JP2019097359A - 磁束可変機構付の回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】磁束可変機構付の回転電機において、ロータコアの磁気回路を変更する等の影響を伴わずに、特別なアクチュエータを不要とすることである【解決手段】回転電機の磁束可変機構３０は、ロータコア２２の軸方向端面に固定されるケース体３２の内部に遠心力で移動する移動子４０と、磁束短絡部材４２と、カム部材４４と、付勢ばね４６，４７とを有する。カム部材４４は、所定の傾斜角度θで傾斜して移動子４０に向かい合い移動子４０と接触するカム面５０を有し、カム面５０で受け止めた移動子４０の径方向移動を磁束短絡部材４２の軸方向の移動に変換する。付勢ばね４６，４７は、磁束短絡部材４２に対しロータコア２２の軸方向の端面２８から離間させる方向に付勢力を与え、カム部材４４を介して移動子に働く遠心力と釣合った状態で磁束短絡部材４２の軸方向に沿った位置を定める。【選択図】図２

Description

本開示は、磁束可変機構付の回転電機に関する。

電動車両に用いられる回転電機として、小型軽量と出力効率の向上とを図るために、ロータコアの周方向に沿って複数の永久磁石を埋め込んで磁極を形成する埋込磁石型（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ：ＩＰＭ）の回転電機が用いられる。埋込磁石型の回転電機では、ロータの永久磁石から発生する磁束は通常は一定であるので、ロータの回転速度が上昇するに従い、ステータコイルに発生する誘起電圧が高くなり、誘起電圧が駆動電圧を超えると制御不能となる場合がある。これを回避するための方法として、回路的な弱め界磁制御を用いる他に、ロータの永久磁石からステータに向かいステータコイルに鎖交する磁束をロータの回転速度に応じて変化させる磁束可変機構が用いられる。

特許文献１には、回転軸を囲んで設けられた４つの磁石挿入孔に埋め込んだ永久磁石を有する回転子において、磁石挿入孔の端部から回転子の外周端面付近まで延びるスリット部の中に遠心力で径方向に移動可能な磁気短絡鉄片を設ける構成が開示されている。

ここでは、磁石挿入孔とスリット部とは非磁性体の中空部で接続され、磁気短絡鉄片はスリット部内においてばねによって内周側の非磁性体の部分に付勢される。磁石挿入孔とスリット部と回転子の外周端面で囲まれた部分をポールピース部と呼ぶと、回転子が低回転速度で回転する場合、磁気短絡鉄片はスリット部の内周側の非磁性体の部分に留り、隣接するポールピース部の間に磁気短絡鉄片を介した漏れ磁束は生じない。回転子が高回転速度で回転すると、磁気短絡鉄片は、遠心力によってばねの付勢力に抗して非磁性体の部分よりも外周側に移動し、隣接するポールピース部の間に漏れ磁束を生じさせ、回転子から出る有効な磁束を減少させることで、磁束可変を行っている。

特許文献２は、特許文献１の構成では、磁気短絡鉄片の位置制御をロータの遠心力とばねの弾性力との力学的釣合いに委ねているので、各磁極における磁束可変効果が異なり、安定的な磁束可変効果を期待できないと指摘する。さらに、磁束可変機構として、ロータコア内に磁気短絡鉄片を作動させる機構を設けるので、ロータコアの構造が複雑になり、製品の耐久性が問題になると指摘する。そこで、ロータの永久磁石に近接または離間する磁束短絡部材をロータ側でなくステータ側に設け、これを、モータ、油圧、空圧等で作動するアクチュエータで駆動する磁束可変機構を開示する。

特開平１１−２７５７８９号公報 特開２００１−２７５３２６号公報

回転電機の磁束可変機構として、ロータと磁束短絡部材の間隔をアクチュエータで可変する構成は、モータ、あるいは油圧装置、あるいは空圧装置等を要し、これらの制御装置も要するので、コストが高く、回転電機全体が大型化する。ロータと磁束短絡部材の間隔を遠心力で可変する構成であれば特別なアクチュエータが不要であるが、ロータコア内に遠心力による磁束可変機構を設けると、ロータの磁気回路の変更を伴い設計が複雑になり、また、ロータコアが大型化する。

そこで、ロータコアの磁気回路を変更する等の影響を伴わず、特別なアクチュエータを用いずに、永久磁石からステータコイルに向かう磁束を可変できる磁束可変機構付の回転電機が要望される。

