JP5135693B2

JP5135693B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP5135693B2
Application number: JP2006059235A
Authority: JP
Inventors: 祐一渋川
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2006-03-06
Filing date: 2006-03-06
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2026-03-06
Also published as: JP2007244023A

Description

本発明は、回転電機の誘起電圧を低減する技術、特に、永久磁石の磁束を短絡させることにより回転電機のロータと回転電機のステータとの間で形成される磁気回路に流れる磁束を低減する技術に関するものである。

永久磁石を具えた回転電機は、ロータの高回転時に誘起電圧が高くなるという問題がある。すなわち、誘起電圧が高くなるとインバータによる回転電機の運転制御が不可能になったり、インバータの耐電性能を超える電圧がインバータに作用し、インバータ内部の半導体素子に悪影響を及ぼす。
このため、ロータの高回転時には永久磁石の磁束を短絡して誘起電圧を抑制する発明としては従来、例えば特許文献１に記載のごときものが知られている。
特許文献１に記載の永久磁石式回転電機は、永久磁石の近傍に可動磁性体を設置しておき、ロータの高回転時には、永久磁石に可動磁性体を密着させることにより、永久磁石の磁束を短絡させて、誘起電圧を抑制するようにしたものである。
特開平９−３０８２００号公報

しかし、上記従来のような永久磁石短絡機能付き回転電機にあっては、以下に説明するような問題を生ずる。つまり誘起電圧やロータ回転数をモニタリングするセンサ機器を設置して、これらセンサ機器からの信号を監視し、可動磁性体を作動させるためのストッパ押し部材や、スリップリングや、これらストッパ押し部材またはスリップリングを進退動させる制御が新たに必要となり、回転電機を有するシステムの複雑化およびコスト高を招く。
さらに可動磁性体等を進退動させるために必要な力が、何ら他の用途を為し得ず、有効利用されていない。

また特許文献１には、ロータに設けた可動磁性体を、径方向に伸縮する弾性部材を介してロータ中央部に取り付け、ロータの高回転時には、可動磁性体に作用する遠心力が弾性部材の弾性力に勝ることにより、可動磁性体を永久磁石に密着するよう構成したものについて開示している。
遠心力は、質量と速度の自乗とを乗算したものを半径で除算したものである。
しかしながら、この構成によれば、何らかの原因で可動磁性体が常態位置でスティック（固着）した場合、可動磁性体の質量が小さいことから、遠心力のみではスティックを解消することができず、永久磁石の磁束を短絡することができなくなるといった懸念もある。

本発明は、上述の実情に鑑み、
可動磁性体を動かすための制御システムを不要とすることができ、
可動磁性体を進退動させるための力を、そのまま回転電機のトルクとして活用することができる回転電機を提案するものである。

この目的のため本発明による回転電機は、請求項１に記載のごとく、
ロータに複数の永久磁石を設け、ステータにコイルを設け、これらロータおよびステータ間で該ロータを駆動するためのロータトルクを発生する回転電機において、
該ロータトルクを用いて前記複数の永久磁石同士の磁束を短絡する磁束短絡機構を設けたことを特徴としたものである。

かかる本発明の構成によれば、ロータ駆動のためのロータトルクを用いて前記永久磁石短絡機構を作動するため、ロータトルクの大きい時に回転数も大きい特性をもった回転電機では、大ロータトルクで永久磁石短絡機構を作動するよう設定しておくことにより、永久磁石同士の磁束を短絡することができ、
あるいは、ロータトルクが小さい時に回転数が大きい特性をもった回転電機では、小ロータトルクで永久磁石短絡機構を作動するよう設定しておくことにより、永久磁石同士の磁束を短絡することができる。
したがって、可動磁性体を動かすための制御システムが不要となり、構成の簡易化およびコスト低減を図ることができる。

さらに、永久磁石短絡機構を作動するために用いたロータトルクで、そのままロータ回転軸を駆動するため、永久磁石短絡機構を作動するために必要な力を有効利用することができる。
また本発明の構成によれば、特許文献１に記載された可動磁性体の遠心力よりも大きなロータトルクによって、永久磁石短絡機構を作動させることが可能となる。したがって、磁性体がスティックしても確実に永久磁石の磁束を短絡させることができ、永久磁石短絡機能付き回転電機の作動信頼性を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面に示す実施例に基づき詳細に説明する。
図１は本発明の回転電機が有する磁束短絡機構の一例につき、その概要を示す斜視図であり、（ａ）は永久磁石同士の磁束を短絡しない状態を示し、（ｂ）は永久磁石同士の磁束を短絡した状態を示す。
本発明の回転電機は、ロータとして円筒形状のロータ１を具える。ロータ１は回転電機のトルク（ロータトルク）を発生する主要部品である。
（ａ）状態および（ｂ）状態の双方で本発明の回転電機は、ロータ１のロータトルクを、図１に示しないロータ回転軸から出力する。

