JP2016144265A - アウターロータ型可変界磁式モータ - Google Patents

Abstract

【課題】回生ブレーキとして使用の際も、負荷トルクの大きさに合わせて自動的に可変界磁することができるアウターロータ型可変界磁式モータを提供する。【解決手段】アウターロータ７を、モータ軸方向にスライドする内側ロータ本体７２と、外側ロータ本体７１との分割構造とし、前記内側ロータ本体７２の内面側に配設される永久磁石として、主磁石６Ａと副磁石６Ｂを軸方向に間隙ｇを置いて並設し、これら主磁石６Ａと副磁石６Ｂの磁石特性を互いに逆向きに構成し、前記内側ロータ本体７２にカムフォロア７５を配置するとともに前記外側ロータ本体７１に軸方向のカム面７３ａを形成し、前記カムフォロア７５をモータ軸４に加わる負荷に応じて前記カム面７３ａに沿って移動可能に構成し、前記アウターロータ７を前記ステータ５に対して前記モータ軸方向に実質的にスライド運動させる。【選択図】図１

Description

本発明は、整流子型モータ(ブラシ付きＤＣモータ)や回転界磁型モータ(永久磁石ロータ型モータ)を用いて、正、逆回転方向ともに、負荷トルクの大きさに合わせて自動的に可変界磁する(変速する)アウターロータ型ブラシレスモータの構造に関し、永久磁石と電磁石のコアとの相対的な位置をモータ軸方向にずらして、相互の重なり代(重なり量)を変えることにより可変界磁(弱め界磁等)を行う電動モータであって、詳しくは、カムを使って可変界磁を行うとともに永久磁石と電磁石相互の相対的な移動量(可動範囲)に対し、可変界磁の効果を1列磁石式の約２倍程度に大きくすることができるアウターロータ型可変界磁式モータに関する。

可変界磁式や自動可変界磁式モータは、一般のモータに比べると構造が複雑になるため大きく、重く、製造コストが高くなる。このことから、可変界磁するための機構は、極力簡単で軽く、小さくすることが望まれる。
経時変化(劣化)も大きくなるため、運転時に定期的なメンテナンスが必要になる。

周知のように、送風ファンやコンプレッサのように、長時間にわたり定格出力一杯で使用する電動モータがある。一方で、電気自動車や電動バイクのように低速から高速、高トルクから低トルクへと出力特性を自由に変えられる電動モータが求められる場合がある。動力特性を変える必要があるときでも、モータ自体の特性は変えずに機械式変速機等を使って特性を変える方式もある。この場合、動力源全体の装置の大きさ、重さ、コスト、寿命(経時変化)、騒音(振動)などの課題が生じる。また、油圧や電動装置等を使って可変界磁を行いモータの動力特性を変える方法がある。この場合、通常のモータに比べて機構や制御が複雑になり装置全体の大きさ、重さ、コスト、寿命(経時変化)、メンテナンス(保守)などの課題が生じる。

図1６に示すように、同じ出力のＤＣモータでも低速回転・高トルク特性のモータ（１速）←（自動車のマニュアル式変速機のローギヤの特性に似ていることからこのように表現した）から、高速回転・低トルク特性のモータ(5速)のような特性の違うモータがある。
一般に、前者は直径が大きく偏平型のモータ形状、後者はペンシル型の細いモータ形状のものが多い。電気自動車を例にとると、前者は坂道を重い荷物を積んで登る車の動力として好都合なモータ特性である。しかし、変速機等がなければ、負荷が軽い平坦な道路でも、スピードが上がらない。
また、後者は平坦な道を高速で走る車の動力として好都合なモータ特性である。しかし、こちらも変速機等がなければ、急な坂道を登る際や急加速をする際など車の推進力が不足する。

モータに加える電力量を増減すれば、図１６に示す(1速)〜(5速)のような、いかなる特性のモータであっても、電気自動車や電動バイクのように低速から高速、高トルクから低トルクへとモータの出力を自由に変えられる電動モータとして使用できるように思われる。しかし、モータの特性(グラフの傾き)が変わらない以上、そのモータに加える電力量を無理やり増減しても各Ｔ−Ｎ特性線は平行移動するだけで、トルクや回転速度だけを単独に増減することには限りがある。例えば、高速回転、低トルク特性の(5速)のモータを使って、加える電力量(電圧)を無理やり増加させて高トルクを得ようとしても、トルクは(1速)のモータのようには上がらず、モータは許容出力を越えて発熱し、焼損する。

ロータの回転速度の上昇にともなって誘導起電圧定数を自動的に小さくする(弱め界磁を行う)直巻きモータと呼ばれるモータがある。同モータの原理図を図１７に示す。
通常、ブラシ付きＤＣモータの界磁は永久磁石で構成される。しかし、図１７で示すように界磁を電磁石式にして電機子コイル１０１と界磁コイル１０２を直列に接続すると、回転速度の上昇にともなって自動的に可変界磁(弱め界磁)する機能をもたせることができる。電機子コイル１０１と界磁コイル１０２を直列に接続するこの方式のモータを、直巻きモータと言う。この他に、電機子コイル１０１と界磁コイル１０２を並列に接続する分巻きモータや、界磁コイルの一方だけを直列に接続し、残る一方を電機子コイルと並列に接続した複巻きモータと呼ばれるモータがある。また、電機子コイルと界磁コイルを独立して接続する他励磁式のモータもある。ここでは、図１７の直巻きモータについて説明する。

