JP6006196B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、可変界磁型の回転電機に関する。

下記特許文献１の可変界磁型の回転電機では、ロータは、軸方向に分割され互いに相対回転可能な第１及び第２ロータ要素を含み、第１及び第２ロータ要素の位相関係を変化させることで、ステータに作用するロータの界磁磁束を変化させる。第１及び第２ロータ要素のそれぞれは、複数の電磁鋼板が軸方向に積層されたロータコアと、ロータコアに配設された磁石とを含み、周方向に互いに間隔をおいて配置された複数のリベットの各々が電磁鋼板を貫通することで、積層された複数の電磁鋼板が固定されている。

特開２０１１−８３１４５号公報 特開２０１１−１８８５６７号公報 特開２０１３−４６４４０号公報

特許文献１において、第１及び第２ロータ要素のロータコアを構成する電磁鋼板には、磁石の同方向磁束による相互斥力作用で、軸方向外側に開こうとする力が作用する。特許文献１では、電磁鋼板の軸方向外側への開きを複数のリベットにより抑制しているものの、各リベットが電磁鋼板を貫通しているため、ロータコアの磁気特性が悪化するおそれがある。

本発明は、第１及び第２ロータ要素のロータコアの磁気特性の悪化を抑制しつつ、ロータコアを構成する電磁鋼板の開きを抑制することを目的とする。

本発明に係る回転電機は、上述した目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明に係る回転電機は、ステータコイルが配設されたステータと、軸方向に並んだ状態でステータと対向配置された第１及び第２ロータ要素を含むロータと、を備え、第１ロータ要素は、第１ロータシャフトとともに回転し、第２ロータ要素は、第１ロータシャフトに対し相対回転可能な第２ロータシャフトとともに回転し、第１ロータ要素は、周方向に交互に配置された極性の異なる複数の第１磁石と、複数の電磁鋼板が軸方向に積層された第１ロータコアとを有し、第２ロータ要素は、周方向に交互に配置された極性の異なる複数の第２磁石と、複数の電磁鋼板が軸方向に積層された第２ロータコアとを有し、第１ロータ要素が軸方向において第１ロータシャフトに固定された非磁性の第１拘束板と第２拘束板間に挟まれ、第２ロータ要素が軸方向において第２ロータシャフトに固定された非磁性の第３拘束板と第４拘束板間に挟まれ、第１拘束板と第３拘束板が接触し、第１拘束板と第３拘束板の接触面に低摩擦処理が施されていることを要旨とする。

本発明によれば、第１及び第２ロータ要素の位相関係を変化させることでステータに作用するロータの界磁磁束を変化させる可変界磁型の回転電機において、第１及び第２ロータ要素のロータコアの磁気特性の悪化を抑制しつつ、ロータコアを構成する電磁鋼板の開きを抑制することができる。

本発明の実施形態に係る回転電機の構成例を示す図である。 図１のＡ−Ａ断面に相当する図である。 永久磁石の同方向磁束による相互斥力作用で電磁鋼板に作用する軸方向外側に開こうとする力を説明する図である。 制御装置の構成例を示す機能ブロック図である。 図２において、第１ロータ要素及び第２ロータ要素を外径側から見た図である。 図５のロータを軸方向に見た模式図であって、第２ロータ要素側から第１ロータ要素側に見た図である。 図５において、ロータ間位相を変化させるようにステータ磁界を生成する様子を示す模式図である。 ロータ間位相θｅと、ロータ要素間に作用するロータ間磁石トルクとの関係を示す図である。 図８のロータ間磁石トルクの正方向を示す図である。 図２において、極性逆転状態から極性同一状態に遷移する状態を示す図である。 図１０に対応して、極性逆転状態から極性同一状態に遷移する状態をロータの外径側から見た図である。 ロータ間位相θｅとロータ位相関係の安定性との関係を示す図である。 図２において、極性同一状態から極性逆転状態に遷移する状態を示す図である。 図１３に対応して、極性同一状態から極性逆転状態に遷移する状態をロータの外径側から見た図である。 ディテント機構の構成例を示す図である。 ステータ磁界により第２ロータ要素に発生させるトルク及びロータ間磁石トルクと、ロータ間位相θｅとの関係を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。

図１，２は、本発明の実施形態に係る回転電機の概略構成を示す図である。図１は回転電機の軸方向と直交する方向から見た断面図を示し、図２は図１のＡ−Ａ断面に相当する図を示す。回転電機は、ケーシングに固定されたステータ２４と、径方向においてステータ２４と所定の空隙（磁気的ギャップ）を空けて対向し、ステータ２４に対し相対回転可能なロータ２８とを有する。図１の例では、ロータ２８がステータ２４の内周側（径方向内側）の位置でステータ２４と対向配置されている。