ロータ１の内部には、複数個の永久磁石３を、周方向に等間隔に配置する。そして永久磁石３のロータ軸線方向両端を、ロータ１の表面に一致させる。なお、図１に例示する他、ロータ１の円筒表面に永久磁石を配置してもよい。
ロータ１の近傍には磁性体で形成した磁性ヨーク部材４を配置する。磁性ヨーク部材４は円環形状であって、その中心がロータ軸線と共通する。磁性ヨーク部材４は同一永久磁石３同士の磁束を短絡する磁束短絡機構の一部である。

ロータ１と向かい合う磁性ヨーク部材４の表面を、ロータ１の軸線に対し直角な平面にする。同様に、磁性ヨーク部材４と向かい合うロータ１の表面も、ロータ１の軸線に対し直角な平面にする。

本発明の回転電機は後述する磁性体移動手段を具える。そして、ロータ１のロータトルクが後述する所定の閾値以下であるとき等、必要に応じて、磁性ヨーク部材４を図１（ａ）の紙の上で、下向き矢で示すようにロータ１側に移動させる。そして（ｂ）に示すようにロータ１に磁性ヨーク部材４を当接する。
磁性ヨーク部材４がロータ１に当接する間、図１（ｂ）の二点鎖線（仮想線）で示すように磁性ヨーク部材４は永久磁石３、３同士の磁束を短絡する。そうすると、ロータ１が図示しないステータとの間で形成する磁気回路の磁束が減少し、ステータコイルに発生する誘起電圧を低減することができる。

ここで、磁性ヨーク部材４を図１（ａ）の矢印で示すようにロータ１側に移動させる動力源として、後述する磁性体移動手段はロータトルクを用いる。例えば、弾性部材で磁性ヨーク部材４をロータ１側に付勢しておき、ロータトルクはその大きさに応じたスラストを発生してヨーク部材４をロータ1から離すようにしておく。

ここで付言すると、この磁束短絡機構を具えた回転電機におけるロータトルクとロータ回転数の関係は、図１０の特性図に実線で示すようになる。
図１０中、横軸はロータ回転数を表し、縦軸はロータトルクを表す。図１０に示すようにこの回転電機では、ロータ回転数が高いほどロータトルクが低くなることから、ロータトルクが所定の閾値以下の場合に磁束短絡機構が磁束を短絡するよう設定しておく。

このように本発明の回転電機は、複数の永久磁石３，３同士の磁束を短絡する磁性ヨーク部材４と、磁性ヨーク部材４およびロータ１間の距離をロータトルクによって変化させる磁性体移動手段とからなる磁束短絡機構を具える。そしてロータ１の高回転時には、磁束短絡機構が磁性ヨーク部材４をロータ１に当接して誘起電圧を低減する。

なお、永久磁石３，３同士の磁束を短絡する本発明の磁束短絡機構は、図１に示す一例の他、幾つかの形態によって実現可能である。

図２は、他の例になる磁束短絡機構の概要を示す斜視図である、（ａ）は永久磁石同士の磁束を短絡しない状態を示し、（ｂ）は永久磁石同士の磁束を短絡した状態を示す。図２中、図１に示した構成要素と機能が共通する構成要素については、共通する符号を付す。

この例では、磁性ヨーク部材４の一部をロータ１に向けて突出させ、磁性体突出部４ｔを設ける。ロータ１には４個の永久磁石３を設けてあることから、磁性ヨーク部材４にも同数個の磁性体突出部４ｔを立設する。
磁性体突出部４ｔの先端はロータ１の軸線に対し直角な平面に形成されている。
永久磁石３，３同士の磁束を短絡する場合には、後述する磁性体移動手段が図２（ａ）の紙の上で、下向き矢で示すように、磁性ヨーク部材４をロータ１側へ移動し、図２(ｂ)に示すように、磁性体突出部４ｔの先端をロータ１に設けた複数の永久磁石３に当接する。
上記のように磁性体突出部４ｔの先端は平面に形成されていることから、磁性体突出部４ｔは永久磁石３に確実に当接して、複数の永久磁石３，３同士の磁束を短絡する。

図３は、さらに他の例になる磁束短絡機構の概要を示す斜視図である、（ａ）は永久磁石同士の磁束を短絡しない状態を示し、（ｂ）は永久磁石同士の磁束を短絡した状態を示す。図３中、図２に示した構成要素と機能が共通する構成要素については、共通する符号を付す。