本開示に係る磁束可変機構付の回転電機は、ステータコイルが巻回されたステータと、永久磁石が埋め込まれたロータコアを有しステータの内周側に所定の隙間を空けて配置されたロータと、ロータコアの永久磁石からステータコイルに向かう磁束をロータの回転速度に応じて変化させる磁束可変機構と、を備え、磁束可変機構は、永久磁石に向い合う位置でロータコアの軸方向端面に固定されるケース体と、ケース体内で軸方向の移動が規制されると共にロータの回転速度に応じた遠心力を受けて径方向に移動可能な移動子と、ケース体内で径方向の移動が規制されると共に軸方向に沿って移動可能な磁束短絡部材と、磁束短絡部材に固定され、径方向に沿って外周側に行くほどロータコアの軸方向端面から離間する方向に所定の傾斜角度で傾斜して移動子に向かい合い移動子と接触するカム面を有し、カム面で受け止めた移動子の径方向の移動を磁束短絡部材の軸方向の移動に変換するカム部材と、磁束短絡部材に対しロータコアの軸方向端面から離間させる方向に付勢力を与え、カム部材を介して移動子に働く遠心力と釣合った状態で磁束短絡部材の軸方向に沿った位置を定める付勢ばねと、を有する。

上記構成によれば、磁束可変機構は、ロータコアの軸方向端面に固定されるケース体の内部に、遠心力で移動する移動子と、磁束短絡部材と、カム部材と、付勢ばねとを有する。カム部材は、所定の傾斜角度で傾斜して移動子に向かい合い移動子と接触するカム面を有し、カム面で受け止めた移動子の径方向の移動を磁束短絡部材の軸方向の移動に変換する。付勢ばねは、磁束短絡部材に対しロータコアの軸方向の端面から離間させる方向に付勢力を与え、カム部材を介して移動子に働く遠心力と釣合った状態で磁束短絡部材の軸方向に沿った位置を定める。このように、磁束可変機構は、ロータコアの外側である軸方向の端面に固定して配置され、移動子に働く遠心力を用いて磁束短絡部材を移動させる。したがって、上記構成の磁束可変機構付の回転電機は、ロータコアの磁気回路を変更する等の影響を伴わず、特別なアクチュエータを用いずに、永久磁石からステータコイルに向かう磁束を可変できる。

本開示に係る磁束可変機構付の回転電機において、磁束可変機構は、ロータコアの軸方向端面に配置されたエンドプレートに組み込まれた状態であることが好ましい。上記構成によれば、磁束可変機構は、エンドプレートに組み込まれるので、エンドプレートの機能を併せ持つことができる。

本開示に係る磁束可変機構付の回転電機において、磁束可変機構は、ロータコアの軸方向の両端面に配置された２つのエンドプレートの内の１つに組み込まれた状態であることが好ましい。上記構成によれば、ロータの２つのエンドプレートの内の１つに磁束可変機構を組み込めばよいので、２つのエンドプレートにそれぞれ磁束可変機構を組み込む場合に比べ、エンドプレートを含むロータの全体の大きさの小型化を図れる。

本開示に係る磁束可変機構付の回転電機において、移動子は、カム部材の所定の傾斜角度と同じ傾斜角度の傾斜面を有することが好ましい。上記構成によれば、斜面を利用する簡単な構成で、移動子の径方向の移動を磁束短絡部材の軸方向の移動に変換できる。

本開示に係る磁束可変機構付の回転電機において、移動子は、カム面に球形面で接触した状態の転がり球であることが好ましい。上記構成によれば、移動子の径方向の移動と磁束短絡部材の軸方向の移動との間の変換が転がり接触によって行われるので、斜面の摺動接触によって移動の方向を変換することに比べ、少ない接触抵抗となる。これによって、移動子が滑らかに移動できる。

上記構成の磁束可変機構付の回転電機によれば、ロータコアの磁気回路を変更する等の影響を伴わず、特別なアクチュエータを用いずに、永久磁石からステータコイルに向かう磁束を可変できる。

実施の形態に係る磁束可変機構付の回転電機の断面図である。 図１における磁束可変機構の断面図である。 図２について、移動子とカム部材との間の移動方向の変換と、カム部材のカム面と移動子の傾斜面における力関係を示す図である。 ロータが高回転速度で回転する場合について、移動子とカム部材との間の移動方向の変換と、移動子の傾斜面とカム部材のカム面における力関係を示す図である。 図２において、ロータが高回転速度で回転する場合を示す断面図である。 磁束可変機構が組み込まれたエンドプレートを備える磁束可変機構付の回転電機の断面図である。 図６における磁束可変機構の断面図である。 図６において、ロータが高回転速度で回転した場合を示す断面図である。 磁束可変機構の他の例を示す図である。 図９において、ロータが高回転速度で回転した場合を示す断面図である。

以下に図面を用いて本実施の形態につき詳細に説明する。以下では、ロータコアとして磁性体薄板の積層体を述べるが、これは説明のための例示であって、永久磁石を埋め込みできる磁性体であれば、一体型のロータコアであってもよい。以下に述べる形状、材質等は、説明のための例示であって、磁束可変機構付の回転電機の仕様等により、適宜変更が可能である。また、以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、車両に搭載される磁束可変機構付の回転電機１０の断面図である。以下では、特に断らない限り、磁束可変機構付の回転電機１０を、回転電機１０と呼ぶ。回転電機１０は、車両が力行するときは電動機として機能し、車両が制動時にあるときは発電機として機能するモータ・ジェネレータで、三相同期型回転電機である。回転電機１０は、ステータ１２と、ロータ２０と、磁束可変機構３０とを含む。