直巻きモータは、図１６に示すＴ−Ｎ線図の傾きを回転速度の大小によって自動的に変える、いわゆる自動的に可変界磁するモータである。モータ起動時には電機子コイル１０１、界磁コイル１０２は巻線抵抗だけなので大電流が流れる。この時、界磁は磁束密度が高く電機子コイル１０１にも大電流が流れるため、大きな起動トルクを得ることができる。モータが回転速度を上げると、電機子コイル１０１には誘導起電圧による逆起電圧が発生し、電池１０５から供給される電圧に対して逆向きに作用する。このことにより、電機子コイル１０１と界磁コイル１０２に流れる電流が減少し界磁の磁束密度が低下する。誘導起電圧定数が小さくなり、弱め界磁の機能が生まれる。
図１７に示す直巻きモータにはブラシ１０３や整流子１０４があるため、経時変化(摩耗や劣化)が大きい。また、図１７に示す直巻きモータは、回転速度の上昇によって自動的に弱め界磁する方式である。

整流子型モータ(ブラシ付きＤＣモータ)や回転界磁型モータ(永久磁石ロータ型モータ)において、永久磁石と電磁石のコアとの相対的な位置をモータ軸方向にずらして、相互の重なり代(重なり量)を変えることにより可変界磁を行う電動モータ（特許文献１）が知られている。
特許文献１（特開２０１４−５０２５１）に記載の可変界磁モータは、正回転方向(電動バイクでは前進時)だけ機能するが、逆回転方向や回生制動の際には自動的に可変界磁はしない。また、カムとカムフォロアが中心軸付近にあるため変位量(リフト量)が大きい時、圧力角が大きくなってしまいカムフォロア(特許文献１では、ピン)に過大な力が加わり摩耗が著しい。
特許文献１の技術によると、相互(永久磁石と電磁石)の相対的な可変量は実用的ではない程に、小さく開示されている。特許文献１には、可変量がステータコアの積み厚の25％程度になっており、可変界磁の量を大きくすると、ロータのずらし量(可動範囲)が大きくなり、バネの長さも大きくなるため、このようなモータの全長は、さらに長くなる。

特開２０１４−５０２５１号公報 特開２０１１−５０２０６号公報 特開２００８−１４１９００号公報 特開２００８−２１６１１０号公報 特開２０１０−５７２０９号公報 特開２０１０−５１１５９号公報 特開２００８−２５９３６４号公報

前記特許文献１の可変界磁モータは、正回転方向だけ機能するが、逆回転方向や回生制動の際には可変界磁はしない。電動バイク等の動力源として使用する際、前進時は負荷トルクの大きさに合わせて自動的に可変界磁するが、回生制動時に可変界磁はしない。また、電気自動車等の動力源として使用する際、後退時や回生制動時にも可変界磁はしない。

さらに、特許文献１の可変界磁モータは、バネとロータがモータの出力軸方向に(直列に)並んでいるので長い。また、ロータのスライド運動を支持している軸受が、モータの出力軸方向に(直列に)並んでいるので、モータの出力軸方向に長くなる課題がある。特許文献１の図では、ロータとステータコアの重なり代が７５％から１００％程度まで可変できるに留まる。従って、可変界磁量は２５％程度と極めて小さい。
そして、特許文献１の可変界磁モータは、可変界磁の量を大きくすると、ロータのずらし量（可動範囲）が大きくなりバネの長さも大きくなる為、このようなモータの全長は、さらに長くなる。

さらに、特許文献１の可変界磁モータは、ＩＰＭ(埋込磁石型)構造で、ステータとロータ双方に電磁鋼板を積層して使用している。一般に、インナーロータ型はアウターロータ型に比べて最大トルクが小さい。必要なトルクを得るため、モータの直径を大きくするか、ロータとステータコアの軸方向長さ(積み厚)を大きくする必要がある。結果、モータは重くなる。
またさらに、特許文献１の可変界磁モータは、インナーロータ型でＩＰＭ(埋込磁石型)のため、モータ重量当たりのトルクは小さい。一般に、インナーロータ型のモータは高速回転、低トルク特性のものが多い。インナーロータ型のモータはトルクを大きくするために減速機を使うか、ロータとステータの直径を大きくする必要がある。
このように、特許文献１の可変界磁モータは、カムとカムフォロアが中心軸付近にあるためカムの周長が短く、変位量(リフト量)を大きくできない。変位量(リフト量)が大きいと、圧力角が大きくなりカムフォロア(特許文献１では、ピン)に過大な力が加わるため、ピンとカムが著しく摩耗する。

特許文献１の他、特許文献２、特許文献５、特許文献６、特許文献７、特許文献３等は、水、泥水、砂埃などに対して耐環境性が悪い。
特許文献２、特許文献５、特許文献６、特許文献７、特許文献３等はステータを動かす構造のため電線が屈曲疲労し破断することがある。

本発明は、正、逆回転方向ともに、負荷トルクの大きさに合わせて自動的に可変界磁する(変速する)アウターロータ型ブラシレスモータであり、本発明によって、必要な可変界磁の効果(の量)を低下させることなく、相互(永久磁石と電磁石)の相対的なずらし量(可動範囲)およびモータの全長を短くすることができ、可変界磁動作の追従性を素早くすることができるアウターロータ型可変界磁式モータを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、ステータに対して該ステータの径方向外側に配置されたアウターロータをモータ軸方向にスライド運動させて可変界磁を行うアウターロータ型可変界磁式モータにおいて、前記アウターロータを、モータ軸方向にスライドする内側ロータ本体と、外側ロータ本体との分割構造とし、前記内側ロータ本体の内面側に配設される永久磁石として、主磁石と副磁石を軸方向に間隙を置いて並設し、これら主磁石と副磁石の磁石特性を互いに逆向きに構成し、前記内側ロータ本体にカムフォロアを配置するとともに前記外側ロータ本体に軸方向のカム面を形成し、前記カムフォロアをモータ軸に加わる負荷に応じて前記カム面に沿って移動可能に構成し、前記アウターロータを前記ステータに対して前記モータ軸方向に実質的にスライド運動させることにある。
前記内側ロータ本体の基端側に前記主磁石を、先端側に前記副磁石をモータ軸方向に隣接して配置し、前記アウターロータの前記モータ軸方向のスライド運動は、外側ロータ本体に設けられたカム面と、前記モータ軸と平行に配置された弾発機構によりモータ軸方向にスライドする内側ロータ本体の軸方向位置を制御することでおこなう。
前記主磁石を前記副磁石よりモータ軸方向に大型とし、モータが高速時に前記副磁石が前記ステータのステータコアとモータ軸方向において完全に重複するように制御して行うことにある。
前記主磁石を前記副磁石よりモータ軸方向に大型とし、モータが低速時に前記主磁石が前記ステータのステータコアとモータ軸方向において完全に重複するように制御して行うことにある。