ステータ２４は、ステータコア３６と、ステータコア３６にその周方向に沿って配設された複数相であるＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相のステータコイル３８ｕ，３８ｖ，３８ｗとを含む。３相のステータコイル３８ｕ，３８ｖ，３８ｗに３相の交流電流が流れることで、ステータ周方向に回転する回転磁界がステータ２４に発生する。

ロータ２８は、軸方向に並んだ状態でステータ２４と径方向に対向配置された主ロータ（第１ロータ要素）４０及び副ロータ（第２ロータ要素）４２を含む。主ロータ４０と副ロータ４２は、軸方向に磁気的ギャップを空けて対向配置されている。図１の例では、主ロータ４０が副ロータ４２より軸方向一方側（図の左側）に配置され、主ロータ４０がステータコア３６の軸方向一方側部分（図の左側部分）と径方向に対向し、副ロータ４２がステータコア３６の軸方向他方側部分（図の右側部分）と径方向に対向する。

主ロータ４０は、複数の電磁鋼板が軸方向に積層された主ロータコア４６と、主ロータコア４６にその周方向に沿って互いに等間隔で配設された複数の主永久磁石４８ｎ，４８ｓとを含む。図２では、主ロータ４０の主永久磁石４８ｎ，４８ｓを透視して示している。図２の例では、主永久磁石４８ｎ，４８ｓは、主ロータコア４６の周方向複数個所に２つを１組としてＶ字形に埋設されているが、必ずしもＶ字形に配置する必要はない。主永久磁石４８ｎは外周側がＮ極であり、主永久磁石４８ｓは外周側がＳ極であり、主永久磁石４８ｎと主永久磁石４８ｓが周方向に交互に配置されることで、主永久磁石４８ｎ，４８ｓの極性が周方向に交互に異なる。

副ロータ４２は、複数の電磁鋼板が軸方向に積層された副ロータコア５４と、副ロータコア５４にその周方向に沿って互いに等間隔で配設された複数の副永久磁石５６ｎ，５６ｓとを含む。図２の例では、副永久磁石５６ｎ，５６ｓは、副ロータコア５４の周方向複数個所に２つを１組としてＶ字形に埋設されているが、必ずしもＶ字形に配置する必要はない。副永久磁石５６ｎは外周側がＮ極であり、副永久磁石５６ｓは外周側がＳ極であり、副永久磁石５６ｎと副永久磁石５６ｓが周方向に交互に配置されることで、副永久磁石５６ｎ，５６ｓの極性が周方向に交互に異なる。副永久磁石５６ｎ，５６ｓの周方向間隔は、主永久磁石４８ｎ，４８ｓの周方向間隔に等しい。

主ロータシャフト２６には、非磁性の拘束板６１，６２が例えば溶接等により接合されることで固定されている。拘束板６１，６２の非磁性材料としては、例えばステンレス等を用いることが可能である。拘束板６１，６２は、軸方向に互いに間隔をおいて配置され、拘束板６２が拘束板６１より軸方向一方側に配置され、主ロータ４０（主ロータコア４６）が軸方向において拘束板６１と拘束板６２間に挟み込まれている。さらに、主ロータ４０（主ロータコア４６）は、主ロータシャフト２６と例えばキー溝やスプライン等により係合していることで、主ロータ４０が主ロータシャフト２６及び拘束板６１，６２とともに一体で回転する。あるいは、主ロータ４０（主ロータコア４６）と主ロータシャフト２６を例えば焼き嵌め等による圧入で組み付けることも可能である。

副ロータシャフト５２には、非磁性の拘束板６３，６４が例えば溶接等により接合されることで固定されている。拘束板６３，６４の非磁性材料についても、例えばステンレス等を用いることが可能である。拘束板６３，６４は、軸方向に互いに間隔をおいて配置され、拘束板６３が拘束板６４より軸方向一方側に配置され、副ロータ４２（副ロータコア５４）が軸方向において拘束板６３と拘束板６４間に挟み込まれている。さらに、副ロータ４２（副ロータコア５４）は、副ロータシャフト５２と例えばキー溝やスプライン等により係合していることで、副ロータ４２が副ロータシャフト５２及び拘束板６３，６４とともに一体で回転する。あるいは、副ロータ４２（副ロータコア５４）と副ロータシャフト５２を例えば焼き嵌め等による圧入で組み付けることも可能である。副ロータシャフト５２は、ベアリング５０により主ロータシャフト２６に対し相対回転可能に支持されていることで、副ロータ４２が主ロータ４０に対し相対回転可能である。ただし、主ロータシャフト２６に対する副ロータシャフト５２の軸方向移動は拘束されていることで、主ロータ４０に対する副ロータ４２の軸方向移動は拘束される。