ステータ１２は、回転電機１０の固定子で、ステータコア１４と、ステータコア１４に巻回されたステータコイル１６とを含む。ステータコア１４は、ロータ２０が配置される中心穴を有する磁性体部品であり、図示を省略するが、円環状のバックヨーク、バックヨークから内周側に突き出す複数のティース、及び、隣接するティース間の空間である複数のスロットを含む。

ステータコイル１６は、三相の分布巻巻線で、各相の巻線は、絶縁皮膜付き導体線が、ステータコア１４において、所定のスロットに挿通され、所定の複数のティースに跨って巻回される。各相の巻線がステータコア１４に巻回され、ステータコア１４の軸方向の両端面から突き出した部分は、コイルエンド１８，１９と呼ばれる。コイルエンド１８，１９の内、ステータコイル１６からの動力線はコイルエンド１８から引き出される。

絶縁皮膜付き導体線の素線としては、銅線、銅錫合金線、銀メッキ銅錫合金線等が用いられる。絶縁皮膜としては、ポリアミドイミドのエナメル皮膜が用いられる。三相の分布巻巻線は、ステータコイル１６の説明のための例示であって、回転電機１０の仕様によっては、集中巻巻線のステータコイル１６であってもよい。

ロータ２０は、回転電機１０の回転子であり、円環状のロータコア２２と、ロータコア２２の中心穴に固定されるロータ軸２４とを含む。ロータ軸２４は、回転電機１０の出力軸である。

ロータコア２２は、所定枚数の磁性体薄板２３を軸方向に積層した積層体である。ロータコア２２を磁性体薄板２３の積層体とするのは、ロータコア２２に生じ得る渦電流を抑制するためで、所定の形状に成形される前の磁性体薄板２３の両面には、絶縁コート等の絶縁処理が施される。これによって、積層された各磁性体薄板２３の間が電気的に絶縁されて、外部変動磁界により発生し得る渦電流が小さなループに分割され、渦電流損失が抑制される。

ロータコア２２には、複数の磁石挿入孔（図示せず）が設けられ、それぞれの磁石挿入孔に永久磁石が配置される。各永久磁石は、ロータ２０の磁極を構成し、ステータコイル１６に向けて磁束を発生する。磁極数、１つの磁極当りの永久磁石の数は、回転電機１０の仕様によって定まる。図１では、複数の永久磁石の内で、断面図に現れる２つの永久磁石２６，２７を示す。永久磁石２６，２７は、軸方向に垂直な断面形状が矩形で、軸方向の長さはロータコア２２の軸方向の長さよりやや短めの直方形の棒磁石である。

永久磁石２６，２７の着磁方向は、矩形断面の短辺方向に沿って外周側と内周側との間で行われる。例えば、永久磁石２６，２７において、外周側の極性がＮであると、内周側の極性がＳ極になるように着磁される（図２、図３参照）。なお、周方向に沿って隣接する磁極の間では、着磁方向が互いに逆である。即ち、各磁極を構成する複数の永久磁石は、ステータ１２側を向く外周側の極性が、Ｎ，Ｓ，Ｎ，Ｓ，Ｎ，Ｓ，Ｎ，Ｓと周方向に沿って交互に異なる極性で配置される。かかる永久磁石２６，２７の材質としては、ネオジムと鉄とホウ素を主成分とするネオジム磁石、サマリウムとコバルトを主成分とするサマリウムコバルト磁石等の希土類磁石が用いられる。これ以外にフェライト磁石、アルニコ磁石等を用いてもよい。

図１に、軸方向、周方向、径方向を示す。軸方向は、ロータ軸２４の軸方向に平行な方向である。軸方向の両方向を区別する場合は、動力線が引き出されるコイルエンド１８の方向を一方側、動力線が引き出されないコイルエンド１９の方向を他方側と呼ぶ。ロータコア２２の軸方向両端面を区別する場合は、図１に示すように、一方側の軸方向端面を端面２８、他方側の軸方向端面を端面２９とする。周方向は軸方向周りの方向である。径方向は、ロータ軸２４を通り軸方向に直交する方向である。径方向の両方向を区別する場合は、ロータ軸２４に向かう方向を内周側、その反対側を外周側と呼ぶ。

磁束可変機構３０は、ロータコア２２の永久磁石２６，２７からステータ１２のステータコイル１６に向かう磁束をロータ２０の回転速度に応じて変化させる機構である。ロータ２０が低回転速度で回転する場合には、磁束可変機構３０は、永久磁石２６，２７が発生する磁束のほぼ全てをステータコイル１６に向かわせる。ロータ２０が高回転速度で回転する場合には、磁束可変機構３０は、永久磁石２６，２７が発生する磁束を短絡し、ステータコイル１６に向かう磁束を減少させる。これによって、ロータ２０が高回転速度で回転する場合に、ステータコイル１６に鎖交する磁束によって生じる逆起電圧が過大となることを防止する。