本発明によるアウターロータ型可変界磁式モータによれば、高トルクが出し易く、薄型が可能であり、ステータコイルが巻き易い等の効果がある。アウターロータのスライド量は、カム面とバネによる制御だけであり、構造が簡単である。可変界磁にカムフォロアとカム面を利用するが、インナーロータ型に比べてカムフォロアの数や大きさに自由度があることから耐久性を確保し易い。アウターロータのモータ軸方向のスライド量を少なくすることができる。前記アウターロータを、モータ軸方向にスライドする内側ロータ本体と、外側ロータ本体との分割構造とし、内側ロータ本体の内面側に配設される永久磁石として、主磁石と副磁石を軸方向に間隙を置いて並設し、これら主磁石と副磁石の磁石特性を互いに逆向きに構成したので、主磁石と副磁石が電磁石コアに対してモータ軸方向に同時に移動する。この移動により主磁石の作用が増加し、副磁石の副作用が同時に減少することにより、１列の磁石式に比べてより大きな可変界磁の効果が得られる。主磁石と副磁石は、磁石の極性が逆向きに並ぶので、接触状態では相互に吸着して、接触部の近傍では磁石の作用が低下する。主磁石と副磁石を軸方向に間隙を置いて並設しているので、主磁石と副磁石を独立して機能させることができ、磁石の作用が低下することがない。

アウターロータ型ブラシレスモータに適用した本発明の実施の形態による負荷トルクの大きさに合わせて自動的に可変界磁するアウターロータ型可変界磁式モータの構造を示す縦断面図である。 カムのカムフォロアを押し付けるためのバネの構造を示す図１の部分拡大断面図である。 図１のバネ座を示す図である。 磁石、ヨーク、ステータ、磁気センサ等の位置関係を示す正面図である。 （ａ）はアウターロータ型可変界磁式モータの外観を示す正面図である。（ｂ）は内側ロータ本体と外側ロータ本体を示す図５（ａ）の右側面図である。 図１のアウターロータ型可変界磁式モータで、負荷トルクが２５％程度の状態の磁石の位置を示す断面図である。 図１のアウターロータ型可変界磁式モータで、負荷トルクが５０％程度の状態の磁石の位置を示す断面図である。 図１のアウターロータ型可変界磁式モータで、負荷トルクが７５％程度の状態の磁石の位置を示す断面図である。 図１のアウターロータ型可変界磁式モータで、負荷トルクが１００％程度の状態の磁石の位置を示す断面図である。 負荷トルクが２５％程度の状態の誘導起電圧の波形を示す波形図である。 負荷トルクが５０％程度の状態の誘導起電圧の波形を示す波形図である。 負荷トルクが７５％程度の状態の誘導起電圧の波形を示す波形図である。 負荷トルクが１００％程度の状態の誘導起電圧の波形を示す波形図である。 内側ロータとステータコアの相対的な位置を示した展開図で、（ａ）は負荷トルクが１００％以上の時の位置関係、（ｂ）は負荷トルクが７５％程度の時の位置関係、（ｃ）は負荷トルクが５０％程度の時の位置関係、（ｄ）は負荷トルクが２５％程度の時の位置関係を示す図である。 本発明の他の実施の形態によるアウターロータ型可変界磁式モータの構造を示す縦断面図である。 従来のモータの回転速度とトルク特性を表す線図である。 従来の回転速度の上昇に伴って界磁電流も自動的に減少する直巻きモータの原理を示す図である。

以下本発明によるアウターロータ型可変界磁式モータの実施の形態を、図１から図１４に示す図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、ブラシレスモータに適用した正逆回転方向ともに負荷トルクの大きさに合わせて自動的に可変界磁する開放型のアウターロータ型可変界磁式モータの構造を示したものである。図２は図１のアウターロータ型可変界磁式モータのカムとカムフォロアの作用によって内側ロータ本体が移動した状態を示す図である。

図１および図２において、本実施の形態に係るアウターロータ型可変界磁式モータは、モータ本体１と、このモータ本体１の円筒部１ａ内周面側に一対の回転軸受２、３を介して回転自在に支持されたモータ軸４と、前記円筒部１ａ外周面側に設けられたステータ５と、前記モータ軸４の一端部に支持されるとともに前記ステータ５の外周側に一定間隔を置いて磁石６を軸方向に移動可能に配置されたアウターロータ７とを備えている。

前記モータ本体１は、前記円筒部１ａの一端外周面側に端板１ｂが設けられており、この端板１ｂの内側に設けられた複数のボス部１ｃに基板８がネジ９を介して取り付けられている。前記円筒部１ａの内周面側には滑り軸受１０が設けられ、この滑り軸受１０の内面側に隙間を設けて前記回転軸受３が軸方向に摺動可能に配置されている。
図示左側の回転軸受２は、モータ本体１に対しモータ軸４を回転だけの1自由度で支える。右側の回転軸受３は、モータ軸４を半径方向にだけ支える。同軸受３は内輪をモータ軸４外周面に摺動可能に配置し、外輪を滑り軸受１０の内面側に隙間を置いて組み付けられている。このため、同軸受３は、後述する内側ロータ本体７２のスライド運動に伴って、モータ軸方向に可動する。滑り軸受１０は右側の回転軸受３の外輪を、隙間をもって摺動可能に支持している。