この例では、磁性ヨーク部材４の一部をロータ１に向けて突出させて、磁性体突出部４ｔを設ける構成については共通する。また、図３（ｂ）に示すように、磁性体突出部４ｔの先端を永久磁石３に当接して、磁束を短絡する構成についても共通する（図２（ｂ）と同じ）。
しかし、短絡しない状態では図３（ａ）に示すように、磁性体突出部４ｔの先端を永久磁石３から遠ざかるよう配置する構成において異なる。つまり短絡しない状態では磁性体突出部４ｔからロータ軸線方向に延長すると永久磁石３，３間を通過するよう、磁性ヨーク部材４ｔの周方向位置を規定する。

永久磁石３，３同士の磁束を短絡する場合には、後述する磁性体移動手段が図３(ａ)で周方向の矢で示すようにロータ１を回転させ、図３（ａ）の紙の上に下向き矢で示すように、磁性ヨーク部材４をロータ１側へ移動し、図３(ｂ)に示すように、磁性体突出部４ｔの先端をロータ１に設けた複数の永久磁石３に当接する。

短絡を止めて通常の状態に戻すときには、図１〜３に示すいずれの例においても、上述した動きとは逆の動きを行う。

次に、本発明の回転電機が具える磁束短絡機構をより具体的な実施例に基づき説明する。
図４は、本発明の第１実施例になる回転電機を、ロータ軸線を含む平面で断面にして示す縦断面図である。
この実施例は、ステータ５とロータ１とをロータ径方向に配置したラジアルギャップ構造の回転電機である。ステータ５は、ロータ１のロータ外径側に配置される。つまり第１実施例の回転電機はインナーロータ型の回転電機である。

回転電機の外殻を形成するケース７の内壁には、ステータ５のステータコア８を、周方向に複数配列する。そして、ステータコア８の一側をケース７の内壁に固定し、ステータコア８の他側をロータ内径方向に向かって突出させ、ロータ１の外周に指向させる。各ステータコア８の両側間にはコイル９を夫々巻回する。

ロータ１の中央には孔１ｈを設け、この孔１ｈにロータ回転軸１０を貫通させる。ケース７はロータ回転軸１０を、少なくともロータ回転軸１０の両側２箇所で軸受を介して回転自在に支持する。また孔１ｈの内周とロータ回転軸１０との隙間にはニードル軸受６を設け、ロータ回転軸１０は孔１ｈを相対回動自在に支持する。なおニードル軸受６は、孔１ｈがロータ回転軸１０に対して軸方向に移動することも許容する。
前述したように円筒形状のロータ１内部には、複数の永久磁石３を周方向に複数配列する。ステータコア８のコイル９に適宜通電するとステータコア８に磁束が発生し、ステータコア８の磁束が近傍の永久磁石３の磁束と磁気回路を形成する。これによりロータ１およびステータ５間で、ロータ１を駆動するためのロータトルク（ロータトルク）を発生する。ロータ回転軸１０は、このロータトルクを車輪等図示しない負荷側に出力する。
コイル９は図示しないインバータおよびバッテリと電気的に接続し、図示しないインバータがコイル９に適宜通電するための制御を実行する。ロータトルクの大小の調整は、コイル９の通電制御により行う。

ロータ１とロータ回転軸１０との間には磁性ヨーク部材４を移動させるためのカム機構を設ける。
このカム機構はボールを用いて伝達トルクに応じたスラストを与える公知のものでよい。ロータ１はカム機構のカムディスクを兼用する。ロータ１の軸方向近傍にはカム機構のフォロワーディスクとなる軸方向可動部材１６を配置する。これらロータ１と軸方向可動部材１６との間にはカム機構のボール１５を配置する。

ロータ１の近傍にある軸方向可動部材１６は円盤形状であって、その中心をボールスプライン１７でロータ回転軸１０に取り付ける。軸方向可動部材１６の外周縁には磁性ヨーク部材４を結合する。なお、軸方向可動部材１６および磁性ヨーク部材４を磁性体で一体に形成してもよいこと勿論である。
図４に示す第１実施例の磁性ヨーク部材４は、前述した図３に示す形状である。ロータ１と向かい合う磁性ヨーク部材４の表面には磁性体突起４ｔを立設し、磁性体突起４ｔの先端をロータ１に向けて指向させる。なお、磁性ヨーク部材４は前述した図１〜図３に示すような円環形状であればよい。
ロータ回転軸１０上であって、軸方向可動部材１６から見てロータ１とは反対側になる部位には抜け止め用ナット１８を結合する。ロータ１の孔１ｈのうち、軸方向可動部材１６から遠い部位にはアンギュラー軸受２を設ける。そして、軸方向可動部材１６およびロータ１間の距離が長くなりすぎないよう、抜け止め用ナット１８はアンギュラー軸受２と相俟って、これら部材２，１８間にあるロータ１および軸方向可動部材１６がロータ回転軸１０から抜け出ることを防止する。

