態で、負荷側の２次軸を減速するレシオである。

次にデューティ制御や印加電圧制御等でモータ速度を増加させると、回転電機でエアギャップが小さいことによる大トルクが生じ、これにＣＶＴの減速レシオによるトルク増加が加わることで、相乗効果で負荷を始動加速しやすく出来る。そして加速が終わり、定速度運転あるいは高速運転となった場合では負荷が加速時より大幅に減少するのでＶ字状ベルト１５の張力も減少する。またＢＬＤＣＭの速度―トルク特性の関係から、速度が増加すると、負荷電流は減少していくので、ギャップ間の吸引力も減少していく。此のとき、定位置回転プーリ７の回転軸を保持するスペーサ９の代わりにこの場所にコイルバネ圧や油圧等の付勢手段を設けておけば、可変位置プーリ８のテーパ部がＶ字状ベルト１５の内周に回転しながらもぐりこみＶ字状ベルト１５の径は拡大する。Ｖ字状ベルト１５の径が拡大することで、固定子と回転子間のエアギャップは拡大し、弱め界磁効果が発生し回転数を増加させ、ＣＶＴ側でも増速レシオとなり相乗効果が生まれる。尚、図１の回転子は定位置回転プーリ７には発生トルクがＶ字状ベルト１５の摩擦力を介して伝達されている。またギャップ長と発生トルクが線形に変化することが重要であるが、これは後述する図１１及び１２に記載した例を適用することで解決することができる。

図１が回転電機の対速度での電流変化やバネ圧、あるいは油圧により回転電機のエアギャップを増減させるのに対し、図４（ａ）は遠心力を利用した一例である。図４（ａ）でモータ部は図１とほぼ同じであるのでその説明は省略する。ＣＶＴ部が図１とは異なり、図１での可変位置プーリ８はむくの円錐部材であったが、図４（ａ）では空洞円錐体３０を設けてバックヨーク（回転子支持体）にその外周で固着して、バックヨーク６と空洞円錐体３０で囲まれた空間部を作りスラスト方向に移動を固定した空洞円錐体３０の内壁面とは逆斜面を有したプレート１２を設ける。空洞円錐体３０の中心部は定位置回転プーリ７とは図示しないスベリ軸受けを介した回転及びスラスト移動可能にしてある。その内部すなわちプレート１２と空洞円錐体３０の内壁による空間部に、１個またはドーナツ状体を複数個に分割した錘１３を配置する。錘１３は、その中心穴部に錘１３を必要により縮径方向に付勢する弾性部材１４を有し定位置回転プーリ７なる１次軸の周りに配置される。弾性部材１４は、例えば弾性紐、環状スプリングあるいは弾性リング体である。そして空洞円錐体３０と定位置回転プーリ７と傾斜面でできるＶ溝にはＶ字状ベルト１５を設けたものである。尚錘１３の形状はドーナツ状体に限らず、球体状錘を弾性部材１４で連結する等、適宜適応可能である。

その動作を以下説明する。

この回転電機が負荷を始動させる場合はＢＬＤＣＭの特性から始動負荷トルクに見合った最大電流が流れる。アキシャルギャップモータはラジアルギャップモータと比較して大きなアキシャル方向の吸引力が発生し、その吸引力は電流に比例するので図４（ａ）に図示の如く回転子は固定子鉄心１に最小の所定エアギャップで吸引されて始動を開始する。また回転子の空洞円錐体３０はＶ字状ベルト１５の張力が始動時大きいため張力に負けて回転子磁極４は一層固定子鉄心１とのエアギャップが小さくなる方向に力を受けた状態、即ち定位置回転プーリ７と空洞円錐体３０間のＶ溝間隔が開いた状態で始動する。此のときＶ字状ベルト１５の径は最小状態で、負荷側の２軸を減速するレシオである。