前記回転軸受２と前記回転軸受３との間には、軸方向に対して付勢力を付与する弾発機構としての複数のコイルバネ１１が前記モータ軸４の周囲に円周方向に一定間隔を置いて配置されている。前記コイルバネ１１は、図３に示すように前記円筒部１ａの内面に配置された一対の円板状のバネ座１２に両端部が係止されている。前記一対のバネ座１２は前記回転軸受２と前記回転軸受３の間に対向して配置されており、円周方向に一定間隔で配置された前記コイルバネ１１の両端部を支持している。前記回転軸受３側に配置されたバネ座１２は、回転軸受３の摺動とともに軸方向に摺動可能に配置されている。

前記ステータ５は、鋼板を積層したステータコア５１と、ステータコア５１に組み付けられたインシュレータ５２に巻回されたステータコイル５３で構成され、取り付けネジ５４を介して前記円筒部１ａの外周面側に組み付けられている。前記ステータコイル５３の両端部は前記基板８の回路に接続されており、この回路に接続されている外部の動力線と制御線からなる電線１３によって駆動電力および制御信号が送られる。前記ステータコア５１は、図４に示すように角度４０度ごとに極歯５１ａを９つ形成したもので、前記各極歯５１ａに巻線５３ａを巻回して前記ステータコイル５３を構成している。前記ステータコア５１には、絶縁素材で成形したインシュレータ５２を予め組み付けてステータコア５１とステータコイル５３の絶縁を保持している。

前記アウターロータ７は、前記モータ軸４の基端部に中心部が装着された有底円筒体状の外側ロータ本体７１と、該外側ロータ本体７１の内側に前記モータ軸４の軸方向に摺動可能に配置された有底円筒体状の内側ロータ本体７２とで２分割に構成されている。前記外側ロータ本体７１の外周部円筒部７１ａの端面には、図５（ｂ）に示すように、円周方向に沿って軸方向に傾斜面をした凹部のカム面７３ａを形成するように湾曲したカム７３が図示例では円周方向に所定間隔で３か所形成されている。このカム７３のカム面７３ａの形状は、前記モータ軸方向に谷を設けた略Ｖ字形状に形成されている。
このカム７３のカム面７３ａは、略Ｖ字形状に形成した谷の底部７３ｂの最下点７３Ａから両側に徐々に上がる傾斜部７３ｃを形成し、谷の上部７３ｄの最上点７３Ｂでは互いに向かい合う方向の略半円を描くように湾曲したストッパ部７３ｅを形成している。

一方、前記内側ロータ本体７２の外周部円筒部７２ａには、径方向のカムフォロア軸７４が正三角形を形成するように各頂点位置に装着されており、このカムフォロア軸７４には前記カム面７３ａに沿って転動して移動するカムフォロア７５がそれぞれ装着されている。前記内側ロータ本体７２の中心側基端部７２ｂは、リング状の回転滑り軸受７６に装着されており、この回転滑り軸受７６は軸線上に、前記モータ軸４が挿通されて回転かつ摺動可能に支持されている。この回転滑り軸受７６は、図１に示すように右側回転軸受３の内輪右側面と滑り接触し、モータ軸４とは回転と滑り接触する。

１４は、前記ステータ５のステータ極歯５１ａ相互間に配設された回転位置検出用磁気センサであり、この回転位置検出用磁気センサ１４は、ステータ５に対する内側ロータ本体７２の主磁石リング６_１に設けられた主磁石６Ａの回転方向の位置を検出する。内側ロータ本体７２のモータ軸方向の位置は検出しない。図１および図２に示すように、内側ロータ本体７２がモータ軸方向にスライドしても、全域においてステータ５に対する内側ロータ本体７２（主磁石６Ａ）の回転方向の位置を検出することができる。１５は前記回転軸受２，３間にできた空気室の体積変化に伴う圧力変動を、大気に逃がし緩和するための通気口である。

前記内側ロータ本体７２の外周部円筒部７２ａは、前記外側ロータ本体７１の外周部円筒部７１ａに対して軸方向の長さを長く形成されており、前記内側ロータ本体７２の外周部円筒部７２ａの内面側に、主磁石６Ａと副磁石６Ｂが間隙ｇを置いて軸方向に並べて構成された磁石６が装着されている。前記主磁石６Ａと副磁石６Ｂは磁石特性を互いに逆向きに構成している。

前記主磁石６Ａは、Ｎ極の極性が内周側で、Ｓ極の極性が外周側に配置された永久磁石６１Ａと、Ｓ極の極性が内周側で、Ｎ極の極性が外周側に配置された永久磁石６２Ａとを円周方向に交互に配置して６組の極を形成している。一方、前記副磁石６Ｂは、Ｎ極の極性が内周側で、Ｓ極の極性が外周側に配置された永久磁石６１Ｂと、Ｓ極の極性が内周側で、Ｎ極の極性が外周側に配置された永久磁石６２Ｂとを円周方向に交互に配置して６組の極を形成している。図４で（６１Ｂ）、（６２Ｂ）で示された符号は、円周方向に６０度ずらせて主磁石６Ａと極性を変えて配置された副磁石６Ｂの永久磁石６１Ｂ、永久磁石６２Ｂの位置を示したものである。

これらの永久磁石６１Ａおよび永久磁石６１Ｂと、永久磁石６２Ａおよび永久磁石６２Ｂは、前記内側ロータ本体７２の外周部円筒部７２ａの内面側に円筒状の主ヨーク６３Ａおよび副ヨーク６３Ｂを介して組み付けられている。ヨーク６３Ａおよび６３Ｂは磁路を形成するものでヨーク止めネジ６４を介して前記内側ロータ本体７２の外周部円筒部７２ａに装着されている。