軸方向可動部材１６と向かい合うロータ１の側面には周方向溝１９を刻設する。またロータ１と向かい合う軸方向可動部材１６の側面にも周方向溝２０を刻設する。これら周方向溝１９および周方向溝２０を相互に向き合うよう配置して、複数のボール１５，１５・・・をこれら周方向溝１９，２０内に収容する。

軸方向可動部材１６と抜け止め用ナット１８との間には皿バネ２１を配置する。皿バネ２１は軸方向可動部材１６をロータ１に近づくよう付勢する。

次に、磁性体移動手段であるカム機構が、如何にして磁性ヨーク部材４を移動させて永久磁石３の磁束を短絡するかにつき説明する。

前提として、第１実施例の回転電機の運転特性は、ロータ１のロータトルクとロータ１のロータ回転数との間に相関関係を有する。つまり図１０に実線で示すように、ロータ回転数が高いほどロータトルクが小さく、ロータ回転数が低いほどロータトルクが大きい運転特性を有する。

この前提のもと第１実施例では、ロータ回転軸１０のロータトルクが後述する所定の閾値以上である場合の通常の状態では、図４に示すように、このロータトルクが磁性ヨーク部材４をロータ１から離間して永久磁石３の磁束を短絡しない。
別な言い方をすれば短絡しないことにより、磁気回路の磁束を大きくして、高トルク運転の実現を容易にする。

ここで付言すると、閾値とは図１０に示すように、通常の中低速運転状態における上限回転数N₁に対応するロータトルクである。上限回転数N₁を下回る回転数で通常運転する場合、回転電機の誘起電圧は許容できるほど小さいものであるから、磁気回路の磁束は大きくてもよい。そこで、ロータトルクが上記閾値よりも大きい通常時は、永久磁石３の磁束を短絡しないように設定しておけばよい。

これに対し、回転数N₁を上回って運転しなければならない場合、別な言い方をするとロータトルクを上記閾値未満で運転するとき、回転電機の誘起電圧は許容できないほど大きなものとなる。
そこで、ロータトルクが上記閾値よりも小さいときは、前述した図３に示すように、磁性ヨーク部材４をロータ１に近づけて永久磁石３に当接させて磁気回路の磁束を小さくすることにより、誘起電圧を低減する。
具体的にはロータ回転軸１０のロータトルクが所定の閾値未満である場合では、図５に示すように、皿バネ２１に付勢された磁性ヨーク部材４がロータ１に押し付けられて永久磁石３の磁束を短絡する。これにより、誘起電圧の低減を実現して、高回転領域における運転を可能にする。

ステータ５およびロータ１間の磁気回路によってロータトルクがロータ１に与えられると、このロータトルクはロータ１から、ボール１５と、軸方向可動部材１６と、ボールスプライン１７とを経由してロータ回転軸１０に伝達される。ロータ回転軸１０は、このロータトルクを車輪等図示しない負荷側に出力する。

ボール１５を挟圧する周方向溝１９の深さ（ロータ１と向かい合う円盤形状の表面からの深さ）は一様ではなく、周方向全体に亘って変化する。つまり、周方向溝１９を周方向に切断し展開して見ると、波形の深浅を繰り返すものとする。
この場合、周方向溝１９と２０との間に挟圧されたボール１５に、ロータトルクが作用すると、ロータ１が軸方向可動部材１６に対して相対回動し、ボール１５がロータトルクの大きさに応じて上記の波形上を移動して、これら周方向溝１９と２０との距離を変化させる。そして、ロータ１から見た軸方向可動部材１６の軸方向位置が変化する。
このときボール１５は伝達するトルクの大きさに応じて、軸方向可動部材１６にロータ１から遠ざかるようスラストを与える。これに対し皿バネ２１は、軸方向可動部材１６にロータ１へ近づくよう付勢する。

したがって、ボール１５が伝達するロータトルクが小さいとき、皿バネ２１の上記付勢力が上記スラストに勝って磁性ヨーク部材４はロータ１に当接した状態を保つ。この結果、永久磁石３，３同士の磁束は短絡される。

永久磁石３，３同士の磁束が短絡されると、ロータ１およびステータ５間で形成される磁気回路の磁束は小さいものとなり、ロータ回転軸１０の高回転領域でも回転電機を運転することができる。

これに対し、ボール１５が伝達するロータトルクが大きいとき、皿バネ２１の上記付勢力が上記スラストに負けて皿バネ２１はロータ軸方向に押し潰れるよう弾性変形する。これにより軸方向可動部材１６はロータ１から離間し、永久磁石３，３同士の磁束は短絡されない。したがって上記した第１実施例によれば、コイル９の誘起電圧を低減してロータ回転軸１０の高回転を許容することができる。

