JP5089066B2

JP5089066B2 - 電動機

Info

Publication number: JP5089066B2
Application number: JP2006086116A
Authority: JP
Inventors: 健太郎福井; 博文新
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2006-03-27
Filing date: 2006-03-27
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2026-03-27
Also published as: JP2007267453A

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側の回転子と永久磁石を備える内側の回転子とが同心円状に配設され、外側の回転子と内側の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側の回転子と内側の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、外側の回転子と内側の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、外側の回転子及び内側の回転子の周方向の相対位置を変更する。このように、外側の回転子と内側の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。
特開２００２−２０４５４１号公報

ところで、上記従来技術の電動機において、電動機の特性の可変率（即ち、強め界磁と弱め界磁との変化率）を大とする場合には、例えば、内側の回転子の永久磁石の磁力を大とする、或いは、外側の回転子の永久磁石と内側の回転子の永久磁石とを近接配置する等が考えられる。しかし、これによると、外側の回転子と内側の回転子とを弱め界磁位相としたとき、内側の回転子の永久磁石の磁力の影響によって外側の回転子の永久磁石が減磁するおそれがある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、回転子に備える永久磁石の減磁を防止しつつ特性の可変率を拡大することができ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、本発明の電動機は、回転軸と、該回転軸の周囲に配設され、複数の永久磁石が周方向に配設された第１回転子と、該第１回転子と同心円状に配設され、複数の永久磁石が周方向に配設されて前記第１回転子に対して周方向に回動自在且つ前記回転軸の軸線方向に沿って移動自在の第２回転子と、該第２回転子を周方向に回動させつつ回転軸の軸線方向に沿って移動させる移動手段とを備え、前記第２回転子は、回転軸の軸線方向の一方に移動したとき前記第１回転子の永久磁石に当接して磁束を短絡させ、回転軸の軸線方向の他方に移動したとき前記第１回転子の永久磁石から離反する磁束短絡板を備え、前記移動手段は、前記第２回転子をその周方向に回動させつつ軸線方向に沿って移動させることにより、前記第１回転子の永久磁石に対する該第２回転子の永久磁石の位置を強め界磁状態から弱め界磁状態に変更すると共に前記磁束短絡板を第１回転子の永久磁石に接近させ、更に前記第１回転子の永久磁石に対する前記第２回転子の永久磁石の位置が弱め界磁状態となったとき、前記第１回転子の各永久磁石に前記磁束短絡板を当接させることを特徴とする。

本発明の電動機によれば、第２回転子に備える磁束短絡板を第１回転子の永久磁石に当接させることにより、第１回転子の永久磁石の磁束に磁束短絡板へ向かう漏れが生じる。本来なら固定子に流れる第１回転子の永久磁石の磁束が磁束短絡板に漏れることで、第１回転子の磁束を弱めることができ、第１回転子に備える永久磁石が減磁することなく弱め界磁状態を形成することができる。そして、前記移動手段により第２回転子を回転軸の軸線方向に移動させて磁束短絡板を第１回転子の永久磁石から離反させると、第１回転子の永久磁石から磁束短絡板への磁束の短絡状態が解除されるので、固定子に流れる第１回転子の永久磁石の磁束が増加して、強め界磁状態を形成することができる。

前記第２回転子に第１回転子の各永久磁石に対向する複数の永久磁石を設けたことにより、第１回転子と第２回転子との間の相対的な位相を変更することによって界磁特性を変更することができる。即ち、例えば、第１回転子の永久磁石と第２回転子の永久磁石とを異極の磁極同士で対向（同極配置）させることで、第１回転子の永久磁石による磁束が、第２回転子の永久磁石による磁束によって強められた状態となる（強め界磁位相）。このとき、磁束短絡板を第１回転子の永久磁石から離反させておくことにより、第１回転子の永久磁石から磁束短絡板への磁束の短絡が生じないので、確実に強め界磁状態を得ることができる。この状態から、前記移動手段により第２回転子を回転軸の軸線方向に沿って移動させつつ周方向に回動させ、第１回転子の永久磁石と第２回転子の永久磁石とを同極の磁極同士で対向（対極配置）させることで、固定子に向かう第１回転子の永久磁石による磁束が第２回転子の永久磁石による磁束によって弱められる（弱め界磁位相）。このとき、磁束短絡板が第１回転子の永久磁石に当接するので、第１回転子の永久磁石から磁束短絡板への磁束の漏れが生じ、第１回転子の永久磁石による磁束を一層弱めることができる。