本実施形態では、軸方向において主ロータ４０と副ロータ４２間に、互いに相対回転可能な非磁性の拘束板６１，６３が設けられ、拘束板６１と拘束板６３が接触する。さらに、拘束板６１と拘束板６３の接触面に低摩擦処理が施されている。つまり、拘束板６１における拘束板６３との接触面、及び拘束板６３における拘束板６１との接触面に、低摩擦材がコーティングされている。低摩擦材としては、例えばＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）、ポリアミドイミド樹脂、あるいはフッ素樹脂等を用いることが可能である。主ロータ４０と副ロータ４２間の軸方向磁気的ギャップが、ステータ２４とロータ２８（主ロータ４０及び副ロータ４２）間の径方向磁気的ギャップの２倍より小さくなるように、拘束板６１，６３の軸方向厚さの合計が、ステータ２４とロータ２８間の径方向磁気的ギャップの２倍より小さく設定される。一方、拘束板６２，６４を軸方向に撓みにくくするために、拘束板６２，６４の軸方向厚さは、拘束板６１，６３の軸方向厚さより十分厚いことが好ましい。

本実施形態に係る回転電機では、主ロータ４０と副ロータ４２の位相関係が変化することで、ステータ２４に作用するロータ２８の界磁磁束量である有効磁束量が変化する。「有効磁束量」は、主ロータ４０と副ロータ４２の合成磁束によりステータ２４に対し実質的に作用する磁束量をいう。例えば、主ロータ４０と副ロータ４２で同一極性の主永久磁石４８ｎと副永久磁石５６ｎ（主永久磁石４８ｓと副永久磁石５６ｓ）が周方向の同位相に配置される極性同一状態の場合、有効磁束量が最大となる。この場合、有効磁束量は１００％となる。なお、有効磁束量を％で表す場合、極性同一状態の場合を１００％として、それに対する有効磁束量の割合をいう。一方、副ロータ４２が主ロータ４０に対し相対回転し、主ロータ４０と副ロータ４２で同一極性の主永久磁石４８ｎと副永久磁石５６ｎ（主永久磁石４８ｓと副永久磁石５６ｓ）の周方向の位置ずれが生じると有効磁束量が減少する。例えば、主ロータ４０と副ロータ４２で同一極性の主永久磁石４８ｎと副永久磁石５６ｎ（主永久磁石４８ｓと副永久磁石５６ｓ）が電気角で１８０度ずれて、逆極性の主永久磁石４８ｎと副永久磁石５６ｓ（主永久磁石４８ｓと副永久磁石５６ｎ）が周方向の同位相に配置される極性逆転状態の場合、有効磁束量は０となる。このように、本実施形態に係る回転電機は、ステータ２４に作用するロータ２８の界磁磁束量を変化させる可変界磁型の回転電機として機能する。なお、主ロータ４０と副ロータ４２を互いに相対回転させる方法については後述する。

主ロータコア４６を構成する電磁鋼板には、図３に示すように、主永久磁石４８ｎ，４８ｓの同方向磁束による相互斥力作用で、軸方向外側に開こうとする力が作用する。同様に、副ロータコア５４を構成する電磁鋼板にも、副永久磁石５６ｎ，５６ｓの同方向磁束による相互斥力作用で、軸方向外側に開こうとする力が作用する。主ロータコア４６を構成する電磁鋼板や、副ロータコア５４を構成する電磁鋼板が軸方向外側に開くと、主ロータ４０と副ロータ４２間で磁束が作用しにくくなり、ステータ２４に作用するロータ２８の有効磁束量の制御性が低下する。

これに対して本実施形態によれば、軸方向において、主ロータコア４６を構成する電磁鋼板が拘束板６１と拘束板６２間に挟まれ、副ロータコア５４を構成する電磁鋼板が拘束板６１に接触する拘束板６３と拘束板６４間に挟まれていることで、主ロータコア４６を構成する電磁鋼板、及び副ロータコア５４を構成する電磁鋼板の軸方向外側への開きを抑制することができる。その結果、ステータ２４に作用するロータ２８の有効磁束量の制御性を向上させることができる。その際には、特許文献１のような電磁鋼板を貫通する複数のリベットを用いることなく電磁鋼板の開きを抑制できるとともに、非磁性材料である拘束板６１，６２，６３，６４への漏れ磁束も少ない。したがって、主ロータコア４６及び副ロータコア５４の磁気特性の悪化を招くこともない。さらに、複数のリベットを用いることなく部品点数及びリベット加工工程を減らすことができるとともに、電磁鋼板の開きをリベットのように局所的ではなくロータコア全面で抑えているため、電磁鋼板の開きを均一且つ確実に抑えることができる。