図１では、２つの永久磁石２６，２７について、ロータコア２２の軸方向の両端面２８，２９にそれぞれ１つずつ、合計で４つ設けられる磁束可変機構３０を示す。ロータコア２２にＮ個の永久磁石が設けられる場合には、２Ｎ個の磁束可変機構３０が設けられる。これは説明のための例示であり、各永久磁石について、ロータコア２２の軸方向の片側の端面にのみ磁束可変機構３０を設けてもよい。図１についての一例を述べると、２つの永久磁石２６，２７について、ロータコア２２の一方側の端面２８にのみ１つずつ、合計で２つの磁束可変機構３０を設けてもよい。あるいはロータコア２２の他方側の端面２９にのみ１つずつ、合計で２つの磁束可変機構３０を設けてもよい。ロータコア２２にＮ個の永久磁石が設けられる場合には、Ｎ個の磁束可変機構３０を設けることで済む。また、回転電機１０の滑らかな動作を確保できれば、全ての永久磁石でなく、例えば、周方向に沿って１つ飛ばしで、半数の永久磁石に磁束可変機構３０を設けてもよい。場合によっては、１つ飛ばし以外のｎ個飛ばしで、半数よりもさらに少ない永久磁石に磁束可変機構３０を設けてもよい。

図２は、永久磁石２６について、ロータコア２２の一方側の端面２８に設けられる磁束可変機構３０の構成を示す断面図である。図２では、ロータ２０が停止状態あるいは、低回転速度で回転している場合で、永久磁石２６の発生する磁束φＡのほぼ全部がステータ１２のステータコイル１６に向かい、ステータコイル１６における鎖交磁束となる場合を示す。なお、図２以下においては、永久磁石２６の極性は、外周側がＮで、内周側がＳの場合を示す。

磁束可変機構３０は、ケース体３２、移動子４０、磁束短絡部材４２、カム部材４４、及び付勢ばね４６，４７を含んで構成される。

ケース体３２は、ロータコア２２の一方側の端面２８に固定される箱体で、壁部材３３，３４，３５，３６で構成される。壁部材３３，３４は、径方向に平行な壁部材で、壁部材３３は、軸方向における一方側に配置され、壁部材３４は、軸方向における他方側に配置される。壁部材３３，３４によって、ケース体３２の内部の要素の軸方向の移動が規制される。なお、永久磁石２６の一方側端面に向い合う壁部材３４の一部は、磁束短絡部材４２が軸方向に沿って移動可能なように適当な開口部が設けられる。壁部材３５，３６は、軸方向に平行な壁部材で、壁部材３５は、径方向に沿って外周側に配置され、壁部材３６は、径方向に沿って内周側に配置される。壁部材３５，３６によってケース体３２の内部の要素の径方向の移動が規制される。かかるケース体３２は、非磁性体で構成される。

ロータコア２２の端面２８へケース体３２を固定する手段としては、壁部材３４をロータコア２２の一方側の端面２８に接着する接着手段が用いられる。接着手段に代えて、ケース体３２から図示しない接続部材をロータ軸２４側に延ばし、接続部材とロータ軸２４とを接続固定するカシメ手段を用いてもよい。カシメ手段に代えて、ねじ締結手段を用いてもよい。場合によっては、ケース体３２とロータコア２２の外周面との間を固定する溶接手段を用いてもよい。

移動子４０は、ケース体３２の壁部材３３によって軸方向の移動が規制される一方側の平坦面と、カム部材４４のカム面５０と向かい合って接触する他方側の斜面である傾斜面５２とを有する楔形部材である。移動子４０は、傾斜面５２がカム面５０の上を摺動することで、径方向に移動可能である。かかる移動子４０は、非磁性体で構成される。

磁束短絡部材４２は、ケース体３２の壁部材３４に設けられた開口部を通して、永久磁石２６の一方側端面に向い合って配置され、径方向に所定の長さで延びる磁性体の板部材である。所定の長さは、永久磁石２６の径方向に沿った長さよりも長めに設定される。

カム部材４４は、板部材である磁束短絡部材４２の一方側の平坦面に固定される他方側の平坦面と、移動子４０の傾斜面５２と向かい合って接触する一方側の斜面であるカム面５０とを有する楔形部材である。カム部材４４は、移動子４０の断面形状と軸方向及び径方向に対し対称形の断面形状を有する。換言すれば、同じ断面形状を有する楔形部材を２つ用いて、１つは、斜面の反対側の平坦面を磁束短絡部材４２の一方側の平坦面に固定してカム部材４４とし、他の１つは、斜面の反対側の平坦面をケース体３２の壁部材３３に当接配置して移動子４０とする。カム面５０は、径方向に沿って外周側に行くほどロータコア２２の端面２８から離間する方向に所定の傾斜角度θで傾斜する傾斜面である。移動子４０の傾斜面５２は、カム面５０の所定の傾斜角度θと同じ傾斜角度を有する。この関係によって、移動子４０は、カム面５０に沿って径方向に摺動可能となる。