次にデューティ制御や印加電圧制御等でモータ速度を増加させると、回転電機ではエアギャップ小による大トルクに、ＣＶＴの減速レシオによるトルク増加が加わり相乗効果で負荷を始動加速しやすく出来る。この状態の図示が図４（ａ）の横軸中心線の上半分に示した図である。そして加速が終わり、定速度運転あるいは高速運転では負荷が加速時より大幅に減少するのでＶ字状ベルト１５の張力も減少する。またＢＬＤＣＭの速度―トルク特性の関係から、速度が増加すると、負荷電流は減少していくので、ギャップ吸引力も減少していく。

此のとき、錘１３は速度が増加するにつれて、遠心力が発生し回転軸の径方向の遠方に力を受けて図４（ａ）の下半分の図示状態となる。即ち、錘１３は空洞円錐体３０とプレート１２の内部壁を外方向に遠心力で押し上げるがプレート１２は定位置回転プーリ７の回転軸にスラスト方向には固定されているので、空洞円錐体３０が図４（ａ）の右方向に移動し、Ｖ字状ベルト１５の位置を外周方向に押し上げＶ字状ベルト１５の径を大きくし、増速レシオとなる。此のとき同時に回転子である回転子磁極４，永久磁石５及びバックヨーク６も右に同量移動して固定子鉄心１と回転子磁極４の間のエアギャップを拡大し界磁弱め効果が生じ益々高速型モータに変身する。錘１３が遠心力で外周の位置にいるときは弾性部材１４は伸びている。そして再び速度を減らすモードになると、回転速度の減速時は錘１３には遠心力がなくなるので空洞円錐体３０を右側に押す力が消滅し、同時に負荷側からＶ字状ベルト１５に張力が加えられるので、Ｖ字状ベルト１５の張力で空洞円錐体３０は左側に移動させられて、回転子である回転子磁極４，永久磁石５及びバックヨーク６も同時に左に移動して、エアギャップも小さくなり、弾性部材１４は収縮して、図４（ａ）の上半分の図の状態に戻る。弾性部材１４が収縮して定位置回転プーリ７の回転軸の周りに位置している状態の図が図５である。

図４（ｂ）は、図４（ａ）と同様に遠心力でエアギャップを開閉するものである。図４（ｂ）の固定子及び回転子の構成は図１と同じなので説明は省略する。回転子はバックヨーク２５の外周で第１のプレート２６を固着している。第１のプレート２６は軸心に向かって空洞円錐体形状をなし固定子に固定された軸５０とは非接触あるいはスベリ軸受け１０を介して軸５０に対し回転及び軸方向に移動可能にして回転子と一体的に動けるものである。第１のプレート２６と軸５０で囲まれた空間部にはスラスト方向に移動を固定した第１のプレート２６の内壁面とは逆斜面を有した第２のプレート２７を設ける。その内部すなわち第２のプレート２７と第１のプレート２６の内壁による空間部に１個またはドーナツ状体を複数個に分割した錘１３を配置する。錘１３は、その中心穴部に、錘１３を必要により縮径方向に付勢する弾性部材１４を有し、軸５０の周りに配置する。ドーナツ状体を複数に分割した錘１３は複数球体でもよく、その形状はこの限りでない。１個の球体でもよいが複数の方が遠心力が第１のプレート２６と第２のプレート２７に均等に作用するので好適である。なお、図４（ｂ）の第１のプレート２６は、図４（ａ）の空洞円錐体３０、あるいは図１の可変位置プーリ８に相当し同様な可変ギャップ機能を持つが、電動機の出力はＶ字状ベルト１５で２次側機構へ伝達されるのと異なり、回転体２８に伝達される１次側機構を構成する。尚錘１３の形状はドーナツ状体に限らず、球体状錘を弾性部材１４で連結する等、適宜適応可能である。

その動作は以下のようになる。
この回転電機が負荷を始動させる場合はＢＬＤＣＭ等の特性から始動負荷トルクに見合った最大電流が流れる。アキシャルギャップモータはラジアルギャップモータと比較して大きなアキシャル方向の吸引力が発生し、その吸引力は電流に比例するので図４（ｂ）の軸５０の軸心線の上半図に図示の如く回転子は固定子鉄心１に最小の所定エアギャップで吸引されて始動を開始する。