また、本実施形態によれば、拘束板６１と拘束板６３の接触面には低摩擦処理が施されていることで、ステータ２４に作用するロータ２８の有効磁束量を変化させるために、主ロータ４０と副ロータ４２を互いに相対回転させるときの抵抗力（摩擦力）を低減することができる。さらに、主ロータ４０と副ロータ４２間の吸引力が拘束板６１と拘束板６３の接触面の全面に作用するため、拘束板６１と拘束板６３の接触面の面圧を低下させることができ、拘束板６１，６３の耐磨耗性を向上させることができる。また、拘束板６１，６３は溶接等により接合されているため、ボルトやリベット等の頭部のためのスペースを設ける必要もない。

次に、ステータ２４に作用するロータ２８の界磁磁束量を変化させるために、主ロータ（第１ロータ要素）４０と副ロータ（第２ロータ要素）４２を互いに相対回転させる方法について説明する。第１ロータ要素４０と第２ロータ要素４２を互いに相対回転させるために、例えば特許文献１の油圧機構や、特許文献２の磁束可変装置や、特許文献３のハブ及びスライダ等を適用することも可能であるが、ここでは、外部アクチュエータを用いずにステータコイル３８ｕ，３８ｖ，３８ｗの電流制御により第１ロータ要素４０と第２ロータ要素４２を互いに相対回転させる方法について説明する。

第２ロータ要素４２（副ロータシャフト５２）と第１ロータ要素４０（主ロータシャフト２６）との間には一方向クラッチが設けられる。ここでの一方向クラッチは、第１ロータ要素４０に対する第２ロータ要素４２の一方向である図１、図２の矢印αとは逆方向の回転のみを許容し、矢印α方向の回転を阻止する。矢印α方向は、主ロータシャフト２６の正トルク発生方向である。

図４の制御装置７０において、ロータ間位相取得部７２は、回転角センサから取得した第１ロータ要素４０の回転角及び第２ロータ要素４２の回転角から、第１ロータ要素４０に対する第２ロータ要素４２の相対位相の差であるロータ間位相θｅを取得する（図２参照）。相対位相の差とは、後述するように正負で、ずれの方向も区別する意味である。

有効磁束量設定部７４は、予め設定された所定条件にしたがって有効磁束量を設定する。例えばロータ２８の回転速度が高い場合、有効磁束量が高すぎると、ステータコイル３８ｕ，３８ｖ，３８ｗにロータ２８から作用する逆起電圧が大きくなり、出力低下を招く場合があるので、有効磁束量を予め設定した所望値に減少させることで出力低下を抑制できる。

電流ベクトル制御部７６は、有効磁束量設定部７４で設定された有効磁束量に応じてステータコイル電流を電流ベクトル制御で制御する。この場合、電流ベクトル制御部７６は、各ロータ要素４０，４２の磁石４８ｎ，４８ｓ，５６ｎ，５６ｓの位置関係に対応して、任意の有効磁束量で磁界を発生させることを可能とする。この場合、電流ベクトル制御部７６は、第１ロータ要素４０に対し第２ロータ要素４２を回転させるトルクを発生させて、２つのロータ要素４０，４２の間のロータ間位相θｅを遷移させるようにステータ磁界を生成するように、ステータコイル電流をベクトル制御する。「ロータ間位相θｅ」は、第１ロータ要素４０に対する第２ロータ要素４２の相対位相差を電気角で表すものである。ロータ間位相θｅは、第１ロータ要素４０のＮ極磁石またはＳ極磁石が配置される位置を基準として、第２ロータ要素４２側から第１ロータ要素４０を軸方向に見た場合に、第２ロータ要素４２の基準の磁石と同極性のＮ極磁石またはＳ極磁石が図２の反時計方向に位置ずれする場合を正とする。一方、第２ロータ要素４２のＮ極磁石またはＳ極磁石が図２の時計方向に位置ずれする場合を負とする。ロータ間位相θｅが０°である場合、極性同一状態が成立し、正負いずれかの方向に１８０度ずれた場合に、極性逆転状態が成立する。電流ベクトル制御部７６は、ロータ間位相θｅの遷移によって、ロータ２８の有効磁束量を変化させる。次に、有効磁束量の制御のための電流ベクトル制御の考え方とその制御方法とを説明する。