永久磁石３，３同士の磁束は短絡されなければ、ロータ１およびステータ５間で形成される磁気回路の磁束は大きいものとなり、ロータ回転軸１０の回転数が高くない通常の状態で回転電機を運転することができる。したがって上記した第１実施例によれば、低回転かつ大トルクが必要な場合に対応可能である。

図１０は、ロータトルクが小さくなるほどロータ回転数が高くなる特性を具えた第１実施例の回転電機における運転性能を、同様の特性を具えた磁束短絡機構を有しない従来例の回転電機と比較して示す特性図である。
図１０中、破線で示す従来例では、誘起電圧を低減する制御を具えていないため、ロータの高回転領域がN1に制限される。
これに対し、実線で示す第1実施例では、磁性ヨーク部材４をロータ１に当接させるため、ロータの高回転領域をN2まで広げることができ（N1＜N2）、運転性能を向上させることができる。

また、上記の第１実施例では、ロータ1を駆動するためのロータトルクを用いて磁性ヨーク部材４をロータ軸方向に当接させるため（図５）、
ロータトルクの大小に応じて永久磁石３の短絡状態と非短絡状態とを簡明直截に切り替えることが可能となり、磁性ヨーク部材４を動かすための制御システムが不要となって、構成の簡易化およびコスト低減を図ることができる。

さらに上記の第１実施例では、軸方向可動部材１６を作動するために用いたロータトルクで、そのままロータ回転軸１０を駆動するため、軸方向可動部材１６を作動するために必要な力を有効利用することができる。

また上記の第１実施例では、遠心力を用いるのではなく、遠心力よりも大きなロータトルクを用いて、磁性ヨーク部材４を確実に当接させることが可能となり、永久磁石短絡機能付き回転電機の作動信頼性を向上させることができる。

次に本発明の第２実施例になる回転電機について説明する。
図６は、本発明の第２実施例になる回転電機を、ロータ軸線を含む平面で断面にして示す縦断面図である。
この第２実施例はステータの外径側にロータを配置したアウターロータ型の回転電機であるが、ステータとロータとをロータ径方向に配置したラジアルギャップ構造の回転電機であるため基本構造は上述した第１実施例と共通する。そこで共通する部材には、同一符号を付し、部材毎の説明を省略する。

図６に示す第２実施例でも、ロータ１およびステータ５間の磁気回路によってロータ１に与えられたロータトルクが、ボール１５と、軸方向可動部材１６と、ボールスプライン１７とを経由してロータ回転軸１０に伝達される。そして上記のロータトルクが、前述した図３に示すように、磁性ヨーク部材４をロータ１に近づけて永久磁石３に当接させるものである。
つまり、ロータ回転軸１０の上記ロータトルクが所定の閾値以上である場合の通常の状態では、図６に示すように、このロータトルクが磁性ヨーク部材４をロータ１から離間して永久磁石３の磁束を短絡しない。
これに対し、ロータ回転軸１０のロータトルクが所定の閾値未満である場合では、図７に示すように、皿バネ２１に付勢された磁性ヨーク部材４がロータ１に押し付けられて永久磁石３の磁束を短絡する。

次に本発明の第３実施例になる回転電機につき、図８の縦断面図に沿って説明する。この第３実施例は、ステータとロータとをロータ軸方向に配置したアキシャルギャップ構造の回転電機である。前述した第１実施例と共通する機能を有する要素については、同一符号もしくは末尾が共通する符号を付して説明する。
第３実施例の回転電機はステータ１０５を具える。ステータ１０５はステータブラケット１０７を介してケース７の内周壁に取り付けられる。ステータブラケット１０７を周方向に複数配置し、複数のステータコア１０８を周方向に配列する。

ステータ１０５のロータ軸方向両側にはロータ１０１をそれぞれ配置する。つまり、第３実施例の回転電機は２枚のロータ１０１，１０１を共通するロータ回転軸１０に取り付けた２ロータ１ステータ型の回転電機である。
ロータ１０１には複数の永久磁石１０３を周方向に配列する。

ステータブラケット１０７によって支持されるステータ１０５のステータコア１０８にはコイル１０９を巻回する。巻回の中心線はロータ軸線と平行であり、コイル１０９に通電するとステータコア１０８にはロータ軸線と平行な磁束が発生し、この磁束が両側のロータ１０１，１０１へ向かう。
そうすると、ステータコア１０８からの磁束が永久磁石１０３の磁束と一体になり、ロータ１０１およびステータ１０５間で磁気回路が形成され、ロータ１０１にロータトルクを与える。