次にデューティ制御や印加電圧制御等でモータ速度を増加させると、内部誘導電圧が増加して電流が減るので固定子と回転子間に働くスラスト吸引力も減少する。
このとき、錘１３は速度が増加するにつれて、遠心力が発生し回転軸の径方向の遠心力を受けて図４（ｂ）の下半分の図示状態となる。即ち、錘１３は第１のプレート２６と第２のプレート２７の内部壁を外方向に遠心力で押し上げるが第２のプレート２７は固定軸５０に軸方向移動は固定されているので、第１のプレート２６のみが右方向に移動し、回転子も同時に移動してエアギャップは拡大される。そして再び速度を減らすモードになると、回転数の減速時は錘１３には遠心力がなくなるので第１のプレート２６を右側に押す力が消滅し、また低速回転時は電流も増大するのでアキシャルギャップ特有の強力なスラスト吸引力でエアギャップは最小位置まで縮小する。図４（ｂ）で前記回転子あるいは第１のプレート２６の外周にはエクスターナルギヤが形成され、軸方向に定位置で回転する回転体２８の内周には軸方向に伸びるインターナルギヤが噛み合うように形成され、回転子が軸方向に移動しても、それらのギヤは常にかみ合い回転力を回転体２８に伝達できる。インホイール式電気自動車駆動に用いる場合は、回転体２８の外周にタイヤを装着すればよい。以下の説明は図１と同じなので省略する。

図６と図７はＣＶＴの１次側と２次側を同時に図示して説明する図である。モータ部は図１、図４と異なり、固定子と回転子との間のエアギャップが凹凸状にかみ合ってないがアキシャル型回転子とＣＶＴの可変位置プーリ８は合体して同時にスラスト方向に移動できるメリットは有している。なお、回転子は、固定子１９、永久磁石１８及びバックヨーク１７を備えている。その他の部材は図１と同じなので図１と同じ符号を付して説明は省略する。図６は回転電機が始動時においてＶ字状ベルト１５の張力が増大することで可変位置プーリ８は右側に寄せられて永久磁石１８と固定子１９間のエアギャップは最小となっている。この状態では、大きな起動トルクでしかもＣＶＴの１次軸のプーリ間Ｖ溝間は開いた状態なのでＶ字状ベルト１５の径は小さく、減速レシオで起動容易状態である。

ＣＶＴの２次側鍔つき回転軸２０の鍔部はテーパ状形状で、プーリ２１は回転軸２０の軸部を中心軸として回転し、スラスト方向への位置移動を固定すれば、Ｖ字状ベルト１５をバネ２３で加圧し、回転軸２０のテーパ状形状部とで挟持する。バネ２３は、回転軸２０に取り付けたバネストッパ２２によって保持されている。ＣＶＴの１次軸と２次軸間距離は一定なので、１次側でプーリ間Ｖ溝が開けば２次側でベルトがたわむのでバネ２３のバネ加圧力で回転軸２０のテーパ状形状部がＶ字状ベルト１５の内周部にもぐりこみ図６の状態で始動加速に適した状態となる。

図７は一定速度の軽負荷あるいは高速回転に適した状態である。加速が終わり、定速度運転あるいは高速運転では負荷が加速時より大幅に減少するのでＶ字状ベルト１５の張力も減少する。またＢＬＤＣＭの速度―トルク特性の関係から、速度が増加すると、負荷電流は減少していくので、ギャップ吸引力も減少していく。するとバネ１６等の加圧により可変位置プーリ８がＶ字状ベルト１５内部にもぐりこむ。同時にＶ字状ベルト１５の張力が２次側に加わり、プーリ２１はスラスト方向に定位置に固定されているので、回転軸２０のテーパ状形状部はＶ字状ベルト１５の張力で左に移動して、Ｖ溝間隔が開き、図の高速回転に適した状態になる。