図５は、図２において、第１ロータ要素４０及び第２ロータ要素４２を外径側から見て示している。図６は、図５のロータ２８を軸方向に見た模式図で、第２ロータ要素４２側から第１ロータ要素４０側に見た図である。図６では、第２ロータ要素４２の後側に配置される第１ロータ要素４０側の磁石４８ｎ，４８ｓを（Ｎ）（Ｓ）で示している。また、図６では、磁石４８ｎ，４８ｓ，５６ｎ，５６ｓの数を実際の数よりも少なく簡略化して示している。図５、図６は、各ロータ要素４０，４２の逆極性の磁石４８ｎ，４８ｓ，５６ｎ，５６ｓ同士の周方向の位相が一致する極性逆転状態を示している。図５及び後述する図７では、互いに離れる向きの矢印で吸引力が作用することを表し、互いに近づく向きの矢印で反発力が作用することを表す。この場合、図５に示すように、２つのロータ要素４０，４２の磁石４８ｎ，４８ｓ，５６ｎ，５６ｓ間で、軸方向に対向する逆極性の磁石同士の間で吸引力が作用し、軸方向に対し傾斜した方向に対向する同極性の磁石同士の間で反発力が作用する。しかしながら、軸方向に対向する逆極性の磁石同士の吸引力が強いので、結果として、極性逆転状態でロータ要素４０，４２間の位相関係であるロータ位相関係が最も安定した状態となる。

次に、この状態において、ロータ要素４０，４２間のロータ位相関係を異なる位相関係に遷移させるための制御として、図６で示すｄ軸方向位置に見かけ上のＮ極及びＳ極の磁極が配置されるステータ磁界を考える。この場合、第２ロータ要素４２では図における左上側にＳ極が位置しているので、ステータ磁束による磁気的吸引力で第２ロータ要素４２がβ方向に回転する。一方、第１ロータ要素４０では、図における右下側にＳ極が位置しているため、ステータ磁束による磁気的吸引力で第１ロータ要素４０はγ方向に回転する。この場合、両ロータ要素４０，４２同士で逆方向に回転するので、ロータ２８全体に対し回転に寄与しないトルクが作用する。このような考えから、制御装置７０は、第１ロータ要素４０及び第２ロータ要素４２に対し互いに逆方向に回転させる方向にトルクを発生させ、ロータ２８全体に対し回転に寄与しないトルクを発生させるようにステータコイル電流をベクトル制御する。例えば、このようなトルクを発生させる位置に磁束を発生させるようにステータ磁界を生成するように、ステータコイル電流をベクトル制御する。この構成により、第２ロータ要素４２が第１ロータ要素４０に対し回転する。この場合、両ロータ要素４０，４２の合成磁束に対して、図６のｄ軸方向にステータ磁束が発生するようにステータ磁界を決定して、第２ロータ要素４２を第１ロータ要素４０に対して回転させるトルクを発生させる。このようなステータ磁界は、ｄ−ｑ座標系で電流指令を決定する電流ベクトル制御で決定できる。図６ではｄ軸磁束が発生するが、ｑ軸磁束は発生しない場合を示しており、ｄ軸電流のみが発生する。しかしながらロータ２８の正方向である図１、図２のα方向にロータ２８を回転させる場合にｑ軸磁束を発生させるためのｑ軸電流をｄ軸電流に合わせて発生させることもできる。

図７は、このようにステータ磁界を生成した場合の図５に対応する模式図を示している。図７の破線枠で示すように、第１ロータ要素４０のＮＳ間の外径側と第２ロータ要素４２のＳＮ間の外径側とに共通の見かけ上のＮ極が形成され、周方向両側の外径側に見かけ上のＳ極が形成されるようにステータ磁界が生成される。これにより、第１ロータ要素４０は図７の上方であるγ方向に変位し、第２ロータ要素４２は図７の下方であるβ方向に変位し、互いに逆方向に回転させるトルクが発生する。制御装置７０は、このトルクを発生させることで、ロータ位相関係を極性逆転状態から極性同一状態に向けて遷移させる。この場合、上記のロータ間位相θｅ（図２）が遷移する。

例えば、図８に示すように、ロータ位相関係には、極性逆転状態と極性同一状態とがある。極性同一状態は、各ロータ要素４０，４２の同極性の磁石同士の間で周方向の位相が一致する状態である。制御装置７０は、ロータ位相関係が極性逆転状態と極性同一状態との間にある場合に、各ロータ要素４０，４２に互いに逆方向に回転させる方向にトルクを発生させ、ロータ２８全体に対し回転に寄与しないトルクを発生させるように、ステータコイル電流をベクトル制御で制御する。例えば、このようなトルクを発生させる位置に磁束が発生するステータ磁界を生成するように、ステータコイル電流をベクトル制御する。この場合、制御装置７０は、ロータ間位相θｅが極性逆転状態から極性同一状態に向かって遷移するように、ステータコイル電流をベクトル制御する。