このように、弱め界磁状態を形成するときには、第１回転子の永久磁石と第２回転子の永久磁石とを対極配置させるだけでなく、第１回転子の永久磁石から磁束短絡板への磁束漏れが生じるので、第１回転子に備える永久磁石が減磁することなく弱め界磁状態を高めることができ、電動機の特性の可変率（即ち、強め界磁と弱め界磁との変化率）を容易に拡大することができる。

また、前記移動手段により第２回転子を回転軸の軸線方向に沿って移動させつつ周方向に回動させるので、磁束短絡板の当接及び第１回転子と第２回転子との間の相対的な位相の変更を迅速に行うことができる。

更に、本発明の電動機において、前記第１回転子は前記回転軸に連結され、該回転軸は、その外周面にヘリカルスプラインを備え、前記第２回転子は、回転軸のヘリカルスプラインに係合するスプライン係合部を備え、前記移動手段は、回転軸と第２回転子との間に形成された圧力室を備えて、該圧力室に流体を供給することにより、第２回転子を回転軸に沿って移動させることが好ましい。

先ず、第１回転子の永久磁石と第２回転子の永久磁石とが同極配置のとき第２回転子の磁束短絡板を第１回転子の永久磁石から離反させた状態とする。第１回転子の永久磁石と第２回転子の永久磁石とが同極配置のときには、第１回転子の永久磁石と第２回転子の永久磁石とが相互の吸引力により対向状態を維持し、安定した状態で強め界磁状態が形成される。この状態から、移動手段により圧力室に流体が供給されて圧力室内が加圧されると、第２回転子が回転軸に沿って移動され、第２回転子の磁束短絡板が第１回転子の永久磁石に当接する。このとき、第２回転子のスプライン係合部が回転軸のヘリカルスプラインに係合していることで、第２回転子は回転軸に沿って移動しつつ第２回転子は第１回転子に対して周方向に回動する。これによって、第２回転子の磁束短絡板が第１回転子の永久磁石に当接したとき、同時に第１回転子の永久磁石と第２回転子の永久磁石とを対極配置とすることができる。

なお、移動手段による圧力室への流体の供給が停止し、圧力室内の加圧が解除されると、第１回転子の永久磁石と第２回転子の永久磁石との相互の吸引力により引き合って第２回転子が回動し、第１回転子の永久磁石と第２回転子の永久磁石とを同極配置とすることができる。しかもこのとき、第２回転子のスプライン係合部が回転軸のヘリカルスプラインに係合していることにより、第２回転子は、その回動に伴い回転軸に沿って移動し、磁束短絡板が第１回転子の永久磁石から離反される。

このように、ヘリカルスプラインを回転軸に設け、このヘリカルスプラインに係合するスプライン係合部を第２回転子に設けたことにより、磁束短絡板の第１回転子の永久磁石への当接及び第１回転子と第２回転子との位相の変更を、構造を簡単としてしかも円滑に行うことができる。

更に、本発明の電動機において、前記移動手段は、前記圧力室に連通する流体路を備え、該流体路は前記回転軸内に設けられていることが好ましい。

これによれば、圧力室に連通する流体路を回転軸内に設けたことによりコンパクトに構成することができ、流体路を介して圧力室に流体を供給するだけで第２回転子を回転軸に沿って移動させることができるので、第１回転子と第２回転子との相対的な位相を円滑に変更することができる。