カム部材４４のカム面５０と、移動子４０の傾斜面５２とは、互いに面接触しているので、磁束短絡部材４２における軸方向の移動と、移動子４０における径方向の移動との間の変換ができる。例えば、移動子４０が受けた遠心力による径方向の移動は、傾斜面５２とカム面５０の間において、磁束短絡部材４２の軸方向の移動に変換される。このように、カム部材４４のカム面５０と傾斜面５２とを接触させることで、斜面を利用する簡単な構成によって、径方向の移動と軸方向の移動との間の変換ができる。かかるカム部材４４は、非磁性体で構成される。

脚部５４，５６は、磁束短絡部材４２の径方向両端部にそれぞれ固定されて一体化され、軸方向の一方側に向って立設される非磁性体部材である。脚部５４，５６は、磁束短絡部材４２の径方向の端部からやや斜めに立設された後、ケース体３２の壁部材３３に当接し、そこからさらに径方向に延びる張出部を有する。脚部５４における張出部の端部は、ケース体３２の壁部材３５に向い合い、径方向の外周側の移動が規制される。同様に、脚部５６における張出部の端部は、ケース体３２の壁部材３６に向い合い、径方向の内周側の移動が規制される。脚部５４，５６は、磁束短絡部材４２と一体であるので、磁束短絡部材４２は、軸方向に沿って移動可能であるが、径方向に沿った移動が規制される。

付勢ばね４６，４７は、磁束短絡部材４２に対しロータコア２２の端面２８から離間させる方向に付勢力を与える弾性部材である。付勢ばね４６の一端はケース体３２の壁部材３５に固定され、他端は、脚部５４の張出部に固定される。同様に、付勢ばね４７の一端はケース体３２の壁部材３６に固定され、他端は、脚部５６の張出部に固定される。

図３は、図２について、付勢ばね４６，４７が磁束短絡部材４２を介してカム部材４４に与える付勢力に基づく移動子４０とカム部材４４との間の移動方向の変換と、カム面５０と傾斜面５２との間における力関係を示す図である。図２は、ロータ２０が停止状態あるいは、低回転速度で回転している場合であるので、移動子４０に働く遠心力を無視して示す。カム部材４４は、磁束短絡部材４２を介して、付勢ばね４６，４７から軸方向の一方側に向かう付勢力ｆを受ける。付勢力ｆは、カム面５０において、カム面５０に垂直な抗力成分ｆ０と、カム面５０に平行な力成分とに分けられる。カム面５０に接触する傾斜面５２は、ｆ０と同じ大きさの抗力成分ｇ０を受け取る。抗力成分ｇ０は、径方向に平行な力ｇに変換される。力ｇの向きは、径方向の内周側に向かう方向であるので、力ｇによって移動子４０は、径方向の内周側に向って移動し、脚部５６で径方向の移動が止められる。この移動子４０の移動に対応して、カム部材４４は、軸方向の一方側に移動し、カム部材４４と一体化されている磁束短絡部材４２は、ロータコア２２の端面２８から離間する。

図２に戻り、ロータコア２２の端面２８と磁束短絡部材４２との間の離間距離をＬ０で示す。離間距離Ｌ０は、ステータコア１４の内周面とロータコア２２の外周面の隙間である磁気ギャップＳよりも大きく設定される。したがって、永久磁石２６の発生する磁束φＡのほぼ全部がステータ１２のステータコイル１６に向かい、ステータコイル１６における鎖交磁束となる。

図４は、ロータ２０が高回転速度で回転する場合について、移動子４０が受けた遠心力に基づいて、移動子４０の径方向の移動とカム部材４４の軸方向の移動との間の移動方向の変換と、傾斜面５２とカム面５０との間における力関係を示す図である。ここでは、移動子４０が受ける遠心力と、磁束短絡部材４２が付勢ばね４６，４７から受ける付勢力とが、カム部材４４を介して釣合う関係となる。ロータ２０が高回転速度で回転すると、移動子４０は、径方向の外周側に向かう遠心力Ｇを受ける。これによって移動子４０は、径方向の外周側に移動する。遠心力Ｇは、傾斜面５２において、傾斜面５２に垂直な抗力成分Ｇ０と、傾斜面５２に平行な力成分とに分けられる。傾斜面５２に接触するカム面５０は、Ｇ０と同じ大きさの抗力成分Ｆ０を受け取る。抗力成分Ｆ０は、軸方向に平行な押付力Ｆに変換される。押付力Ｆによってカム部材４４は、軸方向の他方側に向って移動し、カム部材４４と一体化されている磁束短絡部材４２は、ロータコア２２の端面２８に近接する。カム部材４４の軸方向に沿った移動に伴い、付勢ばね４６，４７は圧縮され、付勢力ｆ’は、図３で述べたロータ２０が停止状態等における付勢力ｆよりも増加する。増加した付勢力ｆ’と、遠心力Ｇから変換された押付力Ｆとが釣合う状態で、カム部材４４の軸方向に沿った位置が定まる。このように、付勢ばね４６，４７は、磁束短絡部材４２に対しロータコア２２の端面２８から離間させる方向に付勢力を与え、押付力Ｆと釣合った状態で磁束短絡部材４２の軸方向に沿った位置を定める。