また図６、図７でＣＶＴの２次側軸に風車等を取り付けるとＣＶＴ１次側についている回転電機は発電機として使用できる。図６が微風時対応で２次側軸は低速回転なので１次側軸の発電機を増速して回転数を増加させて発電量を大きく出来る。また図７は強風時対応で２次側軸は高速回転するので１次側軸回転を減速して発電量を抑えたり発電機の高速回転による破損を防止したりできる。

［第２の実施形態］
図８と図９は第２の実施形態に係る回転電機をＣＶＴの１次側と２次側を同時に図示して説明する図である。モータ部は図１、図４と同じく、固定子鉄心２４と回転子磁極２５の間のエアギャップが凹凸状にかみ合っているが、凹凸のかみ合う歯数は図を簡素にするために少なく図示してある。アキシャル型回転子とＣＶＴの可変位置プーリは合体して同時にスラスト方向に移動できるメリットを有しているのは同じである。なお、回転子磁極２５は永久磁石１８が取り付けられており、可変位置プーリ８を磁性体で構成してバックヨークをそれで代用した例である。その他の部材は図１と同じなので同一の符号を付して説明は省略する。

また図８と図９の動作は図６と図７の場合と同じなので動作説明は省略するが、図８は回転電機のエアギャップが最小でＣＶＴのＶ溝が最大で、１次側のＶ字状ベルトの径が最小、従ってＣＶＴ２次側のＶ字状ベルト径が最大であり、始動時あるいは加速時の図を示している。図９は逆に回転電機のエアギャップが最大でＣＶＴのＶ溝が最小で、１次側のＶ字状ベルト径が最大、従ってＣＶＴ２次側のＶ字状ベルト径が最小であり、高速回転時の図である。

また図８、図９でＣＶＴの２軸に風車等を取り付けるとＣＶＴ１次側軸についている回転電機は発電機として使用できる。図８が微風時対応で２次側軸は低速回転なので１次側軸の発電機を増速して回転数を増加させて発電量を大きく出来る。また図９は強風時対応で２次側軸は高速回転するので１次側軸回転を減速して発電量を抑えたり発電機の高速回転による破損を防止したりできる。なお、図４（ｂ）に記載した回転電機を適用する場合には、２次側軸を設けずに直接回転体２８に風車等を取り付けて発電機として使用することもできる。

また図１０はモータの固定子鉄心２４及び回転子磁極２５は図８、図９の場合とおなじで、第１の歯部及び第２の歯部を有した凹凸エアギャップであるが、図８、図９のＢＬＤＣＭの場合のような永久磁石１８を用いない場合の図である。所謂レラクタンス式回転電機であり、近年、ＳＲＭとして注目されている回転電機の場合である。軸方向から見たエアギャップ対向部の固定子及び回転子は図２及び図３と同じ図示となる。本機は吸引力で回転するが、エアギャップが小さいほど、またエアギャップ対抗面積が大きいほど、発生トルクも大きくなる。またＢＬＤＣＭと比較して永久磁石がない分、コストは安価であるが、発生トルクは小さいので、ＥＶ用途などには凹凸ギャップ式が必要となる。そしてＢＬＤＣＭほど顕著ではないが、エアギャップが大きい方が高速回転となる。従ってアキシャルギャップ式ＳＲＭに本発明のＣＶＴのデバイスを適用することは有効である。図１０はエアギャップを大きくした高速回転対応の図で示したものである。