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第１回転子及び第２回転子と固定子とを示す要部の断面説明図、図２は第２回転子の要部を示す断面説明図、図３（ａ）及び（ｂ）は第１回転子と第２回転子との強め界磁位相及び弱め界磁位相を示す一部の説明的斜視図、図４（ａ）及び（ｂ）は本実施形態に係る電動機の一部の構成及び作動を模式的に示す断面説明図、図５及び図６は移動手段の他の構成を模式的に示す説明図である。

本実施形態の電動機１は、図１に示すように、環状の第１回転子２と、第１回転子２の内側に同心円状に配設された第２回転子３とを備えている。第１回転子２は周方向に沿って複数の第１永久磁石４を備えている。第２回転子３は、第１回転子２の各第１永久磁石４に対向するように周方向に沿って配設された複数の第２永久磁石５を備えている。第２回転子３は、第１回転子２に対して周方向に回動自在に設けられ、この回動によって第１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。また、第１回転子２の外周には、第１回転子２及び第２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６が設けられている。

本実施形態の電動機１は、ブラシレスＤＣモータであって、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７（図４参照）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７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。

図１に示すように、第１回転子２に設けられた第１永久磁石４は、板状に形成されており、その厚さ方向（即ち第１回転子２の径方向）に磁化されている。更に、各第１永久磁石４は磁化方向が同方向のものを一対一組として、隣り合う各組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、互いに隣り合う組同士の一方の組の一対の第１永久磁石４は共に外周側がＮ極となるように設けられ、他方の組の一対の第１永久磁石４は共に外周側がＳ極となるように設けられて、外周側がＮ極の第１永久磁石４の組と外周側がＳ極の第１永久磁石４の組とは周方向に交互に配列されている。

同様に、第２回転子３に設けられた第２永久磁石５は、板状に形成されており、その厚さ方向（即ち第２回転子３の径方向）に磁化されている。そして、各第２永久磁石５は磁化方向が同方向のものを一対一組として、隣り合う各組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、互いに隣り合う組同士の一方の組の一対の第２永久磁石５は共に外周側がＮ極となるように設けられ、他方の組の一対の第２永久磁石５は共に外周側がＳ極となるように設けられて、外周側がＮ極の第２永久磁石５の組と外周側がＳ極の第２永久磁石５の組とは周方向に交互に配列されている。

第２回転子３は、図２に一部を示すように、軸方向の一端から全周にわたって径方向に張り出す鍔状の磁束短絡板８を備えている。磁束短絡板８は、第１回転子２に重合可能な大きさに形成されており、第１回転子２の各第１永久磁石４に当接したときに各第１永久磁石４の磁束漏れを生じさせる材質（磁性体）により形成されている。

図４（ａ）及び（ｂ）に一部を示すように、第１回転子２は、略円盤状のドライブプレート９に連設された円筒状の支持ドラム１０の外周に支持され、ドライブプレート９を介して回転軸７に連結されている。

第２回転子３は、回転軸７に設けられた大径部１１に回動自在且つ軸線方向に移動自在に保持されている。また、回転軸７には、第２回転子３をその軸線方向に移動させつつ第１回転子２に対して周方向に回動させる移動手段１２が設けられている。

移動手段１２は、回転軸７の大径部１１と第２回転子３の内周面側に形成された圧力室１３と、回転軸７の内部を通って圧力室１３に連通する油路１４（流体路）とによって構成され、更に、回転軸７の外周にヘリカルスプライン１５を備えている。一方、第２回転子３には、ヘリカルスプライン１５に対応して係合するスプライン係合部１６が設けられている。なお、符号１７で示すものは、圧力室１３からの油漏れを防止するシール部材である。