前記主磁石６Ａおよび副磁石６Ｂは、図４に示すように、主ヨーク(磁路)６３Ａおよび副ヨーク６３Ｂの内側に設置されて、主磁石リング６_１と副磁石リング６_２が形成されており、それぞれ半径方向に着磁されている。前記主ヨーク６３Ａおよび副ヨーク６３Ｂは、内側ロータ本体７２の外周部円筒部７２ａの内側に設置されている。表面磁石型のアウターロータ型の磁石は、インナーロータ型の磁石に比べて、遠心力等で脱落することが少ないので脱落防止リングは不要なことが多い。このことから、前記主磁石６Ａおよび副磁石６Ｂはステータコア５１に対して半径方向に、より接近できる。このため、発生する最大トルクも大きくなる。主磁石リング６_１と副磁石リング６_２の厚さの比は、副磁石リング６_２の厚さ（軸方向長さ）＝３／８×主磁石リング６_１の厚さ（軸方向長さ）の関係となっている。

次に、前記内側ロータ本体７２とカム７３とカムフォロア７５の関係を説明する。
前記内側ロータ本体７２の内側に、主磁石リング６_１と副磁石リング６_２を、モータ軸方向に磁気的な隙間ｇを空けて設置し、磁石の作用が低下するのを防止する。前記内側ロータ本体７２の外周にはカムフォロア７５を円周方向に一定間隔で３個設置する。前記内側ロータ本体７２は、図１および図２に示すように、コイルバネ１１とバネ座１２によって中心付近を同図の右方向に押される。前述のように、３組のカム７３とカムフォロア７５は、モータを正面から見て正三角形に配置する。

このことにより、内側ロータ本体７２は三脚が安定して立つように、外側ロータ本体７１(３か所のカム面)に支えられて安定して回転とスライドの相対運動をする。内側ロータ本体７２の半径方向の位置決めを、図１と図４に示すようにモータ軸４に隙間をもたせて嵌合した回転滑り軸受３によって行う。

内側ロータ本体７２は、モータ軸４(外側ロータ本体７１と一体になっている)が受ける負荷トルクの大きさによって、外側ロータ本体７１との相対的な回転方向の位置が変わる。この時、外側ロータ本体７１と内側ロータ本体７２に設けたカム７３とカムフォロア７５の作用によって内側ロータ本体７２は、外側ロータ本体７１に対してモータ軸方向の位置も変わる。

図１の例では、モータ軸４が受ける負荷トルクの大きさが最大トルクの２５％程度以下の時に、内側ロータ本体７２は外側ロータ本体７１に最も接近した状態にある。図６から図９にも、負荷トルクが２５％程度以下から１００％以上のトルクを受ける時のステータコア５１に対する相対的な磁石６の位置として示す。図６から図９では、４段階の状態を示すが、内側ロータ本体７２はモータ軸４に加わる負荷トルクの大きさによってモータの軸方向に無段階にスライドし、磁石６とステータコア５１の重なり代が無段階に変わる。

図６は、負荷トルクが２５％程度の状態の磁石６の位置を示したもので、副磁石６Ｂの軸方向先端が、ステータコア５１の先端と略一致する位置に移動し、主磁石６Ａの基端部側が、ステータコア５１の基端から外れてステータコイル５３の端部位置に移動している。

図７は、負荷トルクが５０％程度の状態の磁石の位置を示したもので、副磁石６Ｂの軸方向先端が、ステータコア５１の先端より先のステータコイル５３の中間位置と略一致する位置に移動し、主磁石６Ａの基端部側が、ステータコア５１の基端から外れて反対側のステータコイル５３の中間位置と略一致する位置に移動している。

図８は、負荷トルクが７５％程度の状態の磁石の位置を示したもので、副磁石６Ｂの軸方向先端が、ステータコア５１の先端より先のステータコイル５３の先端位置近くと略一致する位置に移動し、主磁石６Ａの先端が、ステータコア５１の先端近くに移動し、主磁石６Ａの基端部側が、ステータコア５１の基端からわずかに外れて反対側のステータコイル５３にわずかに一致する位置に移動している。

図９は、負荷トルクが１００％程度の状態の磁石の位置を示したもので、副磁石６Ｂの軸方向先端が、ステータコア５１の先端より先のステータコイル５３の先端位置と略一致する位置に移動し、主磁石６Ａの先端が、ステータコア５１の先端に略一致する位置に移動し、主磁石６Ａの基端部側が、ステータコア５１の基端に略一致する位置に移動している。

この時の、誘導起電圧を図１０〜図１３に示している。各図面で、一点鎖線は主磁石６Ａの波形を示し、破線は副磁石６Ｂの波形を示し、実線は主磁石６Ａと副磁石６Ｂの合成波形を示している。図１０は、負荷トルクが２５％程度の状態の誘起起電圧波形を示している。図１１は、負荷トルクが５０％程度の状態の誘起起電圧波形を示している。図１２は、負荷トルクが７５％程度の状態の誘起起電圧波形を示している。図１３は、負荷トルクが１００％程度の状態の誘起起電圧波形を示している。
このことにより、モータは自動的に可変界磁することが示されている。

この時のコイルバネ１１の作用を説明する。
前述のようにコイルバネ１１は、外側ロータ本体７１の外周部に設置したカム７３に、内側ロータ本体７２の外周に設置したカムフォロア７５を押し付ける。コイルバネ１１の力は、図１に示すように、コイルバネ１１、右側のバネ座１２、右側の回転軸受３の内輪、回転滑り軸受７６、内側ロータ本体７２、カムフォロア７５、カム７３、外側ロータ本体７１、モータ軸４、左側の回転軸受２の右側の軸止め輪２２、左側のバネ座１２と伝わり、力はコイルバネ１１に戻っている(力は閉じている)。このようにコイルバネ１１の力は、モータ軸４の回転を支える両回転軸受２，３に対しスラスト力として働かないので、コイルバネ１１の力は直接にはモータ軸４の回転負荷抵抗にはならない。