回転電機のトルクは鎖交磁束に比例する。鎖交磁束はギャップパーミアンスＰに比例し、Ｐは次式で与えられる。
Ｐ＝μ_０Ｓ／Ｌ （１）
ここで、μ_０：真空の透磁率、Ｓ：ギャップ対向面積、Ｌ：エアギャップ長
しかるに、図１、図８等はモータのエアギャップは凹凸ギャップのため、（１）式より考察すれば、対向面積Ｓは容易に従来型の２倍〜３倍になる。従ってパーミアンスＰも２から３倍でトルクもＰに比例して増加できる。従って、ラジアルギャップ式モータに比べて、アキシャルギャップ式モータの欠点であったエアギャップ大によるトルク小が改善される。ラジアルギャップ式モータに凹凸エアギャップを適用しようとすると固定子と回転子の組み立てが容易にはできないがアキシャルギャップ式モータなら簡単であることは前述した。本発明は圧粉鉄心を用いるが、圧粉の珪素鋼鈑に比べた透磁率の悪さも、この凹凸ギャップ効果でカバーされる。ここで固定子と回転子が平面で対抗する所謂プレーンギャップ式アキシャルモータに対して凹凸ギャップ式アキシャルギャップモータの特徴を述べる。

ギャップ長Ｌを変化させた時のトルクＴとの特性を比較すると図１１及び図１２の如くなる。図１１（Ａ）（Ｂ）はプレーンギャップ式であり、回転子の永久磁石１８がエアギャップを保持して直接固定子１９と対向している。（Ａ）はエアギャップがＬ１と狭い場合、（Ｂ）はＬ２に拡大された場合の図である。これに対して、図１１の（Ｃ），（Ｄ）は凹凸ギャップ式アキシャルギャップモータの場合であり、（Ｃ）はエアギャップがＬ１と狭い場合、（Ｄ）はＬ２に拡大された場合の図である。図１２を参照して、エアギャップが同じＬ１でも、凹凸ギャップ式はプレーンギャップ式のトルクの２倍程度でエアギャップＬを増加していくと、プレーンギャップ式はギャップ距離Ｌの自乗に反比例してトルクが減少するが、凹凸ギャップ式はギャップＬがＬ２までは常に固定子と回転子の第１及び第２の歯部がラジアル方向で対向しているので、トルクは図示の如くほぼ線形に減少する。線形に減少することはギャップＬの可変制御でトルクを線形に制御できるものであり、ＥＶ用モータとして使用した場合、車の低速から高速までの制御が容易となる。さらに試作した結果から判明したことであるが、本発明モータはアキシャルギャップ式モータでありながら、ラジアルギャップ式の対向部が存在しているので、騒音がプレーンギャップ式アキシャルモータに対して、大幅に低いメリットもある。

図１３はＢＬＤＣＭのアキシャル可変ギャップ式モータのエアギャップを可変した時の特性を説明するための図である。エアギャップが最小の場合の速度―負荷トルク特性が実線（１）でそのときの電流―負荷トルク特性が点線（２）である。エアギャップを最小で実線（１）の速度―負荷トルクカーブにおいて始動トルクＴ１、速度Ｎ１で始動する時、電流Ｉ１は最大電流に近く、アキシャル方向吸引力が大きくなり、予圧バネ力より大きく設定されていれば、最小エアギャップを保持して大トルクで始動後、モータは増速していく。増速するに伴い、負荷トルクが減少し、負荷電流も減少していく。するとアキシャル方向吸引力も減少するので、エアギャップはバネ予圧の方が大きくなり、エアギャップが増大していく。そして所定のエアギャップまでギャップ長が増加した最大エアギャップ時の速度―負荷トルク特性が実線（３）でそのときの電流―負荷トルク特性が点線（４）である。そのときの負荷トルクがＴ２で電流がＩ２となる。即ち、本発明モータの速度―負荷トルク特性は実線（１）から実線（３）へと無段階に連続変化して負荷を始動、加速させる。もし速度―負荷トルク特性がエアギャップ固定で実線（１）のみであれば負荷トルクＴ２時、速度はＮ２までしか、増加しないが、本発明の可変エアギャップモータで速度―負荷トルク特性（３）上のＮ３まで増速できるものである。これを強め界磁で（１）とし、弱め界磁制御で（３）となるように行えば、余分な励磁コイルや界磁制御電力、あるいは複雑なベクトル制御回路等が必要になる。