次に、図３及び図４を参照して本実施形態の電動機１の作動を説明する。図３（ａ）は電動機１における強め界磁状態を示している。この状態では、第１回転子２の第１永久磁石４と第２回転子３の第２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）されている。また、図３（ａ）及び図４（ａ）に示すように、第２回転子３の磁束短絡板８が第１回転子２の第１永久磁石４から離反した状態で、第１回転子２の第１永久磁石４の磁束漏れが防止される。このような、強め界磁状態では、電動機１のトルク定数（トルク／相電流）を高い値に設定することができる。

図３（ｂ）は電動機１における弱め界磁状態を示している。この状態では、第１回転子２の第１永久磁石４と第２回転子３の第２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）されている。また、図３（ｂ）及び図４（ｂ）に示すように、第２回転子３の磁束短絡板８が第１回転子２の第１永久磁石４に当接した状態となり、第１回転子２の第１永久磁石４から磁束短絡板８への磁束漏れ（図中矢印ｚ）が生じる。本実施形態においては、このように、第１回転子２の第１永久磁石４と第２回転子３の第２永久磁石５とを対極配置させて界磁を弱めるだけでなく、第１回転子２の第１永久磁石４から磁束短絡板８への磁束漏れを発生させるので、第２回転子３の第２永久磁石５の磁力を大とすることなく界磁状態を極めて弱くすることができ、第１永久磁石４の減磁を防止して十分な弱め界磁を得ることができる。そして、これによって、電動機の特性の可変率（即ち、強め界磁と弱め界磁との変化率）を容易に拡大することができる。

ここで、図３（ａ）の強め界磁状態から図３（ｂ）の弱め界磁状態に変更する場合には、先ず、図４（ｂ）に示すように、油路１４を介して圧力室１３に油圧を付与する。これにより、第２回転子３が軸線方向に移動し、磁束短絡板８が第１回転子２の第１永久磁石４に当接する。このとき、第２回転子３はスプライン係合部１６を介して回転軸７のヘリカルスプライン１５に係合しているので、回転軸７の軸線方向に移動しながら周方向に回動される。これによって、図３（ｂ）に示すように、第２回転子３の磁束短絡板８が第１回転子２の第１永久磁石４に当接すると同時に、第１回転子２の第１永久磁石４と第２回転子３の第２永久磁石５とが対極配置され、円滑に弱め界磁状態が形成される。

一方、図３（ｂ）の弱め界磁状態から図３（ａ）の強め界磁状態に変更する場合には、図４（ａ）に示すように、圧力室１３への油圧の付与を解除する。これによって、第１回転子２の第１永久磁石４と第２回転子３の第２永久磁石５とが互いの吸引力によって引き合い、第２回転子３が回動する。そして、第２回転子３のスプライン係合部１６が回転軸７のヘリカルスプライン１５に対応して係合していることで、第２回転子３の回動に伴い第２回転子３が自ら軸線方向に移動して、第２回転子３の磁束短絡板８が第１回転子２の第１永久磁石４から離反する。このようにして、磁束短絡板８による第１回転子２の第１永久磁石４の磁束漏れが防止された状態となり、同時に、図３（ａ）に示すように、第１回転子２の第１永久磁石４と第２回転子３の第２永久磁石５とが同極配置となって円滑に強め界磁状態が形成される。

また、移動手段１２の他の構成として、図５に示すように、ドライブプレート９の内面側と第２回転子３との間にバネ等の付勢部材１８を介在させ、付勢部材１８によって第２回転子３を磁束短絡板８が第１回転子２の第１永久磁石４から離反する方向に付勢しておくことが好ましい。これにより、図３（ｂ）の弱め界磁状態から図３（ａ）の強め界磁状態に変更する場合に、圧力室１３への油圧の付与が解除されると、付勢部材１８の付勢により第２回転子３が軸線方向に移動して、第２回転子３の磁束短絡板８を確実に第１回転子２の第１永久磁石４から離反させることができる。