図８では、ロータ間位相θｅと、ロータ要素４０，４２間に作用するロータ間磁石トルクとの関係を示している。「ロータ間磁石トルク」は、図９のように正方向を規定する。図８で示すように、ロータ間位相θｅが−１８０°＜θｅ＜０°である場合、ロータ間磁石トルクは「負」となり、各ロータ要素４０，４２同士のＮ極磁石４８ｎ，５６ｎとＳ極磁石４８ｓ，５６ｓとの間の吸引力により、負方向のトルク、すなわちθｅ＝−１８０°の状態に向かう方向のトルクがロータ要素４０，４２に作用する。この場合、各ロータ要素４０，４２は、図９で示す方向と逆方向にトルクが作用する。このため、θｅを正方向に変化させる場合、これと逆方向である図９の矢印方向のトルクを発生させる必要がある。

一方、ロータ間位相θｅが０°＜θｅ＜１８０°である場合、ロータ間磁石トルクは「正」となり、各ロータ要素４０，４２同士のＮ極磁石４８ｎ，５６ｎとＳ極磁石４８ｓ，５６ｓとの間の吸引力により、正方向のトルク、すなわちθｅ＝＋１８０°の状態に向かう方向のトルクがロータ要素４０，４２間に作用する。この場合、各ロータ要素４０，４２は、図９で示す方向と同方向にトルクが作用する。このため、θｅを正方向に変化させる場合、θｅ＝０°の状態から少なくとも一時的でもθｅ＞０°の状態にすれば、正のロータ間磁石トルクによって外部から駆動トルクを加えることなく、θｅ＝＋１８０°の状態にまで変化させることが可能となる。

まず、−１８０°≦θｅ＜０°の場合にθｅが正方向に遷移するようにロータ位相関係を遷移させる制御を説明する。図１０、図１１の（ａ）から（ｄ）では、−１８０°≦θｅ≦０°でのθｅの正方向の遷移を示している。θｅ＝−１８０°の極性逆転状態では、所定の方向に磁極を形成するステータ磁界を発生させるように、３相のステータコイル３８ｕ，３８ｖ，３８ｗに流れる電流であるステータコイル電流をベクトル制御する。この場合、第１ロータ要素４０及び第２ロータ要素４２の同極性の磁石４８ｓ、５６ｓの周方向間隔を２等分する方向として、第１ロータ要素４０の第１磁石４８ｓを基準として位相がθｅ／２ずれた方向に、その基準の磁石４８ｓと同方向の磁束が生じるようにステータ磁界を発生させる。これによって、ステータ磁界と各ロータ要素４０，４２の磁石磁束との間に磁気吸引力が発生し、各ロータ要素４０，４２間に同極性の磁石４８ｓ，５６ｓ同士を近づけるトルクである、正方向のトルクを発生させることができる。上記では、磁石４８ｓ、５６ｓに対応するステータ磁束を説明したが、磁石４８ｎ、５６ｎに対応するステータ磁束の場合も方向が逆になるだけで同様である。図１０では、ステータ磁界が発生させる矢印Ｎ，Ｓで示す磁束とロータ２８の磁石４８ｎ，４８ｓ，５６ｎ，５６ｓとの間で作用するように示す両方向の矢印δで、吸引力が発生することを示している。

上記の正方向のトルクによって、θｅを正方向に遷移させることが可能となる。この際、ベクトル制御により発生するステータ磁界の磁束方向はθｅの遷移に同期して制御する必要があるので、各ロータ要素４０，４２の回転角度を検出する２つの回転角センサの検出値を随時、制御装置７０で取得、すなわち受信して、その検出値に応じた方向に磁束を発生するステータ磁界が生成されるように制御する。

なお、ステータ磁界によってロータ要素４０，４２間にトルクが発生するが、ステータ磁界は２つのロータ要素４０，４２の同極性の磁石の磁束の位相中心である、２つのロータ要素４０，４２の合成磁束のｄ軸方向の磁界のみとなるので、主ロータシャフト２６を介して外部に作用するトルクは発生しない。