図５は、図４の状態における磁束可変機構３０の断面図である。すなわち、図５は、ロータ２０が高回転速度で回転している場合を示す図である。図４で述べたように、移動子４０は遠心力を受け、図２の状態に比べて、軸方向の移動が規制されながら、径方向の外周側に移動する。これに伴って、カム部材４４は、軸方向の他方側に移動し、磁束短絡部材４２は、ロータコア２２の端面２８に近接する。ロータコア２２の端面２８と磁束短絡部材４２との間の離間距離をＬ１で示す。離間距離Ｌ１は、図２の離間距離Ｌ０よりも小さく、磁気ギャップＳよりも小さく設定される。したがって、永久磁石２６の発生する磁束φＡの一部が磁束可変機構３０の磁束短絡部材４２に向かい、ステータ１２のステータコイル１６に向かう磁束はφＡの全部よりも少なくなる。これによって、ロータ２０が高回転速度で回転する場合に、ステータコイル１６に鎖交する磁束によって生じる逆起電圧が過大となることを防止する。離間距離Ｌ１は、回転電機１０の駆動電圧、最大回転速度、永久磁石２６，２７が発生する磁束等の仕様に基づいて、ロータ２０の回転速度とステータコイル１６における逆起電圧の関係を考慮し、実験的あるいはシミュレーション等によって設定される。

上記では、磁束可変機構３０は、ロータコア２２の軸方向の端面２８に固定して取り付けられるものとした。そして、磁束可変機構３０のケース体３２を構成する壁部材の内、永久磁石２６に向い合う壁部材３４には、磁束短絡部材４２が軸方向に移動可能な開口部を設けた。これに代えて、壁部材３４に設ける開口部に、適当な厚さｔ０の非磁性体の薄板（図７参照）を嵌め込んでもよい。これによって、ロータ２０が高回転速度で回転する場合に、永久磁石２６が磁石挿入孔から飛び出すことを効果的に防止できる。

さらに、磁束可変機構をエンドプレートに組み込むこともできる。図６に、磁束可変機構７０が組み込まれたエンドプレート６０，６２を備える回転電機１１の構成を示す。磁束可変機構７０が組み込まれたエンドプレート６０，６２は、一般的なエンドプレートと同様に、複数の永久磁石の軸方向への飛び出しを防止し、ロータコア２２における複数の磁性体薄板２３の積層の崩れを防止する等の機能を有する。

エンドプレート６０，６２は、ロータコア２２の軸方向の両端面にそれぞれ配置される円板状の部材で、その外周端側に磁束可変機構７０が組み込まれる。エンドプレート６０，６２は、適当な接合手段によってロータコア２２と一体化固定される。適当な接合手段としては、接着材、溶接、かしめ、爪部等による係止固定等が用いられる。一体化の際に、円環状のロータコア２２の中心穴と円板状のエンドプレート６０，６２の中心穴とは位置合わせされ、一体化されたロータ２１を貫通する中心穴となり、その中心穴に、回転電機１１の出力軸であるロータ軸２５が固定される。ロータ軸２５の他方側には、エンドプレート６０，６２と一体化されたロータ２１の軸方向の他方側を受け止める鍔部６４を備える。ロータ軸２５の一方側には、一体化されたロータ２１の軸方向の他方側をロータ軸２５に締結固定する締結手段６６が設けられる。締結手段６６としては、ロータ軸２５におねじを設け、そのおねじと噛み合うナットを用いることができる。

エンドプレート６０，６２は、非磁性体で構成される。非磁性体の材料としては、非磁性のステンレススチール（ＳＵＳ）が用いられる。これに代えて、アルミニウム、銅等の非磁性金属材料、あるいは、適当な強度を有する樹脂材料を用いることができる。エンドプレート６０，６２の外周端側の板厚は、磁束可変機構７０を組み込むために必要な厚さを有するが、それ以外の部分は、適当な強度を有する範囲で、軽量化を図るため薄くすることが好ましい。図７では、エンドプレート６０，６２のいずれにも磁束可変機構７０を組み込むものとした。磁束可変機構７０の軸方向厚さが一般的なエンドプレートの板厚よりも厚い場合には、２つのエンドプレート６０，６２の内、一方のエンドプレートにのみ磁束可変機構７０を組み込み、他方のエンドプレートは一般的なエンドプレートとしてもよい。これにより、ロータ２１、回転電機１１を軸方向の寸法を抑制して小型化を図ることができる。