以上の説明は主にアキシャルギャプ式ＢＬＤＣＭで固定子と回転子の対向面を凹凸かみ合いの場合で説明したが円弧あるいは３角状の歯対向にしても十分な効果を有する。また永久磁石を使用しないＳＲＭでも固定子と回転子の対向面を凹凸や円弧あるいは３角状の歯対向にすれば十分な効果を有する。ＳＲＭの場合は、図１３に示した速度―トルク曲線がＢＬＤＣＭほどきれいな直線とはならないが、エアギャップを増加していけば特性曲線は概略（１）から（３）への傾向で変化する。従って本発明のＳＲＭへの展開も永久磁石不要の安価なモータで行えるため有益である。

本発明によるアキシャルギャップ式回転電機は、安価で堅牢で軽薄短小、高トルク化、高効率化、さらに低騒音に適した、シンプルにして、きわめて実用的なものである。従って工業的に大きな貢献が期待される。

１、１９、２４ 固定子鉄心
２ 巻き線
３、９ スペーサ
４ 回転子磁極
５、１８ 永久磁石
６、１７、２５ バックヨーク、または回転子支持体、
７ 定位置回転プーリ
８ 可変位置プーリ
１０ スベリ軸受け
１１ 軸受
１２、２６，２７ プレート
１３ 錘
１４ 弾性部材
１５ Ｖ字状ベルト
１６、２３ コイルバネ
２０ ２次側鍔つき回転軸
２１ ２次側プーリ
２２ バネストッパ
２８ 回転体
３０ 空洞円錐体
５０ 軸

Claims (8)

1. 固定子と、
   前記固定子に対して回転軸方向にエアギャップを介して回転可能に配置された回転子と、
   前記回転子の軸心と同軸心に回転する１次側機構を備えた回転電機において、
   前記１次側機構は、回転軸方向に移動不能に配置された定位置回転プーリと、前記定位置回転プーリに対して前記回転軸方向に沿って移動可能に配置された可変位置プーリとを備え、
   前記可変位置プーリが、前記回転子と一体に回転且つ軸方向に移動するものであることを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記可変位置プーリは、前記回転子との間に円錐体内部状空間部を有し、その空間部内で軸方向に移動不能に設けられた前記円錐体内部と逆方向に傾斜面を有するプレートとでできる空間内で前記回転軸の周方向に１個または複数に分割配置された錘を備え、
   前記錘は、必要により縮径方向に付勢する弾性部材によって一連に組み付けられることを特徴とする回転電機。
3. 請求項１又は２に記載の回転電機において、
   前記回転子は、偶数極で周方向に異極性に磁化された永久磁石を備えることを特徴とする回転電機。
4. 請求項１又は２に記載の回転電機において、
   前記回転子は、永久磁石を備えないことを特徴とする回転電機。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の回転電機において、
   前記固定子は、同心円弧的で軸方向に第１の歯部を突き出して有した複数の巻き線用突極鉄心を有するとともに、巻き線軸が前記回転軸と平行に形成された前記巻き線用突極鉄心を周方向に複数分布配置した固定子鉄心部を備え、
   前記回転子は、複数の磁性体による回転子磁極が周方向に分布されて各々の回転子磁極は同心円的で軸方向に前記第１の歯部と前記エアギャップを介して噛み合うように対向配置された第２の歯部を突き出して有することを特徴とする回転電機。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の回転電機において、
   前記１次側機構及び２次側機構の定位置及び可変位置プーリで可変幅Ｖ溝を形成してＶ字状ベルトを架け渡して無段変速機構を構成したことを特徴とする回転電機。
7. 請求項６に記載の回転電機において、
   前記固定子又は前記回転子の何れかの巻き線を有する方へ電力を入力して前記１次側機構機を回転させて前記２次側機構から出力を得ることを特徴とする回転電機。
8. 請求項６に記載の回転電機において、
   前記２次側機構に風力、水力又はエンジンなどの外力によって駆動力を入力し、１次側機構に設けられた回転電機を発電機として用いることを特徴とする回転電機。

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