上記の方法でロータ位相関係をθｅの正方向に遷移させる「正トルク発生動作」を行うことで、ロータ２８の有効磁束量が所望値となった状態で、ステータ磁界を０とする。例えば、ステータ磁界で生じるｄ軸磁束及びｑ軸磁束のうち、ｄ軸磁束のみを０とするようにステータ電流をベクトル制御してもよい。この場合、θｅ＝−１８０°の状態に戻そうとするトルクとして、ロータ要素４０，４２間に図８の負方向のロータ間磁石トルクが作用する。しかしながら、第２ロータ要素４２と主ロータシャフト２６との間に設けられた一方向クラッチの機能により、θｅが負方向に変化することなく、「位相固定動作」として、ロータ間位相θｅを一定としてロータ位相関係を維持することができる。

図１２は、ロータ間位相θｅとロータ位相関係の安定性との関係を概念的に示している。点Ｐ１の極性逆転状態から点Ｐ２の極性同一状態に向かってロータ間位相θｅが正方向に遷移する場合に、上記のようにｄ軸磁束が発生するステータ磁界が生成されるように制御することで、ロータ間位相θｅ及び安定性は矢印Ｑ１方向に変化する。この場合、有効磁束量の所望値でステータ磁界を０とすると、位相安定方向であるＲ方向に移動させる負方向のロータ間磁石トルクが作用する。しかしながら、一方向クラッチの機能により所望状態、例えば点Ｐ３，Ｐ４の状態で保持することが可能となる。この状態で、極性逆転状態の有効磁束０状態から、ロータ２８の有効磁束量が増大する。

さらに有効磁束量を大きくする場合、上記の正トルク発生動作と位相固定動作とを繰り返す。上記の動作により、ロータ間位相を磁束０％状態から磁束１００％状態に遷移させることが可能となる。

次に、０°≦θｅ＜＋１８０°の場合にθｅが正方向に遷移するようにロータ位相関係を遷移させる制御を説明する。図１３、図１４の（ａ）から（ｃ）では、０°≦θｅ≦＋１８０°でのθｅの正方向の遷移を示している。θｅ＝０°の極性同一状態から正方向に遷移させる場合、少なくとも初期時である第２ロータ要素４２の駆動初期において、各ロータ要素４０，４２間に位相差、すなわち正のロータ間位相θｅを発生させるステータ磁界を生成するように、ステータコイル電流をベクトル制御する。この場合、第２ロータ要素４２の駆動初期において、２つのロータ要素４０，４２の同極性の磁石同士の間で位相差を大きくするステータ磁界を生成するように、ステータコイル電流をベクトル制御する。例えば、駆動初期に一時的にロータ２８に矢印β（図１３）方向にトルクを与える所定の大きさのｑ軸磁束が発生するようにステータ磁界を生成する。

この場合、所定の方向に磁束を発生させるステータ磁界が形成されるように、ステータコイル電流をベクトル制御する。このステータ磁界では、図１３、図１４の（ａ）で示すように、同位相となっている２つのロータ要素４０，４２の同極性の磁石の磁束と同方向のステータ磁束が、ロータ間位相θｅの正方向にずれた位置、例えば図１３（ａ）で矢印Ｎの位置に形成されるようにする。これによって、ステータ磁界が各ロータ要素４０，４２に同じ大きさのβ方向のトルクを発生させるが、主ロータシャフト２６と一体構造の第１ロータ要素４０は回転慣性が大きく、主ロータシャフト２６と一体構造でない第２ロータ要素４２は第１ロータ要素４０よりも回転慣性が小さい。このため、第２ロータ要素４２に作用する図９の正方向のトルクによって、第２ロータ要素４２を第１ロータ要素４０に対して、β方向に回転させることができる。

この正方向のトルクによって、ロータ間位相を、θｅ＝＋１８０°となる状態に向かって遷移させることができる。

この場合、図１２で、点Ｐ２の極性同一状態において、上記のようにステータ磁界が発生するように制御することで、ロータ間位相θｅ及び安定性は矢印Ｑ２方向に変化する。この場合、０°＜θｅ＜＋１８０°の範囲で常に、図８の正のロータ間磁石トルクが作用するので、外部から駆動トルクを加えることなく、位相安定状態である極性逆転状態に遷移させることができる。

上記のように極性同一状態で所定の方向に磁極を形成するステータ磁界を発生させる場合に、制御装置７０は、２つのロータ要素４０，４２の両方に同方向に回転させるように、ステータコイル電流をベクトル制御して、第２ロータ要素４２を第１ロータ要素４０に対し回転させる構成を採用してもよい。例えば、２つのロータ要素４０，４２の両方に同方向に回転させる位置にパルス状に磁束が発生するステータ磁界を生成するように、ステータコイル電流をベクトル制御してもよい。