図３に示すように、コイルバネ１１はモータ軸４の周りに複数本(図３では、６本の例を示す)並べて設置する。コイルバネ１１を複数本に分けることにより、バネ加重を分担することができ、コイルバネ１１の線径を小さくできる。図１に示すように密着長さが小さい場合でも、個々のコイルバネ１１の巻数を多くすることができるため、より広い範囲でバネ定数を設定できる。また、コイルバネ１１を設置する空間の利用効率も上がる。コイルバネ１１は両端をバネ座１２に設けた座グリ穴によって支持される。コイルバネ１１の力はバネ座１２でまとめられ、モータ軸４に近い部分に設けた突起(座)により、モータ軸４に近い部分で次部品に伝えることができる。

カム７３とカムフォロア７５の関係を図５（ｂ）および図１４（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）により説明すると、カム７３はモータ正面からみて外側ロータ本体７１の外周部に、カムフォロア７５は内側ロータ本体７２の外周部にそれぞれ正三角形になるよう配置する。図１と図１４（ｄ）の右側は、モータ軸４が受ける負荷トルクの大きさが最大トルクの２５％程度以下の時を表す。この位置で外側ロータ本体７１と内側ロータ本体７２は最も接近する。この最下点７３Ａで、カム７３とカムフォロア７５の運動中の衝撃を緩和するために、カムフォロア７５のローラの半径に対しカム７３の接触面の半径を少し大きくする。

図２と図１４（ａ）は、モータ軸４が受ける負荷トルクの大きさが最大トルク１００％以上を受ける時を表す。この最上点７３Ｂでも、カム７３の接触面の半径を少し大きくする。最上点７３Ｂには、図５（ｂ）、図１４（ａ）に示すようにストッパ部７３ｅを設ける。最下点７３Ａと最上点７３Ｂを結ぶカム面７３ａは曲面で結ぶ。図１４（ｂ）は、負荷トルクが最大トルクの７５％程度の時を表す。また、図１４（ｃ）は、負荷トルクが最大トルクの５０％程度の時を表す。

次に、本発明の実施の形態によるアウターロータ型可変界磁式モータの動作を説明する。
図１に示すように、ステータ５とアウターロータ７との間に生じる回転磁界によりアウターロータ７が回転し、モータ軸４に直結している外側ロータ本体７１の回転がモータ軸４に伝わり、モータ軸４に組み付けられた負荷が駆動される。負荷が自動車であれば、モータ軸４の回転が車輪に伝わり、走行が開始される。アウターロータ７は内側ロータ本体７２の回転がカム７３とカムフォロア７５を介して外側ロータ本体７１に伝わり、モータ軸４が駆動される。

モータ軸４に負荷が加わると、モータ軸４に直結している外側ロータ本体７１と、回転滑り軸受７６に取り付けられている内側ロータ本体７２との間に、回転に伴うずれが生じ、内側ロータ本体７２のカムフォロア７５が外側ロータ本体７１のカム７３のカム面７３ａに沿って回動して内側ロータ本体７２を軸方向に移動させる。内側ロータ本体７２は、コイルバネ１１の付勢力に抗して図６から図９へと順次移動する。

負荷トルクが２５％程度の状態では、図６に示すように、副磁石６Ｂの軸方向先端が、ステータコア５１の先端と略一致する位置に移動し、主磁石６Ａの基端部側が、ステータコア５１の基端から外れてステータコイル５３の端部位置に移動する。この時の誘導起電圧の波形を図１０に実線で示している。

次に、負荷トルクが５０％程度の状態では、図７に示すように、副磁石６Ｂの軸方向先端が、ステータコア５１の先端より先のステータコイル５３の中間位置と略一致する位置に移動し、主磁石６Ａの基端部側が、ステータコア５１の基端から外れて反対側のステータコイル５３の中間位置と略一致する位置に移動する。この時の誘導起電圧の波形を図１１に実線で示している。

そして、負荷トルクが７５％程度の状態では、図８に示すように、副磁石６Ｂの軸方向先端が、ステータコア５１の先端より先のステータコイル５３の先端位置近くと略一致する位置に移動し、主磁石６Ａの先端が、ステータコア５１の先端近くに移動し、主磁石６Ａの基端部側が、ステータコア５１の基端からわずかに外れて反対側のステータコイル５３にわずかに一致する位置に移動する。この時の誘導起電圧の波形を図１２に実線で示している。

また、負荷トルクが１００％程度の状態では、図９に示すように、副磁石６Ｂの軸方向先端が、ステータコア５１の先端より先のステータコイル５３の先端位置と略一致する位置に移動し、主磁石６Ａの先端が、ステータコア５１の先端に略一致する位置に移動し、主磁石６Ａの基端部側が、ステータコア５１の基端に略一致する位置に移動する。
この時の誘導起電圧の波形を図１３に実線で示している。