回転電機の中心を貫通するロータ回転軸１０の中央部１０ｂは、ステータブラケット１０７の軸方向位置と共通する。このロータ回転軸中央部１０ｂの断面径を、両端部よりも大きくする。中央部１０ｂから見て近い順に、皿バネ２１と磁性ヨーク部材１０４とボール１５とロータ１０１とアンギュラー軸受２と抜け止めナット１８を順次配置する。

ロータ回転軸中央部１０ｂの断面径およびロータ回転軸端部の断面径が断続する段差部には、皿バネ２１を係止する。そして、皿バネ２１が隣接する磁性ヨーク部材１０４を端部側へ付勢できるようになす。
磁性ヨーク部材１０４、ボール１５、およびロータ１０１はカム機構を構成する。カムディスクを兼用するロータ１０１は、アンギュラー軸受２を介してロータ回転軸１０に回動可能に支持される。抜け止めナット１８によってロータ回転軸端部側に移動しないよう規制されたアンギュラー軸受２は、カム機構のボール１５からのスラストを受け止める。
フォロワーディスクとなる磁性ヨーク部材１０４は、軸方向可動部材１６に相当する円盤形状の部材であって、ロータ１０１の近傍にある。磁性ヨーク部材１０４をボールスプライン１７でロータ回転軸１０に取り付ける。ボールスプライン１７は、ロータ回転軸１０に対し磁性ヨーク部材１０４を軸方向に相対移動可能、かつ、周方向に相対回動不可とする。

ロータ１０１の径は、磁性ヨーク部材１０４の径よりも大きく形成する。そして、ステータブラケット１０７と向かい合うロータ１０１の平面のうち、外径側には永久磁石１０３を固設し、内径側には前記永久磁石が存在しない分の軸方向深さを具えた凹部１０１bを形成する。円形の凹部１０１bは上述した小さな径の磁性ヨーク部材１０４を収容し、ロータ１０１と磁性ヨーク部材１０４とを少なくとも一部においてロータ回転軸線方向に重なり合うよう配置する。
磁性ヨーク部材１０４の外周縁をテーパとし、凹部１０１bを区画する永久磁石１０３の内周縁をテーパ孔とし、両者のテーパ角度を一致させる。
なお、凹部１０１bにあっては、ロータ軸方向に整列したロータ１０１と磁性ヨーク部材１０４との間に皿バネ２１を設け、磁性ヨーク部材１０４がロータ１０１から離れるよう付勢する。

図８に示す第３実施例でも、ロータ１０１およびステータ１０５間の磁気回路によってロータ１０１に与えられたロータトルクが、ボール１５と、磁性ヨーク部材１０４と、ボールスプライン１７とを経由してロータ回転軸１０に伝達される。そして上記のロータトルクが、前述した図３に示すように、磁性ヨーク部材１０４をロータ１０１に近づけて永久磁石１０３に当接させるものである。
つまり、ロータ回転軸１０の上記ロータトルクが所定の閾値以上である場合の通常の状態では、図８に示すように、このロータトルクが磁性ヨーク部材１０４をロータ１０１から離間して永久磁石１０３の磁束を短絡しない。
これに対し、ロータ回転軸１０のロータトルクが所定の閾値未満である場合では、図９に示すように、皿バネ２１に付勢された磁性ヨーク部材１０４がロータ１０１に押し付けられて永久磁石１０３の磁束を短絡する。

この第３実施例では、ロータ１０１と磁性ヨーク部材１０４との当接箇所をテーパ形状としたため、図９に示すように磁性ヨーク部材１０４が永久磁石１０３に隙間なく当接することができる。この当接した状態を図１１(ａ)に拡大して示す。図１１(ａ)に示すように磁性ヨーク部材１０４のテーパ１０４ｐは、磁性ヨーク部材１０４のロータ軸方向一側から他側に亘り形成される。
なお、テーパ形状は、図１１（ａ）に限定されない。例えば図１１（ｂ）に示すように、磁性ヨーク部材１０４のテーパ形状１０４ｐを、磁性ヨーク部材１０４の軸方向一側部で形成して、短絡する磁束量を規定することが可能である。
あるいは、図１１（ｃ）に示すように、磁性ヨーク部材１０４のテーパ１０４ｐのテーパ角度と、永久磁石１０３のテーパ孔１０３ｐのテーパ角度とを異ならせて、短絡する磁束量を規定することが可能である。