また、図６に示すように、ドライブプレート９の内面側と第２回転子３との間に第２の圧力室１９を設けると共に、回転軸７の内部を通って第２の圧力室１９に連通する第２の油路２０を設けてもよい。この場合には更に、前記圧力室１３に連通する油路１４と、第２の圧力室１９に連通する第２の油路２０とを切換えバルブ２１により接続することが好ましい。これによれば、圧力室１３への油圧の付与を解除するときに、切換えバルブ２１により第２の圧力室１９への油圧の付与が行え、第２回転子３を強制的に軸線方向に移動させて、第２回転子３の磁束短絡板８を確実に第１回転子２の第１永久磁石４から離反させることができる。

また、本実施形態においては、第２回転子３に複数の第２永久磁石５を備えるものを示したが、それ以外に、図示しないが、第２永久磁石５を設けることなく第２回転子３を構成してもよい。なお、この場合には、移動手段１２として図５或いは図６に示す構成が採用される。これによれば、磁束短絡板８を第１回転子２の第１永久磁石４に当接することで、第１回転子２の第１永久磁石４から磁束短絡板８へ向かう磁束漏れが生じる。本来なら固定子６に流れる第１回転子２の第１永久磁石４の磁束が磁束短絡板８に漏れることで、第１回転子２の第１永久磁石４の磁束を弱めることができ、第１永久磁石４が減磁することなく弱め界磁状態を容易に形成することができる。また、磁束短絡板８を第１回転子２の第１永久磁石４から離反させれば、固定子６に流れる第１回転子２の第１永久磁石４の磁束が増加し、強め界磁状態を良好に形成することができる。

本発明の一実施形態に係る電動機の第１回転子及び第２回転子と固定子とを示す要部の断面説明図。第２回転子の要部を示す断面説明図。第１回転子と第２回転子との強め界磁位相及び弱め界磁位相を示す一部の説明的斜視図。本実施形態に係る電動機の一部の構成及び作動を模式的に示す断面説明図。移動手段の他の構成を模式的に示す説明図。移動手段の他の構成を模式的に示す説明図。

符号の説明

１…電動機、２…第１回転子、３…第２回転子、４…第１永久磁石、５…第２永久磁石、７…回転軸、８…磁束短絡板、１２…移動手段、１３…圧力室、１４…油路（流体路）、１５…ヘリカルスプライン、１６…スプライン係合部。

Claims

回転軸と、該回転軸の周囲に配設され、複数の永久磁石が周方向に配設された第１回転子と、該第１回転子と同心円状に配設され、複数の永久磁石が周方向に配設されて前記第１回転子に対して周方向に回動自在且つ前記回転軸の軸線方向に沿って移動自在の第２回転子と、該第２回転子を周方向に回動させつつ回転軸の軸線方向に沿って移動させる移動手段とを備え、
前記第２回転子は、回転軸の軸線方向の一方に移動したとき前記第１回転子の永久磁石に当接して磁束を短絡させ、回転軸の軸線方向の他方に移動したとき前記第１回転子の永久磁石から離反する磁束短絡板を備え、
前記移動手段は、前記第２回転子をその周方向に回動させつつ軸線方向に沿って移動させることにより、前記第１回転子の永久磁石に対する該第２回転子の永久磁石の位置を強め界磁状態から弱め界磁状態に変更すると共に前記磁束短絡板を第１回転子の永久磁石に接近させ、更に前記第１回転子の永久磁石に対する前記第２回転子の永久磁石の位置が弱め界磁状態となったとき、前記第１回転子の各永久磁石に前記磁束短絡板を当接させることを特徴とする電動機。
前記第１回転子は前記回転軸に連結され、
該回転軸は、その外周面にヘリカルスプラインを備え、
前記第２回転子は、回転軸のヘリカルスプラインに係合するスプライン係合部を備え、
前記移動手段は、回転軸と第２回転子との間に形成された圧力室を備えて、該圧力室に流体を供給することにより、第２回転子を回転軸に沿って移動させることを特徴とする請求項１記載の電動機。
前記移動手段は、前記圧力室に連通する流体路を備え、該流体路は前記回転軸内に設けられていることを特徴とする請求項２記載の電動機。