なお、一方向クラッチに代えて（あるいは加えて）、例えば図１５に示すようなディテント機構９６を設けることも可能である。ディテント機構９６は、有効磁束量が１００％となる場合で、第１ロータ要素４０及び第２ロータ要素４２のロータ間位相が極性同一状態である場合に、極性同一状態を保持する。ディテント機構９６は、主ロータシャフト２６の軸方向側面に設けられた凹部と副ロータシャフト５２の軸方向側面の凹部とにボールを係合させるように、このボールにバネでバネ力を付与して、２つのロータ要素４０，４２間の位相を維持する。ディテント機構９６は、ロータ間磁石トルクではロックが解除されず、ステータ磁界によるロータ位相関係を遷移させるための駆動力でロックが解除されるように所定の固定力を発生させる。また、制御装置７０は、ロータ間位相が、有効磁束量の０％の極性逆転状態と極性同一状態との２つの切替状態のいずれかのみで保持されるように、ステータコイル電流をベクトル制御する。

また、以下の方法により第１ロータ要素４０と第２ロータ要素４２を互いに相対回転させることも可能である。ステータ磁界により第２ロータ要素４２に発生させるトルク及びロータ間磁石トルクと、ロータ間位相θｅとの関係を図１６に示す。制御装置７０は、ロータ間位相θｅが、有効磁束量の０％の極性逆転状態と、有効磁束量が１００％の極性同一状態との２つの切替状態のいずれかのみで保持されるように、ステータコイル電流をベクトル制御する。この場合、極性逆転状態から極性同一状態にロータ間位相θｅを遷移させる場合に、θｅ＝−１８０°の状態で、θｅ＝０°に遷移できるだけのエネルギを発生させるようにベクトル制御する。この場合、θｅ＝−１８０°からθｅ＝０°までの遷移全体でロータ２８に作用するロータ間磁石トルクによる吸引力エネルギと、第２ロータ要素４２を回転移動させる慣性エネルギとに見合う吸引力エネルギを、第２ロータ要素４２の駆動初期に瞬間的に付与するように、ステータコイル電流をベクトル制御する。また、極性同一状態から極性逆転状態に遷移させる場合に、２つのロータ要素４０，４２の両方に同方向に回転させるように、ステータコイル電流をベクトル制御する。例えば、２つのロータ要素４０，４２の両方に同方向に回転させる位置に矩形波または三角波のパルス状に磁束が発生するステータ磁界を生成するように、ステータコイル電流をベクトル制御する。この場合のステータ磁界による発生トルクは、極性逆転状態から遷移させる場合に加えるトルクよりも小さくできる。上記構成によれば、ロータ位相関係の遷移動作領域全域ではロータ間位相θｅに基づいたステータ磁束を発生するベクトル制御を行う必要がなくなる。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

２４ ステータ、２６ 主ロータシャフト、２８ ロータ、３６ ステータコア、３８ｕ，３８ｖ，３８ｗ ステータコイル、４０ 主ロータ（第１ロータ要素）、４２ 副ロータ（第２ロータ要素）、４６ 主ロータコア、４８ｎ，４８ｓ 主永久磁石、５０ ベアリング、５２ 副ロータシャフト、５４ 副ロータコア、５６ｎ，５６ｓ 副永久磁石、６１，６２，６３，６４ 拘束板、７０ 制御装置、７２ ロータ間位相取得部、７４ 有効磁束量設定部、７６ 電流ベクトル制御部、９６ ディテント機構。

Claims (1)

1. ステータコイルが配設されたステータと、
   軸方向に並んだ状態でステータと対向配置された第１及び第２ロータ要素を含むロータと、
   を備え、
   第１ロータ要素は、第１ロータシャフトとともに回転し、
   第２ロータ要素は、第１ロータシャフトに対し相対回転可能な第２ロータシャフトとともに回転し、
   第１ロータ要素は、周方向に交互に配置された極性の異なる複数の第１磁石と、複数の電磁鋼板が軸方向に積層された第１ロータコアとを有し、
   第２ロータ要素は、周方向に交互に配置された極性の異なる複数の第２磁石と、複数の電磁鋼板が軸方向に積層された第２ロータコアとを有し、
   第１ロータ要素が軸方向において第１ロータシャフトに固定された非磁性の第１拘束板と第２拘束板間に挟まれ、
   第２ロータ要素が軸方向において第２ロータシャフトに固定された非磁性の第３拘束板と第４拘束板間に挟まれ、
   第１拘束板と第３拘束板が接触し、第１拘束板と第３拘束板の接触面に低摩擦処理が施されている、回転電機。

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