このように、図６から図９に示すように、コイルバネ１１とカム７３とカムフォロア７５によってステータコア５１と主磁石６Ａと副磁石６Ｂからなる磁石６との相対的な重なり代を変えることにより、誘導起電圧定数(トルク定数)を変え、モータの特性(図１６のＴ−Ｎ線の傾き)を変えている。
こうして、図１に示された、コイルバネ１１とカム７３とカムフォロア７５によって、正、逆回転方向ともに、負荷トルクの大きさに合わせて自動的に可変界磁する(変速する)アウターロータ型ブラシレスモータの機能と構造を形成することができる。
主磁石リング６_１と副磁石リング６_２は、ステータコア５１に対して、モータ軸方向に、同時に移動する。この移動により主磁石リング６_１のモータとしての作用が増加し、副磁石リング６_２の発電機としての副作用が減少することにより、１列の磁石式に比べてより大きな（約２倍の）可変界磁の効果が得られる。主磁石リング６_１と副磁石リング６_２は、磁石の極性が逆向きに並ぶため、接触状態では相互に吸着して接触部の近傍では磁石の作用が低下する。主磁石リング６_１と副磁石リング６_２の間に磁気的な隙間ｇを設けているので、電磁石のコアに対して、主磁石リング６_１と副磁石リング６_２を独立して機能させることができ、磁石の作用が低下するのを防止することができる。主磁石リング６_１と副磁石リング６_２は、非磁性体製のロータにねじ等で固定しているので、筐体やヨークを通して磁気的に結合して磁石の作用を失うことがない。主磁石リング６_１は、電磁石のコアに対して独立して作用し、副磁石リング６_２は、電磁石のコアに対して独立して作用する。こうして、主磁石リング６_１と電磁石のコアがモータとして機能するとき、副磁石リング６_２と電磁石のコアは発電機として機能することができる。

回生制動の際も、負荷トルクの大きさに合わせて(ここでは制動トルクの大きさに合わせて)自動的に可変界磁する。モータが低速回転の際も、制動する強さ(取り出す電流の大きさ)に伴って図６から図９に示すように、自動的に可変界磁し誘導起電圧定数が図１０から図１３に示すように大きくなるため、回生制動の効果がより大きくなる。よって回生電力が、より効果的に回収できる。
モータ軸４を支持する回転軸受２，３に、前述のコイルバネ１１によるスラスト荷重は加わらない。このことにより、可変界磁機能を付加したことによる回転抵抗の増加はない。

主磁石６Ａと副磁石６Ｂを備えた内側ロータ本体７２のイナーシャ(慣性モーメント)が小さいため、起動時の可変界磁機能の立ち上がりが早い。このことにより、モータ起動時に、もしモータ軸４に加わる負荷トルクが大きく外側ロータ本体７１の回転の立ち上がりが遅れても、可変界磁効果がより早く表れるためトルク定数がより急速に大きくなり、モータ軸４の立ち上がりが早くなる。

図１に示すように、正、逆回転方向ともに負荷トルクの大きさに合わせて自動的に可変界磁する開放型のアウターロータ型ブラシレスモータは、アウターロータ７とステータ５が開放型の構造のため空冷の効果が高い。
内側ロータ本体７２だけがモータの内側でモータ軸方向にスライドするため、モータの全長は変化しない。

ステータコア５１部、基板８、磁石６とヨーク(磁路)等を樹脂により被覆またはモールドすることにより防滴など耐環境性が向上する。
外側ロータ本体７１と主磁石６Ａと副磁石６Ｂを備えた内側ロータ本体７２を設けることで、いわゆる可変界磁機能をアウターロータ７とステータ５の(モータ軸方向の)重なり代を変える方法で実現しながら、ステータ５も外側ロータ本体７１も(モータ軸方向に)移動させていない。
モータ軸４、コイルバネ１１、滑り軸受１０、ステータコア５１、内側ロータ本体７２の回転位置検出用磁気センサ１４、磁石６、ヨーク(磁路)６３、カムフォロア７５、カム７３等、機能部品を半径方向に重ねて配置することで偏平で高トルクなアウターロータ型ブラシレスモータ構造を実現している。

図１５は、本発明の他の実施の形態による密封型のアウターロータ型可変界磁式モータを示したもので、図１および図２と同一部分は、同符号を付して同一部分の説明は省略して説明する。
図１５の上半分は、図１と同一のモータ軸４が受ける負荷トルクの大きさが最大トルクの２５％程度以下の時を表している。また、図１５の下半分は、図２と同一のモータ軸４が受ける負荷トルクの大きさが１００％以上のトルクを受ける時を表している。
モータ本体１は、モータ本体前部１６とモータ本体後部１７とで構成され、外周部に設けられた外周筒部１６ａと外周筒部１７ａをネジ１８により締結して密封型モータが構成されている。モータ本体後部１７には、中央部にボス部１７ｂが設けられ、このボス部１７ｂ内に回転軸受３_２を配置して密封構造を作成している。
このように、密封型モータは、図１の開放型モータに比べて基本的な性能や機能は同等である上、モータ本体１を密封構造としていることから水や埃などに対して耐環境性が高い。

上記の実施の形態によるアウターロータ型可変界磁式モータによれば、正、逆回転方向ともに、負荷トルクの大きさに合わせて自動的に可変界磁するので、正回転時は勿論、電気自動車等で後退時(逆回転時)にも起動時に高トルクが出力できる。
また、回生制動の際にも負荷トルク(この時は、制動トルク)の大きさに合わせて自動的に可変界磁する。このため、低速回転の状態でも回生電力をより効果的に回収できる。

また、外側ロータ本体７１と主磁石６Ａと副磁石６Ｂを備えた内側ロータ本体７２、ステータ５、バネ１１、モータ軸４を径方向に配置して厚み部分を扁平型に形成しているので、起動時に高トルクが出る。しかも可変界磁することで高速回転もできる。
さらに、開放型のモータは、空冷の効果が高く、また、軽いので、重量当たりの出力を大きくできる。

一方、密封型のモータは、耐環境性が高いので、電気自動車や電動バイクのような、使用条件が厳しい場所で使用することができる。
また、可変界磁の際に、主磁石６Ａと副磁石６Ｂを備えた内側ロータ本体７２だけがモータの内側でモータ軸方向にスライドすることから、可変界磁の際にも、モータの全長は変化しない。モータの重心の変化も少ない。