図７は、図２に対応し、ロータ２１が停止状態あるいは低回転速度で回転する場合の磁束可変機構７０の断面図である。磁束可変機構７０はエンドプレート６０の径方向の外周端側に組み込まれる。磁束可変機構７０と図２の磁束可変機構３０との相違点は、ケース体３２の壁部材３４に磁束短絡部材４２が軸方向に移動可能なように開けられた開口部において、非磁性体の薄板７２が嵌め込まれていることである。薄板７２は、ロータコア２２の端面２８に固定される。薄板７２の板厚ｔ０は、図５で述べたＬ１以下で、適当な強度を有する寸法に設定される。ｔ０とＬ１と磁気ギャップＳとの間の大小関係は、ｔ０≦Ｌ１＜Ｓである。その他の構成は図２で述べた内容と同じである。したがって、ロータコア２２の端面２８と磁束短絡部材４２との間の離間距離Ｌ０は、磁気ギャップＳよりも大きく、これにより永久磁石２６が発生する磁束φＡのほとんど全部がステータ１２に向かい、ステータコイル１６の鎖交磁束となる。

図８は、図５に対応し、ロータ２１が高回転速度で回転する場合の磁束可変機構７０の断面図である。磁束可変機構７０と図５の磁束可変機構３０との相違点は、図７で述べた板厚ｔ０の薄板７２が設けられていることである。図５で述べたように、ロータ２１が高回転速度で回転することで移動子４０は遠心力を受けて径方向の外周側に移動し、カム部材４４は軸方向の他方側に移動し、磁束短絡部材４２は、ロータコア２２の端面２８に近接する。ロータコア２２の端面２８と磁束短絡部材４２との間の離間距離Ｌ１は、磁気ギャップＳよりも小さく設定される。ここで、ロータコア２２の端面２８と磁束短絡部材４２との間には、薄板７２が設けられているが、薄板７２の板厚ｔ０は、Ｌ１以下に設定されているので、ロータコア２２の端面２８と磁束短絡部材４２との間の距離はＬ１より大きくなることはない。したがって、永久磁石２６の発生する磁束φＡの一部が磁束可変機構７０の磁束短絡部材４２に向かい、ステータ１２のステータコイル１６に向かう磁束はφＡの全部よりも少なくなる。これによって、ロータ２１が高回転速度で回転する場合に、ステータコイル１６に鎖交する磁束によって生じる逆起電圧が過大となることを防止する。

上記の磁束可変機構３０では、移動子４０として、カム部材４４のカム面５０に摺動可能な傾斜面５２を有する楔形部材を用いた。移動子は、カム部材４４のカム面５０を利用して、磁束短絡部材４２における軸方向の移動と移動子４０の径方向の移動との間の変換を行うことができれば、楔形以外の形状であってもよい。図９の磁束可変機構８０は、転がり球８２を移動子として用いる例を示す。転がり球８２は、カム部材４４のカム面５０に球形面で接触して径方向に移動可能である。移動子を転がり球８２とする以外は、図２で述べた磁束可変機構３０と同じ構成である。

図９は、図２と同様に、ロータ２０が停止状態あるいは、低回転速度で回転している場合を示す図で、移動子である転がり球８２に径方向の遠心力が働かず、カム部材４４は付勢ばね４６，４７の作用で、軸方向の一方側に移動している。ロータコア２２の端面２８と磁束短絡部材４２との間の離間距離は、図２で説明した離間距離Ｌ０となる。離間距離Ｌ０は、ステータコア１４の内周面とロータコア２２の外周面との間の磁気ギャップＳよりも大きく設定される。したがって、永久磁石２６の発生する磁束φＡのほぼ全部がステータ１２のステータコイル１６に向かい、ステータコイル１６における鎖交磁束となる。

図１０は、図５に対応する図で、ロータ２０が高回転速度で回転する場合を示す。図５で述べた内容と同様に、ロータ２０が高回転速度で回転することで移動子である転がり球８２は遠心力を受けて径方向の外周側に移動し、カム部材４４は軸方向の他方側に移動し、磁束短絡部材４２は、ロータコア２２の端面２８に近接する。ロータコア２２の端面２８と磁束短絡部材４２との間の離間距離Ｌ１は、磁気ギャップＳよりも小さく設定される。したがって、永久磁石２６の発生する磁束φＡの一部が磁束可変機構７０の磁束短絡部材４２に向かい、ステータ１２のステータコイル１６に向かう磁束はφＡの全部よりも少なくなる。これによって、ロータ２０が高回転速度で回転する場合に、ステータコイル１６に鎖交する磁束によって生じる逆起電圧が過大となることを防止する。