ところで上述した第１〜３実施例では、ロータ１に複数の永久磁石３を設け、ステータ５にコイル９を設け、これらロータ１およびステータ５間でロータ１を駆動するためのロータトルクを発生する回転電機において、このロータトルクを用いて前記複数の永久磁石３，３同士の磁束を短絡する永久磁石短絡機構（磁性ヨーク部材４およびカム機構）を設けたことから、
ロータトルクに応動して選択的に短絡状態を実現することが可能となる。したがって、磁性ヨーク部材４を動かすための制御システムが不要となり、構成の簡易化およびコスト低減を図ることができる。
さらに、カム機構を作動するために用いたロータトルクで、そのままロータ回転軸１０を駆動するため、永久磁石短絡機構を作動するために必要な力を有効利用することができる。
また、磁性ヨーク部材がスティックしても確実に永久磁石３の磁束を短絡させることができ、永久磁石短絡機構の作動信頼性を向上させることができる。

永久磁石短絡機構として具体的には、複数の永久磁石３，３同士の磁束を短絡する磁性ヨーク部材４と、磁性ヨーク部材４およびロータ１間の距離をロータトルクに応じて変化させる磁性体移動手段とを具える。

また磁性ヨーク部材４には磁性体突出部４ｔを周方向に複数設け、永久磁石３，３同士の磁束を短絡しない場合には図３(a)に示すように前記磁性体突出部４ｔの周方向位置と永久磁石３の周方向位置とを異ならせ、
永久磁石３，３同士の磁束を短絡する場合には磁性体移動手段が磁性ヨーク部材４を永久磁石３に対し相対回動させて磁性体突出部４ｔの先端を永久磁石３に当接することから、
非短絡状態では図３（ａ）に示すように磁性体突出部４ｔを永久磁石３から確実に離間することができ、磁束の短絡を確実に遮断して、回転電機の高トルク運転に寄与することができる。

具体的には、この磁性体移動手段を、ロータ１とロータ回転軸１０とを回転係合させるカム機構とする。第１実施例〜第３実施例では図４〜図９に示すように、ボール１５およびボール１５を軸方向両側から挟圧する円盤部材１，１６がカム機構を構成する。

このカム機構は、ロータ１とロータ回転軸１０との間で伝達されるロータトルクに応じたスラストを発生して、軸方向可動部材１６とロータ１との距離を変化させる。

本発明の永久磁石短絡機構は、第１実施例および第２実施例のように、ステータ５とロータ１とをロータ回転軸と直角なロータ径方向に配置してラジアルギャップ構造において実現することが可能である。
つまり図４〜図７に示すように、ロータ回転軸方向に移動するカム機構の軸方向可動部材１６を、ロータ１の近傍に設け、軸方向可動部材１６に磁性ヨーク部材４を取り付けた。

また本発明の永久磁石短絡機構は、第３実施例のように、ステータ１０５とロータ１０１とをロータ回転軸方向に配置してアキシャルギャップ構造においても実現することが可能である。
つまり図８〜図９に示すように、ロータ回転軸方向に移動するカム機構の軸方向可動部材１６を、ロータ１０１の近傍に設け、軸方向可動部材１６が磁性ヨーク部材１０４を兼用する。

また第１〜第３実施例では、軸方向可動部材１６をロータ１に近づくよう付勢する皿バネ２１を設けたことから、
ロータトルクに比例したスラストを軸方向可動部材１６に与えてこの軸方向可動部材１６をロータ１から遠ざけるカム機構を具えた第１〜第３実施例において、ロータトルクが小さくなれば、磁性ヨーク部材４を速やかにロータ１に当接させることができる。

また第３実施例ではロータ１０１と磁性ヨーク部材１０４とを、少なくとも一部においてロータ回転軸線方向に重合させて配置し、磁性ヨーク部材１０４のうちロータ１０１に当接する部分、またはロータ１０１のうちに磁性ヨーク部材１０４に当接する部分の少なくとも一方を、他方に向けてテーパ形状としたことから、
磁性ヨーク部材によって短絡される永久磁石の磁束量を規定することができる。

なお、上述したのはあくまでも本発明の一実施例であり、本発明はその主旨に逸脱しない範囲において種々変更が加えられうるものである。
例えば図示はしなかったが、図１１（ａ）〜（ｃ）の技術は第1実施例〜第２実施例にも適用可能である。つまり、ロータ１と磁性ヨーク部材４とを、少なくとも一部においてロータ回転軸線方向に重合させて配置し、磁性ヨーク部材４のうちロータ１に当接する部分、またはロータ１のうち磁性ヨーク部材４に当接する部分の少なくとも一方を、他方に向けてテーパ形状としてもよい。
また、上述した各実施例では、ロータトルクが所定の閾値よりも大きいかあるいは小さいかによって短絡または非短絡の２段階に変化する構成であるが、その他にも磁性ヨーク部材４を複数具えて短絡の度合い３段階以上で変化する構成でもよい。