さらに、可変界磁の際に、ステータコイル５３がモータ軸方向にスライド(可動)しないので、電線１３が屈曲疲労しない。
またさらに、負荷トルクの大きさに合わせて自動的に可変界磁する機能をつくるためのバネ１１の力は、ロータ７内で閉じている。すなわち、バネ１１の力は、モータ軸４の回転を支える両回転軸受２，３に対しスラスト力として働かない。よって、バネ１１の力はモータ軸４の直接の回転負荷抵抗にはならないため、モータの損失にはならない。

正、逆回転方向ともに、負荷トルクの大きさに合わせて自動的に可変界磁する高機能なブラシレスモータでありながら小型(偏平)、軽量、低コスト、高トルク、高回転、広い回転域で高効率なモータをつくることができる。また、回生ブレーキとして使用の際は、低速回転時においても回生エネルギーを大きく取り出そうとすれば、負荷トルク(この時は、制動トルク)の大きさに合わせて自動的に可変界磁を行い(誘導起電圧定数が大きくなる)、回生エネルギーをより多く回収できる(回生ブレーキがよく効く)。

本発明は、回転軸、バネ、軸受、ステータ、ロータ、カム、カムフォロア等の機能部品を半径方向に重ねて配置することにより小型(偏平)にできる。また、ロータのスライド運動時の傾き、揺れを防止するため、回転と摺動兼用の軸受けやロータの外周に設置した3組のカムとカムフォロア、それを押し付けるバネにより創出している。こうして、床に置いた三脚が重力で安定するように傾きや揺れを防止することができる。
アウターロータ型は、ヨーク(磁路)の内側に磁石を直接設置(接着)するSPM(表面磁石型)構造でも、磁石に加わる遠心力が外側(ヨーク側)に向くので、高速回転時にも遠心力による磁石の脱落がない。その点、ＳＰＭ(表面磁石型)のインナーロータ型は、脱落防止用リングが磁石の外側に必要となる。

本発明は、元となる形式がアウターロータ型ブラシレスモータである。一般にアウターロータ型はインナーロータ型に比べて、ロータの直径が大きいため、比較的に高トルク、低速回転のものが多い。よって、モータの重量当たりのトルクが大きい。インホイールモータやダイレクトドライブモータ等、高トルクが必要な分野で応用が期待できる。

本発明のように、ロータとステータコアの重なり代が２５％から１００％程度まで可変できる(可変界磁量４倍)ようにすると、特開２０１４−５０２５１の図は、さらに軸方向に長くなる構造である。

なお、本発明は、上記実施の形態のみに限定されるものではなく、アウターロータ型可変界磁式モータは、電気自動車あるいは電動バイク以外にも、変速して駆動するものであれば、他の負荷に対しても用いることができる。また、上記実施の形態では、３組のカム７３とカムフォロア７５を用いる場合について説明したが、４組、５組、６組等、３組以上のカム７３とカムフォロア７５を用いることもできる。内側ロータ本体７２の回転位置検出用磁気センサ１４もこれに合わせて４組、５組、６組等の回転位置検出用磁気センサ１４を用いることもできる。その他、本発明の技術的範囲を変更しない範囲内で適宜、変更して実施し得ることは言うまでもない。

１ モータ本体
１ａ 円筒部
２ 回転軸受
３ 回転軸受
４ モータ軸
５ ステータ
６ 磁石
６Ａ 主磁石
６Ｂ 副磁石
６_１ 主磁石リング
６_２ 副磁石リング
７ アウターロータ
８ 基板
９ ネジ
１０ 滑り軸受
１１ コイルバネ
１２ バネ座
１３ 電線
１４ 回転位置検出用磁気センサ
１５ 通気口
１６ モータ本体前部
１７ モータ本体後部
１８ ネジ
５３ ステータコイル
６１Ａ、６１Ｂ 永久磁石
６２Ａ、６２Ｂ 永久磁石
６３ ヨーク(磁路)
６３Ａ 主ヨーク
６３Ｂ 副ヨーク
７１ 外側ロータ本体
７２ 内側ロータ本体
７３ カム
７４ カムフォロア軸
７５ カムフォロア
７６ 回転滑り軸受

Claims (4)

1. ステータに対して該ステータの径方向外側に配置されたアウターロータをモータ軸方向にスライド運動させて可変界磁を行うアウターロータ型可変界磁式モータにおいて、
   前記アウターロータを、モータ軸方向にスライドする内側ロータ本体と、外側ロータ本体との分割構造とし、
   前記内側ロータ本体の内面側に配設される永久磁石として、主磁石と副磁石を軸方向に間隙を置いて並設し、これら主磁石と副磁石の磁石特性を互いに逆向きに構成し、
   前記内側ロータ本体にカムフォロアを配置するとともに前記外側ロータ本体に軸方向のカム面を形成し、前記カムフォロアをモータ軸に加わる負荷に応じて前記カム面に沿って移動可能に構成し、前記アウターロータを前記ステータに対して前記モータ軸方向に実質的にスライド運動させることを特徴とするアウターロータ型可変界磁式モータ。
2. 前記内側ロータ本体の基端側に前記主磁石を、先端側に前記副磁石をモータ軸方向に隣接して配置し、前記アウターロータの前記モータ軸方向のスライド運動は、外側ロータ本体に設けられたカム面と、前記モータ軸と平行に配置された弾発機構によりモータ軸方向にスライドする内側ロータ本体の軸方向位置を制御することを特徴とする請求項１に記載のアウターロータ型可変界磁式モータ。
3. 前記主磁石を前記副磁石よりモータ軸方向に大型とし、モータが高速時に前記副磁石が前記ステータのステータコアとモータ軸方向において完全に重複することを特徴とする請求項１または２に記載のアウターロータ型可変界磁式モータ。
4. 前記主磁石を前記副磁石よりモータ軸方向に大型とし、モータが低速時に前記主磁石が前記ステータのステータコアとモータ軸方向において完全に重複することを特徴とする請求項１または２に記載のアウターロータ型可変界磁式モータ。

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