移動子として転がり球８２を用いる磁束可変機構８０は、図２の磁束可変機構３０、あるいは図７の磁束可変機構７０と同様の作用効果を生じる。ここで、移動子として転がり球８２を用いることで、径方向の移動と軸方向の移動との間の変換が転がり接触によって行われる。図２、図７の楔形部材の移動子４０を用いる場合には、斜面の摺動接触によって径方向の移動と軸方向の移動との間の変換が行われる。したがって、転がり球８２を用いる方が、楔形部材である移動子４０を用いる場合に比べ、少ない接触抵抗となり、移動子が滑らかに移動できる。

上記構成の磁束可変機構付の回転電機１０，１１によれば、磁束可変機構３０，７０，８０は、ロータコア２２の軸方向端面に固定されるケース体３２の内部に、遠心力で移動する移動子、磁束短絡部材４２、カム部材４４、及び付勢ばね４６，４７とを有する。カム部材４４は、所定の傾斜角度θで傾斜して移動子に向かい合い移動子と接触するカム面５０を有し、カム面５０で受け止めた移動子４０の径方向の移動を磁束短絡部材４２の軸方向の移動に変換する。付勢ばね４６，４７は、磁束短絡部材４２に対しロータコア２２の軸方向の端面２８から離間させる方向に付勢力を与え、カム部材４４を介して移動子４０に働く遠心力と釣合った状態で磁束短絡部材４２の軸方向に沿った位置を定める。このように、磁束可変機構３０，７０，８０は、ロータコア２２の外側である軸方向の端面に固定して配置され、移動子に働く遠心力を用いて磁束短絡部材４２を移動させる。したがって、上記構成の磁束可変機構付の回転電機１０，１１は、ロータコア２２の磁気回路を変更する等の影響を伴わず、特別なアクチュエータを用いずに、永久磁石からステータコイル１６に向かう磁束を可変できる。

１０，１１ （磁束可変機構付の）回転電機、１２ ステータ、１４ ステータコア、１５，１６ ステータコイル、１８，１９ コイルエンド、２０，２１ ロータ、２２ ロータコア、２３ 磁性体薄板、２４，２５ ロータ軸、２６，２７ 永久磁石、２８，２９ （軸方向の）端面、３０，７０，８０ 磁束可変機構、３２ ケース体、３３，３４，３５，３６ 壁部材、４０ 移動子、４２ 磁束短絡部材、４４ カム部材、４６，４７ 付勢ばね、５０ カム面、５２ 傾斜面、５４，５６ 脚部、６０，６２ エンドプレート、６４ 鍔部、６６ 締結手段、７２ 薄板、８２ 転がり球。

Claims (5)

1. ステータコイルが巻回されたステータと、
   永久磁石が埋め込まれたロータコアを有し前記ステータの内周側に所定の隙間を空けて配置されたロータと、
   前記ロータコアの前記永久磁石から前記ステータコイルに向かう磁束を前記ロータの回転速度に応じて変化させる磁束可変機構と、
   を備え、
   前記磁束可変機構は、
   前記永久磁石に向い合う位置で前記ロータコアの軸方向端面に固定されるケース体と、
   前記ケース体内で軸方向の移動が規制されると共に前記ロータの回転速度に応じた遠心力を受けて径方向に移動可能な移動子と、
   前記ケース体内で径方向の移動が規制されると共に軸方向に沿って移動可能な磁束短絡部材と、
   前記磁束短絡部材に固定され、径方向に沿って外周側に行くほど前記ロータコアの前記軸方向端面から離間する方向に所定の傾斜角度で傾斜して前記移動子に向かい合い前記移動子と接触するカム面を有し、前記カム面で受け止めた前記移動子の径方向の移動を前記磁束短絡部材の軸方向の移動に変換するカム部材と、
   前記磁束短絡部材に対し前記ロータコアの前記軸方向端面から離間させる方向に付勢力を与え、前記カム部材を介して前記移動子に働く遠心力と釣合った状態で前記磁束短絡部材の軸方向に沿った位置を定める付勢ばねと、
   を有する、磁束可変機構付の回転電機。
2. 前記磁束可変機構は、
   前記ロータコアの前記軸方向端面に配置されたエンドプレートに組み込まれた状態である、請求項１に記載の磁束可変機構付の回転電機。
3. 前記磁束可変機構は、
   前記ロータコアの軸方向の両端面に配置された２つの前記エンドプレートの内の１つに組み込まれた状態である、請求項２に記載の磁束可変機構付の回転電機。
4. 前記移動子は、
   前記カム部材の所定の傾斜角度と同じ傾斜角度の傾斜面を有する、請求項１に記載の磁束可変機構付の回転電機。
5. 前記移動子は、
   前記カム面に球形面で接触した状態の転がり球である、請求項１に記載の磁束可変機構付の回転電機。

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