本発明の一例になる磁束短絡機構の概要を示す斜視図であり、（ａ）は永久磁石同士の磁束を短絡しない状態を示し、（ｂ）は永久磁石同士の磁束を短絡した状態を示す。本発明の他の例になる磁束短絡機構の概要を示す斜視図であり、（ａ）は永久磁石同士の磁束を短絡しない状態を示し、（ｂ）は永久磁石同士の磁束を短絡した状態を示す。本発明のさらに他の例になる磁束短絡機構の概要を示す斜視図であり、（ａ）は永久磁石同士の磁束を短絡しない状態を示し、（ｂ）は永久磁石同士の磁束を短絡した状態を示す。本発明の第１実施例になる回転電機を、ロータ軸線を含む平面で断面にして示す縦断面図であり、非短絡状態を示す。同実施例の回転電機につき、短絡状態を示す縦断面図である。本発明の第２実施例になる回転電機を、ロータ軸線を含む平面で断面にして示す縦断面図であり、非短絡状態を示す。同実施例の回転電機につき、短絡状態を示す縦断面図である。本発明の第３実施例になる回転電機を、ロータ軸線を含む平面で断面にして示す縦断面図であり、非短絡状態を示す。同実施例の回転電機につき、短絡状態を示す縦断面図である。本実施例の回転電機における運転領域を、一般的な従来例と比較して示す特性図である。本発明の第３実施例の短絡状態を拡大して示す縦断面図であり、(ａ)は磁性ヨーク部材のロータ軸方向一側から他側に亘りテーパを形成した例を示し、（ｂ）は磁性ヨーク部材の軸方向一側部でテーパを形成した例を示し、（ｃ）は磁性ヨーク部材のテーパ角度と、永久磁石のテーパ角度とを異ならせた例を示す。

符号の説明

１１０１ロータ
２アンギュラー軸受
３１０３永久磁石
４１０４磁性ヨーク部材
５１０５ステータ
７回転電機ケース
８１０８ステータコア
９１０９コイル
１０ロータ回転軸
１５カム機構のボール
１６軸方向可動部材
１７ボールスプライン
２１皿バネ

Claims

ロータに複数の永久磁石を設け、ステータにコイルを設け、これらロータおよびステータ間で該ロータを駆動するためのロータトルクを発生する回転電機において、
前記ロータは、ロータ回転軸の外周に相対回転可能に支持し、
前記ロータトルクを用いて前記複数の永久磁石同士の磁束を短絡する磁束短絡機構を設け、
該磁束短絡機構は、
前記ロータ回転軸に対してロータトルクを伝達可能であると共に軸方向に相対移動可能に支持された軸方向可動部材に設けられて、該軸方向可動部材の軸方向の移動により複数の永久磁石同士の磁束を短絡する磁性ヨーク部材と、
該磁性ヨーク部材および前記ロータ間の距離を前記ロータトルクに応じて変化させる磁性体移動手段と、を具え、
該磁性体移動手段は、
前記ロータと前記軸方向可動部材との間に介在されて、前記ロータトルクを前記軸方向可動部材に伝達すると共に、前記ロータトルクに応じて前記軸方向可動部材が前記ロータから遠ざかるようスラストを与える周方向溝とボールとを備えたカム機構と、
前記軸方向可動部材を、前記ロータに近づくよう付勢する付勢手段と、
を具えていることを特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、
前記磁性体移動手段は、前記ロータトルクが小さくなるほど、前記軸方向可動部材を前記ロータから遠ざけるスラスト力も小さくなる構造であることを特徴とする回転電機。
請求項１または請求項２に記載の回転電機において、
前記磁性ヨーク部材に磁性体突出部を周方向に複数設け、
前記永久磁石同士の磁束を短絡しない場合には前記磁性体突出部の周方向位置と前記永久磁石の周方向位置とを異ならせ、
前記永久磁石同士の磁束を短絡する場合には前記磁性体移動手段が前記磁性ヨーク部材を永久磁石に対し相対回動させて前記磁性体突出部の先端を前記永久磁石に当接することを特徴とする回転電機。
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の回転電機において、
前記ステータと前記ロータとを前記ロータ回転軸と直角なロータ径方向に配置してラジアルギャップ構造としたことを特徴とする回転電機。
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の回転電機において、
前記ステータと前記ロータとをロータ回転軸に沿う方向に配置してアキシャルギャップ構造としたことを特徴とする回転電機。
請求項４または請求項５に記載の回転電機において、
前記ロータと、前記磁性ヨーク部材とを、少なくとも一部においてロータ回転軸線方向に重合させて配置し、前記磁性ヨーク部材のうち前記ロータに当接する部分、または該ロータのうち該磁性ヨーク部材に当接する部分の少なくとも一方を、他方に向けてテーパ形状としたことを特徴とする回転電機。